(57)【要約】【課題】胴体の下部に左右２本の脚部を備え、その脚部の先端に備えた車輪を適切に制御して凹凸路面を安定的に車輪で走行することが可能なロボットの脚部サスペンションを提供することにある。【解決手段】２足型の倒立２輪走行にて移動するロボットにおいて、凹凸路面を安定して走行するため、各脚先と車輪の間にバネとダンパを備え、バネを懸架する位置をアクチュエータにより可変とすることで各脚先位置を調整可能であり、バネとダンパにより路面の凹凸を吸収し、上半身に搭載されたジャイロでロボットの状態を推定し、アクチュエータを伸縮させて上半身の揺れを収束することを特徴とする脚部サスペンション。【選択図】  図２
2011045973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体の下部に左右の脚部を備えるロボットにおいて、
前記脚部の先端に駆動可能に取り付けられた車輪と、この車輪と前記胴体との間で並列に取り付けられたバネ及びダンパからなるサスペンションと、このサスペンションと胴体との間に取り付けられたアクチュエータとを備え、
前記サスペンションと前記アクチュエータとは直列に接続されており、前記胴体に搭載された傾斜検出手段が前記ロボットの重力方向に対する傾斜角度と角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報に基づき前記ロボットの目標角度と目標角速度に沿うように、前記アクチュエータを制御することを特徴としたロボット。
【請求項２】
請求項１記載のロボットにおいて、
前記バネと上下に伸縮するアクチュエータを直列に接続し、前記バネと前記アクチュエータと並列に前記ダンパとを備えたことを特徴としたロボットの脚部サスペンション。
【請求項３】
請求項１記載のロボットにおいて、
前記車輪用のアクチュエータと、このアクチュエータと連結された下フレームと、この下フレームと連結されたライドレールと、このスライドレールに接続された上フレームと、この上フレームに前記アクチュエータを接続してなり、
前記ロボットの進行方向をＸ軸として、前記下フレームの上端に前記Ｘ軸まわりにのみ回動可能に取り付けられ、長手方向逆端には第２アームと前記Ｘ軸まわりに回動可能に接続されている第１アームと一端を前記第１アームと前記Ｘ軸まわりに回動可能に接続され、長手方向逆端を前記バネ上フレームに前記Ｘ軸まわりに回動可能に接続され、所定の角度をもって延びた端部に前記バネと連結される前記第２アームと、一端を前記第２アームと連結され、長手方向逆端を前記アクチュエータレバーに連結される前記バネと、一端を前記バネと連結され、長手方向逆端は前記アクチュエータの出力軸に接続される前記アクチュエータレバーとで構成されることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットに関し、特に脚部サスペンションに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走行路面の凹凸を吸収し、安定に走行する技術としては、例えば下記の特許文献１や特許文献２に記載の技術が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示されている方法によれば、路面からの入力の反力を生じるようアクチュエータでサスペンションメンバを駆動し、例えば路面の凹凸のような周波数の高い入力が車体に入力されることを低減している。
【０００４】
また、特許文献２では、コーナリング中の遠心力に対して重心位置を制御するため、駆動機構を備える台車の上に磁気浮上スライダを備える倒立２輪移動機構が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２７６９５５号公報
【特許文献２】特開２００５−７５０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロボット胴体下部の左右２本備えられた脚部の先端に取り付けられた車輪を適切に制御して倒立２輪移動を行うロボットは、路面凹凸からのを外乱を吸収し、安定に走行することが重要である。
【０００７】
このためには、脚部にサスペンションを搭載するという手段が考えられるが、倒立２輪移動を行うためは重心を高く設定する必要があり、さらに路面の凹凸を吸収するためにサスペンションのバネ定数を小さく設定する必要がある。
【０００８】
また、フットプリントを小さくするためには左右の車輪の離間幅を小さく設定する必要がある。このため、コーナリング中の遠心力や、路面の凹凸，路面の傾き等の外乱で、サスペンションの沈み量が左右で不均等になることでロール方向の振動が生じ（図１０）、転倒の可能性が高く安定性が損なわれるという問題があった。
【０００９】
特許文献１に開示されている方法によれば、路面からの入力の反力を生じるようアクチュエータでサスペンションメンバを駆動しているため、例えば路面の凹凸のような周波数の高い入力には対応できるが、路面の傾きのような周波数の低い入力には十分に対応することができなかった。
【００１０】
また、特許文献２には、コーナリング中の遠心力に対して重心位置を制御するため、駆動機構を備える台車の上に磁気浮上スライダを備える倒立２輪移動機構が示されているが、路面の凹凸のような周波数の高い入力に対しては十分ではなかった。
【００１１】
本発明の目的は、胴体の下部に左右２本の脚部を備え、その脚部の先端に備えた車輪を適切に制御して凹凸路面を安定的に車輪で走行することが可能なロボットの脚部サスペンションを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、胴体の下部に左右の脚部を備えるロボットにおいて、前記脚部の先端に駆動可能に取り付けられた車輪と、この車輪と前記胴体と間で並列に取り付けられたバネ及びダンパからなるサスペンションと、このサスペンションと胴体との間に取り付けられたアクチュエータとを備え、前記サスペンションと前記アクチュエータとは直列に接続されており、前記胴体に搭載された傾斜検出手段が前記ロボットの重力方向に対する傾斜角度と角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報に基づき前記ロボットの目標角度と目標角速度に沿うように、前記アクチュエータを制御することにより達成される。
【００１３】
また上記目的は、前記バネと上下に伸縮するアクチュエータを直列に接続し、前記バネと前記アクチュエータと並列に前記ダンパとを備えたことにより達成される。
【００１４】
また上記目的は、前記車輪用のアクチュエータと、このアクチュエータと連結された下フレームと、この下フレームと連結されたスライドレールと、このスライドレールに接続された上フレームと、この上フレームに前記アクチュエータを接続してなり、前記ロボットの進行方向をＸ軸として、前記下フレームの上端に前記Ｘ軸まわりにのみ回動可能に取り付けられ、長手方向逆端には第２アームと前記Ｘ軸まわりに回動可能に接続されている第１アームと一端を前記第１アームと前記Ｘ軸まわりに回動可能に接続され、長手方向逆端を前記バネ上フレームに前記Ｘ軸まわりに回動可能に接続され、所定の角度をもって延びた端部に前記バネと連結される前記第２アームと、一端を前記第２アームと連結され、長手方向逆端を前記アクチュエータレバーに連結される前記バネと、一端を前記バネと連結され、長手方向逆端は前記アクチュエータの出力軸に接続される前記アクチュエータレバーとで構成されるにより達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、コーナリング中の遠心力や、路面の凹凸、路面の傾き等の外乱で、サスペンションの沈み量が左右で不均等になることで生じる上体の左右のロールゆれを抑えることができるので、安定した走行が可能なロボットの脚部サスペンションを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１のロボットの全体構成図である。
【図２】本発明の実施例１のロボットの脚部の構成を示す図である。
【図３】本発明のロボット制御ブロック図である。
【図４】本発明の制御フローチャートを示す図である。
【図５】本発明の実施例１のロボットの脚部の実装を示す図である。
【図６】本発明の実施例２のロボットの脚部の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例３のロボットの脚部の実装を示す図である。
【図８】本発明の実施例３のロボットの脚部の実装においてアクチュエータの動作を示す図である。
【図９】本発明の実施例３のロボットの寸法の関係を示す図である。
【図１０】従来のロボットにおけるロール揺れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施例を図にしたがって説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の一実施例を備えたロボットの全体構成図である。
【００１９】
図１において、本発明のロボット１は２本の脚部、左膝上６および左膝下８と、右膝上７と右膝下９とを備え、その上方には胴体３を備えている。胴体３の左右両側には２本の腕部、左腕４と右腕５を備えている。また、胴体３の上部には頭部２を備えている。
【００２０】
例えば、２本の脚部、左膝上６および左膝下８と、右膝上７と右膝下９はロボット１の移動に用いられ、左腕４と右腕５は物体の把持などの作業に用いられる。胴体３は各部の動作を制御する制御装置と胴体の重力方向に対する傾斜角度、角速度を検出するセンサを備える。
【００２１】
図２はロボット１の左膝下８，右膝下９の模式図である。  
図２において、ロボット１は図２に示すように左右それぞれの脚部に脚部サスペンション１０１Ｌ，１０１Ｒを備えられている。脚部サスペンション１０１Ｌと１０１Ｒは構成要素が等しく、構造がロボットの重心１００を通過するＸ−Ｚ平面に対して対称である。したがって、以下では脚部サスペンション１０１Ｌについて説明する。
【００２２】
脚部サスペンション１０１Ｌは、図に示すように、車輪２０４Ｌを備え、その上方にバネ２０３Ｌとダンパ２０２Ｌとを並列に接続し、さらにその上方にアクチュエータ２０１Ｌを備えている。ここで、アクチュエータ２０１ＬはＺ軸方向に力を出力する方向に取り付けられている。
【００２３】
図３は本実施例の制御ブロック図である。  
図２に示したロボット１が凹凸のある路面や傾斜した路面を走行したり、コーナリング中の遠心力を受けたりすると、バネ２０３Ｌ，２０３Ｒおよびダンパ２０２Ｌ，２０２Ｒによりロボットの上下方向の振動は吸収される。しかし左右のバネ２０３Ｌと２０３Ｒの沈み量が異なった場合、ロボット１の上体は沈みの大きい側に傾き、その復帰力によって左右のロールゆれを生じる。
【００２４】
そこで本実施例では図３に示すように、傾斜センサ２０５を胴体３に搭載し、この傾斜センサ２０５で胴体３の重力方向に対する傾斜角度と角速度を検出し、制御装置２０６は傾斜センサ２０５が検出した情報に基づき、胴体３の傾きと角速度を目標値に一致させるようにアクチュエータ２０１Ｌ，２０１Ｒを適切に制御するようにしたものである。
【００２５】
アクチュエータ２０１Ｌ，２０１Ｒは動力源（例えばモータ）と減速機と角度検出器（ロータリエンコーダあるいはポテンショメータ）もしくは位置検出器（リニアエンコーダ）とを内蔵し、接続された部品を駆動する。
【００２６】
図４は本発明のロボットの制御フローチャートを示す図である。
【００２７】
図４において、この演算処理は、所定サンプリング時間ΔＴ毎に実行される。スタート後、まずステップＳ２１０で傾斜センサ３０１からの胴体左右角度θおよび胴体左右角速度ωを読み込む。次に、ステップＳ２１１において、予め与えられた胴体左右目標角度θref_cと胴体左右角度θの差分に所定の制御ゲインＫpを乗じたものと、予め与えられた胴体左右目標角速度ωref_cと胴体左右角速度ωの差分に所定の制御ゲインＫDを乗じたものとを加えて、制御力Ｆを算出する。次に、ステップＳ２１２に移行し、ロボットの体重を支えるための保持力Ｆnと制御力Ｆを加算，減算することにより、左足制御力Ｆlと右制御力Ｆrを算出し、ステップＳ２１３で図３に示したアクチュエータ２０１Ｌ，２０１Ｒにそれぞれ左足制御力Ｆlと右制御力Ｆrを出力する。
【００２８】
図５は実施例１を備えたロボット１の左膝下８の実装状態を示す図である。  
図５において、図１に示した左膝下８は、バネ上フレーム１０の長手方向と力の発生方向の軸が略平行となるように接続されるアクチュエータ１１と、アクチュエータ１１の出力軸と一致する配置に接続される、バネ・ダンパ１２と、バネ上フレーム１０の長手方向のみにスライドする自由度を持って取り付けられたバネ下フレーム１３と、このバネ下フレーム１３の長手方向下端に図中ピッチ軸方向に回転する車輪アクチュエータ１５と、この車輪アクチュエータ１５の出力軸に取り付けられた車輪１４とからなる。ここで、バネ・ダンパ１２の下端にはバネ下フレーム１３に連結されている。
【００２９】
以上のように、本発明によれば、上半身に搭載された傾斜検出手段が重力方向に対する傾斜角度と角速度を検出し、上体が沈んだ側のアクチュエータには所定の中立を維持する力と、上体の傾きと角速度から求められた所定の制御量とを加算したものを入力し、上体が伸びる側のアクチュエータには中立を維持する力と前述の制御量とを減算したものを入力することで、上体のロールゆれを軽減することができ、安定した走行が可能になる。またアクチュエータの応答性能を超える高周波の揺れに対しては、バネとダンパで吸収することで安定させる。
【実施例２】
【００３０】
次に、実施例２のロボットの脚部サスペンションについて説明する。  
実施例１では、アクチュエータ２０１Ｌとダンパ２０２Ｌは直列に接続されていたが、実施例２は、アクチュエータ２０１Ｌとダンパ２０２Ｌは並列に接続する。アクチュエータ２０１Ｌとダンパ２０２Ｌを並列に接続することにより、アクチュエータ２０１Ｌのサーボ系の発振を抑制でき、より安定な制御を提供可能である。
【００３１】
また、制御は図４に示したフローチャートに沿って、実施例１と同様に行う。
【００３２】
図６は実施例１で示したロボットの構成とは異なる構成のロボット１の左膝下８，右膝下９の模式図である。なお、ロボット１は図５に示すように左右それぞれの脚部に、脚部サスペンション１０１Ｌ，１０１Ｒを備えたものとする。
【００３３】
図６において、脚部サスペンション１０１Ｌと１０１Ｒは構成要素が等しく、構造がロボットの重心１００を通過するＸ−Ｚ平面に対して対称であるため、以下では、脚部サスペンション１０１Ｌについて説明する。
【００３４】
脚部サスペンション１０１Ｌは、図に示すように、車輪２０４Ｌを備え、その上方にバネ２０３Ｌとアクチュエータ２０１Ｌを直列に接続し、バネ２０３Ｌとアクチュエータ２０１Ｌに平列にダンパ２０２Ｌを接続している。ここで、アクチュエータ２０１ＬはＺ軸方向に力を出力する方向に取り付けられており、実施例１に記載のものと同様に動作する。
【実施例３】
【００３５】
次に、実施例３のロボットの脚部サスペンションについて説明する。  
図７は実施例２のロボット１の脚部サスペンション１０１Ｌの実装状態を示す図である。
【００３６】
路面凹凸の吸収能力を向上させるためにはサスペンションのストロークの長大化が必要であるが、一般にバネが大きくなってしまい、ロボットの脚部のような狭い空間においては実装が不可能である場合が多い。しかし、以下に示すような構成で各要素を搭載することで、ロボットの脚部のような狭い空間においてもコンパクトに実装できる。
【００３７】
図２に示した脚部サスペンション１０１Ｌは車輪２０と、この車輪を駆動する車輪用アクチュエータ２１と、車輪用アクチュエータ２１と連結されているバネ下フレーム２２と、バネ下フレーム２２との間にＺ軸方向にのみ自由度を許容するために、スライドレール２４を介して接続されるバネ上フレーム２６と、アクチュエータレバー２８をＸ軸方向に所定の角度だけ揺動可能であり、バネ上フレーム２６に接続されるアクチュエータ２９と、バネ下フレーム２２の上端にＸ軸まわりにのみ回動可能に取り付けられている。さらに長手方向逆端には第２アーム２５とＸ軸まわりに回動可能に接続されている第１アーム２３と、一端を第１アーム２３とＸ軸まわりに回動可能に接続され、長手方向逆端をバネ上フレーム２６にＸ軸まわりに回動可能に接続され、所定の角度をもって延びた端部にバネ２７と連結される第２アーム２５と、一端を第２アーム２５と連結され、長手方向逆端をアクチュエータレバー２８に連結されるバネ２７と、一端をバネ２７と連結され、長手方向逆端はアクチュエータ２９の出力軸に接続されるアクチュエータレバー２８と、ここには図示しないがバネ下フレーム２２とバネ上フレーム２６を接続するダンパから構成される。
【００３８】
ここで、図７（ａ）は路面を通常に走行しているとき状態を示し、図７（ｂ）は路面の凸部により車輪が路面から力を受けたとき状態を示す図である。
【００３９】
車輪２０が路面からＺ軸方向からの力を受けると、車輪２０と車輪用アクチュエータ２１とバネ下フレーム２２が一体となってスライドレール２４に沿ってＺ軸正方向に変位する。それに伴い第１アーム２３が点２２Ｐを中心に回動し、さらに点２３Ｐで第１アーム２３と連結されている第２アーム２５が点２５Ｐを中心に右回りに回動し、第２アーム２５に点２５Ｓで接続されているバネ２７を引張るように動作する。
【００４０】
ここで、バネ２７は図５におけるバネ２０３Ｌに相当し、図５の構成ではバネ２０３Ｌは圧縮バネであるが、図６では第２アーム２５によって、路面からの力を圧縮から引張りに変換してバネ２７に伝えている。
【００４１】
図８はアクチュエータ２９の動作を説明する図であり、図８（ａ）はアクチュエータレバー角度とＹ軸のなす角がθａの状態を示す。図８（ｂ）はアクチュエータレバー２８を時計回りに回動させ、アクチュエータレバーとＹ軸のなす角がθｂの状態を示す。したがって、バネ２７がＹ軸負方向に引張られ、それに伴い第１アーム２３と第２アーム２５が回動し、車輪２０を路面に押し付ける力が発生する。
【００４２】
ここで、アクチュエータレバー２８およびアクチュエータ２９は図５におけるアクチュエータ２０１Ｌに相当し、図５の構成ではアクチュエータ２０１Ｌは上下に伸縮する出力を備えている。しかし図６ではアクチュエータ２９によりアクチュエータレバー２８を回動させることにより点２５Ｓと点２８Ｓの距離を制御し、バネ２７に操作力を入力する。  
【００４３】
図９は本発明の寸法の関係を説明した図である。  
図９において、車輪２０が中立位置から距離ｄだけ変位したとき、バネ下フレーム２２は、スライドレール２４（本図では図示していない）に沿って初期地点ＢからＢ′まで移動し、それに伴って第１アーム２３と第２アーム２５が点線で示す位置まで回動し、第２アーム２５のバネ２７が取り付けられる点２５Ｓは、ｅだけ移動する。ここで、ｅは、以下の数式１に示す式で表すことができる。
【００４４】
【数１】
2011045973.tif 000003
【００４５】
よって、バネの伸び／車輪の変位の比ｈは以下の式で表すことができる。
【００４６】
【数２】
2011045973.tif 000004
【００４７】
車輪２０のストロークは、バネ２７の自然長からの最大伸びで決まってしまうが、一般に、バネの伸びを大きくとろうとすると、自然長が長いバネが必要になる。そこで、たとえばｈを４程度と設定すると、車輪２０がＴmmストロークした場合、バネ２７の伸びもＴ／４mmとなるので、バネ２７の長さが短くて済み、コンパクトな実装が可能となる。
【００４８】
以上のような計算をもとに、搭載余裕の狭い脚部のスペースに実装できるバネと各寸法値を決定し、コンパクトなサスペンションを実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  ロボット
２  頭部
３  胴体
４  左腕
５  右腕
６  左膝上
７  右膝上
８  左膝下
９  右膝下
１０  第１の脚アクチュエータ
１１  バネ上フレーム
１２  第２の脚アクチュエータ
１３  バネ・ダンパ
１４  バネ下フレーム
１５  車輪
１６，２１  車輪用アクチュエータ
２２  バネ下フレーム
２３  第１アーム
２４  スライドレール
２５  第２アーム
２６  バネ上フレーム
２７  バネ
２８  アクチュエータレバー
２９，２０１Ｌ，２０１Ｒ  アクチュエータ
１００  ロボットの重心
１０１Ｌ，１０１Ｒ  脚部サスペンション
２０２Ｌ，２０２Ｒ  ダンパ
２０３Ｌ，２０３Ｒ  バネ
２０４Ｌ，２０４Ｒ  車輪
２０５  傾斜検出手段
２０６  制御指令値出力手段
【図１】
2011045973.tif 000005
【図２】
2011045973.tif 000006
【図３】
2011045973.tif 000007
【図４】
2011045973.tif 000008
【図５】
2011045973.tif 000009
【図６】
2011045973.tif 000010
【図７】
2011045973.tif 000011
【図８】
2011045973.tif 000012
【図９】
2011045973.tif 000013
【図１０】
2011045973.tif 000014