脚式移動ロボット
【課題】 足部に設けられる床反力検出器の小型化・軽量化が可能な脚式移動ロボットを提供する。
【解決手段】 ６軸力センサの中心Ｐｂは、ロボットの起立静止状態において平面視で板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の底面側に設けられた接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａ上に設けられており、平面視で６軸力センサの中心Ｐｂから各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の底面の接地領域それぞれの最遠点までの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が等しくなっている。そして足首関節の中心Ｐｃは、平面視で位置Ｐａに対して後方にオフセットしている。
【解決手段】 ６軸力センサの中心Ｐｂは、ロボットの起立静止状態において平面視で板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の底面側に設けられた接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａ上に設けられており、平面視で６軸力センサの中心Ｐｂから各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の底面の接地領域それぞれの最遠点までの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が等しくなっている。そして足首関節の中心Ｐｃは、平面視で位置Ｐａに対して後方にオフセットしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚式移動ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
脚式移動ロボット、特に脚式移動ロボットの足部構造に関する技術として、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の脚式歩行ロボットの足部は、脚部の端部に足首関節を介して連結されており、上から順に、床反力を検出する６軸力センサ（床反力検出器）と、衝撃吸収機能を有するゴムブッシュを備えたバネ機構体と、足底フレームと、足底プレートと、ソールと、から構成される。
足首関節の中心は、床面に接地する足部の底面、すなわち接地領域に対して後方かつ内側にオフセット（偏倚）している。そして、床反力検出器は、その中心（ここでは、Ｚ軸感度中心線と一致する。）が平面視で足首関節の中心と同位置となるように設けられ、接地領域から入力される床反力を、バネ機構体を介して検出する。このように、床反力検出器を接地領域に近い足部に設けることによって床反力の検出精度を高めつつ、バネ機構体によって着地時の衝撃の影響を低減可能な構成となっている。
【特許文献１】特開２００３−７１７７６号公報（段落００４７、００５３〜００５５、図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、脚式歩行ロボットにおいては、移動のスピード（歩行、走行）を高めることが望まれている。脚式歩行ロボットが高速で移動する場合に、脚部に大きな慣性力が生じる。かかる慣性力を小さくするために、脚部の末端側、すなわち足部の軽量化が望まれている。特に、足部に設けられる床反力検出器の小型化・軽量化が望まれている。
【０００４】
本発明は、前記した背景に鑑み創案されたものであり、足部に設けられる床反力検出器の小型化・軽量化が可能な脚式移動ロボットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の脚式移動ロボットは、上体と、前記上体に第一の関節を介して連結された脚部と、前記脚部の端部に第二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式移動ロボットであって、前記足部は、床面に接地する接地領域を下端部に有する足平部と、前記足平部を介して前記床面から作用する床反力を検出する床反力検出器と、を備え、前記第二の関節の中心Ｐｃは、平面視で前記一または複数の接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａに対してオフセットしており、前記床反力検出器の中心Ｐｂは、前記第二の関節の中心Ｐｃよりも平面視で前記位置Ｐａに近くなるように設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この位置Ｐａは、一または複数の接地領域の最小外接円の中心と言い換えることもできる。このようにすることで、床反力検出器の中心Ｐｂを平面視で第二の関節の中心Ｐｃと同じ位置に設けた場合よりも、床反力検出器に入力される床反力の大きさを抑えることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、足部に設けられた床反力検出器の小型化・軽量化が可能となり、高速移動に適した脚式移動ロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、本発明の脚式移動ロボットの構成を自律移動可能な２足移動ロボットに適用した場合を例にとり、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。なお、位置、方向等に関する表現は、２足移動ロボットの前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、上下方向にＺ軸をとり、２足移動ロボットが起立姿勢をとった状態を基準として説明する。
【０００９】
＜２足移動ロボットＲ＞
まず、本発明の２足移動ロボットについて図１を参照して説明する。図１は、本発明に係る２足移動ロボットを示す側面図である。
図１に示すように、２足移動ロボット（以下、単に「ロボット」ともいう）Ｒは、人間と同じように２本の脚部Ｒ１（１本のみ図示）により起立、移動（歩行、走行等）し、上体Ｒ２、２本の腕部Ｒ３（１本のみ図示）および頭部Ｒ４を有し、自律して移動するロボットである。そして、ロボットＲは、これら脚部Ｒ１、上体Ｒ２、腕部Ｒ３および頭部Ｒ４の動作を制御する制御装置搭載部Ｒ５を背負う形で背中（上体Ｒ２の後方）に備えている。
【００１０】
＜脚部Ｒ１の関節構造＞
続いて、ロボットＲの脚部Ｒ１の関節構造について図２を参照して説明する。図２は、図１の脚部の関節構造を示す模式図である。
図２に示すように、ロボットＲは、左右それぞれの脚部Ｒ１に６個の関節１１Ｒ（Ｌ）〜１６Ｒ（Ｌ）を備えている。左右１２個の関節は、股部に設けられた脚回旋用（Ｚ軸まわり）の股関節１１Ｒ，１１Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ。）、股部のロール軸（Ｘ軸）まわりの股関節１２Ｒ，１２Ｌ、股部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの股関節１３Ｒ，１３Ｌ、膝部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの膝関節１４Ｒ，１４Ｌ、足首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの足首関節１５Ｒ，１５Ｌ、および、足首のロール軸（Ｘ軸）まわりの足首関節１６Ｒ，１６Ｌから構成されている。そして、脚部Ｒ１の下には足部１７Ｒ，１７Ｌが取り付けられている。
【００１１】
すなわち、脚部Ｒ１は、股関節１１Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１３Ｒ（Ｌ）、膝関節１４Ｒ（Ｌ）および足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）を備えている。股関節１１Ｒ（Ｌ）〜１３Ｒ（Ｌ）と膝関節１４Ｒ（Ｌ）とは大腿リンク２１Ｒ，２１Ｌで、膝関節１４Ｒ（Ｌ）と足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）とは下腿リンク２２Ｒ，２２Ｌで連結されている。
なお、股関節１１Ｒ（Ｌ）〜１３Ｒ（Ｌ）が特許請求の範囲における「第一の関節」の一例であり、足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）が特許請求の範囲における「第二の関節」の一例である。
【００１２】
脚部Ｒ１は、股関節１１Ｒ（Ｌ）〜１３Ｒ（Ｌ）を介して上体Ｒ２に連結されている。図２では、脚部Ｒ１と上体Ｒ２との連結部を上体リンク２３として簡略化して示す。また上体Ｒ２には、傾斜センサ２４が設置されており、上体Ｒ２のＺ軸（鉛直軸）方向に対する傾きおよび角速度を検出する。また、各関節を駆動する電動モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダ（図示せず）が設けられる。
【００１３】
このような構成により、脚部Ｒ１は左右の足について合計１２の自由度を与えられ、歩行中にこれらの６＊２＝１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、足（脚部Ｒ１および足部１７）全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行させることができる（この明細書で「＊」は乗算を示す）。
【００１４】
なお、図２に示すように、足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）の下方には公知の６軸力センサ５２が設けられ、ロボットＲに作用する外力のうち、床面からロボットＲに作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを検出する。これら６軸力センサ５２、傾斜センサ２４等が検出した床反力、モーメント、傾き、角速度等に関する信号が制御装置搭載部Ｒ５内に設けられた制御ユニット２５に伝えられ、ロボットＲの姿勢、動作等の制御に利用される。制御ユニット２５は、メモリ（図示せず）に格納されたデータおよび入力された検出信号に基づいて関節駆動制御値を算出し、前記した関節を駆動する。
【００１５】
＜ロボットＲの足部１７＞
ロボットＲの足部１７Ｒ（Ｌ）は、足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）を介して脚部Ｒ１の端部（床面側）に取り付けられており、６軸力センサ５２および足平部材６１を備えている。左足（左の脚部Ｒ１および足部１７Ｌ）と右足（右の脚部Ｒ１および足部１７Ｒ）とは左右対称であるため、以下、必要のない場合にはＲ，Ｌを外して説明する。
【００１６】
＜実施形態＞
まず、本発明の実施形態に係るロボットＲの足部１７について図３ないし図５を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す正面図である。図４は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す側面図である。図５は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す底面図である。図３ないし図５の脚部Ｒ１および足部１７は、図１に示すロボットＲの外装部分を適宜取り除いた状態として示されている。なお、図３ないし図５には、ロボットＲの左足（左の脚部Ｒ１および足部１７Ｌ）が示されている。
【００１７】
≪ロボットＲの足首関節≫
ここで、図３および図４を参照し、ロボットＲの足首関節１５，１６について簡単に説明する。ロボットＲの足首関節１５，１６は、十字軸４１を下腿リンク２２および足部１７の第一台座部５１に連結することによって構成されている。
十字軸４１は、Ｙ軸を回動軸線とする軸４１ａと、Ｘ軸を回動軸線とする軸４１ｂとを十字状に組み合わせた部材である。軸４１ａの両端部は、下腿リンク２２によって回動可能に支持されている。また、軸４１ｂの両端部は、第一台座部５１によって回動可能に支持されている。すなわち、軸４１ａが足首関節１５に相当し、軸４１ｂが足首関節１６に相当する。
【００１８】
また、下腿リンク２２の斜め後ろには、第一ロッド３１および第二ロッド３２が設けられている。第一ロッド３１は、下腿リンク２２の右斜め後方に設けられており、十字軸３６を介して第一台座部５１と連結されている。第二ロッド３２は、下腿リンク２２の左斜め後方に設けられており、十字軸３７を介して第一台座部５１と連結されている。これら第一ロッド３１および第二ロッド３２は、その上方（例えば、下腿リンク２２、大腿リンク２１等）に設けられた電動モータの回転によって生じた駆動力が減速機を介して伝えられることによって上下方向に進退し、足首関節１５，１６を動かし、また所定角度に維持する構成となっている。
【００１９】
例えば、足部１７の爪先部分を浮かせたい場合には、第一ロッド３１および第二ロッド３２を下に進出させ、足部１７の踵部分を浮かせたい場合には、第一ロッド３１および第二ロッド３２を上に退行させる。また、足部１７の左右のいずれかを浮かせたい場合には、浮かせたい側のロッドを上に退行させ、他方のロッドを下に進出させる。かかる第一ロッド３１および第二ロッド３２の動作は、前記した制御ユニット２５によって制御される。
【００２０】
≪ロボットＲの足部１７≫
図３ないし図５に示すように、ロボットＲの足部１７は、上（足首関節側）から順に、第一台座部５１と、６軸力センサ５２と、第二台座部５３と、足平部材６１と、を備えている。
【００２１】
第一台座部５１は、足部１７の上部に設けられた部材であり、足首関節１５，１６と連結される部材である。
【００２２】
６軸力センサ５２は、前記したように３方向の床反力並進力および３方向の床反力のモーメントを検出する装置であり、各部品が筐体内に収められている（ユニット化）。本実施形態において、第一台座部５１と６軸力センサ５２とは複数のボルト（図示せず）により固定されている。この６軸力センサ５２の出力は、ハーネスを介して前記制御ユニット２５に入力される。
この６軸力センサ５２が、特許請求の範囲における「床反力検出器」の一例である。
【００２３】
第二台座部５３は、６軸力センサ５２の下方、すなわち６軸力センサ５２と足平部材６１との間に設けられた部材であり、６軸力センサ５２と足平部材６１とを互いに固定するための部材である。本実施形態において、６軸力センサ５２と第二台座部５３とは複数のボルト（図示せず）により固定され、第二台座部５３と足平部材６１とは複数のボルト（図示せず）により固定されている。このように、６軸力センサ５２と足平部材６１とを第二台座部５３を介して固定する構成としたので、足部１７の構造の簡略化、軽量化が達成される。なお、足部１７の各部材の組付構造は前記したものに限定されない。
【００２４】
足平部材６１は、第二台座部５３の下方に取り付けられた部材であり、床面と接地する足平部の主要部分を構成している。この足平部材６１が特許請求の範囲における「足平部」の一例である。
この足平部材６１は、板バネ本体６２、第一中間部材６３、第一足底部材６４、第二中間部材６５および第二足底部材６６を備えている。
板バネ本体６２は、撓みつつロボットＲの自重を支持する部分であり、主に基部６２ａと、基部６２ａからのびるバネ部６２ｂと、から構成される。本実施形態において、板バネ本体６２は、バネ部６２ｂの基端部が基部６２ａに連結された形状に一体成形された部材である。
基部６２ａは、平板形状を有しており、第二台座部５３の底面に沿う形状を有している。後記するバネ部６２ｂの基端部が、この基部６２ａに連結されており、バネ部６２ｂは、基部６２ａとの連結部分を基端部とした板バネとして機能する。
バネ部６２ｂは、基部６２ａの端部から、角度θ（図４参照）で下向きにのびるバネ部分である。本実施形態では、４個のバネ部６２ｂ1，６２ｂ2，６２ｂ3，６２ｂ4があり、バネ部６２ｂ1，６２ｂ2は基部６２ａから前方（爪先方向）にのびており、バネ部６２ｂ3，６２ｂ4は基部６２ａから後方（踵方向）にのびている。これら各バネ部６２ｂ1，６２ｂ2，６２ｂ3，６２ｂ4は、同一形状、同一強度、同一性能（弾性率）とすることが望ましい。
角度θは、最大床反力Ｆｚが作用した際に基部６２ａが床面に接地しない最小の角度に設定されていることが望ましい。ここでいう最大床反力Ｆｚは、例えば、ロボットＲが最高速度で走行し片足で接地した際に作用する反力である。かかる設定により、バネ部６２ｂ（６２ｂ1〜６２ｂ4）の弾性力によってロボットＲの自重を支持しつつ、基部６２ａが接地して６軸力センサ５２に悪影響を与えることを防ぐことができる。
【００２５】
この板バネ本体６２は、バネ部６２ｂが板バネとして機能することが可能な素材であればよく、例えば、金属部材（鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等）から形成されていてもよい。特に、繊維で強化された複合部材（繊維強化プラスチック等）から形成されている場合には、所望の強度や剛性を得つつ板バネ本体６２の軽量化を図ることができる。この際、強化用繊維の繊維方向をバネ部６２ｂの基端部から先端部へ向かう方向（長手方向）と一致させることによって、バネ部６２ｂの強度を確保することができる。
また、各バネ部６２ｂの繊維方向を変えることによって異方性を持たせ、各バネ部６２ｂのバネ特性を変えることもできる。
強化用繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維等が好適である。
この板バネ本体６２は、一体成形された部材であることが望ましい。１個の基部６２ａに複数のバネ部６２ｂ（本実施形態では４個）が取り付けられた構成を有する板バネ本体６２を一体成形することによって、さらなる部品点数の削減、および足部の構造の簡略化が可能となる。
【００２６】
第一中間部材６３は、バネ部６２ｂの底面の接地領域に対応する部分、すなわち下端部側（本実施形態では先端部側と同一）に取り付けられた減衰部材であり、接地時に生じるバネ部６２ｂの振動を減衰させる機能を有している。この第一中間部材６３は減衰機能を備えた素材から形成されたものであればよく、例えば、発泡樹脂等から形成されたものが好適である。また、第一中間部材６３の代わりの減衰手段として、液圧を利用したダンパ装置等を設置する構成であってもよい。このダンパ装置は、第一中間部材６３と併用可能である。
【００２７】
第一足底部材６４は、第一中間部材６３の底面に取り付けられた部材であり、足平部材６１の下端部に位置し、移動時に実際に床面に接地する部材である。この第一足底部材６４は、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能を発揮する部材である。この第一足底部材６４は滑り止め機能を備えた素材から形成されたものであればよく、例えば、ゴムから形成されたものが好適である。この第一足底部材６４の底面が、特許請求の範囲における「接地領域」である。
【００２８】
第二中間部材６５は、バネ部６２ｂの底面の中間部分に取り付けられた減衰部材であり、後記する第二足底部材６６が接地した際に生じるバネ部６２ｂの振動を減衰させる機能を有している。この第二中間部材６５は第一中間部材６３と同様に、減衰機能を備えた素材から形成されたものであればよく、例えば発泡樹脂等から形成されたものが好適である。
【００２９】
第二足底部材６６は、第二中間部材６５の底面に取り付けられた部材であり、前記した第一足底部材６４と同様に、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能を発揮する部材である。この第二足底部材６６は、第一足底部材６４よりも上方に位置している。
【００３０】
本実施形態において、４個の板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、それぞれバネ部６２ｂから構成されている。さらに詳しくは、板バネ部Ｓ１は、バネ部６２ｂ1から構成され、板バネ部Ｓ２は、バネ部６２ｂ2から構成され、板バネ部Ｓ３はバネ部６２ｂ3から構成され、板バネ部Ｓ４はバネ部６２ｂ4から構成されている。そして各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の先端に設けられた第一足底部材６４が接地した際には、これら各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が弾性変形しつつ、弾性変形した状態の各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってロボットＲの自重、詳しくはロボットＲのバネ部６２ｂよりも上部の構造による荷重全体を支持する構成となっている。そのため、簡易な構成でありながらロボットＲの自重を支持し、さらに床反力による衝撃を吸収することができる。また、衝撃吸収能を高めることによって、ロボットＲの移動（歩行、走行）速度を高めることが可能となる。
【００３１】
また、ゴムブッシュ等が不要となり、足部１７の軽量化が可能となる。かかる軽量化により、脚部Ｒ１にかかる慣性力が小さくなるので、高速移動に適した構造となる。
【００３２】
また、各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４および基部６２ａは、平面視略Ｈ字状に配置されている。かかる構成により、接地領域が前側および後側に２箇所ずつ配置され、かつそれぞれ前後にのびるように配置された各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のバネ特性が前後方向の荷重制御に適しているので、かかる足平構造は、２足移動の制御や、前後の接地領域によって踏ん張り、ロボットＲの荷重中心を前後方向に移動させる制御に適している。また、板バネ部Ｓ１，Ｓ２および板バネ部Ｓ３，Ｓ４の各組が先端部に向かってやや開くように設けられているので、ロボットＲが左右に傾いて荷重が左右方向へずれた場合であっても踏ん張りが効く。
【００３３】
また、床面形状に凹凸がある場合等には、各板バネ部Ｓ１〜Ｓ４のうちのいずれかが浮いた（接地していない）状態となることが考えられる。このような場合には、板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の曲げバネ特性（ロール剛性、ピッチ剛性）が非線形的に変化してしまう。そのため、制御ユニット２５は、６軸力センサ５２からの信号等に基づいて、全ての板バネ部Ｓ１〜Ｓ４が接地して撓むように目標足平位置姿勢を修正し、ロボットＲが目標床反力を発生させるような姿勢をとるように制御している。かかる目標足平位置姿勢の修正量は、６軸力センサ５２の検出値から推測した板バネ部の浮き具合に応じて非線形演算で算出される。
【００３４】
ここで、図５を参照して、接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａと、６軸力センサの中心Ｐｂと、足首関節の中心Ｐｃとの関係について説明する。
本実施形態において、６軸力センサの中心Ｐｂ（ここでは、６軸力センサ５２のＺ軸方向感度中心と一致する。）は、接地領域（ここでは、複数の接地領域）のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａ、詳しくは、ロボットＲの起立静止状態において板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の底面側に設けられた接地領域のうちの、平面視（図５では底面視）での最遠点までの距離が最小となる位置（接地領域の中心ともいう。）Ｐａ（以下、単に「位置Ｐａ」と記載する。）の上方に設けられている。本実施形態では、各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の底面の接地領域それぞれの最遠点までの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が等しくなっている。
かかる構成によると、移動時に６軸力センサ５２に作用する荷重の最大値を抑えることができ、６軸力センサ５２の小型化が可能である。また、６軸力センサ５２を足部１７に設け、接地領域に近づけたことにより、床反力およびモーメントのより正確な測定が可能となる。
【００３５】
なお、接地領域が正多角形状に配置されている場合には、各接地領域から６軸力センサ５２までの距離が等しくなるように６軸力センサ５２を配置することになる。また、６軸力センサ５２に変えて、少なくとも１軸の床反力またはモーメント（例えば、Ｚ軸方向の床反力の並進力Ｆｚ）を検出する床反力検出器を用いる構成であってもよい。
【００３６】
また、本実施形態において、足首関節の中心Ｐｃは、平面視で位置Ｐａに対してオフセットしている。ここでは、軸４１ａおよび軸４１ｂ（図３参照）の交点が足首関節の中心Ｐｃに相当する。この足首関節の中心Ｐｃは、位置ＰａよりもロボットＲの後方に設けられている。このように足首関節１５，１６が足平部材６１の接地領域に対して後方にオフセットしている理由については後記する。
なお、足首関節の中心Ｐｃは、さらに足平部材６１の接地領域の内側（ロボットＲの中心側）にもオフセットしている構成であってもよい。足首関節の中心Ｐｃを内側にオフセットすることにより、隣接する足部１７Ｒ，１７Ｌの足平部材６１同士の干渉を防ぎ、かつ接地面積を確保してロボットＲの姿勢の安定性を維持することができる。
【００３７】
また、本実施形態において、６軸力センサの中心Ｐｂが位置Ｐａ上に設けられるようにしたが、６軸力センサの中心Ｐｂは、少なくとも平面視で足首関節の中心Ｐｃよりも位置Ｐａに近くなるように設けられていればよい。言い換えると、６軸力センサの中心Ｐｂは、平面視で位置Ｐａを中心とし、位置Ｐａと足首関節の中心Ｐｃとを結ぶ線分ｒ１を半径とする円Ｃ１の内部にあればよい。例えば、線分ｒ１上に６軸力センサの中心Ｐｂが位置する構成であってもよい。かかる構成であっても、移動時に６軸力センサ５２に作用する荷重の最大値を抑えることができ、６軸力センサ５２の小型化が可能である。特に、６軸力センサの中心Ｐｂが位置Ｐａ上にある場合には、６軸力センサ５２の小型化という効果を最大に発揮することができる。
【００３８】
また、図４に示すように、板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の下端部（先端部）は、足首関節１５，１６から離れるにつれて上に向かって反る形状を有しており、その底面に設けられた第一足底部材６４も同様の形状を有している。これは、かかるロボットＲの歩行の制御が、踵部分から接地して爪先部分で蹴り上げるようになっているため、接地時および蹴り上げ時に接地する面積を大きくし、床面との間の摩擦力を確保することを可能とするためである。また、接地領域を面で確保できるので、ロボットＲの姿勢の安定化にもつながる。
【００３９】
続いて、足首関節１５，１６が足平部材６１の接地領域の後方にオフセットしている理由について、ロボットＲが高速移動（走行）する場合を例にとり説明する。図６は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットが高速移動する場合を説明する模式図であり、（ａ）は足首関節が足平部に対して後方にオフセットしている図、（ｂ）は足首関節が足平部の前後方向中心に位置している図である。なお、図６（ｂ）において、図６（ａ）と同様の部分には「’」を付加した符号を用いる。
図６（ａ）に示すように、足首関節１５，１６は、足平部材６１に対して後方にオフセット（偏倚）している。この場合には、足首関節１５’，１６’から足平部材６１の接地部分の前方先端までの距離Ｌａが長くなる（Ｌａ＞Ｌａ’）。ロボットＲが高速移動（走行）する場合には、膝関節１４を深く折り曲げ、足平部材６１の爪先部分に床反力Ｆが集中する状態が生じる。このとき、膝関節１４に生じるモーメントは、Ｆ＊Ｌｂとなる。一方、図６（ｂ）に示すように、足首関節１５’，１６’が、足平部材６１’の前後方向中心に位置している場合に膝関節１４’に生じるモーメントは、Ｆ’＊Ｌｂ’となる。ここで、Ｌｂ＜Ｌｂ’であるので、Ｆ＝Ｆ’とするとＦ＊Ｌｂ＜Ｆ’＊Ｌｂ’が成立する。これは、高速移動時に膝関節１４を駆動（屈曲）した場合において、足首関節１５，１６を足平部材６１に対して、膝関節１４の足平部材６１に対する相対移動方向（本実施形態では前方）と反対方向（本実施形態では後方）にオフセットさせた場合に成立する。そして、足首関節１５，１６の足平部材６１に対する後方へのオフセット量を大きくすると、高速移動時における膝関節１４にかかる負担をより小さく抑えることができることを意味している。
【００４０】
＜変形例＞
続いて、ロボットＲの足平部の接地領域と、足首関節の中心と、６軸力センサの中心との位置関係の変形例について、前記実施形態との相違点を中心に説明する。図７は、本発明の変形例に係る２足移動ロボットの足部および足首関節を示す模式側面図である。図８ないし図１１は、本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【００４１】
図７に示すように、変形例に係る足部１１７は、足平部材６１の代わりに足平部材１６１を備えている。図７に示すように、足平部材１６１は、平面状の剛性部材からなる足平本体部１６２と、足平本体部１６２の底面に設けられたゴム等からなる足底部材１６４と、を備えている。その接地領域は、足平本体部１６２の底面と略同一形状であり、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形状となっている（図８参照）。すなわち、足平部１６１は、一の接地領域を有している。６軸力センサ５２は、足平部材１６１の上方に設けられており、足平部材１６１から入力される床反力を検出する。ここで、特許文献１に記載の脚式歩行ロボットのように、足平部材１６１と６軸力センサ５２との間にバネ機構体（ゴムブッシュ等）を設ける構成であってもよい。足首関節１５，１６は、６軸力センサ５２の上方に設けられている。
【００４２】
図８は、足首関節の中心Ｐｃが、接地領域（ここでは、一の接地領域）のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａに対して後方にオフセットしている例を示す。かかる状態において、６軸力センサの中心Ｐｂは、平面視で位置Ｐａと足首関節の中心Ｐｃとを結ぶ線分ｒ２上に位置している。
なお、６軸力センサの中心Ｐｂは、前記した例に限定されず、平面視で位置Ｐａを中心とし、線分ｒ２を半径とする円Ｃ２内（円周上を除く）であればよく、円Ｃ２のうち、足首関節の中心Ｐｃを円弧の中央とする半円Ｃ２ａ内（直径部分を含み、円弧上を除く）であることがさらに望ましく、この半円Ｃ２ａのうち、線分ｒ２に近くなることがさらに望ましい。さらに、６軸力センサの中心Ｐｂは、線分ｒ２上（足首関節の中心Ｐｃを除く）であることが望ましく、線分ｒ２上のうち、位置Ｐａに近い方がさらに望ましい。
【００４３】
図９ないし図１１は、足首関節の中心Ｐｃが、位置Ｐａに対して後方かつ内側にオフセットしている例を示す。
図９に示す変形例は、６軸力センサの中心ＰｂがＹ軸方向（ロボットＲの左右方向）のみ、位置Ｐａに近づく場合である。６軸力センサの中心Ｐｂは、位置Ｐａから後方（Ｘ軸マイナス方向）にのびる線分ａ１に対して足首関節の中心Ｐｃから下ろした垂線ａ２上（足首関節の中心Ｐｃを除く）に位置している。
図１０に示す変形例は、６軸力センサの中心ＰｂがＸ軸方向（ロボットＲの前後方向）のみ、位置Ｐａに近づく場合である。６軸力センサの中心Ｐｂは、位置Ｐａから内側（Ｙ軸マイナス方向）にのびる線分ａ３に対して足首関節の中心Ｐｃから下ろした垂線ａ４上（足首関節の中心Ｐｃを除く）に位置している。
図１１に示す変形例は、６軸力センサの中心ＰｂがＸ軸方向、Ｙ軸方向の双方において、共に位置Ｐａに近づく場合である。特に図１１においては、６軸力センサの中心Ｐｂが平面視で位置Ｐａと足首関節の中心Ｐｃとを結ぶ線分ｒ３上（足首関節の中心Ｐｃを除く）に位置する場合を示している。
なお、６軸力センサの中心Ｐｂは、前記した例に限定されず、平面視で位置Ｐａを中心とし、線分ｒ３を半径とする円Ｃ３内（円周上を除く）であればよく、円Ｃ３のうち、足首関節の中心Ｐｃを円弧の中央とする半円Ｃ３ａ内（直径部分を含み、円弧上を除く）であることがさらに望ましく、この半円Ｃ３ａのうち、線分ｒ３に近くなることがさらに望ましい。さらに、６軸力センサの中心Ｐｂは、線分ｒ３上（足首関節の中心Ｐｃを除く）であることが望ましく、線分ｒ３上のうち、位置Ｐａに近い方がさらに望ましい。
【００４４】
前記した変形例において、６軸力センサの中心Ｐｂの位置Ｐａに対するオフセット（偏倚）の方向や距離は、円Ｃ２，Ｃ３内（円周上を除く）において適宜変更可能であるが、６軸力センサの中心Ｐｂは平面視で足平部材１６１の接地領域内に設けられることが望ましい。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、ロボットＲは、図示した２足移動ロボットに限定されず、１本のみの脚部を備えた脚式移動ロボットまたは３本以上の脚部を備えた脚式移動ロボットであってもよい。
また、足平部（足平部材）の素材、形状、機能等も前記したものに限定されず、床反力検出器も前記した６軸力センサ５２に限定されない。すなわち、本発明は、接地領域を有する足平部（足平部材）と第二の関節（足首関節）との間に床反力検出器を設けたあらゆる脚式移動ロボットに適用可能である。
また、接地領域の数、形状、配置等についても前記したものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る２足移動ロボットを示す側面図である。
【図２】図１の脚部の関節構造を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す底面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットが高速移動する場合を説明する模式図である。
【図７】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの足部および足首関節を示す模式側面図である。
【図８】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【図９】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【図１０】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【図１１】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１Ｒ，１１Ｌ 関節（股関節、第一の関節）
１２Ｒ，１２Ｌ 関節（股関節、第一の関節）
１３Ｒ，１３Ｌ 関節（股関節、第一の関節）
１５Ｒ，１５Ｌ，１５ 関節（足首関節、第二の関節）
１６Ｒ，１６Ｌ，１６ 関節（足首関節、第二の関節）
１７Ｒ，１７Ｌ，１７，１１７ 足部
５１ 第一台座部
５２ ６軸力センサ（床反力検出器）
５３ 第二台座部
６１，１６１ 足平部材（足平部）
Ｐａ 接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置
Ｐｂ ６軸力センサの中心（床反力検出器の中心）
Ｐｃ 足首関節の中心（第二の関節の中心）
Ｒ ２足移動ロボット（脚式移動ロボット）
Ｒ１ 脚部
Ｒ２ 上体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚式移動ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
脚式移動ロボット、特に脚式移動ロボットの足部構造に関する技術として、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の脚式歩行ロボットの足部は、脚部の端部に足首関節を介して連結されており、上から順に、床反力を検出する６軸力センサ（床反力検出器）と、衝撃吸収機能を有するゴムブッシュを備えたバネ機構体と、足底フレームと、足底プレートと、ソールと、から構成される。
足首関節の中心は、床面に接地する足部の底面、すなわち接地領域に対して後方かつ内側にオフセット（偏倚）している。そして、床反力検出器は、その中心（ここでは、Ｚ軸感度中心線と一致する。）が平面視で足首関節の中心と同位置となるように設けられ、接地領域から入力される床反力を、バネ機構体を介して検出する。このように、床反力検出器を接地領域に近い足部に設けることによって床反力の検出精度を高めつつ、バネ機構体によって着地時の衝撃の影響を低減可能な構成となっている。
【特許文献１】特開２００３−７１７７６号公報（段落００４７、００５３〜００５５、図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、脚式歩行ロボットにおいては、移動のスピード（歩行、走行）を高めることが望まれている。脚式歩行ロボットが高速で移動する場合に、脚部に大きな慣性力が生じる。かかる慣性力を小さくするために、脚部の末端側、すなわち足部の軽量化が望まれている。特に、足部に設けられる床反力検出器の小型化・軽量化が望まれている。
【０００４】
本発明は、前記した背景に鑑み創案されたものであり、足部に設けられる床反力検出器の小型化・軽量化が可能な脚式移動ロボットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の脚式移動ロボットは、上体と、前記上体に第一の関節を介して連結された脚部と、前記脚部の端部に第二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式移動ロボットであって、前記足部は、床面に接地する接地領域を下端部に有する足平部と、前記足平部を介して前記床面から作用する床反力を検出する床反力検出器と、を備え、前記第二の関節の中心Ｐｃは、平面視で前記一または複数の接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａに対してオフセットしており、前記床反力検出器の中心Ｐｂは、前記第二の関節の中心Ｐｃよりも平面視で前記位置Ｐａに近くなるように設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この位置Ｐａは、一または複数の接地領域の最小外接円の中心と言い換えることもできる。このようにすることで、床反力検出器の中心Ｐｂを平面視で第二の関節の中心Ｐｃと同じ位置に設けた場合よりも、床反力検出器に入力される床反力の大きさを抑えることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、足部に設けられた床反力検出器の小型化・軽量化が可能となり、高速移動に適した脚式移動ロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、本発明の脚式移動ロボットの構成を自律移動可能な２足移動ロボットに適用した場合を例にとり、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。なお、位置、方向等に関する表現は、２足移動ロボットの前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、上下方向にＺ軸をとり、２足移動ロボットが起立姿勢をとった状態を基準として説明する。
【０００９】
＜２足移動ロボットＲ＞
まず、本発明の２足移動ロボットについて図１を参照して説明する。図１は、本発明に係る２足移動ロボットを示す側面図である。
図１に示すように、２足移動ロボット（以下、単に「ロボット」ともいう）Ｒは、人間と同じように２本の脚部Ｒ１（１本のみ図示）により起立、移動（歩行、走行等）し、上体Ｒ２、２本の腕部Ｒ３（１本のみ図示）および頭部Ｒ４を有し、自律して移動するロボットである。そして、ロボットＲは、これら脚部Ｒ１、上体Ｒ２、腕部Ｒ３および頭部Ｒ４の動作を制御する制御装置搭載部Ｒ５を背負う形で背中（上体Ｒ２の後方）に備えている。
【００１０】
＜脚部Ｒ１の関節構造＞
続いて、ロボットＲの脚部Ｒ１の関節構造について図２を参照して説明する。図２は、図１の脚部の関節構造を示す模式図である。
図２に示すように、ロボットＲは、左右それぞれの脚部Ｒ１に６個の関節１１Ｒ（Ｌ）〜１６Ｒ（Ｌ）を備えている。左右１２個の関節は、股部に設けられた脚回旋用（Ｚ軸まわり）の股関節１１Ｒ，１１Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ。）、股部のロール軸（Ｘ軸）まわりの股関節１２Ｒ，１２Ｌ、股部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの股関節１３Ｒ，１３Ｌ、膝部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの膝関節１４Ｒ，１４Ｌ、足首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの足首関節１５Ｒ，１５Ｌ、および、足首のロール軸（Ｘ軸）まわりの足首関節１６Ｒ，１６Ｌから構成されている。そして、脚部Ｒ１の下には足部１７Ｒ，１７Ｌが取り付けられている。
【００１１】
すなわち、脚部Ｒ１は、股関節１１Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１３Ｒ（Ｌ）、膝関節１４Ｒ（Ｌ）および足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）を備えている。股関節１１Ｒ（Ｌ）〜１３Ｒ（Ｌ）と膝関節１４Ｒ（Ｌ）とは大腿リンク２１Ｒ，２１Ｌで、膝関節１４Ｒ（Ｌ）と足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）とは下腿リンク２２Ｒ，２２Ｌで連結されている。
なお、股関節１１Ｒ（Ｌ）〜１３Ｒ（Ｌ）が特許請求の範囲における「第一の関節」の一例であり、足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）が特許請求の範囲における「第二の関節」の一例である。
【００１２】
脚部Ｒ１は、股関節１１Ｒ（Ｌ）〜１３Ｒ（Ｌ）を介して上体Ｒ２に連結されている。図２では、脚部Ｒ１と上体Ｒ２との連結部を上体リンク２３として簡略化して示す。また上体Ｒ２には、傾斜センサ２４が設置されており、上体Ｒ２のＺ軸（鉛直軸）方向に対する傾きおよび角速度を検出する。また、各関節を駆動する電動モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダ（図示せず）が設けられる。
【００１３】
このような構成により、脚部Ｒ１は左右の足について合計１２の自由度を与えられ、歩行中にこれらの６＊２＝１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、足（脚部Ｒ１および足部１７）全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行させることができる（この明細書で「＊」は乗算を示す）。
【００１４】
なお、図２に示すように、足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）の下方には公知の６軸力センサ５２が設けられ、ロボットＲに作用する外力のうち、床面からロボットＲに作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを検出する。これら６軸力センサ５２、傾斜センサ２４等が検出した床反力、モーメント、傾き、角速度等に関する信号が制御装置搭載部Ｒ５内に設けられた制御ユニット２５に伝えられ、ロボットＲの姿勢、動作等の制御に利用される。制御ユニット２５は、メモリ（図示せず）に格納されたデータおよび入力された検出信号に基づいて関節駆動制御値を算出し、前記した関節を駆動する。
【００１５】
＜ロボットＲの足部１７＞
ロボットＲの足部１７Ｒ（Ｌ）は、足首関節１５Ｒ（Ｌ），１６Ｒ（Ｌ）を介して脚部Ｒ１の端部（床面側）に取り付けられており、６軸力センサ５２および足平部材６１を備えている。左足（左の脚部Ｒ１および足部１７Ｌ）と右足（右の脚部Ｒ１および足部１７Ｒ）とは左右対称であるため、以下、必要のない場合にはＲ，Ｌを外して説明する。
【００１６】
＜実施形態＞
まず、本発明の実施形態に係るロボットＲの足部１７について図３ないし図５を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す正面図である。図４は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す側面図である。図５は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す底面図である。図３ないし図５の脚部Ｒ１および足部１７は、図１に示すロボットＲの外装部分を適宜取り除いた状態として示されている。なお、図３ないし図５には、ロボットＲの左足（左の脚部Ｒ１および足部１７Ｌ）が示されている。
【００１７】
≪ロボットＲの足首関節≫
ここで、図３および図４を参照し、ロボットＲの足首関節１５，１６について簡単に説明する。ロボットＲの足首関節１５，１６は、十字軸４１を下腿リンク２２および足部１７の第一台座部５１に連結することによって構成されている。
十字軸４１は、Ｙ軸を回動軸線とする軸４１ａと、Ｘ軸を回動軸線とする軸４１ｂとを十字状に組み合わせた部材である。軸４１ａの両端部は、下腿リンク２２によって回動可能に支持されている。また、軸４１ｂの両端部は、第一台座部５１によって回動可能に支持されている。すなわち、軸４１ａが足首関節１５に相当し、軸４１ｂが足首関節１６に相当する。
【００１８】
また、下腿リンク２２の斜め後ろには、第一ロッド３１および第二ロッド３２が設けられている。第一ロッド３１は、下腿リンク２２の右斜め後方に設けられており、十字軸３６を介して第一台座部５１と連結されている。第二ロッド３２は、下腿リンク２２の左斜め後方に設けられており、十字軸３７を介して第一台座部５１と連結されている。これら第一ロッド３１および第二ロッド３２は、その上方（例えば、下腿リンク２２、大腿リンク２１等）に設けられた電動モータの回転によって生じた駆動力が減速機を介して伝えられることによって上下方向に進退し、足首関節１５，１６を動かし、また所定角度に維持する構成となっている。
【００１９】
例えば、足部１７の爪先部分を浮かせたい場合には、第一ロッド３１および第二ロッド３２を下に進出させ、足部１７の踵部分を浮かせたい場合には、第一ロッド３１および第二ロッド３２を上に退行させる。また、足部１７の左右のいずれかを浮かせたい場合には、浮かせたい側のロッドを上に退行させ、他方のロッドを下に進出させる。かかる第一ロッド３１および第二ロッド３２の動作は、前記した制御ユニット２５によって制御される。
【００２０】
≪ロボットＲの足部１７≫
図３ないし図５に示すように、ロボットＲの足部１７は、上（足首関節側）から順に、第一台座部５１と、６軸力センサ５２と、第二台座部５３と、足平部材６１と、を備えている。
【００２１】
第一台座部５１は、足部１７の上部に設けられた部材であり、足首関節１５，１６と連結される部材である。
【００２２】
６軸力センサ５２は、前記したように３方向の床反力並進力および３方向の床反力のモーメントを検出する装置であり、各部品が筐体内に収められている（ユニット化）。本実施形態において、第一台座部５１と６軸力センサ５２とは複数のボルト（図示せず）により固定されている。この６軸力センサ５２の出力は、ハーネスを介して前記制御ユニット２５に入力される。
この６軸力センサ５２が、特許請求の範囲における「床反力検出器」の一例である。
【００２３】
第二台座部５３は、６軸力センサ５２の下方、すなわち６軸力センサ５２と足平部材６１との間に設けられた部材であり、６軸力センサ５２と足平部材６１とを互いに固定するための部材である。本実施形態において、６軸力センサ５２と第二台座部５３とは複数のボルト（図示せず）により固定され、第二台座部５３と足平部材６１とは複数のボルト（図示せず）により固定されている。このように、６軸力センサ５２と足平部材６１とを第二台座部５３を介して固定する構成としたので、足部１７の構造の簡略化、軽量化が達成される。なお、足部１７の各部材の組付構造は前記したものに限定されない。
【００２４】
足平部材６１は、第二台座部５３の下方に取り付けられた部材であり、床面と接地する足平部の主要部分を構成している。この足平部材６１が特許請求の範囲における「足平部」の一例である。
この足平部材６１は、板バネ本体６２、第一中間部材６３、第一足底部材６４、第二中間部材６５および第二足底部材６６を備えている。
板バネ本体６２は、撓みつつロボットＲの自重を支持する部分であり、主に基部６２ａと、基部６２ａからのびるバネ部６２ｂと、から構成される。本実施形態において、板バネ本体６２は、バネ部６２ｂの基端部が基部６２ａに連結された形状に一体成形された部材である。
基部６２ａは、平板形状を有しており、第二台座部５３の底面に沿う形状を有している。後記するバネ部６２ｂの基端部が、この基部６２ａに連結されており、バネ部６２ｂは、基部６２ａとの連結部分を基端部とした板バネとして機能する。
バネ部６２ｂは、基部６２ａの端部から、角度θ（図４参照）で下向きにのびるバネ部分である。本実施形態では、４個のバネ部６２ｂ1，６２ｂ2，６２ｂ3，６２ｂ4があり、バネ部６２ｂ1，６２ｂ2は基部６２ａから前方（爪先方向）にのびており、バネ部６２ｂ3，６２ｂ4は基部６２ａから後方（踵方向）にのびている。これら各バネ部６２ｂ1，６２ｂ2，６２ｂ3，６２ｂ4は、同一形状、同一強度、同一性能（弾性率）とすることが望ましい。
角度θは、最大床反力Ｆｚが作用した際に基部６２ａが床面に接地しない最小の角度に設定されていることが望ましい。ここでいう最大床反力Ｆｚは、例えば、ロボットＲが最高速度で走行し片足で接地した際に作用する反力である。かかる設定により、バネ部６２ｂ（６２ｂ1〜６２ｂ4）の弾性力によってロボットＲの自重を支持しつつ、基部６２ａが接地して６軸力センサ５２に悪影響を与えることを防ぐことができる。
【００２５】
この板バネ本体６２は、バネ部６２ｂが板バネとして機能することが可能な素材であればよく、例えば、金属部材（鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等）から形成されていてもよい。特に、繊維で強化された複合部材（繊維強化プラスチック等）から形成されている場合には、所望の強度や剛性を得つつ板バネ本体６２の軽量化を図ることができる。この際、強化用繊維の繊維方向をバネ部６２ｂの基端部から先端部へ向かう方向（長手方向）と一致させることによって、バネ部６２ｂの強度を確保することができる。
また、各バネ部６２ｂの繊維方向を変えることによって異方性を持たせ、各バネ部６２ｂのバネ特性を変えることもできる。
強化用繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維等が好適である。
この板バネ本体６２は、一体成形された部材であることが望ましい。１個の基部６２ａに複数のバネ部６２ｂ（本実施形態では４個）が取り付けられた構成を有する板バネ本体６２を一体成形することによって、さらなる部品点数の削減、および足部の構造の簡略化が可能となる。
【００２６】
第一中間部材６３は、バネ部６２ｂの底面の接地領域に対応する部分、すなわち下端部側（本実施形態では先端部側と同一）に取り付けられた減衰部材であり、接地時に生じるバネ部６２ｂの振動を減衰させる機能を有している。この第一中間部材６３は減衰機能を備えた素材から形成されたものであればよく、例えば、発泡樹脂等から形成されたものが好適である。また、第一中間部材６３の代わりの減衰手段として、液圧を利用したダンパ装置等を設置する構成であってもよい。このダンパ装置は、第一中間部材６３と併用可能である。
【００２７】
第一足底部材６４は、第一中間部材６３の底面に取り付けられた部材であり、足平部材６１の下端部に位置し、移動時に実際に床面に接地する部材である。この第一足底部材６４は、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能を発揮する部材である。この第一足底部材６４は滑り止め機能を備えた素材から形成されたものであればよく、例えば、ゴムから形成されたものが好適である。この第一足底部材６４の底面が、特許請求の範囲における「接地領域」である。
【００２８】
第二中間部材６５は、バネ部６２ｂの底面の中間部分に取り付けられた減衰部材であり、後記する第二足底部材６６が接地した際に生じるバネ部６２ｂの振動を減衰させる機能を有している。この第二中間部材６５は第一中間部材６３と同様に、減衰機能を備えた素材から形成されたものであればよく、例えば発泡樹脂等から形成されたものが好適である。
【００２９】
第二足底部材６６は、第二中間部材６５の底面に取り付けられた部材であり、前記した第一足底部材６４と同様に、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能を発揮する部材である。この第二足底部材６６は、第一足底部材６４よりも上方に位置している。
【００３０】
本実施形態において、４個の板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、それぞれバネ部６２ｂから構成されている。さらに詳しくは、板バネ部Ｓ１は、バネ部６２ｂ1から構成され、板バネ部Ｓ２は、バネ部６２ｂ2から構成され、板バネ部Ｓ３はバネ部６２ｂ3から構成され、板バネ部Ｓ４はバネ部６２ｂ4から構成されている。そして各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の先端に設けられた第一足底部材６４が接地した際には、これら各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が弾性変形しつつ、弾性変形した状態の各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってロボットＲの自重、詳しくはロボットＲのバネ部６２ｂよりも上部の構造による荷重全体を支持する構成となっている。そのため、簡易な構成でありながらロボットＲの自重を支持し、さらに床反力による衝撃を吸収することができる。また、衝撃吸収能を高めることによって、ロボットＲの移動（歩行、走行）速度を高めることが可能となる。
【００３１】
また、ゴムブッシュ等が不要となり、足部１７の軽量化が可能となる。かかる軽量化により、脚部Ｒ１にかかる慣性力が小さくなるので、高速移動に適した構造となる。
【００３２】
また、各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４および基部６２ａは、平面視略Ｈ字状に配置されている。かかる構成により、接地領域が前側および後側に２箇所ずつ配置され、かつそれぞれ前後にのびるように配置された各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のバネ特性が前後方向の荷重制御に適しているので、かかる足平構造は、２足移動の制御や、前後の接地領域によって踏ん張り、ロボットＲの荷重中心を前後方向に移動させる制御に適している。また、板バネ部Ｓ１，Ｓ２および板バネ部Ｓ３，Ｓ４の各組が先端部に向かってやや開くように設けられているので、ロボットＲが左右に傾いて荷重が左右方向へずれた場合であっても踏ん張りが効く。
【００３３】
また、床面形状に凹凸がある場合等には、各板バネ部Ｓ１〜Ｓ４のうちのいずれかが浮いた（接地していない）状態となることが考えられる。このような場合には、板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の曲げバネ特性（ロール剛性、ピッチ剛性）が非線形的に変化してしまう。そのため、制御ユニット２５は、６軸力センサ５２からの信号等に基づいて、全ての板バネ部Ｓ１〜Ｓ４が接地して撓むように目標足平位置姿勢を修正し、ロボットＲが目標床反力を発生させるような姿勢をとるように制御している。かかる目標足平位置姿勢の修正量は、６軸力センサ５２の検出値から推測した板バネ部の浮き具合に応じて非線形演算で算出される。
【００３４】
ここで、図５を参照して、接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａと、６軸力センサの中心Ｐｂと、足首関節の中心Ｐｃとの関係について説明する。
本実施形態において、６軸力センサの中心Ｐｂ（ここでは、６軸力センサ５２のＺ軸方向感度中心と一致する。）は、接地領域（ここでは、複数の接地領域）のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａ、詳しくは、ロボットＲの起立静止状態において板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の底面側に設けられた接地領域のうちの、平面視（図５では底面視）での最遠点までの距離が最小となる位置（接地領域の中心ともいう。）Ｐａ（以下、単に「位置Ｐａ」と記載する。）の上方に設けられている。本実施形態では、各板バネ部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の底面の接地領域それぞれの最遠点までの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が等しくなっている。
かかる構成によると、移動時に６軸力センサ５２に作用する荷重の最大値を抑えることができ、６軸力センサ５２の小型化が可能である。また、６軸力センサ５２を足部１７に設け、接地領域に近づけたことにより、床反力およびモーメントのより正確な測定が可能となる。
【００３５】
なお、接地領域が正多角形状に配置されている場合には、各接地領域から６軸力センサ５２までの距離が等しくなるように６軸力センサ５２を配置することになる。また、６軸力センサ５２に変えて、少なくとも１軸の床反力またはモーメント（例えば、Ｚ軸方向の床反力の並進力Ｆｚ）を検出する床反力検出器を用いる構成であってもよい。
【００３６】
また、本実施形態において、足首関節の中心Ｐｃは、平面視で位置Ｐａに対してオフセットしている。ここでは、軸４１ａおよび軸４１ｂ（図３参照）の交点が足首関節の中心Ｐｃに相当する。この足首関節の中心Ｐｃは、位置ＰａよりもロボットＲの後方に設けられている。このように足首関節１５，１６が足平部材６１の接地領域に対して後方にオフセットしている理由については後記する。
なお、足首関節の中心Ｐｃは、さらに足平部材６１の接地領域の内側（ロボットＲの中心側）にもオフセットしている構成であってもよい。足首関節の中心Ｐｃを内側にオフセットすることにより、隣接する足部１７Ｒ，１７Ｌの足平部材６１同士の干渉を防ぎ、かつ接地面積を確保してロボットＲの姿勢の安定性を維持することができる。
【００３７】
また、本実施形態において、６軸力センサの中心Ｐｂが位置Ｐａ上に設けられるようにしたが、６軸力センサの中心Ｐｂは、少なくとも平面視で足首関節の中心Ｐｃよりも位置Ｐａに近くなるように設けられていればよい。言い換えると、６軸力センサの中心Ｐｂは、平面視で位置Ｐａを中心とし、位置Ｐａと足首関節の中心Ｐｃとを結ぶ線分ｒ１を半径とする円Ｃ１の内部にあればよい。例えば、線分ｒ１上に６軸力センサの中心Ｐｂが位置する構成であってもよい。かかる構成であっても、移動時に６軸力センサ５２に作用する荷重の最大値を抑えることができ、６軸力センサ５２の小型化が可能である。特に、６軸力センサの中心Ｐｂが位置Ｐａ上にある場合には、６軸力センサ５２の小型化という効果を最大に発揮することができる。
【００３８】
また、図４に示すように、板バネ部Ｓ１〜Ｓ４の下端部（先端部）は、足首関節１５，１６から離れるにつれて上に向かって反る形状を有しており、その底面に設けられた第一足底部材６４も同様の形状を有している。これは、かかるロボットＲの歩行の制御が、踵部分から接地して爪先部分で蹴り上げるようになっているため、接地時および蹴り上げ時に接地する面積を大きくし、床面との間の摩擦力を確保することを可能とするためである。また、接地領域を面で確保できるので、ロボットＲの姿勢の安定化にもつながる。
【００３９】
続いて、足首関節１５，１６が足平部材６１の接地領域の後方にオフセットしている理由について、ロボットＲが高速移動（走行）する場合を例にとり説明する。図６は、本発明の実施形態に係る２足移動ロボットが高速移動する場合を説明する模式図であり、（ａ）は足首関節が足平部に対して後方にオフセットしている図、（ｂ）は足首関節が足平部の前後方向中心に位置している図である。なお、図６（ｂ）において、図６（ａ）と同様の部分には「’」を付加した符号を用いる。
図６（ａ）に示すように、足首関節１５，１６は、足平部材６１に対して後方にオフセット（偏倚）している。この場合には、足首関節１５’，１６’から足平部材６１の接地部分の前方先端までの距離Ｌａが長くなる（Ｌａ＞Ｌａ’）。ロボットＲが高速移動（走行）する場合には、膝関節１４を深く折り曲げ、足平部材６１の爪先部分に床反力Ｆが集中する状態が生じる。このとき、膝関節１４に生じるモーメントは、Ｆ＊Ｌｂとなる。一方、図６（ｂ）に示すように、足首関節１５’，１６’が、足平部材６１’の前後方向中心に位置している場合に膝関節１４’に生じるモーメントは、Ｆ’＊Ｌｂ’となる。ここで、Ｌｂ＜Ｌｂ’であるので、Ｆ＝Ｆ’とするとＦ＊Ｌｂ＜Ｆ’＊Ｌｂ’が成立する。これは、高速移動時に膝関節１４を駆動（屈曲）した場合において、足首関節１５，１６を足平部材６１に対して、膝関節１４の足平部材６１に対する相対移動方向（本実施形態では前方）と反対方向（本実施形態では後方）にオフセットさせた場合に成立する。そして、足首関節１５，１６の足平部材６１に対する後方へのオフセット量を大きくすると、高速移動時における膝関節１４にかかる負担をより小さく抑えることができることを意味している。
【００４０】
＜変形例＞
続いて、ロボットＲの足平部の接地領域と、足首関節の中心と、６軸力センサの中心との位置関係の変形例について、前記実施形態との相違点を中心に説明する。図７は、本発明の変形例に係る２足移動ロボットの足部および足首関節を示す模式側面図である。図８ないし図１１は、本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【００４１】
図７に示すように、変形例に係る足部１１７は、足平部材６１の代わりに足平部材１６１を備えている。図７に示すように、足平部材１６１は、平面状の剛性部材からなる足平本体部１６２と、足平本体部１６２の底面に設けられたゴム等からなる足底部材１６４と、を備えている。その接地領域は、足平本体部１６２の底面と略同一形状であり、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形状となっている（図８参照）。すなわち、足平部１６１は、一の接地領域を有している。６軸力センサ５２は、足平部材１６１の上方に設けられており、足平部材１６１から入力される床反力を検出する。ここで、特許文献１に記載の脚式歩行ロボットのように、足平部材１６１と６軸力センサ５２との間にバネ機構体（ゴムブッシュ等）を設ける構成であってもよい。足首関節１５，１６は、６軸力センサ５２の上方に設けられている。
【００４２】
図８は、足首関節の中心Ｐｃが、接地領域（ここでは、一の接地領域）のうちの最遠点までの距離が最小となる位置Ｐａに対して後方にオフセットしている例を示す。かかる状態において、６軸力センサの中心Ｐｂは、平面視で位置Ｐａと足首関節の中心Ｐｃとを結ぶ線分ｒ２上に位置している。
なお、６軸力センサの中心Ｐｂは、前記した例に限定されず、平面視で位置Ｐａを中心とし、線分ｒ２を半径とする円Ｃ２内（円周上を除く）であればよく、円Ｃ２のうち、足首関節の中心Ｐｃを円弧の中央とする半円Ｃ２ａ内（直径部分を含み、円弧上を除く）であることがさらに望ましく、この半円Ｃ２ａのうち、線分ｒ２に近くなることがさらに望ましい。さらに、６軸力センサの中心Ｐｂは、線分ｒ２上（足首関節の中心Ｐｃを除く）であることが望ましく、線分ｒ２上のうち、位置Ｐａに近い方がさらに望ましい。
【００４３】
図９ないし図１１は、足首関節の中心Ｐｃが、位置Ｐａに対して後方かつ内側にオフセットしている例を示す。
図９に示す変形例は、６軸力センサの中心ＰｂがＹ軸方向（ロボットＲの左右方向）のみ、位置Ｐａに近づく場合である。６軸力センサの中心Ｐｂは、位置Ｐａから後方（Ｘ軸マイナス方向）にのびる線分ａ１に対して足首関節の中心Ｐｃから下ろした垂線ａ２上（足首関節の中心Ｐｃを除く）に位置している。
図１０に示す変形例は、６軸力センサの中心ＰｂがＸ軸方向（ロボットＲの前後方向）のみ、位置Ｐａに近づく場合である。６軸力センサの中心Ｐｂは、位置Ｐａから内側（Ｙ軸マイナス方向）にのびる線分ａ３に対して足首関節の中心Ｐｃから下ろした垂線ａ４上（足首関節の中心Ｐｃを除く）に位置している。
図１１に示す変形例は、６軸力センサの中心ＰｂがＸ軸方向、Ｙ軸方向の双方において、共に位置Ｐａに近づく場合である。特に図１１においては、６軸力センサの中心Ｐｂが平面視で位置Ｐａと足首関節の中心Ｐｃとを結ぶ線分ｒ３上（足首関節の中心Ｐｃを除く）に位置する場合を示している。
なお、６軸力センサの中心Ｐｂは、前記した例に限定されず、平面視で位置Ｐａを中心とし、線分ｒ３を半径とする円Ｃ３内（円周上を除く）であればよく、円Ｃ３のうち、足首関節の中心Ｐｃを円弧の中央とする半円Ｃ３ａ内（直径部分を含み、円弧上を除く）であることがさらに望ましく、この半円Ｃ３ａのうち、線分ｒ３に近くなることがさらに望ましい。さらに、６軸力センサの中心Ｐｂは、線分ｒ３上（足首関節の中心Ｐｃを除く）であることが望ましく、線分ｒ３上のうち、位置Ｐａに近い方がさらに望ましい。
【００４４】
前記した変形例において、６軸力センサの中心Ｐｂの位置Ｐａに対するオフセット（偏倚）の方向や距離は、円Ｃ２，Ｃ３内（円周上を除く）において適宜変更可能であるが、６軸力センサの中心Ｐｂは平面視で足平部材１６１の接地領域内に設けられることが望ましい。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、ロボットＲは、図示した２足移動ロボットに限定されず、１本のみの脚部を備えた脚式移動ロボットまたは３本以上の脚部を備えた脚式移動ロボットであってもよい。
また、足平部（足平部材）の素材、形状、機能等も前記したものに限定されず、床反力検出器も前記した６軸力センサ５２に限定されない。すなわち、本発明は、接地領域を有する足平部（足平部材）と第二の関節（足首関節）との間に床反力検出器を設けたあらゆる脚式移動ロボットに適用可能である。
また、接地領域の数、形状、配置等についても前記したものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る２足移動ロボットを示す側面図である。
【図２】図１の脚部の関節構造を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットの足部を示す底面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る２足移動ロボットが高速移動する場合を説明する模式図である。
【図７】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの足部および足首関節を示す模式側面図である。
【図８】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【図９】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【図１０】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【図１１】本発明の変形例に係る２足移動ロボットの接地領域、足首関節および６軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１Ｒ，１１Ｌ 関節（股関節、第一の関節）
１２Ｒ，１２Ｌ 関節（股関節、第一の関節）
１３Ｒ，１３Ｌ 関節（股関節、第一の関節）
１５Ｒ，１５Ｌ，１５ 関節（足首関節、第二の関節）
１６Ｒ，１６Ｌ，１６ 関節（足首関節、第二の関節）
１７Ｒ，１７Ｌ，１７，１１７ 足部
５１ 第一台座部
５２ ６軸力センサ（床反力検出器）
５３ 第二台座部
６１，１６１ 足平部材（足平部）
Ｐａ 接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置
Ｐｂ ６軸力センサの中心（床反力検出器の中心）
Ｐｃ 足首関節の中心（第二の関節の中心）
Ｒ ２足移動ロボット（脚式移動ロボット）
Ｒ１ 脚部
Ｒ２ 上体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上体と、前記上体に第一の関節を介して連結された脚部と、前記脚部の端部に第二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式移動ロボットであって、
前記足部は、床面に接地する一または複数の接地領域を下端部に有する足平部と、前記足平部を介して前記床面から作用する床反力を検出する床反力検出器と、を備え、
前記第二の関節の中心（Ｐｃ）は、平面視で前記一または複数の接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置（Ｐａ）に対してオフセットしており、
前記床反力検出器の中心（Ｐｂ）は、前記第二の関節の中心（Ｐｃ）よりも平面視で前記位置（Ｐａ）に近くなるように設けられていることを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項１】
上体と、前記上体に第一の関節を介して連結された脚部と、前記脚部の端部に第二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式移動ロボットであって、
前記足部は、床面に接地する一または複数の接地領域を下端部に有する足平部と、前記足平部を介して前記床面から作用する床反力を検出する床反力検出器と、を備え、
前記第二の関節の中心（Ｐｃ）は、平面視で前記一または複数の接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置（Ｐａ）に対してオフセットしており、
前記床反力検出器の中心（Ｐｂ）は、前記第二の関節の中心（Ｐｃ）よりも平面視で前記位置（Ｐａ）に近くなるように設けられていることを特徴とする脚式移動ロボット。
【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２００６−６８８７２（Ｐ２００６−６８８７２Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５７６９７（Ｐ２００４−２５７６９７）
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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