JPH0472755B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は左右一対の脚を順次互いに違いに持ち
上げながら、歩行動作をなす歩行ロボツトに関す
る。

〔従来技術及びその問題点〕

本発明者はすでに特願昭56−142139号及び特願
昭57−168195号として歩行ロボツトを提案してい
る。これは、回転モーメントの極めて大なるコマ
（回転盤）をその軸が垂直になるように設けたも
のである。そして、高速で回転する回転盤の安定
性を利用し、左右一対の脚を順次駆動して歩行面
を歩行するものである。ところが、この歩行ロボ
ツトは構造が比較的複雑となるのでその簡素化が
望まれると共に、操縦安定性のさらによいものが
望まれていた。

そこで、本発明者はさらに、特願昭59−065163
号を提案し、回転盤の回転軸がほぼ水平に位置す
る歩行ロボツトを提案し、その解決を図つた。

しかしながら、この新たな提案の歩行ロボツト
にはその歩行速度を変えたり、歩行の姿勢を変え
るのが面倒であつた。

〔発明の概要〕

そこで本発明は種々の実験研究の結果、上記の
問題点を解決するため次の構成をとる。

ロボツト本体１と、直立時に常に重力方向に交
差するように回転軸２が前記本体１に枢着された
慣性モーメントの大なる回転盤３と、前記回転盤
３の両側に位置して夫々前記本体１に互いに離間
して取付けられた一対の脚４，５と、一方の前記
脚４又は５のみを歩行面から離反させるように少
なくとも一つの脚に設けた脚非接地手段６と、前
記本体１が各脚のまわりに回転自在となるように
脚４，５自体に設けた本体回転手段７と、前記回
転軸２に直交する方向への転倒を防止するため
夫々の脚下端に設けた直交方向転倒防止手段８
と、前記回転軸２が脚下端部を中心に上下に俯仰
し得るように前記脚下端に設けた俯仰手段９と、
脚下端に設けられ、脚下端の垂直軸まわりに該脚
を自転駆動させる自転駆動手段１０と、を具備
し、前記両脚４，５が接地したとき、ロボツトの
重心が前記回転盤３上に位置するように構成した
歩行ロボツトである。

〔発明の実施例〕

次に図面に基づいて本発明の一実施例につき説
明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す一部縦断面
図であり、第２図は同右側面略図である。

第１図から明らかなように、ロボツト本体１内
に慣性モーメントの大なる回転盤３が内装され、
通常の歩行状態でその軸が水平に位置されるよう
に枢着されている。そして、ロボツト本体１に設
けられたモータ１５によりベルト１６を介し、そ
の回転盤３と一体をなす回転軸２が高速で回転す
るように構成されている。

なお、このモータ１５の始動前にあるいは始動
と共に、回転軸２の先端に駆動力の大なるモータ
の軸を連結し、予めこの軸２を高速回転すること
により、モータ１５には回転盤３の各種抵抗分だ
けエネルギーを補給するように構成してもよい。
そのためにこの実施例では回転軸２の一端部を突
設し、他のモータ軸に着脱自在に連結できるよう
にしている。

次に、ロボツト本体１の両側面には夫々連結板
３８が突設固定されている。そして、この連結板
３８に夫々脚４及び５が固定されている。次に、
この脚４及び５内には夫々脚非接地手段６が内装
されている。即ち、脚用のモータ１５ａの回転力
により歯車１７及び１８を介してネジシヤフト１
２が回転する。すると、それに螺合する伸縮部２
１がネジシヤフト１２及びガイド棒１３に案内さ
れて上下動するものである。次に、脚４及び５の
夫々の下端には、俯仰手段９が設けられている。

即ち、伸縮部２１の下端がピン３９を介し接続
片４１に連結され、このピン３９を中心として回
転盤３の回転軸２が上下方向に俯仰自在に構成さ
れている。そして、接続片４１が本体回動手段７
であるベアリング１１によりその軸線回りに回動
自在に設けられている。そして、脚下端は円盤状
の脚端盤１４により構成され、その脚端盤がある
程度の面積を有するため、ロボツト本体１が回転
軸２に直交する方向へ転倒することを防止してい
る。即ち、この脚端盤１４自体がロボツトの直交
方向転倒防止手段８を構成する。

さらに、接続片４１の外周には歯車１７が設け
られ、それが駆動モータ１５ｂの歯車１８に噛合
されている。そして、このモータ１５ｂにより脚
を脚下端の垂直軸回りに自転駆動し得るように構
成している。即ち、このモータ１５ｂが自転駆動
手段１０を構成する。又、この自転駆動手段を構
成するモータ１５ｂ及び非接地手段６を構成する
他のモータ１５ａは共に、無線操縦により又は有
線或いは内装された制御装置のプログラムにより
正転及び逆転並びに停止の各状態に制御される。

〔作用〕

次に、上記実施例の作用につき説明する。

先ず、回転盤３を出力トルクの大なる別の駆動
モータによりその回転軸２を高速回転した後に、
モータ１５を回転し、それにより軸受けその他の
損失分のエネルギーを供給する。なお、実験によ
れば、図示しない強力のモータで回転盤３を高速
で回転させ、その強力モータとの連結を断つとそ
のままの状態で回転盤３は15分ほど回転しつづけ
る。しかも、その回転エネルギーのみによりはじ
めの３分程、ロボツトの姿勢制御が可能であつ
た。従つて、適宜外部から回転盤３を駆動すれ
ば、内装用のモータ１５を取付けなくともよい。
而して、第２図の如く回転盤３を同図において左
回転し、一方の脚５を持ち上げると、本ロボツト
は矢印方向即ち、第２図において左から右に前進
する。この原理は第３図において説明する。

回転盤３が角速度ωaで第３図矢印の如く回転
するとき回転軸２の両端が上下方向に傾くように
モーメントＭを加えるとする。すると回転軸２は
そのモーメントＭの方向に傾くことなく、それと
直交する水平面内で矢印Ｂの如く回転しだす。即
ち、ジヤイロ（コマ）の性質によりモーメントＭ
が加えると、それに直交してＢ方向へ歳差運動を
起こすものである。このとき歳差運動の角速度を
ωとすれば、モーメントＭとの間に次の関係が成
立する。即ち、 Ｍ＝Ｉ×ωa×ωとなる。

（北郷・長坂共著（理工学社発行）の基礎工業
力学９−34頁記載） ここにおいて、Ｉは回転盤３の主慣性モーメン
トである。従つて、モーメントＭが大になればな
るほど歳差運動の角速度ωは速くなる。そこで、
次に第４図のような状態で前記の歳差運動を考え
ると、同図では回転盤３の支持軸２０の一端が脚
４に上下動自在に支持されているから、回転盤３
の自重によりモーメントが働いて軸２０の自由端
は第４図の矢印の如く右方向に回転しだす。この
ことは第５図に示すＬ字状の脚の場合であつても
全く同様である。

而して、この実施例の歩行ロボツトは第４図、
第５図における原理を利用したものである。即
ち、第２図の如く一方の脚４を持ち上げると、第
４図、第５図に示すような歳差運動が生じ、ロボ
ツト本体１は接地側の脚４の回りを比較的ゆつく
り回転しだす。そこで、ロボツト本体１が接地脚
４の回りをある角度回転したところで持ち上げら
れていた脚５を引き伸ばして接地させる。それと
共に、他方の脚４を相対的に持ち上げる。する
と、今度は第３図の原理図においてモーメントＭ
が逆向きに働くことになり、回転軸２は第３図の
ω方向とは逆向きに回転しだす。従つて、今度は
他方の脚５を中心としてロボツト本体１が前の場
合とは逆向きに回転しだす。よつて、交互に一対
の脚を接地させる度にロボツト本体１は逆方向に
体をねじりながら前進する。この歩行の状態を表
したのが第６図である。

第６図は各地点において、夫々接地している足
を網目状の斜線の○印で示し、持ち上げられてい
る位置の足を鎖線の○で示したものである。先
ず、第６図においてａ，ｂの状態では両脚共に接
地している。このときロボツト本体１は直立した
ままの状態を維持する。次に、第２図の如く脚５
を持ち上げると、脚５はａの状態からａ１の位置
を通り、ｃの位置まで、接地脚ｂの回りに回転す
る。そこで、今度は脚５をｃの位置で接地させ、
脚４を持ち上げる。すると、脚４はｂの状態から
ｂ１を通り、ｄの位置まで点ｃの回りに回転す
る。そこで、次に脚４を伸ばし脚５を持ち上げ
る。このようにして、両脚をｅ，ｆの位置に接地
させ、次に脚４を比較的長い時間持ち上げたまま
にする。すると、持ち上げられた脚４はｅを中心
としてその持ち上げ時間だけ回転する。そして、
持ち上げ時間を長くすれば、より多く回転するこ
とになる。脚４はｆ１，ｇ，ｇ１を通り、ｈの状
態まで回転することができる。即ち、ロボツト本
体１は向きを左回りに変えさせたことになる。さ
らに脚４を持ち上げれば、一回転することも或い
は多数回転することもできる。

次に、この実施例の姿勢制御につき説明する。

この実施例では、脚端盤１４に固定されたモー
タ１５ｂにより脚下端を駆動することにより、ロ
ボツトは第１図の如く接地脚側に傾いたり、或い
はそれと逆側に傾いたりすることができ、重心の
移動が可能となる。このことを第４図及び第５図
に基づいて説明する。

先ず、第４図において回転盤３が支持軸の回り
に自由に回転していたとする。すると、前記した
如くこの軸の自由端を回転盤３の自重によりモー
メントＭが作用し、回転盤は水平面内でＢ方向へ
歳差運動を起こし、モーメントＭの加えられた方
向へは傾かない。このことは、歳差運動が起こる
とジヤイロモーメントが発生し、そのジヤイロモ
ーメントが自重に基づくモーメントＭと逆向きに
作用し、それら二つのモーメントが互いに釣り合
つていることを意味する。即ち、歳差運動は自由
端を上方へ持ち上げる反力を発生させる。従つ
て、さらに進めてこの歳差運動を助長するように
Ｂ方向へ回転駆動させれば、その駆動力に基づく
新たなジヤイロモーメントが加わり、自重による
モーメントＭに打ち勝つて左上がりに傾斜する。
この第４図では軸の一端に枢着点が設けられてい
るが、第５図の如く軸がＬ字状に折り曲げられ、
その下端が枢着されていても同様である。この第
５図のように下端が枢着された場合には脚４が傾
斜するため、回転盤３の重心の移動が第４図の場
合より大きくなるので、後述するように姿勢制御
が容易となる。

以上のことから明らかなように、第１図におい
て駆動モータ１５ｂにより脚の下端を歳差運動方
向に回動させれば、ロボツトは水平位置から第１
図の如く傾斜する。それにより、ロボツトの重心
が脚４側に移動する。すると、自重に基づくモー
メントが減少するため、ロボツトの歳差運動の速
度が遅くなる。さらに、駆動モータ１５ｂを加速
させることにより、ロボツトの重心を脚端盤１４
の中心上に完全に一致させることができる。それ
により、歳差運動が停止し、ロボツトは一本立ち
の状態で静止することができる。なお、このモー
タ１５ｂに一方向クラツチを内装し、前記と逆方
向へは空回りするように構成しておいてもよい。
その場合にはロボツト自ら起こす歳差運動をモー
タ１５ｂが拘束することはない。或いは、モータ
の電源がOFFのときには該モータのロータが自
由に回動できるように構成しておいてもよい。そ
して、モータ１５ｂで脚を歳差運動方向と逆向き
の回転をも与え得ることにより第１図のように傾
斜したロボツトをもとに復帰させることもでき
る。なお、このようなロボツトはロボツト本体１
と脚４，５との間に角度センサーを備え付けると
こによりそのセンサーの信号とプログラム信号と
を比較してロボツトの傾斜角度を一定の値に自動
制御することもできる。

次に、第７図、第８図は本発明の第２実施例の
脚の自転駆動手段１０を示すものであり、脚４及
び５の下端に夫々設けられる。この実施例では脚
の下端面には第８図の如く４つの車輪４０がその
軸を放射方向に位置して設けられている。そし
て、対角線上にある一対の車輪４０がベベルギア
ー４２を介し、モータ１５ｂに連結されている。
従つて、一対の車輪はその軸が互いに逆方向に回
転し、その結果、脚の中心を通る垂直軸ｌ（第７
図）を中心として回転することになる。このこと
は第１図において、モータ１５ｂにより脚４を垂
直軸回りに回転させるのと同様の作用をなす。そ
れにより、ロボツトを第１図のように右側に傾斜
させたり、或いは逆に左側に傾斜させたりするこ
とができることは第７図及び第８図の第２実施例
であつても同じである。なお、第７図及び第８図
の実施例においては４つの車輪４０が本体回動手
段７を構成する。即ち、モータ１５ｂに電源が供
給されていないフリーの状態において、ロボツト
の重心が接地側の脚の中心上にない場合に、その
ロボツトは接地側の脚の垂直軸ｌの回りを前記し
た理由により自由に歳差運動をし、その脚が車輪
４０と共に回転するものである。従つて、第１図
における本体回動手段７がベアリング１１で構成
されているのに対し、第７図及び第８図の実施例
では車輪４０によりそれが構成されている。

次に、第９図及び第１０図は脚の自転駆動手段
１０及び本体回動手段７の第３実施例であり、本
体回動手段７は３つのキヤスターからなり、その
軸が自由に方向を変えられる車輪４０を夫々有す
る。そして、一つのキヤスターのみにモータ１５
ｂが設けられ、それが自転駆動手段９を構成す
る。即ち、モータ１５ｂに電源が供給されていな
いときには、ロボツトの歳差運動によりそれが垂
直軸ｌの回りに歳差運動をし、接地面上を車輪４
０が自由に回転することになる。そこで、このよ
うな状態のときモータ１５ｂを車輪４０の回転し
ている方向に駆動させれば、歳差運動が助長さ
れ、ロボツトはその姿勢を変えることになる。

これらの作用を本発明者は第１２図に示す実験
装置により確認した。

即ち、脚４を逆Ｌ字状に形成し、その下端をピ
ン３９による俯仰手段９で構成し、脚下端にキヤ
スター４０を３つ互いに離間して設けた。そし
て、脚４の他端に回転盤支持枠を取付け、該支持
枠に回転盤３をベアリング１１を介して枢着す
る。そして、比較的高速回転する図示しないハン
ドモータの軸先端にカツプリングを取付け、この
カツプリングにより回転軸３を比較的高速に回転
させた。そして、そのカツプリングを取り外し、
回転盤３をそのフライホイル効果により回転させ
ておいた。かかる状態で脚４の傾斜角を適宜し、
軸線ｌよりも重心Ｇを第１２図の如く左寄りに位
置させてみた。すると、この実験装置は垂直軸ｌ
を中心にキヤスタ４０により歳差運動に基づく回
転を始めた。そこで、脚端盤４０を実験者が歳差
運動方向に極めてわずか回転するように加速度を
つけると、回転盤３は垂直軸ｌ側に移動した。こ
れは、脚端盤１４に歳差運動方向の力を加えるこ
とにより回転盤３にジヤイロモーメントが加わつ
たからである。この脚端盤１４に実験者が手で加
えた力を本発明の各実施例ではモータ１５ｂによ
り加えて姿勢制御を行うものである。次に、脚端
盤１４を歳差運動方向とは逆方向に手で加速して
みた。すると、回転盤３は垂直軸ｌから離れ、歳
差運動の速度が速くなつた。これは、重心が左に
移動することにより、歳差運動の基となるモーメ
ントが増加したからである。次に第１２図の状態
においてゆつくりと回転盤３が歳差運動を起こし
ているとき、実験者が脚端盤１４を紙面の表面か
ら裏面方向に押してみた。すると、脚端盤１４の
動きはカーブを描いて走行した。これは、実験者
の直線方向の力と歳差運動による垂直軸ｌ回りの
回転力とが合成されたからである。従つて、第９
図、第１０図の実施例においてモータ１５ｂの車
輪４０の方向を図示しない適宜な装置により制御
すれば、ロボツトのこのようなカーブを描くロー
ラスケート運動を行わせることができる。

次に第１３図及び第１４図はロボツトの脚非接
地手段６がリンク機構により構成されたものであ
る。即ち、脚が第１４図の如く平行リンク機構で
夫々構成される。そして、その平行リンク機構が
第１３図のモータ１５ａにより円盤２４を介し、
上下方向に移動できるように構成するともに、そ
の脚が前後方向にも移動できるようにする。しか
しながら、脚の下端は平行リンク機構により常に
水平に維持されるように構成されている。

これらの作用につき詳説すると、次の通りであ
る。

第１３図においてロボツト本体１とモータ支持
枠２２とが一体に固定され、そこに脚非接地手段
６たるモータ１５ａが設けられている。そして、
該モータ１５ａの軸２０に円盤２４が固定されて
いる。さらに、円盤２４の周縁部にピン３９を介
して第２平行リンク１９が枢着されている。そし
て、このリンク１９の揺動により脚４が人間の歩
行動作に近似した動きをなすものである。なお、
第１４図においては脚４のみをより詳細に記した
が、脚５についても同様に構成されている。そし
て、脚４及び５の下端には夫々前後一対の車輪４
０が設けられ、それが本体回動手段７を構成する
と同時に俯仰手段９をも構成する。それと共に、
前後に離間した車輪４０により回転軸２に直交す
る方向の転倒を防止する直交方向転倒防止手段８
をも兼用するものである。

そこで、本体回動手段７及び自転駆動手段１０
その他の作用につき説明すると次の通りである。

先ずモータ１５ｂに電源を加えないフリーの状
態において、第１３図の如く脚５を持ち上げる。
すると、同図においてロボツトの重心を通る垂線
が脚４の中心よりわずかに左側にずれているた
め、脚４の下端が車輪４０で構成されているため
左に傾くことができるが、それが回転しているた
め、左に傾くことなく、回転盤３には比較的わず
かの下向きのモーメントが加わり、それに比例し
て極めてゆつくりと歳差運動を起こす。その歳差
運動の回転中心はｌで示す垂直軸である。しかし
ながら、この歳差運動は前記した如くその速度が
極めて小さいため、殆どそれを考慮することな
く、モータ１５ａを駆動すれば脚４，５自体の歩
行動作を安定して行うことができる。なお、ロボ
ツトを積極的にいずれかの側に傾斜させたい場合
には、モータ１５ｂを駆動することにより、車輪
４０を適宜な方向に回転させ、前記した歳差運動
を助長したり、抑制したりすることによりロボツ
トの姿勢を俯仰させることができる。

次に第１５図は第１３図の変形例であり、前記
実施例と異なる点は、脚の下部を構成する平行リ
ンクがロボツト本体の中心線上に折れ曲がつてい
るものである。これにより、ロボツトの重心を車
輪４０の真上に容易に位置させることができる。
すると、ロボツトはいずれの方向へも歳差運動を
することなく、安定してその状態を維持すること
ができる。かかる状態で脚の先端が垂直面内で円
周を描くようにモータ１５ａにより回動させれ
ば、極めて安定した歩行動作をさせることができ
るものである。そして、他の構成要件は第１３図
のそれと代わりはない。

〔発明の効果〕

本発明の歩行ロボツトは以上のような構成から
なり、次の効果を有する。

(1) 本歩行ロボツトは回転盤３の回転軸２が歩行
中にほぼ水平に位置されるから、一方の脚を持
ち上げたとき該脚の方へ転倒することが回転盤
３の歳差運動により阻止される。それと共に、
回転盤３に直交する方向への転倒は各脚の下端
に設けた直交方向転倒防止手段８により阻止さ
れる。さらに、脚下端に自転駆動手段１０が設
けられ、脚下端の垂直軸回りに該脚を自転駆動
させ得るから、片足立ちしたときこの駆動手段
１０を働かせることによりロボツトの重心を自
由に移動させることができる。即ち、片足立ち
しているとき回転盤３が歳差運動している方向
に自転駆動手段１０を駆動させれば、回転盤３
にジヤイロモーメントが作用し、ロボツトの重
心は接地側の脚に近づき、歳差運動の速度が弱
まる。これは、重心が脚側に近づくことによ
り、回転盤３に加わる下方へのモーメントが減
少する結果、歳差運動を起こす原因となるモー
メントが少なくなるためである。そして、ロボ
ツト本体の姿勢は脚下端に設けた俯仰手段９に
より接地側に第１図の如く次第に傾斜する。逆
に、回転盤３の歳差運動と逆方向に自転駆動手
段１０を作用させたとすれば、ロボツトは第１
図と逆方向に傾斜する。

これらの結果、自転駆動手段１０及び俯仰手
段９によりロボツトの姿勢を制御し、安定した
歩行を確保し得る効果がある。

(2) 又、自転駆動手段１０により第１図の如くロ
ボツトを接地脚側に傾斜してその重心を接地脚
の中心に位置させれば、そのまま一本立ちさせ
た状態で歳差運動を起こすことなく静止させ得
る効果がある。即ち、歩行ロボツトに一本足立
ちの妙技をさせることができる。それと共に、
ロボツトの状態を接地脚側に傾斜することによ
り、他方の脚をより高く持ち上げ高い段階等を
昇らせることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す一部縦断面
立面図、第２図は同右側面図、第３図〜第６図は
本歩行ロボツトの原理を説明する説明図、第７図
は本発明の第２実施例の脚部を示す要部立面図、
第８図は同底面図、第９図は本発明の第３実施例
の脚部を示す要部立面図、第１０図は同底面図、
第１１図はこの第３実施例の全体的説明図、第１
２図はこの発明の効果を実験的に確認するための
実験装置の立面図、第１３図は本発明の第４実施
例の一部縦断面立面図、第１４図は第１３図のＡ
−Ａ矢視断面図、第１５図は本発明の第５実施例
の一部縦断面立面図。 １……ロボツト本体、２……回転軸、３……回
転盤、４，５……脚、６……脚非接地手段、７…
…本体回動手段、８……直交方向転倒防止手段、
９……俯仰手段、１０……自転駆動手段、１１…
…ベアリング、１２……ネジシヤフト、１３……
ガイド棒、１４……脚端盤、１５……モータ、１
６……ベルト、１７，１８……歯車、１９……第
２平行リンク、２０……軸、２１……伸縮部、２
２……モータ支持枠、２３……電源、２４……円
盤、３８……結合板、３９……ピン、４０……車
輪、４１……接続片、４２……ベベルギア。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ロボツト本体１と、直立時に常に重力方向に
   交差するように回転軸２が前記本体１に枢着され
   た慣性モーメントの大なる回転盤３と、前記回転
   盤３の両側に位置して夫々前記本体１に互いに離
   間して取付けられた一対の脚４，５と、一方の前
   記脚４又は５のみを歩行面から離反させるように
   少なくとも一つの脚に設けた脚非接地手段６と、
   前記本体１が各脚のまわりに回転自在となるよう
   に脚４，５自体に設けた本体回転手段７と、前記
   回転軸２に直交する方向への転倒を防止するため
   夫々の脚下端に設けた直交方向転倒防止手段８
   と、前記回転軸２が脚下端部を中心に上下に俯仰
   し得るように前記脚下端に設けた俯仰手段９と、
   脚下端に設けられ、脚下端の垂直軸まわりに該脚
   を自転駆動させる自転駆動手段１０と、を具備
   し、前記両脚４，５が接地したとき、ロボツトの
   重心が前記回転盤３上に位置するように構成した
   歩行ロボツト。