(57)【要約】【課題】消費電力の低減を図りながら省スペースで姿勢が不安定になる事態を瞬時に回避しうる倒立振子型ロボットを提供する。【解決手段】ボンベ２３０の内部の圧縮気体が給気経路２１１を介して袋構造部材２２０の内部空間に供給されて袋構造部材２２０が膨張する。これに応じて、保護部材２１０の連結機構２４０による上端部および下端部の連結が解除され、保護部材２１０が全周にわたり外側に開放される。そして、中央部２２１およびその外側で折り畳まれていた舌片２２２が外側かつ斜め下方に張り出すまたは膨出する。これにより、基体１１０がある方位に傾倒した際に複数の舌片２２２のうち当該方位に対応する少なくとも１つの舌片２２２が床面に当接して、基体１１０がそれ以上傾斜する事態が抑制される。【選択図】図５
2020154418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に対して傾動可能な基体と、
前記基体の下部に組み付けられ、床面に当接する接地動作部と、
前記基体に組み付けられ、前記接地動作部を駆動することにより前記基体を床面に沿って移動させるための移動用駆動機構と、
前記移動用駆動機構の動作を制御する制御装置と、を備えている倒立振子型ロボットであって、
前記基体の下部において前記接地動作部を取り囲むように配置され、周方向に離間している複数の箇所のそれぞれにおいて局所的に外側に張り出し可能に内側に折り畳まれまたは巻き込まれている複数の舌片を有する袋構造部材と、圧縮気体を貯蔵するボンベと、前記ボンベを開栓する開栓機構と、を有する姿勢保持機構をさらに備え、
前記制御装置が、前記開栓機構を駆動して前記ボンベを開栓し、前記ボンベから圧縮気体を前記袋構造部材の内部に供給させることを特徴とする倒立振子型ロボット。
【請求項２】
請求項１記載の倒立振子型ロボットにおいて、
前記姿勢保持機構が、前記複数の舌片のそれぞれが内側に折り畳まれまたは巻き込まれている状態の前記袋構造部材を少なくとも部分的に収容する保護部材をさらに備えていることを特徴とする倒立振子型ロボット。
【請求項３】
請求項１または２記載の倒立振子型ロボットにおいて、
前記袋構造部材が、前記複数の舌片のそれぞれの折り畳み癖または巻き癖を維持可能な素材により構成されていることを特徴とする倒立振子型ロボット。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか1項に記載の倒立振子型ロボットにおいて、
前記複数の舌片のそれぞれが折り畳まれまたは巻き込まれた際に、相互に対向するように配置された面ファスナーが前記複数の舌片のそれぞれの折り畳み側または巻き込み側に取り付けられていることを特徴とする倒立振子型ロボット。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の倒立振子型ロボットにおいて、
前記複数の舌片のそれぞれが、上側で内側に折り畳まれまたは巻き込まれていることを特徴とする倒立振子型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立振子型ロボットの転倒を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一輪車または球体を接地させた状態で、基体の姿勢を倒立振子モデルにしたがって制御することにより自立するロボットにおいて、転倒を回避するためにスタンドを基体から床面に向けて展開する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許公報第７８４７５０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、スタンドの展開のために電気駆動による機械的な機構が用いられているため、当該機械的な機構の駆動に際して生じる摩擦力などの抵抗が大きくなると消費電力が過大になる可能性があり展開に数秒の時間を必要とする。また、機械的機構によるスタンドの展開と収容には広いスペースが必要となる。
【０００５】
そこで、本発明は、消費電力の低減とスタンド展開と収容の省スペース化を図りながら姿勢が不安定になる事態を瞬時に回避しうる倒立振子型ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、鉛直方向に対して傾動可能な基体と、前記基体の下部に組み付けられ、床面に当接する接地動作部と、前記基体に組み付けられ、前記接地動作部を駆動することにより前記基体を床面に沿って移動させるための移動用駆動機構と、前記移動用駆動機構の動作を制御する制御装置と、を備えている倒立振子型ロボットに関する。
【０００７】
本発明の倒立振子型ロボットは、前記基体の下部において前記接地動作部を取り囲むように配置され、周方向に離間している複数の箇所のそれぞれにおいて局所的に外側に張り出し可能に内側に折り畳まれまたは巻き込まれている複数の舌片を有する袋構造部材と、圧縮気体を貯蔵するボンベと、前記ボンベを開栓する開栓機構と、を有する姿勢保持機構をさらに備え、前記制御装置が、前記開栓機構を駆動して前記ボンベを開栓し、前記ボンベから圧縮気体を前記袋構造部材の内部に供給させることを特徴とする。
【０００８】
当該構成の倒立振子型ロボットによれば、袋構造部材の複数の舌片が折り畳まれたまたは巻き込まれている状態で、ボンベが開栓されて袋構造部材の内部に圧縮気体が供給された場合、袋構造部材が瞬時に（例えば、１秒以内に）全体的に膨張することにより袋構造部材の複数の舌片のそれぞれが瞬時に外側に張り出すまたは膨出する。
【０００９】
これにより、基体がある方位に傾倒した際に複数の舌片のうち当該方位に対応する少なくとも１つの舌片が床面に当接して、基体がそれ以上傾斜する事態が抑制される。傾斜した床面において袋構造部材が全体的に膨張した場合にも同様の効果が得られる。また、袋構造部材の内部の気体に由来する当該少なくとも1つの舌片の弾性により、基体の傾倒方向とは反対方向に当該基体が押し戻される。このため、倒立振子型ロボットの姿勢が不安定になる事態が回避される。
【００１０】
また、複数の舌片を外側に張り出させることに要する消費電力は、ボンベを開栓するために開栓機構を駆動するための電力だけで足りるため、当該消費電力の節約が図られる。
【００１１】
本発明の倒立振子型ロボットにおいて、前記姿勢保持機構が、前記複数の舌片のそれぞれが内側に折り畳まれまたは巻き込まれている状態の前記袋構造部材を少なくとも部分的に収容する保護部材をさらに備えていることが好ましい。
【００１２】
当該構成の倒立振子型ロボットによれば、袋構造部材、特に複数の舌片が外部環境に曝露されないことで、汚染、損傷または劣化する事態が回避され、かつ省スペースに収容ができる。このため、前記のように袋構造部材の内部に圧縮気体が供給された際、倒立振子型ロボットの姿勢不安定を回避する観点から、複数の舌片のそれぞれを適当かつ瞬時に外側に張り出させることができる。
【００１３】
本発明の倒立振子型ロボットにおいて、前記袋構造部材が、前記複数の舌片のそれぞれの折り畳み癖または巻き癖を維持可能な素材により構成されていることが好ましい。
【００１４】
当該構成の倒立振子型ロボットによれば、袋構造部材の内部に圧縮気体が供給された後で、袋構造部材から外部に排出された際、複数の舌片のそれぞれが折り畳み癖または巻き癖によって自発的に元の状態に戻ろうとする。このため、ひとたび外側に張り出させた複数の舌片のそれぞれを内側に折り畳まれまたは巻き込まれていた元の状態に容易に戻すことができる。
【００１５】
本発明の倒立振子型ロボットにおいて、前記複数の舌片のそれぞれが折り畳まれまたは巻き込まれた際に、相互に対向するように配置された面ファスナーが前記複数の舌片のそれぞれの折り畳み側または巻き込み側に取り付けられていることが好ましい。
【００１６】
当該構成の倒立振子型ロボットによれば、複数の舌片が内側に折り畳まれたまたは巻き込まれた状態が、面ファスナーによる付着力によって確実に維持される。
【００１７】
本発明の倒立振子型ロボットにおいて、前記複数の舌片のそれぞれが、上側で内側に折り畳まれまたは巻き込まれていることが好ましい。  
【００１８】
当該構成の倒立振子型ロボットによれば、内側に折り畳まれまたは巻き込まれていた複数の舌片が外側に張り出す際、床面に当接して当該張り出しが阻害される事態が確実に回避される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態としての倒立振子型ロボットの構成の概略説明図。
【図２Ａ】舌片が折り畳まれた状態の袋構造部材の構成の概略説明図。
【図２Ｂ】膨張状態の袋構造部材の構成の概略説明図。
【図３Ａ】図２ＢのＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った姿勢保持機構の断面図。
【図３Ｂ】折り畳まれ途中の袋構造部材を含む姿勢保持機構の断面図。
【図３Ｃ】折り畳まれた袋構造部材を含む姿勢保持機構の断面図。
【図４Ａ】開栓機構の構成の概略説明図。
【図４Ｂ】開栓機構の機能に関する概略説明図。
【図４Ｃ】開栓機構の機能に関する概略説明図。
【図５】傾倒が防止された際の倒立振子型ロボットの概略説明図。
【図６】二重構造を有する袋構造部材の構成の概略説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての倒立振子型ロボット１００は、基体１１０と、接地動作部１２０と、移動用駆動機構１４０と、状態センサ１５０と、制御装置１６０と、バッテリ１７０と、姿勢保持機構２００と、を備えている。
【００２１】
基体１１０は、３本のフレーム１１１と、縦方向に相互に離間した状態で当該３本のフレーム１１１により支持されている複数のプレート１１２とを備えている。基体１１０には、接地動作部１２０、移動用駆動機構１４０、状態センサ１５０、制御装置１６０、バッテリ１７０および姿勢保持機構２００が組み付けられている。基体１１０は、鉛直方向に対して傾動または傾倒可能である。基体１１０の構成は、接地動作部１２０、移動用駆動機構１４０、状態センサ１５０、制御装置１６０、バッテリ１７０および姿勢保持機構２００が組み付け可能であれば、これ以外に様々な構成であってもよい。
【００２２】
接地動作部１２０はゴムまたは合成樹脂からなる球体により構成されている。移動用駆動機構１４０は、接地動作部１２０を構成する球体を、相互に直交する前後方向（Ｘ方向）および左右方向（Ｙ方向）に転動させるローラと、モータまたはアクチュエータと、モータの出力をローラに伝達する動力伝達機構と、により構成されている。移動用駆動機構１４０が、接地動作部１２０を構成する球体を、鉛直方向（Ｚ方向）まわりに転動させるローラと、モータと、モータの出力を当該ローラに伝達する動力伝達機構と、を備えていてもよい。
【００２３】
接地動作部１２０および移動用駆動機構１４０の構成としては、例えば、本出願人の先願である特開２０１８−１８４０３８号公報記載の倒立振子型車両における移動動作部およびアクチュエータ装置と同様の構成など、倒立振子型ロボット１００を全方位に移動させるための様々な構成が採用されてもよい。
【００２４】
状態センサ１５０は、例えば、基体１１０の鉛直方向に対する傾斜角度φおよびその１階時間微分である傾斜角速度ｄφ／ｄｔなど、倒立振子型ロボット１００の動作状態に応じた信号を出力する。
【００２５】
制御装置１６０は、プロセッサ（マルチコアプロセッサもしくはシングルプロセッサ）またはＣＰＵなどの演算処理装置およびメモリなどの記憶装置により構成されている。制御装置１６０は、状態センサ１５０の出力信号に基づき、記憶装置に記憶保持されているソフトウェア（プログラム）にしたがって、指定の演算処理を実行することにより、移動用駆動機構１４０の動作および姿勢保持機構２００の動作などを制御する。例えば、特開２０１８−１８４０３８号公報記載の倒立振子モデルにしたがって、基体１１０の姿勢が制御されるように移動用駆動機構１４０の動作が制御される。
【００２６】
バッテリ１７０は、リチウムバッテリなどの二次電池により構成され、移動用駆動機構１４０および姿勢保持機構２００を構成するモータまたはアクチュエータ、ならびに、制御装置１６０に対して電力を供給する。
【００２７】
姿勢保持機構２００は、保護部材２１０と、袋構造部材２２０と、ボンベ２３０と、開栓機構２４０と、を備えている。
【００２８】
保護部材２１０は、基体１１０の下部において、接地動作部１２０を取り囲むように環状に延在する帯状のゴム引布などの布素材により構成されている。保護部材２１０が外側でその上端部および下端部がスナップボタンなどの連結機構２１４により周方向に沿って断続的または連続的に連結されることにより、保護部材２１０が外側において閉塞されて略トーラス状の形状を呈する（図２Ａ参照）。この状態で、保護部材２１０の環状の内部空間に収縮状態の袋構造部材２２０の全部が収容される。保護部材２１０が外側でその上端部および下端部が面ファスナーなどの連結機構２１８（図２Ｂ参照）により、舌片２２２の間において周方向に沿って断続的に連結されることにより、保護部材２１０が外側において閉塞されて略トーラス状の形状を呈し、袋構造部材２２０が保護部材２１０に収容された状態が確実に維持される（図２Ａ参照）。連結機構２１４および２１８のいずれかが省略されてもよい。保護部材２１０が外側でその上端部および下端部の連結機構２１４による連結が解除されることにより、保護部材２１０が外側において開放されて外側が全周にわたって開かれた略トーラス状の形状を呈する（図２Ｂおよび図３Ａ〜図３Ｃ参照）。
【００２９】
袋構造部材２２０は、例えば、ゴム引布からなる一重構造の袋状部材により構成されている。袋構造部材２２０は、略トーラス状または略円環状の中央部２２１と、中央部２２１の周方向に離間している６箇所のそれぞれから外側かつ斜め下方に張り出し可能な略矩形板状の６個の舌片２２２と、を有している。舌片の個数は３以上の任意の複数であればよい。舌片２２２は等方的にまたは回転対称性を有するように配置されてもよく、非等方的に配置されてもよい。中央部２２１は、一部で断続している断続円環状または略Ｕ字形状であってもよい。
【００３０】
袋構造部材２２０の内部空間に連通している給気経路２１１および排気経路２１２が保護部材２１０を通じて設けられている。給気経路２１１は、開栓機構２４０を介してボンベ２３０に接続されている。
【００３１】
袋構造部材２２０の内部空間に圧縮気体が充填されていない通常状態で、各舌片２２２は、上側で内側に折り畳まれている（図３Ｃ参照）。舌片２２２には、その素材（例えば合成樹脂またはゴムと膨張を規制するナイロンの二重構造やゴム引布）に由来する折り畳み癖が付されている。舌片２２２の少なくとも上面の一の部分が面ファスナーの一方側（例えば、密集したフック状に起毛された側）により構成されまたは取り付けられている。舌片２２２の上面の他の部分が面ファスナーの他方側２２４（例えば、密集したループ状に起毛された側）により構成されまたは取り付けられている。面ファスナーによる舌片２２２の上面同士の結合により、舌片２２２が内側に折り畳まれた状態が確実に維持される。袋構造部材２２０の内部空間に圧縮気体が充填されている膨張状態で、各舌片２２２は、外側かつ斜め下方に張り出す（図２Ｂおよび図３Ａ参照）。
【００３２】
図４Ａ〜図４Ｃに示されている開栓機構２４０は、略半円板状のプレート２４１と、プレート２４１に取り付けられたギアードモータ２４２と、プレート２４１を貫通したギアードモータ２４２の出力軸に連結されている略Ｊ字形状または略Ｌ字形状のカムアーム２４３と、カムアーム２４３のカム面との当接箇所の相違に応じて軸線方向に進退運動する撃針２４４と、を備えている。開栓機構２４０は、撃針２４４が案内される一方でボンベ２３０の端部が取り付けられる内部空間を有する略筒状のシース部材２４５と、シース部材２４５の内部空間に設けられ撃針２４４を後退方向に付勢する付勢部材２４６（コイルばね）と、プレート２４１の端縁部に設けられたストッパ２４７と、をさらに備えている。シース部材２４５の内部空間は、給気用配管を介して給気経路２１１に接続されている。
【００３３】
ボンベ２３０はシース部材２４５の一端部に取り外し可能に取り付けられている。このため、ボンベ２３０が使用された後で新たなボンベ２３０の交換使用が可能である。
【００３４】
（作用効果）
当該構成の倒立振子型ロボット１００によれば、外力が作用して基体１１０が傾動したことに応じて（図５／白矢印参照）、状態センサ１５０の出力信号に基づき、制御装置１６０によって基体１１０の鉛直方向に対する傾斜角度φが基準角度を超えたまたは傾斜角速度ｄφ／ｄｔが基準角速度を超えたと判定された場合、制御装置１６０から開栓機構２４０に対して開栓指令信号が送信される。
【００３５】
これに応じて、バッテリ１７０からギアードモータ２４２に電力が供給され、その出力軸およびそこに連結されているカムアーム２４３が図４Ａに示されている始点状態から回転軸心まわりに回転する。始点状態において、カムアーム２４３に付されたマークＭ１が、外部から見えるように、必要に応じて観察用窓が基体１１０に設けられる。
【００３６】
図４Ｂに示されているように、カムアーム２４３が約９０°だけ回転した際、カムアーム２４３のカム面により撃針２４４が前進駆動され、ボンベ２３０の端部を貫通する。図４Ｃに示されているように、カムアーム２４３がさらに回転してストッパ２４７に当接した終点状態において、撃針２４４が付勢部材２４６の付勢力によって後退駆動され、ボンベ２３０の端部が開栓される。始点状態の後、終点状態に至るまでの間は、プレート２４１に付されているマークＭ２が、カムアーム２４３のマークＭ１に代えて外部から見える。
【００３７】
その結果、ボンベ２３０の内部の圧縮気体が給気経路２１１を介して袋構造部材２２０の内部空間に供給されて袋構造部材２２０が膨張する。これに応じて、保護部材２１０の連結機構２４０による上端部および下端部の連結が解除され、保護部材２１０が全周にわたり外側に開放される（図３Ａ参照）。そして、中央部２２１およびその外側で折り畳まれていた舌片２２２が外側かつ斜め下方に張り出すまたは膨出する（図３Ａ参照）  。
【００３８】
これにより、基体１１０がある方位に傾倒した際に複数の舌片２２２のうち当該方位に対応する少なくとも１つの舌片２２２が床面に当接して、基体１１０がそれ以上傾斜する事態が抑制される（図５参照）。また、袋構造部材２２０の内部の気体に由来する当該少なくとも1つの舌片２２２の弾性により、基体１１０の傾倒方向とは反対方向に当該基体１１０が押し戻される。このため、倒立振子型ロボット１００の姿勢が不安定になる事態が回避される。
【００３９】
また、複数の舌片２２２を外側に張り出させることに要する消費電力は、ボンベ２３０を開栓するために開栓機構２４０を駆動するための電力、特にギアードモータ２４２への一時的な供給電力だけで足りるため、当該消費電力の節約が図られる。
【００４０】
前記のように、保護部材２１０に通常状態の袋構造部材２２０が収容されている（図２Ａおよび図３Ｃ参照）。袋構造部材２２０、特に複数の舌片２２２が外部環境に曝露されることにより、汚染、損傷または劣化する事態が回避される。このため、袋構造部材２２０の内部に圧縮気体が供給された際、倒立振子型ロボット１００の姿勢不安定を回避する観点から、複数の舌片２２２のそれぞれを適当に外側に張り出させることができる（図２Ｂおよび図３Ａ参照）。
【００４１】
袋構造部材２２０が、複数の舌片２２２のそれぞれの折り畳み癖（または巻き癖）を維持可能な素材により構成されている。袋構造部材２２０の内部に圧縮気体が供給された後で（図３Ａ参照）、袋構造部材２２０から圧縮気体が排気経路２１２を介して外部に排出された際、複数の舌片２２２のそれぞれが折り畳み癖によって自発的に元の状態に戻ろうとする（図３Ｂ参照）。このため、ひとたび外側に張り出させた複数の舌片のそれぞれを内側に折り畳まれまたは巻き込まれていた元の状態に容易に戻すことができる（図３Ｃ参照）。
【００４２】
（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、袋構造部材２２０の通常状態または非膨張状態では舌片２２２が内側に折り畳まれたていたが（図３Ｃ参照）、他の実施形態として、袋構造部材２２０の通常状態または非膨張状態では舌片２２２が内側に巻き込まれていてもよい。この場合、舌片２２２が巻き笛（吹き戻し）のように、袋構造部材２２０の膨張状態では外側に張り出す一方、袋構造部材２２０の非膨張状態ではその素材由来の巻き癖によって元通り内側に巻き込まれる。
【００４３】
前記実施形態では、舌片２２２が上側に折り畳まれまたは巻き込まれていたが、舌片２２２が下側に折り畳まれまたは巻き込まれていてもよい。
【００４４】
前記実施形態では、袋構造部材２２０の膨張状態において舌片２２２が外側かつ斜め下方に張り出したが（図２Ｂおよび図３Ａ参照）、他の実施形態として、袋構造部材２２０の膨張状態において舌片２２２が外側かつ斜め上方または水平に張り出してもよい。
【００４５】
前記実施形態では、袋構造部材２２０が一重構造を有していたが、他の実施形態として、袋構造部材２２０が、例えば、図６に示されているように、吸気経路２１１および排気経路２１２のそれぞれに接続され、ウレタン樹脂などの合成樹脂またはウレタンゴムなどのゴムにより構成されている内袋２２０１と、当該内袋２２０１の膨張を外側で規制するナイロン布により構成されている外袋２２０２と、からなる二重構造の袋部材により構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１００‥倒立振子型ロボット、１１０‥基体、１２０‥接地動作部、１４０‥移動用駆動機構、１５０‥状態センサ、１６０‥制御装置、１７０‥バッテリ、２００‥姿勢保持機構、２１０‥保護部材、２１１‥給気経路、２１２‥排気経路、２２０‥袋構造部材、２２１‥中央部、２２２‥舌片、２２４‥面ファスナーの他方側、２３０‥ボンベ、２４０‥開栓機構。
【図１】
2020154418.tif 000003
【図２Ａ】
2020154418.tif 000004
【図２Ｂ】
2020154418.tif 000005
【図３Ａ】
2020154418.tif 000006
【図３Ｂ】
2020154418.tif 000007
【図３Ｃ】
2020154418.tif 000008
【図４Ａ】
2020154418.tif 000009
【図４Ｂ】
2020154418.tif 000010
【図４Ｃ】
2020154418.tif 000011
【図５】
2020154418.tif 000012
【図６】
2020154418.tif 000013