(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、バウンド（跳躍）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】脚の全てが地面から離れる浮遊相を含む歩容運動を行う４足走行マシン１において、胴体部５と前脚部２および後脚部３の間に前記胴体部と前記前脚部および前記後脚部との相対位置を変更可能とする両端に回動可能な節を持つジョイント部４を設ける。ジョイント部を回転することで浮遊相のときの重心の上下移動を少なくする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脚の全てが地面から離れる浮遊相を含む歩容運動を行う４足走行マシンにおいて、胴体部と前脚部および後脚部の間に前記胴体部と前記前脚部および前記後脚部との相対位置を変更可能とする両端に回動可能な節を持つジョイント部を設け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】
本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、バウンド（跳躍）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。特に、速く走ることのできる４足走行マシンを目的とする。
【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、脚の全てが地面から離れる浮遊相を含む歩容運動を行う４足走行マシンにおいて、胴体部と前脚部および後脚部の間に前記胴体部と前記前脚部および前記後脚部との相対位置を変更可能とする両端に回動可能な節を持つジョイント部を設けたことを特徴とする４足走行マシンである。
【００１６】
ジョイントの接続部が回動することで、浮遊相のときは胴体部は前脚部および後脚部に対して相対的に下げる方向へ移動するので、重心の上下移動が少なくなる。
【発明の効果】
【００１７】
浮遊相の時間を稼ぐ方法として、高くジャンプする方法がある。しかし高くジャンプするには大きなパワーが必要になり非効率的である。そこで、本発明では背骨に相当する部分に回動可能なジョイント部を設けて、重心位置の高さの変化を押さえることでき、その結果、高くジャンプすることなく、浮遊相の時間を稼ぐことができ、早い移動をすることができる。
【００１８】
脚の全てが地面から離れる浮遊相の場合、重力に抗するために、大きなパワーが要求される。そのため、なるべく少ないエネルギーで済むように、脚の運動に伴って、ジョイント部と前脚部および後脚部を繋ぐ節を回動させてマシン全体の重心位置の高さを略一定に保つことで、浮遊相の時間が長い歩容運動を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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４は、浮遊相にある本発明のマシンの一例の説明図である。本発明の４足走行マシン1は、前脚部2と後脚部3がジョイント部4を介して回動可能に胴体部5に接続されている。
【００２０】
図５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。
【００２１】
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。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。
【００２２】
図６は図４に示した実施例のマシンのギャロップの様子を示す連続図である。ジョイント部で前脚部、後脚部が回動する事で、走行時の重心位置の高さの変動が小さいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の４足走行マシンは、不整地での高速走行を可能にする移動体である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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である。
【図４】浮遊相にある本発明のマシンの一例の説明図である。
【図５】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６】図４に示した実施例のマシンのギャロップの様子を示す連続図である。
【符号の説明】
【００２５】
１        ４足走行マシン
２        前脚部
３        後脚部
４        ジョイント部
５        胴体部
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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