JP2014161991A

JP2014161991A - ロボットの移動機構及びそれを備えるロボット

Info

Publication number: JP2014161991A
Application number: JP2013038079A
Authority: JP
Inventors: Kazuteru Hida; 和輝飛田; Isayuki Sagayama; 功幸嵯峨山; Hironori Ogawa; 博教小川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】平面上での自由自在な運動を可能としながらも、不整地や連続的な段差である階段への対応も可能なロボットの移動機構を提供することを目的とする。
【解決手段】脚構造を有する移動機構の脚部先端に、独立に駆動可能な全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有し、姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒回避する制御法を実装した移動機構、及び、それを備える脚車輪型ロボットを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットの移動機構及びそれを備えるロボットに関し、より具体的には、脚と車輪を融合した形状のロボットに関するものであり、特に、段差等の踏破性を備え、また、平面上において運動方向の拘束を受けない脚車輪型ロボットに関するものである。

近年、産業界のみならず、生活支援分野でのロボットの活動を想定して、平面上だけでなく不整地や段差、階段等の踏破性が要求され、そのため、多くの研究者により不整地移動ロボットの研究が盛んに行われている。不整地移動ロボットは、機構上、車輪型、クローラ型、脚型、あるいはそれらの複合型のグループに大別される.

特に、複合型のロボットのうち、脚機構と車輪とを複合利用するものは、不整地移動を実現しながらも、平地での高い移動性を有するという利点がある（特許文献１参照）。

また、平地において、通常の車輪機構では、車輪の進む向きと垂直な方向には、車輪自身に拘束され運動方向が制限されるため、車輪の回転軸とは異なる向きの軸上に複数の従動車輪を配置する全方位車輪（オムニホイール，メカナムホイール）を用いて平面上を斜めや真横などに移動する移動機構が存在する（特許文献２参照）。

特許４７２４８４５号特開２０１０−７６６３０号公報

ところで特許文献１のような移動機構は、不整地などへの対応に優れているが、全方向車輪を補助輪（特に従動輪）としてのみ用いており、駆動力を発する部分は通常の車輪であることから、車輪機構による真横や斜めへの移動ができない。

また、特許文献２のようなロボットにおいては、全方向車輪を駆動輪として用いており、平面上での自由自在な運動が可能であるが、不整地や連続的な段差である階段への対応力は低い。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、平面上での自由自在な運動を可能としながらも、不整地や連続的な段差である階段への対応も可能なロボットの移動機構、及び、それを備えるロボットを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。

股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸を有する脚部先端に、独立に駆動可能な２つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有し、姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒回避する制御法を実装した、脚車輪型ロボットの移動機構、及び、それを備える脚車輪型ロボット。

また、股関節ピッチ軸、膝直動関節を有する脚部先端に、独立に駆動可能な２つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有し、姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した、脚車輪型ロボットの移動機構、及び、それを備える脚車輪型ロボット。

また、股関節直動軸，膝直動関節を有する脚部先端に、独立に駆動可能な２つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有し、姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した、脚車輪型ロボットの移動機構、及び、それを備える脚車輪型ロボット。

また、股関節直動軸、膝関節ピッチ軸を有する脚部先端に、独立に駆動可能な2つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有し、姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した、脚車輪型ロボットの移動機構、及び、それを備える脚車輪型ロボット。

本発明の上記脚車輪型ロボットの移動機構、及び、それを備えるロボットによれば、脚構造による不整地移動を実現しながらも、平地での拘束方向のない高い移動性が、全方向車輪により得られる。

従来の駆動車輪つき四脚車輪ロボットの構成を説明する図である。本発明の第１実施形態を説明する図である。全方向車輪の一例としてのメカナムホイールを説明する図である。全方向車輪の一例としてのオムニホイールを説明する図である。全方向車輪を用いた移動機構の一例を説明する図である（メカナムホイールの例）。全方向車輪を用いた移動機構の一例を説明する図である（オムニホイールの例）第１の実施形態の構成を用いたガイダンスロボットを説明する図である。倒立振子・台車系モデルを説明する図である。本発明の第２実施形態を説明する図である。本発明の第３実施形態を説明する図である。本発明の第４実施形態を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず、図１に従来の駆動車輪付四脚車輪型ロボットの構成を示す。ロボット基部１１に脚部５１が４本接続されており、脚部５１はそれぞれ、股関節ヨー軸２１を介して股関節部リンク３１が回転可能であり、股関節部リンク３１の他端には股関節ピッチ軸２２を介して腿部リンク３２が回転可能であり、腿部リンク３２の他端は膝関節２３を介して脛部リンク３３を回転可能とする垂直多関節構成であり、腿部リンク３２の他端には駆動車輪４１を設置し、平面上を車輪の拘束の下、運動可能とするものである。

つぎに、図２を参照して、本発明に係る脚車輪型ロボットの第１実施形態について説明する。図２は、図１の脚車輪型ロボットの駆動車輪４１を全方向車輪４２に変更したものであり、股関節ヨー軸２１を取り去った構成である。また、基部１１に姿勢検出センサ１２を設置し、本体の倒れなどの角度情報を取得する。

全方向車輪４２は、図３に示すメカナムホイール、図４に示すオムニホイールなどである。図３のメカナムホイールは、モータなどの駆動軸が接続される主軸ハウジング８１と、第１の従動小車輪８２ａ、第２の従動小車輪８２ｂ、および従動輪用軸８３から構成される。ホイール自体が回転することで推進力を得るが、地面に接地する部分は主軸と４５度ずれた軸に固定された従動小車輪であり、ホイール進行方向以外の方向への運動が拘束されないものであり、これを図５のごとく組み合わせて、各軸の駆動力を調整することで、全方向への移動を可能とする移動機構が実現できるものである。

同様に、図４のオムニホイールは、モータなどの駆動軸が接続される主軸ハウジング８１と、従動小車輪８４、および従動輪用軸８３から構成される。ホイール自体が回転することで推進力を得るが、地面に接地する部分は主軸と９０度ずれた軸に固定された従動小車輪であり、ホイール進行方向以外の方向への運動が拘束されないものであり、これを図６のごとく組み合わせて、各軸の駆動力を調整することで、全方向への移動を可能とする移動機構が実現できるものである。

以上のような、脚構造と全方向車輪を用いた脚車輪型ロボットの構成を用いた案内ロボット（ガイダンスロボット）の例を図７に示す。ガイダンスロボットは、人からの指令に応じて進行方向を決定し、周囲の障害物を検知して回避や停止するものである。基部１１には周囲の障害物や階段などを認識するための距離画像センサ６１や、人からの指令を検出する入力デバイス（力センサ）が備わる。

これまでに説明してきたように、足先に全方向車輪４２を備えていることで、平面上を拘束向がなく自在に走行できるため股関節ヨー軸２１が必ずしも必要ではなくなる。また、図８に示す倒立振子・台車系の制御を応用することで、ロボットの転倒回避などの制御が可能となる。図８において台車１０１と倒立振子１０２とは、1軸の受動関節で接続されており、台車１０１を左右に動かすことで、倒立振子１０２を倒れないように制御するものであり、以下の運動方程式が成り立つことが知られている。

ｍ：振子の質量
Ｌ：振子の長さ（半分）
θ：振子の角度
τ：振子に加わるトルク
Ｍ：台車の質量
Χ：台車の変位
ｆ：台車に加わる力
ｇ：重力加速度

支持脚2点を結ぶ線分を紙面に垂直な向きに合わせればこのモデルが適用できる。姿勢検出センサ１２により検出された角度情報に応じて全方向車輪を駆動することで、転倒を回避する制御が可能となる。それゆえ、転倒回避のために股関節ヨー軸２１を設けておく必要がなくなりこれを取り去った構成に自由度が削減できる。

つぎに、図９を参照して、本発明に係る脚車輪型ロボットの第２実施形態について説明する。図９は、図２の脚車輪型ロボットの膝関節２３を脛部直動関節９２に変更したものである。その他の構成及び作用効果については、前記第１実施形態と同様である。

つぎに、図１０を参照して、本発明に係る脚車輪型ロボットの第３実施形態について説明する。図１０は、図２の脚車輪型ロボットの膝関節２３を脛部直動関節９２に、股関節ピッチ軸２２を腿部直動関節９３に変更したものである。その他の構成及び作用効果については、前記第１実施形態と同様である。

つぎに、図１１を参照して、本発明に係る脚車輪型ロボットの第４実施形態について説明する。図１１は、図２の脚車輪型ロボットの股関節ピッチ軸２２を腿部直動関節９３に変更したものである。その他の構成及び作用効果については、前記第１実施形態と同様である。

なお、以上の説明では、人を案内するガイダンスロボットを想定した説明としたが、これに限られるものではなく、一般的な歩行機械においても利用可能である。

１１ロボット基部
１２姿勢検出センサ
２１股関節ヨー軸
２２股関節ピッチ軸
２３膝関節
３１股関節部リンク
３２腿部リンク
３３脛部リンク
４１駆動車輪
４２全方向車輪
４３メカナムホイール
４４オムニホイール
５１脚部
６１距離画像センサ
７１入力デバイス
８１主軸ハウジング
８２ａ従動小車輪
８２ｂ従動小車輪
８３従動輪用軸
８４従動小車輪
９２脛部直動関節
９３腿部直動関節
１０１台車
１０２倒立振子

Claims

股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸を有する脚部先端に、独立に駆動可能な2つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有する脚車輪型ロボット。
姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した請求項１に示す構成の脚車輪型ロボット。
股関節ピッチ軸、膝直動関節を有する脚部先端に、独立に駆動可能な2つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有する脚車輪型ロボット。
姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した請求項３に示す構成の脚車輪型ロボット。
股関節直動関節、膝直動関節を有する脚部先端に、独立に駆動可能な2つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有する脚車輪型ロボット。
姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した請求項５に示す構成の脚車輪型ロボット。
股関節直動関節、膝関節ピッチ軸を有する脚部先端に、独立に駆動可能な2つの全方向車輪を設置し、本体の姿勢を検出するセンサを有する脚車輪型ロボット。
姿勢検出センサの出力値に応じて全方向車輪に回転指令を与え転倒を回避する制御法を実装した請求項７に示す構成の脚車輪型ロボット。