ロボット
【課題】簡素な構成にすることができ、しかも省エネ型に構成することができるロボットを提供する。
【解決手段】少なくとも複数本の可動脚２を備えたロボットであって、可動脚２は、胴体部に回転自在に備えた股関節部５と、股関節部５から一対の大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂを介して連結される膝関節部６と、膝関節部６から一対の下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂを介して連結される足関節部８と、大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂのうちの一方の大腿部リンク７Ａの膝関節側端部に固定されたギヤ１２と、ギヤ１２と噛合うようにギヤ１２を備える大腿部リンク７Ａと同一側の下腿部リンク９Ａの膝関節側端部に固定された連動ギヤ１３と、股関節部５を回動させるためのアクチュエータ１６とを備えさせた。
【解決手段】少なくとも複数本の可動脚２を備えたロボットであって、可動脚２は、胴体部に回転自在に備えた股関節部５と、股関節部５から一対の大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂを介して連結される膝関節部６と、膝関節部６から一対の下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂを介して連結される足関節部８と、大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂのうちの一方の大腿部リンク７Ａの膝関節側端部に固定されたギヤ１２と、ギヤ１２と噛合うようにギヤ１２を備える大腿部リンク７Ａと同一側の下腿部リンク９Ａの膝関節側端部に固定された連動ギヤ１３と、股関節部５を回動させるためのアクチュエータ１６とを備えさせた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、さまざまなロボットの開発が行われているが、高齢者や障害者にとって最適な生活支援用のロボット（介助用ロボット）の開発が望まれているが、成体としてのロボット開発は、未だ多くないのが現状である。
その中でも、例えば、多関節からなる可動脚を、関節毎に備えたアクチュエータにより歩行動作を行わせるものが提案されている。
【０００３】
具体的には、腰部フレームに取り付けられた股関節アクチュエータと、股関節アクチュエータから大腿部フレームを介して連結される膝関節アクチュエータと、膝関節アクチュエータから頸部フレームを介して連結される足関節アクチュエータとを備えて、それら３個のアクチュエータの駆動を操作することによって、可動脚を屈伸及び伸展させることで歩行を行わせることができるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８７１７７号公報（図２参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の構成によれば、すべての関節にアクチュエータを備えさせていることから、可動脚の構成が複雑になるだけでなく、脚毎に３個のアクチュエータを駆動するためのエネルギーコストも多くかかる不都合が発生していた。特に介助用ロボットとしては、長時間に渡って使用することができる省エネ型のロボットを開発することが最大の課題になっている。
【０００６】
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、簡素な構成にすることができ、しかも省エネ型に構成することができるロボットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のロボットは、前述の課題解決のために、少なくとも複数本の可動脚を備えたロボットであって、前記可動脚は、胴体部に回転自在に備えた股関節部と、該股関節部から一対の大腿部平行リンクを介して連結される膝関節部と、該膝関節部から一対の下腿部平行リンクを介して連結される足関節部と、前記大腿部平行リンクのうちの一方の大腿部リンクの膝関節側端部に固定されたギヤと、該ギヤと噛合うように該ギヤを備える大腿部リンクと同一側の下腿部リンクの膝関節側端部に固定された連動ギヤと、前記股関節部を回動させるためのアクチュエータとを備えさせたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、アクチュエータを駆動することによって、股関節部が回転し、その回転に伴って、ギヤを介して連動されている大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクが屈曲動作を行う。また、屈伸動作後、アクチュエータを前記とは反対方向に駆動することによって、ギヤを介して連動している大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクが伸展動作を行う。そして、二足歩行用のロボットであれば、例えば左右の可動脚を交互に前記屈曲動作と伸展動作を行うことによって、歩行することができ、四足歩行ロボットであれば、一脚ずつ又は対向する二脚ずつを前記屈曲動作と伸展動作を行うことによって、歩行することができる。前記屈曲動作では、屈曲動作開始後において動き出した大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクなどの重力による慣性力を利用することができるから、その分屈曲させるためのアクチュエータの動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるためのアクチュエータの動力を低減することができる。
【０００９】
また、本発明のロボットは、前記足関節部から足部を構成する足部用リンクと、該足部用リンクの遊端部に固定された接地足と、該足部用リンクの足関節部側端部に固定されたギヤと、このギヤに噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの足関節部側端部に固定されたギヤとを備えていてもよい。
【００１０】
また、本発明のロボットは、前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの股関節部側端部に固定されたギヤと、該ギヤに噛み合うように前記股関節部に固定され、歩行時において前記可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際に該可動脚が伸展することを妨げるためのブレーキ手段を備えていてもよい。
【００１１】
上記構成にしておけば、歩行時において前記可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際に可動脚が必要以上に伸展動作してしまい、可動脚の接地足の下端が地面に接地するといったことがない。従って、躓くことがない良好な歩行を行わせることができる。この場合、ブレーキ手段としては、電磁ブレーキの他、電動モータや回転ダンパーなどを用いることができる。電動モータを用いる場合には、可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行するときのみ駆動するようにすれば、電動モータの駆動による電力を低減することができる。また、回転ダンパーを用いる場合には、可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際にのみ作用するように、一方向クラッチを併用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
大腿部平行リンクと下腿部平行リンクとをギヤを用いて連動しておけば、股関節部を回動させるためのアクチュエータを備えさせるだけの簡素な構成で、可動脚を屈曲動作と伸展動作とを行わせることができるから、アクチュエータの数を減らすことができるだけでなく、可動脚の自重を利用してアクチュエータの動力を低減することができる。従って、特に介助用ロボットに望まれる省エネ型のロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】胴体部を省略した歩行ロボットの可動脚の側面図である。
【図２】図１で示した可動脚の正面図である。
【図３】図１で示した可動脚の股関節部の拡大側面図である。
【図４】図１で示した可動脚の股関節部の拡大正面図である。
【図５】四足歩行ロボットの側面図である。
【図６】（ａ）は、可動脚の初期姿勢をθ1＝１８０［ｄｅｇ．］とし、前方へ４５°、後方へ６０°、ゆっくりと股関節部を回転させて可動脚を振り、静止させたときに自重により釣り合ったときの各関節中心をプロットし、そのプロットした点を結んで構成したグラフであり、（ｂ）は、静的な釣り合いから理論上で求めた膝関節部の屈曲角と図６（ａ）で示した実験結果とを示したグラフである。
【図７】（ａ）は、股関節のみを回転させることにより可動脚の膝関節を屈伸させた状態を示す可動脚の概略図、（ｂ）は、股関節のみを回転させることにより可動脚の膝関節を伸展させた状態を示す可動脚の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図４には、介助用ロボットに用いられる最適な省エネ型の本発明の可動脚２を示している。この可動脚２は、二足歩行ロボットや四足歩行ロボットに用いられるが、二足以上であれば、どのような足数のロボットにも用いることができる。尚、図１において右側を前側とし、左側を後側として説明する。
【００１５】
前記可動脚２は、図１及び図２に示すように、ほぼ台形状で板状の左右一対の股関節部５，５と、股関節部５，５よりも下方に位置する円形で板状の左右一対の膝関節部６，６と、股関節部５，５と膝関節部６，６とを連結するための一対の大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂと、膝関節部６，６よりも下方に位置するほぼ三角形状で板状の左右一対の足関節部８，８と、膝関節部６，６と足関節部８，８とを連結するための一対の下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂと、足関節部８，８から下方に延出され、足部を構成する足部用リンク１０と、該足部用リンク１０の遊端部（下端部）に固定された下面が円弧状に形成された接地足１１とを備えている。前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ、下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂ、足部用リンク１０は、軽量化を図るために一側が開放された断面形状がコの字状に形成されているが、板状あるいはパイプ状であってもよい。
【００１６】
また、前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂのうちの一方（前側）の大腿部リンク７Ａの膝関節側端部に、ギヤ１２が固定され、該ギヤ１２と噛合うようにギヤ１２を備える大腿部リンク７Ａと同一側（前側）の下腿部リンク９Ａの膝関節側端部に固定された連動ギヤ１３と、足部用リンク１０の足関節部側端部に固定されたギヤ１４と、このギヤ１４に噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンク９Ｂの足関節部側端部に固定されたギヤ１５とを備えるとともに、前記股関節部５を回動させるためのアクチュエータとしての電動モータ（サーボモータ）１６を該股関節部５に備えさせている。
【００１７】
従って、電動モータ１６を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、可動脚２を前後に振ることで歩行することができるようになっている。つまり、電動モータ１６の駆動で大腿部リンク７Ａ，７Ｂが、図３に示すように股関節部５に取り付けられている支軸７ａ，７ｂ回りで揺動操作されることによって、ギヤ連動された下腿部リンク９Ａ，９Ｂが膝関節部６，６に対して大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂとは反対側にギヤ１３，１８（ギヤ１８は後述する）の支軸１３ａ，１８ａ回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク１０が足関節部８，８に対して下腿部リンク９Ａ，９Ｂとは反対側にギヤ１４の支軸１４ａ回りで揺動操作され、可動脚２が、図７（ａ）の屈曲動作と図７（ｂ）の伸展動作とを行うように構成している。
【００１８】
前記股関節部５，５間には、電動モータ１６の出力ギヤ１６Ａと噛合うギヤ１７（出力ギヤ１６Ａよりも大径にしている）を備えており、このギヤ１７の支軸１７Ａが内側の股関節部５を貫通して図示していない胴体部（又は胴体部を載置する支持フレームなど）に貫通支持されている。従って、電動モータ１６を駆動することによって、軸に固定されたギヤ１７の周囲を股関節部５が回転することができるように構成している。
【００１９】
また、前記下腿部リンク９Ｂの膝関節部側端部には、前記ギヤ１７よりも大径なギヤ１８が固定されており、このギヤ１８に噛合う屈伸動作補助用の電動モータ（サーボモータ）１９を膝関節部６，６に備えている。この電動モータ１９は、前記電動モータ１６と同一であり、膝関節部６，６の屈曲動作と伸展動作とを行うようにしている。このように電動モータ１９により、膝関節部６，６の屈曲させる場合には、リンク同士がギヤ連動されていることから、動き出した大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの慣性力を利用することができる。その結果、屈曲させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。従って、リンク同士をギヤ連動しないで、股関節部５、膝関節部６、足関節部８を３つの電動モータで独立して駆動する構成に比べて、消費電力を飛躍的に低減することができる利点がある。
【００２０】
前記電動モータ１９を次のように構成すれば、更に消費電力の低減を図ることができる。つまり、歩行時において前記可動脚２が屈伸動作（図７（ａ）参照）から伸展動作（図７（ｂ）参照）に移行する際に可動脚２が伸展することを妨げるためのブレーキ手段として電動モータ１９を用いる場合である。具体的には、可動脚２が伸展するときには、電動モータ１９を駆動させることにより下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂが伸びようとすることを遅らせるようにしている。このように構成することによって、歩行時に接地足１１が不測に地面に当たって躓くことを回避することができ、良好な歩行を行わせることができるようにしている。従って、屈伸動作時には、電動モータ１９を駆動しないようにしているから、その分消費電力の低減を図ることができる。この屈伸動作時に、電動モータ１９とギヤ１８との連動状態を遮断するためのクラッチを両者間、または電動モータ１９側に設けて実施することになる。
【００２１】
このように構成された可動脚２は、電動モータ１６を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、前後に振ることで歩行動作を行うことができるようになっている。尚、屈伸動作補助用の電動モータ１９も前記電動モータ１６に連動して駆動することになる。つまり、電動モータ１６の駆動で股関節部５が回転することによって、大腿部リンク７Ａ，７Ｂが支軸７ａ，７ｂ回りで揺動操作される。そして、ギヤ連動された下腿部リンク９Ａ，９Ｂが膝関節部６，６に対して大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂとは反対側にギヤ１３，１８（ギヤ１８は後述する）の支軸１３ａ，１８ａ回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク１０が足関節部８，８に対して下腿部リンク９Ａ，９Ｂとは反対側にギヤ１４の支軸１４ａ回りで揺動操作され、可動脚２が、図７（ａ）の屈曲動作と図７（ｂ）の伸展動作とを交互に行って歩行動作を行うように構成されている。尚、前記下腿部リンク９Ａ，９Ｂの揺動時には、前記電動モータ１９の駆動力が補助することになる。
【００２２】
前記２つの電動モータ１６，１９のうちの屈伸動作補助用の電動モータ１９を用いないで１つの電動モータ１６のみで可動脚２を屈伸動作と伸展動作とを行う場合について説明する。この場合、可動脚２の重量が変化しないように、電動モータ１９を取り外すことなく、電動モータ１９とギヤ１８との噛合いを解除している。そして、このように構成した可動脚２を電動モータ１６のみの駆動で屈曲させたときの実験結果を、図６（ａ）に示している。具体的には、可動脚２の初期姿勢をθ1＝１８０［ｄｅｇ］とし、前方へ４５°、後方へ６０°、ゆっくりと股関節部５を電動モータ１６により回転させて可動脚２を振り、静止させた状態で可動脚２の自重により釣り合った時の各関節部の中心を結んでグラフにしている。このグラフから、股関節部５の回転で膝関節部６に電動モータ１９により回転トルクを印加しなくても、ギヤ連動している膝関節部以下の可動脚２の形状が自ずと変化し、遊脚期間（接地足１１が空中に存在している期間）の可動脚２の姿勢に有効であることが判る。
【００２３】
また、図６（ｂ）では、静的な釣り合いから理論上求めた膝関節部６の屈曲角と、図６（ａ）で示した実験結果との比較をグラフにしたものであり、実線が理論値であり、破線が計測値である。図６（ｂ）では、両方の角度とも同じような角度になっており、膝関節部６以下の重量配分を調整することによって膝関節部６の屈曲量を増減させることが可能である。このことから、膝関節部６に設けた電動モータ１９の小型化に大きく寄与することは勿論のこと、電動モータ１９を省略しても可動脚２の良好な屈曲ができることがわかる。
【００２４】
図５に、前記可動脚２を用いた四足歩行ロボットを示している。この四足歩行ロボットは、支持フレーム１の前部に、前記可動脚２と同一の左右一対の前側可動脚２，２（図１が側面図であるため、右側の可動脚しか見えていない）を備え、支持フレーム１の後部に、前記可動脚とは異なる左右一対の後側可動脚３，３（図１が側面図であるため、右側の可動脚しか見えていない）を備えている。
【００２５】
前記支持フレーム１は、下向きに突出屈曲されたほぼ逆アーチ型のフレーム本体１Ａと、このフレーム本体１Ａの前後端を前後方向で連結する一直線状の補強フレーム１Ｂとを備え、前記補強フレーム１Ｂの前後の上面のそれぞれには、前記前後の可動脚２，２、３，３の上端を支持するための支持部材４を備えている。
【００２６】
前記前側の可動脚２は、前記と同様に、ほぼ台形状で板状の左右一対の股関節部５，５（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部５，５よりも下方に位置する円形で板状の左右一対の膝関節部６，６（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部５，５と膝関節部６，６とを連結するための一対の大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂと、膝関節部６，６よりも下方に位置するほぼ三角形状で板状の左右一対の足関節部８，８（図１では右側のみ示している）と、膝関節部６，６と足関節部８，８とを連結するための一対の下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂと、足関節部８，８から下方に延出され、足部を構成する足部用リンク１０と、該足部用リンク１０の遊端部（下端部）に固定された下面が円弧状に形成された接地足１１とを備えている。前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ、下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂ、足部用リンク１０は、軽量化を図るために一側が開放された断面形状がコの字状に形成されているが、板状あるいはパイプ状であってもよい。
【００２７】
また、前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂのうちの一方（図１では前側）の大腿部リンク７Ａの膝関節側端部に、ギヤ１２が固定され、該ギヤ１２と噛合うようにギヤ１２を備える大腿部リンク７Ａと同一側（前側）の下腿部リンク９Ａの膝関節側端部に固定された連動ギヤ１３と、足部用リンク１０の足関節部側端部に固定されたギヤ１４と、このギヤ１４に噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンク９Ｂの足関節部側端部に固定されたギヤ１５とを備えるとともに、前記股関節部５を回動させるためのアクチュエータとしての電動モータ（サーボモータ）１６を該股関節部５に備えさせている。
【００２８】
従って、電動モータ１６を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、可動脚２を前後に振ることで歩行することができるようになっている。つまり、電動モータ１６の駆動で大腿部リンク７Ａ，７Ｂが後述の支軸１７Ａ回りで揺動操作されることによって、ギヤ連動された下腿部リンク９Ａ，９Ｂが膝関節部６，６に対して大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂとは反対側にギヤ１３，１８（ギヤ１８は後述する）の支軸回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク１０が足関節部８，８に対して下腿部リンク９Ａ，９Ｂとは反対側にギヤ１４の支軸回りで揺動操作され、可動脚２が、図７（ａ）の屈曲動作と図７（ｂ）の伸展動作とを交互に行うように構成している。
【００２９】
前記股関節部５，５間には、電動モータ１６の出力ギヤ１６Ａと噛合うギヤ１７（出力ギヤ１６Ａよりも大径にしている）を備えており、このギヤ１７の支軸１７Ａが内側の股関節部５を貫通して前記支持部材４に貫通支持されている。従って、電動モータ１６を駆動することによって、軸に固定されたギヤ１７の周囲を股関節部５が回転することができるように構成している。
【００３０】
また、前記下腿部リンク９Ｂの膝関節部側端部には、前記ギヤ１７よりも大径なギヤ１８が固定されており、このギヤ１８に噛合う屈伸動作補助用の電動モータ（サーボモータ）１９を膝関節部６，６に備えている。この電動モータ１９は、前記電動モータ１６と同一であり、膝関節部６，６の屈曲動作と伸展動作とを行うようにしている。このように電動モータ１９により、膝関節部６，６の屈曲させる場合には、リンク同士がギヤ連動されていることから、動き出した大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの慣性力を利用することができる。その結果、屈曲させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。従って、リンク同士をギヤ連動しないで、股関節部５、膝関節部６、足関節部８を３つの電動モータで独立して駆動する構成に比べて消費電力を飛躍的に低減することができる。
【００３１】
前記電動モータ１９を次のように構成すれば、更に消費電力の低減を図ることができる。つまり、歩行時において前記可動脚２が屈伸動作（図７（ａ）参照）から伸展動作（図７（ｂ）参照）に移行する際に可動脚２が伸展することを妨げるためのブレーキ手段として電動モータ１９を用いる場合である。具体的には、可動脚２が伸展するときには、電動モータ１９を駆動させることにより下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂが伸びようとすることを遅らせるようにしている。このように構成することによって、歩行時に接地足１１が不測に地面に当たって躓くことを回避することができ、良好な歩行を行わせることができるようにしている。従って、屈伸動作時には、電動モータ１９を駆動しないようにしているから、その分消費電力の低減を図ることができる。この屈伸動作時に、電動モータ１９とギヤ１８との連動状態を遮断するためのクラッチを両者間、または電動モータ１９側に設けて実施することになる。
【００３２】
前記後側の可動脚３は、前側の可動脚２と基本構成が同じであるが、リンクの長さを変更するとともにリンクを連動させるギヤの前後の配置を変更することで、図１に示すように前側の可動脚２の姿勢と異なる姿勢となるようにしている。
【００３３】
具体的には、ほぼ台形状で板状の左右一対の股関節部２０，２０（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部２０，２０よりも下方に位置する円形で板状の左右一対の膝関節部２１，２１（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部２０，２０と膝関節部２１，２１とを連結するための一対の大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂと、膝関節部２１，２１よりも下方に位置するほぼ三角形状で板状の左右一対の足関節部２２，２２（図１では右側のみ示している）と、膝関節部２１，２１と足関節部２２，２２とを連結するための一対の下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂと、足関節部８，８から下方に延出され、足部を構成する足部用リンク２４と、該足部用リンク２４の遊端部（下端部）に固定された下面が円弧状に形成された接地足２５とを備えている。前記大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂ、下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂ、足部用リンク２４は、軽量化を図るために一側が開放された断面形状がコの字状に形成されているが、板状あるいはパイプ状であってもよい。
【００３４】
また、前記大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂのうちの一方（図１では後側）の大腿部リンク２２Ｂの膝関節側端部に、ギヤ２６が固定され、該ギヤ２６と噛合うようにギヤ２６を備える大腿部リンク２２Ｂと同一側（後側）の下腿部リンク２３Ｂの膝関節側端部に固定された連動ギヤ２７と、足部用リンク２４の足関節部側端部に固定されたギヤ２８と、このギヤ２８に噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンク２３Ｂの足関節部側端部に固定されたギヤ２９とを備えるとともに、前記股関節部５を回動させるためのアクチュエータとしての電動モータ（サーボモータ）３０を該股関節部２０に備えさせている。
【００３５】
従って、電動モータ３０を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、可動脚３を前後に振ることで歩行することができるようになっている。つまり、電動モータ３０の駆動で大腿部リンク２２Ａ，２２Ｂが後述の支軸３１Ａ回りで揺動操作されることによって、ギヤ連動された下腿部リンク２３Ａ，２３Ｂが膝関節部２１，２１に対して大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂとは反対側にギヤ２７，３２（ギヤ３２は後述する）の支軸回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク２４が足関節部２２，２２に対して下腿部リンク２３Ａ，２３Ｂとは反対側にギヤ２８の支軸回りで揺動操作され、可動脚３が、屈曲動作と伸展動作とを交互に行うように構成している。
【００３６】
前記股関節部２０，２０間には、電動モータ３０の出力ギヤ３０Ａと噛合うギヤ３１（出力ギヤ３０Ａよりも大径にしている）を備えており、このギヤ３１の支軸３１Ａが内側の股関節部２０を貫通して前記支持部材４に貫通支持されている。従って、電動モータ３０を駆動することによって、軸に固定されたギヤ３１の周囲を股関節部２０が回転することができるように構成している。
【００３７】
また、前記下腿部リンク２３Ａの膝関節部側端部には、前記ギヤ３１よりも大径なギヤ３２が固定されており、このギヤ３２に噛合う屈伸動作補助用の電動モータ（サーボモータ）３３を膝関節部６，６に備えている。この電動モータ３３は、前記電動モータ３０と同一であり、膝関節部６，６の屈曲動作と伸展動作とを行うようにしている。このように電動モータ３３により、膝関節部６，６の屈曲させる場合には、リンク同士がギヤ連動されていることから、動き出した大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂ及び下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂなどの重力による慣性力を利用することができる。その結果、屈曲させるための電動モータ３０の動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂ及び下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるための電動モータ３３の動力を低減することができる。従って、リンク同士をギヤ連動しないで、股関節部２０、膝関節部２１、足関節部２２を３つの電動モータで独立して駆動する構成に比べて消費電力を飛躍的に低減することができる。
【００３８】
前記電動モータ３３を次のように構成すれば、更に消費電力の低減を図ることができる。つまり、歩行時において前記可動脚２が屈伸動作から伸展動作に移行する際に可動脚３が伸展することを妨げるためのブレーキ手段として電動モータ３３を用いる場合である。具体的には、可動脚３が伸展するときには、電動モータ３３を駆動させることにより下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂが伸展することを遅らせるようにしている。このように構成することによって、歩行時に接地足１１が不測に地面に当たって躓くことを回避することができ、良好な歩行を行わせることができるようにしている。従って、屈伸動作時には、電動モータ３３を駆動しないようにしているから、その分消費電力の低減を図ることができる。この屈伸動作時に、電動モータ３３とギヤ３２との連動状態を遮断するためのクラッチを両者間、または電動モータ３３側に設けて実施することになる。
【００３９】
四足歩行ロボットの歩行には、クロール歩行やトロット歩行などがあるが、どのような歩行であってもよい。また、四足歩行ロボットの歩行制御としては、ＰＴＰ制御やＣＰ制御などがあるが、どのような歩行制御であってもよい。
【００４０】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４１】
前記実施形態では、ブレーキ手段として、電動モータ１９，３３を用いたが、電磁ブレーキや磁性流体ブレーキなど、各種の制動装置を用いてもよい。また、ブレーキ手段として、回転ダンパーを用いてもよい。この場合、可動脚２，３の伸展時においてのみ作用するように一方向クラッチを併用することになる。
【００４２】
また、前記実施形態では、足関節部８，８に足部用リンク１０を介して接地足１１を取り付けたが、足部用リンク１０を省略し、足関節部８，８に接地足１１を直接取り付けてもよいし、足関節部８，８が接地足１１を兼用構成してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…支持フレーム、１Ａ…フレーム本体、１Ｂ…補強フレーム、２，３…可動脚、４…支持部材、５…股関節部、５，２０…股関節部、６，２１…膝関節部、７Ａ，７Ｂ…大腿部平行リンク、７ａ，７ｂ…支軸、８，２２…足関節部、９Ａ，９Ｂ…下腿部平行リンク、１０…足部用リンク、１１…接地足、１２，１４，１５，１７，１８…ギヤ、１３，１８…連動ギヤ、１３ａ，１４ａ，１７Ａ，１８ａ…支軸、１６，１９，３０，３３…電動モータ、１６Ａ…出力ギヤ、２２Ａ，２２Ｂ…大腿部平行リンク、２３Ａ，２３Ｂ…下腿部平行リンク、２４…足部用リンク、２５…接地足、２６，２８，２９，３１，３２…ギヤ、２７…連動ギヤ、３０，３３…電動モータ、３０Ａ…出力ギヤ、３１Ａ…支軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、さまざまなロボットの開発が行われているが、高齢者や障害者にとって最適な生活支援用のロボット（介助用ロボット）の開発が望まれているが、成体としてのロボット開発は、未だ多くないのが現状である。
その中でも、例えば、多関節からなる可動脚を、関節毎に備えたアクチュエータにより歩行動作を行わせるものが提案されている。
【０００３】
具体的には、腰部フレームに取り付けられた股関節アクチュエータと、股関節アクチュエータから大腿部フレームを介して連結される膝関節アクチュエータと、膝関節アクチュエータから頸部フレームを介して連結される足関節アクチュエータとを備えて、それら３個のアクチュエータの駆動を操作することによって、可動脚を屈伸及び伸展させることで歩行を行わせることができるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８７１７７号公報（図２参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の構成によれば、すべての関節にアクチュエータを備えさせていることから、可動脚の構成が複雑になるだけでなく、脚毎に３個のアクチュエータを駆動するためのエネルギーコストも多くかかる不都合が発生していた。特に介助用ロボットとしては、長時間に渡って使用することができる省エネ型のロボットを開発することが最大の課題になっている。
【０００６】
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、簡素な構成にすることができ、しかも省エネ型に構成することができるロボットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のロボットは、前述の課題解決のために、少なくとも複数本の可動脚を備えたロボットであって、前記可動脚は、胴体部に回転自在に備えた股関節部と、該股関節部から一対の大腿部平行リンクを介して連結される膝関節部と、該膝関節部から一対の下腿部平行リンクを介して連結される足関節部と、前記大腿部平行リンクのうちの一方の大腿部リンクの膝関節側端部に固定されたギヤと、該ギヤと噛合うように該ギヤを備える大腿部リンクと同一側の下腿部リンクの膝関節側端部に固定された連動ギヤと、前記股関節部を回動させるためのアクチュエータとを備えさせたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、アクチュエータを駆動することによって、股関節部が回転し、その回転に伴って、ギヤを介して連動されている大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクが屈曲動作を行う。また、屈伸動作後、アクチュエータを前記とは反対方向に駆動することによって、ギヤを介して連動している大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクが伸展動作を行う。そして、二足歩行用のロボットであれば、例えば左右の可動脚を交互に前記屈曲動作と伸展動作を行うことによって、歩行することができ、四足歩行ロボットであれば、一脚ずつ又は対向する二脚ずつを前記屈曲動作と伸展動作を行うことによって、歩行することができる。前記屈曲動作では、屈曲動作開始後において動き出した大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクなどの重力による慣性力を利用することができるから、その分屈曲させるためのアクチュエータの動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク及び下腿部平行リンクなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるためのアクチュエータの動力を低減することができる。
【０００９】
また、本発明のロボットは、前記足関節部から足部を構成する足部用リンクと、該足部用リンクの遊端部に固定された接地足と、該足部用リンクの足関節部側端部に固定されたギヤと、このギヤに噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの足関節部側端部に固定されたギヤとを備えていてもよい。
【００１０】
また、本発明のロボットは、前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの股関節部側端部に固定されたギヤと、該ギヤに噛み合うように前記股関節部に固定され、歩行時において前記可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際に該可動脚が伸展することを妨げるためのブレーキ手段を備えていてもよい。
【００１１】
上記構成にしておけば、歩行時において前記可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際に可動脚が必要以上に伸展動作してしまい、可動脚の接地足の下端が地面に接地するといったことがない。従って、躓くことがない良好な歩行を行わせることができる。この場合、ブレーキ手段としては、電磁ブレーキの他、電動モータや回転ダンパーなどを用いることができる。電動モータを用いる場合には、可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行するときのみ駆動するようにすれば、電動モータの駆動による電力を低減することができる。また、回転ダンパーを用いる場合には、可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際にのみ作用するように、一方向クラッチを併用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
大腿部平行リンクと下腿部平行リンクとをギヤを用いて連動しておけば、股関節部を回動させるためのアクチュエータを備えさせるだけの簡素な構成で、可動脚を屈曲動作と伸展動作とを行わせることができるから、アクチュエータの数を減らすことができるだけでなく、可動脚の自重を利用してアクチュエータの動力を低減することができる。従って、特に介助用ロボットに望まれる省エネ型のロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】胴体部を省略した歩行ロボットの可動脚の側面図である。
【図２】図１で示した可動脚の正面図である。
【図３】図１で示した可動脚の股関節部の拡大側面図である。
【図４】図１で示した可動脚の股関節部の拡大正面図である。
【図５】四足歩行ロボットの側面図である。
【図６】（ａ）は、可動脚の初期姿勢をθ1＝１８０［ｄｅｇ．］とし、前方へ４５°、後方へ６０°、ゆっくりと股関節部を回転させて可動脚を振り、静止させたときに自重により釣り合ったときの各関節中心をプロットし、そのプロットした点を結んで構成したグラフであり、（ｂ）は、静的な釣り合いから理論上で求めた膝関節部の屈曲角と図６（ａ）で示した実験結果とを示したグラフである。
【図７】（ａ）は、股関節のみを回転させることにより可動脚の膝関節を屈伸させた状態を示す可動脚の概略図、（ｂ）は、股関節のみを回転させることにより可動脚の膝関節を伸展させた状態を示す可動脚の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図４には、介助用ロボットに用いられる最適な省エネ型の本発明の可動脚２を示している。この可動脚２は、二足歩行ロボットや四足歩行ロボットに用いられるが、二足以上であれば、どのような足数のロボットにも用いることができる。尚、図１において右側を前側とし、左側を後側として説明する。
【００１５】
前記可動脚２は、図１及び図２に示すように、ほぼ台形状で板状の左右一対の股関節部５，５と、股関節部５，５よりも下方に位置する円形で板状の左右一対の膝関節部６，６と、股関節部５，５と膝関節部６，６とを連結するための一対の大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂと、膝関節部６，６よりも下方に位置するほぼ三角形状で板状の左右一対の足関節部８，８と、膝関節部６，６と足関節部８，８とを連結するための一対の下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂと、足関節部８，８から下方に延出され、足部を構成する足部用リンク１０と、該足部用リンク１０の遊端部（下端部）に固定された下面が円弧状に形成された接地足１１とを備えている。前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ、下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂ、足部用リンク１０は、軽量化を図るために一側が開放された断面形状がコの字状に形成されているが、板状あるいはパイプ状であってもよい。
【００１６】
また、前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂのうちの一方（前側）の大腿部リンク７Ａの膝関節側端部に、ギヤ１２が固定され、該ギヤ１２と噛合うようにギヤ１２を備える大腿部リンク７Ａと同一側（前側）の下腿部リンク９Ａの膝関節側端部に固定された連動ギヤ１３と、足部用リンク１０の足関節部側端部に固定されたギヤ１４と、このギヤ１４に噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンク９Ｂの足関節部側端部に固定されたギヤ１５とを備えるとともに、前記股関節部５を回動させるためのアクチュエータとしての電動モータ（サーボモータ）１６を該股関節部５に備えさせている。
【００１７】
従って、電動モータ１６を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、可動脚２を前後に振ることで歩行することができるようになっている。つまり、電動モータ１６の駆動で大腿部リンク７Ａ，７Ｂが、図３に示すように股関節部５に取り付けられている支軸７ａ，７ｂ回りで揺動操作されることによって、ギヤ連動された下腿部リンク９Ａ，９Ｂが膝関節部６，６に対して大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂとは反対側にギヤ１３，１８（ギヤ１８は後述する）の支軸１３ａ，１８ａ回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク１０が足関節部８，８に対して下腿部リンク９Ａ，９Ｂとは反対側にギヤ１４の支軸１４ａ回りで揺動操作され、可動脚２が、図７（ａ）の屈曲動作と図７（ｂ）の伸展動作とを行うように構成している。
【００１８】
前記股関節部５，５間には、電動モータ１６の出力ギヤ１６Ａと噛合うギヤ１７（出力ギヤ１６Ａよりも大径にしている）を備えており、このギヤ１７の支軸１７Ａが内側の股関節部５を貫通して図示していない胴体部（又は胴体部を載置する支持フレームなど）に貫通支持されている。従って、電動モータ１６を駆動することによって、軸に固定されたギヤ１７の周囲を股関節部５が回転することができるように構成している。
【００１９】
また、前記下腿部リンク９Ｂの膝関節部側端部には、前記ギヤ１７よりも大径なギヤ１８が固定されており、このギヤ１８に噛合う屈伸動作補助用の電動モータ（サーボモータ）１９を膝関節部６，６に備えている。この電動モータ１９は、前記電動モータ１６と同一であり、膝関節部６，６の屈曲動作と伸展動作とを行うようにしている。このように電動モータ１９により、膝関節部６，６の屈曲させる場合には、リンク同士がギヤ連動されていることから、動き出した大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの慣性力を利用することができる。その結果、屈曲させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。従って、リンク同士をギヤ連動しないで、股関節部５、膝関節部６、足関節部８を３つの電動モータで独立して駆動する構成に比べて、消費電力を飛躍的に低減することができる利点がある。
【００２０】
前記電動モータ１９を次のように構成すれば、更に消費電力の低減を図ることができる。つまり、歩行時において前記可動脚２が屈伸動作（図７（ａ）参照）から伸展動作（図７（ｂ）参照）に移行する際に可動脚２が伸展することを妨げるためのブレーキ手段として電動モータ１９を用いる場合である。具体的には、可動脚２が伸展するときには、電動モータ１９を駆動させることにより下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂが伸びようとすることを遅らせるようにしている。このように構成することによって、歩行時に接地足１１が不測に地面に当たって躓くことを回避することができ、良好な歩行を行わせることができるようにしている。従って、屈伸動作時には、電動モータ１９を駆動しないようにしているから、その分消費電力の低減を図ることができる。この屈伸動作時に、電動モータ１９とギヤ１８との連動状態を遮断するためのクラッチを両者間、または電動モータ１９側に設けて実施することになる。
【００２１】
このように構成された可動脚２は、電動モータ１６を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、前後に振ることで歩行動作を行うことができるようになっている。尚、屈伸動作補助用の電動モータ１９も前記電動モータ１６に連動して駆動することになる。つまり、電動モータ１６の駆動で股関節部５が回転することによって、大腿部リンク７Ａ，７Ｂが支軸７ａ，７ｂ回りで揺動操作される。そして、ギヤ連動された下腿部リンク９Ａ，９Ｂが膝関節部６，６に対して大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂとは反対側にギヤ１３，１８（ギヤ１８は後述する）の支軸１３ａ，１８ａ回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク１０が足関節部８，８に対して下腿部リンク９Ａ，９Ｂとは反対側にギヤ１４の支軸１４ａ回りで揺動操作され、可動脚２が、図７（ａ）の屈曲動作と図７（ｂ）の伸展動作とを交互に行って歩行動作を行うように構成されている。尚、前記下腿部リンク９Ａ，９Ｂの揺動時には、前記電動モータ１９の駆動力が補助することになる。
【００２２】
前記２つの電動モータ１６，１９のうちの屈伸動作補助用の電動モータ１９を用いないで１つの電動モータ１６のみで可動脚２を屈伸動作と伸展動作とを行う場合について説明する。この場合、可動脚２の重量が変化しないように、電動モータ１９を取り外すことなく、電動モータ１９とギヤ１８との噛合いを解除している。そして、このように構成した可動脚２を電動モータ１６のみの駆動で屈曲させたときの実験結果を、図６（ａ）に示している。具体的には、可動脚２の初期姿勢をθ1＝１８０［ｄｅｇ］とし、前方へ４５°、後方へ６０°、ゆっくりと股関節部５を電動モータ１６により回転させて可動脚２を振り、静止させた状態で可動脚２の自重により釣り合った時の各関節部の中心を結んでグラフにしている。このグラフから、股関節部５の回転で膝関節部６に電動モータ１９により回転トルクを印加しなくても、ギヤ連動している膝関節部以下の可動脚２の形状が自ずと変化し、遊脚期間（接地足１１が空中に存在している期間）の可動脚２の姿勢に有効であることが判る。
【００２３】
また、図６（ｂ）では、静的な釣り合いから理論上求めた膝関節部６の屈曲角と、図６（ａ）で示した実験結果との比較をグラフにしたものであり、実線が理論値であり、破線が計測値である。図６（ｂ）では、両方の角度とも同じような角度になっており、膝関節部６以下の重量配分を調整することによって膝関節部６の屈曲量を増減させることが可能である。このことから、膝関節部６に設けた電動モータ１９の小型化に大きく寄与することは勿論のこと、電動モータ１９を省略しても可動脚２の良好な屈曲ができることがわかる。
【００２４】
図５に、前記可動脚２を用いた四足歩行ロボットを示している。この四足歩行ロボットは、支持フレーム１の前部に、前記可動脚２と同一の左右一対の前側可動脚２，２（図１が側面図であるため、右側の可動脚しか見えていない）を備え、支持フレーム１の後部に、前記可動脚とは異なる左右一対の後側可動脚３，３（図１が側面図であるため、右側の可動脚しか見えていない）を備えている。
【００２５】
前記支持フレーム１は、下向きに突出屈曲されたほぼ逆アーチ型のフレーム本体１Ａと、このフレーム本体１Ａの前後端を前後方向で連結する一直線状の補強フレーム１Ｂとを備え、前記補強フレーム１Ｂの前後の上面のそれぞれには、前記前後の可動脚２，２、３，３の上端を支持するための支持部材４を備えている。
【００２６】
前記前側の可動脚２は、前記と同様に、ほぼ台形状で板状の左右一対の股関節部５，５（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部５，５よりも下方に位置する円形で板状の左右一対の膝関節部６，６（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部５，５と膝関節部６，６とを連結するための一対の大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂと、膝関節部６，６よりも下方に位置するほぼ三角形状で板状の左右一対の足関節部８，８（図１では右側のみ示している）と、膝関節部６，６と足関節部８，８とを連結するための一対の下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂと、足関節部８，８から下方に延出され、足部を構成する足部用リンク１０と、該足部用リンク１０の遊端部（下端部）に固定された下面が円弧状に形成された接地足１１とを備えている。前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ、下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂ、足部用リンク１０は、軽量化を図るために一側が開放された断面形状がコの字状に形成されているが、板状あるいはパイプ状であってもよい。
【００２７】
また、前記大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂのうちの一方（図１では前側）の大腿部リンク７Ａの膝関節側端部に、ギヤ１２が固定され、該ギヤ１２と噛合うようにギヤ１２を備える大腿部リンク７Ａと同一側（前側）の下腿部リンク９Ａの膝関節側端部に固定された連動ギヤ１３と、足部用リンク１０の足関節部側端部に固定されたギヤ１４と、このギヤ１４に噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンク９Ｂの足関節部側端部に固定されたギヤ１５とを備えるとともに、前記股関節部５を回動させるためのアクチュエータとしての電動モータ（サーボモータ）１６を該股関節部５に備えさせている。
【００２８】
従って、電動モータ１６を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、可動脚２を前後に振ることで歩行することができるようになっている。つまり、電動モータ１６の駆動で大腿部リンク７Ａ，７Ｂが後述の支軸１７Ａ回りで揺動操作されることによって、ギヤ連動された下腿部リンク９Ａ，９Ｂが膝関節部６，６に対して大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂとは反対側にギヤ１３，１８（ギヤ１８は後述する）の支軸回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク１０が足関節部８，８に対して下腿部リンク９Ａ，９Ｂとは反対側にギヤ１４の支軸回りで揺動操作され、可動脚２が、図７（ａ）の屈曲動作と図７（ｂ）の伸展動作とを交互に行うように構成している。
【００２９】
前記股関節部５，５間には、電動モータ１６の出力ギヤ１６Ａと噛合うギヤ１７（出力ギヤ１６Ａよりも大径にしている）を備えており、このギヤ１７の支軸１７Ａが内側の股関節部５を貫通して前記支持部材４に貫通支持されている。従って、電動モータ１６を駆動することによって、軸に固定されたギヤ１７の周囲を股関節部５が回転することができるように構成している。
【００３０】
また、前記下腿部リンク９Ｂの膝関節部側端部には、前記ギヤ１７よりも大径なギヤ１８が固定されており、このギヤ１８に噛合う屈伸動作補助用の電動モータ（サーボモータ）１９を膝関節部６，６に備えている。この電動モータ１９は、前記電動モータ１６と同一であり、膝関節部６，６の屈曲動作と伸展動作とを行うようにしている。このように電動モータ１９により、膝関節部６，６の屈曲させる場合には、リンク同士がギヤ連動されていることから、動き出した大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの慣性力を利用することができる。その結果、屈曲させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク７Ａ，７Ｂ及び下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるための電動モータ１９の動力を低減することができる。従って、リンク同士をギヤ連動しないで、股関節部５、膝関節部６、足関節部８を３つの電動モータで独立して駆動する構成に比べて消費電力を飛躍的に低減することができる。
【００３１】
前記電動モータ１９を次のように構成すれば、更に消費電力の低減を図ることができる。つまり、歩行時において前記可動脚２が屈伸動作（図７（ａ）参照）から伸展動作（図７（ｂ）参照）に移行する際に可動脚２が伸展することを妨げるためのブレーキ手段として電動モータ１９を用いる場合である。具体的には、可動脚２が伸展するときには、電動モータ１９を駆動させることにより下腿部平行リンク９Ａ，９Ｂが伸びようとすることを遅らせるようにしている。このように構成することによって、歩行時に接地足１１が不測に地面に当たって躓くことを回避することができ、良好な歩行を行わせることができるようにしている。従って、屈伸動作時には、電動モータ１９を駆動しないようにしているから、その分消費電力の低減を図ることができる。この屈伸動作時に、電動モータ１９とギヤ１８との連動状態を遮断するためのクラッチを両者間、または電動モータ１９側に設けて実施することになる。
【００３２】
前記後側の可動脚３は、前側の可動脚２と基本構成が同じであるが、リンクの長さを変更するとともにリンクを連動させるギヤの前後の配置を変更することで、図１に示すように前側の可動脚２の姿勢と異なる姿勢となるようにしている。
【００３３】
具体的には、ほぼ台形状で板状の左右一対の股関節部２０，２０（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部２０，２０よりも下方に位置する円形で板状の左右一対の膝関節部２１，２１（図１が側面図であるため、右側しか見えていない）と、股関節部２０，２０と膝関節部２１，２１とを連結するための一対の大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂと、膝関節部２１，２１よりも下方に位置するほぼ三角形状で板状の左右一対の足関節部２２，２２（図１では右側のみ示している）と、膝関節部２１，２１と足関節部２２，２２とを連結するための一対の下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂと、足関節部８，８から下方に延出され、足部を構成する足部用リンク２４と、該足部用リンク２４の遊端部（下端部）に固定された下面が円弧状に形成された接地足２５とを備えている。前記大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂ、下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂ、足部用リンク２４は、軽量化を図るために一側が開放された断面形状がコの字状に形成されているが、板状あるいはパイプ状であってもよい。
【００３４】
また、前記大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂのうちの一方（図１では後側）の大腿部リンク２２Ｂの膝関節側端部に、ギヤ２６が固定され、該ギヤ２６と噛合うようにギヤ２６を備える大腿部リンク２２Ｂと同一側（後側）の下腿部リンク２３Ｂの膝関節側端部に固定された連動ギヤ２７と、足部用リンク２４の足関節部側端部に固定されたギヤ２８と、このギヤ２８に噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンク２３Ｂの足関節部側端部に固定されたギヤ２９とを備えるとともに、前記股関節部５を回動させるためのアクチュエータとしての電動モータ（サーボモータ）３０を該股関節部２０に備えさせている。
【００３５】
従って、電動モータ３０を所定角度正転方向に駆動した後、逆転方向に駆動することによって、可動脚３を前後に振ることで歩行することができるようになっている。つまり、電動モータ３０の駆動で大腿部リンク２２Ａ，２２Ｂが後述の支軸３１Ａ回りで揺動操作されることによって、ギヤ連動された下腿部リンク２３Ａ，２３Ｂが膝関節部２１，２１に対して大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂとは反対側にギヤ２７，３２（ギヤ３２は後述する）の支軸回りで揺動操作されるとともに、足部用リンク２４が足関節部２２，２２に対して下腿部リンク２３Ａ，２３Ｂとは反対側にギヤ２８の支軸回りで揺動操作され、可動脚３が、屈曲動作と伸展動作とを交互に行うように構成している。
【００３６】
前記股関節部２０，２０間には、電動モータ３０の出力ギヤ３０Ａと噛合うギヤ３１（出力ギヤ３０Ａよりも大径にしている）を備えており、このギヤ３１の支軸３１Ａが内側の股関節部２０を貫通して前記支持部材４に貫通支持されている。従って、電動モータ３０を駆動することによって、軸に固定されたギヤ３１の周囲を股関節部２０が回転することができるように構成している。
【００３７】
また、前記下腿部リンク２３Ａの膝関節部側端部には、前記ギヤ３１よりも大径なギヤ３２が固定されており、このギヤ３２に噛合う屈伸動作補助用の電動モータ（サーボモータ）３３を膝関節部６，６に備えている。この電動モータ３３は、前記電動モータ３０と同一であり、膝関節部６，６の屈曲動作と伸展動作とを行うようにしている。このように電動モータ３３により、膝関節部６，６の屈曲させる場合には、リンク同士がギヤ連動されていることから、動き出した大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂ及び下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂなどの重力による慣性力を利用することができる。その結果、屈曲させるための電動モータ３０の動力を低減することができる。また、伸展動作では、大腿部平行リンク２２Ａ，２２Ｂ及び下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂなどの自重により伸びようとする戻り力を利用することができるから、その分伸展させるための電動モータ３３の動力を低減することができる。従って、リンク同士をギヤ連動しないで、股関節部２０、膝関節部２１、足関節部２２を３つの電動モータで独立して駆動する構成に比べて消費電力を飛躍的に低減することができる。
【００３８】
前記電動モータ３３を次のように構成すれば、更に消費電力の低減を図ることができる。つまり、歩行時において前記可動脚２が屈伸動作から伸展動作に移行する際に可動脚３が伸展することを妨げるためのブレーキ手段として電動モータ３３を用いる場合である。具体的には、可動脚３が伸展するときには、電動モータ３３を駆動させることにより下腿部平行リンク２３Ａ，２３Ｂが伸展することを遅らせるようにしている。このように構成することによって、歩行時に接地足１１が不測に地面に当たって躓くことを回避することができ、良好な歩行を行わせることができるようにしている。従って、屈伸動作時には、電動モータ３３を駆動しないようにしているから、その分消費電力の低減を図ることができる。この屈伸動作時に、電動モータ３３とギヤ３２との連動状態を遮断するためのクラッチを両者間、または電動モータ３３側に設けて実施することになる。
【００３９】
四足歩行ロボットの歩行には、クロール歩行やトロット歩行などがあるが、どのような歩行であってもよい。また、四足歩行ロボットの歩行制御としては、ＰＴＰ制御やＣＰ制御などがあるが、どのような歩行制御であってもよい。
【００４０】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４１】
前記実施形態では、ブレーキ手段として、電動モータ１９，３３を用いたが、電磁ブレーキや磁性流体ブレーキなど、各種の制動装置を用いてもよい。また、ブレーキ手段として、回転ダンパーを用いてもよい。この場合、可動脚２，３の伸展時においてのみ作用するように一方向クラッチを併用することになる。
【００４２】
また、前記実施形態では、足関節部８，８に足部用リンク１０を介して接地足１１を取り付けたが、足部用リンク１０を省略し、足関節部８，８に接地足１１を直接取り付けてもよいし、足関節部８，８が接地足１１を兼用構成してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…支持フレーム、１Ａ…フレーム本体、１Ｂ…補強フレーム、２，３…可動脚、４…支持部材、５…股関節部、５，２０…股関節部、６，２１…膝関節部、７Ａ，７Ｂ…大腿部平行リンク、７ａ，７ｂ…支軸、８，２２…足関節部、９Ａ，９Ｂ…下腿部平行リンク、１０…足部用リンク、１１…接地足、１２，１４，１５，１７，１８…ギヤ、１３，１８…連動ギヤ、１３ａ，１４ａ，１７Ａ，１８ａ…支軸、１６，１９，３０，３３…電動モータ、１６Ａ…出力ギヤ、２２Ａ，２２Ｂ…大腿部平行リンク、２３Ａ，２３Ｂ…下腿部平行リンク、２４…足部用リンク、２５…接地足、２６，２８，２９，３１，３２…ギヤ、２７…連動ギヤ、３０，３３…電動モータ、３０Ａ…出力ギヤ、３１Ａ…支軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも複数本の可動脚を備えたロボットであって、
前記可動脚は、胴体部に回転自在に備えた股関節部と、該股関節部から一対の大腿部平行リンクを介して連結される膝関節部と、該膝関節部から一対の下腿部平行リンクを介して連結される足関節部と、前記大腿部平行リンクのうちの一方の大腿部リンクの膝関節側端部に固定されたギヤと、該ギヤと噛合うように該ギヤを備える大腿部リンクと同一側の下腿部リンクの膝関節側端部に固定された連動ギヤと、前記股関節部を回動させるためのアクチュエータとを備えさせたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記足関節部から足部を構成する足部用リンクと、該足部用リンクの遊端部に固定された接地足と、該足部用リンクの足関節部側端部に固定されたギヤと、このギヤに噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの足関節部側端部に固定されたギヤとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの股関節部側端部に固定されたギヤと、該ギヤに噛み合うように前記股関節部に固定され、歩行時において前記可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際に該可動脚が伸展することを妨げるためのブレーキ手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のロボット。
【請求項１】
少なくとも複数本の可動脚を備えたロボットであって、
前記可動脚は、胴体部に回転自在に備えた股関節部と、該股関節部から一対の大腿部平行リンクを介して連結される膝関節部と、該膝関節部から一対の下腿部平行リンクを介して連結される足関節部と、前記大腿部平行リンクのうちの一方の大腿部リンクの膝関節側端部に固定されたギヤと、該ギヤと噛合うように該ギヤを備える大腿部リンクと同一側の下腿部リンクの膝関節側端部に固定された連動ギヤと、前記股関節部を回動させるためのアクチュエータとを備えさせたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記足関節部から足部を構成する足部用リンクと、該足部用リンクの遊端部に固定された接地足と、該足部用リンクの足関節部側端部に固定されたギヤと、このギヤに噛み合うように前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの足関節部側端部に固定されたギヤとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記下腿部平行リンクの他方の下腿部リンクの股関節部側端部に固定されたギヤと、該ギヤに噛み合うように前記股関節部に固定され、歩行時において前記可動脚が屈伸動作から伸展動作に移行する際に該可動脚が伸展することを妨げるためのブレーキ手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１２５９６６（Ｐ２０１１−１２５９６６Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７１７６（Ｐ２００９−２８７１７６）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年９月１５日 社団法人 日本ロボット協会主催の「第２７回日本ロボット学会 学術講演会」において文書をもって発表
【出願人】（３９９０３００６０）学校法人 関西大学 (208)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年９月１５日 社団法人 日本ロボット協会主催の「第２７回日本ロボット学会 学術講演会」において文書をもって発表
【出願人】（３９９０３００６０）学校法人 関西大学 (208)
【Ｆターム（参考）】
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