JP2021516639A - 壁面でジャンプする片脚型ロボット機構及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は壁面でジャンプする片脚型ロボット機構及び制御方法を開示し、壁面でジャンプする片脚型ロボット機構は、ロボット脚部を備え、前記ロボット脚部の胴体には、複数の回転翼が固接され、複数の回転翼は、胴体に対して鏡像に配置され、且つ複数の回転翼の作動面は、互いに平行である。本発明は、回転翼機構が付されており、ロボットの空中における重心軌跡及び体勢を能動的に制御することができ、本発明に開示される制御方法を組み合わせれば、垂直な壁面で連続してジャンプする技術的効果を奏することができ、ロボットの適用場面を多くし、運動能力を向上させることができる。【解決手段】【選択図】図１

Description

本発明はロボットの技術分野に関し、具体的に壁面でジャンプする片脚型ロボット機構及び制御方法に関する。

科学技術の進歩に伴い、ロボットの時代が訪れている。脚足型ロボットは、現在ロボット分野における主な研究のホットスポットの１つであり、脚足型ロボットの高速走行とジャンプなどをいかに実現することは、既にロボットの技術分野の研究の焦点となっている。人間の脚は、歩行とジャンプなどの動作を行うことが可能であり、これは、脚足型ロボットがその動作のパフォーマンスを向上させるための重要な参考価値となる。現在、世界で脚足型ロボットに対する研究は、主に平面上での歩行、ランニングとジャンプ、クローリングなどの機能に焦点を当てているが、垂直壁などの障害物を越える脚足型ロボットについては、詳細な研究が行われていない。但し、このようなロボットは、特殊な場合に、重要な応用価値がある。

片脚型ロボットは、脚型ロボットのうち構造が最も簡単なロボットであり、動力学モデルが簡単で、干渉が少なく、研究コストが低くかつ研究周期が短いという利点を有する。片脚型ロボット機構を設計することで、脚型ロボットの構造特徴及び動作特性をより良く理解することができる。

例えば、登録公告番号ＣＮ１０６００５０７９Ａである特許文献は、能動足首関節及び生体模倣足部付きの片脚型ロボットジャンプ機構を開示し、従来技術に存在した、ロボットのジャンプ中のエネルギー貯蔵能力が弱く、股関節の協調動作を実現できないこと、及び、足首関節モータをジャンプ中の衝撃から保護できないという問題を解決した。しかし、このような片脚型ロボットでは、重心軌跡を空中で調整する機能を有していないため、運動のバランスを保つことがある程度難しく、且つ複雑な地面の障害物を超える機能を実現することが難しい。

例えば、登録公告番号ＣＮ１０３８７９４７０Ｂである特許文献に開示されたリンク伝動の片脚型ロボットのジャンプ機構では、方向駆動装置が大腿を回転駆動できるため、方向制御を実現することができ、ジャンプ駆動装置及び方向駆動装置が胴体に近づくことで、胴体に対する大腿の慣性モーメントを低減し、第１駆動モータの消費エネルギーを低減し、ロボットの動作の安定性や機敏性を向上させることができ、フライホイールをバランスさせることにより、ロボットの安定性が向上し、設置された弾性エネルギー貯蔵部品及びバランス部品により、エネルギーを貯蔵することができるとともに、緩衝することができる。しかし、このようなロボットは、足関節および足裏を有さず、足首関節の動きを利用してロボットのジャンプ力を高めることができないし、高強度ジャンプ運動においてロボットの膝関節及び股関節に対する地面の衝撃を緩和する能力にも限界がある。

論文「Ｆｅａｒｉｎｇ． Ｒｏｂｏｔｉｃ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｊｕｍｐｉｎｇ ａｇｉｌｉｔｙ ｖｉａ ｓｅｒｉｅｓ―ｅｌａｓｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」に開示された極めて強い力を備えるジャンプロボットの技術案では、その脚部にヒンジと８本のレバーが組み込まれるように設計され、モータがそのうちの１本のレバーにトルクを加えるとき、他のレバーもそれに伴って回動し、このとき、脚部が大きなエネルギーを発生して下方に推力を発して、機器がよりよくジャンプすることができる。このロボットでは、地面から壁にジャンプし、そして壁からジャンプするという連続ジャンプ動作を実現しているが、本質的には依然として地面によって発力するジャンプロボットに関する技術案となり、垂直な壁面で連続してジャンプする能力を備えておらず、高い障害物を超えることができない。

論文「Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｊｕｍｐｉｎｇ ｌｉｍｉｔｓ ｆｒｏｍ ｆｌｉｇｈｔ―ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｓａｌｔｏ―１Ｐ」には、プロペラ制御付きの片脚型ロボットに関する技術案が開示され、プロペラ推進器は、このロボットの空中での進路及び横転を制御し、さらに本来の回転慣性テールの垂直方向における仰俯控制能力を加えることで、この技術案は、空中で姿勢を調整する機能を実現することができる。しかし、このロボットは、プロペラの動力が小さく、滞空状態でプロペラが胴体の重心に与える加速度が小さく、空中でジャンプ過程において地面に接触して受けた大きな衝撃力を効果的に制御できないため、ロボットが壁面で連続してジャンプすることを実現することができない。

上記問題に鑑みて、本発明は、片脚型ロボットが複雑な環境でのバランスのとれた運動機能を有し、かつ、壁面でジャンプする能力を有することを実現する壁面でジャンプする片脚型ロボット機構及び制御方法を提供する。

上記目的に達成するために、本発明で採用される技術案は、以下のとおりであり、壁面でジャンプする片脚型ロボット機構であって、ロボット脚部を備え、前記ロボット脚部の胴体には、複数の回転翼が固接され、複数の回転翼は、胴体に対して鏡像に配置され、且つ複数の回転翼の作動面は、互いに平行である。

さらに、前記胴体の内部には、コントローラ及びジャイロスコープが取り付けられ、ジャイロスコープ及び複数の回転翼は、いずれもコントローラに接続されている。

さらに、前記胴体の内部には、ロボットの体勢を検出するためのジャイロスコープが取り付けられ、当該ジャイロスコープは、コントローラに接続されている。

さらに、複数の回転翼の数は４つであり、それぞれ左上回転翼、右上回転翼、左下回転翼及び右下回転翼である。

さらに、前記ロボット脚部は、順にヒンジ接続される胴体と、大腿と、小腿と、足部とを備え、前記胴体と大腿とがヒンジ接続される箇所には、大腿が回転するように駆動する股関節が設けられ、前記大腿には、小腿が回動するように駆動する膝関節が設けられ、前記小腿には、足部が回動するように駆動する足首関節が設けられ、前記股関節、膝関節及び足首関節は、いずれもコントローラに接続されている。

さらに、前記足部の底部には、摩擦係数が０．５より大きい材料が取り付けられている。

本発明の他の目的は、壁面でジャンプする片脚型ロボット機構の制御方法を提供することにあり、この方法は、発力段階、滞空段階及び収縮段階の３つの過程に分けられる。

壁面でジャンプする過程において、発力段階は、ロボットの足部が壁面をペダリングし、股関節、膝関節及び足首関節が能動的に動作する段階である。発力段階では、ロボットは、壁面に圧力を与えること及び足部と壁面との摩擦力を利用することにより、ロボットに上向き及び壁面から離れる推力を提供し、この段階において回転翼の作動目的は、上下回転翼の異なる回転速度により機体へのトルクを提供して、足部のペダリングによる機体への外乱トルクをバランスして、機体のバランスを維持する。発力段階では、ロボット機体に取り付けられるジャイロスコープは、ロボットの姿勢及び速度情報をモニタリングして、さらに、足部が壁面をペダリングすること及び回転翼の回転速度を調整することにより、機体のバランスを維持する。足部が壁面から離れると、滞空段階に進む。

滞空段階は、ロボットの足部が壁面に接触せず、ロボット全体が滞空する段階である。滞空段階では、ジャイロスコープによってフィードバックされたロボットの体勢に応じて、左上回転翼、右上回転翼、左下回転翼及び右下回転翼がともに協働してロボットに壁面向きの推力を与えて、重心に壁面向きの加速度を取得させる。ロボット機体が前傾する場合、左下回転翼及び右下回転翼が早く回転し、左上回転翼及び右上回転翼が遅く回転することにより、ロボットに仰向けのトルクを付与し、ロボット機体が仰向ける場合、左上回転翼及び右上回転翼が速く回転し、左下回転翼及び右下回転翼が遅く回転することにより、ロボットに俯せのトルクを付与し、これによってロボットの滞空段階での姿勢を安定させる。同時に、ロボットの股関節、膝関節及び足首関節が協働して運動し、重力モーメントによる影響を克服する必要がある一方、垂直速度に応じて適切な足踏み位置を選択する必要がある。足部が壁面に接触してから、収縮段階に進む。

収縮段階は、ロボットの足部が再び壁面に接触してから、股関節、膝関節及び足首関節が壁に接触して被動的に収縮し、ロボットの重心が水平方向において減速する過程である。収縮段階では、足部が壁面に接触すると、脚部が定められた限界点に圧縮されて発力段階に進むまで、ジャイロスコープのデータでフィードバックされたロボットの体勢に応じて、左上回転翼、右上回転翼、左下回転翼及び右下回転翼はともに回転速度を調整して、足部に対する壁面の衝撃によってロボットの重心にもたらされるトルクをバランスして、機体のバランスを保持するようになる。このように繰り返すことで、ロボットが壁面で連続してジャンプする機能を実現することができる。

本発明は、背景技術に比べて、以下の有益な効果を有するものとなる。本発明は、回転翼機構が付されており、ロボットの空中における重心軌跡及び体勢を能動的に制御することができ、本発明に開示される制御方法を組み合わせれば、垂直な壁面で連続してジャンプする技術的効果を奏することができ、ロボットの適用場面を多くし、運動能力を向上させることができる。

本発明に係る壁面でジャンプする片脚型ロボット機構の構成斜視図である。 本発明に係る壁面でジャンプする片脚型ロボット機構の側面図である。 本発明に係る壁面でジャンプする片脚型ロボット機構が、壁面でジャンプする発力段階での動力学モデルの模式図である。 本発明に係る壁面でジャンプする片脚型ロボット機構が、壁面でジャンプする滞空段階での動力学モデルの模式図である。 本発明に係る壁面でジャンプする片脚型ロボット機構が、壁面でジャンプする収縮段階での動力学モデルの模式図である。 本発明に係る壁面でジャンプする片脚型ロボットのアルゴリズム制御ブロック図である。

以下、図面及び実施例を結合して本発明をさらに説明する。

図１〜２に示すように、壁面でジャンプする片脚型ロボット機構は、ロボット脚部を備え、前記ロボット脚部の胴体１に、複数の回転翼が固接され、複数の回転翼は、胴体に対して鏡像に配置され、且つ複数の回転翼の作動面は、互いに平行である。

前記胴体１の内部に、コントローラ及びジャイロスコープが取り付けられ、ジャイロスコープ及び複数の回転翼は、いずれもコントローラに接続されている。

本実施例において、複数の回転翼の数は４つであり、それぞれ左上回転翼８、右上回転翼９、左下回転翼１０及び右下回転翼１１であり、前記回転翼は、無人機の回転翼を用いてもよいが、これに限定されない。

さらに、前記ロボット脚部は、順にヒンジ接続される胴体１、大腿３、小腿５及び足部７を備え、前記胴体１と大腿３とがヒンジ接続される箇所には、大腿が回転するように駆動する股関節２が設けられ、前記大腿３には、小腿５が回動するように駆動する膝関節４が設けられ、前記小腿５には、足部７が回動するように駆動する足首関節６が設けられ、前記股関節２、膝関節４及び足首関節６は、いずれもコントローラに接続されている。本発明に係るロボット脚部の技術案は、登録公告番号ＣＮ１０６００５０７９Ａである特許文献に開示された技術内容が用いられてもよく、これに限定されない。

さらに、前記足部の底部には、ゴムなどの摩擦係数の大きい材料が取り付けられ、これらの材料の摩擦係数は０.５よりも大きい必要がある。

本発明の動作過程は、図３〜６に示されるように、発力段階、滞空段階、収縮段階の３つの過程に分けられている。その説明は以下の通りである。

図３に示されるのは、発力段階でのロボット姿勢及びその受力状況である。発力段階は、片脚型ロボット機構の足部７が壁面をペダリングし、股関節２、膝関節４及び足首関節６が能動的に動作する段階である。発力段階では、片脚型ロボット機構は、壁面に圧力を与えること及び足部７と壁面との摩擦力を利用することにより、ロボットに上向き及び壁面から離れる推力を提供し、この段階で回転翼の主な役割は、足部７のペダリングによるトルクをバランスすることである。

図３に示されるように、発力段階での動力学方程式を立式する。
水平方向は、以下の通りである。

垂直方向は、以下の通りである。

トルクは、以下の通りである。

ただし、Ｎは、脚部が壁面をペダリングすることによってロボットの重心が受けた水平力であり、

は回転翼の動作による片脚型ロボット機構の重心への水平力であり、ｍはロボットの質量であり、

は片脚型ロボット機構の水平方向の加速度であり、ｆは脚部が壁面をペダリングすることによって片脚型ロボット機構の重心が受けた摩擦力であり、

は回転翼の動作による片脚型ロボット機構の重心への垂直力であり、ｇは重力加速度であり、

はロボットの垂直方向の加速度であり、Ｔは片脚型ロボット機構が壁面に対する足部のペダリングによって生じるトルクであり、

は回転翼の動作によって生じるトルクであり、Ｉはロボットの慣性モーメントであり、βは片脚型ロボット機構の角加速度である。

発力段階では、機体１に取り付けられるジャイロスコープは、胴体の俯せ仰向け角度及び

、

の値をリアルタイムに読み取る必要があり、さらに、足部７が壁面をペダリングすること及び回転翼の回転速度を調整することにより、

、

及び

の大きさを調整して、片脚型ロボット機構の重心に大きい垂直方向の加速度

及び小さい水平方向の加速度

を取得させるとともに、片脚型ロボット機構の機体のトルクのバランスを保持する。大腿３と小腿５が一直線にあるとき、胴体１が上向きに外向きに連続的に運動して、足部７が壁面から離れることになり、足部７におけるセンサが壁に接触する情報を検出しなくなり、このとき滞空段階に進む。

図４に示されるのは、滞空段階での片脚型ロボット機構の姿勢及び受力状況である。滞空段階は、足部７が壁面に接触せず、ロボット全体が滞空する段階である。滞空段階では、ジャイロスコープによってフィードバックされた片脚型ロボット機構の体勢に応じて、左上回転翼８、右上回転翼９、左下回転翼１０及び右下回転翼１１がともに協働してロボットに壁面向きの推力を与えつつ、機体の姿勢をバランスさせる。機体１が前傾する場合、左下回転翼１０及び右下回転翼１１が速く回転し、左上回転翼８及び右上回転翼９が遅く回転することにより、片脚型ロボット機構に仰向けのトルクを付与し、機体１が仰向ける場合、左上回転翼８及び右上回転翼９が速く回転し、左下回転翼１０及び右下回転翼１１が遅く回転することにより、片脚型ロボット機構に俯せのトルクを付与する。

図４に示されるように、滞空段階での動力学方程式を立式する。
水平方向は、以下の通りである。

垂直方向は、以下の通りである。

トルクは、以下の通りである。

滞空段階では、機体１に取り付けられるジャイロスコープは、胴体の俯せ仰向け角度及び

、

の値をリアルタイムに読み取る必要があり、さらに、回転翼の回転速度を調整することにより

の大きさを調整し、片脚型ロボット機構の重心に大きい壁面向きの水平方向の加速度

を取得させるとともに、片脚型ロボット機構の機体のトルクのバランスを保持する。滞空段階では、股関節２、膝関節４、足首関節６が協働して運動し、重力モーメントによる影響を克服する必要がある一方、垂直速度に応じて適切な足踏み位置を選択する必要がある。左上回転翼８、右上回転翼９、左下回転翼１０及び右下回転翼１１が加えられた壁向きの推力に合わせて片脚型ロボット機構を壁へ移動させ、足部７が壁面に接触してから、収縮段階に進む。

図５に示されるのは、収縮段階での片脚型ロボット機構の姿勢及びその受力状況である。収縮段階は、足部７が再び壁面に接触してから、モーメントがゼロの状態にある股関節２、膝関節４及び足首関節６が収縮する過程である。収縮段階では、足部７が壁面に接触してから、ジャイロスコープのデータでフィードバックされた片脚型ロボット機構の体勢に応じて、左上回転翼８、右上回転翼９、左下回転翼１０及び右下回転翼１１がともに回転速度を調整することにより、壁面の足部７に対する衝撃によって片脚型ロボット機構の重心にもたらされるトルクをバランスして、機体１のバランスを保持する。

図５に示されるように、収縮段階での動力学方程式を立式する。
水平方向は、以下の通りである。

垂直方向は、以下の通りである。

トルクは、以下の通りである。

収縮段階では、ロボットは、回転翼の作動により、片脚型ロボット機構の機体の姿勢のバランスを保持し、収縮段階は、発力段階の動力学方程式と類似し、主な相違点は、収縮段階において、脚部が定められた限界点に圧縮されて発力段階に入るまで、股関節２、膝関節４及び足首関節６が被動的に動作することであり、このように繰り返すことにより、垂直な壁面でジャンプする機能を実現する。

１ 胴体
２ 股関節
３ 大腿
４ 膝関節
５ 小腿
６ 足首関節
７ 足部
８ 左上回転翼
９ 右上回転翼
１０ 左下回転翼
１１ 右下回転翼。

Claims (6)

1. 壁面でジャンプする片脚型ロボット機構であって、ロボット脚部を備え、前記ロボット脚部の胴体には、複数の回転翼が固接され、複数の回転翼は、胴体に対して鏡像に配置され、且つ複数の回転翼の作動面は、互いに平行であること、を特徴とする壁面でジャンプする片脚型ロボット機構。
2. 前記胴体の内部には、コントローラ及びジャイロスコープが取り付けられ、ジャイロスコープ及び複数の回転翼は、いずれもコントローラに接続されていること、を特徴とする請求項１に記載の壁面でジャンプする片脚型ロボット機構。
3. 複数の回転翼の数は４つであり、それぞれ左上回転翼、右上回転翼、左下回転翼及び右下回転翼であること、を特徴とする請求項１に記載の壁面でジャンプする片脚型ロボット機構。
4. 前記ロボット脚部は、順にヒンジ接続される胴体、大腿、小腿及び足部を備え、前記胴体と大腿とがヒンジ接続される箇所には、大腿が回転するように駆動する股関節が設けられ、前記大腿には、小腿が回動するように駆動する膝関節が設けられ、前記小腿には、足部が回動するように駆動する足首関節が設けられ、前記股関節、膝関節及び足首関節は、いずれもコントローラに接続されていること、を特徴とする請求項３に記載の壁面でジャンプする片脚型ロボット機構。
5. 前記足部の底部には、摩擦係数が０．５よりも大きい材料が取り付けられていること、を特徴とする請求項４に記載の壁面でジャンプする片脚型ロボット機構。
6. 請求項５に記載の壁面でジャンプする片脚型ロボット機構の制御方法であって、
   この制御方法は、発力段階、滞空段階及び収縮段階の３つの過程に分けられるものであり、
   壁面でジャンプする過程において、発力段階は、ロボットの足部が壁面をペダリングし、股関節、膝関節及び足首関節が能動的に動作する段階であり、発力段階において、片脚型ロボット機構は、壁面に圧力を与えること及び足部と壁面との摩擦力を利用することにより、片脚型ロボット機構に上向き及び壁面から離れる推力を提供し、この段階に、上下回転翼の異なる回転速度により機体へのトルクを提供することで、足部のペダリングによって機体に対して生じる外乱トルクをバランスして、機体のバランスを維持し、発力段階において、機体に取り付けられるジャイロスコープがロボットの姿勢及び速度情報をモニタリングして、さらに、足部が壁面をペダリングすること及び回転翼の回転速度を調整することにより、機体のバランスを維持し、
   滞空段階は、ロボットの足部が壁面に接触せず、ロボット全体が滞空する段階であり、滞空段階において、ジャイロスコープによってフィードバックされたロボットの体勢に応じて、左上回転翼、右上回転翼、左下回転翼及び右下回転翼がともに協働して片脚型ロボット機構に壁面向きの推力を与えて、重心に壁面向きの加速度を取得させ、同時に、股関節、膝関節及び足首関節が協働して運動し、重力モーメントによる影響を克服する必要がある一方、垂直速度に応じて適切な足踏み位置を選択する必要があり、
   収縮段階は、足部が再び壁面に接触してから、股関節、膝関節及び足首関節が壁に接触して被動的に収縮し、片脚型ロボット機構の重心が水平方向において減速する過程であり、収縮段階において、足部が壁面に接触すると、脚部が定められた限界点に圧縮されて発力段階に進むまで、ジャイロスコープのデータでフィードバックされたロボットの体勢に応じて、左上回転翼、右上回転翼、左下回転翼及び右下回転翼がともに回転速度を調整して、壁面の足部に対する衝撃によって片脚型ロボット機構の重心にもたらされるトルクをバランスして、機体のバランスを保持し、
   このように繰り返すことによって、片脚型ロボット機構が壁面で連続してジャンプすることを実現できること、を特徴とする壁面でジャンプする片脚型ロボット機構の制御方法。

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