JP4736956B2 - 脚式搭乗型ロボット - Google Patents

Description

本発明は脚式搭乗型ロボットに関し、詳しくは、人が搭乗して歩行する脚式搭乗型ロボットに関する。

従来より様々な脚式搭乗型ロボットが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図５に特許文献１に開示されたロボットの構成例を示す。図に示されるように、このロボット３００は、搭乗者２００が座る座席部３０１を座面の下から支持する脚部３０２を有している。脚部３０２は、右脚と左脚から構成されており、右脚と左脚とで歩行動作を行なうことによって走行する。右端と左脚は、股関節で座席部と接続されている。また、右脚と左脚のそれぞれは、股関節に接続された上腿、上腿に膝関節で接続された下腿、下腿に足首関節で接続された足先を有している。右脚と左脚は、人の脚のように曲がることもできるし、鳥の脚のように曲がることもできる。
特開２００５−５２８９７号公報 特開２００５−１８６６５０号公報

ロボットの脚部は、歩行速度や階段の昇降性能を確保するためには、ある程度の長さが必要である。このため、従来の脚式搭乗型ロボットでは、座席部３０１が脚部３０２の上端に固定される構造であるため、座席部３０１の高さをある一定以下にすることはできない。従って、脚部３０２がまっすぐに伸びた状態でロボットが後方に転倒すると、ロボットに搭乗した搭乗者２００は衝突時の衝撃が大きくなるため、非常に危険であり、その対策が強く求められている。

また、従来の脚式搭乗型ロボットでは、搭乗者の足が前方にせり出すような座席となっているため、急な階段を上る際に搭乗者の足が階段と接触する場合もあった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、搭乗者の安全性の高い脚式搭乗型ロボットを提供することを目的とする。

本発明にかかる脚式搭乗型ロボットは、少なくとも一対の脚からなる脚部と、当該脚部に支持され、搭乗者が座ることが可能な座席部とを備えた脚式搭乗型ロボットであって、前記脚部に、搭乗者の足を載置可能な足載置部を設け、搭乗者が前記足載置部に足を載置した状態であり、なおかつ搭乗者の膝及び腿部分が非拘束な状態で、前記脚部が歩行動作を実行するものである。

ここで、前記脚部は、上腿と下腿を相互に回動可能に連結する膝関節を有し、前記足載置部は、前記膝関節よりも足先側の脚部に固定することが望ましい。

また、前記足載置部を前記脚部において異なる位置に固定可能な高さ調整手段を有することが望ましい。

一対の脚を構成する右脚と左脚は、搭乗者が間に介在できるように離間して配置され、前記足載置部は、右脚と左脚の双方において内側に延在した部材によって構成されていることが望ましい。前記足載置部は、さらに、前方に延在しているとよい。

搭乗者の両脇に配置された保護フレームを備えることが望ましい。さらには、前記座席部は、搭乗者が鉛直方向に足を伸ばすことが可能な座席を有することが好ましい。このような座席は、例えば、サドル形状にすることによって実現できる。

本発明によれば、搭乗者の安全性の高い脚式搭乗型ロボットを提供することができる。

図１及び図２を用いて、本発明にかかる脚式搭乗型ロボット（以下、単に「ロボット」とする）の構成について説明する。同じロボットについて、図１は搭乗者が搭乗した状態を示し、図２は搭乗者が登場していない状態を示す。図１（ａ）及び図２（ａ）は、ロボットの正面図であり、図１（ｂ）及び図２（ｂ）はロボットの側面図である。図１、図２では、説明の便宜上、ｘ、ｙ、ｚの３軸からなる座標系を設定している。ｘ軸はロボット１００の前後方向に延びている。ｙ軸はロボット１００の左右方向に延びている。ｚ軸はロボット１００の上下方向に延びている。

図に示されるように、ロボット１００は、脚部１０１と座席部１０２を基本的な構成としている。脚部１０１の上端部に座席部１０２が設けられている。

脚部１０１は、右脚１０と左脚２０から構成されている。右脚１０と左脚２０は、搭乗者が間に介在した状態で、当該右脚１０と左脚２０が搭乗者に接触しない程度に相互に離間している。脚部１０１の具体的な構成は、例えば、特許文献１に示される脚部と基本的に同じである。

右脚１０は、右股関節１１、右上腿１２、右膝関節１３、右下腿１４、右足首関節１５、右足先１６及び足載置部１７を備えている。

右股関節１１は、それぞれ図示しない股ヨーク、股クロスシャフト、股ｘ軸回り駆動機構、股ｙ軸回り駆動機構、股ｚ軸回り駆動機構等を備えている。股ヨークは、下方に向かって開いた略コ字状に形成されている。股クロスシャフトは、十字状に形成されている。股ヨークと右上腿１２は、股クロスシャフトを介して接続されている。右上腿１２は、２枚の板状の部材で構成されている。股クロスシャフトは、股ヨークと右上腿１２に対して回転することができる。従って、右上腿１２は、股ヨークに対して、ｘ軸回りとｙ軸回りの角度が可変である。股ｘ軸回り駆動機構は、股ｘ軸モータ、股ｘ軸モータ側プーリ、股関節側ｘ軸プーリ、ベルトを備えている。股ｘ軸モータは、ヨークに固定されている。股ｘ軸モータ側プーリは、股ｘ軸モータの駆動軸に取付けられている。股関節側ｘ軸プーリは、股クロスシャフトに固定されている。ベルトは、股ｘ軸モータ側プーリと股関節側ｘ軸プーリに巻付けられている。股ｘ軸モータが回転して股ｘ軸モータ側プーリが回転すると、ベルトを介して股関節側ｘ軸プーリも回転する。股関節側ｘ軸プーリが回転すると、それに固定されている股クロスシャフトのｘ軸回りの角度が変化する。このため、右股関節１１のｘ軸回りの関節角が変化する。股ｘ軸モータを正転したり逆転したりすることにより、右上腿１２が右側に持ち上げられたり、左側に持ち上げられたりする。なお、股ｘ軸回り駆動機構は、股ｘ軸モータ側プーリ、股関節側ｘ軸プーリ、ベルトを備えた構成に代えて、股ｘ軸モータと減速機を一体に構成した構造（ユニット）を用いても良い。他の関節部分についても同様である。

股ｙ軸回り駆動機構は、それぞれ図示しない股ｙ軸モータ、股ｙ軸モータ側プーリ、股関節側ｙ軸プーリ、ベルトを備えている。股ｙ軸モータは右上腿１２に固定されている。股ｙ軸モータ側プーリは、股ｙ軸モータの駆動軸に取付けられている。股関節側ｙ軸プーリは、股クロスシャフトに固定されている。ベルトは、股ｙ軸モータ側プーリと股関節側ｙ軸プーリに巻付けられている。股ｙ軸モータが回転すると、股ｙ軸モータ側プーリが回転する。股ｙ軸モータ側プーリが回転すると、ベルトを介して股関節側ｙ軸プーリが回転する。股関節側ｙ軸プーリの回転にともなって、股クロスシャフトのｙ軸回りの角度が変化する。従って、右股関節１１のｙ軸回りの関節角が変化する。股ｙ軸モータを正転したり逆転したりすることにより、右上腿１２を右股関節１１回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。これに対して、人間の股関節は、上腿を前方側に持ち上げることはできるが、後方側に持ち上げることはできない。

股ｚ軸回り駆動機構は、それぞれ図示しない股ｚ軸モータ、股ｚ軸モータ側プーリ、股関節側ｚ軸プーリ、ベルト等を備えている。股ｚ軸モータは図示しないブラケットを介して腰部材に固定されている。腰部材は、座席部１０２と結合されている。股ｚ軸モータ側プーリは、股ｚ軸モータの駆動軸に取付けられている。股関節側ｚ軸プーリは、図示しないシャフトによって股ヨークと連結されている。このため、股ヨークは、股関節側ｚ軸プーリとともにｚ軸回りに回転する。シャフトは、腰部材内に設けられているベアリングによって、回転可能に支持されている。ベルトは、股ｚ軸モータ側プーリと股関節側ｚ軸プーリに巻付けられている。股ｚ軸モータが回転すると、股ｚ軸モータ側プーリが回転する。股ｚ軸モータ側プーリが回転すると、ベルトを介して股関節側ｚ軸プーリが回転する。股関節側ｚ軸プーリの回転にともなって股ヨークは回転し、それとともに右股関節１１のｚ軸回りの関節角が変化する。股ｚ軸モータが正転したり逆転したりすると、右股関節１１のｚ軸回りの関節角が一方向に変化したり、他方向に変化したりする。右股関節１１のｚ軸回りの関節角が一方向に変化したり、他方向に変化したりすると、右脚１４が内股になったり、外股になったりする。

右膝関節１３は、それぞれ図示しないシャフトと膝関節駆動機構を備えている。シャフトは、右上腿１２と右下腿１４をｙ軸回りに回転可能に接続している。右下腿１４は、２枚の板状の部材から構成されている。

膝関節駆動機構は、それぞれ図示しない膝モータ、膝モータ側プーリ、膝関節側プーリ、ベルトを有している。膝モータは、右上腿１２に固定されている。膝モータ側プーリは、膝モータの駆動軸に取付けられている。膝関節側プーリは、右下腿１４に固定されている。ベルトは、膝モータ側プーリと膝関節側プーリに巻付けられている。膝モータが回転すると、膝モータ側プーリが回転する。膝モータ側プーリが回転すると、ベルトを介して膝関節側プーリが回転する。膝関節側プーリが回転すると、右膝関節１３のｙ軸回りの関節角が変化する。膝モータを正転したり逆転したりすることにより、右下腿１４を右膝関節１３回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。これに対して、人間の下腿は後方側に持ち上げることができるのみで、前方側に持ち上げることができない。右下腿１４を右膝関節１３回りに前方側に持ち上げると、右上腿１２と右下腿１４は前方側に向かって開いた状態になる。以下においては、この状態を「鳥足状態」と呼ぶ。また、人間のように、右上腿１２と右下腿１４が後方側に向かって開いた状態を「人足状態」と呼ぶ。

右足首関節１５は、それぞれ図示しない足首ヨーク、足首クロスシャフト、足首ｘ軸回り駆動機構、足首ｙ軸回り駆動機構を備えている。足首ヨークは、上方に向かって開いた略コ字状に形成されている。足首クロスシャフトは、股クロスシャフトと同様に十字状に形成されている。足首ヨークと右下腿１４は、足首クロスシャフトを介して接続されている。足首ヨークには、右足先１６が固定されている。このように右下腿１４と右足先１６が右足首関節１５を介して接続されているので、足先１６は右下腿１４に対して、ｘ軸回りとｙ軸回りの角度が可変とされている。

足首ｘ軸回り駆動機構は、それぞれ図示しない足首ｘ軸モータ、足首ｘ軸モータ側プーリ、足首関節側ｘ軸プーリ、ベルトを備えている。足首ｘ軸モータは、右下腿１４に固定されている。足首ｘ軸モータ側プーリは、足首ｘ軸モータの駆動軸に取付けられている。足首関節側ｘ軸プーリは、足首クロスシャフトに固定されている。ベルトは、足首ｘ軸モータ側プーリと足首関節側ｘ軸プーリに巻付けられている。足首ｘ軸モータが回転すると、足首ｘ軸モータ側プーリが回転する。足首ｘ軸モータ側プーリが回転すると、ベルトを介して足首関節側ｘ軸プーリが回転する。足首関節側ｘ軸プーリが回転すると、足首クロスシャフトとともに足首ヨークのｘ軸回りの角度が変化する。このため、足首ｘ軸モータが正転したり逆転したりすると、右足先１６のつま先が上を向いたり下を向いたりする。

足首ｙ軸回り駆動機構は、それぞれ図示しない足首ｙ軸モータ、足首ｙ軸モータ側プーリ、足首関節側ｙ軸プーリ、ベルトを備えている。足首ｙ軸モータは右下腿１４に固定されている。足首ｙ軸モータ側プーリは、足首ｙ軸モータの駆動軸に取付けられている。足首関節側ｙ軸プーリは、足首クロスシャフトに対して固定されている。ベルトは、足首ｙ軸モータ側プーリと足首関節側ｙ軸プーリに巻付けられている。足首ｙ軸モータが回転すると、足首ｙ軸モータ側プーリが回転する。足首ｙ軸モータ側プーリが回転すると、ベルトを介して足首関節側ｙ軸プーリが回転する。足首関節側ｙ軸プーリが回転すると、足首クロスシャフトとともに右足首ヨークのｙ軸回りの角度が変化する。足首ｙ軸モータが正転したり逆転したりすると、右足先１６のつま先が右をむいたり左を向いたりする。

足載置部１７は、搭乗者２００の足が載置され、足を支持するフットレストである。この足載置部１７は、板状のプレートより構成され、右膝関節１３と右足首関節１５の間の右下腿１４に固定されている。当該足載置部１７は、右膝関節１３やその上方の右上腿１２に固定することも可能であるが、搭乗時の搭乗者２００の重心を低くし、ロボット１００が倒れた場合の安全性を高めるという観点からは、右下腿１４若しくは右足首関節１５に固定することが好ましい。

本例において、足載置部１７は、搭乗者２００の足よりも大きい主面を有するプレートであり、右下脚１４より右下腿１４の長手方向に対して垂直に前方及び内側（左脚２０側）に延出している。

本例にかかる足載置部１７は、右下腿１４の上下方向にスライド可能なスライド機構（高さ調整機構）を備えている。足載置部１７は、このスライド機構により右下腿１４上の任意の位置に固定することができる。そのため、搭乗者２００の脚の長さに応じて、足載置部１７の位置を調整することができる。

また、足載置部１７は、左下腿１４の長手方向に対して垂直に固定されていなくとも、揺動可能に当該左下腿１４に軸支され、左下腿１４の長手方向に対する角度を可変にする揺動機構を備えてもよい。例えば、足載置部１７を足先１６と平行を維持するように揺動機構を動作させることも可能である。これにより、搭乗者の乗り心地を高めることができる。

足載置部１７に、図示しない足先固定部を設けてもよい。足先固定部は、足先を収容することが可能なスリッパ形状を有するものであってもよく、ベルト式に足先を固定するものであってもよい。

さらに足載置部１７の上面に感圧センサを設けてもよい。感圧センサは、押し圧によって接点抵抗が変化する感圧接点がシート内に多数配置されていて、荷重、圧力の分布が検知できるシート状感圧センサである。かかる感圧センサにより検知された、搭乗者の足の載置状況情報に応じて、ロボット１００の脚部１０１の動作を制御することも可能である。例えば、感圧センサが、搭乗者の片足が足載置部１７より離れたこと（即ち、搭乗者が片足を持ち上げたこと）を検知した場合には、離れた側のロボット１００の足が上昇するように制御し、逆に搭乗者の片足が足載置部１７に対して強く置かれたこと（即ち、搭乗者が片足を下ろして踏みしめる動作を行ったこと）を検知した場合には、その足が下降するように制御する。

左脚２０は、左股関節２１、左上腿２２、左膝関節２３、左下腿２４、左足首関節２５、左足先２６及び足載置部２７を備えている。左脚２０の構成は右脚１０と同様なので、これ以上の説明は省略する。

座席部１０２は、背当て部３１、第１フレーム３２、第２フレーム３３、座席３４、収容部３５を備えている。座席部１０２は、さらに、それぞれ図示しない右操作部、左操作部を備えていてもよい。

背当て部３１は、座席３４に対して略垂直、即ち、ロボット１００が倒立した状態で鉛直となる方向に設けられた平板状の部材である。背当て部３１には、搭乗者２００の背中が当接する。背当て部３１は、右脚１０と左脚２０間の距離よりも幅狭であり、搭乗者２００の後頭部が当接する位置は前方に突出している。突出部が柔軟な素材で構成されることにより、搭乗者１００の頭部を保護できる。

第１フレーム３２と第２フレーム３３は、パイプ状の部材を曲げ成形したものであり、搭乗者保護フレームとして機能する。第１フレーム３２及び第２フレーム３３は、それぞれ側面視でコの字状の形状を有し、下方の直線部が座席３４の座面の上面に固定され、その反対側の他端近傍が搭乗者２００の脇の下に位置するように、背当て部３１に固定されている。

座席３４は、ロボット１００が倒立した状態で地面に対して平行となるような平板状の部材である。本発明における座席３４は、搭乗者２００が座席３４に座った状態において、搭乗者２００の両足を略真っ直ぐ下方に伸ばすことができるような前後幅を有する。具体的には、そのために、座席３４の前後幅は短く、搭乗者２００は座席３４に対して浅く腰掛ける状態となる。座席３４を自転車のサドルと同様の形状を有するようにしてもよい。この場合には、搭乗者２００は、略真っ直ぐ下方に両足を伸ばすことができ、ロボット１００の歩行に応じて足載置部１７が移動した場合にも、座席３４が邪魔にならずに搭乗者２００の両足を動かすことができる。

背当て部３１の後ろ面には、箱状の収容部３５が固定されている。収容部には、ロボット１００の動作を制御するコントローラや、バッテリー等が収容されている。

図１に示されるように、本発明にかかるロボット１００に搭乗者２００が搭乗した状態において、搭乗者２００は、少なくともその足が足載置部１７に載置された状態にある。さらに、搭乗者２００の足への負担を軽減する場合には、搭乗者２００は、座席３４に腰掛けることも可能である。
また、本発明にかかるロボット１００が階段を上る様子を図３、図４に示す。

搭乗状態において、搭乗者２００の腿や膝は、ロボット１００に対して固定されていない非拘束状態、即ち自由な状態にある。装着型のパワーアシスト型ロボットでは、搭乗者の腿や膝はロボットに対して固定する必要があり、さらに搭乗者の膝の位置とロボットの膝の位置を合わせる必要があるが、本発明にかかる搭乗型ロボット１００は、膝の位置を合わせる必要がないため、脚の長さによらず、さまざまな人が搭乗することができる。脚載置部１７をスライド機構によりスライドさせることにより、搭乗者の脚の長さに応じて微調整することができる。

また、本発明にかかるロボット１００では、両脚１０，２０の間隔が間に搭乗者２００が介在できる程度あり、かつ、足載置部１７が両脚１０，２０の内側に延出しているため、搭乗者２００は足載置部１７に足を載置した状態で両脚１０，２０の間に位置することが可能となる。即ち、搭乗者２００の体に沿うように、ロボット１００の両脚１０，２０が位置している。従って、ロボット１００が人足状態で脚を動かして歩行したとしても、ロボット１００の脚、特に膝が搭乗者２００に接触せず、走行の妨げにならない。

さらに、本発明にかかるロボット１００では、搭乗者２００は、足載置部１７に足を乗せて、略鉛直に立つことができるので、搭乗者２００の重心の位置が低くなるため、転倒が発生しにくくなる。また、ロボット１００が転倒した場合であっても、搭乗者２００に与える衝撃を避けることができる。

また、ロボット１００に対して固定されない状態で搭乗者２００が搭乗した場合には、ロボット１００が転倒したときに、ロボット１００から直ぐに離れることが可能となるため、転倒の衝撃を直接受けるのを防止できる。

従来のロボットでは、搭乗者の足が前方にせり出すような座席となっているため、急な階段を上る際に搭乗者の足が階段と接触する場合もあったが、本発明にかかるロボット１００では、搭乗者の足は、ロボット１００の脚部と同じ位置にあるため、急な階段を上る場合であっても階段と接触することがなく安全である。

また、搭乗状態において、搭乗者の脇の下を第１フレーム３２及び第２フレーム３３が支持する構成のため、搭乗者の姿勢を安定化することができる。これらのフレームは、転倒時に搭乗者の上半身を保護する役割も果たす。

本発明にかかるロボット１００は、搭乗者の体に必ずし直接装着する必要がないため着脱が容易であり、またロボット１００を搭乗者毎にカスタマイズする必要がない。

本発明にかかる脚式搭乗型ロボットの、搭乗者が搭乗した状態における正面図及び側面図である。 本発明にかかる脚式搭乗型ロボットの、搭乗者が搭乗していない状態における正面図及び側面図である。 本発明にかかる脚式搭乗型ロボットが階段を上る様子を示す斜視図である。 本発明にかかる脚式搭乗型ロボットが階段を上る様子を示す斜視図である。 従来の脚式搭乗型ロボットの側面図である。

符号の説明

１００ 脚式搭乗型ロボット
１０１ 脚部
１０２ 座席部
１０ 右脚
２０ 左脚
１１ 右股関節
１２ 右上腿
１３ 右膝関節
１４ 右下腿
１５ 右足首関節
１６ 右足先
１７ 足載置部
２０ 左脚
２１ 左股関節
２２ 左上腿
２３ 左膝関節
２４ 左下腿
２５ 左足首関節
２６ 左足先
２７ 足載置部
３４ 座席

Claims (7)

1. 少なくとも一対の脚からなる脚部が歩行動作を行い、搭乗者が略直立した状態で搭乗する脚式搭乗型ロボットであって、
   前記搭乗者の足が載置され、前記各脚の膝関節より足先側の部分からそれぞれ内側に延在する足載置部を備え、
   前記各脚は、前記搭乗者の足が前記足載置部に載置された時に当該搭乗者が当該各脚の間に介在するように、互いに離間して配置されている、
   脚式搭乗型ロボット。
2. 前記足載置部の上面に感圧センサが設けられ、
   前記脚部は、前記感圧センサにより検知される前記搭乗者の足の動きに基づいて、前記搭乗者の膝及び腿部分が非拘束な状態で、制御される、
   請求項１に記載の脚式搭乗型ロボット。
3. 前記足載置部を前記脚部において異なる位置に固定可能な高さ調整手段を有する、
   請求項１又は２に記載の脚式搭乗型ロボット。
4. 前記足載置部は、さらに、前方に延在している、
   請求項３に記載の脚式搭乗型ロボット。
5. 前記搭乗者が鉛直方向に足を延ばして着座可能な座席を備える、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の脚式搭乗型ロボット。
6. 前記座席は、サドル形状である、
   請求項５に記載の脚式搭乗型ロボット。
7. 前記搭乗者の両脇に配置された保護フレームを備えた、
   請求項１〜６のいずれか１つに記載の脚式搭乗型ロボット。

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