JP5573993B1

JP5573993B1 - 障害物回避先導ロボット

Info

Publication number: JP5573993B1
Application number: JP2013047987A
Authority: JP
Inventors: 功幸嵯峨山; 博教小川; 和輝飛田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: WO2014141602A1; JP2014171729A; CN104159553A

Abstract

【課題】簡便な装置構成、簡便な制御、軽量化を図った障害物回避先導ロボットを提供する。
【解決手段】主脚２、主脚の下部に連結した自走式の前輪部３と、下部に後輪７が連結されて主脚の立ち上がりを補助する補助脚６を備え、使用者が主脚の上部に設けた把持部２１を把持して押し力、引き力などの外力を作用することで、使用者の歩行補助を行いながら移動する障害物回避先導ロボット１である。前輪部３は、駆動部から正方向の回転力、或いは逆方向の回転力が伝達される２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂを備え、これら２台の全方向移動車輪は互いに近接した位置に配置されているとともに、前輪部が移動する際に、主脚を介して使用者から外力、或いはモーメントが伝達されることで移動するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動経路上の障害物を回避しながら使用者を先導することが可能な障害物回避先導ロボットに関する。

使用者の移動経路上に存在している障害物を検出する装置として、例えば特許文献１に示すように、歩行補助として使用する杖に、障害物を検出するセンサーを設けたものが知られている。
また、この特許文献１の杖の下端に、センサーの情報に基づいて障害物以外の方向に移動可能な全方向移動車輪を組み付けると、障害物を回避した移動経路に歩行者を先導することが可能な障害物回避先導ロボットとなる。
ここで、全方向移動車輪として、例えば特許文献２に示すように、４つの車輪が独立駆動することで全方向に移動可能な装置が知られている。

特開２００３−９３４５４号公報特開２００５−４７３１２号公報

特許文献２で示した全方向移動車輪は、４つの車輪をそれぞれ独立して駆動する４つの駆動ユニットを必要とし、複雑な装置構成で、複雑な駆動ユニットの駆動制御となるおそれがある。
また、４つの車輪と駆動ユニットとを備えた特許文献２の全方向移動ロボットは重量物であり、障害物回避先導ロボットを、階段や段差などの使用不可能な場所から持ち運ぶのが困難である。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、簡便な装置構成、簡便な制御とすることでコストの低減化を図るとともに、軽量化を図ることで持ち運びが容易な障害物回避先導ロボットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、主脚と、この主脚の下部に連結した自走式の前輪部と、下部に後輪が連結されて前記主脚の立ち上がりを補助する補助脚と、を備え、使用者が前記主脚の上部に設けた把持部を把持して押し力、引き力などの外力を作用することで、前記使用者の歩行補助を行いながら移動する障害物回避先導ロボットであって、前記主脚に、ロボット全体を持ち上げる際に使用する把手を設け、前記前輪部は、前後方向に延在するロール回転軸を介して前記主脚の下部に連結されており、前記前輪部は、複数の樽形状の小径輪と、これら複数の小径輪を外周に回転自在に保持する車輪本体とを有し、前記車輪本体は、前記小径輪を当該車輪本体の軸方向である中心線に対して４５度傾けて設置した２台の全方向移動車輪で構成し、これら２台の前記全方向移動車輪は、互いの軸を一致させた状態で近接した位置に配置されており、前記主脚を介して前記使用者から前記外力、或いはモーメントが伝達されることで前記前輪部が移動するようにし、階段や段差などの使用不可能な場所では、前記把手を使用してロボット全体を持ち運ぶようにしたことを特徴とする障害物回避先導ロボットである。

また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記前輪部を構成する２台の全方向移動車輪は、２台の駆動部によりそれぞれ回転力が伝達され、前記把持部に、前記使用者から前後左右の力が加わると前記２台の駆動部に力信号を出力する力センサーを設け、前記使用者が前記力センサーに左右方向の力を加えると前記駆動部が２台の前記全方向移動車輪を互いに逆方向に回転させて前記前輪部が左右方向に移動し、前記使用者が前記力センサーに前後方向の力を加えると前記駆動部が２台の前記全方向移動車輪を互いに同一方向に回転させて前記前輪部を前後方向に移動するようにした。
さらに、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記主脚側に沿う位置まで移動可能に連結されている。

本発明に係る障害物回避先導ロボットによれば、前輪部を構成する２台の全方向移動車輪が、互いが近接する位置に配置されているので、互いの地面に接地する地点が左右対称でなくても、前輪部の移動方向性に与える影響を少なくすることができる。
また、本発明は、２台の全方向移動車輪及びこれらを駆動する駆動部を備えた簡便な装置構成であり、軽量化及び簡便な駆動制御で前輪部を全方向に移動することができるので、コストの低減化を図ることができる。
さらに、２台の全方向移動車輪及びこれらを駆動する駆動部しか搭載しておらず軽量化を図っているので、障害物回避先導ロボット１の持ち運びを容易に行うことができる。

本発明に係る１実施形態の障害物回避先導ロボットを示す正面図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットを示す側面図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットを示す平面図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットを構成する全方向移動車輪を示す図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットが備えるロボット制御部の回路図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットの前輪部が備える受動的なロール機構を示す図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットを畳んだ際の正面図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットを畳んだ際の側面図である。１実施形態の障害物回避先導ロボットの前輪部の作用を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１から図３は、本発明に係る障害物回避先導ロボットの１実施形態を示すものであり、図１は障害物回避先導ロボットを示す正面図、図２は障害物回避先導ロボットを示す側面図、図３は障害物回避先導ロボットを示す平面図、図４は障害物回避先導ロボットを構成する前輪部の具体的な構成を示す斜視図、図５は障害物回避先導ロボットの制御回路図を示す図である。

本実施形態の障害物回避先導ロボット１は、図１から図３で示すように、上下方向に延在する主脚２と、主脚２の下部に連結している前輪部（全方向移動車輪）３と、主脚２の上端に設けた前輪操作部４と、主脚２の上下方向の略中間位置に関節部５を介して連結し、下方に延在している２本の補助脚６と、各補助脚６の下端に設けたキャスター７と、前輪操作部４の操作により前輪部３を所定方向に転動させるロボット制御部８と、を備えている。

前輪部３は、図１に示すように、２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂと、これら２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂを独自に正逆方向に回転させる駆動モーター（図５の符号１２Ａ，１２Ｂ）を備えている。
全方向移動車輪１１Ａは、図４に示すように、複数の樽形状の小径輪１３と、複数の小径輪１３を外周に回転自在に保持する車輪本体１４とを有し、車輪本体１４は、小径輪１３を車輪本体１４の軸方向である中心線１４ａに対して４５度傾けて設置した、メカナムホイール（登録商標）である。また、全方向移動車輪１１Ｂも、全方向移動車輪１１Ａと同様の構造を有しており、小径輪１３を中心線１４ａに対して１３５度傾けて設置したものである。

２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂは、互いに近接した位置に配置され、互いの軸一致させた状態（中心線１４ａを一致させた状態）で配置されている。
そして、前輪部３は、図６に示すように、軸心が障害物回避先導ロボット１の前後方向に延在するロール回転軸２０を介して主脚２の下部に連結されている。
関節部５は、図１及び図２で示すように固定レバー５ａを備えており、この固定レバー５ａの固定操作を行うことで、主脚２に対して所定の角度で傾斜した状態で補助脚６を固定する。そして、固定レバー５ａの回動操作を行うと、図７及び図８に示すように、主脚２に沿う位置まで２本の補助脚６を揺動させることができる。

そして、図２に示すように、関節部５近くの主脚２に、障害物回避先導ロボット１全体を持ち上げる際に使用する把手２２が設けられている。
前輪操作部４は、図２に示すように、グリップ部２１に装着された力センサー４ａである。力センサー４ａは、ｘ，ｙ，ｚ方向の力、及び、ｘ，ｙ，ｚ軸回りのモーメントを測定でき、使用者がグリップ部２１に握り力を加えると力センサ４ａに力がかかり、ロボット制御部８に力（３軸）、モーメント（３軸）に応じた力信号を出力する。

ロボット制御部８は、図５に示すように、入力ポート１５、主制御部（ＣＰＵ）１６及び出力ポート１７を備えており、入力ポート１５には、力センサー４ａから力信号が入力する。
主制御部１６は、力センサー４ａから入力した力信号に基づき、駆動モーター１２Ａ，１２Ｂに対する正転方向、或いは逆転方向の回転方向及び回転数を演算し、その演算信号を出力ポート１７に出力する。そして、出力ポート１７から駆動モーター１２Ａ，１２Ｂに駆動制御信号が出力される。

前輪操作部４の力センサー４ａから力信号が入力した際のロボット制御部８の具体的な制御動作を説明する。
グリップ部２１を握り、右側に力を加えることにより力センサー４ａに右側向きの力がかかると、力センサー４ａからロボット制御部８に力信号が入力され、ロボット制御部８は、駆動モーター１２Ｂが正転方向に所定の回転数で回転し、駆動モーター１２Ａが逆転方向に所定の回転数で回転する演算信号を演算し、駆動モーター１２Ｂが正転回転し、駆動モーター１２Ａが逆転回転することで、前輪部３が右方向に移動するようになっている。

また、グリップ部２１を握り、前方に力を加えることにより力センサー４ａに前向きの力がかかると、力センサー４ａからロボット制御部８に力信号が入力され、ロボット制御部８は、駆動モーター１２Ａが正転方向に所定の回転数で回転し、駆動モーター１２Ｂが正転方向に所定の回転数で回転する演算信号を演算し、駆動モーター１２Ａ及び１２Ｂが同一回転数で正転回転することで、前輪部３が前方に移動するようになっている。

また、グリップ部２１を握り、後方に力を加えることにより力センサー４ａに後向きの力がかかると、力センサー４ａからロボット制御部８に力信号が入力され、ロボット制御部８は、駆動モーター１２Ａが逆転方向に所定の回転数で回転し、駆動モーター１２Ｂも逆転方向に所定の回転数で回転する演算信号を演算し、駆動モーター１２Ａ及び１２Ｂが同一回転数で逆転回転することで、前輪部３が後方に移動するようになっている。

さらに、グリップ部２１を握り、左側に力を加えることにより力センサー４ａに左側向きの力がかかると、力センサー４ａからロボット制御部８に力信号が入力され、ロボット制御部８は、駆動モーター１２Ｂが逆転方向に所定の回転数で回転し、駆動モーター１２Ａが正転方向に所定の回転数で回転する演算信号を演算し、駆動モーター１２Ｂが逆転回転し、駆動モーター１２Ａが正転回転することで、前輪部３が左方向に移動するようになっている。

次に、本実施形態の前輪部３の作用について図９（ａ），（ｂ）を参照して説明する。
図９（ａ）に示すように、前輪部Ｚを２台の全方向移動車輪Ｈ１，Ｈ２で構成し、この前輪部Ｚに外力を加えずに２台の全方向移動車輪Ｈ１，Ｈ２を転動させると、前輪部Ｚは点Ａ回りに回転してしまう。しかし、本実施形態は、２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂで構成した前輪部３に主脚３を介して使用者の力（押し力、引き力）、又はモーメントが加わるので前輪部３の全方向移動が可能となる。

また、前輪部３を構成する２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂは、図９（ａ）で示したように左右対称で接地する場合が少ない。図９（ｂ）に示すように、全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂの接地点が左右対称でない場合には、回転中心（図９（ｂ）に示す点Ａ´）が全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂの一方に偏り、移動方向性が不確実になるおそれがある。
これに対して、本実施形態の前輪部３は、互いに近接した位置に２台の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂを配置しているため、図９（ｂ）に示すように偏り量Ｑ（点Ａと点Ａ´の差分）が小さくなり、全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂが左右対称で接地していなくても、前輪部３の移動方向性に与える影響が少ない。

次に、本実施形態の障害物回避先導ロボット１の効果について説明する。
本実施形態の障害物回避先導ロボット１は、主脚２の下部に、２台の自走式の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂを備えた前輪部３を連結し、主脚２を介して使用者の力（押し力、引き力）、或いはモーメントを作用することで、前輪部３が全方向に移動する。
そして、本実施形態の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂは、互いが近接する位置に配置されているので、互いの地面に接地する地点が左右対称でなくても、前輪部３の移動方向性に与える影響を少なくすることができる。

そして、前輪部３は、軸心が障害物回避先導ロボット１の前後方向に延在するロール回転軸２０を介して主脚２の下部に連結されており、常に全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂが地面に接地しながら移動するので、全方向移動の確実性を向上させることができる。
また、本実施形態の障害物回避先導ロボット１は、２台の駆動モーター１２Ａ，１２を備えた簡便な装置構成であり、全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂを正転回転、或いは逆転回転させるという簡単な駆動制御で前輪部３を全方向に移動するようにしているので、装置コストの低減化を図ることができる。

また、重量物である全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂ及び駆動モーター１２Ａ，１２は２台しか搭載していないので、障害物回避先導ロボット１の軽量化を図って持ち運びを容易に行うことができる。
さらに、２本の補助脚６を主脚２に沿う位置まで移動すると、障害物回避先導ロボット１をコンパクトに畳むことができる。そして、把手２２を使用して、軽量な障害物回避先導ロボット１を階段や段差などの使用不可能な場所から容易に持ち運ぶことができる。

なお、本実施形態の全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂとして、メカナムホイール（登録商標）を使用したが、オムニホイール（登録商標）など、ホイール本体の外周に、回転軸が可撓性を有する回転体を、その両端がそれぞれ隣接する回転体支持部材に回転可能に支持されるよう配設してなる形式の車輪を用いてもよいことは言うまでもない。
また、全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂは車幅方向（左右方向）に配置したが、本発明の要旨がこれに限定されるものではなく、前後方向に配置しても、斜め方向に配置してもよい。

また、全方向移動車輪１１Ａ，１１Ｂは同軸に配置したが、偏心していても、直交等角度を付けて配置してもよい。
さらに、本実施形態では、前輪部３がロール回転軸２０を介して主脚２の下部に連結されていることで受動的に前輪部３の姿勢を制御する構造を示したが、前輪部３を回転させる駆動モーターや姿勢センサーなどを備えて能動的に前輪部３の姿勢を制御するようにしてもよい。

１…障害物回避先導ロボット、２…主脚、３…前輪部、４…前輪操作部、４ａ…力センサー、５…関節部、６…補助脚、７…キャスター、８…ロボット制御部、１１Ａ，１１Ｂ…全方向移動車輪、１２Ａ，１２Ｂ…駆動モーター（駆動部）、１３…小径輪、１４…車輪本体、１４ａ…中心線、１５…入力ポート、１６…主制御部、１７…出力ポート、２０…ロール回転軸、２１…グリップ部（把持部）、２２…把手

Claims

主脚と、この主脚の下部に連結した自走式の前輪部と、下部に後輪が連結されて前記主脚の立ち上がりを補助する補助脚と、を備え、使用者が前記主脚の上部に設けた把持部を把持して押し力、引き力などの外力を作用することで、前記使用者の歩行補助を行いながら移動する障害物回避先導ロボットであって、
前記主脚に、ロボット全体を持ち上げる際に使用する把手を設け、
前記前輪部は、前後方向に延在するロール回転軸を介して前記主脚の下部に連結されており、
前記前輪部は、複数の樽形状の小径輪と、これら複数の小径輪を外周に回転自在に保持する車輪本体とを有し、前記車輪本体は、前記小径輪を当該車輪本体の軸方向である中心線に対して４５度傾けて設置した２台の全方向移動車輪で構成し、これら２台の前記全方向移動車輪は、互いの軸を一致させた状態で近接した位置に配置されており、
前記主脚を介して前記使用者から前記外力、或いはモーメントが伝達されることで前記前輪部が移動するようにし、
階段や段差などの使用不可能な場所では、前記把手を使用してロボット全体を持ち運ぶようにしたことを特徴とする障害物回避先導ロボット。
前記前輪部を構成する２台の全方向移動車輪は、２台の駆動部によりそれぞれ回転力が伝達され、
前記把持部に、前記使用者から前後左右の力が加わると前記２台の駆動部に力信号を出力する力センサーを設け、
前記使用者が前記力センサーに左右方向の力を加えると前記駆動部が２台の前記全方向移動車輪を互いに逆方向に回転させて前記前輪部が左右方向に移動し、前記使用者が前記力センサーに前後方向の力を加えると前記駆動部が２台の前記全方向移動車輪を互いに同一方向に回転させて前記前輪部を前後方向に移動するようにしたことを特徴とする請求項１記載の障害物回避先導ロボット。
前記補助脚は、前記主脚側に沿う位置まで移動可能に連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載の障害物回避先導ロボット。