JPH04250988A - 歩行ロボットの脚機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、４本の脚で移動する歩
行ロボットの脚機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、歩行ロボットの脚機構としては、
例えば図６に示すようなものがある。図６（ａ）は昆虫
型と呼ばれる歩行ロボットであり、また図６（ｂ）は哺
乳類型と呼ばれる歩行ロボットであり、ロボット胴体１
００から４本の脚２００を出しており、脚２００は膝関
節３００を備えた脚機構が用いられる。

【０００３】即ち、脚２００の付け根に、水平面内の回
転及び垂直面内の回転を行う２つの回転モータを装備し
、膝関節３００の部分にも垂直面内の回転を行う回転モ
ータを装備している。この脚に設けられた３つのモータ
制御により、脚先を空間内の任意の位置に位置決めして
歩行動作を行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の歩行ロボットの脚機構にあっては、脚機構の
膝関節３００の部分がロボット胴体１００の外側に位置
するため、胴体の大きさよりもはるかに広い通路でない
と移動できない。さらに、人の腕に相当する作業ツール
をロボット胴体１００に取り付けてロボットに作業をさ
せようにとした場合には、脚２００がその作業を邪魔す
るという問題点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような従
来の問題点に着目してなされたもので、脚がロボット胴
体の外側に出る量を最小限に抑えて狭い場所でのロボッ
ト移動やロボット胴体に搭載した作業ツールを妨げない
ようにした歩行ロボットの脚機構を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明の歩行ロボットの脚機構を次のように構成する。 尚、対応する実施例図面中の番号を括弧内に示す。即ち
、本発明の歩行ロボットの脚機構は、上下に配置された
二枚の板（１４，１５）と、二枚の板（１４，１５）間
にユニバーサルジョイント（２，３）を介し傾斜して並
列に配置された３本の直動型アクチュエータ（１）と、
２枚の板（１４，１５）の中心間にユニバーサルジョイ
ント（１２，１３）を介して取り付けられた脚機構のね
じれを防止するねじれ防止機構（８，９，１１）と、３
本以上の外皮チューブ付きワイヤ（４）を用いて２枚の
板（１４，１５）を常に平行に保つ平行保持機構（５ａ
，５ｂ，５ｃ，６，７，１０）とからなることを特徴と
する。

【０００７】ここで直動型アクチュエータ（１）は、モ
ータ（１ａ）により回転駆動されるネジシャフト（１ｂ
）にナット（１ｃ）を螺合し、ナット（１ｃ，１ｄ）側
を伸縮する。また、ねじれ防止機構は、一方の板（１４
）にユニバーサルジョイント（１２）を介して連結した
スプライン軸（８）と、他方の板（１５）にユニバーサ
ルジョイント（１３）を介して連結されスプライン軸（
８）を挿入したスプラインナット（９）とを備える。

【０００８】更に、平行保持機構は、一方の板（１４）
を上板、他方の板（１５）を下板とした場合、外皮チュ
ーブ（４ｂ）の一端を上板（１４）に支持されたプラグ
部材（５ｃ）に固着すると共に外皮チューブ（４ｂ）の
他端をねじれ防止機構の下板側に連結されたスプライン
ナット（９）に固着し、プラグ部材（５ｃ）から取り出
されたワイヤ（４ａ）の先端を下板（１５）に連結する
と共に、スプラインナット（９）から取り出されたワイ
ヤ（４ａ）の先端をねじれ防止機構の上板（１４）側に
支持されたスプライン軸（８）の先端（１０）に連結す
る。

【０００９】

【作用】このような構成を備えた本発明の歩行ロボット
の脚機構によれば、脚のアクチュエータを直動型アクチ
ュエータとし、このアクチュエータを３本並列に配置し
てパラレルリンク機構を構成し、この脚機構をロボット
胴体の下側に装着することでロボット胴体の外側に出る
脚の量を最小限に抑え、例えばロボット胴体に作業ツー
ルを搭載した場合の脚により妨げられる作業範囲を最小
限に抑えることができる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の脚機構の一実施例をカバーを
取外した状態で示した実施例構成図である。図１におい
て、１４はロボット胴体の下に装着される円形のベース
プレートであり、脚の付け根となる上板を構成する。１
５は円形の脚先プレートであり、リング状の靴１７を装
着し、下板を構成する。ベースプレート１４と脚先プレ
ート１５の間には、３本の直動アクチュエータ１がユニ
バーサルジョイントを介し傾斜して並列に配置される。 またベースプレート１４と脚先プレート１５の中心間に
は、ユニバーサルジョイントを介して装着された脚機構
のねじれを防止するねじれ防止機構２０が装着される。 更に、ねじれ防止機構２０の周囲の３ケ所には、後の説
明で明らかにするように外皮チューブ付きワイヤを使用
した平行保持機構が設けられ、ベースプレート１４と脚
先プレート１５の平行状態を保持する。

【００１１】図２は図１の脚機構の詳細を示した断面説
明図であり、１つの直動アクチュエータに対応したねじ
れ防止機構及び平行保持機構と共に示している。図２に
おいて、胴体側のベースプレート１４と脚先プレート１
５は直動型アクチュエータ１を介して連結され、脚先プ
レート１５には靴１７がボールジョイント１８を介して
装着され、脚先プレート１５に対して靴１７が任意の姿
勢をとれるようにしている。

【００１２】直動型アクチュエータ１はユニバーサルジ
ョイント２，３を介してベースプレート１４と脚先プレ
ート１５の間に傾斜して取り付けられている。ユニバー
サルジョイント２，３は、直動型アクチュエータ１の軸
回りの回転だけを固定し、他の２軸回りの回転、即ち直
動型アクチュエータ１の傾斜に対しては拘束しない構造
となっている。

【００１３】直動型アクチュエータ１は、ロータリーエ
ンコーダ及びブレーキ付きのサーボモータ１ａ、サーボ
モータ１ａと軸継手で連結されたボールネジ１ｂ、ボー
ルネジ１ｂに噛み合うボールナット１ｃ、ボールナット
１ｃと一体になったパイプ１ｄで構成される。次にねじ
り防止機構２０を説明すると、８はスプライン軸であり
、ユニバーサルジョイント１２を介してベースプレート
１４の中心に取り付けられている。９はスプライン軸８
に挿入したスプラインナットであり、スプラインナット
９には円筒１１が一体に取り付けられている。円筒体１
１の下端部はユニバーサルジョイント１３を介して脚先
プレート１５の中心に取り付けられている。

【００１４】更に平行保持機構を説明すると、４は外皮
チューブ付きワイヤであり、外皮チューブ４ｂ内にワイ
ヤ４ａを通している。ワイヤ４ａの一端は、ボールジョ
イント７を介して脚元プレート１５に取り付けられてお
り、ワイヤ４ａの他端は円筒体１１の内部に位置するス
プライン軸８の先端に設けたプレート１０に固定されて
いる。また、外皮チューブ４ｂは、一端をベースプレー
ト１４にボールジョイント６を介して連結された細い２
本のロッド５ａ，５ｂを介して支持されたプラグ５ｃに
連結され、他端がスプラインナット９と共に円筒体１１
の上端に固定されている。

【００１５】以上の構成部品は、各３組あり、それぞれ
１２０°間隔に配置されている。更に脚機構全体は、ベ
ースプレート１４及び脚先プレート１５の間に装着され
たカバー１６で覆われている。カバー１６は布１６ａを
使用し、布１６ａの中間にリング１６ｂを取付けており
、リング１６ｂは引張りバネ１６ｃによりベースプレー
ト１４から吊り下げられている。このため脚が縮んでも
、リング１６ｂの上側の布１６ａは弛むが、リング１６
ｂの下側、即ち脚先側は布１６ａに弛みを起こさない。

【００１６】次に上記の実施例の動作を説明する。まず
直動型アクチュエータ１は、サーボモータ１ａが回転す
ると、ボールネジ１ｂも回転する。このとき、ボールネ
ジ１ｂに噛み合ったボールナット１ｃは回転できないの
で、パイプ１ｄがボールネジ１ｂの回転に伴って軸方向
に直線移動し、直動型アクチュエータ１が伸縮する。

【００１７】外皮チューブ付きワイヤ４は、外皮チュー
ブ４ｂから外に出ているワイヤ４ａの長さをＬ１とＬ２
とすると、ベースプレート１４と脚先プレート１５との
間の距離が変化しても、両者の和（Ｌ１＋Ｌ２）が一定
に保たれる。ここで外皮チューブ付きワイヤ４は３本設
けられており、３本のワイヤ４ａのＬ１の長さが常に等
しいことから、３本のワイヤ４ａのＬ２の長さも等しく
なる。その結果、ベースプレート１４と脚先プレート１
５との間隔が３点で等しくなり、よってベースプレート
１４と脚先プレート１５を常に平行に保持する平行保持
機構が実現できる。

【００１８】ベースプレート１４と脚先プレート１５の
中心を結ぶねじれ防止機構２０は、スプライン軸８とス
プラインナット９との噛み合いにより、スプライン軸８
回りの脚のねじれを防止する。次に本発明の脚機構の脚
先の移動を説明する。一般に、３次元空間での自由度は
位置の３自由度と姿勢の３自由度の合計６自由度である
が、本発明の脚機構では、３組の外皮チューブ付きワイ
ヤ４を用いた平行保持機構と、スプライン嵌合を用いた
ねじれ防止機構２０とにより、ベースプレート１４に対
する脚先プレート１５の姿勢の３自由度は拘束されてし
まうので、自由度は位置の３自由度だけとなる。従って
、３本の直動型アクチュエータ１の長さを制御すること
により、ベースプレート１４（脚の付け根）に対する脚
先プレート１５の位置を空間の任意の点に位置決めする
ことができる。

【００１９】尚、脚先プレート１５の姿勢が地面の凹凸
に関係無く常に胴体と平行に拘束されるが、靴１７が任
意の姿勢をとれるので、地面の凹凸に合った姿勢になり
、安定した歩行動作が行える。図３は本発明の脚機構の
座標系統を示したもので、３本の直動型アクチュエータ
１の長さと脚先プレート１５の位置との関係式は、図３
に示す記号を用いると、

【００２０】

【数１】

【００２１】と表すことができる。従って、脚先プレー
ト１５を３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）の任意の点Ｐに位置
決めしたい場合には、３本の直動型アクチュエータの長
さが前記（１）（２）（３）式で計算したｌ１，ｌ２，
ｌ３になるようにサーボモータ１ａを制御すれば良い。 このように、本発明の歩行ロボットの脚機構は、ロボッ
ト胴体と脚先を結ぶ３本のアクチュエータが伸縮しなが
ら歩行を行うので、従来の脚機構のように脚先よりも外
側にでる脚の部分をもたず、ロボット胴体の外側に出る
脚の量を最小限に抑えることができる。

【００２２】この点を図４について説明すると、同じ位
置に脚先４００がある時に、図（ａ）の従来例では付け
根より上方に脚２００の膝関節３００が位置し、図４（
ｂ）の従来例では、脚先４００より外側に膝関節３００
が位置する。従って、作業ツールの邪魔をしたり、狭い
通路を移動する時の邪魔になる。それに対して本発明で
は、図４（ｃ）のように、脚先４００と付け根を直線で
結んでおり、ロボット胴体１００に搭載した作業ツール
による作業を妨げず、また狭い通路であってもロボット
胴体が通れれば容易に移動することができる。

【００２３】更に、３本の直動型アクチュエータ１が並
列に略垂直方向に配置されているので、重力方向の荷重
を３本の脚で受けることになり、小さな出力の直動型ア
クチュエータ１で大きな荷重を支えることができる。図
５は本発明の脚機構を用いた作業ロボットの一実施例を
示したもので、建築現場等のコンクリート均し作業を行
うロボットを例にとっている。

【００２４】図５において、ロボット胴体１００の下に
は本発明の脚機構を用いた脚２００が４本装着される。 ロボット胴体１００の上にはフレーム５０１が回転自在
に装着され、フレーム５０１の先端に昇降機構５０３で
支持された垂直アーム５０２が取付けられ、垂直アーム
５０２の下端にこて５００を装着している。垂直アーム
５０２の上には高さセンサ５０４が取付けられ、基準高
さを与えるレーザ光を受光してこて５００の高さを制御
する。フレーム５０１の後側には重量バランスをとるた
めにロボット動力源となるバッテリィー５０５が搭載さ
れている。またロボットの運転状態を示す表示灯５０６
も設けられる。

【００２５】尚、上記の実施例では、直動型アクチュエ
ータ１をサーボモータ１ａとボールネジ機構で構成した
が、油圧シリンダや空圧シリンダで構成しても、同じ効
果が得られる。また、上記の実施例では、脚のねじれ防
止機構２０にスプライン軸を使用したが、軸回りの回転
を防止し、軸方向の伸縮が自由にできるものならば何で
もよく、例えば、スプライン軸とナットの代わりに角棒
とコの字型のガイドとの組み合わせや、市販のリニヤガ
イドを使用しても良い。更に上記の実施例では、平行保
持機構を３本の外皮付ワイヤで生成したが、これは３本
以上であれば何本使用しても良い。

【００２６】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれば
、以下に列挙する効果が得られる。第１に、脚がロボッ
ト胴体の外側に出る量が少なく、狭い通路でも移動する
ことができる。第２に、脚がロボット胴体の外側に出る
量が少なく、作業ツールの邪魔にならない。第３に、重
力方向の力が強いため、同じ質量の胴体、作業ツールを
従来例より小さい脚で保持できる。第４に、防塵、防水
の為のカバーが単純な構造のカバーで構成できる。第５
に、脚先の位置を決めれば前記（１）（２）（３）式で
示したような簡単な式でアクチュエータの長さを決定す
ることができので、制御が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による歩行ロボットの脚機構の一実施例
を示した実施例構成図

【図２】本発明による脚機構を詳細に示した断面説明図

【図３】本発明による脚機構の脚先の動きを示す３次元
モデル図

【図４】本発明による脚機構と従来例の脚機構との比較
説明図

【図５】本発明の脚機構を用いた作業ロボットの一実施
例を示した説明図

【図６】従来の脚機構を示した説明図

【符号の説明】

１：直動型アクチュエータ １ａ：サーボモータ １ｂ：ボールネジ １ｃ：ボールナット １ｄ：チューブ ２，３，１２，１３：ユニバーサルジョイント４：外皮
チューブ付きワイヤ ４ａ：ワイヤ ４ｂ：外皮チャーブ ５ａ，５ｂ：ロッド ５ｃ：プラグ ６，７，１８：ボールジョイント ８：スプライン軸 ９：スプラインナット １０：プレート １１：円筒体 １４：ベースプレート（上板） １５：脚先プレート（下板） １６：カバー １６ａ：布 １６ｂ：リング １６ｃ：引張りスプリング １７：靴 ２０：ねじれ防止機構

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下に配置された２枚の板と、該２枚の板
   の間にユニバーサルジョイントを介し傾斜して並列に配
   置された３本の直動型アクチュエータと、２枚の板の中
   心間にユニバーサルジョイントを介して取り付けられた
   脚機構のねじれを防止するねじれ防止機構と、３本以上
   の外皮チューブ付きワイヤを用いた２枚の板を常に平行
   に保つ平行保持機構とからなることを特徴とする歩行ロ
   ボットの脚機構。
2. 【請求項２】請求項１記載の歩行ロボットの脚機構に於
   いて、前記直動型アクチュエータは、モータにより回転
   駆動されるネジシャフトにナットを螺合し、ナット側を
   伸縮することを特徴とする歩行ロボットの脚機構。
3. 【請求項３】請求項１記載の歩行ロボットの脚機構に於
   いて、前記ねじれ防止機構は、一方の板にユニバーサル
   ジョイントを介して連結したスプライン軸と、他方の板
   にユニバーサルジョイントを介して連結され前記スプラ
   イン軸を挿入したスプラインナットとを備えたことを特
   徴とする歩行ロボットの脚装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の歩行ロボットの脚機構に於
   いて、前記平行保持機構は、一方の板を上板、他方の板
   を下板とした場合、前記外皮チューブの一端を上板に支
   持されたプラグ部材に固着すると共に外皮チューブの他
   端を前記ねじれ防止機構の下板側に連結されたスプライ
   ンナットに固着し、前記プラグ部材から取り出されたワ
   イヤの先端を下板に連結するととも、前記スプラインナ
   ットから取り出されたワイヤの先端を前記ねじれ防止機
   構の上板側に支持されたスプライン軸の先端に連結した
   ことを特徴とする歩行ロボットの脚機構。