JP2008087142A - 脚式移動型ロボットの足平構造、脚式移動型ロボットおよび脚式移動型ロボットの歩行制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脚式移動型ロボットにおいて、歩行動作を行う際に足平部が床面から受ける衝撃を低減可能にすること。
【解決手段】床面を歩行する脚式移動型ロボットの足平構造を、歩行時に床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、で構成するとともに、脚式移動型ロボットの歩行動作時において、踵部材の接触部が接触した後に、爪先部材の前端が床面に接触し、前記爪先部材が、付勢手段に与えられる付勢力に反するように、踵部材に対して相対的に姿勢変更させるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、歩行するための脚部を備えた脚式移動型ロボットの足平構造および、脚式移動型ロボットに関するものである。

近年、歩行するための脚部を備え、この脚部を駆動し、脚部の下端に設けられた足平部分を所定の歩容データに基づいて床面上に配置することで歩行動作を行う脚式移動型のロボットが開発されている。（例えば特許文献１）

このような脚式移動型のロボットは、まず、脚部の足平部分を床面に接触させて支持脚とし、その後に足平の裏面で床面を押して脚部全体（ロボット全体）を上げるように脚部を駆動することで、次の歩行動作を行う。駆動された脚部は遊脚となる一方、他の脚部が支持脚となり、このように、遊脚と支持脚とを交互に繰り返して切り換えることで、歩行動作を行うことが可能になる。

このような歩行動作を安定して行う際には、ロボット全体の重心位置を制御して、脚部を駆動する必要がある。すなわち、左右に各々脚部を有する2足歩行タイプの脚式歩行型ロボットの場合、歩行する床面に接地する支持脚の足平部分の接地面内部に、ロボット全体の重心によるモーメントが作用しない点（ＺＭＰ＝Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を位置させる。

特開平５−２９３７７６号公報

ところで、前述のような脚式歩行型のロボットが歩行動作を行う場合、遊脚となっている脚部の足平部が床面に接地し、支持脚に切り換わる際に、足平部の踵部分に相当する後端部分が床面に接触し、この後端部分を支点として足平の裏面（足裏）全体が床面に向かって回動し、床面に対して突然面接触する。このような足平裏面の面接触が生じる際に、足裏が硬い材質で形成されている場合や、床面に対して足平裏面が不安定な付き方をした場合に、床面から大きな衝撃を受け、歩行動作が不安定になることになる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、歩行動作を行う際に足平部が床面から受ける衝撃を低減可能な足平構造、および脚式移動型ロボットを提供することを目的とする。

本発明にかかる脚式移動型ロボットの足平構造は、歩行する床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、を備えており、脚式移動型ロボットの歩行動作時において、踵部材の接触部が接触した後に、爪先部材の前端が床面に接触し、前記爪先部材が、付勢手段に与えられる付勢力に反するように、踵部材に対して相対的に姿勢変更することを特徴とするものである。

このような脚式移動型ロボットの足平構造によると、支持脚となる側の脚部において、踵部材の接触部が床面に接触した後に、足裏全体を床面に対して面的に接触させるまで、付勢手段により与えられる付勢力により爪先部材の姿勢変更する動きが弱まる。したがって、歩行動作中に足裏を床面に対して接触させる際に受ける衝撃が、爪先部材の姿勢変更する動きによって緩衝され、脚式移動型ロボットが床面から受ける衝撃を低減することができる。

また、前記爪先部の前端底面は、側面視で略曲面状に形成されていることが好ましい。このようにすると、爪先部材の前端の床面に接触する接触部分がスムーズに移動するため、爪先部材が床面からの押圧力を受けて姿勢を変更する際に、姿勢変更がスムーズに行なわれる。

さらに、爪先部材の前端を床面上によりスムーズに摺動させるためには、前記爪先部の前端底面を、水平面内において前後方向に対して直交する軸について、回動自在に設けられたローラで形成することが好ましい。

また、このようなローラを、回転可能な解放状態と、回転しない固定状態とに切り換える回転固定機構をさらに備えていることが好ましい。このような回転固定機構を備えることで、爪先部材が完全に床面上を摺動し、完全に足平裏面全体が床面に面接触した後は、ローラの回転を固定することができ、足平裏面で床面を踏切る時に適切な摩擦力を得ることができる。

また、このような足平構造において、爪先部材の後端を、踵部材に対して回動自在に接続し、前記付勢手段が、爪先部分と踵部材の接続部分と、前記踵部材の接触部とを含む水平面よりも鉛直下方に向けて爪先部材が回動する向きに付勢力を与えるように構成してもよい。

このように構成された足平構造では、足平部分の足裏が床面に面的に接触する際に、爪先部材の先端部分が床面から押されることで爪先部材が鉛直上方向きに回動する。したがって、単純なヒンジ構造を用いて衝撃を緩衝するように爪先部材の姿勢変更を行うことが可能となる。

また、前記付勢手段としては、爪先部材を回動させるモータと、該モータのトルク出力を制御するモータ制御部とから構成してもよく、モータ制御部が、床面に接触した爪先部材が床面に対して仮想的に弾性力を付与するように、モータのトルク出力を制御するようにしてもよい。このように付勢手段を構成すると、モータ制御部の設定を変更することで、仮想的に付与する弾性力の強さなどを調整することが可能になる。

また、前記付勢手段としては、一端を踵部材に固定し、爪先部材を回動させる方向に弾性力を蓄えた状態で爪先部材に他端を取り付けた弾性体であってもよい。そして、このような付勢手段を用いる場合、付勢手段によって姿勢変更する爪先部材を、踵部材に対して所定の姿勢となるように姿勢を係止する係止部材を設けておくとよい。このようにすると、鉛直下方成分を含む方向について、爪先部材に対して、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力が与えられた状態で、爪先部材の姿勢を保持し、爪先部材が鉛直上方成分を含む方向に姿勢変更する際に、付勢力を、姿勢変更する力に反する向きに付与質付けることができる。なお、このような付勢手段として用いられる弾性体は、具体的には板バネ等が用いられる。

また、このような足平構造において、前記爪先部が、踵部材に対して、前記水平面よりも鉛直上方に向けて回動可能に接続されており、前記爪先部材を、前記水平面よりも鉛直上方において踵部材に対して所定以上の角度に回動することを抑止する抑止部材を備えていてもよい。このように構成することによって、歩行動作中において支持脚を遊脚に切り換える直前に、爪先部分が水平面よりも鉛直上方に向けて回動して抑止部材で抑止され、爪先部材の取り得る姿勢が固定されるため、爪先部分で床面を押して脚部を持ち上げることができる。

また、前述のような足平構造としては、前記爪先部材の後端と踵部材との接続部が、爪先部材を踵部材に対して相対的に鉛直上下方向を含む向きについて移動可能な構造としてもよい。このような足平構造の場合は、脚式移動型ロボットの歩行動作時において、爪先部材の前端が床面に接触した際に、付勢手段に与えられる付勢力に反するように爪先部材全体が鉛直上方向を含む向きに移動することで、床面から受ける衝撃を緩衝することができる。

そして、このような足平構造においては、接続部が、鉛直上下方向を含む向きに摺動自在に設けられた摺動構造を備えており、前記付勢手段が、前記摺動構造により摺動する爪先部の後端を、踵部材に対して相対的に鉛直下方成分を含む方向について付勢するものであってもよい。足平構造をこのように構成した場合、摺動構造において爪先部材が摺動することで床面から受ける衝撃を緩衝する。

また、本発明は、脚式移動型ロボット自体をも提供するものであり、体幹と、該体幹に一端が各々接続された複数の脚部とを備えた、床面を歩行する脚式移動型ロボットにおいて、前記複数の脚部の他端に設けられた足平部分が、歩行時に床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、を備え、歩行動作時において、踵部材の接触部が接触した後に、爪先部材の前端が床面に接触し、前記爪先部材が、付勢手段に与えられる付勢力に反するように、踵部材に対して相対的に姿勢変更することを特徴とする脚式移動型ロボットをも提供するものである。

このように構成された脚式移動型ロボットは、支持脚となる側の脚部において、踵部材の接触部が床面に接触した後に、足裏全体を床面に対して面的に接触させるまで、付勢手段により与えられる付勢力により爪先部材の姿勢変更する動きが弱まる。したがって、歩行動作中に、足裏を床面に対して接触させる際に受ける衝撃が、爪先部材の姿勢変更する動きによって緩衝され、脚式移動型ロボットが床面から受ける衝撃を低減することができる。

このような脚式移動型ロボットとしては、特に歩行形態を限定するものではないが、特に歩行動作を高速に行う場合に、床面からより大きな衝撃を受けることになるため、脚部の数が少ない場合（例えば２つの脚部により２足歩行を行う場合）などに有効である。

また、このような脚式移動型ロボットとしては、自律的または遠隔操作により移動するものであってもよいが、人間が搭乗して操作を行うタイプの搭乗型ロボットであってもよい。この場合、搭乗する人間が、歩行動作の際に床面からロボットの身体を通じて受ける衝撃を低減することができる。

また、本発明は、床面を歩行する脚式移動型ロボットの歩行制御方法を提供するものであり、体幹と、該体幹に一端が各々接続された複数の脚部とを備え、脚部先端に設けられた足平が、歩行時に床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、を備えた脚式移動型ロボットにおいて、遊脚状態の脚部を、足平に備えられた踵部材の接触部を床面に接触させ、次いで爪先部材の前端を床面に接触させ、床面に接触した爪先部材の姿勢を変更させつつ足平裏面全体を床面に近づける際に、爪先部材の床面に接触した部分を床面に対して摺動させるとともに、爪先部材の姿勢を変更する動きに反する方向に付勢力を与え、足平裏面全体を床面に面接触させて、支持脚に切り換えることを特徴とする。

このような脚式移動型ロボットの歩行制御方法によれば、遊脚側の脚部を支持脚に切り換える際に、遊脚側の踵部材の接触部が床面に接触した後に、足裏全体を床面に対して面的に接触させるまで、付勢手段により与えられる付勢力により爪先部材の姿勢変更する動きが弱まる。したがって、歩行動作中に足裏を床面に対して接触させる際に受ける衝撃が、爪先部材の姿勢変更する動きによって緩衝され、脚式移動型ロボットが床面から受ける衝撃を低減することができる。

このような脚式移動型ロボットの歩行制御方法において、さらに、足平裏面全体を床面に面接触させた後に、爪先部材の床面に接触した部分と床面との摩擦力を高めるようにしてもよい。このようにすると、支持脚となった脚部が、床面を踏切る際に爪先部材と床面との摩擦力によって十分な床面からの反力を得ることが可能になる。

以上、説明したように、本発明によると、歩行を行う際に足平部が床面から受ける衝撃を低減することが可能になる。

発明の実施の形態１．
以下に、図１から図９を参照しつつ本発明の実施の形態１にかかる脚式移動型ロボット（以下、単にロボットという）について説明する。

図１は、ロボット１を正面から見た様子を概略的に表す概略図であり、床面Ｆ上をロボット１が歩行する様子を表しているなお、図１においては、説明の便宜上、ロボット１が進行する向き（前後方向）をｘ軸、ロボット１が進行する方向について水平方向に直交する向き（左右方向）をｙ軸、移動体の移動する平面から鉛直方向に延びる向き（上下方向）をｚ軸とし、これらの３軸からなる座標系を用いて説明する。すなわち、図１中において、前記ｘ軸は紙面の奥行方向、ｙ軸は紙面に向かって左右方向、ｚ軸は紙面中の上下方向を示す。

図１に示すように、ロボット１は、頭部２と、体幹３と、体幹３に結合された腰部４と、体幹３に接続された右腕５、左腕６と、腰部４に対して回動自在に固定される脚部１０と、を備えた２足歩行型のロボットである。以下、詳細に説明する。

頭部２は、ロボット１の周囲の環境を視覚的に撮像するための左右一対の撮像部（図示せず）を備えているとともに、体幹３に対して頭部２を鉛直方向に平行な軸周りに回動させることで、周囲の環境を広く撮像する。撮像した周囲の環境を示す画像データは、後述する制御部１３０に送信され、ロボット１の動作を決定するための情報として用いられる。

体幹３は、その内部にロボット１の動作を制御する制御部１３０や、脚部のモータ等に電力を供給するためのバッテリー（図示せず）等を収容するものである。制御部１３０は、図２に示すように、脚部１０を駆動し、ロボット１を動かすための歩容データを記憶する記憶領域１３１と、この記憶領域１３１に記憶された歩容データを読み出す演算処理部１３２と、脚部１０に含まれるモータを駆動するモータ駆動部１３３と、を備えている。これらの各構成要素は、体幹３の内部に設けられたバッテリー（図示せず）から電力を供給されることで動作する。

また、演算処理部１３２は、記憶領域１３１に記憶された歩容データを読み出すとともに、読み出した歩容データによって特定されるロボット１の姿勢を実現するために必要な脚部１０の関節角を算出する。そして、このように算出した関節角に基づく信号をモータ駆動部１３３に送信する。

モータ駆動部１３３は、演算処理部１３２より送信された信号に基づいて、脚部を駆動するための各モータの駆動量を特定し、これらの駆動量でモータを駆動させるためのモータ駆動信号を各モータに送信する。これによって脚部１０の各関節における駆動量が変更され、ロボット１の動きが制御される。

また、演算処理部１３２は、読み出した歩容データに基づいてモータの駆動を行うように指令するほか、ロボット１に組み込まれたジャイロや加速度計などセンサ（図示せず）からの信号を受けて、モータの駆動量を調整する。このように、センサにより検出したロボット１に作用する外力や、ロボット１の姿勢などに応じて脚部１０の関節角を調整することで、ロボット１が安定した状態を維持することができる。

右腕５および左腕６は、体幹３に対して回動自在に接続されており、肘部分および手首部分に設けられた関節部分を駆動することにより、人間の腕部と同様の動きを行うことができる。また、手首部分の先端に接続された手先部は、図示を省略するが物体を把持するためのハンド構造を備えており、ハンド構造に組み込まれた複数の指関節を駆動することで、様々な形状の物体を把持することが可能となる。

腰部４は、体幹３に対して回動するように接続されており、歩行動作を行う際に腰部４の回動動作を組み合わせることで、脚部１０を駆動するために必要な駆動エネルギーを低減させることができる。

２足歩行を行うための脚部１０（右脚２０、左脚３０）は、右脚２０と左脚３０とから構成されている。詳細には、図２に示すように、右脚２０は右股関節２１、右上腿２２、右膝関節２３、右下腿２４、右足首関節２５、右足平２６を備え、同様に、左脚３０は左股関節３１、左上腿３２、左膝関節３３、左下腿３４、左足首関節３５、左足平３６を備えている。

そして、右脚２０および左脚３０とは、図示しないモータからの駆動力が、同じく図示しないプーリおよびベルトを介して伝達されることで、各関節部が所望の角度に駆動され、その結果、脚部に所望の動きをさせることができる。

なお、本実施形態においては、脚部１０（右脚２０および左脚３０）は、下腿を膝関節回りに前方側に持ち上げると、人間の脚部のように、上腿と下腿が後方側に向かって開いた状態（上腿の延長線よりも後方側に、下腿が膝関節回りに回転した状態）となる。

記憶領域１３１に記憶された歩容データは、操作部（図示せず）から送られる信号で特定される脚部１０の移動量に対応づけて、脚部１０の足平（右足平２６、左足平３６）の先端（足先）の位置と、移動体本体（本実施の形態においては載置部１１）の位置とを、ロボット１の移動する空間を定める座標系（例えばｘｙｚ座標系）において経時的に指示するものである。

次に、脚部１０に備えられた足平部（右足平２６、左足平３６）の構造について、図３および図４を用いて詳細に説明する。なお、右足平２６、左足平３６は左右対称の同様の構造を備えているため、ここでは右足平２６の詳細な構造についてのみ説明するものとし、左足平３６については説明を省略するものとする。なお、図３は、右足平２６を側方（右側方）から見た様子を示す側方図であり、図４は、右足平２６を上方から見た様子を示す概略図でありる。

図３および図４に示すように、右足平２６は、右足首関節２５に対して回動軸２５ａを介して接続された水平方向に伸びる略板状の踵部材２６１と、同じく略板状の爪先部材２６２とを備えている。踵部材２６１は、その底面２６１ａが歩行時において床面に接触する接触部としての後端部２６１ｂを備えており、右脚が遊脚状態から支持脚となるために右足平２６を床面に接地する際に、この後端部２６１ｂが床面に接触する。この後端部２６１ｂは、踵部材２６１の底面２６１ａの後端において左右方向（ｘ方向）に伸びるように形成されているとともに、やや弾力のある樹脂等の材質で構成されている。そして、床面Ｆ上においてロボット１が歩行動作を行う際に、床面に接触する際に適度な弾性力を踵部材２６１に与え、床面に接地した際の衝撃の一部を吸収する。なお、説明の便宜上、後端部２６１ｂは踵部材２６１の底面２６１ａから突出して記載されているが、実際は踵部材の底面２６１ａからごく微小量突出するのみであり、かつ、床面Ｆに接地すると、その弾性力により変形し、踵部材２６１の底面２６１ａが床面に対して面接触する状態を妨げないように構成されている。

そして、踵部材２６１の先端には、図４中のｙ方向に伸びるように回動軸Ｐが設けられた凸部２６１ｃが形成されており、この凸部２６１ｃに設けられた回動軸Ｐを駆動するための付勢手段としてのモータ２６１ｄおよびモータ２６１ｄのトルク出力を制御するモータ制御部２６１ｅが設けられている。

爪先部材２６２は、その前端底面において、断面が側面視で略曲面状に形成された摺動部２６２ａが設けられており、爪先部材２６２の前端の床面に接触する接触部分がスムーズに移動するため、爪先部材２６２が床面からの押圧力を受けて姿勢を変更する際に、姿勢変更がスムーズに行なわれる。なお、説明の便宜上、摺動部２６２ａは爪先部材２６２の底面から突出して記載されているが、実際は爪先部材２６２の底面からごく微小量突出するのみであり、爪先部材２６２の底面が床面に対して面接触する状態を妨げないように構成されている。

さらに、爪先部材２６２の後端略中央部には、前述の踵部材の凸部２６１ｃに係合する凹部２６２ｂが設けられているとともに、この凹部２６２ｂの内側面に回動軸Ｐが固定されている。そして、前述のモータ２６１ｄによって回転する回動軸Ｐの動きに併せて、爪先部材２６２が回動し、その姿勢を変更する。そして、爪先部材２６２は、その後端面が踵部材２６１の前端面と当接し、各々の底面が略水平になる位置で回動が抑止される。このように、爪先部材の後端面と踵部材の前端面とが、抑止部材として作用する。

なお、本実施形態においては、爪先部材２６２の前端がやや鉛直下方を向き、踵部材の底面２６１ａに対して、爪先部材２６２の底面が所定角度をなすように保持された状態を初期状態としている。そして、この状態から、爪先部材２６２の前端を鉛直上方に傾斜させる向きに爪先部材を回動させる際に、モータ制御部２６１ｅは、モータ２６１ｄを駆動し、爪先部材２６２に対して鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更する向きについて仮想的に弾性力を付与するように、モータ２６１ｄのトルク出力を制御する。詳細には、モータ制御部２６１ｅは、回動軸Ｐに外部から加えられた力を検出し、その検出した力を略一定の大きさだけ残存させるように、モータ２６１ｄのトルク出力を制御する。

このように構成された足平（右足平２６）が、ロボット１が床面Ｆ上を歩行する際に動作する様子を図５から図９を用いて説明する。

まず、ロボット１は、遊脚状態にあった脚部（右脚２０）の足平２６を、床面Ｆに向けて接触させるように近づける。このとき、足平２６の踵部材２６１の後端部２６１ｂが最も鉛直下方に位置しているため、まず、後端部２６１ｂが床面Ｆに最も近づいた状態となり、図５に示すように、後端部２６１ｂが床面Ｆに接地する。このように、踵部材２６１の後端部２６１ｂが床面Ｆに接地すると、図６に示すように、この後端部２６１ｂを支点として、足平２６全体が、爪先部材２６２を鉛直下方に回動させる向きに回動する。

このように、足平２６が回動すると、図７に示すように、爪先部材２６２の摺動部２６２ａが床面Ｆに当接する。このとき、爪先部材２６２と、踵部材２６１とを接続する回動軸Pに、爪先部材の前端を鉛直上方に回動させる方向についての力が加わるため、モータ制御部２６１ｅは、爪先部材２６２に加わった力を検出する。そして、その検出された力に応じた大きさのトルク出力を、仮想的な弾性力をモータ２６１ｄから与えるように、モータ２６１ｄに対して信号を送信する。

これによって、図８に示すように、摺動部２６２ａが床面Ｆ上を摺動しつつ、爪先部材２６２の後端が鉛直下方に向けて回動しつつ、踵部材２６１も、その底面２６１ａが床面Ｆに接地する向きに回動する。このとき、踵部材２６１および爪先部材２６２の回動する速さは、モータ２６１ｄによって付与されるトルクによって小さく抑制される。

そして、爪先部材２６２が回動して、その底面が踵部材の底面２６１ａと略水平になり、床面Ｆに対して面接触する状態になると、図９に示すように、爪先部材２６２の後端面と、踵部材２６１の前端面とが当接して、爪先部材２６２の回動が抑止されるとともに、踵部材２６１の回動も停止する。このとき、モータ制御部２６１ｅは、爪先部材２６２から受ける力が低減したことを検知し、トルク出力を停止する信号をモータ２６１ｄに出力する。

このように、ロボット１の歩行動作時において、爪先部材の前端が床面に接触することによって回動する際に、床面から受ける反力を低減させるように、モータから付勢力が与えられているため、脚部を支持脚にする際に床面から受ける衝撃を小さくすることができる。

なお、前述の実施形態においては、爪先部材が床面に当接した状態や、爪先部材と踵部材が略水平になった状態を、モータ制御部において検知していたが、これに代えて、タッチセンサや加速度センサ等の検知機構を設けて、これらの状態を検知するようにしてもよい。このような検知機構は、爪先部材や踵部材の内部に設けられ、モータ制御部２６１ｅに対して有線または無線で信号を送信するようにすると好適である。

また、前述の実施形態において、爪先部材に対してトルクを出力するモータおよびモータ制御部は踵部材に備えられているが、これに代えて、爪先部材の内部や、脚部の他の部位に設けてもよい。特に、足平部分は歩行動作により衝撃を受ける回数や程度が大きいため、足平部分以外の場所に設けると、歩行動作によって受ける衝撃等によって、これらの構成が故障する可能性等を低減することができる。

発明の実施の形態２．
次に、本発明に係る第２の実施形態について、図１０から図１５を用いて説明する。なお、本実施形態における脚式移動型ロボットは、第１の実施形態で説明した脚式移動型ロボットと主たる構成と同一または同様の構成を備えているため、それらの構成については同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図１０に示すように、第２の実施形態に用いられる足平（右足平）２６'は、第１の実施形態と同様の構成を有する踵部材２６１を備えるとともに、摺動部２６２ａに代えてローラ２６２ｃを有する爪先部材２６２'を備えている。このローラ２６２ｃは、図示は省略するが、爪先部材の左右方向、すなわち水平面内において前後方向に対して直交する方向に伸びる軸について回転するものであり、爪先部材２６２'の内部に設けられたモータ２６２ｄと、モータ制御部２６２ｅによりローラ２６２ｃを、回転可能な解放状態と、回転しない固定状態とに切り換える回転固定機構として作用する。なお、モータ制御部２６２ｅは、ローラ２６２ｃが外力により回転する回転量を検出し、モータ２６２ｄへの駆動量を制御する。

このように構成された足平２６'が、脚部が支持脚となる際に床面Ｆ上に接地する過程について、図１１から図１４に示された図を用いつつ、図１５に示すフローチャートを用いて説明する。

図１１は、踵部材２６１の後端部２６１ｂが床面Ｆに接地した様子を表している。このように、踵部材２６１の後端部２６１ｂが床面Ｆに接地すると（ＳＴＥＰ１０１）、図１２に示すように、爪先部材２６２'の前端が鉛直下方に回動を開始する（ＳＴＥＰ１０２）。そして、爪先部材２６２'の前端が床面Ｆに接地すると（ＳＴＥＰ１０３）、図１３に示すように、踵部材２６１も、その底面２６１ａが床面Ｆに接地する向きに回動する（ＳＴＥＰ１０４）。この状態においては、爪先部材２６２'の前端底面に設けられたローラ２６２ｃは、床面Ｆに接地した状態で回転フリーとなっており、爪先部材２６２'が回動する動作に併せて、床面Ｆ上を前方へ進む向きに回転する。

そして、踵部材２６１の底面２６１ａと、爪先部材の底面とが略水平になり、床面Ｆに対して面接触する状態になることが、爪先部材２６２'の後端面と、踵部材２６１の前端面とが当接することにより検出されると（ＳＴＥＰ１０５）、爪先部材２６２'および踵部材２６１の回動は終了する。そして、回動動作が終了すると、踵部材の２６１のモータ制御部２６１ｅがトルク出力を停止する信号をモータ２６１ｄに出力するとともに、爪先部材のモータ制御部２６２ｅもモータ２６２ｄに対して信号を出力し、ローラ２６２ｃを固定し、回転不能の状態とする。（ＳＴＥＰ１０６）。

図１４に示すように、爪先部材２６２'底面が踵部材の底面２６１ａと略水平になり、床面Ｆに対して面接触する状態になり、ローラ２６２ｃが固定されると、足平２６'の裏面が床面Ｆ上に面接触した状態で踏切り動作を行う（ＳＴＥＰ１０７）。このとき、ローラ２６２ｃが固定されているため、爪先部材２６２'が床面F上をローラ２６２ｃにより滑ることがなく、爪先部材と床面との間に適度な摩擦力が得られるため、支持脚を踏切る動作を行う際に床面からの反力を十分に得ることができる。

このように、本実施形態においては、爪先部材が床面上に接地し、足平が床面に対して面接触するまでは爪先部材が床面上をスムーズに移動するようにローラが回転自由な解放状態となるが、足平が床面に面接触した後は、ローラが固定され、足平裏面で床面から脚部を踏切る際に、爪先部材が床面上を滑ることがなくなる。

なお、前述の説明においては、爪先部材に設けられたモータ制御部は、ローラの回転が停止したことを検知して、ローラを固定するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、爪先部材と踵部材が略水平になった状態を、タッチセンサや加速度センサ等の検知機構により検知し、その検知した信号を送信することでローラを固定するようにしてもよい。また、ローラの回転を固定する手段としてモータを用いているが、これに代えて、ローラの回転を摩擦等により固定する機械的なブレーキ機構を用いてもよい。

なお、上述の第１および第２の実施形態においては、足平が床面に対して面接触した状態において、爪先部材と踵部材が略水平になり、その状態で床面から脚部を踏切るような脚式移動型ロボットの例を示しているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、図１６に示すように、足平２６"の爪先部分２６２"の後端が、踵部材に対して回動自在に接続されているとともに、爪先部分と踵部材の接続部分と、前記踵部材の接触部とを含む水平面よりも鉛直上方に向けて回動するように構成したものであってもよい。この場合、爪先部材の回動は、踵部材の前面端により、爪先部材と踵部材の底面が所定の角度を形成した状態で抑止される。

このように、爪先部材を踵部材に対して鉛直上方に回動させることで、床面を踏切る際に、爪先部材を床面に面接触させ、踵部材を床面から離した状態で踏切り動作を行うことができる。このとき、爪先部材に付与される付勢力（モータによる仮想的な弾性力など）が、爪先部材の床面を踏切る力を補助するため、脚部を駆動する駆動力を低減して歩行動作を行うことができるので好適である。

また、上述の実施形態においては、爪先部材に付勢力を付与する付勢手段として、モータおよびモータ制御部が用いられているが、これに代えて、弾性力を与える弾性部材、例えば板バネ等を用いてもよい。すなわち、図１７に示すように、踵部材に一体的に設けられた回動軸Ｐに一端が固定された板バネＳを、踵部材に対して回動する爪先部材の前端が、板バネからの付勢力により踵部材の底面より若干下方に屈曲する状態で、爪先部材にとりつけてもよい。このような足平の場合、図１８に示すように、足平が床面に面接触する際に、踵部材の底面と爪先部材の底面が略同一面になると、爪先部材に対して、板バネＳにより矢印Ａの方向に弾性力が与えられる。このような構成を備えた足平構造の場合、爪先部材を鉛直上方に回動させるように姿勢を変更する際に、常に板バネからの付勢力が、姿勢を変更する動きに対して反する方向に作用するため、足平を床面に面接触させる場合において、床面からの衝撃を低減することができる。

なお、このような足平構造の場合、図示は省略するが、踵部材に対して回動する爪先部材の前端が、板バネからの付勢力により踵部材の底面より若干下方に屈曲する状態を保持するための係止部を設けておく必要がある。また、前述のように、爪先部材で床面を踏切るような構造の場合であっても、爪先部材により床面を踏切るための力の一部として、板バネの付勢力を用いることもできる。

発明の実施の形態３．
次に、本発明に係る第３の実施形態について、図１９から図２３を用いて説明する。なお、本実施形態における脚式移動型ロボットについても、第１の実施形態で説明した脚式移動型ロボットと主たる構成と同一または同様の構成を備えているため、それらの構成については同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図１９に示すように、第３の実施形態に用いられる足平（右足平）２６０は、第１および第２の実施形態と同様に、踵部材２６３と爪先部材２６４とを備えている。踵部材２６３は、前述の第１および第２の実施形態における踵部材と同様に、足首関節２５に対して回動可能に接続されており、その底面２６３ａの後端付近に、接触部としての後端部２６３ｂを備えている。この後端部２６３ｂは、やや弾力のある樹脂等の材質に構成されており、脚部が遊脚状態から支持脚となるために足平２６０を床面に接地する際に、初めに床面に接触し、その際に、床面からの衝撃の一部を吸収する。

そして、踵部材２６３の先端には、摺動軸２６３ｄが設けられた凸部２６３ｃが一体的に形成されており、この摺動軸２６３ｄを介して爪先部材２６４と踵部材２６３が接続されている。

爪先部材２６４は、その前端底面において、床面との面接触時において、床面上を摺動可能な程度に適度な摩擦力を付与するとともに、床面に接地した際に、床面から受ける衝撃の一部を吸収するような材質から形成された底板２６４ａが取り付けられている。さらに、爪先部材２６４の後端略中央部には、前述の踵部材の凸部２６３ｃに係合する凹部２６４ｂが設けられているとともに、この凹部２６４ｂの内側面には、摺動軸２６３ｄが摺動するための溝２６４ｃが形成されている。溝２６４ｃは爪先部材の先端から後端に向けて直線的に伸びるように形成されているとともに、その先端側を鉛直方向下方にやや傾けるように設けられている。そして、この溝２６４ｃ内を摺動軸２６３ｄが摺動するように、爪先部材２６４全体が、その姿勢を維持したまま踵部材２６３に対して位置を変更することができる。そして、図示は省略するが、溝２６４ｃの内部には、先端側の一端に固定されるとともに、他端が摺動軸２６３ｄに固定された弾性部材が設けられており、摺動軸２６３ｄが溝２６４ｃ内の後端側から前端側へ摺動する際に付勢力を与える。すなわち、この弾性部材によって、爪先部材は、その前端を鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力が与えられる。

このように構成された足平を備えた脚部が、遊脚から支持脚になる際に床面と接地するまでの過程を、図２０から図２３を用いて説明する。

図２０に示すように、足平２６０の踵部材２６３の後端部２６３ｂが床面Ｆに接地すると、この後端部２６３ｂを支点として、足平２６０全体が、爪先部材２６４を鉛直下方に回動させる向きに回動する。

このように爪先部材２６４が回動すると、図２１に示すように、爪先部材２６４の底面にとりつけられた底板２６４ａが床面Ｆに当接し、脚部を含むロボットの重量による力を床面に与えることによって、爪先部材２６４は床面Ｆから鉛直上方についての反力を受ける。

このように、爪先部材が反力を受けると、踵部材２６３は、図２２に示すように、爪先部材２６４に設けられた溝２６４ｃ内を摺動軸２６３ｄが沿うように略鉛直下方に向かって移動する。このとき、爪先部材２６４は、踵部材に対して相対的に鉛直上方に位置するように姿勢変更するが、溝２６４ｃ内に設けられた弾性部材によって、鉛直上方に位置するように姿勢変更する動きに反するように、付勢力が与えられる。そして、この付勢力に反して、踵部材２６３は前端を鉛直下方に向けて回動するように移動し、爪先部材２６４に対して相対的に姿勢を変更する。

そして、踵部材２６３の摺動軸２６３ｄが溝２６４ｃの先端（爪先部材２６４の前端側）まで到達すると、図２３に示すように、踵部材２６３の底面２６３ａは爪先部材２６４の底面とほぼ同一面を形成し、足平裏面が床面Ｆに対して面接触する。このように足裏が床面に面接触した状態、すなわち支持脚となった状態で、脚部は床面を踏切り、脚部を支持脚から遊脚状態に切り換える動作を始めて歩行動作を継続する。なお、このとき、溝２６４ｃ内に設けられた弾性部材によって与えられた付勢力は、脚部が床面を踏切る動作を行う際に補助的に作用する。

このような実施形態によると、足平が床面に接地する際に、爪先部材と踵部材とが相対的に位置を変化する際に、その位置の変化する動きに反するように付勢力が与えられるため、足平裏面が床面に対して面接触するまでに床面から脚部に与えられる衝撃度合いが低減される。

なお、この実施形態において、爪先部材と踵部材との間に付勢力を作用させる付勢手段として、弾性部材を設けた例を示したが、これに代えてシリンダとピストン等の組み合わせからなるダンパ部材や、前述の実施形態と同様に、モータ駆動等によって付勢力を与えるものを用いてもよい。このような付勢手段の形態は、適用する脚式移動型ロボットやその脚部の構造に応じて、適宜適切なものを選択することが好ましい。

また、この実施形態において、摺動軸および溝は、一方が爪先部材、他方が踵部材に設けられていればよく、これらの部材が相対的に姿勢変更するように構成されていればよいことは言うまでもない。

以上、説明したように、本発明に係る足平構造を備えた脚式移動型ロボットは、その歩行動作を行う際に、足裏を床面に対して接触させる際に受ける衝撃が、爪先部材の姿勢変更する動きによって緩衝される。そのため、脚式移動型ロボットが床面から受ける衝撃を低減することができる。

なお、上記説明した実施形態においては、いわゆる脚式移動型ロボットの例として、２足歩行型のロボットを用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、４足歩行等といった他の脚式移動型のロボットについても、本発明を適用することは可能である。

また、このような脚式移動型ロボットとしては、操作者としての人間を搭載した状態で、移動を行うもの、いわゆる搭乗型ロボットであってもよい。このようなロボットに本発明を適用した場合、ロボットが床面から受ける衝撃が低減されるため、搭乗した人間が受ける衝撃も小さくなり、乗り心地が向上するという効果が得られる。

また、このような脚式移動型ロボットの脚部の構造としては、いわゆる人間と同様の構造ではなく、上腿と下腿とが前方側に向かって開いた状態（上腿の延長線よりも前方側に、下腿が膝関節回りに回転した状態）、いわゆる「鳥足状態」をとるように構成してもよい。このように脚部１０を構成することによって、前述のように人間を搭乗する形態のロボットを構成する場合、搭乗者が載置部に乗降するために脚部の膝関節を曲げても、上腿および下腿が載置部の後方に位置するため、曲げた脚部が下降する載置部に接触することが無くなる。したがって、載置部を搭乗者の乗降がし易い位置にまで十分下降させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る脚式移動型ロボットの全体を概略的に表した全体概略図である。 図１に示す脚式移動型ロボットの内部に備えられた制御部の内部を概念的に表したブロック図である。 図１に示す脚式移動型ロボットの脚部に備えられた足平（右足平）部分の構造を側面視により概略的に示す側面図である。 図１に示す脚式移動型ロボットの脚部に備えられた足平（右足平）部分の構造を上面視により概略的に示す上面図である。 図３および図４に示す足平部分の踵部材後端が、床面に接地した様子を示す側面図である。 図３および図４に示す足平部分の踵部材後端が、床面に接地した後に、踵部材の後端を支点として回動する様子を示す側面図である。 図３および図４に示す足平部分の爪先部材前端に設けられた摺動部が、踵部材の後端を支点として回動し、床面に接地する様子を示す側面図である。 図３および図４に示す足平部分の爪先部材前端に設けられた摺動部が、床面上を摺動し、踵部材および爪先部材が回動する様子を示す側面図である。 図３および図４に示す足平部分の踵部材および爪先部材の底面が略水平となり、足平裏面が床面に対して面接触する様子を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る脚式移動型ロボットに用いられる足平構造を側面視により概略的に表した側面図である。 図１０に示す足平部分の踵部材後端が、床面に接地した様子を示す側面図である。 図１０に示す足平部分の爪先部材が、踵部材の後端を支点として回動し、床面に接地する様子を示す側面図である。 図１０に示す足平部分の爪先部材前端に設けられたローラが、床面上を摺動し、踵部材および爪先部材が回動する様子を示す側面図である。 図１０に示す足平部分の踵部材および爪先部材の底面が略水平となり、足平裏面が床面に対して面接触する様子を示す側面図である。 第２の実施の形態に係る脚式移動型ロボットに用いられる足平構造が、ロボットの歩行動作時に床面に接地する際の手順を示すフローチャートである。 図１０に示す足平部分の一部を変形した他の形態を示す側面図である。 図１０に示す足平部分に用いる付勢手段を板バネに代えた場合の形態を示す部分側面図である。 図１７に示す足平構造において、板バネが爪先部材に付勢力を与える様子を示す部分側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る脚式移動型ロボットに用いられる足平構造を側面視により概略的に表した側面図である。 図１９に示す足平部分の踵部材後端が、床面に接地した様子を示す側面図である。 図１９に示す足平部分の爪先部材が、踵部材の後端を支点として回動し、床面に接地した様子を示す側面図である。 図１９に示す足平部分の爪先部材が床面に接地した状態で、踵部材の前端が鉛直下方に移動するように回動し、床面に接地する様子を示す側面図である。 図１９に示す足平部分の踵部材および爪先部材の底面が略水平となり、足平裏面が床面に対して面接触する様子を示す側面図である。

符号の説明

１・・・脚式移動型ロボット
１０・・・脚部
１３０・・・制御部
２６，２６'，２６０・・・足平
２６１，２６３・・・踵部材
２６１ｂ、２６３ｂ・・・後端部（接触部）
２６２，２６２'，２６４・・・爪先部材
２６１ｄ・・・モータ（付勢手段）
２６１ｅ・・・モータ制御部（付勢手段）
２６２ａ・・・摺動部
２６２ｃ・・・ローラ
２６２ｄ・・・モータ（固定機構）
２６２ｅ・・・モータ制御部（固定機構）
２６３ｄ・・・摺動軸
２６４ｃ・・・溝
Ｆ・・・床面

Claims (16)

1. 床面を歩行する脚式移動型ロボットの足平構造であって、
   歩行時に床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、
   前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、
   爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、を備え、
   脚式移動型ロボットの歩行動作時において、踵部材の接触部が接触した後に、爪先部材の前端が床面に接触し、前記爪先部材が、付勢手段に与えられる付勢力に反するように、踵部材に対して相対的に姿勢変更することを特徴とする脚式移動型ロボットの足平構造。
2. 前記爪先部の前端底面が、側面視で略曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
3. 前記爪先部の前端底面が、水平面内において前後方向に対して直交する軸について、回動自在に設けられたローラで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
4. 前記ローラを、回転可能な解放状態と、回転しない固定状態とに切り換える回転固定機構をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
5. 前記爪先部材の後端が、踵部材に対して回動自在に接続されており、前記付勢手段が、爪先部分と踵部材の接続部分と、前記踵部材の接触部とを含む水平面よりも鉛直下方に向けて爪先部材が回動する向きに付勢力を与えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
6. 前記付勢手段が、爪先部材を回動させるモータと、該モータのトルク出力を制御するモータ制御部とから構成されており、前記モータ制御部が、床面に接触した爪先部材が床面に対して仮想的に弾性力を付与するように、モータのトルク出力を制御することを特徴とする請求項５に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
7. 前記付勢手段が、一端が踵部材に固定され、爪先部材を回動させる方向に弾性力を蓄えた状態で爪先部材に他端が取り付けられた弾性体であり、前記付勢手段によって姿勢変更する爪先部材を、踵部材に対して所定の姿勢となるように姿勢を係止する係止部材を備えていることを特徴とする請求項５に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
8. 前記弾性体が、板バネであることを特徴とする請求項７に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
9. 前記爪先部が、踵部材に対して、前記水平面よりも鉛直上方に向けて回動可能に接続されており、前記爪先部材を、前記水平面よりも鉛直上方において踵部材に対して所定以上の角度に回動することを抑止する抑止部材を備えていることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
10. 前記爪先部材の後端と踵部材との接続部が、爪先部材を踵部材に対して相対的に鉛直上下方向を含む向きについて移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
11. 前記接続部が、鉛直上下方向を含む向きに摺動自在に設けられた摺動構造を備えており、前記付勢手段が、前記摺動構造により摺動する爪先部の後端を、踵部材に対して相対的に鉛直下方成分を含む方向について付勢するものであることを特徴とする請求項１０に記載の脚式移動型ロボットの足平構造。
12. 体幹と、該体幹に一端が各々接続された複数の脚部とを備えた、床面を歩行する脚式移動型ロボットであって、
    前記複数の脚部の他端に設けられた足平部分が、
    歩行時に床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、
    前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、
    爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、を備え、
    歩行動作時において、踵部材の接触部が接触した後に、爪先部材の前端が床面に接触し、前記爪先部材が、付勢手段に与えられる付勢力に反するように、踵部材に対して相対的に姿勢変更することを特徴とする脚式移動型ロボット。
13. 前記脚部が体幹左右に設けられており、2足歩行により歩行動作を行うことを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動型ロボット。
14. 前記体幹部分に、人間が搭乗可能に設けられていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の脚式移動型ロボット。
15. 体幹と、該体幹に一端が各々接続された複数の脚部とを備えた、床面を歩行する脚式移動型ロボットの歩行制御方法であって、
    脚部先端に設けられた足平が、
    歩行時に床面に接触する接触部を底面に有する踵部材と、
    前端が自由端であり、後端が前記踵部材の接触部よりも前方において、前記踵部材に対して相対的に姿勢変更が可能に接続された爪先部材と、
    爪先部分の前端を、鉛直下方成分を含む方向に姿勢変更するように付勢力を与える付勢手段と、を備えており、
    遊脚状態の脚部を、足平に備えられた踵部材の接触部を床面に接触させ、
    次いで爪先部材の前端を床面に接触させ、
    床面に接触した爪先部材の姿勢を変更させつつ足平裏面全体を床面に近づける際に、爪先部材の床面に接触した部分を床面に対して摺動させるとともに、爪先部材の姿勢を変更する動きに反する方向に付勢力を与え、
    足平裏面全体を床面に面接触させて、支持脚に切り換えることを特徴とする脚式移動型ロボットの歩行制御方法。
16. 足平裏面全体を床面に面接触させた後に、爪先部材の床面に接触した部分と床面との摩擦力を高める工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の脚式移動型ロボットの歩行制御方法。