JP4274181B2 - 脚式ロボット - Google Patents

Description

本発明は、脚式ロボットに関する。特に、体幹の位置を低く抑えながら大きな歩幅を確保できる脚式ロボットに関する。

体幹と、体幹に連結された少なくとも一対の脚機構を備える脚式ロボットが開発されている。脚機構は、複数のリンクを備え、隣接するリンク同士が回転関節によって揺動可能に連結されている。回転関節にはアクチュエータが備えられており、脚機構の各リンクはアクチュエータによって隣接するリンクに対して揺動する。この脚式ロボットは、少なくとも一対の脚機構が有する各アクチュエータを適切に制御し、脚機構を構成する各リンクを適切に揺動させることによって歩行することができる。
そのような脚式ロボットが特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された脚式ロボットは、人が搭乗する搭乗部と、一対の脚リンクを備える。一対の脚リンクの夫々は、搭乗部の下部に配置された回転関節によって、搭乗部に対して回転可能に連結されている。その回転関節の回転軸は、搭乗部の体側方向に伸びている。特許文献１に記載された脚式ロボットは、搭乗部の下部に配置された回転関節の回転軸を中心に一対の脚リンクを体幹の前後方向に交互に揺動させながら歩行する。
なお、特許文献１における搭乗部は本明細書にいう体幹に相当し、脚リンクは本明細書にいう脚機構に相当する。以下では「搭乗部」を「体幹」と表現し、「脚リンク」を「脚機構」と称する。

特開２００５−１８６６５０号公報

脚式ロボットでは、早い速度で歩行させるために歩幅を大きくすることが好ましい。その一方で、より安定して歩行させるために体幹の位置は低い方が好ましい。
特許文献１の技術は、一対の脚機構が体幹の下部に設けられた回転関節によって回転可能に連結されている。そのような脚式ロボットは、一対の脚機構を体幹の下部に配置された回転関節の回転軸を中心として体幹の前後方向に交互に揺動させながら歩行する。従って、そのような脚式ロボットが歩行する際の歩幅を大きくするには脚機構の全長を長くしなければならない。脚機構の全長を長くすると、体幹の位置は鉛直上方に高くなってしまう。逆に体幹の位置を低くするために脚機構の全長を短くすると、歩幅が小さくなってしまう。特許文献１の技術では、一対の脚機構によって実現される歩幅を大きくすることと、体幹の位置を低くすることを両立することは困難である。
体幹の位置を高くせずに、少なくとも一対の脚機構によって実現される歩幅を大きくする脚式ロボットを実現する技術が望まれている。

本発明の脚式ロボットは、一対の脚機構によって実現される歩幅を大きくするために、脚機構を、スライド関節を用いて体幹の体側面あるいは体幹の下面に連結する。具体的には本発明の脚式ロボットは、体幹と、隣接するリンク同士が揺動可能に連結されている少なくとも一対の脚機構と、夫々の脚機構の一端を、体幹の前後方向へスライド可能に連結する少なくとも一対のスライド関節を備える。少なくとも一対のスライド関節は、一対の脚機構の夫々に対応して体幹の両側面に一方ずつ設けられていてもよいし、あるいは一対の脚機構の夫々に対応して体幹の下面に設けられていてもよい。また、少なくとも一対のスライド関節は夫々体幹の前後方向に伸びている。夫々のスライド関節は、体幹の下方に張り出す曲線状に形成されている。

少なくとも一対の脚機構の夫々は、スライド関節によって体幹に連結される。その際、少なくとも一対の脚機構の夫々は、体幹の前後方向にスライド可能に連結される。この脚式ロボットは、歩行時に一対の脚機構を交互に体幹の前後方向にスライドさせる。そうすると、スライド関節に連結されている夫々の脚機構の端部は、体幹の前後方向に所定の長さだけずれる。脚機構と体幹を従来技術のように回転関節で連結する場合と比較して、本発明のようにスライド関節で連結すると、脚機構の全長が同一であっても夫々の脚機構の端部が前後方向にずれる長さだけ歩幅を大きくできる。脚機構の全長を長くせずに脚式ロボットの歩行時の歩幅を大きくすることができる。スライド関節の採用によって、体幹の位置を高くせずに、一対の脚機構によって実現される歩幅を大きくする脚式ロボットを実現できる。

なお、スライド関節が、体幹の下面に設けられている場合には、体幹全体が卵型のような形状をしていると、体幹の下面と背面や側面の区別はし難い。その場合、本明細書にいう「体幹の下面」は、「体幹の外面であって、その外面の表面が少なくとも接地面の方向を向いている面」と表現することもできる。また、スライド関節が体幹の下面に設けられている場合には、その一部が体幹の少なくとも下面で体幹の前後方向に伸びていればよく、下面からさらに体幹の前面あるいは背面にまで伸びていてもよい。
また、「スライド関節が体幹の前後方向に伸びている」とは、スライド関節の接線の水平方向成分が体幹の前後方向を向いていればよい。即ち、スライド関節は体幹の前後方向で水平に伸びている場合のみならず、水平方向に対して所定の角度を有して伸びていてもいし、あるいは曲線を描いて伸びていてもよい。

体幹の下方に張り出す曲線状とは、換言すれば、その曲線を規定する曲率半径の中心位置がスライド関節よりも上方に位置している、と表現することができる。
夫々のスライド関節がなす曲線は、複数の曲率半径を有する曲線が連続して繋がっているものであってよい。その場合には、夫々の曲率半径の中心位置がスライド関節より上方に位置していればよい。

夫々のスライド関節を、体幹の下方に張り出す曲線状に形成することにより、スライド関節に連結されている脚機構の端部は、その曲線に沿ってスライドする。歩行時に、スライド関節に連結している脚機構の端部を、前記曲線を描くように体幹の前後方向に移動させることができる。これによって、歩行時の脚機構の運びを円滑なものとすることができ、歩行時の脚式ロボットの動作を円滑にすることができる。

前記曲線は、複数の曲率半径を有する曲線が連続して繋がっているものであってよいが、唯一の中心位置を有する円弧であることがより好ましい。

前記曲線を円弧とすることによって、スライド関節に対して最も近い位置に配置された脚機構の関節は、円弧の中心位置を中心として回転するように移動する。このときの体幹と脚機構の幾何学的な関係は、円弧の中心位置に円弧と交差する回転軸を有する仮想的な回転関節と、スライド関節に対して最も近い位置に配置された脚機構の関節が仮想的なリンクで連結されている構造と等価となる。従って、体幹と脚機構は実際にはスライド関節により連結されているにも関わらず、順変換（正変換）や逆変換を行う際には、脚機構と体幹が仮想的な回転関節と仮想的なリンクにより連結されているものとして計算することができる。複数のリンクと関節を有する機構では、隣接するリンクが全て回転関節で連結されている構造の方が、一部がスライド関節で連結されている構造よりも順変換（正変換）や逆変換が計算しやすい。上記構成によって、脚機構の順変換（正変換）や逆変換の計算を容易にすることができる。

前記曲線を規定する中心位置が、体幹の重心位置より上方に位置していることが好ましい。
前記曲線を規定する中心位置とは、曲線が円弧の場合はその円弧の中心となる位置である。また、前記曲線が、異なる曲率半径を有する複数の曲線部の連続したものである場合には、夫々の曲率部を規定する夫々の曲率半径の中心となる位置である。

脚機構がスライド関節に沿ってスライドする場合、脚機構と体幹は、幾何学的には前記曲線の曲率半径の中心位置を回転中心として相対的に回転する。重力によって、体幹の重心位置には前記中心位置を中心としたモーメントが作用する。重力によるモーメントは、重心位置を前記中心位置の鉛直下方に位置させるように作用する。脚機構を、スライド関節上を自由にスライドできるようにした場合に、体幹はその重心位置を曲率半径の中心位置（即ち、体幹の回転中心）の鉛直下方にして安定する。曲率半径の中心位置を体幹の重心位置よりも上方に位置させることによって、脚機構を、スライド関節上を自由にスライドできるようにした場合に、体幹はひっくり返ることなくその重心位置を前記中心位置の直下にして安定する。何らかの要因で脚式ロボットが前後方向に大きく傾斜した場合でも、脚機構をスライド関節上で自由にスライドできるようにすれば、体幹は、その重心位置が鉛直下側となって安定する。体幹の安定性をより向上させることができる。なお、脚機構をスライド関節上で自由にスライドできるようにするとは、スライド関節のアクチュエータに対して脚機構をスライドさせる駆動力を加えず、かつ脚機構を一点に拘束するようなブレーキ力も加えない状態をいう。

前記スライド関節は、前記曲線の中心位置が体幹の重心位置より上方に位置していることに加え、前記体幹は、乗員が着座するための座席を備えており、座席の座面が前記中心位置より体幹の下方に配置されていることが好ましい。

体幹に乗員が着座するための座席を備えているとは、脚式ロボットが人間を搭乗させることができるようにするためである。一般に人間の着座姿勢においては、人間の重心位置は腰付近に位置することが知られている。従って、座席の座面を前記中心位置より体幹の下方に配置することによって、着座した搭乗員の重心位置を前記中心位置よりも下方とすることができる。前記曲線の中心位置が体幹の重心位置より上方に位置していることと合わせると、搭乗員が搭乗しても体幹と搭乗員を合わせた重心位置は、前記曲線の中心位置より下方とすることができる。搭乗員を乗せた体幹をより安定にすることができる。

本発明によれば、体幹の位置を高くせずに、少なくとも一対の脚機構によって実現される歩幅を大きくする脚式ロボットを実現することができる。

以下に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態）スライド関節は体幹の下面に設けられており、脚式ロボットが直立姿勢をとったときに、脚機構に設けられた各ロール関節が、体幹の体側方向の幅内に位置するように配置されている。
なお、「直立姿勢」とは、体幹の重心位置と、脚機構の関節のうち人間の膝関節に相当する関節と、足首関節に相当する関節が体側方向からみて鉛直方向に略一直線上に位置するときの姿勢をいう。ロール関節とは、関節の回転軸が体幹の側方に伸びている関節をいう。
（第２形態）一対のスライド関節の夫々の前記曲線の中心位置が、体側方向に伸びる直線上に配置されている。

本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明する。図１は、脚式ロボット１０の３面図である。図１（Ａ）は、脚式ロボット１０の平面図である。図１（Ｂ）は、脚式ロボット１０の側面図である。図１（Ｃ）は、脚式ロボット１０の背面図である。
この脚式ロボット１０は、体幹１２と、一対の脚機構１４Ｌ、１４Ｒを備える。体幹１２の下面１２ａには、夫々の脚機構１４Ｌ、１４Ｒに対応して、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの一端２４Ｌａ、２４Ｒａを体幹１２に対してスライド可能に連結するスライド関節１６Ｌ、１６Ｒが設けられている。
図１に示す座標系でＸ軸の正の方向が脚式ロボット１０（体幹１２）の前方に相当し、Ｙ軸と平行な方向が脚式ロボット１０（体幹１２）の側方（体側方向ともいう）に相当し、Ｚ軸の方向が脚式ロボット１０（体幹１２）の上方に相当する。なお、Ｚ軸の方向は鉛直方向にも相当する。

まず脚機構１４Ｌと１４Ｒについて説明する。
脚機構１４Ｌは、複数のリンク２０Ｌ、２２Ｌ、２４Ｌと複数の回転関節３０Ｌ、３２Ｌ、３４Ｌ、３６Ｌから構成されている。
脚機構１４Ｌの接地面側の端部は左第１リンク２０Ｌである。左第１リンク２０Ｌは、人間に例えると足平に相当する。左第１リンク２０Ｌと左第２リンク２２Ｌは、左第１複合関節２６Ｌで連結されている。左第２リンク２２Ｌは人間に例えると下腿に相当する。左第１複合関節２６Ｌは人間に例えると足首関節に相当する。
左第１複合関節２６Ｌは、左第１リンク２０Ｌと左第２リンク２２Ｌを相対的にロール軸ｓ１回りに回転させる左第１ロール関節３０Ｌと、左第１リンク２０Ｌと左第２リンク２２Ｌを相対的にピッチ軸ｓ２回りに回転させる左第１ピッチ関節３２Ｌから構成されている。従って、左第１リンク２０Ｌと左第２リンク２２Ｌは、左第１複合関節２６Ｌにより、相対的にロール軸ｓ１回りとピッチ軸ｓ２回りの２方向の回転が可能である。
ここでロール軸とは、脚式ロボット１０の概ね前後方向に伸びる軸をいう。また、ピッチ軸とは、脚式ロボット１０の概ね体側方向に伸びる軸をいう。脚機構１４Ｌの各リンクが揺動すると、関節の回転軸の方向も変化するので、ここでは「概ね前後方向」や「概ね体側方向」という表現を用いた。

左第２リンク２２Ｌと左第３リンク２４Ｌは、左第２複合関節２８Ｌで連結されている。左第３リンク２４Ｌは人間に例えると大腿に相当する。左第２複合関節２８Ｌは人間に例えると膝関節に相当する。
左第２複合関節２８Ｌは、左第２リンク２２Ｌと左第３リンク２４Ｌを相対的にロール軸ｓ３回りに回転させる左第２ロール関節３４Ｌと、左第２リンク２２Ｌと左第３リンク２４Ｌを相対的にピッチ軸ｓ４回りに回転させる左第２ピッチ関節３６Ｌから構成されている。従って、左第２リンク２２Ｌと左第３リンク２４Ｌは、左第２複合関節２８Ｌにより、相対的にロール軸ｓ３回りとピッチ軸ｓ４回りの２方向の回転が可能である。
各関節３０Ｌ、３２Ｌ、３４Ｌ、３６Ｌには、モータ（不図示）とエンコーダ（不図示）が内蔵されている。モータは、その関節に隣接するリンク同士を相対回転させるためのトルクを発生させる。エンコーダは、その関節に隣接するリンク同士の相対回転角を検出する。

脚機構１４Ｒの構造も、脚機構１４Ｌの構造と同様である。例えば脚機構１４Ｌの左第１リンク２０Ｌは、脚機構１４Ｒの右第１リンク２０Ｒに相当する。同様に、脚機構１４Ｌと脚機構１４Ｒの各部品に付された符号のうち、数字が同じものは対応する部品を表す。脚機構１４Ｌと脚機構１４Ｒのピッチ軸とロール軸の対応関係は次の通りである。脚機構１４Ｌのロール軸ｓ１とロール軸ｓ３は、夫々脚機構１４Ｒのロール軸ｓ５とロール軸ｓ７に対応する。脚機構１４Ｌのピッチ軸ｓ２とピッチ軸ｓ４は、夫々脚機構１４Ｒのピッチ軸ｓ６とピッチ軸ｓ８に対応する。
脚機構１４Ｒの各関節３０Ｒ、３２Ｒ、３４Ｒ、３６Ｒにも、モータ（不図示）とエンコーダ（不図示）が内蔵されている。モータは、その関節に隣接するリンク同士を相対回転させるためのトルクを発生させる。エンコーダは、その関節に隣接するリンク同士の相対回転角を検出する。

次にスライド関節１６Ｌと１６Ｒについて説明する。
スライド関節１６Ｌは、体幹１２に対して脚機構１４Ｌをスライド可能に連結する関節である。
スライド関節１６Ｌは、ガイド部４０Ｌと、アクチュエータ４２Ｌを有している。ガイド部４０Ｌは、体側方向からみて下側に張り出すように湾曲している体幹１２の下面１２ａに沿って取り付けられている。従ってガイド部４０Ｌも体幹１２の下面１２ａで、体幹１２の前後方向に伸びており、体幹１２の下側に張り出す曲線状に形成されている。換言すれば、ガイド部４０Ｌは体幹１２の下面１２ａで、体幹１２の前後方向に伸びており、曲線を描くように形成されている。その曲線は、図１（Ｂ）に示す位置Ｐを中心として曲率半径Ｒの曲線を描いている。
ガイド部４０Ｌには、左第３リンク２４Ｌの一方の端部２４Ｌａがガイド部４０Ｌに沿ってスライド可能に連結されている。左第３リンク２４Ｌの一方の端部２４Ｌａは、脚機構１４Ｌの一方の端部に相当する。左第３リンク２４Ｌの端部２４Ｌａがガイド部４０Ｌに沿ってスライド可能に連結されているので、脚機構１４Ｌ自体が、スライド関節１６Ｌのガイド部４０Ｌに沿ってスライド可能となっている。
アクチュエータ４２Ｌは、ガイド部４０Ｌに沿って脚機構１４Ｌをスライドさせる駆動力を出力する。アクチュエータ４２Ｌによって、脚機構１４Ｌは、ガイド部４０Ｌに沿った任意の位置へ位置決めされる。スライド関節１６Ｌにはまた位置検出器（不図示）を備えている。この位置検出器は、脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａのガイド部４０Ｌ上の位置を検出する。
スライド関節１６Ｌの詳細な機構は説明を省略するが、例えば、単軸ステージ用に用いられている直動機構を湾曲させたものを利用して実現することができる。
スライド関節１６Ｒは、体幹１２に対して脚機構１４Ｒをスライド可能に連結する関節である。スライド関節１６Ｒの構造は、スライド関節１６Ｌと同一であるので説明を省略する。なお、スライド関節１６Ｒのガイド部４０Ｒも半径Ｒの円弧を描くように湾曲している。スライド関節１６Ｌのガイド部４０Ｌが描く円弧の中心位置とスライド関節１６Ｒのガイド部４０Ｒが描く円弧の中心位置は体側方向からみて位置Ｐに一致している。即ち、一対のスライド関節１６Ｌ、１６Ｒの夫々の前記曲線の中心となる位置が、体幹１２の体側方向に伸びる直線上に配置されている。

体幹１２には、スライド関節１６Ｌ、１６Ｒの他に、脚式ロボット全体を制御する制御するコントローラ（不図示）が搭載されている。
体幹１２には、後述するように人間を搭乗させるための座席が設けられる場合もあれば、荷物を積載するための荷台が設けられる場合もある。また、様々な作業を行わせるためのマニピュレータが搭載される場合もある。

図１に示すその他の記号は、Ｇは体幹１２の重心位置を表し、ｗ１は体幹１２の幅（体幹１２の体側方向の長さ）を表す。ｓ０は、体幹の重心位置Ｇを通り鉛直方向に伸びる鉛直線を表す。ｗ２は、鉛直線ｓ０と、各ロール関節３０Ｌ、３４Ｌ、３０Ｒ、３４Ｒの回転軸ｓ１、ｓ３、ｓ５、ｓ７との体側方向における距離を表す。これら重心位置Ｇ、体幹１２の幅ｗ１、鉛直線ｓ０と各ロール軸との距離ｗ２の関係については後述する。

なお、脚式ロボット１０が図１に示した姿勢を直立姿勢と称する。「直立姿勢」とは、体幹の重心位置Ｇと、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの関節のうち人間の膝関節に相当する関節２８Ｌ、２８Ｒと、足首関節に相当する関節２６Ｌ、２６Ｒが体側方向からみて鉛直方向に略一直線上に位置するときの姿勢をいう。図１（Ｂ）に示す脚式ロボット１０の姿勢では、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの関節のうち人間の膝関節に相当する関節２８Ｌ、２８Ｒと、足首関節に相当する関節２６Ｌ、２６Ｒが体側方向からみて体幹１２の重心位置Ｇを通る鉛直線ｓ０上に位置している。

次に、図１とともに図２を参照して本実施例の脚式ロボット１０の歩行時の動作について説明する。図２は、脚式ロボット１０が、Ｘ軸方向に一方の脚機構１４Ｌを前方（図２のＸ軸の正方向）に踏み出したときの側面図である。図２は、脚式ロボット１０がＸ軸方向に直進する場合を示している。以下では、直進時の脚機構１４Ｌ、１４ＲのＸＺ平面の動作に注目し、直進時には各脚機構１４Ｌ、１４Ｒのロール軸関節３０Ｌ、３４Ｌ、３０Ｒ、３４Ｒは回転しないものとして説明する。そのため、図２では、脚機構１４Ｌの第１複合関節２６Ｌ中の第１ロール関節３０Ｌと、第２複合関節２８Ｌ中の第２ロール関節３４Ｌは図示を省略してある。同様に、脚機構１４Ｒの第１複合関節２６Ｒ中の第１ロール関節３０Ｒと、第２複合関節２８Ｒ中の第２ロール関節３４Ｒは図示を省略してある。

脚機構１４Ｒ、１４Ｌの各関節３２Ｌ、３６Ｌ、３２Ｒ、３６Ｒには隣接するリンクを回転させるためのアクチュエータ（不図示）が内蔵されている。スライド関節１６Ｌには、脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａをガイド部４０Ｌの任意の位置にスライドさせるためのアクチュエータ４２Ｌが備えられている。スライド関節１６Ｒにも同様にアクチュエータ４２Ｒが備えられている。
脚機構１４Ｌのガイド部４０Ｌ上の位置はスライド関節１４Ｌが備える位置検出器（不図示）によって検出される。脚機構１４Ｒのガイド部４０Ｒ上の位置はスライド関節１４Ｒが備える位置検出器（不図示）によって検出される。脚機構１４Ｌ、１４Ｒが備える各関節にもエンコーダ（不図示）が備えられている。脚式ロボット１０に搭載されたコントローラ（不図示）には、エンコーダが検出するリンク同士の回転角および位置検出器が検出する脚機構１４Ｌ、１４Ｒのガイド部４０Ｌ、４０Ｒ上の位置が入力される。コントローラは、入力された値に基づいて、所定の制御ロジックによって各関節を適切に制御するように各アクチュエータに指令値を出力する。その結果、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの各リンクを協調して動作させた歩行が実現される。
脚式ロボット１０は、図２に示すように、脚機構１４Ｌを一歩前へ踏み出す動作を行う際、脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａをスライド関節１６Ｌのガイド４０Ｌに沿って体幹１２の前方へスライドさせる。同時に、脚機構１４Ｒの端部２４Ｒａをスライド関節１６Ｒのガイド４０Ｒに沿って体幹１２の後方へスライドさせる。その結果、脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａと脚機構１４Ｒの端部２４Ｒａは、体幹１２の前後方向に距離Ｌの差が生じる。

人間の股関節のように、脚機構が体幹に対して回転関節によって連結されている脚式ロボットでは、夫々の脚機構の体幹への連結部を前後方向へずらすことはできない。従ってそのような従来の脚式ロボットでは、歩行時の歩幅は、脚機構と体幹の連結部から足先までの脚機構の全長によって規定される。但しここでは、脚式ロボットが転倒せずに歩行するという制限は無視している。しかし本実施例の脚式ロボット１０では、脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａと脚機構１４Ｒの端部２４Ｒａは体幹１２の前後方向に距離Ｌの差を生じさせることができる。その結果、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの全長で規定される歩幅に加えて、体幹に連結している一対の脚機構１４Ｌ、１４Ｒの端部２４Ｌａ、２４Ｒａの前後方向の距離Ｌの分だけ歩幅を長くすることが可能となる。このことは、脚式ロボットが転倒せずに歩行するという制限を加えてもほぼ同様にいえる。従って、本実施例の脚式ロボット１０は、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの夫々を体幹１２に対して前後方向にスライドさせるスライド関節１６Ｌ、１６Ｒによって体幹１２に連結することにより、脚機構の全長を長くすることなく歩行時の歩幅を大きくすることができる。換言すれば、体幹１２の高さを低く抑えながら歩幅を大きくする脚式ロボットを実現することができる。

以下では脚機構１４Ｌについてのみ説明する。脚機構１４Ｒについても同様なので説明を省略する。
スライド関節１６Ｌのガイド部４０Ｌは、ガイド部４０Ｌより上方に位置する位置Ｐを中心とした曲率半径を有する曲線を描くように湾曲している。換言すれば、スライド関節１６Ｌのガイド部４０Ｌは、体幹１２の下方向に張り出すように湾曲している。従って、脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａはガイド部４０Ｌの湾曲に沿ってスライドする。脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａが体幹１２の下方に張り出すように曲線を描いて前後方向にスライドすることによって、歩行時の脚機構１４Ｌの運びを円滑なものとすることができる。

特に本実施例の脚式ロボット１０では、ガイド部４０Ｌは、唯一の位置Ｐを中心とする円弧状に形成されている。ガイド部４０Ｌが描く円弧は、体幹１２の前後方向に伸びている。従って、脚機構１４Ｌと体幹１２とのスライド関節１６Ｌによる連結構造の幾何学的な関係は次の構造と等価となる。即ち、体幹１２に位置Ｐを通りピッチ方向（Ｙ軸方向）に伸びる回転軸を有する仮想的な回転関節５２Ｌを想定する。仮想的な回転関節５２Ｌと左第２ピッチ関節３６Ｌは、左第３リンク２４Ｌを位置Ｐの方向に延長した仮想的なリンク５０Ｌによって連結されている。
即ち、本実施例の脚式ロボット１０は、位置Ｐに配置された仮想的な回転関節５２Ｌによって仮想的なリンク５０Ｌを有する脚機構１４Ｌと体幹１２が連結された構造と等価である。従って、この脚式ロボット１０は、脚機構１４Ｌが体幹１２の下部ではなく、体幹１２の体側方向からみて位置Ｐにおいて回転関節５２Ｌによって連結されている脚式ロボットと等価な歩行を実現できる。換言すれば、位置Ｐに配置された仮想的な股関節の関節５２Ｌによって体幹１２に連結されている仮想的なリンク５０Ｌを有する脚機構が実現できる歩幅と同じ歩幅を本実施例の脚式ロボット１０は実現できる。脚式ロボット１０は、左第１リンク２０Ｌから仮想的な関節５２Ｌまでの全長を有する脚機構が実現できる歩幅と同じ歩幅を実現することができる。

体幹１２の位置Ｐに実際の関節を有する脚式ロボットを実現するのは現実的ではない。図１（Ｃ）に示すように、脚機構１４Ｌは、体幹１２の下面１２ａの下側でスライド関節１６Ｌによって体幹１２に連結されている。位置Ｐに回転軸を有する仮想的な関節５２Ｌを実現しようとすれば体幹１２の内部に関節を配置することになる。さらにその関節の下側には、仮想的なリンク５０Ｌが揺動するための空間を設ける必要がある。そうすると体幹１２の位置Ｐより下側は実質的には他の装置を配置する余裕がなくなってしまう。そのような脚式ロボットは、実際には体幹の下部が位置Ｐにあることと同じになってしまう。即ち、従来の脚式ロボットでは、股関節の位置を位置Ｐにしようとすれば、体幹の高さを高くせざるを得なくなってしまう。
これに対して本実施例の脚式ロボット１０では、現実の脚機構１４Ｌは体幹１２の下面１２ａでスライド関節１６Ｌによって体幹１２に連結されている。体幹１２の内部にまで脚機構１４Ｌを入り込ませる必要がない。即ち、体幹１２の位置を高くすることなく、歩幅を大きくすることができる。

さらに本実施例の脚式ロボット１０は、図１（Ｃ）に示すように、脚機構１４Ｌは、体幹１２の下面１２ａでスライド関節１６Ｌによって連結されている。これにより、体幹１２の重心位置Ｇを通る鉛直線ｓ０と脚機構１４Ｌが有するロール関節３０Ｌ、３４Ｌのロール軸ｓ１、ｓ３との体側方向の距離ｗ２を短くすることができる。距離ｗ２を短くすることによって次の効果を得ることができる。
脚式ロボット、特に一対の脚機構によっていわゆる２足歩行する脚式ロボットでは、片脚のみで接地している片足立脚状態となると、その接地している方の脚機構１本で体幹を支えなければならない。片脚のみで接地している場合、脚機構のロール関節には体幹の自重によりモーメントが作用する。モーメントの大きさは、体幹の重心位置を通る鉛直線とロール軸関節の回転軸との距離に比例する。その点、本実施例の脚式ロボット１０は、脚機構１４Ｌは、体幹１２の下面１２ａで体幹１２に連結している。従って、図１（Ｃ）に示すように、脚式ロボット１０に直立姿勢をとらせたときに、脚機構１４Ｌに設けられた各ロール関節３０Ｌ、３４Ｌを、体幹１２の体側方向の幅ｗ１内に位置するように配置することができる。これにより、体幹１２の重心位置Ｇを通る鉛直線ｓ０とロール関節３０Ｌ、３４Ｌの回転軸ｓ１、ｓ３との体側方向の距離ｗ２を短くすることができる。その結果、実施例の脚式ロボット１０は、片足立脚状態のときに接地している脚機構のロール関節３０Ｌ、３４Ｌに作用する体幹１２の自重によるモーメントを小さく抑えることができる。スライド関節１６Ｌ、１６Ｒを体幹１２の下面１２ａに設けることによって、片足立脚状態のときに接地している脚機構のロール関節に加わるモーメントを小さくすることができる。ロール関節に出力の小さいモータを使用することができる。

さらに本実施例の脚式ロボット１０は、前述したように、脚機構１４Ｌと体幹１２はスライド関節１６Ｌによって連結されている構造であるにも関わらずに、幾何学的には位置Ｐに配置された仮想的な回転関節５２Ｌによって、仮想的なリンク５０Ｌを有する脚機構１４Ｌと体幹１２が連結された構造と等価である。一般に、多リンク機構の各関節の角度からその多リンク機構の先端位置の座標を求める変換（正変換あるいは順変換といわれる）や、逆に、多リンク機構の先端位置の座標から多リンク機構の各関節の角度を求める変換（逆変換といわれる）は、関節が全て回転関節の多リンク機構の方が、一部の関節にスライド関節を有する多リンク機構よりも計算が単純化される。特に脚式ロボット１０のスライド関節のように、曲線的にスライドする関節を有する場合は正変換や逆変換が複雑になる。本実施例の脚式ロボット１０では、足先の座標と、スライド関節１６Ｌにおける脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａの位置および各回転関節の回転角の間で正変換あるいは逆変換を行う必要がある。このとき、脚式ロボット１０の場合は、スライド関節１６Ｌを、位置Ｐに配置された仮想的な回転関節５２Ｌと、仮想的なリンク５０Ｌで置き換えることによって、体幹１２と脚機構１４Ｌとが回転関節により連結されているものとして正変換や逆変換を行うことができる。その正変換や逆変換の計算結果から、スライド関節１６Ｌ上の脚機構１４Ｌの端部２４Ｌａの位置を求めることができる。スライド関節１６Ｌを用いているにも関わらずに、正変換や逆変換を簡単に行うことができる。

次に体幹１２の重心位置Ｇと、スライド関節１６Ｌのガイド部４０Ｌが描く曲線の中心位置Ｐとの関係について説明する。
図１（Ｂ）に示すように、ガイド部４０Ｌが描く曲線は、その曲線の中心位置Ｐが、体幹１２の重心位置Ｇよりも上方に位置する関係になっている。前述したように、脚式ロボット１０の体幹１２と脚機構１４Ｌとの幾何学的な位置関係は、位置Ｐに配置された仮想的な回転関節５２Ｌによって、仮想的なリンク５０Ｌを有する脚機構１４Ｌと体幹１２が連結された構造と等価である。従って、スライド関節１６Ｌおよび１６Ｒをフリーの状態、即ち、脚機構１４Ｌ、１４Ｒの端部２４Ｌａ、２４Ｒａが、夫々ガイド部４０Ｌ、４０Ｒの任意の位置に自由に移動可能な状態、にすると、体幹１２は、重力の作用によってその重心位置Ｇが位置Ｐの直下に位置する姿勢となる。逆に、ガイド部４０Ｌ、４０Ｒが描く曲線の中心位置Ｐを、体幹１２の重心位置Ｇよりも下方に位置するようにした場合には、スライド関節１６Ｌおよび１６Ｒをフリーの状態とすると、体幹１２の重心位置Ｇを位置Ｐよりも鉛直下方となるように重力が作用する。その結果、体幹１２が回転してしまう。ガイド部４０Ｌ、４０Ｒが描く曲線の中心位置Ｐを、体幹１２の重心位置Ｇよりも上方に位置させることによって、次の効果が得られる。即ち、何からの理由により脚式ロボット１０の前後方向の傾斜角が増大した場合に、スライド関節１６Ｌおよび１６Ｒをフリーの状態にすることによって、体幹１２が回転してしまうことを防止できる。この効果は、ガイド部４０Ｌ、４０Ｒが異なる曲率半径の複数の曲線部が連続した曲線を描くように形成されている場合でも同様である。その場合には、各曲線部の夫々の中心位置を体幹１２の重心位置Ｇよりも上方に位置させればよい。

次に実施例の変形例を説明する。図３に示す脚式ロボット１０ａは体幹１３の内部に乗員１００が着座する座席６０を備える。即ちこの脚式ロボット１０ａは、乗員を乗せて歩行する搭乗型の脚式ロボットである。脚機構１４Ｌ、１４Ｒおよびスライド関節１６Ｌ、１６Ｒは図１の脚式ロボット１０と同様であるので説明を省略する。体幹１３も座席６０を備える以外は図１に示す体幹１２と同様であるので説明を省略する。
座席６０は、その座面６０ａが、スライド関節１６Ｌ、１６Ｒのガイド部４０Ｌ、４０Ｒが描く曲線の中心位置Ｐよりも下方に位置するように配置されている。一般的に人間が着座したときの重心位置は腰付近にあることが知られている。図３に、座席６０に着座した乗員１００の重心位置ＧＨを示す。座席６０を、その座面６０ａが、ガイド部４０Ｌ、４０Ｒが描く曲線の中心位置Ｐよりも下方に位置するように配置することによって、乗員１００の重心位置ＧＨを中心位置Ｐよりも下方にすることができる。体幹１３自体の重心位置Ｇも、ガイド部４０Ｌ、４０Ｒが描く曲線の中心位置Ｐよりも鉛直下方に位置している。従って、体幹１３と乗員１００を合わせたときの重心位置も中心位置Ｐよりも下方に位置させることができる。従って、前の説明と同様に、何からの理由により脚式ロボット１０の前後方向の傾斜角が増大した場合に、スライド関節１６Ｌおよび１６Ｒをフリーの状態にすることによって、乗員１００が搭乗している体幹１３が回転してしまうことを防止できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

実施例では図１に示すように脚機構１４Ｌ（１４Ｒ）はロール関節３０Ｌ（３０Ｒ）とピッチ関節３２Ｌ（３２Ｒ）を複合した複合関節２６Ｌ（２６Ｒ）を用いたが、ロール関節３０Ｌ（３０Ｒ）とピッチ関節３２Ｌ（３２Ｒ）を別のリンクにより直列に連結してもよい。他方の複合関節２８Ｌ（２８Ｒ）についても同様である。

また、実施例では一対の脚機構１４Ｌ、１４Ｒを有する脚式ロボットを例とした。脚機構の数は一対に限られない。本発明は、３本以上の脚機構を有する脚式ロボットに対しても適用可能である。
本発明は、３本以上の脚機構を有する脚式ロボットに対しても適用可能であるが、特に一対の脚機構を有する脚式ロボットに適用することが特に有効である。なぜならば、前述したように、脚機構が有するロール関節の位置を、体側方向からみて体幹の幅内に配置することができるからである。一対の脚機構を有する脚式ロボットでは、歩行時に片足のみで立脚する状態が生じる。そうすると立脚のロール関節には体幹の自重によってモーメントが生じる。立脚のロール関節はそのモーメントに対向するだけのトルクを出力することが要求される。脚機構が有するロール関節の位置を、体側方向からみて体幹の幅内に配置することによって、ロール関節に作用する体幹の自重によるモーメントを小さくすることができる。本発明によると、体幹の高さを低くしながら歩幅を大きくするとともに、脚関節が有するロール関節に作用する体幹の自重により生じるモーメントを小さくすることができる。

また、実施例の脚式ロボットでは、スライド関節は前後方向に湾曲した体幹の下面に沿って配置した。体幹の下側に張り出す曲線状に形成されたスライド機構を体幹の下面に取り付けるには、必ずしも体幹の下面が前後方向に湾曲している必要はない。スライド機構のガイド部を数点で体幹の下面に固定すればよいからである。
また、本発明の脚式ロボットは、体幹と一対の脚機構をスライド可能に連結するスライド関節は、脚機構を体幹の前後方向にスライドさせるものであれば直線状のスライド関節であってもよい。

また、実施例では、スライド関節１６Ｌ、１６Ｒを体幹１２の下面に設けたが、一対のスライド関節１６Ｌ、１６Ｒの夫々を、一対の脚機構の夫々に対応して体幹１２の体側両側に一方ずつ設けてもよい。そのような構造によっても体幹の位置を低くしたまま歩幅を大きくした脚式ロボットを実現することができる。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１は実施例１の脚式ロボットの３面図である。図１（Ａ）は脚式ロボットの平面図である。図１（Ｂ）は脚式ロボットの側面図である。図１（Ｃ）は脚式ロボットの背面図である。 実施例の脚式ロボットの歩行中の脚機構の位置関係を説明する図である。 実施例１の変形例の脚式ロボットを説明する図である。

符号の説明

１０、１０ａ：脚式ロボット
１２：体幹
１２ａ：体幹下面
１３：体幹
１４Ｌ、１４Ｒ：脚機構
１６Ｌ、１６Ｒ：スライド関節
２０Ｌ、２０Ｒ：第１リンク
２２Ｌ、２２Ｒ：第２リンク
２４Ｌ、２４Ｒ：第３リンク
２４Ｌａ、２４Ｒａ：第３リンク端部
２６Ｌ、２６Ｒ：第１複合関節
２８Ｌ、２８Ｒ：第２複合関節
３０Ｌ、３０Ｒ：第１ロール関節
３２Ｌ、３２Ｒ：第１ピッチ関節
３４Ｌ、３４Ｒ：第２ロール関節
３６Ｌ、３６Ｒ：第２ピッチ関節
４０Ｌ、４０Ｒ：ガイド部
４２Ｌ、４２Ｒ：アクチュエータ
６０：座席
６０ａ：座面
１００：乗員

Claims (6)

1. 体幹と、
   隣接するリンク同士が揺動可能に連結されている少なくとも一対の脚機構と、
   体幹に設けられており、夫々の脚機構の一端を体幹の前後方向へスライド可能に連結する少なくとも一対のスライド関節と、
   を備えており、夫々のスライド関節が、体幹の下方に張り出す曲線状に形成されていることを特徴とする脚式ロボット。
2. 一対のスライド関節は、体幹の両側面に一つずつ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
3. 一対のスライド関節は、体幹の下面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
4. 夫々のスライド関節が形成する曲線は、円弧であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
5. 前記曲線を規定する中心位置が、体幹の重心位置より上方に位置していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
6. 前記体幹は、乗員が着座するための座席をさらに備えており、座席の座面が前記中心位置より体幹の下方に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の脚式ロボット。

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