(57)【要約】      （修正有）【課題】安定した歩行を行うとともに、２脚支持歩行と同様の早い歩行速度での歩行が可能な４脚歩行ロボット装置を提供する。【解決手段】胴部と、胴部を支持する４本の脚部と、各脚部をそれぞれ駆動する駆動機構と、歩行動作を行うときの駆動機構の制御を行う制御部とを備えたロボット装置であって、制御部は、一歩の歩行動作が、３脚で支持する歩行状態で始まり、歩行中に２脚で支持する歩行状態に移行するように制御を行う。【選択図】図８
2005118933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部と、胴部を支持する４本の脚部と、各脚部をそれぞれ駆動する駆動機構と、歩行動作を行うときの駆動機構の制御を行う制御部とを備えたロボット装置であって、
制御部は、一歩の歩行動作が、３脚で支持する歩行状態で始まり、歩行中に２脚で支持する歩行状態に移行するように制御することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
歩行初期に３脚で支持するときの支持脚は進行方向前方側の前脚１脚と後方側の後脚２脚であり、２脚で支持する歩行状態に移行したときの支持脚は胴部を挟んで対角の位置にある前脚１脚と後脚１脚となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
連続歩行する際に、連続歩行開始直後の一歩の歩行動作は３脚支持歩行状態から２脚支持歩行状態に移行するまでの遅延時間を長くし、その後の一歩の歩行動作では遅延時間を短くすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のロボット装置。
【請求項４】
制御部は、一歩の歩行動作が終了するときに２脚支持歩行状態から一旦３脚支持歩行状態に戻し、３脚支持歩行状態から次の一歩の歩行動作が始まる制御をさらに行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４本の脚を用いて歩行動作を行うロボット装置に関し、さらに詳細には４脚ロボット装置が歩行動作を行う際の歩容制御（脚をあげたり脚を着地したりするタイミングの制御）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、住宅や工場などの建物の異常の有無を監視する監視ロボット、音声を発して人とのコミュニケーションを図ることが可能な集客用や宣伝用の広告ロボットなどのように、多方面でのロボット装置の実用化が始まっている。
このようなロボット装置には種々の機能を発揮するものがあり、それぞれ特徴的な動作を行うが、そのひとつの形態として脚部を有し、ロボット装置自身が歩行できるようにした歩行ロボット装置がある。
【０００３】
歩行ロボット装置にも、２本の脚を有するものや４本の脚を有するものや多数脚を有するものがある。それぞれ特徴的な歩行動作を行うが、４本の脚を有するロボット装置は、多数脚で歩行するロボット装置より構成が簡単であり、２本の脚を有するロボット装置よりも安定した歩行が可能である（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
４脚で歩行するロボット装置による典型的な歩行動作には、３脚で支持する歩行（クロール）、２脚で支持する歩行（トロット）がある。
【特許文献１】特開２００３−７１７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は試作した歩行ロボットの一例である４脚ロボット装置の全体構造を示す模式図である。このロボット装置１０は、各種センサ（例えばカメラ９ａ）、マイク９ｂ、送受信機、制御用のコンピュータ１０ａ、バッテリー電源などを搭載した胴部１１と、胴部１１を支持する右前脚部１２ａ、左前脚部１２ｂ、右後脚部１２ｃ、左後脚部１２ｄの４本の脚部とからなる。
【０００６】
４本の脚部１２ａ〜１２ｄは、前後方向および上下方向に回動可能な右前第１脚部１３ａ、左前第１脚部１３ｂ、右後第１脚部１３ｃ、左後第１脚部１３ｄと、これら４本の第１脚部１３ａ〜１３ｄの動きに従動する右前第２脚部１４ａ、左前第２脚部１４ｂ、右後第２脚部１４ｃ、左後第２脚部１４ｄと、４つの第２脚部１４ａ〜１４ｄの先端に取り付けられ、床面と接する脚先１８ａ〜１８ｄとから構成される。
【０００７】
図２は図１のロボット装置の骨格構造を示す図である。胴部１１はフレーム１に支持され、４本の第１脚部１３ａ〜１３ｄは、それぞれ前後に回動する第１リンク３ａ〜３ｄと上下に回動する第２リンク４ａ〜４ｄとにより支持され、４本の第２脚部１４ａ〜１４ｄは第２リンク４ａ〜４ｄの外側の従動節を延伸するようにして形成されたアーム５ａ〜５ｄにより支持される。
【０００８】
フレーム１と各第１リンク３ａ〜３ｄとを接続する部分には、第１リンク３ａ〜３ｄを前後方向にモータで駆動するための動力伝達機構が形成されたモータ駆動機構６ａ〜６ｄが取り付けられる。
また、各第１リンク３ａ〜３ｄと各第２リンク４ａ〜４ｄとを接続する部分には、第２リンク４ａ〜４ｄを上下駆動するための動力伝達機構が形成されたモータ駆動機構７ａ〜７ｄが取り付けられている。
【０００９】
アーム５ａ〜５ｄの先端には、床面とソフトに接触し、床面に傷がつきにくいようにするため、弾力性を有するとともに摩擦抵抗を減らすべく接地面を曲面にして点接触するようにした衝撃吸収部材８ａ〜８ｄが脚先１８ａ〜１８ｄとして固定されている。
【００１０】
次に、このロボット装置により、従来からの典型的な歩行形態である３脚支持歩行（クロール）を行ったときと２脚支持歩行（トロット）を行ったときの歩行状態をそれぞれ説明する。
【００１１】
図３は３脚支持歩行（クロール）における４脚の位置関係の変化を説明する図であり、図４は同じく３脚支持歩行（クロール）において４脚がそれぞれ支持脚（着地している脚）であるか遊脚（床面から離れている脚）であるかの時間変化を示すタイムチャートである。
この図４では便宜上、図３の「１」の状態を時刻０とし、図３の「５」の状態を時刻０．５とし、図３の「８」の状態を経て再び図３の「１」の状態に戻るときの時刻を時刻１として表現するようにしてある。時刻０から時刻１の間に左側脚が一歩、右側脚が一歩進んで合計２歩（２歩で１周期）の歩行が完結している。
【００１２】
図３、図４に示されるように、「１」（時刻０）の状態で左前脚１２ｂが床面から離れた遊脚となって前方に旋回し、他の３脚１２ａ、１２ｃ、１２ｄが支持脚となって後方に旋回する。続いて「３」（時刻０．２５）の状態で左前脚１２ｂは着地して支持脚となり、左後脚１２ｄが遊脚となる。さらに「５」（時刻０．５）の状態で左後脚１２ｄが支持脚となり、右前脚１２ａが遊脚となる。さらに「７」（時刻０．７５）の状態で右前脚１２ａが支持脚となり右後脚１２ｃが遊脚となる。そして、「８」の状態を経て時刻１になると「１」の状態に戻る。
【００１３】
この３脚支持歩行（クロール）は常に３脚で胴部を支持しており、３つの支持脚の脚先を結ぶ支持三角形内に重心投影点が含まれれば静的に安定となるので、安定性に優れている。
その反面、３脚支持歩行（クロール）は、タイムチャートに示されるように遊脚を前方に最大速度で旋回したとすると、支持脚は３本の脚が順次後方に旋回されるため、支持脚が旋回する速度は遊脚の１／３の速度になり、歩行速度は脚を旋回させることができる最大速度の１／３となる。このため、歩行速度は遅くなってしまう。
【００１４】
図５は２脚支持歩行（トロット）における４脚の位置関係の変化を説明する図であり、図６は同じく２脚支持歩行（トロット）において４脚がそれぞれ支持脚（着地している脚）であるか遊脚（床面から離れている脚）であるかの時間変化を示すタイムチャートである。
【００１５】
この図６では便宜上、図５の「１」の状態を時刻０とし、図５の「７」の状態が時刻０．５として表現するようにしてある。「１」（時刻０）から「７」（時刻０．５）の間に左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃが一歩進むことになる。この後、「１」とは左右対称配置である「１’」（「’」は対称の関係であることを示す）の状態から「２」〜「７」と左右対称状態である「２’」〜「７’」（図示しない）の状態を経て、再び「１」の状態になるまで同様の歩行動作を行うことで合計２歩（２歩で１周期）の歩行が完結している。
【００１６】
図５、図６に示されるように、「１」（時刻０）の状態で左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃが床面に着地した支持脚となって後方に旋回し、他の２脚１２ａ、１２ｄが遊脚となって前方に旋回する。続いて「２」から「６」の状態を経て「７」（時刻０．５）で右前脚１２ａ、左後脚１２ｄは着地して支持脚となり、左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃが遊脚となる。
その後、「１’（＝「７」）」（時刻０．５）の状態から右前脚１２ａ、左後脚１２ｄが着地した状態で後方に旋回し、他の２脚１２ｂ、１２ｃは遊脚となって前方に旋回する。以下、上記と同様に「２’」から「６’」の状態を経て「７’」（時刻１）で再び「１」の状態になる。
【００１７】
この２脚支持歩行（トロット）は常に胴部を挟んで対角の位置にある２脚で胴部を支持しており、残りの２脚は遊脚となることから、支持三角形を作ることができず、支持脚を結ぶ直線上に重心投影点がくるときのみしか静的な安定状態が得られない。そのため、別途の制御機構で重心を制御しなければ安定な２脚支持歩行を行うことができない。
その一方で、２脚支持歩行（トロット）は、タイムチャートに示されるように遊脚を前方に最大速度で旋回したとすると、支持脚は同じく最大速度で後方に旋回されるため、支持脚の振り出す速度は遊脚と同速度になり、歩行速度は脚を旋回することができる最大速度と同じになる。このため、歩行速度は早くなる。
【００１８】
このように、４脚歩行ロボット装置による典型的な歩行動作である３脚で支持する歩行（クロール）、２脚で支持する歩行（トロット）は、安定性、歩行速度のいずれかについては優れているものの双方ともに優れた歩行とは言えず、ロボット装置を安定に歩行させることができ、かつ歩行速度が速い歩行動作の制御（歩容制御）を行うことが困難であった。
【００１９】
そこで、本発明は安定に歩行させることができるととともに歩行速度が速い４脚歩行ロボット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するためになされた本発明のロボット装置は、胴部と、胴部を支持する４本の脚部と、各脚部をそれぞれ駆動する駆動機構と、歩行動作を行うときの駆動機構の制御を行う制御部とを備えたロボット装置であって、制御部は、一歩の歩行動作が、３脚で支持する歩行状態で始まり、歩行中に２脚で支持する歩行状態に移行するように制御を行うようにしている。
【発明の効果】
【００２１】
このロボット装置によれば、制御部は４本の脚の駆動部を駆動して歩行するときの歩行動作の制御を行う。制御部は、着地している支持脚を前方から後方に旋回させるとともに、床面から離れている遊脚を後方から前方に旋回させる動作を一回行うことにより一歩の歩行を行うが、一歩の歩行動作中の動きのなかで、３脚支持状態から２脚支持状態に移行するように制御を行う。すなわち、一歩の歩行動作が始まるときにまず３脚で支持する状態をとる。その後、わずかな時間遅延させて、胴部を挟む対角位置にある２脚を残して２本の脚で支持する状態に移行する。
これにより、基本的に２脚支持歩行での速い歩行動作を行うが、一歩の歩行動作中で特に安定性がよくない歩行初期のみを３脚で支持するようにすることができるので、安定性にも優れた歩行を行うことができる。
【００２２】
歩行初期に３脚で支持するときの支持脚は、進行方向前方側の前脚１脚と後方側の後脚２脚であり、２脚で支持する歩行状態に移行したときの支持脚は胴部を挟んで対角の位置にある前脚１脚と後脚１脚となるように制御するようにしてもよい。
これによれば、一歩の歩行動作中で歩行開始直後は慣性力によって重心が後方側に残るので進行方向前方側の前脚１脚と後方側の２脚とにより支持する３脚支持状態をとることで、ロボット装置の後側に支持三角形を形成することで安定化させることができる。その後、歩行動作が進んでから後方の一脚を遊脚にして２脚支持歩行にする。
【００２３】
また、連続歩行する際に、連続歩行開始直後の一歩の歩行動作は３脚支持歩行状態から２脚支持歩行状態に移行するまでの遅延時間を長くし、その後の一歩の歩行動作では遅延時間を短くするようにしてもよい。
これによれば、連続歩行をする際に、歩行開始直後は加速中であるため慣性力により重心が後方側に偏る時間が長くなることから、歩行開始後しばらくして一定速度で歩行するまでは一歩の歩行動作における３脚支持状態での時間を長めにして、支持三角形を形成する期間を長くすることで安定化させる。その後、一定速度で歩行するようになると、歩行開始直後より３脚支持状態での時間を短くして歩行速度が速くなるようにする。これにより、歩行状況に応じて安定性と歩行速度と調整することができ、最適な歩行動作でロボット装置を歩行させることができる。
【００２４】
また、制御部は、一歩の歩行動作が終了するときに遊脚である２脚を同時に着地させるとともに支持脚の１脚を遊脚とし、２脚支持歩行状態から一旦３脚支持歩行状態に戻し、３脚支持歩行状態から次の一歩の歩行動作が始まる制御を行うようにしてもよい。
これによれば、一歩進むごとに必ず３脚で支持される歩行状態を経ることになるので、連続歩行動作を行う場合でも常に安定性を維持しつつ歩行し続けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である４脚ロボット装置の全体構成を示す図であり、図２は図１のロボット装置の骨格構造を示す図である。これらの機械的な構造については既に説明したので以下の説明では同符号を付すことによりその説明を省略する。
本実施形態では、制御用コンピュータ１０ａが実行するプログラムを変更し、４つの脚部１２ａ〜１２ｄによる歩行の際の動作が、後述する変則的な２脚支持歩行（変則トロット）となるようにしてある。
【００２６】
図７は、変則的な２脚支持歩行（変則トロット）における４脚の位置関係の変化を説明する図であり、図８は同じく変則的な２脚支持歩行（変則トロット）において４脚がそれぞれ支持脚（着地している脚）であるか遊脚（床面から離れている脚）であるかの時間変化を示すタイムチャートである。
【００２７】
この図８では便宜上、図７の「１」の状態を時刻０とし、図７の「７」の状態を時刻０．５として表現するようにしてある。「１」（時刻０）から「７」（時刻０．５）の間に左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃが一歩進むことになる。この後、「１」とは左右対称配置である「１’」（「’」は対称の関係であることを示す）の状態から「２」〜「７」と左右対称状態である「２’」〜「７’」（図示しない）の状態を経て、再び「１」の状態になるまで同様の歩行動作を行うことで合計２歩（２歩で１周期）の歩行が完結している。
【００２８】
図７、図８に示されるように、第一歩の歩行が開始すると、「１」（時刻０）の状態となり、左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃ、左後脚１２ｄが床面に着地した支持脚となって後方に旋回を開始し、他の２脚１２ａ、１２ｄが遊脚となって前方に旋回を開始する。
【００２９】
「２」の状態（時刻０〜時刻Ａ）では、引き続き左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃ、左後脚１２ｄが床面に着地した支持脚となって後方に旋回し、他の２脚１２ａ、１２ｄが遊脚となって前方に旋回する。この間は、後方に向く慣性力により重心が後方側に偏るが、左右の後脚１２ｃ、１２ｄが支持脚となっており、３つの支持脚で形成される支持三角形も後方側に偏っているので歩行が安定する。
【００３０】
「３」の状態（時刻Ａ）では、左後脚１２ｄが（右前脚１２ａとともに）遊脚となり、前方に旋回を始める。このとき左後脚１２ｄは他の３脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃの速度よりも早い速度で旋回させてやがて右前脚１２ａに追いつくことができるようにする。この状態では後方に向く慣性力も小さいので、２脚支持状態にしても歩行を安定させることができる。
【００３１】
「４」「５」「６」の状態（時刻Ａ〜時刻０．５）では、「３」に引き続いて左前脚１２ｂ、右後脚１２ｃが支持脚となり、右前脚１２ａと左後脚１２ｄとが遊脚となり、旋回を続ける。
【００３２】
「７」の状態（時刻０．５）では、右前脚１２ａ、左後脚１２ｄは着地して支持脚となり、右後脚１２ｃも支持脚のまま維持することで３脚支持状態とする。このとき左前脚１２ｂだけが遊脚となる。このように、右前脚１２ａと左後脚１２ｄを遊脚とする開始時期をずらしながらも、着地するタイミングを同時にしているため、次の歩行に移りやすくしている。「７」の状態に関わらず、他の状態においても遊脚を同時に着地することで、次の歩行に移りやすくしている。また、このようにして一歩の歩行動作の終了時に一旦３脚支持状態となるようにし、歩行を安定化させる。
【００３３】
その後、「１’（＝「７」）」（時刻０．５）の状態から右前脚１２ａ、右後脚１２ｃ、左後脚１２ｄが着地した状態で後方に旋回を開始し、左前脚１２ｂが遊脚となって前方に旋回を開始することにより第２歩目が始まる。以下、上記と同様に「２’」状態（時刻０．５〜時刻Ｂ）の期間は右前脚１２ａ、右後脚１２ｃ、左後脚１２ｄによる３脚支持状態を維持し、「３’」から「６’」の状態（時刻Ｂ〜時刻１）の期間では右前脚１２ａ、左後脚１２ｄの２脚支持状態に移行し、「７’」（時刻１）で再び「１」の状態になる。
【００３４】
このように一歩の歩行動作中において、歩行初期は３脚支持状態歩行を行うようにして歩行を安定させ、歩行動作が安定した段階で２脚支持状態に移行する変則的な歩行動作を行う制御をすることにより安定かつ歩行速度が速い歩行を行うことができる。
【００３５】
なお、上記制御は通常の歩行動作である前脚側に前進する場合であるが、後脚側に後退する歩行を行う場合も同様に歩行初期が３脚支持状態で歩行中に２脚支持状態に移行するようにすればよい。
【００３６】
上記実施形態では、第一歩目における３脚支持状態から２脚支持状態へ移行するまでの遅延時間（時刻０と時刻Ａとの期間）と、第２歩目における遅延時間（時刻０．５と時刻Ｂとの期間）とを同じ長さにしているが、この遅延時間を変えてさらに最適な歩行制御を行うことができる。
すなわち、第一歩目は停止状態から加速していくため後方側への慣性力が大きい。そのため、第一歩目の３脚支持状態から２脚支持状態に移行するまでの遅延時間を第二歩目での遅延時間より長くとるようにして、第一歩目の安定化を図り、第二歩目からは遅延時間が必要最小限となるように短くする。
なお、第一歩目の遅延時間だけを長くするのではなく、最初の数歩の遅延時間を長くするようにしてもよい。
【００３７】
さらには、歩行速度や胴部の重心位置など種々の要因に応じて遅延時刻Ａ、Ｂを設定するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、安定した歩行を行うとともに、２脚支持歩行と同様の早い歩行速度での歩行が可能な４脚歩行ロボット装置を製造する際に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ロボット装置の全体構成を示す模式図。
【図２】ロボット装置の骨格構造を示す図。
【図３】従来からの３脚支持歩行（クロール）による歩行動作の状態変化を説明する図。
【図４】クロールのときの支持脚と遊脚との関係を説明する図。
【図５】従来からの２脚支持歩行（トロット）による歩行動作の状態変化を説明する図。
【図６】トロット歩行のときの支持脚と遊脚との関係を説明する図。
【図７】本発明の一実施形態であるロボット装置による変則トロットによる歩行動作の状態変化を説明する図。
【図８】変則トロットのときの支持脚と遊脚との関係を説明する図。
【符号の説明】
【００４０】
１  フレーム
３ａ〜３ｄ  第１リンク
４ａ〜４ｄ  第２リンク
５ａ〜５ｄ  アーム
６ａ〜６ｄ  モータ駆動機構（前後方向用）
７ａ〜７ｄ  モータ駆動機構（上下方向用）
１０  ロボット装置
１０ａ  制御用コンピュータ
１１  胴部
１２ａ〜１２ｄ  脚部
１３ａ〜１３ｄ  第１脚部
１４ａ〜１４ｄ  第２脚部
１８ａ〜１８ｄ  脚先
【図１】
2005118933.tif 000003
【図２】
2005118933.tif 000004
【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】
2005118933.tif 000009
【図８】
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