JP5539040B2 - 脚式移動ロボット - Google Patents

Description

本発明は、脚式移動ロボットに関する。

上体、及び、上体と上腿リンクを連結する股関節と、上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有する脚体を備え、脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットが知られている。

例えば、特許文献１には、大腿リンク（上腿リンク）と下腿リンクとを連結する膝関節が膝Ｙ軸（ピッチ軸）を有し、大腿リンクに配置された電動モータの出力がベルト及び減速機を介して膝Ｙ軸に伝達されることが開示されている。下腿リンクの所定点は、膝Ｙ軸を回転中心として、円状の軌跡を描いて大腿リンクに対して相対的に移動する。

特開２００４−２９８９９７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたような脚式移動ロボットにおいては、膝関節がほぼ伸びきると、すなわち、膝関節の関節角（屈曲角）が０度近傍まで伸展すると、下腿リンクに駆動力を伝達しても、関節角はほとんど変化せず、駆動制御性が損なわれた状態に陥る。そのため、駆動制御性が良好な関節角までしか膝関節を伸展させることができない。

従って、ロボットが直立状態の場合でも、膝関節をある程度屈曲させる必要があるので、膝関節にかかるトルクが大きく、駆動源が大型化、重量化するという問題が生じる。さらに、股関節及び足首関節を屈曲・伸展させる頻度が多くなるという問題も生じる。さらに、支持脚の膝関節を伸びきりに近い状態にできず、膝部が前方に飛び出し、遊脚の膝部と干渉しやすくなる。これに伴い、歩容の自由度が少なく、移動安定性（バランス性）に劣るという問題が生じる。

本発明は、以上の点に鑑み、駆動制御性が良好な膝関節角を増加させることが可能な脚式移動ロボットを提供することを目的とする。

本発明は、上体、及び、前記上体と上腿リンクを連結する股関節と、前記上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、前記下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有する脚体を備え、該脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットであって、一端が前記下腿リンクの第１の軸に対して回転自在に連結され、他端が前記上腿リンクの第２の軸に回転自在に連結される連結ロッドと、前記下腿リンクの第３の軸と前記上腿リンクの第４の軸との間の距離を、駆動源による駆動力により変化させる距離変動機構とを備え、前記第１の軸の軸心と前記股関節の回転軸心とを結ぶ直線と、前記第１の軸の軸心と前記足首関節の回転軸心とを結ぶ直線とがなす角である前記膝関節の屈曲角が０度のとき、前記第１の軸と前記第２の軸との間の距離と前記第２の軸と前記第４の軸との間の距離との和が、前記第３の軸と前記第４の軸との間の距離よりも小さいこと特徴とする。

本発明によれば、下腿リンクは、上腿リンクに対して距離変動機構により駆動され、その瞬間回転中心は第２の軸となる。そして、膝関節の屈曲角が０度のとき、第１の軸と第２の軸との間の距離と第２の軸と第４の軸との間の距離との和が、第３の軸と第４の軸との間の距離よりも小さい。そのため、第１の軸を中心とし前記和を半径とする円の底に、第４の軸が到達することはない。

よって、股関節の回転軸心と足首関節の回転軸心の所定点との間の距離を膝関節の屈曲角で微分した値が、膝関節の屈曲角が０度のとき０にならない。これにより、上記特許文献１に開示されたような脚式移動ロボットと異なり、膝関節が０度近傍のときでも、膝関節角を良好に駆動制御することが可能となる。

そして、これに伴い、ロボットが直立状態のとき、膝関節を伸びきり、又は伸びきりに近い状態にすることが可能となり、膝関節にかかるトルクが減少するので、駆動源を小型化、軽量化することができる。さらに、股関節及び足首関節を屈曲・伸展駆動させる頻度、あるいはその駆動角度を減少することが可能となる。

さらに、支持脚の膝関節を伸びきり、又は伸びきりに近い状態にすることが可能となり、膝部が前方に飛び出さず、遊脚の膝部が支持脚の膝部に干渉することが抑制されるので、歩容の自由度及び移動安定性が高まり、脚式移動ロボットは多彩な動作を行うことが可能となる。

また、本発明において、一端が前記下腿リンクの第５の軸に対して回転自在に連結され、他端が前記上腿リンクの第６の軸に回転自在に連結される連結ロッドをさらに備えることが好ましい。この場合、この連結ロッドにより上腿リンクと下腿リンクとの相対移動が拘束され、相対移動が安定化する。

また、本発明において、前記距離変動機構は、前記駆動源により前記第４の軸を中心に回転駆動される回転板と、一端が前記回転板の端部に回転自在に連結され、他端が前記第３の軸にて前記下腿リンクに回転自在に連結される連結ロッドとを備える。これにより、距離変動機構を簡易に構成することが可能となる。

本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの概略構成を示す斜視図。 脚体の一部を示す側面図。 膝関節のリンク構成を説明する図。 膝関節角と長さ変化との関係を示すグラフ。 膝関節角と速比との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態に係る脚式移動ロボットについて、２足移動ロボット１（以下、単にロボット１という）を例にとって説明する。

図１に示すように、ロボット１は、左右一対の脚体２Ｒ，２Ｌと、両脚体２Ｒ，２Ｌの基端部（上端部）に連結された上体４とを備えており、接床する脚体２Ｒ，２Ｌによって上体４が床面の上方に支持されている。

両脚体２Ｒ，２Ｌは同一構造であり、それぞれ６個の関節を備える。その６個の関節は上体４側から順に、股の回旋用（上体４に対するヨー方向の回転用）の関節１０Ｒ，１０Ｌと、股のロール方向（Ｘ軸まわり）の回転用の関節１２Ｒ，１２Ｌと、股のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の回転用の関節１４Ｒ，１４Ｌと、膝部のピッチ方向の回転用の関節１６Ｒ，１６Ｌと、足首部のピッチ方向の回転用の関節１８Ｒ，１８Ｌと、足首部のロール方向の回転用の関節２０Ｒ，２０Ｌとから構成されている。

なお、本実施形態の説明では、符号Ｒ，Ｌはそれぞれ右側脚体、左側脚体に対応するものであることを意味する。また、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向は、水平面上で互いに直交する２軸方向であり、Ｘ軸方向はロボット１の前後方向（ロール軸方向）、Ｙ軸方向はロボット１の左右方向（ピッチ軸方向）に相当する。また、Ｚ軸方向は鉛直方向（重力方向）であり、ロボット１の上下方向（ヨー軸方向）に相当する。

各脚体２Ｒ（Ｌ）の関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）によって３自由度の股関節が構成され、関節１６Ｒ（Ｌ）によって１自由度の膝関節が構成され、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）によって２自由度の足首関節が構成されている。

そして、股関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）と膝関節１６Ｒ（Ｌ）とは上腿リンク３２Ｒ（Ｌ）で連結され、膝関節１６Ｒ（Ｌ）と足首関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）とは下腿リンク３４Ｒ（Ｌ）で連結されている。また、各脚体２Ｒ（Ｌ）の足首関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下部に、各脚体２Ｒ（Ｌ）の先端部（下端部）を構成する足平２２Ｒ（Ｌ）が取着されている。また、各脚体２Ｒ（Ｌ）の上端部（基端部）が、股関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）を介して上体４に連結されている。

各脚体２Ｒ（Ｌ）の上記構成により、各脚体２Ｒ（Ｌ）の足平２２Ｒ（Ｌ）は、上体４に対して６自由度を有する。そして、ロボット１の移動に際して両脚体２Ｒ，２Ｌを合わせて６×２＝１２個の関節をそれぞれ適宜な角度に駆動することで、両足平２２Ｒ，２２Ｌの所望の運動を行うことができる。これにより、ロボット１は歩行動作や走行動作等、３次元空間を移動する運動を行うことが可能となっている。

なお、図示は省略するが、本実施形態では、上体４の上部の両側部には左右一対の腕体が取り付けられると共に、上体４の上端部には頭部が搭載されている。そして、各腕体は、それに備える複数の関節（肩関節、肘関節、手首関節など）によって、該腕体を上体４に対して前後に振る等の運動を行うことが可能となっている。ただし、これらの腕体及び頭部はなくてもよい。

各脚体２Ｒ（Ｌ）の足首関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）と足平２２Ｒ（Ｌ）との間には６軸力センサ３６Ｒ（Ｌ）が介装されている。この６軸力センサ３６Ｒ（Ｌ）は、床から足平２２Ｒ（Ｌ）を介して各脚体２Ｒ（Ｌ）に伝達される床反力の３軸方向の並進力成分及び３軸まわりのモーメント成分を検出し、その検出信号を図示しない制御ユニットに出力する。

次に、脚体２Ｒ（Ｌ）の膝関節１６Ｒ（Ｌ）の構成について説明する。脚体２Ｒ（Ｌ）は、左右対称であり、ここでは、膝関節１６Ｒについて説明する。なお、他の関節は、例えば本願出願人が特開平３−１８４７８２号などで提案した公知の構造のものなど、任意の構造であってよい。

図２に示すように、膝関節１６Ｒは、一端が下腿リンク３４Ｒの軸（第１の軸）４０に対して回転自在に連結され、他端が上腿リンク３２Ｒの軸（第２の軸）４２に回転自在に連結される連結ロッド４４を備えている。軸４０の軸心Ａ及び軸４２の軸心Ｂは、共にＺ軸方向に平行に設けられている。

さらに、膝関節１６Ｒは、膝関節１６Ｒを屈曲・伸展させる駆動機構５０を備えている。この駆動機構５０は、下腿リンク３４Ｒの軸（第３の軸）５２と上腿リンク３２Ｒの軸（第４の軸）５４との間の距離を変化させる距離変動機構でもある。

具体的には、駆動機構５０は、上腿リンク３２Ｒに設けられた電動モータ５６と、電動モータ５６の出力がベルト５８を介して減速機構６０から伝達され、軸５４回りに回転駆動される回転板６２と、一端が回転板６２の端部に回転自在に連結され、他端が軸５２に回転自在に連結された連結ロッド６４とから構成されている。

軸５２の軸心Ｃ及び軸５４の軸心Ｄは、共にＺ軸方向に平行に設けられている。そして、膝関節の関節角（屈曲角）θが０度のとき、軸４０と軸４２との間の距離と軸４２と軸５４との間の距離との和が、軸５２と軸５４との間の距離よりも小さくなっている。

さらに、膝関節１６Ｒは、一端が下腿リンク３４Ｒの軸（第５の軸）７０に対して回転自在に連結され、他端が上腿リンク３２Ｒの軸（第６の軸）７２に回転自在に連結される連結ロッド７４を備えている。軸７０の軸心Ｅ及び軸７２の軸心Ｆは、共にＺ軸方向に平行に設けられている。

次に、膝関節１６Ｒの動作について説明する。図３の模式図も参照して、下腿リンク３４Ｒは、点Ａは上腿リンク３２Ｒの点Ｂを中心に回転自在であるが、点Ｃは駆動機構により上腿リンク３２Ｒの点Ｄからの距離が変化するように構成されている。さらに、下腿リンク３４Ｒは、上腿リンク３２Ｒに対する相対変位に拘わらず、上腿リンク３２Ｒの点Ｆから点Ｅまでの距離が拘束され一定である。

このようにして、膝関節１６Ｒは屈伸可能となっており、下腿リンク３４Ｒは点Ａを瞬間的な回転中心として上腿リンク３２Ｒに対して相対回転駆動されるが、下腿リンク３４Ｒの上腿リンク３２Ｒに対する相対変位は一意的に定まる。

下腿リンク３４Ｒの下端点Ｈ（足首関節１８Ｒの回転軸心）の移動軌跡８０は、図３に細線で示すように、点Ｂを中心とした略楕円状となる。一方、上記特許文献１に記載のように上腿リンクに対する下腿リンクの回転中心が一定である従来のロボットの場合、下腿リンクの下端点の移動軌跡８２は、図３に点線で示すように、円形状となる。

図４には、上腿リンク３２Ｒに対する下腿リンク３４Ｒの長さ変化と膝関節１６Ｒの関節角θとの関係が示されている。ここで、上腿リンク３２Ｒに対する下腿リンク３４Ｒの長さ変化は、上腿リンク３２Ｒの上端点Ｇ（股関節１４Ｒの回転軸心）と下腿リンク３４Ｒの下端点Ｈとの間の距離を関節角θで微分した値で表される。

従来のロボットの場合、図４に点線で示すように、関節角θが０度のとき、長さ変化は０となる。これは、関節角θが０度近傍のとき、関節角θを変化させるように駆動させても、点Ｈがほとんど移動せず、駆動制御性が劣ることを意味する。従って、長さ変化が所定以上の値になる関節角θ２以上の範囲で駆動制御を行っていた。

一方、本実施形態に係るロボット１の場合、図４に実線で示すように、関節角θが０度のとき、長さ変化は０とならない。これは、関節角θが０度近傍のとき、関節角θを変化させるように駆動させると、点Ｈが移動し、駆動制御性が良好であることを意味する。

さらに、従来と同様に長さ変化が所定以上の値になる関節角θ１以上の範囲で制御を行うと、従来に対してΔθ（＝θ１−θ２）だけ、駆動制御性が良好な関節角θの範囲が増加し、膝関節１６Ｒをより伸展させることが可能となる。

さらに、図５には、膝関節１６Ｒの回転速度を回転板５８の回転速度で除した速比と関節角θとの関係が示されている。これより、膝関節１６Ｒは、膝関節角θが０度近傍のとき、速比が増加する増速機能を有することが理解され、これによっても、膝関節１６Ｒの駆動制御性は良好となる。

以上のように、ロボット１は、従来のロボットより、さらにΔθだけ関節角θを小さくして膝関節１６を伸展させることができる。そのため、ロボット１が直立状態のとき、膝関節１６を伸びきりに近付けることが可能となり、膝関節１６にかかるトルクが減少するので、電動モータ５６を小型化、軽量化することができる。

さらに、股関節１４及び足首関節１８を屈曲・伸展駆動させる頻度、あるいはその駆動角度を減少させることが可能となる。さらに、支持脚の膝関節１６を伸びきりに近い状態にすることが可能となり、膝部が前方に飛び出さず、遊脚の膝部が支持脚の膝部に干渉することが抑制され、歩容の自由度及び移動安定性が高まり、ロボット１は多彩な動作を行うことが可能となる。

なお、以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。

さらに、各関節の構成や関節軸部の配置は、実施形態に限定されない。例えば、７自由度以上や５自由度以下の自由度を有するように関節軸部を構成してもよい。

さらに、２足移動ロボットに限定されない。例えば、獣や昆虫等を模した４足移動ロボットや６足移動ロボット等であってもよい。

１…２足移動ロボット（脚式移動ロボット）、 ２Ｒ，２Ｌ…脚体、 １６Ｒ，１６Ｌ…膝関節、 ３２Ｒ，３２Ｌ…上腿リンク、 ３４Ｒ，３４Ｌ…下腿リンク、 ４０…軸（第１の軸）、 ４２…軸（第２の軸）、 ４４…連結ロッド、 ５０…駆動機構、距離変動機構、 ５２…軸（第３の軸）、 ５４…軸（第４の軸）、 ５６…電動モータ（駆動源）、 ６２…回転板、 ６４…連結ロッド、 ７０…軸（第５の軸）、 ７２…軸（第６の軸）、 ７４…連結ロッド。

Claims (3)

1. 上体、及び、前記上体と上腿リンクを連結する股関節と、前記上腿リンクと下腿リンクを連結する膝関節と、前記下腿リンクと足平を連結する足首関節とを有する脚体を備え、該脚体を駆動して移動する脚式移動ロボットであって、
   一端が前記下腿リンクの第１の軸に対して回転自在に連結され、他端が前記上腿リンクの第２の軸に回転自在に連結される連結ロッドと、
   前記下腿リンクの第３の軸と前記上腿リンクの第４の軸との間の距離を、駆動源による駆動力により変化させる距離変動機構とを備え、
   前記第１の軸の軸心と前記股関節の回転軸心とを結ぶ直線と、前記第１の軸の軸心と前記足首関節の回転軸心とを結ぶ直線とがなす角である前記膝関節の屈曲角が０度のとき、前記第１の軸と前記第２の軸との間の距離と前記第２の軸と前記第４の軸との間の距離との和が、前記第３の軸と前記第４の軸との間の距離よりも小さく、
   前記距離変動機構は、
   前記駆動源により前記第４の軸を中心に回転駆動される回転板と、
   一端が前記回転板の端部に回転自在に連結され、他端が前記第３の軸にて前記下腿リンクに回転自在に連結される連結ロッドとを備えることを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 前記股関節の回転軸心と前記足首関節の回転軸心との間の距離を前記膝関節の屈曲角で微分した値が、前記膝関節の屈曲角が０度のとき０にならないように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
3. 一端が前記下腿リンクの第５の軸に対して回転自在に連結され、他端が前記上腿リンクの第６の軸に回転自在に連結される連結ロッドをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式移動ロボット。

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