リンク機構及び脚車輪型ロボット
【課題】リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、各リンクの連結部の剛性を高めるのに好適なリンク機構、該リンク機構から成る脚部を有する脚車輪型ロボットを提供する。
【解決手段】脚車輪型ロボット１００は、第１リンク１７を、２つのリンク部材を間隙を空けて相対させ、その上端部において回転関節１６で両持ちで支持し、下端部に略ボックス形状の第１のハウジング１７ｃを一体形成する構成とし、屈曲時に、その間隙内に回転関節１６の一部を進入可能な構成とし、第１のハウジング１７ｃの上端部に傾斜面を設ける構成とした。更に、第１リンク１７を回転関節１６に対して回動限界位置まで屈曲させた状態で、更に回転関節１４の回転軸周りに回動させたときに、第１股関節駆動部１２０の側面における第１リンク１７が当接する位置に、該第１リンク１７の当接部位がその回動方向に進入可能な切り欠き１２０ｂを設ける構成とした。
【解決手段】脚車輪型ロボット１００は、第１リンク１７を、２つのリンク部材を間隙を空けて相対させ、その上端部において回転関節１６で両持ちで支持し、下端部に略ボックス形状の第１のハウジング１７ｃを一体形成する構成とし、屈曲時に、その間隙内に回転関節１６の一部を進入可能な構成とし、第１のハウジング１７ｃの上端部に傾斜面を設ける構成とした。更に、第１リンク１７を回転関節１６に対して回動限界位置まで屈曲させた状態で、更に回転関節１４の回転軸周りに回動させたときに、第１股関節駆動部１２０の側面における第１リンク１７が当接する位置に、該第１リンク１７の当接部位がその回動方向に進入可能な切り欠き１２０ｂを設ける構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リンクを連結して多関節構造のマニピュレータを構成するリンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部を備え、該各脚部を動作させて移動する脚型ロボットがある。各脚部は複数のリンク部材が直列に連結された構成のシリアルリンク機構を利用したものが一般的である。例えば、シリアルリンク機構のロボットとして、特許文献１に記載の脚式歩行ロボットなどがある。この種のロボットは、連結された各リンク部材における基端側（ロボットなどの基体に連結される側）のリンク部材に、これらのリンク部材に対して先端側（ロボットのなどの基体から離れる側）のリンク部材を回動させる関節（回転軸）を駆動するモータ等のアクチュエータを含む回転駆動機構が設けられており、アクチュエータを駆動することによって、該アクチュエータの動力が各関節に伝達される。これにより、各関節が動作（回転軸が回転）して、基体側のリンク部材に支持された先端側のリンク部材が動作（回動）する。
【０００３】
しかし、シリアルリンク機構を利用したロボットにあっては、各リンク部材の連結構造が片持ち梁の構造となっているため、各リンク部材に曲げ応力が作用することになり、十分な剛性を確保するのが困難であるという問題があった。
上記のような問題に対して、２つのリンク部材をパラレルに配設して各２つの端部（又は基体など）において他のリンクを両持ちで支持することで連結部の剛性を確保する方法がある。例えば、特許文献２に記載の関節モジュールは、回転する側のリンクを３つの部材を組み合わせてコ字状のフレームを有する構造とし、このコ字状のフレームを、固定側のリンクに両持ちで回転支持する構成としている。つまり、この構成により、関節を回転モーメントに対して強固なものとしている。
【特許文献１】特開２００５−７４９１号公報
【特許文献２】特開２００１−１９１２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献２の従来技術においては、ボックス形状をした固定側リンクの一部をコ字形状のフレームの内側に配設し、ボックスの両側面の中央位置で回転側リンクを両持ちで支持する構成が記載されている。この構成では、固定側リンクの形状に対して該固定側リンクとコ字状のフレームとの間に形成される間隙が狭くなり、回転側リンクの動作範囲（回動範囲）を著しく狭めてしまっている。つまり、両持ちで支持する構成は、回動を行うリンクの近傍の間隙の大きさや部材の形状などについても配慮しないと、回転側リンクの回動範囲を著しく狭めることになるが、上記特許文献２では、このことについては一切記載されていない。
【０００５】
また、ロボットの脚部を多関節のリンク機構から構成し、リンクをピッチ軸周りに回動限界位置まで回動した状態（脚を持ち上げた状態）で更にヨー軸周りに回動させると、リンクの回動する軌道上に、リンク機構の関節部を構成するフレームや基体などが存在し、これらにリンクがぶつかって、それ以上回動できなくなる場合がある。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであり、リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、各リンクの連結部の剛性を高めるのに好適なリンク機構、該リンク機構から成る脚部を有する脚車輪型ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１のリンク機構は、
第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、該第２関節駆動部に前記第２の回転軸周りに回転自在に支持された前記第１リンクとから構成されるリンク機構であって、
前記第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納され、前記リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記ハウジングにおける前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部が設けられた構成とし、
前記第２関節駆動部は、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持し、
前記第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持される部材を駆動する第１駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成したことを特徴とする。
【０００７】
このような構成であれば、第２回転駆動機構が駆動して、第１リンクが回動すると、第１リンクは第２関節駆動部に近づいていく。第１リンクの間隙は、第２関節駆動部の幅よりも広く且つ第１リンクの回動時に第１のハウジングの第２関節駆動部側の端部が第２関節駆動部に当接しない大きさを有するため、第１リンクは、第２関節駆動部の一部を第１リンクの間隙内に入り込ませながら回動を続け、その後、回動限界位置に到達する。
【０００８】
更に、第１リンクが回動限界位置に回動した状態で、第１回転駆動機構を駆動して、第１リンクが回動すると、第１リンクは、第１関節駆動部を構成するハウジングに近づいていく。第１リンクはハウジングとの当接位置に回動すると、そこから先はハウジングの当接位置に設けられた凹部へと進入しながら回動を続ける。
また、第１リンクに他のリンクや車輪などを回転自在に両持ちで支持することで、これらの駆動機構の少なくとも一部を、第１のハウジングの内部に収納することができる。なお、回転駆動される部材に限らず直進運動する部材を直進運動自在に支持し、該部材を直進運動させる駆動機構の少なくとも一部を第１のハウジングの内部に収納することも可能である。
【０００９】
ここで、上記第１フレームは、２つの第１リンク部材の端部に、第１のハウジングが一体形成されたものや、ボルトなどで一体的に形成されたものなどが該当し、使用目的に応じた剛性を確保できる構成であればどのような構成でも良い。
また、上記第１リンク部材は、例えば、板状の部材や、円柱状の部材など様々な形状のものが該当する。材質についても、樹脂部材、金属部材など使用目的に応じた条件（剛性等）を満足できるものであればどのような材質のものでも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１０】
また、上記第１のハウジングは、内容物（回転駆動機構など）を収納又は保護できる構成であれば、外形や内部空間の形状はどのような形状でも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１１】
〔発明２〕 更に、発明２のリンク機構は、発明１に記載のリンク機構において、
前記第１リンクは、前記第１のハウジング内に前記第１駆動機構の少なくとも一部を収納し、第２リンクを前記第２の回転軸と同じ方向の軸周りに回転自在に両持ちで支持すると共に、前記第１駆動機構で前記第２リンクを回転駆動し、
前記第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持された部材を駆動する第２駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成したことを特徴とする。
【００１２】
このような構成であれば、第３回転駆動機構が駆動して、第２リンクが回動すると、第２リンクは第１リンクに近づいていく。第２リンクの間隙は、第１リンクのフレームの幅よりも広く且つ第２リンクの回動時に第１のハウジングの第２リンク側の端部が第２のハウジングに当接しない大きさを有するため、第２リンクは、第１のハウジングの一部を第２リンクの間隙内に入り込ませつつ回動を続け、その後、回動限界位置に到達する。
【００１３】
また、第２リンクに他のリンクや車輪などを回転自在に両持ちで支持することで、これらの回転駆動機構の少なくとも一部を、第２のハウジングの内部に収納することができる。なお、回転駆動される部材に限らず直進運動する部材を直進運動自在に支持し、該部材を直進運動させる駆動機構の少なくとも一部を第２のハウジングの内部に収納することも可能である。
【００１４】
ここで、第１リンク部材と第２リンク部材とは、両者が、材質、形状、サイズ等が同一の部材又は異なる部材のいずれで構成されていても良い。また、第２リンク部材は、例えば、板状の部材や、円柱状の部材など様々な形状のものが該当する。材質についても、樹脂部材、金属部材など使用目的に応じた条件（剛性等）を満足できるものであればどのような材質のものでも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１５】
また、上記第２のハウジングは、内容物（回転駆動機構など）を収納又は保護できる構成であれば、外形や内部空間の形状はどのような形状でも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１６】
〔発明３〕 更に、発明３のリンク機構は、発明１又は２に記載のリンク機構において、
前記第１の回転軸に対する回転原点位置にあり且つ前記第２の回転軸に対する回転限界位置まで回動している前記第１リンクに対して、前記第１リンクの間隙の幅を、前記第１関節駆動部のハウジングにおける前記第１リンクと対向する部位の横幅より広く構成し、更に、前記対向する部位の形状を、前記第１の回転軸方向の断面が半円形状をなす曲面形状としたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、第１リンクが回動限界位置まで回動した状態で、第１回転駆動機構を駆動し、第１リンクを第１の回転軸周りに回動させたときに、第１関節駆動部の第１リンクと対向する部位の形状が第１の回転軸方向の断面が半円形状をなす曲面形状となっているので、第１リンクは、２つの第１リンク部材の間に第１関節駆動部の曲面形状側の部位の一部を挟みこみながら、曲面に沿って回動する。
【００１８】
〔発明４〕 更に、発明４のリンク機構は、発明１乃至３のいずれか１に記載のリンク機構において、
前記第１のハウジングの前記第２関節駆動部側の端面に、前記２つの第１リンク部材の相対方向と直交する方向に変位する傾斜面を設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、第１のハウジングの第２関節駆動部側の端面に傾斜面が構成されるので、第１リンクをこの傾斜側に回動させることで、例えば、端面を平らな面にした場合と比較して、第１リンクと第１関節駆動部及び第２関節駆動部とが接触するまでの回動距離を長くすることができる。
【００１９】
〔発明５〕 一方、上記目的を達成するために、発明５の脚車輪型ロボットは、
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記脚部及び前記車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
前記各脚部を、発明１乃至４のいずれか１に記載のリンク機構から構成したことを特徴とする。
このような構成であれば、脚車輪型ロボットの脚部において、発明１〜発明４のいずれか１に記載のリンク機構と同等の作用が得られる。
【００２０】
〔発明６〕 また、上記目的を達成するために、発明６の脚車輪型ロボットは、
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記各脚部及び前記各車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
各前記脚部は、第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する前記基体に支持された第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、前記第１リンクと、該第１リンクに対して前記第２の回転軸と同じ方向の第３の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第２リンクと、該第２リンクを回転駆動する第３回転駆動機構と、前記第２リンクに回転自在に支持された前記車輪と、該車輪を回転駆動する車輪駆動機構とから構成されるリンク機構を備え、
前記各脚部の第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納された構成とし、
前記各脚部の第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持される部材を回転駆動する第３回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記各脚部の第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持された部材を回転駆動する第４回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記各脚部の第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第１リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記第１関節駆動部のハウジング又は前記基体における前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部を設けたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成であれば、上記発明２のリンク機構と同等の作用に加え、脚部の取り付け位置などによって、第１リンクが第２の回転軸周りに回転限界位置まで回動した状態で第１の回転軸周りに回動したときに、最初に当接する部位が基体であったときに、第１リンクは、基体の第１リンクとの当接部位に設けられた凹部に進入して回動を続けることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、発明１のリンク機構及び発明５の脚車輪型ロボットによれば、第１関節駆動部の第１の回転軸周りに回動する第１リンクとの当接位置に第１リンクが進入可能な凹部を設け、第１リンクを２つの第１リンク部材を相対させ且つ端部に第３回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングを形成した構成とし、第２関節駆動部は、第１リンクを両持ちで支持し、更に、第１リンクの間隙を、第１リンクを第２の回転軸周りに回動したときに、少なくとも、第１のハウジングが第２関節駆動部と当接しない大きさに構成したので、従来の構成と比較して、第１リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、第１リンクの連結部の剛性を高めることができるという効果が得られる。
【００２３】
また、発明２のリンク機構並びに発明５及び６の脚車輪型ロボットによれば、第２リンクを２つの第２リンク部材を相対させ且つ端部に第４回転駆動機構の少なくとも一部を収納するハウジングを形成した構成とし、第１リンクの第１フレーム側の端部と第２リンクの２つの第２リンク部材とにおいて第２リンクを両持ちで支持し、更に、第２リンクの間隙を、第２リンクを回動時に、少なくとも、第１のハウジングが第２のハウジングと当接しない大きさに構成したので、従来の構成と比較して、第２リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、各リンクの連結部の剛性を高めることができるという効果が得られる。
【００２４】
また、発明３のリンク機構及び発明５の脚車輪型ロボットによれば、第２の回転軸周りに回転限界位置まで回動した第１リンクを、第１の回転軸周りに回動させたときの、第１リンクと対向する第１関節駆動部の部位を曲面形状としたので、例えば、平面視矩形状（角張った形状）にしたときと比較して、第１の回転軸周りの回動範囲を確保した状態で第１リンクを第１関節駆動部により近づけることができ、これにより、第１リンクの第２の回転軸周りの可動範囲を広げることができるという効果が得られる。
【００２５】
また、発明４のリンク機構及び発明５の脚車輪型ロボットによれば、第１のハウジングの第２関節駆動部側を向く面に、２つの第１リンク部材の相対方向と直交する方向に変位する傾斜面を設けたので、第１リンクを傾斜面側に回動させたときに、第１リンクの可動範囲を広くすることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１〜図１４は、本発明に係るリンク機構及び脚車輪型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、図１及び図２に基づき、本発明に係る脚車輪型ロボットの概略構成を説明する。
図１は、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の正面図である。また、図２は、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【００２７】
脚車輪型ロボット１００は、図１及び図２に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
基体１０の前方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。
【００２８】
各脚部１２は、第１股関節駆動部１２０と、第２股関節駆動部１２２と、第１リンク１７と、第２リンク１９と、第１リンク１７及び第２リンク１９を回転自在に連結する２つの回転関節１６、１８とから構成されている。
各脚部１２の回転関節１４は、モータ４０と、第１股関節駆動部１２０と、減速機（例えば、ハーモニックドライブなど）とから構成されている。
【００２９】
第１股関節駆動部１２０は、ボックス形状のハウジング内に、回転軸と、該回転軸の軸受と、モータ４０及び該モータ４０の回転駆動力を回転軸に伝達する伝達機構から構成される第１回転駆動機構のうち伝達部が収納された構成となっている。
第１股関節駆動部１２０のハウジング内に配設された回転軸と、外部の減速機とは同軸に連結されており、減速機の上端部は、第１股関節駆動部１２０のハウジングの下面に接合され、該下面に設けられた貫通穴を通って、回転軸が減速機の軸受内に挿通された構成となっている。
【００３０】
回転関節１４は、第１回転駆動機構から回転駆動力を得て、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
各脚部１２の回転関節１６は、第２股関節駆動部１２２と、回転軸と、その軸受と、回転軸と同軸の減速機（例えば、ハーモニックドライブなど）とから構成されている。
第２股関節駆動部１２２は、モータ４０及び該モータ４０の回転駆動力を回転軸に伝達する伝達機構から構成される第２回転駆動機構と、回転軸、軸受及び減速機を覆う関節フレーム部と第２回転駆動機構を収納するハウジングとが一体形成されたフレームとを備え、ハウジング内に第２回転駆動機構を収納した構成となっている。
【００３１】
関節フレーム部の上面には、回転関節１４を構成する減速機の下端部が接合され、回転関節１６が回転関節１４の回転方向に回転自在に支持されている。
各脚部１２の第１リンク１７は、その上端部が、関節フレーム部において、回転関節１６に対してその回転方向に回転自在に連結されている。更に、第１リンク１７の下端側には、回転関節１８を回転駆動する第３回転駆動機構を収納するボックス形状のフレーム部（以下、第１のハウジングと称す）が一体形成されており、この第１のハウジングの内部には第３回転駆動機構が収納されている。第３回転駆動機構は、モータ４０、該モータ４０の回転駆動力を回転関節１８の回転軸に伝達する伝達機構などを含んで構成されている。
【００３２】
各脚部１２の第２リンク１９は、その上端部が、回転関節１８を介して、第１リンク１７に対して回転関節１８の回転方向に回転自在に連結されている。更に、第２リンク１９の下端側には、駆動輪２０を回転駆動する車輪駆動機構を収納するボックス形状のフレーム部（以下、第２のハウジングと称す）が一体形成されており、第２のハウジングの内部には車輪駆動機構が収納されている。更に、第２リンク１９の下端部には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転自在に設けられている。車輪駆動機構は、モータ５０、該モータ５０の回転駆動力を駆動輪２０の回転軸に伝達する伝達機構、減速機などを含んで構成されている。
【００３３】
回転関節１４及び回転関節１６は脚車輪型ロボット１００の股関節を構成し、回転関節１８は脚車輪型ロボット１００の膝関節を構成している。
回転関節１４は、下方を軸方向としてヨー軸周りに回転し、回転関節１６に連結された各構成部（第１リンク１７及び第１リンク１７に連結された第２リンク１９など）をヨー軸周りに回動させる。
【００３４】
また、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転し、第１リンク１７及び第２リンク１９を各回転方向に回動させる。従って、脚部１２は、それぞれ３自由度を有する。
【００３５】
各脚部１２の第２リンク１９には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定し、且つ接地面までの距離を測定する脚先センサ２４が設けられている。
一方、基体１０の正面の上部中央には、水平面レーザ光を照射する水平レーザ２６が設けられている。また、基体１０の正面の中央左右には、垂直面レーザ光を照射する垂直レーザ２８、３０がそれぞれ設けられている。
【００３６】
基体１０の正面の下部中央には、水平面レーザ光および垂直面レーザ光の反射光を含む画像を撮影するカメラ３２が設けられている。
水平レーザ２６は、カメラ３２で水平面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように下方に所定角度傾けて設けられている。同様に、垂直レーザ２８は、カメラ３２で垂直面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように右方に所定角度傾けて設けられ、垂直レーザ３０は、左方に所定角度傾けて設けられている。
【００３７】
カメラ３２の左右には、障害物を検出する障害物センサ３４、３６がそれぞれ設けられている。障害物センサ３４、３６は、指向性の低い超音波測距センサを複数アレイ状に配列して構成することができる。また、指向性の高い赤外線測距センサを複数アレイ状に配列して構成することもできる。アレイ状に配列する構成に限らず、単体で構成してもよい。また、超音波測距センサまたは赤外線測距センサを複数平面上に配列したエリアセンサで構成してもよい。これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する障害物を大まかに検出することができる。
【００３８】
次に、図３〜図５に基づき、脚部１２のより詳細な構成を説明する。
ここで、図３は、脚部１２を前方側から見た斜視図である。また、図４は、図３における第１股関節駆動部１２０、第２股関節駆動部１２２及び第１リンク１７を含む構成部をやや上方から見た斜視図である。また、図５は、図３に示す第１リンク１７及び第２リンク１９を含む構成部を後方側から見た斜視図である。
【００３９】
図３及び図４に示すように、第１股関節駆動部１２０を構成するボックス形状のハウジングは、その回転関節１４の回転軸が収納される側の外郭形状が、回転関節１４の回転軸と直交する方向の断面が半円形状をなす曲面形状、つまり、円筒を縦に半分に切ったような曲面形状となっている。また、この円筒部分を含む上面部はハウジングカバー１２０ａで覆われており、回転関節１４の回転軸を回転駆動するモータ４０が、ハウジングカバー１２０ａに覆われていない部分から上方に突出する形で設けられている。本実施の形態において、モータ４０の回転駆動力は、ハウジング内部のプーリ及びベルトから構成される伝達機構で回転関節１４の回転軸へと伝達される。
【００４０】
更に、第１股関節駆動部１２０の側面には、脚部１２の回転関節１４に対する回動範囲を広げる目的で、平面視矩形の切り欠き１２０ｂが設けられている。この切り欠き１２０ｂは、回転関節１６の回転駆動によって第１リンク１７が屈曲している状態で、回転関節１４の回転駆動によって第２股関節駆動部１２２が開脚方向に回動したときに、屈曲状態の第１リンク１７が第１股関節駆動部１２０の側面と丁度ぶつかる位置に設けられている。つまり、開脚方向への回動によって最初に第１股関節駆動部１２０の側面とぶつかる第１リンク１７の部位が、その回動方向に切り欠き１２０ｂ内に進入できる構成とすることによって回動範囲を広くしている。
【００４１】
ここで、開脚方向に回動させるとは、脚車輪型ロボット１００の右前脚を回転関節１４を時計回り方向に回転する方向に回動させ且つ左前脚を回転関節１４を反時計回り方向に回転させる方向に回動させることである。同様に、後ろ脚の場合は、左後脚を時計回り方向に回動させ、且つ右後脚を反時計回り方向に回動させることである。
一方、第１リンク１７の外郭を構成するフレーム（以下、第１フレームと称す）は、２つの板状の第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの板面同士を、回転関節１６の回転軸方向の幅よりも広い間隙を空けて相対させ、その下端側に、上端部に傾斜面、下端部に回転関節１８との連結用のコ字状の第１フレーム部が形成された略ボックス形状の第１のハウジング１７ｃが、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂと一体形成された構成となっている。本実施の形態では、第１のハウジング１７ｃのその正面から見たときの短尺方向の幅（横幅）を、上端側の一部分を除いて第１リンク部材１７ａ及び１７ｂのこれらを正面から見たときの間隙を挟んで形成する短尺方向の幅（横幅）よりも狭く構成している。
【００４２】
更に、第１リンク１７は、その第１フレームの上端部と第２股関節駆動部１２２の関節フレーム部とにおいて、回転関節１６を構成する回転軸、その軸受及び回転軸と同軸の減速機を介して、第２股関節駆動部１２２に両持ちで支持されている。このように、両側から支持する構成としたことで、回転モーメント等に対する連結部の剛性を高めている。
また、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂと第１のハウジング１７ｃの上面と回転関節１６とに囲まれた間隙の大きさは、第１リンク１７を回転関節１６の回転軸周りに主屈曲方向（図３中の前方側）に向けて回動させたときに、少なくとも、第１のハウジング１７ｃが回転関節１６に当接しない大きさに構成されている。これにより、第１リンク１７の主屈曲方向の回動を第１のハウジング１７ｃが阻害しないようにしている。なお、本実施の形態において、図３中の後方側に向けて第１リンク１７を屈曲する方向を第１リンク１７の副屈曲方向とする。
【００４３】
また、第１のハウジング１７ｃの上端部に形成された傾斜面は、回転関節１６の回転軸と直交する方向に変位する傾斜（本実施の形態においては、図３に示す前方側に向かって下っていく傾斜）を有している。これにより、第１リンク１７を、第１股関節駆動部１２０の曲面が、傾斜面と略平行となる位置（ぶつかる寸前の位置）に近づくまで回動させることができる。つまり、傾斜面を設けずに平らな面にした場合は、その角の部分が第１股関節駆動部１２０の曲面にぶつかることになるので、これと比較して、傾斜にした分だけ、第１リンク１７の回動範囲を広げることができる。
【００４４】
また、図３に示すように、第２リンク１９の外郭を構成するフレーム（以下、第２フレームと称す）は、２つの板状の第２リンク部材１９ａ及び１９ｂの板面同士を、第１リンク１７の第１フレームを正面から見てその第１のハウジング１７ｃのコ字状の第１フレーム部の短尺方向の幅（以下、横幅と称す）よりも広い間隙を空けて相対させ、その下端側に、上端部に傾斜面、下端部に駆動輪２０の取付用のコ字状の第２フレーム部が形成された略ボックス形状の第２のハウジング１９ｃが、第２リンク部材１９ａ及び１９ｂと一体形成された構成となっている。更に、第２のハウジング１９ｃのその正面から見たときの短尺方向の幅（横幅）を、上端側の一部分を除いて第２リンク部材１９ａ及び１９ｂのこれらを正面から見たときの間隙を挟んで形成する短尺方向の幅（横幅）よりも狭く構成している。
【００４５】
更に、第２リンク１９は、その第２フレームの上端部と第１リンク１７の下端に設けられたコ字状の第１フレーム部とにおいて、回転関節１８を構成する回転軸、その軸受及び回転軸と同軸の減速機を介して両持ちで支持されている。このように、両側から支持する構成としたことで、回転モーメント等に対する連結部の剛性を高めている。
また、第２リンク部材１９ａ及び１９ｂと第２のハウジング１７ｃの上面と回転関節１８とに囲まれた間隙の大きさは、第２リンク１９を回転間関節１８の回転軸周りに主屈曲方向（図３中の後方側）に向けて回動させたときに、少なくとも、第２のハウジング１９ｃが回転関節１８に当接しない大きさに構成されている。これにより、第２リンク１９の主屈曲方向の回動を第２のハウジング１９ｃが阻害するのを回避している。なお、本実施の形態において、図３中の前方側に向けて第２リンク１９を屈曲する方向を第２リンク１９の副屈曲方向とする。
【００４６】
また、第２のハウジング１９ｃの上端部に形成された傾斜面は、図５に示すように、回転関節１８の回転軸と直交する方向に変位する傾斜（本実施の形態においては、図３に示す後方側に向かって下っていく傾斜）を有している。これにより、第２リンク１９を、第１リンク１７の第１フレームの一部が、傾斜面と略平行となる位置（ぶつかる寸前の位置）に近づくまで回動させることができる。つまり、傾斜面を設けずに平らな面にした場合は、その角の部分が第１リンク１７の第１フレームにぶつかることになるので、これと比較して、傾斜にした分だけ、第２リンク１９の回動範囲を広げることができる。
【００４７】
なお、図３に示す例は、脚車輪型ロボット１００の左前脚の例となるが、右前脚についても同様となる。また、左後脚及び右後脚については、基体１０の向きを基準として、右前脚の例（図３の例）において、前方側を後方側に、後方側を前方側に入れ替えることで同様となる。
次に、脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを説明する。
【００４８】
図６は、脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを示すブロック図である。
各脚部１２には、図６に示すように、第１、第２、第３回転駆動機構に対して、回転関節１４、１６、１８を回転駆動するアクチュエータとして関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、モータ指令信号およびエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。
【００４９】
各脚部１２の駆動輪２０の回転軸を回転駆動する車輪駆動機構に対して、車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、更に、ＣＰＵ６０と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、カメラ３２の画像信号を処理するビジョンプロセッサ７２と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、ビジョンプロセッサ７２および無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成される。
【００５０】
３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、脚先センサ２４、障害物センサ３４及び３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【００５１】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図７のフローチャートに示す昇降制御処理を実行する。
図７は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に段差（障害物）があったときに実行される、脚部１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図７に示すように、ステップＳ１００に移行する。
【００５２】
ステップＳ１００では、ビジョンプロセッサ７２から画像を取り込み、ステップＳ１０２に移行する。
ステップＳ１０２では、取り込んだ画像に基づいて光切断法により段差の特徴点を抽出する。
図８は、光切断法の原理を説明するための図である。
【００５３】
光切断法は、三角測量の原理により計測対象上の座標を求める計測法である。図８に計測座標系を示す。 計測対象上の座標Ｐ（x0、y0、z0）は、カメラ３２の撮像素子上の任意の座標をＰs（xi、yi、zi）とすると、下式（１）により求められる。
【００５４】
【数１】
【００５５】
次に、得られた三次元座標から、レーザ光の反射光の不連続点または屈曲点を段差の特徴点として抽出する。 図９は、段差にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。
【００５６】
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に凸状の段差が存在すると、図９（ａ）左側に示すように、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光が段差の壁面および床面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む段差の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図９（ａ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび床面での反射光エッジを抽出することができる。そして、そのエッジ画像および上式（１）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの不連続点に対応する実座標を算出することができる。
【００５７】
また、図９（ｂ）左側に示すように、垂直レーザ２８から照射された垂直面レーザ光が段差の壁面および上面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む段差の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図９（ｂ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび上面での反射光エッジを抽出することができる。また、垂直レーザ３０についても同様であり、図９（ｃ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび上面での反射光エッジを抽出することができる。そして、それらエッジ画像および上式（１）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの屈曲点に対する実座標を算出することができる。
【００５８】
図７に戻り、次いで、ステップＳ１０４に移行して、抽出した特徴点に基づいて段差の幅を算出し、ステップＳ１０６に移行する。
ステップＳ１０６、抽出した特徴点に基づいて段差の上面の実座標を算出し、ステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８では、算出した段差の幅および上面の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ１１０に移行する。
【００５９】
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８の計算結果に基づいて脚先の着地位置を決定し、ステップＳ１１２に移行する。
ステップＳ１１２では、車輪モータ５０の回転を停止すべき停止信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１４に移行する。これにより、車輪モータ５０が制御され駆動輪２０の回転を停止する（回転しないようにトルクをかけて保持する）。または、減速機などによって、車輪モータを駆動していないときに車輪が回転しないように保持する構成としても良い。この構成の場合は、車輪モータ５０への電力の供給を停止する。
【００６０】
ステップＳ１１４では、脚先センサ２４からセンサ信号を入力し、ステップＳ１１６に移行する。
ステップＳ１１６では、ステップＳ１１４で入力した脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて壁面までの距離を算出し、ステップＳ１１８に移行する。
ステップＳ１１８では、ステップＳ１１４で入力した脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と上面との位置関係を算出し、ステップＳ１２０に移行する。
【００６１】
ステップＳ１２０では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、ステップＳ１２０で生成したモータ指令信号をドライバ４４に出力し、ステップＳ１２４に移行する。
ステップＳ１２４では、脚先が着地位置に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。 一方、ステップＳ１２４で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。
【００６２】
次に、図１０〜図１４に基づき、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、図１０は、第２リンク１９を主屈曲方向に限界位置まで回動させたときの脚部１２を正面側から見た斜視図である。また、図１１は、図１０の状態の脚部１２を斜め後方側から見た斜視図である。また、図１２は、第１リンク１７を主屈曲側に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め上方向から見た斜視図である。また、図１３は、図１２の状態の脚部１２を側面から見た図である。また、図１４は、図１２の状態の脚部１２を開脚方向に回動させたときの斜め上方向から見た斜視図である。
【００６３】
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に凸状の段差が存在すると、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光、および垂直レーザ２８、３０から照射された垂直面レーザ光がそれぞれ段差で反射し、カメラ３２により、それら反射光を含む画像が撮影される。次いで、カメラ３２で撮影された画像が取り込まれ（ステップＳ１００）、取り込まれた画像から段差の特徴点が抽出される（ステップＳ１０２）。そして、抽出された特徴点に基づいて段差の幅及び段差上面の実座標が算出され（ステップＳ１０４〜Ｓ１０８）、算出された段差の幅及び段差上面の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される（ステップＳ１１０）。
【００６４】
着地位置が決定されると、各車輪２０を駆動する車輪モータ５０に対応するドライバ５４に対して、駆動輪２０の回転を停止させる停止信号を出力する（ステップＳ１１２）。これにより、各駆動輪２０が回転しないように制御される。
更に、脚先センサ２２、２４からそれぞれセンサ信号が入力され（ステップＳ１１４）、壁面までの距離及び脚先と段差上面との位置関係が算出される（ステップＳ１１６〜Ｓ１１８）。そして、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され（ステップＳ１２０）、生成されたモータ指令信号がドライバ４４に出力される（ステップＳ１２２）。これにより、回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット１００の脚部１２の姿勢が、段差を乗り越えるための姿勢へと変更される。
【００６５】
ここで、昇降対象の段差が脚部１２の回動限界以上の比較的高い段差であったとする。以下、説明の便宜上、右前脚の動作についてのみ説明する。
まず、駆動制御システムは、回転関節１８を回転駆動して、右前脚を構成する第２リンク１９を、図５の姿勢から、図１０に示すように、主屈曲方向に回動限界位置まで回動させる。
【００６６】
駆動制御システムの制御によって、第２リンク１９が主屈曲方向に回動を開始すると、第２リンク１９の第２リンク部材１９ａ及び１９ｂの横幅よりも狭い横幅で構成されている第１リンク１７の第１のハウジング１７ｃの下端部が、第２リンク１９の回動に伴い、第２リンク部材１９ａ及び１９ｂとの間に形成された間隙内に入り込んでいく。この間隙は、第２リンク１９を主屈曲方向に回動したときに、第１のハウジング１７ｃの下端部（回転関節１８の回転軸及び減速機を含む）が、第２のハウジング１９ｃの上端部と当接しないように適宜の大きさに形成されている。従って、第２のハウジング１９ｃの上端部と、第１のハウジング１７ｃの下端部とを接触させることなく、第２リンク１９は、第１のハウジング１７ｃの下端部を間隙内に入り込ませながら回動を続ける。
【００６７】
また、第２リンク１９が回動することによって、第２のハウジング１９ｃの上端面が、第１リンク１７の第１リンク部材１７ａ及び１７ｂへと、該第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの一部を第２リンク１９の間隙内に入り込ませながら近づいていく。第２のハウジング１９ｃの上端面には、先述したように、副屈曲方向に向かって下っていく傾斜面が形成されているため、図１１に示すように、第２リンク１９は、その傾斜面と第１リンク部材１７ａ及び１７ｂとが略平行になる位置まで回動していき、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂと第２の傾斜面とがぶつかる寸前で停止する。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、第２リンク１９の回動限界位置を検出するセンサの検出結果に基づき制御される。
【００６８】
次に、駆動制御システムは、段差の上面に脚先を持っていくために、第２リンク１９が主屈曲方向に回転限界位置まで回動している状態で、更に、回転関節１６を回転駆動して、第１リンク１７を、図４に示す状態から、図１２に示すように、主屈曲方向に回転限界位置まで回動させる。
駆動制御システムの制御によって、第１リンク１７が主屈曲方向に回動を開始すると、回転関節１６の回転軸方向の横幅が第１リンク１７の第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの横幅よりも狭く構成されているため、第１リンク１７の回動に伴い、回転関節１６の関節フレーム部側の下端部（回転関節１６の回転軸及び減速機を含む）が、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂとの間に形成された間隙内に入り込む。この間隙は、第１リンク１７を主屈曲方向に回動時に、回転関節１６（関節フレーム部側の下端部）が、第１のハウジング１７ｃの上端部と当接しないように適宜の大きさに形成されている。従って、第１のハウジング１７ｃの上端部を、回転関節１６に接触させることなく、第１リンク１７は、回転関節１６の関節フレーム部側の下端部を間隙内に入り込ませながら回動を続ける。
【００６９】
更に、第１リンク１７が回動することによって、第１リンク１７の第１のハウジング１７ｃの上端面が、回転関節１４の一部を第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの間隙内に入り込ませながら、回転関節１４の半円筒形状の曲面部へと近づいていく。第１のハウジング１７ｃの上端面には、先述したように、主屈曲方向に向かって下っていく傾斜面が形成されているため、図１３に示すように、第１リンク１７は、その傾斜面と第１股関節駆動部１２０の半円筒形状の曲面部とが略平行になる位置まで回動していき、傾斜面と曲面部とがぶつかる寸前で停止する。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、第１リンク１７の回転関節１６に対する回動限界位置を検出するセンサの検出結果に基づき制御される。
【００７０】
以上の制御によって、段差の上面へと右前脚の脚先を運ぶ。駆動制御システムは、図１２、図１３に示す姿勢でも段差に届かない場合は、更に、第２リンクを副屈曲方向に回動させる制御を行う。
次に、脚車輪型ロボット１００を、重心位置をできるだけ低くした状態で正面を向かせたまま真横方向に車輪走行で移動させる場合の動作を説明する。この場合は、各脚部１２を、図１２及び図１３に示す姿勢で開脚方向に駆動輪２０の進行方向が真横を向く回動角度分、回動させることになる。以下、説明の便宜上、右前脚の開脚動作のみを説明する。
【００７１】
具体的に、駆動制御システムは、第１リンク１７及び第２リンク１９が主屈曲方向の回動限界位置まで回動している状態で、回転関節１４を回転駆動して、第１リンク１７を、図１２及び図１３に示す状態から、開脚方向に駆動輪２０の進行方向が真横方向を向く回動位置まで回動させる。
第１リンク１７が図１２及び図１３に示す姿勢の状態で回転関節１４が回転駆動されると、第１リンク１７はその第１フレームの間隙の内面を、第１股関節駆動部１２０の半円筒形状の曲面に沿わせながら回動し、やがて回転関節１４の第１股関節駆動部１２０の側面へと到達する。第１股関節駆動部１２０の側面には、先述したように、第１フレームの当接位置に、平面視矩形の切り欠き１２０ｂが設けられているため、第１フレームは、側面との当接部分を切り欠き１２０ｂ内に進入させながら回動を続ける。
【００７２】
本実施の形態において、切り欠き１２０ｂは、第１リンク１７が第１股関節駆動部１２０のハウジングの曲面に沿って回動することから、内壁の一部が該曲面に沿って形成されている。従って、第１フレームの第１股関節駆動部１２０との当接部位は、切り欠き１２０ｂ内の曲面に沿って切り欠き１２０ｂの内部へと進入し、図１４に示すように、駆動輪２０の進行方向を、正面を向いた状態（図１２及び図１３に示す状態）から時計回り方向に略９０[°]回動する。これにより、駆動輪２０の進行方向が真横方向へと変更されると共に回動が停止される。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、第１リンク１７の回転関節１４に対する回動限界位置を検出するセンサの検出結果又はエンコーダ４２の検出角度に基づき制御される。他の脚部１２についても同様の開脚動作を行うことで、脚車輪型ロボット１００を真横移動させることが可能な姿勢へと変更することができる。
【００７３】
以上より、各脚部１２の第１リンク１７を、２つの第１リンク部材１７ａ及び１７ｂを間隙を空けて相対させ、その上端部において回転関節１６で両持ちで支持し、下端部に略ボックス形状の第１のハウジング１７ｃを一体形成する構成とした。つまり、第１リンク１７を平行リンクのような構成としたので、その剛性を高めることができると共に、回転関節１６に両持ちで支持させたことで、連結部の剛性を高めることができる。
【００７４】
更に、第１リンク１７を主屈曲方向に回動時に、その間隙内に回転関節１６の一部を進入させる構成とし、第１のハウジング１７ｃの上端部に、第１リンク１７の主屈曲方向に下る傾斜を有する傾斜面を設けたので、従来と比較して、第１リンク１７の回動範囲を広げることができる。
更に、各脚部１２のヨー軸周りの回転関節である回転関節１４の第１股関節駆動部１２０の側面における、第１リンク１７を主屈曲方向に回動限界位置まで回動した状態で開脚方向に回動時に該第１リンク１７の第１フレームが当接する位置に、当接を回避する切り欠き１２０ｂを設けたので、切り欠きを設けなかった場合と比較して、第１リンク１７の開脚方向の回動範囲を広げることができる。
【００７５】
更に、各脚部１２の第１股関節駆動部１２０の第１リンク１７を主屈曲方向に回動時に相対する側の面を半円筒形状の曲面にしたので、曲面にしなかった場合と比較して、第１リンク１７のヨー軸周りの回動範囲を広げることができる。
更に、各脚部１２の第２リンク１９を、２つの第２リンク部材１９ａ及び１９ｂを間隙を空けて相対させ、その上端部を第１リンク１７で両持ちで支持し、下端部に略ボックス形状の第２のハウジング１９ｃを一体形成する構成とした。つまり、第２リンク１９を平行リンクのような構成としたので、その剛性を高めることができると共に、第１リンク１７に両持ちで支持させたことで、連結部の剛性を高めることができる。
【００７６】
更に、第２リンク１９を主屈曲方向に回動時に、第１リンク１７の第１フレームの下端部を進入させる構成とし、第２のハウジング１９ｃの上端部に、第２リンク１９の副屈曲方向に下る傾斜を有する傾斜面を設けたので、従来と比較して、第２リンク１９の回動範囲を広げることができる。
上記実施の形態において、脚車輪型ロボット１００は、発明５又は６に記載の脚車輪型ロボットに対応し、脚部１２は、発明１乃至４のリンク機構又は発明５若しくは６に記載の脚部に対応する。
【００７７】
また、上記実施の形態において、第１股関節駆動部１２０は、発明１、３、４及び６のいずれか１に記載の第１関節駆動部に対応し、第２股関節駆動部１２２は、発明１、４及び６のいずれか１に記載の第２関節駆動部に対応し、第３回転駆動機構は、発明１に記載の第１駆動機構又は発明６に記載の第３回転駆動機構に対応し、車輪駆動機構は、発明２に記載の第２駆動機構又は発明６に記載の車輪駆動機構に対応する。
【００７８】
また、上記実施の形態において、切り欠き１２０ｂは、発明１又は発明６に記載の凹部に対応する。
なお、上記実施の形態においては、第１リンク１７及び第２リンク１９を、板状のリンク部材で構成したが、これに限らず、円柱状のリンク部材など剛性を著しく損なうものでなければどのような形状のものを用いて構成しても良い。
【００７９】
また、上記実施の形態においては、第１のハウジング１７ｃの下部に、コ字状の第１フレーム部を設け、該第１フレーム部において第２リンク１９を両持ちで支持する構成としたが、これに限らず、第１のハウジング１７ｃの下部において直接、両持ちで支持する構成としても良い。
また、上記実施の形態においては、第１股関節駆動部１２０の側面に平面視矩形の切り欠き（凹み）１２０ｂを設ける構成としたが、これに限らず、主屈曲方向に屈曲時の第１リンク１７の回動範囲を広げることができる構成であれば、平面視矩形に限らず他の形状としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る脚車輪型ロボット１００の正面図である。
【図２】本発明に係る脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【図３】脚部１２を前方側から見た斜視図である。
【図４】図３における第１股関節駆動部１２０、第２股関節駆動部１２２及び第１リンク１７を含む構成部をやや上方から見た斜視図である。
【図５】図３に示す第１リンク１７及び第２リンク１９を含む構成部を後方側から見た斜視図である。
【図６】脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを示すブロック図である。
【図７】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図８】光切断法の原理を説明するための図である。
【図９】段差にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。
【図１０】第２リンク１９を主屈曲方向に限界位置まで回動させたときの脚部１２を正面側から見た斜視図である。
【図１１】図１０の状態の脚部１２を斜め後方側から見た斜視図である。
【図１２】第１リンク１７を主屈曲側に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め上方向から見た斜視図である。
【図１３】図１２の状態の脚部１２を側面から見た図である。
【図１４】図１２の状態の脚部１２を開脚方向に回動させたときの斜め上方向から見た斜視図である。
【符号の説明】
【００８１】
１００ 脚車輪型ロボット
１２０ 第１股関節駆動部
１２０ｂ 切り欠き
１２２ 第２股関節駆動部
１０ 基体
１２ 脚部
１４、１６、１８ 回転関節
１７ 第１リンク
１７ａ，１７ｂ 第１リンク部材
１７ｃ 第１のハウジング
１９ 第２リンク
１９ａ，１９ｂ 第２リンク部材
１９ｃ 第２のハウジング
２０ 車輪
２４ 脚先センサ
２６ 水平レーザ
２８、３０ 垂直レーザ
３２ カメラ
３４、３６ 障害物センサ
４０ 関節モータ
５０ 車輪モータ
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
６０ ＣＰＵ
６２ 角度取込Ｉ／Ｆ
６４ 通信Ｉ／Ｆ
７０ ３軸姿勢センサ
７６ ハブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リンクを連結して多関節構造のマニピュレータを構成するリンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部を備え、該各脚部を動作させて移動する脚型ロボットがある。各脚部は複数のリンク部材が直列に連結された構成のシリアルリンク機構を利用したものが一般的である。例えば、シリアルリンク機構のロボットとして、特許文献１に記載の脚式歩行ロボットなどがある。この種のロボットは、連結された各リンク部材における基端側（ロボットなどの基体に連結される側）のリンク部材に、これらのリンク部材に対して先端側（ロボットのなどの基体から離れる側）のリンク部材を回動させる関節（回転軸）を駆動するモータ等のアクチュエータを含む回転駆動機構が設けられており、アクチュエータを駆動することによって、該アクチュエータの動力が各関節に伝達される。これにより、各関節が動作（回転軸が回転）して、基体側のリンク部材に支持された先端側のリンク部材が動作（回動）する。
【０００３】
しかし、シリアルリンク機構を利用したロボットにあっては、各リンク部材の連結構造が片持ち梁の構造となっているため、各リンク部材に曲げ応力が作用することになり、十分な剛性を確保するのが困難であるという問題があった。
上記のような問題に対して、２つのリンク部材をパラレルに配設して各２つの端部（又は基体など）において他のリンクを両持ちで支持することで連結部の剛性を確保する方法がある。例えば、特許文献２に記載の関節モジュールは、回転する側のリンクを３つの部材を組み合わせてコ字状のフレームを有する構造とし、このコ字状のフレームを、固定側のリンクに両持ちで回転支持する構成としている。つまり、この構成により、関節を回転モーメントに対して強固なものとしている。
【特許文献１】特開２００５−７４９１号公報
【特許文献２】特開２００１−１９１２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献２の従来技術においては、ボックス形状をした固定側リンクの一部をコ字形状のフレームの内側に配設し、ボックスの両側面の中央位置で回転側リンクを両持ちで支持する構成が記載されている。この構成では、固定側リンクの形状に対して該固定側リンクとコ字状のフレームとの間に形成される間隙が狭くなり、回転側リンクの動作範囲（回動範囲）を著しく狭めてしまっている。つまり、両持ちで支持する構成は、回動を行うリンクの近傍の間隙の大きさや部材の形状などについても配慮しないと、回転側リンクの回動範囲を著しく狭めることになるが、上記特許文献２では、このことについては一切記載されていない。
【０００５】
また、ロボットの脚部を多関節のリンク機構から構成し、リンクをピッチ軸周りに回動限界位置まで回動した状態（脚を持ち上げた状態）で更にヨー軸周りに回動させると、リンクの回動する軌道上に、リンク機構の関節部を構成するフレームや基体などが存在し、これらにリンクがぶつかって、それ以上回動できなくなる場合がある。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであり、リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、各リンクの連結部の剛性を高めるのに好適なリンク機構、該リンク機構から成る脚部を有する脚車輪型ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１のリンク機構は、
第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、該第２関節駆動部に前記第２の回転軸周りに回転自在に支持された前記第１リンクとから構成されるリンク機構であって、
前記第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納され、前記リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記ハウジングにおける前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部が設けられた構成とし、
前記第２関節駆動部は、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持し、
前記第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持される部材を駆動する第１駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成したことを特徴とする。
【０００７】
このような構成であれば、第２回転駆動機構が駆動して、第１リンクが回動すると、第１リンクは第２関節駆動部に近づいていく。第１リンクの間隙は、第２関節駆動部の幅よりも広く且つ第１リンクの回動時に第１のハウジングの第２関節駆動部側の端部が第２関節駆動部に当接しない大きさを有するため、第１リンクは、第２関節駆動部の一部を第１リンクの間隙内に入り込ませながら回動を続け、その後、回動限界位置に到達する。
【０００８】
更に、第１リンクが回動限界位置に回動した状態で、第１回転駆動機構を駆動して、第１リンクが回動すると、第１リンクは、第１関節駆動部を構成するハウジングに近づいていく。第１リンクはハウジングとの当接位置に回動すると、そこから先はハウジングの当接位置に設けられた凹部へと進入しながら回動を続ける。
また、第１リンクに他のリンクや車輪などを回転自在に両持ちで支持することで、これらの駆動機構の少なくとも一部を、第１のハウジングの内部に収納することができる。なお、回転駆動される部材に限らず直進運動する部材を直進運動自在に支持し、該部材を直進運動させる駆動機構の少なくとも一部を第１のハウジングの内部に収納することも可能である。
【０００９】
ここで、上記第１フレームは、２つの第１リンク部材の端部に、第１のハウジングが一体形成されたものや、ボルトなどで一体的に形成されたものなどが該当し、使用目的に応じた剛性を確保できる構成であればどのような構成でも良い。
また、上記第１リンク部材は、例えば、板状の部材や、円柱状の部材など様々な形状のものが該当する。材質についても、樹脂部材、金属部材など使用目的に応じた条件（剛性等）を満足できるものであればどのような材質のものでも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１０】
また、上記第１のハウジングは、内容物（回転駆動機構など）を収納又は保護できる構成であれば、外形や内部空間の形状はどのような形状でも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１１】
〔発明２〕 更に、発明２のリンク機構は、発明１に記載のリンク機構において、
前記第１リンクは、前記第１のハウジング内に前記第１駆動機構の少なくとも一部を収納し、第２リンクを前記第２の回転軸と同じ方向の軸周りに回転自在に両持ちで支持すると共に、前記第１駆動機構で前記第２リンクを回転駆動し、
前記第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持された部材を駆動する第２駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成したことを特徴とする。
【００１２】
このような構成であれば、第３回転駆動機構が駆動して、第２リンクが回動すると、第２リンクは第１リンクに近づいていく。第２リンクの間隙は、第１リンクのフレームの幅よりも広く且つ第２リンクの回動時に第１のハウジングの第２リンク側の端部が第２のハウジングに当接しない大きさを有するため、第２リンクは、第１のハウジングの一部を第２リンクの間隙内に入り込ませつつ回動を続け、その後、回動限界位置に到達する。
【００１３】
また、第２リンクに他のリンクや車輪などを回転自在に両持ちで支持することで、これらの回転駆動機構の少なくとも一部を、第２のハウジングの内部に収納することができる。なお、回転駆動される部材に限らず直進運動する部材を直進運動自在に支持し、該部材を直進運動させる駆動機構の少なくとも一部を第２のハウジングの内部に収納することも可能である。
【００１４】
ここで、第１リンク部材と第２リンク部材とは、両者が、材質、形状、サイズ等が同一の部材又は異なる部材のいずれで構成されていても良い。また、第２リンク部材は、例えば、板状の部材や、円柱状の部材など様々な形状のものが該当する。材質についても、樹脂部材、金属部材など使用目的に応じた条件（剛性等）を満足できるものであればどのような材質のものでも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１５】
また、上記第２のハウジングは、内容物（回転駆動機構など）を収納又は保護できる構成であれば、外形や内部空間の形状はどのような形状でも良い。以下、形態５の脚車輪型ロボットについても同様である。
【００１６】
〔発明３〕 更に、発明３のリンク機構は、発明１又は２に記載のリンク機構において、
前記第１の回転軸に対する回転原点位置にあり且つ前記第２の回転軸に対する回転限界位置まで回動している前記第１リンクに対して、前記第１リンクの間隙の幅を、前記第１関節駆動部のハウジングにおける前記第１リンクと対向する部位の横幅より広く構成し、更に、前記対向する部位の形状を、前記第１の回転軸方向の断面が半円形状をなす曲面形状としたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、第１リンクが回動限界位置まで回動した状態で、第１回転駆動機構を駆動し、第１リンクを第１の回転軸周りに回動させたときに、第１関節駆動部の第１リンクと対向する部位の形状が第１の回転軸方向の断面が半円形状をなす曲面形状となっているので、第１リンクは、２つの第１リンク部材の間に第１関節駆動部の曲面形状側の部位の一部を挟みこみながら、曲面に沿って回動する。
【００１８】
〔発明４〕 更に、発明４のリンク機構は、発明１乃至３のいずれか１に記載のリンク機構において、
前記第１のハウジングの前記第２関節駆動部側の端面に、前記２つの第１リンク部材の相対方向と直交する方向に変位する傾斜面を設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、第１のハウジングの第２関節駆動部側の端面に傾斜面が構成されるので、第１リンクをこの傾斜側に回動させることで、例えば、端面を平らな面にした場合と比較して、第１リンクと第１関節駆動部及び第２関節駆動部とが接触するまでの回動距離を長くすることができる。
【００１９】
〔発明５〕 一方、上記目的を達成するために、発明５の脚車輪型ロボットは、
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記脚部及び前記車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
前記各脚部を、発明１乃至４のいずれか１に記載のリンク機構から構成したことを特徴とする。
このような構成であれば、脚車輪型ロボットの脚部において、発明１〜発明４のいずれか１に記載のリンク機構と同等の作用が得られる。
【００２０】
〔発明６〕 また、上記目的を達成するために、発明６の脚車輪型ロボットは、
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記各脚部及び前記各車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
各前記脚部は、第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する前記基体に支持された第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、前記第１リンクと、該第１リンクに対して前記第２の回転軸と同じ方向の第３の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第２リンクと、該第２リンクを回転駆動する第３回転駆動機構と、前記第２リンクに回転自在に支持された前記車輪と、該車輪を回転駆動する車輪駆動機構とから構成されるリンク機構を備え、
前記各脚部の第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納された構成とし、
前記各脚部の第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持される部材を回転駆動する第３回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記各脚部の第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持された部材を回転駆動する第４回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記各脚部の第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第１リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記第１関節駆動部のハウジング又は前記基体における前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部を設けたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成であれば、上記発明２のリンク機構と同等の作用に加え、脚部の取り付け位置などによって、第１リンクが第２の回転軸周りに回転限界位置まで回動した状態で第１の回転軸周りに回動したときに、最初に当接する部位が基体であったときに、第１リンクは、基体の第１リンクとの当接部位に設けられた凹部に進入して回動を続けることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、発明１のリンク機構及び発明５の脚車輪型ロボットによれば、第１関節駆動部の第１の回転軸周りに回動する第１リンクとの当接位置に第１リンクが進入可能な凹部を設け、第１リンクを２つの第１リンク部材を相対させ且つ端部に第３回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングを形成した構成とし、第２関節駆動部は、第１リンクを両持ちで支持し、更に、第１リンクの間隙を、第１リンクを第２の回転軸周りに回動したときに、少なくとも、第１のハウジングが第２関節駆動部と当接しない大きさに構成したので、従来の構成と比較して、第１リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、第１リンクの連結部の剛性を高めることができるという効果が得られる。
【００２３】
また、発明２のリンク機構並びに発明５及び６の脚車輪型ロボットによれば、第２リンクを２つの第２リンク部材を相対させ且つ端部に第４回転駆動機構の少なくとも一部を収納するハウジングを形成した構成とし、第１リンクの第１フレーム側の端部と第２リンクの２つの第２リンク部材とにおいて第２リンクを両持ちで支持し、更に、第２リンクの間隙を、第２リンクを回動時に、少なくとも、第１のハウジングが第２のハウジングと当接しない大きさに構成したので、従来の構成と比較して、第２リンクの可動範囲を十分に確保しつつ、各リンクの連結部の剛性を高めることができるという効果が得られる。
【００２４】
また、発明３のリンク機構及び発明５の脚車輪型ロボットによれば、第２の回転軸周りに回転限界位置まで回動した第１リンクを、第１の回転軸周りに回動させたときの、第１リンクと対向する第１関節駆動部の部位を曲面形状としたので、例えば、平面視矩形状（角張った形状）にしたときと比較して、第１の回転軸周りの回動範囲を確保した状態で第１リンクを第１関節駆動部により近づけることができ、これにより、第１リンクの第２の回転軸周りの可動範囲を広げることができるという効果が得られる。
【００２５】
また、発明４のリンク機構及び発明５の脚車輪型ロボットによれば、第１のハウジングの第２関節駆動部側を向く面に、２つの第１リンク部材の相対方向と直交する方向に変位する傾斜面を設けたので、第１リンクを傾斜面側に回動させたときに、第１リンクの可動範囲を広くすることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１〜図１４は、本発明に係るリンク機構及び脚車輪型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、図１及び図２に基づき、本発明に係る脚車輪型ロボットの概略構成を説明する。
図１は、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の正面図である。また、図２は、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【００２７】
脚車輪型ロボット１００は、図１及び図２に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
基体１０の前方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。
【００２８】
各脚部１２は、第１股関節駆動部１２０と、第２股関節駆動部１２２と、第１リンク１７と、第２リンク１９と、第１リンク１７及び第２リンク１９を回転自在に連結する２つの回転関節１６、１８とから構成されている。
各脚部１２の回転関節１４は、モータ４０と、第１股関節駆動部１２０と、減速機（例えば、ハーモニックドライブなど）とから構成されている。
【００２９】
第１股関節駆動部１２０は、ボックス形状のハウジング内に、回転軸と、該回転軸の軸受と、モータ４０及び該モータ４０の回転駆動力を回転軸に伝達する伝達機構から構成される第１回転駆動機構のうち伝達部が収納された構成となっている。
第１股関節駆動部１２０のハウジング内に配設された回転軸と、外部の減速機とは同軸に連結されており、減速機の上端部は、第１股関節駆動部１２０のハウジングの下面に接合され、該下面に設けられた貫通穴を通って、回転軸が減速機の軸受内に挿通された構成となっている。
【００３０】
回転関節１４は、第１回転駆動機構から回転駆動力を得て、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
各脚部１２の回転関節１６は、第２股関節駆動部１２２と、回転軸と、その軸受と、回転軸と同軸の減速機（例えば、ハーモニックドライブなど）とから構成されている。
第２股関節駆動部１２２は、モータ４０及び該モータ４０の回転駆動力を回転軸に伝達する伝達機構から構成される第２回転駆動機構と、回転軸、軸受及び減速機を覆う関節フレーム部と第２回転駆動機構を収納するハウジングとが一体形成されたフレームとを備え、ハウジング内に第２回転駆動機構を収納した構成となっている。
【００３１】
関節フレーム部の上面には、回転関節１４を構成する減速機の下端部が接合され、回転関節１６が回転関節１４の回転方向に回転自在に支持されている。
各脚部１２の第１リンク１７は、その上端部が、関節フレーム部において、回転関節１６に対してその回転方向に回転自在に連結されている。更に、第１リンク１７の下端側には、回転関節１８を回転駆動する第３回転駆動機構を収納するボックス形状のフレーム部（以下、第１のハウジングと称す）が一体形成されており、この第１のハウジングの内部には第３回転駆動機構が収納されている。第３回転駆動機構は、モータ４０、該モータ４０の回転駆動力を回転関節１８の回転軸に伝達する伝達機構などを含んで構成されている。
【００３２】
各脚部１２の第２リンク１９は、その上端部が、回転関節１８を介して、第１リンク１７に対して回転関節１８の回転方向に回転自在に連結されている。更に、第２リンク１９の下端側には、駆動輪２０を回転駆動する車輪駆動機構を収納するボックス形状のフレーム部（以下、第２のハウジングと称す）が一体形成されており、第２のハウジングの内部には車輪駆動機構が収納されている。更に、第２リンク１９の下端部には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転自在に設けられている。車輪駆動機構は、モータ５０、該モータ５０の回転駆動力を駆動輪２０の回転軸に伝達する伝達機構、減速機などを含んで構成されている。
【００３３】
回転関節１４及び回転関節１６は脚車輪型ロボット１００の股関節を構成し、回転関節１８は脚車輪型ロボット１００の膝関節を構成している。
回転関節１４は、下方を軸方向としてヨー軸周りに回転し、回転関節１６に連結された各構成部（第１リンク１７及び第１リンク１７に連結された第２リンク１９など）をヨー軸周りに回動させる。
【００３４】
また、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転し、第１リンク１７及び第２リンク１９を各回転方向に回動させる。従って、脚部１２は、それぞれ３自由度を有する。
【００３５】
各脚部１２の第２リンク１９には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定し、且つ接地面までの距離を測定する脚先センサ２４が設けられている。
一方、基体１０の正面の上部中央には、水平面レーザ光を照射する水平レーザ２６が設けられている。また、基体１０の正面の中央左右には、垂直面レーザ光を照射する垂直レーザ２８、３０がそれぞれ設けられている。
【００３６】
基体１０の正面の下部中央には、水平面レーザ光および垂直面レーザ光の反射光を含む画像を撮影するカメラ３２が設けられている。
水平レーザ２６は、カメラ３２で水平面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように下方に所定角度傾けて設けられている。同様に、垂直レーザ２８は、カメラ３２で垂直面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように右方に所定角度傾けて設けられ、垂直レーザ３０は、左方に所定角度傾けて設けられている。
【００３７】
カメラ３２の左右には、障害物を検出する障害物センサ３４、３６がそれぞれ設けられている。障害物センサ３４、３６は、指向性の低い超音波測距センサを複数アレイ状に配列して構成することができる。また、指向性の高い赤外線測距センサを複数アレイ状に配列して構成することもできる。アレイ状に配列する構成に限らず、単体で構成してもよい。また、超音波測距センサまたは赤外線測距センサを複数平面上に配列したエリアセンサで構成してもよい。これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する障害物を大まかに検出することができる。
【００３８】
次に、図３〜図５に基づき、脚部１２のより詳細な構成を説明する。
ここで、図３は、脚部１２を前方側から見た斜視図である。また、図４は、図３における第１股関節駆動部１２０、第２股関節駆動部１２２及び第１リンク１７を含む構成部をやや上方から見た斜視図である。また、図５は、図３に示す第１リンク１７及び第２リンク１９を含む構成部を後方側から見た斜視図である。
【００３９】
図３及び図４に示すように、第１股関節駆動部１２０を構成するボックス形状のハウジングは、その回転関節１４の回転軸が収納される側の外郭形状が、回転関節１４の回転軸と直交する方向の断面が半円形状をなす曲面形状、つまり、円筒を縦に半分に切ったような曲面形状となっている。また、この円筒部分を含む上面部はハウジングカバー１２０ａで覆われており、回転関節１４の回転軸を回転駆動するモータ４０が、ハウジングカバー１２０ａに覆われていない部分から上方に突出する形で設けられている。本実施の形態において、モータ４０の回転駆動力は、ハウジング内部のプーリ及びベルトから構成される伝達機構で回転関節１４の回転軸へと伝達される。
【００４０】
更に、第１股関節駆動部１２０の側面には、脚部１２の回転関節１４に対する回動範囲を広げる目的で、平面視矩形の切り欠き１２０ｂが設けられている。この切り欠き１２０ｂは、回転関節１６の回転駆動によって第１リンク１７が屈曲している状態で、回転関節１４の回転駆動によって第２股関節駆動部１２２が開脚方向に回動したときに、屈曲状態の第１リンク１７が第１股関節駆動部１２０の側面と丁度ぶつかる位置に設けられている。つまり、開脚方向への回動によって最初に第１股関節駆動部１２０の側面とぶつかる第１リンク１７の部位が、その回動方向に切り欠き１２０ｂ内に進入できる構成とすることによって回動範囲を広くしている。
【００４１】
ここで、開脚方向に回動させるとは、脚車輪型ロボット１００の右前脚を回転関節１４を時計回り方向に回転する方向に回動させ且つ左前脚を回転関節１４を反時計回り方向に回転させる方向に回動させることである。同様に、後ろ脚の場合は、左後脚を時計回り方向に回動させ、且つ右後脚を反時計回り方向に回動させることである。
一方、第１リンク１７の外郭を構成するフレーム（以下、第１フレームと称す）は、２つの板状の第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの板面同士を、回転関節１６の回転軸方向の幅よりも広い間隙を空けて相対させ、その下端側に、上端部に傾斜面、下端部に回転関節１８との連結用のコ字状の第１フレーム部が形成された略ボックス形状の第１のハウジング１７ｃが、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂと一体形成された構成となっている。本実施の形態では、第１のハウジング１７ｃのその正面から見たときの短尺方向の幅（横幅）を、上端側の一部分を除いて第１リンク部材１７ａ及び１７ｂのこれらを正面から見たときの間隙を挟んで形成する短尺方向の幅（横幅）よりも狭く構成している。
【００４２】
更に、第１リンク１７は、その第１フレームの上端部と第２股関節駆動部１２２の関節フレーム部とにおいて、回転関節１６を構成する回転軸、その軸受及び回転軸と同軸の減速機を介して、第２股関節駆動部１２２に両持ちで支持されている。このように、両側から支持する構成としたことで、回転モーメント等に対する連結部の剛性を高めている。
また、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂと第１のハウジング１７ｃの上面と回転関節１６とに囲まれた間隙の大きさは、第１リンク１７を回転関節１６の回転軸周りに主屈曲方向（図３中の前方側）に向けて回動させたときに、少なくとも、第１のハウジング１７ｃが回転関節１６に当接しない大きさに構成されている。これにより、第１リンク１７の主屈曲方向の回動を第１のハウジング１７ｃが阻害しないようにしている。なお、本実施の形態において、図３中の後方側に向けて第１リンク１７を屈曲する方向を第１リンク１７の副屈曲方向とする。
【００４３】
また、第１のハウジング１７ｃの上端部に形成された傾斜面は、回転関節１６の回転軸と直交する方向に変位する傾斜（本実施の形態においては、図３に示す前方側に向かって下っていく傾斜）を有している。これにより、第１リンク１７を、第１股関節駆動部１２０の曲面が、傾斜面と略平行となる位置（ぶつかる寸前の位置）に近づくまで回動させることができる。つまり、傾斜面を設けずに平らな面にした場合は、その角の部分が第１股関節駆動部１２０の曲面にぶつかることになるので、これと比較して、傾斜にした分だけ、第１リンク１７の回動範囲を広げることができる。
【００４４】
また、図３に示すように、第２リンク１９の外郭を構成するフレーム（以下、第２フレームと称す）は、２つの板状の第２リンク部材１９ａ及び１９ｂの板面同士を、第１リンク１７の第１フレームを正面から見てその第１のハウジング１７ｃのコ字状の第１フレーム部の短尺方向の幅（以下、横幅と称す）よりも広い間隙を空けて相対させ、その下端側に、上端部に傾斜面、下端部に駆動輪２０の取付用のコ字状の第２フレーム部が形成された略ボックス形状の第２のハウジング１９ｃが、第２リンク部材１９ａ及び１９ｂと一体形成された構成となっている。更に、第２のハウジング１９ｃのその正面から見たときの短尺方向の幅（横幅）を、上端側の一部分を除いて第２リンク部材１９ａ及び１９ｂのこれらを正面から見たときの間隙を挟んで形成する短尺方向の幅（横幅）よりも狭く構成している。
【００４５】
更に、第２リンク１９は、その第２フレームの上端部と第１リンク１７の下端に設けられたコ字状の第１フレーム部とにおいて、回転関節１８を構成する回転軸、その軸受及び回転軸と同軸の減速機を介して両持ちで支持されている。このように、両側から支持する構成としたことで、回転モーメント等に対する連結部の剛性を高めている。
また、第２リンク部材１９ａ及び１９ｂと第２のハウジング１７ｃの上面と回転関節１８とに囲まれた間隙の大きさは、第２リンク１９を回転間関節１８の回転軸周りに主屈曲方向（図３中の後方側）に向けて回動させたときに、少なくとも、第２のハウジング１９ｃが回転関節１８に当接しない大きさに構成されている。これにより、第２リンク１９の主屈曲方向の回動を第２のハウジング１９ｃが阻害するのを回避している。なお、本実施の形態において、図３中の前方側に向けて第２リンク１９を屈曲する方向を第２リンク１９の副屈曲方向とする。
【００４６】
また、第２のハウジング１９ｃの上端部に形成された傾斜面は、図５に示すように、回転関節１８の回転軸と直交する方向に変位する傾斜（本実施の形態においては、図３に示す後方側に向かって下っていく傾斜）を有している。これにより、第２リンク１９を、第１リンク１７の第１フレームの一部が、傾斜面と略平行となる位置（ぶつかる寸前の位置）に近づくまで回動させることができる。つまり、傾斜面を設けずに平らな面にした場合は、その角の部分が第１リンク１７の第１フレームにぶつかることになるので、これと比較して、傾斜にした分だけ、第２リンク１９の回動範囲を広げることができる。
【００４７】
なお、図３に示す例は、脚車輪型ロボット１００の左前脚の例となるが、右前脚についても同様となる。また、左後脚及び右後脚については、基体１０の向きを基準として、右前脚の例（図３の例）において、前方側を後方側に、後方側を前方側に入れ替えることで同様となる。
次に、脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを説明する。
【００４８】
図６は、脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを示すブロック図である。
各脚部１２には、図６に示すように、第１、第２、第３回転駆動機構に対して、回転関節１４、１６、１８を回転駆動するアクチュエータとして関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、モータ指令信号およびエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。
【００４９】
各脚部１２の駆動輪２０の回転軸を回転駆動する車輪駆動機構に対して、車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、更に、ＣＰＵ６０と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、カメラ３２の画像信号を処理するビジョンプロセッサ７２と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、ビジョンプロセッサ７２および無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成される。
【００５０】
３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、脚先センサ２４、障害物センサ３４及び３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【００５１】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図７のフローチャートに示す昇降制御処理を実行する。
図７は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に段差（障害物）があったときに実行される、脚部１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図７に示すように、ステップＳ１００に移行する。
【００５２】
ステップＳ１００では、ビジョンプロセッサ７２から画像を取り込み、ステップＳ１０２に移行する。
ステップＳ１０２では、取り込んだ画像に基づいて光切断法により段差の特徴点を抽出する。
図８は、光切断法の原理を説明するための図である。
【００５３】
光切断法は、三角測量の原理により計測対象上の座標を求める計測法である。図８に計測座標系を示す。 計測対象上の座標Ｐ（x0、y0、z0）は、カメラ３２の撮像素子上の任意の座標をＰs（xi、yi、zi）とすると、下式（１）により求められる。
【００５４】
【数１】
【００５５】
次に、得られた三次元座標から、レーザ光の反射光の不連続点または屈曲点を段差の特徴点として抽出する。 図９は、段差にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。
【００５６】
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に凸状の段差が存在すると、図９（ａ）左側に示すように、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光が段差の壁面および床面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む段差の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図９（ａ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび床面での反射光エッジを抽出することができる。そして、そのエッジ画像および上式（１）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの不連続点に対応する実座標を算出することができる。
【００５７】
また、図９（ｂ）左側に示すように、垂直レーザ２８から照射された垂直面レーザ光が段差の壁面および上面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む段差の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図９（ｂ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび上面での反射光エッジを抽出することができる。また、垂直レーザ３０についても同様であり、図９（ｃ）右側に示すように、壁面での反射光エッジおよび上面での反射光エッジを抽出することができる。そして、それらエッジ画像および上式（１）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの屈曲点に対する実座標を算出することができる。
【００５８】
図７に戻り、次いで、ステップＳ１０４に移行して、抽出した特徴点に基づいて段差の幅を算出し、ステップＳ１０６に移行する。
ステップＳ１０６、抽出した特徴点に基づいて段差の上面の実座標を算出し、ステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８では、算出した段差の幅および上面の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ１１０に移行する。
【００５９】
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８の計算結果に基づいて脚先の着地位置を決定し、ステップＳ１１２に移行する。
ステップＳ１１２では、車輪モータ５０の回転を停止すべき停止信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１４に移行する。これにより、車輪モータ５０が制御され駆動輪２０の回転を停止する（回転しないようにトルクをかけて保持する）。または、減速機などによって、車輪モータを駆動していないときに車輪が回転しないように保持する構成としても良い。この構成の場合は、車輪モータ５０への電力の供給を停止する。
【００６０】
ステップＳ１１４では、脚先センサ２４からセンサ信号を入力し、ステップＳ１１６に移行する。
ステップＳ１１６では、ステップＳ１１４で入力した脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて壁面までの距離を算出し、ステップＳ１１８に移行する。
ステップＳ１１８では、ステップＳ１１４で入力した脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と上面との位置関係を算出し、ステップＳ１２０に移行する。
【００６１】
ステップＳ１２０では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、ステップＳ１２０で生成したモータ指令信号をドライバ４４に出力し、ステップＳ１２４に移行する。
ステップＳ１２４では、脚先が着地位置に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。 一方、ステップＳ１２４で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。
【００６２】
次に、図１０〜図１４に基づき、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、図１０は、第２リンク１９を主屈曲方向に限界位置まで回動させたときの脚部１２を正面側から見た斜視図である。また、図１１は、図１０の状態の脚部１２を斜め後方側から見た斜視図である。また、図１２は、第１リンク１７を主屈曲側に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め上方向から見た斜視図である。また、図１３は、図１２の状態の脚部１２を側面から見た図である。また、図１４は、図１２の状態の脚部１２を開脚方向に回動させたときの斜め上方向から見た斜視図である。
【００６３】
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に凸状の段差が存在すると、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光、および垂直レーザ２８、３０から照射された垂直面レーザ光がそれぞれ段差で反射し、カメラ３２により、それら反射光を含む画像が撮影される。次いで、カメラ３２で撮影された画像が取り込まれ（ステップＳ１００）、取り込まれた画像から段差の特徴点が抽出される（ステップＳ１０２）。そして、抽出された特徴点に基づいて段差の幅及び段差上面の実座標が算出され（ステップＳ１０４〜Ｓ１０８）、算出された段差の幅及び段差上面の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される（ステップＳ１１０）。
【００６４】
着地位置が決定されると、各車輪２０を駆動する車輪モータ５０に対応するドライバ５４に対して、駆動輪２０の回転を停止させる停止信号を出力する（ステップＳ１１２）。これにより、各駆動輪２０が回転しないように制御される。
更に、脚先センサ２２、２４からそれぞれセンサ信号が入力され（ステップＳ１１４）、壁面までの距離及び脚先と段差上面との位置関係が算出される（ステップＳ１１６〜Ｓ１１８）。そして、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され（ステップＳ１２０）、生成されたモータ指令信号がドライバ４４に出力される（ステップＳ１２２）。これにより、回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット１００の脚部１２の姿勢が、段差を乗り越えるための姿勢へと変更される。
【００６５】
ここで、昇降対象の段差が脚部１２の回動限界以上の比較的高い段差であったとする。以下、説明の便宜上、右前脚の動作についてのみ説明する。
まず、駆動制御システムは、回転関節１８を回転駆動して、右前脚を構成する第２リンク１９を、図５の姿勢から、図１０に示すように、主屈曲方向に回動限界位置まで回動させる。
【００６６】
駆動制御システムの制御によって、第２リンク１９が主屈曲方向に回動を開始すると、第２リンク１９の第２リンク部材１９ａ及び１９ｂの横幅よりも狭い横幅で構成されている第１リンク１７の第１のハウジング１７ｃの下端部が、第２リンク１９の回動に伴い、第２リンク部材１９ａ及び１９ｂとの間に形成された間隙内に入り込んでいく。この間隙は、第２リンク１９を主屈曲方向に回動したときに、第１のハウジング１７ｃの下端部（回転関節１８の回転軸及び減速機を含む）が、第２のハウジング１９ｃの上端部と当接しないように適宜の大きさに形成されている。従って、第２のハウジング１９ｃの上端部と、第１のハウジング１７ｃの下端部とを接触させることなく、第２リンク１９は、第１のハウジング１７ｃの下端部を間隙内に入り込ませながら回動を続ける。
【００６７】
また、第２リンク１９が回動することによって、第２のハウジング１９ｃの上端面が、第１リンク１７の第１リンク部材１７ａ及び１７ｂへと、該第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの一部を第２リンク１９の間隙内に入り込ませながら近づいていく。第２のハウジング１９ｃの上端面には、先述したように、副屈曲方向に向かって下っていく傾斜面が形成されているため、図１１に示すように、第２リンク１９は、その傾斜面と第１リンク部材１７ａ及び１７ｂとが略平行になる位置まで回動していき、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂと第２の傾斜面とがぶつかる寸前で停止する。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、第２リンク１９の回動限界位置を検出するセンサの検出結果に基づき制御される。
【００６８】
次に、駆動制御システムは、段差の上面に脚先を持っていくために、第２リンク１９が主屈曲方向に回転限界位置まで回動している状態で、更に、回転関節１６を回転駆動して、第１リンク１７を、図４に示す状態から、図１２に示すように、主屈曲方向に回転限界位置まで回動させる。
駆動制御システムの制御によって、第１リンク１７が主屈曲方向に回動を開始すると、回転関節１６の回転軸方向の横幅が第１リンク１７の第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの横幅よりも狭く構成されているため、第１リンク１７の回動に伴い、回転関節１６の関節フレーム部側の下端部（回転関節１６の回転軸及び減速機を含む）が、第１リンク部材１７ａ及び１７ｂとの間に形成された間隙内に入り込む。この間隙は、第１リンク１７を主屈曲方向に回動時に、回転関節１６（関節フレーム部側の下端部）が、第１のハウジング１７ｃの上端部と当接しないように適宜の大きさに形成されている。従って、第１のハウジング１７ｃの上端部を、回転関節１６に接触させることなく、第１リンク１７は、回転関節１６の関節フレーム部側の下端部を間隙内に入り込ませながら回動を続ける。
【００６９】
更に、第１リンク１７が回動することによって、第１リンク１７の第１のハウジング１７ｃの上端面が、回転関節１４の一部を第１リンク部材１７ａ及び１７ｂの間隙内に入り込ませながら、回転関節１４の半円筒形状の曲面部へと近づいていく。第１のハウジング１７ｃの上端面には、先述したように、主屈曲方向に向かって下っていく傾斜面が形成されているため、図１３に示すように、第１リンク１７は、その傾斜面と第１股関節駆動部１２０の半円筒形状の曲面部とが略平行になる位置まで回動していき、傾斜面と曲面部とがぶつかる寸前で停止する。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、第１リンク１７の回転関節１６に対する回動限界位置を検出するセンサの検出結果に基づき制御される。
【００７０】
以上の制御によって、段差の上面へと右前脚の脚先を運ぶ。駆動制御システムは、図１２、図１３に示す姿勢でも段差に届かない場合は、更に、第２リンクを副屈曲方向に回動させる制御を行う。
次に、脚車輪型ロボット１００を、重心位置をできるだけ低くした状態で正面を向かせたまま真横方向に車輪走行で移動させる場合の動作を説明する。この場合は、各脚部１２を、図１２及び図１３に示す姿勢で開脚方向に駆動輪２０の進行方向が真横を向く回動角度分、回動させることになる。以下、説明の便宜上、右前脚の開脚動作のみを説明する。
【００７１】
具体的に、駆動制御システムは、第１リンク１７及び第２リンク１９が主屈曲方向の回動限界位置まで回動している状態で、回転関節１４を回転駆動して、第１リンク１７を、図１２及び図１３に示す状態から、開脚方向に駆動輪２０の進行方向が真横方向を向く回動位置まで回動させる。
第１リンク１７が図１２及び図１３に示す姿勢の状態で回転関節１４が回転駆動されると、第１リンク１７はその第１フレームの間隙の内面を、第１股関節駆動部１２０の半円筒形状の曲面に沿わせながら回動し、やがて回転関節１４の第１股関節駆動部１２０の側面へと到達する。第１股関節駆動部１２０の側面には、先述したように、第１フレームの当接位置に、平面視矩形の切り欠き１２０ｂが設けられているため、第１フレームは、側面との当接部分を切り欠き１２０ｂ内に進入させながら回動を続ける。
【００７２】
本実施の形態において、切り欠き１２０ｂは、第１リンク１７が第１股関節駆動部１２０のハウジングの曲面に沿って回動することから、内壁の一部が該曲面に沿って形成されている。従って、第１フレームの第１股関節駆動部１２０との当接部位は、切り欠き１２０ｂ内の曲面に沿って切り欠き１２０ｂの内部へと進入し、図１４に示すように、駆動輪２０の進行方向を、正面を向いた状態（図１２及び図１３に示す状態）から時計回り方向に略９０[°]回動する。これにより、駆動輪２０の進行方向が真横方向へと変更されると共に回動が停止される。この停止動作は、駆動制御システムにおいて、第１リンク１７の回転関節１４に対する回動限界位置を検出するセンサの検出結果又はエンコーダ４２の検出角度に基づき制御される。他の脚部１２についても同様の開脚動作を行うことで、脚車輪型ロボット１００を真横移動させることが可能な姿勢へと変更することができる。
【００７３】
以上より、各脚部１２の第１リンク１７を、２つの第１リンク部材１７ａ及び１７ｂを間隙を空けて相対させ、その上端部において回転関節１６で両持ちで支持し、下端部に略ボックス形状の第１のハウジング１７ｃを一体形成する構成とした。つまり、第１リンク１７を平行リンクのような構成としたので、その剛性を高めることができると共に、回転関節１６に両持ちで支持させたことで、連結部の剛性を高めることができる。
【００７４】
更に、第１リンク１７を主屈曲方向に回動時に、その間隙内に回転関節１６の一部を進入させる構成とし、第１のハウジング１７ｃの上端部に、第１リンク１７の主屈曲方向に下る傾斜を有する傾斜面を設けたので、従来と比較して、第１リンク１７の回動範囲を広げることができる。
更に、各脚部１２のヨー軸周りの回転関節である回転関節１４の第１股関節駆動部１２０の側面における、第１リンク１７を主屈曲方向に回動限界位置まで回動した状態で開脚方向に回動時に該第１リンク１７の第１フレームが当接する位置に、当接を回避する切り欠き１２０ｂを設けたので、切り欠きを設けなかった場合と比較して、第１リンク１７の開脚方向の回動範囲を広げることができる。
【００７５】
更に、各脚部１２の第１股関節駆動部１２０の第１リンク１７を主屈曲方向に回動時に相対する側の面を半円筒形状の曲面にしたので、曲面にしなかった場合と比較して、第１リンク１７のヨー軸周りの回動範囲を広げることができる。
更に、各脚部１２の第２リンク１９を、２つの第２リンク部材１９ａ及び１９ｂを間隙を空けて相対させ、その上端部を第１リンク１７で両持ちで支持し、下端部に略ボックス形状の第２のハウジング１９ｃを一体形成する構成とした。つまり、第２リンク１９を平行リンクのような構成としたので、その剛性を高めることができると共に、第１リンク１７に両持ちで支持させたことで、連結部の剛性を高めることができる。
【００７６】
更に、第２リンク１９を主屈曲方向に回動時に、第１リンク１７の第１フレームの下端部を進入させる構成とし、第２のハウジング１９ｃの上端部に、第２リンク１９の副屈曲方向に下る傾斜を有する傾斜面を設けたので、従来と比較して、第２リンク１９の回動範囲を広げることができる。
上記実施の形態において、脚車輪型ロボット１００は、発明５又は６に記載の脚車輪型ロボットに対応し、脚部１２は、発明１乃至４のリンク機構又は発明５若しくは６に記載の脚部に対応する。
【００７７】
また、上記実施の形態において、第１股関節駆動部１２０は、発明１、３、４及び６のいずれか１に記載の第１関節駆動部に対応し、第２股関節駆動部１２２は、発明１、４及び６のいずれか１に記載の第２関節駆動部に対応し、第３回転駆動機構は、発明１に記載の第１駆動機構又は発明６に記載の第３回転駆動機構に対応し、車輪駆動機構は、発明２に記載の第２駆動機構又は発明６に記載の車輪駆動機構に対応する。
【００７８】
また、上記実施の形態において、切り欠き１２０ｂは、発明１又は発明６に記載の凹部に対応する。
なお、上記実施の形態においては、第１リンク１７及び第２リンク１９を、板状のリンク部材で構成したが、これに限らず、円柱状のリンク部材など剛性を著しく損なうものでなければどのような形状のものを用いて構成しても良い。
【００７９】
また、上記実施の形態においては、第１のハウジング１７ｃの下部に、コ字状の第１フレーム部を設け、該第１フレーム部において第２リンク１９を両持ちで支持する構成としたが、これに限らず、第１のハウジング１７ｃの下部において直接、両持ちで支持する構成としても良い。
また、上記実施の形態においては、第１股関節駆動部１２０の側面に平面視矩形の切り欠き（凹み）１２０ｂを設ける構成としたが、これに限らず、主屈曲方向に屈曲時の第１リンク１７の回動範囲を広げることができる構成であれば、平面視矩形に限らず他の形状としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る脚車輪型ロボット１００の正面図である。
【図２】本発明に係る脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【図３】脚部１２を前方側から見た斜視図である。
【図４】図３における第１股関節駆動部１２０、第２股関節駆動部１２２及び第１リンク１７を含む構成部をやや上方から見た斜視図である。
【図５】図３に示す第１リンク１７及び第２リンク１９を含む構成部を後方側から見た斜視図である。
【図６】脚車輪型ロボット１００の駆動制御システムを示すブロック図である。
【図７】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図８】光切断法の原理を説明するための図である。
【図９】段差にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。
【図１０】第２リンク１９を主屈曲方向に限界位置まで回動させたときの脚部１２を正面側から見た斜視図である。
【図１１】図１０の状態の脚部１２を斜め後方側から見た斜視図である。
【図１２】第１リンク１７を主屈曲側に限界位置まで回動させたときの脚部１２を斜め上方向から見た斜視図である。
【図１３】図１２の状態の脚部１２を側面から見た図である。
【図１４】図１２の状態の脚部１２を開脚方向に回動させたときの斜め上方向から見た斜視図である。
【符号の説明】
【００８１】
１００ 脚車輪型ロボット
１２０ 第１股関節駆動部
１２０ｂ 切り欠き
１２２ 第２股関節駆動部
１０ 基体
１２ 脚部
１４、１６、１８ 回転関節
１７ 第１リンク
１７ａ，１７ｂ 第１リンク部材
１７ｃ 第１のハウジング
１９ 第２リンク
１９ａ，１９ｂ 第２リンク部材
１９ｃ 第２のハウジング
２０ 車輪
２４ 脚先センサ
２６ 水平レーザ
２８、３０ 垂直レーザ
３２ カメラ
３４、３６ 障害物センサ
４０ 関節モータ
５０ 車輪モータ
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
６０ ＣＰＵ
６２ 角度取込Ｉ／Ｆ
６４ 通信Ｉ／Ｆ
７０ ３軸姿勢センサ
７６ ハブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、該第２関節駆動部に前記第２の回転軸周りに回転自在に支持された前記第１リンクとから構成されるリンク機構であって、
前記第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納され、前記リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記ハウジングにおける前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部が設けられた構成とし、
前記第２関節駆動部は、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持し、
前記第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持される部材を駆動する第１駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成したことを特徴とするリンク機構。
【請求項２】
前記第１リンクは、前記第１のハウジング内に前記第１駆動機構の少なくとも一部を収納し、第２リンクを前記第２の回転軸と同じ方向の軸周りに回転自在に両持ちで支持すると共に、前記第１駆動機構で前記第２リンクを回転駆動し、
前記第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持された部材を駆動する第２駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成したことを特徴とする請求項１に記載のリンク機構。
【請求項３】
前記第１の回転軸に対する回転原点位置にあり且つ前記第２の回転軸に対する回転限界位置まで回動している前記第１リンクに対して、前記第１リンクの間隙の幅を、前記第１関節駆動部のハウジングにおける前記第１リンクと対向する部位の横幅より広く構成し、更に、前記対向する部位の形状を、前記第１の回転軸方向の断面が半円形状をなす曲面形状としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリンク機構。
【請求項４】
前記第１のハウジングの前記第２関節駆動部側の端面に、前記２つの第１リンク部材の相対方向と直交する方向に変位する傾斜面を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のリンク機構。
【請求項５】
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記脚部及び前記車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
前記各脚部を、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のリンク機構から構成したことを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項６】
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記各脚部及び前記各車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
各前記脚部は、第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する前記基体に支持された第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、前記第１リンクと、該第１リンクに対して前記第２の回転軸と同じ方向の第３の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第２リンクと、該第２リンクを回転駆動する第３回転駆動機構と、前記第２リンクに回転自在に支持された前記車輪と、該車輪を回転駆動する車輪駆動機構とから構成されるリンク機構を備え、
前記各脚部の第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納された構成とし、
前記各脚部の第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持される部材を回転駆動する第３回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記各脚部の第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持された部材を回転駆動する第４回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記各脚部の第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第１リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記第１関節駆動部のハウジング又は前記基体における前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部を設けたことを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項１】
第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、該第２関節駆動部に前記第２の回転軸周りに回転自在に支持された前記第１リンクとから構成されるリンク機構であって、
前記第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納され、前記リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記ハウジングにおける前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部が設けられた構成とし、
前記第２関節駆動部は、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持し、
前記第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持される部材を駆動する第１駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成したことを特徴とするリンク機構。
【請求項２】
前記第１リンクは、前記第１のハウジング内に前記第１駆動機構の少なくとも一部を収納し、第２リンクを前記第２の回転軸と同じ方向の軸周りに回転自在に両持ちで支持すると共に、前記第１駆動機構で前記第２リンクを回転駆動し、
前記第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して可動に支持された部材を駆動する第２駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成したことを特徴とする請求項１に記載のリンク機構。
【請求項３】
前記第１の回転軸に対する回転原点位置にあり且つ前記第２の回転軸に対する回転限界位置まで回動している前記第１リンクに対して、前記第１リンクの間隙の幅を、前記第１関節駆動部のハウジングにおける前記第１リンクと対向する部位の横幅より広く構成し、更に、前記対向する部位の形状を、前記第１の回転軸方向の断面が半円形状をなす曲面形状としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリンク機構。
【請求項４】
前記第１のハウジングの前記第２関節駆動部側の端面に、前記２つの第１リンク部材の相対方向と直交する方向に変位する傾斜面を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のリンク機構。
【請求項５】
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記脚部及び前記車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
前記各脚部を、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のリンク機構から構成したことを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項６】
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部と、各該脚部に回転自在に設けられた車輪と、前記各脚部及び前記各車輪の駆動を制御する制御手段とを備え、環境に応じて前記脚部及び前記車輪の少なくとも一方を駆動することによって移動する脚車輪型ロボットであって、
各前記脚部は、第１回転駆動機構を備え、自己に対して第１の回転軸周りに回転自在に支持された第２関節駆動部を前記第１回転駆動機構で回転駆動する前記基体に支持された第１関節駆動部と、第２回転駆動機構を備え、自己に対して前記第１の回転軸と直交する第２の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第１リンクを前記第２回転駆動機構で回転駆動する第２関節駆動部と、前記第１リンクと、該第１リンクに対して前記第２の回転軸と同じ方向の第３の回転軸周りに回転自在に両持ちで支持された第２リンクと、該第２リンクを回転駆動する第３回転駆動機構と、前記第２リンクに回転自在に支持された前記車輪と、該車輪を回転駆動する車輪駆動機構とから構成されるリンク機構を備え、
前記各脚部の第１関節駆動部を、そのフレームと一体に構成されたハウジングを備え、該ハウジング内に前記第１回転駆動機構の少なくとも一部が収納された構成とし、
前記各脚部の第１リンクは、２つの第１リンク部材を、少なくとも前記第２関節駆動部の前記第２回転軸方向の幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第１リンク部材の前記第２関節駆動部とは反対側の端部に、前記２つの第１リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持される部材を回転駆動する第３回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第１のハウジングが形成された構成の第１フレームを備え、
前記各脚部の第２リンクは、２つの第２リンク部材を、少なくとも前記第１のハウジングの幅よりも広い幅の間隙を空けて相対させると共に、該２つの第２リンク部材の前記第１リンクとは反対側の端部に、前記２つの第２リンク部材を前記間隙を空けた状態で固定支持し且つ自己に対して回転自在に支持された部材を回転駆動する第４回転駆動機構の少なくとも一部を収納する第２のハウジングが形成された構成の第２フレームを備え、
前記各脚部の第１リンクの間隙の大きさを、前記第１リンクを前記第２の回転軸周りに回動させたときに、少なくとも前記第１リンクの前記第２関節駆動部側の端部が該第２関節駆動部に当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第２リンクの間隙の大きさを、前記第２リンクを回動させたときに、少なくとも前記第１のハウジングの前記第２リンク側の端部が前記第２のハウジングに当接しない大きさに構成し、
前記各脚部の第１リンクを前記第２関節駆動部に対する回転限界位置まで回動させた状態で前記第１の回転軸周りに回動させたときに、前記第１関節駆動部のハウジング又は前記基体における前記第１リンクと当接する部位に、前記第１リンクの当接部がその回動方向に進入可能な凹部を設けたことを特徴とする脚車輪型ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−５０９４０（Ｐ２００９−５０９４０Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１８６５０（Ｐ２００７−２１８６５０）
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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