JP2009113146A - 多脚歩行式移動装置の足部機構 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構1であって、脚ユニットの先端に取り付けられるベース部材2と、ベース部材2に固定されていて、一直線上に並ばない3つの接地点31e,32e,33eを有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材31,32,33と、支持部材31,32,33に設けられ、接地点31e,32e,33eにおける床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置31c,32c,33cであって、接地点31e,32e,33e全てを含んでなる第1の仮想足底平面P1の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、からなる足部機構1とした。
【選択図】図1
Description
なお、ここでのX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向とは、二脚歩行式ロボット112の前後方向(前方+)、横方向(右方+)、上下方向(上方+)を指す(以下同じ)。
非特許文献1記載の足部機構201は、図10(非特許文献1の図3を引用)に示す如く、足部機構201の4隅に受動的に上下動する支持部材203を有していて、路面の凹凸にならうようになっている。各支持部材203には、それぞれ接地を感知するスイッチ(不図示)が設けられている。スイッチが4つの支持部材203全ての接地を感知すると、各支持部材203がロックされる。これにより、速やかに支持多角形が構成され、保持される。
特許文献1記載の足部機構301は主に、図11(特許文献1の図2を引用)に示す如く、ベース部302と、ベース部302の後端付近に固定配置された踵部331と、ベース部302の下端に設けられた関節部(駆動モータ)332,332と、関節部332,332から実質的に前方に向かって並んで延び、ベース部302に対して上下に揺動可能に配置された一対の足先部333,333と、から構成されている。踵部331および足先部333,333の先端の下面には、床反力情報を得るための3軸力センサ334が設けられている。各3軸力センサ334からの検出値に基づき、関節部332,332が適宜駆動制御されることにより、不整地においても、踵部331と足先部333,333とで常に3点接地するようになっている。
橋本健二,菅原雄介,林昭宏,川瀬正幹,太田章博,田中智明,遠藤信綱,沢戸瑛昌,林憲玉,高西淳夫:2足歩行ロボットの不正地適応能力向上を図った足部機構の開発(第3報:新保持機構開発による不整地歩行の実現),第24回日本ロボット学会学術講演会講演論文集,2F15, 2006.
ここで、「足」とは人間でいう足首からつま先までに対応する部分を指し、「脚」とは人間でいう足首から骨盤までに対応する部分を指す(以下、同じ)。
また、「第1の仮想足底平面」とは、足部機構における3本の支持部材の先端(接地点)全てを含む(通る)平面を指す(以下、同じ)。つまり、「第1の仮想足底平面」は、例えば不整地等において支持部材の先端が突起上に乗り上げたとき、図7に示す如く、実際の床面とは一致しないこととなる。なお、図7は、2次元的に表現する都合上、足部機構の支持部材を2本としている。
また、「前記接地点全てを含んでなる第1の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力」は、例えば不整地等において支持部材の先端が突起上に乗り上げたときのものを図示すると、図7のようになる。
ここで、「基準接地点」とは、実際の接地点近傍にそれぞれ定義されるベース部材に対して固定された点であって、実際の接地点とは必ずしも一致しないが、実ZMP算出上、接地点と同等に取り扱っても問題ない点を指す。
つまり、接地点または基準接地点はベース部材に対して固定されており、かつそれらの座標は既知であるため、各接地点における床反力であって仮想足底平面の法線方向に作用する床反力を検出するだけで、上記実ZMPを容易に算出することができる。
図1は本発明にかかる足部機構の一例を示す斜視図、図2は図1の足部機構を適用した二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図、図3は図1の足部機構において実ZMPを算出する方法を説明するための図、図4は図2の二脚歩行式ロボットにおける制御ユニットの構成を示すブロック図である。
ここで、以下の式は、x軸およびy軸が仮想足底平面P1上にあるローカル座標軸(図3参照)に基づいて定義される。つまり、本発明の足部機構1における実ZMPは、仮想足底平面P1に固定されたローカル座標軸に関して算出される。
つまり、床反力を受ける点が接地点31e,32e,33eに固定されるため、各接地点31e,32e,33eにおける床反力であって仮想足底平面P1の法線方向についての床反力を検出するだけで、実ZMPを容易に算出することができる。
なお、各脚ユニット4それぞれに独立してZMP規範を用いた立位バランス制御を行うことで、多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持することができる理由は、次に議論するとおりである。
多脚歩行式移動装置の接地状態において、接地している足がi=1,2,・・・N本あるとする。足iの接地点を簡単のために離散化し、pij(j=1,2,・・・,Ni)とする。
ここで、床面が単一平面であるならば、接地点pijにおける床面に垂直な床反力をfijzとして、多脚歩行式移動装置全体のZMPは次のように導出される。
・多脚歩行式移動装置全体のZMPは、各足ZMPのつくる凸包内に存在する。
・各足ZMPの作る凸包内における多脚歩行式移動装置全体のZMPの位置は、すべて
の足を考慮した支持多角形内でαiに依存して変化する。
接地しているN本の足それぞれの支持多角形の凸包が多脚歩行式移動装置全体の支持多角形であることを考えれば、全体と各足のZMPの関係は次のようになる。
・少なくとも1つの各足ZMPが、その足の支持多角形内(境界を除く)に存在するな
らば、多脚歩行式移動装置全体のZMPは、全体の支持多角形内に存在する。
すなわち、必ずしも多脚歩行式移動装置全体のZMPを考慮しなくても、各足ZMPを各足についてローカルに計測し、各足ZMPを各足の支持多角形内に保つように制御することによって、多脚歩行式移動装置全体の立位バランス保持が可能である。
また、式(6)から、例えば上体を動かして各足に加える重量の割合、つまりαiを変化させることにより、各足ZMP位置とは独立に、各足ZMPの作る凸包内で多脚歩行式移動装置全体のZMPの位置を操作できる。すなわち、各足ZMPの各足ローカルな制御によって多脚歩行式移動装置全体の立位バランスを保持しつつ、全く独立な制御を上体に適用し、多脚歩行式移動装置全体のZMPを、例えばある単一の足の支持多角形内に移動させることが可能である。これは、多脚歩行式移動装置の歩行運動における立位バランス保持と歩行動作生成を、それぞれ独立した制御で別個に行なうことを可能にする知見である。
単一水平面上での議論と同様に、多脚歩行式移動装置の接地状態において、接地している足がi=1,2,・・・,N本あるとする。足iの接地点を簡単のため離散化し、pij(j=1,2,・・・,Ni)とする。足iは少なくとも3点で接地(Ni≧3)しており、この3点を含む平面を足iの仮想足底平面とする。ただし、不整地であるので、各足の仮想足底平面は必ずしも同一水平面上にない。
この場合でも、接地点pijにおいて仮想足底平面iに垂直な床反力をfijzとし、少なくとも1つの足iにおけるすべての垂直床反力について、fijz>0(j=1,2,・・・,Ni)ならば、足iのZMPは足iの支持多角形内にあり、足iは仮想足底平面における接地状態から剥がれることはない。
すなわち、不整地においてもやはり、必ずしも多脚歩行式移動装置全体のZMPを新たに定義して複雑な解析を行なわなくとも、各足ZMPを各足についてローカルに計測し、各足ZMPを支持多角形内に保つように制御することによって、多脚歩行式移動装置全体の立位バランス保持が可能である。
本発明の足部機構における3つの接地点の位置関係は固定されているのが原則であるが、仮想足底平面の法線方向への比較的小さな変位であれば、実際上問題ない。そこで、図5に示す如く、足部機構1’の支持部材31’,32’,33’に簡単な緩衝機構を導入してもよい。
1 足部機構
2 ベース部材
31,32,33 支持部材
31a,32a,33a 連結部
31b,32b,33b 接地本体部
31c,32c,33c 1軸力センサ(床反力検出装置)
31d,32d,33d 接地片
31e,32e,33e 接地点
Claims (2)
- 多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
前記ベース部材に固定されていて、一直線上に並ばない3つの接地点を有すると共に、当該接地点のみで接地するようになっている支持部材と、
前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記接地点全てを含んでなる第1の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを検出するものと、
を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。 - 多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
前記ベース部材に固定された支持部材であって、前記ベース部材に対して固定された一直線上に並ばない3つの基準接地点と、当該基準接地点全てを含んでなる第2の仮想足底平面の法線方向に沿って当該基準接地点を通る軸上をスライド可能であると共に、前記基準接地点近傍にそれぞれ接地点を有する3つのスライド片と、を備えていて、前記接地点のみで接地するようになっているものと、
前記支持部材に設けられ、前記スライド片を、そのスライドの方向であって前記接地点における床反力に逆らう方向に付勢する付勢手段と、
前記支持部材に設けられ、前記接地点における床反力をそれぞれ検出する床反力検出装置であって、前記スライド片のスライド変位量を検出する検出器を備え、当該検出器によって検出した前記スライド変位量から、前記第2の仮想足底平面の法線方向に作用する床反力のみを算出するものと、
を備えてなることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。
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