(57)【要約】【課題】歩行時に体幹リンクが前後方向に揺動し難い脚式ロボットを提供する。【解決手段】脚式ロボット１０は、体幹リンク１２と一対の脚部２０Ｌ、２０Ｒを備える。脚部２０Ｌ、２０Ｒの夫々は、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる直線と交差する面内で回転させることが可能であるピッチ関節２４Ｌ、２４Ｒを有する。そしてピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰが体幹リンクの重心位置Ｇより上方に位置している。脚式ロボットの脚部は、主に前記回転中心の回りに前後方向に揺動しながら歩行する。従って、体幹リンク１２も、主に前記回転中心の回りに前後方向に揺動しながら歩行する。体幹リンク１２の重心位置Ｇが前記回転中心の下方に位置するので、体幹リンク１２に作用する重力は、歩行時に体幹リンク１２の揺動を抑える方向に作用する。これによって、歩行時に体幹リンクが前後方向に揺動し難くなる。【選択図】図１
2008030165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体幹リンクと、複数のリンクを有しており体幹リンクに連結された一対の脚部を備える脚式ロボットであり、
各々の脚部に、少なくとも二つのリンクを連結しており、連結したリンク同士を動力によって相対的に回転させる関節が複数個配置されており、
各々の脚部の関節のうち少なくとも一つの関節は、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる直線と交差する面内で回転させることが可能であり、その回転中心が体幹リンクの重心位置より上方に位置していることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
前記少なくとも一つの関節は、体幹リンクと脚部の上部先端のリンクを連結する股関節であることを特徴とする請求項１の脚式ロボット。
【請求項３】
前記股関節は、
体幹リンクに固定されており、体側方向から観測したときに前記回転中心を中心とする円弧に沿って伸びているレールと、
レールに対してスライド可能な状態で脚部に固定されているスライド部材を備えていることを特徴とする請求項２の脚式ロボット。
【請求項４】
前記少なくとも一つの関節は、所定条件が成立したときに、連結されているリンク同士が受動的に回転することを許容する解放手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの脚式ロボット。
【請求項５】
前記所定条件は、体側方向に伸びる直線回りの体幹リンクの姿勢角、前記姿勢角の変化速度、前記姿勢角の変化加速度のうちの少なくとも一つが、所定範囲外であることを特徴とする請求項４の脚式ロボット。
【請求項６】
前記所定条件は、体幹リンクの移動速度、体幹リンクの移動加速度のうちの少なくとも一つが、所定範囲外であることを特徴とする請求項４の脚式ロボット。
【請求項７】
体幹リンクは、乗員が着座する座席を備えており、その座席は、着座した乗員の腰の位置が前記回転中心よりも下方に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかの脚式ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体幹リンクと、体幹リンクに連結された一対の脚部を有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ことがある。
【背景技術】
【０００２】
体幹リンクに一対の脚部が連結されている脚式ロボットが開発されている。各々の脚部は複数のリンクを有している。また各々の脚部には、少なくとも二つのリンクを連結しており、連結したリンク同士を動力によって相対的に回転させる関節が複数個配置されている。関節に連結されるリンクは、脚部を構成するリンク同士の場合もあれば、脚部を構成するリンクの一つと体幹リンクの場合もある。脚部を構成するリンクの一つと体幹リンクを連結する関節を股関節と称する。本明細書では、連結されたリンクに対して１自由度の相対回転のみを実現する関節を一つの関節として表現し、連結されたリンクに対して２自由度の相対回転を実現する関節は二つの独立した関節として表現する。
【０００３】
脚式ロボットは、関節に連結されたリンク同士を相対回転させる動力を適宜制御することによって、体幹リンクに対して一対の脚部を交互に前後に揺動させながら歩行する。前後に揺動する脚部の動作は、主として、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる直線と交差する面内で回転させる関節のうち、その回転中心が、歩行面から最も離れた位置（すなわち最も高い位置）に存在する関節の動作によって形成される。
リンク同士を相対回転させる関節は、物理的な回転軸を有する回転関節のほかに、仮想的な回転軸を中心とする円弧に沿って伸びているレールを有するスライド関節によっても実現することもできる。スライド関節の場合、回転軸を構成する物理的な部材は存在しないが、回転の中心軸となる回転軸は存在する。本明細書でいう回転軸は、回転の中心軸を意味し、物理的な部材の有無に制約されない。また、回転中心とは、相対回転するリンクが形成する平面において、リンク同士が相対回転する際の中心点であり、換言すれば、相対回転するリンクが形成する平面と回転軸との交点である。
本明細書では、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる直線と交差する面内で回転させる関節をピッチ関節と称する。換言すれば、ピッチ関節は、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる回転軸の回りに回転させる関節である。また、ピッチ関節のうちで回転中心が最も高い位置に存在する関節を最高位ピッチ関節と称する。
【０００４】
一対の脚部を有する脚式ロボットが特許文献１に開示されている。特許文献１の脚式ロボットは、人が搭乗する搭乗部と、一対の脚リンクを備えている。各々の脚リンクの上端と搭乗部の下部が、ピッチ関節によって連結されている。即ち、特許文献１の脚式ロボットは、脚部の上端であり、搭乗部の下方の位置に、最高位ピッチ関節が配置されている。
なお、特許文献１における搭乗部は本明細書にいう体幹リンクに相当し、脚リンクは本明細書にいう脚部に相当する。以下では「搭乗部」を「体幹リンク」と表現し、「脚リンク」を「脚部」と表現する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８６６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
脚式ロボットが歩行する際、体幹リンク自身も前後に揺動する。体幹リンクは、脚部からの反力によって揺動する場合もあれば、ロボット全体のバランスを維持するための制御によって意識的に揺動させる場合もある。
特許文献１の脚式ロボットでは、最高位ピッチ関節の上部に体幹リンクが位置している。すなわち、体幹リンクの重心位置は、最高位ピッチ関節の回転中心よりも上方に位置している。体幹リンクの重心位置が最高位ピッチ関節の回転中心よりも上方に位置していると、体幹リンクが最高位ピッチ関節の回転中心の回りに揺動したときに、重力が体幹リンクの揺動を拡大する方向に作用する。即ち、特許文献１の脚式ロボットは、歩行時に体幹リンクが揺動し易い構造を有している。歩行時の体幹リンクの揺動は小さい方が好ましい。歩行時に体幹リンクが揺動し難い脚式ロボットが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の脚式ロボットは、体幹リンクと、複数のリンクを有しており体幹リンクに連結された一対の脚部を備えている。
本発明の脚式ロボットでは、各々の脚部に、少なくとも二つのリンクを連結しており、連結したリンク同士を動力によって相対的に回転させる関節が複数個配置されている。各々の脚部の関節のうち少なくとも一つの関節は、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる直線と交差する面内で回転させることが可能であり、その回転中心が体幹リンクの重心位置より上方に位置していることを特徴とする。ここで、「その回転中心が体幹リンクの重心位置より上方に位置している」のは、脚式ロボットが立っている状態や歩行している状態など、脚式ロボットの通常の運用状態においてであればよく、脚式ロボットが倒れている状態など、通常の運用では想定していない状態においてはこの限りでなくともよい。
【０００８】
上記の脚式ロボットは、回転中心が体幹リンクの重心位置よりも上方に位置している最高位ピッチ関節を備えている。最高位ピッチ関節の回転中心が体幹リンクの重心位置よりも上方に位置していると、体幹リンクに作用する重力が、体幹リンクの最高位ピッチ関節の回転軸回りの揺動を抑制する方向に作用する。歩行時に体幹が揺動し難い脚式ロボットを実現することができる。
上記の脚式ロボットは、体幹リンクの位置を低く抑えながら、大きな歩幅を確保できる効果も奏する。脚式ロボットはその脚部を最高位ピッチ関節の回転中心の回りで前後に揺動させながら歩行する。従って、歩行面から最高位ピッチ関節の回転中心までの高さが高いほど大きい歩幅を確保することができる。上記の脚式ロボットによれば、体幹リンクの重心位置に比較して最高位ピッチ関節の回転中心の位置を高くすることができる。このことは、体幹リンクの位置を低く抑えながら、大きな歩幅を確保できることを意味する。
【０００９】
最高位ピッチ関節は、脚部のリンク同士を連結する関節であってもよいが、体幹リンクと脚部の上部先端のリンクを連結する股関節であることが好ましい。この場合、脚式ロボットの体幹と脚部の連結関係を人間の体幹と脚部の連結関係と類似の関係にすることができる。また、脚部の構造を簡単化しやすいという長所が得られる。
股関節は、物理的な回転軸を備えていてもよいし、物理的な回転軸を備えていなくてもよい。物理的な回転軸を備えている場合、脚部を体側面の外側で連結してもよいし、体側面の内側で連結してもよい。いずれの場合も、体幹リンクの内部を、荷物や乗員を載せるために有効に利用できる。
【００１０】
物理的な回転軸を備えていない関節で股関節を構成することもできる。この場合の股関節は、体幹リンクに固定されており、体側方向から観測したときに前記回転中心を中心とする円弧に沿って伸びているレールと、レールに対してスライド可能な状態で脚部に固定されているスライド部材を備えている。なお、前述したように、この場合の回転軸は、回転中心を通り、円弧に沿って伸びているレールが形成する面に直交する直線となる。
【００１１】
上記スライド関節で股関節を実現すると、比較的短い全長の脚部で大きな歩幅を確保することができる。スライド関節を利用すると、歩行面からレールにまでは伸びているが回転中心にまでは伸びていない短い脚部で、回転中心にまで伸びている長い脚部によって実現される歩幅と同等の歩幅を確保できるからである。
【００１２】
前記少なくとも一つの関節（即ち、各々の脚部の関節のうち少なくとも一つの関節であり、連結されたリンク同士を体側方向に伸びる直線と交差する面内で回転させることが可能であり、その回転中心が体幹リンクの重心位置より上方に位置している関節）は、所定条件が成立したときに、連結されているリンク同士が受動的に回転することを許容する解放手段を備えていることが好ましい。受動的に回転するとは、リンクが外力を受けて回転することを意味する。外力とは例えば重力である。所定条件は、体側方向に伸びる直線回りの体幹リンクの姿勢角、前記姿勢角の変化速度、前記姿勢角の変化加速度のうちの少なくとも一つが、所定範囲外であるという条件で良い。或いは、所定条件は、体幹リンクの移動速度、体幹リンクの移動加速度のうちの少なくとも一つが、所定範囲外であるという条件でも良い。上記の条件は、一対の脚部を有する脚式ロボットにおいて、ロボットが倒れるか否かの判断に利用される。即ち、上記の解放手段は、ロボットが倒れると判断された場合に、最高位ピッチ関節に連結されているリンク同士が重力の作用によって受動的に揺動することを可能にするものである。そのような解放手段によって、ロボットが倒れる際に、体幹リンクの重心位置が最高位ピッチ関節の回転中心の下方に位置する姿勢を維持させることができる。ロボットが倒れる場合に、体幹リンクが大きく回転してしまうことがない。
解放手段は例えば、関節に連結しているリンク同士を相対回転させる動力を伝達する軸に介挿されているクラッチでよい。或いは、連結しているリンク同士を相対回転させる動力をベルトによって伝達する場合には、ベルトの張力調整器であってもよい。張力調整器が張力を弱めることによって、連結しているリンク同士を相対回転させる動力の伝達を切ることができ、リンク同士を自由回転可能にできるからである。
ロボットが倒れると判断された場合に、動力に頼ることなく、重力の作用によって、重心位置が前記所定点の下方に位置する姿勢を維持した状態で体幹リンクを歩行面に降ろすことができる。
【００１３】
体幹リンクは、乗員が着座する座席を有していてもよい。その座席は、着座した乗員の腰の位置が前記交点よりも下方に位置するように配置されていることが好ましい。
【００１４】
一般に人間の着座姿勢においては、人間の重心位置は腰付近に位置することが知られている。従って、着座した乗員の腰の位置が前記回転中心よりも下方に位置するように座席を配置することによって、着座した乗員の重心位置を最高位ピッチ関節の回転中心よりも下方とすることができる。体幹リンクの重心位置が最高位ピッチ関節の回転中心よりも下方に位置していることと合わせると、体幹リンクと乗員を合わせた重心位置を、最高位ピッチ関節の回転中心より下方とすることができる。乗員を乗せた体幹リンクをより安定にすることができる。即ち、乗員が搭乗して歩行するときでも、体幹リンクが揺動し難い脚式ロボットを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、歩行時に体幹が揺動し難い脚式ロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１の特徴）最高位ピッチ関節の回転中心と体幹リンクの重心位置は、脚式ロボットが直立姿勢を保持したときに、体側方向から観測して鉛直線上に揃う位置関係となる。なお、「直立姿勢」とは、体幹リンクの重心位置と、脚部の関節のうち人間の膝関節に相当する関節と、足首関節に相当する関節が体側方向から観測して鉛直線上にほぼ揃う位置関係となるときの姿勢をいう。そうすることで、歩行時の体幹リンクの揺動を効果的に抑制することができる。
（第２の特徴）スライド関節は体幹リンクの下面に設けられており、脚式ロボットが直立姿勢をとったときに、脚部に設けられた各ロール関節が、体幹リンクの体側方向の幅内に位置するように配置されている。ロール関節とは、関節の回転軸が体幹リンクの前後方向に伸びている関節をいう。
（第３の特徴）体幹リンクに取り付けられた座席は、体側方向から観測したときに、最高位ピッチ関節の回転中心と体幹リンクの重心位置を結ぶ直線と、座席の座面が略直交するように配置されている。体幹リンクは、その重心位置が最高位ピッチ関節の回転中心の鉛直下方に位置するときが重力に対し最も安定する姿勢となる。上記構成によれば、そのような姿勢のときに座席の座面を鉛直方向に対して直交する方向（即ち水平）にすることができる。
【実施例】
【００１７】
＜第１実施例＞  本発明の第１実施例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（Ａ）は、脚式ロボット１０の正面図である。図１（Ｂ）は、脚式ロボット１０の側面図である。なお、図１（Ｂ）では、図面手前側に位置する部品によって隠れてしまう部品の図示を省略してある。
脚式ロボット１０は、体幹リンク１２と、一対の脚部(右脚部２０Ｒ、左脚部２０Ｌ）を有する。各脚部は後述するように複数のリンクと複数の関節を有する。
【００１８】
まず座標系について説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）には右手直交座標系をなすＸＹＺ座標系が示してある。このＸＹＺ座標系は、脚式ロボット１０の体幹リンク１２に固定された座標系である。Ｘ軸は、体幹リンク１２の前方へ伸びている。Ｘ軸をロール軸と称する。Ｙ軸は、体幹リンク１２の体側方向へ伸びている。Ｙ軸をピッチ軸と称する。Ｚ軸は、体幹リンク１２の上方へ伸びている。Ｚ軸をヨー軸と称する。ロール軸（Ｘ軸）とピッチ軸（Ｙ軸）とヨー軸（Ｚ軸）は互いに直交している。
次に関節について説明する。脚式ロボット１０の関節は全て回転軸を有する回転関節である。ロール軸方向に伸びる回転軸を有する関節をロール関節と称する。ピッチ軸方向に伸びる回転軸を有する関節をピッチ関節と称する。ヨー軸方向に伸びる回転軸を有する関節をヨー関節と称する。
図１（Ａ）に示す例えば符号３６Ｌが付された円は、図面に垂直な方向に回転軸を有する関節を表す。円の中央に描かれている点が回転軸を表す。図１（Ａ）では、図面に垂直な方向はロール軸（Ｘ軸）方向であるので、符号３６Ｌが示すように円で表現された関節はロール関節を表す。
図１（Ａ）に示す例えば符号２４Ｌや３２Ｌが付された矩形は、図面に平行な面内に回転軸を有する関節を表す。図面に平行な方向であって、矩形内に描かれた直線と直交する方向がその関節の回転軸の方向を表す。例えば、図１（Ａ）に示す符号２４Ｌが付された関節は、ピッチ軸（Ｙ軸）方向に回転軸C１を有する関節を表す。即ち、図１（Ａ）に示す符号２４Ｌが付された関節は、ピッチ関節を表す。また、図１（Ａ）に示す例えば符号３２Ｌが付された関節は、ヨー軸（Ｚ軸）方向に回転軸を有する関節を表す。即ち、図１（Ａ）に示す符号３２Ｌが付された関節は、ヨー関節を表す。
符号３６Ｌが付されたロール関節は、図１（Ａ）では円形で表されるが、図１（Ｂ）では図面の上下方向に伸びる直線を含む矩形で表される。これは、図１（Ａ）と図１（Ｂ）では、図面に対する座標系の向きが異なるからである。同様に、符号２４Ｌが付されたピッチ関節は、図１（Ａ）では図面の上下方向の対角線が描かれた矩形で表されるが、図１（Ｂ）では円で表される。符号３２Ｌが付されたヨー関節は、図１（Ａ）と図１（Ｂ）の双方で図面の左右方向の対角線が描かれた矩形で表される。図中に示す関節の形状の意味は、第１実施例と第２実施例の図において同様である。
【００１９】
脚部２０Ｌ、２０Ｒの各々の関節がロール関節、ピッチ関節、ヨー関節のいずれに相当するかの類別は、脚式ロボット１０が直立姿勢を保持した際の、関節の回転軸の方向によって決定される。直立姿勢とは、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、一対の脚部２０Ｌ、２０Ｒが同じ姿勢を保持し、体幹リンク１２の重心位置Ｇと、脚部の関節のうち人間の膝関節に相当する関節と、足首関節に相当する関節が体側方向から観測して鉛直線Ｖ上にほぼ揃う位置関係となるときの姿勢をいう。なお、図１においては後述するように符号２８Ｌと２８Ｒが付された関節が膝関節であり、符号４０Ｌと４０Ｒが付された関節が足首関節である。換言すれば、脚式ロボット１０の直立姿勢とは、人間でいうところの直立姿勢と同様の姿勢である。脚式ロボット１０が直立姿勢を保持した状態で各関節の類別が決定される。脚部に備えられた関節は、リンクが揺動することによって、その回転軸の伸びる方向が変化する。しかし脚式ロボット１０が直立姿勢を保持した状態で決定された関節の類別は、脚部２０Ｌ、２０Ｒがいかなる姿勢に変化しても変更されない。また、関節の類別は、脚式ロボット１０が直立姿勢を保持した際に、ある関節の回転軸がロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の各軸となす角度のうち、ロール軸となす角が最も小さい場合に、その関節はロール関節に類別される。ある関節の回転軸がロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の各軸となす角度のうち、ピッチ軸となす角が最も小さい場合に、その関節はピッチ関節に類別される。ヨー軸関節についても同様である。
また、換言すれば、ピッチ関節とは、連結されたリンク同士が相対的に回転するときに形成する平面に直交する直線が体側方向に伸びている関節である。同様に、ロール関節とは、連結されたリンク同士が相対的に回転するときに形成する平面に直交する直線が体幹リンクの前後方向に伸びている関節であり、ヨー関節とは、連結されたリンク同士が相対的に回転するときに形成する平面に直交する直線が体幹リンクの上下方向に伸びている関節である。
【００２０】
脚式ロボット１０の左脚部２０Ｌの構造について説明する。左脚部２０Ｌは、左第１リンク２２Ｌ、左第２リンク２６Ｌ、左第３リンク３０Ｌ、左第４リンク３４Ｌ、左第５リンク３８Ｌ、左第６リンク４２Ｌを有している。また左脚部２０Ｌは、左第１関節２４Ｌ、左第２関節２８Ｌ、左第３関節３２Ｌ、左第４関節３６Ｌ、及び左第５関節４０Ｌを有している。
左第１リンク２２Ｌは、一端が体幹リンク１２の左体側面１２Ｌに連結しており、他端が左第１関節２４Ｌに連結している。左第２リンク２６Ｌは、一端が左第１関節２４Ｌに連結しており、他端が左第２関節２８Ｌに連結している。左第３リンク３０Ｌは、一端が左第２関節２８Ｌに連結しており、他端が左第３関節３２Ｌに連結している。左第４リンク３４Ｌは、一端が左第３関節３２Ｌに連結しており、他端が左第４関節３６Ｌに連結している。左第５リンク３８Ｌは、一端が左第４関節３６Ｌに連結しており、他端が左第５関節４０Ｌに連結している。左第６リンク４２Ｌは、一端が左第５関節４０Ｌに連結している。左第６リンク４２Ｌは、左脚部２０Ｌの足平に相当し、その下面で歩行面Ｓと接地する。
なお、左第１関節２４Ｌ、左第２関節２８Ｌ、及び左第５関節４０Ｌはピッチ関節である。左第３関節３２Ｌはヨー関節である。左第４関節３６Ｌはロール関節である。
【００２１】
右脚部２０Ｒは、右第１リンク２２Ｒ、右第２リンク２６Ｒ、右第３リンク３０Ｒ、右第４リンク３４Ｒ、右第５リンク３８Ｒ、及び右第６リンク４２Ｒを有している。また右脚部２０Ｒは、右第１関節２４Ｒ、右第２関節２８Ｒ、右第３関節３２Ｒ、右第４関節３６Ｒ、右第５関節４０Ｒを有している。右脚部２０Ｒは、右第１リンク２２Ｒの一端で体幹リンク１２の右体側面１２Ｒに連結している。右脚部２０Ｒの構造は左脚部２０Ｌの構造と同じである。但し、右脚部２０Ｒの全体の形状は、ロール軸方向（Ｘ軸方向）から観測したときに体幹リンク１２の中心を通りヨー軸に平行な直線に対して左脚部２０Ｌの全体の形状と左右対称をなす形状となっている。
左脚部２０Ｌの各部品に対応する右脚部２０Ｒの部品には同じ数字の符号を付してある。符号の添え字Ｌが左脚部２０Ｌの部品であることを表しており、符号の添え字Ｒが右脚部２０Ｒの部品であることを表している。
右脚部２０Ｒの構造は左脚部２０Ｌの構造と同じであるので、右脚部２０Ｒについては詳細な説明を省略する。
【００２２】
各関節には、図示しないアクチュエータ（動力）が内蔵されている。アクチュエータは、モータと減速機から構成されている。各関節は、内蔵されたアクチュエータによって、その関節に連結されたリンク同士を回転軸の回りに相対的に回転させることができる。脚式ロボット１０は、図示しないコントローラを備えており、コントローラが、各関節に内蔵されたアクチュエータへ適宜駆動指令値を出力する。コントローラが適切な駆動指令値を各アクチュエータへ出力することによって、夫々のリンクが協調して揺動し、その結果、脚式ロボット１０は歩行する。脚式ロボット１０を歩行させるためのアルゴリズムについては説明を省略する。
【００２３】
関節に連結されたリンク同士が相対的に回転するときの中心線をその関節の回転軸と称する。また、リンク同士が相対的に回転するときに形成する平面と回転軸の交点をその関節の回転中心と称する。脚式ロボットにおいて、各々の脚部が有する関節のうち、回転中心が最も上方に位置するピッチ関節を最高位ピッチ関節と称する。脚式ロボット１０では、左第１関節２４Ｌが左脚部２０Ｌの最高位ピッチ関節であり、右第１関節２４Ｒが右脚部２０Ｒの最高位ピッチ関節である。また、左脚部２０Ｌの最高位ピッチ関節である左第１関節２４Ｌは、連結されている左第１リンク２２Ｌと左第２リンク２６ＬをＸＺ平面と平行な面内に回転させることが可能であり、その回転中心は図１に示す点２４ＬＰである。同様に、右脚部２０Ｒの最高位ピッチ関節である右第１関節２４Ｒは、連結されている右第１リンク２２Ｒと右第２リンク２６ＲをＸＺ平面と平行な面内に回転させることが可能であり、その回転中心は図１に示す点２４ＲＰである。
脚式ロボット１０では、最高位ピッチ関節（左第１関節２４Ｌ、右第１関節２４Ｒ）の夫々の回転中心（回転中心２４ＬＰ、回転中心２４ＲＰ）が、体幹リンク１２の重心位置Ｇよりも上方に位置している。図１（Ｂ）に示すように、脚式ロボット１０では最高位ピッチ関節の回転軸Ｃ１はピッチ軸と平行に伸びている。従って体側方向から観測すると回転軸Ｃ１は回転中心２４ＬＰと２３ＲＰに一致する。従って、脚式ロボット２０では、体側方向から観測したときに、最高位ピッチ関節の回転軸が体幹リンク１２の上方に位置していると表現することもできる。
また左第１関節２４Ｌの回転中心２４ＬＰと右第１関節２４Ｒの回転中心２４ＲＰは、脚式ロボット１０が直立姿勢を保持したときに、体側方向から観測して体幹リンク１２の重心位置Ｇと鉛直線Ｖ上に揃う配置となっている。
【００２４】
一対の脚部を交互に前後に揺動させながら歩行する脚式ロボットでは、歩行面から最高位ピッチ関節の回転中心までの高さが高いほど歩幅を大きくすることができる。
図１（Ｂ）に示すように、脚式ロボット１０が直立姿勢を保持したときの、歩行面Ｓから最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰと２４ＲＬまでの高さはＨ２である。一方、歩行面Ｓから体幹リンク１０の下面１２Ｂまでの高さはＨ１である。脚式ロボット１０は、最高位ピッチ関節の回転中心が体幹リンク１２の重心位置Ｇよりも上方に位置しているので、体幹リンク１２の下方に脚部を連結している脚式ロボットよりも、体幹リンク１２の位置を低く抑えながら大きい歩幅を確保することができる。
【００２５】
図２に、脚式ロボット１０が歩行しているときのある瞬間における側面図を示す。脚式ロボット１０は、左右の脚部２０Ｒ、２０Ｌを交互に前後に揺動させながら歩行する。体幹リンク１２は、脚部からの反力によって、或いは脚式ロボット１０の全体のバランスを維持するための制御によって、揺動する。
歩行時には左右の脚部２０Ｒ、２０Ｌは、最高位ピッチ関節（右第１関節２４Ｒ、左第１関節２４Ｌ）の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＬの回りに大きく回転する。即ち、歩行時の脚部２０Ｌ、２０Ｒの動作は、右第１関節２４Ｒと左第１関節２４Ｌによる動作が支配的となる。従って、体幹リンク１２の揺動も右第１関節２４Ｒと左第１関節２４Ｌによる動作が支配的となる。換言すれば、歩行時の体幹リンク１２の動作は、最高位ピッチ関節（右第１関節２４Ｒ、左第１関節２４Ｌ）の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰの回りの揺動が主な動作となる。図２は、体側方向に伸びる直線回りの体幹リンク１２の姿勢角がθとなった状態を示している。図２に示す破線Ｗは、体側方向から観測したときに回転中心２４ＬＰと重心位置Ｇを結ぶ直線である。図１（Ｂ）に示したように、脚式ロボット１０が直立姿勢を保持しているときには直線Ｗは、体側方向から観測して鉛直線Ｖに一致する。鉛直線Ｖと直線Ｗのなす角θが、体側方向に伸びる直線回りの体幹リンク１２の姿勢角である。
このとき、体幹リンク１２に作用する重力Ｆは、体幹リンク１２の重心位置Ｇを、揺動の回転中心となる最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰの鉛直下方に戻すように作用する。即ち、体幹リンク１２に作用する重力は、体幹リンク１２を直立姿勢時の体幹リンク１２の姿勢に戻すように作用する。即ち、脚式ロボット１０では、体幹リンク１２に作用する重力が、歩行時の体幹リンク１２の揺動を抑制する方向に作用する。これは、脚式ロボット１０の最高位ピッチ関節である左第１関節２４Ｌと右第１関節２４Ｒの回転中心２４ＬＰ、２４ＲＬが、体幹リンク１２の重心位置Ｇより上方に位置していることによって達成される。
【００２６】
右第１関節２４Ｒと左第１関節２４Ｌには、クラッチ（不図示）が内蔵されている。クラッチを解放すると、右第１関節２４Ｒによって連結されている右第１リンク２２Ｒと右第２リンク２６Ｒが相互に自由回転可能となる。同様に、左第１関節２４Ｌによって連結されている左第１リンク２２Ｌと左第２リンク２６Ｌが相互に自由回転可能となる。右第１リンク２２Ｒと左第１リンク２２Ｌは体幹リンク１２に連結されているので、クラッチが解放されると体幹リンク１２が外力の作用によって受動的に回転可能となる。
図３に、倒れる瞬間における脚式ロボット１０の側面図を実線で示す。脚式ロボット１０は、体側方向に伸びる直線（即ち回転軸Ｃ１）回りの体幹リンク１２の姿勢角αが所定範囲外となると、クラッチを解放する。クラッチが解放されると、体幹リンク１２は、回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰ（図３では回転中心２４ＲＰは回転中心２４ＬＰの紙面奥側に位置しており図示を省略している）の回りに自由回転可能となる。最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰが体幹リンク１２の重心位置Ｇよりも上方に位置しているため、重力は、体幹リンク１２の重心位置Ｇを回転中心２４ＬＰ，２４ＲＰの鉛直下方に戻すように作用する。従って、脚式ロボット１０が転倒する場合でも、クラッチを解放することによって、破線１２に示すように、体幹リンク１２を安定した姿勢のまま歩行面Ｓに降ろすことができる。
なお、脚式ロボット１０が転倒するとの判断は、体幹リンク１２の体側方向に伸びる直線回りの姿勢角、姿勢角の変化速度、姿勢角の変化加速度のうち少なくとも一つが所定範囲外となることをもって判断してもよい。或いは、脚式ロボット１０が転倒するとの判断は、体幹リンク１２の移動速度、体幹リンクの移動加速度のうちの少なくとも一つが、所定範囲外となることをもって判断してもよい。
また、右第１リンク２２Ｒと右第２リンク２６Ｒを相対回転させる動力がベルトによって伝達される場合には、クラッチの替わりにベルトの張力を調整する張力調整装置であってもよい。張力調整機構が張力をゼロまで緩めることによっても、右第１リンク２２Ｒと右第２リンク２６Ｒを受動的に相対回転させる状態にすることができるからである。左第１リンク２２Ｌと左第２リンク２６Ｌを相対回転させる動力がベルトによって伝達される場合も同様である。
【００２７】
＜第２実施例＞  次に本発明の第２実施例について説明する。図４は、第２実施例の脚式ロボット１１０の側面図である。脚式ロボット１１０はその体幹リンク１１２の内部に乗員Ｈが着座する座席１１４を有する。脚式ロボット１１０の体幹リンク１１２の外形及び、脚部２０Ｌ、２０Ｒの構造は第１実施例の脚式ロボット１０と同じであるので説明を省略する。なお図４では、右脚部２０Ｒは左脚部２０Ｌの図面奥側に位置するため図示を省略している。
脚式ロボット１１０においても第１実施例の脚式ロボット１０と同様に、最高位ピッチ関節である左第１関節２４Ｌと右第１関節２４Ｒ（図４において右第１関節２４Ｒは不図示）の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰ（図４において右第１関節２４Ｒの回転中心２４ＲＰは不図示）が、体幹リンク１１２の重心位置Ｇの上方に位置している。体幹リンク１１２の内部に配置された座席１１４は、その座面１１４Ａが、着座した乗員の腰の位置が回転中心２４ＬＰ、２４ＲＬよりも下方に位置するように配置されている。
【００２８】
一般に人間の着座姿勢においては、人間の重心位置は腰付近に位置することが知られている。従って、座席１１４を上記のように配置することによって、着座した乗員Ｈの重心位置ＨＧを最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰよりも下方とすることができる。体幹リンク１１２の重心位置Ｇが最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰよりも下方に位置していることと合わせると、体幹リンク１１２と乗員Ｈを合わせた重心位置は、最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰより下方となる。脚式ロボット１１０は、乗員Ｈを乗せた体幹リンク１１２を安定にできる脚式ロボットである。
なお、座席１１４は、体側方向から観測したときに、最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰと体幹リンク１１２の重心位置Ｇを結ぶ直線Ｖと、座席１１４の座面１１４Ａが略直交するように配置されている。体幹リンク１１２は、最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰの回りに揺動するので、体幹リンク１１２に作用する重力は、体幹リンク１１２の重心位置Ｇを回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰの鉛直下方に位置するように作用する。即ち、体側方向から見て、最高位ピッチ関節の回転中心２４ＬＰ、２４ＲＰと体幹リンク１１２の重心位置Ｇを結ぶ直線が鉛直線Ｖに一致する状態が体幹リンク１１２が最も安定する姿勢となる。上記構成によれば、そのような姿勢のときに座席１１４の座面１１４Ａを鉛直方向に対して直交する方向（即ち水平）にすることができる。
【００２９】
＜第３実施例＞  次に本発明の第３実施例について、図面を参照しつつ説明する。図５は、第３実施例の脚式ロボット２１０の３面図である。図５（Ａ）は、脚式ロボット２１０の平面図である。図５（Ｂ）は、脚式ロボット２１０の側面図である。図５（Ｃ）は、脚式ロボット２１０の背面図である。
この脚式ロボット２１０は、体幹リンク２１２と、一対の脚部（左脚部２２０Ｌ、右脚部２２０Ｒ）を備える。体幹リンク２１２の下面２１２ａには、夫々の脚部２２０Ｌ、２２０Ｒに対応して、脚部２２０Ｌ、２２０Ｒの一端２２４Ｌａ、２２４Ｒａを体幹リンク２１２に対してスライド可能に連結するスライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒが設けられている。
【００３０】
まず左脚部２２０Ｌの構造について説明する。
左脚部２２０Ｌは、複数のリンク２２１Ｌ、２２２Ｌ、２２４Ｌと複数の回転関節２３０Ｌ、２３２Ｌ、２３４Ｌ、２３６Ｌから構成されている。
左脚部２２０Ｌの接地面側の端部は左第１リンク２２１Ｌである。左第１リンク２２１Ｌは、人間に例えると足平に相当する。左第１リンク２２１Ｌと左第２リンク２２２Ｌは、左第１複合関節２２６Ｌで連結されている。左第２リンク２２２Ｌは人間に例えると下腿に相当する。左第１複合関節２２６Ｌは人間に例えると足首関節に相当する。
左第１複合関節２２６Ｌは、左第１リンク２２１Ｌと左第２リンク２２２Ｌを相対的にロール軸Ｓ１回りに揺動させる左第１ロール関節２３０Ｌと、左第１リンク２２１Ｌと左第２リンク２２２Ｌを相対的にピッチ軸Ｓ２回りに揺動させる左第１ピッチ関節２３２Ｌから構成されている。従って、左第１リンク２２１Ｌと左第２リンク２２２Ｌは、左第１複合関節２２６Ｌにより、相対的にロール軸Ｓ１回りとピッチ軸Ｓ２回りの２方向の回転が可能である。
【００３１】
左第２リンク２２２Ｌと左第３リンク２２４Ｌは、左第２複合関節２２８Ｌで連結されている。左第３リンク２２４Ｌは人間に例えると大腿に相当する。左第２複合関節２２８Ｌは人間に例えると膝関節に相当する。
左第２複合関節２２８Ｌは、左第２リンク２２２Ｌと左第３リンク２２４Ｌを相対的にロール軸Ｓ３回りに回転させる左第２ロール関節２３４Ｌと、左第２リンク２２２Ｌと左第３リンク２２４Ｌを相対的にピッチ軸Ｓ４回りに回転させる左第２ピッチ関節２３６Ｌから構成されている。従って、左第２リンク２２２Ｌと左第３リンク２２４Ｌは、左第２複合関節２２８Ｌにより、相対的にロール軸Ｓ３回りとピッチ軸Ｓ４回りの２方向の回転が可能である。
各関節２３０Ｌ、２３２Ｌ、２３４Ｌ、２３６Ｌには、モータ（不図示）とエンコーダ（不図示）が内蔵されている。モータは、その関節に隣接するリンク同士を相対回転させるためのトルクを発生させる。エンコーダは、その関節に隣接するリンク同士の相対回転角を検出する。
【００３２】
右脚部２２０Ｒの構造も、左脚部２２０Ｌの構造と同様である。例えば左脚部２２０Ｌの左第１リンク２２１Ｌは、右脚部２２０Ｒの右第１リンク２２１Ｒに相当する。同様に、左脚部２２０Ｌと右脚部２２０Ｒの各部品に付された符号のうち、数字が同じものは対応する部品を表す。左脚部２２０Ｌと右脚部２２０Ｒのピッチ軸とロール軸の対応関係は次の通りである。左脚部２２０Ｌのロール軸Ｓ１とロール軸Ｓ３は、夫々右脚部２２０Ｒのロール軸Ｓ５とロール軸Ｓ７に対応する。左脚部２２０Ｌのピッチ軸Ｓ２とピッチ軸Ｓ４は、夫々右脚部２２０Ｒのピッチ軸Ｓ６とピッチ軸Ｓ８に対応する。
右脚部２２０Ｒの各関節２３０Ｒ、２３２Ｒ、２３４Ｒ、２３６Ｒにも、モータ（不図示）とエンコーダ（不図示）が内蔵されている。モータは、その関節に隣接するリンク同士を相対回転させるためのトルクを発生させる。エンコーダは、その関節に隣接するリンク同士の相対回転角を検出する。
【００３３】
次にスライド関節（左スライド関節２１６Ｌと右スライド関節２１６Ｒ）について説明する。
左スライド関節２１６Ｌは、体幹リンク２１２に対して左脚部２２０Ｌをスライド可能に連結する関節である。
左スライド関節２１６Ｌは、レール２４０Ｌと、スライド部材２４１Ｌと、アクチュエータ２４２Ｌを有している。レール２４０Ｌは、体側方向からみて下側に張り出すように湾曲している体幹リンク２１２の下面２１２ａに沿って取り付けられている。従ってレール２４０Ｌも体幹リンク２１２の下面２１２ａで、体幹リンク２１２の前後方向に伸びており、体幹リンク２１２の下側に張り出す曲線状に形成されている。換言すれば、レール４０Ｌは体幹リンク２１２の下面２１２ａで、体幹リンク２１２の前後方向に伸びており、曲線を描くように形成されている。その曲線は、図１（Ｂ）に示すように体幹リンク２１２に固定されたＰ点を中心として曲率半径Ｒの曲線を描いている。即ち、レール２４０Ｌは、体幹リンク２１２の下面に設けられており、体側方向から観測したときに、体幹リンク２１２に固定されたＰ点を中心とする円弧を描いている。
レール２４０Ｌには、レール２４０Ｌに沿ってスライド可能なスライド部材２４１Ｌが取り付けられている。スライド部材２４１Ｌにはまた、左第３リンク２４Ｌの一方の端部２２４Ｌａが固定されている。左第３リンク２２４Ｌの一方の端部２２４Ｌａは、左脚部２２０Ｌの一方の端部に相当する。即ち、スライド部材２４１Ｌがレール２４０Ｌ上をスライドすると、スライド部材２４１Ｌに固定された左脚部２２０Ｌ全体がレール２４０Ｌに沿ってスライドする。レール２４０Ｌは、体側方向から見て点Ｐを中心とする円弧状に形成されているので、左脚部２２０Ｌは、体側方向から見て点Ｐを中心とする円弧を描くようにスライドする。
【００３４】
アクチュエータ２４２Ｌは、レール２４０Ｌに沿ってスライド部材２４１Ｌ（即ち、スライド部材２４１Ｌに固定された左脚部２２０Ｌ）をスライドさせる駆動力を出力する。アクチュエータ２４２Ｌによって、左脚部２２０Ｌは、レール２４０Ｌに沿った任意の位置へ位置決めされる。左スライド関節２１６Ｌは位置検出器（不図示）を備えている。この位置検出器は、スライド部材２４１Ｌのレール２４０Ｌ上の位置を検出する。
左スライド関節２１６Ｌの詳細な機構は説明を省略するが、例えば、単軸ステージ用に用いられている直動機構を湾曲させたものを利用して実現することができる。
右スライド関節２１６Ｒは、体幹リンク２１２に対して右脚部２２０Ｒをスライド可能に連結する関節である。右スライド関節２１６Ｒの構造は、左スライド関節２１６Ｌと同一であるので説明を省略する。なお、右スライド関節２１６Ｒのレール２４０Ｒも体側方向から観測したときにＰ点を中心として半径Ｒの円弧を描くように湾曲している。左スライド関節２１６Ｌのレール２４０Ｌが描く円弧の中心位置と右スライド関節２１６Ｒのレール２４０Ｒが描く円弧の中心位置は体側方向からみてＰ点に一致している。即ち、一対のスライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒの夫々の前記曲線の中心となる位置が、体幹リンク２１２の体側方向に伸びる直線上に配置されている。
【００３５】
体幹リンク２１２には、スライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒの他に、脚式ロボット全体を制御するコントローラ（不図示）が搭載されている。
【００３６】
図５に示すその他の記号は次の通りである。Ｇは体幹リンク２１２の重心位置を表し、Ｗ１は体幹リンク２１２の幅（体幹リンク２１２の体側方向の長さ）を表す。Ｓ０は、体幹リンク２１２の重心位置Ｇを通り鉛直方向に伸びる鉛直線を表す。Ｗ２は、鉛直線Ｓ０と、各ロール関節２３０Ｌ、２３４Ｌ、２３０Ｒ、２３４Ｒの回転軸Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７との体側方向における距離を表す。これら重心位置Ｇ、体幹リンク２１２の幅Ｗ１、鉛直線Ｓ０と各ロール軸との距離Ｗ２の関係については後述する。なお、図５に示す姿勢が脚式ロボット２１０の直立姿勢である。
【００３７】
次に、図５とともに図６を参照して本実施例の脚式ロボット２１０の歩行時の動作について説明する。図６は、脚式ロボット２１０が、Ｘ軸方向に左脚部２２０Ｌを前方（図６のＸ軸の正方向）に踏み出したときの側面図である。図６は、脚式ロボット２１０がＸ軸の正方向に直進する場合を示している。以下では、直進時の左脚部２２０Ｌと右脚部２２０ＲのＸＺ平面の動作に注目し、直進時には各脚部２２０Ｌ、２２０Ｒのロール軸関節２３０Ｌ、２３４Ｌ、２３０Ｒ、２３４Ｒは回転しないものとして説明する。そのため、図６では、左脚部２２０Ｌの第１複合関節２２６Ｌ中の第１ロール関節２３０Ｌと、第２複合関節２２８Ｌ中の第２ロール関節２３４Ｌは図示を省略してある。同様に、右脚部２２０Ｒの第１複合関節２２６Ｒ中の第１ロール関節２３０Ｒと、第２複合関節２２８Ｒ中の第２ロール関節２３４Ｒは図示を省略してある。
【００３８】
各脚部２２０Ｒ、２２０Ｌの各関節２３２Ｌ、２３６Ｌ、２３２Ｒ、２３６Ｒには隣接するリンクを回転させるためのアクチュエータ（不図示）が内蔵されている。左スライド関節２１６Ｌには、スライド部材２４１Ｌ（即ち、スライド部材２４１Ｌに固定された左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａ）をレール２４０Ｌの任意の位置にスライドさせるためのアクチュエータ２４２Ｌが備えられている。右スライド関節２１６Ｒにも同様にアクチュエータ２４２Ｒが備えられている。
左脚部２２０Ｌのレール２４０Ｌ上の位置は左スライド関節２２０Ｌが備える位置検出器（不図示）によって検出される。右脚部２２０Ｒのレール２４０Ｒ上の位置は右スライド関節２２０Ｒが備える位置検出器（不図示）によって検出される。脚部２２０Ｌ、２２０Ｒが備える各関節にもエンコーダ（不図示）が備えられている。脚式ロボット２１０に搭載されたコントローラ（不図示）には、エンコーダが検出するリンク同士の回転角および位置検出器が検出する脚部２２０Ｌ、２２０Ｒのレール２４０Ｌ、２４０Ｒ上の位置が入力される。コントローラは、入力された値に基づいて、所定の制御ロジックによって各関節を適切に制御するように各アクチュエータに指令値を出力する。その結果、脚式ロボット２１０は各脚部２２０Ｌ、２２０Ｒを交互に前後に揺動させながら歩行する。
脚式ロボット２１０は、図６に示すように、左脚部２２０Ｌを一歩前へ踏み出す動作を行う際、左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａ（スライド部材２４１Ｌ）を左スライド関節２１６Ｌのレール２４０Ｌに沿って体幹リンク２１２の前方へスライドさせる。同時に、右脚部２２０Ｒの端部２２４Ｒａ（スライド部材２４１Ｒ）を右スライド関節２１６Ｒのレール２４０Ｒに沿って体幹リンク２１２の後方へスライドさせる。その結果、左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａと右脚部２２０Ｒの端部２２４Ｒａは、体幹リンク２１２の前後方向に距離Ｌの差が生じる。
【００３９】
人間の股関節のように、一対の脚部が体幹リンクに対して回転関節によって連結されている脚式ロボットでは、夫々の脚部の体幹リンクへの連結部（体幹リンクと脚部を連結する関節）を前後方向へずらすことはできない。従ってそのような従来の脚式ロボットでは、歩行時の歩幅は、脚部と体幹リンクの連結部から足先までの脚部の全長に大きく依存する。これに対して本実施例の脚式ロボット２１０では、左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａと右脚部２２０Ｒの端部２２４Ｒａは体幹リンク２１２の前後方向に距離Ｌの差を生じさせることができる。その結果、脚部２２０Ｌ、２２０Ｒの全長で規定される歩幅に加えて、体幹リンク２１２に連結している一対の脚部２２０Ｌ、２２０Ｒの端部２２４Ｌａ、２２４Ｒａの前後方向の距離Ｌの分だけ歩幅を長くすることが可能となる。従って、本実施例の脚式ロボット２１０は、一対の脚部２２０Ｌ、２２０Ｒの夫々を体幹リンク２１２に対して前後方向にスライドさせる一対のスライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒによって体幹リンク２１２に連結することにより、脚部の全長を長くすることなく歩行時の歩幅を大きくすることができる。換言すれば、体幹リンク２１２の高さを低く抑えながら歩幅を大きくする脚式ロボットを実現することができる。
【００４０】
また、左スライド関節２１６Ｌのレール２４０Ｌは、レール２４０Ｌより上方に位置しており体幹リンク２１２に固定された点Ｐを中心とする曲率半径Ｒの曲線を描くように湾曲している。換言すれば、左スライド関節２１６Ｌのレール２４０Ｌは、体幹リンク２１２の下方向に張り出すように湾曲している。従って、スライド部材２４１Ｌに固定された左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａは、レール２４０Ｌの湾曲に沿ってスライドすることができる。左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａが体幹リンク２１２の下方に張り出すように曲線を描いて前後方向にスライドすることによって、歩行時の左脚部２２０Ｌの運びを円滑なものとすることができる。右脚部２２０Ｒについても同様である。
【００４１】
本実施例の脚式ロボット２１０では、レール２４０Ｌは、体幹リンク２１２に固定された唯一の点Ｐを中心とする円弧状に形成されている。レール２４０Ｌが描く円弧は、体幹リンク２１２の前後方向に伸びている。従って、左脚部２２０Ｌと体幹リンク２１２との左スライド関節２１６Ｌによる連結構造の幾何学的な関係は次の構造と等価となる。即ち、体幹リンク２１２に点Ｐを通りピッチ方向（Ｙ軸方向）に伸びる回転軸を有する仮想的な回転関節２５２Ｌを想定する。仮想的な回転関節２５２Ｌと左第２ピッチ関節２３６Ｌは、左第３リンク２２４Ｌを点Ｐの方向に延長した仮想的なリンク２５０Ｌによって連結されている。
即ち、本実施例の脚式ロボット２１０は、点Ｐに配置された仮想的な回転関節２５２Ｌによって仮想的なリンク２５０Ｌを有する左脚部２２０Ｌと体幹リンク２１２が連結された構造と等価である。従って、この脚式ロボット２１０は、左脚部２２０Ｌが体幹リンク２１２の下部ではなく、体幹リンク２１２の体側方向からみて点Ｐにおいて回転関節２５２Ｌによって連結されている脚式ロボットと等価な歩行を実現できる。換言すれば、点Ｐに配置された仮想的な股関節の関節２５２Ｌによって体幹リンク２１２に連結されている仮想的なリンク２５０Ｌを有する脚部が実現できる歩幅と同じ歩幅を本実施例の脚式ロボット２１０は実現できる。
【００４２】
体幹リンク２１２に固定された点Ｐに実際の関節を有する脚式ロボットを実現するのは現実的ではない。図１（Ｃ）に示すように、左脚部２２０Ｌは、体幹リンク２１２の下面２１２ａの下側で左スライド関節２１６Ｌによって体幹リンク２１２に連結されている。点Ｐに回転軸を有する仮想的な関節２５２Ｌを実現しようとすれば体幹リンク２１２の内部に関節を配置することになる。さらにその関節の下側には、仮想的なリンク２５０Ｌが揺動するための空間を設ける必要がある。そうすると体幹リンク２１２に固定された点Ｐより下側は実質的には他の装置を配置する余裕がなくなってしまう。そのような脚式ロボットは、実際には体幹の下部が点Ｐの位置にあることと同じになってしまう。即ち、従来の脚式ロボットでは、股関節を点Ｐの位置に配置しようとすれば、体幹の高さを高くせざるを得なくなってしまう。
これに対して本実施例の脚式ロボット２１０では、現実の左脚部２２０Ｌは体幹リンク２１２の下面２１２ａで左スライド関節２１６Ｌによって体幹リンク２１２に連結されている。体幹リンク２１２の内部にまで左脚部２２０Ｌを入り込ませる必要がない。即ち、体幹リンク２１２の位置を高くすることなく、歩幅を大きくすることができる。
【００４３】
さらに本実施例の脚式ロボット２１０は、図５（Ｃ）に示すように、左脚部２２０Ｌは、体幹リンク２１２の下面２１２ａで左スライド関節２１６Ｌによって連結されている。これにより、体幹リンク２１２の重心位置Ｇを通る鉛直線Ｓ０と左脚部２２０Ｌが有するロール関節２３０Ｌ、２３４Ｌのロール軸Ｓ１、Ｓ３との体側方向の距離Ｗ２を短くすることができる。距離Ｗ２を短くすることによって次の効果を得ることができる。
一対の脚部によっていわゆる２足歩行する脚式ロボットでは、片脚のみで接地している片足立脚状態になると、その接地している方の脚部１本で体幹リンクを支えなければならない。片脚のみで接地している場合、脚部のロール関節には体幹リンクの自重によりモーメントが作用する。モーメントの大きさは、体幹リンクの重心位置を通る鉛直線とロール軸関節の回転軸との距離に比例する。その点、本実施例の脚式ロボット２１０では、左脚部２２０Ｌは、体幹リンク２１２の下面２１２ａで体幹リンク２１２に連結している。従って、図５（Ｃ）に示すように、脚式ロボット２１０に直立姿勢をとらせたときに、左脚部２２０Ｌに設けられた各ロール関節２３０Ｌ、２３４Ｌを、体幹リンク２１２の体側方向の幅Ｗ１内に位置するように配置することができる。これにより、体幹リンク２１２の重心位置Ｇを通る鉛直線Ｓ０とロール関節２３０Ｌ、２３４Ｌの回転軸Ｓ１、Ｓ３との体側方向の距離Ｗ２を短くすることができる。その結果、本実施例の脚式ロボット２１０は、片足立脚状態のときに接地している脚部のロール関節２３０Ｌ、２３４Ｌに作用する体幹リンク２１２の自重によるモーメントを小さく抑えることができる。一対のスライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒを、体幹リンク２１２の下面２１２ａに設けることによって、片足立脚状態のときに接地している側の脚部のロール関節に加わるモーメントを小さくすることができる。ロール関節に出力の小さいモータを使用することができる。
【００４４】
さらに本実施例の脚式ロボット２１０は、前述したように、左脚部２２０Ｌと体幹リンク２１２は左スライド関節２１６Ｌによって連結されている構造であるにも関わらずに、幾何学的には体幹リンク２１２に固定された点Ｐに配置された仮想的な回転関節２５２Ｌによって、仮想的なリンク２５０Ｌを有する左脚部２２０Ｌと体幹リンク２１２が連結された構造と等価である。一般に、多リンク機構の各関節の角度からその多リンク機構の先端位置の座標を求める変換（正変換あるいは順変換といわれる）や、逆に、多リンク機構の先端位置の座標から多リンク機構の各関節の角度を求める変換（逆変換といわれる）は、関節が全て回転関節の多リンク機構の方が、一部の関節にスライド関節を有する多リンク機構よりも計算が単純化される。特に脚式ロボット２１０のスライド関節のように、曲線的にスライドする関節を有する場合は正変換や逆変換が複雑になる。本実施例の脚式ロボット２１０では、足先の座標と、左スライド関節２１６Ｌにおける左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａの位置および各回転関節の回転角の間で正変換あるいは逆変換を行う必要がある。このとき、脚式ロボット２１０の場合は、左スライド関節２１６Ｌを、点Ｐの位置に配置された仮想的な回転関節２５２Ｌと、仮想的なリンク２５０Ｌで置き換えることによって、体幹リンク２１２と左脚部２２０Ｌとが回転関節により連結されているものとして正変換や逆変換を行うことができる。その正変換や逆変換の計算結果から、左スライド関節２１６Ｌ上の左脚部２２０Ｌの端部２２４Ｌａの位置を求めることができる。左スライド関節２１６Ｌを用いているにも関わらずに、正変換や逆変換を簡単に行うことができる。
【００４５】
本実施例の脚式ロボット２１０では、図５に示すように、左スライド関節２１６Ｌは、ＸＹＺ座標系のＸＺ平面に平行な平面内で点Ｐを中心として左脚部２２０Ｌと体幹リンク２１２を相対的に回転する。即ち、左スライド関節２１６Ｌはピッチ関節であり、その回転中心が点Ｐであると換言できる。またスライド関節２１６Ｌの回転中心である点Ｐは、他のピッチ関節（左第１ピッチ関節２３２Ｌと左第２ピッチ関節２３６Ｌ）の回転軸Ｓ２とＳ５よりも上方に位置している。即ち、左スライド関節２１６Ｌは最高位ピッチ関節である。そしてその最高位ピッチ関節の回転中心である点Ｐが、体幹リンク２１２の重心位置Ｇよりも上方に位置する関係になっている。
前述したように、一対の脚部を前後方向に揺動させながら歩行する脚式ロボットでは、歩行時の体幹リンクの動作は主に最高位ピッチ関節の回転中心の回りの揺動である。従って、体幹リンク２１２に作用する重力は、体幹リンク２１２の重心位置Ｇを最高位ピッチ関節の回転中心である点Ｐの下方へ移動させる方向に作用する。即ち、重力は、歩行時の体幹リンク２１２の前後方向の揺動を抑制する方向に作用する。脚式ロボット２１０は、歩行時に体幹リンク２１２の前後方向の揺動が小さい脚式ロボットとなっている。
【００４６】
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。
【００４７】
第１実施例の脚式ロボット１０では、体幹リンク１２と脚部２０Ｒ、２０Ｌを連結する関節が最高位ピッチ関節であった。また、第３実施例の脚式ロボット２１０では、体幹リンク２１２と脚部２２０Ｒ、２２０Ｌを連結するスライド関節２１６Ｒ、２１６Ｌが最高位ピッチ関節であった。脚部の上端リンクと体幹リンクを連結する関節を股関節と称すると、第１実施例の脚式ロボット１０と第３実施例の脚式ロボット２１０は、体幹リンクの重心位置より上方に回転中心を有する最高位ピッチ関節が股関節であるということができる。最高位ピッチ関節が体幹リンクと脚部を連結する股関節である必要はない。体幹リンクと脚部を連結する関節がロール関節（或いはヨー関節）であり、脚部が有する他の関節が最高位ピッチ関節であっても、その最高位ピッチ関節の回転中心が体幹リンクの重心位置よりも上方に位置していれば、実施例の脚式ロボットと同じ効果を得ることができる。また、体幹リンクの重心位置よりも上方に回転中心を有するピッチ関節が各脚部に２つ以上存在してもよい。
【００４８】
第３実施例では図５に示すように左脚部２２０Ｌ（右脚部２２０Ｒ）は、ロール関節２３０Ｌ（２３０Ｒ）とピッチ関節２３２Ｌ（２３２Ｒ）を複合した複合関節２２６Ｌ（２２６Ｒ）を用いたが、ロール関節２３０Ｌ（２３０Ｒ）とピッチ関節２３２Ｌ（２３２Ｒ）を別のリンクにより直列に連結してもよい。他方の複合関節２２８Ｌ（２２８Ｒ）についても同様である。
【００４９】
また、第３実施例では、スライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒを体幹リンク２１２の下面に設けたが、一対のスライド関節２１６Ｌ、２１６Ｒの夫々を、体幹リンク２１２の両体側両に一つずつ設けてもよい。そのような構造によっても、歩行時に体幹リンクの前後方向の揺動を抑えることができ、体幹リンクの位置を低くしたまま大きい歩幅の脚式ロボットを実現することができる。
【００５０】
また、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】
【００５１】
【図１】図１（Ａ）は第１実施例の脚式ロボットの正面図である。図１（Ｂ）は第１実施例の脚式ロボットの側面図である。
【図２】脚式ロボットの歩行中のある瞬間における側面図である。
【図３】倒れる瞬間における脚式ロボットの側面図である。
【図４】第２実施例の脚式ロボットの側面図である。
【図５】図５（Ａ）は、第３実施例の脚式ロボットの平面図である。図５（Ｂ）は、第３実施例の脚式ロボットの側面図である。図５（Ｃ）は、第３実施例の脚式ロボットの背面図である。
【図６】第２実施例の脚式ロボットの歩行中のある瞬間における側面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０、１１０、２１０：脚式ロボット
１２、１１２、２１２：体幹リンク
２０Ｌ、２０Ｒ、２２０Ｌ、２２０Ｒ：脚部
１１４：座席
１１４Ａ：座面
２１６Ｌ、２１６Ｒ：スライド関節
２４０Ｌ、２４０Ｒ：レール
２４１Ｌ、２４１Ｒ：スライド部材
【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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