(57)【要約】【課題】不整地等の環境の好ましくない床面上を歩行可能な脚式の歩行ロボットにおいて、歩行に要する消費エネルギーを可及的に抑制するとともに、ロボットの安定性を確保する。【解決手段】複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を少なくとも三本有し、該脚の駆動により床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、脚６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃが接続される胴体部６０１と、脚の関節部を駆動する駆動手段と、胴体部に設けられ、床面と接触し該胴体部を支持可能とする支持部６０ａ、６０ｂ、６０ｃと、駆動手段によって脚の関節部を駆動して床面の歩行を行うとともに、該歩行のサイクルにおいて支持部により胴体部が支えられる状態を所定割合迎えるように脚の駆動を行う歩行制御手段と、を備える。【選択図】図６Ａ
2008119820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を少なくとも三本有し、該脚の駆動により床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、
前記脚が接続される胴体部と、
前記脚の関節部を駆動する駆動手段と、
前記胴体部に設けられ、前記床面と接触し該胴体部を支持可能とする支持部と、
前記駆動手段によって前記脚の関節部を駆動して前記床面の歩行を行うとともに、該歩行のサイクルにおいて前記支持部により前記胴体部が支えられる状態を所定割合迎えるように前記脚の駆動を行う歩行制御手段と、
を備える、歩行ロボット。
【請求項２】
前記支持部は、前記床面と少なくとも三点で接触し、前記胴体部を支持可能とする突起形状を有する、請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
前記支持部は、前記胴体部の前記脚が接続される接続箇所より前記床面側の胴体下部に設けられている、請求項１又は請求項２に記載の歩行ロボット。
【請求項４】
前記脚のそれぞれにおける関節部は、少なくとも、水平軸を回転中心とする二つの水平関節部と鉛直軸を回転中心とする一つの鉛直関節部とで構成される、請求項１から請求項３の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項５】
前記歩行制御手段は、
前記支持部により前記胴体部が支持された状態で前記脚のうち少なくとも一本を該歩行のために、前記駆動手段によって駆動する腹這いモードと、
前記支持部を前記床面から離し前記胴体部を歩行進行方向に移動させるべく、前記駆動手段によって前記脚のうち少なくとも一部を駆動する移動モードと、
を繰り返し実行することで前記床面上の歩行を行う、請求項１から請求項４の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項６】
前記歩行制御手段は、前記腹這いモードでは、前記支持部により前記胴体部が支持された状態で全ての前記脚を前記駆動手段によって駆動するか、又は該支持部により該胴体部が支持され且つ少なくとも一本の前記脚が着床した状態で残りの前記脚を該駆動手段によって駆動する、請求項５に記載の歩行ロボット。
【請求項７】
前記腹這いモードにおいて前記胴体部が前記支持部によって支持された状態で前記脚を前記床面に近づけるとき、又は前記移動モードから前記腹這いモードに至るべく前記支持部を着床しようとするとき、該脚又は該支持部が該床面から受ける衝撃を緩和するべく、前記駆動手段による該脚の駆動を制御する衝撃緩和手段を、更に備える、請求項５又は請求項６に記載の歩行ロボット。
【請求項８】
前記駆動手段は、供給電力によって前記脚の関節部の駆動を行う駆動用モータであって、
前記衝撃緩和手段は、前記脚が前記床面に近づくに従い又は前記支持部が該床面に着床しようとするに従い、前記駆動用モータへの供給電力を低下させる、請求項７に記載の歩行ロボット。
【請求項９】
前記衝撃緩和手段は、前記床面に近づけられる前記脚又は前記支持部と、前記床面との相対位置関係にかかわらず、前記歩行ロボットに固定された座標上で決定される第一の独立基準位置に該脚又は該支持部が至ったときに、前記駆動用モータへの供給電力の低下を
開始する、請求項８に記載の歩行ロボット。
【請求項１０】
前記脚の関節部を機械的に制動する制動手段を、更に備え、
前記駆動手段は、供給電力によって前記脚の関節部の駆動を行う駆動用モータであって、
前記脚が前記床面に近づくに従い又は前記支持部が該床面に着床しようとするに従い、前記駆動用モータへの供給電力を低下させるとともに、前記歩行制御手段によって前記支持部で前記胴体部が支持された状態で前記脚を駆動し、該脚が床面に接触した後、該駆動用モータへの供給電力を低下させた状態で前記制動手段によって該脚の関節部を機械的に制動する、請求項１から請求項６の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項１１】
前記駆動手段が、前記脚の関節部をフィードバック制御によって駆動するように構成され、且つ前記制動手段によって機械的に制動されている関節部におけるフィードバックループゲインは実質的にゼロである、請求項１０に記載の歩行ロボット。
【請求項１２】
前記脚の前記関節部を機械的に制動する制動手段を、更に備え、
前記駆動手段は、前記脚の関節部をフィードバック制御によって駆動し、
前記歩行制御手段によって前記床面上の歩行を行うとき、少なくとも一つの前記脚の前記鉛直関節部を前記制動手段によって制動した後、フィードバックループゲインを実質的にゼロとする、請求項４に記載の歩行ロボット。
【請求項１３】
前記駆動手段は、前記脚の関節部をフィードバック制御によって駆動し、
前記歩行制御手段によって前記床面上の歩行を行うとき、少なくとも一つの前記脚の前記水平関節部のフィードバックループゲインを実質的にゼロとする、請求項４に記載の歩行ロボット。
【請求項１４】
前記駆動手段は、供給電力によって前記脚の関節部の駆動を行う駆動用モータであって、
前記歩行制御手段によって前記床面上の歩行を行うとき、全ての前記脚のうち一の脚において、少なくとも一の前記水平関節部を駆動する前記駆動用モータへの供給電力を低下させる、請求項４に記載の歩行ロボット。
【請求項１５】
前記歩行ロボットが前記脚又は前記支持部を前記床面から遠ざけるべく前記駆動用モータに対して駆動指令を与えるとき、前記衝撃緩和手段は、該駆動指令における位置目標値が、該脚又は該支持部と、該床面との相対位置関係にかかわらず前記歩行ロボットに固定された座標上で決定される第二の独立基準位置から遠ざかるに従い、供給電力が低下させられている駆動用モータへの供給電力を回復させる、請求項８又は請求項９に記載の歩行ロボット。
【請求項１６】
全ての前記脚には前記床面に着床して回転自在に支持された車輪が設けられ、そのうち少なくとも一つの車輪は車輪駆動装置によって駆動される駆動輪であるように構成されており、
前記歩行制御手段は、全ての前記脚における関節部のうち少なくとも一部を固定した状態で、前記車輪駆動装置によって前記駆動輪を駆動して前記床面上を移動する車輪移動を、更に行う、請求項１から請求項１５の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項１７】
全ての前記脚には前記床面に着床して回転自在に支持された車輪が設けられ、そのうち少なくとも一つの車輪はその回転方向を常時または一時的に一方向のみに制限する回転制限機構を有する回転方向制限車輪であるように構成されており、
前記歩行制御手段は、前記回転制限機構によって前記回転方向制限車輪の回転方向が制
限された状態の下で、該回転方向制限車輪を有する前記脚の関節部を駆動することで、前記床面上を移動する車輪移動を、更に行う、請求項１から請求項１５の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項１８】
前記支持部は、少なくとも一つの関節部を有し且つ前記脚よりも長さの短い短脚であって、
前記歩行制御手段により前記床面上の歩行が行われるとき、該床面の状況に応じて前記短脚の関節部を駆動して、前記胴体部から該短脚の先端部までの長さを調整する、請求項３に記載の歩行ロボット。
【請求項１９】
前記短脚の関節部は空気圧によって駆動可能に構成され、且つ該短脚が前記床面に着床する際の、該床面からの反力に対抗する方向に該空気圧が作用している、請求項１８に記載の歩行ロボット。
【請求項２０】
前記脚を構成するリンク部材のうち先端側のリンク部材に取り付けられ、前記歩行ロボットの歩行時に該床面と接触する接地部を、更に備え、
前記接地部が取り付けられた脚が持ち上げられていた状態から前記床面に接触して前記胴体部を歩行進行方向に移動させる状態において、前記接地部上の該床面との接触部位は、該歩行進行方向への移動に応じて該接地部上を動く、
請求項１から請求項６の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項２１】
前記接地部は、前記床面との接触面が円状又は円弧状に形成された柱状の形状を有し、
前記柱状の接地部の中心軸は、前記歩行ロボットの歩行時における前記先端側のリンク部材の回転駆動の中心軸と平行である、
請求項２０に記載の歩行ロボット。
【請求項２２】
前記接地部は、前記接触面において、その中央部がその両端部より突出した形状となっており、且つ該中央部と該両端部とは連続的につながっている、
請求項２１に記載の歩行ロボット。
【請求項２３】
前記接地部は、前記接触面上に、前記床面と前記歩行ロボットとの間に生じる摩擦状態を調整するために選択可能な、複数の所定の摩擦状態発生領域が設けられている、
請求項２０から請求項２２の何れかに記載の歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも三本の脚を有し、該脚により歩行運動が可能な歩行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
段差や不整地を移動できるロボットの移動機構には、クローラや車輪、脚等が挙げられる。この不整地には山林があり、山林は植物の成育に適しているとは言えないような痩せた土地であることが多く、表土は厚みも薄く、ロボットがクローラなどで走行すると、この薄い表土が削られ、次の降雨で流されてしまう。その点、脚式移動のロボットは表土を傷めることが少なく、山林保全の作業には適している。また人工構造物である階段でも、車輪・クローラは相手の階段を傷めてしまう虞がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、移動ロボットの左右両側においてクローラを設け、それぞれのクローラを駆動する駆動ホイールと走行モータおよびクローラの回転を支持する遊転ホイールが備えられている。そして、更に、両クローラの中央部には、正逆方向に回転方向を切換え可能な中央ホイールと中央モータが備えられている。これにより、移動ロボットの旋回性を高めることが可能となる。
【０００４】
また、特許文献２には、前後左右にブームとアームで構成される脚を有する歩行ロボットが開示されている。この歩行ロボットにおいては、左右前後の四本の脚の先端に、球状の足首部材と、その足首部材に回転可能に取り付けられ床面に接触する脚座と、その脚座が自重で回転しないようにする部材とを設けることで、平坦面や傾斜面等における歩行ロボットの歩行安定性を確保することが可能となる。
【特許文献１】特開２００５−１１１５９５号公報
【特許文献２】特開２００６−２５５８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
クローラや車輪を利用して床面上の移動を行うロボットは、その床面に対する影響が大きい。従って、床面への影響を考慮すると、脚式による歩行ロボットが優れていることになるが、以下のような問題が挙げられる。即ち、移動を行うロボットにおいて、車輪やクローラを利用するものは基本的に「前進」と「操舵」の２自由度があれば移動目的を達成できるが、脚式のものはこのような一般的な理論が成立しない。例えば二足歩行を行うロボットでは、脚の先端を空間上の任意の座標に移動するために３自由度、更にその点での傾き角度を任意に定めるために３自由度必要であるから片脚につき６自由度、合計１２自由度が必要とされる。また四足歩行を行うロボットでは、脚の先端の傾きは安定性には寄与しないため、該先端の位置だけ任意に決定出来ればよいので、脚一本当たり３自由度、合計１２自由度が必要である。以降脚の数が増えても、一脚当たりの自由度は３あれば良いので、これに脚の本数を乗じた数が必要な自由度となる。
【０００６】
一般的に、ロボットの脚の１自由度の構成は、モータと減速機及び角度センサであるエンコーダやその処理回路、モータ増幅器（アンプ）などがあり、必要とされる自由度が増えれば増える程、脚全体の重量が増え、コストも上昇し、且つ市場に於ける故障率も飛躍的に増大する。そして、モータはエネルギーを消費する機器であるから、自由度が増えること自体が消費エネルギーの増大を意味し、それに重量増加が追い打ちをかけてエネルギー消費を増やす結果となる。
【０００７】
脚式のロボットにおいて、ロボットの姿勢の安定化等の観点から、脚の本数を増やしたいと言うニーズは存在するが、その歩行時の安定性の確保や、歩行に伴う重心の移動を簡略化したい等の理由から、簡単に一番自由度の少ない四脚や二脚に議論を集約できないでいる。これは車輪やクローラが少なくとも２つのモータさえあれば移動できるのに比べて、脚式ロボットの実用化を著しく困難にしている。
【０００８】
そして、歩行ロボットの脚の本数を増加させた場合、エネルギー消費の問題以外に歩容生成の上でも問題が起きる。歩容とはロボットが歩いているときの容姿のことであり、工学的には構成する関節の角度の時系列データの集合のことである（歩容の具体的な事例については後述する）。つまり脚の本数が多いロボットでは、脚同士が干渉しあってぶつかるので、歩幅が広く取れなくなるという問題が発生する。脚同士が過って干渉すると、脚の故障へと帰結する。
【０００９】
また、脚式のロボットは段差や凹凸のある不整地に適した移動を行うことが可能であるが、一般にその脚の高さによってロボットの重心が高くなりロボットの安定性が低下する。この点、クローラや車輪を利用して床面上の移動を行うロボットにおいては、重心を低く保つことが可能となるため、安定性は確保されている。即ち、脚式のロボットは、不整地の移動性を確保するという点と、ロボットの安定性を確保するという、相反する点を両立しなければならない。
【００１０】
本発明では、上記した問題に鑑み、不整地等の歩きにくい床面上を歩行可能な脚式の歩行ロボットにおいて、歩行に要する消費エネルギーを可及的に抑制するとともに、ロボットの安定性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、上記の課題を解決するために、本発明では、歩行ロボットの胴体部に、その胴体部を支持可能な支持部を設け、脚による歩行時にこの支持部を利用することで、歩行ロボットの歩行における消費エネルギーの低減と、歩行時の安定性の確保を両立した。より詳細には、本発明に係る歩行ロボットは、複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を少なくとも三本有し、該脚の駆動により床面上の歩行を行う歩行ロボットであって、前記脚が接続される胴体部と、前記脚の関節部を駆動する駆動手段と、前記胴体部に設けられ、前記床面と接触し該胴体部を支持可能とする支持部と、前記駆動手段によって前記脚の関節部を駆動して前記床面の歩行を行うとともに、該歩行のサイクルにおいて前記支持部により前記胴体部が支えられる状態を所定割合迎えるように前記脚の駆動を行う歩行制御手段と、を備える。
【００１２】
上記歩行ロボットは、歩行制御手段によって、駆動手段を介して各脚が駆動されることで歩行動作を行う。ここで、この歩行ロボットは少なくとも三本の脚を有するが、これは歩行ロボットの安定性の確保のためである。そして、その観点からは脚の数が多いほど好ましいが、上述したように脚の数が多くなるに従い、脚同士の干渉や脚数の増加による歩行ロボット重量の増加や消費エネルギーの増加が懸念されるため、実施の形態に応じて歩行ロボットの脚数は決定すればよい。
【００１３】
ここで、本発明に係る歩行ロボットの特徴点は、胴体部に設けられた支持部と、この支持部を利用した、歩行制御手段による歩行ロボットの歩行である。この支持部は、床面との接触時に歩行ロボットの胴体部を支持可能とする。そして、歩行制御手段によって歩行を行うとき、脚による歩行サイクルにおいて、この支持部によって胴体部が支持される状態が所定割合迎えられることになる。即ち、歩行ロボットが歩行を行うとき、その胴体部は支持部によって支持されるため、その脚は歩行ロボットを支持する必要がなくなり、以てその間は脚の駆動に要する消費エネルギーは、自重を支える必要がなくなる分だけ少な
くなる。歩行ロボットの歩行サイクルにおいて、脚による胴体部の移動と、支持部による胴体部の支持が繰り返されることで、歩行ロボットが歩行するが、この支持部による胴体部の支持が行われるときは、歩行ロボットの姿勢維持に要する消費エネルギーがなくなるため、全体として歩行ロボットの歩行における消費エネルギーは低減される。
【００１４】
また、脚による胴体部の移動については、歩行ロボットは脚を少なくとも三本有しているためその安定性は確保されている。このように歩行ロボットの脚数を少なくとも三本とするのは、凹凸のある床面に対して特別な制御を行なうことなく、そして三脚には概ね均一な接地力が得られ、姿勢の安定が比較的容易に得られるからである。また、脚数が四本以上になれば、一般的に各脚先端に接地センサか、若しくは更に複雑でコストの高い力センサが必要となるため、各脚の制御が複雑になる等の理由で脚数は好ましくは三本である。更に、支持部によって胴体部が支持されるときは、脚が床面に着床しているか否かに関係なく歩行ロボットの安定性は確保されており、この支持部を歩行ロボットのより低い位置、即ち床面に近い位置に設けることで、支持部での胴体部の支持時には歩行ロボットの重心位置をより低い位置とすることができ、安定性への更なる寄与が図られる。
【００１５】
尚、上記所定割合は、歩行ロボットの歩行の形態に応じて適宜変更することが可能である。即ち、歩行ロボットの姿勢を維持する時間が比較的長くなるような歩行を行う場合は、支持部による胴体部の支持が行われる割合が長くなるように歩行サイクルを調整すればよい。以上より、本発明に係る歩行ロボットでは、歩行ロボットの歩行に要する消費エネルギーの低減と、歩行ロボットの安定性の確保の両立を図ることが可能となる。
【００１６】
ここで、上記歩行ロボットにおいて、前記支持部は、前記床面と少なくとも三点で接触し、前記胴体部を支持可能とする突起形状を有してもよい。三点で支持する理由は、上記脚数を三本とする理由と概ね同様である。支持部が少なくとも三点で胴体部を支持することで、歩行ロボットの安定性は確保される。更には、この突起形状の長さを十分に短くすれば、これらで胴体部が支持されているときの歩行ロボットの重心位置をより低くすることができ、歩行ロボットの転倒を確実に防ぐことができる。従って、歩行ロボットが有する上記脚が三本であって、更に支持部が三点で胴体部を支持するような場合は、歩行ロボットにはいわゆる「脚」が六本設けられた状態とも言える。即ち、本発明の歩行ロボットは、その六脚のうち三本が駆動関節を持ち、残りの三本は退化して駆動関節がなくなり、且つ長さも短くなると同時に駆動関節を持つ前記駆動三脚とは干渉しないように、立体的に交差するような配置をしている歩行ロボットと見ることもできる。この立体的な配置により前記駆動三脚の可動範囲を格段に広くすることが可能となる。また、前記支持部は、前記胴体部に対して交換可能な態様で組みつけられ、且つ高さの異なる複数種類の支持部が用意されていて、作業現場の状況に応じて交換できるようにしても良い。
【００１７】
また、上記歩行ロボットにおいて、前記支持部は、前記胴体部の前記脚が接続される接続箇所より前記床面側の胴体下部に設けられるようにしてもよい。脚と同体部との接続箇所より下側に支持部が設けられることで、支持部による胴体部の支持を確実に行えるとともに、支持部と脚との干渉を可及的に抑制することが可能となる。更に、このような構成とすることで、脚を比較的大きく広げることが可能となるため、必要に応じて脚によって歩行ロボットの姿勢をより安定的に保持することも可能となる。
【００１８】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、前記脚のそれぞれにおける関節部は、少なくとも、水平軸を回転中心とする二つの水平関節部と鉛直軸を回転中心とする一つの鉛直関節部とで構成されるようにしてもよい。少なくとも一つの鉛直関節部と二つの水平関節部によって、歩行ロボットの脚を三自由度で制御することが可能となり、歩行ロボットの歩行をより円滑に行うことが可能となる。
【００１９】
ここで、上述までの歩行ロボットにおいて、前記歩行制御手段は、前記支持部により前記胴体部が支持された状態で前記脚のうち少なくとも一本を該歩行のために、前記駆動手段によって駆動する腹這いモードと、前記支持部を前記床面から離し前記胴体部を歩行進行方向に移動させるべく、前記駆動手段によって前記脚のうち少なくとも一部を駆動する移動モードと、を繰り返し実行することで前記床面上の歩行を行うようにしてもよい。
【００２０】
腹這いモードにおいては、支持部によって胴体部が支持されることになるので、脚で歩行ロボットを支持する必要がなくなるため、駆動手段を介して脚を駆動する必要がなくなり、以て消費エネルギーの低減に寄与する。一方で、移動モードでは、歩行ロボットの胴体部が移動することになるので、これにより実質的に歩行ロボットの歩行が実行される。従って、この腹這いモードと移動モードによって構成される歩行ロボットの歩行サイクルにおいて、腹這いモードが占める割合が上記所定割合に相当する。
【００２１】
ここで、前記歩行制御手段は、前記腹這いモードでは、前記支持部により前記胴体部が支持された状態で全ての前記脚を前記駆動手段によって駆動するか、又は該支持部により該胴体部が支持され且つ少なくとも一本の前記脚が着床した状態で残りの前記脚を該駆動手段によって駆動するようにしてもよい。
【００２２】
前記支持部により前記胴体部が支持された状態で全ての前記脚を前記駆動手段によって駆動する場合は、歩行ロボットの胴体部の支持は支持部に完全に任せて、それと同時に歩行ロボットの移動のための準備として、脚の駆動が行われることになる。従って、この場合は、歩行ロボットの移動をより早く行うことが可能となる。また、該支持部により該胴体部が支持され且つ少なくとも一本の前記脚が着床した状態で残りの前記脚を該駆動手段によって駆動する場合は、腹這いモードにおいても、少なくとも一本の脚が着床していることになるので、腹這いモードでの胴体部の安定性がより高くなる。しかし、この場合、残した脚を改めて移動のために動かす必要があるので、歩行ロボットの移動速度は低くなる。
【００２３】
また、上記の歩行ロボットについて、前記腹這いモードにおいて前記胴体部が前記支持部によって支持された状態で前記脚を前記床面に近づけるとき、又は前記移動モードから前記腹這いモードに至るべく前記支持部を着床しようとするとき、該脚又は該支持部が該床面から受ける衝撃を緩和するべく、前記駆動手段による該脚の駆動を制御する衝撃緩和手段を、更に備えるようにしてもよい。
【００２４】
上記の腹這いモードと移動モードを繰り返すことで歩行を行う歩行ロボットにおいて、支持部が床面と接触している状態で脚が床面に接触するとき、または逆に脚が床面に接触している状態で支持部が床面に接触するとき、即ち、移動モードから腹這いモードに至ろうとするとき、それぞれ脚や支持部が床面に接触した際に、歩行ロボットに対して比較的大きな衝撃が加わる。この衝撃はもちろん歩行ロボットに対して故障等の要因となる影響を及ぼす可能性がある。そこで、本発明に係る歩行ロボットでは、更に上記の衝撃緩和手段を備えようとするものである。
【００２５】
この衝撃緩和手段をより具体的に示すと、前記駆動手段が、供給電力によって前記脚の関節部の駆動を行う駆動用モータである場合、前記衝撃緩和手段は、前記脚が前記床面に近づくに従い又は前記支持部が該床面に着床しようとするに従い、前記駆動用モータへの供給電力を低下させるようにしてもよい。駆動用モータへの供給電力を低下させることで、そこで発生する駆動力が低下し、結果的に脚の関節部の剛性が低下する。そのため、床面から受ける衝撃から歩行ロボットを保護することが可能となる。
【００２６】
駆動用モータへの供給電力の低下に関しては、該駆動用モータがフィードバック制御に
よって駆動される場合には、そのフィードバック制御におけるフィードバックループゲインを低下させるようにしてもよい。また、このようなフィードバックループゲインの変更に代えて、駆動用モータへの供給電力を単純にオン、オフするようにしてもよい。いずれの場合においても、モータへの供給電力が低下することが重要な構成要件であり、具体的な供給電力低下の手法は、歩行ロボットの具体的な構成に応じて、適宜選択すればよい。
【００２７】
また、上記の歩行ロボットにおいて、前記衝撃緩和手段は、前記床面に近づけられる前記脚又は前記支持部と、前記床面との相対位置関係にかかわらず、前記歩行ロボットに固定された座標上で決定される第一の独立基準位置に該脚又は該支持部が至ったときに、前記駆動用モータへの供給電力の低下を開始するようにしてもよい。
【００２８】
即ち、上記の駆動用モータへの供給電力の低下を、歩行ロボットに対する床面の相対位置関係をセンシングすることなく行おうとするものである。脚や支持部の位置は、歩行ロボット側では認識することが可能であるので、この認識されたそれぞれの位置と、歩行ロボット側で独立して決定される第一の独立基準位置とを比較して、床面が脚や支持部に対して近づいてきたことを推定し、その推定結果に基づいて供給電力の低下を行う。第一の独立基準位置としては、床面に着床している脚の関節部の位置等に基づいて決定される仮想位置や、その設置している脚の接触部を結んで構成される仮想面による位置等が挙げられる。このようにすることで、床面のセンシングを行うセンサーを搭載する必要がなくなる。尚、本発明においては、脚先端部と床面との相対距離をセンシングする手段を備え、当該相対距離が所定値を割り込んだときに、上記供給電力の低下を行なうことを排除するものではない。
【００２９】
ここで、上記の歩行ロボットにおいて、前記脚の関節部を機械的に制動する制動手段を、更に備える場合、前記歩行制御手段によって前記支持部で前記胴体部が支持された状態で前記脚を駆動し、該脚が床面に接触した後、該脚の関節部の前記駆動用モータへの供給電力を低下させた状態で、前記制動手段によって該脚の関節部を機械的に制動するようにしてもよい。即ち、制動手段によって機械的に脚の関節部を制動することで、脚の姿勢維持にエネルギーを消費することなく、歩行ロボットを安定的に姿勢維持することが可能である。ここで該脚が床面に接触したかどうかは、センサで検知してもよく、上記の推定法で推定してもよい。
【００３０】
同様に歩行ロボットの姿勢維持を安定的に行うために、上記の歩行ロボットが前記脚の関節部を機械的に制動する制動手段を、更に備え、また前記駆動手段は、供給電力によって前記脚の関節部の駆動を行う駆動用モータである場合に、前記脚が前記床面に近づくに従い又は前記支持部が該床面に着床しようとするに従い、前記駆動用モータへの供給電力を低下させていき、前記歩行制御手段によって前記支持部で前記胴体部が支持された状態で前記脚を駆動し、該脚が床面に接触した後、該駆動用モータへの供給電力を低下させた状態で前記制動手段によって該脚の関節部を機械的に制動するようにしてもよい。
【００３１】
そして、このとき前記駆動手段が、前記脚の関節部をフィードバック制御によって駆動するように構成され、且つ前記制動手段によって機械的に制動されている関節部におけるフィードバックループゲインは実質的にゼロとしてもよい。このようにすることで、関節部の駆動のために駆動手段で消費されるエネルギーを、より確実に抑制することが可能となる。この「実質的にゼロ」とは、フィードバックループゲインを完全にゼロとする以外にも、関節部を機械的に制動し駆動手段で消費されるエネルギーを抑制するために該ゲインを極めて小さな値とするのも含むものである。
【００３２】
また、本発明に係る歩行ロボットの脚が、上記の少なくとも二つの水平関節部と少なくとも一つの鉛直関節部で構成される場合において、前記脚の前記関節部を機械的に制動す
る制動手段を、更に備え、且つ前記駆動手段は、前記脚の関節部をフィードバック制御によって駆動するとき、前記歩行制御手段によって前記床面上の歩行時には、少なくとも一つの前記脚の前記鉛直関節部におけるフィードバックループゲインを実質的にゼロとし且つ前記制動手段によって該鉛直関節部を機械的に制動するようにしてもよい。特に、制動手段による制動は、フィードバックループゲインを低下させる前に実施されていることがの望ましい。この「実質的にゼロ」についても、上記の場合と同様である。
【００３３】
全ての鉛直関節部を機械的に制動すると、歩行ロボットはその向きを変えることはできなくなるが、向きを変える必要がないときはこのようにすることで、鉛直関節部に対応する駆動手段で消費されるエネルギーを抑制することが可能となる。３脚のうち、１脚の鉛直関節部は制御可能な状態にしておき、残りの鉛直関節部を機械的に制動する場合には、小回り性能は多少落ちるが向きを変える機能は残っている。この場合は三分の二の鉛直関節部で消費するエネルギーが節約できる。消費エネルギーの抑制の観点から、好ましくは全ての鉛直関節部において機械的制動をかけた後、フィードバックループゲインを実質的にゼロとする。
【００３４】
そして、上記の状態から、全ての前記脚のうち着地している一つの脚において、該着地している一つの脚を構成する一つの水平関節部のフィードバックループゲインを更に実質的にゼロとしてもよい。即ち、この一つの脚については、それが有する一つの水平関節部のフィードバックループゲインが実質的にゼロとされることで、該水平関節部が能動的に動かなくなり外力によって受動的にのみ動くことになる。そのとき該一つの脚の自由度は低下するが、該脚の着地点で該脚と地面との間に滑りが無い状況下では、歩行ロボットの歩行を阻害する可能性はない。そこで、このように一つの脚において、その一つの水平関節部の電力供給を実質的に停止することで、そこでの消費エネルギーをゼロとすることが可能となる。また、水平関節部のフィードバックループゲインのゼロ化については、例示ように鉛直関節部に制動を加えた後で該鉛直関節部のフィードバックゲインをゼロにすることは必ずしも必要条件ではなく、該水平関節部について単独に行ってもよい。
【００３５】
また、歩行ロボットの脚が、少なくとも、二つの上記水平関節部と一つの上記鉛直関節部で構成される場合であって、且つ前記駆動手段は、供給電力によって前記脚の関節部の駆動を行う駆動用モータである場合、前記歩行制御手段によって前記床面上の歩行を行うとき、全ての前記脚のうち一の脚において、少なくとも一の前記水平関節部を駆動する前記駆動用モータへの供給電力を低下させるようにしてもよい。上述したように、水平関節部への供給電力が低下されて該関節部の能動的な動作性が低下しても、歩行ロボットの歩行を大きく阻害する可能性は低い。そこで、水平関節部への供給電力を低下させることで、歩行ロボットの歩行時における消費エネルギーの低減を図るものである。
【００３６】
また、本発明に係る歩行ロボットが上記衝撃緩和手段を有する場合、前記歩行ロボットが前記脚又は前記支持部を前記床面から遠ざけるべく前記駆動用モータに対して駆動指令を与えるとき、前記衝撃緩和手段は、該駆動指令における位置目標値が、該脚又は該支持部と、該床面との相対位置関係にかかわらず前記歩行ロボットに固定された座標上で決定される第二の独立基準位置から遠ざかるに従い、供給電力が低下させられている駆動用モータへの供給電力を回復させるようにしてもよい。即ち、歩行ロボットの脚が緩和衝撃手段によって床面に接触させられた後にその脚を駆動しようとするとき、供給電力が低下させられている関節部に対しては、該関節部を駆動する駆動モータへの駆動指令に基づいて、該関節部の駆動用モータへの供給電力を次第に回復させることで、その関節部の駆動を元に戻すものである。ここで、第二の独立基準位置とは、上記の第一の独立基準位置と同様に、歩行ロボットを基準として決定される仮想的な基準位置であって、駆動用モータへの駆動指令がこの仮想的な基準位置をから遠ざかることを以て、供給電力が低下させられている関節部の剛性を元に戻しても、歩行ロボットへの衝撃の問題が発生しないと判断す
る。尚、この第二の独立基準位置は、上記第一の独立基準位置と同じであっても、異なるものであっても何れでもよい。これにより、脚や支持部の着床時の衝撃を緩和しながらも、歩行ロボットの歩行時の脚の駆動を円滑に行うことが可能となる。
【００３７】
ここで、上述までの歩行ロボットにおいて、全ての前記脚には前記床面に着床して回転自在に支持された車輪が設けられ、そのうち少なくとも一つの車輪は車輪駆動装置によって駆動される駆動輪であるように構成されている場合、前記歩行制御手段が、全ての前記脚における関節部のうち少なくとも一部を固定した状態で、前記車輪駆動装置によって前記駆動輪を駆動して前記床面上を移動する車輪移動を、更に行うようにしてもよい。
【００３８】
即ち、本発明に係る歩行ロボットにおいて、脚と支持部による歩行の他に、駆動輪による移動を選択的に行うことを可能とする、所謂ハイブリッドタイプの歩行ロボットの開示である。これにより、床面が比較的荒れている等の場合には、上記脚および支持部による歩行を行い、床面が比較的平坦であるような場合には、駆動輪による車輪移動を選択することで、歩行ロボットの移動全体で消費エネルギーをより効率的に抑制することが可能となる。尚、上記の駆動輪又は駆動輪以外の車輪、及び車輪駆動装置は、前記脚に設けられるのに代えて、支持部に設けられるようにしてもよい。
【００３９】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、全ての前記脚に設けられ、前記床面に着床し且つ回転自在に支持される駆動輪又は従動輪と、全ての前記駆動輪又は従動輪のうち少なくとも一つの駆動輪又は従動輪に対して設けられ、該少なくとも一つの駆動輪又は従動輪の回転を常時一方向のみに制限し、又は一時的にその回転を制限する回転制限機構と、を備え、前記歩行制御手段は、前記回転制限機構によって前記少なくとも二つの駆動輪又は従動輪の回転が制限された状態で、該少なくとも二つの駆動輪又は従動輪を有する前記脚の関節部を駆動することで、前記床面上を移動する車輪移動を、更に行うようにしてもよい。また、別の側面から表現すると、上述までの歩行ロボットにおいて、全ての前記脚には前記床面に着床して回転自在に支持された車輪が設けられ、そのうち少なくとも一つの車輪はその回転方向を常時または一時的に一方向のみに制限する回転制限機構を有する回転方向制限車輪であるように構成されており、前記歩行制御手段は、前記回転制限機構によって前記回転方向制限車輪の回転方向が制限された状態の下で、該回転方向制限車輪を有する前記脚の関節部を駆動することで、前記床面上を移動する車輪移動を、更に行うようにしてもよい。
【００４０】
この回転制限機構を用いて上記少なくとも二つの駆動輪又は従動輪、もしくは上記回転方向制限車輪（以下、単に「対象駆動輪等」という）の回転が制限された状態で、歩行制御手段が、その対象駆動輪等が設けられた脚の関節部を、対象駆動輪等が回転しない方向に駆動すると、その脚は該対象駆動輪等のロック状態によって、他の脚に対して歩行ロボットを歩行させる反力を付与させることになる。この結果、歩行ロボット自身に備えられている各関節部の駆動手段を用いることで、即ち、脚の先端部に設けられた駆動輪又は従動輪を直接駆動する駆動装置を設けることなく、もしくはその駆動装置を駆動させることなく、歩行ロボットの移動用の推力を発生させることが可能となる。この結果、歩行ロボットの重量の軽量化や歩行時の消費エネルギーの低減に寄与することとなる。尚、歩行ロボットを効率的に歩行させるには、対象駆動輪等が設けられた脚の位相が互いにずれるように、各々の脚の関節部を駆動させるのが好ましい。
【００４１】
尚、この回転制限機構は、クラッチ機構等を利用して常時、対象駆動輪等の回転方向を一方向のみに制限してもよく、またその回転を任意のタイミングで制御できる通常のブレーキ等の制動装置によって対象駆動輪の回転を制限してもよい。また、上記クラッチ機構やブレーキ等の制動装置に代えて、駆動手段と駆動輪の間をウォームギアで動力伝達するようにしてもよい。即ち、ウォームギアは一般的に内部摩擦が比較的高い機械要素である
ため、駆動手段からの動力を駆動輪に伝達する一方で、ウォームギア自体に駆動輪側から与えられた負荷に対しては、結果的に駆動輪が回転しないように自動的にロックする性質があることを利用したものである。以上をまとめると、歩行制御手段によって床面上の車輪移動を行う場合には、上記反力による推進力を発生すべく、対象駆動輪等の回転を少なくともその移動時において制限できる機構であればよい。
【００４２】
ここで、本発明に係る歩行ロボットにおいて、前記支持部は、前記胴体部の前記脚が接続される接続箇所より前記床面側の胴体下部に設けられている場合、前記支持部は、少なくとも一つの関節部を有し且つ前記脚よりも長さの短い短脚であって、前記歩行制御手段により前記床面上の歩行が行われるとき、該床面の状況に応じて前記短脚の関節部を駆動して、前記胴体部から該短脚の先端部までの長さを調整するようにしてもよい。
【００４３】
支持部を上記短脚とすることで、支持部による胴体部の支持時の歩行ロボットの安定性をより高めることが可能となる。更に、その短脚の関節部を駆動して、床面の状況に応じて胴体部から出ている短脚の長さを変更する。これにより、歩行ロボットの歩行時において、短脚と床面にある障害物が接触するのを回避しながら、歩行のための脚の駆動を行うことが可能となる。
【００４４】
そして、この短脚の関節部は空気圧によって駆動可能に構成され、且つ該短脚が前記床面に着床する際の、該床面からの反力に対抗する方向に該空気圧が作用するようにしてもよい。このように関節部を空気圧による作動構造とすることで、短脚の関節部の状態維持にエネルギーを要することなく、且つ短脚の床面への着床時に関節部内の空気がダンパーとしての役割を担うことで、歩行ロボットへの衝撃を弱めることが可能となる。
【００４５】
ここで、上述までの歩行ロボットにおいて、歩行に要する消費エネルギーを更に抑制するために、以下のような工夫を行った。即ち、上記歩行ロボットにおいて、前記脚を構成するリンク部材のうち先端側のリンク部材に取り付けられ、前記歩行ロボットの歩行時に該床面と接触する接地部を、更に備え、前記接地部が取り付けられた脚が持ち上げられていた状態から前記床面に接触して前記胴体部を歩行進行方向に移動させる状態において、前記接地部上の該床面との接触部位は、該歩行進行方向への移動に応じて該接地部上を動くようにしてもよい。
【００４６】
このように構成される歩行ロボットでは、駆動手段によって脚が駆動されるとき、脚を構成するリンク部材の先端側に設けられた接地部における、床面との接触部位が変化する。この接触部位の変化は、歩行ロボットの脚が床面に接触し脚によってその胴体部が支えられた状態で、該胴体部が歩行進行方向に移動することで生じるものである。脚が床面に接触している場合は、駆動手段によって脚全体の荷重を支える必要がなくなるため、従って、駆動手段が脚全体を駆動してその先端をより遠くに持っていこうとする場合よりも、このように脚の接地部を床面に接地したのちに、その接触面上で接地部位を動かして結果的に歩行ロボットの胴体部を移動（歩行）させた方が、脚の駆動手段にかかる負荷を軽減することが可能となる。これにより、結果的に、歩行ロボットの歩行に要するエネルギーを抑制することが可能となり、言い換えると駆動手段の容量をより小さく設定することが可能となる。
【００４７】
また、上記の歩行ロボットにおいて、前記接地部は、前記床面との接触面が円状又は円弧状に形成された柱状の形状を有し、前記柱状の接地部の中心軸は、前記歩行ロボットの歩行時における前記先端側のリンク部材の回転駆動の中心軸と平行としてもよい。即ち、歩行ロボットの接地部の表面形状に円弧状を含ませることで、リンク部材の回転駆動によって歩行ロボットが床面に脚を接地させ、その胴体部を歩行進行方向に動かすにあたり、床面との接触部位が、その円弧状の上を移動していく。これによって、接地部で最初に床
面に接地した接地部位から最終的に床面を離れるときに該床面と接地をしている接地部位の間、歩行ロボットを更に移動させることが可能となる。
【００４８】
尚、上記の歩行ロボットにおいて、前記接地部は、前記接触面において、その中央部がその両端部より突出した形状となっており、且つ該中央部と該両端部とは連続的につながっているように構成してもよい。このようにすることで、歩行ロボットが歩行する床面が柔らかい場合等に、接地部の中央部で床面をしっかりとグリップするとともに、床面に対する接地部の接触面積が徐々に増えるため接地部が床面に潜り込んでしまうことを回避することが可能となる。
【００４９】
ここで、接地部を有する上述までの歩行ロボットにおいて、前記接地部は、前記接触面上に、前記床面と前記歩行ロボットとの間に生じる摩擦状態を調整するために選択可能な、複数の所定の摩擦状態発生領域が設けられていてもよい。歩行ロボットが歩行を行う床面は、さまざまな状態のものが含まれ、当然に歩行ロボットの接地部と床面との間に生じる摩擦力の状態に影響を及ぼす。そこで、歩行ロボットの歩行により適した摩擦力を得るために、上記の所定の摩擦発生領域が、複数、接地部の接触面上に設けられ、歩行時には適切な摩擦発生領域が選択され、使用されることになる。
【発明の効果】
【００５０】
不整地等の歩きにくい床面上を歩行可能な脚式の歩行ロボットにおいて、歩行に要する消費エネルギーを可及的に抑制するとともに、ロボットの安定性を確保することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下に、本発明に係る歩行ロボット１の実施の形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１に従来の四足歩行ロボットの機構を概略的に示す。図１において、１０１は歩行ロボットの胴体部であり、この胴体部から２点鎖線で示す４本の脚１０２、１０３、１０４、１０５が伸びている。これらの脚の先端部には○印で示す床面との着床部１０６、１０７、１０８、１０９が設けられている。
【００５２】
歩行ロボットの歩行に際しては、少なくとも２つの着床部を床面に着床させた状態で、他の脚を新しい着地点まで移動させる。特に静的な安定性を保ちつつ移動する歩行（以下、単に「静歩行」と言う）では、３つの脚を着床させて残りの１脚を動かすという動作が行われるが、その際に歩行ロボットが転倒しないために、着床した脚の着床部（図で斜線を施した○印で示される）が作る三角形１１０が安定面積の中に、歩行ロボットの重心Ｇが収まる必要がある。仮に、図１に示すように重心Ｇが上記三角形１１０の外にあるときは、脚を駆動して三角形１１０の内部にまで重心Ｇを移動し、それから白丸で示す設置部１０９を有する脚１０５を持ち上げることになる。図示してはいないが、通常これらの脚には３つの関節が用意され、空間上の任意の点に着床部を持っていくことができる。従来の四足歩行ロボットはこのような技術的思想に基づいて静歩行を行う。
【００５３】
このように四足歩行ロボットでは、歩行のための脚を持ち上げる動作に先立って、脚の関節部を駆動し、歩行ロボットの重心を移動する必要がある。そのため、不整地等の表面が荒れた床面でこの動作を行うときは、床面の傾斜角度を正しくセンシングしなければ歩行ロボットの重心Ｇ（厳密には、その重心Ｇから下ろした鉛直線が床面に交わる点）が安定面積１１０の内部に納まっているかどうか、正確に知ることができない。そのため、床面の傾斜角度をセンシングするためのセンサーか、又は歩行ロボット自体の傾きをセンシングするためのセンサーの何れかが必要となる。
【００５４】
また、歩行ロボットの安定性を確保する代わりの技術として、床面の傾斜角度を検知す
る代わりに、歩行ロボットの各脚に力センサを設け、その検出信号を見ながら脚を持ち上げ、残りの３つの脚の力センサーの信号が０にならないことを確認する技術も採用し得る。しかし、力センサーは極めて高価であり、且つその取り扱いが難しい。また、このように四足歩行ロボットで、常に足でその胴体部を安定的に支持しようとすると、胴体部は、歩行中は何時も比較的高い位置に確保されるため、歩行ロボットの重心位置も高くなる。それは、不整地等での歩行ロボットの安定性の確保という視点では、好ましくない。
【００５５】
次に、図２は、従来技術の六足歩行ロボットの機構を概略的に示す。尚、図２では、図１で示した２点鎖線の脚は、説明の簡略化のためその記載は省略した。六足歩行の利点は、３つの脚を着床させて三角形の安定面積を何時も用意できる点にある。即ち、図２で斜線でハッチングされた丸印の着床部２０２、２０３、２０４が着床しているものとし、白丸印の着床部２０６、２０７、２０８が着床していないとすると、着床部２０２、２０３、２０４が作る安定面積２０５の内に、歩行ロボットの重心Ｇを常に容易に確保することが可能である。その状態で、白丸で示す着床部を有する脚を遊脚として、各着床部を次の着床点２０６’、２０７’、２０８’に運ぶことで、安定的な歩行が実現される。
【００５６】
このように六足歩行は、充分に広い安定面積２０５を容易に確保できるので、余程の傾斜地でないかぎり、歩行ロボットの重心から下ろした鉛直線もこの安定面積内を通過しているものと判断できる。しかし、六足を有する歩行ロボットは、脚数が増えることによる歩行ロボットの製造費アップと、その重量増、及び故障の頻度が高くなる点等のデメリットを有する。更には、六足歩行ロボットでは、脚が多いために歩行時の遊脚の次の着地ポイント候補が制約されるデメリットも有する。例えば、図２に示す歩行ロボットにおいては、遊脚２０８は立脚２０３を超えて前方の着地候補を選択することができない。
【００５７】
この制約を緩和すべく、図３に示すような六足歩行ロボットも提案されている。この歩行ロボットでの脚の配置では、六本の脚が歩行ロボットの胴体部を中心に等間隔で円周上に配置されている。従って、矢印３０１の方角に歩行するとき、互いに干渉を起こす遊脚の数が減り、制約が図２に示す歩行ロボットに比べて若干緩和される。また別の矢印３０２（隣接する脚の間の方向）の方向に進むときには、一層遊脚の次の着地位置を選び易くなる。
【００５８】
更には、図３に示す歩行ロボットにおいては、脚の配置が等間隔のため、何れの方向も歩行ロボットの前進方向となり得るものであり、従って、例えば矢印３０１に歩く歩容を作っておけば、この歩容で別の矢印３０１’にも「前進」することが可能となる。従って、都合６つの方向に対して、同一の歩容を使い分けて歩くことができる。
【００５９】
また、八足歩行ロボットの考え方も六足歩行ロボットの場合と同じで、四本の立脚で体重を支え、残りの四本の遊脚を次の着地候補ポイントに運ぶ。六足に比べて安定面積が４角形をしている分だけ歩行ロボットの安定性が高まるから、不整地等の床面の歩行には好適であるが、当然に脚同士の干渉が生じやすい。
【実施例１】
【００６０】
図４に、本発明に係る歩行ロボットの概略構成を示す。歩行ロボットの胴体部４０１から、円周上等間隔に３本の脚４０２、４０３、４０４が伸びており、その先端部は床面と接する着床部４０５、４０６、４０７を構成する。各脚の構成は３つの自由度を持ち、その関節構成は回転運動式または直線運動式のいずれでも良く、特に限定しない。尚、本実施例に係る歩行ロボットの各脚は、後述するように、水平軸を回転軸とする水平関節部を二つと、鉛直軸を回転軸とする鉛直関節部を一つ有する。
【００６１】
また歩行ロボットの胴体部４０１の下部には、凹凸の激しい不整地での使用を想定して
「土踏まず」の構造を有するように、少なくとも３つの突起部が互いにできるだけ離れた位置に設けられている。この突起部によって、胴体部４０１が床面と接触を行い、胴体部４０１の他の部位は極力床面とは接触させないようにされている。この突起部の数であるが、対象となる床面が比較的柔らかな土壌であれば、必ずしも３点である必要はない。４点、５点あっても適当に床面の方から馴染んできて、ほぼ均一な着床力で着床できる場合には採用し得る。
【００６２】
このように構成される歩行ロボットでは、胴体部４０１に設けられた上記突起部が床面に着床した状態で、歩行ロボットの各脚を駆動する「腹這いモード」と、突起部と床面との接触を解除して、三本の脚で胴体部４０１を支持するとともに、歩行ロボットの歩行方向にその胴体部４０１を移動させる「移動モード」と、を繰り返し行うことで、歩行動作を行う。
【００６３】
この腹這いモードでは、胴体部４０１は床面と接触した姿勢を保っており、その状態では歩行ロボットの重心は低い位置にあるため、該歩行ロボットの安定性は確保されている。その状態で、３本の脚のうち少なくとも１本を次の着地候補ポイントに運ぶ。これを最大３回繰り返すことで３脚の全てを次の着地候補ポイントに動かすことができる。また傾斜が緩く歩行ロボットの安定性が容易に確保できる場合には、胴体部４０１を着地させたまま３本の脚を同時に持ち上げ、同時に前方の着地候補地点まで運ぶこともできる。その後３本の脚で胴体部４０１を持ち上げ、移動モードに移行することで、胴体部４０１に設けられた突起部の次の着地候補ポイントまで移動させる。即ち、この時点で、次の腹這いモードに移行することになる。以降これを繰り返すことで、不整地等での歩行ロボットの移動が可能となる。
【００６４】
本発明に係る歩行ロボットの歩行動作の基本的な技術的思想は、「空間上の３点は平面を作る」と言う幾何学上の定理に基づくものであり、少なくとも３点で胴体部４０１が着床すれば、その不整地に対応できることになる。この場合、上述した力センサーや、その力センサーを用いた制御が不要となる。更に、この歩行ロボットに必要な自由度は合計９自由度に過ぎず、脚の関節部を駆動するモータ等のアクチュエータ数を抑制することが可能となる。
【００６５】
更に、図５には本発明に係る歩行ロボットの別の概略構造が示されている。歩行ロボットの胴体部５０１に設けられる少なくとも３つの突起は出来るだけ互いに離れた位置にある方が、この突起で体重を支えているときの姿勢安定性が確保できるのは、上記図４に示す場合と同様である。この目的で、突起部を歩行ロボットの胴体部５０１の外周部に設けたものが図５に示した形態である。即ち、斜線でハッチングを施した突起部５１１、５１２、５１３は胴体部５０１の外周部に沿って等間隔に設けられており、図示していないが、これらの突起部は下側（床面方向）に伸びて胴体部５０１と床面とが接触する支持部を構成している。この配置により、着床部５０５、５０６、５０７をそれぞれ有する３脚５０２、５０３、５０４を持ち上げたときの胴体部は、これら３本の突起部によって支えられ、いかなる不整地であっても、特別な制御を必要とすることなく安定支持される。そして、この突起部による支持を利用して、上述した腹這いモードと移動モードを繰り返すことで、歩行ロボットの歩行動作が実行される。
【００６６】
尚、この突起部の配置場所は、各脚の運動をできるだけ妨げない位置が好ましい。本実施例では等間隔に配置された隣接する脚同士の中間の位置となるように、突起部が配置されている。
【００６７】
次に、本発明に係る歩行ロボットをより具体的に説明する。図６Ａには本発明の第一実施例に係る歩行ロボットの構造が開示されている。この歩行ロボットにおいては、脚の可
動範囲を広く取るために、胴体部６０１は上記円形から三角形に近い形状へ変更されている。この胴体部６０１の内部には発電用エンジンなどの動力源、制御用の電子機器などが搭載されているものとするが、発明の本質ではないので、これらの機器についての説明は省略する。
【００６８】
三角形の胴体部６０１の各頂点には、図示の構造を持つ三本の脚６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃが配置され、その真下には、前記の突起部６０ａ、６０ｂ、６０ｃ（図６Ａにおいては隠れているため不図示）が配置されている。これらの脚構造や突起は３つとも同じ構造であるから、脚６０Ａを代表に説明し、その他の脚の説明は省略する。
【００６９】
脚６０Ａにおいて、鉛直関節部６１０は胴体部６０１から伸びる水平ヨーク６１２で支えられ、第１の脚リンク６１４を垂直ヨー軸６１６回りに回転させる。それと同時に、鉛直関節部６１０と直交する第１の水平関節部６１８は第一の脚リンク６１４を第１の水平ピッチ軸６２０回りに回転させる。第１の脚リンク６１４の他端には、第２の水平関節部６２２が設けられ、第２の脚リンク６２４を第２の水平ピッチ軸６２６回りに回転させる。この第２の脚リンク６２４の他端には、床面と接触可能な脚部６２８が連結されており、柔らかい不整地でも脚が床面に深くもぐり込まないよう適切な面積で床面と接触するように構成されている。更に望ましくは、傾斜の急な斜面でも脚部６２８が滑ることがないよう、脚部６２８の下面にはスパイク状の突起が出ているものが好ましい。
【００７０】
このようなリンクと関節部の構成により、脚部６２８を空間上の任意の地点に移動させることができる。もし着地点の床面の傾きが脚部６２８の傾きと異なっていても、床面が柔らかければその角度差を吸収すると考えられ、また床面が固い岩盤であっても用意されたスパイクによって床面と接触し、必要な駆動力を伝達する構成となっている。
【００７１】
一方、突起６０ａについては、脚６０Ａの鉛直関節部６１０の真下で、床面に接触可能な着床部６４０が用意され、その着床部６４０を支えるために鋼鉄製の板状部材６４２が胴体部６０１まで伸びている。この板状部材６４２は多少の撓みを許容しており、着地の際のバネとして衝撃を緩和するように、その材質や板厚が選ばれている。更に望ましくは、板状部材６４２が胴体部６０１と結合される部位で、適切なゴムを介したゴムマウントが設けられているか、若しくは着床部６４０の下側に少々厚めのゴム板が貼りつけられている。着床部６４０でも床面と確実に接触するようにするため、下面にはスパイクが用意されている。他の２脚６０Ｂ、６０Ｃおよび突起部６０ｂ、６０ｃも、脚６０Ａおよび突起部６０ａと同じ構成を有する。
【００７２】
図６Ｂには、図６Ａに示した鉛直関節部６１０の詳細が示されている。図６Ｂにおいて、鉛直関節部６１０はベルト６５０を介してモータ６５２から駆動力を供給され、ハーモニック減速機６５４により増力されて関節軸６５６を駆動する。尚、この関節軸６５６は、図６Ａに示す垂直ヨー軸６１６に相当する。また、図６Ｂには点線で一部が図示されているが、関節軸６５６は十文字の形状をしており、図面に垂直な軸が前述の第１の水平ピッチ軸６２０を構成する。この第１の水平ピッチ軸６２０もまた、図示しないモータの駆動力を図示しない減速機を介して伝達され、当該モータが駆動されると、例えば第１の脚リンク６１４を角度αだけ回転運動させることができる。
【００７３】
図示のモータ６５２を収納しているケース６５８は、図示しないボルトなどの機械的な手段により胴体部６０１に強固に固定されている。ベルト６５０で駆動される被駆動プーリー６６０の下側には、制動をかけることができる摩擦板６６２及びこの摩擦板６６２を図面上方に押しつけるピストン６６４、更にこのピストン６６４の下側の空気圧室６６６に圧縮空気圧を導く供給ポート６６８が用意されている。摩擦板６６２の外周部には図示しない突起が設けられており、この突起はケース側の溝に嵌合していて摩擦板６６２が垂
直軸回りに回転できないように構成されているものとする。供給ポート６６８の上流は、図示しない電磁弁を介して空気圧の圧力源に接続されており、電磁弁が励磁さるとピストン下部の空気圧室６６６は加圧されてピストン６６４を上方に押し上げ、その結果、摩擦板６６２がプーリー６６０に押しつけられるので、プーリー６６０に機械的に制動をかけることが可能となる。このように制動がかかった状態では、この鉛直関節部６１０は機械的に固定され、モータ６５２への電力供給を停止しても、当関節が動くことがないレベルの制動力が得られる。また、鉛直関節部６１０以外の他の関節部、第１水平ピッチ軸、第２水平ピッチ軸の詳細構造もこれに準じているものとする。
【００７４】
図７には、歩行ロボットの関節部駆動のフィードバック制御ブロック図の一例を示す。図の表記方法は、制御工学で周知のラプラス変換後の表記方法である。図において添字Ｄは目標値を表す。例えばDΘは関節角度の目標値、DΩは関節角速度ωの目標値を表す。添字Ｒは実際の状態量を表す。例えばRΘは実関節角度、RΩは実関節角速度を表す。またＴはモータの時定数、ＫＭはモータ固有のゲインである。ＫＰ、ＫＶはフィードバックループゲイン、Iは電流値を示す。sはラプラス演算子である。
【００７５】
図７では、目標関節角度DΘが与えられると、これから述べる制御則に従って実関節角
度RΘが変化する。その結果がフィ−ドバックループ７０２を経て目標値と比較され、両
者の差分をＫＰ倍したものがモータ供給電流値Iとなる。この電流値を受けてモータは回
転し回転速度RΩが発生する。この回転速度を積分器７０４を通せば関節角度RΘとなる。目標角度が与えられ実際の角度が得られるので、この角度制御の基本は位置制御である。
【００７６】
この制御則を確実に実行させる上で微分制御を取り入れることがしばしば行われる。即ち、望ましい関節角度の微分値である角速度目標値DΩが分かっている場合には、目標関
節角度DΘと平行して、この角速度目標値DΩを入力する。この角速度に関するループにもフィ−ドバック効果を期待して、実角速度RΩと目標値DΩとを比較して、その差分に比例した電流値を先の電流値に加えてモータに供給する。角度の微分値である角速度を制御に加えることで、角度制御だけの場合に比べて時間遅れが縮小するなどの制御上の効果が期待できる。
【００７７】
ここで、本発明に係る歩行ロボットの歩行のための関節部の関節角度の目標値の生成方法について、以下に示す２通りの方法が挙げられる。一つは歩行状況に応じてその場その場で関節角度を算出する方法である。この方法は状況の変化には強いが、搭載コンピュータが大型で、かつその場その場の状況を検出するセンサが多数必要である。またもう一つの方法は、予め関節角度の目標値を算出しておき、この関節角度が作る歩容を設定しておく方法である。そして、実際の歩行ではこのような歩容の中から適切なものを選びだして関節部の駆動を行う。この方法は細かな状況変化には対応できないが、歩行ロボットに搭載するメモリー容量を小さくでき、また歩行制御に使用するコンピューを小型化することも可能である
【００７８】
以下に述べる実施例では、後者の、予め歩容を生成しておく方法を採用しており、以下順にその詳細を述べる。図６Ａに示した歩行ロボットは１脚に３関節（３自由度）を有し、従って３脚の構成で合計９自由度ある。つまり制御のある瞬間をとれば目標関節角度は９つある。このそれぞれの関節角度を、Djθt（ｊ＝１、２、・・・９）とする。これら
９つの関節角度を横ベクトル扱いにしてａｔ＝｛Djθt｝と書くことにすれば、歩容はこ
うしたベクトルの集合、つまり行列で表すことができる。図８には、この考え方に基づいて作られた行列Ａが定義されている。行列Ａの各ベクトル間は経過時間であり、例えば、本実施例では２ｍｓ毎に各ベクトルが定義されているものとする。つまり２ｍｓごとに計算された目標関節角度が行列Ａの各行を構成する。尚、この２ｍｓという時間は、次に述べる制御コンピュータの起動周期でもある。
【００７９】
図９には、本発明に係る歩行ロボットに適用される歩行制御のフローチャートが示されている。コンピュータは２ｍｓ毎にタイマーが働いて割り込み処理を行っているものとする。タイマー割り込みが起きると、ステップＳ１０２で関節の番号ｊを１にしておく。次にステップＳ１０４に進み、目標関節角度Djθtをメモリーから読みだす。このときのｊ
は、当初ステップＳ１０２で１と設定されたので、当初のDjθtは、D1θtである。
【００８０】
次にステップＳ１０６に進み、実際の関節部角度Rjθを読み込み、この微分値である実際の角速度値Rjω読み込む。実際の関節部角度は、関節部駆動用モータに一体に組み込まれているエンコーダなどの検出値が用いられる。また実際の角速度値Rjωはこのエンコーダ値をＦ/Ｖ変換器を通すことで、得られる。
【００８１】
次にステップＳ１０８に進み、関節部角速度の目標値Djωtを目標関節角度から演算し
て求める。その求め方は、直前の目標関節角度との差により求める。例えば、Djωt＝Ｋ
０（Djθt−Djθt−１）として、求められる。次にステップＳ１１０に進み、モータトルクjτの算出を、以下の式に従って行う。
jτ  ＝ＫＰ（Djθt−R1θ）＋ＫＶ（Djωt−R1ω）
【００８２】
次に、ステップＳ１１２では、上記の式に従って算出されたトルクが発揮されるように、ｊ番目のモータアンプにjτを指令値として出力する。モータアンプはこの指令値に基
づき、流すべき電流値を決めてモータに電流を供給する。その結果モータは回転し角速度Rjωが変化する。
【００８３】
ステップＳ１１４では、関節番号ｊが９になったか否か判別する。当初はｊ＝１であるからその答えはＮｏとなり、ステップＳ１１６に進んでｊを一つだけ増やし、再びステップＳ１０４以降の処理が行われる。以下これを繰り返す結果、いずれステップＳ１１４の答えはＹｅｓとなる。そのとき、ステップＳ１２０に進み、終了指令が来ているか否かを判別する。ここでＮｏのときはステップＳ１２２に進み、歩容データの読みだす時間軸を一つだけ進めてコンピュータの基本システムに戻り、次のタイマー割り込みを待つ。ステップＳ１２０で終了指令が出されていれば、ステップＳ１３０に進んで、歩行ロボットの歩行を終了する。図９で説明したアルゴリズムは、歩行ロボットの基本的な歩行実行のアルゴリズムであり、図６に示した歩行ロボットはこのアルゴリズムにより基本的には歩行可能となる。
【００８４】
また、以降の発明の説明を簡潔に行うため、図９中の点線で囲む一連のプロセス９１０を「時刻ｔ＝ｔ時の関節制御」と定義する。
【００８５】
この歩行アルゴリズムによって、図６に示す３脚の歩行ロボットは上述までに説明した「腹這いモード」と「移動モード」を繰り返すことで歩行を行うが、以下にこの歩行の詳細な効果を示す。
【００８６】
（１）不整地等の床面を歩行する場合、突起部によって少なくとも３点で凹凸のある床面に立つため、特別な制御則を用いることなく歩行ロボットは安定立脚できる。更に、歩行ロボットは床面の傾きに順応して立つので、特別な着床センサや力センサが不要となる。この点、特に高価でデリケートな力センサがなくても不整地で均一な着床力で立てるようになるため、歩行ロボットの実用性が著しく向上される。
（２）歩行ロボットの脚の本数が三本と少ないため、その重量・コスト・信頼性・故障率の全ての点で実用性に勝っている。更には、脚が３脚しかないため、脚同士が互いに干渉し合う機会が著しく少なくなるため、歩容設計の自由度が高まる。例えば、歩行ロボットを大股で歩くこともできるし、その方向転換のときも自在に脚を動かすことが可能であ
る。
【００８７】
また、上述したように、本発明に係る歩行ロボットは、その歩行サイクルにおいて「腹這いモード」による歩行を行う。そこで、この腹這いモードの利用によって、以下に示す効果が発揮される。
腹這いモードを歩行サイクルに加えることで、足の各関節部のモータが、歩行ロボットの全体重を支える時間を単純に約半分に短縮できる。このことは、歩行ロボットの歩行動作において、時間当たりの消費エネルギーもまた約半分に低減できることを意味しており、作業現場が人里離れた不便な場所にあるようなときは、エネルギー補給も困難である場合が多く、省エネ性の高いことは歩行ロボットの実用性を著しく高める結果となる。これは、腹這いモードでは、突起部による機械力で歩行ロボットの体重を支持するため、エネルギー消費が基本的にないからである。
【００８８】
また腹ばいモードでは、歩行ロボットの重心位置も低い位置とすることができるので、不整地でもより安定した姿勢維持が可能になる。更に、腹這いモードでの歩行ロボットの安定性を高めるには、胴体部の外周部近くで、突起部が床面に接触させることが重要となる。
【００８９】
以上までに述べた歩行ロボットは本発明の根幹をなすものであるが、その突起部は固定した突起である必要はなく、適宜交換して長さを可変にしても良い。あるいは、３本の脚に比べて充分に短い脚で且つ変形可能な脚であっても構わない。仮に、突起部が折り畳みテーブルがその脚を折り畳むように、突起部を折り畳むことができれば、例えば倒木が横たわっているのを跨ぐときに、この突起部を折り畳んで通過できるので、突起部と倒木との干渉を避けることができる。この詳細については、後述する。
【実施例２】
【００９０】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第二の実施例を示す。図１０Ａは、先に実施例１で示した歩行ロボットが、互いに１２０度方向に放射状に脚１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを展開している状態を上から見た平面図であり、図１０Ｂはその側面図である。図１０Ｂに示すように、歩行ロボットは胴体部の下部に設けられた突起１００ａ、１００ｂ、１００ｃを用いて不整地の床面に立っている。この状態から脚を床面の凹凸に倣わして着地する技術を以下に説明する。説明の簡潔のために、脚の先端形状は図６Ａに示したものとは異なり、黒丸で示す点とした。また説明に用いる脚も１００Ａを代表として、その説明を行う。
【００９１】
今、脚１００Ａが点線で示す位置から着地に向けて下ろされているものとする。脚１００Ａの先端が床面に近づくにつれて、予め降下速度を幾分遅くなるように歩容を設定することで、脚１００Ａの着床時の衝撃を緩和する。しかし、床面の凹凸が歩行ロボットには認識できないため、脚が床面に着地する時期も分からず、相当な速度で衝突することもあり得る。これは、特に不整地上を歩行ロボットが歩行する際に顕著となる問題である。
【００９２】
そこで、図１１に示す制御アルゴリズムが、歩行ロボットにおいて実行される。尚、この制御アルゴリズムが実行される前に、歩行ロボットにおける歩行システムのイニシャライズを行う作業があり、そこで各種の初期設定が行われる。その初期設定の中で、これから述べる２つのフィードバックループゲイン（以下、単に「ゲイン」という）ＫＰとＫＶの初期値ＫＰ０とＫＶ０を決定する。尚、それぞれはゼロではない、十分に大きな数値を有する。
【００９３】
実施例２では、各脚の鉛直関節部のゲインは０にして且つ鉛直関節部は上述したピストンによるブレーキで制動しておく。また、各脚の第一の水平関節部、第二の水平関節部は
６ケともゲインＫＰとＫＶとを共通にしておき、且つＫＰとＫＶとは可変ゲインとする。以下の説明では、説明の簡略化のために、特に脚が着地するとき、及び着地してから突起が離床するまでの場合の制御について述べるが、その他のケースにおいても、本実施例の制御アルゴリズムと同質の制御を行うことで歩行ロボットにかかる衝撃を緩和することが可能となる。
【００９４】
図１１においてタイマー割り込み時間がくると、ステップＳ１１０１で関節番号ｊ＝１を選び、続いてステップＳ１１１０で関節制御を行う。このステップＳ１１１０は基本的に先の実施例の図９のステップＳ９１０と同じであるものとする。
【００９５】
ステップＳ１１１２では、駆動されている脚（遊脚）が着床期にあるかどうかを判別する。着床期の判断は、歩容生成を予め行っているために後述する方法で設定できる。制御開始当初は、遊脚は着床期には程遠いのでＮｏとなるが、そのうち図１０に示すように脚が着床期に入ると、即ち遊脚が床面に近づくと、その結果はＹｅｓとなりステップＳ１１１４に進む。
【００９６】
ステップＳ１１１４では、図７の制御ゲインＫＰが０か否かを判別する。制御開始当初は、初期設定したＫＰ０のままなので、判別結果はＮｏとなり、ステップＳ１１１６に進み、ＫＰとＫＶとを０．２％だけ減少させて、次のステップＳ１１２８に進む。ステップＳ１１２８では、歩容データを読みだす時間軸を一つだけ進めて、更に次のステップＳ１１１８に進む。ステップＳ１１１８の結果が終了でなければ、この回の制御は一旦終了してリターンとし、次のタイマー割り込みを待つ。これを繰り返すうちに、ステップＳ１１１４の結果がＹｅｓになる。そして、そのＹｅｓとなる時期とは、例えば、この制御が２ｍｓごとに行われる設定ならば、５００回繰り返した後（一秒後）である。そこで、Ｓ１１１４の結果がＹｅｓになるとステップＳ１１１７に進み、ＫＰとＫＶとをともにゼロとして、ステップＳ１１２８、ステップＳ１１１８に順次進む。ＫＰとＫＶとをともにゼロというのは、図７に示す制御則によれば、関節部駆動のためのモータへの供給電流ｉを流さないという意味である。従って、その結果、脚１００Ａ等の関節部は力を出すことがなく無力化され、歩行ロボットの自重に耐えきれず、胴体部を支持することが不可能となる状態である。
【００９７】
つまり、ＫＰとＫＶとが０．２％ずつ減少していくと、次第に歩行ロボットの水平関節部は柔らかくなり、その結果、脚が床面に衝突しても衝撃は限定的となり脚の損傷も避けられる。床面に接触したあとは、床面の形状に従って着地点高さが決まる。この状態は脚が着床期にある間続くので、歩行ロボットは主として突起部１００ａ、１００ｂ、１００ｃの３点で支えられた状態を保つ。
【００９８】
脚の着床期が終わり、続いて起きる突起部の離床期に差しかかるまでの間には、若干の時間の経過が存在する。即ち、突起部の離床のために、歩行ロボットの各脚の関節部を所定の姿勢にするために要する時間等がそれである。そこで、この一定の時間が経過するまでは、ステップＳ１１１２の判断結果がＮｏとなり、且つステップＳ１１２２において突起部の離床期が到達したか否かの判定がＮｏとなるので、上記ステップＳ１１２８、ステップＳ１１１８を経て、再び制御がリターンされる。その後、この一定の期間が経過すると、ステップＳ１１２２での判断結果がＹｅｓとなって、ステップＳ１１２４に進む。ステップＳ１１２４では、ゲインＫＰとＫＶとを０．２％ずつ高める処理が行われる。ステップＳ１１２６では、ゲインＫＰが回復して、初期設定値ＫＰ０を越えたか否かを判別する。ステップＳ１１２６の結果は当初はＮｏであるので、ステップＳ１１２８およびステップＳ１１１８に進み、リターンとする。
【００９９】
そして、この処理を数回か繰り返す後に、ステップＳ１１２６の結果はＹｅｓになる。
つまり、ステップＳ１１２４の計算結果が初期設定ゲインより大きくなる時期に至る。本実施例では、離床期に入ってから１秒後にその時期が到来する。その際は、ステップＳ１１２７に進み、ＫＰ＝ＫＰ０、ＫＶ＝ＫＶ０とおいて、上記ステップＳ１１２８、ステップＳ１１１８に順次進む。ＫＰ＝ＫＰ０、ＫＶ＝ＫＶ０と設定する意味は、歩行ロボットの脚を充分に位置制御ができる状態になっていることであり、このように設定された後は、脚の運動は決められた歩容に従って、駆動される。
【０１００】
本制御のように、突起部の離床期のゲイン制御を行わず元のＫＰ０、ＫＶ０のゲインで離床する場合、即ち腹這いモードから移動モードへ移行する場合、歩行ロボットの脚が床面を激しく押し付け、胴体部が急激に上昇を始めるが、このようなゲイン制御を加えることで、円滑な移行を実現できる。以上では、脚１００Ａについての制御を説明したが、他の脚についても同様であり、また複数の脚を同時に着床する場合、離床する場合にも適用可能である。
【０１０１】
また、上記の制御アルゴリズムにおいて、脚の着床期や突起の離床期の時期設定は、脚と床面との相対位置関係に関係なく、脚の先端の高さ位置で代用することが可能である。その脚の高さとは、図１０Ｂに１点鎖線で示す仮想水平面に歩行ロボットを置いたと仮定したときの脚先端部の水平面からの高さを採用することができる。この仮想水平面は、歩行ロボットの床面と設置している脚の姿勢や、突起部と歩行ロボットの胴体部との関係から、遊脚と床面との相対位置関係にかかわらず、算出することが可能である。
【０１０２】
上記の本実施例での制御アルゴリズムは、脚の着床と突起部の離床のとき（例えば、腹這いモードから移動モードへの移行時）の衝撃緩和に適用した例であるが、この技術は突起部の着地、脚の離床のとき（例えば、移動モードから腹這いモードへの移行時）にも全く同じように適用可能である。即ち、突起部の着地時期や脚の離床時期も歩行ロボットに取って対して脚先端部と突起先端部との相対高さ関係が所定の範囲に納まっている時期であるため、その時期で脚の剛性が低下している状態、即ちゲインを低下させた状態を作りだせば、同じように衝撃緩和ができる。
【０１０３】
このように本実施例に係る歩行ロボットでは、高価で取り扱いの困難な力センサー等を全く使うことなく、突起部と床面、又は脚と床面とが衝撃を伴う激しい接触を回避することが可能となる。この特筆すべき効果を、新たなハードウエアを一切追加することなく、ソフトウェアによって実現できるため、歩行ロボットの重量増加、コスト上昇を一切伴うことはない。尚、本実施例ではゲインを０に低下させるものを例示したが、０以外に極めて小さな値にすることを排除するものではない。
【実施例３】
【０１０４】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第三の実施例を示す。図１２には、実施例１で示した歩行ロボットが作業を行う場合に、その重心位置を可能な限り低く保ちながら、安定面積を広げるための様子が図示されている。図１２Ａは歩行ロボットを上から見た平面図、図１２Ｂはその側面図である。本来ならば安定面積を最大化するには、３本の脚を等間隔（この場合には１２０度)に広げた図を用意すべきであるが、側面図による理解が困難
となるため、便宜上、図示のように２本の脚を矢印で示す方向に伸ばした姿勢をとっている。
【０１０５】
歩行ロボットが作業する場合を想定するに、作業による外力に対して歩行ロボットの姿勢安定性が損なわれないように、踏ん張る姿勢をとることが求められる。安定性を高めるためには、脚の接地点が歩行ロボットの中心からできるだけ遠くに至る姿勢が理想であり、例えば、地面が平坦で固い場合には、このような姿勢は容易に作ることが可能である。しかし、歩行ロボットが作業を行うべき場所が、凹凸の激しい床面であってその固さも一
様ではない不整地である場合もある。このようなときには、床面への接地点を単純にできるだけ遠方に選ぶと、かえって脚が地面に潜り込む問題が出てくる。そこで、接地点での面圧を下げてめり込みを避けるには、脚を広げた姿勢で且つ床面との接触面積を増やすことが重要である。
【０１０６】
そこで、図１２Ｂに示すように、歩行ロボットは胴体部の下部の突起１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃで自重を支えると同時に、脚１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃによっても自重を支える。このような支え方を可能とするためには、できるだけ均一な着床力が各着床点に作用するようにする事が望ましい。この場合も３本の脚を床面の凹凸に沿わせて着地するまでの制御には、実用性の高い実施例２記載のゲイン制御技術が適用できる。ただ上記技術では、脚関節が柔らかくなったままであるので、脚によって歩行ロボットの自重を支えることはできない。
【０１０７】
そこで、図１２Ｂに示す状態で脚が充分に体重を支えることができるには、再度関節が固くなってくれればよい。そうなれば、歩行ロボットの上に搭載が予定されている各種の作業機械が作業を始める際等に作用する外力に対して、十分に対抗することができる。以下に、その歩行ロボットによる外力への対抗を可能とするための制御アルゴリズムを示す。
【０１０８】
その制御技術の詳細を、図１３の制御アルゴリズムに基づいて説明する。図１３においてタイマー割り込み時間がくると、ステップＳ１３０１で関節番号ｊ＝１を選び、続いてステップＳ１３１０で関節制御を行う。このステップＳ１３１０は基本的に実施例１の図９のステップＳ９１０と同じであるものとする。
【０１０９】
ステップＳ１３１２では、遊脚が作業モード移行期にあるかどうかを判別する。この作業モードとは、歩行ロボットの上で作業を行う等、歩行ロボットが外力に対して対抗する必要がある時期において、歩行ロボットで行われる制御モードである。本制御開始当初は、遊脚は床面に着地しておらず作業モード移行期には程遠いのでＮｏとなるが、そのうち図１２Ｂで点線で示すように脚が作業モードに入ることを前提とした着床期に近づくと、その結果はＹｅｓとなり、ステップＳ１３１４に進む。
【０１１０】
ステップＳ１３１４では、図７のゲインＫＰがゼロか否かを判別する。最初は当然初期設定したＫＰ０であるので判別結果はＮｏとなり、ステップＳ１３１６に進む。ステップＳ１３１６では、ＫＰとＫＶとを０．２％だけ減少させて、ステップＳ１３１７へ進む。Ｓ１３１７では、電磁弁(Solenoid)をオンにした後、ステップＳ１３３４へ進む。そして、Ｓ１３３４で歩容データを読みだす時間軸を一つだけ進めてステップＳ１３２０に進み、該ステップＳ１３２０の結果が終了でなければ、この回の制御は一旦終了してリターンとし、次のタイマー割り込みを待つ。これを繰り返すうちに、ステップＳ１３１４の結果がＹｅｓになる時期がくる。そのＹｅｓとなる時期とは、先の事例と同じく一秒後である。そこで、判別結果がＹｅｓになるとステップＳ１３１８に進み、ＫＰ＝ＫＶ＝０としてステップＳ１３１９に進み、そこで電磁弁をオンにした後、上記ステップＳ１３３４、ステップＳ１３２０に順次進む。
【０１１１】
このステップＳ１３１８からＳ１３２０までの一連の処理を詳細に説明すると、ステップＳ１３１８でＫＰ＝ＫＶ＝０としたことで、各脚１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃの関節部の剛性は低くなり、床面に良く馴染み、図示の姿勢になる。このときのゲインの変化は連続的であるから、３本の脚は次第に床面に馴染むように作動する。そして、この３本の脚が床面に馴染んだ状態において上記のステップＳ１３１９によって、各関節部に制動をかけるべく、電磁弁をオンにする指令が出される。その結果、上記の空気圧室６６６に加圧された圧縮空気が供給され、ピストン６６４の作用により各関節部は固定され、以て、
たとえ水平な外力が歩行ロボットに作用しても強固な対抗力を発揮できる。
【０１１２】
更に、歩行ロボットにおいて実際の作業モードに入ると、ステップＳ１３１２の結果はＮｏとなりステップＳ１３２４で作業モード中がどうかの判定がなされる。その結果、作業モード中のときはＹｅｓになり、ステップＳ１３１８に進み、そのまま電磁弁をオン状態に保つし、ブレーキによる制動力の維持が図られる。
【０１１３】
その後、作業モードが終了して歩行ロボットに対して歩行開始指令が出されたときは、ステップＳ１３２４の判別結果がＮｏとなり、ステップＳ１３２６に進む。また、歩行ロボットに対して次の作業現場への移動等の移動指令が与えられれば、ステップＳ１３２６の結果がＹｅｓとなる。このとき、ステップＳ１３２８に進んで電磁弁をオフにして、各関節部での制動力を解除する。その後、実施例２で示したＳ１１２４、Ｓ１１２６、Ｓ１１２７に対応するゲインの回復作業を、Ｓ１３３０、Ｓ１３３２、Ｓ１３３３で行う。この移行指令が出されると同時に、歩容データも歩行開始のときの歩容データが読みだされる。この場合のゲイン回復作業も、先に図１１で示した技術と同じとすれば、０．２％ずつ増加して、１秒後には完全に回復することになる。尚、その回復作業の途中では、ステップＳ１３３２の結果はＮｏになっているため、この場合は上記ステップＳ１３３４、ステップＳ１３２０に順次進み、次のタイマー割り込みに備える。
【０１１４】
そして、これを数回か繰り返す後に、ステップＳ１３３２の結果はＹｅｓになる。そのときはステップＳ１３３３に進み、ＫＰ＝ＫＰ０、ＫＶ＝ＫＶ０とおいて、上記ステップＳ１３３４、ステップＳ１３２０に順次進む。尚、ステップＳ１３２６の判定結果がＮｏの場合は、作業モード移行期でもないし、歩行ロボットでの作業中でもないので、歩行中の歩容データが読みだされていることになる。
【０１１５】
上記の歩容データの作成方法について、図１４Ａ、Ｂに基づいて説明する。図１４にはその作成のための方針の一例が示されている。歩行ロボットの作業現場の床面の凹凸を予め予測することは困難であるため、歩行ロボットの歩行においては、図１４Ｂに二点鎖線で示す完全に水平な床面（仮想水平面）ＩＰを想定する。尚、実際の床面に対しては図示実線の脚１４０Ａ等で着床しており、この仮想水平面に対しては図示点線の脚と突起部の双方で仮想的に着地している状態である。
【０１１６】
１つ目の歩容作成では、突起部１４０ａ等が床面に着床している状態から、３本の脚を同時に持ち上げて矢印が示す前方に移動させ、そのまま着地させていく。着地に際しては、上記実施例の図１０及び図１１で説明したゲイン制御により関節を柔らかくして着地する。次に胴体部を持ち上げ脚３本で支えた後、胴体部を前方矢印の方向に移動させるように脚関節部を駆動する。この一連の動作が実現するように、各関節角度を求め、時系列データを作る。この歩き方は、３本の脚が同時に上下運動と前後運動をするので、歩行ロボットの歩行速度が早い場合に適用できる考え方である。
【０１１７】
もう一つの歩容作成では、脚を図示の状態から持ち上げるのに、１脚ずつ持ち上げて前方に移していく方法である。残りの２脚が常に床面に接触していることになる。この２脚が歩行ロボットの安定性に寄与するためには、着床している脚の関節が「固く」なければならない。従って、この場合には、着床した脚の関節部を速やかに上記ブレーキによって固定する必要がある。この方法は、傾斜が急でロボットの安定姿勢の保持が困難視されている場合に、特に有用である。
【実施例４】
【０１１８】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第四の実施例を示す。上記の第三の実施例では、床面の状況によっては、図１２Ｂに示すように、三本の脚のそれぞれにおいてその先端部
と脚の途中（図示の場合では第二の水平関節部）で床面と接触することが困難となる可能性がある。例えば、床面の凹凸形状が激しくて、歩行ロボットが脚を下ろしていくとき、初めに脚の先端部が地面と接触してしまい、その接触箇所での摩擦が大きければ、脚の先端部だけで地面に接触したままの姿勢となるからである。このような姿勢では、特に床面が非常に柔らかいときには、歩行ロボットの安定性を保つことが困難である。
【０１１９】
そこで、このような状態を避けて、歩行ロボットの脚と床面との接触面積をより多く確保するべく、床面に脚がアプローチするときに脚の先端部が後から床面と接触するように、脚を高く持ち上げた姿勢でアプローチする必要がある。本実施例では、この脚のアプローチに関する制御について、図１５Ａ〜図１６に基づいて詳細に説明する。図１５Ａ〜図１５Ｃは、本実施例に係る脚の制御が行われたときの、歩行ロボットの脚の動きを示す図である。また、図１６は、本実施に係る脚の制御のための処理のフローを示す図である。
【０１２０】
本実施例に係る歩行ロボットも、上述までの歩行ロボットと同様に、各脚１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃは、一つの鉛直関節部１５２０と、二つの水平関節部（第一水平関節部を１５３０、第二水平関節部を１５４０で表す）で構成される。そして、第一水平関節部１５３０と第二水平関節部１５４０との間を結び、該第一水平関節部で直接駆動されるリンク部材を１５０２で表し、脚の先端に位置し第二水平関節部１５４０で直接駆動されるリンク部材を１５０３で表す。尚、本実施例においては、歩行ロボットのそれぞれの脚の制御は基本的に同じであるので、一本の脚１５０Ｃについてのみ説明を行う。従って、下記の記載において回転方向に言及しているが、これは脚１５０Ｃにおける回転方向である。
【０１２１】
脚の床面への着床において重要な役割を担うのは水平関節部の動きである。そこで、脚を着床させようとするとき、図１５Ａに示すように、歩行ロボットの胴体部のより近くに位置するリンク部材１５０２を下ろす時計回りに回転させると同時に、脚の先端に位置するリンク部材１５０３を反時計方向に回転させて持ち上げる（その途中の脚の状態を図１５Ａ中の点線で示す。尚、本実施例における回転方向は図１５面に示す状態を前提としたものである。）。そして、この動作を継続すると、図１５Ｂに示すようにリンク部材１５０２の一部が、本実施例においてはリンク部材１５０２と機械的に連結している第二水平関節部１５４０が床面と接触する状態に至る。尚、この状態のときは、図１３に示す制御で述べたように第一水平関節部１５３０の制御ゲインを充分に小さくすることで、第二水平関節部１５４０が床面と接触した後でも、各リンク部材の目標とする姿勢位置は二点鎖線で示す位置まで進行しても、歩行ロボットに過度な負荷はかからない。これにより、確実に第二水平関節部１５４０を床面と接触させることが可能となる。
【０１２２】
ここで、図１５Ｂに示す状態のリンク部材１５０３について述べる。更に、脚の先端部が床面と接触するべく、リンク部材１５０３は第二水平関節部１５４０によって先とは逆に時計方向に回転させられる。このとき、第二水平関節部１５４０の制御ゲインも、上記と同様に小さくなる方向に制御されているので、目標とする姿勢（図１５Ｂ中に２点鎖線で示す姿勢）より、自分の重力で下がる分だけ下側に実際のリンクはある（この状態が図１５Ｂにおいて実線で示されている）。更に、時計方向にリンク部材１５０３を駆動して、充分に床と接触したときには、反対に実際のリンクの方が目標とする姿勢よりも上側になる。この状態になったときに、第一水平関節部１５３０をブレーキ等によってロックさせれば、確実に第一水平関節部１５３０が床面に接触した状態を維持することができる。そして、第二水平関節部１５４０を駆動してリンク部材１５０３を時計方向に動かしていくと、図１５Ｃに示すように、リンク部材１５０３も地面に接触する状態に至る。その接触後もなお第二水平関節部１５４０が駆動されれば、その目標関節角度の方が進行して、リンク部材１５０３の目標位置（図１５Ｃ中に２点鎖線で示される）は、実線で示される実際のリンク部材１５０３の位置よりも、下側の位置となる。そして、この状態で第二水
平関節部１５４０をブレーキ等でロックすれば、脚１５０Ｃにおいては、少なくとも２点で床面と接触する状態となる。
【０１２３】
そして、残りの二本の脚に対しても同様の制御を行うことで、歩行ロボット全体で計６箇所で床面と接触した状態となり、より多くの床面との接触面積を確保することが可能となる。
【０１２４】
なお上記の説明で、床面と接触する脚の位置が、第二水平関節部１５４０と脚の先端部としたが、床面の形状によっては、リンク部材１５０２の途中や、リンク部材１５０３の途中となる可能性もある。何れにしても、一本の脚で２点以上の複数個所で床面と接触する姿勢を作ることは可能である。また、上記実施例では、リンク部材１５０３を高く持ち上げる制御の例を説明したが、勿論、予め歩容作成の段階で、リンク部材１５０３を一度高く持ち上げた後に、下ろす歩容を作成しておいても同じ効果を発揮する。但し、この予めの歩容生成による方法では、現場の状況に合わせてリンク部材１５０３を持ち上げ角度を変更できないために、多数の歩容を用意しておく必要があるが、上記実施例によればリンク部材１５０３を持ち上げる高さを適宜変更できる利点がある。
【０１２５】
上述した本実施例の歩行ロボットの歩行制御の具体的なフローについて、図１６に基づいて説明する。図１６に示す制御フローは、上記図９で示した制御フローと同質の、歩行ロボットの歩行に必要なアンプ出力を形成するためのものであり、コンピュータが２ｍｓ毎のタイマー割り込みに従って行う割り込み処理である。尚、本実施例に係る歩行ロボットは３本の脚それぞれに関節部が３つ、即ち合計９つの関節部を有する。そして、本実施例における関節部の番号jは、脚１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃの順に、且つ各脚におい
ては、若い順に鉛直関節部、第一水平関節部、第二水平関節部の順で与えられている。従って関節番号j＝１，j＝４，j＝７は、いずれも３本の脚の各鉛直関節部を、また関節番
号j＝２，j＝５，j＝８は、いずれも３本の脚の各第一水平関節部を、関節番号j＝３，j
＝６，j＝９は、いずれも３本の脚の各第二水平関節部をそれぞれ示している。
【０１２６】
図１６に示す実施例では、歩行ロボットの歩行手順に即してその制御フローの説明を行う。尚、起動の初期に行なわれる初期化（イニシャライズ）に伴い、以下に述べる目標関節角度Djθtの修正パラメータnを０にしておくものとする。図に示す各処理ステップＳ１６０２、ステップＳ１６０４、ステップＳ１６０６については、図９に示すステップＳ１０２、ステップＳ１０４、ステップＳ１０６に相当するため、その詳細な説明は省略する。ステップＳ１６０８、ステップＳ１６１０、ステップＳ１６１２では、ステップＳ１６０４、ステップＳ１６０６で読み込んだ関節番号が各脚の第二水平関節部に相当するものかどうかを判別する。各判別において否定判定されたときは、最終的にステップＳ１６１４に進んで、その時点での各関節部を駆動するモータの速度目標値Djωtを開示の式で算
出する。尚、当該開示式は、図９に示す処理ステップＳ１０８における式と同じであるので、詳細な説明は省略する。
【０１２７】
ステップＳ１６１４の次にはステップＳ１６１６に進み、モータトルクjτの計算を開
示の式で計算する。尚、当該開示式は、図９に示す処理ステップＳ１１０における式と実質的に同じであるので、詳細な説明は省略する。その後ステップＳ１６２０に進み、計算されたトルクjτを指令値としてj番目のモータ駆動用アンプに出力する。その後、ステップＳ１６２２に進み、今処理した関節番号がj＝９かどうかをチェックする。制御フロー
が始まった当初は否定判定されるので、j＝j＋１として一つ進め、ステップＳ１６０４以降の処理が再び行われる。
【０１２８】
そして、上記処理を繰り返すうちに、ステップＳ１６０８又はステップＳ１６１０、又はステップＳ１６１２の判定結果が肯定判定になるときがある。そのときはステップＳ１
６３２に進み、一つ若い番号の関節部、言い換えれば第一水平関節部の目標角度D(j-1)θtが、所定の基準角度β以上かどうかが判定される。このβの値として、本実施例では０
°、即ちリンク部材１５０２が水平になったときの姿勢角度を採用する。Ｓ１６３２の判定結果が肯定判定のときは、リンク部材１５０２が基準角度βよりも高く持ち上げられているので、ステップＳ１６３４に進み、修正パラメータnを一つだけ大きくしてステップ
Ｓ１６３６に進む。初回のときはn＝０であるから、この処理により修正パラメータｎは
１となり、以降ステップＳ１６３２で肯定判定される毎にインクリメントされる。ステップＳ１６３６では、ステップＳ１６３４でインクリメントされた修正パラメータｎが５００以上であるかどうかが判定される。制御フローが始まった当初は否定判定されるので、ステップＳ１６４０に進むことになる。
【０１２９】
ステップＳ１６４０では第二水平関節部の目標値の修正を、ここに開示した計算式で行う。即ち、起動サイクル１回ごとに、基準修正角度αの０．２％（式中の０．００２α）ずつ当初の歩容データの目標角度Djθtに加える作業を行なう。このαの値としては、本
実施例では２５°を採用している。続いてステップＳ１６４２に進み、第二水平関節部のモータの速度の目標値を、開示した計算式で算出する。尚、当該数式は上記ステップＳ１６１４に示された数式と本質的に同じであるが、速度算出にあたり上記ステップＳ１６４０で算出された修正目標値に基づく。そして、ステップＳ１６４０とステップＳ１６４２で算出されたこれら二つの量を使い、ステップＳ１６４４では第二水平関節部の駆動用モータのトルク計算が行われ、そして、ステップＳ１６２０でアンプにトルク指令値が出力される。ステップＳ１６２０以降の処理は、上述の通りである。
【０１３０】
そしてステップＳ１６２２で肯定判定されると、その後ステップＳ１６６０で終了信号が受信されているか否かが判定される。制御フロー当初は終了信号は受信されないので、ステップＳ１６６０では否定判定されてステップＳ１６６２に進み、時間軸を一つ加えてコンピュータの元のフローに戻り、次のタイマー割り込みに備える。ここで、このタイマー割り込みの処理を続けると、何れ上記のステップＳ１６３６の結果が肯定判定される。このときはステップＳ１６３４の計算結果の如何にかかわらず、ステップＳ１６３８でｎの値を５００に維持し、その値が５００を超えないようにする。この処理によりステップＳ１６４０の計算結果の修正目標関節角度は最終的にDjθt＋αになる。これ以降ではリ
ンク部材１５０３は、当初の歩容が決めた計画姿勢よりもαだけ持ち上げられた姿勢をとりながら、床面に近づくことになる。
【０１３１】
そして、リンク部材１５０３が床面に近づいていくと、リンク部材１５０２の姿勢角度が上記βよりも小さくなるときが来る。そのときは、ステップＳ１６３２の判定結果が否定判定になるので、ステップＳ１６５０に進み、ｎの数を前サイクルのｎより１だけ減じて、即ちデクリメントしてステップＳ１６５２に進む。当初はステップＳ１６５２の結果は否定結果となるので、そのままステップＳ１６４０に進み、以降の処理が行なわれる。
【０１３２】
更に制御フローが進行すると、ステップＳ１６５２の判定結果は肯定判定になる。このときは、ステップＳ１６５４に進み、ｎの数を０に維持する処理を行う。つまりこれより後は、上記目標関節角度の修正は行われず、ステップＳ１６４０の結果はDjθtと一致し
て、当初の歩容で決められた姿勢で地面にアプローチするようになる。
【０１３３】
そして、歩行ロボットの歩行において、歩行終了の信号が受信されれば、ステップＳ１６６０の結果は肯定判定となり、制御フローは終了に向かうが、終了前にｎの値を０に直しておく（ステップＳ１６７０）。この処理により、再度この制御を利用するときに確実にn＝０から始められる。
【０１３４】
以上、ここに述べた事例はあくまでも一つの適用例であり、αやβは任意に設定できる
。また、ステップＳ１６４０に示す０．２％刻みの数字ももっと早く運動させたければより大きな刻みに変えると同時にそれに連動してステップＳ１６３６のnの比較値も５００
から更に小さな値に変更すればよい。このようにパラメータの変更で、作業の対象地形に応じて最適な、歩行ロボットの歩行姿勢を現場でつくれることが本実施例の効果とも言える。
【実施例５】
【０１３５】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第五の実施例を示す。本実施例では、更に図１４に基づいて、その説明を行う。図１４Ａに示す姿勢で矢印の方向に歩くときは、３脚全ての鉛直関節部１４１０、１４２０、１４３０は図示の位置で固定したままでも、その歩行には差し支えない。これらの鉛直関節部は、歩行においてはその方向転換に用いられるものであるから、直進等、方向転換が必要ではない歩行時においては各鉛直関節部は固定しても良い。この固定については、上述までの空気圧によるブレーキを使用する。
【０１３６】
このような歩行を行う場合には、当該鉛直関節部はブレーキをかけて固定した後で、各鉛直関節部のゲインを０にすると、この３つの鉛直関節部が消費する電気エネルギーを節約できる。この節約できる関節の割合は１脚には３ケの関節があり、そのうちの１つが鉛直関節部であるから１／３に相当する。また、歩行ロボットが暫く歩いてみて、進行方向が目標よりずれたら、そのときは少なくとも一つの鉛直関節部、例えば鉛直関節部１４１０の機械的固定を解除して方向を修正すればよい。このような場合、３つの鉛直関節部の機械的固定を解除して方向修正する場合に比べ歩行ロボットの小回り性は大いに制限されるが、微小な方向修正ならば、１つの鉛直関節部の機械的固定の解除であっても、その目的達成が可能である。
【実施例６】
【０１３７】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第六の実施例を示す。図１４Ｂの側面図において、３脚で胴体部を支えて持ち上げ、前方に移動している状態を考える。このとき３脚の３関節の合計９関節のうち、例えば後方脚の第２の水平関節部１４１２は、トルクを発生することは必ずしも必要ではない。具体的に胴体部を図示の状態から持ち上げる場合を考えてみるに、該水平関節部１４１２以外の残りの全ての関節部が必要なトルクを発生していれば、水平関節部１４１２はただ単に自由回転運動（パッシブな回転運動）できれば、歩行ロボットとして所望の姿勢を作りだせる。もちろん、これは脚の着床点では充分な摩擦力が得られているという前提が必要である。
【０１３８】
不整地の多くは柔らかい土壌で覆われているので、着床点である脚の脚部にスパイクなどの滑り止め機構が用意されるのが好ましい。このようなスパイクが用意され、且つ床面が凍結などで固くなっていないときは、少なくとも１つの第２の水平関節はゲインを０にした状態にしていても、歩行には何ら影響せず、更に次のような利点が見出せる。歩行ロボットの用途が不整地での作業ロボットである場合、脚の着床点は床面の凹凸により、成り行きで決まる。着床点で全く滑りがない状況では、各関節部が位置制御を行えば、制御誤差は着床点にコジリとなって現れるため、結果として脚が床面を「耕す」ことになる。床面を耕す動作はムダなエネルギー消費に帰結する。
【０１３９】
これに対して、上述のように１つの水平関節部がパッシブに回転運動する場合には、この関部が制御誤差を吸収してくれるので、このムダなエネルギー消費が避けられる。また、山林で作業ロボット（歩行ロボット）を用いる場合には、このコジリは山の表土を傷めるので、コジリが少なければ少ないほど、環境保全が良好となる。
【０１４０】
同じ理由で第２の水平関節１４１２の代わりに第１の水平関節１４１１のゲインをゼロにしても、歩行ロボットの歩行は可能である。そして、これと、上述した三つの鉛直関節
部の電流供給を止める考え方を同時に適用すると、９関節部の実に４関節部まで電流値をゼロにした状態で、歩行ロボットの歩行が可能になる。その結果、大きな省エネルギー効果が発揮されるとともに、頻度の低い関節の駆動モータは、始めから小容量のモータと大きな減速比の組み合わせで歩行ロボットを設計できることになり、歩行ロボットの重量軽減も可能となる。尚、水平関節１４１１のゲインだけをゼロにして、残りの関節部は通常通り駆動させても、相応の省エネルギー効果を得ることは可能である。
【実施例７】
【０１４１】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第七の実施例を示す。本実施例では、脚により歩行機構の持つ利点と車輪機構が持つ利点の双方を兼ね備えた、歩行ロボットを開示する。以下、これらの両機構を有する歩行ロボットを「ハイブリッド機構」を有する歩行ロボットと称する。
【０１４２】
図１７にハイブリッド機構を有する歩行ロボットを示す。これまでと同様、図１７Ａは平面図、図１７Ｂは側面図である。また各脚の関節部はこれまでの実施例と同じく機械的に制動できる制動装置が付いているものとする。
【０１４３】
図１７において、脚の先端部には回転可能な車輪が用意され、その中でも脚１５０Ａに取り付けられた車輪１５１５はモータ１５１６によってベルト１５１７を介して駆動可能となっている。これに対して、他の脚１５０Ｂ、１５０Ｃに取り付けられた車輪１５２５及び１５３５は、駆動用モータには連結されておらず、自由に回転できるようベアリング等で軸受けされているだけである。またこれら３ケの車輪に対しても、これまで関節の制動に使われたのと同じ空気圧で作動するブレーキが用意され、制動状態では車輪を制動して、その回転を阻止できる。
【０１４４】
この歩行ロボットが歩行機能を使って移動するときは、これらの車輪用のブレーキを作動させることで車輪はロック状態となり、単に体重を支えるための脚機構として働く。車輪がゴムでできていれば、着地時の衝撃の緩和にも役立つ。また車輪の幅と径を適切に選べば、軟弱な地盤でも体重を支えることができる。この場合は、上述までの歩行と同様の脚による歩行が可能となる。
【０１４５】
また、上記のように、本発明に係る歩行ロボットのような脚式ロボットの脚の先端部に車輪を設けて、これを制動装置等で制動、固定して歩行を行うときは、この車輪が床面に着床しながら脚を構成するリンクが様々に傾斜することになるが、この際いかなる場合においても、車輪の着床点では、床面と車輪表面とは平行な接触状態となる。言い換えると、不整地等を歩行する場合、例えば図６Ａに示した歩行ロボットの脚部６２８では、第２の脚リンク６２４が床面に対して垂直に立っているときは床面との良好な着床が得られるが、この第２の脚リンク６２４が床面に対して傾斜するに従い、脚部６２８の稜が床面に接触するようになる。そうすると、床面に脚部６２８が潜り込んでしまい十分な床面からの反力を得ることが難しくなる可能性が生じ、これは床面が柔らかくなるほど顕著となる。これに対して、上記のように脚部に着床する車輪を設け、該車輪を固定した状態で脚を利用して歩行を行うと、床面と車輪表面とは平行な接触状態に常に維持されるため、歩行ロボットの脚が床面に潜り込んで十分な反力を得ることができなくなるのを回避することが可能となる。
【０１４６】
一方この歩行ボットが車輪を使って移動するには、先ず全車輪を固定して側面図１７Ｂに示す姿勢を取る。次に脚１５０Ａの鉛直関節部１５１０を除く全ての関節部に制動をかけて固定し、固定した関節部の駆動モータのゲインをゼロにする。その状態で、移動に際しては車輪１５１５をモータ１５１６で駆動すれば前進・後退できる。操舵は、固定しない唯一の鉛直関節部１５１０を適切に駆動すれば、歩行ロボットの進行方向を変えること
が可能である。また、後退又は大きな方向転換を行うような場合には、車輪を固定して脚による歩行で方向を変えるようにしてもよい。
【０１４７】
このように構成することで、歩行ロボットの自重を支える全ての関節が機械的にロックできるので、この状態のときは、従来の車輪またはクローラ方式と全く同等の２自由度で移動が可能となり、消費エネルギーも同等程度となる。従来から提案されているハイブリッド方式は、車輪移動のときも脚関節が機械的なロック状態にならないので、モータ力で姿勢を維持する必要があり、エネルギー消費が大きいものとなっていたが、本実施例ではその点が改善されている。尚、本実施例では一つの脚にのみ車輪の駆動用モータを設けたが、他の脚の車輪にも駆動用モータを付けることを妨げるものではない。
【実施例８】
【０１４８】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第八の実施例を示す。図１８にはハイブリッド機構の別の形態を有する歩行ロボットを示す。図１８Ａは、図１７に示したものと同等の歩行ロボットの側面図で、矢印１６８２の方向に移動している状態を示す。また、図１８Ｂは一方向クラッチの原理図、図１８Ｃは一方向クラッチと制動装置とを組み込んだ車輪の断面図である。なお歩行ロボットの平面図は図示していないが、先の図１７に準じたものであるので、その記載は省略する。また、本実施例における歩行ロボットの脚関節部もまた、機械的に制動可能な制動装置を装着しているものとする。
【０１４９】
図１８Ａにおいて、各脚の先端には回転可能な車輪１６１５、１６２５、１６３５が設けられている。３ケの車輪には空気圧で作動するブレーキが用意され、制動状態では車輪を固定して回転しないようにすることができる。またこれら３つの車輪には、一方向にのみ回転を許す一方向クラッチ(One way clutch)が装着されている。この一方向クラッチの原理的な構成を、図１８Ｂを用いて説明する。
【０１５０】
一方向クラッチにおいては、脚の側部材に固定されたオスの円筒面１６５０と、これに嵌め合って車輪側に固定されたメスの円筒面１６５１とがあり、メスの円筒面１６５１にはローラ１６５２を内蔵する複数のスロット１６５３がある。このスロット１６５３の一番外側の面は偏心した部分円１６５４で形成され、車輪１６３５が実線で示す矢印１６８０の方向に回るときは、ローラ１６５２が部分円１６５４から離れるので自由な相対運動が保証される。しかし、点線で示す矢印１６８１の方向に回ろうとすると、ローラ１６５２が部分円１６５４に押しつけられて、相対回転が規制される。また一方向クラッチと同じような機能を持つものとして、ラチェット機構があり、本実施例においても一方向クラッチに代えてラチェット機構も採用し得る。
【０１５１】
図１８Ｃは車輪１６１５の断面図である。図１８Ｃにおいて、第二のリンク１６６０の先端部にナット１６６１などで強固に固定された車軸１６６２が設けられ、この車軸１６６２の右側には２つの軸受け１６６３、１６６４で軸受けされたハブ１６６５がある。更に、このハブ１６６５にはボルト１６６６で固定されたタイヤ１６６７がある。タイヤ１６６７の外周にはゴムが焼き付けられており、ゴム表面には床面との十分な着床性を確保する目的で、凹凸が刻まれている。
【０１５２】
２つの軸受け１６６３と１６６４との間には上記一方向クラッチ１６６８が装着され、車軸とタイヤとの間の回転運動が一方向にしか起きない。
【０１５３】
ハブ１６６５の左側は、円盤の形状をしたブレーキデスク１６７０が一体的に加工され、このブレーキデスク１６７０に対して摩擦材を貼りつけたブレーキフェーシング１６７１が設けられている。更に、その左側には空気圧で右方向に押し出されるピストン１６７２が位置する。このピストン１６７２は空気圧がピストンの左側の室に導かれると、ブレ
ーキフェーシング１６７１を右に押して、ブレーキデスク１６７０と接触させる。このときブレーキフェーシング１６７１がブレーキデスク１６７０とともに回転することがないように、ブレーキフェーシング１６７１の外周部には図示しない突起が用意され、この突起はまたピストン１６７２を収納する第二リンク側に設けられた、同じく図示しない窪みに嵌合するように構成される。そして空気圧が消滅したときは、速やかにブレーキを解除する目的で、図示しない戻しバネが設けられている。従って、ピストン１６７２に対して空気圧が送り込まれないときは、車輪は一方向にのみ自由回転ができ、また空気圧が供給された状態では車輪は固定されてどちらの方向にも回転できない。
【０１５４】
ここで、図１８Ａに戻って、本実施例では全ての車輪に、前記一方向クラッチが装着されており、その回転可能な方向は図１８Ａに矢印で示す歩行ロボットの移動方向と一致している。図示の姿勢において、歩行ロボットは脚関節部のうち少なくとも脚１６０Ａの第２の水平関節部１６１３を往復回転させて、第二のリンク１６６０を２本の点線で示す角度αで決定される２つの状態の間を往復運動させる。このようにすることで、一方向クラッチによって回転が規制されている方向に水平関節部１６１３が運動されると、その反力が歩行ロボットの推進力として作用することになり、歩行ロボットは矢印１６８２の方向に移動を始める。
【０１５５】
そして、第２の水平関節部１６１３が上記往復運動をしている間、第１の水平関節部１６１２を機械的にロックして且つゲインを０にすれば、その分の消費エネルギーが抑制される。第１の水平関節部１６１２を固定して第２の水平関節部１６１３のみを往復運動させるときは、歩行ロボットの胴体部が僅かに上下運動を伴う可能性がある。これを回避するべく、第１の水平関節部１６１２と第２の水平関節部１６１３とを協調動作させて、車輪中心位置と歩行ロボットの位置とが、高さ方向で常に一定となるように各関節部を駆動してもよい。
【０１５６】
また、本実施例では脚が３脚あるので、強い駆動力が欲しいときは、脚１６０Ａだけではなく、他の２本の脚の第２水平関節部を脚１６０Ａの第２水平関節部とは逆位相で往復運動させれば、歩行ロボットの推進力が増大し速度の早い移動が実現できる。本実施例による車輪での移動を行う歩行ロボットは、先の実施例６に係る歩行ロボットで設けられていた車輪の駆動用モータを省略する利点が見出せる。
【実施例９】
【０１５７】
以下図１９Ａ〜図２１Ｂに、本発明に係る歩行ロボットの第九の実施例を示す。図１９Ａは本実施例に係る歩行ロボットの上面図であり、図１９Ｂは該歩行ロボットの側面図である。また、図２０Ａは、図１９Ａに示す歩行ロボットが床面と接地する接地部の拡大図であり、図２０Ｂは、当該接地部の断面図である。更に、図２１Ａは、図２０Ａに示す接地部の変形例を示す図であり、図２１Ｂは、図２１Ａに示す接地部の断面図である。
【０１５８】
前記第七、第八実施例に示すハイブリッド移動機構では、脚を使って歩行ロボットの歩行を行うときには、ブレーキによって車輪の回転は制限されている。このように、車輪の回転が制限されているような場合であっても、脚の先端部分に、車輪のような特定の形状を有した床面との接触のための接地部が設けられることで、以下に明らかにされるような効果が得られる。
【０１５９】
図１９Ａ、Ｂに示すように、本実施例に係る歩行ロボットは、上述までの歩行ロボットと同様に、三本の脚１８０Ａ、１８０Ｂ、１８０Ｃを有する。各脚のリンク構造等詳細については上述のとおりであり、また各脚の基本的な構成は何れも同様であるので、本実施例においては主に脚１８０Ｃについて説明する。
【０１６０】
脚１８０Ｃは、三つのリンク部材１８０１、１８０２、１８０３が、脚の基部、即ち歩行ロボットの胴体部側から鉛直関節部１８２０、第一水平関節部１８３０、第二水平関節部１８４０で連結されて構成されているとともに、これらのリンク部材のうち最も先端側のリンク部材１８０３の先端部には、歩行ロボットの歩行時に床面と接触をする接地部１８１０が設けられている。この接地部１８１０は、断面において接触表面が円弧形状となっている半円盤型の柱状部材である（図２０Ａを参照）。そして、その円弧部の中心は図１９Ｂ中に示す点Ｏであって、接地部１８１０とリンク部材１８０３との接合部分にあたり、また接地部１８１０の中心軸は、第一水平関節部１８３０、第二水平関節部１８４０の回転軸と平行に配置されている。従って、この接地部１８１０がリンク部材に接合されている状態は、接地部１８１０の形状が半円盤型である点を除き、先の実施例六等においてブレーキによって車輪の回転が制限されている状態に相当する。尚、接地部１８１０を半円盤型としたのは、歩行ロボットの荷重、特に脚の各関節部の負荷となる荷重を可及的に軽減し、歩行に寄与しない部分を省略したためであるが、接地部１８１０を全円型にすることを排除したものではない。
【０１６１】
以後の説明においては、簡略化のために、歩行ロボットが置かれている床面は平坦であることを前提とする。図１９Ｂには、歩行ロボットの進行方向に２つ揃えて伸ばした２脚１８０Ｂ、１８０Ｃが、実線で描かれている。これに対してこの２脚を縮めた姿勢が一点鎖線で示されている。実線で描いた姿勢について述べると、歩行ロボットは地面から、前側各脚に反力Ｆ１を、及び後ろ側脚に反力Ｆ２を受けている。前脚は１８０Ｂと１８０Ｃがあるため、歩行ロボットが受ける地面反力の総和は２Ｆ１＋Ｆ２であり、おおまかにはこれは歩行ロボットの自重と釣り合う量である。
【０１６２】
実線で示す姿勢では、第一水平関節部１８３０に加わる負荷トルクＴは、Ｔ＝Ｌ１×Ｆ１で表される（Ｌ１は、第一水平関節部１８３０から反力Ｆ１が接地部１８１０に作用している、床面との接触部位Ａまでの水平距離である）。ここでもし、リンク部材１８０３の先端部に半円盤型の接地部１８１０が存在しないものとして、それに代わってリンク部材１８０３が床面に接触する程度に長いと仮定したとき、床面とリンク部材１８０３との仮想的な接触部位は点Ｃになる。この点Ｃは、先の接触部位Ａよりも歩行ロボットから遠い点になるため、第一水平関節部１８３０から点Ｃまでの水平距離Ｌ０は、先のＬ１より長くなる。その結果、半円盤型の接地部１８１０が存在しない場合には、第一水平関節部１８３０に係る負荷トルクＴ０は、Ｔ０＝Ｌ０×Ｆ１で表され、先のＴより大きくなる。このことは、半円盤型の接地部１８１０を有する本実施例の方が、第一水平関節部１８３０に係る負荷トルクを、より小さくすることが可能となる。関節部に係る負荷トルクが小さくなれば、関節部駆動用のモータの容量も小さくすることが可能となる。
【０１６３】
ここで、接地部１８１０による歩行ロボットの歩幅、即ち脚１８０Ｃの駆動による移動量について検討する。図１９Ｂに、実線で示された前の２脚が伸びた状態から、それらを折り曲げて一点鎖線の状態に至ることで歩行ロボットが前進したときの、該歩行ロボットの胴体部を重ねて脚の状態を比較して示している。実線で示す状態では、先に述べたように接地部１８１０と床面との接触部位は点Ａであるが、伸びた脚が折り曲げられた一点鎖線で示された状態では、接地部１８１０は床面と点Ｂ’で接触している。この接触部位Ｂ’は、接触部位Ａよりも、歩行ロボットの進行方向に進んだ円弧上にある点である。参考のために、図１９Ｂにおいて、実線状態において接触部位Ｂ’に相当する点を点Ｂとして、一点鎖線状態において接触部位Ａに相当する点を点Ａ’として示す。
【０１６４】
仮に、半円盤型の接地部１８１０と床面との間に滑りが全く無ければ、歩行ロボットの１歩で進む距離はＡＢ'＋弧Ａ'Ｂ'となる。この式より明らかなように、歩行ロボットの
歩幅は、ＡＢ'で表す量、即ち第一水平関節部１８３０によって脚１８０Ｂが水平面上を
移動させられる距離より、接地部１８１０の円弧上の弧Ａ'Ｂ'の分だけ大きくなる。この
ことはリンク部材１８０３が接地部１８１０の大きさの分だけ短くなっているにもかかわらず、仮想の接地部位Ｃまで伸びているリンク部材を装着した場合と遜色ない歩幅を形成していることを意味する。言い換えると、接地部１８１０の円弧状の部分はリンク部材１８０３に固定されて相対回転できないにもかかわらず、第一水平関節１８３０と第二水平関節部１８４０の床面に対する脚駆動のための回転運動を、接地部１８１０の円弧状部分が「写し取って」回転したからに他ならない。本実施例においては、脚による歩行機能と、この接地部が車輪のように転がる移動機能を「ハイブリッド」と称する。
【０１６５】
このように半円盤型の接地部１８１０をリンク部材の先端部に設けるときは、関節部の負荷トルクを低減でき、しかも歩幅の犠牲を実質的に伴わないため、その分容量の小さな駆動手段（モータ）で歩行ロボットを設計することが可能となる。この利点は、半円盤型の接地部１８１０の重量が過度に重くならない範囲で、その半径を大きく設定すればするほど大きくなる。
【０１６６】
以上の説明は第一水平関節部１８３０について行なったが、第二水平関節部１８４０についても同じことが言える。更に、後ろ側の脚１８０Ａについても全く同様の効果が期待できるから、ロボット全体では非常に大きな効果を期待してよい。このように第九実施例によるときは、脚部先端形状を柱状にすることで、脚を伸ばした姿勢のときの接地点を歩行ロボット本体近くに引き寄せ、負荷トルクを減少させ、関節の作動角度を小さくでき、以て駆動用モータをより小容量のモータで設計することができ、歩行に要する消費エネルギーを節約できる。なお上記の例では180度に分割した半円盤型の接地部を例示したが、
これよりも小さな円周（例えば120度で分割）を持つ部分円で構成する接地部を本発明は
排除するものではない。
【０１６７】
また、図２０Ａには、図１９Ａ、Ｂに示した接地部１８１０の詳細形状が示されている。リンク部材１８０３の先端部には３本のボルトで半円盤型の接地部１８１０が接続されている。より詳細には、接地部１８１０は、いわゆるビヤ樽のようにその中央部が両端部に比べて膨らんだ形状になっており、図２０Ｂに接地部１８１０の断面図を示す。このように中央部が膨らんだ形状とする理由は、歩行ロボットが歩行する床面が比較的柔らかいときに歩行ロボットの歩行のしやすさを考慮したものである。即ち、歩行ロボットの歩行時に脚が床面に接地するとき、先ず接地部の中央部が地面に食い込み、グリップ力をすぐに高められること、及び接地部１８１０の表面が徐々に変化しているため柔らかい床面に対して接地部が深く潜り込んでしまうのを回避できることによる。従って、例えば、前２脚を広げて歩行する場合（図１９Ａに示す状態よりも前側の２脚がより開いた状態での歩行）、接地部１８１０に対して地面と垂直軸回りの滑り運動が強いられるため、このような表面形状を有する接地部１８１０によると、柔らかい床面での作業時の抵抗が大きくなるのを効果的に防げることが可能となる。
【０１６８】
また図示はしていないが、半円盤型の接地部１８１０の表面上には、床面との摩擦力を維持するために、ミゾが刻まれているか若しくはスパイクが複数埋められていてもよい。このようなミゾ形状は接地部１８１０をプラスチックで成形、またはアルミ鋳物で鋳造すれば容易に製作できる。
【０１６９】
ここで、接地部１８１０の変形例を図２１Ａ、Ｂに示す。この変形例において、リンク部材１８０３の先端部には、全円型の円周を有する円柱形の接地部１８１０’が４本のボルトで固定されている。そして、この接地部１８１０’においては、床面との接触のための接触領域は、領域Ｒ１と領域Ｒ２とに分かれている。この領域Ｒ１における接地部１８１０’の表面性状は、滑らかでゴムが焼き付けられている。一方で、領域Ｒ２における接地部１８１０’の表面性状は、表面が固く且つ図示しないスパイクが埋め込まれている。
【０１７０】
更に、接地部１８１０’の表面形状も上述のようにその中央部が両端部と比べて突出した状態となってはいるが、図２０Ｂに示すビヤ樽状態と違い中央部と両端部との間はテーパ状態となっている。
【０１７１】
このように構成される接地部１８１０’を有する歩行ロボットでは、床面が幾分固めの土である場合には図示の組み合わせでスパイクで滑りを防ぎながら歩行するのが望ましく、作業基地に帰ってきて格納庫に歩行ロボットを収納する場合とか、床面が整備されたヤードで移動するような場合には、接地部１８１０’を固定しているボルトを一度外して、該接地部１８１０’を１８０度逆さまにしてリンク部材１８０３に固定し直し、領域Ｒ１が床面に接触する状態で、歩行することが望ましい。これにより、歩行ロボットが歩行する現場の環境に応じて、簡単に車輪の接地面性状を変更でき、歩行ロボットの歩行により適した摩擦状態を得ることが可能となる。
【実施例１０】
【０１７２】
以下に、本発明に係る歩行ロボットの第十の実施例を示す。上述までの歩行ロボットの胴体部の下部には、突起部を設ける実施例を開示してきた。ところで、この突起部の突起高さ（胴体部の表面から突起部の先端部までの長さ）は、歩行ロボットが使われる不整地の荒れ様によって、決定される。凹凸が激しい不整地での歩行を想定するときは、胴体部を極力高く保持したいため、突起部の高さも大きくなる。しかし、不整地における障害物は様々であり、いくら突起部の高さを大きくしても、対応できないほどの凹凸が生じる倍がある。例えば、床面上に倒木が存在する場合には、突起部が長すぎると却って該突起部が倒木と干渉し、歩行ロボットの歩行を阻害する虞がある。そこで、このような床面上の障害物と突起物との干渉を回避し得る突起部の構成を、本実施例では開示する。
【０１７３】
図２２において、胴体部１７０１の下部には回転軸１７８０を中心に回転可能な突起部１７４０が設けられている。突起部１７４０の左先端はこれまでの実施例と同じく床面に接触して、ロボットの自重を支える。この突起部の高さＨは、凹凸の激しい作業現場に対応すべく、ある程度高く設定されている。また、本実施例では、脚と突起部とが干渉する虞を極力回避するために、両者は平面図の上では位相がずれた位置で、歩行ロボットの胴体部に結合されている。
【０１７４】
ここで、突起部１７４０の中央近くでは、フランジ１７８１によって空気圧シリンダー１７８２のロッド１７８３が回転自在に組付けられており、シリンダー１７８２の上部は別のフランジ１７８４を介して胴体部側に回転自在に組付けられている。このシリンダー１７８２の内部には、戻しバネ１７８５がロッド側に用意され、シリンダー長さが短くなる方向にその弾性力がピストンに作用している。このピストン下部のバネ室は常時大気に連通していているため、大気圧に維持される。
【０１７５】
また、ピストン上部の室は、電磁弁１７８６を介して、消磁状態では空気圧源１７８７に接続可能に、また励磁状態では大気側に接続可能に構成されている。電磁弁１７８６とシリンダー１７８２の間には、一方向弁１７８８と絞り１７８９とが並列接続されており、シリンダー１７８２への圧力供給は素早く行われる。一方、シリンダー１７８２が縮むときは絞り１７８９を介して空気が放出されるため、その動作は緩慢となる。絞り１７８９の効果によりシリンダー１７８２が緩慢に縮むことは、ストロークの終点で衝撃を緩和することにも貢献するが、更にその衝撃吸収を効果的に行うために、ピストン上部にはクッションゴムが設けられている。
【０１７６】
このような構成は、１つの突起部についての構成であり、残す２つの突起部についても同じ機構が設定される。そして、それぞれの突起部に対応するシリンダーに、共通の電磁弁の出力が導かれるように、回路１７９０、１７９１が用意されている。
【０１７７】
次に、本実施例に係る突起部１７４０の作動について説明する。電磁弁１７８６が消磁のとき、シリンダー上部の作動室には高圧空気が導かれてシリンダー長さが伸び、突起を図示実線で示す位置に保持する。このときのシリンダー１７８２の伸展力は、突起部１７４９が歩行ロボットの自重を支えるのに必要な力の、例えば２倍となるように設計される。通常の歩行時に突起部１７４０は図示実線に示す形状に保持されており、これまでの実施例での説明したように、腹這いモードで歩行ロボットの自重を支え、移動モードでは床面から離れた状態で、歩行が実行される。
【０１７８】
ここで、歩行ロボットの歩行の行く手に倒木などの障害物がある場合には、電磁弁１７８６を励磁してシリンダー１７８２の長さを短くし、突起部１７４０を点線で示す位置に持ち上げる。このようにすることで、突起部１７４０の突起高さを小さくすることができ、以て倒木と突起部１７４０との干渉を避け得る歩行が可能となる。また、倒木などの障害物を回避した後で電磁弁１７８６を消磁すれば、突起部１７４０は実線に示す位置に復帰し、今までの腹這いモードでの歩行が可能となる。ここで、突起部１７４０の復帰は一方向弁１７８８によって、速やかに行われる。このとき、シリンダー１７８２のストロークエンドでは衝撃が起きるが、ピストンロッド側には戻しバネ１７８５と並列にクッションゴムが用意されており、この衝撃を吸収緩和する。
【０１７９】
また、この電磁弁の励磁操作は、当然のことながら腹這いモードから移動モードに移行した後で行われる。またその励磁方法は、電波等を使って遠隔操作で行ってもよく、或いは歩行の制御アルゴリズムに、このような突起部の高さを変更するモードを用意しておき（つまり歩容として用意しておき）、現場で適宜選択して当該モードを利用することもできる。更に、多少コスト高にはなるが、歩行ロボットが前方障害物を超音波などの非接触センサで検知して、障害物が検知された場合にのみ、電磁弁を励磁するようにしてもよい。尚、上記のようにこの突起部の動きを歩容として用意しておく場合には、突起部は１自由度を持つ脚として考えることができる。そのような場合、本発明に係る歩行ロボットは、長短２種類の脚を持つ、６足ロボットであると見なすことができる。
【０１８０】
このような構成の突起部１７４０を有する歩行ロボットでは、移動モードから腹這いモードに移行するとき、突起部１７４０が床面に着地するときの衝撃を機械的にもある程度緩和できる。即ち、シリンダーの出力を上記のように支える体重の約２倍に設定しておけば、それ以上の衝撃力が加わったときに、シリンダーは一種のエアーサスペンションの役目を担い、縮むことができる。エアーサスペンションは空気の圧縮性を利用しているので、上記の一方向弁１７８８が配置されることで、閉じ込められた空気が電磁弁１７８６を逆流して空気圧源に逃げるときに、絞り１７８９を通ることを強制される。その結果、シリンダー内部の圧力を一瞬の間高めて抵抗力を増加させるとともに、その後の振動に対する減衰効果を発揮することになる。
【０１８１】
また、本実施例のように空気圧シリンダーを用いる場合には、シリンダーを伸縮するときには確かに空気圧エネルギーを消費するものの、それ以外では空気圧の消耗はないため、通常の歩行では空気圧シリンダーによる機構が消費するエネルギーはゼロである。
【０１８２】
ここで、本実施例に係る歩行ロボットの趣旨は、突起部が固定されてその高さが変化しないものではなく、適宜突起部の形態を変えて歩行時に床面上の障害物との干渉を避けることにある。従って、本発明の適用に当たっては、本実施例に限定されることなく、例えば、上述までの脚（長脚）のように複数の関節で駆動されるものであっても構わない。その場合に従来の６脚歩行ロボットに対する優位性は、可変形態の突起部が脚に比べて格段に短く、且つ脚と突起部とが立体的に交差可能なように、胴体部と結合される高さが相異なるように結合されることで保たれる。このように脚と突起部とを設計・配置することで
、従来の６脚歩行ロボットならば脚同士が干渉することが防げ、歩容生成の自由度が高まる。また突起部の駆動機構を実施例のように１つにすれば、重量増加やそれに伴うエネルギー消費も抑えることができる。特に、本実施例のように歩行ロボットの自重を支えるときのエネルギー消費が基本的に０となる駆動機構を用いれば、歩行ロボットにおける消費電力の低減への寄与度は高くなる。
【図面の簡単な説明】
【０１８３】
【図１】従来の四足歩行ロボットの機構を概略的に示す図である。
【図２】従来の六足歩行ロボットの機構を概略的に示す第一の図である。
【図３】従来の六足歩行ロボットの機構を概略的に示す第二の図である。
【図４】本発明の実施例に係る歩行ロボットの概略構成を示す第一の図である。
【図５】本発明の実施例に係る歩行ロボットの概略構成を示す第二の図である。
【図６Ａ】本発明の第一の実施例に係る歩行ロボットの具体的な構成を示す図である
【図６Ｂ】図６Ａに示した歩行ロボットの鉛直関節部の詳細な構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る歩行ロボットの関節部駆動のフィードバック制御ブロック図の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施例に係る歩行ロボットの歩行制御に用いられる歩容データの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係る歩行ロボットに適用される歩行制御のための第一のフローチャートである。
【図１０Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットが脚を放射状に展開した状態を上から見た平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す歩行ロボットの側面図である。
【図１１】本発明の実施例に係る歩行ロボットに適用される歩行制御のための第二のフローチャートである。
【図１２Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットを上から見た平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示す歩行ロボットの側面図である。
【図１３】本発明の実施例に係る歩行ロボットに適用される歩行制御のための第三のフローチャートである。
【図１４Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットを上から見た平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示す歩行ロボットの側面図である。
【図１５Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットにおいて、脚と床面との接触面積を増やすための制御が行われたときの、該歩行ロボットの脚の状態を示す第一の図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施例に係る歩行ロボットにおいて、脚と床面との接触面積を増やすための制御が行われたときの、該歩行ロボットの脚の状態を示す第二の図である。
【図１５Ｃ】本発明の実施例に係る歩行ロボットにおいて、脚と床面との接触面積を増やすための制御が行われたときの、該歩行ロボットの脚の状態を示す第三の図である。
【図１６】本発明の実施例に係る歩行ロボットにおいて、脚と床面との接触面積を増やすための制御のフローチャートである。
【図１７Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットであって、移動用の車輪を有するハイブリッドタイプの歩行ロボットを上から見た平面図である。
【図１７Ｂ】図１５Ａに示す歩行ロボットの側面図である。
【図１８Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットであって、移動用の車輪を有するハイブリッドタイプの歩行ロボットの側面図である。
【図１８Ｂ】図１６Ａに示す歩行ロボットで使用される一方向クラッチの原理を示す図である。
【図１８Ｃ】図１６Ｂに示す一方向クラッチが組み込まれた歩行ロボットの、脚の先端部周辺の構造を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットにおいて、円弧状の接触表面を有する接地部が備えられた形態を示す、該歩行ロボットの上面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａに示された歩行ロボットの側面図である。
【図２０Ａ】図１９Ａに示された歩行ロボットの接地部の詳細を示す第一の図である。
【図２０Ｂ】図１９Ａに示された歩行ロボットの接地部の詳細を示す第二の図である。
【図２１Ａ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの接地部の変形例を示す第一の図である。
【図２１Ｂ】本発明の実施例に係る歩行ロボットの接地部の変形例を示す第二の図である。
【図２２】本発明の実施例に係る歩行ロボットが有する、高さが可変である突起部の構造を示す図である。
【０１８４】
４０１・・・・胴体部
４０２、４０３、４０４・・・・脚
４０５、４０６、４０７・・・・着床部
５０１・・・・胴体部
５０２、５０３、５０４・・・・脚
５０５、５０６、５０７・・・・着床部
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ・・・・脚
６０ａ、６０ｂ。６０ｃ・・・・突起部
６０１・・・・胴体部
６１０・・・・鉛直関節部
６１２・・・・水平ヨーク
６１４・・・・第１の脚リンク
６１６・・・・垂直ヨー軸
６１８・・・・第１の水平関節部
６２０・・・・第１の水平ピッチ軸
６２２・・・・第２の水平関節部
６２４・・・・第２の脚リンク
６２８・・・・脚部
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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