(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動脚を胴体に取り付けてなる脚式移動ロボットであって、
前記可動脚は、下端に雌型の嵌合部を備えた上部アクチュエータ構造体と、上端に雄型の嵌合形状を持つ、内蔵されたアクチュエータの駆動を外部出力する下部アクチュエータ出力端を備えた下部アクチュエータ構造体とを有し、
前記雌型の嵌合部に前記下部アクチュエータ出力端が挿入されて雌雄嵌合されて、前記上部アクチュエータ構造体と前記下部アクチュエータ構造体とが接続され、
前記上部アクチュエータ構造体は、さらに下端に突起を備え、
前記突起によって下端側が係止された状態で上端側がネジで前記上部アクチュエータ構造体に固定され、下部アクチュエータ出力端が前記雌型の嵌合部から抜け出ることを防止するカバー体をさらに有する、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記下部アクチュエータ出力端は、ダンパを介して前記雌型の嵌合部に挿入されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項３】
脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造であって、
前記可動脚は、下端に雌型の嵌合部を備えた上部アクチュエータ構造体と、上端に雄型の嵌合形状を持つ、内蔵されたアクチュエータの駆動を外部出力する下部アクチュエータ出力端を備えた下部アクチュエータ構造体とを有し、
前記雌型の嵌合部に前記下部アクチュエータ出力端が挿入されて雌雄嵌合されて、前記上部アクチュエータ構造体と前記下部アクチュエータ構造体とが接続され、
前記上部アクチュエータ構造体は、さらに下端に突起を備え、
前記突起によって下端側が係止された状態で上端側がネジで前記上部アクチュエータ構造体に固定されたカバー体下部アクチュエータ出力端が前記雌型の嵌合部から抜け出ることが防止される、
ことを特徴とする脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造。
【請求項４】
前記下部アクチュエータ出力端は、ダンパを介して前記雌型の嵌合部に挿入されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の可動脚を用いて脚式歩行を行うタイプの脚式移動ロボットに係り、特に、胴体とは独立して形成された各可動脚が胴体に取り付けて構成される脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造に関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、前足肘あるいは後足膝などの関節部分を簡単に取り付けられる可動脚からなる脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造に係り、特に、足先に加わる衝撃荷重を吸収可能に取り付けられた可動脚からなる脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（industrial robot）であった。
【０００４】
アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々のサービスを提供することができる。
【０００５】
最近では、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型のロボット、あるいは、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した「人間形」若しくは「人間型」のロボット（humanoid robot）など、脚式移動ロボットの構造やその安定歩行制御に関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。これら脚式移動ロボットは、クローラ式ロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越えなどの、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００６】
脚式移動ロボットの用途の１つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行などである。
【０００７】
また、脚式移動ロボットの他の用途として、上述の作業支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」あるいは「エンターティンメント」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトあるいはイヌ（ペット）などの比較的知性の高い脚式歩行動物の動作メカニズムや四肢を利用した豊かな感情表現を忠実に再現する。また、あらかじめ入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、ユーザ（あるいは他のロボット）から受ける言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に対して動的に対応した、生き生きとした応答表現を実現することも要求される。
【０００８】
ところで、脚式移動ロボットは、一般に、胴体とは独立して形成された各可動脚が胴体に取り付けて構成される。
【０００９】
図９には、イヌやライオンなどの４足歩行動物をモデルにした脚式移動ロボットの構成を概略的に示している。同図に示すように、この種の脚式移動ロボットは、胴体の底面側の４箇所に４本の可動脚が取り付けられているとともに、胴体の先端略上方に頭部が取り付けられている。また、必要に応じて、胴体の後方には尻尾が取り付けられる。
【００１０】
４足の脚式移動ロボット１における可動脚は、前脚の場合、前足肩と前足肘が肘関節によって連結して構成される。また、後脚の場合、後足腰と後足膝が膝関節によって連結して構成される。そして、前足肩や前足肘、後足腰や後足膝などの各ユニット内には、関節駆動を実現するためのアクチュエータや歯車減速機構が内蔵されている（図示しない）。
【００１１】
図１０には、可動脚における前足肩と前足肘を連結する関節部分、あるいは後足腰と後足膝を連結する関節部分の様子を図解している。同図に示すように、関節の嵌合部分は、螺子を用いて締結するのが一般的であった。
【００１２】
しかしながら、このような螺子を用いた締結構造の場合、歩行時などに足先に加わる衝撃荷重を締結部が直接受けることになるため、締結部やアクチュエータの歯車などに損傷を与える可能性がある。
【００１３】
また、可動脚の組み立て製造時には、前足肩と前足肘あるいは後足腰と後足膝の締結のために、複数の螺子を締める必要がある。しかしながら、螺子締めは一般に作業性が悪く、組み立てコストの増大や生産効率の低下などの原因になってしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、胴体とは独立して形成された各可動脚が胴体に取り付けて構成される、優れた脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造を提供することにある。
【００１５】
本発明の更なる目的は、前足肘あるいは後足膝などの関節部分を簡単に取り付けられる可動脚からなる、優れた脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造を提供することにある。
【００１６】
本発明の更なる目的は、足先に加わる衝撃荷重を吸収可能に取り付けられた可動脚からなる、優れた脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数の可動脚を胴体に取り付けてなる脚式移動ロボットであって、
前記可動脚は、下端に雌型の嵌合部を備えた上部アクチュエータ構造体と、上端に雄型の嵌合形状を持つ、内蔵されたアクチュエータの駆動を外部出力する下部アクチュエータ出力端を備えた下部アクチュエータ構造体とを有し、
前記雌型の嵌合部に前記下部アクチュエータ出力端が挿入されて雌雄嵌合されて、前記上部アクチュエータ構造体と前記下部アクチュエータ構造体とが接続され、
前記上部アクチュエータ構造体は、さらに下端に突起を備え、
前記突起によって下端側が係止された状態で上端側がネジで前記上部アクチュエータ構造体に固定され、下部アクチュエータ出力端が前記雌型の嵌合部から抜け出ることを防止するカバー体をさらに有する、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００１８】
ここで、前記下部アクチュエータ出力端は、ダンパを介して前記雌型の嵌合部に挿入されていてもよい。したがって、本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボットによれば、このダンパの弾力によって、足先で受ける衝撃荷重を吸収することができる。また、ダンパは、下部アクチュエータ出力端と雌型嵌合部の間隙に挿入されて、前足肘関節における平面的なひずみを吸収するとともに、組み立て易さを与えることができる。
【００２１】
また、本発明の第２の側面は、脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造であって、
前記可動脚は、下端に雌型の嵌合部を備えた上部アクチュエータ構造体と、上端に雄型の嵌合形状を持つ、内蔵されたアクチュエータの駆動を外部出力する下部アクチュエータ出力端を備えた下部アクチュエータ構造体とを有し、
前記雌型の嵌合部に前記下部アクチュエータ出力端が挿入されて雌雄嵌合されて、前記上部アクチュエータ構造体と前記下部アクチュエータ構造体とが接続され、
前記上部アクチュエータ構造体は、さらに下端に突起を備え、
前記突起によって下端側が係止された状態で上端側がネジで前記上部アクチュエータ構造体に固定されたカバー体下部アクチュエータ出力端が前記雌型の嵌合部から抜け出ることが防止される、
ことを特徴とする脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造である。
【００２２】
ここで、前記下部アクチュエータ出力端は、ダンパを介して前記雌型の嵌合部に挿入されていてもよい。したがって、本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造によれば、このダンパの弾力によって、足先で受ける衝撃荷重を吸収することができる。また、ダンパは、下部アクチュエータ出力端と雌型嵌合部の間隙に挿入されて、前足肘関節における平面的なひずみを吸収するとともに、組み立て易さを与えることができる。
【００２５】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２７】
図１には、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット１の外観構成を示している。同図に示すように、この脚式移動ロボット１は、とりわけ「人とロボットの共存」を目指して新たな楽しみとライフ・スタイルを創造・提案するように、親しみ易い４足歩行の動物をモデルにして構成されている。
【００２８】
図１に示す通り、脚式移動ロボット１は、胴体部ユニット２と、頭部ユニット３と、尻尾４と、左右の前脚１０と、左右の後脚２０で構成される。
【００２９】
胴体部ユニット２には、機体動作を統括的にコントロールする制御回路（図示しない）や、機体の主電源であるバッテリ（図示しない）が収容されている。
【００３０】
頭部ユニット３は、ロール、ピッチ及びヨーの各軸方向の自由度を持つ首関節７を介して、胴体部ユニット２の略前上端に配設されている。また、頭部ユニット３には、イヌの「目」に相当するＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）カメラなどで構成される画像認識部と、「耳」に相当するマイクロフォンと、「口」に相当するスピーカと、触感に相当するタッチ・センサと、光の点灯や点灯色などにより喜びや怒りなどを表現する角ランプ３Ａなどが搭載されている。これら以外にも、生体の五感を構成するセンサなどを頭部ユニット３に含んでいても構わない。
【００３１】
尻尾４は、脚式移動ロボット１に対するユーザ・インターフェースの１つである尻尾スイッチ（後述）を兼ねており、胴体部ユニット２の略後上端に前後及び左右の４方向に操作可能に取り付けられている。
【００３２】
前脚ユニット１０は、前足肩アクチュエータ部１１と、前足肘アクチュエータ部１２が、肘関節部１３において回動可能に連結されている。前足肩アクチュエータ部１２や前足肘アクチュエータ部１３などの各ユニット内には、関節駆動を実現するためのアクチュエータ・モータや歯車減速機構が内蔵されている（いずれも図示しない）。
【００３３】
また、後脚ユニット２０は、後足腰アクチュエータ部２１と、後足膝アクチュエータ部２２が、膝関節部２３において回動可能に連結されている。後足腰アクチュエータ部２１や後足膝アクチュエータ部２２などの各ユニット内には、関節駆動を実現するためのアクチュエータ・モータや歯車減速機構が内蔵されている（いずれも図示しない）。
【００３４】
左右の前脚１０、並びに、左右の後脚２０は、それぞれ左右対称に構成される。また、前足肩アクチュエータ１１と後足腰アクチュエータ２１、並びに、前足肘アクチュエータ１２と後足膝アクチュエータ２２は、それぞれ同一部品で構成することができ、互いに１８０度だけ回転した状態で接続されている。なお、１つの可動脚は、胴体２に対してロール及びピッチの各軸まわり２自由度で連結されているとともに、肘関節１３又は膝関節２３においてピッチ軸まわり１自由度を備え、合計で３自由度を持つ。
【００３５】
本実施形態に係る脚式移動ロボット１は、全身に１５個の関節アクチュエータを装備しており、制御ユニットからの指令により各関節アクチュエータを駆動することによって、例えば、頭部ユニット３を上下左右に振らせたり、左右の前脚ユニット１０並びに後脚ユニット２０を同期協調的に駆動させて、歩行や走行などのさまざまな機体動作を実現することができる。例えば、脚式移動ロボット１は、図２〜図４に示すように、４本の脚と頭を用いて、「歩く」、「座る」、「寝る」などの自然な動きをする。また、角ランプ３Ａの点灯やその点灯色により、喜びや怒りなどを表現することができる。
【００３６】
脚式移動ロボット１本体の主な仕様を以下に示しておく。
【００３７】
ＣＰＵ（Central Processing Unit）：６４ビットＲＩＳＣ（Reduced Instruction Set Computer）プロセッサ
主記憶：３２ＭＢ
プログラム供給媒体：専用メモリ・スティック
可動部  頭：３自由度，脚部：３自由度×４脚（合計１５自由度）
入力部：充電専用コネクタ
入力スイッチ：音量調節スイッチ
画像入力：１０万画素ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージ・センサ
音声入力：ステレオ・マイクロフォン
音声出力：スピーカ
0004649804.tif 000002
消費電力：約５Ｗ（標準モード時）
動作時間：約２．５時間（満充電で標準モード時）
外形寸法：約１７７×２８０×２４０mm（幅×高さ×奥行き）
重量：約１．５kg（バッテリ、メモリ・スティックを含む）
動作温度：５℃〜３５℃
動作湿度：１０％〜８０％（結露のないこと）
動作室球温度：２９℃以下
保存温度：−１０℃〜６０℃
保存湿度：１０％〜９０％（結露のないこと）
保存室球温度：２９℃以下
【００３８】
図５には、前足肩アクチュエータ部１１と前足肘アクチュエータ部１２の肘関節１３における嵌合構造を詳細に示している。なお、後足腰アクチュエータ部２１と後足膝アクチュエータ部２２間の嵌合構造は、後足膝アクチュエータ部２２の挿入方向を１８０度だけ回転させただけで、前脚１０と同様であると理解されたい。
【００３９】
前足肩アクチュエータ部１１は、上部アクチュエータ構造体３８と、雌型の嵌合部３９とで構成される。また、前足肘アクチュエータ部１２は、下部アクチュエータ構造体３０と、雄型の嵌合形状を持つ下部アクチュエータ出力端３１とで構成される。また、下部アクチュエータ出力端３１と雌型の嵌合部３９は雌雄嵌合形状になっている。
【００４０】
下部アクチュエータ出力端３１は、下部アクチュエータ構造体３０に内蔵されたアクチュエータ（図示しない）の駆動を外部出力する構造体であり、下部アクチュエータ出力端３１と嵌合部３９が嵌合している状態では、このアクチュエータの駆動によって、前右肩アクチュエータ部２１に対する前肘アクチュエータ部２２の関節運動が実現される。
【００４１】
脚式移動ロボット１が歩行やその他の脚式運動を行っている間、足先には床面からの衝撃荷重が加わる。この衝撃荷重は、下部アクチュエータ構造体３０並びに下部アクチュエータ出力端３１を介して上部アクチュエータ構造体３８に伝達される。本実施形態では、下部アクチュエータ出力端３１は、一対のダンパ３２Ａ及び３２Ｂを介して雌型の嵌合部３９に挿入されているので、このダンパ３２Ａ及び３２Ｂの弾力によって、足先で受ける衝撃荷重を吸収するようになっている。ダンパ３２Ａ及び３２Ｂは、下部アクチュエータ出力端３１と雌型嵌合部３９の間隙に挿入されて、前足肘関節における平面的なひずみを吸収するとともに、組み立て易さを与える。
【００４２】
また、下部アクチュエータ出力端３１が所定の向きで雌型の嵌合部３９に挿入された後、さらに、抜け止めを兼ねたカバー３３が固定される。
【００４３】
図６には、上部アクチュエータ構造体３８にカバー３３を取り付けた状態の断面図並びに斜視図を示している。
【００４４】
上部アクチュエータ構造体３８の内部には、モータ・アクチュエータやその他の電気電子部品（図示しない）を搭載するとともに配線が形成された基板３４が収容されている。この基板３４は、図示の通り、上部アクチュエータ構造体３８の１つの壁面に取り付けられており、カバー３３は基板３４を保護するように覆う形で上部アクチュエータ構造体３８に固定される。
【００４５】
図６に示した断面図からも分かるように、上部アクチュエータ構造体３８のカバー３３取り付け側の壁面下端には突起３５が形設されている。カバー３３は、この突起３５によって係止された状態で、螺子３６を用いて所定位置にて固定される。したがって、上部アクチュエータ構造体３８を組み立てて、基板３４などの配線を終了してカバー３３を取り付けることによって、下部アクチュエータ出力端３１が所定の位置に固定されることができる。また、下部アクチュエータ出力端３１が雌型嵌合部３９から外れようとする力は、上部アクチュエータ構造体３８の下端に設けられた突起３５が一旦は受けとめるが、これは１つの螺子３６の締結力で固定されているカバー３３によって充分制止することができる。螺子３６は、カバー３３が振動などで自然に外れない程度の締結力で取り付けるだけでよい。
【００４６】
図６に示したような組み立て構造を採用することによって、下部アクチュエータ出力端３１に対して上下方向の自由度を与えることができるとともに、足先に加わった衝撃をダンパ３２によって吸収することができる。
【００４７】
可動脚が足先から衝撃荷重を受けたときの下部アクチュエータ出力端３１とダンパ３２による衝撃吸収作用について、図７及び図８を参照しながら説明する。
【００４８】
図７には、肩の軸線まわりのモーメントを受けた場合の嵌合部３９の動きを示している。また、図８には、肘の軸線まわりのモーメントを受けた場合の嵌合部３９の動きを示している。
【００４９】
本実施形態では、下部アクチュエータ出力端３１の上面は上部アクチュエータ部３８の下端面に固定されていない。このため、図７及び図８に示すように、下部アクチュエータ出力端３１の嵌合部分は、雌型の嵌合部３９内で回転運動して、これに伴いダンパ３２が圧縮することで、衝撃力が吸収されていく。
【００５０】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００５１】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【００５２】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、胴体とは独立して形成された各可動脚が胴体に取り付けて構成される、優れた脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造を提供することができる。
【００５４】
また、本発明によれば、前足肘あるいは後足膝などの関節部分を簡単に取り付けられる可動脚からなる、優れた脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚取り付け構造を提供することができる。
【００５５】
また、本発明によれば、足先に加わる衝撃荷重を吸収可能に取り付けられた可動脚からなる、優れた脚式移動ロボット並びに脚式移動ロボットのための可動脚組み立て構造を提供することができる。
【００５６】
本発明によれば、可動脚を簡単な形状で組み立て易くすることでコストダウンを実現するとともに、足先に加わる衝撃を関節部分で吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット１の外観構成を示した図である。
【図２】脚式移動ロボット１が自然な動きをしている様子を示した図であり、より具体的には、機体が歩く様子を示した図である。
【図３】脚式移動ロボット１が自然な動きをしている様子を示した図であり、より具体的には、機体が座る様子を示した図である。
【図４】脚式移動ロボット１が自然な動きをしている様子を示した図であり、より具体的には、機体が寝る様子を示した図である。
【図５】前足肩アクチュエータ部１１と前足肘アクチュエータ部１２の肘関節１３における嵌合構造を詳細に示した図である。
【図６】上部アクチュエータ構造体３８にカバー３３を取り付けた状態の断面図並びに斜視図である。
【図７】可動脚が足先から衝撃荷重を受けたときの下部アクチュエータ出力端３１とダンパ３２による衝撃吸収作用を説明するための図であり、より具体的には、肩の軸線まわりのモーメントを受けた場合の嵌合部３９の動きを示した図である。
【図８】可動脚が足先から衝撃荷重を受けたときの下部アクチュエータ出力端３１とダンパ３２による衝撃吸収作用を説明するための図であり、より具体的には、肘の軸線まわりのモーメントを受けた場合の嵌合部３９の動きを示した図である。
【図９】イヌやライオンなどの４足歩行動物をモデルにした脚式移動ロボットの構成（従来例）を概略的に示した図である。
【図１０】可動脚における前足肩と前足肘を連結する関節部分、あるいは後足腰と後足膝を連結する関節部分の様子を示した図である。
【符号の説明】
１…脚式移動ロボット
２…胴体
３…頭部，３Ａ…角ランプ
４…尻尾
７…首関節
１０…前脚ユニット
１１…前足肩アクチュエータ部
１２…前足肘アクチュエータ部
１３…前足肘関節部
２０…後脚ユニット
２１…後足腰アクチュエータ部
２２…後足膝アクチュエータ部
２３…後足膝関節部
３０…下部アクチュエータ構造体
３１…下部アクチュエータ出力端
３２…ダンパ
３３…カバー
３４…基板
３５…突起
３６…螺子
３８…上部アクチュエータ構造体
３９…雌型嵌合部
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004649804.tif 000011
【図１０】
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