JP2012071388A - 移動ロボット用肢体駆動機構、およびこの肢体駆動機構を用いた移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、ロバスト性に優れた移動ロボットと、この移動ロボットに対して適用可能な移動ロボット用肢体駆動機構とを提供する。
【解決手段】移動ロボット用肢体駆動機構２０は、複数のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄとリンク機構とを備え、長手方向に伸びる肢体本体部２４を回転駆動させるための機構であって、肢体本体部２４は移動ロボット１０に回転自在な状態で取り付けられ、複数のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄはそれぞれ、互いに平行に配置される出力軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを備え、複数のサーボモータの出力軸のうち少なくとも１つはリンク機構に接続して、当該リンク機構を介してサーボモータの出力で肢体本体部２４を回転駆動する。
【選択図】図４

Description

本発明は、移動ロボット用肢体駆動機構、およびこの肢体駆動機構を用いた移動ロボットに関するものである。

近年、２足歩行を行う人型ロボットや４足歩行を行う動物型ロボットなどのように、人や動物の形状と動作を模した移動ロボットの開発が活発化している。この種の移動ロボットでは、一般に各肢体の関節の動きを複数個のアクチュエータで実現することが行われている。

また、一般的な移動ロボットの動作制御手段には、ロボットの体幹に設置されることで体幹の姿勢角や加速度を検出するセンサ群と、これらセンサ群からの信号に基づいて動作可能なエンコーダ付きのモータが利用されている。センサ群を用いることによって、ロボットの姿勢および上半身の重心位置を計測することができるので、その計測データに基づいて各関節のモータを動作制御すれば、移動ロボット全体の動作制御が可能となるわけである。

なお、この種の移動（歩行）ロボットに関する技術を開示する先行技術文献として、例えば、下記特許文献１が存在している。

特開平５−３０５５８０号公報

しかしながら、上掲した特許文献１に代表される従来の移動ロボットは、その動作制御のために多数のセンサに基づいた大量のデータ処理を必要とするものであったため、非常に複雑な制御を要し、膨大な製造コストを要するという問題を有していた。

また、従来の移動ロボットでは、アクチュエータとしてのモータが各関節に対して設置されていたので、関節部が大きくなってしまうという問題が存在していた。さらに、１つの関節を１つのモータで制御しなければならないことから、モータ容量を大きくしなければならないといった必要性が生じ、製造コストの増大や移動ロボットの重量の増大を招いてしまうといった問題も発生していた。またさらに、１つの関節に対して１つのモータが設置される構成であるがゆえに、移動ロボットに設置されるモータが１つでも故障してしまった場合には、故障箇所の関節が動かなくなってしまうので、直ちに移動ロボット全体の動作が停止してしまうという問題も存在していた。

本発明は、上述した従来技術に存在する種々の問題点に鑑みて成されたものであって、その目的は、複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、モータの停止などといった突発的なトラブルを含む外乱や設計誤差などの不確定な変動に対しても、移動ロボットとしてのシステム特性を維持できるロバスト性に優れた移動ロボットと、この移動ロボットに対して適用可能な移動ロボット用肢体駆動機構とを提供することにある。

本発明に係る移動ロボット用肢体駆動機構は、複数のサーボモータとリンク機構とを備え、長手方向に伸びる肢体本体部を回転駆動させるための機構であって、前記肢体本体部は移動ロボットに回転自在な状態で取り付けられ、前記複数のサーボモータはそれぞれ、互いに平行に配置される出力軸を備え、前記複数のサーボモータの出力軸のうち少なくとも１つは前記リンク機構に接続して、当該リンク機構を介してサーボモータの出力で肢体本体部を回転駆動することを特徴とするものである。

また、胴体部に連結された複数本の可動肢体を有し、前記複数本の可動肢体のうち、下肢として機能する可動肢体を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされる移動ロボットにおいて、前記下肢として機能する可動肢体が、上述した移動ロボット用肢体駆動機構によって構成されていることとすることができる。

本発明によれば、複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、モータの停止などといった突発的なトラブルを含む外乱や設計誤差などの不確定な変動に対しても、移動ロボットとしてのシステム特性を維持できるロバスト性に優れた移動ロボットと、この移動ロボットに対して適用可能な移動ロボット用肢体駆動機構とを提供することができる。

本実施形態に係る移動ロボットの全体構成を示す外観図である。 本実施形態に係る移動ロボットの胴体部、左手および左足からカバー類を取り外した状態を示す正面図である。 本実施形態に係る移動ロボットの右側面図である。 本実施形態に係る脚部として採用された移動ロボット用肢体駆動機構の基本構成を示す図である。 本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構の説明図である。 本実施形態に係る移動ロボットが屈伸運動を行う際の様子を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る移動ロボットの全体構成を示す外観図である。また、図２は、本実施形態に係る移動ロボットの胴体部、左手および左足からカバー類を取り外した状態を示す正面図である。さらに、図３は、本実施形態に係る移動ロボットの右側面図である。

本実施形態に係る移動ロボット１０は、家事ロボットとして製作されたものであり、胴体部１１の下方に設置された２本の脚部１２と、胴体部１１の上方左右両側面に設置された２本の腕部１３と、胴体部１１の上方に設置された１個の頭部１４とから構成されている。

本実施形態に係る移動ロボット１０は、外部からの押圧力などの外乱がなければ、電源を切った状態であっても図１に示すような直立状態を維持できるように構成されている。特に、２本の脚部１２は、停止時においては常に直線的に伸びた状態となるように構成されているので、安全性および安定性に優れた構成となっている。また、２本の脚部１２による２足歩行時には、２本の脚部１２による足踏み動作が実行されることとなる。

一方、２本の腕部１３は、胴体部１１の周囲で自在に移動できるようになっており、電源を切った状態では、図２の紙面左側に示す移動ロボット１０の右半身のように、腕部１３が下方に垂れ下がった状態となるように構成されている。さらに、腕部１３の先端には手部１３ａが設置されているので、この手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。

また、頭部１４および胴体部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置されている。このＣＣＤカメラ１５によって、移動ロボット１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。

そして、この移動ロボット１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を移動ロボット１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や移動ロボット１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにして移動ロボット１０の周囲の状況を把握でき、移動ロボット１０の操作ができるようになっている。

なお、図２等にて示されるように、本実施形態に係る移動ロボット１０は、胴体部１１や頭部１４等の上半身に設置される部材の重量が非常に軽量化されて構成されている。また、上述したように、電源を切った状態であっても安定して直立を維持できるように構成されているので、姿勢維持のための制御が不要であるという利点を有している。したがって、本実施形態に係る移動ロボット１０は、従来の２足歩行ロボットのように多数のセンサ類や制御手段を必要としないので、安価に製作することができるという利点を有している。

以上、本実施形態に係る移動ロボット１０の全体構成を説明した。つぎに、図４〜図６を参照図面に加えて、上述した種々の利点を実現するために採用された脚部１２の具体的な構成についての説明を行う。ここで、図４は、本実施形態に係る脚部１２として採用された移動ロボット用肢体駆動機構２０の基本構成を示す図である。また、図５は、本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構２０の説明図である。さらに、図６は、本実施形態に係る移動ロボット１０が屈伸運動を行う際の様子を示す図である。

まず、図４を参照して、本実施形態に係る脚部１２として採用された移動ロボット用肢体駆動機構２０の基本構成を説明する。なお、移動ロボット用肢体駆動機構２０は、脚部１２に対して２つ直列に設置されており、図４に示した移動ロボット用肢体駆動機構２０は、脚部１２の上方の位置、すなわち、人の大腿部に相当する箇所に設けられたものを示している。

本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構２０は、長手方向に延びる肢体本体部２４と、この肢体本体部２４の下方側の端部に対して可動自在に接続するジョイント部２２と、これらに連結するリンク機構とを有して構成されている。図４にて示す肢体本体部２４は、人の大腿骨に相当する部材であり、一方、ジョイント部２２は、人の膝蓋骨に相当する部材である。なお、ジョイント部２２は、リンク機構の一部を構成する部材である。

胴体部１１の下部には、肢体保持部１１ａが設けられている。肢体保持部１１ａは、断面コの字形状の板状部材で、２つの側板を備えている。２つの側板は略並行に設けられている。肢体本体部２４は、肢体保持部１１ａの下方位置とジョイント部２２の上方位置とに可動自在に接続しており、移動ロボット１０が直立および歩行する際に移動面上から受ける力を主に引き受ける部材である。ジョイント部２２も肢体保持部１１ａと同様、断面コの字形状の板状部材で、２つの側板を備えており、２つの側板は略並行に設けられている。この移動ロボット用肢体駆動機構２０によって、股関節に相当する肢体保持部１１ａと肢体本体部２４との接続箇所と、膝関節に相当する肢体本体部２４とジョイント部２２との接続箇所を移動させることが可能となり、ちょうど人が大腿部を持ち上げたり降ろしたりするような動きが可能となる。

肢体本体部２４は、４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを１列に保持している。４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄはそれぞれ、モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを備えている。このモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、サーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの出力軸である。また、モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、図４に示すとおり、１直線上に配置されている。

４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのうち、サーボモータ２４ａは肢体保持部１１ａに一番近い位置に設けられている。サーボモータ２４ａのモータ軸２３ａが、肢体保持部１１ａの２つの側板の一方に回転不能に連結している。つまり、モータ軸２３ａは、２つの側板の一方に固定されている。サーボモータ２４ａは、不図示の回転軸をも備えており、この回転軸は２つの側板の他方に回転可能に連結している。つまり、不図示の回転軸は、２つの側板の他方に、軸受を介して回転可能に支持されている。この回転軸は、サーボモータ２４ａから突出して設けられ、なおかつ、不図示の回転軸の軸心とモータ軸２３ａの軸心とは、同じ直線上に位置している。つまり、不図示の回転軸の軸心とモータ軸２３ａの軸心とは、一致している。したがって、サーボモータ２４ａの出力がモータ軸２３ａを介して肢体保持部１１ａに伝えられると、肢体保持部１１ａとサーボモータ２４ａとが相対的に回転する。つまり、肢体保持部１１ａと肢体本体部２４とが相対的に回転することになる。相対的に回転するとは、一方に対して他方が回転運動するということであるから、肢体保持部１１ａに対して肢体本体部２４が回転運動する場合は、ちょうど人が大腿部を上げ下げする動きに相似した動作となる。また、不図示の回転軸とモータ軸２３ａとは、一対の軸として機能しており、この一対の軸が、人の胴部に対する大腿部の回転における回転軸として機能している。

つぎに、４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのうち、サーボモータ２４ｄは、ジョイント部２２に一番近い位置に設けられている。サーボモータ２４ｄのモータ軸２３ｄが、ジョイント部２２の２つの側板の一方に回転不能に連結している。サーボモータ２４ｄは、不図示の回転軸をも備えており、この回転軸は、２つの側板の他方に回転可能に連結している。不図示の回転軸は、サーボモータ２４ｄから突出して設けられ、なおかつ、不図示の回転軸の軸心とモータ軸２３ｄの軸心とは、同じ直線上に位置している。つまり、不図示の回転軸の軸心とモータ軸２３ｄの軸心とは、一致している。したがって、サーボモータ２３の出力がモータ軸２３ｄを介してジョイント部２２に伝えられると、ジョイント部２２とサーボモータ２４ｄとが相対的に回転する。つまり、ジョイント部２２と肢体本体部２４とが相対的に回転することになり、人が膝を折り曲げる動作に相当する動きが実現されることとなる。

さらに、肢体本体部２４は、リンク機構を備える。リンク機構は、１つのリンク片２１と、２つの連結片２６ｂ，２６ｃを備えている。リンク片２１は、肢体本体部２４の長手方向に沿って設けられ、肢体保持部１１ａとジョイント部２２とに回転可能に連結している。すなわち、リンク片２１の一端は肢体保持部１１ａの２つの側板の一方に、回転軸３１ａを介して回転可能に連結しており、リンク片２１の他端は、ジョイント部２２の２つの側板の一方に、回転軸３１ｄを介して回転可能に連結している。一方、各連結片２６ｂ，２６ｃはそれぞれ、リンク片２１と各モータ軸２３ｂ，２３ｃとに連結している。すなわち、連結片２６ｂの一端はリンク片２１に、回転軸３１ｂを介して回転可能に連結しており、連結片２６ｂの他端は、モータ軸２３ｂに回転不能に連結している。回転不能とはすなわち、モータ軸２３ｂと連結片２６ｂとが相対的に回転しないということであり、つまり、モータ軸２３ｂの出力が連結片２６ｂに伝わり、モータ軸２３ｂの出力によって連結片２６ｂが回転する。同様に、連結片２６ｃの一端はリンク片２１に、回転軸３１ｃを介して回転可能に連結しており、連結片２６ｃの他端は、モータ軸２３ｃに回転不能に連結していて、モータ軸２３ｃの出力によって連結片２６ｃが回転する。

これら各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心および各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心は、すべて平行に配置されている。また、図５に示すように、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄおよび各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに垂直に交差する平面Ｓを仮定した場合、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心と各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心とを結ぶ線が平面Ｓ上で平行になるよう配置されている。すなわち、平面Ｓ上において、モータ軸２３ａの軸心と回転軸３１ａの軸心を結ぶ直線（直線Ｌ）と、モータ軸２３ｂの軸心と回転軸３１ｂの軸心を結ぶ直線（直線Ｍ）と、モータ軸２３ｃの軸心と回転軸３１ｃの軸心を結ぶ直線（直線Ｎ）と、モータ軸２３ｄの軸心と回転軸３１ｄの軸心を結ぶ直線（直線Ｏ）と、は互いに平行である。また、平面Ｓ上において、４つの回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの各軸心は１直線上に位置するよう配置されており、４つのモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各軸心も１直線上に位置するよう配置されている。言い換えると、４つの回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの各軸心は１列に並んで配置されており、４つのモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各軸心も１列に並んで配置されている。さらに、平面Ｓ上において、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心を通る線と各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心を通る線も平行になるよう配置されている。すなわち平面Ｓ上において、回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの各軸心を結ぶ直線（直線Ｐ）と、モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各軸心を結ぶ直線（直線Ｑ）も互いに平行である。つまり、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心の列と各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心の列は平行である。

そして、各サーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの出力によって各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが回転する際にも、各直線の平行は常に維持される。つまり、４つの直線（直線Ｌ、直線Ｍ、直線Ｎ、直線Ｏ）の平行は常に維持され、２つの直線（直線Ｐ、直線Ｑ）の平行も常に維持される。そして、各直線の平行を維持したまま、各モータ軸の回転によって、４つの直線（直線Ｌ、直線Ｍ、直線Ｎ、直線Ｏ）と、２つの直線（直線Ｐ、直線Ｑ）とがなす角の角度が変化する。そして、各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの回転によって、４つの直線（直線Ｌ、直線Ｍ、直線Ｎ、直線Ｏ）の平行を維持しつつ、肢体保持部１１ａと連結片２６ｂと連結片２６ｃとジョイント部２２とが相対的に変位する。また、各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの回転によって、２つの直線（直線Ｐ、直線Ｑ）の平行を維持しつつ、肢体本体部２４とリンク片２１とが相対的に変位する。このリンク機構によって、４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの出力すべてが、肢体保持部１１ａと肢体本体部２４との相対的な回転運動に変換されることとなる。サーボモータ２４ａの出力は、前述したように、肢体保持部１１ａと肢体本体部２４との相対的な回転運動を直接生じさせているが、他の３つのサーボモータ２４ｂ，２４ｃ，２４ｄも、サーボモータ２４ａと同時に同方向へ出力させると、このリンク機構によってその出力は、肢体保持部１１ａと肢体本体部２４との相対的な回転運動に変換される。

また、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのすべては、同期して駆動するように構成されている。したがって、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの駆動力は互いに干渉することがなく、すべてが一体的に駆動することになるので、リンク機構によって４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄによる一体的な同期駆動が可能となる。

さらにまた、本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構２０が有する４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、主動モータとして機能する１個のマスターサーボモータと、このマスターサーボモータの駆動動作に追従して動作を行う従動モータとして機能するその他３個のスレーブサーボモータとによって構成されている。したがって、３個のスレーブモータに対しては制御しなくても、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄはすべてが同期して駆動力を及ぼすことができるという利点を有している。逆に、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄをそれぞれ個別に制御すると、それぞれの制御を同期させる必要が生じ、制御が複雑になってしまう。また、各モータ間で微妙なズレ（角度差）が生じた場合には、モータの駆動を妨げる力が働いてしまうおそれがある。複数のサーボモータのうち、１つをマスターサーボモータとし、他をスレーブサーボモータとすることで、こうした欠点を免れることができる。

なお、従来技術では、１つの関節に対して１つのモータが設置される構成であるがゆえに、移動ロボットに設置されるモータが１つでも故障してしまった場合には、故障箇所の関節が動かなくなってしまうので、直ちに移動ロボット全体の動作が停止してしまうという問題が存在していた。しかしながら、本実施形態では、仮にスレーブサーボモータ１個が故障して停止しても、マスターサーボモータが停止しない限りリンク機構の駆動は可能なので、従来技術に比べて故障・停止率を低下させることが可能となっている。

さらに、従来技術では、１つの関節を１つのモータで制御する構成が採用されていたので、モータ容量を大きくしなければならないといった必要性が生じ、製造コストの増大や移動ロボットの重量の増大を招いてしまうといった問題が発生していた。しかしながら、本実施形態によれば、１つの肢体本体部２４を４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄで駆動すればよいので、各サーボモータを小トルクのものにすることができる。その結果、移動ロボット１０全体としての重量を低減することができ、さらに、移動ロボット１０全体としての製造コストを削減することができるので、安価な移動ロボット１０を実現することが可能となる。

以上、図４を用いて説明した移動ロボット用肢体駆動機構２０は、脚部１２の上方位置、すなわち、人の大腿部に相当する箇所に適用されたものであった。しかし、本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構２０は、例えば図６にて示すように、脚部１２の下方位置、すなわち、人の脛部に相当する箇所に配置することができる。具体的には、人の膝蓋骨に相当する部材であるジョイント部２２の下方に対して肢体本体部２４とリンク機構を可動自在に接続し、さらに、肢体本体部２４およびリンク機構の下方に対して人の足に相当する足部３０を可動自在に接続することで、移動ロボット用肢体駆動機構２０を人の脛部に相当する部材として構成することができるのである。

この場合の移動ロボット用肢体駆動機構２０は、ジョイント部２２の下方位置と足部３０に設けた足保持部１１ｂの上方位置とに可動自在に接続する肢体本体部２４を備え、さらにリンク機構と足保持部１１ｂとを備えている。足保持部１１ｂは、人の足のくるぶしに相当する部材であるとともに、リンク機構の一部を構成している。足保持部１１ｂも、断面コの字形状の板状部材で、２つの側板を備えており、２つの側板は略並行に設けられている。

肢体本体部２４は、４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを１列に保持している。４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄはそれぞれ、モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを備えている。このモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、サーボモータの出力軸である。また、モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、１直線上に配置されている。４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのうち、サーボモータ２４ａはジョイント部２２に一番近い位置に設けられている。サーボモータ２４ａのモータ軸２３ａが、ジョイント部２２の２つの側板の一方に回転不能に連結している。つまり、モータ軸２３ａは、２つの側板の一方に固定されている。サーボモータ２４ａは、不図示の回転軸をも備えており、この回転軸は２つの側板の他方に回転可能に連結している。つまり、不図示の回転軸は、２つの側板の他方に、軸受を介して回転可能に支持されている。不図示の回転軸は、サーボモータ２４ａから突出して設けられ、なおかつ、この回転軸の軸心とモータ軸２３ａの軸心とは、同じ直線上に位置している。つまり、不図示の回転軸の軸心とモータ軸２３ａの軸心とは、一致している。したがって、サーボモータ２４ａの出力がモータ軸２３ａを介してジョイント部２２に伝えられると、ジョイント部２２とサーボモータ２４ａとが相対的に回転する。つまり、ジョイント部２２と肢体本体部２４とが相対的に回転することになる。つまり、ジョイント部２２に対して肢体本体部２４が回転運動する場合は、膝を折り曲げる、又は膝を伸ばす、という動作となる。また、不図示の回転軸とモータ軸２３ａとは一対の軸として機能しており、この一対の軸が、人の膝部に対する脛部の回転における回転軸として機能している。

つぎに、４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのうち、サーボモータ２４ｄは、足保持部１１ｂに一番近い位置に設けられている。サーボモータ２４ｄのモータ軸２３ｄが、足保持部１１ｂの２つの側板の一方に回転不能に連結している。サーボモータ２４ｄは、不図示の回転軸をも備えており、この回転軸は２つの側板の他方に回転可能に連結している。不図示の回転軸は、サーボモータ２４ｄから突出して設けられ、なおかつ、この回転軸の軸心とモータ軸２３ｄの軸心とは、同じ直線上に位置している。つまり、不図示の回転軸の軸心とモータ軸２３ａの軸心とは、一致している。したがって、サーボモータ２４ｄの出力がモータ軸２３ｄを介して足保持部１１ｂに伝えられると、足保持部１１ｂとサーボモータ２４ｄとが相対的に回転する。つまり、足保持部１１ｂと肢体本体部２４とが相対的に回転することになり、人が足首を曲げたり伸ばしたりする動作に相当する動きが実現されることとなる。

さらに、肢体本体部２４はリンク機構を備える。リンク機構は、１つのリンク片２１と、２つの連結片２６ｂ，２６ｃを備えている。リンク片２１は、肢体本体部２４の長手方向に沿って設けられ、ジョイント部２２と足保持部１１ｂとに回転可能に連結している。すなわち、リンク片２１の一端はジョイント部２２の２つの側板の一方に、回転軸３１ａを介して回転可能に連結しており、リンク片２１の他端は、足保持部１１ｂの２つの側板の一方に、回転軸３１ｄを介して回転可能に連結している。一方、各連結片２６ｂ，２６ｃはそれぞれ、リンク片２１と各モータ軸２３ｂ，２３ｃとに連結している。すなわち、連結片２６ｂの一端はリンク片２１に、回転軸３１ｂを介して回転可能に連結しており、連結片２６ｂの他端は、モータ軸２３ｂに回転不能に連結している。つまり、モータ軸２３ｂの出力が連結片２６ｂに伝わり、モータ軸２３ｂの出力によって連結片２６ｂが回転する。同様に、連結片２６ｃの一端はリンク片２１に、回転軸３１ｃを介して回転可能に連結しており、連結片２６ｃの他端は、モータ軸２３ｃに回転不能に連結していて、モータ軸２３ｃの出力によって連結片２６ｃが回転する。

これら各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心および各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心は、すべて平行に配置されている（図５参照）。また、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄおよび各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに垂直に交差する平面（平面Ｓ）を仮定した場合、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心と各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心とを結ぶ線（直線Ｌ、直線Ｍ、直線Ｎ、直線Ｏ）がこの平面（平面Ｓ）上で平行になるよう配置されている。また、この平面（平面Ｓ）上において、４つの回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの各軸心は１直線（直線Ｐ）上に位置するよう配置されており、４つのモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各軸心も１直線（直線Ｑ）上に位置するよう配置されている。言い換えると、４つの回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの各軸心は１列に並んで配置されており、４つのモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各軸心も１列に並んで配置されている。さらに、この平面（平面Ｓ）上において、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心を通る線（直線Ｐ）と各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心を通る線（直線Ｑ）も平行になるよう配置されている。つまり、各回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの軸心の列と各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの軸心の列は平行である。そして、各サーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの出力によって各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが回転する際にも、各直線群の平行は常に維持される。そして各直線群の平行を維持したまま、各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの回転によって、ジョイント部２２と連結片２６ｂと連結片２６ｃと足保持部１１ｂとが相対的に変位する。

以上のようなリンク機構によって、４つのサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの出力すべてが、ジョイント部２２と肢体本体部２４との相対的な回転運動に変換されることとなる。サーボモータ２４ａの出力は、前述したように、ジョイント部２２と肢体本体部２４との相対的な回転運動を直接生じさせているが、他の３つのサーボモータ２４ｂ，２４ｃ，２４ｄも同時に同方向へ出力させることによって、このリンク機構を介して、ジョイント部２２と肢体本体部２４との相対的な回転運動に変換される。

そして、図６等に示すように、本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構２０を２つ直列に連結することによって、１本の脚に相当する脚部１２を構成することができる。

以上のようにして構成される本実施形態の脚部１２については、２つの移動ロボット用肢体駆動機構２０が備える複数のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを適切に制御して駆動することで、様々な動作を行なわせることが可能になる。まず、図４および図６を用いて、脚部１２の上方に配置されることで人の大腿部に相当する位置に配置された移動ロボット用肢体駆動機構２０の動作機構について説明すると、肢体本体部２４が鉛直方向に配置されることで脚部１２が直立した状態から（図４および図６中（ａ）参照）、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを紙面に垂直な方向で見たときの紙面に対して時計回りに回転させると、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのうちのサーボモータ２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの回転運動は、モータ軸２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに設置された連結片２６ｂ，２６ｃおよびジョイント部２２を介してリンク片２１に伝達されることになる。連結片２６ｂ，２６ｃおよびジョイント部２２を介してリンク片２１に伝達される時計回りの回転運動は、肢体本体部２４を基準として見たときに、肢体本体部２４に対してリンク片２１を相対的に上方側に移動させようとする力となる。ただしこのとき、リンク片２１は、その上方が胴体部１１の肢体保持部１１ａに対して、その下方がジョイント部２２に対して可動自在に接続されているので、肢体本体部２４とリンク片２１は相対的に逆方向に平行移動することになる。すなわち、リンク片２１に対して肢体本体部２４が下方に向けて相対的な平行移動を行うこととなる。また、サーボモータ２４ａの回転運動は、肢体保持部１１ａに対して肢体本体部２４を直接回転させる力となる。その結果、図６中（ｂ）にて示すような、肢体保持部１１ａおよびジョイント部２２に対する傾き移動を行うこととなる。

また、モータ軸２３ｂの出力によって肢体本体部２４と連結片２６ｂとが相対的に回転し、モータ軸２３ｃの出力によって肢体本体部２４と連結片２６ｃとが相対的に回転し、モータ軸２３ｄの出力によって肢体本体部２４とジョイント部２２とが相対的に回転する。そして、各モータ軸２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを同時に同方向へ回転させると、肢体保持部１１ａと連結片２６ｂと連結片２６ｃとジョイント部２２は、リンク片２１に連結しているから、リンク片２１に対しても相対的に回転することになる。その際、リンク機構によって、肢体保持部１１ａの直線Ｌと連結片２６ｂの直線Ｍと連結片２６ｃの直線Ｎとジョイント部２２の直線Ｏは平行を維持するから、連結片２６ｂと連結片２６ｃとジョイント部２２のリンク片２１に対する相対回転によって、肢体保持部１１ａに対するリンク片２１の回転運動が生じることとなる。さらに、リンク機構によって、リンク片２１の直線Ｐと肢体本体部２４の直線Ｑは平行を維持し、肢体保持部１１ａに対する肢体本体部２４の回転運動が生じることとなる。つまり、肢体保持部１１ａに対して、肢体本体部２４とリンク片２１は相対的に回転することとなり、ちょうど人の大腿部が胴体部に対して相対的に回転する動きに相当する動作が実現することとなる。

なお、上述した人の大腿部の動きに相当する回転運動については、肢体保持部１１ａと連結片２６ｂと連結片２６ｃとジョイント部２２との、相対変位として説明することもできる。すなわち、各サーボモータ２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを同時に同方向へ出力させると、肢体保持部１１ａに対して、連結片２６ｂと連結片２６ｃとジョイント部２２は、リンク機構によってそれぞれの回転軸とモータ軸において平行を保ちつつ相対変位するから、４つのモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは１列に並んだまま、モータ軸２３ｂ，２３ｃ，２３ｄがモータ軸２３ａに対して相対変位することとなり、胴体に対する大腿部の相対回転を生じることとなるということもできる。

４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが備える各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの時計回りの回転をさらに行うと、図６中（ｃ）にて示すように、肢体保持部１１ａおよびジョイント部２２に対する肢体本体部２４の傾き移動は、さらに進むこととなる。

つぎに、図６中（ｃ）にて示した状態から、各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの回転方向を反転させて反時計周りに回転させると、先程とは逆に、肢体本体部２４に対してリンク片２１を相対的に下方側に移動させようとする力が働くことになるので、リンク片２１に対して肢体本体部２４が上方に向けて相対的な平行移動を行うこととなる。その結果、肢体本体部２４は、肢体保持部１１ａおよびジョイント部２２に対する傾きを減少させるように移動を行い、図６中（ｂ）にて示す状態を経て、最終的に図６中（ａ）にて示す状態へと移動する。

一方、脚部１２の下方に配置されることで人の脛部に相当する位置に配置された移動ロボット用肢体駆動機構２０の動作機構についても、図６を用いて説明すると、肢体本体部２４が鉛直方向に配置されることで脚部１２が直立した図６中（ａ）の状態から、上述した人の大腿部に相当する位置の移動ロボット用肢体駆動機構２０とは逆に、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを紙面に垂直な方向で見たときの紙面に対して反時計回りに回転させると、４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのうちのサーボモータ２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの回転運動は、モータ軸２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに設置された連結片２６ｂ，２６ｃおよび足保持部１１ｂを介してリンク片２１に伝達されることとなる。連結片２６ｂ，２６ｃおよび足保持部１１ｂを介してリンク片２１に伝達される反時計回りの回転運動は、肢体本体部２４を基準として見たときに、肢体本体部２４に対してリンク片２１を相対的に下方側に移動させようとする力となる。ただしこのとき、リンク片２１は、その上方がジョイント部２２に対して、その下方が足保持部１１ｂに対して可動自在に接続されているので、肢体本体部２４とリンク片２１とは、相対的に逆方向に平行移動することになる。すなわち、リンク片２１に対して肢体本体部２４が上方に向けて相対的な平行移動を行うこととなる。また、サーボモータ２４ａの回転運動は、ジョイント部２２に対して肢体本体部２４を直接回転させる力となる。その結果、図６中（ｂ）にて示すような、ジョイント部２２および足保持部１１ｂに対する傾き移動を行うこととなる。

また、モータ軸２３ｂの出力によって肢体本体部２４と連結片２６ｂとが相対的に回転し、モータ軸２３ｃの出力によって肢体本体部２４と連結片２６ｃとが相対的に回転し、モータ軸２３ｄの出力によって肢体本体部２４と足保持部１１ｂとが相対的に回転する。そして、各モータ軸２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを同時に同方向へ回転させると、ジョイント部２２と連結片２６ｂと連結片２６ｃと足保持部１１ｂはリンク片２１に連結しているから、リンク片２１に対しても相対的に回転することになる。その際、リンク機構によって、ジョイント部２２と連結片２６ｂと連結片２６ｃと足保持部１１ｂは、それぞれの軸心において平行を維持するから、連結片２６ｂと連結片２６ｃと足保持部１１ｂのリンク片２１に対する相対回転によって、ジョイント部２２に対するリンク片２１の回転運動が生じることとなる。さらに、リンク機構によって、リンク片２１と肢体本体部２４はそれぞれの軸心において平行を維持し、ジョイント部２２に対する肢体本体部２４の回転運動が生じることとなる。つまり、ジョイント部２２に対して、肢体本体部２４とリンク片２１は相対的に回転することとなり、ちょうど人の脛部が大腿部に対して相対的に回転する動作に相当する動きを実行することとなる。あるいは、リンク機構によって、連結片２６ｂと連結片２６ｃと足保持部１１ｂは、ジョイント部２２に対して平行を保ちつつ相対変位するから、４つのモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは１列に並んだまま、モータ軸２３ｂ，２３ｃ，２３ｄがモータ軸２３ａに対して相対変位することとなり、大腿部に対する脛部の相対回転を生じることとなるということもできる。

図６中（ｂ）にて示す状態から、さらに４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが備える各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの反時計回りでの回転を行うと、図６中（ｃ）にて示すように、ジョイント部２２および足保持部１１ｂに対する肢体本体部２４の傾き移動は、さらに進むこととなる。

つぎに、図６中（ｃ）にて示した状態から、各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの回転方向を反転させて時計周りに回転させると、先程とは逆に、肢体本体部２４に対してリンク片２１を相対的に下方側に移動させようとする力が働くことになるので、リンク片２１に対して肢体本体部２４が上方に向けて相対的な平行移動を行うこととなる。その結果、肢体本体部２４は、ジョイント部２２および足保持部１１ｂに対する傾きを減少させるように移動を行い、図６中（ｂ）にて示す状態を経て、最終的に図６中（ａ）にて示す状態へと移動することができる。

なお、２つの直列配置される移動ロボット用肢体駆動機構２０によって構成される本実施形態に係る脚部１２の下方先端には、上述したように、図２にて示すような足部３０が設置されていた。この足部３０は、移動面上に接地されるプレート状の平板を有して構成されていることが好適である。なお、この足部３０を構成する平板の面積については、移動ロボット１０の全体形状等に基づき決定すればよい。

以上、本実施形態に係る移動ロボット１０と、この移動ロボット１０に対して適用可能な移動ロボット用肢体駆動機構２０の具体的構成および動作機構について説明を行った。つぎに、本実施形態に係る移動ロボット１０が取り得る屈伸運動および歩行動作についての説明を行う。ここで、図６は、本実施形態に係る移動ロボット１０が屈伸運動を行う際の様子を示す図である。

電源が切れた状態、あるいは初期の状態において、本実施形態に係る移動ロボット１０は、図６中（ａ）で示すように、脚部１２が直線的に伸びた直立状態にある。

このような直立状態から、ジョイント部２２に対して２つの移動ロボット用肢体駆動機構２０が単にくの字形となるように各サーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを駆動させると、図６中（ｂ）で示すように、移動ロボットの上半身である胴体部１１と、足部３０を構成する平板とが水平を保ったまま、２つの移動ロボット用肢体駆動機構２０が折れ曲がって行き、最終的に図６中（ｃ）で示すように、２つの移動ロボット用肢体駆動機構２０が完全に折り畳まれた状態となる。この状態は、上述したように、図６における紙面を垂直な方向で見たときに、上方に設置された移動ロボット用肢体駆動機構２０の有する４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを時計回りの方向に回転駆動させるとともに、下方に設置された移動ロボット用肢体駆動機構２０の有する４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの各モータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを反時計回りの方向に回転駆動させることにより、実現することができる。さらにこの状態は、本実施形態に係る移動ロボット１０の２本の腕部１３が最も低い位置となる状態であるため、低い箇所であり、かつ歩行しない状態で腕部１３を使った作業を行う際に取る姿勢である。

このような屈伸運動を行う際にも、胴体部１１は傾くことなく姿勢が維持される。これはリンク機構が胴体部１１の姿勢を維持するからである。すなわち、リンク機構によって、肢体保持部１１ａとジョイント部２２とが、それぞれの回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとの基準において平行を保ち、ジョイント部２２と足保持部１１ｂも、それぞれの回転軸３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとモータ軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとの基準において平行を保つからであり、つまり、肢体保持部１１ａとジョイント部２２と足保持部１１ｂとは常に同じ姿勢を維持するから、足保持部１１ｂが足部３０に対して傾かない限り、ジョイント部２２と肢体保持部１１ａも足部３０に対して傾かないし、胴体部１１が肢体保持部１１ａに対して傾かない限り、胴体部１１も足部３０に対して傾かないからである。

一方、図６中（ｃ）から（ｂ）、（ａ）へと動作を行うことで、屈伸状態から直立状態に移動ロボット１０の姿勢を変化させることができるが、この姿勢変化は、上述した屈伸運動とは全く逆の動作指令を各サーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄに電送指令することで実現することができる。さらに、屈伸状態から直立状態への姿勢変化は、任意の位置で停止することができるので、作業対象物の位置に応じて屈伸動作の停止位置を制御すればよい。

またさらに、本実施形態に係る移動ロボット用肢体駆動機構２０によって、移動ロボット１０に歩行運動を行わせることもできる。

本実施形態に係る移動ロボット１０では、左右の脚部１２をその場で交互に屈伸させる足踏み動作が基本動作となる。この足踏みによる基本動作に対して、股関節部分の動きを膝関節部分の動きよりも大きくすることで、歩行動作が可能となる。つまり、胴体部１１に対する肢体本体部２４の回転量を、膝部に対する肢体本体部２４の回転量よりも大きくすることで、歩行動作が実現する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した本実施形態に係る移動ロボット１０は、胴体部１１に連結された複数本の可動肢体１２，１３を有し、これら複数本の可動肢体１２，１３のうち、下肢として機能する可動肢体１２を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされる移動ロボットであり、さらに、下肢として機能する可動肢体１２が、２つの移動ロボット用肢体駆動機構２０の組み合わせによって構成されているものであった。しかしながら、本発明の移動ロボットでは、移動ロボット用肢体駆動機構２０を組み合わせる個数はいくつでもよく、１以上の移動ロボット用肢体駆動機構２０であれば、あらゆる形式の可動肢体を構成することができる。

また、移動ロボット用肢体駆動機構２０によって構成される可動肢体は、移動ロボットのどの様な箇所に設置されてもよく、上肢や下肢のほか、蜘蛛型ロボットのようにロボットの体幹に対して多数設置する構成を採用することもできる。

さらに、上述した実施形態では、１つの移動ロボット用肢体駆動機構２０に対して４個のサーボモータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを設置した場合を例示して説明したが、サーボモータの設置個数については、任意の個数を採用することができる。

またさらに、上述した実施形態の移動ロボット１０は、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、この操作マニピュレータの動きに応じた動作を移動ロボット１０が実行できるようになっている遠隔操作可能に構成されたロボットを想定したものであった。しかしながら、本発明に係る移動ロボットと、この移動ロボットに対して適用可能な移動ロボット用肢体駆動機構については、遠隔操作されるものだけではなく、移動ロボットに対して有線接続された操作桿によって操作させるロボットに対しても適用可能である。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 移動ロボット、１１ 胴体部、１１ａ 肢体保持部、１１ｂ 足保持部、１２ 脚部、１３ 腕部、１３ａ 手部、１４ 頭部、１５ ＣＣＤカメラ、２１ リンク片、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ モータ軸、２４ 肢体本体部、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ サーボモータ、２６ｂ，２６ｃ 連結片、３０ 足部、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ 回転軸。

Claims (3)

1. 複数のサーボモータとリンク機構とを備え、長手方向に伸びる肢体本体部を回転駆動させるための移動ロボット用肢体駆動機構であって、
   前記肢体本体部は移動ロボットに回転自在な状態で取り付けられ、
   前記複数のサーボモータはそれぞれ、互いに平行に配置される出力軸を備え、
   前記複数のサーボモータの出力軸のうち少なくとも１つは前記リンク機構に接続して、当該リンク機構を介してサーボモータの出力で肢体本体部を回転駆動することを特徴とする移動ロボット用肢体駆動機構。
2. 請求項１に記載の移動ロボット用肢体駆動機構において、
   前記複数のサーボモータは、
   主動モータとして機能する１のマスターサーボモータと、
   前記マスターサーボモータの駆動動作に追従して動作を行う従動モータとして機能するその他複数のスレーブサーボモータと、
   によって構成されることを特徴とする移動ロボット用肢体駆動機構。
3. 胴体部に連結された複数本の可動肢体を有し、
   前記複数本の可動肢体のうち、下肢として機能する可動肢体を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされる移動ロボットにおいて、
   前記下肢として機能する可動肢体が、請求項１又は２に記載の移動ロボット用肢体駆動機構によって構成されていることを特徴とする移動ロボット。

Images