(57)【要約】【課題】１脚式受動走行ロボットのモデルを用いて走行を継続することが可能な１脚式受動走行ロボットを設計する設計方法を提供する。【解決手段】この１脚式受動走行ロボットの設計方法は、胴体部２と脚部３を備え、重心位置を関節部４として関節部４において胴体部２に脚部３の上端部が回動可能に接続され、関節部４における胴体部２と脚部３の間の角度に応じた復元力を有する第１バネ体５が設けられ、脚部３には圧縮に応じた復元力を有する第２バネ体６が設けられた１脚式受動走行ロボットのモデル１がコンピュータ内に記憶されており、１脚式受動走行ロボットのモデル１によるコンピュータ内でのシミュレーションに基づいて設計を行う１脚式受動走行ロボットの設計方法であって、着地時、地面Ｇに接している状態、空中に有る状態の関係式を満たすシミュレーションを行うと、安定なリミットサイクルが発現するようにできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と脚部を備え、重心位置を関節部として該関節部において前記胴体部に前記脚部の上端部が回動可能に接続され、前記関節部における前記胴体部と前記脚部の間の角度に応じた復元力を有する第１バネ体が設けられ、前記脚部には圧縮に応じた復元力を有する第２バネ体が設けられた１脚式受動走行ロボットのモデルがコンピュータ内に記憶されており、該１脚式受動走行ロボットのモデルによる前記コンピュータ内でのシミュレーションに基づいて設計を行う１脚式受動走行ロボットの設計方法であって、
着地直後の前記脚部の角度の変化の速度の導出に前記脚部の慣性モーメントとともに前記胴体部の慣性モーメントを含む計算式を用いたシミュレーションに基づいて設計することを特徴とする１脚式受動走行ロボットの設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法において、
ｍを前記胴体部と前記脚部を含めた全重量、ｒ０を前記脚部の自然長、ＪＢを前記胴体部の慣性モーメント、ＪＬを前記脚部の慣性モーメントとし、
前記脚部の鉛直方向からの角度をθ、前記胴体部の水平方向からの角度をφ、前記脚部の長さをｒ、前記関節部の水平方向の位置をｘ、前記関節部の鉛直方向の位置をｙとすると、
着地時における前記θ、φ、ｒの変化は、下記（式１）、（式２）、（式３）に示す関係式を満たすシミュレーションに基づいて設計することを特徴とする１脚式受動走行ロボットの設計方法。
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【請求項３】
請求項２に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法において、
重力加速度をｇ、前記第１バネ体のばね定数をＫＨ、前記第２バネ体のばね定数をＫＬとし、
地面に接している状態における前記θ、φ、ｒの変化は、下記（式４）、（式５）、（式６）に示す関係式を満たし、
空中に有る状態における前記θ、φ、ｘ、ｙの変化は、下記（式７）、（式８）、（式９）、（式１０）に示す関係式を満たすシミュレーションに基づいて設計することを特徴とする１脚式受動走行ロボットの設計方法。
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【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法を用いて設計されたことを特徴とする１脚式受動走行ロボット。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法を用いて設計されたことを特徴とする多脚式受動走行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１脚式受動走行ロボットの設計方法及びそれを用いて設計された１脚式受動走行ロボット又は多脚式受動走行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、脚を有しそれでもって移動する脚式移動ロボットが広く知られている。脚式移動ロボットの中で最も広く知られているのは、センサとアクチュエータと電子制御装置を備え、電子制御装置がセンサの検知情報に基づいてアクチュエータを電子制御することにより、脚を動作させ移動を継続するものである（例えば、特許文献１など）。これに対し、センサとアクチュエータと電子制御装置を備えずとも、移動を継続できる脚式受動歩行ロボットが提案されている（例えば、特許文献２など）。脚式受動歩行ロボットは、安定なリミットサイクルが存在するモデルによって適切に設計すれば歩行を継続することが可能である（例えば、非特許文献１など）。安定なリミットサイクルとは、歩行の状態の継続的な遷移からなる閉じた軌道であり、仮にその軌道の近傍に何らかの外力で離れたとしても再び閉じた軌道に収束する現象（引き込み現象）を起こすものである。
【０００３】
この脚式受動歩行ロボットに対し、１脚でもって移動（言い換えれば、走行）する１脚式受動走行ロボットが研究されている（例えば、非特許文献２、３、４など）。非特許文献２〜４では、胴体部、それに回動可能に接続され脚部、胴体部と脚部の間の角度に応じた復元力を有するねじりバネ体、脚部において圧縮に応じた復元力を有する圧縮バネ体、が設けられた１脚式受動走行ロボットのモデルが用いられている。非特許文献２、３では、このモデルが地面に接している状態（ｓｔａｎｃｅ  ｐｈａｓｅ）と空中に有る状態（ｆｌｉｇｈｔ  ｐｈａｓｅ）での各部の関係式を立ててシミュレーションを行っている。また、非特許文献４では、このモデルが地面に接している状態と空中に有る状態での各部の関係式に加え、着地時（ｔｏｕｃｈｄｏｗｎ  ｐｈａｓｅ）での各部の関係式を立ててシミュレーションを行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３３７８４９号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００６／１３２３３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔ．ＭｃＧｅｅｒ，“Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｗａｌｋｉｎｇ”，Ｔｈｅ  Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｖｏｌ．９，ｎｏ．２，ｐｐ．６２−８２，１９９０
【非特許文献２】Ｃ．Ｍ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ  ａｎｄ  Ｍ．Ｈ．Ｒａｉｂｅｒｔ,  “Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒｕｎｎｉｎｇ”，  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｉ，  ｐｐ．７４−８３，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，  １９８９
【非特許文献３】Ｂａｏ  Ｌｅｉ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｑｕａｓｉ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｈｏｐｐｉｎｇ  ｏｆ  ａ  ｐａｓｓｉｖｅ  ｏｎｅ−ｌｅｇｇｅｄ  ｒｏｂｏｔ  ｗｉｔｈ  ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ｈｉｐ  ｊｏｉｎｔ”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ２０１４，  ＩＥＥＥ  ＩＣＭＡ，  ｐｐ．６２３−６２８，  ２０１４
【非特許文献４】Ｓ．Ｈｙｏｎ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｄｅｌａｙｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｏｎｅ−Ｌｅｇｇｅｄ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｒｕｎｎｉｎｇ  Ｒｏｂｏｔ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＩＣＥ  ２００４  Ａｎｎｕａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ｐｐ．  ９４９−９５４，  ２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献２〜４においては、１脚式受動走行ロボットのモデルを用いた安定なリミットサイクルの存在が見いだされておらず、走行を継続することが可能な１脚式受動走行ロボットが実現不可能という結論になっている。
【０００７】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、１脚式受動走行ロボットのモデルを用いて走行を継続することが可能な１脚式受動走行ロボットを設計する設計方法を提供し、また、それを用いて設計される１脚式受動走行ロボット及び多脚式受動走行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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法は、胴体部と脚部を備え、重心位置を関節部として該関節部において前記胴体部に前記脚部の上端部が回動可能に接続され、前記関節部における前記胴体部と前記脚部の間の角度に応じた復元力を有する第１バネ体が設けられ、前記脚部には圧縮に応じた復元力を有する第２バネ体が設けられた１脚式受動走行ロボットのモデルがコンピュータ内に記憶されており、該１脚式受動走行ロボットのモデルによる前記コンピュータ内でのシミュレーションに基づいて設計を行う１脚式受動走行ロボットの設計方法であって、着地直後の前記脚部の角度の変化の速度の導出に前記脚部の慣性モーメントとともに前記胴体部の慣性モーメントを含む計算式を用いたシミュレーションに基づいて設計することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法は、請求項１に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法において、ｍを前記胴体部と前記脚部を含めた全重量、ｒ０を前記脚部の自然長、ＪＢを前記胴体部の慣性モーメント、ＪＬを前記脚部の慣性モーメントとし、前記脚部の鉛直方向からの角度をθ、前記胴体部の水平方向からの角度をφ、前記脚部の長さをｒ、前記関節部の水平方向の位置をｘ、前記関節部の鉛直方向の位置をｙとすると、着地時における前記θ、φ、ｒの変化は、下記（式１）、（式２）、（式３）に示す関係式を満たすシミュレーションに基づいて設計することを特徴とする。
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【００１０】
請求項３に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法は、請求項２に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法において、重力加速度をｇ、前記第１バネ体のばね定数をＫＨ、前記第２バネ体のばね定数をＫＬとし、地面に接している状態における前記θ、φ、ｒの変化は、下記（式４）、（式５）、（式６）に示す関係式を満たし、空中に有る状態における前記θ、φ、ｘ、ｙの変化は、下記（式７）、（式８）、（式９）、（式１０）に示す関係式を満たすシミュレーションに基づいて設計することを特徴とする。
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【００１１】
請求項４に記載の１脚式受動走行ロボットは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法を用いて設計されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の多脚式受動走行ロボットは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の１脚式受動走行ロボットの設計方法を用いて設計されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の１脚式受動走行ロボットの設計方法によれば、１脚式受動走行ロボットのモデルを用いて、走行を継続することが可能な１脚式受動走行ロボットを設計することが可能になる。また、本発明の１脚式受動走行ロボット及び多脚式受動走行ロボットによれば、走行を継続することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る１脚式受動走行ロボットのモデルを示す模式図であって、（ａ）が自然体の状態、（ｂ）が胴体部と脚部が回動した状態を示すものである。
【図２】同上の１脚式受動走行ロボットのモデルの走行動作を示す模式図であって、（ａ）〜（ｇ）は各状態を示すものである。
【図３】同上の１脚式受動走行ロボットのモデルを用いたシミュレーションによる走行動作を示す模式図である。
【図４】同上の１脚式受動走行ロボットのモデルを用いたシミュレーションによるリミットサイクルを示す図であって、（ａ）はリミットサイクル内の値を初期値としたもの、（ｂ）はリミットサイクルの近傍の値を初期値としたものである。
【図５】同上の１脚式受動走行ロボットのモデルを用いて設計した１脚式受動走行ロボットの例の外観図であって、（ａ）が左側面図（正面図における左側の質量部の近傍を省略した左側面図）、（ｂ）が正面図である。
【図６】図５で示した１脚式受動走行ロボットの例での実験結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る１脚式受動走行ロボットの設計方法を用いて設計される１脚式受動走行ロボットのモデル１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように胴体部２と１個の脚部３を備えるものである。脚部３の上端部は、関節部４において、胴体部２に回動可能に接続されている。１脚式受動走行ロボットのモデル１は、自然体（外力を受けていないときの姿勢）では、図１（ａ）に示すように胴体部２と脚部３は直交している。なお、図１（ａ）における符号３ａは、脚部３の下端部を示している。
【００１６】
また、１脚式受動走行ロボットのモデル１は、関節部４における胴体部２と脚部３の間の角度に応じた復元力を有する第１バネ体５を備えている。第１バネ体５は、１脚式受動走行ロボットのモデル１を用いて設計する後述する１脚式受動走行ロボット１０に示すように、通常は、線形ねじりバネ体（図５（ａ）参照）が用いられる。
【００１７】
また、脚部３は、圧縮に応じた復元力を有する第２バネ体６を備えている。第２バネ体６は、モデル１を用いて設計する後述する１脚式受動走行ロボット１０に示すように、通常は、線形圧縮バネ体（図５（ａ）、（ｂ）参照）が用いられる。
【００１８】
１脚式受動走行ロボットのモデル１は、上述した構造以外の詳細な構造は特に限定されるものではなく、また、形状も特に限定されるものではない。
【００１９】
１脚式受動走行ロボットのモデル１は、図２（ａ）〜（ｇ）に示すように、空中に有る状態（ｆｌｉｇｈｔ  ｐｈａｓｅ）から着地時（ｔｏｕｃｈｄｏｗｎ  ｐｈａｓｅ）を経て地面Ｇに接している状態（ｓｔａｎｃｅ  ｐｈａｓｅ）に遷移し、脚部３が第２バネ体６の圧縮に応じた復元力、つまり弾性力を用いて、地面Ｇに接している状態から空中に有る状態に遷移する。なお、図２（ａ）〜（ｇ）においては、モデル１が右方向に走行している状態を示しており、（ａ）及び（ｄ）〜（ｇ）は空中に有る状態、（ｂ）は着地時（及び地面Ｇに接している状態）、（ｃ）は地面Ｇに接している状態を示している、
【００２０】
本発明の実施形態に係る１脚式受動走行ロボットの設計方法は、１脚式受動走行ロボットのモデル１がコンピュータ内に記憶されており、このモデルによるコンピュータ内でのシミュレーションに基づいて設計を行うものである。
【００２１】
１脚式受動走行ロボットのモデル１は、胴体部２と脚部３を含めた全重量をｍ、脚部３の長さｒ（図１参照）の自然長（第２バネ体６が圧縮していないときの長さ）をｒ０、胴体部２の慣性モーメントをＪＢ、脚部３の慣性モーメントをＪＬ、第１バネ体５のばね定数をＫＨ、第２バネ体６のばね定数をＫＬとすると、着地時、地面Ｇに接している状態、空中に有る状態、のそれぞれにおいて、後述する関係式を満たすように動作する。ここで、胴体部２と脚部３を合わせた全重量の重心位置は関節部４に有るとする。第１バネ体５と第２バネ体６は、無重量であり無損失（エネルギー無損失）であるとする。着地時に脚部３の下端部３ａと地面Ｇの間では、滑りが発生せず、かつ、非弾性衝突を起こすとする。
【００２２】
以下、図１に示したように、脚部３の鉛直方向からの角度をθ、胴体部２の水平方向からの角度をφ、脚部３の長さをｒ、関節部４の水平方向の位置をｘ、関節部４の鉛直方向の位置をｙとして、着地時、地面Ｇに接している状態、空中に有る状態を順に説明する。
【００２３】
着地時においては、着地直前と着地直後との間の脚部３の長さ方向の運動量保存則及び接地点まわりの全角運動量保存則より、着地直後の状態（添え字の＋で示す。）と着地直前の状態（添え字の−で示す。）は、θ、φ、ｒの変化の速度（各文字の頭上の・で示す。）を用いて、下記（式１）、（式２）、（式３）に示す関係式で表す。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【００２４】
ここで、特に着目すべきは、着地直後のθの変化の速度の導出に、脚部３の慣性モーメントＪＬとともに胴体部２の慣性モーメントＪＢを含む計算式を用いていることである。
【００２５】
このように（式１）〜（式３）の関係式で表されたようにして着地した後は、地面Ｇに接している状態となる。地面Ｇに接している状態と後に詳述する空中に有る状態は、非特許文献２〜４において既知となっている下記の（式４）〜（式１０）に示す関係式を用いる。すなわち、地面Ｇに接している状態は、θ、φ、ｒの変化の速度（各文字の頭上の・で示す。）及び加速度（各文字の頭上の・・で示す。）を用いて、下記（式４）、（式５）、（式６）に示す関係式で表す。なお、ｇは重力加速度である。
【数４】
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【数５】
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【数６】
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【００２６】
空中に有る状態は、θ、φ、ｘ、ｙの変化の加速度（各文字の頭上の・・で示す。）を用いて、下記（式７）、（式８）、（式９）、（式１０）に示す関係式で表す。
【数７】
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【数８】
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【数９】
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【数１０】
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【００２７】
以上説明した着地時、地面Ｇに接している状態、空中に有る状態の関係式(式１)〜（式１０）を満たすシミュレーションを行うと、特定の物理パラメータ（ｍ、ｒ０、ＪＢ、ＪＬ、ＫＨ、ＫＬ）で、安定なリミットサイクルが発現するようにできる。例えば、表１に示すように物理パラメータを設定すると、図３に示すように走行した。図３は、右に向かって走行している１脚式受動走行ロボットのモデル１の幾つかの瞬間の姿勢を重ねて示している。座標の原点は、地面Ｇ上に設けている。また、図３の１脚式受動走行ロボットのモデル１は、第１バネ体５と第２バネ体６を省略して示している。図３により、１脚式受動走行ロボットのモデル１は、走行が継続できることが分かる。
【表１】
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【００２８】
また、図４（ａ）は、図３に示した走行時において、脚部３の鉛直方向からの角度θ（横軸）に対するその角度の変化の速度（縦軸）を示したものである。図４（ａ）より、脚部３の遷移は、安定なリミットサイクル（閉じた軌道）となっていることが確認できる。
【００２９】
また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のリミットサイクルから離してその近傍に初期値を与えた場合の様子を示している。図４（ｂ）より、軌道は発散せずに、リミットサイクルに収束する現象（引き込み現象）が確認できる。
【００３０】
このようにして、安定なリミットサイクルが発現するように適切な設計がされれば、１脚式受動走行ロボットのモデル１を用いて設計した１脚式受動走行ロボット１０は、空中に有る状態、着地時、地面Ｇに接している状態、を繰り返すことで、走行を継続することが可能であり、特に、下りの走行では、空気抵抗や地面Ｇとの摩擦等によりエネルギーを損失しても、位置エネルギー（又は重力）によって補填して、走行を継続することが可能である。
【００３１】
図５（ａ）、（ｂ）に、１脚式受動走行ロボットのモデル１を用いて設計した１脚式受動走行ロボット１０を示す。図５の１脚式受動走行ロボット１０においては、モデル１の各部に対応する部分は、モデル１と同じ符号を用いている。また、図５（ｂ）に示す１脚式受動走行ロボット１０の胴体部２は、左右に大きな質量の質量部２１、２１’を有しているものであるが、胴体部２と脚部３の詳細な構造及び形状が特に限定されるものではないことは、モデル１で述べたのと同様である。また、図５（ａ）に示す第１バネ体（線形ねじりバネ体）５は、２個が関節部４の軸体４１に巻かれて設けられており、それぞれについて一端部５ａ（図５（ｂ）参照）が胴体部２に接続されもう他端部５ｂ（図５（ｂ）参照）が脚部３に接続されている。第１バネ体５は、１個又は３個以上とすることも可能である。
【００３２】
１脚式受動走行ロボット１０を用いて行った実験は以下の通りである。走行環境は、下りの階段とした．実験では、最初に、適当な位置から離して自由落下させた。実験は、４０回行い、最大で５段の走行（跳躍）を確認した。この時の走行の様子を図６に示す。図６は、瞬時を写した複数枚の写真（写真ａ〜写真ｊ）を重ね合わせた写真である。図６における写真ｊでは、向こう側の側壁に衝突したために走行が終わっているが、側壁への衝突がなければ、更に走行が継続したものと推察される。
【００３３】
以上、本発明の実施形態に係る１脚式受動走行ロボットの設計方法及びそれを用いて設計した１脚式受動走行ロボットについて説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。例えば、（式４）〜（式１０）は上記のように既知ものではあるが、これが仮に改良された場合でも、（式１）〜（式３）を用いることができる。また、本発明の実施形態に係る１脚式受動走行ロボットの設計方法は、これによって各々の脚が設計される多脚式受動走行ロボットに適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１    １脚式受動走行ロボットのモデル
１０  １脚式受動走行ロボット
２    胴体部
２１、２１’  胴体部の質量部
３    脚部
３ａ  脚部の下端部
４    関節部
４１  関節部の軸体
５    第１バネ体
５ａ  第１バネ体の一端部
５ｂ  第１バネ体の他端部
６    第２バネ体
Ｇ    地面
【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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