WO2006103775A1

WO2006103775A1 - ４足歩行ロボット

Info

Publication number: WO2006103775A1
Application number: PCT/JP2005/006147
Authority: WO
Inventors: Atsuo Takanishi; Yoichi Takamoto; Katsuyuki Baba; Hideki Nishizawa
Original assignee: Tmsuk Co., Ltd.
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-05
Also published as: US7598695B2; US20080252247A1; EP1864763A4; CN1956822A; EP1864763A1

Description

4足歩行ロボット

技術分野

[0001] 本発明は、 4つの脚部を有し、各々の脚部を動力して自力で移動する 4足歩行ロボットに関するものである。

背景技術

[0002] 従来、自力で移動するロボットとして、車輪を有するもの、キヤタビラを有するもの、脚部を有するもの等が開発されている。脚部を有する歩行ロボットとしては、 2足、 3足、 4足、 6足等の多足歩行ロボットが開発されている。特に 4つの脚部を有する 4足歩行ロボットは、歩行動作の安定性が高いこと、ロボットが 4足の動物、例えば犬や猫等を象って製作されること等の理由カゝら近年種々開発されている。

4足歩行ロボットの歩行動作としては、例えば、 3つの脚部の足先を接地させて胴体等の重量を支持した状態で、他の 1の足を遊脚として他の地点に移動させた後、接地させ、このような接地脚と遊脚を各々の脚部で交互に切り替えることによりロボットの重量を支持しつつ、歩行、移動を行っている。

このような 4足歩行ロボットとしては、特許文献 1に、胴体の側面に対して複数本の足すなわち脚部が設けられた多足歩行ロボットにおいて、各足に第 1回動軸、第 2回動軸、及び第 3回動軸が設けられた構成が記載されている。特許文献 1の 4足歩行口ボットの足は、胴体の側面に配設された第 1ユニットと、第 1ユニットに対し第 1関節部を介して取り付けられる第 2ユニットと、第 2ユニットに対し第 2関節部を介して取り付けられる第 3ユニットから構成され、第 1関節部は、胴体の側面に対して平行な方向に軸方向を有する第 1回動軸と、胴体の側面に対して垂直な方向に軸方向を有する第 2回動軸と、力もなる。また、第 2関節部は、第 2回動軸と平行な第 3回動軸からなる

[0003] 特許文献 1 :特開 2002— 11679号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0004] し力しながら、上記従来の多足歩行ロボットでは以下のような課題を有していた。

(1)特許文献 1の多足歩行ロボットは、第 1,第 2,第 3回動軸を回動させるために、回動軸を駆動するためのモータ等の駆動部を各々に設ける必要があり、 4足で合計 12 個の駆動部が必要になるため、駆動部の数が増加し、製造コストが高騰すると共に重量が増加すると、う課題を有して、た。

(2)また、駆動部の数を少なくするために、単に回動軸の数を少なくしただけでは、足の自由度が減少し、足先を任意の位置に移動させることができなくなるので、安定した歩行制御が行えず、特に、安定した歩行を行うための ZMP制御を行う場合は、接地脚の足先を任意の位置に移動させることができないのでバランスが悪くなつたり歩行中に足先が地面を滑って歩行が安定しなかったりする等の不具合が生じるという課題を有していた。

[0005] 本発明は、上記従来の課題を解決するもので、駆動部の数を少なくして製造コストの低下及び重量の軽減ィヒを実現しつつ、脚部の自由度を減少させても安定した歩行動作を行うことができる 4足歩行ロボットを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] 上記課題を解決するために本発明の 4足歩行ロボットは、以下の構成を有している本発明の請求項 1に記載の 4足歩行ロボットは、胴体部の側部に 4脚部を有する 4 足歩行ロボットであって、前記脚部が、前記胴体部に水平方向に旋回自在に配設された水平旋回部と、前記胴体部に配設され前記水平旋回部を水平方向に回動駆動する水平旋回駆動部と、前記水平旋回部に上下方向に回動自在に軸着された上側上脚部と、前記上側上脚部の下部に略平行に配設され前記水平旋回部に上下方向に回動自在に軸着された下側上脚部と、前記水平旋回部に配設され前記上側上脚部を上下方向に回動駆動する上脚回動駆動部と、前記上側上脚部の先端部と前記下部側上脚部の先端部とが上端部に上下に軸支された下脚部と、前記下脚部の下端部に配設された接地部と、を備え、前記下側上脚部が、その中間部に配設され長手方向に弾性的に伸縮する弾性伸縮部を備えた構成を有している。

[0007] この構成により、以下のような作用を有する。 (1)脚部の上脚回動駆動部を駆動して、上側上脚部を上方向又は下方向に回動させることで、下脚部を上方向へ移動させ遊脚としたり下方向へ移動させ接地させたりすることができる。また、脚部が遊脚のときに、水平旋回駆動部を駆動して水平旋回部を右方向又は左方向へ回動させることで、脚部を前進方向や後退方向へ旋回させることができる。

(2)脚部の下脚部を上方へ移動させ遊脚とし、脚部を前進方向へ旋回させ、接地させる動作を、各々の脚部について順次行うクロール歩行動作を行うことにより、 4足歩行ロボットを前進、後退、転回させることができる。その際に、遊脚とした脚部の他の 3 つの脚部で胴体部を支持しながら、制御装置により 4足歩行ロボットの各部の重力と性力によるモーメントの総和が 0となる地面上の点である ZMP (ゼロモーメントポィント）が接地脚の接地部を頂点とする三角形、いわゆる支持多角形の内部に位置するように胴体部の姿勢を制御することにより、安定した歩行動作を行うことができる。

(3)弾性伸縮部が弾性的に伸縮することにより、下脚部の傾きを上側上脚部に対して可変させることができ、脚部の姿勢を胴体部の移動やその際の姿勢に対応させて可変させることができるので、接地部が地面上を滑ることなぐ 1脚の脚部について 2 の駆動部を有する 2駆動系であっても安定した歩行を行うことができる。

(4) 1の脚部について 2の駆動部を有する 2駆動系であるので、 3駆動系に比べ駆動部の数を減少させることができ、製造コストを低減できると共に重量を軽量ィ匕することができる。

(5)脚部が 2の駆動部を有する 2駆動系であるが、下側上脚部が弾性伸縮部を有することにより、通常の 3駆動系、 3自由度に近い歩行動作を実現することができる。ここで、 4足歩行ロボットは、胴体部の前部及び後部の両側部に 4つの脚部が設けられ、その内の 3の脚部の接地部を接地させて胴体部の重量を支持した状態で、他の 1の脚部を遊脚として他の地点に移動させた後、接地させ、このような接地脚と遊脚を各々の脚部について交互に切り替えることにより歩行を行うクロール歩行動作や、 4つの脚部の内、対角上の一対の脚部、例えば前部の右側部と後部の左側部の脚部を遊脚とし、他の脚部を接地脚として、遊脚の脚部と接地脚の脚部とを交互に切り替えることにより歩行を行うトロット歩行動作等を行うことができる。なお、弾性伸縮部の摺動部を管状部に固定して伸縮しないようにするロック機構部を設け、トロット歩行動作を行う場合は、ロック機構部を作動させて弾性伸縮部を固定することが好ま Uヽ弾性伸縮部としては、下側上脚部の長手方向に沿って配設された管状部と、管状部に摺動自在に挿入された摺動部と、管状部の内部に装入されたパネ部材と、を備えたものが用いられる。

水平旋回駆動部や上脚回動駆動部としては、ギアモータ等のモータが用いられる。また、 1乃至複数のギアを介して水平旋回部や上側上脚部に固定された回動軸を回動させ、水平旋回部や上側上脚部を回動させることもできる。

[0009] 本発明の請求項 2に記載の 4足歩行ロボットは、請求項 1に記載の発明において、前記弾性伸縮部が、前記下側上脚部の長手方向に沿って配設された管状部と、前記管状部に摺動自在に挿入された摺動部と、前記管状部の内部に装入され前記摺動部を伸縮方向に付勢するパネ部材と、を備えた構成を有して、る。

[0010] この構成により、請求項 1の作用に加え、以下のような作用を有する。

(1)管状部に挿入された摺動部が、管状部の内壁に沿って摺動すると共に管状部に装入されたパネ部材により付勢されることで弾性伸縮部が弾性的に伸縮するので、脚部の姿勢を胴体部の移動やその際の姿勢に対応させて可変させることができ、安定した歩行を行うことができる。

[0011] 本発明の請求項 3に記載の 4足歩行ロボットは、請求項 1又は 2に記載の発明において、各々の前記脚部の前記弾性伸縮部に配設され前記弾性伸縮部を固定及び固定解除するロック機構部を備えた構成を有して、る。

[0012] この構成により、請求項 1又は 2の作用にカ卩え、以下のような作用を有する。

(1)ロック機構部により弾性伸縮部を伸縮しないように固定及び固定解除することができるので、 4足歩行ロボットがクロール歩行動作を行う場合は固定解除して弾性伸縮部を弾性的に伸縮させ安定した歩行動作を行うことができ、例えばトロット歩行動作を行う場合は、弾性伸縮部を固定し、胴体部の移動等により下脚部が胴体部に向力つて傾かな、ようにすることで、安定したトロット歩行動作を行うことができる。

[0013] ここで、ロック機構部としては、管状部に穿設されたロック孔と、ロック孔に挿入される挿入ピンとを備え、挿入ピンをロック孔に挿し込むことによりロックできるものや、ソレノイドと、ソレノイドの可動部に固定された挿入ピンと、弾性伸縮部に形成され挿入ピンが挿入されるロック孔ゃロック溝と、を備え、ソレノイドへの通電により挿入ピンがロック孔ゃロック溝に差し込まれロックするもの等が用いられる。

[0014] 本発明の請求項 4に記載の 4足歩行ロボットは、請求項 3に記載の発明において、前記ロック機構部が、前記管状部に穿設されたロック孔と、前記ロック孔に挿入される挿入ピンとを備えた構成を有して!/、る。

[0015] この構成により、請求項 3の作用に加え、以下のような作用を有する。

(1)挿入ピンをロック孔に挿入することにより摺動部が管状部内部へ摺動することを止めることができ、挿入ピンをロック孔カも抜くことにより摺動部の固定を解除することができる。

発明の効果

[0016] 以上説明したように本発明の 4足歩行ロボットによれば、以下のような有利な効果が得られる。

請求項 1に記載の発明によれば、

(1) 1の脚部について 2の駆動部を有する 2駆動系であるので、 3駆動系に比べ駆動部の数を減少させることができ、製造コストを低減できると共に重量を軽量ィ匕することができる足歩行ロボットを提供することができる。

(2)弾性伸縮部が弾性的に伸縮することにより、下脚部の傾きを上側上脚部に対して可変させることができ、脚部の姿勢を胴体部の移動やその際の姿勢に対応させて可変させることができるので、接地部が地面上を滑ることなぐ 1脚の脚部について 2 の駆動部を有する 2駆動系であっても安定した歩行を行うことができる安定性に優れた 4足歩行ロボットを提供することができる。

(3)脚部が 2の駆動部を有する 2駆動系であるが、下側上脚部が弾性伸縮部を有することにより、通常の 3駆動系、 3自由度に近い歩行動作を実現することができ、歩行動作の安定性に優れスムーズな歩行が可能な 4足歩行ロボットを提供することができる。

[0017] 請求項 2に記載の発明によれば、請求項 1の効果に加え、 (1)管状部に挿入された摺動部が管状部の内壁に沿って摺動すると共に管状部に装入されたパネ部材により付勢されることで、弾性伸縮部が弾性的に伸縮するので、脚部の姿勢を胴体部の移動やその際の姿勢に対応させて可変させることができ、安定した歩行を行うことができる安定性に優れた 4足歩行ロボットを提供することができる。

[0018] 請求項 3に記載の発明によれば、請求項 1又は 2の効果に加え、

(1)ロック機構部により弾性伸縮部を伸縮しないように固定及び固定解除することができるので、 4足歩行ロボットがクロール歩行動作を行う場合は固定解除して弾性伸縮部を弾性的に伸縮させ安定した歩行動作を行うことができ、例えばトロット歩行動作を行う場合は、弾性伸縮部を固定し、胴体部の移動等により下脚部が胴体部に向力つて傾かないようにすることで、安定したトロット歩行動作を行うことができ、ロック機構部を作動又は解除するだけで種々の歩行動作が可能で歩行動作の多様性に優れた 4足歩行ロボットを提供することができる。

[0019] 請求項 4に記載の発明によれば、請求項 3の効果に加え、

(1)挿入ピンをロック孔に挿入することにより摺動部が管状部内部へ摺動することを止めることができ、挿入ピンをロック孔カも抜くことにより摺動部の固定を解除することができ、簡単に歩行動作の切り替えが可能な 4足歩行ロボットを提供することができる図面の簡単な説明

[0020] [図 1]実施の形態 1における 4足歩行ロボットの前部の脚部を示す要部斜視図

[図 2]実施の形態 1における 4足歩行ロボットの脚部の背面図

[図 3] (a)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行動作を説明する模式図（b)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行動作を説明する模式図（c)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行動作を説明する模式図（d)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行動作を説明する模式図（e)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行動作を説明する模式図

[図 4] (a)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行時の ZMP制御を説明する模式図（b)実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行時の ZMP 制御を説明する模式図

[図 5] (a)本実施の形態 1における 4足歩行ロボットの弾性伸縮部の動作を説明する模式図 (b)本実施の形態 1における 4足歩行ロボットの弾性伸縮部の動作を説明する模式図

[図 6]ロック機構部の一部断面要部側面図

[図 7]ロック機構部の他の例を示す一部断面要部側面図

符号の説明

1 4足歩行ロボット

2 胴体部

2a 上側胴体板

2b 下側胴体板

2c 固定孔

2d 幅広部

20a, 3b, 3c 脚部

4 水平旋回部

4a 上側旋回板

4b 下側旋回板

4c, 4d 側部旋回板

4e 固定孔

5 水平旋回駆動部

5a 水平駆動軸

6 水平駆動側ギア

7 水平従動側ギア

8 水平旋回軸

9 上側上脚部

9a 上側上脚部回動軸

9b 上脚従動側ギア 10 上脚回動駆動部

10a 上脚駆動軸

10b 上脚駆動側ギア

11 下側上脚部

11a 下側上脚回動軸

l ib 下脚部側部材

11c 水平旋回部側部材

12 弾性伸縮部

12a 管状部

12b 摺動部

12c パネ部材

13 下脚部

13a, 13b 下脚板

14 上側下脚軸

15 下側下脚軸

16 緩衝部

17, 17a, 17b, 17c 接地咅

18a, 18b 支持多角形

19a, 19b ZMP

20a, 20b 設定 ZMP

21 ロック機構部

22 ケーシング部

23 ソレノイド咅

24， 28 揷人ピン

25, 27 ロック孑し

26 ロック溝

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施の形態について、図 1乃至図 7を用いて説明する (実施の形態 1)

図 1は本実施の形態 1における 4足歩行ロボットの前部の脚部を示す要部斜視図であり、図 2は本実施の形態 1における 4足歩行ロボットの脚部の背面図である。なお、本実施の形態 1においては、 4足歩行ロボットの前部の 1の脚部のみについて説明しているが、各脚部は同様の構成であるので、他の脚部については説明を省略する。図中、 1は本実施の形態 1における 4足歩行ロボット、 2は上下に平行に配設された上側胴体板 2a及び下側胴体板 2bからなり前端部及び後端部に幅広部 2dを有する胴体部、 20aは 4足歩行ロボット 1の前部の左右の脚部、 4は胴体部 2の幅広部 2dの側部に水平方向に旋回自在に設けられた水平旋回部、 5は胴体部 2の上側胴体板 2 aに穿設された矩形の固定孔 2cに嵌合固定され、水平旋回部 4を旋回駆動する水平旋回駆動部、 6は水平旋回駆動部 5の水平駆動軸 5a (図 2参照）に固定された水平駆動側ギア、 7は水平駆動側ギア 6に歯合した水平従動側ギア、 8は水平従動側ギア 7に固定された水平旋回軸である。水平旋回部 4は、上面の上側旋回板 4a,下面の下側旋回板 4b,及び両側部の側部旋回板 4c, 4dからなり、水平旋回軸 8は、その上下端部が上側旋回板 4aと下側旋回板 4bに固定されていると共に、胴体部の 2の上側胴体板 2aと下側胴体板 2bに回動自在に軸支されて、る。

9は一端部で水平旋回部 4に上下方向に回動自在に軸支された上側上脚部、 9a は上側上脚部 9の一端部に固定され側部旋回板 4c, 4dに回動自在に軸支された上側上脚部回動軸、 10は側部旋回板 4cに穿設された矩形の固定孔 4eに嵌合固定され、上側上脚部 9を回動駆動する上脚回動駆動部、 11は上側上脚部 9の下部に略平行に配設され一端部で水平旋回部 4に回動自在に軸支された下側上脚部、 11a は下側上脚部 11の一端部に固定され側部旋回板 4c, 4dに回動自在に軸支された下側上脚回動軸、 12は下側上脚部 11の中間部に配設された弾性伸縮部、 12aは下側上脚部 11の長手方向に沿って配設され下脚部側部材 l ibに固定された管状部、 12bは下側上脚部 11の水平旋回部側部材 11cに固定され管状部 12aに摺動自在に挿入された摺動部、 13は上部が上側上脚部 9及び下側上脚部 11の他端部に軸支された下脚部、 13a, 13bは下脚部 13の前面及び後面の下脚板、 14は上側上脚部 9の他端部に固定され下脚部 13の上端部に軸支された上側下脚軸、 15は下側上脚部 11の他端部に固定され下脚部 13の上側下脚軸 14の下部に軸支された下側下脚軸、 16は下脚部 13の下端部に長手方向に沿って複数設けられた支持ピンと各々の支持ピンに環装されたパネ部材カもなる緩衝部、 17は緩衝部 16の下部に配設され下部が湾曲面状に形成された接地部である。

[0024] 図 2において、 5aは水平旋回駆動部 5の駆動軸であり水平駆動ギア 6が固定された水平駆動軸、 9bは上側上脚回動軸 9aに固定された上脚従動側ギア、 10aは上脚回動駆動部 10の駆動軸である上脚駆動軸、 10bは上脚駆動軸 10aに固定され上脚従動側ギア 9bに歯合した上脚駆動側ギア、 12cは管状部 12aの内部に装入され一端部が管状部 12aの底部に固定され他端部が摺動部 12bの先端部に固定されたパネ部材である。

ここで、水平旋回駆動部 5及び上脚回動駆動部 10としてはギアモータが用いられる

[0025] 以上のように構成された本実施の形態 1における 4足歩行ロボット 1について、以下その歩行動作を図 1及び図 2を用いて説明する。

まず、脚部 3を接地した状態から遊脚とし、水平方向に旋回させた後接地させる脚部基本動作について説明する。

図 1及び図 2に示すように、接地部 17が地面に接地した状態から、下脚部 13を上方向へ上げ、脚部 3を遊脚とするには、上脚回動駆動部 10を駆動して上脚駆動側ギァ 10bを図 2において矢印 y方向に回転させ、上脚駆動側ギア 10bに歯合した上脚従動側ギア 9bを矢印右回りに回転させ上側上脚部 9を上方向に回動させる。これに伴って下脚部 13は上方向へ移動する。なお、下側上脚部 11は上側上脚部 9の上方向への回動に伴って上方向へ回動するため下脚部 13は接地部 17が下向きの姿勢を保つことができる。

脚部 3を遊脚とした状態で、脚部 3を水平方向に旋回させるには、水平旋回駆動部 5を駆動して水平駆動側ギア 6を矢印 β方向に回転させ、水平駆動側ギア 6に歯合した水平従動側ギア 7を上方力見て右回りに回転させ水平旋回部 4を右回りへ回動させる。これにより脚部 3は前方へ旋回する。

脚部 3を所定位置まで旋回させると、上脚回動駆動部 10を駆動して上脚駆動側ギァ 10bを図 2において右回り（矢印 X方向）に回転させ、上脚従動側ギア 9bを左回りに回転させ上側上脚部 9を下方向に回動させ、下脚部 13は下方向へ移動させ、接地部 17を接地させる。

なお、円滑な歩行動作を行うために、下脚部 13の上下方向への移動と脚部 3の水平方向の旋回動作は同時に行うこともできる。このとき、接地部 17は略円弧状の軌跡を描く。

[0026] 次に、以上説明した脚部基本動作を各々の脚部について順次繰り返し行うことによるクロール歩行動作をついて図 3を用いて説明する。

図 3 (a)乃至図 3 (e)は本実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行動作を説明する模式図である。

図 3において、 1は 4足歩行ロボット、 2は月同体咅^ 3, 3a, 3b, 3cは脚咅^ 17, 17a , 17b, 17cは各脚咅 3a, 3b, 3cの足先の接地咅である。

図 3 (a)に示すように、 4足歩行ロボット 1が停止している状態では、接地部 17, 17a , 17b, 17cは地面に接地している。

図 3 (b)に示すように、脚部 3の下脚部 13を上方へ移動させると共に、脚部 3を前進方向へ旋回させる。このとき、脚部 3は遊脚であり接地部 17は地面力も離れている。また、脚部 3a, 3b, 3cは接地脚であり接地部 17a, 17b, 17cは接地し胴体部 2を 3 点で支持している。脚部 3を前進方向へ旋回させた後、下脚部 13を下方へ移動させ接地部 17を接地させる。

続いて、図 3 (c)乃至図 3 (e)に示すように、上述した脚部 3と同様にして他の脚部 3 a, 3b, 3cを、脚部 3c (図 3 (c) )→脚部 3a (図 3 (d) )→脚部 3b (図 3 (e) )の順で遊脚とし、その際他の 3つの脚部は接地脚として胴体部 2を支持する。遊脚とした脚部 3a , 3b, 3cを前進方向へ旋回させ、順次前進方向へ送り出して接地させることにより、 4 足歩行ロボット 1は前進方向へクロール歩行を行う。

なお、図 3においては、 4足歩行ロボット 1の前進方向への歩行について説明しているが、脚部 3, 3a, 3b, 3cの水平旋回方向や遊脚とする順序を適宜制御することにより、後退や転回、足踏み等を行うこともできる。

[0027] 次に、クロール歩行時の ZMP制御について図 4を用いて説明する。図 4 (a)及び図 4 (b)は本実施の形態 1における 4足歩行ロボットのクロール歩行時の ZMP制御を説明する模式図である。

図 4において、 18aは地面上の接地部 17a, 17b, 17cを頂点とする三角形である支持多角形、 18bは地面上の接地部 17, 17a, 17bを頂点とする三角形である支持多角形、 19a, 19bは 4足歩行ロボット 1の各部の重力と慣性力によるモーメントの総和が 0となる地面上の点である ZMP (ゼロモーメントポイント）、 20a, 20bは支持多角形 18a, 18bの内部に位置するように予め設定された設定 ZMPである。設定 ZMP2 Oa, 20bは、支持多角形 18a, 18bの内部に設定されると共に、滑らかな歩行を行えるような位置、例えばクロール歩行時に重心が大きく振れないような位置に設定される。

図 4 (a)に示すように、脚部 3は遊脚であり、脚部 3a, 3b, 3cは接地脚である。接地部 17a, 17b, 17cは接地し胴体部 2を 3点で支持している。この 3点支持の状態における ZMP19aは、予め設定された設定 ZMP20aと一致しているため、 4足歩行ロボット 1は倒れることはない。

図 4 (b)に示すように、遊脚としていた脚部 3を接地させ、続いて脚部 3cを遊脚とする際には、制御装置（図示せず）は、まず、脚部 3, 3a, 3bの接地部 17, 17a, 17bで 3点支持した場合の ZMP19bを算出する。ここで、 ZMP19aは胴体部 2の位置や姿勢力 ZMP方程式により算出される。

次に、制御装置は、算出された ZMP19bが予め設定された設定 ZMP20bと一致するように、接地脚である各脚部 3, 3a, 3bの水平旋回駆動部 5及び上脚回動駆動部 10を駆動して胴体部 2の位置と姿勢を制御する。すなわち、各脚部 3, 3a, 3bの水平旋回駆動部 5を駆動し、各脚部 3, 3a, 3bを後方へ向力つて旋回させる。このとき、各脚部 3, 3a, 3bの接地部 17, 17a, 17bは地面に接地しているので、各脚部 3 , 3a, 3bの後方への旋回により胴体部 2は前進方向に向力つて略前方の胴体部 ^ の位置に移動し、脚部 3, 3a, 3bは脚部 , 3a' , 3b' の位置に移動する。また、脚部 3, 3a, 3bの上脚回動駆動部 10を駆動することにより、胴体部 2の姿勢を左右に傾けることちでさる。

以上のようにして、制御装置は、 4足歩行ロボット 1の ZMP19bが支持多角形 18b の内部に設定された設定 ZMP20bと一致するように胴体部 2の姿勢を制御しながら、クロール歩行を行って前進する。

[0028] なお、図 4 (b)に示すように、脚部 3, 3a, 3bの接地部 17, 17a, 17bが接地した状態で胴体部 2が略前方に移動する場合、各脚部 3, 3a, 3bに設けられた弾性伸縮部 12により胴体部 2を円滑に移動させている。以下、弾性伸縮部の動作について説明する。

図 5 (a)及び図 5 (b)は本実施の形態 1における 4足歩行ロボットの弾性伸縮部の動作を説明する模式図である。なお、 A, Bは各々平面図及び側面図を示す。

図 5において、 L1は胴体部 2の側部と接地部 17の間の距離、 L2は脚部 3の水平方向の旋回半径である。

図 5 (a)に示すように、脚部 3の接地部 17は胴体部 2の左斜め前方に接地している。この状態で、図 4 (b)において説明したように胴体部 2が前進方向へ移動すると、図 5 (b)に示すように、脚部 3' が胴体部 2' の側部に対して平面略直角になる。胴体部 ^ の側部と接地部 17の間の距離 L1は、図 5 (a)に示す前進前の状態と略同一であるので、距離 L1は脚部 3の旋回半径 L2より小さい。このため、下側上脚部 11に設けられた弾性伸縮部 12が縮んで下脚部 13の接地部 17側が胴体部 2' の側部に向かって傾いた状態となる。

ここで、本実施の形態 1における 4足歩行ロボット 1は、 1脚の脚部 3に対して 2の駆動部 5, 10を有する 2駆動系であり 2自由度があるので、接地状態にある脚部 3の姿勢を任意姿勢にすることはできないが、上述したように弾性伸縮部 12が伸縮することで脚部の下脚部 13の姿勢を胴体部 ^ の移動に対応させて可変させることができるので、接地部 17が地面上を滑ることなく安定した歩行を行うことができる。

[0029] なお、クロール歩行動作とは異なり、脚部 3, 3a, 3b, 3cの内、対角上の一対の脚部、例えば脚部 3, 3cを一組として、その一組の脚部を遊脚とし、他の組の脚部 3a, 3bを接地脚として、遊脚と接地脚の組を交互に切り替えることによりトロット歩行動作を行うこともできる。トロット歩行を行う場合の ZMP制御は、接地した対角上び一組の脚部、例えば脚部 3, 3cの接地部 17を結ぶ直線帯状の領域を支持多角形として、該支持多角形の内部に設定 ZMPを設定し、その設定 ZMPに ZMPを一致させるように胴体部 2の位置及び姿勢を制御する点以外はクロール歩行と同様である。

なお、トロット歩行動作を行う場合は、安定した歩行動作を行うために、ロック機構部により弾性伸縮部 12が伸縮して下脚部 13の接地部 17側が胴体部 2' の側部に向力つて傾ないように、弾性伸縮部 12の伸縮を固定することもできる。以下、ロック機構部につ、て図 6を用いて説明する。

図 6はロック機構部の一部断面要部側面図である。

図 6において、 11は下側上脚部、 12は弾性伸縮部、 12aは管状部、 12bは摺動部、 12cはパネ部材、 21はロック機構部、 22は管状部 12aの外壁に配設されたケーシング部、 23はケーシング部 22の内部に配設されたソレノイド部、 24はソレノイド部 23 の可動部に固定された挿入ピン、 25は管状部 12aに穿設されたロック孔、 26は摺動部 12bの所定の伸縮長さでロック孔 25に連通する位置に設けられたロック溝である。図 6に示すように、ロック機構部 21にお、てソレノイド部 23は通電により挿入ピン 24 をロック孔 25及びロック溝 26に挿入し、或いは挿入した挿入ピン 24を抜くことができる。挿入ピン 24がロック孔 25及びロック溝 26に連挿されることにより、摺動部 12bを管状部 12aに対して固定し弾性伸縮部 12を伸縮しなヽよう〖こ固定することができる。これにより、下側上脚部 11に設けられた弾性伸縮部 12が伸縮しないので、胴体部 2 の移動等により下脚部 13が胴体部 2に向力つて傾くことはない。トロット歩行動作の Z MP制御においては、対角上の脚部による 2点支持の状態で胴体部 2の位置及び姿勢を制御するため、 1脚の脚部に 2自由度があれば足り、クロール歩行で生じていた接地部 17が滑る等の不具合が生じず、したがって弾性伸縮部 12を伸縮しないように固定することにより、下脚部 13は傾くことなく略垂直の姿勢を保持できるので、胴体部 2がふらついたりせず、安定したトロット歩行を行うことができる。また、挿入ピン 24 をロック孔 25及びロック溝 26から抜くことにより、弾性伸縮部 12をパネ部材 12cにより弾性的に伸縮させることができるので、制御装置（図示せず）はロック機構部 21のソレノイド部 23に流れる電流を制御することにより、弾性伸縮部 12が伸縮しな、ように固定解除することができ、上述したように安定したクロール歩行を行わせることができる。このように、クロール歩行を行うかトロット歩行を行うかを選択する際に、その歩行動作に応じて弾性伸縮部 12を伸縮させるか伸縮させないかを選択できる。 [0031] 次に、ロック機構部の他の例について図 7を用いて説明する。

図 7はロック機構部の他の例を示す一部断面要部側面図である。

図 7において、 21' はロック機構部、 27は管状部 12aの管壁に穿設されたロック孔、 28はロック孔 27に挿入される挿入ピンである。

図 7に示すように、挿入ピン 28をロック孔 27に挿し込む、或いは抜き出すことにより、手動で弾性伸縮部 12を伸縮しないように固定、固定解除することができるので、クロール歩行を行う場合は挿入ピン 28をロック孔 27から抜き出し、トロット歩行を行う場合は挿入ピン 28をロック孔 27に挿し込むことで、 4足歩行ロボット 1に!、ずれの歩行動作の場合であっても安定した歩行を行わせることができる。

[0032] 以上のように本実施の形態 1における 4足歩行ロボット 1は構成されているので、以下のような作用を有する。

(1)脚部 3の上脚回動駆動部 10を駆動して上脚駆動側ギア 10bを回転させ、上脚駆動側ギア 10bに歯合した上脚従動側ギア 9bを回転させ上側上脚部 9を上方向又は下方向に回動させることで、下脚部 13を上方向へ移動させ遊脚としたり下方向へ移動させ接地させたりすることができる。また、脚部 3が遊脚のときに、水平旋回駆動部 5を駆動して水平駆動側ギア 6を回転させ、水平駆動側ギア 6に歯合した水平従動側ギア 7を回転させ水平旋回部 4を右回り又は左回りへ回動させることで、脚部 3を前進方向や後退方向へ旋回させることができる。

(2)脚部 3の下脚部 13を上方へ移動させ遊脚とし、脚部 3を前進方向へ旋回させ、接地させる動作を、脚部 3, 3a, 3b, 3cについて順に行うクロール歩行動作を行うことができ、 4足歩行ロボット 1を前進、後退、転回させることができる。その際に、遊脚とした脚部の他の 3つの脚部で胴体部 2を支持しながら、制御装置により 4足歩行ロボット 1の重心が接地脚の接地部を頂点とする三角形の内部に位置するように胴体部 2 の姿勢を制御することにより、安定した歩行動作を行うことができる。

(3)弾性伸縮部 12は管状部 12aに挿入された摺動部 12bが管状部 12aの内壁に沿つて摺動すると共に、管状部 12aに装入されたパネ部材 12cにより付勢されることで弾性的に伸縮する。クロール歩行を行う場合、弾性伸縮部 12が伸縮することで、下脚部 13の傾きを上側上脚部 9に対して可変させることができ、脚部 3の姿勢を胴体部 2の姿勢に対応させて可変させることができるので、接地部 17が地面上を滑ることなく安定した歩行を行うことができる。

(4)ロック機構部 21は、ソレノイド部 23の通電により挿入ピン 24がロック孔 25及び口ック溝 26に連挿され、摺動部 12bを管状部 12aに対して固定し弾性伸縮部 12を伸縮しないように固定することができ、胴体部 2の移動等により下脚部 13が胴体部 2に向かって傾くことがな、ので、 2点支持の状態でもふらつ、たりせず安定したトロット歩行を行うことができる。また、制御装置はソレノイド部 23に流れる電流を制御することにより、弾性伸縮部 12を伸縮しないように固定及び固定解除することができ、トロット歩行を行う場合は固定し、クローク歩行を行う場合は固定解除し、歩行動作に応じて切り替えることができる。

産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明は、 4つの脚部を有し、各々の脚部を動かして自力で移動する 4足歩行ロボットに関し、特に本発明によれば、駆動部の数を少なくして製造コストの低下及び重量の軽減ィヒを実現しつつ、脚部の自由度を減少させても安定した歩行動作を行うことができる 4足歩行ロボットを提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 胴体部の側部に 4脚部を有する 4足歩行ロボットであって、

各々の前記脚部が、

前記胴体部に水平方向に旋回自在に配設された水平旋回部と、

前記胴体部に配設され前記水平旋回部を水平方向に回動駆動する水平旋回駆動部と、

前記水平旋回部に上下方向に回動自在に軸着された上側上脚部と、前記上側上脚部の下部に略平行に配設され前記水平旋回部に上下方向に回動自在に軸着された下側上脚部と、

前記水平旋回部に配設され前記上側上脚部を上下方向に回動駆動する上脚回動駆動部と、

前記上側上脚部の先端部と前記下部側上脚部の先端部とが上端部に上下に軸支された下脚部と、

前記下脚部の下端部に配設された接地部と、

を備え、

前記下側上脚部が、その中間部に配設され長手方向に弾性的に伸縮する弾性伸縮部を備えて、ることを特徴とする 4足歩行ロボット。

[2] 前記弾性伸縮部が、前記下側上脚部の長手方向に沿って配設された管状部と、前記管状部に摺動自在に挿入された摺動部と、前記管状部の内部に装入され前記摺動部を伸縮方向に付勢するパネ部材と、を備えて、ることを特徴とする請求項 1に記載の 4足歩行ロボット。

[3] 各々の前記脚部の前記弾性伸縮部に配設され前記弾性伸縮部を固定及び固定解除するロック機構部を備えていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の 4足歩行ロボット。

[4] 前記ロック機構部が、前記管状部に穿設されたロック孔と、前記ロック孔に挿入される挿入ピンとを備えていることを特徴とする請求項 3に記載の 4足歩行ロボット。