JPH0416314B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は２足、４足、６足等の複数脚を有した
歩行機械に係り、特に原子力発電プラントなどで
極限作業に使用するに好適な歩行機械に関する。

〔従来の技術〕

従来、歩行機械を構成する足の形状について
は、着地面積の大小はさまざまであるが、足底が
平面的な足、直線的な着地底を有する丸棒状の足
が知られている。また、脚機構のエネルギー効率
についてもこれらの足を前提に論じられている。

（歩行ロボツトと人工の足（昭和50年３月31
日）、加藤、山下訳、第246−260頁、日本ロボツ
ト学会誌３巻３号（1985年６月）、金子ほか、第
207−219頁）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

人工的な機械で人間あるいは動物の歩行を実現
しようとする上記従来技術は、エネルギー効率の
点で機械構造上及び歩行の消費エネルギー解析
上、足底の形状に配慮がされていない。これを足
底が平面の場合を例にとつて説明する。第４図は
足底が平面の場合について、歩行動作における運
動機能を説明するもので、１は胴体、３は大腿
節、４は下腿節、５は足、６，７，８は脚を左右
及び前後に振る股対偶、膝対偶、足首対偶であ
る。点線で示す位置から実線で示す位置まで胴体
１を水平に前進させる場合、股対偶６、膝対偶７
及び足首対偶８の３対偶を協調動作させて行う。
この時、静的な力の釣合を考えると、足底が床か
ら受ける反力f₂に対し股対偶６の釣合トルクT₂
は、歩幅が2Sとすれば、T₂＝Sf₂となる。

このため、股対偶６に自重を支えるための動力
が必要となり、効率の良い歩行の実現が困難であ
る。

また、胴体を等速水平運動させる場合には、上
述のように股対偶６、膝対偶７、足首対偶８の３
対偶を協調動作させる必要があることから歩行制
御が複雑であるという難点があつた。

本発明の目的は機械効率が高く、歩行制御の容
易な歩行機械を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、胴体と、
該胴体を支持する複数の脚を有し、前記脚は、該
胴体に接続された股対偶と、該股対偶に係合する
第一の節と、該第一の節に係合する膝対偶と、該
膝対偶に係合する第二の節と、該第二の節に係合
する足首対偶と、該足首対偶に係合する足より構
成される歩行機械において、前記足の底面をその
進行方向に対し下方に凸状の曲面に形成すると共
に、前記曲面の半径を前記足の底面から立脚駆動
中心である前記股対偶の軸中心までの距離に相当
する距離としたものである。

〔作 用〕

人間の歩行形態を想定してみると、足を宙に浮
かせている間（遊脚相）と着地している間（立脚
相）がある。平地を前進中の立脚相では、体重を
支えている部位が足のかかとからつまさきの方へ
移動することが知られている。また、この間に胴
体の上下動は感じるほどにないのが普通である。

この歩行形態を考慮して、歩行機械に等速水平
運動を行わせる場合には、足のかかとからつまさ
きに至るまでの間を下方に凸形の曲面にし、この
曲面の半径を足底から立脚駆動中心である股駆動
軸までの距離と一致させておく。このように足底
を構成すれば、股駆動軸を等速回転動作させるこ
とにより、第３図に示すように、他の対偶の駆動
軸を回転させることなく胴体を等速水平運動させ
ることができるので歩行制御が極めて容易とな
る。また、股駆動軸の位置は足底の接地点とほぼ
一致することになるので、股駆動軸に床からの反
力、すなわち自重を支えるための動力を与える必
要はなくなる。

〔実施例〕

以下、図面を参照してこの発明の一実施例につ
いて説明する。

第１図及び第２図において、歩行機械は胴体１
の下部に４本の脚２を備える。

脚２は大腿節３、下腿節４、足５、脚を左右及
び前後に振る股対偶６、膝対偶７及び足首対偶８
で構成する。尚、１０は対偶駆動用のモータ、１
１は減速機である。

足底面はここから立脚駆動中心である股対偶６
の中心までの距離を半径とする球面を形成してい
る。

本発明のように足底の形状を曲面に形成した場
合の運動機能を図記号により第３図に示す。

足底が本発明のように曲面の場合は、第３図の
点線で示す位置から股対偶６を回転動作させる
と、胴体１が上下動することなく水平に前進し、
実線で示す位置に至る。実線で示す状態において
静的な力の釣合を考えると、足底が床から受ける
反力f₁に対しその鉛直上に位置する股対偶６の釣
合トルクT₁はゼロである。

一方、足底が平面の場合は、先に説明したよう
に、第４図の点線で示す位置から実線で示す位置
まで水平移動するには股対偶６、膝対偶７及び足
首対偶８の３対偶が協調動作しなければならな
い。

また、静的な力の釣合を考えると、足底が床か
ら受ける反力f₂に対し股対偶６の釣合トルクT₂は
歩幅が2Sに対し、T₂＝Sf₂となる。

これらの点から、足底を曲面にすると、平面の
場合に比べ、自重を支えるための動力が不要にな
り、立脚中は膝対偶及び足首対偶を駆動しないの
で協調制御を要しないことがわかる。

次に、歩行機械の特長は車両などに比べて、ま
たぎ動作、くぐり抜け動作、階段昇降動作など平
地でない所も移動できる機動性にあるが、一方、
姿勢の安定維持に特別の技術を要する。

４脚の場合、姿勢の安定を維持して歩くには、
重心が３本の立脚足底を結ぶ三角形内に位置する
よう体重移動を行い、残りの１本の遊脚を前へ踏
み出すという動作を順次繰返す静歩行がある。

もつと早く移動させるには４脚中、対角線上の
２脚をほぼ同時に宙へ浮かせて前へ踏み出す歩き
方がある。

この場合、歩行機械は２脚で支持され、倒れな
いためには、運動の慣性力を利用して動的な釣合
を保つことにより姿勢維持する必要がある。

人間あるいは動物の場合は動的な釣合を保つて
歩行する動歩行を行つている。

したがつて、転ぶこともあるが、機械の場合、
おおむね転ぶことは許されない。

この点、足底が球面であれば、重心を球の半径
よりも低い位置にもつてくることにより起上り小
ぼしの原理で、歩行機械が傾いても元の姿勢に自
己復帰可能である。

実際には重心をあまり下げると脚の特長である
機動性を損うことがあり、その場合は足の底面を
円弧状にするか又は人間の足では指に相当するよ
うなフランジ部を設けることで静的な安定が確保
できる。

円弧状の足とは、第１図及び第２図において、
足５の底面を前後方向に円弧面とし、幅方向に対
しては曲がつていないものである。

こうすることにより第５図に一点鎖線で示す立
脚の足底５ａ及び５ｃ間を結んでできる面積内に
重心がくるように制御していれば静的な安定が確
保できる。なお、５ｂ及び５ｄは遊脚の足底を示
す。

球面底の足の外周部全体にフランジ９を設けた
足の例を第６図に示す。

歩行機械が傾くか又は脚の動作によつてフラン
ジ部が床面に接した場合、第５図に一点鎖線で示
したのと同様に、静的な安定確保に有効な面積が
得られる。

上述の本実施例によれば、モータ１０と減速機
１１から成る対偶駆動用のアクチユエータの小型
化が可能で歩行機械と軽量化、積載重量の増加、
歩行の高速化、転倒防止などの効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、歩行機械において、自重を支
えるのに動力を要せず、また、対偶の協調制御を
不要にするので歩行のエネルギー効率向上と歩行
制御簡略化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の歩行機械の正面
図、第２図は第１図の側面図、第３図は曲面型足
底の脚の機能図、第４図は平面型足底の脚の機能
図、第５図は足底の配置図、第６図はフランジ付
き足の側面図である。 １…胴体、２…脚、３…大腿節、４…下腿節、
５…足、６…股対偶、７…膝対偶、８…足首対
偶、９…フランジ、１０…モータ、１１…減速
機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 胴体と、該胴体を支持する複数の脚を有し、
   前記脚は、該胴体に接続された股対偶と、該股対
   偶に係合する第一の節と、該第一の節に係合する
   膝対偶と、該膝対偶に係合する第二の節と、該第
   二の節に係合する足首対偶と、該足首対偶に係合
   する足より構成される歩行機械において、 前記足の底面をその進行方向に対し下方に凸状
   の曲面に形成すると共に、前記曲面の半径を前記
   足の底面から立脚駆動中心である前記股対偶の軸
   中心までの距離に相当する距離としたことを特徴
   とする歩行機械。