WO2007080916A1

WO2007080916A1 - 脚式ロボット

Info

Publication number: WO2007080916A1
Application number: PCT/JP2007/050228
Authority: WO
Inventors: Akira Ogawa
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2007-07-19
Also published as: CN101370623B; CN101797938A; EP1980373A4; KR101021998B1; JP4274181B2; DE602007011726D1; US8020649B2; EP2223784B1; CN101370623A; EP1980373B1; EP2223784A1; EP1980373A1; JP2007185734A; KR20080083066A; US20100000365A1

Abstract

　体幹の高さを低くしたまま大きな歩幅を確保する脚式ロボットを実現する。　脚式ロボットは、体幹と一対の脚と一対のスライド関節を備える。夫々スライド関節は、夫々の脚の一端を、体幹に対して前後方向へスライドするように体幹に連結する。歩行の１ステップごとに、一方の脚を前方にスライドさせ、他方の脚を後方にスライドさせる。一方の脚の端部と他方の脚の端部の間に所定の距離を確保できる。脚式ロボットは、脚の長さに係わらずに、その所定の距離だけ歩幅を大きくすることができる。

Description

明細書

脚式ロボット

技術分野

[0001] 本出願は、 2006年 1月 12日に出願された日本国特許出願第 2006— 004900号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用されている。

本発明は、脚式ロボットに関する。特に、体幹の高さを低く保ちながら大きな歩幅を確保できる脚式ロボットに関する。

背景技術

[0002] 脚式ロボットが知られている。脚式ロボットは、体幹と、体幹に連結された脚を備える。脚式ロボットは、典型的には一対の脚を備える。夫々の脚は、複数のリンクを備えており、隣接するリンク同士が関節によって回転可能に連結されている。関節にはァクチユエータが備えられており、脚の各リンクは、ァクチユエータによって隣接するリンクに対して相対的に回転する。脚式ロボットは、夫々の脚のァクチユエータを適切に制御し、脚を構成する各リンクを適切に動作させることによって歩行することができる。そのような脚式ロボットが特許文献 1に開示されて！ヽる。特許文献 1に記載された脚式ロボットは、人が搭乗する体幹と、一対の脚を備える。夫々の脚は、体幹の下部に配置された回転関節によって、体幹に対して回転可能に連結されている。その関節の回転軸は、体幹の体側方向に伸びている。特許文献 1に記載された脚式ロボットは、体幹の下部に配置された回転関節の回転軸を中心に一対の脚を体幹の前後方向に交互に動かしながら歩行する。

特許文献 1 :特開 2005— 186650号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 脚式ロボットでは、早、速度で歩行させるために歩幅を大きくすることが好ま、。

その一方で、より安定して歩行させるために体幹の高さは低、方が好ま、。

特許文献 1の技術は、一対の脚が体幹の下部に設けられた回転関節によって回転可能に連結されている。そのような脚式ロボットは、一対の脚を体幹の下部に位置する回転関節の回転軸を中心にして前後方向に交互に揺動させながら歩行する。従つて、そのような脚式ロボットの歩幅を大きくするには脚の全長を長くしなければならない。脚の全長を長くすると、体幹の高さが高くなつてしまう。逆に体幹の高さを低くするために脚の全長を短くすると、歩幅が小さくなつてしまう。特許文献 1の技術では、一対の脚によって実現される歩幅を大きくすることと、体幹の高さを低くすることを両立することは困難である。

体幹の高さを高くせずに、大きな歩幅を実現する脚式ロボットを実現する技術が望まれている。

課題を解決するための手段

[0004] 本発明の脚式ロボットは、一対の脚が実現する歩幅を大きくするために、スライド関節を用、て脚を体幹の側面ある、は体幹の下面に連結する。具体的には本発明の脚式ロボットは、体幹と、一対の脚と、夫々の脚の一端を体幹の前後方向へスライド可能に連結する一対のスライド関節を備える。夫々のスライド関節は、体幹の両側面にひとつずつ配置されてよいし、体幹の下面に配置されてよい。夫々のスライド関節が体幹の両側面に配置される場合、夫々のスライド関節は、夫々の脚を夫々の体側面で体幹に連結する。一対のスライド関節が体幹の下面に配置される場合、夫々のスライド関節は、夫々の脚を体幹の下面で体幹に連結する。夫々のスライド関節は、体幹の前後方向に伸びている。

なお、脚式ロボットが有する脚の数、及びスライド関節の数は、一対以上であってもよい。

[0005] 夫々のスライド関節は、夫々の脚を体幹の前後方向にスライドさせることができる。

この脚式ロボットは、歩行時に一対の脚を交互に前後方向にスライドさせる。そうすると、スライド関節に連結されている夫々の脚の端部（体幹に連結されている側の端部) 力前後方向に所定の長さだけ交互に移動する。脚と体幹を回転関節で連結する場合と比較して、脚と体幹をスライド関節で連結すると、脚の全長が同一であっても夫々の脚の端部が前後方向に移動する長さだけ歩幅を大きくできる。脚の全長を長くせずに脚式ロボットの歩幅を大きくすることができる。スライド関節の採用によって、体幹の高さを高くせずに、大きな歩幅を確保する脚式ロボットを実現できる。

[0006] なお、体幹全体が卵型のような形状をして、ると、体幹の下面、背面、及び側面は区別し難い。その場合、本明細書にいう「体幹の下面」は、「体幹の外面であって、その外面の表面が少なくとも接地面の方向を向いている面」と表現することができる。スライド関節が体幹の下面に設けられている場合には、その一部が体幹の少なくとも下面において体幹の前後方向に伸びていればよい。この場合、スライド関節は、下面からさらに体幹の前面ある、は背面にまで伸びて、てもよ!/、。

また、「スライド関節が体幹の前後方向に伸びている」とは、スライド関節の接線を水平面に投影したときの線力体幹の前後方向に伸びていることを意味する。スライド関節は、水平方向に対して所定の角度で伸びていてもよい。或いはスライド関節は、湾曲していてもよい。

[0007] 夫々のスライド関節は、体幹の下方 (鉛直下方）に張り出すように湾曲していることが好ましい。「体幹の下方に張り出すように湾曲している」とは、その湾曲を規定する曲率中心がスライド関節よりも上方に位置することを意味する。換言すれば、スライド関節は、湾曲の最下点力 Sスライド関節の両端の間に位置するように湾曲していることが好ましい。

夫々のスライド関節が描く曲線は、異なる曲率半径を有する複数の曲線が連続して繋がっているものであってよい。或いは、異なる曲率中心を有する複数の曲線が連続して繋がって!/、るものであってもよ、。スライド関節が描く曲線が複数の曲線から構成される場合には、夫々の曲線の曲率中心がスライド関節より上方に位置していればよい。

[0008] 夫々のスライド関節が体幹の下方 (鉛直下方）に張り出すように湾曲して、ることにより、スライド関節に連結されている脚の端部は、曲率中心の回りに弧を描きながら移動する。即ち、脚は、スライド関節によって体幹に連結されているにも係わらず、あた力も曲率中心で回転関節によって連結されているかのごとく移動する。これによつて、歩行時の脚の移動を円滑にすることができる。歩行時の脚式ロボットの動作を円滑にすることができる。

[0009] スライド関節の湾曲は、異なる曲率半径を有する曲線が連続して繋がって、るものであってよ!、が、唯一の曲率半径を有する円弧であることが好まし、。

円弧に沿って湾曲しているスライド関節によって、脚の関節のうち、スライド関節に最も近い関節は、円弧の曲率中心の回りを回転する。このときの体幹と脚の幾何学的な関係は、円弧の曲率中心を通る回転軸を有する仮想的な回転関節と、スライド関節に最も近い関節が仮想的なリンクで連結されている構造と等価となる。従って、体幹と脚は実際にはスライド関節により連結されているにも関わらず、順キネマテイクスの演算や逆キネマテイクスの演算を、脚と体幹が仮想的な回転関節と仮想的なリンクにより連結されているものとして行なうことができる。多関節ロボットでは、回転関節のみで構成されているロボットの方力回転関節とスライド関節で構成されているロボットよりも順キネマテイクスや逆キネマテイクスの演算が簡単である。上記の構成によつて、スライド関節を備えているにも関わらずに脚の順キネマテイクスや逆キネマティタスの演算を容易にすることができる。

[0010] 湾曲している夫々のスライド関節の曲率中心は、体幹の重心の上方に位置していることが好ましい。

脚力 Sスライド関節に沿ってスライドする場合、脚と体幹は、幾何学的にはスライド関節の曲率中心の回りに相対的に回転する。体幹の重心に作用する重力によって、曲率中心の回りにモーメントが発生する。このモーメントは、体幹の重心を曲率中心の鉛直下方に位置させるように作用する。脚が湾曲しているスライド関節に沿って自由にスライドする場合、体幹は、その重心が曲率中心 (即ち、体幹の回転中心）の鉛直下方に位置して安定する。曲率中心を体幹の重心よりも上方に位置させることによつて、体幹をひっくり返り難くすることができる。何らかの要因で脚式ロボットが前後方向に大きく傾斜した場合でも、脚を自由にスライドさせれば、体幹がひっくり返ることを防止できる。体幹の安定性を向上させることができる。なお、脚をスライド関節に沿って自由にスライドさせるとは、脚をスライドさせる駆動力をスライド関節のァクチユエータに加えず、かつ、スライド関節上の脚の位置を拘束するブレーキ力も加えない状態をいう。

[0011] 脚式ロボットは、スライド関節の曲率中心が体幹の重心より上方に位置していることに加え、体幹が乗員のための座席を備えていることが好ましい。この場合、座部が曲率中心より下方 (鉛直下方）に位置して、ることが好まし、。

[0012] 一般に人間が座席に座った状態では、人間の重心は腰付近に位置することが知られている。従って、座部をスライド関節の曲率中心より鉛直下方に配置することによつて、着座した乗員の重心位置をスライド関節の曲率中心よりも鉛直下方に位置させることができる。曲率中心が体幹の重心位置より鉛直上方に位置していることと合わせると、乗員を含む体幹の重心を、スライド関節の曲率中心より鉛直下方にすることができる。乗員を乗せた体幹をひっくり返りに《することができる。

発明の効果

[0013] 本発明によれば、体幹の位置を高くすることなぐ大きな歩幅を確保する脚式ロボットを実現することができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]図 1は、第 1実施例の脚式ロボットの 3面図である。図 1 (A)は、脚式ロボットの平面図である。図 1 (B)は、脚式ロボットの側面図である。図 1 (C)は、脚式ロボットの背面図である。

[図 2]図 2は、歩行中における脚式ロボットの側面図である。

[図 3]図 3は、第 2実施例の脚式ロボットの側面図である。

符号の説明

[0015] 10、 10a:脚式ロボット

12、 13 :体幹

14L、 14R:脚

16L、 16R:スライド関節

20Lゝ 20R:第 1リンク

22L、 22R:第 2リンク

24L、 24R:第 3リンク

24La、 24Ra:第 3リンク端部

26L、 26R:第 1複合関節

28L、 28R:第 2複合関節

30Lゝ 30R:第 1ローノレ関節 32L、 32R:第 1ピッチ関節

34L、 34R:第 2ロール関節

36L、 36R:第 2ピッチ関節

40L、 40R:ガイドレーノレ

42L、 42R:ァクチユエータ

60 :座席

60a:座咅

100 :乗員

実施例

[0016] 以下に実施例の脚式ロボットの技術的特徴を列記する。

(第 1形態)スライド関節は体幹の下面に設けられており、脚式ロボットが直立姿勢をとったときに、脚に設けられた各ロール関節が、体幹の体側方向（横方向）の幅内に位置するように配置されて、る。

なお、「直立姿勢」とは、体幹の重心位置と、脚の関節のうち人間の膝関節に相当する関節と、足首関節に相当する関節が体側方向力みて鉛直方向に略一直線上に位置するときの姿勢をいう。ロール関節とは、関節の回転軸が体側方向に伸びている関節をいう。

(第 2形態)夫々のスライド関節の曲率中心の位置力体側方向に伸びるひとつの直線上に配置されている。

[0017] く第 1実施例〉第 1実施例の脚式ロボットについて、図面を参照しつつ説明する。図 1は、脚式ロボット 10の 3面図である。図 1 (A)は、脚式ロボット 10の平面図である。図 1 (B)は、脚式ロボット 10の側面図である。図 1 (C)は、脚式ロボット 10の背面図である。

この脚式ロボット 10は、体幹 12と、一対の脚 14L、 14Rを備える。脚 14Lは、人体に例えると左脚に相当する。脚 14Rは、人体に例えると右脚に相当する。体幹 12の下面 12aには、脚 14Lの一端 24Laを体幹 12にスライド可能に連結するスライド関節 16Lが設けられている。同様に、体幹 12の下面 12aには、 14R—端 24Raを体幹 12 にスライド可能に連結するスライド関節 16Rが設けられている。図 1に示す座標系で X軸の正の方向が脚式ロボット 10 (体幹 12)の前方に相当し、 Y軸と平行な方向が脚式ロボット 10 (体幹 12)の側方 (体側方向ともいう）に相当し、 Z 軸の方向が脚式ロボット 10 (体幹 12)の上方に相当する。なお、 Z軸の方向は鉛直方向にも相当する。

[0018] まず脚 14Lと 14Rについて説明する。

脚 14Lは、複数のリンク 20し、 22し、 24Lと複数の回転関節 30し、 32し、 34し、 36L から構成されている。

脚 14Lの接地面側の端部は左第 1リンク 20Lである。左第 1リンク 20Lは、人体に例えると足平に相当する。左第 1リンク 20Lと左第 2リンク 22Lは、左第 1複合関節 26L で連結されている。左第 2リンク 22Lは人体に例えると下腿に相当する。左第 1複合関節 26Lは人体に例えると足首関節に相当する。

左第 1複合関節 26Lは、左第 1リンク 20Lを左第 2リンク 22Lに対して相対的にロール軸 si回りに回転させる左第 1ロール関節 30Lと、左第 1リンク 20Lを左第 2リンク 22 Lに対して相対的にピッチ軸 s2回りに回転させる左第 1ピッチ関節 32Lから構成されている。従って、左第 1リンク 20Lは、左第 1複合関節 26Lにより、左第 2リンク 22Lに対して相対的にロール軸 si回りとピッチ軸 s2回りの 2方向の回転が可能である。ここでロール軸とは、脚式ロボット 10の概ね前後方向に伸びる軸をいう。また、ピッチ軸とは、脚式ロボット 10の概ね体側方向に伸びる軸をいう。脚 14Lの各リンクが摇動すると、関節の回転軸の方向も変化するので、ここでは「概ね前後方向」や「概ね体側方向」とヽぅ表現を用いた。

[0019] 左第 2リンク 22Lと左第 3リンク 24Lは、左第 2複合関節 28Lで連結されて、る。左第 3リンク 24Lは人体に例えると大腿に相当する。左第 2複合関節 28Lは人体に例えると膝関節に相当する。

左第 2複合関節 28Lは、左第 2リンク 22Lを左第 3リンク 24Lに対して相対的にロール軸 s3回りに回転させる左第 2ロール関節 34Lと、左第 2リンク 22Lを左第 3リンク 24 Lに対して相対的にピッチ軸 s4回りに回転させる左第 2ピッチ関節 36Lから構成されている。従って、左第 2リンク 22Lは、左第 2複合関節 28Lにより、左第 3リンク 24Lに対して相対的にロール軸 s3回りとピッチ軸 s4回りの 2方向の回転が可能である。各関節 30L、 32L、 34L、 36Lには、モータ（不図示）とロータリーロータリーェンコーダ (不図示）が内蔵されている。モータは、その関節に隣接するリンク同士を相対回転させるためのトルクを発生させる。ロータリーエンコーダは、その関節に隣接するリンク同士の相対回転角を検出する。

[0020] 脚 14Rの構造も、脚 14Lの構造と同様である。例えば脚 14Lの左第 1リンク 20Lは、脚 14Rの右第 1リンク 20Rに相当する。同様に、脚 14Lと脚 14Rの各部品に付された符号のうち、数字が同じ部品は対応する部品を表す。脚 14Lと脚 14Rのピッチ軸とロール軸の対応関係は次の通りである。脚 14Lのロール軸 siとロール軸 s3は、夫々脚 14Rのロール軸 s5とロール軸 s7に対応する。脚 14Lのピッチ軸 s2とピッチ軸 s4は、夫々脚 14Rのピッチ軸 s6とピッチ軸 s8に対応する。

脚 14Rの各関節 30R、 32R、 34R、 36Rにも、モータ（不図示）とロータリーェンコーダ (不図示）が内蔵されている。モータは、その関節に隣接するリンク同士を相対回転させるためのトルクを発生させる。ロータリーエンコーダは、その関節に隣接するリンク同士の相対回転角を検出する。

[0021] 次にスライド関節 16Lと 16Rについて説明する。

スライド関節 16Lは、体幹 12に対して脚 14Lをスライド可能に連結する関節であるスライド関節 16Lは、ガイドレール 40Lと、ァクチユエータ 42Lを有している。ガイドレール 40Lは、体幹 12の下面 12aに沿って取り付けられている。図 1に示すように、体幹 12の下面は、体側方向からみて下側に張り出すように湾曲している。従ってガイドレール 40Lも、体幹 12の前後方向に伸びているとともに、体幹 12の下側に張り出すように湾曲している。

湾曲しているガイドレール 40Lの曲率中心の位置を図 1 (B)に符号 Pで示す。即ち、ガイドレール 40Lは、唯一の点 Pを中心に曲率半径 Rの曲線を描く。換言すれば、ガイドレール 40Lは、点 Pを中心にした半径 Rの真円に沿って湾曲している。

また、図 1 (B)に示すように、ガイドレール 40Lは、その曲率中心がスライドレール 4 OLの位置よりも上方に位置するように湾曲して、る。

ガイドレール 40Lには、左第 3リンク 24Lの一方の端部 24Laがガイドレール 40Lに沿ってスライド可能に連結されている。左第 3リンク 24Lの一方の端部 24Laは、脚 14 Lの一方の端部に相当する。左第 3リンク 24Lの端部 24Laがガイドレール 40Lに沿つてスライド可能に連結されているので、脚 14Lの全体力スライド関節 16Lのガイドレール 40Lに沿ってスライド可能となっている。

ァクチユエータ 42Lは、ガイドレール 40Lに沿って脚 14Lをスライドさせる駆動力を出力する。ァクチユエータ 42Lによって、脚 14Lは、ガイドレール 40Lに沿った任意の位置へ位置決めされる。スライド関節 16Lは、位置検出器 (不図示）を備えている。この位置検出器は、脚 14Lの端部 24Laのガイドレール 40L上の位置を検出する。スライド関節 16Lの詳細な機構は説明を省略する力例えば、単軸ステージ用に用いられている直動機構を湾曲させたものを利用して実現することができる。

スライド関節 16Rは、体幹 12に対して脚 14Rをスライド可能に連結する関節である。スライド関節 16Rの構造は、スライド関節 16Lと同一であるので説明を省略する。なお、スライド関節 16Rのガイドレール 40Rも半径尺の円弧を描くように湾曲して！/、る。スライド関節 16Lのガイドレール 40Lが描く円弧の中心位置とスライド関節 16Rのガイドレール 40Rが描く円弧の中心位置は体側方向からみて位置 Pに一致して、る。即ち、スライド関節 16Lの湾曲の曲率中心とスライド関節 16Rの湾曲の曲率中心が、体幹 12の体側方向に伸びる直線上に配置されて、る。

[0022] 体幹 12には、スライド関節 16L、 16Rの他に、脚式ロボット全体を制御する制御するコントローラ (不図示）が搭載されている。

体幹 12には、後述するように人間を搭乗させるための座席が設けられる場合もあれば、荷物を積載するための荷台が設けられる場合もある。また、様々な作業を行わせるためのマニピュレータが搭載される場合もある。

[0023] 図 1に示すその他の記号は、 Gは体幹 12の重心位置を表し、 wlは体幹 12の幅（体幹 12の体側方向の長さ）を表す。 sOは、体幹の重心位置 Gを通り鉛直方向に伸びる鉛直線を表す。 w2は、鉛直線 sOと、各ロール関節 30L、 34L、 30R、 34Rの回転軸 sl、 s3、 s5、 s7との体側方向における距離を表す。これら重心位置 G、体幹 12の幅 wl、鉛直線 sOと各ロール軸との距離 w2の関係については後述する。

[0024] なお、脚式ロボット 10が図 1に示した姿勢を直立姿勢と称する。「直立姿勢」とは、体幹の重心位置 Gと、脚 14L、 14Rの関節のうち人間の膝関節に相当する関節 28L 、 28Rと、足首関節に相当する関節 26L、 26Rが体側方向からみて鉛直方向に略一直線上に位置するときの姿勢をいう。図 1 (B)に示す脚式ロボット 10の姿勢では、脚 14L、 14Rの関節のうち人間の膝関節に相当する関節 28L、 28Rと、足首関節に相当する関節 26L、 26Rが体側方向からみて体幹 12の重心位置 Gを通る鉛直線 sO上に位置している。

[0025] 次に、図 1とともに図 2を参照して本実施例の脚式ロボット 10の歩行時の動作について説明する。図 2は、脚式ロボット 10が、 X軸方向に一方の脚 14Lを前方（図 2の X 軸の正方向）に踏み出したときの側面図である。図 2は、脚式ロボット 10が X軸方向に直進する場合を示している。以下では、直進時の脚 14L、 14Rの XZ平面の動作に注目し、直進時には各脚 14L、 14Rのロール軸関節 30L、 34L、 30R、 34Rは回転しないものとして説明する。そのため、図 2では、脚 14Lの第 1複合関節 26L中の第 1 ロール関節 30Lと、第 2複合関節 28L中の第 2ロール関節 34Lは図示を省略してある。同様に、脚 14Rの第 1複合関節 26R中の第 1ロール関節 30Rと、第 2複合関節 2 8R中の第 2ロール関節 34Rは図示を省略してある。

[0026] 脚 14R、 14Lの各関節 32L、 36L、 32R、 36Rにリンクを回転させるためのァクチュエータ (不図示）が内蔵されている。スライド関節 16Lには、脚 14Lの端部 24Laをガイドレール 40Lの任意の位置にスライドさせるためのァクチユエータ 42Lが備えられて、る。スライド関節 16Rにも同様にァクチユエータ 42Rが備えられて、る。

脚 14Lのガイドレール 40L上の位置はスライド関節 14Lが備える位置検出器 (不図示）によって検出される。脚 14Rのガイドレール 40R上の位置はスライド関節 14Rが備える位置検出器 (不図示）によって検出される。脚 14L、 14Rが備える各関節にもロータリーエンコーダ (不図示）が備えられている。脚式ロボット 10に搭載されたコントローラ (不図示）には、ロータリーエンコーダが検出する関節角および位置検出器が検出する脚 14L、 14Rのガイドレール 40L、 40R上の位置が入力される。コントローラは、入力された値に基づいて、所定の制御ロジックによって各関節を適切に制御するように各ァクチユエータに指令値を出力する。その結果、脚 14L、 14Rの各リンクを協調的に動作させ、脚式ロボット 10を歩行させることができる。脚式ロボット 10は、図 2に示すように、脚 14Lを一歩前へ踏み出す動作を行う際、脚 14Lの端部 24Laをスライド関節 16Lのガイドレール 40Lに沿つて体幹 12の前方ヘスライドさせる。同時に、脚 14Rの端部 24Raをスライド関節 16Rのガイドレール 40 Rに沿って体幹 12の後方へスライドさせる。その結果、脚 14Lの端部 24Laと脚 14R の端部 24Raは、体幹 12の前後方向に距離 Lの差が生じる。

[0027] 人体の股関節のように、脚が体幹に対して回転関節によって連結されている脚式口ボットでは、脚と体幹の連結部を前後方向へずらすことはできない。従ってそのような従来の脚式ロボットの歩幅は、脚と体幹の連結部から足先までの脚の全長によって規定される。但しここでは、脚式ロボットが転倒せずに歩行するという制限は無視している。しかし本実施例の脚式ロボット 10では、脚 14Lの端部 24Laと脚 14Rの端部 24 Raは体幹 12の前後方向に距離 Lの差を有することができる。その結果、脚 14L、 14 Rの全長で規定される歩幅にカ卩えて、体幹に連結している一対の脚 14L、 14Rの端部 24La、 24Raの前後方向の距離 Lの分だけ歩幅を長くすることが可能となる。このことは、脚式ロボットが転倒せずに歩行するという制限をカ卩えてもほぼ同様にいえる。従って、本実施例の脚式ロボット 10は、脚 14L、 14Rの夫々を、体幹 12の前後方向にスライドさせるスライド関節 16L、 16Rによって体幹 12に連結することにより、脚の全長を長くすることなく歩幅を大きくすることができる。換言すれば、体幹 12の高さを低く抑えながら歩幅を大きくする脚式ロボットを実現することができる。

[0028] 以下では脚 14Lについてのみ説明する。脚 14Rについても同様なので説明を省略する。

スライド関節 16Lのガイドレール 40Lは、ガイドレール 40Lより上方に位置する位置 Pを中心とした曲率半径を有する曲線を描くように湾曲している。換言すれば、スライド関節 16Lのガイドレール 40Lは、体幹 12の下方 (鉛直下方）に張り出すように湾曲している。従って、脚 14Lの端部 24Laはガイドレール 40Lの湾曲に沿ってスライドする。脚 14Lの端部 24Laが体幹 12の下方に張り出すように曲線を描、て前後方向にスライドすることによって、歩行時の脚 14Lの運びを円滑なものとすることができる。なお、以下では、「鉛直下方」を単に「下方」と表現する。

[0029] 特に本実施例の脚式ロボット 10では、ガイドレール 40Lは、唯一の位置 Pを中心とする真円に沿って湾曲している。ガイドレール 40Lが描く円弧は、体幹 12の前後方向に伸びている。従って、脚 14Lと体幹 12とのスライド関節 16Lによる連結構造の幾何学的な関係は次の構造と等価となる。即ち、体幹 12に、位置 Pを通りピッチ方向（ Y軸方向）に伸びる回転軸を有する仮想的な回転関節 52Lを想定する。仮想的な回転関節 52Lと左第 2ピッチ関節 36Lは、左第 3リンク 24Lを位置 Pの方向に延長した仮想的なリンク 50Lによって連結されて、る。

即ち、本実施例の脚式ロボット 10は、位置 Pに配置された仮想的な回転関節 52L によって仮想的なリンク 50Lを有する脚 14Lと体幹 12が連結された構造と等価である。従って、この脚式ロボット 10は、脚 14Lが体幹 12の下部ではなぐ体幹 12の体側方向からみて位置 Pにおいて回転関節 52Lによって連結されている脚式ロボットと等価な歩行を実現できる。換言すれば、本実施例の脚式ロボット 10は、仮想的な股関節 52Lと仮想的なリンク 50Lを有する脚が実現する歩幅と同じ長さの歩幅を実現できる。脚式ロボット 10は、左第 1リンク 20Lから仮想的な関節 52Lまでの長さを有する脚が実現する歩幅と同じ長さの歩幅を実現できる。

[0030] 体幹 12の位置 Pに現実の関節を有する脚式ロボットは現実的ではない。図 1 (C)に示すように、脚 14Lは、体幹 12の下面 12aの下側でスライド関節 16Lによって体幹 1 2に連結されて、る。位置 Pに回転軸を有する関節 52Lを実現しょうとすれば体幹 12 の内部に関節を配置することになる。さらにその関節の下側には、リンク 50Lが揺動するための空間を設ける必要がある。そうすると体幹 12の位置 Pより下側は実質的には他の装置を配置する余裕がなくなってしまう。そのような脚式ロボットは、実際には体幹の下部が位置 Pにあることと同じになってしまう。即ち、従来の脚式ロボットでは、股関節の位置を位置 Pにしようとすれば、体幹の高さを高くせざるを得なくなってしまこれに対して本実施例の脚式ロボット 10では、現実の脚 14Lは体幹 12の下面 12a でスライド関節 16Lによって体幹 12に連結されている。体幹 12の内部にまで脚 14L を入り込ませる必要がない。即ち、体幹 12の高さを高くすることなぐ大きな歩幅を確保できる。

[0031] さらに脚式ロボット 10の脚 14Lは、図 1 (C)に示すように、体幹 12の下面 12aでスライド関節 16Lによって連結されている。これにより、体幹 12の重心位置 Gを通る鉛直線 sOと、脚 14Lが有するロール関節 30L、 34Lのロール軸 sl、 s3との体側方向の距離 w2を短くすることができる。距離 w2を短くすることによって次の効果を得る。

脚式ロボット、特に一対の脚によって歩行する脚式ロボットでは、片脚のみで接地している片足立脚状態となると、その接地している方の脚 1本で体幹を支えなければならない。片脚のみで接地している場合、脚のロール関節には体幹の自重によりモーメントが作用する。モーメントの大きさは、体幹の重心位置を通る鉛直線とロール軸関節の回転軸との距離に比例する。その点、本実施例の脚式ロボット 10の脚 14Lは、体幹 12の下面 12aで体幹 12に連結されている。従って、図 1 (C)に示すように、脚式ロボット 10に直立姿勢をとらせたときに、脚 14Lに設けられた各ロール関節 30L、 34 Lを、体幹 12の体側方向の幅 wl内に配置することができる。これにより、体幹 12の重心位置 Gを通る鉛直線 sOと、ロール関節 30L、 34Lの回転軸 sl、 s3との体側方向の距離 w2を短くすることができる。その結果、脚式ロボット 10は、片足立脚状態のときに接地している脚のロール関節 30L、 34Lに作用するモーメントを小さく抑えることができる。スライド関節 16L、 16Rを体幹 12の下面 12aに設けることによって、片足立脚状態のときに接地している脚のロール関節に加わるモーメントを小さくすることができる。ロール関節に出力の小さいモータを使用することができる。

さらに本実施例の脚式ロボット 10では、前述したように、脚 14Lと体幹 12がスライド関節 16Lによって連結されている構造であるにも関わらずに、幾何学的には位置 P に配置された仮想的な回転関節 52Lによって、仮想的なリンク 50Lを有する脚 14Lと体幹 12が連結された構造と等価である。一般に、多関節ロボットの各関節の角度からその多関節ロボットの先端位置の座標を求める変換 (正キネマテイクスあるいは順キネマテイクスといわれる）、及び、多関節ロボットの先端位置の座標から多関節ロボットの各関節の角度を求める変換 (逆キネマテイクスといわれる）は、関節が全て回転関節の多関節ロボットの方が、スライド関節と回転関節の両方を有する多関節ロボットよりも計算が単純化される。特に脚式ロボット 10のスライド関節のように、曲線的にスライドする関節を有する場合は正キネマテイクスや逆キネマテイクスの演算が複雑になる。本実施例の脚式ロボット 10では、足先の位置と脚 14Lの端部 24Laの位置および、各回転関節の回転角の間で正キネマテイクスあるいは逆キネマテイクスの演算を行う必要がある。このとき、脚式ロボット 10の場合は、スライド関節 16Lを、位置 Pに配置された仮想的な回転関節 52Lと、仮想的なリンク 50Lで置き換えることによって、体幹 12と脚 14Lとが回転関節により連結されているものとして正キネマテイクスあるいは逆キネマテイクスの演算を行うことができる。その正キネマテイクスあるいは逆キネマテイクスの演算結果から、脚 14Lの端部 24Laの位置に対する相対的な足先の位置を求めることができる。スライド関節 16Lを用いているにも関わらずに、正キネマテイクスあるいは逆キネマテイクスの演算を簡単に行うことができる。

[0033] 次に体幹 12の重心位置 Gと、スライド関節 16Lのガイドレール 40Lが描く曲線の曲率中心 Pとの関係について説明する。

図 1 (B)に示すように、ガイドレール 40Lの曲率中心 Pは、体幹 12の重心位置 Gよりも上方に位置している。前述したように、脚式ロボット 10の体幹 12と脚 14Lとの幾何学的な位置関係は、位置 Pに配置された仮想的な回転関節 52Lによって、仮想的なリンク 50Lを有する脚 14Lと体幹 12が連結された構造と等価である。従って、スライド関節 16Lおよび 16Rをフリーの状態、即ち、脚 14L、 14Rの端部 24La、 24Raが、夫々ガイドレール 40L、 40R上を任意に移動可能な状態、にすると、体幹 12は、重力の作用によってその重心位置 Gが位置 Pの直下に位置する姿勢となる。逆に、ガイドレール 40L、 40Rの曲率中心 Pを、体幹 12の重心位置 Gよりも下方に位置するようにした場合には、スライド関節 16Lおよび 16Rをフリーの状態とすると、体幹 12の重心位置 Gを位置 Pよりも鉛直下方となるように重力が作用する。その結果、体幹 12がひつくり返ってしまう。湾曲しているガイドレール 40L、 40Rの曲率中心 Pを、体幹 12の重心位置 Gよりも上方に位置させることによって、次の効果が得られる。何からの理由により脚式ロボット 10の前後方向の傾斜角が増大した場合に、スライド関節 16Lおよび 16Rをフリーの状態にすることによって、体幹 12がひつくり返ることを防止できる。この効果は、ガイドレール 40L、 40Rが、複数の異なる湾曲が連続する形状を有している場合でも同様である。その場合には、各湾曲の曲率中心を体幹 12の重心位置 Gよりも上方に位置させればよい。

[0034] く第 2実施例〉次に第 2実施例の脚式ロボット 10aを説明する。図 3に示す脚式口ボット 10aは、体幹 13の内部に乗員 100が着座する座席 60を備える。即ちこの脚式ロボット 10aは、乗員を乗せて歩行する搭乗型の脚式ロボットである。脚 14L、 14Rおよびスライド関節 16L、 16Rは図 1の脚式ロボット 10と同様であるので説明を省略する。体幹 13も座席 60を備える以外は図 1に示す体幹 12と同様であるので説明を省略する。

座席 60は、その座部 60a力湾曲したガイドレール 40L、 40Rの曲率中心 Pよりも下方に位置するように配置されている。一般的に人間が着座したときの重心位置は腰付近にあることが知られている。図 3に、座席 60に着座した乗員 100の重心位置 G Hを示す。座席 60を、その座部 60a力ガイドレール 40L、 40Rの曲率中心 Pよりも下方に位置するように配置することによって、乗員 100の重心位置 GHを曲率中心 P よりも下方にすることができる。体幹 13自体の重心位置 Gも、ガイドレール 40L、 40R の曲率中心 Pよりも鉛直下方に位置している。従って、乗員 100を含む体幹 13の重心位置も曲率中心 Pよりも下方に位置させることができる。従って、前の説明と同様に、何力もの理由により脚式ロボット 10の前後方向の傾斜角が増大した場合に、スライド関節 16Lおよび 16Rをフリーの状態にすることによって、乗員 100が搭乗している体幹 13がひつくり返ることを防止できる。

[0035] 以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

[0036] 実施例では図 1に示すように脚 14L (14R)はロール関節 30L (30R)とピッチ関節 3 2L (32R)を複合した複合関節 26L (26R)を用いたが、ロール関節 30L (30R)とピッチ関節 32L (32R)を別のリンクにより直列に連結してもよい。他方の複合関節 28L ( 28R)についても同様である。

[0037] また、実施例では一対の脚 14L、 14Rを有する脚式ロボットを例とした。脚の数は一対に限られない。本発明は、 3本以上の脚を有する脚式ロボットに対しても適用可能である。

本発明は、 3本以上の脚を有する脚式ロボットに対しても適用可能であるが、特に一対の脚を有する脚式ロボットに適用することが特に有効である。なぜならば、前述したように、脚が有するロール関節の位置を、体側方向からみて体幹の幅内に配置することができる力らである。一対の脚を有する脚式ロボットでは、歩行時に片足のみで立脚する状態が生じる。そうすると立脚のロール関節には体幹の自重によってモーメントが生じる。立脚のロール関節はそのモーメントに対向するだけのトルクを出力することが要求される。脚が有するロール関節の位置を、体側方向からみて体幹の側面より内側に配置することによって、ロール関節に作用する体幹の自重によるモーメントを小さくすることができる。本発明によると、体幹の高さを低くしながら大きな歩幅を確保するとともに、脚関節が有するロール関節に作用する体幹の自重により生じるモーメントを小さくすることができる。

[0038] また、実施例の脚式ロボットでは、スライド関節は前後方向に湾曲した体幹の下面に沿って配置した。体幹の下側に張り出すように湾曲したガイドレールを体幹の下面に取り付けるには、必ずしも体幹の下面が前後方向に湾曲している必要はない。ガイドレールを数点で体幹の下面に固定すればよいからである。

また、本発明の脚式ロボットは、体幹と一対の脚をスライド可能に連結するスライド関節は、脚を体幹の前後方向にスライドさせるものであれば直線状のスライド関節であってもよい。

[0039] また、実施例では、スライド関節 16L、 16Rを体幹 12の下面に設けた力一対のスライド関節 16L、 16Rの夫々を、一対の脚の夫々に対応して体幹 12の体側両側に一方ずつ設けてもよい。そのような構造によっても体幹の高さを低くしたまま大きな歩幅を確保する脚式ロボットを実現できる。

[0040] また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims

請求の範囲

[1] 体幹と、

一対の脚と、

夫々の脚の一端を体幹に対して前後方向へスライド可能に体幹に連結する一対のスライド関節と、

を備えることを特徴とする脚式ロボット。

[2] 夫々のスライド関節が、体幹の両側面に一つずつ配置されていることを特徴とする請求項 1に記載の脚式ロボット。

[3] 一対のスライド関節が、体幹の下面に配置されていることを特徴とする請求項 1に記載の脚式ロボット。

[4] 夫々のスライド関節は、曲率中心がスライド関節よりも上方に位置するように湾曲していることを特徴とする請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の脚式ロボット。

[5] 夫々のスライド関節は、円弧であることを特徴とする請求項 4に記載の脚式ロボット。

[6] 前記曲率中心が、体幹の重心位置より上方に位置していることを特徴とする請求項 4又は 5に記載の脚式ロボット。

[7] 体幹は座席を備えており、座席の座部が夫々のスライド関節の曲率中心の下方に位置していることを特徴とする請求項 6に記載の脚式ロボット。