(57)【要約】【課題】片脚立脚時に、遊脚側に傾いたときに立脚でバランスが取り易い脚式ロボットを提供する。【解決手段】脚式ロボット１０は、一方の足リンク２０の足裏面３０が、脚式ロボットを正面視したときに夫々の足リンク２０の足裏面における脚式ロボット１０の中心線ＣＬに近い側の縁部３１が足裏面３０から内側面に向かって円弧状に湾曲している。脚式ロボット１０は、片脚で接地しているときに立脚の内側へ傾斜するにつれて、接地している足の足裏面と地面の接点が内側へ移動する。接点が内側へ移動するほど脚式ロボット１０を内側へ傾斜させるモーメントが小さくなる。この脚式ロボット１０は、内側への傾斜に応じて足裏面と地面の接点が脚式ロボットの内側へ移動するのでバランスが取り易い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右両方の足リンクが体側方向に並ぶ一対の脚を有しており、
脚式ロボットを正面視したときに夫々の足リンクの足裏面における脚式ロボットの中心線に近い側の縁部が円弧状に湾曲していることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
足裏面は、脚式ロボットを正面視したときに前記中心線から遠い側が地面から離間して足リンクが前記中心線側に傾くときに円弧面で地面と接触するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、左右両方の足平リンクが体側方向に並ぶ少なくとも一対の脚を有している脚式ロボットに関する。本明細書でいう「脚式ロボット」には、自律的に歩行するロボットのほか、ユーザの両脚に沿って装着されユーザの歩行動作に合わせて揺動する多リンク機構を有する歩行補助装置も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
２脚歩行ロボットに代表される脚式ロボットの体側方向の安定性を改善する技術が例えば特許文献１に開示されている。以下、本明細書では、単に「ロボット」という場合は常に「脚式ロボット」を意味する。特許文献１に開示されている脚式ロボットは、接地時に足裏の内側部分よりも外側部分からの反力が大きくなる形状あるいは材質で形成された足裏部を備えている。ここで、「内側」とは、ロボットを正面視したときにロボットの中心線に近い側を意味する。「外側」とは、ロボットを正面視したときにロボットの中心線から遠い側を意味する。なお、脚式ロボットが体側方向に傾いている場合は、「内側」はロボットを正面視したときに体側方向でロボットの重心に近い側と換言してもよく、「外側」は正面視したときに体側方向でロボットの重心から遠い側と換言してよい。以下、本明細書においても「内側」と「外側」を同じ意味で用いる。また、本明細書では、多リンク構造の脚の先端リンクであり、地面と接地するリンクを足リンクと称する。
【０００３】
特許文献１の技術は、ロボットが片脚で接地しているときに、接地している足の外側に傾くよりも内側に傾き易い構造を提供する。この技術は、脚式ロボットは、片脚接地のときに接地している足の内側に傾く場合は遊脚の脚を用いてバランスを取ることが可能であるが接地している足の外側に傾く場合にはバランスを取り難いという知見に基づいている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１８５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のとおり、脚式ロボットは、片脚接地時には接地している足の外側へ傾くよりも内側に傾く方がバランスを回復できる可能性が高い。しかしながら、特許文献１に開示された技術は、接地している足の内側へロボットが傾いたときのバランスの取り易さまでは考慮されていない。本発明は、接地脚の足の内側に傾く際にバランスを保ち易い脚式ロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、直立姿勢をとったときに左右両方の足リンクが体側方向に並ぶ一対の脚を有している脚式ロボットに具現化することができる。なお、脚式ロボットの両足はそれらの相対位置が変化するが、直立姿勢をとったときに左右の両方の足リンクが体側方向に並んでいればよい。本発明の脚式ロボットは、夫々の足リンクの足裏面における内縁部が円弧状に湾曲していることを特徴とする。詳しくいえば、本発明の脚式ロボットは、脚式ロボットを正面視したときに夫々の足リンクの足裏面における脚式ロボット中心線に近い側の縁部（内縁部）が足裏面から側面に向かって円弧状に湾曲していることを特徴とする。ここで、「中心線に近い側」とは、「体側方向でロボット重心に近い側」と表現してもよい。別言すれば、足リンクの足裏面は、脚式ロボットを正面視したときにロボット中心線から遠い側（外側）が地面から離間して足リンクがロボット中心線側（内側）に傾くときに円弧面で地面と接触するように形成されていることを特徴とする。「内側」とはさらに別言すれば、「片脚立脚時における遊脚側」と表現することと等価である。
【０００７】
片脚立脚時に接地している足リンクが内側に傾く場合、ロボットを正面視したときに足裏面の外側が地面から離れ、内側の縁（内縁部）が地面と接触する。即ち、足と地面は足裏面全体の面接触から線接触あるいは点接触に移行する。ここで、足裏面の内側の縁がロボットの前後方向に真っ直ぐに伸びている場合には縁の直線に沿って「線接触」する。他方、足裏面の内側の縁がロボットの前後方向に沿って湾曲している場合には、その曲線上のいくつかの点で地面と点接触する。ロボットを正面視したときに、足裏面の内縁部と足の内側面が角を形成していると、ロボットの傾斜角によらず、常にその角部が地面と接触する。ここで、「内側面」とは、足リンクの側面であり、脚式ロボットの中心線に面している側面を指す。
【０００８】
他方、本発明の脚式ロボットは、足裏面の内縁部が内側面に向かって円弧状に湾曲している。そのような形状を備えていると、片脚で接地しているロボットが立脚の内側へ傾斜するにつれて、接地している足の足裏面と地面の接点が内側へ移動する。接点が内側へ移動するほどロボットを内側へ傾斜させるモーメントは小さくなる。すなわち、本発明のロボットは、ロボットの内側への傾斜に応じて足裏面と地面の接点がロボットの内側へ移動するのでバランスが取り易い。
【０００９】
また、地面のやわらかさによっては地面がロボットの重みによってへこむので、足裏面の内縁部と地面は面接触する。このとき、足裏面の内縁部が円弧状をなしていると、ロボットの傾斜角に関わらずに、地面と足裏内縁部との接触面の形状が一定となる。この点もロボットが傾いたときのバランスの取り易さに寄与する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、片脚接地時にロボットが遊脚側に傾いてもバランスを取り易い脚式ロボットを実現することができる。
【実施例】
【００１１】
図１に、脚式ロボット１０の概略図を示す。図１（Ａ）は、脚式ロボット１０の正面図である。図１（Ｂ）は、右脚１４Ｒの足リンク２０の平面図である。図１（Ａ）に示すように、脚式ロボット１０は、一対の脚１４Ｒ、１４Ｌを備える。符号１４Ｒは、右脚を示しており、符号１４Ｌは、左脚を示している。一対の脚１４Ｒ、１４Ｌは、体幹リンク１２に連結されている。脚式ロボット１０は、人間の脚の構造を模擬しており、一対の脚１４Ｒ、１４Ｌは、脚式ロボット１０が直立姿勢を保持したときに体側方向に並ぶ。符号Ｆは接地面を示している。また、符号ＣＬは、脚式ロボット１０の体側方向の中心線を示している。なお、脚式ロボット１０の重心Ｇは、体幹リンク１２内で中心線ＣＬ上に存在する。
【００１２】
右脚１４Ｒについて説明する。右脚１４Ｒは、大腿リンク１６と下腿リンク１８と足リンク２０を備える。大腿リンク１６は、股関節２２によって体幹リンク１２に揺動可能に連結されている。符号Ｃ１は股関節２２の回転軸線を示す。下腿リンク１８は、膝関節２４によって大腿リンク１６の下端に揺動可能に連結されている。符号Ｃ２は、膝関節２４の回転軸線を示す。足リンク２０は、足首関節２６によって下腿リンク１８の下端に連結されている。符号Ｃ３は、足首関節２６の回転軸線を示す。回転軸線Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３はいずれも、体側方向（ピッチ方向）に伸びている。左脚１４Ｌは、右脚１４Ｒと同じ構造を有しているので説明を省略する。この脚式ロボット１０は、左右の脚１４Ｒ、１４Ｌを交互に揺動しながら歩行することができる。各関節は、ピッチ軸の他にロール軸あるいはヨー軸に沿って伸びる回転軸を有していてもよい。
【００１３】
図１（Ｂ）は、右脚１４Ｒの足リンク２０の平面図を示している。図１（Ｂ）に示すように、足リンク２０は、平面視したときの形状が略矩形である。図示を省略しているが、左脚１４Ｌの足リンク４０も同様に、平面視したときの形状が略矩形である。
【００１４】
脚式ロボット１０を正面からみたときに、それぞれの脚においてロボットの中心線ＣＬに近い側を「内側」と称し、中心線ＣＬから遠い側を「外側」と称する。図１において、右脚１４Ｒ（足リンク２０）の右側が「右脚１４Ｒ（足リンク２０）の内側」に相当し、右脚１４Ｒ（足リンク２０）の左側が「右脚１４Ｒ（足リンク２０）の外側」に相当する。また図１において、左脚１４Ｌ（足リンク４０）の左側が「左脚１４Ｌ（足リンク４０）の内側」に相当し、左脚１４Ｌ（足リンク４０）の右側が「左脚１４Ｌ（足リンク４０）の外側」に相当する。
【００１５】
右脚１４Ｒの足リンク２０について説明する。図２に、足リンク２０の拡大正面図を示す。足リンク２０の足裏面３０は、内縁部３１を除いて平面である。「内縁部３１」は、足裏面のうち、内側に位置する部分を意味する。別言すれば、右脚１４Ｒの足リンク２０の内縁部３１は、足リンク２０の足裏面のうち、ロボット中心線ＣＬに近い部分を意味する。内縁部３１は、脚式ロボット１０を正面視したときに、平面の足裏面３０から内側面に向かって円弧状に湾曲している。図２に示すように、内縁部３１は、脚式ロボット１０を正面視したときに、一点Ｐを中心とする半径Ｒの円弧に沿って湾曲している。内縁部３１は、一端が足裏面３０と滑らかに繋がっており、他端付近が足リンク２０の内側面を形成している。なお、足リンク２０の外側面は平面で形成されている。図１（Ｂ）に示すように、足リンク２０は、脚式ロボットの前後方向には一様である。
【００１６】
左脚１４Ｌの足リンク４０も足リンク２０と同様の形状を有している。図１に示すように、足リンク４０の足裏面５０は、内縁部５１を除いて平面である。「内縁部５１」は、足裏面のうち、内側に位置する部分を意味する。別言すれば、左脚１４Ｌの足リンク４０の内縁部５１は、足リンク４０の足裏面のうち、ロボットの中心線ＣＬに近い部分を意味する。内縁部５１は、脚式ロボット１０を正面視したときに、平面の足裏面５０から内側面に向かって円弧状に湾曲している。足リンク４０の外側面は平面で形成されている。
【００１７】
図３を参照して、内縁部が円弧状に湾曲している足リンク２０、４０の効果を説明する。図３は、脚式ロボット１０が内側に傾いたときの足リンク２０の姿勢を示している。符号２０ａは、脚式ロボット１０が内側に角度Ａ１傾いたときの足リンク２０の姿勢を示している。符号２０ｂは、脚式ロボット１０が内側に角度Ａ２傾いたときの足リンク２０の姿勢を示している。図３が示す状態は、左脚１４Ｌが浮いているときに生じ得る。図３において「内側」とは、右脚１４Ｌの足リンク２０の右側、即ち、左脚１４Ｌに近い側を意味する。
【００１８】
図３に示すように、角度Ａ１だけ傾いたとき、足リンク２０と地面Ｆは、位置Ｂ１で接触する。角度Ａ１よりもさら大きく角度Ａ２傾くと、足リンク２０と地面Ｆの接点は位置Ｂ２へ移動する。位置Ｂ２は、接地している右足リンク２０からみて位置Ｂ１よりもロボット中心線ＣＬに近い。別言すれば、位置Ｂ２は、接地している右足リンク２０からみて位置Ｂ１よりも内側である。
【００１９】
図３に示すように、脚式ロボット１０が内側に傾くと、足リンク２０と地面Ｆとの接点も内側に移動する。別言すれば、足リンク２０の足裏面は、外側の縁が地面から離間して脚式ロボット１０が内側に傾くときに円弧面で地面と接触するように形成されている。脚式ロボット１０の重心は足リンク２０よりも内側に位置するから、接点の内側への移動は、脚式ロボット１０を内側に傾斜させるモーメントを減少させる。そのような作用によって脚式ロボット１０は、内側に傾斜したときのバランスを取り易くなっている。
【００２０】
また足リンク２０は、脚式ロボット１０が内側に傾斜するとき、常に円弧状の内縁部３１が地面Ｆと接触する。地面Ｆがやわらかい場合、地面Ｆはへこみ、足リンク２０の内縁部３１と地面は面接触する。このとき脚式ロボット１０を正面から見て地面Ｆとの接触面は常に円弧面となる。この円弧面の接触面は、脚式ロボット１０の傾きによらず一定である。脚式ロボット１０は、体側方向に遊脚側へ傾くときに接地脚の足の内縁部３１が常に一定の円弧面で地面と接触する。そのため、脚式ロボット１０は、バランスを取り易い。また、内縁部３１が円弧形状となっているので地面と面接触する面積が増え、地面との摩擦力が増加することもバランスを取り易くすることに寄与する。以上の効果は、左脚１４Ｌの足リンク４０についても得られる。
【００２１】
上記実施例の脚式ロボット１０は、自律して歩行するロボットであるが、本発明は自律歩行する脚式ロボットに限られない。本発明は、ユーザの足を乗せる足リンクを有するとともに、脚装具全体をユーザの脚に沿って装着する歩行補助装置に適用することも好適である。
【００２２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、脚式ロボットの正面図である。
【図２】図２は、足リンクの正面拡大図である。
【図３】図３は、脚式ロボットが傾いたときの足リンクの姿勢を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０：脚式ロボット
１２：体幹リンク
１４Ｒ、１４Ｌ：脚
１６：大腿リンク
１８：下腿リンク
２０、４０：足リンク
３０、５０：足裏面
３１、５１：内縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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