(57)【要約】【課題】少ない駆動要素で、並進回転機構による移動が可能な移動装置を提供する。【解決手段】装置の荷重を支える２つの脚と、脚の略中心に配設された回転軸と、これら回転軸を回転させる駆動機構と、脚をそれぞれ独立に上下させ、該装置が置かれる床面に接地する接地状態と床面から浮いている浮遊状態にする上下動機構と、駆動機構の上方に配設された本体部と、脚の一方を接地、他方を浮遊するように駆動機構を動作させ、接地している脚の回転軸を中心に本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、浮遊している脚を接地させて任意の方向へ方向転換を行い、次に、逆の脚を接地させて交互に回転動作させる駆動制御部を備える。【選択図】図１
2010076062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置の荷重を支える２つの脚と、
前記脚の略中心に配設された回転軸と、
これら回転軸を回転させる駆動機構と、
前記脚をそれぞれ独立に上下させ、該装置が置かれる床面に接地する接地状態と床面から浮いている浮遊状態にする上下動機構と、
前記駆動機構の上方に配設された本体部と、
前記脚の一方を接地、他方を浮遊するように前記駆動機構を動作させ、前記脚の一方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の他方を接地させて任意の方向へ方向転換を行い、次に、前記脚の一方を浮遊するように前記駆動機構を動作させ、接地している前記脚の他方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の一方を接地させて任意の方向へ方向転換を行う駆動制御部と
を備えたことを特徴とする移動装置。
【請求項２】
装置の荷重を支える２つの脚と、
前記脚の略中心に配設された回転軸と、
これら回転軸を伝動要素で接続し同時に回転させる回転機構と、
前記脚をそれぞれ独立に上下させ、該装置が置かれる床面に接地する接地状態と床面から浮いている浮遊状態にする上下動機構と、
前記駆動機構の上方に配設された本体部と、
前記脚の一方を接地、他方を浮遊させ、前記回転機構を回転することで、前記脚の一方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の他方を接地させて任意の方向へ方向転換を行い、次に、前記脚の他方を浮遊させ、前記回転機構を回転することで、前記脚の他方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の一方を接地させて任意の方向へ方向転換を行う駆動制御部と
を備えたことを特徴とする移動装置。
【請求項３】
前記回転機構は、前記本体部の中心軸上に配設され、前記脚の両方が接地した場合に、反力で前記本体部が回転動作を行うことを特徴とする請求項２記載の移動装置。
【請求項４】
前記回転機構は、前記本体部の中心軸上に配設され、前記脚の両方が接地した場合に、反力で前記本体部を回転させ、
前記上下動機構は、前記脚が浮遊状態にある時、前記回転機構によって前記本体部の回転を阻止することを特徴とする請求項２記載の移動装置。
【請求項５】
前記脚の一方が浮遊している際に床面に接地するとともに、接地している前記脚の回転中心を中心とする円の接線方向に回転する補助輪を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の移動装置。
【請求項６】
前記脚と前記補助輪を上下させる軸をベルト伝動により駆動することで、一つのモータで動作する機構が組み込まれていることを特徴とする請求項５記載の移動装置。
【請求項７】
前記脚と前記補助輪をリンク機構を介することにより上下反転した動作を行わせ、前記脚のみを上下動作させることで、一つのモータで上下させる機構が組み込まれていることを特徴とする請求項５記載の移動装置。
【請求項８】
前記回転軸はスプライン軸部を有し、前記各スプライン軸部に係合する従動歯車と、これら従動歯車間に配設された駆動歯車と、この駆動歯車を駆動する回転モータを有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並進回転機構を備えた移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、目的位置への移動機構として、車輪やクローラ(無限軌道、キャタピラ)が使用されている。また、静歩行や動歩行を行う歩行機構も使用されている。目的位置への移動にとって、移動機構自体の状態を計測する内界センサによる自己位置推定(センサデータを処理して軌跡を求めるデッドレコニング、オドメトリ)は重要である。とりわけ、周りの状況を判断して行動するのに必要な情報を計測する外界センサを持たない場合は、自己位置推定は必要不可欠であり、外界センサを有している場合でも軌道追従性を上げる上で大きな要素である。
【０００３】
車輪による移動は、車輪と床との接触であり、特に方向転換に際して、必ずすべりを伴う。クローラは、車輪に比べて、接地面積および摩擦力が大きい反面、方向転換時のすべりも大きい。
【０００４】
静歩行は、移動中、常に接地面上の安定領域上に重心があり、どの姿勢でも静止可能な歩行である。静歩行は、接地面では理想的にはすべりを伴わず静止摩擦のみでの歩行が可能であることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−３２０４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、車輪、クローラおよび歩行（動歩行）は、移動の際にすべりを利用している。このため、車輪回転数で算出した推定位置や、歩行軌跡により算出した推定位置と実際の移動位置には、必ずすべりによる位置ずれが生じる。これを回避するためには外界センサを用いる他に手段はない。しかし、外界センサを用いる場合は、環境上に、専用に設置もしくは元々あるものを使うにせよ、何らかのランドマークが必要となる。また静歩行は、すべりを伴わない移動が可能であるが、特許文献１に記載されているように、歩行させるためには複雑な機構が必要となっている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した問題に鑑みてなされたもので、少ない駆動要素で、並進回転機構による移動が可能な移動装置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】
【０００７】
本発明の一態様によれば、装置の荷重を支える２つの脚と、前記脚の略中心に配設された回転軸と、これら回転軸を回転させる駆動機構と、前記脚をそれぞれ独立に上下させ、該装置が置かれる床面に接地する接地状態と床面から浮いている浮遊状態にする上下動機構と、前記駆動機構の上方に配設された本体部と、前記脚の一方を接地、他方を浮遊するように前記駆動機構を動作させ、前記脚の一方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の他方を接地させて任意の方向へ方向転換を行い、次に、前記脚の一方を浮遊するように前記駆動機構を動作させ、接地している前記脚の他方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の一方を接地させて任意の方向へ方向転換を行う駆動制御部とを備えたことを特徴とする移動装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の別の一態様によれば、装置の荷重を支える２つの脚と、前記脚の略中心に配設された回転軸と、これら回転軸を伝動要素で接続し同時に回転させる回転機構と、前記脚をそれぞれ独立に上下させ、該装置が置かれる床面に接地する接地状態と床面から浮いている浮遊状態にする上下動機構と、前記駆動機構の上方に配設された本体部と、前記脚の一方を接地、他方を浮遊させ、前記回転機構を回転することで、前記脚の一方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の他方を接地させて任意の方向へ方向転換を行い、次に、前記脚の他方を浮遊させ、前記回転機構を回転することで、前記脚の他方側の回転軸を中心に前記本体部を回転させ、任意の方向で回転を停止させた後、前記脚の一方を接地させて任意の方向へ方向転換を行う駆動制御部とを備えたことを特徴とする移動装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、少ない駆動要素で、並進回転機構による移動が可能な移動装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る移動装置を示した模式図である。図１に示すように、移動装置１００は、２つの接地脚１０と、各接地脚１０の中心に配設された回転軸（スプライン軸）１１と、回転軸１１の他端側に係合する従動歯車１２と、従動歯車１２間に配設された駆動歯車１３と、この駆動歯車１３を駆動する回転モータ１４と、２つの接地脚１０を上下動させる上下動機構と、この上下動機構を駆動する上下動モータ１５と、回転モータ１４上に載置された本体ベース板（図示しない）と、駆動制御部１６から構成され、並進回転動作を実現している。
【００１２】
２つの接地脚１０は、移動装置１００が置かれる床面に接して、移動装置本体を支持するとともに、並進の際の進行を司る。特に、接地脚１０が直接床面と接する面には、摩擦係数及び粘度の高い例えばゴム材を貼付するのが好適である。これによって、接地脚１０は床面との間ですべりを生じることがないようにしている。接地脚１０は、後述する上下動機構の働きにより、一方の接地脚１０は接地し、他方の接地脚１０は床面から浮遊するように制御可能となっている。その際、本体ベース板の底面（回転軸１１に対向する側）には、浮遊している脚１０の回転軸１１が本体ベース板をロックするように押し付けられる。これによって、本体ベース板の回転が阻止されるようになっている。尚、本体ベース板の底面に浮遊している脚１０の回転軸１１の先端が嵌まり込むような孔を形成することでも同様な作用が奏せられる。
【００１３】
２つの接地脚１０において、上下動モータ１５によって駆動される上下動機構（いずれも後述する）によって、接地側、浮遊側は、交互に切り換えられるようになっている。言わば、脚の踏み替えに相当する。図１では、２つの接地脚１０の床面と接する面は円形をしているがこれに限らず、例えば平方形でもよく、２つの接地脚が上下に位置して回転したときに、接地脚１０及び周囲の機構部分に相互に干渉しなければよい。
【００１４】
また、本実施形態に係る移動装置１００においては、その重心位置は変化させていない。しかし、いわゆる２足歩行ロボット等における静歩行と同様に、常に一方の接地脚１０が床面に接している面上に位置するようにさせることもできる。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、２つの接地脚１０にうち、一方の接地脚１０が浮遊している際に転倒するおそれがある。そこで、一方の接地脚１０を浮遊させる場合に転倒するのを避けるため、移動装置１００の重心を任意に移動させる機構を設けてもよい。ここでは、詳述しないが、重心移動機構は周知のものを採用することができる。
【００１５】
従動歯車１２は、内側にスプライン軸と係合するためのスリーブ部を有している。従動歯車１２は、回転軸１１に対して回転方向の力を伝動し、図中の上下方向にはすべり運動ができるようになっている。ここでは、回転軸１１は、上下方向に自由にすべり運動しても、従動歯車１２からはずれないだけの長さを有している。回転軸１１の形状は、従動歯車１２と係合可能であるものであれば、角型スプライン、インボリュートスプラインのいずれであってもよい。本実施形態では、回転軸１１は、スリーブ部を介して従動歯車１２と接続している。
【００１６】
駆動歯車１３は、本体ベース板に固定された回転モータ１４のモータ軸に負荷として接続され、回転駆動する。したがって、回転モータ１４が本体ベース板から見たとき、時計周り正転、反時計周りに逆転すると、駆動歯車１３も同方向に回転する。
【００１７】
また、回転軸１１は、本体ベース板に係着した図示しない支持部によって、支持されている。回転軸１１は、金属製とするのが好適である。
【００１８】
回転モータ１４はアクチュエータとして機能するもので、ステッピングモータやエンコーダ付きサーボモータが好適である。例えば、ステッピングモータによれば、1個のパルスに対して一定のステップ角だけ回転するので、パルス列を入力することにより、そのパルス数に対応した角度だけ回転し、高精度で静止できるからである。
【００１９】
上下動モータ１５は、上下動機構を駆動するもので、例えば直流モータが好適である。
【００２０】
上下動機構は、上下動モータ１５の駆動によって２つの接地脚１０を上下動させるもので、交互に一方の脚を床面に接地させ、他方の脚を浮遊させることができる。さらに、２つの接地脚１０の両方とも床面に接地させることもできる。
【００２１】
本体ベース板は、移動装置１００の言わば、胴体の一部に相当するものである。本体ベース板の形状は、例えば円板状が好適であるが、これに限らない。移動装置１００の並進回転運動の際に、周囲に干渉しない形状であればよいからである。
【００２２】
駆動制御部１６は、移動装置１００全体の駆動を制御するもので、移動装置１００に組み込んでもよいし、あるいは、移動装置１００の外部に設けてもよい。駆動制御部１６は、例えば、演算部とメモリ部を備えている。図２は、駆動系の内容を示すブロック図である。図２に示すように、駆動制御部１６は、上位指令部２０から並進運動の指示を受けつける。上位指令部２０からの指示としては、例えば、「現在位置から、１メートル先の指定位置まで直進せよ」あるいは「現在位置から、指定位置まで移動せよ」等になる。係る指令を受けた駆動制御部１６は、現在位置と指定位置との関係づけるＸ座標、Ｙ座標、角度θの大きさをそれぞれ演算する。駆動制御部１６には、回転モータ１４、上下動モータ１５が接続され、各、制御信号によって、制御されるようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態に係る移動装置１００の接地脚中心での回転動作について述べる。上記したように、上下動モータ１５を駆動して上下動機構を動かし、一組の接地脚１０は、一方の脚１０が床面に接地し、他方の脚１０が床面から浮遊する状態にある。まず、回転モータ１４を回転させると、回転モータ軸に取着している駆動歯車１３が回転モータ１４の回転方向に回転する。すると、駆動歯車１３に噛み合う従動歯車１２を介して、床面に接地している脚１０の回転軸１１が回転する。したがって、移動装置１００は、１つの回転モータ１４で、床面に接地している脚中心（回転軸中心でもある）で回転運動を行う。その際、駆動歯車１３に噛み合う従動歯車１２を介して、床面から浮遊している脚１０も回転するが、他の機構部への干渉は起こらず、言わば空転している状態となる。さらに、本体ベース板の底面には、浮遊している脚１０の回転軸１１が本体ベース板をロックするように押し付けられているため、反力により本体ベース板が回転することはない。
【００２４】
また、２つの接地脚１０が共に床面に接地している場合には、図１（ｃ）に示すように、接地脚１０の回転運動が床面との接地による摩擦抵抗により阻害され、回転できないため、本体ベース板が反力を受けて回転する。すなわち、２つの接地脚１０の機構とは独立して、接地脚１０の上方に配設された本体ベース板が回転する。この際の本体ベース板の回転方向は、回転モータ１４の回転方向と同方向となり、回転モータ１４の正転、逆転によって定まることになる。
【００２５】
次に、本実施形態に係る移動装置１００による並進動作について説明する。図３は、その並進移動シーケンスを示した模式図である。図３（ａ）において矢印は、本移動装置１００の進行方向を示している。本移動装置１００は、接地脚１０中心の回転動作を交互に行うことにより、並進動作を行うことができる。まず、図３（ｂ）に示すように、接地脚１０を中心に、４５度回転動作を行う。次に、図３（ｃ）に示すように、接地脚１０を入れ替え、９０度回転動作を行う。さらに図３（ｄ）に示すように、接地脚１０を入れ替え、４５度回転動作を行うことで、並進動作を行うことができる。
【００２６】
この角度はこれらに限ったものではなく、上位指令部２０の指令内容に応じて算出される角度を任意に設定可能であり、この角度および動作を組み合わせることで、所望の位置への移動・方向転換が可能である。言うまでも無く、移動装置１００は、目的地に最短で到達するように制御することも可能であり、また、直角三角形の２つの隣辺を進むように制御することも可能である。
【００２７】
図４は、駆動制御部１６による並進動作処理の流れを示すフローチャートである。まず、駆動制御部１６は、現在位置から並進移動すべき目標位置、方向、腰方向（接地脚１０とは独立した本体ベース板の向く方向）を上位指令部２０から入力する（ステップＳ４０１）。次に、駆動制御部１６は、入力情報を基に動作テーブルを作成する（ステップＳ４０２）。この動作テーブルは、並進回転機構が行う一連の動作を順に示したものである。例えば、図４に示す例では、１回目の動作では右脚接地で＋１２．５度回転し、次に２回目の動作では左脚接地で−１２．５度回転し、ｎ回目の動作では両脚接地で＋４５度回転する。ここで、「右脚」、「左脚」は進行方向に対するもので、「＋」、「−」は回転モータの正転、逆転に対応するものである。
【００２８】
次に、駆動制御部１６は、動作テーブルを解析し（ステップＳ４０３）、この解析結果に応じて、２つの接地脚１０のいずれを接地させるか判断する（ステップＳ４０４）。動作テーブルに示された動作が「右脚接地」であれば、右脚接地状態になるように上下動モータ１５を駆動し（ステップＳ４０５）、動作テーブルに示された動作が「左脚接地」であれば、左脚接地状態になるように上下動モータ１５を駆動し（ステップＳ４０６）、動作テーブルに示された動作が「両脚接地」であれば、両脚接地状態になるように上下動モータ１５を駆動する（ステップＳ４０７）。
【００２９】
次いで、右脚接地状態あるいは左脚接地状態での動作であれば、それぞれ動作テーブルの値に応じて回転モータ１４を駆動させ（ステップＳ４０８）、動作テーブルの解析に戻る。両脚接地状態での動作であれば、動作テーブルの値に応じて回転モータ１４を駆動させて（ステップＳ４０９）、終了する。
【００３０】
尚、図４に示したフローチャートは、あくまでも一例であって、上位指令部２０からの上位指令を受けて作成される動作テーブルの内容によって、変化することは言うまでもない。
【００３１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態に係る移動装置において、一方の接地脚１０が浮遊している際に、移動装置本体の重心位置を移動する機構が何等設けられていない場合、接地面上に重心がないため転倒する。そこで、第２の実施形態では、浮遊している脚側において、本体荷重を支えるための補助輪１７を設けている。
【００３２】
図５は、第２の実施形態に係る移動装置１００を示した模式図である。図５に示すように、補助輪１７は、例えば従動歯車１２の下部に位置させ、接地している接地脚１０の回転軸１１を中心とする円の接線方向に転がるものであり、接地時の接地脚１０の回転動作を妨げないようになっている。また、補助輪１７は、２つの接地脚１０に対応して、一対設けられ、例えばシーソーの如き動きを呈するものである。すなわち、床面に接地している接地脚側の補助輪１７は上昇位置に、浮遊している接地脚側の補助輪１７とは下降位置にあって床面と接するように、相互に連動して上下動作を行うことができるように構成されている。
【００３３】
このような動きを実現するための補助輪１７と接地脚１０の上下動機構としては、いくつかのバリエーションが可能である。それらの概要を以下に示す。図６、図７は、補助輪１７と接地脚１０の上下動機構１８、１９を示す模式図である。図６では、それぞれ接地脚１０と補助輪１７を上下させる軸をベルト伝動により駆動することで、一つのモータで動作する機構１８を示している。また、図７では、接地脚１０と補助輪１７をリンク機構を介することにより上下反転した動作を行わせ、接地脚のみを上下動作させることで、一つのモータで上下させる機構１９を示している。尚、ベルト伝動による駆動、リンク機構による上下反転動作については、いずれも周知の機構を利用することができるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００３４】
図８は、補助輪１７と接地脚１０の上下動機構１８（１９）を組み込んだ移動装置を模式的に示すもので、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）乃至（ｄ）は三面図である。このような移動装置１００によれば、図９（ａ）に示すような脚回転、図９（ｂ）に示すような接地脚１０とは独立した本体ベース板の回転が実現できる。
【００３５】
以上詳述した如く、本実施形態によれば、極めて簡素な駆動要素で、並進回転機構による移動が可能な移動装置が実現できる。
【００３６】
本実施形態に係る移動装置の適用範囲としては、例えば卓上型インタフェースロボットに適用することにより、並進回転動作による卓上動作範囲の拡張、例えばロボット搭載のマイク・カメラ・赤外リモコン等の範囲拡張が実現できる。一般的に、卓上での移動の際、車輪など機構的に速度が出せる機構では、ソフトの不具合が発生した場合には、暴走・落下の恐れがある。これに対し、本移動装置によれば、動作シーケンス中においても本質的に安定しており、落下の恐れが低い。また、本移動装置は、大型作業機械に適用して、停止時に接地脚を別途設けずに安定した作業ができるという利点がある。
【００３７】
なお、本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る移動装置を示した模式図である。
【図２】駆動系の内容を示すブロック図である。
【図３】並進移動シーケンスを示した模式図である。
【図４】駆動制御部による並進動作処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に係る移動装置を示した模式図である。
【図６】補助輪と接地脚の上下動機構を示す模式図である。
【図７】補助輪と接地脚の上下動機構を示す模式図である。
【図８】第２の実施形態に係る移動装置の一例を示す参考図である。
【図９】第２の実施形態に係る移動装置の回転動作を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・移動装置、１０・・・接地脚、１１・・・回転軸、１２・・・従動歯車、１３・・・駆動歯車、１４・・・回転モータ、１５・・・上下動モータ、１６・・・駆動制御部、１７・・・補助輪、１８・・・上下動機構、１９・・・上下動機構、２０・・・上位指令部。
【図１】
2010076062.tif 000003
【図２】
2010076062.tif 000004
【図３】
2010076062.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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