(57)【要約】【課題】  人等の関節動作の動きを十分なトルクを得て再現することが可能な、主として多足歩行型のロボットの適用される多関節歩行装置の提供を課題とするものである。【解決手段】  多関節歩行装置１は、略六角柱形状を呈するフレーム本体３から等角度を保持し、延設された六本の脚部４と、関節動作を再現するために脚部４を制御する脚部制御部とによって構成されている。そして、脚部４は四つの可動軸を有して構成され、互いに対向した一対のバルーン及びディスク面を当接させた一対のディスク関節部の間に架渡されたワイヤを利用し、バルーンの膨張収縮に応じてワイヤを引張し、ディスク関節部を回動させることにより、ディスク関節部に連結された各フレーム７等の互いの関節角度を変位させることができる。【選択図】        図１
2006247819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手形状を呈する主フレームと、
前記主フレームの一端に回動軸を介して回動可能に連結され、外周縁に沿って凹設されたワイヤ溝部を有する円盤状のディスク関節部と、
前記ディスク関節部に取付けられ、該ディスク関節部の軸回転運動に伴って、前記主フレームとの間のフレーム角度を変位可能な長手形状を呈する副フレームと、
前記主フレームの上端近傍に略直交方向に配設された支持フレームと、
前記支持フレームに取付けられ、供給されるエアーに応じて変形方向を所定方向に規制した状態で膨張変形及び収縮変形の可能な弾性素材で形成された少なくとも一対のバルーンと、
両端が前記バルーンの一端にそれぞれ連結し、略中央付近を前記ディスク関節部の前記ワイヤ溝部に当接させた状態で架渡されたワイヤと、
一対の前記バルーンにそれぞれ独立して前記エアーを供給するエアー供給手段と、
前記エアー供給手段によって供給される前記エアーの供給量を制御し、前記バルーンの膨張に応じて前記ワイヤに生じる張力を利用し、前記ワイヤ及び前記ワイヤ溝部の間の摩擦抵抗を増加させ、前記ディスク関節部を回動させるディスク回動手段と
を具備することを特徴とする多関節歩行装置。
【請求項２】
前記ディスク関節部は、
互いのディスク面を当接した状態で配された一対の第一ディスク部及び第二ディスク部によって構成され、
前記第一ディスク部及び前記第二ディスク部に対し、前記バルーン、前記ワイヤ、及び前記エアー供給手段がそれぞれ設けられ、
前記ディスク回動手段は、
前記エアー供給手段によって供給される前記エアーの供給量を制御し、前記第一ディスク部及び前記第二ディスク部の回動をそれぞれ独立して回動させる独立回動手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の多関節歩行装置。
【請求項３】
前記バルーンは、
前記バルーンを回転させることにより、前記ワイヤに生じる張力を微調整するターンバックル機構によって取付けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多関節歩行装置。
【請求項４】
前記ディスク関節部は、
前記主フレームに回動可能に軸支された円盤状の内ディスク部と、
外周縁に前記ワイヤ溝部を有し、前記内ディスク部に内接し、前記内ディスク部の円周方向に沿って摺動自在に嵌装された略環状の外ディスク部とを具備し、
前記外ディスク部は、
前記ワイヤに生じる張力に応じてディスク環径を変化させ、前記内ディスク部に対する摩擦抵抗を調整する抵抗調整手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の多関節歩行装置。
【請求項５】
前記ディスク関節部に近接し、前記主フレームに回動可能に軸支され、一対の前記バルーン及び前記ディスク関節部の間に架渡される前記ワイヤを所定方向に案内するガイドローラをさらに具備し、
前記ワイヤは、
一方の前記バルーンから前記ディスク関節部を介して他方の前記バルーンに架渡す際に、前記ガイドローラ及び前記ディスク関節部の間で交叉していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の多関節歩行装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節歩行装置に関するものであり、特に、多足型ロボット等の歩行機構として採用され、段差を有する悪路等での歩行動作が可能な多関節歩行装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車工場等で作業する産業用ロボット、災害救助等で活躍する実用ロボット、及び動物を模して形成されたエンターテイメント用のロボットなど、種々のロボットが開発されている。そして、一カ所で作業を行う産業用ロボットを除き、大部分のロボットには、自走または歩行可能なように移動手段を備えているものが多い。
【０００３】
例えば、係る移動手段の一般的なものについて例示すると、複数の車輪（タイヤ・ローラ等）をロボット本体の下部に設け、車輪に接続した車軸をモータの駆動力を利用して回転させる車輪型のものが知られている。これは、現在の自動車などに代表される乗り物に見られる一般的なものである。また、複数の車輪の間をベルト材で架渡し、悪路等の搬送性を向上させたクローラ型のものもある。これは、現在では工事現場などで使用される特殊作業機械（ショベルカーやクレーンなど）或いは戦車などに採用されている。一方、人間、動物（昆虫を含む）の脚部の構成を模し、複数のアーム及びアームを連結した関節を含んで構成される歩行型の移動手段も多くのロボットにおいて採用されている。そして、これらの移動手段が、ロボットの使用環境及び用途に応じて適宜使い分けられている。
【０００４】
上記の技術は、当業者において当然実施されているものであり、出願人は本願出願時において、上記技術が記載されている文献を特に知見していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、災害救助現場等の人間が直接侵入することの困難な場所で活躍する実用ロボットの場合、上述した車輪型や二足歩行型の移動手段（歩行装置）を採用することはできなかった。すなわち、これらの場所は平坦な地面（床面）がほとんど存在せず、倒壊したビルの瓦礫などが積重したり、大きな段差を走破する必要があった。そのため、瓦礫の間の隙間や溝などに車輪が落ち込み、移動不能となったり、パンク等の危険性があるため、車輪型の採用は困難であり、また、二足歩行型の歩行装置は、歩行動作の際の重心の移動を認識し、バランス（歩行安定性）を保持するように制御することが困難であった。そのため、実用化するには未だ多くの時間を要していた。
【０００６】
そこで、実用ロボットの多くは、前述したクローラ機構を有する歩行装置、或いは二足歩行よりもさらに重心移動が少なく、歩行安定性の高い多足歩行型の歩行装置が採用されている。特に、昆虫や蜘蛛等の小動物の脚部を模して形成された多足歩行型の歩行装置は、悪路での高い歩行性能を発揮し、また、微少な空間での小回りが利くなどの優れた利点を有している。
【０００７】
ところが、上述の多足歩行型の歩行装置を備えるロボットの場合、通常、人間または昆虫等の脚部の関節に類似させ、三つの関節部（足首関節、膝関節、及び股関節に相当）を設け、それぞれの動きを互いに協働させて制御することによって歩行動作を再現する必要があった。そして、これらの各関節部の制御を行う場合、例えば、六本の脚部を有する虫型の多足歩行型ロボットを構築した場合、”六脚×三関節部”であるため、合計で１８軸の制御を同時に行う必要があった。一方、八本の脚部を有する蜘蛛型の多足歩行型ロボットを構築した場合、”八脚×三関節部”となり、２４軸を連携させて制御する必要があった。その結果、各関節部に設けられ、脚部の動きを再現するための駆動力を発生させるサーボモータ、及びこのサーボモータを互いにリンクして制御する高度な処理能力を有する演算処理装置をロボット本体に内蔵する必要があった。また、このサーボモータを複数使用することは、多足歩行型のロボットの重量増やコスト増を招く必要があった。さらに、例えば、６０ｋｇ〜１００ｋｇ程度の重量のロボット（またはロボット本体）を移動させる際、上述のサーボモータ等を利用する従来の機構では移動に係る十分なトルクを速やかに発生させることが困難なことがあり、歩行動作が非常にゆっくりしたものになることがあった。そのため、多足歩行型の歩行装置を採用したロボットは、車輪型或いはクローラ型の移動手段を採用したロボットに対して移動速度が制限されることがあった。移動速度が遅くなるような制限は、緊急性を要する災害現場での活動では適さないことがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、人等の関節動作の動きを精細に再現可能に形成され、十分及び速やかなトルクを得ることが可能な主として多足歩行型ロボットの歩行装置として採用可能な多関節歩行装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の多関節歩行装置は、「長手形状を呈する主フレームと、前記主フレームの一端に回動軸を介して回動可能に連結され、外周縁に沿って凹設されたワイヤ溝部を有する円盤状のディスク関節部と、前記ディスク関節部に取付けられ、該ディスク関節部の軸回転運動に伴って、前記主フレームとの間のフレーム角度を変位可能な長手形状を呈する副フレームと、前記主フレームの上端近傍に略直交方向に配設された支持フレームと、前記支持フレームに取付けられ、供給されるエアーに応じて変形方向を所定方向に規制した状態で膨張変形及び収縮変形の可能な弾性素材で形成された少なくとも一対のバルーンと、両端が前記バルーンの一端にそれぞれ連結し、略中央付近を前記ディスク関節部の前記ワイヤ溝部に当接させた状態で架渡されたワイヤと、一対の前記バルーンにそれぞれ独立して前記エアーを供給するエアー供給手段と、前記エアー供給手段によって供給される前記エアーの供給量を制御し、前記バルーンの膨張に応じて前記ワイヤに生じる張力を量し、前記ワイヤ及び前記ワイヤ溝部の間の摩擦抵抗を増加させ、前記ディスク関節部を回動させるディスク回動手段と」を具備するものから主に構成されている。
【００１０】
したがって、本発明の多関節歩行装置によれば、一対のバルーンと、該バルーンに連結されたワイヤを利用し、バルーンの膨張に応じてワイヤに生じる張力によって主フレームに軸支されたディスク関節部を回動させることが可能となる。これにより、ディスク関節部に取付けられた副フレームと、主フレームとの間のフレーム角度を変位させられる。その結果、人や動物等の関節動作（特に、脚部の股関節、膝関節、及び足首関節による歩行動作）を再現することが可能となる。このとき、供給されたエアーによって、バルーンは膨張による変形方向が所定方向（例えば、バルーン及びディスク関節部に架渡されたワイヤの架渡方向に対する直交方向）に規制されている。そのため、バルーンの膨張によってワイヤを引付けるような状態が創出され、ワイヤに強い張力が生じることになる。その結果、ディスク関節部のワイヤ溝部及びワイヤの間の密着度が増す。換言すると、ディスク関節部及びワイヤの間の摩擦抵抗が増加し、係る状態でさらにワイヤが一方のバルーンに向かって引っ張られることにより、主フレームに軸支されたディスク関節部がこれに協働して回転する。そのため、主フレームに対する副フレームのフレーム角度が変化し、上述のような関節の動きを再現することが可能となる。ここで、一対のバルーンが人等の場合の「筋肉」の機能、ワイヤが「腱」の機能を果たしている。ここで、バルーンは少なくとも一対を有するものであればよく、それ以上の数のバルーンによってディスク関節部の回動を制御するものであってもよい。
【００１１】
さらに、本発明の多関節歩行装置は、上記構成に加え、「前記ディスク関節部は、互いのディスク面を当接した一対の第一ディスク部及び第二ディスク部によって構成され、前記第一ディスク部及び前記第二ディスク部に対し、前記バルーン、前記ワイヤ、及び前記エアー供給手段がそれぞれ設けられ、前記ディスク回動手段は、前記エアー供給手段によって供給される前記エアーの供給量を制御し、前記第一ディスク部及び前記第二ディスク部の回動をそれぞれ独立して回動させる独立回動手段を」具備するものであっても構わない。
【００１２】
したがって、本発明の多関節歩行装置によれば、主フレーム及び副フレームと接続されたディスク関節部が一対の第一ディスク部及び第二ディスク部によって構成され、互いのディスク面を当接した状態で形成されている。さらに、それぞれのディスク部に対して、個々にバルーン、ワイヤ、エアー供給手段が設けられ、ディスク関節部を回動制御するディスク回動手段もそれぞれのディスク部を独立して回動するような制御が行われる。これにより、上述したディスク関節部による回動の制御がさらに詳細に行えるようになる。
【００１３】
さらに、本発明の多関節歩行装置は、上記構成に加え、「前記バルーンは、前記バルーンを回転させることにより、前記ワイヤに生じる張力を微調整するターンバックル機構によって取付けられている」具備するものであっても構わない。
【００１４】
したがって、本発明の多関節歩行装置によれば、バルーンを架渡す上下方向の少なくともいずれか一方が、ターンバックル機構を介して接続されている。これにより、バルーンを回転させ、ターンバックル機構に設けられたネジとの螺合量（ねじ込み量）を変化させることにより、ディスク関節部に架渡されるワイヤの長さを調整することができる。すなわち、ワイヤに加えられる張力を調整することが可能となり、歩行動作時或いは組立時において、プーリやガイドローラ等の回転伝達機構部からの外れ（脱輪）を防ぐことが可能となる。なお、バルーンには、バルーンの膨張を所定範囲で規制するための膨張規制手段を有していても構わない。例えば、バルーンの外面を被覆するようにした網目状のメッシュ素材を利用することが可能である。このメッシュ素材は、応力に応じてその網目形状が自由に変形し、応力が解除されることによって元の状態に容易に復元することができるものである。そして、係るメッシュ素材を規制部材として使用することにより、エアーに応じて膨張するバルーンに伴って網目の間隔を拡げながら伸張する。このとき、規制部材が伸び、網目の間隔が拡がる場合、元の状態に戻ろうとする反力が規制部材の表面に加わり、エアーによって多方向に拡がろうとするバルーンを抑止する力が作用する。その結果、膨張の際のバルーン形状を所定形状にすることが可能となり、膨張に応じてワイヤに生じる張力を一定にすることが可能となる。これにより、主フレームに対する副フレームのフレーム角度の制御が安定し、ロボットの歩行動作等を制御する場合の精度が向上する。
【００１５】
一方、本発明の多関節歩行装置は、上記構成に加え、「前記ディスク関節部は、前記主フレームに回動可能に軸支された円盤状の内ディスク部と、外周縁に前記ワイヤ溝部を有し、前記内ディスク部に内接し、前記内ディスク部の円周方向に沿って摺動自在に嵌装された略環状の外ディスク部とを具備し、前記外ディスク部は、前記ワイヤに生じる張力に応じてディスク環径を変化させ、前記内ディスク部に対する摩擦抵抗を調整する抵抗調整手段を」具備するものであっても構わない。
【００１６】
ここで、抵抗調整手段とは、例えば、略環状に形成された外ディスク部の一部に切欠を施し、ワイヤに張力が生じた際に該ワイヤによってディスク環径を小さくするように内ディスク部側に向かって絞るように変形可能にするものなどが例示される。そのため、外ディスク部は、係る変形が可能なように、若干の撓み性を有する金属材料等、或いは弾性変形可能な硬質プラスチックによって形成される必要がある。
【００１７】
したがって、本発明の多関節歩行装置によれば、ディスク関節部が外ディスク部と内ディスク部との二つの構成で分離可能に形成されている。ここで、外ディスク部には、前述したように、抵抗調整手段として切欠を有し、ワイヤの張力によって外ディスク部を締付けることにより、内ディスク部及び外ディスク部の間の摩擦抵抗が増し、外ディスク部の回動に協働するようにして内ディスク部が回動する。これにより、上述したものと同様の関節動作を再現することができる。このとき、外ディスク部によって内ディスク部を所謂「カシメ状態」にすることによって、回動の開始及び停止の際に外ディスク部及び内ディスク部の間で若干の摺動が生じ、副フレームの動きをより滑らかなものとすることができる。これにより、実際の人等が行う自然な関節動作に近い制御を行うことができる。
【００１８】
さらに、本発明の多関節歩行装置は、上記構成に加え、「前記ディスク関節部に近接し、前記主フレームに回動可能に軸支され、一対の前記バルーン及び前記ディスク関節部の間に架渡される前記ワイヤを所定方向に案内するガイドローラをさらに具備し、前記ワイヤは、一方の前記バルーンから前記ディスク関節部を介して他方の前記バルーンに架渡す際に、前記ガイドローラ及び前記ディスク関節部の間で交叉している」ものであっても構わない。
【００１９】
したがって、本発明の多関節歩行装置によれば、ディスク関節部に近接して設けられたガイドローラによってワイヤの架渡方向が案内され、ガイドローラ及びディスク関節部の間で交叉して架渡される。これにより、ワイヤの交錯によってディスク関節部のワイヤ溝部及びワイヤの間の接触面積が増大し、さらに、ワイヤに生じた張力を確実にディスク関節部に伝達することが可能となる。その結果、ディスク関節部を回動させる力が安定し、関節動作の制御の精度がより増すこととなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の効果として、多関節歩行装置を利用することにより、筋肉に相当する機能を少なくとも一対のバルーンによって再現し、人間等の脚部の関節動作（例えば、股関節と大腿部の間の動作など）を容易にかつ簡易な構成で再現することができる。さらに、バルーンを爆発に近い状態で瞬間的に膨張させることにより、従来のモータに比べ、素早い関節動作の再現が可能となり、また比較的重量物であるロボット本体を移動させるための十分なトルクを得ることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態である多関節歩行装置１について、図１乃至図６に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の多関節歩行装置１を使用したロボット２の概略構成を示す説明図であり、図２及び図３は多関節歩行装置１の脚部４を示す説明図であり、図４は脚部４の歩行動作の一例を示す説明図であり、図５はバルーン１５ａ等の構成を示す断面図であり、図６は回動機構部の構成を示す説明図である。
【００２２】
ここで、本実施形態の多関節歩行装置１は、図１に主として示されるように、悪路等を走破可能なロボット２の歩行装置として採用されている。さらに具体的に説明すると、多関節歩行装置１は、六角柱状のフレーム本体３の側面から等角度を保持し、配設された六本の脚部４と、フレーム本体３に取設され、脚部４による歩行動作を再現するための制御ユニットからなる脚部制御部（図示しない）とによって構成されている。ここで、１本の脚部４には、人の場合の股関節（二自由度）、膝関節（一自由度）、及び足首関節（一自由度）の三カ所に相当する可動軸がそれぞれ設けられている。したがって、本実施形態の多関節歩行装置１を採用した脚部４を有するロボット２は、”６脚×４自由度”で合計２４軸の可動軸を制御し、歩行動作を再現するように構築されている。そのため、これらの制御には、マイクロセカンド或いはナノセカンドでの各種処理が可能なＦＰＧＡを用いた脚部制御部が設けられ、エアー６等の供給量等の精細な制御を行っている。
【００２３】
ここで、脚部４は、図２乃至図５に示すように、フレーム本体３の側面から突出するように配された第一フレーム７と、該第一フレーム７の一端と回動軸８を介して回動可能に連結され、外周縁に沿って凹設されたワイヤ溝部９を有する円盤状の一対の第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂと、第一ディスク関節部１０ａ等に取付けられ、第一ディスク関節部１０ａ等の軸回転運動に応じ、第一フレーム７との間の第一関節角度αが変化する第二フレーム１１と、第一フレーム７の上端近傍に第一フレーム７に対して直交方向に配設された棒状の第一支持フレーム１２と、配された第一支持フレーム１２にそれぞれ取付けられ、供給されるエアー６に応じて変形方向（膨張方向）を、ワイヤ１３の架渡方向に直交する方向に規制するメッシュ状の規制部材１４によって外面が被覆された二組の第一バルーン１５ａ，１５ｂ（一部は図示しない）と、両端が第一バルーン１５ａ，１５ｂにそれぞれ連結され、略中央付近を第一ディスク関節部１０ａ等のワイヤ溝部９に当接させた状態で架渡されたワイヤ１３と、第一ディスク関節部１０ａ等に近接し、第一フレーム７に回動可能に軸支された一対のガイドローラ１６とを具備して主に構成されている。ここで、第一ディスク関節部１０ａは、図３に示されるように、互いのディスク面を当接させた二枚のディスク（第一ディスク部及び第二ディスク部に相当）によって構成されている。なお、それぞれのディスクに対応するように、第一バルーン１５ａ，１５ｂが二組設けられ、ワイヤ１３も設けられている（独立回動手段に担当）。ここで、第一バルーン１５ａ，１５ｂは、フレーム本体３の内部に収容されている。
【００２４】
ここで、ワイヤ１３は、一方の第一バルーン１５ａの一端に連結され、ガイドローラ１６のローラ面１６ａによって架渡方向を曲折させ、第一バルーン１５ａと第一フレーム７を挟んだ反対側の第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂのワイヤ溝部９に当接し、さらに第一ディスク関節部１０のワイヤ溝部９をほぼ一周するようにして再びガイドローラ１６のローラ面１６ｂ（ローラ面１６ａと相対する側）で架渡方向を曲折させ、他方の第一バルーン１５ｂに連結されている。すなわち、図３に示されるように、ワイヤ１３は、第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂ及びガイドローラ１６の間で交叉するようにした状態で架渡されている。ここで、第一フレーム７が本発明における主フレームに相当し、第二フレーム１１が本発明における副フレームに相当し、第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂが本発明のディスク関節部に相当し、規制部材１４が本発明における膨張規制手段に相当し、第一バルーン１５ａ，１５ｂが本発明におけるバルーンに相当する。ここで、図２等に示すように、第一バルーン１５ａ等は、ターンバックル機構４０を採用してワイヤ１３等に接続され、バルーン１５ａ等を回転することによってワイヤ１３の長さ、或いは張力を調整することができる。これにより、ワイヤ１３を介して伝達される力を容易に変化させることができる。なお、図３において、ターンバックル機構４０を説明するために、ネジを一部緩めた状態を図示し、矢印Ｒ方向に回転させることにより、調整が可能となっている。また、架渡される第一バルーン１５ａ等は、図２等に示すように、エアーを供給しない状態のときには、やや膨張した形状（楕球状）になるように調整されている。そのため、脚部４の組立ての際に、互いのバルーン１５ａ，１５ｂによってワイヤ１３に張力が生じることとなる。その結果、プーリ等の回転伝達機構からワイヤ１３が外れる（脱輪する）危険性を防ぐことができる。なお、上述した楕球状にバルーン１５ａを形成するためには、バルーン１５ａ等に約０．３ＭＰａ程度のエアーを供給して膨張させ、さらに表面をラテックスを塗布し、その後乾燥させることが行われている。これにより、前述した網状の規制部材１４とバルーン１５ａ等との間の滑りを無くし、かつ初期形状を膨張した楕球状にすることができる。なお、図示しないが、ターンバックル機構４０には、ネジ部と、エアー漏れを防ぐためのシール座金と、バルーン１５ａ等に取付けられるコマ部を有し、ダブルナットでコマ部を固定して形成されている。
【００２５】
さらに、第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂの具体的な構成について例示すると、円盤状に形成され、回動軸８によって第一フレーム７に回動可能に軸支された第一内ディスク部１７と、第一内ディスク部１７に内接し、前述したワイヤ１３が当接するワイヤ溝部９を外周縁に沿って有し、第一内ディスク部１７の円周方向に沿って摺動自在に嵌装された略環状の第一外ディスク部１８とを具備している。ここで、第一外ディスク部１８は、一部に切欠１９が施され、ワイヤ１３に生じる張力によって、外ディスク部１８が締付けられると、ディスク環径Ｒを小さくするように切欠１９の部分が互いに近づくように可撓性を備えて形成されている。そのため、ワイヤ１３の張力によってディスク環径が小さくなるような変形が行われると、第一外ディスク部１８と第一内ディスク部１７との間の摩擦抵抗が増すことになり、該切欠１９が本発明における抵抗調整手段に相当する。また、第一内ディスク部１７が本発明における内ディスク部に相当し、第一外ディスク部１８が本発明における外ディスク部に相当する。
【００２６】
さらに、多関節歩行装置１は、第一バルーン１５ａ，１５ｂのそれぞれにエアー６を供給するためのエアーボンベ、エアーバルブ等から構成されるエアー供給部と、エアー供給部によるエアー６の供給量及び供給のタイミング等を制御し、ワイヤ１３に張力を生じさせ、第一ディスク関節部１０を第一フレーム７に対して回動させ、第一関節角度αを変化させるためのディスク回動制御部とを具備して構成されている。ここで、エアー供給部及びディスク回動制御部は、前述のフレーム本体３の本体上面に載置され、さらにディスク回動制御部は、脚部制御部の一部として機能している。なお、エアー供給部が本発明におけるエアー供給手段に相当し、ディスク回動制御部が本発明におけるディスク回動制御手段に相当する。なお、エアー供給部及びディスク回動制御部（脚部制御部）は、説明を簡略化するため図１において図示を省略している。
【００２７】
ここで、脚部４には可動する四つの可動軸が設けられており、その他の三つの可動軸は、前述した第一フレーム７、第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂ、及び第二フレーム１１等によって構成したものとサイズ及び回動方向を変更した以外は、略同一のものから構成されている。そのため、詳細な説明は省略するものと、各部の構成のみに言及して説明を行うものとする。
【００２８】
すなわち、第二フレーム１１の一端には、回動軸２２を介して回動自在に連結され、ワイヤ溝部９を有する円盤状の一対の第二ディスク関節部２３ａ，２３ｂと、第二ディスク関節部２３ａ，２３ｂに取付けられ、第二フレーム１１との間の第二関節角度βを変位可能な第三フレーム２４と、第二フレーム１１の上端近傍に直交して設けられた第二支持フレーム２５と、第二支持フレーム２５に取付けられた一対の第二バルーン２６ａ，２６ｂと、第二バルーン２６ａ，２６ｂ及び第二ディスク関節部２３の間に架渡されたワイヤ１３と、第二ディスク関節部２３に近接し、第二フレーム１１に回動可能に軸支された一対のガイドローラ１６とを具備して主に構成されている。なお、ワイヤ１３は、前述と同様に、第二ディスク関節部２３及びガイドローラ１６の間で交叉するように連結されている。ここで、係る場合は第二フレーム１１が本発明における主フレームに相当し、第二ディスク関節部２３が本発明におけるディスク関節部に相当し、第三フレーム２４が本発明における副フレームに相当し、第二バルーン２６ａ，２６ｂが本発明におけるバルーンに相当する。
【００２９】
なお、第二ディスク関節部２３は、前述した第一ディスク関節部１０と同様の構成で形成され、回動軸２２によって軸支された第二内ディスク部２７と、第二内ディスク部２７に内接し、切欠１９によってディスク環径を変化させる第二外ディスク部２８とを具備している。ここで、第二内ディスク部２７が本発明における内ディスク部に相当し、第二外ディスク部２８が本発明における外ディスク部に相当する。また、第二バルーン２６ａ，２６ｂにエアー６を供給するエアー供給手段及び第二関節角度βを変化させるためのディスク回動制御手段は、前述したエアー供給部及びディスク回動制御部が共用されている。
【００３０】
さらに、本実施形態の多関節歩行装置１は、第三フレーム２４の一端にワイヤ溝部９を有する円盤状の一対の第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂと、第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂに取付けられ、第三フレーム２４との間の第三関節角度γを変位可能な第四フレーム３０と、第三フレーム２４の上端近傍に直交して設けられた第三支持フレーム３１と、第三支持フレーム３１に取付けられた一対の第三バルーン３２ａ，３２ｂと、第三バルーン３２ａ，３２ｂ及び第三ディスク関節部２９の間に架渡されたワイヤ１３と、第三ディスク関節部２９に近接し、第三フレーム２４に回動可能に軸支された一対のガイドローラ１６とを具備して主に構成されている。なお、ワイヤ１３は、前述と同様に、第三ディスク関節部２９及びガイドローラ１６の間で交叉するように連結されている。ここで、係る場合は第三フレーム２４が本発明における主フレームに相当し、第三ディスク関節部２９が本発明におけるディスク関節部に相当し、第四フレーム３０が本発明における副フレームに相当し、第三バルーン３２ａ，３２ｂが本発明におけるバルーンに相当する。
【００３１】
なお、第三ディスク関節部２９は、前述した第一ディスク関節部１０ａ等及び第二ディスク関節部２３ａ等と同様の構成で形成され、回動軸によって軸支された第三内ディスク部３４と、第三内ディスク部３３に内接し、切欠１９によってディスク環径を変化させる第三外ディスク部３４とを具備している。ここで、第三内ディスク部３３が本発明における内ディスク部に相当し、第三外ディスク部３４が本発明における外ディスク部に相当する。また、第三バルーン３２ａ，３２ｂにエアー６を供給するエアー供給手段及び第三関節角度γを変化させるためのディスク回動制御手段は、前述したエアー供給部及びディスク回動制御部が共用されている。
【００３２】
加えて、図６に示すように、脚部４は、上述と同様の二組の第四バルーン４１ａ，４１ｂ、第四ディスク関節部４２ａ，４２ｂ、及びワイヤ１３を有して構成され、第一ディスク関節部１０ａ、１０ｂから先の部位を矢印δ方向（図１参照）に回動させるための回動機構部４３を有している。なお、第四ディスク部４２ａ，４２ｂは、六角形状のフレーム本体３の各辺に沿って配されている（図６参照）。また、第四バルーン４１ａ，４１ｂに接続されたワイヤ１３を第四ディスク部４２ａ，４２ｂにそれぞれ導くために、ワイヤ１３の方向を曲折させる曲折部４４を有している。これにより、第一ディスク関節部１０ａ，１０ｂによるα方向及び第四ディスク関節部４２ａ，４２ｂによる回動方向δ（図１または図６参照）によって脚部４を人間の股関節と同様の二自由度に動きを再現させることができる。なお、第四ディスク関節部４２ａ，４２ｂは、前述したディスク関節部１０等と同様に、内ディスク部及び外ディスク部によって構成されている。なお、図６において、説明を簡略化するため、ワイヤ１３及びエアー供給部等の一部構成については図示を省略している。
【００３３】
さらに、本実施形態の多関節歩行装置１における各部の構成について詳述すると、バルーン１５ａ，１５ｂ等は、図５に主に示されるように、弾性変形可能なゴム製のチューブ状の態様で構成され、一端にエアー供給部から供給されるエアー６を導入する導入口３５を有し、他端がワイヤ１３を連結するためのワイヤ連結金具３６によって閉塞されたバルーン本体３７と、バルーン本体３７の外面を被覆して取設されたメッシュ状（網目状）の規制部材１４とによって構成されている。ここで、規制部材１４は、エアー６が供給されて膨張するバルーン本体３７に応じてメッシュの間隔を拡げるようにして伸びる。このとき、規制部材１４が拡がって伸びる際にバルーン本体３７は、規制部材１４による規制力に抗する力で膨張する必要がある。そのため、バルーン本体３７は規制部材１４によって必要以上の膨張が抑えられ、膨張による形状が所定形状に保持される。その結果、ワイヤ１３の張力によってディスク関節部１０，２３，２９の回動量が一定となる。ここで、チューブ状に形成されたバルーン本体３７は、膨張の際にバルーン本体３７の長手方向に対して直交する方向に向かって膨張する。すなわち、長手方向に収縮することとなる。これにより、ワイヤ１３はバルーン本体３７側に引寄せられ、前述の張力が生じることになる。なお、図１乃至図５において、エアー６をエアー供給部からそれぞれのバルーン１５ａ等の導入口３５まで導くチューブに係る構成の図示を省略している。
【００３４】
次に、本実施形態の多関節歩行装置１による関節動作の一例について、主に図２及び図４に基づいて説明する。なお、説明を簡略化するため、第三フレーム２４と第四フレーム３０との間の回動に係る制御について限定して説明する。
【００３５】
まず、ＦＰＧＡによって構築された脚部制御部からディスク回動制御部に対し、各バルーン３２ａ，３２ｂに対するエアー６の供給量を決定し、制御する指示が行われる。このとき、脚部制御部から送出される指示は、遠隔操作等によって使用者（操作者）が直接指示するもの、或いは、フレーム本体３に取設された周囲の状況を認識するためのカメラ等の撮像手段、または種々のセンサ等の検知手段に基づき、予めプログラムされたステップに基づいてフレーム本体３が自ら判断し、脚部４の関節動作を制御するものであってもよい。これにより、ディスク回動制御部によってエアー供給部が制御され、二組の第三バルーン３２ａ，３２ｂからなるいずれか一方（この場合、第三バルーン３２ａ）に規定された量のエアー６が供給される。これにより、第三バルーン３２ａのバルーン本体３７の内部に導入口３５から該エアー６が導入される。そして、一端がワイヤ連結金具３６によって閉塞されたチューブ状のバルーン本体３７は、内部空間に該エアー６が貯留され、バルーン本体３７の外面を四方に向けて押出すようにする。その結果、第三バルーン３２ａが膨張する。このとき、前述したように、規制部材１４によって第一バルーン１５ｂの膨張は、所定形状を保つように規制され、さらにワイヤ１３の架渡方向に対して直交する方向に膨張が限定されている。そのため、第一バルーン１５ｂは長手方向に収縮し、短手方向に膨張する。これに伴ってワイヤ１３が第一バルーン３２ａに向かって引っ張られるように張力が働く（図４における矢印Ｃ参照）。なお、第一バルーン３２ｂは、ワイヤ１３が第三バルーン３２ａの方向に引っ張られることにより、長手方向に若干伸張する（図４参照）。
【００３６】
そして、該ワイヤ１３に生じた張力によって、ワイヤ溝部９で当接した第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂは、摩擦抵抗によって回動軸３８を軸として回動する（図４における矢印Ｄ参照）。このとき、第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂは、ガイドローラ１６及び第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂの間で交叉したワイヤ１３の張力によって、第三外ディスク部３４のディスク環径が狭くする力が作用し、第三内ディスク部３３との間の摩擦抵抗が大となる。その結果、ワイヤ１３の変位によって第三外ディスク部３４及び第三内ディスク部３３が一体となり回動軸３８に従って協働して回動する。これにより、第三フレーム２４及び第四フレーム３０の間の第三関節角度γ（図２参照）が第三関節角度γ’（図４参照）に変位する。なお、第四フレーム３０を逆方向に回動させるには、第三バルーン３２ｂに対してエアー６を供給して膨張させ、第三バルーン３２ｂに向かってワイヤ１３が引き寄せられるようにする制御を行う必要がある。これにより、人等の関節動作を精度良く再現させることができる。
【００３７】
このとき、本実施形態の多関節歩行装置１は、第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂが互いにディスク面が当接した一対のディスク関節部２９ａ及びディスク関節部２９ｂによって形成され、それぞれに対してワイヤ１３及び第三バルーン３２ａ，３２ｂが設けられている。そのため、上述した操作を二組の第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂに対して協働した行うことにより、さらに強いトルクを発揮し、歩行動作を安定させることが可能となる。また、互いの第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂの回動制御を脚部制御部によってタイミングをずらすことにより、脚部４による歩行動作が滑らかになり、また制御によっては高い障害物等を安定して越えることができるようになる。
【００３８】
さらに、本実施形態の多関節歩行装置１は、第三ディスク関節部２９ａ，２９ｂを第三外ディスク部３４及び第三内ディスク部３３の二つの部材で構成し、第三内ディスク部３３に沿って第三外ディスク部３４を摺動可能に嵌装し、さらに抵抗調整手段として設けられた切欠１９によってディスク環径をワイヤ１３の張力に応じて変化させ、摩擦抵抗を自在に調整することができる。これにより、摩擦抵抗に抗して僅かに摺動する該ディスク部３３，３４の”あそび”によって、関節動作の開始及び停止が滑らかとなり、より人や動物等の挙動に近似させることができる。また、各バルーン３２ａ等がそれぞれターンバックル機構４０によって接続されていることにより、バルーン３２ａ等を回転させて、所定のねじ込み量に設定することにより、ワイヤ１３の張力を容易に変更することができる。そのため、歩行動作時等にディスク関節部１０等からワイヤ１３が外れるような脱輪のような問題が発生することがない。また、バルーン３２ａを予め膨張した状態を初期状態とすることにより、エアー６を供給しない状態でも常にある程度の張力が加えられているため、上述した脱輪がさらに発生することがない。
【００３９】
なお、上述した第一バルーン１５ａに対するエアー６の供給は、脚部制御部によって瞬間的に行われるものであり、爆発に近い状態で実施される。そのため、従来のサーボモータ等を用いた歩行装置に比べ、各フレーム７等の挙動が速やかに行い、十分なトルクを生み出すことができる。そのため、比較的重量物が多く形成されたフレーム本体３であっても、本実施形態で示したように、六本の脚部４を設けることにより、移動に支障がない程度の十分な力を得ることができる。
【００４０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００４１】
すなわち、本実施形態の多関節歩行装置１において、六本の脚部４を利用して、フレーム本体３を支持した多足歩行型のロボット２を構築するものについて例示したがこれに限定されるものではなく、四足歩行或いは二足歩行等のロボットの歩行機構に採用することも可能である。しかしながら、例えば、災害救助用のロボットの場合、瓦礫が散乱した悪路での歩行安定性を考慮すると、脚部４の数はできるだけ多いことが望まれ、一方で各可動軸の制御及び脚部制御部の処理能力の負担を考慮するならば脚部４の数は可能な限り少ない方が好ましい。そのため、上述の要件を鑑み、四本から八本程度の多足型のロボットとして構築することが望ましい。また、一つの可動軸に対して二つのディスク関節部１０等をディスク面を互いに直交させるようにして配し、主フレーム及び副フレームを連結することにより、人間等の関節動作の「曲げ」の動作と同時に「捻り」の動作を再現することができる。これにより、実際の人間等の関節動作にさらに近づけることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態の多関節歩行装置１において、各フレーム７等及びバルーン１５ａ等を構築する素材は特に限定されない。しかしながら、重量物のフレーム本体３を支持し、歩行させるために、該フレーム７は有る程度の強度を要する必要があり、スチール、アルミニウムなどの金属製の材料によって構成されることが望ましい。一方、バルーン１５ａ，１５ｂ等は供給されるエアー６によって自在に膨張することが可能な素材で形成されものであればよく、かつ十分なトルクを得ることができるものであれば構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態の多関節歩行装置を使用したロボットの概略構成を示す説明図である。
【図２】多関節歩行装置の脚部を説明する説明図である。
【図３】多関節歩行装置の脚部を説明する説明図である。
【図４】脚部の関節動作の一例を示す説明図である。
【図５】バルーンの構成を示す断面図である。
【図６】回転機構部の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  多関節歩行装置
２  ロボット
３  フレーム本体
４  脚部
６  エアー
７  第一フレーム（主フレーム）
８，２２，３８  回動軸
９  ワイヤ溝部
１０  第一ディスク関節部（ディスク関節部）
１１  第二フレーム（主フレーム、副フレーム）
１２  第一支持フレーム（支持フレーム）
１３  ワイヤ
１４  規制部材（膨張規制手段）
１５ａ，１５ｂ  第一バルーン（バルーン）
１６  ガイドローラ
１７  第一内ディスク部（内ディスク部）
１８  第一外ディスク部（外ディスク部、抵抗調整手段）
１９  切欠（抵抗調整手段）
２０  エアー供給部（エアー供給手段）
２１  ディスク回動制御部（ディスク回動制御手段）
２３  第二ディスク関節部（ディスク関節部）
２４  第三フレーム（主フレーム、副フレーム）
２５  第二支持フレーム（支持フレーム）
２６ａ，２６ｂ  第二バルーン（バルーン）
２７  第二内ディスク部（内ディスク部）
２８  第二外ディスク部（外ディスク部）
２９  第三ディスク関節部（ディスク関節部）
３０  第四フレーム（主フレーム）
３１  第三支持フレーム（支持フレーム）
３２ａ，３２ｂ  第三バルーン（バルーン）
３３  第三内ディスク部（内ディスク部）
３４  第三外ディスク部（外ディスク部）
４０  ターンバックル機構
α  第一関節角度
β  第二関節角度
γ，γ’  第三関節角度
δ  回動方向
【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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