JP4911525B2

JP4911525B2 - ２足歩行ロボット

Info

Publication number: JP4911525B2
Application number: JP2007274846A
Authority: JP
Inventors: 慶久松岡; 健二竹中; 慧市橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-10-23
Also published as: JP2009101456A

Description

本発明は、胴体部と左右一対の脚部とを備える２足歩行ロボットに関する。

この種の２足歩行ロボットにおいて、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とで構成される。そして、従来、各脚部の大腿リンクと下腿リンクとを膝関節部から離れた部分で連結する下腿駆動用の直動アクチュエータと、各脚部の下腿リンクと足平部とを足首関節部から離れた部分で連結する足平駆動用の直動アクチュエータとを備え、下腿駆動用直動アクチュエータの伸縮動作で下腿リンクを大腿リンクに対し膝関節部を中心にして揺動させ、足平駆動用直動アクチュエータの伸縮動作により足平部を下腿リンクに対し足首関節部を中心にして揺動させるようにした２足歩行ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このもので下腿駆動用と足平駆動用の各直動アクチュエータは、電動モータ及び該電動モータにより回転駆動されるねじ軸を備える駆動ユニットと、ねじ軸にボールを介して螺合するナット部材を取付けたスライダとで構成されている。駆動ユニットは、上端に電動モータを搭載した、ねじ軸の軸線方向（上下方向）に長手のガイドフレームを備えており、このガイドフレームに固定したガイドレールにスライダを摺動自在に係合させて、ねじ軸の回転によりスライダがねじ軸の軸線方向に進退されるようにしている。

そして、下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットのガイドフレームを大腿リンクに揺動自在に連結すると共に、下腿駆動用直動アクチュエータのスライダを下腿リンクに揺動自在に連結し、また、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットのガイドフレームを下腿リンクに揺動自在に連結すると共に、足平駆動用直動アクチュエータのスライダを足平部に揺動自在に連結している。

ところで、ロボットの運動性能（歩行速度、応答性）を向上させるには、大腿リンクの慣性モーメント及び下腿リンクの慣性モーメントを小さくする必要があるが、上記従来例のものでは、大腿リンク及び下腿リンクの慣性モーメントを小さくすることが困難である。即ち、上記従来例のものでは、下腿駆動用と足平駆動用の各直動アクチュエータに、ガイドレールを取付けた重量の重い上下方向に長手のガイドフレームが設けられているため、直動アクチュエータの重心位置が駆動ユニットの上端からかなり下方に離れる。従って、大腿リンクや下腿リンクに駆動ユニットをその上端が各リンクの上端の関節部（股関節部や膝関節部）と同等高さになるように連結しても、直動アクチュエータの重心と各リンクの上端の関節部との間の距離が長くなる。しかも、直動アクチュエータの重量がガイドフレームの影響で重くなるため、大腿リンクの股関節部回りの慣性モーメントや下腿リンクの膝関節部回りの慣性モーメントがかなり大きくなってしまう。
特開２００４−２０２６７６号公報（図１、図２）

本発明は、以上の点に鑑み、大腿リンク及び下腿リンクの慣性モーメントを小さくして運動性能を向上できるようにした２足歩行ロボットを提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、胴体部と左右一対の脚部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とで構成される２足歩行ロボットであって、各脚部の大腿リンクと下腿リンクとを膝関節部から離れた部分で連結する下腿駆動用の直動アクチュエータと、各脚部の下腿リンクと足平部とを足首関節部から離れた部分で連結する足平駆動用の直動アクチュエータとを備え、下腿駆動用直動アクチュエータの伸縮動作で下腿リンクを大腿リンクに対し膝関節部を中心にして揺動させ、足平駆動用直動アクチュエータの伸縮動作により足平部を下腿リンクに対し足首関節部を中心にして揺動させるようにしたものにおいて、下腿駆動用と足平駆動用の各直動アクチュエータは、電動モータ及び該電動モータにより回転駆動されるナット部材を備える駆動ユニットと、ナット部材に保持されるボールを介して該ナット部材に螺合するねじ軸とから成るボールねじ機構で構成され、下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々大腿リンクと下腿リンクとに揺動自在に連結されると共に、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々下腿リンクと足平部とに揺動自在に連結され、下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの大腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユニットのナット部材の中心軸線に直交し、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの下腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユニットのナット部材の中心軸線に直交することを特徴とする。

本発明によれば、各直動アクチュエータの駆動ユニットに電動モータにより回転駆動されるナット部材を設け、ナット部材の回転によりこれに螺合するねじ軸を進退させるようにしているため、従来例のようなスライダを案内するためのガイドレールを取付けた重量の重い上下方向に長手のガイドフレームが不要になる。その結果、直動アクチュエータの重心位置が駆動ユニットの上端に近付き、大腿リンクや下腿リンクの上端の関節部（股関節部や膝関節部）と直動アクチュエータの重心との間の距離を短縮することができる。しかも、重量物たるガイドフレームが不要になることで直動アクチュエータの重量が軽くなるため、大腿リンクや下腿リンクの上端の関節部回りの慣性モーメントを低減することができ、２足歩行ロボットの運動性能が向上する。

尚、駆動ユニットにナット部材を設ける場合、駆動ユニットの大腿リンクや下腿リンクに対する揺動軸線がナット部材の中心軸線に直交する線からオフセットしていると、ねじ軸の進退動作に伴い駆動ユニットがねじ軸の軸線からオフセットした揺動軸線回りに揺動することになって、ねじ軸に曲げ荷重が作用する。そして、曲げ荷重を吸収するために、ナット部材をリニヤガイドによりフローティング支持することが必要になる。これに対し、本発明では、駆動ユニットの大腿リンクや下腿リンクに対する揺動軸線がナット部材の中心軸線に直交するため、ねじ軸に曲げ荷重は作用せず、リニヤガイドが不要になってその分直動アクチュエータが軽量になり、大腿リンクや下腿リンクの慣性モーメントが低減される。

また、本発明において、各直動アクチュエータの駆動ユニットは、電動モータを搭載するマウントフレームを備え、このマウントフレームに、ナット部材を回転自在に収納するナットケースが電動モータと平行に並設され、大腿リンク又は下腿リンクに駆動ユニットがナットケースにおいて上記揺動軸線回りに揺動自在に連結されることが望ましい。ここで、電動モータの真下にナットケースを配置して、このナットケース内にナット部材を回転自在に収納することも可能であるが、これでは駆動ユニットの上下方向長さが長くなってしまい、その分直動アクチュエータの重心位置が低くなる。これに対し、上記の如くナットケースを電動モータに並設すれば、駆動ユニットの上下方向長さが短くなり、その分直動アクチュエータの重心位置が高くなる。これにより、大腿リンクや下腿リンクの慣性モーメントを一層低減できる。

また、下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットを股関節部の関節軸と同一軸線上で大腿リンクに揺動自在に連結し、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットを膝関節部の関節軸と同一軸線上で下腿リンクに揺動自在に連結すれば、大腿リンクや下腿リンクの慣性モーメントをより一層低減できる。

図１乃至図４は本発明の実施形態の２足歩行ロボットを示している。この２足歩行ロボットは、胴体部１と左右一対の脚部２，２とを備えている。胴体部１は胴体フレーム３を備えており、この胴体フレーム１上にコントロールボックス４が搭載されている。また、胴体フレーム３には、上下方向の軸（Ｚ軸）回りに旋回自在な左右一対の旋回枠５，５が設けられており、各旋回枠５に左右の各脚部２が連結されている。

各脚部２は、胴体部１の各旋回枠５の下端に股関節部６を介して連結される大腿リンク７と、大腿リンク７の下端に膝関節部８を介して連結される下腿リンク９と、下腿リンク９の下端に足首関節部１０を介して連結される足平部１１とで構成されている。

股関節部６は、Ｚ軸に直交する横方向の軸（Ｙ１軸）と前後方向の軸（Ｘ１軸）との２軸回りの回転自由度を持つ２軸ジョイントで構成される。従って、大腿リンク７は旋回枠５に対しＹ１軸を中心にして前後方向に揺動自在で、且つ、Ｘ１軸を中心にして横方向に揺動自在である。股関節部６には、大腿リンク７のＹ１軸回りとＸ１軸回りの揺動角度を検出するエンコーダ６ａ，６ｂが設けられている。

膝関節部８は、横方向の軸（Ｙ２軸）回りの回転自由度を持つ１軸ジョイントで構成される。従って、下腿リンク９は大腿リンク７に対しＹ２軸を中心にして前後方向に揺動自在である。膝関節部８には、下腿リンク９のＹ２軸回りの揺動角度を検出するエンコーダ８ａが設けられている。

足首関節部１０は、横方向の軸（Ｙ３軸）とこれに直交する前後方向の軸（Ｘ３軸）との２軸回りの回転自由度を持つ２軸ジョイントで構成されている。従って、足平部１１は下腿リンク９に対しＹ３軸を中心にして上下方向に揺動自在で、且つ、Ｘ３軸を中心にして横方向に揺動である。足首関節部１０には、足平部１１のＹ３軸回りとＸ３軸回りの揺動角度を検出するエンコーダ１０ａ，１０ｂが設けられている。

また、本実施形態の２足歩行ロボットには、胴体フレーム３と各旋回枠５とをＺ軸から離れた部分で連結する第１直動アクチュエータ１２_１と、各旋回枠５と各脚部２の大腿リンク７とを股関節部６から離れた部分で連結する左右一対の第２直動アクチュエータ１２_２，１２_２と、各脚部２の大腿リンク７と下腿リンク９とを膝関節部８から離れた部分で連結する第３直動アクチュエータ１２_３と、各脚部２の下腿リンク９と足平部１１とを足首関節部１０から離れた部分で連結する左右一対の第４直動アクチュエータ１２_４，１２_４とが設けられている。

旋回枠５は、第１直動アクチュエータ１２_１の伸縮動作によりＺ軸回りに旋回動作される。大腿リンク７は、一対の第２直動アクチュエータ１２_２，１２_２を共に伸張又は収縮動作させることにより股関節部６のＹ１軸を中心にして前後方向に揺動され、両第２直動アクチュエータ１２_２，１２_２の一方を伸張動作させると共に他方を収縮動作させることにより股関節部６のＸ１軸を中心にして横方向に揺動される。下腿リンク９は、第３直動アクチュエータ１２_３の伸縮動作により膝関節部８のＹ２軸を中心にして前後方向に揺動される。足平部１１は、一対の第４直動アクチュエータ１２_４，１２_４を共に伸張又は収縮動作させることにより足首関節部１０のＹ３軸を中心にして上下方向に揺動され、両第４直動アクチュエータ１２_４，１２_４の一方を伸張動作させると共に他方を収縮動作させることにより足首関節部１０のＸ３軸を中心にして横方向に揺動される。

第１乃至第４の各直動アクチュエータ１２_１，１２_２，１２_３，１２_４は、図５に示す如く、電動モータ１３及び該電動モータ１３により回転駆動されるナット部材１４を備える駆動ユニット１５と、ナット部材１４に保持されるボール１４ａを介して該ナット部材１４に螺合するねじ軸１６とから成るボールねじ機構で構成される。そして、ナット部材１４の回転に伴うねじ軸１６の軸方向移動で各直動アクチュエータ１２_１，１２_２，１２_３，１２_４が伸縮動作する。ねじ軸１６は、外周面にねじ溝を形成した本体部１６ａと、本体部１６ａの軸方向一端にジョイント部１６ｂを介して連結したロッド部１６ｃとで構成されている。尚、図５は第４直動アクチュエータ１２_４を示しているが、他の直動アクチュエータ１２_１，１２_２，１２_３も同様の構造になっている。

駆動ユニット１５は、電動モータ１３を搭載するマウントフレーム１７を備え、このマウントフレーム１７に、ナット部材１４を回転自在に収納する筒状のナットケース１８が電動モータ１３と平行に並設されている。ナット部材１４は、ナットケース１８内に一対のアンギュラベアリング１９，１９を介して軸支されている。そして、マウントフレーム１７から突出する電動モータ１３の出力軸１３ａに駆動プーリ１３ｂを連結すると共に、マウントフレーム１７から突出するナット部材１４の端部に従動プーリ１４ｂを連結し、両プーリ１３ｂ，１４ｂにベルト１３ｃを巻き掛けして、電動モータ１３によりベルト１３ｃを介してナット部材１４が回転駆動されるようにしている。

また、ナットケース１８には、ナット部材１４の中心軸線に直交する孔軸を持つ孔１８ａが形成されている。そして、ナットケース１８がこの孔１８ａに装着したベアリング１８ｂにおいて後述する支軸１８ｃに揺動自在に軸支されるようにしている。

第１直動アクチュエータ１２_１の駆動ユニット１５は、胴体フレーム３にナットケース１８においてＺ軸に平行な揺動軸線（Ｚａ軸）回りに揺動自在に連結される。即ち、胴体フレーム３にＺａ軸上に位置する支軸１８ｃを取付けて、この支軸１８ｃにナットケース１８をベアリング１８ｂを介して揺動自在に軸支させている。この場合、Ｚａ軸はナット部材１４の中心軸線に直交することになる。また、第１直動アクチュエータ１２_１のねじ軸１６は、旋回枠５にロッド部１６ｃにおいてＺ軸に平行な揺動軸線（Ｚｂ軸）回りに揺動自在に連結されている。

各第２直動アクチュエータ１２_２の駆動ユニット１５は、旋回枠５にナットケース１８において股関節部６のＹ１軸に平行な揺動軸線（Ｙ１ａ軸）とこれに直交する揺動軸線（Ｘ１ａ軸）との２つの軸線回りに揺動自在に連結される。具体的には、旋回枠５にＹ１ａ軸回りに回転自在なジョイント部材１２_２ａを軸着し、このジョイント部材１２_２ａにＸ１ａ軸上に位置する支軸１８ｃを取付けて、この支軸１８ｃにナットケース１８をベアリング１８ｂを介して揺動自在に軸支させている。この場合、Ｘ１ａ軸はナット部材１８の中心軸線に直交し、Ｙ１ａ軸もナット部材１８の中心軸線に直交する。また、各第２直動アクチュエータ１２_２のねじ軸１６は、股関節部６の後方に位置する大腿リンク７の上端部にロッド部１６ｃにおいてＹ１軸に平行な揺動軸線（Ｙ１ｂ軸）とこれに直交する揺動軸線（Ｘ１ｂ軸）との２つの軸線回りに揺動自在に連結される。具体的には、ロッド部１６ｃがＹ１ｂ軸とＸ１ｂ軸との２軸回りの回転自由度を持つ２軸ジョイント１２_２ｂを介して大腿リンク７の上端部に連結される。

第３直動アクチュエータ１２_３の駆動ユニット１５は、大腿リンク７の上部にナットケース１８において膝関節部８のＹ２軸に平行な揺動軸線（Ｙ２ａ軸）回りに揺動自在に連結される。具体的には、大腿リンク７の上部にＹ２ａ軸上に位置する支軸１８ｃを取付けて、この支軸１８ｃにナットケース１８をベアリング１８ｂを介して揺動自在に軸支させている。この場合、Ｙ２ａ軸はナット部材１４の中心軸線に直交することになる。また、第３直動アクチュエータ１２_３のねじ軸１６は、膝関節部８の上方に延出した下腿リンク９の上端部にロッド部１６ｃにおいてＹ２軸に平行な揺動軸線（Ｙ２ｂ軸）回りに揺動自在に連結される。具体的には、ロッド部１６ｃがＹ２ｂ軸回りの回転自由度を持つ１軸ジョイント１２_３ｂを介して下腿リンク９の上端部に連結される。

各第４直動アクチュエータ１２_４の駆動ユニット１５は、下腿リンク９の上部にナットケース１８において足首関節部１０のＹ３軸に平行な揺動軸線（Ｙ３ａ軸）とこれに直交する揺動軸線（Ｘ３ａ軸）との２つの軸線回りに揺動自在に連結される。具体的には、下腿リンク９の上部にＹ３ａ軸回りに回転自在なジョイント部材１２_４ａを軸着し、このジョイント部材１２_４ａにＸ３ａ軸上に位置する支軸１８ｃを取付けて、この支軸１８ｃにナットケース１８をベアリング１８ｂを介して揺動自在に軸支させている。この場合、Ｘ３ａ軸はナット部材１８の中心軸線に直交し、Ｙ３ａ軸もナット部材１８の中心軸線に直交する。また、各第４直動アクチュエータ１２_４のねじ軸１６は、足平部１１にロッド部１６ｃにおいてＹ３軸に平行な揺動軸線（Ｙ３ｂ軸）とこれに直交する揺動軸線（Ｘ３ｂ軸）との２つの軸線回りに揺動自在に連結される。具体的には、ロッド部１６ｃがＹ３ｂ軸とＸ３ｂ軸との２軸の回転自由度を持つ２軸ジョイント１２_４ｂを介して足平部１１に連結される。

また、各第４直動アクチュエータ１２_４は、該各第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力が膝関節部８のＹ２軸と足首関節部１０のＹ３軸とを結ぶ結線Ｌ１に対し後傾した線Ｌ２上に作用するように配置される。具体的には、各第４直動アクチュエータ１２_４の下腿リンク９に対する連結部であるＹ３ａ軸を上記結線Ｌ１より後方に位置させ、各第４直動アクチュエータ１２_４の足平部１１に対する連結部であるＹ３ｂ軸を上記結線Ｌ１よりも前方に位置させている。ここで、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力は矢状面においてＹ３ａ軸とＹ３ｂ軸とを結ぶ線上に作用するから、Ｙ３ａ軸とＹ３ｂ軸とを上記に如く位置させることにより、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力の作用線Ｌ２は上記結線Ｌ１に対し後傾する。

尚、各脚部２の一対の第４直動アクチュエータ１２_４，１２_４のうち下腿リンク９の横方向外側に配置される第４直動アクチュエータ１２_４の駆動ユニット１５は、ナットケース１８の横方向外側に電動モータ１３が位置する姿勢になっているが、下腿リンク９の横方向内側に配置される第４直動アクチュエータ１２_４の駆動ユニット１５は、他の脚部２の下腿リンク９の横方向内側に配置される第４直動アクチュエータ１２_４の駆動ユニット１５との干渉を回避するため、ナットケース１８の前側に電動モータ１３が位置する姿勢になっている。

ところで、下腿駆動用の第３直動アクチュエータ１２_３と足平駆動用の第４直動アクチュエータ１２_４とを、夫々、電動モータと該モータで回転駆動されるねじ軸とを備える駆動ユニットと、ねじ軸に螺合するナット部材を有するスライダとから成るボールねじ機構で構成することも考えられる。然し、このものでは、スライダを案内するためのガイドレールを取付けた重量の重い上下方向に長手のガイドフレームが必要になり、このガイドフレームの影響で直動アクチュエータの重心位置が駆動ユニットの上端からかなり下方に離れる。従って、大腿リンク７や下腿リンク９に駆動ユニットをその上端が各リンク７，９の上端の関節部（股関節部６や膝関節部８）と同等高さになるように連結しても、駆動ユニットの重心と各リンク７，９の上端の関節部との間の距離が長くなる。しかも、直動アクチュエータの重量がガイドフレームの影響で重くなるため、大腿リンク７の股関節部６回りの慣性モーメントや下腿リンク９の膝関節部８回りの慣性モーメントが大きくなってしまう。

これに対し、本実施形態では、各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の駆動ユニット１５に電動モータ１３により回転駆動されるナット部材１４を設け、ナット部材１４の回転によりこれに螺合するねじ軸１６を進退させるようにしているため、上述したスライダを案内するためのガイドレールを取付けた重量の重い上下方向に長手のガイドフレームが不要になる。その結果、各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の重心位置が駆動ユニット１５の上端に近付き、大腿リンク７や下腿リンク９の上端の関節部（股関節部６や膝関節部８）と各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の重心との間の距離を短縮することができる。しかも、重量物たるガイドフレームが不要になることで各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の重量が軽くなるため、大腿リンク７や下腿リンク９の上端の関節部回りの慣性モーメントを低減することができ、２足歩行ロボットの歩行速度や応答性等の運動性能が向上する。

尚、各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の駆動ユニット１５にナット部材１４を設ける場合、駆動ユニット１５の大腿リンク７や下腿リンク９に対する揺動軸線がナット部材１４の中心軸線に直交する線からオフセットしていると、ねじ軸１６の進退動作に伴い駆動ユニット１５がねじ軸１６の軸線からオフセットした揺動軸線回りに揺動することになって、ねじ軸１６に曲げ荷重が作用する。そして、曲げ荷重を吸収するために、ナット部材１４をリニヤガイドによりフローティング支持することが必要になる。これに対し、本実施形態では、各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の駆動ユニット１５の大腿リンク７や下腿リンク９に対する揺動軸線（Ｙ２ａ軸、Ｙ３ａ軸、Ｘ３ａ軸）がナット部材１４の中心軸線に直交するため、ねじ軸１６に曲げ荷重は作用せず、リニヤガイドが不要になる。従って、その分各直動アクチュエータ１２_３、１２_４が軽量になり、大腿リンク７や下腿リンク９の慣性モーメントが低減される。

また、各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の駆動ユニット１５にナット部材１４を設ける場合、電動モータ１３の真下にナットケースを配置して、このナットケース内にナット部材を回転自在に収納することも可能である。然し、これでは駆動ユニット１５の上下方向長さが長くなってしまい、その分各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の重心位置が低くなる。これに対し、本実施形態の如くナットケース１８を電動モータ１３に並設すれば、駆動ユニット１５の上下方向長さが短くなり、その分各直動アクチュエータ１２_３、１２_４の重心位置が高くなる。これにより、大腿リンク７や下腿リンク９の慣性モーメントを一層低減できる。

ところで、階段歩行時には、図６に示す如く、膝関節部８の屈曲角度が大きくなり、階段面に接地する足平部１１に対し下腿リンク９が大きく前傾する。そして、階段を上るためには、第４直動アクチュエータ１２_４により足平部１１に足首関節部１０を中心にした前下がり（つま先下がり）方向の大きなモーメントを付与する必要がある。

ここで、足平部１１へのモーメントの付与に寄与するのは、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力のうち足平部１１（接地面）に直交する方向の成分だけである。この場合、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力を膝関節部８と足首関節部１０とを結ぶ結線Ｌ１に平行な線上に作用させたのでは、階段歩行時に上記結線Ｌ１、即ち、伸縮力の作用線が足平部１１に対し大きく前傾するために、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力のうち足平部１１に直交する方向の成分は僅かになってしまう。従って、足平部１１に第４直動アクチュエータ１２_４で効率良くモーメントを付与できなくなる。その結果、階段上りに必要な所要のモーメントを付与するには、第４直動アクチュエータ１２_４を高出力の大型のものにせざるを得なくなる。

これに対し、本実施形態では、階段歩行時に膝関節部８と足首関節部１０とを結ぶ結線Ｌ１が足平部１１に対し大きく前傾しても、この結線Ｌ１に対し後傾した線Ｌ２上に第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力が作用するため、伸縮力の作用線Ｌ２と足平部１１に直交する方向との成す角度は直角に近くなる。従って、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力の足平部１１に直交する方向の成分が大きくなり、足平部１１に効率良くモーメントが付与される。その結果、第４直動アクチュエータ１２_４を高出力の大型のものにしなくても、階段上りに必要な所要のモーメントを足平部１１に付与することができるようになる。そのため、第４直動アクチュエータ１２_４を小型軽量化して、下腿リンク９の慣性モーメントを一層低減でき、更に省電力化も図ることができる。

ところで、第４直動アクチュエータ１２_４の下腿リンク９に対する連結部たるＹ３ａ軸を上記結線Ｌ１よりも前方に位置させると共に、Ｙ３ａ軸より前方に第４直動アクチュエータ１２_４の足平部１１に対する連結部たるＹ３ｂ軸を位置させ、或いは、Ｙ３ｂ軸を上記結線Ｌ１より後方に位置させると共に、Ｙ３ｂ軸より後方にＹ３ａ軸を位置させて、第４直動アクチュエータ１２_４の伸縮力の作用線を上記結線Ｌ１に対し後傾させることも可能である。然し、これでは、第４直動アクチュエータ１２_４が下腿リンク９の前側や後側に大きく張り出してしまい、脚部２のスマートさが損なわれてしまう。

これに対し、本実施形態の如くＹ３ａ軸を上記結線Ｌ１よりも後方に位置させると共に、Ｙ３ｂ軸を上記結線Ｌ１よりも前方に位置させれば、下腿リンク９の前後への第４直動アクチュエータ１２_４の張り出し量が小さくなり、脚部２がスマートになる。これにより脚部２を人間型のプロフィールに近付けることができる。

また、本実施形態では、各直動アクチュエータ１２_１，１２_２，１２_３，１２_４の駆動ユニット１５の小型軽量化のため、ナット部材１４やその支持構造にも工夫を施している。以下、この点について詳述する。

ナット部材１４は、図５に示す如く、ボール１４ａを保持するナット本体部１４１と、ナット本体部１４１より外径が小さい軸方向両端の軸部１４２，１４３とを有しており、両軸部１４２，１４３を一対のアンギュラベアリング１９，１９により軸支すると共に、軸方向一端の軸部１４２に従動プーリ１４ｂを連結している。尚、この軸部１４２は、ナット本体部１４１にドグ部を介して連結されるもので、ナット本体部１４１とは別体であるが、ナット本体部１４１に一体成形することも可能である。

ところで、各アンギュラベアリング１９を、その内輪１９ａの端面がナット本体部１４１と各軸部１４２，１４３との間の段差に当接するように配置することも可能であるが、これでは以下の不具合を生ずる。即ち、組立時に、軸方向一端側のアンギュラベアリング１９を軸方向他端側のアンギュラベアリング１９に向けて締め付ける際、ナット本体部１４１に締め付け力が作用してしまう。そして、ナット本体部１４１の圧縮変形によりボール１４ａが円滑に動かなくなって、フリクションロスが増大してしまう。

この場合、本実施形態のナット本体部１４１の外側に余肉を付けて、この余肉部分に締め付け力が作用するように構成することも考えられる。ここで、軸部１４２，１４３の外径が本実施形態と同様であると、ナット本体部１４１のボール１４ａを保持する部分にも締め付け力が作用してしまうため、軸部１４２，１４３の外径を本実施形態のナット本体部１４１の外径以上にすることが必要になる。その結果、アンギュラベアリング１９も大径になり、必然的にアンギュラベアリング１９を収納するナットケース１８も大径になり、駆動ユニット１５を小型軽量化することが困難になる。

そこで、本実施形態では、上記の如く一対のアンギュラベアリング１９，１９で軸支するナット部材１４の両端の軸部１４２，１４３をナット本体部１４１より小径にすると共に、両アンギュラベアリング１９，１９の内輪１９ａ，１９ａ間に特殊な形状の第１カラー２０を介設して、ナット本体部１４１に締め付け力が作用することを防止している。即ち、第１カラー２０は、ナット本体部１４１に外挿される円筒部２０ａと、円筒部２０ａの軸方向両端に設けられ、ナット本体部１４１と各軸部１４２，１４３との間の段差と各アンギュラベアリング１９の内輪１９ａとの間に入り込んで内輪に当接する一対の環状板部２０ｂ，２０ｂとを有する。尚、ナット本体部１４１と各軸部１４２，１４３との間の段差と各環状板部２０ｂとの間には僅かなクリアランスが生ずるようにしている。また、両環状板部２０ｂ，２０ｂが円筒部２０ａと一体であると、第１カラー２０をナット部材１４に装着できなくなるため、少なくとも一方の環状板部２０ｂは円筒部２０ａから分離自在とする。本実施形態では、両環状板部２０ｂ，２０ｂを共に円筒部２０ａから分離自在としている。

ここで、軸方向一端側（マウントフレーム１７側）のアンギュラベアリング１９の外輪１９ｂは、ナットケース１８にマウントフレーム１７をボルト止めすることで、マウントフレーム１７により軸方向他端側に締め付けられる。この際、締め付け力は該ベアリング１９のベアリング球１９ｃと内輪１９ａと第１カラー２０の軸方向一端の環状板部２０ｂと円筒部２０ａと軸方向他端の環状板部２０ｂとを介して軸方向他端側のアンギュラベアリング１９の内輪１９ａに伝達される。そして、軸方向他端側のアンギュラベアリング１９の外輪１９ｂが該ベアリング１９の内輪１９ａからベアリング球１９ｃを介して伝達される押圧力によりナットケース１８の軸方向他端の肩部１８ｄにシールリング１８ｅを介して押し付けられる。これにより両アンギュラベアリング１９，１９がナットケース１８内に軸方向に不動に保持され、各直動アクチュエータ１２_１，１２_２，１２_３，１２_４の伸縮動作によりナット部材１４に作用するスラスト反力を両アンギュラベアリング１９，１９で受けられるようになる。

また、組立時に軸方向一端側のアンギュラベアリング１９に加える締め付け力は上記の如く第１カラー２０を介して軸方向他端側のアンギュラベアリング１９に伝達されるため、ナット本体部１４１に締め付け力は作用しない。従って、ナット本体部１４１の外径をボール１４ａの保持に必要な必要最小限の寸法に設定し、これより軸部１４２，１４３の外径を小さくしても、締め付け力によりボール１４ａの動きの円滑性が損なわれて、フリクションロスが増大するといった不具合は生じない。そして、軸部１４２，１４３の小径化でアンギュラベアリング１９も小径化できる。その結果、ナットケース１８を小径化して、駆動ユニット１５の小型軽量化を図ることができる。

尚、軸方向他端側のアンギュラベアリング１９の外輪１９ｂがナットケース１８の軸方向他端の肩部１８ｄに押し付けられる前に、ナットケース１８の軸方向一端にマウントフレーム１７が当接して締め付け不能になることを防止するため、寸法公差を考慮して、組立状態でナットケース１８の軸方向一端とマウントフレーム１７との間に若干のクリアランスが生ずるようにしている。そのため、軸方向一端側のアンギュラベアリング１９の外輪１９ｂを軸方向にいくらでも締め上げられるようになり、アンギュラベアリング１９の与圧量が過大になって、フリクショントルクが大きくなる虞がある。

そこで、本実施形態では、両アンギュラベアリング１９，１９の外輪１９ｂ，１９ｂ間に第１カラー２０と同一軸長の円筒状の第２カラー２１を介設している。これによれば、軸方向一端側のアンギュラベアリング１９の外輪１９ｂが軸方向に過度に締め上げられることを第２カラー２１により防止できる。

但し、第１カラー２０の軸長と第２カラー２１の軸長とにミクロンオーダの差を生じても、アンギュラベアリング１９の与圧量に大きな影響が及ぶ。そこで、図７に示す如く治具１００上に第１と第２の両カラー２０，２１をセットして、両カラー２０，２１を同時に平面研削し、両カラー２０，２１の軸長を正確に一致させるようにしている。

ここで、第１カラー２０の各環状板部２０ｂの軸方向外方を向く面の内周部には、径方向内方に向けて軸方向内方に傾斜するテーパー部２０ｃが形成されている。また、治具１００は、治具本体１０１と、治具本体１０１にマグネットチャック等により取付け自在な押え治具１０２とを備えている。押え治具１０２は、雌ねじ部１０３ａを有する下半部１０３と雄ねじ部１０４ａを有する上半部１０４とで構成されている。上下の各半部１０３，１０４の端部外周には第１カラー２０の各環状板部２０ｂのテーパー部２０ｃに対応するテーパー部１０３ｂ，１０４ｂが形成されている。

平面研削に際しては、第１カラー２０の一方の環状板部２０ｂをそのテーパー部２０ｃが押え治具１０２の下半部１０３のテーパー部１０３ｂに係合するように治具本体１０１に載置し、その上に第１カラー２０の円筒部２０ａと他方の環状板部２０ｂとを載せる。次に、押え治具１０２の上半部１０４を下半部１０３に螺合させる。これにより、上半部１０４のテーパー部１０４ｂが他方の環状板部２０ｂのテーパー部２０ｃに係合して、一方の環状板部２０ｂと円筒部２０ａと他方の環状板部２０ｂとから成る第１カラー２０が下半部１０３と上半部１０４との間に挟まれた状態で治具本体１０１上に固定される。次に、治具本体１０１上に第１カラー２０を囲うようにして第２カラー２１を載置し、第１カラー２０の上方の環状板部２０ｂの上面と第２カラー２１の上端面とを同時に平面研削する。

このように環状板部２０ｂにテーパー部２０ｃを形成することで、テーパー部２０ｃが押え治具１０２の係合部になり、第１カラー２０と第２カラー２１の同時平面研削が可能になる。尚、本実施形態では、第１カラー２０の両環状板部２０ｂ，２０ｂにテーパー部２０ｃを形成したが、押え治具１０２の下半部１０３が治具本体１０１に強固に固定されるものであれば、平面研削する上方の環状板部２０ｂと押え治具１０２の上半部１０４のみにテーパー部２０ｃ，１０４ｂを形成してもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、下腿駆動用の第３直動アクチュエータ１２_３の駆動ユニット１５の大腿リンク７に対する連結部（Ｙ２ａ軸）や足平駆動用の第４直動アクチュエータ１２_４の駆動ユニット１５の下腿リンク９に対する連結部（Ｙ３ａ軸）を夫々股関節部６や膝関節部８から若干離れた位置に配置しているが、第３直動アクチュエータ１２_３の駆動ユニット１５を股関節部８の関節軸（Ｙ１軸）と同一軸線上で大腿リンク６に揺動自在に連結すると共に、第４直動アクチュエータ１２_４の駆動ユニット１５を膝関節部８の関節軸（Ｙ２軸）と同一軸線上で下腿リンク９に揺動自在に連結してもよい。これによれば、大腿リンク７の股関節部６回りの慣性モーメント及び下腿リンク９の膝関節部８回りの慣性モーメントをより一層低減できる。

また、上記実施形態では、足首関節部１０を足平部１１の上下方向と横方向の揺動を許容する２軸ジョイントで構成したが、足平部１１の上下方向の揺動のみを許容する１軸ジョイントで足首関節部１０を構成することも可能である。この場合、足平駆動用の第４直動アクチュエータ１２_４は１個でよい。

本発明の実施形態の２足歩行ロボットの斜め後方から見た斜視図。実施形態の２足歩行ロボットの正面図。実施形態の２足歩行ロボットの背面図。実施形態の２足歩行ロボットの側面図。図２のＶ−Ｖ線拡大切断面図。実施形態の２足歩行ロボットの階段歩行時の脚部の状態を示す側面図。実施形態の２足歩行ロボットに搭載した直動アクチュエータが具備するナットケース内に設けられる第１と第２の両カラーの平面研削時の状態を示す断面図。

符号の説明

１…胴体部、２…脚部、６…股関節部、７…大腿リンク、８…膝関節部、９…下腿リンク、１０…足首関節部、１１…足平部、１２_３…第３直動アクチュエータ（下腿駆動用の直動アクチュエータ）、１２_４…第４直動アクチュエータ（足平駆動用の直動アクチュエータ）、１３…電動モータ、１４…ナット部材、１４ａ…ボール、１５…駆動ユニット、１６…ねじ軸、Ｙ２ａ…下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの大腿リンクに対する揺動軸線、Ｙ３ａ，Ｘ３ａ…足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの下腿リンクに対する揺動軸線。

Claims

胴体部と左右一対の脚部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とで構成される２足歩行ロボットであって、
各脚部の大腿リンクと下腿リンクとを膝関節部から離れた部分で連結する下腿駆動用の直動アクチュエータと、各脚部の下腿リンクと足平部とを足首関節部から離れた部分で連結する足平駆動用の直動アクチュエータとを備え、下腿駆動用直動アクチュエータの伸縮動作で下腿リンクを大腿リンクに対し膝関節部を中心にして揺動させ、足平駆動用直動アクチュエータの伸縮動作により足平部を下腿リンクに対し足首関節部を中心にして揺動させるようにしたものにおいて、
下腿駆動用と足平駆動用の各直動アクチュエータは、電動モータ及び該電動モータにより回転駆動されるナット部材を備える駆動ユニットと、ナット部材に保持されるボールを介して該ナット部材に螺合するねじ軸とから成るボールねじ機構で構成され、
下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々大腿リンクと下腿リンクとに揺動自在に連結されると共に、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々下腿リンクと足平部とに揺動自在に連結され、
下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの大腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユニットのナット部材の中心軸線に直交し、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの下腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユニットのナット部材の中心軸線に直交することを特徴とする２足歩行ロボット。
請求項１記載の２足歩行ロボットであって、
前記各直動アクチュエータの前記駆動ユニットは、前記電動モータを搭載するマウントフレームを備え、このマウントフレームに、前記ナット部材を回転自在に収納するナットケースが電動モータと平行に並設され、前記大腿リンク又は前記下腿リンクに駆動ユニットがナットケースにおいて前記揺動軸線回りに揺動自在に連結されることを特徴とする２足歩行ロボット。
請求項１又は２記載の２足歩行ロボットであって、
前記下腿駆動用直動アクチュエータの前記駆動ユニットは、前記股関節部の関節軸と同一軸線上で前記大腿リンクに揺動自在に連結され、
前記足平駆動用直動アクチュエータの前記駆動ユニットは、前記膝関節部の関節軸と同一軸線上で前記下腿リンクに揺動自在に連結されることを特徴とする２足歩行ロボット。