JP2007000957A

JP2007000957A - 脚式ロボット

Info

Publication number: JP2007000957A
Application number: JP2005182390A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kadota; 健志門田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】股関節軸、膝関節及び足関節軸にある各プーリに弾性力を作用させ、各プーリを連結し、該プーリ同士の大きさを調節することによって、加速度センサ、角速度センサ、力センサ等のセンサを利用する制御系を使用することなく、脚の機構的構造自体によって安定性を実現することができ、センサや制御系の故障による影響を受けず、信頼性が高く、構造が簡素で、コストを低くすることができるようにする。
【解決手段】股関節軸、膝関節軸及び足関節軸の各々の変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素と、股関節軸において腰部リンクに固定されたプーリと膝関節軸において脛部リンクに固定されたプーリとに弾性力を作用する弾性要素と、膝関節軸において腿部リンクに固定された小径プーリと、足関節軸において足部リンクに固定された大径プーリと、小径プーリの円周部と大径プーリの円周部とを連結するワイヤとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、脚式ロボットに関するものである。

従来、多関節アーム装置を二足歩行ロボットの脚に適用した脚式ロボットが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。この場合、立位において安定性が得られるので、ロボットが自立することができる。
特開２００２−３２６１７３号公報特開２００３−８０４７８号公報特開２００３−２０５４８４号公報特開２００４−１６７６７６号公報特開２００５−７５２８号公報

しかしながら、前記従来の脚式ロボットにおいては、自立はできるものの、歩行や走行に必要な着地動作に適した安定性を実現することはできない。また、跳躍とその後の着地動作において転倒をしてしまう。もっとも、歩行や走行に必要な着地動作に適した安定性を実現したり、跳躍とその後の着地動作における転倒を防ぐための制御技術が開発されている。しかし、このような制御技術は極めて高度なものであり、制御を実現するために高性能なコンピュータをロボットに搭載する必要があり、コストが高くなり、構造が複雑になってしまう。また、制御を実現するためには、加速度センサ、角速度センサ、力センサ等のセンサをロボットの各所に配設する必要があり、コストが高くなってしまう。

本発明は、前記従来の脚式ロボットの問題点を解決して、股（こ）関節軸、膝（ひざ）関節及び足関節軸にある各プーリに弾性力を作用させ、各プーリを連結し、該プーリ同士の大きさを調節することによって、加速度センサ、角速度センサ、力センサ等のセンサを利用する制御系を使用することなく、脚の機構的構造自体によって安定性を実現することができ、センサや制御系の故障による影響を受けず、信頼性が高く、構造が簡素で、コストの低い脚式ロボットを提供することを目的とする。

そのために、本発明の脚式ロボットにおいては、腰部リンク、腿（もも）部リンク、脛（すね）部リンク及び足部リンク、並びに、前記腰部リンクと腿部リンクとを接続する股関節軸、腿部リンクと脛部リンクとを接続する膝関節軸、及び、脛部リンクと足部リンクとを接続する足関節軸を有し、前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸は互いに平行である脚式ロボットであって、前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸の各々の変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素と、前記股関節軸において腰部リンクに固定されたプーリと前記膝関節軸において脛部リンクに固定されたプーリとに弾性力を作用する弾性要素と、前記膝関節軸において腿部リンクに固定された小径プーリと、該小径プーリより直径が大きく、前記足関節軸において足部リンクに固定された大径プーリと、前記小径プーリの円周部と大径プーリの円周部とを連結するワイヤとを有する。

本発明の他の脚式ロボットにおいては、腰部リンク、腿部リンク、脛部リンク及び足部リンク、並びに、前記腰部リンクと腿部リンクとを接続する股関節軸、腿部リンクと脛部リンクとを接続する膝関節軸、及び、脛部リンクと足部リンクとを接続する足関節軸を有し、前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸は互いに平行である脚式ロボットであって、変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素及び能動的に制御可能なトルクを発生する要素を並列結合し、前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸の各々に作用するアクチュエータと、前記股関節軸において腰部リンクに固定されたプーリと前記膝関節軸において脛部リンクに固定されたプーリとに弾性力を作用する弾性要素と、前記膝関節軸において腿部リンクに固定された小径プーリと、該小径プーリより直径が大きく、前記足関節軸において足部リンクに固定された大径プーリと、前記小径プーリの円周部と大径プーリの円周部とを連結するワイヤとを有する。

本発明の更に他の脚式ロボットにおいては、さらに、前記股関節軸に作用する復元力は、前後方向の成分が上下方向の成分よりも大きい。

本発明によれば、股関節軸、膝関節及び足関節軸にある各プーリに弾性力を作用させ、各プーリを連結し、該プーリ同士の大きさを調節するようになっている。そのため、加速度センサ、角速度センサ、力センサ等のセンサを利用する制御系を使用することなく、脚の機構的構造自体によって安定性を実現することができ、センサや制御系の故障による影響を受けず、信頼性が高く、構造が簡素で、コストの低い脚式ロボットを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの脚の構成を示す図である。なお、図１（ａ）は側面を示す図、図１（ｂ）は正面を示す図である。

図には、本実施の形態における脚式ロボットの脚の構成が示されている。なお、前記脚式ロボットは二足歩行ロボットであり、左右の脚を有するものであるが、左右の脚は実質的に同一の構成を有するので、図においては一方の脚のみが示されている。

ここで、１１は脚式ロボットの腰に該当する腰部リンク、１２は脚式ロボットの腿に該当する腿部リンク、１３は脚式ロボットの脛に該当する脛部リンク、２１は脚式ロボットの足に該当する足部リンクである。そして、腰部リンク１１と腿部リンク１２とは股関節１０を介して回転自在に接続され、腿部リンク１２と脛部リンク１３とは膝関節２０を介して回転自在に接続され、脛部リンク１３と足部リンク２１とは足関節３０を介して回転自在に接続されている。なお、前記足部リンク２１は、足関節３０に接続された足首部リンク２１ａ、及び、裏面が床に当接する足裏部リンク２１ｂから成る。また、股関節１０の回転軸としての股関節軸１０ａ、膝関節２０の回転軸としての膝関節軸２０ａ及び足関節３０の回転軸としての足関節軸３０ａは、互いに平行であり、図１（ａ）における図面に垂直な方向、すなわち、図１（ｂ）における左右方向に延在する。したがって、前記脚は図１（ａ）における図面と平行な２次元平面内において運動する。

なお、本実施の形態において、脚式ロボットの各部の構成及び動作を説明するために使用される寸法、力、質量、角度等を示す数値は、本発明を限定するものではなく、あくまでも例示に過ぎないものとして解釈されるべきものである。

そして、前記股関節１０には、股関節プーリとしての腿固定第１プーリ１４及び腰固定プーリ１５が配設されている。前記腿固定第１プーリ１４及び腰固定プーリ１５の回転軸はともに股関節軸１０ａであるが、腿固定第１プーリ１４は、腿部リンク１２に固定されているので該腿部リンク１２とともに回転し、腰固定プーリ１５は、腰部リンク１１に固定されているので該腰部リンク１１とともに回転する。

また、前記膝関節２０には、膝関節プーリとしての腿固定第２プーリ２３、脛固定第１プーリ２２及び脛固定第２プーリ２４が配設されている。前記腿固定第２プーリ２３、脛固定第１プーリ２２及び脛固定第２プーリ２４の回転軸はともに膝関節軸２０ａであるが、腿固定第２プーリ２３は、腿部リンク１２に固定されているので該腿部リンク１２とともに回転し、脛固定第１プーリ２２及び脛固定第２プーリ２４は、脛部リンク１３に固定されているので該脛部リンク１３とともに回転する。

さらに、前記足関節３０には、足関節プーリとしての足固定第１プーリ２５及び足固定第２プーリ２６が配設されている。前記足固定第１プーリ２５及び足固定第２プーリ２６の回転軸はともに足関節軸３０ａであるが、足固定第１プーリ２５及び足固定第２プーリ２６は、足部リンク２１に固定されているので該足部リンク２１とともに回転する。

そして、腰部リンク１１の周辺には、股関節軸１０ａの変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素としての引張りコイルスプリング３１及び３２が配設されている。該引張りコイルスプリング３１及び３２は、両端にフックを備え、該フックにワイヤが固定されている。そして、前記引張りコイルスプリング３１及び３２の上端は、フック及びワイヤを介して、腰部リンク１１に連結されている。また、前記引張りコイルスプリング３１及び３２の下端は、フック及びワイヤを介して、腿固定第１プーリ１４の円周部に連結されている。なお、引張りコイルスプリング３１のワイヤと引張りコイルスプリング３２のワイヤとは、互いに逆向きになるように腿固定第１プーリ１４の周囲に巻き付けられて固定されている。これにより、腰部リンク１１に対して腿部リンク１２がどちらの向きに回転しても、その変位角に比例する関節軸トルクが、引張りコイルスプリング３１又は３２によって発生させられる。

また、腿部リンク１２の周辺には、膝関節軸２０ａの変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素としての引張りコイルスプリング３３及び３４が配設されている。該引張りコイルスプリング３３及び３４は、両端にフックを備え、該フックにワイヤが固定されている。そして、前記引張りコイルスプリング３３及び３４の上端は、フック及びワイヤを介して、腿部リンク１２に連結されている。また、前記引張りコイルスプリング３３及び３４の下端は、フック及びワイヤを介して、脛固定第１プーリ２２の円周部に連結されている。なお、引張りコイルスプリング３３のワイヤと引張りコイルスプリング３４のワイヤとは、互いに逆向きになるように脛固定第１プーリ２２の周囲に巻き付けられて固定されている。これにより、腿部リンク１２に対して脛部リンク１３がどちらの向きに回転しても、その変位角に比例する関節軸トルクが、引張りコイルスプリング３３又は３４によって発生させられる。

さらに、脛部リンク１３の周辺には、足関節軸３０ａの変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素としての引張りコイルスプリング３５及び３６が配設されている。該引張りコイルスプリング３５及び３６は、両端にフックを備え、該フックにワイヤが固定されている。そして、前記引張りコイルスプリング３５及び３６の上端は、フック及びワイヤを介して、脛部リンク１３に連結されている。また、前記引張りコイルスプリング３５及び３６の下端は、フック及びワイヤを介して、足固定第１プーリ２５の円周部に連結されている。なお、引張りコイルスプリング３５のワイヤと引張りコイルスプリング３６のワイヤとは、互いに逆向きになるように足固定第１プーリ２５の周囲に巻き付けられて固定されている。これにより、脛部リンク１３に対して足部リンク２１がどちらの向きに回転しても、その変位角に比例する関節軸トルクが、引張りコイルスプリング３５又は３６によって発生させられる。

ここで、腿部リンク１２の周辺には、股関節軸１０ａの変位角と膝関節軸２０ａの変位角との差に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素としての引張りコイルスプリング４１及び４２が配設されている。該引張りコイルスプリング４１及び４２は、両端にフックを備え、該フックにワイヤが固定されている。そして、前記引張りコイルスプリング４１及び４２の上端は、フック及びワイヤを介して、腰固定プーリ１５の円周部に連結されている。なお、引張りコイルスプリング４１のワイヤと引張りコイルスプリング４２のワイヤとは、互いに逆向きになるように腰固定プーリ１５の周囲に巻き付けられて固定されている。また、前記引張りコイルスプリング４１及び４２の下端は、フック及びワイヤを介して、脛固定第２プーリ２４の円周部に連結されている。なお、引張りコイルスプリング４１のワイヤと引張りコイルスプリング４２のワイヤとは、互いに逆向きになるように脛固定第２プーリ２４の周囲に巻き付けられて固定されている。これにより、股関節軸１０ａの変位角と膝関節軸２０ａの変位角との間に差が生じると、すなわち、腰部リンク１１と脛部リンク１３とが互いに平行でなくなると、前記差に比例する関節軸トルクが、引張りコイルスプリング４１及び４２によって発生させられる。この場合、引張りコイルスプリング４１及び４２の弾性力が腰固定プーリ１５及び脛固定第２プーリ２４に作用し、前記関節軸トルクは、腰部リンク１１と脛部リンク１３とを互いに平行にする向きに発生させられる。

また、脛部リンク１３の周辺には、膝関節２０の変位角と足関節３０の変位角との大小関係を規制する連結要素としてのワイヤ４３及び４４が配設されている。そして、該ワイヤ４３及び４４の上端は腿固定第２プーリ２３の円周部に連結されている。なお、ワイヤ４３とワイヤ４４とは、互いに逆向きになるように腿固定第２プーリ２３の周囲に巻き付けられて固定されている。また、前記ワイヤ４３及び４４の下端は足固定第２プーリ２６の円周部に連結されている。なお、ワイヤ４３とワイヤ４４とは、互いに逆向きになるように足固定第２プーリ２６の周囲に巻き付けられて固定されている。そして、前記腿固定第２プーリ２３の直径よりも、足固定第２プーリ２６の直径の方が大きくなっている。これにより、膝関節軸２０ａの変位角よりも足関節軸３０ａの変位角の方が小さくなるように、ワイヤ４３及び４４によって規制される。

ここで、各プーリの直径、及び、各引張りコイルスプリングの弾性率の数値を例示する。まず、腿固定第１プーリ１４、腰固定プーリ１５、脛固定第１プーリ２２、腿固定第２プーリ２３、脛固定第２プーリ２４及び足固定第１プーリ２５のピッチ円の直径は１５〔ｍｍ〕であり、足固定第２プーリ２６のピッチ円の直径は２９〔ｍｍ〕である。また、引張りコイルスプリング３１〜３６の弾性率は８．８７〔Ｎ／ｍｍ〕であり、引張りコイルスプリング４１及び４２の弾性率は１１．８〔Ｎ／ｍｍ〕である。

次に、腰部リンク１１、腿部リンク１２、脛部リンク１３及び足部リンク２１の重心位置について説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの座標系を示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの各部材の重心位置等を示す表、図４は本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの各関節の角度を示す表である。

図２は、脚式ロボットの脚が、各関節軸に作用するトルクが平衡している平衡状態にある場合を示している。そこで、股関節軸１０ａが基準平衡点にある場合の股関節軸１０ａの位置を座標原点Ｏ₀と設定し、基準となる三次元座標系において、ｘ₀軸は座標原点Ｏ₀から水平方向左向きに延在し、ｙ₀軸は座標原点Ｏ₀から重力方向（図２における下向き）に延在し、ｚ₀軸は股関節軸１０ａ上を図面の裏から表へ向けて延在する。

そして、腿部リンク１２に固定された三次元座標系は、膝関節２０の位置を座標原点とし、ｘ₁軸は座標原点から腿部リンク１２の延長方向下向き（股関節１０から膝関節２０に引いた直線の方向）に延在し、ｚ₁軸は膝関節軸２０ａ上を図面の裏から表へ向けて延在し、ｙ₁軸はｘ₁ｙ₁ｚ₁座標系が右手直交系になる方向に延在する。

また、脛部リンク１３に固定された三次元座標系は、足関節３０の位置を座標原点とし、ｘ₂軸は座標原点から脛部リンク１３の延長方向下向き（膝関節２０から足関節３０に引いた直線の方向）に延在し、ｚ₂軸は足関節軸３０ａ上を図面の裏から表へ向けて延在し、ｙ₂軸はｘ₂ｙ₂ｚ₂座標系が右手直交系になる方向に延在する。

さらに、足部リンク２１に固定された三次元座標系は、足裏部リンク２１ｂの先端（図２における左端）の位置を座標原点とし、ｘ₃軸は座標原点から足裏部リンク２１ｂの延長方向先端向き（足首部リンク２１ａから足裏部リンク２１ｂの先端に引いた直線の方向）に延在し、ｚ₃軸は図面の裏から表へ向けて延在し、ｙ₃軸はｘ₃ｙ₃ｚ₃座標系が右手直交系になる方向に延在する。

さらに、腰部リンク１１に固定された三次元座標系は、腰部リンク１１の上端（股関節１０と反対側端）の位置を座標原点とし、ｘ₄軸は座標原点から腰部リンク１１の延長方向上向き（股関節１０の方向と反対方向）に延在し、ｚ₄軸は図面の裏から表へ向けて延在し、ｙ₄軸はｘ₄ｙ₄ｚ₄座標系が右手直交系になる方向に延在する。

そして、腿部リンク１２、脛部リンク１３、足部リンク２１及び腰部リンク１１の重心位置は、図２において、各々、ｃ₁、ｃ₂、ｃ₃及びｃ₄として示されている。また、図３には、腿部リンク１２、脛部リンク１３、足部リンク２１及び腰部リンク１１の重心位置のｘ−ｙ平面（図２の図面上の平面）における座標値が例示されている。なお、図３に示される座標値は、各々に固定された座標系における座標値である。すなわち、図３において、腿部リンク１２、脛部リンク１３、足部リンク２１及び腰部リンク１１の重心位置のｘ及びｙの値は、各々、ｘ₁ｙ₁ｚ₁座標系のｘ₁及びｙ₁の値、ｘ₂ｙ₂ｚ₂座標系のｘ₂及びｙ₂の値、ｘ₃ｙ₃ｚ₃座標系のｘ₃及びｙ₃の値、並びに、ｘ₄ｙ₄ｚ₄座標系のｘ₄及びｙ₄の値である。

さらに、図３には、腿部リンク１２、脛部リンク１３、足部リンク２１及び腰部リンク１１の質量及びリンク長さの値が例示されている。

また、図２には、各関節、すなわち、股関節１０、膝関節２０及び足関節３０の関節角が、θ₁、θ₂、θ₃及びθ₄として示されている。ここで、関節角θ₁はｘ₀−ｙ₀平面におけるｘ₀軸に対する腿部リンク１２の角度、関節角θ₂はｘ₁−ｙ₁平面におけるｘ₁軸に対する脛部リンク１３の角度、関節角θ₃はｘ₂−ｙ₂平面におけるｘ₂軸に対する足首部リンク２１ａの角度、及び、関節角θ₄はｘ₀−ｙ₀平面におけるｘ₀軸に対する腰部リンク１１の角度である。

そして、各引張りコイルスプリングの両端のフックに固定されているワイヤの長さは、関節角θ₁、θ₂、θ₃及びθ₄の値が図４に示される値となった場合に、引張りコイルスプリング３１の張力と引張りコイルスプリング３２の張力とが等しく、引張りコイルスプリング３３の張力と引張りコイルスプリング３４の張力とが等しく、引張りコイルスプリング３５の張力と引張りコイルスプリング３６の張力とが等しく、かつ、引張りコイルスプリング４１の張力と引張りコイルスプリング４２の張力とが等しくなるように調整される。

さらに、各引張りコイルスプリングの両端のフックに固定されているワイヤの長さは、可動範囲内において、いずれの引張りコイルスプリングも自然長とならないように調整される。すなわち、可動範囲内においては、各引張りコイルスプリングの両端のフックに固定されているワイヤには、常に各引張りコイルスプリングの張力がかかっていて弛（ゆる）むことがないように調整される。また、ワイヤ４３及び４４の長さは、θ₂及びθ₃が図４に示される値となることができるように調整される。

次に、前記構成の脚式ロボットの動作について説明する。

図５は本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの各関節の変化した角度を示す表、図６は本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの脚のポテンシャルエネルギーの状態を示すグラフである。

図１に示されるような脚式ロボットの脚を、水平で硬質な床面に足裏部リンク２１ｂの裏面、すなわち、足裏全体が床面に接するようにして立たせると、関節角θ₁、θ₂、θ₃及びθ₄の値は、図４に示される値から、図５に示される値になる。図５に示される関節角θ₁、θ₂、θ₃及びθ₄の値は、各引張りコイルスプリングの張力が各プーリを介して各関節軸に作用するトルクと、各リンクの重量が関節軸に作用するトルクとが平衡する関節角、すなわち、平衡関節角として計算される。

そして、股関節軸１０ａの位置が、図２に示されるような座標原点Ｏ₀としての基準平衡点からずれた場合、各引張りコイルスプリングによって、股関節軸１０ａを基準平衡点に戻そうとする復元力が発生する。

次に、股関節軸１０ａの位置を元に戻すように、すなわち、座標原点Ｏ₀に戻すように作用する復元力の大きさと向きとを算出する方法について説明する。

まず、床面と足裏に滑りがないものとすると、足関節軸３０ａの位置は変化しないので、股関節軸１０ａの基準平衡点からのずれに対して、関節角θ₁、θ₂及びθ₃は一意に決まる。そして、関節角θ₄は、腰部リンク１１の重量によって股関節軸１０ａに作用するモーメントと、引張りコイルスプリング３１及び３２並びに引張りコイルスプリング４１及び４２によって股関節軸１０ａに作用するトルクとが平衡する角度になる。これにより、任意のずれ量に対してバランスが取れる脚の姿勢が決まる。

このとき、股関節軸１０ａの位置を基準平衡点に戻そうとする復元力は、脚を構成するリンク系、すなわち、腰部リンク１１、腿部リンク１２、脛部リンク１３及び足部リンク２１から成るリンク系のポテンシャルエネルギーの勾（こう）配として表される。前記リンク系のポテンシャルエネルギーは、各リンクの重心位置の高さによる重力ポテンシャルエネルギーと、各引張りコイルスプリングに蓄えられる弾性ポテンシャルエネルギーとの和である。

そして、前記重力ポテンシャルエネルギーは、各リンクの質量及び重心位置の基準面からの高さに基づいて算出することができる。なお、前記基準面は、床面であってもよいし、基準平衡点の属する水平面であってもよい。この場合、前記リンク系に蓄えられる弾性ポテンシャルエネルギーは、各引張りコイルスプリングの弾性ポテンシャルエネルギーの総和である。そして、各関節角の平衡関節角からの変位角に基づいて各引張りコイルスプリングの撓（たわ）み量を算出し、算出された撓み量の２乗に各引張りコイルスプリングの弾性率を乗算し、２で除算することによって、各引張りコイルスプリングの弾性ポテンシャルエネルギーを算出することができる。

このようにして、股関節軸１０ａを基準平衡点からのずれ量に対する前記リンク系のポテンシャルエネルギーが求められる。

図６には、ｘ₀−ｙ₀平面における股関節軸１０ａの位置の基準平衡点からのずれ量に対する前記リンク系のポテンシャルエネルギーが示されている。図６において示される曲線は等ポテンシャル曲線であり、基準平衡点（ｘ₀＝０、ｙ₀＝０）におけるポテンシャルエネルギーが最小である。図６から、股関節軸１０ａが基準平衡点から離れるほど、ポテンシャルエネルギーが高くなることが分かる。すなわち、股関節軸１０ａが図２における左右方向（ｘ₀軸方向）に移動して基準平衡点から離れても、股関節軸１０ａが図２における上下方向（ｙ₀軸方向）に移動して基準平衡点から離れても、ポテンシャルエネルギーが高くなる。

そのため、股関節軸１０ａが図２における左右方向、すなわち、脚式ロボットの前後方向に移動して基準平衡点から離れると、股関節軸１０ａを前後方向に移動させて基準平衡点に近付けるように復元力Ｆが作用する。また、股関節軸１０ａが図２における上下方向、すなわち、脚式ロボットの上下方向に移動して基準平衡点から離れると、股関節軸１０ａを上下方向に移動させて基準平衡点に近付けるように復元力Ｆが作用する。その結果、摩擦などによるエネルギー散逸を伴いながら、最終的に、股関節軸１０ａは基準平衡点付近で安定する。これは、脚式ロボットが立位の姿勢にある場合に成り立っているので、外乱の作用によって股関節軸１０ａの位置が基準平衡点からずれたとしても、股関節軸１０ａの位置を基準平衡点に戻そうとする復元力Ｆが作用し、脚式ロボットは立位の姿勢を保つことができる。

さらに、図６に示される等ポテンシャル曲線の形状から、ｘ₀軸方向とｙ₀軸方向においては変位の方向と復元力Ｆの方向とが等しく、かつ、復元力Ｆの大きさと変位量との比率（弾性率）は、ｘ₀軸方向に対してｙ₀軸方向の方が小さいことが分かる。すなわち、リンク系のポテンシャルエネルギーの変化は、ｘ₀軸方向に関して勾配が急であり、ｙ₀軸方向に関して勾配が緩やかである。したがって、復元力Ｆは、前後方向の成分が上下方向の成分よりも大きく、前記リンク系は、前後方向に硬く、上下方向に柔らかい構造であり、股関節軸１０ａは上下方向に運動し易いが、前後方向には運動し難くなっている。そのため、例えば、脚式ロボットを落下させて足裏から床面に着地させた場合、前記リンク系は、上下方向には柔軟に衝撃を緩衝する屈伸運動を行いながらも、前後のずれに対しては硬く、強い復元力を発現することによって、脚式ロボットの転倒を防ぐようになっている。

このように、本実施の形態においては、各引張りコイルスプリングの張力が各プーリを介して各関節軸に作用するトルクと、各リンクの重量が各関節軸に作用するトルクとが平衡するようになっている。そのため、加速度センサ、角速度センサ、力センサ等のセンサを利用する制御系を使用することなく、脚の機構的構造自体によって脚式ロボットの安定性を保つことができる。

また、脚式ロボットの安定性を脚の機構的構造自体によって保つようになっているので、センサや制御系の故障による影響を受けず、信頼性を向上させ、構造を簡素化し、コストを低下させることができる。

なお、本実施の形態においては、腿固定第２プーリ２３と足固定第２プーリ２６とをワイヤ４３及び４４によって連結し、弾性要素としての引張りコイルスプリングを介在させていない。これは、各連結部の弾性率は、リンク系の重量、重心位置及びリンク長さと、所望の復元力とのバランスによって決定されるものであり、脚式ロボットの立位の安定性を高くするという目的において、弾性要素を介在させない方が好適な状態であったからである。しかし、リンク系の状態に応じて、腿固定第２プーリ２３と足固定第２プーリ２６とを、引張りコイルスプリングを介在させて、連結することもできる。

また、本実施の形態においては、着地運動の安定性を向上するために、前後方向及び上下方向の復元力に着目して、各引張りコイルスプリングの弾性率や各プーリの直径が設定されている。しかし、歩行、走行等の他の運動を行う場合は、それぞれの運動に適した復元力のかかり方がある。例えば、上下方向ではない特定の方向に軟らかく、その垂直方向に硬くなるような復元力のかかり方がある。さらに、運動の種類によっては、ワイヤ４３及び４４の途中に弾性要素としての引張りコイルスプリングを配設することが有効であることも考えられる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図７は本発明の第２の実施の形態における脚式ロボットの脚の構成を示す図、図８は本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータの機能を示す模式図である。なお、図７（ａ）は側面を示す図、図７（ｂ）は正面を示す図である。

本実施の形態における脚式ロボットの脚では、図７に示されるように、腿固定第１プーリ１４、脛固定第１プーリ２２及び足固定第１プーリ２５が省略されている。さらに、引張りコイルスプリング３１、３２、３３、３４、３５及び３６、並びに、これら引張りコイルスプリングに固定されたフック及びワイヤも省略されている。その代わりに、股関節１０、膝関節２０及び足関節３０に、アクチュエータ５１、５２及び５３が取り付けられている。

ここで、該アクチュエータ５１、５２及び５３は、図８に示されるように、変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素及び能動的に制御可能なトルクを発生する要素を並列結合したものである。なお、図８において、６１は第１のリンク、６２は第２のリンク、６３は関節において第２のリンク６２に固定されたプーリ、及び、６４は関節軸である。また、７０は前記アクチュエータ５１、５２及び５３と等価な特性を発揮する機能部である。そして、７１はコイルスプリング等の弾性要素であり、７２はモータ等を備え、能動的に制御可能なトルクを発生する要素としての収縮要素であって、前記弾性要素７１及び収縮要素７２はワイヤ７３及び７４によってプーリ６３及び第１のリンク６１に連結されている。

本実施の形態における脚式ロボットは、前記第１の実施の形態のにおける脚式ロボットの特徴を有したまま、前記アクチュエータ５１、５２及び５３が発生するトルクを作用させるとこによって、平衡点を任意の位置に取ることができる。

次に、本実施の形態における脚式ロボットの動作について説明する。本実施の形態における脚式ロボットは、初期の姿勢から屈曲運動を行い、しゃがみ込んでから伸展運動を行うことによって、跳躍動作を行うことができる。

ここで、股関節１０に取り付けられたアクチュエータ５１の収縮要素７２によって股関節軸１０ａに作用するトルクをτ₁とし、膝関節２０に取り付けられたアクチュエータ５２の収縮要素７２によって股関節軸１０ａに作用するトルクをτ₂とし、足関節３０に取り付けられたアクチュエータ５３の収縮要素７２によって股関節軸１０ａに作用するトルクをτ₃とする。そして、股関節軸１０ａの位置が基準平衡点にある姿勢から、真下へしゃがみ込んだ姿勢が平衡点となるために必要なトルクτ₁、τ₂及びτ₃の値を求める。

そして、各アクチュエータの収縮要素７２が、前述のように求められた値のトルクτ_1,τ_2,及びτ₃を発生すると、図７に示される脚式ロボットは真下へしゃがみ込んだ姿勢に変化する。この場合、前記第１の実施の形態において説明したように、リンク系が前後方向に硬く、上下方向に柔らかい構造であるので、脚式ロボットは真っ直ぐにしゃがみ込むようになっている。

続いて、前記トルクτ₁、τ₂及びτ₃を零にすると、脚式ロボットは股関節軸１０ａが基準平衡点に近付くように運動する。この場合も、リンク系が前後方向に硬く、上下方向に柔らかい構造であるので、脚式ロボットは真っ直ぐに上方に運動する。ここで、しゃがみ込む姿勢が十分に深く、各アクチュエータの弾性要素７１に蓄えられるエネルギーが大きいと、脚式ロボットは上方へ向けて、跳躍動作を行うことができる。

このように、本実施の形態においては、リンク系が、上下方向には柔軟に衝撃を緩衝する屈伸運動を行いながらも、前後のずれに対しては硬く、強い復元力を発現するようになっているので、脚式ロボットは、安定して、真っ直ぐ上方に跳躍を行うことができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの脚の構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの座標系を示す図である。本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの各部材の重心位置等を示す表である。本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの各関節の角度を示す表である。本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの各関節の変化した角度を示す表である。本発明の第１の実施の形態における脚式ロボットの脚のポテンシャルエネルギーの状態を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態における脚式ロボットの脚の構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータの機能を示す模式図である。

符号の説明

１０ａ股関節軸
１１腰部リンク
１２腿部リンク
１３脛部リンク
２０ａ膝関節軸
２１足部リンク
３０ａ足関節軸
３１、３２、３３、３４、３５、３６、４１、４２引張りコイルスプリング
４３、４４、７３、７４ワイヤ
５１、５２、５３アクチュエータ
６３プーリ
７１弾性要素

Claims

（ａ）腰部リンク、腿部リンク、脛部リンク及び足部リンク、並びに、
（ｂ）前記腰部リンクと腿部リンクとを接続する股関節軸、腿部リンクと脛部リンクとを接続する膝関節軸、及び、脛部リンクと足部リンクとを接続する足関節軸を有し、
（ｃ）前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸は互いに平行である脚式ロボットであって、
（ｄ）前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸の各々の変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素と、
（ｅ）前記股関節軸において腰部リンクに固定されたプーリと前記膝関節軸において脛部リンクに固定されたプーリとに弾性力を作用する弾性要素と、
（ｆ）前記膝関節軸において腿部リンクに固定された小径プーリと、
（ｇ）該小径プーリより直径が大きく、前記足関節軸において足部リンクに固定された大径プーリと、
（ｈ）前記小径プーリの円周部と大径プーリの円周部とを連結するワイヤとを有することを特徴とする脚式ロボット。
（ａ）腰部リンク、腿部リンク、脛部リンク及び足部リンク、並びに、
（ｂ）前記腰部リンクと腿部リンクとを接続する股関節軸、腿部リンクと脛部リンクとを接続する膝関節軸、及び、脛部リンクと足部リンクとを接続する足関節軸を有し、
（ｃ）前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸は互いに平行である脚式ロボットであって、
（ｄ）変位角に比例する関節軸トルクを発生する弾性要素及び能動的に制御可能なトルクを発生する要素を並列結合し、前記股関節軸、膝関節軸及び足関節軸の各々に作用するアクチュエータと、
（ｅ）前記股関節軸において腰部リンクに固定されたプーリと前記膝関節軸において脛部リンクに固定されたプーリとに弾性力を作用する弾性要素と、
（ｆ）前記膝関節軸において腿部リンクに固定された小径プーリと、
（ｇ）該小径プーリより直径が大きく、前記足関節軸において足部リンクに固定された大径プーリと、
（ｈ）前記小径プーリの円周部と大径プーリの円周部とを連結するワイヤとを有することを特徴とする脚式ロボット。
前記股関節軸に作用する復元力は、前後方向の成分が上下方向の成分よりも大きい請求項１又は２に記載の脚式ロボット。