JP4692925B2 - 脚車輪型移動ロボット及びその動作方法 - Google Patents
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Description
つまり、車輪走行と脚歩行とを組み合わせた動作を行うことで、効率的かつ高速な移動が可能となる。
このような脚車輪型移動ロボットは、例えば特許文献1に開示されている。
中央脚33と側脚35の下端には、接地面上を走行可能な車輪37が取り付けられている。
袋状部材41は弾性材により構成され復元力を有し、袋状部材41の内部は流通路43を介して大気側に連通している。
この構成により、脚着床時に、袋状部材41が接地して圧縮され内部の空気が流通路43を通過する時に流出抵抗が発生する。これにより、着床衝撃が軽減される。
また、特許文献2の構成では、着地時に脚に作用する衝撃荷重を緩和するために着床衝撃緩衝装置のような新たな機構を脚先端部に設けなければならないので、その分だけ脚先端部の構成が複雑になってしまう。
特に、高速歩行を行うとロボットの運動エネルギの水平成分が大きくなり、その分、着地時に脚に作用しようとする衝撃荷重の水平成分も大きくなるが、上述のようにこの水平成分が車輪の回転運動として解放される。これにより、高速歩行においても、着地時の衝撃荷重の水平成分を十分に緩和することができる。
また、上記効果は、脚車輪型移動ロボットにおいて既に装備されている車輪及び制動装置を用いて達成されるので、何ら新たな装置を付加する必要がない。
従って、脚先端部の構成を複雑にすることなく、着地時の衝撃荷重の水平成分を緩和することができる。
この場合でも、制御装置は、脚が接地面から離間した後、該脚の制動装置を作動状態にし足首部が水平になるように足首モータを制御し、該脚の着地直前に該脚の制動装置を非作動にする制御を行うので、複数の車輪を同時に着地させることができる。すなわち、安定した着地をすることができる。しかも、該脚の着地直前に制動装置を非作動にするので、上述のように着地時の衝撃荷重の水平成分も緩和することもできる。
本体1に対する中央脚3の回動及び伸縮動作は、本体1又は中央脚3に組み込まれた駆動モータ(例えば、サーボモータ)により行われる。
また、中央脚先端には、水平軸心の周りに回転可能な2つの関節7が設けられている。
本体1に対する側脚5の回動及び伸縮動作は、本体1又は側脚5に組み込まれた駆動モータ(例えば、サーボモータ)により行われる。なお、左右の側脚5は互いに同期されて回動されるようになっている。
また、左右の各側脚先端には、水平軸の周りに回転可能な1つの関節11が設けられている。
すなわち、制御装置は、これら中央脚3と側脚5の各々の回動及び伸縮を行う駆動モータ、及び、後述する各脚の足首モータ12などの動作を制御する。
例えば、制御装置は、これらの脚3、5が交互に進行方向に振り出して交互に遊脚又は立脚とするように、各脚3、5の回動又は伸縮用の駆動モータを制御し、これにより、これらの脚に歩行を行わせることができる。なお、遊脚とは、接地面から離間している脚をいい、立脚とは、接地面に接地している脚をいう。
なお、制御装置は、例えば、予め制御装置に記憶されたプログラムに従い、平坦地や階段などを歩行するように駆動モータなどロボット各部を制御することができる。
以下において、中央脚3と側脚5を単に脚という。また、以下において遊脚を脚3、立脚を脚5として説明するが、遊脚が脚5、立脚が脚3であってもよい。
図3は、歩行動作中のブレーキの作動及び非作動の切り換えを示す図である。図3に示すように、歩行動作中において、遊脚3の着地時にその車輪9が回転自在となっているように、遊脚3が接地面に着地する前に、遊脚3のブレーキを非作動にする制御を行う。
これにより、接地面から離間した遊脚3の車輪9が、回転自在となった状態で接地面に着地するので、着地時にこの脚3に作用しようとする衝撃荷重の水平成分は車輪9の回転運動として解放されるので、着地時に脚3に作用する衝撃荷重の水平成分を緩和することができる。
この実施例による脚車輪型移動ロボット10において、各脚3、5は、本体1に水平軸心を中心に回動可能に連結され本体1から下方に延びている連結部と、該連結部14の下端部に水平軸心を中心に揺動可能に取り付けられ車輪9が複数設けられている足首部と、を有する。
支持フレーム17は第1の駆動軸18及び第2の駆動軸19とを回転可能に支持している。第1の駆動軸18は、連結部14の下端部に固定された足首モータ12により傘歯車22、23を介して回転駆動される。
第1の駆動軸18の回転力は伝達ベルト25により第2の駆動軸19に伝達されて車輪9が回転駆動される。
例えば、図5(A)に示すように、脚5が立脚となっている状態で、制御装置が、ブレーキ27を作動させ、かつ、足首モータ12を駆動して足首部15を揺動させると、接地面に対する連結部14の傾きθ1が調整される。一方、図5(B)に示すように、脚3が遊脚となっている状態で、制御装置が、ブレーキ27を作動させ、かつ、足首モータ12を駆動して足首部15を揺動させると、接地面に対する足首部15の傾きが調整される。
制御装置は、脚3が接地面から離間した後、該脚3のブレーキ27を作動状態にして足首モータ12を制御し足首部15の揺動角を調整する。即ち、遊脚3が接地面に安定して着地できるように、足首部15が水平になるように接地面に対する足首部15の角度を調整する。例えば、この実施例では、足首部15は進行方向に配置された2つの車輪9を有するので、これら2つの車輪9が同時に接地面に着地できるように足首部15の角度を調整する。
このような遊脚3の足首部15の角度調節を着地直前までに行い、着地直前に遊脚3のブレーキ27を非作動にする。
上述に加えて、この実施例によると、歩行動作中に外乱がロボット10に発生した場合でも、安定した着地が行えるように次の動作を行う。
図6(A)は、一方の脚3が遊脚中にロボット10が後ろから押されるなどの外乱(例えば、外力F)により遊脚3が予定より早く着地してしまう場合を示している。すなわち、図6(A)において、破線は、所定時刻において予定されている脚3の位置を示し、実線は、この所定時刻における実際の脚3の位置を示している。このような場合には、遊脚となっている一方の脚3と立脚となっている他方の脚5とが十分に開ききらずに、着地が不安定となる。
そのため、本実施例では、図4に示すように、足首部15の回転角を検出する足首角度センサ11を連結部14の下端部に設ける。この足首角度センサ11は、立脚5の足首部15が連結部14に対して揺動した角度θ1を検出する。即ち、図6(A)のように、立脚5の連結部14が接地面に対して傾いている角度(傾き角θ1)を検出する。
この判断は、例えば、一方の脚3が接地面から離間してこの脚3が接地面に着地するまでの間に上記傾き角θ1が連続的に増加する場合に、着地間際の所定時刻に検出された傾き角θ1が予定傾き角よりも大きいときは、遊脚3が早く着地すると判断することができる。
このように、早く着地すると判断した場合には、制御装置は、駆動モータを制御して、図6(B)に示すように、遊脚3と立脚5とのなす角θ2が大きくなるように遊脚3を矢印Aの方向に回動させる。
上記実施形態の脚車輪型移動ロボット10において、好ましくは、接地面に接触する車輪9のタイヤ部分をゴムなどの弾性体で形成する。これによって、着地時の衝撃荷重の鉛直成分を緩和することができる。
歩行のため、脚3を進行方向へ振り出すように回動させて遊脚とすると、重力がロボット全体に作用しているので、この遊脚3は下方に付勢されて自然に接地面に着地する。
そして、図7に示すように、着地間際において、遊脚3を前方へ振り出す方向(図7の矢印A)に回動させる動作を着地直後まで継続する。すなわち、着地する瞬間に遊脚3が上方に回動されていることになる。
よって、何ら新たな装置を付加することなく、着地時に脚3に作用する衝撃の水平成分だけでなく鉛直成分をも緩和することができる。
なお、上述では、3脚歩行を行う脚車輪型移動ロボットの場合であったが、本発明はこれに限定されず、2脚歩行又は4脚以上で歩行を行う脚車輪型移動ロボットにも適用可能である。
また、上述では、脚3、5は回動及び伸縮可能であったが、本発明はこれに限定されず、回動、伸縮、折り曲げ又はこれらの組み合わせ動作が可能にロボットを構成してもよい。
さらに、上述では、脚3、5に設けられた車輪9は足首モータ12により駆動されるものであったが、車輪9の駆動装置を設けずに単に車輪9を転動自在に脚先端に取り付けてもよい。また、上述では、単一の足首モータ12によって車輪9の回転駆動と足首部15の揺動の両方を行っていたが、車輪9の回転駆動用のモータと、足首部15の揺動用のモータを別個に設けるようにしてもよい。
上述のブレーキ27は車輪9の回転を制動する制動装置を構成するが、出力軸が車輪の回転軸と同軸に連結されたモータなどのアクチュエータや他の適切な装置で制動装置を構成してもよい。
足首角度センサ11は、例えば、連結部14に対する揺動角θ1を検出するロータリーエンコーダであってよい。この足首角度センサ11は、連結部14に対する揺動角θ1を検知する角度検知装置を構成するが、ジャイロスコープのような角速度センサを用いて揺動角θ1を推定する装置、又は、他の適切な装置により角度検知装置を構成してもよい。さらに、ロータリーエンコーダ、角速度センサ、他の適切な装置からいくつかを選択し組み合わせて角度検知装置を構成してもよい。
3 中央脚
5 側脚
7、11 関節
9 車輪
10 脚車輪型移動ロボット
11 足首角度センサ
12 足首モータ
14 連結部
15 足首部
17 支持フレーム
18 第1の駆動軸
19 第2の駆動軸
22、23 傘歯車
25 伝達ベルト
27 ブレーキ
Claims (4)
- 本体と、交互に進行方向に振り出され歩行できるように、水平軸心を中心に回動可能に本体に連結され伸縮又は折り曲げ可能な複数の脚と、該複数の脚のそれぞれに対し回動動作と伸縮又は折り曲げ動作を行わせる複数の駆動モータと、少なくとも前記複数の駆動モータを制御する制御装置と、を備え、前記各脚は、接地面に接触するように脚先端に取り付けられ接地面上を転動する車輪と、該車輪の回転を制動する制動装置と、を有する脚車輪型移動ロボットであって、
前記制御装置は、さらに、脚の着地時にその車輪が回転自在となっているように、前記脚が接地面に着地する前に、前記脚の制動装置を非作動にする制御を行う、ことを特徴とする脚車輪型移動ロボット。 - 前記各脚は、
本体に水平軸心を中心に回動可能に連結され本体から下方に延びている連結部と、
該連結部の下端部に水平軸心を中心に揺動可能に取り付けられ、前記車輪が進行方向に複数設けられている足首部と、
連結部に固定された足首モータと、
車輪を回転させ又は足首部を揺動させるように、前記車輪又は足首部に足首モータの駆動力を伝達する伝達機構と、を有し、
前記伝達機構は、前記制動装置が非作動状態で足首モータの回転駆動力を前記車輪に伝達し、前記制動装置が作動状態で足首モータの回転駆動力を足首部に伝達するように構成されており、
前記制御装置は、さらに、脚が接地面から離間した後、該脚の制動装置を作動状態にし足首部が水平になるように足首モータを制御し、該脚の着地直前に該脚の制動装置を非作動にする制御を行う、ことを特徴とする請求項1に記載の脚車輪型移動ロボット。 - 前記各脚は、
本体に水平軸心を中心に回動可能に連結され本体から下方に延びている連結部と、
該連結部の下端部に水平軸心を中心に揺動可能に取り付けられ、前記車輪が進行方向に複数設けられている足首部と、
歩行のため接地面から離間した一方の脚が接地面に着地するまでの間において、接地したままの他方の脚の足首部の、その連結部に対する揺動角を検知する角度検知装置と、を有し、
前記制御装置は、所定の時刻において予定されている前記揺動角を記憶する記憶部を有し、
前記制御装置は、記憶されている前記揺動角と、前記所定の時刻に角度検知装置が検知した揺動角との差に基づいて、前記一方の脚が予定より早く着地すると判断した場合には、他方の脚から開かれるように前記一方の脚を回動させる制御を前記駆動モータに対して行う、ことを特徴とする請求項1に記載の脚車輪型移動ロボット - 本体と、交互に進行方向に振り出され歩行できるように、水平軸心を中心に回動可能に本体に連結され伸縮又は折り曲げ可能な複数の脚と、該複数の脚のそれぞれに対し回動動作と伸縮又は折り曲げ動作を行わせる複数の駆動モータと、を備え、前記各脚は、接地面に接触するように脚先端に取り付けられ接地面上を転動する車輪と、該車輪の回転を制動する制動装置と、を有する脚車輪型移動ロボットの動作方法であって、
脚の着地時にその車輪が回転自在となっているように、前記脚が接地面に着地する前に、前記脚の制動装置を非作動にする、ことを特徴とする脚車輪型移動ロボットの動作方法。
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