JP2005246565A

JP2005246565A - ロボット装置の脚部機構

Info

Publication number: JP2005246565A
Application number: JP2004062262A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Inoue; 貴博井上; Nobuyuki Osumi; 信幸大隅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】１脚２軸の駆動機構でもって、擬似的に１脚３軸駆動機構に似た駆動動作を行い、滑らかな歩行を行うことができるようにした脚部機構を提供する。
【解決手段】モータ７により駆動される主動節３１、従動節、内側結合節３３、外側結合節３４からなる略平行４節リンク機構４が形成され、さらに、外側結合節３４を延伸したアーム５が形成され、主動節３１または従動節のいずれかに、長さが受動的に変化する長さ調整機構４１〜４５を形成して、主動節（あるいは従動節）方向の胴部の移動を長さ調整機構により吸収することで滑らかな歩行が行えるようにする。
【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脚２軸の駆動機構でもって、擬似的に１脚３軸駆動機構に似た駆動動作を行い、滑らかな歩行を行うことができるようにした脚部機構に関する。

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。

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上腿部１３ａ、左前上腿部１３ｂ、右後上腿部１３ｃ、左後上腿部１３ｄと、これら４本の上腿部１３ａ〜１３ｄの動きに従動する右前下腿部１４ａ、左前下腿部１４ｂ、右後下腿部１４ｃ、左後下腿部１４ｄと、４つの下腿部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１本の脚部を骨格構造で示した図である。なお、以後の説明で、４本の脚部それぞれを区別することなく説明する場合は、符号のａ〜ｄを付さずに数字のみを記す（例えば脚部１２ａ〜１２ｄを総称する場合は、１２と記す）。
脚部１２には、上腿部１３の上下方向の運動を規制する骨格部分を構成する略平行４節リンク４、上腿部１３を胴部１１に対して前後方向に駆動するモータ６、上腿部１３を上下方向に駆動するモータ７、モータ６に接続され、モータ６の前後方向の駆動力をモータ７および平行４節リンク４に伝達する支持リンク３、平行４節リンク４に接続され、下腿部１４の一部となるアーム５が取り付けられている。

平行４節リンク４は、２本の平行な主動節３１、従動節３２を有し、これらを胴部１１側で結合する内側結合節３３と、胴部１１から離れた外側で結合する外側結合節３４とにより結合するようにしてある。平行４節リンク４を形成する主動節３１、従動節３２、内側結合節３３、外側結合節３４のうち、主動節３１は、モータ７により上下方向に駆動される。内側結合節３３は、従動節３２を、主動節３１から一定距離隔てた位置で回転可能に支持する。従動節３２は、内側結合節３３、外側結合節３４と回転自在に結合される。外側結合軸３４は、主動節３１、従動節３２と回転自在に結合される。また、外側結合節３４は下方に延伸されアーム５を形成する。アーム５は、先端が脚先１８となる。

これらのうち、支持リンク３と、外側結合節３４を除いた他の平行４節リンク４（主動節３２、従動節３２、内側結合節３３）とにより上腿部１３が構成され、外側結合軸３４およびアーム５により下腿部３５が構成される。上腿部１３と下腿部１４とは、あたかも主動節３１と外側結合節３４との結合部が関節となるような連動動作を行う。

この図８の脚部機構では、１脚を２つのモータ６、７で駆動する１脚２軸構成をしている。一般に、脚部機構には、これ以外に１脚を３つのモータで駆動する１脚３軸構成を有するものがある。
１脚２軸構成のものは、１脚３軸構成のものに比べて１脚あたりのモータ数が１つ少ないので、例えば４脚で歩行するロボット装置では４つのモータが不要になり、全体重量が小さく、製造コストが安価になるという特徴を有している。
特開２００３−７１７５７号公報

通常、ロボット装置に歩行動作をさせると、歩行動作に伴って胴部１１の重心が移動し、胴部が左右に移動する。胴部１１の移動がある場合に、胴部１１の移動を吸収して、滑らかな歩行動作を行うには、胴部１１を６自由度に制御できることが必要となる。６自由度のうちの３自由度は、着地面となる脚先１８において、回転方向の１自由度、２次元面方向の２自由度として与えられる。
残りの３自由度は、脚部１２の制御による胴部１１の前後方向、上下方向、左右方向の自由度として与えられる。

したがって、図８の脚部１２のような１脚２軸構成の機構によれば、制御可能な自由度が１脚あたり２自由度しかなく、１自由度分だけ不足することになる。すなわち、胴部１１の自由度が欠如し、これにより、歩行時に滑らかな重心移動（ＺＭＰ（zero moment point）移動）ができず、ぎこちない動きとなり、安定した滑らかな歩行を実現することが困難である。このことは図８に示した脚部１２に限らず、１脚２軸構成の脚部機構では同様のことが言える。

その一方で、図９に示すように、例えばアーム５の下方側に胴部１１の左右方向に駆動するモータ８をさらに設け、１脚に３つのモータを搭載した１脚３軸構成の脚部機構とすれば、胴部１１の前後方向、上下方向、左右方向の３自由度をすべて確保できて、あらゆる胴部１１の移動を吸収し、歩行動作を滑らかにすることが可能になる。しかしながら、１脚あたりモータ数が１つ増加し、４脚歩行の場合は全体で４つのモータが追加されることとなるので、全体重量が重くなり、しかも、製造コストが余分にかかるという問題も生じることになる。

そこで、本発明は、１脚あたりのモータ数を減らし、モータに代わる調整機構により、自由度を確保するようにした脚部機構を提供することを目的とする。
また、本発明は１脚２軸構成の脚部機構を利用しつつ、これを改良して、擬似的に１脚３軸構成と同様の歩行動作を行うことができるようにした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本発明のロボット装置の脚部機構は、上腿部、下腿部からなる脚部機構において、不足する１自由度を、上腿部を構成する略平行４節リンク機構の主動節または従動節に、外力により受動的に長さが変化する長さ調整機構を設けることにより、その変化方向に受動的な１自由度を持たせるようにし、擬似的に１自由度を追加するようにした。

すなわち、内側端がモータにより駆動される主動節、主動節に略平行な従動節、実質的に主動節の内側端に対して、一定距離を隔てて従動節の内側端を回転自在に支持する内側結合節、主動節の外側端と従動節の外側端とを回転自在に結合する外側結合節からなる４つのリンク部材により略平行４節リンク機構が形成され、さらに、外側結合節を延伸したアームが形成され、主動節、従動節、内側結合節により上腿部の少なくとも一部が構成されるととともに、上腿部に接続される下腿部が外側結合節、アームにより構成され、上腿部と下腿部とが連動して胴部を支持することにより歩行動作を行うロボット装置の脚部機構であって、主動節または従動節のいずれかに、長さが受動的に変化する長さ調整機構を備えるようにしている。

また、主動節の内側端を駆動するモータが主動節を胴部に対して上下方向に駆動する上下駆動モータであり、さらに、上下駆動モータおよび内側結合節を一体に支持する支持リンクと、胴部に対して支持リンクを前後方向に移動するように駆動する前後駆動モータとを設けるようにしている。

また、長さ調整機構を備えた主動節または従動節のいずれかは、内側結合節に回転自在に支持される第１調整リンクと、外側結合節に回転自在に支持される第２調整リンクと、第１調整リンクと第２調整リンクとのいずれか一方の調整リンクに固定されるとともに貫通孔が形成されて他方の調整リンクが貫通孔を通過するように取り付けられる結合部材と、アームに外力が加わらないときに他方の調整リンクに対する結合部材の位置を一定に維持するように付勢するための付勢機構とを備えるようにしている。

この発明によれば、主動節、従動節、内側結合節、外側結合節で形成される略平行４節リンクに対して、モータが主動節を駆動すると、主動節が回転することにより、外側結合節およびアームが、平行４節リンク機構による規制を受けながら従動する。すなわち、外側結合節は、主動節の回転運動にともない、平行４節リンクによる規制によって略平行移動するようになる。このとき、外側結合節およびアームは、外側結合節の軸方向に略平行移動することとなる。すなわち、モータ駆動により、下腿部が外側結合節の方向に沿って略平行移動を行う。

このとき、歩行に伴う胴部の重心移動により、脚部機構が主動節（または従動節）の方向の外力を受けたとき、平行４節リンクの主動節（または従動節）に形成された長さ調整機構が作用し、外力に応じて主動節（または従動節）の長さが変動する。これにより、外側結合節と主動節（または従動節）とのなす角度が変化することにより、主動節（または従動節）の方向の外力を吸収することができる。したがって、平行４節リンクの主動節方向にも自由度を確保することができるようになる。
換言すれば、モータ駆動により、平行４節リンクの外側結合節方向の自由度が与えられるとともに、平行４節リンクの主動節（または従動節）に形成した長さ調整機構により、主動節（または従動節）方向の受動的な自由度が与えられることにより、胴部の運動を吸収して、滑らかな歩行動作を実現することができる。

また、主動節の内側端を駆動するモータが主動節を胴部に対して上下方向に駆動する上下駆動モータであり、さらに、上下駆動モータおよび内側結合節を一体に支持する支持リンクと、胴部に対して支持リンクを前後方向に移動するように駆動する前後駆動モータがさらに設けられるようにすれば、上下方向の自由度を上下駆動モータ軸で確保し、前後方向の自由度を前後駆動モータ軸で確保し、左右方向の自由度を平行４節リンクの長さ調整機構で確保することにより、擬似的に１脚３軸構成を実現することができ、滑らかな歩行動作を行うことができるようになる。

また、長さ調整機構を備えた主動節または従動節のいずれかに、内側結合節に回転自在に支持される第１調整リンクと、外側結合節に回転自在に支持される第２調整リンクと、第１調整リンクと第２調整リンクとのいずれか一方の調整リンクに固定されるとともに貫通孔が形成されて他方の調整リンクが貫通孔を通過するように取り付けられる結合部材と、アームに外力が加わらないときに他方の調整リンクに対する結合部材の位置を一定に維持するように付勢するための付勢機構とを備えるようにすれば、アームが着地している立脚時には、外力に対して受動的に付勢機構が働いて第１調整リンクと第２調整リンクとの位置関係を変化させて主動節（または従動節）の長さを調整する。また、適当な付勢力が働くことにより、胴部の倒れこみを防ぐことができる。遊脚時には、第１調整リンクと第２調整リンクとは、付勢機構により中立点に維持される。

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り、図２は、脚部機構の一部の構成を示す斜視図であり、図３は脚部機構の一部の構成を示す断面図である。
このロボット装置の脚部１２は、胴部１１に接続される上腿部１３と、上腿部１３に接続される下腿部１４とから構成される。上腿部１３および下腿部１４は、以下に説明するリンク機構により構成される。

胴部１１にはモータ６が固定されている。モータ６は、胴部１１に対して支持リンク３を前後方向に回転させる。
支持リンク３には、モータ７が固定され、モータ軸７ａが平行４節リンク４の軸５１に回転力を伝達することにより、略平行４節リンク４が回転駆動される。モータ７は、略平行４節リンク４を、胴部１１に対して上下方向に回転する。
略平行４節リンク４は、主動節３１と、主動節３１に略平行に配置される従動節３２と、主動節３１および従動節３２を胴部１１に近い内側で結合する内側結合節３３と、胴部１１から離れた外側で結合する外側結合節３４とにより構成される。主動節３１と内側結合節３３とは軸５１、内側結合節５１と従動節３２（後述する第１調節リンク４１）とは軸５２、主動節３１と従動節３４とは軸５３、従動節３２（後述する第２調節リンク４２）と外側結合節３４とは軸５４で回転自在に結合される。このうち内側結合節３３は、支持リンク３の一部で形成される。また、外側結合節３４は、延伸されアーム５となる。アーム５の先端には着地面となる脚先１８が取り付けられている。

従動節３２は、内側結合軸３３に取り付けられる第１調整リンク４１と、外側結合軸３４に取り付けられる第２調整リンク４２との２つの調整リンクに分離してあり、第１調整リンク４１には貫通孔を有する結合部材４３が固定されている。この結合部材４３の貫通孔を通過するように第２調整リンク４２が取り付けられる。さらに、第２調整リンク４２には、結合部材４３の両側にばね４４、４５が巻回してあり、第２調整リンク４２の軸方向に力が働いたときに抗力が生じ、力が加わらないときに一定の位置に復帰するよう付勢力が働くようにしてある。なお、第１調整リンク４１が外側結合節３４に取り付けられ、第２調整リンク４２が内側結合節３３に取り付けられるようにして、位置関係が反対になってもよい。

次に、この脚部１２の動作について説明する。図４は、左右の脚部１２を着地したときの状態を説明する図、図５は、歩行動作中に重心移動によって胴部１１が図中左方向に移動したときの状態を説明する図、図６は着地した状態から左側の脚を遊脚にしたときの状態を説明する図である。以下では、脚部１２として左前脚部１２ｂ、右前脚部１２ａ（ａは右前脚部、ｂは左前脚部を示す）を用いて説明するが、左後脚部１２ｄ、右後脚部１２ｃについても同様の動作をする。

また、説明を簡単にするため、前後方向（紙面に対し垂直方向）の運動を制御するモータ６および支持リンク３は省略して、平行４節リンク４を直接胴部１１に接続してあるものとして説明を行う。なお、モータ６および支持リンク３を追加した場合には、前後方向の制御の自由度が追加されることになる。

図４に示すように、立脚状態では左右の脚部１２ａ、１２ｂは、アーム５ａ、５ｂがともに垂直になる。このときの右前脚部１２ａでは、平行４節リンク４ａは、図に見られるように外側結合節３４ａより内側従動節３３ａの方がわずかに高い位置になるように主動節３１ａ、従動節３２ａが傾斜している。そのため、従動節３２ａの軸方向には胴部１１の自重の分力が加わり、第２調節リンク４２の内側のばね４４ａがわずかに伸び、外側のばね４５ａがわずかに縮むようにしてバランスがとれている。左前脚部１２ｂについても同様である。

図４の状態から、歩行動作を進めたときに左方向に重心がずれて、胴部１１が左方向に移動した場合に図５の状態に移行する。図５では、右前脚部１２ａは、外側結合節３４ａと従動節３２ａとのなす角が大きく開く。このとき、第２調整リンク４２ａの内側のばね４４ａは伸び、外側のばね４５ａが大きく縮むようになる。
一方、左前脚部１２ｂは、外側結合節３４ｂと従動節３２ｂとのなす角が小さくなる。このとき、第２調整リンク４２の内側のばね４４ｂは大きく縮み、外側のばね４５ｂは伸びる。
このように、胴部１１が左に移動した場合でも従動節３２ａ、３２ｂに設けた長さ調節機構により胴部１１の移動の影響を吸収することができるので、アーム５ａ、５ｂ先端の脚先１８ａ、１８ｂが位置ずれしたりすることがなくなり、滑らかな歩行動作を実現することができる。重心移動が右側の場合も同様である。

図４の状態から左前脚部１２ｂを遊脚にした場合には、図６に移行する。図６では右前脚部１２ａについては、図４とほぼ同様の状態を維持する。これに対し、左前脚部１２ｂは遊脚状態となる。遊脚状態では、外側結合節３４ｂが内側結合節３３ｂよりも高い位置になり、主動節３１ｂ、従動節３２ｂが傾斜することとなる。そのため、従動節３２ｂの軸方向には、外側結合軸３４およびアーム５の自重の分力が加わり、第２調節リンク４２ｂの内側のばね４４ｂがわずかに縮み、外側のばね４５ｂがわずかに伸びるようにして、アーム５が遊脚状態で一定位置を維持するようにしている。
すなわち、左前脚部１２ｂについては図４の状態から図６の状態に移行するときに、従動節３２ｂの長さ調整機構が、胴部１１の自重の分力あるいは外側結合節３４ｂおよびアーム５ｂの自重の分力により、わずかに変化するが、基本的には従動節３２ｂは、主動節３１ｂ、内側結合節３３ｂ、外側結合節３４ｂとともに平行４節リンクとして機能するため、アーム５ｂを平行移動するようになる。

したがって、上述した平行４節リンクは、立脚状態では受動的な関節として働き、これによって擬似的に１自由度を追加するように機能する。また、遊脚状態では、従来の平行４節リンクと同様の動作を行うこととなる。

上記実施形態では、長さ調整機構は、従動節３２側に形成したが、従動節３２に代えて、主動節３１側に同様の長さ調整機構を設けてもよい。

本発明は、ロボット装置が歩行する際に滑らかな動きをすることができるロボット装置の脚部機構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骨格構成を示す図。本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の一部の構成を示す斜視図。本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の一部の構成を示す断面図。本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の状態を説明する図。本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の状態を説明する図。本発明の一実施形態であるロボット装置の脚部の状態を説明する図。４脚歩行のロボット装置の全体構成を示す図。従来からのロボット装置の骨格構成を示す図。従来からのロボット装置の骨格構成を示す図。

符号の説明

３支持リンク
４平行４節リンク
５アーム
６モータ（前後方向駆動）
７モータ（上下方向駆動）
１０ロボット装置
１１胴部
１２脚部
１３上腿部
１４下腿部
１８脚先
３１主動節
３２従動節
３３内側結合節
３４外側結合節
４１第１調節リンク
４２第２調節リンク
４３結合部材
４４、４５ばね

Claims

内側端がモータにより駆動される主動節、主動節に略平行な従動節、実質的に主動節の内側端に対して一定距離を隔てて従動節の内側端を回転自在に支持する内側結合節、主動節の外側端と従動節の外側端とを回転自在に結合する外側結合節からなる４つのリンク部材により略平行４節リンク機構が形成され、さらに、外側結合節を延伸したアームが形成され、主動節、従動節、内側結合節により上腿部の少なくとも一部が構成されるととともに、上腿部に接続される下腿部が外側結合節、アームにより構成され、上腿部と下腿部とが連動して胴部を支持することにより歩行動作を行うロボット装置の脚部機構であって、
主動節または従動節のいずれかに、長さが受動的に変化する長さ調整機構を備えたことを特徴とするロボット装置の脚部機構。
主動節の内側端を駆動するモータが主動節を胴部に対して上下方向に駆動する上下駆動モータであり、さらに、上下駆動モータおよび内側結合節を一体に支持する支持リンクと、胴部に対して支持リンクを前後方向に移動するように駆動する前後駆動モータとを設けたことを特徴とする請求項１に記載の脚部機構。
長さ調整機構を備えた主動節または従動節のいずれかは、内側結合節に回転自在に支持される第１調整リンクと、外側結合節に回転自在に支持される第２調整リンクと、第１調整リンクと第２調整リンクとのいずれか一方の調整リンクに固定されるとともに貫通孔が形成されて他方の調整リンクが貫通孔を通過するように取り付けられる結合部材と、アームに外力が加わらないときに他方の調整リンクに対する結合部材の位置を一定に維持するように付勢するための付勢機構とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のロボット装置の脚部機構。