CN1946521A - 多点着地型足部支承机构，装配有该机构的双足行走机器人，及其控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有优异的可靠性的多点着地型足部支承机构，在所述支承机构中，各个支承点顺从地追随诸如地面等着地面的崎岖不平，并且，在所有着地点着地时，即使在具有高度差的着地面上，通过将支承点固定，也能够快速地将足底支承到多角点上而且防止翻倒。所述多点着地型足部支承机构包括：基部，每个所述基部配置行走机器人的足部的足底上；三个或更多个足底支承部，每个足底支承部，其一个端部从基部的底面向下方突出地配置，当着地时，每个足底支承部独立地向上方运动，并被可滑动或可旋转地支承；着地传感器，每个着地传感器配置在基部或者足底支承部，所述着地传感器检测各个足底支承部的着地；以及配置在基部的锁定机构，当着地传感器检测出所有的足底支承部着地时，所述锁定机构将所有足底支承部的运动制动。

Description

多点着地型足部支承机构， 装配有该机构的双足行走机器人，及其控制结构

技术领域

本发明涉及多点着地型足部支承机构，该机构在足底平面内形成假想的支承多角形，并且在多角点(polygonal point)处支承足底，本发明还涉及装备有该机构的双足行走机器人及其控制结构。

背景技术

近年来，频繁地研究和开发在人类的生活环境中活跃地应用的所谓“具有人类特点的机器人”的人形机器人。在很多情况下，具有人类特点的机器人不仅用于工业生产，而且也用于家务、对老年人的看护和使人生活得舒适。为了在为人类创造的环境中使机器人接近非特定的使用者工作，需要机器人具有合适的形状和特性。另外，要求机器人具有安全和灵活的界面，而无需特殊的使用训练。即，仍然存在着大量有待研究的课题。特别是，很多研究机关和企业正在进行积极的研究和开发像人类一样、作为运动机构每一个具有两条腿并且能够进行双足行走的双足行走机器人。

由本申请人提出的专利文献1，揭示了一种双足行走机器人的下半身模块，包括：基部；右足部和左足部；配置在基部、右足部和左足部之间的多个被动接头；以及，平行连杆机构部，所述平行连杆机构部分别配置在设于基部的被动接头和设于右足部的被动接头之间、以及设于基部的被动接头和设于左足部的被动接头之间。

进而，由本申请人提出的专利文献2，揭示了一种行走模式生成单元，用于生成双足行走机器人的行走模式，所述单元设定在足部的目标零力矩点，并根据设定的目标零力矩点计算在腰部的力矩补偿轨迹。

专利文献1：日本公开的尚未审查的专利申请No.2003-291080

专利文献2：日本公开的尚未审查的专利申请No.2004-82223

在专利文献1中所描述的双足行走机器人的下半身模块中，通过用平行连杆机构部构成腿部，腿部可以耐受大的负荷，搬运重的物体，实用性优异，同时，能够在其上装载或组装重量大的上半身，其设计自由度很高。同样，通过提供专利文献2所述的带有行走模式生成单元的模块，可以生成行走模式，借助这种行走模式，可以进行稳定的双足行走。特别是，机器人具有在平坦的着地面上行走运动的稳定性十分优异的作用和效果。但是，要求进一步改进运动的稳定性、能够实现在各种地形上的活动。

更详细地说，

(1)在对于各个腿很难确保平坦的着地面的场所，例如在能够高速移动并且能量效率优异的轮移动式机器人不能进入的非常崎岖不平的场所，以及不能确保多腿机器人所需的宽的支承基面的场所，对于在很多传统的双足行走机器人中采用的刚性的和平坦的足底，当足底的中心踩到突出的物体时，很难预测如何形成用于支承足底的支承多角形(由足底的着地点形成的面积最大的凸多角形)，存在着不能防止翻倒的问题。

(2)进而，即使假定能够预测支承多角形，但由于所形成的支承多角形的面积很窄，所以也很难继续稳定地行走，当行走继续时，摇摆增大，最后机器人翻倒。从而，存在着行走稳定性和可靠性不足的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而开发的。本发明的一个目的是提供一种具有优异的可靠性的多点着地型足部支承机构，该机构能够容易地安装到现有的双足行走机器人等的足底，当所有的支承点着地时，通过顺从地追随诸如路面等着地面的轮廓并且控制支承点的运动，可以快速地将足底支承到着地面的不同高度的多个点上，并且，所述机构可以防止机器人翻倒，本发明的另一个目的是提供一种双足行走机器人，所述机器人装配有多点着地型足部支承机构，所述机构在行走运动中具有优异的稳定性和通用性，即使在崎岖的或者具有高度差的复杂的地形上也能够操作，本发明进一步的目的是提供一种用于所述双足行走机器人的控制结构。

为了达到上述目的，根据本发明的多点着地型足部支承机构、装配有该机构的双足行走机器人、及其控制结构具有以下结构。

根据本发明的权利要求1所述的多点着地型足部支承机构，包括：基部，每个所述基部配置在行走机器人的腿部的足底；三个或更多个足底支承部，每个所述足底支承部，其端部从所述基部的底面向下方突出地配置，在着地时，每个所述足底支承部独立地向上运动，并且所述足底支承部被可滑动或可转动地支承；着地传感器，每个所述着地传感器配置在基部或者足底支承部，检测足底支承部的着地；以及，配置在基部的锁定机构，当着地传感器检测出所有的足底支承部着地时，所述锁定机构对所有足底支承部的运动进行控制和制动。

借助这种结构，可以产生以下作用。

(1)由于端部从配置在行走机器人的足底上的基部的底面向下方突出地配置，并且设置有三个或更多个足底支承部，当着地时独立地向上运动并且被可滑动或可旋转地支承，所以，各个足底支承部在从足底(基部的底面)起的突出量减少的方向上运动，顺从地追随着地面的轮廓。从而，当着地传感器检测出所有足底支承部着地时，锁定机构对所有足底支承部的运动进行控制和制动，其中，在足底上形成具有和平坦的着地面相等的面积的假想支承多角形，足底可以在多角点(多个点)处被支承。从而，能够牢固地支承行走机器人的腿部并防止其翻倒。

(2)由于各个足底支承部顺从地着地到着地面上，追随地面条件的轮廓，所以，当着地时，可以使足底的基部大致水平，其中，可以与设定的情况一致地控制行走机器人的主体和腰部的位置和姿势，可以进行稳定的行走。

(3)由于可以利用配置在基部或者各个足底支承部的着地传感器独立地检测出各个足底支承部的着地，所以，能够可靠地确认所有足底支承部的着地，其中，可以借助锁定机构对所有足底支承部的运动进行控制和制动。

(4)由于足底支承部可滑动或可旋转地支承在基部上，所以，当足底支承部的端部着地到诸如路面等着地面上时，足底支承部的端部能够容易并且可靠地使各个足底支承部向足底的上方滑动或旋转，而与着地面的轮廓无关。从而，足底不会被着地面上的任何凸出部捕获，其中，可以借助锁定机构对所有足底支承部的运动进行控制和制动，可以形成假想的支承多角形，所述支承多角形具有与在足底上的平坦的着地面相等的面积，并且可以在多角点处支承足底支承部。

(5)由于足底支承部配置在基部，所以，可以成一整体地处理足部支承部，其中，可以将足底支承部容易地安装到现有的行走机器人的腿部的足底，可以改进行走机器人的行走运动的稳定性。

(6)由于设置有三个或更多个足底支承部，所以，能够可靠地形成与足底上的平坦的着地面相等的面积的支承多角形，以便在多角点支承腿部，其中，可以稳定地支承行走机器人的腿部，并且，多点着地型的足部支承机构可以被特别优选地应用于双足行走机器人。

这里，将基部的外形形成多角形，例如，大致的矩形、大致的六角形、大致的八角形；或者形成大致的圆形、或大致的椭圆形等，以便确保与行走机器人的腿部的足底的尺寸相一致的足够的支承面积。优选地，铝合金可以用作基部的材料，因为该材料的重量轻并具有高强度和刚性。

检测来自于诸如地板或者路面的着地面的反作用力并测量ZMP(零力矩点)的位置的6轴力传感器，配置在所述基部并且安装到行走机器人的腿部的足底上。

足底支承部除形成大致的圆柱形或者大致的椭圆柱形之外，还可以形成多角柱形，例如三角柱、四角棱柱或者六角柱形，并被可滑动地支承，或者通过将它们弯曲成大致的L形，可自由旋转地轴支承其端部，其中，当从基部的底面向下方突出的足底支承部着地到诸如路面等着地面上时，可以将足底支承部的一个端部向上移动，从而可以减小从足底的突出量，足底支承部可以追随着地面的轮廓。

由于由足底支承部形成的支承多角形被制成等边多角形，例如等边三角形和正方形，足底支承部的端部之间以等间隔配置在同一周边上，从而距离基部的中心是等距离的，所以，能够利用各个足底支承部均匀地支承腿部，其中，可以改进着地时的稳定性。

作为着地传感器，可以利用配置在基部或者足底支承部上、并检测足底支承部的滑动或者旋转的传感器，或者利用配置在足底支承部的着地侧的端部上、并检测足底支承部的着地以及着地面的传感器。

可以将用合成橡胶等制造、形成大致的圆柱形或者大致的半圆形的着地突起配置在足底支承部的下端，藉此，可以保护足底支承部的下端。特别是，在着地传感器配置在足底支承部的下端的情况下，通过利用足底支承部和着地突起覆盖除着地传感器的着地部分之外的外周部，可以保护着地传感器。从而，可以防止着地传感器损坏，从而，其可靠性非常优异。

而且，在形成具有大致的圆柱形底板、以便覆盖包括着地传感器在内的足底支承部的整个下部的滑动罩被可滑动地安装到足底支承部上的情况下，所述滑动罩可以向与足部的着地角度无关地上滑动，从而，借助着地传感器对滑动罩的滑动的反应，可以检测出足底支承部与着地面的接触。因此，可以防止由足部的着地角度引起的着地传感器的故障，可以改进可靠性。

作为锁定机构，优选采用这样的锁定机构，即，当所有的足底支承部着地时，该锁定机构根据来自于着地传感器的信号驱动致动器，引起制动部被该致动器滑动或者旋转，使制动部与形成或配置在足底支承部的上端及其侧面的接触部接触，借此进行机械锁定或者借助摩擦力的锁定。在解除足底支承部的制动时，可以在所有足底支承部离开着地面时同时进行制动的解除，或者，也可以在各足底支承部离开着地面时，随时单独地将足底支承部从制动中解放出来。

进而，在装配诸如弹簧等加压构件，以便总是将足底支承部压到基部的底面侧的情况下，在锁定机构被解除时，可以同时借助加压构件的恢复力使足底支承部自动地从基部的底面突出，可以将足底支承部恢复到其默认状态。

多点着地型足部支承机构可以容易地安装在现有的行走机器人的足部上。由于该支承机构配备有三个或更多个足底支承部，所以在各个足底上可靠地形成支承多角形，并且足部可以支承在多个点上。从而，对于在轮式移动型的机器人不能进入的非常崎岖的场所以及不能确保多腿机器人所必须的宽的支承基底面的场所行走的双足行走的机器人而言，多点着地型足部支承机构是非常有效的。但是，多点着地型足部支承机构也可以安装到其它的有腿的行走机器人上，例如，4腿机器人或者6腿机器人等。

权利要求2所述的发明，其特征在于，在根据权利要求1所述的多点着地型足部支承机构中，足底支承部包括：在下端部着地的垂直支承部；从垂直支承部的上端部大致沿水平方向延伸的水平支承部；以及形成在水平支承部的端部上的轴支承部；其中，基部包括旋转和支承部，用于可旋转地轴支承各个足底支承部的轴支承部。

利用这种结构，除根据权利要求1的作用之外，还可以具有如下的作用。

(1)由于足底支承部设置有在其下端部着地的垂直支承部和从该垂直支承部的上端部大致沿水平方向延伸的水平支承部，并且在形成在水平支承部的端部处的轴支承部中，由形成在基部的旋转和支承部可旋转地轴支承，所以，当足底支承部的垂直支承部的下端部着地时，各个足底支承部以轴支承部作为支点旋转，足底支承部可以沿着其从足底突出的量减少的方向(即，向上)运动，顺从地追随着地面的轮廓，藉此，形成假想的支承多角形，可以在多点上支承足部。

这里，作为加压构件，在足底支承部的轴支承部处配置扭转螺旋弹簧，总是能够沿着使垂直支承部的下端从基部的底面向下方突出的方向(向下)推压。从而，足底支承部可以旋转和运动，从而当锁定机构被解除时，同时借助加压构件的恢复力使足底支承部的垂直支承部自动地从基部的底面突出，藉此，可以将足底支承部复位到其默认状态。

而且，在各个足底支承部的水平支承部从基部的中心呈放射状配置的情况下，腿部可以被各个足底支承部均匀地支承，藉此，着地的稳定性非常优异。特别是，在足底支承部等角地配置的情况下，由足底支承部形成的支承多角形变成诸如等边三角形和正方形等正多角形，藉此，可以改进着地稳定性。

权利要求3所述的发明，其特征在于，在根据权利要求2所述的多点着地型足部支承机构中，着地传感器配置在足底支承部的垂直支承部的下端部。

借助这种结构，除根据权利要求2的作用之外，还具产生以下作用。

(1)由于着地传感器配置在足底支承部的垂直支承部的下端部，所以，当其下端部在诸如路面等着地面上着地时，能够直接检测出足底支承部的垂直支承部的下端部是否着地。从而，能够进一步可靠地确认有无着地，藉此，可以防止锁定机构误操作，可以以稳定的状态支承腿部。

这里，当着地传感器的着地部在诸如路面等着地面上着地时，着地传感器检测出足底支承部已经着地。作为着地传感器的着地部，可以利用按钮型和铰接杆(hinge lever)型的着地部，前者通过从传感器表面上突出的销直接与着地面接触来进行切换，后者通过其另一端可旋转地支承在传感器表面上的板簧的一端与着地面接触，并通过摆动以及与传感器表面的接触点接触来进行切换。在铰接杆型的情况下，优选地，在与着地面接触侧的端部处，在着地面侧形成或者配置突出部。从而，板簧的端部可以更可靠地与着地面接触，以便使板簧摆动，藉此，在切换动作中的稳定性非常优异。特别是，在其中可旋转地配置突起部的滚子的情况下，所述滚子可以在着地面上与足底支承部的旋转相一致地移动，从而，不存在任何过大负荷施加到板簧上的情况，可以改进切换动作的稳定性。进而，着地传感器的着地部安排在行走时最先着地的垂直支承部的基部侧(根部侧)。从而，可以使着地传感器的着地部可靠地与着地面接触，以便能够进行切换，从而，着地传感器的操作稳定性非常优异。

权利要求4所述的发明，其特征在于，在权利要求2所述的多点着地型足部支承机构中，着地传感器配置在足底支承部的水平支承部的下部，同时设有固定到基部并配置在着地传感器下方的传感器接触部。

借助这种结构，除了根据权利要求2的作用之外，还产生以下的作用。

(1)由于着地传感器配置在足底支承部的水平支承部上，并根据着地传感器是否与传感器的传感器接触部接触，检测出由于足底支承部的下端部的着地引起的足底支承部的旋转，所以，与着地面的条件以及诸如沙砾等任何障碍物的存在无关，着地传感器能够可靠地操作，可以改进操作的可靠性及其稳定性。

权利要求5所述的发明，其特征在于，在根据权利要求2至权利要求4任何一项所述的多点着地型足部支承机构中，各个足底支承部具有大致弧形的接触部，该大致弧形的接触部形成在水平支承部的端部，以及，所述锁定机构包括：(a)制动部，在该制动部中，在其下端形成与各个足底支承部的接触部接触、并且向上方展宽的锥形部，以及(b)与该制动部连接的致动器，用于使制动部在上下方向上滑动。

借助这种结构，除了根据权利要求2至权利要求4任何一项的作用之外，还可以产生以下的作用。

(1)由于在足底支承部的水平支承部的端部形成大致弧形的接触部，并且锁定部配置有具有形成在其下端的锥形部的制动部以及与该制动部连接的致动器，所以，当足底支承部着地时，使得制动部在垂直方向上滑动，制动部的锥形部能够与足底支承部的接触部接触，从而，能够可靠地防止足底支承部旋转，通过借助足底支承部进行多角点支承，对腿部进行稳定地支承。

(2)由于将足底支承部的水平支承部的接触部形成大致弧形，并且将锁定机构的制动部的锥形部向上展宽地形成，所以，能够可靠地使制动部的锥形部与足底支承部的水平支承部的接触部接触，而不依赖于足底支承部的旋转量，从而，可以防止足底支承部旋转地进行保持。

(3)由于将致动器设置成使得制动部在垂直方向上滑动，可以使锁定机构的安装空间变窄，从而，节省空间的特点优异，可以将足底支承机构缩小尺寸并减轻其重量。

这里，致动器可以采用由气压或者液压力驱动的缸体等，或者也可以采用电磁螺线管等。螺线管尺寸小、重量轻，可以节省空间。特别是，能够在上下两个方向驱动制动部的双稳态自持型螺线管，可以在由制动部进行制动时(当下降时)和解除制动(上升)时，利用螺线管的吸引力，从而，由于能够快速地进行制动部的垂直运动，所以，优选利用螺线管。并且，由于双稳态自持型螺线管内部装有磁铁，无需供电，由磁铁的反作用力在锁定方向上施加力，从而可以更可靠地进行锁定。因此，双稳态自持型螺线管具有高稳定性，并且，因为只需在制动和解除制动时提供电力就足够了，所以节能性优异。

权利要求6所述的发明，其特征在于，在权利要求5所述的多点着地型足部支承机构中，进一步包括：配置在制动部中的弹性体的上部固定部；配置在基部上的弹性体的下部固定部；弹性体，该弹性体的上端部固定在所述弹性体的上部固定部上，其下端部固定在所述弹性体的下部固定部上。

借助这种结构，除了根据权利要求5的作用之外，还可以产生以下的作用。

(1)借助在制动部的解除动作中由于制动部向上的滑动而伸长的弹性体的恢复力，在制动动作中，可以使制动部快速地向下滑动，从而，可以快速地完成制动动作，可以改进响应速度。

(2)通过调整制动部，使得在执行制动动作的状态下(即，即使在制动部的锥形部与足底支承部的接触部接触的状态下)，弹性体的恢复力能够起作用，在执行解除动作时，制动部的锥形部能够总是受接触部的恢复力推压，从而，能够牢固地锁定足底支承部。

这里，作为弹性体，可以利用拉力弹簧或者拉力螺旋弹簧。

另外，为了使弹性体的恢复力在制动动作中起作用，调整弹性体的长度和各个固定部之间的距离，使得在处于制动动作中的制动部向下方滑动的状态下，将伸长的弹性体固定在各个固定部之间。

根据本发明的权利要求7所述的装配有多点着地型足部支承机构的双足行走机器人，其特征在于，包括：左右足部；根据权利要求1至权利要求6任何一项所述的多点着地型足部支承机构，其中各多点着地型足部支承机构配置在左右足部的足底。

借助这种结构，可以产生如下的作用。

(1)由于多点着地型足部支承机构分别配置在左右足部的足底，所以即使在具有不均匀性或高度差的复杂的着地面上，也会由左右足部之中在行走时着地的足部的多点着地型足部支承机构在足底形成假想的支承多角形，该假想的支承多角形具有与平坦的着地面等同的面积，从而，足部可以被支承在多角形点上，双足行走机器人的腿部能够被可靠地支承。因此，可以持续地稳定行走，同时防止行走机器人翻倒。

(2)在进行双足行走机器人的ZMP控制的情况下，由于通常将行走模式设定成使得在假定着地面是水平的平坦面时，ZMP存在于支承多角形内，所以，对于现有技术的刚性平坦的足底，在机器人踩到着地面的倾斜面或者凹凸不平的部位时的情况下，行走机器人所感知的支承多角形与真实的支承多角形有很大的不同，从而，行走变得不稳定，最后机器人会翻倒。但是，由于各个足底支承部可以着地，顺从地追随着地面，所以，即使着地面崎岖不平，也总是能够使双足行走机器人所感知的支承多角形大致与真实的支承多角形相一致，从而，双足行走机器人能够按照设定的行走模式稳定地行走。

这里，双足行走机器人在其腿部包括一系列连杆机构部或者平行连杆机构部。平行连杆机构部分别配置在设于基部的被动接头与设于左右足部的被动接头之间。在腿部由斯图尔特平台(Stewart platform)构成(在所述斯图尔特平台中，各个平行连杆机构部以两个连杆为一组配置成V形，并且配置三组)的情况下，可以确保优异的稳定性和刚性，同时，可以简化动作的控制。

可以利用各种类型的连杆，包括：具有采用马达的进给丝杠机构的连杆；利用油压、水压和气压缸体、以及直接动作型致动器等的直接动作的连杆；以及利用驱动接头将两个或更多个棒状构件连接到一起的连杆。并且，在利用直接动作连杆的情况下，由于各个直接动作连杆在轴向方向伸长和收缩，不会相互干扰，可以将其小型化，因此是优选的。

作为被动接头，可以将万向接头、球接头或者双轴轴接头、或者它们与单轴或双轴轴接头的组合适当地配置和用于基底侧和左右足部。在采用万向接头时，由于与球接头相比可以扩大可动范围，所以是优选的。

用于左右腿部的各个平行连杆机构部在基部的中间对称地配置在两侧，其中，用于平行连杆机构部中的连杆也对称地配置在左右腿部，能够进行执行行走运动控制的ZMP控制，从而，行走运动中的稳定性优异。

根据本发明权利要求8所述的用于双足行走机器人的控制结构，是一种用于通过垂直地上下移动左足部和右足部来进行行走的双足行走机器人的控制结构，具有：左右足部；分别配置在左足部和右足部的多点着地型腿部支承机构；并包括：三个或更多足底支承部，其中，多点着地型足部支承机构，其一端从足底突出地配置，当着地时，其突出量独立并被动地缩小；着地传感器，用于检测各个足底支承部的着地；以及锁定机构，用于对各足底支承部的运动进行制动；从而，当对于左右足部，着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部在诸如路面等着地面上着地时，所有足底支承部的运动被锁定机构制动，着地的足部的足底被支承在多角点上，与此同时，当着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部离开诸如路面等着地面时，锁定机构被释放，将所有的足底支承部的制动解除。

借助这种结构，可以产生以下的作用。

(1)当对于左右足部，着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部在诸如路面等着地面上着地时，锁定机构对所有足底支承部的运动进行制动，在着地的足部的足底上形成假想的支承多角形，足部被支承在多角点上。从而，即使在只有左足部或右足部着地的状态下，当双足行走机器人行走时，双足行走机器人能够被着地的足部可靠地支承，可以执行ZMP控制，以便能够稳定地行走。

(2)当对于左右足部，着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部在诸如路面等着地面上着地时，锁定机构对所有足底支承部的运动进行制动，当着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部离开诸如路面等着地面时，锁定机构被释放，解除所有足底支承部的制动。从而，当在着地的足部的足底形成支承多角形时，重心移动到可靠地着地的足部，从而，机器人被支承在多角点上，可以改进行走当中的稳定性，能够防止双足行走机器人翻倒。

发明的效果

如上所述，根据本发明的所述多点着地型足部支承机构、装配有该多点着地型足部支承机构的双足行走机器人、及其控制结构，可以产生如下的有益效果。

根据权利要求1，可以产生以下的效果。

(1)由于机器人配备有三个或更多个足底支承部，其一端配置成从设于足部的基部的底面向下方突出，并且所述足底支承部独立地向上方移动，被可滑动或者可旋转地支承，所以，各个足底支承部沿着从足底突出的量减少的方向移动，顺从地追随各个着地面的轮廓。从而，当着地传感器检测出所有足底支承部着地时，所有足底支承部的运动被锁定机构制动，从而，在足底形成面积等于平坦的着地部的假想的支承多角形，可以被多角点支承，并且能够提供具有高可靠性的多点着地型足部支承机构，所述机构可靠地支承腿部，并且可以防止机器人翻倒。

(2)由于各个足底支承部着地，顺从地追随着地面的轮廓，当着地时，总是能够使足底的基部大致水平。与之相一致地，可以象所设计的那样控制行走机器人的主体部和腰部的位置和姿势，从而，可以提供具有优异的行走稳定性的多点着地型足部支承机构。

(3)由于各个足底支承部的着地是被配置在基部或者配置各个足底支承部的着地传感器独立地检测的，所以，能够可靠地确定所有足底支承部的着地，藉此，可以提供具有高可靠性的多点着地型足部支承机构，该机构可以借助锁定机构对所有足底支承部的运动进行制动。

(4)由于足底支承部能够被可滑动或者可旋转地支承在基部，所以，当足底支承部的一个端部在诸如路面等着地面上着地时，能够可靠地使各个足底支承部容易和可靠地在足底的上方滑动或旋转，而与着地面的轮廓无关，藉此，足底不会被着地面的任何凸出部俘获，所有足底支承部的运动都可以被锁定机构制动。从而，可以提供一种具有高稳定性的多点着地型足部支承机构，对于所述多点着地型足部支承机构，可以提供在足底形成面积等于平坦的着地面的假想的支承多角形进行多角点支承。

(5)由于足底支承部配置在基部，所以，可以成一整体地处理足部支承机构，可以容易地将足部支承机构安装到现有的行走机器人的腿部的足底，藉此，可以提供具有优异装配性能和优异生产率的多点着地型足部支承机构，藉此，可以改进在行走机器人的行走运动中的稳定性。

(6)由于在足底可靠地形成面积等于平坦的着地面的支承多角形，并且通过具有三个或更多个足底支承部能够进行多角点支承，所以，能够提供具有优异的实用性和优异的可靠性的多点着地型足部支承机构，该支承机构将行走机器人的腿部支承在稳定的状态，特别是，可以优选用于双足行走机器人。

根据权利要求2，除权利要求1的效果之外，还可以产生以下的效果。

(1)由于足底支承部具有在其下端部着地的垂直支承部和从所述垂直支承部的上端部起在大致水平方向上延伸的水平支承部，并且在形成于水平支承部另一个端部的轴支承部处，被形成在基部的旋转和支承部沿轴向方向可自由旋转地支承，所以，可以提供在行走运动中具有优异的稳定性多点着地型足部支承机构，其中，当足底支承部的垂直支承部的下端部着地时，各个足底支承部以轴支承部作为支点进行旋转，足底支承部可以沿着从足底突出的量减少的方向(即，向上)运动，顺从地追随着地面的轮廓，形成假想的支承多角形，以便能够进行多角点支承。

根据权利要求3，除权利要求2的效果之外，还可以产生以下的效果。

(1)由于通过在足底支承部的垂直支承部的下端部配置着地传感器，所以，当其下端部在诸如路面等着地面上着地时，可以直接检测出足底支承部的垂直支承部的下端部是否着地，可以提供一种具有优异的可靠性和确定性的多点着地型足部支承机构，所述机构能够进一步可靠地确认着地，能够防止锁定机构误动作，并能够以稳定的方式支承腿部。

根据权利要求4，除权利要求2的效果之外，还可以产生以下的效果。

(1)由于可以利用着地传感器可以检测出由于足底支承部的下端部的着地引起的足底支承部的旋转，所以，可以提供一种在操作当中具有优异的可靠性和稳定性的多点着地型的足部支承机构，其中，与着地面的形状和有无诸如沙砾等障碍物无关，着地传感器能够可靠地操作。

根据权利要求5，除权利要求2至权利要求4的效果之外，还可以产生以下的效果。

(1)由于在足底支承部的水平支承部的另一个端部形成大致的弧形的接触部，并且，锁定机构设有在其一端具有锥形部的制动部和与制动部的另一端连接的致动器，所以，可以提供一种具有优异的可靠性和确定性的多点制着地型足部支承机构，所述机构当足底支承部着地时，能够使制动部被锁定机构的致动器沿上下方向滑动，使制动部的锥形部与足底支承部的接触部接触，可靠地将足底支承部的运动制动，将腿部支承在稳定的状态。

(2)由于足底支承部的水平支承部的接触部形成大致的弧形，并且，锁定机构的制动部的锥形部向上展宽，所以，能够提供一种在运动中具有优异稳定性的多点着地型足部支承机构，该支承机构能够可靠地使制动部的锥形部与足底支承部的水平支承部的接触部接触，并且能够将足底支承部制动，同时防止足底支承部旋转。

(3)由于将致动器的制动部设置成在上下方向上滑动，所以，可以提供一种可以使锁定机构的安装空间变窄、小型化并具有优异的空间效率的多点着地型足部支承机构。

根据权利要求6，除权利要求5的效果之外，可以产生以下以下的效果。

(1)可以提供一种具有优异的响应速度的多点着地型足部支承机构，该多点着地型足部支承机构可以借助在制动-松开运动中伸长的弹性体的恢复力使制动部在制动运动中快速地向下滑动，并且能够执行快速的制动运动。

(2)可以提供一种具有优异的可靠性和确定性的多点着地型足部支承机构，通过调整弹性体的恢复力使之在制动运动中动作，该多点着地型足部支承机构在制动动作中可以总是将制动部推压到足底支承部的接触部上，并且能够牢固地锁定足底支承部。

根据权利要求7，可以产生以下的效果。

(1)由于多点着地型足部支承机构分别配置在左右足部的足底，所以，可以提供一种装配有具有优异稳定性的多点着地型足部支承机构的双足行走机器人，借助左右足部的在行走时着地的足部的多点着地型足部支承机构，即使在崎岖不平或具有高度差等的复杂的着地面上，所述多点着地型足部支承机构也能够形成具有和足底的平坦的着地面面积相等的假想的支承多角形，能够可靠地支承腿部，并且可以防止行走机器人翻倒。

(2)由于在进行双足行走机器人的ZMP控制的情况下，各个足底支承部着地，顺从地追随着地面，并且，即使当着地面崎岖不平时，由双足行走机器人所感知的支承多角形也大致与真实的支承多角形相一致，所以，可以提供一种能够按照预先建立的行走模式进行稳定行走的双足行走机器人。

根据权利要求8，可以产生如下的效果。

(1)当着地传感器对于左右足部检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部在诸如路面等着地面上着地时，由于锁定机构将所有足底支承部的运动制动，着地的足部的足底在多角点上被支承，所以，可以提供一种可靠性优异的用于双足行走机器人的控制结构，当双足行走机器人行走时，即使在只有左足部或者右足部着地的情况下，也能够由着地的足部可靠地支承双足行走的机器人，可以通过执行ZMP控制进行稳定的行走。

(2)当着地传感器对于左右足部检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部在诸如路面等着地面上着地时，由于锁定机构将所有足底支承部的运动制动，并且，当着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部脱离诸如路面等着地面时，锁定机构被释放，以便松开所有足底支承部的制动，所以，可以提供一种在行走运动中具有优异的稳定性的用于双足行走机器人的控制结构，所述控制结构可以在着地的足部的足底形成假想的支承多角形，并且与在着地的足部的足底形成支承多角点同时，可以将重心移动到可靠的着地的足部。

附图说明

图1是表示根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的透视图；

图2A是表示足底支承部和锁定机构的主要部分的剖视侧视图，图2B是表示足底支承部的制动状态的主要部分的剖视侧视图；

图3是表示装配有根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的双足行走机器人的透视图；

图4是表示基部的被动接头的主要部分的透视图；

图5是表示足部的被动接头的主要部分的透视图；

图6是表示装配有多点着地型足部支承机构的双足行走机器人的行走状态的足部的放大侧视图；

图7是表示根据第二种实施形式的多点着地型足部支承机构的足部支承部和锁定机构的主要部分的透视图；以及

图8A是表示足底支承部和锁定机构的主要部分的剖视侧视图，图8B是表示足底支承部的固定状态的主要部分的剖视侧视图。

符号说明

1   根据本发明第一个实施形式的多点着地型足部支承机构

2   基部

2a  力传感器容纳部

2b  定位孔

2c  螺栓插入孔

2d  底面

2e  旋转和支承部

2f  肋

3   足底支承部

3a  垂直支承部

3b  水平支承部

3c  下端部

3d  轴支承部

3e  接触部

4   着地传感器

4a  传感器固定孔

4b  传感器表面

4c  接触点

4d  着地部

4e  滚子

4f       接线端子

5        锁定机构

5a       锁定机构

5b       滑动部

6        制动部

6a       锥形部

6b       后侧部

7        连接轴

8        制动接触部

8a       摩擦材料

10       双足行走机器人

11       基部

12a、12b 足部

13       平行连杆机构部

13a、13b 直接动作的连杆

14       基部被动接头

15       足部被动接头

16a      基部上部接头

16b      上部接头轴

16c      基部下部接头

16d      下部接头轴

16e      连接旋转部

17a      第一足部上部接头

17b      第二足部上部接头

17c      上部接头轴

17d      足部下部接头

17e      下部接头轴

17f      连接旋转部

18       基部

18a  基部轴

20   着地面

20a  倾斜面

22   保持部

22a  弹性体下部固定部

23   足底支承部

23a  垂直支承部

23b  水平支承部

23c  下端部

23d  轴支承部

23e  接触部

24   着地传感器

24a  可动部

24b  下端部

25   锁定机构

25a  致动器

25b  滑动部

26   制动部

26a  弹性体上部固定部

26b  锥形部

26c  后侧部

27   弹性体

28   制动接触部

28a  摩擦材料

29   底壁部

29a  传感器接触部

具体实施方式

[第一种实施形式]

下面将参照附图对根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构进行说明。

图1是表示根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的透视图。

在图1中，参照标号1表示根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构。参考标号2表示多点着地型足部支承机构1的基部，该基部由铝合金等制成，并且其外形形成大致为矩形的多角形或圆形，2a表示基部2的力传感器容纳部，在该容纳部内容纳具有底部并大致形成圆筒形的6轴力传感器(未示出)，用于检测来自于诸如地板、路面等着地面的反作用力，并测量ZMP的位置，2b表示在力传感器容纳部2a的底面上钻出且位于两个点上的定位孔，用于定位6轴力传感器的定位销被插入到所述定位孔2b内，2c表示在四个点处钻在力传感器容纳部2a的底面上的螺栓插入孔，通过螺纹紧固将6轴力传感器固定的固定螺栓被插入到所述螺栓插入孔内，2d表示基部2的底面，2e表示配置在基部2的四个拐角处的旋转和支承部，2f表示用于加强底面2d并容纳各个部件的竖立在底面2d上的肋。参考标号3表示四个足底支承部，其每一个都具有垂直支承部3a和从垂直支承部3a的上端部弯曲并沿着大致水平方向延伸的水平支承部3b，并且形成大致的L形，其中，将垂直支承部3a的下端部3c配置成从基部2的底面2d上向下方突出，水平支承部3b的端部被旋转和支承部2e可旋转地轴支承。参考标号4表示分别配置或容纳在四个足底支承部3的垂直支承部3a的下端部3c中的着地传感器，所述传感器检测足底支承部3的下端部3c的着地。参考标号5表示配置在基部2的四个拐角处的锁定机构，所述锁定机构用于当被四个着地传感器4检测出足底支承部3着地时，将所有足底支承部3的运动制动。

在基部2设置其中容纳所述6轴力传感器的力传感器容纳部2a，在力传感器容纳部2a的底面钻有两个定位孔2b和四个螺栓插入孔2c，将用于定位6轴力传感器的定位销插入到所述定位孔2b内，并且，通过螺纹紧固固定6轴力传感器的固定螺栓被插入所述螺栓插入孔2c。从而，可以容易地将6轴力传感器定位和固定到力传感器容纳部2a中。因此，可以借助6轴力传感器，将多点着地型足部支承机构1安装到现有的双足行走机器人等的足部上，藉此，通过检测来自于诸如地板和路面等着地面的反作用力，可以检测ZMP位置。

只改变基部2和力传感器容纳部2a的形状，就可以将多点着地型足部支承机构1安装到各种类型的双足行走机器人等的足部。即，可以确保优异的通用性。

下面，详细描述足底支承部和锁定机构。

图2A是表示足底支承部和锁定机构的主要部分的剖视侧视图，图2B是表示足底支承部的固定状态的主要部分的剖视侧视图。

在图2中，参考标号3d表示形成在足底支承部3的水平支承部3b的端部的轴支承部，该轴支承部被基部2的旋转和支承部2e可旋转地轴支承。参考标号3e表示大致为弧形的接触部，该接触部形成在足底支承部3的水平支承部3b的端部。参考标号4a表示传感器固定孔，用于将着地传感器配合和固定到足底支承部3的垂直支承部3a的端部。参考标号4b表示着地传感器4的传感器表面，4c表示在着地传感器4的传感器表面4b上钻出的接触点，4d表示由铰链杆形的板簧构成的着地部，其一端可摆动地支承在传感器表面4b上，所述板簧通过配置在其另一端的滚子4e与着地面20接触而摆动，并且与传感器表面4b的接触点4c接触，进行开关。参考标号4e表示配置在着地部4d的另一端部的着地面20侧的滚子。参考标号4f表示电连接着地传感器4的接线端子，5a表示锁定机构5的致动器，采用双稳态自持型螺线管，5b表示致动器5a的滑动部，根据来自于着地传感器4的ON/OFF(通/断)信号垂直运动。参考标号6表示配置在致动器5a的滑动部5b上且形成大致楔形的制动部，通过垂直滑动将足底支承部3的制动解除(当向上运动时)，并将其制动(当向下运动时)，6a表示锥形部，所述锥形部的形成方式为，使制动部6的下端的足底支承部3侧朝着下端越来越薄(锥形)，当制动部6向下方运动时，通过与水平支承部3b的接触部3e接触，将足底支承部3的运动制动，6b表示制动部6的后侧部。参考标号7表示连接轴，用于将滑动部5b连接到制动部6上。参考标号8表示竖立在锁定机构5的致动器5a侧部的制动接触部，8a表示粘结到制动接触部8的位于制动部6侧的表面上的摩擦材料。

这里，足底支承部3的下端部3c形成为将其跟部侧制造得较低，着地传感器4的滚子4e配置在下端部3c的跟部侧(基部2侧)。从而，能够可靠地将着地传感器4的滚子4e着地到着地面20上，从而通过摆动着地部4d能够进行切换，并且，在着地传感器4的运动中的稳定性优异。

进而，可以利用由合成树脂或橡胶制成的片状材料作为摩擦材料8a。特别是，可以利用氯丁二烯橡胶、氟橡胶、乙烯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等，其耐磨性能和摩擦特性优异。特别是，优选利用具有高硬度的氯丁二烯橡胶。如果摩擦材料8a的硬度低，当执行制动动作时，摩擦材料8a被压缩，足底支承部3将会移动等于压缩量相等的量，从而会造成不利的影响，例如，行走运动中的稳定性会变差。

下面，对具有上述结构的根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的动作进行说明。

利用多点着地型足部支承机构1的一组足底支承部3和锁定机构进行描述。

首先，对足底支承部3的制动动作进行描述。

在图2B中，当多点着地型足部支承机构1向下方运动时，配置在足底支承部3的下端部的着地传感器4的滚子4e与着地面20接触。通过使滚子4e与着地面20接触，着地传感器4的着地部4d向上方旋转并与传感器表面4b的接触点4c接触，从而，传感器4检测出滚子4e在着地面20上着地，并发出信号。

来自着地传感器4的信号从接线端子4f通过电线(未示出)传送到控制部(未示出)。

从所有着地传感器4接受着地信号的控制部4，同时向所有锁定机构5的致动器5a给出指令，使得足底支承部3的运动被制动，并保持在该状态。

由于致动器5a的滑动部5b向下方滑动，制动部6的锥形部6a与接触部3e接触。另外，制动部6被接触部3e推压到后侧，后侧部6b与制动接触部8的摩擦材料8a接触，从而，防止足底支承部3以轴支承部3d为中心向上方旋转，从而将足底支承部3的运动制动。

通过将所有足底支承部3的运动制动，足底的四点着地形成大致矩形的支承多角形。由于各个足底支承部3独立地操作，所以，各自足底支承部3可以追随着地面20的轮廓和倾斜独立地操作，从而，当所有足底支承部3着地时，所有足底支承部3的运动被制动，并且足底支承部一着地，足底支承部3就形成支承多角形，能够可靠地支承腿部。

进而，如图2A所示，在足底支承部3的制动动作之前，在制动部6的后侧部6b与制动接触部8的摩擦材料8a之间形成小的间隙，从而，制动部6和摩擦材料8a相互间隔开地配置。从而，在制动部6的下降的路途中，后侧部6b与摩擦材料8a接触，因此，防止对下降动作造成妨碍。另外，当制动部6下降到预定的位置并且与接触部3e接触时，制动部6被接触部3e推压。由于制动部6游动地安装到连接轴7上，所以，后侧部6b通过推压与摩擦材料8a接触。

下面，对于足底支承部3的制动-解除制动动作进行说明。

随着多点着地型足部支承机构1向上方运动，借助着地部4d的弹簧特性，配置在足底支承部3的下端部3c上的着地传感器4的滚子4e和着地部4d一起向下方摆动并且被重新设置在初始位置。而且，随着足底支承部3的下端部3c从着地面20分离，由于其自身的重量，足底支承部3围绕轴支承部3d为中心向下方旋转，从而，制动部6的锥形部6a脱离足底支承部3的接触部3e，与此同时，后侧部6b脱离制动接触部8的摩擦材料8a。

由于着地传感器4的着地部4d和传感器表面4b的接触点4c处于不接触的状态，所以，从各个着地传感器4传送给控制部的信号中止。

当来自所有着地传感器4的信号中止时，控制部向所有锁定机构5的致动器5a给出指令，使得将对足底支承部3的制动解除，使致动器5a的滑动部5b向上方滑动。

这样，消除足底支承部3的制动。

下面参照附图，对装配有具有上述结构的根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的双足行走机器人进行描述。

图3是表示装配有根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的双足行走机器人的透视图。图4是表示基部的被动接头的主要部分的透视图。图5是表示足部的被动接头的主要部分的透视图。

在图中，参考标号10表示装配有根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构1的双足行走机器人。参考标号11表示双足行走机器人10的基部。参考标号12a和12b表示双足行走机器人10的左右足部，每一个足部具有配置在大致三角形的足底的多点着地型足部支承机构1。参考标号13表示双足行走机器人10的平行连杆机构部，在该平行连杆机构部中，两个直接动作的连杆13a和13b作为一组配置成V形。参考标号14表示基部被动接头，具有两个自由度，所述接头与三组平行连杆机构13的上端连接，并对称的配置在基部11的左右侧的各在三个部位处。参考标号15表示足部被动接头，所述接头具有三个自由度，与三组平行连杆机构部13的下端连接，并对称地配置在左右足部12a和12b上的各三个部位处。

在图4中，参考标号16a表示固定到基部2下端部的槽形基部上部接头，16b表示架设于在基部上部接头16a处相互对向的竖立的侧边之间的上部接头轴，16c表示固定到直接动作连杆13a和13b的上端部上的槽状基部下部接头，16d表示架设于在基部下部接头16c处相互对向的竖立的侧边之间的下部接头轴，用于可旋转地轴支承基部下部接头16c，以及，16e表示连接旋转部，用于使上部接头轴16b和下部接头轴16d相互正交，并将它们连接到一起。

在图5中，参考标号17a表示与直接动作连杆13a的下端部连接的槽形第一足部上部接头，17b表示与直接动作连杆13b的下端部连接的槽形第二足部上部接头，17c表示上部接头轴，该上部接头轴架设于在第一足部上部接头17a和第二足部上部接头17b处相互对向地竖立的侧边之间，将第一足部上部接头17a与第二足部上部接头17b连接起来，并可旋转地轴支承足部上部接头17a和17b，17d表示经由后面描述的基部与足部12a和12b连接的槽形足部下部接头，17e表示架设于在足部下部接头17d处相互对向的竖立的侧边之间的下部接头轴，以及，17f表示连接旋转部，用于使上部接头轴17c和下部接头轴17e相互正交，并且将它们相互连接起来。参考标号18表示固定到足部12a和12b上的基部，18a表示基部轴，用于可旋转地将足部下部接头17d轴支承到基部18上。

如图4所示，基部下部接头16c在上部接头轴16b和下部接头轴16d的轴的周向方向上相对于基部上部接头16a旋转。因而，由于基部被动接头在和直接动作连杆13a及13b的纵向方向正交的上部接头轴16b和下部接头轴16d的轴的周向方向上具有两个自由度，所以，基部被动接头14追随直接动作连杆13的伸缩，并且顺滑地从动而不会妨碍其伸缩。

而且，如图5所示，第一足部上部接头17a和第二足部下部接头17b相对于足部下部接头17d在上部接头轴17c和下部接头轴17e的轴的周向方向上旋转。另外，足部下部接头17d相对于基部18在基部轴18a的轴的周向方向上旋转。从而，由于足部被动接头15在正交于直接动作连杆13a和13b的纵向方向的上部接头轴17c和下部接头轴17e的轴的周向方向上具有两个自由度，同时，在直接动作连杆13a和13b的轴向方向的基部轴18a的轴的周向方向上具有一个自由度，所以，足部被动接头15追随直接动作连杆13a和13b的伸缩，并顺滑地从动而不会妨碍其伸缩。

由于双足行走机器人10由斯图尔特平台(Stewart platform)构成，所述斯图尔特平台具有各个平行连杆机构部13，其中，将两个直接动作连杆13a和13b作为一组配置成V形，所述平台配置三组V形连杆机构部，双足行走机器人10具有优异的稳定性和刚性，并可以简化其控制动作。进而，作为平行连杆机构部13采用直接动作连杆13a和13b，作为被动接头也采用基部被动接头14和足部被动接头15，其中，由于各个直接动作连杆13a和13b能够在其轴向方向上伸缩，所以，直接动作连杆13a和13b不会相互干扰，并且可以缩小其尺寸。

作为基部被动接头14和足部被动接头15，除图4和图5中所示的接头之外，也可以采用万向接头、球接头、双轴轴接头、或者它们与单轴或双轴轴接头的组合。而且，在利用万向接头时是优选的，因为与球接头相比，可以进一步展宽其可动区域。

进而，用于左右腿部的各个平行连杆机构部13对称地配置在基部11的两侧，用于平行连杆机构部13的直接动作连杆13a和13b也对称地配置在左右腿部。从而，能够实施进行行走动作控制的ZMP控制，并且使得在行走动作中具有优异的稳定性。

下面参照附图说明用于装配有具有上述结构的根据本发明的第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的双足行走机器人的控制结构。

图6是足部的放大的侧视图，表示装配有多点着地型足部支承机构的双足行走机器人的行走状态。

在图6中，参考标号20a表示着地面20的倾斜面。

当分别在左右足部12a和12b装配有多点着地型足部支承机构1的双足行走机器人10行走于具有倾斜面20a的着地面20上时，当相对于左右足部12a和12b，着地传感器4检测出多点着地型足部支承机构1的所有足底支承部3在着地面20(20a)上着地时，锁定机构5将所有足底支承部3的运动制动。

从而，即使在着地面20具有倾斜面20a的情况下，足部12a和12b也在着地的足底形成假想的支承多角形，并在多个点受到支承。在双足行走机器人10行走时，即使在只有一个左足部12a或右足部12b着地的状态下，双足行走机器人10仍可以被着地的足部12a(或12b)可靠地支承。控制部(未示出)执行ZMP控制，以便确保稳定的行走。

另外，当着地传感器4检测出多点着地型足部支承机构1的所有足底支承部3脱离着地面20(20a)时，锁定机构5被释放，解除所有足底支承部3的制动。

从而，当在着地的足部12a(或12b)的足底形成假想的支承多角形，足部12a(或12b)在多角点受到的同时，根据ZMP控制，重心移动到可靠地着地的足部12a(或12b)上，藉此可以改善行走运动中的稳定性。

利用如上所述的根据第一种实施形式的多点着地型足部支承机构，可以产生以下作用。

(1)由于端部从配置在行走机器人足底的基部2的底面2d向下方突出地配置，并且设有在着地时分别独立地向上方旋转并被可自由转动地支承的四个足底支承部3，所以，各个足底支承部3沿着从足底(基部的底面)突出的量减少的方向运动，被动地追随着地面20的轮廓。从而，当着地传感器4检测出所有的足底支承部3着地时，锁定机构5控制并制动所有足底支承部3的运动，从而，足底以与着地面平坦情况下相等的面积在多角点受到支承。从而，能够可靠地支承行走机器人的腿部，防止其翻倒。

(2)由于各个足底支承部3顺从的追随着地面20的轮廓着地，所以，即使当在着地面20上存在任何斜面20a或者崎岖不平时，也总是能够使足底的基底2水平(或者相对于水平状态保持在固定的角度)，并且可以控制行走机器人的主体和腰部以及足底的位置和姿势与预先设定的相一致，可以进行稳定的行走。

(3)由于各个足底支承部3的着地可以被配置在各个足底支承部3的着地传感器4独立地检测，所以，能够可靠地确认所有足底支承部3的着地，藉此，可以借助锁定机构5控制和制动所有足底支承部3的运动。

(4)由于足底支承部3被可旋转地支承在基部2上，所以，当足底支承部3的下端部3c在着地面20上着地时，足底支承部3的下端部3c可以容易和可靠地使各个足底支承部3向足底的上方旋转，而与着地面20的轮廓无关。从而，足底不会被着地面20上的任何凸出部俘获，从而，可以借助锁定机构5控制和制动所有足底支承部3的运动，并且能够以和着地面平坦情况下相等的面积在多角点支承足底。

(5)由于足底支承部3配置在基部2上，所以，能够成一整体地处理足部支承机构1，从而，可以容易地经由容纳在基部2的力传感器容纳部2a内的6轴力传感器将足底支承部3安装到现有的双足行走机器人等的腿部的足底，并且能够改进行走机器人在行走动作中的稳定性。

(6)由于设置有四个足底支承部3，即使在着地面20上存在任何倾斜面20a或者崎岖不平时，也会在足底形成其面积与着地面平坦情况下相等的支承多角形，确保多角点支承。从而，可以稳定地支承行走机器人的腿部，可以特别优选地将多点着地型腿部支承机构应用于双足行走机器人。

(7)在足底支承部3的端部以彼此之间相等的间隔配置在同一个圆周上，使得从端部到基部2的中心的距离变成等距离的情况下，由于由足底支承部3形成的支承多角形变成正方形，所以能够由各个足底支承部3均匀地支承腿部，从而，可以改进着地稳定性。

(8)由于在基部2配置6轴力传感器，所以，如果传感器安装到行走机器人的足部的足底上的话，该传感器可以检测出来自诸如地板和路面等着地面20的反作用力，可以根据检测值测量ZMP(零力矩点)的位置，从而，可以利用简单的结构进行ZMP控制。

(9)足底支承部3具有其一个端部3c着地的垂直支承部3a和从垂直支承部3a的上端部沿着大致水平的方向延伸的水平支承部3b，并且在形成于水平支承部3b端部的轴支承部3d处，由形成在基部2上的旋转和支承部2e可旋转地轴支承。从而，当足底支承部3的垂直支承部3a的下端部3c着地时，各个足底支承部3以轴支承部3d作为支点旋转，并且，各个足底支承部3可以沿着从足底突出的量减少的方向(向上方)运动，顺从地追随着地面20的轮廓，从而形成垂直的支承多角形，可以实现多角点支承。

(10)着地传感器4配置在足底支承部3的垂直支承部3a的下端部3c处。从而，当足底支承部3的垂直支承部3a的下端部3c在诸如路面等着地面20上着地时，可以直接检测出下端部3c是否着地。从而，可以进一步可靠地确认着地，藉此，可以防止锁定机构5误动作，能够以稳定的方式支承腿部。

(11)由于在足底支承部3的水平支承部3b的端部形成大致弧状的接触部3e，并且，锁定机构5配备有在其下端形成锥形部6a的制动部6以及与制动部6连接的致动器5a，所以，当足底支承部3着地时，由锁定机构5的致动器5a使滑动部5b沿上下方向滑动，从而，制动部6的锥形部6a与足底支承部3的接触部3e接触，与此同时，后侧部6b与制动接触部8的摩擦材料8a接触。从而，由于制动部6像楔子一样配合到接触部3e与制动接触部8之间，能够可靠地将足底支承部3的运动制动，能够将腿部支承在稳定的状态。

(12)由于足底支承部3的水平支承部3b的接触部3e形成大致的弧形，并且，锁定机构5的制动部6的锥形部6a朝着其远端越来越薄，所以，能够可靠地使制动部6的锥形部6a与水平支承部3b的接触部3e接触，而与足底支承部3的旋转量无关，藉此，防止足底支承部3旋转，可以将其制动。

(13)由于将致动器5a配置成使制动部6沿上下方向滑动，所以，可以将锁定机构5的安装空间变窄，藉此，节省空间的性能优异，并且能够将多点着地型足部支承机构1小型化和轻量化。

(14)由于作为致动器5a采用能够在上下两个方向驱动制动部6的双稳态自持型螺线管，所以，可以将螺线管的吸引力用于由制动部6的所进行的制动(下降)和解除制动(上升)，藉此，制动部6能够以高速垂直运动，螺线管能够有助于缩小尺寸，减轻重量和节省空间。

(15)由于摩擦材料8a粘结到制动接触部8上，所以，即使当足底支承部3被制动时施加大的负荷或冲击，也可以防止制动部6的滑动和脱落，藉此，稳定性和可靠性优异。

借助装配有根据第一种实施形式的多点着地型足部支承机构的双足行走机器人，可以产生以下的作用。

(16)由于双足行走机器人设置有配备在基部11和左足部12a之间以及配备在基部11与右足部12b之间的平行连杆机构13，并且多点着地型足部支承机构1分别配置在左足部12a和右足部12b的足底，所以，即使在崎岖不平或者具有高度差的复杂的着地面上，也可以由左足部12a和右足部12b的在行走中着地的足部12a(或12b)的多点着地型足部支承机构1在足底形成假想的支承多角形，所述支承多角形具有和平坦的着地面相等的面积，藉此，能够可靠地支承双足行走机器人10的腿部。从而，在防止行走机器人地方翻倒的同时，可以继续地稳定的行走。

(17)即，在进行双足行走机器人的ZMP控制的情况下，由于通常将行走模式设定成使得在假定着地面是水平的平面的情况下，ZMP存在于支承多角形中，所以，对于现有技术的刚性平坦的足底，在机器人踩到着地面的倾斜面或者其崎岖不平(凸和凹)的地方的情况下，行走机器人所感知到的支承多角形与真实的支承多角形有很大的不同，并且，ZMP偏离真实的支承多角形，由此，即使只由一步步行ZMP没有偏离，但通过两步或三步，误差积累，行走变得不稳定，最后机器人翻倒。如在第一种实施形式那样，由于各个足底支承部3可以着地，顺从地追随着地面20，所以，即使当在着地面20上存在着倾斜面20a或者崎岖不平时，也总是可以使双足行走机器人10所感知到的支承多角形大致与真实的支承多角形相一致，双足行走机器人10可以按照设定的行走模式进行稳定的行走。

(18)由于分别在配置于基部11上的基部被动接头14与配置在左足部12a和右足部12b上的足部被动接头15之间设置平行连杆机构部13，各个平行连杆机构部13由斯图尔特平台构成，其中，将两个直接动作连杆13a和13b配置成V字形作为一组，并设置三组。从而，双足行走机器人10的稳定性和刚性优异，可以简单地进行控制动作。

(19)由于在平行连杆机构部13中采用直接动作连杆13a和13b，所以，各个直接动作连杆13a和13b在其轴向方向上伸缩，不会相互干扰，藉此，可以缩小双足行走机器人10的尺寸。

(20)平行连杆机构部13分别具有6个自由度，从而，左足部12a和右足部12b可以进行各种的动作，其行走动作可以顺滑地进行。

(21)由于左右足部12a和12b的平行连杆机构部13对称地配置，并且各个平行连杆机构部13具有6个自由度，所以在行走动作中进行行走控制，使得没有力矩沿着双足行走机器人10的腰部轴的轴的周向方向作用，并且在行走动作中，防止基部11在腰部轴的轴的周向方向上旋转，藉此，确保稳定的行走。

借助根据第一种实施形式的用于双足行走机器人的控制结构，可以产生以下的作用。

(22)分别对于左右足部12a和12b，当着地传感器4检测出多点着地型足部支承机构1的所有足底支承部3在诸如路面等着地面20(20a)上着地时，所有足底支承部3的运动被锁定机构5制动，在着地的足部12a(或12b)的足底形成假想的支承多角形。从而，即使在当双足行走机器人10行走时只有左右足部12a或12b之一着地的情况下，双足行走机器人10仍能够可靠地被着地的足部12a(或12b)支承，并进行ZMP控制，以便确保稳定的行走。

(23)分别对于左足部12a和右足部12b，当着地传感器4检测出多点着地型足部支承机构1的所有足底支承部3在诸如路面等着地面20(20a)上着地时，锁定机构5对所有足底支承部3的运动进行制动，当着地传感器4检测出多点着地型足部支承机构1的所有足底支承部3从诸如路面等着地面20(20a)脱离时，锁定机构5被释放，取消所有足底支承部3的制动。从而，当在着地的足部12a(或12b)的足底形成假想的支承多角形的时刻，确保重心向着地的足部12a(或12b)位移，可以改进行走动作中的稳定性，从而，可以防止双足行走机器人10翻倒。

下面，参照附图描述根据本发明的第二种实施形式的多点着地型足部支承机构。

图7是表示根据第二种实施形式的多点着地型足部支承机构的足底支承部和锁定机构的主要部分的透视图。

在图7中，参考标号2表示基部，2a表示力传感器容纳部，2b表示定位孔，2c表示螺栓插入孔，2d表示底面，2e表示旋转和支承部。这些部件和在第一种实施形式中所描述的类似，从而，给予相同的标号，并省略其描述。参考标号21表示根据第二种实施形式的多点着地型足部支承机构。参考标号22表示保持部，该保持部具有后壁和配置在基部2的四个拐角处的在后面将要描述的底壁部竖起的一对侧壁，其平面视图呈槽形，其中，旋转和支承部2e被插入并配合到形成在各个侧壁上的孔中。参考标号22a表示弹性体下部固定部，所述弹性体下部固定部从保持部22的各个侧壁的下端部向外侧突出地形成。参考标号23表示足底支承部，该足底支承部具有垂直支承部23a和水平支承部23b，形成大致的L形，在该足底支承部中，水平支承部23b的端部可旋转地轴支承在旋转和支承部23e上。参考标号23c表示垂直支承部23a的下端部。参考标号24表示配置在水平支承部23b上的着地传感器。参考标号25表示配置在基部2的四个拐角处的锁定机构。参考标号26表示配置在后面将要描述的致动器的滑动部上的制动部，其中，26a表示弹性体上部固定部，该弹性体上部固定部从制动部26的上端部向两个侧部突出。参考标号27表示诸如拉伸弹簧和拉伸螺旋弹簧等的弹性体，该弹性体配置在制动部26的两个侧部，其上端部固定到弹性体上部固定部26a上，其下端部固定到弹性体下部固定部22a上。参考标号29表示与基部2的四个拐角成一整体地形成的底壁部，参考标号29a表示突出到底壁部29的远端部的上方的传感器接触部。

下面，详细描述足底支承部和锁定机构。

图8A是表示足底支承部和锁定机构的主要部分的剖视侧视图，图8B是表示足底支承部的固定状态的剖视侧视图。

在图8中，参考标号23d表示轴支承部，该轴支承部形成在足底支承部23的水平支承部23b的端部附近，并被旋转和支承部2e可旋转地轴支承，参考标号23e表示形成在足底支承部23的水平支承部23b的端部处的大致弧形的接触部。参考标号24a表示可缩回地配置在着地传感器24的下端面24b上的可动部。可动部24a被弹性体(未示出)沿着从下端面24b突出的方向推压，其中，如果可动部24a被向着地传感器24的内方推压，其后端部与接触点(未示出)接触，从而进行切换。参考标号25a表示采用螺线管的锁定机构25的致动器，25b表示致动器25a的滑动部，该滑动部与来自着地传感器24的通/断(ON/Off)信号相一致地垂直滑动，26b表示在制动部6的下端倾斜地形成的锥形部。参考标号26c表示制动部26的后侧部。参考标号28表示由保持部22的后壁形成的制动接触部，28a表示粘结到制动接触部28的制动部26侧的表面上的摩擦材料。

此外，作为摩擦材料28a，可以采用与第一种实施形式中描述的摩擦材料8a类似的摩擦材料。

对于具有上述结构的根据第二种实施形式的多点着地型足部支承机构，下面描述其制动动作和制动解除动作。

首先，描述足底支承部23的制动动作。

如图8A所示，在足底支承部23的下端部23c着地之前，着地传感器24的下端面24b与传感器接触部29a接触，可动部24a被容纳到着地传感器24内。在这种状态下，通知接触点处于接触状态的信号从着地传感器24被传送到控制部(未示出)。另外，弹性体27在弹性体上部固定部26a与弹性体下部固定部22a之间伸缩，其中，沿着制动部26向下方取向的方向施加恢复力。

随着多点着地型足部支承机构21下降，足底支承部23的下端部23c与着地面20接触。当多点着地型足部支承机构21进一步下降时，如图8B所示，足底支承部23以轴支承部23d为中心向上方旋转，着地传感器24的下端面24b与传感器接触部29a间隔开，其中，可动部24a从着地传感器24突出。

从而，着地传感器24的接触点到达非接触状态，这时从着地传感器24传送到控制部的信号中断。检测到所有着地传感器4的信号中断(即，所有足底支承部23的下端部23c在着地面20上着地)的控制部，同时向所有锁定机构25的致动器25a给出导致足底支承部23由于对其运动制动而被保持的状态的指令。

然后，制动部26和致动器25a的滑动部25b一起向下方滑动，制动部26的锥形部26b与接触部23e接触。另外，制动部26被接触部23e推压到后侧，后侧部26c与制动接触部28的摩擦材料28a接触。这时，由于制动部26借助已经伸长的弹性体27的恢复力快速地向下方滑动，所以快速地进行制动动作。从而，防止足底支承部23以轴支承部23d为中心向上方旋转，足底支承部23的运动被制动。另外，通过调节弹性体上部固定部26aa与弹性体下部固定部22a之间的长度和距离，从而，即使在制动部26向下方滑动的状态下，弹性体27也会伸长并且其恢复力起作用，可以借助弹性体27的恢复力将制动部26的锥形部26a推压到足底支承部3的接触部23e上。

下面，描述足底支承部3的制动-制动解除动作。

当多点着地型足部支承机构21上升时，足底支承部23的下端部23c脱离着地面20，并且，如图8A所示，足底支承部23由于其自身的重量而以轴支承部23d为中心向下方旋转，制动部26的锥形部26b脱离足底支承部23的接触部23e。同时，后侧部26c脱离制动接触部28的摩擦材料28a。另外，着地传感器24的可动部24a与传感器接触部29a接触，并被容纳到着地传感器24内，从而，着地传感器24的接触点达到接触状态，通知接触点被接触的信号被传送到控制部。

检测出已经从所有着地传感器24传送信号(即，所有足底支承部23的下端部23c脱离着地面20)的控制部，同时向所有锁定机构25的致动器25a给出解除足底支承部23的制动的指令，制动部26与致动器25a的滑动部25b一起向上方滑动。

从而，足底支承部23的制动被解除。另外，由于制动部26向上方滑动，所以，弹性体27伸长。由于致动器25a的操作力充分大于弹性体27的伸长产生的恢复力，所以，弹性体27容易伸长。

由于根据第二种实施形式的多点着地型足部支承机构具有如上所述的结构，所以，除了第一种实施形式的作用之外，还可以产生如下的作用。

(1)由于着地传感器24配置在足底支承部23的水平支承部23b上，所以，可以检测出由于足底支承部23的下端部23c着地引起的足底支承部23的旋转，所以，如果下端部23c的内侧(基部2侧)和外侧的任何部分等着地的话，着地传感器24动作。从而，与着地面20的形状和诸如沙砾等障碍物的存在无关，着地传感器24能够可靠地工作，藉此，可以改进操作中的可靠性以及稳定性。

(2)由于由拉伸螺旋弹簧等构成的弹性体27配置在制动部26与保持部22(固定在基部21上)之间，所以，在制动动作中，制动部26借助在制动的解除动作中伸长的弹性体27的恢复力快速地向下方滑动，能够快速地进行制动动作，藉此改进响应速度。

(3)通过调整弹性体27，使得即使在制动状态其恢复力也起作用，在制动动作中，可以总是利用恢复力将制动部26的锥形部26b推压到足底支承部3的接触部3e上。从而，能够牢固地将足底支承部3锁定，藉此改进可靠性和确定性。

工业上的利用可能性

本发明涉及多点着地型足部支承机构，该机构在足底平面中形成假想的支承多角形，并将足底支承部多个点上，本发明还涉及装配有所述多点着地型足部支承机构的双足行走机器人。所述机器人能够进行稳定的行走动作，并且，本发明还涉及其控制结构。本发明可以提供一种具有优异的可靠性的多点着地型足部支承机构，即使在着地面崎岖不平和为倾斜面的情况下，通过足部的各个着地点顺从地追随诸如路面等着地面的轮廓，当所有支承点着地时，对支承点的运动制动，所述支承机构能够快速地在多角点上支承足底，并防止翻倒到着地面上，并且提供一种配备有所述多点着地型足部支承机构的双足行走机器人，所述机器人即使在崎岖不平和具有高度差等的复杂的地形上也能够操作，并且在行走动作中，具有优异的稳定性和通用性，并提供其控制结构。

Claims (8)

1.一种多点着地型足部支承机构，包括：基部，每个所述基部配置在行走机器人的足底；三个或更多个足底支承部，每个所述足底支承部其一个端部从前述基部的底面向下方突出地配置，在着地时，每个所述足底支承部独立地向上运动，并且被可滑动或可转动地支承：着地传感器，每个所述着地传感器配置在基部或者各个足底支承部上，用于检测各个足底支承部的着地；以及，配置在基部的锁定机构，当着地传感器检测出所有的足底支承部着地时，所述锁定机构控制并制动所有足底支承部的运动。

2.如权利要求1所述的多点着地型足部支承机构，其特征在于，所述足底支承部包括：在其下端部着地的垂直支承部；从所述垂直支承部的上端部起大致沿水平方向延伸的水平支承部；以及形成在水平支承部的另一端部的轴支承部；其中，所述基部包括旋转和支承部，用于可旋转地轴支承各个足底支承部的轴支承部。

3.如权利要求2所述的多点着地型足部支承机构，其特征在于，着地传感器配置在足底支承部的垂直支承部的下端部。

4.如权利要求2所述的多点着地型足部支承机构，其特征在于，着地传感器配置在足底支承部的水平支承部的下部，同时包括固定到基部并配置在着地传感器的下方的传感器接触部。

5.如权利要求2至4中任何一项所述的多点着地型足部支承机构，其特征在于，所述各个足底支承部具有大致弧形的接触部，该大致弧形的接触部形成在水平支承部的另一端部，并且，所述锁定机构包括：(a)制动部，在该制动部中，在其一端形成与各个足底支承部的接触部接触、并且向上方展宽的锥形部，以及(b)与该制动部的另一端连接的致动器，用于使制动部在上下方向上滑动。

6.如权利要求5所述的多点着地型足部支承机构，其特征在于，包括：配置在制动部中的弹性体上部固定部；配置在基部的弹性体下部固定部；弹性体，该弹性体的上端部固定在所述弹性体上部固定部上，其下端部固定在所述弹性体下部固定部上。

7.一种双足行走机器人，包括：左右足部；根据权利要求1至权利要求6任何一项所述的多点着地型足部支承机构，所述多点着地型足部支承机构配置在左右足部的足底。

8.一种用于通过上下移动左足部和右足部进行行走的双足行走机器人的控制结构，具有：左右足部；多点着地型足部支承机构，每个所述多点着地型足部支承机构配置在左足部和右足部的足底；并包括：三个或更多个足底支承部，其中，所述多点着地型足部支承机构，其一端部从前述足底突出地配置，当着地时，其突出量独立并被动地缩小；着地传感器，用于检测各个足底支承部的着地；以及锁定机构，用于制动各个足底支承部的运动；其中，当对于左右足部而言着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部在诸如路面等着地面上着地时，所有足底支承部的运动被锁定机构制动，着地的足部的足底在多角点上受到支承，与此同时，当着地传感器检测出多点着地型足部支承机构的所有足底支承部离开诸如路面等着地面时，锁定机构被解除，将所有的足底支承部的制动解除。

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