JP2017153896A

JP2017153896A - 玩具用二足歩行ロボット

Info

Publication number: JP2017153896A
Application number: JP2016042604A
Authority: JP
Inventors: 素弘中村; Motohiro Nakamura
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2017-09-07

Abstract

【課題】腰部以下の自由度を半減するとともに、ヒューマノイドロボットと遜色のない動作を実現できる機構を備えた玩具用二足歩行ロボットを提供する。
【解決手段】腰部２、平行リンク部３、左右の脚部４Ａ，４Ｂ、左右の足部５Ａ，５Ｂを備える。平行リンク部は、左側部材１４ａ、右側部材１４ｂ、前側部材１４ｃ及び後側部材１４ｄの各端部を互いに回動可能に連結し、前側部材と後側部材の各中間部を腰部に回動可能に連結して、前側部材と後側部材の少なくともいずれかを回転駆動可能に設け、左側部材と右側部材を前後方向に進退可能に設けた。左右の脚部は、平行リンク部の左右の側部材に上端が取り付けられた上脚部１７に下脚部１８を伸縮駆動可能に設けた。左脚部と右脚部のそれぞれに、左脚部と右脚部の伸縮に応じて屈伸する外装体６Ａ，６Ｂを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は腰部以下の自由度が少ないわりに高自由度のヒューマノイドロボットと遜色のない動作を実現できる玩具用二足歩行ロボットに関する。

現在、二足歩行するロボットには、関節が１７−２１自由度の高機能のヒューマノイド型、５自由度程度の簡易型がある。関節自由度が多いヒューマノイド型はその動作やシルエットが人間の体に近いものになるが、関節自由度が少ない簡易型はヒューマノイドからかけ離れたものとなり、動作も稚拙である。

玩具や教材用のロボットとして、自由度が大きいものは高価であり、制御が煩雑となる。自由度が少ないものは安価であり、制御は容易であるが、再現できる動作がヒューマノイドとかけ離れているため、教材として適さない。このようにロボット教材に適したものが少ないことから、学童や学生のロボットに対する学習意欲が湧きにくく、ロボットを用いた制御や計測、プログラミング等の教育が普及していないのが現状である。

従来、腰部から下の下半身を低自由度した二足歩行ロボットとして、例えば特許文献１、２にはリンクにより脚を持ち上げて前後に移動させるもの、特許文献３にはボールねじ機構で脚を伸縮させるものが提案されている。

しかし、前者のロボットでは、上半身の重心を前後方向に移動させる機構が別途必要である。また後者のロボットの脚を伸縮させる動作は、ヒューマノイドの動作とは言えないものであった。

特開２００２−５２４８３号公報特開２００２−３０６８５８号公報特開２００３−２６６３３７号公報

本発明は、ヒューマノイドの二足歩行の重要な役割を担う腰部以下の自由度が１０−１４であるものに比べて、腰部以下の自由度を半減するとともに、ヒューマノイドロボットと遜色のない動作を実現できる機構を備えた玩具用二足歩行ロボットを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、
（１）腰部と、
左側部材、右側部材、前側部材及び後側部材の各端部を第１、第２、第３、第４連結軸回りに互いに回動可能に連結し、前記前側部材と前記後側部材の各中間部を前記腰部に第５、第６連結軸回りに回動可能に連結して、前記前側部材と前記後側部材の少なくともいずれかを前記第５連結軸又は第６連結軸の回りに回転駆動可能に設け、前記左側部材と前記右側部材を前後方向に進退可能に設けた平行リンク部と、
前記平行リンク部の前記左側部材に上端が取り付けられた上脚部に下脚部を伸縮駆動可能に設けた左脚部と、
前記平行リンク部の前記右側部材に上端が取り付けられた上脚部に下脚部を伸縮駆動可能に設けた右脚部と、
前記左脚部の前記下脚部の下端に前後方向に延びる支軸の回りに回転駆動可能に設けた左足部と、
前記右脚部の前記下脚部の下端に前後方向に延びる支軸の回りに回転駆動可能に設けた右足部と、
前記左脚部と前記右脚部のそれぞれに、前記左脚部と前記右脚部の伸縮に応じて屈伸する外装体と、を備えた二足歩行ロボットである。

前記手段による二足歩行ロボットは、平行リンク部で１自由度、左右の脚部の伸縮に各１自由度で合計２自由度、左右の足部の回転に各１自由度で合計２自由度、総計５自由度の構成である。平行リンク部により左右の脚部が前後に移動可能となる。左右の脚部の上脚部と下脚部の伸縮に応じて外装体が屈伸するので、脚部が３自由度で屈伸しているように見える。左右への体重移動は、左右の足部の回転動作により可能である。

（２）前記外装体は、
前記左脚部と前記右脚部の前記上脚部の前面及び側面を覆うように前記上脚部の上端に回動可能に取り付けた腿外装部と、
前記左脚部と前記右脚部の前記下脚部の前面及び側面を覆うように前記下脚部の下端に回動可能に取り付けた脛外装部とを有し、
前記腿外装部の下端と前記脛外装部の上端を互いに回動可能に連結して、前記脚部の伸縮に応じて前後に屈伸可能に設けることが好ましい。
これにより、伸縮する左右の脚部の上脚部と下脚部が外装体に隠れるので、外装体が屈伸して歩行しているように見える。

（３）前記腰部は、下腰部と、前記下腰部に左右方向に延びる支軸の回りに回転駆動可能に設けた上腰部とからなることが好ましい。
これにより、上腰部を下腰部に対して前方に回転させることで、上半身を前側に荷重移動し、後ろの遊脚の引き上げ時や、前の支持脚の踏み込み時に、後方に転倒するのを防止できる。

（４）前記左足部と前記右足部の裏面の内側に滑り止め部材を配設することが好ましい。
これにより、支持脚側は滑り止め部材が接地した状態、遊脚側は滑り止め部材が浮いた状態とすることで、滑り脚歩行をすることができるほか、遊脚側を完全に床面から離した歩行をすることができる。

（５）前記左脚部と前記右脚部の前記上脚部の付け根が左右に離れ、前記左脚部と前記右脚部がハの字形に開くように取り付けることが好ましい。
これにより、左右の脚部の伸縮動作と、滑り止め部材の連動により、左右方向に移動させることができる。

本発明によれば、腰部以下の自由度が半減し、見た目でヒューマノイドロボットと遜色のない動作を実現できる。また、自由度の減少によりモータの数が減少し、コストを大幅に削減することができる。さらに、様々なプログラムにより、左右移動、その場旋回、滑り脚歩行等、従来の玩具用二足歩行ロボットにない新しい動作も行わせることができる。

本発明の実施形態に係る二足歩行ロボットの斜視図。図１の二足歩行ロボットの正面図。図２の二足歩行ロボットの右側面図。図２の二足歩行ロボットの背面図。図２の二足歩行ロボットの底面図。図１の二足歩行ロボットの前進動作を示す斜視図。図６の前進動作する二足歩行ロボットの側面図及び平面図。図１の二足歩行ロボットの左右方向の動作を示す正面図。

次に、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。以下の説明において、左右、前後、及び上下は、ロボットから見た方向である。

図１は、本発明に係る玩具用二足歩行ロボット１の下半身を示す。二足歩行ロボット１は、腰部２、平行リンク部３、左脚部４Ａ、右脚部４Ｂ、左足部５Ａ、右足部５Ｂ、及び外装体６Ａ，６Ｂから構成されている。

腰部２は、上腰部７と下腰部８からなる。上腰部７は、下腰部８に左右方向に延びる支軸９の回りに回転可能に連結され、図示しない上半身を前後方向に移動させることができる。下腰部８には、上腰部７を回転駆動する腰駆動モータ１０が配置されている。駆動モータ１０の駆動軸に設けた回転板１１にはリンク１２の一端が回動可能に連結され、リン
ク１２の他端は上腰部７に回動可能に連結されている。腰駆動モータ１０を駆動することにより、リンク１２を介して上腰部７を前後に傾けることができる。また、下腰部８には、後述する平行リンク部３の後側部材１５ｂを左右に回転駆動するリンク駆動モータ１３が配置されている。

平行リンク部３は、左側部材１４ａ、右側部材１４ｂ、前側部材１５ａ及び後側部材１５ｂからなり、各部材の端部を第１、第２、第３、第４連結軸１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの回りに互いに回動可能に連結し、前側部材１５ａと後側部材１５ｂの各中間部を下腰部８に第５、第６連結軸１６ｅ、１６ｆの回りに回動可能に連結したものである。後側の第６連結軸１６ｆには、下腰部８に配置されたリンク駆動モータ１３の駆動軸が直結されている。リンク駆動モータ１３を駆動することにより、後側部材１５ｂを第６連結軸１６ｆ回りに回転駆動することで、平行リンク部３の左側部材１４ａと右側部材１４ｂを前後方向に進退させることができる。

左脚部４Ａは、平行リンク部３の左側部材１４ａに上端が取り付けられた上脚部１７と、該上脚部１７に垂直方向に伸縮駆動可能に設けた下脚部１８とからなる。上脚部１７と下脚部１８は入れ子式（テレスコピック）になっていて、実施例では上脚部１７が筒状の下脚部１８に挿入された構造を有しているが、これに限るものではない。例えば、上脚部１７と下脚部１８のいずれか一方に溝を設け、他方が当該溝に摺動する構造でもよい。図２、図４に示すように、上脚部１７には、左脚部４Ａを伸縮させる脚駆動モータ１９が配置されている。脚駆動モータ１９の駆動軸にはレバー２０が取り付けられ、該レバー２０の先端にはカムピン２１が設けられている。カムピン２１は、下脚部１８の上端縁に形成した水平なカム孔２２に嵌入している。脚駆動モータ１９を駆動することにより、レバー２０が回動し、レバー２０の先端のカムピン２１が下脚部１８のカム孔２２の縁を押圧して、下脚部１８を上脚部１７に対して相対的に伸縮移動させることができる。

右脚部４Ｂは、ロボット中心線に対して、左脚部４Ａと線対称に配置され、左脚部４Ａと同一の構造を有しているので、説明を省略する。図２に示すように、左脚部４Ａと右脚部４Ｂは、上脚部１７の付け根が左右に離れ、左脚部４Ａと右脚部４Ｂがハの字形に開くように取り付けられている。

左足部５Ａは、左脚部４Ａの下脚部１８の下端に前後方向に延びる支軸２３の回りに回転可能に設けられている。左足部５Ａには、図３、図４に示すように、左脚部４Ａに対して左足部５Ａを回動させる足駆動モータ２４が配置されている。足駆動モータ２４の駆動軸に設けた回転板２５にはリンク２６の一端が回動可能に連結され、リンク２６の他端は下脚部１８に回動可能に連結されている。足駆動モータ２４を駆動すると、リンク２６を介して左足部５Ａを左右に傾けることができる。左足部５Ａの裏には、図５に示すように、内側に滑り止め部材２７が取り付けられている。滑り止め部材２７としては、ゴムを使用することができる。

右足部５Ｂは、ロボット中心線に対して、左足部５Ａと線対称に配置され、左足部５Ａと同一の構造を有しているので、説明を省略する。

左右の外装体６Ａ、６Ｂは、左脚部４Ａと右脚部４Ｂの伸縮に応じて屈伸するものであり、腿外装部２８と脛外装部２９とからなっている。腿外装部２８は、左右の脚部４Ａ、４Ｂの上脚部１７の前面及び側面を覆うように、上脚部１７の上端に連結軸３０ａを介して回動可能に取り付けられている。脛外装部２９は、左右の脚部４Ａ．４Ｂの下脚部１８の前面及び側面を覆うように下脚部１８の下端に連結軸３０ｂを介して回動可能に取り付けられている。腿外装部２８の下端と脛外装部２９の上端は連結軸３０ｃを介して互いに回動可能に連結されている。外装体６Ａ，６Ｂは、左右の脚部４Ａ，４Ｂの伸縮に応じて前後に屈伸可能になっている。外装体６Ａ，６Ｂは、ゴムやプラスチック等で腿外装部２８と脛外装部２９が一体に形成されて中央で屈曲可能な構造でもよい。

腰駆動モータ１０、リンク駆動モータ１３、脚駆動モータ１９及び足駆動モータ２４は、サーボモータからなり、腰部２等の適宜箇所に設けた制御装置３１により駆動制御される。

二足歩行ロボット１は、平行リンク部３で１自由度、左右の脚部４Ａ，４Ｂの伸縮に各１自由度で合計２自由度、左右の足部６Ａ，６Ｂの回転に各１自由度で合計２自由度、総計５自由度の構成であり、腰部２の１自由度を含めると総計６自由度であり、従来のヒューマノイドの腰部以下の自由度が１０−１４であるのに比べて、ほぼ半減している。

次に、以上の構成からなる玩具用二足歩行ロボット１の動作を説明する。

図６、図７は、正立状態から左脚を１歩進めるまでの二足歩行ロボット１の前進動作を示す。正立状態（図６（ａ）、図７（ａ）、（ａ’））から、左右の足駆動モータ２４を駆動して全体を右側に重心移動しながら、左脚部４Ａの脚駆動モータ１９を駆動して左脚を収縮させる（図６（ｂ）、図７（ｂ）、（ｂ’））。右側への重心移動は、左右の足部６Ａ，６Ｂの動作比率をｎ：１にすることで可能である。左脚４Ａが十分に上がると（図６（ｃ）、図７（ｃ）、（ｃ’））、平行リンク部３のリンク駆動モータ１３を駆動して、平行リンク部３の左側部材１４ａを前方に移動させる（図６（ｄ）、図７（ｄ）、（ｄ’））。平行リンク部３の左側部材１４ａが十分に前方に移動すると、右足部５Ｂの足駆動モータ２４を駆動して全体を左に体重移動しながら、左脚部４Ａの脚駆動モータ１９を駆動して左脚部４Ａを伸長させる（図６（ｅ）、図７（ｅ）、（ｅ’））。次に、右脚部４Ｂを１歩進めるが、この動作は左脚部４Ａの１歩目の動作と同様であり、これを繰り返すことで前進歩行することができる。後退動作は、前進動作と逆である。図８は、二足歩行ロボット１の左右方向への体重移動を示す。

このように、平行リンク部３により左右の脚部４Ａ，４Ｂが前又は後に移動可能である。また、左右の脚部４Ａ，４Ｂの上脚部１７と下脚部１８の伸縮に応じて外装体６Ａ，６Ｂが屈伸するので、左右の脚部４Ａ，４Ｂが３自由度で屈伸しているように見える。したがって、腰部２以下の自由度が半減していても、ヒューマノイドロボットと遜色のない動作が可能である。

歩行の間、リンク駆動モータ１０による平行リンク部３の左右側部材１４ａ、１４ｂの前後方向の移動速度を変えることにより、歩行速度を任意に変更することができる。また、リンク駆動モータ１０による左右側部材１４ａ、１４ｂの前後方向の移動距離を変えることで、歩幅を任意に変更することができる。

さらに、歩幅が大きくなったとき等、腰駆動モータ１０を駆動して上腰部７を下腰部８に対して前方に回転させることで、上半身を前側に荷重移動し、後の遊脚の引き上げ時や、前の支持脚の踏み込み時に、二足歩行ロボット１が後方に転倒するのを防止できる。

左足部５Ａと右足部５Ｂの裏面の内側に配設されている滑り止め部材２７は、左右の足部５Ａ，５Ｂを床目に対して制動（ブレーキ）させる作用がある。このブレーキ作用を利用して、次のような動作を行わせることができる。すなわち、支持脚側は滑り止め部材２７が接地した状態、遊脚側は滑り止め部材２７が浮いた状態とすることで、滑り脚歩行をすることができる。また、遊脚側を完全に床面から離した歩行（その場旋回）をすることができる。

左脚部４Ａと右脚部４Ｂがハの字形に開くように取り付けられていることから、左右の脚部４Ａ，４Ｂの伸縮動作と、滑り止め部材２７の連動により、左右方向に移動させることができる。

本考案は、前記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の発明の範囲内で種々変更することができる。例えば、腰部、平行リンク部、左右の脚部、左右の足部の駆動機構は前記実施例のリンクやカム機構に限らず、ギヤ機構等を用いることができる。

本発明は、玩具だけでなく、ダンス等を行わせるエンターテインメント、ロボット同士の格闘技やスポーツ等の競技、学生のプログラミング学習用の教材としても利用することができる。

１二足歩行ロボット
２腰部
３平行リンク部
４Ａ左脚部
４Ｂ右脚部
５Ａ左足部
５Ｂ右足部
６Ａ外装体
６Ｂ外装体
７上腰部
８下腰部
９支軸
１０腰駆動モータ
１１回転板
１２リンク
１３リンク駆動モータ
１４ａ左側部材
１４ｂ右側部材
１５ａ前側部材
１５ｂ後側部材
１６ａ−１６ｆ連結軸
１７上脚部
１８下脚部
１９脚駆動モータ
２０レバー
２１カムピン
２２カム孔
２３支軸２３
２４足駆動モータ
２５回転板
２６リンク
２７滑り止め部材
２８腿外装部
２９脛外装部
３０ａ−３０ｃ連結軸
３１制御装置

Claims

腰部と、
左側部材、右側部材、前側部材及び後側部材の各端部を第１、第２、第３、第４連結軸回りに互いに回動可能に連結し、前記前側部材と前記後側部材の各中間部を前記腰部に第５、第６連結軸回りに回動可能に連結して、前記前側部材と前記後側部材の少なくともいずれかを前記第５連結軸又は第６連結軸の回りに回転駆動可能に設け、前記左側部材と前記右側部材を前後方向に進退可能に設けた平行リンク部と、
前記平行リンク部の前記左側部材に上端が取り付けられた上脚部に下脚部を伸縮駆動可能に設けた左脚部と、
前記平行リンク部の前記右側部材に上端が取り付けられた上脚部に下脚部を伸縮駆動可能に設けた右脚部と、
前記左脚部の前記下脚部の下端に前後方向に延びる支軸の回りに回転駆動可能に設けた左足部と、
前記右脚部の前記下脚部の下端に前後方向に延びる支軸の回りに回転駆動可能に設けた右足部と、
前記左脚部と前記右脚部のそれぞれに、前記左脚部と前記右脚部の伸縮に応じて屈伸する外装体と、を備えたことを特徴とする二足歩行ロボット。
前記外装体は、
前記左脚部と前記右脚部の前記上脚部の前面及び側面を覆うように前記上脚部の上端に回動可能に取り付けた腿外装部と、
前記左脚部と前記右脚部の前記下脚部の前面及び側面を覆うように前記下脚部の下端に回動可能に取り付けた脛外装部とを有し、
前記腿外装部の下端と前記脛外装部の上端を互いに回動可能に連結して、前記脚部の伸縮に応じて前後に屈伸可能に設けたことを特徴とする請求項１に記載の二足歩行ロボット。
前記腰部は、下腰部と、前記下腰部に左右方向に延びる支軸の回りに回転駆動可能に設けた上腰部とからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の二足歩行ロボット。
前記左足部と前記右足部の裏面の内側に滑り止め部材を配設したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の二足歩行ロボット。
前記左脚部と前記右脚部の前記上脚部の付け根が左右に離れ、前記左脚部と前記右脚部がハの字形に開くように取り付けたことを特徴とする請求項４に記載の二足歩行ロボット。