多脚歩行式移動装置の足部機構
【課題】不整地においても、支持多角形の面積を確保することができると共に、立位バランス制御に必要かつ十分な床反力情報を取得することができる、シンプルな構成の多脚歩行式移動装置の足部機構を提供する。
【解決手段】多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構1であって、脚ユニットの先端に取り付けられるベース部材2と、ベース部材2に固定されていて、一直線上に並ばない３つの接地点31e,32e,33eを有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材31,32,33と、支持部材31,32,33に設けられ、接地点31e,32e,33eにおける床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置31c,32c,33cであって、接地点31e,32e,33e全てを含んでなる第１の仮想足底平面P1の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、からなる足部機構1とした。
【解決手段】多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構1であって、脚ユニットの先端に取り付けられるベース部材2と、ベース部材2に固定されていて、一直線上に並ばない３つの接地点31e,32e,33eを有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材31,32,33と、支持部材31,32,33に設けられ、接地点31e,32e,33eにおける床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置31c,32c,33cであって、接地点31e,32e,33e全てを含んでなる第１の仮想足底平面P1の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、からなる足部機構1とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、床反力制御によって立位バランスを保持する多脚歩行式移動装置の脚ユニットに取り付けられて接地する、足部機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の多脚歩行式移動装置、例えば二脚歩行式ロボットは一般に、図６に示す如く、上体ユニット１１０と、上体ユニット１１０の下部に取り付けられた脚ユニット４，４とを有している。脚ユニット４は、股関節部５と、大腿リンク６を介して股関節部５に連結された膝関節部７と、下腿リンク８を介して膝関節部７に連結された足首関節部９と、足首関節部９に連結された足部機構１０１とにより、構成されている。
【０００３】
股関節部５は、Ｚ軸まわりの揺動軸５１と、Ｘ軸まわりの揺動軸５２と、Ｙ軸まわりの揺動軸５３とにより構成されている。膝関節部７は、Ｙ軸まわりの揺動軸７１からなっている。足首関節部９は、Ｘ軸まわりの揺動軸９１と、Ｙ軸まわりの揺動軸９２とにより、構成されている。つまり、脚ユニット４は６自由度を有している。
なお、ここでのＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とは、二脚歩行式ロボット１１２の前後方向（前方＋）、横方向（右方＋）、上下方向（上方＋）を指す（以下同じ）。
【０００４】
各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、上体ユニット１１０内に格納された制御ユニット１１１によって駆動制御される。
【０００５】
制御ユニット１１１は、外部からの要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部（不図示）と、この歩容データに基づいて各関節部５，７，９の駆動モータを駆動制御する歩行制御部（不図示）と、を備えている。
【０００６】
歩容生成部は、各関節部５，７，９における駆動モータの目標角度、目標角速度等を含む歩容データを生成する。歩行制御部は、その歩容データに従って各関節部５，７，９の駆動モータを駆動制御することにより、所定の歩行パターンで脚ユニット４を揺動させる。これにより、二脚歩行式ロボット１１２は、二脚歩行を実現している。
【０００７】
上記のような二脚歩行式ロボットの立位バランス保持に関し、ＺＭＰ規範が適用され得る。ここで、「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）」とは、ロボットの足底が受ける床反力の圧力中心であり、足底が平面である場合には足底が床面から受けるモーメント（の水平成分）がゼロになる点のことである。ＺＭＰ規範とは、このＺＭＰが、３点以上の接地点を線で結ぶことで形成される支持多角形の内側にあれば、ロボットは転倒せずに安定に歩行し得るとする規範である。
【０００８】
このＺＭＰ規範に基づき、歩行中における実際のＺＭＰ（以下、実ＺＭＰと称する）を、所定の歩行パターンにおける目標ＺＭＰに一致させるように、ロボットの状態を制御することにより、多脚歩行式移動装置の立位バランスを保持することができる。
【０００９】
ところで、従来の多脚歩行式ロボットの足部機構は、その足底が単一平面で構成されていることが多い。足底が単一平面であると、図９（非特許文献１の図２を引用）に示す如く、不整地歩行の際、凸部Ｃに乗り上げる等、足底全体が接地しない場合がある。この場合、支持多角形ＳＰの面積が小さくなり、立位バランスを保持することが困難となっていた。
【００１０】
この問題に対し、例えば、非特許文献１記載の足部機構が提案されている。
非特許文献１記載の足部機構２０１は、図１０（非特許文献１の図３を引用）に示す如く、足部機構２０１の４隅に受動的に上下動する支持部材２０３を有していて、路面の凹凸にならうようになっている。各支持部材２０３には、それぞれ接地を感知するスイッチ（不図示）が設けられている。スイッチが４つの支持部材２０３全ての接地を感知すると、各支持部材２０３がロックされる。これにより、速やかに支持多角形が構成され、保持される。
【００１１】
また、特許文献１記載の足部機構が提案されている。
特許文献１記載の足部機構３０１は主に、図１１（特許文献１の図２を引用）に示す如く、ベース部３０２と、ベース部３０２の後端付近に固定配置された踵部３３１と、ベース部３０２の下端に設けられた関節部（駆動モータ）３３２，３３２と、関節部３３２，３３２から実質的に前方に向かって並んで延び、ベース部３０２に対して上下に揺動可能に配置された一対の足先部３３３，３３３と、から構成されている。踵部３３１および足先部３３３，３３３の先端の下面には、床反力情報を得るための３軸力センサ３３４が設けられている。各３軸力センサ３３４からの検出値に基づき、関節部３３２，３３２が適宜駆動制御されることにより、不整地においても、踵部３３１と足先部３３３，３３３とで常に３点接地するようになっている。
【非特許文献１】橋本健二，菅原雄介，林昭宏，川瀬正幹，太田章博，田中智明，遠藤信綱，沢戸瑛昌，林憲玉，高西淳夫：２足歩行ロボットの不正地適応能力向上を図った足部機構の開発（第３報：新保持機構開発による不整地歩行の実現），第24回日本ロボット学会学術講演会講演論文集，2F15, 2006.
【特許文献１】特開２００４−９０１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献１記載の足部機構は、支持部材を上下動させるための機構や支持部材をロックする機構、接地を感知するスイッチ等を設ける必要があり、複雑な構成となっていた。
【００１３】
また、特許文献１記載の足部機構は、足先部が揺動するため、複雑な構成であった。特許文献１記載の足部機構はさらに、立位バランス制御に十分な床反力情報を得るためには、３つの３軸力センサが必要であった。一般に、多軸力センサは高価かつ壊れ易いため、不整地を歩行する大型の多脚歩行式移動装置にこの足部機構を適用することは困難であった。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、不整地歩行においても、支持多角形の面積を確保することができると共に、立位バランス制御に必要かつ十分な床反力情報を取得することができる、シンプルな構成の多脚歩行式移動装置の足部機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために本発明は、（１） 多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、前記ベース部材に固定されていて、一直線上に並ばない３つの接地点を有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材と、前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記接地点全てを含んでなる第１の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
ここで、「足」とは人間でいう足首からつま先までに対応する部分を指し、「脚」とは人間でいう足首から骨盤までに対応する部分を指す（以下、同じ）。
また、「第１の仮想足底平面」とは、足部機構における３本の支持部材の先端（接地点）全てを含む（通る）平面を指す（以下、同じ）。つまり、「第１の仮想足底平面」は、例えば不整地等において支持部材の先端が突起上に乗り上げたとき、図７に示す如く、実際の床面とは一致しないこととなる。なお、図７は、２次元的に表現する都合上、足部機構の支持部材を２本としている。
また、「前記接地点全てを含んでなる第１の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力」は、例えば不整地等において支持部材の先端が突起上に乗り上げたときのものを図示すると、図７のようになる。
【００１６】
また、本発明は、（２） 多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、前記ベース部材に固定された支持部材であって、前記ベース部材に対して固定された一直線上に並ばない３つの基準接地点と、当該基準接地点全てを含んでなる第２の仮想足底平面の法線方向に沿って当該基準接地点を通る軸上をスライド可能であると共に、前記基準接地点近傍にそれぞれ接地点を有する３つのスライド片と、を備えていて、前記接地点のみで接地するようになっているものと、前記支持部材に設けられ、前記スライド片を、そのスライドの方向であって前記接地点における床反力に逆らう方向に付勢する付勢手段と、前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記スライド片のスライド変位量を検出する検出器を備え、当該検出器によって検出した前記スライド変位量から、前記第２の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを算出するものと、を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
ここで、「基準接地点」とは、実際の接地点近傍にそれぞれ定義されるベース部材に対して固定された点であって、実際の接地点とは必ずしも一致しないが、実ＺＭＰ算出上、接地点と同等に取り扱っても問題ない点を指す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の多脚歩行式移動装置の足部機構は、足底が平面や曲面ではなく、支持部材の先端３点のみで接地する構成となっている。したがって、本発明の足部機構によれば、不整地であっても３点で確実に接地することができ、各接地点を線で結んでなる支持多角形が確保される。
【００１８】
また、本発明の足部機構によれば、上述のように不整地であっても支持多角形が確保されるので、足部機構に支持多角形を確保するための特別な機構を設ける必要がない。それゆえ、本発明の足部機構は、単純かつ堅牢な構成であり、安価である。
【００１９】
また、本発明の足部機構によれば、各接地点または基準接地点を含む仮想足底平面を定義し、その仮想足底平面に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰを容易に算出することができる。
つまり、接地点または基準接地点はベース部材に対して固定されており、かつそれらの座標は既知であるため、各接地点における床反力であって仮想足底平面の法線方向に作用する床反力を検出するだけで、上記実ＺＭＰを容易に算出することができる。
【００２０】
また、上述のように、仮想足底平面の法線方向についての床反力のみを検出すれば実ＺＭＰを算出することができるため、床反力検出装置として、検出方向を仮想足底平面の法線方向とした１軸力センサを使用することができる。それゆえ、高価かつ壊れ易い多軸力センサを用いる必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の好ましい一実施形態につき説明する。
図１は本発明にかかる足部機構の一例を示す斜視図、図２は図１の足部機構を適用した二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図、図３は図１の足部機構において実ＺＭＰを算出する方法を説明するための図、図４は図２の二脚歩行式ロボットにおける制御ユニットの構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態にかかる足部機構１は、後述する脚ユニット４の下端に取り付けられるベース部材２と、ベース部材２からのびる３本の支持部材３１，３２，３３と、を有している。
【００２３】
支持部材３１，３２，３３は、図１に示す如く、ベース部材２からのびる連結部３１ａ，３２ａ，３３ａと、連結部３１ａ，３２ａ，３３ａの先端に設けられた接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂと、１軸力センサ（床反力検出装置）３１ｃ，３２ｃ，３３ｃを介して接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂに取り付けられた接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄと、から構成されている。
【００２４】
連結部３１ａ，３２ａ，３３ａは、棒状に形成されており、ベース部材２の下方であって互いに異なる方向にのびている。
【００２５】
接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂは、連結部３１ａ，３２ａ，３３ａの先端に接続されている。接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂの下端には、１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃおよび接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄが順次取り付けられている。
【００２６】
接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄは、接地本体部１ｂ，３２ｂ，３３ｂ側から下方にのびる先細形状となっている。接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄは、その先端の接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅのみで接地するようになっている。
【００２７】
１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、シート状の圧力センサであって、足部機構１が接地した際に受ける床反力を、接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄを介して検出する。１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、シート面に垂直な方向が検出軸となっている。１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、その検出軸方向が、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅ全てを含む仮想足底平面（第１の仮想足底平面）Ｐ１の法線方向と一致するように配置されている。
【００２８】
上記のように構成された足部機構１は、図２に示す如く、上体ユニット１０および脚ユニット４，４を有する二脚歩行式ロボット１２において、各脚ユニット４の下端にベース部材２が連結されて、取り付けられ得る。
【００２９】
二脚歩行式ロボット１２の脚ユニット４は、図２に示す如く、股関節部５、膝関節部７、足首関節部９、股関節部５と膝関節部７とを連結する大腿リンク６、および膝関節部７と足首関節部９とを連結する下腿リンク８、から構成されている。
【００３０】
股関節部５は、図２に示す如く、Ｚ軸まわりの揺動軸５１と、Ｘ軸まわりの揺動軸５２と、Ｙ軸まわりの揺動軸５３とにより構成されている。膝関節部７は、Ｙ軸まわりの揺動軸７１からなっている。足首関節部９は、Ｘ軸まわりの揺動軸９１と、Ｙ軸まわりの揺動軸９２とにより、構成されている。これにより、脚ユニット４は６自由度を有することとなる。
【００３１】
各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、その回転量を検出するロータリエンコーダを備えている。各駆動モータは、上体ユニット１０内に格納された制御ユニット１１によって駆動制御される。
【００３２】
制御ユニット１１は、図４に示す如く、歩容生成部１１ａと、演算部１１ｂと、補正部１１ｃと、駆動モータ制御部１１ｄと、を備えている。
【００３３】
歩容生成部１１ａは、外部から入力される要求動作信号に対応して、脚ユニット４における各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２の目標角度、目標角速度、および目標ＺＭＰ等を含む歩容データを生成し、補正部１１ｃに出力する。
【００３４】
演算部１１ｂは、脚ユニット４における各関節部５，７，９の駆動モータに備えられたロータリエンコーダから、各駆動モータの角度信号が入力される。演算部１１ｂは、その角度信号に基づき、各関節部５，７，９の駆動モータの角度、角速度等に関する関節状態データを算出し、駆動モータ制御部１１ｄにそれを出力する。
【００３５】
演算部１１ｂにはさらに、足部機構１における１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃから、床反力検出値が入力される。演算部１１ｂは、各支持部材３１，３２，３３における各床反力検出値に基づいて、実ＺＭＰを算出し、補正部１１ｃにそれを出力する。実ＺＭＰは、以下の式より算出される。
ここで、以下の式は、ｘ軸およびｙ軸が仮想足底平面Ｐ１上にあるローカル座標軸（図３参照）に基づいて定義される。つまり、本発明の足部機構１における実ＺＭＰは、仮想足底平面Ｐ１に固定されたローカル座標軸に関して算出される。
【００３６】
【数１】
【数２】
ｘ実ｚｍｐ：実ＺＭＰのｘ座標
ｙ実ｚｍｐ：実ＺＭＰのｙ座標
ｘｉ：床反力を受けている点のｘ座標
ｙｉ：床反力を受けている点のｙ座標
ｆｉ：仮想足底平面Ｐ１に垂直な床反力の大きさ
【００３７】
本発明の足部機構１の場合、床反力を受けている点は各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅである。したがって、上記の式（１）および（２）におけるｘｉおよびｙｉには、図３に示す各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅの座標（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）が代入される。
【００３８】
また、１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅが受ける床反力のうち、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅを全て含む仮想足底平面Ｐ１の法線方向の成分のみを検出するため、その検出値がそのまま上記式（１）および（２）におけるｆｉに代入される。
【００３９】
補正部１１ｃは、演算部１１ｂから入力された実ＺＭＰが、歩容生成部１１ａから入力された目標ＺＭＰに一致するように、または支持多角形ＳＰ内に収まるように、各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２の目標角度、目標各速度等の歩容データを補正する。補正後の歩容データは、駆動モータ制御部１１ｄに入力される。
【００４０】
駆動モータ制御部１１ｄは、補正部１１ｃからの補正後の歩容データと、演算部１１ｂからの関節状態データとの差に基づいて、各関節部５，７，９の駆動モータに対する制御信号を生成する。駆動モータ制御部１１ｄは、その制御信号を各駆動モータに出力することで、各駆動モータを駆動制御する。
【００４１】
以上のように構成された二脚歩行式ロボット１２は、以下のように、立位バランスを保持する。
【００４２】
まず、制御ユニット１１における歩容生成部１１ａが、外部からの要求動作に基づいて、各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２の目標角度、目標各速度および目標ＺＭＰ等の歩容データを生成し、補正部１１ｂに出力する。
【００４３】
次に、演算部１１ｂが、各関節部５，７，９に備えられたロータリエンコーダからの信号に基づき、各関節部５，７，９の駆動モータの角度、角速度等に関する関節状態データを算出し、駆動モータ制御部１１ｄに出力する。
【００４４】
次に、足部機構１の１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅにかかる床反力を検出し、その検出値を制御ユニット１１の演算部１１ｂに出力する。
【００４５】
次に、演算部１１ｂが、１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃからの床反力検出値に基づいて、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅを含む仮想足底平面Ｐ１上の実ＺＭＰを算出し、それを補正部１１ｃに出力する。
【００４６】
次に、補正部１１ｃが、演算部１１ｂからの実ＺＭＰが歩容生成部１１ａからの目標ＺＭＰに一致するように、歩容生成部１１ａからの歩容データを補正し、補正後の歩容データを駆動モータ制御部１１ｄに出力する。
【００４７】
次に、駆動モータ制御部１１ｄが、補正部１１ｃからの補正後の歩容データと、演算部１１ｂからの関節状態データとの差に基づいて、各関節部５，７，９の駆動モータの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて、各駆動モータを制御する。
【００４８】
以上のように構成された二脚歩行式ロボット１２は、足部機構１の足底が平面ではなく、ベース部材２からのびる３本の支持部材３１，３２，３３の先端、つまり接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅで接地する構成となっている。したがって、不整地であっても、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅは確実に接地することができ、各接地点を線で結んでなる支持多角形ＳＰが確保される。
【００４９】
また、本発明の足部機構１によれば、上述のように不整地であっても支持多角形ＳＰが確保されるので、足部機構１に支持多角形ＳＰを確保するための特別な機構を設ける必要がない。それゆえ、足部機構１は、シンプルかつ堅牢な構成であり、安価である。
【００５０】
また、本発明の足部機構１によれば、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅを全て含む仮想足底平面Ｐ１を定義し、その仮想足底平面Ｐ１に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰを容易に算出することができる。
つまり、床反力を受ける点が接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅに固定されるため、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅにおける床反力であって仮想足底平面Ｐ１の法線方向についての床反力を検出するだけで、実ＺＭＰを容易に算出することができる。
【００５１】
また、上述のように、仮想足底平面Ｐ１の法線方向についての床反力のみを検出すれば実ＺＭＰを算出することができるため、床反力検出装置として、検出方向を仮想足底平面Ｐ１の法線方向とした１軸力センサを使用することができる。それゆえ、高価かつ壊れ易い多軸力センサを用いる必要がない。
【００５２】
また、各脚ユニット４それぞれに独立してＺＭＰ規範を用いた立位バランス制御を行うことで、多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持することができるが、その場合に本発明の足部機構１が好適に使用され得る。本発明の足部機構１によれば、各足部機構１の足底に定義されるローカル座標軸に関する実ＺＭＰを容易に算出できるからである。
なお、各脚ユニット４それぞれに独立してＺＭＰ規範を用いた立位バランス制御を行うことで、多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持することができる理由は、次に議論するとおりである。
【００５３】
［単一水平面上での議論］
多脚歩行式移動装置の接地状態において、接地している足がｉ＝１，２，・・・Ｎ本あるとする。足ｉの接地点を簡単のために離散化し、ｐｉｊ（ｊ＝１，２，・・・，Ｎｉ）とする。
ここで、床面が単一平面であるならば、接地点ｐｉｊにおける床面に垂直な床反力をｆｉｊｚとして、多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは次のように導出される。
【数３】
一方、各足のＺＭＰについて考えると、足ｉのみのＺＭＰは次のようになる。
【数４】
多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは、各足のＺＭＰを用いると、次のように表される。
【数５】
【数６】
一般にｆｉｊｚ＞０であることから、αｉ＞０であり、式（６）から、
【数７】
である。したがって、単一平面上における多脚歩行式移動装置の接地状態について、次のことがわかる。
・多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは、各足ＺＭＰのつくる凸包内に存在する。
・各足ＺＭＰの作る凸包内における多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰの位置は、すべて
の足を考慮した支持多角形内でαｉに依存して変化する。
接地しているＮ本の足それぞれの支持多角形の凸包が多脚歩行式移動装置全体の支持多角形であることを考えれば、全体と各足のＺＭＰの関係は次のようになる。
・少なくとも１つの各足ＺＭＰが、その足の支持多角形内（境界を除く）に存在するな
らば、多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは、全体の支持多角形内に存在する。
すなわち、必ずしも多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰを考慮しなくても、各足ＺＭＰを各足についてローカルに計測し、各足ＺＭＰを各足の支持多角形内に保つように制御することによって、多脚歩行式移動装置全体の立位バランス保持が可能である。
また、式（６）から、例えば上体を動かして各足に加える重量の割合、つまりαｉを変化させることにより、各足ＺＭＰ位置とは独立に、各足ＺＭＰの作る凸包内で多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰの位置を操作できる。すなわち、各足ＺＭＰの各足ローカルな制御によって多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持しつつ、全く独立な制御を上体に適用し、多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰを、例えばある単一の足の支持多角形内に移動させることが可能である。これは、多脚歩行式移動装置の歩行運動における立位バランス保持と歩行動作生成を、それぞれ独立した制御で別個に行なうことを可能にする知見である。
【００５４】
［不整地での議論］
単一水平面上での議論と同様に、多脚歩行式移動装置の接地状態において、接地している足がｉ＝１，２，・・・，Ｎ本あるとする。足ｉの接地点を簡単のため離散化し、ｐｉｊ（ｊ＝１，２，・・・，Ｎｉ）とする。足ｉは少なくとも３点で接地（Ｎｉ≧３）しており、この３点を含む平面を足ｉの仮想足底平面とする。ただし、不整地であるので、各足の仮想足底平面は必ずしも同一水平面上にない。
この場合でも、接地点ｐｉｊにおいて仮想足底平面ｉに垂直な床反力をｆｉｊｚとし、少なくとも１つの足ｉにおけるすべての垂直床反力について、ｆｉｊｚ＞０（ｊ＝１，２，・・・，Ｎｉ）ならば、足ｉのＺＭＰは足ｉの支持多角形内にあり、足ｉは仮想足底平面における接地状態から剥がれることはない。
すなわち、不整地においてもやはり、必ずしも多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰを新たに定義して複雑な解析を行なわなくとも、各足ＺＭＰを各足についてローカルに計測し、各足ＺＭＰを支持多角形内に保つように制御することによって、多脚歩行式移動装置全体の立位バランス保持が可能である。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の足部機構における３つの接地点の位置関係は固定されているのが原則であるが、仮想足底平面の法線方向への比較的小さな変位であれば、実際上問題ない。そこで、図５に示す如く、足部機構１’の支持部材３１’，３２’，３３’に簡単な緩衝機構を導入してもよい。
【００５６】
つまり、支持部材３１’，３２’，３３’を、ベース部材２からのびる連結部３１ａ，３２ａ，３３ａと、連結部３１ａ，３２ａ，３３ａの先端に設けられた接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂと、接地本体部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂにスライド可能に保持されたスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇと、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇをスライド方向であって床反力に逆らう方向に付勢する圧縮ばね（付勢手段）３１ｆ，３２ｆ，３３ｆと、から構成してもよい。
【００５７】
このとき、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇは、図５Ｂに示す如く、軸部３１ｊ，３２ｊ，３３ｊと、接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈとから構成される。接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈは、下方に向かって凸となる半球状に形成されている。接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈは、硬質ゴムやウレタンなどの柔軟材からなっている。軸部３１ｊ，３２ｊ，３３ｊは、接地本体部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ内に収容され、ガイドされる。スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇは、スライド方向が基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍ全てを含む仮想足底平面（第２の仮想足底平面）Ｐ２の法線方向と一致するように配置されている。
【００５８】
ここで、基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍとしては、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇのスライド軸上にある点であって、実際の接地点の近傍となる固定点、例えば、足部機構１’が接地していないときのスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの最下点や、足部機構１’が均等な床反力を受けるように平面上に接地したときのスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの接地点などの適切な点を、予め定めておく。
【００５９】
圧縮ばね３１ｆ，３２ｆ，３３ｆは、接地本体部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂと、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈとの間に配置される。
【００６０】
スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの近傍には、図５Ｂに示す如く、スライド片のスライド量を検出するための検出器３１ｋ，３２ｋ，３３ｋが配置される。検出器３１ｋ，３２ｋ，３３ｋとしては、ポテンショメータやレーザー変位計、ギャップセンサ等が使用され得る。
【００６１】
検出器３１ｇ，３２ｇ，３３ｇによって検出されたスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇのスライド量、つまり圧縮ばね３１ｆ，３２ｆ，３３ｆの収縮量と、フックの法則とに基づき、床反力が算出される。
【００６２】
上記のように緩衝機構を設けた足部機構１’によれば、足部機構１’が接地した際の衝撃を緩和し、多脚歩行式移動装置の各駆動部や各関節部を保護することができる。
【００６３】
また、足部機構１’は、基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍが、スライド軸上にある点であって、実際の接地点の近傍となる固定点（スライド片が変位しても変位しない点）とされている。それゆえ、図８に例示するように、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇが接地状況に応じてスライドし、基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍと実際の接地点とが一致しない状況になっても、実ＺＭＰの算出上は微差であり、基準接地点を接地点と取り扱って実ＺＭＰを算出しても問題がない。つまり、足部機構１’によれば、仮想足底平面Ｐ２に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰを、上記実施形態と同様、容易に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明にかかる足部機構の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の足部機構を適用した二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図である。
【図３】図１の足部機構においてＺＭＰを算出する方法を説明するための図である。
【図４】図２の二脚歩行式ロボットにおける制御ユニットの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明にかかる足部機構の変形例を示す斜視図である。
【図６】従来例にかかる二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図である。
【図７】第１の仮想足底平面を説明するための図である。
【図８】第２の仮想足底平面を説明するための図である。
【図９】従来例にかかる足部機構が不整地歩行した際の状態を示す図である。
【図１０】別の従来例にかかる足部機構を説明するための図である。
【図１１】さらに別の従来例にかかる足部機構を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６５】
Ｐ 仮想足底平面
１ 足部機構
２ ベース部材
３１，３２，３３ 支持部材
３１ａ，３２ａ，３３ａ 連結部
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ 接地本体部
３１ｃ，３２ｃ，３３ｃ １軸力センサ（床反力検出装置）
３１ｄ，３２ｄ，３３ｄ 接地片
３１ｅ，３２ｅ，３３ｅ 接地点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、床反力制御によって立位バランスを保持する多脚歩行式移動装置の脚ユニットに取り付けられて接地する、足部機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の多脚歩行式移動装置、例えば二脚歩行式ロボットは一般に、図６に示す如く、上体ユニット１１０と、上体ユニット１１０の下部に取り付けられた脚ユニット４，４とを有している。脚ユニット４は、股関節部５と、大腿リンク６を介して股関節部５に連結された膝関節部７と、下腿リンク８を介して膝関節部７に連結された足首関節部９と、足首関節部９に連結された足部機構１０１とにより、構成されている。
【０００３】
股関節部５は、Ｚ軸まわりの揺動軸５１と、Ｘ軸まわりの揺動軸５２と、Ｙ軸まわりの揺動軸５３とにより構成されている。膝関節部７は、Ｙ軸まわりの揺動軸７１からなっている。足首関節部９は、Ｘ軸まわりの揺動軸９１と、Ｙ軸まわりの揺動軸９２とにより、構成されている。つまり、脚ユニット４は６自由度を有している。
なお、ここでのＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とは、二脚歩行式ロボット１１２の前後方向（前方＋）、横方向（右方＋）、上下方向（上方＋）を指す（以下同じ）。
【０００４】
各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、上体ユニット１１０内に格納された制御ユニット１１１によって駆動制御される。
【０００５】
制御ユニット１１１は、外部からの要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部（不図示）と、この歩容データに基づいて各関節部５，７，９の駆動モータを駆動制御する歩行制御部（不図示）と、を備えている。
【０００６】
歩容生成部は、各関節部５，７，９における駆動モータの目標角度、目標角速度等を含む歩容データを生成する。歩行制御部は、その歩容データに従って各関節部５，７，９の駆動モータを駆動制御することにより、所定の歩行パターンで脚ユニット４を揺動させる。これにより、二脚歩行式ロボット１１２は、二脚歩行を実現している。
【０００７】
上記のような二脚歩行式ロボットの立位バランス保持に関し、ＺＭＰ規範が適用され得る。ここで、「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）」とは、ロボットの足底が受ける床反力の圧力中心であり、足底が平面である場合には足底が床面から受けるモーメント（の水平成分）がゼロになる点のことである。ＺＭＰ規範とは、このＺＭＰが、３点以上の接地点を線で結ぶことで形成される支持多角形の内側にあれば、ロボットは転倒せずに安定に歩行し得るとする規範である。
【０００８】
このＺＭＰ規範に基づき、歩行中における実際のＺＭＰ（以下、実ＺＭＰと称する）を、所定の歩行パターンにおける目標ＺＭＰに一致させるように、ロボットの状態を制御することにより、多脚歩行式移動装置の立位バランスを保持することができる。
【０００９】
ところで、従来の多脚歩行式ロボットの足部機構は、その足底が単一平面で構成されていることが多い。足底が単一平面であると、図９（非特許文献１の図２を引用）に示す如く、不整地歩行の際、凸部Ｃに乗り上げる等、足底全体が接地しない場合がある。この場合、支持多角形ＳＰの面積が小さくなり、立位バランスを保持することが困難となっていた。
【００１０】
この問題に対し、例えば、非特許文献１記載の足部機構が提案されている。
非特許文献１記載の足部機構２０１は、図１０（非特許文献１の図３を引用）に示す如く、足部機構２０１の４隅に受動的に上下動する支持部材２０３を有していて、路面の凹凸にならうようになっている。各支持部材２０３には、それぞれ接地を感知するスイッチ（不図示）が設けられている。スイッチが４つの支持部材２０３全ての接地を感知すると、各支持部材２０３がロックされる。これにより、速やかに支持多角形が構成され、保持される。
【００１１】
また、特許文献１記載の足部機構が提案されている。
特許文献１記載の足部機構３０１は主に、図１１（特許文献１の図２を引用）に示す如く、ベース部３０２と、ベース部３０２の後端付近に固定配置された踵部３３１と、ベース部３０２の下端に設けられた関節部（駆動モータ）３３２，３３２と、関節部３３２，３３２から実質的に前方に向かって並んで延び、ベース部３０２に対して上下に揺動可能に配置された一対の足先部３３３，３３３と、から構成されている。踵部３３１および足先部３３３，３３３の先端の下面には、床反力情報を得るための３軸力センサ３３４が設けられている。各３軸力センサ３３４からの検出値に基づき、関節部３３２，３３２が適宜駆動制御されることにより、不整地においても、踵部３３１と足先部３３３，３３３とで常に３点接地するようになっている。
【非特許文献１】橋本健二，菅原雄介，林昭宏，川瀬正幹，太田章博，田中智明，遠藤信綱，沢戸瑛昌，林憲玉，高西淳夫：２足歩行ロボットの不正地適応能力向上を図った足部機構の開発（第３報：新保持機構開発による不整地歩行の実現），第24回日本ロボット学会学術講演会講演論文集，2F15, 2006.
【特許文献１】特開２００４−９０１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献１記載の足部機構は、支持部材を上下動させるための機構や支持部材をロックする機構、接地を感知するスイッチ等を設ける必要があり、複雑な構成となっていた。
【００１３】
また、特許文献１記載の足部機構は、足先部が揺動するため、複雑な構成であった。特許文献１記載の足部機構はさらに、立位バランス制御に十分な床反力情報を得るためには、３つの３軸力センサが必要であった。一般に、多軸力センサは高価かつ壊れ易いため、不整地を歩行する大型の多脚歩行式移動装置にこの足部機構を適用することは困難であった。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、不整地歩行においても、支持多角形の面積を確保することができると共に、立位バランス制御に必要かつ十分な床反力情報を取得することができる、シンプルな構成の多脚歩行式移動装置の足部機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために本発明は、（１） 多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、前記ベース部材に固定されていて、一直線上に並ばない３つの接地点を有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材と、前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記接地点全てを含んでなる第１の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
ここで、「足」とは人間でいう足首からつま先までに対応する部分を指し、「脚」とは人間でいう足首から骨盤までに対応する部分を指す（以下、同じ）。
また、「第１の仮想足底平面」とは、足部機構における３本の支持部材の先端（接地点）全てを含む（通る）平面を指す（以下、同じ）。つまり、「第１の仮想足底平面」は、例えば不整地等において支持部材の先端が突起上に乗り上げたとき、図７に示す如く、実際の床面とは一致しないこととなる。なお、図７は、２次元的に表現する都合上、足部機構の支持部材を２本としている。
また、「前記接地点全てを含んでなる第１の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力」は、例えば不整地等において支持部材の先端が突起上に乗り上げたときのものを図示すると、図７のようになる。
【００１６】
また、本発明は、（２） 多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、前記ベース部材に固定された支持部材であって、前記ベース部材に対して固定された一直線上に並ばない３つの基準接地点と、当該基準接地点全てを含んでなる第２の仮想足底平面の法線方向に沿って当該基準接地点を通る軸上をスライド可能であると共に、前記基準接地点近傍にそれぞれ接地点を有する３つのスライド片と、を備えていて、前記接地点のみで接地するようになっているものと、前記支持部材に設けられ、前記スライド片を、そのスライドの方向であって前記接地点における床反力に逆らう方向に付勢する付勢手段と、前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記スライド片のスライド変位量を検出する検出器を備え、当該検出器によって検出した前記スライド変位量から、前記第２の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを算出するものと、を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
ここで、「基準接地点」とは、実際の接地点近傍にそれぞれ定義されるベース部材に対して固定された点であって、実際の接地点とは必ずしも一致しないが、実ＺＭＰ算出上、接地点と同等に取り扱っても問題ない点を指す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の多脚歩行式移動装置の足部機構は、足底が平面や曲面ではなく、支持部材の先端３点のみで接地する構成となっている。したがって、本発明の足部機構によれば、不整地であっても３点で確実に接地することができ、各接地点を線で結んでなる支持多角形が確保される。
【００１８】
また、本発明の足部機構によれば、上述のように不整地であっても支持多角形が確保されるので、足部機構に支持多角形を確保するための特別な機構を設ける必要がない。それゆえ、本発明の足部機構は、単純かつ堅牢な構成であり、安価である。
【００１９】
また、本発明の足部機構によれば、各接地点または基準接地点を含む仮想足底平面を定義し、その仮想足底平面に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰを容易に算出することができる。
つまり、接地点または基準接地点はベース部材に対して固定されており、かつそれらの座標は既知であるため、各接地点における床反力であって仮想足底平面の法線方向に作用する床反力を検出するだけで、上記実ＺＭＰを容易に算出することができる。
【００２０】
また、上述のように、仮想足底平面の法線方向についての床反力のみを検出すれば実ＺＭＰを算出することができるため、床反力検出装置として、検出方向を仮想足底平面の法線方向とした１軸力センサを使用することができる。それゆえ、高価かつ壊れ易い多軸力センサを用いる必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の好ましい一実施形態につき説明する。
図１は本発明にかかる足部機構の一例を示す斜視図、図２は図１の足部機構を適用した二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図、図３は図１の足部機構において実ＺＭＰを算出する方法を説明するための図、図４は図２の二脚歩行式ロボットにおける制御ユニットの構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態にかかる足部機構１は、後述する脚ユニット４の下端に取り付けられるベース部材２と、ベース部材２からのびる３本の支持部材３１，３２，３３と、を有している。
【００２３】
支持部材３１，３２，３３は、図１に示す如く、ベース部材２からのびる連結部３１ａ，３２ａ，３３ａと、連結部３１ａ，３２ａ，３３ａの先端に設けられた接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂと、１軸力センサ（床反力検出装置）３１ｃ，３２ｃ，３３ｃを介して接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂに取り付けられた接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄと、から構成されている。
【００２４】
連結部３１ａ，３２ａ，３３ａは、棒状に形成されており、ベース部材２の下方であって互いに異なる方向にのびている。
【００２５】
接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂは、連結部３１ａ，３２ａ，３３ａの先端に接続されている。接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂの下端には、１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃおよび接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄが順次取り付けられている。
【００２６】
接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄは、接地本体部１ｂ，３２ｂ，３３ｂ側から下方にのびる先細形状となっている。接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄは、その先端の接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅのみで接地するようになっている。
【００２７】
１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、シート状の圧力センサであって、足部機構１が接地した際に受ける床反力を、接地片３１ｄ，３２ｄ，３３ｄを介して検出する。１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、シート面に垂直な方向が検出軸となっている。１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、その検出軸方向が、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅ全てを含む仮想足底平面（第１の仮想足底平面）Ｐ１の法線方向と一致するように配置されている。
【００２８】
上記のように構成された足部機構１は、図２に示す如く、上体ユニット１０および脚ユニット４，４を有する二脚歩行式ロボット１２において、各脚ユニット４の下端にベース部材２が連結されて、取り付けられ得る。
【００２９】
二脚歩行式ロボット１２の脚ユニット４は、図２に示す如く、股関節部５、膝関節部７、足首関節部９、股関節部５と膝関節部７とを連結する大腿リンク６、および膝関節部７と足首関節部９とを連結する下腿リンク８、から構成されている。
【００３０】
股関節部５は、図２に示す如く、Ｚ軸まわりの揺動軸５１と、Ｘ軸まわりの揺動軸５２と、Ｙ軸まわりの揺動軸５３とにより構成されている。膝関節部７は、Ｙ軸まわりの揺動軸７１からなっている。足首関節部９は、Ｘ軸まわりの揺動軸９１と、Ｙ軸まわりの揺動軸９２とにより、構成されている。これにより、脚ユニット４は６自由度を有することとなる。
【００３１】
各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、その回転量を検出するロータリエンコーダを備えている。各駆動モータは、上体ユニット１０内に格納された制御ユニット１１によって駆動制御される。
【００３２】
制御ユニット１１は、図４に示す如く、歩容生成部１１ａと、演算部１１ｂと、補正部１１ｃと、駆動モータ制御部１１ｄと、を備えている。
【００３３】
歩容生成部１１ａは、外部から入力される要求動作信号に対応して、脚ユニット４における各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２の目標角度、目標角速度、および目標ＺＭＰ等を含む歩容データを生成し、補正部１１ｃに出力する。
【００３４】
演算部１１ｂは、脚ユニット４における各関節部５，７，９の駆動モータに備えられたロータリエンコーダから、各駆動モータの角度信号が入力される。演算部１１ｂは、その角度信号に基づき、各関節部５，７，９の駆動モータの角度、角速度等に関する関節状態データを算出し、駆動モータ制御部１１ｄにそれを出力する。
【００３５】
演算部１１ｂにはさらに、足部機構１における１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃから、床反力検出値が入力される。演算部１１ｂは、各支持部材３１，３２，３３における各床反力検出値に基づいて、実ＺＭＰを算出し、補正部１１ｃにそれを出力する。実ＺＭＰは、以下の式より算出される。
ここで、以下の式は、ｘ軸およびｙ軸が仮想足底平面Ｐ１上にあるローカル座標軸（図３参照）に基づいて定義される。つまり、本発明の足部機構１における実ＺＭＰは、仮想足底平面Ｐ１に固定されたローカル座標軸に関して算出される。
【００３６】
【数１】
【数２】
ｘ実ｚｍｐ：実ＺＭＰのｘ座標
ｙ実ｚｍｐ：実ＺＭＰのｙ座標
ｘｉ：床反力を受けている点のｘ座標
ｙｉ：床反力を受けている点のｙ座標
ｆｉ：仮想足底平面Ｐ１に垂直な床反力の大きさ
【００３７】
本発明の足部機構１の場合、床反力を受けている点は各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅである。したがって、上記の式（１）および（２）におけるｘｉおよびｙｉには、図３に示す各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅの座標（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）が代入される。
【００３８】
また、１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅが受ける床反力のうち、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅを全て含む仮想足底平面Ｐ１の法線方向の成分のみを検出するため、その検出値がそのまま上記式（１）および（２）におけるｆｉに代入される。
【００３９】
補正部１１ｃは、演算部１１ｂから入力された実ＺＭＰが、歩容生成部１１ａから入力された目標ＺＭＰに一致するように、または支持多角形ＳＰ内に収まるように、各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２の目標角度、目標各速度等の歩容データを補正する。補正後の歩容データは、駆動モータ制御部１１ｄに入力される。
【００４０】
駆動モータ制御部１１ｄは、補正部１１ｃからの補正後の歩容データと、演算部１１ｂからの関節状態データとの差に基づいて、各関節部５，７，９の駆動モータに対する制御信号を生成する。駆動モータ制御部１１ｄは、その制御信号を各駆動モータに出力することで、各駆動モータを駆動制御する。
【００４１】
以上のように構成された二脚歩行式ロボット１２は、以下のように、立位バランスを保持する。
【００４２】
まず、制御ユニット１１における歩容生成部１１ａが、外部からの要求動作に基づいて、各揺動軸５１〜５３，７１，９１，９２の目標角度、目標各速度および目標ＺＭＰ等の歩容データを生成し、補正部１１ｂに出力する。
【００４３】
次に、演算部１１ｂが、各関節部５，７，９に備えられたロータリエンコーダからの信号に基づき、各関節部５，７，９の駆動モータの角度、角速度等に関する関節状態データを算出し、駆動モータ制御部１１ｄに出力する。
【００４４】
次に、足部機構１の１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅにかかる床反力を検出し、その検出値を制御ユニット１１の演算部１１ｂに出力する。
【００４５】
次に、演算部１１ｂが、１軸力センサ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃからの床反力検出値に基づいて、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅを含む仮想足底平面Ｐ１上の実ＺＭＰを算出し、それを補正部１１ｃに出力する。
【００４６】
次に、補正部１１ｃが、演算部１１ｂからの実ＺＭＰが歩容生成部１１ａからの目標ＺＭＰに一致するように、歩容生成部１１ａからの歩容データを補正し、補正後の歩容データを駆動モータ制御部１１ｄに出力する。
【００４７】
次に、駆動モータ制御部１１ｄが、補正部１１ｃからの補正後の歩容データと、演算部１１ｂからの関節状態データとの差に基づいて、各関節部５，７，９の駆動モータの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて、各駆動モータを制御する。
【００４８】
以上のように構成された二脚歩行式ロボット１２は、足部機構１の足底が平面ではなく、ベース部材２からのびる３本の支持部材３１，３２，３３の先端、つまり接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅで接地する構成となっている。したがって、不整地であっても、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅは確実に接地することができ、各接地点を線で結んでなる支持多角形ＳＰが確保される。
【００４９】
また、本発明の足部機構１によれば、上述のように不整地であっても支持多角形ＳＰが確保されるので、足部機構１に支持多角形ＳＰを確保するための特別な機構を設ける必要がない。それゆえ、足部機構１は、シンプルかつ堅牢な構成であり、安価である。
【００５０】
また、本発明の足部機構１によれば、接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅを全て含む仮想足底平面Ｐ１を定義し、その仮想足底平面Ｐ１に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰを容易に算出することができる。
つまり、床反力を受ける点が接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅに固定されるため、各接地点３１ｅ，３２ｅ，３３ｅにおける床反力であって仮想足底平面Ｐ１の法線方向についての床反力を検出するだけで、実ＺＭＰを容易に算出することができる。
【００５１】
また、上述のように、仮想足底平面Ｐ１の法線方向についての床反力のみを検出すれば実ＺＭＰを算出することができるため、床反力検出装置として、検出方向を仮想足底平面Ｐ１の法線方向とした１軸力センサを使用することができる。それゆえ、高価かつ壊れ易い多軸力センサを用いる必要がない。
【００５２】
また、各脚ユニット４それぞれに独立してＺＭＰ規範を用いた立位バランス制御を行うことで、多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持することができるが、その場合に本発明の足部機構１が好適に使用され得る。本発明の足部機構１によれば、各足部機構１の足底に定義されるローカル座標軸に関する実ＺＭＰを容易に算出できるからである。
なお、各脚ユニット４それぞれに独立してＺＭＰ規範を用いた立位バランス制御を行うことで、多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持することができる理由は、次に議論するとおりである。
【００５３】
［単一水平面上での議論］
多脚歩行式移動装置の接地状態において、接地している足がｉ＝１，２，・・・Ｎ本あるとする。足ｉの接地点を簡単のために離散化し、ｐｉｊ（ｊ＝１，２，・・・，Ｎｉ）とする。
ここで、床面が単一平面であるならば、接地点ｐｉｊにおける床面に垂直な床反力をｆｉｊｚとして、多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは次のように導出される。
【数３】
一方、各足のＺＭＰについて考えると、足ｉのみのＺＭＰは次のようになる。
【数４】
多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは、各足のＺＭＰを用いると、次のように表される。
【数５】
【数６】
一般にｆｉｊｚ＞０であることから、αｉ＞０であり、式（６）から、
【数７】
である。したがって、単一平面上における多脚歩行式移動装置の接地状態について、次のことがわかる。
・多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは、各足ＺＭＰのつくる凸包内に存在する。
・各足ＺＭＰの作る凸包内における多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰの位置は、すべて
の足を考慮した支持多角形内でαｉに依存して変化する。
接地しているＮ本の足それぞれの支持多角形の凸包が多脚歩行式移動装置全体の支持多角形であることを考えれば、全体と各足のＺＭＰの関係は次のようになる。
・少なくとも１つの各足ＺＭＰが、その足の支持多角形内（境界を除く）に存在するな
らば、多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰは、全体の支持多角形内に存在する。
すなわち、必ずしも多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰを考慮しなくても、各足ＺＭＰを各足についてローカルに計測し、各足ＺＭＰを各足の支持多角形内に保つように制御することによって、多脚歩行式移動装置全体の立位バランス保持が可能である。
また、式（６）から、例えば上体を動かして各足に加える重量の割合、つまりαｉを変化させることにより、各足ＺＭＰ位置とは独立に、各足ＺＭＰの作る凸包内で多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰの位置を操作できる。すなわち、各足ＺＭＰの各足ローカルな制御によって多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持しつつ、全く独立な制御を上体に適用し、多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰを、例えばある単一の足の支持多角形内に移動させることが可能である。これは、多脚歩行式移動装置の歩行運動における立位バランス保持と歩行動作生成を、それぞれ独立した制御で別個に行なうことを可能にする知見である。
【００５４】
［不整地での議論］
単一水平面上での議論と同様に、多脚歩行式移動装置の接地状態において、接地している足がｉ＝１，２，・・・，Ｎ本あるとする。足ｉの接地点を簡単のため離散化し、ｐｉｊ（ｊ＝１，２，・・・，Ｎｉ）とする。足ｉは少なくとも３点で接地（Ｎｉ≧３）しており、この３点を含む平面を足ｉの仮想足底平面とする。ただし、不整地であるので、各足の仮想足底平面は必ずしも同一水平面上にない。
この場合でも、接地点ｐｉｊにおいて仮想足底平面ｉに垂直な床反力をｆｉｊｚとし、少なくとも１つの足ｉにおけるすべての垂直床反力について、ｆｉｊｚ＞０（ｊ＝１，２，・・・，Ｎｉ）ならば、足ｉのＺＭＰは足ｉの支持多角形内にあり、足ｉは仮想足底平面における接地状態から剥がれることはない。
すなわち、不整地においてもやはり、必ずしも多脚歩行式移動装置全体のＺＭＰを新たに定義して複雑な解析を行なわなくとも、各足ＺＭＰを各足についてローカルに計測し、各足ＺＭＰを支持多角形内に保つように制御することによって、多脚歩行式移動装置全体の立位バランス保持が可能である。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の足部機構における３つの接地点の位置関係は固定されているのが原則であるが、仮想足底平面の法線方向への比較的小さな変位であれば、実際上問題ない。そこで、図５に示す如く、足部機構１’の支持部材３１’，３２’，３３’に簡単な緩衝機構を導入してもよい。
【００５６】
つまり、支持部材３１’，３２’，３３’を、ベース部材２からのびる連結部３１ａ，３２ａ，３３ａと、連結部３１ａ，３２ａ，３３ａの先端に設けられた接地本体部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂと、接地本体部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂにスライド可能に保持されたスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇと、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇをスライド方向であって床反力に逆らう方向に付勢する圧縮ばね（付勢手段）３１ｆ，３２ｆ，３３ｆと、から構成してもよい。
【００５７】
このとき、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇは、図５Ｂに示す如く、軸部３１ｊ，３２ｊ，３３ｊと、接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈとから構成される。接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈは、下方に向かって凸となる半球状に形成されている。接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈは、硬質ゴムやウレタンなどの柔軟材からなっている。軸部３１ｊ，３２ｊ，３３ｊは、接地本体部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ内に収容され、ガイドされる。スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇは、スライド方向が基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍ全てを含む仮想足底平面（第２の仮想足底平面）Ｐ２の法線方向と一致するように配置されている。
【００５８】
ここで、基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍとしては、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇのスライド軸上にある点であって、実際の接地点の近傍となる固定点、例えば、足部機構１’が接地していないときのスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの最下点や、足部機構１’が均等な床反力を受けるように平面上に接地したときのスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの接地点などの適切な点を、予め定めておく。
【００５９】
圧縮ばね３１ｆ，３２ｆ，３３ｆは、接地本体部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂと、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの接地部３１ｈ，３２ｈ，３３ｈとの間に配置される。
【００６０】
スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇの近傍には、図５Ｂに示す如く、スライド片のスライド量を検出するための検出器３１ｋ，３２ｋ，３３ｋが配置される。検出器３１ｋ，３２ｋ，３３ｋとしては、ポテンショメータやレーザー変位計、ギャップセンサ等が使用され得る。
【００６１】
検出器３１ｇ，３２ｇ，３３ｇによって検出されたスライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇのスライド量、つまり圧縮ばね３１ｆ，３２ｆ，３３ｆの収縮量と、フックの法則とに基づき、床反力が算出される。
【００６２】
上記のように緩衝機構を設けた足部機構１’によれば、足部機構１’が接地した際の衝撃を緩和し、多脚歩行式移動装置の各駆動部や各関節部を保護することができる。
【００６３】
また、足部機構１’は、基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍが、スライド軸上にある点であって、実際の接地点の近傍となる固定点（スライド片が変位しても変位しない点）とされている。それゆえ、図８に例示するように、スライド片３１ｇ，３２ｇ，３３ｇが接地状況に応じてスライドし、基準接地点３１ｍ，３２ｍ，３３ｍと実際の接地点とが一致しない状況になっても、実ＺＭＰの算出上は微差であり、基準接地点を接地点と取り扱って実ＺＭＰを算出しても問題がない。つまり、足部機構１’によれば、仮想足底平面Ｐ２に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰを、上記実施形態と同様、容易に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明にかかる足部機構の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の足部機構を適用した二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図である。
【図３】図１の足部機構においてＺＭＰを算出する方法を説明するための図である。
【図４】図２の二脚歩行式ロボットにおける制御ユニットの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明にかかる足部機構の変形例を示す斜視図である。
【図６】従来例にかかる二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図である。
【図７】第１の仮想足底平面を説明するための図である。
【図８】第２の仮想足底平面を説明するための図である。
【図９】従来例にかかる足部機構が不整地歩行した際の状態を示す図である。
【図１０】別の従来例にかかる足部機構を説明するための図である。
【図１１】さらに別の従来例にかかる足部機構を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６５】
Ｐ 仮想足底平面
１ 足部機構
２ ベース部材
３１，３２，３３ 支持部材
３１ａ，３２ａ，３３ａ 連結部
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ 接地本体部
３１ｃ，３２ｃ，３３ｃ １軸力センサ（床反力検出装置）
３１ｄ，３２ｄ，３３ｄ 接地片
３１ｅ，３２ｅ，３３ｅ 接地点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
前記ベース部材に固定されていて、一直線上に並ばない３つの接地点を有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材と、
前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記接地点全てを含んでなる第１の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、
を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。
【請求項２】
多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
前記ベース部材に固定された支持部材であって、前記ベース部材に対して固定された一直線上に並ばない３つの基準接地点と、当該基準接地点全てを含んでなる第２の仮想足底平面の法線方向に沿って当該基準接地点を通る軸上をスライド可能であると共に、前記基準接地点近傍にそれぞれ接地点を有する３つのスライド片と、を備えていて、前記接地点のみで接地するようになっているものと、
前記支持部材に設けられ、前記スライド片を、そのスライドの方向であって前記接地点における床反力に逆らう方向に付勢する付勢手段と、
前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記スライド片のスライド変位量を検出する検出器を備え、当該検出器によって検出した前記スライド変位量から、前記第２の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを算出するものと、
を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。
【請求項１】
多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
前記ベース部材に固定されていて、一直線上に並ばない３つの接地点を有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材と、
前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記接地点全てを含んでなる第１の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、
を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。
【請求項２】
多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
前記ベース部材に固定された支持部材であって、前記ベース部材に対して固定された一直線上に並ばない３つの基準接地点と、当該基準接地点全てを含んでなる第２の仮想足底平面の法線方向に沿って当該基準接地点を通る軸上をスライド可能であると共に、前記基準接地点近傍にそれぞれ接地点を有する３つのスライド片と、を備えていて、前記接地点のみで接地するようになっているものと、
前記支持部材に設けられ、前記スライド片を、そのスライドの方向であって前記接地点における床反力に逆らう方向に付勢する付勢手段と、
前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記スライド片のスライド変位量を検出する検出器を備え、当該検出器によって検出した前記スライド変位量から、前記第２の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを算出するものと、
を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１１３１４６（Ｐ２００９−１１３１４６Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８８１０３（Ｐ２００７−２８８１０３）
【出願日】平成１９年１１月６日（２００７．１１．６）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月６日（２００７．１１．６）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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