JPH0613304B2 - 歩行ロボツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、脚にて歩行やほふく歩行により移動する歩行
ロボットに関し、移動速度の高速化を図ったものであ
る。

＜従来の技術＞ 不整地を移動する装置の１つとして脚による歩行を行う
ロボットが考えられており、例えば原子炉内点検ロボッ
ト、原子炉内重量物搬送ロボット等に利用されている。
この種の歩行ロボットの脚の駆動装置としてリンク機構
を用いたものがある。この歩行ロボットでは、その機構
の概略構造図を表わす第１１図に示されるように、ロボ
ット胴体１１に取付けられた第１〜第４脚１２，１３，
１４，１５の垂直方向運動は脚上下駆動アクチュエータ
１６により行い、それらの水平方向運動は脚前後駆動ア
クチュエータ１７により行っている。この方式は脚１２
〜１５のアクチュエータを自重が作用する垂直方向と、
自重が作用しない水平方向とに分けることができるの
で、水平方向運動用のアクチュエータ１７を小さな容量
のものとすることができるという利点がある反面、リン
ク機構の死点とアクチュエータのストローク長の限界が
存在するため、脚の可動範囲を大きくすること（例えば
１８０゜以上とすること）が困難である。

一方、リンク機構を用いる代りに、脚の関節部に各々モ
ータと減速機を内蔵させ、その作動により脚を駆動する
ようにしたものも考えられている。この場合は脚とロボ
ット本体が干渉しない限り脚の可動範囲を自由に拡げる
ことができ、１８０゜以上の回動範囲を実現することは
極めて容易である。例えば第７図に示すように、ロボッ
ト胴体１８に対して上腿１９は股関節２０を中心にθ
_ｍａｘ〜θ_ｍｉｎまで回動可能、且つ下腿２１は膝関節
２２を中心に上腿１９に対して_ｍａｘ〜_ｍｉｎまで
回動可能とすることができる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ ところが、上述したような関節部にモータ、減速機等の
駆動機構を内蔵した歩行ロボットでは、姿勢によっては
いずれの関節部にもロボットの自重が作用する場合があ
るため、各関節部にはその最大荷重に見合った大きなト
ルクを発生できる動力源を備える必要がある。例えば、
第８図に示すように、各脚２３ａ，２３ｂが伸び切った
状態からロボット胴体１８を持ち上げる場合には、股関
節２０ａ，２０ｂに大きなトルク必要とされる。また、
階段のような凹凸のある対象物を移動する場合の側面図
を第９図、その平面図を第１０図を示すが、このような
段階２４を昇るような場合には重心Ｇが下側に位置する
後脚２３ａ寄りにあるため、後脚２３ａの各関節の必要
トルクは非常に大きくなる。またこの場合、４脚の力制
御が完全でなければ、対角線上の２脚が全荷重のほとん
どを支えることになるので、この状態において安定して
移動するためには、後脚２３ａ１本だけでほとんど全荷
重を持ち上げるこができるだけのトルクが必要である。

このような歩行ロボットにおいて、関節部の駆動機構に
大きなトルクを発生させるためには、出力トルクの大き
な駆動モータを搭載するか、あるいは減速機の減速比を
大きくしなければならない。ところが、大トルクを発生
するモニタは大形化し、必然的に重くなるばかりでな
く、速度の低下を招く。そこで、一般には小形の高速モ
ータと減速比の大きな減速機を用いることが行われてい
る。すなわち、従来は歩行ロボットの移動動作の一時期
だけに必要とされる最大トルクを得るためにそれに見合
った大きな減速比を有する減速機を使用しており、その
結果大トルクが必要とされない他の移動動作においても
動作速度が制限されてしまい、移動速度が遅いという問
題点があった。

本発明は、上述した従来の歩行ロボットにおける問題点
を解決するものであり、移動速度の高速化を図った歩行
ロボットを提供することを目的としている。

＜問題点を解決するための手段＞ この目的を達成するための本発明にかかる歩行ロボット
の構成は、各々屈曲自在な関節部を有する複数の脚を具
え、歩行あるいはほふく歩行により移動する歩行ロボッ
トにおいて、前記脚の各関節部には該脚を屈曲させるた
めの駆動モータの運動を減速して伝える減速機が配設さ
れると共に該減速機は該関節部に作用する負荷に応じて
減速比を切り替え得ることを特徴とする。

＜作用＞ 関節部に高負荷が作用する場合には減速機の減速比を大
きくして大トルクの発生を可能とする一方、軽負荷時に
は減速機を小さい減速比に切り替えて高速動作を可能と
する。

＜実施例＞ 以下、本発明の一実施例を図面により具体的に説明す
る。

第２図は本発明の一実施例にかかる脚・車脚型歩行ポボ
ットの斜視図を示す。第２図において、ロボット胴体３
１下部の左右側面中央には左駆動輪３２、右駆動輪（図
示せず）が設けられ、図示しない駆動源によるこれらの
駆動輪３２の回転によりロボット胴体３１が走行するよ
うになっている。また、ロボット胴体３１には左前脚３
３、左後脚３４、右前脚３５、及び図示しない右後脚の
４脚が取付けられる。各脚３３，３４，３５はそれぞれ
膝関節３６，３７，３８で互いに屈曲自在に連結された
上腿３９，４０，４１と下腿４２，４３，４４を有し、
上腿３９，４０，４１の一端はそれぞれ股関節４５，４
６，４７により屈曲自在にロボット胴体３１に取付けら
れると共に、下腿４２，４３，４４の先端にはそれぞれ
補助輪４８，４９，５０が支持されている。尚、第２図
では図示しない右後脚も同様な構成を有する。而して、
第２図に示すように、本ロボットは左前脚３３、左後脚
３４及び右前脚３５、右後脚をそれぞれＭ字形に屈曲さ
せて補助輪４８，４９，５０を接地させた状態で駆動輪
３２の転動によって走行する一方、脚３３，３４，３５
の任意な屈曲動作によって不整地上等を走行することが
できる。

次に、関節部の構造について説明する。第１図はこれら
の関節部の断面図であり、前述の各関節は皆同一の構成
を有している。第１図において、例えばロボット胴体３
１に固定される固定枠５１，５２にそれぞれ第１及び第
２クラッチ５３，５４が固定され、それらのクラッチ５
３，５４に組込まれる軸受５５，５６によってその中心
に入力軸５７が支承されており、この入力軸５７は固定
枠５１に固定された図示しない駆動モータにより回転駆
動される。入力軸５７には第１クラッチ５３のカップリ
ング５８がキー５９を介して固定される一方、そのカッ
プリング５８に隣接して入力軸５７の外周部を覆うよう
に第１偏心軸６０が配設され、この第１偏心軸６０に一
体に形成されたクラッチ板６１がカップリング５８と係
脱できるように対向している。この第１偏心軸６０は固
定枠５１の筒部及び後述の第２偏心軸７３にそれぞれ軸
受６２，６３を介して支承されていて、その偏心部には
一対の軸受６４を介して第１中間ギヤ６５が回動自在に
取付けられている。第１中間ギヤ６５は内歯歯車と外歯
歯車とを有し、その内歯歯車は固定枠５１の筒部外周に
固定された第１固定ギヤ６６と噛み合うと共に、外歯歯
車は第１駆動ギヤ６７と噛み合っている。第１駆動ギヤ
６７は、固定枠５１及び第２偏心軸７３にそれぞれ軸受
６８，６９を介して支承されている出力段偏心軸７０に
固定されている。これら第１中間ギヤ６５、第１固定ギ
ヤ６６、第１駆動ギヤ６７でいわゆる和動型内公転減速
機を構成しており、従って第１クラッチ５３に通電して
カップリング５８とクラッチ板６１とを係合させた状態
で入力軸５７を回転させると、第１偏心軸６０が回転
し、それに伴って第１中間ギヤ６５が第１固定ギヤ６６
と噛み合うことで自転しながらその周りを公転し、さら
に第１中間ギヤ６５の運動によって第１中間ギヤ６５お
噛み合う第１駆動ギヤ６７を介して出力段偏心軸７０が
減速回転をする。

さらに、入力軸５７には第２クラッチ５４のカップリン
グ７１がキー７２を介して固定される一方、それらの外
周を覆うように第２偏心軸７３が固定枠５２に軸受７４
を介して支承されると共に、第２偏心軸７３に固定され
たクラッチ板７５がそのカップリング７１と係脱できる
ように対向している。これらのカップリング７１とクラ
ッチ板７５とはばね等の力により通常は係合しており、
第２クラッチ５４に通電することによりその係合が解除
されるようになっている。すなわち、前記第１のクラッ
チ５３は通電することによってクラッチが接続されてい
るいわゆる正動作型であるのに対し、第２のクラッチ５
４はその反対の負動作型となっており、それによって１
つの信号によって両者を択一的に接続させることができ
る。また、第２偏心軸７３の偏心部には一対の軸受７６
を介して第２中間ギヤ７７が回転自在に取付けられ、第
２中間ギヤ７７に形成された径の異なる一対の外歯歯車
がそれぞれ固定枠５２に固定された第２固定ギヤ７８及
び出力段偏心軸７０に固定された第２駆動ギヤ７９と噛
み合っている。これら第２中間ギヤ７７、第２固定ギヤ
７８、第３駆動ギヤ７９でいわゆる差動型内公転減速機
を構成している。従って、カップリング７１とクラッチ
板７５とを係合させた状態で入力軸５７を回転させる
と、第２偏心軸７３が回転し、それに伴って第２中間ギ
ヤ７７が第２固定ギヤ７８と噛み合うことで自転しなが
らその内周を公転し、さらに第２中間ギヤ７７の運動に
よって第２中間ギヤ７７と噛み合う第２駆動ギヤ７９を
介して出力段偏心軸７０が減速回転する。ここで、前述
の和動型内公転減速機はこの差動型内公転減速機に比べ
て小さい減速比が得られ、従って第１偏心軸６０を経由
して出力段偏心軸７０を減速回転させる場合と、第２偏
心軸７３を経由して出力段偏心軸７０を減速回転させる
場合とでは、前者の方が小さい減速比となる。

さらに、出力段偏心軸７０の偏心部には一対の軸受８０
を介して中間ギヤ８１が回転自在に取付けられ、中間ギ
ヤ８１は固定枠５１に形成された固定ギヤ８２及び出力
軸８３に形成された駆動ギヤ８４と噛み合っている。出
力軸８３は例えば上腿３９，４０，４１等に相当し、固
定枠５１及び出力段偏心軸７０にそれぞれ軸受８５，８
６を介して支承される。固定ギヤ８２と駆動ギヤ８４と
は歯数が若干異なっており、これら中間ギヤ８１、固定
ギヤ８２、駆動ギヤ８４で差動型の第３の内公転減速機
を構成している。従って、出力段偏心軸７０の回転は前
述と同様にさらに減速されて出力軸８３に伝えられる。
尚、出力軸８３の回転角は図示しないロータリエンコー
ダで測定される。

第３図は本実施例にかかる制御ブロック図である。第３
図において、手動あるいは計算機等から与えられたモー
タ速度指令によってサーボアンプ８７を介して駆動モー
タ８８が駆動される。一方、クラッチ切り替え指令によ
りクラッチ切り替え回路８９を介して第１あるいは第２
クラッチ５３，５４のいずれかが接続され、第１偏心軸
６０を経由する和動型公転減速機が働いた場合には高速
小トルクで、第２偏心軸７３を経由する差動型内公転減
速機が働いた場合には低速大トルクで関節が回動駆動さ
れる。関節の回転角（関節角）はロータリエンコーダ９
０により検出され、制御装置にフィードバックされる。

本歩行ロボットの脚による歩行は、ロボット胴体３１を
地面から持ち上げた状態で移動する歩行、及び１歩移動
する毎にロボット胴体３１を地面につけるほふく歩行の
いずれの場合においても、軽負荷時に減速機を低い減速
比に切り替えて高速動作を行うことにより従来より高速
に歩行することが可能となる。ここでは以下、ほふく歩
行の例について説明する。

第４図及び第５図はほふく歩行の動作説明図であり、第
４図はその遊脚動作、第５図はその立脚動作を表わして
いる。第４図に示す遊脚動作では、駆動輪３２が接地し
ているので、前脚３３，３５と後脚３４，９１を各１脚
ずつ同時に持ち上げることができる。尚、３脚以上、あ
るいは前２脚または後２脚を同時に持ち上げることは前
後方向に不安定となるので好ましくない。而して、２脚
ずつ遊脚動作で、例えば左前脚（第１脚）３３と右後脚
（第４脚）９１を同時に進行方向に移動し、続いて左後
脚（第２脚）３４と右前脚（第３脚）３５を同時に移動
させる。次に、第５図に示すように、立脚動作により全
脚を同期させてロボット胴体３１を持ち上げ、進行方向
に移動させる。これらの動作でロボートは１歩前方へ移
動し、これを繰り返すことによってほふく歩行がなされ
る。ここで、遊脚動作では各関節に負荷があまり作用し
ないので、低い減速比で高速動作を行う一方、立脚動作
では高負荷が作用するので減速比を上げて高トルク運転
を行う。

従来の歩行ラボットと本発明による歩行ロボットとの移
動時間の比較図を第６図に示す。第６図に示すように、
従来の歩行ロボットでは減速比が一定であるので負荷の
軽い遊脚動作でも動作速度が遅く、時間がかかるのに対
して、本発明によれば遊脚動作時には立脚動作の数倍〜
１０数倍の動作速度を出せるので、移動時間を大幅に短
縮することができる。

＜発明の効果＞ 以上、一実施例を挙げて詳細に説明したように本発明に
よれば、脚の関節部に配設される駆動モータの減速機の
減速比を負荷に応じて切り替えることができるので、軽
負荷時には高速動作が可能となり、脚による移動速度の
高速化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる関節部の断面図、第
２図は本発明の一実施例にかかる脚・車脚型歩行ロボッ
トの斜視図、第３図はその制御ブロック図、第４図及び
第５図はそれぞれほふく歩行の動作説明図、第６図は従
来の歩行ロボットと本発明による歩行ロボットとの移動
時間の比較図、第７図は歩行ロボットの関節動作範囲の
説明図、第８図は歩行ロボットの脚にかかる負荷の説明
図、第９図及び第１０図はそれぞれ歩行ロボットが階段
を昇る場合に脚にかかる負荷を説明するための側面図及
びその平面図、第１１図はリンク機構を用いた従来例に
かかる歩行ロボットの機構の概略構造図である。 図面中、 ３１はロボット胴体、 ３３，３４，３５，９１は脚、 ３６，３７，３８は膝関節、 ４５，４６，４７は股関節、 ５３，５４は第１及び第２クラッチ、 ５７は入力軸、 ６０は第１偏心軸、 ６５は第１中間ギヤ、 ６６は第１固定ギヤ、 ６７は第１駆動ギヤ、 ７０は出力段偏心軸、 ７３は第２偏心軸、 ７７は第２中間ギヤ、 ７８は第２固定ギヤ、 ７９は第２駆動ギヤ、 ８１は中間ギヤ、 ８２は固定ギヤ、 ８３は出力軸、 ８４は駆動ギヤである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々屈曲自在な関節部を有する複数の脚を
   具え、歩行あるいはほふく歩行により移動する歩行ロボ
   ットにおいて、前記脚の各関節部には該脚を屈曲させる
   ための駆動モータの運動を減速して伝える減速機が配設
   されると共に該減速機は該関節部に作用する負荷に応じ
   て減速比を切り替え得ることを特徴とする歩行ロボッ
   ト。