JP2011206875A - 脚式移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能な脚式移動ロボットを提供する。
【解決手段】ロボット１は、上体４、及び、上体４と上腿リンク３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ）を連結する股関節と、上腿リンク３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ）と下腿リンク３４Ｒ（Ｌ）を連結する膝関節と、下腿リンク３４Ｒ（Ｌ）と足平２２Ｒ（Ｌ）を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体２Ｒ（Ｌ）を備え、各脚体２Ｒ（Ｌ）を駆動して移動する。 足首関節はピッチ方向に回転するピッチ回転軸部１８Ｒ（Ｌ）を有し、ピッチ回転軸部ピッチ回転軸部１８Ｒ（Ｌ）の軸線が、左右方向内側が外側より低くなるよう傾斜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、脚式移動ロボット、特に左右対称の脚体を備える脚式移動ロボットに関する。

上体、及び、上体と上腿リンクを連結する股関節と、上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体を備え、各脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットが知られている。

例えば、特許文献１には、股関節がロール軸、ピッチ軸及びヨー軸を有し、膝関節がピッチ軸を有し、足首関節がピッチ軸及びロール軸を有する２足歩行ロボットが開示されている。この２足歩行ロボットでは、足首関節のロール軸（Ｘ軸）はロッドを平行クランク機構からなるロッド機構を介して電動モータにより駆動され、足首関節のピッチ軸（Ｙ軸）はベルトと減速機を介して電動モータにより駆動される。

特開２００４−２９８９９７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたような脚式移動ロボットにおいては、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部は左右方向にずれない。そのため、遊脚を支持脚側に移動させると、左右の膝部同士の干渉が生じる。よって、コーナリング半径が大きく、遊脚の着地可能範囲が狭い。そして、これに伴い、歩容の自由度が少ないという問題が生じる。

本発明は、以上の点に鑑み、遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能な脚式移動ロボットを提供することを目的とする。

本発明は、上体、及び、前記上体と上腿リンクを連結する股関節と、前記上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、前記下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体を備え、該各脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットであって、前記足首関節はピッチ方向に回転するピッチ回転軸部を有し、該ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より低くなるよう傾斜することを特徴とする。

本発明によれば、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部は前方外側方向（上体の中心に対して当該脚体が位置する側に向うピッチ軸方向）に移動する。そのため、上記特許文献１に開示されたような脚式移動ロボットのように、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部が真直ぐ前方に移動する場合に比べて、左右の膝部同士の干渉を抑制することができる。そのため、支持脚に近付ける方向に移動させることが可能となる。よって、コーナリング半径が小さくなり、遊脚の着地可能範囲が拡大する。そして、これに伴い、歩容の自由度が増し、脚式移動ロボットは多彩な動作を行うことが可能となる。

さらに、回転軸部を増加させる必要がないので、構成の複雑化に伴う大型化や重量増加、及び自由度の増加に伴う制御の困難化などの問題が生じない。

また、本発明において、前記足首関節はロール方向に回転するロール回転軸部を有し、前記下腿リンクに独立して駆動する２本のロッドが設けられ、該２本のロッドの端部が前記ピッチ回転軸部及び前記ロール回転軸部と離間した部分にて前記足平に枢着されることが好ましい。

また、本発明において、前記ピッチ回転軸部は、前記軸線を軸線とする軸と、該軸を受ける軸受とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式移動ロボット。
前記足平と前記足首関節との間に６軸力センサが設けられ、該６軸力センサの１方向の感度中心線が当該脚式移動ロボットの直進方向と平行であることが好ましい。

この場合、６軸力センサは、床から足平を介して各脚体に伝達される床反力の各成分を従来と同様に検出することができるので、検出した各成分を変換する必要がない。

また、本発明において、前記ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より前になるよう傾斜することが好ましい。

この場合、支持脚となる脚体の膝関節を屈曲させたとき、その膝部はさらに前方外側方向に移動する。そのため、左右の膝部同士の干渉をさらに抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る２足移動ロボットの概略構成を示す斜視図。 脚体の正面図。 脚体の側面図。 足平の断面図。 膝関節角と膝部の左右方向移動距離との関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係る２足移動ロボットの概略構成を示す斜視図。 足平の上面図。

〔第１実施形態〕
以下、脚式移動ロボットとして２足移動ロボットを例にとって、本発明の第１実施形態を説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る２足移動ロボット１（以下、単に「ロボット１」という）は、左右一対の脚体２Ｒ，２Ｌを備えている。両脚体２Ｒ，２Ｌの基端部（上端部）に上体４が連結されており、接床する脚体２Ｒ，２Ｌによって上体４が床面の上方に支持される。

両脚体２Ｒ，２Ｌは同一構造であり、それぞれ６個の関節軸部を備える。その６個の関節軸部は、上体４側から順に、股関節の回旋用（上体４に対するヨー方向（Ｚ軸回り）の回転用）の股関節ヨー軸部１０Ｒ，１０Ｌと、股関節のロール方向（Ｘ軸回り）の回転用の股関節ロール軸部１２Ｒ，１２Ｌと、股関節のピッチ方向（Ｙ軸回り）の回転用の股関節ピッチ軸部１４Ｒ，１４Ｌと、膝関節のピッチ方向の回転用の膝関節ピッチ軸部１６Ｒ，１６Ｌと、足首関節のピッチ方向の回転用の足首関節ピッチ軸部１８Ｒ，１８Ｌと、足首関節のロール方向の回転用の足首関節ロール軸部２０Ｒ，２０Ｌとから構成される。また、各脚体２の先端部（下端部）には、足平２２Ｒ（Ｌ）が設けられている。

なお、本実施形態の説明では、符号Ｒ，Ｌはそれぞれ右側脚体、左側脚体に対応するものであることを意味する。また、Ｘ軸方向はロボット１の前後方向（進行方向、ロール軸方向）、Ｙ軸方向はロボット１の左右方向（ピッチ軸方向）に相当する。また、Ｚ軸方向は鉛直方向（重力方向）であり、ロボット１の上下方向（ヨー軸方向）に相当する。この場合、本実施形態では、Ｘ軸正方向が、本発明におけるロボット１の直進方向としての意味を持つ。

各脚体２Ｒ（Ｌ）の関節軸部１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）によって３自由度の股関節が構成され、関節軸部１６Ｒ（Ｌ）によって１自由度の膝関節が構成され、関節軸部１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）によって２自由度の足首関節が構成されている。各脚体２Ｒ（Ｌ）は、股関節を介して上体４に連結されている。

股関節は上体４と上腿リンク３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ）とを連結し、膝関節は上腿リンク３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ）と下腿リンク３４Ｒ（Ｌ）とを連結し、足首関節は下腿リンク３４Ｒ（Ｌ）と足平２２Ｒ（Ｌ）とを連結している。

詳細には、股関節ヨー軸部１０Ｒ（Ｌ）と股関節ロール軸部１２Ｒ（Ｌ）及び股関節ピッチ軸部１４Ｒ（Ｌ）とは第１上腿リンク３０Ｒ（Ｌ）で連結され、股関節ロール軸部１２Ｒ（Ｌ）及び股関節ピッチ軸部１４Ｒ（Ｌ）と膝関節ピッチ軸部１６Ｒ（Ｌ）とは第２上腿リンク３２Ｒ（Ｌ）で連結され、膝関節ピッチ軸部１６Ｒ（Ｌ）と足首関節ロール軸部１８Ｒ（Ｌ）及び足首関節ピッチ軸部２０Ｒ（Ｌ）とは下腿リンク３４Ｒ（Ｌ）で連結されている。

各脚体２Ｒ（Ｌ）の上記構成により、各脚体２Ｒ（Ｌ）の足平２２Ｒ（Ｌ）は、上体４に対して６自由度を有する。そして、ロボット１の移動に際して両脚体２Ｒ，２Ｌを合わせて６×２＝１２個の関節をそれぞれ適宜な角度に駆動することで、両脚体２Ｒ，２Ｌの所望の運動を行うことができる。これにより、ロボット１は歩行動作や走行動作等、３次元空間を移動する運動を行うことが可能となっている。

なお、図示は省略するが、本実施形態では、上体４の上部の両側部には左右一対の腕体が取り付けられるとともに、上体４の上端部には頭部が搭載される。そして、各腕体は、それに備える複数の関節（肩関節、肘関節、手首関節など）によって、該腕体を上体４に対して前後に振る等の運動を行うことが可能となっている。ただし、これらの腕体及び頭部はなくてもよい。

各脚体２Ｒ（Ｌ）の足首関節と足平２２Ｒ（Ｌ）との間には６軸力センサ３６Ｒ（Ｌ）が介装されている。この６軸力センサ３６Ｒ（Ｌ）は、床から足平２２Ｒ（Ｌ）を介して各脚体２Ｒ（Ｌ）に伝達される床反力の３軸方向の力成分及び３軸回りのモーメント成分を検出し、その検出信号を図示しない制御ユニットに出力する。

次に、脚体２Ｒ（Ｌ）の構成について説明する。なお、脚体２Ｒ（Ｌ）は、左右対称であり、ここでは、右側脚体２Ｒについて説明する。また、図３は、構成部材の一部を図略している。

図２及び図３に示すように、股関節ヨー軸部１０Ｒを駆動する電動モータ４０が、上体４の下部に配置されている。電動モータ４０の出力は、電動モータ４０の出力軸に接続された減速機４２によって減速され、減速機４２の出力軸に接続された第１上腿リンク３０Ｒのヨー軸に伝達されて、第１上腿リンク３０Ｒを上体４に対して相対回転させる。なお、電動モータ４０の出力軸、減速機４２の出力軸、及び第１上腿リンク３０Ｒのヨー軸は同軸上に位置するように構成されている。

股関節ロール軸部１２Ｒを駆動する電動モータ４４が、第１上腿リンク３０Ｒに配置されている。電動モータ４４の出力は、ベルト４６を介して減速機４８に伝達され、減速機４８の出力軸に接続された第２上腿リンク３２Ｒのロール軸に伝達されて、第２上腿リンク３２Ｒを第１上腿リンク３０Ｒに対してロール軸回りに相対回転させる。なお、第２上腿リンク３２Ｒのロール軸は、第１上腿リンク３０Ｒのヨー軸と直交して交差するように構成されている。

股関節ピッチ軸部１４Ｒを駆動する電動モータ５０が、第２上腿リンク３２Ｒの上部に配置されている。電動モータ５０の出力は、ベルト５２を介して減速機５４に伝達され、減速機５４の出力軸に接続された第２上腿リンク３２Ｒのピッチ軸に伝達されて、第２上腿リンク３２Ｒを第１上腿リンク３０Ｒに対してピッチ軸回りに相対回転させる。なお、第２上腿リンク３２Ｒのピッチ軸は、第１上腿リンク３０Ｒのヨー軸と直交して交差するように構成されている。

膝関節ピッチ軸部１６Ｒを駆動する電動モータ５６が、第２上腿リンク３２Ｒの下部に配置されている。電動モータ５６の出力は、ベルト５８を介して減速機６０に伝達され、減速機６０の出力軸に接続された下腿リンク３４Ｒのピッチ軸に伝達されて、下腿リンク３４Ｒを第２上腿リンク３６Ｒに対してピッチ軸回りに相対回転させる。なお、下腿リンク３４Ｒのピッチ軸は、第１上腿リンク３０Ｒのヨー軸と直交して交差するように構成されている。

足首関節ピッチ軸部１８Ｒ及び足首ロール軸部２０Ｒを駆動する電動モータ６２ａ，６２ｂが、下腿リンク３４Ｒに配置されている。電動モータ６２ａ，６２ｂの出力は、それぞれベルト６４ａ，６４ｂを介して減速機６６ａ，６６ｂに伝達されて、減速機６６ａ，６６ｂの各出力軸にそれぞれ接続されたクランクアーム６８ａ，６８ｂの入力軸に伝達される。そして、各クランクアーム６８ａ，６８ｂの駆動が、クランクアーム６８ａ，６８ｂの一端にそれぞれ枢着された連結ロッド７０ａ，７０ｂを介して、足平２２Ｒに設けられた連結ピン７２ａ，７２ｂに伝達される。

下腿リンク３４の下部にピッチ軸７４が、足平２２Ｒの上部にロール軸７６がそれぞれ軸支されており、ピッチ軸７４の中央部をロール軸方向にロール軸７６が回動自在に挿通されている。

ここで、ピッチ軸７４の軸線は、左右方向（Ｙ軸方向）内側が外側より低くなるように傾斜している。具体的には、足平２２Ｒのピッチ軸７４の軸線は、Ｙ軸正方向からＺ軸負方向に角度θだけ傾斜している。ピッチ軸７４は、下腿リンク３４の下部に装着された一対の軸受７７ａ，７７ｂによって軸支されている。

電動モータ６２ａ，６２ｂはそれぞれ独立に駆動され、各電動モータ６２ａ，６２ｂの回転駆動が、減速機６６ａ，６６ｂ、クランクアーム６８ａ，６８ｂ及び連結ロッド７０ａ，７０ｂを介して、それぞれ連結ピン７２ａ，７２ｂに伝達され、これら連結ピン７２ａ，７２ｂを移動させることにより、足平２２Ｒを下腿リンク３４Ｒに対してピッチ軸及びロール軸回りに相対回転させる。

具体的には、クランクアーム６８ａ，６８ｂの回転方向に応じて、足平２２Ｒが下腿リンク３４Ｒに対してピッチ軸回りに相対回転し、クランクアーム６８ａ，６８ｂ間の回転の相違に応じて、足平２２Ｒが下腿リンク３４Ｒに対してロール軸回りに相対回転する。なお、足平２２Ｒのピッチ軸及びロール軸は、第１上腿リンク３０Ｒのヨー軸と直交して交差するように構成されている。

図４に示すように、足平２２Ｒは、上面視で略卵形状に形成された足底フレーム８２を備えている。なお、足底フレーム８２の下面にソールなどの軟質板体を設けてもよい。足底フレーム８２の略中央部上面には、上面が開口した箱状の筐体８４が固定されており、この筐体８４の底板と６軸力センサ３６の取付プレート８６との間に、ゴム製のブッシュ８８が挿入されている。ここでは、取付プレート８６の四隅下面にそれぞれブッシュ８８がボルトにより固定されている。

前記６軸力センサ３６Ｒは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向における力及びモーメントの成分を測定し、足平２２Ｒの着地（接地）の有無や床面から作用する床反力（接地荷重）などを検出する。６軸力センサ３６Ｒは、センサ本体９０と、センサ本体９０の上部に装着され、センサ本体９０に対する外力が印加される外力印加部として機能する外力印加板９２とを備えている。そして、センサ本体９０は、取付プレート８６の窪み部に配置され、取付プレート８６に固定されている。外力印加板９２の上面には、前記ロール軸７６を軸支する軸受ブロック９４がボルトによって固定されている。軸受ブロック９４には、ロール軸７６を軸支する軸受部９６の他に、前記連結ピン７２ａ，７２ｂをそれぞれ軸支する軸受部９８も設けられている。

ここで、ロボット１が直進（Ｘ軸正方向に移動）するとき、脚部２Ｒが支持脚となる場合、足平２２Ｒは正面を向いている、すなわち、足平２２Ｒの中心からつま先に向かうラインが、Ｘ軸に対して平行となっている。そして、６軸力センサ３６Ｒの１方向（Ｘ軸方向）のセンサ感度中心線が、前記ラインＬと平行に設けられている。

ロボット１は、上記のように構成されているので、遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能となる。以下、このことに関して説明する。なお、脚体２Ｒが支持脚となり、脚体２Ｌが遊脚となる場合について説明するが、脚体２Ｌが支持脚となり、脚体２Ｒが遊脚となる場合も同様である。

支持脚となる脚体２Ｒの足平２２のピッチ軸が左右方向内側が外側より低くなるように角度θ傾斜している。そのため、脚体２Ｒの膝関節を屈曲させると、その膝部は前方斜め外側方向（Ｘ軸正方向からＹ軸負方向側に向いた方向）に移動する。なお、この移動量は、図５に示すように、膝関節角が大きいほど、大きくなる。

このように、支持脚の膝関節を屈曲させると、膝部が外側方向に移動するので、左右の膝部同士の干渉を抑制することができる。そのため、支持脚に近付ける方向に遊脚を回旋することが可能となり、コーナリング半径が小さくなり、遊脚の着地可能範囲が拡大する。これに伴い、歩容の自由度が増し、ロボット１は多彩な動作を行うことが可能となる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る脚式移動ロボットである２足移動ロボット１Ａについて図面を参照して説明する。２足移動ロボット１Ａは、上述した第１実施形態に係る２足移動ロボット１と類似するので、相違点に関してのみ説明する。

図６及び図７に示すように、脚体２ＡＲ（Ｌ）の足首関節を構成する足首関節ピッチ軸部１８ＡＲ（Ｌ）の軸線７４が、左右方向（Ｙ軸方向）内側が外側より前になるように傾斜している。なお、２足移動ロボット１Ａの脚体２ＡＲ（Ｌ）は、左右対称であり、以下、右側脚体２ＡＲについて説明する。

ここで、ロボット１Ａが直進（Ｘ軸正方向に移動）するとき、脚部２ＡＲが支持脚となる場合、足平２２ＡＲは正面を向いている、すなわち、足平２２ＡＲの中心からつま先に向かうラインＬが、Ｘ軸に対して平行となっている。

６軸力センサ３６Ｒの１方向（Ｘ軸方向）のセンサ感度中心線は、ラインＬと同軸になるように、センサ本体９０が足平２２ＡＲに配置されている。そして、軸受ブロック９４が固定される外力印加板９２（図４参照）がラインＬに対して外側（Ｙ軸負方向）に角度αだけ傾くように、センサ本体９０に装着されており、軸受部９６の軸線がラインＬに対して外側に角度αだけ傾斜している。これにより、足首関節ピッチ軸部１８ＡＲ（Ｌ）の軸線７４は、左右方向内側が外側に対して前に角度αだけ傾斜する。

ロボット１Ａは、上記のように構成されているので、ロボット１と比較してさらに遊脚の着地可能範囲を広くすることが可能となる。以下、このことに関して説明する。なお、脚体２ＡＲが支持脚となり、脚体２ＡＬが遊脚となる場合について説明するが、脚体２ＡＬが支持脚となり、脚体２ＲＡが遊脚となる場合も同様である。

支持脚となる脚体２ＡＲの足平２２ＡＲのピッチ軸７４が左右方向内側が外側より前になるように角度α傾斜している。そのため、脚体２ＡＲの膝関節を屈曲させると、その膝部は前方斜め外側方向（Ｘ軸正方向からＹ軸負方向側に向いた方向）に移動する。なお、この移動量は膝関節角が大きいほど大きくなる。

このように、このように、支持脚の膝関節を屈曲させると膝部が外側方向に移動するので、左右の膝部同士の干渉をさらに抑制することができる。そのため、支持脚に近付ける方向に遊脚を回旋することが可能となり、コーナリング半径が小さくなり、遊脚の着地可能範囲が拡大する。これに伴い、ロボット１と比較して、さらに歩容の自由度が増し、移動安定性も高まり、ロボット１Ａは多彩な動作を行うことが可能となる。

なお、以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、膝関節がピッチ方向に回転するものであれば、各関節の構成や関節軸部の配置は、実施形態に限定されない。例えば、７自由度以上や５自由度以下の自由度を有するように関節軸部を構成してもよい。

さらに、脚体が左右対称であれば、２足移動ロボットに限定されない。例えば、獣や昆虫等を模した４足移動ロボットや６足移動ロボット等であってもよい。

１，１Ａ…２足移動ロボット（脚式移動ロボット）、 ２Ｒ，２Ｌ，２ＡＲ，２ＡＬ…脚体、 ４…上体、 １０Ｒ，１０Ｌ…股関節ヨー軸部 、１２Ｒ，１２Ｌ…股関節ロール軸部、 １４Ｒ，１４Ｌ…股関節ピッチ軸部、 １６Ｒ，１６Ｌ…膝関節ピッチ軸部、 １８Ｒ，１８Ｌ，１８ＡＲ，１８ＡＬ…足首関節ピッチ軸部（ピッチ回転軸部）、 ２０Ｒ，２０Ｌ…足首関節ロール軸部（ロール回転軸部）、 ２２Ｒ，２２Ｌ，２２ＡＲ，２２ＡＬ…足平、 ３０Ｒ，３０Ｌ…第１上腿リンク（上腿リンク）、 ３２Ｒ，３２Ｌ…第２上腿リンク（上腿リンク）、 ３４Ｒ，３４Ｌ，３４ＡＲ，３４ＡＬ…下腿リンク、 ６８ａ，６８ｂ…クランクアーム、 ７０ａ，７０ｂ…連結ロッド（ロッド）、 ７４…ピッチ軸（軸）、 ７６…ロール軸、 ７７ａ，７７ｂ…軸受、 ９４…軸受ブロック、 ９６…軸受部、 ９８…軸受部。

Claims (4)

1. 上体、及び、前記上体と上腿リンクを連結する股関節と、前記上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、前記下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有し、左右対称の脚体を備え、該各脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットであって、
   前記足首関節はピッチ方向に回転するピッチ回転軸部を有し、該ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より低くなるよう傾斜することを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 前記足首関節はロール方向に回転するロール回転軸部を有し、前記下腿リンクに独立して駆動する２本のロッドが設けられ、該２本のロッドの端部が前記ピッチ回転軸部及び前記ロール回転軸部と離間した部分にて前記足平に枢着されることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
3. 前記ピッチ回転軸部は、前記軸線を軸線とする軸と、該軸を受ける軸受とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式移動ロボット。
4. 前記ピッチ回転軸部の軸線が、左右方向内側が外側より前になるよう傾斜することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の脚式移動ロボット。