JP2001239478A - 脚式移動ロボット及び脚式移動ロボットのための可動脚ユニット連結構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脚式移動ロボットの胴体ユニットと可動脚と
を連結する関節部分の優れた構造を提供する。 【解決手段】 股関節のアクチュエータをすべて可動脚
から外すことができるので、脚部ユニットを軽量化で
き、脚部におけるモーメントを低下させることができ
る。アクチュエータのような重量物を胴体中心付近に集
中するので、ロボットのモデルを単純化して、ロボット
の動作制御を簡素化することができる。また、股関節ア
クチュエータのための電源線や制御線などのハーネスが
股関節を通過させなくて済み、ハーネスの引き回しが容
易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体のメカニズム
や動作を模した構造を有するリアリスティックなロボッ
トの構造に係り、特に、イヌやヒトなどの歩行型の身体
メカニズムを模した脚式移動ロボットの構造に関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、胴体ユニットと
複数の可動脚ユニットからなる脚式移動ロボットの構造
に係り、特に、脚式移動ロボットの胴体ユニットと可動
脚ユニットとを連結する関節部分の構造に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴ
Ａ(奴隷機械)に由来すると言われている。わが国では、
ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からである
が、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人
化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなど
の産業用ロボット（industrial robot）であった。

【０００４】最近では、イヌやネコのように４足歩行の
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う
動物の身体メカニズムや動作を模した「人間形」若しく
は「人間型」のロボットなど、各種の脚式移動ロボット
が出現し、その安定歩行制御に関する研究開発が進展
し、実用化への期待も高まってきている。これら脚式移
動ロボットは、クローラ式ロボットに比し不安定で姿勢
制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の
乗り越え等、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという
点で優れている。

【０００５】アーム式ロボットのように、ある特定の場
所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、
部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間で
のみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業
空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を
自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行
したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わ
る種々のサービスを提供することができる。

【０００６】人間型ロボット又はペット型ロボットのよ
うな脚式移動ロボットは、ヒト又はイヌなどの生体メカ
ニズムをモデルにしてデザインされる。例えば、現実の
脊椎動物が持つ関節自由度は、アクチュエータによって
表現され、骨格は各隣接アクチュエータ間を連結するフ
レームによって表現される。

【０００７】図１には、イヌなどの４足歩行を行う脚式
移動ロボットの構成を模式的に図解している。同図に示
すように、脚式移動ロボットは、胴体フレームの前後各
縁端の左右に、それぞれ可動脚ユニットが取り付けられ
ている。

【０００８】各可動脚ユニットは、胴体フレームと連結
する股関節と、大腿フレームと、下腿フレームと、大腿
及び下腿フレーム間を連結する膝関節と、足平とで構成
される。

【０００９】膝関節は、大腿フレーム及び下腿フレーム
による屈伸運動により前後方向（すなわちロール軸方
向）の動きを実現するために、通常はピッチ軸まわりの
回転自由度を備えている。図１に示す例では、膝関節ピ
ッチ軸アクチュエータによってこの回転自由度が与えら
れている。

【００１０】また、股関節は、可動脚ユニットによる前
後方向の歩行動作及び開脚動作を実現するために、通常
は、ロール軸及びピッチ軸双方の軸回りの回転自由度を
備えている。図１に示す例では、股関節ロール軸アクチ
ュエータ及び股関節ピッチ軸アクチュエータによってこ
れらの２種類の回転自由度が与えられている。

【００１１】ところで、股関節のように単一の関節に対
して２軸の回転自由度を与えた場合、図１に示すような
従来例では、股関節ピッチ軸アクチュエータは胴体ユニ
ット側に搭載され、股関節ロール軸アクチュエータは可
動脚ユニット側に搭載されている。

【００１２】図１に示す例では、股関節ピッチ軸アクチ
ュエータの回転シャフトが股関節ロール軸アクチュエー
タ本体（ステータ）を支持するような装置構造となって
いる。したがって、股関節ピッチ軸アクチュエータを回
転させると、これに連動して股関節ロール軸アクチュエ
ータ本体が回転してしまうことになる。

【００１３】このような場合、股関節ピッチ軸アクチュ
エータは、大腿及び下腿フレーム、膝関節、足平だけで
なく、股関節ロール軸アクチュエータまで駆動させなけ
ればならない。アクチュエータはロボットの構成部品の
中では重量物であり、股関節ロール軸アクチュエータの
分だけ股関節ピッチ軸アクチュエータを高出力トルクに
設定しなければならず、消費電力が増大してしまうとと
もに、装置コストが高くなる。

【００１４】また、股関節ロール軸アクチュエータの胴
体ユニットに対する相対位置や姿勢が変動するので、可
動脚の位置制御も難しくなってしまう。

【００１５】また、股関節ロール軸アクチュエータに対
する電源線や制御線などのハーネスが関節部分を通過す
るので、ハーネスの引き回しすなわち配線設計も複雑に
なってしまう。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、イヌ
やヒトなどの歩行型の身体メカニズムを模した脚式移動
ロボットの優れた構造を提供することにある。

【００１７】本発明の更なる目的は、胴体ユニットと複
数の可動脚ユニットからなる脚式移動ロボットの優れた
構造を提供することにある。

【００１８】本発明の更なる目的は、脚式移動ロボット
の胴体ユニットと可動脚ユニットとを連結する関節部分
の優れた構造を提供することにある。

【００１９】本発明の更なる目的は、胴体ユニットと可
動脚ユニットとを連結する関節が２以上の回転自由度を
有する場合であっても、関節アクチュエータの出力トル
クが少なくて済むとともに、アクチュエータ周辺のハー
ネスの引き回しが簡素化された、優れた関節構造を提供
することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、その第１の側面は、少なく
とも胴体ユニットと２以上の可動脚ユニットを含むタイ
プの脚式移動ロボットであって、前記胴体ユニット上に
搭載された、前記可動脚ユニットの前記胴体ユニットに
対する第１の軸回りの回転自由度を与える第１のアクチ
ュエータと、前記第１のアクチュエータの駆動を前記可
動脚ユニットに伝達する第１の伝達手段と、前記胴体ユ
ニット上に搭載された、前記可動脚ユニットの前記胴体
ユニットに対する第２の軸回りの回転自由度を与える第
２のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータの駆
動を前記可動脚ユニットに伝達する第２の伝達手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。

【００２１】本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボッ
トにおいて、前記第１の軸及び前記第２の軸は直交する
が、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュ
エータの回転軸同士は直交しないように配置してもよ
い。このような場合、前記第２の伝達手段は、第１の軸
と直交するように前記第２のアクチュエータの駆動方向
を変換すればよい。

【００２２】また、前記第１の軸及び前記第２の軸は直
交するが、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のア
クチュエータの回転軸同士は略平行に配置してもよい。
このような場合、前記第２の伝達手段は、傘歯車機構な
どを用いて前記第２のアクチュエータの駆動方向を第１
の軸と直交するように変換すればよい。

【００２３】また、本発明の第２の側面は、少なくとも
胴体ユニットと２以上の可動脚ユニットを含む脚式移動
ロボットのための可動脚ユニット連結構造であって、前
記胴体ユニット上に搭載された、前記可動脚ユニットの
前記胴体ユニットに対する第１の軸回りの回転自由度を
与える第１のアクチュエータと、前記第１のアクチュエ
ータの駆動を前記可動脚ユニットに伝達する第１の伝達
手段と、前記胴体ユニット上に搭載された、前記可動脚
ユニットの前記胴体ユニットに対する第２の軸回りの回
転自由度を与える第２のアクチュエータと、前記第２の
アクチュエータの駆動を前記可動脚ユニットに伝達する
第２の伝達手段と、を具備することを特徴とする脚式移
動ロボットのための可動脚ユニット連結構造である。

【００２４】本発明の第２の側面に係る可動脚ユニット
連結構造において、前記第１の軸及び前記第２の軸は直
交するが、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のア
クチュエータの回転軸同士は直交しないように配置して
もよい。このような場合、前記第２の伝達手段は、第１
の軸と直交するように前記第２のアクチュエータの駆動
方向を変換すればよい。

【００２５】また、前記第１の軸及び前記第２の軸は直
交するが、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のア
クチュエータの回転軸同士は略平行に配置してもよい。
このような場合、前記第２の伝達手段は、傘歯車機構な
どを用いて前記第２のアクチュエータの駆動方向を第１
の軸と直交するように変換すればよい。

【００２６】

【作用】本発明は、少なくとも胴体ユニットと２以上の
可動脚ユニットを含むタイプの脚式移動ロボットに対し
て適用され、とりわけ、ロール軸及びピッチ軸のように
可動脚ユニットが胴体ユニットに対して２種類の回転自
由度を有する場合に好適に作用効果を奏することができ
る。

【００２７】本発明によれば、第１及び第２の軸回りの
回転自由度を与える第１及び第２のアクチュエータのい
ずれも胴体ユニット側に搭載される。第１のアクチュエ
ータによる駆動力は第１の伝達手段を介して可動脚ユニ
ット側に伝達され、また、第２のアクチュエータによる
駆動力は第２の伝達手段を介して可動脚ユニット側に伝
達されるようになっている。

【００２８】例えば、第１の軸がロール軸であり、第２
の軸がピッチ軸として構成される。胴体ユニット上で第
１及び第２のアクチュエータを直交させて配設すると、
設置面積が大きくなってしまう。そこで、本発明では、
互いの回転軸が略平行となるように第１及び第２のアク
チュエータを配設することで、設置面積を節約した。ま
た、このような場合、第２の伝達手段は、例えば傘歯車
機構などを用いて、第２のアクチュエータの駆動方向を
第１の軸と直交するように変換するようにすればよい。

【００２９】本発明によれば、可動脚ユニットの股関節
自由度を実現するアクチュエータをすべて可動脚ユニッ
ト側から外すことができる。この結果、脚部ユニットを
軽量化でき、脚部におけるモーメントを低下させること
ができる。アクチュエータのような重量物が胴体中心付
近に集中するので、ロボットのモデルを単純化して、ロ
ボットの動作制御を簡素化することができる。

【００３０】また、股関節アクチュエータのための電源
線や制御線などのハーネスが股関節を通過させなくて済
み、ハーネスの引き回しが容易になる。

【００３１】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。

【００３３】図２には、本実施例に係る脚式移動ロボッ
トにおける、胴体ユニットと可動脚との連結部分すなわ
ち股関節及びその周辺部分の構造を示している。

【００３４】同図に示すように、股関節の自由度を与え
る股関節ピッチ軸アクチュエータ１及び股関節ロール軸
アクチュエータ２は、いずれも胴体ユニット（図２には
図示しない）側に搭載されている。

【００３５】股関節ピッチ軸アクチュエータ１の回転シ
ャフト１０には、これと同軸をなす平歯車１１が取り付
けられている。

【００３６】また、股関節ロール軸アクチュエータ２の
回転シャフト２０は、平歯車１２及び傘歯車１３を素通
しした後、可動軸側のシャフト３０と連結して略Ｔ字形
状を形成している。平歯車１２と傘歯車１３とは、同軸
となるように一体的に形成されている。

【００３７】回転シャフト２０の回転軸は、この可動脚
ユニットの股関節ロール軸を定義する。

【００３８】可動脚ユニットの構成部品である大腿フレ
ーム３の上端は略Ｕ字状に形設されており、該Ｕ字はシ
ャフト３０の両端を固持している。したがって、股関節
ロール軸アクチュエータ２が駆動してＴ字形状のシャフ
トが回転すると、これに伴って大腿フレーム３はシャフ
ト２０が回転することによって、股関節ロール軸回りの
回転自由度が実現する。

【００３９】また、シャフト３０の回転軸は、この可動
脚ユニットの股関節ピッチ軸を定義する。

【００４０】傘歯車１４は、シャフト３０に対して同軸
状に取り付けられている。傘歯車１３は、傘歯車１４と
噛合している。さらに、平歯車１２は、平歯車１１と噛
合している。傘歯車１３と平歯車１２とは、互いに同軸
をなすとともに、一体的に形成されている。したがっ
て、股関節ピッチ軸アクチュエータ１の回転駆動は、回
転シャフト１０及び平歯車１１、平歯車１２及び傘歯車
１３、傘歯車１４という順番で、大腿フレーム３側に伝
達される。この結果、股関節ピッチ軸回りの回転自由度
が実現する。

【００４１】なお、平歯車１１、平歯車１２、傘歯車１
３、及び傘歯車１４は、股関節ピッチ軸アクチュエータ
１における減速比を定義している。

【００４２】以上のような股関節構造を備えることによ
り、胴体ユニット側に搭載された２つのアクチュエータ
１及び２を駆動制御することによって、可動脚における
股関節ピッチ軸及びロール軸の２軸まわりの自由度を実
現することができる。

【００４３】また、可動脚ユニット側には、傘歯車１４
のみを配設するだけで股関節自由度を実現することがで
きるので、可動脚の機械構造やハーネスの引き回しは簡
素化される。

【００４４】また、図２に示すように、股関節ピッチ軸
アクチュエータ１及び股関節ロール軸アクチュエータ２
は、互いの回転シャフト１０及び２０が略平行となるよ
うに胴体ユニット上に配設することで、設置面積を節約
している。

【００４５】ロール軸及びピッチ軸は、本来、直交す
る。そこで、図２に示すように、傘歯車１３及び傘歯車
１４の組み合わせにより、股関節ピッチ軸アクチュエー
タ１にによる回転軸方向を１８０度変換して、股関節ピ
ッチ軸回りの自由度を実現するようにした。

【００４６】図３には、図２に示した股関節及びその周
辺部分の断面構造を図解している。

【００４７】同図に示すように、股関節の自由度を与え
る股関節ピッチ軸アクチュエータ１及び股関節ロール軸
アクチュエータ２は、いずれも胴体ユニット（図２には
図示しない）側に搭載されている。

【００４８】股関節ピッチ軸アクチュエータ１の回転シ
ャフト１０には、これと同軸をなす平歯車１１が取り付
けられている。

【００４９】また、股関節ロール軸アクチュエータ２の
回転シャフト２０は、先端がＴ字形状をなしている。こ
のＴ字の頭部両端は、大腿フレーム３に固設されている
ので、股関節ロール軸アクチュエータ２を駆動させるこ
とにより、大腿フレーム３すなわち可動脚を股関節ロー
ル軸回りに回転させることができる。この結果、股関節
ロール軸回りの回転自由度が実現する。

【００５０】平歯車１２と傘歯車１３は、互いに同軸と
なるように一体的に形成されているが、これらの回転中
央部に穿設された開口において回転シャフト２０のＴ字
脚部が貫挿されている。したがって、平歯車１２及び傘
歯車１３は、略同軸をなす回転シャフト２０に対して回
転自在である。

【００５１】傘歯車１４は、シャフト３０に対して同軸
状に取り付けられている。傘歯車１３は、傘歯車１４と
噛合している。さらに、平歯車１２は、平歯車１１と噛
合している。したがって、股関節ピッチ軸アクチュエー
タ１の回転駆動は、回転シャフト１０及び平歯車１１、
平歯車１２及び傘歯車１３、傘歯車１４という順番で、
大腿フレーム３に伝達される。この結果、股関節ピッチ
軸回りの回転自由度が実現する。平歯車１２及び傘歯車
１３は、これらの回転中央部に穿設された開口において
回転シャフト２０を素通しにしているので、股関節ロー
ル軸まわりの回転を干渉することはない。

【００５２】以上説明してきたように、本実施例に係る
可動脚の股関節構造によれば、アクチュエータのような
重量物を胴体中心付近に集中して配置することができる
ので、ロボット全体のモーメントが低下する。この結
果、ロボットのモデル（例えば質点モデル）を単純化す
ることができるので、ロボットの運動方程式を少ない計
算量で解くことができ、ロボットの動作制御を簡素化す
ることができる。

【００５３】また、本実施例に係る構造によれば、可動
脚の股関節部分のアクチュエータをすべて可動脚から外
すことができるので、脚部ユニットを軽量化でき、脚部
におけるモーメントを低下させることができる。この結
果、少ないエネルギで脚部を駆動させることができる。
また、モーメントが小さい分だけ制御が容易になるとと
もに、脚部の回転始動時の立ち上がりが早まる。また、
回転始動のために要するインラッシュ電流を低減するこ
とができる。

【００５４】また、股関節アクチュエータのための電源
線や制御線などのハーネスが股関節を通過させなくて済
むので、ハーネスの引き回しすなわち配線設計が容易に
なる。また、アクチュエータを胴体に設置することによ
りロボット専用のケーブルなど特殊なハーネスを使用せ
ずに済むので、装置コストの削減にもつながる。

【００５５】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。

【００５６】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
胴体ユニットと複数の可動脚ユニットからなる脚式移動
ロボットの優れた構造を提供することができる。

【００５７】また、本発明によれば、脚式移動ロボット
の胴体ユニットと可動脚ユニットとを連結する関節部分
の優れた構造を提供することができる。

【００５８】また、本発明によれば、胴体ユニットと可
動脚ユニットとを連結する関節が２以上の回転自由度を
有する場合であっても、関節アクチュエータの出力トル
クが少なくて済むとともに、アクチュエータ周辺のハー
ネスの引き回しが簡素化された、優れた関節構造を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イヌなどの４足歩行を行う脚式移動ロボットの
構成（従来例）を模式的に示した図である。

【図２】本実施例に係る脚式移動ロボットにおける、胴
体ユニットと可動脚との連結部分すなわち股関節及びそ
の周辺部分の構造を示した図である。

【図３】図２に示した股関節及びその周辺部分の断面構
造を示した図である。

【符号の説明】

１…股関節ピッチ軸アクチュエータ ２…股関節ロール軸アクチュエータ ３…大腿フレーム １０…回転シャフト １１…平歯車 １２…平歯車 １３…傘歯車 １４…傘歯車 ２０…回転シャフト ３０…シャフト

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも胴体ユニットと２以上の可動脚
   ユニットを含むタイプの脚式移動ロボットであって、 前記胴体ユニット上に搭載された、前記可動脚ユニット
   の前記胴体ユニットに対する第１の軸回りの回転自由度
   を与える第１のアクチュエータと、 前記第１のアクチュエータの駆動を前記可動脚ユニット
   に伝達する第１の伝達手段と、 前記胴体ユニット上に搭載された、前記可動脚ユニット
   の前記胴体ユニットに対する第２の軸回りの回転自由度
   を与える第２のアクチュエータと、 前記第２のアクチュエータの駆動を前記可動脚ユニット
   に伝達する第２の伝達手段と、を具備することを特徴と
   する脚式移動ロボット。
2. 【請求項２】前記第１の軸及び前記第２の軸は直交する
   が、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュ
   エータの回転軸同士は直交しないように配置され、 前記第２の伝達手段は、第１の軸と直交するように前記
   第２のアクチュエータの駆動方向を変換する、ことを特
   徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
3. 【請求項３】前記第１の軸及び前記第２の軸は直交する
   が、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュ
   エータの回転軸同士は略平行に配置され、 前記第２の伝達手段は、傘歯車機構を用いて前記第２の
   アクチュエータの駆動方向を第１の軸と直交するように
   変換する、ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動
   ロボット。
4. 【請求項４】少なくとも胴体ユニットと２以上の可動脚
   ユニットを含む脚式移動ロボットのための可動脚ユニッ
   ト連結構造であって、 前記胴体ユニット上に搭載された、前記可動脚ユニット
   の前記胴体ユニットに対する第１の軸回りの回転自由度
   を与える第１のアクチュエータと、 前記第１のアクチュエータの駆動を前記可動脚ユニット
   に伝達する第１の伝達手段と、 前記胴体ユニット上に搭載された、前記可動脚ユニット
   の前記胴体ユニットに対する第２の軸回りの回転自由度
   を与える第２のアクチュエータと、 前記第２のアクチュエータの駆動を前記可動脚ユニット
   に伝達する第２の伝達手段と、を具備することを特徴と
   する脚式移動ロボットのための可動脚ユニット連結構
   造。
5. 【請求項５】前記第１の軸及び前記第２の軸は直交する
   が、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュ
   エータの回転軸同士は直交しないように配置され、 前記第２の伝達手段は、第１の軸と直交するように前記
   第２のアクチュエータの駆動方向を変換する、ことを特
   徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボットのための可
   動脚ユニット連結構造。
6. 【請求項６】前記第１の軸及び前記第２の軸は直交する
   が、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュ
   エータの回転軸同士は略平行に配置され、 前記第２の伝達手段は、傘歯車機構を用いて前記第２の
   アクチュエータの駆動方向を第１の軸と直交するように
   変換する、ことを特徴とする請求項４に記載の脚式移動
   ロボットのための可動脚ユニット連結構造。