JP2001287177A - 脚式ロボットのための可動脚、並びに脚式ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 関節アクチュエータを大型化することなく高
速動作を可能にする。 【解決手段】 可動脚を構成する関節アクチュエータの
うち少なくとも１つに対して、補助的な駆動力を印加す
る駆動力補助機構を備える。駆動力補助機構を作動させ
ることによって、高速歩行、走行、跳躍時に必要な高い
トルクや高い動作速度を得ることができる。また、通常
の歩行時など高トルクを必要としない動作期間中におい
ては、駆動力補助機構を減勢することによって、関節ア
クチュエータの長寿命化や省エネルギ化を実現すること
ができる。駆動力補助機構を用いることで、小型で低価
格のまま、高トルクや高回転特性が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１以上の可動脚を
用いて歩行や走行などの脚式移動作業を行う脚式ロボッ
トに係り、特に、比較的低速な歩行作業だけでなく、走
行や跳躍など比較的高速な移動を行う脚式ロボットに関
する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、アクチュエータ
を利用して関節駆動を実現する可動脚を備えた脚式ロボ
ットに係り、特に、関節アクチュエータを大型化するこ
となく走行や跳躍などの高速移動を行う脚式にロボット
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"ＲＯＢＯ
ＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国に
おいて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】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
る種々の幅広いサービスを提供することができる。なか
でも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロ
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、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不
整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現でき
るという点で優れている。

【０００５】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、ヒトのような２足直立歩行を行う動物
の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた
「人間形」若しくは「人間型」のロボット（humanoid
robot）など、脚式移動ロボット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。脚式ロボッ
トは、胴体ユニットに取り付けられた左右２本の可動脚
又は３本以上の可動脚により、歩行その他の脚式作業を
行うことができる。

【０００６】脚式ロボットを、産業活動・生産活動等に
おける各種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、人間が容易に踏
み込むことができない現場での危険作業・難作業の代行
などが挙げられる。

【０００７】また、脚式ロボットの他の用途として、人
間と居住空間を同一にする「共生」若しく「エンターテ
ィンメント」と呼ばれるものが挙げられる。この種の用
途では、ロボットは、作業代行などの生活支援というよ
りも、生活密着という性格が濃厚である。

【０００８】エンターティンメント指向のロボットは、
産業上の特定用途を高速・高精度に実現することより
も、作業期間中に実行する動作パターンそのものが研究
・開発上の主題となる。すなわち、ヒトやサルなどの２
足の直立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
することが好ましいとされる。また、ヒトやサルなどの
知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用
いた動作パターンが生体として自然であり、且つ、動作
が持つ表現力がより豊かであることが望ましい。

【０００９】脚式ロボットの各可動脚は、胴体、大腿、
下腿、及び足平、並びに各々の間を連結する股関節、膝
関節、足首関節で構成される。一般には、各関節自由度
毎に回転型のアクチュエータを配置いて関節駆動を実現
するようになっている。例えば、本出願人に既に譲渡さ
れている特願平１１−３３３８６号明細書には、脚式ロ
ボットに適用可能な小型ＡＣサーボ・アクチュエータに
関して開示されている。同明細書に記述されているＡＣ
サーボ・アクチュエータは、ギア直結型で且つサーボ制
御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵するこ
とで小型軽量化を実現した点などに特に特徴がある。

【００１０】アクチュエータを用いて各関節を駆動する
メカニズムによる場合、アクチュエータの特性が各関節
の駆動特性となる。ロボットが行う運動が歩行など比較
的低速動作に限定されている場合には、かかる関節の駆
動特性は特に問題になることはない。

【００１１】しかしながら、脚式ロボットに求められて
いる脚式作業は、通常の歩行に限定されず、例えば走行
や跳躍など、現実のヒトが行うような高速移動も求めら
れている。高速移動時には、アクチュエータの特性とし
て高トルク、高回転が求められる。このような高出力特
性を持ったアクチュエータは、一般に、高価で且つ大型
で、さらに消費電力も大きいある。このため、ロボット
全体としても高価格となり、且つ、その物理サイズも当
然肥大化してしまう。また、装置の大型化・大重量化や
大消費電力化は、歩行ロボットをバッテリ駆動式で構成
する場合には不利な要素となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、１以
上の可動脚を用いて歩行や走行などの脚式移動作業を行
うことができる、優れた脚式ロボットを提供することに
ある。

【００１３】本発明の更なる目的は、比較的低速な歩行
作業だけでなく、走行や跳躍など比較的高速な移動をも
行うことができる、優れた脚式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、アクチュエータを
利用して関節駆動を実現する可動脚を備えた、優れた脚
式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、関節アクチュエー
タを大型化することなく走行や跳躍などの高トルク・高
回転数を要する高速移動を行うことができる、優れた脚
式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、脚式移
動作業を行う脚式ロボットのための可動脚であって、１
以上のフレームと、各フレーム間を可動自在に連結する
関節と、各関節に配置された関節アクチュエータと、少
なくとも１つの関節アクチュエータの駆動力を補助する
ための駆動力補助手段と、前記駆動力補助機構による補
助駆動力を制御する補助駆動力制御手段と、を具備する
ことを特徴とする脚式ロボットのための可動脚である。

【００１７】ここで、前記補助駆動力制御手段は、前記
可動脚の伸脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オ
フ制御を行うようにしてもよい。あるいは、前記補助駆
動力制御手段は、前記可動脚の伸脚及び／又は曲脚動作
期間中に補助駆動力を変更するようにしてもよい。

【００１８】また、本発明の第２の側面は、脚式移動作
業を行う脚式ロボットのための可動脚であって、大腿部
フレームと、脛部フレームと、足平フレームと、前記脚
式ロボットの胴体側と前記大腿部フレームとを回動自在
に連結する股関節アクチュエータと、前記大腿部フレー
ムと前記脛部フレームとを回動自在に連結する膝関節ア
クチュエータと、前記脛部フレームと前記足平フレーム
とを回動自在に連結する足首関節アクチュエータと、前
記膝関節アクチュエータの駆動力を補助する駆動力補助
機構と、前記駆動力補助機構による補助駆動力を制御す
る補助駆動力制御手段と、を具備することを特徴とする
脚式ロボットのための可動脚である。

【００１９】ここで、前記駆動力補助機構は、前記膝関
節アクチュエータの駆動方向に伸縮するバネ体で構成し
てもよい。このような場合、前記補助駆動力制御手段
は、駆動力補助を利用して動作する期間は該バネ体の張
力を前記膝関節に印加するとともに、駆動力補助を必要
としないときは該バネ体の張力を前記膝関節から解放す
るようにすればよい。

【００２０】また、前記補助駆動力制御手段は前記可動
脚の伸脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オフ制
御を行うようにしてもよい。

【００２１】あるいは、前記駆動力補助機構は、前記膝
関節アクチュエータの駆動方向に伸縮可能で且つバネ定
数を変更可能な可変バネ体で構成することができる。こ
のような場合、前記補助駆動力制御手段は、駆動力を補
助する期間は該可変バネ体のバネ定数を大きくするとと
もに、駆動力を補助しないときは該可変バネ体のバネ定
数を小さくすればよい。

【００２２】また、本発明の第３の側面は、２以上の可
動脚により脚式移動作業を行う脚式ロボットであって、
少なくとも１つの可動脚は、１以上のフレームと、各フ
レーム間を可動自在に連結する関節と、各関節に配置さ
れた関節アクチュエータと、少なくとも１つの関節アク
チュエータの駆動力を補助するための駆動力補助手段
と、前記駆動力補助機構による補助駆動力を制御する補
助駆動力制御手段と、を具備することを特徴とする脚式
ロボットである。

【００２３】ここで、前記補助駆動力制御手段は、前記
可動脚の伸脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オ
フ制御を行うようにしてもよい。

【００２４】あるいは、前記補助駆動力制御手段は、前
記可動脚の伸脚及び／又は曲脚動作期間中に補助駆動力
を変更するようにしてもよい。

【００２５】また、本発明の第４の側面は、２以上の可
動脚により脚式移動作業を行う脚式ロボットであって、
少なくとも1つの可動脚は、大腿部フレームと、脛部フ
レームと、足平フレームと、前記脚式ロボットの胴体側
と前記大腿部フレームとを回動自在に連結する股関節ア
クチュエータと、前記大腿部フレームと前記脛部フレー
ムとを回動自在に連結する膝関節アクチュエータと、前
記脛部フレームと前記足平フレームとを回動自在に連結
する足首関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエ
ータの駆動力を補助する駆動力補助機構と、前記駆動力
補助機構による補助駆動力を制御する補助駆動力制御手
段と、を具備することを特徴とする脚式ロボットであ
る。

【００２６】ここで、前記駆動力補助機構は、前記膝関
節アクチュエータの駆動方向に伸縮するバネ体で構成し
てもよい。このような場合、前記補助駆動力制御手段
は、駆動力補助を利用して動作する期間は該バネ体の張
力を前記膝関節に印加するとともに、駆動力補助を必要
としないときは該バネ体の張力を前記膝関節から解放す
るようにすればよい。

【００２７】また、前記補助駆動力制御手段は前記可動
脚の伸脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オフ制
御を行うようにしてもよい。

【００２８】あるいは、前記駆動力補助機構は、前記膝
関節アクチュエータの駆動方向に伸縮可能で且つバネ定
数を変更可能な可変バネ体で構成してもよい。このよう
な場合、前記補助駆動力制御手段は、駆動力を補助する
期間は該可変バネ体のバネ定数を大きくするとともに、
駆動力を補助しないときは該可変バネ体のバネ定数を小
さくするようにすればよい。

【００２９】

【作用】本発明は、１以上の可動脚を用いて歩行や走行
などの脚式移動作業を行う脚式ロボットの可動脚に適用
することができる。このような可動脚は、通常、複数の
関節アクチュエータを備えている。

【００３０】本発明によれば、可動脚を構成する関節ア
クチュエータのうち少なくとも１つに対して、補助的な
駆動力を印加することができる駆動力補助機構を備える
ことができる。駆動力補助機構を作動させることによっ
て、高速歩行、走行、跳躍時に必要な高いトルクや高い
動作速度を得ることができる。また、通常の歩行時など
高トルクを必要としない動作期間中においては、駆動力
補助機構を減勢することによって、関節アクチュエータ
の長寿命化や省エネルギ化を実現することができる。

【００３１】小型化・低価格化を目指すシステムの場
合、高トルクや高回転型の高価で大型のアクチュエータ
を使用することは適切でない。これに対し、本発明によ
れば、アクチュエータの駆動力補助機構を用いること
で、小型で低価格のまま、高トルクや高回転特性を実現
することができる。

【００３２】例えば、機械バネやプランジャなど比較的
低価格の機械部品を利用して、アクチュエータの駆動力
補助機構を実装することができる（後述）。したがっ
て、システムの構成が小型且つ簡素で、低価格で提供す
ることができる。

【００３３】また、可変バネを用いてアクチュエータの
駆動力補助機構を実現することも可能である。このよう
な場合、稼動中（例えば歩行中や跳躍動作中）であって
も、バネ定数を動的に変更することで、駆動力を増減さ
せて、稼動中の加速度を自在にコントロールすることが
できる。例えば、ロボットの跳躍量を動的にコントロー
ルすることができる。

【００３４】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。

【００３５】

【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。

【００３６】図１には、本発明の第１の実施形態に係る
可動脚ユニット１００の斜視図を示している。また、図
２には可動脚ユニット１００の正面図を、図３には可動
脚ユニット１００の側面図を示している。さらに、図４
には、可動脚ユニット１００のＡ−Ａ断面図を示してい
る。

【００３７】各図に示すように、可動脚ユニット１００
は、大腿部フレーム１０２と、脛部フレーム１０５と、
足平フレーム１０７とで構成されている。大腿部フレー
ム１０２は、股関節アクチュエータ１０３によって、股
関節ピッチ軸まわりに可動可能に腰部フレーム１０１と
連結している。また、脛部フレーム１０５は、膝部アク
チュエータ１０４によって、膝関節ピッチ軸まわりに可
動可能に大腿部フレーム１０２と連結している。また、
足平フレーム１０７は、足首アクチュエータ１０６によ
って、足首関節ピッチ軸まわりに可動可能に脛部フレー
ム１０５と連結している。

【００３８】各関節アクチュエータ１０３，１０４，１
０６を回転駆動させるより、歩行やその他の可動脚ユニ
ット１００による脚式動作の軌道計画を実現することが
できる。

【００３９】この実施形態では、脚式動作のための駆動
力補助機構として、左右一対のバネ１０９並びにバネ１
１０、スライダ１０８、ガイド穴１１２、ガイド・レー
ル１１３の各々が図示の各部位に配設されている。

【００４０】ガイド穴１１２は、脛部フレーム１０５の
側壁面に穿設された線条穴である。スライダ１０８の端
縁はガイド穴１１２に収容されており、スライダ１０８
はガイド穴１１２の長手方向、すなわち紙面の上下方向
にスライド自在に支持されている。

【００４１】また、ガイド・レール１１３は、脛部フレ
ーム１０５の前面左右略側縁に沿って形設された線条溝
であり、バネ１０９を貫挿させて紙面の上下方向以外の
自由度を規制している。

【００４２】バネ１０９は、大腿部フレーム１０２の前
面左右略上端に形設された突起と、スライダ１０８の左
右略上端に形設された突起の各々を伸縮の上端及び下端
として配設されている。したがって、スライダ１０８の
設置位置によって可動脚１００が伸展したときのバネ１
０９の長さが決定される。また、バネ１１０は、スライ
ダ１０８の左右略下端に形設された突起と、脛部フレー
ム１０５の前面左右略下端に形設された突起の各々を伸
縮の上端及び下端として配設されてており、スライダ１
０８の設置位置によって発生する張力が決定される。

【００４３】この実施形態では、バネ１０９の復元力が
脚力補助に利用される。バネ１０９による脚力補助は、
可動脚１００を伸展させたときのバネ１０９の伸び量に
よって決定される。

【００４４】脛部１０５には、プランジャ１１１が配設
されている。プランジャ１１１は、上下方向に並んだ２
個の出没自在な突起で構成され、スライダ１０８の上下
位置を上側又は下側のいずれか一方に固定することがで
きる。

【００４５】図１〜図４に示す状態では、プランジャ１
１１の上側の突起が付勢すなわち出現しており、これに
よってスライダ１０８は上側の位置に固定されている。
このような場合、バネ１０９は自由長となるので、可動
脚ユニット１００が屈伸運動する際にバネ１０９に発生
する張力は小さい。したがって、可動脚ユニット１００
は、脚力補助は印加されず、各関節アクチュエータ１０
３，１０４，１０６の本来の駆動トルクのみを用いた通
常の屈伸動作を行う。

【００４６】図５〜図８には、本実施形態に係る可動脚
ユニット１００が通常の屈曲動作をしているときの斜視
図、正面図、側面図、及び、Ａ−Ａ断面図をそれぞれ示
している。

【００４７】各図に示すように、股関節アクチュエータ
１０３、膝部アクチュエータ１０４、及び、足首関節ア
クチュエータ１０６を駆動させることによって、各腰部
１０１と大腿フレーム１０２、大腿フレーム１０２と脛
部フレーム１０５、及び、脛部フレーム１０５と足平フ
レーム１０７の各々の間が徐々に折れ曲がっていき、可
動脚ユニット１００全体としては屈曲した姿勢が実現さ
れる。

【００４８】既に述べたように、スライダ１０８がプラ
ンジャ１１１によって紙面上側の位置に設定されている
場合には、可動脚１００が屈曲したときに発生するバネ
１０９の張力は小さく、膝関節アクチュエータ１０４の
駆動には影響しない。なお、膝部の屈曲時には、バネ１
０９は、ガイド・レール１１３に沿って伸縮する。

【００４９】これに対し、プランジャ１１１の下側の突
起が付勢すなわち出現して、スライダ１０８が下側の位
置に固定されているときには、バネ１０９は、図１〜図
４に示した自然長よりも長くなる。このため、可動脚ユ
ニット１００が屈伸運動する際にバネ１０９に発生する
張力は大きくなる。したがって、この場合には、可動脚
１００には脚力補助が印加され、各関節アクチュエータ
１０３，１０４，１０６の駆動トルク以外の補助駆動力
を用いた屈伸動作を行うことができる。この実施形態で
は、特に可動脚が伸脚するときに膝関節に補助駆動力が
作用する。したがって、可動脚が支持脚のときには、よ
り大きな床反力を得ることができ、より高速な走行、あ
るいはより高い跳躍を実現することができる。

【００５０】図９〜図１２には、プランジャ１１１の下
側の突起が出現してスライダ１０８が降下した状態での
可動脚ユニット１００の伸展状態の斜視図、正面図、側
面図、並びにＡ−Ａ断面図を示している。各図に示すよ
うに、この場合バネ１０９は、図１〜図４に示した自然
長よりも長くなり、より大きな張力を与えることができ
る。この場合のバネ１０９の張力は、膝関節アクチュエ
ータ１０４の駆動に影響を与え、可動脚ユニット１００
の屈伸運動時の駆動補助力となり得る。

【００５１】図１３〜図１６には、本実施形態に係る可
動脚ユニット１００に駆動補助力が印加された状態で屈
曲動作をしているときの斜視図、正面図、側面図、及
び、Ａ−Ａ断面図をそれぞれ示している。

【００５２】各図に示すように、股関節アクチュエータ
１０３、膝部アクチュエータ１０４、及び、足首関節ア
クチュエータ１０６を駆動させることによって、各腰部
１０１と大腿フレーム１０２、大腿フレーム１０２と脛
部フレーム１０５、及び、脛部フレーム１０５と足平フ
レーム１０７の各々の間が徐々に折れ曲がっていき、可
動脚ユニット１００全体としては屈曲した姿勢が実現さ
れる。

【００５３】既に述べたように、この場合には、スライ
ダ１０８がプランジャ１１１によって下側に位置に設定
されている。したがって、可動脚１００が屈曲したとき
に発生するバネ１０９の張力は、通常すなわち自然長の
ときよりも大きくなり、膝関節アクチュエータ１０４の
駆動には影響を及ぼすようになる。

【００５４】膝関節の屈曲がさらに進むにつれて、バネ
１０９はさらに伸ばされ、張力はますます増加して、バ
ネ弾性エネルギとして蓄積する。この結果、バネ１０９
は、膝関節が再び伸展するときに、弾性エネルギを運動
エネルギとして放出するので、膝関節アクチュエータ１
０４に対する大きな駆動補助力となる。したがって、膝
部アクチュエータ１０４のみでは実現することができな
い高トルク、高回転を得ることが可能となる。この実施
形態では、特に可動脚が伸脚するときに膝関節に補助駆
動力が作用する。したがって、可動脚が支持脚のときに
は、より大きな床反力を得ることができ、より高速な走
行、あるいはより高い跳躍を実現することができる。

【００５５】なお、膝部の屈曲時には、バネ１０９は、
ガイド・レール１１３に沿って伸縮する（同上）。

【００５６】次に、可動脚ユニット１００において通常
モード（図１〜図８）と補助駆動力作動モード（図９〜
図１６）との切り替え方法について説明する。

【００５７】通常モードから補助駆動力作動モードに切
り替えるときには、可動脚ユニットを伸展させた状態
（図１〜図４）で、プランジャ１１１の上側の突起を埋
没させて、スライダ１０８を解放する。すると、バネ１
０９がバネ１１０の張力によって下方に引っ張られて、
スライダ１０８が下降する。そして、スライダ１０８が
充分降下したときに、プランジャ１１１の下側の突起を
出現させることによって、今度はスライダ１０９を下側
の位置に固定することができる。この結果、可動脚ユニ
ット１００は、図９〜図１３に示すような補助駆動力を
膝関節に印加可能な状態に遷移する。

【００５８】但し、上述のようなオペレーションを可能
にするためには、可動脚ユニット１００が伸展した状態
でのバネ１０９の張力Ｐ₁₀₉よりもバネ１１０の張力Ｐ
₁₁₀の方を充分大きくなるように構成する必要がある。
例えば、可動脚ユニット１００が伸展したときにバネ１
０９が自然長になるようにすればよい。

【００５９】他方、補助力作動モードから通常モードに
切り替えるときには、可動脚ユニットを充分に屈曲させ
た状態（図１３〜図１６）で、プランジャ１１１の下側
の突起を埋没させて、スライダ１０８を解放する。する
と、バネ１１０がバネ１０９の張力によって上方に引っ
張られて、スライダ１０８が上昇する。そして、スライ
ダ１０８が充分上昇したときに、プランジャ１１１の上
側の突起を出現させることによって、今度はスライダ１
０９を上側の位置に固定することができる。この結果、
可動脚ユニット１００は、図１〜図４に示すような補助
駆動力が作用しない通常の状態に復帰する。

【００６０】但し、上述のようなオペレーションを可能
にするためには、可動脚ユニット１００が屈曲した状態
でのバネ１０９の張力Ｐ₁₀₉がバネ１１０の張力Ｐ₁₁₀よ
りも充分大きくなるように構成する必要がある。

【００６１】本発明の第１の実施形態における可動脚ユ
ニット１００の動作特性を、下表にまとめておく。

【００６２】

【表１】

【００６３】次いで、本発明の第２の実施形態に係る可
動脚ユニット１００−２について説明する。

【００６４】図１７には、本発明の第２の実施形態に係
る可動脚ユニット１００−２が伸展している状態の斜視
図を示している。また、図１８には可動脚ユニット１０
０−２の伸展状態の正面図を、図１９には可動脚ユニッ
ト１００−２の伸展状態の側面図を示している。さら
に、図２０〜図２２には、可動脚ユニット１００−２の
屈曲状態の斜視図、正面図、及び側面図をそれぞれ示し
ている。

【００６５】同図に示すように、可動脚ユニット１００
−２は、大腿部フレーム１３２と、脛部フレーム１３５
と、足平フレーム１３７とで構成されている。大腿部フ
レーム１３２は、股関節アクチュエータ１３３によっ
て、股関節ピッチ軸まわりに可動可能に腰部フレーム１
３１と連結している。また、脛部フレーム１３５は、膝
部アクチュエータ１３４によって、膝関節ピッチ軸まわ
りに可動可能に大腿部フレーム１３２と連結している。
また、足平フレーム１３７は、足首アクチュエータ１３
６によって、足首関節ピッチ軸まわりに可動可能に脛部
フレーム１３５と連結している。

【００６６】各関節アクチュエータ１３３，１３４，１
３６を回転駆動させることにより、歩行やその他の可動
脚ユニット１００−２による脚式動作の軌道計画を実現
することができる。

【００６７】この実施形態では、脚式動作のための駆動
力補助機構として、大腿フレーム１３５及び脛部フレー
ム１３６の左右各側縁に沿って一対の可変バネ１３９が
配設されている。可変バネ１３９は、バネ弾性定数又は
張力を動的に調整することができる特性を持つものとす
る。

【００６８】可変バネ１３９の上端は大腿フレーム１３
２の前面左右略上端に形設された突起に取り付けられ、
また、可変バネ１３９のの下端は、脛部フレーム１３５
の前面左右略下端に形設された突起に取り付けられてい
る。また、可変バネ１３９は、大腿フレーム１３２及び
脛部フレーム１３５の前面左右略側縁に沿って形設され
たガイド・レール１４３に貫挿されて、紙面の上下方向
以外の自由度が規制されている。

【００６９】このように構成された可動脚ユニット１０
０−２において実現される通常歩行及び高速歩行／跳躍
動作について以下に説明する。

【００７０】通常歩行など、駆動力の補助を必要としな
い動作を実行する場合、可変バネ１３９のバネ定数をゼ
ロに近づける。この結果、膝部アクチュエータ１３４に
影響を及ぼさないようにすることができる。

【００７１】これに対し、高速歩行や跳躍動作を行う場
合には、まず、図１７〜図１９に示す可動脚ユニット１
００−２の伸展状態から図２０〜図２２に示す屈曲状態
に移行するときには、可変バネ１３９のバネ定数をゼロ
に近づけて、比較的低トルクで伸展状態への移行を行
う。

【００７２】次いで、屈曲状態から伸展状態に戻るとき
には可変バネ１３９のバネ定数を限りなく大きくしてや
る。この結果、膝関節アクチュエータ１３４には、膝部
が伸展する方向に駆動補助力が加わり、高トルク、高速
度の伸展動作を行うことができる。

【００７３】この結果、可動脚ユニット１００−２とし
ては大きな床反力を得ることができ、高速歩行（走行）
や跳躍などの高トルクを要する高速動作を好適に実現す
ることができる。

【００７４】さらに、歩行や跳躍動作中に、可変バネ１
３９のバネ定数を動的に変化させることによって、歩行
速度や跳躍高さを変更することができる。

【００７５】なお、可変バネ１３９としては、例えば、
印加電圧によりバネ定数を変化させることができるよう
な応答性のよい装置を適用することができる。また、可
変バネ１３９を、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、水圧
シリンダなど圧縮及び／又は伸張する力を動的且つ電気
的にコントロールすることができる他の装置類で置き換
えることができる。

【００７６】本発明の第２の実施形態における可動脚ユ
ニット１００−２の動作特性を、下表にまとめておく。

【００７７】

【表２】

【００７８】［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。

【００７９】上述した実施例では、ピッチ方向に３自由
度（すなわち股関節ピッチ軸、膝関節ピッチ軸、及び足
首関節ピッチ）のみを持つ１つの可動脚を例に挙げて説
明したが、現実のロボットにおいては、各関節について
ロール方向やヨー方向にも自由度が必要な場合があるこ
とは言うまでもない。また、すべての可動脚に対して駆
動力補助機構を搭載してもよい。

【００８０】また、本明細書では膝関節のピッチ方向自
由度に対して補助機構を装着した例のみを説明したが、
可動脚の他の自由度においても同様の補助機構を配設す
ることができる、という点を充分理解されたい。

【００８１】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。

【００８２】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
１以上の可動脚を用いて歩行や走行などの脚式移動作業
を行うことができる、優れた脚式ロボットを提供するこ
とができる。

【００８３】また、本発明によれば、比較的低速な歩行
作業だけでなく、走行や跳躍など比較的高速な移動をも
行うことができる、優れた脚式ロボットを提供すること
ができる。

【００８４】また、本発明によれば、アクチュエータを
利用して関節駆動を実現する可動脚を備えた、優れた脚
式ロボットを提供することができる。

【００８５】また、本発明によれば、関節アクチュエー
タを大型化することなく走行や跳躍などの高速移動を行
うことができる、優れた脚式ロボットを提供することが
できる。

【００８６】本発明によれば、可動脚を構成する関節ア
クチュエータのうち少なくとも１つに対して、補助的な
駆動力を印加することができる駆動力補助機構を備える
ことができる。駆動力補助機構を作動させることによっ
て、高速歩行、走行、跳躍時に必要な高いトルクや高い
動作速度を得ることができる。また、通常の歩行時など
高トルクを必要としない動作期間中においては、駆動力
補助機構を減勢することによって、関節アクチュエータ
の長寿命化や省エネルギ化を実現することができる。

【００８７】小型化・低価格化を目指すシステムの場
合、高トルクや高回転型の高価で大型のアクチュエータ
を使用することは適切でない。これに対し、本発明によ
れば、アクチュエータの駆動力補助機構を用いること
で、小型で低価格のまま、高トルクや高回転特性を実現
することができる。

【００８８】例えば、機械バネやプランジャなど比較的
低価格の機械部品を利用して、アクチュエータの駆動力
補助機構を実装することができる（後述）。したがっ
て、システムの構成が小型且つ簡素で、低価格で提供す
ることができる。

【００８９】また、可変バネを用いてアクチュエータの
駆動力補助機構を実現することも可能である。このよう
な場合、稼動中（例えば歩行中や跳躍動作中）であって
も、バネ定数を動的に変更することで、駆動力を増減さ
せて、稼動中の加速度を自在にコントロールすることが
できる。例えば、ロボットの跳躍量を動的にコントロー
ルすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００の伸展状態の斜視図（但し、プランジャ１１１の
上側の突起を付勢した場合）である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００の伸展状態の正面図（但し、プランジャ１１１の
上側の突起を付勢した場合）である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００の伸展状態の側面図（但し、プランジャ１１１の
上側の突起を付勢した場合）である。

【図４】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００の伸展状態のＡ−Ａ断面図（但し、プランジャ１
１１の上側の突起を付勢した場合）である。

【図５】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００が通常の屈曲動作をしている様子を示した斜視図
である。

【図６】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００が通常の屈曲動作をしている様子を示した正面図
である。

【図７】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００が通常の屈曲動作をしている様子を示した側面図
である。

【図８】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００が通常の屈曲動作をしている様子を示したＡ−Ａ
断面図である。

【図９】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニット
１００の伸展状態の斜視図（但し、プランジャ１１１の
下側の突起を付勢した場合）である。

【図１０】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００の伸展状態の正面図（但し、プランジャ１１１
の下側の突起を付勢した場合）である。

【図１１】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００の伸展状態の側面図（但し、プランジャ１１１
の下側の突起を付勢した場合）である。

【図１２】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００の伸展状態のＡ−Ａ断面図（但し、プランジャ
１１１の下側の突起を付勢した場合）である。

【図１３】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００に脚力補助が印加された状態で屈曲動作をして
いる様子を示した斜視図である。

【図１４】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００に脚力補助が印加された状態で屈曲動作をして
いる様子を示した正面図である。

【図１５】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００に脚力補助が印加された状態で屈曲動作をして
いる様子を示した側面図である。

【図１６】本発明の第１の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００に脚力補助が印加された状態で屈曲動作をして
いる様子を示したＡ−Ａ断面図である。

【図１７】本発明の第２の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００−２の伸展状態の斜視図である。

【図１８】本発明の第２の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００−２の伸展状態の正面図である。

【図１９】本発明の第２の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００−２の伸展状態の側面図である。

【図２０】本発明の第２の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００−２の屈曲状態の斜視図である。

【図２１】本発明の第２の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００−２の屈曲状態の正面図である。

【図２２】本発明の第２の実施形態に係る可動脚ユニッ
ト１００−２の屈曲状態の側面図である。

【符号の説明】

１００…可動脚ユニット １０１，１３１…腰部フレーム １０２，１３２…大腿部フレーム １０３，１３３…股関節（ピッチ軸）アクチュエータ １０４，１３４…膝関節（ピッチ軸）アクチュエータ １０５，１３５…脛部フレーム １０６，１３６…足首関節（ピッチ軸）アクチュエータ １０７，１３７…足平フレーム １０８…スライダ １０９，１１０…バネ １１１…プランジャ １１２…ガイド穴 １１３，１４３…ガイド・レール １３９…可変バネ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】脚式移動作業を行う脚式ロボットのための
   可動脚であって、 １以上のフレームと、 各フレーム間を可動自在に連結する関節と、 各関節に配置された関節アクチュエータと、 少なくとも１つの関節アクチュエータの駆動力を補助す
   るための駆動力補助手段と、 前記駆動力補助機構による補助駆動力を制御する補助駆
   動力制御手段と、を具備することを特徴とする脚式ロボ
   ットのための可動脚。
2. 【請求項２】前記補助駆動力制御手段は前記可動脚の伸
   脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オフ制御を行
   うことを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボットのた
   めの可動脚。
3. 【請求項３】前記補助駆動力制御手段は前記可動脚の伸
   脚及び／又は曲脚動作期間中に補助駆動力を変更するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボットのための
   可動脚。
4. 【請求項４】脚式移動作業を行う脚式ロボットのための
   可動脚であって、 大腿部フレームと、 脛部フレームと、 足平フレームと、 前記脚式ロボットの胴体側と前記大腿部フレームとを回
   動自在に連結する股関節アクチュエータと、 前記大腿部フレームと前記脛部フレームとを回動自在に
   連結する膝関節アクチュエータと、 前記脛部フレームと前記足平フレームとを回動自在に連
   結する足首関節アクチュエータと、 前記膝関節アクチュエータの駆動力を補助する駆動力補
   助機構と、 前記駆動力補助機構による補助駆動力を制御する補助駆
   動力制御手段と、を具備することを特徴とする脚式ロボ
   ットのための可動脚。
5. 【請求項５】前記駆動力補助機構は前記膝関節アクチュ
   エータの駆動方向に伸縮するバネ体で構成され、 前記補助駆動力制御手段は、駆動力を補助する期間は該
   バネ体の張力を前記膝関節に印加するとともに、駆動力
   を補助しないときは該バネ体の張力を前記膝関節から解
   放する、ことを特徴とする請求項４に記載の脚式ロボッ
   トのための可動脚。
6. 【請求項６】前記補助駆動力制御手段は前記可動脚の伸
   脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オフ制御を行
   うことを特徴とする請求項４に記載の脚式ロボットのた
   めの可動脚。
7. 【請求項７】前記駆動力補助機構は前記膝関節アクチュ
   エータの駆動方向に伸縮可能で且つバネ定数を変更可能
   な可変バネ体で構成され、 前記補助駆動力制御手段は、駆動力を補助する期間は該
   可変バネ体のバネ定数を大きくするとともに、駆動力を
   補助しないときは該可変バネ体のバネ定数を小さくす
   る、ことを特徴とする請求項４に記載の脚式ロボットの
   ための可動脚。
8. 【請求項８】２以上の可動脚により脚式移動作業を行う
   脚式ロボットであって、少なくとも１つの可動脚は、 １以上のフレームと、 各フレーム間を可動自在に連結する関節と、 各関節に配置された関節アクチュエータと、 少なくとも１つの関節アクチュエータの駆動力を補助す
   るための駆動力補助手段と、 前記駆動力補助機構による補助駆動力を制御する補助駆
   動力制御手段と、を具備することを特徴とする脚式ロボ
   ット。
9. 【請求項９】前記補助駆動力制御手段は前記可動脚の伸
   脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オフ制御を行
   うことを特徴とする請求項８に記載の脚式ロボット。
10. 【請求項１０】前記補助駆動力制御手段は前記可動脚の
    伸脚及び／又は曲脚動作期間中に補助駆動力を変更する
    ことを特徴とする請求項８に記載の脚式ロボット。
11. 【請求項１１】２以上の可動脚により脚式移動作業を行
    う脚式ロボットであって、少なくとも1つの可動脚は、 大腿部フレームと、 脛部フレームと、 足平フレームと、 前記脚式ロボットの胴体側と前記大腿部フレームとを回
    動自在に連結する股関節アクチュエータと、 前記大腿部フレームと前記脛部フレームとを回動自在に
    連結する膝関節アクチュエータと、 前記脛部フレームと前記足平フレームとを回動自在に連
    結する足首関節アクチュエータと、 前記膝関節アクチュエータの駆動力を補助する駆動力補
    助機構と、 前記駆動力補助機構による補助駆動力を制御する補助駆
    動力制御手段と、を具備することを特徴とする脚式ロボ
    ット。
12. 【請求項１２】前記駆動力補助機構は前記膝関節アクチ
    ュエータの駆動方向に伸縮するバネ体で構成され、 前記補助駆動力制御手段は、駆動力を補助する期間は該
    バネ体の張力を前記膝関節に印加するとともに、駆動力
    を補助しないときは該バネ体の張力を前記膝関節から解
    放する、ことを特徴とする請求項１１に記載の脚式ロボ
    ット。
13. 【請求項１３】前記補助駆動力制御手段は前記可動脚の
    伸脚及び／又は曲脚時に補助駆動力のオン／オフ制御を
    行うことを特徴とする請求項１１に記載の脚式ロボッ
    ト。
14. 【請求項１４】前記駆動力補助機構は前記膝関節アクチ
    ュエータの駆動方向に伸縮可能で且つバネ定数を変更可
    能な可変バネ体で構成され、 前記補助駆動力制御手段は、駆動力を補助する期間は該
    可変バネ体のバネ定数を大きくするとともに、駆動力を
    補助しないときは該可変バネ体のバネ定数を小さくす
    る、ことを特徴とする請求項１１に記載の脚式ロボッ
    ト。