説明

脚式移動ロボット

【課題】遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能な脚式移動ロボットを提供する。
【解決手段】ロボット1は、上体4、及び、上体4と上腿リンク30R(L),32R(L)を連結する股関節と、上腿リンク30R(L),32R(L)と下腿リンク34R(L)を連結する膝関節と、下腿リンク34R(L)と足平22R(L)を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体2R(L)を備え、各脚体2R(L)を駆動して移動する。 足首関節はピッチ方向に回転するピッチ回転軸部18R(L)を有し、ピッチ回転軸部ピッチ回転軸部18R(L)の軸線が、左右方向内側が外側より低くなるよう傾斜する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、脚式移動ロボット、特に左右対称の脚体を備える脚式移動ロボットに関する。
【背景技術】
【0002】
上体、及び、上体と上腿リンクを連結する股関節と、上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体を備え、各脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットが知られている。
【0003】
例えば、特許文献1には、股関節がロール軸、ピッチ軸及びヨー軸を有し、膝関節がピッチ軸を有し、足首関節がピッチ軸及びロール軸を有する2足歩行ロボットが開示されている。この2足歩行ロボットでは、足首関節のロール軸(X軸)はロッドを平行クランク機構からなるロッド機構を介して電動モータにより駆動され、足首関節のピッチ軸(Y軸)はベルトと減速機を介して電動モータにより駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−298997号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記特許文献1に開示されたような脚式移動ロボットにおいては、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部は左右方向にずれない。そのため、遊脚を支持脚側に移動させると、左右の膝部同士の干渉が生じる。よって、コーナリング半径が大きく、遊脚の着地可能範囲が狭い。そして、これに伴い、歩容の自由度が少ないという問題が生じる。
【0006】
本発明は、以上の点に鑑み、遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能な脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上体、及び、前記上体と上腿リンクを連結する股関節と、前記上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、前記下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体を備え、該各脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットであって、前記足首関節はピッチ方向に回転するピッチ回転軸部を有し、該ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より低くなるよう傾斜することを特徴とする。
【0008】
本発明によれば、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部は前方外側方向(上体の中心に対して当該脚体が位置する側に向うピッチ軸方向)に移動する。そのため、上記特許文献1に開示されたような脚式移動ロボットのように、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部が真直ぐ前方に移動する場合に比べて、左右の膝部同士の干渉を抑制することができる。そのため、支持脚に近付ける方向に移動させることが可能となる。よって、コーナリング半径が小さくなり、遊脚の着地可能範囲が拡大する。そして、これに伴い、歩容の自由度が増し、脚式移動ロボットは多彩な動作を行うことが可能となる。
【0009】
さらに、回転軸部を増加させる必要がないので、構成の複雑化に伴う大型化や重量増加、及び自由度の増加に伴う制御の困難化などの問題が生じない。
【0010】
また、本発明において、前記足首関節はロール方向に回転するロール回転軸部を有し、前記下腿リンクに独立して駆動する2本のロッドが設けられ、該2本のロッドの端部が前記ピッチ回転軸部及び前記ロール回転軸部と離間した部分にて前記足平に枢着されることが好ましい。
【0011】
また、本発明において、前記ピッチ回転軸部は、前記軸線を軸線とする軸と、該軸を受ける軸受とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の脚式移動ロボット。
前記足平と前記足首関節との間に6軸力センサが設けられ、該6軸力センサの1方向の感度中心線が当該脚式移動ロボットの直進方向と平行であることが好ましい。
【0012】
この場合、6軸力センサは、床から足平を介して各脚体に伝達される床反力の各成分を従来と同様に検出することができるので、検出した各成分を変換する必要がない。
【0013】
また、本発明において、前記ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より前になるよう傾斜することが好ましい。
【0014】
この場合、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部はさらに前方外側方向に移動する。そのため、左右の膝部同士の干渉をさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第1実施形態に係る2足移動ロボットの概略構成を示す斜視図。
【図2】脚体の正面図。
【図3】脚体の側面図。
【図4】足平の断面図。
【図5】膝関節角と膝部の左右方向移動距離との関係を示すグラフ。
【図6】本発明の第2実施形態に係る2足移動ロボットの概略構成を示す斜視図。
【図7】足平の上面図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
〔第1実施形態〕
以下、脚式移動ロボットとして2足移動ロボットを例にとって、本発明の第1実施形態を説明する。
【0017】
図1に示すように、本実施形態に係る2足移動ロボット1(以下、単に「ロボット1」という)は、左右一対の脚体2R,2Lを備えている。両脚体2R,2Lの基端部(上端部)に上体4が連結されており、接床する脚体2R,2Lによって上体4が床面の上方に支持される。
【0018】
両脚体2R,2Lは同一構造であり、それぞれ6個の関節軸部を備える。その6個の関節軸部は、上体4側から順に、股関節の回旋用(上体4に対するヨー方向(Z軸回り)の回転用)の股関節ヨー軸部10R,10Lと、股関節のロール方向(X軸回り)の回転用の股関節ロール軸部12R,12Lと、股関節のピッチ方向(Y軸回り)の回転用の股関節ピッチ軸部14R,14Lと、膝関節のピッチ方向の回転用の膝関節ピッチ軸部16R,16Lと、足首関節のピッチ方向の回転用の足首関節ピッチ軸部18R,18Lと、足首関節のロール方向の回転用の足首関節ロール軸部20R,20Lとから構成される。また、各脚体2の先端部(下端部)には、足平22R(L)が設けられている。
【0019】
なお、本実施形態の説明では、符号R,Lはそれぞれ右側脚体、左側脚体に対応するものであることを意味する。また、X軸方向はロボット1の前後方向(進行方向、ロール軸方向)、Y軸方向はロボット1の左右方向(ピッチ軸方向)に相当する。また、Z軸方向は鉛直方向(重力方向)であり、ロボット1の上下方向(ヨー軸方向)に相当する。この場合、本実施形態では、X軸正方向が、本発明におけるロボット1の直進方向としての意味を持つ。
【0020】
各脚体2R(L)の関節軸部10R(L),12R(L),14R(L)によって3自由度の股関節が構成され、関節軸部16R(L)によって1自由度の膝関節が構成され、関節軸部18R(L),20R(L)によって2自由度の足首関節が構成されている。各脚体2R(L)は、股関節を介して上体4に連結されている。
【0021】
股関節は上体4と上腿リンク30R(L),32R(L)とを連結し、膝関節は上腿リンク30R(L),32R(L)と下腿リンク34R(L)とを連結し、足首関節は下腿リンク34R(L)と足平22R(L)とを連結している。
【0022】
詳細には、股関節ヨー軸部10R(L)と股関節ロール軸部12R(L)及び股関節ピッチ軸部14R(L)とは第1上腿リンク30R(L)で連結され、股関節ロール軸部12R(L)及び股関節ピッチ軸部14R(L)と膝関節ピッチ軸部16R(L)とは第2上腿リンク32R(L)で連結され、膝関節ピッチ軸部16R(L)と足首関節ロール軸部18R(L)及び足首関節ピッチ軸部20R(L)とは下腿リンク34R(L)で連結されている。
【0023】
各脚体2R(L)の上記構成により、各脚体2R(L)の足平22R(L)は、上体4に対して6自由度を有する。そして、ロボット1の移動に際して両脚体2R,2Lを合わせて6×2=12個の関節をそれぞれ適宜な角度に駆動することで、両脚体2R,2Lの所望の運動を行うことができる。これにより、ロボット1は歩行動作や走行動作等、3次元空間を移動する運動を行うことが可能となっている。
【0024】
なお、図示は省略するが、本実施形態では、上体4の上部の両側部には左右一対の腕体が取り付けられるとともに、上体4の上端部には頭部が搭載される。そして、各腕体は、それに備える複数の関節(肩関節、肘関節、手首関節など)によって、該腕体を上体4に対して前後に振る等の運動を行うことが可能となっている。ただし、これらの腕体及び頭部はなくてもよい。
【0025】
各脚体2R(L)の足首関節と足平22R(L)との間には6軸力センサ36R(L)が介装されている。この6軸力センサ36R(L)は、床から足平22R(L)を介して各脚体2R(L)に伝達される床反力の3軸方向の力成分及び3軸回りのモーメント成分を検出し、その検出信号を図示しない制御ユニットに出力する。
【0026】
次に、脚体2R(L)の構成について説明する。なお、脚体2R(L)は、左右対称であり、ここでは、右側脚体2Rについて説明する。また、図3は、構成部材の一部を図略している。
【0027】
図2及び図3に示すように、股関節ヨー軸部10Rを駆動する電動モータ40が、上体4の下部に配置されている。電動モータ40の出力は、電動モータ40の出力軸に接続された減速機42によって減速され、減速機42の出力軸に接続された第1上腿リンク30Rのヨー軸に伝達されて、第1上腿リンク30Rを上体4に対して相対回転させる。なお、電動モータ40の出力軸、減速機42の出力軸、及び第1上腿リンク30Rのヨー軸は同軸上に位置するように構成されている。
【0028】
股関節ロール軸部12Rを駆動する電動モータ44が、第1上腿リンク30Rに配置されている。電動モータ44の出力は、ベルト46を介して減速機48に伝達され、減速機48の出力軸に接続された第2上腿リンク32Rのロール軸に伝達されて、第2上腿リンク32Rを第1上腿リンク30Rに対してロール軸回りに相対回転させる。なお、第2上腿リンク32Rのロール軸は、第1上腿リンク30Rのヨー軸と直交して交差するように構成されている。
【0029】
股関節ピッチ軸部14Rを駆動する電動モータ50が、第2上腿リンク32Rの上部に配置されている。電動モータ50の出力は、ベルト52を介して減速機54に伝達され、減速機54の出力軸に接続された第2上腿リンク32Rのピッチ軸に伝達されて、第2上腿リンク32Rを第1上腿リンク30Rに対してピッチ軸回りに相対回転させる。なお、第2上腿リンク32Rのピッチ軸は、第1上腿リンク30Rのヨー軸と直交して交差するように構成されている。
【0030】
膝関節ピッチ軸部16Rを駆動する電動モータ56が、第2上腿リンク32Rの下部に配置されている。電動モータ56の出力は、ベルト58を介して減速機60に伝達され、減速機60の出力軸に接続された下腿リンク34Rのピッチ軸に伝達されて、下腿リンク34Rを第2上腿リンク36Rに対してピッチ軸回りに相対回転させる。なお、下腿リンク34Rのピッチ軸は、第1上腿リンク30Rのヨー軸と直交して交差するように構成されている。
【0031】
足首関節ピッチ軸部18R及び足首ロール軸部20Rを駆動する電動モータ62a,62bが、下腿リンク34Rに配置されている。電動モータ62a,62bの出力は、それぞれベルト64a,64bを介して減速機66a,66bに伝達されて、減速機66a,66bの各出力軸にそれぞれ接続されたクランクアーム68a,68bの入力軸に伝達される。そして、各クランクアーム68a,68bの駆動が、クランクアーム68a,68bの一端にそれぞれ枢着された連結ロッド70a,70bを介して、足平22Rに設けられた連結ピン72a,72bに伝達される。
【0032】
下腿リンク34の下部にピッチ軸74が、足平22Rの上部にロール軸76がそれぞれ軸支されており、ピッチ軸74の中央部をロール軸方向にロール軸76が回動自在に挿通されている。
【0033】
ここで、ピッチ軸74の軸線は、左右方向(Y軸方向)内側が外側より低くなるように傾斜している。具体的には、足平22Rのピッチ軸74の軸線は、Y軸正方向からZ軸負方向に角度θだけ傾斜している。ピッチ軸74は、下腿リンク34の下部に装着された一対の軸受77a,77bによって軸支されている。
【0034】
電動モータ62a,62bはそれぞれ独立に駆動され、各電動モータ62a,62bの回転駆動が、減速機66a,66b、クランクアーム68a,68b及び連結ロッド70a,70bを介して、それぞれ連結ピン72a,72bに伝達され、これら連結ピン72a,72bを移動させることにより、足平22Rを下腿リンク34Rに対してピッチ軸及びロール軸回りに相対回転させる。
【0035】
具体的には、クランクアーム68a,68bの回転方向に応じて、足平22Rが下腿リンク34Rに対してピッチ軸回りに相対回転し、クランクアーム68a,68b間の回転の相違に応じて、足平22Rが下腿リンク34Rに対してロール軸回りに相対回転する。なお、足平22Rのピッチ軸及びロール軸は、第1上腿リンク30Rのヨー軸と直交して交差するように構成されている。
【0036】
図4に示すように、足平22Rは、上面視で略卵形状に形成された足底フレーム82を備えている。なお、足底フレーム82の下面にソールなどの軟質板体を設けてもよい。足底フレーム82の略中央部上面には、上面が開口した箱状の筐体84が固定されており、この筐体84の底板と6軸力センサ36の取付プレート86との間に、ゴム製のブッシュ88が挿入されている。ここでは、取付プレート86の四隅下面にそれぞれブッシュ88がボルトにより固定されている。
【0037】
前記6軸力センサ36Rは、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向における力及びモーメントの成分を測定し、足平22Rの着地(接地)の有無や床面から作用する床反力(接地荷重)などを検出する。6軸力センサ36Rは、センサ本体90と、センサ本体90の上部に装着され、センサ本体90に対する外力が印加される外力印加部として機能する外力印加板92とを備えている。そして、センサ本体90は、取付プレート86の窪み部に配置され、取付プレート86に固定されている。外力印加板92の上面には、前記ロール軸76を軸支する軸受ブロック94がボルトによって固定されている。軸受ブロック94には、ロール軸76を軸支する軸受部96の他に、前記連結ピン72a,72bをそれぞれ軸支する軸受部98も設けられている。
【0038】
ここで、ロボット1が直進(X軸正方向に移動)するとき、脚部2Rが支持脚となる場合、足平22Rは正面を向いている、すなわち、足平22Rの中心からつま先に向かうラインが、X軸に対して平行となっている。そして、6軸力センサ36Rの1方向(X軸方向)のセンサ感度中心線が、前記ラインLと平行に設けられている。
【0039】
ロボット1は、上記のように構成されているので、遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能となる。以下、このことに関して説明する。なお、脚体2Rが支持脚となり、脚体2Lが遊脚となる場合について説明するが、脚体2Lが支持脚となり、脚体2Rが遊脚となる場合も同様である。
【0040】
支持脚となる脚体2Rの足平22のピッチ軸が左右方向内側が外側より低くなるように角度θ傾斜している。そのため、脚体2Rの膝関節を屈曲させると、その膝部は前方斜め外側方向(X軸正方向からY軸負方向側に向いた方向)に移動する。なお、この移動量は、図5に示すように、膝関節角が大きいほど、大きくなる。
【0041】
このように、支持脚の膝関節を屈曲させると、膝部が外側方向に移動するので、左右の膝部同士の干渉を抑制することができる。そのため、支持脚に近付ける方向に遊脚を回旋することが可能となり、コーナリング半径が小さくなり、遊脚の着地可能範囲が拡大する。これに伴い、歩容の自由度が増し、ロボット1は多彩な動作を行うことが可能となる。
【0042】
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る脚式移動ロボットである2足移動ロボット1Aについて図面を参照して説明する。2足移動ロボット1Aは、上述した第1実施形態に係る2足移動ロボット1と類似するので、相違点に関してのみ説明する。
【0043】
図6及び図7に示すように、脚体2AR(L)の足首関節を構成する足首関節ピッチ軸部18AR(L)の軸線74が、左右方向(Y軸方向)内側が外側より前になるように傾斜している。なお、2足移動ロボット1Aの脚体2AR(L)は、左右対称であり、以下、右側脚体2ARについて説明する。
【0044】
ここで、ロボット1Aが直進(X軸正方向に移動)するとき、脚部2ARが支持脚となる場合、足平22ARは正面を向いている、すなわち、足平22ARの中心からつま先に向かうラインLが、X軸に対して平行となっている。
【0045】
6軸力センサ36Rの1方向(X軸方向)のセンサ感度中心線は、ラインLと同軸になるように、センサ本体90が足平22ARに配置されている。そして、軸受ブロック94が固定される外力印加板92(図4参照)がラインLに対して外側(Y軸負方向)に角度αだけ傾くように、センサ本体90に装着されており、軸受部96の軸線がラインLに対して外側に角度αだけ傾斜している。これにより、足首関節ピッチ軸部18AR(L)の軸線74は、左右方向内側が外側に対して前に角度αだけ傾斜する。
【0046】
ロボット1Aは、上記のように構成されているので、ロボット1と比較してさらに遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能となる。以下、このことに関して説明する。なお、脚体2ARが支持脚となり、脚体2ALが遊脚となる場合について説明するが、脚体2ALが支持脚となり、脚体2RAが遊脚となる場合も同様である。
【0047】
支持脚となる脚体2ARの足平22ARのピッチ軸74が左右方向内側が外側より前になるように角度α傾斜している。そのため、脚体2ARの膝関節を屈曲させると、その膝部は前方斜め外側方向(X軸正方向からY軸負方向側に向いた方向)に移動する。なお、この移動量は膝関節角が大きいほど大きくなる。
【0048】
このように、このように、支持脚の膝関節を屈曲させると膝部が外側方向に移動するので、左右の膝部同士の干渉をさらに抑制することができる。そのため、支持脚に近付ける方向に遊脚を回旋することが可能となり、コーナリング半径が小さくなり、遊脚の着地可能範囲が拡大する。これに伴い、ロボット1と比較して、さらに歩容の自由度が増し、移動安定性も高まり、ロボット1Aは多彩な動作を行うことが可能となる。
【0049】
なお、以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、膝関節がピッチ方向に回転するものであれば、各関節の構成や関節軸部の配置は、実施形態に限定されない。例えば、7自由度以上や5自由度以下の自由度を有するように関節軸部を構成してもよい。
【0050】
さらに、脚体が左右対称であれば、2足移動ロボットに限定されない。例えば、獣や昆虫等を模した4足移動ロボットや6足移動ロボット等であってもよい。
【符号の説明】
【0051】
1,1A…2足移動ロボット(脚式移動ロボット)、 2R,2L,2AR,2AL…脚体、 4…上体、 10R,10L…股関節ヨー軸部 、12R,12L…股関節ロール軸部、 14R,14L…股関節ピッチ軸部、 16R,16L…膝関節ピッチ軸部、 18R,18L,18AR,18AL…足首関節ピッチ軸部(ピッチ回転軸部)、 20R,20L…足首関節ロール軸部(ロール回転軸部)、 22R,22L,22AR,22AL…足平、 30R,30L…第1上腿リンク(上腿リンク)、 32R,32L…第2上腿リンク(上腿リンク)、 34R,34L,34AR,34AL…下腿リンク、 68a,68b…クランクアーム、 70a,70b…連結ロッド(ロッド)、 74…ピッチ軸(軸)、 76…ロール軸、 77a,77b…軸受、 94…軸受ブロック、 96…軸受部、 98…軸受部。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
上体、及び、前記上体と上腿リンクを連結する股関節と、前記上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、前記下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体を備え、該各脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットであって、
前記足首関節はピッチ方向に回転するピッチ回転軸部を有し、該ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より低くなるよう傾斜することを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項2】
前記足首関節はロール方向に回転するロール回転軸部を有し、前記下腿リンクに独立して駆動する2本のロッドが設けられ、該2本のロッドの端部が前記ピッチ回転軸部及び前記ロール回転軸部と離間した部分にて前記足平に枢着されることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項3】
前記ピッチ回転軸部は、前記軸線を軸線とする軸と、該軸を受ける軸受とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の脚式移動ロボット。
【請求項4】
前記ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より前になるよう傾斜することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の脚式移動ロボット。

【図1】
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【図3】
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【図2】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−206875(P2011−206875A)
【公開日】平成23年10月20日(2011.10.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−75666(P2010−75666)
【出願日】平成22年3月29日(2010.3.29)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【Fターム(参考)】