(57)【要約】【課題】  脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた、脚車輪ハイブリッド型のロボット装置を提供する。【解決手段】  足先には、首振りキャスターを備えた受動車輪機構が着脱自在に取り付けられる。足先にＹ方向の動作を与えることにより、車輪と路面との摩擦力により車輪に首振り作用を生じさせ、車輪の転がり方向と進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成する。車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、足先のＹ方向への運動を車輪の回転運動に変換して推進力を得る。【選択図】  図１
2006068883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の可動脚を備えたロボット装置であって、
前記可動脚の足先に取り付けられた、足裏のベース面上で首振り自在に支持された車輪を持つ車輪機構と、
少なくとも可動脚の動作を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより、前記車輪と路面との摩擦力により前記車輪に首振り作用を生じさせて、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成し、前記車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、前記足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得る、
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記動作制御手段は、前記可動脚の足先を前記進行方向に対して非平行な方向へ移動させ前記車輪に首振り動作を与えることにより、グライド角θGに相当する前記推進力の減速比を得る、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記動作制御手段は、走行路面の摩擦係数に応じてグライド角θGを変更する、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記車輪の首振り動作の可動範囲を規制するリミット機構を備え、間接的にのみ設定される減速比の範囲を所望の範囲内に収める、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記リミット機構は、所定の固定位置に固定され、首振り動作する前記車輪に当接して可動範囲を規制するリミッタで構成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記リミッタ機構は、前記車輪の首振り方向に対して復元力を持つ弾性体で構成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット装置。
【請求項７】
前記車輪の回転により得られる推進を制動する制動手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項８】
前記車輪機構は前記可動脚の足先に対し着脱自在に取り付けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項９】
少なくとも１組の左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記動作制御手段は、前記の左右対称な各可動脚の足先に対して、前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する左右対称となる周期的な運動を与える、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１０】
前記ロボット装置本体の前後にそれぞれ左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記動作制御手段は、前脚と後脚とで足先の周期的な運動に位相差を設ける、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置。
【請求項１１】
舵取用車輪機構を足先に取り付けた舵取用の可動脚と、推進用車輪機構を足先に取り付けた推進用の可動脚を備え、
前記動作制御手段は、前記舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、前記推進用の可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得る、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１２】
前記動作制御手段は、所望の舵取角が得られるように、前記足裏のベース面を傾斜させて、前記車輪を首振り動作させる、
ことを特徴とする請求項１１に記載のロボット装置。
【請求項１３】
１以上の可動脚を備え、前記可動脚の足裏のベース面上で首振り自在に支持された車輪を持つ車輪機構が装着されたロボット装置の制御方法であって、
前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えるステップと、
足先の移動に伴う前記車輪と路面との摩擦力により生じる前記車輪に首振り作用によって、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成するステップと、
前記足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得るステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。
【請求項１４】
前記のグライド角θGを間接的に形成するステップでは、グライド角θGに相当する前記推進力の減速比を得る、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項１５】
前記のグライド角θGを間接的に形成するステップでは、走行路面の摩擦係数に応じてグライド角θGを変更する、
ことを特徴とする請求項１４に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項１６】
前記ロボット装置は、少なくとも１組の左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記の前記可動脚の足先に動作を与えるステップでは、前記の左右対称な各可動脚の足先に対して、前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する左右対称となる周期的な運動を与える、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項１７】
前記ロボット装置本体の前後にそれぞれ左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記の前記可動脚の足先に動作を与えるステップでは、前脚と後脚とで足先の周期的な運動に位相差を設ける、
ことを特徴とする請求項１６に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項１８】
舵取用車輪機構を足先に取り付けた舵取用の可動脚と、推進用車輪機構を足先に取り付けた推進用の可動脚を備え、
前記の前記可動脚の足先に動作を与えるステップは、前記舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するステップと、前記推進用の可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えるステップとを備える、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項１９】
前記の前記舵取用の可動脚を駆動するステップは、所望の舵取角が得られるように、前記足裏のベース面を傾斜させて、前記車輪を首振り動作させる、
ことを特徴とする請求項１８に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項２０】
複数の可動脚を備え脚式移動動作を行なうロボット装置に対して適用され、前記可動脚の動作に応じた受動的な回転作用を生じて推進力を得る受動車輪装置であって、
ベース部と、
前記ベース部上面にて前記可動脚の足先に着脱自在に装着する脚固定部と、
前記ベース部下面にて受動回転軸を中心にヨー回りに回動自在に支持され、受動回転軸に対しオフセットを以って車輪が取り付けられた首振りキャスターと、
を具備することを特徴とする受動車輪装置。
【請求項２１】
前記車輪の首振り動作の可動範囲を規制するリミット機構をさらに備える、
ことを特徴とする請求項２０に記載の受動車輪装置。
【請求項２２】
前記リミット機構は、所定の固定位置に固定され、首振り動作する前記車輪に当接して可動範囲を規制するリミッタで構成される、
ことを特徴とする請求項２１に記載の受動車輪装置。
【請求項２３】
前記リミッタ機構は、前記車輪の首振り方向に対して復元力を持つ弾性体で構成される、
ことを特徴とする請求項２１に記載の受動車輪装置。
【請求項２４】
前記車輪の回転により得られる推進を制動する制動手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項２０に記載の受動車輪装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の可動部を備えたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に係り、特に、移動手段を備えたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた脚車輪ハイブリッド型のロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に係り、特に、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させるロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている（例えば、特許文献１を参照のこと）。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
【０００６】
ところが、脚式移動ロボットは高い対地適応性が得られる反面、移動速度や効率の面で、車輪型移動ロボットよりも劣るという問題がある。このため、脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた、いわば脚車輪ハイブリッド型の移動体に関する研究が行なわれている。
【０００７】
車輪を利用した移動ロボットとして、例えば、災害現場への進入を行う極限作業用の６脚走行車（例えば、非特許文献１を参照のこと）や移動体（例えば、非特許文献２を参照のこと）、またクローラも連続的な無限軌道を用いるという観点から広義の車輪と捉えれば、地雷撤去を目的として開発されたＣＯＭＥＴ−ＩＩＩ（例えば、非特許文献３を参照のこと）などが挙げられる。
【０００８】
これらの移動体は車輪として駆動力を持つ能動車輪を用いている。これに対し、脚式による歩行機械は一般に歩行動作を実現するために多くの自由度を有し、機体質量は増大しがちである。その上、車輪駆動のためのアクチュエータを搭載すると、いたずらに質量増加を招き、その結果、歩行機械としての運動性能を逆に制約する。
【０００９】
そこで、簡素な機構で質量増加も少ない受動車輪を用いた歩行機械のハイブリッド化手法が提案されている。
【００１０】
例えば、ローラースケート靴を履くことにより、通常の歩行動作時よりもダイナミックで高速な移動作業を実現することができる脚式移動ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。
【００１１】
また、「ローラーウォーカー」と名付けられた手法では、脚先に受動車輪を取り付け、ローラースケートと同様の原理で推進することができる（例えば、非特許文献４を参照のこと）。
【００１２】
図２０及び図２１には、ローラーウォーカーの自由度構成を模式的に示している。同図に示す、ハイブリッド歩行機械は、４足の脚式移動ロボットであり、各脚部は、足平より付け根に向かって、３つのロール回りの自由度と１つのヨー回りの自由度という、合計４自由度を備えている（但し、ロボットの前方向をＸと置き、進行方向として座標系を図示のように設定する）。足部の足平は円盤状をなし、車輪としての機能を兼ね備えている。すなわち、歩行時には、図２０に示すように、足首角度をロール回りに回転させることで、円盤状の車輪を倒して接地させ、足裏として利用する。また、車輪を用いた走行時には、図２１に示すように足首角度をロール回りに回転させ、円盤状の車輪を起こして、足首以降で車輪をピッチ軸周りに受動回転可能にする。このように簡素な機構を用いることで、車輪を用いた走行性能を実現しつつ、過大な重量増加を抑え、歩行機械としての性能低下を最小限に抑えることができる。
【００１３】
さて、受動車輪による推進は、車輪の転がり方向は摩擦係数が少なく、軸方向は摩擦が大きい。このような抗力の異方性を利用することにより、受動車輪による推進を実現する。ここで、例えば左右の各脚の付け根のヨー軸回転を利用することにより、左右の車輪はそれぞれＸ方向に対して傾きを持ちながら左右の車輪間の軸方向の距離が伸縮する。このとき、軸方向の摩擦が大きいことから、車輪の軸方向に発生する摩擦力が車輪の転がりによって解放されて、Ｘ方向への推進力に変換される。
【００１４】
ここで、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換するには、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させる機構を持ち、車輪に印加される摩擦力に対し車輪の転がり方向が非直交である必要がある。また、車輪の転がり方向と推進方向（若しくはロボットの主たる進行方向）のなす角θG（グライド角と呼ぶことにする）は言わばギアの減速比に相当する。したがって、グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる（例えば、非特許文献５及び非特許文献６を参照のこと）。すなわち、所望の方向の移動を生成するためには，車輪の転がり方向すなわち脚先ヨー角度を変化させることが必要である。
【００１５】
一般に、２足を除く多脚歩行ロボットの場合、機構設計上の観点から、一脚当たりの重量を小さくすることが好ましい。この帰結として、一脚当たりの自由度はＸＹＺの３自由度となることが多く、（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒｏｌｌ，Ｐｉｔｃｈ，Ｙａｗ）の６自由度をすべて独立に扱うことができないのが実情である。
【００１６】
図２０及び図２１に示した関節配置では、ＸＹ位置の従属変数としてヨーを間接的に変化させることが可能であるため、受動車輪による推進が検討できる。ところが、これまでに検討された多脚ロボットは図２０及び図２１に示した関節配置のみであり、例えば図２２に示すような関節配置は検討されていない。
【００１７】
また、関節部の駆動系の配置レイアウトに自由度を持たせ、当該関節部に十分な動力と剛性を持たせた多足歩行ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。このロボット装置の可動脚は、ロール軸に相当する第１回動軸回りの自由度と、ピッチ軸に相当する第２及び第３の回動軸回りの自由度という合計３自由度を備えているが、グライド角θGを得るための足先のヨー回転を生成することができる自由度を可動脚は備えていない。
【００１８】
３自由度を保持したまま、グライド角を得るための足先のヨー回転を生成することはできないことから、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換し、あるいはその減速比を調整することはできない。すなわち、従来の手法（非特許文献５及び非特許文献６を参照のこと）はそのまま適用することはできない。
【００１９】
また、ローラーウォーカーでは、図２０及び図２１からも分かるように、足裏と車輪を切り替えるための足首部のアクチュエータが必要であり、この足裏切替機構を含めたシステムとして全体を構築する必要がある。この場合、足裏と車輪は常に兼用となることから、必ずしも歩行に適切な形状や材質を選べる訳ではない。
【００２０】
【特許文献１】特開平１３−１２９７７５号公報
【特許文献２】特開２００１−１３８２７２号公報
【特許文献３】特開２００２−１１６７９号公報、図１
【非特許文献１】N.Kimura，T.Kamigaki，N.Suzuki，A.Nishikawa and N.Yamamoto ：“Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot”，'91 ISART pp.375-380(1991)
【非特許文献２】H.Adachi，N.Koyachi，T.Arai，A.SHimizu and Y.Nogami：“Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot”，International Conference on Intelligent Robots and Systems Proc., pp.1792-1797(1999)
【非特許文献３】http://mec2.tm.chiba-u.jp/~nonami/
【非特許文献４】G.Endo, S.Hirose：“Study on Roller-Walker(Multi-mode Steering Control and Self-contained Locomotion”，IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.2808-2814(2000)
【非特許文献５】遠藤玄：“索状能動体と脚車輪ハイブリッド移動体におけるグライド推進の研究”，東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻学位論文，pp.8-10(2000)
【非特許文献６】遠藤玄：“索状能動体と脚車輪ハイブリッド移動体におけるグライド推進の研究”，東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻学位論文，pp.80-87(2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた、脚車輪ハイブリッド型の優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することにある。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することにある。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、足先に取り付けられた受動車輪を用い、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させ、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換することにより推進力を得て、車輪を用いた走行を実現することができる、優れたロボット装置及びその制御方法を提供することにある。
【００２４】
本発明のさらなる目的は、多脚ロボットの一脚当たりの少ない自由度を用いて足先の車輪に対しヨー回りの回転を与え、車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的且つ受動的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、１以上の可動脚を備えたロボット装置であって、
前記可動脚の足先に取り付けられた、足裏のベース面上で首振り自在に支持された車輪を持つ車輪機構と、
少なくとも可動脚の動作を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成することを特徴とするロボット装置である。
【００２６】
脚式移動ロボットは高い対地適応性が得られる反面、移動速度や効率の面で、車輪型移動ロボットよりも劣るということから、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えた、いわば脚車輪ハイブリッド型の移動体が優れていると思料される。また、機体の総重量を考慮すると、能動車輪ではなく、受動車輪を用いることが好ましいが、推進力をいかに得るかが問題となる。
【００２７】
例えば、車輪の転がり方向は摩擦係数が少なく軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性を利用することにより、受動車輪による推進力を得ることができる。この場合、受動車輪の転がり方向とロボットの主たる推進方向とのなすグライド角θGを、可動脚の少ない自由度を用いて形成しなければならない。
【００２８】
本発明によれば、前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより、前記車輪と路面との摩擦力により前記車輪に首振り作用を生じさせて、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的すなわち能動的な駆動源を用いずに形成させることができる。この場合、前記車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、前記足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得ることができる。
【００２９】
ここで、前記動作制御手段は、前記可動脚の足先を前記進行方向に対して非平行な方向へ移動させ前記車輪に首振り動作を与えることにより、グライド角θGに相当する前記推進力の減速比を得ることができる。グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる。
【００３０】
但し、推進の必要条件としてグライド角は受動車輪の転がり方向・軸方向の摩擦係数の比によって規定される下限値が存在することから、走行路面の摩擦係数に応じてグライド角θGを変更するようにしてもよい。
【００３１】
また、前記車輪の首振り動作の可動範囲を規制するリミット機構を備え、間接的にのみ設定されるグライド角θGすなわち減速比の範囲を所望の範囲内に収めるようにしてもよい。
【００３２】
リミット機構は、所定の固定位置に固定され、首振り動作する前記車輪に当接して可動範囲を規制するリミッタで構成することができる。例えば、リミッタの固定位置を複数設けると、その固定位置に応じて異なる可動範囲を設定し、グライド角θGすなわち減速比を調整できるようにすることができる。大きな角度で振れるようにすればより高い減速比になり、凹凸のある路面でも推進し易くなる一方、小さな角度で振れるようにすれば低い減速比になり、滑らかな路面を高速で移動することができる。
【００３３】
あるいは、リミッタ機構は、前記車輪の首振り方向に対して復元力を持つ弾性体で構成することができる。この場合、進行方向に対し非平行方向となる足先の運動に要する力が大きければ大きいほど、弾性体の復元力が増し、その結果として大きなグライド角θGとなることから、走行路面の摩擦状態に応じて自動的に減速比が切り替わる無段変速機構とみなすことができ、より高効率な推進も可能である。
【００３４】
また、車輪は足先のＹ方向の移動に基づいて間接的すなわち受動的に回転動作することから、車輪自体には制動機構がない。そこで、前記車輪の回転により得られる推進を制動する制動手段をさらに備えてもよい。
【００３５】
このように、首振りキャスターを備えた受動車輪機構を歩行機械の足先などに装着することで、受動車輪による高速推進が可能になる。また、受動車輪機構を足部に対して着脱自在に構成することで、あらかじめハイブリッド移動体としてシステムを構築する必要がなく、状況に応じて付加（すなわち装着）することが可能である。したがって、既存の歩行機械システムに容易に車輪移動機能を付加することができる。また、歩行のための脚先機構と交換する、あるいはそれを覆うような形態で装着するので、取り外せば元の歩行機械の性能を損なうことがない。
【００３６】
また、受動車輪機構を用いて得られる推進力によれば、脚式移動により得ることが可能な最大速度よりも高速な移動が可能となることから、その移動の様子が直観と異なり、大変興味深い。したがって、本発明はエンタテインメント性という点においても優れていると言える。
【００３７】
また、少なくとも１組の左右対称な可動脚を備えるロボット装置において、前記動作制御手段は、各可動脚の足先に対して、前記進行方向に対して非平行な方向（Ｙ方向）へ移動する左右対称となる周期的な運動を与えるようにしてもよい。このように、左右対称に構成された左右の可動脚それぞれの足先に取り付けられた受動車輪を、左右対称となるようにＹ方向に周期的な運動を起こさせることにより、ロボットの進行方向への推進力を得ることができ、脚式移動よりも高速な直進運動を実現することができる。
【００３８】
また、前記ロボット装置本体の前後にそれぞれ左右対称な可動脚を備える場合には、前記動作制御手段は、前脚と後脚とで足先の周期的な運動に位相差を設けるようにしてもよい。
【００３９】
脚位置が極値近傍になると、受動動作する首振りキャスターは首振り運動を行ない、反対側のリミッタで拘束されるまで受動的に回動する。このとき、Ｙ方向の脚運動は推進力を発生することができないことから、車輪の転がり抵抗により推進速度は減少する。このような脈動を減らす目的で、前後脚には位相差φfrを導入する。例えば、φfr＝π／２、あるいは３π／２とした場合、受動車輪が発揮する推進力はφ＝０、πのとき最大となり、φ＝π／２又は３π／２のとき最小となる。したがって、前脚が推進力を失うとき、後脚推進力が最大になるようにすれば、推進速度の増減を減らして、定常的な移動速度を実現することができる。
【００４０】
また、ロボット装置は、舵取用車輪機構を足先に取り付けた舵取用の可動脚と、推進用車輪機構を足先に取り付けた推進用の可動脚を備えていてもよい。このような場合、前記動作制御手段は、前記舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、前記推進用の可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向（Ｙ方向）へ移動する動作を与えることにより足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得る。
【００４１】
すなわち、旋回運動を行なう場合には、左右の前脚に取り付けた受動車輪機構を舵取に用いるとともに、左右の後脚に取り付けた受動車輪機構を推進力の生成に用いるようにする。舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、左右の後脚の足先をＹ方向への周期的な運動を左右対称に行なわせることによって、車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、Ｙ方向への運動が推進用受動車輪の回転運動に変換されて、推進方向（ロボットの進行方向）への推進力を得ることができる。この推進力を利用して、操舵された方向へ旋回することができる。
【００４２】
ここで、前記動作制御手段は、所望の舵取角が得られるように、前記足裏のベース面を傾斜させて、前記車輪を首振り動作させるようにしてもよい。
【００４３】
車輪の首振り運動を直接的に操作することはできないが、ベース面を床面に対し傾けることにより、車輪の最下端の取り得る軌跡を操作することができる。車輪は常に接地しているものと仮定すれば、床面からの垂直抗力がＺ正方向に働く。したがって、車輪の最下端の接地点が床面とベース面の距離が最も離れている点に到達するように首振り動作し、そこを安定平衡点として停止する。この安定平衡点を床面に投影することにより、操舵角θstrが求められる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えた、脚車輪ハイブリッド型の優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することができる。
【００４５】
また、本発明によれば、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することができる。
【００４６】
また、本発明によれば、足先に取り付けられた円盤状の受動車輪を用い、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させ、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換することにより推進力を得て、車輪を用いた走行を実現することができる、優れたロボット装置及びその制御方法を提供することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、多脚ロボットの一脚当たりの少ない自由度を用いて足先の車輪に対しヨー回りの回転を与え、車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的且つ間接的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することができる。
【００４８】
本発明の具体的な効果として以下の事柄を挙げることができる。
（１）脚型歩行機械に簡素な受動車輪機構を付加することで、高速で且つ高効率の移動が可能になる。
（２）受動車輪機構を着脱式としたことから、既に構築されている脚式の歩行機械に容易に装備することができる。
（３）受動車輪機構を足先から取り外すことによって、不連続な歩行面に対応するといった歩行機械の本来の性能は損なわれない。
（４）受動関節を導入することにより、足先のヨー自由度を持たない歩行機械であっても適用可能であり、車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる。
（５）本発明に係る受動車輪機構は、とりわけ、一脚当たりの自由度に制約のある２足を除く多脚機械において大きな効果を奏するが、勿論、２足の脚式移動ロボットに適用することも可能である。
（６）本発明に係る受動車輪機構は、基本的にはローラースケートと同様の原理に基づく移動方式であり、エンタテインメント性が高い．
（７）本発明に係る制御手法により、ユーザがインタラクティブに推進方向の指令を送り、ロボット装置を自由に操作することが可能である。
（８）付加的に装着可能な受動車輪機構は非常に簡素であり部品点数も少なくて済むことから、高い信頼性と低いコストを以って設計・製作することができる。
（９）本発明に係る受動車輪機構を適用することにより、歩行型のロボット装置は車輪型移動を行ない、連続的に接地することから、重心の上下動を抑制することができる。この場合、例えば乗り心地の向上や、頭部などに搭載したカメラによる撮像画像などの乱れが少なくすることができる。
（１０）四脚は常に支持脚であることから、本発明に係る受動車輪機構を適用しても転倒しにくい。
（１１）脚型歩行機械の関節は、低速かつ高トルクを出力できるよう設計される。したがって、本発明に係る受動車輪機構はそのような関節出力に適した移動方式であると言える。
（１２）受動車輪は転がり摩擦が少ないことから，傾斜面を下る場合，移動エネルギを必要としない．
【００４９】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５１】
本発明は、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させることができる、多脚型のロボット装置に関する。本発明に係るロボット装置は、先に取り付けられた円盤状の受動車輪を用いて、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させ、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換することにより推進力を得て、車輪を用いた走行を実現することができる。
【００５２】
本発明は、とりわけ、図２２に示したような関節配置を想定し、一脚当たりの少ない自由度を用いて足先の車輪に対しヨー回りの回転を与え、受動的に回転する車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的且つ間接的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる。
【００５３】
また、本発明では、足先の受動車輪機構は着脱自在とし、足先に装着することで、車輪型移動機能を実現することができる。
【００５４】
Ａ．受動車輪機構
図１には、本発明の一実施形態に係る受動車輪機構の構成を示している。図示の受動車輪機構１は、ベース部１１と、このベース部１１上面にてロボットの脚部の足先に着脱自在に取り付ける脚固定部１２と、ベース部１１下面にてヨー軸若しくは受動回動部１３の受動回転軸回りに回動自在に取り付けられた首振りキャスター１４とを備えている。さらに、この首振りキャスター１４のヨー回りの可動範囲を規制するリミッタ１５を備えていてもよい。
【００５５】
首振りキャスター１４は、受動回動部１３により、ベース部１１に対し、受動回転軸を中心にヨー回りに回動自在に支持されている。ここで、受動回動部１３のヨー軸すなわち受動回転軸回りの回転角度をθpassiveとおく。また、首振りキャスター１４には、この受動回転軸に対しオフセットを以って車輪１６が取り付けられている。
【００５６】
図示の例では、受動車輪（若しくは受動車輪が取り付けられた足先）のＹ方向の運動により車輪の接地点において摩擦力が生じ、この摩擦力により首振りキャスター１４は首振り運動し、受動回転部１３のヨー軸回りに回転角度θpassiveが変化する。本実施形態では、受動回転軸が絶対空間デカルト座標系のＺ軸と並行であり、θpassive＝θGとなることから、首振りキャスター１４の首振り運動により、車輪の転がり方向と推進方向（若しくはロボットの主たる進行方向）のなすグライド角θGを与えることができる。すなわち、推進に必要なグライド角θGが、Ｙ方向の運動により間接的に生成される。
【００５７】
そして、車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、受動車輪が取り付けられた足先のＹ方向の運動が受動車輪１６の回転運動に変換される。
【００５８】
また、グライド角θGは、ギアの減速比に相当し、グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる。本実施形態では、受動車輪機構１が取り付けられた足先のＹ方向の運動により、減速比に相当するグライド角θGを間接的に設定することができる。
【００５９】
また、上述したように、首振りキャスター１４のヨー回りの可動範囲すなわちグライド角θGは、リミッタ１５により規制されているので、間接的にのみ設定される減速比の範囲を所望の範囲内に収めることができる。例えば、図２に示すようにリミッタ１５の固定位置を複数（図示の例では３箇所）設け、その固定位置に応じて異なる可動範囲を設定し、減速比を調整できるようにすることができる。例えば、非特許文献６に記載されているように、大きな角度で振れるようにすればより高い減速比になり、凹凸のある路面でも推進し易くなる一方、小さな角度で振れるようにすれば低い減速比になり、滑らかな路面を高速で移動することができる。
【００６０】
なお、図２に示した例では、リミッタ１５を構成するピンをいずれかの固定位置に立てることにより、受動車輪１６におけるグライド角θGの可動範囲を制限するように構成されているが、リミット機構はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示すようにバネを用いることで受動車輪１６の首振り運動すなわちヨー回りの回転を制限するようにしても良い。この場合、受動車輪機構１が取り付けられた足先のＹ方向の運動に要する力が大きければ大きいほど、バネが引き伸ばされ、その結果として大きな受動関節角度θPassiveとなることから、走行路面の摩擦状態に応じて自動的に減速比が切り替わる無段変速機構とみなすことができ、より高効率な推進も可能である。
【００６１】
また、上述した受動車輪機構１は、受動動作を行なうため、車輪１６自体には制動機構がない。そこで、図４並びに図５に示すように、ローラースケートのブレーキと同様に、爪先部に摩擦係数の大きな部材、例えばゴム材などを付加することで、制動動作を行なうことも可能である。
【００６２】
このように、首振りキャスターを備えた受動車輪機構１を歩行機械の足先などに装着することで、受動車輪による高速推進が可能になる。また、受動車輪機構１を足部に対して着脱自在に構成することで、あらかじめハイブリッド移動体としてシステムを構築する必要がなく、状況に応じて付加（すなわち装着）することが可能である。したがって、既存の歩行機械システムに容易に車輪移動機能を付加することができる。また、歩行のための脚先機構と交換する、あるいはそれを覆うような形態で装着するので、取り外せば元の歩行機械の性能を損なうことがない。
【００６３】
また、受動車輪機構１を用いて得られる推進力によれば、脚式移動により得ることが可能な最大速度よりも高速な移動が可能となることから、その移動の様子が直観と異なり、大変興味深い。したがって、本発明はエンタテインメント性という点においても優れていると言える。
【００６４】
Ｂ．受動車輪機構を備えた脚式移動ロボットによる運動生成方法
この項では、上述した受動車輪機構を利用した脚式移動ロボットによる運動生成方法について詳解する。ここでは、図６に示すような４つの可動脚を備えた４脚歩行ロボットへ適用した具体例について考察する。
【００６５】
図示の多足歩行ロボットは、胴体２２、頭部２３、左前足２４Ａ、右前足２４Ｂ、左後足２４Ｃ及び右後足２４Ｄを備えている。各足２４Ａ〜２４Ｄはそれぞれ、胴体２２の一側面の一部又は全部を構成する第１ユニット２５に対し第１関節部２８を介して取り付けられる第２ユニット２６と、この第２ユニット２６に対し第２関節部２９を介して取り付けられる第３ユニット２７の２つのユニットから構成される。
【００６６】
第１関節部２８は、胴体２２の側面に対して平行な方向に軸方向を有する第１回動軸３１と、胴体２２の側面に対して垂直な方向に軸方向を有する第２回動軸３２とからなる。足２４Ａ〜２４Ｄは、第１回動軸３１により胴体２２の側面に対して垂直な面内で回動可能とされると同時に、第２回動軸３２により胴体２２の側面に対して平行な面内で回動可能とされる。第１回動軸３１及び第２回動軸３２は、第１ユニット２５及び第２ユニット２６にそれぞれ収容されている。
【００６７】
第２関節部２９は、第２ユニット２６の下端内部に収容された第３回動軸３３からなり、第２回動軸３２と平行な方向にその軸方向が向けられている。そのため、第３ユニット２７は、当該第３回動軸３３を支点として第２ユニット２６の前後方向に回動可能とされる。
【００６８】
第１回動軸３１は、胴体２２の側面と平行な方向にその軸方向が配置されるため、これを駆動する駆動源として筒型のモータ３０を第１ユニット２５内に容易に収容することができる。また、第１回動軸３１を上記のように構成したことに伴い、胴体２２の幅方向における自由度が従来よりも高まり、第１回動軸３１のための駆動系を含めた胴体内部の効率的なレイアウト構成をとることができるので、当該モータ３０と第１回動軸３１との間を連絡する各ギアの歯幅を大きくすることができる。したがって、第１関節部２８の大きな剛性と、高い動力性能を実現することができる。
【００６９】
以下では、便宜上、左前脚、左後脚、右後脚、右前脚の順で第１脚、第２脚、第３脚、第４脚と呼ぶ。また、各脚の第１回動軸、第２回動軸、第３回動軸をそれぞれＪ１、Ｊ２、Ｊ３と呼ぶこととする。図７には、脚の可動範囲を示している。また、図８には、受動車輪機構１を脚の足先に装着した場合の基準姿勢と胴体座標系を示している。なお、この例では後脚のみがブレーキ機構を有しているものとする。
【００７０】
本実施形態では、足先のＹ方向の移動に基づいて受動車輪１６が間接的すなわち受動的に回転動作するという作用により、進行方向（本実施形態の場合、Ｘ方向すなわちロボットの前方）への推進力を得ている。足先のＹ方向の移動には自ずとストローク幅に制限があることから、Ｙ軸正負方向（すなわち左右方向）に周期的な往復運動を繰り返すことにより、継続的に推進力を生成することができる。
【００７１】
図９には、受動車輪機構を利用した脚式移動ロボットの運動を生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。
【００７２】
まず、ロボット装置の進行速度並びに進行方向を設定し（ステップＳ１）、これに基づいて、周期関数や初期位置などの脚の運動を設定する（ステップＳ２）。
【００７３】
ここで、設定された脚の運動が、脚の可動範囲（図８を参照のこと）や速度上限値の許容範囲内であるかどうかをチェックする（ステップＳ３）。ここで、許容範囲を逸脱する場合には、ステップＳ２に戻り、脚の運動の再設定を行なう。
【００７４】
次いで、絶対空間デカルト座標系から見た足先速度を算出し（ステップＳ４）、足先の受動車輪１６の接地面における摩擦抗力を算出し（ステップＳ５）、重心加速度を算出する（ステップＳ６）。そして、重心加速度を時間積分することにより重心速度を得て（ステップＳ７）、設定した進行速度を得ることができたかどうかを判別する（ステップＳ８）。ここで、設定した進行速度が得られなかった場合には、ステップＳ２に戻り、脚の運動の再設定を行なう。
【００７５】
このようにして、ステップＳ２において設定した脚の運動を得ることができたならば、これを実行する（ステップＳ９）。
【００７６】
以下では、図９に示した運動生成手順に従って、図６に示した多足ロボット装置により直進運動、旋回運動、制動を行なう場合についてそれぞれ説明する。
【００７７】
Ｂ−１．直進運動
まず、ロボットの進行速度（絶対座標系から見たローカル座標原点の速度）を設計者が設定する。次に、ローカル座標系を用いて、脚運動の設定を以下のように行なう。
【００７８】
第１脚の脚位置を（ｘ１，ｙ１，ｚ１）と表し、基準姿勢を（ｘ１_ｏｆｆｓｅｔ，ｙ１_ｏｆｆｓｅｔ，ｚ１_ｏｆｆｓｅｔ）と表す。ｆ（φ）を連続な周期関数とし、φを位相（但し、０≦φ≦２π）とする。すなわち、
【００７９】
【数１】
2006068883.tif 000003
【００８０】
ここで、ｔは時間［ｓｅｃ］、Ｔ0は周期［ｓｅｃ］を表す。
【００８１】
第１脚（左前脚）の脚位置を次式で表す。
【００８２】
【数２】
2006068883.tif 000004
【００８３】
左右の脚の対称性を考慮し、且つロボット装置本体の姿勢を一定に保つ場合、第４脚（右前脚）の脚位置は次のように定める。
【００８４】
【数３】
2006068883.tif 000005
【００８５】
ｆ（φ）はさまざまな周期関数が考えられる。受動関節角度がリミッタ１５により拘束され、多くの位相で一定値（θPassive_limitとおく）となることから、推進速度を一定に保つためには、Ｙ方向速度がなるべく一定値となるようなｆ（φ）を用いることが好ましい。したがって、下記に示す３角波を生成する周期関数ｆ（φ）を用いて脚を駆動することが望ましい。
【００８６】
【数４】
2006068883.tif 000006
【００８７】
上式において、Ａは振幅であり、脚の可動範囲を考慮して適宜求める。ところで、式（９）のように定めると、Ｙ方向速度はφ＝π／２、３π／２で不連続になることから、アクチュエータに対して過大な負荷が加わることも考えられる。このような条件が機構的に無視できない場合には、周期関数ｆ（φ）として正弦波を用いることも考えられる。
【００８８】
【数５】
2006068883.tif 000007
【００８９】
図１０には、第１脚並びに第４脚の絶対座標系での脚軌道軌跡を模式的に表している。
【００９０】
さて、脚位置が極値近傍になると、受動動作する首振りキャスターは首振り運動を行ない、反対側のリミッタで拘束されるまで受動的に回動する。このとき、Ｙ方向の脚運動は推進力を発生することができないことから、車輪の転がり抵抗により推進速度は減少する。このような脈動を減らす目的で、前後脚には位相差φfrを導入する。
【００９１】
第２脚（左後脚）の脚位置は下式のように表される。
【００９２】
【数６】
2006068883.tif 000008
【００９３】
また、第３脚（右後脚）の脚位置は下式のように表される。
【００９４】
【数７】
2006068883.tif 000009
【００９５】
推進力はφ＝０、πのとき最大となり、φ＝π／２又は３π／２のとき最小となる。したがって、前脚が推進力を失うとき、後脚推進力が最大になるようにすれば、推進速度の増減を減らすことができる。よって、φfr＝π／２、あるいは３π／２とすることで、定常的な移動速度を実現することができる。図１１には、前後脚で位相差を設けた場合の絶対座標系での脚軌道軌跡を示している。
【００９６】
さて、胴体座標系から見た脚先位置が決められているので、時間微分することで脚先速度Ｖlegを求めることができる．受動車輪が速度Ｖlegで動く場合、車輪に生ずる床面からの反力は下式のように表される。
【００９７】
【数８】
2006068883.tif 000010
【００９８】
但し、Ｆt、Ｆn、μt、μnはそれぞれ受動車輪転がり方向摩擦力・軸方向摩擦力、転がり方向摩擦係数、軸方向摩擦係数である。また、Ｎは垂直抗力である。よって、この関係からロボットに働く反力が求められる。この反力によってロボットは推進することから、加速度を算出することができる。そして、一階積分することにより、進行速度を得ることができる。このとき、最初のステップで設定した進行速度とことなるようであれば、再び脚の運動設定のステップに戻り、繰り返し脚の運動設定パラメータの調節を行なう。そして、設定した進行速度との差が十分小さくなった軌道を用いて、運動を実行する。
【００９９】
移動速度は脚の足先運動における周期運動ｆ（φ）の振幅Ａ、周期Ｔ0、及び受動キャスタのリミット角（すなわちギアの減速比に相当するグライド角θG）によって変更することが可能である。最も単純に速度を調節する場合は、周期Ｔ0のみ変化させる方法である。実際に実験を行なったところ、移動速度０からおよそ１［ｍ／ｓ］までの滑らかな速度変化を確認することができた。なお、本発明に係るロボット装置に受動関節機構を用いた場合の最大推進速度１［ｍ／ｓ］は、歩行に比しておよそ４倍の高速な移動を実現することができる。
【０１００】
また、キャスターのリミット角、すなわち最大グライド角は、一種の減速機の役割をしている．図１２には、グライド角θGを一定に保ちながらピッチ軸方向（すなわちＹ方向）に胴体座標系から見て一定の速度で駆動した様子を図解している。この場合、ロール軸方向（Ｘ方向）に生成される絶対座標系での速度ベクトル成分Ｖxは下式の通りとなる。
【０１０１】
【数９】
2006068883.tif 000011
【０１０２】
上式（１９）によれば、グライド角θGが小さいほど高速の移動となることが分る。但し、推進の必要条件としてグライド角は受動車輪の転がり方向・軸方向の摩擦係数の比によって規定される下限値が存在することから、グライド角θGを走行路面の摩擦係数に応じて変更することが必要である。
【０１０３】
【数１０】
2006068883.tif 000012
【０１０４】
各関節への位置指令値は逆キネマティクス演算によって各関節軸Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３の回転角度を求めた後、ローカルな位置制御系のよって脚は駆動される。ここで、受動車輪機構が取り付けられた足先のＹ方向位置は主にＪ１角度によって決められることが関節配置から分る。したがって、逆キネマティクス演算を用いずとも，近似的にＹの値をＪ１の指令値として用いることも可能である。
【０１０５】
また、ここでは逆キネマティクスを用いた位置制御による制御法に関して述べたが、速度制御や、力制御、ダイナミクスを考慮した制御方法なども考えられる。
【０１０６】
Ｂ−２．旋回運動
上述した直進運動の場合、左右対称に構成された左右の可動脚それぞれの足先に取り付けられた受動車輪１６を、左右対称となるようにＹ方向に周期的な運動を起こさせることにより、ロボットの進行方向への推進力を得ることができ、直進運動を実現することができる。これに対し、この項では、ある旋回半径を持った円弧に沿って定常的に旋回する場合について考察する。
【０１０７】
旋回運動の場合、上記の式（３）〜（８）、並びに式（１１）〜（１６）で示した基準脚位置のオフセット値を適宜変更することで実現可能である。例えば、左側に旋回する場合、４足それぞれの基準脚位置を図１３に示すような位置にし、例えば右側脚のみ振動運動を行なうことにより、旋回運動を実現することができる。また、このとき、左後脚のつま先のブレーキを利用して旋回の中心点とすれば、ピボット・ターンのような小さな旋回半径も実現可能である。
【０１０８】
しかしながら、このような脚位置変更による旋回は、任意の旋回半径を指令した場合に、脚位置を遷移させるのに時間を要する。また、受動関節角度によっては脚位置遷移の際の挙動が一定せず、例えばユーザがインタラクティブに推進方向を変化させる場合には適さないと考えられる。
【０１０９】
そこで、本発明者らは、前脚と後脚で機能の分担を行なう手法について提案する。どちらか一方の脚を操舵のために用い、残りの一方で推進力の生成を行なう。
【０１１０】
旋回運動を行なう場合、左右の前脚に取り付けた受動車輪機構を舵取に用いるとともに、左右の後脚に取り付けた受動車輪機構を推進力の生成に用いるようにする。すなわち、舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、左右の後脚の足先をＹ方向への周期的な運動を左右対称に行なわせることによって、車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、Ｙ方向への運動が受動車輪の回転運動に変換されて、推進方向（ロボットの進行方向）への推進力を得ることができる。
【０１１１】
勿論、左右の前脚を舵取用、左右の後脚を推進用にするのではなく、左右の前脚を推進用、左右の後脚を舵取り用にしてもよい。駆動力のある左右脚を推進用とすることにより、より大きな推進力を得て、高速な移動を実現することができる。
【０１１２】
推進力の生成には前記直進動作と同様の手法を用いればよいので、以下では受動関節軸を用いた操舵手法について詳解する。
【０１１３】
受動関節軸回りに首振りキャスターを回動する操作を直接的に行なうことはできないが、ベース部をロール及びピッチ方向に傾ける（すなわち、ベース部を床面に対し傾ける）ことが可能である場合には、図１４に示すように、受動車輪の最下端の取り得る軌跡は、受動回転軸を中心として傾斜面上の円で表される。車輪は常に接地しているものと仮定すれば、床面からの垂直抗力がＺ正方向に働く。したがって、受動関節は回動し、ベース平面の最大傾斜線方向と受動車輪軌跡円との交点が安定平衡点となり、そこで停止する。すなわち、車輪の最下端の接地点が床面とベース面の距離が最も離れている点に到達するように首振り動作し、その到達点が安定平衡点となる。この安定平衡点を床面に投影すれば、操舵角θstrが求められる。よって、ベース部をロール及びピッチ方向に傾ける（すなわち、ベース部を床面に対し傾ける）ことができれば、連続して舵取角θstrを変更することができる。
【０１１４】
以下、具体的に数式を用いてベース部の（ロール，ピッチ）と舵取角θstrの関係について説明する。座標系を床面にとり、ベース部１１のロール方向並びにピッチ方向それぞれの傾きをθRoll、θPitch、受動回転の中心Ｚ座標をＺ0、受動車輪１６の回動半径をＲとおく。ベース部１１はθPitch、θRollの順で回転するものとする。以下の導出では、ｓｉｎθPitch≠０とする。ｓｉｎθPitch＝０のときは別途定性的に考察する。
【０１１５】
受動車輪下端の位置を下式のように定める。
【０１１６】
【数１１】
2006068883.tif 000013
【０１１７】
このとき、受動車輪下端が描く軌跡は、θPassiveをパラメータとして次式のように表される。
【０１１８】
【数１２】
2006068883.tif 000014
【０１１９】
安定平衡点はＰzが最大値となる点であることから、下式に示す関数ｇを最大化するθpassiveを求めればよい。
【０１２０】
【数１３】
2006068883.tif 000015
【０１２１】
上式を解くことにより、次式を得ることができる。
【０１２２】
【数１４】
2006068883.tif 000016
【０１２３】
このとき、床面に対する実効的な操舵角θstrは下式で求められる。
【０１２４】
【数１５】
2006068883.tif 000017
【０１２５】
より具体的には、進行方向とのなす角を考慮すると、操舵角θstrは下式のように表される。
【０１２６】
【数１６】
2006068883.tif 000018
【０１２７】
以上により、望みのθstrを得るための（θRoll，θPitch）が求められる。
【０１２８】
上述した関係は図８に示したような基準姿勢に対しても適用可能である。ここでは一例として、前脚の受動動作する首振りキャスターの取り付け位置を変更し、前脚は操舵を行ない、後脚は推進力の生成を行なうものを挙げる。図１５に示す脚位置・姿勢を基準とする。この場合、前脚は自由度が縮退しているが、ロール及びピッチを変化させた場合に、受動車輪接地位置の変位が微小であり、滑らかな操舵を期待することができる。後脚は前述の直進動作と同様の脚軌道で推進力を生成する。
【０１２９】
まず、直観に基づいて定性的に説明する。前脚に関しては、図１５に示したような脚位置の場合、ベース部の姿勢（Ｒｏｌｌ，Ｐｉｔｃｈ）を関節回転軸Ｊ２及びＪ３を用いて変化させることが可能であり、これにより前述のように舵取角θstrを変化させることができる。このようにして図５に示した４足ロボットの前脚で操舵を行ない、後脚で推進力の生成を行なうことができる。
【０１３０】
例えば、関節回転軸Ｊ２のみを正方向に傾けると（ｓｉｎθPitch＝０の場合に相当）、首振りキャスターの受動回転軸がロール正方向に傾く。ロボットの自重により、首振りキャスターにはＺ方向垂直床反力が常に働いているため、首振りキャスターは正方向のリミット（θPassive_limit+）で拘束されるまで回転する（図１６を参照のこと）。
【０１３１】
また、関節回転軸Ｊ３を傾けて、ピッチ角度θPitchのみを変更する場合、受動関節角はゼロとなる点で安定平衡点となる。したがって、（Ｒｏｌｌ，Ｐｉｔｃｈ）を組み合わせることで、受動関節角をゼロからリミットの値まで滑らかに変更できるということを定性的に理解できよう。
【０１３２】
次に、式（２６）を用いて数値的に説明する。式（２６）より、舵取角θstrは２変数で決められることから、逆に舵取角θstrが与えられた場合には（θRoll，θPitch）を一意に求めることはできない。そこで、ピッチ角度θPitchをパラメータとして（図１７を参照のこと）、ロール角度θRollと舵取角θstrの関係を求めた。これを図１８に示している。なお、上式（２６）に従って舵取角θstrを決める場合は、受動関節角リミット機構は必ずしも必要ではない。図１８では、対称性に考慮してゼロから９０［ｄｅｇ］の範囲で示している。
【０１３３】
操舵を主にロール角度θRollを用いるとすると、ピッチ角度θPitchを舵取角θstrへの変換ゲインとみなすことができる。つまり、ピッチ角度θPitchを小さく設定すれば、より小さなロール角度θRollを以って大きな舵取角θstrを得ることができる。また逆に、ピッチ角度θPitchを大きく設定すれば、ロール角度θRollの変化に対して小さな舵取角θstrの変換となる。
【０１３４】
実際、ロール角度θRollは図７に示す通り、胴体内側への可動範囲が１５［ｄｅｇ］と少なくなっていることから、ピッチ角度θPitchを小さくすることで舵取角θstrを大きく拡大することができる。また、ピッチ角度θPitchを大きくとれば、舵取角θstrの安定性を高めることができる。つまり、ロール角度θRollの変化に対して舵取角θstrが鈍くなることから、外乱が加わりロール角度θRollが乱されるような場合であっても、舵取角θstr自体の変化は微小となることから、操舵は安定する。このような特性は、勿論、直進性に対しても適用することができる。
【０１３５】
また、舵取角θstrの大きさとしては、通常の自動車での操舵の場合にはおよそ３０［ｄｅｇ］程度であることから、ロール角度θRoll＝１５［ｄｅｇ］で舵取角θstr ＝３０［ｄｅｇ］を取るようにピッチ角度θPitch＝４２［ｄｅｇ］と設定すると、ロール角度θRollと舵取角θstrの関係は、図１９に示すようになる。この範囲で線形と近似しても十分に差し支えない。したがって、ロール角度θRollを通常の自動車のステアリングとみなしても全く遜色が無いことが分かる。
【０１３６】
なお、この例ではピッチ角度θPitchを固定とし、ロール角度θRollを操作することで操舵を行なうようにしているが、上式（２６）に従って、ロール角度θRollを固定とし、代わってピッチ角度θPitchを変数としても扱うようにしてもよい。また、上式（２６）の導出の際に、ベース部はピッチ角度θPitch、ロール角度θRollの順で回転するものとしたが、その逆であっても同様に関係は求められる。
【０１３７】
ところで，直進を行なうとき、Ｂ−１項で説明したように、前脚に関しても関節回転軸Ｊ２を用いてＹ方向への周期的な振動運動を生成することにより、４脚の推進力を用いた運動ができることは言うまでもない。したがって、操舵のための各関節回転軸Ｊ２及びＪ３の傾きと直進運動を重ね合わせた推進も可能である。
【０１３８】
この項で説明した手法を４足ロボットに実装したところ、フローリング床面上を半径約０．４［ｍ］で滑らかに旋回することが確かめられた。
【０１３９】
Ｂ−３．制動
制動動作に関しては、前述のように爪先部に付けたゴム材などを用いる方法を挙げることができる。その他に、ちょうどスキーで行なうボーゲン（スキー板を八の字にして構え、板の内側に力を入れて速度と方向を制御する滑走方法）のように、舵取角θstrを左右対称に傾ける方法も考えられる。前述のように、２つの関節回転軸Ｊ２及びＪ３を用いることで、グライド角θGに相当する受動関節角θPassiveが変更できることが示されているので、自動車で言うトーイン（進行方向に対し前が狭まっている状態のこと）、あるいはトーアウト（進行方向に対し前が開いている状態のこと）の角度を付けることで制動動作を行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１４１】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０１４２】
本明細書では、図６に示した４足ロボットのように一脚当たりの自由度に制約のある２足を除く多脚機械に本発明を適用した実施形態を中心に、本発明について説明してきたが、勿論、２足の脚式移動ロボットに対して本発明を適用することも可能である。
【０１４３】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る受動車輪機構の構成を示した図である。
【図２】図２は、リミッタ１５の固定位置を複数設けた様子を示した図である。
【図３】図３は、バネを用いて構成したリミット機構を示した図である。
【図４】図４は、受動車輪機構の爪先部に摩擦係数の大きな部材を用いて制動機構を構成した様子を示した図である。
【図５】図５は、受動車輪機構の爪先部に摩擦係数の大きな部材を用いて制動機構を構成した様子を示した図である。
【図６】図６は、本発明を適用する４足脚式移動ロボットの構成例を示した図である。
【図７】図７は、図６に示したロボット装置の脚の可動範囲を示した図である。
【図８】図８は、受動車輪機構１を脚の足先に装着した場合の基準姿勢と胴体座標系を示した図である。
【図９】図９は、受動車輪機構を利用した脚式移動ロボットの運動を生成するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１０】図１０は、図６に示したロボット装置の第１脚並びに第４脚の絶対座標系での脚軌道軌跡を模式的に表した図である。
【図１１】図１１は、前後脚で位相差を設けた場合の絶対座標系での脚軌道軌跡を示した図である。
【図１２】図１２は、グライド角を一定に保ちながらピッチ軸方向（すなわちＹ方向）に胴体座標系から見て一定の速度で駆動した様子を示した図である。
【図１３】図１３は、図６に示した４足ロボットの基準脚位置のオフセット値を適宜変更することにより旋回運動を行なう様子を示した図である。
【図１４】図１４は、受動回転軸を中心として傾斜面上の円で表される受動車輪の最下端の取り得る軌跡を示した図である。
【図１５】図１５は、図５に示した４足ロボットが旋回運動を行なう際の、脚位置・姿勢基準を示した図である。
【図１６】図１６は、ロボットの自重により首振りキャスターにはＺ方向垂直床反力が常に働いているため、首振りキャスターが正方向のリミット（θPassive_limit+）で拘束されるまで回転する様子を示した図である。
【図１７】図１７は、θPitchをパラメータとした様子を示した図である。
【図１８】図１８は、ロール角度θRollと舵取角θstrの関係を示した図である。
【図１９】図１９は、ロール角度θRoll＝１５［ｄｅｇ］で舵取角θstr ＝３０［ｄｅｇ］を取るようにピッチ角度θPitch＝４２［ｄｅｇ］と設定した場合のロール角度θRollと舵取角θstrの関係を示した図である。
【図２０】図２０は、ローラーウォーカーの自由度構成を模式的に示した図である。
【図２１】図２１は、ローラーウォーカーの自由度構成を模式的に示した図である。
【図２２】図２２は、多脚ロボットの関節配置例を示した図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１…受動車輪機構
１１…ベース部
１２…脚固定部
１３…受動回転部
１４…首振りキャスター
１５…リミッタ
１６…受動車輪
【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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【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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