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発明の名称 跳躍ロボット
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−7798(P2007−7798A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−193274(P2005−193274)
出願日 平成17年7月1日(2005.7.1)
代理人 【識別番号】110000110
【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所
発明者 菅 敬介 / 但馬 竜介
要約 課題
跳躍をしなくても安定した状態で倒立を維持できる跳躍ロボットを提供する。

解決手段
脚リンク(24,26,30)を屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボット10であって、床に当接する平面状の足平16と、足平16と脚リンク(24,26,30)とを連結する足首関節(18,22)と、足首関節(18,22)の関節角を制御するアクチュエータ(19,21)を有する。
特許請求の範囲
【請求項1】
脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットであって、
床に当接する平面状の足平と、
足平と脚リンクとを連結する足首関節と、
足首関節の関節角を制御するアクチュエータと、を有する跳躍ロボット。
【請求項2】
爪先と、爪先と足平とを連結する爪先関節と、爪先関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有し、爪先関節のピッチ軸回りの関節角がアクチュエータによって制御されることを特徴とする請求項1に記載の跳躍ロボット。
【請求項3】
脚リンクに存在する1又は複数の関節と足首関節のうちの少なくとも1つの関節が、ピッチ軸回りの関節角とロール軸回りの関節角が可変となっており、それらの関節角を制御するアクチュエータをさらに有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の跳躍ロボット。
【請求項4】
基体と、基体と脚リンクの反足平側の端部を連結する股関節と、股関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有し、股関節は少なくともZ軸の回りの関節角がアクチュエータによって制御されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の跳躍ロボット。
【請求項5】
跳躍ロボットに存在する複数の関節であって、ピッチ軸の周りの関節角が可変となっている少なくとも1つの関節に、トルクアシスト手段が付加されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の跳躍ロボット。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットに関する。
【背景技術】
【0002】
脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットが開発されている(例えば、非特許文献1等)。従来の跳躍ロボットは、一本の脚リンクを有し、この脚リンクは上腿と膝関節と下腿から構成されている。膝関節の関節角はピッチ軸の回りに可変となっており、バネや空気圧アクチュエータによって上腿と下腿を屈伸運動させることができるようになっている。このロボットでは、いったん跳躍を開始させると、その後は空気圧アクチュエータが適切なタイミングで動作し、上腿と下腿の屈伸運動が継続される。これによって、跳躍ロボットは跳躍運動を継続することができる。
【非特許文献1】Raibert, M. H., 1984. Hopping in legged systems---Modeling and simulation for the 2D one-legged case. IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics 14:451-463.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、上述した従来の跳躍ロボットは、床と当接する部分に足平がなく、床と点もしくは点とみなせる状態で接触していた。このため、その場で静止することができず、常に跳躍し続けなければ安定して倒立状態を維持できないという問題を有していた。
本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、跳躍をしなくても安定した状態で倒立を維持できる跳躍ロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の跳躍ロボットは、脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットであって、床に当接する平面状の足平と、足平と脚リンクとを連結する足首関節と、足首関節の関節角を制御するアクチュエータと、を有する。
このロボットは、平面状の足平を有し、床と点ではなく平面で接触する。また、脚リンクと足平との角度(すなわち、足首関節の関節角)はアクチュエータによって制御され、足首関節の関節角を所望の角度に調整することができる。このため、このロボットは、跳躍をしなくても安定した状態で倒立することができ、その場で静止することができる。
【0005】
上記跳躍ロボットにおいては、爪先と、爪先と足平とを連結する爪先関節と、爪先関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有することができる。そして、爪先関節のピッチ軸回りの関節角がアクチュエータによって制御されることが好ましい。
このような構成によると、足平に対して爪先の角度(すなわち、爪先関節の関節角)を変えることができ、これによってロボットの重心位置を上下方向に変化させることができる。ロボットに跳躍運動を行わせるためには、ロボットの重心を大きな速度で上下方向に移動させる必要がある。足平に対して爪先の角度を変えてロボットの重心位置を上下方向に移動させることができると、他の関節角を調整するためのアクチュエータの負荷を軽減することができる。
【0006】
上記跳躍ロボットにおいては、脚リンクに存在する1又は複数の関節と足首関節のうちの少なくとも1つの関節が、ピッチ軸回りの関節角とロール軸回りの関節角が可変となっており、それらの関節角を制御するアクチュエータをさらに有していることが好ましい。
このような構成によると、ピッチ軸回りの関節角を調整することで跳躍ロボットを前後方向に跳躍させることができ、また、ロール軸回りの関節角を調整することで跳躍ロボットを左右方向に跳躍させることができる。
【0007】
上記跳躍ロボットにおいては、基体と、その基体と脚リンクの反足平側の端部を連結する股関節と、股関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有することができる。そして、股関節は少なくともZ軸の回りの関節角がアクチュエータによって制御されることが好ましい。
このような構成によると、Z軸の周りの関節角を調整することで跳躍ロボットを旋回させることができる。
【0008】
上記の跳躍ロボットにおいては、跳躍ロボットに存在する複数の関節であって、ピッチ軸の周りの関節角が可変となっている少なくとも1つの関節に、トルクアシスト手段が付加されていることが好ましい。トルクアシスト手段を付加することで、当該関節の関節角を制御するアクチュエータの負荷を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
本発明を具現化した一実施形態に係る一本足跳躍ロボット10について図面を参照して説明する。図6に示すように、一本足跳躍ロボット10は、基体40と股関節54と脚リンク52と足平部56によって構成されている。
図1〜5に示すように、基体40は平板状の部材であり、その上部にはコントローラ42が載置されている。コントローラ42は、一本足跳躍ロボット10の各関節の関節角を調整(すなわち、各関節の関節角を変えるモータを駆動)し、一本足跳躍ロボット10の並進方向の運動量と回転方向の運動量を制御する。
【0010】
図6に示すように、股関節54は基体40と脚リンク52を連結する。股関節54は、重力線z軸の回りの関節角を変えるヨー軸41と、ピッチ軸yの回りの関節角を変える股ピッチ軸38と、ロール軸xの回りの関節角を変える股ロール軸36を備えている。したがって、脚リンク52は、基体40に対してヨー軸、ピッチ軸及びロール軸回りに揺動可能となっている。
図1〜5に示すように、股ピッチ軸38には駆動ベルト34を介してモータ32が接続されている。モータ32が回転すると股ピッチ軸38も回転し、これによって股関節54のピッチ軸回りの関節角が調整される。股ロール軸36にも駆動ベルト37を介してモータ39が接続されている。モータ39が回転すると股ロール軸36も回転し、これによって股関節54のロール軸回りの関節角が調整される。ヨー軸41の回転角(すなわち、股関節54のヨー軸回りの関節角)も図示しないモータによって調整される。
【0011】
図6に示すように、脚リンク52は、上腿30と下腿24を備えており、両者は膝関節(膝ピッチ軸26)によって揺動可能に連結されている。図1〜5に示すように、膝ピッチ軸26は駆動ベルト29によってモータ27に接続されている。モータ27が回転すると、その回転が駆動ベルト29を介して膝ピッチ軸26に伝達され、上腿30に対する下腿24のピッチ軸回りの角度が変化する。
図1,4に示すように、膝ピッチ軸26には渦巻きバネ28が取付けられている。図8に示すように、渦巻きバネ28の一端には、膝ピッチ軸26の差込穴に差し込まれる差込部28bが形成され、他端には上腿30に固定される固定部28aが形成されている。固定部28aが上腿30に固定され、差込部28bが膝ピッチ軸26の差込穴に差し込まれると、渦巻きバネ28は、膝関節が曲がった状態(図5に示す状態)から膝関節が伸びた状態(図3に示す状態)となるように膝ピッチ軸26を付勢する。
【0012】
図6に示すように、足平部56は、足首関節58と足平16と爪先関節(爪先ピッチ軸14)と爪先12を備えている。足首関節58は下腿24と足平16を連結する。足首関節58は、ピッチ軸の回りの関節角を変える足首ピッチ軸18と、ロール軸の回りの関節角を変える足首ロール軸20を備えている。
図1〜5に示すように、足首ピッチ軸18には駆動ベルト23を介してモータ21が接続されている。モータ21が回転すると足首ピッチ軸18が回転し、足首ピッチ軸18の回転角(足首関節58のピッチ軸回りの関節角)が変化する。足首ロール軸20には駆動ベルト17を介してモータ19が接続されている。モータ19が回転すると足首ロール軸20も回転し、足首ロール軸20の回転角(足首関節58のロール軸回りの関節角)が変化する。
図1,4,7に示すように、足首ピッチ軸18にも渦巻きバネ22が取付けられている。渦巻きバネ22は、膝ピッチ軸26に取付けられた渦巻きバネ28と同一部材である(図8参照)。渦巻きバネ22の固定部22aは下腿24に固定され、渦巻きバネ22の差込部22bは足首ピッチ軸18の差込穴に差し込まれる。この状態では、渦巻きバネ22は、足首関節58が曲がった状態(図5に示す状態)から足首関節が伸びた状態(図3に示す状態)となるように足首ピッチ軸18を付勢する。
【0013】
足平16は平板状の部材であり、その裏面が床に当接する。足平16の面積は充分に大きく、一本足跳躍ロボット10は跳躍しなくても倒立した状態を維持することができる。
足平16の先端には爪先12が設けられており、足平16と爪先12は爪先関節(爪先ピッチ軸14)によって揺動可能に連結されている。爪先関節の関節角(すなわち、爪先ピッチ軸14の回転角)は図示しないモータによって調整される。これによって、足平16に対する爪先12の揺動角度が調整される。爪先12も平板状の部材であり、その裏面が床に当接する。
【0014】
上述した一本足跳躍ロボット10に跳躍運動を行わせる場合、一本足跳躍ロボット10の各関節角を変化させなければならない。このために、本実施形態では、跳躍運動を指定する目標軌道データが用いられる。目標軌道データは、一本足跳躍ロボット10の初期重心下げ量、重心ジャンプ高さ、重心ジャンプ時間、接地時間、前後方向移動量、左右方向移動量及び旋回方向の移動量を指定する。
目標軌道データが作成されると、その目標軌道データはコントローラ42に入力される。コントローラ42は、目標軌道データに従って各関節の関節角を調整し、一本足跳躍ロボット10に所望の跳躍運動を行わせる。図9は一本足跳躍ロボット10が跳躍運動を行うときのコントローラ42の処理手順を示すフローチャートである。
図9に示すように、コントローラ42は、まず、目標軌道データに従って一本足跳躍ロボット10の重心を移動させる位置を計算する(S10)。すなわち、コントローラ42は、各関節の関節角から一本足跳躍ロボット10の姿勢を算出し、その算出された姿勢から現在の重心位置を計算する。そして、目標軌道データで指定された跳躍運動が行われるように、一本足跳躍ロボット10の重心を移動させる位置を計算する。例えば、一本足跳躍ロボット10を前後方向に跳躍させる場合、その重心を上下方向に移動させると共に前後方向にも移動させる。また、一本足跳躍ロボット10を左右方向に跳躍させる場合、その重心を上下方向に移動させると共に左右方向にも移動させる。
一本足跳躍ロボット10の重心を移動させる位置が計算されると、次に、コントローラ42は一本足跳躍ロボット10の各関節の関節角を計算する(S12)。具体的には、コントローラ42は、一本足跳躍ロボット10の重心がステップS10で計算された位置となるように各関節の関節角を計算する。
各関節の関節角が計算されると、コントローラ42は各モータを駆動して、各関節の関節角がステップS12で計算された関節角となるように調整する(S14)。ステップS14の処理が終了すると、ステップS10に戻ってステップS10からの処理を繰り返す。以上の処理によって、一本足跳躍ロボット10は指定された跳躍運動を行うこととなる。
【0015】
ここで、上述した一本足跳躍ロボット10は、図1〜4に示すように足平16及び爪先12の裏面で床に当接し、足平16及び爪先12は充分な大きさの面積を有している。このため、一本足跳躍ロボット10は、跳躍運動をしなくても倒立している状態を維持することができる(すなわち、静止することができる)。
また、一本足跳躍ロボット10の足首関節58は、ピッチ軸回りの関節角を変えることができる。このため、床(足平16)に対して一本足跳躍ロボット10のジャンプする方向を斜め前方又は斜め後方に変えることができる。これによって、一本足跳躍ロボット10は跳躍しながら前後方向に移動することができる。同様に、一本足跳躍ロボット10の足首関節58は、ロール軸回りの関節角を変えることができる。このため、一本足跳躍ロボット10は、跳躍しながら左右方向に移動することができる。
さらに、一本足跳躍ロボット10の股関節54はヨー軸回りの関節角を変えることができる。このため、一本足跳躍ロボット10に旋回方向の運動量を与えることができ、一本足跳躍ロボット10に旋回運動をさせることができる。
【0016】
なお、上述した一本足跳躍ロボット10は、足平16の先端に爪先12を設け、足平16に対する爪先12のピッチ軸回りの関節角を変えることができる。足平16に対する爪先12のピッチ軸回りの関節角を変えることができると、一本足跳躍ロボット10の重心位置を変更することができる。このため、一本足跳躍ロボット10の各関節角(特に、股関節及び膝関節)を変化させるモータの負担を軽減することができる。
すなわち、一本足跳躍ロボットが爪先自由度を有しない場合、図11に示すように、重心位置の上下方向の移動は、膝の屈伸運動によってのみ行われる。図から明らかなように、膝が伸びるに応じて((a)→(d))、膝の回転速度に対する重心位置の移動が小さくなる。一本足跳躍ロボットを跳躍させるためには、重心位置を所定の速度で移動させなければならず、このためには、股関節及び膝関節の回転速度を非常に大きくしなければならない。
一方、上述した一本足跳躍ロボット10のように爪先自由度を有すると、図12に示すように、膝が伸びた状態でも((b)〜(d))、爪先12に対して足平16をピッチ軸の回りに回転させることで、重心の上下動を容易に行うことができる。このため、股関節及び膝関節の回転速度を大幅に低減することができる。
【0017】
また、一本足跳躍ロボット10の膝ピッチ軸26と足首ピッチ軸18のそれぞれに渦巻きバネ22,28が取付けられている。このため、跳躍時にモータ21,27に作用する負荷が軽減され、一本足跳躍ロボット10はより高くジャンプすることができる。
【0018】
上述した説明から明らかなように、本実施形態の一本足跳躍ロボット10は、一本足跳躍ロボット10の並進運動量と回転運動量を操作することができるため、跳躍をしながら前後・左右方向に移動及び旋回運動を行うことができる。
また、足平16に爪先12を設け、また、膝関節及び足首関節に渦巻きバネを取付けることで、一本足跳躍ロボット10の各関節の関節角を変えるモータの負荷を低減している。これによって、モータパワが不要となり、より小型のモータを使用することができる。
【0019】
以上、本発明の好適ないくつかの実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、上述した実施形態は、本発明を一本足跳躍ロボットに適用した例であったが、本発明は一本足跳躍ロボットに限定されず、複数本の脚リンクを有する跳躍ロボット(例えば、跳躍が可能な2足歩行型ロボット)にも適用することができる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本実施形態に係る一本足跳躍ロボットの斜視図。
【図2】同正面図。
【図3】同右側面図(膝を伸ばした状態)。
【図4】同左側面図。
【図5】同右側面図(膝を曲げた状態)。
【図6】一本足跳躍ロボットの機械的構成を模式的に示す図。
【図7】一本足跳躍ロボットの足首の部分を拡大して示す図。
【図8】足首ピッチ軸に取付けられる渦巻きバネの正面図と側面図。
【図9】一本足ロボットが跳躍運動を行うときにコントローラで行われる処理を示すフローチャート。
【図10】本実施形態の一本足跳躍ロボットが跳躍するときの脚の状態の変化を模式的に示す図。
【図11】爪先自由度を有しない一本足跳躍ロボットが跳躍するときの脚の状態の変化を模式的に示す図。
【符号の説明】
【0021】
10:一本足跳躍ロボット
12:爪先
14:爪先ピッチ軸
16:足平
17:駆動ベルト
18:足首ピッチ軸
19:モータ
20:足首ロール軸
21:モータ
22:渦巻きバネ
23:駆動ベルト
24:下腿
26:膝ピッチ軸
27:モータ
28:渦巻きバネ
29;駆動ベルト
30:上腿
32:モータ
34:駆動ベルト
36:股ロール軸
38:股ピッチ軸
39:モータ
40:基体
41:ヨー軸
42:コントローラ
52:脚リンク
54:股関節
56:足平部




 

 


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