(57)【要約】【課題】本発明は、歩行ロボットにおいて、該歩行ロボットの向きを変更するときに要する消費エネルギーを抑制する。【解決手段】複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を少なくとも二本有し、該脚の駆動により歩行を行う歩行ロボットにおいて、脚の先端に脚先部２４が設けられ、脚先部２４は、歩行路面と接地する第一部材６６と、該歩行路面と接地しない第二部材６４とを有し、歩行ロボットの高さ方向において該第一部材６６は該第二部材６４より歩行路面側に設けられ、且つ該第一部材６６は該第二部材６４に対して該歩行ロボットの高さ方向を回転軸として相対的に回転自在とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を少なくとも二本有し、該脚の駆動により歩行を行う歩行ロボットにおいて、
前記脚の先端に脚先部が設けられ、
前記脚先部は、歩行路面と接地する第一部材と、該歩行路面と接地しない第二部材とを有し、前記歩行ロボットの高さ方向において該第一部材は該第二部材より歩行路面側に設けられ、且つ該第一部材は該第二部材に対して該歩行ロボットの高さ方向を回転軸として相対的に回転自在であることを特徴とする歩行ロボット。
【請求項２】
前記第一部材と前記第二部材との間に、該第一部材と該第二部材間の摩擦力を所定摩擦力とする摩擦制御部材が設けられ、該第一部材と該第二部材との相対的な回転は該摩擦制御部材を介して行われることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
前記第一部材を前記歩行路面に接地した状態で、該第一部材と前記第二部材との相対的な回転を実行して前記歩行ロボットの向きを回転変更する歩行ロボット向き変更手段を、更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歩行ロボット。
【請求項４】
前記歩行ロボット向き変更手段は、前記脚先部を有する少なくとも二本の脚において、前記各第一部材が前記歩行路面に接地した状態での該各第一部材における荷重中心によって決定される一の仮想円に沿った同一の回転方向に、該脚に駆動力を与えることで、該各第一部材と前記各第二部材との相対的な回転を行い、前記歩行ロボットの向きを変更することを特徴とする請求項３に記載の歩行ロボット。
【請求項５】
前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転を阻止する方向に、該第一部材に付勢する付勢手段を、更に備え、
前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転が行われるときは、前記付勢手段による該第一部材への付勢力が低下し、若しくは該付勢手段による該第一部材への付勢を解除することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項６】
前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転の禁止または該禁止の解除を制御する制動手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の歩行ロボット。
【請求項７】
前記歩行ロボットの歩行時に、前記制動手段によって前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転を禁止することを特徴とする請求項６に記載の歩行ロボット。
【請求項８】
前記脚先部において、前記第一部材とは別の第三部材によっても前記歩行路面と接地し、且つ該第三部材は前記第二部材に対して前記回転軸を中心とした相対的な回転を行わない場合、
前記制動手段は、前記第一部材と前記第二部材との間における相対的な回転力を伝達させ、且つ前記第三部材の前記歩行路面との接地状態を解消させることで、該第一部材と該第二部材との相対的な回転を実行可能とし、
前記第一部材と前記第二部材との間における相対的な回転力の伝達を遮断し、且つ前記第一部材と第三部材とを前記歩行路面に接地させることで、該第一部材と該第二部材との相対的な回転を禁止することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも二本の脚を有し、該脚により歩行運動が可能な歩行ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、歩行ロボットの脚部構造としては、ひと固まりの剛体となって接地するものが多く、現在歩行ロボットの形として人々が目にできるものは、この構造のものに限られている。しかし、試験的に提案されたものには、複数の部分に脚部が分割され、互いに相対運動できるものもある。例えば、歩行ロボットの脚部において、ヒトの爪先を模した関節を備える技術が示されている（例えば、非特許文献１を参照。）。この脚部構造を有する歩行ロボットにおいては、胴体部に収納したモータの出力を、フレキシブルワイヤーを介して当該爪先関節に接続し、爪先を駆動するものである。
【０００３】
また、別の脚部構造については、脚部の接地面積を変更可能とする脚部構造が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。この脚部構造を有する歩行ロボットにおいては、歩行ロボットの安定性の向上を図るために、歩行の場所に応じて脚部の接地面積を変える。しかし、容量の小さなモータを大きな減速比を持つ減速機を介して、該モータの駆動力を脚部に伝えて接地面積を変更している。そのため、脚部の接地面積の変更に長い時間を要する。
【０００４】
また、歩行ロボットの向きを変更するために、歩行ロボットの脚部に受動的に動く脚関節を脚部先端に設けて、脚部を駆動することで当該関節が曲がり、形の上で爪先立ちを実現しようとした技術が開示されている（例えば、特許文献２を参照。）。この脚部構造を有する歩行ロボットにおいては、従来から行われている歩行ロボットの脚踏み動作による向き変更よりも、該変更に要する所要時間が少ないため、向き変更に要するエネルギー消費も減少することがうたわれている。
【非特許文献１】Furusho, Sano ”Sensor-Based Control of a Nine-Link Biped”, The International Journal of Robotics Research, (United Statｅｓ of America), Massachusetts Institute of Technology, April 1990, vol.9, Ｎｏ.2, p.83-98
【特許文献１】特開平５−３１８３３７号公報
【特許文献２】特開平４−１２２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
歩行ロボットに対する何らかの要求に対して、例えば、歩行ロボットの目前にある障害物を回避するために歩行ロボットの向きを変える必要があるとき、歩行ロボットに足踏み動作をさせることで向きの変更を行うと、それに要する時間が長くなり、且つ歩行ロボット全体において多くの関節を駆動する必要があるため向き変更に要する消費エネルギーも増加する。
【０００６】
本発明では、上記した問題に鑑み、歩行ロボットにおいて、該歩行ロボットの向きを変更するときに要する消費エネルギーを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記した課題を解決するために、複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を少なくとも二本有し、該脚の駆動により歩行を行う歩行ロボットにおいて、前記脚の先端に脚先部が設けられ、前記脚先部は、歩行路面と接地する第一部材と、該歩行路面と接地しない第二部材とを有し、前記歩行ロボットの高さ方向において該第一部材は該第二部材より歩行路面側に設けられ、且つ該第一部材は該第二部材に対して該歩行ロボットの高さ方向を回転軸として相対的に回転自在とする。
【０００８】
即ち、歩行ロボットの重量を支える脚において、歩行路面と接地する脚先部を、少なくとも第一部材と第二部材の二つの部材で構成するものである。この脚先部は、人間でたとえるならば足首から足指先までの部位に該当する。そして、歩行路面に接地する第一部材は該歩行路面に接地しない第二部材に対して、相対的に回転が可能である点が本発明の特徴点である。ここで、該回転は、歩行ロボットの高さ方向を回転軸として行われるが、この歩行ロボットの高さ方向とは、脚先部から該脚先部につながる歩行ロボットの脚、歩行ロボットの本体に向かう方向であり、例えば、水平な歩行路面に歩行ロボットがあるときは、該歩行路面に対して垂直な方向である。
【０００９】
このように、歩行路面に接地する第一部材を歩行路面に接地しない第二部材に対して相対的に回転可能とすることで、歩行ロボットの向きが変更されることになる。そして、このとき、歩行ロボットの向きを変更する際に要する消費エネルギーは、向き変更が行われている摺動面における摩擦力に大きく影響される。本発明に係る歩行ロボットにおいては、第一部材と第二部材との間で相対的な回転が行われるため、歩行路面と第一部材間の摩擦力にかかわらず、換言すると、歩行路面の路面状況にかかわらず、第一部材と第二部材との間の略一定の摩擦力に抗することで、歩行ロボットの向きの変更が可能となる。その結果、歩行ロボットの向き変更に要する消費エネルギーを、歩行路面の路面状況にかかわらず、略一定とすることが可能となり、以て歩行ロボットの向き変更時の消費エネルギーの増加を抑制し得る。
【００１０】
尚、歩行路面の路面状況によっては、第一部材と歩行路面との間の摩擦力が第一部材と第二部材との間の摩擦力より低い場合がある。そのような場合には、第一部材と歩行路面との間で相対的な回転が行われることで、歩行ロボットの向きが変更される。
【００１１】
ここで、上述の歩行ロボットにおいて、前記第一部材と前記第二部材との間に、該第一部材と該第二部材間の摩擦力を所定摩擦力とする摩擦制御部材が設けられ、該第一部材と該第二部材との相対的な回転は該摩擦制御部材を介して行われるようにしてもよい。所定摩擦力とは、歩行ロボットの向き変更に際して要する消費エネルギーを抑制し得る程度の摩擦力であり、原則的に可及的に低い方が好ましい。このように摩擦制御部材を第一部材と第二部材との間に介在させることで、歩行ロボットの向きを変更するときの摩擦力を所定摩擦力として可及的に低減させて、歩行ロボットの向き変更に要する消費エネルギーを目標とする値に制御することが可能となる。
【００１２】
そして、上述の歩行ロボットにおいて、前記第一部材を前記歩行路面に接地した状態で、該第一部材と前記第二部材との相対的な回転を実行して前記歩行ロボットの向きを回転変更する歩行ロボット向き変更手段を、更に備えるようにしてもよい。例えば、歩行ロボットの脚の関節である、膝関節や腰関節からの駆動力によって、歩行ロボットの脚、即ち脚先部に設けられた第二部材に回転力を与えることで、第一部材と第二部材とが相対的な回転を行い、以て歩行ロボットの向きが変更される。
【００１３】
また、上述の歩行ロボットにおいて、前記歩行ロボット向き変更手段は、前記脚先部を有する少なくとも二本の脚において、前記各第一部材が前記歩行路面に接地した状態での
該各第一部材における荷重中心によって決定される一の仮想円に沿った同一の回転方向に、該脚に駆動力を与えることで、該各第一部材と前記各第二部材との相対的な回転を行い、前記歩行ロボットの向きを変更してもよい。
【００１４】
即ち、少なくとも二本の脚によって歩行ロボットが支えられている状態において、第一部材が歩行路面に接地しているとき、該脚に対して上述の方向に駆動力を与えると、第一部材と歩行路面との間の摩擦力によって第一部材と歩行路面との相対位置は変化せずに、駆動力の反力によって第一部材と第二部材とが相対的に回転する。これにより、歩行ロボットの向きが変更される。また、一の仮想円とは、歩行ロボットの各脚の第一部材に加わる荷重の中心を含む仮想円である。この仮想円に沿った方向に脚に駆動力を与えることで、歩行ロボットの向きが変更されるときに該歩行ロボットの重心が大きく変動して姿勢が不安定となるのを可及的に抑制し得る。
【００１５】
また、上述までの歩行ロボットにおいて、前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転を阻止する方向に該第一部材に付勢する付勢手段を、更に備え、前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転が行われるときは、前記付勢手段による該第一部材への付勢力が低下し、若しくは該付勢手段による該第一部材への付勢を解除するようにしてもよい。
【００１６】
即ち、歩行ロボットが歩行するときや静止するとき等の、第一部材と第二部材との相対的な回転を行う必要がないときは、付勢手段によって第一部材に付勢することで該相対的な回転を阻止し、以て歩行ロボットの姿勢が不安定となることを抑制することができる。一方で、第一部材と第二部材との相対的な回転が行われるときは、付勢手段による付勢を低減、解除することで、第一部材と第二部材との相対的な回転をより円滑に行うことが可能となる。尚、付勢手段として、バネ等の弾性部材を用いるほかに、空気圧で駆動されるピストンを利用し、該ピストンに供給される空気圧を制御することで付勢力を制御するようにしてもよい。
【００１７】
更に、上述までの歩行ロボットにおいて、前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転の禁止または該禁止の解除を制御する制動手段を、更に備えるようにしてもよい。このように歩行ロボットが制動手段を有することで、第一部材と第二部材との相対的な回転が制御される。例えば、前記歩行ロボットの歩行時や静止時には、前記制動手段によって前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転を禁止することで、歩行ロボットの姿勢が不安定となるのを抑制する。一方で、歩行ロボットの向きを変更するときは、前記制動手段によって前記第一部材と前記第二部材との相対的な回転の禁止が解除される。
【００１８】
また、前記脚先部において、前記第一部材とは別の第三部材によっても前記歩行路面と接地し、且つ該第三部材は前記第二部材に対して前記回転軸を中心とした相対的な回転を行わない場合、前記制動手段は、前記第一部材と前記第二部材との間における相対的な回転力を伝達させ、且つ前記第三部材の前記歩行路面との接地状態を解消させることで、該第一部材と該第二部材との相対的な回転を実行可能とし、前記第一部材と前記第二部材との間における相対的な回転力の伝達を遮断し、且つ前記第一部材と第三部材とを前記歩行路面に接地させることで、該第一部材と該第二部材との相対的な回転を禁止するようにしてもよい。
【００１９】
即ち、第一部材と第二部材との間に生じる上述の相対的な回転力の伝達をクラッチのように制御することで、第一部材と第二部材との間の相対的な回転が禁止され、または該禁止が解除される。ここで、第一部材と第二部材との相対的な回転が禁止されるときは、第一部材と第三部材とが歩行路面と接地しているため、歩行ロボットの姿勢はより安定する。一方で、該回転が可能であるときは、第三部材と歩行路面との接地状態を解消することで、該回転時における摺動面積を、第一部材と第二部材との間の摺動面積、若しくは第一
部材と歩行路面との間の摺動面積に減少させて、以て該回転時に発生する摩擦力を軽減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、歩行ロボットにおいて、該歩行ロボットの向きを変更するときに要する消費エネルギーを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここで、本発明に係る歩行ロボットの実施の形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１に本発明を適用するのに適した２本の脚を有する歩行ロボット１の下半身の概略的な骨格図を示す。図１において、歩行ロボット１は左右それぞれの脚に６ケの関節を備える。当該６ケの関節は上から順に、脚部回転用の関節１０、股関節部のピッチ方向の関節１２、同ロール方向の関節１４、膝関節部のピッチ方向の関節１６、足関節部のピッチ方向の関節１８、同ロール方向の関節２０となっており、その下部には脚先部２４が備えられる。
【００２３】
また、下半身の最上部には人体の骨盤に相当する腰板リンク２６が用意される。腰板リンク２６には関節の制御に必要な電源やアンプ（増幅器）、及び本発明に関係する蓄圧タンク９０等が搭載されている。ここで、蓄圧タンク９０は、後述する関節５０内のピストン５２の動力源となる高圧空気を貯留するためのタンクである。蓄圧タンク９０に貯留されている高圧空気の供給については、後述する。
【００２４】
右脚と左脚とは鏡像の関係にあり、対称形状である。各々の番号の次のＬ、Ｒの文字はそれぞれ左、右を意味するもので、それ以外の意味はない。そして、以下において、例えば関節１０Ｌ／Ｒと記載されるときは、左右両側の関節１０Ｌと１０Ｒを表すものとし、また、例えば関節１０と表す場合と、関節１０Ｌ／Ｒと表す場合とでは、その意味において差はない。股関節は図示のように３つの関節１０、１２、１４から構成されており、股関節と膝関節との結合には大腿リンク３０が用意され、また足関節も図示のように２つ関節１８、２０から構成されており、足関節と膝関節との結合にはスネリンク３２が用意される。
【００２５】
ここで、足関節に接続される脚先部２４Ｌ／Ｒには、本発明に係る歩行ロボット１の向きを変更させる動作（以下、「向き変更動作」という）に関与する関節５０Ｒ、５０Ｌが設けられている。関節５０Ｌ／Ｒは後述するように直線運動および回転運動を可能とするタイプの関節である。また、関節５０Ｌ／Ｒにおいても、両脚の足部に鏡像の関係で同じ形式の関節が設けられている。
【００２６】
ここで、図２には、向き変更動作に関与する関節５０の構造が詳細に示されている。脚先部２４には、蓄圧タンク９０から供給される圧縮空気の空気圧によって駆動されるピストン５２を一定方向に移動自在に収納するシリンダー５４が設けられる。シリンダー５４は異なる２つの直径からなり、空気圧を導き入れる圧力室５６を形成している。またピストン５２は、回り止めピン５８によってシリンダー５４に対して相対回転が阻止されている。その結果、ピストン５２は図２における上下方向にのみ、空気圧によって移動させられる。尚、以下の記載にて上下と方向が示されるときは、各図における上下方向を意味する。また、ピストン５２の上部空間６０は大気開放になっており、その結果少ない圧縮空気の消費で所望の上下運動が実現できる構造となっている。
【００２７】
ここで、ピストン５２の中心部には上下を貫通する形で回転軸６２が配置されている。
この回転軸６２の軸方向は、図２の上下方向であって歩行ロボット１の高さ方向と同一方向である。回転軸６２の下側には、直接歩行路面と接地する第一部材６６が回転軸６２回りに回転自在に支持されている。また、以下において、ピストン５２を第二部材５２とも言う。また、脚先部２４の先端には第一部材６６とは独立して歩行路面に接地する第三部材６４が設けられている。尚、第三部材６４は脚先部２４側に固定されている。ここで、第二部材（ピストン）５２が図示位置にあるとき、即ち第二部材（ピストン）５２が最上位置にあるときは、これら第一部材６６の下面及び第三部材６４の下面は実質的に同じ面となるように設計されている。
【００２８】
このように、第二部材（ピストン）５２がシリンダー５４の中において上下に移動することで、第一部材６６が第三部材６４より突出する方向に移動する。その結果、第二部材（ピストン）５２が下方向に移動すると、第一部材６６のみが歩行路面と接地した状態となり、且つ第三部材６４は歩行路面と接地していない状態となる。その結果、第一部材６６と第三部材６４との間に段差δ（図５に図示されるδ）が生じ、その段差δが歩行ロボット１の高さ変化量として現れる。尚、図２に示される状態では、段差δは零である。
【００２９】
また、第一部材６６及び第三部材６４は、路面と良く馴染むように、比較的柔らかい弾性材６５、６７が接着剤によってその接地表面に貼りつけられている。更に、第一部材６６と第二部材（ピストン）５２との間には、両者の間の滑りを良くする目的で、ドーナツ状の形状をした低摩擦係数を持つ第一樹脂板７０が装着され、同時に第一部材６６と第三部材６４との間にはドーナツ状の形状をした比較的高い摩擦係数を持つ第二樹脂板７２が装着されている。
【００３０】
回転軸６２の上部には、第二部材（ピストン）５２が蓄圧タンク９０からの空気圧によって下降したあと、空気圧が除去された場合に、速やかに図示の最上位置に復帰するために、リターンスプリング８０が用意されている。リターンスプリング８０によって図示の最上位置にピストンが復帰したときは、第二樹脂板７２がストッパーとなり、第一樹脂板７０は除荷されるような寸法となっているものとする。即ち、第一樹脂板７０の厚さは、第二樹脂板７２の厚さより僅かに薄い寸法である。尚、第一樹脂板７０、第二樹脂板７２、第二部材（ピストン）５２及び第一部材６６との接触関係については後述する。
【００３１】
また、図２に示す８２は図１に示した足関節ロール用関節２０Ｌ／Ｒを駆動するモータであり、図２に示す８４はモータ８２の出力を減速して増力する減速機を収納した部分、図２に示す７６は足関節のピッチ関節１８Ｌ／Ｒを収納するカバーである。
【００３２】
次に、図３には、第二部材（ピストン）５２へ供給する空気圧の制御を行う空気圧制御回路が示されている。蓄圧タンク９０には逆止弁９１を介して高圧空気が注入されており、その空気圧を減圧弁９２で所望のレベルに減圧する。そして、電磁弁９４の開弁によって、高圧空気が第二部材（ピストン）５２Ｌ／Ｒを押し下げるように圧力室５６Ｌ／Ｒに導かれる。この電磁弁９４は通電時には、図３に示す左側の回路構成となることで、減圧弁９２の出力を圧力室５６Ｌ／Ｒに導くが、通電が停止されると図示の回路構成となることで、圧力室５６を大気に連通する。このような電磁弁９４は通常使用されるものであって、広く市販されている。例示の電磁弁は、パイロット弁として売られているもので、通電時の消費電力が僅かに０．５Ｗの電磁弁である。
【００３３】
また、図４には上述の電磁弁９４や歩行ロボット１の関節のアクチュエータであるモータ等から構成される制御装置の概略構成が示されている。ＣＰＵ（中央演算装置）１００は歩行ロボット１の脚運動を決める歩容データを収めてあるメモリ１０２にアクセスして歩容データを読み取り、更に現在の各関節の関節角度値、関節角速度値を読み取る。その後、モータ１０６が発揮すべきモータトルクを計算して、このモータトルクを指令値とし
てアンプ（増幅器）１０４に送る。アンプ１０４はこの指令値から電流値を算出、決定してモータ１０６を駆動する。モータ１０６が駆動されると関節は角度を変えるから、その角度を適切なセンサ（角度計）１０８で読み取り、角度情報としてＣＰＵ１００に送る。
【００３４】
図４でアンプ１０４やモータ１０６、角度計１０８は本実施例の場合は関節の数に応じた数、即ちそれぞれ１２ケずつ存在するが、図面においては説明の簡素化のために３つだけが模式的に描かれている。尚、歩容データの様式は、この実施例では予め算出された各関節角度の時系列データの形で収納されているものとする。その一例は、例えば特開平４-２０１１８７の第六図に詳細に開示されている。
【００３５】
ここで、図５に基づいて、歩行ロボット１における向き変更動作について、第二部材（ピストン）５２の移動に伴う第一部材６６、第三部材６４、第一樹脂板７０及び第二樹脂板７２の接触関係とともに、説明する。図５（ａ）は、第二部材（ピストン）５２が最上位置（図２に示す位置）にあるときの該接触関係を示す図であり、図５（ｂ）は、蓄圧タンク９０からの空気圧により第二部材（ピストン）５２が最下位置にあるときの該接触関係を示す図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、第二部材（ピストン）５２が最上位置にあるときは、上述したように、第一部材６６は第二樹脂板７２と接触しており、且つ第一部材６６の下面と第三部材６４の下面とは実質的に同一面に位置する。この状態では、第一部材６６は摩擦係数が比較的高い第二樹脂板７２と接触しているため、第一部材６６の回転軸６２周りの回転は抑制される。一方で、第一部材６６は、第一樹脂板７０とは接触しておらず、また第二部材（ピストン）５２は、回り止めピン５８を介して第三部材６４の設けられた脚先部２４と一体的な構造を採っている。従って、第一部材６６と第二部材（ピストン）５２との間において相対的な回転が起こりえない。よって、図５（ａ）に示すような接触状態は、歩行ロボット１の姿勢の安定性がより求められる歩行時や静止時等に好適な状態である。
【００３７】
また、図５（ｂ）に示すように、第二部材（ピストン）５２が最下位置にあるときは、第二部材（ピストン）５２が第一樹脂板７０を介して第一部材６６を押し出している状態となる。このとき、上述したように、第一部材６６が歩行路面と接地した状態となり、且つ第三部材６４は歩行路面と接地していない状態となる。その結果、第一部材６６と第三部材６４との間に段差δが生じる。この状態では、第一部材６６は摩擦係数が比較的低い第一樹脂板７０と接触しているため、第一部材６６もしくは第二部材（ピストン）５２に回転力が付与されると、第一部材６６と第二部材（ピストン）との間に相対的な回転が生じる。
【００３８】
即ち、第三部材６４が歩行路面と接地していない状態となるため、歩行路面と第一部材６６、より正確には、弾性材６７と歩行路面との間の摩擦力より第一樹脂板７０と第一部材６６との間の摩擦力が小さい場合には、第一部材６６もしくは第二部材（ピストン）５２に回転力が付与されると、第一樹脂板７０を介在させた状態で、第一部材６６と第二部材（ピストン）５２との間に相対的な回転が生じる。そして、該相対的な回転が生じることで、歩行ロボット１の向きが変更される。
【００３９】
尚、歩行路面と第一部材６６、より正確には、弾性材６７と歩行路面との間の摩擦力が第一樹脂板７０と第一部材６６との間の摩擦力より小さい場合には、第一部材６６もしくは第二部材（ピストン）５２に回転力が付与されると、第一部材６６が歩行路面に対して相対的に回転し、その結果歩行ロボット１の向きが変更される。この場合、第三部材６４が歩行路面とは接地していないため、歩行ロボット１の向きの変更の際に抗すべき摩擦力は比較的小さい。
【００４０】
このように構成される関節５０を有する歩行ロボット１は、蓄圧タンク９０から第二部材（ピストン）５２に供給される空気圧を制御することで、第二部材（ピストン）５２の位置が制御される。その結果、第一部材６６と第二部材（ピストン）５２との間の相対的な回転が禁止され、または該禁止が解除されることで、歩行ロボット１の向き変更動作が行われることになる。従って、本実施例においては、電磁弁９４への通電を制御して第二部材（ピストン）５２の位置を制御することが、本発明に係る制動手段に相当する。
【００４１】
ここで、歩行ロボット１の向き変更動作のために、第一部材６６もしくは第二部材（ピストン）５２に回転力を付与するための脚の制御について以下に説明する。以下の制御は、上述したように、第二部材（ピストン）５２が最下位置となったとき、即ち、制動手段によって第一部材６６を第二部材（ピストン）５２との相対的な回転の禁止が解除されたときに、行われる。
【００４２】
図６に歩行ロボット１の向き変更動作の基本原理を示す。図６（ａ）は歩行ロボット１の上部から見た脚の動かし方を示している。図６（ａ）では、歩行ロボット１の重心は図の座標原点Ｏに一致する。また、このとき、歩行ロボット１は、圧力室５６Ｌ／Ｒに高圧空気が供給されて第二部材（ピストン）５２Ｌ／Ｒが下側方向に移動することで、脚先部２４Ｌ／Ｒにおいては第一部材６６Ｌ／Ｒにおいてのみが、歩行路面と接地している。このときの脚先部２４Ｌ／Ｒの位置を太線で示す。また、脚先部２４Ｌ／Ｒに作用する分布荷重の中心点をＰＬ、ＰＲとする。この中心点ＰＬ、ＰＲが２つの脚先部２４Ｌ／Ｒの第一部材６６Ｌ／Ｒ（図で点線の円で表示）の中央に来るように関節５０を除く脚関節が調節されている場合を想定し、この場合を例にとって歩行ロボット１の向き変更動作について説明する。
【００４３】
図６（ａ）に示す状態で脚先部２４Ｌ／Ｒの方向が歩行ロボット１の胴体に対して変化しないよう固定した状態で、反時計回りに左右両脚を回転させるべく、関節５０を除く脚関節に駆動力を与える。しかし、第一部材６６Ｌ／Ｒと歩行路面との間には摩擦が存在するため、この駆動力は歩行ロボット１が地球を反時計回りに回転させる動作となる。一方で、ニュートンの作用・反作用の法則によって、歩行ロボット１は地球から時計回りの回転力を受けることとなる。そして地球の慣性モーメントは歩行ロボット１のそれよりも圧倒的に大きいため、結果的に歩行ロボット１は、自身が時計方向に回転運動する回転力を受ける。ここで、第一部材６６と歩行路面との間の摩擦力より、第一部材６６Ｌ／Ｒと第一樹脂板７０Ｌ／Ｒとの間の摩擦力が小さいときは、該回転力により、第一部材６６Ｌ／Ｒと第二部材（ピストン）５２Ｌ／Ｒとが相対的に回転し、その結果、歩行ロボット１が時計回り方向にその向きを変更する。
【００４４】
ここで、歩行ロボット１の向き変更動作の様子を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は地球に固定した座標から歩行ロボット１を見た様子を示している。歩行ロボット１の両脚の状態は、図６（ａ）に示す状態にある左右両脚に、該脚を図６（ａ）、（ｂ）に示す仮想円ＴＣに沿って動かすべく駆動力を、関節５０を除く脚関節によって与える。この仮想円ＴＣは中心点ＰＬ、ＰＲを通る円として定義される。本実施例においては、仮想円の中心は、座標原点Ｏと一致している。
【００４５】
そして、駆動力が左右の両脚に与えられることで、上述したように歩行ロボット１の向きが図６（ｂ）に示すように時計回転方向に変更する。そして、本実施例においては、歩行ロボット１の向きが、ＰＬ、ＰＲにおける仮想円ＴＣの接線方向に一致すると、歩行ロボット１の向き変更動作が終了する。その結果、歩行ロボット１は図６（ａ）の状態から時計方向にθＲ（座標原点Ｏを中心とする回転角）だけ旋回する。このとき、歩行ロボットの両脚も点ＰＬ、点ＰＲを中心にθＳ（歩行ロボット１の両脚の荷重中心ＰＬ、ＰＲを
中心とする回転角）だけ回転するが、幾何学的な関係からθＲとθＳとは互いに相等しい。
【００４６】
ここで、２つの平面が一定の歩行ロボット１の重量を受けながら互いに回転摺動する場合には、回転抵抗は接地面積が広い程大きくなる。そこで、空気圧によって第一部材６６Ｌ／Ｒを突出させることで、回転動作時の回転抵抗を減らし、然る後に股関節の関節１０Ｌ／Ｒを固定したまま第一部材６６Ｌ／Ｒの中心が仮想円ＴＣに沿って反時計方向に回転するべく、関節５０を除く関節を駆動することで、少ない回転抵抗のもとで、安定した姿勢を保ちながら歩行ロボット１の向き変更動作を実行できる。
【００４７】
更に、膝関節も望ましくは真っ直ぐに伸ばして固定した状態で向き変更動作を行えば、即ち関節１０Ｌ／Ｒと関節１６Ｌ／Ｒは一定の関節角度を保持したまま向き変更動作を行えば、より少ないエネルギーで向きの変更が行える。
【００４８】
また、本実施例の脚先部２４の関節５０は、第二部材（ピストン）５２と第一部材６６との間には相対回転運動を少ない摩擦で実現するために、低摩擦係数を持つ第一樹脂板７０が介在している。従って、歩行路面の摩擦係数が高いアスファルト路面のような歩行路面であっても、歩行路面と第一部材６６との間の摩擦係数とは無関係に、第二部材（ピストン）５２と第一部材６６との間の摩擦力が向き変更動作時における抵抗力となる。従って、歩行路面と第一部材６６との摩擦力に拘わらず、一定の消費エネルギーで向き変更動作が実行し、該消費エネルギーの増加を抑制し得る。
【００４９】
尚、このことは、歩行ロボット１において、歩行路面がプラスタイルのように滑りやすい路面の場合には電磁弁９４に通電することなく（圧縮空気を消耗することなく）、向き変更動作を行うことを否定するものではない。そのような選択は、歩行ロボット１に環境に関する知識ベースを与えておくだけで容易に実施可能である。
【００５０】
更に、向き変更動作時に、本出願人が特願２００２−２０５８４５で開示している関節制動装置を使って、本実施例における関節１０、１６の駆動モータにブレーキをかけ、当該関節の駆動モータへの電力供給を停止すれば、より少ないエネルギー消費で向き変更動作を実行できる。
【実施例２】
【００５１】
本発明に係る歩行ロボット１の第二の実施例を、図７に基づいて説明する。本実施例では、図２に示す脚先部２４に代えて脚先部５４０が設けられ、且つ脚先部５４０には図２に示す関節５０に代えて、向き変更動作に関与する関節５００が設けられる。ここで、図７には、向き変更動作に関与する関節５００の構造が詳細に示されている。尚、脚先部５４０は、上述の脚先部２４と同様に、歩行ロボット１の重量を受けて歩行路面と接地する部位である。また、本実施例に係る歩行ロボット１は、脚先部５４０および関節５００を除きその他の構成は、図１に示す歩行ロボット１と同様であるが、脚先部５４０は上述のピストン５２を有しないため、蓄圧タンク９０および図３に示す空気圧制御回路を有しない。
【００５２】
脚先部５４０は、第一部材５０１と第二部材５０２とを有する。第一部材５０１は、弾性材５０５を介して歩行路面と接地する。一方で、第二部材５０２は、歩行ロボットの高さ方向において第一部材５０１の上側に位置し、歩行路面とは接地しない。また、第一部材５０１と第二部材５０２との間には、両者の間の滑りを良くする目的で、ドーナツ状の形状をした低摩擦係数を持つ樹脂板５０４が設けられている。樹脂板５０４の中心の穴には、後述する回転軸５０３が通る。
【００５３】
ここで、第一部材５０１と第二部材５０２を上下に貫通する形で回転軸５０３が配置されている。この回転軸５０３の軸方向は、図７の上下方向であって歩行ロボット１の高さ方向と同一方向である。そして、回転軸５０３の下側には第一部材５０１が、回転軸５０３とセレーション等で隙間がない状態で固定されている。一方で、回転軸５０３の上側には第二部材５０２が設けられているが、回転軸５０３と第二部材５０２とはゆるみ嵌めとなっている。従って、第一部材５０１が第二部材５０２に対して相対的な回転ができる構造となっている。そして、回転軸５０３の第二部材５０２より上側の部位において、その一端が回転軸５０３に固定され回転軸５０３の軸周りに巻かれる巻きバネ５０３が設けられている。尚、巻きバネ５０３の他端は第二部材５０２に取り付けられている。
【００５４】
また、第一部材５０１と第二部材５０２との間に樹脂板５０４が設けられていない部位が存在し、該部位にクリック機構５１０が設けられている。クリック機構５１０は、第二部材５０２に固定されたバネ５１０ａと、第一部材５０１上に設けられたＶ字状の窪み５１０ｂと、窪み５１０ｂにその一部が嵌り込む球体であってバネ５１０ａと接続される球５１０ｃとから構成される。
【００５５】
そして、第一部材５０１が第二部材５０２に対して所定の位置にあるとき、球５１０ｃは窪み５１０ｂに嵌り込むとともに、バネ５１０ａによって第一部材５０１に押しつけられている。そのため、図６に示すように歩行ロボット１の脚の関節の駆動により回転軸５０３を中心とした回転力が付加された場合でも該回転力が球５１０ｃを窪み５１０ｂから押し出す力より小さいときは、第一部材５０１と第二部材５０２との相対的な回転が阻止される。即ち、球５１０ｃが第一部材５０１と第二部材５０２との相対的な回転を阻止する障害物として機能する。一方で、該回転力が球５１０ｃを窪み５１０ｂから押し出す力より大きくなると、球５１０ｃが窪み５１０ｂから押し出されるため、第一部材５０１と第二部材５０２との相対的な回転は阻止されることなく、円滑に行われる。従って、クリック機構５１０は、第一部材５０１と第二部材５０２との相対的な回転を阻止する方向に第一部材５０１に付勢する、本発明に係る付勢手段に相当する。また、クリック機構５１０により、第一部材５０１が第二部材５０２に対して容易に回転移動し、歩行ロボットの姿勢が不安定となるのが抑制される。
【００５６】
また、図７に示す５２０は図１に示した足関節ロール用関節２０Ｌ／Ｒを駆動するモータであり、図７に示す５２１はモータ５２０の出力を減速して増力する減速機を収納した部分、図７に示す５２２は足関節のピッチ関節１８Ｌ／Ｒを収納するカバーである。
【００５７】
このように構成される脚先部５４０及び関節５００を有する歩行ロボット１においては、図６に示すように関節５００を除く歩行ロボット１の脚の関節を駆動することで回転軸５０３を中心とした回転力を付与することができる。そして該回転力が付与されると、クリック機構５１０における球５１０ｃが窪み５０１ｃから押し出された後は、第一部材５０１と第二部材５０２との間で相対的な回転が行われて、歩行ロボット１の向きが変更される。このとき、第一部材５０１と歩行路面との摩擦力にかかわらず、換言すると歩行路面の路面状況にかかわらず、第一部材５０１と第二部材５０２との間の略一定の摩擦力に抗することで、歩行ロボット１の向き変更動作が行われることになる。より正確には、該摩擦力に加えて巻きバネ５０６の弾性力が、歩行ロボット１の向き変更動作時の抵抗となる。従って、歩行路面の路面状況にかかわらず、向き変更動作時における消費エネルギーが略一定となり、その増加を抑制することが可能となる。
【００５８】
また、歩行ロボット１の向き変更動作が終了後、脚先部５４０が歩行路面から離れると、巻きバネ５０３により、第一部材５０１を相対的な回転が生じる以前の位置に復帰させる方向に、第一部材５０１に回転力が付与される。更に、クリック機構５１０において球５１０ｂが窪み５１０ｃに嵌り込もうとする作用により、第一部材５０１は第二部材５０
２に対して常に所定の位置に復帰する。
【００５９】
また本実施例においては、クリック機構５１０はバネ５１０ａの弾性力を付勢力として利用したが、バネ５１０ａの弾性力に代わり、空気圧で駆動されるピストンを用いてもよい。ピストンに供給される空気圧を制御することで、第一部材５０１と第二部材５０２との相対的な回転を阻止する方向に第一部材５０１へ付勢する付勢力を制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットであって２本の脚を有する歩行ロボットの下半身の概略的な骨格図を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットにおいて、脚先部に設けられる向き変更動作に関与する関節の詳細な構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットにおいて、向き変更動作に関与する関節における空気圧制御を行う空気圧制御回路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットにおいて、電磁弁や歩行ロボットの関節のアクチュエータであるモータ等から構成される制御装置の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットにおいて、向き変更動作時の第一部材、第三部材、第一樹脂板及び第二樹脂板の接触関係を概略的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットにおいて、向き変更動作の基本原理を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る歩行ロボットにおいて、脚先部に設けられる向き変更動作に関与する関節の詳細な構造を示す第二の図である。
【符号の説明】
【００６１】
１・・・・歩行ロボット
１０・・・・関節
１２・・・・関節
１４・・・・関節
１６・・・・関節
１８・・・・関節
２０・・・・関節
２４・・・・脚先部
３０・・・・大腿リンク
３２・・・・スネリンク
５２・・・・ピストン、第二部材
５４・・・・シリンダー
５６・・・・圧力室
６２・・・・回転軸
６４・・・・第三部材
６６・・・・第一部材
７０・・・・第一樹脂板
７２・・・・第二樹脂板
８０・・・・リターンスプリング
９０・・・・蓄圧タンク
９４・・・・電磁弁
１００・・・・ＣＰＵ
５００・・・・関節
５０１・・・・第一部材
５０２・・・・第二部材
５０３・・・・回転軸
５０４・・・・樹脂板
５０６・・・・巻きバネ
５１０・・・・クリック機構
５１０ａ・・・・バネ
５１０ｂ・・・・窪み
５１０ｃ・・・・球
【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】
2005238407.tif 000007
【図６】
2005238407.tif 000008
【図７】
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