JP2659866B2 - 歩行ロボット装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば階段等の急な
傾斜面等の歩行を可能にした歩行ロボット装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ロボットの活動範囲を拡大するために
は、平坦地に限定されない移動機能が必要である。ロボ
ットの移動機構としては、車輪、無限軌道等の他に、脚
を形成し、この脚を動作させることによって歩行させる
ことが考えられている。

【０００３】不整地の代表的な環境である階段の昇降に
ついて検討すると、この様な歩行ロボットにあっては、
例えば触覚センサによって階段の存在を検知し、姿勢セ
ンサによって胴体を水平に保ちながら、任意ステップの
階段を昇降させる。

【０００４】この時、昇降可能な階段の傾斜度は２０°
程度であり、人間の通常使用している３０〜４０°程度
の階段に適用することが困難である。そして、この様な
通常の傾斜度の階段の昇降を可能にすることは、歩行機
械のための重要な開発目的となる。

【０００５】３０〜４０°の急傾斜の階段を、例えば４
足歩行機械が移動し難いのは、階段は本来２足歩行を行
う人間のために作られていることに起因する。４足歩行
機械によって階段を昇降しようとすると、前脚と後脚と
に大きな高低差が生ずる。

【０００６】そのため、階段の歩行中、４脚に自重支持
力を平均化するように胴体の重心を定め、しかも平坦地
と同様に移動効率の良いクロール歩容やトロット歩容を
実行させようとすると、図５の（ａ）に示すようにかな
り無理な姿勢を取らなければならない。

【０００７】さらに積載物資が多い状態であると、胴体
部の重心が必然的に高くなり、さらに無理な姿勢が要求
されるようになって、脚を階段のステップに接触させな
いように歩行動作を続けることがほとんど不可能とな
る。

【０００８】この様な問題を解決するためには、例えば
図５の（ｂ）で示すように、充分に長い脚を使用する
か、あるいは足首機構を有する多関節の脚を使用する必
要がある。あるいは胴体の重心を大きく左右へ移動させ
る歩容を導入することで、静的安定性が保持されるよう
になる。また、従来から知られている関節型の脚を使用
するものであれば、図５の（ｃ）で示すように、脚を横
方向に広げる姿勢を用いて、階段を上下することが考え
られる。

【０００９】しかし、実用的な面を考えると、脚を長く
したのでは全高が高くなり過ぎて不安定となり、また多
関節の脚を用いたのでは、特に軽量化することが要求さ
れる足先に余分な自由度を設置する必要が生ずる。さら
に脚を横に広げて歩行させるようにすると、必然的に歩
行速度が低くなり、動きの滑らかさが損なわれる。そし
て、さらにこの歩行機械の移動に広い幅が必要となり、
狭い階段で使用することができない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、特に幅の限られた急傾斜の
階段のような不整地であっても、安定して歩行すること
ができ、各種無人化した作業に効果的に使用できるよう
にした歩行ロボット装置を提供しようとするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る歩行ロボ
ット装置は、胴体となる本体に例えば４本の脚体が形成
されるものであり、その各脚体はそれぞれ垂直にした支
持柱を備え、この支持柱には第１および第２のスライド
支持体が取り付けられる。この第１および第２の支持体
には、それぞれ第１および第２のリンクの一端を結合
し、第１のリンクの中央部に第２のリンクの他端が結合
されるようにする。また、各脚体を構成する脚本体部
は、前記第一のリンクの他端に中央部が結合される第１
の幹体と、この第１の幹体部分で相互にスライド自在に
連結される第２および第３の幹体とによって構成され、
第１の幹体の第２の幹体方向の端部に設けた滑車機構を
介して、前記支持柱の先端と第２の幹体の上端部との間
にワイヤを設定させるようにしている。

【００１２】

【作用】この様に構成される歩行ロボット装置によれ
ば、第１および第２のスライド支持体を同時に移動さ
せ、あるいは第２のスライド支持体のみを移動させる
と、脚本体の傾斜角度が変化されると共に、脚本体の長
さが変化されるようになる。そして、この間長さの変化
に伴って、この脚本体の先端部が水平状あるいは垂直状
に移動され、例えば階段面に沿った移動がされて、階段
の昇降を行う歩行制御が効果的に行われる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１は１つの脚体機構11を取り出して示した
もので、この脚体機構11は胴体によって構成された本体
部に対して、例えば４脚取り付けられる。この脚体機構
11は、ボールネジによって駆動されるスライダークラン
ク機構と、それによって駆動されるテレスコープ状の脚
部と、足先の姿勢を調整する機構とによって構成され
る。

【００１４】まず、スライダークランク機構は図２の
（ａ）に略図化して示すように、ボールスプラインによ
る支持柱12を備え、この支持柱12に嵌め込み設定され、
それぞれこの支持柱12に沿って上下にスライド自在にし
た第１および第２のスライド支持体13および14を有す
る。そして、このスライド支持体13および14それぞれ
に、一端部がピン等によって回動自在に連結して第１お
よび第２のリンク15および16を設け、第１のリンク15の
中央部分に第２のリンク16の他端が回動自在に結合され
る。

【００１５】第１および第２のスライド支持体15および
16には、それぞれ水平方向に延びるようにして一体的に
結合体17および18が設けられ、これら結合体17および18
はそれぞれ支持柱12と平行に設定されるボールネジ19お
よび20に螺合保持される。そして、ボールネジ19あるい
は20が回転されることによって、結合体17あるいは18が
上下の方向に移動され、スライド支持体15あるいは16が
支持柱12に沿って上下の方向に移動制御されるようにす
る。そして、支持柱12、ボールネジ19、20の上端部は、
図示しない胴体部に結合される本体支持台21に結合さ
れ、この本体支持台21部に、支持柱12の上端に対応して
脚支持台22が設定される。ここで、支持台22は、詳細は
図示していないが支持柱12を回転角制御して駆動し、第
１および第２のリンク15および16が水平面内で回動制御
されるようにする。

【００１６】この様に構成される機構において、例えば
スライド支持体13および14に対応するリンク15、16の一
端ＡおよびＢを同時に上下の方向に移動させると、第１
のリンク15の先端Ｄは水平の方向（ｒの方向）に動く。
そして、支持柱12が回転されると、端部Ｄはθの方向に
回転運動するもので、端部Ｄ点は円筒座標運動を行うよ
うになる。

【００１７】この様な運動を足先の動きとして利用する
には、例えば図２の（ｂ）で示すように垂直足首を使用
する方法も考えられる。しかし、このままでは可動範囲
が狭く実用に供し難く、端部Ｄ点の動きを拡大して利用
する必要がある。

【００１８】この様な運動拡大機構としては、一般に図
２の（ｃ）で示すようなパンタグラフ機構が用いられ
る。この様な機構において回転軸Ｅは中心軸となる支持
柱12に連結されている。

【００１９】この実施例においては、この様なパンタグ
ラフ機構と同様の効果を直動機構によって生成するもの
で、第１のリンク15の端部Ｄに連結される脚本体23は、
この点Ｄの移動に対応して伸縮されるようになってい
る。

【００２０】図３の（ａ）および（ｂ）はその原理的な
構成を示すもので、第１のリンク15の先端Ｄ点に連結さ
れる外層部を構成するシリンダからなる第１の幹体24を
備える。この第１の幹体24の内部には、同軸的に中層部
を構成するシリンダで構成した第２の幹体25を設定し、
この第２の幹体25の上端は支持台22に設定した支軸とな
るＥ点に回動自在に連結する。さらにこの第２の幹体25
の先端方向には、同じくシリンダによって構成した内層
部となる第３の幹体26が設定されるもので、この第３の
幹体26は足先を構成するようになる。

【００２１】第１の幹体24の下端部には、例えば一対の
滑車271 、272 が取り付けられ、この滑車271 および27
2 をそれぞれ介して、第３の幹体26の上端部とリンク28
の両端部との間にワイヤ291 および292 が張設される。
リンク28は点Ｅを支点に回動自在に取り付けられてお
り、２本のワイヤ291 および292 の張力を常時均等化す
るために作用している。

【００２２】第３の幹体26の下端のＦ点は、このＦ点と
第１リンク15が結合されるＤ点との距離が、このＤ点と
Ｅ点との距離と等しくなる位置に設定されている。した
がって、Ｅ点を支持台22によって固定し、第１のリンク
15によって点Ｄが移動されることによって、点Ｆはその
２倍の速度で動くようになり、図２の（ｃ）で示したパ
ンタグラフ比２のパンタグラフ機構と等価の運動特性を
有する。そして、足先となる点ＦはＤ点の３次元運動を
２倍に拡大した円筒座標運動を行う。

【００２３】この様な脚本体23の垂直方向の運動のうち
で、伸展方向にはこの歩行機械の重量を支持する大きな
力が必要である。しかし、逆に収縮方向の運動は脚を浮
かすものであるため、この脚自体を引き上げる程度の力
を発生すれば充分である。

【００２４】したがって、この脚本体23にあっては第３
の幹体26による足先の上方への引き上げる力は、スプリ
ング30によって発生されるようにしている。これは上記
したような特性を利用し、機構を単純化するためであ
り、さらにこの脚機構の収縮運動をスプリング30によっ
て行わせることによって、バックラッシュを効果的に抑
制できるようになる。

【００２５】この様な脚本体23の機構において、第１の
幹体24は第１のリンク15と点Ｄで連結され、滑車271 、
272 を保持している機能のみではなく、第２の幹体25と
第２の幹体26との曲げ方向の強度を強化する機能をも備
えている。特に図３の（ｂ）で示すように脚を伸展した
状態では、第１の幹体24が存在しない状態では、支持力
を発生するためのモーメント力で、第２の幹体25と第３
の幹体26の連結部に大きな応力ｆe が発生し、そのため
負荷荷重が低下して摺動摩擦が増大する問題が発生す
る。しかし、第１の幹体24で第２の幹体25と第３の幹体
26の連結部が支持され、小さな応力ｆa でモーメントが
支持されるようになり、この様な問題が解決される。

【００２６】また、この様な脚機構においては、θ軸回
りの回転力は、支持柱12から上部の支持台22と、リンク
15および16からなるリンク機構を介して伝達され、この
ためこの脚本体23は脚全体としての剛性が高い特性を有
する。

【００２７】足先が常に水平状態に保たれるようにする
ため、図３の（ｃ）で示すような機構を導入した。この
図において、一対のワイヤ341 および342 のそれぞれ端
部はプーリ35に固定されている。このプーリ35は足先の
固定され、点Ｆに設定した軸回りに回転自在に支持され
ている。このプーリ35に端部を固定された一対のワイヤ
341 および342 は、点Ｅに回転自在に支持されたプーリ
36（プーリ35と同一の径）を介して、定張力スプリング
機構37に連結され、一緒に牽引されるようにしている。
したがって、ワイヤ341 、342 は脚の長さが変化したと
きに、この両者共同じ割合でその長さが変化し、そのた
めプーリ35および36の方向は常に一定に保たれる。この
平行姿勢保持モードはワイヤ341 、342 張力とプーリ35
の半経の積である。この範囲を越えるモーメントが足先
に作用すると、足先は弾性的に変化するようになる。
尚、ここで使用しているスプリング機構37は、スプリン
グ３０の機能も兼用できるものである。この様に構成さ
れる脚本体２３の特徴を整理すると次のようになる。

【００２８】まず、脚体が屈曲されないものであるた
め、階段との機械的な干渉が小さい。また静止して作業
するに際しては、作業の邪魔にならない支持脚とするこ
とができる。第２に球座標的な運動を行う脚機構である
が、足先は実際には円筒座標的に駆動される。このた
め、コンパクトに構成することができる。

【００２９】第３に脚を振り回すときの慣性モーメント
が、膝が外に張り出した屈曲型の脚機構に比較すると、
はるかに小さく構成でき、動的歩行に適するようにな
る。第４に機械的に合成が高く、また摺動機構を含むが
第１乃至第３の幹体24〜26による３層シリンダ機構の効
果や、ドライベアリングを使用したシリンダ表面処理等
によって低摩擦化が可能である。

【００３０】急傾斜の階段等で胴体を水平に保持しなが
ら昇降するために、図５の（ｂ）で示したように長い脚
が要求される。この様な非現実的な設計を廃止し、現実
的な脚長での歩行を実現するため、さらに工夫を施し
た。すなわち、図４の（ａ）で示すように、胴体となる
本体40を前後に２分割して前部本体411 および後部本体
412 とし、この各本体411 および412 の相互を、上下に
スライドできる節体幹機構42によって結合する。この様
に構成すれば、例えば４０°までの傾斜の階段におい
て、クロール歩容が可能とされた。図５の（ｂ）は、こ
の様な脚機構の可動範囲と通常の階段ステップとの相対
関係を示している。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る歩行ロボッ
ト装置によれば、例えば階段のような不整地の補講が容
易且つ確実に行えるようになるものであり、特に傾斜角
度の大きい階段の昇降も容易に行える。したがって、各
種作業用ロボットとして効果的に機能できるものであ
り、歩行路面の状態に関わりなく適用可能とされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係る歩行ロボット装置
の１つの脚部分を取り出して示す図

【図２】 図１に示した脚を模式的に説明するもので、
（ａ）はリンク機構の構成を示す図、（ｂ）および
（ｃ）はそれぞれこのリンク機構に関連したパンタグラ
フ機構を説明する図。

【図３】 上記脚機構の脚体部を説明するもので、
（ａ）は全体的な構成を帆説明する図、（ｂ）は幹体部
分の構成を説明する図、（ｃ）は足先の制御機構を説明
する図。

【図４】 本体部の構成例を示すもので、（ａ）は側面
から見た模式的構成図、（ｂ）は動作範囲を説明する
図。

【図５】 階段を昇降する状態を示しているもので、
（ａ）は側面から見た図、（ｂ）は脚の状態を示す図、
（ｃ）は昇降時の斜視図。

【符号の説明】

11…脚体機構、12…支持柱、13、14…第１および第２の
スライド支持体、15、16…第１および第２のリンク、1
9、20…第１および第２のボールネジ、23…脚本体、24
〜26…第１乃至第３の幹体（シリンダ）、271 、272 …
滑車、28…リンク、29…ワイヤ、30…スプリング。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体を支える複数の脚体を備え、この脚
   体によって前記本体を歩行し移動させるロボットであっ
   て、この本体を支える脚体はそれぞれ、 前記本体に垂直の状態で取り付け設定された支持柱と、 この支持柱にその長手方向に沿って移動自在に取り付け
   られた第１および第２のスライド支持体と、 この第１および第２のスライド支持体をそれぞれ前記支
   持柱に沿って移動制御する第１および第２の駆動機構
   と、 前記第１のスライド支持体にその一端が回動自在に連結
   された第１のリンクと、 前記第２のスライド支持体に一端が回動自在に連結さ
   れ、他端が前記第１のリンクの中央部分に回動自在に連
   結された第２のリンクと、 一端が前記支持柱の上端部に回動自在に結合され、中間
   部分が前記第１のリンクの他端に回動自在に結合された
   脚本体とを具備し、この脚本体は、 前記第１のリンクの先端に回動自在に取り付けられた第
   １の幹体と、 一端を前記支持柱の上端部に回動自在に結合され、他端
   が前記第１の幹体の内部に挿入設定された第２の幹体
   と、 前記第１の幹体の内部で、前記第２の幹体の他端にこの
   幹体の長手方向に沿ってスライド自在に結合され、先端
   に接地脚が連結された第３の幹体と、 前記第１の幹体の前記接地脚の方向に端部に取り付けら
   れた滑車機構を介して、前記第２の幹体の上端部と前記
   第３の幹体の前記接地脚とは反対側の端部との間に設定
   されたワイヤと、 を含み構成され、前記第１および第２の駆動機構が独立
   的に、また単独で動作されるようにしたことを特徴とす
   る歩行ロボット装置。
2. 【請求項２】 前記本体は、前部本体部および後部本体
   部に分割して構成され、この各本体部にはそれぞれ少な
   くとも１対の脚本体を備えるもので、前記前部本体およ
   び後部本体は、互いに上下方向にスライドさせる結合機
   構によって連結されるようにした請求項１の歩行ロボッ
   ト装置。