(57)【要約】【課題】歩行速度が速く、かつ、制御が簡単な４足歩行作業ロボットを提供する。【解決手段】４つの脚機構２０、３０、４０、５０を有する下部移動体２と、作業機構６０、７０を有し下部移動体２に搭載される上部作業体３と、を備える４足歩行作業ロボット１である。そして、４足歩行作業ロボット１の４つの脚機構２０、３０、４０、５０は、クロール式歩容又は間欠クロール式歩容となるように制御され、作業機構６０、７０は、接地している３つの脚機構で囲まれる範囲内に総合重心が位置するように、姿勢変化するように制御される。作業機構６０、７０は前後方向に移動するアーム６０、７０であり、アーム６０、７０を前後方向に移動させることによって、総合重心を移動させるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの脚機構を有する下部移動体と、作業機構を有し前記下部移動体に搭載される上部作業体と、を備える４足歩行作業ロボットであって、
前記４つの脚機構は、クロール式歩容又は間欠クロール式歩容となるように制御され、
前記作業機構は、接地している３つの脚機構で囲まれる範囲内に総合重心が位置するように、姿勢変化するように制御される、４足歩行作業ロボット。
【請求項２】
前記作業機構は前後方向に移動するアームであり、前記アームを前後方向に移動させることによって、前記範囲内に総合重心を移動させることを特徴とする請求項１に記載された、４足歩行作業ロボット。
【請求項３】
前記作業機構は左右方向に旋回するアームであり、前記アームを左右方向に旋回させることによって、前記範囲内に総合重心を移動させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された、４足歩行作業ロボット。
【請求項４】
前記下部移動体は、クローラ又はタイヤからなる走行機構をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された、４足歩行作業ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４つの脚機構を有する下部移動体と、作業機構を有し下部移動体に搭載される上部作業体と、を備える４足歩行作業ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間に代わってロボットが作業を行う作業ロボットが提案されている。例えば、無線や移動体通信等の遠隔操作により自走して消火活動を行う消火ロボットが知られている。消火ロボットの走行部は、モータで駆動される動輪を備えている。
【０００３】
他方、路面の状態に関係なく移動可能な４足歩行機構を備えた歩行ロボットが提案されている。例えば、胴体に回動自在に接続されている４つの脚機構における関節部の角度を所定のタイミングで制御する制御手段を有して、この制御手段が４つの脚機構を順番に胴体の歩行方向に繰り出させることにより４足歩行する歩行ロボットが知られている。
【０００４】
ところが、動輪を備える作業ロボットの走行部は車輪を回転させて移動するものであるため、凹凸が大きな路面では移動が不可能となるという問題があった。他方、歩行ロボットは路面の凹凸に関係なく歩行可能であるものの、歩行ロボットを作業ロボットとして使用するためには、作業時の安定性に問題があった。
【０００５】
このような問題を考慮して、例えば特許文献１には、４足歩行機構を備えた作業ロボットとすることにより、大きな凹凸がある路面でも移動可能とし、かつ、作業時には４足歩行機構の全ての関節部を同時に固定できることにより、作業の安定性を高めた４足歩行作業ロボットが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１３７１２０号公報
【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、上述した特許文献１の４足歩行作業ロボットは、４足を操作することであらかじめ重心移動した後に遊脚を持ち上げるため、歩行速度が遅いうえに制御が複雑になる、といった問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、歩行速度が速く、かつ、制御が簡単な４足歩行作業ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の４足歩行作業ロボットは、４つの脚機構を有する下部移動体と、作業機構を有し前記下部移動体に搭載される上部作業体と、を備える４足歩行作業ロボットであって、前記４つの脚機構は、クロール式歩容又は間欠クロール式歩容となるように制御され、前記作業機構は、接地している３つの脚機構で囲まれる範囲内に総合重心が位置するように、姿勢変化するように制御される。
【発明の効果】
【００１０】
このように、本発明の４足歩行作業ロボットは、４つの脚機構を有する下部移動体と、作業機構を有し下部移動体に搭載される上部作業体と、を備える４足歩行作業ロボットである。そして、４足歩行作業ロボットは、４つの脚機構は、クロール式歩容又は間欠クロール式歩容となるように制御され、作業機構は、接地している３つの脚機構で囲まれる範囲内に総合重心が位置するように、姿勢変化するように制御される。このため、歩行速度が速く、かつ、制御が簡単な４足歩行作業ロボットとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】４足歩行作業ロボットの作業機構を前方に移動させた状態の斜視図である。
【図２】４足歩行作業ロボットの作業機構による作業中の斜視図である。
【図３】４足歩行作業ロボットの作業機構を前方に移動させた状態の側面図である。
【図４】４足歩行作業ロボットの作業機構を後方に移動させた状態の側面図である。
【図５】４足歩行作業ロボットの重心の位置を説明した作用図である。（ａ）は開始時、（ｂ）は左後足上げ、（ｃ）は左後足接地、（ｄ）は左前足上げ、（ｅ）は左前足接地、（ｆ）は右後足上げ、（ｇ）は右後足接地、（ｈ）は右前足上げ、の各状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１３】
まず、図１を用いて本実施例の４足歩行作業ロボット１の全体構成を説明する。本実施例の４足歩行作業ロボット１は、４足歩行機構を備えた下部移動体２と、この下部移動体２の上部に旋回自在に搭載された上部作業体３とを備えている。下部移動体２は、本体を構成する下部フレーム４と、下部フレーム４の下方に配置されるクローラ走行機構２７と、を備えている。下部フレーム４は、それぞれ３自由度を有する、左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０によって支持されている。この他、図示しないが、下部フレーム４には脚機構２０〜５０を制御する制御装置や油圧による動力装置が配置されている。また、上部作業体３の前部には、監視カメラが搭載されている。
【００１４】
左前脚機構２０は、下部フレーム４の前後方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる股部２１と、股部２１の左右方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる上肢部２２と、上肢部２２の先端の左右方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる下肢部２３と、下肢部２３の先端の前後方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる足部２４と、によって構成されている。
【００１５】
股部２１は、下部フレーム４と股部２１の間に架け渡されるシリンダ２０ａを伸縮することで回動する。すなわち、股部２１は、下部フレーム４の左右方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有しており、股部２１を下部フレーム４の左右方向に任意角度で回動・固定することが可能な構成となっている。
【００１６】
上肢部２２は、股部２１と上肢部２２の間に架け渡されるシリンダ２０ｂを伸縮することで回動する。すなわち、上肢部２２は下部フレーム４の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有しており、上肢部２２を下部フレーム４の前後方向に任意角度で回動・固定することが可能な構成となっている。
【００１７】
下肢部２３は、上肢部２２と下肢部２３の間に架け渡されるシリンダ２０ｃを伸縮することで回動する。すなわち、下肢部２３は下部フレーム４の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有しており、下肢部２３を下部フレーム４の前後方向に任意角度で回動・固定することが可能な構成となっている。
【００１８】
足部２４は、接地面の傾斜に沿って回動する。すなわち、足部２４は下部フレーム４の左右方向を含む鉛直面内で回動し、足部２４を下部フレーム４の左右方向に任意角度で回動することが可能な構成となっている。
【００１９】
同様に、右前脚機構３０、左後脚機構４０、及び右後脚機構５０は、それぞれ、股部３１、４１、５１と、上肢部３２、４２、５２と、下肢部３３、４３、５３と、足部３４、４４、５４と、を備えている。上記の右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０の構成は既述の左前脚機構２０と同じであるのでその詳細な説明は省略する。
【００２０】
上部作業体３は、本体を構成する上部フレーム５と、この上部フレーム５の前端寄りに配置され、それぞれ３自由度を有する作業機構としての左アーム６０及び右アーム７０と、を備えている。
【００２１】
右アーム７０は、上部フレーム５に旋回自在に取り付けられる肩部７１と、肩部７１の上端近傍に肩部７１の左右方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる上腕部７２と、上腕部７２の先端近傍に上腕部７２の左右方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる下腕部７３と、下腕部７３の先端近傍に下腕部７３の左右方向に延びる軸回りに回動自在に取り付けられる手部７４と、を備えている。
【００２２】
肩部７１は、鉛直方向の軸回りに（水平面内で）回動する１自由度を有しており、肩部７１を上部フレーム５の面内方向に任意角度で回動・固定することが可能な構成となっている。
【００２３】
上腕部７２は、肩部７１と上腕部７２の間に架け渡されるシリンダ７０ａを伸縮することで回動する。すなわち、上腕部７２は上部フレーム５の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有しており、上腕部７２を上部フレーム５の前後方向に任意角度で回動・固定することが可能な構成となっている。
【００２４】
下腕部７３は、上腕部７２と下腕部７３の間に架け渡されるシリンダ７０ｂを伸縮することで回動する。すなわち、下腕部７３は上部フレーム５の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有しており、下腕部７３を上部フレーム５の前後方向に任意角度で回動・固定することが可能な構成となっている。
【００２５】
手部７４は、３自由度を有している。すなわち、下腕部７３の先端に対してシリンダ７０ｃを伸縮することで前後方向を含む鉛直面内で回動でき、シリンダ７０ｄを伸縮することで左右方向を含む鉛直面内で回動でき、さらにグラブ部（把持部）は旋回することが可能な構成となっている。
【００２６】
同様に、左アーム６０は、肩部６１と、上腕部６２と、下腕部６３と、手部６４と、を備えている。左アーム６０の構成は既述の右アーム７０と同じであるのでその詳細な説明は省略する。
【００２７】
（４足歩行動作）
次に、図５を用いて、下部移動体２の歩行動作を説明する。歩行時には、制御装置が左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０に設置されたシリンダ２０ａ〜２０ｃ、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０ａ〜５０ｃを制御して下部フレーム４を支持する。そして、左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０の各シリンダ２０ａ〜２０ｃ、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０ａ〜５０ｃをそれぞれ所定のタイミングで伸縮駆動させることによって歩行動作を実施する。
【００２８】
例えば、前方向（図３の矢印Ａ方向）に移動する場合は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、まず左後脚機構４０を前方に繰り出す動作を行う。すなわち、制御装置が左後脚機構４０のシリンダ４０ａ、４０ｂ、４０ｃを制御して、足部４４を地面から離間させる。この動作の最中は、左前脚機構２０、右前脚機構３０及び右後脚機構５０が下部フレーム４を支持している。そして、４足歩行作業ロボット１の転倒を防止するためには、動作の最中に、遊脚以外の脚機構２０、３０、５０で囲まれる三角形領域内に重心を配置する必要がある。重心移動については後述する。
【００２９】
制御装置は、遊脚となる左後脚機構４０の足部４４が地面に接触しないように、シリンダ４０ａ、４０ｂ、４０ｃを適切に制御して、前方への繰り出し動作を行う。同時に、下部フレーム４を支持している左前脚機構２０、右前脚機構３０及び右後脚機構５０のシリンダ２０ａ〜２０ｃ、３０ａ〜３０ｃ、５０ａ〜５０ｃを適切に制御して、下部フレーム４に対して左前脚機構２０、右前脚機構３０及び右後脚機構５０が相対的に後退する方向に移動させることにより、下部フレーム４を前方に送り出すようにする。
【００３０】
制御装置は、左後脚機構４０を所定距離だけ前方に繰り出させた後、シリンダ４０ａ、４０ｂ、４０ｃを制御して、足部４４を地面に接地させ、左後脚機構４０の遊脚動作を終了する。
【００３１】
左後脚機構４０の遊脚動作が終了すると、上記と略同様に、左前脚機構２０、右後脚機構５０、右前脚機構３０の順に繰り出し動作を実施しつつ、遊脚以外の脚機構で下部フレーム４を支持して下部フレーム４を送り出すことによって、４足歩行作業ロボット１が矢印Ａ方向に移動する。
【００３２】
（重心移動）
次に、図５（ａ）〜（ｈ）を用いて、４足歩行作業ロボット１の総合重心位置の移動について説明する。
【００３３】
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、左後脚機構４０を遊脚にする前に、上部作業体３のアーム６０、７０を前方向に移動し、その総合重心位置を移動して接地している３つの脚機構（左前脚機構２０、右前脚機構３０、右後脚機構５０）の範囲内に移動させる（図５（ａ））。総合重心位置が移動した後に、左後脚機構４０を持ち上げ（図５（ｂ））、前方向に踏み出す（図５（ｃ））。具体的には、左後脚機構４０を遊脚にする前に、図３に示すように、アーム６０、７０を前方に伸ばすことによって総合重心を前方向に移動させる。
【００３４】
図５（ｄ）、（ｅ）に示すように、左前脚機構２０を遊脚にする前に、上部作業体３のアーム６０、７０を後方向に移動し、その総合重心位置を移動して接地している３つの脚機構（右前脚機構３０、左後脚機構４０、右後脚機構５０）の範囲内に移動させる（図５（ｄ））。総合重心位置が移動した後に、左前脚機構２０を持ち上げ（図５（ｄ））、前方向に踏み出す（図５（ｅ））。具体的には、左前脚機構２０を遊脚にする前に、図４に示すように、アーム６０、７０を後方に折り畳むことによって総合重心を後方向に移動させる。
【００３５】
図５（ｆ）〜（ｇ）に示すように、右後脚機構５０を遊脚にする前に、上部作業体３のアーム６０、７０を前方向に移動し、その総合重心位置を移動して接地している３つの脚機構（左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０）の範囲内に移動させる（図５（ｆ））。総合重心位置が移動した後に、右後脚機構５０を持ち上げ（図５（ｆ））、前方向に踏み出す（図５（ｇ））。具体的には、右後脚機構５０を遊脚にする前に、図３に示すように、アーム６０、７０を前方に伸ばすことによって総合重心を前方向に移動させる。
【００３６】
図５（ｈ）、（ａ）に示すように、右前脚機構３０を遊脚にする前に、上部作業体３のアーム６０、７０を後方向に移動し、その総合重心位置を移動して接地している３つの脚機構（左前脚機構２０、左後脚機構４０、右後脚機構５０）の範囲内に移動させる（図５（ｈ））。総合重心位置が移動した後に、右前脚機構３０を持ち上げ（図５（ｈ））、前方向に踏み出す（図５（ａ））。具体的には、右前脚機構３０を遊脚にする前に、図４に示すように、アーム６０、７０を後方に折り畳むことによって総合重心を後方向に移動させる。
【００３７】
（効果）
次に、本実施例の４足歩行作業ロボット１の奏する効果を列挙して説明する。
【００３８】
（１）上述してきたように、本発明の４足歩行作業ロボット１は、４つの脚機構２０、３０、４０、５０を有する下部移動体２と、作業機構を有し下部移動体２に搭載される上部作業体３と、を備えている。４足歩行作業ロボット１の４つの脚機構２０、３０、４０、５０は、クロール式歩容又は間欠クロール式歩容となるように制御され、作業機構は、接地している３つの脚機構で囲まれる範囲内に総合重心が位置するように、姿勢変化するように制御される。したがって、４つの脚機構２０〜５０を制御して重心を移動させる必要がないため歩行制御が簡単になる。また、上体をジグザグに左右に振る必要がなくなるため歩行が安定して速度を上げることができる。さらに、特別に重心移動用のアクチュエータや錘も必要がなくなり、機器配置の自由度も大きくなる。
【００３９】
つまり、従来は、（イ）４つの脚機構２０〜５０を操作して上部作業体３を左右に振って重心移動しており、重心移動した後に遊脚を持ち上げるため歩行速度が遅くなる、（ロ）上部作業体３を左右に振るためジグザグ動作となり安定しない、（ハ）重心移動用のアクチュエータ及び重量体（錘）が必要となり装置全体が重くなる、（ニ）アクチュエータ等の設置スペースが必要となる、（ホ）アクチュエータ等を装備するコストがかかる、という問題があったところ、本発明によればこれらの問題を解決できる。
【００４０】
（２）作業機構は前後方向に（起伏）移動するアーム６０、７０であり、アーム６０、７０を前後方向に起伏移動させることによって、上述した範囲内に総合重心を移動させることができる。つまり、作業用に装備しているアーム６０、７０に作業と同様の動作をさせることによって重心移動できるため、特別に重心移動用の装置を装備することがない。さらに、重心を前後方向に移動させるだけであるため歩行が安定する。仮に、前方向に転倒した場合でも、アーム６０、７０を操作することで容易に復帰できる。
【００４１】
（３）作業機構は左右方向に旋回するアーム６０、７０であり、アーム６０、７０を左右方向に旋回移動させることによって、上述した範囲内に総合重心を移動させることもできる。すなわち、作業用に装備しているアーム６０、７０に作業と同様の動作をさせることによって重心移動できるため、特別に重心移動用の装置を装備することがない。仮に、左右方向に転倒した場合でも、アーム６０、７０を操作することで容易に復帰できる。
【００４２】
さらに、前後方向の起伏移動と左右方向の旋回移動とを組み合わせることで、アーム６０、７０の重心を斜め方向に移動させることで、総合重心をいっそう効率よく移動できるため、いっそう歩行速度を速くすることができる。
【００４３】
（４）下部移動体２は、クローラ又はタイヤからなる走行機構２７をさらに備えることが好ましい。したがって、地面が平坦な場合には、クローラ又はタイヤからなる走行機構２７によって、高速に走行することができるし、地面にクローラ又はタイヤで走破不可能な段差や溝がある場合には、４足で歩行し踏破することができる。
【００４４】
以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
【００４５】
例えば、実施例では、アーム６０、７０を起伏移動して前後に振ることで重心移動させる場合について説明したが、これに限定されるものではない。アーム６０、７０を旋回移動して左右に振ることで重心移動させることもできる。さらに、下部移動体２に対して上部作業体３を旋回させることで重心移動させることもできる。
【００４６】
また、実施例では、作業機構としてグラブ部（把持部）を備えるアーム６０、７０について説明したが、これに限定されるものではない。作業機構は、ショベル系、クレーン系、高所作業車系であっても、本発明を適用できる。ブームが伸縮する場合には、ブームを伸縮させることで重心移動させることもできる。
【００４７】
なお、実施例では、特に説明しなかったが、４足歩行作業ロボット１の操作は、人が搭乗して操作する有人操作であってもよいし、遠隔操作であってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１          ４足歩行作業ロボット
２          下部移動体
３          上部移動体
４          下部フレーム
５          上部フレーム
２７        クローラ走行機構
２０        左前脚機構
３０        右前脚機構
４０        左後脚機構
５０        右後脚機構
６０        左アーム
７０        右アーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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