JP4733317B2 - 脚式歩行ロボットの床反力検出器 - 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床反力検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいては、接地する床面から作用する床反力を例えば６軸力センサなどの床反力検出器を用いて検出し、検出した床反力などに基づいて安定した歩行を実現するように適宜な制御が行われる。この床反力を検出する床反力検出器は、検出精度を向上させるために足部の接地端に近い場所に配置することが望ましく、このため、例えば特開２０００−２５４８８８号公報で提案されている技術にあっては、床反力検出器を足底下面に取り付け、床反力検出器自体が床面に接するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記した従来技術の場合、床反力検出器自体が床面に接するため、床反力検出器の剛性を向上させなければならないといった不都合があった。また、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部は、一方では起立時の姿勢を安定に保持できるように適宜な剛性を備えると共に、他方では遊脚の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ことが望ましい。
【０００４】
このような理由から足部に適宜な弾性を備える場合、前記した従来技術にあっては、構成上、床反力検出器よりも上部（より上体に近い部位）に弾性が与えられることになる。しかしながら、床反力検出器よりも上部に弾性が与えられると、床反力検出器により検出された床反力がその部位により吸収されることから、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が相違してしまい、制御性を悪化させるといった問題があった。
【０００５】
従って、この発明の目的は従来技術の上記した課題を解決し、検出精度を向上させて制御性を悪化させることがないと共に、起立時の姿勢を安定に保持しつつ、着地時の衝撃の影響を低減するようにした脚式歩行ロボットの床反力検出器を提供することにある。
【０００６】
また、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにあっては、遊脚の足部は通常踵から着地するため、踵周辺に衝撃が集中し易い。このため、足部の踵周辺が劣化し易く、着地時の衝撃低減効果が経時的に劣化して安定性を低下させるおそれがあると共に、床反力の検出精度を低下させるといった問題があった。
【０００７】
また、特に２足歩行ロボットにあっては、足部内方が他脚に干渉するのを防止し、かつ安定性を向上させるために、脚部の中心線に対してロボット外方に位置する足部の面積を、内方に位置する足部の面積に比して大きくすることが望ましい。しかし、このように構成すると、脚部中心線に対して外方に位置する足部により多くの荷重や遊脚によるスピンモーメントなどが加わることになる。このため、その部位が劣化し易く、同様に安定性を低下させるおそれがあると共に、床反力の検出精度を低下させるといった問題があった。
【０００８】
従って、この発明の第２の目的は、踵周辺、および脚部中心線に対して外方の足部の耐久性を向上させ、着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することにより、安定性および床反力検出精度の低下を防止するようにした脚式歩行ロボットの床反力検出器を提供することにある。
【０００９】
また、脚式歩行ロボットの小型化（ダウンサイジング）を考えると、足部の内部も種々の制御機器などを収容するための重要なスペースとなる。しかしながら、床反力検出器が配置される足部の内部に制御機器などを収容した場合、収容した制御機器を流れる電流がフレームなどを通じて床反力検出器にノイズとして影響を及ぼす恐れがあった。また、足首関節付近には、足首関節駆動用のモータが配置されるため、そのモータを流れる電流によっても同様な影響を及ぼす恐れがあった。
【００１０】
従って、この発明の第３の目的は、周辺に配置された制御機器やモータなどの影響を防止するようにした脚式歩行ロボットの床反力検出器を提供することにある。
【００１１】
【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、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備え、前記脚部の端部に第２の関節を介して連結される足部の接地端を介して床面から作用する床反力を検出する床反力検出器を備えた脚式歩行ロボットの床反力検出器において、前記床反力検出器を前記第２の関節と前記足部の接地端の間に配置し、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材よりも剛性において低い複数個の弾性材を備えるバネ機構体を介して前記足部の接地端に接続し、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００１２】
床反力検出器を、第２の関節、具体的には足首関節と足部の接地端の間に配置するように構成したので、より接地面に近い位置に配置されることとなって床反力の検出精度を向上させることができると共に、床反力検出器と床面との間に足部の接地端が介挿されることとなって着地時の衝撃の影響を低減することができ、床反力検出器の剛性を向上させる必要がない。
【００１４】
また、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材よりも剛性において低い複数個の弾性材を備えるバネ機構体を介して前記足部の接地端に接続するように構成したので、足部に適宜な弾性が与えられ、より一層着地時の衝撃の影響を低減することができる。また、床反力検出器よりも下部に弾性が与えられると共に、その上部（より上体に近い部位）は高い剛性とされることから、床反力の検出精度をより一層向上させることができると共に、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が一致し、制御性を悪化させることがない。
【００１６】
また、前記したのと同様な効果を得ることができると共に、バネ機構体を後述の如く構成したので、起立時（静止時）の安定性を維持しつつ、着地時に働く斜め方向の衝撃を緩和することができる。
【００１７】
また、請求項２項においては、前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置するように構成した。
【００１８】
前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置するように構成したので、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００２３】
また、請求項３項においては、前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部の底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置するように構成した。
【００２４】
前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部の底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置するように構成したので、いかなる方向からの荷重（床反力）に対しても同様な（均一な）衝撃吸収が可能となるため、安定性が向上すると共に、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００２６】
また、請求項１項にあっては、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成したので、踵周辺の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００２７】
また、請求項４項においては、前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの外方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００２８】
前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの外方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成したので、脚部中心線に対して外方に位置する足部の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００２９】
また、請求項５項においては、前記床反力検出器の付近に絶縁体を配置するように構成した。
【００３０】
前記床反力検出器の付近に絶縁体を配置するように構成したので、床反力検出器周辺の付近に配置された制御機器やモータなどに流れる電流の影響を防止することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器を説明する。
【００３２】
図１はこの実施の形態に係る床反力検出器が前提とする脚式歩行ロボット、より詳しくは２足歩行ロボットを全体的に示す概略図である。
【００３３】
図示の如く、２足歩行ロボット（以下「ロボット」という）１は、左右それぞれの脚部（脚部リンク）２に６個の関節を備える。６個の関節は上から順に、股（腰部）の脚部回転用（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）、股（腰部）のロール方向（Ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、および同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。
【００３４】
関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下部には足部（足平）２２Ｒ，Ｌが取り付けられると共に、最上位には上体（基体）２４が設けられ、その内部にマイクロコンピュータからなる制御ユニット２６などが格納される。上記において、股関節（あるいは腰関節。前記した第１の関節）は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、足関節（足首関節。前記した第２の関節）は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また、股関節と膝関節（１６Ｒ（Ｌ））とは大腿リンク２８Ｒ，Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，Ｌで連結される。
【００３５】
上記の構成により、脚部２は左右の足それぞれについて６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら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。
【００３６】
また、同図に示す如く、足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）と足平２２Ｒ（Ｌ）の接地端の間には、公知の６軸力センサ（床反力検出器）３４が取り付けられ、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とを測定し、足部の着地（接地）の有無および床面（図示せず）から作用する床反力（接地荷重）などを検出する。また、上体２４には傾斜センサ３６が設置され、Ｚ軸（鉛直方向（重力方向））に対する傾きとその角速度を検出する。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。
【００３７】
これら６軸力センサ３４などの出力は制御ユニット２６に入力され、制御ユニット２６はメモリ（図示せず）に格納されているデータおよび入力された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。
【００３８】
足部２２Ｒ（Ｌ）の接地端と６軸力センサ３４の間には、バネ機構体３８（後に詳説）が装備されると共に、足底にはソール４０が貼られてコンプライアンス機構４２を構成する。足部２２Ｒ（Ｌ）が床反力を受けると、コンプライアンス機構４２においてバネ機構体３８およびソール４０がたわみ、足部２２Ｒ（Ｌ）を変位させて着地時の衝撃を緩和する。
【００３９】
続いて、図２以降を参照して図１に示したロボット１の足部２２Ｒ（Ｌ）の構成、具体的には６軸力センサ３４、およびその周辺部材の構成を詳細に説明する。
【００４０】
図２は前記した足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの側面断面図、図３は図２を底面から見た底面図である。また、足部２２Ｒ，Ｌは左右対照であるため、右脚の足部２２Ｒの説明は省略すると共に、以下特に必要な場合を除きＲ，Ｌを付すのを省略する。
【００４１】
図２に示す如く、６軸力センサ３４は足関節１８，２０と足部２２の接地端、より具体的には足部２２下部のバネ機構体３８、足底フレーム５０、足底プレート５２およびソール４０からなる接地端の間に取り付けられる。これにより、６軸力センサ３４がより接地面に近い位置に配置されることとなって検出精度を向上させることができると共に、６軸力センサ３４と床面との間に足部２２の接地端が介在されることとなって着地時の衝撃の影響を低減することができ、６軸力センサ３４の剛性を向上させる必要がない。
【００４２】
より具体的に説明すると、６軸力センサ３４の上部は、足関節１８，２０付近の下腿リンク３０に位置決めピン５４によって位置決めされつつ複数個の上部固定用ボルト５６によって締結固定される。下腿リンク３０はチタンやマグネシウム合金などの高剛性の金属（合金）により形成される。また、６軸力センサ３４の下部は、前記したバネ機構体３８を介し、金属製の足底フレーム５０に接続される。
【００４３】
バネ機構体３８は、逆Ω状フレーム３８１と、ゴムブッシュ３８２（前記した弾性材）と、バネ機構体用ボルト３８３から構成される。逆Ω状フレーム３８１は、アルミニウム（あるいはその合金）からなり、中央に６軸力センサ３４下部と略同形の凹部を備える。この凹部に６軸力センサ３４を挿入しつつ、６軸力センサ３４と逆Ω状フレーム３８１を複数個（具体的には図１に示すように８個）の下部固定用ボルト５８によって締結固定する。これにより、６軸力センサ３４をより一層足部２２の接地端に近付けることができ、検出精度をより一層向上させることができる。尚、６軸力センサ３４の出力は、ハーネス３４ａを介して前記した制御ユニット２６に入力される。
【００４４】
断面Ｈ状を呈するゴムブッシュ３８２は６軸力センサ３４のまわりに複数個（具体的には図３に示すように４個）配置される。また、逆Ω状フレーム３８１と足底フレーム５０は、上下２個のバネ機構体用ボルト３８３でこのゴムブッシュ３８２のＨ状中央の凹部を挟持しつつ接続される。尚、ゴムブッシュ３８２は合成ゴムにより形成され、適宜な弾性が与えられる。
【００４５】
このように構成することで、着地時に６軸力センサ３４に加わる衝撃、特に斜め方向に働く衝撃をゴムブッシュ３８２が変形することによって低減することができる。また、６軸力センサ３４の上部が接続される下腿リンク３０は、バネ機構体３８の全体的な剛性に比して剛性の高い高剛性部材によって形成されるため、より一層検出精度を向上させることができると共に、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が一致し、制御性を悪化させることがない。さらに、荷重が重力方向へと加わる起立時（静止時）の安定性を向上させることができる。
【００４６】
尚、逆Ω状フレーム３８１と足底フレーム５０の間隙にはリング状部材６０が介在し、逆Ω状フレーム３８１が足底フレーム５０内を上下に摺動する際にピストンリングのような働きをする。これにより、逆Ω状フレーム３８１は、ブレのない滑らかな上下摺動が可能となる。このリング状部材６０はフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの潤滑性の高い素材により形成される。
【００４７】
次いで図３を参照して説明すると、足部２２の底面（足底面）は大略矩形状を呈し、その中心位置よりも前後方向（Ｘ軸方向）においてやや後方に６軸力センサ３４が配置される。同図でＸｃとは、６軸力センサ３４のＸ軸方向における感度中心線を示し、Ｙｃとは、Ｙ軸方向における感度中心線を示す。また、これらＸ軸方向感度中心線ＸｃおよびＹ軸方向感度中心線Ｙｃは、図２に良く示す脚部中心線（Ｚ軸方向）ｆｔｃと直交する。即ち、６軸力センサ３４のＺ軸方向感度中心線Ｚｃが脚部中心線ｆｔｃと同一となるように６軸力センサ３４を配置しているので、ロボット１に作用する床反力を精度良く検出することができる。
【００４８】
尚、上記で前後方向とはＸ軸方向を意味し、前記した図１から明らかなように、ロボット１の進行方向を意味する。また、左右（横）方向とはＹ軸方向を意味し、Ｘ軸方向（進行方向）およびＺ軸方向（重力方向）に直交する方向を意味する。以下同様とする。
【００４９】
６軸力センサ３４は、互いに所定の位置関係になるように同一直線上に配置された２個のゴムブッシュ３８２（３８２ＦとＲ、あるいは３８２ａとｂ。いずれもその下方に位置するバネ機構体用ボルト３８３で示す）の中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。具体的には、進行方向（Ｘ軸方向）、より具体的にはＸ軸方向感度中心線上に位置する２個のゴムブッシュ３８２ＦとＲの中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置されると共に、左右方向（Ｙ軸方向）、より具体的にはＹ軸方向感度中心線上に位置する２個のゴムブッシュ３８２ａとｂの中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。さらには、４個のゴムブッシュ３８２（３８２Ｆ，Ｒ，ａ，ｂ）によって形成される四角形、具体的には各頂点が直角の長方形（より具体的には四辺同長の正方形）の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。
【００５０】
これにより、いかなる方向からの荷重（床反力）に対しても同様な（均一な）衝撃吸収が可能となるため、安定性、特に起立時の進行方向（Ｘ軸方向）および左右方向（Ｙ軸方向）の安定性が向上すると共に、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００５１】
ところで、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいては、通常歩行において遊脚は踵から着地するため、踵周辺の劣化が生じ易いのは前述した通りである。
【００５２】
このため、この実施の形態にあっては、進行方向（Ｘ軸方向）において６軸力センサ３４よりも後方のゴムブッシュ３８２Ｒの剛性を、６軸力センサ３４よりも前方のそれよりも高くするように構成した。６軸力センサ３４のＺ軸方向感度中心線は前記したように脚部中心線ｆｔｃと同一であるため、６軸力センサ３４よりも後方のゴムブッシュ３８２Ｒとは、即ち踵に近い位置に配置されたものを示す。このように、踵に近い位置に配置されたゴムブッシュ３８２Ｒの剛性を高くすることで、踵周辺の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００５３】
説明を続けると、６軸力センサ３４のＸ軸方向感度中心線Ｘｃに対してロボット１における外方の足部２２ａ（同図は左脚の足部２２Ｌであることから、起立時においては同図右側の足部２２ａが外方となると共に、左側の足部２２ｂが内方となる）は、先端の爪先６４から前後方向（Ｘ軸方向）後方に向けて左右（横）方向（Ｙ軸方向）の幅（足幅）が徐々に広くなり、さらに、Ｙ軸方向感度中心線Ｙｃ付近で最大値をとった後、踵６６に向けて前記した爪先６４と同じ幅となるように狭くなる形状を呈する。
【００５４】
前記したように、６軸力センサ３４のＸ軸方向感度中心線Ｘｃ（およびＹ軸方向感度中心線Ｙｃ）は、図３に良く示す脚部中心線（Ｚ軸方向）ｆｔｃと直交する。即ち、Ｘ軸方向感度中心線Ｘｃに対してロボット１における外方の足部２２ａとは、脚部中心線ｆｔｃに対してロボット１における外方と換言することができる。内方の足部２２ｂについても同様である。
【００５５】
このように、脚部中心線ｆｔｃに対して外方の足部２２ａの底面は、内方の足部２２ｂの底面に比して面積が大きく形成される。これにより、足部内方（２２ｂ）の他脚への干渉を防止すると共に、ロボット１の安定性を維持することができる。
【００５６】
ここで、面積の大きい外方の足部２２ａにはより多くの荷重や遊脚によるスピンモーメントなどが加わり、よってその部位が劣化し易いといった問題があるのは前述した通りである。従って、この実施の形態にあっては、脚部中心線ｆｔｃに対して外方の足部２２ａに配置されるゴムブッシュ３８２ａの剛性を、内方の足部２２ｂに配置されるゴムブッシュ３８２ｂよりも高くするように構成した。このように、面積の大きい外方の足部２２ａに配置されたゴムブッシュ３８２ａの剛性を高くすることで、外方の足部２２ａの剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力の検出精度を低下させることがない。
【００５７】
また、足部２２の底面には、Ｘ軸方向感度中心線Ｘｃ付近を除く全面に２分割されたゴム製のソール４０が複数個（具体的には９個）のソール固定用ボルト６８によって締結固定される。これにより、着地時にロボット１に作用する衝撃をより一層低減することができると共に、足裏の摩擦力を向上させてスリップなどを防止することができる。
【００５８】
ところで、足関節１８，２０は前記したように、ピッチ方向の関節１８、およびロール方向の関節２０から構成される。具体的には、図２に示すように、足関節１８，２０のうち関節１８は、モータの回転によって生じた駆動力が減速ギヤ（共に図示せず）を介して伝達されることによって駆動され、足部２２にロール方向（Ｘ軸まわり。具体的には１８Ｘｃで示す足関節ロール方向中心線まわり）において所望の動きを与える。また、関節２０は、足部２２の上方に設置されたモータ（図示せず）の回転によって生じた駆動力が減速ギヤ（図示せず）、ベルト７０およびプーリ７２を介して伝達されることにより駆動され、足部２２にピッチ方向（Ｙ軸まわり。具体的には足関節ロール方向中心線１８Ｘｃと脚部中心線ｆｔｃに直交する方向まわり）において所望の動きを与える。
【００５９】
これらモータを駆動するためのドライバ７４を、スペースの有効活用のため、この実施の形態においては６軸力センサ３４の配置位置に近い爪先付近に設置した。しかしながら、前述したように、床反力検出器が配置される足部２２の内部に制御機器などを収容した場合、収容した制御機器を流れる電流がフレーム（足底フレーム５０）など導電性の部材を通じて６軸力センサ３４にノイズとして影響を及ぼす恐れがあった。また、下腿リンク３０付近にはモータ自体が設置されると共に、ドライバ７４を足部２２の爪先付近に設置すると、ドライバ７４から各モータへとつながる電線７６が例えば図示のように配線されることにより、下腿リンク３０を通じた電流によっても同様に６軸力センサ３４にノイズの影響を及ぼす恐れがあった。
【００６０】
そこで、この実施の形態にあっては、６軸力センサ３４付近に絶縁体が配置されるように構成した。具体的には、６軸力センサ３４の上部と下腿リンク３０の間に第１の絶縁体７８が介在されると共に、６軸力センサ３４の下部と逆Ω状フレーム３８１の間に第２の絶縁体８０が介在される。
【００６１】
これら第１および第２の絶縁体７８，８０は、絶縁性が高く、かつ機械的強度の高い部材から形成される。また、前記した位置決めピン５４も同様な性質を持つ部材から形成される。
【００６２】
さらに、図４に良く示すように、（６軸力センサ）上部固定用ボルト５６の頭部５６ａと６軸力センサ３４の間には、第１の絶縁ワッシャ８２が介在される。また、第１の絶縁体７８および６軸力センサ３４の上部固定用ボルト５６が挿通する部分には第１の絶縁スリーブ８４が設けられる。これにより、６軸力センサ３４が下腿リンク３０および上部固定用ボルト５６から完全に絶縁される。
【００６３】
また、図５に良く示すように、（６軸力センサ）下部固定用ボルト５８の頭部５８ａと逆Ω状フレーム３８１の間には、第２の絶縁ワッシャ８６が介在される。また、第２の絶縁体８０および逆Ω状フレーム３８１の下部固定用ボルト５８が挿通する部分には第２の絶縁スリーブ８８が設けられる。これにより、６軸力センサ３４が逆Ω状フレーム３８１および下部固定用ボルト５８から完全に絶縁される。尚、第１および第２の絶縁ワッシャ８２，８６、ならびに、第１および第２の絶縁スリーブ８４，８８も同様に絶縁性が高く、かつ機械的強度の高い部材から形成される。
【００６４】
このように、６軸力センサ３４付近に絶縁体を配置するように構成したので、周辺に配置された制御機器やモータなどに流れる電流の影響を防止することができる。
【００６５】
図６は、従来技術とこの実施の形態に係る６軸力センサ３４における電流によるノイズの影響を対比して示すグラフである。同図から明らかなように、この実施の形態においてはモータ駆動時のノイズを略完全に解消している。
【００６６】
尚、逆Ω状フレーム３８１と足底フレーム５０は、前記したようにゴムブッシュ３８２を挟持しつつ接続されていることから、ゴムブッシュ３８２の絶縁性を向上させることで逆Ω状フレーム３８１を介した電流の影響を防止することができる。しかしながら、絶縁性を考慮に入れると弾性の設計自由度（材質の選別自由度）が低下してしまうため、所望の衝撃吸収性能を得ることが困難となるが、上記のように絶縁体を介挿する構成とすることで、係る不具合も解消することができる。
【００６７】
次いで図７を参照してこの発明の第２の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器について説明する。
【００６８】
図７は、第２の実施の形態に係る床反力検出器を説明するための、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【００６９】
同図に示すように、６軸力センサ３４は、同一直線上に配置された２個のゴムブッシュ３８２（３８２ＦａとＲｂ、あるいは３８２ＲａとＦｂ。いずれもその下方に位置するバネ機構体用ボルト３８３で示す）の中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。さらには、４個のゴムブッシュ３８２（３８２Ｆ，Ｒ，ａ，ｂ）によって形成される四角形、具体的には各頂点が直角の長方形（より具体的には四辺同長の正方形）の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置されるため、安定性を向上させることができると共に、検出精度をより一層向上させることができる。
【００７０】
また、この実施の形態の場合、ゴムブッシュ３８２Ｆｂよりも３８２Ｆａおよび３８２Ｒｂを、３８２Ｆａおよび３８２Ｒｂよりも３８２Ｒａの剛性を高くすることで、踵周辺および外方の足部２２ａの剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００７１】
尚、他の構成については前述の実施の形態と同一なため、説明を省略する。
【００７２】
次いで図８を参照してこの発明の第３の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器について説明する。
【００７３】
図８は、第３の実施の形態に係る床反力検出器を説明するための、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【００７４】
同図に示すように、６軸力センサ３４は、３個のゴムブッシュ３８２（３８２Ｆ，Ｒａ，Ｒｂ）によって形成される三角形、具体的には各頂点が同角度の正三角形の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置されるため、安定性を向上させることができると共に、検出精度をより一層向上させることができる。
【００７５】
また、この実施の形態の場合、ゴムブッシュ３８２Ｆよりも３８２Ｒｂの剛性を高くすると共に、３８２Ｒｂよりも３８２Ｒａの剛性を高くすることで、踵周辺および外方の足部２２ａの剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００７６】
尚、他の構成については前述の実施の形態と同一なため、説明を省略する。
【００７７】
このように、この実施の形態にあっては、少なくとも上体２４と、前記上体に第１の関節（股関節（あるいは腰関節）。関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ））を介して連結される複数本の脚部（脚部リンク２）を備え、前記脚部の端部に第２の関節（足関節（足首関節。関節１８，２０Ｒ（Ｌ））を介して連結される足部２２Ｒ（Ｌ）の接地端を介して床面から作用する床反力を検出する床反力検出器（６軸力センサ３４）を備えた脚式歩行ロボット１の床反力検出器において、前記床反力検出器を前記第２の関節と前記足部の接地端（バネ機構体３８、ソール４０、足底フレーム５０および足底プレート５２）の間に配置し、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材（下腿リンク３０）よりも剛性において低い複数個の弾性材（ゴムブッシュ３８２）を備えるバネ機構体３８介して前記足部の接地端に接続し、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ）の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ）の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００８０】
また、前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材（ゴムブッシュ３８２）を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置するように構成した。
【００８３】
また、前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部に底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置するように構成した。
【００８５】
また、前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボット（具体的には脚部中心線ｆｔｃ）の外方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２ａ，Ｆａ，Ｒａ）の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２ｂ，Ｆｂ，Ｒｂ）の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００８６】
また、前記床反力検出器の付近に絶縁体（第１および第２の絶縁体７８，８０、第１および第２の絶縁ワッシャ８２，８６、第１および第２の絶縁スリーブ８４，８８）を設けるように構成した。
【００８７】
尚、上記において、ゴムブッシュの数を３個あるいは４個とし、それによって形成される多角形を三角形あるいは四角形としたがそれに限られるものではなく、任意のｎ個（ｎ≧３）のゴムブッシュを用いて任意のｎ角形として良い。また、三角形および四角形も例示した長方形（正方形）あるいは正三角形に限られるものではなく、任意に頂点の角度や辺の長さを設定して良く、要はその重心付近に６軸力センサ３４を配置するようにすれば良い。
【００８８】
また、上記した種々の部材の材質も記載したものに限られず、適宜選別しても良いことは言うまでもない。
【００８９】
また、ゴムブッシュの配置位置に応じてその剛性を相違させるように構成したが、これは、材質の相違によって成しえても良いし、形状の相違によって成しえても良い。
【００９０】
また、２足歩行ロボットを例にとって説明したが、この発明は３足以上の脚式歩行ロボットにおいても妥当するものである。
【００９１】
【発明の効果】
請求項１項においては、より接地面に近い位置に配置されることとなって床反力の検出精度を向上させることができると共に、床反力検出器と床面との間に足部の接地端が介挿されることとなって着地時の衝撃の影響を低減することができる。また、床反力検出器と接地面との間に足部の接地端が介在することとなり、床反力検出器の強度を向上させる必要がない。
【００９２】
また、足部に適宜な弾性が与えられ、より一層着地時の衝撃の影響を低減することができる。また、床反力検出器よりも下部に弾性が与えられると共に、その上部（より上体に近い部位）は高い剛性とされることから、床反力の検出精度をより一層向上させることができると共に、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が一致し、制御性を悪化させることがない。
【００９３】
また、前記したのと同様な効果を得ることができると共に、起立時（静止時）の安定性を維持しつつ、着地時に働く斜め方向の衝撃を緩和することができる。
【００９４】
請求項２項においては、検出精度をより一層向上させることができる。
【００９７】
請求項３項においては、いかなる方向からの荷重（床反力）に対しても同様な（均一な）衝撃吸収が可能となるため、安定性が向上すると共に、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００９８】
さらに請求項１項においては、踵周辺の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００９９】
請求項４項においては、脚部中心線に対して外方に位置する足部の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【０１００】
請求項５項においては、床反力検出器周辺の付近に配置された制御機器やモータなどに流れる電流の影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器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足部の側面縦断面図である。
【図３】図２に示す足部の底面図である。
【図４】図２に示す断面図の一部を拡大した部分拡大断面図である。
【図５】図２に示す断面図の一部を拡大した図４と同様な部分拡大断面図である。
【図６】この発明に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器と従来技術に係る床反力検出器におけるノイズの発生を対比して示すグラフである。
【図７】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床反力検出器を示す、図３と同様な足部の底面図である。
【図８】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床反力検出器を示す、図３と同様な足部の底面図である。
【符号の説明】
１ 脚式歩行ロボット
２ 脚部リンク
２４ 上体
１８，２０Ｒ，Ｌ 足首関節（第２の関節）
２２Ｒ，Ｌ 足部（足平）
３０ 下腿リンク
３４ ６軸力センサ（床反力検出器）
３８ バネ機構体
３８２ ゴムブッシュ（弾性材）
４０ ソール
５０ 足底フレーム
５２ 足底プレート
７８ 第１の絶縁体
８０ 第２の絶縁体
８２ 第１の絶縁ワッシャ
８４ 第１の絶縁スリーブ
８６ 第２の絶縁ワッシャ
８８ 第２の絶縁スリーブ
【発明の属する技術分野】
本発明は脚式歩行ロボットの床反力検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいては、接地する床面から作用する床反力を例えば６軸力センサなどの床反力検出器を用いて検出し、検出した床反力などに基づいて安定した歩行を実現するように適宜な制御が行われる。この床反力を検出する床反力検出器は、検出精度を向上させるために足部の接地端に近い場所に配置することが望ましく、このため、例えば特開２０００−２５４８８８号公報で提案されている技術にあっては、床反力検出器を足底下面に取り付け、床反力検出器自体が床面に接するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記した従来技術の場合、床反力検出器自体が床面に接するため、床反力検出器の剛性を向上させなければならないといった不都合があった。また、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットの足部は、一方では起立時の姿勢を安定に保持できるように適宜な剛性を備えると共に、他方では遊脚の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ことが望ましい。
【０００４】
このような理由から足部に適宜な弾性を備える場合、前記した従来技術にあっては、構成上、床反力検出器よりも上部（より上体に近い部位）に弾性が与えられることになる。しかしながら、床反力検出器よりも上部に弾性が与えられると、床反力検出器により検出された床反力がその部位により吸収されることから、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が相違してしまい、制御性を悪化させるといった問題があった。
【０００５】
従って、この発明の目的は従来技術の上記した課題を解決し、検出精度を向上させて制御性を悪化させることがないと共に、起立時の姿勢を安定に保持しつつ、着地時の衝撃の影響を低減するようにした脚式歩行ロボットの床反力検出器を提供することにある。
【０００６】
また、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにあっては、遊脚の足部は通常踵から着地するため、踵周辺に衝撃が集中し易い。このため、足部の踵周辺が劣化し易く、着地時の衝撃低減効果が経時的に劣化して安定性を低下させるおそれがあると共に、床反力の検出精度を低下させるといった問題があった。
【０００７】
また、特に２足歩行ロボットにあっては、足部内方が他脚に干渉するのを防止し、かつ安定性を向上させるために、脚部の中心線に対してロボット外方に位置する足部の面積を、内方に位置する足部の面積に比して大きくすることが望ましい。しかし、このように構成すると、脚部中心線に対して外方に位置する足部により多くの荷重や遊脚によるスピンモーメントなどが加わることになる。このため、その部位が劣化し易く、同様に安定性を低下させるおそれがあると共に、床反力の検出精度を低下させるといった問題があった。
【０００８】
従って、この発明の第２の目的は、踵周辺、および脚部中心線に対して外方の足部の耐久性を向上させ、着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することにより、安定性および床反力検出精度の低下を防止するようにした脚式歩行ロボットの床反力検出器を提供することにある。
【０００９】
また、脚式歩行ロボットの小型化（ダウンサイジング）を考えると、足部の内部も種々の制御機器などを収容するための重要なスペースとなる。しかしながら、床反力検出器が配置される足部の内部に制御機器などを収容した場合、収容した制御機器を流れる電流がフレームなどを通じて床反力検出器にノイズとして影響を及ぼす恐れがあった。また、足首関節付近には、足首関節駆動用のモータが配置されるため、そのモータを流れる電流によっても同様な影響を及ぼす恐れがあった。
【００１０】
従って、この発明の第３の目的は、周辺に配置された制御機器やモータなどの影響を防止するようにした脚式歩行ロボットの床反力検出器を提供することにある。
【００１１】
【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、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備え、前記脚部の端部に第２の関節を介して連結される足部の接地端を介して床面から作用する床反力を検出する床反力検出器を備えた脚式歩行ロボットの床反力検出器において、前記床反力検出器を前記第２の関節と前記足部の接地端の間に配置し、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材よりも剛性において低い複数個の弾性材を備えるバネ機構体を介して前記足部の接地端に接続し、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００１２】
床反力検出器を、第２の関節、具体的には足首関節と足部の接地端の間に配置するように構成したので、より接地面に近い位置に配置されることとなって床反力の検出精度を向上させることができると共に、床反力検出器と床面との間に足部の接地端が介挿されることとなって着地時の衝撃の影響を低減することができ、床反力検出器の剛性を向上させる必要がない。
【００１４】
また、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材よりも剛性において低い複数個の弾性材を備えるバネ機構体を介して前記足部の接地端に接続するように構成したので、足部に適宜な弾性が与えられ、より一層着地時の衝撃の影響を低減することができる。また、床反力検出器よりも下部に弾性が与えられると共に、その上部（より上体に近い部位）は高い剛性とされることから、床反力の検出精度をより一層向上させることができると共に、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が一致し、制御性を悪化させることがない。
【００１６】
また、前記したのと同様な効果を得ることができると共に、バネ機構体を後述の如く構成したので、起立時（静止時）の安定性を維持しつつ、着地時に働く斜め方向の衝撃を緩和することができる。
【００１７】
また、請求項２項においては、前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置するように構成した。
【００１８】
前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置するように構成したので、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００２３】
また、請求項３項においては、前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部の底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置するように構成した。
【００２４】
前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部の底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置するように構成したので、いかなる方向からの荷重（床反力）に対しても同様な（均一な）衝撃吸収が可能となるため、安定性が向上すると共に、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００２６】
また、請求項１項にあっては、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成したので、踵周辺の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００２７】
また、請求項４項においては、前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの外方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００２８】
前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの外方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定するように構成したので、脚部中心線に対して外方に位置する足部の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００２９】
また、請求項５項においては、前記床反力検出器の付近に絶縁体を配置するように構成した。
【００３０】
前記床反力検出器の付近に絶縁体を配置するように構成したので、床反力検出器周辺の付近に配置された制御機器やモータなどに流れる電流の影響を防止することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器を説明する。
【００３２】
図１はこの実施の形態に係る床反力検出器が前提とする脚式歩行ロボット、より詳しくは２足歩行ロボットを全体的に示す概略図である。
【００３３】
図示の如く、２足歩行ロボット（以下「ロボット」という）１は、左右それぞれの脚部（脚部リンク）２に６個の関節を備える。６個の関節は上から順に、股（腰部）の脚部回転用（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）、股（腰部）のロール方向（Ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、および同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。
【００３４】
関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下部には足部（足平）２２Ｒ，Ｌが取り付けられると共に、最上位には上体（基体）２４が設けられ、その内部にマイクロコンピュータからなる制御ユニット２６などが格納される。上記において、股関節（あるいは腰関節。前記した第１の関節）は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、足関節（足首関節。前記した第２の関節）は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また、股関節と膝関節（１６Ｒ（Ｌ））とは大腿リンク２８Ｒ，Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，Ｌで連結される。
【００３５】
上記の構成により、脚部２は左右の足それぞれについて６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら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。
【００３６】
また、同図に示す如く、足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）と足平２２Ｒ（Ｌ）の接地端の間には、公知の６軸力センサ（床反力検出器）３４が取り付けられ、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とを測定し、足部の着地（接地）の有無および床面（図示せず）から作用する床反力（接地荷重）などを検出する。また、上体２４には傾斜センサ３６が設置され、Ｚ軸（鉛直方向（重力方向））に対する傾きとその角速度を検出する。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。
【００３７】
これら６軸力センサ３４などの出力は制御ユニット２６に入力され、制御ユニット２６はメモリ（図示せず）に格納されているデータおよび入力された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。
【００３８】
足部２２Ｒ（Ｌ）の接地端と６軸力センサ３４の間には、バネ機構体３８（後に詳説）が装備されると共に、足底にはソール４０が貼られてコンプライアンス機構４２を構成する。足部２２Ｒ（Ｌ）が床反力を受けると、コンプライアンス機構４２においてバネ機構体３８およびソール４０がたわみ、足部２２Ｒ（Ｌ）を変位させて着地時の衝撃を緩和する。
【００３９】
続いて、図２以降を参照して図１に示したロボット１の足部２２Ｒ（Ｌ）の構成、具体的には６軸力センサ３４、およびその周辺部材の構成を詳細に説明する。
【００４０】
図２は前記した足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの側面断面図、図３は図２を底面から見た底面図である。また、足部２２Ｒ，Ｌは左右対照であるため、右脚の足部２２Ｒの説明は省略すると共に、以下特に必要な場合を除きＲ，Ｌを付すのを省略する。
【００４１】
図２に示す如く、６軸力センサ３４は足関節１８，２０と足部２２の接地端、より具体的には足部２２下部のバネ機構体３８、足底フレーム５０、足底プレート５２およびソール４０からなる接地端の間に取り付けられる。これにより、６軸力センサ３４がより接地面に近い位置に配置されることとなって検出精度を向上させることができると共に、６軸力センサ３４と床面との間に足部２２の接地端が介在されることとなって着地時の衝撃の影響を低減することができ、６軸力センサ３４の剛性を向上させる必要がない。
【００４２】
より具体的に説明すると、６軸力センサ３４の上部は、足関節１８，２０付近の下腿リンク３０に位置決めピン５４によって位置決めされつつ複数個の上部固定用ボルト５６によって締結固定される。下腿リンク３０はチタンやマグネシウム合金などの高剛性の金属（合金）により形成される。また、６軸力センサ３４の下部は、前記したバネ機構体３８を介し、金属製の足底フレーム５０に接続される。
【００４３】
バネ機構体３８は、逆Ω状フレーム３８１と、ゴムブッシュ３８２（前記した弾性材）と、バネ機構体用ボルト３８３から構成される。逆Ω状フレーム３８１は、アルミニウム（あるいはその合金）からなり、中央に６軸力センサ３４下部と略同形の凹部を備える。この凹部に６軸力センサ３４を挿入しつつ、６軸力センサ３４と逆Ω状フレーム３８１を複数個（具体的には図１に示すように８個）の下部固定用ボルト５８によって締結固定する。これにより、６軸力センサ３４をより一層足部２２の接地端に近付けることができ、検出精度をより一層向上させることができる。尚、６軸力センサ３４の出力は、ハーネス３４ａを介して前記した制御ユニット２６に入力される。
【００４４】
断面Ｈ状を呈するゴムブッシュ３８２は６軸力センサ３４のまわりに複数個（具体的には図３に示すように４個）配置される。また、逆Ω状フレーム３８１と足底フレーム５０は、上下２個のバネ機構体用ボルト３８３でこのゴムブッシュ３８２のＨ状中央の凹部を挟持しつつ接続される。尚、ゴムブッシュ３８２は合成ゴムにより形成され、適宜な弾性が与えられる。
【００４５】
このように構成することで、着地時に６軸力センサ３４に加わる衝撃、特に斜め方向に働く衝撃をゴムブッシュ３８２が変形することによって低減することができる。また、６軸力センサ３４の上部が接続される下腿リンク３０は、バネ機構体３８の全体的な剛性に比して剛性の高い高剛性部材によって形成されるため、より一層検出精度を向上させることができると共に、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が一致し、制御性を悪化させることがない。さらに、荷重が重力方向へと加わる起立時（静止時）の安定性を向上させることができる。
【００４６】
尚、逆Ω状フレーム３８１と足底フレーム５０の間隙にはリング状部材６０が介在し、逆Ω状フレーム３８１が足底フレーム５０内を上下に摺動する際にピストンリングのような働きをする。これにより、逆Ω状フレーム３８１は、ブレのない滑らかな上下摺動が可能となる。このリング状部材６０はフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの潤滑性の高い素材により形成される。
【００４７】
次いで図３を参照して説明すると、足部２２の底面（足底面）は大略矩形状を呈し、その中心位置よりも前後方向（Ｘ軸方向）においてやや後方に６軸力センサ３４が配置される。同図でＸｃとは、６軸力センサ３４のＸ軸方向における感度中心線を示し、Ｙｃとは、Ｙ軸方向における感度中心線を示す。また、これらＸ軸方向感度中心線ＸｃおよびＹ軸方向感度中心線Ｙｃは、図２に良く示す脚部中心線（Ｚ軸方向）ｆｔｃと直交する。即ち、６軸力センサ３４のＺ軸方向感度中心線Ｚｃが脚部中心線ｆｔｃと同一となるように６軸力センサ３４を配置しているので、ロボット１に作用する床反力を精度良く検出することができる。
【００４８】
尚、上記で前後方向とはＸ軸方向を意味し、前記した図１から明らかなように、ロボット１の進行方向を意味する。また、左右（横）方向とはＹ軸方向を意味し、Ｘ軸方向（進行方向）およびＺ軸方向（重力方向）に直交する方向を意味する。以下同様とする。
【００４９】
６軸力センサ３４は、互いに所定の位置関係になるように同一直線上に配置された２個のゴムブッシュ３８２（３８２ＦとＲ、あるいは３８２ａとｂ。いずれもその下方に位置するバネ機構体用ボルト３８３で示す）の中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。具体的には、進行方向（Ｘ軸方向）、より具体的にはＸ軸方向感度中心線上に位置する２個のゴムブッシュ３８２ＦとＲの中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置されると共に、左右方向（Ｙ軸方向）、より具体的にはＹ軸方向感度中心線上に位置する２個のゴムブッシュ３８２ａとｂの中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。さらには、４個のゴムブッシュ３８２（３８２Ｆ，Ｒ，ａ，ｂ）によって形成される四角形、具体的には各頂点が直角の長方形（より具体的には四辺同長の正方形）の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。
【００５０】
これにより、いかなる方向からの荷重（床反力）に対しても同様な（均一な）衝撃吸収が可能となるため、安定性、特に起立時の進行方向（Ｘ軸方向）および左右方向（Ｙ軸方向）の安定性が向上すると共に、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００５１】
ところで、脚式歩行ロボット、特に２足歩行ロボットにおいては、通常歩行において遊脚は踵から着地するため、踵周辺の劣化が生じ易いのは前述した通りである。
【００５２】
このため、この実施の形態にあっては、進行方向（Ｘ軸方向）において６軸力センサ３４よりも後方のゴムブッシュ３８２Ｒの剛性を、６軸力センサ３４よりも前方のそれよりも高くするように構成した。６軸力センサ３４のＺ軸方向感度中心線は前記したように脚部中心線ｆｔｃと同一であるため、６軸力センサ３４よりも後方のゴムブッシュ３８２Ｒとは、即ち踵に近い位置に配置されたものを示す。このように、踵に近い位置に配置されたゴムブッシュ３８２Ｒの剛性を高くすることで、踵周辺の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００５３】
説明を続けると、６軸力センサ３４のＸ軸方向感度中心線Ｘｃに対してロボット１における外方の足部２２ａ（同図は左脚の足部２２Ｌであることから、起立時においては同図右側の足部２２ａが外方となると共に、左側の足部２２ｂが内方となる）は、先端の爪先６４から前後方向（Ｘ軸方向）後方に向けて左右（横）方向（Ｙ軸方向）の幅（足幅）が徐々に広くなり、さらに、Ｙ軸方向感度中心線Ｙｃ付近で最大値をとった後、踵６６に向けて前記した爪先６４と同じ幅となるように狭くなる形状を呈する。
【００５４】
前記したように、６軸力センサ３４のＸ軸方向感度中心線Ｘｃ（およびＹ軸方向感度中心線Ｙｃ）は、図３に良く示す脚部中心線（Ｚ軸方向）ｆｔｃと直交する。即ち、Ｘ軸方向感度中心線Ｘｃに対してロボット１における外方の足部２２ａとは、脚部中心線ｆｔｃに対してロボット１における外方と換言することができる。内方の足部２２ｂについても同様である。
【００５５】
このように、脚部中心線ｆｔｃに対して外方の足部２２ａの底面は、内方の足部２２ｂの底面に比して面積が大きく形成される。これにより、足部内方（２２ｂ）の他脚への干渉を防止すると共に、ロボット１の安定性を維持することができる。
【００５６】
ここで、面積の大きい外方の足部２２ａにはより多くの荷重や遊脚によるスピンモーメントなどが加わり、よってその部位が劣化し易いといった問題があるのは前述した通りである。従って、この実施の形態にあっては、脚部中心線ｆｔｃに対して外方の足部２２ａに配置されるゴムブッシュ３８２ａの剛性を、内方の足部２２ｂに配置されるゴムブッシュ３８２ｂよりも高くするように構成した。このように、面積の大きい外方の足部２２ａに配置されたゴムブッシュ３８２ａの剛性を高くすることで、外方の足部２２ａの剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力の検出精度を低下させることがない。
【００５７】
また、足部２２の底面には、Ｘ軸方向感度中心線Ｘｃ付近を除く全面に２分割されたゴム製のソール４０が複数個（具体的には９個）のソール固定用ボルト６８によって締結固定される。これにより、着地時にロボット１に作用する衝撃をより一層低減することができると共に、足裏の摩擦力を向上させてスリップなどを防止することができる。
【００５８】
ところで、足関節１８，２０は前記したように、ピッチ方向の関節１８、およびロール方向の関節２０から構成される。具体的には、図２に示すように、足関節１８，２０のうち関節１８は、モータの回転によって生じた駆動力が減速ギヤ（共に図示せず）を介して伝達されることによって駆動され、足部２２にロール方向（Ｘ軸まわり。具体的には１８Ｘｃで示す足関節ロール方向中心線まわり）において所望の動きを与える。また、関節２０は、足部２２の上方に設置されたモータ（図示せず）の回転によって生じた駆動力が減速ギヤ（図示せず）、ベルト７０およびプーリ７２を介して伝達されることにより駆動され、足部２２にピッチ方向（Ｙ軸まわり。具体的には足関節ロール方向中心線１８Ｘｃと脚部中心線ｆｔｃに直交する方向まわり）において所望の動きを与える。
【００５９】
これらモータを駆動するためのドライバ７４を、スペースの有効活用のため、この実施の形態においては６軸力センサ３４の配置位置に近い爪先付近に設置した。しかしながら、前述したように、床反力検出器が配置される足部２２の内部に制御機器などを収容した場合、収容した制御機器を流れる電流がフレーム（足底フレーム５０）など導電性の部材を通じて６軸力センサ３４にノイズとして影響を及ぼす恐れがあった。また、下腿リンク３０付近にはモータ自体が設置されると共に、ドライバ７４を足部２２の爪先付近に設置すると、ドライバ７４から各モータへとつながる電線７６が例えば図示のように配線されることにより、下腿リンク３０を通じた電流によっても同様に６軸力センサ３４にノイズの影響を及ぼす恐れがあった。
【００６０】
そこで、この実施の形態にあっては、６軸力センサ３４付近に絶縁体が配置されるように構成した。具体的には、６軸力センサ３４の上部と下腿リンク３０の間に第１の絶縁体７８が介在されると共に、６軸力センサ３４の下部と逆Ω状フレーム３８１の間に第２の絶縁体８０が介在される。
【００６１】
これら第１および第２の絶縁体７８，８０は、絶縁性が高く、かつ機械的強度の高い部材から形成される。また、前記した位置決めピン５４も同様な性質を持つ部材から形成される。
【００６２】
さらに、図４に良く示すように、（６軸力センサ）上部固定用ボルト５６の頭部５６ａと６軸力センサ３４の間には、第１の絶縁ワッシャ８２が介在される。また、第１の絶縁体７８および６軸力センサ３４の上部固定用ボルト５６が挿通する部分には第１の絶縁スリーブ８４が設けられる。これにより、６軸力センサ３４が下腿リンク３０および上部固定用ボルト５６から完全に絶縁される。
【００６３】
また、図５に良く示すように、（６軸力センサ）下部固定用ボルト５８の頭部５８ａと逆Ω状フレーム３８１の間には、第２の絶縁ワッシャ８６が介在される。また、第２の絶縁体８０および逆Ω状フレーム３８１の下部固定用ボルト５８が挿通する部分には第２の絶縁スリーブ８８が設けられる。これにより、６軸力センサ３４が逆Ω状フレーム３８１および下部固定用ボルト５８から完全に絶縁される。尚、第１および第２の絶縁ワッシャ８２，８６、ならびに、第１および第２の絶縁スリーブ８４，８８も同様に絶縁性が高く、かつ機械的強度の高い部材から形成される。
【００６４】
このように、６軸力センサ３４付近に絶縁体を配置するように構成したので、周辺に配置された制御機器やモータなどに流れる電流の影響を防止することができる。
【００６５】
図６は、従来技術とこの実施の形態に係る６軸力センサ３４における電流によるノイズの影響を対比して示すグラフである。同図から明らかなように、この実施の形態においてはモータ駆動時のノイズを略完全に解消している。
【００６６】
尚、逆Ω状フレーム３８１と足底フレーム５０は、前記したようにゴムブッシュ３８２を挟持しつつ接続されていることから、ゴムブッシュ３８２の絶縁性を向上させることで逆Ω状フレーム３８１を介した電流の影響を防止することができる。しかしながら、絶縁性を考慮に入れると弾性の設計自由度（材質の選別自由度）が低下してしまうため、所望の衝撃吸収性能を得ることが困難となるが、上記のように絶縁体を介挿する構成とすることで、係る不具合も解消することができる。
【００６７】
次いで図７を参照してこの発明の第２の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器について説明する。
【００６８】
図７は、第２の実施の形態に係る床反力検出器を説明するための、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【００６９】
同図に示すように、６軸力センサ３４は、同一直線上に配置された２個のゴムブッシュ３８２（３８２ＦａとＲｂ、あるいは３８２ＲａとＦｂ。いずれもその下方に位置するバネ機構体用ボルト３８３で示す）の中心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置される。さらには、４個のゴムブッシュ３８２（３８２Ｆ，Ｒ，ａ，ｂ）によって形成される四角形、具体的には各頂点が直角の長方形（より具体的には四辺同長の正方形）の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置されるため、安定性を向上させることができると共に、検出精度をより一層向上させることができる。
【００７０】
また、この実施の形態の場合、ゴムブッシュ３８２Ｆｂよりも３８２Ｆａおよび３８２Ｒｂを、３８２Ｆａおよび３８２Ｒｂよりも３８２Ｒａの剛性を高くすることで、踵周辺および外方の足部２２ａの剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００７１】
尚、他の構成については前述の実施の形態と同一なため、説明を省略する。
【００７２】
次いで図８を参照してこの発明の第３の実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器について説明する。
【００７３】
図８は、第３の実施の形態に係る床反力検出器を説明するための、図３と同様な足部２２Ｒ，Ｌのうち、左脚の足部２２Ｌの底面図である。
【００７４】
同図に示すように、６軸力センサ３４は、３個のゴムブッシュ３８２（３８２Ｆ，Ｒａ，Ｒｂ）によって形成される三角形、具体的には各頂点が同角度の正三角形の重心付近にＺ軸方向感度中心線Ｚｃが位置するように配置されるため、安定性を向上させることができると共に、検出精度をより一層向上させることができる。
【００７５】
また、この実施の形態の場合、ゴムブッシュ３８２Ｆよりも３８２Ｒｂの剛性を高くすると共に、３８２Ｒｂよりも３８２Ｒａの剛性を高くすることで、踵周辺および外方の足部２２ａの剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００７６】
尚、他の構成については前述の実施の形態と同一なため、説明を省略する。
【００７７】
このように、この実施の形態にあっては、少なくとも上体２４と、前記上体に第１の関節（股関節（あるいは腰関節）。関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ））を介して連結される複数本の脚部（脚部リンク２）を備え、前記脚部の端部に第２の関節（足関節（足首関節。関節１８，２０Ｒ（Ｌ））を介して連結される足部２２Ｒ（Ｌ）の接地端を介して床面から作用する床反力を検出する床反力検出器（６軸力センサ３４）を備えた脚式歩行ロボット１の床反力検出器において、前記床反力検出器を前記第２の関節と前記足部の接地端（バネ機構体３８、ソール４０、足底フレーム５０および足底プレート５２）の間に配置し、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材（下腿リンク３０）よりも剛性において低い複数個の弾性材（ゴムブッシュ３８２）を備えるバネ機構体３８介して前記足部の接地端に接続し、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ）の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ）の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００８０】
また、前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材（ゴムブッシュ３８２）を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置するように構成した。
【００８３】
また、前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部に底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置するように構成した。
【００８５】
また、前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボット（具体的には脚部中心線ｆｔｃ）の外方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２ａ，Ｆａ，Ｒａ）の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材（ゴムブッシュ３８２ｂ，Ｆｂ，Ｒｂ）の剛性よりも高く設定するように構成した。
【００８６】
また、前記床反力検出器の付近に絶縁体（第１および第２の絶縁体７８，８０、第１および第２の絶縁ワッシャ８２，８６、第１および第２の絶縁スリーブ８４，８８）を設けるように構成した。
【００８７】
尚、上記において、ゴムブッシュの数を３個あるいは４個とし、それによって形成される多角形を三角形あるいは四角形としたがそれに限られるものではなく、任意のｎ個（ｎ≧３）のゴムブッシュを用いて任意のｎ角形として良い。また、三角形および四角形も例示した長方形（正方形）あるいは正三角形に限られるものではなく、任意に頂点の角度や辺の長さを設定して良く、要はその重心付近に６軸力センサ３４を配置するようにすれば良い。
【００８８】
また、上記した種々の部材の材質も記載したものに限られず、適宜選別しても良いことは言うまでもない。
【００８９】
また、ゴムブッシュの配置位置に応じてその剛性を相違させるように構成したが、これは、材質の相違によって成しえても良いし、形状の相違によって成しえても良い。
【００９０】
また、２足歩行ロボットを例にとって説明したが、この発明は３足以上の脚式歩行ロボットにおいても妥当するものである。
【００９１】
【発明の効果】
請求項１項においては、より接地面に近い位置に配置されることとなって床反力の検出精度を向上させることができると共に、床反力検出器と床面との間に足部の接地端が介挿されることとなって着地時の衝撃の影響を低減することができる。また、床反力検出器と接地面との間に足部の接地端が介在することとなり、床反力検出器の強度を向上させる必要がない。
【００９２】
また、足部に適宜な弾性が与えられ、より一層着地時の衝撃の影響を低減することができる。また、床反力検出器よりも下部に弾性が与えられると共に、その上部（より上体に近い部位）は高い剛性とされることから、床反力の検出精度をより一層向上させることができると共に、検出した床反力と実際にロボットに作用する力が一致し、制御性を悪化させることがない。
【００９３】
また、前記したのと同様な効果を得ることができると共に、起立時（静止時）の安定性を維持しつつ、着地時に働く斜め方向の衝撃を緩和することができる。
【００９４】
請求項２項においては、検出精度をより一層向上させることができる。
【００９７】
請求項３項においては、いかなる方向からの荷重（床反力）に対しても同様な（均一な）衝撃吸収が可能となるため、安定性が向上すると共に、床反力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００９８】
さらに請求項１項においては、踵周辺の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【００９９】
請求項４項においては、脚部中心線に対して外方に位置する足部の剛性が高まって耐久性が向上し、よって着地時の衝撃低減効果の経時的劣化を防止することができ、安定性および床反力検出精度を低下させることがない。
【０１００】
請求項５項においては、床反力検出器周辺の付近に配置された制御機器やモータなどに流れる電流の影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器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足部の側面縦断面図である。
【図３】図２に示す足部の底面図である。
【図４】図２に示す断面図の一部を拡大した部分拡大断面図である。
【図５】図２に示す断面図の一部を拡大した図４と同様な部分拡大断面図である。
【図６】この発明に係る脚式歩行ロボットの床反力検出器と従来技術に係る床反力検出器におけるノイズの発生を対比して示すグラフである。
【図７】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床反力検出器を示す、図３と同様な足部の底面図である。
【図８】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床反力検出器を示す、図３と同様な足部の底面図である。
【符号の説明】
１ 脚式歩行ロボット
２ 脚部リンク
２４ 上体
１８，２０Ｒ，Ｌ 足首関節（第２の関節）
２２Ｒ，Ｌ 足部（足平）
３０ 下腿リンク
３４ ６軸力センサ（床反力検出器）
３８ バネ機構体
３８２ ゴムブッシュ（弾性材）
４０ ソール
５０ 足底フレーム
５２ 足底プレート
７８ 第１の絶縁体
８０ 第２の絶縁体
８２ 第１の絶縁ワッシャ
８４ 第１の絶縁スリーブ
８６ 第２の絶縁ワッシャ
８８ 第２の絶縁スリーブ
Claims (5)
- 少なくとも上体と、前記上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部を備え、前記脚部の端部に第２の関節を介して連結される足部の接地端を介して床面から作用する床反力を検出する床反力検出器を備えた脚式歩行ロボットの床反力検出器において、前記床反力検出器を前記第２の関節と前記足部の接地端の間に配置し、前記第２の関節付近に前記床反力検出器の一端を接続すると共に、前記第２の関節付近を構成する部材よりも剛性において低い複数個の弾性材を備えるバネ機構体を介して前記足部の接地端に接続し、さらに前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向において前記床反力検出器よりも後方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定することを特徴とする脚式歩行ロボットの床反力検出器。
- 前記バネ機構体は少なくとも２個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を前記少なくとも２個の弾性材の間に配置することを特徴とする請求項１項記載の脚式歩行ロボットの床反力検出器。
- 前記バネ機構体はｎ（ｎ≧３）個の弾性材を備えると共に、前記床反力検出器を、前記足部の底面視において前記ｎ個の弾性材を頂点とするｎ角形の重心付近に配置することを特徴とする請求項１項記載の脚式歩行ロボットの床反力検出器。
- 前記弾性材のうち、前記脚式歩行ロボットの進行方向と直交し、かつ重力方向と直交する方向において、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの外方に配置した弾性材の剛性を、前記床反力検出器よりも前記脚式歩行ロボットの内方に配置した弾性材の剛性よりも高く設定することを特徴とする請求項２項または３項記載の脚式歩行ロボットの床反力検出器。
- 前記床反力検出器の付近に絶縁体を配置す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床反力検出器。
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