JP5427231B2 - 二脚歩行式移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、人が搭乗して歩行する二脚歩行式移動装置に関する。

従来の搭乗型二脚歩行式移動装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。図７に示すように、この二脚歩行式移動装置１００は、人（以下、搭乗者）が搭乗するための座席部を有する上体ユニット１０１と、上体ユニット１０１を支える左右一対の脚部ユニット１０２Ｒ、１０２Ｌとを備える。各脚部ユニット１０２Ｒ、１０２Ｌは、３自由度を有する股関節部１０３を介して上体ユニット１０１に接続された大腿リンク１０６と、その末端に１自由度を有する膝関節部１０４を介して接続された下腿リンク１０７と、さらにその末端に２自由度を有する足関節部１０５を介して接続された平板状の足先部１０８と、足関節部１０５のやや上方に固定された足載置部１０９とから構成される。

搭乗者は、上体ユニット１０１の座席部に腰掛けるとともに、足載置部１０９に足先を載せて、この二脚歩行式移動装置１００に搭乗する。また、図７に示すように、搭乗状態において、搭乗者の大腿、膝、および下腿は自由な状態（非拘束状態）となる。

したがって、この二脚歩行式移動装置１００によれば、搭乗者の体形に合わせて行っていた膝関節部の位置調整を省略することができる。また、この二脚歩行式移動装置１００によれば、搭乗者の重心位置が低いので、バランス維持制御が容易になるとともに、転倒した際に搭乗者に与える衝撃を和らげることができる。
特開２００７−３１９９４０号

ところで、一般に、二脚歩行を実現するためには、「歩容生成機能」と「バランス維持機能」の２つの機能が重要である。ここで、歩容生成機能とは、現在位置から目的地までどのようなルートを通って進むのか、およびそのルートに沿って歩行するためには左右の脚部あるいは足部をどのように動かせばよいのかを計画する機能である。また、バランス維持機能とは、停止中または二脚歩行中の転倒を防ぐための機能である。

この２つの機能のうち、バランス維持機能については、例えば、二脚歩行式移動装置の足部裏面（接地面）に配置されたセンサ等からの情報にもとづいて、比較的容易に実現することができる。

しかしながら、歩容生成機能を実現するためには、歩容目的の理解や環境情報の把握等の点で高度な判断能力が必要となるので、現在の技術での実現は困難である。例えば、未知の不整地を歩行する場合や目的地との間に未知の障害物がある場合は、これらが歩行する際の障害となり得るのかどうか、また迂回するとすればどのようなルートを通るのがよいか等を検討する必要があり、的確かつ迅速な判断をコンピュータで行うのは非常に困難である。また、判断の基になる情報を得るためには、高精度なセンサを多数備える必要があり、今のところ現実的な解決策は存在しない。

この点、図７に示す従来の二脚歩行式移動装置１００では、歩容生成機能とバランス維持機能のいずれもがコンピュータによる自動制御によって実現されることを前提とした機構であるため、未知の環境（不整地等）において二脚歩行式移動装置１００によってロバストに二脚歩行することは困難であった。

また、従来から、ジョイスティック等の何らかの搭乗者による指示手段を備えたタイプの二脚歩行式移動装置も存在する。この指示手段によれば、搭乗者は、予め生成された歩容計画の範囲内で次の一歩を踏み出すきっかけを与えたり、前進／後退／旋回といった単純動作を指示したりすることはできる。しかしながら、このタイプの二脚歩行式移動装置においても、搭乗者は、歩幅や踏みしめる力等、脚の細かな動作や力加減を調整して障害物をうまく回避あるいは踏破しながら不整地を歩行するといった複雑な動作を指示することはできず、やはり未知の環境においてロバストに二脚歩行することはできなかった。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、不整地のような未知の環境においてもロバストに二脚歩行することができる、搭乗型の二脚歩行式移動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る二脚歩行式移動装置は、搭乗者の体幹を支持する上体ユニットと、前記上体ユニットの下部に備えられた脚部ユニットとを備え、前記脚部ユニットは、一端が少なくとも３自由度を有する股関節部を介して前記上体ユニットに接続されたリンク機構と、少なくとも２自由度を有する足関節部を介して前記リンク機構の他端に接続され、床面に接地し得るようになっている足部機構と、前記搭乗者の足部を、前記リンク機構に多軸力センサを介して固定する固定機構とを備え、前記固定機構は、前記一端でも前記他端でもない位置において前記リンク機構に接続されており、前記股関節部の制御は、前記多軸力センサによって検知される前記搭乗者の足部による操作力および／または操作トルクに応じて随意的に行われ（随意脚部制御）、前記足関節部の立脚時の制御は、前記搭乗者の直接の関与なしに、バランス維持制御として自動的に行われる（オートバランス制御）ことを特徴とする。

また、前記リンク機構は、一端が前記股関節部を介して前記上体ユニットに接続された大腿リンクと、一端が少なくとも１自由度を有する膝関節部を介して前記大腿リンクの他端に接続されるとともに、他端が前記足関節部を介して前記足部機構に接続された下腿リンクとを有し、前記固定機構が前記下腿リンクに固定され、前記股関節部の制御に加えて前記膝関節部の制御も前記多軸力センサによって検知される前記操作力および／または前記操作トルクに応じて随意的に行われるように構成することもできる。

また、前記固定機構は、前記搭乗者の足部を前記足関節部の可動方向に対してのみ回転自在にするための揺動機構を有し、前記揺動機構は、前記搭乗者の足部と前記多軸力センサとの間または前記多軸力センサと前記リンク機構との間のいずれか一方に備えられていることが好ましい。

本発明によれば、コンピュータでは実現が困難な歩容生成とそれに伴う脚部制御については随意脚部制御によって搭乗者が自ら行うよう構成されているので、歩容生成機能の実現困難さは回避され、不整地のような未知の環境においても二脚歩行することができる、搭乗型の二脚歩行式移動装置を提供することができる。
また、本発明によれば、バランス維持制御が搭乗者の直接の関与なしにオートバランス制御によって自動的に行われるよう構成されているので、搭乗者におけるバランス維持操作の負担は大幅に軽減され、脚部の操作にのみ専念することができる。

本発明に係る二脚歩行式移動装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る二脚歩行式移動装置で行われる制御に関するブロック図である。 本発明に係る二脚歩行式移動装置に備えられた固定機構の斜視図である。 図３に示す固定機構の動作を説明するための二次元概略図であって、（Ａ）は足関節部がピッチ回転もロール回転もしていない状態、（Ｂ）は足関節部がピッチ回転している状態の図である。 本発明に係る二脚歩行式移動装置に備えられた足部機構要部の斜視図である。 図５に示す足部機構の動作を説明するための二次元概略図であって、（Ａ）は平らな床面に接地した状態、（Ｂ）は段差に乗り上げた状態の図である。 従来の二脚歩行式移動装置の一例を示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

符号の説明

１ 二脚歩行式移動装置
２ 上体ユニット
３Ｒ 右脚部ユニット
３Ｌ 左脚部ユニット
４ リンク機構
４１ 大腿リンク
４２ 下腿リンク
５ 股関節部
６ 膝関節部
７ 足関節部
８ 足部機構
８１ 床反力センサ
８２ ベース部材
８３ 接地片
８４ 揺動機構（リモートセンタ機構）
８５ 一軸床反力センサ
８６ 本体部
８７ 連結部
８８ 先端部
８９ 剛性ロッド
９ 固定機構
９１ 支持部材
９２ 揺動機構（リモートセンタ機構）
９３ 多軸力センサ
１０ 制御部
１１ 随意脚部制御部
１２ オートバランス制御部
１３ 関節角度センサ

以下、図１〜図６を参照して、本発明に係る二脚歩行式移動装置の好ましい実施形態について説明する。なお、以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、それぞれ二脚歩行式移動装置の前後方向（前方が正方向）、左右方向（搭乗者から見て左側が正方向）、上下方向（上方が正方向）を指すものとする。

［二脚歩行式移動装置全体の構成］
図１は、本発明に係る二脚歩行式移動装置の一例を示す概略図である。この図に示すように、二脚歩行式移動装置１は、搭乗者の体幹（好ましくは、腰付近）を支持・固定する上体ユニット２と、その下部に備えられた左右一対の脚部ユニット３Ｒ、３Ｌとを備える。

各脚部ユニット３Ｒ、３Ｌは、一端４ａが、少なくとも３自由度を有する股関節部５を介して上体ユニット２に接続されたリンク機構４と、少なくとも２自由度を有する足関節部７を介してリンク機構４の他端４ｂに接続された足部機構８とを備える。股関節部５は、Ｘ軸まわりの揺動軸５ｘと、Ｙ軸まわりの揺動軸５ｙと、Ｚ軸まわりの揺動軸５ｚとから構成される。また、足関節部７は、ロール軸（Ｘ軸）まわりの揺動軸７ｒと、ピッチ軸（Ｙ軸）まわりの揺動軸７ｐとから構成される。

リンク機構４は、股関節部５を介して一端４１ａが上体ユニットに接続された大腿リンク４１と、少なくとも１自由度を有する膝関節部６を介して一端４２ａが大腿リンク４１の他端４１ｂに接続されるとともに、他端４２ｂが足関節部７を介して脚部機構８に接続された下腿リンク４２とから構成される。膝関節部６は、Ｙ軸まわりの揺動軸６ｙから構成される。膝関節部６を省略して、股関節部５と足関節部７とが１本のリンク機構４で接続されるよう構成することもできるが、スムーズな二脚歩行を実現するという観点からは、図１に示すように膝関節部６を設けるのが好ましい。

また、足部機構８は、床反力センサ８１を有する。後で詳細に説明するが、床反力センサ８１は複数の一軸床反力センサ（圧力センサ）から構成され、床反力分布を検出することができる。

各脚部ユニット３Ｒ、３Ｌは、さらに、足関節部７の可動方向、すなわちピッチ回転およびロール回転に対してのみ回転自在となるように搭乗者の足部を固定するための固定機構９を備える。固定機構９は、搭乗者の足部からの随意的な操作力および／または操作トルクを検出する多軸（少なくとも４軸）力センサ９３と、これとリンク機構４とを連結する支持部材９１とから構成され、足関節部７のピッチ回転およびロール回転に対してのみ回転自在となるように搭乗者の足部を固定する。固定機構９の具体的な構成については、後で詳細に説明する。

股関節部５の各揺動軸、膝関節部６の揺動軸および足関節部７の各揺動軸は、主にそれぞれの軸まわりに回転する駆動モータ、および関節回転角度を検出する関節角度センサから構成される。各駆動モータは、上体ユニット２に備えられた制御部１０によって駆動制御される。また、関節角度センサは、検出した関節回転角度に関する信号を制御部１０に対して出力する。

図２に示すように、制御部１０は、随意脚部制御部１１とオートバランス制御部１２とから構成される。このうち、随意脚部制御部１１は、多軸力センサ９３が検出した搭乗者の足部からの随意的な操作力および／または操作トルクに応じて、股関節部５の各揺動軸および膝関節部６の揺動軸を駆動制御する。例えば、搭乗者が自己の右足を上げて右脚部ユニット３Ｒの多軸力センサ９３によって検出される力が減少すると、随意脚部制御部１１が股関節部５および膝関節部６を可動させることにより右脚部ユニット３Ｒが上がる。そして、搭乗者が自己の右足を下げて多軸力センサ９３によって検出される力が増加すると、随意脚部制御部１１が股関節部５および膝関節部６を先程とは逆方向に可動させ、右脚部ユニット３Ｒが下がる。このとき、搭乗者は多軸力センサ９３を単なるオン／オフスイッチとして使うのではなく、操作力および／または操作トルクの大きさと方向を逐次的に調整することにより、未知の不整地等の状況に応じて、例えば、右脚部ユニット３Ｒを前方やや右側に下ろす等の微妙な操作を行うことができる。

一方、オートバランス制御部１２は、床反力センサ８１が検出した床反力分布に応じて、足関節部７の各揺動軸を駆動制御する。例えば、右脚部ユニット３Ｒを上げて、左脚部ユニット３Ｌだけで片足立ちしている際に、二脚歩行式移動装置１と搭乗者の合成重心（より正確には、ゼロモーメントポイント）が前寄りになると、左脚部ユニット３Ｌの床反力センサ８１は踵側よりもつま先側の床反力が大きいことを検出する。そして、検出した床反力分布に応じて、オートバランス制御部１２が足関節部７のピッチ軸まわりの揺動軸７ｐを駆動制御し、リンク機構４を後方に傾ける。これにより、合成重心は後寄りに移動し、転倒が防がれる。

なお、股関節部５の各揺動軸および膝関節部６の揺動軸は、多軸力センサ９３が検出した操作力および／または操作トルクと関節角度センサ１３が検出した関節角度のみにもとづいて駆動制御される。したがって、搭乗者の意図に反して股関節部５および膝関節部６が駆動されることはない。また、足関節部７の各揺動軸は、床反力センサ８１が検出した床反力分布と関節角度センサ１３が検出した関節角度のみにもとづいて駆動制御される。したがって、搭乗者が多軸力センサ９３に対して力を加えたとしても、それに応じて足関節部７が駆動されることもない。

すなわち、本発明に係る二脚歩行式移動装置１では、搭乗者が多軸力センサ９３に加える操作力および／または操作トルクを逐次的に変化させることにより行う脚部制御（随意脚部制御部１１による股関節部５と膝関節部６の駆動制御）と、床反力分布に応じて自動的に行われるバランス維持制御（オートバランス制御部１２による足関節部７の駆動制御）とが独立しており、互いに干渉しない構成となっている。したがって、本発明に係る二脚歩行式移動装置１によれば、自動的に行われるバランス維持制御（オートバランス制御）を気にすることなく搭乗者が随意的に脚部制御を行うことができるので、不整地のような未知の環境でも二脚歩行することができる。また、本発明によれば、オートバランス制御は搭乗者の操作と直接には関係せず自動的に行われ、搭乗者による随意脚部制御はオートバランス制御に干渉しないので、搭乗者は随意脚部制御にのみ専念して逐次的に歩容を生成することができる。

［固定機構の構成］
続いて、図３および図４を参照して、固定機構９の具体的な構成について説明する。前記の通り、固定機構９は、各脚部ユニット３Ｒ、３Ｌのリンク機構４に備えられ、足関節部７のピッチ回転およびロール回転に対してのみ回転自在となるように搭乗者の足部を選択的に固定する。

図３に示すように、固定機構９は、支持部材９１と揺動機構９２と多軸力センサ９３とから構成される。このうち、支持部材９１はリンク機構４と揺動機構９２および多軸力センサ９３とを連結するための剛性部材である。支持部材９１の形状は、図３のような平板状に限定されず、末端部に揺動機構９２および多軸力センサ９３を配置できる任意の形状にすることができる。

多軸力センサ９３は、少なくとも４軸の力センサであり、搭乗者の足部による操作力および／または操作トルクを適当な電気信号に変換し、制御部１０の随意脚部制御部１１に対して出力する。また、多軸力センサ９３の上には、搭乗者の足部の位置ずれを防ぐための部材が設けられている。このような部材としては、例えば、搭乗者の足部を収容するスリッパ状、靴状のものや、足部を縛って固定するベルト状のものが適用可能である。また、足部の位置ずれを防ぐための部材には、緊急時に搭乗者の足部を速やかに離脱させるための保護機構が備えられていることが好ましい。

揺動機構９２は、多軸力センサ９３をロールおよびピッチ回転自在にするための機構であり、両端部に２自由度を有するユニバーサルジョイントが設けられた３本の剛性ロッドから構成される。この機構が搭乗者の足部とリンク機構４との間に配置されているために、搭乗者が足部をロール／ピッチ回転させてもリンク機構４側には何の影響も与えない。また、オートバランス制御によって、足関節部７がロール／ピッチ回転しても搭乗者の足部に無理な力が加えられることはない。一方、揺動機構９２は、ＸＹＺの各並進方向およびヨー回転方向に関しては搭乗者の足部とリンク機構４とを固定する。したがって、脚部制御によってリンク機構４がＸＹＺ方向またはヨー方向に動くと、その動きがそのまま搭乗者の足部に機械的に伝達される。

また、揺動機構９２は、公知のリモートセンタ機構を構成しているため、上記ロール／ピッチ回転の揺動中心Ｃ９を搭乗者の足裏または足部内の適切な位置（足関節など）に置くことができる。これにより、搭乗者が足関節を挫く危険性を減らすことができる。

揺動機構９２の動作を具体的に示したのが図４である。図４（Ａ）に示すように、リンク機構４がＸ方向にＸ１だけ動くと、揺動機構９２上の多軸力センサ９３および搭乗者の足部も、機械的に連結されているので当然Ｘ方向にＸ１だけ動く。Ｙ方向、Ｚ方向、ヨー方向の動きについても同様に、リンク機構４が動くと、多軸力センサ９３および搭乗者の足部も連動する。一方、図４（Ｂ）に示すように、足関節部７のピッチ軸まわりの揺動軸７ｐが駆動制御されることによりリンク機構４が後方に傾いても、揺動機構９２上の多軸力センサ９３および搭乗者の足部の姿勢は必ずしも連動しない。ロール軸まわりの揺動軸７ｒが駆動制御された場合も同様に、必ずしも連動しない。つまり、搭乗者の関与なしにオートバランス制御が行われても、それによって搭乗者の足部に無理な力が加えられることはない。

［足部機構の構成］
次に、図５および図６を参照して、足部機構８の具体的な構成について説明する。この足部機構８としては、本願発明者が発明した従来の足部機構をそのまま適用することができる（ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０５７２４７号参照）。

図５に示すように、足部機構８は、足関節部７の下部に接続されるベース部材８２と、それぞれ平坦な接地面を有する３つの接地片８３と、各接地片８３とベース部材８２とを揺動可能に連結する揺動機構８４とから構成される。このうち、ベース部材８２は、足関節部７に接続される本体部８６と、本体部８６から３方に延びる３つの連結部８７と、その先端に設けられた先端部８８とを有する。また、連結部８７は下方に向かって互いに異なる方向に延びている。

各先端部８８には一軸床反力センサ８５（図１の床反力センサ８１に相当）が挟み込まれている。一軸床反力センサ８５は、接地片８３に対して加えられた床反力のうち、先端部８８の高さ方向の成分を検出する。そして、一軸床反力センサ８５はその力成分を適当な電気信号に変換し、制御部１０のオートバランス制御部１２に対して出力する。

各揺動機構８４は３本の剛性ロッド８９から構成される。図５に示すように、各剛性ロッド８９の両端には３自由度を有するボールジョイントが設けられている。そして、各剛性ロッド８９はこのボールジョイントを介して接地片８３および先端部８８に接続されている。なお、このボールジョイントは、２自由度を有するユニバーサルジョイントに置き換えることもできる。

揺動機構８４の動作を具体的に示したのが図６である。図６（Ｂ）に示すように、床面の段差に乗り上げると接地片８３は傾く。しかしながら、揺動機構８４は公知のリモートセンタ機構を構成しているため、剛性ロッドの位置関係によって定まる揺動中心（リモートセンタ）Ｃ８を中心に接地片８３は回転自在となる。この揺動中心Ｃ８は、ベース部材８２に対して固定された接地点と見なすことができる。したがって、足部機構８は、固定された３点支持構造を持つ足部機構（ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０５５７３７号参照）と実質的に同等である。したがって、不整地においても高い接地性を発揮しつつ、不整地面に対してぐらつくことなくトルクを発生することが可能となる。

以上のように、本発明に係る二脚歩行式移動装置によれば、足部機構８をさらに備えたことにより、足関節部７を駆動制御するオートバランス制御だけでは対応しきれないような不整地においても、バランスを崩すことなく二脚歩行をすることができる。

以上、本発明に係る二脚歩行式移動装置の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
例えば、図３に示す固定機構９では、支持部材９１の上に揺動機構９２を配置し、さらにその上に多軸力センサ９３を配置したが、多軸力センサ９３の上に揺動機構９２を配置することもできる。また、足部機構は図５に示す足部機構８に限定されず、床面の段差を吸収し得るような他の任意の足部機構を適用することができる。

また、揺動機構９２は前記の３本の剛性ロッドによる機構に限定されず、搭乗者の足部をロール／ピッチ方向に回転自在とし、ＸＹＺ方向およびヨー方向には固定する機構であれば、任意の機構にすることができる。その場合でも、搭乗者の足裏または足部内の適切な位置（足関節など）を揺動中心Ｃ９とするリモートセンタ機構が構成されていることが好ましい。

また、揺動機構９２は、搭乗者の足部をロール／ピッチ方向に回転自在としているが、必ずしも完全な自由関節でなくともよく、例えばバネ・ダンパ機構を追加することにより、ロール／ピッチ方向の回転に対して基準位置への復帰機能や、衝撃緩和機能を付加することもできる。

Claims (3)

1. 搭乗者の体幹を支持する上体ユニットと、
   前記上体ユニットの下部に備えられた脚部ユニットと、を備え、
   前記脚部ユニットは、
   一端が少なくとも３自由度を有する股関節部を介して前記上体ユニットに接続されたリンク機構と、
   少なくとも２自由度を有する足関節部を介して前記リンク機構の他端に接続され、床面に接地し得るようになっている足部機構と、
   前記搭乗者の足部を、前記リンク機構に多軸力センサを介して固定する固定機構と、を備え、
   前記固定機構は、前記一端でも前記他端でもない位置において前記リンク機構に接続されており、前記股関節部の制御は、前記多軸力センサによって検知される前記搭乗者の足部による操作力および／または操作トルクに応じて随意的に行われ、前記足関節部の立脚時の制御は、前記搭乗者の直接の関与なしに、バランス維持制御として自動的に行われることを特徴とする二脚歩行式移動装置。
2. 前記リンク機構は、
   一端が前記股関節部を介して前記上体ユニットに接続された大腿リンクと、
   一端が少なくとも１自由度を有する膝関節部を介して前記大腿リンクの他端に接続されるとともに、他端が前記足関節部を介して前記足部機構に接続された下腿リンクと、を有し、
   前記固定機構が前記下腿リンクに固定され、前記股関節部の制御に加えて前記膝関節部の制御も前記多軸力センサによって検知される前記操作力および／または前記操作トルクに応じて随意的に行われることを特徴とする請求項１に記載の二脚歩行式移動装置。
3. 前記固定機構は、前記搭乗者の足部を前記足関節部の可動方向に対してのみ回転自在にするための揺動機構を有し、
   前記揺動機構は、前記搭乗者の足部と前記多軸力センサとの間または前記多軸力センサと前記リンク機構との間のいずれか一方に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の二脚歩行式移動装置。

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