(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度自在に屈折可能な膝関節を有する第１および第２の脚と、
前記第１および第２の脚の根元の関節（以下、腿関節）をそれぞれ回動自在に支持する臀部と、
前記膝関節の屈折角度および前記腿関節の回転角度をそれぞれ制御して、進行方向の床上に設けられた凸状の障害物を跨ぎ越す跨ぎ越し制御手段と、を備え、
前記跨ぎ越し制御手段は、前記第２の脚を前記障害物の後方側に接地させた状態で前記第１の脚を前記障害物の上方へ振り出して該障害物を跨ぐ場合に、前記第２の脚の膝関節を後方へ突出させた姿勢に制御することを特徴とする二脚型移動装置。
【請求項２】
前記跨ぎ越し制御手段は、
前記第１の脚を前記障害物の上方へ振り出して該障害物を跨ぐ場合に、前記第１の脚の膝関節を前方へ突出させた姿勢で該第１の脚を前記障害物の前方側へ接地させることを特徴とする請求項１記載の二脚型移動装置。
【請求項３】
前記第１および第２の脚は、その先端に配置された第１および第２の車輪機構をそれぞれ含み、該第１および／または第２の車輪機構を駆動することにより床面上の走行を可能とし、
前記跨ぎ越し制御手段は、
前記臀部の重心の水平位置を前記第２の脚の接地点に一致させた状態で、前記第２の車輪機構を駆動して所定の等速度で走行しつつ前記第１の脚を持ち上げて前記障害物を跨ぎ、該第１の脚を前記障害物の前方側へ接地させる第１の動作を行う手段と、
前記第１の動作により前記第１の脚が接地したときに前記第２の車輪機構を停止して、前記膝関節および前記腿関節を制御して前記重心の水平位置を前記第２の脚の接地点から前記第１の脚のそれに前記所定の等速度で移動させる第２の動作を行う手段と、
前記第２の動作により前記重心の水平位置が前記第１の脚の接地点に一致したときに、前記第１の車輪機構を駆動して前記所定の等速度で走行しつつ前記第２の脚を持ち上げて前記障害物を跨ぎ越える第３の動作を行う手段と、
を含むことを特徴とする請求項１または２記載の二脚型移動装置。
【請求項４】
前記跨ぎ越し制御手段は、前記障害物を跨ぎ越える場合に、前記臀部の重心の上下方向の位置を一定に維持するように前記膝関節および前記腿関節を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の二脚型移動装置。
【請求項５】
前記跨ぎ越し制御手段の実行に先立って、前記第２の脚の膝関節を後方へ突出させる姿勢に制御する手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の二脚型移動装置。
【請求項６】
前記膝関節の屈折角度および前記腿関節の回転角度をそれぞれ制御して、階段の段差を順に昇る階段昇降制御手段を更に備え、
前記階段昇降制御手段は、前記第１および第２の脚の膝関節を後方に突出させた姿勢で前記階段の段差を昇ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の二脚型移動装置。
【請求項７】
前記階段昇降制御手段は、
前記臀部の重心の水平位置を前記第２の脚の接地点に一致させた状態で前記第１の脚を持ち上げて、前記第１の脚が接地している面よりも上の段差面へ接地させる第１の昇動作を行う手段と、
前記第１の昇動作により前記第１および第２の脚がそれぞれ接地した状態で、前記膝関節および前記腿関節を制御して前記重心の水平位置を前記第２の脚の接地点から前記第１の脚のそれに移動させる第２の昇動作を行う手段と、を含み、
前記第１の昇動作および前記第２の昇動作を、前記第１の脚と前記第２の脚とを入れ替えて交互に実行することにより前記階段の段差を順に昇ることを特徴とする請求項６記載の二脚型移動装置。
【請求項８】
前記第１および第２の脚は、その先端に配置された第１および第２の車輪機構をそれぞれ含み、該第１および／または第２の車輪機構を駆動することにより床面上の走行を可能とし、
前記階段昇降制御手段は、
前記第１の昇動作において、前記車輪機構を用いて水平方向へ移動しつつ前記膝関節および前記腿関節を制御して前記臀部を鉛直方向へ持ち上げることにより、前記臀部の重心を所定の第２の等速度で前記階段の傾斜に平行な方向に移動させる手段と、
前記第２の昇動作において、前記膝関節および前記腿関節を制御して前記臀部の重心を前記第２の等速度で前記階段の傾斜に平行な方向に移動させる手段と、
を更に含むことを特徴とする請求項７記載の二脚型移動装置。
【請求項９】
前記階段昇降制御手段の実行に先立って、前記第１および第２の脚の膝関節を後方へ突出させる姿勢に制御する手段を更に備えることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項記載の二脚型移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二脚型移動装置に係り、特に、脚の先端に車輪を備え、二脚による歩行動作と車輪による走行動作とを行うことのできる二脚型移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間と共生できるサービスロボットが盛んに研究されているが、現時点ではなかなか産業として成り立ち難い状況にある。この要因として、サービスされる人間側のメンタル面や各種規制等の法制度面などの問題も指摘されているが、最たる要因は人間と共生でき、また満足の行くサービスを提供できるロボットを、そのサービスの対価に相当する適当な価格で供給できる産業技術が創造されていない点と思われる。
【０００３】
人間と共生するという点に関しては、様々な面から捉えた課題があるが、大きな技術課題の一つが、人間が暮らしている住環境を人間と同じように自在に移動できる技術が達成されていないことが挙げられる。同じ住環境での共生という点から、ロボットを移動可能とすべき床の条件としては、通常人間が移動できる床の条件なら同様に移動できるようにするという点が重要である。すなわち、平面だけでなく、平均的な人間が移動できる程度の段差、スロープ、障害物、或いは階段等を人間と同程度に移動し、跨ぎ、或いは昇降する機能を有していることが必要である。
【０００４】
特に、この中で障害物を跨ぐという動作は軽視されがちであるが、一般家庭内、一般道路においては、跨ぎ越さなければならない障害物、例えば、生き物、汚物、壊れ物、備品等が移動予定のルート上に出現する状況は多々想像でき、人間が跨ぎ越せる程度のものは同様にスムースに跨ぎ越せることが重要である。
【０００５】
また、サービスという点からは、食事、小物類、或いは書類等に代表される貨物を運搬する運搬サービスにおいて、衝撃や急激な負荷がかからないように極めてスムースに移動することが望まれる。このスムースで衝撃のない移動は、運搬する貨物が等速運動、あるいは等加速度運動を続けることを意味し、旋回運動、昇降等の運動から他の等速運動への移行時もなるべく急激な加速度の変化は抑え、連続してスムースな移行がなされることを意味している。このように、スムースな運搬サービスおよび人間並みの移動手段を廉価に実現することが、サービスロボット産業の創生の基本要素技術として強く望まれている。
【０００６】
従来のロボットの移動手段としては、２足歩行による移動手段、車輪による移動手段、或いはそれらの複合型の移動手段が多く試みられてきている。例えば、特開２００９−１５４２５６号公報には、上記複合型の移動手段に相当する従来技術として、先端に車輪を備えた２脚の車輪付脚を備え、脚式歩行と車輪走行とを切り替えて動作する車輪付脚式移動装置が提案されている。この車輪付脚式移動装置は、より具体的には、車輪付脚の脚部にいわゆる膝関節を備え、車輪走行時において地面の凸凹からの衝撃吸収や、加速減速時の重心にかかる横方向荷重の吸収、更には旋回時の回転経路の中心方向への本体の傾斜などによる遠心力の吸収を、該膝関節の屈伸動作で実現することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５４２５６号公報
【特許文献２】特開２００３−２６６３３７号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６３４９号公報
【特許文献４】特開２００６−２４７８０２号公報
【特許文献５】特開２００７−２９００５４号公報
【特許文献６】特開２００９−１１３１３５号公報
【特許文献７】特開２００６−９５６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の技術では、脚式歩行動作について明示的に記載されてはいないが、通常は人間の歩行動作と同様に膝関節を進行方向に突出するように屈折させて歩行するのが一般的である。図４４は、このような従来の二脚型移動装置の構造を示す図である。尚、図４４ａは該移動装置の背面図を、図４４ｂは該移動装置の側面図をそれぞれ示している。また、図中の１０は臀部、１１，１２は一対の腿部、１３，１４は一対の脚部、１５，１６は一対の車輪機構を示している。各腿部１１，１２は、臀部１０に対して関節様の仕組みで結合され、独立した駆動機構で少なくとも前後に回転動作が可能である。脚部１３，１４は、対応する腿部１１，１２といわゆる膝関節様の仕組みで結合され、前後方向にのみ回転動作が可能である。また、一対の車輪機構１５，１６は、対応する脚部１３，１４と少なくとも前後に回転動作できるように結合され、独立に回転駆動される。
【０００９】
このような二脚型移動装置の利点は、階段や障害物のある経路では脚式歩行動作に切り替え、比較的平坦な路面では効率のよい車輪走行動作に切り替えることができる点にある。しかしながら、上述した従来の技術のように膝関節を進行方向に突出するように屈折させて脚式歩行動作を行うと、床上の大きな障害物を跨ぎこすことができないことが想定される。図４５は、従来の二脚型移動装置が一定速度で障害物を跨ぐ際の動作を連続的に示す図である。この図に示すとおり、２脚歩行によって障害物を跨ぎ越す動作では、進行方向に膝関節部が突出するため、跨ぎ越え可能な障害物の大きさは図中の三角の小領域に限定されてしまう。
【００１０】
また、階段の昇動作の際にも同様の困難性が想定される。図４６は、従来の二脚型移動装置が一定速度で階段を昇る際の動作を連続的に示す図である。この図に示すとおり、２脚歩行によって階段を昇る動作では、階段の段差に向かって膝関節部が突出するため、脚部１３，１４の側面が当該階段の段差に接触してしまうことが想定される。このように、上述した従来の技術では、障害物の跨ぎ越し能力或いは階段昇降能力に関して、通常の人間並みの能力を発揮することができず、改善が望まれていた。
【００１１】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、人間が暮らす住環境において存在する障害物をスムースに跨ぎ越すことのできる二脚型移動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、二脚型移動装置であって、
角度自在に屈折可能な膝関節を有する第１および第２の脚と、
前記第１および第２の脚の根元の関節（以下、腿関節）をそれぞれ回動自在に支持する臀部と、
前記膝関節の屈折角度および前記腿関節の回転角度をそれぞれ制御して、進行方向の床上に設けられた凸状の障害物を跨ぎ越す跨ぎ越し制御手段と、を備え、
前記跨ぎ越し制御手段は、前記第２の脚を前記障害物の後方側に接地させた状態で前記第１の脚を前記障害物の上方へ振り出して該障害物を跨ぐ場合に、前記第２の脚の膝関節を後方へ突出させた姿勢に制御することを特徴としている。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、
前記跨ぎ越し制御手段は、
前記第１の脚を前記障害物の上方へ振り出して該障害物を跨ぐ場合に、前記第１の脚の膝関節を前方へ突出させた姿勢で該第１の脚を前記障害物の前方側へ接地させることを特徴としている。
【００１４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第１および第２の脚は、その先端に配置された第１および第２の車輪機構をそれぞれ含み、該第１および／または第２の車輪機構を駆動することにより床面上の走行を可能とし、
前記跨ぎ越し制御手段は、
前記臀部の重心の水平位置を前記第２の脚の接地点に一致させた状態で、前記第２の車輪機構を駆動して所定の等速度で走行しつつ前記第１の脚を持ち上げて前記障害物を跨ぎ、該第１の脚を前記障害物の前方側へ接地させる第１の動作を行う手段と、
前記第１の動作により前記第１の脚が接地したときに前記第２の車輪機構を停止して、前記膝関節および前記腿関節を制御して前記重心の水平位置を前記第２の脚の接地点から前記第１の脚のそれに前記所定の等速度で移動させる第２の動作を行う手段と、
前記第２の動作により前記重心の水平位置が前記第１の脚の接地点に一致したときに、前記第１の車輪機構を駆動して前記所定の等速度で走行しつつ前記第２の脚を持ち上げて前記障害物を跨ぎ越える第３の動作を行う手段と、
を含むことを特徴としている。
【００１５】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記跨ぎ越し制御手段は、前記障害物を跨ぎ越える場合に、前記臀部の重心の上下方向の位置を一定に維持するように前記膝関節および前記腿関節を制御することを特徴としている。
【００１６】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記跨ぎ越し制御手段の実行に先立って、前記第２の脚の膝関節を後方へ突出させる姿勢に制御する手段を更に備えることを特徴としている。
【００１７】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記膝関節の屈折角度および前記腿関節の回転角度をそれぞれ制御して、階段の段差を順に昇る階段昇降制御手段を更に備え、
前記階段昇降制御手段は、前記第１および第２の脚の膝関節を後方に突出させた姿勢で前記階段の段差を昇ることを特徴としている。
【００１８】
第７の発明は、第６の発明において、
前記階段昇降制御手段は、
前記臀部の重心の水平位置を前記第２の脚の接地点に一致させた状態で前記第１の脚を持ち上げて、前記第１の脚が接地している面よりも上の段差面へ接地させる第１の昇動作を行う手段と、
前記第１の昇動作により前記第１および第２の脚がそれぞれ接地した状態で、前記膝関節および前記腿関節を制御して前記重心の水平位置を前記第２の脚の接地点から前記第１の脚のそれに移動させる第２の昇動作を行う手段と、を含み、
前記第１の昇動作および前記第２の昇動作を、前記第１の脚と前記第２の脚とを入れ替えて交互に実行することにより前記階段の段差を順に昇ることを特徴としている。
【００１９】
第８の発明は、第７の発明において、
前記第１および第２の脚は、その先端に配置された第１および第２の車輪機構をそれぞれ含み、該第１および／または第２の車輪機構を駆動することにより床面上の走行を可能とし、
前記階段昇降制御手段は、
前記第１の昇動作において、前記車輪機構を用いて水平方向へ移動しつつ前記膝関節および前記腿関節を制御して前記臀部を鉛直方向へ持ち上げることにより、前記臀部の重心を所定の第２の等速度で前記階段の傾斜に平行な方向に移動させる手段と、
前記第２の昇動作において、前記膝関節および前記腿関節を制御して前記臀部の重心を前記第２の等速度で前記階段の傾斜に平行な方向に移動させる手段と、
を更に含むことを特徴としている。
【００２０】
第９の発明は、第６乃至第８の何れか１つの発明において、
前記階段昇降制御手段の実行に先立って、前記第１および第２の脚の膝関節を後方へ突出させる姿勢に制御する手段を更に備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明によれば、第１の脚を上方に振り出して凸状の障害物を跨ぎ越す場合に、障害物の後方側に接地している第２の脚が、膝関節を後方へ突出させる姿勢に制御される。このため、本発明によれば、第２の脚の膝関節が該障害物側に突出して該障害物に接触することを有効に抑止することができるので、より大きな障害物を越えることが可能となる。
【００２２】
第２の発明によれば、第１の脚部を上方に振り上げて凸状の障害物を跨ぐ場合に、第１の脚の膝関節が前方に突出した姿勢で該第１の脚が該障害物の前方に接地される。このため、本発明によれば、第１の脚の膝関節が該障害物側に突出して該障害物に接触することを有効に抑止することができるので、より大きな障害物を跨ぎ越えることが可能となる。
【００２３】
第３の発明によれば、臀部の重心を水平方向に等速度で移動させつつ障害物を跨ぎ越すことができる。このため、本発明によれば、安定したスムースな跨ぎ越しを行うことができる。
【００２４】
第４の発明によれば、臀部の重心の上下方向の移動を伴わずに跨ぎ越しの動作が行われる。このため、本発明によれば、安定したスムースな跨ぎ越しを行うことができる。
【００２５】
第５の発明によれば、跨ぎ越し動作に先立って、第２の脚が膝関節を後方に突出させた姿勢に制御される。このため、本発明によれば、跨ぎ越し動作にスムースに移行することができる。
【００２６】
第６の発明によれば、第１および第２の脚の膝関節を後方に突出させた姿勢で階段の昇り動作が行われる。このため、本発明によれば、第１および第２の脚の膝関節が階段側に突出して段差に接触することを有効に抑止することができる。
【００２７】
第７の発明によれば、第１または第２の脚を１つ上の段差へ接地させる動作と第１および第２の脚の膝関節および腿関節を制御することにより第１の脚と第２の脚との間で重心の水平方向の移動を行う動作とを繰り返し行うことにより、階段の段差を順に昇ることができる。
【００２８】
第８の発明によれば、階段の傾斜に平行な方向に等速度で臀部重心を移動させることができるので、スムースな階段の昇動作を行うことができる。
【００２９】
第９の発明によれば、階段の昇り動作に先立って、第２の脚が膝関節を後方に突出させた姿勢に制御される。このため、本発明によれば、階段の昇り動作にスムースに移行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による二脚型移動装置の構成を説明するための全体図である。
【図２】本発明による二脚型移動装置の腿関節部分の構成を説明するための図である。
【図３】本発明による二脚型移動装置の膝関節部分の構成を説明するための図である。
【図４】本発明による二脚型移動装置の車輪部分の構成を説明するための図である。
【図５】本発明による二脚型移動装置のいわゆる一脚支持による第一のポジションを示す図である。
【図６】本発明による二脚型移動装置のいわゆる一脚支持による第二のポジションの側面図を示す図である。
【図７】本発明による二脚型移動装置のいわゆる一脚支持による第一および第二のポジションにおいて、臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を示す図である。
【図８】本発明による二脚型移動装置のいわゆる二脚支持による第一および第二のポジションの側面図を示す図である。
【図９】本発明による二脚型移動装置のいわゆる二脚支持による第一および第二のポジションにおいて、臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を示す図である。
【図１０】本発明による二脚型移動装置のいわゆる二脚支持による他のポジションの側面図を示す図である。
【図１１】本発明による二脚型移動装置のいわゆる休止時のポジションの一例を示す側面図である。
【図１２】静止時に第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を連続的に示す側面図である。
【図１３】一定速度で走行している場合に第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を連続的に示す側面図である。
【図１４】静止時に第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作の他の例として、臀部１０の上下方向の重心移動を更に伴う場合の移行動作を連続的に示す側面図である。
【図１５】本発明による二脚型移動装置において、断面が正方形の障害物を一定の速度で跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。
【図１６】図１５における時点ｔ３〜ｔ５までの姿勢の変化を示す側面図である。
【図１７】本発明による二脚型移動装置によって、第二のポジションから障害物を跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。
【図１８】本発明による二脚型移動装置において、障害物を跨ぎ越した後に第二のポジションとなる動作を連続的に示す側面図である。
【図１９】本発明による二脚型移動装置において、薄く平坦で比較的広い面積の障害物を一定の速度で跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。
【図２０】図１９における時点ｔ３〜ｔ６までの姿勢の変化を示す側面図である。
【図２１】本発明による二脚型移動装置において、断面形状が三角形となる障害物を一定の速度で跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。
【図２２】本発明による二脚型移動装置が一定の速度で階段を昇る動作を連続的に示す側面図である。
【図２３】図２２における時点ｔ４〜ｔ８までの姿勢の変化を詳細に示す側面図である。
【図２４】図２３における時点ｔ４〜ｔ５までの姿勢の変化を詳細に示す側面図である。
【図２５】図２３における時点ｔ５〜ｔ６までの姿勢の変化を詳細に示す側面図である。
【図２６】図２３における時点ｔ６〜ｔ７までの姿勢の変化を詳細に示す側面図である。
【図２７】図２３における時点ｔ７〜ｔ８までの姿勢の変化を詳細に示す側面図である。
【図２８】本発明による二脚型移動装置が一定の速度で急勾配の階段を昇る動作を連続的に示す側面図である。
【図２９】本発明による二脚型の移動装置の構成を説明するための全体図である。
【図３０】本発明による二脚型の移動装置において、断面が正方形の障害物を跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。
【図３１】本発明による二脚型の移動装置が階段を昇る動作を連続的に示す側面図である。
【図３２】二脚型移動装置の発進、加速、停止、或いは減速の原理を説明するための図である。
【図３３】本実施の形態の二脚型移動装置の旋回動作について説明するための図である。
【図３４】より大きな遠心力に対しても転倒しないで旋回できるように、重心側方移動手段を搭載した本発明の別の実施例を示す背面図である。
【図３５】図３４の一点鎖線で囲まれた領域（ホ）の部分を詳細に説明するための図である。
【図３６】重心側方移動手段を搭載した本発明による二脚型移動装置の動作を説明するための図である。
【図３７】本発明の実施例の他の変形例を説明するための図である。
【図３８】図３７に示す二脚型移動装置に重心側方移動手段を搭載した場合の、一脚支持による静止或いは移動時の状態を説明するための図である。
【図３９】本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。
【図４０】図３９に示す二脚型移動装置に重心側方移動手段を搭載した場合の、一脚支持による静止或いは移動時の状態を説明するための図である。
【図４１】本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。
【図４２】本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。
【図４３】本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。
【図４４】従来の二脚型移動装置の構造を示す図である。
【図４５】従来の二脚型移動装置が一定速度で障害物を跨ぐ際の動作を連続的に示す図である。
【図４６】従来の二脚型移動装置が一定速度で階段を昇る際の動作を連続的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３２】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
先ず、本発明の実施の形態の構成を説明する。図１は、本発明による二脚型移動装置の構成を説明するための全体図である。尚、図１ａは二脚型移動装置を背面から俯瞰した図を、図１ｂは図１ａを側面から俯瞰した図を、それぞれ示している。
【００３３】
図１に示すとおり、二脚型移動装置は臀部１０を備えている。臀部１０には、第一の腿部１１および第二の腿部１２の一端が回動自在に固定されている。また、第一の腿部１１および第二の腿部１２の他端には、第一の脚部１３および第二の脚部１４の一端がそれぞれ回動自在に固定されている。また、第一の脚部１３および第二の脚部１４の他端には、第一の車輪機構１５および第二の車輪機構１６がそれぞれ固定されている。以下、第一の腿部１１、第一の脚部１３、および第一の車輪機構１５で構成される脚を「第一の脚」と称し、第二の腿部１２、第二の脚部１４、および第二の車輪機構１６で構成される脚を「第二の脚」と称することとする。
【００３４】
また、図２は、本発明による二脚型移動装置の腿関節部分の構成を説明するための図である。尚、図２ａは二脚型移動装置を背面から俯瞰した図を、図２ｂは図２ａ中の一点鎖線の囲み（イ）の部分を拡大表示した詳細図を、それぞれ示している。
【００３５】
図２に示すとおり、臀部１０には、各駆動機構を制御するための制御機構２０が設けられている。また、臀部１０と第一の腿部１１とでなす腿関節には、関節軸ａを軸に第一の腿部１１を回転駆動する第一の腿駆動機構２１が、臀部１０と第二の腿部１２とでなす腿関節には、関節軸ｂを軸に第二の腿部１２を回転駆動する第二の腿駆動機構２２が、それぞれ設けられている。各腿部１１，１２は臀部１０に対して腿関節様の仕組みで結合され、対応した腿駆動機構２１，２２で少なくとも前後に独立に回転動作がなされる。
【００３６】
また、図３は、本発明による二脚型移動装置の膝関節部分の構成を説明するための図である。尚、図３ａは二脚型移動装置を背面から俯瞰した図を、図３ｂは図３ａ中の一点鎖線の囲み（ロ）の部分を拡大表示した詳細図を、それぞれ示している。
【００３７】
図３に示すとおり、第一の腿部１１と第一の脚部１３とでなす膝関節には、関節軸ｃを軸に第一の脚部１３を回転駆動する第一の脚駆動機構２３が、第二の腿部１２と第二の脚部１４とでなす膝関節には、関節軸ｄを軸に第二の脚部１４を回転駆動する第二の脚駆動機構２４が、それぞれ設けられている。脚部１３，１４は、対応する腿部１１，１２といわゆる膝関節様の仕組みでそれぞれ結合され、対応した脚駆動機構により独立に前後方向に回転動作がなされる。尚、膝関節は片側に膝を突出する動作に限定されることなく、反対側にも同様の回転稼動が可能である。以下、膝関節を屈折させた姿勢について、当該移動装置の進行方向（或いは前方）に膝を突出する姿勢を「正膝」、進行方向と逆方向（或いは後方）に膝を突出する姿勢を「逆膝」、とそれぞれ称することとする。
【００３８】
更に、図４は、本発明による二脚型移動装置の車輪部分の構成を説明するための図である。尚、図４ａは二脚型移動装置を背面から俯瞰した図を、図４ｂは図４ａ中の一点鎖線の囲み（ハ）の部分の第一の脚部を拡大表示した詳細図を、図４ｃは図４ａ中の一点鎖線の囲み（ニ）の部分の第二の脚部を拡大表示した詳細図を、それぞれ示している。
【００３９】
図４に示すとおり、第一の脚部１３には、軸ｅを中心に第一の車輪機構１５を回転駆動する第一の車輪駆動機構２５が、第二の脚部１４には、軸ｆを中心に第二の車輪機構１６を回転駆動する第二の車輪駆動機構２６が、それぞれ設けられている。一対の車輪機構１５，１６は、対応する脚部１３，１４と少なくとも前後に回転動作できるように結合され、対応した車輪駆動機構２５，２６により独立に回転駆動される。また図に示すように、各セットの車輪駆動機構２５，２６は左右に分離した車輪を持つ場合、旋回動作などの際に左右の車輪が別の回転動作ができるような構造になっている。
【００４０】
尚、図２では腿駆動機構２１，２２が臀部１０に固定されるような構造について説明したが、要は腿部１１，１２が臀部１０に対して前後に回転動作できればよく、腿駆動機構２１，２２が腿部１１，１２側に固定される構造でもよい。
【００４１】
また、図３では脚駆動機構２３，２４が脚部１３，１４に固定されるような構造について説明したが、要は脚部１３，１４がそれぞれ腿部１１，１２に対して前後に回転動作できればよく、脚駆動機構２３，２４が脚部１３，１４側に固定される構造でもよい。
【００４２】
尚、本実施の形態の移動装置は、人間の男性に近いサイズを模擬して、車輪機構１５，１６の車輪サイズを８ｃｍ、脚部１３，１４のサイズ（車輪軸中心から膝関節軸の中心まで）を４１ｃｍ(直立時の床面から膝関節中心高までを４５ｃｍ)、腿部１１，１２のサイズ（膝関節軸の中心から腿関節の中心軸まで）を４５ｃｍ（結果として、膝を伸ばして直立した際の床面から腿関節軸までの高さが９０ｃｍ）、脚部１３，１４および腿部１１，１２の短手方向の部材幅を１０ｃｍ、障害物や階段等と該移動装置の構造材との必要マージン（接地点を除く）を１ｃｍと仮定して、以下の説明を行うこととする。
【００４３】
［実施の形態１の動作］
次に、本発明の実施の形態１の基本動作について説明する。本発明の移動装置は、いわゆる車輪型の倒立振子の仕組みで移動する。尚、車輪型の倒立振子の基本制御については、種々の文献で公知となっているため、その詳細な説明は省略することとする。
【００４４】
本発明の二脚型移動装置は、その動作姿勢として、第一の脚および第二の脚の膝関節を同じ方向に屈折させた第一のポジションと、第一の脚の膝関節と第二の脚のそれとを互いに異なる方向へ屈折させた第二のポジションとを実現することができる。また、本発明の二脚型移動装置は、何れのポジションにおいても、車輪機構１５，１６の何れか一方を接地させた状態で走行或いは静止する一脚支持と、車輪機構１５，１６の双方を接地させた状態で走行或いは静止する二脚支持と、を採ることができる。
【００４５】
図５は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる一脚支持による第一のポジションを示す図である。尚、図中の図５ａは該移動装置の背面図を、図５ｂは該移動装置の側面図を、それぞれ示している。この図に示すとおり、第一のポジションでは、床面に接している車輪機構（この図では第一の車輪機構１５）の接地点に、重心にかかる合成力のベクトル方向が一致するように車輪の回転を前後に制御しバランスを維持することとなる。
【００４６】
尚、当該二脚型移動装置では、水平方向の重心位置が臀部１０の中心（すなわち、腿関節の軸中心）にあることとして、以下の説明を行うこととする。このため、当該二脚型移動装置が等速度で走行（或いは静止）している場合には、重心にかかる合成力のベクトル方向が臀部１０の中心（腿関節の軸中心）から鉛直下方向となる。
【００４７】
また、この図では、床面に接している第一の車輪機構１５を支える第一の脚部１３の上に、床面に接していない他方の第二の車輪機構１６を支える第二の脚部１４を乗せることで、臀部１０を強固に支えていることとしているが、支える重量に対して十分な保持力があれば第一の脚のみで臀部１０を支えていても問題はない。
【００４８】
図６は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる一脚支持による第二のポジションの側面図を示す図である。この第二のポジションの場合も同様に、床面に接している車輪機構（この図では第一の車輪機構１５）の接地点に重心にかかる合成力のベクトル方向が一致するように、車輪の回転を制御しバランスを維持することとなる。
【００４９】
また、図７は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる一脚支持による第一および第二のポジションにおいて、臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を示す図である。尚、この図において、図７ａは第一のポジションにおいて臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を、図７ｂは第二のポジションにおいて臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を、それぞれ示している。
【００５０】
図８は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる二脚支持による第一および第二のポジションの側面図を示す図である。尚、この図において、図８ａは二脚支持による第一のポジションの側面図を、図８ｂは二脚支持による第二のポジションの側面図を、それぞれ示している。二脚支持による静止或いは走行時には、床面に接している前後２軸の車輪機構１５，１６の前後の接地点を結ぶ線と、重心にかかる合成力のベクトルが交差するように車輪の回転を制御すればよく、前後の車輪機構１５，１６の開き具合にもよるが、一脚支持による走行に比べるとバランスの制御は相当容易くなっている。但し、前後の車輪機構を離すに従って、走行に必要な接地面積が大きくなる。このため、当該移動装置の床面に対する占有面積が広がり、移動可能な場所が制約されてくるというというトレードオフがある。
【００５１】
また、図９は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる二脚支持による第一および第二のポジションにおいて、臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を示す図である。尚、この図において、図９ａは第二のポジションにおいて臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を、図９ｂは第一のポジションにおいて臀部１０を最も低い位置にした場合の側面図を、それぞれ示している。
【００５２】
図１０は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる二脚支持による他のポジションの側面図を示す図である。この図に示すとおり、このポジションでは、第二のポジションにおいて第一の脚部１３と第二の脚部１４とをＸ状に交差させたポジション（以下、「第三のポジション」と称する）となっている。第三のポジションにおいても、上記二脚支持による第一および第二のポジションの場合と同様に、床面に接している前後２軸の車輪機構の前後の接地点を結ぶ線と、重心にかかる合成力のベクトル方向が交差するように車輪の回転を制御すればよい。
【００５３】
図１１は、本発明による二脚型移動装置のいわゆる休止時のポジションの一例を示す側面図である。この図に示すとおり、二脚型移動装置の休止時においては、腿部１１，１２の膝関節部が床に接地した状態で休止される。これにより、電源が切断されて駆動機構が脱力状態になった場合でも一定の安定した姿勢を保ち続けることができる。尚、かかる姿勢において床と接することとなる腿部１１，１２の膝関節部には、滑りにくいゴムなどの部材を使うことで、より安定した休止姿勢を保つことができる。
【００５４】
このように、本発明による二脚型移動装置は、膝関節を進行方向の前方にも後方にも屈折可能にしたことで、静止時、走行時ともに多彩な姿勢(ポジション)を選択することができる。これにより、状況に応じた最適な姿勢の選択範囲を広げることができるので、より広範囲の条件の環境を走行することが可能となる。
【００５５】
尚、ポジションの変更の一例として、第二のポジションから第一のポジションへの変更は、以下の手順で行うことができる。図１２は、静止時に第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を連続的に示す側面図である。尚、図１２ａは、第二の脚を前方に振って、第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を、図１２ｂは、第二の脚を後方に振って、第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を、それぞれ示している。また、図１３は、一定速度で走行している場合に第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を連続的に示す側面図である。
【００５６】
これらの図に示すとおり、第二のポジションから第一のポジションへ移行は、静止時であろうと走行時であろうと、また、第二の脚を前方に振り上げようとも後方に振り上げようとも、臀部１０すなわち重心の移動を伴わずになめらかに行うことが可能であることがわかる。尚、これらの図では、第一の車輪機構１５による一脚支持走行（或いは静止）時にポジションの入れ替え動作を行っているが、二脚支持による走行時（或いは静止時）には、先ず一脚支持の走行姿勢に移行して、その後に上述したポジション変更動作を実施することとすればよい。
【００５７】
図１４は、静止時に第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作の他の例として、臀部１０の上下方向の重心移動を更に伴う場合の移行動作を連続的に示す側面図である。尚、図１４ａは、第二の脚を前方に振って、第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を、図１２ｂは、第二の脚を後方に振って、第二のポジションから第一のポジションへ移行する動作を、それぞれ示している。この図に示すポジション移行動作では、臀部１０すなわち重心の上下動を伴う代わりに、移行動作に必要な前後の床スペースを、上述した図１２および図１３に示す動作の場合よりも小さくすることができる。
【００５８】
[実施の形態１の特徴的動作]
次に、図１５乃至図２１を参照して、本実施の形態１の特徴的動作について説明する。本実施の形態の二脚型移動装置は、床面に存在する凸状の障害物を跨ぐ動作に特徴がある。図１５は、本発明による二脚型移動装置において、断面が正方形の障害物を一定の速度で跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す障害物は、正方形断面を有する障害物の中で、跨ぎ越すことが可能な最大サイズのものを図示している。また、この図においては、視認性の観点から、時点ｔ２、ｔ４、およびｔ６の姿勢の図示を省略して示している。また、図１６は、図１５における時点ｔ３〜ｔ５までの姿勢の変化を示す側面図である。以下、図１５および図１６を参照して、一連の跨ぎ越し動作を、順を追って説明する。
【００５９】
先ず、図１５に示すとおり、時点ｔ０では、跨ぎ越しのアプローチの姿勢として、第一の車輪機構１５を接地させた一脚支持において、第一および第二の脚の膝関節を何れも逆膝の姿勢とした第一のポジションに制御されている。時点ｔ０からｔ３までの動作は、この一脚支持による第一のポジションにおいて一定速度で走行している状態から、第二の車輪機構１６、第二の脚部１４、および第二の腿部１２で構成される第二の脚を前方に持ち上げるように制御する。そして、第二の車輪機構１６が障害物を跨ぎ越した後に障害物に触れないように制御しつつ第二の脚が逆膝から正膝の姿勢へ移行するように、膝関節部を徐々に回転させていく。
【００６０】
時点ｔ３では、障害物に触れないように第一の車輪機構１５を該障害物の約１ｃｍ程度手前で静止させ、同時に第二の車輪機構１６を該障害物の奥側から１ｃｍ程度背離した地点に着地させて静止させる。時点ｔ０〜ｔ３の動作によって、時点ｔ３では、第一の脚および第二の脚の膝関節をそれぞれ該障害物から背離する方向に屈折させた状態で、第一の車輪機構１５を障害物の後方に、第二の車輪機構１６を該障害物の前方に、それぞれ障害物に触れないように静止させた状態となる。
【００６１】
次に、時点ｔ３からｔ５までの期間は、図１６に示すように、重心にかかる合成力のベクトルの方向（臀部１０の中心）の水平位置が、時点ｔ０〜ｔ３までの移動速度と同じ等速度で、第一の車輪機構１５の接地点から第二の車輪機構１６の接地点まで移動される。この際、鉛直方向の重心移動が行われないように、すなわち臀部１０が所定の鉛直位置に維持されるように、腿駆動機構２１，２２および脚駆動機構２３，２４が制御される。
【００６２】
その後、図１５における時点ｔ５以降に示すように、障害物の前方（奥側）の第二の車輪機構１６による一脚支持走行に移行し、障害物の後方（手前側）に残った第一の車輪機構１５および第一の脚部１３は、該第一の車輪機構１５を後方に蹴り上げるように膝関節を回転させて、障害物に触れないように跨ぎ越してゆく。そして、第一の脚が障害物を跨ぎ越すまで第二の車輪機構１６が移動したら、第一の脚の膝関節を前方に突き出すように回転させてゆく。
【００６３】
このような一連の動作により、本実施の形態の二脚型移動装置では、両膝関節を進行方向に突出させる従来の姿勢によって跨ぎ越すことのできた障害物のサイズ（一辺が１８ｃｍ角の正方形断面形状の障害物）の１．５倍以上に相当する一辺３０ｃｍ角の断面形状の障害物を、一定の等速度でスムースに跨ぎ越すことが可能となった。
【００６４】
ところで、上述した実施の形態１の移動装置では、第一のポジションにおいて一定速度で走行している状態から障害物を跨ぎ越すこととしているが、第二のポジションから障害物を跨ぎ越すこととしてもよい。図１７は、本発明による二脚型移動装置によって、第二のポジションから障害物を跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す障害物は、図１５における障害物と同様のサイズのものを図示している。また、この図においては、視認性の観点から、時点ｔ−１、ｔ２、およびｔ４の姿勢の図示を省略して示している。
【００６５】
この図に示すように、第二の脚が正膝となる姿勢で走行している場合、時点ｔ−３から第二の腿部１２を前方に振り上げ、膝関節を前方に振り上げつつ、第二の車輪機構１６を地面に触れないように前方に振り出す。そして、第二の脚の膝関節を逆膝の姿勢に移行しつつ、第二の車輪機構１６を障害物に触れることなく必要な高さまで振り上げる。このように多少手間はかかるが、第二のポジションによる走行からでも、一定速度で障害物を跨ぎ越すことが可能である。
【００６６】
また、上述した実施の形態１の移動装置では、障害物を跨ぎ越して第一の車輪機構１５を着地させると、第一および第二の脚が何れも正膝となる第一のポジションとなるため、次の障害物の跨ぎ動作にそのままスムースに移行することができない。そこで、例えば、以下の手順によって、障害物を跨ぎこした後の姿勢が第二のポジションとなるようにしてもよい。図１８は、本発明による二脚型移動装置において、障害物を跨ぎ越した後に第二のポジションとなる動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す障害物は、図１２における障害物と同様のサイズのものを図示している。また、この図においては、視認性の観点から、時点ｔ６の姿勢の図示を省略して示している。
【００６７】
ここでは、時点ｔ５以降において第一の脚が障害物を跨ぎ越す際に、該第一の脚の膝関節を逆膝に保ちつつ第一の腿部１１を第一の脚部１３および第一の車輪機構１５と共に後方に振り上げる。そして、第二の車輪機構１６での走行により障害物を跨ぎ越し、第一の脚の逆膝を維持しながら第一の腿部１１を前方に振り下ろし、第一の車輪機構１５を床に着地させている。
【００６８】
この一連の動作により、障害物を跨ぎ越した後、第二のポジションに速やかに移行できるので、連続した障害物や、階段の昇り動作などが、素早く連続して実施できるようになる。
【００６９】
また、上述した実施の形態１の移動装置では、断面形状が正方形となる障害物を跨ぎ越えることとしているが、他の障害物として、例えば薄く平坦で比較的広い面積の障害物も跨ぎ越えることもできる。図１９は、本発明による二脚型移動装置において、薄く平坦で比較的広い面積の障害物を一定の速度で跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す障害物は、２ｃｍ程度の薄く平坦な障害の中で、跨ぎ越すことが可能な最大幅のものを図示している。また、この図においては、視認性の観点から、時点ｔ２、ｔ４、およびｔ５の姿勢の図示を省略して示している。また、図２０は、図１９における時点ｔ３〜ｔ６までの姿勢の変化を示す側面図である。以下、図１９および図２０を参照して、一連の跨ぎ越し動作を、順を追って説明する。
【００７０】
先ず、図１９に示すとおり、時点ｔ０では、跨ぎ越しのアプローチの姿勢として、第一の車輪機構１５を接地させた一脚支持において、第一および第二の脚の膝関節を何れも逆膝の姿勢とした第一のポジションに制御されている。時点ｔ０からｔ３までの動作は、この一脚支持による第一のポジションにおいて一定速度で走行している状態から、第二の車輪機構１６、第二の脚部１４、および第二の腿部１２で構成される第二の脚を前方にわずかに持ち上げつつ膝関節を伸ばすように制御する。そして、第二の車輪機構１６が障害物を跨ぎ越した後に障害物に触れないように制御しつつ、膝関節を略一直線状に伸ばした第二の脚を障害物に触れないように下降させてゆく。
【００７１】
時点ｔ３では、障害物に触れないように第一の車輪機構１５を該障害物の約１ｃｍ程度手前で静止させ、同時に第二の車輪機構１６を該障害物の奥側から１ｃｍ程度背離した地点に着地させて静止させる。時点ｔ０〜ｔ３の動作によって、時点ｔ３では、第一の脚の膝関節を該障害物から背離する方向に屈折させ、且つ第二の脚の膝関節を略一直線上に伸ばした状態で、第一の車輪機構１５を障害物の後方に、第二の車輪機構を該障害物の前方に、それぞれ障害物に触れないように静止させた状態となる。
【００７２】
次に、時点ｔ３からｔ６までの期間は、図２０に示すように、重心にかかる合成力のベクトルの方向（臀部１０の中心）の水平位置が、時点ｔ０〜ｔ３までの移動速度と同じ等速度で、第一の車輪機構１５の接地点から第二の車輪機構１６の接地点まで移動される。この際、鉛直方向の重心移動が行われないように、すなわち腿関節が所定の鉛直位置に維持されるように、腿駆動機構２１，２２および脚駆動機構２３，２４が制御される。
【００７３】
その後、図１９における時点ｔ６以降に示すように、障害物の前方（奥方）の第二の車輪機構１６による一脚支持走行に移行し、障害物の後方（手前側）に残った第一の車輪機構１５および第一の脚部１３は、該第一の車輪機構１５を後方にやや持ち上げるように膝関節を回転させて、障害物に触れないように跨ぎ越してゆく。そして、第一の脚が障害物を跨ぎ越すまで第二の車輪機構１６が移動したら、第一の車輪機構１５および第一の脚部１３を下ろすように第一の腿部１１を回転させてゆく。この図では時点ｔ８において第一の車輪機構１５が着地し、車輪機構１５，１６の双方が接地した二脚支持の第二のポジションでの走行を開始している。
【００７４】
このような一連の動作により、本実施の形態の二脚型移動装置では、約５０ｃｍ超の幅を有する高さ２ｃｍ程度の平坦な障害物を一定の等速度でスムースに跨ぎ越すことが可能となった。
【００７５】
また、上述した実施の形態１の移動装置では、断面形状が正方形となる障害物を跨ぎ越えることとしているが、他の障害物として、例えば断面形状が三角形となる障害物も跨ぎ越えることもできる。図２１は、本発明による二脚型移動装置において、断面形状が三角形となる障害物を一定の速度で跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す障害物は、三角形断面を有する障害物の中で、跨ぎ越すことが可能な最大サイズのものを図示している。また、この図においては、視認性の観点から、時点ｔ４およびｔ５の姿勢の図示を省略して示している。一連の動作についての記載は省略するが、本実施の形態の二脚型移動装置では、底辺３３ｃｍおよび高さ２５ｃｍ程度の断面を有する三角形の障害物を一定の等速度でスムースに跨ぎ越すことが可能となった。
【００７６】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図２２乃至図２８を参照して、本実施の形態２の特徴的動作について説明する。  本実施の形態２の二脚型移動装置は、階段を昇る動作に特徴がある。図２２は、本発明による二脚型移動装置が一定の速度で階段を昇る動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す階段は、ステップ高２０ｃｍ、ステップ前後幅２０ｃｍ、昇降角度４５°のいわゆる人間の住環境に一般的に存在するサイズのものを図示している。また、この図における水平方向への移動は一定速度とし、各時点間の水平移動距離は１０ｃｍ、すなわち時速３．６ｋｍ／ｈを想定している。また、この図においては、視認性の観点から臀部１０の図示を適宜省略して示している。
【００７７】
図２２に示すとおり、階段を昇る場合には、先ず、第一および第二の脚の膝関節を何れも逆膝とした第一のポジションを採って、時点ｔ０まで水平方向へ一定速度で走行する。次に、時点ｔ０〜ｔ３では、水平方向へ移動しつつ第一の脚の膝関節を徐々に伸ばすことで、階段の傾斜角度（４５°）に平行な方向への昇運動にスムースに移行し、その後の時点ｔ３〜ｔ８までの階段昇り運動につなげている。更に、時点ｔ８〜ｔ１２では、４段目のステップを昇る動作から第一の車輪機構１５を接地させた第一のポジションでの等速走行へスムースに移行している。このように、膝関節を段差の後方に突出させた逆膝の姿勢を採ることで、水平走行から、階段を昇って再び水平走行をするまでの一連の走行をスムースに実行できるようになった。
【００７８】
図２３は、図２２における時点ｔ４〜ｔ８までの姿勢の変化を詳細に示す側面図である。また、図２４は図２３における時点ｔ４〜ｔ５までの姿勢の変化を、図２５は図２３における時点ｔ５〜ｔ６までの姿勢の変化を、図２６は図２３における時点ｔ６〜ｔ７までの姿勢の変化を、図２７は図２３における時点ｔ７〜ｔ８までの姿勢の変化を、それぞれ詳細に示す側面図である。以下、図２３乃至図２７を参照して、一周期分（時点ｔ４〜ｔ８の期間）の階段昇り動作を、順を追って説明する。
【００７９】
先ず、図２４を参照して、時点ｔ４〜ｔ５までの動作を最初のフェーズとして説明する。この期間は、第二の車輪機構１６で階段の手前から奥まで一脚での等速車輪走行を行いつつ、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に平行な昇方向に一定速度で昇らせるように、第二の脚の膝関節を徐々に伸ばすこととしている。また、この間に第一の脚は、階段に各部が衝突しないように股関節および膝関節の回転角度を調整しながら、該第二の脚のステップより一段下となるステップから一段上となるステップ上へ運ばれる。
【００８０】
次に、図２５を参照して、時点ｔ５〜ｔ６までの動作を二番目のフェーズとして説明する。この期間は、第二の車輪機構１６が階段のステップの奥まで走行して静止し、且つ第一の車輪機構１５が階段の一段上のステップの手前側に着地した時点（時点ｔ５）から、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に平行な昇方向に一定速度で昇らせるように、第一および第二の脚の膝関節および腿関節を制御している。この間に、臀部１０すなわち重心に対する合成力のベクトルの水平位置は、第二の車輪機構１６の接地点から、第一の車輪機構１５の接地点まで移動することになる。
【００８１】
次に、図２６を参照して、時点ｔ６〜ｔ７までの動作を三番目のフェーズとして説明する。この期間は、最初のフェーズと脚の動作が入れ替わり、第一の車輪機構１５で階段の手前から奥まで一脚での等速車輪走行を行いつつ、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に平行な昇方向に一定速度で昇らせるように、第一の脚の膝関節を徐々に伸ばすこととしている。また、この間に第二の脚は、階段に各部が衝突しないように股関節および膝関節の回転角度を調整しながら、該第一の脚のステップよりも一段下となるステップから一段上となるステップ上へ運ばれる。
【００８２】
次に、図２７を参照して、時点ｔ７〜ｔ８までの動作を四番目のフェーズとして説明する。この期間は、二番目のフェーズと脚の動作が入れ替わり、第一の車輪機構１５が階段のステップの奥まで走行して静止し、且つ第二の車輪機構１６が階段の一段上のステップの手前側に着地した時点（時点ｔ７）から、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に平行な昇方向に一定速度で昇らせるように、第一および第二の脚の膝関節および腿関節を制御している。この間に、臀部１０すなわち重心に対する合成力のベクトルの水平位置は、第一の車輪機構１５の接地点から、第二の車輪機構１６の接地点まで移動することになる。
【００８３】
これらの一番目から四番目までのフェーズを繰り返し実行することで、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に沿ってスムースに一定速度で昇らせつつ階段を昇る一連の動作が、必要なだけ継続されることとなる。
【００８４】
ところで、上述した実施の形態２の移動装置では、人間の住環境に一般的に存在するサイズの階段（ステップ高２０ｃｍ、ステップ前後幅２０ｃｍ、昇降角度４５°）を例にとって、その昇動作について説明したが、更に急勾配の階段を昇ることもできる。図２８は、本発明による二脚型移動装置が一定の速度で急勾配の階段を昇る動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す階段は、ステップ高２０ｃｍ、ステップ前後幅１２ｃｍのものを図示している。この図に示す階段の昇動作では、一番目および三番目のフェーズで移動する水平距離は５ｃｍ、二番目および四番目で水平移動する距離は７ｃｍとなる。このため、一番目および三番目のフェーズに要する時間と、二番目および四番目のフェーズ要する時間との比率を、そのフェーズで移動する水平移動距離と同じ比率（この場合５：７）にすることで、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に沿って平行に一定速度で昇らせることができる。このように、本発明による二脚型移動装置によれば、人間が生活する住環境における現実的な様々な傾斜の階段を、一定速度で臀部１０すなわち重心を傾斜に沿ってスムースに移動させながら昇ることが可能である。
【００８５】
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図２９乃至図３１を参照して、本実施の形態３の特徴的動作について説明する。  本実施の形態３の二脚型移動装置は、車輪機構を持たない二脚型の移動装置において、障害物を跨ぐ或いは階段を昇る動作に特徴がある。図２９は、本発明による二脚型の移動装置の構成を説明するための全体図である。尚、図２９ａは当該移動装置を背面から俯瞰した図を、図２９ｂは図２９ａを側面から俯瞰した図を、それぞれ示している。
【００８６】
この図に示すとおり、図２９に示す移動装置は、図１に示す車輪機構１５，１６に替えて、第一および第二の足部１７，１８を備えている点、および図４に示す車輪駆動機構２５，２６を備えていない点以外は、図１に示す移動装置と同様の構成を有している。足部１７，１８は、脚部１３，１４が床面上で滑ることを防止するために設けられた部材であって、ゴム等で構成されている。このため、脚部１３，１４自体が滑りにくい部材で構成されている場合等には、足部１７，１８を設けないこととしてもよい。
【００８７】
次に、図３０を参照して、本実施の形態３の二脚型の移動装置が障害物を跨ぎ越す動作について説明する。図３０は、本発明による二脚型の移動装置において、断面が正方形の障害物を跨ぎ越す動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す障害物は、図１５に示す正方形断面を有する障害物と同様のサイズのものを図示している。
【００８８】
先ず、図３０に示すとおり、時点ｔ０では、跨ぎ越しのアプローチの姿勢として、第一および第二の脚の膝関節を何れも後方に突出させて逆膝の姿勢とした第一のポジションに制御されている。また、この時点において、重心にかかる合成力のベクトルの方向（ここでは、臀部１０の中心）の水平位置は、第二の足部１８の接地点に位置している。
【００８９】
時点ｔ０からｔ１までの期間は、図３０に示すように、重心にかかる合成力のベクトルの方向（臀部１０の中心）の水平位置が第二の足部１８の接地点から第一の足部１７の接地点まで移動される。この際、鉛直方向の重心移動が行われないように、すなわち腿関節が所定の鉛直位置に維持されるように、腿駆動機構２１，２２および脚駆動機構２３，２４が制御される。
【００９０】
時点ｔ１からｔ２までの期間は、図３０に示すように、第二の脚を一歩前に踏み出した後に、重心にかかる合成力のベクトルの方向（臀部１０の中心）の水平位置が第一の足部１７の接地点から第二の足部１８の接地点まで移動される。この際、時点ｔ０からｔ１までの期間と同様に、鉛直方向の重心移動が行われないように、すなわち腿関節が所定の鉛直位置に維持されるように、腿駆動機構２１，２２および脚駆動機構２３，２４が制御される。
【００９１】
時点ｔ２からｔ３までの期間は、図３０に示すように、第一の脚を一歩前に踏み出した後に、重心にかかる合成力のベクトルの方向（臀部１０の中心）の水平位置が第二の足部１８の接地点から第一の足部１７の接地点まで移動される。この際、第一の脚の膝関節を伸ばすことにより臀部１０を一旦持ち上げて、その間に膝関節が屈折した第二の脚を前方に持ち上げるように制御する。そして、第二の足部１８が障害物を跨ぎ越した後に障害物に触れないように制御しつつ第二の脚が逆膝から正膝の姿勢へ移行するように、膝関節部を徐々に回転させていく。
【００９２】
時点ｔ３からｔ５までの期間は、図３０に示すように、重心にかかる合成力のベクトルの方向（ここでは、臀部１０の中心）の水平位置が、第一の足部１７の接地点から第二の足部１８の接地点まで移動される。この際、鉛直方向の重心移動が行われないように、すなわち腿関節が所定の鉛直位置に維持されるように、腿駆動機構２１，２２および脚駆動機構２３，２４が制御される。
【００９３】
このような一連の動作により、本実施の形態の二脚型の移動装置では、鉛直方向の重心移動および移動速度の変化を伴うこととなるが、上述した実施の形態１における障害物と同等の大きさの障害物を跨ぐことができる。
【００９４】
次に、図３１を参照して、本実施の形態３の二脚型の移動装置が階段を昇る動作について説明する。図３１は、本発明による二脚型の移動装置が階段を昇る動作を連続的に示す側面図である。尚、この図に示す階段は、図２２に示す階段と同じサイズのものを図示している。以下、この図を参照し一周期分（時点ｔ４〜ｔ８の期間）の階段昇り動作を、順を追って説明する。
【００９５】
図３１に示すとおり、時点ｔ４では、階段を昇る姿勢として、第一および第二の脚の膝関節を何れも逆膝とした第一のポジションに制御されている。また、この時点において、第二の脚が第一の脚よりも一段上となるステップ上に接地し、且つ、重心にかかる合成力のベクトルの方向（臀部１０の中心）の水平位置は、第二の足部１８の接地点に位置している。
【００９６】
時点ｔ４からｔ５までの期間は、階段に各部が衝突しないように股関節および膝関節の回転角度を調整しながら、第一の脚が第二の脚のステップより一段上となるステップ上へ運ばれる。次に、時点ｔ５からｔ６までの期間は、臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に平行な昇方向に一定速度で昇らせるように、第一および第二の脚の膝関節および腿関節が制御される。この間に、臀部１０すなわち重心に対する合成力のベクトルの水平位置は、第二の足部１８の接地点から、第一の足部１７の接地点まで移動することになる。時点ｔ６からｔ８の期間は、第一の脚と第二の脚との動作を入れ替えて、上述した時点ｔ４からｔ６までの期間と同様の動作が実行される。
【００９７】
このように、時点ｔ４〜ｔ８までの動作を繰り返し実行することで、移動速度の変化を伴うこととなるが、上述した実施の形態１における階段と同サイズの階段を臀部１０すなわち重心を階段の傾斜に沿って昇らせることができる。
【００９８】
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図３２および図３３を参照して、本実施の形態４の特徴的動作について説明する。本実施の形態４の二脚型移動装置は、発進、停止、および旋回する動作に特徴がある。先ず、図３２を参照して、二脚型移動装置が発進および停止するための動作について説明する。
【００９９】
本発明の移動装置で静止姿勢から移動する場合には、接地している車輪機構により前進することになる。ところが、全体の重心は車輪機構の遥か上方（およそ１ｍ程度上方）にあり、倒立振子なので支持点（車輪機構が床と接地している点）を前に移動することで、重心には重力の後方への分力が働き、結果としてバランスを失い後方へ倒れてしまうことになる。
【０１００】
このことより、車型の倒立振子移動機構では、発進ないしは加速時には、先ず一端車輪機構をわずかに後に移動させ（走行時は速度を一瞬わずかに減速し)、等速運動中の重心に重力による前方への水平分力を発生させる。その後、この前方への分力により重心が前方へ倒れようとする速度が発生するので、それを打ち消す程度の速度で車輪機構を前方へ移動(加速)させ、丁度所望の速度を得た時点で、重心にかかる合成力のベクトルが、支持している車輪機構の支持点を指すように制御する必要がある。
【０１０１】
停止あるいは減速時には、その逆に、先ず一端車輪機構の速度を一瞬わずかに加速し、等速運動中の重心に重力による後方への水平分力を発生させる。その後、この後方への分力により重心が後方へ倒れようとする加速度が発生するので、それを打ち消す程度の加速度で車輪機構を減速させ、丁度所望の速度（静止は速度０）を得た時点で、重心にかかる合成力のベクトルが、支持している車輪機構の支持点を指すように制御する必要がある。
【０１０２】
これに対して、２脚での走行姿勢を取り入れることで、車輪機構に逆方向の動作をさせることなく、二脚型移動装置の発進、加速、停止、或いは減速を行うこともできる。図３２は、二脚型移動装置の発進、加速、停止、或いは減速の原理を説明するための図である。尚、図３２ａは、貨物を搭載した二脚型移動装置が、２脚が接地した第一のポジションでの定速度走行(静止状態も含む)をしている状態の重心と重力による力ベクトルを図示した側面図を、図３２ｂは当該移動装置が図１５ａの状態から、第二の車輪機構１６(進行方向の前側の車輪機構)を少し持ち上げて、第二の脚をいわゆる遊脚状態にした直後の重心と重力による力ベクトルを図示した側面図を、図３２ｃは当該移動装置が図３２ａの状態から、第一の車輪機構１５(進行方向の後側の車輪機構)を少し持ち上げて、第一の脚をいわゆる遊脚状態にした直後の重心と重力による力ベクトルを図示した側面図を、それぞれ示している。
【０１０３】
図３２ａに示すように、２脚が接地した第一のポジションでの安定走行乃至静止している時においては、重心に対する合成力のベクトルが、第一の車輪機構１５の接地点と第二の車輪機構１６の接地点とのほぼ中間点を指している。この状態で、図３２ｂに示すようにわずかに第二の車輪機構１６（前方の車輪機構）を持ち上げると、支持点は第一の車輪機構１５（後方の車輪機構）の接地点に移るため、結果として重心には重力の合成力の前方への水平分力が発生する。この前方への分力を打ち消すように利用することで、加速乃至発進動作が実現される。そして、所望の速度に達した時点で浮かせておいた前方の車輪機構を床に設置させることで、重心にかかる合成力のベクトルが前後の車輪機構の接地点の間を指している限り、安定した等速運動が実現される。
【０１０４】
一方、図３２ａの状態での等速走行中に第一の車輪機構１５（後方の車輪機構）をわずかに持ち上げると、支持点が第二の車輪機構１６（前方の車輪機構）の接地点に移動するため、重心には重力により後方への水平分力が発生する。この後方への分力を打ち消すように利用することで、減速ないしは停止の動作が実現される。そして、車輪機構の速度を減速して所望の速度になった時点で浮かせておいた後方の車輪機構を床に接地させることで、重心にかかる合成力のベクトルが、前後の車輪機構の設置点の間を指している限り、安定した等速運動ないしは静止姿勢が実現される。
【０１０５】
このように、本発明による二脚型移動装置では、一輪の倒立振子型の移動手段に比べると、より許容範囲が広い制御範囲で発進停止、加減速が実現される。
【０１０６】
次に、図３３を参照して、二脚型移動装置の旋回動作について説明する。図３３は、本実施の形態の二脚型移動装置の旋回動作について説明するための図である。尚、図３３ａは、貨物を搭載した二脚型移動装置が、その重心を半径ｒの曲線軌道に沿って一定速度で旋回しようとしている様子を上方から俯瞰し重心にかかる遠心力を併せて示した図である。また、図３３ｂは図３３ａの状態を後方から重心にかかる遠心力と重力の合成力を併せて示した図である。
【０１０７】
この図に示したように、旋回動作自体は、床に接している外輪と内輪との速度差を作ることで任意の半径の重心の旋回軌道を実現することができる。つまり外輪軌道の半径と内輪軌道の半径との比はそれぞれの速度の比となる。このように、任意の半径の旋回軌道は実現されるが、実際の旋回時には、重心の旋回軌道の半径に応じて重心に遠心力が働き、その大きさは、おおよそ速度の２乗と軌道半径ｒの逆数に比例することが知られている。
【０１０８】
この旋回時に重心に働く遠心力とその他の力すなわち等角速度走行では、主に重力が形成する重心にかかる合成力のベクトルの指し示す方角が、内側と外側の車輪機構が床と設置している点を結んだ直線上の範囲内に入っていれば、問題なく旋回動作が実行できる。
【０１０９】
以上のように、本発明に基づく二脚型移動装置により、同一サイズの従来品と比較してコストを増やすことなく、平面、階段、段差、より大きなサイズの跨ぎこすべき障害物などが存在しても、積載する貨物の重心を一定の速度で滑らかにスムースに発進、加速、減速、停止、旋回などの動作を含めて移動することが達成できる。これにより、人間が生活する住空間のより広範囲な条件の中で自由に移動できる装置が低コストに実現できる。
【０１１０】
［本発明の他の変形例］
次に、図３４乃至図４３を参照して、本発明の実施例の変形例について説明する。本発明において、旋回行動中に、速度が速かったり、軌道半径が小さかったりすると、遠心力の成分が大きくなり、この合成力の指し示す方角が外側の車輪機構が床と接地している点の外側になってしまい、結果としてこの移動装置は旋回軌道の外側に転倒してしまうことになる。
【０１１１】
図３４は、より大きな遠心力に対しても転倒しないで旋回できるように、重心側方移動手段を搭載した本発明の別の実施例を示す背面図である。また、図３５は、図３４の一点鎖線で囲まれた領域（ホ）の部分を詳細に説明するための図である。尚、図３５中の図３５ａは領域（ホ）の部分を拡大した側面図を、図３５ｂは領域（ホ）の部分を拡大した背面図を、図３５ｃは一点鎖線で囲まれた領域（ヘ）の部分を拡大した背面図および該背面図のＡ−Ａ´線で切断した断面図を、それぞれ示している。
【０１１２】
これらの図において、３０は貨物を搭載するベースとなるステージ、３１は第一の平歯車、３２は第二の平歯車、３３は螺旋状の歯車、３４は歯車３３と螺合する板歯の構造物、３５は重心側方移動用の駆動機構である。駆動機構３５は臀部１０に固定されている。また、ステージ３０は臀部１０に切ってある溝と噛み合って、側面方向にのみ移動できるようにはめ込まれている。また、板歯の構造物３４はステージ３０の裏側に固定されている。更に、螺旋歯車３３と第二の平歯車３２とは互いに固定され、必要な回転のみ許されるように臀部１０に装着されている。
【０１１３】
この図において、駆動機構３５を回転させるとそれに接続された平歯車３１が回転しその回転が螺合先の平歯車３２へ伝わり、それと固着されている螺旋歯車３３を回転させることになる。螺旋歯車３３が回転することでステージ３０に固着され螺旋歯車３３と噛み合っている板歯３４は図３５ｂの左右方向へ移動することになり当然それに固着されているステージも左右方向に移動されることになる。このように駆動機構３５の回転を制御することでステージ３０の側面方向への移動を実現している。
【０１１４】
尚、図３４，３５では、板歯３４がステージ３０に固定され、それ以外の構成要素である第一の平歯車３１，第二の平歯車３２，螺旋状の歯車３３，駆動機構３５が臀部１０に固定される例について説明したが、要はステージ３０が臀部１０に対して側面方向に移動動作できればよく、板歯３４を臀部１０に固定し、第一の平歯車３１，第二の平歯車３２，螺旋状の歯車３３，駆動機構３５がステージ３０側に固定される構造でもよい。
【０１１５】
図３６は、重心側方移動手段を搭載した本発明による二脚型移動装置の動作を説明するための図である。尚、この図中の図３６ａは、重心側方移動手段を搭載した本発明による二脚型移動装置が貨物を搭載し、半径ｒ’の曲線軌道に沿って一定速度で旋回しようとしている様子を上方から俯瞰し重心にかかる遠心力を併せて示した図である。また、図３６ｂは、図３６ａの状態を後方から俯瞰し重心にかかる遠心力と重力の合成力を併せて示した図である。この図に示すように、重心側方移動手段を備えることで、旋回動作時にステージ３０を旋回軌道の内側へスライドさせることができる。これにより、重心にかかる合成力のベクトルも内側に平行移動し、結果として外側の車輪の更に外側の方向を指していた合成力のベクトルの方向を、外側の車輪の床との接地点の内側に移動させられるケースが出現する。このように、重心側方移動手段を搭載することで、より速い速度、より小さい半径の旋回軌道での旋回動作が可能となる。
【０１１６】
図３７は、本発明の実施例の他の変形例を説明するための図である。尚、この図中の図３７ａおよび図３７ｂは、本発明の変形例としての二脚型移動装置の背面図および側面図をそれぞれ示している。この変形例では、車輪機構１５，１６の外輪と内輪との距離がぐっと短くなり、結果として脚部の両側に接近して車輪機構が配置されている構造になる。この構造では、一脚支持での走行時或いは静止時において、重心にかかる重力による合成力のベクトル方向が支持している車輪機構の外輪と内輪との間から外れてしまい、結果として転倒することになってしまう。このため、重心の側方移動手段の搭載が必要である。
【０１１７】
図３８は、図３７に示す二脚型移動装置に重心側方移動手段を搭載した場合の、一脚支持による静止或いは移動時の状態を説明するための図である。尚、この図中の図３８ａおよび図３８ｂは、当該二脚型移動装置の背面図および側面図を、それぞれ示している。この図からも分かるとおり、重心側方移動手段を駆動することにより安定した立位を保つことができる。これにより、様々な必要な動作が可能な上に、車輪機構間の距離が短いことで立位に必要な設置床面積も狭くて良く、結果として人間の片足立ちと同様のスペースがあれば障害物を跨ぎ越して移動することができる。結果としてより広い条件下での移動を可能にするという利点が生じる。
【０１１８】
図３９は、本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。尚、この図中の図３９ａおよび図３９ｂは、本発明の変形例としての二脚型移動装置の背面図および側面図をそれぞれ示している。この図に示す移動装置では、車輪機構１５，１６の車輪が完全に一輪になるので、立位の姿勢を保つためには重心を側方に移動させるための方策が必須になる。
【０１１９】
図４０は、図３９に示す二脚型移動装置に重心側方移動手段を搭載した場合の、一脚支持による静止或いは移動時の状態を説明するための図である。尚、この図中の図４０ａおよび図４０ｂは、当該二脚型移動装置の背面図および側面図を、それぞれ示している。この図からも分かるとおり、重心測方移動手段を搭載することで、上述した図３７および図３８に示す二脚型移動装置と同様の効果を奏することが可能である。
【０１２０】
図４１は、本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。尚、この図中の図４１ａおよび図４１ｂは、本発明の変形例としての二脚型移動装置の背面図および側面図をそれぞれ示している。この変形例の移動装置は一輪での走行なので装置全体を側方に傾けることができる。これにより、傾かせた形で重心をつりあわせることができるので、上記重心側方移動手段を搭載した移動装置と同様の効果を奏することが可能である。また、この図４１に示す実施例では着床している面積が最も小さいので、立位における必要な床面積は最も小さくなるという利点がある。
【０１２１】
図４２は、本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。尚、この図中の図４２ａおよび図４２ｂは、本発明の変形例としての移動装置の背面図および側面図をそれぞれ示している。この変形例の移動装置は、図４０に示す二脚型移動装置の車輪機構１５，１６を足部１７，１８に入れ替えた構造を有している。このように、車輪機構１５，１６を有していなくても、重心測方移動手段を搭載することで、上述した図４０に示す二脚型移動装置と同様の効果を奏することが可能である。
【０１２２】
図４３は、本発明の実施例の更なる変形例を説明するための図である。尚、この図中の図４３ａおよび図４３ｂは、本発明の変形例としての移動装置の背面図および側面図をそれぞれ示している。この変形例の移動装置は、図４１に示す二脚型移動装置の車輪機構１５，１６を足部１７，１８に入れ替えた構造を有している。このように、車輪機構１５，１６を有していなくても、装置全体を傾けることで、上述した図４１に示す二脚型移動装置と同様の効果を奏することが可能である。
【符号の説明】
【０１２３】
１０  臀部
１１  第一の腿部
１２  第二の腿部
１３  第一の脚部
１４  第二の脚部
１５  第一の車輪機構
１６  第二の車輪機構
１７  第一の足部
１８  第二の足部
２０  制御機構
２１  第一の腿駆動機構
２２  第二の腿駆動機構
２３  第一の脚駆動機構
２４  第二の脚駆動機構
２５  第一の車輪駆動機構
２６  第二の車輪駆動機構
３０  ステージ
３１  第一の平歯車
３２  第二の平歯車
３３  螺旋状の歯車
３４  板歯の構造物
３５  駆動機構
【図１】
0005511523.tif 000002
【図２】
0005511523.tif 000003
【図３】
0005511523.tif 000004
【図４】
0005511523.tif 000005
【図５】
0005511523.tif 000006
【図６】
0005511523.tif 000007
【図７】
0005511523.tif 000008
【図８】
0005511523.tif 000009
【図９】
0005511523.tif 000010
【図１０】
0005511523.tif 000011
【図１１】
0005511523.tif 000012
【図１２】
0005511523.tif 000013
【図１３】
0005511523.tif 000014
【図１４】
0005511523.tif 000015
【図１５】
0005511523.tif 000016
【図１６】
0005511523.tif 000017
【図１７】
0005511523.tif 000018
【図１８】
0005511523.tif 000019
【図１９】
0005511523.tif 000020
【図２０】
0005511523.tif 000021
【図２１】
0005511523.tif 000022
【図２２】
0005511523.tif 000023
【図２３】
0005511523.tif 000024
【図２４】
0005511523.tif 000025
【図２５】
0005511523.tif 000026
【図２６】
0005511523.tif 000027
【図２７】
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【図２８】
0005511523.tif 000029
【図２９】
0005511523.tif 000030
【図３０】
0005511523.tif 000031
【図３１】
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【図３２】
0005511523.tif 000033
【図３３】
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【図３４】
0005511523.tif 000035
【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
0005511523.tif 000041
【図４１】
0005511523.tif 000042
【図４２】
0005511523.tif 000043
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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