JP2010184310A - 脚式移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡素であり低コストに足部の爪先部を形成することができる脚式移動ロボットを提供する。
【解決手段】 脚式移動ロボット１は、上体３と、上体３に関節を介して駆動可能に連結される２本の脚部２と、脚部２の先端に関節を介して駆動連結に連結される足部２２とを備える。足部２２は、足部２２の接地端である足平部１００を有し、足平部１００の爪先１１０から一定間隔離れた部位に、横全体に亘って爪先部１０２の厚みより薄い屈曲部１１２を形成した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、上体に連結された脚部の先端部である足部に爪先を備え移動性能を向上させた脚式移動ロボットに関する。

従来、上記のような脚式移動ロボットとしては、次のように、足部を構成したものが知られている。

第１に、足先部を足部の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部を有するものである（特許文献１参照）。

第２に、足部が、対応する脚部下端に対して固定的に取り付けるベース部と、ベース部の後端付近に固定配置した踵部と、ベース部から実質的に前方に向かって並んで延び且つベース部に対して上下方向に揺動可能に支持した一対の足先部とから構成されているものである（特許文献２参照）。

第３に、可動脚の最下端に配設され着床面を持つ足平部と、足平部の略前端縁にて脚式移動ロボットの機体のピッチ軸方向とは異なる取り付け方向の関節軸により回動可能に取り付けられた複数の爪先部とを備えるものである（特許文献３参照）。

第４に、相対的に揺動可能に接続されている２つの足平部と、２つの足平部を相対的に揺動させるアクチュエータとを備え、第１足平部は歩行ロボットの下腿部に接続され、第２足平部は接地面を有し、２つの足平部の揺動軸は、第１足平部の前端付近を左右方向に伸びるものであり、第２足平部の接地面は、接地している状態では揺動軸の前後いずれにも亘って伸びているものである（特許文献４参照）。

特開２００３−０４８１７８号公報 特開２００４−０９０１９４号公報 特開２００５−１５３０３８号公報 特開２００５−１６９５４４号公報

上記の従来技術では、足部に爪先部を設けるために回動自在である関節を有しているため、構造が複雑でありコストが嵩むという問題がある。

本発明は、構造が簡素であり低コストに足部の爪先部を形成することができる脚式移動ロボットを提供することを目的とする。

本発明は、上体と、前記上体に関節を介して駆動可能に連結される複数本の脚部と、前記脚部の先端に関節を介して駆動連結に連結される足部とを備える脚式移動ロボットにおいて、前記足部は、前記足部の接地端である足平部を有し、前記足平部の爪先から一定間隔離れた部位に、横全体に亘って爪先部の厚みより薄い屈曲部を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、足平部の爪先から一定間隔離れた部位に、横全体に亘って爪先部の厚みより薄い屈曲部を形成しているため、構造が簡素であり低コストに足部の爪先部を形成することができる。

本発明において、前記屈曲部は、前記足平部の前後方向に所定の幅を有する溝からなり、前記溝は、前記足平部の上面から隆起して、前後方向の断面が逆Ｕ字形の突状部に形成されていることが好ましい。

この好ましい形態によれば、足平部の爪先部が屈曲部の溝で曲がるときに、突状部の弾性により足平部が柔軟に曲がる。

また、本発明において、前記屈曲部は、前記足平部の前後方向に所定の幅を有する溝からなり、前記溝は、前記足平部の前後方向の幅が前記爪先部の後端から前端に向かって前記爪先部の中間まで延びて形成されていることが好ましい。

この好ましい形態によれば、足平部の爪先部が屈曲部の溝で曲がるときに、屈曲部の溝内の任意の部位で柔軟に曲がる。

本発明に係る脚式移動ロボットの一例を示す正面図である。 図１に示す脚式移動ロボットの側面図である。 図１及び図２に示す脚式移動ロボットをスケルトンで示す説明図である。 図１の足平部を示す斜視図である。 図１の足平部を示す斜視図である。

図１に示すように、脚式移動ロボット（以下「ロボット」という）１は、複数（この場合、２本）の脚部２を備えると共に、その上方には上体３が設けられる。上体３の更に上方には頭部４が形成されると共に、上体３の両側には２本の腕部５が連結される。また、図２に示すように、上体３の背部には格納部６が設けられ、その内部には電子制御ユニット（後述）およびバッテリなどが収容される。尚、図１及び図２に示すロボット１は、内部構造を保護するためのカバーで被覆される。

図３はロボット１をスケルトンで示す説明図である。同図を参照してその内部構造を関節を中心に説明すると、図示の如く、ロボット１は、左右それぞれの脚部２および腕部５に、１１個の電動モータで動力化された６個の関節を備える。

即ち、ロボット１は、腰部（股部）の股関節に、脚部２を鉛直軸（Ｚ軸あるいは鉛直軸）まわりに回転させる関節を駆動する電動モータ１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。左右対称であることから、以下Ｒ，Ｌの表記を省略する）と、脚部２をピッチ（進行）方向（Ｙ軸まわり）に揺動させる関節を駆動する電動モータ１２と、脚部２をロール（左右）方向（Ｘ軸まわり）に回転させる関節を駆動する電動モータ１４を備えると共に、膝部に脚部２の下部をピッチ方向（Ｙ軸まわり）に回転させる膝関節を駆動する電動モータ１６を備え、更に足首に脚部２の先端側をピッチ方向（Ｙ軸まわり）に回転させる足（足首）関節を駆動する電動モータ１８とロール方向（Ｘ軸まわり）に回転させる足（足首）関節を駆動する電動モータ２０を備える。

上記したように、図３において、関節はそれを駆動する電動モータ（あるいは電動モータに接続されてその動力を伝動するプーリなどの伝動要素）の回転軸線で示す。尚、脚部２の先端には足部２２が取着される。

このように、脚部２の股関節には電動モータ１０，１２，１４がそれらの回転軸線が直交するように配置されると共に、足関節（足首関節）には電動モータ１８，２０がそれらの回転軸線が直交するように配置される。尚、股関節と膝関節は大腿リンク２４で、膝関節と足関節は下腿リンク２６で連結される。

脚部２は股関節を介して上体３に連結されるが、図３では上体３を上体リンク２８として簡略的に示す。前記したように、上体３には腕部５が連結される。

腕部５も、脚部２と同様に構成される。即ち、ロボット１は、肩部の肩関節に、腕部５をピッチ方向に回転させる関節を駆動する電動モータ３０とロール方向に回転させる関節を駆動する電動モータ３２を備えると共に、その自由端側を回転させる関節を駆動する電動モータ３４と、肘部にそれ以降の部位を回転させる関節を駆動する電動モータ３６を備え、更にその先端側にそれを回転させる手首関節を駆動する電動モータ３８を備える。手首の先にはハンド（エンドエフェクタ）４０が取着される。

即ち、腕部５の肩関節には電動モータ３０，３２，３４がそれらの回転軸線が直交するように配置される。尚、肩関節と肘関節とは上腕リンク４２で、肘関節と手首関節とは下腕リンク４４で連結される。

図示は省略するが、ハンド４０は５本のフィンガ（指）４０ａの駆動機構を備え、フィンガ４０ａで物を把持するなどの作業ができるように構成される。

また、頭部４は、鉛直軸まわりの電動モータ（首関節を構成）４６と、それと直交する軸まわりに頭部４を回転させる頭部揺動機構４８を介して上体３に連結される。図３に示す如く、頭部４の内部には２個のＣＣＤカメラ５０がステレオ視自在に配置されると共に、音声入出力装置５２が配置される。

上記の構成により、脚部２は左右の足について６個の関節を備えて合計１２の自由度を与えられ、６個の関節を適宜な角度で駆動（関節変位）することで、脚部２に所望の動きを与えることができ、ロボット１を任意に３次元空間において歩行させることができる。また、腕部５も左右の腕について５個の関節を備えて合計１０の自由度を与えられ、５個の関節を適宜な角度で駆動（関節変位）することで所望の作業を行わせることができる。更に、頭部４は２つの自由度からなる関節あるいは揺動機構を与えられ、これらを適宜な角度で駆動することにより所望の方向に頭部４を向けることができる。

電動モータ１０などのそれぞれにはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられ、電動モータの回転軸の回転を通じて対応する関節の角度、角速度、および角加速度の少なくともいずれかを示す信号を出力する。尚、電動モータ１０などは具体的には、ＤＣサーボモータからなる。

足部２２には公知の６軸力センサ（以下「力センサ」という）５６が取着され、ロボットに作用する外力の内、接地面からロボット１に作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを示す信号を出力する。尚、力センサ５６は公知の如く、荷重を伝達する２つのフランジ部を連結すると共に、そこに複数のひずみ検出素子を取り付けてなり、それらの出力信号に基づいてセンサ基準点に作用する力やモーメントの各成分を算出して出力する構造を備える。

手首関節とハンド４０の間には同種の力センサ（６軸力センサ）５８が取着され、ロボット１に作用する床反力以外の外力、具体的にはハンド４０に対象物から作用する外力（対象物反力）の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを示す信号を出力する。

上体３には傾斜センサ６０が設置され、鉛直軸に対する上体３の傾き（傾斜角度）とその角速度の少なくともいずれか、即ち、ロボット１の上体３の傾斜（姿勢）などの状態量を示す信号を出力する。

これら力センサ５６などの出力群は、格納部６に収容されたマイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（Electric Control Unit 。以下「ＥＣＵ」という）７０に送られる（図示の便宜のためロボット１の右側についてのみ、入出力を図示する）。ＥＣＵ７０はＣＰＵ、メモリおよび入出力インターフェースなどからなるマイクロコンピュータを備え、ロボット１が安定な姿勢で移動できるように、関節角変位指令を算出して各関節を構成する電動モータ１０などの駆動を制御する。格納部６には、電動モータ１０などの駆動回路（モータドライバ）７２が回路ユニットとして収容されると共に、無線系７４とバッテリ７６も収容される。

ＥＣＵ７０は、無線系７４を介して同様にマイクロコンピュータからなる操作用ＥＣＵ７８と通信自在に接続される。操作用ＥＣＵ７８は操作用ユーザＩ／Ｆ７８ａを備え、ユーザ（操作者）が操作用ユーザＩ／Ｆ７８ａから入力した緊急停止などのコマンドは、無線系７４を通じてＥＣＵ７０に送られる。

上記した構成において、ＥＣＵ７０はそのメモリに格納された歩容パラメータに基づいてロボット１の歩行（移動）に歩容を生成し、生成された歩容に基づいて各関節の変位量（駆動量）を決定し、決定された変位量となるように駆動回路７２を介して該当する電動モータを駆動する。また、ＥＣＵ７０は、操作用ＥＣＵ７８を介して操作コマンドが入力されたとき、それに応じて停止などの動作を行なう。

本発明によれば、上記ロボット１の足部２２は、次のように構成される。

まず、足平部１００は、図４及び図５に示すように、矩形状に形成され中央部には底面１０４から立ち上がる箱状の側面１０６が設けられている。箱状の側面１０６には、上体３に股関節を介して駆動可能に連結される脚部２の先端に足関節を介して駆動可能に連結される足部２２の下端部が挿入され固定される。

箱状の側面１０６の前後には、所定の距離延びる爪先部１０２及び踵部１０８が設けられている。

図４に示すように、爪先部１０２は、爪先１１０から一定間隔離れた部位に、横全体に亘って爪先部１０２の厚みより薄い屈曲部１１２が形成されている。

屈曲部１１２は、足平部１００の前後方向に所定の幅を有する溝１１４からなる。溝１１４は、足平部１００の上面から隆起して、前後方向の断面が逆Ｕ字形の突状部１１６に形成されている。

本発明によれば、足部２２に爪先部１０２を設けるために回動自在である関節を使用しないため、構造が簡素であり低コストに足部２２の爪先部１０２を形成することができる。

また、足平部１００の爪先部１０２が屈曲部１１２の溝１１４で曲がるときに、突状部１１６の弾性により足平部１００が柔軟に曲がる。

また、図５に示すように、爪先部１０２は、爪先１１０から一定間隔離れた部位に、横全体に亘って爪先部１０２の厚みより薄い屈曲部１１２が形成されている。

屈曲部１１２は、足平部１００の前後方向に所定の幅を有する溝１１４からなる。溝１１４は、足平部１００の前後方向の幅が爪先部１０２の後端から前端に向かって爪先部１０２の中間まで延びて形成されている。

本発明によれば、足部２２に爪先部１０２を設けるために回動自在である関節を使用しないため、構造が簡素であり低コストに足部２２の爪先部１０２を形成することができる。

また、足平部１００の爪先部１０２が屈曲部１１２の溝１１４で曲がるときに、屈曲部１１２の溝１１４内の任意の部位で柔軟に曲がる。

即ち、溝１１４内の最薄の箇所から曲がりはじめるが、溝１１４内の最薄の箇所を含んだ任意の部位全体が柔軟に曲がることができるし、溝１１４内の全部の箇所が全体的に柔軟に曲がることができるので、容易に接地面積を確保することができる。

尚、足部２２に爪先部１０２を有することで下記の効果が得られる。

第１に、足部２２が柔軟である構造になることにより、ロボットの重心移動がスムーズになり装置の安定性が向上する。

第２に、容易に接地面積を確保できるため、歩行中、足平部１００が取り付けられた足関節の揺動関節角度を小さくすることができる。

第３に、揺動関節角度が小さくても安定して歩くことができるので、揺動関節角度を大きくすれば、歩幅が大きくなり走行速度を上げることができる。また、段差が大きい階段を昇降することができる。

第４に、接地していない脚（遊脚）の踵が着く前に、接地している脚（支持脚）の踵を上げることができ、爪先立ちの時間が長く取れることを利用した歩行タイミングに変更することができるため、人間のような自然な歩き方をさせることができる。

第５に、遊脚の蹴り出しが可能になるため、振り運動のアシスト力を出すことができるようになる。

以上、図示の実施形態のロボットについて説明したが、本発明はこれに限定されず、任意の形態の脚式移動ロボットに適用できるものである。

１…脚式移動ロボット、２…脚部、３…上体、４…頭部、５…腕部、６…格納部、１０Ｒ，１０Ｌ，１２，１４，１６，１８，２０，３０，３２，３４，３６，３８，４６…電動モータ、２２…足部、２４…大腿リンク、２６…下腿リンク、２８…上体リンク、４０…ハンド、４０ａ…フィンガ、４２…上腕リンク、４４…下腕リンク、４８…頭部揺動機構、５０…ＣＣＤカメラ、５２…音声入出力装置、５６，５８…６軸力センサ、６０…傾斜センサ、７０，７８…電子制御ユニット、７２…駆動回路、７４…無線系、７６…バッテリ、７８ａ…操作用ユーザＩ／Ｆ、１００…足平部、１０２…爪先部、１０４…底面、１０６…側面、１０８…踵部、１１０…爪先、１１２…屈曲部、１１４…溝、１１６…突状部。

Claims (3)

1. 上体と、
   前記上体に関節を介して駆動可能に連結される複数本の脚部と、
   前記脚部の先端に関節を介して駆動可能に連結される足部とを備える脚式移動ロボットにおいて、
   前記足部は、前記足部の接地端である足平部を有し、
   前記足平部の爪先から一定間隔離れた部位に、横全体に亘って爪先部の厚みより薄い屈曲部を形成したことを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 請求項１の脚式移動ロボットにおいて、
   前記屈曲部は、前記足平部の前後方向に所定の幅を有する溝からなり、前記溝は、前記足平部の上面から隆起して、前後方向の断面が逆Ｕ字形の突状部に形成されていることを特徴とする脚式移動ロボット。
3. 請求項１の脚式移動ロボットにおいて、
   前記屈曲部は、前記足平部の前後方向に所定の幅を有する溝からなり、前記溝は、前記足平部の前後方向の幅が前記爪先部の後端から前端に向かって前記爪先部の中間まで延びて形成されていることを特徴とする脚式移動ロボット。
   

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