(57)【要約】【課題】歩行時にピッチ軸股関節のモータが出力すべきトルクを低減する脚式ロボットを提供する。【解決手段】脚式ロボット１００は、体幹リンク１０と、脚部３０、５０を有する。夫々の脚部は、体側方向に伸びる回転軸Ｃ１を有しており、モータを内蔵する股関節３２、５２によって、体幹リンク１０に連結されている。体幹リンク１０と夫々の脚部の間にはバネ２０が介挿されている。バネ２０は、自然長となるときの体幹リンクと脚部の相対角が、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も前方に揺動したときの相対角と、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も後方に揺動したときの相対角の間に存在するように配置されている。バネの伸縮による弾性力は、歩行時の脚部の振り出し始めの加速時と振り出し終わりの減速時の双方で股関節３２、５２のモータをアシストするように作用する。歩行時にピッチ軸股関節のモータが出力すべきトルクを効果的に低減できる。【選択図】図１
2008044066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体幹リンクと、体幹リンクに揺動可能に連結されている脚部を有しており、モータによって脚部を体側方向に伸びる回転軸の回りに揺動させて歩行する脚式ロボットであり、
一端が体幹リンクに連結されており、他端が脚部に連結されており、前記回転軸回りの体幹リンクと脚部の相対角に応じた弾性力を発生して前記回転軸回りのトルクを脚部に加える弾性部材を備えることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
弾性部材が自然長となるときの体幹リンクと脚部の相対角が、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も前方に揺動したときの相対角と、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も後方に揺動したときの相対角の間の略中間に存在することを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
【請求項３】
弾性部材の弾性係数は、脚部の前記回転軸回りの慣性モーメントと弾性係数で決定される脚部の前記回転軸回りの固有振動の周期が脚式ロボットの歩行周期と略一致するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体幹リンクに揺動可能に連結されている脚部を有しており、モータによって脚部を体側方向に伸びる回転軸の回りに揺動させて歩行する脚式ロボットに関する。なお、本明細書では脚式ロボットを単にロボットと称する場合がある。
【背景技術】
【０００２】
複数の脚部を有する脚式ロボットは、各々の脚部を体側方向に伸びる回転軸の回りに前後に揺動させながら歩行する。脚部の数は典型的には２本或いは４本であるが、複数であれば何本でも良い。
脚部は、複数のリンクと、隣接するリンクを揺動可能に連結する関節を有する。体幹リンクと脚部の一つのリンクも関節によって揺動可能に連結されている。各関節には、関節に連結されたリンク同士の相対角を変化させるモータが備えられている。各モータが適切な駆動力を出力し、リンク同士の相対角を制御することによって、脚式ロボットは脚部全体を体幹リンクに対して前後に揺動させて歩行する。本明細書にいうモータは、蒸気、電気、ガソリン等のエネルギを機械的な動きに変換して伝達する装置であり、典型的には電動機或いはエンジンを意味する。
脚式ロボットは、消費エネルギを低減するために、小型で低出力のモータが利用できる方が好ましい。そこで、バネなどの弾性体の弾性力を活用してモータの駆動力を補助する脚式ロボットが研究されている。例えば、特許文献１と特許文献２には、関節に連結されたリンクの間に弾性部材を介在させ、弾性部材が発生する弾性力によって関節のモータの駆動力を補助する脚式ロボットが提案されている。本明細書では、「関節のモータの駆動力を補助する」ことを「関節のモータをアシストする」と表現することがある。
【０００３】
特許文献１と特許文献２に開示された脚式ロボットは、一端を大腿リンクに連結し他端を下腿リンクに連結する弾性部材を備える。弾性部材は、大腿リンクと下腿リンクの膝関節回りの相対角、即ち、膝関節の屈曲の程度に応じた弾性力を発生する。弾性部材が発生する弾性力は、膝関節の回転軸の回りのトルクを大腿リンクと下腿リンクへ加える。トルクの方向は、膝関節の屈曲を解消する方向となる。従って弾性部材が発生する弾性力は、膝関節回りの大腿リンクと下腿リンクの相対角を制御する膝関節のモータをアシストするように作用する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０３４８０号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１と特許文献２の技術は、重力に対して体幹リンクを支持するために大きな駆動力が要求される膝関節のモータに着目している。特許文献１と特許文献２の技術は、大腿リンクと下腿リンクの間に介在させた弾性部材が膝関節の屈曲の程度に応じて発生する弾性力によって、膝関節のモータをアシストする技術である。
大きな駆動力が要求されるモータは膝関節のモータに限らない。発明者の検討によると、脚式ロボットが歩行する際に、体幹リンクに対して脚部を前後に揺動させる股関節のモータにも大きな駆動力が要求されることが判明した。そこで、歩行時に、体幹リンクに対して脚部を前後に揺動させるための股関節のモータをアシストする技術が望まれている。
体幹リンクと脚部の間に弾性部材を介在させれば、体幹リンクと脚部の体側方向に伸びる回転軸回りの相対角に応じた弾性力を前記回転軸回りで脚部に加えることは可能である。しかしながら、弾性部材には、発生する弾性力がゼロとなる自然長が存在する。弾性部材が自然長より短くなれば弾性部材は伸長する方向の弾性力を発生し、自然長より長くなれば逆に短縮する方向の弾性力が発生する。即ち、弾性部材は、その長さによって発生する弾性力の方向が逆向きとなる。弾性力がモータをアシストする方向にのみ作用し、モータにさらに負荷を与える方向に弾性力が作用することは回避する必要がある。そのため、特許文献１では、弾性部材とリンクの連結を解放する手段を備えている。大腿リンクと下腿リンクの相対角が所定範囲のときには弾性部材とリンクの連結を解放する。そうすることよって、弾性部材が発生する弾性力が、モータにさらに負荷を与える方向に作用することを回避している。
しかしながら、特許文献１の技術では、弾性部材とリンクの連結を解放している間は、モータをアシストできない。その長さによって発生する弾性力の方向が逆向きとなるという弾性部材の特性をうまく利用することができれば、体幹リンクに対して脚部を前後に揺動させるための股関節のモータを効果的にアシストすることが可能となる。なお、本明細書にいう股関節は、体幹リンクと脚部を連結する関節を意味するものであり、たとえば４脚を有する脚式ロボットの前脚と体幹リンクを連結する関節も含まれる。また、以下では、脚部を前後に揺動させる股関節（即ち体側方向に伸びる回転軸を有する股関節）をピッチ軸股関節と称する。また、体幹リンクの体側方向に伸びる回転軸をピッチ軸と称する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、その長さによって発生する弾性力の方向が逆向きとなるという弾性部材の特徴と、脚式ロボットは歩行時に脚部を前後方向に周期的に揺動させるという特徴をうまく組み合わせることによって、歩行時に、体幹リンクに対して脚部を前後に揺動させるための股関節のモータの出力を効果的にアシストする技術を提供する。
【０００７】
本発明は、体幹リンクと、体幹リンクに揺動可能に連結されている脚部を有しており、モータによって脚部を体側方向に伸びる回転軸の回りに揺動させて歩行する脚式ロボットに具現化できる。この脚式ロボットは、一端が体幹リンクに連結されており、他端が脚部に連結されており、前記回転軸回りの体幹リンクと脚部の相対角に応じた弾性力を発生して前記回転軸回りのトルクを脚部に加える弾性部材を備える。
上記構成によれば、弾性部材が自然長となるときの体幹リンクと脚部の相対角が、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も前方に揺動したときの相対角と、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も後方に揺動したときの相対角の間に存在するようにできる。
【０００８】
弾性部材が自然長となるときの体幹リンクと脚部の相対角を、中立相対角と称する。また、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も前方に揺動したときの相対角を前端相対角と称し、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も後方に揺動したときの相対角を後端相対角と称する。体幹リンクと脚部の相対角は、歩行時に前端相対角と後端相対角の間で周期的に変化する。そして本発明の脚式ロボットでは、中立相対角は、前端相対角と後端相対角の間に存在する。
弾性部材が発生する弾性力は、回転軸回りのトルクとなって脚部に作用する。そのトルクは、脚部の相対角を中立相対角へ向かわせる方向に作用する。従って、脚部が体幹リンクの後方に位置しており、相対角が後端相対角と中立相対角の間にあるときは、弾性力に起因するトルクは、脚部を前方へ加速する方向に作用する。一方、脚部が体幹リンクの前方に位置しており、相対角が前端相対角と中立相対角の間にあるときは、弾性力に起因するトルクは、脚部を後方へ加速する方向に作用する。
【０００９】
一方、ピッチ軸股関節のモータは、体幹リンクの後方で離床した遊脚を前方へ振り出すために遊脚を前方へ加速する方向のトルクを出力する。このとき、立脚側のピッチ軸股関節モータは、体幹リンクを前方へ押し出すために、体幹リンクより前方に位置する立脚を体幹リンクに対して後方へ加速する方向のトルクを出力する。
遊脚が前方へ振り出された後は、着床に備えて遊脚を減速させるため、遊脚を後方へ加速する方向のトルクを発生する（ここでいう「後方へ加速する方向のトルク」とは遊脚の前方へ向う速度を減速させる方向のトルクである）。このとき立脚側のピッチ軸股関節のモータは、前方へ移動している体幹リンクを減速させるために、体幹リンクよりも後方に位置する立脚を体幹リンクに対して前方へ加速する方向のトルクを出力する（ここでいう「前方へ加速するトルクとは、立脚の体幹リンクに対して後方へ向う速度を減速させる方向のトルクである）。即ち、ピッチ軸股関節のモータは、立脚であって遊脚であっても、脚部が体幹リンクに対して後方に位置するときには脚部を前方へ加速する方向のトルクを発生し、脚部が体幹リンクに対して前方に位置するときには脚部を後方へ加速する方向のトルクを発生する。
前述したように、脚部が体幹リンクより後方に位置することによって相対角が後端相対角と中立相対角の間にあるときには弾性力に起因するトルクは脚部を前方へ加速する方向のトルクを発生する。脚部が体幹リンクより前方に位置することによって相対角が前端相対角と中立相対角の間にあるときには弾性力に起因するトルクは脚部を後方へ加速する方向のトルクを発生する。
即ち、本発明の脚式ロボットは、脚部が体幹リンクより前方にあるときも後方にあるときも、ピッチ軸股関節のモータが出力するトルクの向きと、弾性力に起因するトルクの向きを同じにすることができる。本発明によれば、弾性部材が発生する弾性力に起因するトルクを、歩行周期の全体に亘って、ピッチ軸股関節のモータをアシストするように作用させることができる。歩行時に体幹リンクに対して脚部を前後に揺動させるための股関節のモータを効果的にアシストする脚式ロボットを実現することができる。
【００１０】
中立相対角は、前端相対角と後端相対角の略中間に存在することが好ましい。換言すれば、弾性部材は、それが自然長となるときの体幹リンクと脚部の相対角が、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も前方に揺動したときの相対角と、歩行時に脚部が体幹リンクに対して最も後方に揺動したときの相対角の間の略中間に存在するように配置されていることが好ましい。
弾性部材によるモータのアシストをエネルギの観点から見ると次の通りである。脚部が加速するときに弾性部材に蓄積された弾性エネルギが脚部の運動エネルギの一部に変換される。脚部が減速するときに脚部の運動エネルギの一部が弾性部材の弾性部材に変換される。
中立相対角を上記のように設定することで、相対角が前端相対角のときに弾性部材に蓄積される弾性エネルギと、相対角が後端相対角のときに弾性部材に蓄積される弾性エネルギをほぼ等しくすることができる。弾性部材が脚部から受け取るエネルギと、脚部へ与えるエネルギを等しくすることができる。弾性部材によるモータのアシストを一層効率よく行なうことができる。
【００１１】
弾性部材の弾性係数は、脚部の前記回転軸回りの慣性モーメントと弾性係数で決定される脚部の前記回転軸回りの固有振動の周期が脚式ロボットの歩行周期と略一致するように設定されていることが好ましい。そうすることで、歩行時のピッチ軸股関節の回転軸回りの脚部の揺動の基本的な動きを、弾性部材の弾性力によって実現することができる。ピッチ軸股関節のモータは、弾性力によっては実現できない微妙な動作変化を与えるための駆動力や、脚部の減衰要素によって散逸するエネルギを供給するための駆動力を脚部に与えるだけでよい。脚式ロボットのピッチ軸股関節のモータを一層効果的にアシストすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、弾性部材を付加することによって、歩行時のピッチ軸股関節のモータの駆動力を効果的に補助する脚式ロボットを実現することができる。
【実施例】
【００１３】
本発明に係る脚式ロボットについて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施例の脚式ロボット１００の模式的側面図である。脚式ロボット１００は、体幹リンク１０と右脚部３０と左脚部５０を有する。
体幹リンク１０に固定されたＸＹＺ座標系を体幹固定座標系と称する。体幹固定座標系のＸ軸は体幹リンク１０の前方へ伸びており、Ｙ軸は体幹リンク１０の体側方向へ伸びており、Ｚ軸は体幹リンク１０の上方へ伸びている。Ｘ軸をロール軸、Ｙ軸をピッチ軸、Ｚ軸をヨー軸と称することがある。
【００１４】
右脚部３０について説明する。右脚部３０は、右大腿リンク３８、右下腿リンク４０、及び右足平リンク４２を有する。また、右脚部３０は、右股関節３２、右膝関節３４、及び右足首関節３６を有する。
右股関節３２には、体幹リンク１０と右大腿リンク３８の一端が連結されている。右膝関節３４には、右大腿リンク３８の他端と右下腿リンク４０の一端が連結されている。右足首関節３６には、右下腿リンク４０の他端と右足平リンク４２の一端が連結されている。
夫々の関節にはモータ（不図示）が内蔵されており、モータがトルクを出力することによって、関節に連結されたリンク同士の相対角を変更することができる。
右股関節３２は、ピッチ軸方向に伸びる回転軸Ｃ１を有しており、連結された体幹リンク１０と右大腿リンク３８の回転軸Ｃ１回りの相対角を変更することができる。
体幹リンク１０と右大腿リンク３８の回転軸Ｃ１回りの相対角θは、体幹固定座標系のＺ軸と、大腿リンク３８の長手方向に沿って伸びる直線Ｌのなす角度で表す。体幹リンク１０に固定された座標系のＺ軸と、大腿リンク３８の長手方向に沿った直線Ｌが、ピッチ軸方向から観測して重なるときに、相対角θ＝ゼロ度とする。
相対角θが変化すると、体幹リンク１０に対する右脚部３０の全体の相対角が変化するので、相対角θは、体幹リンク１０に対する右脚部３０のピッチ軸回りの相対角と表現することができる。
右膝関節３４は、ピッチ軸方向に伸びる回転軸Ｃ２を有しており、連結された右大腿リンク３８と右下腿リンク４０の回転軸Ｃ２回りの相対角を変更することができる。右足首関節３６は、ピッチ軸方向に伸びる回転軸Ｃ３を有しており、連結された右下腿リンク４０と右足平リンク４２の回転軸Ｃ３回りの相対角を変更することができる。
【００１５】
体幹リンク１０と右大腿リンク３８にはバネ２０が介挿されている。バネ２０は、右大腿リンク３８の後方で体幹リンク１０と右大腿リンク３８の間に介挿されている。バネ２０の一端は、体幹リンク１０に設けられた体幹側バネ支持点１０ｐに回転可能に連結されている。バネ２０の他端は、右大腿リンク３８に設けられた右脚部側バネ支持点３８ｐに回転可能に連結されている。
バネ２０は、相対角θがゼロ度のときに自然長となるように設定されている。バネ２０が自然長となるときの相対角θを、中立相対角と称する。即ち、本実施例では中立相対角＝ゼロ度である。なお、歩行時に右脚部３０が体幹リンク１０に対して最も前方に揺動したときの相対角を前端相対角と称し、歩行時に右脚部３０が体幹リンク１０に対して最も後方に揺動したときの相対角を後端相対角と称する。
右大腿リンク３８と体幹リンク１０は、回転軸Ｃ１の回りに回転可能に連結されている。従って、バネ２０が発生する弾性力は、回転軸Ｃ１の回りのトルクを右脚部３０に加える。
相対角θが変化すると、バネ２０の長さも変化し、バネ２０の長さに比例した弾性力がバネ２０の長手方向に発生する。図１に示すように、右大腿リンク３８を前方へ振り出すと、バネ２０は自然長よりも伸びるので、バネ２０には圧縮方向の弾性力Ｆが発生する。バネ２０が発生する弾性力Ｆは、体幹リンク１０に対して右大腿リンク３８を回転軸Ｃ１軸回りに後方へ揺動させるトルクとして作用する。換言すれば、バネ２０が発生する圧縮方向の弾性力Ｆに起因して、体幹リンク１０に対して右脚部３０を回転軸Ｃ１軸回りに後方へ揺動させるトルクが作用する。
また、右大腿リンク３８が体幹リンク１０に対して後方へ揺動した状態になると、バネ２０は自然長よりも短くなるので、バネ２０には伸長方向の弾性力が発生する。バネ２０が発生する伸長方向の弾性力に起因して、体幹リンク１０に対して右脚部３０を回転軸Ｃ１軸回りに前方へ揺動させるトルクが作用する。
【００１６】
左脚部５０について説明する。左脚部５０は、左大腿リンク５８、左下腿リンク６０、及び左足平リンク６２を有する。また、左脚部５０は、左股関節５２、左膝関節５４、及び左足首関節５６を有する。
左脚部５０の構造は、右脚部３０と同じであるので説明を省略する。図１では省略してあるが、右脚部３０と同様に、体幹リンク１０と左脚部５０の左大腿リンク５８の間にはバネ２０が介挿されている。
また、左脚部５０の夫々の関節にもモータ（不図示）が内蔵されており、モータがトルクを出力することによって、関節に連結されたリンク同士の相対角を変更することができる。
【００１７】
なお、右脚部３０と左脚部５０は、上記関節の他にもロール軸回りに回転可能な関節やヨー軸回りに回転可能な関節を有する場合もある。
【００１８】
脚式ロボット１００は、夫々の関節に内蔵されたモータを適宜制御することによって、即ち、各モータが適宜所定のトルクを出力することによって、右脚部３０と左脚部５０を交互に前後に揺動させながら歩行することができる。脚式ロボット１００を歩行させるための制御アルゴリズムについては説明を省略する。
【００１９】
図２を参照して、歩行時の脚式ロボットの脚部の動作を説明する。特にバネ２０の作用について説明する。
図２（Ａ）は、歩行時の脚部の姿勢を示す。（ａ）から（ｅ）は、ピッチ軸方向から観測したときの、歩行時の所定のタイミングにおける脚式ロボット１００の脚部の姿勢を示している。タイミング（ａ）からタイミング（ｅ）に向けて時間が経過している。図２（Ａ）では、右脚部３０を太線で表してある。また、図２（Ａ）は、右脚部３０と左脚部５０の全体的は姿勢を示す図であり、バネ２０などの個々の部品は図示を省略してあり、また、関節などの符号も図示を省略してある。
タイミング（ａ）は、右脚部３０が体幹リンク１０の後方で離床する瞬間である。タイミング（ｂ）は、右脚部３０が遊脚の状態であり、かつ体幹リンク１０と右大腿リンク３８の回転軸Ｃ１回りの相対角θがゼロ度のときである。以下では、体幹リンク１０と右大腿リンク３８の回転軸Ｃ１回りの相対角θを、右脚部３０の相対角θ、或いは単に相対角θと称する場合がある。タイミング（ｃ）は、右脚部３０が体幹リンク１０の前方で着床する瞬間である。タイミング（ｄ）は、右脚部３０が立脚の状態であり、かつ右脚部３０の相対角θがゼロ度のときである。タイミング（ｅ）は、再び、右脚部３０が体幹リンク１０の後方で離床する瞬間である。即ちタイミング（ｅ）のときの脚部の姿勢は、タイミング（ａ）のときの脚部の姿勢と同一である。また、タイミング（ａ）からタイミング（ｅ）までが一歩行周期を表す。以下、図２（Ａ）に示す一歩行周期における右脚部３０の相対角θの変化に注目して説明する。
【００２０】
図２（Ｂ）は、右脚部３０の相対角θの経時的変化を模式的に示している。図２（Ｃ）は、右脚部３０の右股関節３２が出力するトルクの経時的変化を模式的に示している。換言すれば、図２（Ｃ）に示すトルクが出力されることによって、図２（Ｂ）に示す相対角θが実現される。なお、「右股関節３２が出力するトルク」とは、体幹リンク１０に対して、右大腿リンク３８を回転させるためのトルクであり、そのトルクには、右股関節３２に内蔵されたモータが出力するトルクと、バネ２０の弾性力に起因して右股関節３２の回転軸Ｃ１の回りに発生するトルクが含まれる。
また、図２（Ｂ）は、相対角θの経時的変化の概ねの傾向を示すものであり、相対角θの実際の経時的変化を厳密に示すものではない。例えば、タイミング（ａ）で右脚部３０が離床した直後は相対角θが急激に減少し、その後緩やかに変化する場合もある。しかしながら相対角θの経時的変化の概ねの傾向は、図２（Ｂ）で表されている。同様に、図２（Ｃ）は、トルクの経時的変化の概ねの傾向を示すグラフである。図２（Ｃ）が示すトルクは、前述したように、右股関節３２が出力するトルクを意味する場合もあれば、右股関節３２が内蔵するモータが出力するトルクを意味する場合もある。但し、ここでは、モータの出力軸と関節の回転軸の間の減速比は「１」を仮定している。
図２（Ｄ）は、図２（Ｂ）に示す相対角θの角速度ｄθの経時的変化を示すグラフである。図２（Ｄ）のグラフは、図２（Ｂ）のグラフを時間微分することによって得られる。
また、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び図２（Ｄ）は、左から右へ向って時間の経過を示しており、図面の縦方向に伸びる破線がひとつのタイミングを示している。
【００２１】
タイミング（ａ）は、体幹リンク１０の後方で右脚部３０が離床する瞬間である。このときの状態が、右脚部３０が体幹リンク１０に対して最も後方に揺動している状態である。このときのθをθｒとする。θｒは前述した後端相対角に相当する。
タイミング（ａ）で離床した右脚部３０は、前方へ振り出される。換言すれば、タイミング（ａ）で離床した右脚部３０は、前方に向って加速される。前方へ振り出された右脚部３０は、タイミング（ｂ）でその相対角θがゼロ度となり、さらに前方へ振り出されて、タイミング（ｃ）で着床する。タイミング（ｃ）の右脚部３０が着床するときの状態が、右脚部３０が体幹リンク１０に対して最も前方に揺動した状態である。右脚部３０は、前方へ揺動しながら、タイミング（ｃ）の着床に備えて減速する。換言すれば、前方へ向って加速した右脚部３０は、タイミング（ｂ）からタイミング（ｃ）にかけて減速される。なお、タイミング（ｃ）の右脚部３０が体幹リンク１０に対して最も前方に揺動したときの相対角θをθｆとする。θｆは、前述した前端相対角に相当する。
タイミング（ｃ）で右脚部３０が着床したときは、左脚部５０が体幹リンク１０に対して最も後方に揺動している。タイミング（ｃ）は、タイミング（ａ）において、左右の脚部が入れ替わった状態である。別言すれば、タイミング（ｃ）は、左脚部５０が離床する瞬間でもある。タイミング（ｃ）の後は、左脚部５０を体幹リンク１０の前方へ振り出すとともに、体幹リンク１０を右脚部３０に対して前方へ移動する。換言すれば、立脚である右脚部３０を体幹リンク１０から観測して相対的に後方へ向って加速する。
体幹リンク１０から観測して後方に向って加速した右脚部３０は、タイミング（ｄ）で相対角θがゼロ度となる。タイミング（ｄ）からタイミング（ｅ）にかけて右脚部３０は減速し、タイミング（ｅ）で体幹リンク１０に対して停止する。
タイミング（ｅ）から後は、再びタイミング（ａ）からの動作を繰り返す。
なお、前述したように、バネ２０は、相対角θがゼロ度のときに自然長となるように設定されている。即ち、相対角θ＝ゼロ度のときは、バネ２０は弾性力を発生しない。ゼロ度のとき相対角θを中立相対角θｎと称する。また、本実施例では、中立相対角θｎは、後端相対角θｒと前端相対角θｆのほぼ中間の値となっている。
【００２２】
タイミング（ａ）から（ｅ）までが一歩行周期Ｔｗである。一歩行周期Ｔｗの間に、右脚部３０の相対角θは、後端相対角θｒ−ゼロ度（中立相対角θｎ）−前方相対角θｆ−ゼロ度（中立相対角θｎ）−後端相対角θｒと変化する。また、タイミング（ａ）からタイミング（ｃ）までの期間は右脚部３０が遊脚となる期間であり、タイミング（ｃ）からタイミング（ｅ）までの期間は、右脚部３０が立脚となる期間である。ここで、一歩行周期Ｔｗは、次の４つの期間に分けることができる。
（Ｉ）遊脚前期：タイミング（ａ）からタイミング（ｂ）までの期間。この期間は、右脚部３０が遊脚であり、かつ、その相対角θが後端相対角θｒと中立相対角θｎの間の範囲内となる期間である。
（II）遊脚後期：タイミング（ｂ）からタイミング（ｃ）までの期間。この期間は、右脚部３０が遊脚であり、かつ、その相対角θが中立相対角θｎと前端相対角θｆの間の範囲内となる期間である。
（III）立脚前期：タイミング（ｃ）からタイミング（ｄ）までの期間。この期間は、右脚部３０が立脚であり、かつ、その相対角θが中立相対角θｎと前端相対角θｆの間の範囲内となる期間である。
（IV）立脚後期：タイミング（ｄ）からタイミング（ｅ）までの期間。この期間は、右脚部３０が立脚であり、かつ、その相対角θが中立相対角θｎと後端相対角θｒの間の範囲内となる期間である。
【００２３】
右脚部３０の相対角θの経時的変化を図２（Ｂ）に示す。相対角θの経時的変化は、右股関節３２が出力するトルクによって実現される。右股関節３２が出力するトルクの経時的変化を図２（Ｃ）に破線で示す。図１に示すバネ２０が付加されていない場合には、右股関節３２が出力するトルクは全て股関節３２に内蔵されたモータによって賄われる。従って、バネ２０が付加されていない場合には、右股関節３２が出力すべきトルクが即ち股関節３２が内蔵するモータが出力すべきトルクとなる。
【００２４】
図２（Ｂ）に示すように、相対角θの経時的変化は、概ね正弦曲線となる。従って、相対角θを２回時間微分して得られる角加速度の経時的変化は、相対角θの経時的変化と位相を同じくする正弦曲線となる。角加速度の経時的変化とトルクの経時的変化は、（減衰要素を無視すると）ほぼ同位相となるので、結局、図２（Ｂ）と図２（Ｃ）に示すように、トルクの経時的変化は、相対角θの経時的変化と同位相の正弦曲線となる。
【００２５】
次に、バネ２０の作用について説明する。図１に示したように、バネ２０は、右大腿リンク３８の後方で体幹リンク１０と右大腿リンク３８の間に介挿されている。従って右脚部３０が後方に揺動すると、バネ２０は圧縮される。逆に、右脚部３０が前方に揺動すると、バネ２０は伸長される。
（Ｉ）の遊脚前期では、相対角θが後端相対角θｒから中立相対角θｎまでの範囲内となるため、バネ２０は自然長より圧縮された状態となる。従って、バネ２０が発生する弾性力に起因して回転軸Ｃ１の回りに作用するトルクＴａは、右脚部３０を前方へ揺動させる向きのトルクとなる（タイミング（ａ）の図を参照）。換言すれば、バネ２０に基づくトルクＴａは、右脚部３０を前方へ加速する向きに作用する。
（II）の遊脚後期では、相対角θが中立相対角θｎから前端相対角θｆまでの範囲となるため、バネ２０は自然長よりも伸長された状態となる。従って、バネ２０が発生する弾性力に起因して回転軸Ｃ１の回りに作用するトルクTａは、右脚部３０を後方へ揺動させる向きのトルクとなる（タイミング（ｃ）の図を参照）。換言すれば、バネ２０に基づくトルクＴａは、右脚部３０の前方への動作を減速する向きに作用する。
（III）の立脚前期では、（II）の遊脚後期と同様に、相対角θが中立相対角θｎから前端相対角θｆまでの範囲となるため、バネ２０は自然長よりも伸長された状態となる。従って、バネ２０が発生する弾性力に起因して回転軸Ｃ１の回りに作用するトルクTａは、右脚部３０を後方へ揺動させる向きのトルクとなる（タイミング（ｃ）の図を参照）。この期間では、右脚部３０は体幹リンク１０に対して相対的に後方へ揺動するため、トルクTａは、右脚部３０の後方への動作を加速する方向に作用する。
（IV）の立脚後期では、（Ｉ）の遊脚前期と同様に、相対角θが後端相対角θｒから中立相対角θｎまでの範囲となるため、バネ２０は自然長よりも圧縮された状態となる。従って、バネ２０が発生する弾性力に起因して回転軸Ｃ１の回りに作用するトルクTａは、右脚部３０を前方へ揺動させる向きのトルクとなる（タイミング（ｅ）の図を参照）。この期間では、右脚部３０は体幹リンク１０に対して相対的に後方へ揺動するため、トルクTａは、右脚部３０の後方への動作を減速する方向に作用する。
【００２６】
バネ２０が発生する弾性力に起因して回転軸Ｃ１回りに作用するトルクＴａは次のように説明することもできる。バネ２０が発生する弾性力は、バネ２０の長さの自然長からの変化分にほぼ比例する。バネ２０の長さと相対角θは比例関係にある。特に、脚式ロボット１００では、相対角θがゼロ度のときにバネ２０が自然長となるように設定されているため、相対角θの値そのものが、バネ２０の長さの自然長から変化分にほぼ比例する。従って、トルクＴａは、Ｔａ＝Ｋ・θと表現することができる。ここで、Ｋは、バネ２０の弾性係数を、回転軸Ｃ１回りの弾性係数に変換したものである。即ち、トルクＴａの経時的変化は、図２（Ｂ）に示す相対角θと同位相の曲線を描く。
ここで、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）から理解される通り、相対角θの経時的変化と右股関節３２が出力すべきトルクの経時的変化は同位相である。従って、バネ２０の弾性力に起因して回転軸Ｃ１回りに発生するトルクＴａは、相対角θを実現するために右股関節３２が出力すべきトルクと同位相となる。このことは、バネ２０の弾性力に起因して回転軸Ｃ１回りに発生するトルクＴａが、相対角θを実現するために右股関節３２のモータが出力すべきトルクを補助（アシスト）する方向に作用することを意味する。右股関節３２のモータは、図２（Ｃ）に破線で示す「右股関節３２が出力すべきトルク」から、バネ２０の弾性力に起因して回転軸Ｃ１回りに発生するトルクＴａを差し引いた量のトルクを出力すればよい。バネ２０を付加したときに、右股関節３２のモータが出力すべきトルクの経時的変化は、図２（Ｃ）に実線で示すグラフとなる。即ち、図２（Ｃ）に実線で示すグラフは、バネ２０のアシストがあるときの右股関節３２のモータが出力すべきトルクを表している。
前述したように、図２（Ｃ）に破線で示すグラフは、バネ２０が付加されていない場合に、右股関節３２のモータが出力すべきトルクである。即ち、図２（Ｃ）に破線で示すグラフは、バネ２０のアシストがないときの右股関節３２のモータが出力すべきトルクを表している。図２（Ｃ）から理解できるとおり、バネ２０は、脚式ロボット１００を歩行させるために股関節３２のモータが出力すべきトルクを補助するトルクを出力する。
左脚部５０についても同様の効果を得ることができる。夫々の脚部と体幹リンク１０の間に介挿されたバネによって、歩行時のピッチ軸股関節のモータが出力するトルクを低減することができる。
【００２７】
また、バネ２０の作用はエネルギの観点からは次のように理解することができる。図２（Ｄ）に、相対角θの角速度ｄθの経時的変化を示す。角速度ｄθの経時的変化は、図２（Ｂ）に示す相対角θを時間微分したものであり、相対角θに対して位相が９０度ずれたものとなる。
図２（Ｄ）に示すように、タイミング（ｂ）からタイミング（ｃ）に向って角速度ｄθの絶対値は減少する。即ち、（II）の遊脚後期では時間の経過とともに、右脚部３０の運動エネルギが減少する。一方、図２（Ｂ）に示すように、（II）の遊脚後期では時間の経過とともに相対角θの絶対値が増加する。相対角θの絶対値はバネ２０の長さの自然長からの変化分にほぼ比例するので、バネ２０に蓄積される弾性エネルギは、相対角θの２乗にほぼ比例する。従って、（II）の遊脚後期では時間の経過とともにバネ２０に蓄積される弾性エネルギが増加する。このことは、（II）の遊脚後期では時間の経過とともに右脚部３０の運動エネルギがバネ２０の弾性エネルギに変換されることを表している。即ち、タイミング（ｂ）からタイミング（ｃ）の間の遊脚後期（II）では、バネ２０の弾性力が右脚部３０の前方への振り出し動作を減速させる方向に作用することによって、右脚部３０の運動エネルギがバネ２０の弾性エネルギへ変換される。その結果、バネ２０に弾性エネルギが蓄積される。
【００２８】
次にタイミング（ｃ）からタイミング（ｄ）に向っては角速度ｄθの絶対値が増加する。即ち、（III）の立脚前期では時間の経過とともに右脚部３０の運動エネルギが増加する。一方、（III）の立脚前期では時間の経過とともに相対角θの絶対値が減少する。即ち、（III）の立脚前期では時間の経過とともにバネ２０に蓄積された弾性エネルギが減少する。タイミング（ｃ）からタイミング（ｄ）の間の立脚前期（III）では、遊脚後期（II）の間に遊脚バネ２０に蓄積された弾性エネルギが右脚部３０の運動エネルギへ変換されることによって、右脚部３０の体幹リンク１０に対する相対的な速度が増加する。
次に、タイミング（ｄ）からタイミング（ｅ）に向って再び相対角θの絶対値が増加し、角速度ｄθの絶対値が減少する。このことは、遊脚後期（II）と同様に、タイミング（ｄ）からタイミング（ｅ）の間の立脚後期（IV）でも、バネ２０の弾性力が、右脚部３０の体幹リンク１０に対する相対的な後方への移動動作を減速させる方向に作用することによって、右脚部３０の運動エネルギがバネ２０の弾性エネルギへ変換される。その結果、バネ２０に弾性エネルギが蓄積される。
タイミング（ｅ）の次は、タイミング（ａ）からタイミング（ｂ）に示す動作となる。タイミング（ａ）からタイミング（ｂ）に向って相対角θの絶対値が減少して角速度ｄθの絶対値が増加する。即ち、タイミング（ａ）からタイミング（ｂ）の間の遊脚前期（Ｉ）では、立脚後期（IV）の間にバネ２０へ蓄積された弾性エネルギが右脚部３０の運動エネルギへ変換されることによって、右脚部３０の体幹リンク１０に対する相対的な速度が増加する。
【００２９】
上記の作用を一歩行周期全体でみれば、脚式ロボット１００では、歩行における右脚部３０の周期的な減速と加速が夫々バネ２０への弾性エネルギの蓄積とバネ２０からの弾性エネルギの放出に対応している。このことは、右脚部３０が体幹リンク１０に対して減速するときの運動エネルギの減少分を散逸させずに弾性エネルギに変換して保存し、右脚部３０が体幹リンク１０に対して加速するときの運動エネルギの増加分に再利用していることを意味する。即ち、脚式ロボット１００によれば、股関節３２のモータが歩行時に必要とする消費エネルギを低減することができる。
【００３０】
特に本実施例の脚式ロボット１００では、中間相対角θｎは、後端相対角θｒと前端相対角θｆのほぼ中間の値となっている。相対角θが後端相対角θｒのときのバネ２０の長さの自然長からの変化分の大きさと、相対角θが前端相対角θｆのときのバネ２０の長さの自然長からの変化分の大きさはほぼ等しい。相対角θが後端相対角θｒのときにバネ２０に蓄積される弾性エネルギと、相対角θが前端相対角θｆのときにバネ２０に蓄積される弾性エネルギがほぼ等しくなる。このことは、バネ２０にひとたび蓄積された弾性エネルギが、一歩行周期の間に脚部の運動エネルギに変換されたのちに再び弾性エネルギに戻ることを意味する。即ち、バネ２０のエネルギ収支はゼロである（但し、粘性要素によって散逸する分のエネルギを除く）。これによりバネ２０は、ピッチ軸股関節のモータの消費エネルギを増加させることなく、効果的にピッチ軸股関節のモータをアシストすることができる。
【００３１】
脚式ロボット１００には、右脚部３０と同様に、体幹リンク１０と左脚部５０の間にもバネが介挿されている。この左脚部５０のバネも右脚部３０のバネ２０と同様の効果を奏する。
【００３２】
また、本実施例の脚式ロボット１００では、歩行周期Ｔｗとバネ２０の特性の間には次の関係が成立する。バネ２０の回転軸Ｃ１回りの弾性係数をＫで表し、回転軸Ｃ１回りの右脚部３０の慣性モーメントをＩで表す。バネ２０による右脚部３０の回転軸Ｃ１回りの固有振動の周期Ｔｓは、Ｔｓ＝２π√（Ｉ／Ｋ）と表すことができる。脚式ロボット１００では、歩行周期Ｔｗとバネ２０による右脚部３０の回転軸Ｃ１回りの固有振動の周期Ｔｓが略一致するように、バネ２０の弾性係数が設定されている。なお、バネ２０の弾性係数は、右脚部３０と左脚部５０で同様に設定されている。
これによって、次の効果を得ることができる。脚式ロボット１００の歩行時の股関節（右股関節３２、左股関節５２）の回転軸Ｃ１回りの脚部（右脚部３０、左脚部５０）の基本的な運動をバネ２０の弾性力によって実現することができる。基本的な運動とは、脚部全体が体幹リンク１０に対して周期Ｔｗで揺動する運動である。股関節（右股関節３２、左股関節５２）のモータは、弾性力によっては実現できない微妙な動作変化を与えるための駆動力（トルク）や、脚部３０、５０の減衰要素によって散逸するエネルギを供給するための駆動力を脚部に与えるだけでよい。体幹リンクと夫々の脚部の間に介挿されたバネによって、脚式ロボット１００の股関節（右股関節３２、左股関節５２）のモータを一層効果的にアシストすることができる。
なお、回転軸Ｃ１回りの右脚部３０の慣性モーメントＩの大きさは、右脚部３０の全体の姿勢（右膝関節３４の相対角と右足首関節３６の相対角によって決まる姿勢）によって変動する。慣性モーメントＩの大きさは、変動範囲内の所定の値に固定してバネによる固有振動の周期Ｔｓを算出すればよい。バネによる固有振動の周期Ｔｓと歩行周期Ｔｗが概算で一致していれば、脚式ロボット１００の右股関節３２のモータを効果的にアシストすることができる。左脚部５０についても同様である。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、脚式ロボットの有する脚の数は、４本でも６本でもよい。また、実施例では、体幹リンクと脚部の間に介挿される弾性部材として、直線的に伸縮するバネを採用した。体幹リンクと脚部の間に介挿される弾性部材は、股関節における体幹リンク側の回転軸と、脚部側の回転軸の間に介挿されるコイル状のバネであってもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】脚式ロボットの模式的側面図である。
【図２】歩行中の脚部の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：体幹リンク
２０：バネ
３０、５０：脚部
３２、５２：股関節
３４、５４：膝関節
３６、５６：足首関節
３８、５８：大腿リンク
４０、６０：右下腿リンク
４２、６２：足平リンク
１００：脚式ロボット
【図１】
2008044066.tif 000003
【図２】
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