特開 2023-172063 ホッピング走行ロボット及びホッピング走行ロボット設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023172063

(43)【公開日】2023-12-06

(54)【発明の名称】ホッピング走行ロボット及びホッピング走行ロボット設計方法

(51)【国際特許分類】

   B25J 5/00 20060101AFI20231129BHJP

【ＦＩ】

B25J5/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022083617

(22)【出願日】2022-05-23

(71)【出願人】

【識別番号】597065329

【氏名又は名称】学校法人 龍谷大学

(74)【代理人】

【識別番号】100121337

【弁理士】

【氏名又は名称】藤河 恒生

(72)【発明者】

【氏名】永瀬 純也

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707CS08

3C707HS27

3C707HT36

3C707MT07

3C707WA12

3C707WM04

(57)【要約】

【課題】移動速度の調整が可能なホッピング走行ロボットを提供する。
【解決手段】このホッピング走行ロボット１は、胴体部２と、関節部３１において胴体部２に上端部が回動可能に接続され、変形量に応じた復元力を有する脚バネ体３２と脚バネ体３２のバネ定数を調整するバネ定数調整器３３が設けられた脚部３と、胴体部２と脚部３の間に接続され、関節部２１、３１を中心とした胴体部２と脚部３の間の角度に応じた復元力を有する関節バネ体４と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

胴体部と、
関節部において前記胴体部に上端部が回動可能に接続され、変形量に応じた復元力を有する脚バネ体と該脚バネ体のバネ定数を調整するバネ定数調整器が設けられた脚部と、
前記胴体部と前記脚部の間に接続され、前記関節部を中心とした前記胴体部と前記脚部の間の角度に応じた復元力を有する関節バネ体と、
を備えるホッピング走行ロボット。

【請求項2】

請求項１に記載のホッピング走行ロボットにおいて、
前記脚部は１脚のみ又は同時に変形される複数脚であるホッピング走行ロボット。

【請求項3】

胴体部と、関節部において前記胴体部に上端部が回動可能に接続され、変形量に応じた復元力を有する脚バネ体が設けられた脚部と、前記胴体部と前記脚部の間に接続され、前記関節部を中心とした前記胴体部と前記脚部の間の角度に応じた復元力を有する関節バネ体と、を備えるホッピング走行ロボットのモデルがコンピュータ内に記憶されており、
該モデルによるシミュレーションに基づいて前記脚バネ体のバネ定数と移動速度の相関関係を得ることで、所望の移動速度を実現するホッピング走行ロボットの設計を行うホッピング走行ロボット設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ホッピング走行ロボット及びホッピング走行ロボット設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

今日、脚を有しそれでもって移動するロボットの中で最も広く知られているのは、センサとアクチュエータと電子制御装置を備え、電子制御装置がセンサの検知情報に基づいてアクチュエータをフィードバック制御することにより、脚を動作させ移動を継続するものである（例えば、特許文献１など）。これに対し、センサと電子制御装置とアクチュエータによりフィードバック制御せずとも移動を継続できる受動歩行ロボット（例えば、特許文献２など）及び受動走行ロボット（例えば、特許文献３など）が提案されている。このような受動歩行ロボット及び受動走行ロボットは、適切に設計して安定なリミットサイクルを発現させることによって移動を継続することが可能である。安定なリミットサイクルとは、移動の状態の継続的な遷移からなる閉じた軌道であり、仮にその軌道の近傍に何らかの摂動により離れたとしても再び閉じた軌道に収束する現象（引き込み現象）を起こすものである。

【0003】

特許文献２には、脚の関節に一定トルクを入力して平衡点を生成したり、脚の着地位置をストッパにより一定にして平衡点を大域的に安定化したり、脚の着地位置を平衡点と現在の状態量の偏差に応じて変化させて平衡点を局所的に安定化したりする受動歩行ロボット（脚式移動体）が開示されている。

【0004】

特許文献３には、カンガルーなどの動物のようにホッピングにより受動走行するホッピング走行ロボット（１脚式受動走行ロボット及び多脚式受動走行ロボット）が開示されている。このホッピング走行ロボットは、胴体部、それに回動可能に接続された脚部、胴体部と脚部の間の角度に応じた復元力を有する関節バネ体（第１バネ体）、脚部において変形量に応じた復元力を有する脚バネ体（第２バネ体）、が設けられている。特許文献３には、ホッピング走行ロボットが空中に有る状態、着地時、地面に接している状態、を繰り返すことで、ホッピングによる受動走行を継続することが可能であり、下りの走行では、空気抵抗や地面との摩擦等によりエネルギーを損失しても、位置エネルギー（又は重力）によって補填して、走行を継続することが可能であることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平５－３３７８４９号公報

【特許文献2】国際公開ＷＯ２００６／１３２３３０号公報

【特許文献3】特開２０１９－２０９４１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

このようなホッピング走行ロボットのホッピングによる受動走行は、受動歩行に比べ、早い速度での移動が期待される。しかしながら、特許文献３のホッピング走行ロボットは、移動速度の調整については開示されていない。

【0007】

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動速度の調整が可能なホッピング走行ロボットを提供することにあり、また、所望の移動速度を実現するホッピング走行ロボットの設計が可能なホッピング走行ロボット設計方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、請求項１に記載のホッピング走行ロボットは、胴体部と、関節部において前記胴体部に上端部が回動可能に接続され、変形量に応じた復元力を有する脚バネ体と該脚バネ体のバネ定数を調整するバネ定数調整器が設けられた脚部と、前記胴体部と前記脚部の間に接続され、前記関節部を中心とした前記胴体部と前記脚部の間の角度に応じた復元力を有する関節バネ体と、を備える。

【0009】

請求項２に記載のホッピング走行ロボットは、請求項１に記載のホッピング走行ロボットにおいて、前記脚部は１脚のみ又は同時に変形される複数脚である。

【0010】

請求項３に記載のホッピング走行ロボット設計方法は、胴体部と、関節部において前記胴体部に上端部が回動可能に接続され、変形量に応じた復元力を有する脚バネ体が設けられた脚部と、前記胴体部と前記脚部の間に接続され、前記関節部を中心とした前記胴体部と前記脚部の間の角度に応じた復元力を有する関節バネ体と、を備えるホッピング走行ロボットのモデルがコンピュータ内に記憶されており、該モデルによるシミュレーションに基づいて前記脚バネ体のバネ定数と移動速度の相関関係を得ることで、所望の移動速度を実現するホッピング走行ロボットの設計を行う。

【発明の効果】

【0011】

本発明のホッピング走行ロボットによれば、移動速度の調整が可能となる。また、本発明のホッピング走行ロボット設計方法によれば、所望の移動速度を実現するホッピング走行ロボットの設計が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係るホッピング走行ロボットの例の外観を示すものであって、（ａ）が左側面図、（ｂ）が正面図である。

【図2】同上のホッピング走行ロボットの例の図１（ｂ）に示すＡ－Ａで示す線で切断した左側面視断面図である。

【図3】同上のホッピング走行ロボットのモデルを下りの地面とともに示す模式図である。

【図4】同上のホッピング走行ロボットのモデルが下りの地面を走行する様子を示す模式図である。

【図5】同上のホッピング走行ロボットのモデルが段差の有る下りの地面を走行する様子を示す模式図である。

【図6A】同上のホッピング走行ロボットのモデルが段差の有る下りの地面を走行する場合のシミュレーション結果であって、地面の垂線からの脚部の角度の変化を示すものである。

【図6B】図６Ａと同じ場合のシミュレーション結果であって、地面の垂線からの脚部の角度の変化速度の変化を示すものである。

【図6C】図６Ａと同じ場合のシミュレーション結果であって、脚部の長さの変化速度の変化を示すものである。

【図7】同上のホッピング走行ロボットのモデルが下りの地面を走行する途中で脚バネ体のバネ定数が変化させられた場合のシミュレーション結果であって、モデルの移動速度の変化を示すものである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係るホッピング走行ロボット１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように胴体部２と脚部３と関節バネ体４を備えるものである。

【0014】

胴体部２は、関節部２１を有している。図１（ａ）、（ｂ）では、関節部２１は、胴体部２のその他の部分に固定された円柱形状（シャフト形状）をしている。また、胴体部２は、様々な形状及び構造が可能である。図１（ａ）、（ｂ）では単純な形状のものを示しているが、例えば、人体の頭部、首部、腕部に対応する部分を設けることも可能である。

【0015】

脚部３は、関節部３１において胴体部２に上端部が回動可能に接続されている。具体的には、関節部３１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、２個に別れて円柱形状の関節部２１を囲んで設けられるようにできる。

【0016】

脚部３は、脚バネ体３２とバネ定数調整器３３が設けられている。脚バネ体３２は、変形量に応じた復元力を有する。バネ定数調整器３３は、脚バネ体３２のバネ定数Ｋ_Ｌを調整する。脚バネ体３２は、上脚部３４と下脚部３５の間に設けることが可能である。

【0017】

バネ定数調整器３３は、様々な方式で脚バネ体３２のバネ定数Ｋ_Ｌを調整することが可能であるが、例えば、図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示すように、脚バネ体３２のバネの有効巻数Ｎ_Ｌを調整するようにできる。バネ定数Ｋ_Ｌは、有効巻数Ｎ_Ｌに反比例する。

【0018】

ここでは、螺旋状の突起３３ａａを外周面に有し雌ネジ部３３ａｂを中心部に有するバネ有効巻数調整部材３３ａが用いられている。螺旋状の突起３３ａａのピッチと雌ネジ部３３ａｂのピッチは、脚バネ体３２のバネのピッチと略一致している。突起３３ａａはバネ線の間に位置しバネの伸縮を妨げるので、突起３３ａよりも下側のバネが脚バネ体３２の有効巻数Ｎ_Ｌとなる。バネ有効巻数調整部材３３ａは、下脚部３５に固定され上方に突出した雄ネジ部３５ａに対して回動して上下に移動することで突起３３ａａが移動し、有効巻数Ｎ_Ｌが変わる。例えば、バネ有効巻数調整部材３３ａが上方に移動すると、有効巻数Ｎ_Ｌは増加しバネ定数Ｋ_Ｌは減少する。バネ有効巻数調整部材３３ａが下方に移動すると、有効巻数Ｎ_Ｌは減少しバネ定数Ｋ_Ｌは増加する。

【0019】

バネ有効巻数調整部材３３ａを回動させて上下に移動させるには、モータなどを用いたり或いは手動で行ったりすることができる。例えば、図２に示すように、ステッピングモータ等のモータ３３ｂとそれを制御するコントローラ３３ｃを設け、バネ有効巻数調整部材３３ａがモータ３３ｂのロータから回動の力を受けつつロータに対して自在にスライド可能なように結合させるようにできる。そのためには、例えば、モータ３３ｂのロータ（又はそれに固定された部材）の外側面の軸方向に直線状の１個又は複数個の凹部又は凸部を設け、バネ有効巻数調整部材３３ａの内側面の軸方向に直線状の１個又は複数個の凸部又は凹部を設け、凹部に凸部を入れ込むようにすることができる。

【0020】

脚部３は、下脚部３５の下端面（足裏に相当する面）３５ｂを前後方向に滑らかに曲がる曲面とすることができる。この曲面は、球冠状の曲面とすることも可能である。

【0021】

なお、脚部３は、具体的な形状及び構造が特に限定されるものではない。また、脚部３は、１脚のみならず２脚以上の複数脚にしてそれらが同時に変形されて同じタイミングでホッピング動作するようにできる。

【0022】

関節バネ体４は、胴体部２と脚部３の間に接続されている。関節バネ体４は、胴体部２と脚部３の関節部２１、３１を中心とした胴体部２と脚部３の間の角度に応じた復元力を有する。胴体部２と脚部３が静止した自然体のときには、関節バネ体４には復元力は発生しない。

【0023】

関節バネ体４は、具体的には、線形ねじりバネとすることができる。図１（ａ）、（ｂ）の例では、２個の関節バネ体４が円柱状の関節部２１に巻かれて設けられている。２個の関節バネ体４の各々は、一端部４ａが胴体部２に接続され他端部４ｂが脚部３に接続されている（図１（ａ）参照）。２個の関節バネ体４は、巻き込む方向を互いに異ならせることができる。

【0024】

このようなホッピング走行ロボット１は、ホッピングにより受動走行する。フィードバック制御せずとも走行が可能である。ホッピング走行ロボット１は、バネ定数調整器３３により脚バネ体３２のバネ定数Ｋ_Ｌが調整でき、脚バネ体３２のバネ定数Ｋ_Ｌの調整により、後のシミュレーションで示すように、移動速度の調整が可能となる。

【0025】

ホッピング走行ロボット１は、以下に述べるホッピング走行ロボット設計方法によって設計が可能である。ホッピング走行ロボット設計方法は、ホッピング走行ロボット１を簡略化（モデル化）したモデル１０がコンピュータ内に記憶されており、このモデル１０によるコンピュータ内でのシミュレーションに基づいて設計を行うものである。

【0026】

先ず、図３に示すように、モデル１０が下りの地面Ｇの上を走行する状況を考える。

【0027】

モデル１０は、胴体部２と脚部３と関節バネ体４を備え、胴体部２が関節部２１を有し、脚部３が関節部３１と脚バネ体３２と上脚部３４と下脚部３５を有する。ここで、関節部２１と関節部３１は一致し、胴体部２の重心と脚部３の重心はともに関節部２１（３１）に位置するものとする。胴体部２は姿勢が変わらない（換言すれば、慣性モーメントが無限大）とする。脚バネ体３２、関節バネ体４、下脚部３５は無質量とする。下脚部３５の下端面３５ｂ（図３以下では図示せず）と地面Ｇの間では、滑りは発生しないものとする。また、下脚部３５の下端面３５ｂが地面Ｇに着地するときの衝突は、非弾性衝突とする。

【0028】

モデル１０は、胴体部２と脚部３を含めた全重量をＭ、脚部３の長さｒ（図３参照）の自然長（脚バネ体３２が変形していないときの長さ）をｒ_０、脚部３の慣性モーメントをＪ_Ｌ、関節バネ体４のバネ定数をＫ_Ｈ、脚バネ体３２のバネ減衰係数をＣ_Ｌとする。脚バネ体３２のバネ定数は、上記と同様にＫ_Ｌである。また 地面Ｇのスロープ角をα、地面Ｇの垂線からの脚部３の角度をθ、関節部２１（３１）の水平方向の位置をｘ、関節部２１（３１）の鉛直方向の位置をｙとする。

【0029】

モデル１０の走行は、図４に示すように、着地時（ｔｏｕｃｈｄｏｗｎ ｐｈａｓｅ）（図中、符号ａで示す）、立脚時（ｓｔａｎｃｅ ｐｈａｓｅ）（図中、符号ｂで示す）、離陸時（ｌｉｆｔ－ｏｆｆ ｐｈａｓｅ）（図中、符号ｃで示す）、遊脚時（ｆｌｉｇｈｔ ｐｈａｓｅ）（図中、符号ｄで示す）で構成される。着地時は、モデル１０が地面Ｇに着地する瞬間である。立脚時は、モデル１０の着地直後から離陸直前までの期間である。離陸時は、モデル１０の下端面３５ｂが地面Ｇを離れる瞬間である。モデル１０は、脚部３における脚バネ体３２の変形量に応じた復元力、つまり弾性力を用いて、立脚時の状態から離陸時の状態に遷移することになる。遊脚時は、モデル１０の離陸直後から着地直前までの期間である。なお、図４においては、モデル１０が右方向に走行している状態を示しており、着地時、立脚時、離陸時、遊脚時の状態を重ねて示している。

【0030】

着地時においては、着地直前と着地直後との間の脚部３の長さ方向の運動量保存則及び接地点まわりの全角運動量保存則より、着地直後の状態（添え字の^＋で示す）と着地直前の状態（添え字の^－で示す。）は、θ、ｒの変化速度（各文字の頭上の^・で示す）を用いて、下記（式１）、（式２）に示す関係式で表すことができる。

【0031】

（式１）、（式２）の関係式で表された着地時の状態の後は、立脚時の状態となる。立脚時においては、θ、ｒの変化速度（各文字の頭上の^・で示す）及び変化加速度（各文字の頭上の^・・で示す）を用いて、下記（式３）、（式４）に示す関係式で表すことができる。なお、ｇは重力加速度である。

【0032】

（式３）及び（式４）の関係式で表された立脚時の状態の後は、離陸時の状態となる。離陸時においては、離陸直前と離陸直後との間の脚部３の長さ方向の運動量保存則及び接地点まわりの全角運動量保存則より、離陸直後の状態（添え字の^＋で示す）と離陸直前の状態（添え字の^－で示す。）は、θ、ｘ、ｙ及びそれらの変化速度（各文字の頭上の^・で示す）を用いて、下記（式５）～（式１０）に示す関係式で表すことができる。

【0033】

（式５）～（式１０）の関係式で表された離陸時の状態の後は、遊脚時の状態となる。
空中に有る状態は、θ、ｘ、ｙの変化加速度（各文字の頭上の^・・で示す）を用いて、下記（式１１）～（式１３）に示す関係式で表す。

【0034】

以上説明した着地時、立脚時、離陸時、遊脚時の関係式(式１)～（式１３）を満たす特定の物理パラメータ（Ｍ、ｒ_０、Ｊ_Ｌ、Ｋ_Ｌ、Ｃ_Ｌ、Ｋ_Ｈ）により、安定なリミットサイクル（閉じた軌道）が発現するようにできる。

【0035】

例えば、Ｍ＝１７ｋｇ、ｒ_０＝０．２５ｍ、Ｊ_Ｌ＝０．３２ｋｇ・ｍ^２、Ｋ_Ｌ＝１５０００Ｎ／ｍ、Ｃ_Ｌ＝１０Ｎ・ｓ／ｍ、Ｋ_Ｈ＝５Ｎｍ／ｒａｄとすると、図５に示すように下りの地面Ｇに段差Ｈを設けることでモデル１０に走行時の摂動を与えた場合でも、図６Ａ～図６Ｃに示すように再び安定な軌道に収束する。なお、α＝０．０７ｒａｄ、Ｈ／ｒ_０＝０．４としている。初期条件としては、着地直後におけるθ、θの変化速度、ｒの変化速度をそれぞれ、０．２０３９ｒａｄ、－１．４３２２ｒａｄ／ｓ、－４．４００７ｍ／ｓとしている。

【0036】

モデル１０は、４歩目が終わった後に段差Ｈを超える。図６Ａ～図６Ｃの横軸は、歩数（Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｓｔｅｐｓ）である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃの縦軸はそれぞれ、着地直後におけるθ、θの変化速度、ｒの変化速度である。図６Ａ～図６Ｃより、モデル１０は、２３歩目くらいからは４歩目以前の状態に戻って走行していることが分かる。

【0037】

次に、脚バネ体３２のバネ定数Ｋ_Ｌが走行途中で変化させられた場合のシミュレーション結果を図７に示す。ここでは、Ｍ＝１７ｋｇ、ｒ_０＝０．２５ｍ、Ｊ_Ｌ＝０．４ｋｇ・ｍ^２、初期のＫ_Ｌ＝２５０００Ｎ／ｍ、Ｃ_Ｌ＝６Ｎ・ｓ／ｍ、Ｋ_Ｈ＝２．５Ｎｍ／ｒａｄとし、α＝０．０５ｒａｄとしている。初期条件としては、着地直後におけるθ、θの変化速度、ｒの変化速度をそれぞれ、０．１３７８ｒａｄ、－１．２１６８ｒａｄ／ｓ、－６．５４１３ｍ／ｓとしている。

【0038】

モデル１０は、図７に示すように、９歩目から２０歩目まで徐々にバネ定数Ｋ_Ｌ（図７中の曲線ｅ）が上げられ、それに伴い、モデル１０の移動速度（ｘの変化速度）（図７中の曲線ｆ）は、２７歩目くらいから安定し、かつ、初期状態よりも低くなっている。また、４５歩目から５６歩目まで徐々にバネ定数Ｋ_Ｌが元の状態に下げられ、それに伴い、モデル１０の移動速度（ｘの変化速度）は、７５歩目くらいから安定し、かつ、初期状態と等しくなっている。

【0039】

このように、モデル１０によるシミュレーションに基づいてバネ定数Ｋ_Ｌと移動速度の相関関係を得ることで、所望の移動速度を実現するホッピング走行ロボット１の設計が可能になる。

【0040】

以上、本発明の実施形態に係るホッピング走行ロボット及びホッピング走行ロボット設計方法について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。

【符号の説明】

【0041】

１ ホッピング走行ロボット
１０ モデル
２ 胴体部
２１ 胴体部の関節部
３ 脚部
３１ 脚部の関節部
３２ 脚バネ体
３３ バネ定数調整器
３３ａ バネ有効巻数調整部材
３３ａａ バネ有効巻数調整部材の突起
３３ａｂ バネ有効巻数調整部材の雌ネジ部
３３ｂ モータ
３３ｃ コントローラ
３４ 上脚部
３５ 下脚部
３５ａ 下脚部に固定された雄ネジ部
３５ｂ 下脚部の下端面
４ 関節バネ体
４ａ 関節バネ体の一端部
４ｂ 関節バネ体の他端部
Ｇ 地面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】