JP2005111591A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 脚先の接地部分と接触する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とを備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、各脚部の接地部分には少なくとも３つの突出した衝撃吸収部材４２〜４５が形成されるようにして、３点以上で支持することにより、歩行時のバランスを維持して歩行を安定化することにより、遊脚による傷を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩行動作により移動することができるロボット装置に関し、さらに詳細には床面を傷つけずに安定して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、自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には種々の機能を発揮するものがあり、それぞれ特徴的な動作を行うが、そ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。

歩行ロボット装置にも、２本の脚で歩行するもの、４本の脚で歩行するもの、多数本の脚で歩行するものがあり、それぞれが特徴的な歩行動作を行うが、脚部を交互に動作して一歩ずつ移動する動作を行う点で共通している（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−７１７５７号公報

図５は歩行ロボット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、前後方向および上下方向に回動可能な右前第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６は図５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、それぞれ前後に回動する第１リンク３ａ〜３ｄと上下に回動する第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として固定されている。

このように構成されたロボット装置１０を実際に歩行させると、歩行時の脚部１２ａ〜１２ｄの動きに伴い、ロボット装置全体としての重心がわずかに移動するが、これにより全体のバランスがくずれ、歩行が安定しにくくなっていた。
例えば、４脚のうち右前脚部と左後脚部の２脚、左前脚部と右後脚部の２脚が連動して交互に支持脚（床面に着いて支持する脚）、遊脚（床面から離れた脚）となる２脚支持歩行（トロット）を行おうとしても、バランスがくずれて２脚で立つことができずに遊脚の１つが接地し、合計３つの脚で接地することになり、この場合接地した遊脚は床面を傷つけることになっていた。

また、歩行中の支持脚は、床面との接触点を中心として脚が回転運動をするため接触点に回転力が作用して床に傷をつけていた。

そこで本発明は、ロボット装置が歩行する際に、脚先の接地部分と接触する床面に傷が付きにくいロボット装置を提供することを目的とする。
また、歩行時のロボット装置のバランスが維持されやすくするようにして、遊脚が接地することで床面に余計な傷が着くことを防ぐようにし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を備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、各脚部の接地部分には少なくとも３つの突出した衝撃吸収部が形成されるようにしている。

また、胴部と、胴部を支持する複数の脚部とを備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、各脚部の接地部分が脚部に対して回転可能に接続されるようにしている。

また、脚部に対し脚部の設置部分を回転するための駆動機構をさらに設けるようにしている。

また、胴部と、胴部を支持する複数の脚部とを備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、各脚部の接地部分は脚部に対して回転可能に接続され、各脚部の接地部分には少なくとも３つの突出した衝撃吸収部材が回転中心に対して同心円状に形成されるようにしている。

各脚部の脚先の接地部分に少なくとも３つの突出した衝撃吸収部が形成されるようにすることにより、床面に対して複数の衝撃吸収部にて接することになる。衝撃吸収部は、床面の状態（凹凸、傾斜状況）にかかわらず、３点以上の点で接触することになり、重心移動に対してこれらの複数の接地点で囲まれる面で支持させたときと同程度に安定化させることができる。これによりバランスが維持され、歩行の際に遊脚が床に触れて床面に傷をつけることをなくすことができる。

また、各脚部の脚先の接地部分が脚部に対して回転可能に接続されるようにすることにより、歩行動作の場合や方向転換の場合に支持脚に回転運動が加わっても、脚先の接地部分には回転力が伝わらず、接地部分は床面に接した状態で回転することがなくなり、床面を傷つけないようにすることができる。

また、脚部に対して接地部分を回転するための駆動機構をさらに設けた場合には、ロボット装置の歩行や方向転換の際に脚部の回動と連動させてこの駆動力を作用させることにより胴部の旋回動作を助けることができ、旋回動作を速くすることができる。

また、各脚部の接地部分が脚部に対して回転可能に接続され、各脚部の接地部分には少なくとも３つの突出した衝撃吸収部材が回転中心に対して同心円状に形成されるようにしている場合には、接地部分に回転方向の自由度を与えることができ、凹凸のある床面に対して脚部が着地する際に、衝撃吸収部材が回転することで少しでも安定した状態で着地させることができるので、着地後に脚がすべって床面を傷つけることが減少する。
また、衝撃吸収部材が回転中心から同心円状に配置されているので、脚部が回転しても各衝撃吸収部材にはほぼ均等に力がかかるので、各衝撃吸収部材はそのままの位置を維持できるので床面に傷がつきにくくなる。

以下に、本発明のロボット装置について、図面を参照しつつ説明する。

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５や図６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５、図６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６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６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を前後方向に回動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、支持部材３７を介して脚先３８が接続されている。
脚先３８は、固定部材３９と、円板部材４１とからなり、円板部材４１は固定部材３９に設けたベアリング機構４０により、固定部材３９に対して回動自在に支持されている。

そして円板部材４１の固定部材３９とは反対側の面には４つの衝撃吸収部材４２〜４５が取り付けてある。この衝撃吸収部材としてはゴム、樹脂などの材料が好適であるが、要するにロボット装置の重量を支持することができ、かつ、床面に傷をつけにくい材料であればよい。また、本実施形態では衝撃吸収部材を４つ取り付けてあるが、３つ以上であればよく、あまり多く設けても効果がなく無駄であることから実用的には３〜６個程度が好ましい。

また、４つの衝撃吸収部材４２〜４５は、円板部材４１の回転中心（ベアリング機構の軸心）に対して同心円状に配置するようにして、アーム３０が脚先３８に対して回転した場合にも４つの衝撃吸収部材にアーム３０からの力が均等に分配されるようにしてある。

次に、上記ロボット装置が歩行するときの動作について図２、図３を参照しつつ説明する。
図２は２脚支持歩行（トロット）をしているときの支持脚と遊脚と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２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」の状態を順次経ることにより一歩の歩行が行われる。

図３は図２の「１」の状態での支持脚と重心との関係を説明する図である。ここで図３（ａ）は比較のため脚先が床面と１点で接触するようにした場合（図５、図６の図中に示した脚先）であり、図３（ｂ）は脚先に４つの突出した衝撃吸収部材を取り付けた場合（図１に示した脚先）である。

図３（ａ）の場合、支持脚である脚部１２ｂ、１２ｃは脚先の接地面の中心で床面と点接触している。したがって、接地面の中心を結ぶ直線上にロボット装置の重心がくるときしかバランスがとれない。それゆえ、遊脚である脚部１２ａ、１２ｄのいずれかがほとんどの期間床面に着地していることになり、着地した遊脚が床面を傷つけることになる。

これに対し、図３（ｂ）の場合、支持脚である脚部１２ｂ、１２ｃは周囲４点で床面と接触している。したがって、図３（ｂ）中、一点鎖線で示した帯状の領域内（安定領域と呼ぶ）にロボット装置の重心がくるときはバランスがとれ、安定した２脚歩行が可能になる。この場合、ロボット装置の重心が安定領域からはずれかけた瞬間に支持脚と遊脚とを交代させるようにして歩行動作を行うことにより、連続して２脚歩行を続けることができるので、遊脚が着地して床面を傷つけることを防ぐことができる。

また、図３（ｂ）の脚部１２ｂ（左前脚）に着目してみると、今後、脚部１２ｂの水平方向に伸びる第１脚部１３ｂ（第１リンク３ｂと第２リンク４ｂが骨格となる部分）（図５参照）は、脚部１２ｂの垂直方向に伸びる第２脚部１４ｂ（アーム３０ｂおよび脚先３８ｂが骨格となる部分）（図５参照）を軸にして旋回していくことにより、胴部１１が前進することになる。その際、アーム３０ｂと脚先３８ｂの接地部分とが回転自在に接続されているため、アーム３０ｂに加わる回転運動は脚先３８ｂの接地部分には伝達されない。それゆえ脚先３８ｂの接地面にある４つの衝撃吸収部材にはアーム３０ｂに加えられた回転運動が伝わらず、この回転力によって床面に傷がつくことはない。

次に、本発明のいくつかの変形実施例を示す。図４は本発明の他の一実施形態であるロボット装置の脚部断面図である。これらの脚部は図６に示した脚部の該当箇所に置き換えて用いられる。
図４の各実施形態は脚先の接地部分を脚部１２に対して回転可能にしたものである。図４（ａ）ではベアリング機構により脚先部分が自由に回転できるようにしてある。このものは、脚先が点接触であるため、既に図２で説明したように２脚支持歩行中のバランスが悪く、遊脚のうちの１本が着地して３本で接地することになりやすいが、歩行動作による回転運動が脚先の接地部分に伝わらないことから回転力による傷の発生を防ぐことができる。

また、図４（ｂ）ではアーム３０内にモータ４６を設けてモータ軸に脚先３８が接続してある。同様に図４（ｃ）では、脚先３８側にモータ４６を取り付けて、モータ軸にアーム３０が接続してある。 図４（ｂ）、図４（ｃ）の例では、モータにより積極的にアーム３０側を回転させて旋回動作を速めることができる。

以上の説明では、４脚で歩行するロボット装置を例にしたが、本発明の特徴を逸脱しない範囲で、２脚で歩行するロボット、多脚で歩行するロボットにも適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。 ２脚支持歩行（トロット）による歩行動作の状態変化を説明する図。 ２脚支持歩行（トロット）のときの支持脚と重心の位置関係を説明する図。 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。 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 ベアリング機構
４１ 円板部材
４２〜４５ 衝撃吸収部材

Claims (4)

1. 胴部と、胴部を支持する複数の脚部とを備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、
   各脚部の接地部分には少なくとも３つの突出した衝撃吸収部材が形成されることを特徴とするロボット装置。
2. 胴部と、胴部を支持する複数の脚部とを備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、
   各脚部の接地部分が脚部に対して回転可能に接続されることを特徴とするロボット装置。
3. 脚部に対し脚部の接地部分を回転するための駆動機構をさらに設けたことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
4. 胴部と、胴部を支持する複数の脚部とを備え、各脚部がそれぞれ駆動機構により歩行動作を行うロボット装置であって、
   各脚部の接地部分は脚部に対して回転可能に接続され、各脚部の接地部分には少なくとも３つの突出した衝撃吸収部材が回転中心に対して同心円状に形成されることを特徴とするロボット装置。

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