JP4733875B2

JP4733875B2 - Foot mechanism of walking robot and walking control method

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Publication number: JP4733875B2
Application number: JP2001241201A
Authority: JP
Inventors: 有一村瀬
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: JP2003048178A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多関節で構成された脚を有する歩行ロボットの足機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歩行ロボットの足機構において、歩行安定性と接地面の柔軟性を確保する試みを行ったものとして、例えば、特許第２８２６８５８号公報、特開２０００−１７６８６６号公報に記載されたものを挙げることができる。
【０００３】
上記特許第２８２６８５８号公報には、6軸力トルクセンサと緩衝材を組み合わせ、かつ足底のエッジ部を曲面にした足底としたものが開示されている。
【０００４】
この従来例の場合、緩衝材料の物性で決定される柔軟性であるために材料種別による選択自由度の制限があるとともに、足底のエッジ部の曲面を形成するための成形型等が必要で製造費用も高価であった。また、足底を床面に倣わすには、力センサを使ったコンプライアンス制御が必要であり、その応答帯域の制約から高速の歩行が困難となっていた。さらに、足底の接地反力センサとして6軸力トルクセンサを搭載する場合は、低価格化、軽量化が困難であった。
【０００５】
上記特開２０００−１７６８６６号公報には、足先端の接地部に回転自在自由度を持たせバネまたはバネ、ダンパを組み合わせ、接地部に接地検出センサを設けた足底としたものが開示されている。
【０００６】
この従来例の場合、機械的リミッタが無いために、柔軟なバネ剛性に設定すると、常に足底が柔軟になってしまい、2脚のロボットに適用した場合、静的な立脚状態の保持が困難であった。また、接地センサしか具備していないため、接地位置の判定は可能であったが、その力を検出することができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来例の問題点に鑑み、本発明者は、2足（脚）歩行ロボットで人間に近いエネルギーロスが少なく、ストライドの大きな自然な歩行では、歩行時に踵にあたる部位を浮かせた時期が発生する歩容となることに注目した。一方、静的に立脚する場合には、足底の接地面積が広くなるように踵を接地し、足底接地面内に静的な荷重を懸けると微細な上体部のバランス制御なしに安定な立脚が確保できる。人間は、これを実現するために、足首の関節のほかに、足の指の根元にも回転自由度（足指関節の回転自由度）を有しており、歩行時途中で踵を浮かせ足の指から先を接地させて支持している。
【０００８】
この足指関節の自由度がない足機構の場合は、図４に示すようにベタ足で小さなストライドで歩行することを余儀なくされる。仮に、無理に踵を浮かした歩容をすると、図５のように接地面の小さな指先端のみで支持するため、足先端の材料に大きな応力が発生するため強度が必要であるとともに、接触面積が小さいために接地面のスベリを抑制するのが困難であった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、大きなストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を迅速かつ柔軟に行わせること実現する歩行ロボットの足機構を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の他の目的は、大きなストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を実現する足機構を備えた歩行ロボットに対し迅速かつ容易な歩行制御を実現する歩行制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の歩行ロボットの足機構は、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段と、前記上体部が前記足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタと、前記上体部が前記指関節部周りに前記足先部から離れる方向に回転した際に、前記上体部に対し前記足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の歩行ロボットの足機構は、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部に設けられ、前記指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出するセンサ手段と、前記上体部が前記足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタと、前記上体部が前記指関節部周りに前記足先部から離れる方向に回転した際に、前記上体部に対し前記足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明の歩行制御方法は、踵接地センサを有する上記の足機構を備えた歩行ロボットの歩行を制御する歩行制御方法であって、前記踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１７】
本発明の一実施例に係る歩行ロボットの足機構は、人間の足の指関節の機能を模擬した指関節部１０を備える柔軟足機構であり、図６のような歩容を実現できる。すなわち、受動回転自由度を有する指関節部１０を備えるため、踵を浮かせた状態で大きなストライドの広域接地の歩容が可能となる。
【００１８】
まず、本発明の歩行ロボットの足機構の基本原理について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
【００１９】
一般に、２足歩行ロボットの足首は足底を左右傾斜する自由度と前後に傾斜する自由度を有しているが、図１では本発明の基本原理を説明する都合上、膝にあたる回転軸と平行で足底を前後に傾斜させる自由度を有する足首関節部１２のみを記載している。
【００２０】
この足首関節部１２は、アクチュエータでその角度や速度を能動的に制御できるのが一般的である。本発明の足機構では、この足首関節部１２の能動回転自由度の他に、足指回転自由度を模擬した指関節部１０を追加した。指関節部１０は受動的に回転自在な自由度であり、外力負荷によって回転駆動される。
【００２１】
図１において、（Ａ）は指関節部１０周りの回転角が下限位置である状態を示し、（Ｂ）は指関節部１０が回転自在の状態を示す。
【００２２】
ここでは、図1に示すように指関節部１０より足底側に連結した部位を足先部４と呼び、その反対側部位を上体部２と呼ぶことにする。
【００２３】
本発明の歩行ロボットの足機構において、指関節部１０は、足首関節部１２と平行で、足底面４ａから上体部２側にオフセットした位置に設けている。すなわち、指関節部１０は、上体部２に対し足先部４を足底面４ａからオフセットした位置で受動的に回転自在に連結している。
【００２４】
この指関節部１０が常に回転自在であると、単に静止立脚したい場合でも、上体部２の姿勢安定のために常に足を前後に踏み出すなどの動的な姿勢制御をかけなければならず、計算機パワーやアクチュエータの電力を浪費する。そこで、本発明の足機構には、図１のように、指関節部１０の回転自由度に機械的リミッタ１４を設けて、足先部４に対し上体部２が指関節部１０周りに回転する回転角が下限値以上となるようにしている。
【００２５】
図２は、本発明の足機構の上体部が静止安定状態にある場合に、足先部の接地面におけるゼロモーメントポイントＺＭＰの位置を検出する方法を示す。
【００２６】
単に静止立脚する場合は、図2に示すように，上体部４から足先部２に作用する力Ｆのベクトル（上体部４の質量重心にかかる自重によって決定される）が、足先部４の足底面における指関節部１０の下端位置から足底面の踵エッジ点Bの範囲に入っている間は、足首関節部１２の角度を同じに保持しているだけで上体部２は静的に安定な状態を保つことが可能である。よって、静止立脚時の計算機パワーやアクチュエータの電力を削減できる。
【００２７】
ここで、図２（Ｂ）の静止安定状態では、Ｆは足先部４の足底面にかかる上体部２からの力を示し、Ｆ１、Ｆ２はエッジ点Ａ、Ｂにそれぞれ働く垂直抗力成分を示す。力のつりあいが成立するので、Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２である。
【００２８】
また、Ｌ１、Ｌはそれぞれ、足先部４の足底面におけるエッジ点Ａから、質量重心、エッジ点Ｂまでの距離を示すものとすると、エッジ点A周りのモーメントのつりあいも成立するので、ＦｘＬ１＝Ｆ２ｘＬである。ここで、垂直抗力成分Ｆ１、Ｆ２は単軸力センサ（後述する）で検出され、Ｌは既知であるので、上の２式から、エッジ点Ａから質量重心までの距離Ｌ１を求めることができる。
【００２９】
図３は、本発明の足機構の上体部２が指関節部１０で回転自在状態にある場合に、足先部の接地面におけるゼロモーメントポイントＺＭＰの位置を検出する方法を示す。
【００３０】
上体部２に可動部（図示せず）があり慣性力が発生する場合や、上体部２に外力が懸かる場合は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、これらの力ベクトルと自重ベクトルのモーメント和が、
（１）指関節部１０の周りに右回り（上体部２が踵を押し付ける方向）
（２）エッジ点A（つま先）を支点として右回り
（３）エッジ点Ｂ（踵）を支点として左回り
となっていれば、踵は足先部４に接地した状態で上体部２は安定となる。
【００３１】
一方、2足歩行ロボットで前進の動歩行を実現するには、上体部２を前に転倒させる時期が必要である。本発明の足機構では、この上体部２の転倒を指関節部１０を用いて行う。この上体部２の転倒は、指関節部１０が受動回転自由度を有するであるため、足先部４を安定に面接地したまま、滑らかに実現できる。転倒が滑らかであることは、足底に発生する反力も滑らかな変化となるため、上体部２の姿勢制御も容易となる。
【００３２】
上体部２を指関節部１０の周りに転倒させる条件は、上述した上体部２の慣性力、上体部２に作用する外力、自重のベクトルのモーメントが、指関節部１０の周りに右回り（上体部２が踵を押し付ける方向）となる。また、その際に、図３（A）に示したように、指関節部１０が回転自在であることから、指関節部１０を介して足先部４に伝わる力にはトルク成分が含まれず、指関節部１０を始点とした力ベクトルFとなる。
【００３３】
よって、足先部４が安定に面接地する条件は、力ベクトルFの足底面におけるゼロモーメントポイント（ＺＭＰ）の位置が、つま先エッジ点Aから踵エッジ点Bの範囲に入っていることである。上体部２の姿勢制御は、倒立振り子の制御で明らかなように、指関節部１０から上体部２に作用する反力ベルトルFを適切に与えることで可能となる。なお、一般に上体部２の重力場との相対姿勢（鉛直からの傾斜角度）や、上体部２の運動状態（角速度、加速度など）は、制御したい上体部２に搭載した姿勢センサで検出される。
【００３４】
足底が接地面でスベリを生じない場合で、全ての運動部の質量特性と運動状態が明らかな場合は、例えば、足首関節部１２をどのように駆動すると、指関節部１０にどのような力Fが作用するかを計算機内のシミュレーションで求めることができる。しかしながら、接地面のスベリ発生原理は、足底だけでなく、床側の摩擦条件も因子に含まれるため、実際に指関節部１０に発生しているFを検出することが望ましい。
【００３５】
本発明者の先願である特開２０００−２５４８８８号公報（特願平１１−６３９１０）で知られるように、足底に垂直抗力のみを検出できる単軸力センサを最低3個以上配置すれば、足底平面上の垂直抗力成分の総和と、そのゼロモーメントポイント（ＺＭＰ）の位置を足底平面内で2次元的に検出できる。
【００３６】
簡単に説明するために、足底の左右方向次元をなくし、横から見た足底で図３（Ｂ）のようにＸ−Ｚの方向を定義する。Ｘ方向のみのゼロモーメントポイント（ＺＭＰ）の位置を検出するのであれば、単軸力センサは最低2個あれば良く、前記した特開２０００−２５４８８８号公報に開示された力センサを本発明の足機構の足先部４のエッジ点Ａ、Ｂの位置に単軸力センサ２０を設けることによって、これら単軸力センサ２０の検出値F１、Ｆ２から、図３（Ｂ）のX方向のゼロモーメントポイントＺＭＰの位置Ｌ１と、垂直抗力の総和と等価なＦｚ（＝Ｆ１＋Ｆ２）とを検出することができる。
【００３７】
また、ゼロモーメントポイントＺＭＰの位置Ｌ１が分かれば、力ベクトルＦの開始点が指関節部１０に位置することと、足先部４の設計寸法Ｌｔ（エッジ点Ａから指関節部１０の下端位置までの距離）とＨ（足底面から指関節部１０の中心までの高さ）から、指関節部１０にかかる力ベクトルFの作用方向θを以下の式で算出できる。
【００３８】
θ＝ａｒｃｔａｎ（（L１−Ｌｔ）／Ｈ）
また、力ベクトルFの大きさは、このθとＦｚ（垂直抗力の総和）から以下の式で算出できる。
【００３９】
Ｆ＝Ｆｚ／ｃｏｓθ
よって、本発明の足機構と前記した特開２０００−２５４８８８号公報に開示された力センサを組み合わせることで、上体部２に作用する力Ｆを検出することが可能となる。言い換えれば、Ｆを検出して目標値に近づくよう制御することで上体部２の姿勢を制御可能となる。
【００４０】
また、図１のように足先部４の形状をつま先から踵まで伸ばした効果としては、静止立脚時などの機械的リミッタ１４が接触している場合も、機械的リミッタ１４が接触作用してない場合も、前記特開２０００−２５４８８８号公報に示された足底センサを用いて垂直抗力を広範囲に測定することが可能になる点が挙げられる。
【００４１】
次に、図１９は、本発明の第１の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す。
【００４２】
図１９に示したように、第１実施例の足機構には、足首関節部１２、指関節部１０、この指関節部１０に設けられた１方向ロータリダンパ２２とポテンショメータ２４、上体部と足先部の間に設けられたと機械的リミッタ１４とバネ１６、足先部に設けられたマイクロスイッチ１８と複数の単軸力センサ２０が装備されている。以下、図７乃至図１３を参照しながら、本実施例の足機構の各要素の構成、作用について説明する。
【００４３】
図７は、本発明に係る歩行ロボットの足機構が、図１に示した様に復帰手段を有しない場合の歩行状態を示す。図８は、本実施例の足機構における復帰手段の構成、作用を説明する図である。図７、図８において、（Ａ）は支持脚期間の足機構の状態を示し、（Ｂ）は遊脚期間の足機構の状態を示す。
【００４４】
図１に示した例では、受動回転自由度を有する指関節部１０は完全に自由に回転できるため、脚を浮かせるべき遊脚期において踵側が垂れ下がる。このため、遊脚の床面からの退避高さが小さいと、図７のように踵を引きずってしまう恐れがある。このような現象は歩容を見栄えの悪いものにするとともに、引きずる際の摩擦がロボットの姿勢制御からみれば外乱として働き好ましくない。
【００４５】
そこで、本実施例の足機構には、図８のように、足先部４と上体部２の間で、例えばコイルバネのようなもので、機械的リミッタ１４の下限位置の方向に足先部４を引き戻そうとする力を発生する機能を有する復帰手段１６を装備している。無論、このコイルバネに代えて、トーションバネやマグネット等を復帰手段１６として用いてもよい。
【００４６】
復帰手段１６の復帰力は、上体部２に比較して極めて軽い足先部４のみを、遊脚期間でひきつけることができる程度の小さな力でよい。よって、バネで復帰手段１６を構成したとしても小さなもので構成できる。この復帰力が小さいということは、足底を設置した際に、このバネから指関節部１０の周りに作用するトルクが小さいことになり、慣性や質量が足先部４に対して十分に大きな上体部２をもつ歩行ロボットの場合は、復帰手段１６の復帰力により生じるトルク成分が上体部２の姿勢制御に大きく影響することはない。
【００４７】
図９は、本発明に係る歩行ロボットの足機構がダンパ手段を有しない場合の遊脚開始期の歩行状態を示す。図１０は、本実施例の足機構におけるダンパ手段を示す。図１０において、（Ａ）は本実施例の足機構においてダンパ手段を設けた指関節部の平面図を示し、（Ｂ）は前記指関節部の正面図を示す。
【００４８】
図９に示したように、本発明に係る歩行ロボットの足機構が復帰手段１６を有する場合、支持脚から遊脚に推移する遊脚開始期に、足先部４の復帰の速度が速いとつま先が下がり、足底の前方先端を接地面に引っ掛け、遊脚の振り出し動作に支障をきたす場合がある。これを避けるには、支持脚から遊脚に推移し、足先の軌道を接地面から十分に離反してから遊脚として振り出しを行わなければならない。これは遊脚の振り出しとして与えられる時間が短くなり、より高速の遊脚振り出し動作が必要となることや、その離反動作そのものでエネルギ損失が大きくなる。
【００４９】
そこで、上述の問題を解決するため、本実施例の足機構においては、復帰手段１６の復帰力により機械リミッタ１４の下限位置方向に足先部４が復帰する際に、遊脚に推移したあと、再度支持脚になるまで復帰するようなダンピング力を上体部２に作用するダンパ手段２２を設けている。このようなダンパ手段２２の例としては、図１０に示したように、１方向のロータリダンパ等がある。
【００５０】
図１１は、本実施例の足機構における下限位置検出手段１８を示す。
【００５１】
本実施例の足機構は、受動回転自由度を有する指関節部１０が機械的リミッタ１４の下限位置に位置していることを検出する下限位置検出手段１８を装備している。このような下限位置検出手段１８の例としては、図１１に示したように、マイクロスイッチ等がある。このようなマイクロスイッチ１８を搭載することで、機械的リミッタ１４が足底に作用しない図３の回転自在状態に推移したことが正確に判別できる。これにより、上体の姿勢を制御するために必要な図３の力ベクトルFの制御を適切なタイミングで開始できる。
【００５２】
図１２は、本実施例の足機構における回転角度検出手段２４を示す。図１２において、（Ａ）は本実施例の足機構においてダンパ手段２２と同軸に回転角度検出手段２４を設けた指関節部の平面図を示し、（Ｂ）は前記指関節部の正面図を示す。
【００５３】
本実施例の足機構において、上体部２に搭載した角速度センサ（ジャイロ等）や加速度センサの出力を積分して傾斜角を求める姿勢センサでは、積分誤差や温度ドリフトが問題となる。足先部４が接地する床面の傾斜が既知の場合、機械的リミッタ１４に接触してない状況では、足先部４の接地面が保証できるので指関節部１０の回転角度を検出する回転角度検出手段２２を装備することにより、床面に対する上体部の傾斜角度を算出することが可能となり、姿勢センサによる傾斜計算は不要となる。このような回転角度検出手段２２の例としては、図１２に示したポテンショメータや、レゾルバ、パルスエンコーダ等がある。
【００５４】
また、回転角度検出手段２２の検出値から算出した上体部２の傾斜角度データにより、姿勢センサによる傾斜角データのキャリブレーションをすることが可能となる。また、図１１に示したマイクロスイッチ１８を、基準ゼロ点のセンサとして利用することで、2相のインクリメンタルエンコーダも、指関節部１０の絶対角度センサとして用いることができる。さらに、指関節部１０の回転角度や角速度を検出できることから、図１０に示したダンパ手段２２や図８に示した復帰手段１６により発生する指関節部１０におけるトルク成分を推定することが可能となり、精密な上体部２の姿勢制御が可能となるとともに、バネ、ダンパの特性を調整し、この復帰力を上体部２の転倒速度抑制力として用いることができる。
【００５５】
図１３は、本実施例の足機構に、上述した単軸力センサ２０の代わりに、力トルクセンサ２８を設けた例を示す。図１３において、（Ａ）は力トルクセンサ２８を上体部２の足首位置に設けた例を示し、（Ｂ）は力トルクセンサ２８を足先部４に設けた例を示す。
本実施例の足機構において、図２、図３に示した単軸力センサ２０の代わりに、図１３に示すように、足先部４の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントＺＭＰの接地面における位置を検出するセンサ手段として、力トルクセンサ２８を装備することも可能である。
図１３に示した例の場合、力トルクセンサ２８は市販品として入手でき、モジュール品として組み込むことが可能であり、交換が容易となる。また、６軸の力トルクの検出センサも市販されていることから、Z方向のトルクなどの検出も容易となり、歩行ロボットにおける上体の姿勢制御が、図２、図３に示した単軸力センサ２０の場合に較べてより高度にできる。
【００５６】
次に、図２０は本発明の第２の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す。図２０に示したように、第２実施例の足機構には、足首関節部１２、指関節部１０、この指関節部１０に設けられた１方向ロータリダンパ２２とポテンショメータ２４、上体部と足先部の間に設けられたと機械的リミッタ１４とバネ１６、上体部の踵位置に設けられた２６と単軸力センサ２０、足先部に設けられたマイクロスイッチ１８と複数の単軸力センサ２０が装備されている。
【００５７】
以下、図１４乃至図１６を参照しながら、本実施例の足機構の各要素の構成、作用について説明する。なお、図１９に示した前述の実施例の要素に相当する要素については、同一の参照符号を用い、その説明を省略する。
前述の実施例の足機構で説明した足先部は、つま先から踵までの一体であるため、図６に示したように、踵を浮かせた場合でも足先から踵までベタ足のように見られる歩容となり、人間に比較して見栄えの良くないものである。また、足先部が、指関節部１０に対してアンバランスで、かつ重いため、上体部に対し足先部を復帰させる力を発生する復帰手段(バネ等)も大きなものが必要となる。
【００５８】
そこで、図１４のように踵と足先部を分離した構成にすることで、上記問題は解決できる。すなわち、第２実施例の足機構においては、足先部４と分離させた踵部６を、足先部４と共に接地面を形成するように上体部２の下面に設ける。指関節部１０や機械的リミッタ１４は、前述の第１実施例のものと同様に実現される。さらに、本実施例の足機構における足先部４の復帰方法やダンピングなども、前述の第１実施例と同じ方法で実現できる。
【００５９】
図１５は、図１４に示した実施例の足機構の柔軟保持機構３０を示す。図１５に示したように、上体部２と足先部４の間に柔軟保持機構３０がバネ等で構成され、この柔軟保持機構３０は、上体部２が指関節部１０の周りに足先部４から離れる方向に回転した際に、上体部２に対し足先部４を機械的リミッタ１４の下限位置方向に復帰させようとする力を発生する。
【００６０】
また、図２０に示したように、第２実施例の足機構の場合、踵部６を接地した場合においても、床面からの反力を正確に検出するために、足先部４の垂直抗力成分を検出する単軸力センサ２０を設けると共に、踵部６にスペーサ２６を介して単軸力センサ２０を設けることも可能である。前者の単軸力センサ２０によって、つま先側の垂直抗力成分を検出し、後者の単軸力センサ２０によって、踵の接地面側の垂直抗力成分を検出することができる。
【００６１】
さらに、図示しないが、足先部と踵を分離したこの第２実施例の足機構の場合、前述の第１実施例と同様な方法で、力トルクセンサ２８を設けることによって、力トルク検出を行なわせることも無論可能である。
【００６２】
図１６は、図１４に示した第２実施例の足機構の指関節部に、ボールポイントなどの２自由度を有する指関節部１０ａを適用した例を示す。また、これに対応させて、２自由度を有する足首関節部１２ａを適用している。図１６に示したように、この指関節部１０ａは、足先部４が鉛直方向に回転する受動回転自由度と、足先部４が左右方向に傾斜する自由度とを有し、足先部４が左右方向の傾斜に対しても安定に倣う自由度を持たせている。
【００６３】
足先部４の復帰機構の例として、図１６に示した例では、バネ３０を上体部２と足先部４の間に配置している。前後方向傾斜に対する足先部４の復帰トルクはバネの強さと作用長さａで決定し、左右方向傾斜の足先部４の復帰トルクはバネの強さと作用長さｃ、ｂで決定する。これらの作用長さａ、ｂ、ｃを調整することで、独立に足先部の復帰トルクを簡易に設計することが可能である。
【００６４】
同様に、図１７は、図１に示した第１実施例の足機構の指関節部に、ボールポイントなどの２自由度を有する指関節部１０ａを適用した例を示す。この例の場合も、足先部４の復帰機構の例として、バネ３０を上体部２と足先部４の間に配置している。その作用や構成は、図１６に示した復帰機構と同様である。
【００６５】
次に、図１８は、本発明の足機構を備える歩行ロボットの２足歩行支持脚の歩行制御処理を説明するフロー図である。
【００６６】
本発明の足機構の歩行制御処理において、足首関節部１２を使って、歩行ロボットの姿勢を制御できることの利点としては、人間のような関節構成であるとすれば、足首関節部１２と指関節部１０の間のリンク長さは、膝や大腿部のリンク長さに比較してはるかに短いため、足首関節部１２による姿勢制御が歩幅（ストライド）に大きく影響しない点が挙げられる。これにより、様々なストライドの歩行制御が容易となる。
【００６７】
また、本発明の足機構によれば、歩行ロボットの支持脚の接地点から腰までのリンク長さを長くすることができ、遊脚を振り出す際に、遊脚の足先が床に引っかかってつまずき、上体が転倒する危険を低減できる。よって、歩行中、足底を床面に倣わせるために常に足首関節部１２をコンプライアンス制御するよりは、倣い動作をある期間は指関節部１０の受動回転自由度で実現し、その期間は、足首関節部１２を上体部の姿勢制御に用いるほうが安定歩行に有利である。
【００６８】
また、コンプライアンス制御の制御帯域の制限で足底面と床面の接地状態が安定確保できなかった歩行速度においても、指関節部１０の受動的な回転軸で確実な足底面との床面の接地状態が実現でき、滑らかな床反力変動が保証されるため指関節部１０の力制御および上体部の動的な姿勢制御が容易となる。
【００６９】
そこで、歩行中、殆どが両脚支持期となる、踵をついた期間は能動駆動できる足首関節部１２でコンプライアンス制御を行って大まかな安定接地を確保し、殆ど踵が浮いた状態で、もっとも不安定となる片足支持期を、指関節部１０の力制御で姿勢を安定にする方法が良い。
【００７０】
図１８に示した歩行制御処理では、踵接地センサを有する本発明の足機構を備えた歩行ロボットの支持脚が踵を着地している場合と、踵が浮いている場合の制御の流れを示した。すなわち、歩行制御処理が開始すると、まず、踵接地センサを用いて支持脚の踵が接地したか否かを判定する（Ｓ１０）。
【００７１】
ステップＳ１０で踵が接地した期間と判定された場合、足首関節部１２に対しコンプライアンス制御を行う（Ｓ１１）。そして、所望の範囲に歩行ロボットの上体の重心を制御することによって、支持脚の足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ（Ｓ１２）。ステップＳ１２を実行した後は、上記ステップＳ１０の判定に戻る。
【００７２】
一方、ステップＳ１０で踵が床から浮いている期間と判定された場合、歩行ロボットの上体の運動を検出する（Ｓ１３）。このとき、指関節部１０の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証される。そして、歩行ロボットの上体の運動修正に必要な指関節部１０の目標反力Ｆを算出する（Ｓ１４）。実際の指関節部１０における反力Ｆを単軸力センサ２０等を用いて検出する（Ｓ１５）。ステップＳ１５で検出した指関節部１０での検出反力Ｆが、ステップＳ１４で算出した目標反力Ｆとなるように、足首関節部１２に対し力制御を行う（Ｓ１６）。これにより、歩行ロボットの上体部の姿勢を制御する。ステップＳ１６を実行した後は、上記ステップＳ１０の判定に戻る。
【００７３】
上述した実施例の足機構の歩行制御処理によれば、踵をついた期間は能動駆動できる足首関節部１２でコンプライアンス制御を行って大まかな安定接地を確保し、殆ど踵が浮いた状態で、もっとも不安定となる片足支持期を、指関節部１０の力制御で姿勢を安定にするので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を実現する足機構を備えた歩行ロボットに対し迅速かつ容易な歩行制御を行わせることが可能である。
【００７４】
（付記１）上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段と、を備える歩行ロボットの足機構。
【００７５】
（付記２）前記センサ手段が、足先部に設けられ、前記指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出する複数の単軸力センサからなることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００７６】
（付記３）上体部が足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタを備えることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００７７】
（付記４）上体部が前記指関節部周りに足先部から離れる方向に回転した際に、上体部に対し足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段を備えることを特徴とする付記３記載の歩行ロボットの足機構。
【００７８】
（付記５）前記復帰手段の復帰力により足先部が前記機械的リミッタの下限位置方向に回転した際に、上体部に対しダンピング力を発生するダンパ手段を、前記指関節部に設けたことを特徴とする付記４記載の歩行ロボットの足機構。
【００７９】
（付記６）足先部に対し上体部が前記機械的リミッタの下限位置に位置していることを検出する下限位置検出手段を備えることを特徴とする付記３記載の歩行ロボットの足機構。
【００８０】
（付記７）足先部に対し上体部が前記指関節部周りに回転した回転角を検出する回転角度検出手段を、前記指関節部に設けたことを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８１】
（付記８）前記センサ手段が、前記上体部の足首位置に設けた力トルクセンサからなることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８２】
（付記９）前記センサ手段が、前記足先部に設けた力トルクセンサからなることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８３】
（付記１０）前記足先部と分離した踵部を、前記足先部と共に接地面を形成するよう前記上体部の下面に設け、かつ、前記センサ手段が、少なくとも前記足先部及び前記踵部の接地面からの垂直抗力成分をそれぞれ検出する複数の単軸力センサからなることを特徴とする付記１記載のロボットの足機構。
【００８４】
（付記１１）前記指関節部を２自由度の回転軸として形成し、前記足先部に対する前記上体部の左右方向の傾斜に対し姿勢を安定に保つための柔軟保持機構を備えることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８５】
（付記１２）上体部が足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタを備えることを特徴とする付記１０記載の歩行ロボットの足機構。
【００８６】
（付記１３）上体部が前記指関節部周りに足先部から離れる方向に回転した際に、上体部に対し足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段を備えることを特徴とする付記１２記載の歩行ロボットの足機構。
【００８７】
（付記１４）前記復帰手段の復帰力により足先部が前記機械的リミッタの下限位置方向に回転した際に、上体部に対しダンピング力を発生するダンパ手段を、前記指関節部に設けたことを特徴とする付記１３記載の歩行ロボットの足機構。
【００８８】
（付記１５）踵接地センサと、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段とを有する足機構を備えた歩行ロボットの歩行を制御する歩行制御方法において、前記踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程とを有する歩行制御方法。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載した発明によれば、歩行ロボットの足機構が、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段とを備えるので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を迅速かつ柔軟に行わせることが可能である。また、請求項２に記載した発明によれば、歩行ロボットの足機構が、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部に設けられ、指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出するセンサ手段とを備えるので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を迅速かつ柔軟に行わせることが可能である。
【００９０】
さらに、請求項５に記載した発明によれば、歩行ロボットの足機構の歩行制御方法が、踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程とを有するので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を実現する足機構を備えた歩行ロボットに対し迅速かつ容易な歩行制御を行わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る足機構の基本原理を説明する図である。
【図２】本発明に係る足機構の基本原理を説明する図である。
【図３】本発明に係る足機構の基本原理を説明する図である。
【図４】従来の足機構で歩行を行わせた状態を示す図である。
【図５】従来の足機構で踵を浮かせた歩行を行わせた状態を示す図である。
【図６】本発明に係る歩行ロボットの足機構で踵を浮かせた歩行を行わせた状態を示す図である。
【図７】本発明に係る歩行ロボットの足機構が復帰手段を有しない場合の歩行状態を説明する図である。
【図８】本発明の一実施例に係る足機構が復帰手段を有する場合の歩行状態を説明する図である。
【図９】本発明に係る歩行ロボットの足機構がダンパ手段を有しない場合の歩行状態を説明する図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る足機構のダンパ手段を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例に係る足機構の下限位置検出手段を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る足機構の回転角度検出手段を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例に係る足機構の力トルクセンサを示す図である。
【図１４】本発明の他の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す図である。
【図１５】図１４に示した実施例の足機構の柔軟保持機構を示す図である。
【図１６】図１４に示した実施例の足機構に２自由度を有する指関節部を適用した例を示す図である。
【図１７】図１に示した実施例の足機構に２自由度を有する指関節部を適用した例を示す図である
【図１８】本発明の足機構を備える歩行ロボットの２足歩行支持脚の歩行制御処理を説明するフロー図である。
【図１９】本発明の第１の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す図である。
【図２０】本発明の第２の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す図である。
【符号の説明】
２上体部
４足先部
４ａ足底
６踵部
１０指関節部
１２足首関節部
１４機械的リミッタ
１６バネ
１８マイクロスイッチ
２０単軸力センサ
２２一方向ロータリダンパ
２４ポテンショメータ
２６スペーサ
２８力トルクセンサ
３０柔軟保持機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a foot mechanism of a walking robot having legs composed of multiple joints.
[0002]
[Prior art]
Examples of conventional foot mechanisms of walking robots that attempt to secure walking stability and ground surface flexibility include those described in Japanese Patent No. 2826858 and Japanese Patent Laid-Open No. 2000-176866. be able to.
[0003]
Japanese Patent No. 2826858 discloses a sole in which a 6-axis force torque sensor and a cushioning material are combined and the edge of the sole is curved.
[0004]
In the case of this conventional example, since flexibility is determined by the physical properties of the buffer material, there is a restriction on the degree of freedom of selection depending on the material type, and a molding die for forming the curved surface of the edge part of the sole is required. Manufacturing costs were also expensive. In addition, compliance control using a force sensor is required to imitate the sole of the foot on the floor surface, and high-speed walking is difficult due to the limitation of the response band. Furthermore, when a 6-axis force torque sensor is mounted as the ground contact reaction force sensor, it is difficult to reduce the price and weight.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-176866 discloses a sole in which a grounding portion at the tip of a foot is provided with a degree of freedom of rotation and a spring or a spring and a damper are combined and a grounding detection sensor is provided on the grounding portion. Yes.
[0006]
In the case of this conventional example, since there is no mechanical limiter, if the spring stiffness is set to be flexible, the sole always becomes flexible, and when applied to a two-legged robot, it is difficult to maintain a static standing state. Met. Further, since only the ground sensor is provided, the ground position can be determined, but the force cannot be detected.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above-mentioned problems of the conventional example, the present inventor has a biped (leg) walking robot with little energy loss close to humans, and in natural walking with a large stride, a time when the part corresponding to the heel is lifted during walking occurs I paid attention to the gait. On the other hand, when standing statically, if the heel is grounded so that the ground contact area of the sole increases, and a static load is applied within the ground contact surface, the balance is stable without fine balance of the upper body. A stable stance can be secured. To achieve this, humans have not only ankle joints but also rotational degrees of freedom at the base of the toes (rotational degrees of freedom of the toe joints). The tip of the finger is grounded and supported.
[0008]
In the case of a foot mechanism having no degree of freedom for the toe joints, it is necessary to walk with a small stride with a solid foot as shown in FIG. If the gait forcibly lifts the heel, as shown in FIG. 5, since it is supported only by the small finger tip of the ground contact surface, a large stress is generated on the material of the foot tip, and the strength is required. Therefore, it is difficult to suppress the sliding of the ground plane.
[0009]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a foot mechanism of a walking robot that can quickly and flexibly perform a natural gait with a large stride and less energy loss. .
[0010]
Another object of the present invention is to provide a walking control method that realizes quick and easy walking control for a walking robot having a foot mechanism that realizes a natural gait with a large stride and less energy loss.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems In addition, the foot mechanism of the walking robot of the present invention is A finger joint that passively and rotatably couples the toe to the upper body at a position offset from the ground contact surface of the sole, the sum of the vertical drag on the ground contact surface of the toe, and the vertical drag Sensor means for detecting the position of the zero moment point on the ground contact surface; A mechanical limiter that restricts a rotation angle of the upper body portion to rotate about the finger joint portion with respect to the foot tip portion to be a lower limit value or more, and the upper body portion around the finger joint portion. Return means for generating a force to return the toe part to the lower limit position of the mechanical limiter with respect to the upper body part when rotating in a direction away from the part; It is characterized by providing.
[0012]
Also, In order to solve the above problems, the foot mechanism of the walking robot of the present invention is A finger joint part that passively and rotatably connects the toe part with respect to the upper body part at a position offset from the ground contact surface of the sole, and provided on the toe part, from the rotation axis of the finger joint part Sensor means for detecting a vertical drag component from the ground plane at at least two different distances; A mechanical limiter that restricts a rotation angle of the upper body portion to rotate about the finger joint portion with respect to the foot tip portion to be a lower limit value or more, and the upper body portion around the finger joint portion. Return means for generating a force to return the toe part to the lower limit position of the mechanical limiter with respect to the upper body part when rotating in a direction away from the part; It is characterized by providing.
[0015]
Moreover, in order to solve the said subject, the walking control method of this invention is the following. 踵 Have a ground sensor the above Control method for controlling the walking of a walking robot with multiple foot mechanisms Because The step of determining whether or not the supporting leg is grounded using the heel contact sensor, and compliance control for the ankle joint part during the period when the heel is grounded so that the ground contact surface of the sole follows the floor. The process of maintaining the bottom surface contact and when the heel floats off the floor, the passive joint freedom of the finger joints guarantees the copying motion of the sole and floor contact surface, so detection at the finger joints And a step of controlling the posture of the upper body part by controlling the force on the ankle joint part so that the reaction force becomes a target reaction force necessary for the movement of the upper body part.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
[0017]
The foot mechanism of a walking robot according to an embodiment of the present invention is a flexible foot mechanism including a finger joint unit 10 that simulates the function of a finger joint of a human foot, and can realize a gait as shown in FIG. That is, since the finger joint portion 10 having a passive rotational degree of freedom is provided, a wide stride gait with a large stride is possible with the heel floating.
[0018]
First, the basic principle of the foot mechanism of the walking robot of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0019]
In general, the ankle of a biped robot has a degree of freedom to tilt the sole right and left and a degree of freedom to tilt back and forth. In FIG. 1, for convenience of explaining the basic principle of the present invention, Only the ankle joint portion 12 having a degree of freedom to tilt the sole forward and backward in parallel is described.
[0020]
In general, the ankle joint 12 can actively control its angle and speed with an actuator. In the foot mechanism of the present invention, in addition to the active rotational freedom degree of the ankle joint part 12, a finger joint part 10 that simulates the toe rotational freedom degree is added. The finger joint portion 10 has a degree of freedom in which it can freely rotate and is rotationally driven by an external force load.
[0021]
1A shows a state where the rotation angle around the finger joint portion 10 is the lower limit position, and FIG. 1B shows a state where the finger joint portion 10 is rotatable.
[0022]
Here, as shown in FIG. 1, a portion connected to the sole side from the finger joint portion 10 is referred to as a foot tip portion 4, and the opposite side portion is referred to as an upper body portion 2.
[0023]
In the foot mechanism of the walking robot of the present invention, the finger joint portion 10 is provided in a position that is parallel to the ankle joint portion 12 and offset from the foot bottom surface 4a to the upper body portion 2 side. That is, the finger joint portion 10 is passively connected to the upper body portion 2 at a position where the foot tip portion 4 is offset from the foot bottom surface 4a.
[0024]
If this finger joint part 10 is always rotatable, even if it is simply desired to stand still, dynamic posture control such as always stepping forward and backward to stabilize the posture of the upper body part 2 must be applied. Wastes computer power and actuator power. Therefore, in the foot mechanism of the present invention, as shown in FIG. 1, a mechanical limiter 14 is provided in the degree of freedom of rotation of the finger joint portion 10, and the upper body portion 2 is placed around the finger joint portion 10 with respect to the foot tip portion 4. The rotation angle is set to be equal to or greater than the lower limit value.
[0025]
FIG. 2 shows a method of detecting the position of the zero moment point ZMP on the ground contact surface of the toe portion when the upper body portion of the foot mechanism of the present invention is in a stationary and stable state.
[0026]
In the case of simply standing still, as shown in FIG. 2, the vector of force F acting on the toe portion 2 from the upper body portion 4 (determined by its own weight applied to the mass center of gravity of the upper body portion 4) is determined. While the lower end position of the finger joint portion 10 on the bottom surface of the portion 4 is within the range of the heel edge point B on the bottom surface of the foot portion 4, the upper body portion 2 is simply held at the same angle of the ankle joint portion 12. It is possible to maintain a statically stable state. Therefore, it is possible to reduce the power of the computer and the power of the actuator when standing still.
[0027]
Here, in the stationary stable state of FIG. 2 (B), F indicates the force from the upper body part 2 applied to the bottom surface of the foot part 4, and F1 and F2 are vertical drag components acting on the edge points A and B, respectively. Indicates. Since force balance is established, F = F1 + F2.
[0028]
Further, assuming that L1 and L indicate the distance from the edge point A on the bottom surface of the foot portion 4 to the mass center of gravity and the edge point B, the moment balance around the edge point A is also established, so that FxL1 = F2xL. Here, since the vertical drag components F1 and F2 are detected by a single-axis force sensor (described later) and L is known, the distance L1 from the edge point A to the mass center of gravity can be obtained from the above two equations. .
[0029]
FIG. 3 shows a method of detecting the position of the zero moment point ZMP on the ground contact surface of the foot tip portion when the upper body portion 2 of the foot mechanism of the present invention is in a freely rotatable state at the finger joint portion 10.
[0030]
When there is a movable part (not shown) in the upper body part 2 and an inertial force is generated, or when an external force is applied to the upper body part 2, these forces are applied as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). The sum of moments of vector and dead weight vector is
(1) clockwise around the finger joint 10 (the direction in which the upper body 2 presses the heel)
(2) clockwise with edge point A (toe) as a fulcrum
(3) Counterclockwise with edge point B (踵) as a fulcrum
If this is the case, the upper body 2 is stable while the heel is in contact with the toe 4.
[0031]
On the other hand, in order to realize the forward dynamic walking with the biped walking robot, it is necessary to have a time when the upper body part 2 is toppled forward. In the foot mechanism of the present invention, the upper body 2 is turned over using the finger joint 10. This overturning of the upper body part 2 can be smoothly realized while the toe part 4 is stably grounded since the finger joint part 10 has a passive rotational freedom degree. If the roll is smooth, the reaction force generated at the sole also changes smoothly, so that the posture control of the upper body 2 is facilitated.
[0032]
The condition for causing the upper body part 2 to fall around the finger joint part 10 is that the inertial force of the upper body part 2, the external force acting on the upper body part 2, and the moment of the own weight vector are around the finger joint part 10. It is clockwise (the direction in which the upper body 2 presses the heel). Further, at that time, as shown in FIG. 3A, the finger joint portion 10 is freely rotatable, and therefore the force transmitted to the toe portion 4 via the finger joint portion 10 does not include a torque component. The force vector F starts from the finger joint 10.
[0033]
Therefore, the condition for the surface to be stably grounded on the foot portion 4 is that the position of the zero moment point (ZMP) on the foot bottom surface of the force vector F is within the range from the toe edge point A to the heel edge point B. . The posture control of the upper body part 2 can be performed by appropriately applying the reaction force beltle F acting on the upper body part 2 from the finger joint part 10 as is apparent from the control of the inverted pendulum. In general, the posture of the body part 2 relative to the gravitational field (inclination angle from the vertical) and the motion state (angular velocity, acceleration, etc.) of the body part 2 are controlled by a posture sensor mounted on the body part 2 to be controlled. Detected.
[0034]
When the sole does not slip on the ground contact surface and the mass characteristics and motion states of all the moving parts are clear, for example, how the ankle joint part 12 is driven, Whether the force F acts can be determined by simulation in the computer. However, since the slip generation principle of the ground contact surface includes not only the sole but also the friction condition on the floor side, it is desirable to detect F actually generated in the finger joint portion 10.
[0035]
As known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-254888 (Japanese Patent Application No. 11-63910), which is a prior application of the present inventor, if at least three single-axis force sensors capable of detecting only vertical drag are arranged on the sole of the foot. The sum of the vertical drag components on the sole plane and the position of the zero moment point (ZMP) can be detected two-dimensionally in the sole plane.
[0036]
For the sake of simplicity, the horizontal dimension of the sole is eliminated, and the XZ direction is defined by the sole viewed from the side as shown in FIG. If the position of the zero moment point (ZMP) only in the X direction is to be detected, at least two uniaxial force sensors are required, and the force sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-254888 is used in the present invention. By providing the single-axis force sensor 20 at the positions of the edge points A and B of the toe portion 4 of the foot mechanism, zeros in the X direction of FIG. 3B can be obtained from the detected values F1 and F2 of the single-axis force sensor 20. The position L1 of the moment point ZMP and Fz (= F1 + F2) equivalent to the sum of the vertical drag can be detected.
[0037]
If the position L1 of the zero moment point ZMP is known, the starting point of the force vector F is located at the finger joint part 10, and the design dimension Lt of the toe part 4 (from the edge point A to the lower end position of the finger joint part 10). ) And H (height from the bottom of the foot to the center of the finger joint 10), the direction of action θ of the force vector F applied to the finger joint 10 can be calculated by the following equation.
[0038]
θ = arctan ((L1-Lt) / H)
Further, the magnitude of the force vector F can be calculated from the θ and Fz (sum of vertical drag) by the following equation.
[0039]
F = Fz / cosθ
Therefore, by combining the foot mechanism of the present invention and the force sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-254888, it is possible to detect the force F acting on the upper body part 2. In other words, the posture of the body part 2 can be controlled by detecting F and performing control so as to approach the target value.
[0040]
Further, as an effect of extending the shape of the toe portion 4 from the toes to the heel as shown in FIG. 1, even when the mechanical limiter 14 is in contact with a stationary leg or the like, the mechanical limiter 14 is in contact. Even in the case where there is not, it is possible to measure the vertical drag over a wide range using the sole sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-254888.
[0041]
Next, FIG. 19 shows the structure of the foot mechanism of the walking robot according to the first embodiment of the present invention.
[0042]
As shown in FIG. 19, the foot mechanism of the first embodiment includes an ankle joint portion 12, a finger joint portion 10, a one-way rotary damper 22 and a potentiometer 24 provided on the finger joint portion 10, and an upper body portion. A mechanical limiter 14 and a spring 16 provided between the toe portions, a micro switch 18 provided at the toe portion, and a plurality of single-axis force sensors 20 are provided. Hereinafter, the configuration and operation of each element of the foot mechanism of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0043]
FIG. 7 shows a walking state when the foot mechanism of the walking robot according to the present invention has no return means as shown in FIG. FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration and operation of the return means in the foot mechanism of this embodiment. 7 and 8, (A) shows the state of the foot mechanism during the supporting leg period, and (B) shows the state of the foot mechanism during the free leg period.
[0044]
In the example shown in FIG. 1, the finger joint portion 10 having a passive rotational degree of freedom can rotate completely freely, so that the heel side hangs down during the free leg period when the leg is to be lifted. For this reason, if the retracted height of the free leg from the floor surface is small, there is a risk of dragging the heel as shown in FIG. Such a phenomenon makes the gait look bad, and the friction when dragging acts as a disturbance from the viewpoint of the posture control of the robot, which is not preferable.
[0045]
Therefore, in the foot mechanism of the present embodiment, as shown in FIG. 8, between the foot tip portion 4 and the upper body portion 2, for example, a coil spring, the foot tip in the direction of the lower limit position of the mechanical limiter 14. The return means 16 which has the function to generate | occur | produce the force which tries to pull back the part 4 is equipped. Of course, instead of this coil spring, a torsion spring, a magnet or the like may be used as the return means 16.
[0046]
The restoring force of the restoring means 16 may be a small force that can attract only the foot part 4 that is extremely light compared to the upper body part 2 during the free leg period. Therefore, even if the return means 16 is constituted by a spring, it can be constituted by a small one. This small restoring force means that when the sole is installed, the torque acting around the finger joint portion 10 from this spring is small, and the inertia and mass are sufficiently large with respect to the toe portion 4. In the case of a walking robot having the body 2, the torque component generated by the return force of the return means 16 does not greatly affect the posture control of the body 2.
[0047]
FIG. 9 shows a walking state at the start of the free leg when the foot mechanism of the walking robot according to the present invention does not have damper means. FIG. 10 shows the damper means in the foot mechanism of this embodiment. 10A is a plan view of a finger joint portion provided with damper means in the foot mechanism of this embodiment, and FIG. 10B is a front view of the finger joint portion.
[0048]
As shown in FIG. 9, when the foot mechanism of the walking robot according to the present invention has the return means 16, when the speed of the return of the toe portion 4 is high during the free leg start period when the support leg changes to the free leg. The toes may fall and the front tip of the sole may be caught on the grounding surface, which may hinder the swinging movement of the free leg. In order to avoid this, it is necessary to shift from the supporting leg to the free leg and swing out as a free leg after the foot track is sufficiently separated from the ground contact surface. This shortens the time given as swing-out of the free leg, and requires a faster swing-out swing operation, and increases the energy loss due to the separation operation itself.
[0049]
Therefore, in order to solve the above-described problem, in the foot mechanism of the present embodiment, after the toe portion 4 returns to the lower limit position direction of the mechanical limiter 14 due to the return force of the return means 16, the leg mechanism 4 is moved to the free leg. Damper means 22 is provided to act on the upper body 2 with a damping force that returns until it becomes a support leg again. An example of such a damper means 22 is a one-way rotary damper as shown in FIG.
[0050]
FIG. 11 shows the lower limit position detecting means 18 in the foot mechanism of this embodiment.
[0051]
The foot mechanism of the present embodiment is equipped with lower limit position detecting means 18 for detecting that the finger joint portion 10 having the degree of passive rotational freedom is positioned at the lower limit position of the mechanical limiter 14. As an example of such a lower limit position detecting means 18, there is a microswitch or the like as shown in FIG. By mounting such a micro switch 18, it can be accurately determined that the mechanical limiter 14 has shifted to the rotatable state of FIG. 3 where it does not act on the sole. Thereby, the control of the force vector F in FIG. 3 necessary for controlling the posture of the upper body can be started at an appropriate timing.
[0052]
FIG. 12 shows the rotation angle detection means 24 in the foot mechanism of the present embodiment. 12A is a plan view of the finger joint portion provided with the rotation angle detecting means 24 coaxially with the damper means 22 in the foot mechanism of the present embodiment, and FIG. 12B is a front view of the finger joint portion. Show.
[0053]
In the foot mechanism of the present embodiment, the integration error and temperature drift are problems in the posture sensor that obtains the inclination angle by integrating the output of the angular velocity sensor (gyro etc.) and the acceleration sensor mounted on the upper body 2. When the inclination of the floor surface to which the toe portion 4 is grounded is known, in a situation where the floor surface is not in contact with the mechanical limiter 14, the ground surface of the toe portion 4 can be guaranteed, so By providing the angle detection means 22, the inclination angle of the upper body with respect to the floor surface can be calculated, and the inclination calculation by the posture sensor becomes unnecessary. Examples of such rotation angle detection means 22 include the potentiometer, resolver, pulse encoder, etc. shown in FIG.
[0054]
Further, the tilt angle data of the body part 2 calculated from the detection value of the rotation angle detecting means 22 can be used to calibrate the tilt angle data by the posture sensor. Further, by using the micro switch 18 shown in FIG. 11 as a reference zero point sensor, a two-phase incremental encoder can also be used as an absolute angle sensor of the finger joint unit 10. Further, since the rotation angle and angular velocity of the finger joint portion 10 can be detected, it is possible to estimate the torque component in the finger joint portion 10 generated by the damper means 22 shown in FIG. 10 and the return means 16 shown in FIG. Further, the posture control of the body part 2 can be performed precisely, the characteristics of the spring and the damper can be adjusted, and the return force can be used as the overturning speed suppressing force of the body part 2.
[0055]
FIG. 13 shows an example in which a force torque sensor 28 is provided in the foot mechanism of this embodiment instead of the single-axis force sensor 20 described above. 13A shows an example in which the force torque sensor 28 is provided at the ankle position of the upper body portion 2, and FIG. 13B shows an example in which the force torque sensor 28 is provided at the toe portion 4.
In the foot mechanism of this embodiment, instead of the single-axis force sensor 20 shown in FIGS. 2 and 3, as shown in FIG. 13, the sum of the vertical forces on the ground contact surface of the toe portion 4, and the vertical force A force torque sensor 28 may be provided as sensor means for detecting the position of the zero moment point ZMP on the ground contact surface.
In the case of the example shown in FIG. 13, the force torque sensor 28 can be obtained as a commercial product and can be incorporated as a module product, and can be easily replaced. In addition, since a sensor for detecting a 6-axis force torque is also commercially available, it is easy to detect the torque in the Z direction, and the posture control of the upper body in the walking robot is performed using the single-axis force shown in FIGS. Compared to the case of the sensor 20, it can be made more advanced.
[0056]
Next, FIG. 20 shows the structure of the foot mechanism of the walking robot according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 20, the foot mechanism of the second embodiment includes an ankle joint portion 12, a finger joint portion 10, a one-way rotary damper 22 and a potentiometer 24 provided on the finger joint portion 10, The mechanical limiter 14 and the spring 16 provided between the toe portions, the 26 provided at the heel position of the upper body portion and the single axis force sensor 20, the micro switch 18 provided at the toe portion and a plurality of single axes. A force sensor 20 is provided.
[0057]
Hereinafter, the configuration and operation of each element of the foot mechanism of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 14 to 16. Note that elements corresponding to those of the above-described embodiment shown in FIG. 19 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
Since the toe portion described in the above-described foot mechanism is an integral part from the toes to the heel, as shown in FIG. 6, even when the heel is lifted, it looks like a solid foot from the toes to the heel. It is a gait that is difficult to look at compared to humans. Further, since the toe portion is unbalanced and heavy with respect to the finger joint portion 10, a large return means (spring or the like) for generating a force for returning the toe portion with respect to the upper body portion is required. .
[0058]
Therefore, the above problem can be solved by adopting a configuration in which the heel and the toe portion are separated as shown in FIG. That is, in the foot mechanism of the second embodiment, the heel portion 6 separated from the foot tip portion 4 is provided on the lower surface of the upper body portion 2 so as to form a ground contact surface together with the foot tip portion 4. The finger joint portion 10 and the mechanical limiter 14 are realized in the same manner as in the first embodiment. Furthermore, the return method and damping of the toe portion 4 in the foot mechanism of the present embodiment can also be realized by the same method as in the first embodiment.
[0059]
FIG. 15 shows the flexible holding mechanism 30 of the foot mechanism of the embodiment shown in FIG. As shown in FIG. 15, the flexible holding mechanism 30 is configured by a spring or the like between the upper body portion 2 and the toe portion 4, and the flexible body holding mechanism 30 has the upper body portion 2 around the finger joint portion 10. When rotating in a direction away from the toe portion 4, a force is generated to return the toe portion 4 toward the lower limit position of the mechanical limiter 14 with respect to the upper body portion 2.
[0060]
Further, as shown in FIG. 20, in the case of the foot mechanism of the second embodiment, even when the heel part 6 is grounded, in order to accurately detect the reaction force from the floor surface, While providing the single-axis force sensor 20 which detects a drag component, it is also possible to provide the single-axis force sensor 20 in the collar part 6 via the spacer 26. FIG. The former single-axis force sensor 20 can detect the vertical drag component on the toe side, and the latter single-axis force sensor 20 can detect the vertical drag component on the ground contact surface side of the heel.
[0061]
Furthermore, although not shown, in the case of the foot mechanism of the second embodiment in which the toe portion and the heel are separated, the force torque sensor 28 is provided in the same manner as in the first embodiment to detect the force torque. Of course, it is possible to do this.
[0062]
FIG. 16 shows an example in which a finger joint portion 10a having two degrees of freedom such as a ball point is applied to the finger joint portion of the foot mechanism of the second embodiment shown in FIG. Corresponding to this, an ankle joint 12a having two degrees of freedom is applied. As shown in FIG. 16, this finger joint part 10a has a passive rotational degree of freedom in which the foot part 4 rotates in the vertical direction and a degree of freedom in which the foot part 4 tilts in the left-right direction. The portion 4 has a degree of freedom to follow the inclination in the left-right direction stably.
[0063]
As an example of the return mechanism of the toe portion 4, in the example shown in FIG. 16, the spring 30 is disposed between the upper body portion 2 and the toe portion 4. The return torque of the toe portion 4 with respect to the front / rear direction inclination is determined by the spring strength and the action length a, and the return torque of the left / right direction inclination toe part 4 is determined by the spring strength and the action lengths c and b. By adjusting these operating lengths a, b, and c, it is possible to independently design the return torque of the toe portion independently.
[0064]
Similarly, FIG. 17 shows an example in which a finger joint portion 10a having two degrees of freedom such as a ball point is applied to the finger joint portion of the foot mechanism of the first embodiment shown in FIG. Also in this example, the spring 30 is disposed between the upper body 2 and the toe 4 as an example of the return mechanism of the toe 4. The operation and configuration are the same as those of the return mechanism shown in FIG.
[0065]
Next, FIG. 18 is a flowchart explaining the walking control process of the biped walking support leg of the walking robot provided with the foot mechanism of the present invention.
[0066]
In the walking control process of the foot mechanism of the present invention, the advantage of being able to control the posture of the walking robot using the ankle joint 12 is that if the joint structure is like a human, the ankle joint 12 and the finger joint Since the link length between the parts 10 is much shorter than the link lengths of the knees and thighs, the posture control by the ankle joint part 12 does not greatly affect the stride. This facilitates walking control of various strides.
[0067]
Further, according to the foot mechanism of the present invention, the link length from the grounding point of the support leg of the walking robot to the waist can be increased, and when the swinging leg is swung out, the toe of the free leg is caught on the floor. You can reduce the risk of tripping and upper body falling. Therefore, rather than constantly controlling the compliance of the ankle joint 12 in order to make the sole follow the floor surface during walking, the copying operation is realized with a passive rotational degree of freedom of the finger joint 10 for a certain period, It is more advantageous for stable walking to use the ankle joint 12 for posture control of the upper body.
[0068]
In addition, even when the walking speed at which the ground contact state between the foot bottom and the floor cannot be stably secured due to the restriction of the control band of the compliance control, the ground contact with the floor of the foot with the passive rotary shaft of the finger joint portion 10 is ensured. Since the state can be realized and the smooth floor reaction force fluctuation is guaranteed, the force control of the finger joint portion 10 and the dynamic posture control of the upper body portion are facilitated.
[0069]
Therefore, during walking, most of the legs are supported, and during the period when the heel is worn, compliance control is performed at the ankle joint 12 that can be actively driven to ensure a rough stable grounding. A method in which the posture is stabilized by force control of the finger joint portion 10 in a stable one-leg support period is preferable.
[0070]
The walking control process shown in FIG. 18 shows the flow of control when the support leg of the walking robot having the foot mechanism of the present invention having the heel contact sensor is landing on the heel and when the heel is floating. It was. That is, when the walking control process is started, it is first determined whether or not the heel of the support leg is grounded using the heel contact sensor (S10).
[0071]
When it is determined in step S10 that the heel is in contact with the ground, compliance control is performed on the ankle joint 12 (S11). Then, by controlling the center of gravity of the upper body of the walking robot within a desired range, the ground contact surface of the sole of the support leg is made to follow the floor to keep the surface contact with the sole (S12). After executing step S12, the process returns to the determination of step S10.
[0072]
On the other hand, when it is determined in step S10 that the bag is floating from the floor, the motion of the upper body of the walking robot is detected (S13). At this time, the copying operation of the sole and the ground contact surface of the floor is ensured with the passive degree of freedom of rotation of the finger joint unit 10. And the target reaction force F of the finger joint part 10 required for the motion correction of the upper body of the walking robot is calculated (S14). The reaction force F at the actual finger joint 10 is detected using the single-axis force sensor 20 or the like (S15). Force control is performed on the ankle joint portion 12 so that the detected reaction force F detected at the finger joint portion 10 detected at step S15 becomes the target reaction force F calculated at step S14 (S16). Thereby, the posture of the upper body part of the walking robot is controlled. After executing step S16, the process returns to the determination of step S10.
[0073]
According to the walking control process of the foot mechanism of the above-described embodiment, compliance control is performed by the ankle joint portion 12 that can be actively driven during the period when the heel is attached to ensure rough stable grounding, and the heel is almost lifted. Since the posture is stabilized by the force control of the finger joint 10 during the most unstable one-leg support period, it is quicker than a walking robot with a foot mechanism that realizes a natural gait with little energy loss with various strides And it is possible to perform easy walking control.
[0074]
(Supplementary note 1) A finger joint portion that passively and rotatably couples the toe portion with respect to the upper body portion at a position offset from the ground contact surface of the sole, a sum of vertical drag on the ground contact surface of the foot tip portion, and And a sensor means for detecting a position of the zero moment point of the normal force on the ground contact surface.
[0075]
(Additional remark 2) The said sensor means is provided in the toe | tip part, The several single axis force sensor which detects the vertical drag component from a grounding surface in each of at least two places from which the distance from the rotating shaft of the said finger joint part mutually differs The foot mechanism of the walking robot according to appendix 1, characterized by comprising:
[0076]
(Supplementary note 3) A foot of a walking robot according to supplementary note 1, further comprising a mechanical limiter that restricts the rotation angle of the upper body part to rotate around the finger joint part with respect to the toe part to be equal to or greater than a lower limit value. mechanism.
[0077]
(Supplementary Note 4) When the upper body part rotates around the finger joint part in the direction away from the toe part, the force to return the toe part to the lower limit position of the mechanical limiter with respect to the upper body part The foot mechanism of the walking robot according to claim 3, further comprising return means for generating
[0078]
(Supplementary Note 5) Damper means for generating a damping force on the upper body part when the toe part rotates in the lower limit position direction of the mechanical limiter by the return force of the return means is provided in the finger joint part. The foot mechanism of the walking robot according to Supplementary Note 4, wherein
[0079]
(Additional remark 6) The foot mechanism of the walking robot of Additional remark 3 characterized by including the lower limit position detection means which detects that an upper body part is located in the lower limit position of the said mechanical limiter with respect to a foot tip part.
[0080]
(Supplementary note 7) The walking robot according to supplementary note 1, wherein a rotation angle detecting means for detecting a rotation angle at which the upper body part rotates around the finger joint part with respect to the toe part is provided in the finger joint part. Foot mechanism.
[0081]
(Supplementary note 8) The foot mechanism of the walking robot according to supplementary note 1, wherein the sensor means includes a force torque sensor provided at an ankle position of the upper body part.
[0082]
(Supplementary note 9) The foot mechanism of the walking robot according to supplementary note 1, wherein the sensor means includes a force torque sensor provided at the toe portion.
[0083]
(Supplementary Note 10) A heel part separated from the toe part is provided on the lower surface of the upper body part so as to form a ground contact surface together with the toe part, and the sensor means includes at least the toe part and the heel part. The robot foot mechanism according to claim 1, further comprising a plurality of single-axis force sensors that respectively detect vertical drag components from the ground contact surface of the unit.
[0084]
(Additional remark 11) The said finger joint part is formed as a rotating shaft of 2 degrees of freedom, and it has the flexible holding mechanism for maintaining a posture stably with respect to the inclination of the said upper body part with respect to the said toe part. The foot mechanism of the walking robot according to appendix 1.
[0085]
(Additional remark 12) The foot of the walking robot according to Additional remark 10, further comprising a mechanical limiter that restricts the rotation angle of the upper body portion to rotate around the finger joint portion with respect to the toe portion to be a lower limit value or more. mechanism.
[0086]
(Additional remark 13) When the upper body part rotates in the direction away from the toe part around the finger joint part, the force to return the toe part to the lower limit position direction of the mechanical limiter with respect to the upper body part The walking robot foot mechanism according to claim 12, further comprising return means for generating
[0087]
(Supplementary Note 14) Damper means for generating a damping force for the upper body part when the toe part is rotated in the lower limit position direction of the mechanical limiter by the return force of the return means is provided in the finger joint part. The foot mechanism of the walking robot according to Supplementary Note 13, wherein
[0088]
(Supplementary Note 15) A heel-contact sensor, a finger joint that passively and rotatably connects the foot to the upper body at a position offset from the ground contact surface of the sole, and a vertical position on the ground contact surface of the foot tip In a walking control method for controlling walking of a walking robot having a foot mechanism having a sum of drag and a sensor means for detecting a position of a zero moment point of the vertical drag on the ground contact surface, it is supported by using the heel contact sensor A step of determining whether or not the leg is in contact with the ground, a step of keeping the contact of the surface of the sole by making the ground contact surface of the sole follow the floor by performing compliance control on the ankle joint during the period when the heel is grounded, and When the heel is lifted off the floor, passive motion of the finger joints ensures that the sole and floor contact surface is copied, so the reaction force detected at the finger joints can affect the upper body movement. Ankle joint to achieve the desired reaction force And a step of controlling the posture of the upper body part by force-controlling the part.
[0089]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the first aspect of the present invention, the foot mechanism of the walking robot passively rotates at a position where the toe portion is offset from the ground contact surface of the sole with respect to the upper body portion. Since it has a finger joint part that is freely connected, and a sensor means for detecting the sum of the vertical drag on the ground contact surface of the toe part and the position of the zero moment point of the vertical drag on the ground contact surface, energy can be obtained with various strides. It is possible to make a natural gait with little loss quickly and flexibly. Further, according to the invention described in claim 2, the finger joint unit in which the foot mechanism of the walking robot passively and rotatably connects the upper part of the foot with the position where the foot part is offset from the ground contact surface of the sole. And sensor means for detecting the vertical drag component from the ground contact surface at at least two locations that are provided on the toe portion and have different distances from the rotation axis of the finger joint portion. It is possible to make a natural gait with less speed and flexibility.
[0090]
Further, according to the invention described in claim 5, the walking control method of the foot mechanism of the walking robot includes the step of determining whether the support leg is grounded using the heel contact sensor, and the period when the heel is grounded. Compliance control for the ankle joint makes the contact surface of the sole follow the floor and keeps it in contact with the floor, and when the heel floats off the floor, Since the copying operation of the ground contact surface between the sole and the floor is guaranteed, the upper part of the ankle joint is controlled by force control so that the reaction force detected at the finger joint is the target reaction required for upper body movement. It has a process to control the posture of the body part, so it is possible to make a walking robot with a foot mechanism that realizes a natural gait with little energy loss with various strides to perform quick and easy walking control. is there.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining the basic principle of a foot mechanism according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a basic principle of a foot mechanism according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the basic principle of a foot mechanism according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which walking is performed by a conventional foot mechanism.
FIG. 5 is a view showing a state in which walking is performed with a heel lifted by a conventional foot mechanism.
FIG. 6 is a diagram showing a state in which walking with a heel lifted is performed by the foot mechanism of the walking robot according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a walking state when the foot mechanism of the walking robot according to the present invention has no return means.
FIG. 8 is a view for explaining a walking state when the foot mechanism according to one embodiment of the present invention has a return means.
FIG. 9 is a diagram for explaining a walking state when the foot mechanism of the walking robot according to the present invention has no damper means.
FIG. 10 is a diagram showing damper means of the foot mechanism according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a lower limit position detecting means of the foot mechanism according to one embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a view showing a rotation angle detecting means of the foot mechanism according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a view showing a force torque sensor of a foot mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a foot mechanism of a walking robot according to another embodiment of the present invention.
15 is a view showing a flexible holding mechanism of the foot mechanism of the embodiment shown in FIG.
16 is a view showing an example in which a finger joint having two degrees of freedom is applied to the foot mechanism of the embodiment shown in FIG.
17 is a view showing an example in which a finger joint having two degrees of freedom is applied to the foot mechanism of the embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 18 is a flowchart illustrating a walking control process for a biped walking support leg of a walking robot including the foot mechanism of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a foot mechanism of the walking robot according to the first example of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a foot mechanism of a walking robot according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
2 upper body
4 toes
4a sole
6 Buttocks
10 Finger joints
12 Ankle joint
14 Mechanical limiter
16 Spring
18 Micro switch
20 Single-axis force sensor
22 One-way rotary damper
24 Potentiometer
26 Spacer
28 Force torque sensor
30 Flexible holding mechanism

Claims

A finger joint that passively and freely couples the toe to the upper body at a position offset from the ground contact surface of the sole,
Sensor means for detecting the sum of vertical drag on the ground contact surface of the toe portion and the position of the zero moment point of the vertical drag on the ground contact surface;
A mechanical limiter for limiting the rotation angle of the upper body part to rotate around the finger joint part with respect to the foot part part to be a lower limit value or more;
When the upper body part rotates around the finger joint part in a direction away from the toe part, a force for returning the toe part to the lower limit position of the mechanical limiter with respect to the upper body part Return means for generating
A foot mechanism of a walking robot characterized by comprising:

A finger joint that passively and freely couples the toe to the upper body at a position offset from the ground contact surface of the sole,
Sensor means that is provided at the toe portion and detects a vertical drag component from the ground contact surface at at least two locations where the distance from the rotation axis of the finger joint is different from each other
A mechanical limiter for limiting the rotation angle of the upper body part to rotate around the finger joint part with respect to the foot part part to be a lower limit value or more;
When the upper body part rotates around the finger joint part in a direction away from the toe part, a force for returning the toe part to the lower limit position of the mechanical limiter with respect to the upper body part Return means for generating
A foot mechanism of a walking robot characterized by comprising:

In the walking control method for controlling the walking of the walking robot having the foot mechanism according to claim 1 or 2 having a heel contact sensor,
Determining whether the support leg is grounded using the heel contact sensor;
In the period when the heel is in contact with the ground, the step of keeping the contact of the surface of the sole by making the ground contact surface of the sole follow the floor by performing compliance control on the ankle joint,
When the heel is lifted off the floor, passive motion of the finger joints ensures that the sole and floor contact surface is copied, so the reaction force detected at the finger joints can affect the upper body movement. Controlling the posture of the upper body by controlling the force on the ankle joint so as to achieve the required target reaction force;
A walking control method characterized by comprising :