JP2003291080A - ２足歩行ロボットの下半身モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脚部をパラレルリンク機構により構成してい
るので脚部が大きな負荷に耐えることができ、重量物の
搬送が可能で実用性に優れると共に、重量の大きい上半
身を搭載又は組み込むことができ設計の自由度に優れる
２足歩行ロボットの下半身モジュールを提供することを
目的とする。 【解決手段】 本発明の２足歩行ロボットの下半身モジ
ュール１は、ベース部２と、右足部３及び左足部４と、
ベース部２と右足部３及び左足部４の各々に配設された
複数の受動ジョイント６、７、８と、ベース部２に配設
された受動ジョイント６と右足部３に配設された受動ジ
ョイント７、８との間、及び、ベース部２に配設された
受動ジョイント６と左足部４に配設された受動ジョイン
ト７、８との間に各々配設されたパラレルリンク機構部
１ａ、１ｂと、を備えた構成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下半身のみで歩行
動作を行うことができる２足歩行ロボットの下半身モジ
ュールに関し、特に脚部の機構としてパラレルリンク機
構を用いた２足歩行ロボットの下半身モジュールに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、人間の生活環境で活動する人間形
ロボット、いわゆるヒューマノイドロボットの研究、開
発がさかんに行われている。ヒューマノイドロボット
は、工業生産だけでなく、家事、高齢者介護等、人間の
生活を快適にする目的で使用される場合が多く、人間の
ために作られた環境において不特定の使用者と密着して
作業するため、それに適した形態と機能を持つ必要があ
る。また、特別な使用訓練を必要とせず安全で柔軟なイ
ンターフェースを備えることも要求され、極めて多くの
研究課題がある。特に、移動手段として人間と同様に２
足を有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットは、多くの
研究機関や企業で鋭意研究され開発されている。

【０００３】従来の２足歩行ロボットは、共通して脚部
の機構に運動学的制約が少ないシリアルリンク機構が用
いられていた。シリアルリンク機構とは、複数のリンク
を直列に連結した機構であり、産業用マニピュレータ等
に広く用いられている。

【０００４】このようなシリアルリンク機構により脚部
を構成した２足歩行ロボットとしては、特開平５−２３
７７７５号公報（以下、イ号公報という）に、「基体
と、それに連結され、２個のリンクを結合する関節を少
なくとも１個有する少なくとも１個のリンク機構と、前
記リンク機構の関節を駆動する駆動手段とその駆動手段
の動作を制御する制御機器と、を備えたことを特徴とす
る２足歩行ロボット」が開示されている。

【０００５】図７は従来の２足歩行ロボットの模式図で
ある。なお、図７においては、右脚部のみについて説明
し、左脚部については右脚部と同様の構成であるので説
明を省略する。図７において、１００は従来の２足歩行
ロボット、１０１は股部の回転方向運動用の関節、１０
２は股部の前後方向運動用の関節、１０３は股部の左右
方向運動用の関節、１０４は膝部の前後方向運動用の関
節、１０５は足首部の前後方向運動用の関節、１０６は
足首部の左右方向運動用の関節、１０７は足部、１０８
は基体、１０９は股部の関節１０１、１０２、１０３と
膝部の関節１０４を連結する大腿リンク、１１０は膝部
の関節１０４と足首部の関節１０５、１０６を連結する
下腿リンクである。

【０００６】図７に示すように、従来の２足歩行ロボッ
ト１００は、右脚部及び左脚部に各々６個の関節を備え
る。股部と足首部には各々前後左右方向の２つの関節が
直角に配置されており、その関節軸線は空間の１点で交
わっている。股部の前後方向運動用の関節１０２と膝部
の前後方向運動用の関節１０４と足首部の前後方向運動
用の関節１０５は、その回転軸が平行に配置されてお
り、他の３つの自由度がどの様に振る舞っても、この３
つの関節１０２、１０４、１０５の相対位置関係は変わ
らないように構成されている。また、股部においては、
脚部全体の回動を行う第３の自由度として回転方向運動
用の関節１０１が設けられており、その回転軸は、関節
１０２、１０３の軸の交点でこれら２軸と互いに直交す
るよう配設されている。

【０００７】また、特開２００１−１２１４６０号公報
（以下、ロ号公報という）には、「第１部材と第２部材
とを相対的に空間６自由度で駆動するパラレルリンク駆
動機構であって、該パラレルリンク機構は、第１部材と
第２部材とを連結する、２自由度駆動機能を有する少な
くとも３本のユニットリンクから構成され、各ユニット
リンクは、第１腕及び第２腕と、第１部材と第１腕を連
結する１自由度回転駆動関節と、第１腕と第２腕を連結
する１自由度回転駆動１自由度回転従動関節と、第２腕
と第２部材とを連結する３自由度回転従動関節と、を備
えたことを特徴とするロボット用パラレルリンク駆動機
構」が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術では、以下のような課題を有していた。 （１）イ号公報に記載の２足歩行ロボットでは、脚部が
シリアルリンク機構により構成されているため脚部の先
端に配設された足部における出力が小さく構造的に大き
な負荷に耐えられず、例えば上半身として重量の大きい
ものを搭載又は組み込むことができず設計の自由度に欠
けると共に、上半身に腕部等を設けた場合に腕部で重量
物を持って高速で移動することができず実用性に欠ける
という課題を有していた。 （２）また、従来の２足歩行ロボットは、下半身の脚部
がシリアルリンク機構により構成され構造的に安定性に
欠けるため、上半身と下半身を組み合わせて協調的に動
作させるよう設計されていた。このため、下半身のみ設
計することは困難であり、下半身は上半身の構造や動作
を考慮して設計する必要があったため設計の自由度に欠
けるという課題を有していた。 （３）ロ号公報に記載のロボット用パラレルリンク駆動
機構では、各々のユニットリンクが直列に連結された第
１腕と第２腕により構成されているため、このロボット
用パラレルリンク駆動機構をロボットの左右の脚部に用
いた場合、各々の機構が互いに干渉するため動作が制限
されると共に、設計の自由度に欠け実用性に欠けるとい
う課題を有していた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、脚部をパラレルリンク機構により構成しているので
脚部が大きな負荷に耐えることができ、重量物の搬送が
可能で実用性に優れると共に、重量の大きい上半身を搭
載又は組み込むことができ設計の自由度に優れる２足歩
行ロボットの下半身モジュールを提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の２足歩行ロボットの下半身モジュールは、以
下の構成を有している。

【００１１】本発明の請求項１に記載の２足歩行ロボッ
トの下半身モジュールは、ベース部と、右足部及び左足
部と、前記ベース部と前記右足部及び前記左足部の各々
に配設された複数の受動ジョイントと、前記ベース部に
配設された前記受動ジョイントと前記右足部に配設され
た前記受動ジョイントとの間、及び、前記ベース部に配
設された前記受動ジョイントと前記左足部に配設された
前記受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリ
ンク機構部と、を備えた構成を有している。

【００１２】この構成により、以下のような作用を有す
る。 （１）下半身モジュールの脚部が、ベース部と右足部及
び左足部との間に各々複数のリンクが並列に配設された
パラレルリンク機構部により形成されているので、各々
のリンクに負荷が分散され大きな負荷に耐えることがで
き剛性を高くすることができると共に、右足部及び左足
部における出力が大きく、重量物の搭載や搬送等が可能
で実用性に優れる。 （２）下半身モジュールの脚部が、ベース部と右足部及
び左足部との間に各々複数のリンクが並列に配設された
パラレルリンク機構部により形成されているので、歩行
動作中におけるリンクの可動変位の誤差による右足部又
は左足部の位置誤差が平均化され高精度の位置決めを行
うことができると共に、リンクの変位を検出する検出器
に高い分解能を必要としないため生産性に優れる。 （３）下半身モジュールの脚部の動作に上半身の補償動
作を必要としないため、重量の大きい上半身を搭載又は
組み込むことができ設計の自由度に優れる。 （４）下半身モジュールの脚部がパラレルリンク機構部
により形成されているので、動作制御のための逆運動学
の計算が容易であり、歩行パターンを生成するコンピュ
ータの負担を軽減することができる。 （５）下半身モジュールの脚部がパラレルリンク機構部
により形成されているので、シリアルリンク機構に比
べ、下半身モジュールが低い姿勢をとった場合にリンク
のアクチュエータにかかる負荷トルクを低減できると共
に、アクチュエータの動力を節約でき省エネルギ性に優
れる。 （６）パラレルリンク機構部を構成する複数のリンクと
して同一の構造のものを用いることができるので、製造
時の省コスト性及び省力性に優れると共に、メンテナン
ス性を向上させることができる。

【００１３】ここで、パラレルリンク機構部は、ベース
部と右足部、及び、ベース部と左足部の間に各々配設さ
れ、各々のパラレルリンク機構部には複数のリンクが並
列に配設されている。リンクとしては、モータを用いた
送り螺子機構を有するものや、油圧、水圧、空気圧シリ
ンダや直動型アクチュエータ等を用いた直動リンクや、
２以上の棒状部材を駆動関節により連結したもの等種々
のものが用いられる。なお、直動リンクを用いた場合、
各々の直動リンクはその軸方向へ伸縮するため互いに干
渉することがなく装置の小型化及びコンパクト化が可能
であり好ましい。受動ジョイントとしては、ユニバーサ
ルジョイント、ボールジョイント、又は２軸の軸継手、
或いはこれらと１軸或いは２軸の軸継手の組合せ等を各
々適宜ベース側や右足部側、左足部側に配置して用いら
れる。なお、ユニバーサルジョイントを用いた場合、ボ
ールジョイントに比べ可動範囲が広くなるため好まし
い。

【００１４】請求項２に記載の２足歩行ロボットの下半
身モジュールは、請求項１に記載の発明において、前記
ベース部と前記右足部との間及び前記ベース部と前記左
足部との間に配設された各々３組の前記パラレルリンク
機構部を備えた構成を有している。

【００１５】この構成により、請求項１の作用に加え、
以下のような作用を有する。 （１）左右の脚部に用いられる各々のパラレルリンク機
構部は、２本のリンクを１組としてＶ字形状に配設さ
れ、それが３組配設されたスチュワートプラットフォー
ムにより構成されているので、安定性及び剛性に優れる
と共に、動作制御を簡便化することができる。

【００１６】ここで、下半身モジュールの左右の脚部に
用いられる各々のパラレルリンク機構部は、ベース部の
中央の両側に対称に配設されることが好ましい。また、
パラレルリンク機構部に用いられるリンクも、左右の脚
部で同様に対称に配設されることが好ましい。これによ
り、歩行動作制御を行うためのＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏ
ｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）制御が可能であり、歩行動作時
の安定性に優れる。

【００１７】請求項３に記載の２足歩行ロボットの下半
身モジュールは、請求項１又は２に記載の発明におい
て、前記パラレルリンク機構部が、各々６自由度を有し
た構成を有している。

【００１８】この構成により、請求項１又は２の作用に
加え、以下のような作用を有する。 （１）パラレルリンク機構部が各々６自由度を有するこ
とにより、右足部及び左足部が多様な動作を行うことが
でき、歩行動作を円滑に行うことができる。 （２）右脚のパラレルリンク機構部と左脚のパラレルリ
ンク機構部とが対称に配設された場合、各々のパラレル
リンク機構部が６自由度を有することにより、歩行動作
時に下半身モジュールの腰軸に軸周方向のモーメントが
かからないよう歩行制御を行うことができるため、歩行
時にベース部が腰軸の軸周方向の回動することなく安定
した歩行が可能である。

【００１９】請求項４に記載の２足歩行ロボットの下半
身モジュールは、請求項１乃至３の内いずれか１項に記
載の発明において、前記パラレルリンク機構部のリンク
として、前記ベース部と前記右足部との間、及び前記ベ
ース部と前記左足部との間に前記受動ジョイントを介し
て各々複数立設された伸縮可能な直動リンクを備えた構
成を有する。

【００２０】この構成により、請求項１乃至３の内いず
れか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。 （１）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向
がリンクの長手方向である直動リンクと用いることで、
各々の直動リンクが互いに干渉することがないため装置
の小型化及びコンパクト化が可能であると共に、設計の
自由度に優れる。 （２）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向
がリンクの長手方向である直動リンクを用いることで、
直動リンクの伸長時と短縮時で直動リンクのアクチュエ
ータにかかる負荷に大きな差が出ないため、下半身モジ
ュールが低い姿勢をとった場合にアクチュエータにかか
る負荷トルクを低減できると共に、アクチュエータの動
力を節約でき省エネルギ性に優れる。 （３）各々の直動リンクには引っ張り力及び圧縮力のみ
が印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及び
剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり設
計の自由度に優れる。

【００２１】請求項５に記載の２足歩行ロボットの下半
身モジュールは、請求項１乃至４の内いずれか１項に記
載の発明において、前記パラレルリンク機構部のリンク
が、各々アクチュエータとして直動型アクチュエータを
備えた構成を有している。

【００２２】この構成により、請求項１乃至４の内いず
れか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。 （１）直動リンクをその長手方向に伸縮させるために、
直動型アクチュエータを用いることができるので、部品
点数を減少させることができると共に、高精度の変位制
御を容易に行うことができる。

【００２３】請求項６に記載の２足歩行ロボットの下半
身モジュールは、請求項５に記載の発明において、前記
直動型アクチュエータが、前記直動リンクの前記ベース
部側に配設された構成を有している。

【００２４】この構成により、請求項５の作用に加え、
以下のような作用を有する。 （１）直動型アクチュエータがベース部側に配設される
ため、直動リンクの右足部及び左足部側の重量を軽減す
ることができ、右足部及び左足部を動作させる動力を低
減させることができ省エネルギ性及び安定性に優れる。

【００２５】請求項７に記載の２足歩行ロボットの下半
身モジュールは、請求項１乃至６の内いずれか１項に記
載の発明において、前記受動ジョイントとして、前記ベ
ース部に固定されたコ字形状のベース部側上部継手と、
前記直動リンクの端部に固定されたコ字形状のベース部
側下部継手と、前記ベース側上部継手と前記ベース側下
部継手を直交状に回動自在に連結する連結回動部と、を
有するベース部側受動ジョイントと、前記直動リンクの
端部に固定されたコ字形状の足部側上部継手と、前記足
部に回動自在に固定されたコ字形状の足部側下部継手
と、前記足側上部継手と前記足側下部継手を直交状に回
動自在に連結する連結回動部と、を有する足側受動ジョ
イントと、を備えた構成を有している。

【００２６】この構成により、請求項１乃至６の内いず
れか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。 （１）直動リンクが、２自由度を有するベース部側受動
ジョイントと、３自由度を有する足部側受動ジョイント
により、その両端においてベース部と足部に連結されて
いるので、各々の受動ジョイントが直動リンクの伸縮に
追従してこれを妨げることなく円滑に従動し、安定した
動作が可能であると共に、可動範囲を広く設定すること
ができる。 （２）左右脚のパラレルリンク機構部が、各々６自由度
に形成されるため、右足部及び左足部が、前後、左右、
上下、及び前後方向、左右方向、上下方向を軸とした軸
周方向の動作が可能であり、多様な動作を行うことがで
き、歩行動作を円滑に行うことができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて、図を用いて説明する。 （実施の形態１）図１（ａ）は本実施の形態１における
２足歩行ロボットの下半身モジュールの模式斜視図であ
り、図１（ｂ）は本実施の形態１における２足歩行ロボ
ットの下半身モジュールの模式平面図である。

【００２８】図１において、１は本実施の形態１におけ
る２足歩行ロボットの下半身モジュール、１ａは右脚の
パラレルリンク機構部、１ｂは左脚のパラレルリンク機
構部、２はベース部、３は右足部、４は左足部、５ａ、
５ａ′、５ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′は直動リンク、６
ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６ｃ′はベース部側
受動ジョイント、７ａ、７ｂ、７ｃは足部側受動ジョイ
ント、８ａ、８ｂ、８ｃは回動受動ジョイントである。
なお、左脚のパラレルリンク機構部１ｂの各部は右脚の
パラレルリンク機構部１ａと対称で同一構成なので説明
を省略する。

【００２９】ここで、ベース部側受動ジョイント６ａ、
６ａ′はベース部２の下面の右後部側に配設されてい
る。足部側受動ジョイント７ａは右足部３の右後部側に
配設され、その下部には回動受動ジョイント８ａが配設
されている。直動リンク５ａは上端部がベース部側受動
ジョイント６ａに連結され、下端部が足部側受動ジョイ
ント７ａに連結されている。直動リンク５ａ′は上端部
がベース部側受動ジョイント６ａ′に連結され、下端部
が足部側受動ジョイント７ａに連結されている。ベース
部側受動ジョイント６ｂ、６ｂ′はベース部２の下面の
右前部側に配設されている。足部側受動ジョイント７ｂ
は右足部３の右前部側に配設され、その下部には回動受
動ジョイント８ｂが配設されている。直動リンク５ｂは
上端部がベース部側受動ジョイント６ｂに連結され、下
端部が足部側受動ジョイント７ｂに連結されている。直
動リンク５ｂ′は上端部がベース部側受動ジョイント６
ｂ′に連結され、下端部が足部側受動ジョイント７ｂに
連結されている。ベース部側受動ジョイント６ｃ、６
ｃ′はベース部２の下面の右中央部に配設されている。
足部側受動ジョイント７ｃは右足部３の右中央部に配設
され、その下部には回動受動ジョイント８ｃが配設され
ている。直動リンク５ｃは上端部がベース部側受動ジョ
イント６ｃに連結され、下端部が足部側受動ジョイント
７ｃに連結されている。直動リンク５ｃ′は上端部がベ
ース部側受動ジョイント６ｃ′に連結され、下端部が足
部側受動ジョイント７ｃに連結されている。このよう
に、右脚のパラレルリンク機構部１ａと左脚のパラレル
リンク機構部１ｂはベース部２の中央に対してその両側
に対称に配設されている。これにより、歩行動作制御を
行うためのＺＭＰ制御が可能であり、歩行動作時の安定
性に優れる。

【００３０】また、直動リンク５、５ａ、５ａ′、５
ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′（以下、直動リンク５、５ａ
〜５ｃ′とする）は、モータを用いた送り螺子機構や、
油圧、水圧、空気圧等を用いたシリンダ等の直動型アク
チュエータを用いて伸縮自在に形成され、その長手方向
に伸縮する１自由度に形成されている。ベース部側受動
ジョイント６、６ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６
ｃ′（以下、ベース部側受動ジョイント６、６ａ〜６
ｃ′とする）は、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′の長手方
向に直交し、且つ各々直交する２軸の軸周方向に回動す
る２自由度に形成されている。足部側受動ジョイント
７、７ａ、７ｂ、７ｃは、直動リンク５、５ａ〜５ｃ′
の長手方向に直交し、且つ各々直交する２軸の軸周方向
に回動する２自由度に形成されている。回動受動ジョイ
ント８、８ａ、８ｂ、８ｃは、直動リンク５、５ａ〜５
ｃ′の軸周方向に回動する１自由度に形成されている。
このように、パラレルリンク機構部１ａ、１ｂは各々６
自由度に形成されているため、右足部３及び左足部４
は、前後、左右、上下、及び前後方向、左右方向、上下
方向を軸とした軸周方向の動作が可能であり、多様な動
作を行うことができ、歩行動作を円滑に行うことができ
る。

【００３１】また、右脚のパラレルリンク機構部１ａと
左脚のパラレルリンク機構部１ｂとがベース部２の中央
に対してその両側に対称に配設され、且つ、各々のパラ
レルリンク機構部１ａ、１ｂが６自由度を有することに
より、歩行動作時に下半身モジュール１の腰軸、すなわ
ちベース部２の中央を通りベース部２に直交する軸の軸
周方向にモーメントがかからないよう歩行制御を行うこ
とができる。これにより、歩行時にベース部２が腰軸の
軸周方向の回動することなく、転倒することなく安定し
た歩行が可能である。

【００３２】以上のように構成された本実施の形態１に
おける２足歩行ロボットの下半身モジュールについて、
以下その動作を図を用いて説明する。なお、本実施の形
態１においては、下半身モジュールの右脚の動作につい
て説明する。左脚の動作については右脚と同様であるの
で説明を省略する。

【００３３】右脚を動作させる場合、予め設定された歩
行パターンに基づいて右足部３の逆運動学を計算し、算
出された値に基づいて直動リンク５ａ〜５ｃ′の各々の
図示しないアクチュエータを駆動させ直動リンク５ａ〜
５ｃ′を伸縮させる。直動リンク５ａ〜５ｃ′とベース
部２又は右足部３との連結部分に配設されているベース
部側受動ジョイント６ａ〜６ｃ′、足部側受動ジョイン
ト７ａ〜７ｃ、及び回動継手８ａ〜８ｃは、直動リンク
５ａ〜５ｃ′の伸縮に追従してこれを妨げることなく円
滑に従動する。直動リンク５ａ〜５ｃ′のアクチュエー
タの駆動は各々に配設されたロータリエンコーダ等の図
示しない検出器により検出され、取得された検出値は角
度データとしてフィードバックされ直動リンク５ａ〜５
ｃ′はフィードバック制御される。これにより、右足部
３は、一歩踏み出す動作やその場で足踏みする動作等を
行うことができる。更に、このような動作を右足部３と
左足部４で交互に連続して行うことにより、歩行動作を
行うことができる。

【００３４】以上のように、本実施の形態１における２
足歩行ロボットの下半身モジュール１は構成されている
ので、以下のような作用を有する。 （１）下半身モジュール１の脚部が、ベース部２と右足
部３及び左足部４との間に各々複数の直動リンク５が並
列に配設されたパラレルリンク機構部１ａ、１ｂにより
形成されているので、各々の直動リンク５に負荷が分散
され大きな負荷に耐えることができ剛性を高くすること
ができると共に、右足部及び左足部における出力が大き
く、重量物の搭載や搬送等が可能で実用性に優れる。 （２）歩行動作中における直動リンクの可動変位の誤差
による右足部３又は左足部４の位置誤差が平均化され高
精度の位置決めを行うことができると共に、直動リンク
５の変位を検出する検出器に高い分解能を必要としない
ため生産性に優れる。 （３）下半身モジュール１の脚部の動作に上半身の補償
動作を必要としないため、重量の大きい上半身を搭載又
は組み込むことができ設計の自由度に優れる。 （４）下半身モジュール１の脚部がパラレルリンク機構
部１ａ、１ｂにより形成されているので、動作制御のた
めの逆運動学の計算が容易であり、歩行パターンを生成
するコンピュータの負担を軽減することができる。 （５）シリアルリンク機構に比べ、下半身モジュール１
が低い姿勢をとった場合に直動リンク５のアクチュエー
タにかかる負荷トルクを低減できると共に、アクチュエ
ータの動力を節約でき省エネルギ性に優れる。 （６）パラレルリンク機構部１ａ、１ｂを構成する直動
リンク５として同一の構造のものを用いることができる
ので、製造時の省コスト性及び省力性に優れると共に、
メンテナンス性を向上させることができる。 （７）左右の脚部に用いられる各々のパラレルリンク機
構部１ａ、１ｂは、２本の直動リンク５を１組としてＶ
字形状に配設され、それが３組配設されたスチュワート
プラットフォームにより構成されているので、安定性及
び剛性に優れると共に、動作制御を簡便化することがで
きる。 （８）各々の直動リンク５には引っ張り力及び圧縮力の
みが印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及
び剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり
設計の自由度に優れる。

【００３５】（実施の形態２）図２は本実施の形態２に
おける２足歩行ロボットの下半身モジュールの斜視図で
ある。

【００３６】図２において、１ｃは本実施の形態２にお
ける２足歩行ロボットの下半身モジュール、２はベース
部、３は右足部、３ａは右足部３の上部に固定された平
板状の固定板、４は左足部、４ａは左足部４の上部に固
定された平板状の固定板、９はベース部２の上面に配設
された制御装置部、９′は制御装置部９の後部に配設さ
れた制御用コンピュータ、１０はジャイロ、１１はバッ
テリ、１２はモータ駆動用回路部、１５はベース部２と
右足部３及び左足部４の間に各々立設された直動リン
ク、１６はベース部２の下面側の所定位置に固定された
ベース部側受動ジョイント、１７は右足部３及び左足部
４の固定板３ａ、４ａの上面側の所定位置に回動自在に
固定された足部側受動ジョイントである。

【００３７】ここで、本実施の形態２においては、直動
リンク１５は後述する送り螺子機構により長手方向に伸
縮自在に形成されている。送り螺子機構の代わりに油
圧、水圧、空気圧等を用いたシリンダや直動型アクチュ
エータを用いた機構としてもよい。また、直動リンク１
５は、２つを１組として上端部が各々ベース部側受動ジ
ョイント１６に連結され下端部が１つの足部側受動ジョ
イント１７に連結されたＶ字形状に配設されている。１
組の直動リンク１５は、右脚及び左脚に各々３組ずつ、
平面視三角形状に配設され、片脚に６本、合計１２本が
配設されている。すなわち、本実施の形態２における２
足歩行ロボットの下半身モジュール１ｃの左右の脚部
は、各々スチュワートプラットフォームにより構成され
ている。これにより、動作の安定性及び強度に優れる。
また、１つのベース部側受動ジョイント１６には１つの
直動リンク１５の上端部が連結され、１つの足部側受動
ジョイント１７には２つの直動リンク１５の下端部が連
結されている。ジャイロ１０、バッテリ１１、モータ駆
動用回路部１２は制御装置部９に配設されている。本実
施の形態２においては、バッテリ１１としてニッケル水
素バッテリを使用した。また、右足部３及び左足部４の
底面側に、床反力を検出する６軸力覚センサを設けるこ
ともできる。６軸力覚センサは、各軸方向の力３成分と
各軸周りのモーメント３成分を同時に且つ逐次連続的に
高精度で検出することができる。また、６軸力覚センサ
で検出された値を基にＺＭＰ制御を行うこともできる。

【００３８】次に、直動リンクの構造について図を用い
て詳細に説明する。図３は直動リンクの要部斜視図であ
り、図４（ａ）は直動リンクの要部側面図であり、図４
（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線の要部矢視断面図であ
る。

【００３９】図３又は図４において、１５は直動リン
ク、２１は後述のモータ、ギアユニット、保持ブレー
キ、ロータリエンコーダ等を保持する保持ケーシング、
２２は保持ケーシング２１から延設された中空状のアウ
ターチューブ部、２３はアウターチューブ部２２に挿設
され直動リンク１５の長手方向に摺動するインナーロッ
ド部である。直動リンク１５の伸縮はインナーロッド部
２３が摺動することにより行われる。２４はインナーロ
ッド部２３にその長手方向に形成された雄螺子軸挿通
孔、２５はインナーロッド部２３の外周に上下に対向し
てその長手方向に敷設されたロッドレール部、２６はロ
ッドレール部２５が嵌合して摺動するレールガイド部、
２７はインナーロッド部２３の初期位置を検出する初期
位置センサ、２８はモータ、２９はモータ２８の回動軸
の回動を所定の回動速度に減速するギアユニット、３０
は非通電時においてモータ２８の回動軸を固定しインナ
ーロッド部２３を保持するための保持ブレーキ、３１は
モータ２８の回動軸の回動を検出するロータリエンコー
ダ、３２はギアユニット２９を介した回動軸と後述の雄
螺子軸部を連結するカップリング、３３は後述の雄螺子
軸部を支持するベアリング、３４はアウターチューブ部
２２の内部にインナーロッド部２３の雄螺子軸挿通孔２
４に挿通されて配設され外周が螺子切りされた雄螺子軸
部、３５はインナーロッド部２３のアウターチューブ部
２２の内部側の端部の雄螺子軸挿通孔２４内に固定され
雄螺子軸部３４に螺合した雌螺子ナット部、３６ａ、３
６ｂはストッパである。

【００４０】ここで、本実施の形態２においては、保持
ケーシング２１及びアウターチューブ部２２の材質とし
て、軽量で且つ比較的強度の高いアセタール系プラスチ
ックのジュラコンを用いた。また、初期位置センサ２７
として、フォトマイクロセンサを用いた。モータ２８、
ギアユニット２９、保持ブレーキ３０、ロータリエンコ
ーダ３１を保持する保持ケーシング２１に冷却用スリッ
トや空冷フィンを形成しモータ２８を冷却することがで
きる。これにより、モータ２８の負荷を低減することが
できる。また、同様の目的で冷却用のファンを系内に配
設することもでき、同様の効果を得ることができる。モ
ータ２８、ギアユニット２９、保持ブレーキ３０、ロー
タリエンコーダ３１は、直動リンク１５のベース部２側
に配設されたケーシング２１内に配設されている。これ
により、直動リンク１５における右足部３又は左足部４
側の重量を軽減することができるので、右足部３又は左
足部４を動作させる動力を低減させることができ省力性
及び安定性に優れる。また、本実施の形態２において
は、雄螺子軸部３４と雌螺子ナット部３５を螺合させる
ために滑り螺子を用いている。これにより、インナーロ
ッド部２３を高速で摺動させることができ、歩行速度を
向上させることができる。なお、雄螺子軸部３４と雌螺
子ナット部３５の螺合は滑り螺子に限られるものではな
く、ボール螺子を用いることもできる。ボール螺子を用
いた場合は、螺合部分の摩擦抵抗を低減することができ
るが、装置が大型化したり、リード角の設定等が制限さ
れたりするため、装置の大きさや必要な可動速度等を考
慮して適宜選択されることが好ましい。

【００４１】図３又は図４に示すように、モータ２８が
駆動されると、その回動軸が回動しギアユニット２９に
より所定の減速比で減速された回動速度により雄螺子軸
部３４が回動する。雄螺子軸部３４にはインナーロッド
部２３に固定された雌螺子ナット部３５が螺合してい
る。ここで、インナーロッド部２３は外周面に設けられ
たロッドレール部２５がレールガイド２６に嵌合してい
るため、長手方向には摺動するが軸周方向には回動しな
い。これにより、雄螺子軸部３４が回動すると、送り螺
子機構により雌螺子ナット部３５を介してインナーロッ
ド部２３がその長手方向に摺動する。このようにして、
直動リンク１５の伸縮が行われる。

【００４２】続いて、ベース部側受動ジョイントの構造
について図を用いて詳細に説明する。図５はベース部側
受動ジョイントの要部斜視図である。

【００４３】図５において、２はベース部、１５は直動
リンク、１６はベース部側受動ジョイント、２１は直動
リンク１５の保持ケーシング、４１はベース部２の下部
に固定されたコ字形状のベース部側上部継手、４２はベ
ース部側上部継手４１の立設された対向辺に架設された
上部継手軸、４３は直動リンク１５の保持ケーシング２
１側の上端部に固定されたコ字形状のベース部側下部継
手、４４はベース部側下部継手４３の立設された対向辺
に架設されベース部側下部継手４３を回動自在に軸支す
る下部継手軸、４５は上部継手軸４２と下部継手軸４４
を直交させて連結する連結回動部である。

【００４４】図５に示すように、ベース部側下部継手４
３は、ベース部側上部継手４１に対して、上部継手軸４
２と下部継手軸４４の軸周方向に回動する。これによ
り、ベース部側受動ジョイント１６は、直動リンク１５
の長手方向に直交する上部継手軸４２と下部継手軸４４
の軸周方向に２自由度を有するので、直動リンク１５の
伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。

【００４５】続いて、足部側受動ジョイントの構造につ
いて図を用いて詳細に説明する。図６は足部側受動ジョ
イントの要部斜視図である。図６において、３ａは固定
板、１５、１５′は直動リンク、１７は足部側受動ジョ
イント、２３は直動リンク１５のインナーロッド部、２
３′は直動リンク１５′のインナーロッド部、５１はイ
ンナーロッド部２３の下端部に連結されたコ字形状の第
１の足側上部継手、５３はインナーロッド部２３′の下
端部に連結されたコ字形状の第２の足側上部継手、５５
は第１の足側上部継手５１と第２の足側上部継手５３の
立設された対向辺に架設され第１の足側上部継手５１と
第２の足側上部継手５３を連結し各々回動自在に軸支す
る上部継手軸、５６は後述の足側基部を介して固定板３
ａに連結されたコ字形状の足側下部継手、５７は足側下
部継手５６の立設された対向辺に架設された下部継手
軸、５８は固定板３ａ上に固定された足側基部、５９は
足側基部５８に対して足側下部継手５６を回動自在に軸
支する基部軸、６０は上部継手軸５５と下部継手軸５７
を直交させて連結する連結回動部である。

【００４６】図６に示すように、第１の足側上部継手５
１及び第２の足側下部継手５３は、足側下部継手５６に
対して、上部継手軸５５と下部継手軸５７の軸周方向に
回動する。また、足側下部継手５６は、足側基部５８に
対して、基部軸５９の軸周方向に回動する。これによ
り、足部側受動ジョイント１７は、直動リンク１５の長
手方向に直交する上部継手軸５５と下部継手軸５７の軸
周方向に２自由度を有すると共に、直動リンク１５の軸
方向の基部軸５９の軸周方向に１自由度を有するので、
直動リンク１５の伸縮に追従してこれを妨げることなく
円滑に従動する。

【００４７】以上のように構成された本実施の形態２に
おける２足歩行ロボットの下半身モジュールの歩行動作
については、実施の形態１で説明したものと同様である
ので説明を省略する。

【００４８】以上のように、本実施の形態２における２
足歩行ロボットの下半身モジュールは構成されているの
で、以下のような作用を有する。 （１）直動リンク１５を用いることで、各々の直動リン
ク１５が互いに干渉することがないため装置の小型化及
びコンパクト化が可能であると共に、設計の自由度に優
れる。 （２）直動リンク１５を用いることで、直動リンク１５
の伸長時と短縮時で直動リンク１５のモータ２８にかか
る負荷に大きな差が出ないため、下半身モジュール１ｃ
が低い姿勢をとった場合にモータ２８にかかる負荷トル
クを低減できると共に、モータ２８の消費電力を節約で
き省エネルギ性に優れる。 （３）２足歩行ロボットの下半身モジュール１ｃの左右
の脚部が各々ベース部２と右足部３及び左足部４との間
に複数の直動リンク１５を並列に配設したパラレルリン
ク機構により形成されているので、大きな負荷に耐える
ことができ重量物の搬送が可能で実用性に優れると共
に、２足歩行ロボットの下半身モジュール１ｃの脚部の
動作に上半身の補償動作を必要としないため、重量の大
きい上半身を搭載又は組み込むことができ設計の自由度
に優れる。 （４）歩行動作中における直動リンク１５の可動変位の
誤差による右足部３又は左足部４の位置誤差が平均化さ
れるため、高精度の動作を行うことができると共に、直
動リンク１５の変位を検出するロータリエンコーダ３１
に高い分解能を必要としないため生産性に優れる。 （５）各々の直動リンク１５には引っ張り力及び圧縮力
のみが印加され曲げモーメントが加わらないため、強度
及び剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広が
り設計の自由度に優れる。また、雄螺子軸部３４と雌螺
子ナット部３５を用いた送り螺子機構によりインナーロ
ッド部２３を摺動させることで、制御が容易で且つ強度
及び剛性に優れる。 （６）複数の直動リンク１５として同一の構造のものを
用いることができるので、製造時の省コスト性及び省力
性に優れると共に、メンテナンス性を向上させることが
できる。 （７）直動リンクが２つを１組としてＶ字形状に配設さ
れ、右足部及び左足部に各々少なくとも３組配設され平
面視三角形状に配設されているので、下半身モジュール
の脚部が各々スチュワートプラットフォームにより構成
され安定性及び強度に優れる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の２足歩行
ロボットの下半身モジュールによれば以下のような有利
な効果が得られる。

【００５０】請求項１に記載の発明によれば、 （１）下半身モジュールの脚部が、ベース部と右足部及
び左足部との間に各々複数のリンクが並列に配設された
パラレルリンク機構部により形成されているので、各々
のリンクに負荷が分散され大きな負荷に耐えることがで
き剛性を高くすることができると共に、右足部及び左足
部における出力が大きく、重量物の搭載や搬送等が可能
で実用性に優れる２足歩行ロボットの下半身モジュール
を提供することができる。 （２）下半身モジュールの脚部が、ベース部と右足部及
び左足部との間に各々複数のリンクが並列に配設された
パラレルリンク機構部により形成されているので、歩行
動作中におけるリンクの可動変位の誤差による右足部又
は左足部の位置誤差が平均化され高精度の位置決めを行
うことができると共に、リンクの変位を検出する検出器
に高い分解能を必要としないため生産性に優れる２足歩
行ロボットの下半身モジュールを提供することができ
る。 （３）下半身モジュールの脚部の動作に上半身の補償動
作を必要としないため、重量の大きい上半身を搭載又は
組み込むことができ設計の自由度に優れる２足歩行ロボ
ットの下半身モジュールを提供することができる。 （４）下半身モジュールの脚部がパラレルリンク機構部
により形成されているので、動作制御のための逆運動学
の計算が容易であり、歩行パターンを生成するコンピュ
ータの負担を軽減することができる２足歩行ロボットの
下半身モジュールを提供することができる。 （５）下半身モジュールの脚部がパラレルリンク機構部
により形成されているので、シリアルリンク機構に比
べ、下半身モジュールが低い姿勢をとった場合にリンク
のアクチュエータにかかる負荷トルクを低減できると共
に、アクチュエータの動力を節約でき省エネルギ性に優
れる２足歩行ロボットの下半身モジュールを提供するこ
とができる。 （６）パラレルリンク機構部を構成する複数のリンクと
して同一の構造のものを用いることができるので、製造
時の省コスト性及び省力性に優れると共に、メンテナン
ス性を向上させることができる２足歩行ロボットの下半
身モジュールを提供することができる。

【００５１】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
の効果に加え、 （１）左右の脚部に用いられる各々のパラレルリンク機
構部は、２本のリンクを１組としてＶ字形状に配設さ
れ、それが３組配設されたスチュワートプラットフォー
ムにより構成されているので、安定性及び剛性に優れる
と共に、動作制御を簡便化することができる２足歩行ロ
ボットの下半身モジュールを提供することができる。

【００５２】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
又は２の効果に加え、 （１）パラレルリンク機構部が各々６自由度を有するこ
とにより、右足部及び左足部が多様な動作を行うことが
でき、歩行動作を円滑に行うことができる２足歩行ロボ
ットの下半身モジュールを提供することができる。 （２）右脚のパラレルリンク機構部と左脚のパラレルリ
ンク機構部とが対称に配設された場合、各々のパラレル
リンク機構部が６自由度を有することにより、歩行動作
時に下半身モジュールの腰軸に軸周方向のモーメントが
かからないよう歩行制御を行うことができるため、歩行
時にベース部が腰軸の軸周方向の回動することなく安定
した歩行が可能である２足歩行ロボットの下半身モジュ
ールを提供することができる。

【００５３】請求項４に記載の発明によれば、請求項３
の効果に加え、 （１）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向
がリンクの長手方向である直動リンクと用いることで、
各々の直動リンクが互いに干渉することがないため装置
の小型化及びコンパクト化が可能であると共に、設計の
自由度に優れる２足歩行ロボットの下半身モジュールを
提供することができる。 （２）パラレルリンク機構部のリンクとして、可動方向
がリンクの長手方向である直動リンクを用いることで、
直動リンクの伸長時と短縮時で直動リンクのアクチュエ
ータにかかる負荷に大きな差が出ないため、下半身モジ
ュールが低い姿勢をとった場合にアクチュエータにかか
る負荷トルクを低減できると共に、アクチュエータの動
力を節約でき省エネルギ性に優れる２足歩行ロボットの
下半身モジュールを提供することができる。 （３）各々の直動リンクには引っ張り力及び圧縮力のみ
が印加され曲げモーメントが加わらないため、強度及び
剛性に優れると共に、材質や形状の選択の幅が広がり設
計の自由度に優れる２足歩行ロボットの下半身モジュー
ルを提供することができる。

【００５４】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
乃至４の内いずれか１項の効果に加え、 （１）直動リンクをその長手方向に伸縮させるために、
直動型アクチュエータを用いることができるので、部品
点数を減少させることができると共に、高精度の変位制
御を容易に行うことができる２足歩行ロボットの下半身
モジュールを提供することができる。

【００５５】請求項６に記載の発明によれば、請求項５
の効果に加え、 （１）直動型アクチュエータがベース部側に配設される
ため、直動リンクの右足部及び左足部側の重量を軽減す
ることができ、右足部及び左足部を動作させる動力を低
減させることができ省エネルギ性及び安定性に優れる２
足歩行ロボットの下半身モジュールを提供することがで
きる。

【００５６】請求項７に記載の発明によれば、請求項１
乃至６の内いずれか１項の効果に加え、 （１）直動リンクが、２自由度を有するベース部側受動
ジョイントと、３自由度を有する足部側受動ジョイント
により、その両端においてベース部と足部に連結されて
いるので、各々の受動ジョイントが直動リンクの伸縮に
追従してこれを妨げることなく円滑に従動し、安定した
動作が可能であると共に、可動範囲を広く設定すること
ができる２足歩行ロボットの下半身モジュールを提供す
ることができる。 （２）左右脚のパラレルリンク機構部が、各々６自由度
に形成されるため、右足部及び左足部が、前後、左右、
上下、及び前後方向、左右方向、上下方向を軸とした軸
周方向の動作が可能であり、多様な動作を行うことがで
き、歩行動作を円滑に行うことができる２足歩行ロボッ
トの下半身モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）実施の形態１における２足歩行ロボット
の下半身モジュールの模式斜視図 （ｂ）実施の形態１における２足歩行ロボットの下半身
モジュールの模式平面図

【図２】実施の形態２における２足歩行ロボットの下半
身モジュールの斜視図

【図３】直動リンクの要部斜視図

【図４】（ａ）直動リンクの要部側面図 （ｂ）図４（ａ）のＡ−Ａ線の要部矢視断面図

【図５】ベース部側受動ジョイントの要部斜視図

【図６】足部側受動ジョイントの要部斜視図

【図７】従来の２足歩行ロボットの模式図

【符号の説明】

１、１ｃ ２足歩行ロボットの下半身モジュール ２ ベース部 ３ 右足部 ３ａ 固定板 ４ 左足部 ４ａ 固定板 ５、５′、５ａ、５ａ′、５ｂ、５ｂ′、５ｃ、５ｃ′
直動リンク ６、６ａ、６ａ′、６ｂ、６ｂ′、６ｃ、６ｃ′ ベー
ス部側受動ジョイント ７、７ａ、７ｂ、７ｃ 足部側受動ジョイント ８、８ａ、８ｂ、８ｃ 回動受動ジョイント ９ 制御装置部 ９′ 制御用コンピュータ １０ ジャイロ １１ バッテリ １２ モータ駆動用回路部 １５ 直動リンク １６ ベース部側受動ジョイント １７ 足部側受動ジョイント ２１ 保持ケーシング ２２ アウターチューブ部 ２３、２３′ インナーロッド部 ２４ 雄螺子軸挿通孔 ２５ ロッドレール部 ２６ レールガイド部 ２７ 初期位置センサ ２８ モータ ２９ ギアユニット ３０ 保持ブレーキ ３１ ロータリエンコーダ ３２ カップリング ３３ ベアリング ３４ 雄螺子軸部 ３５ 雌螺子ナット部 ３６ａ、３６ｂ ストッパ ４１ ベース部側上部継手 ４２ 上部継手軸 ４３ ベース部側下部継手 ４４ 下部継手軸 ４５ 連結回動部 ５１ 第１の足側上部継手 ５３ 第２の足側上部継手 ５５ 上部継手軸 ５６ 足側下部継手 ５７ 下部継手軸 ５８ 足側基部 ５９ 基部軸 ６０ 連結回動部 １００ 従来の２足歩行ロボット １０１ 股部の回転方向運動用の関節 １０２ 股部の前後方向運動用の関節 １０３ 股部の左右方向運動用の関節 １０４ 膝部の前後方向運動用の関節 １０５ 足首部の前後方向運動用の関節 １０６ 足首部の左右方向運動用の関節 １０７ 足部 １０８ 基体 １０９ 大腿リンク １１０ 下腿リンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高本 陽一 福岡県北九州市小倉北区浅野三丁目８番１ 号 株式会社テムザック内 (72)発明者 馬場 勝之 福岡県北九州市小倉北区浅野三丁目８番１ 号 株式会社テムザック内 (72)発明者 井野 重秋 福岡県北九州市小倉北区浅野三丁目８番１ 号 株式会社テムザック内 Ｆターム(参考） 3C007 AS36 CS08 HS27 HT11 HT20 HT40 WA03 WA13 WC22 3J062 AA38 AB28 AC09 CB04 CB28 CB33

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベース部と、右足部及び左足部と、前記
   ベース部と前記右足部及び前記左足部の各々に配設され
   た複数の受動ジョイントと、前記ベース部に配設された
   前記受動ジョイントと前記右足部に配設された前記受動
   ジョイントとの間、及び、前記ベース部に配設された前
   記受動ジョイントと前記左足部に配設された前記受動ジ
   ョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部
   と、を備えていることを特徴とする２足歩行ロボットの
   下半身モジュール。
2. 【請求項２】 前記ベース部と前記右足部との間及び前
   記ベース部と前記左足部との間に配設された各々３組の
   前記パラレルリンク機構部を備えていることを特徴とす
   る請求項１に記載の２足歩行ロボットの下半身モジュー
   ル。
3. 【請求項３】 前記パラレルリンク機構部が、各々６自
   由度を有していることを特徴とする請求項１又は２に記
   載の２足歩行ロボットの下半身モジュール。
4. 【請求項４】 前記パラレルリンク機構部のリンクとし
   て、前記ベース部と前記右足部との間、及び前記ベース
   部と前記左足部との間に前記受動ジョイントを介して各
   々複数立設された伸縮可能な直動リンクを備えているこ
   とを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１項に記載
   の２足歩行ロボットの下半身モジュール。
5. 【請求項５】 前記パラレルリンク機構部のリンクが、
   各々アクチュエータとして直動型アクチュエータを備え
   ていることを特徴とする請求項１乃至４の内いずれか１
   項に記載の２足歩行ロボットの下半身モジュール。
6. 【請求項６】 前記直動型アクチュエータが、前記直動
   リンクの前記ベース部側に配設されていることを特徴と
   する請求項５に記載の２足歩行ロボットの下半身モジュ
   ール。
7. 【請求項７】 前記受動ジョイントとして、 前記ベース部に固定されたコ字形状のベース部側上部継
   手と、前記直動リンクの端部に固定されたコ字形状のベ
   ース部側下部継手と、前記ベース側上部継手と前記ベー
   ス側下部継手を直交状に回動自在に連結する連結回動部
   と、を有するベース部側受動ジョイントと、 前記直動リンクの端部に固定されたコ字形状の足部側上
   部継手と、前記足部に回動自在に固定されたコ字形状の
   足部側下部継手と、前記足側上部継手と前記足側下部継
   手を直交状に回動自在に連結する連結回動部と、を有す
   る足側受動ジョイントと、を備えていることを特徴とす
   る請求項１乃至６の内いずれか１項に記載の２足歩行ロ
   ボットの下半身モジュール。