足部走行機構及びそれを備えた２足歩行ロボット
【課題】 既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ汎用性に優れ、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる足部走行機構の提供、及び、整地や平坦な路面においては車輪による走行ができるので、高い安定性及び移動性を有する足部走行機構を備えた２足歩行ロボットの提供を目的とする。
【解決手段】 本発明の足部走行機構３は、脚部の足底にそれぞれ配設される足部フレーム１０ａ，１０ｂと、足部フレーム１０ａ，１０ｂの一方の側部に前後に配設された能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂと、能動車輪部１１ａ，１１ｂを回転駆動する駆動部１２ａ，１２ｂと、足部フレーム１０ａ，１０ｂの他方の側部に前後に配設された摩擦接地部１４と、を備えた構成を有する。本発明の２足歩行ロボット１は、左右の脚部と、脚部の足底に配設された足部走行機構３と、を備えた構成を有する。
【解決手段】 本発明の足部走行機構３は、脚部の足底にそれぞれ配設される足部フレーム１０ａ，１０ｂと、足部フレーム１０ａ，１０ｂの一方の側部に前後に配設された能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂと、能動車輪部１１ａ，１１ｂを回転駆動する駆動部１２ａ，１２ｂと、足部フレーム１０ａ，１０ｂの他方の側部に前後に配設された摩擦接地部１４と、を備えた構成を有する。本発明の２足歩行ロボット１は、左右の脚部と、脚部の足底に配設された足部走行機構３と、を備えた構成を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行ロボットの脚部の足底に配設される車輪を用いた足部走行機構及び足底に該足部走行機構を備えた２足歩行ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の生活環境で活動する人間形ロボット、いわゆるヒューマノイドロボットの研究、開発がさかんに行われている。ヒューマノイドロボットは、工業生産だけでなく、家事、高齢者介護等、人間の生活を快適にする目的で使用される場合が多く、人間のために作られた環境において不特定の使用者と密着して作業するため、それに適した形態と機能を持つ必要がある。また、特別な使用訓練を必要とせず安全で柔軟なヒューマンマシンインターフェースを備えることも要求されるため、極めて多くの研究課題がある。特に、移動手段として人間と同様に２足を有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットは、多くの研究機関や企業で鋭意研究され開発されている。
【０００３】
従来の２足歩行ロボットとしては、本出願人により開発されたものがあり、特許文献１に開示されている。特許文献１の２足歩行ロボットの下半身モジュールは脚部をパラレルリンク機構により構成しているので大きな負荷に耐えることができ、重量の大きい上半身を搭載又は組み込むことができ設計の自由度に優れている。
しかしながら、特許文献１の２足歩行ロボットの下半身モジュールを含めた一般的な２足歩行ロボットは、車輪を用いた移動手段を有する移動ロボットに比べ、不整地や段差のある路面での移動性は高いが、整地や平坦な路面での移動性が悪いという問題点を有していた。
【０００４】
この問題点を解決するために、特許文献２には「伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、この平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、前記脚の端部を３次元の任意の位置に移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備えたことを特徴とする２足歩行ロボット」が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９１０８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２６６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の２足歩行ロボットでは以下のような課題を有していた。
（１）特許文献１に記載の２足歩行ロボットの下半身モジュールを含めた一般的な２足歩行ロボットでは、整地や平坦な路面での移動速度が遅くエネルギ効率が悪く、車輪を用いた走行手段を有するロボットでは不整地や段差のある路面での移動性が低いという課題を有していた。
（２）特許文献２に記載の２足歩行ロボットでは、各々脚に対して、その足底の両側に各々一対の車輪を設けているだけなので、片脚で立っている場合に脚端部に支持多角形を形成することができず、ＺＭＰを制御することによる姿勢の安定化を図れないという課題を有していた。
（３）また、特許文献２では、その場で旋回を行う際には、いずれか一方の脚のみで立った状態でしか行うことができないので、支持多角形が形成されず、ＺＭＰを制御することによる姿勢の安定化を図れないという課題を有していた。
（４）さらに、特許文献２では、２足歩行による階段等の段差昇降中に外乱が加わると、車輪を回転させ転倒しないようにバランスを取らなければならず、そうすると階段等から転落する可能性があり安全性に欠けるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ汎用性に優れ、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる足部走行機構の提供、及び、凹凸路面等の不整地や段差に２足歩行で対応できると共に、整地や平坦な路面においては車輪による走行ができるので、高い安定性及び移動性を有し、さらに２足歩行と車輪走行との切り換えをスムーズに行うことができる足部走行機構を備えた２足歩行ロボットの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の足部走行機構及びそれを備えた２足歩行ロボットは、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の足部走行機構は、歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される足部フレームと、前記足部フレームの一方の側部に前後に配設された能動車輪部及び受動車輪部と、前記能動車輪部を回転駆動する駆動部と、前記足部フレームの他方の側部に前後に配設された摩擦接地部と、を備えた構成を有している。
【０００９】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）足部フレームの一方の側部に能動車輪部及び受動車輪部を備え、他方の側部に前後に摩擦接地部を有することにより、摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部と受動車輪部のみを接地させた状態で能動車輪部を駆動することにより走行を行うことができると共に、摩擦接地部を路面に接地させることにより歩行を行うことができる。
（２）能動車輪部と受動車輪部により走行を行うことができるので、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる。
（３）各足底の足部フレームを外側又は内側に傾けるだけで摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部及び受動車輪部のみを接地させることができるので、車輪による走行と歩行とを容易に且つスムーズに切り換えることができる。
（４）能動車輪部の回転角を制御するだけで、歩行ロボットを前進、後進、左右旋回させることができる。また、車輪に滑りが生じない条件では、歩行ロボットの路面上における位置と方向が各能動車輪部の回転角のみによって定まるため、歩行ロボットの位置や移動速度等を容易に制御できる。
（５）足部走行機構は、足部フレームと能動車輪部及び受動車輪部と駆動部と摩擦接地部とからなるので、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けて用いることができ、汎用性に優れる。
【００１０】
ここで、能動車輪部としては、各足部に軸支されたモータ等の駆動部により駆動される車輪が用いられる。なお、能動車輪部の軸受としてはアンギュラ玉軸受や円すいころ軸受等が用いられる。また、受動車輪部としては、足部のフレームに回転自在に軸支されたボールキャスタ等のキャスタが用いられる。
能動車輪部、受動車輪部、及び摩擦接地部を接地させて歩行を行う場合は能動車輪部が路面との摩擦力で回転しないように駆動部を駆動して制御することが好ましい。これにより、足底の滑りを防ぐことができる。なお、能動車輪部及び受動車輪部の回転を固定するブレーキを設けて回転しないよう固定してもよい。
能動車輪部及び受動車輪部は、各足部の外側の側部に配設されることが好ましい。これにより、各足部を各々外側に傾けて摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部及び受動車輪部のみが路面に接地している場合、能動車輪部及び受動車輪部により形成される支持多角形を大きくすることができ、車輪走行時の姿勢の安定性に優れる。
【００１１】
また、各足部フレームを前方へ傾けることにより受動車輪部及び摩擦接地部を路面から離隔させ、各足底の能動車輪部のみを接地させることにより、歩行ロボットを能動車輪部のみが接地した状態で略直立させ、この状態で走行（倒立振子型走行）させることができる。倒立振子型走行動作時には、２足歩行ロボットであれば２つの能動車輪部のみが接地した状態で転倒しないようバランスを保ちながら移動する。このとき、２足歩行ロボットのベース部（腰部）に設けられた３軸姿勢角センサにより計測された姿勢角等をフィードバックして制御することにより系自体が安定するように制御されるため、ある程度の外乱にも対応できる。さらに、所定の位置に移動して静止することもできる。なお、能動車輪部の駆動軸を前部の摩擦接地部より前方に位置するように配置するか、或いは能動車輪部を大径のものとすることにより、各足部を外側に傾けることなく、前方へ傾けるだけで能動車輪部のみが接地した状態とすることができる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の足部走行機構であって、前記能動車輪部、前記受動車輪部、及び前記摩擦接地部の路面に対する各接地点が同一平面上に配設されると共に、前記各接地点は前記同一平面上に支持多角形を形成する構成を有している。
【００１３】
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）歩行時には、能動車輪部、受動車輪部、及び摩擦接地部を路面に接地させ、各足の底部に支持多角形を形成することができるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で、安定した歩行を行うことができる。
（２）車輪走行時には、各足底の接地した能動車輪部及び受動車輪部により支持多角形を形成し、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で整地や平坦な路面において安定した車輪走行を行うことができる。
【００１４】
ここで、能動車輪部、受動車輪部、摩擦接地部のいずれか１以上と足部フレームとの間に緩衝用のゴムやバネ等の弾性部材を設けることができる。これにより、ロボット本体や足部フレームにかかる衝撃を吸収することが可能になる。なお、能動車輪部、受動車輪部、摩擦接地部の各接地点（接地部分）は、路面に接地し弾性部材が縮んだ状態で同一平面上に配置され支持多角形を形成する。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の足部走行機構は、歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えた構成を有している。
【００１６】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）右足部及び左足部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えているので、各足部の軌跡が波線状となるように各足部を周期的に運動させる、いわゆるスウィズル動作を行うことで、進行方向に直交する方向へ各足部を移動させる力の一部を推進力として取り出すことができ、モータ等の駆動部を用いることなく２足歩行ロボットを前進、後退させることができる。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の足部走行機構は、歩行ロボットの脚部の足底の内いずれか１以上に配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に各接地点が支持多角形を形成するように配設された３乃至複数の受動車輪部と、を備えた構成を有している。
【００１８】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）足部走行機構を備えていない足底で路面を蹴った後、該足底を路面から離隔することにより、足部走行機構を備えた別の脚部の足底の受動車輪部により走行することができ、モータ等の駆動部を用いることなく前進することができる。また、受動車輪部を備えた一方の足部を斜めに向け、摩擦接地部を備えた足部をその方向に蹴り出せば、斜め方向にも進むことができる。
（２）足部走行機構の足底に３乃至複数の受動車輪部により支持多角形が形成されるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で整地や平坦な路面において安定した車輪走行を行うことができる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の２足歩行ロボットは、左右の脚部と、前記脚部の各足底又はいずれか一方の足底に配設された請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の足部走行機構と、を備えた構成を有している。
【００２０】
この構成により、請求項１乃至４の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）能動車輪部や受動車輪部により走行することができるので、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる。
（２）足底に能動車輪部及び受動車輪部と摩擦接地部とを備えた場合は、整地や平坦な路面において車輪による走行ができると共に、凹凸路面等の不整地や段差において２足歩行でき、さらに車輪走行と２足歩行との切り換えもスムーズに行うことができるので、路面の傾斜や段差、状態等に関わらず効率よく移動することができる。
【００２１】
この足部走行機構は、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ、汎用性に優れる。なお、この足部走行機構は、能動車輪部の回転角を制御している点、或いはスウィズル動作等を行う点から２足歩行ロボットに対し特に有用であるが、４足や６足の多足歩行ロボットにも用いることができる。
また、脚部はシリアルリンク機構部を有するものであっても、パラレルリンク機構部を有するものであってもよい。
【００２２】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の２足歩行ロボットであってベース部と、前記足部走行機構からなる右足部及び／又は左足部と、前記ベース部の下部に配設された複数のベース部側受動ジョイントと、前記右足部及び前記左足部の上部に配設された複数の足部側受動ジョイントと、前記ベース部側受動ジョイントと前記右足部の前記足部側受動ジョイントとの間、及び、前記ベース側受動ジョイントと前記左足部の前記足部側受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部と、を備えた構成を有している。
【００２３】
この構成により、請求項５の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）脚部が、ベース部と右足部及び左足部との間に各々複数のリンクが並列に配設されたパラレルリンク機構部により形成されているので、各々のリンクに負荷が分散され大きな負荷に耐えることができ剛性を高くすることができると共に、右足部及び左足部における出力が大きく、重量物の搭載や搬送等が可能で実用性に優れる。
【００２４】
ここで、パラレルリンク機構部は、ベース部と右足部、及び、ベース部と左足部の間に各々配設され、各々のパラレルリンク機構部には複数のリンクが並列に配設されている。各々のパラレルリンク機構部は、ベース部の中央の両側に対称に配設されることが好ましく、パラレルリンク機構部に用いられるリンクも、左右の脚部で同様に対称に配設されることが好ましい。これにより、歩行動作制御を行うためのＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）制御が可能であり、歩行動作時の安定性に優れる。
リンクとしては、モータを用いた送り螺子機構を有するものや、油圧、水圧、空気圧シリンダや直動型アクチュエータ等を用いた直動リンクや、２以上の棒状部材を駆動関節により連結したもの等種々のものが用いられる。
ベース部には３軸姿勢角センサを設けることができる。これにより、３軸姿勢角センサの情報をフィードバックして制御することで、２足歩行ロボットの姿勢角を安定させることができる。
受動ジョイントとしては、ユニバーサルジョイント、ボールジョイント、又は２軸の軸継手、或いはこれらと１軸或いは２軸の軸継手の組合せ等を各々適宜ベース側や右足部側、左足部側に配置して用いられる。なお、ユニバーサルジョイントを用いた場合、ボールジョイントに比べ可動範囲が広くなるため好ましい。
【００２５】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の２足歩行ロボットであって、前記パラレルリンク機構部のリンクとして、上端部で前記ベース部側受動ジョイントに連結され、下端部で前記足部側受動ジョイントに連結された伸縮可能な直動リンクを備えた構成を有している。
【００２６】
この構成により、請求項５又は６の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向がリンクの長手方向である直動リンクを用いることで、各々の直動リンクが互いに干渉することがないため装置の小型化及びコンパクト化が可能であると共に、設計の自由度に優れる。
（２）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向がリンクの長手方向である直動リンクを用いることで、直動リンクの伸長時と短縮時で直動リンクのアクチュエータにかかる負荷に大きな差が出ないため、下半身モジュールが低い姿勢をとった場合にアクチュエータにかかる負荷トルクを低減できると共に、アクチュエータの動力を節約でき省エネルギ性に優れる。
（３）各々の直動リンクには引っ張り力及び圧縮力のみが印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及び剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり設計の自由度に優れる。
【００２７】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７の内いずれか１項に記載の２足歩行ロボットであって、前記右足部及び前記左足部が、上面に前記足部側受動ジョイントが固定された固定板と、前記固定板の下部と前記足部フレーム又は前記車輪保持部の上部との間に介装された６軸力覚センサと、を備えた構成を有している。
【００２８】
この構成により、請求項５乃至７の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）６軸力覚センサにより各軸方向の力３成分と各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ逐次連続的に高精度で検出することができ、６軸力覚センサで検出された値を基にＺＭＰ制御を行うことができる。
（２）６軸力覚センサを固定板と足部フレーム又は車輪保持部との間に介装しているので、正確な検出値が得られＺＭＰ制御が可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明の２足歩行ロボットによれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、
（１）摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部と受動車輪部のみを接地させた状態で能動車輪部を駆動することにより平坦な路面において高速且つ高効率で走行を行うことができると共に、摩擦接地部を路面に接地させることにより安定した歩行を行うことができ、各足底の足部フレームを傾けるだけで車輪による走行と歩行とを容易に且つスムーズに切り換えることができる移動性に優れた足部走行機構を提供することができる。
（２）能動車輪部の回転角を制御するだけで、歩行ロボットを前進、後進、左右旋回させることができ、また、車輪に滑りが生じない条件では、歩行ロボットの路面上における位置と方向が各能動車輪部の回転角のみによって定まるため、歩行ロボットの位置や移動速度等を容易に制御できる制御性に優れた足部走行機構を提供することができる。
（３）足部走行機構が、足部フレームと能動車輪部及び受動車輪部と駆動部と摩擦接地部とからなるので、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けて用いることができる汎用性に優れた足部走行機構を提供することができる。
【００３０】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、
（１）能動車輪部、受動車輪部、摩擦接地部で支持多角形を形成することができるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で、安定した歩行及び走行を行うことができる足部走行機構を提供することができる。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、
（１）右足部及び左足部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えているので、スウィズル動作を行うことで、モータ等の駆動部を用いることなく２足歩行ロボットを前進、後退させることができる移動性に優れた足部走行機構を提供することができる。
【００３２】
請求項４に記載の発明によれば、
（１）足部走行機構を備えていない足底の摩擦接地部で路面を蹴って、足部走行機構を備えた別の足部により走行することができ、モータ等の駆動部を用いることなく前進、後退できる２足歩行ロボットを提供することができる。また、受動車輪部を備えた一方の足部を斜めに向け、摩擦接地部を備えた足部をその方向に蹴り出せば、斜め方向にも進むことができる。
（２）足部走行機構の足底に３乃至複数の受動車輪部により支持多角形が形成されるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で整地や平坦な路面において安定した車輪走行を行うことができる２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３３】
請求項５に記載の発明によれば、
（１）能動車輪部や受動車輪部により走行することができるので、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる２足歩行ロボットを提供することができる。
（２）整地や平坦な路面において車輪による走行ができると共に、凹凸路面等の不整地や段差において２足歩行でき、さらに車輪走行と２足歩行との切り換えもスムーズに行うことができるので、路面の傾斜や段差、状態等に関わらず効率よく移動することができる移動性に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の効果に加え、
（１）脚部がパラレルリンク機構部により形成されているので、各々のリンクに負荷が分散され大きな負荷に耐えることができ剛性を高くすることができると共に、右足部及び左足部における出力が大きく、重量物の搭載や搬送等が可能で実用性に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３５】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５又は６の効果に加え、
（１）パラレルリンク機構部のリンクとして直動リンクを用いることで、各々の直動リンクが互いに干渉することがないため装置の小型化及びコンパクト化が可能で設計の自由度に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
（２）直動リンクの伸長時と短縮時で直動リンクのアクチュエータにかかる負荷に大きな差が出ないため、下半身モジュールが低い姿勢をとった場合にアクチュエータにかかる負荷トルクを低減できると共に、アクチュエータの動力を節約できる省エネルギ性に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
（３）各々の直動リンクには引っ張り力及び圧縮力のみが印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及び剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり設計の自由度に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３６】
請求項８に記載の発明によれば、請求項５乃至７の内いずれか１項の効果に加え、
（１）６軸力覚センサにより各軸方向の力３成分と各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ逐次連続的に高精度で検出することができ、また、６軸力覚センサを固定板と足部フレーム又は車輪保持部との間に介装しているので、正確な検出値が得られＺＭＰ制御が可能になる２足歩行ロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の一実施の形態について、図１乃至図８を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における２足歩行ロボットの全体斜視図であり、図２は図１に示す２足歩行ロボットの模式図である。
図中、１は本実施の形態１における２足歩行ロボット、１ａは右脚のパラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機構部、２はベース部、３は右足部の足部走行機構、４は左足部の足部走行機構、３ａ，４ａは足部走行機構３，４の上部に固定された固定板、５（５ａ，５ａ′，５ｂ，５ｂ′，５ｃ，５ｃ′）はパラレルリンク機構部１ａ，１ｂの直動リンク、６（６ａ，６ａ′，６ｂ，６ｂ′，６ｃ，６ｃ′）はベース部側受動ジョイント、７（７ａ，７ｂ，７ｃ）は足部側受動ジョイント、８（８ａ，８ｂ，８ｃ）は回動受動ジョイント、９は６軸力覚センサ、１０ａ，１０ｂは足部フレーム、１１ａ，１１ｂは能動車輪部、１２ａ，１２ｂは駆動部、１３ａ，１３ｂは受動車輪部、１４は摩擦接地部である。
【００３８】
ここで、右脚の各部について図２を用いて説明する。なお、左脚の各部は右脚と対称で同一構成なので説明を省略する。
図１及び図２に示すように、固定板３ａは床反力を検出する６軸力覚センサ９を介して右足部３の足部フレーム１０ａの上部に固定されている。６軸力覚センサ９により、各軸方向の力３成分と各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ連続的に高精度で検出することができる。
直動リンク５、５ａ、５ａ′、５ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′は、モータを用いた送り螺子機構や、油圧、水圧、空気圧等を用いたシリンダ等の直動型アクチュエータを用いて伸縮自在に形成され、その長手方向に伸縮する１自由度に形成されている。ベース部側受動ジョイント６、６ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６ｃ′は、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の長手方向に直交し、且つ各々直交する２軸の軸周方向に回動する２自由度に形成されている。足部側受動ジョイント７、７ａ、７ｂ、７ｃは、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の長手方向に直交し、且つ各々直交する２軸の軸周方向に回動する２自由度に形成されている。回動受動ジョイント８、８ａ、８ｂ、８ｃは、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の軸周方向に回動する１自由度に形成されている。
【００３９】
ベース部側受動ジョイント６ａ、６ａ′はベース部２の下面の右後部側に配設されている。足部側受動ジョイント７ａの下部には回動受動ジョイント８ａが連結され、回動受動ジョイント８ａは固定板３ａの右後部側に固定されている。直動リンク５ａの上端部はベース部側受動ジョイント６ａに連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ａに連結されている。直動リンク５ａ′の上端部はベース部側受動ジョイント６ａ′に連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ａに連結されている。
ベース部側受動ジョイント６ｂ、６ｂ′はベース部２の下面の右前部側に配設されている。足部側受動ジョイント７ｂの下部には回動受動ジョイント８ｂが連結され、回動受動ジョイント８ｂは固定板３ａの右前部側に固定されている。直動リンク５ｂの上端部はベース部側受動ジョイント６ｂに連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｂに連結されている。直動リンク５ｂ′の上端部はベース部側受動ジョイント６ｂ′に連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｂに連結されている。
ベース部側受動ジョイント６ｃ、６ｃ′はベース部２の下面の右中央部に配設されている。足部側受動ジョイント７ｃは固定板３ａの右中央部に配設され、その下部には回動受動ジョイント８ｃが配設されている。直動リンク５ｃの上端部はベース部側受動ジョイント６ｃに連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｃに連結されている。直動リンク５ｃ′の上端部はベース部側受動ジョイント６ｃ′に連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｃに連結されている。
【００４０】
次に、右脚端部の右足部の足部走行機構３について図３を用いて詳細に説明する。なお、左足部の足部走行機構４の各部は足部走行機構３と対称で同一構成であるので、説明を省略する。
図３（ａ）は足部走行機構３の要部斜視図であり、図３（ｂ）は足部走行機構３の要部底面図である。
図３において、１５は駆動部固定部、１６はシャフト、１６ａは軸受部、１６ｂは軸継手、１７は減速器、１７ａは駆動軸、１８はセンタ部、１８ａは凹部、１９は支持部、１９ａはリブ、２０は切り欠き部である。
ここで、足部フレーム１０ａは、略矩形状の外周部１０ｃと、外周部１０ｃの内側の各隅部から略中央部に向かって延びる支持部１９と、支持部１９により略中央部に支持されたセンタ部１８と、により形成されている。各支持部１９の上下部にはリブ１９ａが形成され剛性を高めている。センタ部１９には６軸力覚センサ９が挿入されネジ止め固定される凹部１８ａが形成されている。６軸力覚センサ９は凹部１８ａに挿入されている。これにより、２足歩行ロボット１の全高を低くすることができ、重心を低くできるので安定性を向上させることができる。
足部フレーム１０ａの前部には、減速器１７と一体になったモータ等の駆動部１２ａが駆動部固定部１５で固定されている。なお、駆動部固定部１５は駆動軸挿通孔（図示せず）を有する板状体からなり足部フレーム１０ａの前部壁の略中央部に固定されている。駆動部１２ａ及び減速器１７はその駆動軸１７ａが駆動軸挿通孔に挿通されると共に、駆動軸側で駆動部固定部１５に取り付け固定されている。また、足部フレーム１０ａの前部の外側の角部には切り欠き部２０が形成され、切り欠き部２０に能動車輪部１１ａが配設されている。能動車輪部１１ａに軸として固定されたシャフト１６は足部フレーム１０ａの前部に形成された軸受部１６ａに軸支され、軸継手１６ｂを介して駆動軸１７ａに接続されている。駆動部１２ａの駆動力が減速器１７を介して減速され駆動軸１７ａ、シャフト１６を介して能動車輪部１１ａが回転駆動される。
足部フレーム１０ａの能動車輪部１１ａの後方の角部には受動車輪部１３ａが配設されている。能動車輪部１１ａと受動車輪部１３ａの路面との接地部分は足部フレーム１０ａの前後に延びる同一直線上に位置するように配設されている。なお、この直線は左右の足部で平行となるように、各足部足部走行機構３，４に各々能動車輪部１１ａと受動車輪部１３ａとが配置されている。さらに、摩擦接地部１４は足部フレーム１０ａの能動車輪部１１ａ及び受動車輪部１３ａの反対側の側部の前後の角部の底部に各々形成され、能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び摩擦接地部１４の路面に対する各接地点は同一平面上に配設され、その各接地点は同一平面上に支持多角形を形成している。これにより、足部フレーム１０ａを各々外側に傾けて摩擦接地部１４を路面から離隔させ、能動車輪部１１ａと受動車輪部１３ａのみを確実に接地させることができる。なお、摩擦接地部１４は足部フレーム１０ａの角部を切り落とした形状に形成されている。これにより、２足歩行ロボットがその場で足踏みしながら旋回する場合等に足部フレーム１０ａと足部フレーム１０ｂとが互いに接触しないようになっている。
【００４１】
以上のように構成された本実施の形態１における２足歩行ロボットについて、以下その動作を図１乃至図３を用いて説明する。
まず、２足歩行ロボットの２足歩行動作について説明する。なお、本実施の形態１においては、２足歩行ロボットの右脚の動作について説明する。左脚の動作については右脚と同様であるので説明を省略する。
右脚を動作させる場合、予め設定された歩行パターンに基づいて右脚の逆運動学を計算し、算出された値に基づいて直動リンク５ａ〜５ｃ′の各々の図示しないアクチュエータを駆動させ直動リンク５ａ〜５ｃ′を伸縮させる。直動リンク５ａ〜５ｃ′とベース部２又は右足部の足部走行機構３との連結部分に配設されているベース部側受動ジョイント６ａ〜６ｃ′、足部側受動ジョイント７ａ〜７ｃ、及び回動継手８ａ〜８ｃは、直動リンク５ａ〜５ｃ′の伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。直動リンク５ａ〜５ｃ′のアクチュエータの駆動は各々に配設されたロータリエンコーダ等の図示しない検出器により検出され、取得された検出値は角度データとしてフィードバックされ直動リンク５ａ〜５ｃ′はフィードバック制御される。これにより、右脚は、一歩踏み出す動作やその場で足踏みする動作等を行うことができる。更に、このような動作を右脚と左脚で交互に連続して行うことにより、歩行動作を行うことができる。なお、このとき、能動車輪部１１ａは路面との摩擦力で回転しないように、すなわち足部走行機構３が滑らないように制御される。
なお、２足歩行時において、能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び摩擦接地部１４，１４により、足部の底部に支持多角形を形成しているので、この支持多角形の内部にＺＭＰが位置するように２足歩行ロボットの姿勢や動作を制御することで安定した２足歩行を行うことができる。このＺＭＰの位置は６軸力覚センサ９の検出値に基づいて求められる。
【００４２】
次に、２足歩行ロボットの能動車輪部１１ａ及び受動車輪部１３ａを用いた走行動作について図４を用いて説明する。
図４（ａ）は歩行動作時等の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図であり、図４（ｂ）は走行動作時の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図であり、図４（ｃ）は倒立振子型走行動作時の右足部の足部走行機構を示す要部模式側面図である。
２足歩行ロボット１の歩行動作時等においては、図４（ａ）に示すように、右足部の足部走行機構３の底部は能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び前後の摩擦接地部１４，１４の４点で接地している。また、左足部の足部走行機構４の底部も同様に、能動車輪部１１ｂ、受動車輪部１３ｂ，及び前後の摩擦接地部１４，１４の４点で接地している。
２足歩行ロボット１の走行動作時には、図４（ｂ）に示すように、足部走行機構３及び足部走行機構４の足部フレーム１０ａ，１０ｂを各々外側に傾け、摩擦接地部１４が路面から離隔させる。足部フレーム１０ａ，１０ｂを傾けるには、右脚及び左脚のパラレルリンク機構部１ａ及び１ｂの所定の直動リンク５を伸縮させる。例えば、足部走行機構３の足部フレーム１０ａを外側に傾けるには、図２に示す直動リンク５ｃ，５ｃ′を短縮させるか、或いは直動リンク５ａ，５ａ′，５ｂ，５ｂ′を伸長させる。
これにより、足部走行機構３及び足部走行機構４の底部は能動車輪部１１ａ，１１ｂと受動車輪部１３ａ，１３ｂのみが接地している状態となる。走行を行うには、予め設定された走行パターン（能動車輪部１１ａ，１１ｂの各々の回転角データ等）に基づいて駆動部１２ａ，１２ｂを駆動することにより能動車輪部１１ａ，１１ｂを回転させることで、２足歩行ロボット１は走行することができる。なお、能動車輪部１１ａと能動車輪部１１ｂを同じ方向に同じ回転速度で回転させると前進や後退することができ、異なる方向に回転させるとその場で旋回することができ、同じ方向に異なる回転速度で回転させると右方向や左方向に曲線状に走行することができる。
また、走行動作時においては、接地した能動車輪部１１ａ，１１ｂと受動車輪部１３ａ，１３ｂにより形成された支持多角形の内部にＺＭＰが位置するよう２足歩行ロボット１の姿勢を制御している。なお、２足歩行ロボットのＺＭＰは、該支持多角形の中心部より能動車輪部１１ａ，１１ｂ側にずれた位置となるように設定されることが好ましい。これにより、２足歩行ロボット１のＺＭＰが中心部より能動車輪部１１ａ，１１ｂ側にあるため、能動車輪部１１ａ，１１ｂの空転や滑りを防止でき、円滑な走行動作を行うことができる。
また、２足歩行ロボット１が加速や減速、或いは停止する場合は、慣性力により２足歩行ロボット１が転倒しないように、速度や加速度等を考慮してＺＭＰを設定している。例えば、２足歩行ロボット１が走行中に急停止する場合では、減速に伴って２足歩行ロボット１のＺＭＰが前方（進行方向）に移動するので、これが支持多角形から外れないように２足歩行ロボット１の姿勢を制御している。
【００４３】
さらに、２足歩行ロボット１は、能動車輪部１１ａ，１１ｂのみを接地させ略直立した状態で走行（倒立振子型走行）することもできる。倒立振子型走行動作時には、図４（ａ）に示す状態から、足部走行機構３，４の足部フレーム１０ａ，１０ｂを前方へ傾けることにより、図４（ｃ）に示すように、球状キャスタ１３ａ，１３ｂ及び前後の摩擦接地部１４を路面から離隔させる。ここで、能動車輪部１１ａ，１１ｂの駆動軸を前部の摩擦接地部１４より前方に位置するように配置するか、或いは能動車輪部１１ａ，１１ｂを大径のものとしているので、各足部を外側に傾けることなく、前方へ傾けるだけで前部の摩擦設置部１４も路面から離隔させることができる。足部フレーム１０ａ，１０ｂを前方へ傾けるには、右脚及び左脚のパラレルリンク機構部１ａ，１ｂの所定の直動リンク５を伸縮させる。例えば、足部走行機構３の足部フレーム１０ａを前方に傾けるには、図２に示す直動リンク５ａ，５ａ′を短縮させるか、或いは直動リンク５ｂ，５ｂ′を伸長させる。
なお、２足歩行ロボット１は、能動車輪部１１ａ，１１ｂのみが接地している状態で転倒しないように、２足歩行ロボット１のベース部２に設けられた３軸姿勢角センサ（図示せず）により計測された姿勢角等をフィードバックして制御し姿勢のバランスを保っている。
バランスを保った状態で駆動部１２ａ，１２ｂを駆動することにより能動車輪部１１ａ，１１ｂを回転させ、２足歩行ロボット１は倒立振子状態で走行することができる。
また、倒立振子型走行動作時においては、能動車輪部１１ａ，１１ｂ以外の可動部はすべて固定して姿勢のバランスを保つよう制御している。すなわち、直動リンク５は伸縮しないようにしている。これにより、２足歩行ロボット１を１つの剛体みなすことができるので、モデル化が容易になり制御が簡略化できる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態１における２足歩行ロボット１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）脚部が、ベース部２と足部走行機構３，４との間に各々複数のリンクが並列に配設されたパラレルリンク機構部１ａ，１ｂにより形成され、各足部３，４がその外側の側部に各々能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂを備え、その内側の側部に前後に摩擦接地部１４を備えているので、各足部走行機構３，４を各々外側に傾けて摩擦接地部１４を路面から離隔させた状態で能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂにより車輪走行を行うことができると共に、摩擦接地部１４を路面に接地させることにより２足歩行を行うことができ、車輪による走行と２足歩行とを容易に且つスムーズに切り換えることができる。
（２）足部走行機構３，４の外側の側部に前後に能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂを備え、能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂは足部フレーム１０ａ，１０ｂの前後に延びる同一直線上に位置するように各々配設され、この直線は各足部走行機構３，４で平行となっているので、車輪走行時には、各足部走行機構３，４を外側に傾けるだけで能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂのみを接地させ略矩形の支持多角形を形成することができ、整地や平坦な路面において安定した高速車輪走行を行うことができる。また、能動車輪部１１ａ，１１ｂや受動車輪部１３ａ，１３ｂに滑りが生じない条件では、２足歩行ロボット１の路面上における位置と方向が能動車輪部１１ａ，１１ｂの回転角のみによって定まるため、２足歩行ロボット１の位置や移動速度等を容易に制御できる。
（３）能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び摩擦接地部１４の路面に対する各接地点は同一平面上に配設され、その各接地点は同一平面上に支持多角形を形成しているので、２足歩行時には各足の底部に支持多角形を形成することができ、支持多角形の内部にＺＭＰが位置するよう制御することにより安定した２足歩行を行うことができる。また、歩行中の路面との摩擦力により能動車輪部１１ａ，１１ｂが回転しないように制御することにより、各足部走行機構３，４が滑り難くなり安定した２足歩行が可能になる。
（４）足部フレーム１０ａ，１０ｂを前方へ傾けることにより受動車輪部１３ａ，１３ｂ及び前後の摩擦接地部１４を路面から離隔させ、能動車輪部１１ａ，１１ｂのみを接地させることにより、２足歩行ロボット１を略直立させ、この状態で転倒しないようバランスを保ちながら走行（倒立振子型走行）することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
図５は本実施の形態２における２足歩行ロボットの全体斜視図であり、図６は駆動系を示すブロック図であり、図６（ｂ）はゲインと内力との関係を示す関係図である。
図中、１ａは右脚のパラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機構部、２はベース部、３ａ，４ａは固定板、５は直動リンク、６はベース部側受動ジョイント、７は足部側受動ジョイント、８は回動受動ジョイント、９は６軸力覚センサであり、これらは実施の形態１において説明したものと同様のものであるので同一の符号を付けて説明を省略する。２１は本実施の形態２における２足歩行ロボット、２３は右足部の足部走行機構、２４は左足部の足部走行機構、２５は車輪保持部、２６は車軸、２７は受動車輪部、２８は各直動リンク５に内蔵されたモータを制御するモータ制御部、２９はモータ制御部２８に各足部の角度指令値及び位置指令値を入力する駆動制御部である。なお、モータ制御部２８や駆動制御部２９はベース部２上等に搭載されているが、図５においては図示を省略している。
【００４６】
以上のように構成された本実施の形態２における２足歩行ロボット２１について、以下その動作を図５乃至図７を用いて説明する。
図６に示すように、駆動制御部２９はモータ制御部２８に位置指令値と角度指令値を出力する。位置指令値とは右足部の足部走行機構２３（以下、右足部２３という）又は左足部の足部走行機構２４（以下、左足部２４という）の初期位置からの移動量を示す値であり、角度指令値とは２足歩行ロボット２１の進行方向に対する右足部２３又は左足部２４のなす角度を示す値である。
モータ制御部２８は、位置指令値及び角度指令値が入力されると、右足部２３及び左足部２４が指令された位置及び角度になるように各脚のパラレルリンク機構部１ａ，１ｂの各々の直動リンク５に内蔵されたモータを制御する。なお、各々の直動リンク５にはモータ回転軸の回転角を検出するロータリエンコーダ等の検出器が内蔵されており、モータ制御部２８には、これら検出器での検出値がフィードバックされる。
このようにして右足部２３と左足部２４の位置と角度を制御することで、２足歩行ロボット２１にいわゆるスウィズル動作を行わせる。以下、スウィズル動作について図７を用いて説明する。
【００４７】
図７は２足歩行ロボット２１のスウィズル動作を説明する説明図である。なお、図７においては右足部２３と左足部２４の動きを示し、２足歩行ロボット２１のベース部２、パラレルリンク機構部１ａ，１ｂ、及び固定板３ａ，４ａは説明をわかり易くするために図示を省略している。
図７（ａ）に示すように、右足部２３と左足部２４を、前部側を開いて逆ハの字状とした状態で、右足部２３と左足部２４を各々外側（図６（ａ）に示す矢印Ａの方向）に向けて移動させようとすると、その外側に向けて移動させる力の一部が推進力となって右足部２３と左足部２４は受動車輪部２７の回転により各々外側へ移動しながら前方へ、すなわち各々右斜め前方及び左斜め前方へ移動する。これにより、２足歩行ロボット２１を前方に向かって走行させることができる。
図７（ｂ）に示すように、右足部２３と左足部２４を、後部側を開いてハの字状とした状態で、各々内側（図６（ｂ）に示す矢印Ｂの方向）に向けて移動させようとすると、右足部２３と左足部２４は受動車輪部２７の回転により各々内側へ移動しながら前方へ、すなわち各々左斜め前方及び右斜め前方へ移動する。これにより、２足歩行ロボット２１は前方に向かって走行する。
図７（ａ）に示す動作と図７（ｂ）に示す動作を繰り返す動作、いわゆるスウィズル動作を行うことにより、右足部２３と左足部２４は左右対称の波線状の軌跡を描きながら前方へ移動するので、２足歩行ロボットは前進することができる。なお、右足部２３と左足部２４とを逆ハの字状とした状態で各々内側に向けて移動させる動作と、ハの字状とした状態で各々外側に向けて移動させる動作と、を周期的に繰り返すことにより後退することもできる。
【００４８】
２足歩行ロボット２１がスウィズル動作を行うと、路面との摩擦力により、右足部２３と左足部２４には受動車輪部２７に直交する方向に内力がかかる。この内力は、図７（ａ）に示す動作を行う場合には各足部２３，２４にかかる内向きの力であり、図７（ｂ）に示す動作を行う場合には外向きの力である。この内力は、固定板３ａ，４ａと車輪保持部２５との間に介装された６軸力覚センサ９で検出され、駆動制御部２９に入力される。
ここで、駆動制御部２９からモータ制御部２８へ出力される位置指令値は、前回出力された位置指令値に位置指令値の増加分を加えた値であり、予め設定された基本パターン関数（周期関数）に基づいて決定されるが、本実施の形態２においては、位置指令値の増加分は、基本パターン関数から導き出される値に、右足部２３又は左足部２４にかかる内力に基づいて決定されるゲインを乗じた値となる。以下、図６（ｂ）を用いてゲインについて説明する。なお、図６（ｂ）においては、各足部２３，２４に内向きにかかる内力を正とし、外向きにかかる内力を負としてグラフ化した。
図６（ｂ）に示すように、ゲインＧ（０≦Ｇ≦１）は内力が予め設定された定常下限値から定常上限値、例えば−８（Ｎ）から８（Ｎ）の間であればＧ＝１であり、内力が定常上限値から許容最大値、例えば１０（Ｎ）に近づくにつれ小さくなり、或いは定常下限値から許容最小値、例えば−１０（Ｎ）に近づくにつれ小さくなり、許容最大値又は許容最小値でＧ＝０になる。すなわち、各足部２３，２４にかかる内力が定常上限値より大きくなると或いは定常下限値より小さくなると、位置指令値の増加分を減衰させ、増加を緩やかにし、内力が許容最大値又は許容最小値になると位置指令値を増加させないように制御することで、各足部２３，２４に過大な内力がかかるのを防止でき、円滑なスウィズル動作が可能となる。
なお、角度指令値としては、基本パターン関数（周期関数）と同じ周期で位相を例えば４５°ずらした周期関数に基づいて、円滑なスウィズル動作が行われるように設定される。
【００４９】
以上のように本実施の形態２における２足歩行ロボット２１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）右足部の足部走行機構２３及び左足部の足部走行機構２４に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部２７を備えているので、各足部走行機構２３，２４の軌跡が波線状となるように各足部走行機構２３，２４を周期的に運動させる、いわゆるスウィズル動作を行うことで、進行方向に直交する方向へ各足部走行機構２３，２４を移動させる力の一部を推進力として取り出すことができ、モータ等の駆動部を用いることなく２足歩行ロボット２１を前進、後退させることができる。
【００５０】
（実施の形態３）
図８は本実施の形態３における２足歩行ロボットの全体斜視図である。
図８において、１ａは右脚のパラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機構部、２はベース部、３ａ，４ａは固定板、５は直動リンク、６はベース部側受動ジョイント、７は足部側受動ジョイント、８は回動受動ジョイントであり、これらは実施の形態１において説明したものと同様のものであるので同一の符号を付けて説明を省略する。３１は本実施の形態３における２足歩行ロボット、３３は右足部の足部走行機構、３４は足底に摩擦接地部を備えた左足部、３５は連結板、３６，３７は車輪保持部、３８は車軸、３９は受動車輪部、４０は足底板である。
【００５１】
以上のように構成された本実施の形態３における２足歩行ロボット３１について、以下その動作を図９を用いて説明する。
図９（ａ）は左足部３４による蹴り出し動作を示す模式図であり、図９（ｂ）は左足部３４を遊脚とした状態で右足部の足部走行機構３３による滑走動作を示す模式図である。
図９（ａ）に示すように、２足歩行ロボット３１は足部走行機構３３と左足部３４の間にＺＭＰが位置するようにＺＭＰ制御をする。この状態から、左足部３４を後部側へ移動させるようにパラレルリンク機構部１ｂの所定の直動リンク５を伸縮させると、左足部３４の足底板４０は１以上の摩擦接地部を有し路面に摩擦接地しているので、受動車輪部３９を有する足部走行機構３３が前方へ移動する。このとき、足部走行機構３３と左足部３４の間に位置していたＺＭＰを足部走行機構３３の移動に伴って足部走行機構３３に徐々に近づく方向へ移動させるようにＺＭＰ制御をする。
足部走行機構３３が前方へ移動し左足部３４から離れたところで左足部３４を路面から離隔させ遊脚とすると、足部走行機構３３はそのときの運動エネルギで前方へ移動し滑走する。
図９（ｂ）に示すように、遊脚となった左足部３４は足部走行機構３３の側部へ近づけていき、ＺＭＰは足部走行機構３３の内部に位置するようにＺＭＰ制御をする。
【００５２】
以上のように本実施の形態３における２足歩行ロボット３１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）摩擦接地部を備えた左足部３４の足底板４０により路面を蹴って、右足部の足部走行機構３３の受動車輪部３９により走行することができ、モータ等の駆動部を用いることなく前進することができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態１乃至３で説明した各々の足部走行機構は、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができる。なお、この足部走行機構は、上述したような２足歩行ロボットだけでなく、４足や６足等の多足歩行ロボットでにも用いることができ、また、脚部はパラレルリンク機構部を有するものだけでなく、シリアルリンク機構部を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したように、本発明は、歩行ロボットの脚部の足底に配設される車輪を用いた足部走行機構に関し、特に本発明によれば、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ汎用性に優れ、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる足部走行機構を提供することができる。
また、以上説明したように、本発明は、足底に該足部走行機構を備えた２足歩行ロボットに関し、特に本発明によれば、凹凸路面等の不整地や段差に２足歩行で対応できると共に、整地や平坦な路面においては車輪による走行ができるので、高い安定性及び移動性を有し、さらに２足歩行と車輪走行との切り換えをスムーズに行うことができる足部走行機構を備えた２足歩行ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施の形態１における２足歩行ロボットの全体斜視図
【図２】図１に示す２足歩行ロボットの模式図
【図３】（ａ）右足部の要部斜視図（ｂ）右足部の要部底面図
【図４】（ａ）歩行動作時等の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図（ｂ）走行動作時の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図（ｃ）倒立振子型走行動作時の右足部の足部走行機構を示す要部模式側面図
【図５】実施の形態２における２足歩行ロボットの全体斜視図
【図６】（ａ）駆動系を示すブロック図（ｂ）ゲインと内力の関係を示す関係図
【図７】（ａ）２足歩行ロボットのスウィズル動作を説明する説明図（ｂ）２足歩行ロボットの走行動作を説明する説明図
【図８】実施の形態３における２足歩行ロボットの全体斜視図
【図９】（ａ）左足部による蹴り出し動作を示す模式図（ｂ）左足部を遊脚とした状態で右足部の足部走行機構による滑走動作を示す模式図
【符号の説明】
【００５６】
１，２１，３１ ２足歩行ロボット
１ａ，１ｂ パラレルリンク機構部
２ ベース部
３，４ 足部走行機構
３ａ，４ａ 固定板
５、５′、５ａ、５ａ′、５ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′ 直動リンク
６、６ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６ｃ′ ベース部側受動ジョイント
７、７ａ、７ｂ、７ｃ 足部側受動ジョイント
８、８ａ、８ｂ、８ｃ 回動受動ジョイント
９ ６軸力覚センサ
１０ａ，１０ｂ 足部フレーム
１０ｃ 外周部
１１ａ，１１ｂ 能動車輪
１２ａ，１２ｂ 駆動部
１３ａ，１３ｂ 球状キャスタ
１４ 摩擦接地部
１５ 駆動部固定部
１６ シャフト
１６ａ 軸受部
１６ｂ 軸継手
１７ 減速器
１８ センタ部
１８ａ 凹部
１９ 支持部
１９ａ リブ
２０ 切り欠き部
２３，２４ 足部走行機構
２５ 車輪保持部
２６ 車軸
２７ 受動車輪部
２８ モータ制御部
２９ 駆動制御部
３３ 足部走行機構
３４ 左足部
３５ 連結板
３６，３７ 車輪保持部
３８ 車軸
３９ 受動車輪部
４０ 足底板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行ロボットの脚部の足底に配設される車輪を用いた足部走行機構及び足底に該足部走行機構を備えた２足歩行ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の生活環境で活動する人間形ロボット、いわゆるヒューマノイドロボットの研究、開発がさかんに行われている。ヒューマノイドロボットは、工業生産だけでなく、家事、高齢者介護等、人間の生活を快適にする目的で使用される場合が多く、人間のために作られた環境において不特定の使用者と密着して作業するため、それに適した形態と機能を持つ必要がある。また、特別な使用訓練を必要とせず安全で柔軟なヒューマンマシンインターフェースを備えることも要求されるため、極めて多くの研究課題がある。特に、移動手段として人間と同様に２足を有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットは、多くの研究機関や企業で鋭意研究され開発されている。
【０００３】
従来の２足歩行ロボットとしては、本出願人により開発されたものがあり、特許文献１に開示されている。特許文献１の２足歩行ロボットの下半身モジュールは脚部をパラレルリンク機構により構成しているので大きな負荷に耐えることができ、重量の大きい上半身を搭載又は組み込むことができ設計の自由度に優れている。
しかしながら、特許文献１の２足歩行ロボットの下半身モジュールを含めた一般的な２足歩行ロボットは、車輪を用いた移動手段を有する移動ロボットに比べ、不整地や段差のある路面での移動性は高いが、整地や平坦な路面での移動性が悪いという問題点を有していた。
【０００４】
この問題点を解決するために、特許文献２には「伸縮且つ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、この平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、前記脚の端部を３次元の任意の位置に移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備えたことを特徴とする２足歩行ロボット」が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９１０８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２６６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の２足歩行ロボットでは以下のような課題を有していた。
（１）特許文献１に記載の２足歩行ロボットの下半身モジュールを含めた一般的な２足歩行ロボットでは、整地や平坦な路面での移動速度が遅くエネルギ効率が悪く、車輪を用いた走行手段を有するロボットでは不整地や段差のある路面での移動性が低いという課題を有していた。
（２）特許文献２に記載の２足歩行ロボットでは、各々脚に対して、その足底の両側に各々一対の車輪を設けているだけなので、片脚で立っている場合に脚端部に支持多角形を形成することができず、ＺＭＰを制御することによる姿勢の安定化を図れないという課題を有していた。
（３）また、特許文献２では、その場で旋回を行う際には、いずれか一方の脚のみで立った状態でしか行うことができないので、支持多角形が形成されず、ＺＭＰを制御することによる姿勢の安定化を図れないという課題を有していた。
（４）さらに、特許文献２では、２足歩行による階段等の段差昇降中に外乱が加わると、車輪を回転させ転倒しないようにバランスを取らなければならず、そうすると階段等から転落する可能性があり安全性に欠けるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ汎用性に優れ、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる足部走行機構の提供、及び、凹凸路面等の不整地や段差に２足歩行で対応できると共に、整地や平坦な路面においては車輪による走行ができるので、高い安定性及び移動性を有し、さらに２足歩行と車輪走行との切り換えをスムーズに行うことができる足部走行機構を備えた２足歩行ロボットの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の足部走行機構及びそれを備えた２足歩行ロボットは、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の足部走行機構は、歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される足部フレームと、前記足部フレームの一方の側部に前後に配設された能動車輪部及び受動車輪部と、前記能動車輪部を回転駆動する駆動部と、前記足部フレームの他方の側部に前後に配設された摩擦接地部と、を備えた構成を有している。
【０００９】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）足部フレームの一方の側部に能動車輪部及び受動車輪部を備え、他方の側部に前後に摩擦接地部を有することにより、摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部と受動車輪部のみを接地させた状態で能動車輪部を駆動することにより走行を行うことができると共に、摩擦接地部を路面に接地させることにより歩行を行うことができる。
（２）能動車輪部と受動車輪部により走行を行うことができるので、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる。
（３）各足底の足部フレームを外側又は内側に傾けるだけで摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部及び受動車輪部のみを接地させることができるので、車輪による走行と歩行とを容易に且つスムーズに切り換えることができる。
（４）能動車輪部の回転角を制御するだけで、歩行ロボットを前進、後進、左右旋回させることができる。また、車輪に滑りが生じない条件では、歩行ロボットの路面上における位置と方向が各能動車輪部の回転角のみによって定まるため、歩行ロボットの位置や移動速度等を容易に制御できる。
（５）足部走行機構は、足部フレームと能動車輪部及び受動車輪部と駆動部と摩擦接地部とからなるので、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けて用いることができ、汎用性に優れる。
【００１０】
ここで、能動車輪部としては、各足部に軸支されたモータ等の駆動部により駆動される車輪が用いられる。なお、能動車輪部の軸受としてはアンギュラ玉軸受や円すいころ軸受等が用いられる。また、受動車輪部としては、足部のフレームに回転自在に軸支されたボールキャスタ等のキャスタが用いられる。
能動車輪部、受動車輪部、及び摩擦接地部を接地させて歩行を行う場合は能動車輪部が路面との摩擦力で回転しないように駆動部を駆動して制御することが好ましい。これにより、足底の滑りを防ぐことができる。なお、能動車輪部及び受動車輪部の回転を固定するブレーキを設けて回転しないよう固定してもよい。
能動車輪部及び受動車輪部は、各足部の外側の側部に配設されることが好ましい。これにより、各足部を各々外側に傾けて摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部及び受動車輪部のみが路面に接地している場合、能動車輪部及び受動車輪部により形成される支持多角形を大きくすることができ、車輪走行時の姿勢の安定性に優れる。
【００１１】
また、各足部フレームを前方へ傾けることにより受動車輪部及び摩擦接地部を路面から離隔させ、各足底の能動車輪部のみを接地させることにより、歩行ロボットを能動車輪部のみが接地した状態で略直立させ、この状態で走行（倒立振子型走行）させることができる。倒立振子型走行動作時には、２足歩行ロボットであれば２つの能動車輪部のみが接地した状態で転倒しないようバランスを保ちながら移動する。このとき、２足歩行ロボットのベース部（腰部）に設けられた３軸姿勢角センサにより計測された姿勢角等をフィードバックして制御することにより系自体が安定するように制御されるため、ある程度の外乱にも対応できる。さらに、所定の位置に移動して静止することもできる。なお、能動車輪部の駆動軸を前部の摩擦接地部より前方に位置するように配置するか、或いは能動車輪部を大径のものとすることにより、各足部を外側に傾けることなく、前方へ傾けるだけで能動車輪部のみが接地した状態とすることができる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の足部走行機構であって、前記能動車輪部、前記受動車輪部、及び前記摩擦接地部の路面に対する各接地点が同一平面上に配設されると共に、前記各接地点は前記同一平面上に支持多角形を形成する構成を有している。
【００１３】
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）歩行時には、能動車輪部、受動車輪部、及び摩擦接地部を路面に接地させ、各足の底部に支持多角形を形成することができるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で、安定した歩行を行うことができる。
（２）車輪走行時には、各足底の接地した能動車輪部及び受動車輪部により支持多角形を形成し、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で整地や平坦な路面において安定した車輪走行を行うことができる。
【００１４】
ここで、能動車輪部、受動車輪部、摩擦接地部のいずれか１以上と足部フレームとの間に緩衝用のゴムやバネ等の弾性部材を設けることができる。これにより、ロボット本体や足部フレームにかかる衝撃を吸収することが可能になる。なお、能動車輪部、受動車輪部、摩擦接地部の各接地点（接地部分）は、路面に接地し弾性部材が縮んだ状態で同一平面上に配置され支持多角形を形成する。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の足部走行機構は、歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えた構成を有している。
【００１６】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）右足部及び左足部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えているので、各足部の軌跡が波線状となるように各足部を周期的に運動させる、いわゆるスウィズル動作を行うことで、進行方向に直交する方向へ各足部を移動させる力の一部を推進力として取り出すことができ、モータ等の駆動部を用いることなく２足歩行ロボットを前進、後退させることができる。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の足部走行機構は、歩行ロボットの脚部の足底の内いずれか１以上に配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に各接地点が支持多角形を形成するように配設された３乃至複数の受動車輪部と、を備えた構成を有している。
【００１８】
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）足部走行機構を備えていない足底で路面を蹴った後、該足底を路面から離隔することにより、足部走行機構を備えた別の脚部の足底の受動車輪部により走行することができ、モータ等の駆動部を用いることなく前進することができる。また、受動車輪部を備えた一方の足部を斜めに向け、摩擦接地部を備えた足部をその方向に蹴り出せば、斜め方向にも進むことができる。
（２）足部走行機構の足底に３乃至複数の受動車輪部により支持多角形が形成されるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で整地や平坦な路面において安定した車輪走行を行うことができる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の２足歩行ロボットは、左右の脚部と、前記脚部の各足底又はいずれか一方の足底に配設された請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の足部走行機構と、を備えた構成を有している。
【００２０】
この構成により、請求項１乃至４の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）能動車輪部や受動車輪部により走行することができるので、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる。
（２）足底に能動車輪部及び受動車輪部と摩擦接地部とを備えた場合は、整地や平坦な路面において車輪による走行ができると共に、凹凸路面等の不整地や段差において２足歩行でき、さらに車輪走行と２足歩行との切り換えもスムーズに行うことができるので、路面の傾斜や段差、状態等に関わらず効率よく移動することができる。
【００２１】
この足部走行機構は、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ、汎用性に優れる。なお、この足部走行機構は、能動車輪部の回転角を制御している点、或いはスウィズル動作等を行う点から２足歩行ロボットに対し特に有用であるが、４足や６足の多足歩行ロボットにも用いることができる。
また、脚部はシリアルリンク機構部を有するものであっても、パラレルリンク機構部を有するものであってもよい。
【００２２】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の２足歩行ロボットであってベース部と、前記足部走行機構からなる右足部及び／又は左足部と、前記ベース部の下部に配設された複数のベース部側受動ジョイントと、前記右足部及び前記左足部の上部に配設された複数の足部側受動ジョイントと、前記ベース部側受動ジョイントと前記右足部の前記足部側受動ジョイントとの間、及び、前記ベース側受動ジョイントと前記左足部の前記足部側受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部と、を備えた構成を有している。
【００２３】
この構成により、請求項５の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）脚部が、ベース部と右足部及び左足部との間に各々複数のリンクが並列に配設されたパラレルリンク機構部により形成されているので、各々のリンクに負荷が分散され大きな負荷に耐えることができ剛性を高くすることができると共に、右足部及び左足部における出力が大きく、重量物の搭載や搬送等が可能で実用性に優れる。
【００２４】
ここで、パラレルリンク機構部は、ベース部と右足部、及び、ベース部と左足部の間に各々配設され、各々のパラレルリンク機構部には複数のリンクが並列に配設されている。各々のパラレルリンク機構部は、ベース部の中央の両側に対称に配設されることが好ましく、パラレルリンク機構部に用いられるリンクも、左右の脚部で同様に対称に配設されることが好ましい。これにより、歩行動作制御を行うためのＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）制御が可能であり、歩行動作時の安定性に優れる。
リンクとしては、モータを用いた送り螺子機構を有するものや、油圧、水圧、空気圧シリンダや直動型アクチュエータ等を用いた直動リンクや、２以上の棒状部材を駆動関節により連結したもの等種々のものが用いられる。
ベース部には３軸姿勢角センサを設けることができる。これにより、３軸姿勢角センサの情報をフィードバックして制御することで、２足歩行ロボットの姿勢角を安定させることができる。
受動ジョイントとしては、ユニバーサルジョイント、ボールジョイント、又は２軸の軸継手、或いはこれらと１軸或いは２軸の軸継手の組合せ等を各々適宜ベース側や右足部側、左足部側に配置して用いられる。なお、ユニバーサルジョイントを用いた場合、ボールジョイントに比べ可動範囲が広くなるため好ましい。
【００２５】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の２足歩行ロボットであって、前記パラレルリンク機構部のリンクとして、上端部で前記ベース部側受動ジョイントに連結され、下端部で前記足部側受動ジョイントに連結された伸縮可能な直動リンクを備えた構成を有している。
【００２６】
この構成により、請求項５又は６の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向がリンクの長手方向である直動リンクを用いることで、各々の直動リンクが互いに干渉することがないため装置の小型化及びコンパクト化が可能であると共に、設計の自由度に優れる。
（２）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向がリンクの長手方向である直動リンクを用いることで、直動リンクの伸長時と短縮時で直動リンクのアクチュエータにかかる負荷に大きな差が出ないため、下半身モジュールが低い姿勢をとった場合にアクチュエータにかかる負荷トルクを低減できると共に、アクチュエータの動力を節約でき省エネルギ性に優れる。
（３）各々の直動リンクには引っ張り力及び圧縮力のみが印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及び剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり設計の自由度に優れる。
【００２７】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７の内いずれか１項に記載の２足歩行ロボットであって、前記右足部及び前記左足部が、上面に前記足部側受動ジョイントが固定された固定板と、前記固定板の下部と前記足部フレーム又は前記車輪保持部の上部との間に介装された６軸力覚センサと、を備えた構成を有している。
【００２８】
この構成により、請求項５乃至７の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）６軸力覚センサにより各軸方向の力３成分と各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ逐次連続的に高精度で検出することができ、６軸力覚センサで検出された値を基にＺＭＰ制御を行うことができる。
（２）６軸力覚センサを固定板と足部フレーム又は車輪保持部との間に介装しているので、正確な検出値が得られＺＭＰ制御が可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明の２足歩行ロボットによれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、
（１）摩擦接地部を路面から離隔させ能動車輪部と受動車輪部のみを接地させた状態で能動車輪部を駆動することにより平坦な路面において高速且つ高効率で走行を行うことができると共に、摩擦接地部を路面に接地させることにより安定した歩行を行うことができ、各足底の足部フレームを傾けるだけで車輪による走行と歩行とを容易に且つスムーズに切り換えることができる移動性に優れた足部走行機構を提供することができる。
（２）能動車輪部の回転角を制御するだけで、歩行ロボットを前進、後進、左右旋回させることができ、また、車輪に滑りが生じない条件では、歩行ロボットの路面上における位置と方向が各能動車輪部の回転角のみによって定まるため、歩行ロボットの位置や移動速度等を容易に制御できる制御性に優れた足部走行機構を提供することができる。
（３）足部走行機構が、足部フレームと能動車輪部及び受動車輪部と駆動部と摩擦接地部とからなるので、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けて用いることができる汎用性に優れた足部走行機構を提供することができる。
【００３０】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、
（１）能動車輪部、受動車輪部、摩擦接地部で支持多角形を形成することができるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で、安定した歩行及び走行を行うことができる足部走行機構を提供することができる。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、
（１）右足部及び左足部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えているので、スウィズル動作を行うことで、モータ等の駆動部を用いることなく２足歩行ロボットを前進、後退させることができる移動性に優れた足部走行機構を提供することができる。
【００３２】
請求項４に記載の発明によれば、
（１）足部走行機構を備えていない足底の摩擦接地部で路面を蹴って、足部走行機構を備えた別の足部により走行することができ、モータ等の駆動部を用いることなく前進、後退できる２足歩行ロボットを提供することができる。また、受動車輪部を備えた一方の足部を斜めに向け、摩擦接地部を備えた足部をその方向に蹴り出せば、斜め方向にも進むことができる。
（２）足部走行機構の足底に３乃至複数の受動車輪部により支持多角形が形成されるので、ＺＭＰ制御による姿勢の安定化が可能で整地や平坦な路面において安定した車輪走行を行うことができる２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３３】
請求項５に記載の発明によれば、
（１）能動車輪部や受動車輪部により走行することができるので、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる２足歩行ロボットを提供することができる。
（２）整地や平坦な路面において車輪による走行ができると共に、凹凸路面等の不整地や段差において２足歩行でき、さらに車輪走行と２足歩行との切り換えもスムーズに行うことができるので、路面の傾斜や段差、状態等に関わらず効率よく移動することができる移動性に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の効果に加え、
（１）脚部がパラレルリンク機構部により形成されているので、各々のリンクに負荷が分散され大きな負荷に耐えることができ剛性を高くすることができると共に、右足部及び左足部における出力が大きく、重量物の搭載や搬送等が可能で実用性に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３５】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５又は６の効果に加え、
（１）パラレルリンク機構部のリンクとして直動リンクを用いることで、各々の直動リンクが互いに干渉することがないため装置の小型化及びコンパクト化が可能で設計の自由度に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
（２）直動リンクの伸長時と短縮時で直動リンクのアクチュエータにかかる負荷に大きな差が出ないため、下半身モジュールが低い姿勢をとった場合にアクチュエータにかかる負荷トルクを低減できると共に、アクチュエータの動力を節約できる省エネルギ性に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
（３）各々の直動リンクには引っ張り力及び圧縮力のみが印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及び剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり設計の自由度に優れた２足歩行ロボットを提供することができる。
【００３６】
請求項８に記載の発明によれば、請求項５乃至７の内いずれか１項の効果に加え、
（１）６軸力覚センサにより各軸方向の力３成分と各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ逐次連続的に高精度で検出することができ、また、６軸力覚センサを固定板と足部フレーム又は車輪保持部との間に介装しているので、正確な検出値が得られＺＭＰ制御が可能になる２足歩行ロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の一実施の形態について、図１乃至図８を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における２足歩行ロボットの全体斜視図であり、図２は図１に示す２足歩行ロボットの模式図である。
図中、１は本実施の形態１における２足歩行ロボット、１ａは右脚のパラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機構部、２はベース部、３は右足部の足部走行機構、４は左足部の足部走行機構、３ａ，４ａは足部走行機構３，４の上部に固定された固定板、５（５ａ，５ａ′，５ｂ，５ｂ′，５ｃ，５ｃ′）はパラレルリンク機構部１ａ，１ｂの直動リンク、６（６ａ，６ａ′，６ｂ，６ｂ′，６ｃ，６ｃ′）はベース部側受動ジョイント、７（７ａ，７ｂ，７ｃ）は足部側受動ジョイント、８（８ａ，８ｂ，８ｃ）は回動受動ジョイント、９は６軸力覚センサ、１０ａ，１０ｂは足部フレーム、１１ａ，１１ｂは能動車輪部、１２ａ，１２ｂは駆動部、１３ａ，１３ｂは受動車輪部、１４は摩擦接地部である。
【００３８】
ここで、右脚の各部について図２を用いて説明する。なお、左脚の各部は右脚と対称で同一構成なので説明を省略する。
図１及び図２に示すように、固定板３ａは床反力を検出する６軸力覚センサ９を介して右足部３の足部フレーム１０ａの上部に固定されている。６軸力覚センサ９により、各軸方向の力３成分と各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ連続的に高精度で検出することができる。
直動リンク５、５ａ、５ａ′、５ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′は、モータを用いた送り螺子機構や、油圧、水圧、空気圧等を用いたシリンダ等の直動型アクチュエータを用いて伸縮自在に形成され、その長手方向に伸縮する１自由度に形成されている。ベース部側受動ジョイント６、６ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６ｃ′は、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の長手方向に直交し、且つ各々直交する２軸の軸周方向に回動する２自由度に形成されている。足部側受動ジョイント７、７ａ、７ｂ、７ｃは、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の長手方向に直交し、且つ各々直交する２軸の軸周方向に回動する２自由度に形成されている。回動受動ジョイント８、８ａ、８ｂ、８ｃは、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の軸周方向に回動する１自由度に形成されている。
【００３９】
ベース部側受動ジョイント６ａ、６ａ′はベース部２の下面の右後部側に配設されている。足部側受動ジョイント７ａの下部には回動受動ジョイント８ａが連結され、回動受動ジョイント８ａは固定板３ａの右後部側に固定されている。直動リンク５ａの上端部はベース部側受動ジョイント６ａに連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ａに連結されている。直動リンク５ａ′の上端部はベース部側受動ジョイント６ａ′に連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ａに連結されている。
ベース部側受動ジョイント６ｂ、６ｂ′はベース部２の下面の右前部側に配設されている。足部側受動ジョイント７ｂの下部には回動受動ジョイント８ｂが連結され、回動受動ジョイント８ｂは固定板３ａの右前部側に固定されている。直動リンク５ｂの上端部はベース部側受動ジョイント６ｂに連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｂに連結されている。直動リンク５ｂ′の上端部はベース部側受動ジョイント６ｂ′に連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｂに連結されている。
ベース部側受動ジョイント６ｃ、６ｃ′はベース部２の下面の右中央部に配設されている。足部側受動ジョイント７ｃは固定板３ａの右中央部に配設され、その下部には回動受動ジョイント８ｃが配設されている。直動リンク５ｃの上端部はベース部側受動ジョイント６ｃに連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｃに連結されている。直動リンク５ｃ′の上端部はベース部側受動ジョイント６ｃ′に連結され、下端部は足部側受動ジョイント７ｃに連結されている。
【００４０】
次に、右脚端部の右足部の足部走行機構３について図３を用いて詳細に説明する。なお、左足部の足部走行機構４の各部は足部走行機構３と対称で同一構成であるので、説明を省略する。
図３（ａ）は足部走行機構３の要部斜視図であり、図３（ｂ）は足部走行機構３の要部底面図である。
図３において、１５は駆動部固定部、１６はシャフト、１６ａは軸受部、１６ｂは軸継手、１７は減速器、１７ａは駆動軸、１８はセンタ部、１８ａは凹部、１９は支持部、１９ａはリブ、２０は切り欠き部である。
ここで、足部フレーム１０ａは、略矩形状の外周部１０ｃと、外周部１０ｃの内側の各隅部から略中央部に向かって延びる支持部１９と、支持部１９により略中央部に支持されたセンタ部１８と、により形成されている。各支持部１９の上下部にはリブ１９ａが形成され剛性を高めている。センタ部１９には６軸力覚センサ９が挿入されネジ止め固定される凹部１８ａが形成されている。６軸力覚センサ９は凹部１８ａに挿入されている。これにより、２足歩行ロボット１の全高を低くすることができ、重心を低くできるので安定性を向上させることができる。
足部フレーム１０ａの前部には、減速器１７と一体になったモータ等の駆動部１２ａが駆動部固定部１５で固定されている。なお、駆動部固定部１５は駆動軸挿通孔（図示せず）を有する板状体からなり足部フレーム１０ａの前部壁の略中央部に固定されている。駆動部１２ａ及び減速器１７はその駆動軸１７ａが駆動軸挿通孔に挿通されると共に、駆動軸側で駆動部固定部１５に取り付け固定されている。また、足部フレーム１０ａの前部の外側の角部には切り欠き部２０が形成され、切り欠き部２０に能動車輪部１１ａが配設されている。能動車輪部１１ａに軸として固定されたシャフト１６は足部フレーム１０ａの前部に形成された軸受部１６ａに軸支され、軸継手１６ｂを介して駆動軸１７ａに接続されている。駆動部１２ａの駆動力が減速器１７を介して減速され駆動軸１７ａ、シャフト１６を介して能動車輪部１１ａが回転駆動される。
足部フレーム１０ａの能動車輪部１１ａの後方の角部には受動車輪部１３ａが配設されている。能動車輪部１１ａと受動車輪部１３ａの路面との接地部分は足部フレーム１０ａの前後に延びる同一直線上に位置するように配設されている。なお、この直線は左右の足部で平行となるように、各足部足部走行機構３，４に各々能動車輪部１１ａと受動車輪部１３ａとが配置されている。さらに、摩擦接地部１４は足部フレーム１０ａの能動車輪部１１ａ及び受動車輪部１３ａの反対側の側部の前後の角部の底部に各々形成され、能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び摩擦接地部１４の路面に対する各接地点は同一平面上に配設され、その各接地点は同一平面上に支持多角形を形成している。これにより、足部フレーム１０ａを各々外側に傾けて摩擦接地部１４を路面から離隔させ、能動車輪部１１ａと受動車輪部１３ａのみを確実に接地させることができる。なお、摩擦接地部１４は足部フレーム１０ａの角部を切り落とした形状に形成されている。これにより、２足歩行ロボットがその場で足踏みしながら旋回する場合等に足部フレーム１０ａと足部フレーム１０ｂとが互いに接触しないようになっている。
【００４１】
以上のように構成された本実施の形態１における２足歩行ロボットについて、以下その動作を図１乃至図３を用いて説明する。
まず、２足歩行ロボットの２足歩行動作について説明する。なお、本実施の形態１においては、２足歩行ロボットの右脚の動作について説明する。左脚の動作については右脚と同様であるので説明を省略する。
右脚を動作させる場合、予め設定された歩行パターンに基づいて右脚の逆運動学を計算し、算出された値に基づいて直動リンク５ａ〜５ｃ′の各々の図示しないアクチュエータを駆動させ直動リンク５ａ〜５ｃ′を伸縮させる。直動リンク５ａ〜５ｃ′とベース部２又は右足部の足部走行機構３との連結部分に配設されているベース部側受動ジョイント６ａ〜６ｃ′、足部側受動ジョイント７ａ〜７ｃ、及び回動継手８ａ〜８ｃは、直動リンク５ａ〜５ｃ′の伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。直動リンク５ａ〜５ｃ′のアクチュエータの駆動は各々に配設されたロータリエンコーダ等の図示しない検出器により検出され、取得された検出値は角度データとしてフィードバックされ直動リンク５ａ〜５ｃ′はフィードバック制御される。これにより、右脚は、一歩踏み出す動作やその場で足踏みする動作等を行うことができる。更に、このような動作を右脚と左脚で交互に連続して行うことにより、歩行動作を行うことができる。なお、このとき、能動車輪部１１ａは路面との摩擦力で回転しないように、すなわち足部走行機構３が滑らないように制御される。
なお、２足歩行時において、能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び摩擦接地部１４，１４により、足部の底部に支持多角形を形成しているので、この支持多角形の内部にＺＭＰが位置するように２足歩行ロボットの姿勢や動作を制御することで安定した２足歩行を行うことができる。このＺＭＰの位置は６軸力覚センサ９の検出値に基づいて求められる。
【００４２】
次に、２足歩行ロボットの能動車輪部１１ａ及び受動車輪部１３ａを用いた走行動作について図４を用いて説明する。
図４（ａ）は歩行動作時等の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図であり、図４（ｂ）は走行動作時の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図であり、図４（ｃ）は倒立振子型走行動作時の右足部の足部走行機構を示す要部模式側面図である。
２足歩行ロボット１の歩行動作時等においては、図４（ａ）に示すように、右足部の足部走行機構３の底部は能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び前後の摩擦接地部１４，１４の４点で接地している。また、左足部の足部走行機構４の底部も同様に、能動車輪部１１ｂ、受動車輪部１３ｂ，及び前後の摩擦接地部１４，１４の４点で接地している。
２足歩行ロボット１の走行動作時には、図４（ｂ）に示すように、足部走行機構３及び足部走行機構４の足部フレーム１０ａ，１０ｂを各々外側に傾け、摩擦接地部１４が路面から離隔させる。足部フレーム１０ａ，１０ｂを傾けるには、右脚及び左脚のパラレルリンク機構部１ａ及び１ｂの所定の直動リンク５を伸縮させる。例えば、足部走行機構３の足部フレーム１０ａを外側に傾けるには、図２に示す直動リンク５ｃ，５ｃ′を短縮させるか、或いは直動リンク５ａ，５ａ′，５ｂ，５ｂ′を伸長させる。
これにより、足部走行機構３及び足部走行機構４の底部は能動車輪部１１ａ，１１ｂと受動車輪部１３ａ，１３ｂのみが接地している状態となる。走行を行うには、予め設定された走行パターン（能動車輪部１１ａ，１１ｂの各々の回転角データ等）に基づいて駆動部１２ａ，１２ｂを駆動することにより能動車輪部１１ａ，１１ｂを回転させることで、２足歩行ロボット１は走行することができる。なお、能動車輪部１１ａと能動車輪部１１ｂを同じ方向に同じ回転速度で回転させると前進や後退することができ、異なる方向に回転させるとその場で旋回することができ、同じ方向に異なる回転速度で回転させると右方向や左方向に曲線状に走行することができる。
また、走行動作時においては、接地した能動車輪部１１ａ，１１ｂと受動車輪部１３ａ，１３ｂにより形成された支持多角形の内部にＺＭＰが位置するよう２足歩行ロボット１の姿勢を制御している。なお、２足歩行ロボットのＺＭＰは、該支持多角形の中心部より能動車輪部１１ａ，１１ｂ側にずれた位置となるように設定されることが好ましい。これにより、２足歩行ロボット１のＺＭＰが中心部より能動車輪部１１ａ，１１ｂ側にあるため、能動車輪部１１ａ，１１ｂの空転や滑りを防止でき、円滑な走行動作を行うことができる。
また、２足歩行ロボット１が加速や減速、或いは停止する場合は、慣性力により２足歩行ロボット１が転倒しないように、速度や加速度等を考慮してＺＭＰを設定している。例えば、２足歩行ロボット１が走行中に急停止する場合では、減速に伴って２足歩行ロボット１のＺＭＰが前方（進行方向）に移動するので、これが支持多角形から外れないように２足歩行ロボット１の姿勢を制御している。
【００４３】
さらに、２足歩行ロボット１は、能動車輪部１１ａ，１１ｂのみを接地させ略直立した状態で走行（倒立振子型走行）することもできる。倒立振子型走行動作時には、図４（ａ）に示す状態から、足部走行機構３，４の足部フレーム１０ａ，１０ｂを前方へ傾けることにより、図４（ｃ）に示すように、球状キャスタ１３ａ，１３ｂ及び前後の摩擦接地部１４を路面から離隔させる。ここで、能動車輪部１１ａ，１１ｂの駆動軸を前部の摩擦接地部１４より前方に位置するように配置するか、或いは能動車輪部１１ａ，１１ｂを大径のものとしているので、各足部を外側に傾けることなく、前方へ傾けるだけで前部の摩擦設置部１４も路面から離隔させることができる。足部フレーム１０ａ，１０ｂを前方へ傾けるには、右脚及び左脚のパラレルリンク機構部１ａ，１ｂの所定の直動リンク５を伸縮させる。例えば、足部走行機構３の足部フレーム１０ａを前方に傾けるには、図２に示す直動リンク５ａ，５ａ′を短縮させるか、或いは直動リンク５ｂ，５ｂ′を伸長させる。
なお、２足歩行ロボット１は、能動車輪部１１ａ，１１ｂのみが接地している状態で転倒しないように、２足歩行ロボット１のベース部２に設けられた３軸姿勢角センサ（図示せず）により計測された姿勢角等をフィードバックして制御し姿勢のバランスを保っている。
バランスを保った状態で駆動部１２ａ，１２ｂを駆動することにより能動車輪部１１ａ，１１ｂを回転させ、２足歩行ロボット１は倒立振子状態で走行することができる。
また、倒立振子型走行動作時においては、能動車輪部１１ａ，１１ｂ以外の可動部はすべて固定して姿勢のバランスを保つよう制御している。すなわち、直動リンク５は伸縮しないようにしている。これにより、２足歩行ロボット１を１つの剛体みなすことができるので、モデル化が容易になり制御が簡略化できる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態１における２足歩行ロボット１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）脚部が、ベース部２と足部走行機構３，４との間に各々複数のリンクが並列に配設されたパラレルリンク機構部１ａ，１ｂにより形成され、各足部３，４がその外側の側部に各々能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂを備え、その内側の側部に前後に摩擦接地部１４を備えているので、各足部走行機構３，４を各々外側に傾けて摩擦接地部１４を路面から離隔させた状態で能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂにより車輪走行を行うことができると共に、摩擦接地部１４を路面に接地させることにより２足歩行を行うことができ、車輪による走行と２足歩行とを容易に且つスムーズに切り換えることができる。
（２）足部走行機構３，４の外側の側部に前後に能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂを備え、能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂは足部フレーム１０ａ，１０ｂの前後に延びる同一直線上に位置するように各々配設され、この直線は各足部走行機構３，４で平行となっているので、車輪走行時には、各足部走行機構３，４を外側に傾けるだけで能動車輪部１１ａ，１１ｂ及び受動車輪部１３ａ，１３ｂのみを接地させ略矩形の支持多角形を形成することができ、整地や平坦な路面において安定した高速車輪走行を行うことができる。また、能動車輪部１１ａ，１１ｂや受動車輪部１３ａ，１３ｂに滑りが生じない条件では、２足歩行ロボット１の路面上における位置と方向が能動車輪部１１ａ，１１ｂの回転角のみによって定まるため、２足歩行ロボット１の位置や移動速度等を容易に制御できる。
（３）能動車輪部１１ａ、受動車輪部１３ａ、及び摩擦接地部１４の路面に対する各接地点は同一平面上に配設され、その各接地点は同一平面上に支持多角形を形成しているので、２足歩行時には各足の底部に支持多角形を形成することができ、支持多角形の内部にＺＭＰが位置するよう制御することにより安定した２足歩行を行うことができる。また、歩行中の路面との摩擦力により能動車輪部１１ａ，１１ｂが回転しないように制御することにより、各足部走行機構３，４が滑り難くなり安定した２足歩行が可能になる。
（４）足部フレーム１０ａ，１０ｂを前方へ傾けることにより受動車輪部１３ａ，１３ｂ及び前後の摩擦接地部１４を路面から離隔させ、能動車輪部１１ａ，１１ｂのみを接地させることにより、２足歩行ロボット１を略直立させ、この状態で転倒しないようバランスを保ちながら走行（倒立振子型走行）することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
図５は本実施の形態２における２足歩行ロボットの全体斜視図であり、図６は駆動系を示すブロック図であり、図６（ｂ）はゲインと内力との関係を示す関係図である。
図中、１ａは右脚のパラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機構部、２はベース部、３ａ，４ａは固定板、５は直動リンク、６はベース部側受動ジョイント、７は足部側受動ジョイント、８は回動受動ジョイント、９は６軸力覚センサであり、これらは実施の形態１において説明したものと同様のものであるので同一の符号を付けて説明を省略する。２１は本実施の形態２における２足歩行ロボット、２３は右足部の足部走行機構、２４は左足部の足部走行機構、２５は車輪保持部、２６は車軸、２７は受動車輪部、２８は各直動リンク５に内蔵されたモータを制御するモータ制御部、２９はモータ制御部２８に各足部の角度指令値及び位置指令値を入力する駆動制御部である。なお、モータ制御部２８や駆動制御部２９はベース部２上等に搭載されているが、図５においては図示を省略している。
【００４６】
以上のように構成された本実施の形態２における２足歩行ロボット２１について、以下その動作を図５乃至図７を用いて説明する。
図６に示すように、駆動制御部２９はモータ制御部２８に位置指令値と角度指令値を出力する。位置指令値とは右足部の足部走行機構２３（以下、右足部２３という）又は左足部の足部走行機構２４（以下、左足部２４という）の初期位置からの移動量を示す値であり、角度指令値とは２足歩行ロボット２１の進行方向に対する右足部２３又は左足部２４のなす角度を示す値である。
モータ制御部２８は、位置指令値及び角度指令値が入力されると、右足部２３及び左足部２４が指令された位置及び角度になるように各脚のパラレルリンク機構部１ａ，１ｂの各々の直動リンク５に内蔵されたモータを制御する。なお、各々の直動リンク５にはモータ回転軸の回転角を検出するロータリエンコーダ等の検出器が内蔵されており、モータ制御部２８には、これら検出器での検出値がフィードバックされる。
このようにして右足部２３と左足部２４の位置と角度を制御することで、２足歩行ロボット２１にいわゆるスウィズル動作を行わせる。以下、スウィズル動作について図７を用いて説明する。
【００４７】
図７は２足歩行ロボット２１のスウィズル動作を説明する説明図である。なお、図７においては右足部２３と左足部２４の動きを示し、２足歩行ロボット２１のベース部２、パラレルリンク機構部１ａ，１ｂ、及び固定板３ａ，４ａは説明をわかり易くするために図示を省略している。
図７（ａ）に示すように、右足部２３と左足部２４を、前部側を開いて逆ハの字状とした状態で、右足部２３と左足部２４を各々外側（図６（ａ）に示す矢印Ａの方向）に向けて移動させようとすると、その外側に向けて移動させる力の一部が推進力となって右足部２３と左足部２４は受動車輪部２７の回転により各々外側へ移動しながら前方へ、すなわち各々右斜め前方及び左斜め前方へ移動する。これにより、２足歩行ロボット２１を前方に向かって走行させることができる。
図７（ｂ）に示すように、右足部２３と左足部２４を、後部側を開いてハの字状とした状態で、各々内側（図６（ｂ）に示す矢印Ｂの方向）に向けて移動させようとすると、右足部２３と左足部２４は受動車輪部２７の回転により各々内側へ移動しながら前方へ、すなわち各々左斜め前方及び右斜め前方へ移動する。これにより、２足歩行ロボット２１は前方に向かって走行する。
図７（ａ）に示す動作と図７（ｂ）に示す動作を繰り返す動作、いわゆるスウィズル動作を行うことにより、右足部２３と左足部２４は左右対称の波線状の軌跡を描きながら前方へ移動するので、２足歩行ロボットは前進することができる。なお、右足部２３と左足部２４とを逆ハの字状とした状態で各々内側に向けて移動させる動作と、ハの字状とした状態で各々外側に向けて移動させる動作と、を周期的に繰り返すことにより後退することもできる。
【００４８】
２足歩行ロボット２１がスウィズル動作を行うと、路面との摩擦力により、右足部２３と左足部２４には受動車輪部２７に直交する方向に内力がかかる。この内力は、図７（ａ）に示す動作を行う場合には各足部２３，２４にかかる内向きの力であり、図７（ｂ）に示す動作を行う場合には外向きの力である。この内力は、固定板３ａ，４ａと車輪保持部２５との間に介装された６軸力覚センサ９で検出され、駆動制御部２９に入力される。
ここで、駆動制御部２９からモータ制御部２８へ出力される位置指令値は、前回出力された位置指令値に位置指令値の増加分を加えた値であり、予め設定された基本パターン関数（周期関数）に基づいて決定されるが、本実施の形態２においては、位置指令値の増加分は、基本パターン関数から導き出される値に、右足部２３又は左足部２４にかかる内力に基づいて決定されるゲインを乗じた値となる。以下、図６（ｂ）を用いてゲインについて説明する。なお、図６（ｂ）においては、各足部２３，２４に内向きにかかる内力を正とし、外向きにかかる内力を負としてグラフ化した。
図６（ｂ）に示すように、ゲインＧ（０≦Ｇ≦１）は内力が予め設定された定常下限値から定常上限値、例えば−８（Ｎ）から８（Ｎ）の間であればＧ＝１であり、内力が定常上限値から許容最大値、例えば１０（Ｎ）に近づくにつれ小さくなり、或いは定常下限値から許容最小値、例えば−１０（Ｎ）に近づくにつれ小さくなり、許容最大値又は許容最小値でＧ＝０になる。すなわち、各足部２３，２４にかかる内力が定常上限値より大きくなると或いは定常下限値より小さくなると、位置指令値の増加分を減衰させ、増加を緩やかにし、内力が許容最大値又は許容最小値になると位置指令値を増加させないように制御することで、各足部２３，２４に過大な内力がかかるのを防止でき、円滑なスウィズル動作が可能となる。
なお、角度指令値としては、基本パターン関数（周期関数）と同じ周期で位相を例えば４５°ずらした周期関数に基づいて、円滑なスウィズル動作が行われるように設定される。
【００４９】
以上のように本実施の形態２における２足歩行ロボット２１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）右足部の足部走行機構２３及び左足部の足部走行機構２４に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部２７を備えているので、各足部走行機構２３，２４の軌跡が波線状となるように各足部走行機構２３，２４を周期的に運動させる、いわゆるスウィズル動作を行うことで、進行方向に直交する方向へ各足部走行機構２３，２４を移動させる力の一部を推進力として取り出すことができ、モータ等の駆動部を用いることなく２足歩行ロボット２１を前進、後退させることができる。
【００５０】
（実施の形態３）
図８は本実施の形態３における２足歩行ロボットの全体斜視図である。
図８において、１ａは右脚のパラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機構部、２はベース部、３ａ，４ａは固定板、５は直動リンク、６はベース部側受動ジョイント、７は足部側受動ジョイント、８は回動受動ジョイントであり、これらは実施の形態１において説明したものと同様のものであるので同一の符号を付けて説明を省略する。３１は本実施の形態３における２足歩行ロボット、３３は右足部の足部走行機構、３４は足底に摩擦接地部を備えた左足部、３５は連結板、３６，３７は車輪保持部、３８は車軸、３９は受動車輪部、４０は足底板である。
【００５１】
以上のように構成された本実施の形態３における２足歩行ロボット３１について、以下その動作を図９を用いて説明する。
図９（ａ）は左足部３４による蹴り出し動作を示す模式図であり、図９（ｂ）は左足部３４を遊脚とした状態で右足部の足部走行機構３３による滑走動作を示す模式図である。
図９（ａ）に示すように、２足歩行ロボット３１は足部走行機構３３と左足部３４の間にＺＭＰが位置するようにＺＭＰ制御をする。この状態から、左足部３４を後部側へ移動させるようにパラレルリンク機構部１ｂの所定の直動リンク５を伸縮させると、左足部３４の足底板４０は１以上の摩擦接地部を有し路面に摩擦接地しているので、受動車輪部３９を有する足部走行機構３３が前方へ移動する。このとき、足部走行機構３３と左足部３４の間に位置していたＺＭＰを足部走行機構３３の移動に伴って足部走行機構３３に徐々に近づく方向へ移動させるようにＺＭＰ制御をする。
足部走行機構３３が前方へ移動し左足部３４から離れたところで左足部３４を路面から離隔させ遊脚とすると、足部走行機構３３はそのときの運動エネルギで前方へ移動し滑走する。
図９（ｂ）に示すように、遊脚となった左足部３４は足部走行機構３３の側部へ近づけていき、ＺＭＰは足部走行機構３３の内部に位置するようにＺＭＰ制御をする。
【００５２】
以上のように本実施の形態３における２足歩行ロボット３１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）摩擦接地部を備えた左足部３４の足底板４０により路面を蹴って、右足部の足部走行機構３３の受動車輪部３９により走行することができ、モータ等の駆動部を用いることなく前進することができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態１乃至３で説明した各々の足部走行機構は、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができる。なお、この足部走行機構は、上述したような２足歩行ロボットだけでなく、４足や６足等の多足歩行ロボットでにも用いることができ、また、脚部はパラレルリンク機構部を有するものだけでなく、シリアルリンク機構部を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したように、本発明は、歩行ロボットの脚部の足底に配設される車輪を用いた足部走行機構に関し、特に本発明によれば、既存の歩行ロボットの足底に容易に取り付けることができ汎用性に優れ、平坦な路面において高速且つ高効率で移動することができる足部走行機構を提供することができる。
また、以上説明したように、本発明は、足底に該足部走行機構を備えた２足歩行ロボットに関し、特に本発明によれば、凹凸路面等の不整地や段差に２足歩行で対応できると共に、整地や平坦な路面においては車輪による走行ができるので、高い安定性及び移動性を有し、さらに２足歩行と車輪走行との切り換えをスムーズに行うことができる足部走行機構を備えた２足歩行ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施の形態１における２足歩行ロボットの全体斜視図
【図２】図１に示す２足歩行ロボットの模式図
【図３】（ａ）右足部の要部斜視図（ｂ）右足部の要部底面図
【図４】（ａ）歩行動作時等の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図（ｂ）走行動作時の右足部及び左足部の足部走行機構を示す要部模式正面図（ｃ）倒立振子型走行動作時の右足部の足部走行機構を示す要部模式側面図
【図５】実施の形態２における２足歩行ロボットの全体斜視図
【図６】（ａ）駆動系を示すブロック図（ｂ）ゲインと内力の関係を示す関係図
【図７】（ａ）２足歩行ロボットのスウィズル動作を説明する説明図（ｂ）２足歩行ロボットの走行動作を説明する説明図
【図８】実施の形態３における２足歩行ロボットの全体斜視図
【図９】（ａ）左足部による蹴り出し動作を示す模式図（ｂ）左足部を遊脚とした状態で右足部の足部走行機構による滑走動作を示す模式図
【符号の説明】
【００５６】
１，２１，３１ ２足歩行ロボット
１ａ，１ｂ パラレルリンク機構部
２ ベース部
３，４ 足部走行機構
３ａ，４ａ 固定板
５、５′、５ａ、５ａ′、５ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′ 直動リンク
６、６ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６ｃ′ ベース部側受動ジョイント
７、７ａ、７ｂ、７ｃ 足部側受動ジョイント
８、８ａ、８ｂ、８ｃ 回動受動ジョイント
９ ６軸力覚センサ
１０ａ，１０ｂ 足部フレーム
１０ｃ 外周部
１１ａ，１１ｂ 能動車輪
１２ａ，１２ｂ 駆動部
１３ａ，１３ｂ 球状キャスタ
１４ 摩擦接地部
１５ 駆動部固定部
１６ シャフト
１６ａ 軸受部
１６ｂ 軸継手
１７ 減速器
１８ センタ部
１８ａ 凹部
１９ 支持部
１９ａ リブ
２０ 切り欠き部
２３，２４ 足部走行機構
２５ 車輪保持部
２６ 車軸
２７ 受動車輪部
２８ モータ制御部
２９ 駆動制御部
３３ 足部走行機構
３４ 左足部
３５ 連結板
３６，３７ 車輪保持部
３８ 車軸
３９ 受動車輪部
４０ 足底板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される足部フレームと、前記足部フレームの一方の側部に前後に配設された能動車輪部及び受動車輪部と、前記能動車輪部を回転駆動する駆動部と、前記足部フレームの他方の側部に前後に配設された摩擦接地部と、を備えていることを特徴とする足部走行機構。
【請求項２】
前記能動車輪部、前記受動車輪部、及び前記摩擦接地部の路面に対する各接地点が同一平面上に配設されると共に、前記各接地点は前記同一平面上に支持多角形を形成することを特徴とする請求項１に記載の足部走行機構。
【請求項３】
歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えていることを特徴とする足部走行機構。
【請求項４】
歩行ロボットの脚部の足底の内いずれか１以上に配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に各接地点が支持多角形を形成するように配設された３乃至複数の受動車輪部と、を備えていることを特徴とする足部走行機構。
【請求項５】
左右の脚部と、前記脚部の各足底又はいずれか一方の足底に配設された請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の足部走行機構と、を備えていることを特徴とする２足歩行ロボット。
【請求項６】
ベース部と、右足部及び左足部と、前記右足部及び／又は前記左足部に配設された前記足部走行機構と、前記ベース部の下部に配設された複数のベース部側受動ジョイントと、前記右足部及び前記左足部の上部に配設された複数の足部側受動ジョイントと、前記ベース部側受動ジョイントと前記右足部の前記足部側受動ジョイントとの間、及び、前記ベース側受動ジョイントと前記左足部の前記足部側受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の２足歩行ロボット。
【請求項７】
前記パラレルリンク機構部のリンクとして、上端部で前記ベース部側受動ジョイントに連結され、下端部で前記足部側受動ジョイントに連結された伸縮可能な直動リンクを備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の２足歩行ロボット。
【請求項８】
前記右足部及び前記左足部が、上面に前記足部側受動ジョイントが固定された固定板と、前記固定板の下部と前記足部フレーム又は前記車輪保持部の上部との間に介装された６軸力覚センサと、を備えていることを特徴とする請求項５乃至７の内いずれか１項に記載の２足歩行ロボット。
【請求項１】
歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される足部フレームと、前記足部フレームの一方の側部に前後に配設された能動車輪部及び受動車輪部と、前記能動車輪部を回転駆動する駆動部と、前記足部フレームの他方の側部に前後に配設された摩擦接地部と、を備えていることを特徴とする足部走行機構。
【請求項２】
前記能動車輪部、前記受動車輪部、及び前記摩擦接地部の路面に対する各接地点が同一平面上に配設されると共に、前記各接地点は前記同一平面上に支持多角形を形成することを特徴とする請求項１に記載の足部走行機構。
【請求項３】
歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に前後に直線状に並設された２乃至複数の受動車輪部を備えていることを特徴とする足部走行機構。
【請求項４】
歩行ロボットの脚部の足底の内いずれか１以上に配設される車輪保持部と、前記車輪保持部に各接地点が支持多角形を形成するように配設された３乃至複数の受動車輪部と、を備えていることを特徴とする足部走行機構。
【請求項５】
左右の脚部と、前記脚部の各足底又はいずれか一方の足底に配設された請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の足部走行機構と、を備えていることを特徴とする２足歩行ロボット。
【請求項６】
ベース部と、右足部及び左足部と、前記右足部及び／又は前記左足部に配設された前記足部走行機構と、前記ベース部の下部に配設された複数のベース部側受動ジョイントと、前記右足部及び前記左足部の上部に配設された複数の足部側受動ジョイントと、前記ベース部側受動ジョイントと前記右足部の前記足部側受動ジョイントとの間、及び、前記ベース側受動ジョイントと前記左足部の前記足部側受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の２足歩行ロボット。
【請求項７】
前記パラレルリンク機構部のリンクとして、上端部で前記ベース部側受動ジョイントに連結され、下端部で前記足部側受動ジョイントに連結された伸縮可能な直動リンクを備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の２足歩行ロボット。
【請求項８】
前記右足部及び前記左足部が、上面に前記足部側受動ジョイントが固定された固定板と、前記固定板の下部と前記足部フレーム又は前記車輪保持部の上部との間に介装された６軸力覚センサと、を備えていることを特徴とする請求項５乃至７の内いずれか１項に記載の２足歩行ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−５５９７２（Ｐ２００６−５５９７２Ａ）
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４２７２５（Ｐ２００４−２４２７２５）
【出願日】平成１６年８月２３日（２００４．８．２３）
【出願人】（３０２０２２５９９）
【出願人】（５００５３９５６１）株式会社テムザック (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２３日（２００４．８．２３）
【出願人】（３０２０２２５９９）
【出願人】（５００５３９５６１）株式会社テムザック (19)
【Ｆターム（参考）】
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