JP2000254888A - 足平センサ及びこれを備えた人間型ロボット - Google Patents
足平センサ及びこれを備えた人間型ロボットInfo
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Abstract
足平センサに関し、軽量化を図ることを課題とする。 【解決手段】 人間型ロボットの足底に対応する大きさ
の下板21と上板22とが、中央部が下板21に固定さ
れ端部が上板22に固定されて弾性変形された板ばね部
材24によって接近するようにばね付勢してあり、且
つ、下板21と上板22との間の各コーナ部に単軸力セ
ンサ23−1〜23−4が、上板22の下面に固定され
て、下板21の上面に当接して配してある。板ばね部材
24のばね力によって、単軸力センサ23−1〜23−
4に予圧がかかっている。
Description
を備えた人間型ロボットに関する。左右の足で歩行する
人間型ロボットには、足センサが備えてある。この足セ
ンサは、足底にかかる荷重及び人間型ロボットにこれが
転倒する方向に作用する足首周りのモーメント(以下、
転倒モーメントという)を算出するための力を検出す
る。人間型ロボットは、上記の転倒モーメントの変化と
左右の足の踏み出しのタイミング等を適宜制御して、人
間型ロボットが転倒に到らないようにしつつ、歩行動作
を制御する構成である。よって、人間型ロボットの歩行
動作が安定に行なわれるようにするには、足センサが足
にかかる力を精度良く検出することができる構成である
ことが望ましい。
なうためには、足の重さ出来るだけ軽く必要があり、こ
のためには、足センサの軽量化を図る必要がある。
ンサ11を示す。足センサ11は、アルミニウムのブロ
ックから削り出して形成したものであり、下円板部11
aと上円板部11bと、この下円板部11aと上円板部
11bの間の周囲に等角度間隔で並んで配されている複
数の起歪部11cとよりなる。起歪部11cは、略環状
であり、中心の貫通孔の内周面に歪みゲージ12が接着
してある構成である。この足センサ11は、人間型ロボ
ット10の足首部に設けてある。13は足、14は脚で
ある。
きの足センサ11に作用する力についてみてみる。人間
型ロボット10が歩行するとき、足13の底が地面から
受ける力(以下、接地反力という)が作用する位置は移
動する。この接地反力F10が爪先に移動したときの足
センサ11に作用する力についてみてみる。接地反力F
10は足首の中心から距離L10だけオフセットしてお
り、モーメントF10×L10が足センサ11にかか
る。このとき、起歪部11cに力が作用して、センサ部
11cが歪みゲージ12と一体に歪み、足センサ11よ
りのデータに基づいて人間型ロボット10の転倒モーメ
ントが算出される。
ロボット10の足首部に設けてあるため、下円板部11
a及び上円板部11bの直径Dは短く、よって、足セン
サ11の径方向上のセンサ部11c間の距離L11を長
くすることは困難であり、距離L11は短い。このた
め、足センサ11の直径方向上両端の起歪部11cに作
用する圧縮力及び引張力は大きくなり、このため、起歪
部11cは厚さtが厚くしてある。このため、足センサ
11は重くなり、よって、足の荷重が重くなって、人間
型ロボット10は歩行動作を速くすることが困難であっ
た。また、足の荷重が重いため、人間型ロボット10の
歩行動作の制御がその分難しくなっていた。
ックから削り出して形成したものであるため、コストが
非常に高いものであった。また、足首には足首関節の可
動機構があり、足センサ11を設けることはスペース的
に難しかった。そこで、本発明は、上記課題を解決した
足平センサ及びこれを備えた人間型ロボットを提供する
ことを目的とする。
に、請求項1の発明は、左右の足で歩行する人間型ロボ
ットの足底に取付けられる足平センサにおいて、ロボッ
トの足底に対応する大きさの下板と上板とがばね部材に
よって接近するようにばね付勢してあり、且つ、該下板
と上板との間に3つ以上の単軸の力センサを該下板及び
上板のいずれか一方に固定して又は該下板及び上板のい
ずれにも固定しないで分散して配した構成としたもので
ある。
大きさであり、大きい。よって、力センサは互いに遠く
離して配置することが可能であり、負荷を支える長さを
有効にかせぐことが可能である。よって、ロボットに従
来と同じ転倒モーメントが作用した場合に、従来に比べ
て、力センサとして耐荷重の小さいものを使用すること
が可能となり、よって、力センサは重量が軽いものとな
り、よって、足平センサは軽量化が図られる。
固定して又は下板及び上板のいずれにも固定しないで配
してあるため、地面の状況によって下板が湾曲した場合
であっても、力センサには曲げ力が作用せず、力センサ
には軸力のみが作用するようになる。よって、力センサ
は、荷重を精度良く検出する。ばね部材は、力センサに
予圧をかけており、ロボットの足が地面より離れて状態
であっても、力センサが荷重を検知し続けるようになっ
ている。
間型ロボットにおいて、該左右の足の底に、ロボットの
足底に対応する大きさの下板と上板とがばね部材によっ
て接近するようにばね付勢してあり、且つ、該下板と上
板との間に3つ以上の力センサを該下板及び上板のいず
れか一方に固定して又は該下板及び上板のいずれにも固
定しないで分散して配した構成の足平センサを設けた構
成としたものである。
ットが歩行するときの足の振り出し速度が速くなり、よ
って、人間型ロボットは速く歩行出来るようになる。ま
た、軽量化によって、人間型ロボットが歩行するときの
制御がし易くなる。
(A)乃至(C)は本発明の第1実施例になる足平セン
サ20を示す。足平センサ20は、下板21と、上板2
2と、4つの単軸力センサ23−1〜23−4と、板ば
ね部材24とよりなる構成であり、図8に示すように、
人間型ロボット50の足51の底面に取付けられる。
ボットの足底と同じ大きさを有し、長方形状であり、且
つ、ロボットの歩行時に永久変形を生じる湾曲を起こさ
ない程度の強度を有する。単軸力センサ23−1〜23
−4は、上板22の下面22bの各コーナ部に固定して
ある。単軸力センサ23−1〜23−4は、歪みゲージ
式のものであり、圧力に応じて抵抗値が変化する高分子
厚膜フィルムに比べて感度が高く、高速(広帯域)の力
変化にも応答することが可能である。
央部24aと、中央部24aから両側に2本づつ延びて
おりS字形状の腕部24b〜24eとよりなる。S字形
状の腕部24b〜24eは、腕の長さをかせいで、板ば
ね部材24の局所的な歪みを小さくして、ばね許容変形
量を大きくしている。この板ばね部材24は、自然な状
態では、平面である。この板ばね部材24は、4本のね
じ25によって中央部24aが下板21の上面21aに
固定され、且つ、各S字形状の腕部24b〜24eの先
端がねじ26によって上板22の下面22bの各コーナ
部近くに固定してある。
〜23−4及び板ばね部材24の先端が固定された上板
22を、下板21上に重ね、上板22の孔22cを利用
して、ねじ25を締めて中央部24aを下板21の上面
21aに固定する手順で組立てられる。単軸力センサ2
3−1〜23−4が下板21の上面21aに当接して、
上板22と下板21との間には、単軸力センサ23−1
〜23−4の高さ寸法hに対応する空間27が形成され
る。ねじ25をしめて中央部24aを下板21に固定す
る過程で、板ばね部材24の各腕部24b〜24eが強
制的に弾性変形され、このとき発生したばね力SFでも
って、上板22と下板21とは引き寄せられている。ば
ね力SFは、板ばね部材24の板厚を変更したり、薄い
板のスペーサを挿入してばねの変形量を変更することに
よって、容易に変えることが可能である。
−1〜23−4の頂面23−1a〜23−4aに押し当
たっており、単軸力センサ23−1〜23−4にはバイ
アス力SFが与えられている。これは、ロボットの足が
地面から離れているときでも、全部の単軸力センサ23
−1〜23−4が軸力を検知し軸力のデータを出力し続
けるようにするためである。このようにしたのは、人間
型ロボットの歩行の制御は、通常、全部の単軸力センサ
23−1〜23−4が軸力を検知していることを前提に
行なっており、一つの単軸力センサでも軸力を検知しな
い場合には、異常と判断するようになっているからであ
る。
1の各コーナ部に極力近づけて設けてあるけれども、図
3(B)に示すように、下板21は単軸力センサ23−
1〜23−4より外側に張り出した少しのオーバハング
部28を有する。このオーバハング部28が存在するた
めに、ロボットの足が地面から離れる直前に爪先が地面
を蹴るとき(下板21の先端側に力F20が作用したと
き)に、下板21には単軸力センサ23−1(23−
2)を中心とする回動モーメントが作用する。この回動
モーメントは、下板21のうち踵側が下がって単軸力セ
ンサ23−3、23−4から離れて浮く方向の回動モー
メントである。板ばね部材24は厚さ等を適宜定めて、
上記のばね力SFが、上記の場合にも下板21が単軸力
センサ23−3、23−4から離れて浮くことが起き
ず、下板21が単軸力センサ23−3、23−4を押し
続けるような強さとなるようにしてある。
に固定し、板ばね部材24の両端部を上板22に固定す
ることによって、空間27が狭い条件の下で、充分に大
きい引きつけ力を得ることが可能となっている。また、
単軸力センサ23−1〜23−4の下面23−1a〜2
3−4aは、下板21の上面21aには固定されてはい
ず、力SFで押し当たっている状態である。これは、単
軸力センサ23−1〜23−4は曲げ力が作用すると軸
力の計測の精度を損ねるため、図5に示すように、仮に
下板21が湾曲したとしても、単軸力センサ23−1〜
23−4に曲げ力が作用せず、軸力だけが作用するよう
にするためである。よって、仮に下板21が湾曲した場
合であっても、単軸力センサ23−1〜23−4は軸力
を精度良く検出する。
有しており、よって、上板22と下板21とは、板ばね
部材24によって、面方向にずれないように(剪断しな
いように)且つ回動方向にずれないように(捩じれない
ように)拘束されている。また、板ばね部材24は、上
板22より上方に出っ張らずに、上板22と下板21と
の間の上記の空間27内に収まっており、足平センサ2
0は、ロボットの足底に取り付け易くなっている。
の足底と同じ大きさであり、幾何学的に大きく、長さL
30は相当に長く、幅W30も広い。よって、単軸力セ
ンサ23−1(23−2)と単軸力センサ23−3(2
3−4)との間の距離L31は長く、単軸力センサ23
−1(23−3)と単軸力センサ23−2(23−4)
との間の距離L32も長い。よって、人間型ロボット5
0が歩行するときに転倒モーメントを作用された場合
に、単軸力センサ23−1〜23−4に作用する軸力
は、図1に示す従来の足センサ11の各起歪部11cに
作用する力より小さくなる。よって、単軸力センサ23
−1〜23−4は耐荷重の小さいものを使用することが
出来る。よって、単軸力センサ23−1〜23−4は重
量が軽いものとなり、よって、足平センサ20は従来の
足センサ11より軽量となっている。
0mmの底面積を有する足平センサ20の底面上の一点
に集中荷重を与え、このときの4つの単軸力センサ23
−1〜23−4からの出力に基づいて荷重の位置を求め
る実験を行なった。この結果、上板22の全面の領域
で、荷重の位置を±1mm以下の精度で求めることが出
来た。この精度は、95mm×60mmの足底を有する
人間型ロボット50に適用するに十分である。
ていたりして、板ばね部材24の平面度にばらつきがあ
ると、これが原因で、単軸力センサ23−1〜23−4
の予圧がばらつく。ここで、特に、単軸力センサ23−
1〜23−4の剛性に比較して板ばね部材24のばね力
が十分に小さくない場合には、板ばね部材24の組み込
み前の平面度のばらつきが、単軸力センサ23−1〜2
3−4の検出精度を低下させる。そこで、この場合に
は、単軸力センサ23−1〜23−4の予圧のばらつき
を補正するキャリブレーションをしておけばよい。
記の足平センサ20は、図8に示すように人間型ロボッ
ト50の足51の底面52に取付けられた場合に、単軸
力センサ23−1〜23−4の出力に基づいて、接地
反力、転倒モーメント、ゼロモーメントポイント
(足底にかかる二軸のモーメントが共にゼロとなる位置
座標である)を算出することが可能である。
及び図7に示すように設定した。X軸は足51の長手方
向中心線である。Y軸はX軸と直交して足51の幅方向
に延在する線である 接地反力 図6において、接地反力F30は、図6において単軸力
センサ23−1〜23−4が検出している軸力F31〜
F34の合計することによって求められる。
メントは、(F31+F32)×A−(F33+F3
4)×Aを計算することによって求められる。ここで、
Aは、足平センサ20の長さ方向上、Y軸と単軸力セン
サ23−1(23−2)との間の距離(足首57と単軸
力センサ23−3(23−4)との間の距離)である。
足首57まわりの転倒モーメントは、XY座標系の原点
と足首中心位置のオフセット量が設計によって既知であ
るから、このオフセット量δをAに加味して、(F31
+F32)×(A+δ)−(F33+F34)×(A−
δ)とすれば求められる。
面と直交する垂直面内での転倒モーメントも同様に求め
られる。 ゼロモーメントポイント 図7を参照するに、ゼロモーメントポイント(x,y)
は、以下の計算をすることにより求められる。
2)/(F31+F32+F33+F34) y=B(F31+F33−F32−F34)/(F31
+F32+F33+F34) ここで、Bは、足平センサ20の幅方向上、足首57と
単軸力センサ23−1(23−3)との間の距離(足首
57と単軸力センサ23−2(23−4)との間の距
離)である。
に、人間型ロボット50の足51の底面52に、上板2
2を固定して取付けられている。人間型ロボット50
は、頭部53と、胴体部54と、両腕部55と、両脚部
56と、両足51とよりなり、足平センサ20が足51
の底面52に取り付けられている。
基本的には、足平センサ20全部の単軸力センサ23−
1〜23−4が軸力を検知していることを前提に行なわ
る。即ち、一つの単軸力センサ力センサでも荷重を検知
しない場合には、異常と判断して、歩行を停止する。次
に、人間型ロボット50が歩行するときの足平センサ2
0の状態について説明する。
板ばね部材24のばね力によって全部の単軸力センサ2
3−1〜23−4は軸力を検知し続けている。また、荷
重が爪先に作用した状況でも、板ばね部材24のばね力
によって下板21が単軸力センサ23−3、23−4か
ら離れて浮かず、単軸力センサ23−3、23−4は荷
重を検知し続ける。よって、人間型ロボット50は、安
定に制御されつつ歩行する。
に、足平センサ20の下板21には上板22に対してず
れる方向及び捩じれる方向の力が作用する。しかし、下
板21は板ばね部材24によって拘束されているため、
下板21はずれたり捩じれたりしない。これによって、
単軸力センサ23−1〜23−4に軸力以外の好ましく
ない力が作用しないようになっている。よって、人間型
ロボット50の歩行は安定に制御される。
ット50が歩行するときに下板21が凹む方向に湾曲す
ることが考えられる。しかし、単軸力センサ23−1〜
23−4の頂面23−1a〜23−4aは、下板21の
上面21aには固定されてはいず、力SFで押し当たっ
ている状態であるため、下板21が湾曲したとしても、
単軸力センサ23−1〜23−4には曲げモーメントが
作用しない。よって、単軸力センサ23−1〜23−4
は軸力を精度良く検出し、この点からも人間型ロボット
50の歩行は安定に制御される。
り、よって、人間型ロボット50が歩行するときの足の
振り出し速度が速くなり、よって、人間型ロボット50
は従来の人間型ロボットに比べて速く歩行することが出
来る。また、足平センサ20は軽量化されていることに
よって、人間型ロボットが歩行するときの制御がし易く
なっている。
について説明する。 〔第2実施例〕図9は本発明の第2実施例になる足平セ
ンサ20Aを示す。足平センサ20Aは、4つの単軸力
センサ23−1〜23−4が下板21と上板22との間
に挟まって保持されている構成である。単軸力センサ2
3−1〜23−4は下板21の上面21aに接触してお
り、上板22の下面22bにも接触している。
湾曲した場合にも、単軸力センサ23−1〜23−4に
曲げ力が作用しない。よって、単軸力センサ23−1〜
23−4は、下板21が湾曲した場合にも、上板22が
湾曲した場合にも、これによる影響を受けずに軸力を精
度よく検出する。 〔第3実施例〕図10(A),(B)は本発明の第3実
施例になる足平センサ20Bを示す。
図11に示すように下面の中央に小さい突起23B−1
aを有する構成である。図10(C)に示すように、突
起23B−1aが下板21に当たっている。このため、
単軸力センサ23B−1〜23B−4に力が作用する位
置が特定され、よって、単軸力センサ23B−1〜23
B−4は軸力をより高精度に検出する。
に、両端部が下板21に固定してある。 〔第4実施例〕図12(A)は本発明の第4実施例にな
る足平センサ20Cを示す。上板21Cと下板21とは
板ばね部材24によって引き寄せられている。単軸力セ
ンサ23Cが下板21Cに固定してあり、単軸力センサ
23Cと上板21Cとの間には、ゴムシートやばね等の
緩衝用の保護弾性体70が設けてある。上板21Cに
は、ストッパ突起71が形成してある。
当たらない状態で動作する。下板21Cに作用した荷重
は、緩衝用保護弾性体70を介して単軸力センサ23C
に作用し、単軸力センサ23Cが軸力を検知する。人間
型ロボットが歩行する過程で、着地のときに衝撃的に過
大な接地反力F40がかかる。この過大な接地反力F4
0がかかった際には、下板21Cがストッパ突起71に
当たってリミッタが機能し、単軸力センサ23Cにはこ
れ以上の荷重はかからない。よって、単軸力センサ23
Cが保護される。また、単軸力センサ23Cとして、最
大測定可能荷重の低いものを使用することが可能であ
り、その分、足平センサは安価となる。
て、着地の際に瞬間的に作用する荷重は検知しなくて
も、歩行は安定に行なわれる。よって、着地のときの荷
重を測定しなくても問題はない。 〔第5実施例〕図13は本発明の第5実施例になる足平
センサ20Dを示す。
応じて抵抗値が変化する高分子厚膜フィルム80が設け
てある。この高分子厚膜フィルム80は、単軸力センサ
23に比べて、安価であり、軽く、且つ、薄い。よっ
て、足平センサ20Dは、前記の足平センサ20に比べ
て、安価であり、軽く、且つ、薄い。 〔第6実施例〕図14は本発明の第6実施例になる足平
センサ20Eを示す。
り、単軸力センサ23Eが3つである構成である。ま
た、上記各実施例において、下板と上板とを接近させる
板ばね部材に代えて、引張りコイルばねを使用してもよ
い。以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
間型ロボットの足底に取付けられる足平センサにおい
て、ロボットの足底に対応する大きさの下板と上板とが
ばね部材によって接近するようにばね付勢してあり、且
つ、該下板と上板との間に3つ以上の力センサを該下板
及び上板のいずれか一方に固定して又は該下板及び上板
のいずれにも固定しないで分散して配してあり、該ばね
部材は、板ばね部材であり、該板ばね部材は、中央部が
上記下板と上板との対向する面のうち一方の面に固定さ
れ、端部が他方の面に固定されて、上記下板と上板との
間に組み込まれている構成としたものである。
ね部材の面方向の剛性によって、下板が上板に対して面
方向にずれたり回動したりすることが制限される。ま
た、板ばね部材は上板と下板との間に収まっており、足
平センサは上板より上方に出っ張るものが存在しない状
態で完成して、薄型になる。請求項2の発明は、該上板
と下板との間の隙間が所定以上には狭くならないように
制限する制限機構を更に有する構成としたものである。
荷重がかかった際にこの制限機構が機能して、力センサ
に作用する荷重が所定以上とはならないようになる。よ
って、力センサとして最大測定可能荷重の低いものを使
用することが可能であり、足平センサは安価となり、且
つ、軽くもなる。なお、2つの足で歩行する人間型ロボ
ットにおいて、着地の際に瞬間的に作用する過大な荷重
は検知しなくても、歩行は安定に行なわれるので、上記
制限機構を設けても問題はない。
ゲージ式のものである構成としたものである。軸力が高
速に変化する場合にも軸力を検知することが可能であ
る。請求項4の発明は、上記力センサは、歪みゲージ式
のものであって、力が作用する部分に突起を有する構成
としたものである。
ージ式の力センサは軸力をより高精度に検出する。請求
項5の発明は、上記力センサは、圧力に応じて抵抗値が
変化する高分子厚膜フィルムである構成としたものであ
る。高分子厚膜フィルムは安価で、且つ薄い。よって、
足平センサは軽量化及び薄型化が図られる。
発明は、左右の足で歩行する人間型ロボットの足底に取
付けられる足平センサにおいて、ロボットの足底に対応
する大きさの下板と上板とがばね部材によって接近する
ようにばね付勢してあり、且つ、該下板と上板との間に
3つ以上の力センサを該下板及び上板のいずれか一方に
固定して又は該下板及び上板のいずれにも固定しないで
分散して配した構成としたものであるため、下板と上板
とはロボットの足底に対応する大きさであり、大きく、
よって、力センサは互いに遠く離して配置することが可
能であり、腕の長さを有効にかせぐことが出来る。よっ
て、ロボットに従来と同じ転倒モーメントが作用した場
合に、従来に比べて、力センサとして耐荷重の小さいも
のを使用することが可能となり、よって、力センサは重
量が軽いものとなり、よって、足平センサの軽量化を図
ることが出来る。
固定して又は下板及び上板のいずれにも固定しないで配
してあるため、地面の状況によって下板が湾曲した場合
であっても、力センサには曲げ力が作用せず、力センサ
には軸力のみが作用するように出来、よって、力センサ
が荷重を精度良く検出するように出来る。ばね部材が力
センサに予圧をかけているため、ロボットの足が地面よ
り離れて浮いた状態でも、力センサが荷重を検知し続け
るように出来る。よって、人間型ロボットの歩行の制御
を全ての力センサが荷重を検知していることを前提に行
なう方式に適用出来る。
間型ロボットにおいて、該左右の足の底に、ロボットの
足底に対応する大きさの下板と上板とがばね部材によっ
て接近するようにばね付勢してあり、且つ、該下板と上
板との間に3つ以上の力センサを該下板及び上板のいず
れか一方に固定して又は該下板及び上板のいずれにも固
定しないで分散して配した構成の足平センサを設けた構
成としたものであり、足平センサは軽量であるため、人
間型ロボットが歩行するときの足の振り出し速度が速く
なり、よって、速く歩行することが可能である人間型ロ
ボットを実現することが出来る。また、軽量化によっ
て、歩行の制御がし易い人間型ロボットを実現出来る。
る。
視図である。
である。
る。
ットを示す図である。
視図である。
図である。
的に示す図である。
斜視図である。
斜視図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 左右の足で歩行する人間型ロボットの足
底に取付けられる足平センサにおいて、 ロボットの足底に対応する大きさの下板と上板とがばね
部材によって接近するようにばね付勢してあり、且つ、
該下板と上板との間に3つ以上の力センサを該下板及び
上板のいずれか一方に固定して又は該下板及び上板のい
ずれにも固定しないで分散して配した構成としたことを
特徴とする足平センサ。 - 【請求項2】 左右の足で歩行する人間型ロボットにお
いて、 該左右の足の底に、ロボットの足底に対応する大きさの
下板と上板とがばね部材によって接近するようにばね付
勢してあり、且つ、該下板と上板との間に3つ以上の力
センサを該下板及び上板のいずれか一方に固定して又は
該下板及び上板のいずれにも固定しないで分散して配し
た構成の足平センサを設けた構成としたことを特徴とす
る人間型ロボット。
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