JP2006062057A - 脚式移動ロボット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 脚式移動ロボットの足部17は、板バネ部S1,S2,S3,S4を備えている。板バネ部S1,S2,S3,S4は、それぞれ板バネであるバネ部62b1,62b2,62b3,62b4と、減衰機能を有する第一の中間部材と、滑り止めの機能を有する第一の足底部材64と、を備えており、床面に接地した際に、撓みつつロボットの自重を支持する。
【選択図】 図5
Description
6軸力センサは、バネ機構体を介して足底フレームに接続されており、着地時に6軸力センサに加わる衝撃、特に斜め方向に働く衝撃をゴムブッシュが変形することによって低減することができる構成となっている。
そして、前記した脚式歩行ロボットにおいては、移動のスピード(歩行、走行)を高めることが望まれている。脚式歩行ロボットが高速で移動する場合に、脚部に大きな慣性力が生じる。かかる慣性力を小さくするために、脚部の末端側、すなわち足部の軽量化が望まれている。
また、脚式歩行ロボットが高速で移動する場合には、接地時に足部に加わる床反力による衝撃力も大きくなることから、脚式歩行ロボットの足部はかかる衝撃力に耐えうる構造であることが望ましい。
本発明において「自重」とは、脚式移動ロボットの自重のことである。また、「撓みつつ自重を支持する」とは、一以上の板バネ部が弾性変形し、一以上の板バネ部の弾性力によってロボットの自重を支持することを意味する。
本発明において「足平部」とは、脚式移動ロボットの足部の下部構造であり、床面からの反作用力を受ける部分である。本発明では、足平部が一以上の板バネ部を備えていることで、接地時に一以上の板バネ部が撓みつつ自重を支持する。
このように、複数の接地領域を備えることによって、脚式移動ロボットが静止した状態であっても足平部が脚式移動ロボットをバランスよく支持することが可能となる。
このように足部に床反力検出手段を設けることによって、より接地領域に近い場所での検出が可能となり、床反力をより正確に検出することができる。
このように、板バネ部の歪みを検出することによって床反力を検出する構成とすることで、さらに足部の構成を簡略化することが可能となる。
また、板バネ部の歪みを検出することによって、床面の状態を検知することが可能となる。
まず、本発明の2足移動ロボットについて図1を参照して説明する。図1は、本発明に係る2足移動ロボットを示す側面図である。
図1に示すように、2足移動ロボット(以下、単に「ロボット」ともいう)Rは、人間と同じように2本の脚部R1(1本のみ図示)により起立、移動(歩行、走行等)し、上体R2、2本の腕部R3(1本のみ図示)および頭部R4を有し、自律して移動するロボットである。そして、ロボットRは、これら脚部R1、上体R2、腕部R3および頭部R4の動作を制御する制御装置搭載部R5を背負う形で背中(上体R2の後方)に備えている。
続いて、ロボットRの脚部R1の関節構造について図2を参照して説明する。図2は、図1の脚部の関節構造を示す模式図である。
図2に示すように、ロボットRは、左右それぞれの脚部R1に6個の関節11R(L)〜16R(L)を備えている。左右12個の関節は、股部に設けられた脚回旋用(Z軸まわり)の股関節11R,11L(右側をR、左側をLとする。以下同じ。)、股部のロール軸(X軸)まわりの股関節12R,12L、股部のピッチ軸(Y軸)まわりの股関節13R,13L、膝部のピッチ軸(Y軸)まわりの膝関節14R,14L、足首のピッチ軸(Y軸)まわりの足首関節15R,15L、および、足首のロール軸(X軸)まわりの足首関節16R,16Lから構成されている。そして、脚部R1の下には足部17R,17Lが取り付けられている。
なお、股関節11R(L)〜13R(L)が特許請求の範囲における「第一の関節」の一例であり、足首関節15R(L),16R(L)が特許請求の範囲における「第二の関節」の一例である。
ロボットRの足部17R(L)は、足首関節15R(L),16R(L)を介して脚部R1の端部(床面側)に取り付けられており、6軸力センサ52および足平部材61を備えている。左足(左の脚部R1および足部17L)と右足(右の脚部R1および足部17R)とは左右対称であるため、以下、必要のない場合にはR,Lを外して説明する。
まず、本発明の第一の実施形態に係るロボットRの足部17について図3ないし図5を参照して説明する。図3は、本発明の第一の実施形態に係る2足移動ロボットの足部を示す正面図である。図4は、本発明の第一の実施形態に係る2足移動ロボットの足部を示す側面図である。図5は、本発明の第一の実施形態に係る2足移動ロボットの足部を示す底面図である。図3ないし図5の脚部R1および足部17は、図1に示すロボットRの外装部分を適宜取り除いた状態として示されている。なお、図3ないし図5には、ロボットRの左足(左の脚部R1および足部17L)が示されている。
ここで、図3および図4を参照し、ロボットRの足首関節15,16について簡単に説明する。ロボットRの足首関節15,16は、十字軸41を下腿リンク22および足部17の第一台座部51に連結することによって構成されている。
十字軸41は、Y軸を回動軸線とする軸41aと、X軸を回動軸線とする軸41bとを十字状に組み合わせた部材である。軸41aの両端部は、下腿リンク22によって回動可能に支持されている。また、軸41bの両端部は、第一台座部51によって回動可能に支持されている。すなわち、軸41aが足首関節15に相当し、軸41bが足首関節16に相当する。
図3ないし図5に示すように、ロボットRの足部17は、上(足首関節側)から順に、第一台座部51と、6軸力センサ52と、第二台座部53と、足平部材61と、を備えている。
この6軸力センサ52が特許請求の範囲における「床反力検出手段」の一例であり、また「床反力検出器」の一例でもある。
この足平部材61は、板バネ本体62、第一中間部材63、第一足底部材64、第二中間部材65および第二足底部材66を備えている。
板バネ本体62は、撓みつつロボットRの自重を支持する部分であり、主に基部62aと、基部62aからのびるバネ部62bと、から構成される。本実施形態において、板バネ本体62は、バネ部62bの基端部が基部62aに連結された形状に一体成形された部材である。
基部62aは、平板形状を有しており、第二台座部53の底面に沿う形状を有している。後記するバネ部62bの基端部が、この基部62aに連結されており、バネ部62bは、基部62aとの連結部分を基端部とした板バネとして機能する。
バネ部62bは、基部62aの端部から、角度θ(図4参照)で下向きにのびるバネ部分である。本実施形態では、4個のバネ部62b1,62b2,62b3,62b4があり、バネ部62b1,62b2は基部62aから前方(爪先方向)にのびており、バネ部62b3,62b4は基部62aから後方(踵方向)にのびている。これら各バネ部62b1,62b2,62b3,62b4は、同一形状、同一強度、同一性能(弾性率)とすることが望ましい。
角度θは、最大床反力Fzが作用した際に基部62aが床面に接地しない最小の角度に設定されていることが望ましい。ここでいう最大床反力Fzは、例えば、ロボットRが最高速度で走行し片足で接地した際に作用する反力である。かかる設定により、バネ部62b(62b1〜62b4)の弾性力によってロボットRの自重を支持しつつ、基部62aが接地して6軸力センサ52に悪影響を与えることを防ぐことができる。
また、各バネ部62bの繊維方向を変えることによって異方性を持たせ、各バネ部62bのバネ特性を変えることもできる。
強化用繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維等が好適である。
この板バネ本体62は、一体成形された部材であることが望ましい。1個の基部62aに複数のバネ部62b(本実施形態では4個)が取り付けられた構成を有する板バネ本体62を一体成形することによって、さらなる部品点数の削減、および足部の構造の簡略化が可能となる。
まず、図6(a)に示すように、各板バネ部S1,S2,S3,S4(うちS2,S4のみ図示)の先端に設けられた第一足底部材64(接地領域)が均等に接地する。さらに各板バネ部S1〜S4に荷重が加わると、各バネ部62bに床反力が作用してバネ部62bが撓む。この際、バネ部62bの角度がθ’(θ’<θ)となり、接地領域の上側となるバネ部62bの点P2が、接地領域の点P1に対して外側にずれる(図6(c)、(d)参照)。つまり、板バネ部S2,S4の底面側の接地点P1,P1間の距離が、L(a)からL(b)へと広がる(L(b)>L(a))。ここで角度θが大きいと、このずれも大きくなるので、前記したような範囲で角度θを小さく設定することが望ましい。また、第一中間部材63は、第一足底部材64のバネ部62bに対する床面方向の変位も許容するので、図6(b)に示すように、バネ部62bの撓みに伴う接地領域の床面に対する滑りを抑えることが可能となる。したがって、かかる滑りによる反力およびモーメントが6軸力センサ52に入力されて、ロボットRの姿勢の制御の障害となることを抑えることができる。また、第一中間部材63の素材や厚さを変更することによって、滑りの許容量や減衰能を適宜設定することができる。
本実施形態において、6軸力センサの中心Pb(ここでは、6軸力センサ52のZ軸方向感度中心と一致する。)は、ロボットRの起立静止状態において板バネ部S1〜S4の底面側に設けられた接地領域のうち、平面視(図5では底面視)での最遠点までの距離が最小となる位置(接地領域の中心ともいう。)Pa(以下、単に「位置Pa」と記載する。)の上方に設けられている。本実施形態では、各板バネ部S1,S2,S3,S4の底面の接地領域それぞれの最遠点までの距離L1,L2,L3,L4が等しくなっている。
かかる構成によると、移動時に6軸力センサ52に作用する荷重の最大値を抑えることができ、6軸力センサ52の小型化が可能である。また、6軸力センサ52を足部17に設け、接地領域に近づけたことにより、床反力およびモーメントのより正確な測定が可能となる。
なお、足首関節の中心Pcは、さらに足平部材61の接地領域の内側(ロボットRの中心側)にもオフセットしている構成であってもよい。足首関節の中心Pcを内側にオフセットすることにより、隣接する足部17R,17Lの足平部材61同士の干渉を防ぎ、かつ接地面積を確保してロボットRの姿勢の安定性を維持することができる。
まず、宙に浮いた足平部材61を着地させる場合には、踵部分の板バネ部S3,S4に設けられた第一足底部材64(接地領域)から接地させる(図7(a))。そして全ての板バネ部S1〜S4の接地領域の全体が接地する(図7(b))。そして、踵部分の板バネ部S3,S4の接地領域を浮かせて、爪先部分の板バネ部S1,S2の接地領域だけで接地し、蹴り上げることによって全ての板バネ部S1〜S4の接地領域を浮かせる(図7(c))。かかる動作を左右の脚部R1に行わせることによって、ロボットRが前進移動する。このように、板バネ部S1〜S4の下端部(先端部)が上に向かって反っているので、着地時(図7(a))や蹴り上げ時(図7(c))のように足部17が床面に対して斜めになっても接地領域を好適に確保することが可能となる。なお、かかる反りは、ロボットRの進行方向において足首関節15,16から離れるにつれて板バネ部62bが上に向かって反るように設定されているのが好ましく、各板バネ部の先端部の反り具合は適宜変更可能である。また、接地領域の少なくとも一つが反っていればよく、接地領域の全てが反っている構成であってもよい。
図8に示すように、床面に段差がある場所を移動する場合には、バネ部62b(62b2,62b4を図示)の第一足底部材64が設けられていない部分が接地するおそれがある。しかし、バネ部62bの中間部分に第二足底部材66を設けているので、このような場合であっても第二足底部材66が接地し、バネ部62b、すなわち板バネ部が直接接地することによる不具合(滑りの発生等)を解消することができる。
図9(a)に示すように、足首関節15,16は、足平部材61に対して後方にオフセット(偏倚)している。この場合には、足首関節15’,16’から足平部材61の接地部分の前方先端までの距離Laが長くなる(La>La’)。ロボットRが高速移動(走行)する場合には、膝関節14を深く折り曲げ、足平部材61の爪先部分に床反力Fが集中する状態が生じる。このとき、膝関節14に生じるモーメントは、F*Lbとなる。一方、図9(b)に示すように、足首関節15’,16’が、足平部材61’の前後方向中心に位置している場合に膝関節14’に生じるモーメントは、F’*Lb’となる。ここで、Lb<Lb’であるので、F=F’とするとF*Lb<F’*Lb’が成立する。これは、高速移動時に膝関節14を駆動(屈曲)した場合において、足首関節15,16を足平部材61に対して、膝関節14の足平部材61に対する相対移動方向(本実施形態では前方)と反対方向(本実施形態では後方)にオフセットさせた場合に成立する。そして、足首関節15,16の足平部材61に対する後方へのオフセット量を大きくすると、高速移動時における膝関節14にかかる負担をより抑えることができることを意味している。
続いて本発明の第二の実施形態に係るロボットRの足部について、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。
図10は、本発明の第二の実施形態に係る2足移動ロボットの足部を示す側面図である。図10に示すように、第二の実施形態に係る足部117は、6軸力センサ52の代わりに歪み検出手段152を備えている。そして、第一台座部51と板バネ手段61とが複数のボルト(図示せず)により固定されている。
歪み検出手段152は、板バネ部の歪み、詳しくはバネ部62bの歪みを検出するものである。板バネ部の歪みは板バネ部に入力される床反力と相関するので、板バネ部の歪み量を検出することによって床反力を検出することができる。検出された歪み量は、ハーネスを介して制御ユニット25に伝えられ、ロボットRの姿勢、移動等の制御に使用される。かかる歪み検出手段152としては、各バネ部62bに取り付けられた1以上の歪みゲージまたはピエゾ素子が好適である。
かかる歪み検出手段152が検出する床反力は、少なくとも1軸(例えば、Z軸方向の床反力Fz)であればよく、前記した6軸力センサ52と同様に6軸であることが望ましい。
続いて、本発明の第三の実施形態に係るロボットRの足部について、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。
図11は、本発明の第三の実施形態に係る2足移動ロボットの足部を示す側面図である。図11に示すように、第三の実施形態に係る足部217は、足平部材61の代わりに多層化された足平部材261を備えている。
かかる構成においては、粘性部材265が前記した中間部材63の機能も備えているため、中間部材63を省略することもできる。
ここでは、足平部材261全体を多層化する構成としたが、少なくとも板バネ部S21〜S24が多層化されていればよい。
続いて、本発明の第四の実施形態に係るロボットRの足部について、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。
図12は、本発明の第四の実施形態に係る2足移動ロボットの足部を示す下面図である。図12に示すように、第四の実施形態に係る足部317は、板バネ部S1,S2間、S3,S4間にそれぞれ架け渡された連結部366,367を備えている。
連結部366は、板バネ部S1,S2間に架け渡されて両者の基端部側および基部62aを連結しており、両板バネ部S1,S2の挙動をシンクロさせる機能を有している。また、連結部367は、板バネ部S3,S4間に架け渡されて両者の基端部側をおよび基部62aを連結しており、両板バネ部S3,S4の挙動をシンクロさせる機能を有している。かかる連結部366,367は、基部62aおよびバネ部62bと一体成形されている。
かかる構成によると、板バネ部のロール方向またはピッチ方向の剛性を調整することができる。かかる連結部を用いない場合には、ロール剛性はピッチ剛性よりも小さくなる。つまり、剛性を確保したい任意の2個の板バネ部の間に連結部を架け渡す構成であればよい。また、連結部は基部62aから離れて形成されていてもよい。
また、一体成形された連結部ではなく、別体の連結部材を板バネ部間に架け渡す構成であってもよい。連結部材としては、所定の剛性を有する棒状または長板状の部材が好適である。また、連結部材と各板バネ部との連結は、ピン等の留め具によるものであってもよい。
本発明の板バネ部の形状については様々な変更例が考えられる。以下、本発明の脚式移動ロボットの板バネ部の変形例について説明する。図13および図14は、本発明の脚式移動ロボットの板バネ部の変形例を示す底面図である。
また、脚式移動ロボットの移動方式も、歩行に限定されず、スキップ、走行、跳ぶ等による移動であってもよい。
また、足首関節およびその駆動構造も前記したものに限定されない。
また、上腿リンク21、下腿リンク22、第一台座部51、第二台座部53等の材料も適宜変更可能であり、これら各部材は、例えば、所定の強度を有する合金(チタン合金、マグネシウム合金等)からなるものであってもよい。
また、第一中間部材63および第二中間部材65を一体化した中間部材に、第一足底部材64および第二足底部材66を一体化した足底部材に、それぞれ置き換えることも可能である。
また、板バネ部の底面側に各種中間部材および足底部材を備える構成としたが、板バネ部の振動や滑りの影響が小さい床面で使用する場合等には、中間部材および足底部材を省略することも可能である。
また、第一台座部51、第二台座部53の形状も適宜変更可能であり、これらを6軸力センサ52の筐体と一体とすることも可能である。また、板バネ部が取り付けられる基部の形状も変更可能であり、板バネ部を第二台座部53や6軸力センサ52の筐体に直接取り付ける構成であってもよい。かかる場合には、第二台座部53や6軸力センサ52が基部となる。
また、板バネ部の数、形状も適宜変更可能であり、複数の板バネを組み合わせて一つの板バネ部を構成することも可能である。
また、板バネ部の上方に、板バネ部が所定量以上変形することを防ぐ板バネ部変形規制部を備える構成であってもよい。かかる板バネ部変形規制手段としては、例えば、板バネ部の上方に離隔して設けられるフランジ部と、このフランジ部の底面に設けられた突起と、を備え、板バネ部が所定量変形した場合に板バネ部が突起に当接し、それ以上の変形を規制する構成が挙げられる。このようにすることで、ある板バネ部に過大な床反力が入力される場合であっても、板バネ部の変形量を規制し、板バネ部の破損を防ぐことができる。
また、足首関節の中心Pcの位置Paに対するオフセットの方向、距離も適宜設計変更可能であり、足首関節の中心Pcが位置Pa上に位置していてもよい。
12R,12L 関節(股関節、第一の関節)
13R,13L 関節(股関節、第一の関節)
15R,15L 関節(足首関節、第二の関節)
16R,16L 関節(足首関節、第二の関節)
17R,17L,17,117,217,317 足部
51 第一台座部
52 6軸力センサ(床反力検出手段、床反力検出器)
53 第二台座部
61 足平部材(足平部)
62 板バネ本体
62a 基部
62b,262b バネ部
63 第一中間部材
64 第一足底部材
65 第二中間部材
66 第二足底部材
152 歪み検出手段
265 粘性部材
366,367 連結部材
Pa 接地領域の最遠点までの距離が最小となる位置
Pb 6軸力センサの中心(床反力検出器の中心)
Pc 足首関節の中心(第二の関節の中心)
R 2足移動ロボット(脚式移動ロボット)
R1 脚部
R2 上体
S1〜S4,S21〜S24,S51〜S72 板バネ部
Claims (23)
- 上体と、前記上体に第一の関節を介して連結された脚部と、前記脚部の端部に第二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式移動ロボットであって、
前記足部は、床面に接地する接地領域を下端部に有する足平部を備え、
前記足平部は、接地時に撓みつつ自重を支持する板バネ部を備えていることを特徴とする脚式移動ロボット。 - 前記足平部は、複数の前記接地領域を備えていることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
- 複数の前記接地領域は、前記第二の関節に対して前後にわかれて配置されていることを特徴とする請求項2に記載の脚式移動ロボット。
- 前記接地領域の少なくとも一つは、前記第二の関節から離れるにつれて上に向かって反っていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足平部は、前記接地領域として、接地時に前記床面との間で摩擦抵抗を生じる第一足底部材を備えていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部と前記第一足底部材との間に、前記第一足底部材の接地時に前記板バネ部の振動を減衰させる第一中間部材を備えていることを特徴とする請求項5に記載の脚式移動ロボット。
- 前記第一中間部材は、前記第一足底部材の接地時に前記第一足底部材の前記板バネ部に対する床面方向の変位を許容することを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足平部は、前記第一足底部材よりも上方に、接地時に前記床面との間で摩擦抵抗を生じる第二足底部材を備えていることを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部と前記第二足底部材との間に、前記第二足底部材の接地時に前記板バネ部の振動を減衰させる第二中間部材を備えていることを特徴とする請求項8に記載の脚式移動ロボット。
- 前記第二中間部材は、前記第二足底部材の接地時に前記第二足底部材の前記板バネ部に対する床面方向の変位を許容することを特徴とする請求項9に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足平部は、基部と、前記基部から下方にのび、底面側に前記接地領域が形成された複数の前記板バネ部と、を備えていることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部を4個備え、そのうち2個の前記板バネ部は前記基部から前方にのび、かつ残りの2個の前記板バネ部は前記基部から後方にのびており、4個の前記板バネ部および前記基部が略H字状をなしていることを特徴とする請求項11に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部は、繊維で強化された複合部材から形成されていることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部は、弾性率の異なる複数の層からなることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部は、多層化された板バネと、前記板バネ間に介設された粘性部材と、から構成されることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部の振動を減衰させる減衰手段を備えていることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記板バネ部が複数あり、2個の前記板バネ部を連結させる連結部を備えていることを特徴とする請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足部は、前記足平部を介して前記床面から作用する床反力を検出する床反力検出手段を備えていることを特徴とする請求項1から請求項17のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記床反力検出手段は、ユニット化された床反力検出器であることを特徴とする請求項18に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足平部は、前記床反力検出器に対して固定されていることを特徴とする請求項19に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足平部は、複数の前記接地領域を備えており、
前記第二の関節の中心は、平面視で複数の前記接地領域の最遠点までの距離が最小となる位置に対してオフセットしており、
前記床反力検出器の中心は、前記第二の関節の中心よりも平面視で複数の前記接地領域の最遠点までの距離が最小となる位置に近くなるように設けられていることを特徴とする請求項19または請求項20に記載の脚式移動ロボット。 - 前記足平部は、複数の前記接地領域を備えており、
前記床反力検出器は、平面視で複数の前記接地領域の最遠点までの距離が最小となる位置に設けられていることを特徴とする請求項19または請求項20に記載の脚式移動ロボット。 - 前記床反力検出手段は、前記板バネ部の歪みを検出する歪み検出手段であることを特徴とする請求項18に記載の脚式移動ロボット。
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