(57)【要約】      （修正有）【課題】バッテリの消費電力が少なく長時間の稼動が可能な二足歩行ロボットを提供する。【解決手段】上体２と、この上体２に腰関節８で連結し、膝関節９および足首関節１０を有する２本の脚体３とを備え、膝関節９を曲げた起立姿勢をとる二足歩行ロボット１において、起立姿勢のときに足首関節１０と腰関節８とを結ぶ鉛直線と、この鉛直線と膝関節９との中央鉛直線との間にロボット全体の重心を配置する。これによってアクチュエータの駆動トルクが低減され消費電力も低減される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上体と、該上体に腰関節で連結し、膝関節および足首関節を有する２本の脚体とを備え、前記膝関節を曲げた起立姿勢をとる二足歩行ロボットにおいて、
前記起立姿勢のときに、前記足首関節と腰関節とを結ぶ鉛直線と、該鉛直線と前記膝関節との中央鉛直線との間にロボット全体の重心を配置したことを特徴とする二足歩行ロボット。
【請求項２】
請求項１において、
前記起立姿勢のときに、前記足首関節と腰関節との略直上にロボット全体の重心を配置したことを特徴とする二足歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膝関節を曲げた起立姿勢をとる二足歩行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の二足歩行ロボットは、膝関節を曲げた起立姿勢のときに膝関節の略直上にロボット全体の重心を配置し、膝関節の負担を軽減するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５４０７８号公報（第６頁
【００４７】−
【００４９】、第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術においては、膝関節の負担の軽減を目的としてロボット全体の重心を膝関節の直上に配置するため、腰関節と足首関節には大きなモーメントがかかり、これを保持および作動させるために要するロボットに搭載したバッテリの消費電力が多大となり、その結果としてロボットの歩行時間、つまり稼動時間が短くなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、長時間の稼動が可能な二足歩行ロボットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、上体と、該上体に腰関節で連結し、膝関節および足首関節を有する２本の脚体とを備え、前記膝関節を曲げた起立姿勢をとる二足歩行ロボットにおいて、前記起立姿勢のときに、前記足首関節と腰関節とを結ぶ鉛直線と、該鉛直線と前記膝関節との中央鉛直線との間にロボット全体の重心を配置したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明による二足歩行ロボットの実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態を示す側面図、図２はその正面図である。
図１、図２において、１は二足歩行ロボットであり、人型のロボットである。
【０００８】
２は二足歩行ロボット１の上体であり、胴体３と頭部４および一対の腕体５から構成される。
６はバッテリ等の蓄電装置であり、胴体３の内部に格納され、二足歩行ロボット１の外部から充電可能に構成されており、各部を作動させる電動モータ等のアクチュエータやそれらの制御を行うコントロールユニットの作動用の電源を供給する。
【０００９】
７は脚体であり、上体の下方に一対にして設けられ、電動モータ等のアクチュエータに駆動される腰関節８によって胴体３に屈曲可能に連結する。
９は膝関節であり、脚体７の大腿部７ａと下腿部７ｂとを屈伸可能に連結し、電動モータ等のアクチュエータにより駆動される。
１０は足首関節であり、下腿部７ｂと足平部１１とを屈曲可能に連結し、電動モータ等のアクチュエータにより駆動される。
【００１０】
なお、本実施の形態の二足歩行ロボット１は、立位のときに図２に示す正面図において併設された一対の脚体７の並ぶ方向と直交する図１に示す前方向に膝関節９を曲げた起立姿勢をとっている。
この場合に上体２は、二足歩行ロボット１が立つ床面の鉛直方向に全ての部位を伸ばした状態になっている。
【００１１】
上記の構成の作用について説明する。
図３は実施の形態の重心の位置関係を示す説明図、図４はその最小消費電力時の重心位置を示す説明図である。
図３において、二足歩行ロボット１の全重量による力Ｆが作用するロボット全体の重心Ａは、二足歩行ロボット１の起立姿勢における上体２に位置し、足首関節１０と腰関節８とを結ぶ鉛直線から前方向に距離Ｓ離れた位置にある。
【００１２】
このとき、前方向に曲げられた膝関節９と足首関節１０と腰関節８との鉛直線との距離をＬとすると、脚体７に作用する全モーメントＴは、腰関節８に作用するモーメントがＦ・Ｓであり、膝関節９がＦ（Ｌ−Ｓ）、足首関節１０がＦ・Ｓであるので、
Ｔ＝Ｆ・Ｓ＋Ｆ（Ｌ−Ｓ）＋Ｆ・Ｓ
＝Ｆ（Ｌ＋Ｓ）      ・・・・・・・・・（１）
で表される。
【００１３】
また、このときのＦ・Ｌのモーメントを保持するために必要な消費電力をＷとすると、脚体７を起立姿勢に保持するための全消費電力Ｐは、
Ｐ＝Ｗ（Ｌ＋Ｓ）／Ｌ      ・・・・・・・（２）
で表される。
従って、式（１）、（２）から分かるように、Ｓ＝Ｌのとき、つまり重心Ａが膝関節９の直上にあるときに、全モーメントＴおよび全消費電力Ｐは最大となり、Ｔ＝２Ｆ・Ｌ、Ｐ＝２Ｗとなる。
【００１４】
また、Ｓ＝０のとき、つまり重心Ａが腰関節８と足首関節１０との直上にあるときに、全モーメントＴおよび全消費電力Ｐは最小となり、Ｔ＝Ｆ・Ｌ、Ｐ＝Ｗとなって重心Ａが膝関節９の直上にあるときの５０％の全モーメントＴおよび全消費電力Ｐとなる。
更に、Ｓ＝Ｌ／２のとき、つまり重心Ａが腰関節８と足首関節１０とを結ぶ鉛直線とこの鉛直線に膝関節９から伸ばした垂線の中点を通る鉛直線（以下、中央鉛直線という。）上にあるときに、全モーメントＴおよび全消費電力Ｐは、Ｔ＝３Ｆ・Ｌ／２、Ｐ＝３Ｗ／２となって重心Ａが膝関節９の直上にあるときの７５％の全モーメントＴおよび全消費電力Ｐとなる。
【００１５】
このことは、重心Ａが腰関節８と足首関節１０とを結ぶ鉛直線と中央鉛直線との間にあるとき、つまり重心Ａが中央鉛直線を含む腰関節８側にあるときには、その全モーメントＴおよび全消費電力Ｐは重心Ａが膝関節９の直上にあるときの７５％以下となることを示している。
すなわち、この間にロボット全体の重心Ａが位置するときに、脚体７を起立姿勢として保持するためのアクチュエータの保持力および消費電力が、重心Ａが膝関節９の直上にあるときの７５％以下に低減されることを示しており、これに伴って歩行に要するアクチュエータの駆動トルクおよび消費電力も低減されることを示している。
【００１６】
以上説明したように、本実施の形態では、二足歩行ロボットの起立姿勢において、ロボット全体の重心を腰関節と足首関節とを結ぶ鉛直線と中央鉛直線との間に配置することによって、腰関節と足首関節のアクチュエータの保持力の低減およびロボット全体としての消費電力の低減を図ることができ、アクチュエータの小型、軽量化と共に稼働時間の長時間化を可能とすることができる。
【００１７】
また、二足歩行ロボットの起立姿勢においてロボット全体の重心を腰関節と足首関節とを結ぶ鉛直線の略直上に配置することによって、腰関節と足首関節のアクチュエータの保持力およびロボット全体としての消費電力の最小化を図ることができ、アクチュエータを更に小型、軽量化できると共に稼働時間を更に長時間とすることができる。
【００１８】
上記の効果は、従来例と同一の蓄電装置を用いた二足歩行ロボットに本発明を適用した場合について述べたが、本発明の効果を蓄電装置の小型化に振り向けた場合は、蓄電装置の小型化によりロボット全体の重量の軽減を図ることができ、これに伴うロボット各部のアクチュエータの小型、軽量化によって更に重量の軽減効果を高めることができ、この重量の軽減と上記の重心配置によって軽量、小型であり、かつ長時間の稼動が可能な二足歩行ロボットとすることができる。
【００１９】
なお、上記実施の形態例では、二足歩行ロボットに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は二足歩行ロボットに限らず、多足ロボットにも適用することができ、多足ロボットに本発明の重心配置の考え方を適用すれば、稼働時間の長時間化や蓄電装置の小型化の効果を同様に得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、二足歩行ロボットの起立姿勢において、ロボット全体の重心を腰関節と足首関節とを結ぶ鉛直線と中央鉛直線との間に配置することによって、腰関節と足首関節のアクチュエータの保持力の低減およびロボット全体としての消費電力の低減を図ることができ、アクチュエータの小型、軽量化と共に稼働時間の長時間化を可能とすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す側面図
【図２】本発明の実施の形態を示す正面図
【図３】実施の形態の重心の位置関係を示す説明図
【図４】実施の形態の最小消費電力時の重心位置を示す説明図
【符号の説明】
１    二足歩行ロボット
２    上体
３    胴体
４    頭部
５    腕体
６    蓄電装置
７    脚体
７ａ  大腿部
７ｂ  下腿部
８    腰関節
９    膝関節
１０  足首関節
１１  足平部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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