JP2009095957A - 関節モジュール及び脚型ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】リンクの幅及び長さを適宜の幅及び長さに構成するのに好適な関節モジュール、該関節モジュールから成る脚部を有する脚型ロボットを提供する。
【解決手段】脚車輪型ロボット１００は、回転関節１８の第３回転駆動機構１８０を、関節モータ４０と、関節モータ４０の回転方向を変換する駆動及び従動傘歯車１８０ａ及び１８０ｃと、動力伝達用回転軸１８０ｂと、動力伝達用回転軸１８０ｂの回転力を膝関節回転軸１８２に伝達する駆動、従動プーリ１８０ｄ、１８０ｆ及びベルト１８０ｇと、減速機１８０ｅとを含んだ構成とし、関節モータ４０を、膝関節用ハウジング１７ｃの内側に、出力軸１４０の先端を下方向に向けた姿勢で支持し、動力伝達用回転軸１８０ｂの軸心Ｏ₁と、膝関節回転軸１８２の軸心Ｏ₂とを、脚部１２の前後方向に所定距離を離間して配設し、且つ両者を他の部品と接触しない範囲で、垂直方向に接近させて配設した。
【選択図】図４

Description

本発明は、リンクを連結して多関節構造のマニピュレータを構成する関節モジュール及び該関節モジュールによって構成された脚部を備えた脚型ロボットに関する。

従来、基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部を備え、該各脚部を動作させて移動する脚型ロボットがある。各脚部は複数のリンク部材が直列に連結された構成のシリアルリンク機構を利用したものが一般的である。この種のロボットは、連結された各リンク部材における基端側（ロボットなどの基体に連結される側）のリンク部材に、これらのリンク部材に対して脚先側のリンク部材を回動させる関節（回転軸）を駆動するモータを含む駆動機構が設けられており、モータを駆動することによって、その動力が各関節に伝達される。これにより、各関節が動作（回転軸が回転）して、基体側のリンク部材に支持された脚先側のリンク部材が動作（回動）する。

例えば、特許文献１に記載のロボットの関節構造は、側面にテーパ状に形成された凸部を少なくとも４つ有する連結部材と、対向する側面の両側または片側に凸部を設けたモータ部と、前記連結部材のテーパ状の凸部と嵌合するテーパ状の凹部、および前記モータ部の凸部が挿入される貫通孔が形成された略Ｌ字状保持部と、を備え、前記モータ部の凸部
の中心軸はモータ部の回動軸上にあり、前記モータ部の凸部は前記略Ｌ字状保持部の貫通孔と回動可能に連結された構造を有している。
特開２００７−１８５７５７号公報

しかしながら、上記特許文献１の従来技術においては、モータを内蔵したモータ部がロボットのアームを構成しており、更に、モータ部は、モータの回転軸周りに回動する構造となっている。そのため、モータ部の幅が少なくともモータの回転軸の長さ以上必要となり、この幅広の状態で更に必要な長さに構成する必要がある。特に、減速機を設ける場合は、モータ部の幅を更に広くして減速機を内蔵するか、モータ部の外部に減速機を設ける必要があり、重量による不具合や、見た目のバランスの悪化などの問題が生じる恐れがある。

そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであり、リンクの幅及び長さを適宜の幅及び長さに構成するのに好適な関節モジュール、該関節モジュールから成る脚部を有する脚型ロボットを提供することを目的としている。

〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１の関節モジュールは、
第１リンクと、該第１リンク側に取り付けられた回転駆動機構と、前記第１リンクと相対回転可能に連結されると共に前記回転駆動機構で回転駆動される第２リンクとから構成される関節モジュールであって、
前記回転駆動機構は、少なくとも、前記第２リンクの回転軸である関節回転軸と、回転力を発生するモータと、該モータの回転力を前記関節回転軸に伝達する伝達機構とを備え、
前記第１リンクは、中空の外郭部を有するフレームを備え、
前記回転駆動機構の少なくとも前記モータを含む構成部を、前記外郭部の内側に配設すると共に、前記モータを、該モータの出力軸の先端を前記第１リンクの伸長方向に向けた姿勢で前記外郭部の内側に支持したことを特徴とする。

ここで、回転駆動機構は、モータの回転力を、第２リンクの回転軸である関節回転軸に伝達する機構であり、例えば、モータの回転方向と関節回転軸の回転方向とが異なる場合には、更に回転方向を変換する機構を含み、他にもモータのコントローラ（制御回路）、モータのドライバ（駆動回路）、エンコーダ、減速機などを更に含む場合がある。

〔発明２〕 更に、発明２の関節モジュールは、発明１に記載の関節モジュールにおいて、
前記伝達機構は、前記関節回転軸と同じ回転方向に回転自在に前記外郭部の内側に支持された動力伝達用回転軸と、前記外郭部の内側に設けられた前記モータの回転力を前記動力伝達用回転軸の回転力に変換して該動力伝達用回転軸に伝達する回転方向変換機構と、前記動力伝達用回転軸の回転力を前記関節回転軸に伝達する回転力伝達機構とを備えることを特徴とする。

〔発明３〕 更に、発明３の関節モジュールは、発明２に記載の関節モジュールにおいて、
前記動力伝達用回転軸と前記関節回転軸とを、これら回転軸に垂直で且つ前記第１リンクの伸長方向と垂直な方向に両者の軸心位置を離間して配設したことを特徴とする。

〔発明４〕 更に、発明４の関節モジュールは、発明２又は３に記載の関節モジュールにおいて、
前記回転方向変換機構は、前記モータの出力軸に設けられた駆動歯車と、前記動力伝達用回転軸に設けられた、前記駆動歯車と噛合して前記駆動歯車の回転方向を前記動力伝達用回転軸の回転方向に変換する従動歯車とを備えることを特徴とする。

〔発明５〕 更に、発明５の関節モジュールは、発明２乃至４のいずれか１に記載の関節モジュールにおいて、
前記回転力伝達機構は、前記動力伝達用回転軸に設けられた第１のプーリと、前記関節回転軸に設けられた第２のプーリと、前記第１のプーリと前記第２のプーリとに掛け回されたベルトとを備え、
前記第１のプーリの回転力を、前記ベルトを介して前記第２のプーリに伝達して、前記関節回転軸を回転駆動する構成となっていることを特徴とする。

〔発明６〕 一方、上記目的を達成するために、発明６の脚型ロボットは、
基体と、該基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部の回転駆動機構を制御する制御手段とを備え、前記脚部を駆動することによって移動する脚型ロボットであって、
前記各脚部を、発明１乃至５のいずれか１に記載の関節モジュールから構成したことを特徴とする。

以上説明したように、発明１、２、４及び５の関節モジュール並びに発明６の脚型ロボットによれば、回転駆動機構を構成する、少なくともモータを含む構成部を、第１リンクのフレームの形成する外郭部の内側に配設し、且つモータを、その出力軸の先端を第１リンクの伸長方向に向けた姿勢で、外郭部の内側に支持する構成としたので、モータの幅方向の長さよりも出力軸の先端方向の長さの方が長尺の場合に、モータの出力軸の先端を第１リンクの幅方向に向けた姿勢で支持するよりも、第１リンクの幅の長さを短く構成することができるので、第１リンク及び第２リンクをスマートに構成することができるという効果が得られる。また、モータを含む構成部が第１リンクの外郭部の内側に配設されることから、外部からの衝撃を外郭部が防いでくれるため、外部からの衝撃によるモータを含む構成部の破損を防ぐことができるという効果も得られる。

また、発明３の関節モジュール及び発明６の脚型ロボットによれば、発明１、２、４及び５の前記効果に加え、動力伝達用回転軸と関節回転軸とを、これら回転軸に垂直で且つ第１リンクの伸長方向と垂直な方向に両者の軸心位置を離間して配設したので、例えば、動力伝達用回転軸と他の構成部とが接触しない範囲で動力伝達用回転軸と関節回転軸とを接近させて配設するときに、軸心位置を離間しなかった場合と比較して、動力伝達用回転軸と関節回転軸とを、より接近させて配設することができる。これにより、離間させなかった場合よりも第１リンクを短く構成することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１〜図１３は、本発明に係る関節モジュール及び脚型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、図１及び図２に基づき、本発明に係る脚車輪型ロボットの概略構成を説明する。
図１は、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の正面図である。また、図２は、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の側面図である。

脚車輪型ロボット１００は、図１及び図２に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
基体１０の前方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。

各脚部１２は、回転関節１４と、上腿部リンク１７と、下腿部リンク１９と、上腿部リンク１７及び下腿部リンク１９を回転自在に連結する２つの回転関節１６、１８とから構成されている。
各脚部１２の回転関節１４は、関節モータ４０と、第１股関節駆動部１２０と、減速機とから構成されている。

第１股関節駆動部１２０は、ボックス形状の外郭フレーム部（以下、第１股関節用ハウジングと称す）内に、回転軸と、該回転軸の軸受と、関節モータ４０及び該関節モータ４０の回転駆動力を回転軸に伝達する伝達機構から構成される第１回転駆動機構のうち伝達機構が収納された構成となっている。
第１股関節用ハウジング内に配設された回転軸と、外部の減速機とは同軸に連結されており、減速機の上端部は、第１股関節用ハウジングの下面に接合され、該下面に設けられた貫通穴を通って、回転軸が減速機の軸受内に挿通された構成となっている。

上記構成により、回転関節１４は、第１回転駆動機構から回転駆動力を得て、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
各脚部１２の回転関節１６は、第２股関節駆動部１２２と、回転軸と、その軸受と、回転軸と同軸の減速機とから構成されている。

第２股関節駆動部１２２は、関節モータ４０及び該関節モータ４０の回転駆動力を回転軸に伝達する伝達機構から構成される第２回転駆動機構と、回転軸、軸受及び減速機を覆う関節フレーム部とボックス形状のフレーム部（以下、第２股関節用ハウジングと称す）とが一体形成されたフレームとを備え、第２股関節用ハウジング内に第２回転駆動機構を収納した構成となっている。

関節フレーム部の上面には、回転関節１４を構成する減速機の下端部が接合され、回転関節１６が回転関節１４の回転方向に回転自在に支持されている。
ここで、回転関節１４及び回転関節１６は脚車輪型ロボット１００の股関節を構成している。
各脚部１２の上腿部リンク１７は、その上端部が、関節フレーム部において、回転関節１６に対してその回転方向に回転自在に連結されている。

各脚部１２の下腿部リンク１９は、その上端部が、回転関節１８を介して、上腿部リンク１７に対して回転関節１８の回転方向に回転自在に連結されている。更に、下腿部リンク１９の下端部には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転自在に設けられている。
ここで、回転関節１８は脚車輪型ロボット１００の膝関節を構成している。

上記構成により、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転し、上腿部リンク１７及び下腿部リンク１９を各回転方向に回動させる。従って、脚部１２は、駆動輪２０も含めればそれぞれ４自由度を有する。

更に、各脚部１２の下腿部リンク１９には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定し、且つ接地面までの距離を測定する脚先センサ２４が設けられている。
一方、基体１０の正面の上部中央には、水平面レーザ光を照射する水平レーザ２６が設けられている。また、基体１０の正面の中央左右には、垂直面レーザ光を照射する垂直レーザ２８、３０がそれぞれ設けられている。

基体１０の正面の下部中央には、水平面レーザ光および垂直面レーザ光の反射光を含む画像を撮影するカメラ３２が設けられている。
水平レーザ２６は、カメラ３２で水平面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように下方に所定角度傾けて設けられている。同様に、垂直レーザ２８は、カメラ３２で垂直面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように右方に所定角度傾けて設けられ、垂直レーザ３０は、左方に所定角度傾けて設けられている。

カメラ３２の左右には、障害物を検出する障害物センサ３４、３６がそれぞれ設けられている。障害物センサ３４、３６は、指向性の低い超音波測距センサを複数アレイ状に配列して構成することができる。また、指向性の高い赤外線測距センサを複数アレイ状に配列して構成することもできる。アレイ状に配列する構成に限らず、単体で構成してもよい。また、超音波測距センサまたは赤外線測距センサを複数平面上に配列したエリアセンサで構成してもよい。これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する障害物を大まかに検出することができる。

次に、図３〜図６に基づき、脚部１２のより詳細な構成を説明する。
ここで、図３は、脚部１２を前方側から見た斜視図である。また、図４は、上腿部リンク１７のハウジング部分の透視図である。また、図５（ａ）は、回転関節１８の正面図であり、（ｂ）は回転関節１８の側面図である。また、図６は、下腿部リンク１９を後方側から見た斜視図である。

図３に示すように、第１股関節駆動部１２０を構成する第１股関節用ハウジングは、その回転関節１４の回転軸が収納される側の外郭形状が、円筒を縦に半分に切ったような曲面形状となっている。また、この円筒部分の上面部はハウジングカバー１２０ａで覆われている。更に、回転関節１４の回転軸を回転駆動する関節モータ４０が、ハウジングカバー１２０ａで覆われていない部分から上方に突出する形で設けられている。本実施の形態において、関節モータ４０の回転力は、ハウジング内部のプーリ及びベルトから構成される伝達機構を介して回転関節１４の回転軸へと伝達される。

更に、第１股関節駆動部１２０の側面には、脚部１２の回転関節１４に対する回動範囲を広げる目的で、平面視矩形の切り欠き１２０ｂが設けられている。この切り欠き１２０ｂは、上腿部リンク１７が屈曲している状態で、回転関節１４の回転駆動によって第２股関節駆動部１２２が開脚方向に回動したときに、屈曲状態の上腿部リンク１７のフレームの一部が第１股関節駆動部１２０の側面と丁度ぶつかる位置に設けられている。

つまり、開脚方向への回動によって上腿部リンク１７の第１股関節駆動部１２０の側面とぶつかる部位が、その回動方向に切り欠き１２０ｂ内に進入できる構成とすることによって回動範囲を広くしている。
ここで、開脚方向に回動させるとは、脚車輪型ロボット１００の右前脚を回転関節１４を時計回り方向に回転する方向に回動させ且つ左前脚を回転関節１４を反時計回り方向に回転させる方向に回動させることである。同様に、後ろ脚の場合は、左後脚を時計回り方向に回動させ、且つ右後脚を反時計回り方向に回動させることである。

一方、上腿部リンク１７は、２つの板状のリンク部材１７ａ及び１７ｂの板面同士を、回転関節１６の回転軸方向の幅よりも広い間隙を空けて相対させ、その下端側に、上端部に傾斜面が形成された略ボックス形状の外郭部１７ｃ（以下、膝関節用ハウジング１７ｃと称す）が、一体形成された構成のフレームを備えている。更に、膝関節用ハウジング１７ｃの下端には、下腿部リンク１９との連結用の略コ字状の第１フレーム部が形成されている。

更に、上腿部リンク１７は、その上端部と第２股関節駆動部１２２の関節フレーム部とにおいて、回転関節１６を構成する回転軸、その軸受及び回転軸と同軸の減速機を介して、第２股関節駆動部１２２に両持ちで支持されている。このように、両側から支持する構成とすることで、回転モーメント等に対する連結部の剛性を高めている。
また、リンク部材１７ａ及び１７ｂと膝関節用ハウジング１７ｃの上面と回転関節１６とに囲まれた間隙の大きさは、上腿部リンク１７を回転関節１６の回転軸周りに主屈曲方向（図３中の前方側）に向けて回動させたときに、少なくとも、膝関節用ハウジング１７ｃが回転関節１６に当接しない大きさに構成されている。これにより、上腿部リンク１７の主屈曲方向の回動を膝関節用ハウジング１７ｃが阻害しないようにしている。

なお、本実施の形態において、図３中の後方側に向けて上腿部リンク１７を屈曲する方向を上腿部リンク１７の副屈曲方向とする。
また、膝関節用ハウジング１７ｃの上端部に形成された傾斜面は、回転関節１６の回転軸と直交する方向に変位する傾斜（本実施の形態においては、図３に示す前方側に向かって下っていく傾斜）を有している。これにより、傾斜面を設けずに平らな面にしたときと比較して、傾斜にした分だけ、上腿部リンク１７の回動範囲を広げることができる。

更に、膝関節用ハウジング１７ｃの内側には、図４及び図５（ａ）に示すように、回転関節１８の構成部の一部が配設されている。
回転関節１８は、第３回転駆動機構１８０と、下腿部リンク１９の回転軸である膝関節回転軸１８２とを含んで構成される。
第３回転駆動機構１８０は、回転駆動力を発生する関節モータ４０と、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、関節モータ４０の駆動回路であるドライバ４４と、関節モータ４０の回転力をその回転方向を変換して動力伝達用回転軸１８０ｂに伝達する駆動傘歯車１８０ａ及び従動傘歯車１８０ｃと、関節モータ４０の回転力を伝達する動力伝達用回転軸１８０ｂと、動力伝達用回転軸１８０ｂの回転力を膝関節回転軸１８２に伝達する駆動プーリ１８０ｄ、従動プーリ１８０ｆ及びベルト１８０ｇと、膝関節回転軸１８２の回転速度を減速する減速機１８０ｅとを含んで構成される。

関節モータ４０は、その本体の長尺方向の一端にエンコーダ４２が取り付けられ且つ他端から出力軸１４０が突出した構成となっている。そして、関節モータ４０は、膝関節用ハウジング１７ｃの内側における上方の位置に、出力軸１４０の先端を下方向に向けた姿勢で支持されている。
更に、膝関節用ハウジング１７ｃの内側における、関節モータ４０の対面の前方側の壁にはドライバ４４が、その長尺方向を膝関節用ハウジング１７ｃの伸長方向に沿った姿勢で、且つドライバ４４の基板面と壁面とを対向させて支持されている。

出力軸１４０の先端には、駆動傘歯車１８０ａが、出力軸１４０と共に同じ回転方向に回転するように取り付けられている。
膝関節用ハウジング１７ｃの内側における出力軸１４０の先端部の真下には、動力伝達用回転軸１８０ｂが、膝関節用ハウジング１７ｃの伸長方向と直交する方向に向いた姿勢で（膝関節回転軸１８２と同じ向きで）膝関節用ハウジング１７ｃ内の両側の壁に軸受（例えば、フランジ付の玉軸受など）を介して回転自在に支持されている。

動力伝達用回転軸１８０ｂには、駆動傘歯車１８０ａと噛合して従動傘歯車１８０ｃが外嵌されている。
動力伝達用回転軸１８０ｂの右端部には、膝関節用ハウジング１７ｃの外側に飛び出す形で、動力伝達用回転軸１８０ｂと共に回転可能に駆動プーリ１８０ｄがその軸穴を介して外嵌されている。

膝関節用ハウジング１７ｃの略コ字状の第１フレーム部には、その内側に、両側の壁においてそれぞれ軸受（例えば、深溝軸受など）を介して膝関節回転軸１８２が回転自在に支持されている。
また、膝関節回転軸１８２には、これと同軸に減速機１８０ｅがその軸受を介して外嵌されている。

更に、膝関節回転軸１８２の右端部（駆動プーリ１８０ｄと略同じ平面位置）には、従動プーリ１８０ｆがその軸穴を介して外嵌されている。
駆動プーリ１８０ｄと従動プーリ１８０ｆには、駆動プーリ１８０ｄの回転力を従動プーリ１８０ｆに伝達するベルト１８０ｇが掛け回されている。
更に、回転関節１８は、図５（ｂ）に示すように、動力伝達用回転軸１８０ｂの軸心Ｏ₁と、膝関節回転軸１８２の軸心Ｏ₂とを、脚部１２の前後方向に所定距離を離間して配設し、且つ、動力伝達用回転軸１８０ｂと膝関節回転軸１８２とを、他の部品と接触しない範囲で、垂直方向に接近させて配設している。

以上の構成により、関節モータ４０を、その出力軸１４０を上腿部リンク１７の伸長方向と直交する方向に向けて支持したときよりも、上腿部リンク１７の幅を狭く構成できる。また、ドライバ４４を、その長尺方向を上腿部リンク１７の伸長方向と直交する方向に向けて支持したときよりも、上腿部リンク１７の幅を狭く構成できる。また、軸心Ｏ₁と軸心Ｏ₂とを離間させなかったときと比較して、上腿部リンク１７の伸長方向の長さを短く構成できる。

また、他の脚部１２などの外部からの衝撃を膝関節用ハウジング１７ｃが防いでくれるため、外部からの衝撃による関節モータ４０などの内側に配設された部品の破損を防ぐことができる。
一方、図３及び図６に示すように、下腿部リンク１９は、２つの板状のリンク部材１９ａ及び１９ｂの板面同士を、上腿部リンク１７を正面から見てその膝関節用ハウジング１７ｃの略コ字状の第１フレーム部の短尺方向の幅よりも広い間隙を空けて相対させ、その下端側に、上端部に傾斜面が形成された略ボックス形状の外郭フレーム部１９ｃ（以下、車輪駆動部用ハウジング１９ｃと称す）が、リンク部材１９ａ及び１９ｂと一体形成された構成となっている。更に、車輪駆動部用ハウジング１９ｃの下端には、駆動輪２０の取付用の略コ字状の第２フレーム部が形成されている。

更に、下腿部リンク１９は、その上端部と上腿部リンク１７の下端に設けられた略コ字状の第１フレーム部とにおいて、回転関節１８を構成する膝関節回転軸１８２、その軸受及び減速機１８０ｅを介して上腿部リンク１７に両持ちで支持されている。このように、両側から支持する構成としたことで、回転モーメント等に対する連結部の剛性を高めている。

また、リンク部材１９ａ及び１９ｂと膝関節用ハウジング１７ｃの上面と回転関節１８とに囲まれた間隙の大きさは、下腿部リンク１９を回転関節１８の回転軸周りに主屈曲方向（図３中の後方側）に向けて回動させたときに、少なくとも、車輪駆動部用ハウジング１９ｃが回転関節１８に当接しない大きさに構成されている。これにより、下腿部リンク１９の主屈曲方向の回動を車輪駆動部用ハウジング１９ｃが阻害するのを回避している。

なお、本実施の形態において、図３中の前方側に向けて下腿部リンク１９を屈曲する方向を下腿部リンク１９の副屈曲方向とする。
また、車輪駆動部用ハウジング１９ｃの上端部に形成された傾斜面は、回転関節１８の回転軸と直交する方向に変位する傾斜（本実施の形態においては、図３に示す後方側に向かって下っていく傾斜）を有している。これにより、傾斜面を設けずに平らな面にしたときと比較して、傾斜にした分だけ、下腿部リンク１９の回動範囲を広げることができる。

車輪駆動部用ハウジング１９ｃの内側には、駆動輪２０を回転駆動する車輪駆動機構が配設されている。車輪駆動機構は、車輪モータ５０、該車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２、車輪モータ５０の駆動回路であるドライバ５４、車輪モータ５０の回転駆動力を駆動輪２０の回転軸に伝達する伝達機構及び減速機を含んで構成されている。

なお、図３に示す例は、脚車輪型ロボット１００の左前脚の例となるが、右前脚についても同様となる。また、左後脚及び右後脚については、基体１０の向きを基準として、右前脚の例（図３の例）において、前方側を後方側に、後方側を前方側に入れ替えることで同様となる。
次に、脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを説明する。

図７は、脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを示すブロック図である。
各脚部１２には、図７に示すように、第１、第２、第３回転駆動機構に対して、回転関節１４、１６、１８を回転駆動するアクチュエータとして関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、モータ指令信号およびエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。

各脚部１２の駆動輪２０の回転軸を回転駆動する車輪駆動機構に対して、車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、更に、ＣＰＵ６０と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、カメラ３２の画像信号を処理するビジョンプロセッサ７２と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、ビジョンプロセッサ７２および無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成される。

３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、脚先センサ２４、障害物センサ３４及び３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。

次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図８のフローチャートに示す昇降制御処理を実行する。
図８は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に段差（障害物）があったときに実行される、脚部１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図８に示すように、ステップＳ１００に移行する。

ステップＳ１００では、ビジョンプロセッサ７２から画像を取り込み、ステップＳ１０２に移行する。
ステップＳ１０２では、取り込んだ画像に基づいて光切断法により段差の特徴点を抽出する。
図９は、光切断法の原理を説明するための図である。

光切断法は、三角測量の原理により計測対象上の座標を求める計測法である。図９に計測座標系を示す。 計測対象上の座標Ｐ（x0、y0、z0）は、カメラ３２の撮像素子上の任意の座標をＰs（xi、yi、zi）とすると、下式（１）により求められる。

次に、得られた三次元座標から、レーザ光の反射光の不連続点または屈曲点を段差の特徴点として抽出する。 図１０は、段差にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。

脚車輪型ロボット１００の移動経路上に凸状の段差が存在すると、図１０（ａ）左側に示すように、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光が段差の壁面および床面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む段差の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図１０（ａ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび床面での反射光エッジを抽出することができる。そして、そのエッジ画像および上式（１）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの不連続点に対応する実座標を算出することができる。

また、図１０（ｂ）左側に示すように、垂直レーザ２８から照射された垂直面レーザ光が段差の壁面および上面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む段差の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図１０（ｂ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび上面での反射光エッジを抽出することができる。また、垂直レーザ３０についても同様であり、図１０（ｃ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび上面での反射光エッジを抽出することができる。そして、それらエッジ画像および上式（１）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの屈曲点に対する実座標を算出することができる。

図８に戻り、次いで、ステップＳ１０４に移行して、抽出した特徴点に基づいて段差の幅を算出し、ステップＳ１０６に移行する。
ステップＳ１０６、抽出した特徴点に基づいて段差の上面の実座標を算出し、ステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８では、算出した段差の幅および上面の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ１１０に移行する。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８の計算結果に基づいて脚先の着地位置を決定し、ステップＳ１１２に移行する。
ステップＳ１１２では、車輪モータ５０の回転を停止すべき停止信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１４に移行する。これにより、車輪モータ５０が制御され駆動輪２０の回転を停止する（回転しないようにトルクをかけて保持する）。または、減速機などによって、車輪モータ５０を駆動していないときに車輪が回転しないように保持する構成としても良い。後者の構成の場合は、車輪モータ５０への電力の供給を停止する。

ステップＳ１１４では、脚先センサ２４からセンサ信号を入力し、ステップＳ１１６に移行する。
ステップＳ１１６では、ステップＳ１１４で入力した脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて壁面までの距離を算出し、ステップＳ１１８に移行する。
ステップＳ１１８では、ステップＳ１１４で入力した脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と上面との位置関係を算出し、ステップＳ１２０に移行する。

ステップＳ１２０では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、ステップＳ１２０で生成したモータ指令信号をドライバ４４に出力し、ステップＳ１２４に移行する。
ステップＳ１２４では、脚先が着地位置に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。 一方、ステップＳ１２４で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。

次に、図１１〜図１３に基づき、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、図１１は、下腿部リンク１９を主屈曲方向に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め後方側から見た斜視図である。また、図１２は、上腿部リンク１７を主屈曲側に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め上方向から見た斜視図である。また、図１３は、図１２の状態の脚部１２を開脚方向に回動させたときの斜め上方向から見た斜視図である。

脚車輪型ロボット１００の移動経路上に凸状の段差が存在すると、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光、および垂直レーザ２８、３０から照射された垂直面レーザ光がそれぞれ段差で反射し、カメラ３２により、それら反射光を含む画像が撮影される。次いで、カメラ３２で撮影された画像が取り込まれ（ステップＳ１００）、取り込まれた画像から段差の特徴点が抽出される（ステップＳ１０２）。そして、抽出された特徴点に基づいて段差の幅及び段差上面の実座標が算出され（ステップＳ１０４〜Ｓ１０８）、算出された段差の幅及び段差上面の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される（ステップＳ１１０）。

着地位置が決定されると、各車輪２０を駆動する車輪モータ５０に対応するドライバ５４に対して、駆動輪２０の回転を停止させる停止信号を出力する（ステップＳ１１２）。これにより、脚部１２を用いた移動時において、各駆動輪２０が回転しないように制御される。
更に、脚先センサ２４からセンサ信号が入力され（ステップＳ１１４）、壁面までの距離及び脚先と段差上面との位置関係が算出される（ステップＳ１１６〜Ｓ１１８）。そして、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され（ステップＳ１２０）、生成されたモータ指令信号がドライバ４４に出力される（ステップＳ１２２）。これにより、回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット１００の脚部１２の姿勢が、段差を乗り越えるための姿勢へと変更される。

ここで、昇降対象の段差が脚部１２の回動限界の高さ以上の比較的高い段差であったとする。
まず、駆動制御システムは、回転関節１８のドライバ４４に指令信号を与えて、関節モータ４０を回転駆動する。関節モータ４０が回転駆動すると、その出力軸１４０の先端に取り付けられた駆動傘歯車１８０ａが回転し、該駆動傘歯車１８０ａと噛合する従動傘歯車１８０ｃが回転する。これにより、駆動傘歯車１８０ａの回転方向が変換され、この変換された回転方向の回転力が動力伝達用回転軸１８０ｂへと伝達される。これにより、動力伝達用回転軸１８０ｂが回転し、その端部に取り付けられた駆動プーリ１８０ｄが回転する。

駆動プーリ１８０ｄが回転すると、この回転力がベルト１８０ｇを介して従動プーリ１８０ｆに伝達される。更に、従動プーリ１８０ｆに伝達された回転力は、膝関節回転軸１８２に伝達されると共に減速機１８０ｅにも伝達され、減速機１８０ｅで減速された回転速度で膝関節回転軸１８２が回転する。
膝関節回転軸１８２が回転すると、その回転方向に下腿部リンク１９が回動する。

ここでは、右前脚を構成する下腿部リンク１９を、図１１に示すように、主屈曲方向に回動限界位置まで回動させる。
駆動制御システムの制御によって、下腿部リンク１９は、車輪駆動部用ハウジング１９ｃの上端部と、膝関節用ハウジング１７ｃの下端部とを接触させることなく、膝関節用ハウジング１７ｃの下端部を間隙内に入り込ませながら回動する。そして、図１１に示すように、車輪駆動部用ハウジング１９ｃの上端に形成された傾斜面とリンク部材１７ａ及び１７ｂとが略平行になる位置まで回動して、上腿部リンク１７のフレームと傾斜面とがぶつかる寸前で停止する。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、下腿部リンク１９の回動限界位置を検出するセンサの検出結果に基づき制御される。

次に、駆動制御システムは、段差の上面に脚先を持っていくために、下腿部リンク１９が主屈曲方向に回転限界位置まで回動している状態で、更に、回転関節１６を回転駆動して、図１２に示すように、上腿部リンク１７を、主屈曲方向に回転限界位置まで回動させる。
駆動制御システムの制御によって、上腿部リンク１７が主屈曲方向に回動を開始すると、回転関節１６の関節フレーム部側の下端部（回転関節１６の回転軸及び減速機を含む）が、リンク部材１７ａ及び１７ｂとの間に形成された間隙内に入り込む。このとき、上腿部リンク１７は、膝関節用ハウジング１７ｃの上端部を、回転関節１６に接触させることなく、回転関節１６の関節フレーム部側の下端部を間隙内に入り込ませながら回動する。上腿部リンク１７は、膝関節用ハウジング１７ｃの上端に形成された傾斜面と第１股関節駆動部１２０の半円筒形状の曲面部とが略平行になる位置まで回動していき、図１２に示すように、傾斜面と曲面部とがぶつかる寸前で停止する。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、上腿部リンク１７の回転関節１６に対する回動限界位置を検出するセンサの検出結果に基づき制御される。

以上の制御によって、段差の上面へと右前脚の脚先を運ぶ。駆動制御システムは、図１２に示す姿勢でも段差に届かない場合は、更に、下腿部リンク１９を副屈曲方向に回動させる制御を行う。
次に、脚車輪型ロボット１００を、重心位置をできるだけ低くした状態で正面を向かせたまま真横方向に車輪走行で移動させる場合の動作を説明する。この場合は、各脚部１２を、主屈曲姿勢に屈曲させた状態で、開脚方向に駆動輪２０の進行方向が真横を向く回動角度分、回動させることになる。

具体的に、駆動制御システムは、上腿部リンク１７及び下腿部リンク１９が主屈曲方向の回動限界位置まで回動している状態（図１２に示す状態）で、回転関節１４を回転駆動して、上腿部リンク１７を、図１３に示すように、開脚方向に駆動輪２０の進行方向が真横方向を向く回動位置まで回動させる。
回転関節１４が回転駆動されると、上腿部リンク１７はそのフレームの間隙の内面を、第１股関節駆動部１２０の半円筒形状の曲面に沿わせながら回動し、やがて回転関節１４の第１股関節駆動部１２０の側面へと到達する。第１股関節駆動部１２０の側面には、先述したように、上腿部リンク１７のフレームの当接位置に、切り欠き１２０ｂが設けられているため、上腿部リンク１７は、そのフレームの当接部位を切り欠き１２０ｂ内に進入させながら回動を続ける。

そして、上腿部リンク１７は、駆動輪２０の進行方向が、正面を向いた状態から略９０[°]回動した方向となるまで回動し、その位置で停止する。これにより、図１３に示すように、駆動輪２０の進行方向が真横方向へと変更される。なお、上腿部リンク１７の停止動作は、駆動制御システムにおいて、上腿部リンク１７の回転関節１４に対する回動限界位置を検出するセンサの検出結果又はエンコーダ４２の検出角度に基づき制御される。

他の脚部１２についても同様の開脚動作を行うことで、脚車輪型ロボット１００を真横移動させることが可能な姿勢へと変更することができる。
各脚部１２の姿勢が変更されると、駆動制御システムの各ドライバ５４の制御によって各駆動輪２０が駆動され、脚車輪型ロボット１００が真横方向に移動する。
以上より、膝関節用ハウジング１７ｃの内側に、関節モータ４０をその長尺方向の端部から突出する出力軸１４０の先端を下方向に向けた姿勢で支持する構成としたので、関節モータ４０を、その出力軸１４０を上腿部リンク１７の伸長方向と直交する方向に向けて支持したときよりも、上腿部リンク１７の幅を狭く構成できる。

更に、動力伝達用回転軸１８０ｂの軸心Ｏ₁と、膝関節回転軸１８２の軸心Ｏ₂とを、脚部１２の前後方向に所定距離を離間して配設し、且つ、動力伝達用回転軸１８０ｂと膝関節回転軸１８２とを、他の部品と接触しない範囲で、垂直方向に接近させて配設したので、軸心Ｏ₁と軸心Ｏ₂とを離間させなかったときと比較して、上腿部リンク１７の伸長方向の長さを短く構成できる。

上記実施の形態において、脚車輪型ロボット１００は、発明７に記載の脚型ロボットに対応し、上腿部リンク１７は、発明１又は３に記載の第１リンクに対応し、下腿部リンク１９は、発明１、２、３及び５のいずれか１に記載の第２リンクに対応し、上腿部リンク１７、回転関節１８及び下腿部リンク１９は、発明１乃至５の関節モジュールに対応し、膝関節用ハウジング１７ｃは、発明１又は２に記載の外郭部に対応し、膝関節回転軸１８２は、発明１、２、３及び５のいずれか１に記載の関節回転軸に対応し、駆動傘歯車１８０ａ及び従動傘歯車１８０ｃは、発明２又は４に記載の回転方向変換機構に対応し、駆動プーリ１８０ｄ、従動プーリ１８０ｆ及びベルト１８０ｇは、発明２又は５に記載の回転力伝達機構に対応する。

また、上記実施の形態において、第３回転駆動機構１８０は、発明１に記載の回転駆動機構に対応する。
なお、上記実施の形態においては、動力伝達用回転軸１８０ｂと、膝関節回転軸１８２とを、これらの軸心位置を前後方向に離間して配設すると共に、高さ方向に他の部品と接触しない範囲で接近させる構成としたが、これに限らず、上腿部リンク１７をもっと長く構成できる場合は、軸心位置を前後方向に離間させずに一致させて両者を配設するなど他の構成としても良い。

また、上記実施の形態においては、駆動プーリ１８０ｄ、従動プーリ１８０ｆ及びベルト１８０ｇによって、動力伝達用回転軸１８０ｂの回転力を、膝関節回転軸１８２に伝達する構成としたが、これに限らず、複数の歯車を使って伝達するなど他の構成としても良い。
また、上記実施の形態においては、第３回転駆動機構１８０のモータ４０を、その出力軸１４０の先端を下方向に向けた姿勢で膝関節用ハウジング１７ｃの内側に支持する構成としたが、これに限らず、上方向に向けた姿勢で支持する構成としても良い。

本発明に係る脚車輪型ロボット１００の正面図である。 本発明に係る脚車輪型ロボット１００の側面図である。 脚部１２を前方側から見た斜視図である。 上腿部リンク１７の膝関節用ハウジング１７ｃの透視図である。 （ａ）は、第３駆動機構の正面図であり、（ｂ）は第３駆動機構の側面図である。 下腿部リンク１９を後方側から見た斜視図である。 脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを示すブロック図である。 昇降制御処理を示すフローチャートである。 光切断法の原理を説明するための図である。 段差にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。 下腿部リンク１９を主屈曲方向に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め後方側から見た斜視図である。 上腿部リンク１７を主屈曲側に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め上方向から見た斜視図である。 図１２の状態の脚部１２を開脚方向に回動させたときの斜め上方向から見た斜視図である。

符号の説明

１００ 脚車輪型ロボット
１２０ 第１股関節駆動部
１２０ｂ 切り欠き
１２２ 第２股関節駆動部
１４０ 出力軸
１８０ 第３回転駆動機構
１８０ａ 駆動傘歯車
１８０ｂ 動力伝達用回転軸
１８０ｃ 従動傘歯車
１８０ｄ 駆動プーリ
１８２ 膝関節回転軸
１８０ｅ 減速機
１８０ｆ 従動プーリ
１８０ｇ ベルト
１０ 基体
１２ 脚部
１４、１６、１８ 回転関節
１７ 上腿部リンク
１７ａ，１７ｂ，１９ａ，１９ｂ リンク部材
１７ｃ 膝関節用ハウジング
１９ 下腿部リンク
１９ｃ 車輪駆動部用ハウジング
２０ 車輪
２４ 脚先センサ
２６ 水平レーザ
２８、３０ 垂直レーザ
３２ カメラ
３４、３６ 障害物センサ
４０ 関節モータ
５０ 車輪モータ
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
６０ ＣＰＵ
６２ 角度取込Ｉ／Ｆ
６４ 通信Ｉ／Ｆ
７０ ３軸姿勢センサ
７６ ハブ

Claims (6)

1. 第１リンクと、該第１リンク側に取り付けられた回転駆動機構と、前記第１リンクと相対回転可能に連結されると共に前記回転駆動機構で回転駆動される第２リンクとから構成される関節モジュールであって、
   前記回転駆動機構は、少なくとも、前記第２リンクの回転軸である関節回転軸と、回転力を発生するモータと、該モータの回転力を前記関節回転軸に伝達する伝達機構とを備え、
   前記第１リンクは、中空の外郭部を有するフレームを備え、
   前記回転駆動機構の少なくとも前記モータを含む構成部を、前記外郭部の内側に配設すると共に、前記モータを、該モータの出力軸の先端を前記第１リンクの伸長方向に向けた姿勢で前記外郭部の内側に支持したことを特徴とする関節モジュール。
2. 前記伝達機構は、前記関節回転軸と同じ回転方向に回転自在に前記外郭部の内側に支持された動力伝達用回転軸と、前記外郭部の内側に設けられた前記モータの回転力を前記動力伝達用回転軸の回転力に変換して該動力伝達用回転軸に伝達する回転方向変換機構と、前記動力伝達用回転軸の回転力を前記関節回転軸に伝達する回転力伝達機構とを備えることを特徴とする請求項１に記載の関節モジュール。
3. 前記動力伝達用回転軸と前記関節回転軸とを、これら回転軸に垂直で且つ前記第１リンクの伸長方向と垂直な方向に両者の軸心位置を離間して配設したことを特徴とする請求項２に記載の関節モジュール。
4. 前記回転方向変換機構は、前記モータの出力軸に設けられた駆動歯車と、前記動力伝達用回転軸に設けられた、前記駆動歯車と噛合して前記駆動歯車の回転方向を前記動力伝達用回転軸の回転方向に変換する従動歯車とを備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の関節モジュール。
5. 前記回転力伝達機構は、前記動力伝達用回転軸に設けられた第１のプーリと、前記関節回転軸に設けられた第２のプーリと、前記第１のプーリと前記第２のプーリとに掛け回されたベルトとを備え、
   前記第１のプーリの回転力を、前記ベルトを介して前記第２のプーリに伝達して、前記関節回転軸を回転駆動する構成となっていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の関節モジュール。
6. 基体と、該基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部の回転駆動機構を制御する制御手段とを備え、前記脚部を駆動することによって移動する脚型ロボットであって、
   前記各脚部を、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の関節モジュールから構成したことを特徴とする脚車輪型ロボット。

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