(57)【要約】      （修正有）【課題】より簡易な機構でギャロップ、トロット、ペース、といった移動形態を実現する４足走行マシンを提供する。【解決手段】様々な歩容可能な４足走行マシンにおいて、マシンの各脚が、４節リンク機構を備えた大腿上部および４節リンク機構を備えた大腿下部が関節部で結合された構造を備え、４節リンク構造の脚のリンクの取り付け角度を変えることによって、各脚の回転の位相を調整する機構をも備えた。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
様々な歩容可能な４足走行マシンにおいて、前記マシンの各脚が、４節リンク機構を備えた大腿上部および４節リンク機構を備えた大腿下部が関節部で結合された構造を備えたことを特徴とする４足走行マシン。
【請求項２】
請求項１記載の４足走行マシンであって、前記４節リンク構造の脚のリンクの取り付け角度を変えることによって各脚の回転の位相を調整する機構を備えたことを特徴とする４足走行マシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４足走行を行う４足走行マシンに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ロボットの多くは産業用であり、人間の持つ運動機能のうち、ある部分を特殊化したものである。例えば、金属溶接を行ったり、製造機械に部品の取り付けを行うアームロボットなどはよく知られているし、産業界ではごく一般的なロボットとなっている。
【０００３】
コンピュータの小型化、ＩＣ技術の発達、様々なセンサーの出現等によって、ロボットの人間化、動物化も進んでいる。人間化、動物化といっても、人間や動物とまったく同じ形態と機能を有するロボットというよりは、人間や動物に擬したロボットである。例えば人間と同じ２足歩行のロボットや、犬や猫などの４足歩行するロボットである。またロボットに感情を持たせること（叩かれると怒り、撫でられると喜ぶ動作で感情を表すこと）によって、生きた動物と同様のペットであるかのような玩具も出現している。
【０００４】
移動手段として車輪を用いたものがある。電車、自動車、自転車など、すべて車輪の回転運動を直線・曲線・円などの車体の移動運動に変えている。車輪による車体の移動は窪みや階段などの凹凸のある地面や床面を移動するには適していない。その点、動物の２足歩行や４足歩行は階段などの段差のある床面に対しても適応性が高い。ロボットに人間や動物と同じ形態（とくに歩行・走行）を実現させることは、人間の願望である。もちろん車輪では移動できない移動方法や行動が可能になることも、ロボット実現への願望になっている。
【０００５】
人が歩くとき、右足を前に出すと同時に右手を後ろに振り、左手は前に出す。すなわち、右足と左手、左足と右手は同方向に移動する。四つん這いになり、そのままの手足の動作をすれば、４足歩行動物の歩き方になる。歩くという動作は、どちらかの足が地面に着いた状態で移動する動作である。４足歩行する動物が走るときも、基本的に歩くという動作の延長線上にある。馬の場合、競争時、空中姿勢で一時的に前足の左右あるいは後ろ足の左右が揃うことがあるが、着地するときは右足と左足は別々になっている。これは離陸時も同様で左右別々に動作している。決して兎跳びといわれる両足を合わせて跳ねる動作ではない。
【０００６】
４足歩行による移動装置を扱った発明としては、『４脚走行装置』（特許文献１）がある。この発明では、前部左右脚部と後部左右脚部を略５節リンク機構の作動部に連繋させ、各作動部を１駆動源（１アクチュエータ）によって一連に作動させ、前後の脚部に４脚動物に類似した歩容を可能としている。また左右の脚部を狭く作ることによって、自転車やモータバイクと同じ操舵法が可能な構造となっている。
【０００７】
速い動作速度や大きなトルクを持つ大型の駆動機構を用いることなく、走行や躍動などの激しい動作を行う脚式移動ロボットの発明としては、『脚式移動ロボット』（特許文献２）がある。歩行動作を行うアクチュエータのような通常の駆動機構のほかに、ゼンマイやフライホイールなどで構成された動力蓄積機構を備えていて、蓄積した動力を瞬間的に放出することによって、瞬発動作を可能としている。
【０００８】
クロールやバウンズ、ギャロップ、トロットといった各種の脚式動作を行う脚式移動ロボットの発明としては、『脚式移動ロボット、並びに脚部の取付け構造』（特許文献３）がある。胴体部と脚上部の間にコイルバネを取り付けることによって、アクチュエータの駆動力よりも大きな力を得、躍動などの瞬発力を要する動作を可能としている。またバネにより、着地時の衝撃力が緩和されている。胴体部と脚部付け根部に平行に、胴体部の接続部を中心に回転可能なアッパー・リンクとロア・リンクを取り付けることにより、回転運動を脚部の上下運動に変えて、歩行や走行を可能にしている。このとき、リンクの回転による横方向へのブレが生じるが、上下動の動きの幅に比べて各リンクの長さを十分に長く取ることによって、左右のブレを無視できるものとしている。
【０００９】
『ロボット装置及びロボット装置の跳躍制御方法』（特許文献４）では、４点リンク機構（４節リンク機構）の脚部が採用されている。４点リンク機構を構成する２本の連結桿（リンク棒）の胴体方向の端は回転支軸で連結し、他端は連結部材（膝関節部になる個所）に連結している。連結部材にはコイルバネが仕組まれたロッドと、足につながる脚部（棒状部材）が連結されている。足となる棒状部材の先端には接触センサが取り付けられていて、接触センサの信号によって足が浮遊しているか、着床しているかが判断できる。このほか、タッチセンサー、距離センサー、マイクロホン、ＣＣＤなどからの信号を集積回路で解析することによって、人間と同じような感覚機能を再現している。特に学習機能による感情の表現もロボット動作の一部として採り入れている点が注目される。回転支軸の回転運動は４点リンク機構によって棒状部材の直線運動に変換される。また、駆動力としてサーボモーターを使うことによって、制御部の指令によって自在の回転を可能とし、様々な歩容や動作を引き出している。ロボットが接地したとき、関節が曲がり、コイルバネが縮む。従って次の動作として、コイルバネの伸長方向への弾性力によってロッドが押し下げられ、関節（連結部材部）が伸びて、跳躍動作を行うことができる。これによって、サーボモーターの負荷を軽減している。
【００１０】
上記の例でも使用されていたが、４節リンク機構はロボット工学では様々な形態で応用されている。上記では「４点リンク機構」と表記されている。図１は４節リンク機構の例であり、少なくとも一つの節は基礎部に固定されていることが多い。図１の例で節ＡでリンクＡＢが駆動部と連係していて回転運動するとした場合、リンク棒の長さにＡＢ＜ＢＣ＜ＣＤ＜ＡＤの関係があり、かつリンク棒ＡＢがθ1度回転することにより、リンク棒ＣＤがθ2度回転したとすれば、θ1＞θ2の関係が成り立つ。すなわち、小さな力で大きな物を動かす場合などに利用できる。
【００１１】
図２は、チェビシェフの第１近似直線運動機構を有する４節リンク機構の例である。点Ａと点Ｄは固定されていて、点Ｂは点Ａの周りを円回転できるものとする。さらにリンク棒ＢＣの延長上の点Ｅとしたとき、以下の関係式が成り立っているとする。
ＡＤ＝２ＡＢ
ＢＣ＝ＣＤ＝ＣＥ＝２．５ＡＢ
この条件下で点Ｂが円運動すると、図に示すように点Ｅの軌跡の一部分が近似直線になる。これをチェビシェフの第１近似直線運動機構といい、ロボットの脚式歩行機構として利用されている。
【００１２】
【特許文献１】特開平９−１３２１１９号公報
【特許文献２】特開２００１−２４６５８５号公報
【特許文献３】特開２００２−１０３２５３号公報
【特許文献４】特開２００３−８０４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
現在の４足走行マシン（ロボット）では、基本的に移動形態（歩容）は一様である。これは、機械構造のリンク形態を自由に切り換えて移動形態へ反映することが難しいからである。しかし従来技術で挙げたロボット装置では、移動、静止、ジャンプなどの動作が可能になっている。これは制御装置、エネルギー蓄積機構（素材の弾性エネルギー＜主にバネ＞を利用）、リンク機構、サーボモーターなどで実現している。
【００１４】
発明が解決しようとする課題は、より簡易な機構でギャロップ、トロット、ペース、といった移動形態を実現する４足走行マシンを実現することである。なお競馬用語でギャロップは襲走（競争時の走り方）、トロットは速歩、ペースはレースの流れを意味するが、ここでは走り、歩き、歩幅（または速度）などの意味で使用する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、様々な歩容可能な４足走行マシンにおいて、前記マシンの各脚が、４節リンク機構を備えた大腿上部および４節リンク機構を備えた大腿下部が関節部で結合された構造を備えたことを特徴とする４足走行マシンである。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の４足走行マシンであって、前記４節リンク構造の脚のリンクの取り付け角度を変えることによって各脚の回転の位相を調整する機構を備えたことを特徴とする４足走行マシンである。
【発明の効果】
【００１７】
各脚部は、脚の大腿上部の４節リンク機構、および脚の大腿下部の４節リンク機構の、２組のセットからなる構造である。脚を大腿上部と大腿下部の２組とも４節リンク機構にすることによって、関節の屈伸を実現する。
【００１８】
駆動機構の回転運動を脚の４節リンクに伝える。４節リンク機構はチェビシェフの第１近似直線運動機構になるようにしておけば、駆動機構の回転運動は近似直線運動に変換できる。
【００１９】
本発明では様々な歩容を実現する。このため、本発明では左右の脚、前後の脚のそれぞれの４節リンク機構の回転角度を変えられるようにする。
【００２０】
通常の動物の歩行では、対になる左右の脚の位相差、および同じ側面の前後の脚の位相差はともに１８０度である。また、両足を揃えてジャンプするときの左右の脚の位相差は０度である。これらの動作も、前後左右の脚の各リンクの回転角度の取り付けで調整できるようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
発明の実施の形態を図を用いて説明する。図３は本発明の４足走行マシンの組立模型である。図に示した白抜きの四辺形が４節リンク機構大腿上部を形成し、その下の薄い白抜きの四辺形が４節リンク機構大腿下部を形成している。
【００２２】
図４は、左側面から見た本発明のマシンの一例を示す略図である。ただし、白抜きの部分（模型に付加した線）はチェビシェフの第１近似直線運動を解析するときに用いた、脚部の主要線である。本発明の４足走行マシン1は、脚部が前脚大腿上部110、前脚大腿下部111、後脚大腿上部112、後脚大腿下部113から構成されている。
【００２３】
図３で示したように、各部は４節リンク機構で構成されている。脚部の上に台座121を設置し、その上に駆動装置130（通常、モーター）、電源および制御装置収納部140が取り付けられている。前部150は動物の頭に相当する部分で、全体のバランスを取るための重りともなっている。足部114（接地部）は床に触れる部分で、滑り止めのためにゴムなどの素材が取り付けられている。またこの部分の底に圧力センサーを取り付けておけば、足が地面に着いているかどうかの判断が行える。
【００２４】
図５は、図４に示した前脚の節を抜き出して骨格部分のみを図式化したものである。前脚は、大腿上部110を構成する４節リンク機構ＡＢＣＤと、大腿下部111の４節リンク機構ＣＥＦＧから成り立っている。節ＡとＤは台座に固定されていて、節Ｂは節Ａを中心に回転する。また節Ｂ、Ｃ、Ｅおよび節Ｄ、Ｃ、Ｇはそれぞれ同じリンク棒の上に取り付けられている。これにより、節Ｂが円の下半部を通過しているとき（ｒ１の状態）、前脚（リンクＡＢＣＤ、ＣＥＦＧ）が縮み、足部114が浮遊し、足部がｌ１方向に移動する。一方、節Ｂが節Ａの上部を通過するとき（ｒ２の状態）、前脚（リンクＡＢＣＤ、ＣＥＦＧ）が狭まり、足部が離地（浮遊）し、足部にｌ２方向の力が働く。このように節Ｂの回転によって、脚部はキックと単なる移動とを繰り返して前進する。
【００２５】
なお、図４の丸に点で示したｒｔは節（図５のＢに相当）の回転位置を表し、ｒｔに対応した足部114の移動ｌを四角に×の記号（図５のｌ１、ｌ２に相当）で表している。この解析には、チェビシェフの第１近似直線運動機構を用いている。
【００２６】
図６は、４足歩行動物の基本的歩き方を示したものである。実線Lfl、Lblは左脚（側面から見たときの手前）、破線Lfr、Lbr右脚（側面から見たときの奥）である。歩くという動作は、以下のような動作である。
（１）静止状態。このとき、４脚が接地状態（正確には足底が接地状態）にある。
（２）歩き始め。左前脚Lflと右後脚Lbrを曲げて前に移動させる。このとき、右前脚Lfrと左後脚Lblは接地状態で、体Bdを前方へ押し出す力を生み出している。
（３）左前脚と右後脚が接地し、全体重が移動した状態。
（４）左前脚と右後脚が接地状態で、右前脚と左後脚が移動を始めた状態。
（５）右前脚と左後脚が接地し、全体重が移動した状態。
【００２７】
このように、４足歩行動物が歩く基本動作は、対角線上の脚（足）を接地させて推進力を生み、他の対角線上の脚を浮遊させて前へ進める動作である。対角線上の脚が接地しているということは、すなわち体の重心が対角線上にあるために、体を安定させることのできる状態である。走るという動作も基本的に歩くという動作の延長線上にある。異なる点は、４足が同時に地面から離れる動作が加わることである。４足マシンの場合、接地脚（キックする脚）のキック力を高めてやれば、自然と体全体（４足）が地面から離れて浮遊することになる。
【００２８】
上記の動作を実現するためには、前脚と後脚の移動が逆方向になるようにすればよい。すなわち、同じ体側面の前脚と後脚の回転位相（図５のＢ点）を１８０度ずらし、左右の前脚間および左右の後脚間の回転位相も１８０度ずらせばよいことになる。
【００２９】
図７はアクチュエータの同一回転軸に同じ側面の前脚と後脚のリンクを取り付けた場合の例である。この場合、前後の脚のリンクの回転角度の位相差（ＢとＢの回転のズレ）は０度であるために、リンクの取付を線対称にすることによって位相差を１８０度（前脚と後脚が逆向きになる動き）に変換している。この図でＡＢＣＤは前脚大腿上部の４節リンク機構、Ａ´Ｂ´Ｃ´Ｄ´は後脚大腿上部の４節リンク機構、ＣＥＦＧは前脚大腿下部の４節リンク機構、Ｃ´Ｅ´Ｆ´Ｇ´は後脚大腿下部の４節リンク機構である。Ｃ、Ｃ´は二つの４節リンク機構を繋ぐ関節を構成する。
【００３０】
またＡとＡ´およびＢとＢ´は同じ位置に取り付けられた節である（以下、Ａ´とＢ´はそれぞれＡとＢで表記）。前脚の大腿上部・大腿下部と後脚の大腿上部・大腿下部の４節リンクをそれぞれ線対称に取り付けてある（ただし、リンクの大きさは必ずしも同じではない）。これにより、以下の動作が実現できる。
【００３１】
節Ｂの回転ｒにより、リンク棒ＢＣにｆ１の力が働き、節Ｃ、Ｇが矢印の方向（後方）に引っ張られ、節Ｆが上方に押し上げられて足部114fは浮遊し、足部はｌ１の方向（前方）に移動する。一方、後脚では、回転ｒによってＢＣ´にｆ２（＝ｆ１）の力が働き、節Ｃ´、Ｇ´が後方に押され、節Ｆ´が下方（矢印の方向）に押し下げられて足部114bが接地し、足部にｌ２の方向（後方）の力が働く。これによっては体Ｂｄが前方に進むことができる。
【００３２】
節Ｂの回転ｒが逆向き、すなわち図のＤ方向に向くと、前足部が接地して後ろ側への力（キック力）が生じ、後足部が浮遊して前方へ進む（この場合の図は略）。現実のリンクの動きは前述したような単純なものではないが、要は、上部のリンクが狭まれば下部のリンクも狭まって脚長が長くなり、足が接地し、上部のリンクが広がれば下部のリンクも広がって脚長が短くなり、足が浮遊する。
【００３３】
ゆっくりとしたモーターの回転の場合は歩く動作になるが、回転が速くなるとキック力が増し、４足とも地面から離れる。いわゆる、走りの状態に移行する。回転の速さにより、競馬でいうキャンタ（ゆっくりした走り）やギャロップ（襲走）などが再現できる。
【００３４】
ただし玩具などの小さな４足走行マシンでは、動力に限界があるために、バウンド（跳躍）などの体全体を浮遊させる動作には別の工夫も必要になる。また動力源への負荷を軽減するためにも、何らかのエネルギー蓄積装置が必要になる。図８は、本発明の４足走行マシンの実施例における前脚と後脚の動作を説明するための別の例である。
【００３５】
図９は、同じ側面の前脚と後脚のリンクを別のアクチュエータで駆動する場合の例である。図１０は１モーターで図９の系を駆動する場合の構造の一例である。
【００３６】
前後左右の脚の取付角度を変えてやることによって、歩容を変えることができる。例えば、図６に示す例の歩容の場合には、左右の脚の位相差は１８０度である。これは図１１の（１）に示すように、マシンを側面から見たとき、左脚の節Ｂｌと右脚の節Ｂｒの位置関係が回転円と正反対の位置に取り付けられている。このため、節ＣｌとＣｒの回転ｒに対して前脚と後脚の運動方向が逆となる。（２）は位相差がθ度（＜１８０度）の場合で、節ＣｌとＣｒの移動のズレが少なくなっている。θを０度にすれば、右脚と左脚の位相差がなくなり、左右の脚が同方向に動き、兎跳びのような動作になる。
【００３７】
下記の表１は、モーターの回転速度と位相差による、４足走行マシンの平均移動速度の変化を調べた実験結果である。モーターの回転速度（角速度）が増せば、平均移動速度も増す。これは、容易に想像がつく。一方、位相差による平均移動速度は、同じ回転速度で比較すると、位相差が０度で最も速く、９０度で最も遅い。これは位相差０度、すなわち両足で同時にキックする走り方が最も大きな推進力を生み、位相が９０度のときは左右の脚の歩幅が通常時（位相差が１８０度時）より狭くなり、左右の脚のキックのタイミングが中途半端になるために速度が遅くなると推測できる。いずれにしろ表１の実験結果は、位相差を変えてやることによって、様々な歩き方（または走り方）と速度を作り出すことが可能なことを表している。
【００３８】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のマシンは、脚を４節リンク機構の大腿上部と大腿下部で構成し、大腿上部と大腿下部のつなぎの関節部分で動物の脚の関節の屈伸が再現でき、よりリアルな脚動を表現することができる。しかも、前後左右の脚の取り付け位置によって、位相差を調整することができるために、容易に歩容が変えられる利点がある。これにより通常歩行、兎跳び、小走り、大走りなどの動作が容易に実現できる。
【００４０】
本発明ではセンサーや制御装置については説明しなかったが、これらの機能を追加することによって、本格的な動物型ロボットを実現することができる。例えば制御装置にギャロップやトロットなどの指令を送ることによって、アクチュエータの駆動力を変えたり、位相差を機械的に変えたりすることもできる。また足底に力センサー（接地圧力センサー）を取り付けておき、力センサーの信号によって制御装置がマシンの走行状態を自動的に判断し、歩いているのか、あるいは走っているのかを判定することもできる。視覚センサー、速度センサーなどと組み合わせ、各センサーの信号を制御装置にフィードバックして指令との差異を修正することによって、動作の補正を行うことも可能となる。このように、本発明は単純な玩具（制御装置無しの玩具）から大がかりなロボットに至るマシンまで、幅広い応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】４節リンク機構の説明図である。
【図２】４節リンク機構におけるチェビシェフの第１近似直線運動機構の説明図である。
【図３】本発明の４足走行マシンの組立模型とリンク機構の説明図である。
【図４】本発明の４足走行マシンの説明図（側面図）である。
【図５】本発明の４足走行マシンの脚部における４節リンク機構の説明図である。
【図６】４足歩行動物の基本的な歩き方を説明するための図である。
【図７】本発明の４足走行マシンの実施例における前脚と後脚の動作を説明するための図である。
【図８】本発明の４足走行マシンの実施例における前脚と後脚の動作を説明するための図である。
【図９】本発明の４足走行マシンの実施例におけるアクチュエータでの駆動を説明する図である。
【図１０】本発明の４足走行マシンの実施例におけるアクチュエータでの駆動を説明する図である。
【図１１】本発明の４足走行マシンの実施例における左右の脚の位相差を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１        ４足走行マシン
１１０    前脚大腿上部
１１１    前脚大腿下部
１１２    後脚大腿上部
１１３    後脚大腿下部
１１４    足部（接地部）
１１４ｆ  前脚足部
１１４ｂ  後脚足部
１２１    台座
１３０    駆動装置
１４０    電源および制御装置収納部
１５０    前部（頭部、バランス用）
【図１】
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【図２】
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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】
2005144581.tif 000012
【図１１】
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【図３】
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