JP3134198U - 短脚２足歩行型ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】関節数およびアクチュエータの使用個数が少なく、複雑な制御プログラムも不要で、小型、軽量化および低廉化を実現でき、それでいて歩行状態が安定し、かつ、愛嬌があり親しみの持てるペットロボットとして好適な短脚２足歩行型ロボットを提供する。
【解決手段】下半身側に上半身に対し相対的に短い２本の脚を有するロボットであって、左右に重心移動可能な上半身部体とこれに連なる下半身部体を有し、下半身部体には、重心移動した状態で重心の乗っていない側の遊脚を広げる手段と、重心移動した状態で重心の乗っている側の支持脚を回転させて遊脚を前方に振り出す手段とを備えた。
【選択図】図３

Description

本考案は２足歩行型ロボット、とりわけペットロボットとして好適な短脚２足歩行型ロボットに関する。

２足歩行型ロボットは種々のものが開発、提案されているが、人のように脚を前に出す歩行形式が一般的であり、この場合には、通常、片足に６関節、両足で計１２関節を必要とする。このため、多くのモータを必要とし、構造も大型、複雑化し、多大な費用と複雑な制御プログラムを必要とする問題があった。

ところで、高齢化社会の到来とともに、一人暮らしの寂しさを紛らわせたり、認知症の改善や発症抑制の対策を講ずる必要が生じており、そのひとつの手段として、歩行型のペットロボットが効果的であるといわれているが、前記先行技術ではいまだこの要望に応えうるとはいえなかった。

足の短い歩行ロボットとしては、有限会社浅草ギ研の「４軸二足歩行ロボットＡＴ−ＷＡＬＫＥＲ」が知られている。このロボットは、脚部４関節のみの機構であり、歩行がままならないのが現状である。また、脚部における回転軸の配置の関係から、重心を片足に乗せきり、足を前に振り出すためにヨー軸を回転させると、ロボット全体が斜め前方に回転してしまうため、バランスがよくないという問題があった。このため、歩行型のペットロボットとしては実用性に欠けるうらみがあった。
特許第３７２９４５９号公報

本考案は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、関節数およびアクチュエータの使用個数が少なく、複雑な制御プログラムも不要で、小型、軽量化および低廉化を実現でき、それでいて歩行状態が安定し、かつ、愛嬌があり親しみの持てるペットロボットとして好適な短脚２足歩行型ロボットを提供することにある。

上記目的を達成するため本考案は、下半身側に上半身に対し相対的に短い２本の脚を有するロボットであって、左右に重心移動可能な上半身部体とこれに連なる下半身部体を有し、下半身部体には、重心移動した状態で重心の乗っていない側の遊脚を広げる手段と、重心移動した状態で重心の乗っている側の支持脚を回転させて遊脚を前方に振り出す手段とを備えたことを特徴としている。

本考案によるときには、人型歩行のように左右に重心移動した状態から片足を前方に振り出すのでないので、関節数を少なくすることができ、それにより関節を動かすモータの数も減じることができ、複雑な制御プログラムが不要であるため、安価に製作できる。それでいながら、足が短く、上半身を揺すって遊脚を広げ固定脚を回転させて脚を前に出す回転型歩行であるため、ユーモラスで、親しみを持つロボットとすることができる。

好適には、全高に対し１／３以下の脚長を持つ２足歩行型ロボットであって、腰フレームの中央部にロール軸とこれを駆動する回転用モータを配置し、ロール軸上には重心位置を移動させるための重錘機能をはたす上半身部体を連設し、腰フレームの左右には、それぞれ下端に接地ベース部を有する２関節の脚を配し、各脚は、上部にロール軸とこれを駆動する回転モータを、下部にヨー軸とこれを駆動する回転モータを設けている。
なお、本考案において、ピッチ軸回転はＸ軸周りの回転を、ロール軸回転はＹ軸周りの回転を、ヨー軸回転はＺ軸周りの回転をそれぞれ指すものとする。

上記構成によれば、片足２関節、両足で４関節、歩行に最小限必要な関節として腰部に１関節、計５関節のみで歩行が可能であり、モータの使用個数が少ないため、構造が簡単で、軽量、小型なものにすることができるとともに、複雑な制御プログラムが不要であるため、安価に製作できる。
また、脚部の回転軸の配置が上から下にロール軸、ヨー軸の順となっているため、重心を片足に乗せきり、足を前に振り出すべくヨー軸を回転させても、ロボットはヨー軸を回転させる前の状態を保ちながら回転することが可能なため、非常に安定した歩行を行うことができる。
また、上半身部体の付け根をロール軸回転させて左右に振ることにより横方向の重心位置を移動させるため、回転型歩行の実現とともに、上半身の仕様設計の自由度を増加させることができるなどのすぐれた効果が得られる。

好適には、上半身部体と下半身部体が短脚のぬいぐるみに被包されている。
これによれば、動物、キャラクターなどが体を横に揺すりながら歩行するので、かわいらしく愛嬌のある玩具となしえる。

以下、添付図面を参照して本考案の実施例を説明する。
図面は本考案による短脚２足歩行型ロボットの一実施例を示しており、図１と図２において、Ａは本考案による２足歩行型ロボットであり、本体１と、これを被包する所望形象のぬいぐるみ２と、前記本体１を操作する手段３とからなっている。操作手段３はパソコン通信でもよいが、好ましくはマイコンを組み込んだ自律タイプである。

図２は前記本体１の詳細を示しており、下半身部体１Ａと上半身部体1Ｂからなっている。図３は本考案で特徴とする下半身構造を示している。
下半身部体１Ａはアルミニウムなどからなる腰フレーム４を有し、腰フレーム４は下方に開口した溝形断面をなし、左右には下方に延在する股関節用のブラケット部４０、４０を有している。
前記腰フレーム４の中央には軸受４１が固定され、これに紙面に対して前後方向にロール軸５が架設され、回転モータ６で駆動されるようになっており、前記ロール軸５には左右揺動可能にマウント部材７が支持され、これに上方に延在する上半身部体１Ｂが取り付けられている。

前記腰フレーム４の左右のブラケット部４０、４０には、ロール軸回転できる関節とヨー軸回転できる関節をそれぞれ１つずつ有する脚部８ａ，８ｂが配置されており、図２（ａ）のように脚部の高さ（長さ）ｈは、全高Ｈに対して約1／３以下たとえば1／４と短くなっている。
脚部８ａ，８ｂを詳しく述べると、前記ブラケット部４０の先端付近に、紙面に対して前後方向にロール軸９ａ、９ｂが架設され、それぞれロール軸用回転モータ１０ａ、１０ｂで駆動するようになっている。前記ロール軸は足の上下動のための股関節として機能し、ロール軸以下の部分を左右に揺動させる。

前記回転モータ１０ａ、１０ｂのケーシングの下側には脚の一部を兼ねるヨー軸回転用モータ１１ａ、１１ｂのケーシングが一体化され、ヨー軸回転用モータ１１ａ、１１ｂの下に縦軸に対して回動可能なヨー軸１２ａ、１２ｂが延出し、これに盤部を介して足裏に相当する接地用ベース部体１３ａ、１３ｂを連結している。
前記ヨー軸１２ａ、１２ｂは足首関節として機能し、接地用ベース部体１３ａ、１３ｂから上の脚部が進行方向に対して前方に１８０度自由に回り得るように構成されている。

前記上半身部体１Ｂは、もっとも単純には、図３のように、マウント部材７に軸１００が固定され、これの上部に重錘１０１を取り付けたものがあげられる。
しかし、ペットロボットを動作させる上でのコミュニケーション性を考慮し、より擬人化した動作を得るためには可動部を多く設けることが好ましいので、この例では、上半身部体１Ｂは、頭部に２自由度、片腕に２自由度（両腕計４自由度）の関節を設けている。
すなわち、前記マウント部材7にはピッチ軸１５とこれを回転するピッチ軸回転モータ１６と、これの上部にヨー軸１７とこれを回転するヨー軸回転モータ１８と、該モータ１８と背中合わせにもうひとつのヨー軸回転モータ１９を直列状に配置し、最上位のヨー軸回転モータモータ１９の出力側のヨー軸２０に頭部部材２１を取り付けている。

そして、前記ヨー軸回転モータ１８，１９の両側に、それぞれピッチ軸回転モータ２２、２３をケーシングをもって固定し、側方に延びるピッチ軸２４、２５にロール軸回転モータ２６，２７を連結し、これに腕ブラケット２８，２９の上端部を枢支しており、腕ブラケットには自律動作をさせるためにバッテリケース３０，３１を内蔵させて腕部を構成している。
前記ピッチ軸回転モータ２２、２３の背後には前記各モータを制御するコントローラ３２が搭載されている。

なお、前記各モータとしては、小型、高出力のものが適しており、しかも、本ロボットを有線操作しあるいはマイコンを搭載して自律動作させることができるよう、たとえばＰＷＭ波を用いて駆動制御を行えるサーボモータが好適である。
また、腕部などの適所にセンサーを搭載し、使用者の動作に対して反応動作を行えるようにすると、より柔軟なコミュニケーションを取ることが可能となる。また、会話機能を持たせることも、より柔軟なコミュニケーションを可能とする。

本考案によるロボットの動作を説明すると、図４はその基本的動きを示しており、（ａ）は初期状態（直立姿勢）であり、上半身部体１Ｂは垂直状にあり、胴の１自由度の関節を構成するロール軸５は静止しており、両脚のロール軸９ａ、９ｂ、ヨー軸１２ａ、１２ｂもすべて静止している。
（ｂ）は胴の中央のロール軸５を回転させ、上半身部体１Ｂを揺動させ重心を支持脚８ａに乗せ、それとともに一方のロール軸９ｂを回転させ、片脚８ｂを地面から浮かせた状態であり、（ｃ）は接地している支持脚８ａのヨー軸１２ａを回転させ、ベース部体以外のすべてを進行方向に振り出し、地面から浮いている遊脚８ｂを前方に振り出した状態である。この次に上記の逆手順を踏み、ベース部体を接地させ１歩とするものである。

図５と図６は図１と図２に示すロボットの動作を示しており、図５（ａ）は重心が中央にある初期状態である。この状態から腰フレーム４の中央のロール軸用回転モータ６を駆動すれば、（ｂ）のようにロール軸５を中心として上半身部体１Ｂが右（正面から見て左）に傾動し重心を移動させる。
この状態で右脚部側のロール軸用回転モータ１０ｂを駆動すれば、（ｃ）のようにロール軸９ｂを介して腰フレーム４と左脚８ａが傾動し、ベース部体１３ａが地面から浮かされる。

これと併行して、接地している右脚８ｂのヨー軸用回転モータ１１ｂを駆動すれば、ヨー軸１２ｂが回転するため、（ｄ）のように、浮かされた状態にある左脚８ａと腰フレーム４が進行方向に振り出され、ベース部体１３ａが前方に出る。そのときに右脚部側のロール軸用回転モータ１０ｂを駆動すれば、（ｅ）のように前方に振り出されている左脚８ａのベース部体１３ａが着地し、ついで腰フレーム中央のロール軸用回転モータ６を駆動すれば、上半身部体１Ｂが垂直方向に振られて重心がセンターに移動してくるため、（ｆ）のように重心が中央に復帰することにより直立状態となる。

ついで、図６（ａ）のように、腰フレーム中央のロール軸用回転モータ６を駆動して上半身部体１Ｂを左（正面から見て右）に傾け、ついで左脚側のロール軸用回転モータ１０ａを駆動すれば、（ｂ）のようにロール軸９ａを介して右脚８ｂが持ち上げられる。
この状態で接地脚である左脚８ａのヨー軸用回転モータ１１ａを駆動すれば、ヨー軸１２ａが回転するため（ｃ）のように右脚８ｂが前方に振り出され、左脚部側のロール軸用回転モータ１０ａを駆動すれば、（ｄ）のように右脚８ｂが着地し、腰フレーム中央のロール軸用回転モータ６を駆動すれば、重心がセンターに移動してくるため、（ｅ）のように重心が中央に復帰することにより直立状態となる。以上の駆動を繰り返し行うことで、体を横に大きく揺らしながら回転歩行が行われる。

本考案は、上半身を利用して横方向の重心移動をさせ、体を横に大きく揺らしながらバランスを取り、腰より上で振り子のように重心を移動させ、その状態で片足を挙げ、併せて別の足の足首をひねり、上げた脚が前方に出るようにし、これらを左右で交互に繰り返して歩行させていくので、図７のぬいぐるみ２を装着した状態での動き（図５に対応）からわかるように、愛嬌のあるかわいらしい歩行動作を実現できる。すなわち、図７（ａ）は重心中央、（ｂ）は重心右、（ｃ）は左脚上げ、（ｄ）は左脚前へ、（e）は左脚着地、（ｆ）は重心中央である。

そして、脚部における回転軸の配置が、股関節がロール軸、足首がヨー軸となっているため、重心を片足に乗せきり、足を前に振り出すためにヨー軸を回転させても、ロボットはヨー軸を回転させる前の状態を保ちながら回転することが可能となり、非常に安定した歩行が可能である。

本考案はぬいぐるみやアニメなどに登場する擬人化された動物、ことに２足で歩き、頭でっかちで足の短いロボットに好適である。
上半身部体１Ｂについては、上記のように多関節とすることにより、腕を開閉して抱きつく動作をさせたり、片腕を前方に伸ばし上下に動かすことにより握手をする動作をさせたりすることができる。
直立姿勢から腰部ピッチ軸を回転させることでおじぎ動作をさせたりすることができ、また、うつぶせに接地させた状態で腰部ヨー軸を駆動することにより全身をばたばたと動かせ、あたかも駄々をこねている状態を創成させたりすることができる。

本考案による短脚２足歩行型ロボットの一実施例を示す斜視図である。 （ａ）は第１実施例の本体を示す正面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は側面図である。 本考案の下半身構造を拡大して示す正面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は本考案ロボットの動作を模式的に示す説明図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図２に示す本体の一歩目の動きを示す斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図２に示す本体の二歩目の動きを示す斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は図１に示すぬいぐるみの図５に対応する動きを示す斜視図である。

符号の説明

１ ロボット本体
１Ａ 下半身部体
１Ｂ 上半身部体
２ ぬいぐるみ
４ 腰フレーム
５ ロール軸
６ ロール軸回転モータ
８ａ 脚部（左脚）
８ｂ 脚部（右脚）
９ａ、9ｂ ロール軸
１０ａ、１０ｂ ロール軸回転モータ
１１ａ、１１ｂ ヨー軸回転モータ
１２ａ、１２ｂ ヨー軸
１３ａ、１３ｂ ベース部体

Claims (3)

1. 下半身側に上半身に対し相対的に短い２本の脚を有するロボットであって、左右に重心移動可能な上半身部体とこれに連なる下半身部体を有し、下半身部体には、重心移動した状態で重心の乗っていない側の遊脚を広げる手段と、重心移動した状態で重心の乗っている側の支持脚を回転させて遊脚を前方に振り出す手段とを備えたことを特徴とする短脚２足歩行型ロボット。
2. 全高に対し１／３以下の脚長を持つ２足歩行型ロボットであって、腰フレームの中央部にロール軸とこれを駆動する回転用モータを配置し、ロール軸上には重心位置を移動させるための重錘機能をはたす上半身部体を連設し、腰フレームの左右には、それぞれ下端に接地ベース部を有する２関節の脚を配し、各脚は、上部にロール軸とこれを駆動する回転モータを、下部にヨー軸とこれを駆動する回転モータを設けている請求項１に記載の短脚２足歩行型ロボット。
3. 上半身部体と下半身部体が短脚のぬいぐるみに被包されている請求項１またはに記載の短脚２足歩行型ロボット。

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