(57)【要約】【課題】  より広い可動範囲で脚式移動ロボットへの運動感覚への影響を与えることができるモーション・ベースを提供する。【解決手段】  モーション・ベースは、ベースと、テーブルと、これらを接続する複数のアームで構成される。アームは２リンク構成のシリアル・アームで、ベースと接続する下部リンクは、その下端において所定の回転軸を持つアクチュエータと、このアクチュエータとは直交する回転自由度を持つ受動関節を介してベースに連結される。下部リンクの上端はアクチュエータを介して上部リンクに接続され、上部リンクの上端は３自由度の受動関節を介してテーブルに連結される。【選択図】  図１
2005040919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動ロボットの運動感覚に影響を与えるモーション・ベースであって、
ベースと、
移動ロボットを搭載するテーブルと、
前記ベースと前記テーブルを接続する複数のアームを備え、
前記の各アームは、前記テーブルに連結する上部リンクと前記ベースに連結する下部リンクからなる２リンク構成で、
前記下部リンクの略下端において、前記ベースに対する能動自由度を持つアクチュエータと該アクチュエータの回転軸に直交する回転自由度を持つ受動関節からなる前記ベースとの連結部と、
前記下部リンクの略上端と前記上部リンクの略下端において能動自由度を与えるアクチュエータからなるリンク間連結部と
前記上部リンクの略上端において、前記テーブルに対する少なくとも３自由度を持つ受動関節からなる前記テーブルとの連結部を備える、
ことを特徴とするモーション・ベース。
【請求項２】
前記テーブルとの連結部における受動関節は、
ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を持つジョイント部と、
前記ジョイント部の上下両端にそれぞれ配置された前記ジョイント部の長手軸回りの回転自由度を持つ回転支持部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のモーション・ベース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サージ（前後）並びにヒーブ（上下）、ロール、ピッチの各方向にそれぞれ作動して、搭載された物体の運動感覚に影響を与えるモーション・ベースに係り、特に、搭載された脚式移動ロボットに対し直立状態や歩行状態において外乱を受けるという模擬体験を行なわせることができるモーション・ベースに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、台座と上部の構造物が複数の脚体で接続され各脚体の作動により上部構造物の各方向への変位を行なうモーション・ベースに係り、特に、より広い可動範囲で脚式移動ロボットへの運動感覚への影響を与えるモーション・ベースに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）"に由来すると言われている。
【０００４】
わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。最近では、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。
【０００５】
２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００６】
２足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義される。機体の転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われる。また、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険がある。このため、転倒を回避するための姿勢安定制御は、脚式移動ロボットの開発上、最も重要な課題の一つに位置付けられている。
【０００７】
直立歩行を行なうロボットは基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）が歩行の安定度判別の規範として用いられている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちＺＭＰが存在する（例えば、非特許文献１を参照のこと）。
【０００８】
他方、脚式移動ロボットの開発の途上において、歩行やその他の脚式作業中に予期しない外乱を受けても機体が姿勢の安定性を保つことができるかどうか、シミュレーションを行なう必要がある。このシミュレーションは、計算上だけでなく、床面の変動など現実の外乱を印加してロボットが模擬体験を行なう必要がある。
【０００９】
後者の模擬体験を行なう装置として、モーション・ベースが知られている。モーション・ベースの代表的なものとして、スチュアート・プラットフォーム型と呼ばれるものがある。スチュアート・プラットフォームは、台座と上部の構造物とを複数の脚体で接続して構成され、上部の構造物は台座すなわち床面に対して６自由度を持ち、サージ（前後）並びにヒーブ（上下）、ロール、ピッチの各方向に作動して、搭載された物体の運動感覚に影響を与えることができる（例えば、特許文献１、特許文献２を参照のこと）。
【００１０】
モーション・ベースの大きなものは、乗り物のシミュレータ（フライトやドライビングのシミュレータなど）が挙げられ、小さなものでは光学機器の動的検査用のものがある。大きなもののペイロードは数百ｋｇｆから数ｔオーダーであり、小さなものは数百ｇｆオーダーである。
【００１１】
従来のモーション・ベースでは、ベースとテーブルを接続する脚体は、複数（６組が標準）の直動アクチュエータ（ボールねじとモータの組み合わせなど）によって構成され、アクチュエータの駆動によってテーブルの位置並びに姿勢をコントロールするものである。これらの機構は、各アクチュエータの出力が合わさってテーブル側の出力となるので、「パラレル・リンク機構」と呼ばれる。
【００１２】
図７には、モーション・ベースの一構成例（従来例）を図解している。同図に示す例では、伸縮式の直動アクチュエータを利用して脚体を構成し、ベースとテーブルの各関節間距離を調整して姿勢を決定することができる。
【００１３】
また、図８には、モーション・ベースについての他の構成例（従来例）を図解している。同図に示す例では、アーム下部（ベース側）を上下することでテーブル姿勢を変化させることができる。
【００１４】
図７及び図８のいずれに示す例においても、テーブルの３箇所に部位の空間上の位置を決定することでテーブルの位置と姿勢が決定される。このようなスチュアート・プラットフォームに関して、以下の特長が挙げられる
【００１５】
（１）Ｚ軸方向（鉛直方向）のギヤ比が低く、物体の支持に向く。
（２）機構の剛性が高く、位置決め精度に優れる。
【００１６】
その代わりに、以下のような問題点がある。
【００１７】
（１）機構要素の密集のため、可動範囲が限定される。
（２）Ｚ軸方向の速度が出しにくい。
【００１８】
これらの特徴から、従来のスチュアート・プラットフォーム型のモーション・ベースは、まさにフライトシミュレータや光学機器校正などの目的に適合し、一般的に利用されている。
【００１９】
しかしながら、数ｋｇｆから十数ｋｇｆオーダーの製品は実在しないのが現状である。また、ベースに対するテーブルの変位を実現するアームにはパラレル・リンク機構が適用されているため、可動範囲が制約されている。
【００２０】
【特許文献１】特開平９−２１７７３０号公報
【特許文献２】特開２０００−１４０４４４号公報
【非特許文献１】ヴコブラトビッチ（Ｍｉｏｍｉｒ Ｖｕｋｏｂｒａｔｏｖｉｃ）著「脚式移動ロボット（ＬＥＧＧＥＤ ＬＯＣＯＭＯＴＩＯＮ ＲＯＢＯＴＳ）」（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞社））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、台座と上部の構造物が複数の脚体で接続され各脚体の作動により上部構造物の各方向への変位を好適に行なうことができる、優れたモーション・ベースを提供することにある。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、搭載された脚式移動ロボットに対し直立状態や歩行状態において外乱を受けるという模擬体験を好適に行なわせることができる、優れたモーション・ベースを提供することにある。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、より広い可動範囲で脚式移動ロボットへの運動感覚への影響を与えることができる、優れたモーション・ベースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、移動ロボットの運動感覚に影響を与えるモーション・ベースであって、
ベースと、
移動ロボットを搭載するテーブルと、
前記ベースと前記テーブルを接続する複数のアームを備え、
前記の各アームは、前記テーブルに連結する上部リンクと前記ベースに連結する下部リンクからなる２リンク構成で、
前記下部リンクの略下端において、前記ベースに対する能動自由度を持つアクチュエータと該アクチュエータの回転軸に直交する回転自由度を持つ受動関節からなる前記ベースとの連結部と、
前記下部リンクの略上端と前記上部リンクの略下端において能動自由度を与えるアクチュエータからなるリンク間連結部と
前記上部リンクの略上端において、前記テーブルに対する少なくとも３自由度を持つ受動関節からなる前記テーブルとの連結部を備える、
ことを特徴とするモーション・ベースである。
【００２５】
本発明に係るモーション・ベースでは、パラレル・アームの形態を採っており、全部で１８関節を装備する。テーブルは最低３箇所で支持する必要があるため、上述したように３組のアームを用いている。また、アームを２リンク式に設定することで、その距離と方向を決定することができる。ベースに対してテーブルの位置と姿勢を任意に決定するためには、ベースの中心に対し６自由度が必要である。そして、この自由度を３組のアームで実現するためには、各アームに均等に２個ずつ能動関節すなわちアクチュエータを配置すればよい。一方、各アームの先端位置を決めるためには、３自由度が必要であり、合計で９自由度となる。ところが、上述したように、テーブルの位置及び姿勢制御には６つの能動自由度で充分であることから、残りの３つの自由度は受動自由度でよいことになる。そこで、ベース側の自由度を受動関節で構成することができる。
【００２６】
ここで、１アーム当たり６自由度必要になるが、下部リンクの下端にはアーム駆動アクチュエータに直交する受動回転関節を、上部リンクの先端には直交３軸が交差する受動回転関節をそれぞれ配置する。テーブルの位置及び姿勢を任意に決定するためには、理論上、これらの受動回転関節で充分である筈であるが、ジンバル機構（ジョイント）の強度の確保を行なうと、機構干渉し易くなり、テーブルの姿勢によってはあまり可動角を得ることができなくなる。このため、ジョイント部の上下両端にそれぞれ配置されたヨー軸回り（若しくはジョイント部の長手軸回り）の回転自由度を持つ回転支持部を配設する。このような余剰自由度を与えることにより、広い可動範囲を得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、台座と上部の構造物が複数の脚体で接続され各脚体の作動により上部構造物の各方向への変位を好適に行なうことができる、優れたモーション・ベースを提供することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、搭載された脚式移動ロボットに対し直立状態や歩行状態において外乱を受けるという模擬体験を好適に行なわせることができる、優れたモーション・ベースを提供することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、脚式移動ロボットの運動感覚に対しより広い可動範囲で影響を与えることができる、優れたモーション・ベースを提供することができる。
【００３０】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００３２】
本発明者らは、従来のパラレル・リンク機構やスチュアート・プラットフォームの特長を充分に吟味した上で、シリアル・リンクとパラレル・リンクのハイブリッド機構からなるモーション・ベースについて提案する。
【００３３】
図１には、本発明の一実施形態に係るモーション・ベース１０の外観構成を示している。
【００３４】
図示の通り、モーション・ベース１０は、床面と一体となるベース２０と、テーブル３０と、これらを接続する複数のアーム４０で構成され、各アーム４０の作動によりテーブル３０はベース２０に対し６自由度を持つ。図示の例では、２つのモータすなわち能動関節を備えたアーム３組をパラレルに組み合わせ、その先端にテーブル３０を取り付けて動作させる。すなわち、テーブル３０上に脚式移動ロボットを載せることにより、サージ（前後）並びにヒーブ（上下）、ロール、ピッチの各方向の運動感覚に影響を与えることができる。
【００３５】
図２には、ベース２０とテーブル３０を接続するアーム４０の機構構成を模式的に示している。
【００３６】
図示のアーム４０は、下部リンク４１と上部リンク４６の２リンク構成のシリアル・アームである。
【００３７】
ベース２０と接続する下部リンク４１は、その下端において所定の回転軸を持つ能動関節としてのアクチュエータ４２と、このアクチュエータ４２とは直交する回転自由度を持つ受動関節４５を介してベース２０に連結されている。また、下部リンク４１の上端は、能動関節としてのアクチュエータ４３を介して上部リンク４６に接続されている。そして、上部リンク４６の上端は、３自由度の受動関節（ジョイント）４４を介してテーブル３０に連結されている。３自由度ジョイント４４の構成については、後述に譲る。
【００３８】
さて、ベース２０に対してテーブル３０の位置と姿勢を任意に決定するためには、ベース２０の中心に対し６自由度が必要である。この自由度を３組のアーム４０で実現するためには、各アーム４０に均等に２個ずつ能動関節すなわちアクチュエータを配置すればよいことになる。
【００３９】
すなわち、図２に示した例では、シリアル・アーム４０を３つ組み合わせた場合では、合計で６リンク６関節であることから、６自由度すべてを能動関節すなわちアクチュエータ４２、４３で構成すればよい。
【００４０】
一方、各アーム４０の先端位置を決めるためには、３自由度が必要であり、合計で９自由度となる。ところが、上述したように、テーブル３０の位置及び姿勢制御には６つの能動自由度で充分であることから、残りの３つの自由度は受動自由度でよいことになる。そこで、ベース２０側の自由度を受動関節４５で構成するようにした次第である。
【００４１】
本実施形態では、パラレル・アームの形態を採っているため、全部で１８関節を装備する必要がある。テーブル３０は最低３箇所で支持する必要がある。このため、上述したように３組のアーム４０を用いている。また、アーム４０を２リンク式に設定することで、その距離と方向を決定することができる。ここで、１アーム当たり６自由度必要になる。図２に示したように、下部リンク４１にはアーム駆動アクチュエータ４２に直交する受動回転関節４５を、上部リンク４５の先端には直交３軸が交差する受動回転関節４４を、それぞれ配置する。
【００４２】
また、本実施形態では、直交３軸が交差する受動回転関節４４の部位にはジンバル機構を導入している。図３には、直交３軸が交差する受動回転関節４４の機構構成を模式的に示している。同図に示す例では、ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を付与するジンバル機構中心の上端に、ヨー軸回りの回転自由度を与える回転支持部が連結されている。但し、ここで言うヨー軸とは、ジンバル機構を伸展させた状態でのヨー軸を意味する。したがって、関節部が屈曲している場合には、ヨー軸回りの回転自由度とはジョイントの長手方向に対する回転事由度に相当する。
【００４３】
理論上は、テーブル３０の位置及び姿勢を任意に決定するためには、アーム４０は２つのアクチュエータ４２、４３以外に受動関節４４、４５で充分である筈である。ところが、ジンバル機構（ジョイント）の強度の確保を行なうと、機構干渉し易くなり、テーブル３０の姿勢によってはあまり可動角を得ることができなくなるという問題がある。ちなみに、一般的なユニバーサル・ジョイントでは大きく取れて±４５°位（方向が合えば±９０°）の可動範囲となる。
【００４４】
図４には、直交３軸が交差する受動回転関節４４の機構についての他の構成を示している。同図に示す例では、ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を付与するジンバル機構中心の上端及び下端の両方に、ヨー軸回りの回転自由度を与える回転支持部がそれぞれ連結されている。
【００４５】
このように１つ余剰な自由度を敢えて加えることにより、コアとなるジョイント部（ジンバル）のフレーム同士が機構干渉しても、余剰自由度がこれを回避するので、事実上ほぼ±９０°近くの有効可動角を実現することができる。
【００４６】
本実施形態に係るモーション・ベースの機構構成法によれば、従来のスチュアート・プラットフォーム型に対し、以下のような特徴を付与することができる。
【００４７】
（１）目的に合わせた軽量なシステムの実現
従来型モーション・ベースの特長は、大変大きな負荷荷重に耐えるか、あるいは高い剛性を活かした精密機器測定用に利用できるというものであり、その中間の利用に耐えるものがなかった。すなわち、ペイロードの割に装置そのもの、システム（制御・駆動系）の規模が大きく、手軽に利用できるものではなかった。これに対し、本実施形態に係るモーション・ベースは、実験対象物の規模に応じて駆動系、機構系を設計でき、構成する要素から軽量にすることができる。
【００４８】
（２）駆動力（トルクの干渉がなく）故障が少ない
図２に示したように、各アームをリンク間の接続部のみに能動関節（アクチュエータ）を配置した２リンク構成により、モーション・ベースを制作することは可能である。但し、この場合、テーブルの姿勢によってはモータの発生する力（トルク）が干渉し合うことがある。こうした機構制御系において、サーボ力が干渉し合うことは、エネルギー効率の低下と過負荷による故障につながり兼ねないものである。これに対し、本実施形態に係るモーション・ベースでは、モータ・トルクが干渉することがなく、何らかのサーボ誤差などによる異常があっても機構や制御系（アクチュエータ、駆動回路など）を故障させることが少ないと考えられる。
【００４９】
（３）可動角を飛躍的に拡大し、利用範囲を拡大する
前述したように、本実施形態では、アーム４０の先端とテーブル３０を連結する受動関節４４において、理論的には必要ないと思われる３自由度を配設している。すなわち、受動関節４４には、ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を付与するジンバル機構中心の上端及び下端の両方に、ヨー軸回りの回転自由度を与える回転支持部がそれぞれ連結されている。（図４を参照のこと）。これによって、モーション・ベースは自由自在の姿勢を取ることができ、しかも、並進運動も可能であることから、テーブル３０の支持関節付近において、受動関節４４のジョイント機構は大きく捩じられることとなる。（但し、ここで言うヨー軸とは、ジンバル機構を伸展させた状態でのヨー軸を意味する。したがって、関節部が屈曲している場合には、ヨー軸回りの回転自由度とはジョイントの長手方向に対する回転事由度に相当する（同上）。）
【００５０】
図６に示すような一般的な構成の場合には、２軸の関節軸を含む平面に対し４５°をなす軸方向にジョイントが傾くときには、部品同士干渉し、充分な可動角が得られない場合がある。
【００５１】
（４）異方性コンプライアンスを持った制御系の実現
本実施形態に係るモーション・ベースは、駆動部に用いるアクチュエータの選択の幅が広く、したがって、コンプライアンス性を自由に設定できるという利点がある。但し、３本のアーム４０が上向きにパラレルになっているため、Ｚ軸方向の力を発生し易い構成である。Ｚ軸方向には剛性が高く、しかも大きな力が出せることから、脚式移動ロボットなどの実験対象物をテーブル３０に載せて動かす装置の特性として優れたものがあると考えられる。
【００５２】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００５３】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【００５４】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係るモーション・ベース１０の外観構成を示した図である。
【図２】ベース２０とテーブル３０を接続するアーム４０の機構構成を模式的に示した図である。
【図３】直交３軸が交差する受動回転関節４４に導入されているジンバル機構の構成例を模式的に示した図である。
【図４】直交３軸が交差する受動回転関節４４に導入されているジンバル機構の他の構成例を模式的に示した図である。
【図５】各アームをリンク間の接続部のみに能動関節（アクチュエータ）を配置した２リンク構成からなるモーション・ベースの外観を示した図である。
【図６】一般的なジョイント機構の可動範囲を説明するための図である。
【図７】モーション・ベースの一構成例（従来例）を示した図である。
【図８】モーション・ベースの一構成例（従来例）を示した図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…モーション・ベース
２０…ベース
３０…テーブル
４０…アーム
４１…下部リンク
４２…アクチュエータ
４３…アクチュエータ
４４…受動関節
４５…受動関節
４６…上部リンク
【図１】
2005040919.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005040919.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005040919.tif 000009
【図８】
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