(57)【要約】【課題】  平地を車輪にて移動し、不整地を２足歩行で移動する剛性の高い脚機構を実現でき、さらにこの機構は、車輪走行と２足歩行の切り替えを短時間で実行できるロボットを提供することにある。【解決手段】  ２本の脚部を備え、脚先端に駆動輪を備えて倒立２輪制御を行い平地を車輪で移動し、さらにロール，ピッチの自由度を持つ支持体を脚先端に備えて、車輪と支持体の少なくとも３点を接地し安定範囲を形成することを特徴とする２足型移動機構。【選択図】図１
2009113135.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供えるロボットにおいて、
前記脚部の先端に駆動可能な車輪と、ロールとピッチ方向に可動する支持体とを設けたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
請求項１記載のロボットにおいて、
前記脚部は、前記胴体側よりロール，ピッチ，ピッチの３自由度を備えることを特徴とするロボット。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２のいずれかに記載のロボットにおいて、
前記支持体は少なくとも２点の接地点を備えており、前記車輪の接地点と前記支持体の接地点とにより安定範囲を構成し、前記左右の脚部を交互に揺動させ２足歩行を行い、さらに前記車輪のみを接地させるように前記支持体を動作させて前記車輪で走行することを特徴とするロボット。
【請求項４】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のロボットにおいて、
前記支持体のロール回転軸の地面からの距離が前記車輪と前記支持体の一部の少なくとも２点以上が地面に接するとき前記支持体のロール回転軸が前記地面と平行になるよう決定され、かつ前記支持体の前記ロール回転軸と前記車輪の断面円の中心が一致するように構成されとともに、
前記支持体の前記ピッチ回転軸と前記車輪の回転軸が一致するように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、移動装置、特に移動能力を備えて目的とする作業を自動的に行うロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
整地，不整地をともに移動できる移動機構を備えたロボットに関して、特開２００５−２８８５６１号公報（特許文献１）に示されるヒューマノイドロボットがある。この特許文献１には、ロボットの足裏部に相当する部分に駆動輪を備え、平地は倒立振子制御を行い車輪で走行し、不整地を移動する際には、足首のロール軸を９０度回転させ車輪側面を足裏とし２足歩行を行うヒューマノイドロボットが示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８８５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の方法によれば、車輪から体幹に至るまで経由する自由度が多いため、車輪走行時に脚先の剛性が不足する恐れがある。また、車輪走行と２足歩行との切り替えは、車輪の接地状態を変化させなければならないため、遷移に要する時間が長くなる。
【０００５】
本発明の目的は、平地を車輪にて移動し、不整地を２足歩行で移動する剛性の高い脚機構を実現でき、さらにこの機構は、車輪走行と２足歩行の切り替えを短時間で実行できる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】
【０００６】
上記目的は、胴体の下部に左右の脚部を供えるロボットにおいて、前記脚部の先端に駆動可能な車輪と、ロールとピッチ方向に可動する支持体とを設けたことにより達成される。
【０００７】
また上記目的は、前記脚部は、前記胴体側よりロール，ピッチ，ピッチの３自由度を備えることにより達成される。
【０００８】
また上記目的は、前記支持体は少なくとも２点の接地点を備えており、前記車輪の接地点と前記支持体の接地点とにより安定範囲を構成し、前記左右の脚部を交互に揺動させ２足歩行を行い、さらに前記車輪のみを接地させるように前記支持体を動作させて前記車輪で走行することにより達成される。
【０００９】
また上記目的は、前記支持体のロール回転軸の地面からの距離が前記車輪と前記支持体の一部の少なくとも２点以上が地面に接するとき前記支持体のロール回転軸が前記地面と平行になるよう決定され、かつ前記支持体の前記ロール回転軸と前記車輪の断面円の中心が一致するように構成されとともに、前記支持体の前記ピッチ回転軸と前記車輪の回転軸が一致するように構成されることにより達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、平地を車輪にて移動し、不整地を２足歩行で移動する剛性の高い脚機構を実現でき、さらにこの機構は、車輪走行と２足歩行の切り替えを短時間で実行できるロボットを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図１〜図８を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の一実施例を備えたロボットの全体構成斜視図である。
【００１３】
図１において、本発明のロボット１は、２本の脚部、左足６と右足７を備え、その上方には胴体３を備える。胴体３の左右両側には２本の腕部、左腕４と右腕５を備える。また、胴体３の上部には頭部２を備える。例えば、左足６と右足７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。
【００１４】
図２は本実施例を備えた脚部の自由度を説明する図である。
【００１５】
図２において、ロボット１は左右それぞれの脚部、左足６と右足７に５個の関節と１つの車輪を備える。図中において、ロール軸とはＸ軸回りに回転する軸、ピッチ軸とはＹ軸回りに回転する軸である。左足６と右足７は、胴体１００側からそれぞれ、第１ロール関節１０１Ｌ，１０１Ｒ、第１ピッチ関節１０２Ｌ，１０２Ｒ、第２ピッチ関節１０３Ｌ，１０３Ｒを備え、その先に並列に、車輪関節１０６Ｌ，１０６Ｒと、支持体ピッチ関節１０４Ｌ，１０４Ｒ、支持体ロール関節１０５Ｌ，１０５Ｒを備える。
【００１６】
それぞれの関節は動力源（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）とを内蔵し、接続する部品を駆動する。左足６と右足７は構成要素が等しく、構造が胴体３を通過するＸ−Ｚ平面に対して対称であるため、図３では左足６について説明する。
【００１７】
図３は本実施例を備えた脚部の構造を説明する斜視図である。
【００１８】
図３において、第１の脚リンク８は、上端で胴体３と接続され、Ｚ軸下端でＸ軸回りの駆動軸を備える第１の脚アクチュエータと接続される。第１の脚アクチュエータ９は、第２の脚リンク１０と接続され、Ｘ軸回りに所定の角度だけ第２の脚リンク１０を揺動する。第２の脚リンク１０は、下端をＹ軸回りの駆動軸を備える第２の脚アクチュエータ１１に接続し、第２の脚アクチュエータ１１はＹ軸回りに所定の角度だけ第３の脚リンク１２を揺動する。第３の脚アクチュエータ１３は、第２の脚アクチュエータ１１と第３の脚リンク１２との接続に対してＺ軸方向長手側の端に取り付けられ、Ｙ軸回りに所定の角度だけ第４の脚リンク１４を揺動する。
【００１９】
車輪１６は、第３の脚アクチュエータ１３と第４の脚リンク１４との接続に対してＺ軸長手方向逆端にＹ軸方向に回転自在に取り付けられる。車輪駆動用アクチュエータ１５は、無限回転可能であり、第４の脚リンク１４に取り付けられ、車輪１６を例えばベルトやシャフト，ギヤなどによって駆動する。支持体のピッチ軸駆動用アクチュエータ１７は、車輪１６と同軸に第４の脚リンク１４に取り付けられ、Ｙ軸回りに支持体連結リンク１８を所定の角度だけ揺動する。支持体のロール軸駆動用アクチュエータ１９は、支持体連結リンク１８に取り付けられ、Ｘ軸回りに所定の角度だけ支持体２０を揺動する。車輪１６は、断面が円形の輪環体であり、地面とは線ではなく点で接触するように形成される。
【００２０】
多くの場合、脚による移動はＺＭＰ（Zero Moment Point）を規範としてロボットの姿勢を制御し、歩行を行っている。ＺＭＰとは接地点の抗力中心であり、抗力によるモーメントが０になる床面上の点である。ロボットが歩行する場合、ロボット自身の運動による慣性力，ロボットへの重力，床から受ける反力などを考慮して歩行制御を行う必要がある。ＺＭＰをロボットの足底による支持凸多角形に収まるように歩行パターンを生成すれば転倒せずに歩行を行うことが出来る。つまり、２足歩行を行う際には、安定性を考慮すると支持凸多角形はなるべく大きく形成されることが好ましい。
【００２１】
支持体２０は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に伸長する形状に形成されており、図３の例では車輪１６と共に少なくとも２点以上を地面に接触するように姿勢を変化させ支持凸多角形を形成しているため、２足歩行の際の安定性の増大に寄与する。
【００２２】
図４は本実施例によるロボットの倒立状態の脚部示した斜視図である。
【００２３】
図４において、この脚部は倒立２輪制御が行われて平地を車輪で移動するときの姿勢となっている。図４に示すように、支持体のピッチ軸駆動用アクチュエータ１７を所定の角度だけ駆動し、車輪１６のみ接地するような姿勢をとり、倒立２輪制御によって車輪１６により移動を行う。このとき、従来のロボットでは車輪１６から胴体３まで経由する関節数が多いほど関節毎のバックラッシ，ばね性による位置誤差が累積する。そのため、系の剛性が低くなり安定した倒立２輪制御がしにくいという問題があった（例えば、特開２００５−２８８５６１号公報に示された例では、車輪から体幹まで５つの自由度を経由する）。
【００２４】
本発明による実施例では、経由する関節が第１の脚アクチュエータ９と第２の脚アクチュエータ１１と第３の脚アクチュエータ１３の３つであるため、剛性の高い倒立２輪制御が実現できる。
【００２５】
図５は本実施例におけるロボットの支持体部の動作を説明する斜視図である。  
図６は図４をＸ軸方向から見た平面図である。  
図７は図４をＹ軸方向から見た平面図である。
【００２６】
図５では、倒立２輪制御を行わず、支持体のピッチ軸駆動用アクチュエータ１７を所定の角度だけ駆動して支持体２０と車輪１６を共に接地させた姿勢となっている。図５に示すように、本実施例のロボット１の支持体２０は、第１の支持体接地点２０２と第２の支持体接地点２０３の２点で接地する。支持体２０は、支持体のロール回転軸２１と支持体のピッチ回転軸２２の直交する２自由度を備えるため、地面に多少の凹凸が存在しても車輪６と第１の支持体接地点２０２と第２の支持体接地点２０３を地面２００に確実に接地させるように制御される（図６，図７参照）。
【００２７】
またこのとき車輪の接地点２０１と、第１の支持体接地点２０２と、第２の支持体接地点２０３の３点で形成される支持凸多角形を以下の説明では接地三角形と呼称する。
【００２８】
以下では、支持体のロール回転軸２１と支持体のピッチ回転軸２２がどのような姿勢をとっても、車輪の接地点２０１と、第１の支持体接地点２０２と、第２の支持体接地点２０３の３点で形成される接地三角形が変化しないような条件について説明する。ここで、接地三角形が変化しないことの利点は、支持体がどのような姿勢をとっても外乱に対するＺＭＰの安定度が変化しないため、常に一定の安定性を備えることができるという点である。
【００２９】
図８は支持体をロール方向に駆動した場合の接地状態について説明する図である。
【００３０】
図８において、車輪の接地点２０１と、第１の支持体接地点２０２と、第２の支持体接地点２０３の三点で形成される接地三角形２０４の形状を変化させないための支持体２０の支持体のロール回転軸２１の位置及び車輪１６の車輪断面円の中心２４及び車輪の断面円の半径２５の寸法の関係は以下の通りである。
【００３１】
つまり、図８はロボット１の車輪１６及び支持体２０の接地状態をＸ軸方向から見た図である。図８中で、（ａ），（ｂ）は、支持体のロール回転軸２１と車輪の断面円の中心２４が一致しないような構成の図であり、（ｃ），（ｄ）は支持体のロール回転軸２１と車輪の断面円の中心２４が一致するように構成された図である。また、このとき支持体のロール回転軸の地面からの距離２６は、車輪の接地点２０１と、第１の支持体接地点２０２と、第２の支持体接地点２０３の３点が地面２００に接するとき、支持体のロール回転軸２１が常にＸ軸と平行になるよう決定した。
【００３２】
図８中（ａ）は、第４の脚リンク１４がＺ軸と平行となる姿勢である。この時、車輪の接地点２０１と第１の支持体接地点２０２と第２の支持体接地点２０３の三点により接地三角形２０４が形成される。図８中（ｂ）は、（ａ）の状態から支持体のロール軸駆動用アクチュエータ１９を所定の角度動作させ、地面２００に対して車輪の回転軸２３を傾けた図である。図で明らかなように、接地三角形２０４の頂点が移動し新たな形状の接地三角形２０５が形成されている。このような接地三角形の形状変化は、安定性を損なう原因となる。
【００３３】
図８中（ｃ）は、（ａ）と同様に第４の脚リンク１４がＺ軸と平行となる姿勢である。ただし、支持体のロール回転軸２１と車輪の断面円の中心２４が一致するように構成されている。（ｄ）は（ｃ）の状態から支持体のロール軸駆動用アクチュエータ１９を所定の角度動作させ、地面２００に対して車輪の回転軸２３を傾けた図である。このとき、接地三角形１０４の形状は変化せず、安定性は（ｃ）と（ｄ）で変化しない。
【００３４】
また、図８では支持体のロール回転軸２１と車輪の断面円の中心２４がＺ軸方向にずれている場合の例を示しているが、Ｙ軸方向にずれている場合も、支持体のロール回転軸２１を駆動した場合に接地三角形２０４の形状が変化することは明らかであるため、説明を省略した。
【００３５】
図９は支持体をピッチ方向に駆動した場合の接地状態について説明する図である。
【００３６】
図９はロボット１の車輪１６及び支持体２０の接地状態をＹ軸負の方向から見た図であって、図中（ａ）（ｂ）は、支持体のピッチ回転軸２２と車輪の回転軸２３が一致しないような構成の図であり、（ｃ）（ｄ）は支持体のピッチ回転軸２２と車輪の回転軸２３が一致するように構成された図である。
【００３７】
図９中（ａ）は、第４の脚リンク１４がＺ軸と平行となる姿勢である。この時、車輪の接地点２０１と第２の支持体接地点２０３と図中でＹ軸正の方向に存在する第１の支持体接地点２０２の三点により接地三角形２０６が形成される。図９中（ｂ）は、（ａ）の状態から支持体のピッチ軸駆動用アクチュエータ１７を所定の角度動作させ、地面２００に対して第４の脚リンク１４を傾けた図である。図から明らかなように、接地三角形２０６の辺が移動し新たな形状の接地三角形２０７が形成されている。このような接地三角形の形状変化は、安定性を損なう原因となる。
【００３８】
図９中（ｃ）は、（ａ）と同様に第４の脚リンク１４がＺ軸と平行となる姿勢である。ただし、支持体のピッチ回転軸２２と車輪の回転軸２３が一致するように構成されている。（ｄ）は（ｃ）の状態から支持体のピッチ軸駆動用アクチュエータ１７を所定の角度動作させ、地面２００に対して第４の脚リンク１４を傾けた図である。このとき、接地三角形１０４の形状は変化せず、安定性は（ｃ）と（ｄ）で変化しない。
【００３９】
以上のように本発明によれば、支持体のロール回転軸２１と支持体のピッチ回転軸２２がどのような姿勢をとっても、車輪の接地点２０１と、第１の支持体接地点２０２と、第２の支持体接地点２０３の３点で形成される接地三角形が変化しない。
【００４０】
この変化しない条件は、支持体のロール回転軸の地面からの距離２６は、車輪の接地点２０１と、第１の支持体接地点２０２と、第２の支持体接地点２０３の３点が地面２００に接するとき、支持体のロール回転軸２１が常にＸ軸と平行になるよう決定されているからである。
【００４１】
かつ支持体のロール回転軸２１と車輪の断面円の中心２４が一致するように構成され、さらに支持体のピッチ回転軸２２と車輪の回転軸２３が一致するように構成されているからである。
【００４２】
このように、上記の条件を満たせば支持体２０の姿勢によらず支持凸多角形は一定になり、外乱に対する安定性も変化しないので、安定性の高い機構が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例を備えたロボットの全体構成図である。
【図２】本発明によるロボットの脚部の自由度を説明する図である。
【図３】本発明によるロボットの脚部の構造を説明する斜視図である。
【図４】本発明によるロボットの倒立状態の脚部を説明する斜視図である。
【図５】本発明によるロボットの支持体部の動作を説明する斜視図である。
【図６】図４をＸ軸方向から見た平面図である。
【図７】図４をＹ軸方向から見た平面図である。
【図８】支持体をロール方向に駆動した場合の接地状態について説明する図である。
【図９】支持体をピッチ方向に駆動した場合の接地状態について説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  ロボット
２  頭部
３，１００  胴体
４  左腕
５  右腕
６  左足
７  右足
８  第１の脚リンク
９  第１の脚アクチュエータ
１０  第２の脚リンク
１１  第２の脚アクチュエータ
１２  第３の脚リンク
１３  第３の脚アクチュエータ
１４  第４の脚リンク
１５  車輪駆動用アクチュエータ
１６  車輪
１７  支持体のピッチ軸駆動用アクチュエータ
１８  支持体連結リンク
１９  支持体のロール軸駆動用アクチュエータ
２０  支持体
２１  支持体のロール回転軸
２２  支持体のピッチ回転軸
２３  車輪の回転軸
２４  車輪の断面円の中心
２５  車輪の断面円の半径
２６  支持体のロール回転軸の地面からの距離
１０１Ｌ，１０１Ｒ  第１ロール関節
１０２Ｌ，１０２Ｒ  第１ピッチ関節
１０３Ｌ，１０３Ｒ  第２ピッチ関節
１０４Ｌ，１０４Ｒ  支持体ピッチ関節
１０５Ｌ，１０５Ｒ  支持体ロール関節
１０６Ｌ，１０６Ｒ  車輪
２００  地面
２０１  車輪の接地点
２０２  第１の支持体接地点
２０３  第２の支持体接地点
２０４，２０５，２０６，２０７  接地三角形
【図１】
2009113135.tif 000003
【図２】
2009113135.tif 000004
【図３】
2009113135.tif 000005
【図４】
2009113135.tif 000006
【図５】
2009113135.tif 000007
【図６】
2009113135.tif 000008
【図７】
2009113135.tif 000009
【図８】
2009113135.tif 000010
【図９】
2009113135.tif 000011