WO2013084789A1

WO2013084789A1 - 脚式ロボット

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Publication number: WO2013084789A1
Application number: PCT/JP2012/080928
Authority: WO
Inventors: 正樹永塚
Original assignee: Thk株式会社
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-06-13
Also published as: JP5373880B2; JP2013119136A; TW201345677A; TWI549795B

Abstract

　直立したときにモータ等の駆動源の駆動力を低減可能な脚式ロボットを提供する。　脚式ロボット（１０）は、胴部（１１）と、胴部（１１）に揺動可能に連結される脚部（１２）と、を有し、脚部（１２）は、大腿部（１２ａ）、大腿部（１２ａ）に膝関節（１９）を介して連結される下腿部（１２ｂ）を有し、モータ（２６ａ）～（２６ｄ），（３１ａ）～（３１ｄ）によって脚部（１２）を揺動させて歩行する。脚部（１２）に、屈曲した脚部（１２）が伸長するように弾性力を発生させて、モータ（２６ａ）～（２６ｄ），（３１ａ）～（３１ｄ）の、脚部（１２）を伸長させるときの駆動力を補助する弾性部材（３４），（３６）を設ける。脚式ロボット（１０）が直立するとき、大腿部（１２ａ）及び下腿部（１２ｂ）が、大腿部（１２ａ）及び下腿部（１２ｂ）に回転可能に連結される膝関節（１９）の皿部材（２２）に当接する。弾性部材（３４），（３６）は、大腿部（１２ａ）及び下腿部（１２ｂ）が膝関節（１９）の皿部材（２２）に当接した状態を保つように弾性力を発生させる。

Description

脚式ロボット

　本発明は、胴部と、胴部に揺動可能に連結される脚部と、を有し、モータ等によって脚部を揺動させて歩行する脚式ロボットに関する。

　複数の脚部を有する脚式ロボットは、各々の脚部を揺動させながら歩行する。人間のように二本足でバランスをとりながら歩く脚式ロボットは二足歩行ロボットと呼ばれる。動物のように四本足で歩行する脚式ロボットは四足歩行ロボットと呼ばれる。脚部の数は典型的には二本あるいは四本であるが、複数本であれば何本でもよい。

　各脚部は、複数のリンクを胴部（体幹リンクとも呼ばれる）から複数の関節を介して順次連設して構成される。具体的には、各脚部は、大腿部、下腿部、足平部に相当するリンクをロボットの胴部から股関節、膝関節、足首関節を介して順次連設して構成される。リンクは関節に脚式ロボットの側方に伸びるピッチ軸の回りを回転可能に連結される。関節には、リンクを回転させる駆動源たるモータが備えられる。モータが適切な駆動力を出力し、リンクの回転角度を制御することによって、脚式ロボットが脚部を胴部に対して前後に揺動させる。ここで、股関節は胴部と脚部を連結する関節を意味するものであり、四足歩行ロボットの胴部と前脚とを連結する関節も股関節に含まれる。また、モータは電気、ガソリン等のエネルギを機械的な動きに変換する装置であり、典型的には電動モータあるいはエンジンである。

　脚式ロボットには、消費エネルギを低減するために、小型で低出力のモータを使用するのが望まれる。そこで、ばね等の弾性体の弾性力を利用してモータの駆動力を補助する脚式ロボットが提案されている。

　例えば、特許文献１には、股関節を介して連結される胴部と大腿部との間にばねを介在させ、ばねの伸縮による弾性力を、歩行時の脚部の前方への振り出しに利用し、歩行時の股関節のモータの駆動力を補助するように作用させた脚式ロボットが提案されている。

　特許文献２には、膝関節を介して連結される大腿部と下腿部との間に空気ばねを介在させ、空気ばねの弾性力を、歩行時の脚部の屈伸に利用し、歩行時の膝関節のモータの駆動力を補助するように作用させた脚式ロボットが提案されている。

特開２００８－４４０６６号公報特開２００３－１０３４８０号公報

　しかし、上記文献はいずれも歩行時のモータの駆動力を低減することに着目したものである。脚式ロボットは歩行するだけでなく、屈曲した脚部を伸長させて（言い換えれば、膝を伸ばして）直立していることもある。直立している時間も長いので、ロボットが直立した状態でいかにモータの駆動力を低減できるかも重要な課題である。ブレーキ機能又はセルフロック機能を持つ減速機を関節に組み込めば、モータに電力を供給しなくてもロボットが直立した状態を保つことができる。しかし、関節が大型化したり、制御が複雑になったりするので、運用上の新たな問題が生ずる。

　そこで、本発明は、直立したときにモータ等の駆動源の駆動力を低減可能な脚式ロボットを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の一態様は、胴部と、前記胴部に揺動可能に連結される脚部と、を有し、前記脚部は、大腿部、前記大腿部に膝関節を介して連結される下腿部を有し、駆動源によって前記脚部を揺動させて歩行する脚式ロボットであって、屈曲した前記脚部が伸長するように弾性力を発生させて、前記駆動源の、前記脚部を伸長させるときの駆動力を補助する弾性部材を備え、前記脚式ロボットが直立するとき、前記大腿部及び前記下腿部が、前記大腿部及び前記下腿部が回転可能に連結される前記膝関節の皿部材に当接し、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接すると共に、前記弾性部材が、前記大腿部及び前記下腿部が前記膝関節の皿部材に当接した状態、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接した状態を保つように弾性力を発生させる脚式ロボットである。

　また、本発明の他の態様は、胴部と、前記胴部に揺動可能に連結される脚部と、を有し、前記脚部は、前記胴部に股関節を介して連結される大腿部、前記大腿部に膝関節を介して連結される下腿部を有し、駆動源によって脚部を揺動させて歩行する脚式ロボットであって、前記脚式ロボットが直立するとき、前記大腿部及び前記下腿部が、前記大腿部及び前記下腿部が回転可能に連結される前記膝関節の皿部材に当接し、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接すると共に、前記駆動源が、前記膝関節の皿部材に前記大腿部及び前記下腿部が当接する状態、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接する状態を保つようにトルクを発生させる脚式ロボットである。

　本発明の一態様によれば、脚式ロボットが直立するとき、大腿部及び下腿部が膝関節の皿部材に当接し、又は、大腿部及び下腿部が互いに当接するので、大腿部及び下腿部が伸長した状態になるようにストッパ機能が働く。そして、弾性部材が、ストッパ機能が働いた状態を保つように弾性力を発生させるので、脚式ロボットの直立状態を安定させることができる。したがって、直立した状態を保つための駆動源の駆動力を低減することができ、場合によっては、駆動源が駆動力を発生させなくても（例えば、電動モータに電力を供給しなくても）、直立した状態を保つことができる。また、弾性部材が、歩行時に駆動源の駆動力を補助する弾性部材を兼用するので、膝関節が大型化するのを防止できる。

　本発明の他の態様によれば、機能が働いた状態を保つようにトルクを発生させればよいので、駆動源の駆動力を低減させることができる。

本発明の一実施形態の脚式ロボットの全体構成を示す正面図上記脚式ロボットの左側面図カバーを取り外した上記脚式ロボットの左脚部の側面図上記脚式ロボットが屈伸運動を行うときの様子を脚部の内側から見た示す図（（ａ）は膝関節を伸ばした状態を示し、（ｂ）は膝関節を浅く曲げた状態を示し、（ｃ）は膝関節を深く曲げた状態を示す）上記脚式ロボットが屈伸運動を行うときの様子を脚部の外側から見た図（（ａ）は膝関節を伸ばした状態を示し、（ｂ）は膝関節を浅く曲げた状態を示し、（ｃ）は膝関節を深く曲げた状態を示す）上記脚式ロボットの膝関節の斜視図（（ａ）は、大腿部及び下腿部を伸長させた状態を示し、（ｂ）は、大腿部を屈曲させた状態を示す）上記脚式ロボットの歩行時の動作を説明する図（（ａ）から（ｄ）は、歩行時の所定のタイミングにおける脚式ロボットの脚部の姿勢を時系列的に示す）

　以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態における脚式ロボットを説明する。図１は本実施形態の脚式ロボットの全体構成を示す正面図であり、図２は側面図である。図２において、脚式ロボットの胴部、左脚、及び左腕からカバーを取り外した状態が示される。本実施形態において、左右は図に示す脚式ロボット側から見た左右である。また、脚式ロボットの進行方向をｘ軸正方向、脚式ロボットからみて左手方向をｙ軸正方向、脚式ロボットの上方をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸をロール軸、ｙ軸をピッチ軸、ｚ軸をヨー軸とする。

　脚式ロボット１０は、胴部１１の下方に設置された二本の脚部１２と、胴部１１の上方左右両側面に設置された二本の腕部１３と、胴部１１の上方に設置された一個の頭部１４とから構成されており、人間に近い動作を可能としている。

　二本の腕部１３は、胴部１１に肩関節１６を介して連結され、胴部１１の周囲で自在に回転できるようになっている。各腕部１３は肘関節１７を境に、肩に近い方の上腕部１３ｂと、手部１３ａに近い方の下腕部１３ｃと、を備える。下腕部１３ｃの先端には手首関節を介して手部１３ａが設置されている。手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。

　各脚部１２は股関節１８を介して胴部１１の骨盤に少なくともピッチ軸の回りに揺動可能に連結される。この実施形態では、各脚部１２は胴部１１の骨盤にピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の回りに揺動可能に連結される。脚式ロボット１０は、二本の脚部１２を少なくともピッチ軸の回りに交互に揺動させ、人間のように二本足でバランスをとりながら歩く。

　各脚部１２は、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂを備える。大腿部１２ａの下には膝関節１９が設けられる。膝関節１９の下には下腿部１２ｂがピッチ軸の回りを回転可能に連結される。下腿部１２ｂの下には足首関節２９がピッチ軸の回りを回転可能に設けられる。足首関節２９の下には歩行路面に着床する足平部２１がロール軸の回りを回転可能に設けられる。

　頭部１４および胴部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置される。このＣＣＤカメラ１５によって、脚式ロボット１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。

　この脚式ロボット１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を脚式ロボット１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や脚式ロボット１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにして脚式ロボット１０の周囲の状況を把握でき、脚式ロボット１０の操作ができるようになっている。なお、脚式ロボット１０は、離れた位置にある操作マニュピュレータだけでなく、有線接続された操作桿によって操作されてもよい。

　以上、本実施形態の脚式ロボット１０の全体構成の概要を説明した。次に、図３ないし図５を用いて、本実施形態の脚式ロボット１０の脚部１２の詳細を説明する。図３はカバーを取り外した左脚部１２の側面図を示す。図４及び図５は脚式ロボット１０が屈伸運動を行うときの様子を示す。図４には二本の脚部１２の内側から見た図が示され、図５には二本の脚部１２の外側からみた図が示される。図４及び図５において、（ａ）は膝関節１９を伸ばして脚部１２を伸長させた状態を示し、（ｂ）は膝関節１９を曲げて脚部１２を浅く屈曲させた状態を示し、（ｃ）は脚部１２を深く屈曲させた状態を示す。

　図３に示すように、左脚部１２は、大腿部１２ａ、下腿部１２ｂ、及び足平部２１を有する。また、左脚部１２は、股関節１８、膝関節１９、及び足首関節２９を有する。股関節１８は胴部１１にヨー軸及びロール軸の回りを回転可能に連結される関節本体１８ａを備える。股関節１８の関節本体１８ａには、大腿部１２ａがピッチ軸１８ｂの回りを回転可能に連結される。大腿部１２ａの下端には、膝関節１９の皿部材２２がピッチ軸２２ａの回りを回転転可能に連結される。皿部材２２には、下腿部１２ｂがピッチ軸２２ｂの回りを回転可能に連結される。下腿部１２ｂの下端には、足首関節２９の関節本体２９ａがピッチ軸２９ｂの回りを回転可能に連結される。足首関節２９の関節本体２９ａには、足平部２１がロール軸２３の回りを回転可能に連結される。なお、右脚部１２も左脚部１２と同一の構成なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

　図４（ａ）に示すように、大腿部１２ａは、上端が股関節１８の関節本体１８ａにピッチ軸１８ｂの回りを回転可能に連結され、下端が膝関節１９の皿部材２２にピッチ軸２２ａの回りを回転可能に連結される一対の平行なリンク（すなわち、本体フレーム２４ａ及び補助リンク２４ｂ）を備える。本体フレーム２４ａ及び補助リンク２４ｂの長さは等しく、股関節１８の関節本体１８ａ、本体フレーム２４ａ、補助リンク２４ｂ、及び膝関節１９の皿部材２２によって平行四辺形の平行クランク機構が構成される。図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、股関節１８の関節本体１８ａに対して大腿部１２ａの本体フレーム２４ａ及び補助リンク２４ｂを揺動させれば、膝関節１９の皿部材２２は股関節１８の関節本体１８ａに対して平行に移動する。

　本体フレーム２４ａの上下端には、大腿部１２ａを揺動させる駆動源としての二つのサーボモータ２６ａ，２６ｂが配置される。上側のサーボモータ２６ａは股関節１８の関節本体１８ａに対して本体フレーム２４ａを回転させ、下側のサーボモータ２６ｂは膝関節１９の皿部材２２に対して本体フレーム２４ａを回転させる。さらに、本体フレーム２４ａの長さ方向の途中には、駆動源としての上下二つのサーボモータ２６ｃ，２６ｄが配置される。サーボモータ２６ｃ，２６ｄの出力軸には、連結片としてサーボホーン２７ｃ，２７ｄが結合される。サーボホーン２７ｃ，２７ｄの先端は、補助リンク２４ｂに回転可能に連結される。サーボホーン２７ｃ，２７ｄの長さは、股関節１８の関節本体１８ａのリンク長さ及び膝関節１９の皿部材２２のリンク長さに等しく設定される。これらのサーボホーン２７ｃ，２７ｄによって、平行クランク機構の平行四辺形がさらに小さい三つの平行四辺形に区画される。股関節１８に対して大腿部１２ａをピッチ軸１８ｂの回りに揺動させる場合には、四つのサーボモータ２６ａ～２６ｄを同期して駆動させる。すなわち、四つのサーボモータ２６ａ～２６ｄを制御する四つのドライバのうちの一つがマスタードライバとして機能し、残りの三つがマスタードライバから信号を受信するスレーブドライバとして機能する。このように、大腿部１２ａを四個のサーボモータ２６ａ～２６ｄを使用して駆動することで、各サーボモータ２６ａ～２６ｄを小型で低出力のものとすることができる。

　図４（ａ）に示すように、下腿部１２ｂは、上端が膝関節１９の皿部材２２にピッチ軸２２ｂの回りを回転可能に連結され、下端が足首関節２９の関節本体２９ａにピッチ軸２９ｂの回りを回転可能に連結される一対の平行なリンク（すなわち、本体フレーム２８ａ及び補助リンク２８ｂ）を備える。本体フレーム２８ａ及び補助リンク２８ｂの長さは等しく、膝関節１９の皿部材２２、本体フレーム２８ａ、補助リンク２８ｂ、及び足首関節２９の関節本体２９ａによって平行四辺形の平行クランク機構が構成される。図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、膝関節１９の皿部材２２に対して下腿部１２ｂの本体フレーム２８ａ及び補助リンク２８ｂを揺動させれば、足首関節２９の関節本体２９ａは膝関節１９の皿部材２２に対して平行に移動する。

　下腿部１２ｂは、平行クランク機構から構成されるという点で大腿部１２ａと同一の構成である。上述のように、股関節１８の関節本体１８ａに対して膝関節１９の皿部材２２は平行に移動する。そして、膝関節１９の皿部材２２に対して足首関節２９の関節本体２９ａは平行に移動する。このため、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂをどのように揺動させても、股関節１８の関節本体１８ａに対して足首関節２９の関節本体２９ａが平行に移動し、股関節１８の関節本体１８ａに対して足首関節２９の関節本体２９ａの姿勢が変化することはない。

　下腿部１２ｂの本体フレーム２８ａの上下端には、下腿部１２ｂを揺動させる駆動源としての二つのサーボモータ３１ａ，３１ｂが配置される。上側のサーボモータ３１ａは膝関節１９の皿部材２２に対して本体フレーム２８ａを回転させ、下側のサーボモータ３１ｂは足首関節２９の関節本体２９ａに対して本体フレーム２８ａを回転させる。さらに、本体フレーム２８ａの長さ方向の途中には、駆動源としての上下二つのサーボモータ３１ｃ，３１ｄが配置される。サーボモータ３１ｃ，３１ｄの出力軸には連結片としてサーボホーン３２ｃ，３２ｄが結合され、サーボホーン３２ｃ，３２ｄの先端は補助リンク２８ｂに回転可能に連結される。サーボホーン３２ｃ，３２ｄの長さは股関節１８の関節本体１８ａのリンク長さ及び膝関節１９の皿部材２２のリンク長さに等しく設定される。これらのサーボホーン３２ｃ，３２ｄによって、平行クランク機構の平行四辺形の内部がさらに小さい三つの平行四辺形に区画される。膝関節１９の皿部材２２に対して下腿部１２ｂをピッチ軸２２ｂの回りに揺動させる場合には、四つのサーボモータ３１ａ～３１ｄを同期して駆動させる。すなわち、四つのサーボモータ３１ａ～３１ｄを制御する四つのドライバのうちの一つがマスタードライバとして機能し、残りの三つがマスタードライバから信号を受信するスレーブドライバとして機能する。このように、下腿部１２ｂを四個のサーボモータ３１ａ～３１ｄを使用して駆動することで、各サーボモータ３１ａ～３１ｄを小型で低出力のものとすることができる。

　図５（ａ）に示すように、膝関節１９の皿部材２２と大腿部１２ａとの間には、大腿部側弾性部材としての大腿部側コイルばね３４が配置される。大腿部側コイルばね３４の上端は大腿部１２ａの本体フレーム２４ａにピンを介して回転可能に連結され、大腿部側コイルばね３４の下端は皿部材２２にピンを介して回転可能に連結される（図６参照）。図５（ａ）に示すように脚部１２を伸長させた状態にあっても、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように脚部１２を屈曲させた状態にあっても、大腿部側コイルばね３４は、自然長よりも伸びた状態にあり、引張りの弾性力を発生させる。膝関節１９の皿部材２２と大腿部１２ａは、ピッチ軸２２ａの回りに回転可能に連結されている。したがって、大腿部側コイルばね３４が発生させる弾性力は、ピッチ軸回りのトルクを大腿部１２ａに加える。すなわち、大腿部側コイルばね３４は、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す屈曲した脚部１２が図（ａ）に示す伸長した状態になるように弾性力を発生させる。図５（ａ）→（ｂ）→（ｃ）に示すように、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂの屈曲が深くなると、大腿部側コイルばね３４の長さも長くなるので、長さに比例して大きな弾性力が発生するようになる。大腿部側コイルばね３４は脚部１２を伸長させるように弾性力を発生させるので、胴部１１に作用する重力をキャンセルする効果を持つ。大腿部側コイルばね３４は、サーボモータ２６ａ～２６ｄが屈曲した脚部１２を伸長させるときの駆動力を補助する。

　膝関節１９の皿部材２２と下腿部１２ｂとの間には、下腿部側弾性部材としての下腿部側コイルばね３６が配置される。下腿部側コイルばね３６の上端は膝関節１９の皿部材２２にピンを介して回転可能に連結され、下腿部側コイルばね３６の下端は下腿部１２ｂの本体フレーム２８ａにピンを介してに回転可能に連結される（図６参照）。図５（ａ）に示すように脚部１２を伸長させた状態にあっても、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように脚部１２を屈曲させた状態にあっても、下腿部側コイルばね３６は、自然長よりも伸びた状態にあり、引張りの弾性力を発生させる。膝関節１９の皿部材２２と下腿部１２ｂとは、ピッチ軸２２ｂの回りに回転可能に連結されている。したがって、大腿部側コイルばね３４が発生させる弾性力は、ピッチ軸２２ｂ回りのトルクを下腿部１２ｂに加える。すなわち、大腿部側コイルばね３４は、図５（ｂ）及び５図（ｃ）に示す屈曲した脚部１２が図５（ａ）に示す伸長した状態になるように弾性力を発生させる。図５（ａ）→（ｂ）→（ｃ）に示すように、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂの屈曲が深くなると、下腿部側コイルばね３６の長さも長くなるので、長さに比例して大きな弾性力が発生するようになる。下腿部側コイルばね３６は脚部１２を伸長させるように弾性力を発生させるので、胴部１１に作用する重力をキャンセルする効果を持つ。下腿部側コイルばね３６は、サーボモータ３１ａ～３１ｃが屈曲した脚部１２を伸長させるときの駆動力を補助する。

　なお、本実施形態では、脚部１２を伸長させるための弾性部材を大腿部側コイルばね３４と下腿部側コイルばね３６の二つとから構成しているが、大腿部１２ａと下腿部１２ｂとの間に架け渡された一つの弾性部材とすることも可能である。

　股関節１８の関節本体１８ａと大腿部１２ａとの間には、股関節側コイルばね３７が配置される。股関節側コイルばね３７の上端は股関節１８の関節本体１８ａに回転可能に連結され、股関節側コイルばね３７の下端は大腿部１２ａの本体フレーム２４ａに回転可能に連結される。この股関節側コイルばね３７も、脚部１２を伸長させた状態にあっても、脚部１２を屈曲させた状態にあっても、自然長よりも伸びた状態にあり、引張りの弾性力を発生させる。股関節側コイルばね３７も、屈曲した脚部１２が伸長した状態になるように弾性力を発し、サーボモータ２６ａ～２６ｄが屈曲した脚部１２を伸長させるときの駆動力を補助する。

　図６は膝関節１９の斜視図を示す。図６（ａ）は大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂを伸長させた状態を示し、図６（ｂ）は、ストッパ３８，３９を分かり易く示すために、膝関節１９に対して大腿部１２ａを屈曲させ、膝関節１９に対して下腿部１２ｂは屈曲させていない状態を示す。図６（ｂ）に示すように、大腿部１２ａの本体フレーム２４ａの下端には板状のストッパ３８が結合される。下腿部１２ｂの本体フレームの上端にも板状のストッパ３９が結合される。図６（ａ）に示すように、屈曲した脚部１２が伸長したとき、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂのストッパ３８，３９が皿部材２２に当接する。これにより、皿部材２２に対する大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂのピッチ軸２２ａ，２２ｂ回りの回転が制限され、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂが伸長した状態になる。

　なお、本実施形態ではストッパが大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂに設けられているが、ストッパ３８，３９は皿部材２２に設けられていてもよい。また、大腿部１２ａと下腿部１２ｂが直接的に当接することでストッパ機能を生じさせてもよい。

　図３に示すように、脚式ロボット１０を直立させたとき、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂの膝関節１９側の回転軸（すなわち皿部材２２に対する大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂのピッチ軸２２ａ，２２ｂ）の中心は、大腿部１２ａの股関節１８側の回転軸（すなわち股関節１８の関節本体１８ａのピッチ軸１８ｂ）の中心と下腿部１２ｂの足首関節２９側の回転軸の中心（すなわち足首関節２９の関節本体２９ａのピッチ軸２９ｂ）とを結んだ線Ｌ上、又は、この線Ｌよりも僅かに脚式ロボット１０の進行方向とは反対側に位置する。すなわち、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂは一直線状になるか、又は、歩行時のくの字の屈曲状態とは逆のくの字の屈曲状態になる。逆のくの字の屈曲状態とは、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂによって形成される凸の屈曲状態が進行方向とは反対方向を向くことを意味する。これにより、脚式ロボット１０が直立したとき、脚式ロボット１０に作用する重力によって、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂのストッパが膝関節１９の皿部材２２に当接した状態を保つようになるので、脚式ロボット１０を直立させ易くなる。さらに、大腿部側コイルばね３４及び下腿部側コイルばね３６は、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂのストッパ３８，３９が皿部材２２に当接した状態を保つように弾性力を発生させる。ストッパ機能と大腿部側コイルばね３４及び下腿部側コイルばね３６の弾性力の併用により、脚式ロボット１０が直立した状態を安定させることができる。

　図７を参照して、歩行時の脚式ロボット１０の動作を説明する。（ａ）から（ｄ）は、歩行時の所定のタイミングにおける脚式ロボット１０の脚部１２の姿勢を時系列的に示す。タイミング（ａ）は、遊脚の状態にある左脚部１２を前方に振り出そうとする瞬間である。タイミング（ｂ）は、前方に振り出した左脚部１２が胴部１１の前方で着床する瞬間である。タイミング（ｃ）は左脚部１２を立脚させ、右脚部１２を離床させた瞬間である。タイミング（ｄ）は前方に振り出した右脚部１２が胴部１１の前方で着床する瞬間である。タイミング（ａ）からダイミング（ｄ）までが一歩行周期を示す。

　タイミング（ａ）で離床した左脚部１２は、くの字状に屈曲しながら前方へ振り出される。左脚部１２のこのような動作はサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄを制御することにより可能である。前方へ振り出された左脚部１２は、タイミング（ｂ）で着床する。タイミング（ｂ）の左脚部１２が胴部１１に対して最も前方に揺動した位置にある。タイミング（ｂ）の着床に備えて左脚部１２の膝関節１９は伸ばされる。このように屈曲した遊脚状態の左脚部１２を伸長させながら床面に着床するので、サーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄには大きな荷重が作用する。それでも、大腿部側コイルばね３４及び下腿部側コイルばね３６が、脚部１２を伸長させるように弾性力を発生させるので、サーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄに作用する荷重を低減できる。タイミング（ｂ）で左脚部１２が着床したときは、右脚部１２は胴部１１に対して最も後方に揺動している。次のタイミング（ｃ）では、右脚部１２を離床させ、右脚部１２を屈曲させながら前方に振り出している。タイミング（ｃ）はタイミンング（ａ）の左右の脚を入れ替えた状態である。タイミング（ｃ）の後は、右脚部１２を伸ばしながら、右脚部１２を最も前方に振り出し、タイミング（ｄ）で右脚部１２を着床させる。タイミング（ｄ）の後は、再びタイミング（ａ）からの動作を繰り返す。

　以上、本実施形態の脚式ロボット１０の構造、動作を説明した。本実施形態の脚式ロボット１０の効果は以下のとおりである。

　本実施形態の脚式ロボット１０によれば、脚式ロボット１０が直立するとき、大腿部１２ａ及び前記下腿部１２ｂが膝関節１９の皿部材２２に当接するので、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂが伸長した状態になるようにストッパ機能が働く。そして、大腿部側コイルばね３４及び下腿部側コイルばね３６が、ストッパ機能が働いた状態を保つように弾性力を発生させるので、脚式ロボット１０の直立状態を安定させることができる。したがって、直立した状態を保つための駆動源たるサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄの駆動力を低減することができ、場合によっては、サーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄが駆動力を発生させなくても（例えば、サーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄの電源を切った状態においても）、直立した状態を保つことができる。また、大腿部側コイルばね３４及び下腿部側コイルばね３６が、歩行時にサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄの駆動力を補助する弾性部材を兼用するので、膝関節１９が大型化するのを防止できる。

　脚式ロボット１０を駆動するサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄは、歩行時に脚部１２を屈曲させる場合に比べて伸長させる場合の方が大きな駆動力を必要とする。図５に示すように、屈伸運動するときは、サーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄの駆動力が胴部１１に作用する重力に打ち勝つ必要があるし、図７（ｂ）に示すように、屈曲した遊脚を伸長させながら床面に着床するときにはサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄに大きな荷重が作用する。大腿部側コイルばね３４及び下腿部側コイルばね３６が脚部１２を伸長させるときに弾性力を発生させるようにすることで、必要とされるサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄの駆動力を効果的に低減することができ、小型で低出力のサーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄでも動作させることが可能になる。

　サーボモータ２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄの駆動力を補助する弾性部材を、大腿部側コイルばね３４と下腿部側コイルばね３６の二つから構成することで、脚部１２の屈曲状態によらず常に脚部１２を伸長させるように弾性力を発生させるのが容易になる。大腿部１２ａと下腿部１２ｂとの間に一つの弾性部材を配置したと仮定すると、脚部１２を屈曲させたときと脚部１２を伸長させたときの両方で脚部１２を伸長させるように弾性力を発生させるのが困難になる。

　脚式ロボット１０を直立させたとき、脚式ロボット１０の側方から見て、大腿部１２ａ及び下腿部１２ｂを一直線にするか、又は、脚部１２が歩行時のくの字の屈曲状態と逆のくの字の屈曲状態になるようにすることで、胴部１１の重力の作用により脚式ロボット１０が直立した状態を安定させることができる。

　股関節１８と膝関節１９の間を大腿部１２ａの平行な一対のリンクで連結し、膝関節１９と足首関節２９を下腿部１２ｂの平行な一対のリンクで連結することで、股関節１８に対して足首関節２９が常に平行になり、脚式ロボット１０を自立させるのが容易になる。

　なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に変更可能である。

　例えば、本発明の他の態様において、脚式ロボットが直立するとき、大腿部及び前記下腿部が膝関節の皿部材に当接してストッパ機能が働けば、サーボモータの駆動力を補助したり、直立した状態を保ったりする弾性部材を設けない構成も採用し得る。サーボモータモータが、ストッパ機能が働いた状態を保つようにトルクを発生させれば、脚式ロボットが直立した状態を維持することができる。

　大腿部及び下腿部を平行な一対のリンクから構成しなくてもよい。股関節及び足首関節に、ストッパ機能、及びストッパ機能を維持する弾性力を発生させる弾性部材を設けることで、脚式ロボットを直立させることが可能になる。

　脚式ロボットの脚の数は四本でも六本でもよい。弾性部材としてはコイルばねを用いているが、渦巻きばね等を用いてもよい。

　また、前述した実施例においては、脚部を揺動させる駆動源としてモータを使用しているが、駆動源としてはこの他に、空圧又は油圧シリンダー、リニアモータ、人工筋アクチュエータ等種々のものを利用し得る。

　本明細書は、２０１１年１２月７日出願の特願２０１１－２６７８８９に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

１０…脚式ロボット，１１…胴部，１２…脚部，１２ａ…大腿部，１２ｂ…下腿部，１８…股関節，１８ａ…股関節の関節本体，２２…皿部材，２４ａ…本体フレーム（大腿部の平行な一対のリンクの一つ），２４ｂ…補助リンク（大腿部の平行な一対のリンクの一つ），２６ａ～２６ｄ，３１ａ～３１ｄ…サーボモータ（モータ，駆動源），２８ａ…本体フレーム（下腿部の平行な一対のリンクの一つ），２８ｂ…補助リンク（下腿部の平行な一対のリンクの一つ），２９…足首関節，２９ａ…足首関節の関節本体，３４，３６…コイルばね（弾性部材），３８，３９…ストッパ，Ｌ…線

Claims

　胴部と、前記胴部に揺動可能に連結される脚部と、を有し、前記脚部は、大腿部、前記大腿部に膝関節を介して連結される下腿部を有し、駆動源によって前記脚部を揺動させて歩行する脚式ロボットであって、
　屈曲した前記脚部が伸長するように弾性力を発生させて、前記駆動源の、前記脚部を伸長させるときの駆動力を補助する弾性部材を備え、
　前記脚式ロボットが直立するとき、前記大腿部及び前記下腿部が、前記大腿部及び前記下腿部が回転可能に連結される前記膝関節の皿部材に当接し、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接すると共に、
　前記弾性部材が、前記大腿部及び前記下腿部が前記膝関節の皿部材に当接した状態、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接した状態を保つように弾性力を発生させる脚式ロボット。
　前記膝関節は、前記皿部材を有し、
　前記弾性部材は、
　一端が前記大腿部に連結され、他端が前記皿部材に連結される大腿部側弾性部材と、
　一端が前記下腿部に連結され、他端が前記皿部材に連結される下腿部側弾性部材と、
　を有することを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
　前記大腿部は、前記胴部に股関節を介して連結され、
　前記脚部はさらに、前記下腿部に足首関節を介して連結される足平部を有し、
　前記脚式ロボットを直立させたとき、前記脚式ロボットの側方から見て、前記大腿部及び前記下腿部の膝関節側の回転軸の中心は、前記大腿部の前記股関節側の回転軸の中心と前記下腿部の前記足首関節側の回転軸の中心とを結んだ線上、又は、前記脚部が歩行時のくの字の屈曲状態と逆のくの字の屈曲状態になるように、前記線よりも前記脚式ロボットの進行方向とは反対側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式ロボット。
　前記大腿部は、前記胴部に股関節を介して連結され、
　前記脚部はさらに、前記下腿部に足首関節を介して連結される足平部を有し、
　前記膝関節は、前記皿部材を有し、
　前記脚式ロボットの側方から見て、前記股関節に対して前記皿部材が平行に動くように、前記大腿部は、前記股関節と前記膝関節の前記皿部材との間に架け渡される平行な一対のリンクを有し、
　前記脚式ロボットの側方から見て、前記皿部材に対して前記足首関節が平行に動くように、前記下腿部は、前記皿部材と前記足首関節との間に架け渡される平行な一対のリンクを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式ロボット。
　前記大腿部は、前記胴部に股関節を介して連結され、
　前記脚部はさらに、前記下腿部に足首関節を介して連結される足平部を有し、
　前記膝関節は、前記皿部材を有し、
　前記脚式ロボットの側方から見て、前記股関節に対して前記皿部材が平行に動くように、前記大腿部は、前記股関節と前記膝関節の前記皿部材との間に架け渡される平行な一対のリンクを有し、
　前記脚式ロボットの側方から見て、前記皿部材に対して前記足首関節が平行に動くように、前記下腿部は、前記皿部材と前記足首関節との間に架け渡される平行な一対のリンクを有することを特徴とする請求項３に記載の脚式ロボット。
　胴部と、前記胴部に揺動可能に連結される脚部と、を有し、前記脚部は、前記胴部に股関節を介して連結される大腿部、前記大腿部に膝関節を介して連結される下腿部を有し、駆動源によって脚部を揺動させて歩行する脚式ロボットであって、
　前記脚式ロボットが直立するとき、前記大腿部及び前記下腿部が、前記大腿部及び前記下腿部が回転可能に連結される前記膝関節の皿部材に当接し、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接すると共に、
　前記駆動源が、前記膝関節の皿部材に前記大腿部及び前記下腿部が当接する状態、又は、前記大腿部及び前記下腿部が互いに当接する状態を保つようにトルクを発生させる脚式ロボット。