JP2005118938A - ロボット装置の脚部機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 人の歩行動作時の足の動きに類似した歩行を行うとともに、高い障害物を乗り越えて歩行することができるロボット装置の脚部機構を提供する。
【解決手段】 上腿部を形成する上腿リンク機構１６、２０と、上腿リンク機構２０の下端側に回動自在に連結され、下腿部を形成する下腿リンク機構３１、３２と、下腿リンク機構３１、３２の下端側に回動自在に連結され、脚先部を形成する脚先部材４０と、１つのモータ１２を含む駆動機構１２、１３、１４を支持し、かつ、上腿リンク機構２０の上端側を変位可能に支持し、かつ、下腿リンク機構３１、３２の上端側を変位可能に支持する支持体１１とを有し、上腿リンク機構２０は駆動機構１４と連結され、上腿リンク機構２０を駆動機構１２により駆動して上腿リンク機構２０の下端側３３、３４に変則的な楕円運動を生じさせるとともに、この運動に連動する下腿リンク機構３１、３２が変則的な楕円運動を増幅して脚先部材４０に伝達するようにして、上腿部、下腿部、脚先による人の歩行と類似した歩行動作を行うようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩行動作を行うロボット装置の脚部機構に関し、さらに詳細には１つのモータで駆動されるリンク機構を介して歩行動作を行わせるロボット装置の脚部機構に関する。

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（例えば特許文献１参照）。

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、各脚部が支持脚（脚先が床面に着いて支持する脚）と遊脚（脚先が床面から離れた脚）とを交代する動作を繰り返すようにして歩行する点で共通している。

ロボット装置に高度で複雑な歩行動作を行わせるには、各脚部に複数のモータを用いてコンピュータ制御により３次元的な動きの制御を行うようにすればよいが、この場合、制御ソフトの開発が大変かつ困難であり、装置コストも増大する。

一方、できるだけ簡単な構造の脚部機構にて歩行動作を行わせたいときは、１つのモータとモータからの駆動力が伝達されるリンク機構とを用いて歩行動作を行うことができる。
すなわち、モータ駆動される回転部材と、回転部材に接続されるリンク機構と、リンク機構の末端に形成され床面に接する脚先とにより脚部を形成し、モータの回転運動を回転部材およびリンク機構を介して楕円運動（あるいは円運動のまま）にして脚先部分に伝達するようにすれば、楕円運動（円運動）の下側半分の軌跡中に支持脚状態となり、楕円運動の上側半分の軌跡中に遊脚状態となるようにすることができ、各脚部の位相が異なるようにして楕円運動を行えば歩行動作を行わせることができる。

図３は、モータ駆動される回転部材とリンク機構とにより脚先に楕円運動（円運動）を行わせるようにしたロボット装置の従来例である脚部機構を示す模式図である。図３において図３（ａ）はＰ型、図３（ｂ）はｄ型、図３（ｃ）はＢ型、図３（ｄ）はＹ型と呼ばれるリンク機構である。

Ｐ型は、リンクバーＬの上端が駆動部である回転部材Ｒに固定され、リンクバーＬの末端である脚先Ｆとの間にスライドする支点Ｓが配置されている。
この型では、スライド支点の位置を変えることで脚先のストロークを変更できる。脚先は正楕円軌道を描く。

ｄ型は、リンクバーＬの中程の位置にて回転部材Ｒに固定され、回転部材Ｒとの固定点より上方側にてスライドする支点Ｓが配置されている。
この型でも、スライド支点の位置を変えることで脚先のストロークを変更できる。脚先は楕円軌道を描き、下側が少し膨らむ。

Ｂ型は、リンクバーＬの中程の位置にて回転部材Ｒに固定され、さらにリンクバーの上端において第２の回転部材Ｒ‘（モータに接続されておらず回転部材Ｒに従動する）に固定されている。
この型は、リンクバーが常に垂直であり脚先は円運動を行う。

Ｙ型は、リンクバーＬの上端が回転部材Ｒに固定され、リンクバーＬの中程の支点ａで第２のリンクバーＬ‘により回動自在に固定されている。
この型は上下動が小さくなり、支点ａ、リンクＬ‘の長さによりストロークや脚先の軌跡を変更することができる。脚先は不定形楕円軌道を描く。
特開２００３−７１７５７号公報

図３に示したような簡単な脚部機構を用いた歩行は、平坦な床面を歩行するときのような単純な歩行の場合はよいが、高さがある障害物や段差を乗り越えるような場合は歩行が困難となる。すなわち、人が歩行する際の脚先の動きを着目すると、まず脚先のかかとが先に着地し、それから順次爪先が着地するので、小さな障害物がある場合でも爪先でつまずくことが少ない。これに対し、かかとや爪先の着地のタイミングが考慮されていない場合（図３の例ではかかとや爪先が形成されていない）には、障害物や段差でつまずきやすくなる。

また、人の歩行では、上腿部（大腿部）と下腿部との間に関節があり、関節部分で上腿部と下腿部とが折り曲がる角度を変化させることにより、遊脚状態（床から離れた状態）のときに脚が床面から十分に高く上がるようにしている。これに対し、図３に示したような脚部機構ではリンクバーＬには関節に相当する部分がないため、遊脚が床面から上昇する距離を稼ぐことができない。そのため、やはり障害物や段差でつまずきやすくなる。

また、図３の脚部機構では、リンクバーＬに関節部分がないため、リンクバーＬの運動する軌跡は機械的であり、歩行動作にはぎこちなさが見られる。

そこで、本発明は、１つのモータで駆動されるリンク機構により歩行動作を行う場合に、障害物や段差でつまずきにくく、障害物を乗り越えることができ、床面に対し十分に高く脚部を上げて歩行することができる脚部機構を提供することを目的とする。

また、本発明は、１つのモータで駆動されるリンク機構を介して歩行動作を行わせるロボット装置の脚部機構において、人の歩行の際の脚の動きに類似する軌跡で歩行することができる脚部機構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第１の発明のロボット装置の脚部機構は、上腿部、下腿部、脚先部からなる脚部を構成するリンク機構を形成するとともに１つのモータでリンク機構を駆動するようにして歩行動作を行うロボット装置の脚部機構であって、上腿部を形成する上腿リンク機構と、上腿リンク機構の下端側に回動自在に連結され、下腿部を形成する下腿リンク機構と、下腿リンク機構の下端側に回動自在に連結され、脚先部を形成する脚先部材と、１つのモータを含む駆動機構を支持し、かつ、上腿リンク機構の上端側を変位可能に支持し、かつ、下腿リンク機構の上端側を変位可能に支持する支持体とを有し、上腿リンク機構は駆動手段と連結され、上腿リンク機構を駆動手段により駆動して上腿リンク機構の下端側に変則的な楕円運動を生じさせるとともに、この変則的な楕円運動に連動する下腿リンク機構が変則的な楕円運動を増幅して脚先部材に伝達するようにしている。

この発明によれば、モータを含む駆動機構により上腿リンク機構を駆動すると、上腿リンク機構の上端側が支持部材に対し変位可能に支持されているため、上腿リンク機構の下端側は変則的な軌跡の楕円運動を行うようになる。上腿リンク機構の下端側に連結された下腿リンク機構は、上腿リンク機構下端側の動きに連動して変則楕円運動を行うが、下腿リンク機構の上端側が支持体に対して変位可能に支持されているので、これらの連携により上腿リンク機構と下腿リンク機構とが膝関節と類似の運動を行うようになる。さらに下腿リンク機構の下端側に連結された脚先部材は、上腿リンク機構と下腿リンク機構との連結位置から下腿リンク機構と脚先部材との連結位置までの距離に応じて下腿リンク機構上端側で描かれる変則楕円運動が増幅された形の運動を行うようになる。

また、第２の発明の脚部機構は、さらに脚先部材が、下腿リンク機構の動きに連動して脚先部材と床面とのなす角が変化するようにしている。
この発明によれば、下腿リンク機構が変則楕円運動を行うと、変則楕円軌道の位置に応じて脚先部材が床面となす角を変化させる。そして、人が歩行するときの足首のように着地時にまず、かかと側（第２下腿レバー側）を先に着地し、遅れてつま先側（第１下腿レバー側）が着地するような動作を行うようにする。

また、第３の発明の脚機構は、上腿部、下腿部、脚先部からなる脚部を構成するリンク機構が形成されるとともに１つのモータでリンク機構を駆動するようにして歩行動作を行うロボット装置の脚部機構であって、上腿部を形成する上腿レバーと、下腿部を形成する互いに略平行に配置された一対の第１下腿レバーおよび第２下腿レバーと、第１下腿レバーおよび第２下腿レバーのそれぞれの下端に回動自在に連結されて脚先部を形成する脚先部材と、モータおよびモータ駆動により回転する回転部材を支持し、かつ、一端に上腿レバーの上端が回動自在に連結される第１揺動レバーの他端を軸支し、かつ、一端に第１下腿レバーの上端が回動自在に連結される第２揺動レバーの他端を軸支する支持体とを有し、上腿レバーは、上腿レバーの下端が第１下腿レバーの上端より中央よりの位置で第１下腿レバーと回動自在に連結し、かつ、上腿レバーの下端より中央よりの位置で第２下腿レバーの上端と回動自在に連結し、かつ、上腿レバーと第２下腿レバーとの連結位置と上腿レバー上端との間の位置において回転部材と連結し、回転部材が回転駆動されることにより上腿レバーの下端側に生じる変則的な楕円運動を、第１下腿レバーと第２下腿レバーと第２揺動レバーとにより増幅して脚先部材に伝達するようにしている。

この発明によれば、モータを駆動して回転部材を回転させると上腿レバーが連動して運動を行うが、上腿レバー上端が第１揺動レバーに連結されているので上腿レバーの上端側が揺動することにより、上腿レバーの下端側が変則的な楕円運動を行うようになる。
第１下腿レバーと第２下腿レバーとは、上腿レバーに連結されているので、上腿レバー下端側の動きに連動するが、このとき第１下腿レバーの上端が第２揺動レバーに連結されているので、第２揺動レバー、上腿レバー、第１下腿レバー、第２下腿レバーとの連携により、上腿部レバーと第１、第２下腿レバーとが人の膝関節と類似の運動を行うようになる。

また、略平行な第１下腿レバーおよび第２下腿レバーと、上腿レバーと、脚先部材とで形成される平行リンク機構により、上腿レバー下端側が変則楕円運動を行うときに脚先部材を床面に対して上または下方向に傾斜しながら変則楕円運動を行わせることができるので、人が歩行するときの足首のように着地時にまず、かかと側（第２下腿レバー側）を先に着地し、遅れてつま先側（第１下腿レバー側）が着地するような動作を行うようにする。

第１の発明の脚部機構によれば、１つのモータ駆動機構とリンク機構とで、上腿部、下腿部、脚先部による人の歩行動作時の足の動きと同様の動きを作ることができる。
しかも、その歩行動作は人の歩行する際の膝関節の動きに類似させることができるので、ロボット装置の動きにぎこちなさがなくなり、なじみのある歩行動作を行うことができる。

また、脚先部材は、上腿レバー下端側が描く小さな変則楕円運動を増幅した大きな変速楕円運動を行うので、脚先は高さ方向に大きく変位することができ、障害物や段差を乗り越えることができる。

また、第２の発明の脚部機構によれば、上記に加えて、さらに一歩一歩の歩行動作において脚部が着地する際にかかと側から着地が始まり、遅れてつま先側が着地するような動きをさせることができるので、段差などがあるときにつまずきにくい歩行動作を行うことができる。

また、第３の発明の脚部機構によっても上記と同様に、人の歩行動作時の足の動きと同様の動きを作ることができ、なじみのある歩行動作を行うことができ、さらに、障害物や段差を乗り越えることができ、つまずきにくい歩行動作を行うことができる。

以下に、本発明のロボット装置の脚部機構について、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上腿部（大腿部）、下腿部、脚先部（足首）を有するロボット装置の脚部機構の骨格構造を示す図である。脚部機構１０は、ロボット装置の脚部を支持する支持体１１と、上腿部の骨格を形成する上腿レバー２０と、下腿部の骨格を形成する第１下腿レバー３１および第２下腿レバー３２と、脚先部の骨格を形成する脚先部材４０とから構成される。

支持体１１にはモータ１２が固定されている。モータ１２の横には回転部材１４が取り付けてあり、歯車１３を介してモータ１２の回転が伝達される。回転部材１４には連結軸１５が回転中心から偏心した位置に取り付けてあり、回転部材１４と上腿レバー２０とがこの連結軸１５により回動自在に連結してある。

また、回転部材１４の上側には、第１揺動レバー１６が支軸１７を中心として揺動するように取り付けてあり、第１揺動レバー１６の揺動側の端には連結軸１８が取り付けてある。第１揺動レバー１６と上腿レバー２０の上端とはこの連結軸１８により回動自在に連結してある。

また、回転部材１４の下側には第２揺動レバー２１が支軸１９を中心として揺動するように取り付けてあり、第２揺動レバー２１の揺動側端には連結軸２２が取り付けられている。第２揺動レバー２１と第１下腿レバー３１とはこの連結軸２２により回動自在に連結してある。

第１下腿レバー３１と第２下腿レバー３２とは、ほぼ同じ長さのレバーからなる。第１下腿レバー３１の上端にある連結軸２２からわずかに下方（レバー中央側）に寄った位置には、連結軸３３が取り付けられており、第１下腿レバー３１と上腿レバー２０とはこの連結軸３３により回動自在に連結してある。
また、第２下腿レバー３２は、上端に連結軸３４が取り付けられており、第２下腿レバー３２と上腿レバー２０とは連結軸３４により回動自在に連結してある。
そして、第１下腿レバー３１と第２下腿レバー３２とは略平行に配置される。

第１下腿レバー３１の下端と第２下腿レバー３２の下端にはそれぞれ連結軸３５、３６が取り付けられてあり、脚先部材４０が連結軸３５、３６により回動自在に連結してある。
また、脚先部材３６の下方には歩行時の着地面を形成する脚先ブロック３７が固定してある。

次に、上記構成の脚部機構１０による歩行動作を行ったときの脚部の状態の変化について説明する。
モータが駆動されて回転部材１４が回転すると連結軸１５が円運動を始め、連結軸１５で連結される上腿レバー２０もこの運動に連動して周期運動を開始する。このとき上腿レバー２０はその上端が連結軸１８により揺動するようにしてあるので、上腿レバー２０の下端側（連結軸３３、連結軸３４近傍）は変則的な楕円運動を行うようになる。

一方、第１下腿レバー３１と第２下腿レバー３２とは連結軸３３、３４により上腿レバー２０と連結してある。また、第１下腿レバー３１は、連結軸２２により第２揺動レバー２１とも連結してある。
そのため、上腿レバー２０下端が上述した変則的な楕円運動を行うと、第１下腿レバー３１、第２下腿レバー３２の上端側も連動して変則的な楕円運動を行うことになるが、このとき第２揺動レバー２１に規制されながら変化することとなる。

さらに、連結軸３３と連結軸３４とを連結する上腿バー２０は、上腿バー２０、第１下腿バー３１、第２下腿バー３２、脚先部材４０で構成される略平行リンク構造体を形成するので、上腿バー２０下端の変則的な楕円運動が略平行リンク構造体を介して脚先部材４０に伝達される。このとき脚先部材４０は、変則的な楕円運動が増幅された大きく変位する軌跡を運動するようになる。

図２は図１の脚部機構１０により歩行動作を行ったときの歩行中に見られる典型的な状態を示す図である。
図において（ａ）は着地した状態（実線で示す）の脚部、（ｂ）は着地した状態から脚を上げ出した直後の状態（二点鎖線で示す）の脚部、（ｃ）はこれから脚を前方に踏み出そうとする状態(粗い破線で示す)の脚部、（ｄ）は着地直前の状態（細かい破線で示す）の脚部である。

着地した状態（ａ）から脚を上げて後方に移行するとき（状態（ｂ））、脚先部材４０は前側（連結軸３５側）が後側（連結軸３６側）より低くなるように傾斜するとともに、第１下腿レバー３１、第２下腿レバー３２が上腿レバー２０となす角が大きくなり、上腿部と下腿部との折れ曲がりが増すように変化する。

続いて脚を後方に上げた状態（ｂ）からその脚を前方に踏み出そうとする状態（ｃ）に移行するとき、脚先部材４０は前側（連結軸３５側）と後側（連結軸３６側）とはほぼ水平か前側がやや高くなるように傾斜する。第１下腿レバー３１、第２下腿レバー３２が上腿レバー２０となす角はさらに大きくなり、脚先部材４９は床面から最も高い位置になる。

続いて脚を前方に踏み出して着地直前の状態（ｄ）に移行するとき、脚先部材４０は前側（連結軸３５側）が後側（連結軸３６側）よりも高くなるように傾斜するとともに、第１下腿レバー３１、第２下腿レバー３２が上腿レバー２０となす角が最大になる。

そして、着地した状態（ａ）に移行すると脚先部材４０の前側（連結軸３５側）と後側（連結軸３６側）とはほぼ水平になり、第１下腿レバー３１、第２下腿レバー３２が上腿レバー２０となす角が最も小さくなる。

そして状態（ａ）から状態（ｄ）までの動きを繰り返すことにより、１つのモータで駆動する脚部機構であっても、人が歩く歩行動作に類似した歩行をロボット装置に行わせることができる。
また、着地直前に脚先はつま先側が高くかかと側が低くなるので、つまずきにくい歩行を行うことができる。
また、脚を上げて歩行するので、障害物や段差を乗り越えて歩行することができる。

本発明は、人の歩行時の足の動きに類似した歩行動作を行う多足歩行を行う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機構の構成を示す図。 図１の脚部機構による歩行動作の状態を説明する図。 従来からのロボット装置の脚部機構の構成を示す模式図。

符号の説明

１０ 脚部機構
１１ 支持体（ロボット胴部）
１２ モータ
１４ 回転部材
１６ 第１揺動レバー（上腿リンク機構）
２０ 上腿レバー（上腿リンク機構）
２１ 第２揺動レバー
３１ 第１下腿レバー（下腿リンク機構）
３２ 第２下腿レバー（下腿リンク機構）
４０ 脚先部材

Claims (3)

1. 上腿部、下腿部、脚先部からなる脚部を構成するリンク機構を形成するとともに１つのモータでリンク機構を駆動するようにして歩行動作を行うロボット装置の脚部機構であって、
   上腿部を形成する上腿リンク機構と、
   上腿リンク機構の下端側に回動自在に連結され、下腿部を形成する下腿リンク機構と、
   下腿リンク機構の下端側に回動自在に連結され、脚先部を形成する脚先部材と、
   １つのモータを含む駆動機構を支持し、かつ、上腿リンク機構の上端側を変位可能に支持し、かつ、下腿リンク機構の上端側を変位可能に支持する支持体と、を有し、
   上腿リンク機構は駆動機構と連結され、
   上腿リンク機構を駆動機構により駆動して上腿リンク機構の下端側に変則的な楕円運動を生じさせるとともに、この運動に連動する下腿リンク機構が変則的な楕円運動を増幅して脚先部材に伝達することを特徴とするロボット装置の脚部機構。
2. 脚先部材は、下腿リンク機構の動きに連動して脚先部材と床面とのなす角が変化することを特徴とする請求項１に記載のロボット装置の脚部機構。
3. 上腿部、下腿部、脚先部からなる脚部を構成するリンク機構が形成されるとともに１つのモータでリンク機構を駆動するようにして歩行動作を行うロボット装置の脚部機構であって、
   上腿部を形成する上腿レバーと、
   下腿部を形成する互いに略平行に配置された一対の第１下腿レバーおよび第２下腿レバーと、
   第１下腿レバーおよび第２下腿レバーのそれぞれの下端に回動自在に連結されて脚先部を形成する脚先部材と、
   モータおよびモータ駆動により回転する回転部材を支持し、かつ、一端に上腿レバーの上端が回動自在に連結される第１揺動レバーの他端を軸支し、かつ、一端に第１下腿レバーの上端が回動自在に連結される第２揺動レバーの他端を軸支する支持体と、を有し、
   上腿レバーは、上腿レバーの下端が第１下腿レバーの上端より中央よりの位置で第１下腿レバーと回動自在に連結し、かつ、上腿レバーの下端より中央よりの位置で第２下腿レバーの上端と回動自在に連結し、かつ、上腿レバーと第２下腿レバーとの連結位置と上腿レバー上端との間の位置において回転部材と連結し、
   回転部材が回転駆動されることにより上腿レバーの下端側に生じる変則的な楕円運動を、第１下腿レバーと第２下腿レバーと第２揺動レバーとにより増幅して脚先部材に伝達することを特徴とするロボット装置の脚部機構。

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