CN1839017A - 腿式移动机器人 - Google Patents

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Abstract

一种腿式移动机器人(R)包括：躯干(R2)，每个都借助第一关节(12，13)连接到该躯干(R2)上的腿(R1)，以及每个都借助第二关节(15，16)连接到腿(R1)的端部上的脚(17)，所述脚(17)包括具有下端部分的脚部(61)，该下端部分具有接触地面的接地区域(64，66)，所述脚部(61)包括支撑净重且同时在接触地面的时候弯曲的板簧部分(62)。

Description

腿式移动机器人
技术领域
本发明涉及一种腿式移动机器人。
背景技术
例如，在日本审定专利公开文献No.2003-71776中描述的技术为已知的作为用于腿式移动机器人、尤其是腿式移动机器人的脚的结构的技术。在专利参考文件1中描述的腿式行走机器人的脚由用于检测地面反作用力的力传感器(地面反作用力检测器)、设有具有减缓冲击作用的弹性构件的弹簧机构、脚底框架、脚底板和脚底按照上述顺序构成。
将力传感器借助弹簧机构连接到脚底框架上，通过该弹性构件的变形能够减小在着地时刻施加到力传感器上的震动、尤其是沿倾斜方向作用的震动。
但是，在日本审定专利公开文献No.2003-71776中描述的腿式行走机器人需要更大量的组成元件和复杂的结构。
存在提高上述腿式行走机器人的运动(行走和跑动)速度的需求。当腿式行走机器人以高速运动时，在腿部产生大的惯性力。为了减小惯性力，希望减小腿部的端侧、也就是脚的重量。
因为由在着地时刻施加到脚上的地面反作用力而产生的冲击力在腿式行走机器人以高速运动时也会变大，优选的是腿式行走机器人的脚具有能够承受该冲击力的结构。
因此，已经需要提供这样一种腿式移动机器人，即，尽管其结构简单，该机器人能够在着地时刻减缓震动，并且该机器人的脚的重量减轻。
发明内容
本发明涉及一种腿式行走机器人，其包括躯干、每个都借助第一关节连接到该躯干上的腿以及每个都借助第二关节连接到腿的端部上的脚。
在该移动机器人中，各个脚包括具有下端部分的脚部，该下端部分具有接触地面的接地区域，并且各个脚部包括支撑净重并在接触地面的时刻弯曲的板簧部分。
在本发明中，术语“接地区域”指的是在腿式移动机器人运动时腿式移动机器人接触地面的区域。
在本发明中，术语“净重”为腿式移动机器人的净重。术语“在弯曲的同时支撑净重”指的是一个或多个板簧部分弹性地变形并且机器人的净重通过该一个或多个板簧部分的弹性力支撑。
在本发明中，术语“脚部”指的是腿式移动机器人的脚的下部子结构和接收来自地面的反作用力的部分。在本发明中，脚部设有一个或多个板簧部分，由此在接地的时刻通过一个或多个板簧部分的弯曲来支撑净重。
此处，优选的是腿式移动机器人的脚部包括多个接地区域。
在本发明中，术语“多个接地区域”是指分成多个的接地区域。例如，通过提供多个板簧部分并在每一板簧部分上形成一接地区域而获得多个接地区域。也可以在一个板簧部分上形成多个接地区域。这样就提供了多个接地区域，由此使脚部即使在停止腿式移动机器人的状态下仍能够充分平衡地支撑腿式移动机器人。
此处，优选的是将多个接地区域分开地布置成相对于第二关节向前和向后。
例如，如此执行拟人的双脚移动机器人的操作，即，双脚移动机器人从脚部的后侧(脚后跟部分)开始着地，并且在前侧(脚尖部分)踢出，以模拟人类的行走。由于权利要求3的腿式移动机器人的接地区域被布置在前侧和后侧，可以适当地执行控制。当该腿式移动机器人向前运动时，腿式移动机器人的载荷中心沿着该腿式移动机器人的向前和向后方向运动，并且进行将载荷中心运动到一理想位置的控制。因此，权利要求3的腿式移动机器人采用前和后接地区域牢固地放置它的脚，并且可执行将该腿式移动机器人的载荷中心沿着向前和向后方向运动的控制。
此处，优选的是在接地区域与第二关节分开时使接地区域中的至少一个向上弯曲。
如上所述，当接地区域与第二关节分开时，所述接地区域的底部形状是向上弯曲的。由此，即使是当脚部在其相对于地面倾斜的状态下接触在地面上时，也可以适当地获得接地区域。而且，通过加大接地区域能够获得在地面和脚部之间的摩擦力。
另外，优选的是脚部包括第一脚底构件，该第一脚底构件作为接地区域在接地时刻在地面和第一脚底构件之间产生摩擦阻力。
因此，脚部几乎不会在地面上打滑，由此能够防止打滑。腿式移动机器人腿部的作用力能够被有效地传递到地面。
这里，优选的是将用于在第一脚底构件接地时削弱板簧部分的振动的第一中间构件设置在该板簧部分和第一脚底构件之间。
如上所述，在第一脚底构件接地时产生的板簧部分的振动能够通过第一中间构件来削弱，从而能够防止腿式移动机器人与板簧部分的振动相关联的姿态的不稳定性。
此外，优选的是第一中间构件允许第一脚底构件在第一脚底构件接地时沿着地面向板簧部分的方向的位移。
如上所述，能够抑制在第一脚底构件中与板簧部分的弯曲相关联的接地位置的位移。
另外，优选的是脚部包括第二脚底构件，该第二脚底构件位于第一脚底构件上方，用于在接地时刻在地面和第二脚底构件之间产生摩擦阻力。
如上所述，甚至在除了设置在正常接地区域上的第一脚底构件之外的部分在具有水平差异的地面(例如楼梯)上运动的时刻接地时，第二脚底构件接地，并由此能够防止打滑。因而该腿式移动机器人的腿部的作用力能够被有效地传递到地面。
此外，优选的是将用于在第二脚底构件接地时削弱该板簧部分的振动的第二中间构件设置在板簧部分和第二脚底构件之间。
如上所述，在第二脚底构件接地时产生的板簧部分的振动能够通过第二中间构件来削弱，从而能够防止腿式移动机器人与板簧部分的振动相关联的姿态的不稳定性。
另外，优选的是第二中间构件允许第二脚底构件在第二脚底构件接地时沿着地面向板簧部分的方向的位移。
如上所述，能够抑制在第二脚底构件中与板簧部分的弯曲相关联的接地位置的位移。
另外，优选的是该脚部包括一基底部分，并且多个板簧部分从所述基底部分向下延伸且在底面侧形成有接地区域。
如上所述，能够以简单的结构获得具有多个板簧部分的脚部。尽管板簧部分和基底部分可以分开地形成，也可使板簧部分和基底部分一体地形成。具体地说，可以进一步减少组成元件的数量，并且通过使板簧部分和基底部分一体地形成来简化脚的结构。
此外，优选的是设置有四个板簧部分；两个板簧部分从基底部分向前延伸；剩下的两个板簧部分从基底部分向后延伸；并且将四个板簧部分和基底部分形成为近似字母H形。
此处，术语“近似字母H形”指的是一对分别向前和向后设置的板簧部分可以互相平行，并且如此设置板簧部分，即，向末端部分略微打开。
例如，如此执行拟人的双脚移动机器人的操作，即，双脚移动机器人从脚部的后侧(脚后跟部分)开始着地，并且在前侧(脚尖部分)踢出，以模拟人类的行走。由于权利要求12的腿式移动机器人的接地区域被布置在前侧和后侧，可以适当地执行控制。当该腿式移动机器人向前运动时，该腿式移动机器人的载荷中心沿着该腿式移动机器人的向前和向后方向运动，并且进行将载荷中心运动到一理想位置的控制。因此，权利要求12的腿式移动机器人采用前和后接地区域牢固地放置它的脚，并且可执行将该腿式移动机器人的载荷中心沿着向前和向后方向运动的控制。当如此设置这对板簧部分，即，板簧部分向末端部分略微打开时，那么甚至在腿式移动机器人向右和向左倾斜并且载荷沿横向移位时，腿式移动机器人仍能有效地牢固放置它的脚。
另外，优选的是板簧部分由用纤维增强的复合构件制成。
在本发明中的“用纤维增强的复合构件”的例子包括纤维增强塑料，它是通过利用用于增强的纤维来增强塑料而获得。作为用于增强的纤维，碳纤维、玻璃纤维、有机纤维、金属纤维或类似物可被适当地利用。这样，通过由“用纤维增强的复合构件”来形成板簧部分可减少板簧部分本身的重量。
此外，优选的是板簧部分包括多个具有不同弹性模量的层。
如上所述，可削弱在腿式移动机器人运动时板簧部分的振动，也可稳定腿式移动机器人的位姿。
此外，优选的是板簧部分包括多层板簧和夹设于板簧之间的粘性构件。
如上所述，可削弱在腿式移动机器人运动时板簧部分的振动，也可稳定腿式移动机器人的位姿。
此处，优选的是腿式移动机器人设有用于削弱板簧部分的振动的减震部件(attenuation means)。
如上所述，可削弱在腿式移动机器人运动时板簧部分的振动，也可稳定腿式移动机器人的位姿。第一中间构件和第二中间构件也是所述削弱部件的例子。另外，阻尼装置或采用液压的类似物也可用作减震部件。根据阻尼装置或类似物，还可削弱在脚部离开地面时产生的板簧部分的振动。
另外，优选的是设有多个板簧部分，并且设有用于连接两个板簧部分的连接部分。
如上所述，可调节脚部的弹簧特性、尤其是其刚度。连接部分可与板簧部分一体地形成，可将与板簧部分分开地形成的连接构件连接和固定到每个板簧部分上。可适当地改变连接部分的形状、安装位置和数量等。
此外，优选的是脚包括用于借助脚部检测由地面作用的地面反作用力的地面反作用力检测部件。
本发明中的地面反作用力检测部件检测借助脚部输入的地面反作用力，具体地说，检测地面反作用力的平移力和地面反作用力的力矩中的至少一个。可检测至少一个轴向平移力或力矩(例如，垂直于地面的轴向力FZ)。
这样，通过将地面反作用力检测部件设置于脚上可在更接近于接地区域的位置检测地面反作用力，并且可更准确的检测地面反作用力。
此外，优选的是所述地面反作用力检测部件是一种组合地面反作用力检测器。
在本发明中，术语“组合”指的是将结合在一起的零部件装在一个壳体中的结构。也就是说，所述地面反作用力检测器将地面反作用力检测部件的零部件结合于该壳体中。这样，通过使用组合地面反作用力检测器可方便地组装脚。
另外，优选的是将脚部固定到地面反作用力检测器上。
如上所述，可进一步减轻腿式移动机器人的脚的重量，并且可进一步简化脚。
此外，优选的是脚部包括多个接地区域；第二关节的中心偏移到这样一个位置，即，在平面图内该位置到多个接地区域的最远点的距离最小；并且如此设置所述地面反作用力检测器的中心，即，该中心比第二关节的中心更接近于一位置，该位置在平面图内到多个接地区域的最远点的距离最小。
在日本未审定专利公开文献No.2003-71776中描述的腿式行走机器人中，第二关节的中心在平面图内偏移到接地区域，并且第二关节的中心和地面反作用力检测器的中心在平面图内设置在同一位置。在权利要求21中，由于地面反作用力检测器的中心在平面图内偏移至第二关节的中心，并且地面反作用力检测器的中心接近于到多个接地区域的最远点的距离最小的位置，因此可减小所检测的地面反作用力的数值，也可将地面反作用力检测器小型化。
此外，优选的是脚部包括多个接地区域；并且将所述地面反作用力检测器设置在这样一个位置，即，该位置在平面图内到多个接地区域的最远点的距离最小。
如上所述，可通过设置地面反作用力检测器的位置来减小所检测的地面反作用力的数值，并且可将地面反作用力检测器小型化。由于可降低所输入的地面反作用力的最大值，因此地面反作用力检测器几乎不会失效。可将地面反作用力检测器的壳体设置在如上所述的位置，并且可在如下范围内改变壳体的位置，即，该壳体的一部分位于上述位置。特别的是，考虑到使地面反作用力检测器小型化，优选的是将所述地面反作用力检测器的中心设置在这样一个位置，即，该位置在平面图内到多个接地区域的最远点的距离最小。
此处，优选的是地面反作用力检测部件是一用于检测板簧部分的变形的变形检测部件。
本发明中的变形检测部件检测板簧部分的变形，并且其例子包括使用变形仪(distortion gauge)和压电元件或类似物的变形检测部件。板簧部分受到地面反作用力并且弯曲(变形)，并且变形量与地面反作用力相关。因此，可通过检测板簧部分的变形来检测地面反作用力。
这样，由于通过检测板簧部分的变形来检测地面反作用力，可进一步简化脚的结构。
可通过检测板簧部分的变形来检测地面的状态。
本发明可提供能够减缓着地时刻的震动、减轻脚的重量和简化脚的腿式移动机器人。
附图说明
图1是示出了根据本发明的双脚型移动机器人的侧视图。
图2是示出了图1中所示腿部的关节结构的示意图。
图3是示出了根据第一实施例的双脚型行走机器人的脚的主视图。
图4是示出了根据第一实施例的双脚型行走机器人的脚的侧视图。
图5是示出了根据第一实施例的双脚型行走机器人的一个脚的仰视图。
图6是用于说明根据第一实施例的双脚型行走机器人的脚的接地状态的例子的示意图。
图7是用于说明在根据第一实施例的双脚型行走机器人向前运动(行走)时的脚部的接地状态的变化的示意图。
图8是用于说明根据第一实施例的双脚型行走机器人在具有水平差异的地面上运动的情形的示意图。
图9是用于说明根据第一实施例的双脚型移动机器人高速运动的情形的示意图。
图10是用于说明根据第二实施例的双脚型移动机器人的脚的侧视图。
图11是用于说明根据第三实施例的双脚型移动机器人的脚的侧视图。
图12是用于说明根据第四实施例的双脚型移动机器人的脚的仰视图。
图13是用于说明腿式移动机器人的板簧部分的变型的示意图。
图14是用于说明腿式移动机器人的板簧部分的变型的示意图。
具体实施方式
在下文中，将通过采用将本发明的腿式移动机器人的构造应用到自主运动双脚型移动机器人的情况作为例子，参照附图详细说明本发明的实施例。相同的组成元件由相同的附图标记表示，并省略重复说明。将双脚型移动机器人的向前向后方向、横向和垂向分别设定为X轴、Y轴和Z轴。在其中双脚型移动机器人采取站立位姿的状态的基础上描述该双脚型移动机器人的位置和方向等的表述。
<双脚型移动机构人R>
首先，参照图1描述本发明的双脚型移动机器人。图1是示出了根据本发明的双脚型移动机器人的侧视图。
如图1所示，双脚型移动机器人(以下简称为“机器人”)R利用双腿R1(仅示出了一条腿)以和人类相同的方式站立和运动(行走和跑动等)。双脚型移动机器人具有躯干R2、双臂R3(仅示出了一支臂)和头R4，并且该机器人是一种自主型移动机器人。机器人R以下述方式设有用于控制腿R1、躯干R2、臂R3和头R4的操作的控制装置安装部分R5，即，控制装置安装部分R5抵接着背部(躯干R2的后面)。
<腿部R1的关节结构>
下面将参照图2描述机器人R的腿R1的关节结构。图2是示出了图1中腿部的关节结构的示意图。如图2所示，机器人R设有分别具有六个关节11R(L)-16R(L)的右腿和左腿R1。右边和左边的12个关节由下述关节构成：设置在髋部的用于(绕Z轴)转动腿的髋关节11R和11L(右侧设为R并且左侧设为L等)、绕髋部的侧倾轴(X轴)的髋关节12R和12L、绕髋部的俯仰轴(Y轴)的髋关节13R和13L、绕膝部的俯仰轴(Y轴)的膝关节14R和14L、绕踝的俯仰轴(Y轴)的踝关节15R和15L以及绕踝的侧倾轴(X轴)的踝关节16R和16L。将脚部17R和17L连接到腿R1的下部上。
也就是说，腿R1设有髋关节11R(L)、12R(L)和13R(L)、膝关节14R(L)、踝关节15R(L)和16R(L)。通过股连接件21R和21L将髋关节11R(L)-13R(L)与膝关节14R(L)连接，并且通过胫连接件22R和22L将膝关节14R(L)与踝关节15R(L)和16R(L)连接。髋关节11R(L)-13R(L)是权利要求书中“第一关节”的例子，并且踝关节15R(L)和16R(L)是权利要求书中“第二关节”的例子。
借助髋关节11R(L)-13R(L)将腿R1连接到躯干R2上。图2将腿R1和躯干R2的连接部分作为躯干连接件23以简化的方式示出。将一倾斜传感器24安装在躯干R2上，该倾斜传感器24能检测相对于躯干R2的Z轴(垂直轴线)方向的倾角和角速度。将用于检测转动量的旋转编码器(未示出)设置在用于驱动每个关节的电动机上。
当采用这种结构时，能将总共十二个自由度传递给腿R1的右脚和左脚。在行走过程中，通过以恰当的角度驱动十二(6*2)个关节可将期望的运动传递到整条腿(腿R1和脚17)上，并且机器人可在三维空间内任意地行走(此处“*”指的是相乘)。
如图2所示，将已知的力传感器52设置在踝关节15R(L)和16R(L)的下方。该传感器52检测由地面作用在机器人R上的地面反作用力三个方向的分量FX、FY和FZ，以及作用在机器人R上的外力的力矩的三个方向的分量MX、MY和MZ。将由力传感器52和倾斜传感器24或类似物检测到的关于地面反作用力、力矩、倾角和角速度等的信号传递到设置在控制装置安装部分R5内的控制单元25上，并且将这些信号用于控制机器人R的位姿和操作等。控制单元25基于存储在存储器内(未示出)的数据和输入的检测信号计算关节驱动控制值，并且驱动关节。
<机器人R的脚部17>
借助踝关节15R(L)和16R(L)将机器人R的脚部17R(L)连接到腿R1的端部(地面侧)上，并且该脚部17R(L)设有力传感器52和脚板构件61。由于左腿(左腿R1和脚17L)和右腿(右腿R1和脚17R)是对称的，在下文中，在不必要时省略R和L。
<第一实施方式>
首先，参照图3-图5描述根据本发明第一实施方式的机器人R的脚17。图3是示出了根据本发明第一实施方式的双脚型移动机器人的脚的主视图。图4是示出了根据本发明第一实施方式的双脚型移动机器人的脚的侧视图。图5是示出了根据本发明第一实施方式的双脚型行走机器人的一只脚的仰视图。图3-图5所示的腿R1和脚17以这样一种状态示出，即，适当地去除了图1所示的机器人R的防护部分。图3-图5示出了机器人R的左腿(左腿R1和脚17L)。
《机器人R的踝关节》
此处，参照图3和图4简单地描述机器人R的踝关节15和16。机器人R的踝关节15和16通过将交叉轴41连接到胫连接件22和脚17的第一基座部分51上而构成。
通过以交叉的形状将利用Y轴作为旋转轴线的轴41a和利用X轴作为旋转轴线的轴41b结合来获得交叉轴41。轴41a的两个端部由胫连接件22可旋转地支撑。轴41b的两个端部由第一基座部分51可旋转地支撑。这就是说，轴41a对应于踝关节15，并且轴41b对应于踝关节16。
将第一连杆31和第二连杆32设置在胫连接件22的斜后方。将第一连杆31设置在胫连接件22的右斜后方，并且将其通过横轴36连接到第一基座部分51上。将第二连杆32设置在胫连接件22的左斜后方，并且将其通过横轴37连接到第一基座部分51上。通过借助减速齿轮传递由设置在第一连杆31和第二连杆32(例如，胫连接件22和股连接件21或类似物)上方的电动机产生的驱动力，第一连杆31和第二连杆32进行上下进退运动。由此第一连杆31和第二连杆32使踝关节15和16运动，并且使踝关节15和16保持在预定的角度。
例如，当要抬起脚17的脚尖部分时，将第一连杆31和第二连杆32向下推进，并且当要抬起脚17的脚跟部分时，将第一连杆31和第二连杆32向上收回。当脚17的右脚或左脚的任一个从地面抬起时，将要被留下的一侧的连杆向上收回，且将另一侧的连杆向下推进。第一连杆31和第二连杆32的操作由控制单元25控制。
《机器人R的脚部17》
如图3-图5所示，机器人R的脚17从上(踝关节侧)到下依次设有第一基座部分51、力传感器52、第二基座部分53和脚板构件(footflat mamber)61。
将第一基座部分51设置在脚17的上部上，并将其连接到踝关节15和16上。
如上所述，力传感器52检测三个方向的地面反作用力的平移力和三个方向的地面反作用力的力矩。将每个部分存储在壳体中(组合的)。在本实施例中，通过多个螺栓(未示出)将第一基座部分51和力传感器52固定位。借助电汽配线将力传感器52的输出输入到控制单元25内。
力传感器52是权利要求书中“地面反作用力检测部件”的一个例子，也是“地面反作用力检测器”的一个例子。
将第二基座部分53设置在力传感器的下方，即，力传感器52和脚板构件61之间，并且该第二基座部分53将力传感器52和脚板构件61相对彼此固定。在本实施例中，通过过多个螺栓(未示出)将力传感器52和第二基座部分53固定，并且通过过多个螺栓(未示出)将第二基座部分53和脚板构件61固定。这样，由于借助第二基座部分53将力传感器52和脚板构件61固定，因此可简化脚17的结构并减轻脚17的重量。脚17的每个构件的组装结构不限于上述结构。
脚板构件61是被连接到第二基座部分53下部上的构件，并且其构成了接触在地面上的脚部的主要部分。脚板构件61是权利要求书中“脚部”的一个例子。
脚板构件61设有板簧主体62、第一中间构件63、第一脚底构件64、第二中间构件65和第二脚底构件66。
板簧主体62是在弯曲的同时支撑机器人R的净重的部分，并且其主要由基底部分62a和从该基底部分62a延伸的弹簧部分62b构成。在本实施例中，板簧主体62一体地形成如下形状，即，将弹簧部分62b的基底端部连接到基底部分62a上。
基底部分62a具有平板的形状，并且具有沿着第二基座部分53的底面的形状。将在后面描述的弹簧部分62b的基底端部被连接到基底部分62a上，并且弹簧部分62b用作采用与基底部分62a的连接部分作为基底端部的板簧。
弹簧部分62b从基底部分62a的端部以角度θ(见图4)向下延伸。在本实施例中，采用了四个弹簧部分62b1、62b2、62b3和62b4。弹簧部分62b1和62b2从基底部分62a向前(脚尖方向)延伸，而弹簧部分62b3和62b4从基底部分62a向后(脚跟方向)延伸。优选的是弹簧部分62b1、62b2、62b3和62b4具有相同的形状、相同的强度和相同的性能(弹性模量)。
优选的是将角θ设置成满足如下要求的最小的角，即，在作用最大地面反作用力FZ时，基底部分62a仍不会接触到地面上。此处，例如，最大地面反作用力FZ指的是在机器人R以最高速度运动并且一条腿与地面接触时的地面反作用力。机器人R的净重通过这种设定由弹簧部分62b(62b1-62b4)的弹力支撑。另外，这种设定能防止基底部分62a与地面接触，也能防止对力传感器52的不利影响。
只要求板簧主体62是能使弹簧部分62b用作板簧的材料，并且其可由金属构件(钢、铝合金和镁合金或类似物)制成。特别的是，当板簧主体62由采用纤维增强的复合构件(纤维增强的塑料或类似物)制成时，在获得所需的强度和刚度的同时可减轻板簧主体62的重量。在这种情况下，通过使用于增强的纤维的纤维方向与从弹簧62b的基底端部到脚尖部的方向(纵向)一致，可保证弹簧部分62b的强度。
通过改变每个弹簧部分62b的纤维方向可传递各向异性，并且也可改变每个弹簧部分62b的弹簧特性。
碳纤维、玻璃纤维、有机纤维、金属纤维或类似物是优选的用于增强的纤维。优选的是板簧主体62是一个一体形成的构件。将具有这样一种结构的板簧主体62一体地形成，即，其中将多个弹簧部分62b(在本实施例中为四个)连接到一个基底部分62a上，从而可进一步减少组成元件的数量和简化脚的结构。
第一中间构件63是被连接到这样一个部分的减震构件，所述部分对应于弹簧部分62b的底面或接地区域，即，对应于下端部一侧(在本实施例中与脚尖部一侧相同)。第一中间构件63具有减缓着地时刻产生的弹簧部分62b的振动的功能。第一中间构件63也是权利要求书中“减震部件”的一个例子。优选的是第一中间构件63由具有减震功能的材料制成。例如，优选的是第一中间构件63由发泡树脂或类似物制成。可将采用液压的阻尼装置或类似物作为减震部件安装，以取代第一中间构件63。阻尼装置可与第一中间构件63一起使用。
将第一脚底构件64固定到第一中间构件63的底面，并且使第一脚底构件64位于脚板构件61的下端部。第一脚底构件64在运动时与地面实际接触。由于在第一脚底构件64和地面之间产生的阻力，第一脚底构件64实现一种防滑功能。优选的是第一脚底构件64由具有防滑功能的材料制成。例如，由橡胶制成的第一脚底构件是优选的。第一脚底构件64的底面是权利要求书中的“接地区域”。
第二中间构件65是被固定到弹簧部分62b的底面的中间部分的减震材料。第二中间构件65具有减缓在将被描述的第二脚底构件66接地时产生的弹簧部分62b的振动的功能。优选的是第二中间构件65由具有减震功能的材料以与第一中间构件63(例如，由发泡树脂或类似物制成的构件)同样的方式制成。
将第二脚底构件66固定到第二中间构件65的底面上。由于在第一脚底构件64和地面之间产生的摩擦阻力，第二脚底构件66以与上述第一脚底构件64相同的方式实现防滑功能。第二脚底构件66位于第一脚底构件64的上方。
在本实施例中，四个板簧部分S1、S2、S3和S4分别由弹簧部分主体62b构成。具体地说，板簧部分S1由弹簧部分62b1构成、板簧部分S2由弹簧部分62b2构成。板簧部分S3由弹簧部分62b3构成且板簧部分S4由弹簧部分62b4构成。当设置在每个板簧部分S1、S2、S3和S4的末端的第一脚底构件64接地时，板簧部分S1、S2、S3和S4发生弹性变形，并且机器人R的净重(更具体地说，由于机器人R的弹簧部分62b上方的结构的整个载荷)由弹性变形的板簧部分S1、S2、S3和S4支撑。因此，尽管结构简单，仍可支撑机器人R的净重，并且可进一步减缓由于地面反作用力产生的震动。通过提高冲击吸收率可提高机器人R的运动(行走和跑动)速度。
弹性构件或类似物变成是不必要的，并且可减轻脚17的重量。因为由重量的减轻减小了对腿R1的惯性力，因此腿R1具有适于高速运动的结构。
将板簧部分S1、S2、S3和S4以及基底部分62a布置成在平面图内为近似字母H形。当采用这种结构时，将两个接地区域分别布置在前侧和后侧，并且被布置成分别沿向前和向后的方向延伸的板簧部分S1、S2、S3和S4的弹簧特性适于沿向前和向后方向的载荷控制。由此该脚板结构适于双脚型运动的控制、利用前和后接地区域放置它的脚并且将机器人R的载荷中心沿向前和向后方向移位的控制。由于如此设置板簧部分S1和S2以及板簧部分S3和S4，即，朝末端部略微地打开，那么甚至在机器人R向右和向左倾斜并且载荷沿右和左的方向移位时，机器人R仍能有效地牢固放置它的脚。
当地面形成不平时，可从地面抬起(不接地)板簧部分S1-S4中的任一个。在这样一种情况下，板簧部分S1-S4的弯曲弹簧特性(侧倾刚度和俯仰刚度)非线性地改变。因此，控制单元25校正目标脚板位置姿态，从而全部板簧部分S1-S4基于来自力传感器52的信号接地且弯曲。控制单元25如此执行控制，即，使机器人采取用于产生目标地面反作用力的位姿。通过根据力传感器52的检测值估计的板簧部分保留(left)的情况进行非线性操作来计算目标脚板位置姿态的修正量。
此处，参照图6描述使机器人的脚17直接向下并且接地的情况。图6是用于说明根据第一实施例的双脚型移动机器人的脚的接地状态的例子的示意图。图6(a)示出了接地的初始时刻，而图6(b)示出了增加机器人的净重的状态。图6(c)示出了图6(a)的基本放大示意图，而图6(d)示出了图6(b)的基本放大示意图。
如图6(a)所示，首先，设置在每个板簧部分S1、S2、S3和S4(仅示出了S2和S4)末端的第一脚底构件64(接地区域)均匀地接地。当将载荷进一步增加到每个板簧部分S1-S4上时，地面反作用力作用在每个弹簧部分62b上，并且弹簧部分62b弯曲。在这种情况下，弹簧部分62b的角度变成θ′(θ′＜θ)，弹簧部分62b的位于接地区域上侧的点P2被移位至接地区域的点P1外侧(参照图6(c)和(d))。也就是说，板簧部分S2和S4的底面一侧的接地点P1和P1之间的距离从L(a)扩展到L(b)(L(b)＞L(a))。此处，当角θ很大时，移位也变得更大，由此优选地将角θ设为小于上述范围内。第一中间构件63也允许第一脚底构件64的弹簧部分62b沿地面方向的位移。由此，如图6(b)所示，可抑制接地区域在地面上的与弹簧部分62b相关联的滑动。因此，将由于滑动产生的反作用力和力矩输入到力传感器52内，并且可抑制对机器人R的位姿控制的障碍。通过改变第一中间构件63的材料和厚度可适当地设置滑动的公差和吸震能力。
此处，参照图5，描述了到接地区域的最远点距离最小的点Pa、力传感器的中心Pb以及踝关节的中心Pc的关系。
在本实施例中，将力传感器的中心Pb(此处与力传感器52的Z轴方向的灵敏度中心一致)设置在位置(有时指接地区域的中心)Pa(以下简称“位置Pa”)的上方，该位置Pa在平面图(图5中的仰视图中到设置在机器人R的静止状态下的板簧部分S1-S4底面侧的接地区域中的最远点的距离最小。在本实施例中，在板簧部分S1、S2、S3和S4的底面的各接地区域和最远点之间的距离L1、L2、L3和L4相等。
根据该结构，可抑制在运动时刻作用在力传感器52上的载荷的最大值，并且可将力传感器52小型化。将力传感器52设置在脚17上，并将其靠近接地区域。由此可更精确地测量地面反作用力和力矩。
当如此设置接地区域以形成等边多边形时，如下设置接地区域，即，使各接地区域与力传感器52之间的距离相等。可采用用于检测至少一个轴向的地面反作用力或力矩(例如，地面反作用力沿Z轴方向的平移力FZ)的地面反作用力检测器代替力传感器52。
在本实施例中，将踝关节的中心Pc在平面图内偏移至位置Pa。此处，轴41a和轴41b(见图3)的交叉点对应于踝关节的中心Pc。将踝关节的中心Pc设置在机器人R的相对位置Pa的后方。这样，将在后面描述踝关节15和16向后偏移至脚板构件61的接地区域的原因。
而且，可将踝关节的中心Pc进一步偏移至脚板构件61的接地区域的内侧(机器人的中心侧)。通过将踝关节的中心Pc偏移至内侧，可防止邻接的脚17R和17L的脚板构件61的干扰，并且通过确保接地区域可保持机器人R的位姿的稳定性。
在本实施例中，尽管将力传感器的中心Pb设置在位置Pa上，但也可这样设置力传感器的中心Pb，即，在平面图内至少使中心Pb从踝关节的中心Pc更接近于位置Pa。换句话说，力传感器的中心Pb应位于圆C内，其中在平面图内位置Pa被设置在该圆C的圆心，位置Pa和踝关节的中心Pc之间的长度为该圆C的半径。例如，力传感器的中心Pb可位于连接位置Pa和踝关节的中心P c的线段上。这种结构也可抑制在运动时刻作用在力传感器52上的载荷的最大值，并且将力传感器52小型化。特别的是，当力传感器的中心Pb位于位置Pa时，可最大限度地实现力传感器52的小型化的效果。
如图4所示，板簧部分S1-S4的下端部(末端部分)随着其与踝关节15和16分开而向上弯曲，并且设置在底面上的第一脚底构件64也具有相同的形状。这就是将机器人R控制成以如下所述的方式行走的原因，即，机器人R从脚跟部分开始着地，并且由脚尖部分踢到地面，因此，扩大了着地时刻和踢出时刻的接地区域，由此可确保地面和脚之间的摩擦力。由于可通过表面确保接地区域，因此也稳定了机器人的位姿。
此处，参照图7描述当机器人R向前运动(行走)时板簧部分S1-S4的接地状态的变化。图7是用于说明在根据第一实施例的双脚型移动机器人向前运动(行走)时的脚部的接地状态的变化的示意图。
首先，当抬在空中的脚板构件61着地时，脚板构件61从设置在脚跟部分(图7(a))的板簧部分S3和S4上的第一脚底构件64(接地区域)开始着地。全部板簧部分S1-S4的整个接地区域都着地(图7(b))。将脚跟部分的板簧部分S3和S4的接地区域从地上抬起，仅脚尖部分的板簧部分S1和S2的接地区域着地。通过踢地面使板簧部分S1-S4的全部接地区域从地上抬起((图7(c))。通过右腿和左腿R1执行该操作，由此机器人R向前运动。这样，由于板簧部分S1-S4的下端部(末端部分)向上弯曲，因此尽管在着地时刻(图7(a))和踢出时刻(图7(c))脚17向地面倾斜，仍可适当地获得接地区域。优选地是如下所述地设置板簧部分62b，即，随着板簧部分62b的弯曲沿机器人R的运动方向与踝关节15和16分开而使板簧部分62b向上弯曲，可适当地改变每个板簧部分的末端部分的弯曲情况。应使至少一个接地区域弯曲，并可使全部接地区域弯曲。
然后，描述机器人R在有水平差异的地面上运动的情况。图8是用于说明根据第一实施例的双脚型行走机器人在具有水平差异的地面上运动的情况的示意图。
如图8所示，当机器人在有水平差异的地方运动时，可将未设有弹簧部分62b(示出了62b2和62b4)的第一脚底构件64的部分接地。但是，将第二脚底构件66设置在弹簧部分62b的中间部分上。由此，在这种情况下，可消除当第二脚底构件66接地时由于弹簧部分62b(即板簧部分)接地产生的不一致(滑动的产生等)。
接着，通过利用机器人R高速运动(跑动)时的情况作为一个例子来描述踝关节15和16朝脚板构件61的接地区域的后方偏移的原因。图9是用于说明根据第一实施例的双脚型移动机器人高速运动的情况的示意图。图9(a)示出了踝关节向后朝脚部偏移的情况，并且图9(b)示出了踝关节位于脚部向前和向后方向的中心的情况。图9(b)中的附图标记添加了“′”用于表示与图9(a)相同的部分。
如图9(a)所示，踝关节15和16向后朝脚板构件61偏移(偏压)。在这种情况下，踝关节15′和16′与脚板构件61的接地部分的前端之间的距离La变长(La＞La′)。当机器人R以高速运动(跑动)时，膝关节14深深地弯曲，由此出现了地面反作用力F集中在脚板构件61的脚尖部分的状态。此时，在膝关节14上产生的力矩变成了F*Lb。另一方面，如图9(b)所示，当踝关节15′和16′位于脚板构件61′向前和向后方向的中心时，在膝关节14′上产生的力矩变成了F′*Lb′。此处，由于Lb小于Lb′，在F＝F′时满足F*Lb＜F′*Lb′。当踝关节15和16沿与相对运动方向(在本实施例中向前)相反的方向(在本实施例中向后)朝膝关节14的脚板构件61在高速运动时驱动(弯曲)膝关节14时刻关于脚板构件61偏移时满足上述关系式。这意味着当扩大踝关节15和16朝脚板构件61的向后偏移量时可进一步抑制高速运动时刻施加在膝关节14上的负荷。
<第二实施方式>
接着，对于根据本发明的第二实施例的机器人R的脚，主要描述第一实施例和第二实施例之间的不同点。
图10是示出了根据第二实施例的双脚型移动机器人的脚的侧视图。如图10所示，根据第二实施例的脚117设有变形检测部件152以代替力传感器52。由多个螺栓(未示出)将第一基座部分51和板簧部件61固定。变形检测部件152检测板簧部分的变形，尤其是弹簧部分62b的变形。由于板簧部分的变形与被输入到板簧部分的地面反作用力相关，因此可通过检测板簧的变形量来检测地面反作用力。
借助电汽配线将检测到的变形量传递到控制单元25，并且利用检测到的变形量来控制机器人R的位姿和运动等。作为变形检测部件152，固定在每个弹簧部分62b上的一个或多个变形仪或压电元件是优选的。
由变形检测部件152检测到的地面反作用力应至少是沿一个轴线方向的力(例如，Z轴方向的地面反作用力FZ)，并且优选是以与上述力传感器52相同方式检测到的六个轴线方向的力。
通过设置变形检测部件152可省略地面反作用力检测器52，并且可进一步减轻脚17的重量。通过检测板簧部分S1-S4的变形可检测地面的形状。
<第三实施方式>
接着，对于根据本发明的第三实施例的机器人R的脚，主要描述第一实施例和第三实施例之间的不同点。
图11是示出了根据第三实施例的双脚型移动机器人的脚的侧视图。
如图11所示，根据第三实施例的脚217设有多层的脚板构件261以代替脚板构件61。
脚板构件261设有多个多层的板簧主体262和262，将粘性构件265夹设于板簧主体262和262之间。这就是说，脚217从上到下依次由弹簧部分262b、粘性构件265和弹簧部分262b构成。脚217设有多层板簧部分S21-S24(仅示出了S22和S24)，并且可减缓在着地时刻由夹设的粘性构件265产生的板簧部分S21-S24的振动。多层板簧主体262和262中的多层弹簧部分262b和262b对应于权利要求书中的“多层板簧”。
粘性构件265应由具有减震功能的材料制成，例如粘在邻接的板簧主体262上的橡胶和类似物是优选的材料。由于粘性构件265在结构上也具有上述中间构件63的功能，因此也可省略中间构件63。
此处，尽管整个脚板构件261是多层的，但至少板簧部分S21-S24应是多层的。
<第四实施例>
下面，对于根据本发明的第四实施例的机器人R的脚，主要描述第一实施例和第四实施例之间的不同点。
图12是用于说明根据本发明第四实施例的双脚型移动机器人的脚的仰视图。如图12所示，根据第四实施例的脚317设有分别桥接在板簧部分S1和S2之间以及板簧部分S3和S4之间的连接部分366。
将连接部分366桥接在板簧部分S1和S2之间，并且该连接部分366将板簧部分S1和S2的基底端部一侧与其基底部分62a连接起来，以执行使板簧部分S1和S2的动作同步的功能。将连接部分367桥接在板簧部分S3和S4之间，并且该连接部分367将板簧部分S3和S4的基底端部一侧与其基底部分62a连接起来，以执行使板簧部分S3和S4的动作同步的功能。连接部分366和连接部分367与基底部分62a和弹簧部分62b一体地形成。
根据该结构，可调节板簧部分的侧倾方向或俯仰方向的刚度。当采用这种连接部分时，侧倾刚度小于俯仰刚度。这就是说，应将连接部分桥接在要确保所需的刚度的任意两个板簧之间。可这样形成连接部分，即，将其与基底部分62a分开。
只要连接部分具有这样的结构，即，将两个分开的连接部分桥接在板簧部分之间，连接部分可具有其中其不是一体地形成的结构。作为连接构件，具有预定刚度的杆或长的板状构件是优选的。可通过紧固件(例如销)来实现连接构件和每个板簧部分之间的连接。
<板簧部分的改进>
对于本发明的板簧部分的形状，可以考虑多种改进。下面，将对本发明的腿式机器人的板簧部分的改进加以说明。图13和14是表示本发明的腿式机器人的板簧部分的改进的仰视图。
如在第一到第四实施例中所述的那样，将图13(a)中所示的板簧部分S1、S2、S3和S4布置并制造成大致为字母H的形状。由于将板簧部分S1和S2以及板簧部分S3和S4分别设置成从X轴敞开，所以该构造也可以抵抗沿Y轴(左右)方向的机器人R的跌倒力。开口角度可以适当地改变。板簧部分分别关于X轴和Y轴成线性地对称，并且优选的是四个板簧部分S1、S2、S3和S4具有相同的弹性系数、相同的长度和相同的形状。因此，可以在向前和反向运动中体现出相同的弹簧特性。
将图13(b)中所示的板簧部分S51、S52和S53布置成大致为字母Y的形状。由于特别是将两个板簧部分S51和S52设置在前头，所以板簧部分S51和S52适于前进运动。
将图13(c)中所示的板簧部分S54、S55、S56和S57布置成大致为字母H的形状。也就是，将板簧部分组S54、S56和板簧部分组S55、S56分别布置在向前后方向延伸的同一直线上，并且使各组彼此平行。板簧部分分别关于X轴和Y轴成线性地对称，并且优选的是四个板簧部分S54，S55，S56和S57具有相同的弹性系数、相同的长度和相同的形状。因此，可以在向前和反向运动中体现出相同的弹簧特性。
将图13(d)中所示的板簧部分S58和S59布置成大致为字母I的形状。板簧主体的形状简单，而且可以容易地制造板簧主体。
此外，关于图14(a)中所示的板簧部分S1、S2、S3、S4、S60和S61，除了图13(a)中所示的板簧部分S1、S2、S3和S4之外，分别沿左右方向布置板簧部分S60和S61。板簧部分S60和S61针对沿左右方向的跌倒提供了更强的结构。在应用双脚型移动机器人时，可以只沿朝外的方向在左和右腿R1上设置板簧部分S60或S61。
图14(b)中所示的板簧部分S62、S63、S64、S65和S66如此布置，即，接地区域变成正五边形的顶点。例如，当两个板簧部分从底面抬起并且使其余四个板簧部分接地时，机器人的载荷重心保持在由四个板簧部分的接地区域组成的四边形中，由此机器人具有很难跌倒的结构。
将图14(c)中所示的板簧部分S67、S68、S69和S70布置成交叉形状。图14(b)和14(c)中所示的结构适于具有3对或更多对脚且没有方向特性的机器人。
将图14(d)中所示的板簧部分S71和S72布置在基底部分62a的前面和后面。板簧部分S71(S72)由弹簧部分62b组成，而且将沿左右(Y轴)方向延伸的板材67固定在弹簧部分62b的末端部分的底面上。第一脚底构件64安装在板材67的左、右两端上。因此，可以在一个板簧部分上形成多个接地区域。
具有上述形状的板簧部分可以与上述第一至第四实施例的结构结合，并且可以是具有其它形状的板簧部分。
如上所述，尽管描述了本发明的多个实施例，但本发明并不局限于这些实施例，可以在不背离本发明的精神的前提下适当地进行多种设计变化。例如，机器人R不限于图中所述的双脚型移动机器人。机器人R可以是只设有一条腿的腿式移动机器人或者是设有3条或更多条腿的腿式运动机器人。
腿式移动机器人的运动系统还不限于行走，可以是由于蹦跳、跑步和跳跃等而产生的运动。
踝关节及其驱动结构也不限于上述的那些。
股连接件21、胫连接件22、第一底座部分51和第二底座部分53等材料也可以适当的改变。例如，这些构件可以用具有预定强度的合金(钛合金和镁合金等)制造。
还可以用一个整体成形的中间构件来替代第一中间构件63和第二中间构件65，可以用一个整体成形的脚底构件来替代第一脚底构件64和第二脚底构件66。
尽管板簧部分的底面侧设有各种中间构件和脚底构件，但也可以在振动的影响和板簧部分的滑动在其上较小的地面上使用时省去中间构件和脚底构件。
还可以适当地改变第一底座部分51和第二底座部分53的形状，并且可以将第一底座部分51和第二底座部分53与力传感器52的壳体制成一个整体。其上连接板簧部分的基底部分的形状也可以改变，而且可以将板簧部分直接连接在第二底座部分53和力传感器52的壳体上。在这种情况下，第二底座部分53和力传感器52的壳体变成基底部分。
另外，板簧部分的数量和形状可以适当地改变，而且一个板簧部分可以通过结合多个板簧而构成。
可以在板簧部分上方设置用于防止板簧部分的变形超过预定量的板簧部分变形调节部件。板簧部分变形调节部件的例子包括设有被设置成在板簧部分上方被隔离的法兰部分和设置在法兰部分的底面上的突起的结构，当板簧部分的变形超过预定量时，板簧部分抵靠着该突起，由此调节进一步的变形。因此，即使在将过大的地板反作用力输入某一的板簧部分时，可以调节板簧部分的变形量，并且可以防止板簧部分折断。
相对踝关节的中心Pc的位置Pa的偏置方向和距离的设计也可以适当地改变，并且踝关节的中心Pc可以位于位置Pa上。

Claims (25)

1.一种腿式移动机器人，其包括：
躯干；
每个都借助第一关节连接到该躯干上的腿；以及
每个都借助第二关节连接到腿的端部上的脚，
所述脚包括具有下端部分的脚部，该下端部分具有接触地面的接地区域，所述脚部包括支撑净重且同时在接触地面的时候弯曲的板簧部分。
2.如权利要求1所述的腿式移动机器人，其特征在于，脚部包括多个接地区域。
3.如权利要求2所述的腿式移动机器人，其特征在于，多个接地区域被分开地布置成相对于第二关节向前和向后。
4.如权利要求3所述的腿式移动机器人，其特征在于，在接地区域与第二关节分开时，使接地区域中的至少一个向上弯曲。
5.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，脚部包括第一脚底构件，该第一脚底构件在作为接地区域接地的时候在地面和第一脚底构件之间产生摩擦阻力。
6.如权利要求5所述的腿式移动机器人，进一步包括，位于板簧部分和第一脚底构件之间的用于在第一脚底构件接地时削弱该板簧部分的振动的第一中间构件。
7.如权利要求6所述的腿式移动机器人，其特征在于，第一中间构件允许在第一脚底构件接地时沿着地面的方向向第一脚底构件的板簧部分位移。
8.如权利要求5所述的腿式移动机器人，其特征在于，脚部包括第二脚底构件，该第二脚底构件位于第一脚底构件上方，用于在接地的时候在地面和第二脚底构件之间产生摩擦阻力。
9.如权利要求8所述的腿式移动机器人，进一步包括在板簧部分和第二脚底构件之间的用于在第二脚底构件接地的时候削弱该板簧部分的振动的第二中间构件。
10.如权利要求9所述的腿式移动机器人，其特征在于，第二中间构件允许在第二脚底构件接地时沿着地面的方向向第二脚底构件的板簧部分位移。
11.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，所述脚部包括一基底部分，并且多个板簧部分从所述基底部分向下延伸且具有在底面的侧面形成的接地区域。
12.如权利要求11所述的腿式移动机器人，其特征在于，设置四个板簧部分；两个板簧部分从基底部分向前延伸；剩下的两个板簧部分从基底部分向后延伸；并且将四个板簧部分和基底部分形成为基本上为字母H的形状。
13.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，板簧部分由用纤维增强的复合构件制成。
14.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，板簧部分包括多个具有不同的弹性模量的层。
15.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，板簧部分包括多层的板簧和夹设于板簧之间的粘性构件。
16.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，还包括用于削弱板簧部分的振动的减震部件。
17.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，设有多个板簧部分，并且设有用于连接两个板簧部分的连接部分。
18.如权利要求1-4中任一项所述的腿式移动机器人，其特征在于，所述脚包括用于检测借助脚部从地面作用的地面反作用力的地面反作用力检测装置。
19.如权利要求18所述的腿式移动机器人，其特征在于，所述地面反作用力检测装置是一种组合地面反作用力检测器。
20.如权利要求19所述的腿式移动机器人，其特征在于，脚部固定到地面反作用力检测器上
21.如权利要求19所述的腿式移动机器人，其特征在于，
脚部包括多个接地区域；
第二关节的中心被偏置到这样一个位置，即，在平面图上，该位置到多个接地区域的最远点的距离最小；以及
将所述地面反作用力检测器的中心如此设置，即，该中心比第二关节的中心更接近一如下所述的位置，即，在平面图上该位置到多个接地区域的最远点的距离最小。
22.如权利要求19所述的腿式移动机器人，其特征在于，脚部包括多个接地区域；以及将所述地面反作用力检测器设置在这样一个位置上，即，在平面图上该位置到多个接地区域的最远点的距离最小。
23.如权利要求18所述的腿式移动机器人，其特征在于，地面反作用力检测部件是一用于检测板簧部分的变形的变形检测部件。
24.如权利要求8所述的腿式移动机器人，进一步包括用于削弱板簧部分的振动的减震部件。
25.如权利要求8所述的腿式移动机器人，其特征在于，所述脚包括用于检测经由脚部从地面作用的地面反作用力的地面反作用力检测部件。
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