(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胸部、腹部等の上半身部分を支持している腰部内にはそれぞれ前後方向に向く一対の回転軸を左右対称に配置し、該各回転軸に一体に取り付けた平歯車を互いに噛み合わせ、上記各々の回転軸には水平方向に離隔した２つの支軸を形成する一方、床面と接触して床面上を前後及び左右方向に移動可能な左右一対の足部のそれぞれの前後に前記腰部の支軸と等間隔に支軸を設け、前記腰部と足部の各前後の支軸を主脚リンクと補助脚リンクとで連携し、上記左右の主脚リンクの上端に各々垂直軸を突出形成して、該垂直軸を前記腰部の中心線上で水平方向に回転自在に支持された揺動リンクの両端に貫通させたことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項２】
前記左右の足部には各々中央にゴムボールを自由に回転が可能に配置して、該ゴムボールの一部を足部底面から露出させて歩行面へ接地可能とし、このボールの前後方向と左右方向に、それぞれ前後移動用モーターおよび左右移動用モーターから減速された前後移動用ゴムローラー及び左右移動用ゴムローラーを前記ゴムボールの外表面に接触させて配置し、左右の足部に配置した前後駆動モータと左右駆動モータを駆動することによりゴムローラを介してゴムボールを前後方向及び左右方向に独立して回転駆動して足部を移動させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
前記主脚リンクと補助脚リンクの外側に膝関節部分で回転自在に結合した上部脚カバーと下部脚カバーとを設け、該上部脚カバーの上端部を主脚リンクの上部に回転可能に結合するとともに、下部脚カバーの下端部を足部に対して上下方向に移動可能に設けたフットカバー部材と連結させ、左右の足部に配置した４つのモーターの回転駆動時に前記フットカバーを足部に対して上方へ持ち上げるフットカバーリフトバーを設け、上記フットカバーリフトバーの作動により、フットカバーを足部に対して上方へ持ち上げさせるとともに、フットカバーに連なる上部脚部カバーと下部脚部カバーとを膝間接部で屈曲させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２本の脚を備えた人型のロボット玩具において、２つの脚を交互に作動させる歩行機構を備えた歩行ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
玩具における２つの脚を交互に前方へ移動して歩行する人型ロボットによる歩行機構は、腰部から足部までの直線上の脚部を交互に前後方向へ移動させることによりロボットを前進または後進歩行をさせるものであったが、従来の歩行ロボットでは、駆動する脚と腰部分及び他方の脚との連動機構が形成されていないため、踏み出した脚の傾きに応じて腰部分が傾斜してしまい歩行時に上体部分が不自然に傾き作動をして、不安定な歩行状態となってしまうという問題がある。また、脚部を構成している直線状のリンク機構をロボットの腰部分と足部間で結合したものであったため、脚が歩行中常に直線状で作動するので歩行状態が不自然なものであった。更に、従来の２本脚による歩行ロボットでは前後方向のみしか歩行させることができず、脚を横方向に移動させて横方向へ歩行させる動作ができず、多様な表現ができないものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題点を解消して、歩行時に前方または後方へ脚を踏み出すことによって上体が不自然に傾いてしまうのを防止し、また、踏み出した脚の膝関節部分を屈折させて自然な歩行状態を表現することが可能であり、さらに２つの脚を横方向に移動させて開脚できるようにして、これによって前後方向に加えて左右方向にも歩行が可能な歩行ロボットを提供することを課題とするものである。
【０００４】
【課題を達成するための手段】
上課題を解決するため請求項１の発明は、胸部、腹部等の上半身部分を支持している腰部内にはそれぞれ前後方向に向く一対の回転軸を左右対称に配置し、該各回転軸に一体に取り付けた平歯車を互いに噛み合わせ、上記各々の回転軸には水平方向に離隔した２つの支軸を形成する一方、床面と接触して床面上を前後及び左右方向に移動可能な左右一対の足部のそれぞれの前後に前記腰部の支軸と等間隔に支軸を設け、前記腰部と足部の各前後の支軸を主脚リンクと補助脚リンクとで連携し、上記左右の主脚リンクの上端に各々垂直軸を突出形成して、該垂直軸を前記腰部の中心線上で水平方向に回転自在に支持された揺動リンクの両端に貫通させたことを特徴とする。
【０００５】
また、請求項２の発明は、前記左右の足部には各々中央にゴムボールを自由に回転が可能に配置して、該ゴムボールの一部を足部底面から露出させて歩行面へ接地可能とし、このボールの前後方向と左右方向に、それぞれ前後移動用モーターおよび左右移動用モーターから減速された前後移動用ゴムローラー及び左右移動用ゴムローラーを前記ゴムボールの外表面に接触させて配置し、左右の足部に配置した前後駆動モータと左右駆動モータを駆動することによりゴムローラを介してゴムボールを前後方向及び左右方向に独立して回転駆動して足部を移動させるようにしたものである。
【０００６】
更に、請求項３の発明は、前記主脚リンクと補助脚リンクの外側に膝関節部分で回転自在に結合した上部脚カバーと下部脚カバーとを設け、該上部脚カバーの上端部を主脚リンクの上部に回転可能に結合するとともに、下部脚カバーの下端部を足部に対して上下方向に移動可能に設けたフットカバー部材と連結させ、左右の足部に配置した４つのモーターの回転駆動時に前記フットカバーを足部に対して上方へ持ち上げるフットカバーリフトバーを設け、上記フットカバーリフトバーの作動により、フットカバーを足部に対して上方へ持ち上げさせるとともに、フットカバーに連なる上部脚部カバーと下部脚部カバーとを膝間接部で屈曲させるようにしたものである。
【０００７】
【発明の効果】
本発明は上記のごとく構成したものであるので、左右の足部の一方を前後方向に移動させることによって、一方の主脚リンクと補助脚リンクとを揺動させて傾斜させ、この一方の脚の揺動による主脚リンクの上端に突設した垂直軸の傾きを揺動リンクを介して他方の脚に連動させて他方の脚を傾かせることができ、従って両脚の中心で両脚部に支持されている腰部が両脚の傾きに応じて追従して移動し常に水平な状態に維持されるので、自然で上半身の傾きがない安定した歩行姿勢が得られるものである。
【０００８】
また、左右足部の一方を横方向へ移動させて脚を開脚させた状態においても、両脚の平行リンク機構を上端で支持している一対の回転軸が軸と一致と対に形成されている歯車の噛み合いによって互いに逆方向に回転され、腰部分が両脚の開き角度の中心部に水平を維持して配置されるので横方向への移動姿勢も腰部分から上の上半身の動きが安定した自然な姿勢が得られる。
【０００９】
さらに、脚部を形成しいる平行リンクの外郭に膝関節部分で屈曲が可能な脚カバーを設け、足部には足部を覆うフットカバーを上下動可能に設け、脚カバーの上端と下端とを前記平行リンクとフットカバーとに連携させるとともに、このフットカバー部材を足部内に配置した駆動用モータの回転駆動により上方へ持ち上げるようにして、両脚カバーを膝関節部分で屈曲させるようにしているので、駆動モータにより足部を前後方向及び左右方向に移動されることで、この脚の膝関節部分が上方に持ち上げられて屈曲し、あたかも踏み出した脚を持ち上げて走行するような姿勢が得られ、自然な歩行姿勢で歩行するロボットを提供できる。
【００１０】
【発明の実施態様】
以下、図に示す本発明の実施例に即して本発明の実施態様を説明する。図１は本発明による歩行機構を採用した歩行ロボット１の一部内部の機構を表して示した全体斜視図である。歩行ロボット１は、頭部２、胸部３、腹部４、左右の両腕部５、５、腰部６および左右の２本の脚７、７を備えた人型のロボットとして形成されている。頭部２および左右の腕５、６はそれぞれ作動機構により独立して作動するように構成されている。
【００１１】
頭部２には頭部を支える首の根元に形成された球状支点が形成されており、該支点が胸部３に形成されている円形穴内に支持されて、頭部２がどの向きにも傾斜が可能でありかつ水平方向への回転が自在にできるようにされている。また両腕部５、６は胸部３に形成された回転可能な肩部３ａ、３ｂを介して回転可能に支持されており、さらに上腕部から指先の関節部分ごとにリンク機構が形成されており任意の方向に回転及び屈曲の動きが可能に構成されている。
【００１２】
さらに胸部３と腹部４間には水平回転機構が形成されており、胸部３は腹部４に対して水平方向に回転が可能にされている。上記腹部４は腰部９に対して水平軸周りに回転可能に支持されており、ロボット１の上半身が前傾または後方へ屈曲できるように形成されている。これらの各連結機構により各部が任意の方向にたとえば各部に内蔵したモータ等の駆動機構により独立して作動できるように構成されている。ロボット１の上半身を支えている腰部９と歩行面に沿って移動する足部１０とは一対の平行リンク機構を介して連結されている。
【００１３】
続いてロボットの歩行機構を構成してる腰部６、脚部７および足部８の構成について図２以下を参照して詳細に説明する。腰部６内にはロボットの上半身の各部材を支持している腰ベース１０が設けられ、この腰ベース１０には前後方向に延水平にびた脚支軸１１、１１が左右対称に設けられており、各脚支軸１１、１１の一端に取り付けられた平歯車１２、１２が互いに噛み合わせられており、これによって各脚支軸１１，１１は互いに逆方向に連動して回転されるように構成されている。
【００１４】
各脚支軸１１にはそれぞれ外側に向けて前方支軸１３と後方支軸１４とが互いに平行に突出形成されており、前方支軸１３には平行リンク機構を構成している主脚リンク１５の上端が回転自在に支持されており、後方支軸１４には補助脚リンク１６の上端が回転可能に支持されている。主脚リンク１５は図３に示すように断面がコ字形に構成されており間隔をおいて形成された２辺を前記前方支軸１３が貫通することによってリンクに捻れ力が作用して脚が捻れて動作が滞るのを防止している。
【００１５】
主脚リンク１５と補助脚リンク１６の下端は足部を構成しているインナー部材１７の上面に回転自在に支持されている回転支軸１８の前方支軸１８ａ、と後方支軸１８ｂにそれぞれ連結されている。主脚リンク１５と補助脚リンク１６は平行リンク機構を構成しており、足部８を前後方向に移動して脚部７が傾斜した状態でも腰ベース１０と足部８とが常に水平な状態を維持するようにしている。
【００１６】
前記左右の主脚リンク１５の上端には主脚リンク１５の上方へと突出形成された垂直軸１９がそれぞれ一体に形成されており、該垂直軸１９は腰ベース１０の上面に中央部で回転自在に支持されている揺動リンク２０の両端部に形成された長孔２０ａ内に遊嵌されている。これにより左右の一方の脚部が前後方向に踏み出して傾斜した時に垂直軸１９と揺動リンク２０を介して他方の脚部７の垂直軸１９に傾斜が伝達されて他方の脚部が連動して傾斜動する。このように両方の脚部７が連動して作動するので腰ベース１０の動きが両脚部７の動きと連動してより自然な歩行姿勢を得ることができる。
【００１７】
前記主脚リンク１５の外側には脚部７の大腿部の外郭を形成する上部脚カバー２１と脛部分の外郭を形成する下部脚カバー２２が取り付けられている。ほぼ断面形状がコ字形に形成された両カバー２１、２２は上部脚カバー２１の下端部分と下部脚カバー２２の上端部分で回動可能に連結されており、上部脚カバー２１の両側辺上部が前記主脚リンク１５の上部に形成された取付部１５ａに回動可能に取り付けられ、下部脚カバーはその下端部で足部の外郭を形成しているフットカバー部材２３に回動可能に連結されている。
【００１８】
次に、足部８の詳細について説明する。足部８は、足部８の外郭を形成しているフットカバー部材２３とこのフットカバー部材２３の内部にあって足部の駆動機構を収容しているインナー部材１７とから構成されている。インナー部材１７にはフットカバー部材２３の上面に形成された開口部２５を貫通して前記主脚リンク１５と補助脚リンク１６とが連結されている。主脚リンク１５及び補助脚リンク１６とインナー部材１７との連結構造は、インナー部材１７の上面に前後方向に水平に支持された回転支軸１８から横方向に突出形成された前方支軸１８ａと後方支軸１８ｂにそれぞれ枢動可能に連結されている。
【００１９】
図４〜６に示すように、インナー部材１７のほぼ中央にはゴム製のボール２９が配置されており、該ゴムボール２９はインナー部材１７の底部に形成された開口３０から一部が露出され歩行面と設置可能とされている。図５に詳細に示すようにゴムボール２９の後方側には前後駆動ローラ３１が前記ゴムローラ２９の外表面に接触させて設けられており、この前後駆動ローラ３１と対向する反対側にはアイドラローラ３２が配置されている。前記前後駆動ローラ３１にはインナー部材１７内に配置されている前後駆動モータ３３の回転駆動力がウオームギヤ等の減速機構３４及びクラウンギヤによる回転軸方向変換機構３５を介して伝達されて回転され、これによって前記ゴムボール２９は前後駆動モータ３３により前方または後方に向けて回転駆動させられる。
【００２０】
また、上記と同様にゴムボール２９の側面には左右駆動ローラ３６とアイドラローラ３７が対向して配置されており、左右駆動ローラ３６は左右駆動モータ３８の回転を減速機構３４を介して伝達されてゴムボール２９を横方向に回転駆動させる。ゴムボール２９の上ほうにはゴムボール２９の上方向への移動を押さえるためのアイドラローラ３９が配置されており、このアイドラローラ３９はゴムボール２９が前後方向及び左右方向に回転するのに対応するためにローラの向きがゴムボール２９の回転に対応して自在に回転できるように構成している。
【００２１】
前後駆動モータ３１及び左右駆動モータ３８の駆動により上記ゴムローラ２９が前後方向または左右方向に回転することによって、ゴムローラ２９の下端が床面等の接地面と接触してインナー部材１７は接地面に対して前後方向または左右方向に移動する。なお、インナー部材１７の底面の前後部には接地面に対して接触してインナー部材１７の姿勢を安定させて滑らせて移動するための滑動部材４０が形成されている。滑動部材４０はテフロン加工等の滑り易い加工が施された球形状に形成されていおり、インナー部材１７の下面の前後２カ所以上で歩行路面と接地してインナー部材１７を水平な状態に維持している。
【００２２】
インナー部材１７にはさらに、前記前後駆動モータ３３および左右駆動モータ３８の回転駆動軸に介在した遠心力クラッチ４１を介して回転駆動される平歯車４２と噛み合っている扇形歯車４３を介して揺動駆動されるリフトバー４４が設けられており、リフトバー４４は各駆動モータ３３、３８が回転することによって遠心クラッチ４１を介して揺動動作され、このリフトバー４４の揺動によってリフトバー４４の端部が上方へ移動して、インナー部材の外周に配置されているフットカバー部材２３を上方へ突き上げ動作するように構成している。
【００２３】
フットカバー部材２３は前記インナー部材１７の上部及び側面を覆うように配置されており、インナー部材１７とフットカバー部材２３間に配置されている平行リンク機構４５により、フットカバー部材がインナー部材に対して上下方向に平行に移動できるようにされている。図６に示すように前記リフトバー４４の動作によりインナー部材１７に対して上方へ移動させられる。
【００２４】
上記実施例による歩行の作動を説明する。直立状態から一方の脚を前方に踏み出した状態を図２及び図７により説明する。左右のインナー部材の一方のインナー部材１７内の前後駆動モータ３３が正転方向に駆動すると減速機構３４等を介して前後駆動ローラ３２が回転駆動され、ゴムボール２９が前進方向に回転する。これにより、インナー部材１７は前進方向に移動して、主脚リンク１５と補助脚リンク１６が徐々に傾斜する。このとき前後駆動モータ３３の回転により遠心力クラッチ４１を介してリフトバー４４が揺動動作されてフットカバー部材２３を上方に持ち上げる。これにより下部脚カバー２２が上方に持ち上げられ、上部脚カバー部材と下部脚カバー２２の接合部である膝関節の部分から各脚カバーが屈曲してあたかも脚を膝関節部分で屈曲させて前方に踏み出した状態の歩行がされる。
【００２５】
一方の脚７が前方に移動することによって、この脚の主脚リンク１５の上端に突設した垂直軸１９が揺動リンク２０を回転させ、これにより他方の脚７の主脚リンク１５を対称的に揺動させ、腰ベース１０を介して腰部を一方の脚に追従させて移動させるように作動する。つまり、前進方向に踏み出した一方の脚のみが独立して動作するのではなく、踏み出した脚と連動して腰部材と他方の脚が連動して自然な歩行姿勢を行わせるものである。
【００２６】
上記のように、左右のインナー部材１７の前後駆動モータ３３を交互に正転方向または逆転方向に駆動させることにより、左右の脚７を交互に前後方向に踏み出して前進方向または後退方向に歩行させることができる。
【００２７】
次に、横方向への歩行作動を説明する。図９に示すような直立状態から、一方の足部のインナー部材１７内の左右駆動モータ３８を駆動するとインナー部材１７はゴムボール２９の横方向への回転により横方向へ移動する。このときインナー部材１７と主脚リンク１５及び補助脚リンク１６とは回転自在な脚支軸１１により支持されているためインナー部材の水平方向への移動に伴って、主脚リンク１５と補助脚リンク１６は腰ベース１０に支持されている脚支軸１１周りに回転して傾斜状態となる。脚支軸１１の回転は対称に配置されている他方の脚７を支持している脚支軸周りに回転させて、他方の脚７の主脚リンク１５と保持脚リンク１６とをほぼ同じ角度回転させることとなって腰ベース１０を常に水平な状態に維持させる。
【００２８】
なお、左右のインナー部材１７内に配置して前後駆動モータ３３と左右駆動モータ３８の４つのモータを、センサーまたは接触スイッチ等によって検知された左右足部の相対位置に基づいて、モータの回転方向、回転速度、回転量をプログラム制御することにより、左右の脚部及び腰部とが連携した自然な動きをなさしめることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歩行ロボットの全体を示す斜視図。
【図２】歩行ロボットの腰部から足部までの歩行機構部分の一部を透視した斜視図。
【図３】本発明の歩行ロボットの歩行機構を構成している部分品の分解斜視図。
【図４】足部を構成しているインナー部材とフットカバー部材の内部機構を示す斜視図。
【図５】図４と同じ状態の平断面図。
【図６】図４と同じ足部の縦断側面図。
【図７】直立した状態を示す脚部分の縦断側面図。
【図８】前方へ踏み出した状態の脚部の縦断側面図。
【図９】直立した状態の脚部の正面図。
【図１０】一方の足部を横方向へ踏み出させた状態の正面図。
【符号の説明】
１  歩行ロボット
６  腰部
７  脚部
８  足部
１０  腰ベース
１１  脚支軸
１２  平歯車
１３  前方支軸
１４  後方支軸
１５  主脚リンク
１６  補助脚リンク
１７  インナー部材
１８  回転支軸
１９  垂直軸
２０  揺動リンク
２１  上部脚カバー
２２  下部脚カバー
２３  フットカバー部材
２９  ゴムボール
３１  前後駆動ローラ
３３  前後駆動モータ
３６  左右駆動ローラ
３８  左右駆動モータ
４０  滑動部材
４１  遠心力クラッチ
４２  平歯車
４３  扇形歯車
４４  リフトバー
４５  平行リンク機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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