歩行ロボット
【課題】従来から行われるアクチュエータによる能動的歩行だけではなく受動的歩行を積極的に行うことで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行の実現を図る。
【解決手段】歩行ロボットにおいて、その歩行と連動して、所定の閉空間内で制御用空気の動きを制御することで、該歩行ロボットの歩行をアシストする空気回路部を備える。そして、空気回路部は、歩行ロボットの歩行時において脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際に、該脚を構成する各リンク部材の各関節部を介して行われる相対位置変化によって、制御用空気を介して該歩行のエネルギーの一部を回収する歩行エネルギー回収部と、歩行ロボットの歩行時において、脚が遊脚状態から立脚状態へ移行する際に、歩行エネルギー回収部によって回収された歩行エネルギーを開放し、該脚の立脚状態への移行をアシストする歩行アシスト部と、を有する。
【解決手段】歩行ロボットにおいて、その歩行と連動して、所定の閉空間内で制御用空気の動きを制御することで、該歩行ロボットの歩行をアシストする空気回路部を備える。そして、空気回路部は、歩行ロボットの歩行時において脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際に、該脚を構成する各リンク部材の各関節部を介して行われる相対位置変化によって、制御用空気を介して該歩行のエネルギーの一部を回収する歩行エネルギー回収部と、歩行ロボットの歩行時において、脚が遊脚状態から立脚状態へ移行する際に、歩行エネルギー回収部によって回収された歩行エネルギーを開放し、該脚の立脚状態への移行をアシストする歩行アシスト部と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行用の脚を有し、該脚により歩行運動が可能な歩行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、歩行ロボットの開発が盛んであるが、その中でもいわゆる位置エネルギーなどのポテンシャルエネルギーを利用した受動的歩行が注目されている。受動的歩行とは、歩行ロボットの力学的特徴であるポテンシャルエネルギーから運動エネルギーへの遷移を生かした歩行であり、例えば、重力場のみを用いた傾斜面の歩行が該当する。
【０００３】
受動的歩行は、歩行ロボットの物理量によってその歩容が決まるという意味で自然で効率的な歩行である。このように力学的に自然な歩行をロボットによって実現することで、エネルギー効率のよい歩行ロボットを開発することが可能となる。尚、受動的歩行を行う歩行ロボットに関する技術が、例えば非特許文献１に開示されている。当該技術では、足首が自由関節である二足歩行ロボットにおける歩行軌道の安定性について述べられている。
【非特許文献１】日本ロボット学会誌，ｖｏｌ２２，Ｎｏ．２，２００−２０６頁，２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歩行ロボットの歩行を考慮する際、人間の歩行を十分に検討するのが好ましい。ここで、人間が歩行する場合、その筋力だけではなく外力を利用して歩行を行っている。これにより、人間はより少ないエネルギーで効率的な歩行を実現している。一方、従来の多くの二足歩行ロボットは、その歩行において全ての関節をアクチュエータで駆動するいわば能動的歩行であり、そのため人間の歩行と比べてエネルギー消費が多くなる。また、従来のように受動的歩行に関する技術はあるが、それはあくまでもポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに変換するものであり、それが適用できる状況は限定されざるを得ない。
【０００５】
本発明では、上記した問題に鑑み、従来から行われるアクチュエータによる能動的歩行だけではなく受動的歩行を積極的に行うことで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行の実現を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、上記の課題を解決するために、本発明では、歩行ロボットに歩行ロボットの歩行に連動して制御用空気の流れを発生させるとともに、該制御用空気を効率的に利用することで、歩行ロボットの歩行のサイクルの一部を制御用空気による受動的駆動とし、効率的な歩行の実現を可能とした。より詳細には、本発明に係る歩行ロボットは、複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を有し、該脚が立脚状態と遊脚状態を繰り返すことで床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、前記歩行ロボットの歩行と連動して、所定の閉空間内で制御用空気の動きを制御することで、該歩行ロボットの歩行をアシストする空気回路部を備える。そして、前記空気回路部は、前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際に、該脚を構成する各リンク部材の各関節部を介して行われる相対位置変化によって、制御用空気を介して該歩行のエネルギーの一部を回収する歩行エネルギー回収部と、前記歩行ロボットの歩行時において、前記脚が遊脚状態から立脚状態へ移行する際に、前記歩行エネルギー回収部によって回収された歩行エネルギーを開放し、該脚の立脚状態への移行をアシストする歩行アシスト部と、を有する。
【０００７】
上記歩行ロボットの脚は、リンク部材と関節部とで構成され、これらは基本的にはアクチュエータから供給される駆動力によって駆動され、歩行ロボットの能動的歩行が可能となる。ここで、この歩行ロボットは歩行が可能である限りその脚の数は限定されない。但し、歩行時の歩行ロボットの安定性の観点からは脚の数が多いほど好ましいが、脚の数が多くなるに従い、脚同士の干渉や脚数の増加による歩行ロボット重量の増加、消費エネルギーの増加が懸念されるため、実施の形態に応じて歩行ロボットの脚数は決定すればよい。
【０００８】
ここで、本発明に係る歩行ロボットには、空気回路部が備えられている。この空気回路部は、歩行ロボットの歩行と連動してその内部に封入されている制御用空気の流れを制御することで、歩行ロボットの歩行を部分的にアシストすることが可能となる。即ち、空気回路部が有する歩行エネルギー回収部が、歩行ロボットの脚がアクチュエータによって立脚状態（脚が床面に接地している状態）から遊脚状態（脚が床面から離れてしまっている状態）に至るときに、各リンク部材の相対位置変化の運動エネルギーを、制御用空気を介して回収する。そして、その回収されたエネルギーを、歩行アシスト部が、その後の該脚が遊脚状態から立脚状態に至る期間の該脚の駆動に利用する。
【０００９】
その結果、歩行ロボットの歩行時の脚のサイクルにおいて、全ての時間でアクチュエータを駆動することなく、脚を駆動することが可能となり、以て歩行時に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行を実現できる。尚、歩行アシスト部によって開放される歩行エネルギーが効率的に利用されるべく、脚を構成するリンク部材、関節部内の摩擦力や、重量を適宜調整するのが好ましい。
【００１０】
ここで、上記歩行ロボットの脚のより具体的な構成について、該脚は、前記床面に接する接地リンク部材と、前記接地リンク部材に足首関節部を介して接続される第一脚リンク部材と、前記第一脚リンク部材に膝関節部を介して接続される第二脚リンク部材と、を有するようにしてもよい。もちろん、歩行ロボットは、その脚において上記以外のリンク部材および関節部を有しても構わない。そしてこのような場合、前記歩行エネルギー回収部は、前記足首関節部と前記膝関節部を介した前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材の相対位置変化によって、前記制御用空気を圧縮し、貯留することで、前記歩行エネルギーの一部を回収し、一方で、前記歩行アシスト部は、前記圧縮され且つ蓄積された制御用空気を開放し、前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材のうち少なくとも何れかに、前記脚が立脚状態に移行するための歩行エネルギーを与える。これにより、歩行ロボットの歩行時に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行を実現できる。
【００１１】
また、上記歩行ロボットにおいて、前記空気回路部は、前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記足首関節部を介して前記接地リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第一ピストン部と、前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記膝関節部を介して前記第二リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第二ピストン部と、前記制御用空気を貯留するタンク部と、を有する構成としてもよい。前記歩行エネルギー回収部は、前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部のうち少なくとも何れかによって圧縮された制御用空気を前記タンク部に貯留し、前記歩行アシスト部は、前記タンク部に貯留された制御用空気を前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部に開放する。
【００１２】
即ち、脚を上下に構成する第一リンク部材と第二リンク部材のそれぞれに連動する第一ピストン部と第二ピストン部による制御用空気の圧縮および該制御用空気による各ピストン部の駆動を利用することで、上述のように歩行ロボットの歩行時の脚のサイクルにおい
て、全ての時間でアクチュエータを駆動することなく、脚を駆動することが可能となる。
【００１３】
また、上記の歩行ロボットにおいて、前記歩行エネルギー回収部は、少なくとも前記接地リンク部材の一部が床面から離れ始めてから完全に離れ終わるまでの遊脚移行工程において、前記第一ピストン部によって送り出された制御用空気の圧縮圧が前記第二ピストン部内に作用するように構成されてもよい。このようにすることで、上記遊脚移行工程において脚の上側に位置する第二ピストン部内には制御用空気が比較的多く残るため、その内部圧力が減少し難くなる。その結果、歩行ロボットの歩行時において、歩行ロボットの上体をしっかりと支えることが可能となり、以て状態が急激に沈み込むなど歩行時の姿勢が不安定になることを防止することが可能となる。
【００１４】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、前記接地リンク部材は、前記足首関節部を介して前記第一リンク部材と接続される脚底リンク部材と、前記脚底リンク部材に爪先関節部を介して接続される爪先リンク部材と、を有してもよい。そして、この場合、前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際には、前記脚底リンク部材、前記爪先リンク部材の順に床面からの離脱が行われ、更に、前記爪先リンク部材が前記爪先関節部を介して前記脚底リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の前記第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率は、該脚底リンク部材が前記足首関節部を介して前記第一リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の該第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率よりも高く設定される。
【００１５】
この接地リンク部材が構成されることで、歩行ロボットの脚が床面を蹴り出し、床面との接触が無くなるその直前において、より多くの制御用空気をタンク部に送り込むことが可能となる。その結果、回収された制御用空気による歩行動作のアシストもより効率的に行われ、歩行ロボットの歩行に要するエネルギー減少に大きく貢献し得る。
【００１６】
そして、上記歩行ロボットにおいては、前記爪先リンク部材は、前記第一リンク部材に対して弾性部材を介して接続されていてもよく、その場合、前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が床面から離れて遊脚状態に至ったとき、前記爪先リンク部材は、前記弾性部材の弾性力により、該脚が立脚状態であって該爪先リンク部材及び前記脚底リンク部材が床面に接地している状態である初期状態の位置に戻されるように構成される。このように弾性部材を適切に配置することで、空気回路部による歩行へのアシストに加えて、弾性部材によるアシストによって、歩行ロボットの更なる効率的な歩行が実現される。
【００１７】
ここで、上述までの歩行ロボットにおいて、前記第一ピストン部と前記第二ピストン部は、一のピストン筐体を共有する形態で、且つ該第一ピストン部が前記接地リンク部材側に位置し、該第二ピストン部が前記第二リンク部材側に位置するように、前記空気回路部に設けられるようにしてもよい。このように各ピストン部を構成することで、歩行ロボットの脚の動きをより確実に各ピストン部に伝えることができる。
【００１８】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、前記歩行ロボットの胴体部に対して、前記第二リンク部材を可動状態で接続する腰関節部を、更に備えてもよい。そして、その場合、前記腰関節部は、前記胴体部側に設けられた二つの回転軸と、前記第二リンク部材側に設けられた二つの回転軸とを、二つのリンク部材で、且つ該二つのリンク部材が交差するように連結することで構成される４リンク機構部と、太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される遊星歯車機構であって、前記胴体部側に設けられた二つの回転軸のうち一の回転軸に、該太陽ギアが接続される遊星歯車機構部と、前記太陽ギアを駆動するアクチュエータと、前記遊星歯車機構部の遊星ギア、もしくは該遊星ギアに接続されるキャリアと、前記胴体部とを弾性的に連結する胴体側弾性部材と、を有する構成としてもよい。
【００１９】
このように４リンク機構部を設けることで、歩行ロボットの上体部（上記腰関節部よりも上側の部分）を安定的に支持することができ、歩行時の姿勢の乱れを防止することができる。更に、遊星歯車機構のキャリアに胴体側弾性部材を設置することにより、腰関節部を中心として歩行ロボットの姿勢を戻す場合に、当該胴体側弾性部材からの弾性力によるアシストを得ることで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
従来から行われるアクチュエータによる能動的歩行だけではなく受動的歩行を積極的に行うことで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行の実現を図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る歩行ロボット１の実施の形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１には歩行ロボット１の機構を概略的に示す。尚、図１においては、歩行ロボット１の腰部を含む下半身部分を示しており、腕部等を含む上半身部分の記載は省略しているが、この点は本発明に係る歩行ロボット１の構成を図１に示す構成に限定する意図を示すものではない。
【００２２】
歩行ロボット１の構造を概略的に説明すると、歩行ロボット１は、胴体部２に対して二本の脚３が取り付けられることで、二足歩行を可能とする歩行ロボットである。そして、この各脚３は、胴体部２に近い順に腰部５、膝部４、足首部６から構成されており、各構成部には、それらを構成するためのリンク部材や関節部が含まれ、これらが互いに連結されることで、複数のリンク部材と関節部から構成される歩行ロボット１の脚３が形成されることになる。更に、図２及び図３に、一本の脚３の詳細な構造を示す。図２は、脚３を背面側から見た場合の構造図であり、図３は脚３を側面側から見た場合の構造図である。ここで、脚３においては、膝部４の背面側であって足首部６の上方に、空気回路部１００が設けられている。以下、各構成部の詳細な説明を行う。
【００２３】
先ず、図４及び図５に基づいて、膝部４を説明する。尚、図４は、図２に示す状態の膝部４の拡大図であり、図５は、図３に示す状態の膝部４の拡大図である。膝部４における膝関節部は、遊星歯車機構１７を中心に構成されている。この遊星歯車機構１７は、太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される一般の遊星歯車機構であり、太陽ギアを中心としてその周りに複数の遊星ギアが配置され、更にそれら遊星ギアが内歯車のギアと噛み合った構成となっている。ここで、複数の遊星ギアは、その両側で二つのキャリア２０によって一連に連結された状態となっている。この遊星歯車機構１７の太陽ギアに、第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５に回転可能に軸支されたギアシャフト１２が連結されており、更にこのギアシャフト１２上に平歯車２２と、該ギアシャフト１２の先端部分（第二膝上フレーム１５の外側）に後述するシリンダ１０８を取り付けるためのシリンダ取り付け軸３２が設けられている。
【００２４】
更に、上記平歯車２２と噛み合う平歯車１９が設けられたギアシャフト１１が、第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５及び矢倉１３によって回転可能に軸支されている。更に、ギアシャフト１１には、上記平歯車２２と同一の平歯車３３が、上記矢倉１３と干渉しないように設けられている。また、平歯車３３は、図示しない平歯車であってモータ２３の出力軸に取り付けられたモータ出力軸歯車と噛み合っている。以上の構成により、モータ２３の出力は、ギアシャフト１１、１２及びこれらに設けられた各平歯車によって遊星歯車機構１７の太陽ギアに入力されることになり、且つモータ出力軸歯車と平歯車３３との噛み合いにより、そして平歯車１９、２２の噛み合いによりモータ２３の出力は比較的大きく減速されている。
【００２５】
また、モータ２３の上方には、第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５とを繋ぐように、バネ固定軸２１が設けられている。そして、このバネ固定軸２１と上記遊星歯車機構１７との間には、バネ３４が、該遊星歯車機構１７で生じた変位に応じて弾性力を発生させ、それにより該遊星歯車機構１７を含んで構成される膝部４が所定の状態に復元しようとするのをアシストできるように連結されている。
【００２６】
次に、膝部４の下部分は主に図４中コの字型をした膝下フレーム１６によって形成されている。そして、上記第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５で構成される膝部４の上部分と、この膝下フレーム１６とは、二本のリンクシャフト２９によって連結されている。各リンクシャフト２９は、その一端においてロッドエンドベアリング２４を介して、膝下フレーム１６の側面板部にボルト２６で連結されている。従って、リンクシャフト２９は、膝下フレーム１６の側面板部に対して回転可能状態となっている。更に、各リンクシャフト２９の他端においても、ロッドエンドベアリング２４を介して、第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５のそれぞれにボルト３０で連結されている。従って、リンクシャフト２９は、第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５に対しても回転可能状態となっている。
【００２７】
また、膝下フレーム１６の上部には左右の側面板部を連結するようにリンクシャフト３１が設けられている。そして、リンクシャフト３１の中央部分において二つのロッドエンドベアリング２８が、該リンクシャフト３１に対して回転可能状態となるように設けられ、更に各ロッドエンド２８と遊星歯車機構１７が有するキャリア２０とを連結する連結ネジ２７が設けられている。
【００２８】
以上より、膝部４においては、その上部分と下部分とは二本のリンクシャフト２９と連結ネジ２７とで連結されている。ここで、二本のリンクシャフト２９のそれぞれは平行であり、また二本の連結ネジ２７も平行であるが、リンクシャフト２９と連結ネジ２７とは平行ではない。従って、膝部４における上部分と下部分は、自由度が１の４リンク機構で連結されていることになる。尚、膝部４において上部分と下部分とが直接的に接触し破損しないように、緩衝材としてのポリウレタン樹脂製のゲル２５が、上部分（第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５）側と、下部分（膝下フレーム１６）側に設けられている。
【００２９】
次に、図６〜図８に基づいて、腰部５を説明する。尚、図６は、図２に示す状態の腰部５の拡大図であり、図７は、図３に示す状態の腰部５の拡大図である。腰部４における腰関節部は、遊星歯車機構４１を中心に構成されている。この遊星歯車機構４１は、太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される一般の遊星歯車機構であり、太陽ギアを中心としてその周りに複数の遊星ギアが配置され、更にそれら遊星ギアが内歯車のギアと噛み合った構成となっている。ここで、複数の遊星ギアは、その両側で二つのキャリア４２によって一連に連結された状態となっている。この遊星歯車機構４１の太陽ギアに、第一フレーム４９と第二フレーム６２に回転可能に軸支された回転軸４６が連結されている。更に、該回転軸４６はベアリング４８によって第二フレーム６２に固定され、後述するタイミングプーリ５６の入力軸に連結される。また、回転軸４６に対して平行にシャフト４７が、第一フレーム４９と第二フレーム６２の間に設置されている。
【００３０】
ここで、第一フレーム４９と第二フレーム６２の間にモータ５１が設置され、その第一フレーム４９側にはエンコーダ５２が取り付けられ、その出力側となる第二フレーム６２側には、該モータ５１の出力を受ける金属カラー５４が取り付けられる。そして、この金属カラー５４と、タイミングプーリ５５、５６が第二フレーム６２上に設けられており、三者はタイミングベルト５７によってモータ５１のトルクを伝達可能に結び付けられてい
る。尚、タイミングプーリ５６の直径はタイミングプーリ５５及び金属カラー５４の直径より大きいため、モータ５１のトルクは減速されて遊星歯車機構４１の太陽ギアに入力されることになる。
【００３１】
ここで、腰部５は、図２及び図３に示すように膝部４の上部分を構成する第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５に、二本のシャフト４３と二本のシャフト６３からなる４リンク機構によって接続されている。ここで、この４リンク機構と膝部４とを接続するために、膝部４の第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５との間に二本のシャフト４５ａ、４５ｂ（図６においてはシャフト４５ｂは、シャフト４５ａの裏に隠れた状態である。）が設けられている。そして、シャフト６３は、その一端において、シャフト４７に対してロッドエンドベアリング６４を介して接続され、その他端においてはシャフト４５ｂに対してロッドエンドベアリング６４を介して接続される。従って、シャフト６３は、シャフト４７及びシャフト４５ｂに対して回転可能状態となっている。また、シャフト４３は、その一端において、遊星歯車機構４１の遊星ギアを連結する二つのキャリア４２のそれぞれに対してロッドエンドベアリング４４を介して接続され、その他端においてはシャフト４５ａに対してロッドエンドベアリング４４を介して接続される。従って、シャフト４３は、キャリア４２及びシャフト４５ａに対して回転可能状態となっている。そして、これら二本のシャフト４３は互いに平行であり、また二本のシャフト６３は互いに平行であるが、シャフト４３とシャフト６３は互いに平行ではなく図７に示すように交差した状態で配置され、以て膝部４と腰部５の間に４リンク機構が形成される。また、シャフト４５ａ上には平歯車６０が設置されており、該平歯車６０は第二膝上フレームに設けられた平歯車６１と噛み合っている。この平歯車６１には図示されないロータリダンパが接続されており、それにより腰部５を構成する遊星歯車機構４１等に対してダンピング効果を与えている。
【００３２】
また、第一フレーム４９及び第二フレーム６２の間に固定軸５９が設置されており、該固定軸５９は胴体部２の構成要素に対して回転可能となるようにベアリング等で支持されている。更に、固定軸５９上に平歯車５８が設置されており、胴体部２に設けられたモータからのトルクの供給を受ける。その結果、床面に設置した脚３に対して、歩行ロボット１の胴体部２を傾倒させることが可能となる。
【００３３】
ここで、膝部４及び腰部５の間に設けられる上記４リンク機構の構成を把握しやすいように、その斜視図を図８に示す。図８においては、膝部４を構成する第一膝上フレーム１４等は図示されてはいないが、シャフト４３及びシャフト６３が交差状態に配置されているのが分かる。ここで、第一フレーム４９及び第二フレーム６２の間に、該固定軸５９に平行にシャフト５３が設置され、更にこのシャフト５３に一端が接続され、他端が遊星歯車機構４１のキャリア４２に接続される弾性部材のバネ６５が設置されている。
【００３４】
次に、図９及び図１０に基づいて、足首部６を説明する。尚、図９は、足首部６の上面図であって、図１０は、足首部６の側面図である。足首部６の床面接地部分は、主に踵フレーム７１と爪先フレーム７２とで構成され、踵フレーム７１は歩行ロボット１の背面側に位置し、爪先フレーム７２は該歩行ロボット１の正面側に位置する。そして、図９に示すように踵フレーム７１の上方中央部に窪みが形成され、且つ爪先フレーム７２の下方中央部が、該窪みに嵌り込む凸部が形成され、該窪みと該凸部とが嵌りこんだ状態で両者が相対回転移動可能なように、回転軸８５が両者の間に設けられている。
【００３５】
また、踵フレーム７１上に、二つの踝フレーム７３が平行に立設されており、その略中央部には貫通孔８８が設けられている。この貫通孔８８は、膝部４を構成する膝下フレーム１６に設けられた貫通孔と合わせて、踵フレーム７３と膝下フレーム１６とが相対的に回転可能な状態となるように、ベアリングによって支持された回転軸を介して連結される
。これにより、足首部６が膝部４に対して回転可能な状態となる。
【００３６】
ここで、図１０に示すように、踝フレーム７３には踵フレーム７１から斜め上方に延びる貫通孔であるスライド孔部８９が設けられている。また、爪先フレーム７２の上面中央であって、上記凸部の近くに二つの軸指示部７４が設けられている。そして、爪先連結部７７が、その一端に回転自在に設けられたシャフト７５が、二つのスライド孔部８９に沿ってスライド可能な状態で、且つその他端に回転自在に設けられたシャフト７６が、二つの軸指示部７４によって回転可能に支持された状態で、踝フレーム７３を介して踵フレーム７１と爪先フレーム７２とを連結する。従って、踵フレーム７１と爪先フレーム７２のシャフト８５を中心とした回転に従って、物理的な拘束条件によりシャフト７５がスライド孔部８９内をスライドすることになる。
【００３７】
また、足首部６には、７台の圧力センサ８３が設けられている。具体的には、踵フレーム７１の四隅と、爪先フレーム７２の踵フレーム７１寄りの二隅と、中央先端部の一箇所の合計７箇所に圧力センサが配置されている。これらの圧力センサ８３は、全て同じタイプのセンサであり、床面に接する面から若干量飛び出た接触端子８２がセンサ本体を押し込むことで、歩行ロボット１の歩行時に発生する各場所での圧力を検知することができる。更に、爪先フレーム７２と膝部４の膝下フレーム１６との間に図示しない圧縮バネが設けられており、爪先フレーム７２が踵フレームに対して背屈した状態となると、当該圧縮バネは圧縮された状態となる。
【００３８】
次に、空気回路部１００について、図１１〜図１３に基づいて説明する。尚、図１１は、空気回路部１００の詳細構造を側面方向から見た図であり、図１２は該空気回路部１００の背面図である。また、空気回路部１００の主たる構成要素は、図１１、１２において点線で示すように所定の筐体の内部に隠された状態となっているため、本発明の理解を図るために図１３には、空気回路部１００の概略構成がブロック図で示されている。
【００３９】
ここで、この空気回路部１００は、歩行ロボット１の歩行時における脚３の動きを制御するために、閉空間内に閉じ込められた制御用空気を利用する回路である。そこで、空気回路部１００には、歩行ロボット１の脚３の動きに連動して制御用空気を送り出す、いわば制御用空気の供給源として機能するエアシリンダ１０８が備えられている。このエアシリンダ１０８は、いわゆるデュアルストロークシリンダであって、一本の円筒状のシェルをその中央部で分割して、独立した二つのシリンダ１３１、１３３を形成するとともに、各シリンダに対応してその内部の制御用空気を圧縮・膨張させるピストン１３０、１３２をそれぞれ有している。そして、ピストン１３０の端部は、上記足首部６の爪先連結部７７に固定され、またピストン１３２の端部は、上記膝部４のシリンダ取付け軸３２に固定される。この結果、エアシリンダ１０８の各ピストン１３０、１３２の動きは、歩行ロボット１の脚３、特に膝部４と足首部６の動きに連動することになる。尚、図１３では、簡便化のために、エアシリンダ１０８の記載は省略化し、二つのピストンの記載は割愛した。
【００４０】
また、本実施例では上述の通りデュアルストロークシリンダを用いたが、これに代えて二本の通常のシリンダを互いに逆向きに並べて連結することで形成される複合型のシリンダも利用可能である。即ち、歩行ロボット１の歩行時における制御用空気の供給が上記デュアルストロークシリンダと同様に行われるように構成されるシリンダであれば、空気回路部１００への搭載は可能である。
【００４１】
ここで、空気回路部１００の本体部、即ちエアシリンダ１０８から制御用空気が供給される構造部の一部は、通しボルト１１６で位置決めされた第一本体部１１２、第二本体部１０７、第三本体部１１５で構成される。これらの本体部は、アクリル樹脂製であって、
それら自体の製造によって制御用空気が流れる流路や、該制御用空気を制御するための様々な制御機器を収容する空間が既に形成されている。従って、これらの本体部に所定の制御機器を収容させ、且つ通しボルトで所定の位置に配置させると、空気回路部１００が形成されることになる。尚、通しボルト１１６に対して、固定装置１１１を介してエアシリンダ１０８が取り付けられる。
【００４２】
ここで、第二本体部１０７と第三本体部１１５は互いに隣接させて通しボルト１１６に取り付け、更に隣接した状態の第二本体部１０７と第三本体部１１５との間に電磁弁１０５が配置される。電磁弁１０５は、図示しない制御装置からの信号に従って、各本体部の内部に形成されている制御用空気の流路の流れを切り替える三方弁である。また、第二本体部１０７には絞り弁１１７が設けられている。更に、第一本体部１１２の上部には、アクリル樹脂製のタンク１１４が設けられる。タンク１１４は、制御用空気を一時的に貯留することが可能なタンクであり、その内部にピストン１０３と、該ピストン１０３をタンク蓋１０１の内壁に弾性的に接続する圧縮バネ１０２が備えられている。従って、エアシリンダ１０８から本体部側に供給された制御用空気は、タンク１１４に一時的貯留され、それが再び圧縮バネ１０２及びピストン１０３の作用によりピストン１０８側に還流されることで、制御用空気の循環が行われることになる。
【００４３】
このように構成される空気回路部１００における、制御用空気の流路およびそこに組み込まれる制御機器の詳細な構成について図１３に基づいて説明する。尚、図１３は、上述の通り概略構成であり、図１１および図１２に示す実際の空気回路部の構成と等価的な空気回路部をブロック図で示したものである。従って、制御機器等の配置が図１１、１２に示す配置と異なっていることに留意すべきであり、また空気回路部１００の一部の構成要素の記載は省略されている。
【００４４】
ここで、エアシリンダ１０８の足首部６側のシリンダ１３１から供給される制御用空気は流路１２０に流れ込む。尚、流路１２０には絞り弁１１７が設置されている。一方で膝部４側のシリンダ１３３から供給される制御用空気は流路１２１に流れ込む。ここで、流路１２１は二つに分岐し、一方が流路１２２となる。そして、分岐後の流路１２１上にはチェック弁１１０ａが設けられ、流れ絞り弁１１７後の流路１２０と合流し、流路１２３となり、三方弁である電磁弁１０５の第一の入力口に接続される。また、流路１２２にはチェック弁１１０ｂが設置され、電磁弁１０５の第二の入力口に接続される。尚、チェック弁１１０ａは、流路１２１においてエアシリンダ１０８へ向かう方向に制御用空気が流れることを許容し、チェック弁１１０ｂは、流路１２２において電磁弁１０５へ向かう方向に制御用空気が流れることを許容する。
【００４５】
また、電磁弁１０５の第三の入力口には流路１２４が接続され、電磁弁１０５とタンク１１４とを接続する。尚、流路１２４には、そこを流れる制御用空気の速度を制御する速度制御弁１０９が設けられている。このように流路１２２、１２３、１２４が接続される電磁弁１０５では、制御信号によりＯＮ状態となると流路１２４が流路１２３と連通し、ＯＦＦ状態になると流路１２４が流路１２２と連通する。
【００４６】
ここで、空気回路部１００による制御用空気の流れ、特にタンク１１４へ該制御用空気を貯留する場合の流れについて図１４Ａに基づいて説明するとともに、該タンク１１４に貯留された制御用空気が排出される場合の流れについて図１４Ｂに基づいて説明する。尚、図１４Ａ、図１４Ｂに基づく説明の際には、説明の簡便化のために歩行ロボット１の脚の動きとの相関は割愛し、後に改めて詳細に説明する。
【００４７】
図１４Ａに示す状態では、電磁弁１０５はＯＦＦ状態となっている。このとき歩行ロボット１の膝部４は屈曲状態となり、それによりエアシリンダ１０８のシリンダ１３１、１
３３から圧送される制御用空気の流れは、図１４Ａ中の白抜き矢印で示される。具体的には、シリンダ１３１からの制御用空気は、流路１２０を流れた後、チェック弁１１０ａを経て流路１２１に流れ込み、更にチェック弁１１０ｂを経て流路１２２に流れる。一方で、シリンダ１３３からの制御用空気は流路１２１を流れた後、チェック弁１１０ｂを経て流路１２２に合流する。これらの制御用空気は、その後電磁弁１０５、速度制御弁１０９を経て、流路１２４からタンク１１４に至る。そして、タンク１１４に制御用空気が流れ込むことで、その内部の圧縮バネ１０２が圧縮される。
【００４８】
次に、図１４Ｂに示す状態では、電磁弁１０５はＯＮ状態となっている。このとき歩行ロボット１の膝部は制御用空気によって伸展状態となり、それによりタンク１１４内に貯留されていた制御用空気がエアシリンダ１０８側に還流され、その流れは図１４Ｂちゅうの白抜き矢印で示される。具体的には、制御用空気はタンク１１４から流路１２４を経て電磁弁１０５に至り、その後流路１２３から、分岐して流路１２０、１２１のそれぞれを経て、シリンダ１３１、１３３内に制御用空気が流れ込む。このとき、各シリンダ内に適切な量の制御用空気が流れ込むように絞り弁１１７の開度が調整される。
【００４９】
このように、空気回路部１００では、脚３が動くことで制御用空気をタンク１１４に貯留し、その後その制御用空気によって脚部を動かすという一定のサイクルを形成することが可能となり、この結果歩行ロボット１の歩行時の脚３の動きをアシストすることが可能となる。そこで、図１５Ａ〜図１５Ｇに基づいて、脚３の動き、特に膝部４と足首部６の動きと、空気回路部１００における制御用空気の流れについて説明する。尚、各図において上側に歩行ロボット１の歩行時の脚３の状態を示し、そこではエアピストン１０８に作用する圧縮又は膨張の力を点線の矢印で描写し、核関節部の動きを実線の矢印で描写している。また、各図の下側に空気回路部１００における制御用空気の流れを示し、そこでは制御用空気の流れを実線の矢印で描写している。
【００５０】
先ず、図１５Ａに示す状態では、歩行ロボット１の歩行は開始されておらず、脚３は床面に対して垂直に立っている状態である。従って、空気回路部１００内には制御用空気の流れは原則、生じていない。ここで、膝部４に設けられたモータ２３、腰部５に設けられたモータ５１が駆動することにより、歩行ロボット１が歩行するためのエネルギーが供給され、膝部４の屈曲および足首部６の背屈が始まることになる。
【００５１】
先ず、図１５Ａに示す状態から足首部６が背屈することで、歩行ロボット１の重心が前方に移動する。その結果、踝フレーム７３と膝下フレーム１６との間に相対的な回転運動が生じるとともに、踵フレーム７１と爪先フレーム７２との間にも相対的な回転運動が生じる。この段階では、前者の回転運動のほうが後者の回転運動より支配的であるため、シャフト７５のスライド孔部８９内のスライド量は比較的小さい。しかし、シャフト７５のスライドと膝部４の屈曲動作により、エアシリンダ１０８に対してはピストン１３０、１３２を押し込もうとする力が作用する。ここで、ピストン１３０によってシリンダ１３１から押し出された制御用空気がチェック弁１１０ａを経てシリンダ１３３側に加圧作用を及ぼすため、一方でピストン１３２によってシリンダ１３３から押し出されようとする制御用空気はチェック弁１１０ａによってシリンダ１３１側に至ることはできないため、該シリンダ１３３内の制御用空気が外に押し出されにくくなる。その結果、流路１２２、１２４を経てタンク１１４に流入する制御用空気は、シリンダ１３１側の制御用空気が大半となる。それと同時に、シリンダ１３３内の制御用空気はほぼ維持されるため、結果的に歩行ロボット１の膝部４が急激に屈曲してしまうことを防止でき、歩行ロボット１の姿勢安定及び姿勢維持のために消費されるエネルギーの軽減が図られる。
【００５２】
更に、図１５Ｂに示す状態から膝部４、足首部６の屈曲、背屈が進み、脚３が床面から離れようとする蹴り出し状態が、図１５Ｃに示される。このときは、爪先フレーム７２が
踵フレーム７１に対してより強く相対的に回転運動することになるため、シャフト７５のスライド孔部８９内のスライド量が、図１５Ｂに示す状態よりも大きくなる。その結果、ピストン１３０による制御用空気の押し出し量が増加する。それに加えて、膝部４の屈曲が更に進行するため、ピストン１３２による制御用空気の押し出し量も、図１５Ｂに示す状態より増加する。従って、図１５Ｃに示す状態では、タンク１１４に制御用空気が貯留される時間割合が図１５Ｂに示す状態のときより高くなり、効率的な制御用空気の貯留が行われることになる。また、図１５Ｃに示す状態でも、シリンダ１３１からの制御用空気により加圧作用がシリンダ１３３側に作用するため、ここでも膝部４が急激に屈曲してしまうことを防止することができる。
【００５３】
図１５Ｃに示す状態の次には、脚３は図１５Ｄに示す遊脚状態となる。この状態では、爪先フレーム７２と膝下フレーム１６との間に設けられた図示しない圧縮バネによって、爪先フレーム７２が踵フレーム７１に対して底屈し、該踵フレーム７１と面一の状態へ移行するとともに、踝フレーム７３と膝下フレーム１６との間の相対位置関係は維持される。そのため、慣性力により膝部４の屈曲が更に進行して、タンク１１４への制御用空気の貯留が更に行われることになる。
【００５４】
図１５Ｄに示す遊脚状態後、膝部４の伸展が行われる状態（図１５Ｅに示す状態）に至る。このタイミングで、電磁弁５をＯＦＦ状態からＯＮ状態へと切り替える。すると、タンク１１４に貯留されていた制御用空気が、圧縮バネ１０２からのアシストにもよってタンク１１４から排出される状態となる（図１５Ｆに示す状態）。この状態では、図１４Ｂに示すように制御用空気のシリンダ１３１、１３３への還流が行われる。その結果、ピストン１３０、１３２を介して、膝部４を伸展しようとする力が作用することになる。そして、最終的に図１５Ｆに示す状態であって、脚３の状態および空気回路部１００内の制御用空気の流れの状態は図１５Ａに示す状態と同じとなる。
【００５５】
ここで、歩行ロボット１は二足歩行を行うロボットである。そして、各脚３の状態が１８０度の位相でずれた状態で、図１５Ａ〜図１５Ｇの動作、即ち立脚状態から遊脚状態への移行、及び遊脚状態から立脚状態への移行が交互に行われる。そのため、立脚状態から遊脚状態へ移行する場合（図１５Ａから図１５Ｄに至る場合）にタンク１１４に溜めた制御用空気による制動エネルギー（タンク１１４に制御用空気が貯留されることで結果的に脚３の動きに対して制動力を作用させた状態となるため、「制動」という言葉を使用する。）が、遊脚状態から立脚状態に至るための駆動エネルギーとして利用することが可能となる。図１６に、この制動エネルギーと駆動エネルギーの相関を示す。脚３における内部摩擦等によって駆動エネルギーは制動エネルギーより小さくなるが、少なくとも膝部４を伸展し又足首部６を底屈させるためのエネルギーの大部分をこの駆動エネルギーで賄うことができるため、歩行ロボット１の歩行に要する駆動エネルギー全体を効果的に低減することができる。
【００５６】
また、歩行ロボット１では、膝部４及び腰部５において４リンク機構を採用している。そのため、歩行時の歩行ロボット１の姿勢を安定的に維持することが可能となるため、これも歩行ロボット１の歩行に要する駆動エネルギー低減に寄与する。更に、膝部４に設けられたバネ３４、腰部５に設けられたバネ６５、爪先フレーム７２と膝下フレーム１６の間に設けられた圧縮バネから得られる復元力も、同様に歩行ロボット１の歩行に要する駆動エネルギーの低減に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る歩行ロボットの構成を示す正面図である。
【図２】図１に示す歩行ロボットの脚の全体構成を示す正面図である。
【図３】図１に示す歩行ロボットの脚の全体構成を示す側面図である。
【図４】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する膝部の正面図である。
【図５】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する膝部の側面図である。
【図６】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する腰部の正面図である。
【図７】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する腰部の側面図である。
【図８】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する腰部の斜視図である。
【図９】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する足首部の上面図である。
【図１０】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する足首部の側面図である。
【図１１】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部の側面図である。
【図１２】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部の背面図である。
【図１３】図１１及び図１２に示す空気回路部の構成を概略的に示した図である。
【図１４Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部における、制御用空気の流れを示す第一の図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部における、制御用空気の流れを示す第二の図である。
【図１５Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第一の図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第二の図である。
【図１５Ｃ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第三の図である。
【図１５Ｄ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第四の図である。
【図１５Ｅ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第五の図である。
【図１５Ｆ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第六の図である。
【図１５Ｇ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第七の図である。
【図１６】本発明に係る歩行ロボットが図１５Ａ−図１５Ｇに示す歩行サイクルを行ったときの、空気回路部における制動エネルギーと駆動エネルギーの相関を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１・・・・歩行ロボット
２・・・・胴体部
３・・・・脚
４・・・・膝部
５・・・・腰部
６・・・・足首部
１００・・・・空気回路部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行用の脚を有し、該脚により歩行運動が可能な歩行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、歩行ロボットの開発が盛んであるが、その中でもいわゆる位置エネルギーなどのポテンシャルエネルギーを利用した受動的歩行が注目されている。受動的歩行とは、歩行ロボットの力学的特徴であるポテンシャルエネルギーから運動エネルギーへの遷移を生かした歩行であり、例えば、重力場のみを用いた傾斜面の歩行が該当する。
【０００３】
受動的歩行は、歩行ロボットの物理量によってその歩容が決まるという意味で自然で効率的な歩行である。このように力学的に自然な歩行をロボットによって実現することで、エネルギー効率のよい歩行ロボットを開発することが可能となる。尚、受動的歩行を行う歩行ロボットに関する技術が、例えば非特許文献１に開示されている。当該技術では、足首が自由関節である二足歩行ロボットにおける歩行軌道の安定性について述べられている。
【非特許文献１】日本ロボット学会誌，ｖｏｌ２２，Ｎｏ．２，２００−２０６頁，２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歩行ロボットの歩行を考慮する際、人間の歩行を十分に検討するのが好ましい。ここで、人間が歩行する場合、その筋力だけではなく外力を利用して歩行を行っている。これにより、人間はより少ないエネルギーで効率的な歩行を実現している。一方、従来の多くの二足歩行ロボットは、その歩行において全ての関節をアクチュエータで駆動するいわば能動的歩行であり、そのため人間の歩行と比べてエネルギー消費が多くなる。また、従来のように受動的歩行に関する技術はあるが、それはあくまでもポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに変換するものであり、それが適用できる状況は限定されざるを得ない。
【０００５】
本発明では、上記した問題に鑑み、従来から行われるアクチュエータによる能動的歩行だけではなく受動的歩行を積極的に行うことで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行の実現を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、上記の課題を解決するために、本発明では、歩行ロボットに歩行ロボットの歩行に連動して制御用空気の流れを発生させるとともに、該制御用空気を効率的に利用することで、歩行ロボットの歩行のサイクルの一部を制御用空気による受動的駆動とし、効率的な歩行の実現を可能とした。より詳細には、本発明に係る歩行ロボットは、複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を有し、該脚が立脚状態と遊脚状態を繰り返すことで床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、前記歩行ロボットの歩行と連動して、所定の閉空間内で制御用空気の動きを制御することで、該歩行ロボットの歩行をアシストする空気回路部を備える。そして、前記空気回路部は、前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際に、該脚を構成する各リンク部材の各関節部を介して行われる相対位置変化によって、制御用空気を介して該歩行のエネルギーの一部を回収する歩行エネルギー回収部と、前記歩行ロボットの歩行時において、前記脚が遊脚状態から立脚状態へ移行する際に、前記歩行エネルギー回収部によって回収された歩行エネルギーを開放し、該脚の立脚状態への移行をアシストする歩行アシスト部と、を有する。
【０００７】
上記歩行ロボットの脚は、リンク部材と関節部とで構成され、これらは基本的にはアクチュエータから供給される駆動力によって駆動され、歩行ロボットの能動的歩行が可能となる。ここで、この歩行ロボットは歩行が可能である限りその脚の数は限定されない。但し、歩行時の歩行ロボットの安定性の観点からは脚の数が多いほど好ましいが、脚の数が多くなるに従い、脚同士の干渉や脚数の増加による歩行ロボット重量の増加、消費エネルギーの増加が懸念されるため、実施の形態に応じて歩行ロボットの脚数は決定すればよい。
【０００８】
ここで、本発明に係る歩行ロボットには、空気回路部が備えられている。この空気回路部は、歩行ロボットの歩行と連動してその内部に封入されている制御用空気の流れを制御することで、歩行ロボットの歩行を部分的にアシストすることが可能となる。即ち、空気回路部が有する歩行エネルギー回収部が、歩行ロボットの脚がアクチュエータによって立脚状態（脚が床面に接地している状態）から遊脚状態（脚が床面から離れてしまっている状態）に至るときに、各リンク部材の相対位置変化の運動エネルギーを、制御用空気を介して回収する。そして、その回収されたエネルギーを、歩行アシスト部が、その後の該脚が遊脚状態から立脚状態に至る期間の該脚の駆動に利用する。
【０００９】
その結果、歩行ロボットの歩行時の脚のサイクルにおいて、全ての時間でアクチュエータを駆動することなく、脚を駆動することが可能となり、以て歩行時に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行を実現できる。尚、歩行アシスト部によって開放される歩行エネルギーが効率的に利用されるべく、脚を構成するリンク部材、関節部内の摩擦力や、重量を適宜調整するのが好ましい。
【００１０】
ここで、上記歩行ロボットの脚のより具体的な構成について、該脚は、前記床面に接する接地リンク部材と、前記接地リンク部材に足首関節部を介して接続される第一脚リンク部材と、前記第一脚リンク部材に膝関節部を介して接続される第二脚リンク部材と、を有するようにしてもよい。もちろん、歩行ロボットは、その脚において上記以外のリンク部材および関節部を有しても構わない。そしてこのような場合、前記歩行エネルギー回収部は、前記足首関節部と前記膝関節部を介した前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材の相対位置変化によって、前記制御用空気を圧縮し、貯留することで、前記歩行エネルギーの一部を回収し、一方で、前記歩行アシスト部は、前記圧縮され且つ蓄積された制御用空気を開放し、前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材のうち少なくとも何れかに、前記脚が立脚状態に移行するための歩行エネルギーを与える。これにより、歩行ロボットの歩行時に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行を実現できる。
【００１１】
また、上記歩行ロボットにおいて、前記空気回路部は、前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記足首関節部を介して前記接地リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第一ピストン部と、前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記膝関節部を介して前記第二リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第二ピストン部と、前記制御用空気を貯留するタンク部と、を有する構成としてもよい。前記歩行エネルギー回収部は、前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部のうち少なくとも何れかによって圧縮された制御用空気を前記タンク部に貯留し、前記歩行アシスト部は、前記タンク部に貯留された制御用空気を前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部に開放する。
【００１２】
即ち、脚を上下に構成する第一リンク部材と第二リンク部材のそれぞれに連動する第一ピストン部と第二ピストン部による制御用空気の圧縮および該制御用空気による各ピストン部の駆動を利用することで、上述のように歩行ロボットの歩行時の脚のサイクルにおい
て、全ての時間でアクチュエータを駆動することなく、脚を駆動することが可能となる。
【００１３】
また、上記の歩行ロボットにおいて、前記歩行エネルギー回収部は、少なくとも前記接地リンク部材の一部が床面から離れ始めてから完全に離れ終わるまでの遊脚移行工程において、前記第一ピストン部によって送り出された制御用空気の圧縮圧が前記第二ピストン部内に作用するように構成されてもよい。このようにすることで、上記遊脚移行工程において脚の上側に位置する第二ピストン部内には制御用空気が比較的多く残るため、その内部圧力が減少し難くなる。その結果、歩行ロボットの歩行時において、歩行ロボットの上体をしっかりと支えることが可能となり、以て状態が急激に沈み込むなど歩行時の姿勢が不安定になることを防止することが可能となる。
【００１４】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、前記接地リンク部材は、前記足首関節部を介して前記第一リンク部材と接続される脚底リンク部材と、前記脚底リンク部材に爪先関節部を介して接続される爪先リンク部材と、を有してもよい。そして、この場合、前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際には、前記脚底リンク部材、前記爪先リンク部材の順に床面からの離脱が行われ、更に、前記爪先リンク部材が前記爪先関節部を介して前記脚底リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の前記第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率は、該脚底リンク部材が前記足首関節部を介して前記第一リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の該第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率よりも高く設定される。
【００１５】
この接地リンク部材が構成されることで、歩行ロボットの脚が床面を蹴り出し、床面との接触が無くなるその直前において、より多くの制御用空気をタンク部に送り込むことが可能となる。その結果、回収された制御用空気による歩行動作のアシストもより効率的に行われ、歩行ロボットの歩行に要するエネルギー減少に大きく貢献し得る。
【００１６】
そして、上記歩行ロボットにおいては、前記爪先リンク部材は、前記第一リンク部材に対して弾性部材を介して接続されていてもよく、その場合、前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が床面から離れて遊脚状態に至ったとき、前記爪先リンク部材は、前記弾性部材の弾性力により、該脚が立脚状態であって該爪先リンク部材及び前記脚底リンク部材が床面に接地している状態である初期状態の位置に戻されるように構成される。このように弾性部材を適切に配置することで、空気回路部による歩行へのアシストに加えて、弾性部材によるアシストによって、歩行ロボットの更なる効率的な歩行が実現される。
【００１７】
ここで、上述までの歩行ロボットにおいて、前記第一ピストン部と前記第二ピストン部は、一のピストン筐体を共有する形態で、且つ該第一ピストン部が前記接地リンク部材側に位置し、該第二ピストン部が前記第二リンク部材側に位置するように、前記空気回路部に設けられるようにしてもよい。このように各ピストン部を構成することで、歩行ロボットの脚の動きをより確実に各ピストン部に伝えることができる。
【００１８】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、前記歩行ロボットの胴体部に対して、前記第二リンク部材を可動状態で接続する腰関節部を、更に備えてもよい。そして、その場合、前記腰関節部は、前記胴体部側に設けられた二つの回転軸と、前記第二リンク部材側に設けられた二つの回転軸とを、二つのリンク部材で、且つ該二つのリンク部材が交差するように連結することで構成される４リンク機構部と、太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される遊星歯車機構であって、前記胴体部側に設けられた二つの回転軸のうち一の回転軸に、該太陽ギアが接続される遊星歯車機構部と、前記太陽ギアを駆動するアクチュエータと、前記遊星歯車機構部の遊星ギア、もしくは該遊星ギアに接続されるキャリアと、前記胴体部とを弾性的に連結する胴体側弾性部材と、を有する構成としてもよい。
【００１９】
このように４リンク機構部を設けることで、歩行ロボットの上体部（上記腰関節部よりも上側の部分）を安定的に支持することができ、歩行時の姿勢の乱れを防止することができる。更に、遊星歯車機構のキャリアに胴体側弾性部材を設置することにより、腰関節部を中心として歩行ロボットの姿勢を戻す場合に、当該胴体側弾性部材からの弾性力によるアシストを得ることで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
従来から行われるアクチュエータによる能動的歩行だけではなく受動的歩行を積極的に行うことで、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを低減し、効率的な歩行の実現を図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る歩行ロボット１の実施の形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１には歩行ロボット１の機構を概略的に示す。尚、図１においては、歩行ロボット１の腰部を含む下半身部分を示しており、腕部等を含む上半身部分の記載は省略しているが、この点は本発明に係る歩行ロボット１の構成を図１に示す構成に限定する意図を示すものではない。
【００２２】
歩行ロボット１の構造を概略的に説明すると、歩行ロボット１は、胴体部２に対して二本の脚３が取り付けられることで、二足歩行を可能とする歩行ロボットである。そして、この各脚３は、胴体部２に近い順に腰部５、膝部４、足首部６から構成されており、各構成部には、それらを構成するためのリンク部材や関節部が含まれ、これらが互いに連結されることで、複数のリンク部材と関節部から構成される歩行ロボット１の脚３が形成されることになる。更に、図２及び図３に、一本の脚３の詳細な構造を示す。図２は、脚３を背面側から見た場合の構造図であり、図３は脚３を側面側から見た場合の構造図である。ここで、脚３においては、膝部４の背面側であって足首部６の上方に、空気回路部１００が設けられている。以下、各構成部の詳細な説明を行う。
【００２３】
先ず、図４及び図５に基づいて、膝部４を説明する。尚、図４は、図２に示す状態の膝部４の拡大図であり、図５は、図３に示す状態の膝部４の拡大図である。膝部４における膝関節部は、遊星歯車機構１７を中心に構成されている。この遊星歯車機構１７は、太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される一般の遊星歯車機構であり、太陽ギアを中心としてその周りに複数の遊星ギアが配置され、更にそれら遊星ギアが内歯車のギアと噛み合った構成となっている。ここで、複数の遊星ギアは、その両側で二つのキャリア２０によって一連に連結された状態となっている。この遊星歯車機構１７の太陽ギアに、第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５に回転可能に軸支されたギアシャフト１２が連結されており、更にこのギアシャフト１２上に平歯車２２と、該ギアシャフト１２の先端部分（第二膝上フレーム１５の外側）に後述するシリンダ１０８を取り付けるためのシリンダ取り付け軸３２が設けられている。
【００２４】
更に、上記平歯車２２と噛み合う平歯車１９が設けられたギアシャフト１１が、第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５及び矢倉１３によって回転可能に軸支されている。更に、ギアシャフト１１には、上記平歯車２２と同一の平歯車３３が、上記矢倉１３と干渉しないように設けられている。また、平歯車３３は、図示しない平歯車であってモータ２３の出力軸に取り付けられたモータ出力軸歯車と噛み合っている。以上の構成により、モータ２３の出力は、ギアシャフト１１、１２及びこれらに設けられた各平歯車によって遊星歯車機構１７の太陽ギアに入力されることになり、且つモータ出力軸歯車と平歯車３３との噛み合いにより、そして平歯車１９、２２の噛み合いによりモータ２３の出力は比較的大きく減速されている。
【００２５】
また、モータ２３の上方には、第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５とを繋ぐように、バネ固定軸２１が設けられている。そして、このバネ固定軸２１と上記遊星歯車機構１７との間には、バネ３４が、該遊星歯車機構１７で生じた変位に応じて弾性力を発生させ、それにより該遊星歯車機構１７を含んで構成される膝部４が所定の状態に復元しようとするのをアシストできるように連結されている。
【００２６】
次に、膝部４の下部分は主に図４中コの字型をした膝下フレーム１６によって形成されている。そして、上記第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５で構成される膝部４の上部分と、この膝下フレーム１６とは、二本のリンクシャフト２９によって連結されている。各リンクシャフト２９は、その一端においてロッドエンドベアリング２４を介して、膝下フレーム１６の側面板部にボルト２６で連結されている。従って、リンクシャフト２９は、膝下フレーム１６の側面板部に対して回転可能状態となっている。更に、各リンクシャフト２９の他端においても、ロッドエンドベアリング２４を介して、第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５のそれぞれにボルト３０で連結されている。従って、リンクシャフト２９は、第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５に対しても回転可能状態となっている。
【００２７】
また、膝下フレーム１６の上部には左右の側面板部を連結するようにリンクシャフト３１が設けられている。そして、リンクシャフト３１の中央部分において二つのロッドエンドベアリング２８が、該リンクシャフト３１に対して回転可能状態となるように設けられ、更に各ロッドエンド２８と遊星歯車機構１７が有するキャリア２０とを連結する連結ネジ２７が設けられている。
【００２８】
以上より、膝部４においては、その上部分と下部分とは二本のリンクシャフト２９と連結ネジ２７とで連結されている。ここで、二本のリンクシャフト２９のそれぞれは平行であり、また二本の連結ネジ２７も平行であるが、リンクシャフト２９と連結ネジ２７とは平行ではない。従って、膝部４における上部分と下部分は、自由度が１の４リンク機構で連結されていることになる。尚、膝部４において上部分と下部分とが直接的に接触し破損しないように、緩衝材としてのポリウレタン樹脂製のゲル２５が、上部分（第一膝上フレーム１４、第二膝上フレーム１５）側と、下部分（膝下フレーム１６）側に設けられている。
【００２９】
次に、図６〜図８に基づいて、腰部５を説明する。尚、図６は、図２に示す状態の腰部５の拡大図であり、図７は、図３に示す状態の腰部５の拡大図である。腰部４における腰関節部は、遊星歯車機構４１を中心に構成されている。この遊星歯車機構４１は、太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される一般の遊星歯車機構であり、太陽ギアを中心としてその周りに複数の遊星ギアが配置され、更にそれら遊星ギアが内歯車のギアと噛み合った構成となっている。ここで、複数の遊星ギアは、その両側で二つのキャリア４２によって一連に連結された状態となっている。この遊星歯車機構４１の太陽ギアに、第一フレーム４９と第二フレーム６２に回転可能に軸支された回転軸４６が連結されている。更に、該回転軸４６はベアリング４８によって第二フレーム６２に固定され、後述するタイミングプーリ５６の入力軸に連結される。また、回転軸４６に対して平行にシャフト４７が、第一フレーム４９と第二フレーム６２の間に設置されている。
【００３０】
ここで、第一フレーム４９と第二フレーム６２の間にモータ５１が設置され、その第一フレーム４９側にはエンコーダ５２が取り付けられ、その出力側となる第二フレーム６２側には、該モータ５１の出力を受ける金属カラー５４が取り付けられる。そして、この金属カラー５４と、タイミングプーリ５５、５６が第二フレーム６２上に設けられており、三者はタイミングベルト５７によってモータ５１のトルクを伝達可能に結び付けられてい
る。尚、タイミングプーリ５６の直径はタイミングプーリ５５及び金属カラー５４の直径より大きいため、モータ５１のトルクは減速されて遊星歯車機構４１の太陽ギアに入力されることになる。
【００３１】
ここで、腰部５は、図２及び図３に示すように膝部４の上部分を構成する第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５に、二本のシャフト４３と二本のシャフト６３からなる４リンク機構によって接続されている。ここで、この４リンク機構と膝部４とを接続するために、膝部４の第一膝上フレーム１４と第二膝上フレーム１５との間に二本のシャフト４５ａ、４５ｂ（図６においてはシャフト４５ｂは、シャフト４５ａの裏に隠れた状態である。）が設けられている。そして、シャフト６３は、その一端において、シャフト４７に対してロッドエンドベアリング６４を介して接続され、その他端においてはシャフト４５ｂに対してロッドエンドベアリング６４を介して接続される。従って、シャフト６３は、シャフト４７及びシャフト４５ｂに対して回転可能状態となっている。また、シャフト４３は、その一端において、遊星歯車機構４１の遊星ギアを連結する二つのキャリア４２のそれぞれに対してロッドエンドベアリング４４を介して接続され、その他端においてはシャフト４５ａに対してロッドエンドベアリング４４を介して接続される。従って、シャフト４３は、キャリア４２及びシャフト４５ａに対して回転可能状態となっている。そして、これら二本のシャフト４３は互いに平行であり、また二本のシャフト６３は互いに平行であるが、シャフト４３とシャフト６３は互いに平行ではなく図７に示すように交差した状態で配置され、以て膝部４と腰部５の間に４リンク機構が形成される。また、シャフト４５ａ上には平歯車６０が設置されており、該平歯車６０は第二膝上フレームに設けられた平歯車６１と噛み合っている。この平歯車６１には図示されないロータリダンパが接続されており、それにより腰部５を構成する遊星歯車機構４１等に対してダンピング効果を与えている。
【００３２】
また、第一フレーム４９及び第二フレーム６２の間に固定軸５９が設置されており、該固定軸５９は胴体部２の構成要素に対して回転可能となるようにベアリング等で支持されている。更に、固定軸５９上に平歯車５８が設置されており、胴体部２に設けられたモータからのトルクの供給を受ける。その結果、床面に設置した脚３に対して、歩行ロボット１の胴体部２を傾倒させることが可能となる。
【００３３】
ここで、膝部４及び腰部５の間に設けられる上記４リンク機構の構成を把握しやすいように、その斜視図を図８に示す。図８においては、膝部４を構成する第一膝上フレーム１４等は図示されてはいないが、シャフト４３及びシャフト６３が交差状態に配置されているのが分かる。ここで、第一フレーム４９及び第二フレーム６２の間に、該固定軸５９に平行にシャフト５３が設置され、更にこのシャフト５３に一端が接続され、他端が遊星歯車機構４１のキャリア４２に接続される弾性部材のバネ６５が設置されている。
【００３４】
次に、図９及び図１０に基づいて、足首部６を説明する。尚、図９は、足首部６の上面図であって、図１０は、足首部６の側面図である。足首部６の床面接地部分は、主に踵フレーム７１と爪先フレーム７２とで構成され、踵フレーム７１は歩行ロボット１の背面側に位置し、爪先フレーム７２は該歩行ロボット１の正面側に位置する。そして、図９に示すように踵フレーム７１の上方中央部に窪みが形成され、且つ爪先フレーム７２の下方中央部が、該窪みに嵌り込む凸部が形成され、該窪みと該凸部とが嵌りこんだ状態で両者が相対回転移動可能なように、回転軸８５が両者の間に設けられている。
【００３５】
また、踵フレーム７１上に、二つの踝フレーム７３が平行に立設されており、その略中央部には貫通孔８８が設けられている。この貫通孔８８は、膝部４を構成する膝下フレーム１６に設けられた貫通孔と合わせて、踵フレーム７３と膝下フレーム１６とが相対的に回転可能な状態となるように、ベアリングによって支持された回転軸を介して連結される
。これにより、足首部６が膝部４に対して回転可能な状態となる。
【００３６】
ここで、図１０に示すように、踝フレーム７３には踵フレーム７１から斜め上方に延びる貫通孔であるスライド孔部８９が設けられている。また、爪先フレーム７２の上面中央であって、上記凸部の近くに二つの軸指示部７４が設けられている。そして、爪先連結部７７が、その一端に回転自在に設けられたシャフト７５が、二つのスライド孔部８９に沿ってスライド可能な状態で、且つその他端に回転自在に設けられたシャフト７６が、二つの軸指示部７４によって回転可能に支持された状態で、踝フレーム７３を介して踵フレーム７１と爪先フレーム７２とを連結する。従って、踵フレーム７１と爪先フレーム７２のシャフト８５を中心とした回転に従って、物理的な拘束条件によりシャフト７５がスライド孔部８９内をスライドすることになる。
【００３７】
また、足首部６には、７台の圧力センサ８３が設けられている。具体的には、踵フレーム７１の四隅と、爪先フレーム７２の踵フレーム７１寄りの二隅と、中央先端部の一箇所の合計７箇所に圧力センサが配置されている。これらの圧力センサ８３は、全て同じタイプのセンサであり、床面に接する面から若干量飛び出た接触端子８２がセンサ本体を押し込むことで、歩行ロボット１の歩行時に発生する各場所での圧力を検知することができる。更に、爪先フレーム７２と膝部４の膝下フレーム１６との間に図示しない圧縮バネが設けられており、爪先フレーム７２が踵フレームに対して背屈した状態となると、当該圧縮バネは圧縮された状態となる。
【００３８】
次に、空気回路部１００について、図１１〜図１３に基づいて説明する。尚、図１１は、空気回路部１００の詳細構造を側面方向から見た図であり、図１２は該空気回路部１００の背面図である。また、空気回路部１００の主たる構成要素は、図１１、１２において点線で示すように所定の筐体の内部に隠された状態となっているため、本発明の理解を図るために図１３には、空気回路部１００の概略構成がブロック図で示されている。
【００３９】
ここで、この空気回路部１００は、歩行ロボット１の歩行時における脚３の動きを制御するために、閉空間内に閉じ込められた制御用空気を利用する回路である。そこで、空気回路部１００には、歩行ロボット１の脚３の動きに連動して制御用空気を送り出す、いわば制御用空気の供給源として機能するエアシリンダ１０８が備えられている。このエアシリンダ１０８は、いわゆるデュアルストロークシリンダであって、一本の円筒状のシェルをその中央部で分割して、独立した二つのシリンダ１３１、１３３を形成するとともに、各シリンダに対応してその内部の制御用空気を圧縮・膨張させるピストン１３０、１３２をそれぞれ有している。そして、ピストン１３０の端部は、上記足首部６の爪先連結部７７に固定され、またピストン１３２の端部は、上記膝部４のシリンダ取付け軸３２に固定される。この結果、エアシリンダ１０８の各ピストン１３０、１３２の動きは、歩行ロボット１の脚３、特に膝部４と足首部６の動きに連動することになる。尚、図１３では、簡便化のために、エアシリンダ１０８の記載は省略化し、二つのピストンの記載は割愛した。
【００４０】
また、本実施例では上述の通りデュアルストロークシリンダを用いたが、これに代えて二本の通常のシリンダを互いに逆向きに並べて連結することで形成される複合型のシリンダも利用可能である。即ち、歩行ロボット１の歩行時における制御用空気の供給が上記デュアルストロークシリンダと同様に行われるように構成されるシリンダであれば、空気回路部１００への搭載は可能である。
【００４１】
ここで、空気回路部１００の本体部、即ちエアシリンダ１０８から制御用空気が供給される構造部の一部は、通しボルト１１６で位置決めされた第一本体部１１２、第二本体部１０７、第三本体部１１５で構成される。これらの本体部は、アクリル樹脂製であって、
それら自体の製造によって制御用空気が流れる流路や、該制御用空気を制御するための様々な制御機器を収容する空間が既に形成されている。従って、これらの本体部に所定の制御機器を収容させ、且つ通しボルトで所定の位置に配置させると、空気回路部１００が形成されることになる。尚、通しボルト１１６に対して、固定装置１１１を介してエアシリンダ１０８が取り付けられる。
【００４２】
ここで、第二本体部１０７と第三本体部１１５は互いに隣接させて通しボルト１１６に取り付け、更に隣接した状態の第二本体部１０７と第三本体部１１５との間に電磁弁１０５が配置される。電磁弁１０５は、図示しない制御装置からの信号に従って、各本体部の内部に形成されている制御用空気の流路の流れを切り替える三方弁である。また、第二本体部１０７には絞り弁１１７が設けられている。更に、第一本体部１１２の上部には、アクリル樹脂製のタンク１１４が設けられる。タンク１１４は、制御用空気を一時的に貯留することが可能なタンクであり、その内部にピストン１０３と、該ピストン１０３をタンク蓋１０１の内壁に弾性的に接続する圧縮バネ１０２が備えられている。従って、エアシリンダ１０８から本体部側に供給された制御用空気は、タンク１１４に一時的貯留され、それが再び圧縮バネ１０２及びピストン１０３の作用によりピストン１０８側に還流されることで、制御用空気の循環が行われることになる。
【００４３】
このように構成される空気回路部１００における、制御用空気の流路およびそこに組み込まれる制御機器の詳細な構成について図１３に基づいて説明する。尚、図１３は、上述の通り概略構成であり、図１１および図１２に示す実際の空気回路部の構成と等価的な空気回路部をブロック図で示したものである。従って、制御機器等の配置が図１１、１２に示す配置と異なっていることに留意すべきであり、また空気回路部１００の一部の構成要素の記載は省略されている。
【００４４】
ここで、エアシリンダ１０８の足首部６側のシリンダ１３１から供給される制御用空気は流路１２０に流れ込む。尚、流路１２０には絞り弁１１７が設置されている。一方で膝部４側のシリンダ１３３から供給される制御用空気は流路１２１に流れ込む。ここで、流路１２１は二つに分岐し、一方が流路１２２となる。そして、分岐後の流路１２１上にはチェック弁１１０ａが設けられ、流れ絞り弁１１７後の流路１２０と合流し、流路１２３となり、三方弁である電磁弁１０５の第一の入力口に接続される。また、流路１２２にはチェック弁１１０ｂが設置され、電磁弁１０５の第二の入力口に接続される。尚、チェック弁１１０ａは、流路１２１においてエアシリンダ１０８へ向かう方向に制御用空気が流れることを許容し、チェック弁１１０ｂは、流路１２２において電磁弁１０５へ向かう方向に制御用空気が流れることを許容する。
【００４５】
また、電磁弁１０５の第三の入力口には流路１２４が接続され、電磁弁１０５とタンク１１４とを接続する。尚、流路１２４には、そこを流れる制御用空気の速度を制御する速度制御弁１０９が設けられている。このように流路１２２、１２３、１２４が接続される電磁弁１０５では、制御信号によりＯＮ状態となると流路１２４が流路１２３と連通し、ＯＦＦ状態になると流路１２４が流路１２２と連通する。
【００４６】
ここで、空気回路部１００による制御用空気の流れ、特にタンク１１４へ該制御用空気を貯留する場合の流れについて図１４Ａに基づいて説明するとともに、該タンク１１４に貯留された制御用空気が排出される場合の流れについて図１４Ｂに基づいて説明する。尚、図１４Ａ、図１４Ｂに基づく説明の際には、説明の簡便化のために歩行ロボット１の脚の動きとの相関は割愛し、後に改めて詳細に説明する。
【００４７】
図１４Ａに示す状態では、電磁弁１０５はＯＦＦ状態となっている。このとき歩行ロボット１の膝部４は屈曲状態となり、それによりエアシリンダ１０８のシリンダ１３１、１
３３から圧送される制御用空気の流れは、図１４Ａ中の白抜き矢印で示される。具体的には、シリンダ１３１からの制御用空気は、流路１２０を流れた後、チェック弁１１０ａを経て流路１２１に流れ込み、更にチェック弁１１０ｂを経て流路１２２に流れる。一方で、シリンダ１３３からの制御用空気は流路１２１を流れた後、チェック弁１１０ｂを経て流路１２２に合流する。これらの制御用空気は、その後電磁弁１０５、速度制御弁１０９を経て、流路１２４からタンク１１４に至る。そして、タンク１１４に制御用空気が流れ込むことで、その内部の圧縮バネ１０２が圧縮される。
【００４８】
次に、図１４Ｂに示す状態では、電磁弁１０５はＯＮ状態となっている。このとき歩行ロボット１の膝部は制御用空気によって伸展状態となり、それによりタンク１１４内に貯留されていた制御用空気がエアシリンダ１０８側に還流され、その流れは図１４Ｂちゅうの白抜き矢印で示される。具体的には、制御用空気はタンク１１４から流路１２４を経て電磁弁１０５に至り、その後流路１２３から、分岐して流路１２０、１２１のそれぞれを経て、シリンダ１３１、１３３内に制御用空気が流れ込む。このとき、各シリンダ内に適切な量の制御用空気が流れ込むように絞り弁１１７の開度が調整される。
【００４９】
このように、空気回路部１００では、脚３が動くことで制御用空気をタンク１１４に貯留し、その後その制御用空気によって脚部を動かすという一定のサイクルを形成することが可能となり、この結果歩行ロボット１の歩行時の脚３の動きをアシストすることが可能となる。そこで、図１５Ａ〜図１５Ｇに基づいて、脚３の動き、特に膝部４と足首部６の動きと、空気回路部１００における制御用空気の流れについて説明する。尚、各図において上側に歩行ロボット１の歩行時の脚３の状態を示し、そこではエアピストン１０８に作用する圧縮又は膨張の力を点線の矢印で描写し、核関節部の動きを実線の矢印で描写している。また、各図の下側に空気回路部１００における制御用空気の流れを示し、そこでは制御用空気の流れを実線の矢印で描写している。
【００５０】
先ず、図１５Ａに示す状態では、歩行ロボット１の歩行は開始されておらず、脚３は床面に対して垂直に立っている状態である。従って、空気回路部１００内には制御用空気の流れは原則、生じていない。ここで、膝部４に設けられたモータ２３、腰部５に設けられたモータ５１が駆動することにより、歩行ロボット１が歩行するためのエネルギーが供給され、膝部４の屈曲および足首部６の背屈が始まることになる。
【００５１】
先ず、図１５Ａに示す状態から足首部６が背屈することで、歩行ロボット１の重心が前方に移動する。その結果、踝フレーム７３と膝下フレーム１６との間に相対的な回転運動が生じるとともに、踵フレーム７１と爪先フレーム７２との間にも相対的な回転運動が生じる。この段階では、前者の回転運動のほうが後者の回転運動より支配的であるため、シャフト７５のスライド孔部８９内のスライド量は比較的小さい。しかし、シャフト７５のスライドと膝部４の屈曲動作により、エアシリンダ１０８に対してはピストン１３０、１３２を押し込もうとする力が作用する。ここで、ピストン１３０によってシリンダ１３１から押し出された制御用空気がチェック弁１１０ａを経てシリンダ１３３側に加圧作用を及ぼすため、一方でピストン１３２によってシリンダ１３３から押し出されようとする制御用空気はチェック弁１１０ａによってシリンダ１３１側に至ることはできないため、該シリンダ１３３内の制御用空気が外に押し出されにくくなる。その結果、流路１２２、１２４を経てタンク１１４に流入する制御用空気は、シリンダ１３１側の制御用空気が大半となる。それと同時に、シリンダ１３３内の制御用空気はほぼ維持されるため、結果的に歩行ロボット１の膝部４が急激に屈曲してしまうことを防止でき、歩行ロボット１の姿勢安定及び姿勢維持のために消費されるエネルギーの軽減が図られる。
【００５２】
更に、図１５Ｂに示す状態から膝部４、足首部６の屈曲、背屈が進み、脚３が床面から離れようとする蹴り出し状態が、図１５Ｃに示される。このときは、爪先フレーム７２が
踵フレーム７１に対してより強く相対的に回転運動することになるため、シャフト７５のスライド孔部８９内のスライド量が、図１５Ｂに示す状態よりも大きくなる。その結果、ピストン１３０による制御用空気の押し出し量が増加する。それに加えて、膝部４の屈曲が更に進行するため、ピストン１３２による制御用空気の押し出し量も、図１５Ｂに示す状態より増加する。従って、図１５Ｃに示す状態では、タンク１１４に制御用空気が貯留される時間割合が図１５Ｂに示す状態のときより高くなり、効率的な制御用空気の貯留が行われることになる。また、図１５Ｃに示す状態でも、シリンダ１３１からの制御用空気により加圧作用がシリンダ１３３側に作用するため、ここでも膝部４が急激に屈曲してしまうことを防止することができる。
【００５３】
図１５Ｃに示す状態の次には、脚３は図１５Ｄに示す遊脚状態となる。この状態では、爪先フレーム７２と膝下フレーム１６との間に設けられた図示しない圧縮バネによって、爪先フレーム７２が踵フレーム７１に対して底屈し、該踵フレーム７１と面一の状態へ移行するとともに、踝フレーム７３と膝下フレーム１６との間の相対位置関係は維持される。そのため、慣性力により膝部４の屈曲が更に進行して、タンク１１４への制御用空気の貯留が更に行われることになる。
【００５４】
図１５Ｄに示す遊脚状態後、膝部４の伸展が行われる状態（図１５Ｅに示す状態）に至る。このタイミングで、電磁弁５をＯＦＦ状態からＯＮ状態へと切り替える。すると、タンク１１４に貯留されていた制御用空気が、圧縮バネ１０２からのアシストにもよってタンク１１４から排出される状態となる（図１５Ｆに示す状態）。この状態では、図１４Ｂに示すように制御用空気のシリンダ１３１、１３３への還流が行われる。その結果、ピストン１３０、１３２を介して、膝部４を伸展しようとする力が作用することになる。そして、最終的に図１５Ｆに示す状態であって、脚３の状態および空気回路部１００内の制御用空気の流れの状態は図１５Ａに示す状態と同じとなる。
【００５５】
ここで、歩行ロボット１は二足歩行を行うロボットである。そして、各脚３の状態が１８０度の位相でずれた状態で、図１５Ａ〜図１５Ｇの動作、即ち立脚状態から遊脚状態への移行、及び遊脚状態から立脚状態への移行が交互に行われる。そのため、立脚状態から遊脚状態へ移行する場合（図１５Ａから図１５Ｄに至る場合）にタンク１１４に溜めた制御用空気による制動エネルギー（タンク１１４に制御用空気が貯留されることで結果的に脚３の動きに対して制動力を作用させた状態となるため、「制動」という言葉を使用する。）が、遊脚状態から立脚状態に至るための駆動エネルギーとして利用することが可能となる。図１６に、この制動エネルギーと駆動エネルギーの相関を示す。脚３における内部摩擦等によって駆動エネルギーは制動エネルギーより小さくなるが、少なくとも膝部４を伸展し又足首部６を底屈させるためのエネルギーの大部分をこの駆動エネルギーで賄うことができるため、歩行ロボット１の歩行に要する駆動エネルギー全体を効果的に低減することができる。
【００５６】
また、歩行ロボット１では、膝部４及び腰部５において４リンク機構を採用している。そのため、歩行時の歩行ロボット１の姿勢を安定的に維持することが可能となるため、これも歩行ロボット１の歩行に要する駆動エネルギー低減に寄与する。更に、膝部４に設けられたバネ３４、腰部５に設けられたバネ６５、爪先フレーム７２と膝下フレーム１６の間に設けられた圧縮バネから得られる復元力も、同様に歩行ロボット１の歩行に要する駆動エネルギーの低減に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る歩行ロボットの構成を示す正面図である。
【図２】図１に示す歩行ロボットの脚の全体構成を示す正面図である。
【図３】図１に示す歩行ロボットの脚の全体構成を示す側面図である。
【図４】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する膝部の正面図である。
【図５】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する膝部の側面図である。
【図６】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する腰部の正面図である。
【図７】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する腰部の側面図である。
【図８】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する腰部の斜視図である。
【図９】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する足首部の上面図である。
【図１０】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する足首部の側面図である。
【図１１】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部の側面図である。
【図１２】本発明に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部の背面図である。
【図１３】図１１及び図１２に示す空気回路部の構成を概略的に示した図である。
【図１４Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部における、制御用空気の流れを示す第一の図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの脚を構成する空気回路部における、制御用空気の流れを示す第二の図である。
【図１５Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第一の図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第二の図である。
【図１５Ｃ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第三の図である。
【図１５Ｄ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第四の図である。
【図１５Ｅ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第五の図である。
【図１５Ｆ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第六の図である。
【図１５Ｇ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行時の脚の動作状態と、空気回路部における制御用空気の流れとの相関を示す第七の図である。
【図１６】本発明に係る歩行ロボットが図１５Ａ−図１５Ｇに示す歩行サイクルを行ったときの、空気回路部における制動エネルギーと駆動エネルギーの相関を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１・・・・歩行ロボット
２・・・・胴体部
３・・・・脚
４・・・・膝部
５・・・・腰部
６・・・・足首部
１００・・・・空気回路部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を有し、該脚が立脚状態と遊脚状態を繰り返すことで床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、
前記歩行ロボットの歩行と連動して、所定の閉空間内で制御用空気の動きを制御することで、該歩行ロボットの歩行をアシストする空気回路部を備え、
前記空気回路部は、
前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際に、該脚を構成する各リンク部材の各関節部を介して行われる相対位置変化によって、制御用空気を介して該歩行のエネルギーの一部を回収する歩行エネルギー回収部と、
前記歩行ロボットの歩行時において、前記脚が遊脚状態から立脚状態へ移行する際に、前記歩行エネルギー回収部によって回収された歩行エネルギーを開放し、該脚の立脚状態への移行をアシストする歩行アシスト部と、を有する、
歩行ロボット。
【請求項２】
前記脚は、
前記床面に接する接地リンク部材と、
前記接地リンク部材に足首関節部を介して接続される第一脚リンク部材と、
前記第一脚リンク部材に膝関節部を介して接続される第二脚リンク部材と、を有し、
前記歩行エネルギー回収部は、前記足首関節部と前記膝関節部を介した前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材の相対位置変化によって、前記制御用空気を圧縮し、貯留することで、前記歩行エネルギーの一部を回収し、
前記歩行アシスト部は、前記圧縮され且つ蓄積された制御用空気を開放し、前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材のうち少なくとも何れかに、前記脚が立脚状態に移行するための歩行エネルギーを与える、
請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
前記空気回路部は、
前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記足首関節部を介して前記接地リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第一ピストン部と、
前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記膝関節部を介して前記第二リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第二ピストン部と、
前記制御用空気を貯留するタンク部と、を有し、
前記歩行エネルギー回収部は、前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部のうち少なくとも何れかによって圧縮された制御用空気を前記タンク部に貯留し、
前記歩行アシスト部は、前記タンク部に貯留された制御用空気を前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部に開放する、
請求項２に記載の歩行ロボット。
【請求項４】
前記歩行エネルギー回収部は、少なくとも前記接地リンク部材の一部が床面から離れ始めてから完全に離れ終わるまでの遊脚移行工程において、前記第一ピストン部によって送り出された制御用空気の圧縮圧が前記第二ピストン部内に作用するように構成される、
請求項３に記載の歩行ロボット。
【請求項５】
前記接地リンク部材は、
前記足首関節部を介して前記第一リンク部材と接続される脚底リンク部材と、
前記脚底リンク部材に爪先関節部を介して接続される爪先リンク部材と、を有し、
前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際には、
前記脚底リンク部材、前記爪先リンク部材の順に床面からの離脱が行われ、
前記爪先リンク部材が前記爪先関節部を介して前記脚底リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の前記第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率は、該脚底リンク部材が前記足首関節部を介して前記第一リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の該第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率よりも高く設定される、
請求項３又は請求項４に記載の歩行ロボット。
【請求項６】
前記爪先リンク部材は、前記第一リンク部材に対して弾性部材を介して接続され、
前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が床面から離れて遊脚状態に至ったとき、前記爪先リンク部材は、前記弾性部材の弾性力により、該脚が立脚状態であって該爪先リンク部材及び前記脚底リンク部材が床面に接地している状態である初期状態の位置に戻されるように構成される、
請求項５に記載の歩行ロボット。
【請求項７】
前記第一ピストン部と前記第二ピストン部は、一のピストン筐体を共有する形態で、且つ該第一ピストン部が前記接地リンク部材側に位置し、該第二ピストン部が前記第二リンク部材側に位置するように、前記空気回路部に設けられる、
請求項３から請求項６の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項８】
前記歩行ロボットの胴体部に対して、前記第二リンク部材を可動状態で接続する腰関節部を、更に備え、
前記腰関節部は、
前記胴体部側に設けられた二つの回転軸と、前記第二リンク部材側に設けられた二つの回転軸とを、二つのリンク部材で、且つ該二つのリンク部材が交差するように連結することで構成される４リンク機構部と、
太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される遊星歯車機構であって、前記胴体部側に設けられた二つの回転軸のうち一の回転軸に、該太陽ギアが接続される遊星歯車機構部と、
前記太陽ギアを駆動するアクチュエータと、
前記遊星歯車機構部の遊星ギア、もしくは該遊星ギアに接続されるキャリアと、前記胴体部とを弾性的に連結する胴体側弾性部材と、
を有する、
請求項１から請求項７の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項１】
複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を有し、該脚が立脚状態と遊脚状態を繰り返すことで床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、
前記歩行ロボットの歩行と連動して、所定の閉空間内で制御用空気の動きを制御することで、該歩行ロボットの歩行をアシストする空気回路部を備え、
前記空気回路部は、
前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際に、該脚を構成する各リンク部材の各関節部を介して行われる相対位置変化によって、制御用空気を介して該歩行のエネルギーの一部を回収する歩行エネルギー回収部と、
前記歩行ロボットの歩行時において、前記脚が遊脚状態から立脚状態へ移行する際に、前記歩行エネルギー回収部によって回収された歩行エネルギーを開放し、該脚の立脚状態への移行をアシストする歩行アシスト部と、を有する、
歩行ロボット。
【請求項２】
前記脚は、
前記床面に接する接地リンク部材と、
前記接地リンク部材に足首関節部を介して接続される第一脚リンク部材と、
前記第一脚リンク部材に膝関節部を介して接続される第二脚リンク部材と、を有し、
前記歩行エネルギー回収部は、前記足首関節部と前記膝関節部を介した前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材の相対位置変化によって、前記制御用空気を圧縮し、貯留することで、前記歩行エネルギーの一部を回収し、
前記歩行アシスト部は、前記圧縮され且つ蓄積された制御用空気を開放し、前記設置リンク部材、前記第一脚リンク部材、前記第二脚リンク部材のうち少なくとも何れかに、前記脚が立脚状態に移行するための歩行エネルギーを与える、
請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
前記空気回路部は、
前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記足首関節部を介して前記接地リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第一ピストン部と、
前記歩行ロボットの歩行に連動して、前記膝関節部を介して前記第二リンク部材と前記第一脚リンク部材との相対位置変化によって、制御用空気の圧縮、膨張を行う第二ピストン部と、
前記制御用空気を貯留するタンク部と、を有し、
前記歩行エネルギー回収部は、前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部のうち少なくとも何れかによって圧縮された制御用空気を前記タンク部に貯留し、
前記歩行アシスト部は、前記タンク部に貯留された制御用空気を前記第一ピストン部及び前記第二ピストン部に開放する、
請求項２に記載の歩行ロボット。
【請求項４】
前記歩行エネルギー回収部は、少なくとも前記接地リンク部材の一部が床面から離れ始めてから完全に離れ終わるまでの遊脚移行工程において、前記第一ピストン部によって送り出された制御用空気の圧縮圧が前記第二ピストン部内に作用するように構成される、
請求項３に記載の歩行ロボット。
【請求項５】
前記接地リンク部材は、
前記足首関節部を介して前記第一リンク部材と接続される脚底リンク部材と、
前記脚底リンク部材に爪先関節部を介して接続される爪先リンク部材と、を有し、
前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が立脚状態から遊脚状態に移行する際には、
前記脚底リンク部材、前記爪先リンク部材の順に床面からの離脱が行われ、
前記爪先リンク部材が前記爪先関節部を介して前記脚底リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の前記第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率は、該脚底リンク部材が前記足首関節部を介して前記第一リンク部材に対して相対位置変化を行った場合の該第一ピストンにおける制御用空気の圧縮率よりも高く設定される、
請求項３又は請求項４に記載の歩行ロボット。
【請求項６】
前記爪先リンク部材は、前記第一リンク部材に対して弾性部材を介して接続され、
前記歩行ロボットの歩行時において前記脚が床面から離れて遊脚状態に至ったとき、前記爪先リンク部材は、前記弾性部材の弾性力により、該脚が立脚状態であって該爪先リンク部材及び前記脚底リンク部材が床面に接地している状態である初期状態の位置に戻されるように構成される、
請求項５に記載の歩行ロボット。
【請求項７】
前記第一ピストン部と前記第二ピストン部は、一のピストン筐体を共有する形態で、且つ該第一ピストン部が前記接地リンク部材側に位置し、該第二ピストン部が前記第二リンク部材側に位置するように、前記空気回路部に設けられる、
請求項３から請求項６の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項８】
前記歩行ロボットの胴体部に対して、前記第二リンク部材を可動状態で接続する腰関節部を、更に備え、
前記腰関節部は、
前記胴体部側に設けられた二つの回転軸と、前記第二リンク部材側に設けられた二つの回転軸とを、二つのリンク部材で、且つ該二つのリンク部材が交差するように連結することで構成される４リンク機構部と、
太陽ギア、遊星ギア、内歯車で構成される遊星歯車機構であって、前記胴体部側に設けられた二つの回転軸のうち一の回転軸に、該太陽ギアが接続される遊星歯車機構部と、
前記太陽ギアを駆動するアクチュエータと、
前記遊星歯車機構部の遊星ギア、もしくは該遊星ギアに接続されるキャリアと、前記胴体部とを弾性的に連結する胴体側弾性部材と、
を有する、
請求項１から請求項７の何れかに記載の歩行ロボット。
【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１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１５Ｄ】
【図１５Ｅ】
【図１５Ｆ】
【図１５Ｇ】
【図１６】
【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１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１５Ｄ】
【図１５Ｅ】
【図１５Ｆ】
【図１５Ｇ】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２７４１４２（Ｐ２００９−２７４１４２Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２４８４０（Ｐ２００８−１２４８４０）
【出願日】平成２０年５月１２日（２００８．５．１２）
【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 社団法人計測自動制御学会 第８回（社）計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会 ＳＩ２００７「能動／受動複合関節の新機構とそれを用いた二足歩行ロボット Ｔｏｋａｉ−Ｒｏｂｏ−Ｈａｂｉｌｉｓ２―自己エネルギー回収・利用機構と遊脚相の制御―」２００７年１２月２０日発表
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１２日（２００８．５．１２）
【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 社団法人計測自動制御学会 第８回（社）計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会 ＳＩ２００７「能動／受動複合関節の新機構とそれを用いた二足歩行ロボット Ｔｏｋａｉ−Ｒｏｂｏ−Ｈａｂｉｌｉｓ２―自己エネルギー回収・利用機構と遊脚相の制御―」２００７年１２月２０日発表
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
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