JP2003266337A - ２足歩行ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の各足平行２輪付き２足歩行ロボットで
は、階段を円滑に昇降することが主体で、平坦面での高
速走行、円滑な操向を行うことができなかった。 【解決手段】 本体１から側方に延びる第１側脚５をモ
ータ７で軸６を中心に回転可能とし、第１側脚５から下
方に延びる第１主脚１１をモータ１３で軸１２を中心に
回転可能とし、第１主脚１１をモータ１５で回転するボ
ールねじ機構で第１主脚１１を伸縮自在とし、上下動す
る第１可動脚１７の下部にモータ２７で軸２６を中心に
回転する第１補助脚２５を設け、第１補助脚２５の下部
に自由回転可能でブレーキを備えた第１回転ジョイント
２８を設け、その下の第１車輪フレーム２９間に６軸力
センサ３０を設け、第１車輪フレーム２９にはモータ３
１で駆動する第１側車輪３２と、モータ３３で駆動する
第２足車輪３４を設けて第１脚５１を構成し、同構成の
第２脚５２とにより全体として走行及び歩行を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、両足に平行２輪を
備えて２足歩行により移動を行う２足歩行ロボットに関
し、特に２足によって階段を移動できると共に、平坦面
においては車輪により高速で移動すると共に、自由に操
向可能とした２足歩行ロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】移動ロボットの研究が広範に行われてい
るが、人間環境内で自由に移動するためには環境内に段
差が多いため、この段差を円滑に移動する必要があり、
そのためには多足のロボットを用いることが望ましい。
その中でも２足歩行ロボットは例えば４足、６足のよう
な多足歩行ロボットと比較してバランスをとって歩行作
動させることが困難である反面、少ないスペース上で移
動でき、また人間の動作の研究にも応用でき、特に人間
の感覚になじみやすい為アミューズメント機能も備え、
人間と共生できるロボットとして期待されている。

【０００３】このような２足歩行ロボットについても広
く研究がなされており、段差のある部分や階段を円滑に
移動する研究開発が重点的に行われている。しかしなが
ら、２足歩行ロボットが単に歩行のみによって移動する
際には平坦面においても歩行移動することとなり、その
移動速度は限られたものとならざるを得ない。本来、平
坦面の移動は車輪を用いることにより高速で移動するこ
とができるものであり、ロボットのような機械において
は足につけた車輪をモータで駆動することにより容易に
対応することができる。

【０００４】その観点から本件発明者らは、各脚に平行
２輪の車輪を設けた２足歩行ロボットの研究を行ってお
り、このロボットによる階段昇降制御の研究結果等を日
本ロボット学会等で発表している（日本ロボット学会
誌、Vol.16 No.6 1998 「静的歩容を規範とした２足
歩行型脚車輪ロボットの階段昇降制御」)。このロボッ
トは図５に示すような構造をなし、図６に示すような作
動によって階段を昇降する。

【０００５】即ち、このロボットにおいては、フレーム
６１の片側に第１脚支持部６２を固定し、他側に第２脚
支持部６３を回転自在に支持している。第１脚支持部６
２の上端部には第１脚伸縮用モータ６４を備え、この第
１脚伸縮用モータ６４によりボールねじ６５を回転して
第１脚６６を伸縮自在としている。また、この第１脚６
６の下端には第１脚車輪駆動モータ６７を備え、第１脚
６６に回転自在に支持した左右２個の第１脚車輪６８、
６８を同軸で一体的に回転駆動している。第２脚支持部
６３も同様に、上端部には第２脚伸縮用モータ７０を備
え、この第２脚伸縮用モータ７０によりボールねじ７１
を回転して第２脚７２を伸縮自在としている。また、こ
の第２脚７２の下端には第２脚車輪駆動モータ７３を備
え、第２脚７２に回転自在に支持した左右２個の第２脚
車輪７４、７４を同軸で一体的に回転駆動している。

【０００６】フレーム６１には脚回動モータ７５を備
え、ベベルギヤ駆動機構７６により第１脚支持部６２、
及び第２脚支持部６３を軸７７を中心に独立に回動可能
としている。上記第１脚車輪６８及び第２脚車輪７４に
おける各々左右２個の車輪はその間隔は充分に広く設定
している。

【０００７】上記機構を用い、前記脚回動モータ７５、
第１脚伸縮用モータ６４、第２脚伸縮用モータ７０、第
１脚車輪駆動モータ６７、第２脚車輪駆動モータ７３を
各々駆動制御し、倒立振り子型に移動するロボットとし
ている。それにより、例えば図６に示すような階段の昇
降を行うことができる。前進時に第１脚６６と第２脚７
２を交差する際には、後方の脚車輪が前方の脚車輪に接
触しないように充分上昇させて前方に出す歩行作動を行
う。この２足歩行ロボットの研究は主として階段を円滑
に昇降することを主眼においた研究であり、この研究に
より１歩を約３秒で階段の昇降を行うことができるほぼ
実用に近いロボットを製作することができ、またこの種
のシステムの動的階段昇降に関する基礎的な知見を得る
ことができた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、本件発
明者等により研究開発された２足歩行型脚車輪ロボット
により、この種のロボットにおいて最も困難視された階
段の昇降を、円滑に行うことができるようになったもの
であるが、より実用化に近づけるためこのロボットにお
ける平坦面での歩行や車輪による高速移動とその際の操
向、及び前記のような階段の昇降を含んだ全体を全体と
して円滑に作動することができる必要がある。

【０００９】即ち、前記研究における２足歩行ロボット
は主として階段を昇降する等の凹凸路面の走行を円滑に
行うための機能制御に重点が置かれていたものであり、
同軸の車輪を用いる等、左右へ方向転換するステアリン
グの制御についてはほとんど考慮していなかった。した
がって現在まで研究開発してきたロボットをより実用化
の高いものとするため、従来の円滑な２足歩行及び階段
昇降機能を行うと共に更にその機能を高め、平坦地の片
足２輪走行機能、両足による安定した４輪高速走行機
能、２輪によるその場での旋回機能、４輪による自由な
曲線を円滑に走行するステアリング機能を行い、且つそ
れらを総合的に円滑に作動する手法の開発が必要とされ
る。

【００１０】したがって本発明は、２足の各脚端に平行
２輪を備えて自立可能としたロボットにおいて、円滑な
２足歩行及び階段昇降機能を行うと共に更にその機能を
高め、平坦地の片足２輪走行機能、両足による安定した
４輪高速走行機能、２輪によるその場での旋回機能、４
輪による自由な曲線を円滑に走行するステアリング機能
を行い、且つそれらを総合的に制御することができる２
足歩行ロボットを提供することを主たる目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、伸縮且つ揺動可能な脚と、
該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた
６軸力センサとを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有
し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、前記脚
の端部を３次元の任意の位置に移動する脚端移動手段
と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手
段とを備えたことを特徴とする２足歩行ロボットとした
ものである。

【００１２】また、請求項２に係る発明は、前記脚端移
動手段は、本体から側方に延びる側脚を回転する側脚回
転手段と、前記側脚から下方に延びる主脚を回転する主
脚回転手段とからなることを特徴とする請求項１記載の
２足歩行ロボットとしたものである。

【００１３】また、請求項３に係る発明は、前記操向手
段は、平行２輪の各車輪を独立して回転可能な駆動装置
を備えたことを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボ
ットとしたものである。

【００１４】また、請求項４に係る発明は、前記各脚の
平行２輪は主脚に対して自由旋回可能で且つブレーキを
有する回転継ぎ手を備えていることを特徴とする請求項
１記載の２足歩行ロボットとしたものである。

【００１５】また、請求項５に係る発明は、前記平行２
輪を主脚の姿勢に関わらず床面に両輪設置状態とする回
転装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の２足歩
行ロボットとしたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に沿って説
明する。図１は本発明に基づく２足歩行ロボットの概要
を示し、図２〜図４はこの２足歩行ロボットを駆動機構
の面から模式的に示したロボット模式図に基づいて、そ
の作動を説明した図である。図１に示す２足歩行ロボッ
ト１は本体２の下部に第１脚支持部３と第２脚支持部４
を突出固定し、第１脚支持部３には本体の中心線から図
中左側方向に突出する第１側脚５を軸６を中心に回転自
在に設け、モータ７により図中矢印Ａ１方向にこの第１
側脚５を揺動可能としている。同様に第２脚支持部４に
は本体の中心線から図中右側方向に突出する第２側脚８
を軸９を中心に回転自在に設け、モータ１０により図中
矢印Ａ２方向にこの第２側脚８を揺動可能としている。

【００１７】第１側脚５の端部には下方に延びる第１主
脚１１を軸１２を中心に回転自在に設け、モータ１３に
より図中矢印Ｂ１方向にこの第１主脚１１を揺動可能と
している。この第１主脚１１の円筒状カバー１４内には
ボールねじを用いた脚伸縮機構を備えており、モータ１
５により第１ボールねじ１６を回転することにより、こ
のねじに螺合するボールを備えた第１可動脚１７を直線
矢印Ｃ１方向に往復動可能とし、それにより可動脚１７
を図中上下方向に移動し、第１主脚１１を伸縮自在とし
ている。

【００１８】同様に、第２側脚８の端部には下方に延び
る第２主脚１８を軸１９を中心に回転自在に設け、モー
タ２０により図中矢印Ｂ２方向にこの第２主脚１８を揺
動可能としている。この第２主脚１８の円筒状カバー２
１内にはボールねじを用いた脚伸縮機構を備えており、
モータ２２により第２ボールねじ２３を回転することに
より、このねじに螺合するボールを備えた第２可動脚２
４を直線矢印Ｃ２方向に往復動可能とし、それにより第
２可動脚２４を図中上下方向に移動し、第２主脚１６を
伸縮自在としている。

【００１９】第１可動脚１７の下端には第１補助脚２５
を軸２６を中心に回転自在に設け、モータ２７により図
中矢印Ｄ１方向にこの第１補助脚２５を揺動可能として
いる。この第１補助脚２５の下部には第１回転ジョイン
ト２８を設け、図中矢印Ｅ１方向に自由に回転可能とし
ている。なお、この部分はモータを設けない受動回転部
とし、外部操作可能なブレーキを設ける。図示実施例で
は第１回転ジョイント２８の下部に設ける第１車輪フレ
ーム２９との間に６軸力センサ３０を設けており、第１
車輪フレーム２９には第１脚第１側車輪モータ３１を設
けて、歯車機構により第１脚第１側車輪３２を図中矢印
Ｆ１１方向に回転可能とし、同様に第１車輪フレーム２
９には第１脚第２側車輪モータ３３を設けて、歯車機構
により第１脚第２側車輪３４を図中矢印Ｆ１２方向に、
前記第１脚第１側車輪３２とは独立して回転可能として
いる。

【００２０】同様に、第２可動脚２４の下端には第２補
助脚３５を軸３６を中心に回転自在に設け、モータ３７
により図中矢印Ｄ２方向にこの第２補助脚３５を揺動可
能としている。この第２補助脚３５の下部には第２回転
ジョイント３８を設け、図中矢印Ｅ２方向に自由に回転
可能としている。なお、この部分もモータを設けない受
動回転部とし、外部操作可能なブレーキを設ける。図示
実施例では第２回転ジョイント３８の下部に設ける第２
車輪フレーム４０との間に６軸力センサ４１を設けてお
り、第２車輪フレーム４１には第２脚第１側車輪モータ
４２を設けて、歯車機構により第２脚第１側車輪４３を
図中矢印Ｆ２１方向に回転可能とし、同様に第２車輪フ
レーム４０には第２脚第２側車輪モータ４４を設けて、
歯車機構により第２脚第２側車輪４５を図中矢印Ｆ２２
方向に、前記第２脚第１側車輪４３とは独立して回転可
能としている。

【００２１】上記機構により、片脚の自由度構成は、脚
上部にピッチ、ロールの２自由度、脚中央部に伸縮１自
由度、足首部にロール、ヨーの２自由度をもつ構成とな
る。但し足首部のヨー軸はブレーキ付きの受動関節部と
なっている。この機構を両足に備えることにより極めて
自由度の大きな２足ロボットとなる。本体２にはバッテ
リ、ＣＰＵ、ＩＯボード、レートジャイロ、加速度計、
モータアンプ（１２個）をそなえ、各モータに設けたセ
ンサによりその作動状態を検出し、本体内の制御装置に
より各モータの総合的な制御を行っている。

【００２２】図１に示す２足走行ロボット１は、第１脚
５１の第１主脚１１を縮めた状態にして前方に振り出
し、第２脚５２の下端部を機体内側に曲げ、６軸力セン
サ４１の信号を用いて機体の重心を第２脚第１輪４３と
第２脚第２輪４５間に位置するようにし、本体２に備え
たレートジャイロ、加速度計、前輪２輪の回転速度信号
により前記２輪で倒立振り子制御によってバランスをと
ることができるようにしている。ここでは、第１脚５１
を持ち上げた状態で第２脚５２により、２個の独立して
回転するモータによって駆動される２輪によって走行可
能であり、その際には前後進、蛇行及びその位置での回
転操向が自由に可能となる。また、この状態では、従来
の２足歩行ロボットと同様に２輪を回転させることなく
第１脚と第２脚を交互に前進させる歩行作動も当然可能
である。

【００２３】上記２脚走行ロボットの詳細な機能を説明
するため、図２〜図４には上記の機構について回転、伸
縮等の機能構成部分を抽出して模式化したものを示して
いる。前記図１における第１側脚５を矢印Ａ１方向に回
転支持する軸６とモータ７は、図２においてはモータに
より矢印Ａ１方向に回転可能な軸６として簡略化して示
している。同様に、図１における第２側脚８を矢印Ａ２
方向に回転支持する軸９とモータ１０は、図２において
はモータにより矢印Ａ２方向に回転可能な軸９として示
している。また、図１における第１主脚１１を矢印Ｂ１
方向に回転支持する軸１２とモータ１３は、図２におい
てはモータにより矢印Ｂ１方向に回転可能な軸１２とし
て示し、図１における第２主脚１８を矢印Ｂ２方向に回
転支持する軸１９とモータ２０は、図２においてはモー
タにより矢印Ｂ２方向に回転可能な軸１９として示して
いる。

【００２４】また、図１においてモータ１５で回転する
第１ボールねじ１６とこれに螺合するボールを備え矢印
Ｃ１方向に移動する第１主脚１１は、図２において矢印
Ｃ１方向に伸縮する第１主脚１１として簡略化して示し
ており、同様に図１においてモータ２２で回転する第２
ボールねじ２３とこれに螺合するボールを備え矢印Ｃ２
方向に移動する第２主脚１８は、図２において矢印Ｃ２
方向に伸縮する第２主脚１８として示している。更に、
図１において第１主脚１１下端に設けている第１補助脚
２５を矢印Ｄ１方向に回転支持する軸２６とモータ２７
は、図２においてはモータにより矢印Ｄ１方向に回転可
能な軸２６として示し、同様に図１において第２主脚１
８下端に設けている第２補助脚３５を矢印Ｄ２方向に回
転支持する軸３６とモータ３７は、図２においてはモー
タにより回転可能な軸３６として示している。

【００２５】また、図１において第１補助脚２５に設け
るブレーキ付き第１回転ジョイント２８とこれに支持さ
れる第１車輪フレーム２９、第１車輪フレーム２９に設
けた第１脚第１側車輪モータ３１とこれにより回転され
る第１脚第１側車輪３２、及び同様に第１車輪フレーム
２９に設けた第１脚第２側車輪モータ３３とこれにより
第１脚第１側車輪３２と独立して回転される第１脚第２
側車輪３４は、図２においては同様の機能を行う機構と
して、第１補助脚２５に設けその軸線を中心に回転可能
な軸とこれを駆動するモータからなる第１操向機構４
７、及びこの下に設けられ各々独立したモータで駆動さ
れる車輪としての第１主脚第１側車輪３２と、第１主脚
第２側車輪３４として示している。

【００２６】同様に、図１において第２補助脚３５に設
けるブレーキ付き第２回転ジョイント３８とこれに支持
される第２車輪フレーム４０、第２車輪フレーム４０に
設けた第２脚第１側車輪モータ４２とこれにより回転さ
れる第２脚第１側車輪４３、及び同様に第２車輪フレー
ム４０に設けた第２脚第２側車輪モータ４４とこれによ
り第２脚第１側車輪４３と独立して回転される第２脚第
２側車輪４５は、図２においては同様の機能を行う機構
として、第１補助脚３５に設けその軸線を中心に回転可
能な軸とこれを駆動するモータからなる第２操向機構４
８、及びこの下に設け得られ各々独立したモータで駆動
される車輪としての第２主脚第１側車輪４３と、第２主
脚第２側車輪４４として示している。

【００２７】上記機能構成からなる図２に示す２足歩行
ロボット１においては、第２脚５２をその第２主脚１８
において長さを縮め、前記のように本体２に備えたレー
トジャイロ、加速度計、第１主脚第１側車輪３２及び第
２側車輪３４の回転角度信号により第１脚５１による片
足立ちをしており、それにより第１脚５１によって平坦
地の２輪走行可能である。その際には前後進と自由な操
向、及びその位置での回転が可能となる。また、この状
態では、前記のように２輪を回転させることなく第１脚
と第２脚を交互に前進させる歩行作動も可能である。

【００２８】図３には第１脚５１を前方に、また第２脚
５２を後方に位置するように交差して立っている状態を
示しており、この状態で各車輪を回転させることにより
通常の４輪駆動車と同様に安定した高速走行を行うこと
ができる。その際、第１脚第１側車輪３２と第１脚第２
側車輪３４の向きを第１操向機構４７によって任意の方
向に向けることにより自由な曲線に沿って走行が可能で
あり、必要に応じて第２操向機構４８も操作することに
よりより小さな半径での旋回、或いは各車輪を図示した
方向に対して全て直角方向に向けることにより本体２を
動かさずに横移動を行う等の種々の移動を行うことがで
きる。

【００２９】図４には上記２足歩行ロボットにより階段
を昇降する状態を示しており、前記図２に示す状態とほ
ぼ同じ姿勢で、第２脚５２の車輪を階段５３に乗せる。
その後この第２脚５２に重心を移動し、同様の作動によ
り第２脚５２で２輪による倒立振り子作動によってバラ
ンスをとり、第１脚５１を短くして前方に振り出し、第
１脚５１の各車輪を次の階段に乗せ、この作動を繰り返
すことにより階段を上ることができる。また、同様の作
動により階段を下りることもできる。

【００３０】本発明は図２に示す各部での回転、伸縮機
能を行うことができるならば、図１に示す構成以外に任
意の構成を採用しても良い。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、２
足の各脚端に平行２輪を備えて自立可能としたロボット
において、円滑な２足歩行及び階段昇降機能を行うと共
に、更にその機能を高め、平坦地の片足２輪走行機能、
両足による安定した４輪高速走行機能、２輪によるその
場での旋回機能、４輪による自由な曲線を円滑に走行す
るステアリング機能を行い、且つそれらを総合的に作動
して自由な移動を行うことができる２足歩行ロボットと
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による２足走行ロボットの実施例を示す
図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図２】図１の実施例における２足走行ロボットの回転
伸縮機能部を模式的に示した図であり、片足で２輪歩行
及び走行を行う図である。

【図３】同ロボットにおいて、４輪走行を行う状態を示
した図である。

【図４】同ロボットにおいて、階段を昇降する状態を示
した図である。

【図５】従来の車輪付き２足歩行ロボットを示し、
（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図６】従来の車輪付き２足歩行ロボットにおいて階段
を昇降する状態を順に説明する図である。

【符号の説明】

１ ２足歩行ロボット ２ 本体 ３ 第１脚支持部 ４ 第２脚支持部 ５ 第１側脚 ６ 軸 ７ モータ ８ 第２側脚 ９ 軸 １０ モータ １１ 第１主脚 １２ 軸 １３ モータ １４ 円筒状カバー １５ モータ １６ 第１ボールねじ １７ 第１可動脚 １８ 第２主脚 １９ 軸 ２０ モータ ２１ 円筒状カバー ２２ モータ ２３ 第２ボールねじ ２４ 第２可動脚 ２５ 第１補助脚 ２６ 軸 ２７ モータ ２８ 第１回転ジョイント ２９ 第１車輪フレーム ３０ ６軸力センサ ３１ 第１脚第１側車輪モータ ３２ 第１脚第１側車輪 ３３ 第１脚第２側車輪モータ ３４ 第１脚第２側車輪 ３５ 第２補助脚 ３６ 軸 ３７ モータ ３８ 第２回転ジョイント ４０ 第２車輪フレーム ４１ ６軸力センサ ４２ 第２脚第１側車輪モータ ４３ 第２脚第１側車輪 ４４ 第２脚第２側車輪モータ ４５ 第２脚第２側車輪 ５１ 第１脚 ５２ 第２脚

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C150 CA01 DA04 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC16 EC19 ED10 ED42 ED52 EF07 EF16 EF17 EF22 EF23 EF33 EF36 3C007 AS36 CS08 HS27 HT20 HT40 KS23 KS34 MT02 MT14 WA03 WA13 WA16 WA22 WB09 WC22

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に
   回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサ
   とを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行
   を行う２足歩行ロボットにおいて、 前記脚の端部を３次元の任意の位置に移動する脚端移動
   手段と、 前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段と
   を備えたことを特徴とする２足歩行ロボット。
2. 【請求項２】 前記脚端移動手段は、本体から側方に延
   びる側脚を回転する側脚回転手段と、 前記側脚から下方に延びる主脚を回転する主脚回転手段
   とからなることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロ
   ボット。
3. 【請求項３】 前記操向手段は、平行２輪の各車輪を独
   立して回転可能な駆動装置を備えたことを特徴とする請
   求項１記載の２足歩行ロボット。
4. 【請求項４】 前記各脚の平行２輪は主脚に対して自由
   旋回可能で且つブレーキを有する回転継ぎ手を備えてい
   ることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボット。
5. 【請求項５】 前記平行２輪を主脚の姿勢に関わらず床
   面に両輪設置状態とする回転装置を備えたことを特徴と
   する請求項１記載の２足歩行ロボット。