JP4279425B2 - 脚式歩行ロボットの足部構造 - Google Patents
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Description
【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。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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