JP2011521799A - 人型ロボットの足 - Google Patents

Abstract

本発明は足（１０）及び、足（１０）を使用する人型ロボットに関する。本発明は人の形態学に出来る限り近付いている人型ロボットの製作において、特別な有用性を見出す。
本発明によれば、足（１０）は、足の裏（１１）と、つま先（１２）と、くるぶしから独立した足の裏（１１）とつま先（１２）との間の回転における動力化された連結部（１３）であって、つま先（１２）が連結部（１３）の軸（１４）周りの角度行程に従って動くことができる連結部と、連結部（１３）の動力化を可能にするアクチュエータ（１９）と、独立式にアクチュエータ（１９）を制御する手段とを備える。

Description

本発明は足及び、足を使用する人型ロボットに関する。本発明は人の形態学に出来る限り近付いている人型ロボットの製作において、特別な有用性を見出す。

この形態学について説明する数学的モデルは、オハイオ州デイトンにある航空宇宙医学研究所（Aerospace Medical Research Laboratories in Dayton, Ohio）により、アメリカにおいて１９６０年代に開発された。Hanavan（ハナバン）モデルとしてよく知られているこのモデルは、与えられた人間の身長及び体重、体のあらゆる部分の寸法に関してパラメータ的に記述する。足は通常、足の矢状面において回転の自由度を有する継手を用いて共に接続される、足の裏とつま先を持つものとして表現される。

例えば、身長１．６ｍで体重５０ｋｇである１４歳の若者に対して、足は長方形の平行六面体の集合から成る。足の全長は２４３ｍｍ、幅は８０ｍｍ、かかとの高さは６２ｍｍで、足の後側とつま先の連結部との間の距離は２０７ｍｍである。

現今、多くの人型ロボットが開発されて来ているが、それらのいずれもＨａｖａｎａｎモデルに適合していない。さらに、既知のロボットはつま先の可動性又は受動的な可動性を持たない、広くて一体物の足を有する。そのような足はロボットの歩行の滑らかさを損ない、それを人類の歩き方から大幅に遠ざける。

動的計算は、同じく１．６ｍと５０ｋｇのロボットに対して１．２ｍ／ｓの速度における歩行を達成するには、足の裏とつま先間の連結が、３０Ｗの出力を伴う２０Ｎ・ｍのオーダートルク、及び０°〜＋６０°の範囲の動きを必要とすることを示す。

本発明の目的は、例えばHavananモデルでモデル化された、ロボットの製作と人間の生体構造との間の合致を改善することである。本発明のさらなる目的は人間の足の複雑なモデル化を再現することなく、ロボットが歩くときの運動の滑らかさを改善することである。

これらの目的を達成するため、本発明はつま先が足の裏に対して動ける足を実現することを提案する。本発明は又、つま先と足の裏間の連結部に、つま先の回転運動におけるその角度行程に依存しないトルクを加えることを提案する。確かに、つま先と足の裏間の連結部にそのようなトルクを加えることは、ロボットの歩行の滑らかさを改善するため、人間の足が確保するものに近づくように、ロボットの足の推進局面の改善を可能にする。

従って、本発明の主題は、くるぶしを用いて脚部につながれ得る人型ロボットの足であり、
足の裏（１１）と、
つま先（１２）と、
くるぶしから独立した、足の裏（１１）とつま先（１２）との間の回転における動力化された連結部（１３）であって、つま先（１２）が連結部（１３）の軸（１４）周りの角度行程に従って動くことができる連結部と、
連結部（１３）の動力化を可能にするアクチュエータ（１９）と、
独立式にアクチュエータ（１９）を制御する手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明のさらなる主題は、それが本発明による少なくとも一つの足を備えることを特徴とする人型ロボットである。

つま先の角度行程に応じたトルクを、つま先に加える試みがなされている。このトルクは、例えばつま先と足の裏間の連結部に置かれる、ねじりばねのようなばねを用いて加えられる。そのようなトルクは足の推進局面の改善に関して、有意義な結果を与えなかったことが見出されている。

本発明は、例として与えられている実施形態の、添付図により説明されている詳細記述を読むことによって、より良く理解され、その他の利点が明らかになるであろう。

本発明による足を透視図法で表わす。 矢状面における断面による足を表わす。 上面図における足１０を表わす。 足の裏に対するジャッキの継手を表わす。 足の裏に対するつま先の継手を表わす。 ジャッキに対するつま先の継手を表わす。

明確化のため、同じ要素は各種の図において同じ参照番号を持つであろう。

図１は、足１０の矢状面における、足の裏１１及び、軸１４周りの回転の自由度を有する連結部１３を用いて、足の裏１１に対して関節で接合されたつま先１２を備える、足１０を表わす。示された例において、複数のつま先１２は共に固定され、一体物の機械部品で作られている。つま先は２つの端部１５及び１６を有する。端部１５は軸１４の上に位置し、端部１６は足１０の先端を形成する。連結部１３はつま先が、軸１４周りに約６０°の運動の角度範囲で動くことを可能にする。図１は軸１４周りの、それらの回転運動における第１の端部位置でのつま先１２を示す。この位置において、つま先１２は足の裏１１と一直線になる。言い換えれば、足の裏は主として平面１７上を延び、２つの端部１５及び１６を通過している軸１８は、足の裏１１の平面１７内にある。図２は平面１７に直角な矢状面内の断面における足１０を示し、図３は上面図における足１０を示す。

つま先１２の第２の端部位置は、つま先１２が最高に上げられたとき、言い換えれば２つの端部１５及び１６を含む軸１８が足の裏１１の平面１７と６０°の角度をなすときに達せられる。

関節で接合されたつま先１２を含む足１０を備えたロボットの歩行の際、アクチュエータとしてダンパーを用いることが可能である。そのようなアクチュエータは、つま先１２の角度行程に依存せず、それらの角速度に依存するトルクをつま先１２に対して加える。通常、角速度がより大きくなれば、ダンパーによって加えられるトルクはさらに大きくなる。ダンパーの使用は、ロボットの歩行時に移動する速度の関数として、連結部１３に加えられるトルクを変えることを可能にする。ロボットが走るとき、それが歩くときよりも、ダンパーは連結部により大きいトルクを加えることを可能にする。勿論、行程に純粋に比例するトルクにより、ダンパーで与えられるトルクを補うことが可能である。

アクチュエータはまた連結部１３に駆動トルクを加えるためのモーターになり得る。このトルクは、つま先１２を第２の端部位置から第１の端部位置へ動かすことを可能にする。つま先１２に加えられるこのトルクは、足１０により生み出されるロボットの推進を改善し、歩行に必要なエネルギーを約３０％低減する。

より一般的に、足はアクチュエータ１９を独立式に、すなわちロボットのその他のあらゆる継手と無関係に制御するための手段を備える。例えば、連結部１３の運動はロボットのくるぶしの動き、又はロボットの歩行局面とは無関係である。アクチュエータ１９を制御する手段は、連結部１３の完全な固定と、連結部１３の角度行程の関数である復元トルクと、連結部１３の回転の減衰と、連結部１３の回転中に動力を加えることとから状態を選択することを可能にする。

連結部１３において足の裏１１とつま先１２との間に作用する回転モーターを用いて、この動力化を達成することができる。このタイプのモーターは、Havananモデルにより定義されるスペースの要求事項から離反し得る。別の代替手段は、その１つの端部２０がつま先１２の端部１６上に置かれ、その別の端部２１が足の裏１１に固定された縦材２２の上に置かれている、直線状のジャッキ１９を用いてこの動力化を実現することにある。縦材２２は足の裏１１の平面１７に対して直角に立つ。

縦材２２上のジャッキ１９の支持面は、ジャッキ１９の軸２３及び、連結部１３とつま先１２におけるジャッキ１９の支持面とをつないでいる軸１８が一点に集中するのを保つように、その中に足の裏１１が主として延びる平面１７の上部に位置する。言い換えれば、軸１８がジャッキの軸２３と一直線になるのを防ぐため、ジャッキ１９の端部２１は、平面１７の上部の縦材２２の最頂部において縦材２２と連結され、軸２３はつま先１２が動くとき、その位置と関わりなく端部２０と２１をつないでいる。そのような配列は連結部１３に対してトルクが加わることを防ぐであろう。それにも拘わらず、縦材２２の高さは足１０の体積を減らすために制限されなければならない。

足の裏１１の平面に対するジャッキ１９の傾きは、足の裏１１の平面のいずれかの側に延び得る、つま先１２の運動の或る角度範囲を可能にする。より正確には、運動の角度範囲は、主としてつま先１２を足の裏１１の平面に対して上昇させることを可能にする。ジャッキ１９の傾きはまた、つま先１２を僅かに足の裏１１の平面の下方に下げることを可能にする。つま先１２を下げない場合でも、ジャッキ１９のこの傾きは、ジャッキ１９によりつま先１２に加えられるトルクの増加を可能にする。この運動範囲は、ロボットの歩行の推進局面を改善することを可能にする。

足の裏１１は、かかと２４から足の裏１１の前部に位置する連結部１３へと延びる。縦材２２は足の裏１１の前の方へ取り付けられ、従って足の裏１１の後部を解放して、示されていないロボットのくるぶしを、そこに取り付けることを可能にする。

ジャッキ１９は電気式であっても良く、それはまた油圧作動油により作動しても良い。従って、ジャッキ１９は軸２３上でシリンダ３１内を動くことができる、ピストン３０を備える。ピストン３０は、ジャッキ１９の端部２０を形成するヨーク３３に取り付けられたロッド３２に固定されている。シリンダ３１内部においてピストン３０は２つの部屋３４と３５を画定し、油圧作動油がそれぞれ３６と３７のコネクタを介して、圧力下でそこに入ることができる。部屋３４と３５との間の圧力差は、つま先１２を動かすためにロッド３２の移動を可能にする。部屋３４と３５をシーリングするためにシールが用いられる。つま先１２は、部屋３４と３５との間の圧力差の記号に応じて上昇又は下降する。２つの部屋３４と３５に供給する油圧作動油は、ロボット上にあるポンプにより供給され得る。ロボットがとりわけその二足のために幾つかのアクチュエータを備えるとき、各々のアクチュエータに専用のポンプを用意することが可能である。

アクチュエータがダンパーに帰着する変形において、外部の油圧供給なしに、ジャッキ１９に類似のダンパーを用いることが可能である。そのとき２つの部屋３４と３５は、作動油が１つの部屋からもう１つの部屋へ通ることを可能にする、較正された導管を介して接続される。つま先１２を足の裏１１と一直線にするために、部屋３４又は３５の一方にばねを置くことができる。減衰機能はまた、１つの部屋から他方へとポンプを介して通る作動油の流量を較正することにより、達成され得る。この場合、ポンプの制御は必要に応じてジャッキ１９をモーター又はダンパーとして用いることを可能にする。従って、例えばロボットが歩行中に減衰パラメータを変えることが、有利にも可能であろう。より一般的なやり方で、同じアクチュエータは減衰機能又はモーターの機能を有し、これら２つの機能が組み合わされ得る。

擬人化された歩行を確実にするため、伸びにおけるジャッキ１９の圧力は最も重要である。部屋３４だけに圧力油が供給され得る、単動式のジャッキの助けにより動力化が達成可能である。ジャッキの戻り動作を確実にするため、大気圧に保たれている部屋３５に、ばねがそのとき設置される。

ジャッキ１９の端部２０及び２１は、それぞれつま先１２に対して、及び縦材２２に対して関節で接合される。各々の継手は軸１４に対して平行な軸周りの、回転の自由度を有する。

図４は縦材２２との関連でジャッキ１９の継手を表わす。この継手はジャッキ１９のフォーク４１に固定されたシャフト４０を含む。フォーク４１はジャッキ１９の端部２１を形成する。シャフト４０は軸４２上を、軸１４と平行に延びる。シャフト４０は例えばネジ４３を用いてフォーク４１に取り付けられる。シャフト４０は縦材２２内部に作られた軸４２の内径４４の内側で旋回可能である。シャフト４０が内径４４の中で回転するとき摩擦を低減するため、軸受４５及び４６を内径４４とシャフト４０との間に配置することができる。フォーク４１は、軸４２上の縦材１１に対する、ジャッキ１９のあらゆる並進運動を防止する。

図５は足の裏１１に対するつま先１２の継手を表わす。連結部１３を形成するこの継手は、縦材２２上のジャッキ１９の継手と同様に作られ得る。足の裏１１はフォーク５０を含む。軸１４のシャフト５１はネジ５３を用いて、つま先１２に属するヨーク５２に取り付けられる。シャフト５１はフォーク５０の内径５４及び５５の中を滑ることができる。軸受５６及び５７はシャフト５１とそれぞれ５４及び５５の内径との間に挿入され得る。

軸１４周りのつま先１２の角度位置を測定するため、足の裏１１に対する、つま先１２に固定されたシャフト５１の角度位置の関数としての、電気的情報の項目を配信するポテンショメーター５８を、軸受５７の脇に配置することができる。この情報はジャッキ１９の制御を確定するために用いられ得る。

図６はジャッキ１９に対するつま先１２の継手を示す。この継手もまた前の２つの継手と同様に製作され得る。つま先１２の端部１６は、その中に軸６１のシャフト６０がネジ６２及び６３を用いて取り付けられている、フォークの形状を持つ。シャフト６０は、ヨーク３３の内径６４の中で旋回可能である。シャフト６０が内径６４の中で回転するときの摩擦を低減するため、軸受６５及び６６を内径６４とシャフト６０との間に配置することができる。

Claims (10)

1. くるぶしを用いて脚部につながれ得る人型ロボットの足であって、
   足の裏（１１）と、
   つま先（１２）と、
   くるぶしから独立した、前記足の裏（１１）と前記つま先（１２）との間の回転における動力化された連結部（１３）であって、前記つま先（１２）が前記連結部（１３）の軸（１４）周りの角度行程に従って動くことができる連結部と、
   前記連結部（１３）の動力化を可能にするアクチュエータ（１９）と、
   独立式に前記アクチュエータ（１９）を制御する手段と、
   を備えることを特徴とする足。
2. 前記アクチュエータ（１９）を制御する手段が、
   前記連結部（１３）の完全な固定と、
   前記連結部（１３）の角度行程の関数である復元トルクと、
   前記連結部（１３）の回転の減衰と、
   前記連結部（１３）の回転中に動力を加えることと、
   から状態を選択するのを可能にすることを特徴とする、請求項１に記載の足。
3. 前記連結部（１３）が、前記足（１０）の矢状面内で、前記足の裏（１１）に対する前記つま先（１２）の回転を可能にすることを特徴とする、請求項１あるいは２のいずれか一項に記載の足。
4. 前記アクチュエータが、前記足の裏（１１）に固定された縦材（２２）上、及び前記つま先（１２）上に支持された直線状のジャッキ（１９）で形成され、前記ジャッキ（１９）が前記足の矢状面内に含まれる軸（２３）に従う運動を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の足。
5. 前記つま先（１２）が前記足の裏（１１）と一列に並ぶとき、前記つま先（１２）が前記足の裏１１の主平面の下に下げられることを可能にするように、前記ジャッキの軸（２３）が前記足の裏（１１）の主平面に対して傾いていることを特徴とする、請求項４に記載の足。
6. 縦材（２２）上の前記ジャッキ（１９）の支持面が、前記ジャッキ（１９）の前記軸（２３）及び、前記連結部（１３）と前記つま先（１２）における前記ジャッキ（１９）の支持面とをつないでいる軸（１８）が一点に集中するのを保つように、その中に前記足の裏（１１）が主として延びる平面（１７）の上部に位置することを特徴とする、請求項４あるいは５のいずれか一項に記載の足。
7. 前記ジャッキ（１９）が電気式又は油圧式であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の足。
8. 前記ジャッキ（１９）が、前記つま先（１２）を下降又は上昇させることを可能にする複動式ジャッキであることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の足。
9. 前記ジャッキ（１９）が、前記つま先（１２）を下降させるため、それらを押すように設計された単動式ジャッキであることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の足。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の、少なくとも１つの足（１０）を備えることを特徴とする、人型ロボット。

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