(57)【要約】【課題】４脚で歩行が可能であり、かつ腕部による作業が可能な歩行ロボットであって、低消費電力、且つ駆動するアクチュエータが破損した場合にも、移動の継続が可能な歩行ロボットを得る。【解決手段】４本の脚部のうちの２本の脚部に作業用マニピュレータを備え、歩行ロボットが移動する場合には４本の脚部を使用して移動し、一方、作業を行う場合には作業用マニピュレータを備えた２本の脚部のうちの少なくとも一本の脚部を使用して作業を行なう構成とする。また、アクチュエータに制動手段を設け、非歩行時に通電することなく姿勢を維持して低消費電力を実現し、さらに、複数のモータでアクチュエータを形成して、アクチュエータを効率良く駆動する。【選択図】        図１
2004314216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部に接続され、該本体部を支持する４本の脚部を有し、前記４本の脚部をそれぞれ所定のタイミングで動作することにより移動する歩行ロボットにおいて、前記４本の脚部のうちの２本の脚部に作業用マニピュレータを備え、前記歩行ロボットが移動する場合には前記４本の脚部を使用して移動し、一方、作業を行う場合には前記作業用マニピュレータを備えた２本の脚部のうちの少なくとも一本の脚部を使用して作業を行なう制御手段を備えることを特徴とする歩行ロボット。
【請求項２】
脚部を駆動するアクチュエータから前記脚部の関節軸までの動力伝達系に、動作を制動する制動機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の歩行ロボット。
【請求項３】
制動機構は、吸引力を発生するソレノイドと、前記ソレノイドの吸引力による所定方向の回動を伝達するワンウェイクラッチとカム部とを備えてなるラッチ機構と、前記所定方向の回動を制動する制動子とからなることを特徴とする請求項２記載の歩行ロボット。
【請求項４】
制動子は摩擦部材により形成したこと特徴とする請求項３記載の歩行ロボット。
【請求項５】
制動子は動力伝達系を形成する歯車の側面に設けた孔にかみ合う噛み合い部材により形成したことを特徴とする請求項３または請求項４のうちのいずれか１項記載の歩行ロボット。
【請求項６】
脚部を駆動するアクチュエータを、１箇所の関節に対して複数個設けたことを特徴とする請求項１記載の歩行ロボット。
【請求項７】
複数のアクチュエータを、それぞれのアクチュエータの回転軸を接続して配置したことを特徴とする請求項６記載の歩行ロボット。
【請求項８】
関節軸に駆動力を伝達する動力伝達系に、複数のアクチュエータを夫々、並列して配置したことを特徴とする請求項６記載の歩行ロボット。
【請求項９】
アクチュエータからの動力を断接するクラッチ機構を設けたことを特徴とする請求項２および請求項６から請求項８のうちのいずれか１項記載の歩行ロボット。
【請求項１０】
請求項１に記載の歩行ロボットにおいて、当該歩行ロボットの停止時または非歩行時に、本体部を支持する脚部の関節部を制動機構により固定保持するとともに、当該関節部を駆動するアクチュエータへの通電を解除することを特徴とする歩行ロボットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脚による歩行形態で移動を行う歩行ロボットおよびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歩行ロボットは、本体部を支持する脚部を４本設け、これら４本の脚部をそれぞれ所定のタイミングで動作することにより移動する構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の歩行ロボットは、本体部を支持する脚部を２本設け、これら２本の脚部をそれぞれ所定のタイミングで動作することにより移動する構成としている。また、関節を駆動するアクチュエータとしてのモータを１箇所の関節について１個配置し、当該モータにより関節軸を駆動する構成としている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、従来のロボットの関節構造は、減速機内にブレーキを設け、アクチュエータとしての電動機への通電を解除した場合に、重力等により関節が従動するのを防ぐ構成としている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１７６８６６号公報（第２−３頁、図４）
【特許文献２】
特開２０００−２９６４８４号公報（第５−７頁、図１、図９）
【特許文献３】
特開昭６１−２８８９８５号公報（第２−３頁、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の４本の脚部により歩行するロボットは、４本の脚部で本体部を支持して移動するので、移動時や停止時に転倒しないようにバランスを取ることが容易であり、簡単な制御で歩行が可能であるものの、脚部は歩行にのみ使用するため、脚部を使用した作業が行えない問題点があり、また作業を行う場合には、移動用の脚部とは別に作業用の腕部を設置する必要があり、ロボット装置の小型化、低コスト化等を阻害する問題点があった。
【０００７】
また、他の従来の歩行ロボットは、本体部を支持する２本の脚部により移動する構成としていたので、腕部にマニピュレータを装備することにより作業は可能であるものの、２脚で転倒せぬようバランスをとって自立し、歩行するための制御が複雑化し、低コスト化を阻害する問題点があった。また、２脚で転倒せぬようバランスをとって自立するためには、関節を駆動するアクチュエータとしてのモータを常に制御する必要があり、消費電力が大きい問題点があった。
【０００８】
また、これら歩行ロボットは、関節を駆動しないときにはアクチュエータとしての電動機への通電を解除するが、この場合、重力等により関節が従動するのを防ぐために、減速機内にブレーキを設け、これにより関節の姿勢を保持する構成としていた。従って姿勢を保持した状態で電動機への通電は解除可能なものの、ブレーキを作動させている状態、もしくはブレーキを解除している状態のいずれかでは、ブレーキに電力を供給する必要があり、特に多関節ロボットにおいて消費電力が増大する問題点があった。
【０００９】
また、関節を駆動するアクチュエータを、関節１箇所あたり１個配置していたので、アクチュエータが破損した場合に歩行が不可能となる問題点があった。
【００１０】
さらに、脚による歩行で移動を行う歩行ロボットでは、アクチュエータは起動と停止の正転、逆転の繰り返しとなる。また、アクチュエータの起動停止の際にはアクチュエータ自身の慣性モーメントを加速または減速する必要があり、一方、アクチュエータの駆動力は、ロボットの移動速度の最大値を考慮する必要がある。従って低速で移動する場合にも、高速移動が可能な駆動力を持つ慣性モーメントが大なるアクチュエータの加減速の繰り返しを行う必要があり、消費電力の低減を図ることができないという問題点があった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な制御で転倒しないようにバランスをとって自立し、歩行が可能であり、かつ腕部による作業が可能な歩行ロボットであり、また、作業時、または停止時などの非歩行時に、ロボット本体を支持する脚部の関節を駆動するアクチュエータへの通電を解除した場合に、電力を消費することなく姿勢を維持できる歩行ロボットであり、また、関節を駆動するアクチュエータが破損した場合にも、移動の継続が可能な歩行ロボットであり、さらに低速で移動する場合に、アクチュエータを効率良く駆動し、消費電力の少ない歩行ロボットおよびその制御方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る歩行ロボットは、本体部に接続され、該本体部を支持する４本の脚部を有し、４本の脚部をそれぞれ所定のタイミングで動作することにより移動する歩行ロボットにおいて、４本の脚部のうちの２本の脚部に作業用マニピュレータを備え、歩行ロボットが移動する場合には４本の脚部を使用して移動し、一方、作業を行う場合には作業用マニピュレータを備えた２本の脚部のうちの少なくとも一本の脚部を使用して作業を行なう構成を備えるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照し、本発明の実施の一形態について説明する。
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について図１〜図１９を参照して説明する。この実施の形態は４脚で歩行し、作業時は４脚のうちの２脚に設けたマニピュレータを用い作業を行なう歩行ロボットに関している。
【００１４】
図１は本発明による歩行ロボットの略構成を示す要部斜視図であり、図２は図１に示す歩行ロボットの歩行状態を示す略側面図である。図１および図２において、胴体１は剛体で形成される本体部であり、左前脚機構２、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５により支持される。胴体１の前端部１ａ付近には首機構６を介して頭部７が接続されている。また、胴体１には信号処理回路、電源であるバッテリ（図示せず）が配置されている。左前脚機構２は関節部２１，２２，２３、アーム２４，２５、マニピュレータ２６からなる。上腕部に相当するアーム２４の上端部には、アクチュエータ、減速機構等からなる肩関節に相当する関節部２１が接続されており、アーム２４は関節部２１を介して胴体１に接続されている。関節部２１は、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節２１はアーム２４を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。
【００１５】
アーム２４の下端部にはアクチュエータ、減速機構等からなる肘関節に相当する関節部２２が接続されている。また関節部２２は前腕部に相当するアーム２５の上端部に接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節２２はアーム２５を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。
【００１６】
アーム２５の下端部にはアクチュエータ、減速機構等からなる手首関節に相当する関節部２３が接続されている。また関節部２３はマニピュレータ２６の上端部ベース２６ａに接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節２３は、マニピュレータ２６を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。
【００１７】
マニピュレータ２６は関節２３に接続する手根部に相当するベース２６ａ、指部に相当するアーム２６ｂ，２６ｃ、およびアーム２６ｂ，２６ｃを駆動するアクチュエータ２６ｄからなる。ベース２６ａの、関節２３が接続される側と逆側に設置されたアクチュエータ２６ｄにより、アーム２６ｂ，２６ｃを任意に駆動して、物体の把持などが可能な構成としている。
【００１８】
右前脚機構３は左前脚機構２と同一に構成されている。この場合には、上述の前脚機構２、関節部２１，２２，２３、アーム２４，２５、マニピュレータ２６、ベース２６ａ、アーム２６ｂ，２６ｃ、アクチュエータ２６ｄを、それぞれ前脚機構３、関節部３１，３２，３３、アーム３４，３５、マニピュレータ３６、ベース３６ａ、アーム３６ｂ，３６ｃ、アクチュエータ３６ｄと読み換える。
【００１９】
左後脚機構４は関節部４１，４２，４３、アーム４４，４５，４６からなる。大腿部に相当するアーム４４の上端部には、アクチュエータ、減速機構等からなる股関節に相当する関節部４１が接続されており、アーム４４は関節部４１を介して胴体１に接続されている。関節部４１は胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節４１はアーム４４を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。
【００２０】
アーム４４の下端部には、アクチュエータ、減速機構等からなる膝関節に相当する関節部４２が接続されている。また関節部４２は下腿部に相当するアーム４５の上端部に接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節４２はアーム４５を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。
【００２１】
アーム４５の下端部にはアクチュエータ、減速機構等からなる足首関節に相当する関節部４３が接続されている。また関節部４３は足部に相当するアーム４６の上端部に接続されており、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有する。従って、関節４３は、アーム４６を胴体１の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。
【００２２】
右後脚機構５は左後脚機構４と同一に構成されている。この場合には、上述の後脚機構４、関節部４１，４２，４３、アーム４４，４５，４６をそれぞれ後脚機構５、関節部５１，５２，５３、アーム５４，５５，５６と読み換える。
【００２３】
首機構６の下端はアクチュエータ、減速機構等からなる首関節に相当する関節部６１が接続されており、当該関節部６１を介して胴体１に接続されている。関節部６１は、胴体１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有するので、関節部６１は首機構６を胴体１の前後方向に任意角度回動することができる。
【００２４】
首機構６の上端はアクチュエータ、減速機構等からなる首関節に相当する関節部６２が接続されており、当該関節６２を介して頭部７を接続している。関節部６２は首機構６の伸長方向軸回りに回動可能な１自由度を有する。従って、頭部７は関節部６１，６２により、胴体１の前後方向および左右方向に回動することが可能となる。
【００２５】
次に、各関節部を駆動する部位の詳細構成について説明する。図１０は、本発明による歩行ロボットの関節駆動部の詳細を示す平面図であり、図１１は図１０に示す関節駆動部の略側面図であり、図１２は図１０に示す関節駆動部の駆動系を示す略側面図である。
【００２６】
アクチュエータを構成するモータ１０１はフレーム１００に保持されている。また、モータ１０１の軸にはピニオンギア１０２が圧入されている。減速ギア１０３は小歯車１０３ａ、大歯車１０３ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０３ｃに回転可能に支持され、大歯車１０３ｂがピニオンギア１０２にかみ合うよう設置されている。減速ギア１０４は小歯車１０４ａ、大歯車１０４ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０４ｃに回転可能に支持され、大歯車１０４ｂが減速ギア１０３の小歯車１０３ａにかみ合うよう設置されている。減速ギア１０５は小歯車１０５ａ、大歯車１０５ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０５ｃに回転可能に支持され、大歯車１０５ｂが減速ギア１０４の小歯車１０４ａにかみ合うよう設置されている。出力ギア１０６は減速ギア１０５の小歯車１０５ａに噛み合うよう配置され、フレーム１００に回転可能に保持された関節軸１０７に固定されている。
【００２７】
また、関節軸１０７には関節アーム１０８が同様に固定されている。角度検出器１０９はフレーム１００に保持され、関節軸１０７の回転角度を検出する。上記のように構成された関節駆動部のフレーム１００と、関節アーム１０８を胴体、アーム等の構成要素にそれぞれ接続することにより関節部を形成し、モータ１０１の駆動力により、接続された構成要素を図１１に示す矢印Ａ方向に駆動し、その回動角度を角度検出器１０９により検出する。
【００２８】
次に、上記関節駆動部に併設された制動機構について説明する。図１３は制動機構の構造を示す断面図であり、図１４はカムプレートを示す側面図である。図１０〜図１４において、制動ギア１１０は減速ギア１０３の大歯車１０３ｂにかみ合うよう配置され、フレーム１００に保持された支軸１１１に回転可能に保持されている。また支軸１１１にはＥリング１１２が設置され、制動ギア１１０が図１３に示す矢印Ｂ方向へ移動することを規制している。ブレーキキャリパ１１３は、支軸１１１に矢印Ｂ方向に移動可能に嵌着され、制動ギア１１０と対向する側面に摩擦部材で形成されるパッド１１３ａを保持している。また、ブレーキキャリパ１１３は図示しない手段により、図１０の矢印Ｃで示す支軸１１１回りに回転しないよう規制され、また図示しないバネなどの付勢手段により、矢印Ｂ１方向に付勢されている。
【００２９】
カムプレート１１４は支軸１１１に矢印Ｂ方向に移動可能に嵌着され、また図示しない手段により矢印Ｃで示す支軸１１１回りに回転しないよう規制されている。また、カムプレート１１４のブレーキキャリパ１１３に対向しない側の側面にはカム部１１４ａが形成されている。このカム部は図１４に示すとおり、４５度ごとに凸部１１４ｂと凹部１１４ｃが交互に形成されており、その間は斜面１１４ｄにより滑らかにつながれている。また、カムプレート１１４のブレーキキャリパ１１３に対向する側には、バネ１１５が固定されており、カムプレート１１４が矢印Ｂ２方向に移動した際には、ブレーキキャリパ１１３を矢印Ｂ２方向に付勢する。
【００３０】
ラッチ機構１１６はホイール１１７、ワンウェイクラッチ１１８、レバー１１９、ラッチプレート１２０、板バネ１２１、およびカムフォロア１２２から構成される。ホイール１１７はワンウェイクラッチ１１８、レバー１１９を介して支軸１１１に支持される。レバー１１９は支軸１１１に回動可能に嵌着され、矢印Ｂ方向への動きは規制されている。ワンウェイクラッチ１１８はレバー１１９を図１１に示す矢印Ｄ方向に回動した場合にロックし、ホイール１１７をレバー１１９の回動に同期して回動させる。逆にレバー１１９を図１１に示す矢印Ｅ方向に回動した場合には、ワンウェイクラッチ１１８のロックは解除され、ホイールは矢印Ｅ方向には回動しない。また、ホイールの側面には、４５度周期で凸部を形成したラッチプレート１２０が設置され、フレーム１００に保持された板バネ１２１が当接している。また、ホイール１１７のカムプレート１１４に対向する側には、カムフォロア１２２が設置されている。
【００３１】
ソレノイド１２３はホルダ１２４を介してフレーム１００に保持されている。ソレノイド１２３は電流印加により、可動鉄心１２３ａを図１１に示す矢印Ｆ方向に吸引する。可動鉄心１２３ａはリンク１２５を介してレバー１１９に接続されている。またレバー１１９は図示しないバネ等の付勢手段により、矢印Ｅ方向に付勢されている。従って、レバー１１９にリンク１２５を介して接続されたソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａは、ソレノイド１２３への電流印加時以外は図１１に示す矢印Ｇ方向に付勢され移動している。
【００３２】
次に動作について説明する。まず、本発明による歩行ロボットの動作を図２〜図９により説明する。図２、図３、および図４は図１に示す歩行ロボットの歩行時の一形態を示す側面図であり、図５、図６、および図７は図１に示す歩行ロボットの作業姿勢の一形態を示す側面図であり、図８、および図９は図１に示す歩行ロボットの待機状態の一形態を示す側面図である。
【００３３】
歩行ロボットの歩行時には、左前脚機構２、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５に設置された関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３にそれぞれ設けられたモータ１０１に所定の電流を印加し、これら関節部は胴体１を図示のとおり支持する。この状態ではマニピュレータ２６，３６の一部、およびアーム４６，５６の下端が接地している。さらにこの状態でそれぞれのモータを所定のタイミングで回転して歩行動作を行う。
【００３４】
例えば図２に示す状態から前進する場合には、胴体１に対して相対的に後退している右前脚機構３、および左後脚機構４を前方に繰り出す動作を行う。このとき右前脚機構３、および左後脚機構４は遊脚となり、マニピュレータ３６およびアーム４６は地面から離間するので、左前脚機構２および右後脚機構５により胴体１を支持する。遊脚となった右前脚機構３、および左後脚機構４は、その下端となるマニピュレータ３６およびアーム４６が地面に接地しないよう、各関節部３１，３２，３３，４１，４２，４３を適切に制御して、前方への繰り出し動作を行う。同時に、胴体１を支持している左前脚機構２および右後脚機構５に配置された各関節部２１，２２，２３，５１，５２，５３を適切に制御して、胴体１に対して左前脚機構２および右後脚機構５が相対的に後退する方向に移動することにより、胴体１を前方に送り出す。上述の動作の結果、図２に示す状態にあった歩行ロボットは、図３に示す状態を経て図４に示す状態に移行する。これらの動作を繰り返すことにより、歩行ロボットの移動が実現される。
【００３５】
なお、歩行時に駆動が必然でない首機構６の関節部６１，６２に関しては、後述する制動手段により関節の動作をロックして首機構６および頭部７の姿勢を維持した後、関節部６１，６２にそれぞれ設けられたモータ１０１への通電を解除することにより、電力消費を抑えることができる。
【００３６】
次に、マニピュレータ２６，３６を使用した作業時の動作について説明する。作業時においては、例えば図５に示すとおり、胴体１の下端、および左後脚機構４、右後脚機構５を接地して、本体が安定するよう関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３を制御する。なおこのとき本体が転倒しないようにするために、ロボットの重心から垂下した垂線が、各接地点を結ぶ面積の範囲内となるよう制御する。この状態で消費電力の低減が必要な場合には、後述する制動手段により関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３の動作をロックした後に、関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３にそれぞれ設けられたモータ１０１への通電を解除する。
【００３７】
次に、左前脚機構２および右前脚機構３に設けた関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３を制御して、左前脚機構２および右前脚機構３の先端部に設けたマニピュレータ２６，３６を作業対象物（図示せず）に近づけた後、マニピュレータ２６，３６のアクチュエータ２６ｄ，３６ｄを制御して、アーム２６ｂ，２６ｃ、アーム３６ｂ，３６ｃにより対象物の把持等の作業を行う。
【００３８】
また、別の体勢による作業としては、例えば図６に示すとおり、左後脚機構４、右後脚機構５を接地して、本体が安定するよう関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３を制御する。このとき本体が転倒しないようにするためには、図示しないセンサ等により本体の動きを監視し、転倒を阻止するよう各アクチュエータを制御する。次に、左前脚機構２および右前脚機構３に設けた関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３を制御して、左前脚機構２および右前脚機構３の先端部に設けたマニピュレータ２６，３６を作業対象物（図示せず）に近づけた後、マニピュレータ２６，３６のアクチュエータ２６ｄ，３６ｄを制御して、対象物の把持等の作業を行う。
【００３９】
さらに別の体勢による作業としては図７に示すとおり、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５の３本の脚機構を接地して、本体が安定するよう関節部３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３を制御する。このとき本体が転倒しないようにするために、ロボットの重心から垂下した垂線が、各接地点を結ぶ面積の範囲内となるよう制御する。この状態で消費電力の低減が必要な場合には、後述する制動手段により関節部３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３の動作をロックした後に、関節部３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３にそれぞれ設けられたモータ１０１への通電を解除する。
【００４０】
次に、左前脚機構２に設けた関節部２１，２２，２３を制御して、左前脚機構２の先端部に設けたマニピュレータ２６を作業対象物（図示せず）に近づけた後、マニピュレータ２６のアクチュエータ２６ｄを制御して、アーム２６ｂ，２６ｃにより対象物の把持等の作業を行う。
【００４１】
次に、歩行ロボットの待機時の姿勢について説明する。待機時においては、例えば図８に示すとおり、左前脚機構２、右前脚機構３、左後脚機構４、右後脚機構５により、胴体１を図示のとおり支持する。なおこのとき本体が転倒しないようにするために、ロボットの重心から垂下した垂線が、各接地点を結ぶ面積の範囲内となるように、関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３にそれぞれ設けられたモータ１０１に所定の電流を印加し制御する。この状態で消費電力の低減が必要な場合には、後述する制動手段により関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３の動作をロックした後に、関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３にそれぞれ設けられたモータ１０１への通電を解除する。
【００４２】
また、別の体勢による待機姿勢としては、例えば図９に示すとおり、胴体１の下端、および左後脚機構４、右後脚機構５を接地して、本体が安定するよう関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３を制御する。なおこのとき本体が転倒しないようにするために、ロボットの重心から垂下した垂線が、各接地点を結ぶ面積の範囲内となるよう制御する。この状態で消費電力の低減が必要な場合には、後述する制動手段により関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３の動作をロックした後に、関節部４１，４２，４３，５１，５２，５３にそれぞれ設けられたモータ１０１への通電を解除する。
【００４３】
次に、関節部２１，２２，２３，３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３，６１，６２の駆動部の動作、および併設された制動機構の動作について説明する。図１０等に示すモータ１０１に電流を印加することにより、モータ軸に圧入されたピニオンギア１０２は回転し、その回転駆動力は減速ギア１０３，１０４，１０５により減速され、出力ギア１０６に伝達される。出力ギア１０６は回転可能にフレーム１００に支持された関節軸１０７に固定されており、関節軸１０７には関節アーム１０８が固定されているので、モータ１０１の回転により関節アーム１０８は図１１に示す矢印Ａ方向に回動する。
【００４４】
関節アームの回動角は角度検出器１０９により検出され、図示しない制御回路に送られる。このように構成された関節駆動部のフレーム１００と関節アーム１０８を、胴体、アーム等の構成要素にそれぞれ接続することにより関節部を形成し、モータ１０１の駆動力により接続された構成要素を矢印Ａ方向に駆動する。
【００４５】
次に制動動作について説明する。まず、制動動作を解除している状態を説明する。ここで減速ギア１０３には制動ギア１１０が噛み合っているものである。この状態を図１５（ａ）および図１６に示す。ここで図１５は制動機構の要部を示す平面図であり、図１６（ａ）はカムプレート１１４とカムプレート１１４に対するカムフォロア１２２の当接位置を示す略側面図であり、図１６（ｂ）はソレノイド１２３、レバー１１９、ラッチ機構１１６の動作を示す略側面図である。
【００４６】
非制動時においてカムフォロア１２２はカムプレート１１４の側面に形成されたカム部１１４ａの凹部１１４ｃに対向している。このとき、カムフォロア１２２を保持したホイール１１７は、ラッチプレート１２０と板バネ１２１により回転方向の位置を拘束されている。また、レバー１１９は図示しないバネ等の付勢手段により、図１６（ｂ）に示す矢印Ｅ方向に付勢されているので、リンク１２５を介してレバー１１９に接続されたソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａは矢印Ｇ方向に引き出されている。
【００４７】
カムフォロア１２２とカムプレート１１４のカム部１１４ａの凹部１１４ｃが対向しているので、図示しない付勢手段などにより、図１５に示す矢印Ｂ１方向に付勢されたブレーキキャリパ１１３の付勢力により、バネ１１５、カムプレート１１４は矢印Ｂ１方向に移動し、ブレーキキャリパ１１３の側面に形成された摩擦部材からなるパッド１１３ａと制動ギア１１０とは離間している。
【００４８】
次に、制動動作への移行状態について説明する。図１７（ｂ）に示すように制動を行う場合には、最初にソレノイド１２３に電流を印加することによりソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａを矢印Ｆ方向に吸引する。可動鉄心１２３ａの吸引に伴い、リンク１２５を介して接続されたレバー１１９は図１７（ａ）に示す矢印Ｄ方向に回動を開始する。なお、このときソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａの吸引力は、レバー１１９を矢印Ｅ方向に付勢する付勢力、および板バネ１２１を矢印Ｈ方向に変形させる力の合計以上が必要である。なお、図１７は図１５に示すカム機構の動作を示す図である。
【００４９】
レバー１１９の矢印Ｄ方向への回動に伴い、レバー１１９の円筒部外周に噛み合ったワンウェイクラッチ１１８はロックし、レバー１１９の回動に同期してホイール１１７を矢印Ｄ方向に回動する。ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凹部１１４ｃから斜面部１１４ｄに移動する。カムプレート１１４は図１５に示す矢印Ｃ方向への回動を規制されているので、カムフォロア１２２の回動に伴いカムプレート１１４および板バネ１１５は矢印Ｂ２方向に移動する。なお、バネ１１５の付勢力を、ブレーキキャリパ１１３を矢印Ｂ１方向付勢する付勢力より大とすることにより、矢印Ｂ１方向に付勢されているブレーキキャリパ１１３は同様に矢印Ｂ２方向に移動する。
【００５０】
次に制動動作の完了状態について説明する。この状態を図１５（ｃ）、および図１８に示す。図１８は図１５に示す制動機構の制動動作の完了状態を示す図である。ソレノイド１２３への電流印加の継続によりソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａは図１８に示す矢印Ｆ方向に吸引され、規定ストローク移動後に停止する。可動鉄心１２３ａの吸引に伴い、リンク１２５を介して接続されたレバー１１９は矢印Ｄ方向に回動し、レバー１１９の回動に同期してホイール１１７は同様に矢印Ｄ方向に回動し、可動鉄心１２３ａの停止に伴い停止する。この状態では、ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凸部１１４ｂに対向する。
【００５１】
カムプレート１１４は図１５に示す矢印Ｃ方向への回動を規制されているので、カムフォロア１２２の回動に伴いカムプレート１１４およびバネ１１５は矢印Ｂ２方向に移動し、ブレーキキャリパ１１３の側面に形成された摩擦部材からなるパッド１１３ａを制動ギア１１０の側面に圧接する。このときの圧接力はバネ１１５の変形により発生する付勢力により生じる。ブレーキキャリパ１１３は矢印Ｃ方向への回転は規制されているので、パッド１１３ａによる制動ギア１１０に対する制動力が発生し、制動ギア１１０の回転を阻止する。なお、上述の状態においては、図１８に示すラッチプレート１２０の凹部分に板バネ１２１が当接し、矢印Ｉ方向への付勢力によりラッチプレートを保持しているので、カムプレート１１４のカム部１１４ａに対するカムフォロア１２２の位置は保持される。
【００５２】
この状態に移行した後、ソレノイド１２３への電流印加を停止する。この状態を図１５（ｃ）、および図１９に示す。なお、図１９は図１５に示す制動機構の制動状態を示す図である。ソレノイド１２３への電流印加を停止すると、可動鉄心１２３ａはリンク１２５を介して接続されたレバー１１９への図１９に示す矢印Ｅ方向への付勢力により、矢印Ｇ方向に移動する。レバー１１９は同時に矢印Ｅ方向に回動するが、ワンウェイクラッチ１１８のロックが解除されるので、ホイール１１７はレバー１１９に同期した回動は生じない。また、ホイールに保持されたラッチプレート１２０は板バネ１２１により保持されているので、ホイール１１７の矢印Ｅ方向への回動は確実に阻止される。従って、ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凸部１１４ｂに当接した状態を保持できるので、制動ギア１１０への制動は継続される。
【００５３】
なお、制動状態から制動解除状態への移行も上述の動作を繰り返すことにより行う。以下簡単に説明する。図１５（ｃ）および図１９に示す制動状態から、制動解除を行うためには、ソレノイド１２３に電流を印加し、可動鉄心１２３ａを図１９に示す矢印Ｆ方向に吸引する。可動鉄心１２３ａの吸引に伴い、リンク１２５を介して接続されたレバー１１９は矢印Ｄ方向に回動を開始し、レバー１１９の円筒部外周に噛み合ったワンウェイクラッチ１１８はロックし、レバー１１９の回動に同期してホイール１１７を矢印Ｄ方向に回動する。ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凸部１１４ｂから斜面部１１４ｄを通過し、凹部１１４ｃに移動する。
【００５４】
この結果、カムプレート１１４とバネ１１５は、図１５に示す矢印Ｂ１方向に付勢されたブレーキキャリパ１１３により矢印Ｂ１方向に押され、移動する。この結果、制動ギア１１０の側面に圧接していたパッド１１３ａは離間し、制動状態は解除される。
【００５５】
この状態に移行した後、ソレノイド１２３への電流印加を停止すると、可動鉄心１２３ａはリンク１２５を介して接続されたレバー１１９への矢印Ｅ方向への付勢力により、矢印Ｇ方向に移動する。レバー１１９は同時に矢印Ｅ方向に回動するが、ワンウェイクラッチ１１８のロックが解除されるので、ホイール１１７はレバー１１９に同期した回動は生じず、かつホイールに保持されたラッチプレート１２０は板バネ１２１により保持されているので、ホイール１１７の矢印Ｅ方向への回動は確実に阻止される。従って、ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凹部１１４ｃに対向した状態を保持できるので、制動解除状態は継続される。
【００５６】
以上のように、本発明による歩行ロボットでは、歩行時には４脚を使用することにより簡単な制御で転倒せぬようバランスを取った自立、歩行が可能となり、また作業を行う際には、４脚のうち前脚に備えたマニピュレータを使用して作業を行う構成としたので、低コスト、低消費電力で、作業性を備えた歩行ロボットを得ることができる。
【００５７】
また、関節部の姿勢を保持する制動機構を備え、制動時と非制動時との移行時のみ電力を消費する構成とし、制動を継続する場合、あるいは制動解除を継続する場合とも、電力を消費しない構成としたので、歩行ロボットの消費電力を低減できる効果がある。
【００５８】
さらに、作業時、待機時などの非歩行時においては、３点以上の保持点により安定した姿勢を確保した後、上記制動機構により関節部の姿勢を保持する構成としたので、電力を消費することなく待機等を行うことが可能となる。
【００５９】
なお、上述した実施の形態１においては、モータ１０１のピニオンギア１０２から出力ギア１０６に至る動力伝達系を形成する減速ギア１０３，１０４，１０５とは別に、制動ギア１１０を設置し、これを減速ギア１０３と噛み合わせ、制動ギア１１０を制動することにより出力ギア１０６の回転を拘束する構成を示したが、ブレーキキャリパ１１３、カムプレート１１４、バネ１１５、ラッチ機構１１６、板バネ１２１、ソレノイド１２３、リンク１２５などからなる制動機構を、減速ギア１０３，１０４，１０５のいずれかと同軸に配し、これら減速ギア１０３，１０４，１０５のいずれかを制動する構成にしてもよく、同様の効果を得ることが可能である。
【００６０】
実施の形態２．
次に、実施の形態２について図２０〜図２４を参照して説明する。本実施の形態は実施の形態１とは異なる制動機構を備えた歩行ロボットに関するものである。ここで図２０は本発明による歩行ロボットの関節駆動部を示す略側面図であり、図２１は図２０に示す装置の関節駆動部の駆動系を示す略平面図であり、図２２は制動機構の構造を示す断面図であり、図２３は制動機構の動作状態を示す要部平面図であり、図２４は制動ギアに設けた孔部とブレーキキャリパに設けたピンとの位置関係を示す要部側面図である。
【００６１】
制動ギア１３０は減速ギア１０３の大歯車１０３ｂにかみ合うよう配置され、フレーム１００に保持された支軸１１１に回転可能に保持されている。また支軸１１１にはＥリング１１２が設置され、制動ギア１１０の図２２に示す矢印Ｂ方向への移動を規制している。また制動ギア１３０の側面には複数の孔部１３０ａが形成されている。ブレーキキャリパ１１３は支軸１１１に矢印Ｂ方向に移動可能に嵌着され、制動ギア１１０と対向する側面にピン部１１３ｂが形成されている。なお、孔部１３０ａとピン部１１３ｂは同心円上に配置され、ピン部１１３ｂは孔部１３０ａに挿入可能な大きさに形成する。ブレーキキャリパ１１３は図示しない手段により、図２３の矢印Ｃで示す支軸１１１回りに回転しないよう規制され、また図示しないバネなどの付勢手段により、矢印Ｂ１方向に付勢される。その他の構成は上述した実施の形態１と同様であるのでその説明は省略する。
【００６２】
次に動作について説明する。歩行ロボット全体の構成、および各関節部を駆動する部位の動作は実施の形態１と同様であるので省略し、関節駆動部に併設された制動機構について説明する。図２３（ａ）に示すとおり、制動動作を解除している状態では、カムフォロア１２２はカムプレート１１４の側面に形成されたカム部１１４ａの凹部１１４ｃに対向している。このとき、カムフォロア１２２を保持したホイール１１７は、図２０に示すようにラッチプレート１２０と板バネ１２１により回転方向の位置を拘束されている。また、レバー１１９は図示しないバネ等の付勢手段により図２０に示す矢印Ｅ方向に付勢されているので、リンク１２５を介してレバー１１９に接続されたソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａは矢印Ｇ方向に引き出されている。
【００６３】
図１３および図１４から明らかなように、カムフォロア１２２とカムプレート１１４のカム部１１４ａの凹部１１４ｃが対向しているので、図示しない付勢手段などにより図２３に示す矢印Ｂ１方向に付勢されたブレーキキャリパ１１３の付勢力により、バネ１１５、カムプレート１１４は矢印Ｂ１方向に移動し、ブレーキキャリパ１１３の側面に形成されたピン部１１３ｂは、制動ギア１３０の側面に設けられた孔部１３０ａから退出している。なお、制動ギア１３０は支軸１１１に設置されたＥリング１１２により矢印Ｂ方向への移動を制限されているので、ピン部１１３ｂが孔部１３０ａに噛み合うことにより生じる不用意な制動は生じない構成になっている。
【００６４】
次に、制動状態について説明する。制動を行う場合には、実施の形態１同様に、最初にソレノイド１２３に電流を印加することによりソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａを、図２０に示す矢印Ｆ方向に吸引する。この状態を図２３（ｂ）に示す。可動鉄心１２３ａの吸引に伴い、リンク１２５を介して接続されたレバー１１９は矢印Ｄ方向に回動を開始する。なお、このとき、ソレノイド１２３の可動鉄心１２３ａの吸引力は、レバー１１９を矢印Ｅ方向に付勢する付勢力、および板バネ１２１を矢印Ｈ方向に変形させる力の合計以上が必要である。
【００６５】
レバー１１９の矢印Ｄ方向への回動に伴い、レバー１１９の円筒部外周に噛み合ったワンウェイクラッチ１１８はロックし、レバー１１９の回動に同期してホイール１１７を矢印Ｄ方向に回動する。ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凹部１１４ｃから斜面部１１４ｄを通過し、凸部１１４ｂに移動する（図１３および図１４参照）。カムプレート１１４は図２３に示す矢印Ｃ方向への回動を規制されているので、カムフォロア１２２の回動に伴いカムプレート１１４およびバネ１１５は矢印Ｂ２方向に移動する。なお、バネ１１５の付勢力を、ブレーキキャリパ１１３を矢印Ｂ１方向に付勢する付勢力より大とすることにより、矢印Ｂ１方向に付勢されているブレーキキャリパ１１３は同様に矢印Ｂ２方向に移動する。
【００６６】
なお、制動ギア１３０の側面に設けられた孔部１３０ａと、ブレーキキャリパ１１３の側面に設けられたピン部１１３ｂとの回転方向への位相は、必ずしも一致するとは限らない。この状態を図２４（ａ）に示す。この状態では、ピン部１１３ｂの先端は制動ギア１３０の側面に当接し、孔部１３０ａ内に進入することができない。従って図２３（ｂ）に示すとおり、バネ１１５が変形し、カムプレート１１４のストロークとブレーキキャリパ１１３のストロークとの差異を吸収する。
【００６７】
次いで、ソレノイド１２３への電流印加を停止する。この状態を図２３（ｃ）に示す。ソレノイド１２３への電流印加を停止すると、可動鉄心１２３ａはリンク１２５を介して接続されたレバー１１９への図２０に示す矢印Ｅ方向への付勢力により、矢印Ｇ方向に移動する。レバー１１９は同時に矢印Ｅ方向に回動するが、ワンウェイクラッチ１１８のロックが解除されるので、ホイール１１７はレバー１１９に同期した回動は生じない。また、ホイールに保持されたラッチプレート１２０は板バネ１２１により保持されているので、ホイール１１７の矢印Ｅ方向への回動は確実に阻止される。従って、ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凸部１１４ｂに当接した状態を保持できる。
【００６８】
この状態で、モータ１０１への電流の供給を停止すると、歩行ロボット本体に加わる重力等の外力により、関節アーム１０８は図２１に示す矢印Ａのいずれかの方向に従動回転する。関節アームの回動に伴い、出力ギア１０６も回動するので、回転は減速ギア１０５、１０４、１０３を経て制動ギア１３０に伝達される。これにより、図２４（ｂ）に示すとおり、制動ギア１３０の側面に形成された孔部１３０ａの回転方向の位相はブレーキキャリパ１１３の側面に設けられたピン部１１３ｂと一致し、ブレーキキャリパ１１３は変形していたバネ１１５の付勢力により、図２３（ｄ）に示すように矢印Ｂ２方向に移動し、ピン部１１３ｂが孔部１３０ａに進入する。ブレーキキャリパ１１３は矢印Ｃ方向への回転は規制されているので、ピン部１１３ｂによる制動ギア１３０に対する制動力が発生し、制動ギア１３０の回転を阻止する。
【００６９】
なお、制動状態から制動解除状態への移行も上述の動作を繰り返すことにより行う。以下簡単に説明する。図２３（ｄ）に示す制動状態から、制動解除を行うためには、ソレノイド１２３に電流を印加し、可動鉄心１２３ａを図２０に示すように矢印Ｆ方向に吸引する。可動鉄心１２３ａの吸引に伴い、リンク１２５を介して接続されたレバー１１９は矢印Ｄ方向に回動を開始し、レバー１１９の円筒部外周に噛み合ったワンウェイクラッチ１１８はロックし、レバー１１９の回動に同期してホイール１１７を矢印Ｄ方向に回動する。ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凸部１１４ｂから斜面部１１４ｄを通過し、凹部１１４ｃに移動する（図１３および図１４参照）。
【００７０】
この結果、カムプレート１１４とバネ１１５は、図２３に示す矢印Ｂ１方向に付勢されたブレーキキャリパ１１３により矢印Ｂ１方向に押され、移動する。この結果、制動ギア１３０の側面に設けられた孔部１３０ａに進入していたピン部１１３ｂは退出し、制動状態は解除される。この状態に移行した後、ソレノイド１２３への電流印加を停止すると、可動鉄心１２３ａはリンク１２５を介して接続されたレバー１１９への図２０に示す矢印Ｅ方向への付勢力により、矢印Ｇ方向に移動する。レバー１１９は同時に矢印Ｅ方向に回動するが、ワンウェイクラッチ１１８のロックが解除されるので、ホイール１１７はレバー１１９に同期した回動は生じず、かつホイールに保持されたラッチプレート１２０は板バネ１２１により保持されているので、ホイール１１７の矢印Ｅ方向への回動は確実に阻止される。従って、ホイール１１７の側面に保持されたカムフォロア１２２はカムプレート１１４のカム部１１４ａの凹部１１４ｃに対向した状態を保持できるので、制動解除状態は継続される。
【００７１】
以上のように、本発明による歩行ロボットは、関節部の姿勢を保持する制動機構を備えたので、制動時と非制動時との移行時のみ電力を消費する構成とし、制動を継続する場合、あるいは制動解除を継続する場合とも、電力を消費しない構成としたので、歩行ロボットの消費電力を低減できる効果がある。また、制動方法として、部材に孔部１３０ａとピン部１１３ｂの噛み合いによる方式を採用しているので、関節部の姿勢の確実な保持が可能となる。
【００７２】
なお、上記実施の形態２においては、モータ１０１のピニオンギア１０２から出力ギア１０６に至る動力伝達系を形成する減速ギア１０３，１０４，１０５とは別に、制動ギア１３０を設置し、これを減速ギア１０３と噛み合わせ、制動ギア１３０に設けた孔部１３０ａにピン部１１３ｂを進入することにより制動ギア１３０の回転を拘束して、出力ギア１０６の回転を拘束する構成を示したが、ブレーキキャリパ１１３、カムプレート１１４、バネ１１５、ラッチ機構１１６、板バネ１２１、ソレノイド１２３、リンク１２５などからなる制動機構を、減速ギア１０３，１０４，１０５のいずれかと同軸に配置するとともに、同軸に配された減速ギア１０３，１０４，１０５のいずれかの側面に孔部を設け、この孔部にピン部１１３ｂを進入することにより回転を拘束する構成にしてもよく、これにより同様の効果が得られるものである。
【００７３】
実施の形態３．
次に、実施の形態３について図２５〜図２７を参照して説明する。本実施の形態は駆動力を発生するモータの形態が異なる歩行ロボットに関するものである。ここで、図２５は本発明による歩行ロボットの各関節部を駆動する関節駆動部の駆動系ギア列を示す略側面図であり、図２６、図２７は図２５に示す装置のアクチュエータであるモータを示す平面図である。
【００７４】
図２６において、モータ２００はフレーム１００に保持される。またモータ２００は、第１のモータ２００ａ、第２のモータ２００ｂで構成され、第１のモータ２００ａと第２のモータ２００ｂは同軸上に、クラッチ２００ｃを介して接続されている。また、第１のモータ２００ａの出力軸には、ピニオンギア１０２が圧入されている。
【００７５】
本実施の形態は上述した実施の形態１と同様の構成を備える。減速ギア１０３は小歯車１０３ａ、大歯車１０３ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０３ｃに回転可能に支持され、大歯車１０３ｂがピニオンギア１０２にかみ合うよう設置されている。減速ギア１０４は小歯車１０４ａ、大歯車１０４ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０４ｃに回転可能に支持され、大歯車１０４ｂが減速ギア１０３の小歯車１０３ａにかみ合うよう設置されている。減速ギア１０５は小歯車１０５ａ、大歯車１０５ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０５ｃに回転可能に支持され、大歯車１０５ｂが減速ギア１０４の小歯車１０４ａにかみ合うよう設置されている。出力ギア１０６は減速ギア１０５の小歯車１０５ａに噛み合うよう配置され、フレーム１００に回転可能に保持された関節軸１０７に固定されている。
【００７６】
関節軸１０７には関節アーム１０８が同様に固定されている。角度検出器１０９はフレーム１００に保持され、関節軸１０７の回転角度を検出する。上記のように構成された関節駆動部のフレーム１００と、関節アーム１０８を、胴体、アーム等の構成要素にそれぞれ接続することにより関節部を形成し、モータ２００の駆動力により、接続された構成要素を図２５に示すように矢印Ａ方向に駆動し、その回動角度を角度検出器１０９により検出する。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので省略する。
【００７７】
次に動作について説明する。歩行ロボット全体の構成、および各関節部に併設された制動機構の動作については上記実施の形態１と同様であるので省略し、各関節部を駆動する関節駆動部の動作について説明する。
【００７８】
関節部の回動速度が高く、大なる駆動力が必要とされる場合には、第１のモータ２００ａ、および第２のモータ２００ｂに同等に電流を印加して、同期して回転駆動することにより、モータ軸に圧入されたピニオンギア１０２は回転し、その回転駆動力は減速ギア１０３，１０４，１０５により減速され、出力ギア１０６に伝達される。出力ギア１０６は回転可能にフレーム１００に支持された関節軸１０７に固定されており、関節軸には関節アーム１０８が固定されているので、モータ２００の回転により関節アーム１０８は矢印Ａ方向に回動する。関節アームの回動角は、角度検出器１０９により検出され、図示しない制御回路に送られる。このように構成された関節駆動部のフレーム１００と、関節アーム１０８を、胴体、アーム等の構成要素にそれぞれ接続することにより関節部を形成し、モータ２００の駆動力により、接続された構成要素を矢印Ａ方向に駆動する。
【００７９】
関節の回動速度が低く、小さい駆動力で駆動可能な場合には、第１のモータ２００ａのみに電流を印加して、回転駆動力をピニオンギア１０２、減速ギア１０３，１０４，１０５を介して減速、伝達し、出力ギア１０６に伝達する。なおこの際、第１のモータ２００ａと第２のモータ２００ｂとの間に設置したクラッチ２００ｃを断とすることにより、第２のモータ２００ｂの従動に伴う摩擦負荷等による負荷増加を回避することができる。さらに、第１のモータ２００ａと第２のモータ２００ｂとの間に設置したクラッチ２００ｃを断とすることにより、第２のモータ２００ｂの回転部の慣性負荷を除去することができる。歩行ロボットの関節駆動部の歩行中の動作は、起動、定速回動、停止、逆方向への起動、逆方向への回動、停止を繰り返すことから、モータ２００の消費電力低減のためには、加速トルクに大きく影響する慣性負荷の低減が必要となる。
【００８０】
以上説明したように第２のモータ２００ｂを使用しない場合には第２のモータ２００ｂの回転部の慣性負荷を除去することができるので、低速歩行時の消費電力を低減することが可能となる。
【００８１】
また、上述の構成をとることにより、例えば歩行ロボットの脚部の関節に設けられた関節駆動部の一方のモータ２００ｂが、断線等の理由により動作不能になった場合にも、同軸に配置された第１のモータ２００ａへの電流の供給により、歩行動作は継続可能である。この場合には、駆動力の低下による歩行速度の低下は生じるものの、歩行動作が全く不可能になることはなく、補修可能な地点までの帰還などが可能となる。
【００８２】
さらに、この状況において、第１のモータ２００ａと第２のモータ２００ｂとの間に設置したクラッチ２００ｃを断とすることにより、負荷増大を回避することができる。なお、上記と逆に第１のモータ２００ａが動作不能になった場合には、第２のモータ２００ｂへの電流の供給により、上記同様動作の継続は可能であるが、この場合にはクラッチ２００ｃを断とすることができないので、摩擦負荷等の増加により動作速度は低下する。
【００８３】
以上のように、本実施の形態による歩行ロボットでは、高速歩行を行う場合には各関節駆動部に設けた複数のモータを同期して駆動することにより、高速歩行に必要な駆動力を得ることができる。加えて、低速歩行を行う場合には、各関節部に設けた複数のモータのうち、必要に応じた数のモータを同期して駆動し、使用しないモータはクラッチを断として、使用しないモータの回転部の摩擦負荷および慣性負荷を除去することができるので、低速歩行時の消費電力を低減することが可能となる。
【００８４】
また、各関節駆動部に複数のモータを配置したので、配置した複数のモータの一部が破損等により駆動不可能になった場合にも、歩行ロボットの歩行動作が不可能になることはなく、歩行速度の低下は発生するものの歩行動作の継続は可能となる。
【００８５】
なお、上述した実施の形態３では、１箇所の関節駆動部に２つのモータ２００ａ、２００ｂを配置したものを示したが、３つ以上であってもよく、同様の効果を得ることが可能である。
【００８６】
また、本実施の形態では、第１のモータ２００ａと第２のモータ２００ｂとの間にクラッチを設け、第１のモータ２００ａと第２のモータ２００ｂと同軸上に接続する例を示したが、図２７に示すとおり、第１のモータ２００ａの出力軸側にもクラッチ２００ｄを配置する構成にしてもよい。この場合、上記同様の効果を奏することはもちろんであるが、例えばロボットの非起動時にクラッチ２００ｄを断としておくことにより、モータ２００の摩擦負荷は駆動系から切り離されるので、操作者が容易に関節の姿勢を変更することなどが可能となる。
【００８７】
実施の形態４．
次に、実施の形態４について図２８および図２９を参照して説明する。本実施の形態は各関節部を駆動する駆動力源として複数のモータを並列に配置した歩行ロボットに関するものである。ここで、図２８は、本発明による歩行ロボットの関節駆動部の詳細を示す平面図であり、図２９は図２８に示す装置の、各関節部を駆動する関節駆動部の駆動系ギア列を示す略側面図である。
【００８８】
図２８、図２９において、アクチュエータである第１のモータ３００はフレーム１００に保持され、その出力軸にはクラッチ３０１が同軸上に接続され、その出力軸には、ピニオンギア３０２が圧入されている。アクチュエータである第２のモータ４００はフレーム１００に保持され、その出力軸にはクラッチ４０１が同軸上に接続され、その出力軸には、ピニオンギア４０２が圧入されている。
【００８９】
減速ギア１０３は小歯車１０３ａ、大歯車１０３ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０３ｃに回転可能に支持され、大歯車１０３ｂがピニオンギア３０２にかみ合うよう配置されている。制動ギア１１０は減速ギア１０３の大歯車１０３ｂと同じ歯数を持ち、大歯車１０３ｂに噛み合うよう配置され、支軸１１１に回転可能に支持されている。また減速ギア１１０はピニオンギア４０３に噛み合うよう配置されている。
【００９０】
本実施の形態は上述した実施の形態１と、次のように同様の構成を備える。減速ギア１０４は小歯車１０４ａ、大歯車１０４ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０４ｃに回転可能に支持され、大歯車１０４ｂが減速ギア１０３の小歯車１０３ａにかみ合うよう設置されている。減速ギア１０５は小歯車１０５ａ、大歯車１０５ｂからなり、フレーム１００に保持された軸１０５ｃに回転可能に支持され、大歯車１０５ｂが減速ギア１０４の小歯車１０４ａにかみ合うよう設置されている。出力ギア１０６は減速ギア１０５の小歯車１０５ａに噛み合うよう配置され、フレーム１００に回転可能に保持された関節軸１０７に固定されている。
【００９１】
関節軸１０７には関節アーム１０８が同様に固定されている。１０９は角度検出器であり、フレーム１００に保持され、関節軸１０７の回転角度を検出する。上記のように構成された関節駆動部のフレーム１００と、関節アーム１０８を、胴体、アーム等の構成要素にそれぞれ接続することにより関節部を形成し、第１のモータ３００と、第２のモータ４００の駆動力により、接続された構成要素を図２９に示す矢印Ａ方向に駆動し、その回動角度を角度検出器１０９により検出する。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明は省略する。
【００９２】
次に動作について説明する。歩行ロボット全体の構成、および各関節部に併設された制動機構の動作については上記実施の形態１と同様であるのでその説明は省略し、各関節部を駆動する関節駆動部の動作について説明する。
【００９３】
関節部の回動速度が高く、大なる駆動力が必要とされる場合には、第１のモータ３００、および第２のモータ４００に同等に電流を印加して、同期して回転駆動する。第１のモータ３００の回転駆動力はピニオンギア３０２から減速ギア１０３に、また第２のモータ４００の回転駆動力はピニオンギア４０２から制動ギア１１０を介して減速ギア１０３に、それぞれ伝達され、合成された回転駆動力は減速ギア１０３，１０４，１０５により減速され、出力ギア１０６に伝達される。
【００９４】
出力ギア１０６は回転可能にフレーム１００に支持された関節軸１０７に固定されており、関節軸には関節アーム１０８が固定されているので、第１のモータ３００と第２のモータ４００の回転により関節アーム１０８は図２９に示す矢印Ａ方向に回動する。関節アームの回動角は、角度検出器１０９により検出され、図示しない制御回路に送られる。このように構成された関節駆動部のフレーム１００と、関節アーム１０８を、胴体、アーム等の構成要素にそれぞれ接続することにより関節部を形成し、第１のモータ３００と第２のモータ４００の駆動力により、接続された構成要素を矢印Ａ方向に駆動する。
【００９５】
関節の回動速度が低く、小さい駆動力で駆動可能な場合には、例えば第１のモータ３００のみに電流を印加して、回転駆動力をピニオンギア３０２、減速ギア１０３，１０４，１０５を介して減速、伝達し、出力ギア１０６に伝達する。なおこの際、第２のモータ４００に設置したクラッチ４０１を断とすることにより、第２のモータ４００従動に伴う摩擦負荷による負荷増加を回避することができる。さらに、第２のモータ４００に設置したクラッチ４０１を断とすることにより、第２のモータ４００の回転部の慣性負荷を除去することができる。歩行ロボットの関節駆動部の歩行中の動作は、起動、定速回動、停止、逆方向への起動、逆方向への回動、停止を繰り返すことから、第１のモータ３００の消費電力低減のためには、加速トルクに大きく影響する慣性負荷の低減が必要となる。上記のとおり、第２のモータ４００を使用しない場合には第２のモータ４００の慣性負荷を除去することができるので、低速歩行時の消費電力を低減することが可能となる。
【００９６】
また、上述の構成をとることにより、例えば歩行ロボットの脚部の関節に設けられた関節駆動部の一方のモータ３００が、断線等の理由により動作不能になった場合にも、並行して配置された第２のモータ４００への電流の供給により、歩行動作は継続可能である。この場合には、駆動力の低下による歩行速度の低下は生じるものの、歩行動作が全く不可能になることはなく、補修可能な地点までの帰還などが可能となる。さらに、この状況において、第１のモータ３００に設置したクラッチ３０１を断とすることにより、負荷増大を回避することができる。なお、上述したこととは逆に第２のモータ４００が動作不能になった場合には、第１のモータ３００への電流の供給により、同様の動作の継続が可能となる。
【００９７】
以上のように、本発明による歩行ロボットでは、高速歩行を行う場合には各関節駆動部に設けた複数のモータを同期して駆動することにより、高速歩行に必要な駆動力を得ることができる。加えて、低速歩行を行う場合には、各関節部に設けた複数のモータのうち、必要に応じた数のモータを同期して駆動し、使用しないモータはクラッチを断として、使用しないモータの回転部の摩擦負荷および慣性負荷を除去することができるので、低速歩行時の消費電力を低減することが可能となる。
【００９８】
また、各関節駆動部に複数のモータを並列に配置したので、配置した複数のモータの一部が破損等により駆動不可能になった場合にも、歩行ロボットの歩行動作が不可能になることはなく、歩行速度の低下は発生するものの歩行動作の継続は可能となる。
【００９９】
なお、上記実施の形態４では、１箇所の関節駆動部に２つのモータ３００、４００を配置したものを示したが、３つ以上であってもよく、同様の効果を得ることが可能である。
【０１００】
また、上記実施の形態４では、第２のモータ４００はピニオンギア４０２と減速ギア１１０が噛み合うよう配置した例を示したが、ピニオンギア４０２が減速ギア１０３に噛み合う配置にしてもよい。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、歩行時には４脚を使用することにより簡単な制御で転倒せぬようバランスを取った自立、歩行が可能となり、また作業を行う際には、４脚のうち前脚に備えたマニピュレータを使用して作業を行う構成としたので、低コスト、低消費電力で、作業性を備えた歩行ロボットを得ることができる効果がある。
【０１０２】
この発明によれば、関節部の姿勢を保持する制動機構を備え、制動時と非制動時との移行時のみ電力を消費する構成とし、制動を継続する場合、あるいは制動解除を継続する場合とも、電力を消費しない構成としたので、歩行ロボットの消費電力を低減できる効果がある。
【０１０３】
この発明によれば、作業時、待機時などの非歩行時においては、３点以上の保持点により安定した姿勢を確保した後、上記制動機構により関節部の姿勢を保持する構成としたので、電力を消費することなく待機等を行うことが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による歩行ロボットの概略構成を示す要部斜視図である。
【図２】図１に示す歩行ロボットの歩行状態を示す概略側面図である。
【図３】図１に示す歩行ロボットの歩行状態を示す概略側面図である。
【図４】図１に示す歩行ロボットの歩行状態を示す概略側面図である。
【図５】図１に示す歩行ロボットの作業姿勢の一形態を示す側面図である。
【図６】図１に示す歩行ロボットの作業姿勢の一形態を示す側面図である。
【図７】図１に示す歩行ロボットの作業姿勢の一形態を示す側面図である。
【図８】図１に示す歩行ロボットの待機状態の一形態を示す側面図である。
【図９】図１に示す歩行ロボットの待機状態の一形態を示す側面図である。
【図１０】本発明による歩行ロボットの関節駆動部の詳細を示す平面図である。
【図１１】図１０に示す関節駆動部の概略側面図である。
【図１２】図１０に示す関節駆動部の駆動系を示す概略側面図である。
【図１３】制動機構の構造を示す断面図である。
【図１４】カムプレートの側面図である。
【図１５】制動機構の要部を示す平面図である。
【図１６】図１５に示す制動機構のカム機構を示す図である。
【図１７】図１５に示すカム機構の動作を示す図である。
【図１８】図１５に示す制動機構の制動動作の完了状態を示す図である。
【図１９】図１５に示す制動機構の制動状態を示す図である。
【図２０】本発明による歩行ロボットの関節駆動部の概略側面図である。
【図２１】図２０に示す関節駆動部の駆動形を示す概略平面図である。
【図２２】図２０に示す関節駆動部の制動機構の構造を示す断面図である。
【図２３】図２０に示す制動機構の動作状態を示す平面図である。
【図２４】図２０に示す制動機構の制動ギアに設けた孔部とブレーキキャリバに設けたピントの関係を示す側面図である。
【図２５】本発明の歩行ロボットの関節駆動部の駆動系ギア列を示す概略側面図である。
【図２６】関節駆動部のモータの構成について示す平面図である。
【図２７】関節駆動部のモータの構成について示す平面図である。
【図２８】本発明の歩行ロボットの関節駆動部の詳細を示す平面図である。
【図２９】図２８に示す関節駆動部の駆動系ギア列を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１  胴体、２  左前脚機構、３  右前脚機構、４  左後脚機構、５  右後脚機構、６  首機構、７  頭部、２１，２２，２３，３１，３２，３３，４１，４２，４３，５１，５２，５３，６１，６２  関節部、２４，２５，３４，３５，４４，４５，４６，５４，５５，５６  アーム、２６，３６  マニピュレータ、１００  フレーム、１０１，２００  モータ、１０２，３０２，４０２  ピニオンギア、１０３，１０４，１０５  減速ギア、１０６  出力ギア、１０７  関節軸、１０８  関節アーム、１０９  角度検出器、１１０，１３０  制動ギア、１１１  支軸、１１２  Ｅリング、１１３  ブレーキキャリパ、１１３ａ  パッド、１１３ｂ  ピン部、１１４  カムプレート、１１４ａ  カム部、１１４ｂ  凸部、１１４ｃ  凹部、１１４ｄ  斜面、１１５  バネ、１１６  ラッチ機構、１１７  ホイール、１１８  ワンウェイラッチ、１１９  レバー、１２０  ラッチプレート、１２１  板バネ、１２２  カムフォロワ、１２３  ソレノイド、１２３ａ  可動鉄心、１２４  ホルダ、１２５  リンク、１３０ａ  孔部、２００ａ，３００  第１のモータ、２００ｂ，４００  第２のモータ、２００ｃ，２００ｄ，３０１，４０１  クラッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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