JP2001310278A

JP2001310278A - ４足歩行ロボット

Info

Publication number: JP2001310278A
Application number: JP2000125464A
Authority: JP
Inventors: Kan Yoneda; 完米田; Yusuke Ota; 祐介太田; Fumitoshi Ito; 文利伊藤
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-11-06

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】できるだけ少ない自由度で、不整地でも安定し
て歩行できると共に、軽量で消費エネルギーの小さい４
足歩行ロボットを提供する。【解決手段】回転対偶ｒの能動関節を有する胴体１と、
前記胴体の両端部にそれぞれ直動対偶α，βの能動関節
を介して接続された１対の脚部とで構成する。胴体中の
中央部分に前後方向軸の回転対駆動系を入れ、胴体の前
部と後部を捩る動作により遊脚の選択及び遊脚高さの調
節を行うことができる。また前２脚と、後２脚をそれぞ
れ対にして一体化し、それぞれの中央を鉛直軸の受動的
な回転対偶で胴体に接続する。この接続部分を胴体に対
して前後方向の並進対偶で接続駆動することで遊脚の前
後運動及び重心の前後運動を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は４足で歩行する４足
歩行ロボットに関し、特に自由度を少なくしても４足で
静的安定を保持して歩行できる４足歩行ロボットに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来４足で歩行するロボットは実現され
ており、十分な機能を発揮するために通常は１足につい
て３自由度（３駆動系）を具備し、３次元空間内の任意
の位置に脚を動かす機能を実現している。１足について
３自由度であれば、全体で１２の駆動系を必要とするこ
とになる。そのため、従来の４足歩行ロボットは多くの
駆動系を有し、駆動系が複雑で価格も高くなってしま
い、機械の重量が重くなってしまう。重量が重くなるこ
とにより、更に高出力のアクチュエータが必要になり、
重量が一層増すという悪循環に陥り易い。また、静止し
ている状態でもアクチュエータが力を出し続ける構造で
あるため、エネルギーの消費が多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の４
足歩行ロボットは多くの駆動系を有し、機械の重量が重
くなり、高出力のアクチュエータが必要であると共に、
静止状態でもアクチュエータがトルクを出し続ける機構
になっているため、エネルギー消費量が多くなる欠点が
ある。つまり、多自由度であるということは移動作業性
能の向上を意味するが、重量の増大、制御の複雑化等を
招く。このため、少ない自由度で、不整地でも安定して
歩行できる４足歩行ロボットの出現が望まれている。

【０００４】かかる目的で提案されている多足歩行機械
として、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．２
（Ａｐｒｉｌ，１９８４）の「多足歩行機械の自由度に
関する基本的考察」（金子、阿部、舘）がある。この文
献では、自由度についての分類が示され、その中で能動
自由度の総和と機構の自由度は、歩行機械の自由度に関
する考察を行う上で重要な指標になり得ることが示され
ている。そして、静的安定を前提とした多足歩行機械に
要求される最低限の機能として、（１）静的安定を保持
することができること、（２）不整地において任意の位
置に到達できること、（３）不整地において本体を水平
に保持し、かつ本体の絶対高さをできるだけ一定に保持
することができること、が示されている。これらの機能
を実現するためには、６つの能動自由度が必要かつ十分
な要件であることが示されている。

【０００５】このように従来自由度を減らした歩行機械
は存在するが、それでも６自由度であり、更なる簡素
化、軽量化が要請されている。また、上記文献に示され
ている技術では、静止状態でエネルギー消費の少ない構
造となっていない。

【０００６】本発明は上述のような事情からなされたも
のであり、本発明の目的は、できるだけ少ない自由度
で、不整地でも安定して歩行できると共に、軽量で消費
エネルギーの小さい４足歩行ロボットを提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は４足歩行ロボッ
トに関し、本発明の上記目的は、回転対偶の能動関節を
有する胴体と、前記胴体の両端部にそれぞれ直動対偶の
能動関節を介して接続された１対の脚部とを設けること
によって達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】４足歩行ロボットの機能を歩行の
立場から考慮すると、不整地において静的安定を保持し
ながら任意の足場を選択し、任意の位置に到達できるこ
とが重要である。この際、胴体の水平を保持する必要は
ない。そのためには、任意の１脚を遊脚化することがで
き、遊脚が３自由度を有することが必要十分である。

【０００９】４足歩行ロボットの歩行動作は、脚１本ず
つの動きに着目すると１脚３自由度で合計１２自由度で
あるが、直進やカーブに沿った歩行では歩行中の動作を
時間を追って見ていくと、動いているのは遊脚を上下す
る運動、遊脚を前に出す運動、胴体を前に出す運動のみ
である。遊脚は途中で切り替わるものの、同時に働かせ
ている自由度は常に３以下である。このことから、能動
関節（アクチュエータ）は位置を適切に行えば３自由度
で４足歩行が実現できると考えられる。遊脚の運動に３
自由度、重心の移動に１自由度の計４自由度が必要であ
るが、遊脚の運動を２自由度にしても、前後進、カー
ブ、旋回ができる。横歩きは遊脚の左右の運動が入るた
め、横歩きはできない。よって、３自由度でも使用可で
あり、４自由度なら更に良いということになる。また、
支持脚は地面との接触で拘束されているので、３自由度
分の拘束を駆動系で行う必要はないことから、受動的な
関節の導入が可能である。

【００１０】胴体の中央部分に前後方向軸の回転対駆動
系を入れ、胴体の前部と後部を捩る動作により遊脚の選
択及び遊脚高さの調節を行うことができる。また、前２
脚と後２脚をそれぞれ対にして一体化し、それぞれの中
央を鉛直軸の受動的な回転対偶で胴体に接続する。この
接続部分を胴体に対して前後方向の並進対偶で接続、駆
動することで遊脚の前後運動及び重心の前後運動を実現
する。かかる条件を満たすロボットが図１に示すもので
ある。

【００１１】本発明に係る図１のロボットでは、４足歩
行ロボットの自由度を減らすため、従来のような各脚毎
の駆動ではなく、長形状の胴体１の捻り、胴体１の両端
部に設けられた前脚部２及び後脚部３それぞれの前後運
動の合計３自由度の駆動を行う。胴体１の捻りは、胴体
１のほぼ中央部に設けられた回転対偶の能動関節（アク
チュエータ）γによって行われ、前脚部２及び後脚部３
の前後運動は、胴体１の両端部に設けられている直動対
偶の能動関節（アクチュエータ）α及びβによって行わ
れる。この３自由度により、不整地上での方向転換を含
む任意の歩幅の静的歩行を実現している。具体的にはア
クチュエータα及びβによって重心位置を前後させると
共に、遊脚の前後運動を行い、アクチュエータγによっ
て遊脚高さの変更や支持脚の不整地への安定した接地を
実現している。

【００１２】図２は、本発明に係る３自由度ロボットの
状態を重心投影点の位置と脚の接地状態で区分した様子
を示しており、重心投影点の位置は、支持脚対角線によ
って分割される４つの範囲Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで区分されて
いる。その結果、ロボットの状態を図２に示す４脚全脚
接地状態（図２（Ｂ），（Ｄ））の２状態と、１脚の遊
脚状態（図２（Ａ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｆ））の４状
態の計６状態に分けることができる。なお、区分Ｂ及び
Ｄに重心投影点が入る位置は、使用しないものとしてい
る。また、図２において、印は接地されていない遊脚を
示し、●は接地された支持脚を示している。

【００１３】ここで、重心投影点を区分ＡからＣへ移動
するためには、能動関節（アクチュエータ）α及びβを
同時に逆方向へ動かすことで実現できる。また、全脚が
接地して重心投影点が区分Ａにある図２（Ｅ）の状態Ａ
０において、能動関節（アクチュエータ）γを正方向に
駆動すると、４番の脚が遊脚となる図２（Ｆ）の状態Ａ
４に、負方向に駆動すると３番の脚が遊脚となる状態Ａ
３に移行できる。更に、全脚が接地して重心投影点が区
分Ｄにある図２（Ｂ）の状態Ｄ０において、能動関節
（アクチュエータ）γを駆動すると、１番の脚、２番の
脚がそれぞれ遊脚となる図２（Ａ）の状態Ｄ１と図２
（Ｃ）の状態Ｄ２に移行できる。図２（Ａ）の状態Ｄ１
において、遊脚は能動関節（アクチュエータ）α、β、
γの駆動により３自由度を有する。対称性を考慮する
と、状態Ｄ２，Ａ３，Ａ４においても遊脚は３自由度を
持つ。表１は、基準姿勢における能動関節（アクチュエ
ータ）α、β、γと遊脚の運動の関係を示す。

【００１４】

【表１】図３は本発明の外観を示しており、ロボットの諸元を表
２に示す。

【００１５】

【表２】能動関節α、βはボールネジを用いた直動機構によって
構成し、能動関節γはハーモニックギアを介して駆動す
る。

【００１６】また、ロボットの実際の設計は図４及び図
５に示す構造となっている。即ち、胴体１の中央部には
胴体回転部（能動関節γ）１０が設けられており、胴体
１の両端部に脚部１１及び１２が架設されており、脚部
１１及び１２の両端部には歩行用の足１３及び１４が垂
下されている。脚部１１及び１２は、それぞれ受動関節
部（能動関節α及びβ）１５及び１６を介して胴体１の
上部に結合され、図示の左右方向に直動アクチュエータ
１７及び１８によって移動されるようになっている。ま
た、胴体回転部（能動関節γ）１０は、回動アクチュエ
ータ１９によって回動される。

【００１７】上述の例は３自由度の４足歩行ロボットで
あるが、脚部を伸縮可能にした４自由度のロボットを図
６に示す。図６の例では、差動回転により駆動される能
動関節δを脚部に設け、脚部を自由に伸縮するようにな
っている。

【００１８】図７は能動関節δの詳細機構を示してお
り、アクチュエータ３０は差動機構３１を駆動し、その
差動動作によって傘歯車機構３２及び３３を駆動する。
傘歯車機構３２及び３３にはそれぞれスクリュー３４及
び３５が螺合されており、スクリュー３４及び３５には
それぞれナット３６Ａ，３６Ｂ及び３７Ａ，３７Ｂが螺
合されている。スクリュー３４及び３５のネジは中央部
に対して、両端方向に逆に刻設されている。また、ナッ
ト３６Ａ，３６Ｂ及び３７Ａ，３７Ｂにはそれぞれ脚部
の端部分が結合されており、傘歯車機構３２を介してス
クリュー３４を回動することによりナット３６Ａ，３６
Ｂが開くか又は閉まり、傘歯車機構３３を介してスクリ
ュー３５を回動することによりナット３７Ａ，３７Ｂが
開くか又は閉まる。ナット３６Ａ，３６Ｂ及び３７Ａ，
３７Ｂは脚部の両端部に結合されているので、図６に示
す足及びの間隔、足及びの間隔を差動的に制御
することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明の４足歩行ロボッ
トによれば、少ない自由度（３又は４自由度）で構成し
ており、それにより軽量化を実現していると共に、制御
機構も簡易になる。しかも、安定した歩行機能を維持し
つつ自由度をできるだけ少なくし、軽量化を図ってい
る。また、静止時のエネルギー消費が少ない構造となっ
ており、搭載電力源の軽量化も図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３自由度ロボットの原理的な構造
図である。

【図２】本発明に係るロボットの動作例を示す重心投影
図である。

【図３】本発明に係るロボットの外観図である。

【図４】実際のロボットの平面構造図である。

【図５】図４におけるＡ−Ａ断面図である。

【図６】本発明に係る４自由度ロボットの原理的な構造
図である。

【図７】脚部の伸縮機構の一例を示す機構図である。

【符号の説明】

１胴体２前脚部３後脚部 α、β 直動対偶の能動関節（アクチュエータ） γ 回転対偶の能動関節（アクチュエータ）１０胴体回転部（能動関節γ）１１、１２脚部１３、１４足３０アクチュエータ３１差動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤文利東京都大田区下丸子３−30−２キャノン株式会社内Ｆターム(参考） 3F060 AA00 CA14 CA26 GA05 GA13 GB11 GB19 GB25 GB28 GD13 HA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転対偶の能動関節を有する胴体と、前記
胴体の両端部にそれぞれ直動対偶の能動関節を介して接
続された１対の脚部とを具備して成ることを特徴とする
４足歩行ロボット。
【請求項２】前記１対の脚部は腕部を介して足を垂下し
た構造になっている請求項１に記載の４足歩行ロボッ
ト。
【請求項３】前記腕部が伸縮するようになっている請求
項２に記載の４足歩行ロボット。
【請求項４】前記腕部の伸縮を差動機構によって行うよ
うになっている請求項３に記載の４足歩行ロボット。