JP2001246585A

JP2001246585A - 脚式移動ロボット

Info

Publication number: JP2001246585A
Application number: JP2000054688A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kondo; 嘉男近藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】速い動作速度や大きなトルクを持つ大型の駆
動機構を用いることなく走行や躍動などの激しい動作パ
ターンを実現する。【解決手段】ロボットは、歩行動作を行うアクチュエ
ータのような通常の駆動機構の他に、例えばゼンマイや
フライホイールなどで構成される動力蓄積機構を備えて
いる。モータの駆動などにより動力をあらかじめ蓄積
し、蓄積した動力を瞬間的に放出することで、大型アク
チュエータを用いることなく速い動作速度や大きなトル
クを発生させることができる。装置コストを削減するこ
とができる。また、大きな消費電力や大容量のバッテリ
を必要としない。

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
トに係り、特に、イヌ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に関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、通常の歩行動作
のみならず走行や躍動などの激しい動作パターンを実現
することができる脚式移動ロボットに係り、特に、速い
動作速度や大きなトルクを持つ大型の駆動機構を用いる
ことなく走行や躍動などの激しい動作パターンを実現す
ることができる脚式移動ロボットに関する。

【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、脚式移動ロボットやその
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】脚式移動ロボットは、産業活動・生産活動
等における各種の難作業の代行に適用することができ
る。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、
石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場
における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清
掃、火災現場その他における救助といったような危険作
業・難作業の代行である。

【０００７】また、脚式移動ロボットの他の用途とし
て、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途
が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやイヌなどの
歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズ
ムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現するこ
とを至上の目的とする。また、比較的知性の高い直立動
物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作が生体と
して自然であり、且つ、動作が持つ表現力が豊かである
ことが望ましい。さらに、予め入力された動作パターン
を単に忠実に実行するだけではなく、対話する相手の言
葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に
呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要
求される。

【０００８】既に周知のように、ヒトやイヌなどの現実
の生体は数百の関節すなわち数百に上る自由度を備えて
いる。限りなく生体に近い動作を脚式移動ロボットに付
与するためには、ほぼ同じ自由度を与えることが好まし
いが、これは技術的には極めて困難である。何故なら
ば、１つの自由度に対して少なくとも各１つのアクチュ
エータを配設する必要があるが、数百のアクチュエータ
をロボットという機械装置上に実装することは、製造コ
ストの点からも、重量やサイズなど設計の観点からも不
可能に等しい。また、自由度が多い分だけ、ロボットの
動作パターン制御や姿勢安定制御等のための計算量が指
数関数的に増大してしまう。

【０００９】このため、生体よりもはるかに少ない数十
程度の関節自由度で脚式移動ロボットを構成するのが一
般的である。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。

【００１０】ペット型と呼ばれるエンターティンメント
向けロボットのような場合には、生体により類似した構
造を実現するために、特定用途向けの産業ロボットより
も多くの関節アクチュエータを装備することが好まし
い。また、現実の動物に近似させるには、単純な歩行動
作にとどまらず、走行や躍動などの激しい動作パターン
を実現することも要求される。

【００１１】激しい動作パターンを行うには、単に関節
自由度を備えているだけでは不充分であり、より速い動
作速度、より大きなトルクを持った駆動機構が必要とな
ってくる。このような駆動機構は、関節アクチュエータ
の大型化を意味する。

【００１２】しかしながら、関節アクチュエータの大型
化は、装置コストをアップさせるとともに、消費電力を
増加させてしまう。また、大型のアクチュエータは重量
物であるゆえ、自重によりさらに余分な電力を消費して
しまうことになる。すなわち大型のアクチュエータを備
えることにより、より大容量の電源バッテリが必要とな
る。大容量バッテリは重量が大きいことから、ロボット
の動作のためにさらに多くの消費電力を要することにな
る。

【００１３】

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

【００１４】本発明の更なる目的は、通常の歩行動作の
みならず走行や躍動などの激しい動作パターンを実現す
ることができる、優れた脚式移動ロボットを提供するこ
とにある。

【００１５】本発明の更なる目的は、速い動作速度や大
きなトルクを持つ大型の駆動機構を用いることなく走行
や躍動などの激しい動作パターンを実現することができ
る、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。

【００１６】

【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、前記可動脚ユニットに
対して比較的小さな第１の駆動力を供給する第１の駆動
手段と、動力を蓄積するとともに、比較的大きな第２の
駆動力として動力を放出する動力蓄積手段と、前記動力
蓄積手段に対して蓄積する動力を供給する動力供給手段
と、前記動力蓄積手段から放出される第２の駆動力を前
記可動脚ユニットに伝達する伝達手段と、を具備するこ
とを特徴とする脚式移動ロボットである。

【００１７】本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボッ
トは、さらに、前記動力蓄積手段に対する動力の蓄積及
び放出を制御する制御手段を備えてもよい。

【００１８】この制御手段は、前記脚式移動ロボットが
第１の駆動力のみで動作可能な期間中は前記動力蓄積手
段への動力蓄積及び／又は蓄積された動力の放出禁止を
行うとともに、第２の駆動力を必要とする動作の開始と
ともに蓄積された動力の放出を許可するようにすればよ
い。

【００１９】また、脚式移動ロボットは、通常の歩行動
作パターンを実行する期間中は前記第１の駆動手段によ
る第１の駆動力を利用し、走行その他の高速動作又は大
トルクを要する動作パターンを実行する期間中は前記動
力蓄積手段から放出される第２の駆動力を利用するよう
にしてもよい。

【００２０】前記第１の駆動手段は、例えば小型のギア
ードモータで構成することができる。

【００２１】また、前記動力蓄積手段をゼンマイで構成
し、動力供給手段はモータで構成することができる。あ
るいは、前記動力蓄積手段をフライホイールで構成し、
動力供給手段はモータで構成することもできる。

【００２２】また、前記伝達手段は、比較的大きな第２
の駆動力を利用して実現される前記可動脚ユニットの動
作パターンを規定するカム形状を有するカム機構部を備
えてもよい。

【００２３】一般には、脚式移動ロボットの各可動脚ユ
ニットは、前脚と後脚に分類され、互いに相違する動作
パターンを実行するようになっている。このような場
合、前記カム機構部は、前脚用の動作パターンを規定す
る前脚駆動用カムと、後脚用の動作パターンを規定する
後脚駆動用カムとを個別に備えてもよい。

【００２４】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タイプの
脚式移動ロボットであって、前記可動脚ユニットに対し
て比較的小さな第１の駆動力を供給する第１の駆動手段
と、前記可動脚ユニットに対して比較的大きな第２の駆
動力を供給する第２の駆動手段と、前記第２の駆動手段
によって供給される第２の駆動力を前記可動脚ユニット
に伝達する伝達手段と、前記第２の駆動手段による第２
の駆動力を選択的に前記可動脚ユニットに供給する制御
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。

【００２５】本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボッ
トにおいて、前記制御手段は、前記脚式移動ロボットが
比較的大きな駆動力を必要とする動作を開始することに
応答して、前記第２の駆動手段による第２の駆動力を前
記可動脚ユニットに供給するようにすればよい。

【００２６】また、前記伝達手段は、比較的大きな第２
の駆動力を利用して実現される前記可動脚ユニットの動
作パターンを規定するカム形状を有するカム機構部を備
えてもよい。

【００２７】一般には、脚式移動ロボットの各可動脚ユ
ニットは、前脚と後脚に分類され、互いに相違する動作
パターンを実行するようになっている。このような場
合、前記カム機構部は、前脚用の動作パターンを規定す
る前脚駆動用カムと、後脚用の動作パターンを規定する
後脚駆動用カムとを個別に備えてもよい。

【００２８】

【作用】本発明は、例えば、各関節にアクチュエータな
どの駆動機構を備えた１以上の可動脚で構成され、歩行
動作やその他のパフォーマンス動作を行うタイプのエン
ターティンメント・ロボットに適用することができる。

【００２９】本発明に係るロボットは、歩行動作を行う
アクチュエータのような通常の駆動機構の他に、動力蓄
積機構を備えている。この動力蓄積機構は、例えばゼン
マイやフライホイールなどで構成され、モータの駆動な
どにより動力をあらかじめ蓄積するとともに、蓄積した
動力を瞬間的に放出して、速い動作速度や大きなトルク
を発生させることができる。

【００３０】例えば、ロボット（特に脚部）の動力源を
通常の駆動機構から動力蓄積機構に切り替えることで、
ロボットは歩行動作モードから走行や躍動などの激しい
動作モードに遷移することができる。

【００３１】本発明によれば、大型アクチュエータを用
いることなく激しい動作パターンを実現することができ
るので、装置コストを削減することができる。また、激
しい動作を実現するために、大きな消費電力や大容量の
バッテリを必要としない。

【００３２】ゼンマイやフライホイールなどの動力蓄積
機構への動力の蓄積は、例えば、静止時，直立時、通常
の歩行動作時など、比較的消費電力が少ない時期を利用
して行えばよい。これによって、電源バッテリに対して
過度の負荷を与えずに済むので、バッテリを小型軽量化
して装置コストを削減することができる。

【００３３】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。

【００３４】

【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。

【００３５】図１には、本発明を実施に供される、四肢
による脚式歩行を行う移動ロボット１の外観構成を示し
ている。また、図２〜図４には、この移動ロボット１の
上面、下面、及び正面をそれぞれ示している。図示の通
り、該ロボット１は、四肢を有する動物の形状や構造を
モデルにして構成された多関節型の移動ロボットであ
る。とりわけ本実施例の移動ロボット１は、愛玩動物の
代表例であるイヌの形状及び構造を模してデザインされ
たペット型ロボットという側面を有し、例えば人間の住
環境において人間と共存するとともに、ユーザ操作に応
答した動作表現することができる。

【００３６】移動ロボット１は、胴体フレーム２と四肢
すなわち脚部ユニット６Ａ〜６Ｄで構成される。これら
以外にも、頭部ユニットや尻尾を備えてもよいが，本発
明の要旨には直接関連しないので、図１では省略してい
る。

【００３７】脚部ユニット６Ａ及び６Ｂは前足を構成
し、脚部ユニット６Ｃ及び６Ｄは後足を構成する。各脚
部ユニット６Ａ〜６Ｄは、それぞれ、股関節ユニット９
と、大腿部ユニット１０と、下腿フレーム４と、大腿部
ユニット１０と下腿フレーム４間を連結する膝関節１１
とで構成される。

【００３８】股関節ユニット９は、略Ｌ字形状の肩関節
フレームによって胴体フレーム２に連結されており、股
関節ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を実現する
ギアードモータ（図示しない）を内蔵している。

【００３９】また、大腿部ユニット１０は、股関節ユニ
ット９に対して略一体的に取り付けられているととも
に、膝関節１１による屈伸駆動を実現するためのギアー
ドモータ（図示しない）が内蔵されている。

【００４０】下腿フレーム４は、略Ｌ字形状に構成さ
れ、該Ｌ字の脚部はロボットの足平に相当する。各足平
の底面には、略半球状の足底５が凸設されている。足底
５は、図示しない着床面との間で、緩衝作用や滑り止め
作用を奏することができる。また、足底５に接地センサ
（図示しない）を取り付けることで、各脚部ユニット６
が遊脚又は立脚のいずれの状態であるかを容易に判定す
ることができる。

【００４１】本実施例では、股関節ユニット９及び大腿
部ユニット１０に内蔵されたギアードモータは、通常の
歩行動作に利用される駆動機構として位置付けられる。
したがって、これらモータは走行や躍動のような動作パ
ターンのために速い動作速度や大きなトルクを発生させ
る必要はなく、小型軽量で消費電力の少ないアクチュエ
ータを用いて実現することができる。

【００４２】胴体フレーム２には、さらに、電源部１５
及び制御部１６が搭載されている。電源部１５は、制御
部や各駆動アクチュエータに対して駆動電力を供給する
ための装置であり、例えばＮｉ−Ｃｄ電池のように大き
なインラッシュ電流を供給可能な電池セルが用いられ
る。

【００４３】また、制御部１６は、あらかじめ用意され
た制御プログラムに従って、脚部ユニット６を始めとす
る各可動部分の駆動を統括的に制御して、ロボット１の
歩行動作、走行・躍進動作やその他の動作パフォーマン
スを実現する。例えば、肩関節ユニット８や股関節ユニ
ット９、大腿部ユニット１０には内蔵ギアードモータの
回転角度を検出するためのポテンショメータ（図示しな
い）が配設されているが、制御部１６はこれら検出系の
出力信号に基づいて、動作パターンを適応的に制御する
ことができる。

【００４４】胴体フレーム２内の略中央には、前脚駆動
用カム１２と後脚駆動用カム１３が配設されている。カ
ム１２及び１３の左右両側面には、カム溝が掘設されて
いる。また、これらカム１２及び１３の外周には歯車が
形設されているとともに互いに噛合しているので、カム
１２及び１３は後述する付加的な駆動機構によって連動
的に回転する。

【００４５】また、胴体フレーム２の前後の左右両端に
は、肩関節ユニット８が配設されている。これら肩関節
ユニット８は、図示しないギアードモータを内蔵し、胴
体フレーム２に対して回動自在に取り付けられていると
ともに、それぞれの脚部ユニット６Ａ〜６Ｂと一体的に
駆動することができる。

【００４６】各肩関節ユニット８は、前脚駆動用カム１
２又は後脚駆動用１３のカム溝内を摺動可能な駆動ピン
１４が取り付けられている。すなわち、肩関節ユニット
８の動作は、駆動ピン１４を介してカム１２又は１３の
カム溝によって規制されている。したがって、カム１２
及び１３の回転駆動に伴って、各肩関節ユニット８が胴
体フレーム２に対して揺動する。肩関節ユニット８の揺
動運動は、対応する脚部ユニット６に伝達される。

【００４７】本実施例では、前脚駆動用カム１２及び後
脚駆動用カム１３の各々のカム溝は、４足を用いた走行
動作を規定するような形状に掘設されている。図５に
は、前脚駆動用カム１２及び後脚駆動用カム１３の回転
駆動に従って，移動ロボット１が走行動作パターンを実
現する様子を示している。前後の各肩関節ユニット８
は、カム１２及び１３の回転に伴って揺動し、この動作
がそれぞれの脚部ユニット６に伝達される。前脚駆動用
カム１２のカム溝は前脚の走行動作を規定し、後脚駆動
用カム１３のカム溝は後脚の走行動作を規定している。
また、カム１２及び１３の左右両側面においてカム溝の
位相差を１８０度に設定することにより、左右両足が交
互に動作するパターンを実現することができる。

【００４８】上述したように、前脚駆動用カム１２と後
脚駆動用カム１３は噛合しているので、単一の駆動機構
を用いて連動して回転させることができる。これらカム
１２及び１３を駆動させる駆動機構は、走行動作のよう
な速い動作速度及び大きなトルクを発生させる必要があ
り、本実施例では、通常の歩行動作に利用される駆動機
構（前述）とは別に設けられる。

【００４９】このような走行動作のための駆動機構は、
動力をあらかじめ蓄積するとともに、蓄積した動力を瞬
間的に放出して、速い動作速度や大きなトルクを発生さ
せることができる動力蓄積機構として装備される。移動
ロボット１は、特に脚部ユニット６のための動力源を通
常の駆動機構から動力蓄積機構に切り替えることで、ロ
ボットは歩行動作モードから走行や躍動などの激しい動
作モードに遷移することができる。但し、動力蓄積機構
の構造や動作特性については後に詳解する。

【００５０】本実施例に係る脚式移動ロボット１の通常
の歩行動作、あるいはその他の比較的ゆっくりとしたパ
フォーマンス動作は、各脚部ユニット６の関節部分に配
設されたギアードモータ８〜１０の駆動により実現す
る。

【００５１】この場合、制御部１６は、各ギアードモー
タ内部のポテンショメータが出力する回転角度の検出信
号を基に、各ギアードモータに対して所定角度に移動す
る旨の制御信号を発することによりフィードバック制御
を行う。また、電源部１５は、各ギアードモータに対し
て駆動電圧を供給する。

【００５２】このような通常の歩行動作（若しくは低
速、低トルクの動作）を行う期間中、前脚駆動用カム１
２及び後脚駆動用カム１３は、図３に示すような回転位
置、すなわち各脚部の揺動範囲の中間に相当する所定位
置に設定しておけばよい。このような中間位置は、カム
１２又は１３の外周部に設けられた回転角度センサ（図
示しない）で検出した後に固定しておくことで実現され
る。したがって、肩関節ユニット８内のギアードモータ
は、駆動ピン１４によって固定されたままの状態であ
り、ロボット１は、従来通りの４足歩行ロボットと同様
の制御及び動作を行うことができる。

【００５３】他方、移動ロボット１の走行動作は、各駆
動用カム１２及び１３によって規定される。ロボット１
が走行を開始するときには、図５（ａ）に示すように、
前脚駆動用カム１２及び後脚駆動用カム１３の各々を走
行開始位置まで復帰させるとともに、通常動作時と同様
に各脚部ユニット６のギアードモータを制御して走行開
始時に適した姿勢を形成するとともに、該姿勢が崩れな
いように制御する。姿勢の維持には、例えば、各関節ア
クチュエータの端子を短絡するなどの電磁ブレーキや、
ギア・ロック機構などを作動させればよい。

【００５４】次いで、図５（ｂ）に示すように、前脚駆
動用カム１２及び後脚駆動用カム１３の各々を矢印方向
に回転駆動させる。これに伴って、それぞれのカム溝が
規定する各脚の前後方向の揺動パターンが駆動ピン１４
及び肩関節ユニットを介して各脚部ユニット６Ａ〜６Ｂ
に伝達されて、走行動作を開始することができる。すな
わち、右前脚及び左後脚は後方を蹴り上げる動作を開始
する一方、これらに対向する左前脚及び右後脚は床面を
離れて遊脚状態になる。

【００５５】制御部１６は、各脚部ユニット６の足底５
の接地センサからの検出信号を基に、左前脚及び右後脚
の遊脚状態を検知して、次の着地の動作に備えて、速や
かに脚部ユニットの姿勢を図５（ｃ）に示すように変化
させて、図５（ａ）と同様にロックを作動させる。この
状態では、左前脚及び右後脚には力が印加されていない
ので、各関節に内蔵されたギアードモータによって遊脚
復帰の動作を行うことができる。

【００５６】右前脚及び左後脚による蹴り上げ動作が完
了すると、図５（ｄ）に示すように、左前脚及び右後脚
が徐々に着床に向かうとともに、前脚駆動用カム１２及
び後脚駆動用カム１３の各カム溝が規定する次の蹴り上
げ動作が開始する。

【００５７】前脚駆動用カム１２及び後脚駆動用カム１
３の回転をこのまま継続することで、図５（ａ）〜図５
（ｄ）に示す蹴り上げ動作サイクルを繰り返し実行し、
この結果、速い動作速度による走行を実現することがで
きる。

【００５８】なお、走行を終了して停止させる際には、
慣性モーメントなどによりロボット１が不安定な姿勢に
陥り転倒などしないように、遊脚状態の脚の姿勢を変化
させて、前脚駆動用カム１２及び後脚駆動用カム１３が
通常動作時の回転角度に到達したときに停止動作を開始
すればよい。

【００５９】図６〜図１１には、動力蓄積機構としてゼ
ンマイ１７を用いた場合における移動ロボット１の構成
例を示している。但し、図面の錯綜を避けるため、胴体
フレーム２を取り除いて描いている。

【００６０】モータ２１は減速ギア２２を介してゼンマ
イ１７を巻き込むことで、ゼンマイ１７に動力を蓄積す
るようになっている。

【００６１】他方、ゼンマイ１７に蓄積された動力を放
出するときには、ゼンマイ１７の中心軸１８に取り付け
られたギア１９は、中間ギア２０を介して前脚駆動用カ
ム１２を回転駆動する。

【００６２】なお、中間ギア２０の回転軸には、いわゆ
る「ワンウェイ・クラッチ」が内蔵されており、一方向
にしか力を伝達せず、動力を蓄積する期間中すなわちゼ
ンマイ１７を巻き込む際にはカム１２には回転駆動力が
印加されないような仕組みになっている。すなわち、移
動ロボット１は、依然として通常の歩行動作を継続する
ことができる。

【００６３】図６に示す例では、モータ２１は、移動ロ
ボット１が停止しているときやカム１２及び１３を使用
していない通常動作期間を利用して、減速ギア２２を介
してゼンマイ１７を巻き込み、動力をあらかじめ蓄積し
ておくことができる。

【００６４】中間ギア２０には一方向にしか動力を伝達
しないワンウェイ・クラッチを内蔵しているので（前
述）、ゼンマイ１７の中心軸１８が走行とは逆方向すな
わち動力蓄積方向に回転するときには、中心軸１８の回
転は前脚駆動用カム１２には伝達されない。また、カム
１２の軸受け部分は、ワンウェイ・クラッチがスリップ
する際の摩擦力では回転しない程度の小さな摩擦力が発
生するように構成しておいてもよい。

【００６５】ギア１９に回転センサ（図示しない）を配
設しておくことにより、制御部１６は、ゼンマイ１７が
ギア１９に充分に巻き込まれているか否かを検出するこ
とができる。また、ゼンマイ１７をギア１９に完全に巻
き込んで、動力の蓄積が完了した状態（満杯状態）で
は、モータ２１の端子を短絡するなどの電磁ブレーキを
作用させて、走行が開始するまでこの動力蓄積機構は待
機モードに入る。

【００６６】次いで、走行動作を実行するときには、制
御部１６は、動力を放出する方向、すなわちゼンマイ１
７が解かれる方向にモータ２１を回転駆動させる。かか
る回転方向では、中間ギア２０に内蔵されたワンウェイ
・クラッチがロックされるので、ゼンマイ１７の復元力
すなわち蓄積された動力は、モータ２１の回転力に加算
されて、前脚駆動用カム１２に伝達される。この結果、
速い動作速度、及び／又は大きなトルクを発生させるこ
とができ、移動ロボット１の走行動作を実現することが
できる。

【００６７】上述したように、移動ロボット１があまり
大きな駆動力を必要としていない期間中を利用して、ゼ
ンマイ１７に動力をあらかじめ蓄積しておく。そして、
大きな駆動力が必要となった時期に突入すると、ゼンマ
イ１７を解放する。したがって、大型のアクチュエータ
などの重量やコストが大きな駆動機構を搭載しなくと
も、走行時などに必要な大きな駆動力を移動ロボット１
に与えることができる。

【００６８】なお、大トルクを必要とする走行期間中で
あっても、常時すべての脚に駆動力が必要でない。後方
に向かって蹴り上げるための脚にのみ駆動力を供給する
ような仕組みにすれば、さらに脚式移動ロボット１を小
型軽量化することができる。

【００６９】また、図１２〜図１７には、動力蓄積機構
としてフライホイール２３を用いた場合の構成例を示し
ている。但し、図面の錯綜を避けるため、胴体フレーム
２を取り除いて描いている。

【００７０】フライホイール２３は、図示の通り、左右
２枚のフライホイール２３Ａ及び２３Ｂは、共通の軸２
４が貫通する形式で同軸状に取り付けられている。

【００７１】フライホイール２３の中心軸に取り付けら
れたギア２５は、振り子ギア２６及び減速ギア２７を介
して前脚駆動用カム１２を回転駆動するようになってい
る。

【００７２】また、モータ２８は、フライホイール２３
と同軸で、且つ、フライホイール２３の回転を加速する
ことができる。加速する際には、振り子ギア２６と減速
ギアとの噛合状態が解除されて、前脚駆動用カム１２に
は駆動力が伝達されないようになっている。

【００７３】図１２に示す例では、フライホイール２３
Ａ及び２３Ｂに共通の軸２４を貫通する形で配設された
モータ２８のステータ（すなわちモータ本体）には、軸
２４の回転を前脚駆動用カム１２に伝達する振り子ギア
２６が取り付けられている。また、図１３の矢印ＡＢに
示すように、ある程度の角度の範囲で回転が許容されて
おり、さらに捩りコイルバネ２９を用いることで、振り
子ギア２６がカム１２と噛合したり分離したりできるよ
うにトグル動作するように構成されている。

【００７４】移動ロボット１が停止している期間中や、
カム１２及び１３を使用しないような通常動作期間中
で、近々走行を行うと制御部１６が判断した場合、モー
タ２８を回転させることでフライホイール２３Ａ及び２
３Ｂを加速することができる。

【００７５】この加速操作を行う際、モータ２８のステ
ータ側は反動トルクを受けるので、振り子ギア２６は前
脚駆動用カム１２との噛合状態が解除される方向（すな
わち矢印Ａ方向）に回動させられるとともに、捩りコイ
ルばね２９のトグル動作によりロックされるので、カム
１２及び１３には駆動力が印加されない。すなわち、移
動ロボット１は、依然として通常の歩行動作を継続する
ことができる。

【００７６】フライホイール２３に回転センサ（図示し
ない）を取り付けておくことで、制御部１６は、フライ
ホイール２３に充分な回転が得られたか、すなわち動力
を充分蓄積できているか否かを判断することができる。
動力の蓄積が完了した状態（満杯状態）では、制御部２
８は、モータ２８に対して回転数を維持できる程度のわ
ずかな電力のみを供給するようにして、走行が開始する
までこの動力蓄積機構は待機モードに入る。

【００７７】次いで、走行動作を実行するときには、制
御部１６は、モータ２８に電磁ブレーキを作用させる。
この結果、モータ２８のステータ側は、フライホイール
２３の回転に連鎖して矢印Ｂ方向に回動して、捩りコイ
ルばね２９のトグル動作によりロックが効くため、前脚
駆動用カム１２が回転を開始して、走行動作が実現す
る。

【００７８】上述したように、脚式移動ロボット１があ
まり大きな駆動力を必要としていない期間中を利用し
て、フライホイール２３に動力をあらかじめ蓄積してお
く。そして、大きな駆動力が必要となった時期に突入す
ると、フライホイール２３を解放するようになってい
る。したがって、大型のアクチュエータなどの重量やコ
ストが大きな駆動機構を搭載しなくとも、走行時などに
必要な大きな駆動力を移動ロボット１に与えることがで
きる。

【００７９】また、図１８〜図２３には、動力蓄積機構
の代わりに、単一の大トルク・モータ３０を用いた場合
の構成例を示している。但し、図面の錯綜を避けるた
め、胴体フレーム２を取り除いて描いている。

【００８０】モータ３０は、減速ギア３１を介して前脚
駆動用カム１２を回転駆動するようになっている。モー
タ３０は、各関節部分に配設されたギアードモータ（前
述）よりも大型で且つ大きな駆動力を備えていることが
好ましい。

【００８１】この実施例によれば、ゼンマイやフライホ
イール、及び、これらに蓄積された動力を伝達するため
の複雑な機構を省略することができ、デザインが簡素化
されるという利点がある。

【００８２】通常動作においては、大型のモータ３０を
用いず、小型のギアードモータを用いて行われるので、
消費電力を低減することができる。また、走行動作時に
は、必要な脚部ユニット６にのみ駆動力を供給すればよ
いので、上述の各実施例と同様に、小型軽量化を実現す
ることができる。

【００８３】［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。

【００８４】上述した本発明の実施例では動力蓄積機構
としてゼンマイやフライホイールを適用したが、本発明
の要旨はこれらに限定されず、動力を蓄積する機構・部
材であれば何でもよい。例えば、空気圧や油圧、形状記
憶材料などを利用して動力を蓄積する仕組みを利用する
ことも可能である。

【００８５】要するに、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。

【００８６】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
イヌなどの歩行型の身体メカニズムを模した、優れた脚
式移動ロボットを提供することができる。

【００８７】また、本発明によれば、通常の歩行動作の
みならず走行や躍動などの激しい動作パターンを実現す
ることができる、優れた脚式移動ロボットを提供するこ
とができる。

【００８８】また、本発明によれば、速い動作速度や大
きなトルクを持つ大型の駆動機構を用いることなく走行
や躍動などの激しい動作パターンを実現することができ
る、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。

【００８９】本発明に係るロボットは、歩行動作を行う
アクチュエータのような通常の駆動機構の他に、動力蓄
積機構を備えている。この動力蓄積機構は、例えばゼン
マイやフライホイールなどで構成され、モータの駆動な
どにより動力をあらかじめ蓄積するとともに、蓄積した
動力を瞬間的に放出して、速い動作速度や大きなトルク
を発生させることができる。すなわち、大型アクチュエ
ータを用いることなく激しい動作パターンを実現するこ
とができるので、装置コストを削減することができる。
また、激しい動作を実現するために、大きな消費電力や
大容量のバッテリを必要としない。

【００９０】本発明によれば、走行や躍動などロボット
の運動性能を高めながら、小型軽量化を実現し、併せて
低消費電力化やコスト削減を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施に供される、四肢による脚式歩行
を行う移動ロボット１の外観構成を模式的に示した図で
ある。

【図２】移動ロボット１の上面図である。

【図３】移動ロボット１の右側面図である。

【図４】移動ロボット１の正面図である。

【図５】移動ロボット１が走行動作パターンを実現する
様子を示した図である。

【図６】動力蓄積機構としてゼンマイ１７を用いた場合
における移動ロボット１の構成例を示した図（斜視図）
である。

【図７】動力蓄積機構としてゼンマイ１７を用いた場合
における移動ロボット１の構成例を示した図（左側面
図）である。

【図８】動力蓄積機構としてゼンマイ１７を用いた場合
における移動ロボット１の構成例を示した図（上図）で
ある。

【図９】動力蓄積機構としてゼンマイ１７を用いた場合
における移動ロボット１の構成例を示した図（下図）で
ある。

【図１０】動力蓄積機構としてゼンマイ１７を用いた場
合における移動ロボット１の構成例を示した図（正面
図）である。

【図１１】動力蓄積機構としてゼンマイ１７を用いた場
合における移動ロボット１の構成例を示した図（後面
図）である。

【図１２】動力蓄積機構としてフライホイール２３を用
いた場合における移動ロボット１の構成例を示した図
（斜視図）である。

【図１３】動力蓄積機構としてフライホイール２３を用
いた場合における移動ロボット１の構成例を示した図
（左側面図）である。

【図１４】動力蓄積機構としてフライホイール２３を用
いた場合における移動ロボット１の構成例を示した図
（上図）である。

【図１５】動力蓄積機構としてフライホイール２３を用
いた場合における移動ロボット１の構成例を示した図
（下図）である。

【図１６】動力蓄積機構としてフライホイール２３を用
いた場合における移動ロボット１の構成例を示した図
（正面図）である。

【図１７】動力蓄積機構としてフライホイール２３を用
いた場合における移動ロボット１の構成例を示した図
（後面図）である。

【図１８】動力蓄積機構の代わりに単一の大トルク・モ
ータを用いた場合における移動ロボット１の構成例を示
した図（斜視図）である。

【図１９】動力蓄積機構の代わりに単一の大トルク・モ
ータを用いた場合における移動ロボット１の構成例を示
した図（右側面図）である。

【図２０】動力蓄積機構の代わりに単一の大トルク・モ
ータを用いた場合における移動ロボット１の構成例を示
した図（上図）である。

【図２１】動力蓄積機構の代わりに単一の大トルク・モ
ータを用いた場合における移動ロボット１の構成例を示
した図（下図）である。

【図２２】動力蓄積機構の代わりに単一の大トルク・モ
ータを用いた場合における移動ロボット１の構成例を示
した図（正面図）である。

【図２３】動力蓄積機構の代わりに単一の大トルク・モ
ータを用いた場合における移動ロボット１の構成例を示
した図（後面図）である。

【符号の説明】

１…脚式移動ロボット２…胴体フレーム４…下腿フレーム５…足底６…脚部ユニット８…肩関節ユニット９…股関節ユニット１０…大腿部ユニット１５…電源部１６…制御部１１…下腿フレーム１２…前脚駆動用カム１３…後脚駆動用カム１４…駆動ピン１７…ゼンマイ１８…中心軸１９…ギア２０…中間ギア２１…モータ２２…減速ギア２３…フライホイール２４…軸２５…ギア２６…振り子ギア２７…減速ギア２８…モータ２９…捩りコイルばね３０…大型モータ３１…減速ギア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2C150 CA02 DA02 DA06 EB01 EB33 EB36 EC03 EC15 ED42 EF16 EF21 EF23 EH07 EH08 FA02 FA03 3F059 AA00 AA18 BB06 DC04 DD01 FA03 FC03 FC14 FC15 3F060 AA00 AA09 CA14 GA05 GA13 GB04 GB21 GD06 GD13 HA01

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記可動脚ユニットに対して比較的小さな第１の駆動力
を供給する第１の駆動手段と、動力を蓄積するとともに、比較的大きな第２の駆動力と
して動力を放出する動力蓄積手段と、前記動力蓄積手段に対して蓄積する動力を供給する動力
供給手段と、前記動力蓄積手段から放出される第２の駆動力を前記可
動脚ユニットに伝達する伝達手段と、を具備することを
特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】さらに、前記動力蓄積手段に対する動力の
蓄積及び放出を制御する制御手段を備え、該制御手段
は、前記脚式移動ロボットが第１の駆動力のみで動作可
能な期間中は前記動力蓄積手段への動力蓄積及び／又は
蓄積された動力の放出禁止を行い、第２の駆動力を必要
とする動作の開始とともに蓄積された動力の放出を許可
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。
【請求項３】通常の歩行動作パターンを実行する期間中
は前記第１の駆動手段による第１の駆動力を利用し、走
行その他の高速動作又は大トルクを要する動作パターン
を実行する期間中は前記動力蓄積手段から放出される第
２の駆動力を利用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。
【請求項４】前記第１の駆動手段は小型のギアードモー
タで構成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５】前記動力蓄積手段はゼンマイで構成され、
動力供給手段はモータで構成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６】前記動力蓄積手段はフライホイールで構成
され、動力供給手段はモータで構成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７】前記伝達手段は、比較的大きな第２の駆動
力を利用して実現される前記可動脚ユニットの動作パタ
ーンを規定するカム形状を有するカム機構部を備えるこ
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８】前記２以上の可動脚ユニットは前脚と後脚
に分類され、前記カム機構部は、前脚用の動作パターンを規定する前
脚駆動用カムと、後脚用の動作パターンを規定する後脚
駆動用カムとを備える、ことを特徴とする請求項７に記
載の脚式移動ロボット。
【請求項９】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、前記可動脚ユニットに対して比較的小さな第１の駆動力
を供給する第１の駆動手段と、前記可動脚ユニットに対して比較的大きな第２の駆動力
を供給する第２の駆動手段と、前記第２の駆動手段によって供給される第２の駆動力を
前記可動脚ユニットに伝達する伝達手段と、前記第２の駆動手段による第２の駆動力を選択的に前記
可動脚ユニットに供給する制御手段と、を具備すること
を特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項１０】前記制御手段は、前記脚式移動ロボット
が比較的大きな駆動力を必要とする動作を開始すること
に応答して、前記第２の駆動手段による第２の駆動力を
前記可動脚ユニットに供給することを特徴とする請求項
９に記載の脚式移動ロボット。
【請求項１１】前記伝達手段は、比較的大きな第２の駆
動力を利用して実現される前記可動脚ユニットの動作パ
ターンを規定するカム形状を有するカム機構部を備える
ことを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボット。
【請求項１２】前記２以上の可動脚ユニットは前脚と後
脚に分類され、前記カム機構部は、前脚用の動作パターンを規定する前
脚駆動用カムと、後脚用の動作パターンを規定する後脚
駆動用カムとを備える、ことを特徴とする請求項１１に
記載の脚式移動ロボット。