JP3918049B2

JP3918049B2 - ２足歩行ロボット

Info

Publication number: JP3918049B2
Application number: JP2002065106A
Authority: JP
Inventors: 治松本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP2003266337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両足に平行２輪を備えて２足歩行により移動を行う２足歩行ロボットに関し、特に２足によって階段を移動できると共に、平坦面においては車輪により高速で移動すると共に、自由に操向可能とした２足歩行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動ロボットの研究が広範に行われているが、人間環境内で自由に移動するためには環境内に段差が多いため、この段差を円滑に移動する必要があり、そのためには多足のロボットを用いることが望ましい。その中でも２足歩行ロボットは例えば４足、６足のような多足歩行ロボットと比較してバランスをとって歩行作動させることが困難である反面、少ないスペース上で移動でき、また人間の動作の研究にも応用でき、特に人間の感覚になじみやすい為アミューズメント機能も備え、人間と共生できるロボットとして期待されている。
【０００３】
このような２足歩行ロボットについても広く研究がなされており、段差のある部分や階段を円滑に移動する研究開発が重点的に行われている。しかしながら、２足歩行ロボットが単に歩行のみによって移動する際には平坦面においても歩行移動することとなり、その移動速度は限られたものとならざるを得ない。本来、平坦面の移動は車輪を用いることにより高速で移動することができるものであり、ロボットのような機械においては足につけた車輪をモータで駆動することにより容易に対応することができる。
【０００４】
その観点から本件発明者らは、各脚に平行２輪の車輪を設けた２足歩行ロボットの研究を行っており、このロボットによる階段昇降制御の研究結果等を日本ロボット学会等で発表している（日本ロボット学会誌、Vol.16 No.6 1998 「静的歩容を規範とした２足歩行型脚車輪ロボットの階段昇降制御」)。このロボットは図５に示すような構造をなし、図６に示すような作動によって階段を昇降する。
【０００５】
即ち、このロボットにおいては、フレーム６１の片側に第１脚支持部６２を固定し、他側に第２脚支持部６３を回転自在に支持している。第１脚支持部６２の上端部には第１脚伸縮用モータ６４を備え、この第１脚伸縮用モータ６４によりボールねじ６５を回転して第１脚６６を伸縮自在としている。また、この第１脚６６の下端には第１脚車輪駆動モータ６７を備え、第１脚６６に回転自在に支持した左右２個の第１脚車輪６８、６８を同軸で一体的に回転駆動している。第２脚支持部６３も同様に、上端部には第２脚伸縮用モータ７０を備え、この第２脚伸縮用モータ７０によりボールねじ７１を回転して第２脚７２を伸縮自在としている。また、この第２脚７２の下端には第２脚車輪駆動モータ７３を備え、第２脚７２に回転自在に支持した左右２個の第２脚車輪７４、７４を同軸で一体的に回転駆動している。
【０００６】
フレーム６１には脚回動モータ７５を備え、ベベルギヤ駆動機構７６により第１脚支持部６２、及び第２脚支持部６３を軸７７を中心に独立に回動可能としている。上記第１脚車輪６８及び第２脚車輪７４における各々左右２個の車輪はその間隔は充分に広く設定している。
【０００７】
上記機構を用い、前記脚回動モータ７５、第１脚伸縮用モータ６４、第２脚伸縮用モータ７０、第１脚車輪駆動モータ６７、第２脚車輪駆動モータ７３を各々駆動制御し、倒立振り子型に移動するロボットとしている。それにより、例えば図６に示すような階段の昇降を行うことができる。前進時に第１脚６６と第２脚７２を交差する際には、後方の脚車輪が前方の脚車輪に接触しないように充分上昇させて前方に出す歩行作動を行う。この２足歩行ロボットの研究は主として階段を円滑に昇降することを主眼においた研究であり、この研究により１歩を約３秒で階段の昇降を行うことができるほぼ実用に近いロボットを製作することができ、またこの種のシステムの動的階段昇降に関する基礎的な知見を得ることができた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、本件発明者等により研究開発された２足歩行型脚車輪ロボットにより、この種のロボットにおいて最も困難視された階段の昇降を、円滑に行うことができるようになったものであるが、より実用化に近づけるためこのロボットにおける平坦面での歩行や車輪による高速移動とその際の操向、及び前記のような階段の昇降を含んだ全体を全体として円滑に作動することができる必要がある。
【０００９】
即ち、前記研究における２足歩行ロボットは主として階段を昇降する等の凹凸路面の走行を円滑に行うための機能制御に重点が置かれていたものであり、同軸の車輪を用いる等、左右へ方向転換するステアリングの制御についてはほとんど考慮していなかった。したがって現在まで研究開発してきたロボットをより実用化の高いものとするため、従来の円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に円滑に作動する手法の開発が必要とされる。
【００１０】
したがって本発明は、２足の各脚端に平行２輪を備えて自立可能としたロボットにおいて、円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に制御することができる２足歩行ロボットを提供することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、前記脚の端部を３以上の自由度で移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備え、前記脚の端部と平行２輪とは、脚下端において該脚の軸線に対して直角方向の軸を中心に回転する補助脚と、前記補助脚の端部において該補助脚の軸線に対して直角な一平面内で回転する回転継ぎ手で結合した車輪フレームとにより連結したことを特徴とする２足歩行ロボットとしたものである。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前記脚端移動手段は、本体から延びる側脚を回転する側脚回転手段と、前記側脚から延びる主脚を回転する主脚回転手段とからなることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットとしたものである。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、前記操向手段は、接地している平行２輪の各車輪を独立して回転可能な駆動装置により回転し操向する手段であることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットとしたものである。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、前記各脚の平行２輪は主脚に対して自由旋回可能で且つブレーキを有する回転継ぎ手を備えていることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットとしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明に基づく２足歩行ロボットの概要を示し、図２〜図４はこの２足歩行ロボットを駆動機構の面から模式的に示したロボット模式図に基づいて、その作動を説明した図である。図１に示す２足歩行ロボット１は本体２の下部に第１脚支持部３と第２脚支持部４を突出固定し、第１脚支持部３には本体の中心線から図中左側方向に突出する第１側脚５を軸６を中心に回転自在に設け、モータ７により図中矢印Ａ１方向にこの第１側脚５を揺動可能としている。同様に第２脚支持部４には本体の中心線から図中右側方向に突出する第２側脚８を軸９を中心に回転自在に設け、モータ１０により図中矢印Ａ２方向にこの第２側脚８を揺動可能としている。
【００１７】
第１側脚５の端部には下方に延びる第１主脚１１を軸１２を中心に回転自在に設け、モータ１３により図中矢印Ｂ１方向にこの第１主脚１１を揺動可能としている。この第１主脚１１の円筒状カバー１４内にはボールねじを用いた脚伸縮機構を備えており、モータ１５により第１ボールねじ１６を回転することにより、このねじに螺合するボールを備えた第１可動脚１７を直線矢印Ｃ１方向に往復動可能とし、それにより可動脚１７を図中上下方向に移動し、第１主脚１１を伸縮自在としている。
【００１８】
同様に、第２側脚８の端部には下方に延びる第２主脚１８を軸１９を中心に回転自在に設け、モータ２０により図中矢印Ｂ２方向にこの第２主脚１８を揺動可能としている。この第２主脚１８の円筒状カバー２１内にはボールねじを用いた脚伸縮機構を備えており、モータ２２により第２ボールねじ２３を回転することにより、このねじに螺合するボールを備えた第２可動脚２４を直線矢印Ｃ２方向に往復動可能とし、それにより第２可動脚２４を図中上下方向に移動し、第２主脚１６を伸縮自在としている。
【００１９】
第１可動脚１７の下端には第１補助脚２５を軸２６を中心に回転自在に設け、モータ２７により図中矢印Ｄ１方向にこの第１補助脚２５を揺動可能としている。この第１補助脚２５の下部には第１回転ジョイント２８を設け、図中矢印Ｅ１方向に自由に回転可能としている。なお、この部分はモータを設けない受動回転部とし、外部操作可能なブレーキを設ける。図示実施例では第１回転ジョイント２８の下部に設ける第１車輪フレーム２９との間に６軸力センサ３０を設けており、第１車輪フレーム２９には第１脚第１側車輪モータ３１を設けて、歯車機構により第１脚第１側車輪３２を図中矢印Ｆ１１方向に回転可能とし、同様に第１車輪フレーム２９には第１脚第２側車輪モータ３３を設けて、歯車機構により第１脚第２側車輪３４を図中矢印Ｆ１２方向に、前記第１脚第１側車輪３２とは独立して回転可能としている。
【００２０】
同様に、第２可動脚２４の下端には第２補助脚３５を軸３６を中心に回転自在に設け、モータ３７により図中矢印Ｄ２方向にこの第２補助脚３５を揺動可能としている。この第２補助脚３５の下部には第２回転ジョイント３８を設け、図中矢印Ｅ２方向に自由に回転可能としている。なお、この部分もモータを設けない受動回転部とし、外部操作可能なブレーキを設ける。図示実施例では第２回転ジョイント３８の下部に設ける第２車輪フレーム４０との間に６軸力センサ４１を設けており、第２車輪フレーム４１には第２脚第１側車輪モータ４２を設けて、歯車機構により第２脚第１側車輪４３を図中矢印Ｆ２１方向に回転可能とし、同様に第２車輪フレーム４０には第２脚第２側車輪モータ４４を設けて、歯車機構により第２脚第２側車輪４５を図中矢印Ｆ２２方向に、前記第２脚第１側車輪４３とは独立して回転可能としている。
【００２１】
上記機構により、片脚の自由度構成は、脚上部にピッチ、ロールの２自由度、脚中央部に伸縮１自由度、足首部にロール、ヨーの２自由度をもつ構成となる。但し足首部のヨー軸はブレーキ付きの受動関節部となっている。この機構を両足に備えることにより極めて自由度の大きな２足ロボットとなる。本体２にはバッテリ、ＣＰＵ、ＩＯボード、レートジャイロ、加速度計、モータアンプ（１２個）をそなえ、各モータに設けたセンサによりその作動状態を検出し、本体内の制御装置により各モータの総合的な制御を行っている。
【００２２】
図１に示す２足走行ロボット１は、第１脚５１の第１主脚１１を縮めた状態にして前方に振り出し、第２脚５２の下端部を機体内側に曲げ、６軸力センサ４１の信号を用いて機体の重心を第２脚第１輪４３と第２脚第２輪４５間に位置するようにし、本体２に備えたレートジャイロ、加速度計、前輪２輪の回転速度信号により前記２輪で倒立振り子制御によってバランスをとることができるようにしている。ここでは、第１脚５１を持ち上げた状態で第２脚５２により、２個の独立して回転するモータによって駆動される２輪によって走行可能であり、その際には前後進、蛇行及びその位置での回転操向が自由に可能となる。また、この状態では、従来の２足歩行ロボットと同様に２輪を回転させることなく第１脚と第２脚を交互に前進させる歩行作動も当然可能である。
【００２３】
上記２脚走行ロボットの詳細な機能を説明するため、図２〜図４には上記の機構について回転、伸縮等の機能構成部分を抽出して模式化したものを示している。前記図１における第１側脚５を矢印Ａ１方向に回転支持する軸６とモータ７は、図２においてはモータにより矢印Ａ１方向に回転可能な軸６として簡略化して示している。同様に、図１における第２側脚８を矢印Ａ２方向に回転支持する軸９とモータ１０は、図２においてはモータにより矢印Ａ２方向に回転可能な軸９として示している。また、図１における第１主脚１１を矢印Ｂ１方向に回転支持する軸１２とモータ１３は、図２においてはモータにより矢印Ｂ１方向に回転可能な軸１２として示し、図１における第２主脚１８を矢印Ｂ２方向に回転支持する軸１９とモータ２０は、図２においてはモータにより矢印Ｂ２方向に回転可能な軸１９として示している。
【００２４】
また、図１においてモータ１５で回転する第１ボールねじ１６とこれに螺合するボールを備え矢印Ｃ１方向に移動する第１主脚１１は、図２において矢印Ｃ１方向に伸縮する第１主脚１１として簡略化して示しており、同様に図１においてモータ２２で回転する第２ボールねじ２３とこれに螺合するボールを備え矢印Ｃ２方向に移動する第２主脚１８は、図２において矢印Ｃ２方向に伸縮する第２主脚１８として示している。更に、図１において第１主脚１１下端に設けている第１補助脚２５を矢印Ｄ１方向に回転支持する軸２６とモータ２７は、図２においてはモータにより矢印Ｄ１方向に回転可能な軸２６として示し、同様に図１において第２主脚１８下端に設けている第２補助脚３５を矢印Ｄ２方向に回転支持する軸３６とモータ３７は、図２においてはモータにより回転可能な軸３６として示している。
【００２５】
また、図１において第１補助脚２５に設けるブレーキ付き第１回転ジョイント２８とこれに支持される第１車輪フレーム２９、第１車輪フレーム２９に設けた第１脚第１側車輪モータ３１とこれにより回転される第１脚第１側車輪３２、及び同様に第１車輪フレーム２９に設けた第１脚第２側車輪モータ３３とこれにより第１脚第１側車輪３２と独立して回転される第１脚第２側車輪３４は、図２においては同様の機能を行う機構として、第１補助脚２５に設けその軸線を中心に回転可能な軸とこれを駆動するモータからなる第１操向機構４７、及びこの下に設けられ各々独立したモータで駆動される車輪としての第１主脚第１側車輪３２と、第１主脚第２側車輪３４として示している。
【００２６】
同様に、図１において第２補助脚３５に設けるブレーキ付き第２回転ジョイント３８とこれに支持される第２車輪フレーム４０、第２車輪フレーム４０に設けた第２脚第１側車輪モータ４２とこれにより回転される第２脚第１側車輪４３、及び同様に第２車輪フレーム４０に設けた第２脚第２側車輪モータ４４とこれにより第２脚第１側車輪４３と独立して回転される第２脚第２側車輪４５は、図２においては同様の機能を行う機構として、第１補助脚３５に設けその軸線を中心に回転可能な軸とこれを駆動するモータからなる第２操向機構４８、及びこの下に設け得られ各々独立したモータで駆動される車輪としての第２主脚第１側車輪４３と、第２主脚第２側車輪４４として示している。
【００２７】
上記機能構成からなる図２に示す２足歩行ロボット１においては、第２脚５２をその第２主脚１８において長さを縮め、前記のように本体２に備えたレートジャイロ、加速度計、第１主脚第１側車輪３２及び第２側車輪３４の回転角度信号により第１脚５１による片足立ちをしており、それにより第１脚５１によって平坦地の２輪走行可能である。その際には前後進と自由な操向、及びその位置での回転が可能となる。また、この状態では、前記のように２輪を回転させることなく第１脚と第２脚を交互に前進させる歩行作動も可能である。
【００２８】
図３には第１脚５１を前方に、また第２脚５２を後方に位置するように交差して立っている状態を示しており、この状態で各車輪を回転させることにより通常の４輪駆動車と同様に安定した高速走行を行うことができる。その際、第１脚第１側車輪３２と第１脚第２側車輪３４の向きを第１操向機構４７によって任意の方向に向けることにより自由な曲線に沿って走行が可能であり、必要に応じて第２操向機構４８も操作することによりより小さな半径での旋回、或いは各車輪を図示した方向に対して全て直角方向に向けることにより本体２を動かさずに横移動を行う等の種々の移動を行うことができる。
【００２９】
図４には上記２足歩行ロボットにより階段を昇降する状態を示しており、前記図２に示す状態とほぼ同じ姿勢で、第２脚５２の車輪を階段５３に乗せる。その後この第２脚５２に重心を移動し、同様の作動により第２脚５２で２輪による倒立振り子作動によってバランスをとり、第１脚５１を短くして前方に振り出し、第１脚５１の各車輪を次の階段に乗せ、この作動を繰り返すことにより階段を上ることができる。また、同様の作動により階段を下りることもできる。
【００３０】
本発明は図２に示す各部での回転、伸縮機能を行うことができるならば、図１に示す構成以外に任意の構成を採用しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、２足の各脚端に平行２輪を備えて自立可能としたロボットにおいて、円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に、更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に作動して自由な移動を行うことができる２足歩行ロボットとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２足走行ロボットの実施例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】図１の実施例における２足走行ロボットの回転伸縮機能部を模式的に示した図であり、片足で２輪歩行及び走行を行う図である。
【図３】同ロボットにおいて、４輪走行を行う状態を示した図である。
【図４】同ロボットにおいて、階段を昇降する状態を示した図である。
【図５】従来の車輪付き２足歩行ロボットを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】従来の車輪付き２足歩行ロボットにおいて階段を昇降する状態を順に説明する図である。
【符号の説明】
１２足歩行ロボット
２本体
３第１脚支持部
４第２脚支持部
５第１側脚
６軸
７モータ
８第２側脚
９軸
１０モータ
１１第１主脚
１２軸
１３モータ
１４円筒状カバー
１５モータ
１６第１ボールねじ
１７第１可動脚
１８第２主脚
１９軸
２０モータ
２１円筒状カバー
２２モータ
２３第２ボールねじ
２４第２可動脚
２５第１補助脚
２６軸
２７モータ
２８第１回転ジョイント
２９第１車輪フレーム
３０６軸力センサ
３１第１脚第１側車輪モータ
３２第１脚第１側車輪
３３第１脚第２側車輪モータ
３４第１脚第２側車輪
３５第２補助脚
３６軸
３７モータ
３８第２回転ジョイント
４０第２車輪フレーム
４１６軸力センサ
４２第２脚第１側車輪モータ
４３第２脚第１側車輪
４４第２脚第２側車輪モータ
４５第２脚第２側車輪
５１第１脚
５２第２脚

Claims

伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、
前記脚の端部を３以上の自由度で移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備え、
前記脚の端部と平行２輪とは、脚下端において該脚の軸線に対して直角方向の軸を中心に回転する補助脚と、前記補助脚の端部において該補助脚の軸線に対して直角な一平面内で回転する回転継ぎ手で結合した車輪フレームとにより連結したことを特徴とする２足歩行ロボット。
前記脚端移動手段は、本体から延びる側脚を回転する側脚回転手段と、前記側脚から延びる主脚を回転する主脚回転手段とからなることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。
前記操向手段は、接地している平行２輪の各車輪を独立して回転可能な駆動装置により回転し操向する手段であることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。
前記各脚の平行２輪は主脚に対して自由旋回可能で且つブレーキを有する回転継ぎ手を備えていることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。