JP2005111590A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 床面に傷がつきにくい脚部を備えたロボット装置を提供する。
【解決手段】 胴部１１と、胴部を支持する複数の脚部１２と、各脚部の先端に形成され床面と接する脚先３８と、胴部１１に固定された支軸を支点として各脚部を水平方向に円弧を描くように旋回させる水平駆動機構６とを備え、脚先３８を床面に接地させた状態で脚部１２を水平方向に旋回させることにより歩行するロボット装置であって、脚先３８近傍には、脚部が旋回する際に描く円弧の接線と垂直方向に脚部を変位させる逃がし機構４０、４１を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、歩行動作を行うロボット装置に関し、さらに詳細には床面を傷つけずに歩行することができる脚部を備えたロボット装置に関する。

近年、住宅や工場などの建物の異常の有無を監視する監視ロボット、音声を発して人とのコミュニケーションを図ることが可能な集客用や宣伝用の広告ロボットなどのように多方面でのロボット装置の実用化が始まっている。
このようなロボット装置のひとつの形態として脚部を有し、ロボット装置自身が歩行できるようにしたロボット装置がある（例えば特許文献１参照）。歩行ロボット装置は、脚部を交互に動作して一歩ずつ歩行する動作を行う。
特開２００３−７１７５７号公報

図７は歩行ロボット装置の一例として試作した４脚ロボット装置の全体構造を示す模式図である。このロボット装置１０は、カメラ９ａやマイク９ｂなどの各種センサ、送受信機器、制御用のコンピュータ、バッテリー電源などを搭載した胴部１１と、胴部１１を支持する右前脚部１２ａ、左前脚部１２ｂ、右後脚部１２ｃ、左後脚部１２ｄの４本の脚部とからなる。

４本の脚部１２ａ〜１２ｄは、後述するリンク機構の支軸を支点として前後方向（水平方向）および上下方向にそれぞれ円弧を描くように旋回する右前第１脚部１３ａ、左前第１脚部１３ｂ、右後第１脚部１３ｃ、左後第１脚部１３ｄと、これら４本の第１脚部１３ａ〜１３ｄの動きに従動する右前第２脚部１４ａ、左前第２脚部１４ｂ、右後第２脚部１４ｃ、左後第２脚部１４ｄと、４つの第２脚部１４ａ〜１４ｄの先端に取り付けられ、床面と接する脚先１８ａ〜１８ｄとから構成される。

図８は図７のロボット装置の骨格構造を示す図である。胴部１１はフレーム１に支持され、４本の第１脚部１３ａ〜１３ｄは、それぞれ前後方向（水平方向）に旋回するための第１リンク３ａ〜３ｄと上下方向に旋回するための第２リンク４ａ〜４ｄとにより支持され、４本の第２脚部１４ａ〜１４ｄは第２リンク４ａ〜４ｄの外側の従動節を延伸するようにして形成されたアーム５ａ〜５ｄにより支持される。

フレーム１と各第１リンク３ａ〜３ｄとを接続する部分には第１リンク３ａ〜３ｄを前後方向にモータで駆動するための動力伝達機構が形成されたモータ駆動機構６ａ〜６ｄが取り付けられる。
また、各第１リンク３ａ〜３ｄと各第２リンク４ａ〜４ｄとを接続する部分には第２リンク４ａ〜４ｄを上下駆動するための動力伝達機構が形成されたモータ駆動機構７ａ〜７ｄが取り付けられている。

アーム５ａ〜５ｄの先端には、床面とソフトに接触し、床面に傷がつきにくいようにするため、弾力性を有するとともに接地面を曲面にして点接触するようにした衝撃吸収部材８ａ〜８ｄが脚先１８ａ〜１８ｄの接地面に取り付けられている。

このロボット装置１０は、３本の脚を支持脚（床面に着いて支持する脚）とし１本の脚を遊脚（床面から離れた脚）として歩行する３脚支持歩行（クロール）や、胴部を挟んで対角線上に位置する２本の脚を支持脚とし残りの２本の脚を遊脚として歩行する２脚支持歩行（トロット）などで歩行させることができる。

図５は、２脚支持歩行（トロット）を行うときの支持脚および遊脚の位置関係の変化を説明する模式図である。２脚支持歩行（トロット）は、胴部１１を挟んで互いに対角にある２本の脚が交互に支持脚と遊脚とになる歩行方法であって、ロボット装置を速く歩行させるときに使用される。この歩行方法は、図５の「１」で支持脚である左前脚１２ｂと右後脚１２ｃが順次後退し、遊脚である右前脚１２ａと左後脚１２ｄが順次前進する。そして「１」から「７」までの状態を順次経ることにより一歩の歩行が行われる。

ところで、歩行を行うと左右の支持脚はその位置により、支持脚間の距離が変化する。図６（ａ）は図５の「１」の状態での支持脚である左前脚１２ｂの脚先１８ｂと右後脚１２ｃの脚先１８ｃと間の距離Ｌ１、図６（ｂ）は図５の「４」の状態での左前脚１２ｂの脚先１８ｂと右後脚１２ｃの脚先１８ｃとの間の距離Ｌ４とを説明する図である。
各支持脚と胴部とを接続する支軸を支点として水平方向に円弧を描くように旋回すると、胴部を挟んで対角の位置にある２つの支持脚間の距離はその旋回角度に応じて変化する。図６の状態では、図６（ａ）のときの距離Ｌ１が最も短く、図６（ｂ）のときの距離Ｌ４が最も長くなる。

支持脚間の距離が変動することにより、歩行中に脚先１８ｂ、１８ｃの位置は、図５の「１」で着地した床面から「４」の状態になるまでにＬ４とＬ１との差の距離だけ接地位置の位置ずれが生じることになる。「４」から「７」の状態になるときも同様の位置ずれが生じる。
この位置ずれの発生により、脚先１８ｂ、１８ｃが床面を傷つけることになる。

このような位置ずれ現象は、２脚支持歩行（トロット）に限らず、３脚支持歩行（クロール）など他の歩行方法によっても同様に生じうる。

そこで、本発明は、支持脚間の距離の変動に起因して生じる脚先の位置ずれをなくすようにして、床面を傷つけないようにした脚部を備えたロボット装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のロボット装置は、胴部と、胴部を支持する複数の脚部と、各脚部の先端に形成され床面と接する脚先と、胴部に固定された支軸を支点として各脚部を水平方向に円弧を描くように旋回させる水平駆動機構とを備え、脚先を床面に接地させた状態で脚部を水平方向に旋回させることにより歩行するロボット装置であって、脚先近傍の脚部には、脚部が旋回する際に描く円弧の接線と垂直方向に脚部を変位させる逃がし機構を設けるようにしている。

ここで、逃がし機構は、前記円弧の接線と垂直方向に向けたスライド軸と、スライド軸に沿って変位するスライダとの対からなり、スライド軸とスライダとの一方が脚先に固定され他方が脚部に固定されるようにしてもよい。

また、逃がし機構は、脚部と脚先とを結合する付勢手段により構成され、脚部が旋回する際に描く円弧の接線と垂直方向の変位を吸収するように付勢手段により脚部と脚先とを傾斜させるようにしてもよい。

この発明によれば、胴部を支持する脚部は、胴部に固定された支軸を支点として、水平駆動機構によって水平方向に円弧を描くように旋回する。
このとき、着地している少なくとも２本の脚部が支持脚となる。支持脚は、床面との摩擦力により床面に固定され軸足となる。この軸足を中心として脚部の旋回運動の反作用で胴部を移動することになる。
旋回運動が進むことにより、脚部と胴部との位置関係が変化すると、上述したように胴部を挟んで対角位置にある脚部の脚先間の距離が変化する。
このとき脚先近傍に設けられた逃がし機構が距離の変動分を吸収するように変動する。これにより、軸足となる支持脚の位置ずれがなくなる。

逃がし機構として、円弧の接線と垂直方向に向けたスライド軸と、スライド軸に沿って変位するスライダとの対を用いた場合は、スライド軸に沿ってスライダが変位することにより距離の変動分を吸収することができ、支持脚の位置ずれがなくなる。

逃がし機構として、脚部と脚先とを結合する付勢手段を用いた場合には、付勢手段の変形により距離の変動分を吸収することができ、支持脚の位置ずれがなくなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。

図１は、本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の骨格構造を示す図である。図１に示す脚部２２（右前脚部２２ａ、左前脚部２２ｂ、右後脚部２２ｃ、左後脚部２２ｄは同一構造であるためこれらを総称して脚部２２と呼ぶ。以下の説明において他の部分についても総称して呼ぶときはａ〜ｄを省略する）は、図７や図８に示したロボット装置１０における脚部１２（１２ａ〜１２ｄ）の該当箇所に置き換えて用いられる。したがって、図１にて図示していない胴部１１や第１脚部１３（１３ａ〜１３ｄ）の第１リンク３（３ａ〜３ｄ）については図７、図８と同様であるので同符号を付すことにより説明を省略する。

図１に示すように、アーム３０（３０ａ〜３０ｄ）が２本の連結部材３１、３２の一端側と連結軸３３、３４により回動自在に支持されている。連結部材３１、３２の他端側は、固定部材３６に対して回動自在に支持される。そしてアーム３０と、連結部材３１、３２と、固定部材３６との４つの部材により第２リンク４（４ａ〜４ｄ）が構成される。この第２リンク４は、図８に示したモータ駆動機構７（７ａ〜７ｄ）によって固定部材３６に対して連結部材３１を上下方向に回動させることによりアーム３０が従動して上下に移動するようになる。
また、固定部材３６は図８の第１リンク３（３ａ〜３ｄ）に支持されているので、第１リンク３を前後方向に旋回させることによりアーム３０が従動して前後に旋回するようになる。

アーム３０は、内部が空洞になるように一対のフレーム材で形成され、連結部材３１、３２を挟むようにして固定してある。また、アーム３０の先端には、脚先３８が接続されている。

図２、図３は脚先３８近傍の斜視図、および断面図である。
アーム３０の下端には、支持部材３７を介してアーム３０に固定されるコの字型の固定部材３９と、固定部材３９に支持されるスライド軸４０とが形成されている。このスライド軸４０は図１の連結部材３１、３２と平行になるように配置してある。

一方、脚先３８は、円板型の固定部材４３と、固定部材４３の底面側に取り付けられた衝撃吸収部材８からなる。衝撃吸収部材８は中央が厚くなるようにしてあり、床面と点接触するようになっている。
また、脚先３８の内部にはベアリング機構４２が組み込まれており、衝撃部材８が固定部材４３に対して回転自在に取り付けられている。また、固定部材４３にはスライダ４１が固定されている。
スライダ４１は貫通孔を有し、この貫通孔にスライド軸４０を挿通するようにしてスライダ４１とスライド軸４０とが変位自在に支持されるようにしてある。
なお、スライド軸４０の周囲にはスライダ４１を付勢するコイルばね４４が巻きつけてあり、外力が加わらないときにスライダ４１が一定位置に復帰するようにしてある。

次に、上記のロボット装置の動作について説明する。例えば図５に示した２脚支持歩行（トロット）を行う場合、図５の「１」の状態で左前脚部１２ｂの脚先３８は、図２に示した状態、すなわち、スライダ４１がスライド軸４０の左端に寄っている。
そして、アーム３０が旋回し、図５の「２」、「３」、「４」と進むにつれて左右の支持脚間の距離が増える。このとき、脚先３８のアーム３０（連動して固定部材３９およびスライド軸４０）がスライダ４１に対して相対的に左に移動することとなり、スライド軸４０に対するスライダ４１の相対位置は右側に変化する。
そして、図５の「４」の状態でスライダ４１は最も右側にスライドした後、再び「５」「６」「７」と進むにつれてスライダ４１は左端に戻る。

このように、アーム３０の旋回動作に伴う変位を、スライダ４１がスライド軸４０の軸方向に沿ってスライドすることにより吸収することができるので脚先３８と床面とは位置ずれが生じない。
なお、本実施形態ではスライド軸４０をアーム３０側に取り付け、スライダ４１を脚先３８側に取り付けるようにしたが、この配置は逆にしてもよい。

また、図４は本発明の他の実施形態であるロボット装置の脚先近傍の図であり、図４（ａ）はその正面断面図、図４（ｂ）はその側面図である。
この実施形態ではアーム３０の下端と脚先３８とは分離している。脚先３８は円板型の固定部材４３と、固定部材４３の底面側に取り付けた衝撃吸収部材８と、固定部材４３から上方に向けてアーム３０に対向するように立設する脚先軸５８とからなる。

アーム３０の側面には突出部材５１が固定され、この突出部材５１に一端が支持された支持金具５２が固定されている。支持金具５２はアーム３０から離れる方向にＬ字状に２度折り曲げてあり、支持金具５２の他端にトーションバネ５４を支持固定するためのバネ支持部材５３が取り付けてある。
トーションバネ５４はバネ支持部材５３に支軸５７で固定され、支軸５７を中心としてバネの一端がアーム３０に形成された当接部材５６により係止され、バネの他端が脚先軸５８に形成された当接部材５５により係止されている。

このような構成をとることにより、アーム３０にトーションバネに抗する水平方向の力が働くとアーム３０は脚先軸５８に対して傾くようになる。したがって、この傾き方向を図１に示した連結部材３１、３２の軸方向に合わせることにより、脚部が旋回する際の位置ずれを吸収する逃がし機構として利用することができる。

本発明は、歩行の際に床面に傷がつきにくい歩行ロボット装置を製造する際に利用することができる。

本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の構成を示す図。 図１の脚先の構成を示す斜視図。 図１の脚先の構成を示す断面図。 本発明の他の一実施形態であるロボット装置の脚部の構成を示す図。 ２脚支持歩行（トロット）のときの支持脚の動きを説明する図。 ２脚支持歩行（トロット）のときの左右の支持脚の距離変化を説明する図。 ロボット装置の全体構成を示す模式図。 ロボット装置の骨格構造を示す図。

符号の説明

１ フレーム
３ 第１リンク
４ 第２リンク
５ アーム
６ モータ駆動機構（前後方向用）
７ モータ駆動機構（上下方向用）
１０ ロボット装置
１１ 胴部
１２ 脚部
１３ 第１脚部
１４ 第２脚部
２２ 脚部
３０ アーム
３８ 脚先
３９ 固定部材
４０ スライド軸
４１ スライダ
４２ ベアリング機構
４３ 固定部材
４４ コイルばね

Claims (3)

1. 胴部と、胴部を支持する複数の脚部と、各脚部の先端に形成され床面と接する脚先と、胴部に固定された支軸を支点として各脚部を水平方向に円弧を描くように旋回させる水平駆動機構とを備え、脚先を床面に接地させた状態で脚部を水平方向に旋回させることにより歩行するロボット装置であって、
   脚先近傍には、脚部が旋回する際に描く円弧の接線と垂直方向に脚部を変位させる逃がし機構を設けたことを特徴とするロボット装置。
2. 逃がし機構は、前記円弧の接線と垂直方向に向けたスライド軸と、スライド軸に沿って変位するスライダとの対からなり、スライド軸とスライダとの一方が脚先に固定され他方が脚部に固定されることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
3. 逃がし機構は、脚部と脚先とを結合する付勢手段により構成され、脚部が旋回する際に描く円弧の接線と垂直方向の変位を吸収するように付勢手段により脚部と脚先とを傾斜させることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。

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