(57)【要約】【課題】  本発明は、小さな設置面積及び高い走行速度を有するとともに、大きな障害物を越えることのできるクローラ型ロボットを提供することを目的とする。【解決手段】  クローラ２０，２０を用いて走行するクローラ型ロボット１００において、おもり３０を前記クローラ２０，２０に対して移動させることによりバランスをとるバランサ１０と、前記バランサ１０の位置を制御する制御装置４０とを備え、前記制御装置４０は、前記クローラの一端のみで走行面に接しながら走行する時に、前記クローラ型ロボット１００の重心Ｇと、前記クローラ２０，２０が前記走行面Ｆに接する位置Ｃとを結んだ仮想線Ｌが前記走行面に対して略垂直方向Ｖに延びるように前記バランサ１０を移動させるようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クローラを用いて走行するクローラ型ロボットにおいて、
おもりを前記クローラに対して移動させることによりバランスをとるバランサと、
前記バランサの位置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記クローラの一端のみで走行面に接しながら走行する時に、前記クローラ型ロボットの重心と、前記クローラが前記走行面に接する位置とを結んだ仮想線が前記走行面に対して略垂直方向に延びるように前記バランサを移動させることを特徴とする、クローラ型ロボット。
【請求項２】
請求項１に記載のクローラ型ロボットにおいて、
前記制御装置は、前記クローラの前記垂直方向に対する角度に応じて前記バランサを移動させることを特徴する、クローラ型ロボット。
【請求項３】
請求項１または２に記載のクローラ型ロボットにおいて、
前記バランサは、長尺部材の端部近傍に前記おもりが設けられたことを特徴とする、クローラ型ロボット。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、
前記制御装置は、前記クローラを前記垂直方向に対して傾斜させるときに、前記バランサを前記クローラが傾斜した側とは反対側に移動させることを特徴とする、クローラ型ロボット。
【請求項５】
請求項４に記載のクローラ型ロボットにおいて、
前記バランサは、前記クローラの前記一端の近傍を軸に回転移動することを特徴とする、クローラ型ロボット。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、
前記バランサは、前記クローラの中央を軸に回転移動することを特徴とする、クローラ型ロボット。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、
前記バランサは、前記クローラに連結された第１のアームと、前記第１のアームに結合された第２のアームとを備え、前記おもりは前記第２のアームに設けられたことを特徴とする、クローラ型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クローラを用いて走行するクローラ型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、クローラを用いて走行する様々なクローラ型ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。今日のほとんどのロボットプラットフォームは、車輪または脚部による移動装置を有している。
【０００３】
脚部を用いた歩行型ロボットは、機動性がとても高く、大きな障害物を超えることができる。しかし、歩行型ロボットは機械的に複雑であり、様々なアクチュエータを制御するための高い計算量を必要としている。もう一つの主な欠点は信頼性であり、脚部内のジョイント及びベアリングは、方向を変えることによる高い動的負荷にさらされることにより、多数の負荷が周期的に加わり、高い頻度で構成要素が早期に構造的に破損してしまう。また、歩行型ロボットは、車輪で走行するロボットよりも、最高速がより低くなってしまう。
【０００４】
車輪で走行するロボットは、歩行型ロボットよりも信頼性が高く、かつ、より少ない計算量で走行可能であるが、いくつかの例外を除き、通常は大きな障害物に登ったり越えたりすることはできなかった。倒立振り子タイプ等の特別なタイプの乗り物は、真っ直ぐな軸及び２つの車輪のみを有し、制御システムにより不安定平衡な状態でバランスがとられている。この種の乗り物の有利な点は、足跡すなわち設置面積がとても小さくて操縦性がよいということである。
【０００５】
ロボットが階段等の大きな障害物を超えることができるようにすると同時に、操縦性及び信頼性を高くするためには、クローラを用いて走行するクローラ型ロボットが好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１１５９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術によるクローラ型ロボットは、障害物を越えるために、大きなクローラ、大きなホイールベース、またはクローラを障害物の最上部に持ち上げたり重心を障害物の上端に持ち上げるための補助的な機構等を必要としていた。また、階段を走行するために、静的に安定になるように低い重心を必要としていた。さらに、これらの要求を満たすために大きな設置面積が必要となってしまっていた。
【０００８】
本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、小さな設置面積及び高い走行速度を有するとともに、大きな障害物を越えることのできるクローラ型ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、クローラを用いて走行するクローラ型ロボットにおいて、おもりを前記クローラに対して移動させることによりバランスをとるバランサと、前記バランサの位置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記クローラの一端のみで走行面に接しながら走行する時に、前記クローラ型ロボットの重心と、前記クローラが走行面に接する位置とを結んだ仮想線が前記走行面に対して略垂直方向に延びるように前記バランサを移動させることを特徴とする。
【００１０】
この場合において、前記制御装置は、前記クローラの前記垂直方向に対する角度に応じて前記バランサを移動させてもよい。前記バランサは、長尺部材の端部近傍に前記おもりが設けられていてもよい。前記制御装置は、前記クローラを前記垂直方向に対して傾斜させるときに、前記バランサを前記クローラが傾斜した側とは反対側に移動させてもよい。前記バランサは、前記クローラの前記一端近傍を軸に回転移動させてもよい。前記バランサは、前記クローラの中央を軸に回転移動させてもよい。前記バランサは、前記クローラに連結された第１のアームと、前記第１のアームに結合された第２のアームとを備え、前記おもりは前記第２のアームに設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、小さな設置面積及び高い走行速度を有するとともに、大きな障害物を越えることのできるクローラ型ロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、クローラ型ロボットを示す正面図であり、図１（ｂ）は、クローラ型ロボットを示す側面図である。
【図２】クローラ型ロボットが階段を登る様子を段階的に示す側面図である。
【図３】２つのアームからなる胴部をクローラの中央に回転可能に支持した変形例を示す側面図である。
【図４】１つのアームからなる胴部をクローラの中央に回転可能に支持した変形例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、クローラ型ロボットを示す正面図であり、図１（ｂ）は、クローラ型ロボットを示す側面図である。以下、クローラ型ロボット１００について説明する。
【００１４】
本実施形態に係るクローラ型ロボット１００は、主にビルのフロア等を警備するための警備ロボットである。このクローラ型ロボット１００は、図１（ａ）に示すように、胴部（バランサ）１０、一対のクローラ２０，２０、及び頭部（おもり）３０を備えている。
【００１５】
胴部１０は、一対のクローラ２０，２０の間に設けられている。この胴部１０は、第１のアーム１０ａ、第２のアーム１０ｂ、及び一対の第３のアーム１０ｃ，１０ｃ（図２参照）で長尺部材となるように構成されており、おもりである頭部３０を移動させることによりクローラ型ロボット１００のバランスをとるためのバランサとして機能する。
【００１６】
第１のアーム１０ａは、図中下側にある一端が左右から挟み込まれるように一対のクローラ２０，２０に回転可能に取り付けられており、図中上側にある他端が第２のアーム１０ｂに回転可能に取り付けられている。
【００１７】
第２のアーム１０ｂは、一端が第１のアーム１０ａに回転可能の取り付けられており、他端がおもりである頭部３０に取り付けられている。
【００１８】
一対の第３のアーム１０ｃ，１０ｃは、一端が第１のアーム１０ａに取り付けられており、他端がそれぞれ一対のクローラ２０，２０のいずれかに取り付けられている。また、一対の第３のアーム１０ｃ，１０ｃの一端は、第１のアーム１０ａが延びる方向に沿って、第１のアーム１０ａ上をスライド移動可能に設けられている。第３のアーム１０ｃ，１０ｃが第１のアーム１０ａ上をスライド移動したときに、第１のアーム１０ａの図中上側にある他端と第３のアーム１０ｃ，１０ｃのクローラ２０，２０側にある他端との間隔が変化することにより、クローラ２０，２０を第１のアーム１０ａの図中下側にある一端を軸に回転移動させるようになっている。すなわち、左右一対の第３のアーム１０ｃ，１０ｃを第１のアーム１０ａに対して個別に移動させることにより、胴部１０に対して左右一対のクローラ２０，２０を第１のアーム１０ａに対して個別に回転移動可能になっている。
【００１９】
胴部１０は、一対のクローラ２０，２０の各々を駆動させるためのクローラ駆動モータ４１，４１、第２のアームを第１のアーム１０ａに対して回転させるためのアーム回転モータ４２、第３のアーム１０ｃ，１０ｃの各々を第１のアーム１０ａに対してスライド移動させることにより一対のクローラ２０，２０の各々を胴部１０に対して回転移動させるための一対のクローラ回転モータ４３，４３、及びこれらクローラ駆動モータ４１，４１、アーム回転モータ４２、及びクローラ回転モータ４３，４３の各々の回転を制御するための制御装置４０が内部に設けられている。
【００２０】
一対のクローラ２０，２０の各々は、図中下側にある一端の起動輪２０ａと図中上側にある他端の遊動輪２０ｂとが間隔を空けて図示せぬフレームに回転可能に設けられており、これら起動輪２０ａ及び遊動輪２０ｂの周りに履板２０ｃが巻き回されている。履板２０ｃは、起動輪２０ａが駆動されることにより、起動輪２０ａ及び遊動輪２０ｂの周りをガイドされながら回転するように設けられている。
【００２１】
クローラ２０，２０は、起動輪２０ａと同軸で第１のアーム１０ａが回転可能に取り付けられている。すなわち、胴部１０は、クローラ２０，２０の一端近傍を軸に回転移動するようになっている。これにより、胴部１０に設けられたクローラ駆動モータ４１，４１でクローラ２０，２０の各々を駆動させると同時に、胴部１０に設けられたクローラ回転モータ４３，４３でクローラ２０，２０の各々を胴部１０に対して回転移動させることができるように設けられている。
【００２２】
頭部３０は、図示せぬカメラやセンサ等が設けられており、外部の状況を検知できるようになっている。また、頭部３０は、移動したときにクローラ型ロボット１００の重心を移動させることのできる程度の重さを有するおもりとして機能するようになっている。
【００２３】
制御装置４０は、クローラ２０，２０の胴部１０に対する傾き角に関わらず、いかなるバランス状態においても静的平衡を保つために、図１（ｂ）に示すように、クローラ型ロボット１００の重心Ｇと、クローラ２０，２０が走行面Ｆに接する位置Ｃとを結んだ仮想線Ｌが走行面Ｆに対して略垂直方向Ｖに延びるようにクローラ駆動モータ４１，４１、アーム回転モータ４２、及びクローラ回転モータ４３，４３の各々の回転を制御して胴部１０の位置を制御する。これにより、クローラ型ロボット１００は、遊動輪２０ｂが最上部に位置してクローラ２０，２０が走行面Ｆに対して略垂直に立った状態、及びこの略垂直に立った状態に比べてクローラ２０，２０が走行面Ｆ側に傾いた状態等、クローラ２０，２０が起動輪２０ａ側の一端のみで走行面Ｆに接した状態を保ちながら走行できるようになっている。
【００２４】
なお、本実施形態では、クローラ２０，２０が走行面Ｆに接する位置Ｃを直立移動時に下側になる起動輪２０ａの外周上の位置とし、各構成要素の位置関係から算出しているが、感圧センサ等でクローラ２０，２０が走行面Ｆに実際に接する位置を検出してより高精度で位置Ｃを判断してもよい。本実施形態では、第１のアーム１０ａ及び第２のアーム１０ｂからなる２つのアーム１０ａ，１０ｂを直列につなげた機構を用いることにより、おもりである頭部３０の重心を第１のアーム１０ａ及び第２のアーム１０ｂの移動可能空間、すなわち第１のアーム１０ａ及び第２のアーム１０ｂの長さの総和と同じ半径の円形領域内の任意の位置に移動させることができる。クローラ型ロボット１００全体の重心Ｇの位置は、
【００２５】
【数１】
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の式で求められる。
【００２６】
ここで、Ｒは全体の重心ベクトル、Ｍは全質量、ｍｉおよびｒｉはｉ部分の質量及び重心ベクトルである。制御装置４０は、記憶部にクローラ型ロボット１００の各部の質量を記憶しており、各部の重心ベクトルを算出することにより全体の重心ベクトルを算出する。すなわち、制御装置４０は、垂直方向Ｖ及びクローラ２０，２０の垂直方向Ｖに対する角度に応じて胴部１０を適切な位置に移動させるようになっている。なお、クローラ型ロボット１００の全体の重心ベクトルをクローラ２０，２０の中心から離すためには、おもりである頭部３０が他の構成要素に比べて大きな質量を有することが望ましい。慣性テンソルは、平行軸の定理によって算出される。
【００２７】
以下、クローラ型ロボット１００の動作について説明する。
図２は、クローラ型ロボットが階段を登る様子を段階的に示す側面図である。
障害物を越えている間は、制御装置４０は、クローラ型ロボット１００が常に安定するように、重心Ｇを積極的に移動させるとともにクローラ２０，２０の駆動トルクを制御している。
【００２８】
まず、障害物の無い平坦な走行面Ｆを走行する際に、クローラ型ロボット１００は、図中矢印Ｓ１で示すように、胴部１０及び頭部３０が垂直方向Ｖに延びているとともに、クローラ２０，２０も垂直方向Ｖに延びている直立の姿勢をとっている。すなわち、クローラ型ロボット１００は、クローラ２０，２０の起動輪２０ａの周りのみが床面Ｆに接している。このとき、制御装置４０は、クローラ型ロボット１００の重心Ｇとクローラ２０，２０が走行面Ｆに接する位置Ｃとを結んだ仮想線Ｌが略垂直方向Ｖに延びるように胴部１０を移動させるとともに、起動輪２０ａの駆動力を制御してクローラ型ロボット１００を直立姿勢に保持し、不安定平衡点でクローラ型ロボット１００を安定させるようになっている。
【００２９】
直立姿勢で越えるには高すぎる階段等の障害物を越える際には、制御装置４０は、図中矢印Ｓ２で示すように、先ず、一対のクローラ回転モータ４３，４３を回転させて一対のクローラ２０，２０の各々を胴部１０に対して矢印Ｒ１で示す方向に回転させ、クローラ２０，２０のみを障害物の頂点上に倒して傾斜させる。このとき、制御装置４０は、胴部１０を矢印Ｒ１で示す方向とは反対方向に傾斜するように移動させる。
【００３０】
クローラ２０，２０のみを障害物の頂点上に倒すと、制御装置４０は、図中矢印Ｓ３で示すように、一対のクローラ回転モータ４３，４３を回転させて第１のアーム１０ａをクローラ２０，２０が延びる方向と略平行にするとともに、アーム回転モータ４２を回転させて第２のアーム１０ｂを第１のアーム１０ａに対して回転させ、第２のアーム１０ｂを略垂直方向Ｖに立たせる。これにより、クローラ２０，２０は階段等の複数の角や突起に接した状態で安定して登ることができる。
【００３１】
階段を登りきると、制御装置４０は、図中矢印Ｓ４で示すように、一対のクローラ回転モータ４３，４３及びアーム回転モータ４２を矢印Ｒ２で示す方向に回転させて、第１のアーム１０ａを立たせて重心Ｇを後方に移動させるとともに、一対のクローラ回転モータ４３，４３を回転させてクローラ２０，２０を起き上がらせる。略垂直方向Ｖに延びる程度にクローラ２０，２０を起き上がらせると、クローラ型ロボット１００は、図中矢印Ｓ５で示すように、再び直立姿勢に保持される。
【００３２】
一方、階段を降りる際には、制御装置４０は、先ず、一対のクローラ回転モータ４３，４３を回転させて一対のクローラ２０，２０の各々を胴部１０に対して回転させ、クローラ２０，２０のみを次の段の頂点上に倒す。
【００３３】
クローラ２０，２０のみを障害物の頂点上に倒すと、制御装置４０は、一対のクローラ回転モータ４３，４３を回転させて第１のアーム１０ａをクローラ２０，２０が延びる方向と略平行にするとともに、アーム回転モータ４２を回転させて第２のアーム１０ｂを第１のアーム１０ａに対して回転させ、第２のアーム１０ｂを略垂直方向Ｖに立たせる。これにより、クローラ２０，２０は階段等の複数の角や突起に接した状態で安定して降りることができる。
【００３４】
階段を降りきると、制御装置４０は、一対のクローラ回転モータ４３，４３及びアーム回転モータ４２を回転させて、第１のアーム１０ａを立たせて重心Ｇを後方に移動させるとともに、一対のクローラ回転モータ４３，４３を回転させてクローラ２０，２０を起き上がらせる。略垂直に延びる程度にクローラ２０，２０を起き上がらせると、クローラ型ロボット１００は、再び直立姿勢に保持される。
【００３５】
本実施形態に係るクローラ型ロボット１００は、頭部３０をクローラ２０，２０に対して移動させることによりバランスをとる胴部１０と、胴部１０の位置を制御する制御装置４０とを備え、制御装置４０は、前記クローラの一端のみで前記走行面に接しながら走行する時に、クローラ型ロボット１００の重心Ｇと、クローラ２０，２０が走行面Ｆに接する位置とを結んだ仮想線Ｌが走行面Ｆに対して略垂直方向Ｖに延びるように胴部１０を移動させる。これにより、通常走行状態では、クローラ２０，２０の起動輪２０ａ側のみを床面Ｆに接しさせて直立姿勢となり、障害物を越えるときにはクローラ２０，２０を障害物の上に倒すとともにクローラ型ロボット１００の重心Ｇを最適な位置に近づけることができるため、小さな設置面積及び高い走行速度を有するとともに、大きな障害物を越えることができる。
【００３６】
また、車輪のみで走行するロボットに比べてより大きな障害物を越えることができ、直立走行状態では従来のクローラ型ロボットに比べて、とても小さな設置面積を有して邪魔にならないため、人を中心とした環境での運用により適している。
【００３７】
さらに、歩行型ロボットに比べて、より丈夫で信頼性の高い運動機構を備え、より高速で走行可能であるとともに、重心Ｇを移動させてバランスを制御することにより走破性が向上するため、走行面Ｆの状況等の環境検知の必要性をより低くするまたは全く不要とすることができる。
【００３８】
これらにより、クローラ型ロボット１００は、特に階段や縁石などの障害物がよくある室内や都心部での利用にとても適しており、例えば、ビルの中や公共空間での使用を制限されることなく偵察可能な偵察ロボット等に使用するのに好適である。
【００３９】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。上記実施形態では、クローラ型ロボット１００は、平坦な走行面Ｆは直立姿勢で走行しているが、高速走行時、及びでこぼこの土地やオフロード地帯での走行時は、クローラを走行面上に倒して水平にし、通常のクローラを有する乗り物のように動作してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、胴部１０の第１のアーム１０ａは、クローラ２０の起動輪２０ａ近傍に回転可能に支持されているが、これに限らず、図３に示すように、クローラ２０の中央、すなわち起動輪２０ａと遊動輪２０ｂとの中央近傍のフレーム上に回転可能に支持されたクローラ型ロボット２００としてもよい。なお、図３において、図３（ａ）は、クローラ型ロボット２００がクローラ２０，２０を略垂直方向Ｖに延びるようにして直立姿勢で走行している状態、図３（ｂ）は、クローラ型ロボット２００がクローラ２０，２０を垂直方向Ｖに対して少し倒した状態を保持しながら走行している状態、図３（ｃ）は、クローラ型ロボット２００がクローラ２０，２０を水平に近い状態まで倒した状態を保持しながら走行している状態をそれぞれ示している。さらに、図４に示すように、単一のアーム１０を有するクローラ型ロボット３００としてもよい。なお、図４において、図４（ａ）は、クローラ型ロボット３００がクローラ２０，２０を略垂直方向Ｖに延びるようにして直立姿勢で走行している状態、図４（ｂ）は、クローラ型ロボット３００がクローラ２０，２０を垂直方向Ｖに対して少し倒した状態を保持しながら走行している状態、図４（ｃ）は、クローラ型ロボット３００がクローラ２０，２０を水平に近い状態まで倒した状態を保持しながら走行している状態をそれぞれ示している。
【００４１】
さらに、上記実施形態では、主に第１のアーム１０ａ及び第２のアーム１０ｂを用いて重心Ｇを移動させているが、これに限らず、頭部３０等のおもりを移動させることができれば、３つ以上の棒部材を互いに対してスライドさせておもりを移動させたり、ねじが切られた軸が回転することにより螺合されたおもりを移動させるように設けてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０    胴部（バランサ）
１０ａ  第１のアーム
１０ｂ  第２のアーム
１０ｃ  第３のアーム
２０    クローラ
２０ａ  起動輪
２０ｂ  遊動輪
２０ｃ  履板
３０    頭部（おもり）
４０    制御装置
４１    クローラ駆動モータ
４２    アーム回転モータ
４３    クローラ回転モータ
１００    クローラ型回転ロボット
Ｆ    走行面
Ｌ    仮想線
Ｖ    垂直方向
【図１】
2018158415.tif 000004
【図２】
2018158415.tif 000005
【図３】
2018158415.tif 000006
【図４】
2018158415.tif 000007