JP2008126332A - 脚式歩行ロボットの足構造 - Google Patents

Abstract

【課題】踵部の着地時に、実ＺＭＰの収束性に優れ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる脚式歩行ロボットの足構造を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる脚式歩行ロボットの足構造は、つま先部１と踵部４１を有する足平１６ｃを備えた脚式歩行ロボットの足であって、つま先部１と踵部４１の間にある中間部４２は、前記踵部からつま先部に向かう方向について連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されているものである。このような構成により、踵部４１の着地時に、実ＺＭＰの収束性に優れ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、脚式歩行ロボットの足構造に関し、特に、当該脚式歩行ロボットの足裏構造
に関する。

近年、人間社会の環境に適応しやすい、汎用性に優れた様々な脚式歩行ロボットが考えられてきた。

従来の脚式歩行ロボットは、歩行（走行）時において、踵着地時に生じる衝撃のため、姿勢が安定しないという問題があった。

踵着地時の衝撃としては、踵部が着地することによる反力に加え、足平が一気に着地面に衝突するために発生する衝撃も不安定要因となる。足平が一気に着地面に衝突すると、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を滑らかに移動することができず、ＺＭＰ制御に悪影響を及ぼすためである。

脚式歩行ロボットは、ＺＭＰを制御することにより姿勢の安定を図る。ＺＭＰとは、ある作用点まわりに関して、全支持脚が受ける接地力のモーメントの和がゼロになるとき、そのような条件を満たす接地面上の点のことである。脚式歩行ロボットは、ロボットの歩行（走行）軌道生成時に目標ＺＭＰを設定し、これに基づき歩行（走行）を行う。

実環境でロボットが歩行（走行）する時は、路面外乱やメカの撓み及びギアのバックラッシュ等により足つきが悪くなり、遊脚の着地時に実ＺＭＰが所望の場所へ収束しにくくなる。このため、実機で動かす時の実ＺＭＰはすぐには目標ＺＭＰに収束しないことが多く、所望の動作をすることができず不安定の要因になり得る。

他方、従来より、踵部における衝撃を吸収する技術が種々提案されている。その一つが特許文献１に開示されている。この特許文献１においては、人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲するように結合すると共に、上記衝撃吸収機構を人体における踵に相当する部分とする技術が開示されている。しかしながら、この公報に開示された技術では、踵部に備わる衝撃吸収機構について、着地時から接地時にかけて接地面積が連続的に変化する足裏構造とはなっておらず、
実ＺＭＰを必ず目標ＺＭＰへと位置させ、かつ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができないものであった。

また、特許文献２及び特許文献３に開示されている技術に関しても同様に、着地時から接地時にかけて接地面積が連続的に変化する足裏構造とはなっておらず、実ＺＭＰを必ず目標ＺＭＰへと位置させ、かつ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができないものであった。
特開平１１−２７７４７７号公報 特開平１６−２９９０３５号公報 特開平７−２８５０８５号公報

上述のように、従来の脚式歩行ロボットの足構造では、実機で動かすときの実ＺＭＰがすぐには目標ＺＭＰに収束しないことが多く、所望の動作をすることができず不安定の要因になり得るという問題点があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、踵部の着地時に、実ＺＭＰの収束性に優れ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる脚式歩行ロボットの足構造を提供することを目的とする。

本発明にかかる脚式歩行ロボットの足構造は、つま先部と踵部を有する足平を備えた脚式歩行ロボットの足であって、前記つま先部と前記踵部の間にある中間部は、前記踵部からつま先部に向かう方向について連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されているものである。このような構成により、踵部の着地時に、実ＺＭＰの収束性に優れ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる。

前記踵部の接地領域は、前記中間部における左右方向の幅の平均値よりも狭い幅を有することを特徴としてもよい。このような構成により、踵部の着地時に、実ＺＭＰを所望の位置に確実に位置させることができる。

前記踵部が、踵部からつま先部に向かう方向について、連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されており、かつ、前記踵部とつま先部との接続部分における幅が連続的に接地面積が大きくなるように構成されていることを特徴としてもよい。このような構成により、着地動作が進むにつれてより滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる。

前記踵部及び前記中間部の底面は、前記踵部からつま先部に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、前記踵部の曲率は前記中間部の曲率よりも大きいことを特徴としてもよい。これにより、踵部の着地時に、実ＺＭＰを所望の位置に確実に位置させることができる。

前記曲面構造の曲率が、前記踵部から前記中間部のつま先部側に向かって連続的に小さくなるように変化していることを特徴としてもよい。これにより、踵部の着地時に、着地動作が進むにつれてより滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる。

前記踵部の底面が、前記踵部からつま先部に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有していることを特徴としてもよい。これにより、踵部の着地時に、着地動作が進むにつれてより滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる。

本発明にかかる脚式歩行ロボットの足構造は、前記踵部より後方に先端部を有し、先端部が弾性部により脚部の下腿下端に位置する脛部に弾性部材を介して保持または接続されている衝撃吸収機構を備えたものである。これにより、足平が着地面に対して角度をつけて着地するときであっても、垂直方向の衝撃を吸収することができる。

前記衝撃吸収機構において前記先端部が、前記踵部からつま先部に向かう方向に揺動可能に構成されていてもよい。これにより、衝撃吸収機構が揺動可能でない場合に比べて、先端部に存在した実ＺＭＰを、先端部から踵部へと向かってより安定的に移動させることができる。

本発明によれば、踵部の着地時に、実ＺＭＰの収束性に優れ、着地動作が進むにつれて滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる脚式歩行ロボットの足構造を提供することができる。

発明の実施の形態１．
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態１にかかる脚式歩行ロボットについて説明する。

図１に示すように、歩行ロボット１０は、複数のパーツが関節１８で接続されることによって構成されている。
即ち、歩行ロボット１０は、本体１１と、その本体１１と関節１８を介して接続された頭部１２、左腕部１３、右腕部１４、右脚部１５、左脚部１６によって構成されている。
左腕部１３及び右腕部１４は、複数のパーツが関節（肘関節、手首関節）１８を介して接続されることによって構成されている。
右脚部１５は、一端が本体１１と関節（股関節）１８を介して接続された上腿部１５ａ、その上腿部１５ａの他端と関節（膝関節）１８を介して接続された下腿部１５ｂ、その下腿部１５ｂの他端と足首関節２１を介して接続された足平１５ｃによって構成されている。
左脚部１６は、一端が本体１１と関節（股関節）１８を介して接続された上腿部１６ａ、その上腿部１６ａの他端と関節（膝関節）１８を介して接続された下腿部１６ｂ、その下腿部１６ｂの他端と足首関節２２を介して接続された足平１６ｃによって構成されている。
尚、図示は省略したが、歩行ロボット１０は、圧力センサ、ジャイロセンサ及び加速度センサ等のセンサからの情報に基づき、実ＺＭＰを所望の位置に位置させる制御装置を備えている。

続いて、図２を用いて、本発明の実施の形態１にかかる脚式歩行ロボットの足構造について説明する。図２は左脚の足構造の拡大図を示している。尚、右脚の足構造については、左脚の構造と同じであるため、説明を省略する。

図２の（ａ）は、左脚のつま先部１、後方部２、関節３、足裏部４、脛部１６ｂ、足平１６ｃ、関節２２、踵部４１及び中間部４２を側面から見たときの拡大図を示している。
脛部１６ｂは、脛部１６１ｂと、その上側脛部１６１ｂと下側脛部１６２ｂとが関節２２を介して接続されることによって構成されている。
足平１６ｃは、つま先部１と、そのつま先部１と後方部２とが関節３を介して接続されることによって構成されている。
後方部２は、足裏部４を備えている。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、前記曲面構造の曲率が、踵部４１から中間部４２のつま先部１側に向かって連続的に小さくなるように構成してもよい。
また、踵部４１の底面が、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、踵部４１は地面に対して離間している。
尚、足裏部４はゴムやスポンジ等の柔軟性を備えた衝撃吸収素材により構成されることが好ましい。

図２の（ｂ）は、左脚の後方部２、足裏部４、脛部１６ｂ及び関節２２の拡大図を示している。図２（ｂ）は図２の（ａ）の左脚を後方から見たものである。
足裏部４は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、端にゆくにつれ地面に対して離間している。

図２の（ｃ）は、左脚のつま先部１、後方部２、足裏部４、踵部４１及び中間部４２の拡大図を示している。図２の（ｃ）は図２の（ａ）左脚を下方から、即ち足裏側から見たものである。
つま先部１と踵部４１の間にある中間部４２は、踵部４１からつま先部１に向かう方向について連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されている。踵部４１の接地領域は、中間部４２における左右方向の幅の平均値よりも狭い幅を有する。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、前記曲面構造の曲率が、踵部４１から中間部４２のつま先部１側に向かって連続的に小さくなるように構成してもよい。

図２の（ｄ）は、図２の（ｃ）の直線Ｘ―Ｘ上における切断面であり、後方部２及び中間部４２の拡大図を示している。
図２の（ｅ）は、図２の（ｃ）の直線Ｙ―Ｙ上における切断面であり、後方部２及び踵部４１の拡大図を示している。
図（ｄ）及び図（ｅ）を見れば分かるように、踵部４１の前方に位置する中間部４２は、踵部４１よりも幅広に構成されている。
また、踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。

このような構成により、足平１６ｃが踵部４１から着地したときには、足平１６ｃと地面との接地領域はほぼ点となり、実ＺＭＰはその点に存在する。そして、足平１６ｃが着地面に倣うにつれ、接地領域は踵部４１から中間部４２に向かって線から面へと変化し、実ＺＭＰはその接地領域上を移動する。このように、接地面積が左右方向に安定して変化するため、実ＺＭＰを安定して、踵部４１から中間部４２に向かって、足裏４に沿って滑らかに移動させることができる。

続いて、図３を用いて、着地動作に伴って実ＺＭＰが移動する様子について説明する。
図３の（ａ）は、脚式歩行ロボットの足平１６ｃが踵部４１から着地したときを示している。このとき、脚式歩行ロボットは踵部４１から着地することより、実ＺＭＰは地面との接地領域である踵部４１に存在する。
図３の（ｂ）は、足平１６ｃが踵部４１から着地した後に着地面に倣う途中を示している。足平１６ｃが着地面に倣うにつれて、実ＺＭＰは踵部４１から中間部４２に向かって、足裏部４に沿って移動する。
図３の（ｃ）は、足平１６ｃの全体が接地した状態を示している。このとき、脚式歩行ロボットの足は完全に支持脚の状態となり、実ＺＭＰは所望の位置にある。

続いて、図４を用いて、曲率により、実ＺＭＰを踵部４１から中間部４２に向かって、足裏部４に沿ってより滑らかに移動させることができる構成について説明する。
図４の（ａ）は、足裏部４、足平１６ｃ、踵部４１及び中間部４２を側面から見たときの拡大図を示している。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、前記曲面構造の曲率が、踵部４１から中間部４２のつま先部１側に向かって連続的に小さくなるように構成してもよい。
また、踵部４１の底面が、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、踵部４１は地面に対して離間している。
図４の（ｂ）は、図４の（ａ）の左脚を後方から見たものである。
足裏部４は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、端にゆくにつれ地面に対して離間している。
図４の（ｃ）は、図４の（ａ）左脚を下方から見たものである。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、前記曲面構造の曲率が、踵部４１から中間部４２のつま先部１側に向かって連続的に小さくなるように構成してもよい。
このような構成により、曲率によって、接地領域はより連続的に点から線、そして面へと変化する。このため、実ＺＭＰを踵部４１から中間部４２に向かって、矢印方向により滑らかに移動させることができる。

発明の実施の形態２．
次に、図５を用いて、本発明の実施の形態２にかかる脚式歩行ロボットの足裏構造について説明する。尚、この発明の実施の形態２にかかる脚式歩行ロボットについては、実施の形態１にかかる脚式歩行ロボットと同じであるため、説明を省略する。また、右脚の足構造についても、左脚の構造と同じであるため、説明を省略する。

図５の（ａ）は、左脚のつま先部１、後方部２、足裏部４、衝撃吸収機構５、脛部１６ｂ、足平１６ｃ、関節２２、先端部５１、支持部５２及び弾性部５３の拡大図を示している。また、図５の（ａ）は足平１６が先端部５から着地したときを示している。
衝撃吸収機構５は、先端部５１と、その先端部５１と支持部５２とが弾性部５３を介して接続されることによって構成されている。支持部５２は、後方部２と一端が固定されている下側脛部１６２ｂに固定されている。衝撃吸収機構５では、弾性部５３の、支持部５２への取付部分に位置する、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な方向に対して延びる揺動軸回りに、弾性部５３及び先端部５１が揺動可能である。
尚、衝撃吸収機構５の弾性部５３は、外力が作用しない状態では図５の（ｂ）に示すように足平に対して垂直方向に延在している。
また、弾性部５３は、ゴムやバネ等の弾性体によって構成されることが好ましい。

このような衝撃吸収機構５を設けることにより、図５の（ａ）に示すように、足平１６ｃがつま先部１が上方に向くように傾斜するように着地面に対して角度をつけて着地するときであっても、垂直方向の衝撃を吸収することができる。
また、衝撃吸収機構５は揺動可能な機構を有するので、支持部５２に揺動可能に取り付けられた弾性部５３及び先端部５１は踵部４１からつま先部１に向かう方向に回転することができる。このため、図５の（ａ）に示されるように、先端部５１が着地した直後の先端部５１と踵部４１間の距離Ｌ１は、着地動作が進むに従って小さくなってゆくと共に、先端部５１は踵部４１に向かって近づいてゆく。そして、図５の（ｂ）に示されるように、完全に足平全体が着地した状態では、先端部５１と踵部４１間の距離Ｌ２は上述の距離Ｌ１よりも小さくなる。
これに対して、衝撃吸収機構５が支持部５２に対して剛直に固定され揺動可能でない場合には、図５（ａ）に示されるように先端部５１が着地した後、先端部５１と踵部４１間の距離Ｌ１は着地動作が進んだとしても変わらずにＬ１のままである。
即ち、衝撃吸収機構５が揺動可能でない場合に比べて、衝撃吸収機構５が揺動可能である場合には、先端部５１と踵部４１間の距離は着地動作が進むに従って小さくなってゆくため、先端部５１上に存在した実ＺＭＰが、先端部５１から踵部４１へと移動する時間がより短くなる。従って、衝撃吸収機構５が揺動可能でない場合に比べて、先端部５１に存在した実ＺＭＰを、先端部５１から踵部４１へと向かってより安定的に移動させることができる。

発明の実施の形態３．
次に、図６を用いて、本発明の実施の形態３にかかる脚式歩行ロボットの足構造について説明する。尚、この発明の実施の形態３にかかる脚式歩行ロボットについては、実施の形態１にかかる脚式歩行ロボットと同じであるため、説明を省略する。また、右脚の足構造についても、左脚の構造と同じであるため、説明を省略する。

図６の（ａ）に示すように、実施の形態３にかかる脚式歩行ロボットの足裏部４は、実施の形態１における図２の足裏部４と異なり、踵部４１から中間部４２に向かって平坦である。このため、着地したときには、前方の端部から後部に向かって全て接地した状態となる。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、前記曲面構造の曲率が、踵部４１から中間部４２のつま先部１側に向かって連続的に小さくなるように構成してもよい。
図６の（ｂ）に示すように、足裏部４は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、端にゆくにつれ地面に対して離間し、半円筒形となるように構成されている。
図６の（ｃ）に示すように、踵部４１が、踵部４１からつま先部１に向かう方向について、連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されており、かつ、踵部４１とつま先部１との接続部分における幅が連続的に接地面積が大きくなるように構成されている。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、前記曲面構造の曲率が、踵部４１から中間部４２のつま先部１側に向かって連続的に小さくなるように構成してもよい。
このような構成により、着地動作が進むにつれてより滑らかに実ＺＭＰを前方に移動させることができる。

発明の実施の形態４．
次に、図７を用いて、本発明の実施の形態４にかかる脚式歩行ロボットの足構造について説明する。尚、この発明の実施の形態４にかかる脚式歩行ロボットについては、実施の形態１にかかる脚式歩行ロボットと同じであるため、説明を省略する。また、右脚の足構造についても、左脚の構造と同じであるため、説明を省略する。

図７の（ａ）に示すように、実施の形態４にかかる脚式歩行ロボットの足裏部４は、踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
また、踵部４１の底面が、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、踵部４１は地面に対して離間している。
図７の（ｂ）に示すように、足裏部４は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、端にゆくにつれ地面に対して離間する。
図７の（ｃ）に示すように、踵部４１の接地領域は、中間部４２における左右方向の幅の平均値よりも狭い幅を有する。踵部４１は円弧状をしており、接地面積は踵部４１から中間部４２に向かって一旦狭くなった後、再び中間部に向かって連続的に大きくなるように構成されている。
踵部４１及び中間部４２の底面は、踵部４１からつま先部１に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、踵部４１の曲率は中間部４２の曲率よりも大きい。
このような構成により、踵部の着地時に、実ＺＭＰを所望の位置に確実に位置させることができる。

本発明にかかる脚式歩行ロボット１０の斜視図である。 本発明にかかる足構造を示す図である。 本発明にかかる足構造による着地から接地までの様子を示す図である。 本発明にかかる足構造を示す図である。 本発明にかかる足構造による着地から接地までの様子を示す図である。 本発明にかかる足構造を示す図である。 本発明にかかる足構造を示す図である。

符号の説明

１ つま先部
２ 後方部
３ 関節
４ 足裏部
５ 衝撃吸収機構
１０ 歩行ロボット
１１ 本体
１２ 頭部
１３ 右腕部
１４ 左腕部
１５ 右脚部
１５ａ 腿部
１５ｂ 脛部
１５ｃ 足平
１６ 左脚部
１６ａ 腿部
１６ｂ 脛部
１６ｃ 足平
１８〜２２ 関節
４１ 踵部
４２ 中間部
５１ 先端部
５２ 支持部
５３ 弾性部

Claims (8)

1. つま先部と踵部を有する足平を備えた脚式歩行ロボットの足であって、
   前記つま先部と前記踵部の間にある中間部は、前記踵部からつま先部に向かう方向について連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されている脚式歩行ロボットの足構造。
2. 前記踵部の接地領域は、前記中間部における左右方向の幅の平均値よりも狭い幅を有することを特徴とする請求項１記載の脚式歩行ロボットの足構造。
3. 前記踵部が、踵部からつま先部に向かう方向について、連続的に接地面積が大きくなるように幅広に構成されており、かつ、前記踵部とつま先部との接続部分における幅が連続的に接地面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の脚式歩行ロボットの足構造。
4. 前記踵部及び前記中間部の底面は、前記踵部からつま先部に向かう方向に対して垂直な断面において、鉛直下方に凸となる曲面構造を有しており、該曲面構造の曲率は、前記踵部の曲率は前記中間部の曲率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の脚式歩行ロボットの足構造。
5. 前記曲面構造の曲率が、前記踵部から前記中間部のつま先部側に向かって連続的に小さくなるように変化していることを特徴とする請求項４記載の脚式歩行ロボットの足構造。
6. 前記踵部の底面が、前記踵部からつま先部に向かう方向に沿った、鉛直方向についての断面が鉛直下方に凸となる曲面構造を有していることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の脚式歩行ロボットの足構造。
7. 前記踵部より後方に先端部を有し、先端部が弾性部により脚部の下腿下端に位置する脛部に弾性部材を介して保持または接続されている衝撃吸収機構を備えている請求項１〜６いずれかに記載の脚式歩行ロボットの足構造。
8. 前記衝撃吸収機構において前記先端部が、前記踵部からつま先部に向かう方向に揺動可能に構成されている請求項７記載の脚式歩行ロボットの足構造。