JPS62277282A - 歩行ロボツトの脚機構 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は歩行ロボッ！・の脚機構の改良に関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来の歩行ロボット、例えば４足歩行ロボットの脚機構
としては、第７図に示すように脚本体１にそれぞれｘ、
ｙ、ｚの矢印方向に作動する直線動形アクチュエータ２
，３．４を設け、これら各アクチュエータ２．３．４の
駆動軸を３軸直交にして３次元パンタグラフ機構５を連
結し、この３次元パンタグラフ機構５によりアクチュエ
ータ２゜３．４の動きを拡大して３次元パンタグラフ機
構５の作用端に取付けられた足先６を駆動するようにし
たものがある。この場合、３次元パンタグラフ機描５は
回動軸Ｒ，Ｑを中心に回動可能に連結部材を介して連結
されている。

［発明が解決しようとする問題点コ 従って、このような４足歩行ロボットの脚機構において
は各直線動形アクチュエータ２，３．４とパンタグラフ
機構５により、足先６は第５図の一点鎖線に示す可動範
囲７での移動ができ、また４足ロボットとしては馬のよ
うな脚形状からトカゲのような脚形状までの動作が可能
となるか、次のような点に難点がある。

（１）　　Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の各直線動形アクチュエータ
２，３．４の直交軸と回動輪Ｒ，Ｑとを組合せた自在機
構になっているため、機構的な剛性が低い。

（２）各脚に直交軸駆動系を有しているため重量が比較
的大きく、しかも可動範囲７は第５図の一点鎖線に示す
ように制限されたものとなる。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので
、機構的に複雑化しないで駆動系全体の剛性を向上させ
ると共に出来るだけ形状を簡単にして脚の可動範囲を広
くすることができる歩行ロボットの脚機構を提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ そこで本発明による歩行ロボットの脚機構では、脚本体
と、この脚本体に水平回動可能に支持された脚部フレー
ムと、この脚部フレーム内にその回動中心軸と同方向に
並行に且つ回転可能にそれぞれ支持されたネジ軸及びナ
ツトを有する第１及び第２のボールネジ機構と、この第
１のボールネジ機構のナツトに駆動端が連結されたラム
ダ機構と、このラムダ機構の作用端に２つの支持端の内
の１支持端が連結されたパンタグラフ機（、“４と、こ
のパンタグラフ機構の作用端に取付けられた足先とを有
し且つ前記ラムダ機構の支持端と前記パンタグラフ機構
の他の支持端とはその内の一方が前記脚部フレームに連
結され、他方が前記第２のボールネジ機構のナツトに連
結されてなり、前記足先を円筒座標的に動作させること
を特徴としている。

［作　用コ 従って、このような構成の歩行ロボットの脚機構にあっ
ては第１のボールネジ機構の駆動によりナツトがネジ軸
上を移動すると、このナツトに駆動端が連結されたラム
ダ機構は支持端を支点として動作するので、ラムダ機構
の作用端に枢支端がダ連結されたパンタグラフ機構の作
用端はネジ軸から見て半径方向ｒに移動し、また第２の
ボールネジ機構の駆動によりナツトがネジ軸上を移動す
ると、このナツトに駆動端が連結されたパンタグラフ機
（１■の作用端はネジ軸と同方向、つまりＺＩＴ。

方向に移動するこになり、したがってラムダ機構とパン
タグラフ機構の動作を組合せることにより、足先の動作
範囲は半径方向ｒとＺ軸方向とが合成された広いものに
なる。またラムダ機構とパンタグラフ機構は第１及び第
２のボールネジ機構によりそれぞれ別個に駆動されるの
で、全体の機構が簡易化できると共に剛性を向上させた
構造となる。

さらに脚本体に脚部フレームが回動可能に支持され、脚
機構全体がＺ−Ｚ軸を中心に回動できるので、前述した
ラムダ機構とパンタグラフ機ｔＭの動作との組合せによ
り円筒座標的な足先の動作が可能となる。

［実施例コ 以下本発明の一実施例を図面に基いて説明する。

第１図は本発明による歩行ロボットとして例えば４足歩
行ロボットの１つの脚機構のｆＭ成例を示す図であり、
第２図は第１図のＰ−Ｐ線に沿って矢印方向に見た図で
ある。第１図及び第２図において、１１は脚本体、１２
はこの脚本体１１に平行に設けられた脚部フレームで、
この脚部フレーム１２はその両側面部を脚本体１１の両
側部に図に配設されたネジ軸１３ａとナツト１３ｂを有
する第１のボールネジ機構で、この第１のボールネジ機
構１３はそのネジ軸の両端部が脚部フレーム１２の両側
面部に回転可能に支持されている。

１４はレバー１４ａと１４ｂとをλ形状に組合せて連結
してなるラムダ機構で、このラムダ機構１４はその駆動
端ａが第１のボールネジ機構１３のナツト１３ｂに連結
されると共に支持端Ｃが脚部フレーム１２の下方側面部
近傍に連結されており、ナツト１３ｂの移動により駆動
端ａがネジ軸１３ａに近接して配設されたリニアガイド
１５にガイドされながら上下動すると作用端すが支持端
Ｃを中心に半径ｒ方向に移動するようになっている。ま
た、１６は脚部フレーム１２内に第１のボールネジ機構
１３と並行に配設されたネジ軸１６ａとナツト１６ｂを
有する第２のボールネジ機構で、この第２のボールネジ
機構１６はそのネジ軸の両端部が脚部フレーム１２の両
側面部に回転可能に支持されている。１７はレバー１７
ａ〜１７ｄをパンタグラフ形状に組合せ連結してなるパ
ンタグラフ機構で、このパンタグラフ機構１７はその駆
動端ｄが第２のボールネジ機ｔＭ　１６のナツト１６ｂ
に連結されると共にレバー１７ｃと１７ｄとの枢支端に
ラムダ機構１４の作用端すが連結されており、ナツト１
６ｂの移動により駆動端ｄがネジ軸１６ａに近接して配
設されたリニアガイド１８にガイドされながら上下動す
ると作用端に取付けられた足先１９は図示Ｚ−Ｚ軸方向
に移動するようになっている。さらに、２０．２１は脚
部フレーム１２、第１のボールネジ機構１３の下方側支
持端にそれぞれ個別に連結されたプーリであり、また２
２は第２のボールネジ機構１６の下方側支持端に連結さ
れた歯車付プーリであり、これらプーリ２０．２１及び
歯車（＝Ｉプーリ２２はアクチュエータと共に脚本体１
］に組込まれている。

第３図（ａ）は上記したプーリ２０，２１及び１弱車付
プーリ２２とアクチュエータとの関係を示すものである
。即ち、第３図に示すようにプーリ２０．２１と歯車付
プーリ２２は脚本体１１内にそれぞれ固定されたθ方向
用アクチュエータ２３゜ｒ方向用アクチュエータ２４及
びＺ方向用アクチュエータ２５によりベルト、チェーン
などの駆動伝達手段で駆動されるようになっている。従
って、脚部フレーム１２、第１のボールネジ機構１３及
び第２のボールネジ機構１６はそれぞれ対応するプーリ
２０，２１及び２２により独立して駆動される。

次に上記のようにｔ＋が成された４足歩行ロボットの脚
機構の作用を第４図を参照しながら述べる。

第４図は第１図に示す脚機構において、足先１９の半径
方向ｒの変位及び垂直方向Ｚの変位状態を示している。

いま、脚機構が第４図（ａ）に示すような基準状態にあ
り、この状態からパンタグラフ機構１７の駆動端ｄを固
定点として第４図（ｂ）に示すように第１のボールネジ
機構１３の駆動によりナツト１３ｂと共にラムダ機構１
４の駆動端ａをネジ軸１３ａ上の図示下方にに、又は図
示上方にに２移動すると、ラムダ機構１４の作用端すは
Ｚ−Ｚ軸に対して半径方向ｒｌ　　−又はｒ２　　′に
移動し、パンタグラフ機構１７の作用端に取付けられた
足先１９は半径方向ｒ１又はｒ２に拡大されて移動し、
図示実線又は点線のような状態になる。

また、これとは逆にラムダ機構１４の駆動端ａを固定点
として第４図（ａ）に示す状態から第４図λ （Ｃ）に示すように第イのボールネジ機構１６の駆動に
よりナツト１６ｂと共にパンタグラフ機構１７の駆動端
ｄをネジ軸１６ａ上の図示上方にｍｌ又はｍ２移動する
と、足先１９は垂直方向に拡大されてＺｌ又はＺ２移動
し、図示実線又は点線のような状態となる。

さらに、本脚機構において脚部フレーム１２はＺ−Ｚ軸
を中心に水平回動する。この場合、脚部フレーム１２の
回動半径をｒすると回動角θの回動範囲は第４図（ｄ）
に示すよになる。

従って、上述したラムダ機構１４による半径方向の変位
とパンタグラフ機構１７による垂直方向の変位及び脚部
フレーム１２によるＺ−Ｚ輔を中心に水平回動の各動作
を組合せることにより、パンタグラフ機構１７の足先１
９は円筒座源のＡ。

ｒ、Ｚの任意の座標を持たせることができる。

このように本実施例では第１のボールネジ機構１３によ
り駆動されるレバー１４ａ及び１４ｂで構成されたラム
ダ機構１４と第２のボールネジ機構１６により駆動され
るレバー１７ａ〜１７ｄで（１が成されたパンタグラフ
機構１７とを組合せ結合するようにしているので、簡単
な構成にして全体としての剛性を向上させることができ
ると共にｒ。

Ｚ方向の足先１９の動作範囲が広くなる。また、ｒ、Ｚ
方向の足先１９の動作に加えて脚部フレーム１２はＺ−
Ｚ軸を中心に水平回動するので、円筒座標的な動作が可
能となり、従来の３輔直交形の脚機構に比べて足先１９
の可動範囲を大幅に改善することができる。さらに、前
述した各アクチュエータ２３，２４．２５に対して従来
の制御システムを接続し、感知機能を付加することによ
り、４足歩行アルゴリズムを実現することができる。

次に本発明の他の実施例について説明する。

第５図は第１図と同一部品には同一記号を付して示す本
発明の他の実施例の１つの脚機構の構成図であり、ここ
では第１図と異なる点について述べる。

本実施例では第５図に示すように脚部フレーム１２が脚
本体１１の両側部にＺ軸を中心に回動可能に支持され、
その−側部側の支持軸にはθ軸駆動用プーリ２６が取付
けられている。この脚部フレーム１２内に第１のボール
ネジ機構１３と第２のボールネジ機構１６が図示Ｚ−Ｚ
軸と同方向に且つ同一軸線上に配設され、第１のボール
ネジ機構１３のネジ軸１３ａの一端部は脚本体１１の一
側面部に回動可能に支持される共にその支持軸にはｒ軸
駆動用プーリ２１が取付けられ、ネジ軸１３ａの他端部
は脚部フレーム１２のほぼ中央部に設けられた仕切部に
回転可能に支持されている。

また第２のボールネジ機構１６のネジ軸１６ａの一端部
は脚本体１１の他側面部に回動可能に支持されると共に
ト（持輔には２輔駆動用プーリ２２が取付けられ、ネジ
軸１６ａの他端部は脚部フレーム１２の仕切部に回転可
能に支持されている。

さらにラムダ機構１４の駆動端ａが第１のボールネジ機
構１３のナツト１３ｂに連結されると共に支持端Ｃが第
２のボールネジ機構１６のナツト１６ｂに連結され、作
用端すはパンタグラフ機構１７の一方の支持端に連結さ
れている。そしてパンタグラフ機構１７の他方の支持端
は脚部フレーム１２から突出する突出部に支点Ａを中心
に回動可能に連結されている。一方、脚本体１１内には
θ軸駆動モータ２７、ｒ軸駆動モータ２８、Ｚ軸駆動モ
ータ２９がそれぞれ取付けられており、θ軸駆動プーリ
２６はθ軸駆動モータ２７に、ｒ軸駆動プーリ２１はｒ
軸駆動モータ２８に、Ｚ軸駆動プーリ２２はｒ軸駆動モ
ータ２９にそれぞれベルト、チェーンなどの駆動伝達手
段を介して連結されている。

このような構成の脚機構において、各モータ２７．２８
．２９を計算機等の制御装置により協調制御を行なえば
脚部フレーム１２はＺ軸を中心にθ方向に回動し、また
第１のボールネジ機構１３の駆動によりナツト１３ｂと
共にラムダ機構１４の駆動端ａがネジ軸１３ｂ上をリニ
アガイド１８ａにガイドされながら図示上下方向に移動
することで、ラムダ機構１４の作用端すはＺ−Ｚ軸に対
して半径方向に移動する。これによりパンタグラフ機構
１７は一方の支持端ｄが支点Ａを中心に回動することで
作用端に取付けられた足先が半径方向に拡大されて移動
する。さらに第２のボールネジ機構１６の駆動によりナ
ツト１６ｂと共にラムダ機構１４の支持端Ｃがネジ軸１
６ｂ上をリニアガイド１８ｂにガイドされながら図示上
下方向に移動することで、ラムダ機構１４の作用端すは
図示上下方向に移動し、パンタグラフ機構１７の作用端
に取付けられた足先がＺ軸方向に拡大されて移動する。

この場合、パンタグラフ機構１７の一方の支持端ｄが脚
フレーム１２の突出部に支点Ａを中心に回動可能に支持
されているので、パンタグラフ機構１７の上下の可動範
囲が広くなる。

従って、このような構成の実施例によれば、ラムダ機構
１４の駆動端ａを第１のボールネジ機構１３で、ラムダ
機構１４の支持端Ｃを第２のボールネジ機構１６で半径
方向、Ｚ−Ｚ軸方向に変位１７の作用端に取付けられけ
た足先の可動範囲を図示一点鎖線で示すようにかなり広
いものとなる。

また各モータ２７，２８．２９を脚本体１１に取付けて
θ軸駆動用プーリ２６、ｒ軸駆動用プーリ２１、Ｚ軸駆
動用プーリ２２を協調制御しながら駆動するようにして
いるので、脚運動時にθまゎりに旋回すべき質量を低下
できる。さらにパンタグラフ比を大きくすれば、第１の
ボールネジ機（ｔ１３と第２のボールネジ機＋ｉ４１６
を同一軸線上に配設してもその長さはあまり長くならな
いので、脚機構の簡素化を図ることもできる。

第６図は本発明のさらに異なる実施例を示すもので、そ
の構成の大部分は第５図のそれと同様であるが、この実
施例では脚の可動範囲を広げることが可能な構成とした
ものである。

本実施例では第６図（ａ）に示すように第１のボールネ
ジ機構１３のネジ軸１３ａを第２のボールネジ機構１６
のネジ軸１６ａに比して長形にし、またラムダ機構１４
を構成するレバー１４ａの形状を脚本体１１の下部軸受
部との接触が回避できるように湾曲させている。即ち、
ラムダ機構１４のレバー１４ａが直線状の場合、レバー
１４ａが第６図（ｂ）に示すように脚本体１１に対して
矢印方向に向いた時軸受部に当たるため、この部分を湾
曲させて可動範囲が広がるようにしている。そしてパン
タグラフ機構１７の一方の支持端ｄを脚部フレーム１２
の下端部側から突出する突出部に回動可能に連結し、ま
た他方の支持端をラムダ機構工４の湾曲したレバー１４
ａの作用端すに回動可能に連結している。なお、ラムダ
機構としては各点を図示するようにＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄとし
たとき、ＡＢ　：　ＢＣ−ＢＣ：　ＢＤが満足される疑
似直線機構とすれば脚の可動範囲をさらに広げることが
できる。この場合、ＡＢ　：　ＢＣ−２：　３程度にす
れば、つまり比が１に近いほど近似度が上がる。

このような構成の脚機構において、第５図に示す実施例
と同様に第１のボールネジ機構１３、第２のボルルネジ
機構１６を駆動することにより、ラムダ機構１４の半径
方向の変位とＺ−Ｚ軸方向の変位に対するパンタグラフ
機構１７の可動範囲が広がり、さらに脚部フレーム１２
のＺ軸を中心とするθ方向の回動変位と組合せれば、脚
機構の可動範囲をかなり大きく広げることができる。

第６図（Ｃ）は前述した脚機構を４足歩行ロボットの各
脚として用いた場合の可動範囲の軌跡を示しており、ま
た第６図（ｄ）は同ロボットが段差部に対して前脚を乗
せた姿勢を示し、第６図（ｅ）はこの段差姿勢での各脚
の概略的な様子を示している。

なお、前述した各実施例では４足歩行ロボットの脚機構
について述べたが、本発明ではこれに限定されるもので
はなく、他ロボットの脚機構として適用できることは勿
論である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、脚本体に水平回動可
能に支持された脚部フレーム内にその回動中心軸と同方
向に並行に且っ回動可能にネジ軸屹ナツトを有する第１
及び第２のボールネジ機構をそれぞれ支持し、第１のボ
ールネジ機構のナツトにラムダ機構の駆動端を連結し、
このラムダ機構の作用端にパンタグラフ機構の２つの支
持端の内の１支持端を連結すると共にパンダグラフ機構
の作用端に足先を取付は且つラムダＩｌｌ横の支持端と
パンタグラフ機構の他の支持端とはその内一方が脚部フ
レームに、他方が第２のボールネジ機構のナツトにそれ
ぞれ連結された構成としたので、機構的に複雑化しない
で駆動系全体の調性を向上させることができると共に簡
単な構成にして足先の可動範囲を広くすることができる
歩行ロボットの脚機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるロボットの脚機構の一実施例を示
す構成図、第２図は第１図のＰ−Ｐ線に沿う矢視図、第
３図は同実施例における各プーリとアクチュエータとの
関係を示す斜視図、第４図は同実施例の作用を説明する
ための図、第５図及び第６図は本発明の他の実施例をそ
れぞれ説明するだめの図、第７図は従来の歩行ロボット
の脚機構を説明するための構成図である。 １１・・・脚本体、１２・・・脚部フレーム、１３・・
・第１のボールネジ機構、１４・・・ラムダ機構、１５
゜１８．１８ａ、１８ｂ・・・リニアガイド、１６・・
・第２のボールネジ機（ｌが、１７・・・パンタグラフ
機構、１９・・・足先、２０，２１，２２．２６・・・
プーリ、２３．２４．２５・・・アクチュエータ、２７
，２８゜２９・・・モータ。 出願人復代理人　弁理士　鈴　江　武　彦箔１図 （ａ） （ｄ） 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 脚本体と、この脚本体に水平回動可能に支持された脚部
   フレームと、この脚部フレーム内にその回動中心軸と同
   方向に且つ回転可能にそれぞれ支持されたネジ軸及びナ
   ットを有する第１及び第２のボールネジ機構と、この第
   １のボールネジ機構のナットに駆動端が連結されたラム
   ダ機構と、このラムダ機構の作用端に２つの支持端の内
   の１支持端が連結されたパンタグラフ機構と、このパン
   タグラフ機構の作用端に取付けられた足先とを有し且つ
   前記ラムダ機構の支持端と前記パンタグラフ機構の他の
   支持端とはその内一方が前記脚部フレームに連結され、
   他方が前記第２のボールネジ機構のナットに連結されて
   なり、前記足先を円筒座標的に動作させることを特徴と
   する歩行ロボットの脚機構。