JP3918049B2

JP3918049B2 - Biped robot

Info

Publication number: JP3918049B2
Application number: JP2002065106A
Authority: JP
Inventors: 治松本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP2003266337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両足に平行２輪を備えて２足歩行により移動を行う２足歩行ロボットに関し、特に２足によって階段を移動できると共に、平坦面においては車輪により高速で移動すると共に、自由に操向可能とした２足歩行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動ロボットの研究が広範に行われているが、人間環境内で自由に移動するためには環境内に段差が多いため、この段差を円滑に移動する必要があり、そのためには多足のロボットを用いることが望ましい。その中でも２足歩行ロボットは例えば４足、６足のような多足歩行ロボットと比較してバランスをとって歩行作動させることが困難である反面、少ないスペース上で移動でき、また人間の動作の研究にも応用でき、特に人間の感覚になじみやすい為アミューズメント機能も備え、人間と共生できるロボットとして期待されている。
【０００３】
このような２足歩行ロボットについても広く研究がなされており、段差のある部分や階段を円滑に移動する研究開発が重点的に行われている。しかしながら、２足歩行ロボットが単に歩行のみによって移動する際には平坦面においても歩行移動することとなり、その移動速度は限られたものとならざるを得ない。本来、平坦面の移動は車輪を用いることにより高速で移動することができるものであり、ロボットのような機械においては足につけた車輪をモータで駆動することにより容易に対応することができる。
【０００４】
その観点から本件発明者らは、各脚に平行２輪の車輪を設けた２足歩行ロボットの研究を行っており、このロボットによる階段昇降制御の研究結果等を日本ロボット学会等で発表している（日本ロボット学会誌、Vol.16 No.6 1998 「静的歩容を規範とした２足歩行型脚車輪ロボットの階段昇降制御」)。このロボットは図５に示すような構造をなし、図６に示すような作動によって階段を昇降する。
【０００５】
即ち、このロボットにおいては、フレーム６１の片側に第１脚支持部６２を固定し、他側に第２脚支持部６３を回転自在に支持している。第１脚支持部６２の上端部には第１脚伸縮用モータ６４を備え、この第１脚伸縮用モータ６４によりボールねじ６５を回転して第１脚６６を伸縮自在としている。また、この第１脚６６の下端には第１脚車輪駆動モータ６７を備え、第１脚６６に回転自在に支持した左右２個の第１脚車輪６８、６８を同軸で一体的に回転駆動している。第２脚支持部６３も同様に、上端部には第２脚伸縮用モータ７０を備え、この第２脚伸縮用モータ７０によりボールねじ７１を回転して第２脚７２を伸縮自在としている。また、この第２脚７２の下端には第２脚車輪駆動モータ７３を備え、第２脚７２に回転自在に支持した左右２個の第２脚車輪７４、７４を同軸で一体的に回転駆動している。
【０００６】
フレーム６１には脚回動モータ７５を備え、ベベルギヤ駆動機構７６により第１脚支持部６２、及び第２脚支持部６３を軸７７を中心に独立に回動可能としている。上記第１脚車輪６８及び第２脚車輪７４における各々左右２個の車輪はその間隔は充分に広く設定している。
【０００７】
上記機構を用い、前記脚回動モータ７５、第１脚伸縮用モータ６４、第２脚伸縮用モータ７０、第１脚車輪駆動モータ６７、第２脚車輪駆動モータ７３を各々駆動制御し、倒立振り子型に移動するロボットとしている。それにより、例えば図６に示すような階段の昇降を行うことができる。前進時に第１脚６６と第２脚７２を交差する際には、後方の脚車輪が前方の脚車輪に接触しないように充分上昇させて前方に出す歩行作動を行う。この２足歩行ロボットの研究は主として階段を円滑に昇降することを主眼においた研究であり、この研究により１歩を約３秒で階段の昇降を行うことができるほぼ実用に近いロボットを製作することができ、またこの種のシステムの動的階段昇降に関する基礎的な知見を得ることができた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、本件発明者等により研究開発された２足歩行型脚車輪ロボットにより、この種のロボットにおいて最も困難視された階段の昇降を、円滑に行うことができるようになったものであるが、より実用化に近づけるためこのロボットにおける平坦面での歩行や車輪による高速移動とその際の操向、及び前記のような階段の昇降を含んだ全体を全体として円滑に作動することができる必要がある。
【０００９】
即ち、前記研究における２足歩行ロボットは主として階段を昇降する等の凹凸路面の走行を円滑に行うための機能制御に重点が置かれていたものであり、同軸の車輪を用いる等、左右へ方向転換するステアリングの制御についてはほとんど考慮していなかった。したがって現在まで研究開発してきたロボットをより実用化の高いものとするため、従来の円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に円滑に作動する手法の開発が必要とされる。
【００１０】
したがって本発明は、２足の各脚端に平行２輪を備えて自立可能としたロボットにおいて、円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に制御することができる２足歩行ロボットを提供することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、前記脚の端部を３以上の自由度で移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備え、前記脚の端部と平行２輪とは、脚下端において該脚の軸線に対して直角方向の軸を中心に回転する補助脚と、前記補助脚の端部において該補助脚の軸線に対して直角な一平面内で回転する回転継ぎ手で結合した車輪フレームとにより連結したことを特徴とする２足歩行ロボットとしたものである。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前記脚端移動手段は、本体から延びる側脚を回転する側脚回転手段と、前記側脚から延びる主脚を回転する主脚回転手段とからなることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットとしたものである。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、前記操向手段は、接地している平行２輪の各車輪を独立して回転可能な駆動装置により回転し操向する手段であることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットとしたものである。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、前記各脚の平行２輪は主脚に対して自由旋回可能で且つブレーキを有する回転継ぎ手を備えていることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットとしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明に基づく２足歩行ロボットの概要を示し、図２〜図４はこの２足歩行ロボットを駆動機構の面から模式的に示したロボット模式図に基づいて、その作動を説明した図である。図１に示す２足歩行ロボット１は本体２の下部に第１脚支持部３と第２脚支持部４を突出固定し、第１脚支持部３には本体の中心線から図中左側方向に突出する第１側脚５を軸６を中心に回転自在に設け、モータ７により図中矢印Ａ１方向にこの第１側脚５を揺動可能としている。同様に第２脚支持部４には本体の中心線から図中右側方向に突出する第２側脚８を軸９を中心に回転自在に設け、モータ１０により図中矢印Ａ２方向にこの第２側脚８を揺動可能としている。
【００１７】
第１側脚５の端部には下方に延びる第１主脚１１を軸１２を中心に回転自在に設け、モータ１３により図中矢印Ｂ１方向にこの第１主脚１１を揺動可能としている。この第１主脚１１の円筒状カバー１４内にはボールねじを用いた脚伸縮機構を備えており、モータ１５により第１ボールねじ１６を回転することにより、このねじに螺合するボールを備えた第１可動脚１７を直線矢印Ｃ１方向に往復動可能とし、それにより可動脚１７を図中上下方向に移動し、第１主脚１１を伸縮自在としている。
【００１８】
同様に、第２側脚８の端部には下方に延びる第２主脚１８を軸１９を中心に回転自在に設け、モータ２０により図中矢印Ｂ２方向にこの第２主脚１８を揺動可能としている。この第２主脚１８の円筒状カバー２１内にはボールねじを用いた脚伸縮機構を備えており、モータ２２により第２ボールねじ２３を回転することにより、このねじに螺合するボールを備えた第２可動脚２４を直線矢印Ｃ２方向に往復動可能とし、それにより第２可動脚２４を図中上下方向に移動し、第２主脚１６を伸縮自在としている。
【００１９】
第１可動脚１７の下端には第１補助脚２５を軸２６を中心に回転自在に設け、モータ２７により図中矢印Ｄ１方向にこの第１補助脚２５を揺動可能としている。この第１補助脚２５の下部には第１回転ジョイント２８を設け、図中矢印Ｅ１方向に自由に回転可能としている。なお、この部分はモータを設けない受動回転部とし、外部操作可能なブレーキを設ける。図示実施例では第１回転ジョイント２８の下部に設ける第１車輪フレーム２９との間に６軸力センサ３０を設けており、第１車輪フレーム２９には第１脚第１側車輪モータ３１を設けて、歯車機構により第１脚第１側車輪３２を図中矢印Ｆ１１方向に回転可能とし、同様に第１車輪フレーム２９には第１脚第２側車輪モータ３３を設けて、歯車機構により第１脚第２側車輪３４を図中矢印Ｆ１２方向に、前記第１脚第１側車輪３２とは独立して回転可能としている。
【００２０】
同様に、第２可動脚２４の下端には第２補助脚３５を軸３６を中心に回転自在に設け、モータ３７により図中矢印Ｄ２方向にこの第２補助脚３５を揺動可能としている。この第２補助脚３５の下部には第２回転ジョイント３８を設け、図中矢印Ｅ２方向に自由に回転可能としている。なお、この部分もモータを設けない受動回転部とし、外部操作可能なブレーキを設ける。図示実施例では第２回転ジョイント３８の下部に設ける第２車輪フレーム４０との間に６軸力センサ４１を設けており、第２車輪フレーム４１には第２脚第１側車輪モータ４２を設けて、歯車機構により第２脚第１側車輪４３を図中矢印Ｆ２１方向に回転可能とし、同様に第２車輪フレーム４０には第２脚第２側車輪モータ４４を設けて、歯車機構により第２脚第２側車輪４５を図中矢印Ｆ２２方向に、前記第２脚第１側車輪４３とは独立して回転可能としている。
【００２１】
上記機構により、片脚の自由度構成は、脚上部にピッチ、ロールの２自由度、脚中央部に伸縮１自由度、足首部にロール、ヨーの２自由度をもつ構成となる。但し足首部のヨー軸はブレーキ付きの受動関節部となっている。この機構を両足に備えることにより極めて自由度の大きな２足ロボットとなる。本体２にはバッテリ、ＣＰＵ、ＩＯボード、レートジャイロ、加速度計、モータアンプ（１２個）をそなえ、各モータに設けたセンサによりその作動状態を検出し、本体内の制御装置により各モータの総合的な制御を行っている。
【００２２】
図１に示す２足走行ロボット１は、第１脚５１の第１主脚１１を縮めた状態にして前方に振り出し、第２脚５２の下端部を機体内側に曲げ、６軸力センサ４１の信号を用いて機体の重心を第２脚第１輪４３と第２脚第２輪４５間に位置するようにし、本体２に備えたレートジャイロ、加速度計、前輪２輪の回転速度信号により前記２輪で倒立振り子制御によってバランスをとることができるようにしている。ここでは、第１脚５１を持ち上げた状態で第２脚５２により、２個の独立して回転するモータによって駆動される２輪によって走行可能であり、その際には前後進、蛇行及びその位置での回転操向が自由に可能となる。また、この状態では、従来の２足歩行ロボットと同様に２輪を回転させることなく第１脚と第２脚を交互に前進させる歩行作動も当然可能である。
【００２３】
上記２脚走行ロボットの詳細な機能を説明するため、図２〜図４には上記の機構について回転、伸縮等の機能構成部分を抽出して模式化したものを示している。前記図１における第１側脚５を矢印Ａ１方向に回転支持する軸６とモータ７は、図２においてはモータにより矢印Ａ１方向に回転可能な軸６として簡略化して示している。同様に、図１における第２側脚８を矢印Ａ２方向に回転支持する軸９とモータ１０は、図２においてはモータにより矢印Ａ２方向に回転可能な軸９として示している。また、図１における第１主脚１１を矢印Ｂ１方向に回転支持する軸１２とモータ１３は、図２においてはモータにより矢印Ｂ１方向に回転可能な軸１２として示し、図１における第２主脚１８を矢印Ｂ２方向に回転支持する軸１９とモータ２０は、図２においてはモータにより矢印Ｂ２方向に回転可能な軸１９として示している。
【００２４】
また、図１においてモータ１５で回転する第１ボールねじ１６とこれに螺合するボールを備え矢印Ｃ１方向に移動する第１主脚１１は、図２において矢印Ｃ１方向に伸縮する第１主脚１１として簡略化して示しており、同様に図１においてモータ２２で回転する第２ボールねじ２３とこれに螺合するボールを備え矢印Ｃ２方向に移動する第２主脚１８は、図２において矢印Ｃ２方向に伸縮する第２主脚１８として示している。更に、図１において第１主脚１１下端に設けている第１補助脚２５を矢印Ｄ１方向に回転支持する軸２６とモータ２７は、図２においてはモータにより矢印Ｄ１方向に回転可能な軸２６として示し、同様に図１において第２主脚１８下端に設けている第２補助脚３５を矢印Ｄ２方向に回転支持する軸３６とモータ３７は、図２においてはモータにより回転可能な軸３６として示している。
【００２５】
また、図１において第１補助脚２５に設けるブレーキ付き第１回転ジョイント２８とこれに支持される第１車輪フレーム２９、第１車輪フレーム２９に設けた第１脚第１側車輪モータ３１とこれにより回転される第１脚第１側車輪３２、及び同様に第１車輪フレーム２９に設けた第１脚第２側車輪モータ３３とこれにより第１脚第１側車輪３２と独立して回転される第１脚第２側車輪３４は、図２においては同様の機能を行う機構として、第１補助脚２５に設けその軸線を中心に回転可能な軸とこれを駆動するモータからなる第１操向機構４７、及びこの下に設けられ各々独立したモータで駆動される車輪としての第１主脚第１側車輪３２と、第１主脚第２側車輪３４として示している。
【００２６】
同様に、図１において第２補助脚３５に設けるブレーキ付き第２回転ジョイント３８とこれに支持される第２車輪フレーム４０、第２車輪フレーム４０に設けた第２脚第１側車輪モータ４２とこれにより回転される第２脚第１側車輪４３、及び同様に第２車輪フレーム４０に設けた第２脚第２側車輪モータ４４とこれにより第２脚第１側車輪４３と独立して回転される第２脚第２側車輪４５は、図２においては同様の機能を行う機構として、第１補助脚３５に設けその軸線を中心に回転可能な軸とこれを駆動するモータからなる第２操向機構４８、及びこの下に設け得られ各々独立したモータで駆動される車輪としての第２主脚第１側車輪４３と、第２主脚第２側車輪４４として示している。
【００２７】
上記機能構成からなる図２に示す２足歩行ロボット１においては、第２脚５２をその第２主脚１８において長さを縮め、前記のように本体２に備えたレートジャイロ、加速度計、第１主脚第１側車輪３２及び第２側車輪３４の回転角度信号により第１脚５１による片足立ちをしており、それにより第１脚５１によって平坦地の２輪走行可能である。その際には前後進と自由な操向、及びその位置での回転が可能となる。また、この状態では、前記のように２輪を回転させることなく第１脚と第２脚を交互に前進させる歩行作動も可能である。
【００２８】
図３には第１脚５１を前方に、また第２脚５２を後方に位置するように交差して立っている状態を示しており、この状態で各車輪を回転させることにより通常の４輪駆動車と同様に安定した高速走行を行うことができる。その際、第１脚第１側車輪３２と第１脚第２側車輪３４の向きを第１操向機構４７によって任意の方向に向けることにより自由な曲線に沿って走行が可能であり、必要に応じて第２操向機構４８も操作することによりより小さな半径での旋回、或いは各車輪を図示した方向に対して全て直角方向に向けることにより本体２を動かさずに横移動を行う等の種々の移動を行うことができる。
【００２９】
図４には上記２足歩行ロボットにより階段を昇降する状態を示しており、前記図２に示す状態とほぼ同じ姿勢で、第２脚５２の車輪を階段５３に乗せる。その後この第２脚５２に重心を移動し、同様の作動により第２脚５２で２輪による倒立振り子作動によってバランスをとり、第１脚５１を短くして前方に振り出し、第１脚５１の各車輪を次の階段に乗せ、この作動を繰り返すことにより階段を上ることができる。また、同様の作動により階段を下りることもできる。
【００３０】
本発明は図２に示す各部での回転、伸縮機能を行うことができるならば、図１に示す構成以外に任意の構成を採用しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、２足の各脚端に平行２輪を備えて自立可能としたロボットにおいて、円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に、更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に作動して自由な移動を行うことができる２足歩行ロボットとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２足走行ロボットの実施例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】図１の実施例における２足走行ロボットの回転伸縮機能部を模式的に示した図であり、片足で２輪歩行及び走行を行う図である。
【図３】同ロボットにおいて、４輪走行を行う状態を示した図である。
【図４】同ロボットにおいて、階段を昇降する状態を示した図である。
【図５】従来の車輪付き２足歩行ロボットを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】従来の車輪付き２足歩行ロボットにおいて階段を昇降する状態を順に説明する図である。
【符号の説明】
１２足歩行ロボット
２本体
３第１脚支持部
４第２脚支持部
５第１側脚
６軸
７モータ
８第２側脚
９軸
１０モータ
１１第１主脚
１２軸
１３モータ
１４円筒状カバー
１５モータ
１６第１ボールねじ
１７第１可動脚
１８第２主脚
１９軸
２０モータ
２１円筒状カバー
２２モータ
２３第２ボールねじ
２４第２可動脚
２５第１補助脚
２６軸
２７モータ
２８第１回転ジョイント
２９第１車輪フレーム
３０６軸力センサ
３１第１脚第１側車輪モータ
３２第１脚第１側車輪
３３第１脚第２側車輪モータ
３４第１脚第２側車輪
３５第２補助脚
３６軸
３７モータ
３８第２回転ジョイント
４０第２車輪フレーム
４１６軸力センサ
４２第２脚第１側車輪モータ
４３第２脚第１側車輪
４４第２脚第２側車輪モータ
４５第２脚第２側車輪
５１第１脚
５２第２脚[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biped robot that has two parallel wheels on both legs and moves by walking on two legs. In particular, the robot can move stairs with two legs, and can move at high speed with wheels on a flat surface and can be freely manipulated. The present invention relates to a biped walking robot that can be used in the direction.
[0002]
[Prior art]
Although research on mobile robots has been extensively performed, there are many steps in the environment in order to move freely in the human environment, so it is necessary to move smoothly on this step, and for that purpose a multi-legged robot It is desirable to use Among them, biped walking robots, for example, are difficult to move and walk in a balanced manner as compared to multi-legged walking robots such as four and six feet, but they can move in a small space and are also capable of human movement. It can be applied to research, and since it is easy to become familiar with human senses, it is also expected to be a robot that has an amusement function and can coexist with humans.
[0003]
Research on such biped robots has also been extensively conducted, and research and development for smoothly moving steps and stairs are being emphasized. However, when the biped walking robot moves only by walking, it also moves on a flat surface, and its moving speed must be limited. Originally, movement of a flat surface can be performed at high speed by using wheels, and in a machine such as a robot, it can be easily dealt with by driving a wheel on a foot with a motor.
[0004]
From this point of view, the present inventors have been researching biped robots with two parallel wheels on each leg, and presented the research results of stair climbing control by this robot at the Robotics Society of Japan. (Journal of the Robotics Society of Japan, Vol.16 No.6 1998 "Stair climbing control of a biped walking leg-wheel robot based on static gait"). This robot has a structure as shown in FIG. 5, and ascends and descends stairs by an operation as shown in FIG.
[0005]
That is, in this robot, the first leg support 62 is fixed to one side of the frame 61, and the second leg support 63 is rotatably supported on the other side. A first leg telescopic motor 64 is provided at the upper end of the first leg support 62, and the first leg 66 is rotated by the ball screw 65 by the first leg telescopic motor 64. A first leg wheel drive motor 67 is provided at the lower end of the first leg 66, and the left and right first leg wheels 68, 68 rotatably supported by the first leg 66 are coaxially and integrally driven. is doing. Similarly, the second leg support portion 63 is provided with a second leg telescopic motor 70 at the upper end, and the second leg telescopic motor 70 rotates the ball screw 71 to make the second leg 72 telescopic. Further, a second leg wheel drive motor 73 is provided at the lower end of the second leg 72, and the left and right second leg wheels 74, 74 rotatably supported on the second leg 72 are coaxially and integrally driven. is doing.
[0006]
The frame 61 is provided with a leg rotation motor 75, and the first leg support 62 and the second leg support 63 can be independently rotated about a shaft 77 by a bevel gear drive mechanism 76. The distance between the left and right two wheels in the first leg wheel 68 and the second leg wheel 74 is set sufficiently wide.
[0007]
Using the above mechanism, the leg rotation motor 75, the first leg telescopic motor 64, the second leg telescopic motor 70, the first leg wheel driving motor 67, and the second leg wheel driving motor 73 are driven and controlled, respectively. The robot moves in a pendulum shape. Thereby, for example, as shown in FIG. When the first leg 66 and the second leg 72 cross each other during forward movement, a walking operation is performed in which the rear leg wheel is sufficiently raised so that it does not come into contact with the front leg wheel. This research on biped robots is mainly focused on smoothly moving up and down stairs, and this research will produce a practical robot that can move up and down stairs in about 3 seconds. It was also possible to obtain basic knowledge about the dynamic stair climbing of this type of system.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the two-legged legged wheel robot researched and developed by the inventors of the present invention can smoothly move up and down the stairs, which is most difficult to see in this type of robot. However, in order to bring it closer to practical use, the robot as a whole can operate smoothly, including walking on a flat surface, high-speed movement with wheels, steering at that time, and raising and lowering the stairs as described above. It needs to be possible.
[0009]
In other words, the biped robot in the above research was mainly focused on function control for smooth running on uneven road surfaces such as moving up and down stairs, and using a coaxial wheel, etc. Little consideration was given to the control of the steering wheel. Therefore, in order to make the robot that has been researched and developed to be more practical, the conventional smooth biped walking and stair climbing functions are performed and the functions are further enhanced, with one foot two-wheel running function on flat ground, by both feet It is necessary to develop a stable four-wheel high-speed driving function, a two-wheel turning function on the spot, a steering function that smoothly drives a free curve by four wheels, and a method of operating them comprehensively and smoothly. Is done.
[0010]
Therefore, the present invention is a robot that has two parallel wheels at the end of each leg and can stand on its own, and performs a smooth two-legged walking and stair climbing function and further enhances the function, so that it can run on one foot on a flat ground. Function, stable four-wheel high-speed driving function with both feet, two-wheel turning function on the spot, four-wheel steering function that smoothly runs on a free curve, and comprehensive control of them 2 The main purpose is to provide a legged robot.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes a leg that can be expanded and contracted, a parallel two-wheel provided rotatably at an end of the leg, and a six-axis force sensor provided on the leg. A biped walking robot having two legs that perform parallel two-wheel running and biped walking, leg end moving means for moving the end of the leg with three or more degrees of freedom; and a steering means for varying independently the orientation of the parallel two-wheeled, wherein the a parallel two-wheeled ends of the legs to rotate about the perpendicular axis to the axis of Oite leg to leg bottom A biped walking robot characterized in that it is connected by an auxiliary leg and a wheel frame coupled by a rotating joint that rotates in a plane perpendicular to the axis of the auxiliary leg at the end of the auxiliary leg. It is.
[0012]
The invention according to claim 2, wherein the leg end moving means includes a side legs rotating means for rotating the body if we extend the building side leg, a main landing gear rotating means for rotating the leg or al-rolled building landing gear The biped walking robot according to claim 1, characterized in that
[0013]
The invention according to claim 3 is characterized in that the steering means is means for rotating and steering each of the parallel two wheels that are grounded by a drive device that can rotate independently. The biped robot according to Item 1 is used.
[0014]
Further, the invention according to claim 4 is characterized in that the parallel two-wheels of each leg are provided with a rotary joint that can freely turn with respect to the main leg and has a brake. It is a robot.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of a biped walking robot according to the present invention, and FIGS. 2 to 4 explain the operation of the biped walking robot based on a schematic view of the robot schematically showing the biped walking robot from the surface of a drive mechanism. FIG. A biped walking robot 1 shown in FIG. 1 has a first leg support 3 and a second leg support 4 projectingly fixed to the lower part of a main body 2, and the first leg support 3 has a leftward direction in the figure from the center line of the main body. The first side leg 5 protruding in the direction of the shaft 6 is provided so as to be rotatable about the shaft 6, and the motor 7 can swing the first side leg 5 in the direction of arrow A1 in the figure. Similarly, the second leg support portion 4 is provided with a second side leg 8 projecting from the center line of the main body in the right direction in the figure so as to be rotatable about the shaft 9. The side leg 8 can be swung.
[0017]
A first main leg 11 extending downward is provided at the end of the first side leg 5 so as to be rotatable about a shaft 12, and the first main leg 11 can be swung in the direction of arrow B1 in the figure by a motor 13. . The cylindrical cover 14 of the first main leg 11 is provided with a leg expansion / contraction mechanism using a ball screw, and a ball that is screwed into this screw by rotating the first ball screw 16 by a motor 15 is provided. The first movable leg 17 can be reciprocated in the direction of the straight arrow C1, whereby the movable leg 17 is moved in the vertical direction in the figure, and the first main leg 11 is extendable.
[0018]
Similarly, a second main leg 18 extending downward is provided at the end of the second side leg 8 so as to be rotatable about a shaft 19, and the motor 20 swings the second main leg 18 in the direction of arrow B2 in the figure. It is possible. The cylindrical cover 21 of the second main leg 18 is provided with a leg expansion / contraction mechanism using a ball screw, and a ball that is screwed into this screw by rotating the second ball screw 23 by a motor 22 is provided. The second movable leg 24 can be reciprocated in the direction of the straight arrow C2, whereby the second movable leg 24 is moved in the vertical direction in the figure, and the second main leg 16 is telescopic.
[0019]
A first auxiliary leg 25 is provided at the lower end of the first movable leg 17 so as to be rotatable about a shaft 26, and the motor 27 can swing the first auxiliary leg 25 in the direction of arrow D1 in the figure. A first rotary joint 28 is provided at the lower portion of the first auxiliary leg 25 so that it can freely rotate in the direction of arrow E1 in the figure. This part is a passive rotating part without a motor, and an externally operable brake is provided. In the illustrated embodiment, a six-axis force sensor 30 is provided between the first wheel frame 29 and a first wheel frame 29 provided below the first rotary joint 28, and a first leg first side wheel motor 31 is provided on the first wheel frame 29. Thus, the first leg first side wheel 32 can be rotated in the direction of arrow F11 in the figure by the gear mechanism, and similarly, the first wheel frame 29 is provided with the first leg second side wheel motor 33, and the gear mechanism allows the first leg second side wheel 32 to rotate. The one leg second side wheel 34 is rotatable in the direction of arrow F12 in the figure independently of the first leg first side wheel 32.
[0020]
Similarly, a second auxiliary leg 35 is rotatably provided around the shaft 36 at the lower end of the second movable leg 24, and the second auxiliary leg 35 can be swung in the direction of arrow D2 in the figure by a motor 37. A second rotary joint 38 is provided below the second auxiliary leg 35 so as to be freely rotatable in the direction of arrow E2 in the figure. This part is also a passive rotating part without a motor, and an externally operable brake is provided. In the illustrated embodiment, a six-axis force sensor 41 is provided between the second rotary joint 38 and a second wheel frame 40 provided below the second rotary joint 38, and a second leg first side wheel motor 42 is provided on the second wheel frame 41. The second leg first side wheel 43 can be rotated in the direction of arrow F21 in the figure by the gear mechanism. Similarly, the second wheel frame 40 is provided with the second leg second side wheel motor 44, and the gear mechanism The two-leg second side wheel 45 is rotatable in the direction of arrow F22 in the figure independently of the second leg first-side wheel 43.
[0021]
With the above mechanism, the one-leg freedom structure has a pitch and two-degree-of-roll freedom at the top of the leg, a one-degree-of-freedom expansion and contraction at the center of the leg, and a two-degree-of-freedom roll and yaw at the ankle. However, the yaw axis of the ankle is a passive joint with a brake. By providing this mechanism on both feet, a biped robot with a very high degree of freedom is obtained. The main body 2 is provided with a battery, a CPU, an IO board, a rate gyro, an accelerometer, and motor amplifiers (12 pieces). The operation state of each motor is detected by a sensor provided in each motor. Control.
[0022]
The biped traveling robot 1 shown in FIG. 1 swings forward with the first main leg 11 of the first leg 51 contracted, bends the lower end of the second leg 52 inward of the airframe, The center of gravity of the airframe is positioned between the second leg first wheel 43 and the second leg second wheel 45 using the signal, and the rate gyro, accelerometer, and front wheel two wheel rotation speed signals provided in the main body 2 The balance can be achieved by the inverted pendulum control with two wheels. Here, the first leg 51 is lifted and the second leg 52 can be driven by two wheels driven by two independently rotating motors. In this case, the vehicle moves forward and backward, meanders and its position. Rotational steering at can be freely performed. Further, in this state, it is naturally possible to perform a walking operation in which the first leg and the second leg are alternately advanced without rotating the two wheels as in the conventional bipedal walking robot.
[0023]
In order to explain the detailed functions of the biped robot, FIGS. 2 to 4 show the above-described mechanisms extracted by extracting functional components such as rotation and expansion / contraction. The shaft 6 and the motor 7 for rotating and supporting the first side leg 5 in FIG. 1 in the direction of arrow A1 are simply shown as the shaft 6 that can be rotated in the direction of arrow A1 by the motor in FIG. Similarly, the shaft 9 and the motor 10 that rotatably support the second side leg 8 in FIG. 1 in the direction of arrow A2 are shown as the shaft 9 that can be rotated in the direction of arrow A2 by the motor in FIG. Further, the shaft 12 and the motor 13 for rotating and supporting the first main leg 11 in FIG. 1 in the direction of arrow B1 are shown as the shaft 12 rotatable in the direction of arrow B1 by the motor in FIG. 2, and the second main leg in FIG. The shaft 19 and the motor 20 that rotatably support 18 in the arrow B2 direction are shown in FIG. 2 as the shaft 19 that can be rotated in the arrow B2 direction by the motor.
[0024]
Further, a first main leg 11 having a first ball screw 16 rotated by a motor 15 in FIG. 1 and a ball screwed to the first ball screw 16 and moving in the direction of arrow C1 is a first main leg extending and contracting in the direction of arrow C1 in FIG. 11, a second ball screw 23 that is rotated by the motor 22 in FIG. 1 and a second main leg 18 that moves in the direction of arrow C2 and has a ball screwed to the second ball screw 23 are shown in FIG. It is shown as a second main leg 18 that expands and contracts in the C2 direction. Further, the shaft 26 and the motor 27 for rotating and supporting the first auxiliary leg 25 provided at the lower end of the first main leg 11 in FIG. 1 in the direction of arrow D1 are the shaft 26 that can be rotated in the direction of arrow D1 by the motor in FIG. Similarly, a shaft 36 and a motor 37 for rotating and supporting the second auxiliary leg 35 provided at the lower end of the second main leg 18 in FIG. 1 in the direction of arrow D2 are shown as a shaft 36 that can be rotated by the motor in FIG. Show.
[0025]
1, a brake-equipped first rotary joint 28 provided on the first auxiliary leg 25, a first wheel frame 29 supported by the first rotary joint 28, a first leg first-side wheel motor 31 provided on the first wheel frame 29, and this. The first leg first side wheel 32 rotated by the first leg and the first leg second side wheel motor 33 similarly provided in the first wheel frame 29 and thereby rotated independently of the first leg first side wheel 32. As shown in FIG. 2, the first leg second wheel 34 is a mechanism that performs the same function as that shown in FIG. 2, and is provided on the first auxiliary leg 25 with a shaft that can rotate around its axis and a motor that drives the shaft. The first main leg first side wheel 32 and the first main leg second side wheel 34 are shown as a direction mechanism 47 and wheels provided below and driven by independent motors.
[0026]
Similarly, in FIG. 1, a second rotary joint with brake 38 provided on the second auxiliary leg 35, a second wheel frame 40 supported by the second rotary joint 38, a second leg first side wheel motor 42 provided on the second wheel frame 40, and The second leg first side wheel 43 thus rotated, and the second leg second side wheel motor 44 similarly provided on the second wheel frame 40 and thereby the second leg first side wheel 43 rotate independently. In FIG. 2, the second leg second side wheel 45 is a mechanism that performs the same function in FIG. 2, and is provided on the first auxiliary leg 35 with a shaft that can rotate about its axis and a motor that drives the second shaft. A steering mechanism 48, and a second main leg first side wheel 43 and a second main leg second side wheel 44 are provided as wheels that can be provided under the steering mechanism 48 and driven by independent motors.
[0027]
In the biped walking robot 1 shown in FIG. 2 having the above-described functional configuration, the length of the second leg 52 is shortened at the second main leg 18, and the rate gyro, accelerometer, The first leg 51 is standing on one foot by the rotation angle signals of the first main leg first side wheel 32 and the second side wheel 34, so that the first leg 51 can run two wheels on a flat ground. In that case, it is possible to move forward and backward, freely steer, and rotate at that position. In this state, a walking operation is also possible in which the first leg and the second leg are alternately advanced without rotating the two wheels as described above.
[0028]
FIG. 3 shows a state where the first leg 51 is crossed and the second leg 52 is positioned so that the second leg 52 is located rearward. Stable high-speed traveling can be performed in the same manner as the driving vehicle. At that time, it is possible to travel along a free curve by directing the first leg first side wheel 32 and the first leg second side wheel 34 in an arbitrary direction by the first steering mechanism 47. In response to this, the second steering mechanism 48 is also operated to turn with a smaller radius, or to move each wheel in a direction perpendicular to the illustrated direction to move the main body 2 without moving it, etc. Various movements can be made.
[0029]
FIG. 4 shows a state where the stairs are moved up and down by the biped robot, and the wheel of the second leg 52 is put on the stairs 53 in substantially the same posture as the state shown in FIG. Thereafter, the center of gravity is moved to the second leg 52, and the same operation is used to balance the second leg 52 by the operation of an inverted pendulum by two wheels. The first leg 51 is shortened and swung forward. You can go up the stairs by putting the wheel on the next stairs and repeating this action. It is also possible to go down the stairs by the same operation.
[0030]
The present invention may employ any configuration other than the configuration shown in FIG. 1 as long as it can perform the rotation and expansion / contraction functions at each portion shown in FIG.
[0031]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, in a robot that has two parallel wheels at each leg end and can be self-supporting, while performing smooth bipedal walking and stair climbing functions, the function is further enhanced, One-wheel two-wheel running function on flat ground, stable four-wheel high-speed driving function with both legs, turning function on the spot with two wheels, steering function that smoothly runs on a free curve with four wheels, and comprehensively It can be set as the biped walking robot which can operate | move freely and can perform free movement.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing an embodiment of a biped robot according to the present invention, where FIG. 1A is a front view and FIG. 1B is a side view.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a rotation / extension function part of the biped robot in the embodiment of FIG. 1, and is a diagram for performing two-wheel walking and running with one leg.
FIG. 3 is a diagram showing a state where the robot performs four-wheel running.
FIG. 4 is a view showing a state in which the robot moves up and down stairs in the robot.
FIG. 5 shows a conventional biped robot with wheels, where (a) is a front view and (b) is a side view.
FIGS. 6A and 6B are diagrams for sequentially explaining a state of moving up and down stairs in a conventional biped robot with wheels.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Biped walking robot 2 Main body 3 1st leg support part 4 2nd leg support part 5 1st side leg 6 Axis 7 Motor 8 2nd side leg 9 Axis 10 Motor 11 1st main leg 12 Axis 13 Motor 14 Cylindrical cover 15 motor 16 first ball screw 17 first movable leg 18 second main leg 19 shaft 20 motor 21 cylindrical cover 22 motor 23 second ball screw 24 second movable leg 25 first auxiliary leg 26 shaft 27 motor 28 first rotation Joint 29 First wheel frame 30 Six-axis force sensor 31 First leg first side wheel motor 32 First leg first side wheel 33 First leg second side wheel motor 34 First leg second side wheel 35 Second auxiliary leg 36 axis 37 motor 38 second rotation joint 40 second wheel frame 41 6 axis force sensor 42 second leg first side wheel motor 43 second leg first side wheel 44 second leg second side wheel motor 45 second leg first 2 side wheel 51 Leg 52 and the second leg

Claims

伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、
前記脚の端部を３以上の自由度で移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備え、
前記脚の端部と平行２輪とは、脚下端において該脚の軸線に対して直角方向の軸を中心に回転する補助脚と、前記補助脚の端部において該補助脚の軸線に対して直角な一平面内で回転する回転継ぎ手で結合した車輪フレームとにより連結したことを特徴とする２足歩行ロボット。It has two legs that run in parallel two-wheels, comprising a leg that can be expanded and contracted, two parallel wheels that are rotatably provided at the end of the leg, and a six-axis force sensor that is provided on the leg. In a biped walking robot that performs biped walking,
Leg end moving means for moving the end of the leg with three or more degrees of freedom; and steering means for independently changing the direction of the parallel two wheels of each leg,
The end of the leg and the two parallel wheels are an auxiliary leg that rotates about an axis perpendicular to the axis of the leg at the lower end of the leg, and an axis of the auxiliary leg at the end of the auxiliary leg. A biped walking robot characterized in that it is connected by a wheel frame joined by a rotating joint that rotates in a right angle plane.

前記脚端移動手段は、本体から延びる側脚を回転する側脚回転手段と、前記側脚から延びる主脚を回転する主脚回転手段とからなることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。 2. The two legs according to claim 1, wherein said leg end moving means comprises side leg rotating means for rotating a side leg extending from a main body and main leg rotating means for rotating a main leg extending from said side leg. Walking robot.

前記操向手段は、接地している平行２輪の各車輪を独立して回転可能な駆動装置により回転し操向する手段であることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。 2. The biped walking robot according to claim 1, wherein the steering means is means for rotating and steering each of the parallel two wheels that are in contact with a ground by a drive device that can rotate independently.

前記各脚の平行２輪は主脚に対して自由旋回可能で且つブレーキを有する回転継ぎ手を備えていることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。 2. The biped walking robot according to claim 1, wherein the two parallel wheels of each leg are provided with a rotary joint that can freely turn with respect to the main leg and has a brake.