(57)【要約】【課題】ロボットの屈伸動作時や膝関節を屈曲させた姿勢時等にもバランスを維持する。【解決手段】モータ２０の本体を大腿リンク１０と一体に回動する第１膝部プーリ１２に接続し、モータ軸２０１を下腿リンク１５と一体に回動する第２膝部プーリ１７に接続する。第１膝部プーリ１２と足首関節部５に設けた足首部プーリ１３との径比は１：２で両者にはベルト１４が巻掛けられ、第２膝部プーリ１７と股関節部３に設けた股部プーリ１８との径比も１：２で両者にはベルト１９が巻掛けられる。モータ２０を作動させ両リンク１０、１５間の相対的な回転位置関係を変えると、膝関節部３の回動と股関節部３及び足首関節部５の回動が連動し、足部６と胴体部１とは互いに同じ姿勢を保って互いに近付くように動作する。このため、床面上で膝曲げを行っても胴体部１は直立姿勢を維持したまま下降し、胴体部１による重心はほぼ鉛直下方に作用するためバランスを崩しにくい。【選択図】図１
2008200813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、該胴体部に左右の股関節部を介し前後方向に回動可能に連結され、途中に膝関節部が設けられた左右の脚部と、該脚部の下端に足首関節部を介し前後方向に回動可能に連結された足部と、を有する二足歩行ロボットにおいて、前記左右の脚部はそれぞれ、
a)股関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、膝関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された大腿リンクと、
b)前記膝関節部にある前記水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、足首関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された下腿リンクと、
c)前記膝関節部にある前記水平軸線を中心に前記大腿リンクと一体に回動可能な第１膝部円盤状体と、前記足首関節部にある前記水平軸線を中心に前記足部と一体に回動可能な足首部円盤状体と、第１膝部円盤状体の回動角度の１／２が足首部円盤状体の回動角度となるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む下部回転動力伝達部と、
d)前記膝関節部にある前記水平軸線を中心に前記下腿リンクと一体に回動可能な第２膝部円盤状体と、前記股関節部にある前記水平軸線を中心に前記胴体部と一体に回動可能な股部円盤状体と、第２膝部円盤状体の回動角度の１／２が股部円盤状体の回動角度となるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む上部回転動力伝達部と、
e)前記膝関節部にある水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記下腿リンクとの回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、前記股関節部にある水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記股部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、又は、前記足首関節部にある水平軸線を中心とした前記下腿リンクと前記足首部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える駆動源と、
を備えることを特徴とする二足歩行ロボット。
【請求項２】
前記下部回転動力伝達部及び前記上部回転動力伝達部にあって、前記円盤状体はプーリであり、前記伝動部は２個のプーリの間に巻掛けられた紐状又は帯状の伝動体であり、前記膝関節部に設けたプーリの径を、前記股関節部及び前記足首関節部に設けたプーリの径の１／２としたことを特徴とする請求項２に記載の二足歩行ロボット。
【請求項３】
前記駆動源は回動軸体を有するモータであり、該モータの本体を前記膝関節部にあって前記第１膝部円盤状体又は第２膝部円盤状体の一方に接続し、前記回動軸体を前記第１膝部円盤状体又は第２膝部円盤状体の他方に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の二足歩行ロボット。
【請求項４】
胴体部と、該胴体部に左右の股関節部を介し前後方向に回動可能に連結され、途中に膝関節部が設けられた左右の脚部と、該脚部の下端に足首関節部を介し前後方向に回動可能に連結された足部と、を有する二足歩行ロボットにおいて、前記左右の脚部はそれぞれ、
a)股関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、膝関節部にあって左右方向に延伸する第１水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された大腿リンクと、
b)前記膝関節部にあって前記第１水平軸線の下方に位置する左右方向に延伸する第２水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、足首関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された下腿リンクと、
c)前記膝関節部にある前記第２水平軸線を中心に回動可能な第２膝部円盤状体と、前記足首関節部にある前記水平軸線を中心に前記足部と一体に回動可能な足首部円盤状体と、第２膝部円盤状体の回動角度と足首部円盤状体の回動角度とが等しくなるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む下部回転動力伝達部と、
d)前記膝関節部にある前記第１水平軸線を中心に回動可能な第１膝部円盤状体と、前記股関節部にある前記水平軸線を中心に前記胴体部と一体に回動可能な股部円盤状体と、第１膝部円盤状体の回動角度と股部円盤状体の回動角度とが等しくなるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む上部回転動力伝達部と、
e)前記膝関節部にあって前記第１膝部円盤状体と前記第２膝部円盤状体とを接続する連結部と、
f)前記膝関節部にある第１水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記第１膝部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、又は、前記股関節部にある水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記股部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える第１駆動部と、
g)前記膝関節部にある第２水平軸線を中心とした前記下腿リンクと前記第２膝部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、又は、前記足首関節部にある水平軸線を中心とした前記下腿リンクと前記足首部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える第２駆動部と、
を備えることを特徴とする二足歩行ロボット。
【請求項５】
前記下部回転動力伝達部及び前記上部回転動力伝達部にあって、前記円盤状体はプーリであり、前記伝動部は２個のプーリの間に巻掛けられた紐状又は帯状の伝動体であり、前記膝関節部に設けたプーリの径と前記股関節部及び前記足首関節部に設けたプーリの径とを等しくしたことを特徴とする請求項４に記載の二足歩行ロボット。
【請求項６】
前記第１駆動部及び前記第２駆動部の一方が駆動源であり、該第１駆動部及び該第２駆動部の他方は、前記駆動源の回転駆動力を受けて駆動力伝達部が前記駆動源による回動方向と反対方向に回動するように発した駆動力を用いたことを特徴とする請求項４に記載の二足歩行ロボット。
【請求項７】
前記駆動力伝達部は、前記膝関節部にある第１水平軸線を中心に回動可能な第１ギアと、前記第２水平軸線を中心に回動可能で前記第１ギアに噛合する第２ギアとを含むことを特徴とする請求項６に記載の二足歩行ロボット。
【請求項８】
前記第１駆動部及び第２駆動部はそれぞれ独立した駆動源であることを特徴とする請求項４に記載の二足歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二足歩行ロボットに関し、さらに詳しくは、二足歩行ロボットの脚部の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の歩行形態を模した二足歩行ロボットの研究・開発が、様々な企業や研究機関で積極的に進められている。二足歩行は人間にとってはごく通常の日常的な動作の１つであるが、こうした歩行形態をロボットで実現することは容易ではなく、従来より、二足歩行に適した脚部の関節構造などについて各種の提案がなされている。
【０００３】
図７は従来の一般的な二足歩行ロボットの脚部の関節構造を示す概略斜視図である（例えば特許文献１など参照）。図中に示すように、互いに直交する三軸として、ロボットの前後方向つまり進行方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、高さ方向をｚ軸と定めている。また、図８は従来の二足歩行ロボットの問題点を説明するための概略側面図である。
【０００４】
図７において、概略的に記載した胴体部１に連結された左脚部２Ｌ及び右脚部２Ｒはそれぞれ、上から大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒ、下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒ、及び足首リンク５４Ｌ、５４Ｒから成り、両脚部２Ｌ、２Ｒの上端は水平に延伸する連結リンク５１で互いに連結されている。関節としては、連結リンク５１と大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒとの間に股関節部３Ｌ、３Ｒが、大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒと下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒとの間に膝関節部４Ｌ、４Ｒが、下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒと足首リンク５４Ｌ、５４Ｒとの間に足首関節部５Ｌ、５Ｒがあり、足首関節部５Ｌ、５Ｒを介して足首リンク５４Ｌ、５４Ｒには左足部６Ｌ、右足部６Ｒが連結されている。
【０００５】
股関節部３Ｌ、３Ｒは、前後方向に延伸するｘ軸の周りに回動するモータ６１Ｌ、６１Ｒ、左右方向に延伸するｙ軸の周りに回動するモータ６２Ｌ、６２Ｒ、及び、ｚ軸の周りに回動する脚部旋回用のモータ６３Ｌ、６３Ｒ、を含む。これにより、大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒは胴体部１（又は連結リンク５１）に対して、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の三軸の周りにそれぞれ所定角度範囲で回動可能となっている。膝関節部４Ｌ、４Ｒは、左右方向に延伸するｙ軸の周りに回動するモータ６４Ｌ、６４Ｒを含む。これにより、下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒは大腿リンク５２Ｌ、５２Ｒに対して、ｙ軸の周りに所定角度範囲で回動可能となっている。足首関節部５Ｌ、５Ｒは、前後方向に延伸するｘ軸の周りに回動するモータ６５Ｌ、６５Ｒ、及び、左右方向に延伸するｙ軸の周りに回動するモータ６６Ｌ、６６Ｒを含む。これにより、足首リンク５４Ｌ、５４Ｒは下腿リンク５３Ｌ、５３Ｒに対して、ｘ軸、ｙ軸の二軸の周りにそれぞれ所定角度範囲で回動可能となっている。
【０００６】
上記各関節部３Ｌ、３Ｒ、４Ｌ、４Ｒ、５Ｌ、５Ｒに設けられた複数のモータがそれぞれ適切なタイミングで駆動されることで上記各リンクが動作し、それによって左右両脚部２Ｌ、２Ｒによる二足歩行が達成される。なお、モータに代えて適宜のアクチュエータを利用する等の変形が可能である。
【０００７】
いま、ここでは脚部２Ｌ、２Ｒの各関節部におけるｙ軸の周りの回動にのみ着目して考える。この二足歩行ロボットが、図８（ａ）に示すように膝関節部４をくの字状に曲げた姿勢をとるとき、膝関節部４には大きな負荷が掛かる。そのため、例えば膝関節部４の機械的な強度が不足していると、図８（ｂ）に示すように、胴体部１の重量を支えきれなくなって膝関節部４はその屈曲角度が大きくなるように沈み込むことがある。そうなると胴体部１の重心は後方側（図中では左方）に掛かるために余計に膝関節部４に掛かる負荷が増大し、図８（ｃ）に示すように、これによってさらに膝関節部４の屈曲が大きくなって重心が後方に掛かるという悪循環に陥る。その結果、最終的には、図８（ｄ）に示すようにロボット本体が後方に倒れ易くなる。
【０００８】
即ち、従来の構成では、膝関節部４を屈曲させた状態のときに、それを支えるのに膝関節部４の機械的剛性が追いつかないと、上体が後方に倒れ込み、それがさらに膝関節部４への負荷を増大させるという問題がある。
【０００９】
また、例えばロボットを走行させたりジャンプさせたりする際には、膝関節部４が比較的大きく屈曲された状態から急に伸展させる必要がある。この際には、膝関節部４のみならず、股関節部３や足首関節部５も膝関節部４の動作に合わせて適切に駆動しなければならない。しかしながら、従来の構成では、膝関節部４と股関節部３及び足首関節部５とで掛かる力や動作角が異なるため、特に高負荷や素早い動作において同期的に駆動させることが難しく、バランスを崩して倒れ易くなるという問題もある。
【００１０】
【特許文献１】特許第３７２９４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その第１の目的とするところは、膝関節部を屈曲した姿勢のときに、胴体部の重量、つまりは上体の重心ががほぼ鉛直下方に作用することを保証することができ、且つその構造も簡単であるような脚部構造を有する二足歩行ロボットを提供することである。また本発明の第２の目的とするところは、膝関節部、股関節部、足首関節部の機構的な同調や連動を行うことにより、膝関節部の急な伸展動作などの際にもバランスを崩しにくい脚部構造を有する二足歩行ロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された第１発明は、胴体部と、該胴体部に左右の股関節部を介し前後方向に回動可能に連結され、途中に膝関節部が設けられた左右の脚部と、該脚部の下端に足首関節部を介し前後方向に回動可能に連結された足部と、を有する二足歩行ロボットにおいて、前記左右の脚部はそれぞれ、
a)股関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、膝関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された大腿リンクと、
b)前記膝関節部にある前記水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、足首関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された下腿リンクと、
c)前記膝関節部にある前記水平軸線を中心に前記大腿リンクと一体に回動可能な第１膝部円盤状体と、前記足首関節部にある前記水平軸線を中心に前記足部と一体に回動可能な足首部円盤状体と、第１膝部円盤状体の回動角度の１／２が足首部円盤状体の回動角度となるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む下部回転動力伝達部と、
d)前記膝関節部にある前記水平軸線を中心に前記下腿リンクと一体に回動可能な第２膝部円盤状体と、前記股関節部にある前記水平軸線を中心に前記胴体部と一体に回動可能な股部円盤状体と、第２膝部円盤状体の回動角度の１／２が股部円盤状体の回動角度となるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む上部回転動力伝達部と、
e)前記膝関節部にある水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記下腿リンクとの回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、前記股関節部にある水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記股部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、又は、前記足首関節部にある水平軸線を中心とした前記下腿リンクと前記足首部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える駆動源と、
を備えることを特徴としている。
【００１３】
第１発明に係る二足歩行ロボットの一実施態様として、下部回転動力伝達部及び上部回転動力伝達部にあって、前記円盤状体はプーリであり、前記伝動部は２個のプーリの間に巻掛けられた紐状又は帯状の伝動体であり、前記膝関節部に設けたプーリの径を、前記股関節部及び前記足首関節部に設けたプーリの径の１／２とした構成とすることができる。
【００１４】
即ち、下部回転動力伝達部及び上部回転動力伝達部として、ベルト伝動機構、ロープ伝動機構、チェーン伝動機構などの巻掛け伝動機構を用いるとよい。このような単純な巻掛け伝動機構では、プーリの径でそれぞれの軸の回転角度が決まるから、プーリの径を上記のように設定することにより、第１膝部円盤状体の回動角度の１／２が足首部円盤状体の回動角度となり、第２膝部円盤状体の回動角度の１／２が股部円盤状体の回動角度となることを保証することができる。
【００１５】
また、上記駆動源は膝関節部、股関節部、又は足首関節部のいずれにも設けることができるが、通常、股関節部や足首関節部には膝曲げ以外の動作を実現するための別の駆動源が設置される。そのため、好ましくは上記駆動源を膝関節部に設けるようにするとよい。その場合、その駆動源は回動軸体を有するモータであり、該モータの本体を前記膝関節部にあって前記第１膝部円盤状体又は第２膝部円盤状体の一方に接続し、前記回動軸体を前記第１膝部円盤状体又は第２膝部円盤状体の他方に接続した構成とすることができる。
【００１６】
第１発明に係る二足歩行ロボットでは、駆動源による回転動力により、例えば直立状態にある大腿リンクが膝関節部の水平軸線を中心に後方に傾斜するように角度２αだけ回動されると、これと一体に下部回転動力伝達部の第１膝部円盤状体も回動する。この回動動作は下部回転動力伝達部の伝動部を介して足首部円盤状体に伝達され、これによって大腿リンクの回動角度の１／２の角度αだけ同一方向に足部が回動することになる。そのため、下腿リンクは足部の回動角度と同角度αだけ足首関節部の水平軸線を中心に前方に傾くことになり、大腿リンクは鉛直線に対し角度αだけ傾き、脚部はくの字状に屈曲した状態となる。
【００１７】
一方、大腿リンクが後方に傾けられると股関節部の水平軸線の位置も膝関節部の水平軸線の位置に対し相対的に変化するが、上部回転動力伝達部においては両円盤状体の回動角度が同一ではないため、股関節部において股部円盤状体は角度αだけ回動する。即ち、例えば膝関節部で大腿リンクと下腿リンクとの回転位置関係を変えるように駆動源により駆動力が作用すると、股関節部及び足首関節部で膝関節部での回動動作に連動した回動が生じ、それによって足部と胴体部とは互いの姿勢を維持したまま近付く又は離れる動作を行う。そのため、脚部が膝関節部を挟んでくの字状に屈曲しても、足部が床面に着地した状態であるときに胴体部は傾かずに直立した状態を維持する。股関節部の屈曲が大きくなれば、胴体部は直立状態を維持したまま下降する（つまり床面に近付く）ことになるから、胴体部による重心は常にほぼ鉛直下方に作用することが保証される。
【００１８】
上記課題を解決するために成された第２発明は、胴体部と、該胴体部に左右の股関節部を介し前後方向に回動可能に連結され、途中に膝関節部が設けられた左右の脚部と、該脚部の下端に足首関節部を介し前後方向に回動可能に連結された足部と、を有する二足歩行ロボットにおいて、前記左右の脚部はそれぞれ、
a)股関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、膝関節部にあって左右方向に延伸する第１水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された大腿リンクと、
b)前記膝関節部にあって前記第１水平軸線の下方に位置する左右方向に延伸する第２水平軸線を中心に回動可能に上端が保持され、足首関節部にあって左右方向に延伸する水平軸線を中心に回動可能に下端が保持された下腿リンクと、
c)前記膝関節部にある前記第２水平軸線を中心に回動可能な第２膝部円盤状体と、前記足首関節部にある前記水平軸線を中心に前記足部と一体に回動可能な足首部円盤状体と、第２膝部円盤状体の回動角度と足首部円盤状体の回動角度とが等しくなるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む下部回転動力伝達部と、
d)前記膝関節部にある前記第１水平軸線を中心に回動可能な第１膝部円盤状体と、前記股関節部にある前記水平軸線を中心に前記胴体部と一体に回動可能な股部円盤状体と、第１膝部円盤状体の回動角度と股部円盤状体の回動角度とが等しくなるように相互の回動を関連付ける伝動部と、を含む上部回転動力伝達部と、
e)前記膝関節部にあって前記第１膝部円盤状体と前記第２膝部円盤状体とを接続する連結部と、
f)前記膝関節部にある第１水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記第１膝部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、又は、前記股関節部にある水平軸線を中心とした前記大腿リンクと前記股部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える第１駆動部と、
g)前記膝関節部にある第２水平軸線を中心とした前記下腿リンクと前記第２膝部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える、又は、前記足首関節部にある水平軸線を中心とした前記下腿リンクと前記足首部円盤状体との回転位置関係を変えるようにいずれか一方に駆動力を与える第２駆動部と、
を備えることを特徴としている。
【００１９】
第２発明に係る二足歩行ロボットの一実施態様として、下部回転動力伝達部及び前記上部回転動力伝達部にあって、前記円盤状体はプーリであり、前記伝動部は２個のプーリの間に巻掛けられた紐状又は帯状の伝動体であり、前記膝関節部に設けたプーリの径と前記股関節部及び前記足首関節部に設けたプーリの径とを等しくした構成とすることができる。
【００２０】
第１発明と同様に、下部回転動力伝達部及び上部回転動力伝達部として、ベルト伝動機構、ロープ伝動機構、チェーン伝動機構などの巻掛け伝動機構を用いるとよい。このような単純な巻掛け伝動機構では、プーリの径でそれぞれの軸の回転角度が決まるから、プーリの径を上記のように設定することにより、第１膝部円盤状体の回動角度と足首部円盤状体の回動角度とが等しくなり、第２膝部円盤状体の回動角度と股部円盤状体の回動角度とが等しくなることを保証することができる。
【００２１】
第２発明に係る二足歩行ロボットにおいて、膝関節部を屈曲させる際には、例えば直立状態にある大腿リンクと下腿リンクとは互いに反対方向に回動される。第１膝部円盤状体と第２膝部円盤状体とは連結部により接続されているため、上記回動の際にもそれら円盤状体は第１水平軸線、第２水平軸線を中心に回動しない。従って、大腿リンク及び下腿リンクが傾いても伝動体を介して、股部円盤状体と足首部円盤状体はそれぞれ水平軸線を中心に回動しない状態が維持される。具体的には、例えば下部回転動力伝達部及び上部回転動力伝達部が巻掛け伝動機構である場合には、円盤状体に対する伝動体の巻掛け位置が変化するだけで伝動体は実質的に走行せず、股部円盤状体と足首部円盤状体は元の回転位置を保つ。その結果、股関節部に接続された胴体部は膝関節部が屈曲される前と同じ姿勢を維持するから、胴体部による重心はほぼ鉛直下方に作用する。
【００２２】
この第２発明に係る二足歩行ロボットでは、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の一方が駆動源であり、該第１駆動部及び該第２駆動部の他方は、前記駆動源の回転駆動力を受けて駆動力伝達部が前記駆動源による回動方向と反対方向に回動するように発した駆動力を用いた構成とすることができる。ここで、駆動力伝達部は、前記膝関節部にある第１水平軸線を中心に回動可能な第１ギアと、前記第２水平軸線を中心に回動可能で前記第１ギアに噛合する第２ギアとを含むものとすることができる。
【００２３】
この構成によれば、駆動源として例えばモータを１個のみ用いればよい。また、大腿リンクと下腿リンクとが同期的に反対方向に回動することが機構的に保証されるので、制御が簡単である。
【００２４】
また、第２発明に係る二足歩行ロボットでは、前記第１駆動部及び第２駆動部はそれぞれ独立した駆動源である構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
第１発明及び第２発明に係る二足歩行ロボットによれば、膝関節部を屈曲した姿勢のときに、その屈曲の角度に拘わらず、胴体部による重心がほぼ鉛直下方に作用することが保証される。従って、仮に膝関節部の機械的な剛性が不足しているような場合でも、重心が後方に掛かって倒伏することを防止することができる。また、第１発明及び第２発明に係る二足歩行ロボットによれば、股関節部における胴体部の回動動作、及び足関節部における足部の回動動作を、膝関節部の回動動作と機構的に連動又は同調させることができる。そのため、例えば二足走行動作やジャンプ動作などの際に膝関節部が大きく屈曲された状態から急に伸展された際にも、バランスを崩しにくく、走行やジャンプを安定して行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
［第１実施例］
第１発明の一実施例（第１実施例）による二足歩行ロボットを図１〜図３を参照して説明する。図１は、本実施例の二足歩行ロボットの一方の脚部の膝関節部を中心とする要部の原理的構造を示す概略斜視図である。ここでは示していないが、他方の脚部の構造も左右対称である以外は基本的に同じである。また図２及び図３はこの脚部関節構造において膝関節部を屈曲させる際の動作を説明するための模式図である。
【００２７】
この脚部２は、構成要素として、股関節部３と膝関節部４との間の大腿リンク１０と、膝関節部４と足首関節部５との間の下腿リンク１５と、股関節部３にあって第１水平軸線３Ａを中心に回動する股部プーリ（本発明における股部円盤状体）１８と、膝関節部４にあって第２水平軸線４Ａを中心にそれぞれ独立に回動する第１膝部プーリ（本発明における第１膝部円盤状体）１２及び第２膝部プーリ（本発明における第２膝部円盤状体）１７と、足首関節部５にあって第３水平軸線５Ａを中心に回動する足首部プーリ（本発明における足首部円盤状体）１３と、股部プーリ１８と第２膝部プーリ１７とに巻掛けられた上部ベルト（本発明における伝動部）１９と、第１膝部プーリ１２と足首部プーリ１３とに巻掛けられた下部ベルト（本発明における伝動部）１４と、膝関節部４を屈曲させるための駆動源であるモータ２０と、を含む。
【００２８】
ここでは、股部プーリ１８と足首部プーリ１３とは同一径２ｄであり、第１膝部プーリ１２と第２膝部プーリ１７とは同一径ｄである。つまり、第１膝部プーリ１２及び第２膝部プーリ１７の径は足首部プーリ１３及び股部プーリ１８の径の１／２である。これにより、第１膝部プーリ１２及び第２膝部プーリ１７がそれぞれ第２水平軸線４Ａを中心として所定角度αだけ回動したときに、下部ベルト１４及び上部ベルト１９を介して足首部プーリ１３及び股部プーリ１８は角度α／２だけ回動するように構成されている。なお、プーリ１２、１３、１７、１８とベルト１４、１９とは摩擦のみにより駆動力を伝導するものであってもよいが、スリップを生じないように、例えばタイミングプーリとタイミングベルトとを用いたものとすることが好ましい。
【００２９】
モータ２０の本体（外装）は第１膝部プーリ１２に対し固定され、第２水平軸線４Ａ上で回動するモータ軸２０１は第２膝部プーリ１７に接続されるとともに下腿リンク１５の上端に接続されている。一方、第１膝部プーリ１２は大腿リンク１０の下端に接続されている。大腿リンク１０の上端は第１水平軸線３Ａ上に位置し、その第１水平軸線３Ａ上に股部プーリ１８が回転自在に保持され、股部プーリ１８に胴体部１が接続されている。また、下腿リンク１５の下端は第３水平軸線５Ａ上に位置し、その第３水平軸線５Ａ上に足首部プーリ１３が回転自在に保持され、足首部プーリ１３に下面が床面に接触する足部６が接続されている。従って、図７に示したモータ６２Ｌ、６２Ｒによる股関節部３の回動、及びモータ６６Ｌ、６６Ｒによる足首関節部５の回動がないものとすると、股部プーリ１８が回動すると胴体部１も回動し、足首部プーリ１３が回動すると足部６も回動する。
【００３０】
上記構成を有する脚部構造において膝関節部４を曲げる際の動作を図３により説明する。図３は上記脚部構造の要部の概略側面図であり、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は膝関節部４を真っ直ぐに伸ばした状態、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は膝関節部４を曲げたときの状態を示す。なお、プーリ１２、１３、１７、１８の回動動作を分かり易くするために、１周を４等分した領域の対向する２つに斜線を施してある。
【００３１】
いま、この二足歩行ロボットが例えば直立して脚部２を真っ直ぐに伸ばした姿勢である場合を考えると、図３（ａ）に示すように、大腿リンク１０と下腿リンク１５とは第２水平軸線４Ａを挟んで直線状に配置されている。このような状態から、大腿リンク１０の位置が固定されているものとして、モータ２０の駆動力によりモータ軸２０１が反時計回り方向に角度２θだけ回動されると、図３（ｂ）に示すように、上端がモータ軸２０１に固着された下腿リンク１５は第２水平軸線４Ａを中心に反時計回り方向に角度２θだけ回動する。
【００３２】
第２膝部プーリ１７もモータ軸２０１に固着されているから、上述のようにモータ軸２０１を反時計回り方向に角度２θだけ回動すると、図３（ｄ）に示すように、第２膝部プーリ１７も第２水平軸線４Ａを中心に角度２θだけ回動される。この回動動作は上部ベルト１９を介して股部プーリ１８に伝達されるが、前述のようにプーリ１７、１８の径が相違するために股部プーリ１８は第２膝部プーリ１７の角度の１／２だけしか回動しない。それ故に、股部プーリ１８は第１水平軸線３Ａを中心に反時計回り方向に角度θだけ回動することになる。そして、股部プーリ１８に接続された胴体部１も同様の角度θだけ第１水平軸線３Ａを中心に反時計回り方向に回動する。
【００３３】
足首部プーリ１３は下腿リンク１５の下端にある第３水平軸線５Ａ上に軸支されているから、上述のように下腿リンク１５が回動されると、それに伴って第３水平軸線５Ａの位置、つまり足首部プーリ１３の回動中心も第２水平軸線４Ａを中心に回動する。一方、大腿リンク１０の位置が固定されているとした場合、第１膝部プーリ１２は回動しないから、図３（ｆ）に示すように、足首部プーリ１３の回動中心が角度２θだけ反時計回り方向に回動したとき、第１膝部プーリ１２の周面において下部ベルト１４の巻掛け位置が変化するから、それによって下部ベルト１４は繰り出される。ここでは第１膝部プーリ１２の径が足首部プーリ１３の径の１／２であるために、足首部プーリ１３を第３水平軸線５Ａを中心に反時計回り方向に角度θだけ回動させた状態で、足首部プーリ１３では上記下部ベルト１４の繰り出しが吸収される。それ故に、足首部プーリ１３は第３水平軸線５Ａを中心に反時計回り方向に角度θだけ回動することになる。そして、足首部プーリ１３に接続された足部６も同様の角度θだけ第３水平軸線５Ａを中心に反時計回り方向に回動する。
【００３４】
即ち、図３（ａ）、（ｃ）及び（ｅ）に示すように、膝関節部４が真っ直ぐに伸びた状態を角度０として考えると、そこから膝関節部４を角度２θだけ曲げるようにモータ２０を作動させると、胴体部１は股関節部３の第１水平軸線３Ａを中心に、足部６は足首関節部５の第３水平軸線５Ａを中心に同一方向に角度θだけ回動する。
【００３５】
上記のような膝関節部４の屈曲動作を直立姿勢から行った場合の状態を図２に概略的に示す。図２（ａ）に示すようにロボットが直立姿勢にある状態、つまり膝関節部４の開き角度が１８０°である状態から、モータ２０を作動させてモータ軸２０１を２θだけ回動させることで膝関節部４の開き角度が２α（α＜９０°）である状態にまで膝関節部４を曲げると、図２（ｂ）に示すように、第１水平軸線３Ａ上における水平線と大腿リンク１０との成す角度、及び、第３水平軸線５Ａ上における水平線と下腿リンク１５との成す角度はいずれもαとなる。そして、第１水平軸線３Ａを中心に胴体部１が角度θ（９０−α°）だけ大腿リンク１０に対し回動し、第３水平軸線５Ａを中心に足部６が角度θだけ下腿リンク１５に対し回動することで、胴体部１は略鉛直方向に起立した姿勢を維持したまま降下する。これは、図２（ｃ）に示すように、膝関節部４を深く曲げた場合でも同様である。
【００３６】
即ち、この第１実施例の二足歩行ロボットの脚部構造によれば、膝関節部４を曲げる動作の際にも、足首部プーリ１３、股部プーリ１８はいずれも回動せずに膝関節部４の屈曲前の状態を維持し、それ故に胴体部１による重心は後方側でなくほぼ鉛直下方に掛かることになる。したがって、歩行時、走行時、ジャンプ時など様々な動作状態において、膝関節部４を大きく曲げてもバランスを崩しにくくなり、姿勢制御が容易になる。
【００３７】
［第２実施例］
次に第２発明の一実施例（第２実施例）による二足歩行ロボットを図４及び図５を参照して説明する。図４は本実施例の二足歩行ロボットの一方の脚部の膝関節部を中心とする要部の原理的構造を示す概略斜視図、図５はこの脚部関節構造において膝関節部を曲げる際の動作を説明するための模式図である。
【００３８】
この脚部２は、構成要素として、股関節部３と膝関節部４との間の大腿リンク３０と、膝関節部４と足首関節部５との間の下腿リンク３７と、股関節部３にあって水平軸線３Ａを中心に回動する股部プーリ３２と、膝関節部４にあって第２上部水平軸線４Ａ１を中心に回動する膝上部プーリ３３と、膝関節部４にあって第２下部水平軸線４Ａ２を中心に回動する膝下部プーリ３９と、足首関節部５にあって第３水平軸線５Ａを中心に回動する足首部プーリ３８と、股部プーリ３２と膝上部プーリ３３とに巻掛けられた上部ベルト３４と、膝下部プーリ３９と足首部プーリ３８とに巻掛けられた下部ベルト４０と、膝関節部４を曲げるための駆動源である１個のモータ３５と、第２上部水平軸線４Ａ１上でモータ軸３５１に取り付けられた第１ギア４２と、第２下部水平軸線４Ａ２を中心に回動し第１ギア４２と噛合する第２ギア４３とをを含む。膝上部プーリ３３と膝下部プーリ３９とは連結部３６で接続されている（図４中では後述のモータ３５の本体を介して接続されている）。
【００３９】
この第２実施例では、それぞれベルト３４、４０で連結されたプーリ３２と３３、及びプーリ３８と３９とは同一径である。これにより、膝上部プーリ３３及び膝下部プーリ３９がそれぞれ第２上部水平軸線４Ａ１、第２下部水平軸線４Ａ２を中心として所定角度αだけ回動したときに、上部ベルト３４及び下部ベルト４０を介して股部プーリ３２及び足首部プーリ３８は同一の角度αだけ回動するように構成されている。なお、プーリ３２、３３、３８、３９とベルト３４、４０とは摩擦のみにより駆動力を伝導するものであってもよいが、スリップを生じないように、タイミングプーリとタイミングベルトとを用いたものが好ましい。
【００４０】
モータ３５の本体（外装）は膝上部プーリ３３に対し固定され、第２上部水平軸線４Ａ１上で回動するモータ３５のモータ軸３５１は大腿リンク３０の下端に接続され、さらに第１ギア４２に接続されている。従って、モータ３５によりモータ軸３５１が回動されると、それと連動して大腿リンク３０はモータ軸３５１と同一方向に同一角度だけ回動する。第１ギア４２と第２ギア４３との伝達比は１：１であり、第２下部水平軸線４Ａ２上で第２ギア４３の中心軸は下腿リンク３７の上端に接続されている。従って、モータ軸３５１が回動されて大腿リンク３０が第２上部水平軸線４Ａ１を中心に回動するとき、下腿リンク３７はそれと反対方向に第２上部水平軸線４Ａ１を中心に同一角度だけ回動する。
【００４１】
大腿リンク３０の上端は第１水平軸線３Ａ上に位置し、その第１水平軸線３Ａ上に股部プーリ３２が回転自在に保持され、股部プーリ３２に胴体部１が接続されている。また、下腿リンク３７の下端は第３水平軸線５Ａ上に位置し、その第３水平軸線５Ａ上に足首部プーリ３８が回転自在に保持され、足首部プーリ３８に下面が床面に接触する足部６が接続されている。従って、図７に示したモータ６２Ｌ、６２Ｒによる股関節部３の回動、及びモータ６６Ｌ、６６Ｒによる足首関節部５の回動がないものとすると、股部プーリ３２が回動すると胴体部１も回動し、足首部プーリ３８が回動すると足部６も回動する。これらの点は第１実施例と同様である。
【００４２】
上記構成を有する脚部構造において膝関節部４を曲げる際の動作を図５により説明する。図５において（ａ）、（ｃ）は膝関節部４を真っ直ぐに伸ばした状態、（ｂ）、（ｄ）は膝関節部４を曲げたときの状態を示す。なお、プーリ３２、３３、３８、３９の回動動作を分かり易くするために、１周を４等分した領域の対向する２つに斜線を施してある。
【００４３】
いま、この二足歩行ロボットが例えば直立して脚部２を真っ直ぐに伸ばした姿勢である場合を考えると、図５（ａ）に示すように、大腿リンク３０と下腿リンク３７とは第２上部水平軸線４Ａ１、第２下部水平軸線４Ａ２を挟んで直線状に配置されている。このような状態から、モータ３５の駆動力によりモータ軸３５１が時計回り方向に角度θだけ回動されると、図５（ｂ）に示すように、下端がモータ軸３５１に固着された大腿リンク３０は第２上部水平軸線４Ａ１を中心に時計回り方向に角度θだけ回動する。これと連動して、上端が第２ギア４３の中心軸に固着された下腿リンク３７は第２下部水平軸線４Ａ２を中心に反時計回り方向に角度θだけ回動する。
【００４４】
上述のように下腿リンク３７を回動させると、それに伴って、図５（ｄ）に示すように、第３水平軸線５Ａは第２下部水平軸線４Ａ２の直下から後方に移動し、下部ベルト４０の伸張方向も斜めになる。このとき、足首部プーリ３８と膝下部プーリ３９とにおいて下部ベルト４０の巻掛け位置はそれぞれ変化するが、径が同一であるため下部ベルト４０は走行しない。従って、両プーリ３８、３９の回転位置は膝曲げ前と同じ状態を維持し、膝下部プーリ３９は第２下部水平軸線４Ａ２の周りに回動しない。これにより、連結部３６で連結されている膝上部プーリ３３も回動せず、膝下部プーリ３９と膝上部プーリ３３との位置関係も維持された状態で、その全体が下方に下がることになる。
【００４５】
また、股部プーリ３２及び膝上部プーリ３３においても上部ベルト３４の巻掛け位置は変化するが、上部ベルト３４は走行しない。従って、膝上部プーリ３３と同様に股部プーリ３２も回動しない。即ち、膝関節部４の曲げ角度の大小に拘わらず、プーリ３８、３９、３３、３２は全て回動せずに膝関節部４の屈曲前状態を維持する。それ故に胴体部１による重心は後方側でなくほぼ鉛直下方に掛かることになる。つまり、重心の掛かり方としては、第１実施例の場合と同じとなり、膝関節部４を大きく曲げて歩行、走行、或いはジャンプする場合でも、バランスを崩しにくく姿勢制御が容易になる。
【００４６】
［第３実施例］
次に上記第２実施例の変形である第３実施例による二足歩行ロボットを図６を参照して説明する。図６は本実施例の二足歩行ロボットの一方の脚部の膝関節部を中心とする要部の原理的構造を示す概略斜視図である。
【００４７】
この第３実施例による二足歩行ロボットの脚部２では、プーリ及びベルトは上記第２実施例と同じ配置である。異なるのは、第１ギア４２、第２ギア４３を利用してモータ３５の駆動力を下腿リンク３７に伝達する代わりに、第２下部水平軸線４Ａ２上で回動するモータ軸４１を有するモータ４１を、モータ３５とは独立に設けた点である。即ち、ここで追加されたモータ４１の本体（外装）は膝下部プーリ３９に固着され、そのモータ軸４１が下腿リンク３７の上端に接続されている。
【００４８】
膝関節部４の屈曲時の基本的な動作としては、２個のモータ３５、４１はそのモータ軸３５１、４１１が互いに反対の回動方向で且つ同一角度だけ同期して回動するように制御される。これにより、上述した第２実施例の二足歩行ロボットと同様の膝屈曲動作が達成され、第２実施例と同様の効果を奏することになる。
【００４９】
さらにまた、この構成では、鉛直線に対する大腿リンク３０と下腿リンク３７のそれぞれの傾斜角度は独立に駆動されるモータ３５、４１により決まるので、上記のような同期動作だけではなく、例えば一方のモータを膝関節が屈曲する方向に駆動し、他方のモータは膝関節が伸展する方向に駆動する等の動作が可能である。こうした制御を行えば、膝関節部４をくの字状に曲げるのみならず、例えば脚部２をほぼ真っ直ぐに伸ばした状態で前方や後方に振り上げるような動作を行うこともできるなど、脚部２の動作の自由度が大きくなる。一般に、歩行を行うためには、膝関節部４の屈伸動作とともに、図７に示したモータ６２Ｌ、６２Ｒによる股関節部３の回動動作やモータ６６Ｌ、６６Ｒによる足首関節部５の回動動作を行う必要があり、制御が煩雑である。これに対し、第３実施例の構成では、２個のモータ３５、４１の制御を適当に行うことで、股関節部３や足首関節部５の積極的な回動を行うことなく歩行を実現することも可能である。さらにまた、股関節部３や足首関節部５にモータ等のアクチュエータを設けない、より簡素な構造で以て歩行動作を実現することも可能である。
【００５０】
なお、上記各実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【００５１】
例えば、上記第１乃至第３実施例では、駆動源であるモータを膝関節部４に設置し、そのモータの駆動力により膝関節部４を中心とする大腿リンク１０、３０と下腿リンク１５、３７との相対的な回動を行うようにしている。しかしながら、いずれの実施例でも、股関節部３、膝関節部４及び足首関節部５が機構的に上述したように同調して動作することが保証されるため、股関節部３において大腿リンク１０、３０の上端とプーリ１８、３２との相対的な回転位置関係（角度）を変化させるように駆動を行ってもよく、また足首関節部５において下腿リンク１５、３７の下端とプーリ１３、３８との相対的な回転位置関係（角度）を変化させるように駆動を行ってもよい。また、第３実施例の構成では、２個のモータを１個ずつ股関節部３と足首関節部５とに移設してもよいし、２個のモータのうちの１つのみを股関節部３又は足首関節部５に移設することもできる。
【００５２】
また例えば上記実施例では、回転動力伝達機構としてプーリとベルトとを用いたが、これに代わる巻掛け伝動機構、例えばチェーン伝動機構などを用いることができる。また、巻掛け伝動機構に代えて歯車伝動機構などを利用することも可能である。こうした伝動機構を用いた場合にその途中での軸の回動角度比などは任意に決めることができるが、その両終端、つまりは、股関節部３における水平軸線３Ａ上の軸と膝関節部４における第２水平軸線４Ａ（又は第２上部水平軸線４Ａ１）上の軸との回転角度比、及び足首関節部５における水平軸線５Ａ上の軸と膝関節部４における第２水平軸線４Ａ（又は第２下部水平軸線４Ａ２）上の軸との回転角度比とは上述したような所定の関係を保つ必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１発明の一実施例である第１実施例による二足歩行ロボットの一方の脚部の膝関節部を中心とする要部の原理的構造を示す概略斜視図。
【図２】図１の脚部関節構造において膝関節部を屈曲させる際の動作を説明するための模式図。
【図３】図１の脚部関節構造において膝関節部を屈曲させる際の動作を説明するための模式図。
【図４】第２発明の一実施例である第２実施例による二足歩行ロボットの一方の脚部の膝関節部を中心とする要部の原理的構造を示す概略斜視図。
【図５】図４の脚部関節構造において膝関節部を屈曲させる際の動作を説明するための模式図。
【図６】第２発明の別の実施例である第３実施例による二足歩行ロボットの一方の脚部の膝関節部を中心とする要部の原理的構造を示す概略斜視図。
【図７】従来の一般的な二足歩行ロボットの脚部の関節構造を示す概略斜視図。
【図８】従来の脚部構造の問題を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００５４】
１…胴体部
２…脚部
３…股関節部
４…膝関節部
５…足首関節部
６…足部
１０、３０…大腿リンク
１２…第１膝部プーリ
１３、３８…足首部プーリ
１４、４０…下部ベルト
１５、３７…下腿リンク
１７…第２膝部プーリ
１８、３２…股部プーリ
１９、３４…上部ベルト
２０、３５、４１…モータ
２０１、３５１、４１１…モータ軸
３３…膝上部プーリ
３６…連結部
３９…膝下部プーリ
４２…第１ギア
４３…第２ギア
３Ａ、４Ａ、４Ａ１、４Ａ２、５Ａ…水平軸線
【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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