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二足歩行ロボットとその歩行制御方法

国内特許コード P06A009728
整理番号 10859
掲載日 2007年3月2日
出願番号 特願2004-339737
公開番号 特開2006-142465
登録番号 特許第4707372号
出願日 平成16年11月25日(2004.11.25)
公開日 平成18年6月8日(2006.6.8)
登録日 平成23年3月25日(2011.3.25)
発明者
  • 浅野 文彦
  • 羅 志偉
出願人
  • 独立行政法人理化学研究所
発明の名称 二足歩行ロボットとその歩行制御方法
発明の概要

【課題】 シンプルな機構で平地歩行ができ、障害物回避や不整地歩行へも適応でき、ZMPの問題を本質的に回避して、従来と比較して大幅な歩行速度の向上が実現できる二足歩行ロボットとその歩行制御方法を提供する。
【解決手段】 歩行面1と接触して滑らない足部13を下端に有する1対の細長い脚12と、1対の脚を歩行方向に交互に揺動可能に連結する腰部14と、各脚の重心より上部を伸縮させる伸縮アクチュエータ16と、伸縮アクチュエータを制御する制御装置20とを備え、脚の一方を支持脚12a、他方を遊脚12bとして、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボット。制御装置20により、支持脚12aを伸びた状態で保持し、遊脚12bを支持脚よりも短く伸縮させて、パラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる。
【選択図】 図1

従来技術、競合技術の概要


膝関節のない二足歩行ロボットとして、非特許文献1の「2足型脚車輪移動システム」が広く知られている。この2足型脚車輪移動システムは、脚先に同軸の2輪を備えた2本の脚が、股関節により結合された4輪の脚車輪移動システムである。股関節は2本の脚を前後方向に送り、脚は脚先と股関節までの長さを変え脚の長さを伸縮できる。同軸の2輪間の距離は充分長く、重心をまたいでいるため左右方向のバランスは保たれ、どちらか一方の脚で立つことができる。
車輪を回したり脚構造を変えるためのモータの数は、脚関節の脚交叉用モータ1個、両脚の伸縮用モータ2個、両脚先の車輪回転用モータ2個の計5個である。それぞれのモータは角度センサとしてロータリエンコーダを内蔵している。また、両脚には傾斜角速度センサとしてレートジャイロが取り付けられている。



図13は、上述したシステムによって階段を昇る場合の1歩分のシーケンスを示す図である。また、全く逆の手順で降りることができる。このシーケンスを繰り返すことによって、連続した階段昇降を実現できる。このシステムは、片脚接地の場合に接地車輪軸の真上近辺で重心位置を巧みに移動し、3段を4歩で昇降する階段昇りを約13秒で実現している。



また、二足歩行ロボット(例えば図14に示すコンパス型ロボット)は、適当な初期値を与えることで、図15のように緩やかな下り斜面上をアクチュエータを用いることなく、受動的に歩行することができることが知られている。
非特許文献2、3の「二足歩行ロボット」は、このコンパス型ロボットの受動歩行メカニズムを規範として、進行方向に仮想重力場を想定し、その各質点への影響を関節トルクに等価変換することで、平地動歩行を実現するものである。さらにこれを発展させたエネルギー拘束制御や膝関節モデルへの拡張等が開示されている。



一方、膝関節を有する二足歩行ロボットは、広く知られており、例えば、特許文献1~5に開示されている。




【非特許文献1】「世界初!2足型脚車輪移動システムを開発」、通商産業省 工業技術院 機械技術研究所、2001年3月31日、インターネット<URL:http://www.mel.go.jp/soshiki/tokatsu/press/h10-9-25/H10-9-25.html>

【非特許文献2】浅野、羅、山北:“受動歩行を規範とした2 足ロボットの歩容生成と制御”、日本ロボット学会誌、Vol.22、No.1、pp.130-139、2004年1月

【非特許文献3】浅野、羅、山北:“可変仮想重力による歩容生成手法の統一と制御性能解析”、日本機械学会、ロボティクス・メカトロニクス講演会、2004年6月




【特許文献1】特開平9-94785号公報、「脚式歩行ロボットの歩容生成方法」

【特許文献2】特開2001-79788号公報、「歩行ロボットの歩容制御方法」

【特許文献3】特開2003-340763号公報、「2足歩行ロボットの階段昇降方法及び2足歩行ロボット」

【特許文献4】特開2004-114243号公報、「歩行ロボットの歩行歩容生成装置」

【特許文献5】特開2004-299035号公報、「脚式二足歩行ロボットの足および脚式二足歩行ロボット」

産業上の利用分野


本発明は、二足歩行ロボットとその歩行制御方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
歩行面と接触する足部を下端に有する1対の脚と、該1対の脚を歩行方向に交互に揺動可能に連結する腰部と、各脚を伸縮させる伸縮アクチュエータと、該伸縮アクチュエータを制御する制御装置とを備え、脚の一方を支持脚、他方を遊脚として、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットであって、
前記制御装置により、支持脚を伸びた状態で保持し、遊脚が鉛直方向を向く第1時点では遊脚の収縮動作が進行中となるようにし、第1時点の後、遊脚の揺動速度がゼロになる第2時点では遊脚の伸長動作が進行中となるようにして、パラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる、ことを特徴とする二足歩行ロボット。

【請求項2】
前記制御装置により、前記第2時点から遊脚が接地する第3時点までに、遊脚の長さを支持脚の長さまで伸ばす、ことを特徴とする請求項1に記載の二足歩行ロボット。

【請求項3】
前記伸縮アクチュエータの動力のみにより歩行する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の二足歩行ロボット。

【請求項4】
前記各脚の重心より上部に、前記伸縮アクチュエータと並列に伸縮に抗する弾性体を備える、ことを特徴とする請求項1、2または3に記載の二足歩行ロボット。

【請求項5】
前記足部は、歩行方向に凸曲面状の足裏を有する、ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の二足歩行ロボット。

【請求項6】
歩行面と接触する足部を下端に有する1対の脚と、該1対の脚を歩行方向に交互に揺動可能に連結する腰部と、各脚を伸縮させる伸縮アクチュエータと、該伸縮アクチュエータを制御する制御装置とを備え、脚の一方を支持脚、他方を遊脚として、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットの歩行制御方法であって、
支持脚を伸びた状態で保持し、遊脚が鉛直方向を向く第1時点では遊脚の収縮動作が進行中となるようにし、第1時点の後、遊脚の揺動速度がゼロになる第2時点では遊脚の伸長動作が進行中となるようにして、パラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる、ことを特徴とする二足歩行ロボットの歩行制御方法。

産業区分
  • その他運輸
  • 自動車
  • 省エネルギー
  • 工業用ロボット
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2004339737thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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