JP2005169544A - 歩行ロボットとその足先装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボットを安定的に支えることができる足先を提供すること。
【解決手段】
本発明は、歩行ロボット５０の下腿部２５に接続されて用いられる足先装置２７である。この足先装置２７は、相対的に揺動可能に接続されている２つの足平部２７ａ，２７ｂと、２つの足平部２７ａ，２７ｂを相対的に揺動させるアクチュエータとを備える。第１足平部２７ａは歩行ロボット５０の下腿部２５に接続されるものである。第２足平部２７ｂは接地面を有している。２つの足平部２７ａ，２７ｂの揺動軸１１は、第１足平部２７ａの前端付近を左右方向に伸びるものである。そして、第２足平部２７ｂの接地面は、接地している状態では揺動軸１１の前後いずれにも亘って伸びている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、歩行ロボットの足首関節に接続して用いる足先装置と、その足先装置を備える歩行ロボットに関する。なお、特許請求の範囲及び本明細書において、「足先」とは足首関節よりも末端側の部分を意味する。

体幹（胴体）に対して両脚の相対的姿勢を変化させることによって歩行するロボットが開発されている（特許文献１に、この種の歩行ロボットの一例が開示されている）。この種の歩行ロボットのなかには、足先装置を足先前側部材と足先後側部材とで構成し、両者を揺動可能に接続したものが開発されている。この種の足先装置を利用すると、つま先立ちするロボットを実現することができる。以後では、この種のロボットをつま先関節を持つロボットということにする。
特開平３−１８４７８１号公報

ヒトがつま先立ちすると接地面が小さくなって姿勢が不安定になるのと同様に、つま先関節を持つロボットはつま先立ちすると接地面が小さくなってロボットの姿勢が不安定になるという問題を持っている。つま先関節を持つロボットは、ヒトの構造を忠実に再現したために、ヒトが持つ弱点までをも踏襲してしまっている。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、つま先関節を持つロボットを安定的に支えることができる足先装置を提供することを目的とする。

本発明では、歩行ロボットの足首関節に接続して用いる足先装置を提供する。本発明の足先装置は、揺動可能に接続されている２つの部材と、その２つの部材を揺動させるアクチュエータを備えている。一方の部材は歩行ロボットの足首関節に接続するものである。少なくとも他方の部材には接地面が形成されている。一方の部材は、接地面があってもよいし、接地面がなくてもよい。前記した２つの部材の揺動軸は、一方の部材の前端付近を左右方向に伸びているとともに、他方の部材の前後方向での中間位置を左右方向に伸びている。本発明の足先装置は、上記構成を備えていることを特徴としており、第３・第４の部材が付加されていることもある。
この足先装置では、２つの部材を相対的に揺動させる揺動軸によってつま先関節を実現している。つま先立ちしている姿勢でも、他方の部材が揺動軸よりも後方に伸びた状態で接地しており、つま先関節よりも後方側でも接地しつづける。ヒトには実現できない、足裏の全長を使って接地すると同時につま先立ちすることができ、つま先立ちしたときの接地面を広く維持することができる。この足先装置を利用すると、ロボットが安定した状態でつま先立ちすることができる。あるいは、接地脚から遊脚に移行するときに見られる足先前半部の接地状態でのロボット姿勢を安定させることができる。

上記の足先装置の場合、一方の部材にも接地面を形成しておき、他方の部材を、左辺と右辺とそれらの辺の前側同士を接続する前辺とを有する略Ｕ字形状に形成することが好ましい。この場合、他方の部材の左辺が一方の部材の左側を揺動軸から後方に伸び、他方の部材の右辺が一方の部材の右側を揺動軸から後方に伸びる。
一方の部材と他方の部材が平面視したときに重複する関係であってもよいが、他方の部材を略Ｕ字形状に形成するとともに一方の部材をその中央部の凹所に入り込む構成とすると、無駄に重複する部分をなくして足先装置を軽量することができる。

本発明の足先装置を利用すると、つま先立ちしたときにつま先関節よりも後方側で接地させ続けることができるだけでなく、足首関節に接地荷重が掛かる直前の状態になった時を検出することが可能となる。
即ち、左右の足首関節の各々に本発明の足先装置が接続されている歩行ロボットに、遊脚の足首関節に接続されている足先装置の他方の部材の後端が、その他方の部材の前端よりも下方に位置し、しかも、一方の部材の足首関節ヘの接続点よりも下方に位置するようにアクチュエータを制御する装置と、それぞれの足先装置の他方の部材の後端が接地したことを検知する手段を付加すると、足首関節に接地荷重が掛かる直前の状態となった時を検出することが可能となる。
この歩行ロボットは、遊脚の足首関節に接地荷重が掛かる直前の状態になると、遊脚の足首関節に接続されている足先装置の他方の部材の後端が接地する。この接地したことが検知手段によって検知されるために、足首関節に接地荷重が掛かる直前の状態になった時を検出することが可能となる。この時のロボット姿勢と他方の部材の姿勢から、遊脚の足首関節に接地荷重が掛かる前に、接地面の高さを検出することもできる。

遊脚の足首関節に接続されている足先装置の前記した他方の部材の後端が接地したことを検知すると、当該遊脚の足首関節の下向きの移動速度を減速することが好ましい。
このようにすると、足先がゆっくりと接地するようになり、足先に大きな接地衝撃がかかることを防止することができる。

ここでは、下記の実施例に記載の技術の主要な特徴をまとめておく。
なお以下では、歩行ロボットの進行方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、高さ方向をｚ軸とする。
（形態１）第１足平部（一方の部材）は、足首関節を介して下腿部に接続されている。第１足平部は、足首関節によって下腿部に対して、ｘ軸回りに揺動可能であるとともにｙ軸回りに揺動可能である。
（形態２）第１足平部は、接地状態で平面視すると略四角形状の板状部材である。第２足平部（他方の部材）は、接地状態で平面視すると略Ｕ字形状の板状部材である。接地状態では、第１足平部の前面と左右の側面が第２足平部によって囲まれている。第１足平部の下面も接地する。
（形態３）形態２とは異なり、第１足平部と第２足平部は、いずれもが平面視すると略四角形状の板状部材である。この場合、第１足平部は接地しない。
（形態４）第１足平部と第２足平部は、つま先関節の回りをモータによって揺動させられる。モータには減速機構（例えばハーモニックギア）が接続されている。
（形態５）第１足平部と第２足平部を相対的に揺動させるモータには、エンコーダが組込まれている。

（第１実施例） 図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本実施例に係るロボット５０のスケルトン図である。この実施例でも、ロボット５０の歩行方向をＸ軸とし、ロボット５０の左右方向をＹ軸とし、ロボット５０の高さ方向をＺ軸とする。
ロボット５０は、胴体部２０と、その胴体部２０に股関節によって接続されている左足２１及び右足２２を有する。ロボット５０は二足歩行ロボットである。
左足２１は、胴体部２０に左股関節１，３を介して接続されている左上腿部２３と、左上腿部２３に左膝関節５を介して接続されている左下腿部２５と、左下腿部２５に左足首関節７，９を介して接続されている左足先部２７から構成される。左股関節１，３は、Ｙ軸回りに揺動するとともにＸ軸回りに揺動する。左膝関節５はＹ軸回りに揺動する。左足首関節７，９は、Ｙ軸回りに揺動するとともにＸ軸回りに揺動する。
同様に、右足２２も、胴体部２０に右股関節２，４を介して接続されている右上腿部２４と、右上腿部２４に右膝関節６を介して接続されている右下腿部２６と、右下腿部２６に右足首関節８，１０を介して接続されている右足先部２８から構成される。右股関節２，４は、Ｙ軸回りに揺動するとともにＸ軸回りに揺動する。右膝関節６はＹ軸回りに揺動する。右足首関節８，１０は、Ｙ軸回りに揺動するとともにＸ軸回りに揺動する。
左足先部２７は、第１足平部２７ａと第２足平部２７ｂを有している。第１足平部２７ａと第２足平部２７ｂは、ｙ軸方向（即ち左右方向）に伸びている軸１１を揺動軸として相対的に揺動可能である。同様に、右足先部２８は、第１足平部２８ａと第２足平部２８ｂを有している。そして、第１足平部２８ａと第２足平部２８ｂは、ｙ軸方向に伸びている軸１２を揺動軸として相対的に揺動可能である。なお、以下では、軸１１及び軸１２をつま先関節ということがある。
ロボット５０は、各関節１〜１２にエンコーダ付のモータを備えており、関節角を調整することができ、関節角を計測することができる。

次に左足先部２７の構造について簡単に説明しておく。右足先部２８は、左足先部２７と同様の構造をしているために、説明を省略する。
第１足平部２７ａは、略直方体形状の板状部材であり、軸７及び軸９を介して左下腿部２５と接続されている。第１足平部２７ａは、左下腿部２５に対してｘ軸とｙ軸の回りに揺動可能である。
第２足平部２７ｂは、第１足平部２７ａの前側を左右方向に伸びる前部１００と、前部１００の両端から第１足平部２７ａの側面に沿って後方に伸びる後部１０２（右辺）と後部１０４（左辺）とから構成されている。第２足平部２７ｂは、前部１００と右辺１０２と右辺１０４とから構成され、平面視すると略コ字形状または略Ｕ字形状となっている。第２足平部２７ｂの下面は同一平面に仕上げられており、全面が接地することができる。第２足平部２７ｂは、前部１００の後縁に沿って伸びる揺動軸１１によって、第１足平部２７ａに揺動可能に接続されており、その揺動角はモータ（図１では符号を省略しているが図２の符号４０で示されている）によって調整することができる。第２足平部２７ｂの前部１００は揺動軸１１よりも前側に伸び、右辺１０２と右辺１０４は揺動軸１１よりも後側に伸び、第２足平部２７ｂの全体は揺動軸１１を跨いで前後方向に伸びている。
図１の状態（即ち接地している状態）では、第１足平部２７ａの下面も接地している。第１足平部２７ａと第２足平部２７ｂを同一面内に揃えると、それらの下面は同一平面に調整され、全面が接地することができる。
第１足平部２７ａと第２足平部２７ｂの下面の全面が接地している状態から、第１足平部２７ａを揺動軸１１の回りに揺動させて第１足平部２７ａのかかと側を持上げることができる。即ち、第１足平部２７ａのかかと側を浮かせてつま先立ちさせることができる。つま先立ちさせても、第２足平部２７ｂの下面の全面が接地し続ける。つま先立ちさせても、つま先関節１１の前後両側に接地面を確保することができる。

図２には、左足先部２７の構造が詳細に示されている。図２は、左足先部２７の一部断面図である。また図３には、図２のIII方向から見た、左足先部２７の側面図が示されている。ここでは、図２及び図３を参照して、左足先部２７の構造を詳しく説明する。
第１足平部２７ａは、前方（図２のＸ方向；紙面右方向）に伸びるフランジ６０を有している。そのフランジ６０は、図２の下側から左方向に伸びる部分６０ａと、図２の上側から左方向に伸びる部分６０ｂを有している。なお、図３を見ると、フランジ６０の部分６０ａがよくわかる。
フランジ６０の部分６０ｂにはモータ４０が固定されている。モータ４０の回転軸１１は、ハーモニックギア１２０と接続されている。
ハーモニックギア１２０は、ウェーブジェネレータ７２と、フレックススプライン７４と、サーキュラスプライン７６とから構成される。ハーモニックギア１２０は公知の減速機構であるために、これ以上の説明を省略する。サーキュラスプライン７６は、ボルト７８ａ，７８ｂによって、フランジ６０の部分６０ｂに固定されている。なお、ボルト７８ａ，７８ｂによって、円筒状の部材８０もフランジ６０の部分６０ｂに固定されている。即ち、第１足平部２７ａとフランジ６０とサーキュラスプライン７６と部材８０は、アッシー化されている。
ハーモニックギア１２０のフレックススプライン７４は、円盤状の部材８２に固定されている。その部材８２は部材８４と固定されている。この部材８４は、アッシー化されている部材８０に、ベアリング８６を介して回転可能に支持されている。部材８４は、第２足平部２７ｂに設けられているフランジ８８に固定されている。
フランジ６０の部分６０ａは、ボルト６２によって円筒形状の部材６４に固定されている。第２足平部２７ｂに設けられたフランジ６８と、上記した部材６４との間には、ベアリング６６が挿入されている。
回転軸１１を所定方向に回転させると、その回転速度よりも減速された速度で、第１足平部２７ａが第２足平部２７ｂに対して揺動する。即ち、第１足平部２７ａのかかと側が浮いてつま先立ちすることになる。

ロボット５０は、関節１〜１２毎に、その関節を駆動するためのアクチュエータを有している。例えば、関節１１に対応して上記したモータ４０が設けられている。ロボット５０は、各アクチュエータを駆動制御する制御装置２００を有している。図４を参照して、ロボット５０の制御系の構成について説明する。図４は、ロボット５０の制御系を極めて簡略化して示したブロック図である。
制御装置２００は、歩容データ記憶装置２０２と接続されている。ここで、歩容データについて説明しておく。歩容データは、ロボット５０が活動する空間の座標を定めるグローバル座標系において、体幹２０（胴体）と両足先２７，２８の位置を指示する。体幹２０と両足先２７，２８の位置を指示するために、体幹２０と左足先２７と右足先２８にそれぞれ基準点が定められている。歩容データは、体幹２０の基準点と左足先２７の基準点と右足先２８の基準点の位置を経時的に指示する、グローバル座標系での座標データ（ｘ、ｙ、ｚ）を備えている。（ｘ、ｙ、ｚ）の座標データは、ロボット５０の動作開始からの経過時間ｔに対して変化する。経時的に変化する体幹２０と左足先２７と右足先２８の位置を指示する歩容データに従って、体幹２０と両足２１，２２の相対的姿勢を経時的に変化させることによって、ロボット５０は歩行する。
歩容データ記憶装置２０２は、経時的に変化する体幹２０と左足先２７と右足先２８の位置を指示する歩容データが記憶されている。

制御装置２００は、歩容データ記憶装置２０２に記憶されている歩容データに従って、その姿勢を実現するのに必要な各関節１〜１２の関節角を計算し、関節１〜１２を回転させるアクチュエータを制御して計算された関節角に調整する。これにより、経時的に変化する歩容データに従って計算される各関節角が経時的に変化する。制御装置２００が経時的に関節角を変化させることによって、体幹２０と両足２７，２８の相対位置関係が経時的に変化し、その結果としてロボット５０は歩行する。
なお、歩容データに従ってロボット５０を制御するためのより詳しい説明は、本出願人によって既に出願されている特願２００３−３５４８６６号に記載されている。

次に、ロボット５０が歩行する過程で、関節１１，１２がどのように調整されるのかを説明していく。制御装置２００には、遊脚の足先部２７（２８）の第２足平部２７ｂ（２８ｂ）の後端が、その前端よりも下方にあり、かつ、第１足平部２７ａの後端より下方にある（あるいは一致する）状態を維持するためのプログラム（以下では遊脚プログラムということにする）が設定されている。
図５を参照して、上記の遊脚プログラムによって関節１１を制御する様子を説明する。図５は、遊脚プログラムによって関節１１が制御された場合の、左足先部２７の姿勢を時系列的に示している。
図５（ａ）は、地面Ｇに完全に接地している左足先部２７を図示している。この場合、第１足平部２７ａと第２足平部２７ｂの双方が接地している。
制御装置２００は、図５（ａ）の状態から、接地している足先の第１足平部２７ａのかかと側を第２足平部２８ａに対して上方に揺動させる。即ち、つま先立ちさせる。これは、つま先立ちする方向にトルクが加わるようにモータ４０を制御することで行なわれる。図５（ｂ）には、つま先立ちしているときの足先２７が示されている。
続いて、制御装置２００は左足先部２７を持ち上げる。即ち、左足２１を遊脚にする。これは、各関節１〜１０の関節角を調整することによって行なわれる。図５（ｃ）には遊脚の足先２７を図示している。この場合、第２足平部２７ｂの後端が、その前端より下方に位置しているとともに第１足平部２７ａの後端より下方に位置している（当然に足首関節７，９よりも下方に位置している）。左足２１が遊脚である間、図５（ｃ）の姿勢が維持される（第１足平部２７ａと第２足平部２８ｂの間の角度αが維持される）。
図５（ｄ）には、遊脚の左足先部２７が接地した瞬間を示している。第２足平部２７ｂの後端が第１足平部２７ａより下方に位置しているために、第２足平部２７ｂの後端がまず接地している。図５（ｄ）の状態から左足先部２７がさらに下方に移動すると、第２足平部２７ｂが徐々に接地していき、最終的には図５（ａ）のように完全に接地する。遊脚が接地し始めてから完全に接地するまでの間に制御装置２００によって行なわれる制御については後で説明する。

遊脚の、第１足平部２７ａ（２８ａ）と第２足平部２７ｂ（２８ｂ）との間の揺動角α（図５（ｃ）に示されている）は、接地するまでその角度が維持される。第２足平部２７ｂ（２８ｂ）が接地すると揺動角αが減少する。
図４に示されるエンコーダ２１１（２１２）は、第１足平部２７ａ（２８ａ）と第２足平部２７ｂ（２８ｂ）との揺動角を制御装置２００に対して出力している。制御装置２００は、エンコーダ２１１（２１２）から出力されている遊脚の揺動角がαより小さくなることを監視することによって、その遊脚が接地しはじめたことを検知することができる。制御装置２００は、遊脚が接地しはじめると、その遊脚の揺動角が少しずつ減少するように、各関節１〜１２を駆動するアクチュエータを制御する。具体的には、遊脚の第２足平部２７ｂ（２８ｂ）の後端が接地すると、接地する前よりも、その遊脚の足首関節を下方に移動させる速度が遅くなるように、関節１〜１２を駆動するアクチュエータを制御する（この制御を接地制御と呼ぶことにする）。このようにすることによって、遊脚をゆっくりと接地させることができる。この接地制御は、遊脚の足先部２７（２８）の第１足平部２７ａ（２８ａ）と第２足平部２７ｂ（２８ｂ）の揺動角がαより小さくなってからゼロになるまで（即ち完全に接地するまで）行なわれる。

図６に、左足先部２７の足首関節７，９のｚ方向（高さ方向）の経時変化を例示している。基準高さ（破線で示している）から左足２１を上げ（左足２１を遊脚とし）、遊脚の左足２１を接地する様子が示されている。図中のｔ１、ｔ２は第２足平部２７ｂが接地しはじめたとき（図５（ｄ）の状態）の時間であり、ｔ１’、ｔ２’は完全に接地した状態（図５（ａ）の状態）になった時間を示している。
図６のｔ１〜ｔ１’やｔ２〜ｔ２’では、左足先部２７の高さ変化がゆるやかであることがわかる。これは、第２足平部２７ｂの後端が接地した後は、左足先部２７がゆっくりと接地していくように接地制御されるからである。
ｔ２では、ｔ１での接地高さよりも高い位置で接地している。この場合でも、ｔ２の後に接地制御が行なわれる。ｔ１とｔ１’の間の時間と、ｔ２とｔ２’の間の時間は同じである。本実施例では、ロボット５０の歩行面の高さが変化しても、第２足平部２７ｂ（２８ｂ）の後端が接地したことを検知できるために接地制御を適確に行なうことができる。

上記の実施例によると、２つの足平部２７ａ（２８ａ）、２７ｂ（２８ｂ）を相対的に揺動させることによって、つま先関節１１（１２）を実現している。第２足平部２７ｂ（２８ｂ）は、接地している状態では軸１１（１２）の前後に亘って伸びている。接地面が広く確保されている。第１足平部２７ａ（２８ａ）を揺動させてロボット５０をつま先立ちさせても、ロボット５０が安定した状態で立ち続けることができる。
歩行ロボット５０は、遊脚が接地する場合に、第２足平部２７ｂ（２８ｂ）の後端がまず接地する。また、関節１１（１２）にはエンコーダが設けられている。このために、遊脚が接地しはじめたことを検知できる。歩行ロボットは、足先が完全に接地する前に歩行面の高さを検知することができる。そして、遊脚が接地しはじめると、その遊脚をゆっくりと接地させるようにするために、足先部２７（２８）に大きな衝撃がかかることを防止することができる。

（第２実施例）
ここでは、第１実施例と異なる部分について説明する。本実施例は、第１足先部と第２足先部の構造が第１実施例と異なる。図７に、本実施例の左足先部３２７の側面図（ａ）と平面図（ｂ）を簡単に示している。
本実施例の第１足先部３２７ａと第２足先部３２７ｂは、どちらも略直方体形状である。第１足先部３２７ａと第２足先部３２７ｂは、ｙ方向に伸びる軸３１１を支点として相対的に揺動可能である。
本実施例のような足先部３２７を用いても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
なお、上記した実施例におけるつま先関節１１，１２は、プーリを介して駆動するようにしてもよい。また、モータ以外のアクチュエータを用いてもよい。
上記した実施例では、エンコーダの出力を監視することによって接地しはじめたことを検出しているが、他の方法を用いて検出するようにしてもよい。例えば、接地面に接触センサを設けるようにしてもよい。また、力センサやトルクセンサを用いて検出するようにしてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ロボットのスケルトン図を示す。 足先部の一部断面図を示す。 図２のIII線からみた足先部を示す。 ロボットの制御系の構成を簡単に示す。 足先部が接地している状態から遊脚になって接地し始めるまでを時系列的に示す。 足先部の高さの経時変化を示す。 第２実施例の足先部の側面図と平面図を簡単に示す。

符号の説明

１〜１２：軸
２１：左足
２２：右足
２３，２４：上腿部
２５，２６：下腿部
２７，２８：足先部
２７ａ：第１足平部
２７ｂ：第２足平部
４０：モータ
５０：ロボット
１５０：第１足平部の前端
１５２：第２足平部の中央部の後端
２００：制御装置

Claims (4)

1. 歩行ロボットの足首関節に接続して用いる足先装置であり、
   揺動可能に接続されている２つの部材と、その２つの部材を揺動させるアクチュエータを備えており、
   一方の部材は歩行ロボットの足首関節に接続するものであり、
   少なくとも他方の部材には接地面が形成されており、
   前記の２つの部材の揺動軸は、前記一方の部材の前端付近を左右方向に伸びているとともに前記他方の部材の前後方向での中間位置を左右方向に伸びていることを特徴とする足先装置。
2. 前記一方の部材にも接地面が形成されており、
   前記他方の部材は、左辺と右辺とそれらの前側同士を接続する前辺を有する略Ｕ字形状であり、その左辺と右辺が前記一方の部材の左側と右側を前記揺動軸から後方に伸びていることを特徴とする請求項１の足先装置。
3. 左右の足首関節のそれぞれに請求項１又は２の足先装置が接続されている歩行ロボットであり、
   遊脚の足首関節に接続されている足先装置の前記他方の部材の後端が、前記他方の部材の前端よりも下方に位置し、しかも、前記一方の部材の足首関節ヘの接続点よりも下方に位置するように、前記アクチュエータを制御する装置と、
   それぞれの足先装置の前記他方の部材の後端が接地したことを検知する手段が付加されていることを特徴とする歩行ロボット。
4. 遊脚の足首関節に接続されている足先装置の前記他方の部材の後端が接地したことを検知すると、当該遊脚の足首関節の下向きの移動速度を減速することを特徴とする請求項３の歩行ロボット。
   

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