JP2006082205A - 歩行ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 本体部の支持または歩行において冗長となる関節部に対して、関節軸を回動するアクチュエータの小型化、軽量化を図り、かつ本体部を支持していない状態では関節部を自由に回動できる歩行ロボットを得ることを目的とする。
また、本体部の支持及び歩行時に、冗長となる関節部のアクチュエータでの、消費電力の低減が可能な歩行ロボットを得ることを目的とする。
【解決手段】 この発明に係る歩行ロボットは、その脚部に回動可能な関節部を備え、関節部には関節軸２０１と、関節軸２０１を回動させるためのモータ２０５とを備えている。そして、脚部の床面への接地に連動して関節軸２０１の回動を規制する規制手段（プッシュロッド２１０、ロックピン２１２、２１３等）を備えている。
【選択図】 図４

Description

この発明は、脚部により移動を行う歩行ロボット関するものである。

従来の歩行ロボットは、本体部を支持する２以上の脚部を備え、これらの脚部に設けた関節部をそれぞれ所定のタイミングで動作することにより移動する構成としていた。これらの歩行ロボットでは、着地用の足部を脚部の下端に固定した構造や、足部をアクチュエータ等で脚部に回転自在に取り付け、歩行中に脚部の動作に合わせて、足部を回転させるような構造が採用されていた。

前述の足部を脚部に固定した構造では自然な歩行状態を再現することが難しく、傾斜地では歩行が困難であった。また、前述の脚部と足部との関節部は移動に関して冗長となる関節部であるため、小型化、軽量化、低コスト化を目的として、その関節部にアクチュエータを採用しない構造も提案されてきた。例えば、足部を脚部に対して回転させる回転力を付与する圧縮バネまたはダンパーと、関節部の回転力や足部の着地時の衝撃を減衰するダンパーを内蔵することにより、歩行時に受動的に動作する関節部を設けた歩行ロボットが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１７６８６６号公報

従来の歩行ロボットは、以上のように、各脚部が複数の関節部と各関節部を接続するアーム部から構成されるので、各関節軸を回動するアクチュエータは、本体部を支持する一方で脚を駆動するために必要な出力を有する必要があった。このため、移動に関して冗長となる関節部でも、その関節軸を回動するアクチュエータは、本体を支持するために必要な出力を有する必要があり、小型化、軽量化、低コスト化、省電力化を阻害するという課題があった。
また、これらの解決を目的とした特許文献１に示された受動関節部を設ける例でも、脚が離間している場合には、関節部を自由に動かすことができないという問題点があり、ロボットの動作表現の自由度が制限されるという課題があった。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、本体部の支持または歩行において冗長となる関節部に対して、関節軸を回動するアクチュエータの小型化、軽量化を図り、かつ本体部を支持していない状態では関節部を自由に回動できる歩行ロボットを得ることを目的とする。
また、本体部の支持及び歩行時に、冗長となる関節部のアクチュエータでの、消費電力の低減が可能な歩行ロボットを得ることを目的とする。

この発明に係る歩行ロボットは、本体部と、本体部に接続され本体部を支持する少なくとも２以上の可動脚部または腕部を備え、前記脚部または腕部には回動可能な関節部を備え、該関節部には関節軸と、関節軸を回動させるためのアクチュエータとを備えており、前記脚部または腕部には、脚部または腕部の着地に連動して前記関節部の回動を規制する規制手段を備えている。

この発明によれば、ロボット本体部の支持または歩行において冗長となる関節部について、その関節部が装備された脚が着地している状態ではその回動を規制する一方、離間した状態では自由に回動可能となるので、本体を支持するために必要な出力トルクが抑えられ、モータの小型化及び軽量化と省電力化が実現できるという効果がある。また、脚が離間している場合には、関節軸を任意に回動制御することが可能なので、ロボットの動作表現の自由度が向上するという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を説明する。
図１は、本発明による歩行ロボットの概略構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す歩行ロボットの歩行状態を示す概略の側面図である。図１、２において、本体部に相当する胴体１は剛体で形成されていて、左前脚機構２、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５により支持されている。胴体１の前端部１ａ付近には、首機構６を介して頭部７が接続されている。また、胴体１には、図示しないが、信号処理回路、電源に相当するバッテリ等が内蔵されている。

次に、首機構６と頭部７について説明する。首機構６の下端には、首関節部に相当し、アクチュエータ、減速機構等を含む関節部６１が接続されており、この関節部６１を介して首機構６を胴体１に接続している。関節部６１は、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有するので、関節部６１は、首機構６を胴体１の前後方向に任意角度回動することができる。首機構６の上端は、アクチュエータ、減速機構等を含む首関節部に相当する関節部６２が接続されており、この関節部６２を介して頭部７を首機構６に接続している。関節部６２は、首機構６の伸長方向の軸回りに回動可能な１自由度を有する。従って、頭部７は関節部６１、６２により、胴体１の前後方向及び左右方向に回動することが可能である。

各脚機構２〜５はほぼ同構成であるので、以下、代表例として左前脚機構２について説明する。左前脚機構２は、関節部２１、２２、２３、上肢フレーム２４、下肢フレーム２５、ハンド部２６、フィンガー部２７を備えている。上肢フレーム２４の上端部には、アクチュエータ、減速機構等を含む関節部２１が設置されており、上肢フレーム２４は関節部２１を介して胴体１に接続されている。関節部２１は、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節部２１により、上肢フレーム２４を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

上肢フレーム２４の下端部には、アクチュエータ、減速機構等を含む関節部２２が設置されている。また、関節部２２は下肢フレーム２５の上端部に接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節部２２により、下肢フレーム２５を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

下肢フレーム２５の下端部には、アクチュエータ、減速機構等を含む関節部２３が設置されている。また関節部２３はハンド部２６に接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節部２３により、ハンド部２６を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

また、ハンド部２６には、アクチュエータ、減速機構等を含む関節部２７ａを介してフィンガー部２７が接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。これにより、関節部２７ａを任意に回動することにより、ハンド部２６とフィンガー部２７を用いて、物体の把持等が可能な構成としている。

なお、右前脚機構３は左前脚機構２と同様に構成されている。従って、前述の左前脚機構２、関節部２１、２２、２３、上肢フレーム２４、下肢フレーム２５、ハンド部２６、関節部２７ａ、フィンガー部２７を、それぞれ右前脚機構３、関節部３１、３２、３３、上肢フレーム３４、下肢フレーム３５、ハンド部３６、関節部３７ａ、フィンガー部３７と読み換えることで右前足機構を説明できる。また、左後脚機構４も左前脚機構２とほぼ同様に構成されている。この場合には、前述の左前脚機構２、関節部２１、２２、２３、上肢フレーム２４、下肢フレーム２５、ハンド部２６を、それぞれ左後脚機構４、関節部４１、４２、４３、上肢フレーム４４、下肢フレーム４５、フット部４６と読み換えることができる。同様に、右後脚機構５については、前述の左後脚機構４、関節部４１、４２、４３、上肢フレーム４４、下肢フレーム４５、フット部４６を、それぞれ右後脚機構５、関節部５１、５２、５３、上肢フレーム５４、下肢フレーム５５、フット部５６と読み換えることで、各脚部について一通り説明することができる。

次に、手首関節部に相当する関節部２３の詳細構成について説明する。図３は、実施の形態１に係る歩行ロボットの手首関節部に相当する関節部２３を示す側面図、図４は図３の関節部２３の正面図、図５は図３に示す関節部２３のＡ−Ａ線での部分断面図である。図３〜５において、関節軸２０１は軸受け２０２、２０３を介して回動自在に下肢フレーム２５に保持されている。また、軸受け２０３には角度センサ２０４が取り付けられ、関節軸２０１の一端である突出部２０１ａと角度センサ２０４を接続することにより、関節軸２０１の回動角度を検出可能としている。アクチュエータに相当するモータ２０５は下肢フレーム２５に保持され、その同軸上には減速ギアヘッド２０６が接続されている。ピニオンギア２０７は減速ギアヘッド２０６の軸に保持されている。歯車２０８は関節軸２０１に保持されると共に、ピニオンギア２０７に噛合している。これら減速ギアヘッド２０６、ピニオンギア２０７、歯車２０８により減速機構を構成し、モータ２０５の出力を関節軸２０１に伝達している。

ハウジング２０９は関節軸２０１に保持される。ハウジング２０９には、ハウジング２０９の下端から開口して鉛直方向に伸びた孔部２０９ａが、また、孔部２０９ａと交差するように貫通孔部２０９ｂが形成されている。孔部２０９ａには、その下端開口部よりプッシュロッド２１０が並進移動可能に内挿される。プッシュロッド２１０の一端にはハンド部２６が接続され、他端はテーパー状に形成されている。また、プッシュロッド２１０の表面にはピン２１０ａが固定されており、このピン２１０ａとハウジング２０９に設けられた長孔２０９ｃにより、プッシュロッド２１０の並進移動範囲が設定されていると共に、プッシュロッド２１０に接続したハンド部２６が、プッシュロッド２１０の移動方向を軸として回転しないよう規制している。また、ハウジング２０９には圧縮バネ２１１が設置されており、ハンド部２６及びプッシュロッド２１０を、ハンド部２６の伸長方向（図５中矢印Ａ方向）に付勢している。

ハウジング２０９の貫通孔部２０９ｂには、ロックピン２１２、２１３が内挿されている。ロックピン２１２及び２１３がそれぞれ対向する端部には斜面が形成されている。また、ロックピン２１２の表面にはピン２１２ａが固定されており、このピン２１２ａとハウジング２０９に設けられた長孔２０９ｄにより、ロックピン２１２の並進移動範囲が設定されていると共に、ロックピン２１２がその移動方向を軸として回転しないよう規制している。ロックピン２１３についても同様であり、ロックピン２１３の表面にはピン２１３ａが固定されており、このピン２１３ａとハウジング２０９に設けられた長孔２０９ｅにより、ロックピン２１３の並進移動範囲が設定されていると共に、ロックピン２１３がその移動方向を軸として回転しないよう規制している。ロックピン２１２に固定されたピン２１２ａと、ロックピン２１３に固定されたピン２１３ａには引張バネ２１４が張架され、ロックピン２１２、２１３を対向する方向（図５中矢印Ｅ，Ｆ方向）に付勢している。下肢フレーム２５にはその左右両側部分にロックピンキャッチ部に相当する孔部２５ａが設けられていて、孔部２５ａにロックピン２１２、２１３がそれぞれ嵌合した場合に関節軸２０１の回動が規制される。

なお、左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３の詳細について説明してきたが、右前脚機構３の手首関節部に相当する関節部３３、左後脚機構４の足首関節部に相当する関節部４３、右後脚機構５の足首関節部に相当する関節部５３についても、同等あるいは略同等の構成であるので、説明を省略する。

次に動作について説明する。最初に、本発明による歩行ロボットの動作を図２〜図１０を用いて説明する。図６、７は図２と同様、図１に示す歩行ロボットの歩行時の状態を示す側面図である。図２、６、７の順に歩行ロボットが前進する様子を示す。図８は図１の歩行ロボットの前脚が着地している状態での、左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３を示す側面図であり、図９は図８に示す関節部２３の正面図、図１０は図８に示す関節部２３のＡ−Ａ線での部分断面図である。

ロボットの歩行時には、左前脚機構２、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５に設置された関節部２１、２２、３１、３２、４１、４２、５１、５２にそれぞれ設けられモータ（図示せず）に電流を印加して各関節部を所定の角度に制御し、胴体部１を図２に示すように支持する。図３〜５に示す関節部２３は、関節軸２０１により、ハンド部２６を図３中矢印Ｇの方向に回動させることができる。

続いて、左前脚機構２の着地時の動作について説明する。図２の状態のハンド部２６を着地させる前に、角度センサ２０４により検出される関節軸２０１の回動角度に基づいて、モータ２０５に電流を印加して関節軸２０１を回動制御し、ロックピン２１２、２１３と下肢フレーム２５の両側に設けた孔部２５ａがそれぞれ対向する位置にくるように位置決めをする（図３〜５参照）。その後、図２に示すハンド部２６の着地により、図８〜図１０に示すように、関節部２３には胴体１などの自重が図中矢印Ａ方向に加わるので、ハンド部２６に接続されたプッシュロッド２１０は、圧縮バネ２１１の付勢力に抗して図９、１０中矢印Ｂ方向に並進移動する。

一方、ロックピン２１２及び２１３は、ハンド部２６が離間している状態では、図４及び図５に示すように、引張バネ２１４の付勢力により、その対向する端部が接触する状態でハウジング２０９内に格納されているが、先のプッシュロッド２１０の図９、１０中矢印Ｂ方向への並進移動に伴い、テーパー状に形成されたプッシュロッド２１０の端部がロックピン２１２及び２１３の端部に形成された斜面に接触するため、引張バネ２１４の付勢力に抗してロックピン２１２は図１０中矢印Ｃ方向に、またロックピン２１３は図１０中矢印Ｄ方向に並進移動する。前述のように、ロックピン２１２、２１３と孔部２５ａは位置決めされているので、ロックピン２１２、２１３は下肢フレーム２５に設けられた孔部２５ａに嵌合する。従って、ハンド部２６が着地している状態では、関節軸２０１は回動が機械的に規制される。

左前脚機構２が着地している状態では、関節部２３の関節軸２０１はその回動が機械的に規制されるので、関節軸２０１を回動するモータ２０５の出力トルクは、胴体１を支持するために必要な出力トルクより小さくすることができる。また、左前脚機構２が着地している状態では、モータ２０５への通電を解除しても、関節部２３の関節軸２０１の角度は保持されるので、省電力化、制御の簡素化が実現できる。

以上、左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３の動作について説明してきたが、右前脚機構３の手首関節部に相当する関節部３３、左後脚機構４の足首関節部に相当する関節部４３、右後脚機構５の足首関節部に相当する関節部５３についても同様あるいはほぼ同様の動作を行うので、説明を省略する。

次にロボット全体での歩行動作について図２、６、７を用いて説明する。図２の状態から、関節部２１、２２、３１、３２、４１、４２、５１、５２にそれぞれ設けられたモータ（図示せず）を所定のタイミングで回転して、歩行動作を行う。例えば、図２に示す状態から前進する場合には、胴体１に対して相対的に後退している右前脚機構３、左後脚機構４を前方に繰り出す動作を行う。この時、ハンド部３６及びフット部４６は離間し、右前脚機構３、左後脚機構４は遊脚となるので、左前脚機構２及び右後脚機構５により胴体１を支持する。遊脚となった右前脚機構３、左後脚機構４は、その下端となるハンド部３６及びフット部４６が着地しないように、関節部３１、３２、４１、４２を適切に制御して、前方への脚部の繰り出し動作を行う。同時に、胴体１の支持脚である左前脚機構２、右後脚機構５に配置された各関節部２１、２２、５１、５２を適切に制御して、胴体１に対して左前脚機構２、右後脚機構５が相対的に後退する方向に移動することにより、胴体１を前方に送り出す。この動作の結果、図２に示す状態にあった歩行ロボットは、図６に示す状態を経て図７に示す状態に移行する。これらの動作を繰り返すことにより、歩行ロボットの前進移動が実現される。反対に、図７の状態から図６の状態を経て図２の状態へと順に移行することにより、後進移動を行うこともできる。

なお、前記歩行動作中において、例えば関節部２３に接続するハンド部２６が離間する場合には、図３〜図５に示すように、圧縮バネ２１１の付勢力によりハンド部２６に接続されたプッシュロッド２１０は図５中矢印Ａ方向に並進移動し、これに伴い引張バネ２１４の付勢力によりロックピン２１２は図中矢印Ｅ方向、ロックピン２１３は図示矢印Ｆ方向に並進移動する。ロックピン２１２、２１３は下肢フレーム２５に設けた孔部２５ａから離間するので、モータ２０５への通電制御を行っていない場合には、関節軸２０１は自由に回動可能な状態となる。このため、遊脚の繰り出し動作に伴う慣性や振動等により、関節軸２０１が回動した場合には、再度ハンド部２６が着地するまでに、モータ２０５に電流を印加して関節軸２０１を回動制御し、ロックピン２１２、２１３と下肢フレーム２５に設けた孔部２５ａがそれぞれ対向する位置にくるように位置決めをする。これにより、ハンド部２６が再度着地した場合には、ロックピン２１２、２１３は孔部２５ａにそれぞれ嵌合するので、関節軸２０１はその回動が機械的に規制される。関節部３３、４３、５３についても同様である。

次に、ハンド部２６、３６を使用して物体を把持する動作について説明する。図１１、１２は図１に示すロボットの、左ハンド部を使用した物体把持の一形態を示す側面図、図１３は図１に示す歩行ロボットの両前脚が離間している状態での、左手首関節部に相当する関節部２３の回動動作を示す側面図である。この場合には、例えば図１１に示すように、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５が着地するよう、関節部３１、３２、４１、４２、５１、５２を制御して本体１を支持する。また、別の体勢による作業としては、例えば図１２に示すように、胴体１の下端、及び左後脚機構４、右後脚機構５を着地して、胴体１が安定するよう関節部４１、４２、５１、５２を制御する。図１１、１２それぞれの体勢において、本体が転倒しないようにするために、ロボットの重心から垂下した垂線が、各着地点を結ぶ面積の範囲内に位置するように制御する。次に、左前脚機構２に設けた関節部２１、２２、２３を制御して、先端部に設けたハンド部２６を把持対象物（図示せず）に近づけた後、関節部２３、２７ａを制御して、ハンド部２６を図示矢印Ｈ方向に、またフィンガー部２７を図示矢印Ｊ方向に回動して、物体把持の動作を行う。

図１２に示す体勢では、左前脚機構２と右前脚機構３を使用した両手での物体把持も可能である。この時、左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３は、ハンド部２６が離間しているので、前述した図３〜図５に示すように、関節軸２０１の回動規制は解除されている。この状態では、モータ２０５に電流を印加することにより、関節軸２０１は任意の角度に制御可能であるため、ハンド部２６も図１３中の矢印Ｇ方向に任意に回動制御が可能となる。関節部３３についても関節部２２と同様であるので、説明を省略する。

以上のように、この実施の形態１によれば、本体部の支持または歩行において冗長となる関節部について、その関節部が装備された脚部が着地している状態では機械的にその回動を規制する。従って、本体を支持するために必要な出力トルクが抑えられ、モータの小型化、軽量化と省電力化が実現できるという効果がある。更に、脚部が離間している場合には、関節軸を任意に回動制御することが可能なので、ロボットの動作表現の自由度が向上するという効果がある。

なお、上記実施の形態１においては、ロックピン２１２及び２１３を孔部２５ａに対向させた場合に、下肢フレーム２５の伸長方向と、プッシュロッド２１０の伸長方向がほぼ一致する位置に孔部２５ａを設けた例を示したが、特にこの位置に限定される必要はない。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を説明する。
図１４は、実施の形態２に係る歩行ロボットの左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３を示す側面図である。図１４において、下肢フレーム２５には、実施の形態１と同様にロックピンキャッチ部に相当する孔部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが設けられている。各孔部２５ａ〜２５ｄは、それぞれの孔中心から関節軸２０１の軸中心までの距離と、ロックピン２１２が格納される貫通孔部２０９ｂ（図５参照）の孔中心から関節軸２０１の軸中心までの距離が一致するように設けられている。

その他、歩行ロボット全体の構成等は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。また、左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３の詳細について説明してきたが、右前脚機構３の手首関節部に相当する関節部３３、左後脚機構４の足首関節部に相当する関節部４３、右後脚機構５の足首関節部に相当する関節部５３についても、同等或いはほぼ同等の構成であるので、説明を省略する。

次に動作について説明する。胴体１の支持、及び歩行動作に関しては実施の形態１と同様であるので省略し、ここではハンド部６が離間している状態の動作について説明する（図４、５、１４参照）。ハンド部２６が離間している状態では、実施の形態１と同様に、ロックピン２１２及び２１３はハウジング２０９内に引張バネ２１４の付勢力により格納されている。ハンド部２６が着地する前に、角度センサ２０４により検出される関節軸２０１の回動角度に基づいて、モータ２０５を駆動して関節軸２０１を回動制御し、ロックピン２１２、２１３が下肢フレーム２５に設けた孔部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄのうち任意の孔部と対向する位置にくるように位置決めをする。その後、ハンド部２６を着地すると、ロックピン２１２、２１３は先程位置決めした孔部に嵌合し、関節軸２０１の回動を機械的に規制する。従って、ハンド部２６を着地する際に、下肢フレーム２５とハンド部６との角度を任意に設定することができるので、多彩でよりバランスのとれた動作を行うことが可能となる。
。

以上のように、この実施の形態２によれば、本体部の支持または歩行において冗長となる関節部について、その関節部が装備された脚部が着地している状態では機械的にその回動を規制する。従って、本体を支持するために必要な出力トルクが抑えられ、モータの小型化、軽量化と省電力化が実現できるという効果がある。また、脚部が着地した状態では、モータへの電力供給をしなくても機械的に関節軸の回動を規制できるので、より一層消電力化が図れるという効果がある。更に、脚部が離間している場合には、関節軸を任意に回動制御することが可能なので、ロボットの動作表現の自由度が向上するという効果がある。
加えて、脚部を着地した時の関節軸の機械的な回動規制を、複数の角度で実現できるので、本体の支持または歩行において、バランスのとれた多彩な形態をとることでき、ロボットの動作表現の自由度がより一層向上する効果が得られる。

なお、上記実施の形態１、２においては、ロックピンキャッチ部を、円形の孔部２５ａとした例を示したが、ブロック状その他の形状のロックピンキャッチ部を下肢フレーム２５に設けてもよい。また、ロックピンキャッチ部については、実施の形態２の２５ａ〜２５ｄの４個に限定されるものではなく、下肢フレーム２５の強度と設置スペースが許す限り任意に設けることができる。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３を説明する。図１５は、実施の形態３に係る歩行ロボットの左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３を示す側面図であり、図１６は図１５に示す関節部２３の部分断面図（図５と同部分）である。図１５、１６において、関節軸２０１は軸受け２０２、２０３を介して回動自在に下肢フレーム２５に保持されている。また、軸受け２０３には角度センサ２０４が取り付けられ、関節軸２０１の一端である突出部２０１ａと角度センサ２０４を接続することにより、関節軸２０１の回動角度を検出可能な構成としている。アクチュエータに相当するモータ２０５は下肢フレーム２５に保持され、その同軸上には減速ギアヘッド２０６、及び電磁ブレーキ２２０が接続されている。ピニオンギア２０７は減速ギアヘッド２０６の軸に保持されている。歯車２０１は関節軸２０１に保持されると共に、ピニオンギア２０７に噛合している。これら減速ギアヘッド２０６、ピニオンギア２０７、歯車２０８により減速機構を形成し、モータ２０５の出力を関節軸２０１に伝達する構成としている。

ハウジング２１９は関節軸２０１に保持される。ハウジング２１９には、ハウジング２１９の下端から開口して鉛直方向に伸びた孔部２１９ａが形成されている。孔部２１９ａには、その下端開口部よりプッシュロッド２１０が並進移動可能に内挿される。プッシュロッド２１０の一端にはハンド部２６が接続されている。また、プッシュロッド２１０の表面にはピン２１０ａが固定されており、このピン２１０ａとハウジング２１９に設けられた長孔２１９ｂにより、プッシュロッド２１０の並進移動範囲が設定されていると共に、プッシュロッド２１０に接続したハンド部２６が、プッシュロッド２１０の移動方向を軸として回転しないよう規制している。また、ハウジング２１９の外周には凸部２１９ｃが形成されている。ハウジング２１９の凸部２１９ｃとハンド部２６との間には圧縮バネ２１１が設置されており、ハンド部２６及びプッシュロッド２１０を、ハンド部２６の伸長方向に付勢している。また、着地検出スイッチ２２１が、ハウジング２１９の孔部２１９ａの上端部に設置されている。

その他、歩行ロボット全体の構成等は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。また、左前脚機構２の手首関節部に相当する関節部２３の詳細について説明してきたが、右前脚機構３の手首関節部に相当する関節部３３、左後脚機構４の足首関節部に相当する関節部４３、右後脚機構５の足首関節部に相当する関節部５３についても、同等或いはほぼ同等の構成であるので、説明を省略する。

次に動作について説明する。図１７は図１６と同様、図１５に示す関節部２３の部分断面図（離間状態）である。図１７に示すように、ハンド部２６が離間している状態では、ハンド部２６を接続したプッシュロッド２１０は圧縮バネ２１１の付勢力により図示矢印Ａ方向に押圧されている。この状態では関節軸２０１は自由に回動可能な状態となっているので、モータ２０５に電流を印加することにより、関節軸２０１は任意の角度に回動制御することができる。従って、ハンド部２６を使用した物体の把持等を行う場合には、手首関節部に相当する関節部２３を任意の角度に回動制御することが可能となる。

次に、胴体１の支持や歩行動作の際に、ハンド部２６が着地する状態を図１５、１６に示す。この場合には、関節部２３には胴体１などの自重が図中矢印Ａ方向に加わるので、ハンド部２６が接続されたプッシュロッド２１０は、圧縮バネ２１１の付勢力に抗して図示矢印Ｂ方向に並進移動し、ハウジング２１９の下面とハンド部２６の上面が接触した状態で停止する。この時、プッシュロッド２１０の上端が着地検出スイッチ２２１を作動させ、モータ２０５と同軸上に設けた電磁ブレーキ２２０を作動して、モータ２０５の軸の回動を拘束する。モータ２０５の軸の拘束により、関節軸２０１は回動を規制されるので、電磁ブレーキ２２０の作動中は、モータ２０５への通電を解除しても、関節軸２０１の角度は保持される。

なお、歩行動作中、支持脚から遊脚への変移に伴い、ハンド部２６が離間した場合には、圧縮バネ２１１の付勢力によりハンド部２６が接続されたプッシュロッド２１０は図示矢印Ａ方向に並進移動するので、着地検出スイッチ２２１はオフとなり、電磁ブレーキ２２０によるモータ２０５軸の拘束は解除される。このため、遊脚の繰り出し動作に伴う慣性や振動等により、関節軸２０１が回動した場合には、再度ハンド部２６が着地するまでに、関節軸２０１の角度が所定の角度となるように、モータ２０５に電流を印加して関節軸２０１を回動制御する。その後、ハンド部２６の着地に伴い、電磁ブレーキ２２０によるモータ２０５軸の拘束が行われるので、関節軸２０１は再度回動を規制される。なお、歩行に関するその他の動作は実施の形態１と同等であるので説明を省略する。

また、実施の形態３では左前脚機構２の着地時に、プッシュロッド２１０と着地検出スイッチ２２１が接触する構造となっているが、この構造を実施の形態１、２にも適用することができる。この構造により、着地検出スイッチ２２１がオンの時（着地状態）には、モータ２０５への通電を解除し、オフの時（離間状態）にはモータ２０５に通電を行うことにより、省電力効果の優れた制御を行うことができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、本体部の支持または歩行において冗長となる関節部について、その関節部が装備された脚部が着地している状態では関節部の回動を規制する。従って、本体を支持するために必要な出力トルクが抑えられ、モータの小型化、軽量化と省電力化が実現できるという効果がある。また、脚部が着地した状態では、モータへの電力供給をしなくても機械的に関節軸の回動を規制できるので、より一層消電力化が図れるという効果がある。更に、脚部が離間している場合には、関節軸を任意に回動制御することが可能なので、ロボットの動作表現の自由度が向上するという効果がある。

なお、上記実施の形態１〜３においては、４脚を有する歩行ロボットに関して説明したが、本発明の適用範囲は４脚を有する歩行ロボットに限定されるものではなく、２脚により歩行動作を行い、２本の腕により物体の把持等の作業を行う人間型ロボットや、４脚以上、例えば６脚を有する歩行ロボット等にも適用できる。一例として、２脚により歩行動作を行う人間型ロボットへの適用について説明する。人間型ロボットの転倒状態からの立ち上がり動作を考慮した場合、腕部により本体部を支えて立ち上がる必要があり、従来は歩行には寄与しない腕部の全ての関節部、即ち歩行において冗長となる関節部についても、本体部を支持可能なトルクを持たせる必要があった。そこで、立ち上がり動作を実現するために必要とされない関節部に本発明を適用することにより、実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。

この発明の歩行ロボットの概略構成を示す斜視図である。 図１の歩行ロボットの歩行状態を示す概略の側面図である。 実施の形態１に係る歩行ロボットの左前脚の手首関節部を示す側面図（離間状態）である。 図３の手首関節部の正面図（離間状態）である。 図３の手首関節部のＡ−Ａ断面図（離間状態）である。 図１の歩行ロボットの歩行状態を示す側面図（図２の次の状態）である。 図１の歩行ロボットの歩行状態を示す側面図（図６の次の状態）である。 図３の手首関節部を示す側面図（着地状態）である。 図８の状態での手首関節部の正面図（着地状態）である。 図８の手首関節部のＡ−Ａ断面図（着地状態）である。 図１の歩行ロボットの左ハンド部を利用した物体把持の一形態を示す側面図である。 図１１と異なる状態での、物体把持の一形態を示す側面図である。 図３の手首関節部の回動動作を示す側面図（離間状態）である。 実施の形態２に係る歩行ロボットの左前脚の手首関節部を示す側面図（離間状態）である。 実施の形態３に係る歩行ロボットの左前脚の手首関節部を示す正面図（着地状態）である。 図１５の手首関節部の断面図（着地状態）である。 図１５の手首関節部の断面図（離間状態）である。

符号の説明

１ 胴体、１ａ 前端部、２ 左前脚機構、３ 右前脚機構、４ 左後脚機構、５ 右後脚機構、６ 首機構、７ 頭部、２１ 関節部、２２ 関節部、２３ 関節部、２４ 上肢フレーム、２５ 下肢フレーム、２５ａ 孔部、２５ｂ 孔部、２５ｃ 孔部、２５ｄ 孔部、２６ ハンド部、２７ フィンガー部、２７ａ 関節部、３１ 関節部、３２ 関節部、３３ 関節部、３４ 上肢フレーム、３５ 下肢フレーム、３６ ハンド部、３７ フィンガー部、３７ａ 関節部、４１ 関節部、４２ 関節部、４３ 関節部、４４ 上肢フレーム、４５ 下肢フレーム、４６ フット部、５１ 関節部、５２ 関節部、５３ 関節部、５４ 上肢フレーム、５５ 下肢フレーム、５６ フット部、６１ 関節部、６２ 関節部、２０１ 関節軸、２０１ａ 突出部、２０２ 軸受、２０３ 軸受、２０４ 角度センサ、２０５ モータ、２０６ 減速ギアヘッド、２０７ ピニオンギア、２０８ 歯車、２０９ ハウジング、２０９ａ 孔部、２０９ｂ 貫通孔部、２０９ｃ 長孔、２０９ｄ 長孔、２０９ｅ 長孔、２１０ プッシュロッド、２１０ａ ピン、２１１ 圧縮バネ、２１２ ロックピン、２１２ａ ピン、２１３ ロックピン、２１３ａ ピン、２１４ 引張バネ、２１９ ハウジング、２１９ａ 孔部、２１９ｂ 長孔、２１９ｃ 凸部、２２０ 電磁ブレーキ、２２１ 着地検出スイッチ。

Claims (6)

1. 本体部と、
   この本体部を支持すると共にフット部またはハンド部を回動させる関節部を有する少なくとも２以上の脚部または腕部とを備える歩行ロボットにおいて、
   前記関節部に、前記フット部またはハンド部の着地に連動して前記フット部またはハンド部の回動を規制する規制手段を備えることを特徴とする歩行ロボット。
2. 前記規制手段は、
   前記フット部またはハンド部の着地に連動して、付勢している第１の弾性部材に抗して並進移動するプッシュロッドと、
   このプッシュロッドの並進移動に連動して、付勢している第２の弾性部材に抗して並進移動するロックピンと、
   並進移動した前記ロックピンをキャッチすることにより前記前記フット部またはハンド部の回動を機械的に規制するロックピンキャッチ部とを備えることを特徴とする請求項１記載の歩行ロボット。
3. 前記関節部に前記フット部またはハンド部の回動角度を検出する角度センサを備え、
   前記フット部またはハンド部の着地の前に、前記の角度センサにより検出された回動角度に基づき前記フット部またはハンド部を回動させ、前記ロックピンとロックピンキャッチ部が対抗する位置にくるように位置決めすることを特徴とする請求項２記載の歩行ロボット。
4. 前記ロックピンキャッチ部を前記フット部またはハンド部の回動方向に複数備えることを特徴とする請求項２記載の歩行ロボット。
5. 前記規制手段は、
   前記フット部またはハンド部の着地に連動して、付勢している弾性部材に抗して並進移動するプッシュロッドと、
   このプッシュロッドの並進移動に連動して、前記フット部またはハンド部の着地を検出する検出スイッチと、
   この検出スイッチが前記フット部またはハンド部の着地を検出した際に前記前記フット部またはハンド部の回動を規制する電磁ブレーキとを備えることを特徴とする請求項１記載の歩行ロボット。
6. 前記検出スイッチが前記フット部またはハンド部の着地を検出した際に、前記関節部による回動を駆動するアクチュエータへの通電を解除することを特徴とする請求項５記載の歩行ロボット。

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