(57)【要約】【課題】電子的制御性を弱めて機械的制御性を強めた４節リンク機構の脚の構造である。【解決手段】胴体２は、相対的に運動する第１胴体５と第２胴体６から形成される。脚１は、第１胴体５を支持する複数の第１脚５１と、第２胴体６を支持する複数の第２脚５５とから構成されている。第１脚５１は、第１四節非平行リンクで形成され、第２脚５５は、第２四節非平行リンクで形成されている。第１四節非平行リンクの２節である拘束第１二節４３，４４は、第１胴体５に拘束されている。第１四節非平行リンクの他の２つの自由二節を結合する第１リンク４９の延長部位５２に第１着地点６６又は８３が設定される。第１着地点８３の軌跡は、第１胴体５が基準姿勢にあるときに近似的鉛直線である。第２着地点も近似的鉛直線である。４節リンク機構は、剛性と強度を有しており、電子制御が簡単になる。【選択図】　　　　　図３
2004001138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１胴体と、
前記第１胴体に支持されて前記第１胴体に対して運動する第２胴体と、
前記第１胴体を支持する複数の第１脚と、
前記第２胴体を支持する複数の第２脚とを具え、
前記第１脚は、第１四節非平行リンクで形成され、
前記第２脚は、第２四節非平行リンクで形成され、
前第１四節非平行リンクは、構造の点で、前記第２四節非平行リンクに同じであり、
前記第１四節非平行リンクの２節である拘束第１二節は、前記第１胴体に拘束され、
前記第２四節非平行リンクの２節である拘束第２二節は、前記第２胴体に拘束され、
前記第１四節非平行リンクの他の２つの自由二節を結合する第１リンクの延長部位に第１着地点が設定され、
前記第２四節非平行リンクの他の２つの節である自由二節を結合する第２リンクの延長部位に第２着地点が設定され、
前記第１着地点の軌跡は、前記第１胴体が基準姿勢にあるときに、近似的鉛直線であり、
前記第２着地点の軌跡は、前記第２胴体が基準姿勢にあるときに、近似的鉛直線である
歩行ロボット。
【請求項２】
請求項１に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１着地点に配置される第１センサーと、
前記第２着地点に配置される第２センサーとを更に具え、
前記第１センサーは、
前記延長部位に固着されている第１電極と、
前記延長部位に３次元回転的に支持される３次元軸受と、
前記３次元軸受に固着されている第２電極と、
前記延長部位と前記３次元軸受との間に介設されるコイルスプリングとを備え、
前記第１電極と前記第２電極は、前記コイルスプリングの圧縮時に互いに接触する３つの接触点を有して接触電気信号を生成する
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項３】
請求項２に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１電極と前記第２電極は、環状に形成されている
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項４】
請求項１〜３から選択される１項の歩行ロボットにおいて、
前記第２胴体は、前記第１胴体に線形運動自在に支持されている
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項５】
請求項４に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第２胴体は、前記第１胴体に回転運動自在に支持されている
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項６】
請求項１〜５から選択される１項に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１胴体に配置されるモータと、
前記拘束第１二節のうちの１つの節として形成される回転軸とを更に具え、
前記モータの出力軸は前記回転軸に対してウォームギヤを介して回転自在に結合している
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項７】
請求項１〜６から選択される１項に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１胴体に直交座標系ｘ，ｙが設定され、前記ｙ軸は前記第１胴体が基準姿勢にある時に鉛直面上に設定され、
前記２節である２つの前記拘束第１二節は、前記ｙ軸上に配置され、前記拘束第１二節に結合する２つのリンクのうちの１つは第３リンクとして形成され、
前記第３リンクと前記ｙ軸との間の角度がγで表され、前記第３リンクと前記第１リンクとの間の角度がβで表されて、γ＋β＝１８０＋θであり、前記θはともに零に近い設計範囲定数θ１とθ２に対してθ１＜θ＜θ２でありΔθで表され、前記γは９０度を含み設計範囲定数γ１とγ２に対してγ１＜γ＜γ２であり、前記延長部位の特定点の軌跡（ｘ，ｙ）の変化率Ｋは、
｜Ｋ｜＝（Ｃ＋ＬΔθ）／（ＣΔθ＋Ｌ）
Ｃ：前記第３リンクの長さ
Ｌ：前記延長部位の長さ
で表される
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項８】
請求項７に記載の歩行ロボットにおいて、
前記Ｃ及び前記ＬがＣ≒Ｌであり、
前記ｙ軸は前記鉛直面上で概ね４５度に設定されている
ことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項９】
請求項７に記載の歩行ロボットにおいて、
前記Ｃ及び前記ＬがＣ≒Ｌであり、
Ｃ＜Ｌであり、前記ｙ軸は前記鉛直面上で概ね４５度に設定されている
ことを特徴とする歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行ロボットに関し、特に、電子制御性が弱く機械的制御性が強い歩行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
オフロード上の凹凸面上を歩行して、凹凸面上のサンプルを採取したり、地面下にある未知の金属物体の存在を探知するために、常態的に安定姿勢を維持することができる歩行ロボットが有用に用いられている。そのような歩行ロボットとして、リンク機構で作られた屈折式６脚ロボットが知られている。屈折式６脚ロボットは、（１）その６脚のうちの３脚の同時的接地と、（２）その６脚の内の他の３脚の同時的離脱・前進・後退と、（３）一方の３脚の組と他方の３脚の組の水平面上の相対的回転との複合運動により、凹凸面とロボットの機体との間の干渉を回避しながら任意の方向に運動することができ、階段を昇降することができる。
【０００３】
屈折脚の自由端部位である接地部位の運動軌跡は、連接２リンクの２節２軸独立回転により自由に任意に与えられ得る。接地状態で屈折脚の姿勢を安定化するためには、２節２軸の回転静止時の制御トルクが大きいことが必要である。制御トルクを大きくするためには、フィードバック出力が大きいサーボモータが必要である。そのようなサーボモータの採用は、ロボットに搭載された電池容量と質量の増大化を招く。
【０００４】
観測機器、サンプル採取用機器のような作業機器を歩行ロボットに搭載するためには、設計上にある程度の剛性が屈折脚が有している必要がある。そのような剛性を確保するために、屈折脚には４節リンク機構が適用されている。４節リンク機構が好適に利用される運動機構として、４節間リンクが平行四辺形に形成され、１つの節に任意の運動軌跡を与えることにより他の節に拡大された運動を与える平行四辺形リンクが知られている。このような平行四辺形リンクは、連接２リンク機構に比べて、特開平１０−２４９７５７号で知られているように、機械的構造が複雑化し、その結果、運動制御機構が複雑化する。
【０００５】
運動軌跡が機械的に確定するリンク機構として、４節リンク機構が知られている。４節リンク機構は、運動軌跡が確定するとともに、４つのリンクで運動点に作用する反作用力を支持するので、その剛性が高く支持力が大きい。不平行リンクから形成される一般的な４節リンク機構は、その作用点の運動の解析が困難であり、目的に応じて特殊化された機構が知られている。作用点の運動軌跡が直線的であることが実用的に適正であることが多く、特殊化された機構が多く知られている。特殊化された機構として、作用点以外の１点の運動を直線上に拘束する近似直線運動機構、複数のリンクの長さを等しくする近似直線運動機構のような直線的運動を作用点に与える機構が有名である。これらの直線的運動機構は、付加的なリンクが必要であり、又は、支持力が保証されず剛性が低く、拡大的描画のような幾何学的性能を得る目的が優先的に考慮されていて、ロボットのような大きい質量を持つ物体を支持する物理的性能が考慮されていない。
【０００６】
作業が優先される歩行ロボットに求められる性能としては、その歩行姿勢の優雅さではなく、３脚支持により姿勢が力学的に安定化していることが求められ、その制御軸が１つで十分であることが制御の簡素さのために求められる。そのようなロボットに求められる歩行性能は、任意の２位置間の空間的遷移の確実さであり、運動軌跡が非制御的に知られていることが重要であり、特に、接地部位の運動は単純に直線であることで十分である。素粒子線が飛び交う場所（例示：原子炉内床面、月面）で使用されることが要請される歩行ロボットの姿勢制御は、半導体チップを使用した制御装置を用いるフィードバックのための電子的制御ではなく、主として機械的制御であることが望ましい。
剛性と直線運動性、特に、鉛直方向運動性が与えられることが求められる。その結果として、姿勢保持のためにフィードバック制御を要しないことが更に求められ、電子制御性が弱く機械的制御性が強いことが求められる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電子制御性が弱く機械的制御性が強い歩行ロボットを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明による歩行ロボットは、第１胴体（５）と、第１胴体（５）に支持されて第１胴体（５）に対して運動する第２胴体（６）と、第１胴体（５）を支持する複数の第１脚（５１）と、第２胴体（６）を支持する複数の第２脚（５５）とから構成されている。第１脚（５１）は、第１四節非平行リンクで形成され、第２脚（５５）は、第２四節非平行リンクで形成されている。第１四節非平行リンク（５１）は、構造の点で、第２四節非平行リンク（５５）に同じである。第１四節非平行リンクの２節である拘束第１二節（４３，４４）は、第１胴体（５）に拘束され、第２四節非平行リンクの２節である拘束第２二節（５６，５７）は、第２胴体（６）に拘束されている。第１四節非平行リンクの他の２つの自由二節を結合する第１リンク（４９）の延長部位（５２）に第１着地点（６６又は８３）が設定され、第２四節非平行リンクの他の２つの節である自由二節を結合する第２リンク（６３）の延長部位（６４）に第２着地点（６６’又は８３）が設定されている。第１着地点（８３）の軌跡は、第１胴体（５）が基準姿勢にあるときに近似的鉛直線であり、第２着地点（８３）の軌跡は第２胴体（６）が基準姿勢にあるときに近似的鉛直線である。
【００１０】
このように規定される４節リンク機構の少なくとも２つのリンク（４５，４６）は、胴体（１）の質量に作用する重力を支持する脚（１）の剛性と強度を強化し、且つ、着地点の運動軌跡を確定化する。そのような確定化のために、４節リンクがリンク数の点で最も簡素である。４節リンク機構の採用は、歩行ロボットの分野で公知である。着地点（８３）の運動が近似的に鉛直線の上にあることは公知ではない。この非公知の特徴は、脚特に着地点の自由な運動の範囲を公知のそれに比べて拡大することができ、地面上の障害物に接触する確率を小さくすることができる、又は、階段に対する昇降運動の確実性を増大させることができる。このように機械的に又は幾何学的に運動を制御することは、機械的制御性を強くして電子的制御性を弱くすることを意味する。大きい質量を持つ物体の運動制御が機械的に行われることが優れていることは、ロボット工学で特に求められいる。
【００１１】
第１着地点（８３）に配置される第１センサー（６６）と、第２着地点（８３）に配置される第２センサー（６６’）とが追加される。第１センサー（６６）は、延長部位（５２）に固着されている第１電極（７６）と、延長部位（５２）に３次元回転的に支持される３次元軸受（７２）と、３次元軸受（７２）に固着されている第２電極（７７）と、延長部位（５２）と３次元軸受（７２）との間に介設されるコイルスプリング（７４）とから構成されている。第１電極（７６）と第２電極（７７）は、コイルスプリング（７４）の圧縮時に互いに接触する３つの接触点を有して接触電気信号を生成する。少なくとも３点の接触点は、第１センサー（６６）の３次元的傾斜の検出を確実にする。第１電極（７６）と第２電極（７７）とが環状に形成されれば、その接触可能点は無限数化され、その確実性がより保証される。
【００１２】
第２胴体（６）が第１胴体（１）に線形運動自在に支持され、第２胴体（６）が第１胴体（５）に回転運動自在に支持されていることは、公知技術そのままであるが、本発明による歩行ロボットは、このような公知のメカの利点を有効に活用することができる。
第１胴体（５）に配置されるモータ（７）と、拘束第１二節のうちの１つの節（４３）として形成される回転軸とが当然に（必須的に）用いられている。モータ（７）の出力軸（８）はその回転軸に対してウォームギヤ（１４，５４）を介して回転自在に結合している。ウォームギヤの採択は、機械的制御性をより強くして電子的制御性をより弱くすることができる。
４節リンク機構に関する近似直線運動の一般的条件化は、詳しくは後述される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の歩行ロボットの外観を示す外観図である。図２は、上部を切断したときの平面図である。図３は、歩行ロボットの一部切断した正面図である。図１に示されているように、本発明による歩行ロボットの実施の形態は、６脚が胴体とともに設けられている。その６脚１−１〜６は、その胴体２に屈折自在に支持されている。胴体２は、図１に示されるように、略三角形状の板である下側胴体外板３と上側胴体外板４とから形成されている。略三角形状の板である下側胴体内板５が、下側胴体外板３に固定的に支持されている。下側胴体内板５は、下側胴体外板３より上側に配置されている。略三角形状の板である上側胴体内板６が、上側胴体外板４に固定的に支持されている。上側胴体内板６は、上側胴体外板４より下側に配置されている。
【００１４】
正逆両方向に出力軸が回転する第１脚駆動用モータ７が、下側胴体内板５に固定的に支持されている。第１脚駆動用モータ７は、下側胴体内板５の上面側に固定配置されている。第１脚駆動用モータ７の第１出力軸８は、下側胴体内板５の上面側から下面側に貫通している。第１出力軸８の下端側部位に歯車９が固着されている。減速歯車軸１１が、下側胴体内板５と下側胴体外板３とに回転自在に支持されている。減速歯車軸１１の上方部位は下側胴体内板５に支持され、減速歯車軸１１の下方部位は下側胴体外板３に支持されている。第１出力軸８に固着されている歯車９と減速歯車軸１１に固着されている歯車との噛み合いにより、第１出力軸８の回転は減速されて減速歯車軸１１に伝達される。
【００１５】
第１脚駆動歯車軸１２の下方部位は、下側胴体内板５に回転自在に支持されている。第１脚駆動歯車軸１２の上方部位は、下側胴体内板５に支持されている軸受け台１３に回転自在に支持されている。減速歯車軸１１の回転は、更に減速歯車軸１１に固定された歯車と第１脚駆動歯車軸１２に固定された歯車とで減速されて第１脚駆動歯車軸１２に伝達される。第１脚駆動歯車軸１２には、第１ウォームギヤ１４が固着されている。従って、第１脚駆動用モータ７の回転出力は、第１ウォームギヤ１４を介して、後述される４節リンク機構に伝達される。
【００１６】
下側胴体内板５には、レール１５が形成されている（図２参照）。往復運動台車１６は、レール１５に載置されレール１５に案内され下側胴体内板５に支持されて往復運動する。レール１５に平行してラック１７が配置されている。往復運動台車１６には、ピニオン軸が回転自在に支持され、そのピニオン軸にピニオン１７’が固着されている。ラック１７に噛み合うピニオン１７’を支持する往復運動台車１６は、ラック１７から反作用を受けて、レール１５の上で直線的に運動する。往復運動台車１６には、正逆両方向に出力軸が回転する往復運動駆動用モータ１８が載置されて固定されている。ピニオン１７’は、往復運動駆動用モータ１８の出力軸に連結されている。
【００１７】
相対的胴体回転軸１９の下端が往復運動台車１６に固定されており、往復運動台車１６から立ち上がっている。相対的胴体回転軸１９に対して回転自在に回転筒２１が、上下１対の玉軸受２２を介して相対的胴体回転軸１９に外装されている。既述の上側胴体内板６は、回転筒２１の上面に接合して回転筒２１に一体に固着されている。従って、下側胴体内板５と上側胴体内板６とは、相対的胴体回転軸１９を中心に相対的に回転可能である。上側胴体内板６の下面には、相対的胴体回転駆動用モータ２３の上面が固定されている。相対的胴体回転駆動用モータ２３は、正逆両方向に出力軸が回転可能である。
【００１８】
相対的胴体回転駆動用モータ２３の出力軸２４は、上側胴体内板６を貫通して上側胴体内板６の上面側に延びている。出力軸２４にはプーリ２５が固定されている。相対的胴体回転軸１９の上方部位である細径部位に、プーリ２６が固着されている。ベルト２７は、プーリ２６に摩擦的に結合していてプーリ２６の周溝面に転動して相対的胴体回転軸１９を中心軸として周回的に回転する。プーリ２５は、相対的胴体回転軸１９のまわりに公転し且つ自転する。なお、相対的胴体回転駆動用モータ２３は、ウォームギヤとウォームホイールによる駆動であっても良い。
【００１９】
正逆両方向に出力軸が回転する第２脚駆動用モータ２８上面は、上側胴体内板６の下面に接合して上側胴体内板６に固定されている。第２脚駆動用モータ２８の第２出力軸２９は、上側胴体内板６の下面側から上面側に貫通している。第２出力軸２９の上端側部位に歯車３１が固着されている。減速歯車軸３２が、上側胴体内板６と上側胴体外板４とに回転自在に支持されている。減速歯車軸３２の下方部位は上側胴体内板６に支持され、減速歯車軸３２の上方部位は上側胴体外板４に支持されている。第２出力軸２９に固着されている歯車３１と減速歯車軸３２に固着されている歯車との噛み合いにより、第２出力軸２９の回転は減速されて減速歯車軸３２に伝達される。
【００２０】
他方、第２脚駆動歯車軸３３の上方部位は、上側胴体内板６に回転自在に支持されている。第２脚駆動歯車軸３３の下方部位は、上側胴体内板６に支持されている軸受け台１３’に回転自在に支持されている。減速歯車軸３２の回転は、更に減速されて第２脚駆動歯車軸３３に伝達される。第２脚駆動歯車軸３３には、第２ウォームギヤ３４が固着されている。第２脚駆動用モータ２８の回転出力は、第２ウォームギヤ３４を介して、後述される４節リンク機構に伝達される。
【００２１】
回転数検出器３５が、上側胴体内板６に取り付けられている。回転数検出器３５の筐体が、上側胴体内板６に固着されている。回転数検出器３５は、回転数検出用回転軸３６を有している。回転数検出用回転軸３６の上端部位は、上側胴体内板６の上面側に突出している。プーリ３７が、回転数検出用回転軸３６のその突出部位に固着されている。相対的胴体回転軸１９にプーリ３８が同軸に固定されている。上側胴体内板６が相対的胴体回転軸１９を中心軸として回転するとき、ベルト３９はプーリ３８にタイミングベルトで連結されていてプーリ３８の周溝面に転動して相対的胴体回転軸１９を中心軸として周回的に回転する。
【００２２】
プーリ３７は、相対的胴体回転軸１９のまわりに公転し且つ自転する。プーリ３７の自転角速度と上側胴体内板６の自転角速度のずれが生じるように設計されているので、回転数検出用回転軸３６と回転数検出器３５の筐体との間の相対的回転が生じて、回転数検出用回転軸３６の回転角度を磁気的、又は電気的に検出する。このように検出される回転角度は設計定数に基づいて換算されて、下側胴体内板５と上側胴体内板６の相対的回転角度が検出される。
【００２３】
図３に示されるように、凹状に形成された３つの第１軸受固着体４１が下側胴体内板５に固定されている。第１軸受固着体４１は、相対的胴体回転軸１９の中心軸線のまわりに１２０度の角度間隔で３つが配置されている。図２には、第１軸受固着体４１は、１体のみが図示されている。第１軸受固着体４１に、第１軸受両側板４２が固着されている。第１軸受両側板４２に、第１第１節回転中心軸４３が通されて固定されている。
【００２４】
レール１５により規定される運動面（基準面）が水平面であれば、第１第１節回転中心軸４３の中心軸心線は水平に向いている。第１軸受両側板４２に、図３に示されているように、第１第２節回転中心軸４４が貫通し固定されている。第１第２節回転中心軸４４は、第１第１節回転中心軸４３に平行に配置されている。第１第１節回転中心軸４３と第１第２節回転中心軸４４との間の間隔は、後述される近似直線運動機構に設定されるパラメータとして定数である。
【００２５】
図３に示されているように、第１第１節回転中心軸４３に第１第１リンク４５の一端が揺動自在に連結されている。また、第１第２節回転中心軸４４に、第１第２リンク４６の一端が揺動自在に連結されている。第１第１リンク４５の回転（揺動）運動側の端部に、第１第３節回転中心軸４７が固定されている。第１第３節回転中心軸４７は、第１第１節回転中心軸４３に平行な位置に配置されている。第１第２リンク４６の回転運動側の他端部に、第１第４節回転中心軸４８が設けられている。第１第４節回転中心軸４８は、第１第１節回転中心軸４３に平行に配置されている。第１第３リンク４９の一端が、第１第３節回転中心軸４７と第１第４節回転中心軸４８とに回転自在に結合されている。
【００２６】
第１軸受両側板４２は、第１第４リンクに相当している。第１第１リンク４５、第１第２リンク４６、第１第３リンク４９、及び第１軸受両側板４２である第１第４リンクは、第１四節リンク機構５１を構成している。第１第３リンク４９は、図３では第１第１リンク４５に隠れた位置にあって図３には現れていない（図２参照）。第１第３リンク４９は、第１第３節回転中心軸４７と第１第４節回転中心軸４８との間のリンク部分が一体に構成され延長されており、第１着地（接地）脚部分５２を形成している。図２に示すように、このような第１四節リンク機構５１の３組が、相対的胴体回転軸１９のまわりに１２０度の角度間隔で配置され、既述の運動面に直交する面（今の場合、鉛直面）で回転的に運動し、第１着地脚部分５２の下端部位である接地動作部位５３は、疑似直線上で運動し、特に、既述の運動面が水平面であれば、それぞれに３つの鉛直線の上で運動する。
【００２７】
第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４が、図３に示されるように、第１第１節回転中心軸４３に一体に結合されている。既述の第１ウォームギヤ１４は、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４に噛み合っている。ウォームギヤを用いた理由は、第１脚駆動用モータ７の側から第１脚駆動歯車軸１２に入力される回転力（トルク）を、忠実に第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４に伝達するが、第１四節リンク機構５１の側から第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４に入力される回転力（トルク）を実質的に伝達しない不可逆的動力伝達性を保証することができるからである。
【００２８】
第１軸受両側板４２と第１第１節回転中心軸４３に対応する部材が、上側胴体内板６に固定的に配置される。３つの組の第１四節リンク機構５１に対応して第１四節リンク機構５１に完全に合同であり、又は、概ね合同である３組の第２四節リンク機構５５が、上側胴体内板６に支持されている。第２四節リンク機構５５は、相対的胴体回転軸１９に対して、概ね中心線対称に配置されている。３組の第２四節リンク機構５５は、１２０度の角度間隔で相対的胴体回転軸１９のまわりに配置されている。従って、第２四節リンク機構５５は、第１四節リンク機構５１に対して相対的胴体回転軸１９のまわりに初期的に６０度の離隔角度で配置されている。
【００２９】
第２第１節回転中心軸５６は、第１第１節回転中心軸４３に対応している。第２第２節回転中心軸５７は、第１第２節回転中心軸４４に対応している。第２第３節回転中心軸５８は、第２第３節回転中心軸４７に対応している。第２第４節回転中心軸５９は、第１第４節回転中心軸４８に対応している。第２第１リンク６１は、第１第１リンク４５に対応している。第２第２リンク６２は、第１第２リンク４６に対応している。第２第３リンク６３は、第１第３リンク４９に対応している。第２着地脚部分６４は、第１着地脚部分５２に対応している。
【００３０】
第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５が、図３に示されるように、第２第１節回転中心軸５６に回転が同体になるように固定されている。既述の第２ウォームギヤ３４は、第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５に噛み合っている。前述したように、この第２ウォームギヤ３４の使用は、第２脚駆動用モータ２８の側から第２脚駆動歯車軸３３に入力される回転力を、忠実に第２第２リンク６２に伝達するが、第２四節リンク機構５５の側から第２第２リンク６２に入力される回転力を実質的に伝達しない不可逆的動力伝達性を保証することができからである。
【００３１】
図３に示されるように、第１着地脚部分５２の自由端部位に後述する第１着地センサー６６が揺動自在に支持されている。第２着地脚部分６４の自由端部位に第２着地センサー６６’が揺動自在に支持されている。第１着地センサー６６と第２着地センサー６６’は、共に歪みを検出して接地圧に換算してそれに対応する電圧信号を生成する触覚センサーが有効に用いられ得る。本発明では、接地圧の検出はしていない。
【００３２】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１着地センサー６６又は第２着地センサー６６’のより好適な触覚センサーを示している。ここで例示される触覚センサーは、着地の事実のみを単純に検出して接地圧の検出を必要としない電気接点式検出機構を有している。第１着地脚部分５２又は第２着地脚部分６４は、円筒状に形成された円筒部位である。この金属製の円筒部位の内周面には、絶縁材料で形成される円筒状の電極支持筒６７が固着されている。電極支持筒６７の内周面に支柱保持筒６８が固着されている。支柱保持筒６８の中心部に３次元軸受支柱６９が貫通して配置されている。３次元軸受支柱６９の下端には、球状の形をした３次元回転軸７１が同体に、又は一体に結合されている。３次元回転軸７１には、第１着地センサー６６（又は第２着地センサー６６’）の３次元軸受７２が嵌め込まれて外装されている。
【００３３】
３次元回転軸７１は、半球面より広い球面を持つ部分球体である。３次元軸受７２は、凹球面を有している。その凹球面は、３次元回転軸７１の部分球体面に３次元回転自在に摺動することができる。３次元軸受７２の下方部位の鍔部７３の上面と電極支持筒６７の下面との間に、コイルスプリング７４が介設されている。コイルスプリング７４は、３次元軸受７２を地面側に押し出す押し出し力を有している。３次元軸受７２には、鍔部７３が形成されている。３次元軸受７２は、一体に着地部位７２’を有している。着地部位７２’は、鍔部７３に一体に嵌め込まれている。着地部位７２’の接地面は、部分球面７５に形成されている。
【００３４】
電極支持筒６７の下端面に、固定側環状電極７６が接合されている。これと対向するように、３次元軸受７２の上端面に揺動側環状電極７７が接合されている。固定側環状電極７６が揺動側環状電極７７に対向する面は、帯状凹部分球面、帯状凸部分球面、又は、帯状円錐面（以下、帯状凹球面といわれる）に形成されている。揺動側環状電極７７が固定側環状電極７６に対向する面は、帯状凸部分球面、帯状凹部分球面、又は、帯状円錐面（以下、帯状凸球面といわれる）に形成されている。
【００３５】
部分球面７５が地面から離れている間は、中心線Ｌに対して対称に形成されているコイルスプリング７４により全周的に均等に押し出し力を受けて３次元軸受７２に固定されている揺動側環状電極７７の帯状凸球面は、固定側環状電極７６の帯状凹球面から完全に離隔している。部分球面７５が地面に接地すれば、揺動側環状電極７７の帯状凸球面の少なくとも１点領域は、固定側環状電極７６の帯状凹球面の少なくとも１点領域に接触する。固定側環状電極７６と揺動側環状電極７７の接触により閉じられる電気回路（図示されず）が第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５と第１脚駆動用モータ７との間（第１着地センサー６６と第２脚駆動用モータ２８との間）に形成されていて、その接触に基づく電気信号が第１脚駆動用モータ７（第２脚駆動用モータ２８）に入力する。
【００３６】
図４（ｂ）は、部分球面７５が障害物７８の１点に軽く触れることにより揺動側環状電極７７が１点領域又は３点領域で固定側環状電極７６に接触している状態を示している。図３（ｃ）は、部分球面７５が地面７９にしっかり接地して揺動側環状電極７７が全面領域で固定側環状電極７６に接触している状態を示している。図３（ｃ）に示される接地状態では、コイルスプリング７４は完全に収縮している。このような収縮状態で、第１着地脚部分５２と３次元軸受７２とは、コイルスプリング７４を介して地面７９に接触していて、第１着地脚部分５２の下端面は３次元軸受７２の上端面に接触していない。第１着地脚部分５２と３次元軸受７２とは、電極又は電気接触子８１のみを介して接触して接合する。
【００３７】
１組の第１四節リンク機構５１には、１つの第１脚駆動用モータ７が対応している。１組の第２四節リンク機構５５には、１つの第２脚駆動用モータ２８が対応している。本発明による歩行ロボットは、下記ステップに従って運動する。
ステップ０：
３つの第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５と３つの第１着地センサー６６とが接地していて、往復運動台車１６はレール１５の上でその中立位置にあり、３つの第１第３リンク４９と３つの第２第３リンク６３が鉛直に向いている初期条件が採択される。
【００３８】
ステップ１：
３つの第２脚駆動用モータ２８に電源がＯＮ状態で接続される。３つの第１脚駆動用モータ７には電源がオフ状態で接続されている。３つの第２脚駆動用モータ２８の第２出力軸２９は、互いに同期して同一の回転角速度で同一の向きに回転する。第２出力軸２９の回転出力は、第２ウォームギヤ３４と第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５を介して第２第１節回転中心軸５６に伝達される。第２脚駆動用モータ２８の正転は、第２第１リンク６１又は第２第２リンク６２と水平面との角度を増大させる方向の回転として定義される。第２脚駆動用モータ２８の正転により、第２第１リンク６１が回転してより立ち上がる。
【００３９】
第２四節リンク機構５５の４節間の４つの距離（有効リンク長さ）は不変であるので、第２着地センサー６６’は定曲線の軌跡を描く。本発明では、その定曲線は概ね定直線であり、特に、第２鉛直線８２である（図２参照）。第２鉛直線８２は、往復運動台車１６に対して固定された直線である。本実施の本形態では、第２第３リンク６３の中心線は、第２鉛直線８２に概ね一致している。第２着地センサー６６’特に第２着地センサー６６’の着地部位７２’の頂点８３（図３（ａ）参照）の第２鉛直線（Ｌ）８２の上の上昇距離は、往復運動台車１６に搭載される制御器（図示されず）の制御用プログラムに入力されて規定され、又は、障害物７８の高さを検出する検出器（図示されず）が検出して出力する高さ信号に基づいて規定される。
【００４０】
ステップ２：
３つの第２着地センサー６６’は、規定高さ位置まで上昇すれば、第２脚駆動用モータ２８がオフ状態になって、その規定高さを保持する。往復運動駆動用モータ１８がＯＮ状態になって、ピニオン１７’が正方向に回転する。ピニオン１７’に噛み合うラック１７が固定されている下側胴体内板５から反作用を受ける往復運動台車１６は、下側胴体内板５に対して前進方向に前進する。ここで、前進方向は既述の中立位置を含む基準鉛直線８４から１つの第２四節リンク機構５５が遠ざかる放射方向８５（図２参照）に一致している。
【００４１】
他の２つの第２四節リンク機構５５は、放射方向に遠ざかる１つの第２四節リンク機構５５に並行してその放射方向に運動する。その放射方向の運動の距離は、既述の制御器により規定されている一定距離である。但し、その一定距離の運動の完了の前に第２着地センサー６６’が障害物に接触した場合には、第２着地センサー６６’から停止信号を受ける往復運動駆動用モータ１８の回転出力が零になって、第２着地センサー６６’はその接触位置から僅かに後退して停止する。
【００４２】
ステップ３：
往復運動台車１６が一定距離前進してその一定距離だけ３つの第２四節リンク機構５５が前進すれば、往復運動駆動用モータ１８の回転が停止して往復運動台車１６が停止し、次に、３つの第２脚駆動用モータ２８が同時的に逆転を始める。３つの第２着地センサー６６’は鉛直方向の下方に降下する。他の３つの第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６が同一水平面に接地している場合には、３つの第２着地センサー６６’は概ね同時的にその水平面に接地する。接地相手の接地面が水平面でなく凹凸面であれば、３つの第２着地センサー６６’のうちの１つが先にその凹凸面に接地する。
【００４３】
その１つの第２着地センサー６６’は、図４（ｃ）に示されるように、標準的に安定的に既述の通りに接地する。その接地に時間遅れで、他の２つの第２着地センサー６６’が相次いで接地する。３つの第２着地センサー６６’の接地と残りの他の３つの第１四節リンク機構５１の接地とによる６点支持で、本歩行ロボットは安定的に凹凸面上に保持される。３つの第２脚駆動用モータ２８の回転は、第２着地センサー６６’から接地信号をそれぞれに受けて相次いで停止する。
【００４４】
ステップ４：
次に、３つの第１脚駆動用モータ７が正転を開始する。３つの第１脚駆動用モータ７の規定角度の回転は、３つの第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６を鉛直方向上方に規定高さまで持ち上げる。３つの第１着地センサー６６がその規定高さまで上昇した時に、３つの第１脚駆動用モータ７はその回転を停止させる。
ステップ５：
次に、往復運動駆動用モータ１８はその逆転を開始する。往復運動駆動用モータ１８の出力軸の逆転は、３つの第２四節リンク機構５５の第２着地センサー６６’が接地していて運動することができない上側胴体内板６に対して相対的に下側胴体内板５を既述の放射方向８５に前進させる。下側胴体内板５に支持されている３つの第１四節リンク機構５１の１つは、基準鉛直線８４に対して逆放射方向８６（図２参照）に前進する。３つの第１四節リンク機構５１が既述の規定距離だけ前進した時に、往復運動駆動用モータ１８はその回転を停止させる。
【００４５】
ステップ６：
次に、第１脚駆動用モータ７が逆転して、３つの第１着地センサー６６が相次いで既述の凹凸面に接地して、第１脚駆動用モータ７の逆転が停止する。このように本歩行ロボットは、一定距離ずつ尺取り虫のように歩進する。
ステップ７：
本歩行ロボットは、前進方向を変更することができる。ステップ２の次に、相対的胴体回転駆動用モータ２３が正転を開始する。プーリ２５が回転駆動され、ベルト２７がプーリ２６のまわりに摩擦接触して相対的胴体回転軸１９のまわりに公転する。その公転の角度は、適正角度範囲にある。その適正性角度範囲として正負で２０度の程度が例示される。
【００４６】
３つの第２四節リンク機構５５の第２着地センサー６６’のステップ３の降下とその接地に続いて、ステップ４の第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６の上昇と、相対的胴体回転駆動用モータ２３の逆転に基づいて下側胴体内板５が受ける回転反作用による下側胴体内板５に支持される３つの第１四節リンク機構５１の正方向回転と、ステップ６の３つの第１着地センサー６６の降下と接地の複合運動により、本歩行ロボットは規定角度だけ基準鉛直線８４のまわりに自転することができる。
【００４７】
歩進的に自転して、基準鉛直線８４のまわりの任意の角度方向にレール１５の方向である前進後退方向を設定することができる。任意の直進的歩進幅と任意の自転的歩進幅との組合せにより、本歩行ロボットはオフロードの任意のコース上で運動することができる。そのようなオフロードとして、坂道、階段が例示される。
全質量に作用する重力を均等に又は不均等に分担して支持する６つの脚１〜１ないし脚１〜６の分担荷重の反作用が、第１四節リンク機構５１と第２四節リンク機構５５とを介して、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４と第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５に作用し、その反作用力は、更に、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４と第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５から第１ウォームギヤ１４と第２ウォームギヤ３４とに作用する。
【００４８】
その分担荷重は、第１ウォームギヤ１４と第２ウォームギヤ３４とのそれぞれに回転力を与えるが、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４と第１ウォームギヤ１４との間の回転力伝達特性と、第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５と第２ウォームギヤ３４との間の回転力伝達特性とは、既述の非可逆性を有し、分担重力の反作用が第１ウォームギヤ１４と第２ウォームギヤ３４とを回転させることはない。従って、第１脚駆動用モータ７と第２脚駆動用モータ２８とにはフィードバック制御による回転角度位置保持制御が必要でなく、その制御のために必要である持続的電力を諸費しないですむので、搭載される電池の容量を小さくすることができる。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第１着地センサー６６又は第２着地センサー６６’の運動軌跡が、鉛直方向直線運動Ａ、非鉛直方向直線運動Ｂ、非直線運動（円弧）Ｃの３通りの前進方向運動領域の広狭の比較を示している。上昇し前進した後の運動点Ｐは、着地点Ｑに向かう。運動点Ｐの運動の自由度は、リンクの存在を無視して解析できる。円弧ＰＱと斜め直線ＰＱと鉛直直線ＰＱより前進方向に存在する障害物７８は、斜線で示されている。円弧運動（図５（ａ）の運動点は、降下しながら始点より前進方向に前方に進むことができる。斜め直線運動（図５（ｂ））の運動点Ｐは、降下しながら始点より更に前進方向に前方に進むことができる。鉛直直線運動（図５（ｃ））の運動点Ｐは、降下することができるが始点より前方に前進することができない。
【００５０】
３通りの運動のうち、着地点Ｑまで降下する運動点の降下運動の自由度は、斜め運動がもっとも低く、円弧運動が次に低く、鉛直降下運動がもっとも高い。障害物が図５（ｃ）に示されるように存在するとき、運動点は円弧運動と斜め直線運動をすることができない。斜め直線運動の傾斜角度が小さくなれば、斜め直線運動の自由度は、円弧運動の自由度よりも小さくなる。一般的には、降下始点から前進方向に進む距離がより短い運動の自由度がより高い。鉛直方向直線運動又は鉛直方向疑似直線運動の自由度が、もっとも高い。
【００５１】
障害物として、例えば階段が例示されると上記の考察の理解が容易となる。一般に、階段は鉛直面と水平面との繰り返しで形成されている。円弧運動の運動点（第１着地センサー６６に対応）と斜め運動の運動点は、階段の鉛直面に阻まれて水平面まで降下することができない。鉛直直線運動の運動点は、始点が段差幅より高い位置にある限り、理論的には（リンクの幅が無視されれば）必ず水平面まで降下することができる。試行的に脚を移動させて障害物の存否を探る場合、運動点が鉛直直線運動するならば、その試行回数が激減する。障害物と第１着地センサー６６との衝突の検知は、モータの出力トルクの検出により可能である。
【００５２】
図６は、第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６の作用点、即ち着地点８３の運動の幾何学的条件を解析するための直交座標系ｘ−ｙを示している。直交座標系ｘ−ｙは、第１胴体と第２胴体に対して固定される鉛直面に設定される。既述の第１第２節回転中心軸４４が原点として選択されている。第１第１節回転中心軸４３は、ｙ軸上にありその座標は、（０，Ａ）で表されている。その座標系上で、
角４８・４４・４３＝γ
角４４・４８・４７＝β
長さ４８・８３＝Ｌ
線分４７・４８とｘ軸との間の角度は、αで表されている。
2004001138.tif 000003
線分４７・８３の傾き＝ｔａｎ（α）＝ｔａｎ｛（９０−γ）＋（１８０−β）｝
点４８の座標（ｘ，ｙ）＝（Ｃｃｏｓ（９０−γ），Ｃｓｉｎ（（９０−γ））
点８３の座標（ｘ，ｙ）＝（Ｃｃｏｓ（９０−γ）−Ｌｃｏｓ｛（９０−γ）＋（１８０−β）｝，｛Ｃｓｉｎ（９０−γ）−Ｌｓｉｎ｛（９０−γ）＋（１８０−β）｝）
【００５３】
γが変化するときに運動する点８３（ｘ，ｙ）の運動軌跡の傾きＫは、点８３の座標が用いられてｄｙ／ｄｘである。γが変数パラメータで表されて、
2004001138.tif 000004
今、４節リンク機構が平行四辺形リンクであると考えると、
γ＋β＝１８０
点４８がｘ軸上にあれば、
角４８・４４・４３＝９０＝γ
この場合、
Ｋ＝−Ｃ／Ｌ
γが零であれば、
Ｋ＝０／Ｌ＝０
である。
【００５４】
ｙ軸が鉛直に向いていてＣとＬとが等しい場合、点８３の運動軌跡は、γが９０度の近傍で、鉛直線に対して４５度の角度の直線になる。ｙ軸が鉛直に向いている場合、点８３の運動軌跡は、γが０度の近傍で水平線になる。しかし、γが９０度より大きくなれば、近似直線運動の近似度は極端に小さくなる。十分に近似的である運動を得るためには、γ＋β＝１８０でないことが十分条件の１つである。０度でなく適正に大きい角度θが選択されて、
2004001138.tif 000005
【００５５】この場合の４節リンク機構が僅かにその平行性を失って、θが零に近い場合、零に十分に近い２つの角度範囲設定設計定数θ１，θ２が採択され得る。更に、９０度に十分に近い２つの他の角度範囲設定設計定数γ１，γ２が採択され得る。「９０度に十分に」の「十分に」は「十分条件的に」を意味する。
θ１＜θ＜θ２
γ１＜γ＜γ２
今、このような範囲にあるθの零からの偏差がΔθで表され、このような範囲にあるγの９０度からの偏差がΔγで表されれば、以下、Ｋについて正負は無視され、式（２）は近似的に、
Ｋ＝（Ｃ＋ＬΔθ）／（ＣΔθ＋Ｌ）　　　　　　　　　　　　　……（３）
【００５６】
このような条件では、直線４４・４３が鉛直に設定されていれば、点８３はより拡大された角度範囲で、近似直線運動の軌跡を描く。直線４４・４３の回転に対応してそのままに、点８３の近似直線運動の傾斜が変化する。
Ｌ≒Ｃ・・・（４）
であれば、直線４４・４３の傾きが鉛直線に対して４５度に設定されていれば、点８３の運動軌跡は、平行四辺形リンクよりもより拡大された範囲で、近似鉛直直線になり得る。図２に示される非平行四辺形リンクは、このような近似鉛直直線運動軌跡を描く近似平行四辺形リンクが設計の通りに示されている。
γが６０゜〜９０゜の範囲にあり、Ｃ＝Ｄであり、θが十分に小さいことが仮定されれば、
γ＝６０゜のとき、Ｋ＝−１．１３
γ＝９０゜のとき、Ｋ＝−１．００
３０゜の角度範囲領域で、実用的に必要である近似的直線が得られる。ＣとＤの値が適正に与えられれば、より広い角度範囲で実用的に必要である近似的直線が得られる。ＬがＣより十分に大きい場合、γは６０゜〜１２０゜の範囲で、Ｋは−１．００〜−１．２０の範囲にある。
【００５７】
第１四節リンク機構５１又は第２四節リンク機構５５は、４節リンク機構の４節のうちの２節が胴体２に支持されて拘束され、自由である他の２節を結合するリンクが延長された延長部位である第１着地脚部分５２、又は第２着地脚部分６４の先端点が支持点として採択され、その支持点（着地点）８３に作用する重力反作用は、四辺形リンクであることに起因する十分に高い剛性と強度を持つ支持構造を介して胴体２に伝達される。そのような疑似平行四辺形リンクである脚１の着地点８３は、近似的に鉛直方向に運動する。更に、ウォームギヤの利用により、静止状態を維持する電子的制御機構が不要になり、歩行ロボットの全制御機構が簡素化されている。
【００５８】
【発明の効果】
本発明による歩行ロボットは、幾何学的条件のみで鉛直運動を実現することができるので、２節又は２節以上の節にモータ特にサーボモータを採用する必要がない。更には、ウォームギヤの採用により、全体の電子制御を簡素化することができ、放射線が多い場所で利用性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の歩行ロボットの外観を示す外観図である。
【図２】図２は、本発明による歩行ロボットの実施の形態を示す正面断面図である。
【図３】図３は、図１の平面断面図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、センサーの各動作状態を示す断面図である。
【図５】図５は、運動範囲の自由度を示す正面図である。
【図６】図６は、運動解析を示す座標系設定図である。
【符号の説明】
５…第１胴体
６…第２胴体
７…モータ
１４，５４…ウォームギヤ
４３…節
４５，４６…リンク
４９…第１リンク
５１…第１脚
５２…延長部位
５５…第２脚（第２四節非平行リンク）
５６，５７…拘束第２二節
６３…第２リンク
６６…第１着地点（第１センサー）
６６’…第２着地点（第２センサー）
７２…３次元軸受
７４…コイルスプリング
７６…第１電極
７７…第２電極
８３…第１着地点
【図１】
2004001138.tif 000006
【図２】
2004001138.tif 000007
【図３】
2004001138.tif 000008
【図４】
2004001138.tif 000009
【図５】
2004001138.tif 000010
【図６】
2004001138.tif 000011