JPWO2006011577A1 - 多点接地型足部支持機構及びそれを備えた２足歩行ロボット並びにその制御構造 - Google Patents

Abstract

各支持点が受動的に路面等の接地面の凹凸にならい、全ての支持点が接地した際に支持点を固定することにより、段差等がある接地面においても、速やかに足底を多角点支持することができ、転倒を回避することができる信頼性に優れる多点接地型足部支持機構の提供。歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される基部と、基部の底面より下方に端部が突出して配設され接地時にそれぞれ独立して上方に移動する摺動自在又は回動自在に支持された３以上の足底支持部と、基部又は各々の足底支持部に配設され各々の足底支持部の接地を検出する接地センサと、基部に配設され接地センサが全ての足底支持部の接地を検出した時に全ての足底支持部の運動を制動するロック機構と、を備えている。

Description

本発明は、足底の平面内に仮想的な支持多角形を形成し足底を多角点支持する多点接地型足部支持機構及びそれを備えた２足歩行ロボット並びにその制御方法に関するものである。

近年、人間の生活環境で活動する人間形ロボット、いわゆるヒューマノイドロボット の研究、開発がさかんに行われている。ヒューマノイドロボット は、工業生産だけでなく、家事、高齢者介護等、人間の生活を快適にする目的で使用される場合が多く、人間のために作られた環境において不特定の使用者と密着して作業するため、それに適した形態と機能を持つ必要がある。また、特別な使用訓練を必要とせず安全で柔軟なインターフェースを備えることも要求され、極めて多くの研究課題がある。特に、移動手段として人間と同様に２足を有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットは、多くの研究機関や企業で鋭意研究され開発されている。
本出願人が出願した（特許文献１）には「ベース部と、右足部及び左足部と、ベース部と右足部及び左足部の各々に配設された複数の受動ジョイントと、ベース部に配設された受動ジョイントと右足部に配設された受動ジョイントとの間、及び、ベース部に配設された受動ジョイントと左足部に配設された受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部と、を備えた２足歩行ロボットの下半身モジュール」が開示されている。
また、同じく本出願人が出願した（特許文献２）には「足部において目標ゼロモーメントポイントを設定し、設定した目標ゼロモーメントポイントに応じて腰部のモーメント補償軌道を算出する２足歩行ロボット装置の歩行パターンを作成する歩行パターン作成装置」が開示されている。
特開２００３−２９１０８０号公報 特開２００４−８２２２３号公報

（特許文献１）に記載の２足歩行ロボットの下半身モジュールは、脚部をパラレルリンク機構で構成することにより、脚部が大きな負荷に耐えることができ、重量物の搬送が可能で実用性に優れると共に、重量の大きい上半身を搭載又は組み込むことができ設計の自由度に優れるものであり、（特許文献２）に記載の歩行パターン作成装置を備えることにより、安定した２足歩行を行わせる歩行パターンを作成することができ、特に平坦な接地面においては歩行動作の安定性に優れるという作用、効果を有していたが、さらなる動作の安定性の向上、様々な地形における活動の実現が望まれていた。
具体的には、
（１）高速移動が可能でエネルギー効率に優れる車輪移動式のロボットで侵入できない凹凸の激しい場所や多脚のロボットに必要な広い支持基底面を確保できない場所など、各足が平坦な接地面を確保することが困難な場所においては、従来の２足歩行ロボットの多くで採用されている剛体平板の足底では、足底の中心で突起物等を踏んだ際に、足底を支持する支持多角形（足底の接地点が形成する面積最大の凸多角形）がどのように形成されるか予測不能であり、転倒を回避することができないという課題を有していた。
（２）また、仮に支持多角形を予測できた場合でも、形成される支持多角形の面積が狭いので、安定した歩行を継続することが困難であり、歩行を続けるに従い揺動が大きくなり、最終的に転倒に至るため、歩行安定性、信頼性に欠けるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、既存の２足歩行ロボット等の足底に容易に取付けることができ、各支持点が受動的に路面等の接地面の凹凸にならい、全ての支持点が接地した際に支持点の運動を制動することにより、段差等がある接地面においても、速やかに足底を多点支持することができ、転倒を回避することができる信頼性に優れる多点接地型足部支持機構の提供、及び凹凸や段差等がある複雑な地形においても活動することができる歩行動作の安定性、汎用性に優れる多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットの提供、並びにその制御構造の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の多点接地型足部支持機構及びそれを備えた２足歩行ロボット並びにその制御方法は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の多点接地型足部支持機構は、歩行ロボットの脚部の足底にそれぞれ配設される基部と、前記基部の底面より下方に端部が突出して配設され接地時にそれぞれ独立して上方に移動する摺動自在又は回動自在に支持された３以上の足底支持部と、前記基部又は前記各々の足底支持部に配設され前記各々の足底支持部の接地を検出する接地センサと、前記基部に配設され前記接地センサが前記全ての足底支持部の接地を検出した時に前記全ての足底支持部の運動を制動するロック機構と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）歩行ロボットの足底に配設される基部の底面より下方に端部が突出して配設され、接地時にそれぞれ独立して上方に移動する摺動自在又は回動自在に支持された３以上の足底支持部を有することにより、各々の足底支持部が受動的に接地面の凹凸にならって足底（基部の底面）からの突出量が減少する方向に移動するので、接地センサが全ての足底支持部の接地を検出した時に、ロック機構により全ての足底支持部の運動を制動することで足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成して多角点（多点）支持することができ、歩行ロボットの脚部を確実に支持することができ、転倒を回避することができる。
（２）各々の足底支持部が受動的に接地面の凹凸にならって接地することにより、接地時における足底の基部を常に略水平にすることができ、これに伴って歩行ロボットの胴体や腰の位置や姿勢を設定した通りに制御することができるので、安定した歩行を行うことができる。
（３）基部又は各々の足底支持部に配設された接地センサにより、各々の足底支持部の接地を個別に検出することで、確実に全ての足底支持部の接地を確認することができ、ロック機構による全ての足底支持部の運動を制動することができる。
（４）足底支持部が基部に摺動自在又は回動自在に支持されているので、足底支持部の端部が路面等の接地面に接地した際に、接地面の凹凸によらず各々の足底支持部を容易かつ確実に足底の上方に摺動又は回動させることができ、足底が接地面の凸部に引っ掛かることがなく、ロック機構により全ての足底支持部の運動を制動することができ、足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができる。
（５）足底支持部が基部に配設されているので、足部支持機構を一体的に取り扱うことができ、既存の歩行ロボットの脚部の足底に容易に取付けを行うことができ、歩行ロボットの歩行動作の安定性を向上させることができる。
（６）３以上の足底支持部を有することにより、足底に確実に平坦な接地面と同等の広さの支持多角形を形成して多角点支持することができるので、歩行ロボットの脚部を安定して支持することができ、特に２足歩行ロボットに対し好適に用いることができる。

ここで、基部の外形は歩行ロボットの脚部の足底の大きさに合わせて十分な支持面積が確保できるように略矩形状や略六角形、略八角形等の多角形状或いは略円形状、略楕円形状等に形成する。基部の材質にはアルミニウム合金が好適に用いられる。軽量で高い強度と剛性がえられるからである。
基部には、床や路面等の接地面からの反力を検出しＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）の位置を測定するための６軸力覚センサが配設され、歩行ロボットの脚部の足底に取付けられる。
足底支持部は略円柱状や略楕円柱状のほか、三角柱状、四角柱状、六角柱状等の多角柱状に形成し摺動自在に支持するか、或いはそれらを略Ｌ字型に折り曲げ、その端部を回動自在に軸支する。これにより、基部の底面より下方に突出した足底支持部が路面等の接地面に接地した際に、足底支持部の一端部を足底からの突出量が減少するように上方に移動させることができ、接地面の凹凸に倣うことができる。
足底支持部の端部が基部の中心から等距離となるように同一円周上に等間隔で配設した場合、足底支持部によって形成される支持多角形が、正三角形や正方形等の正多角形となるので、各足底支持部によって均一に脚部を支持することができ、接地時の安定性を向上させることができる。

接地センサとしては、基部又は足底支持部に配設し、足底支持部の摺動又は回動を検出するものや、或いは足底支持部の接地側の端部に配設し、足底支持部と接地面との接地を検出するもの等が用いられる。
足底支持部の下端には合成ゴム等で略円柱状や略半球状等に形成した接地用突部を配設してもよい。これにより、足底支持部の下端を保護することができる。特に足底支持部の下端に接地センサが配設されている場合は、接地センサの接地部以外の外周部等を足底支持部や接地用突部で覆うようにして接地センサを保護することができ、破損を防止することができるので信頼性に優れる。
また、接地センサを含む足底支持部の下端全体を覆うように略有底円筒状等に形成された摺動ケースを足底支持部に摺動自在に取付けた場合、接地時の足部の接地角度によらず摺動ケースを上方に摺動させることができ、摺動ケースの摺動に反応させて接地センサによる足底支持部と接地面との接地を検知することができる。これにより、足部の接地角度による接地センサの検出不良を防止でき、信頼性を向上させることができる。

ロック機構としては、全ての足底支持部が接地した時に接地センサからの信号に従って、アクチュエータを駆動し、アクチュエータによりブレーキ部を摺動又は回動させ、足底支持部の上端や側面に形成又は配設された当接部にブレーキ部を当接させ、機械的な固定或いは摩擦力による固定を行うものが好適に用いられる。足底支持部の制動を解除する際には、全ての足底支持部が接地面から離れた時に同時に行うようにしてもよいし、各足底支持部が接地面から離れた時に個別に行うようにしてもよい。
尚、足底支持部を常に基部の底面側に付勢するばね等の押圧部材を備えた場合、ロック機構が解除されると同時に、自動的に押圧部材の復元力により足底支持部を基部の底面から突出させることができ、足底支持部を初期状態に復帰させることができる。
この多点接地型足部支持機構は既存の歩行ロボットの足部に容易に取付けることができ、３以上の足底支持部を有することにより、各足底に確実に支持多角形を形成して多角点支持することができるので、車輪移動式のロボットで侵入できない凹凸の激しい場所や多脚のロボットに必要な広い支持基底面を確保できない場所で歩行を行う２足歩行ロボットに対し特に有用であるが、４足や６足等の他脚の歩行ロボットに対して取付けることも可能である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の多点接地型足部支持機構であって、前記足底支持部が、下端部で接地する垂直支持部と、前記垂直支持部の上端部から略水平方向に延設された水平支持部と、前記水平支持部の端部に形成された軸支部と、を有し、前記基部が、前記各々の足底支持部の前記軸支部を回動自在に軸支する回動支持部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）足底支持部が下端部で接地する垂直支持部と垂直支持部の上端部から略水平方向に延設された水平支持部を有し、水平支持部の端部に形成された軸支部において、基部に形成された回動支持部により回動自在に軸支されていることにより、足底支持部の垂直支持部の下端部が接地した際に、各々の足底支持部が軸支部を支点として回動し、足底支持部が受動的に接地面の凹凸にならって足底からの突出量が減少する方向（上方）に移動することができ、仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができる。

ここで、押圧部材として足底支持部の軸支部にねじりコイルばねを配設し、常に垂直支持部の下端が基部の底面より下方に突出する方向（下方）に付勢してもよい。これにより、ロック機構が解除されると同時に、自動的に押圧部材の復元力により足底支持部の垂直支持部を基部の底面から突出させるように足底支持部を回動させることができ、足底支持部を初期状態に復帰させることができる。
また、各々の足底支持部の水平支持部を基部の中心から放射状に配置した場合、各足底支持部で均一に脚部を支持することができ、接地時の安定性に優れる。特に、足底支持部を等角度毎に配設した場合、足底支持部によって形成される支持多角形が、正三角形や正方形等の正多角形となり、接地安定性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の多点接地型足部支持機構であって、前記接地センサが、前記足底支持部の前記垂直支持部の下端部に配設された構成を有している。
この構成により、請求項２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）接地センサが足底支持部の垂直支持部の下端部に配設されていることにより、足底支持部の垂直支持部の下端部が路面等の接地面に接地した際に、直接、接地したかどうかを検出することができるので、接地の有無をより確実に認識することができ、ロック機構の誤作動を防止することができ、脚部を安定して支持することができる。

ここで、接地センサは接地部が路面等の接地面に接地した際に、足底支持部が接地したことを検出する。接地センサの接地部としては、センサ表面に突設されたピンが直接、接地面に当接してスイッチングを行う押しボタン形のものや、センサ表面に一端が回動自在に支持された板ばねの他端が、接地面に当接して揺動することによりセンサ表面の接点に接触してスイッチングを行うヒンジレバー形のもの等がある。ヒンジレバー形の場合、接地面に当接する側の端部には接地面側に突起部を形成又は配設することが好ましい。これにより、より確実に板ばねの端部を接地面に当接させることができ、板ばねを揺動させることができ、スイッチング動作の安定性に優れる。特に、突起部が回転自在に配設されたローラの場合、足底支持部の回動に伴ってローラが接地面を滑るようにして移動することができ、板ばねに余分な負荷をかけることがなく、スイッチング動作の安定性を向上させることができる。尚、接地センサの接地部は歩行時に先に接地する垂直支持部の基部側（踵側）に配置する。これにより、確実に接地センサの接地部を接地面に当接させスイッチングを行うことができ、接地センサの動作安定性に優れる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の多点接地型足部支持機構であって、前記接地センサが前記足底支持部の前記水平支持部の下部に配設されると共に、前記基部に固定され前記接地センサの下方に配設されたセンサ当接部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）接地センサが足底支持部の水平支持部に配設され、センサ当接部への当接の有無により足底支持部の下端部の接地による足底支持部の回動を検知することができるため、接地面の形状や小石等の障害物の有無等によらず接地センサが確実に作動し、作動の確実性及び安定性を向上できる。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４の内いずれか１項に記載の多点接地型足部支持機構であって、前記各々の足底支持部が、前記水平支持部の端部に形成された略円弧状の当接部を有し、前記ロック機構が、（ａ）前記各々の足底支持部の前記当接部に当接する上方に拡開した傾斜部が下端に形成されたブレーキ部と、（ｂ）前記ブレーキ部に連設され前記ブレーキ部を上下方向に摺動させるアクチュエータと、を備えた構成を有している。
この構成により、請求項２乃至４の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）足底支持部の水平支持部の端部に略円弧状の当接部が形成され、ロック機構が下端に傾斜部が形成されたブレーキ部とブレーキ部に連設されたアクチュエータを有するので、足底支持部が接地した際に、ロック機構のアクチュエータによりブレーキ部を上下方向に摺動させることができ、ブレーキ部の傾斜部を足底支持部の当接部に当接させることができ、確実に足底支持部の回動を防止することができ、足底支持部による多角点支持を行なって脚部を安定して支持することができる。
（２）足底支持部の水平支持部の当接部が略円弧状に形成され、ロック機構のブレーキ部の傾斜部が上方に拡開して形成されているので、足底支持部の回動量によらず、足底支持部の水平支持部の当接部にブレーキ部の傾斜部を確実に当接させることができ、足底支持部の回動を防止して保持することができる。
（３）アクチュエータがブレーキ部を上下方向に摺動させるように配置することにより、ロック機構の設置スペースを狭くすることができ、省スペ−ス性に優れ、多点接地型足部支持機構の小型軽量化を図ることができる。

ここで、アクチュエータとしては、ガス圧や油圧等でシリンダを駆動させるものや電磁式のソレノイド等を用いることができる。ソレノイドは小型軽量で省スペース性に優れ、特に、上下両方向にブレーキ部を動作可能な双安定自己保持型ソレノイドは、ブレーキ部による制動時（降下時）と制動解除時（上昇時）の両方にソレノイドの吸引力を使用することができ、高速なブレーキ部の上下動を行うことができ、好適に用いられる。また、双安定自己保持型ソレノイドは磁石を内蔵しているため、通電をしていなくても磁石の反発力によりロックをかける方向に力が働き、より確実にロックをすることができ信頼性に優れると共に、制動時と制動解除時のみに通電すればよいので省エネルギー性に優れる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の多点接地型足部支持機構であって、前記ブレーキ部に配設された弾性体上部止着部と、前記基部に配設された弾性体下部止着部と、上端部が前記弾性体上部止着部に止着され下端部が前記弾性体下部止着部に止着された弾性体と、を備えた構成を有している。
この構成により、請求項５の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）制動解除動作時においてブレーキ部が上方へ摺動することにより伸長された弾性体の復元力により、制動動作時においてブレーキ部を迅速に下方へ摺動させることができ、迅速に制動動作を行うことができ応答速度を向上できる。
（２）制動動作時の状態（ブレーキ部の傾斜部を足底支持部の当接部に当接させた状態）においても弾性体の復元力が働くように調整することで、制動動作中は常にブレーキ部の傾斜部を足底支持部の当接部に復元力で押圧できるので、足底支持部を強固にロックすることができる。

ここで、弾性体としては、引張りばねや引張りコイルばね等が用いられる。
なお、制動動作時の状態で弾性体の復元力が働くようにするためには、制動動作時のブレーキ部が下方へ摺動した状態において、伸長した弾性体が各止着部間に止着されるように弾性体の長さや各止着部間の距離を調整する。

本発明の請求項７に記載の多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットは、左右の足部と、前記左右の足部の足底にそれぞれ配設された請求項１乃至６の内いずれか１項の多点接地型足部支持機構と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）左右の足部の足底にそれぞれ多点接地型足部支持機構が配設されているので、左右の足部の内、歩行時に接地した足部の多点接地型足部支持機構により、凹凸や段差等がある複雑な接地面においても、足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができ、２足歩行ロボットの脚部を確実に支持することができ、転倒を回避して安定した歩行を継続することすることができる。
（２）２足歩行ロボットのＺＭＰ制御を行う場合、通常、接地面は水平な平坦面であると仮定し、ＺＭＰが支持多角形内に存在するように歩行パターンを設定するため、従来の剛体平板の足底では、接地面の傾斜面や凹凸を踏んだ場合は歩行ロボットが認識する支持多角形と実際の支持多角形とが大きく異なってしまい、歩行が不安定になって最終的には転倒してしまうが、各々の足底支持部が受動的に接地面にならって接地することにより、接地面に凹凸があっても２足歩行ロボットが認識する支持多角形と実際の支持多角形とを常に略一致させることができるので、設定した歩行パターン通りの安定した歩行を行うことができる。

ここで、２足歩行ロボットは、脚部にシリアルリンク機構部又はパラレルリンク機構部を有する。パラレルリンク機構部はベース部に配設された受動ジョイントと左右の足部にそれぞれ配設された受動ジョイントとの間に各々配設される。各々のパラレルリンク機構部を２本のリンクを１組としてＶ字形状に配設し、それを３組配設したスチュワートプラットフォームにより構成した場合、安定性及び剛性に優れると共に、動作制御を簡便化することができる。
リンクとしては、モータを用いた送り螺子機構を有するものや、油圧、水圧、空気圧シリンダや直動型アクチュエータ等を用いた直動リンクや、２以上の棒状部材を駆動関節により連結したもの等種々のものが用いられる。なお、直動リンクを用いた場合、各々の直動リンクはその軸方向へ伸縮するため互いに干渉することがなく装置の小型化が可能であり好ましい。

受動ジョイントとしては、ユニバーサルジョイント、ボールジョイント、又は２軸の軸継手、或いはこれらと１軸或いは２軸の軸継手の組合せ等を各々適宜ベース側や左右の足部に配置して用いられる。なお、ユニバーサルジョイントを用いた場合、ボールジョイントに比べ可動範囲が広くなるため好ましい。
左右の脚部に用いられる各々のパラレルリンク機構部をベース部の中央の両側に対称に配設し、また、パラレルリンク機構部に用いられるリンクも、左右の脚部で同様に対称に配設した場合、歩行動作制御を行うためのＺＭＰ制御が可能であり、歩行動作時の安定性に優れる。

本発明の請求項８に記載の２足歩行ロボットの制御構造は、左右の足部と、前記左右の足部の足底にそれぞれ配設された多点接地型足部支持機構と、を有し、前記多点接地型足部支持機構が前記足底から一端部が突出して配設され接地時にそれぞれ独立して受動的にその突出量が減少する３以上の足底支持部と、前記各々の足底支持部の接地を検出する接地センサと、前記各々の足底支持部の運動を制動するロック機構と、を備え、前記左右の足部を上下動させて歩行する２足歩行ロボットの制御構造であって、前記左右の足部のそれぞれについて、前記多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面に接地したことを前記接地センサで検出した時に前記ロック機構により前記全ての足底支持部の運動を制動し、接地した前記足部の前記足底を多角点支持すると共に、前記多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面から離れたことを前記接地センサで検出した時に前記ロック機構を解除して前記全ての足底支持部の制動を解除する構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）左右の足部のそれぞれについて、多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面に接地したことを接地センサで検出した時にロック機構により全ての足底支持部の運動を制動し、接地した足部の足底に仮想的な支持多角形を形成して多角点支持するので、２足歩行ロボットの歩行時に左右の足部のいずれか一方のみが接地している状態でも、接地した足部によって２足歩行ロボットを確実に支持することができ、ＺＭＰ制御を行って安定した歩行を行うことができる。
（２）左右の足部のそれぞれが、多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面に接地したことを接地センサで検出した時にロック機構により全ての足底支持部の運動を制動し、多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面から離れたことを接地センサで検出した時にロック機構を解除して全ての足底支持部の制動を解除するので、接地した足部の足底に支持多角形が形成された段階で確実に接地した足部に重心を移動させ多角点支持することができ、歩行動作の安定性を向上させることができ、２足歩行ロボットの転倒を防止することができる。

以上のように、本発明の多点接地型足部支持機構及びそれを備えた２足歩行ロボット並びにその制御方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）足底に配設される基部の底面より下方に一端部が突出して配設され、接地時にそれぞれ独立して上方に移動する摺動自在又は回動自在に支持された３以上の足底支持部を有することにより、各々の足底支持部が受動的に接地面の凹凸にならって足底からの突出量が減少する方向に移動するので、接地センサが全ての足底支持部の接地を検出した時に、ロック機構により全ての足底支持部の運動を制動することで足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができ、脚部を確実に支持することができ、転倒を回避することができる信頼性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（２）各々の足底支持部が受動的に接地面の凹凸にならって接地することにより、接地時における足底の基部を常に略水平にすることができ、これに伴って歩行ロボットの胴体や腰の位置や姿勢を設定した通りに制御することができる歩行安定性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（３）基部又は各々の足底支持部に配設された接地センサにより、各々の足底支持部の接地を個別に検出することで、確実に全ての足底支持部の接地を確認することができ、ロック機構による全ての足底支持部の運動を制動することができる確実性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（４）足底支持部が基部に摺動自在又は回動自在に支持されているので、足底支持部の一端部が路面等の接地面に接地した際に、接地面の凹凸によらず各々の足底支持部を容易かつ確実に足底の上方に摺動又は回動させることができ、足底が接地面の凸部に引っ掛かることがなく、ロック機構により全ての足底支持部の運動を制動することができ、足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができる確実性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（５）足底支持部が基部に配設されているので、足部支持機構を一体的に取り扱うことができ、既存の歩行ロボットの脚部の足底に容易に取付けを行うことができ、歩行ロボットの歩行動作の安定性を向上させることができる組立て性、生産性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（６）３以上の足底支持部を有することにより、足底に確実に平坦な接地面と同等の広さの支持多角形を形成して多角点支持することができるので、歩行ロボットの脚部を安定して支持することができ、特に２足歩行ロボットに対し好適に用いることができる実用性、信頼性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）足底支持部が下端部で接地する垂直支持部と垂直支持部の上端部から略水平方向に延設された水平支持部を有し、水平支持部の他端部に形成された軸支部において、基部に形成された回動支持部により回動自在に軸支されていることにより、足底支持部の垂直支持部の下端部が接地した際に、各々の足底支持部が軸支部を支点として回動し、足底支持部が受動的に接地面の凹凸にならって足底からの突出量が減少する方向（上方）に移動することができ、仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができる歩行動作安定性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）接地センサが足底支持部の垂直支持部の下端部に配設されていることにより、足底支持部の垂直支持部の下端部が路面等の接地面に接地した際に、直接、接地したかどうかを検出することができるので、接地の有無をより確実に認識することができ、ロック機構の誤作動を防止することができ、脚部を安定して支持することができる信頼性、確実性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項２の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）接地センサにより足底支持部の下端部の接地による足底支持部の回動を検知することができるため、接地面の形状や小石等の障害物の有無等によらず接地センサが確実に作動する作動の確実性及び安定性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項２乃至４の内いずれか１項の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）足底支持部の水平支持部の他端部に略円弧状の当接部が形成され、ロック機構が一端に傾斜部が形成されたブレーキ部とブレーキ部の他端に連設されたアクチュエータを有するので、足底支持部が接地した際に、ロック機構のアクチュエータによりブレーキ部を上下方向に摺動させることができ、ブレーキ部の傾斜部を足底支持部の当接部に当接させることができ、確実に足底支持部の運動を制動することができ、脚部を安定して支持することができる信頼性、確実性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（２）足底支持部の水平支持部の当接部が略円弧状に形成され、ロック機構のブレーキ部の傾斜部が上方に拡開して形成されているので、足底支持部の回動量によらず、足底支持部の水平支持部の当接部にブレーキ部の傾斜部を確実に当接させることができ、足底支持部の回動を防止し制動することができる動作安定性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（３）アクチュエータがブレーキ部を上下方向に摺動させるように配置することにより、ロック機構の設置スペースを狭くすることができる小型軽量で省スペ−ス性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項５の効果に加え、以下のような効果を有する。
（１）制動解除動作時において伸長された弾性体の復元力により、制動動作時においてブレーキ部を迅速に下方へ摺動させることができ、迅速に制動動作を行うことができる応答速度の優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。
（２）制動動作時の状態においても弾性体の復元力が働くように調整することで、制動動作中において常にブレーキ部を足底支持部の当接部に復元力で押圧できるので、足底支持部を強固にロックすることができる信頼性、確実性に優れた多点接地型足部支持機構を提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）左右の足部の足底にそれぞれ多点接地型足部支持機構が配設されているので、左右の足部の内、歩行時に接地した足部の多点接地型足部支持機構により、凹凸や段差等がある複雑な接地面においても、足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成することができ、脚部を確実に支持することができ、転倒を回避することができる歩行時の安定性に優れた多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットを提供することができる。
（２）２足歩行ロボットのＺＭＰ制御を行う場合、各々の足底支持部が受動的に接地面にならって接地することにより、接地面に凹凸があっても２足歩行ロボットが認識する支持多角形と実際の支持多角形とを常に略一致させることができるので、設定した歩行パターン通りの安定した歩行を行うことができる２足歩行ロボットを提供することができる。

請求項８に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）左右の足部のそれぞれについて、多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面に接地したことを接地センサで検出した時にロック機構により全ての足底支持部の運動を制動し、接地した足部の足底を多角点支持するので、２足歩行ロボットの歩行時に左右の足部のいずれか一方のみが接地している状態でも、接地した足部によって２足歩行ロボットを確実に支持することができ、ＺＭＰ制御を行って安定した歩行を行うことができる信頼性に優れた２足歩行ロボットの制御構造を提供することができる。
（２）左右の足部のそれぞれが、多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面に接地したことを接地センサで検出した時にロック機構により全ての足底支持部の運動を制動し、多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面から離れたことを接地センサで検出した時にロック機構を解除して全ての足底支持部の制動を解除するので、接地した足部の足底に仮想的な支持多角形が形成され多角点支持された段階で確実に接地した足部に重心を移動させることができる歩行動作の安定性に優れた２足歩行ロボットの制御構造を提供することができる。

本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構を示す斜視図である。 （ａ）足底支持部及びロック機構を示す要部断面側面図（ｂ）足底支持部の制動状態を示す要部断面側面図である。 本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットを示す斜視図である。 ベース部受動ジョイントの要部斜視図である。 足部受動ジョイントの要部斜視図である。 多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットの歩行状態を示す足部の拡大側面図である。 実施の形態２における多点接地型足部支持機構の足底支持部及びロック機構を示す要部斜視図である。 （ａ）足底支持部及びロック機構を示す要部断面側面図（ｂ）足底支持部の固定状態を示す要部断面側面図である。

符号の説明

１ 本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構
２ 基部
２ａ 力覚センサ収容部
２ｂ 位置決め孔
２ｃ ボルト挿通孔
２ｄ 底面
２ｅ 回動支持部
２ｆ リブ
３ 足底支持部
３ａ 垂直支持部
３ｂ 水平支持部
３ｃ 下端部
３ｄ 軸支部
３ｅ 当接部
４ 接地センサ
４ａ センサ固定孔
４ｂ センサ表面
４ｃ 接点
４ｄ 接地部
４ｅ ローラ
４ｆ 接続端子
５ ロック機構
５ａ アクチュエータ
５ｂ 摺動部
６ ブレーキ部
６ａ 傾斜部
６ｂ 背面部
７ 接続シャフト
８ ブレーキ当接部
８ａ 摩擦材
１０ ２足歩行ロボット
１１ ベース部
１２ａ、１２ｂ 足部
１３ パラレルリンク機構部
１３ａ、１３ｂ 直動リンク
１４ ベース部受動ジョイント
１５ 足部受動ジョイント
１６ａ ベース部上部継手
１６ｂ 上部継手軸
１６ｃ ベース部下部継手
１６ｄ 下部継手軸
１６ｅ 連結回動部
１７ａ 第１の足部上部継手
１７ｂ 第２の足部上部継手
１７ｃ 上部継手軸
１７ｄ 足部下部継手
１７ｅ 下部継手軸
１７ｆ 連結回動部
１８ 基部
１８ａ 基部軸
２０ 接地面
２０ａ 傾斜面
２２ 保持部
２２ａ 弾性体下部止着部
２３ 足底支持部
２３ａ 垂直支持部
２３ｂ 水平支持部
２３ｃ 下端部
２３ｄ 軸支部
２３ｅ 当接部
２４ 接地センサ
２４ａ 可動部
２４ｂ 下端面
２５ ロック機構
２５ａ アクチュエータ
２５ｂ 摺動部
２６ ブレーキ部
２６ａ 弾性体上部止着部
２６ｂ 傾斜部
２６ｃ 背面部
２７ 弾性体
２８ ブレーキ当接部
２８ａ 摩擦材
２９ 底壁部
２９ａ センサ当接部

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構について、以下図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構を示す斜視図である。
図１中、１は本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構、２はアルミニウム合金等の金属製で外形が略矩形状等の多角形や円形に形成された多点接地型足部支持機構１の基部、２ａは略有底円筒状等に形成され床や路面等の接地面からの反力を検出しＺＭＰの位置を測定するための６軸力覚センサ（図示せず）が収容される基部２の力覚センサ収容部、２ｂは力覚センサ収容部２ａの底面に穿設され６軸力覚センサの位置決めを行うための位置決めピンが挿通される２箇所の位置決め孔、２ｃは力覚センサ収容部２ａの底面に穿設され６軸力覚センサをねじ止めにより固定する固定ボルトが挿通される４箇所のボルト挿通孔、２ｄは基部２の底面、２ｅは基部２の四隅に配設された回動支持部、２ｆは底面２ｄに立設され底面２ｄを補強すると共に各部を収容するリブ、３は垂直支持部３ａと垂直支持部３ａの上端部から折曲され略水平方向に延設された水平支持部３ｂを有する略Ｌ字形に形成され垂直支持部３ａの下端部３ｃが基部２の底面２ｄより下方に突出して配設され水平支持部３ｂの端部がそれぞれ回動支持部２ｅにより回動自在に軸支された４つの足底支持部、４は４つの足底支持部３の垂直支持部３ａの下端部３ｃにそれぞれ配設若しくは収納され足底支持部３の下端部３ｃが接地したことを検出する接地センサ、５は基部２の四隅に配設され４つの接地センサ４により全ての足底支持部３の接地を検出した時に全ての足底支持部３の運動を制動するロック機構である。

基部２に６軸力覚センサが収容される力覚センサ収容部２ａを有し、力覚センサ収容部２ａの底面に６軸力覚センサの位置決めを行うための位置決めピンが挿通される２箇所の位置決め孔２ｂ及び６軸力覚センサをねじ止めにより固定する固定ボルトが挿通される４箇所のボルト挿通孔２ｃが穿設されているので、容易に力覚センサ収容部２ａに６軸力覚センサを位置決めし、固定することができる。これにより、６軸力覚センサを介して既存の２足歩行ロボット等の足部に多点接地型足部支持機構１を取付けることができ、床や路面等の接地面からの反力を検出しＺＭＰの位置を測定することができる。
基部２及び力覚センサ収容部２ａの形状を変更するだけで、種々の形状の２足歩行ロボット等の足部に多点接地型足部支持機構１を取付けることができ、汎用性に優れる。

次に、足底支持部及びロック機構の詳細について説明する。
図２（ａ）は足底支持部及びロック機構を示す要部断面側面図であり、図２（ｂ）は足底支持部の固定状態を示す要部断面側面図である。
図２中、３ｄは足底支持部３の水平支持部３ｂの端部に形成され基部２の回動支持部２ｅにより回動自在に軸支された軸支部、３ｅは足底支持部３の水平支持部３ｂの端部に形成された略円弧状の当接部、４ａは足底支持部３の垂直支持部３ａの端部に接地センサ４を嵌装固定するためのセンサ固定孔、４ｂは接地センサ４のセンサ表面、４ｃは接地センサ４のセンサ表面４ｂに突設された接点、４ｄはセンサ表面４ｂに一端が揺動自在に支持され他端に配設されたローラ４ｅが接地面２０に当接することにより揺動しセンサ表面４ｂの接点４ｃに接触してスイッチングを行うヒンジレバー形の板ばねからなる接地部、４ｅは接地部４ｄの他端部の接地面２０側に配設されたローラ、４ｆは接地センサ４を電気接続するための接続端子、５ａは双安定自己保持型ソレノイドを用いたロック機構５のアクチュエータ、５ｂは接地センサ４からのＯＮ／ＯＦＦ信号に伴って上下動するアクチュエータ５ａの摺動部、６はアクチュエータ５ａの摺動部５ｂに配設され上下に摺動することにより足底支持部３の制動解除（上昇時）と制動（降下時）を行う略楔形に形成されたブレーキ部、６ａはブレーキ部６の下部の足底支持部３側が下端にいくにつれ肉薄（傾斜）に形成されブレーキ部６の降下時に水平支持部３ｂの当接部３ｅに当接して足底支持部３の運動を制動する傾斜部、６ｂはブレーキ部６の背面部、７は摺動部５ｂとブレーキ部６とを接続する接続シャフト、８はロック機構５のアクチュエータ５ａの側部に立設されたブレーキ当接部、８ａはブレーキ当接部８のブレーキ部６側の面に貼設された摩擦材である。
ここで、足底支持部３の下端部３ｃは踵側が低くなるように傾斜して形成され、接地センサ４のローラ４ｅは下端部３ｃの踵側（基部２側）に配設されている。これにより、接地センサ４のローラ４ｅを確実に接地面２０に接地させることができ、接地部４ｄを揺動させてスイッチングを行うことができ、接地センサ４の動作安定性に優れる。
また、摩擦材８ａとしては、合成樹脂製やゴム製のシート材が用いられる。特に、耐磨耗性に優れると共に摩擦特性の良いクロロプレンゴムやふっ素ゴム、エチレンゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム等が用いられる。特に、硬度の大きいクロロプレンゴムを用いることが好ましい。摩擦材８ａの硬度が小さいと制動動作時に摩擦材８ａが圧縮され、その圧縮分だけ足底支持部３が動いてしまい、歩行動作の安定性が悪くなる等の悪影響を及ぼすためである。

以上のように構成された本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構について、以下その動作を説明する。
多点接地型足部支持機構１の１組の足底支持部３及びロック機構５を用いて説明する。
まず、足底支持部３の制動動作について説明する。
図２（ｂ）において、多点接地型足部支持機構１が下降すると、足底支持部３の下端部３ｃに配設された接地センサ４のローラ４ｅが接地面２０に接触する。ローラ４ｅが接地面２０に接触することにより、接地センサ４の接地部４ｄが上方に回動し、センサ表面４ｂの接点４ｃに接触し、接地面２０に接地したことを検出して信号を発する。
接地センサ４からの信号は接続端子４ｆから図示しない配線を通って制御部（図示せず）へ送られる。
全ての接地センサ４から接地したことの信号を受取った制御部は、同時に全てのロック機構５のアクチュエータ５ａに足底支持部３の運動を制動してその状態を保持するように指示する。
アクチュエータ５ａの摺動部５ｂが下方に摺動することにより、ブレーキ部６の傾斜部６ａが当接部３ｅに当接する。また、ブレーキ部６は当接部３ｅにより背面側へ押圧され、背面部６ｂがブレーキ当接部８の摩擦材８ａに当接する。これにより、足底支持部３が軸支部３ｄを中心に上方に回動するのを防止して足底支持部３の運動を制動する。
全ての足底支持部３の運動を制動することにより、足底の４点接地が略矩形状の支持多角形を形成する。各足底支持部３が独立して動作するので、各足底支持部３が接地面２０の凹凸や傾斜にならって動作することができ、全ての足底支持部３が接地した時に同時に全ての足底支持部３の運動を制動し、接地後は確実に支持多角形を形成して脚部を支持することができる。
なお、足底支持部３の制動動作前においては、図２（ａ）に示すようにブレーキ部６の背面部６ｂとブレーキ当接部８の摩擦材８ａとの間に僅かに隙間が形成され、ブレーキ部６と摩擦材８ａは離隔して配設されている。これにより、ブレーキ部６の下降途中に背面部６ｂが摩擦材８ａに当接して下降動作を妨げることを防止できる。また、ブレーキ部６が所定位置まで下降し当接部３ｅに当接すると、ブレーキ部６は当接部３ｅに押圧される。ブレーキ部６は接続シャフト７に遊着されているので押圧により背面部６ｂが摩擦材８ａに当接する。

次に、足底支持部３の制動解除動作について説明する。
多点接地型足部支持機構１が上昇すると、足底支持部３の下端部３ｃに配設された接地センサ４のローラ４ｅが、接地部４ｄのばね性により接地部４ｄと共に下方に揺動して初期位置に復帰する。なお、足底支持部３の下端部３ｃが接地面２０から離れると、足底支持部３は自重により軸支部３ｄを中心に下方に回動し、ブレーキ部６の傾斜部６ａが足底支持部３の当接部３ｅから離れると共に、背面部６ｂがブレーキ当接部８の摩擦材８ａから離れる。
接地センサ４の接地部４ｄとセンサ表面４ｂの接点４ｃが非接触の状態になることにより、各接地センサ４から制御部へ送られていた信号が途切れる。
全ての接地センサ４からの信号が途切れた制御部は、同時に全てのロック機構５のアクチュエータ５ａに足底支持部３の制動を解除するように指示し、アクチュエータ５ａの摺動部５ｂが上方に摺動する。
このようにして、足底支持部３の制動が解除される。

以上のように構成された本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットについて、図面を用いて説明する。
図３は本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットを示す斜視図であり、図４はベース部受動ジョイントの要部斜視図であり、図５は足部受動ジョイントの要部斜視図である。
図中、１０は本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構１を備えた２足歩行ロボット、１１は２足歩行ロボット１０のベース部、１２ａ、１２ｂは略三角形状に形成され足底に多点接地型足部支持機構１が配設された２足歩行ロボット１０の左右の足部、１３は２本の直動リンク１３ａ、１３ｂを１組としてＶ字形状に配設された２足歩行ロボット１０のパラレルリンク機構部、１４はベース部１１の左右にそれぞれ３箇所ずつ互いに対称に配設され３組のパラレルリンク機構部１３の上端と連結された２自由度を有するベース部受動ジョイント、１５は左右の足部１２ａ、１２ｂにそれぞれ３箇所ずつ互いに対称に配設され３組のパラレルリンク機構部１３の下端と連結された３自由度を有する足部受動ジョイントである。
図４において、１６ａはベース部２の下部に固定されたコ字形状のベース部上部継手、１６ｂはベース部上部継手１６ａの立設された対向辺に架設された上部継手軸、１６ｃは直動リンク１３ａ，１３ｂの上端部に固定されたコ字形状のベース部下部継手、１６ｄはベース部下部継手１６ｃの立設された対向辺に架設されベース部下部継手１６ｃを回動自在に軸支する下部継手軸、１６ｅは上部継手軸１６ｂと下部継手軸１６ｄを直交させて連結する連結回動部である。
図５において、１７ａは直動リンク１３ａの下端部に連結されたコ字形状の第１の足部上部継手、１７ｂは直動リンク１３ｂの下端部に連結されたコ字形状の第２の足部上部継手、１７ｃは第１の足部上部継手１７ａと第２の足部上部継手１７ｂの立設された対向辺に架設され第１の足部上部継手１７ａと第２の足部上部継手１７ｂを連結し各々回動自在に軸支する上部継手軸、１７ｄは後述の基部を介して足部１２ａ，１２ｂに連結されたコ字形状の足部下部継手、１７ｅは足部下部継手１７ｄの立設された対向辺に架設された下部継手軸、１７ｆは上部継手軸１７ｃと下部継手軸１７ｅを直交させて連結する連結回動部、１８は足部１２ａ，１２ｂ上に固定された基部、１８ａは基部１８に対して足部下部継手１７ｄを回動自在に軸支する基部軸である。

図４に示すように、ベース部下部継手１６ｃは、ベース部上部継手１６ａに対して、上部継手軸１６ｂと下部継手軸１６ｄの軸周方向に回動する。これにより、ベース部受動ジョイント１４は、直動リンク１３ａ，１３ｂの長手方向に直交する上部継手軸１６ｂと下部継手軸１６ｄの軸周方向に２自由度を有するので、直動リンク１３の伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。
また、図５に示すように、第１の足部上部継手１７ａ及び第２の足部下部継手１７ｂは、足部下部継手１７ｄに対して、上部継手軸１７ｃと下部継手軸１７ｅの軸周方向に回動する。また、足部下部継手１７ｄは、基部１８に対して、基部軸１８ａの軸周方向に回動する。これにより、足部受動ジョイント１５は、直動リンク１３ａ，１３ｂの長手方向に直交する上部継手軸１７ｃと下部継手軸１７ｅの軸周方向に２自由度を有すると共に、直動リンク１３ａ，１３ｂの軸方向の基部軸１８ａの軸周方向に１自由度を有するので、直動リンク１３ａ，１３ｂの伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。

２足歩行ロボット１０は、各々のパラレルリンク機構部１３が、２本の直動リンク１３ａ、１３ｂを１組としてＶ字形状に配設され、それが３組配設されたスチュワートプラットフォームにより構成されていることにより、安定性及び剛性に優れると共に、動作制御を簡便化することができる。また、パラレルリンク機構部１３のリンクとして直動リンク１３ａ、１３ｂを用い、受動ジョイントとしてベース部受動ジョイント１４及び足部受動ジョイント１５を用いたことにより、各々の直動リンク１３ａ、１３ｂがその軸方向へ伸縮するため互いに干渉することがなく、小型化が可能である。
ベース部受動ジョイント１４、足部受動ジョイント１５は図４及び図５に示したものの他、それぞれユニバーサルジョイント、ボールジョイント、又は２軸の軸継手、或いはこれらと１軸或いは２軸の軸継手を組合せたもの等を用いることができる。なお、ユニバーサルジョイントを用いた場合、ボールジョイントに比べ可動範囲が広くなるため好ましい。
なお、左右の脚部に用いられる各々のパラレルリンク機構部１３は、ベース部１１の両側に互いに対称に配設し、パラレルリンク機構部１３に用いられる直動リンク１３ａ、１３ｂも、それぞれ左右の脚部で同様に対称に配設した。これにより、歩行動作制御を行うためのＺＭＰ制御が可能であり、歩行動作時の安定性に優れる。

以上のように構成された本発明の実施の形態１における多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットの制御構造について、図面を用いて説明する。
図６は多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットの歩行状態を示す足部の拡大側面図である。
図６中、２０ａは接地面２０の傾斜面である。
左右の足部１２ａ、１２ｂにそれぞれ多点接地型足部支持機構１を備えた２足歩行ロボット１０が傾斜面２０ａを有する接地面２０上を歩行する際に、左右の足部１２ａ、１２ｂのそれぞれについて、多点接地型足部支持機構１の全ての足底支持部３が接地面２０（２０ａ）に接地したことを接地センサ４で検出した時にロック機構５により全ての足底支持部３の運動を制動する。
これにより、接地面２０が傾斜面２０ａを有する場合でも、足部１２ａ，１２ｂは接地した足底に仮想的な支持多角形を形成して多角点支持される。２足歩行ロボット１０の歩行時に左右の足部１２ａ、１２ｂのいずれか一方のみが接地している状態でも、接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）によって２足歩行ロボット１０を確実に支持することができ、図示しない制御部によりＺＭＰ制御を行って安定した歩行を行うことができる。
また、多点接地型足部支持機構１の全ての足底支持部３が接地面２０（２０ａ）から離れたことを接地センサ４で検出した時にロック機構５を解除して全ての足底支持部３の制動を解除する。
これにより、接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）の足底に仮想的な支持多角形が形成された段階で確実に接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）にＺＭＰ制御に基づき重心を移動させ多角点支持することができるので、歩行動作の安定性を向上させることができる。

以上のように実施の形態１における多点接地型足部支持機構によれば、以下の作用を有する。
（１）歩行ロボットの足底に配設される基部２の底面２ｄより下方に端部が突出して配設され、接地時にそれぞれ独立して上方に回動する回動自在に支持された４つの足底支持部３を有することにより、各々の足底支持部３が受動的に接地面２０の凹凸にならって足底からの突出量が減少する方向に移動するので、接地センサ４が全ての足底支持部３の接地を検出した時に、ロック機構５により全ての足底支持部３の運動を制動することで足底を接地面が平坦な場合と同等の広さで多角点支持することができ、歩行ロボットの脚部を確実に支持することができ、転倒を回避することができる。
（２）各々の足底支持部３が受動的に接地面２０の凹凸にならって接地することにより、接地面２０に傾斜面２０ａや凹凸があっても接地時における足底の基部２を常に水平（又は水平に対して一定の角度）にすることができ、歩行ロボットの胴体や腰、足底の位置や姿勢を設定した通りに制御することができるので、安定した歩行を行うことができる。
（３）各々の足底支持部３に配設された接地センサ４により、各々の足底支持部３の接地を個別に検出することで、確実に全ての足底支持部３の接地を確認することができ、ロック機構５による全ての足底支持部３の運動を制動することができる。
（４）足底支持部３が基部２に回動自在に支持されているので、足底支持部３の下端部３ｃが路面等の接地面２０に接地した際に、接地面２０の凹凸によらず各々の足底支持部３を容易かつ確実に足底の上方に回動させることができ、足底が接地面２０の凸部に引っ掛かることがなく、ロック機構５により全ての足底支持部３の運動を制動することができ、足底を接地面が平坦な場合と同等の広さで多角点支持することができる。
（５）足底支持部３が基部２に配設されているので、足部支持機構１を一体的に取り扱うことができ、基部２の力覚センサ収容部２ａに収容される６軸力覚センサを介して既存の２足歩行ロボット等の脚部の足底に容易に取付けを行うことができ、歩行ロボットの歩行動作の安定性を向上させることができる。
（６）４つの足底支持部３を有することにより、接地面２０に傾斜面２０ａや凹凸があっても、足底に接地面が平坦な場合と同等の広さの支持多角形を形成して多角点支持することができるので、歩行ロボットの脚部を安定して支持することができ、特に２足歩行ロボットに対し好適に用いることができる。
（７）足底支持部３の端部が基部２の中心から等距離となるように同一円周上に等間隔で配設した場合、足底支持部３によって形成される支持多角形が正方形となるので、各足底支持部３によって均一に脚部を支持することができ、接地時の安定性を向上させることができる。
（８）基部２には６軸力覚センサが配設されるので、歩行ロボットの足部の足底に取付けた場合、床や路面等の接地面２０からの反力を検出することができ、その検出値に基づいてＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）の位置を測定することができ、簡単な構造でＺＭＰ制御を行うことができる。
（９）足底支持部３が下端部３ｃで接地する垂直支持部３ａと垂直支持部３ａの上端部から略水平方向に延設された水平支持部３ｂを有し、水平支持部３ｂの端部に形成された軸支部３ｄにおいて、基部２に形成された回動支持部２ｅにより回動自在に軸支されていることにより、足底支持部３の垂直支持部３ａの下端部３ｃが接地した際に、各々の足底支持部３が軸支部３ｄを支点として回動し、足底支持部３が受動的に接地面２０の凹凸にならって足底からの突出量が減少する方向（上方）に移動することができ、仮想的な支持多角形を形成して多角点支持することができる。
（１０）接地センサ４が足底支持部３の垂直支持部３ａの下端部３ｃに配設されていることにより、足底支持部３の垂直支持部３ａの下端部３ｃが路面等の接地面２０に接地した際に、直接、接地したかどうかを検出することができるので、接地の有無をより確実に認識することができ、ロック機構５の誤作動を防止することができ、脚部を安定して支持することができる。
（１１）足底支持部３の水平支持部３ｂの端部に略円弧状の当接部３ｅが形成され、ロック機構５が下端に傾斜部６ａが形成されたブレーキ部６とブレーキ部６に連設されたアクチュエータ５ａを有するので、足底支持部３が接地した際に、ロック機構５のアクチュエータ５ａにより摺動部５ｂを上下方向に摺動させることができ、ブレーキ部６の傾斜部６ａを足底支持部３の当接部３ｅに当接させると共に、背面部６ｂをブレーキ当接部８の摩擦材８ａに当接させることができ、ブレーキ部６が楔のように当接部３ｅとブレーキ当接部８の間に嵌り込むので、確実に足底支持部３の運動を制動することができ、脚部を安定して支持することができる。
（１２）足底支持部３の水平支持部３ｂの当接部３ｅが略円弧状に形成され、ロック機構５のブレーキ部６の傾斜部６ａが先端にいく程薄く形成されているので、足底支持部３の回動量によらず、水平支持部３ｂの当接部３ｅにブレーキ部６の傾斜部６ａを確実に当接させることができ、足底支持部３の回動を防止して制動することができる。
（１３）アクチュエータ５ａがブレーキ部６を上下方向に摺動させるように配置することにより、ロック機構５の設置スペースを狭くすることができ、省スペ−ス性に優れ、多点接地型足部支持機構１の小型軽量化を図ることができる。
（１４）アクチュエータ５ａとして、上下両方向にブレーキ部６を動作可能な双安定自己保持型ソレノイドを用いたので、ブレーキ部６による制動時（降下時）と制動解除時（上昇時）の両方にソレノイドの吸引力を使用することができ、高速なブレーキ部６の上下動を行うことができると共に、小型軽量で省スペース性に優れる。
（１５）ブレーキ当接部８に摩擦材８ａが貼設されているので、足底支持部３の制動時に大きな負荷や衝撃がかかってもブレーキ部６が滑って外れることを防止でき、確実性及び安定性に優れる。

実施の形態１における多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットによれば、以下の作用を有する。
（１６）ベース部１１と左右の足部１２ａ、１２ｂとの間にそれぞれ配設されたパラレルリンク機構部１３を有し、左右の足部１２ａ、１２ｂの足底にそれぞれ多点接地型足部支持機構１が配設されているので、左右の足部１２ａ、１２ｂの内、歩行時に接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）の多点接地型足部支持機構１により、凹凸や段差等がある複雑な接地面においても、足底に平坦な接地面と同等の広さの仮想的な支持多角形を形成することができ、２足歩行ロボット１０の脚部を確実に支持することができ、転倒を回避して安定した歩行を継続することができる。
（１７）すなわち、２足歩行ロボットのＺＭＰ制御を行う場合、通常、接地面は水平な平坦面であると仮定し、ＺＭＰが支持多角形内に存在するように歩行パターンを設定するため、従来の剛体平板の足底では、接地面の傾斜面や凹凸を踏んだ場合は歩行ロボットが認識する支持多角形と実際の支持多角形とが大きく異なってしまい、ＺＭＰが実際の支持多角形から外れたり、１歩の歩行では外れなくても２歩、３歩と歩行するうちに誤差が累積したりして、歩行が不安定になって最終的には転倒してしまう。本実施の形態１のように、各々の足底支持部３が受動的に接地面２０にならって接地することにより、接地面２０に傾斜面２０ａや凹凸があっても２足歩行ロボット１０が認識する支持多角形と実際の支持多角形とを常に略一致させることができるので、設定した歩行パターン通りの安定した歩行を行うことができる。
（１８）パラレルリンク機構部１３がベース部１１に配設されたベース部受動ジョイント１４と左右の足部１２ａ、１２ｂにそれぞれ配設された足部受動ジョイント１５との間に各々配設され、各々のパラレルリンク機構部１３が、２本の直動リンク１３ａ、１３ｂを１組としてＶ字形状に配設され、それが３組配設されたスチュワートプラットフォームにより構成されていることにより、安定性及び剛性に優れると共に、動作制御を簡便化することができる。
（１９）パラレルリンク機構部１３に直動リンク１３ａ、１３ｂを用いたことにより、各々の直動リンク１３ａ、１３ｂがその軸方向へ伸縮するため互いに干渉することがなく、２足歩行ロボット１０を小型化できる。
（２０）パラレルリンク機構部１３が各々６自由度を有することにより、左右の足部１２ａ、１２ｂが多様な動作を行うことができ、歩行動作を円滑に行うことができる。
（２１）左右の足部１２ａ、１２ｂのパラレルリンク機構部１３が対称に配設され、各々のパラレルリンク機構部１３が６自由度を有することにより、歩行動作時に２足歩行ロボット１０の腰軸に軸周方向のモーメントがかからないよう歩行制御を行うことができ、歩行時にベース部１１が腰軸の軸周方向に回動することがなく、安定した歩行が可能である。

実施の形態１における２足歩行ロボットの制御構造によれば、以下の作用を有する。
（２２）左右の足部１２ａ、１２ｂのそれぞれについて、多点接地型足部支持機構１の全ての足底支持部３が路面等の接地面２０（２０ａ）に接地したことを接地センサ４で検出した時にロック機構５により全ての足底支持部３の運動を制動し、接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）の足底に仮想的な支持多角形を形成するので、２足歩行ロボット１０の歩行時に左右の足部１２ａ、１２ｂのいずれか一方のみが接地している状態でも、接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）によって２足歩行ロボット１０を確実に支持することができ、ＺＭＰ制御を行って安定した歩行を行うことができる。
（２３）左右の足部１２ａ、１２ｂのそれぞれが、多点接地型足部支持機構１の全ての足底支持部３が路面等の接地面２０（２０ａ）に接地したことを接地センサ４で検出した時にロック機構５により全ての足底支持部３の運動を制動し、多点接地型足部支持機構１の全ての足底支持部３が路面等の接地面２０（２０ａ）から離れたことを接地センサ４で検出した時にロック機構５を解除して全ての足底支持部３を制動解除するので、接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）の足底に仮想的な支持多角形が形成された段階で確実に接地した足部１２ａ（又は１２ｂ）に重心を移動させることができ、歩行動作の安定性を向上させることができ、２足歩行ロボット１０の転倒を防止することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における多点接地型足部支持機構について、以下図面を用いて説明する。
図７は本実施の形態２における多点接地型足部支持機構の足底支持部及びロック機構を示す要部斜視図である。
図７中、２は基部、２ａは力覚センサ収容部、２ｂは位置決め孔、２ｃはボルト挿通孔、２ｄは底面、２ｅは回動支持部であり、これらは実施の形態１において説明したものと同様のものであるので同一の符号を付けて説明を省略する。２１は本実施の形態２における多点接地型足部支持機構、２２は基部２の四隅に配設された後述の底壁部に立設された後壁と一対の側壁とを有する平面視コ字状に形成された保持部であり、各側壁に形成された孔に回動支持部２ｅが挿着されている。２２ａは保持部２２の各側壁の下端部から外側に突設形成された弾性体下部止着部、２３は垂直支持部２３ａと水平支持部２３ｂとを有する略Ｌ字形に形成され水平支持部２３ｂの端部が回動支持部２ｅに軸支された足底支持部、２３ｃは垂直支持部２３ａの下端部、２４は水平支持部２３ｂに配設された接地センサ、２５は基部２の四隅に配設されたロック機構、２６は後述のアクチュエータの摺動部に配設されたブレーキ部、２６ａはブレーキ部２６の上端部から両側部に突設された弾性体上部止着部、２７は弾性体上部止着部２６ａに上端部が止着され弾性体下部止着部２２ａに下端部が止着されブレーキ部２６の両側部に配設された引張りばねや引張りコイルばね等の弾性体、２９は基部２の四隅に一体に形設された底壁部、２９ａは底壁部２９の先端部に上方へ突設されたセンサ当接部である。

次に、足底支持部及びロック機構の詳細について説明する。
図８（ａ）は足底支持部及びロック機構を示す要部断面側面図であり、図８（ｂ）は足底支持部の固定状態を示す要部断面側面図である。
図８中、２３ｄは足底支持部２３の水平支持部２３ｂの端部近傍に形成され回動支持部２ｅにより回動自在に軸支された軸支部、２３ｅは足底支持部２３の水平支持部２３ｂの端部に形成された略円弧状の当接部、２４ａは接地センサ２４の下端面２４ｂから進退自在に配設された可動部であり、可動部２４ａは弾性部（図示せず）により下端面２４ｂから突出する方向に付勢されており、接地センサ２４の内部側へ押圧されるとその後端部が接点（図示せず）に接触してスイッチングを行う。２５ａはソレノイドを用いたロック機構２５のアクチュエータ、２５ｂは接地センサ２４からのＯＮ／ＯＦＦ信号に伴って上下動するアクチュエータ２５ａの摺動部、２６ｂはブレーキ部６の下端に傾斜して形成された傾斜部、２６ｃはブレーキ部２６の背面部、２８は保持部２２の後壁により形成されたブレーキ当接部、２８ａはブレーキ当接部２８のブレーキ部２６側の面に貼設された摩擦材である。
なお、摩擦材２８ａとしては実施の形態１で説明した摩擦材８ａと同様のものが用いられる。

以上のように構成された本実施の形態２における多点接地型足部支持機構について、以下その制動動作及び制動解除動作を説明する。
まず、足底支持部２３の制動動作について説明する。
足底支持部２３の下端部２３ｃの接地前においては、図８（ａ）に示すように、接地センサ２４の下端面２４ｂはセンサ当接部２９ａに当接し、可動部２４ａは接地センサ２４内に収納されている。この状態において、接地センサ２４から接点が接触状態である旨の信号が制御部（図示せず）に送られている。また、弾性体２７は弾性体上部止着部２６ａと弾性体下部止着部２２ａの間で伸長され、ブレーキ部２６を下方へ向かわせる方向に復元力がかかっている。
多点接地型足部支持機構２１が下降すると、足底支持部２３の下端部２３ｃが接地面２０に接触する。さらに多点接地型足部支持機構２１が下降すると、図８（ｂ）に示すように、足底支持部２３が軸支部２３ｄを中心として上方に回動し、接地センサ２４の下端面２４ｂがセンサ当接部２９ａから離隔し、可動部２４ａが接地センサ２４から突出する。これにより、接地センサ２４の接点が非接触の状態になり、接地センサ２４から制御部へ送られていた信号が途切れる。全ての接地センサ４の信号が途切れたこと（すなわち全ての足底支持部２３の下端部２３ｃが接地面２０に接地したこと）を検知した制御部は、同時に全てのロック機構２５のアクチュエータ２５ａに足底支持部２３の運動を制動してその状態を保持するように指示する。
アクチュエータ２５ａの摺動部２５ｂと共にブレーキ部２６が下方に摺動することにより、ブレーキ部２６の傾斜部２６ｂが当接部２３ｅに当接する。また、ブレーキ部２６は当接部２３ｅにより背面側へ押圧され、背面部２６ｃがブレーキ当接部２８の摩擦材２８ａに当接する。このとき、伸長されていた弾性体２７の復元力によりブレーキ部２６は迅速に下方へ摺動するため、迅速に制動動作が行われる。これにより、足底支持部２３が軸支部２３ｄを中心に上方に回動するのを防止して足底支持部２３の運動を制動する。なお、ブレーキ部２６が下方に摺動した状態においても、弾性体２７は伸長され復元力が働くようにその長さや弾性体上部止着部２６ａと弾性体下部止着部２２ａとの間の距離を調整することにより、ブレーキ部２６の傾斜部２６ｂを足底支持部３の当接部２３ｅに弾性体２７の復元力で押圧することができる。

次に、足底支持部３の制動解除動作について説明する。
多点接地型足部支持機構２１が上昇すると、足底支持部２３の下端部２３ｃが接地面２０から離れ、図８（ａ）に示すように、足底支持部２３が自重により軸支部２３ｄを中心として下方に回動し、ブレーキ部２６の傾斜部２６ｂが足底支持部２３の当接部２３ｅから離れると共に、背面部２６ｃがブレーキ当接部２８の摩擦材２８ａから離れる。また、接地センサ２４の可動部２４ａがセンサ当接部２９ａに当接し接地センサ２４内に収納され、これにより、接地センサ２４の接点が接触状態になり、接点が接触状態である旨の信号が制御部に送られる。
全ての接地センサ２４から信号が送られてきたこと（すなわち全ての足底支持部２３の下端部２３ｃが接地面２０から離れたこと）を検知した制御部は、同時に全てのロック機構２５のアクチュエータ２５ａに足底支持部２３の制動を解除するように指示し、アクチュエータ２５ａの摺動部２５ｂと共にブレーキ部２６が上方に摺動する。
このようにして、足底支持部２３の制動が解除される。また、ブレーキ部２６が上方に摺動することにより、弾性体２７が伸長される。アクチュエータ２５ａの操作力は弾性体２７の伸長により生じる復元力より十分大きいため、弾性体２７は容易に伸長される。

以上のように本実施の形態２における多点接地型足部支持機構は構成されているので、実施の形態１の作用に加え、以下の作用を有する。
（１）接地センサ２４が足底支持部２３の水平支持部２３ｂに配設され、足底支持部２３の下端部２３ｃの接地による足底支持部２３の回動を検知することができるため、下端部２３ｃの内側（基部２側）や外側等のいずれかの部分が接地すれば接地センサ２４が作動するので、接地面２０の形状や小石等の障害物の有無等によらず接地センサ２４が確実に作動し、作動の確実性及び安定性を向上できる。
（２）ブレーキ部２６と（基部２に固定された）保持部２２との間に引張りコイルばね等からなる弾性体２７が配設されているので、制動動作時において制動解除動作時に伸長された弾性体２７の復元力によりブレーキ部２６が迅速に下方へ摺動し、迅速に制動動作を行うことができ応答速度を向上できる。
（３）制動動作時の状態においても弾性体２７の復元力が働くように調整することで、制動動作中において常にブレーキ部２６の傾斜部２６ｂを足底支持部３の当接部３ｅに復元力で押圧させることができるので、足底支持部３を強固にロックすることができ信頼性、確実性を向上できる。

本発明は、足部の平面内に仮想的な支持多角形を形成し足底を多角点支持する多点接地型足部支持機構及び安定した歩行動作を行うことができる多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボット並びにその制御構造に関し、足部の各支持点が受動的に路面等の接地面の凹凸にならい、全ての支持点が接地した際に支持点の運動を制動することにより、段差や傾斜等がある接地面においても、速やかに足底を多角点支持することができ、転倒を回避することができる信頼性に優れる多点接地型足部支持機構の提供、及び凹凸や段差等がある複雑な地形においても活動することができる歩行動作の安定性、汎用性に優れる多点接地型足部支持機構を備えた２足歩行ロボットの提供、並びにその制御構造の提供をすることができる。

Claims (8)

1. 歩行ロボットの足底に配設される基部と、前記基部の底面より下方に一端部が突出して配設され接地時にそれぞれ独立して上方に移動する摺動自在又は回動自在に支持された３以上の足底支持部と、前記基部又は前記各々の足底支持部に配設され前記各々の足底支持部の接地を検出する接地センサと、前記基部に配設され前記接地センサが前記全ての足底支持部の接地を検出した時に前記全ての足底支持部の運動を制動するロック機構と、を備えたことを特徴とする多点接地型足部支持機構。
2. 前記足底支持部が、下端部で接地する垂直支持部と、前記垂直支持部の上端部から略水平方向に延設された水平支持部と、前記水平支持部の他端部に形成された軸支部と、を有し、前記基部が、前記各々の足底支持部の前記軸支部を回動自在に軸支する回動支持部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多点接地型足部支持機構。
3. 前記接地センサが前記足底支持部の前記垂直支持部の下端部に配設されたことを特徴とする請求項２に記載の多点接地型足部支持機構。
4. 前記接地センサが前記足底支持部の前記水平支持部の下部に配設されると共に、前記基部に固定され前記接地センサの下方に配設されたセンサ当接部を備えたことを特徴とする請求項２に記載の多点接地型足部支持機構。
5. 前記各々の足底支持部が、前記水平支持部の他端部に形成された略円弧状の当接部を有し、前記ロック機構が、（ａ）前記各々の足底支持部の前記当接部に当接する上方に拡開した傾斜部が一端に形成されたブレーキ部と、（ｂ）前記ブレーキ部の他端に連設され前記ブレーキ部を上下方向に摺動させるアクチュエータと、を備えたことを特徴とする請求項２乃至４の内いずれか１項に記載の多点接地型足部支持機構。
6. 前記ブレーキ部に配設された弾性体上部止着部と、前記基部に配設された弾性体下部止着部と、上端部が前記弾性体上部止着部に止着され下端部が前記弾性体下部止着部に止着された弾性体と、を備えたことを特徴とする請求項５に記載の多点接地型足部支持機構。
7. 左右の足部と、前記左右の足部の足底にそれぞれ配設された請求項１乃至６の内いずれか１項の多点接地型足部支持機構と、を備えたことを特徴とする２足歩行ロボット。
8. 左右の足部と、前記左右の足部の足底にそれぞれ配設された多点接地型足部支持機構と、を有し、前記多点接地型足部支持機構が前記足底から一端部が突出して配設され接地時にそれぞれ独立して受動的にその突出量が減少する３以上の足底支持部と、前記各々の足底支持部の接地を検出する接地センサと、前記各々の足底支持部の運動を制動するロック機構と、を備え、前記左右の足部を上下動させて歩行する２足歩行ロボットの制御構造であって、前記左右の足部のそれぞれについて、前記多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面に接地したことを前記接地センサで検出した時に前記ロック機構により前記全ての足底支持部の運動を制動し、接地した前記足部の前記足底を多角点支持すると共に、前記多点接地型足部支持機構の全ての足底支持部が路面等の接地面から離れたことを前記接地センサで検出した時に前記ロック機構を解除して前記全ての足底支持部の制動を解除することを特徴とする２足歩行ロボットの制御構造。
   

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