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Title:
TWO-LEGGED WALKING ROBOT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/054103
Kind Code:
A1
Abstract:
A two-legged walking robot constructed such that a lower thigh link (9) and a foot sole section (11) of a leg section (2) are connected to each other by a linear actuator (124) at a position away from an ankle joint section (10) and that the foot sole section (11) rocks about the ankle joint section (10) relative to the lower thigh link (9) by extension and retraction of the linear actuator(124), wherein predetermined moment required for the robot to walk on stairs can be applied to the foot sole section (11) without an increase in the size of the linear actuator (124). The linear actuator (124) is placedso that its extension and retraction force acts on a line (L2) tilted backward relative to a connection line (L1) interconnecting a knee joint section (8) and the ankle joint section (10). Preferably, a connection section (Y3a) at which the linear actuator (124) is connected to the lower thigh link (9) is positioned behind the connection line (L1) and a connection section (Y3b) at which the linear actuator (124) is connected to the foot sole section (11) is positioned in front of the connection line (L1).

Inventors:
TAKENAKA KENJI (JP)
MATSUOKA YOSHIHISA (JP)
ICHIHASHI SATORU (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/002877
Publication Date:
April 30, 2009
Filing Date:
October 10, 2008
Export Citation:
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Assignee:
HONDA MOTOR CO LTD (JP)
TAKENAKA KENJI (JP)
MATSUOKA YOSHIHISA (JP)
ICHIHASHI SATORU (JP)
International Classes:
B25J5/00
Foreign References:
JPH07285085A1995-10-31
JP2003266337A2003-09-24
JP2004017248A2004-01-22
Other References:
See also references of EP 2093025A4
Attorney, Agent or Firm:
SATO, Tatsuhiko et al. (1-1 Yoyogi 2-chome,Shibuya-k, Tokyo 53, JP)
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Claims:
 胴体部と左右一対の脚部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とで構成される2足歩行ロボットであって、
 各脚部の下腿リンクと足平部とを足首関節部から離れた部分で連結する足平駆動用の直動アクチュエータを備え、足平駆動用直動アクチュエータの伸縮動作により足平部を下腿リンクに対し足首関節部を中心にして揺動させるようにしたものにおいて、
 足平駆動用直動アクチュエータは、該直動アクチュエータの伸縮力が膝関節部と足首関節部とを結ぶ結線に対し後傾した線上に作用するように配置されることを特徴とする2足歩行ロボット。
 請求項1記載の2足歩行ロボットであって、
 前記足平駆動用直動アクチュエータの前記下腿リンクに対する連結部は前記結線よりも後方に位置し、前記各直動アクチュエータの前記足平部に対する連結部は前記結線よりも前方に位置することを特徴とする2足歩行ロボット。
 請求項2記載の2足歩行ロボットであって、
 前記足平駆動用直動アクチュエータは、電動モータ及び該電動モータにより回転駆動されるナット部材を備える駆動ユニットと、ナット部材に保持されるボールを介して該ナット部材に螺合するねじ軸とから成るボールねじ機構で構成され、
 駆動ユニットに前記下腿リンクに対する連結部が設けられ、ねじ軸の下端に前記足平部に対する連結部が設けられることを特徴とする2足歩行ロボット。
 請求項1記載の2足歩行ロボットであって、
 前記足平駆動用直動アクチュエータに加えて、前記各脚部の前記大腿リンクと前記下腿リンクとを前記膝関節部から離れた部分で連結する下腿駆動用の直動アクチュエータを備え、下腿駆動用直動アクチュエータの伸縮動作で下腿リンクを大腿リンクに対し膝関節部を中心にして揺動させるようにしたものにおいて、
 下腿駆動用と足平駆動用の各直動アクチュエータは、電動モータ及び該電動モータにより回転駆動されるナット部材を備える駆動ユニットと、ナット部材に保持されるボールを介して該ナット部材に螺合するねじ軸とから成るボールねじ機構で構成され、
 下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々大腿リンクと下腿リンクとに揺動自在に連結されると共に、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々下腿リンクと足平部とに揺動自在に連結され、
 下腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの大腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユニットのナット部材の中心軸線に直交し、足平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニットの下腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユニットのナット部材の中心軸線に直交することを特徴とする2足歩行ロボット。
 請求項4記載の2足歩行ロボットであって、
 前記各直動アクチュエータの前記駆動ユニットは、前記電動モータを搭載するマウントフレームを備え、このマウントフレームに、前記ナット部材を回転自在に収納するナットケースが電動モータと平行に並設され、前記大腿リンク又は前記下腿リンクに駆動ユニットがナットケースにおいて前記揺動軸線回りに揺動自在に連結されることを特徴とする2足歩行ロボット。
 請求項4又は5記載の2足歩行ロボットであって、
 前記下腿駆動用直動アクチュエータの前記駆動ユニットは、前記股関節部の関節軸と同一軸線上で前記大腿リンクに揺動自在に連結され、
 前記足平駆動用直動アクチュエータの前記駆動ユニットは、前記膝関節部の関節軸と同一軸線上で前記下腿リンクに揺動自在に連結されることを特徴とする2足歩行ロボット。
Description:
2足歩行ロボット

 本発明は、胴体部と左右一対の脚部とを える2足歩行ロボットに関する。

 この種の2足歩行ロボットにおいて、各脚 部は、胴体部に股関節部を介して連結される 大腿リンクと、大腿リンクの下端に膝関節部 を介して連結される下腿リンクと、下腿リン クの下端に足首関節部を介して連結される足 平部とで構成される。そして、従来、各脚部 の大腿リンクと下腿リンクとを膝関節部から 離れた部分で連結する下腿駆動用の直動アク チュエータと、各脚部の下腿リンクと足平部 とを足首関節部から離れた部分で連結する足 平駆動用の直動アクチュエータとを備え、下 腿駆動用直動アクチュエータの伸縮動作で下 腿リンクを大腿リンクに対し膝関節部を中心 にして揺動させ、足平駆動用直動アクチュエ ータの伸縮動作により足平部を下腿リンクに 対し足首関節部を中心にして揺動させるよう にした2足歩行ロボットが知られている(例え 、特開2004-202676号公報参照)。

 このもので足平駆動用直動アクチュエー は、下腿リンクの後側に下腿リンクと平行 配置されている。そのため、足平駆動用直 アクチュエータの伸縮力は膝関節部と足首 節部とを結ぶ結線に平行な線上に作用する

 ところで、階段歩行時には、膝関節部の 曲角度が大きくなり、階段面に接地する足 部に対し下腿リンクが大きく前傾する。そ て、階段を上るためには、足平駆動用直動 クチュエータにより足平部に足首関節部を 心にした前下がり(つま先下がり)方向の大 なモーメントを付与する必要がある。

 ここで、足平部へのモーメントの付与に 与するのは、足平駆動用直動アクチュエー の伸縮力のうち足平部(接地面)に直交する 向の成分だけである。上記従来例のように 平駆動用直動アクチュエータの伸縮力を膝 節部と足首関節部とを結ぶ結線に平行な線 に作用させたのでは、階段歩行時に上記結 、即ち、伸縮力の作用線が足平部に対し大 く前傾する。そのため、足平駆動用直動ア チュエータの伸縮力のうち足平部に直交す 方向の成分は僅かになってしまう。従って 足平部に足平駆動用直動アクチュエータで 率良くモーメントを付与できなくなり、階 上りに必要な所要のモーメントを付与する は、足平駆動用直動アクチュエータを高出 の大型のものにせざるを得なくなる。

 上記従来例のものにおいて、下腿駆動用 足平駆動用の各直動アクチュエータは、電 モータ及び該電動モータにより回転駆動さ るねじ軸を備える駆動ユニットと、ねじ軸 ボールを介して螺合するナット部材を取付 たスライダとで構成されている。駆動ユニ トは、上端に電動モータを搭載した、ねじ の軸線方向(上下方向)に長手のガイドフレ ムを備えている。このガイドフレームに固 したガイドレールにスライダを摺動自在に 合させて、ねじ軸の回転によりスライダが じ軸の軸線方向に進退されるようにしてい 。

 そして、下腿駆動用直動アクチュエータ 駆動ユニットのガイドフレームを大腿リン に揺動自在に連結すると共に、下腿駆動用 動アクチュエータのスライダを下腿リンク 揺動自在に連結している。また、足平駆動 直動アクチュエータの駆動ユニットのガイ フレームを下腿リンクに揺動自在に連結す と共に、足平駆動用直動アクチュエータの ライダを足平部に揺動自在に連結している

 ところで、ロボットの運動性能(歩行速度 、応答性)を向上させるには、大腿リンクの 性モーメント及び下腿リンクの慣性モーメ トを小さくする必要がある。然し、上記従 例のものでは、大腿リンク及び下腿リンク 慣性モーメントを小さくすることが困難で る。即ち、上記従来例のものでは、下腿駆 用と足平駆動用の各直動アクチュエータに ガイドレールを取付けた重量の重い上下方 に長手のガイドフレームが設けられている め、直動アクチュエータの重心位置が駆動 ニットの上端からかなり下方に離れる。従 て、大腿リンクや下腿リンクに駆動ユニッ をその上端が各リンクの上端の関節部(股関 部や膝関節部)と同等高さになるように連結 しても、直動アクチュエータの重心と各リン クの上端の関節部との間の距離が長くなる。 しかも、直動アクチュエータの重量がガイド フレームの影響で重くなるため、大腿リンク の股関節部回りの慣性モーメントや下腿リン クの膝関節部回りの慣性モーメントがかなり 大きくなってしまう。

 本発明は、以上の点に鑑み、足平駆動用 動アクチュエータを大型化せずに所要のモ メントを足平部に付与できるようにした2足 歩行ロボットを提供することを第1の目的と 、更に、大腿リンク及び下腿リンクの慣性 ーメントを小さくして運動性能を向上でき ようにした2足歩行ロボットを提供すること 第2の目的としている。

 そして、第1の目的を達成するために、本 発明は、胴体部と左右一対の脚部とを備え、 各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結さ れる大腿リンクと、大腿リンクの下端に膝関 節部を介して連結される下腿リンクと、下腿 リンクの下端に足首関節部を介して連結され る足平部とで構成される2足歩行ロボットで って、各脚部の下腿リンクと足平部とを足 関節部から離れた部分で連結する足平駆動 の直動アクチュエータを備え、足平駆動用 動アクチュエータの伸縮動作により足平部 下腿リンクに対し足首関節部を中心にして 動させるようにしたものにおいて、足平駆 用直動アクチュエータは、該直動アクチュ ータの伸縮力が膝関節部と足首関節部とを ぶ結線に対し後傾した線上に作用するよう 配置されることを特徴とする。

 本発明によれば、階段歩行時に膝関節部 足首関節部とを結ぶ結線が足平部に対し大 く前傾しても、この結線に対し後傾した線 に足平駆動用直動アクチュエータの伸縮力 作用するため、伸縮力のベクトルと足平部 直交する方向との成す角度は直角に近くな 。従って、足平駆動用直動アクチュエータ 伸縮力の足平部に直交する方向の成分が大 くなり、足平部に効率良くモーメントが付 される。その結果、足平駆動用直動アクチ エータを高出力の大型のものにしなくても 階段上りに必要な所要のモーメントを足平 に付与することができるようになり、足平 動用直動アクチュエータの小型軽量化、省 力化を図れる。

 ところで、足平駆動用直動アクチュエー の下腿リンクに対する連結部を上記結線よ も前方に位置させると共に、この連結部よ 前方に足平駆動用直動アクチュエータの足 部に対する連結部を位置させ、或いは、足 駆動用直動アクチュエータの足平部に対す 連結部を上記結線より後方に位置させると に、この連結部より後方に足平駆動用直動 クチュエータの下腿リンクに対する連結部 位置させることも可能である。然し、これ は、足平駆動用直動アクチュエータが下腿 ンクの前側や後側に大きく張り出してしま 、脚部のスマートさが損なわれてしまう。

 これに対し、足平駆動用直動アクチュエ タの下腿リンクに対する連結部が上記結線 りも後方に位置し、足平駆動用直動アクチ エータの足平部に対する連結部が上記結線 りも前方に位置するように構成すれば、下 リンクの前後への直動アクチュエータの張 出し量が小さくなり、脚部がスマートにな て、人間型のプロフィールに近付けること できる。

 また、この場合、足平駆動用直動アクチ エータは、電動モータ及び該電動モータに り回転駆動されるナット部材を備える駆動 ニットと、ナット部材に保持されるボール 介して該ナット部材に螺合するねじ軸とか 成るボールねじ機構で構成され、駆動ユニ トに下腿リンクに対する連結部が設けられ ねじ軸の下端に足平部に対する連結部が設 られることが望ましい。これによれば、直 アクチュエータのうちで大きな重量を占め 駆動ユニットが上方位置、即ち、膝関節部 近い位置に配置されることになる。そのた 、膝関節部回りの慣性モーメントを低減し 、運動性能(歩行速度、応答性)を向上させ ことができる。

 また、本発明において、上記足平駆動用 動アクチュエータに加えて、各脚部の大腿 ンクと下腿リンクとを膝関節部から離れた 分で連結する下腿駆動用の直動アクチュエ タを備え、下腿駆動用直動アクチュエータ 伸縮動作で下腿リンクを大腿リンクに対し 関節部を中心にして揺動させるようにする 合は、上記第2の目的を達成するために、下 腿駆動用と足平駆動用の各直動アクチュエー タが、電動モータ及び該電動モータにより回 転駆動されるナット部材を備える駆動ユニッ トと、ナット部材に保持されるボールを介し て該ナット部材に螺合するねじ軸とから成る ボールねじ機構で構成され、下腿駆動用直動 アクチュエータの駆動ユニットとねじ軸とが 夫々大腿リンクと下腿リンクとに揺動自在に 連結されると共に、足平駆動用直動アクチュ エータの駆動ユニットとねじ軸とが夫々下腿 リンクと足平部とに揺動自在に連結され、下 腿駆動用直動アクチュエータの駆動ユニット の大腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユ ニットのナット部材の中心軸線に直交し、足 平駆動用直動アクチュエータの駆動ユニット の下腿リンクに対する揺動軸線は当該駆動ユ ニットのナット部材の中心軸線に直交するこ とが望ましい。

 これによれば、従来例のようなスライダ 案内するためのガイドレールを取付けた重 の重い上下方向に長手のガイドフレームが 要になる。その結果、直動アクチュエータ 重心位置が駆動ユニットの上端に近付き、 腿リンクや下腿リンクの上端の関節部(股関 節部や膝関節部)と直動アクチュエータの重 との間の距離を短縮することができる。し も、重量物たるガイドフレームが不要にな ことで直動アクチュエータの重量が軽くな ため、大腿リンクや下腿リンクの上端の関 部回りの慣性モーメントを低減することが き、2足歩行ロボットの運動性能が向上する

 尚、駆動ユニットにナット部材を設ける 合、駆動ユニットの大腿リンクや下腿リン に対する揺動軸線がナット部材の中心軸線 直交する線からオフセットしていると、ね 軸の進退動作に伴い駆動ユニットがねじ軸 軸線からオフセットした揺動軸線回りに揺 することになって、ねじ軸に曲げ荷重が作 する。そして、曲げ荷重を吸収するために ナット部材をリニヤガイドによりフローテ ング支持することが必要になる。これに対 、上記の如く駆動ユニットの大腿リンクや 腿リンクに対する揺動軸線がナット部材の 心軸線に直交していれば、ねじ軸に曲げ荷 は作用しない。そのため、リニヤガイドが 要になってその分直動アクチュエータが軽 になり、大腿リンクや下腿リンクの慣性モ メントが低減される。

 また、各直動アクチュエータの駆動ユニ トは、電動モータを搭載するマウントフレ ムを備え、このマウントフレームに、ナッ 部材を回転自在に収納するナットケースが 動モータと平行に並設され、大腿リンク又 下腿リンクに駆動ユニットがナットケース おいて上記揺動軸線回りに揺動自在に連結 れることが望ましい。ここで、電動モータ 真下にナットケースを配置して、このナッ ケース内にナット部材を回転自在に収納す ことも可能である。然し、これでは駆動ユ ットの上下方向長さが長くなってしまい、 の分直動アクチュエータの重心位置が低く る。これに対し、上記の如くナットケース 電動モータに並設すれば、駆動ユニットの 下方向長さが短くなり、その分直動アクチ エータの重心位置が高くなる。これにより 大腿リンクや下腿リンクの慣性モーメント 一層低減できる。

 また、下腿駆動用直動アクチュエータの 動ユニットを股関節部の関節軸と同一軸線 で大腿リンクに揺動自在に連結し、足平駆 用直動アクチュエータの駆動ユニットを膝 節部の関節軸と同一軸線上で下腿リンクに 動自在に連結すれば、大腿リンクや下腿リ クの慣性モーメントをより一層低減できる

 図1乃至図4は本発明の実施形態の2足歩行 ボットを示している。この2足歩行ロボット は、胴体部1と左右一対の脚部2,2とを備えて る。胴体部1は胴体フレーム3を備えており、 この胴体フレーム1上にコントロールボック 4が搭載されている。また、胴体フレーム3に は、上下方向の軸(Z軸)回りに旋回自在な左右 一対の旋回枠5,5が設けられており、各旋回枠 5に左右の各脚部2が連結されている。

 各脚部2は、胴体部1の各旋回枠5の下端に 関節部6を介して連結される大腿リンク7と 大腿リンク7の下端に膝関節部8を介して連結 される下腿リンク9と、下腿リンク9の下端に 首関節部10を介して連結される足平部11とで 構成されている。

 股関節部6は、Z軸に直交する横方向の軸(Y 1軸)と前後方向の軸(X1軸)との2軸回りの回転 由度を持つ2軸ジョイントで構成される。従 て、大腿リンク7は旋回枠5に対しY1軸を中心 にして前後方向に揺動自在で、且つ、X1軸を 心にして横方向に揺動自在である。股関節 6には、大腿リンク7のY1軸回りとX1軸回りの 動角度を検出するエンコーダ6a,6bが設けら ている。

 膝関節部8は、横方向の軸(Y2軸)回りの回 自由度を持つ1軸ジョイントで構成される。 って、下腿リンク9は大腿リンク7に対しY2軸 を中心にして前後方向に揺動自在である。膝 関節部8には、下腿リンク9のY2軸回りの揺動 度を検出するエンコーダ8aが設けられている 。

 足首関節部10は、横方向の軸(Y3軸)とこれ 直交する前後方向の軸(X3軸)との2軸回りの 転自由度を持つ2軸ジョイントで構成されて る。従って、足平部11は下腿リンク9に対しY 3軸を中心にして上下方向に揺動自在で、且 、X3軸を中心にして横方向に揺動である。足 首関節部10には、足平部11のY3軸回りとX3軸回 の揺動角度を検出するエンコーダ10a,10bが設 けられている。

 また、本実施形態の2足歩行ロボットには、 胴体フレーム3と各旋回枠5とをZ軸から離れた 部分で連結する第1直動アクチュエータ12 1 と、各旋回枠5と各脚部2の大腿リンク7とを股 関節部6から離れた部分で連結する左右一対 第2直動アクチュエータ12 2 ,12 2 と、各脚部2の大腿リンク7と下腿リンク9とを 膝関節部8から離れた部分で連結する第3直動 クチュエータ12 3 と、各脚部2の下腿リンク9と足平部11とを足 関節部10から離れた部分で連結する左右一対 の第4直動アクチュエータ12 4 ,12 4 とが設けられている。

 旋回枠5は、第1直動アクチュエータ12 1 の伸縮動作によりZ軸回りに旋回動作される 大腿リンク7は、一対の第2直動アクチュエー タ12 2 ,12 2 を共に伸張又は収縮動作させることにより股 関節部6のY1軸を中心にして前後方向に揺動さ れ、両第2直動アクチュエータ12 2 ,12 2 の一方を伸張動作させると共に他方を収縮動 作させることにより股関節部6のX1軸を中心に して横方向に揺動される。下腿リンク9は、 3直動アクチュエータ12 3 の伸縮動作により膝関節部8のY2軸を中心にし て前後方向に揺動される。足平部11は、一対 第4直動アクチュエータ12 4 ,12 4 を共に伸張又は収縮動作させることにより足 首関節部10のY3軸を中心にして上下方向に揺 され、両第4直動アクチュエータ12 4 ,12 4 の一方を伸張動作させると共に他方を収縮動 作させることにより足首関節部10のX3軸を中 にして横方向に揺動される。

 第1乃至第4の各直動アクチュエータ12 1 ,12 2 ,12 3 ,12 4 は、図5に示す如く、電動モータ13及び該電動 モータ13により回転駆動されるナット部材14 備える駆動ユニット15と、ナット部材14に保 されるボール14aを介して該ナット部材14に 合するねじ軸16とから成るボールねじ機構で 構成される。そして、ナット部材14の回転に うねじ軸16の軸方向移動で各直動アクチュ ータ12 1 ,12 2 ,12 3 ,12 4 が伸縮動作する。ねじ軸16は、外周面にねじ を形成した本体部16aと、本体部16aの軸方向 端にジョイント部16bを介して連結したロッ 部16cとで構成されている。尚、図5は第4直 アクチュエータ12 4 を示しているが、他の直動アクチュエータ12 1 ,12 2 ,12 3 も同様の構造になっている。

 駆動ユニット15は、電動モータ13を搭載す るマウントフレーム17を備え、このマウント レーム17に、ナット部材14を回転自在に収納 する筒状のナットケース18が電動モータ13と 行に並設されている。ナット部材14は、ナッ トケース18内に一対のアンギュラベアリング1 9,19を介して軸支されている。また、マウン フレーム17から突出する電動モータ13の出力 13aに駆動プーリ13bを連結すると共に、マウ トフレーム17から突出するナット部材14の端 部に従動プーリ14bを連結している。そして、 両プーリ13b,14bにベルト13cを巻き掛けして、 動モータ13によりベルト13cを介してナット部 材14が回転駆動されるようにしている。

 また、ナットケース18には、ナット部材14 の中心軸線に直交する孔軸を持つ孔18aが形成 されている。そして、ナットケース18がこの 18aに装着したベアリング18bにおいて後述す 支軸18cに揺動自在に軸支されるようにして る。

 第1直動アクチュエータ12 1 の駆動ユニット15は、胴体フレーム3にナット ケース18においてZ軸に平行な揺動軸線(Za軸) りに揺動自在に連結される。即ち、胴体フ ーム3にZa軸上に位置する支軸18cを取付けて この支軸18cにナットケース18をベアリング18b を介して揺動自在に軸支させている。この場 合、Za軸はナット部材14の中心軸線に直交す ことになる。また、第1直動アクチュエータ1 2 1 のねじ軸16は、旋回枠5にロッド部16cにおいて Z軸に平行な揺動軸線(Zb軸)回りに揺動自在に 結されている。

 各第2直動アクチュエータ12 2 の駆動ユニット15は、旋回枠5にナットケース 18において股関節部6のY1軸に平行な揺動軸線( Y1a軸)とこれに直交する揺動軸線(X1a軸)との2 の軸線回りに揺動自在に連結される。具体 には、旋回枠5にY1a軸回りに回転自在なジョ ント部材12 2 aを軸着し、このジョイント部材12 2 aにX1a軸上に位置する支軸18cを取付けて、こ 支軸18cにナットケース18をベアリング18bを介 して揺動自在に軸支させている。この場合、 X1a軸はナット部材18の中心軸線に直交し、Y1a もナット部材18の中心軸線に直交する。ま 、各第2直動アクチュエータ12 2 のねじ軸16は、股関節部6の後方に位置する大 腿リンク7の上端部にロッド部16cにおいてY1軸 に平行な揺動軸線(Y1b軸)とこれに直交する揺 軸線(X1b軸)との2つの軸線回りに揺動自在に 結される。具体的には、ロッド部16cがY1b軸 X1b軸との2軸回りの回転自由度を持つ2軸ジ イント12 2 bを介して大腿リンク7の上端部に連結される

 第3直動アクチュエータ12 3 の駆動ユニット15は、大腿リンク7の上部にナ ットケース18において膝関節部8のY2軸に平行 揺動軸線(Y2a軸)回りに揺動自在に連結され 。具体的には、大腿リンク7の上部にY2a軸上 位置する支軸18cを取付けて、この支軸18cに ットケース18をベアリング18bを介して揺動 在に軸支させている。この場合、Y2a軸はナ ト部材14の中心軸線に直交することになる。 また、第3直動アクチュエータ12 3 のねじ軸16は、膝関節部8の上方に延出した下 腿リンク9の上端部にロッド部16cにおいてY2軸 に平行な揺動軸線(Y2b軸)回りに揺動自在に連 される。具体的には、ロッド部16cがY2b軸回 の回転自由度を持つ1軸ジョイント12 3 bを介して下腿リンク9の上端部に連結される

 各第4直動アクチュエータ12 4 の駆動ユニット15は、下腿リンク9の上部にナ ットケース18において足首関節部10のY3軸に平 行な揺動軸線(Y3a軸)とこれに直交する揺動軸 (X3a軸)との2つの軸線回りに揺動自在に連結 れる。具体的には、下腿リンク9の上部にY3a 軸回りに回転自在なジョイント部材12 4 aを軸着し、このジョイント部材12 4 aにX3a軸上に位置する支軸18cを取付けて、こ 支軸18cにナットケース18をベアリング18bを介 して揺動自在に軸支させている。この場合、 X3a軸はナット部材18の中心軸線に直交し、Y3a もナット部材18の中心軸線に直交する。ま 、各第4直動アクチュエータ12 4 のねじ軸16は、足平部11にロッド部16cにおい Y3軸に平行な揺動軸線(Y3b軸)とこれに直交す 揺動軸線(X3b軸)との2つの軸線回りに揺動自 に連結される。具体的には、ロッド部16cがY 3b軸とX3b軸との2軸の回転自由度を持つ2軸ジ イント12 4 bを介して足平部11に連結される。

 また、各第4直動アクチュエータ12 4 は、該各第4直動アクチュエータ12 4 の伸縮力が膝関節部8のY2軸と足首関節部10のY 3軸とを結ぶ結線L1に対し後傾した線L2上に作 するように配置される。具体的には、各第4 直動アクチュエータ12 4 の下腿リンク9に対する連結部であるY3a軸を 記結線L1より後方に位置させ、各第4直動ア チュエータ12 4 の足平部11に対する連結部であるY3b軸を上記 線L1よりも前方に位置させている。ここで 第4直動アクチュエータ12 4 の伸縮力は矢状面においてY3a軸とY3b軸とを結 ぶ線上に作用する。従って、Y3a軸とY3b軸とを 上記の如く位置させることにより、第4直動 クチュエータ12 4 の伸縮力の作用線L2は上記結線L1に対し後傾 る。

 尚、各脚部2の一対の第4直動アクチュエー 12 4 ,12 4 のうち下腿リンク9の横方向外側に配置され 第4直動アクチュエータ12 4 の駆動ユニット15は、ナットケース18の横方 外側に電動モータ13が位置する姿勢になって いる。一方、下腿リンク9の横方向内側に配 される第4直動アクチュエータ12 4 の駆動ユニット15は、他の脚部2の下腿リンク 9の横方向内側に配置される第4直動アクチュ ータ12 4 の駆動ユニット15との干渉を回避するため、 ットケース18の前側に電動モータ13が位置す る姿勢になっている。

 ところで、下腿駆動用の第3直動アクチュエ ータ12 3 と足平駆動用の第4直動アクチュエータ12 4 とを、夫々、電動モータと該モータで回転駆 動されるねじ軸とを備える駆動ユニットと、 ねじ軸に螺合するナット部材を有するスライ ダとから成るボールねじ機構で構成すること も考えられる。然し、このものでは、スライ ダを案内するためのガイドレールを取付けた 重量の重い上下方向に長手のガイドフレーム が必要になり、このガイドフレームの影響で 直動アクチュエータの重心位置が駆動ユニッ トの上端からかなり下方に離れる。従って、 大腿リンク7や下腿リンク9に駆動ユニットを の上端が各リンク7,9の上端の関節部(股関節 部6や膝関節部8)と同等高さになるように連結 しても、駆動ユニットの重心と各リンク7,9の 上端の関節部との間の距離が長くなる。しか も、直動アクチュエータの重量がガイドフレ ームの影響で重くなるため、大腿リンク7の 関節部6回りの慣性モーメントや下腿リンク9 の膝関節部8回りの慣性モーメントが大きく ってしまう。

 これに対し、本実施形態では、各直動アク ュエータ12 3 、12 4 の駆動ユニット15に電動モータ13により回転 動されるナット部材14を設け、ナット部材14 回転によりこれに螺合するねじ軸16を進退 せるようにしている。そのため、上述した ライダを案内するガイドレールを取付けた 量の重い上下方向に長手のガイドフレーム 不要になる。その結果、各直動アクチュエ タ12 3 、12 4 の重心位置が駆動ユニット15の上端に近付き 大腿リンク7や下腿リンク9の上端の関節部( 関節部6や膝関節部8)と各直動アクチュエー 12 3 、12 4 の重心との間の距離を短縮することができる 。しかも、重量物たるガイドフレームが不要 になることで各直動アクチュエータ12 3 、12 4 の重量が軽くなるため、大腿リンク7や下腿 ンク9の上端の関節部回りの慣性モーメント 低減することができ、2足歩行ロボットの歩 行速度や応答性等の運動性能が向上する。

 尚、各直動アクチュエータ12 3 、12 4 の駆動ユニット15にナット部材14を設ける場 、駆動ユニット15の大腿リンク7や下腿リン 9に対する揺動軸線がナット部材14の中心軸 に直交する線からオフセットしていると、 じ軸16の進退動作に伴い駆動ユニット15がね 軸16の軸線からオフセットした揺動軸線回 に揺動することになって、ねじ軸16に曲げ荷 重が作用する。そして、曲げ荷重を吸収する ために、ナット部材14をリニヤガイドにより ローティング支持することが必要になる。 れに対し、本実施形態では、各直動アクチ エータ12 3 、12 4 の駆動ユニット15の大腿リンク7や下腿リンク 9に対する揺動軸線(Y2a軸、Y3a軸、X3a軸)がナッ ト部材14の中心軸線に直交するため、ねじ軸1 6に曲げ荷重は作用せず、リニヤガイドが不 になる。従って、その分各直動アクチュエ タ12 3 、12 4 が軽量になり、大腿リンク7や下腿リンク9の 性モーメントが低減される。

 また、各直動アクチュエータ12 3 、12 4 の駆動ユニット15にナット部材14を設ける場 、電動モータ13の真下にナットケースを配置 して、このナットケース内にナット部材を回 転自在に収納することも可能である。然し、 これでは駆動ユニット15の上下方向長さが長 なってしまい、その分各直動アクチュエー 12 3 、12 4 の重心位置が低くなる。これに対し、本実施 形態の如くナットケース18を電動モータ13に 設すれば、駆動ユニット15の上下方向長さが 短くなり、その分各直動アクチュエータ12 3 、12 4 の重心位置が高くなる。これにより、大腿リ ンク7や下腿リンク9の慣性モーメントを一層 減できる。

 ところで、階段歩行時には、図6に示す如く 、膝関節部8の屈曲角度が大きくなり、階段 に接地する足平部11に対し下腿リンク9が大 く前傾する。そして、階段を上るためには 第4直動アクチュエータ12 4 により足平部11に足首関節部10を中心にした 下がり(つま先下がり)方向の大きなモーメン トを付与する必要がある。

 ここで、足平部11へのモーメントの付与に 与するのは、第4直動アクチュエータ12 4 の伸縮力のうち足平部11(接地面)に直交する 向の成分だけである。この場合、第4直動ア チュエータ12 4 の伸縮力を膝関節部8と足首関節部10とを結ぶ 結線L1に平行な線上に作用させたのでは、階 歩行時に上記結線L1、即ち、伸縮力の作用 が足平部11に対し大きく前傾するために、第 4直動アクチュエータ12 4 の伸縮力のうち足平部11に直交する方向の成 は僅かになってしまう。従って、足平部11 第4直動アクチュエータ12 4 で効率良くモーメントを付与できなくなる。 その結果、階段上りに必要な所要のモーメン トを付与するには、第4直動アクチュエータ12 4 を高出力の大型のものにせざるを得なくなる 。

 これに対し、本実施形態では、階段歩行時 膝関節部8と足首関節部10とを結ぶ結線L1が 平部11に対し大きく前傾しても、この結線L1 対し後傾した線L2上に第4直動アクチュエー 12 4 の伸縮力が作用するため、伸縮力の作用線L2 足平部11に直交する方向との成す角度は直 に近くなる。従って、第4直動アクチュエー 12 4 の伸縮力の足平部11に直交する方向の成分が きくなり、足平部11に効率良くモーメント 付与される。その結果、第4直動アクチュエ タ12 4 を高出力の大型のものにしなくても、階段上 りに必要な所要のモーメントを足平部11に付 することができるようになる。そのため、 4直動アクチュエータ12 4 を小型軽量化して、下腿リンク9の慣性モー ントを一層低減でき、更に省電力化も図る とができる。

 ところで、第4直動アクチュエータ12 4 の下腿リンク9に対する連結部たるY3a軸を上 結線L1よりも前方に位置させると共に、Y3a軸 より前方に第4直動アクチュエータ12 4 の足平部11に対する連結部たるY3b軸を位置さ 、或いは、Y3b軸を上記結線L1より後方に位 させると共に、Y3b軸より後方にY3a軸を位置 せて、第4直動アクチュエータ12 4 の伸縮力の作用線を上記結線L1に対し後傾さ ることも可能である。然し、これでは、第4 直動アクチュエータ12 4 が下腿リンク9の前側や後側に大きく張り出 てしまい、脚部2のスマートさが損なわれて まう。

 これに対し、本実施形態の如くY3a軸を上記 線L1よりも後方に位置させると共に、Y3b軸 上記結線L1よりも前方に位置させれば、下腿 リンク9の前後への第4直動アクチュエータ12 4 の張り出し量が小さくなり、脚部2がスマー になる。これにより脚部2を人間型のプロフ ールに近付けることができる。

 また、本実施形態では、各直動アクチュエ タ12 1 ,12 2 ,12 3 ,12 4 の駆動ユニット15の小型軽量化のため、ナッ 部材14やその支持構造にも工夫を施してい 。以下、この点について詳述する。

 ナット部材14は、図5に示す如く、ボール1 4aを保持するナット本体部141と、ナット本体 141より外径が小さい軸方向両端の軸部142,143 とを有する。そして、両軸部142,143を一対の ンギュラベアリング19,19により軸支すると共 に、軸方向一端の軸部142に従動プーリ14bを連 結している。尚、この軸部142は、ナット本体 部141にドグ部を介して連結されるもので、ナ ット本体部141とは別体であるが、ナット本体 部141に一体成形することも可能である。

 ところで、各アンギュラベアリング19を その内輪19aの端面がナット本体部141と各軸 142,143との間の段差に当接するように配置す ことも可能であるが、これでは以下の不具 を生ずる。即ち、組立時に、軸方向一端側 アンギュラベアリング19を軸方向他端側の ンギュラベアリング19に向けて締め付ける際 、ナット本体部141に締め付け力が作用してし まう。そして、ナット本体部141の圧縮変形に よりボール14aが円滑に動かなくなって、フリ クションロスが増大してしまう。

 この場合、本実施形態のナット本体部141 外側に余肉を付けて、この余肉部分に締め け力が作用するように構成することも考え れる。ここで、軸部142,143の外径が本実施形 態と同様であると、ナット本体部141のボール 14aを保持する部分にも締め付け力が作用して しまう。そのため、軸部142,143の外径を本実 形態のナット本体部141の外径以上にするこ が必要になる。その結果、アンギュラベア ング19も大径になり、必然的にアンギュラベ アリング19を収納するナットケース18も大径 なり、駆動ユニット15を小型軽量化すること が困難になる。

 そこで、本実施形態では、上記の如く一 のアンギュラベアリング19,19で軸支するナ ト部材14の両端の軸部142,143をナット本体部14 1より小径にすると共に、両アンギュラベア ング19,19の内輪19a,19a間に特殊な形状の第1カ ー20を介設して、ナット本体部141に締め付 力が作用することを防止している。即ち、 1カラー20は、ナット本体部141に外挿される 筒部20aと、円筒部20aの軸方向両端に設けら 、ナット本体部141と各軸部142,143との間の段 と各アンギュラベアリング19の内輪19aとの に入り込んで内輪19aに当接する一対の環状 部20b,20bとを有する。尚、ナット本体部141と 軸部142,143との間の段差と各環状板部20bとの 間には僅かなクリアランスが生ずるようにし ている。また、両環状板部20b,20bが円筒部20a 一体であると、第1カラー20をナット部材14に 装着できなくなるため、少なくとも一方の環 状板部20bは円筒部20aから分離自在とする。本 実施形態では、両環状板部20b,20bを共に円筒 20aから分離自在としている。

 ここで、軸方向一端側(マウントフレーム17 )のアンギュラベアリング19の外輪19bは、ナ トケース18にマウントフレーム17をボルト止 めすることで、マウントフレーム17により軸 向他端側に締め付けられる。この際、締め け力は該ベアリング19のベアリング球19cと 輪19aと第1カラー20の軸方向一端の環状板部20 bと円筒部20aと軸方向他端の環状板部20bとを して軸方向他端側のアンギュラベアリング19 の内輪19aに伝達される。そして、軸方向他端 側のアンギュラベアリング19の外輪19bが該ベ リング19の内輪19aからベアリング球19cを介 て伝達される押圧力によりナットケース18の 軸方向他端の肩部18dにシールリング18eを介し て押し付けられる。これにより両アンギュラ ベアリング19,19がナットケース18内に軸方向 不動に保持され、各直動アクチュエータ12 1 ,12 2 ,12 3 ,12 4 の伸縮動作によりナット部材14に作用するス スト反力を両アンギュラベアリング19,19で けられるようになる。

 また、組立時に軸方向一端側のアンギュ ベアリング19に加える締め付け力は上記の く第1カラー20を介して軸方向他端側のアン ュラベアリング19に伝達されるため、ナット 本体部141に締め付け力は作用しない。従って 、ナット本体部141の外径をボール14aの保持に 必要な必要最小限の寸法に設定し、これより 軸部142,143の外径を小さくしても、締め付け によりボール14aの動きの円滑性が損なわれ 、フリクションロスが増大するといった不 合は生じない。そして、軸部142,143の小径化 アンギュラベアリング19も小径化できる。 の結果、ナットケース18を小径化して、駆動 ユニット15の小型軽量化を図ることができる

 尚、軸方向他端側のアンギュラベアリン 19の外輪19bがナットケース18の軸方向他端の 肩部18dに押し付けられる前に、ナットケース 18の軸方向一端にマウントフレーム17が当接 ると、締め付け不能になる。これを防止す ため、寸法公差を考慮して、組立状態でナ トケース18の軸方向一端とマウントフレーム 17との間に若干のクリアランスが生ずるよう している。そのため、軸方向一端側のアン ュラベアリング19の外輪19bを軸方向にいく でも締め上げられるようになり、アンギュ ベアリング19の与圧量が過大になって、フリ クショントルクが大きくなる虞がある。

 そこで、本実施形態では、両アンギュラ アリング19,19の外輪19b,19b間に第1カラー20と 一軸長の円筒状の第2カラー21を介設してい 。これによれば、軸方向一端側のアンギュ ベアリング19の外輪19bが軸方向に過度に締 上げられることを第2カラー21により防止で る。

 但し、第1カラー20の軸長と第2カラー21の 長とにミクロンオーダの差を生じても、ア ギュラベアリング19の与圧量に大きな影響 及ぶ。そこで、図7に示す如く治具100上に第1 と第2の両カラー20,21をセットして、両カラー 20,21を同時に平面研削し、両カラー20,21の軸 を正確に一致させるようにしている。

 ここで、第1カラー20の各環状板部20bの軸 向外方を向く面の内周部には、径方向内方 向けて軸方向内方に傾斜するテーパー部20c 形成されている。また、治具100は、治具本 101と、治具本体101にマグネットチャック等 より取付け自在な押え治具102とを備えてい 。押え治具102は、雌ねじ部103aを有する下半 部103と雄ねじ部104aを有する上半部104とで構 されている。上下の各半部103,104の端部外周 は第1カラー20の各環状板部20bのテーパー部2 0cに対応するテーパー部103b,104bが形成されて る。

 平面研削に際しては、第1カラー20の一方 環状板部20bをそのテーパー部20cが押え治具1 02の下半部103のテーパー部103bに係合するよう に治具本体101に載置し、その上に第1カラー20 の円筒部20aと他方の環状板部20bとを載せる。 次に、押え治具102の上半部104を下半部103に螺 合させる。これにより、上半部104のテーパー 部104bが他方の環状板部20bのテーパー部20cに 合して、一方の環状板部20bと円筒部20aと他 の環状板部20bとから成る第1カラー20が下半 103と上半部104との間に挟まれた状態で治具 体101上に固定される。次に、治具本体101上 第1カラー20を囲うようにして第2カラー21を 置し、第1カラー20の上方の環状板部20bの上 と第2カラー21の上端面とを同時に平面研削 る。

 このように環状板部20bにテーパー部20cを 成することで、テーパー部20cが押え治具102 係合部になり、第1カラー20と第2カラー21の 時平面研削が可能になる。尚、本実施形態 は、第1カラー20の両環状板部20b,20bにテーパ ー部20cを形成したが、押え治具102の下半部103 が治具本体101に強固に固定されるものであれ ば、平面研削する上方の環状板部20bと押え治 具102の上半部104のみにテーパー部20c,104bを形 してもよい。

 以上、本発明の実施形態について図面を参 して説明したが、本発明はこれに限定され い。例えば、上記実施形態では、下腿駆動 の第3直動アクチュエータ12 3 の駆動ユニット15の大腿リンク7に対する連結 部(Y2a軸)や足平駆動用の第4直動アクチュエー タ12 4 の駆動ユニット15の下腿リンク9に対する連結 部(Y3a軸)を夫々股関節部6や膝関節部8から若 離れた位置に配置しているが、第3直動アク ュエータ12 3 の駆動ユニット15を股関節部8の関節軸(Y1軸) 同一軸線上で大腿リンク6に揺動自在に連結 ると共に、第4直動アクチュエータ12 4 の駆動ユニット15を膝関節部8の関節軸(Y2軸) 同一軸線上で下腿リンク9に揺動自在に連結 てもよい。これによれば、大腿リンク7の股 関節部6回りの慣性モーメント及び下腿リン 9の膝関節部8回りの慣性モーメントをより一 層低減できる。

 また、上記実施形態では、足首関節部10を 平部11の上下方向と横方向の揺動を許容する 2軸ジョイントで構成したが、足平部11の上下 方向の揺動のみを許容する1軸ジョイントで 首関節部10を構成することも可能である。こ の場合、足平駆動用の第4直動アクチュエー 12 4 は1個でよい。

本発明の実施形態の2足歩行ロボットの 斜め後方から見た斜視図。 実施形態の2足歩行ロボットの正面図。 実施形態の2足歩行ロボットの背面図。 実施形態の2足歩行ロボットの側面図。 図2のV-V線拡大切断面図。 実施形態の2足歩行ロボットの階段歩行 時の脚部の状態を示す側面図。 実施形態の2足歩行ロボットに搭載した 直動アクチュエータが具備するナットケース 内に設けられる第1と第2の両カラーの平面研 時の状態を示す断面図。

符号の説明

 1…胴体部、2…脚部、6…股関節部、7…大腿 リンク、8…膝関節部、9…下腿リンク、10… 首関節部、11…足平部、12 3 …第3直動アクチュエータ(下腿駆動用直動ア チュエータ)、12 4 …第4直動アクチュエータ(足平駆動用直動ア チュエータ)、13…電動モータ、14…ナット 材、14a…ボール、15…駆動ユニット、16…ね 軸、L1…膝関節部と足首関節部との結線、L2 …第4直動アクチュエータの伸縮力の作用線 Y3a…第4直動アクチュエータの下腿リンクに する連結部、Y3b…第4直動アクチュエータの 足平部に対する連結部。