JP4279425B2 - 脚式歩行ロボットの足部構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は脚式歩行ロボットの足部構造に関し、さらに詳細には歩行時の衝撃を効果的に吸収して緩和するようにした２足歩行ロボットの足部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部構造としては従来から種々のものが提案されており、その一例として本出願人が先に提案した特開平３−１８４７８１号公報あるいは特開平１１−３３９４１号公報記載の技術を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部は、一方では着地時の衝撃を吸収して緩和できるように適宜な弾性を備えると共に、他方では着地後の姿勢を安定に保持できるように適宜な剛性を備えることが望ましい。しかしながら、かかる相反する要求を同時に満足させることは困難であり、その点で従来技術は未だ改良すべき余地を残していた。
【０００４】
従って、本発明の目的は従来技術の上記した課題を解決することにあり、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいて着地時の衝撃の吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を最適にバランスさせるようにした脚式歩行ロボットの足部構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１項においては、少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の可動脚部を備えると共に、その可動脚部の端部に足部を設けて歩行自在とした脚式歩行ロボットの足部構造において、前記足部は、その踵で前記可動脚部に向けて上方に湾曲され、前記湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、前記複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって前記足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成した。
【０００６】
足部は、その踵で可動脚部に向けて上方に湾曲され、湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成したことから、着地時の衝撃を効果的に吸収・緩和して滑らかな着地動作が実現できるとともに、直立時にも安定した姿勢を保持することができ、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部構造において着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化とを最適にバランスさせることができる。
【０００９】
請求項２項においては、前記複数個の突起が前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起のそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に線形状に連続する如く構成した。
【００１０】
これにより、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいて着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を一層最適にバランスさせることができる。
【００１１】
請求項３項においては、前記複数個の突起が前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起のそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に非線形状に連続する如く構成した。
【００１２】
これにより、前記した作用効果に加え、硬質部材の接地面積が大きくなることから、直立時により一層安定な姿勢を保持ことができる。
【００１３】
請求項４項においては、前記複数個の突起は、柱状を呈する如く構成した。
【００１４】
これにより、床面の予期しない凹凸などによって着地時に所期の方向以外、例えば足幅方向などから力が作用するようなことがあっても、それによる着地衝撃を効果的に吸収して緩和することができる。
【００１５】
請求項５項においては、前記足部の底面の少なくとも前記複数の突起を含む部位が着脱自在に構成した。
【００１６】
これにより、硬質部材などが長期の使用により摩耗したときなども、容易に交換することができる
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を説明する。
【００２０】
図１はこの実施の形態に係る足部構造が前提とする脚式歩行ロボット、より詳しくは２足歩行ロボットの正面図であり、図２はその側面図である。
【００２１】
図１に示すように、脚式歩行ロボット（以下「ロボット」という）１は、２本の脚リンク２を備えると共に、その上方には上体（基体）３が設けられる。上体３の上部には頭部４が形成されると共に、上体３の両側には２本の腕リンク５が連結される。また、図２に示すように、上体３の背部には格納部６が設けられ、その内部には制御ユニット（後述）およびロボット１の関節を駆動する電動モータのバッテリ電源などが収容される。
【００２２】
図３を参照して上記したロボット１の内部構造を関節を中心に説明する。
【００２３】
図示の如く、ロボット１は、左右それぞれの脚リンク２に６個の関節を備える（理解の便宜のために全ての関節はそれを駆動する電動モータで示す）。
【００２４】
１２個の関節は、腰部の脚回旋用（Ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール軸（Ｘ軸）まわりの関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの関節１８Ｒ，１８Ｌ、および同ロール軸（Ｘ軸）まわりの関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。脚リンク２の下部には足部（足平）２２Ｒ，２２Ｌが取着される。
【００２５】
即ち、脚リンク２は、股関節（腰関節）１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）、膝関節１６Ｒ（Ｌ）、足関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）を備える。股関節と膝関節は大腿リンク２４Ｒ（Ｌ）で、膝関節と足関節は下腿リンク２６Ｒ（Ｌ）で連結される。
【００２６】
脚リンク２は股関節を介して上体３に連結されるが、図３では上体３を上体リンク２７として簡略的に示す。前記したように、上体３には腕リンク５が連結されると共に、上体回旋用の重力軸（Ｚ軸あるいは鉛直軸）まわりの関節２９も設けられる。
【００２７】
腕リンク５は、肩部のピッチ軸まわりの関節３０Ｒ，３０Ｌ、同ロール軸まわりの関節３２Ｒ，３２Ｌ、腕の回旋用の重力軸まわりの関節３４Ｒ，３４Ｌ、肘部のピッチ軸まわりの関節３６Ｒ，３６Ｌ、手首回旋用の重力軸まわりの関節３８Ｒ，３８Ｌ、同ピッチ軸まわりの関節４０Ｒ，４０Ｌ、および同ロール軸まわりの関節４２Ｒ，４２Ｌから構成される。手首の先にはハンド（エンドエフェクタ）４４Ｒ，４４Ｌが取着される。
【００２８】
即ち、腕リンク５は、肩関節３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ），３４Ｒ（Ｌ）、肘関節３６Ｒ（Ｌ）、手首関節３８Ｒ（Ｌ），４０Ｒ（Ｌ），４２Ｒ（Ｌ）を備える。肩関節と肘関節は上腕リンク４６Ｒ，４６Ｌで、肘関節と手首関節は下腕リンク４８Ｒ，４８Ｌで連結される。
【００２９】
上記の構成により、脚リンク２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）。また、腕リンク５も左右の腕についてそれぞれ７つの自由度を与えられ、これらの関節を適宜な角度で駆動することで所望の作業を行わせることができる。
【００３０】
尚、図３に示す如く、足関節の下方の足部２２Ｒ（Ｌ）には公知の６軸力センサ５６が取着され、ロボットに作用する外力の内、床面からロボット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。
【００３１】
さらに、手首関節とハンド４４Ｒ（Ｌ）の間には同種の６軸力センサ５８が取着され、ロボットに作用するそれ以外の外力、特に作業対象物から受ける前記した対象物反力の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。
【００３２】
また、上体３には傾斜センサ６０が設置され、重力軸に対する傾きとその角速度を検出する。また各関節の電動モータはその出力を減速・増力する減速機（図示せず）を介して前記したリンク２４Ｒ（Ｌ），２６Ｒ（Ｌ）などを相対変位させると共に、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。
【００３３】
前記した如く、格納部６の内部にはマイクロコンピュータからなる制御ユニット５０などが収納され、前記した６軸力センサ５６などの出力（図示の便宜のためロボット１の右側についてのみ図示）は、制御ユニット５０に送られる。
【００３４】
制御ユニット５０はメモリ（図示せず）に格納されているデータおよび検出値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。
【００３５】
続いて、図４以降を参照して図１に示したロボット１の足部２２Ｒ（Ｌ）の構造を具体的に説明する。
【００３６】
図４は前記した足部２２（左右対照であるため以下Ｒ，Ｌを省略する）の底面図、図５は図４のV-V 線断面図である。尚、図５以降の各断面図においては足部２２の底部付近を断面で示すと共に、それ以外の部位については簡略化した。
【００３７】
図４に示す如く、足部２２の底面（足底面）は大略矩形状を呈すると共に、先端の爪先に向けて横方向の幅（足幅）が徐々に狭くなる形状を呈する。
【００３８】
図５に示す如く、足部２２の本体下部には、先端の爪先６４から平坦中央部６６を経て後端の踵６８に至る、ほぼ全面にわたって比較的肉薄のプレート７０が、爪先６４と踵６８の付近でネジ７２を介して着脱自在に取り付けられる。
【００３９】
プレート７０は、足関節１８，２０が進行方向に平行な矢状面で所定の軌跡を描くような曲率で先端の爪先側で上方（重力軸方向）に湾曲されると共に、滑らかな着地を実現できるように後端の踵側で同様に上方（重力軸方向）に向けて湾曲される。プレート７０は、剛性と軽量性に優れた素材、例えばアルミニウム、繊維強化樹脂などで製作される。
【００４０】
プレート７０の外面には、ゴムなどの弾性材からなる第１の弾性体７４が、爪先６４から平坦中央部６６の終端付近にかけて接着などの適宜な手段で張り付けられると共に、第１の弾性体７４の外面には、第１の弾性体７４に比して肉薄の第２の弾性体７６が、爪先６４から平坦中央部６６を超えて踵６８に至る足底面全体にわたって接着などの適宜な手段で張り付けられる。
【００４１】
尚、図４に良く示す如く、爪先６４から平坦中央部６６の終端付近において長手方向中央部位には第１の弾性体７４および第２の弾性体７６は張り付けられず、プレート７０が露呈するままとされる。
【００４２】
第２の弾性体７６には、平坦中央部６６の終端付近までは比較的肉薄に形成されるが、踵６８で肉厚に形成され、そこに突起（前記した硬質部材）７６ａが複数個、より詳しくは５個、等間隔に形成される。
【００４３】
図５に良く示す如く、複数個の突起７６ａは、平坦中央部６６に対してなす角度θがほぼ９０度となるように、換言すれば、接地する床面８２に対して重力軸方向と平行に突出して重力軸方向から作用する力に対して剛性が増加すると共に、それ以外の方向から作用する力に対しては剛性が低下するように形成される。
【００４４】
図５に示す如く、複数個の突起７６ａは、断面視において櫛歯状を呈すると共に、図４に示す如く、平面視において線形状に連続するように形成される。
【００４５】
第２の弾性体７６は、例えばＮＢＲ（ブタジエンアクリロニトリルゴム）などのゴム材あるいはプラスチック材で、硬度７０以上の比較的剛性の高い素材から製作する。
【００４６】
複数個の突起７６ａの間にはその間隙を充填するように、充填材（前記した軟質部材）８０が配置される。充填材８０はその表面が突起７６ａの先端よりも僅かに低く配置され、よって突起７６ａが充填材８０の間から僅かに突出するように充填される。
【００４７】
充填材８０として、例えばＮＢＲ（ブタジエンアクリロニトリルゴム）などのゴム材あるいはプラスチック材でありながら、第２の弾性体７６に比して硬度が低い、例えば５５以下の素材を使用する。
【００４８】
即ち、この実施の形態においては、足部２２の踵６８を突起（硬質部材）７６ａと充填材（軟質部材）８０から構成すると共に、突起７６ａは、重力軸方向から作用する力に対する剛性に比してそれ以外の方向から作用する力に対する剛性が低いように構成した。
【００４９】
これについて図６を参照して説明する。図６はロボット１の足部２２が着地したときの踵６８の状態を示した側面図である。
【００５０】
図示の如く、着地の際、足部２２が平坦中央部６６を床面８２に対してある角度を持ちつつ、踵６８から接地（着地）することから、踵６８には重力軸方向以外の方向、より具体的には足部長手方向から作用する力（床半力）が作用し、それが着地衝撃となる。
【００５１】
この実施の形態においては、前記したように、突起７６ａは、重力軸方向の力に対して高い剛性を示す一方、それ以外の方向から作用する力に対する剛性が低下するように形成すると共に、突起７６ａ間の軟質材からなる充填材８０を充填するように構成した。
【００５２】
それにより、図６に示す如く、ロボット１が着地するとき、足部２２は床面８２に重力軸方向以外の方向から接触することから、突起７６ａは充填材８０を押圧して容易に変形し、着地時の衝撃を吸収して緩和する。
【００５３】
他方、着地に続いて足部２２の平坦中央部６６が床面８２に対して平行に位置する状態に移行すると、突起７６ａにロボット１の自重による重力が作用するが、突起７６ａは重力軸方向の力に対する剛性がそれ以外の力に対する剛性よりも高いように構成されることから、ロボット１の自重を良く支持することができる。従って、ロボット１の着地後の姿勢を安定に保持することができる。
【００５４】
このように構成したことで、この実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造は着地時に容易に変形して衝撃を吸収・緩和すると共に、着地後の姿勢安定化のために適宜な剛性を備えるという、相反する要求を最適にバランスさせることができる。
【００５５】
さらに、この実施の形態においては、プレート７０は爪先６４と踵６８の付近でネジ７２を介して着脱自在に取り付けられるように構成したので、図７に示す如く、プレート７０およびその外側に設けられた第１および第２の弾性体７４，７６を前記した突起７６ａを含む踵６８の構造も含めて容易に取り外すことができる。
【００５６】
これにより、例えば、第１および第２の弾性体７４，７６、特に突起７６ａおよび充填材８０からなる踵６８を備えた第２の弾性体７６が長期の使用で摩耗したときなど、交換が容易となって有益である。さらに、突起７６ａおよび充填材８０の特性は、ロボット使用環境によって相違させることもあるので、その意味でも交換が容易となって有益である。
【００５７】
図８は、この発明の第２の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図５と同様の足部２２の断面図である。尚、第１の実施の形態と共通する部材は同一の符号を用いて説明を省略する。
【００５８】
図８を参照して説明すると、第２の実施の形態にあっては、踵６８の部位を含む、第２の弾性体７６を、軟質材からなる第３の弾性体８４で被覆するように構成した。
【００５９】
第２の実施の形態にあっては、上記のように構成したので、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。尚、残余の構成は第１の実施の形態と異ならない。
【００６０】
図９は、この発明の第３の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様の足部の上面図である。尚、第１の実施の形態と共通する部材は同一の符号を用いて説明を省略する。
【００６１】
第１の実施の形態と相違する点に焦点をおいて説明すると、第３の実施の形態に係る足部２２にあっては、図９に示すように、突起７６ａを平面視において非線形状、具体的にはＷ字状あるいはジグザグ状に連続するように構成した。
【００６２】
第３の実施の形態においては上記の如く構成したことで、突起７６ａの接地面積を増加させることができ、よって第１の実施の形態で述べた作用、効果に加え、着地後の姿勢を一層安定に保持することができる。尚、残余の構成は第１の実施の形態と異ならない。
【００６３】
尚、平面視において非線形状に連続する形状の例としてジグザグ状を示したが、Ｖ字状、Ｕ字状あるいは波形状などであっても良い。即ち、突起７６ａの接地面積を増加することができる形状であれば、どのようなものでも良い。
【００６４】
図１０は、この発明の第４の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様の足部の上面図、図１１は図１０の足部のXI-XI 線断面図である。また第１の実施の形態と共通する部材は同一の符号を用いて説明を省略する。
【００６５】
第１の実施の形態と相違する点に焦点をおいて説明すると、第４の実施の形態にあっては、踵６８において、プレート７０から円柱状の突起８６，８８を複数個、突出させるように形成した。
【００６６】
第１の実施の形態と同様に、突起８６，８８は平坦中央部６６に対してなす角度がほぼ９０度となるように、換言すれば、接地する床面８２に対して重力軸方向と平行に突出して重力軸方向から作用する力に対して剛性が増加すると共に、それ以外の方向から作用する力に対しては剛性が低下するように形成される。
【００６７】
突起８６は、突起８８に比して径大に形成されて３個、幅方向に等間隔に配置されると共に、突起８８がその間に配置される。突起８６，８８の間は充填材９０で充填（配置）される。突起８６，８８および充填材９０は、第１の実施の形態で述べたと同様の素材から製作される。
【００６８】
第１の実施の形態などの踵６８の構成においては、重力軸方向以外の方向、特に足部長手方向から作用する力に対する剛性を低下させているので、着地方向が所期通りに足部長手方向であれば、その方向から作用する着地時の衝撃を良く吸収して緩和することができる。しかしながら、床面８２に予期しない凹凸があって所期の方向以外（例えば幅方向）に外力が発生した場合、衝撃を十分に吸収・緩和することができない。
【００６９】
第４の実施の形態の足部構造においては、その点を考慮し、突起８６，８８を相互に離間して点在させるように構成し、それによって所期の方向以外（例えば幅方向）に力が発生した場合でも、その衝撃を十分に吸収・緩和できるようにした。尚、残余の構成は、第１の実施の形態とは異ならない。
【００７０】
尚、第４の実施の形態において突起８６，８８を円柱状としたが、多角形状などでであっても良い。また、突起８６，８８の個数あるいは位置も例示されたものに限られることはない。
【００７１】
第１ないし第４の実施の形態は以上のように、少なくとも上体３と、前記上体３に連結される複数本の可動脚部（脚リンク２）を備えると共に、その可動脚部の端部に足部（２２Ｒ、Ｌ）を設けて歩行自在とした脚式歩行ロボット１の足部構造において、前記足部は、その踵で前記可動脚部に向けて上方に湾曲され、前記湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材（充填材８０，９０）を充填されてなる複数の突起７６ａ，８６，８８を備えると共に、前記複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって前記足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成した。
【００７３】
また、前記複数個の突起７６ａが前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起７６ａのそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に線形状に連続する如く構成した。
【００７４】
また、前記複数個の突起７６ａが前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起７６ａのそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に非線形状に連続する如く構成した。
【００７５】
また、前記複数個の突起８６，８８は、柱状を呈する如く構成した。
【００７６】
また、前記足部２２の底面の少なくとも前記複数の突起７６ａ，８６，８８を含む部位（プレート７０、第１の弾性体７４、第２の弾性体７６）が着脱自在に構成した。
【００７８】
【発明の効果】
請求項１項においては、足部は、その踵で可動脚部に向けて上方に湾曲され、湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成したことから、着地時の衝撃を効果的に吸収・緩和して滑らかな着地動作が実現できるとともに、直立時にも安定した姿勢を保持することができ、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部構造において着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化とを最適にバランスさせることができる。
【００８０】
請求項２項においては、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいて着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を一層最適にバランスさせることができる。
【００８１】
請求項３項においては、前記した作用効果に加え、硬質部材の接地面積が大きくなることから、直立時により一層安定な姿勢を保持ことができる。
【００８２】
請求項４項においては、床面の予期しない凹凸などによって着地時に所期の方向以外、例えば足幅方向などから力が作用するようなことがあっても、それによる着地衝撃を効果的に吸収して緩和することができる。
【００８３】
請求項５項においては、硬質部材などが長期の使用により摩耗したときなども、容易に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る脚式歩行ロボットの足部構造が前提とする脚式歩行ロボットの正面図である。
【図２】図１に示す脚式歩行ロボットの側面図である。
【図３】図１に示す脚式歩行ロボットの内部構造を関節を中心に示す概略図である。
【図４】図１に示すロボットの足部の底面図で、第１の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す底面図である。
【図５】図４のV-V 線断面図である。
【図６】図４に示す足部が着地する状態を示した説明図である。
【図７】図５に示す足部の下部構造の着脱を示す、図５に類似する足部の説明断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図５に類似する足部の説明断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様な足部の底面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様な足部の底面図である。
【図１１】図１０のXI-XI 線断面図である。
【符号の説明】
１ 脚式歩行ロボット
２ 脚リンク
３ 上体
２２Ｒ，Ｌ 足部（足平）
６４ 爪先
６６ 平坦中央部
６８ 踵
７０ プレート
７２ ネジ
７４ 第１の弾性体
７６ 第２の弾性体
７６ａ，８６，８８ 突起（硬質部材）
８０，９０ 充填材（軟質部材）
８２ 床面
８４ 第３の弾性体
【発明の属する技術分野】
本発明は脚式歩行ロボットの足部構造に関し、さらに詳細には歩行時の衝撃を効果的に吸収して緩和するようにした２足歩行ロボットの足部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部構造としては従来から種々のものが提案されており、その一例として本出願人が先に提案した特開平３−１８４７８１号公報あるいは特開平１１−３３９４１号公報記載の技術を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部は、一方では着地時の衝撃を吸収して緩和できるように適宜な弾性を備えると共に、他方では着地後の姿勢を安定に保持できるように適宜な剛性を備えることが望ましい。しかしながら、かかる相反する要求を同時に満足させることは困難であり、その点で従来技術は未だ改良すべき余地を残していた。
【０００４】
従って、本発明の目的は従来技術の上記した課題を解決することにあり、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいて着地時の衝撃の吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を最適にバランスさせるようにした脚式歩行ロボットの足部構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１項においては、少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の可動脚部を備えると共に、その可動脚部の端部に足部を設けて歩行自在とした脚式歩行ロボットの足部構造において、前記足部は、その踵で前記可動脚部に向けて上方に湾曲され、前記湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、前記複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって前記足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成した。
【０００６】
足部は、その踵で可動脚部に向けて上方に湾曲され、湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成したことから、着地時の衝撃を効果的に吸収・緩和して滑らかな着地動作が実現できるとともに、直立時にも安定した姿勢を保持することができ、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部構造において着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化とを最適にバランスさせることができる。
【０００９】
請求項２項においては、前記複数個の突起が前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起のそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に線形状に連続する如く構成した。
【００１０】
これにより、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいて着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を一層最適にバランスさせることができる。
【００１１】
請求項３項においては、前記複数個の突起が前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起のそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に非線形状に連続する如く構成した。
【００１２】
これにより、前記した作用効果に加え、硬質部材の接地面積が大きくなることから、直立時により一層安定な姿勢を保持ことができる。
【００１３】
請求項４項においては、前記複数個の突起は、柱状を呈する如く構成した。
【００１４】
これにより、床面の予期しない凹凸などによって着地時に所期の方向以外、例えば足幅方向などから力が作用するようなことがあっても、それによる着地衝撃を効果的に吸収して緩和することができる。
【００１５】
請求項５項においては、前記足部の底面の少なくとも前記複数の突起を含む部位が着脱自在に構成した。
【００１６】
これにより、硬質部材などが長期の使用により摩耗したときなども、容易に交換することができる
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を説明する。
【００２０】
図１はこの実施の形態に係る足部構造が前提とする脚式歩行ロボット、より詳しくは２足歩行ロボットの正面図であり、図２はその側面図である。
【００２１】
図１に示すように、脚式歩行ロボット（以下「ロボット」という）１は、２本の脚リンク２を備えると共に、その上方には上体（基体）３が設けられる。上体３の上部には頭部４が形成されると共に、上体３の両側には２本の腕リンク５が連結される。また、図２に示すように、上体３の背部には格納部６が設けられ、その内部には制御ユニット（後述）およびロボット１の関節を駆動する電動モータのバッテリ電源などが収容される。
【００２２】
図３を参照して上記したロボット１の内部構造を関節を中心に説明する。
【００２３】
図示の如く、ロボット１は、左右それぞれの脚リンク２に６個の関節を備える（理解の便宜のために全ての関節はそれを駆動する電動モータで示す）。
【００２４】
１２個の関節は、腰部の脚回旋用（Ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール軸（Ｘ軸）まわりの関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの関節１８Ｒ，１８Ｌ、および同ロール軸（Ｘ軸）まわりの関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。脚リンク２の下部には足部（足平）２２Ｒ，２２Ｌが取着される。
【００２５】
即ち、脚リンク２は、股関節（腰関節）１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）、膝関節１６Ｒ（Ｌ）、足関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）を備える。股関節と膝関節は大腿リンク２４Ｒ（Ｌ）で、膝関節と足関節は下腿リンク２６Ｒ（Ｌ）で連結される。
【００２６】
脚リンク２は股関節を介して上体３に連結されるが、図３では上体３を上体リンク２７として簡略的に示す。前記したように、上体３には腕リンク５が連結されると共に、上体回旋用の重力軸（Ｚ軸あるいは鉛直軸）まわりの関節２９も設けられる。
【００２７】
腕リンク５は、肩部のピッチ軸まわりの関節３０Ｒ，３０Ｌ、同ロール軸まわりの関節３２Ｒ，３２Ｌ、腕の回旋用の重力軸まわりの関節３４Ｒ，３４Ｌ、肘部のピッチ軸まわりの関節３６Ｒ，３６Ｌ、手首回旋用の重力軸まわりの関節３８Ｒ，３８Ｌ、同ピッチ軸まわりの関節４０Ｒ，４０Ｌ、および同ロール軸まわりの関節４２Ｒ，４２Ｌから構成される。手首の先にはハンド（エンドエフェクタ）４４Ｒ，４４Ｌが取着される。
【００２８】
即ち、腕リンク５は、肩関節３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ），３４Ｒ（Ｌ）、肘関節３６Ｒ（Ｌ）、手首関節３８Ｒ（Ｌ），４０Ｒ（Ｌ），４２Ｒ（Ｌ）を備える。肩関節と肘関節は上腕リンク４６Ｒ，４６Ｌで、肘関節と手首関節は下腕リンク４８Ｒ，４８Ｌで連結される。
【００２９】
上記の構成により、脚リンク２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）。また、腕リンク５も左右の腕についてそれぞれ７つの自由度を与えられ、これらの関節を適宜な角度で駆動することで所望の作業を行わせることができる。
【００３０】
尚、図３に示す如く、足関節の下方の足部２２Ｒ（Ｌ）には公知の６軸力センサ５６が取着され、ロボットに作用する外力の内、床面からロボット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。
【００３１】
さらに、手首関節とハンド４４Ｒ（Ｌ）の間には同種の６軸力センサ５８が取着され、ロボットに作用するそれ以外の外力、特に作業対象物から受ける前記した対象物反力の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。
【００３２】
また、上体３には傾斜センサ６０が設置され、重力軸に対する傾きとその角速度を検出する。また各関節の電動モータはその出力を減速・増力する減速機（図示せず）を介して前記したリンク２４Ｒ（Ｌ），２６Ｒ（Ｌ）などを相対変位させると共に、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。
【００３３】
前記した如く、格納部６の内部にはマイクロコンピュータからなる制御ユニット５０などが収納され、前記した６軸力センサ５６などの出力（図示の便宜のためロボット１の右側についてのみ図示）は、制御ユニット５０に送られる。
【００３４】
制御ユニット５０はメモリ（図示せず）に格納されているデータおよび検出値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。
【００３５】
続いて、図４以降を参照して図１に示したロボット１の足部２２Ｒ（Ｌ）の構造を具体的に説明する。
【００３６】
図４は前記した足部２２（左右対照であるため以下Ｒ，Ｌを省略する）の底面図、図５は図４のV-V 線断面図である。尚、図５以降の各断面図においては足部２２の底部付近を断面で示すと共に、それ以外の部位については簡略化した。
【００３７】
図４に示す如く、足部２２の底面（足底面）は大略矩形状を呈すると共に、先端の爪先に向けて横方向の幅（足幅）が徐々に狭くなる形状を呈する。
【００３８】
図５に示す如く、足部２２の本体下部には、先端の爪先６４から平坦中央部６６を経て後端の踵６８に至る、ほぼ全面にわたって比較的肉薄のプレート７０が、爪先６４と踵６８の付近でネジ７２を介して着脱自在に取り付けられる。
【００３９】
プレート７０は、足関節１８，２０が進行方向に平行な矢状面で所定の軌跡を描くような曲率で先端の爪先側で上方（重力軸方向）に湾曲されると共に、滑らかな着地を実現できるように後端の踵側で同様に上方（重力軸方向）に向けて湾曲される。プレート７０は、剛性と軽量性に優れた素材、例えばアルミニウム、繊維強化樹脂などで製作される。
【００４０】
プレート７０の外面には、ゴムなどの弾性材からなる第１の弾性体７４が、爪先６４から平坦中央部６６の終端付近にかけて接着などの適宜な手段で張り付けられると共に、第１の弾性体７４の外面には、第１の弾性体７４に比して肉薄の第２の弾性体７６が、爪先６４から平坦中央部６６を超えて踵６８に至る足底面全体にわたって接着などの適宜な手段で張り付けられる。
【００４１】
尚、図４に良く示す如く、爪先６４から平坦中央部６６の終端付近において長手方向中央部位には第１の弾性体７４および第２の弾性体７６は張り付けられず、プレート７０が露呈するままとされる。
【００４２】
第２の弾性体７６には、平坦中央部６６の終端付近までは比較的肉薄に形成されるが、踵６８で肉厚に形成され、そこに突起（前記した硬質部材）７６ａが複数個、より詳しくは５個、等間隔に形成される。
【００４３】
図５に良く示す如く、複数個の突起７６ａは、平坦中央部６６に対してなす角度θがほぼ９０度となるように、換言すれば、接地する床面８２に対して重力軸方向と平行に突出して重力軸方向から作用する力に対して剛性が増加すると共に、それ以外の方向から作用する力に対しては剛性が低下するように形成される。
【００４４】
図５に示す如く、複数個の突起７６ａは、断面視において櫛歯状を呈すると共に、図４に示す如く、平面視において線形状に連続するように形成される。
【００４５】
第２の弾性体７６は、例えばＮＢＲ（ブタジエンアクリロニトリルゴム）などのゴム材あるいはプラスチック材で、硬度７０以上の比較的剛性の高い素材から製作する。
【００４６】
複数個の突起７６ａの間にはその間隙を充填するように、充填材（前記した軟質部材）８０が配置される。充填材８０はその表面が突起７６ａの先端よりも僅かに低く配置され、よって突起７６ａが充填材８０の間から僅かに突出するように充填される。
【００４７】
充填材８０として、例えばＮＢＲ（ブタジエンアクリロニトリルゴム）などのゴム材あるいはプラスチック材でありながら、第２の弾性体７６に比して硬度が低い、例えば５５以下の素材を使用する。
【００４８】
即ち、この実施の形態においては、足部２２の踵６８を突起（硬質部材）７６ａと充填材（軟質部材）８０から構成すると共に、突起７６ａは、重力軸方向から作用する力に対する剛性に比してそれ以外の方向から作用する力に対する剛性が低いように構成した。
【００４９】
これについて図６を参照して説明する。図６はロボット１の足部２２が着地したときの踵６８の状態を示した側面図である。
【００５０】
図示の如く、着地の際、足部２２が平坦中央部６６を床面８２に対してある角度を持ちつつ、踵６８から接地（着地）することから、踵６８には重力軸方向以外の方向、より具体的には足部長手方向から作用する力（床半力）が作用し、それが着地衝撃となる。
【００５１】
この実施の形態においては、前記したように、突起７６ａは、重力軸方向の力に対して高い剛性を示す一方、それ以外の方向から作用する力に対する剛性が低下するように形成すると共に、突起７６ａ間の軟質材からなる充填材８０を充填するように構成した。
【００５２】
それにより、図６に示す如く、ロボット１が着地するとき、足部２２は床面８２に重力軸方向以外の方向から接触することから、突起７６ａは充填材８０を押圧して容易に変形し、着地時の衝撃を吸収して緩和する。
【００５３】
他方、着地に続いて足部２２の平坦中央部６６が床面８２に対して平行に位置する状態に移行すると、突起７６ａにロボット１の自重による重力が作用するが、突起７６ａは重力軸方向の力に対する剛性がそれ以外の力に対する剛性よりも高いように構成されることから、ロボット１の自重を良く支持することができる。従って、ロボット１の着地後の姿勢を安定に保持することができる。
【００５４】
このように構成したことで、この実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造は着地時に容易に変形して衝撃を吸収・緩和すると共に、着地後の姿勢安定化のために適宜な剛性を備えるという、相反する要求を最適にバランスさせることができる。
【００５５】
さらに、この実施の形態においては、プレート７０は爪先６４と踵６８の付近でネジ７２を介して着脱自在に取り付けられるように構成したので、図７に示す如く、プレート７０およびその外側に設けられた第１および第２の弾性体７４，７６を前記した突起７６ａを含む踵６８の構造も含めて容易に取り外すことができる。
【００５６】
これにより、例えば、第１および第２の弾性体７４，７６、特に突起７６ａおよび充填材８０からなる踵６８を備えた第２の弾性体７６が長期の使用で摩耗したときなど、交換が容易となって有益である。さらに、突起７６ａおよび充填材８０の特性は、ロボット使用環境によって相違させることもあるので、その意味でも交換が容易となって有益である。
【００５７】
図８は、この発明の第２の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図５と同様の足部２２の断面図である。尚、第１の実施の形態と共通する部材は同一の符号を用いて説明を省略する。
【００５８】
図８を参照して説明すると、第２の実施の形態にあっては、踵６８の部位を含む、第２の弾性体７６を、軟質材からなる第３の弾性体８４で被覆するように構成した。
【００５９】
第２の実施の形態にあっては、上記のように構成したので、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。尚、残余の構成は第１の実施の形態と異ならない。
【００６０】
図９は、この発明の第３の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様の足部の上面図である。尚、第１の実施の形態と共通する部材は同一の符号を用いて説明を省略する。
【００６１】
第１の実施の形態と相違する点に焦点をおいて説明すると、第３の実施の形態に係る足部２２にあっては、図９に示すように、突起７６ａを平面視において非線形状、具体的にはＷ字状あるいはジグザグ状に連続するように構成した。
【００６２】
第３の実施の形態においては上記の如く構成したことで、突起７６ａの接地面積を増加させることができ、よって第１の実施の形態で述べた作用、効果に加え、着地後の姿勢を一層安定に保持することができる。尚、残余の構成は第１の実施の形態と異ならない。
【００６３】
尚、平面視において非線形状に連続する形状の例としてジグザグ状を示したが、Ｖ字状、Ｕ字状あるいは波形状などであっても良い。即ち、突起７６ａの接地面積を増加することができる形状であれば、どのようなものでも良い。
【００６４】
図１０は、この発明の第４の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様の足部の上面図、図１１は図１０の足部のXI-XI 線断面図である。また第１の実施の形態と共通する部材は同一の符号を用いて説明を省略する。
【００６５】
第１の実施の形態と相違する点に焦点をおいて説明すると、第４の実施の形態にあっては、踵６８において、プレート７０から円柱状の突起８６，８８を複数個、突出させるように形成した。
【００６６】
第１の実施の形態と同様に、突起８６，８８は平坦中央部６６に対してなす角度がほぼ９０度となるように、換言すれば、接地する床面８２に対して重力軸方向と平行に突出して重力軸方向から作用する力に対して剛性が増加すると共に、それ以外の方向から作用する力に対しては剛性が低下するように形成される。
【００６７】
突起８６は、突起８８に比して径大に形成されて３個、幅方向に等間隔に配置されると共に、突起８８がその間に配置される。突起８６，８８の間は充填材９０で充填（配置）される。突起８６，８８および充填材９０は、第１の実施の形態で述べたと同様の素材から製作される。
【００６８】
第１の実施の形態などの踵６８の構成においては、重力軸方向以外の方向、特に足部長手方向から作用する力に対する剛性を低下させているので、着地方向が所期通りに足部長手方向であれば、その方向から作用する着地時の衝撃を良く吸収して緩和することができる。しかしながら、床面８２に予期しない凹凸があって所期の方向以外（例えば幅方向）に外力が発生した場合、衝撃を十分に吸収・緩和することができない。
【００６９】
第４の実施の形態の足部構造においては、その点を考慮し、突起８６，８８を相互に離間して点在させるように構成し、それによって所期の方向以外（例えば幅方向）に力が発生した場合でも、その衝撃を十分に吸収・緩和できるようにした。尚、残余の構成は、第１の実施の形態とは異ならない。
【００７０】
尚、第４の実施の形態において突起８６，８８を円柱状としたが、多角形状などでであっても良い。また、突起８６，８８の個数あるいは位置も例示されたものに限られることはない。
【００７１】
第１ないし第４の実施の形態は以上のように、少なくとも上体３と、前記上体３に連結される複数本の可動脚部（脚リンク２）を備えると共に、その可動脚部の端部に足部（２２Ｒ、Ｌ）を設けて歩行自在とした脚式歩行ロボット１の足部構造において、前記足部は、その踵で前記可動脚部に向けて上方に湾曲され、前記湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材（充填材８０，９０）を充填されてなる複数の突起７６ａ，８６，８８を備えると共に、前記複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって前記足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成した。
【００７３】
また、前記複数個の突起７６ａが前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起７６ａのそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に線形状に連続する如く構成した。
【００７４】
また、前記複数個の突起７６ａが前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起７６ａのそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に非線形状に連続する如く構成した。
【００７５】
また、前記複数個の突起８６，８８は、柱状を呈する如く構成した。
【００７６】
また、前記足部２２の底面の少なくとも前記複数の突起７６ａ，８６，８８を含む部位（プレート７０、第１の弾性体７４、第２の弾性体７６）が着脱自在に構成した。
【００７８】
【発明の効果】
請求項１項においては、足部は、その踵で可動脚部に向けて上方に湾曲され、湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成される如く構成したことから、着地時の衝撃を効果的に吸収・緩和して滑らかな着地動作が実現できるとともに、直立時にも安定した姿勢を保持することができ、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部構造において着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化とを最適にバランスさせることができる。
【００８０】
請求項２項においては、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいて着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を一層最適にバランスさせることができる。
【００８１】
請求項３項においては、前記した作用効果に加え、硬質部材の接地面積が大きくなることから、直立時により一層安定な姿勢を保持ことができる。
【００８２】
請求項４項においては、床面の予期しない凹凸などによって着地時に所期の方向以外、例えば足幅方向などから力が作用するようなことがあっても、それによる着地衝撃を効果的に吸収して緩和することができる。
【００８３】
請求項５項においては、硬質部材などが長期の使用により摩耗したときなども、容易に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る脚式歩行ロボットの足部構造が前提とする脚式歩行ロボットの正面図である。
【図２】図１に示す脚式歩行ロボットの側面図である。
【図３】図１に示す脚式歩行ロボットの内部構造を関節を中心に示す概略図である。
【図４】図１に示すロボットの足部の底面図で、第１の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す底面図である。
【図５】図４のV-V 線断面図である。
【図６】図４に示す足部が着地する状態を示した説明図である。
【図７】図５に示す足部の下部構造の着脱を示す、図５に類似する足部の説明断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図５に類似する足部の説明断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様な足部の底面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの足部構造を示す、図４と同様な足部の底面図である。
【図１１】図１０のXI-XI 線断面図である。
【符号の説明】
１ 脚式歩行ロボット
２ 脚リンク
３ 上体
２２Ｒ，Ｌ 足部（足平）
６４ 爪先
６６ 平坦中央部
６８ 踵
７０ プレート
７２ ネジ
７４ 第１の弾性体
７６ 第２の弾性体
７６ａ，８６，８８ 突起（硬質部材）
８０，９０ 充填材（軟質部材）
８２ 床面
８４ 第３の弾性体
Claims (5)
- 少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の可動脚部を備えると共に、その可動脚部の端部に足部を設けて歩行自在とした脚式歩行ロボットの足部構造において、前記足部は、その踵で前記可動脚部に向けて上方に湾曲され、前記湾曲された踵の底面から下方に突出して形成され、その間に充填部材を充填されてなる複数の突起を備えると共に、前記複数の突起は、後端側の突出量がより大きくなるように形成され、よって前記足部を側面側から見た場合において平坦となるように形成されることを特徴とする脚式歩行ロボットの足部構造。
- 前記複数個の突起が前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起のそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に線形状に連続することを特徴とする請求項１記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
- 前記複数個の突起が前記足部を前記上方あるいは下方に切断した場合の断面視において櫛歯状を呈すると共に、前記複数個の突起のそれぞれが前記足部を底面側から見た場合に非線形状に連続することを特徴とする請求項１記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
- 前記複数個の突起は、柱状を呈することを特徴とする請求項１記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
- 前記足部の底面の少なくとも前記複数の突起を含む部位が着脱自在に構成されることを特徴とする請求項１項から４項のいずれかに記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
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