JP2005186650A - 搭乗型ロボット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ロボット10は、人が搭乗する搭乗部100を有するとともに一対の脚リンク12で歩行する。本発明のロボット10は、ロボット10の進行方向軸回りの搭乗部の姿勢を変えるロール軸アクチュエータと、ロボット10の側方軸回りの搭乗部100の姿勢を変えるピッチ軸アクチュエータと、進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部100の姿勢を検出する手段と、姿勢検出手段で検出される進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部100の姿勢が一定に維持されるようにロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御するコントローラを備えている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、搭乗部の姿勢を一定に維持することが可能なロボットを提供することを課題とする。
このようにして、コントローラがロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御すると、搭乗部の姿勢を一定に維持することができる。
このロボットによれば、転倒検出手段で転倒が検出された以降に、コントローラがロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御して、搭乗部の姿勢を一定に維持することができる。
(1)ロボットは、右脚と左脚からなる脚部と、脚部の上に設けられた搭乗部を備えている。右脚と左脚は、股関節と、股関節に接続された上腿と、上腿に膝関節で接続された下腿と、下腿に足首関節で接続された足先を有している。
(2)搭乗部には、コントローラと、搭乗部の姿勢を検出するジャイロが装着されている。コントローラは、ジャイロから入力される姿勢信号を処理して、ロボットが転倒中に、搭乗部が水平な姿勢を維持するように、右脚と左脚の関節角度を制御する。転倒中に水平な姿勢に維持された搭乗部は、そのままの姿勢で着地する。
(3)コントローラは、ロボットが正常に歩行しているときに、搭乗部の姿勢を水平に維持することもできる。搭乗部の姿勢が水平に維持されると、歩行にともなって搭乗者が揺すられなくなるので、乗り心地が良くなる。
図1、図2に示されているように、搭乗型のロボット10は、脚部12と、脚部12の上に設けられた搭乗部100を備えている。搭乗部100には、搭乗者75が搭乗する。なお、図2では、搭乗者75の図示が省略されている。また、図1、図2では、説明の便宜上、x、y、zの3軸からなる座標系を設定している。x軸はロボット10の前後方向に延びている。y軸はロボット10の左右方向に延びている。z軸はロボット10の上下方向に延びている。
図3、図4に良く示されているように、右股関節16は、股ヨーク28、股クロスシャフト30、股x軸回り駆動機構32、股y軸回り駆動機構33、股z軸回り駆動機構34等を備えている。股ヨーク28は、下方に向かって開いた略コ字状に形成されている。図4に良く示されているように、股クロスシャフト30は、十字状に形成されている。股ヨーク28と右上腿18は、股クロスシャフト30を介して接続されている。右上腿18は、2枚の板状の部材で構成されている。股クロスシャフト30は、股ヨーク28と右上腿18に対して回転することができる。従って、右上腿18は、股ヨーク28に対して、x軸回りとy軸回りの角度が可変である。
膝関節駆動機構72は、膝モータ74、膝モータ側プーリ78、膝関節側プーリ76、ベルト79を有している。膝モータ74は、右上腿18に固定されている。膝モータ側プーリ78は、膝モータ74の駆動軸に取付けられている。膝関節側プーリ76は、右下腿22に固定されている。ベルト79は、膝モータ側プーリ78と膝関節側プーリ76に巻付けられている。膝モータ46が回転すると、膝モータ側プーリ78が回転する。膝モータ側プーリ78が回転すると、ベルト79を介して膝関節側プーリ76が回転する。膝関節側プーリ76が回転すると、右膝関節20のy軸回りの関節角が変化する。
膝モータ74を正転したり逆転したりすることにより、右下腿22を右膝関節20回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。これに対して、人間の下腿は後方側に持ち上げることができるのみで、前方側に持ち上げることができない。右下腿22を右膝関節20回りに前方側に持ち上げると、右上腿18と右下腿22は前方側に向かって開いた状態(右上腿18の延長線よりも前方側に、右下腿22が右膝関節20回りに回転した状態)になる。以下においては、この状態を「鳥足状態」と呼ぶ。また、人間のように、右上腿18と右下腿22が後方側に向かって開いた状態(右上腿18の延長線よりも後方側に、右下腿22が右膝関節20回りに回転した状態)を「人足状態」と呼ぶ。本ロボット10は、脚14、15を鳥足状態にも、人足状態にもすることもできる。
図2に良く示されているように、第1フレーム102は、座席106の下方で、ブラケット112を介して腰部材64と結合されている。座席106は、結合部材114を介してブラケット112と結合されている。
コントローラ160は、CPU、ROM、RAM等を備えるコンピュータである。ROMには、制御プログラムが格納されている。搭乗者75によってスティック108b、110bが操作されると、その操作ストロークをセンサ108c、110cが検出する。操作ストロークを検出したセンサ108c、110cは、操作信号をコントローラ160に出力する。コントローラ160のCPUは、入力された操作信号を制御プログラムに従って処理し、制御信号をモータ40、46、54、74、88、89に送信する。モータ40、46、54、74、88、89が制御信号に従って回転すると、ロボット10は搭乗者75が操縦したとおりに動作する。
コントローラ160は、ジャイロ162から入力される姿勢信号を処理して、ロボット10が転倒中に、搭乗部100の姿勢を制御する。ジャイロ162や、搭乗部100の姿勢制御については、後述にて詳細に説明する。
また、搭乗部100の重心と股関節13、16の前後方向距離は、できるだけ小さいことが好ましい。搭乗部100の重心と股関節13、16の前後方向距離が大きいと、ロボットが直立したり歩行したりしゃがんだりするときに脚14、15の各関節に大きな回転モーメントが作用する。このため、各関節を駆動するのに大きなパワーと電力が必要になる。
図9に示されているように、ロボット10が脚14、15を鳥足状態にして段差を降りると、下腿19、22が段差と干渉(図9のB)する。図10に示されているように、脚14、15を人足状態にして段差を降りると、下腿19、22と段差との干渉を避けることができる。このように、脚14、15を鳥足状態にしたり、人足状態にしたりするのを切り替えることにより、ロボット10は地面の段差により柔軟に対応することができる。
搭乗部100の姿勢制御には、ジャイロ162から出力される姿勢信号が用いられる。ジャイロ162は、高速回転するコマと、コマを支持するジンバルを内蔵している。コマの絶対空間に対する姿勢を維持する性質を利用して、ジャイロ162は、それが装着されている物体の姿勢を検出する。上述したように、ジャイロ162は、搭乗部100の第1フレーム102に固定されている収容部120に収容されている。このため、ジャイロ162は、搭乗部100のx軸回りのロール角度、y軸回りのピッチ角度、z軸回りのヨー角度を検出し、それらを姿勢信号としてコントローラ160に出力する。もちろん、ジャイロ162はコマを内蔵したタイプに限られるものではなく、他のタイプ(例えば、内蔵した振動子の共振周波数変化から姿勢を検出するタイプ)のものであってもよい。
コントローラ160は、ロボット10の転倒中のみならず、ロボット10が正常に歩行しているときに搭乗部100の姿勢を水平に維持してもよい。搭乗部100の姿勢が水平に維持されると、歩行にともなって搭乗者75が揺すられる程度が少なくなるので、乗り心地が向上する。
ジャイロ162の代わりに重力方向を検出する傾斜センサを用いて搭乗部100の姿勢を検出することもできる。ジャイロ162と傾斜センサを併用することもできる。ジャイロ162と傾斜センサを併用すると、搭乗部100の姿勢をより正確に検出できる。
搭乗部100の落下速度が遅くなるように、右脚14と左脚15の各関節の駆動機構の回動角度や回動タイミングを調整することもできる。転倒中のロボット10は、右足先26と左足先23が地面に踏ん張っていない。このため、搭乗部100の落下速度を遅くするには、右脚14と左脚15の関節が回動するときに、その関節が接続している部材が互いにおよぼし合う反力を利用する。この場合、反力を生じさせるために、関節を角速度が変化するように(角加速度が発生するように)回動させる。例えば、図16に示されている状態で下腿19、22を足首関節21、24回りに反時計方向に回動させる。すると、反力が生じて、下腿19、22は、地面に接している足先23、26のつま先23a、26aを支点にして、上腿17、18を持ち上げる。さらに、上腿17、18を膝関節20、25回りに反時計方向に回動させる。このようにすると、ロボット10が転倒中であっても、搭乗部100に上向きの力が作用する。すなわち、右脚14と左脚15は、搭乗部100に上向きの力を加えながら倒れてゆく。従って、搭乗部100の落下速度を遅くすることができる。
座席関節170の数は1つであるが、脚14、15の関節数は、計6つ(股関節13、16、膝関節20、25、足首関節21、24)である。このため、脚14、15の関節が故障する確率は、座席関節170が故障する確率よりも高い。よって、座席関節170を設けることによって、搭乗部100が水平以外の姿勢で着地する確率を大幅に低下させることができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
従って、例えば、以下に記載するように構成することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12:脚部
13:左股関節
14:右脚
15:左脚
16:右股関節
17:左上腿
18:右上腿
19:左下腿
20:右膝関節
21:左足首関節
22:右下腿
23:左足先
24:右足首関節
25:左膝関節
26:右足先
28:股ヨーク
30:股クロスシャフト
32:股x軸回り駆動機構
33:股y軸回り駆動機構
34:股z軸回り駆動機構
38:股x軸モータ側プーリ
39:ベルト
40:股x軸モータ40、40a:駆動軸
43:股関節側x軸プーリ43
46:股y軸モータ
49:股y軸モータ側プーリ
50:股関節側y軸プーリ
52:ベルト
54:股z軸モータ
56:股z軸モータ側プーリ
58:股関節側z軸プーリ
60:ベルト
62:ブラケット
64:腰部材
66:ヨーク
70:シャフト
72:膝関節駆動機構
74:膝モータ
75:搭乗者
76:膝関節側プーリ
78:膝モータ側プーリ
79:ベルト
80:足首ヨーク
82:足首クロスシャフト
83:足首x軸回り駆動機構
84:足首y軸回り駆動機構
85:足首x軸モータ側プーリ
86:ベルト
87:足首関節側x軸プーリ
88:足首x軸モータ
89:足首y軸モータ
90:足首y軸モータ側プーリ
91:足首関節側y軸プーリ
92:ベルト
100:搭乗部
102:第1フレーム
104:第2フレーム、104a:フットレスト、104b:転落防止部、104c:接地部
106:座席
108:右操作部、108a:基台部、108b:スティック、108c:センサ
110:左操作部、110a:基台部、110b:スティック、110c:センサ
112:ブラケット
114:結合部材
120:収容部
150:キャビン、150a:本体、150b:キャノピィ
160:コントローラ
162:ジャイロ
170:座席関節
Claims (4)
- 人が搭乗する搭乗部を有するとともに一対の脚リンクで歩行するロボットであり、
ロボットの進行方向軸回りの搭乗部の姿勢を変えるロール軸アクチュエータと、
ロボットの側方軸回りの搭乗部の姿勢を変えるピッチ軸アクチュエータと、
進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢を検出する手段と、
姿勢検出手段で検出される進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢が一定に維持されるようにロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御するコントローラを備えている搭乗型ロボット。 - 人が搭乗する搭乗部を有するとともに一対の脚リンクで歩行するロボットであり、
ロボットの進行方向軸回りの搭乗部の姿勢を変えるロール軸アクチュエータと、
ロボットの側方軸回りの搭乗部の姿勢を変えるピッチ軸アクチュエータと、
進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢を検出する手段と、
ロボットが転倒したか否かを検出する手段と、
転倒検出手段で転倒が検出された以降に、姿勢検出手段で検出される進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢が一定に維持されるようにロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御するコントローラを備えている搭乗型ロボット。 - 前記のロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータが、脚リンクに設けられている足首関節アクチュエータと膝関節アクチュエータと股関節アクチュエータからなる歩行用アクチュエータの少なくとも一つを利用していることを特徴とする請求項1または2の搭乗型ロボット。
- 前記のロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータが、歩行用アクチュエータと別に付加されていることを特徴とする請求項3の搭乗型ロボット。
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