JP4482818B2 - 二足歩行ロボット - Google Patents

Description

本発明は、二足歩行ロボットに関するものである。

従来、並進２軸及び回転１軸の３自由度マニピュレータとしては、例えば、特許文献１、２に開示された二足歩行ロボットの脚部や、特許文献３に開示された受動関節などがある。すなわち、これらの３自由度マニピュレータは、所定軸回りに回転駆動可能な３つの回転部と、それらの回転部を連結する２つのリンクとを備えた、いわゆるシリアルリンク構造をなしている。そして、回転部を回転駆動することにより、３自由度を有することができる。
特開２００５−７４５２８号公報 特開２００５−７４９１号公報 特開２００５−４０９１９号公報

このようなシリアルリンク構造からなる３自由度マニピュレータに大きな負荷がかかる場合などには、全ての回転部に大きな負荷がかかることになる。そのため、従来の３自由度マニピュレータでは、大きな負荷に耐え得る回転部が必要となる。すなわち、回転部の大型化を招来すると共に、回転部を駆動するために大電力を必要としていた。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、回転部の小型化及び省電力化を図ることができるマニピュレータを備える二足歩行ロボットを提供することを目的とする。

そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、回転関節部と連結リンクとにより、多角枠状を形成することを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の二足歩行ロボットは、
上半身部と当該上半身部に連結される一対の脚部とを備える二足歩行ロボットであって、
前記一対の脚部は、
前記上半身部にそれぞれ連結され前記上半身部に対して上下軸回りに回転駆動可能な２つの進行方向変更部と、
２つの足部と、
それぞれの前記進行方向変更部とそれぞれの前記足部に連結され、それぞれの前記進行方向変更部に対してそれぞれの前記足部を相対移動可能にする２つのマニピュレータと、
を備え、
前記マニピュレータは、
所定軸回りに相対回転可能な第１回転部及び第２回転部を有する回転関節部であって、それぞれの前記所定軸が平行となる６個の回転関節部と、
それぞれ一端側が一の前記回転関節部の前記第１回転部又は前記第２回転部に連結され、他端側が他の前記回転関節部の前記第１回転部又は前記第２回転部に連結され、且つ、全ての前記回転関節部を連続的に連結して多角枠状を形成し、前記回転関節部の個数と同数の連結リンクと、
を備え、
前記回転関節部は、
前記第１回転部に対して前記第２回転部を相対回転自在な３個の回転ジョイントと、
前記第１回転部に対して前記第２回転部を相対回転駆動し、前記回転ジョイントの個数と同数の回転アクチュエータと、
からなり、
前記連結リンクは、２個の前記回転ジョイントの間に１個の前記回転アクチュエータを介在させて連結し、
第１の前記連結リンクは、前記進行方向変更部に連結され、
前記第１の前記連結リンクとの間に２個の隣り合う前記連結リンクを介在して連結された第２の前記連結リンクは、前記足部に連結されることを特徴とする。

例えば、回転関節部及び連結リンクがそれぞれ６個の場合、すなわち、回転関節部及び連結リンクにより６角形枠状を形成する場合は、以下のようになる。回転関節部は、３〜６個の回転アクチュエータと、３〜０個の回転ジョイントとからなる。なお、回転ジョイントとは、第１回転部に対して第２回転部を相対回転自在なジョイントである。そして、回転アクチュエータと回転ジョイントとの配置は、どのような配置の場合も含む。例えば、回転アクチュエータが連続的に配置され、且つ、回転ジョイントが連続的に配置される場合や、いくつかの回転アクチュエータ及び回転ジョイントが断続的に配置される場合などを含む。そして、第１部材が連結される第１の連結リンクの一端側と第２部材が連結される第２の連結リンクとの間には、２個の連結リンクが介在されている。また、第１部材が連結される第１の連結リンクの他端側と第２部材が連結される第２の連結リンクとの間にも、２個の連結リンクが介在されている。例えば、回転関節部及び連結リンクにより６角形枠状を形成する場合には、対辺である連結リンクがそれぞれ第１の連結リンクと第２の連結リンクとなる。

つまり、上述したように回転関節部及び連結リンクにより多角枠状を形成することで、第１部材と第２部材とを連結する経路を２経路とすることができる。従って、回転関節部の回転アクチュエータにかかる負荷を少なくとも２分の１に低減することができる。これにより、回転アクチュエータの小型化及び省電力化を図ることができる。

なお、上述したような構成とすることで、本発明の二足歩行ロボットは、進行方向変更部に対して足部が並進２軸及び回転１軸の３自由度を有する。ただし、他の手段により、例えば１自由度を規制するような場合には、全体として、マニピュレータは、２自由度を有することになる。例えば、他の手段により並進１軸の自由度を規制するような場合には、マニピュレータは、並進１軸及び回転１軸の２自由度を有することになる。

また、回転関節部は、第１回転部に対して第２回転部を相対回転自在な３個の回転ジョイントと、第１回転部に対して第２回転部を相対回転駆動し、回転ジョイントの個数と同数の回転アクチュエータと、からなり、連結リンクは、２個の回転ジョイントの間に１個の回転アクチュエータを介在させて連結している。

例えば、回転関節部が６個の場合は、３個の回転アクチュエータと３個の回転ジョイントとからなり、回転アクチュエータと回転ジョイントとが交互に配置されることになる。つまり、回転ジョイントが連続的に配置されないように配置される。これにより、複数の回転アクチュエータをそれぞれ独立に回転駆動した場合であっても、他の回転アクチュエータに負荷がかからないようにすることができる。つまり、複数の回転アクチュエータを同期して制御することなく、複数の回転アクチュエータを独立に制御することができる。従って、制御性が非常に向上する。なお、回転アクチュエータは、連続的に配置されるようにしてもよい。

また、回転アクチュエータは、第１回転部に対する第２回転部の相対回転角を検出する回転角センサを有するようにしてもよい。つまり、回転角センサは、少なくとも３個存在することになる。このように少なくとも３個の回転角センサを有することで、これらの回転角センサにより検出される相対回転角に基づき、第１部材に対する第２部材の相対的な位置・角度を算出することができる。従って、本発明のマニピュレータは、回転角センサの検出値に基づき算出された位置・角度を利用して、回転アクチュエータを制御することで、第１部材に対する第２部材の位置・角度を制御することができる。

また、それぞれの連結リンクは、略同一長さからなるようにしてもよい。これにより、例えば、第１部材と第２部材とを平行移動させるような場合などに、各回転アクチュエータの角速度が略同一となるように制御すればよい。つまり、非常に容易な制御により、第１部材と第２部材とを平行移動させることができる。

また、本発明のマニピュレータは、粘弾性部材をさらに備えるようにしてもよい。粘弾性部材とは、粘性材料及び／又は弾性材料からなり、両端側を回転関節部及び／又は連結リンクに連結する部材である。すなわち、粘弾性部材は、回転関節部に連結されるようにしてもよいし、連結リンクに連結されるようにしてもよい。これにより、回転アクチュエータにかかる負荷を低減することができる。従って、回転アクチュエータの制御を容易にすることができる。

ここで、粘弾性部材の一端側は、第１の連結リンクの一端側と第２の連結リンクの一端側との間を連結する回転関節部又は連結リンクに連結され、粘弾性部材の他端側は、第１の連結リンクの他端側と第２の連結リンクの他端側との間を連結する回転関節部又は連結リンクに連結されるようにしてもよい。例えば、第１部材に連結される第１の連結リンクと第２部材に連結される第２の連結リンクが上下方向に対向して位置する場合には、粘弾性部材は、例えば、水平方向に延伸するように配置される。つまり、第１部材と第２部材とが近接する側に移動する場合に、粘弾性部材が第１部材と第２部材の移動の妨げにならないようにすることができる。このようにすることで、第１部材と第２部材との離間距離を非常に広い範囲に動作させるような場合に非常に有効となる。例えば、回転関節部及び連結リンクにより６角形枠状を形成する場合には、第１の連結リンク及び第２の連結リンクに連結されていない２個の回転関節部に粘弾性部材を連結するようにするとよい。

さらに、粘弾性部材は、該粘弾性部材の一端側と他端側との離間距離を検出する距離センサを有するようにしてもよい。これにより、例えば、第１部材に対して第２部材が平行移動するような場合に、距離センサにより検出される離間距離に基づき、第１部材に対する第２部材の位置を算出することができる。また、当該距離センサは、距離センサにより検出される離間距離が等しい状態を維持しつつ、第１部材に対して第２部材を移動するように用いることもできる。

また、本発明のマニピュレータは、さらに押圧部材を備えるようにしてもよい。押圧部材とは、少なくとも１個の回転関節部に配置され、該回転関節部の第１回転部に連結される連結リンクに対して所定軸回りの第１回転方向へ押圧し、且つ、該回転関節部の第２回転部に連結される連結リンクに対して所定軸回りの第２回転方向へ押圧する部材である。この押圧部材は、例えば、コイルバネなどを用いることができる。コイルバネを用いる場合には、コイル部と、コイル部の両端に延在する端部とを備えるような構成とする。そして、コイルバネのコイル部を回転関節部に配置し、それぞれの端部を該回転関節部に連結される２個の連結リンクを押圧するようにする。この場合、コイルバネのコイル部は、回転関節部の回転に伴って、所定軸回りに回転する。また、コイルバネの端部は、コイル部の回転により、連結リンクを押圧することになる。このような押圧部材を備えることにより、回転アクチュエータにかかる負荷を低減することができる。従って、回転アクチュエータの制御を容易にすることができる。なお、押圧部材は、回転アクチュエータに配置してもよいし、回転ジョイントに配置してもよい。

また、押圧部材は、回転関節部の第１回転部及び第２回転部に連結される連結リンクにより形成される内角が所定角度以上となる場合に、連結リンクを押圧する状態及び連結リンクを押圧しない状態の何れか一方となり、内角が所定角度より小さい場合に、連結リンクを押圧する状態及び連結リンクを押圧しない状態の他方となるようにしてもよい。つまり、内角が所定角度となる状態を境界として、押圧部材が連結リンクを押圧する状態と押圧しない状態とを切り替えるようにしている。そして、連結リンクにより形成される内角に基づき、回転アクチュエータにかかる負荷を低減する必要性が高い状態か否かを判定することができる。つまり、当該内角に基づき押圧部材が連結リンクを押圧する状態か否かを切り替えることにより、回転アクチュエータにかかる負荷を低減する必要性が高い場合のみに、押圧部材が機能するようにすることができる。さらに、回転アクチュエータにかかる負荷を低減する必要性が低い場合に、押圧部材が存在することにより、却って悪影響を及ぼすことを防止することができる。

特に、押圧部材は、第１の連結リンクと第２の連結リンクとが近接する側に移動する際に内角が大きくなる場合には、内角が所定角度以上となる場合に連結リンクを押圧する状態となり、第１の連結リンクと第２の連結リンクとが近接する側に移動する際に内角が小さくなる場合には、内角が所定角度より小さい場合に連結リンクを押圧する状態となるようにするとよい。つまり、第１の連結リンクと第２の連結リンクとの離間距離が所定距離よりも狭くなる場合に、前記離間距離が狭くならない方向に押圧部材が連結リンクを押圧するように機能するようにしている。これにより、例えば、第１の連結リンクと第２の連結リンクとに圧縮する方向への大きな荷重がかかる場合に、回転アクチュエータにかかる負荷を確実に低減することができる。

本発明の二足歩行ロボットによれば、回転部の小型化及び省電力化を図ることができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

（１）３自由度マニピュレータ
まず、本実施形態の３自由度マニピュレータについて、図１を参照して説明する。図１は、３自由度マニピュレータ１の全体構成を示す斜視図である。図１に示すように、３自由度マニピュレータ１は、第１部材２に対して第２部材３がｘ軸方向及びｚ軸方向の並進２軸、並びに、ｙ軸回りの回転１軸の３自由度を有するように構成されている。ここで、第１部材２は、図１の下側に配置される基台とし、第２部材３は、例えば、工具などを備えるものとする。

そして、３自由度マニピュレータ１の概略構成は、内角を変更可能であり、同一辺長さからなる６角形枠状をなしている。そして、３自由度マニピュレータ１の図１の下側部分が第１部材２の基台に固定されており、３自由度マニピュレータ１の図１の上側部分が第２部材３に固定されている。

この３自由度マニピュレータ１は、具体的には、６個の回転関節部１１〜１６と、６個の連結リンク２１〜２６とから構成される。そして、６個の回転関節部１１〜１６は、ｙ軸方向に延伸するように配置された筒状の第１回転部（図示せず）と、第１回転部と同軸上であり第１回転部に対してｙ軸回りに相対回転可能な筒状の第２回転部（図示せず）とを有している。

そして、回転関節部１１〜１６のうち３個の回転関節部１１、１３、１５は、回転アクチュエータからなる。つまり、回転アクチュエータからなる回転関節部１１、１３、１５（以下、「回転アクチュエータ１１、１３、１５」という）は、第１回転部に対して第２回転部を相対的に回転駆動することができるアクチュエータである。例えば、回転アクチュエータ１１、１３、１５は、サーボモータなどを備える。つまり、回転アクチュエータ１１、１３、１５は、第１回転部に対する第２回転部の相対回転角度を自由に制御することができる。

また、回転関節部１１〜１６のうち他の３個の回転関節部１２、１４、１６は、回転ジョイントからなる。つまり、回転ジョイントからなる回転関節部１２、１４、１６（以下、「回転ジョイント１２、１４、１６」という）は、第１回転部に対して第２回転部を相対的に回転自在とされており、駆動手段を有していないジョイントである。

連結リンク２１〜２６は、棒状からなる。そして、これらの連結リンク２１〜２６の両端側が、それぞれ回転関節部１１〜１６を連続的に連結している。すなわち、連結リンク２１〜２６は、６角形枠状の辺部分を形成している。そして、回転関節部１１〜１６は、６角形枠状の角部分を形成している。ここで、連結リンク２１〜２６は、それぞれ以下のように連結されている。連結リンク２１（本発明における第２の連結リンク）は、回転アクチュエータ１１の第１回転部と回転ジョイント１２の第２回転部とに連結固定されている。連結リンク２２は、回転ジョイント１２の第１回転部と回転アクチュエータ１３の第２回転部とに連結固定されている。連結リンク２３は、回転アクチュエータ１３の第１回転部と回転ジョイント１４の第２回転部とに連結固定されている。連結リンク２４（本発明における第１の連結リンク）は、回転ジョイント１４の第１回転部と回転アクチュエータ１５の第２回転部とに連結固定されている。連結リンク２５は、回転アクチュエータ１５の第１回転部と回転ジョイント１６の第２回転部とに連結固定されている。連結リンク２６は、回転ジョイント１６の第１回転部と回転アクチュエータ１１の第２回転部とに連結固定されている。

つまり、回転アクチュエータ１１、１３、１５と回転ジョイント１２、１４、１６とが交互に配置されるように、連結リンク２１〜２６が連結している。

さらに、連結リンク２１のほぼ中央付近が、第２部材３に連結されている。また、連結リンク２４のほぼ中央付近が、第１部材２に連結されている。すなわち、第２部材３が連結される連結リンク２１の一端側と第１部材２が連結される連結リンク２４の一端側との間には、２個の隣り合う連結リンク２２、２３が介在されている。また、第２部材３が連結される連結リンク２１の他端側と第１部材２が連結される連結リンク２４の他端側との間には、２個の隣り合う連結リンク２５、２６が介在されている。

以上のように構成される３自由度マニピュレータ１の動作は、次のようになる。回転アクチュエータ１１、１３、１５を駆動することにより、第１部材２に対する第２部材３のｘ軸方向及びｚ軸方向の相対位置、並びに、ｙ軸回りの相対角度を変更することができる。

具体的には、回転アクチュエータ１１が駆動されて第１回転部と第２回転部との相対角度が位置決めされることにより、連結リンク２１、２６により形成される内角（以下、「回転アクチュエータ１１の角部の内角」という）が決定される。また、回転アクチュエータ１３が駆動されて第１回転部と第２回転部との相対角度が位置決めされることにより、連結リンク２２、２３により形成される内角（以下、「回転アクチュエータ１３の角部の内角」という）が決定される。さらに、回転アクチュエータ１５が駆動されて第１回転部と第２回転部との相対角度が位置決めされることにより、連結リンク２４、２５により形成される内角（以下、「回転アクチュエータ１５の角部の内角」という）が決定される。このとき、連結リンク２１、２２により形成される内角（以下、「回転ジョイント１２の角部の内角」という）、連結リンク２３、２４により形成される内角（以下、「回転ジョイント１４の角部の内角」という）、及び、連結リンク２５、２６により形成される内角（以下、「回転ジョイント１６の角部の内角」という）は、それぞれ自由に角度が変更される。

ここで、６角形の辺長と１つ置きの３箇所の内角が決定される場合には、余弦定理により、全ての内角が決定される。つまり、回転アクチュエータ１１、１３、１５の角部の内角が決定されることで、回転ジョイント１２、１４、１６の角部の内角が決定される。従って、回転アクチュエータ１１、１３、１５の角部の内角を決定することで、第１部材２に対する第２部材３の相対位置及び相対角度を特定することができる。

さらに、上述した構成からなる３自由度マニピュレータ１は、それぞれの回転アクチュエータ１１、１３、１５を独立して駆動することもできる。換言すると、それぞれの回転アクチュエータ１１、１３、１５を同期制御することなく、駆動することができる。例えば、回転アクチュエータ１１のみを駆動して、回転アクチュエータ１１の角部の内角が小さくなるように動作した場合には、次のようになる。この場合、回転アクチュエータ１３、１５は駆動させないので、回転アクチュエータ１３、１５の角部の内角は変化しない。しかし、回転ジョイント１２、１４、１６の角部の内角は自由に変化できるので、これらの内角が適宜変化することになる。例えば、回転ジョイント１２、１６の角部の内角が大きくなるように動作し、回転ジョイント１４の角部の内角が小さくなるように動作する。つまり、回転アクチュエータ１１、１３、１５の何れか１つが動作したとしても、他の回転アクチュエータには全く負荷がかからない。さらには、回転アクチュエータ１１、１３、１５がそれぞれ独立に動作したとしても、回転ジョイント１２、１４、１６が適宜動作することで、他の回転アクチュエータには全く負荷がかからない。

なお、回転アクチュエータ１１、１３、１６の駆動により、それぞれの角部の内角が図１に示すような１８０°よりも小さな角度となるような動作に限られず、内角が１８０°以上の角度となるように動作することもできる。

さらに、連結リンク２１〜２６の辺長が等しいので、第１部材２に対して第２部材３を平行に移動させる場合には、回転アクチュエータ１１、１３、１５の角速度が等しく駆動するようにすればよい。つまり、第１部材２に対して第２部材３を平行に移動させることが、非常に容易にできる。

なお、上述したように、３自由度マニピュレータ１は、第１部材２に対して第２部材３が並進２軸及び回転１軸の３自由度を有する。ただし、他の手段により、例えば１自由度を規制するような場合には、全体として、３自由度マニピュレータ１は、実質的には、２自由度を有することになる。例えば、他の手段により並進１軸の自由度を規制するような場合には、３自由度マニピュレータ１は、並進１軸及び回転１軸の２自由度を有することになる。

（２）３自由度マニピュレータの変形態様
次に、上述した３自由度マニピュレータ１の変形態様について説明する。まず、第１番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ａは、図２を参照して説明する。図２は、第１番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ａについて示す図である。具体的には、図２（ａ）は、ほぼ正６角形枠状をなしている状態を示し、図２（ｂ）は、第１部材２に対して第２部材３が近接する側へ移動した場合の状態を示す。なお、図２に示す当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ａにおいて、上述した３自由度マニピュレータ１と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ａは、上述した３自由度マニピュレータ１の構成に加えて、バネ・ダンパー部材３１（本発明における粘弾性部材）を備える。このバネ・ダンパー３１は、長手方向（図２の左右方向）に伸縮可能である。バネ・ダンパー部材３１の一端側は、回転アクチュエータ１３に取り付けられている。一方、バネ・ダンパー部材３１の他端側は、回転ジョイント１６に取り付けられている。すなわち、バネ・ダンパー部材３１は、回転アクチュエータ１３と回転ジョイント１６との距離が遠ざかる場合に、粘性力及び弾性力を発揮する。つまり、図２（ｂ）に示す状態の場合に、バネ・ダンパー部材３１は、粘性力及び弾性力を発揮する。このようにバネ・ダンパー部材３１を備えることにより、回転アクチュエータ１１、１３、１５にかかる負荷を低減することができる。従って、回転アクチュエータの制御を容易にすることができる。

さらに、図２に示すように、バネ・ダンパー部材３１は、連結リンク２１及びその両端の回転関節部１１、１２、並びに、連結リンク２４及びその両端の回転関節部１４、１５に連結されていない。これにより、第１部材２と第２部材３とが近接する側に移動する場合に、バネ・ダンパー部材３１が、第１部材２と第２部材３の移動の妨げにならないようにできる。その結果、第１部材２と第２部材３との離間距離を非常に短くすることができる。つまり、第１部材２と第２部材３との離間距離を広い範囲に動作させるようにすることができる。

なお、バネ・ダンパー部材３１の一端側は、回転アクチュエータ１３に連結される場合に限られず、連結リンク２２、２３に連結される場合であっても、ほぼ上記効果と同一効果を奏することができる。また、バネ・ダンパー部材３１の他端側は、回転ジョイント１６に連結される場合に限られず、連結リンク２５、２６に連結される場合であっても、ほぼ上記効果と同一効果を奏することができる。もちろん、バネ・ダンパー部材３１は、連結リンク２１、２４、又はそれらの両端の回転関節部１１、１２、１４、１５に連結してもよい。

ここで、上述したバネ・ダンパー部材３１は、一端側と他端側との離間距離を検出する距離センサ（図示せず）を内蔵するようにしてもよい。この距離センサは、上記の場合には、回転アクチュエータ１３と回転ジョイント１６との離間距離を検出することになる。これにより、例えば、例えば、第１部材２に対して第２部材３が平行移動するような場合に、距離センサにより検出される離間距離に基づき、第１部材２に対する第２部材３の位置を容易に算出することができる。また、この距離センサにより検出される離間距離が等しい状態を維持しつつ、第１部材２に対して第２部材３を移動するように、回転アクチュエータ１１、１３、１５を駆動させるようにすることもできる。

また、第２番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｂについては、図３を参照して説明する。図３は、第２番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｂについて示す図である。具体的には、図３（ａ）は、ほぼ正６角形枠状をなしている状態を示し、図３（ｂ）は、第１部材２に対して第２部材３が近接する側へ移動した場合の状態を示す。なお、図３に示す当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ｂにおいて、上述した３自由度マニピュレータ１と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ｂは、上述した３自由度マニピュレータ１の構成に加えて、コイルバネ４１〜４３（本発明における押圧部材）を備える。コイルバネ４１〜４３は、１回以上巻回されたコイル部と、コイル部の両端に延在する端部とから構成される。

具体的には、第１のコイルバネ４１のコイル部は、回転ジョイント１２とほぼ同軸上に配置されている。この第１のコイルバネ４１の端部は、連結リンク２１、２２の枠外側から枠内側に向かって押圧することができるように配置されている。ただし、第１のコイルバネ４１は、回転ジョイント１２の角部の内角が第１所定角度以上となる場合に、連結リンク２１、２２の枠外側から枠内側に向かって押圧するようにされている。ここで、回転ジョイント１２の角部の内角が第１所定角度となる状態とは、例えば、図３（ｂ）に示すような状態である。

第２のコイルバネ４２のコイル部は、回転ジョイント１４とほぼ同軸上に配置されている。この第２のコイルバネ４２の端部は、連結リンク２３、２４の枠外側から枠内側に向かって押圧することができるように配置されている。ただし、第２のコイルバネ４２は、回転ジョイント１４の角部の内角が第１所定角度以上となる場合に、連結リンク２３、２４の枠外側から枠内側に向かって押圧するようにされている。ここで、回転ジョイント１４の角部の内角が第１所定角度となる状態とは、例えば、図３（ｂ）に示すような状態である。

第３のコイルバネ４３のコイル部は、回転ジョイント１６とほぼ同軸上に配置されている。この第３のコイルバネ４３の端部は、連結リンク２５、２６の枠内側から枠外側に向かって押圧することができるように配置されている。ただし、第３のコイルバネ４３は、回転ジョイント１６の角部の内角が第２所定角度以上となる場合に、連結リンク２５、２６の枠外側から枠内側に向かって押圧するようにされている。ここで、回転ジョイント１６の角部の内角が第２所定角度となる状態とは、例えば、図３（ｂ）に示すような状態である。

これらコイルバネ４１〜４３は、第１部材２と第２部材３とが近接する側に移動する際に、第１部材２と第２部材との離間距離が狭くならない方向にコイルバネ４１〜４３が連結リンク２１〜２６を押圧するように機能させている。従って、第２部材３が非常に大きな質量を有するような場合に、３自由度マニピュレータ１ｂには上下方向への圧縮力が作用する。特に、図３（ｂ）のような状態においては、回転アクチュエータ１１、１３、１５に大きな負荷がかかる場合がある。しかし、コイルバネ４１〜４３の押圧力により、回転アクチュエータ１１、１３、１５にかかる負荷を低減することができる。従って、回転アクチュエータの制御を容易にすることができる。

なお、第２番目の変形態様において、連結リンク２１と連結リンク２４とが近接する側に移動する際に角部の内角が大きくなる場合には、当該角部の内角が所定角度以上となる場合にコイルバネ４１〜４３は連結リンク２１〜２６を押圧するようにすればよい。また、連結リンク２１と連結リンク２４とが近接する側に移動する際に角部の内角が小さくなる場合には、当該角部の内角が所定角度より小さい場合にコイルバネ４１〜４３は連結リンク２１〜２６を押圧するようにすればよい。

また、第２番目の変形態様において、コイルバネ４１〜４３は、回転ジョイント１２、１４、１６に配置したが、回転アクチュエータ１１、１３、１５に配置してもよい。

次に、第３番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｃについて、図４を参照して説明する。図４は、第３番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｃについて示す図である。図４に示すように、当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ｃは、上述した３自由度マニピュレータ１の回転アクチュエータ１１、１３、１５が、それぞれ回転角センサ１１ａ、１３ａ、１５ａを有している。

回転角センサ１１ａは、回転アクチュエータ１１の第１回転部に対する第２回転部の相対回転角を検出するセンサである。回転角センサ１３ａは、回転アクチュエータ１３の第１回転部に対する第２回転部の相対回転角を検出するセンサである。回転角センサ１５ａは、回転アクチュエータ１５の第１回転部に対する第２回転部の相対回転角を検出するセンサである。

つまり、３個の回転角センサ１１ａ、１３ａ、１５ａにより検出されるそれぞれの相対回転角に基づき、第１部材２に対する第２部材３の相対的な位置・角度を算出することができる。さらに、このようにして算出された第１部材２に対する第２部材３の相対的な位置・角度に基づき、回転アクチュエータ１１、１３、１５の駆動を制御することにより、第１部材２に対する第２部材３の位置・角度を確実に目的の位置・角度に制御することができる。

次に、第４番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｄについては、図５を参照して説明する。図５は、第４番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｄについて示す図である。図５に示すように、当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ｄの概略構成は、内角を変更可能であり、同一辺長さからなる８角形枠状をなしている。そして、３自由度マニピュレータ１ｄの図５の下側部分が第１部材２の基台に固定されており、３自由度マニピュレータ１ｄの図５の上側部分が第２部材３に固定されている。

この３自由度マニピュレータ１ｄは、具体的には、８個の回転関節部５１〜５８と、８個の連結リンク６１〜６８とから構成される。そして、回転関節部５１〜５８のうち５個の回転関節部５１、５３、５４、５６、５７は、上述した回転アクチュエータからなる。また、残りの３個の回転関節部５２、５５、５８は、上述した回転ジョイントからなる。連結リンク６１〜６８は、回転関節部５１〜５８を順次、連続的に連結している。すなわち、連結リンク６１〜６８は、８角形枠状の辺部分を形成している。

つまり、当該変形態様の３自由度マニピュレータ１ｄは、２個の回転ジョイントの間に１個又は２個の回転アクチュエータを介在させて連結している。このように、２個の回転ジョイントの間に少なくとも１個の回転アクチュエータを介在させて連結することで、回転アクチュエータ５１、５３、５４、５６、５７をそれぞれ独立して駆動することができる。もちろん、回転ジョイントの個数を３個としたが、４個以上としてもよい。

（３）多自由度マニピュレータ
次に、上述した３自由度マニピュレータ１を用いて構成された多自由度マニピュレータ７０、８０について、図６を参照して説明する。ここで、図６（ａ）は、第１番目の例の多自由度マニピュレータ７０を示す図である。図６（ｂ）は、第２番目の例の多自由度マニピュレータ８０を示す図である。

図６（ａ）に示すように、多自由度マニピュレータ７０は、３自由度マニピュレータ１を２個用いて、それらを連結した構成からなる。すなわち、第１の３自由度マニピュレータ１（図６（ａ）の下側の３自由度マニピュレータ）の連結リンク２１が連結棒７１の一端側に連結され、連結リンク２４が第１部材２に連結される。そして、第１の３自由度マニピュレータ１は、第１部材２に対して連結棒７１がｘ軸方向及びｚ軸方向の並進２軸、並びに、ｙ軸回りの回転１軸の３自由度を有する。そして、第２の３自由度マニピュレータ１（図６（ａ）の上側の３自由度マニピュレータ）の連結リンク２１が第２部材３に連結され、連結リンク２４が連結棒７１の他端側に連結される。この第２の３自由度マニピュレータ１は、連結棒７１に対して第２部材３がｙ軸方向及びｚ軸方向の並進２軸、並びに、ｘ軸回りの回転１軸の３自由度を有する。

つまり、第１の３自由度マニピュレータ１により形成される６角形枠状と、第２の３自由度マニピュレータ１により形成される６角形枠状とが、ほぼ直交するように連結されている。

ここで、第１の３自由度マニピュレータ１及び第２の３自由度マニピュレータ１は、それぞれ上述したような動作をする。従って、第１の３自由度マニピュレータ１及び第２の３自由度マニピュレータ１が動作することで、第１部材２に対して第２部材３は、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の並進３軸、並びに、ｘ軸回り及びｙ軸回りの回転２軸の５自由度を有する。

また、図６（ｂ）に示すように、多自由度マニピュレータ８０は、３自由度マニピュレータ１を２個用いて、それらをｚ軸回りに回転可能な連結用回転アクチュエータ５により連結した構成からなる。つまり、多自由度マニピュレータ８０は、図６（ａ）に示す多自由度マニピュレータ７０の連結棒７１を連結用回転アクチュエータ８１に置換した構成となる。

ここで、連結用回転アクチュエータ８１は、上述した回転アクチュエータ１１などとほぼ同様の構成からなる。具体的には、連結用回転アクチュエータ８１は、ｚ軸方向に延伸するように配置された筒状の第１連結用回転部（図示せず）と、第１連結用回転部と同軸上であり第１連結用回転部に対してｚ軸回りに相対回転可能な筒状の第２連結用回転部（図示せず）とを有している。さらに、連結用回転アクチュエータ８１は、第１連結用回転部に対して第２連結用回転部を相対的に回転駆動することができる。

そして、第１の３自由度マニピュレータ１（図６（ｂ）の下側の３自由度マニピュレータ）の連結リンク２１が連結用回転アクチュエータ８１の第１連結用回転部に連結され、連結リンク２４が第１部材２に連結される。そして、第２の３自由度マニピュレータ１（図６（ｂ）の上側の３自由度マニピュレータ）の連結リンク２１が第２部材３に連結され、連結リンク２４が連結用回転アクチュエータ８１の第２連結用回転部に連結される。

従って、第１の３自由度マニピュレータ１、第２の３自由度マニピュレータ１及び連結用回転アクチュエータ８１が動作することで、第１部材２に対して第２部材３は、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の並進３軸、並びに、ｘ軸回り、ｙ軸回り及びｚ軸回りの回転３軸の６自由度を有する。

なお、３自由度マニピュレータ１を２個用いた構成を例に挙げて説明したが、３自由度マニピュレータ１は３個以上用いた構成としてもよい。

（４）６自由度マニピュレータ
次に、上述した３自由度マニピュレータ１を用いて構成された６自由度マニピュレータ９０について、図７を参照して説明する。ここで、図７は、６自由度マニピュレータ９０を示す図である。

６自由度マニピュレータ９０は、図７に示すように、ベースプレート９１と、エンドプレート９２と、３個の３自由度マニピュレータ１、１、１と、ボールジョイント（又はユニバーサルジョイント）９３、９４とから構成される。

ベースプレート９１は、ほぼ円盤状をなしている。そして、６自由度マニピュレータ９０を例えば加工機に適用した場合には、このベースプレート９１は、加工機のフレームなどに固定される。エンドプレート９２は、ほぼ円盤状をなしている。そして、６自由度マニピュレータ９０を例えば加工機に適用した場合には、このエンドプレート９２は、工具などを装着する部分となる。

そして、３個の３自由度マニピュレータ１、１、１の連結リンク２４は、ボールジョイント９３を介してベースプレート９１に連結されている。また、３個の３自由度マニピュレータ１、１、１の連結リンク２１は、ボールジョイント９４を介してエンドプレート９２に連結されている。

このような構成とすることで、エンドプレート９２がベースプレート９１に対して、並進３軸及び回転３軸の６自由度を有するようにできる。

（５）二足歩行ロボット
次に、上述した第３番目の変形態様の３自由度マニピュレータ１ｃを用いて構成された二足歩行ロボット１００について、図８を参照して説明する。ここで、図８は、二足歩行ロボット１００を示す図である。

図８に示すように、二足歩行ロボット１００は、上半身部１０１と、腰回転部１０２と、２個の脚部１０３とから構成される。腰回転部１０２は、図８の上下軸回りに回転駆動可能であって、回転角センサを有するな回転アクチュエータからなる。そして、上半身部１０１は、腰回転部１０２の上側に連結されている。また、２個の脚部１０３は、腰回転部１０２の下方側に連結されている。

そして、２個の脚部１０３は、それぞれ、進行方向変更部１０４と、３自由度マニピュレータ１ｃと、足部１０５とから構成される。進行方向変更部１０４は、図８の上下軸回りに回転駆動可能であって、回転角センサを有するな回転アクチュエータからなる。この進行方向変更部１０４の一方の回転部が、腰回転部１０２に連結されている。進行方向変更部１０４の他方の回転部が、３自由度マニピュレータ１ｃの連結リンク２１に連結されている。

足部１０５は、略コの字型形状をなしている。そして、足部１０５のコの字の閉鎖側のほぼ中央付近には、３自由度マニピュレータ１ｃの連結リンク２４が連結されている。そして、２個の脚部１０３のそれぞれの足部１０５は、開口側が向かい合うように配置されている。

このような構成からなる二足歩行ロボット１００の前後方向への移動は、２個の脚部１０３のそれぞれの３自由度マニピュレータ１ｃを動作させることにより行う。さらに、進行方向の変更は、２個の脚部１０３のそれぞれの３自由度マニピュレータ１ｃを動作しながら、進行方向変更部１０４を動作させることにより行う。

（６）車両用電動シート装置
次に、上述した３自由度マニピュレータ１を用いて構成された車両用電動シート装置１１０について、図９を参照して説明する。ここで、図９は、車両用電動シート装置１１０を示す図である。

図９に示すように、車両用電動シート装置１１０は、シート部１１１と、３自由度マニピュレータ１とから構成される。そして、３自由度マニピュレータ１の連結リンク２１は、シート部１１１の下部に固定される。また、３自由度マニピュレータ１の連結リンク２４は、車両ボディ１１２に固定される。

このような構成からなる車両用電動シート装置１１０は、車両ボディ１１２に対して車両用シート１１１を車両前後方向、車両上下方向、及び車両左右軸回りへ移動させることができる。

（７）位置角度センサ
次に、上述した３自由度マニピュレータ１の回転アクチュエータ１１、１３、１５を回転角センサに置き換えた構成とすることで、位置角度センサ１とすることができる。当該位置角度センサ１とは、第１部材２に対する第２部材３の相対的な位置角度を検出することができるセンサである。ここで、当該位置角度センサ１は、回転アクチュエータ１１、１３、１５を回転角センサに置き換えるのみで、図１に示す３自由度マニピュレータ１のうち他の部分は、同一構成からなる。従って、図１を参照しながら、位置角度センサ１について説明する。

つまり、位置角度センサ１の概略構成は、内角を変更可能であり、同一辺長さからなる６角形枠状をなしている。そして、位置角度センサ１の図１の下側部分が第１部材２の基台に固定されており、位置角度センサ１の図１の上側部分が第２部材３に固定されている。

この位置角度センサ１は、具体的には、３個の回転角センサ１１、１３、１５と、３個の回転ジョイント１２、１４、１６と、６個の連結リンク２１〜２６とから構成される。そして、回転角センサ１１、１３、１５及び回転ジョイント１２、１４、１６は、ｙ軸方向に延伸するように配置された筒状の第１回転部（図示せず）と、第１回転部と同軸上であり第１回転部に対してｙ軸回りに相対回転可能な筒状の第２回転部（図示せず）とを有している。

ここで、３個の回転角センサ１１、１３、１５は、第１回転部に対して第２回転部を相対的な回転角を検出するセンサである。例えば、回転角センサ１１、１３、１５は、ポテンションメータやロータリーエンコーダなどを備える。

そして、３個の回転角センサ１１、１３、１５により検出されるそれぞれの相対回転角に基づき、第１部材２に対する第２部材３の相対的な位置・角度を算出することができる。

（８）その他
上記実施形態の他に、本発明の３自由度マニピュレータ１は、以下のものに適用することもできる。例えば、車両前方を撮影する車載のＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ、可動式ドアミラー、可動式ヘッドライトなどに適用することができる。

３自由度マニピュレータ１の全体構成を示す斜視図である。 第１番目の変形態様である３自由度マニピュレータ１ａについて示す図である。 第２番目の変形態様である３自由度マニピュレータ１ｂについて示す図である。 第３番目の変形態様である３自由度マニピュレータ１ｃについて示す図である。 第４番目の変形態様である３自由度マニピュレータ１ｄについて示す図である。 多自由度マニピュレータ７０、８０を示す図である。 ６自由度マニピュレータ９０を示す図である。 二足歩行ロボット１００を示す図である。 車両用電動シート装置１１０を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：３自由度マニピュレータ、位置角度センサ、
２：第１部材、 ３：第２部材、
１１、１３、１５、５１、５３、５４、５６、５７：回転アクチュエータ、回転関節部、回転角センサ、
１１ａ、１３ａ、１５ａ：回転角センサ、
１２、１４、１６、５２、５５、５８：回転ジョイント、回転関節部、
２１〜２６、６１〜６８：連結リンク、 ３１：バネ・ダンパー部材、
４１〜４３：コイルバネ、 ７０、８０：多自由度マニピュレータ、 ７１：連結棒、
８１：連結用回転アクチュエータ、
９０：６自由度マニピュレータ、 ９１：ベースプレート、 ９２：エンドプレート、
９３、９４：ボールジョイント（又はユニバーサルジョイント）、
１００：二足歩行ロボット、 １０１：上半身部、 １０２：腰回転部、
１０３：脚部、 １０４：進行方向変更部、 １０５：足部、
１１０：車両用電動シート装置、 １１１：車両用シート、 １１２：車両ボディ

Claims (9)

1. 上半身部と当該上半身部に連結される一対の脚部とを備える二足歩行ロボットであって、
   前記一対の脚部は、
   前記上半身部にそれぞれ連結され前記上半身部に対して上下軸回りに回転駆動可能な２つの進行方向変更部と、
   ２つの足部と、
   それぞれの前記進行方向変更部とそれぞれの前記足部に連結され、それぞれの前記進行方向変更部に対してそれぞれの前記足部を相対移動可能にする２つのマニピュレータと、
   を備え、
   前記マニピュレータは、
   所定軸回りに相対回転可能な第１回転部及び第２回転部を有する回転関節部であって、それぞれの前記所定軸が平行となる６個の回転関節部と、
   それぞれ一端側が一の前記回転関節部の前記第１回転部又は前記第２回転部に連結され、他端側が他の前記回転関節部の前記第１回転部又は前記第２回転部に連結され、且つ、全ての前記回転関節部を連続的に連結して多角枠状を形成し、前記回転関節部の個数と同数の連結リンクと、
   を備え、
   前記回転関節部は、
   前記第１回転部に対して前記第２回転部を相対回転自在な３個の回転ジョイントと、
   前記第１回転部に対して前記第２回転部を相対回転駆動し、前記回転ジョイントの個数と同数の回転アクチュエータと、
   からなり、
   前記連結リンクは、２個の前記回転ジョイントの間に１個の前記回転アクチュエータを介在させて連結し、
   第１の前記連結リンクは、前記進行方向変更部に連結され、
   前記第１の前記連結リンクとの間に２個の隣り合う前記連結リンクを介在して連結された第２の前記連結リンクは、前記足部に連結されることを特徴とする二足歩行ロボット。
2. 前記回転アクチュエータは、前記第１回転部に対する前記第２回転部の相対回転角を検出する回転角センサを有する請求項１に記載の二足歩行ロボット。
3. それぞれの前記連結リンクは、同一長さからなる請求項１又は２に記載の二足歩行ロボット。
4. 粘性材料及び／又は弾性材料からなり、両端側を前記回転関節部及び／又は前記連結リンクに連結する粘弾性部材をさらに備える請求項１〜３の何れか一項に記載の二足歩行ロボット。
5. 前記粘弾性部材の一端側は、前記第１の前記連結リンクの一端側と前記第２の前記連結リンクの一端側との間を連結する前記回転関節部又は前記連結リンクに連結され、
   前記粘弾性部材の他端側は、前記第１の前記連結リンクの他端側と前記第２の前記連結リンクの他端側との間を連結する前記回転関節部又は前記連結リンクに連結される請求項４記載の二足歩行ロボット。
6. 前記粘弾性部材は、該粘弾性部材の一端側と他端側との離間距離を検出する距離センサを有する請求項４又は５に記載の二足歩行ロボット。
7. 少なくとも１個の前記回転関節部に配置され、該回転関節部の前記第１回転部に連結される前記連結リンクに対して前記所定軸回りの第１回転方向へ押圧し、且つ、該回転関節部の前記第２回転部に連結される前記連結リンクに対して前記所定軸回りの第２回転方向へ押圧する押圧部材をさらに備える請求項１〜６の何れか一項に記載の二足歩行ロボット。
8. 前記押圧部材は、
   前記回転関節部の前記第１回転部及び前記第２回転部に連結される前記連結リンクにより形成される内角が所定角度以上となる場合に、前記連結リンクを押圧する状態及び前記連結リンクを押圧しない状態の何れか一方となり、
   前記内角が前記所定角度より小さい場合に、前記連結リンクを押圧する状態及び前記連結リンクを押圧しない状態の他方となる請求項７記載の二足歩行ロボット。
9. 前記押圧部材は、
   前記第１の前記連結リンクと前記第２の前記連結リンクとが近接する側に移動する際に前記内角が大きくなる場合には、前記内角が前記所定角度以上となる場合に前記連結リンクを押圧する状態となり、
   前記第１の前記連結リンクと前記第２の前記連結リンクとが近接する側に移動する際に前記内角が小さくなる場合には、前記内角が前記所定角度より小さい場合に前記連結リンクを押圧する状態となる請求項８記載の二足歩行ロボット。

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