(57)【要約】【課題】  簡素な構造で比較的小さい駆動力を用いて跳躍を実現でき、多数回の跳躍を行ってもピニオンギアの回転軸に破断が発生せず、かつ、高速で安定した脚式移動を実現することができる脚モジュールおよびそれを用いた脚型ロボットを提供する。【解決手段】  脚型ロボットに使用される脚モジュール２０において、脚型ロボットの胴体１０に支持される脚フレーム２０ａと、地面と接する脚先部２８と、脚フレーム２０ａに対して回転可能に支持されたピニオンギア２３と、ピニオンギア２３を回転させる脚モジュール用モータ２１と、ピニオンギア２３に噛合し、ピニオンギア２３の回転に従って脚先部２８を脚フレーム２０ａに対して相対的に直線運動させるラックギア２５と、上記直線運動によって弾性変形することで上記直線運動の運動エネルギーを蓄積する圧縮コイルばね２６とを設け、ピニオンギア２３の軸の両端を脚フレーム２０ａに支持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脚型ロボットに使用される脚モジュールであって、
上記脚型ロボットの胴体部に支持可能な支持体と、
地面と接する脚先部と、
上記支持体に対して回転可能に支持されたピニオンギアと、
上記ピニオンギアを回転させる回転駆動手段と、
上記ピニオンギアに噛合し、上記ピニオンギアの回転に従って上記脚先部を上記支持体に対して相対的に直線運動させるラックギアと、
上記直線運動によって弾性変形することで、上記直線運動の運動エネルギーを蓄積する弾性部材とを備え、
上記ピニオンギアの軸の両端が上記支持体に支持されていることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
上記回転駆動手段は、モータであり、
上記ピニオンギアは、モータの回転軸に結合されていることを特徴とする請求項１記載の脚モジュール。
【請求項３】
上記弾性部材は、上記支持体と上記脚先部とを連結する圧縮コイルばねであることを特徴とする請求項１または２に記載の脚モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の脚モジュールと、
胴体部とを備え、
上記胴体部は、
上記脚モジュールを回動自在に支持するためのジョイントと、
上記脚モジュールを回動させるための駆動手段とを備えていることを特徴とする脚型ロボット。
【請求項５】
上記駆動手段の少なくとも一部が、ジョイント内部に配置されていることを特徴とする請求項４記載の脚型ロボット。
【請求項６】
上記脚モジュールとして、左前脚モジュール、左後脚モジュール、右後脚モジュール、および右前脚モジュールを備える４脚ロボットであることを特徴とする請求項４または５に記載の脚型ロボット。
【請求項７】
異なる複数の歩容を切り替えて脚式移動を行うように脚型ロボット本体を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の脚型ロボット。
【請求項８】
上記制御手段は、少なくとも、静歩行の１種の歩容、動歩行の１種の歩容、および走行の１種の歩容を切り替えて脚式移動を行うように脚型ロボット本体を制御するものであることを特徴とする請求項７記載の脚型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４脚ロボット、２脚ロボット、１脚ロボット等の脚型ロボットおよびそれに用いる脚モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脚型ロボットは、人間の生活の向上に有用である。例えば、脚型ロボットは、階段や段差を乗り越えることが可能である。さらに、脚型ロボットは、人間の行動と同じような速度での移動が可能であれば、人間を補助することや人間を介助することはもちろん、人間の生活全般を向上させるためにも有用である。
【０００３】
そこで、従来から、動物の動きを真似た脚の動作（歩行、走行、跳躍など）が可能な脚型ロボットが提案されている。例えば、歩行動作を行うアクチュエータのような通常の駆動機構の他に例えばゼンマイやフライホイールなどで構成される動力蓄積機構を備えていることで、走行や躍動などの激しい動作パターンを実現するロボット（特許文献１参照）、屈伸しうる膝関節をばねを介して胴体に取り付けることによって、クロールやバウンズ、ギャロップ、トロットといった各種の脚式動作を好適に行うことが可能な脚式ロボット（特許文献２参照）、つるまきバネを用いた膝関節の屈伸運動によって、現実の動物の姿や動きを忠実に真似た跳躍が可能な脚式移動ロボット（特許文献３参照）、膝関節である連結部材が屈伸することでコイルバネが伸縮し、跳躍運動が可能なロボット装置（特許文献４参照）などが提案されている。
【０００４】
また、Raibertらの研究による４脚ロボット"The Quadruped"（非特許文献１参照）は、エアサスペンションを利用した直動脚を持つ８自由度のモデルであり、いくつかの歩容により歩行及び走行が可能な、非常に興味深い脚型ロボットである。
【０００５】
また、Buehler らによる４脚ロボット"ScoutII"（非特許文献２参照）では、圧縮コイルばねを利用し、サスペンション型の関節を稼動させる事で、動物のばね要素を取り入れたモデルを提案している。Buehler らによる４脚ロボット"ScoutII"は、様々な歩行パターンを持ち、様々な速度での移動に成功している。
【０００６】
また、本願発明者等は、歩行・走行が可能な４脚ロボットとして、コイルばねとモータとをラック＆ピニオン機構で繋いだ伸縮関節型の脚モジュールを用い、この脚モジュールを関節にて胴体と接続した４脚ロボットを発表している（非特許文献３参照）。
【０００７】
この４脚ロボットでは、ラック＆ピニオン機構（ラックギアとピニオンギアとの組み合わせ）、ＤＣモータ、およびばねを用いたアクティブサスペンション型脚モジュールを備えている。この４脚ロボットでは、コイルばねを、モータによりラック＆ピニオン機構を介して伸縮させることで、脚モジュールの長さが変化し、効率良いエネルギーの蓄積ができる。また、非特許文献３の４脚ロボットでは、ＤＣモータに電圧を印加するタイミングを制御することで、クロール、ウォーク、トロット、ペース(Pace)、バウンドの５つの歩容による移動を可能としている。
【特許文献１】特開２００１−２４６５８５号公報（２００１年９月１１日公開）
【特許文献２】特開２００２−１０３２５３号公報（２００２年４月９日公開）
【特許文献３】特開２００３−８０４７６号公報（２００３年３月１８日公開）
【特許文献４】特開２００３−８０４７７号公報（２００３年３月１８日公開）
【非特許文献１】Marc H. Raibert, Brown B Jr Chepponis, Running on four legs as though they were one, IEEE J. Robotics and Automation(1986), Vol2, pp70-82
【非特許文献２】Ioannis Poulakakis, James Andrew Smith, Martin Buehler, One the Dynamics Of Bounding and Extensions Towards the Half-Bound and the Gallop Gaits, Proceedings  of the 2nd international Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines,  ThA-I-2(2003), pp.1-8
【非特許文献３】造田慈、山崎進也、藤井尋樹、渋谷恒司、堤一義、アクティブサスペンション型４脚ロボットの歩行及び走行制御に関する研究、日本機械学会、ロボティクス・メカトロニクス講演会予講集、2P2-1F-A4 (2003) pp.1-2
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜４に記載の脚型ロボットにおける脚部は、膝関節が存在しているために、支持脚時のエネルギー損失が大きく、また、胴体を支えるのに十分な剛性が得られない。そのため、高速な脚式移動も安定した脚式移動も行えない。
【０００９】
また、非特許文献１・２に記載の４脚ロボットは、複雑な構造であり、簡素な構造で脚型ロボットの歩行・走行・跳躍を実現できない。
【００１０】
また、本願発明者等が、非特許文献３に記載の４脚ロボットについて検討した結果、以下の問題点を有していることが分かった。
【００１１】
跳躍を行う４脚ロボットは、着地の時に衝撃荷重を受ける。非特許文献３に記載の４脚ロボットにおいて、衝撃荷重が加わる可能性があるのは、脚モジュールの脚先ゴムから脚フレームにかけての部品である。そこで、これらの部品全ての安全率を２０以上取って設計を行った。この４脚ロボットにおいて、モータ軸の径をｄ＝３ｍｍ、モータ軸が４脚ロボット本体から受ける荷重をＭ＝２Ｋｇ、ピニオンギアからモータのベアリングまでの距離をｌ＝２０ｍｍとして理論計算を行った場合、モータ軸が歪む大きさは、０．００６ｍｍとなる。そのため、理論上は、モータ軸の破断は起こらないはずである。
【００１２】
ところが、意外なことに、上記４脚ロボットの跳躍を数百回行ったところ、ねじり応力とモーメント荷重が負荷されるＤＣモータの軸（ピニオンギアの回転軸を兼ねる）が付け根で破断した。
【００１３】
また、非特許文献３の４脚ロボットは、比較的高速で、比較的安定した脚式移動が行なえるものの、その速度や安定性は十分とはいえなかった。
【００１４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構造で比較的小さい駆動力を用いて跳躍を実現でき、多数回（例えば数百回）の跳躍を行ってもピニオンギアの回転軸に破断が発生せず、かつ、高速で安定した脚式移動を実現することができる脚モジュールおよび脚型ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る脚モジュールは、上記課題を解決するために、脚型ロボットに使用される脚モジュールであって、上記脚型ロボットの胴体部に支持可能な支持体と、地面と接する脚先部と、上記支持体に対して回転可能に支持されたピニオンギアと、上記ピニオンギアを回転させる回転駆動手段と、上記ピニオンギアに噛合し、上記ピニオンギアの回転に従って上記脚先部を上記支持体に対して相対的に直線運動させるラックギアと、上記直線運動によって弾性変形することで、上記直線運動の運動エネルギーを蓄積する弾性部材とを備え、上記ピニオンギアの軸の両端が上記支持体に支持されていることを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、回転駆動手段、ピニオンギア、およびラックギアによって、上記脚先部を上記支持体に対して相対的に直線運動させることができる。さらに、この直線運動によって弾性部材に振動を与えて上記直線運動の運動エネルギーを弾性部材に蓄積させることで、比較的小さい駆動力の回転駆動手段を用いて脚モジュールを跳躍させることができる。
【００１７】
より詳細には、例えば、以下のような流れによって脚モジュールの伸縮によって跳躍を行うことができる。すなわち、まず、回転駆動手段、ピニオンギア、およびラックギアによる直線運動によって脚モジュールを縮める（脚先部を支持体に近づける）ことによって、直線運動による運動エネルギーを弾性部材に弾性エネルギーとして蓄積させる。次に、回転駆動手段、ピニオンギア、およびラックギアによる直線運動によって脚モジュールを伸ばす（脚先部を支持体から遠ざける）ことによって、直線運動による運動エネルギーと弾性部材に蓄積された弾性エネルギーとによって強い伸長力を脚モジュールに与える。これにより、脚モジュールが地面を蹴って跳躍する。
【００１８】
以上のようにして、上記構成では、比較的小さい駆動力の回転駆動手段を用いて脚モジュールを跳躍させることができる。
【００１９】
また、上記構成によれば、ＤＣモータ等の回転駆動手段を用いると共にばね等の弾性部材を用いることで、非特許文献１・２と比較して簡素な構造で脚型ロボットの歩行・走行・跳躍を実現できる。
【００２０】
そして、上記構成によれば、ピニオンギアの軸が一端のみで支持されている非特許文献３に記載の脚モジュールとは異なり、ピニオンギアの軸の両端が支持体に支持されている構成（両持ち方式）となっている。これにより、以下の特有の効果を奏する。
【００２１】
まず、本願発明者等の検討によれば、４脚ロボットの跳躍時には、予想以上の衝撃がピニオンギアの軸に加わるため、ピニオンギアの軸の一端のみが支持体に支持されている構成（片持ち方式）ではピニオンギアの軸が破損する場合があることが判明した。
【００２２】
これに対し、上記構成では、ピニオンギアの軸の両端が支持体に支持されている構成（両持ち方式）となっているので、ピニオンギアの軸に加わる応力を緩和することができる。それゆえ、ピニオンギアの軸が破損することを回避できる。
【００２３】
また、もしピニオンギアの軸の一端のみが支持体に支持されていれば、この部分に大きなトルクがかかった時に、ピニオンギアが瞬間的にラックギアから離れてしまう。
【００２４】
これに対し、上記構成では、ピニオンギアの軸の両端が支持体に支持されていることで、この部分に大きなトルクがかかっても、ピニオンギアがラックギアから離れることがない。それゆえ、回転駆動手段による駆動トルクを安定して損失なくラックギアに伝達することができる。その結果、上記構成の４脚ロボットでは、非特許文献３に記載の４脚ロボットよりも高速で安定した脚式移動（歩行、走行）が可能となる。
【００２５】
以上のように、本発明の構成によれば、簡素な構造で比較的小さい駆動力を用いて跳躍を実現でき、多数回（例えば数百回）の跳躍を行ってもピニオンギアの回転軸に破断が発生せず、かつ、高速で安定した脚式移動を実現することができる。
【００２６】
なお、本願明細書において、「地面」とは、大地の表面に限定されるものではなく、脚型ロボットが移動する任意の表面を指すものとする。
【００２７】
本発明に係る脚モジュールでは、上記回転駆動手段は、モータであり、上記ピニオンギアは、モータの回転軸に結合されていることが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、モータの回転軸が、両端で支持された構造（両持ち構造）となるので、モータの回転軸に加わる応力を緩和することができる。それゆえ、モータの回転軸が破損することを回避できる。
【００２９】
本発明に係る脚モジュールにおいて、上記弾性部材としては、ねじりコイルばね、板ばね等を用いることができるが、上記支持体と上記脚先部とを連結する圧縮コイルばねを用いることが好ましい。圧縮コイルばねは、ねじりコイルばねや板ばねなどに比べて制御しやすいものであるため、圧縮コイルばねを用いることで、脚型ロボットの安定した脚式移動が実現できる。
【００３０】
本発明に係る脚型ロボットは、上記課題を解決するために、前記のいずれかの構成の脚モジュールと、胴体部とを備え、上記胴体部は、上記脚モジュールを回動自在に支持するためのジョイントと、上記脚モジュールを回動させるための駆動手段とを備えていることを特徴としている。
【００３１】
上記構成によれば、胴体部のジョイントに回動自在に支持された脚モジュールを駆動手段によって回動させるようになっている。これにより、脚モジュールの伸縮と脚モジュールの回動との組み合わせによって、静歩行、動歩行、走行などの多様な歩容による脚式移動を行うことができる。
【００３２】
さらに、本発明の脚モジュールを用いているので、簡素な構造で比較的小さい駆動力を用いて跳躍を実現でき、多数回（例えば数百回）の跳躍を行ってもピニオンギアの回転軸に破断が発生せず、かつ、高速で安定した脚式移動を実現することができる。
【００３３】
なお、脚型ロボットが備える脚モジュールの数は、特に限定されない。すなわち、上記脚型ロボットには、例えば、１つの脚モジュールを備える１脚ロボット、２つの脚モジュールを備える２脚ロボット、４つの脚モジュールを備える４脚ロボット、５脚以上の脚を持つロボットなどが含まれる。
【００３４】
本発明に係る脚型ロボットでは、上記駆動手段の少なくとも一部が、ジョイント内部に配置されていることが好ましい。
【００３５】
上記構成によれば、（１）駆動手段の重みによる破損が生じること、（２）駆動モジュールが脚モジュールの振り角を制限すること、（３）脚モジュールの振りの制御に支障が出ること、および（４）脚モジュールの振りが遅れること、を回避できる。
【００３６】
本発明に係る脚型ロボットは、上記脚モジュールとして、左前脚モジュール、左後脚モジュール、右後脚モジュール、および右前脚モジュールを備える４脚ロボットであることが好ましい。上記構成によれば、４脚動物の歩容を模擬した脚式移動が可能な４脚ロボットを提供できる。
【００３７】
本発明に係る脚型ロボットは、異なる複数の歩容を切り替えて脚式移動を行うように脚型ロボット本体を制御する制御手段をさらに備えることが好ましい。
【００３８】
上記構成によれば、複数の異なる移動速度に適した（その移動速度で移動するときの消費エネルギーを最小化できる）、複数の異なる歩容を切り替えて脚式移動を行うことが可能となるので、広い移動速度範囲で、効率的で、安定した滑らかな脚式移動を行うことができる。したがって、速やかで、安定した滑らかな加速および減速を行うことができる。
【００３９】
本発明に係る脚型ロボットでは、上記制御手段は、少なくとも、静歩行の１種の歩容、動歩行の１種の歩容、および走行の１種の歩容を切り替えて脚式移動を行うように脚型ロボット本体を制御するものであることが好ましい。
【００４０】
上記構成によれば、少なくとも３種類の異なる移動速度に適した（その移動速度で移動するときの消費エネルギーを最小化できる）、静歩行の１種の歩容、動歩行の１種の歩容、および走行の１種の歩容を切り替えて脚式移動を行うことが可能となるので、より一層広い移動速度範囲で、効率的で、安定した滑らかな脚式移動を行うことができる。したがって、より一層、速やかで、安定した滑らかな加速および減速を行うことができる。
【００４１】
また、上記構成によれば、走行を行うことができるので、歩行では不可能な高速の移動が可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明は、以上のように、簡素な構造で比較的小さい駆動力を用いて跳躍を実現でき、多数回（例えば数百回）の跳躍を行ってもピニオンギアの回転軸に破断が発生せず、かつ、高速で安定した脚式移動を実現することができる脚モジュールおよび脚型ロボットを提供できる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明に係る脚型ロボットの実施の一形態としての４脚ロボットについて図１ないし図１２に基づいて説明すると以下の通りである。
【００４４】
本実施形態に係る４脚ロボットは、４脚ロボット本体とその制御系を示すブロック図である図２に示すように、４脚ロボット本体１、コントローラ３、動作用電源４ａおよびセンサ用電源４ｂからなる電源４、電圧増幅器（電圧増幅アンプ；電圧増幅回路）５、パーソナル・コンピュータである制御用計算機６、およびこれらを繋ぐ配線を備えている。
【００４５】
動作用電源４ａは、コントローラ３に電力を供給するものである。センサ用電源４ｂは、４脚ロボット本体１に設けられたセンサ（後述する角度センサ、測長センサ、および測距センサ）に対して電力を供給するものである。電圧増幅器５は、４脚ロボット本体１の上記センサからの出力信号を増幅するものである。
【００４６】
コントローラ３は、制御用計算機６から出力された電圧を増幅し、必要な電力を関節用モータ１１および脚モジュール用モータ２１に与えるものである。制御用計算機６は、４脚ロボット本体１が目標速度に応じた脚式移動を行うように４脚ロボット本体１を制御する。
【００４７】
４脚ロボット本体１は、図１に示すように、脚モジュール２０を４個、胴体（胴体部）１０に取り付けたものである。脚モジュール２０は、ジョイント（関節）を介して胴体１０に結合されており、胴体１０のジョイントに対して回動可能に支持されている。
【００４８】
脚モジュール２０は、図４に示すように、胴体１０に設けられた関節用モータ（駆動手段）１１によって前後に回動される。４脚ロボット本体１は、４本の脚モジュール２０の回動および伸縮が可能であるため、その自由度は８自由度である。
【００４９】
胴体１０は、図４に示すように、後述する胴体１０内の各部材、および脚モジュール２０を支持するための筐体１０ａを備えている。筐体１０ａは、２つのフレーム１０ｂを含んでいる。筐体１０ａには、２本のフレーム１０ｂを左右に配置した。これにより、胴体１０の剛性を上げ、胴体１０を構成する部品の数を減らした。また、胴体１０をフレーム構造とすることで、胴体１０の内部に空間ができ、胴体１０の内部に回路などの搭載ができるようになった。
【００５０】
胴体１０は、４つのジョイント１つにつき、関節用モータ１１、第１の平歯車１２、１対の関節用のベアリング１５、および１対のベアリング支持器１４を備えている。
【００５１】
関節用モータ１１は、その軸１１ａを回転させるものである。本実施形態では、関節用モータ１１としてＤＣモータを用いている。第１の平歯車１２は、関節用モータ１１の回転軸に取り付けられている。第１の平歯車１２は、脚モジュール２０に取り付けられた第２の平歯車１３と噛合する。平歯車１２・１３は、関節用モータ１１の軸１１ａの回転を減速して脚モジュール２０に伝達するようにようになっており、したがって、第２の平歯車１３の歯数は、第１の平歯車１２の歯数より多くなっている。４脚ロボット本体１では、関節用モータ１１、第１の平歯車１２、および第２の平歯車１３によって脚モジュール２０がベアリング１５を中心軸として回動されることで、脚モジュール２０の脚の運び（前後の動き）が制御される。
【００５２】
１対のベアリング１５は、脚モジュール２０を回動可能に支持するものである。１対のベアリング支持器１４は、１対のベアリング１５をそれぞれフレーム１０ｂに支持する（固定する）ものである。
【００５３】
脚モジュール２０は、図３および／または図４に示すように、脚フレーム（支持体）２０ａ、ＤＣモータである脚モジュール用モータ（回転駆動手段）２１、脚モジュール用モータ２１を支持するためのモータ支持器２２、ピニオンギア２３、ピニオンギア支持部２４、ラックギア２５、圧縮コイルばね（弾性部材）２６、脚フレーム２０ａに取り付けられたスプリング止め２７、脚先部２８、および第２の平歯車１３を備えている。
【００５４】
４脚ロボット本体１の走行を実現するためには、４脚ロボット本体１が跳躍動作を行う必要がある。そのために、１回の跳躍時のエネルギーを効率良く次回の跳躍のエネルギーにつなげるために、脚モジュール２０は、圧縮コイルばね２６を、ラック＆ピニオン機構（ラックギア２５およびピニオンギア２３の組み合わせ）を介してＤＣモータである脚モジュール用モータ２１により伸縮させる構成（アクティブ・サスペンション型脚モジュールと呼ぶ）となっている。
【００５５】
脚フレーム２０ａは、各構成部材を支持するものであり、胴体１０に支持されている。脚先部２８は、地面と接する部分であり、地面と接する脚先ゴム２８ａと、脚先バネ止め２８ｂを備えている。
【００５６】
ピニオンギア２３は、脚フレーム２０ａに対して回転可能に支持されている。ピニオンギア２３は、脚モジュール用モータ２１の回転軸に結合されている。脚モジュール用モータ２１は、ピニオンギア２３を回転させるものであり、モータ支持器２２に固定されている。モータ支持器２２は、ベアリング１５の内径と略同一の外径を有している。ラックギア２５は、ピニオンギア２３に噛合し、ピニオンギア２３の回転に従って脚先部２８を脚フレーム２０ａに対して相対的に直線運動させる（脚の長さ方向に駆動する）ものである。ここでは、ラックギア２５は、丸棒ラックである。
【００５７】
圧縮コイルばねは、脚フレーム２０ａに取り付けられたスプリング止め２７と脚先部２８とを連結するものであり、脚フレーム２０ａに対する脚先部２８の直線運動によって弾性変形することで上記直線運動の運動エネルギーを蓄積するように、直線運動の方向に伸縮可能となっている。
【００５８】
脚モジュール２０でのピニオンギア２３の回転軸は、それに加わる力を分散させるために、図４および図５に示すように、両端で支持される構造（両持ち方式）とした。より詳細には、ピニオンギア２３の一端を脚モジュール用モータ２１の回転軸に結合させると共に、ピニオンギア２３の他端を脚フレーム２０ａに取り付けたピニオンギア支持部２４にて回転自在に支持した。これにより、ピニオンギア２３の軸に加わる応力を緩和することができ、ピニオンギア２３の軸が破損することを回避できる。また、この部分に大きなトルクがかかってもピニオンギア２３がラックギア２５から離れることがないので、脚モジュール用モータ２１のトルクを安定して損失なくラックギア２５に伝達することができる。その結果、本実施形態の４脚ロボット本体１では、非特許文献３に記載の４脚ロボットよりも高速で安定した脚式移動が可能となる。
【００５９】
また、本実施形態の構成では、脚モジュール用モータ２１の回転軸も、両端で支持される構造（両持ち方式）となるので、脚モジュール用モータ２１の回転軸に加わる応力を緩和することができる。それゆえ、脚モジュール用モータ２１の回転軸が破損することを回避できる。
【００６０】
脚式移動を行うためにモータ１１・２１は逆回転が可能である必要がある。また、モータ１１・２１の逆回転は頻繁に起こるため、モータ１１・２１は、慣性モーメントの低いものであることが好ましい。
【００６１】
脚モジュール２０は、モータ支持器２２がベアリング１５によって回動可能に支持されることによって、胴体１０に回動自在に支持されている。
【００６２】
胴体１０と各脚モジュール２０とを結合する４つのジョイント（関節）はそれぞれ、１対の関節用のベアリング１５と、これらを繋ぐ部分の筐体１０ａとによって構成されている。本実施形態の４脚ロボット本体１における胴体１０と脚モジュール２０とを結合するジョイント（関節）の機構は、非特許文献３の４脚ロボットの関節の機構と大きく異なるものである。
【００６３】
非特許文献３の４脚ロボットのように脚モジュール用モータ２１を各ジョイントの外側に配置した場合、脚モジュール用モータ２１の重みによる破損が生じ易い。また、脚モジュール用モータ２１を各ジョイント内に配置せず、各ジョイントより内側に配置した場合、脚モジュール用モータ２１が脚モジュール２０の振り角を制限することがある。
【００６４】
また、脚モジュール用モータ２１を脚モジュール２０の進行方向（前方）に取り付けた場合、脚モジュール２０の重心が脚モジュール２０の付け根の軸から外れてしまう。そのため、脚モジュール２０の振りの速度が前進方向とその逆方向とで大きく違うようになり、脚モジュール２０の振りの制御に支障が出る恐れがある。さらに、その場合、脚モジュール２０全体のモーメントも大きくなり、脚モジュール２０の振りが遅れ、それが原因でつまづきが生じる恐れがある。
【００６５】
そこで、本実施形態では、以上の点を考慮して、脚モジュール用モータ２１（脚用のＤＣモータ）の一部をジョイント（軸受け用のコンポーネント）の内部に配置している。
【００６６】
これにより、（１）脚モジュール用モータ２１の重みによる破損が生じること、（２）脚モジュール用モータ２１が脚モジュール２０の振り角を制限すること、（３）脚モジュール２０の振りの制御に支障が出ること、および（４）脚モジュール２０の振りが遅れること、を回避できる。
【００６７】
また、脚モジュール用モータ２１（脚用のＤＣモータ）の一部をジョイント（軸受け用のコンポーネント）の内部に配置したことで、脚モジュール２０全体の重量は非特許文献３の脚モジュールと比較して大幅に軽量化できた。
【００６８】
４脚ロボット本体１には、図示していないが、それぞれの脚モジュール２０ごとに、胴体１０の底面に対する脚モジュール２０の角度（地面に対する脚モジュール２０の角度（脚角度）に相当する）を測定するための角度センサ、脚モジュール２０の長さを測定するための測長センサ、および地面と脚モジュール２０との距離（跳躍高さ）を測る測距センサが取り付けられている。
【００６９】
角度センサは、各関節用モータ１１に取り付けられたエンコーダである。測長センサは、各脚モジュール用モータ２１に取り付けてられているエンコーダである。測距センサは、各脚モジュール２０の根元付近に取り付けられている。角度センサおよび測距センサとしては、精度の高いものを用いることが好ましい。脚モジュール２０の角度および跳躍高さをより正確に検出する事ができれば、４脚ロボット本体１の移動の領域や速度、歩容などがさらに広がる。
【００７０】
次に、本実施形態に係る４脚ロボット本体１の動作について説明する。
【００７１】
まず、本願明細書において脚式移動の説明に用いる用語を以下のように定義する。
「歩容」とは、歩き方や走り方を示す。「歩容の周期」は、同じ１つの脚に対して、ある動き方を与えてから次に同じ動き方を与えるまでの一連の動作期間を示す。地面に接している脚を「支持脚」、地面に接していない脚を「遊脚」と呼ぶ。「跳躍」とは、全脚が遊脚になることを示す。「走行」とは、跳躍状態になる期間が存在する脚式移動を示す。「歩行」とは、常に少なくとも１つの脚が支持脚となり、跳躍状態にならない脚式移動を示す。「デューティ比」とは、脚の運びにおける歩容の周期中の接地の割合を示す。「理想地面」とは、凹凸の無い平面で重力に対して水平である地面を示す。「仮想脚」とは、支持脚の多角形もしくは線の重心や中点から支持平面に伸びる仮想的な線を示し、多数の支持脚を一つにまとめる１本の線である。「支持中心角」とは、支持脚の支持し始めてから支持し終わるまでの振り角の中心線が鉛直方向とのなす角度である。
【００７２】
４脚動物には、様々な脚の運び方が存在する。本願明細書では、４脚動物あるいは４脚ロボットの脚式移動の説明に用いる用語を以下のように定義する。
【００７３】
「静歩行」とは、常に「支持脚」が３脚以上である歩容を示す。「動歩行」とは、歩容の周期中に支持脚が２脚以下になる期間があり（この期間は、そのままでは姿勢を保持することができない不安定な状態となる）、かつ、常に少なくとも１つの脚が支持脚となり、跳躍状態にならない歩容を示す。
【００７４】
４脚動物の歩容の種類は、その動物の生活環境やその動物の体型により多種多様であるが本実施形態に係る４脚ロボット本体１は、それらのうちで代表的な４つの歩容、クロール（Crawl）、ウォーク（Walk）、トロット（Trot）、およびバウンド（Bound）による脚式移動が可能である。
【００７５】
（１）クロール
クロールは、両生類、爬虫類などの４脚動物の非常に遅い歩行において見られる歩行である。クロールにおける歩行パターンを図６に示す。図６において、斜線のハッチングを付けた脚が遊脚、他の脚が支持脚を示す。また、図６に示す４本の脚は、関節が左にあるものから順に、右後脚、左後脚、右前脚、左前脚である。
【００７６】
この歩容は、常に支持脚が３本以上である静歩行であり、４脚の移動において最も安定した歩容である。脚の運び方は、左前脚→右後脚→右前脚→左後脚の順で、各脚は対称的に運ばれる。前脚から後脚へは左右を反転させるが、後脚から前脚への遊脚の運びはそのままである。デューティ比は０．７５である。
【００７７】
（２）ウォーク
ウォークは、猫、犬、馬など、ほとんどの動物で行われる低速歩行である。ウォークは、支持脚が２本となる期間が存在するクロールに似た歩容である。ウォークの歩行パターンを図６と同じ様式で図７に示す。この歩容は、支持脚が２脚になる瞬間が存在し、その瞬間には安定な状態に無いので、動歩行である。この歩容における脚の運び方は、左前脚→右後脚→右前脚→左後脚の順である。この歩容のデューティ比は０．５〜０．７である。
【００７８】
（３）トロット
トロットは、対角の脚が対になり交互に支持脚となる歩容である。トロットは、４脚動物の中速時の移動に見られる。トロットの歩行パターンを図６と同じ様式で図８に示す。実際の４脚動物では、トロットの歩行時にも対角の脚が正確に揃う事は少なく、トロットとウォークとの中間のような歩容で歩行することが多い。
【００７９】
この歩容は、通常は、跳躍を含まない動歩行であり、歩行時のデューティ比は０．５である。また、この歩容は、跳躍を含むこともある。この歩容は、跳躍を含む場合には、走行にも分類する事ができる。走行時のデューティ比は、０．５以下である。
【００８０】
以下では、跳躍を含まない動歩行のトロットを、「トロット」と呼ぶ。
【００８１】
（４）バウンド
バウンドは、最高速の歩容のひとつであり、左右の脚が対となる歩容である。バウンドの歩容パターン（走行パターン）を図６と同じ様式で図９に示す。実際の４脚動物では、前後が対象となる事はあまり無く、前脚から後脚へ重心を移動し、跳躍を行う。その後、前脚から着地を行う事が多い。
【００８２】
本実施形態の４脚ロボット本体１は、制御用計算機（制御手段）６による制御によって、クロール、ウォーク、トロット、バウンドを切り替えて脚式移動を行うことが可能なものである。このように４脚動物の歩容を模倣した歩容を切り替えて脚式移動を行うことにより、消費エネルギーを少なくし、移動速度を向上させることができる。
【００８３】
非特許文献３の４脚ロボットの制御方法は、ＰＴＰ(Point To Point)制御であり、ある角度まで脚を振り、それができれば次の脚を振る方法であった。また、クロールでの移動時には、支持脚の角度（地面に対する角度）の制御目標を０度に設定していた。
【００８４】
しかしながら、脚の取り付けの緩みがない４脚ロボットにおいて、この制御方法で制御を行ったところ、クロールでの移動を行うことができなかった。これは、非特許文献３の制御方法では、クロールでの移動時に支持脚の角度（地面に対する角度）の制御目標を０度に設定していたためであることが分かった。非特許文献３の４脚ロボットでは、クロールによる移動ができていたが、これは脚の取り付けの緩みが幸いしたためであることが分かった。さらに、非特許文献３の制御方法では、全ての脚の同期を取ることが不可能であった。
【００８５】
そこで、本実施形態の４脚ロボット本体１の制御方法では、４本の脚モジュール２０のそれぞれの先端が４脚ロボット本体１の移動速度に対応した軌道に沿って動作するように、制御用計算機（制御手段）６によって各関節用モータ１１の回転を個別に制御する。すなわち、本実施形態の４脚ロボット本体１の制御方法では、制御用計算機（制御手段）６で各脚モジュール２０の先端の軌道を生成し、その軌道に各脚モジュール２０の先端が追従するように、制御用計算機（制御手段）６が各関節用モータ１１の回転を個別に制御する。また、本実施形態の４脚ロボット本体１の制御方法では、全ての歩容について、デューティ比に基づいて各脚モジュール２０を１本ずつ個別に上記軌道に追従させる制御を行う。これらにより、全ての脚モジュール２０の動きを連続した動きとすることができ、その結果、非特許文献３の４脚ロボットより滑らかな歩容で４脚ロボット本体１を移動させることができる。
【００８６】
また、本実施形態の４脚ロボット本体１の制御方法では、制御用計算機（制御手段）６が、制御用計算機（制御手段）６で生成した各脚モジュール２０の先端の軌道に各脚モジュール２０の先端が追従するように、各脚モジュール用モータ２１の回転を個別に制御する。
【００８７】
また、本実施形態の４脚ロボット本体１の制御方法では、制御用計算機（制御手段）６が固有振動等を考慮して各圧縮コイルばね２６の伸縮（各脚モジュール用モータ２１の回転）を制御する。
【００８８】
圧縮コイルばね２６の伸縮の制御について、以下に詳細に説明する。
【００８９】
圧縮コイルばね２６を持つアクティブ・サスペンション型の脚モジュール２０を備える４脚ロボット本体１が跳躍するためには、人間がトランポリンで跳んでいるときのような動作を４脚ロボット本体１が行う必要がある。そのような動作を４脚ロボット本体１が行うとは、ＤＣモータである脚モジュール用モータ２１の駆動力を主体とする動作ではなく、圧縮コイルばね２６によるエネルギーの効率的な蓄積により跳躍を行うことを意味する。圧縮コイルばね２６によるエネルギーの効率的な蓄積を行うためには、１回の跳躍を次の跳躍に生かす動作が必要となる。１回の跳躍を次の跳躍に生かすためには、圧縮コイルばね２６の固有振動を生かす必要がある。理想的なばねの固有振動数は、ω＝√（ｍ／ｋ）という式で求められる。したがって、圧縮コイルばね２６に固有振動を与える、すなわち脚モジュール２０の伸縮周期を圧縮コイルばね２６の固有振動数に合わせれば、圧縮コイルばね２６にエネルギーを効率的に蓄積させ、このエネルギーの開放により高い跳躍を行うことができる。
【００９０】
脚モジュール用モータ２１に着目すると、脚モジュール用モータ２１は、コイルで電気的エネルギーを機械エネルギーに変換するが、コイルには自己インダクタンスがある。さらに、脚モジュール用モータ２１内部の慣性モーメント、静摩擦、動摩擦、などによる起動時の抵抗も考慮すると、脚モジュール用モータ２１に電圧を印加してから、脚モジュール用モータ２１が動作を始めるまでに若干の時間差がある。そこで、あるＤＣモータ（千葉精密社製の「ＴＯＲＭＡＸ−２６」）について、この電圧を印加してから脚モジュール用モータ２１の軸の起動にかかる時間を調べたところ、実際には２０ｍｓｅｃ程度の遅延（時間差）があることが分かった。そこで、このモータの機械的時定数（２０ｍｓｅｃ）を考慮して脚モジュール用モータ２１への電圧印加タイミングを制御する。
【００９１】
さらに、着地の際に生じる衝撃を軽減するために、脚モジュール２０の着地速度も考慮する。着地の瞬間における地面と脚モジュール２０との速度差をできるだけ減らすためには、着地の瞬間における脚モジュール２０の胴体１０に対する速度が、離陸時における脚モジュール２０の胴体１０に対する速度と同じであればよい。
【００９２】
以上の事を考慮して、圧縮コイルばね２６の伸縮の制御を行う。まず、離陸時に着地時間を予測し、フィードフォワードを行う。空中の摩擦係数が十分低いことから、空中の摩擦係数を無視することで、脚モジュール２０の跳躍高さ（最高到達点の高さ）ｈ［ｍ］と離陸時の脚モジュール２０の速度ｖ［ｍ／ｓ］とから、式（３）より、跳躍から着地までの時間ｔ［ｓ］を求める。
【００９３】
ｖ＝ｇｔ  （１）
ｖｔ＝ｈ  （２）
ｔ＝ｈ／２ｇ  （３）
なお、跳躍高さ（最高到達点の高さ）ｈ［ｍ］と離陸時の速度ｖとは、測距センサの出力の変化から、最高到達点を過ぎた時点で決定できる。
【００９４】
そして、予想された着地時点よりも、脚モジュール用モータ２１の機械的時定数（例えば２０ｍｓｅｃ）と少し前から着地動作（脚モジュール２０を短縮させる方向にラックギア２５を移動させるような電圧を脚モジュール用モータ２１に印加する動作）を開始する。この着地動作において、着地時における胴体１０に対する脚モジュール２０の先端の速度が、着地時における脚モジュール２０の速度に近くなるようにする。これにより、地面に対する脚モジュール２０の相対速度をできるだけ低く抑えることができ、着地の衝撃を和らげることができる。
【００９５】
予想された着地時点を経過した後は、圧縮コイルばね２６が固有振動するように、脚モジュール用モータ２１による補助の下で脚モジュール２０を伸縮させる。これにより、次の跳躍に生きる跳躍ができる。
【００９６】
さらに、飛び出し（離陸）直前から飛び出し動作（脚モジュール２０を伸長させる方向にラックギア２５を移動させるような電圧を脚モジュール用モータ２１に印加する動作）を開始する。
【００９７】
以上の制御によって、脚モジュール２０は、着地の少し手前から着地動作に入り、効率良くエネルギーを蓄積し、消費することができる。これにより、脚モジュール２０は、跳躍１回ごとに跳躍高さが増していき、跳躍高さが所定の高さに収束する。また、着地時の衝撃が緩和されることで、跳躍高さの変化が滑らかになる。
【００９８】
なお、固有振動による跳躍は、高すぎる跳躍を生み出し、４脚ロボット本体１が破損する場合もある。そこで、４脚ロボット本体１の跳躍の高さを制限してもよい。４脚ロボット本体１の跳躍の高さの制限は、例えば、跳躍時の脚モジュール用モータ２１の印加電圧をＢａｎｇＢａｎｇ制御方式で行い、この制御方式で絶対値を変化させることにより可能となる。
【００９９】
次に、本実施形態の４脚ロボット本体１に、クロール、ウォーク、トロット、バウンドの各歩容を行わせるための制御方法について、具体例に基づいて説明する。なお、本発明はこれらにより何ら限定されるものではなく、設定値などの詳細は、適宜変更可能である。
（１）クロール
４脚ロボット本体１にクロールで脚式移動させる制御方法の一例を図１０に基づいて説明する。
【０１００】
まず、制御対象の脚モジュール２０が、右前脚（前側の右の脚モジュール２０）、左前脚（前側の左の脚モジュール２０）、左後脚（後側の左の脚モジュール２０）、右後脚（後側の右の脚モジュール２０）のいずれであるかを判断する（Ｓ１〜Ｓ３）。
【０１０１】
制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合には、Ｓ４に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０に初期化し、タイマーの計測時間ｔが０から１．５に達するまで、すなわち１．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る（Ｓ５・Ｓ６）。このとき、制御対象の脚モジュール２０は、地面に対する角度（前方を正とする）が−１０度から１０度になるまで、角速度４０／３（度／秒）で回動される。また、このとき、脚モジュール２０の伸縮は行われない。脚モジュール２０を前方に振る期間は、制御対象の脚モジュール２０が支持脚となる期間である。
【０１０２】
次に、タイマーの計測時間ｔを０に初期化し（Ｓ７）、タイマーの計測時間ｔが０から０．５に達するまで、すなわち０．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を後方に振る（Ｓ８・Ｓ９）。このとき、制御対象の脚モジュール２０は、地面に対する角度が１０度から−１０度になるまで、角速度４０（度／秒）で回動される。また、脚モジュール２０を後方に振る期間には、図示しないが、初めの所定期間だけ脚モジュール２０の圧縮が行われた後、脚モジュール２０の長さが固定され、その後、最後の所定期間に脚モジュール２０の伸長が行われる。脚モジュール２０を後方に振る期間は、制御対象の脚モジュール２０が遊脚となる期間である。
【０１０３】
脚モジュール２０を後方に振る期間が終了すると、タイマーの計測時間ｔを０に初期化し（Ｓ１０）、Ｓ５に戻る。
【０１０４】
Ｓ１〜Ｓ３において制御対象の脚モジュール２０が右後脚である場合には、Ｓ１１に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を１に初期化し、タイマーの計測時間ｔが１から１．５に達するまで、すなわち０．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る（Ｓ５・Ｓ６）。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
【０１０５】
Ｓ１〜Ｓ３において制御対象の脚モジュール２０が左前脚である場合には、Ｓ１２に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０．５に初期化し、タイマーの計測時間ｔが０．５から１．５に達するまで、すなわち１秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る（Ｓ５・Ｓ６）。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
【０１０６】
Ｓ１〜Ｓ３において制御対象の脚モジュール２０が右前脚である場合には、Ｓ１３に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０に初期化し（Ｓ１３）、Ｓ８に進む。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
（２）ウォーク
４脚ロボット本体１にウォークで脚式移動させる制御方法の一例を図１２に基づいて説明する。
【０１０７】
まず、制御対象の脚モジュール２０が、右前脚、左前脚、左後脚、右後脚のいずれであるかを判断する（Ｓ２１〜Ｓ２３）。
【０１０８】
制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合には、Ｓ２４に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０に初期化し、タイマーの計測時間ｔが０から０．５に達するまで、すなわち０．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る（Ｓ２５・Ｓ２６）。このとき、制御対象の脚モジュール２０は、地面に対する角度（前方を正とする）が−１０度から１０度になるまで、角速度４０（度／秒）で回動される。また、脚モジュール２０を前方に振る期間には、図示しないが、初めの所定期間だけ脚モジュール２０の圧縮が行われた後、脚モジュール２０の長さが固定され、その後、最後の所定期間に脚モジュール２０の伸長が行われる。脚モジュール２０を前方に振る期間は、制御対象の脚モジュール２０が遊脚となる期間である。
【０１０９】
次に、タイマーの計測時間ｔを０に初期化し（Ｓ２７）、タイマーの計測時間ｔが０から０．５に達するまで、すなわち０．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を後方に振る（Ｓ２８・Ｓ２９）。このとき、制御対象の脚モジュール２０は、地面に対する角度が１０度から−１０度になるまで、角速度４０（度／秒）で回動される。また、このとき、脚モジュール２０の伸縮は行われない。脚モジュール２０を後方に振る期間は、制御対象の脚モジュール２０が支持脚となる期間である。
【０１１０】
脚モジュール２０を後方に振る期間が終了すると、タイマーの計測時間ｔを０に初期化し（Ｓ３０）、Ｓ２５に戻る。
【０１１１】
Ｓ２１〜Ｓ２３において制御対象の脚モジュール２０が右後脚である場合には、Ｓ３１に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０に初期化し、Ｓ２８に進む。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
【０１１２】
Ｓ２１〜Ｓ２３において制御対象の脚モジュール２０が左前脚である場合には、Ｓ３２に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０．２５に初期化し、タイマーの計測時間ｔが０．２５から０．５に達するまで、すなわち０．２５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る（Ｓ２５・Ｓ２６）。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
【０１１３】
Ｓ２１〜Ｓ２３において制御対象の脚モジュール２０が右前脚である場合には、Ｓ３３に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０．２５に初期化し、タイマーの計測時間ｔが０．２５から０．５に達するまで、すなわち０．２５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を後方に振る（Ｓ２８・Ｓ２９）。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
（３）トロット
４脚ロボット本体１にトロットで脚式移動させる制御方法の一例を図１２に基づいて説明する。この制御方法は、図１２に示すように、ウォークの場合と類似しているが、左後脚の動きを右前脚の動きと同期させ、右後脚の動きを左前脚の動きと同期させている点がウォークの場合と異なる。
【０１１４】
すなわち、まず、制御対象の脚モジュール２０が、右前脚、左前脚、左後脚、右後脚のいずれであるかを判断する（Ｓ４１〜Ｓ４３）。
【０１１５】
制御対象の脚モジュール２０が右後脚である場合には、Ｓ４４に進み、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０．２５に初期化し、タイマーの計測時間ｔが０．２５から０．５に達するまで、すなわち０．２５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る（Ｓ４５・Ｓ４６）。このとき、制御対象の脚モジュール２０は、地面に対する角度（前方を正とする）が−１０度から１０度になるまで、角速度４０（度／秒）で回動される。また、このとき、脚モジュール２０の伸縮は行われない。脚モジュール２０を前方に振る期間は、制御対象の脚モジュール２０が支持脚となる期間である。
【０１１６】
次に、タイマーの計測時間ｔを０に初期化し（Ｓ４７）、タイマーの計測時間ｔが０から０．５に達するまで、すなわち０．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を後方に振る（Ｓ４８・Ｓ４９）。このとき、制御対象の脚モジュール２０は、地面に対する角度が１０度から−１０度になるまで、角速度４０（度／秒）で回動される。また、脚モジュール２０を後方に振る期間には、図示しないが、初めの所定期間だけ脚モジュール２０の圧縮が行われた後、脚モジュール２０の長さが固定され、その後、最後の所定期間に脚モジュール２０の伸長が行われる。脚モジュール２０を後方に振る期間は、制御対象の脚モジュール２０が遊脚となる期間である。
【０１１７】
脚モジュール２０を後方に振る期間が終了すると、タイマーの計測時間ｔを０に初期化し（Ｓ５０）、Ｓ４５に戻り、タイマーの計測時間ｔが０から０．５に達するまで、すなわち０．５秒が経過するまで、制御対象の脚モジュール２０を前方に振る。
【０１１８】
Ｓ４１〜Ｓ４３において制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合には、タイマーの計測時間ｔ（秒）を０．２５に初期化し（Ｓ５１）、Ｓ４８に進む。その後は、制御対象の脚モジュール２０が右後脚である場合のＳ４８以降と同様である。
【０１１９】
Ｓ４１〜Ｓ４３において制御対象の脚モジュール２０が左前脚である場合には、Ｓ４４に進む。その後は、制御対象の脚モジュール２０が右後脚である場合と同様である。
【０１２０】
Ｓ４１〜Ｓ４３において制御対象の脚モジュール２０が右前脚である場合には、Ｓ５１に進む。その後は、制御対象の脚モジュール２０が左後脚である場合と同様である。
（４）バウンド
バウンドでの脚式移動を行う場合には、跳躍の周期にπ／４の位相差を与えるように、すなわち位相差π／４の周期での跳躍を行うように、脚モジュール２０を伸縮させる。また、脚モジュール２０の振り角を固定する。さらに、前後の脚モジュール２０が交互に支持脚と遊脚とを繰り返すように制御を行うのではなく、脚モジュール２０を前に振る相（期間）、脚モジュール２０を後に振る相、および脚モジュール２０を前後に振らない空の相、の３つの相を持つ動作を行うように制御を行う。さらに、４脚ロボット本体１の走行速度に合わせた脚モジュール２０の振り角で脚モジュール２０を前後に振る。
【０１２１】
４脚ロボット本体１にバウンドで脚式移動させる制御方法の一例を図３０に基づいて説明する。
【０１２２】
左前および右前の脚モジュール２０の動きを止めた状態（関節用モータ１１の回転を止めた状態）で、左後および右後の脚モジュール２０を後に振り（Ｓ６１）、その後、左前および右前の脚モジュール２０の動きを止めた状態で、左後および右後の脚モジュール２０を脚角度が０度になるまで前に戻す（Ｓ６２）。次いで、左前および右前の脚モジュール２０の動きを止めた状態で、左後および右後の脚モジュール２０を前に振り（Ｓ６３）、左前および右前の脚モジュール２０の動きを止めた状態で、左後および右後の脚モジュール２０を脚角度が０度になるまで前に戻す（Ｓ６４）。その後、左後および右後の脚モジュール２０の動きを止めた状態（関節用モータ１１の回転を止めた状態）で、左前および右前の脚モジュール２０を後に振り（Ｓ６５）、その後、左後および右後の脚モジュール２０の動きを止めた状態で、左前および右前の脚モジュール２０を脚角度が０度になるまで前に戻す（Ｓ６６）。Ｓ６６の後、Ｓ６１に戻る。
【０１２３】
以上のようにして、本実施形態の４脚ロボット本体１は、制御用計算機（制御手段）６による制御によって、クロール、ウォーク、トロット、バウンドの歩容を切り替えて脚式移動を行うことができる。
【０１２４】
また、これら４つの歩容は、クロール、ウォーク、トロット、バウンドの順に移動速度が速くなるので、４脚ロボット本体１の加速・減速は、これらの歩容を切り替えることで実現できる。このように複数の歩容を切り替えることで、複数の異なる移動速度に適した脚式移動を行うことが可能となる。その結果、より広い移動速度範囲で、安定した滑らかな脚式移動を行うことができる。また、各歩容における４脚ロボット本体１の加速・減速は、歩容周期を変化させることで実現できる。
【０１２５】
また、４脚ロボット本体１の方向転換は、前の２本の脚モジュール２０を振動させて滑らせることで達成できる。
【０１２６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１２７】
例えば、上述の説明では、４脚ロボット本体１を制御する制御用計算機６等の制御系が４脚ロボット本体１の外部に設けられた場合について説明したが、これに限るものではなく、４脚ロボット本体１を制御する制御用計算機６等の制御系を４脚ロボット本体１内部に設けてもよい。ただし、本実施形態のように、制御系を４脚ロボット本体１外部に設ける方が、４脚ロボット本体１を軽量化できる。
【０１２８】
また、上述の説明では、脚型ロボットが４脚ロボットである場合について説明したが、これに限るものではなく、本発明は、１脚ロボット、２脚ロボット、５脚以上の脚を持つロボットなどにも適用可能である。
【０１２９】
また、上述の説明では、ピニオンギアを回転させる回転駆動手段としてＤＣモータ（脚モジュール用モータ２１）を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。ただし、本実施形態のように、上記回転駆動手段としてＤＣモータを用いる方が、十分な駆動力が得られると共に４脚ロボット本体１を軽量化できる点で好ましい。
【０１３０】
また、上述の説明では、脚モジュール２０を回動させるための駆動手段として、ＤＣモータ（関節用モータ１１）を動力源として用いた場合について説明したが、これに限るものではない。また、上述の説明では、駆動手段におけるＤＣモータ等の動力源から脚モジュール２０へ動力を伝達する伝達手段として、ピッチ方向の揃った２つの平歯車１２・１３を用いていたが、伝達手段は、特に限定されるものではなく、ピッチ方向が交差した１対の歯車の組み合わせや、ベルトとローラとの組み合わせ等を用いてもよい。ただし、本実施形態のように、上記駆動手段としてＤＣモータを用いる方が、十分な駆動力が得られると共に４脚ロボット本体１を軽量化できる点で好ましい。
【０１３１】
また、上述の説明では、ラックギアとして丸棒ラックであるラックギア２５を用いたが、ラックギアとして平板のラックギアを用いてもよい。
【０１３２】
また、上述の説明では、４脚ロボット本体１は、制御用計算機６による制御によって、クロール、ウォーク、トロット、バウンドを切り替えて脚式移動を行うことができるようになっていたが、４脚ロボット本体１は、どのような歩容で脚式移動を行うことができるものであってもよい。ただし、４脚ロボット本体１は、異なる複数の歩容を切り替えて脚式移動を行うようになっていることが好ましく、少なくとも、静歩行の１種の歩容（例えばクロール）、動歩行の１種の歩容（例えば、ウォーク、トロット、またはペース）、および走行の１種の歩容（例えばバウンド、キャンター、ギャロップ）を切り替えて脚式移動を行うことがより好ましく、少なくとも、クロール、ウォーク、トロット、およびバウンドを切り替えて脚式移動を行うことが最も好ましい。これにより、複数の異なる移動速度に適した、複数の異なる歩容を切り替えて脚式移動を行うことが可能となるので、より広い移動速度範囲で、安定した滑らかな脚式移動を行うことができる。
【実施例】
【０１３３】
以下、実施例および比較例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。
【０１３４】
〔各実施例の設計〕
以下の各実施例の４脚ロボットは、発明を実施するための最良の形態の項で説明した図１〜図５に示す構成を備える４脚ロボットにおいて、以下のようにして設計したものである。
【０１３５】
各実施例では、人間と共に歩行を行い、人間と共生できるような速度での脚式移動を可能とする４脚ロボットを作成することを目的とした。人間は、通常、歩行の速度は４ｋｍ／ｈと言われているが、本実施例では、人間に十分に追従できるように、人間の速歩きの８ｋｍ／ｈでの脚式移動を実現することを目指した。各実施例では、人間との共生を目的とし、人間の歩行速度への追従を目指して、８Ｋｍ／ｈでの走行が可能な４脚ロボットの制御に関する実験を行った。また、４脚ロボット本体１の加速、および旋回（方向転換）の制御を行い、加速、および旋回（方向転換）が実際に可能かを調べた。
【０１３６】
（１）制御用計算機
各実施例では、制御用計算機６として、以下に示す仕様のＩＢＭ ＰＣ互換機を使用した。
【０１３７】
ＣＰＵ：ＣＥＬＥＲＯＮ（登録商標）800MHz（インテル(登録商標）社製）
チップセット：Ｉ４４０ＢＸ−Ｚ（インテル（登録商標）社製;システムバス100MHz）
ハードディスク：ＨＤＣ７７８４  ２０ＧＢ（Ｓｅａｇａｔｅ（登録商標））
メモリー：１２８ＭＢ  ＳＤＲＡＭ（株式会社日立製作所製）
制御用計算機６のＯＳとしては、ＧＰＬフリーソフトのVine Linux 2.1.5（技術評論社製）を使用した。また、Ｌｉｎｕｘカーネルに対してパッチと呼ばれる方法で手を加えることで、ＯＳにリアルタイム性を持たせることが可能なソフト「RT-Linux3.0」も併せて使用した。
【０１３８】
制御用計算機６には、インタフェースを取り付けた。インタフェースは、試作機からのアナログ情報を計算機への信号へ変換するＡ／Ｄボード（１６入力、２ＫＨｚ、インテル（登録商標）社製「ＩＢＸ−３１１３」）、試作機での関節角度や脚長さをカウントするＰＣＩ規格のエンコーダカウンタボード（８入力、２ＭＨｚ、Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ社製「ＰＣＩ−６２０５Ｃ」）、および、計算機からの信号をモータへ出力させるためにアナログ信号へ変換するＤ／Ａボード（８出力、１ＭＨｚ、インテル（登録商標）社製ＩＢＸ−３８８６）で構成した。
【０１３９】
また、制御用計算機６には、インタフェース類としてＬＡＮ（１０ｂａｓｅ−ｔ、ｃｏｒｅｇａ社製「Ｐｃｉ−Ｔｘ」）を用いた。
【０１４０】
制御用計算機６には、ＰＣＩ規格のエンコーダカウンタボードからの入力を認識するためのＬｉｎｕｘカーネル用デバイスドライバをインストールした。このデバイスドライバは、本願発明者等が作成したものである。
【０１４１】
制御用計算機６からの出力信号は、±５Ｖとした。
【０１４２】
（２）電源
電源４は、４脚ロボット本体１の消費する電力を十分に供給できる必要がある。各実施例での４脚ロボット本体１の稼動電圧は、３０Ｖであり、８自由度それぞれにアクチュエータを配置してある。消費するであろう電流は１Ａ×８個であるので２倍以上あれば十分である。そこで、各実施例では、電源４として、ＫＥＮＷＯＯＤ社製ＰＤＳ３６−２０を用いた。この電源は、３６Ｖ・２０Ａを最大出力とするものである。各モータ１１・２１には、制御信号に応じて最大±２４Ｖの電圧が印加されるようにした。
【０１４３】
（３）胴体の筐体
各実施例の４脚ロボット本体１では、胴体１０の筐体１０ａの剛性を高めた。筐体１０ａのフレーム１０ｂは、大きく分けると、アルミニウムＡｌ６０６３からなる、４０ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍの寸法の角パイプと、アルミニウムＡｌ６０６３からなる、アルミニウム板（板厚３ｍｍ）とで構成した。さらに、軽量化のために、フレーム１０ｂの中央付近で角パイプに肉抜きを行った。肉抜きは、角パイプの角の部分が１０ｍｍ×１５ｍｍずつ残るように行った。
【０１４４】
（４）胴体の関節部分および第２の平歯車
本実施例では、関節用のベアリング１５として、ＮＴＮ社製の内径３０ｍｍのものを使用した。
【０１４５】
また、関節用モータ１１および平歯車１２・１３は、脚モジュール２０を回動させるのに必要なトルクと移動速度との関係から選定した。関節用モータ１１および平歯車１２・１３は、移動速度の面からは最高速度８ｋｍ／ｈが得られるように、トルクの面からは４脚ロボット本体１の自重を支えられる程度とする。自重を支えられるとは、振り角９０ｄｅｇ（１２π［ｒａｄ］）のときに停動トルクにより自重を支えられる程度であり、脚長さを３００ｍｍとした場合、脚モジュール２０を回動させるのに必要なトルクは、理論上、１０．２９０Ｎ・ｍである。
【０１４６】
これらの条件を満たすために、関節用モータ１１として、Ｍａｘｏｎ社製の「Ａ−ｍａｘ３２」にプラネタリギアヘッド（減速比２９９：１４）を付けたものを使用した。また、平歯車１２・１３（最終ギア）として、減速比が１００：２０となる平歯車の組み合わせ（例えば、第１の平歯車１２の歯数が２０、第２の平歯車１３の歯数が１００）を使用した。これにより、理論上、脚モジュール２０を回動させるトルクは１２．８３Ｎｍとなり、脚長さが３００ｍｍならば、理論上、走行速度は９．１Ｋｍ／ｈが最高速となる。この走行速度は、本実施例の達成目標である８Ｋｍ／ｈの走行速度を超えている。
【０１４７】
関節用モータ１１に取り付けた角度センサ（エンコーダ）としては、エンコーダ「ＨＤＳＥ」を用いた。このエンコーダは、関節用モータ１１の１回転あたり最大５００カウントを数えることができるものである。したがって、平歯車１２・平歯車１３等による減速比が６４：１であれば、関節用モータ１１の回転を最小１／３２０００回転まで検出することが可能である。
【０１４８】
脚モジュール２０の軽量化を行うために、胴体１０の関節部分を独特な構造にした。また、胴体１０は、できる限り関節の軸受け用のコンポーネントと一体化した構造とし、部品数やねじの数を減らした。
【０１４９】
（５）脚モジュール
脚モジュール２０は、さらに抵抗やがたつきを減らすべく設計し直した。移動速度を高めるために、脚モジュール２０の長さは、非特許文献１の４脚ロボットの脚モジュールの長さの倍とした。
【０１５０】
ピニオンギア２３のピッチ円は、直径８ｍｍとした。
【０１５１】
脚モジュール用モータ２１に取り付けた測長センサ（エンコーダ）として、１回転あたり１０００カウントを数えることができるものを用いた。ピニオンギア２３のピッチ円は直径８ｍｍであるので、測長センサにより計測可能な最小の長さは０．０７５ｍｍである。脚モジュール２０の根元地面に取り付けた測距センサとしては、シャープ株式会社製の「ＧＰ２Ｄ−１２０」を用いた。
【０１５２】
４脚ロボット本体１は、走行を可能にするために、跳躍が可能となるように、脚モジュール用モータ２１に使用するＤＣモータを選定する必要がある。脚モジュール用モータ２１は、トルクと速度との両方を考える必要がある。トルクは、４脚ロボット本体１の自重を支えられる程度とする。また、４脚ロボット本体１の自重によって脚１本に対して５Ｋｇの負荷が加わると考えることとする。よって、必要なトルクは、理論上、１９６ｍＮ・ｍとなる。そこで、脚モジュール用モータ２１として停動トルクが１９６ｍＮ・ｍ以上のモータを選定する。
【０１５３】
速度は、高さｈの跳躍に必要な速度はｖ＝√（２ｇｈ）であり、トルクを停動トルクで換算しているので、ラックギア２５の速度は、目標高さｈの２倍以上に脚モジュール２０が到達可能な速度であることが必要である。そこで、目標高さを２０ｍｍと設定すると、
ｖ＝√（２×ｇ×０．２）＝１．９８［ｍ／ｓｅｃ］
となる。脚モジュール用モータ２１は、ピニオンギアを介してラックギア２５を直進運動させるので、脚モジュール用モータ２１に必要なトルクは
１９８０／（８π）＝７８ｒｐｓ
となる。これから、脚モジュール用モータ２１に必要なトルクは４７２７ｒｐｍ以上であることが分かる。そこで、できる限り軽量でこの目標をクリアするモータを選定すると、Ｍａｘｏｎモータ社製の「Ｒｅ−ｍａｘ２５」と千葉精密社製の「ＴＯＲＭＡＸ−２６」とが候補に上がった。この両者のうち、関節軸内に配置する事に適した形状であることから、千葉精密社製の「TORMAX-26」を脚モジュール用モータ２１として選定した。
【０１５４】
本実施例の脚モジュール２０では、脚先部２８に延長脚を付けたが、関節の軸の内部に脚モジュール用モータ２１の一部を配置したことで、脚モジュール２０全体の質量は、３５０ｇにとどめることができ、非特許文献３の４脚ロボットの脚モジュール２０の質量の７０％にすることができた。
【０１５５】
また、圧縮コイルばね２６の中にラックギア２５を通す必要があるので、圧縮コイルばね２６の固定部品の事を考慮し、圧縮コイルばね２６の内径は３０ｍｍ程度以上であることが望ましい。
【０１５６】
また、非特許文献３の脚モジュールと同様の脚モジュールを用いた１脚跳躍ロボットにおいて、質量５ｋｇの１脚跳躍ロボットに対して標準荷重７Ｋｇの圧縮コイルばねを取り付けた。しかし、跳躍の衝撃で数百回の跳躍で破損して座屈を起こし破損した。
【０１５７】
そこで、本実施例の４脚ロボットにおいては、ばねが座屈しないように、ばね１本当たりの標準荷重が４脚ロボット本体１の質量とほぼ同じばねを圧縮コイルばね２６として選定した。
【０１５８】
〔実施例１：各歩容の実験〕
非特許文献３の４脚ロボットでは、クロール、ウォーク、トロット、バウンドの各歩容での移動を成功している。本実施例では、本発明に係る４脚ロボットにおいて実際にこれらの歩容を行うことが可能か、これを検証する。本実施例は、〔各実施例の設計〕の項で述べた４脚ロボットを用い、水平かつ平坦な床の上で行った。
【０１５９】
（１）クロール
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図１０に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をクロールで脚式移動させた。
【０１６０】
クロールの歩容での移動実験の結果を図１３に示す。図１３（ａ）は、標準状態（４脚ロボット本体１を静置した状態）の脚モジュール２０の長さを０としたときの、各脚モジュール２０の長さ（以下、「脚長さ」と記す）の変化を示し、図１３（ｂ）は、地面に対する各脚モジュール２０の角度を、脚モジュール２０の脚先が前方へ移動した場合を正として表した値（以下、「脚角度」と記す）の変化を示す。
【０１６１】
図１３において、進行方向に対し前側の左の脚モジュール２０（左前脚）を「ｌｆ」、進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚）を「ｒｆ」、進行方向に対し後側の右の脚モジュール２０（右後脚）を「ｒｒ」、進行方向に対し後側の左の脚モジュール２０（左後脚）を「ｌｒ」と表記している。以下の図１４〜図２９においても、同様の表記を用いる。
【０１６２】
また、クロールの歩容で移動しているときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図１４に示す。
【０１６３】
図１３において、脚モジュール２０の脚角度の曲線の傾斜が緩やかな期間が、脚モジュール２０が支持脚である期間、脚モジュール２０の脚角度の曲線の傾斜が激しい期間が、脚モジュール２０が遊脚である期間である。図１３から、４本の脚モジュール２０の脚長さおよび脚角度が１本ずつ独立して流れるように変化していること、すなわち４本の脚モジュール２０がそれぞれ１本ずつ独立して流れるように動作していることが分かる。また、図１３から、これら脚モジュール２０の支持脚期間が互いに重複していないことが分かる。
【０１６４】
図１４から、脚モジュール２０が支持脚である時に、４脚ロボット本体１の移動速度に対応した脚モジュール２０の振り幅および振り角を生成することで４脚ロボット本体１の移動速度を確定していることが分かる。
【０１６５】
（２）ウォーク
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図１１に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をウォークで脚式移動させた。
【０１６６】
ウォークの歩容での移動実験の結果を図１５に示す。図１５（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図１５（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。また、ウォークの歩容で移動しているときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図１６に示す。
【０１６７】
図１５において、脚モジュール２０の脚長さが０以上である期間が、脚モジュール２０が支持脚である期間、脚モジュール２０の脚長さが負である期間が、脚モジュール２０が遊脚である期間である。図１５から、４本の脚モジュール２０の脚角度が１本ずつ独立して流れるように変化していること、すなわち４本の脚モジュール２０がそれぞれ１本ずつ独立して流れるように動作していることが分かる。また、図１５から、各脚モジュール２０は、その脚長さが負のとき（遊脚であるとき）、他の脚モジュール２０と支持脚期間が重複している様子が分かる。
【０１６８】
図１６から、１本の脚モジュール２０は、支持脚、遊脚を一定のリズムで繰り返している様子が分かる。
【０１６９】
（３）トロット
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図１２に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をトロットで脚式移動させた。
【０１７０】
トロットの歩容での移動実験の結果を図１７に示す。図１７（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図１７（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。また、トロットの歩容で移動しているときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図１８に示す。
【０１７１】
図１７において、脚モジュール２０の脚長さが０以上である期間が、脚モジュール２０が支持脚である期間、脚モジュール２０の脚長さが負である期間が、脚モジュール２０が遊脚である期間である。脚モジュール２０の脚角度は、２つの脚モジュール２０の脚角度が重複して同じ軌道を描いている。図１７から、支持脚と遊脚との入れ替わりが一瞬で行われていることが分かる。
【０１７２】
図１８から、１本の脚モジュール２０が、支持脚、遊脚を一定のリズムで繰り返している様子が分かる。
【０１７３】
（４）バウンド
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図３０に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をバウンドで脚式移動させた。
【０１７４】
バウンドの歩容での移動実験の結果を図１９に示す。図１９（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図１９（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。
【０１７５】
図１９において、脚モジュール２０の脚長さが０以上である期間が、脚モジュール２０が支持脚である期間、脚モジュール２０の脚長さが負である期間が、脚モジュール２０が遊脚である期間である。図１９から、前後の脚モジュール２０が交互に支持脚と遊脚とを繰り返しているのではなく、支持位相（支持期間）を持ち、脚モジュール２０を前に振る相（期間）、脚モジュール２０を後に振る相、および脚モジュール２０を前後に振らない空の相、の３つの相を持つ動作を行っており、これらの相が上手く働いている様子が分かる。これは、２脚跳躍ロボットにおける協調跳躍の成果を加味し、位相差π４の周期での跳躍を行うように脚モジュール２０を伸縮させると共に、４脚ロボット本体１の走行速度に合わせた脚モジュール２０の振り角で脚モジュール２０を前後に振ることにより実現した。この動作は、全く新しい形の走行である。
【０１７６】
対角線上に位置する２本の脚モジュール２０に注目すると、さらにその様子が分かりやすくなる。バウンドの歩容で移動しているときの、対角線上に位置する２本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚）および進行方向に対し後側の左の脚モジュール２０（左後脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図２０に示す。
【０１７７】
以上のように、本実施例の４脚ロボットでは、脚モジュール２０の先端の軌道を生成し、その軌道に脚モジュール２０の先端を追従させる制御を行うことで、より滑らかな歩容を達成することができた。本実施例の４脚ロボットでは、全ての歩容について、デューティ比に基づいて各脚モジュール２０を１本ずつ個別に上記軌道に追従させる制御を行うことで、全ての脚モジュール２０の動きを連続した動きとし、その連続した動きが、滑らか動きへとつながった。そして、本実施例の４脚ロボットでは、バウンドでの脚式移動を行う場合には、跳躍の周期に位相差を与え、一時的に脚モジュール２０の振り角を固定することで、新しい形のバウンドでの走行を達成することができた。
【０１７８】
〔実施例２：各歩容における加速実験〕
本実施例は、クロール、ウォーク、トロットの各歩容において４脚ロボット本体１の加速が可能かどうかを検証するものである。移動の加速は、４脚ロボット本体１の速度や位置を制御する上で重要な要素となる。そこで、クロール、ウォーク、トロットの各歩容ごとに、脚モジュール２０の先端の速度や振り幅を変化させることで４脚ロボット本体１の移動を加速させる実験を行った。本実施例は、〔各実施例の設計〕の項で述べた４脚ロボットを用い、水平かつ平坦な場所で行った。
【０１７９】
（１）クロール
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図１０に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をクロールで脚式移動させた。ただし、歩容の周期を短縮していくことで４脚ロボット本体１の移動を加速させた。より詳細には、図１０における、脚を前方に振る期間の長さおよび脚を後方に振る期間の長さを図１０の値（１．５秒および０．５秒）から短縮していくことで４脚ロボット本体１の移動を加速させた。
【０１８０】
クロールの歩容での加速実験の結果を図２１に示す。図２１（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図２１（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。また、クロールの歩容で加速実験を行ったときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図２２に示す。
【０１８１】
図２１の脚角度の勾配から、歩行の周期が変化していることがわかる。さらに、図２１において、脚角度の振幅の絶対値が変化していることから、歩幅が変化していることが分かる。低速域の歩容のため、軌道の変化は速度へとつながる。しかし、脚の振り角を多く取りすぎると、４脚ロボット本体１は滑り始めた。これは、遊脚の床に対する余裕がなくなったためで、機構上、遊脚を大きく上げることは不可能である。そのため、振り角は、１５ｄｅｇ程度とした。
【０１８２】
（２）ウォーク
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図１１に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をウォークで脚式移動させた。ただし、歩容の周期を短縮していくことで４脚ロボット本体１の移動を加速させた。より詳細には、図１１における、脚を前方に振る期間の長さおよび脚を後方に振る期間の長さを図１１の値（０．５秒）から短縮していくことで４脚ロボット本体１の移動を加速させた。
【０１８３】
ウォークの歩容での加速実験の結果を図２３に示す。図２３（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図２３（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。また、ウォークの歩容で加速実験を行ったときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図２４に示す。
【０１８４】
図２３および図２４から、４脚ロボット本体１は、歩行の周期が変化すると共に歩幅が変化し、移動速度に追従していることが分かる。
【０１８５】
（３）トロット
［発明を実施するための最良の形態］の項で述べた図１２に示す制御方法を用いて、４脚ロボット本体１をトロットで脚式移動させた。ただし、歩容の周期を短縮していくことで４脚ロボット本体１の移動を加速させた。より詳細には、図１２における、脚を前方に振る期間の長さおよび脚を後方に振る期間の長さを図１２の値（０．５秒）から短縮していくことで４脚ロボット本体１の移動を加速させた。
【０１８６】
トロットの歩容での加速実験の結果を図２５に示す。図２５（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図２５（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。また、トロットの歩容で加速実験を行ったときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を図２６に示す。
【０１８７】
図２５および図２６から、４脚ロボット本体１は、歩行中は、移動速度が増加するにつれて歩幅が変化し、歩容の周期も変化する一方、走行になってからは、歩容の周期が一定となることが分かる。
【０１８８】
以上のように、本実施例の４脚ロボットでは、歩容の周期や歩幅を変化させることで、移動速度の変化を達成できた。
【０１８９】
〔実施例３：旋回実験〕
脚移動において一定方向への移動が可能ならば、全方向への移動を可能にするために、進行方向を変化させること（旋回）が重要となる。本実施例では、各歩容において曲がる事が可能かどうかを検証する。ここでは、停止状態での旋回動作を検証する実験とした。本実施例は、同じく〔各実施例の設計〕の項で述べた４脚ロボットを用い、水平かつ平坦な場所で行った。
【０１９０】
方向転換（旋回）を行うために、摩擦が十分な滑らない理想的な床を考え、前脚を振動にて滑らせた。すなわち、方向転換を行うために、左後脚および右後脚が、それぞれ１本ずつ遊脚となり、入力角度まで開いたところで、左前脚および右前脚を振動させ、左前脚および右前脚を滑らせた。これにより、４脚ロボット本体１の進行方向を変えることができた。
【０１９１】
旋回実験の結果を図２７に示す。図２７（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図２７（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。図２７から、左右の後脚をそれぞれ開いた後、前脚を振動させながら方向を転換している様子が分かる。
【０１９２】
非特許文献３に記載の４脚ロボットでは方向転換を行うことができなかったが、本実施例の４脚ロボットでは、全方向への移動に不可欠な方向転換が可能になった。
【０１９３】
〔実施例４：複合歩容実験〕
本実施例では、上述した各歩容の実験を複合させ、クロール、ウォーク、トロット、バウンドの全ての歩容を連続で行えるかを検証した。それぞれの歩容における遊脚の順番が一致するように制御を行い、歩容の軌道を変更する方式で歩容を変更する制御を行ったところ、懸念された転倒などが起こらず、スムーズに歩容の変更を行うことができた。これは、それぞれの歩容における遊脚の順番が一致するように制御を行った結果であると考えられる。本実施例は、同じく〔各実施例の設計〕の項で述べた４脚ロボットを用い、水平かつ平坦な場所で行った。
【０１９４】
この結果から、４脚ロボットは、ユーザがある特定速度帯を制御用計算機６からコントローラ３を介して入力すると、その特定速度帯に対応した歩容へと変更を行う構成とした。
【０１９５】
複合歩容実験の結果を図２８に示す。図２８（ａ）は各脚モジュール２０の脚長さの変化を示し、図２８（ｂ）は各脚モジュール２０の脚角度の変化を示す。図２８から、４本の脚がクロールからウォーク、そしてトロットへと歩容と速度を変化させながら移動を行い、バウンドにおいて最高速度に達する様子が分かる。
【０１９６】
図２９は、複合歩容実験を行ったときの、１本の脚モジュール２０（進行方向に対し前側の右の脚モジュール２０（右前脚））の脚長さおよび脚角度の変化を示す。図２９から、３秒まではクロール、その後６秒まではウォーク、その後８秒まではトロット、８秒からはバウンドとなっている様子が分かる。特に、低速域のクロールからウォークへの歩容の変化は滑らかに行われており、無理なく歩容を変更できたことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明によれば、簡素な構造で耐久性が高く、かつ、高速で安定した脚式移動が可能な脚型ロボットを実現することができる。したがって、本発明は、安価で信頼性が高く、かつ、人間の動きに追従できる脚型ロボットとして有用である。
【０１９８】
本発明の脚型ロボットは、各種のロボット、例えば、ペットロボット、観賞用ロボット（これを用いてロボット動物園も実現可能と考えられる）、スポーツ用ロボット（ジョギングの伴走を行うロボットなどとして使用可能と考えられる）、見張りロボット（例えば、羊の番犬の役割をするロボット）、動物調教用ロボット（例えば、犬調教用の犬型ロボット）等として利用できると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１９９】
【図１】本発明の実施の一形態に係る４脚ロボット本体の全体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る４脚ロボットの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係る４脚ロボット本体の全体を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係る４脚ロボット本体の一部を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係る脚モジュールのラック＆ピニオン機構の部分を示す斜視図である。
【図６】クロールにおける脚の運びを模式的に示す斜視図である。
【図７】ウォークにおける脚の運びを模式的に示す斜視図である。
【図８】トロットにおける脚の運びを模式的に示す斜視図である。
【図９】バウンドにおける脚の運びを模式的に示す斜視図である。
【図１０】４脚ロボット本体をクロールで脚式移動させるための制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】４脚ロボット本体をウォークで脚式移動させるための制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】４脚ロボット本体をトロットで脚式移動させるための制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】クロールの歩容での移動実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図１４】クロールの歩容での移動実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図１５】ウォークの歩容での移動実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図１６】ウォークの歩容での移動実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図１７】トロットの歩容での移動実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図１８】トロットの歩容での移動実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図１９】バウンドの歩容での移動実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図２０】バウンドの歩容での移動実験における、対角線上の２本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図２１】クロールの歩容での加速実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図２２】クロールの歩容での加速実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図２３】ウォークの歩容での加速実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図２４】ウォークの歩容での加速実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図２５】トロットの歩容での加速実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図２６】トロットの歩容での加速実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図２７】旋回実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図２８】複合歩容実験における各脚モジュールの動きを示す図であり、（ａ）は脚長さの変化を示し、（ｂ）は脚角度の変化を示す。
【図２９】複合歩容実験における１本の脚モジュールの脚長さおよび脚角度の変化を示す図である。
【図３０】４脚ロボット本体をバウンドで脚式移動させるための制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０２００】
１    ４脚ロボット本体（脚型ロボット本体）
６    制御用計算機（制御手段）
１０    胴体（胴体部）
１０ａ  筐体
１１    関節用モータ（回転駆動手段）
１２    第１の平歯車
１３    第２の平歯車
１５    ベアリング（ジョイント）
２０    脚モジュール
２０ａ  脚フレーム（支持体）
２１    脚モジュール用モータ（駆動手段）
２３    ピニオンギア
２４    ピニオンギア支持部
２５    ラックギア
２８    脚先部
【図１】
2006051559.tif 000003
【図２】
2006051559.tif 000004
【図３】
2006051559.tif 000005
【図４】
2006051559.tif 000006
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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