脚式ロボット
【課題】着地時の安定性を向上させた脚式ロボットを提供する。
【解決手段】脚式ロボットは、足裏に配置されたボール２０と、ボール２０の回転を止めるブレーキ１４と、コントローラを備える。ボール２０は、足の踵に回転可能に支持されており、一部が足裏に露出している。コントローラは、脚式ロボットが歩行するように脚の動きを制御するとともにブレーキ１４を制御する。コントローラは、足が浮いている間はブレーキ１４を解放し足１２が着地した後にブレーキ１４を係合する。ブレーキ１４を係合するまではボール２０が自由に回転するので足と路面との摩擦抵抗は小さく、ブレーキ１４を係合すると摩擦抵抗が大きくなり安定する。
【解決手段】脚式ロボットは、足裏に配置されたボール２０と、ボール２０の回転を止めるブレーキ１４と、コントローラを備える。ボール２０は、足の踵に回転可能に支持されており、一部が足裏に露出している。コントローラは、脚式ロボットが歩行するように脚の動きを制御するとともにブレーキ１４を制御する。コントローラは、足が浮いている間はブレーキ１４を解放し足１２が着地した後にブレーキ１４を係合する。ブレーキ１４を係合するまではボール２０が自由に回転するので足と路面との摩擦抵抗は小さく、ブレーキ１４を係合すると摩擦抵抗が大きくなり安定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行する脚式ロボットに関する。なお、以下では、「脚式ロボット」を単に「ロボット」と称する場合がある。
【背景技術】
【０００２】
脚式ロボットの開発が盛んである。脚式ロボットの歩行動作は、足が着地するときに不安定になりやすいという短所がある。特に、二足歩行ロボットでは、不安定は転倒に繋がる虞がある。そのため、スムースな着地を実現することが脚式ロボットの一つの課題である。
【０００３】
脚式ロボットは通常、予め定められた、あるいは、直前にリアルタイムに生成される足の軌道を実現するように制御される。足の軌道のデータ（脚関節角の経時的データで表現される場合もある）は、通称、歩容データと呼ばれることが多い。本明細書でも「歩容データ」という呼称を用いることがある。歩容データ（軌道）生成の基礎となるロボットの動特性データや路面の形状データには誤差が含まれるため、歩容データ上での足の着地位置やタイミングの通りに実際に着地できるとは限らない。そのため、本来であれば着地と同時に足の速度がゼロとなることが好ましいが、歩容データに従って制御されている足は着地した後も路面に対して速度を有していることがある。即ち、着地後に足は路面から静止摩擦抵抗あるいは動摩擦抵抗に起因する水平方向の力（摩擦抵抗）を受けることがある。この摩擦抵抗は歩容データで想定していない力（外乱）として作用するため、ロボットの姿勢安定に大きな影響を及ぼす。すなわち、この摩擦抵抗が、着地時に脚式ロボットを不安定する要因の一つである。
【０００４】
ロボット足裏の摩擦抵抗係数を小さくすれば、路面から受ける摩擦抵抗を低減できるが、それは、足裏を滑り易くすることを意味するので、立脚時の安定性が低下してしまう。立脚時の安定性を損なうことなく着地時に生じる摩擦抵抗を低減する技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された脚式ロボットは、足裏に摩擦抵抗変化手段と称する機構を備える。摩擦抵抗変化手段とは、具体的には、アクチュエータによって選択的に接地する複数の接地部材であり、それぞれの接地部材が異なる摩擦係数を有する。この脚式ロボットは、着地するまでは摩擦抵抗の小さい接地部材を選択し、着地した後に摩擦抵抗の大きい接地部材に切り替える。
【０００５】
なお、特許文献１の脚式ロボットは、足のスリップを検出するため、回転可能に支持されているボールを足裏に備える。足とボールの関係はコンピュータのマウスと同じであり、ボールの回転を計測することによって、足が路面上を移動している（スリップしている）ことを検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３６７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１における接地部材は、具体的にはゴムなどの所望の摩擦係数を有する板材である。特許文献１のロボットは、アクチュエータによって板材を足裏から出し入れし、足裏の摩擦係数を変化させる。そのため、構造が複雑である。本明細書は、特許文献１とは異なる斬新な機構によって、着地時の安定性を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する脚式ロボットの特徴は、足裏に球状（又は円筒／円柱状）の転動体を配置し、これによって低摩擦を実現するとともに、必要に応じて転動体にブレーキをかけることによって高摩擦を実現する。特許文献１に開示された機構よりもはるかに簡単な機構で足裏の摩擦係数を変えることができる。
【０００９】
本明細書が開示する脚式ロボットの一態様は、足裏に配置された転動体と、転動体の回転を止めるブレーキと、コントローラを備える。転動体は、足の踵に回転可能に支持されており、一部が足裏に露出している。なお、転動体は球状が好ましいが、ロボット横方向にはスリップが小さいことが見込まれる場合には、回転軸が足の横方向に伸びているローラ（円筒／円柱状の転動体）であってもよい。ローラの場合であっても、その一部が足裏から露出するように配置される。
【００１０】
コントローラは、脚式ロボットが歩行するように脚の動きを制御するとともにブレーキを制御する。そして、コントローラは、足が浮いている間はブレーキを解放し足が着地した後にブレーキを係合する。なお、脚式ロボットを歩行させるための脚制御アルゴリズム、及び、歩容データについては、様々な文献で紹介されているため、本明細書ではその説明は省略する。
【００１１】
着地する瞬間には、ブレーキが解放され転動体は回転自由であるので、前述したように着地時には足裏を低摩擦（係数）状態にすることができる。着地した後、適切なタイミングでブレーキを係合し転動体の回転を止めることによって足裏を高摩擦（係数）状態とすることができる。なお、ブレーキ力を加減することによって、所望の摩擦係数を実現することも可能である。
【００１２】
転動体を踵に配置したことにも利点がある。即ち、転動体が一つで済むこと、及び、踵着地後に足先裏面（平面）を着地させることによって、安定性を確保できるからである。
【００１３】
着地時に必ず踵が足先よりも先に着地するように、コントローラは、着地に際して足先を踵よりも上げて遊脚の足を地面に向けて降下させることが好ましい。このとき、コントローラは、踵の着地後、転動体の回転速度が所定の閾値以下となったときにブレーキを係合し、転動体の回転が止まっていることを検知した後に足先を降下させるようにブレーキと脚を制御するのがよい。「所定の閾値」は、予め定めておけばよく、その具体的な値は、典型的には、ゼロであってもよい。前述したように、脚式ロボットの脚（足）は、予め定められた歩容データ（直前に決定される場合を含む）に基づいて動かされる。より具体的には、コントローラは、予め与えられた着地までの軌道に追従するように脚（足）の動きを制御する。上記の制御によれば、脚式ロボットの足は、まず低摩擦の踵（転動体）で着地（接地）し、スリップが終了したことを検知してから足先が接地する。スリップがなくなるまでは低摩擦状態で移動するので大きな摩擦力がロボットに作用することがなく、スリップが止まった後に足先裏側が接地して安定性が確保される。また、足先が接地した時点で転動体にはブレーキがかけられているので、足先の接地後は踵が滑ることはない。
【００１４】
踵から先に着地するように制御する場合、転動体をショックアブソーバとして機能させることも好適である。即ち、転動体は、弾性体によって下方へ（路面へ向けて）付勢されているとともに、床反力を受けると足首の方向（上方）へ後退するように支持されているとよい。さらに、転動体は、足内部方向へ最も後退したときに、転動体の最下端が、足先裏側の平面と同一平面に位置するように支持されているとよい。弾性体に支持された転動体は上下方向のショックアブソーバとして機能し、さらに転動体は最も上方へ後退したときには足先裏側の平面と面一となるため、足先接地後の足の安定性も確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】脚式ロボットの模式図である。
【図２】足の構造を示す図である（足が浮いている状態）。
【図３】足の構造を示す図である（足が接地している状態）。
【図４】着地直前の足の姿勢を示す図である。
【図５】着地直後の足の動きを示す図である。
【図６】コントローラの制御フローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、脚式ロボット２の模式的側面図を示す。脚式ロボット２は、２本の脚６Ｒ、６Ｌを備えている。即ち、本実施例の脚式ロボット２は二足歩行ロボットである。夫々の脚は、人間の脚を模した構造を有しており、大腿リンク、下腿リンク７、及び、足１２がジョイントによって連結された多リンク多関節構造を採用している。各ジョイントにはモータが内蔵されており、人間の歩行を模した歩行動作を行えるようになっている。各モータはコントローラ４によって制御される。コントローラ４は、脚のモータを制御するとともに、後述するように足１２に配置されたブレーキ１４の係合と解放も制御する。なお、以下で説明する実施例は、二足歩行ロボットであるが、本明細書が開示する技術は３本以上の脚を有する脚式移動ロボットにも適用可能である点に留意されたい。
【００１７】
脚の関節にはモータが内蔵されており、コントローラ４が、足の位置の経時的変化を記述した歩容データ（軌道）に沿って実際の足が動作するように各モータを制御する。なお、歩容データ（軌道）は、足の位置座標の経時的データ列で表されることもあれば、脚の夫々の関節角の経時的データ列で表される場合もある。関節角と足の位置は、ロボット工学で通常キネマティスクあるいは逆キネマティスクと呼ばれる変換式にて一意の対応関係にあるので（ただし特異点は除く）、歩容データが足の位置の経時的データ列で表されているか関節角の経時的データ列で表されているかは、実質的に相違はない。二足歩行ロボットにおいて安定な歩行を実現するための歩容データは、通常、ＺＭＰ方程式に基づいて生成される。歩容データの生成アルゴリズム、及び、歩容データに追従するモータ制御アルゴリズムについては以下、簡単に説明するが、詳細な説明は省略する。
【００１８】
コントローラ４は、歩行中の脚の動作を遊脚期と立脚期に分けて制御する。遊脚期は、足が離地してから着地するまでの期間に相当し、立脚期は着地してから次に離地するまでの期間に相当する。コントローラ４は、ＺＭＰ方程式を基本とし、歩行の各歩毎に足の着地可能範囲、ロボット全体の重心の軌道などから、各歩毎の足着地予定位置を決定する。遊脚の軌道は、経時的に隣り合う足の着地予定位置を結ぶ既定の曲線で与えられ、次いで、その曲線に沿った足位置の経時的な変化から遊脚各関節の角度の経時的な変化が定まる。それらが遊脚の軌道を構成する。立脚の場合、接地している足の位置を不動点として、体幹の重心の軌道を実現するように各関節の角度の経時的変化が決められる。これが立脚の軌道に相当する。さらに、例えば、遊脚期の脚の制御として、単純な位置制御によって足先の実際の位置を軌道に追従させる制御アルゴリズムを採用し、立脚期の脚の制御として、重心の移動に伴って脚関節角が柔軟に変化するいわゆるコンプライアンス制御を採用するなど、遊脚期と立脚期で制御アルゴリズムを切り換えてもよい。
【００１９】
図２から図５では、一方の脚の下腿リンク７、足首ジョイント８、及び、足１２のみを描き、膝関節から上の部分は図示を省略する。なお、図１と、図２以降では足１２の外形が異なっているが、これは、図１ではロボット全体を簡単化して描いたからであり、図１の足１２と図２以降の足１２は同一の部品を示す。図２以降では一方の足のみを示すが、左右の足は同じ構造を有している。
【００２０】
図２と図３に、足１２の内部構造を示す。図２は足が浮いた状態を示しており、図３は足が着地した状態を示している。なお図３は、踵と足先の両方がしっかり接地した状態を示している。以下、図２を参照して足１２の構造を説明する。なお、図２にのみ、全ての部品に符号を付し、他の図では説明しない部品の符号は適宜に省略する。また、図２の座標系におけるＸ軸はロボットの前後方向に伸びる軸として設定されており、Ｙ軸はロボットの横方向に伸びる軸として設定されており、Ｚ軸は鉛直方向に伸びる軸として設定されている。ロボットの技術分野では、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は、夫々、ロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸とも呼ばれることは良く知られている。
【００２１】
足１２は、ピッチ軸回りに回転する足首ジョイント８を介して下腿リンク７に連結されている。足１２の足裏は、足先側足裏面１２ａと踵側足裏面１２ｂに分かれており、踵側足裏面１２ｂは、足先側足裏面１２ａよりも高くなっている。踵にはボール２０が、その一部が踵側足裏面１２ｂよりも突出するように（即ち、一部が露出するように）配置されている。ボール２０は、凹型の窪みを有するボール受け１９に回転可能に嵌っている。なお、図では理解を助けるためにボール受け１９の窪みを浅く描いているが、実際にはボール受け１９の窪みは半球以上の容積があり、ボール２０が落下しないようになっている。ボール受け１９とボール２０の間には潤滑剤が充填されており、ボール２０は、２自由度の回転自由度を有している。即ちボール２０は、Ｘ軸とＹ軸の双方に対して自由に回転することができる。別言すれば、ボール２０は平面上を自由に転がることができる。
【００２２】
ボール受け１９の裏側（上側）にはバネ１６が配置されており、バネ１６はボール受け１９（ボール２０）を下方に付勢している。ボール２０が下から押されると、バネ１６が縮み、ボール２０は上方（足首方向）へ後退する。なお、図２に示すように、足１２が浮いているとき、即ち、ボール２０が下から押されていないときには、ボール２０の最下端２０ａは、足先側足裏面１２ａよりもｄＨだけ低く位置する。足１２が着地すると、ボール２０は路面Ｇから床反力を受けて上方（足首方向）へ後退する。図３に示すように、床反力を受けるとボール受け１９（及びボール２０）が上方へ後退するが、ストッパ１７に当接する位置が最も後退した位置となる。このとき、図３に示すように、ボール２０の最下端２０ａは、足先側足裏面１２ａが張る平面上に位置する。別言すれば、ボール２０は、足１２の内部方向へ最も後退したときに、その最下端２０ａが、足先側足裏面１２ａの平面と同一の平面に位置する。
【００２３】
ボール受け１９には、ボール２０の回転を止めるブレーキ１４、ボール２０の回転を検出する回転センサ１８、及び、ボール２０が接地したか否かを検知する踵側接地センサ１３が配置されている。回転センサ１８は、コンピュータのマウスと同様の仕組みによりボール２０の回転を検知する。踵側接地センサ１３は、バネ１６の伸びを計測するものであり、バネ１６の伸びが既定の最大長から少しでも短くなれば、踵が接地したことを示す信号を出力する。
【００２４】
ブレーキ１４は、ボール２０を両側から挟み込むタイプであるが、図では詳しい構造の図示は省略している。ブレーキ１４が解放されるとボール２０はほとんど抵抗なく回転することができ、ブレーキ１４が係合するとボール２０は回転を停止する。ブレーキ１４はコントローラ４によって制御される。なお、ブレーキ１４の制動力の強さはコントローラ４が制御することができる。即ち、ブレーキ１４の係合力を増すにつれてボール２０は回転し難くなる。後述するように、足１２が路面Ｇ上を移動する際にボール２０が回転するので、ボール２０の回転抵抗は、足１２の路面Ｇに対する滑り抵抗（足の摩擦抵抗）に相当する。ブレーキ１４を弱く係合すれば足１２は路面Ｇの上を小さい抵抗で滑り、ブレーキ１４を強く係合すれば足１２は路面Ｇの上を滑り難くなる。
【００２５】
足先には足先側足裏面１２ａが接地したか否かを検知する足先側接地センサ１５が埋め込まれている。足先側接地センサ１５は、その表面に物体が触れると信号を出力するいわゆるタッチセンサである。
【００２６】
踵側接地センサ１３、足先側接地センサ１５、回転センサ１８の信号はコントローラ４へ送られ、コントローラ４は、それらのセンサデータ、及び、脚各関節の角度に基づいて、ブレーキ１４を駆動する信号を出力する。なお、以下では、簡単のため、踵側接地センサ１３を単純に踵センサ１３と称し、足先側接地センサ１５を単純に足先センサ１５と称する場合がある。
【００２７】
図６のフローチャートを参照してコントローラ４の制御を説明するがその前に、図３〜図５を参照して着地前後の足の状態を説明しつつ制御の概略を説明する。コントローラ４は、遊脚期の後半において、足先の高さ（路面Ｇからの高さ）を踵の高さよりも高く維持しながら、路面Ｇへ向けて足を降ろしていく（図４、矢印Ａ１参照）。別言すれば、コントローラ４は、足先側足裏面１２ａを前方が高く後方が低くなるように傾けながら足１２を路面Ｇへ向けて移動させる。このとき、コントローラ４はブレーキ１４を解放しておく。コントローラ４は、足の移動経路が軌道（歩容データ）に沿うように脚の各関節を駆動する。そうすると、必ず踵のボール２０が足先よりも先に接地することになる。ボール２０の接地を検知したら、コントローラ４は、着地までの歩行データがまだ残っていても、足をゆっくり停止する。停止までの間、ボール２０は接地したままであるが、バネ１６によってボール２０が足首側へ後退するので、相対的に足１２が路面Ｇへ向けて移動する（図５、１２Ａ）。このとき、ボール２０とバネ１６はショックアブソーバとして機能する。また、足首の位置がＸＹ平面内で移動を続ければ、足１２は路面Ｇ上を移動することになるが、ブレーキ１４が解放されているので、ボール２０が自在に回転し、足１２はほとんど摩擦抵抗なく路面Ｇ上を移動する（図５、矢印Ａ２参照）。足１２が停止し、ボール２０の回転が止まるとコントローラ４はブレーキ１４を係合し、ボール２０の回転を止めてから、踵を中心として足先が下方へ下がるように、即ち、足１２をピッチ軸回り（Ｙ軸回り）に回転するように脚の各関節を駆動する（図５、１２Ｂ、矢印Ａ３参照）。足先側足裏面１２ａが接地すると、図３の状態となり、足１２がしっかりと接地する。このとき、ブレーキ１４が係合しておりボール２０は回転しないので、足１２はしっかりとグリップする。
【００２８】
以上のシーケンスを、図６のフローチャートに基づいて詳しく説明する。なお、図６のフローチャートの処理は、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ程度の最上位制御ルーチンの制御周期毎）に繰り返し実行される。
【００２９】
コントローラ４の処理は、まず、現在の脚の状態が遊脚期であるか立脚期であるかによって分かれる（ステップＳ２）。前述したように、コントローラ４は、遊脚期用の歩容データ（及び脚制御アルゴリズム）と、立脚期用の歩容データ（及び脚制御アルゴリズム）を切り換える。遊脚期から立脚期への遷移、及び、立脚期から遊脚期への遷移の判定も、以下で説明するように図６の処理のなかで行われる。
【００３０】
現在の脚の状態が遊脚期である場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、コントローラ４は、踵センサ１３が接地を検知しているか否かをチェックする（ステップＳ４）。踵センサ１３が接地を検知していない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、すなわち、足１２がまだ着地していない場合は、コントローラ４は、ブレーキ１４を解放し（ステップＳ１４）、ボール２０を回転自在にしておく。また、コントローラ４は、遊脚用の軌道に基づいて脚の各関節を駆動する（ステップＳ１６）。
【００３１】
踵センサ１３が接地を検知していない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、すなわち、足１２がまだ着地していない間は、踵に配置されたボール２０が回転自在の状態にあるので、足１２がいつ着地しても、あるいは、路面上の凹凸などへ予定外に接地しても、ボール２０がスムーズに回転するので足１２が路面上をスリップしても大きな摩擦抵抗は生じない。即ち、足１２が路面Ｇと接触しながら移動してもそのことに起因して発生する外乱力は大きくはなく、ロボット全体が不安定となることは防止される。
【００３２】
なお、コントローラ４は、遊脚軌道の後半（予定される着地タイミングよりも所定時間／所定距離だけ手前の時点）で、前述したように、足先が踵よりも高くなるように足の姿勢を変更する。コントローラ４は、足１２をその姿勢に保ったまま着地点に向けて（遊脚軌道に沿って）降下させる。
【００３３】
コントローラ４は、踵センサ１３が接地を検知すると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ボール２０が回転しているか否かをチェックする（ステップＳ６）。ボール２０が回転している状態とは、足１２が接地しながら移動していることを意味する。この場合、コントローラ４は、足１２を緩やかに停止する（ステップＳ８）。ステップＳ６→Ｓ８の処理にてコントローラ４は、たとえ予定された遊脚軌道の終点までの距離が残っていても、直ちに足の速度を低下させ、足の動きを停止する。この処理は、予定された遊脚軌道に沿っての移動中に足１２が接地したときに直ちに着地に対処するためである。
【００３４】
ステップＳ８によって足の速度が低下しつつ、幾度か図６の処理を繰り返しているうちに、足１２が完全に停止する。即ち、ボール２０の回転が停止する。そうすると、ステップＳ６の判断がＮＯとなり、コントローラ４は、ブレーキ１４を係合し（ステップＳ１０）、遊脚期から立脚期へ移行する（ステップＳ１２）。ブレーキ１４を係合することによって、ボール２０はもはや回転しなくなる。足１２が移動し難くなるので、足が受動的に移動することはない。
【００３５】
ステップＳ１０を実行したのちに繰り返される図６の処理においては、ステップＳ２の判断がＮＯとなり、ステップＳ２２以降へ処理が移る。ステップＳ２２以降の処理が立脚期の処理に相当する。立脚期の処理では、まず、踵センサ１３が接地を検知しているか否かをチェックする（ステップＳ２２）。なお、立脚期において踵センサ１３が接地を検知していない状態（ステップＳ２２：ＮＯ）とは、立脚期の終盤でロボット重心が立脚の足よりも前方に移動し、立脚の足の踵が浮く時点を意味する。その時点で（ステップＳ２２：ＮＯ）、コントローラ４は、立脚期から遊脚期に移行する（ステップＳ３２）。
【００３６】
踵センサ１３が接地を検知していたら（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、コントローラ４は次いで、足先センサ１５が接地を検知しているか否かをチェックする（ステップＳ２４）。立脚期に移行した直後は、踵は接地しているが足先は接地していない。足先センサ１５が接地を検知していないときには（ステップＳ２４：ＮＯ）、コントローラ４は、踵を中心に足先を下げる方向に足を回転させる（ステップＳ３４）。コントローラ４は、足先センサ１５が接地を検知するまで足を回転させる。図６の処理を繰り返しているうちに足先センサ１５が接地を検知すると、処理はステップＳ２６へ移行する（ステップＳ２４：ＹＥＳ）。足先センサ１５が接地を検知すると、足１２の踵と足先（足先側足裏面１２ａ）がともに接地する。即ち、足がしっかりと路面Ｇに接地する。
【００３７】
足先センサ１５が接地を検知した後は、すなわち、踵と足先側足裏面１２ａの双方が接地した後は、コントローラ４は、立脚軌道に沿って脚の各関節を制御する（ステップＳ２６）。
【００３８】
図６のフローチャートの処理は、それぞれの脚に対して実施される。以上の処理によって、脚式ロボット２は、足が着地した時点ではボール２０が回転自在であるので足が接地しながら移動しても大きな摩擦抵抗は生じない。従ってロボットの姿勢を崩すような大きな外乱力が発生しない。同様に、遊脚期の途中で想定外に足が接地した場合であってもボール２０がスムーズに回転するので大きな外乱力は発生しない。
【００３９】
接地した足１２が停止した時点でブレーキ１４を係合してボール２０の回転を止め、その後は足１２がスリップし難いようにする。従って、足１２が停止した後は安定した立脚状態が得られる。
【００４０】
前述したように、ボール２０はバネ１６によって支持されており、ショックアブソーバの機能も兼ねている。従って、踵から着地する際の衝撃もボール２０（及びバネ１６）が吸収する。さらに、ボール２０が床反力を受けて最も上昇（後退）したとき、ボール２０の最下端２０ａは足先側裏面１２ａの平面と面一をなすから、着地後の足の安定性も十分に確保される。
【００４１】
実施例の脚式ロボットについての留意点、及び、好適な変更例を以下、述べる。図６のステップＳ６において、ボール２０の回転が既定の閾値速度以下となった時点で、ブレーキ１４を係合するように変更することも好適である。この場合、コントローラ４は、ボール２０の回転が止まるまでは徐々にブレーキ力を強めていく。そのような処理を加えることによって、着地から足１２が停止するまでの期間を短くすることができるし、さらには、接地した足１２の速度が低下するにつれてスリップし難くなり、足停止までの過渡期における安定性が増す。
【００４２】
足１２の摩擦抵抗の大きさは、ブレーキ１４の係合力によって変えられる。脚式ロボット２は、足のスリップを検知するボール２０が摩擦抵抗を変化させる機能を兼ねており、シンプルな構造で摩擦抵抗可変のメカニズムを実現している。
【００４３】
脚式ロボット２は、ボール２０の代わりにローラを備えてもよい。ローラはロボットの横方向に伸びる回転軸に支持され、ピッチ軸回りに回転するように配置される。即ち、ローラは、接地しながらの足の前後後方の移動に対して回転し、足の滑り抵抗を低減する。歩行動作において足の動きは左右方向の動きに比べて前後方向の動きが顕著に大きいので、ボールに代えてピッチ軸回りに回転するローラを採用しても顕著な効果を奏することが期待できる。ボール２０、あるいは、ローラが、「転動体」の一実施形態に相当する。
【００４４】
本明細書が開示した足の機構（及び、制御アルゴリズム）は、二足歩行ロボットに限られず、３脚以上を有する脚式移動ロボットに適用することができる。４脚、あるいは６脚であっても、着地時の足の滑り抵抗が大きいと、歩容データで想定していない大きな力が作用する。足の滑りに起因するそのような外乱力は脚の円滑な動きを妨げる。本明細書が開示する技術は、円滑な脚動作を妨げるそのような外乱力を低減する。
【００４５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４６】
２：脚式ロボット
４：コントローラ
６Ｒ、６Ｌ：脚
７：下腿リンク
８：足首ジョイント
１２：足
１４：ブレーキ
１２ａ：足先側足裏面
１２ｂ：踵側足裏面
１３：踵側接地センサ（踵センサ）
１５：足先側接地センサ（足先センサ）
１６：バネ
１７：ストッパ
１８：回転センサ
２０：ボール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行する脚式ロボットに関する。なお、以下では、「脚式ロボット」を単に「ロボット」と称する場合がある。
【背景技術】
【０００２】
脚式ロボットの開発が盛んである。脚式ロボットの歩行動作は、足が着地するときに不安定になりやすいという短所がある。特に、二足歩行ロボットでは、不安定は転倒に繋がる虞がある。そのため、スムースな着地を実現することが脚式ロボットの一つの課題である。
【０００３】
脚式ロボットは通常、予め定められた、あるいは、直前にリアルタイムに生成される足の軌道を実現するように制御される。足の軌道のデータ（脚関節角の経時的データで表現される場合もある）は、通称、歩容データと呼ばれることが多い。本明細書でも「歩容データ」という呼称を用いることがある。歩容データ（軌道）生成の基礎となるロボットの動特性データや路面の形状データには誤差が含まれるため、歩容データ上での足の着地位置やタイミングの通りに実際に着地できるとは限らない。そのため、本来であれば着地と同時に足の速度がゼロとなることが好ましいが、歩容データに従って制御されている足は着地した後も路面に対して速度を有していることがある。即ち、着地後に足は路面から静止摩擦抵抗あるいは動摩擦抵抗に起因する水平方向の力（摩擦抵抗）を受けることがある。この摩擦抵抗は歩容データで想定していない力（外乱）として作用するため、ロボットの姿勢安定に大きな影響を及ぼす。すなわち、この摩擦抵抗が、着地時に脚式ロボットを不安定する要因の一つである。
【０００４】
ロボット足裏の摩擦抵抗係数を小さくすれば、路面から受ける摩擦抵抗を低減できるが、それは、足裏を滑り易くすることを意味するので、立脚時の安定性が低下してしまう。立脚時の安定性を損なうことなく着地時に生じる摩擦抵抗を低減する技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された脚式ロボットは、足裏に摩擦抵抗変化手段と称する機構を備える。摩擦抵抗変化手段とは、具体的には、アクチュエータによって選択的に接地する複数の接地部材であり、それぞれの接地部材が異なる摩擦係数を有する。この脚式ロボットは、着地するまでは摩擦抵抗の小さい接地部材を選択し、着地した後に摩擦抵抗の大きい接地部材に切り替える。
【０００５】
なお、特許文献１の脚式ロボットは、足のスリップを検出するため、回転可能に支持されているボールを足裏に備える。足とボールの関係はコンピュータのマウスと同じであり、ボールの回転を計測することによって、足が路面上を移動している（スリップしている）ことを検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３６７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１における接地部材は、具体的にはゴムなどの所望の摩擦係数を有する板材である。特許文献１のロボットは、アクチュエータによって板材を足裏から出し入れし、足裏の摩擦係数を変化させる。そのため、構造が複雑である。本明細書は、特許文献１とは異なる斬新な機構によって、着地時の安定性を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する脚式ロボットの特徴は、足裏に球状（又は円筒／円柱状）の転動体を配置し、これによって低摩擦を実現するとともに、必要に応じて転動体にブレーキをかけることによって高摩擦を実現する。特許文献１に開示された機構よりもはるかに簡単な機構で足裏の摩擦係数を変えることができる。
【０００９】
本明細書が開示する脚式ロボットの一態様は、足裏に配置された転動体と、転動体の回転を止めるブレーキと、コントローラを備える。転動体は、足の踵に回転可能に支持されており、一部が足裏に露出している。なお、転動体は球状が好ましいが、ロボット横方向にはスリップが小さいことが見込まれる場合には、回転軸が足の横方向に伸びているローラ（円筒／円柱状の転動体）であってもよい。ローラの場合であっても、その一部が足裏から露出するように配置される。
【００１０】
コントローラは、脚式ロボットが歩行するように脚の動きを制御するとともにブレーキを制御する。そして、コントローラは、足が浮いている間はブレーキを解放し足が着地した後にブレーキを係合する。なお、脚式ロボットを歩行させるための脚制御アルゴリズム、及び、歩容データについては、様々な文献で紹介されているため、本明細書ではその説明は省略する。
【００１１】
着地する瞬間には、ブレーキが解放され転動体は回転自由であるので、前述したように着地時には足裏を低摩擦（係数）状態にすることができる。着地した後、適切なタイミングでブレーキを係合し転動体の回転を止めることによって足裏を高摩擦（係数）状態とすることができる。なお、ブレーキ力を加減することによって、所望の摩擦係数を実現することも可能である。
【００１２】
転動体を踵に配置したことにも利点がある。即ち、転動体が一つで済むこと、及び、踵着地後に足先裏面（平面）を着地させることによって、安定性を確保できるからである。
【００１３】
着地時に必ず踵が足先よりも先に着地するように、コントローラは、着地に際して足先を踵よりも上げて遊脚の足を地面に向けて降下させることが好ましい。このとき、コントローラは、踵の着地後、転動体の回転速度が所定の閾値以下となったときにブレーキを係合し、転動体の回転が止まっていることを検知した後に足先を降下させるようにブレーキと脚を制御するのがよい。「所定の閾値」は、予め定めておけばよく、その具体的な値は、典型的には、ゼロであってもよい。前述したように、脚式ロボットの脚（足）は、予め定められた歩容データ（直前に決定される場合を含む）に基づいて動かされる。より具体的には、コントローラは、予め与えられた着地までの軌道に追従するように脚（足）の動きを制御する。上記の制御によれば、脚式ロボットの足は、まず低摩擦の踵（転動体）で着地（接地）し、スリップが終了したことを検知してから足先が接地する。スリップがなくなるまでは低摩擦状態で移動するので大きな摩擦力がロボットに作用することがなく、スリップが止まった後に足先裏側が接地して安定性が確保される。また、足先が接地した時点で転動体にはブレーキがかけられているので、足先の接地後は踵が滑ることはない。
【００１４】
踵から先に着地するように制御する場合、転動体をショックアブソーバとして機能させることも好適である。即ち、転動体は、弾性体によって下方へ（路面へ向けて）付勢されているとともに、床反力を受けると足首の方向（上方）へ後退するように支持されているとよい。さらに、転動体は、足内部方向へ最も後退したときに、転動体の最下端が、足先裏側の平面と同一平面に位置するように支持されているとよい。弾性体に支持された転動体は上下方向のショックアブソーバとして機能し、さらに転動体は最も上方へ後退したときには足先裏側の平面と面一となるため、足先接地後の足の安定性も確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】脚式ロボットの模式図である。
【図２】足の構造を示す図である（足が浮いている状態）。
【図３】足の構造を示す図である（足が接地している状態）。
【図４】着地直前の足の姿勢を示す図である。
【図５】着地直後の足の動きを示す図である。
【図６】コントローラの制御フローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、脚式ロボット２の模式的側面図を示す。脚式ロボット２は、２本の脚６Ｒ、６Ｌを備えている。即ち、本実施例の脚式ロボット２は二足歩行ロボットである。夫々の脚は、人間の脚を模した構造を有しており、大腿リンク、下腿リンク７、及び、足１２がジョイントによって連結された多リンク多関節構造を採用している。各ジョイントにはモータが内蔵されており、人間の歩行を模した歩行動作を行えるようになっている。各モータはコントローラ４によって制御される。コントローラ４は、脚のモータを制御するとともに、後述するように足１２に配置されたブレーキ１４の係合と解放も制御する。なお、以下で説明する実施例は、二足歩行ロボットであるが、本明細書が開示する技術は３本以上の脚を有する脚式移動ロボットにも適用可能である点に留意されたい。
【００１７】
脚の関節にはモータが内蔵されており、コントローラ４が、足の位置の経時的変化を記述した歩容データ（軌道）に沿って実際の足が動作するように各モータを制御する。なお、歩容データ（軌道）は、足の位置座標の経時的データ列で表されることもあれば、脚の夫々の関節角の経時的データ列で表される場合もある。関節角と足の位置は、ロボット工学で通常キネマティスクあるいは逆キネマティスクと呼ばれる変換式にて一意の対応関係にあるので（ただし特異点は除く）、歩容データが足の位置の経時的データ列で表されているか関節角の経時的データ列で表されているかは、実質的に相違はない。二足歩行ロボットにおいて安定な歩行を実現するための歩容データは、通常、ＺＭＰ方程式に基づいて生成される。歩容データの生成アルゴリズム、及び、歩容データに追従するモータ制御アルゴリズムについては以下、簡単に説明するが、詳細な説明は省略する。
【００１８】
コントローラ４は、歩行中の脚の動作を遊脚期と立脚期に分けて制御する。遊脚期は、足が離地してから着地するまでの期間に相当し、立脚期は着地してから次に離地するまでの期間に相当する。コントローラ４は、ＺＭＰ方程式を基本とし、歩行の各歩毎に足の着地可能範囲、ロボット全体の重心の軌道などから、各歩毎の足着地予定位置を決定する。遊脚の軌道は、経時的に隣り合う足の着地予定位置を結ぶ既定の曲線で与えられ、次いで、その曲線に沿った足位置の経時的な変化から遊脚各関節の角度の経時的な変化が定まる。それらが遊脚の軌道を構成する。立脚の場合、接地している足の位置を不動点として、体幹の重心の軌道を実現するように各関節の角度の経時的変化が決められる。これが立脚の軌道に相当する。さらに、例えば、遊脚期の脚の制御として、単純な位置制御によって足先の実際の位置を軌道に追従させる制御アルゴリズムを採用し、立脚期の脚の制御として、重心の移動に伴って脚関節角が柔軟に変化するいわゆるコンプライアンス制御を採用するなど、遊脚期と立脚期で制御アルゴリズムを切り換えてもよい。
【００１９】
図２から図５では、一方の脚の下腿リンク７、足首ジョイント８、及び、足１２のみを描き、膝関節から上の部分は図示を省略する。なお、図１と、図２以降では足１２の外形が異なっているが、これは、図１ではロボット全体を簡単化して描いたからであり、図１の足１２と図２以降の足１２は同一の部品を示す。図２以降では一方の足のみを示すが、左右の足は同じ構造を有している。
【００２０】
図２と図３に、足１２の内部構造を示す。図２は足が浮いた状態を示しており、図３は足が着地した状態を示している。なお図３は、踵と足先の両方がしっかり接地した状態を示している。以下、図２を参照して足１２の構造を説明する。なお、図２にのみ、全ての部品に符号を付し、他の図では説明しない部品の符号は適宜に省略する。また、図２の座標系におけるＸ軸はロボットの前後方向に伸びる軸として設定されており、Ｙ軸はロボットの横方向に伸びる軸として設定されており、Ｚ軸は鉛直方向に伸びる軸として設定されている。ロボットの技術分野では、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は、夫々、ロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸とも呼ばれることは良く知られている。
【００２１】
足１２は、ピッチ軸回りに回転する足首ジョイント８を介して下腿リンク７に連結されている。足１２の足裏は、足先側足裏面１２ａと踵側足裏面１２ｂに分かれており、踵側足裏面１２ｂは、足先側足裏面１２ａよりも高くなっている。踵にはボール２０が、その一部が踵側足裏面１２ｂよりも突出するように（即ち、一部が露出するように）配置されている。ボール２０は、凹型の窪みを有するボール受け１９に回転可能に嵌っている。なお、図では理解を助けるためにボール受け１９の窪みを浅く描いているが、実際にはボール受け１９の窪みは半球以上の容積があり、ボール２０が落下しないようになっている。ボール受け１９とボール２０の間には潤滑剤が充填されており、ボール２０は、２自由度の回転自由度を有している。即ちボール２０は、Ｘ軸とＹ軸の双方に対して自由に回転することができる。別言すれば、ボール２０は平面上を自由に転がることができる。
【００２２】
ボール受け１９の裏側（上側）にはバネ１６が配置されており、バネ１６はボール受け１９（ボール２０）を下方に付勢している。ボール２０が下から押されると、バネ１６が縮み、ボール２０は上方（足首方向）へ後退する。なお、図２に示すように、足１２が浮いているとき、即ち、ボール２０が下から押されていないときには、ボール２０の最下端２０ａは、足先側足裏面１２ａよりもｄＨだけ低く位置する。足１２が着地すると、ボール２０は路面Ｇから床反力を受けて上方（足首方向）へ後退する。図３に示すように、床反力を受けるとボール受け１９（及びボール２０）が上方へ後退するが、ストッパ１７に当接する位置が最も後退した位置となる。このとき、図３に示すように、ボール２０の最下端２０ａは、足先側足裏面１２ａが張る平面上に位置する。別言すれば、ボール２０は、足１２の内部方向へ最も後退したときに、その最下端２０ａが、足先側足裏面１２ａの平面と同一の平面に位置する。
【００２３】
ボール受け１９には、ボール２０の回転を止めるブレーキ１４、ボール２０の回転を検出する回転センサ１８、及び、ボール２０が接地したか否かを検知する踵側接地センサ１３が配置されている。回転センサ１８は、コンピュータのマウスと同様の仕組みによりボール２０の回転を検知する。踵側接地センサ１３は、バネ１６の伸びを計測するものであり、バネ１６の伸びが既定の最大長から少しでも短くなれば、踵が接地したことを示す信号を出力する。
【００２４】
ブレーキ１４は、ボール２０を両側から挟み込むタイプであるが、図では詳しい構造の図示は省略している。ブレーキ１４が解放されるとボール２０はほとんど抵抗なく回転することができ、ブレーキ１４が係合するとボール２０は回転を停止する。ブレーキ１４はコントローラ４によって制御される。なお、ブレーキ１４の制動力の強さはコントローラ４が制御することができる。即ち、ブレーキ１４の係合力を増すにつれてボール２０は回転し難くなる。後述するように、足１２が路面Ｇ上を移動する際にボール２０が回転するので、ボール２０の回転抵抗は、足１２の路面Ｇに対する滑り抵抗（足の摩擦抵抗）に相当する。ブレーキ１４を弱く係合すれば足１２は路面Ｇの上を小さい抵抗で滑り、ブレーキ１４を強く係合すれば足１２は路面Ｇの上を滑り難くなる。
【００２５】
足先には足先側足裏面１２ａが接地したか否かを検知する足先側接地センサ１５が埋め込まれている。足先側接地センサ１５は、その表面に物体が触れると信号を出力するいわゆるタッチセンサである。
【００２６】
踵側接地センサ１３、足先側接地センサ１５、回転センサ１８の信号はコントローラ４へ送られ、コントローラ４は、それらのセンサデータ、及び、脚各関節の角度に基づいて、ブレーキ１４を駆動する信号を出力する。なお、以下では、簡単のため、踵側接地センサ１３を単純に踵センサ１３と称し、足先側接地センサ１５を単純に足先センサ１５と称する場合がある。
【００２７】
図６のフローチャートを参照してコントローラ４の制御を説明するがその前に、図３〜図５を参照して着地前後の足の状態を説明しつつ制御の概略を説明する。コントローラ４は、遊脚期の後半において、足先の高さ（路面Ｇからの高さ）を踵の高さよりも高く維持しながら、路面Ｇへ向けて足を降ろしていく（図４、矢印Ａ１参照）。別言すれば、コントローラ４は、足先側足裏面１２ａを前方が高く後方が低くなるように傾けながら足１２を路面Ｇへ向けて移動させる。このとき、コントローラ４はブレーキ１４を解放しておく。コントローラ４は、足の移動経路が軌道（歩容データ）に沿うように脚の各関節を駆動する。そうすると、必ず踵のボール２０が足先よりも先に接地することになる。ボール２０の接地を検知したら、コントローラ４は、着地までの歩行データがまだ残っていても、足をゆっくり停止する。停止までの間、ボール２０は接地したままであるが、バネ１６によってボール２０が足首側へ後退するので、相対的に足１２が路面Ｇへ向けて移動する（図５、１２Ａ）。このとき、ボール２０とバネ１６はショックアブソーバとして機能する。また、足首の位置がＸＹ平面内で移動を続ければ、足１２は路面Ｇ上を移動することになるが、ブレーキ１４が解放されているので、ボール２０が自在に回転し、足１２はほとんど摩擦抵抗なく路面Ｇ上を移動する（図５、矢印Ａ２参照）。足１２が停止し、ボール２０の回転が止まるとコントローラ４はブレーキ１４を係合し、ボール２０の回転を止めてから、踵を中心として足先が下方へ下がるように、即ち、足１２をピッチ軸回り（Ｙ軸回り）に回転するように脚の各関節を駆動する（図５、１２Ｂ、矢印Ａ３参照）。足先側足裏面１２ａが接地すると、図３の状態となり、足１２がしっかりと接地する。このとき、ブレーキ１４が係合しておりボール２０は回転しないので、足１２はしっかりとグリップする。
【００２８】
以上のシーケンスを、図６のフローチャートに基づいて詳しく説明する。なお、図６のフローチャートの処理は、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ程度の最上位制御ルーチンの制御周期毎）に繰り返し実行される。
【００２９】
コントローラ４の処理は、まず、現在の脚の状態が遊脚期であるか立脚期であるかによって分かれる（ステップＳ２）。前述したように、コントローラ４は、遊脚期用の歩容データ（及び脚制御アルゴリズム）と、立脚期用の歩容データ（及び脚制御アルゴリズム）を切り換える。遊脚期から立脚期への遷移、及び、立脚期から遊脚期への遷移の判定も、以下で説明するように図６の処理のなかで行われる。
【００３０】
現在の脚の状態が遊脚期である場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、コントローラ４は、踵センサ１３が接地を検知しているか否かをチェックする（ステップＳ４）。踵センサ１３が接地を検知していない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、すなわち、足１２がまだ着地していない場合は、コントローラ４は、ブレーキ１４を解放し（ステップＳ１４）、ボール２０を回転自在にしておく。また、コントローラ４は、遊脚用の軌道に基づいて脚の各関節を駆動する（ステップＳ１６）。
【００３１】
踵センサ１３が接地を検知していない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、すなわち、足１２がまだ着地していない間は、踵に配置されたボール２０が回転自在の状態にあるので、足１２がいつ着地しても、あるいは、路面上の凹凸などへ予定外に接地しても、ボール２０がスムーズに回転するので足１２が路面上をスリップしても大きな摩擦抵抗は生じない。即ち、足１２が路面Ｇと接触しながら移動してもそのことに起因して発生する外乱力は大きくはなく、ロボット全体が不安定となることは防止される。
【００３２】
なお、コントローラ４は、遊脚軌道の後半（予定される着地タイミングよりも所定時間／所定距離だけ手前の時点）で、前述したように、足先が踵よりも高くなるように足の姿勢を変更する。コントローラ４は、足１２をその姿勢に保ったまま着地点に向けて（遊脚軌道に沿って）降下させる。
【００３３】
コントローラ４は、踵センサ１３が接地を検知すると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ボール２０が回転しているか否かをチェックする（ステップＳ６）。ボール２０が回転している状態とは、足１２が接地しながら移動していることを意味する。この場合、コントローラ４は、足１２を緩やかに停止する（ステップＳ８）。ステップＳ６→Ｓ８の処理にてコントローラ４は、たとえ予定された遊脚軌道の終点までの距離が残っていても、直ちに足の速度を低下させ、足の動きを停止する。この処理は、予定された遊脚軌道に沿っての移動中に足１２が接地したときに直ちに着地に対処するためである。
【００３４】
ステップＳ８によって足の速度が低下しつつ、幾度か図６の処理を繰り返しているうちに、足１２が完全に停止する。即ち、ボール２０の回転が停止する。そうすると、ステップＳ６の判断がＮＯとなり、コントローラ４は、ブレーキ１４を係合し（ステップＳ１０）、遊脚期から立脚期へ移行する（ステップＳ１２）。ブレーキ１４を係合することによって、ボール２０はもはや回転しなくなる。足１２が移動し難くなるので、足が受動的に移動することはない。
【００３５】
ステップＳ１０を実行したのちに繰り返される図６の処理においては、ステップＳ２の判断がＮＯとなり、ステップＳ２２以降へ処理が移る。ステップＳ２２以降の処理が立脚期の処理に相当する。立脚期の処理では、まず、踵センサ１３が接地を検知しているか否かをチェックする（ステップＳ２２）。なお、立脚期において踵センサ１３が接地を検知していない状態（ステップＳ２２：ＮＯ）とは、立脚期の終盤でロボット重心が立脚の足よりも前方に移動し、立脚の足の踵が浮く時点を意味する。その時点で（ステップＳ２２：ＮＯ）、コントローラ４は、立脚期から遊脚期に移行する（ステップＳ３２）。
【００３６】
踵センサ１３が接地を検知していたら（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、コントローラ４は次いで、足先センサ１５が接地を検知しているか否かをチェックする（ステップＳ２４）。立脚期に移行した直後は、踵は接地しているが足先は接地していない。足先センサ１５が接地を検知していないときには（ステップＳ２４：ＮＯ）、コントローラ４は、踵を中心に足先を下げる方向に足を回転させる（ステップＳ３４）。コントローラ４は、足先センサ１５が接地を検知するまで足を回転させる。図６の処理を繰り返しているうちに足先センサ１５が接地を検知すると、処理はステップＳ２６へ移行する（ステップＳ２４：ＹＥＳ）。足先センサ１５が接地を検知すると、足１２の踵と足先（足先側足裏面１２ａ）がともに接地する。即ち、足がしっかりと路面Ｇに接地する。
【００３７】
足先センサ１５が接地を検知した後は、すなわち、踵と足先側足裏面１２ａの双方が接地した後は、コントローラ４は、立脚軌道に沿って脚の各関節を制御する（ステップＳ２６）。
【００３８】
図６のフローチャートの処理は、それぞれの脚に対して実施される。以上の処理によって、脚式ロボット２は、足が着地した時点ではボール２０が回転自在であるので足が接地しながら移動しても大きな摩擦抵抗は生じない。従ってロボットの姿勢を崩すような大きな外乱力が発生しない。同様に、遊脚期の途中で想定外に足が接地した場合であってもボール２０がスムーズに回転するので大きな外乱力は発生しない。
【００３９】
接地した足１２が停止した時点でブレーキ１４を係合してボール２０の回転を止め、その後は足１２がスリップし難いようにする。従って、足１２が停止した後は安定した立脚状態が得られる。
【００４０】
前述したように、ボール２０はバネ１６によって支持されており、ショックアブソーバの機能も兼ねている。従って、踵から着地する際の衝撃もボール２０（及びバネ１６）が吸収する。さらに、ボール２０が床反力を受けて最も上昇（後退）したとき、ボール２０の最下端２０ａは足先側裏面１２ａの平面と面一をなすから、着地後の足の安定性も十分に確保される。
【００４１】
実施例の脚式ロボットについての留意点、及び、好適な変更例を以下、述べる。図６のステップＳ６において、ボール２０の回転が既定の閾値速度以下となった時点で、ブレーキ１４を係合するように変更することも好適である。この場合、コントローラ４は、ボール２０の回転が止まるまでは徐々にブレーキ力を強めていく。そのような処理を加えることによって、着地から足１２が停止するまでの期間を短くすることができるし、さらには、接地した足１２の速度が低下するにつれてスリップし難くなり、足停止までの過渡期における安定性が増す。
【００４２】
足１２の摩擦抵抗の大きさは、ブレーキ１４の係合力によって変えられる。脚式ロボット２は、足のスリップを検知するボール２０が摩擦抵抗を変化させる機能を兼ねており、シンプルな構造で摩擦抵抗可変のメカニズムを実現している。
【００４３】
脚式ロボット２は、ボール２０の代わりにローラを備えてもよい。ローラはロボットの横方向に伸びる回転軸に支持され、ピッチ軸回りに回転するように配置される。即ち、ローラは、接地しながらの足の前後後方の移動に対して回転し、足の滑り抵抗を低減する。歩行動作において足の動きは左右方向の動きに比べて前後方向の動きが顕著に大きいので、ボールに代えてピッチ軸回りに回転するローラを採用しても顕著な効果を奏することが期待できる。ボール２０、あるいは、ローラが、「転動体」の一実施形態に相当する。
【００４４】
本明細書が開示した足の機構（及び、制御アルゴリズム）は、二足歩行ロボットに限られず、３脚以上を有する脚式移動ロボットに適用することができる。４脚、あるいは６脚であっても、着地時の足の滑り抵抗が大きいと、歩容データで想定していない大きな力が作用する。足の滑りに起因するそのような外乱力は脚の円滑な動きを妨げる。本明細書が開示する技術は、円滑な脚動作を妨げるそのような外乱力を低減する。
【００４５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４６】
２：脚式ロボット
４：コントローラ
６Ｒ、６Ｌ：脚
７：下腿リンク
８：足首ジョイント
１２：足
１４：ブレーキ
１２ａ：足先側足裏面
１２ｂ：踵側足裏面
１３：踵側接地センサ（踵センサ）
１５：足先側接地センサ（足先センサ）
１６：バネ
１７：ストッパ
１８：回転センサ
２０：ボール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
足の踵に回転可能に支持されており、一部が足裏に露出している球状又は円筒状の転動体と、
転動体の回転を止めるブレーキと、
脚式ロボットが歩行するように脚の動きを制御するとともにブレーキを制御するコントローラと、
を備えており、コントローラは、
足が浮いている間はブレーキを解放し足が着地した後にブレーキを係合することを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
コントローラは、
着地に際して足先を踵よりも上げて遊脚の足を地面に向けて降下させ、
踵の着地後、転動体の回転速度が所定の閾値以下となったときにブレーキを係合し、
転動体の回転が止まっていることを検知した後に足先を降下させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
【請求項３】
転動体は、
弾性体によって下方へ付勢されているとともに、床反力を受けると足首の方向へ後退するように支持されており、
足内部方向へ最も後退したときに、転動体の最下端が、足先裏側の平面と同一平面に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式ロボット。
【請求項１】
足の踵に回転可能に支持されており、一部が足裏に露出している球状又は円筒状の転動体と、
転動体の回転を止めるブレーキと、
脚式ロボットが歩行するように脚の動きを制御するとともにブレーキを制御するコントローラと、
を備えており、コントローラは、
足が浮いている間はブレーキを解放し足が着地した後にブレーキを係合することを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
コントローラは、
着地に際して足先を踵よりも上げて遊脚の足を地面に向けて降下させ、
踵の着地後、転動体の回転速度が所定の閾値以下となったときにブレーキを係合し、
転動体の回転が止まっていることを検知した後に足先を降下させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
【請求項３】
転動体は、
弾性体によって下方へ付勢されているとともに、床反力を受けると足首の方向へ後退するように支持されており、
足内部方向へ最も後退したときに、転動体の最下端が、足先裏側の平面と同一平面に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１９２５０２（Ｐ２０１２−１９２５０２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５９４７２（Ｐ２０１１−５９４７２）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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