JP2014121745A - ２足歩行ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】安価で、かつ簡易な構造で自ら前後、左右のバランスを取りながら安定歩行が可能である。
【解決手段】２足歩行ロボット１は、腰部５を有する上体部２と、腰部５に取り付けられた左右の脚部と、脚部に各々取り付けられた足部７ａ，７ｂと、脚部及び足部７ａ，７ｂの動きを制御する制御部８と、を備え、脚部に、足部７ａ，７ｂを重心方向に移動する足部移動手段１０ａ，１０ｂ を有し、制御部８は、足部移動手段１０ａ，１０ｂ を制御して歩行時の持ち上げる側の足部を重心方向に移動させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ペットに代わる癒やし系の高級玩具などとして用いられる２足歩行ロボットに関する。

近年、人間の歩行形態を模した二足歩行ロボットの研究・開発が、様々な企業や研究機関で積極的に進められている。二足歩行は人間にとってはごく通常の日常的な動作の１つであるが、こうした歩行形態をロボットで実現することは容易ではなく、従来より、二足歩行に適した脚部の関節構造などについて各種の提案がなされている。

図１２は従来の一般的な二足歩行ロボットの脚部の関節構造を示す概略斜視図である（例えば特許文献１など参照）。図中に示すように、互いに直交する三軸として、ロボットの前後方向つまり進行方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、高さ方向をｚ軸と定めている。

図１２において、概略的に記載した胴体部１００に連結された左脚部２Ｌ及び右脚部２Ｒはそれぞれ、上から大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒ、下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒ、及び足首リンク５４Ｌ、５４Ｒからなり、両脚部２Ｌ、２Ｒの上端は水平に延伸する連結リンク５１で互いに連結されている。関節としては、連結リンク５１と大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒとの間に股関節部３Ｌ、３Ｒが、大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒと下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒとの間に膝関節部４Ｌ、４Ｒが、下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒと足首リンク５４Ｌ、５４Ｒとの間に足首関節部５Ｌ、５Ｒがあり、足首関節部５Ｌ、５Ｒを介して足首リンク５４Ｌ、５４Ｒには左足部６Ｌ、右足部６Ｒが連結されている。

股関節部３Ｌ、３Ｒは、前後方向に延伸するｘ軸の周りに回動するモータ６１Ｌ、６１Ｒ、左右方向に延伸するｙ軸の周りに回動するモータ６２Ｌ、６２Ｒ、及び、ｚ軸の周りに回動する脚部旋回用のモータ６３Ｌ、６３Ｒ、を含む。これにより、大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒは胴体部１（又は連結リンク５１）に対して、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の三軸の周りにそれぞれ所定角度範囲で回動可能となっている。膝関節部４Ｌ、４Ｒは、左右方向に延伸するｙ軸の周りに回動するモータ６４Ｌ、６４Ｒを含む。これにより、下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒは大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒに対して、ｙ軸の周りに所定角度範囲で回動可能となっている。足首関節部５Ｌ、５Ｒは、前後方向に延伸するｘ軸の周りに回動するモータ６５Ｌ、６５Ｒ、及び、左右方向に延伸するｙ軸の周りに回動するモータ６６Ｌ、６６Ｒを含む。これにより、足首リンク５４Ｌ、５４Ｒは下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒに対して、ｘ軸、ｙ軸の二軸の周りにそれぞれ所定角度範囲で回動可能となっている。

各関節部３Ｌ、３Ｒ、４Ｌ、４Ｒ、５Ｌ、５Ｒに設けられた複数のモータがそれぞれ適切なタイミングで駆動されることで、上記各リンクが動作し、それによって左右両脚部２Ｌ、２Ｒによる二足歩行が達成される。

特開２００８−２３８３２８号公報

このように、従来の一般的な二足歩行ロボットでは、脚部の関節構造が複数のアクチュエータを備えていることから、構造が複雑であった。

この発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、安価で、かつ簡易な構造で自ら前後、左右のバランスを取りながら安定歩行が可能な２足歩行ロボットを提供することを目的とする。

前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。

請求項１に記載の発明は、腰部に取り付けられた左右の脚部と、
前記脚部に各々取り付けられた足部と、
前記脚部及び前記足部の動きを制御する制御部と、を備える２足歩行ロボットであり、
前記左右の脚部に、重心位置を移動する重心移動手段を設け、
前記制御部は、前記重心移動手段を制御して歩行時に重心位置を、ロボット重量を支持する足部側に移動させることを特徴とする２足歩行ロボットである。

請求項２に記載の発明は、前記重心移動手段は、
重心位置を移動可能に支持する支持軸と、
前記支持軸に沿わせて重心位置を移動させる重心移動アクチュエータと、を有することを特徴とする請求項１に記載の２足歩行ロボットである。

請求項３に記載の発明は、前記重心移動手段は、
重心位置を移動させる重心移動アクチュエータと、
２足歩行ロボットの向きを歩行進行方向に調整する向き調整アクチュエータと、を有することを特徴とする請求項１に記載の２足歩行ロボットである。

前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。

請求項１乃至請求項３に記載の発明では、歩行時に重心位置を、ロボット重量を支持する足部側に移動させることで、安価で、かつ簡易な構造で自ら前後、左右のバランスを取りながら歩行し、歩行が安定する。

２足歩行ロボットの基本モデルの構成図である。 制御部の概略構成図である。 ２足歩行ロボットの重心がロボット中心である状態を示す図である。 ２足歩行ロボットの歩行開始時の重心を示す図である。 ２足歩行ロボットの歩行時の重心を示す図である。 アクチュエータの主要部を示す図である。 重心移動手段の主要部を示す図である。 ２足歩行ロボットの歩行動作を説明する図である。 ２足歩行ロボットの重心がロボット中心である状態を示す図である。 ２足歩行ロボットの歩行開始時の重心を示す図である。 ２足歩行ロボットの歩行時の重心を示す図である。 従来の２足歩行ロボットの構成を示す図である。

以下、この発明の２足歩行ロボットの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明はこれに限定されない。２足歩行ロボットの形状及び寸法、また各部大きさの比率は任意に制作できるものであり、ここでは特に言及しない。
［第１の実施の形態］
（２足歩行ロボットの概略構成）
この実施の形態の２足歩行ロボットの構成を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は２足歩行ロボットの基本モデルの構成図、図２は制御部の概略構成図である。

この実施の形態の２足歩行ロボット１は、上体部の腰部５には、左右の上脚部６ａ，６ｂが取り付けられ、上脚部６ａ，６ｂには下上脚部６ｃ，６ｄが各々取り付けられ、下上脚部６ｃ，６ｄには、左右の足部７ａ，７ｂが各々取り付けられている。２足歩行ロボット１の前後方向つまり進行方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、高さ方向をｚ軸と定めており、Ｘ軸−Ｙ軸で地表面を表示し、Ｚ―Ｘ軸は、地表面に対して垂直な面を表示している。

左右の上脚部６ａ，６ｂは、腰部５に上脚横軸６ａ１，６ｂ１によって支持され、この上脚横軸６ａ１，６ｂ１は、上脚アクチュエータ６ａ２，６ｂ２によって＋９０度〜ー９０度の範囲で回転可能になっている。上脚アクチュエータ６ａ２，６ｂ２は、モータとギヤ機構などによって構成され、上脚横軸６ａ１，６ｂ１を回転する。また、左右の下脚部６ｃ，６ｄは、下脚横軸６ｃ１，６ｄ１を有し、この下脚横軸６ｃ１，６ｄ１は、下脚アクチュエータ６ｃ２，６ｄ２によって＋９０度〜―９０度の範囲で回転可能になっている。下脚アクチュエータ６ｃ２，６ｄ２は、モータとギヤ機構などによって構成され、下脚横軸６ｃ１，６ｄ１を回転する。

左右の足部７ａ，７ｂは、左右の下脚部６ｃ，６ｄに足横軸７ａ１，７ｂ１によって連結され、この足横軸７ａ１，７ｂ１は、足アクチュエータ７ａ２，７ｂ２によって＋９０度〜―９０度の範囲で回転可能になっている。足アクチュエータ７ａ２，７ｂ２は、モータとギヤ機構などによって構成され、足横軸７ａ１，７ｂ１を回転する。この左右の足部７ａ，７ｂに重心位置がり、足部底面全体で体重を支えるようにすることで、２足歩行ロボット１が倒れないように立脚することができる。

左右の下脚部６ｃ，６ｄには、重心を移動する重心移動手段１０ａ，１０ｂが設けられ、制御部８は、重心移動手段１０ａ，１０ｂを制御して歩行時に重心位置をロボット重量を支持する足部側に移動させる。

（制御部の制御）
この実施の形態の制御部８は、マイクロコンピュータで構成され、アクチュエータには精密な速度制御が可能なパルスモーターを用いるのが一般的であるが、マイクロコンピュータの代わりにカウンターで時間を計測し、発振器でパルスモーターを制御することでも実施することは可能である。

歩行時には、左側の上脚アクチュエータ６ａ２、下脚アクチュエータ６ｃ２、足アクチュエータ７ａ２、重心移動手段１０ａの駆動と、右側の上脚アクチュエータ６ｂ２、下脚アクチュエータ６ｄ２、足アクチュエータ７ｂ２、重心移動手段１０ｂの駆動を行うが、前進歩行の場合は、右側のアクチュエータの駆動量と左側のアクチュエータの駆動量が同じであり、右旋回歩行の場合は、左側のアクチュエータの駆動量が大きく、左旋回歩行の場合は、右側のアクチュエータの駆動量が大きい。

また、低速度歩行モード、中速度歩行モード、高速度歩行モードを有し、モード毎に左側の上脚アクチュエータ６ａ２、下脚アクチュエータ６ｃ２、足アクチュエータ７ａ２の駆動量と、右側の上脚アクチュエータ６ｂ２、下脚アクチュエータ６ｄ２、足アクチュエータ７ｂ２の駆動量が、予めパターンとして設定されているが、駆動する速度を予めパターンとして設定してもよい。

（２足歩行ロボットの重心移動）
この２足歩行ロボットの重心移動を、図３乃至図５に基づいて説明する。図３は２足歩行ロボットの重心がロボット中心である状態を示す図、図４は２足歩行ロボットの歩行開始時の重心を示す図、図５は２足歩行ロボットの歩行時の重心を示す図である。

この実施の形態では、２足歩行ロボット１の重心Ｇがロボット中心であり（図３）、２足歩行ロボット１が歩行を開始するとき、例えば右側の足部７ｂから歩行を開始しようとすると、右側の足部７ｂを持ち上げるから左側の足部７ａに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の左側の足部７ａに重心Ｇを乗せるように移動させる（図４）。

その後に、右側の足部７ｂを持ち上げで前方へ踏み出して歩行するが、右側の足部７ｂを持ち上げているから左側の足部７ａに重心を乗せた状態である（図５）。右側の足部７ｂを踏み出して着地するが、この状態では左側の足部７ａに重心を乗せるように移動させたままである。この右側の足部７ｂが着地した状態で、次は左側の足部７ａを持ち上げるから右側の足部７ｂに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の右側の足部７ｂに重心を乗せるように移動させ、このように歩行時に重心位置を、ロボット重量を支持する足部側に移動させる。

（アクチュエータの構成）
この実施の形態のアクチュエータの一例を、図６に基づいて説明する。図６はアクチュエータの主要部を示す図である。上脚アクチュエータ６ａ２，６ｂ２、下脚アクチュエータ６ｃ２，６ｄ２、足アクチュエータ７ａ２，７ｂ２は、それぞれモータ３０と動力伝達機構３１によって構成され、動力伝達機構３１は駆動ギヤ３１ａと従動ギヤ３１ｂからなる。駆動ギヤ３１ａは、モータ３０の出力軸に固定され、従動ギヤ３１ｂは、上脚横軸６ａ１、６ｂ１、下脚横軸６ｃ１、６ｄ１、足横軸７ａ１、７ｂ１に固定され、それぞれの横軸を＋９０度〜ー９０度の範囲で回転する。

（重心移動手段の構成）
この実施の形態の重心移動手段の一例を、図７に基づいて説明する。図７は重心移動手段の主要部を示す図である。重心移動手段１０ａ，１０ｂは、重心位置を移動可能に支持する支持軸４０と、支持軸４０に沿わせて重心位置を移動させる重心移動アクチュエータ４１，４２とを有する。支持軸４０は、左右の下脚部６ｃ，６ｄの下側に固定されている。重心移動アクチュエータ４１，４２は、モータ４３と動力伝達機構４４によって構成され、動力伝達機構４４はピニオン４４ａとラック４４ｂからなる。ピニオン４４ａは、モータ４３の出力軸に固定され、ラック４４ｂは、左右の下脚部６ｃ，６ｄの上側に固定され、モータ４３の作動によって動力伝達機構４４が左右の下脚部６ｃ，６ｄの上側を、支持軸４０に沿わせて重心方向に移動させる。

（歩行動作）
この２足歩行ロボット１の歩行動作を、図８に基づいて説明する。まず、歩行前は、重心Ｇが左右の足部７ａ，７ｂの中間位置にあり（図８（ａ））、例えば右側の足部７ｂから歩行を開始しようとすると、右側の足部７ｂを持ち上げるから左側の足部７ａに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の左側の足部７ａに重心を乗せるように移動させる（図８（ｂ））。

その後に、予めパターンとして設定されている駆動により右側の足部７ｂを持ち上げで前方へ踏み出して歩行するが、左側の足部７ａに重心を乗せた状態である（図８（ｃ））。右側の足部７ｂを踏み出して着地するが、この右側の足部７ｂが着地した状態で、次は左側の足部７ａを持ち上げるから右側の足部７ｂに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の右側の足部７ｂに重心を乗せるように移動させる（図８（ｄ））。

次に、左側の足部７ａを持ち上げで前方へ踏み出して歩行するが、右側の足部７ｂに重心を乗せた状態である。左側の足部７ａを踏み出して着地するが、この左側の足部７ａが着地した状態で、次は右側の足部７ｂを持ち上げるから左側の足部７ａに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の左側の足部７ａに重心を乗せるように移動させる（図８（ｅ））。そして、右側の足部７ｂを持ち上げで前方へ踏み出して歩行するが、左側の足部７ａに重心を乗せた状態であり、図８（ｃ）から図８（ｅ）に示す動作を繰り返して歩行する。

このように、制御部８は、重心移動手段１０ａ，１０ｂを制御して歩行時に重心位置を、ロボット重量を支持する足部側に移動させることで、安価で、かつ簡易な構造で自ら前後、左右のバランスを取りながら安定した歩行ができる。また、簡単な機構によって重心を移動し、アクチュエータ数が少ないにも関わらず、２足歩行が可能である。

また、重心移動手段１０ａ，１０ｂは、重心位置を移動可能に支持する支持軸４０と、支持軸４０に沿わせて重心位置を移動させる重心移動アクチュエータ４１，４２とを有する構成であり、重心移動アクチュエータ４１，４２によって左右の下脚部６ｃ，６ｄの上側を、支持軸４０に沿わせて重心方向に移動させ簡単な構造で重心位置を移動させることができる。アクチュエータ数が少ないことで、脚部の重量を軽減でき、さらに位置制御を高速かつ安定的に保つことが可能である。

［第２の実施の形態］
（２足歩行ロボットの重心移動）
この第２の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に構成されるが、重心移動手段が、図９乃至図１１に示すように構成される。図９は２足歩行ロボットの重心がロボット中心である状態を示す図、図１０は２足歩行ロボットの歩行開始時の重心を示す図、図１１は２足歩行ロボットの歩行時の重心を示す図である。

この実施の形態の重心移動手段１０ａ，１０ｂは、重心位置を移動させる重心移動アクチュエータ１０ａ１，１０ｂ１と、２足歩行ロボットの向きを歩行進行方向に調整する向き調整アクチュエータ１０ａ２，１０ｂ２とを有する。

この実施の形態では、２足歩行ロボット１の重心Ｇがロボット中心であり（図９）、２足歩行ロボット１が歩行を開始するとき、例えば右側の足部７ｂから歩行を開始しようとすると、右側の足部７ｂを持ち上げるから左側の足部７ａに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の左側の足部７ａに重心を乗せるように移動させる（図１０）。

この左側の重心移動手段１０ａでは、重心移動アクチュエータ１０ａ１を駆動して重心位置を移動させると、２足歩行ロボット１の向きがやや右向きになるため、向き調整アクチュエータ１０ａ２を駆動して向きが歩行進行方向になるように調整する。この右側の重心移動手段１０ｂでも同様に、重心移動アクチュエータ１０ｂ１を駆動して重心位置を移動させると、２足歩行ロボット１の向きがやや右向きになるため、向き調整アクチュエータ１０ｂ２を駆動して向きが歩行進行方向になるように調整する。

その後に、右側の足部７ｂを持ち上げで前方へ踏み出して歩行するが、左側の足部７ａに重心を乗せた状態である（図１１）。右側の足部７ｂを踏み出して着地するが、この右側の足部７ｂが着地した状態で、次は左側の足部７ａを持ち上げるから右側の足部７ｂに重心を乗せる必要がある。したがって、左側の重心移動手段１０ａを駆動するとともに、右側の重心移動手段１０ｂを駆動して持ち上げない側の右側の足部７ｂに重心を乗せるように移動させる。

この左側の重心移動手段１０ａでは、重心移動アクチュエータ１０ａ１を駆動して重心位置を移動させると、２足歩行ロボット１の向きがやや左向きになるため、向き調整アクチュエータ１０ａ２を駆動して向きが歩行進行方向になるように調整する。この右側の重心移動手段１０ｂでも同様に、重心移動アクチュエータ１０ｂ１を駆動して重心位置を移動させると、２足歩行ロボット１の向きがやや左向きになるため、向き調整アクチュエータ１０ｂ２を駆動して向きが歩行進行方向になるように調整する。

この発明は、ペットに代わる癒やし系の高級玩具などとして用いられる２足歩行ロボットに適用でき、安価で、かつ簡易な構造で自ら前後、左右のバランスを取りながら安定歩行が可能である。

１ 足歩行ロボット
５ 腰部
６ａ，６ｂ 左右の上脚部
６ｃ，６ｄ 左右の下上脚部
７ａ，７ｂ 左右の足部
６ａ１，６ｂ１ 左右の上脚横軸
６ａ２，６ｂ２ 左右の上脚アクチュエータ
６ｃ１，６ｄ１ 左右の下脚横軸
６ｃ２，６ｄ２ 左右の下脚アクチュエータ
６ｃ，６ｄ 左右の下脚部
７ａ１，７ｂ１ 左右の足横軸
７ａ２，７ｂ２ 左右の足アクチュエータ
１０ａ，１０ｂ 左右の重心移動手段
１０ａ１，１０ｂ１ 左右の重心移動アクチュエータ
１０ａ２，１０ｂ１２ 向き調整アクチュエータ
４０ 支持軸
４１ 重心移動アクチュエータ
４３ モータ
４４ 動力伝達機構

Claims (3)

1. 腰部に取り付けられた左右の脚部と、
   前記脚部に各々取り付けられた足部と、
   前記脚部及び前記足部の動きを制御する制御部と、を備える２足歩行ロボットであり、
   前記左右の脚部に、重心位置を移動する重心移動手段を設け、
   前記制御部は、前記重心移動手段を制御して歩行時に重心位置をロボット重量を支持する足部側に移動させることを特徴とする２足歩行ロボット。
2. 前記重心移動手段は、
   重心位置を移動可能に支持する支持軸と、
   前記支持軸に沿わせて重心位置を移動させる重心移動アクチュエータと、を有することを特徴とする請求項１に記載の２足歩行ロボット。
3. 前記重心移動手段は、
   重心位置を移動させる重心移動アクチュエータと、
   ２足歩行ロボットの向きを歩行進行方向に調整する向き調整アクチュエータと、を有することを特徴とする請求項１に記載の２足歩行ロボット。