JP2005288690A - 人間型ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 歩行をスムーズにし、かつ静的および動的平衡を高める足を備えた人間型ロボットを提供する。
【解決手段】 両脚を具備して直立歩行が可能な人間型ロボットにおいて、足首関節が装着された、人間の足に似た形状を有する上板と、前記上板の下面に取り付けられ、地面と接触する複数の接触部が相互に離れて配置された下板とを備えた足を具備することを特徴とする。ここで、前記下板は、上面全体が前記上板の下面に接触する、弾性体からなる弾性板と、前記弾性板の下面に突設して地面と接触する、弾性体からなる第１ないし第３接触部とを備える。この時、前記弾性板の弾性率と前記第１ないし第３接触部の弾性率とは同一でよい。また、前記弾性板と前記第１ないし第３接触部とは一体であることが好ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明はロボットに関し、より詳細には両脚を具備して直立歩行が可能な人間型ロボットに関する。

ロボットの足に要求される最も重要な条件の１つは、地面とロボットの足との間に効果的な相互作用を確保することである。ロボットの足の踵は、地面に着く瞬間に衝撃を受け、この衝撃は足首の関節を通じてロボットのボディに達する。このような衝撃はロボットの動的平衡を崩すことがあり、それゆえロボットの歩行が不安定になってしまう。

また、ロボットの足の踵が地面に着く瞬間に発生する衝撃により、ロボットの足に振動が生じる。このような振動はロボットのボディに伝わり、ロボットの制御を困難にする。ロボットの歩行と関連した他の問題点としては、ロボットの制御に含まれ、視覚システムで識別できる行動領域の地面には、小さな障害物が存在する可能性がある。あるいは、前記地面それ自体が３次元平面のように平らではない場合がある。このような障害物、および行動領域の非平坦化を考慮せずに、ロボットの足は計算された位置に着地する。その結果、ロボットの歩行は不安定で、その動きはスムーズ性を欠いてしまう。

一般に、公知の人間型ロボット、例えば、Ｐ２、ＨＲＰまたはＷＡＢＩＡＮの足は弾性アダプタで連結された２つの金属部からなる。このようなロボットの足の衝撃吸収メカニズムは、ガイドに挿入された４つのゴムブッシュで構成される。衝撃が下板から前記４つのゴムブッシュに伝達されれば、前記４つのゴムブッシュは垂直方向に弾力的に変形する。さらに、前記４つのゴムブッシュは機械的に低域通過フィルタのように機能して、脚に関してのコンプライアンス制御プロセスで振動を防止することができる。

しかしながら、このような従来技術におけるロボットの足は、その剛性が一定のため、地面に足を着地する時や地面から離す時に不都合が生じ、さらに地面に存在する小さな障害物や小さな非平坦化部分に対して過度に反応してしまう。すなわち、地面に存在する前記小さな障害物や小さな非平坦化部分に対するロボットの反応が低下してしまう。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記の従来技術の問題点を改善するためのものであり、歩行をさらにスムーズにし、かつ静的および動的平衡を高める足を備えた人間型ロボットを提供することにある。

前記技術的課題を達成するために、本発明は、両脚を具備して直立歩行が可能な人間型ロボットであって、足首関節が装着された上板と、前記上板の下面に付着され、かつ地面と接触する接触部が相互に離れて配置された下板と、を備える足を具備することを特徴とする人間型ロボットを提供する。ここで、前記上板は金属板、または剛性を有する非金属板、例えばプラスチック板である。

本発明の１態様としては、前記下板は、上面全体が前記上板の下面に接触する、弾性体からなる弾性板と、前記弾性板の下面に突設して地面と接触する、弾性体からなる第１ないし第３接触部とを備える。このとき、前記弾性板の弾性率と前記第１ないし第３接触部の弾性率とは同一、または異なっていてもよい。また、前記弾性板と前記第１ないし第３接触部とは単一体であることが好ましい。

本発明の他の態様としては、前記下板は、上面全体が前記上板の下面に接触する弾性板と、前記弾性板の下面に突設して地面と接触する、弾性のある第１ないし第３接触部とを備える。このとき、前記弾性板は独立した複数の個体から形成される。そして、前記独立した複数の個体の少なくとも１つの弾性率が残りの弾性率と異なってもよい。

また、前記弾性板は、下面に前記第１接触部が付着される第１ピースと、下面に前記第２接触部が付着される第２ピースと、下面に前記第３接触部が付着される第４ピースと、前記第１、第２および第４ピースの間に備えられた第３ピースとを備える。
前記第１接触部と第１ピース、前記第２接触部と第２ピース、前記第３接触部と第４ピースはいずれも一体である。また、前記第１、第２および第４ピースの弾性率は前記第３ピースの弾性率と異なる。

本発明のさらに他の態様によれば、前記下板は、上面が前記上板の下面に付着され、下面が地面と接触する第１ピースと、前記第１ピースと離れて配置され、上面が前記上板の下面に付着され、下面が地面と接触される第２ピースと、前記第１および第２ピースと離れて配置され、上面が前記上板の下面に付着され、下面が地面と接触する第３ピースとを備える。この場合、前記第１ないし第３ピースはそれぞれ弾性率の異なる複数の物質層が順次に積層されて形成される。

前記第１ピースは、地面と接触する第１接触部および前記上板の下面に付着される第１付着部を備え、前記第２ピースは、地面と接触する第２接触部および前記上板の下面に付着される第２付着部を備え、前記第３ピースは、地面と接触する第３接触部および前記上板の下面に付着される第３付着部を備える。このとき、前記第１ないし第３付着部は、それぞれ前記第１ないし第３接触部の領域上に設けられ、前記上板と前記第１ないし第３接触部との間にスペースが存在する。ここで、前記弾性板と前記第１ないし第３付着部は、熱可塑性ゴム板である。

本発明において、ロボットの足の下板に備られた複数の地面との接触部分は、相互に離れて配置されている。これにより、本発明のロボットの足を備えたロボットにおける、地面に存在する小さな障害物および小さな非平坦化面から受ける影響が低減される。その結果、ロボット制御システムを単純化でき、ロボットの歩行をさらに安定化させることができる。また、本発明のロボットの足は、地面と接触する下板に所定の弾性率を持つ衝撃吸収部材、あるいは弾性率の異なる部材で構成された衝撃吸収部材を具備する。これにより、ロボットが動いた時に、地面から受ける衝撃を吸収して、ロボットのボディへ衝撃が加わることを防止でき、またロボットの足が地面に着地された後に伝達される振動を最小化することができる。その結果、ロボットの動的平衡が確保されて、ロボットの歩行が安定、かつスムーズになる。

以下、本発明の実施形態に係る人間型ロボットの足を、添付した図面を参照して詳細に説明する。これらの添付図面に示した層や領域の厚さは、明確性のために誇張して示している。
（第１実施形態）

図１は、本発明の第１の実施形態に係るロボットの下側本体の正面図である。
図１を参照して説明すると、人間型ロボットの下側本体１０は、両脚１２、１４と腰部分（図示せず）とを含む。両脚１２、１４は、それぞれ太もも１６、１８とすね２０、２２と足首２４、２６と足３０、３１とを含む。両脚１２、１４と両足３０、３１とはそれぞれ対称に備えられている。したがって、以下の説明においては片脚または片足についてのみ説明する。

図２を参照して説明すると、本発明の第１実施形態によるロボットの足３０は上板３２と下板３４とを含む。上板３２は下板３４の上面全体に付着されている。上板３２には６軸フォースセンサーが備えられている。また、上板３２にはロボット１０の足首関節２６が固定される。上板３２を構成する物質は、ロボットの骨格を構成する物質と同じ物質であることが好ましいが、他の物質でもよい。例えば、上板３２はアルミニウム合金板のような金属板であることが好ましいが、堅固な特性を有する非金属板、例えばプラスチック板でもよい。下板３４は衝撃を減少させる特殊な熱可塑性ゴム板を含む。このようなゴム板はロボットの足３０が地面に着く時に生じる衝撃を吸収する衝撃吸収材として機能する。熱可塑性ゴムよりなる下板３４に要求される応力が、例えば２ＭＰａ程度である場合、ロボットの足３０の平均剛性は５，０００Ｎ／ｍｍ程度となる。

下板３４は、上板３２の下面に付着される所定厚さのゴム板３４ａと、このゴム板３４ａの下面に備えられて実際に地面と接触する第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄとを含む（図４参照）。第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、図４から分かるようにゴム板３４ａの下面から所定の厚さだけ下方に突出している。したがって、第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄの間にはスペースが存在する。このようなスペースによってロボットの安定性ははるかに向上する。すなわち、第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄの間にスペースが存在することによって、ロボットが道を歩く時に小さな障害物や小さな非平坦化領域に出合ってもロボットの安定性を確保できる。

一方、便宜上、ゴム板３４ａと第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄとを独立した個体に区分して説明する。実際に、ゴム板３４ａと第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄとを弾性率の異なる独立した個体として結合することもできるが、下板３４は１つの個体からなることが好ましい。すなわち、ゴム板３４ａと第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｃ、３４ｄとは、製造する時に１つの個体になった単一体であることが好ましい。上板３２および下板３４のゴム板３４ａは、人間の足に対応するいろいろな領域に区分することができる。

具体的に図３を参照して説明すると、上板３２の第１および第２部分Ｕ１、Ｕ２と下板３４のゴム板３４ａの第１および第２部分Ｌ１、Ｌ２とは、足の指が含まれた人間の足の前方部分に該当する。そして、上板３２の第４部分Ｕ４と下板３４のゴム板３４ａの第４部分Ｌ４とは、人間の足の踵に該当する。また、上板３２の第３部分Ｕ３と下板３４のゴム板３４ａの第３部分Ｌ３とは、人間の踵と足の前方部分との間の凹んでいる部分（土踏まず）に該当する。下板３４のゴム板３４ａの第一部分Ｌ１はまた、左側領域Ｌ１Ｌ、中間領域Ｌ１Ｃおよび右側領域Ｌ１Ｒからなり、第２部分Ｌ２も、左側領域Ｌ２Ｌ、中間領域Ｌ２Ｃおよび右側領域Ｌ２Ｒからなる。第一部分Ｌ１の中間領域Ｌ１Ｃは、上板３２の第一部分Ｕ１の中間領域Ｕ１Ｃに対応し、第２部分Ｌ２の中間領域Ｌ２Ｃは、上板３２の第２部分Ｕ２の中間領域Ｕ２Ｃに対応する。下板３４の第１接触部３４ｂは、第一部分Ｌ１の右側領域Ｌ１Ｒおよび第２部分Ｌ２の右側領域Ｌ２Ｒの下面に備えられている。そして、下板３４の第２接触部３４ｃは、第４部分Ｌ４の下面に備えられている。また、下板３４の第３接触部３４ｄは、第一部分Ｌ１の左側領域Ｌ１Ｌおよび第２部分Ｌ２の左側領域Ｌ２Ｌの下面に備えられている。このように、第１および第３接触部３４ｂ、３４ｄは、お互いに第一部分Ｌ１の中間領域Ｌ１Ｃまたは第２領域Ｌ２の中間領域Ｌ２Ｃの幅だけ離れている。また、第１および第３接触部３４ｂ、３４ｄと第２接触部３４ｃとは、第３部分Ｌ３の長さだけ離れている。第２接触部３４ｃの中間部分はゴム板３４ａの前方に向けて多少とがっている。図５は、本発明の第１実施形態に係るロボットの足の側面、特に下板３４の側面を示す。

図５を参照して説明すると、人間の踵に該当する下板３４の後方部分３４ｅ、すなわち、第２接触部３４ｃの後方部分は斜めに処理されている。また、第１および第３接触部３４ｂ、３４ｃの足の指に該当する前方部分も斜めに処理されている。このように、第２接触部３４ｃの後方部分と第１および第３接触部３４ｂ、３４ｄの前方部分とを斜めに処理することによって、ロボットの足３０が地面に着地される時、ロボットの足への衝撃を減らすことができ、ロボットの足を地面に軽やかに着地させることができる。

一方、ロボットの足３０の大きさは、長さ（ｌｆ）が２３０ｍｍ、幅（ｗｆ）が１５０ｍｍ程度であり、特にロボットの足３０の下板３４は長さが２３５ｍｍ、幅が１５０ｍｍ、厚さが１２ｍｍ程度であるが、長さ（ｌｆ）と幅（ｗｆ）あるいは厚さなどは、ロボットの重量や大きさ、足３０の形態などによって変わり、特に、ロボットが立っている時と動く時の足３０の大きさが変わることがある。例えば、前記のように、下板３４の第１および第３接触部３４ｂ、３４ｄの前方と第２接触部３４ｃの後方とが斜めに処理された場合、前記ロボットが動く時、第２接触部３４ｃの前記斜めに処理された部分はロボットの足３０の一部として使われる。したがって、ロボットの足３０の大きさは１９５ｍｍ×１５０ｍｍ（立っている状態）から２３５ｍｍ×１５０ｍｍ（動いている状態）まで変わる。このようにロボットの足３０の大きさが、ロボットが立っている時よりも動いている時の方が大きくなるということは、ロボットが動く過程でロボットの足３０と地面との接触面積が増加することを意味し、これにより、接触面の周りでロボットの足、すなわち、ロボットが好ましくなく移動し、または回転することを防止できる。ロボットの足首２６とロボットの足３０とは、ロボットの足首２６の中心がロボットの足３０の後端から６０ｍｍに位置するように連結されることが好ましいが、連結される位置は、ロボットの足３０の大きさによって６０ｍｍより離れるか、または近づく場合もある。

次の数式１は、本発明の第１実施形態に係るロボットの脚長Ｌに対するロボットの足３０の長さ（ｌｆ）の比Ｃ１（以下、第１の比）を表す。そして数式２は、両脚が連結される腰の二地点間の距離Ａに対するロボットの足３０の幅（ｗｆ）の比Ｃ２（以下、第２の比）を表す。また、数式３は、ロボットの足３０の長さ（ｌｆ）に対する幅（ｗｆ）の比Ｃ３（以下、第３の比）を表す。

本発明の第１実施形態に係るロボットの足３０の場合、前記第１ないし第３の比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれ０．３６〜０．４、０．６７、０．６４〜０．７７となる。
（第２実施形態）

第２実施形態に係るロボットの足（以下、第２ロボット足）を構成する部材のうち、第１実施形態に係るロボットの足（以下、第１ロボット足）を構成する部材と同じ部材については、第１実施形態によるロボットの足の説明に使用した参照番号（符号）をそのまま使用する。例えば、前記第２ロボット足の上板は前記第１ロボット足の上板と同一である。したがって、下記説明は前記第２ロボット足の下板についてのものと限定する。これは下記第３および第４実施形態にもそのまま適用する。

図６を参照して説明すると、前記第２ロボット足の下板４０は、第１ないし第４ピースＬ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４を含む。第１ピースＬ１１は前記第１ロボット足の下板（図３の３４）の第一部分Ｌ１の右側部分Ｌ１Ｒと第２部分Ｌ２の右側部分Ｌ２Ｒとを合わせたものと同様であり、その役割も同様である。すなわち、第１ピースＬ１１の下面に第１接触部３４ｂが備えられている。このとき、第１ピースＬ１１と第１接触部３４ｂとは、１つの個体になっていることが好ましい。第２ピースＬ２２は、前記第１ロボット足の下板３４の第一部分Ｌ１の左側部分Ｌ１Ｌと第２部分Ｌ２の左側部分Ｌ２Ｌとを合わせたものと同様である。第２ピースＬ２２の下面に第３接触部３４ｄが備えられている。このとき、第２ピースＬ２２と第３接触部３４ｄとは、一体になっていることが好ましい。第３ピースＬ３３は、前記第１ロボット足の下板３４の第１および第２部分Ｌ１、Ｌ２の中間部分Ｌ１Ｃ、Ｌ２Ｃと第３部分Ｌ３とを合わせたものと同様である。第４ピースＬ４４は、前記第１ロボット足の下板３４の第４部分Ｌ４と同様である。第４ピースＬ４４の下面に第２接触部３４ｃが備えられている。このとき、第４ピースＬ４４と第２接触部３４ｃとは１つの個体になっていることが好ましい。このような第１ないし第４ピースＬ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４は、第１ロボット足３０の下板３４と違ってそれぞれ独立した個体であり、それぞれ上板３２に付着される。しかし、全体の形態は、図面に示したように、第１ロボット足３０の下板３４と同じ形態を維持する。また、第１ないし第４ピースＬ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４は、弾性率の相異なるゴム材質よりなりうる。例えば、第１、第２および第４ピースＬ１１、Ｌ２２、Ｌ４４は第１弾性率を持つ第１熱可塑性ゴムでなるものであり、第３ピースＬ３３は第２弾性率を持つ第２熱可塑性ゴムからなる。このとき、前記第１および第２弾性率は相異なる。または第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２の弾性率と第３ピースＬ３３の弾性率と第４ピースＬ４４の弾性率とがそれぞれ異なることもある。図７は、このような第１ないし第４ピースＬ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４でなる下板４０の上に上板３２が付着された前記第２ロボット足を示す。

前述した第２ロボット足を具備するロボットの場合、ロボット足に対する粘性弾力性の調節可能性がさらに広がる。特に、前記ロボットが立っている時、前記第２ロボット足の上板３２を水平面に置くことができる。また、前記第２ロボット足に対する関節角をさらに正確に測定できる。
（第３実施形態）

本発明の第３実施形態に係るロボットの足（以下、第３ロボット足）の上板３２に付着される下板５０は、図８に示すように第５ないし第７ピース５２、５４、５６から構成される。第５ないし第７ピース５２、５４、５６は、互いに離れて配置されている。第５ピース５２は、図６に示した前記第２ロボット足の下板４０の第１ピースＬ１１に該当する。そして、第６ピース５４は、前記第２ロボット足の下板４０の第２ピースＬ２２に該当する。また、第７ピース５６は、前記第２ロボット足の下板４０の第４ピースＬ４４に該当する。第５ピース５２は、順次に積層された第１付着部５２ａと第１接触部５２ｂとを含む。第１付着部５２ａは、第２ピースＬ２２が付着する図３に示した上板３２の所定領域に付着する。そして、第１接触部５２ｂは地面に直接接触する。第６ピース５４は、順次に積層された第２付着部５４ａと第２接触部５４ｂとを含む。第２付着部５４ａは、第１ピースＬ１１が付着する上板３２の所定領域に付着する。第２接触部５４ｂは地面に直接接触する。第７ピース５６も、順次に積層された第３付着部５６ａと第３接触部５６ｂとを含む。第３付着部５６ａは、第４ピースＬ４４が付着される上板３２の所定領域に付着し、第３接触部５６ｂは地面に直接接触する。第５ないし第７ピース５２、５４、５６において、第１ないし第３付着部５２ａ、５４ａ、５６ａは、第３弾性率を持つゴム、例えば、熱可塑性ゴムよりなるものであり、第１ないし第３接触部５２ｂ、５４ｂ、５６ｂは、第４弾性率を有するゴム、例えば、熱可塑性ゴムよりなるものである。前記第３および第４弾性率が同様であり、かつ第５ないし第７ピース５２、５４、５６それぞれが一体であってもよいが、前記第３および第４弾性率が相異なる方が好ましい。前述したように、第５ないし第７ピース５２、５４、５６を含む下板５０と、この下板５０の上に付着した上板３２とを含む前記第３ロボット足は、図９に示されている。

前述した第３ロボット足を具備するロボットも、前記第２ロボット足を具備するロボットと同じくロボットの足に対する粘性弾力性の調節可能性がさらに広がる。特に、第１ないし第３付着部５２ａ、５４ａ、５６ａの弾性率が第１ないし第３接触部５２ｂ、５４ｂ、５６ｂの弾性率より低い場合、前記第３ロボット足が地面に着いた後にロボットに振動が発生することを防止できる。また、前記第３ロボット足全体の剛性に比べて前記第３ロボット足の下板５０の剛性が低いために、前記第３ロボット足の下板５０の下に存在する小さな障害物により前記第３ロボット足が受ける影響を低減することができる。
（第４実施形態）

図１０を参照して説明すると、本発明の第４実施形態に係るロボットの足（以下、第４ロボット足）の下板６０は、互いに離れて配置された第８ないし第１０ピース６２、６４、６６から構成される。第８ピース６２は、順次に積層された第１付着部６２ａと第１接触部６２ｂとを含む。上板３２の下面に付着される第１付着部６２ａは、地面と接触する第１接触部６２ｂの上部面の領域上の一部に存在する。第１接触部６２ｂは、前記第１ロボット足（図３の３０）の下板３４の第３接触部３４ｄと大きさや役割などで同等である。このように、第１付着部６２ａが第１接触部６２ｂの領域上の一部にのみ存在するため、第１付着部６２ａが上板３２と接触する面積は、第３実施形態の第５ピース５２の第１付着部５２ａが上板３２と接触する面積に比べて狭い。また、第１付着部６２ａとその周りの第１接触部６２ｂとの間に、第１付着部６２ａの厚さに相当する段差が存在する。このような段差によって図１１で示すような、第１付着部６２ａの周囲の上板３２と第１接触部６２ｂとの間にギャップが形成される。このような段差とギャップとは、下記する第９および第１０ピース６４、６６の場合にも形成される。第８ピース６２の第１付着部６２ａと第１接触部６２ｂとは同じ材質からなることが好ましいが、それぞれの物理的特性を異ならせることが好ましい。例えば、第１付着部６２ａは、第５弾性率を持つ熱可塑性ゴムよりなる第１ゴム板であり、第１接触部６２ｂは、前記第５弾性率と異なる第６弾性率を持つ熱可塑性ゴムよりなる第２ゴム板である。第９ピース６４は、上板３２の下面に付着される第２付着部６４ａと第１接触部６２ｂと共に地面に接触する第２接触部６４ｂとが積層したものである。第２付着部６４ａは、第２接触部６４ｂの上部面の領域上の一部に備えられている。これにより、第２付着部６４ａの周囲に前記第１付着部６２ａと同じく段差およびギャップが形成される。第２接触部６４ｂの大きさ、位置および役割は、前記第１ロボット足３０の下板３４の第１接触部３４ｂと同等である。第２付着部６４ａは、第１付着部６２ａと同等な物理的特性を有する物質よりなり、第２接触部６４ｂは、第１接触部６２ｂと同等な物理的特性を有する物質よりなる。第１０ピース６６は、地面に接触する第３接触部６６ｂと、その領域上の一部に備えられ、かつ上板３２の下面に付着する第３付着部６６ａとを含む。これにより、第３付着部６６ａの周りには、第１および第２付着部６２ａ、６４ａの周りと同じく段差およびギャップが形成される。第３接触部６６ｂは、大きさ、位置および役割などで前記第１ロボット足３０の下板３４の第２接触部３４ｃと同等なことが好ましい。第３付着部６６ａは、第１付着部６２ａと同等な物理的特性を有する物質よりなる。また、第３接触部６６ｂは、第１接触部６２ｂと同等な物理的特性を有する物質よりなる。図１１は、図１０に示した下板６０と上板３２とが順次に積層された前記第４ロボット足を示す。

図１１を参照して説明すると、上板３２と第１ないし第３接触部６２ｂ、６４ｂ、６６ｂとの間にギャップＧが存在することが分かる。
前述した第４ロボット足を具備したロボットの場合、段差により上板３２と下板６０との間にギャップＧが存在するので、前記第１ないし第３ロボット足に比べて下板６０の回転に対する剛性を低下させることができる。したがって、前記第４ロボット足の下板６０は、ピッチとロール軸周りの変形を抑えることができる。これにより、前記第４ロボット足が地面に着く時、前記第４ロボット足の踵と地面との接触をさらに軽やかにでき、小さな障害物または非平坦化面から受ける影響も減少させることができる。
（実験例）

本発明者は前記第２ロボット足を具備し、両足および腰を備えた人間型ロボットを製作した。前記人間型ロボットは実使用上の大きさの８０％程度に製作した。前記人間型ロボットの足には、停止状態または運動状態での地面との反応力およびトルクを測定するための６軸センサーを装着した。そして各脚に６つのアクチュエータを装着した。

このようなロボットが、両足を揃えた停止状態で左足を移動した後に、右足を左足が位置した位置まで移した時、すなわち、右足の踵が地面に着いた時を、前記ロボットが一歩を歩いた定義する。

図１２および図１３は、前記人間型ロボットが一歩を歩く間に測定した、前記人間型ロボットのモーメントがゼロになる点（Zero Moment Point：以下、ＺＭＰ）の軌跡を示す。両足ロボットの全体的な定性は前記ＺＭＰにより決定される。図１２の第１グラフＧ１は前記人間型ロボットが一歩を歩く６．５秒の時間中に前記ＺＭＰのＺ軸方向、すなわち、前記人間型ロボットが前進する方向への変化を表す。そして、図１３の第２グラフＧ２は、前記時間中に前記ＺＭＰのＸ軸方向への変化を表す。Ｘ−Ｚ平面での前記ＺＭＰの座標（Ｘ_zmp，Ｚ_zmp）は、次の数式４および５で与えられる。

数式４および５で、ｍ_eはｅ＝１、２、・・・ｎである時の質量を表す。そして、ｘ_e、ｙ_e、ｚ_eは、ｅ＝１、２、・・・ｎである質量中心の座標を表す。
また、

は、ｅ＝１、２、・・・ｎである質量中心の加速度を表す。図１２の第１グラフＧ１を参照すると、Ｚ軸方向へのＺＭＰの総変位は４２５ｍｍ程度であることが分かる。そして図１３の第２グラフＧ２を参照すると、前記人間型ロボットが一歩を歩く間にＸ軸方向への最大傾斜は６５ｍｍ程度であることが分かる。前記人間型ロボットが歩く間に安定した状態を維持するためには、前記ＺＭＰは前記人間型ロボットの足の大きさで決定する、安定した領域に存在する必要がある。

図１４は、前記人間型ロボットが一歩を歩く間の、前記人間型ロボットの左脚に装着された６つのアクチュエータのモーションの変化を表したグラフである。
具体的には、図１４のラインＧ３、Ｇ４は、それぞれロール軸とピッチ軸の周りに足首関節を回転させるためにロボットの左脚の左右にそれぞれ備えられたアクチュエータのモーションの変化を示す。ラインＧ５、Ｇ６は、それぞれロール軸とピッチ軸の周りに腰関節を回転させるためにロボットの左脚の左右にそれぞれ備えられたアクチュエータのモーションの変化を示す。ラインＧ７は、ヨー軸の周りに腰関節を回転させるためにロボットの左脚に備えられたアクチュエータのモーションの変化を示す。また、ラインＧ８は、ピッチ軸の周りに膝関節を回転させるために前記ロボットの左脚に備えられた中央アクチュエータのモーション変化を示す。

図１５は、前記人間型ロボットが一歩を歩く間の、前記人間型ロボットの右脚に装着された６つのアクチュエータのモーション変化を表したグラフである。
具体的には、図１５でラインＧ９、Ｇ１０は、それぞれロール軸とピッチ軸の周りに足首関節を回転させるためにロボットの右脚の左右にそれぞれ備えられたアクチュエータのモーションの変化を示す。ラインＧ１１、Ｇ１２は、それぞれロール軸とピッチ軸の周りに腰関節を回転させるためにロボットの右脚の左右にそれぞれ備えられたアクチュエータのモーション変化を示す。ラインＧ１３は、ピッチ軸の周りに膝関節を回転させるために前記ロボットの右脚に備えられた中央アクチュエータのモーション変化を示す。また、ラインＧ１４は、ヨー軸の周りに腰関節を回転させるためにロボットの右脚に備えられたアクチュエータのモーション変化を示す。

図１６は、前記人間型ロボットが前に一歩進む間にＺ軸方向に、すなわち、前記ロボットが進行する方向に前記ロボットの左右の足の質量中心、腰の質量中心およびロボットの質量中心の軌跡がどのように変化するかを示している。
図１６において、ラインＧ１５は、前記ロボットの左足の質量中心の軌跡の変化を表したものであり、ラインＧ１６は、前記ロボットの右足の質量中心の軌跡の変化を表したものであり、ラインＧ１７は、前記ロボットの腰の質量中心の軌跡変化を表したものである。そして、ラインＧ１８は、前記ロボットの質量中心の軌跡変化を表したものである。

図１７は、前記人間型ロボットが前に一歩進む間に地面に垂直な方向に、すなわち、Ｚ−Ｘ平面に垂直なＹ軸方向に左右足の質量中心の軌跡がどのように変化するかを示す。
図１７において、ラインＧ１９は、右足の質量中心の軌跡の変化を表したものであり、ラインＧ２０は、左足の質量中心の軌跡の変化を表したものである。

図１８は、前記人間型ロボットが前に一歩進む間に前記ロボットの左右揺れがどの程度であるか、また前記ロボットの腰の質量中心と前記ロボットの質量中心とがＸ軸に沿ってどの程度移動するかを軌跡の変化で示している。ここで、前記腰の質量中心および前記ロボットの質量中心が、前記ロボットの前方から見た時、左側に移動する場合に各質量中心の移動値を負の値に、右側に移動する場合に正の値にした。
図１８において、ラインＧ２１は、前記ロボットの腰の質量中心の軌跡の変化を表すものであり、第２２グラフＧ２２は、前記ロボット全体の質量中心の軌跡の変化を表すものである。ラインＧ２１、Ｇ２２を参照すると、前記ロボットが前に一歩進む間に前記ロボットの腰の質量中心が前記ロボット全体の質量中心より左右にさらに多く揺れるということが分かる。これは、前記ロボットが歩く時、前記ロボットの質量中心の左右移動が少ない、すなわち前記ロボットの歩行がさらに安定していることを意味する。

次いで、図１９に示したラインＧ２３は、地面から所定の高さ、例えば、１０ｍｍの高さに位置した前記人間型ロボットが地面に下降する時、Ｙ軸に沿った前記ロボットの左足の質量中心の垂直変位がどのように変化するかを示す。前記ロボットの最初の位置は地面から１０ｍｍ高い位置であるため、Ｙ軸のゼロ点も１０ｍｍ上に移動する。ラインＧ２３を参照すると、前記ロボットの左足が地上１０ｍｍ位置から地面に下降した後、約０．２秒以降は、前記ロボットの左足の垂直方向への移動、すなわち、Ｙ軸方向への移動は現れていない。これは、前記ロボットの左足が地面に着いた後、約０．２秒という短い時間に静的平衡に到達していることを意味する。

次いで、図２０は、前記人間型ロボットに備えられた足の下板が、図６に示した本発明の第２ロボット足の下板４０である場合に、前記ロボットが歩く時における、前記ロボットの足の踵および足の指に対応する部分、すなわち、下板４０の第４ピースＬ４４と第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２とが受けた応力を示している。図２０に示した応力も、前記ロボットが一歩移動する時に測定したものである。下板４０の第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２と第４ピースＬ４４とが受ける応力は、前記ロボットが歩きながら地面から受ける衝撃力および前記衝撃力に対する前記ロボットの安定性を計るバロメーターとなる。
図２０において、ラインＧ２４は、前記ロボットが一歩を移動する間に前記ロボット足の下板４０の第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２が受ける応力の変化を表し、ラインＧ２５は、前記ロボット足の踵、すなわち、下板４０の第４ピースＬ４４が受ける応力の変化を表している。
ラインＧ２４が下板４０の２領域、すなわち、第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２が受ける応力の変化を表すにもかかわらず、１領域が受ける応力の変化と同じ結果を示している。これは、下板４０の第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２が幾何学的に略対称であると考えられる。すなわち、下板４０の第１ピースＬ１１が受ける応力と第２ピースＬ２２が受ける応力とは同様になるため、第１および第２ピースＬ１１、Ｌ２２に関する応力変化を示すラインは一致する。
次に、ラインＧ２４、Ｇ２５を参照すると、前記ロボットの足が地面に着いた時に発生する衝撃に伴う振動は、前記ロボットの足が地面に着いた後、約０．３秒経過後はほとんど消えることが分かる。

以上、前記の説明で多くの事項を具体的に記載しているが、これらは発明の範囲を限定するものではなく、例示としてあることに留意されたい。例えば、当業者ならば、ロボットの歩行の安定性を阻害しない範囲で、ロボットの足の下板を構成する部材のうち、地面と接触する部材に、上板と接触する部材が露出するホールをさらに形成できることは理解できるであろう。また、図４に示した第１ないし第３接触部３４ｂ、３４ｄ、３４ｃに、上板３２の下面に付着されるゴム板３４ａを露出させるホールをさらに形成することもできる。このように本発明は、本発明の範囲および趣旨から逸脱しない範囲で多様な変更および変形が可能なことは理解できるであろう。

本発明は、移動のための脚を具備するあらゆるロボット、例えば、産業用ロボットや家庭用ロボットに適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る直立歩行が可能な人間型ロボットの下側本体の正面図である。 図１に示したロボットの足の斜視図である。 図２に示したロボットの足を上から見た分解斜視図である。 図２に示したロボットの足を下から見た分解斜視図である。 図３に示したロボットの足を構成する要素である下板の側面図である。 本発明の第２実施形態に係るロボットの足の下板の平面図である。 図６に示した下板上に図３に示した上板が装着された状態を表した、図６に示したロボットの足の斜視図である。 本発明の第３実施形態によるロボットの足の下板の斜視図である。 図８に示した下板上に図３に示した上板が装着された状態を表した、図８に示したロボットの足の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係るロボットの足の下板の斜視図である。 図１０に示した下板上に図３に示した上板が装着された状態を表した、図１０に示したロボットの足の斜視図である。 図１に示した人間型ロボットが一歩を歩く間に測定した、人間型ロボットのモーメントがゼロになる点の軌跡を表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットが一歩を歩く間に測定した、人間型ロボットのモーメントがゼロになる点の軌跡を表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットが一歩を歩く間にロボットの左脚に装着された６つのアクチュエータのモーション変化を表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットが一歩を歩く間にロボットの右脚に装着された６つのアクチュエータのモーション変化を表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットが前に一歩進む間に、ロボットが進行する方向（Ｚ軸）にロボットの左右足の質量中心、腰の質量中心およびロボットの質量中心の軌跡がどのように変化するかを表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットが前に一歩進む間に、地面に垂直な一方向に、すなわち、Ｚ−Ｘ平面に垂直なＹ軸方向への左右足の質量中心の軌跡の変化を表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットが前に一歩進む間に、前記ロボットの左右揺れがどの程度であるかを、前記ロボットの腰の質量中心と前記ロボットの質量中心とがＸ軸に沿ってどの程度移動するかを知らせる軌跡の変化を表したグラフである。 地面から１０ｍｍ高さに位置した図１に示した人間型ロボットが地面に下降する時、Ｙ軸に沿う前記ロボットの左足の質量中心の垂直変位がどのように変化するかを表したグラフである。 図１に示した人間型ロボットに図６に示したロボット足の下板が備えられた場合、ロボットが歩く間にロボットの足に加えられる応力を表したグラフである。

符号の説明

３０ ロボットの足
３２ 上板
３４ 下板
３４ａ ゴム板
３４ｂ 第１接触部
３４ｃ 第２接触部
３４ｄ 第３接触部
Ｕ１ 上板の第一部分
Ｕ２ 上板の第２部分
Ｕ３ 上板の第３部分
Ｕ４ 上板の第４部分
Ｌ１ 下板の第一部分
Ｌ２ 下板の第２部分
Ｌ３ 下板の第３部分
Ｌ１ 下板の第一部分
Ｌ２ 下板の第２部分
Ｌ３ 下板の第３部分
Ｌ４ 下板の第４部分
Ｕ１Ｃ 上板の第一部分の中間領域
Ｕ２Ｃ 上板の第２部分の中間領域
Ｌ１Ｌ 下板の第一部分の左側領域
Ｌ１Ｃ 下板の第一部分の中間領域
Ｌ１Ｒ 下板の第一部分の右側領域
Ｌ２Ｌ 下板の第２部分の左側領域
Ｌ２Ｃ 下板の第２部分の中間領域
Ｌ２Ｒ 下板の第２部分の右側領域

Claims (18)

1. 両脚を具備して直立歩行が可能な人間型ロボットであって、
   足首関節が装着された上板と、
   前記上板の下面に取り付けられ、かつ地面と接触する複数の接触部が相互に離れて配置された下板と、
   を備えた足を具備することを特徴とする人間型ロボット。
2. 前記上板は金属板、または剛性を有する非金属板であることを特徴とする請求項１に記載の人間型ロボット。
3. 前記下板は、
   上面全体が前記上板の下面に接触する、弾性体からなる弾性板と、
   前記弾性板の下面に突設して地面と接触する、弾性体からなる第１ないし第３接触部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の人間型ロボット。
4. 前記弾性板の弾性率と前記第１ないし第３接触部の弾性率とは、同一であることを特徴とする請求項３に記載の人間型ロボット。
5. 前記弾性板の弾性率と前記第１ないし第３接触部の弾性率とは、異なることを特徴とする請求項３に記載の人間型ロボット。
6. 前記弾性板と前記第１ないし第３接触部とは単一体であることを特徴とする請求項３に記載の人間型ロボット。
7. 前記下板は、
   上面全体が前記上板の下面に接触する弾性板と、
   前記弾性板の下面に突設して地面と接触する、弾性体からなる第１ないし第３接触部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の人間型ロボット。
8. 前記弾性板は、独立した複数の個体から形成されることを特徴とする請求項７に記載の人間型ロボット。
9. 前記独立した複数の個体のうち、少なくとも１つの固体の弾性率が、他の固体の弾性率と異なることを特徴とする請求項８に記載の人間型ロボット。
10. 前記弾性板は、
    下面に前記第１接触部が付着される第１ピースと、
    下面に前記第２接触部が付着される第２ピースと、
    下面に前記第３接触部が付着される第４ピースと、
    前記第１、第２および第４ピースの間に備えられた第３ピースと、
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の人間型ロボット。
11. 前記第１接触部と第１ピース、前記第２接触部と第２ピース、前記第３接触部と第４ピースはいずれも一体であることを特徴とする請求項１０に記載の人間型ロボット。
12. 前記第１、第２および第４ピースの弾性率は前記第３ピースの弾性率と異なることを特徴とする請求項１０に記載の人間型ロボット。
13. 前記下板は、
    上面が前記上板の下面に付着され、下面が地面と接触する第１ピースと、
    前記第１ピースと離れて配置され、上面が前記上板の下面に付着され、下面が地面と接触する第２ピースと、
    前記第１および第２ピースと離れて配置され、上面が前記上板の下面に付着され、下面が地面と接触する第３ピースと、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の人間型ロボット。
14. 前記第１ピースは、弾性率の異なる複数の物質層が順次に積層されて形成され、
    前記第２ピースも、弾性率の異なる複数の物質層が順次に積層されて形成され、
    さらに、前記第３ピースも、弾性率の異なる複数の物質層が順次に積層されて形成されることを特徴とする請求項１３に記載の人間型ロボット。
15. 前記第１ピースは、地面と接触する第１接触部および前記上板の下面に付着される第１付着部を備え、
    前記第２ピースは、地面と接触される第２接触部および前記上板の下面に付着される第２付着部を備え、
    前記第３ピースは、地面と接触する第３接触部および前記上板の下面に付着される第３付着部を備えることを特徴とする請求項１４に記載の人間型ロボット。
16. 前記第１ないし第３付着部は、それぞれ前記第１ないし第３接触部の領域上に設けられ、前記上板と前記第１ないし第３接触部との間にスペースが存在することを特徴とする請求項１５に記載の人間型ロボット。
17. 前記弾性板は、熱可塑性ゴム板であることを特徴とする請求項３または７に記載の人間型ロボット。
18. 前記第１ないし第３付着部は、熱可塑性ゴム板であることを特徴とする請求項１５に記載の人間型ロボット。

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