(57)【要約】【課題】ロボットの関節を駆動するアクチュエータユニットを小型化および軽量化できるようにする。【解決手段】  ロボットの骨格部２０１の脚部ユニット２１２Ｌにおいて、ロボットの進行方向に対してほぼ平行な回転軸を持つ関節部のうちロボットの胴体部ユニット２１１に最も近い関節部２２１Ｌ−１を、その回転軸Ｃ１１を通る鉛直線Ｖ１１と重心２３１を通る鉛直線Ｖ１３との距離Ｄ１２が、ロボットの足部２２３Ｌの接地点Ｅ１１を通る鉛直線Ｖ１２と重心２３１を通る鉛直線Ｖ１３との距離Ｄ１１より短くなるように、胴体部２１１に取り付ける。本発明は、脚式ロボットに適用することができる。【選択図】図６
2006043845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、前記胴体部を支える少なくとも２本の脚とを有する脚式ロボットにおいて、
静止した状態の前記脚式ロボットを支える前記脚の前記脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸を有する関節のうち前記胴体部に最も近い関節は、前記回転軸を通る第１の鉛直線と前記脚式ロボットの重心を通る第２の鉛直線との距離が、前記脚の接地点を通る第３の鉛直線と前記第２の鉛直線との距離より短くなる位置に配置されている
ことを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
前記脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸を有する関節のうち前記胴体部に最も近い関節は、揺動スライダクランク機構により構成される
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、脚を使って歩行する脚式ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二足歩行ロボットなどに代表される脚式ロボットの研究および開発が盛んである（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図１は、脚式ロボットとしての二足歩行ロボットの胴体部および脚部の内部に収容される骨格を構成する骨格部１の構成の例を模式的に示す斜視図である。骨格部１は、胴体部ユニット１１の左右に脚部ユニット１２Ｌ，１２Ｒがそれぞれ連結され、構成される。なお、胴体部ユニット１１の面１１Aがロボットの正面（進行方向）とされる。
【０００４】
胴体部ユニット１１には、ロボットの各部の動きを制御する図示せぬメインコントロール部が内蔵されている。
【０００５】
左側の脚部ユニット１２Ｌは、関節部２１Ｌ−１乃至２１Ｌ−６、連結部２２Ｌ−１乃至２２Ｌ−３、および足部２３Ｌにより構成される。
【０００６】
関節部２１Ｌ−１は、胴体部ユニット１１の左側面に連結され、長さ方向の軸を中心として回動可能とされている。関節部２１Ｌ−１はまた、関節部２１Ｌ−２と連結部２２Ｌ−１を、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２１Ｌ−２は、関節部２１Ｌ−１と連結部２２Ｌ−１を、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２１Ｌ−３は、連結部２２Ｌ−１と連結部２２Ｌ−２を、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２１Ｌ−４は、連結部２２Ｌ−２と連結部２２Ｌ−３を、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２１Ｌ−５は、連結部２２Ｌ−３と関節部２１Ｌ−６を、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２１Ｌ−６は、連結部２２Ｌ−３と関節部２１Ｌ−５を、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。
【０００７】
関節部２１Ｌ−５および２１Ｌ−６は、ロボットを支えるための足部２３Ｌに取り付けられている。
【０００８】
関節部２１Ｌ−１，および、２１Ｌ−３乃至２１Ｌ−５は、その長さ方向の軸がほぼ平行となるように配置されている。すなわち、関節部２１Ｌ−１，および、２１Ｌ−３乃至２１Ｌ−５は、ロボットの進行方向となる正面方向とほぼ垂直な方向の回転軸を持つ。関節部２１Ｌ−２，２１Ｌ−６は、その長さ方向の軸がほぼ平行となるように配置されている。すなわち、関節部２１Ｌ−２，２２１Ｌ−６は、ロボットの進行方向に対して、ほぼ垂直な方向の回転軸を持つ。
【０００９】
関節部２１Ｌ−１乃至２１Ｌ−６には、各関節部の動作角度を検出する角度センサが内蔵されており、角度センサにより検出されたデータが、図示せぬ信号線により胴体部ユニット１１のメインコントロール部に供給される。関節部２１Ｌ−１乃至２１Ｌ−６および連結部２２Ｌ−１乃至２２Ｌ−３には、モータおよび減速機構などからなる各関節部を駆動するアクチュエータユニットが内蔵されている。胴体部ユニット１１のメインコントロール部は、各関節部の角度センサにより検出されたデータに基づいて、各関節部を駆動するアクチュエータユニットを制御して、各関節部を回動させる。
【００１０】
脚部ユニット１２Ｒは、脚部ユニット１２Ｌと同様の構成とされ、その説明は繰り返しになるので省略する。
【００１１】
図２は、ロボットが両脚で直立し静止している状態において、ロボットの正面から見た骨格部１を模式的に表した図である。図３は、ロボットが歩行したり、走行したりする場合に、ロボットが右脚を持ち上げ、左脚のみによりバランスが保たれて、支えられている状態において、ロボットの正面から見た骨格部１を模式的に表した図である。
【００１２】
なお、図２および図３においては、説明を簡単にするために、脚部ユニット１２Ｌについて、関節部２１Ｌ−１乃至２１Ｌ−６のうち、関節部２１Ｌ−１と、ロボットの進行方向とほぼ平行な方向の回転軸を持つ関節部２１Ｌ−２および２１Ｌ−６のみを図示するとともに、連結部２２Ｌ−１乃至２２Ｌ−３を簡略化して１本の連結部２４Ｌとして表している。脚部ユニット１２Ｒについても同様に、関節部２１Ｒ−１、２１Ｒ−２および２１Ｒ−６のみを図示するとともに、連結部２２Ｒ−１乃至２２Ｒ−３を簡略化して１本の連結部２４Ｒとして表している。
【００１３】
また、図２および図３において、鉛直線V１は関節部２１Ｌ−２の回転軸Ｃ１を通る鉛直線である。鉛直線V２は足部２３Ｌの接地点Ｅ１を通る鉛直線である。鉛直線Ｖ３は重心３１を通る鉛直線である。図２において、鉛直線Ｖ１と鉛直線Ｖ２はほぼ一致する。すなわち、ロボットが二本の脚で直立（静止）している場合、関節部２１Ｌ−２の回転軸Ｃ１は、足部２３Ｌの接地点Ｅ１のほぼ真上に位置する。また、図３の距離Ａ１は、鉛直線Ｖ１と鉛直線Ｖ２の間の距離を示すとともに、図２の状態から図３の状態に遷移する場合のロボットの接地点Ｅ１の移動距離を示している。距離Ｄ１は、鉛直線Ｖ１と鉛直線Ｖ３との距離を示している。
【００１４】
二足歩行ロボットにおいては、地面に両脚が接している場合、ロボットのバランス（静的安定）を保ち転倒させないように、ロボットの重心３１に加えられる重力のベクトルが地面と交わる荷重点Ｌ１が、両脚の接地面の内側（領域内）、または、両脚の接地面が作る多角形の内側（領域内）に位置するように、ロボットの脚の位置が制御される。例えば、図２に示されるようにロボットが両脚で直立して静止している場合、荷重点Ｌ１が、足部２３Ｌの接地面の内側（領域内）、足部２３Ｒの接地面の内側（領域内）、または、足部２３Ｌの接地面と足部２３Ｒの接地面が作る多角形の内側（足部２３Ｌ，２３Ｒの内側の辺とその端点を結んで形成される領域内）に位置するように脚部ユニット１２Ｌおよび１２Ｒの位置が制御される。
【００１５】
また、二足歩行ロボットにおいては、片脚が地面から離れている場合、荷重点Ｌ１が地面についている脚の接地面の内側（領域内）に位置するように、ロボットの脚の位置が制御される。例えば、図３に示されるようにロボットが右脚を持ち上げた場合、左脚のみによりバランスを保つために、荷重点Ｌ１が足部２３Ｌの接地面の内側（領域内）に位置するように脚部ユニット１２Ｌの位置が制御される。
【００１６】
なお、図３の距離Ａ１は、足部２３Ｌに加えられるロボットの重力により関節部２１Ｌ−２に加えられる回転力の作用点（回転軸Ｃ１）から、足部２３Ｌに加えられるロボットの重力の作用線（鉛直線Ｖ２）までの距離と等しい。従って、ロボットの重力をＧ１とすると、図３に示される状態において、ロボットの重力により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさはＧ１×Ａ１とほぼ等しくなる。
【特許文献１】特開２００３−８０４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図２に示されるようにロボットが両脚で直立（静止）している場合、ロボットの重力Ｇ１は、地面に対してほぼ垂直な方向に足部２３Ｌおよび足部２３Ｒにほぼ均等に分散されて加えられる。この場合、関節部２１Ｌ−２の回転軸Ｃ１は、足部２３Ｌの接地点Ｅ１のほぼ真上に位置しており、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる回転力の作用点（回転軸Ｃ１）からロボットの重力Ｇ１の作用線（鉛直線Ｖ１）までの距離はほぼ０となり、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさはほぼ０となる。同様に、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｒ−２に加えられる力のモーメントの大きさもほぼ０となる。
【００１８】
しかしながら、このロボットでは、ロボットが両脚で直立（静止）した状態において、距離Ａ１が最小のほぼ０となるように関節部２１Ｌ−２が配置されているため、図３に示されるように、ロボットが左脚のみでバランスを保つために、ロボットの荷重点Ｌ１が足部２３Ｌの接地面の内側（領域内）に位置するように脚部ユニット１２Ｌの位置が制御された場合、距離Ａ１が長くなってしまい、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさが大きくなってしまう。
【００１９】
従って、関節部２１Ｌ−２に加わる力のモーメントによる負荷を支えるために、出力が大きいモータが必要となり、関節部２１Ｌ−２を駆動するアクチュエータユニットが大型化し、重くなってしまうという課題があった。さらに、大きな負荷に耐えられるように、アクチュエータユニットの減速機構に用いられる歯車の歯厚を厚くしたり、モジュールを大きくしたりして、歯車の強度を高める必要があり、減速機構もまた大型化し、重くなってしまうという課題があった。なお、これは、関節部２１Ｒ−２を駆動するアクチュエータユニットについても同様である。
【００２０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ロボットの関節を駆動するアクチュエータユニットを小型化、軽量化し、もってロボット全体を小型化、軽量化できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の脚式ロボットは、胴体部と、胴体部を支える少なくとも２本の脚とを有する脚式ロボットであって、静止した状態の脚式ロボットを支える脚の脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸を有する関節のうち胴体部に最も近い関節は、回転軸を通る第１の鉛直線と脚式ロボットの重心を通る第２の鉛直線との距離が、脚の接地点を通る第３の鉛直線と第２の鉛直線との距離より短くなる位置に配置されていることを特徴とする。
【００２２】
脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸を有する関節のうち胴体部に最も近い関節は、揺動スライダクランク機構により構成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明の脚式ロボットにおいては、静止した状態の脚式ロボットを支える脚の脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸を有する関節のうち胴体部に最も近い関節は、回転軸の中心を通る第１の鉛直線と脚式ロボットの重心を通る第２の鉛直線との距離が、脚の接地点を通る第３の鉛直線と第２の鉛直線との距離より短くなる位置に配置されている。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明の脚式ロボットによれば、脚式ロボットを支え、歩行させることができる。また、本発明の脚式ロボットによれば、脚式ロボットの関節を駆動するアクチュエータユニットを小型化、軽量化し、もって全体を小型化、軽量化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、請求項に記載の構成要件と、発明の実施の形態における具体例との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、請求項に記載されている発明をサポートする具体例が、発明の実施の形態に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の実施の形態中には記載されているが、構成要件に対応するものとして、ここには記載されていない具体例があったとしても、そのことは、その具体例が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、具体例が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その具体例が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
【００２６】
さらに、この記載は、発明の実施の形態に記載されている具体例に対応する発明が、請求項に全て記載されていることを意味するものではない。換言すれば、この記載は、発明の実施の形態に記載されている具体例に対応する発明であって、この出願の請求項には記載されていない発明の存在、すなわち、将来、分割出願されたり、補正により追加される発明の存在を否定するものではない。
【００２７】
請求項１に記載の脚式ロボット（例えば、図４のロボット１０１）は、胴体部（例えば、図５の胴体部ユニット２１１）と、前記胴体部を支える少なくとも２本の脚（例えば、図５の脚部ユニット２１２Ｌ，２１２Ｒ）とを有する脚式ロボットであって、静止した状態（例えば、図６に示される状態）の前記脚式ロボットを支える前記脚の前記脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸（例えば、図６の回転軸Ｃ１１）を有する関節のうち前記胴体部に最も近い関節（例えば、図６の関節部２２１Ｌ−１）は、前記回転軸を通る第１の鉛直線（例えば、図６の鉛直線Ｖ１１）と前記脚式ロボットの重心（例えば、図６の重心２３１）を通る第２の鉛直線（例えば、図６の鉛直線Ｖ１３）との距離（例えば、図６の距離Ｄ１２）が、前記脚の接地点（例えば、図６の接地点Ｅ１１）を通る第３の鉛直線（例えば、図６の鉛直線Ｖ１２）と前記第２の鉛直線との距離（例えば、図６の距離Ｄ１１）より短くなる位置に配置されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項２に記載の脚式ロボット（例えば、図４のロボット１０１）においては、前記脚式ロボットの進行方向と略平行な方向の回転軸を有する関節のうち前記胴体部に最も近い関節は、揺動スライダクランク機構（例えば、図８の関節機構３０１）により構成されることを特徴とする。
【００２９】
以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
図４は、本発明を適用した二足歩行する脚式ロボットであるロボット１０１の一実施の形態の外観構成の例を模式的に示す斜視図である。ロボット１０１は、胴体部ユニット１１１、頭部ユニット１１２、腕部ユニット１１３Ｒ，１１３Ｌ、脚部ユニット１１４Ｌ，１１４Ｒ、および尻尾部ユニット１１５により構成される。胴体部ユニット１１１の前端部上方に頭部ユニット１１２が連結され、胴体部ユニット１１１の左前部下方に腕部ユニット１１３Ｌが連結され、胴体部ユニット１１１の右前部下方に腕部ユニット１１３Ｒが連結され、胴体部ユニット１１１の左後部下方に脚部ユニット１１４Ｌが連結され、胴体部ユニット１１１の右後部下方に脚部ユニット１１４Ｒが連結され、胴体部ユニット１１１の後端部に尻尾部ユニット１１５が連結されている。
【００３１】
ロボット１０１は、脚部ユニット１１４Ｌまたは１１４Ｒを折りたたんだり、伸展したりして、自力で立ったり、座ったり、歩行したり、走行したり、跳躍したりすることができる。また、ロボット１０１は、頭部ユニット１１２、腕部ユニット１１３Ｌ、腕部ユニット１１３Ｒ、または尻尾部ユニット１１５を動かすことにより、鳥類、恐竜、または爬虫類などに似たおどけたしぐさなどのパフォーマンスを表現することができる。
【００３２】
図５は、ロボット１０１の胴体部ユニット１１１、および脚部ユニット１１４Ｌ，１１４Ｒの内部に収容される骨格を構成する骨格部２０１の構成の例を模式的に示す斜視図である。骨格部２０１は、胴体部ユニット２１１の左右に脚部ユニット２１２Ｌ，２１２Ｒがそれぞれ連結されて構成される。なお、胴体部ユニット２１１の面２１１Aがロボット１０１の正面（進行方向）とされる。
【００３３】
胴体部ユニット２１１には、汎用のCPU（Central Processing Unit）、ROM（Read Only Memory）、およびRAM（Random Access Memory）、またはMPU（Micro Processing Unit）などからなる、ロボット１０１の各部の動きを制御する図示せぬメインコントロール部が内蔵されている。
【００３４】
左側の脚部ユニット２１２Ｌは、関節部２２１Ｌ−１乃至２２１Ｌ−５、連結部２２２Ｌ−１乃至２２２Ｌ−３、および足部２２３Ｌにより構成される。
【００３５】
関節部２２１Ｌ−１は、胴体部ユニット２１１の左側面に連結され、長さ方向（ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向）の軸を中心として回動自在とされている。関節部２２１Ｌ−１は、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向の回転軸を有する関節部の中で、胴体部ユニット２１１に最も近い関節部である。関節部２２１Ｌ−１はまた、連結部２２２Ｌ−１を、胴体部ユニット２１１に接近または離間できるように回動自在に支持している。
【００３６】
ほぼＬ字型の形状をした連結部２２２Ｌ−１は、胴体部ユニット２１１の左側面に結合され、胴体部ユニット２１１の左側面にほぼ垂直に配置された部分２２２Ｌ−１Ａの長さ方向（ロボット１０１の進行方向とほぼ垂直な方向）の軸を中心に回動自在とされている。
【００３７】
関節部２２１Ｌ−２は、連結部２２２Ｌ−１と連結部２２２Ｌ−２を、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な面内において、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２２１Ｌ−３は、連結部２２２Ｌ−２と連結部２２２Ｌ−３を、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な面内において、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２２１Ｌ−４は、連結部２２２Ｌ−３と関節部２２１Ｌ−５を、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な面内において、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。関節部２２１Ｌ−５は、連結部２２２Ｌ−３と関節部２２１Ｌ−４を、ロボット１０１の進行方向とほぼ垂直な面内において、両者が接近または離間できるように回動自在に支持している。
【００３８】
関節部２２１Ｌ−４および２２１Ｌ−５は、ロボット１０１を支えるための足部２２３Ｌに固定されている。
【００３９】
連結部２２２Ｌ−１の部分２２２Ｌ−１Ａ、および、関節部２２１Ｌ−２乃至２２１Ｌ−４は、その長さ方向の軸がほぼ平行となるように配置されている。すなわち、連結部２２２Ｌ−１、関節部２２１Ｌ−２乃至２２１Ｌ−４は、ロボット１０１の進行方向となる正面方向とほぼ垂直な方向の回転軸を持つ。関節部２２１Ｌ−１，２２１Ｌ−５は、その長さ方向の軸がほぼ平行となるように配置されている。すなわち、関節部２２１Ｌ−１，２２１Ｌ−５は、ロボット１０１の進行方向に対して、ほぼ平行な方向の回転軸を持つ。
【００４０】
関節部２２１Ｌ−１乃至２２１Ｌ−５、および連結部２２２Ｌ−１乃至２２２Ｌ−３には、各関節部または連結部の動作角度を検出する角度センサが内蔵されており、角度センサにより検出されたデータが、図示せぬ信号線により胴体部ユニット２１１のメインコントロール部に供給される。関節部２２１Ｌ−１乃至２２１−５および連結部２２２Ｌ−１乃至２２２Ｌ−３には、モータおよび減速機構などからなる各関節部を駆動するアクチュエータユニットが内蔵されている。胴体部ユニット２１１のメインコントロール部は、各関節部の角度センサにより検出されたデータに基づいて、各関節部または連結部を駆動するアクチュエータユニットを制御して、各関節部または連結部を回動させる。
【００４１】
脚部ユニット２１２Ｒは、脚部ユニット２１２Ｌと同様の構成とされ、その説明は繰り返しになるので省略する。
【００４２】
図６は、ロボット１０１が両脚で直立（静止）している状態において、ロボット１０１の正面から見た骨格部２０１を模式的に表した図である。図７は、ロボット１０１が歩行したり、走行したりする場合に、ロボット１０１が右脚を持ち上げ、左脚のみによりバランスが保たれて、支えられている状態において、ロボット１０１の正面から見た骨格部２０１を模式的に表した図である。
【００４３】
なお、図６および図７において、説明を簡単にするために、脚部ユニット２１２Ｌについて、関節部２２１Ｌ−１乃至２２１Ｌ−５のうち、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向の回転軸を持つ関節部２２１Ｌ−１および２２１Ｌ−５のみを図示するとともに、連結部２２２Ｌ−１乃至２２２Ｌ−３を簡略化して１本の連結部２２４Ｌとして表している。脚部ユニット２１２Ｒについても同様に、関節部２２１Ｒ−１および２２１Ｒ−５のみを図示するとともに、連結部２２２Ｒ−１乃至２２２Ｒ−３を簡略化して１本の連結部２２４Ｒとして表している。
【００４４】
また、図６および図７において、鉛直線V１１は関節部２２１Ｌ−１の回転軸（ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向の回転軸）Ｃ１１を通る鉛直線である。鉛直線V１２は足部２２３Ｌの接地点Ｅ１１を通る鉛直線である。鉛直線Ｖ１３は、ロボット１０１の重心２３１を通る鉛直線である。ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向の回転軸を有する関節部であって、胴体部ユニット２１１に最も近い関節部２２１Ｌ−１は、図６に示されるように、ロボットが二本の脚で直立（静止）している場合、関節部２２１Ｌ−１の回転軸Ｃ１１を通る鉛直線Ｖ１１とロボット１０１の重心２３１を通る鉛直線Ｖ１３との距離Ｄ１２が、足部２２３Ｌの接地点Ｅ１１を通る鉛直線Ｖ１２と重心２３１を通る鉛直線Ｖ１３との距離Ｄ１１より短くなる位置に配置されている。また、図６の距離Ａ１１および図７の距離Ａ２１は、鉛直線Ｖ１１と鉛直線Ｖ１２の間の距離を示している。
【００４５】
図６に示されるように、ロボット１０１が両脚で直立（静止）している状態において、ロボット１０１のバランス（静的安定）を保ち転倒させないように、ロボット１０１の重心２３１に加えられる重力のベクトルが地面と交わる荷重点Ｌ１１が、足部２２３Ｌの接地面の内側（領域内）、足部２２３Ｒの接地面の内側（領域内）、または、足部２２３Ｌの接地面と足部２２３Ｒの接地面が作る多角形の内側（足部２２３Ｌと足部２２３Ｒのそれぞれの内側の進行方向とほぼ平行な辺と、その辺の端点とを結んで形成される４角形の領域内）に位置するように、脚部ユニット２１２Ｌおよび２１２Ｒの位置が制御される。この場合、ロボット１０１の重力をＧ１１とすると、重力Ｇ１１は地面に対してほぼ垂直な方向に足部２２３Ｌおよび２２３Ｒにほぼ均等に分散されて加えられる。
【００４６】
距離Ａ１１は、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる回転力の作用点（回転軸Ｃ１１）から、足部２２３Ｌに加えられるロボット１０１の重力Ｇ１１の作用線（鉛直線Ｖ１２）までの距離と等しいため、図６に示される状態において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさはＧ１１×Ａ１１÷２とほぼ等しくなる。また、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｒ−１に加えられる力のモーメントの大きさもほぼ等しい値となる。
【００４７】
また、ロボット１０１が歩いたり、走ったりする場合、ロボット１０１は直立（静止）時より少ない脚で支えられる。この場合、例えば、図７に示されるように、ロボット１０１が右脚を持ち上げた状態において、ロボット１０１のバランスを保ち転倒させないようにするために、荷重点Ｌ１１が足部２２３Ｌの接地面の内側（領域内）に位置するように、脚部ユニット２１２Ｌの位置が制御される。この場合、ロボット１０１の重力Ｇ１１は、地面に対してほぼ垂直に足部２２３Ｌに加えられる。距離Ａ２１は、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる回転力の作用点（回転軸Ｃ１１）から、ロボット１０１の重力Ｇ１１の作用線（鉛直線Ｖ１２）までの距離と等しいため、図７に示される状態において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさはＧ１１×Ａ２１とほぼ等しくなる。
【００４８】
ここで、図１の骨格部１の関節部２１Ｌ−２と図５の骨格部２０１の関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさを比較する。なお、以下の比較において、骨格部１により構成されるロボットと図４のロボット１０１とは、ほぼ同じ形状および重さであるとする。従って、図２および図３に示されるロボットの重心３１の位置と図６および図７に示されるロボット１０１の重心２３１の位置とはほぼ等しくなり、骨格部１により構成されるロボットの重力Ｇ１とロボット１０１の重力Ｇ１１とはほぼ等しくなる。
【００４９】
また、骨格部１の胴体部ユニット１１と骨格部２０１の胴体部ユニット２１１とは、ほぼ同じ形状かつ重さであるとする。さらに、骨格部１における脚部ユニット１２Ｌ，１２Ｒの胴体部ユニット１１との接続位置と、骨格部２０１における脚部ユニット２１２Ｌ，２１２Ｒの胴体部ユニット２１１との接続位置はほぼ等しいものとする。また、図２に示される骨格部１における、胴体部ユニット１１に対する関節部２１Ｌ−６，２１Ｒ−６および足部２３Ｌ，２３Ｒの相対位置と、図６に示される骨格部２０１における、胴体部ユニット２１１に対する関節部２２１Ｌ−５，２２１Ｒ−５および足部２２３Ｌ，２２３Ｒの相対位置とはほぼ等しいものとする。従って、図３の重心３１の荷重点Ｌ１に対する接地点Ｅ１の相対位置と、図６の重心２３１の荷重点Ｌ１１に対する接地点Ｅ１１の相対位置とはほぼ等しくなる。また、図２の距離Ｄ１と図６の距離Ｄ１１はほぼ等しくなる。
【００５０】
図２および図３を図６および図７と比較して明らかなように、図６の距離Ｄ１２が図２の距離Ｄ１より短くなるように関節部２２１Ｌ−１を配置したことにより、距離Ａ２１は距離Ａ１より短くなる。従って、ロボットが右脚を上げてバランスを保っている状態において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさＧ１１×Ａ２１は、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさＧ１×Ａ１より小さくなる。
【００５１】
一方、図２と図６を比較して、上述したように、ロボットの重力Ｇ１により図２の関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさがほぼ０になるのに対し、ロボット１０１の重力Ｇ１１により図６の関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさはＧ１１×Ａ１１÷２となる。
【００５２】
しかし、図３において、荷重点Ｌ１が足部２３Ｌの内側（領域内）に位置するように、脚部ユニット１２Ｌの位置が制御された場合、距離Ａ１は図６の距離Ａ１１より長くなる。さらに、上述したように、図６において、ロボット１０１の重力Ｇ１１は、足部２２３Ｌと足部２２３Ｒにほぼ均等に加えられるので、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１および２２１Ｒ−１に加えられる力のモーメントもほぼ均等に分散される。ゆえに、図６において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさＧ１１×Ａ１１÷２は、図３において、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさＧ１×Ａ１より小さくなる。
【００５３】
従って、ロボット１０１の一連の行動において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさは、図３に示される状態において、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさＧ１×Ａ１より小さくなる。同様に、ロボット１０１の一連の行動において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｒ−１に加えられる力のモーメントの大きさも、ロボットが左脚を上げた状態において、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｒ−２に加えられる力のモーメントの大きさより小さくなる。
【００５４】
これにより、関節部２１Ｌ−２または２１Ｒ−２を駆動するアクチュエータユニットに比べて、関節部２２１Ｌ−１または２２１Ｒ−１を駆動するアクチュエータユニットでは、アクチュエータユニットの出力を低くしたり、減速機構の歯車の強度を落とすことができ、アクチュエータユニット、さらにはロボット１０１の全体を小型化および軽量化することができるとともに、アクチュエータユニットの消費電力を低減することができる。
【００５５】
なお、より厳密に言えば、ロボットが右脚を持ち上げ、左脚のみでバランスを保つ場合に、左脚を移動させる図３の距離Ａ１の最小値を距離Ａ１minとすると、Ｇ１１×Ａ１１÷２＜G１×Ａ１minを満たすように距離Ａ１１を設定すれば、ロボット１０１の一連の行動において、ロボット１０１の重力Ｇ１１により関節部２２１Ｌ−１に加えられる力のモーメントの大きさは、図３に示される状態において、ロボットの重力Ｇ１により関節部２１Ｌ−２に加えられる力のモーメントの大きさより小さくなる。いまの場合、Ｇ１≒Ｇ１１なので、Ａ１１＜Ａ１min×２を満たすように距離Ａ１１を設定すればよい。
【００５６】
また、連結部２２２Ｌ−１の形状は、図５に示されるＬ字型の形状に限らず、ロボット１０１が二本の脚で直立（静止）している状態において、関節部２２１Ｌ−１の回転軸Ｃ１１を通る鉛直線Ｖ１１と重心２３１を通る鉛直線Ｖ１３との距離Ｄ１２が、足部２２３Ｌの接地点Ｅ１１を通る鉛直線Ｖ１２と重心２３１を通る鉛直線Ｖ１３との距離Ｄ１１より短くなるような形状であればよい。これは、連結部２２２Ｒ−１についても同様である。
【００５７】
さらに、ロボット１０１が二本の脚で直立（静止）している状態において、距離Ｄ１２が距離Ｄ１１より短くなるように、関節部２２１Ｌ−１を、胴体部ユニット２１１の左側面以外の面、例えば、胴体部ユニット２１１の下面に連結するようにしてもよい。
【００５８】
また、胴体部ユニット２１１と関節部２２１Ｌ−１は、必ずしも胴体部ユニット２１１に連結させる必要はなく、ロボット１０１が二本の脚で直立（静止）している状態において、距離Ｄ１２が距離Ｄ１１より短くなるように、胴体部ユニット２１１と関節部２２１Ｌ−１の間に連結部を設けて、関節部２２１Ｌ−１を胴体部ユニット２１１から離して配置するようにしてもよい。
【００５９】
さらに、ロボット１０１が二本の脚で直立（静止）している状態において、距離Ｄ１２が距離Ｄ１１より短くなるのであれば、胴体部ユニット２１１と関節部２２１Ｌ−１の間に、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向以外の回転軸を有する関節部、例えば、ロボット１０１の進行方向とほぼ垂直な方向の回転軸を有する関節部を設けるようにしてもよい。すなわち、関節部２２１Ｌ−１は、ロボット１０１の進行方向とほぼ平行な方向の回転軸を有する関節部の中で、胴体部ユニット２１１に最も近い関節部であればよい。
【００６０】
これらは、関節部２２１Ｒ−１についても同様である。
【００６１】
図８は、関節部２２１Ｌ−１または２２１Ｒ−１を構成する関節機構３０１の構成の一例を示す図である。関節機構３０１は、アクチュエータ３１１、およびリンク部材３１２により構成される。
【００６２】
アクチュエータ３１１は、棒状の回転軸３１１Ａと、その軸端に固定された円板状の板３１１Ｂにより構成される。板３１１Ｂの回転軸３１１Ａが設けられている面とは反対側の面の回転軸３１１Ａの中心からオフセットした位置に円柱状の軸３１１Cが設けられている。リンク部材３１２は、長孔状の溝３１２Ａ、および円形の孔３１２Ｂが設けられている。そして、アクチュエータ３１１の軸３１１Cがリンク部材３１２の溝３１２Ａに嵌るように、アクチュエータ３１１とリンク部材３１２が組み合わされている。
【００６３】
アクチュエータ３１１は、図示せぬモータなどの駆動機構や減速機構などを含むアクチュエータユニットにより、回転軸３１１Ａを中心にして時計方向または反時計方向に回動される。図９乃至図１１に示されるように、アクチュエータ３１１の回動に伴い、軸３１１Cがリンク部材３１２の溝３１２Ａ内を滑動し、リンク部材３１２が、孔３１２Ｂに取り付けられた軸（孔３１２Ｂの中心）を中心に、上下に揺動する。すなわち、アクチュエータ３１１およびリンク部材３１２により、アクチュエータ３１１がクランクとして働き、リンク部材３１２がレバーとして働く揺動スライダクランク機構が構成される。
【００６４】
なお、図９はリンク部材３１２が上死点となる状態を示しており、図１１はリンク部材３１２が下死点となる状態を示している。例えば、アクチュエータ３１１が図内の矢印に示される時計回りの方向に回動することにより、リンク部材３１２は、図９に示される上死点の状態から、孔３１２Ｂを中心に図内の矢印に示される反時計回りの方向に回動し、図１１に示される下死点の状態に達する。さらに、アクチュエータ３１１を時計回りに回動させることにより、リンク部材３１２は、孔３１２Ｂを中心に時計回りの方向に回動し、再び図９に示される上死点の状態に戻る。
【００６５】
また、図１０に示されるアクチュエータ３１１の軸３１１Cが右端にくる位置を基準として、図９に示されるように、回転軸３１１Ａ（板３１１Ｂ）を中心として、反時計周りの方向を正の方向とする軸３１１Cの回転角を回転角θin、孔３１２Ｂを中心として、時計回りの方向を正の方向とするリンク部材３１２の回転角を回転角θout、回転軸３１１Ａ（板３１１Ｂ）の中心と軸３１１Cの中心との間の距離を距離ａ、リンク部材３１２の回転軸の中心である孔３１２Ｂの中心と回転軸３１１Ａ（板３１１Ｂ）の中心との距離を距離ｂとした場合、回転角θinと回転角θoutの関係式は、下記の式(1)となる。
【００６６】
【数１】
2006043845.tif 000003
【００６７】
図１２は式(1)の関係を表した図である。なお、回転角θoutは、リンク部材３１２が上死点となる位置において最大（正方向の最大値）となり、リンク部材３１２が下死点となる位置において最小（負方向の最大値）となる。
【００６８】
リンク部材３１２により軸３１１Cに加えられる力の向きは、孔３１２Ｂを中心とする軸３１１Cの中心を通る円の接線方向とほぼ等しく、リンク部材３１２が上死点または下死点となる状態の場合、リンク部材３１２により軸３１１Cに加えられる力Ｆ１または力Ｆ２の向きは、軸３１１Cの中心から回転軸３１１Ａの中心に向かう方向にほぼ等しくなる。従って、リンク部材３１２が上死点または下死点となる状態の場合、力Ｆ１または力Ｆ２により回転軸３１１Ａに加えられる力のモーメントの大きさはほぼ０となり、リンク部材３１２を上死点または下死点で静止させるために必要なアクチュエータユニットの駆動力はほぼ０となり、アクチュエータユニットの消費電力を低減することができる。
【００６９】
例えば、関節機構３０１は、図８に示されるように、ロボットの胴体部ユニット３２１の後部左側に取り付けられ、脚部ユニット３２３Ｌを胴体部ユニット３２１に対して左右（外側または内側）に開閉させる関節機構３０１Ｌ、および、ロボットの胴体部ユニット３２１の後部右側に取り付けられ、脚部ユニット３２３Ｒを胴体部ユニット３２１に対して左右（内側または外側）に開閉させる関節機構３０１Ｒとして用いられる。
【００７０】
関節機構３０１Ｌは、アクチュエータ３１１Ｌの回転軸３１１Ａが胴体部ユニット３２１の内部に設けられた図示せぬアクチュエータユニットのモータの回転を減速する減速機構に接続されるとともに、リンク部材３１２Ｌが胴体部ユニット３２１の後面３２１Ａとほぼ平行な方向に配置され、かつ、リンク部材３１２Ｌの孔３１２ＢＬがアクチュエータ３１１Ｌの中心に対して左斜め下方向に位置するように取り付けられる。また、関節機構３０１Ｌは、リンク部材３１２Ｌの孔３１２ＢＬに接続された接続部材３２２（図５の関節部２２１Ｌ−１に対応する）を介して、脚部ユニット３２３Ｌに接続される。
【００７１】
アクチュエータユニットのモータの回転に伴い、アクチュエータユニットの減速機構に接続されたアクチュエータ３１１Ｌが回動し、アクチュエータ３１１Ｌの回動に伴い、図９乃至図１１を参照して上述したように、リンク部材３１２Ｌが孔３１２ＢＬ（接続部材３２２）を中心に揺動することにより、接続部材３２２を介してリンク部材３１２Ｌに接続された脚部ユニット３２３Ｌが胴体部ユニット３２１に対して左右（外側または内側）に開閉される。
【００７２】
脚部ユニット３２３Ｒも脚部ユニット３２３Ｌと同様に、関節機構３０１Ｒにより胴体部ユニット３２１に対して左右（内側または外側）に開閉される。
【００７３】
なお、図示は省略するが、別のアクチュエータにより胴体部ユニット３２１の側面と平行な面内で脚部ユニット３２３Ｌ，３２３Ｒが駆動されることで、ロボット１０１は歩いたり、走ったりする。
【００７４】
以上の構成は３本以上の脚を持つ脚式ロボットにも適用することができる。また、２本以上の脚の全部ではなく、一部についてだけ適用してもよい。さらに、図５または図８に示されるように、胴体部の側面に脚が接続された脚式ロボット以外にも、胴体部の側面以外、例えば、胴体部の下面に脚が接続された脚式ロボットにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】従来のロボットの骨格部の構成の例を示す斜視図である。
【図２】ロボットが両脚で直立し静止している状態における図１の骨格部を示す正面図である。
【図３】ロボットが右脚を持ち上げた状態における図１の骨格部を示す正面図である。
【図４】本発明を適用したロボットの一実施の形態の外観構成を示す斜視図である。
【図５】図４のロボットの骨格部の構成の例を示す斜視図である。
【図６】図４のロボットが両脚で直立し静止している状態における図５の骨格部を示す正面図である。
【図７】図４のロボットが右脚を持ち上げた状態における図５の骨格部を示す正面図である。
【図８】図４のロボットの関節部を構成する関節機構の一例を示す斜視図である。
【図９】図８の関節機構の動きを説明する図である。
【図１０】図８の関節機構の動きを説明する図である。
【図１１】図８の関節機構の動きを説明する図である。
【図１２】図８の関節機構のアクチュエータの回転角とリンク部材の回転角の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０１  ロボット，  ２０１  骨格部，  ２１１  胴体部ユニット，  ２１２  脚部ユニット，  ２２１  関節部，  ２２２  連結部，  ２２３  足部，  ２２４  連結部，  ２３１  重心，  ３０１  関節機構，  ３１１  アクチュエータ，  ３１１Ａ  回転軸，  ３１１Ｂ  板，  ３１１C  軸，  ３１２  リンク部材，  ３１２Ａ  溝，  ３１２Ｂ  孔
【図１】
2006043845.tif 000004
【図２】
2006043845.tif 000005
【図３】
2006043845.tif 000006
【図４】
2006043845.tif 000007
【図５】
2006043845.tif 000008
【図６】
2006043845.tif 000009
【図７】
2006043845.tif 000010
【図８】
2006043845.tif 000011
【図９】
2006043845.tif 000012
【図１０】
2006043845.tif 000013
【図１１】
2006043845.tif 000014
【図１２】
2006043845.tif 000015