JP2826858B2 - 脚式歩行ロボットの足部構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は脚式歩行ロボットの足部構造に関し、ヒトに
見られる様な滑らかで迅速な歩容を実現することが出来
る様にした、２足歩行ロボットの足部構造の改良に関す
る。

（従来の技術） より広範な移動環境を制覇するものに脚式の移動機械
があり、その中で狭い作業環境でも自由に行動出来る利
点があるものに２足歩行式の移動機械（以下「２足歩行
ロボット」と称する）が考えられる。斯る従来技術の一
例としては、特開昭62−97005号、特開昭62−97006号に
記載されたものを挙げることが出来る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した従来技術に見られる如き２足
走行ロボットにあっては、その歩行動作が不自然であ
り、人間に見られる様な滑らかで迅速な動きからは甚だ
遠いものであった。この事は歩行動作に必要以上のエネ
ルギを消費する、乃至は作業内容に制約をもたらす等の
不都合を生じ、改良すべき多くの点を残している。

従って、本発明の第１の目的は、歩行時において直進
する際にも旋回する際にも着地の前後を通じて滑らかで
迅速な歩容を実現することが出来、また省エネルギ性に
も優れた、構造が簡易で小型・軽量な脚式歩行ロボット
の足部構造を提供することにある。

更に、２足歩行ロボットが移動する路面は必ずしも水
平とは限らず、凹凸が存在することも予想されるが、２
足歩行ロボットの足底部は、そうした接地面の凹凸に良
く馴染むことが望ましい。逆に言えば、馴染み性が良く
なければ必要な駆動力を発揮することが出来ず、接地面
から十分な反力が得られないときは姿勢の制御、方向の
制御が不十分となり、最悪の場合には転倒することも生
じ得る。

従って、本発明の第２の目的は、接地面に良く馴染む
ことが可能な脚式歩行ロボットの足部構造を提供するこ
とにある。

更に、それに付随し、２足歩行ロボットにおいては着
地時に路面反力に因る衝撃を受けることとなるが、その
衝撃力を適宜緩衝することが、必要な力を路面に伝達し
て姿勢を保持させる、乃至は歩行の周期に併せて体の重
心を上下に制御する上で望ましい。

従って、本発明の第３の目的は、着地時の衝撃を効果
的に緩衝させることが出来る構造が簡単で小型・軽量な
脚式歩行ロボットの足部構造を提供することにある。

更にまた、前記した第１の目的等を達成しようとして
後述する如く足底部の先端（先相当部位）乃至は後端
（踵相当部位）を曲面形状に構成する場合には、静止し
て佇立しているときの安定性が、低下する。また着地時
や臨床時には足底部と接地面とは線接触となり、路面が
水平ではない場合には不安定な接触となり、水平面であ
っても路面とは足底部の巾の距離でしか接触することが
出来ないので、脚部を垂直軸回りに回そうとするモーメ
ントが発生したときは耐力が不足し、ロボットが進行方
向から回転して予期しない方向を向くことも起こり得
る。

従って、本発明の第４の目的は、直立時には足底部の
面積が実質的に増大して安定性を高め、歩行中の着地、
離床時には地面に良く馴染んで地面との接触面積を増加
することが出来る脚式歩行ロボットの足部構造を提供す
ることにある。更にはそれに付随して、上記した機能を
有しつつ、歩行時の衝撃の吸収効果をも有する脚式歩行
ロボットの足部構造を提供することを目的とする。

更にまた、前記した静止時の安定性の問題は、将来的
に技術が進歩して一層小型・軽量なアクチュエータが出
現したときにも起きる問題である。即ち、静止して佇立
している場合に、これらのアクチュエータに常時電流等
のエネルギを供給してサーボロックしておくのは省エネ
ルギの観点からも望ましくなく、かと言ってエネルギの
供給を止めれば静的安定性が減少すると言う相反する問
題があるからである。

従って、本発明の第５の目的は、足底部の爪先相当部
位に人の足指に相当する可動部を設けると共に、この可
動部を静止時にはエネルギを供給することなく固定自在
にして静的な安定性と省エネルギ性とを両立させた脚式
歩行ロボットの足部構造を提供することにある。

更にまた、ロボットの歩行中の安定性を考えて見る
と、４足のロボットの場合は十分に広い低面積を確保す
ることが出来、重心の高さに対する低面積の比率が大で
あることから、２足のものに比べると、格段に有利であ
る。２足歩行ロボットでは上記の考え方に従えば重心は
高く、かつ２本の足で作る底面積は極端に少ないし、歩
行中には当然１本の脚部で体を支える立脚期が不可避で
あるので、一層条件は厳しくなる。この様な、ロボット
の安定動作に寄与するセンサとしては、視覚、平衡覚
（傾斜計等）、各関節の角度、それに足底部からの地面
反力を検出するもの等が考えられるよう。

この足底部の検出機能について考えてみると、踏んだ
物の形状と路面の凹凸度とを検出することが望ましい。
何故ならば、２足歩行ロボットは人間の活動空間では人
間と同じ様に動作（歩行）する必要があり、その空間に
は階段、敷居、或いは床面に敷設された電線等、無数の
凹凸が予定されているからである。

従って、本発明の第６の目的は、足底部に少なくとも
２次元平面的な接触情報を得るための２値以上の情報を
検出する接触センサを備える様にした脚式歩行ロボット
の足部構造を提供することにある。

更にまた、足の構造としては路面の微小な凹凸に良く
馴染む必要があり、斯く馴染むことによって足と路面間
の駆動力・反力の伝達を良好なレベルに保ち、もって姿
勢制御や進行方向の維持を良好なものとする必要がある
が、他方足底部のセンサ自体は被覆して保護しなければ
ならない。そこで適宜な表皮で前記センサを覆えば、そ
の分、センサとしての機能は低下し、センサの感度低下
を嫌えば、保護性に優先して表皮の厚みを薄くせざるを
得ないと言った相反する問題点がある。

従って、本発明の第７の目的は接触センサ自体に柔軟
性が確保されており、これを保護する表皮の厚みを最小
限に抑えることが出来る脚式歩行ロボットの足部構造を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的、例えば第１ないし第３の目的を達成する
ために本発明は例えば請求項１項において、複数本の可
動脚部を備えると共に、その可動脚部の先端に足底部を
設けて歩行自在とした脚式歩行ロボットにおいて、前記
可動脚部と前記足底部を足関節で連結して前記足底部を
前記可動脚部に対して進行方向およびそれに直交する幅
方向に相対回転自在にすると共に、前記足底部の周縁の
少なくとも一部に、歩行時に前記足関節が進行方向に描
く軌跡が地中の仮想点を中心とする所定の曲線あるいは
それに近似する曲線となる如く曲面部位を形成する如く
構成した。

（作用） 第26図に関して説明すると、足底部周縁を曲面形状に
形成することによって、立脚期において足関節（符号Ｃ
で示す）が進行方向に平行な面で大きく弧を描く様に構
成したものである。即ち、大きく弧を描くことによって
立脚期から次の遊脚期にかけて軌跡全体を滑らかに繁げ
ると共に、足関節が地面の内部に存在する中心点Ｏの回
りに回転することになるので、この瞬間に恰も脚部全体
が長くなって、例えば足関節の動きを無視すれば、下腿
の長さが点Ａとの間を結ぶAOの長さの脚部を持つことと
なり、見掛け上コンパスが長くなって歩幅を大きくとる
ことが出来、歩行速度を上げることが出来るからであ
る。

この点を第27図を参照して更に敷衍すると、いま足底
部先端が想像線で示す如く断面直角状であったとする
と、点Ａの軌跡はＱ点を中心として描かれることになる
（その半径をｒで示す）。それに対して足底部先端を曲
面形状とすることにより、点ＡはＯ点を中心として半径
Roの軌跡を描くことなる。その結果、距離ｄだけ多く移
動することとなって、その分歩行速度が上がることにな
る。従って、本明細書で“所定の曲線”とは、結果とし
てｒ＜Roの関係を満足する様な曲線を意味するものとし
て使用する。

本発明においては、斯る因果関係に着目して足底部周
縁の形状を決定する様にしたので、結果的に滑らかで迅
速な歩行を実現することが出来る。さらに、第４、第５
の目的を達成するために、請求項11項ないし請求項19項
に記載する如く構成すると共に、第６、第７の目的を達
成するために、請求項20項および請求項21項に記載する
如く構成した。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。理解の便宜上、第３図の参照して本発明に係る歩行
ロボットの全体を下方から概略的に説明すると、この歩
行ロボット１は、足部10、下腿部12、大腿部14及び胴体
部16を備え、各部はそれぞれ足関節18、膝関節20及び股
関節22で互いに結合される。各関節には電動モータ24,2
6,28,30,32,34が配置される。尚、この歩行ロボット１
は、足部も含めて各部材とも左右対称であるので、以下
の説明では一方についてのみ行う。

第１図は足部10の断面図（矢状面、即ち直進方向に平
行な面で切断）であり、第２図はその一部破断正面図で
ある。第２図において足関節18にあっては、第１の電動
モータ24（図示の便宜のため第３図においては足首位置
に示したが、実際は下腿部12の適宜位置に取着される）
の出力がベルト36を介してハーモニック減速器38（商品
名）の入力端に入力され、周知の如く適宜な倍率で減速
して増力され、下腿部12に取着される固定部40とその下
部の回転部42とを軸線44を中心として歩行進行方向に相
対回転させる。該軸線44と直交する位置には第１図に良
く示す如く、第２の前記した電動モータ26が配置され、
その出力は第２のハーモニック減速機46に入力され、前
記固定部40と回転部42とを第２の軸線48を中心として進
行方向に直交する左右方向（幅方向）に相対回転させ
る。

回転部44の下方には公知の６軸力センサ50が取着さ
れ、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とを分離して測定し、足部の着地の有無乃至は
接地荷重等を検出する。６軸出力センサ50の下部には船
形のフレーム52が固定される。フレーム52はアルミ材等
の軽量かつ剛性に優れた素材から構成され、その下面は
足底部（いわゆる足の裏）54を形成し、該足底部54は大
略平坦な中央部56と歩行方向の先端側に位置する爪先部
58及び後端側に位置する踵部60とからなる。またフレー
ム52は上面にあっては先端側において大略平面を呈する
と共に、その両側は６軸力センサ50に向かって徐々に隆
起して足背部（いわゆる足の甲）62を形成する。足底部
54において爪先部58と踵部60とには着地時の衝撃を吸収
させ、また路面の凹凸に馴染ませるために均一な厚みを
備えたゴム材等からなる弾性体64,66が接着等の適宜な
手段で貼付される。より具体的にはこれらの弾性体は人
の足底部の３点支持箇所に対応させた位置に取着されて
おり、題５図に良く示す如く濡れた床面等を歩行する際
の排水性も考慮して中央付近には貼着しないと共に、先
端側の弾性体64も両側に分けて貼付する（題１図におい
ては理解の便宜のため、ハッチングを付して示した）。

而して、足底部54の爪先部58は図示の如く上方に向け
て湾曲せしめられ、その曲率は第26図及び第27図に示し
た歩行時に足関節が進行方向に平行な矢状面で所定の軌
跡を描く様に決定する。即ち、足底部54の形状が足関節
の空間軌跡を決定することになるが、そのとき該軌跡が
第26図に示した地中内の仮想点Ｏを中心とする弧状とな
る様に爪先部58の曲率を決定する。但し、発明者達が知
見した限りでは、その軌跡に略近似する曲率を備えた円
弧で置換させても同様の作用効果を得ることが判ったの
で、図示の例においては第４図に示す如く、点Obを中心
として半径Ｒで描く円弧状のカム形状に形成した。尚、
第４図にこの単一の円弧で設定したときの足関節18（前
記Ｃ、即ち軸線44）の軌跡を示す。また爪先部58に形成
されるカム形状部は第５図の縮小底面図に良く示す如
く、歩行路の外側（対向する右足側を内側とするとき、
それと反対の側）、より具体的には人の足部の小指相当
部位、に近づくに従って足関節18（６軸力センサ50の取
着位置で示す）に近接する様に構成する（第５図におい
ては弾性体64,66を剥離し、カム形状部の湾曲度を等高
線で示す）。斯く構成することによって、第28図に示す
如く、曲がるときのカーブが急峻になるのに応じて体幹
の重心が移動して足底部から抜けていくときの経路（P
n）を、親指相当部位から小指相当部位へと連続的に変
化させることが出来、滑らかで迅速な旋回動作を実現す
ることが出来る。尚、このカム形状部は旋回度の如何に
関わらず、常に地面の内部の仮想点を中心とする円弧
（乃至はその近時円弧）を持つ様に形成すると共に、そ
れらの軌跡が水平面から見れば滑らかに繁がる様に形成
する。尚、踵部60も適宜に湾曲せしめるものとする。

次に進行制御に関して説明すると、前記した胴体部16
にはエネルギ源が収容されて電動モータ24等に供給する
と共に、そこにはマイクロ・コンピュータを備えた制御
ユニット70が収納されて、歩行動作を制御する。即ち、
６軸力センサ50の出力は信号線72を経て該制御ユニット
70に送られると共に、各電動モータにはその回転角度を
検出するロータリエンコーダ74,76（図示の簡略化のた
め第３図には足関節のものだけを示す）が配置され、検
出値を制御ユニット70に送出する。第６図はその制御ユ
ニットの構成を詳細に示す説明ブロック図であるが、６
軸力センサ50の出力は増幅器78及びA/D変換回路80を経
てマイクロ・コンピュータに入力され、CPU82はタイマ8
4の計数値に応じて所定時間毎に入力値をRAM86に格納す
る。またロータリエンコーダ74等の出力パルスもカウン
タ88を介してRAM86に格納される。CPU82は検出パラメー
タに応じてROM90に予め格納された値に基づいて各関節
の駆動制御値ＶCを算出し、D/A変換回路92を介してサー
ボドライバ94に出力し、各関節の電動モータ24等を駆動
する。またロータリエンコーダ出力値はF/V変換回路96
を介してサーボドライバ94に送出され、フィードバック
制御を可能としている。

第７図はその動作を示すフロー・チャートであり、同
図に即して説明すると、先ずS10において各部をイニシ
ャライズした後、S12で６軸力センサ50等の出力を入力
し、S14で歩行パターンを計算し、S16で関節駆動を開始
して歩行をスタートさせ、S18で歩行終了が決定される
まで繰り返す。而して、その歩行動作において歩行ロボ
ット１は、足底部54が中央部56を中心とする荷重面全体
で接地し、次に爪先部58で地面を蹴って体幹を前方に推
進させることになるが、このとき足底部先端は前記した
軌跡に合致したカム形状部に沿って転動することから速
度成分の変更の少ない滑らかな走行動作を実現すると共
に、旋回歩行であったときでも前方中心点を小指相当部
位即に変位させてカム形状部を転動させるので、同様に
滑らかに迅速な歩行を達成することが出来る。

本実施例の場合、製作容易で簡易な形状で人間の歩行
の様に滑らかな歩行を実現することが可能となる。また
旋回時においても効果的な重心移動を簡単な形状で実現
することが可能となる。更にまた、カム形状を爪先部58
に与えた後、その表面を柔らかな弾性体64で被覆してい
るので、上記の目的を達成しつつ、路面の凹凸に対して
も容易に馴染ませることが出来、路面との接触面積を十
分確保することが出来、姿勢制御の安定化、進行方向の
制御の安定化に寄与することが出来る。尚、弾性体64
（66）が長期の使用により摩耗したときも、フレーム52
ごと交換することで、容易に保守することが出来る。

尚、上記実施例でフレーム52をアルミ材から製作した
が、それらに限られるものではなく、剛性と軽量性に優
れたものであれば、繊維強化樹脂の如きものであっても
良い。また弾性体64,66についても均一な厚みである必
要はなく、適宜なパターンを刻設して滑り止めを設けて
も良く、また一層である必要はなく、異なる特性のゴム
材を適宜積層させて構成しても良い。

第８図乃至第11図は本発明の第２の実施例を示す歩行
ロボットの足部10の矢状面断面図である。尚、本実施例
及び以下の実施例において、第１実施例と同一又は類似
する部材については同一の符号を付し、特徴的な場合を
除き、その説明を省略する。第２実施例の特徴の一つは
足底部54の踵部60についても前記した空間軌跡に合致す
る軌跡を描くカム形状に構成したことにある。即ち、第
29図に示す如く、同様の理由から着地時においても足関
節Ｃ（軸線44）が、仮想点Obを中心とするサイクロイド
曲線状の軌跡を描くことが望ましい。そこで踵部60につ
いても同様に設定するものであり、具体的には第11図に
示す様に第１実施例と同様に点Ocを中心とする半径Rcの
円弧で代表せしめた。

第９図は足底部54の縮小底面図であるが、等高線で示
す如く、踵部60は軸方向に連続する全体として丸みを帯
びた凸面状に形成され、踵部60がどの部位から着地して
も足関節において前記した円弧が得られる様に形成す
る。而して、本実施例においてはフレーム52は踵部位置
で大きく凹んでおり、そこに、第９図及び第10図（第９
図Ｘ−Ｘ線断面図）に良く示す如く、幅方向に３個の凹
部100,102,104が穿設される。即ち、第10図断面図に良
く示す如く、踵部60の表面には局部的に第１の弾性体10
6が貼付されると共に、３個の凹部の底部には第2,第3,
第４の弾性体108,110,112が積層して設けられ、積層性
体114を形成する。ここにおいて特徴的な点の一つは、
これら弾性体の弾性係数を相違させたことにある。即
ち、着地時の衝撃力を緩衝することと、必要な力に路面
を伝達して姿勢を保持したり、歩行の周期に併せて体の
重心を上下に制御したりすることとを両立させる上で
は、第30図に示す如く、踵部に、概ね小さな力で大きな
変形を示す第１の段階（符号ａ）と、その後の大きな力
が加わっていてもそれほど変形が増加しない第２の段階
（符号ｂ）とからなる粘弾性特性を与えるのが望まし
い。その意図から、第１の弾性体は106は比較的弾性が
低く、第30図に関して説明した荷重に対する変形量が比
較的小さい、符号ｂを示す特性を示すゴム材等を適宜選
択して使用するものする。また積層弾性体114について
は全体として第30図に符号ａで示す荷重に対して略線型
に変形量が増加する特性が得られるゴム材等を適宜選択
して製作する様にした。また積層弾性体114は凹部100,1
02,104内において壁面との間に所定の間隙ｇを有して収
容され、印加荷重に応じて体積を増加することが出来る
様にすると共に、その径方向高さｈは第１弾性体106を
貼付した部位のそれに比して所定値ｈだけ大となる様に
構成する。

本実施例に係る脚式歩行ロボットの足底部構造による
ときは、効率的で滑らかな着地動作を簡単なカム形状局
面を形成することで実現することが出来る。また爪先部
58についても第１実施例と同様なカム形状としたことか
ら、足底部全体として立脚期と遊脚期との全てに亘って
人の歩行に似た滑らかでエネルギ効率の良い歩行を実現
することが出来る。また着地時に体幹が内旋乃至は外旋
しても滑らかに接地することが出来る様にしたことか
ら、歩行制御時に任意の歩容を与えることが出来、旋回
時にも足部を内向きに或いは外向きにする等、自由自在
に足部の駆動角度を決定することが出来る。

更にまた、凹部から突出する弾性に優れた積層弾性体
114が先ず地面と接触して変形を開始することから、そ
れによって十分な緩衝作用を期待することが出来、続い
て比較的硬度の高い第１弾性体106を貼付した部位が確
実に姿勢を支えるので、姿勢の保持や重心の上下動を正
確に行うことが出来る。積層弾性体114は柔らかいゴム
材からなり、一般に柔らかいゴム材ではその変形が大で
あることから、その内部応力も高くなって耐久性が低下
するが、実施例に係るものは適当量変形した後は第１弾
性体106が接地し、積層弾性体114のそれ以上の変形を防
止するので、耐久性の問題はない。

尚、本実施例の場合、第１弾性体106と積層弾性体114
とからなる例を示したが、第30図に示す２段階の特性を
備えるものであれば、どの様なものでも良く、ここに示
したものは一実施例に過ぎない。

第12図乃至第14図は本発明の第３の実施例を示す足部
の矢状面断面図である。この実施例の特徴は足底部の縁
部をカム形状にしたことによる静的安定性の低下を補償
しようとするものであり、具体的にはフレーム52はカム
形状部においては局部的に穿孔されて窓120が形成さ
れ、そこから突起122が第13図に良く示す如く、下方に
突出させられる。突起122はゴム等の弾性材からなり形
状としては紡錘形を呈し、その上方の基端部側でアルミ
材等からなる板体124に接着等の適切な手法で固定され
る。板体124はその一端をボルト126でフレーム52に固定
されると共に、その他端側は自由端にされる。突起122
の長さは足底部54の水平面より距離ｄだけ僅かに下方に
突出する値に設定され、この長さを適宜選定することに
より、直立時には撓んで板体124の片持ち梁状の支持手
法とも相まって適度な予荷重が与えられる。斯る突起12
2は足底部爪先部58のカム形状部に幅方向に複数個配列
されており、望ましくは第14図に示す如く、中央位置で
は先端縁に最も接近して配置されると共に、両端（小指
乃至は親指相当部位）に近づくにつれて足関節18側に後
退する様に配置される。また踵部60のカム形状部にも同
種の突起122が複数個設けられ、この場合も中央位置で
最も後端縁に接近させて位置決めされ、位相を変えて幅
方向に配列されて底面積を増加させる。斯く位相を変え
て取着することにより、着地時乃至は臨床時に突起群が
順次路面と接触する圧力の中心を変えていくことが出
来、滑らかに力を伝達することが可能となる。

本実施例によるときは、走行中は突起122が撓むこと
でカム形状部の作用を支障させることがないと同時に、
突起122が撓むことで路面に凹凸があっても良く馴染ま
せることが出来る。また静止時には突起122が予荷重を
与えられた状態で路面を支えるので、人が地面に爪先を
立てて体幹を支持する様に、ロボットの安定性を著しく
向上させる。また複数個の突起122を位相を変えて取着
しているので、着地から離床に至る全工程において足底
部先後端において順次圧力作用点を変えていくことが出
来、滑らかに力を伝達することが出来る。

尚、上記実施例においては突起122を足底部の前後に
共に配置する例を示したが、一方のみに配置しても良
い。

第15図は本発明の第４の実施例を示し、第３実施例と
同様に安定性を補償するものであり、ゴム材の弾性に加
えて金属製のバネ手段を使用した例を示す。即ち、ゴム
材からなる突起122を金属製のリーフスプリング130に装
着した例を示す。残余の構成は第３実施例と同様であ
り、効果においても同様である。

第16図は本発明の第５の実施例を示し、更に突起を剛
体から製作すると共に、バネ手段を用いた例を示す。即
ち、樹脂材等から作製してベルクランク140がピボット
部142を介して回動自在にフレーム52上に支持される。
ベルクランク140の一端は突起様に形成されて窓120から
下方に突出すると共に、その他端は金属材からなるコイ
ルスプリング144で支持され、突出位置に付勢される。
残余の構成は第３及第４実施例と同様であり、効果にお
いても同様である。

第17図乃至第19図は本発明の第６の実施例を示し、同
様に静止時の安定性を補償すると共に、新たに省エネル
ギ性を向上させた例を示す。第17図を参照して説明する
と、フレーム52上には樹脂材等からベルクランク150が
ピボット部152を介して回動自在に支持され、その一端
は突起154を形成し、窓120から第18図に良く示す如く、
下方に突出する。尚、本例においても突起154の先端は
足底部54の水平面を超えて下方に突出自在に構成し、路
面に凹凸があってその凹部に位置した場合でも適宜な深
さまでは接地可能に構成する。ベルクランク150の他端
は拡径されて扇形部156が形成され、そこに歯部が刻設
されてウォームホイール158が形成される。ウォームホ
イール158は図示の如く円筒ウォーム160と噛合してお
り、円筒ウォーム160は隣接して配置される電動モータ1
62の回転軸と一体に形成される。電動モータ162はフレ
ーム52上に取着された断面Ｌ字状の支持体164に取着さ
れてその回転軸（円筒ウォーム160）がウォームホイー
ル158と噛合する様に位置決めされ、よって電動モータ1
62の回転運動は該ウォームギヤを介してベルクランク15
0の揺動運動に変換され、その先端の突起部154を進退さ
せる。ここにおいて、ベルクッランク150の揺動運動が
電動モータ162に伝達されない様に、即ち逆転止めの条
件（自立条件）が成立する様に該ウォームギヤの減速比
を適宜設定する。尚、残余の構成は第１実施例と同様で
ある。

次に動作を説明する。本実施例の場合には電動モータ
162を駆動してベルクランク先端の突起部154を進退さ
せ、ロボットの静止時には電動モータ162を例えば正方
向に回転させてカム形状面より突出させ（第17図に示す
位置）、歩行時には逆方向に駆動してカム形状面より後
退させることになるが、第19図フロー・チャートを参照
して説明すると、先ずS100でイニシャライズした後、S1
02で検出したパラメータを入力し、S104で歩行パターン
を計算する。続いて、S106で歩行に備えて電動モータ16
2を駆動し、S108でモータに供給した電流値Ｉが適宜設
定する所定値ＩTHを超えたか否か判断し、超えたと判断
されたときはS110でモータの駆動を停止する。即ち、ベ
ルクランク150が引き込まれ終わった状態では円筒ウォ
ーム160の回転が塞止されてモータに印加されるトルク
が所定値以上になるから、その印加トルクを電流値を介
して検出することで突起部154の引き込みの完了を確認
することが出来る。尚、この電流値は電動モータ162の
駆動回路（図示せず）に適宜な検出手段を設けて検出す
る。

続いて、S112で関節駆動を開始し、S114で歩行終了と
判断されるまで継続し、静止状態に移行したと判断され
るとS116で電動モータ162を逆方向に駆動し、S118で同
様に印加トルクからベルクランク150の突出の完了を確
認し、S120でモータ駆動を停止する。この状態では、足
底部54は路面にその平坦中央部56が接触して着地してい
ることになるが、併せてベルクランク先端の突起部154
も支持することとなり、接地底面積が増加してロボット
の安定性に寄与する。このとき路面に多少の凹凸がある
場合には平坦面が本来的に確保する安定度合いが少ない
ので、このベルクランク機構によって得られる安定度の
増加は大きい。

本実施例においてベルクランク機構は歩行時には内部
に収納されて干渉しないと共に、静止時には突出して路
面の凹凸があるときも確実に路面に接触して足部を支え
るので、路面環境が悪い場合であっても安定して直立す
ることが出来る。また静止時には電動モータの通電を停
止してウォームギヤのセルフロックで突出位置に固定す
ることが出来るので、省エネルギ性も高い。

第20図乃至第21図は本発明の第７の実施例を示す。本
実施例も第６実施例と同様に省エネルギ性を確保しつつ
静的安定性を補償する例を示す。即ち、第６実施例にお
いてはベルクランク機構は歩行中は収納された位置にあ
り、静止時に突出する構成となっている。この例ではベ
ルクランク機構のかなりのストロークを余儀なくされ、
またそのストロークを電動モータで駆動するので、モー
タが小型であればギヤ比を大きくとる必要があって作動
に時間がかかり、またロボットに外力が作用して転倒せ
んとするときにはモータそのものに大きな負荷がかかる
ので、機構を堅牢に製作する必要がある。また片足に最
小でも１個のモータが必要である。

従って、本実施例はそれを改良するものであり、第20
図においてベルクランク170にはコイルスプリング17が
装着されて突出位置に付勢されており、歩行時はカム形
状部の転動に応じて後退する。而して、ベルクランク17
0の上部は先の実施例と同様に拡径されて扇形部174が形
成されており、その両側（紙面の前後）にはベルクラン
ク170を突出位置に固定する制動機構176が配置される。

この制動機構について第21図を参照して説明すると、
第１実施例で述べたロボット胴体部16内には電動モータ
178と、該電動モータに減速機構180を介して連結される
油圧式のマスタシリンダ機構182とが設けられる。即
ち、電動モータ178の回転力は減速ギヤ184を介してネジ
伝動機構186に伝えられる。そのスベリネジ188の先端側
はマスタシリンダ機構182のピストン190に固定され、電
動モータ178の駆動に応じてシリンダ192内を移動し、作
動油を排出する。排出された作動油は胴体部内に配設さ
れたパイプ194を介して下方に圧送される。パイプ194は
胴体部内の適宜位置に分岐した後、それぞれの脚部の大
腿部14及び下腿部12を通り、足部10に至ってその内部の
適宜位置に収納されたスレーブシリンダ196に流入す
る。スレーブシリンダ196内には滑動自在に制動パッド1
98が収納されており、該制動パッドは油圧で前方に突進
させられ、対向端側に固定された第２のパッド200と共
働してベルクランク170の扇形部174を挟持して制動す
る。

本実施例の動作は前の第６実施例のそれと殆ど同一で
あり、第19図フロー・チャートのS114において静止状態
に移行したと判断されたときは電動モータ178を駆動し
てベルクランク170を突出位置に固定する。

本実施例の場合、第６実施例に比し、電動モータは、
ベルクランク機構のストロークに関与しないことから小
型化することが可能であり、また各足にベルクランク機
構を複数個設置しても配管とスレーブシリンダとの個数
を増加させれば足りるので、電動モータがマスタシリン
ダ用の１個で足りる利点を備える。残余の構成及び効果
は、第６実施例と同様である。尚、本実施例において制
動力はスレーブシリンダの押圧力と摩擦面の摩擦計数と
によって決定されるが、ベルクランク170の扇形部174に
適切な素材を貼付して摩擦力を高めても良い。また油圧
を用いたが、空気圧でも良い。

第22図乃至第25図は本発明の第８実施例を示す足部10
の矢状面断面図である。本実施例の特徴は足底部に接触
センサを設けて接触物の外形形状を認識することが出来
る様にした点である。

第22図を参照して説明すると、フレーム52下面の爪先
部58を含む前半部と踵部60とには接触センサ210が複数
個平面的に並設される。接触センサ210は比較的肉薄の
ゴム材よりなりる保護膜212で被覆される。

第23図は足底部54の縮小底面図であり、接触センサ群
は図示の如く前半部の左右２個所と踵部の１個所と分布
して配置され、３個の島部214,216,218を形成してい
る。第23図に良く示す如く、島部以外の部位は凹部とな
っており、濡れた床面等を歩行するとき排水溝として機
能し、路面の把持力を確保する様に構成する。

第24図は接触センサ210の１つの断面構造を示す説明
図であり、該センサ内においては図示の如く導電性ゴム
材220を挟持する形で２個の電極222,224が対向配置され
ており、上下方向に荷重が印加されて導電性ゴム材220
が圧潰されると電気抵抗が変化する様に構成され、その
抵抗値の変化を測定することで逆に印加された荷重を検
出する。斯るセンサを図示の如く共面上においてマトリ
クス状に縦横に配置する。尚、斯る接触センサ自体は公
知なものである。第25図はそのセンサ出力の処理を示す
ブロック図であるが、接触センサ210の出力はアナログ
値の形でそれぞれセンサ駆動制御部230に送られ、そこ
でセンサ出力群は公知の如く垂直方向及び水平方向に走
査されて多値の閾値と比較され、その比較値を総合して
足底部が踏んだ物の外形形状乃至は硬度に対応する分布
圧力に応じた値をビデオ信号として出力する。該出力は
次いで画像処理部232に送られて特徴抽出等の前処理を
経て格納データベースと照合され、接触物の外形形状及
び接触位置が検出され、その出力が前記した制御ユニッ
ト70に送られる。よって制御ユニットにおいてCPUは、
踏んだ物の形状、足底部での位置を知ることが出来、先
に第７図フロー・チャートで述べた歩行制御において必
要に応じて歩容の変更を行うことが出来る。また平坦面
に接地している場合であっても、各画素の濃淡が比較さ
れていることから、自重が足底部にどの様に分散してい
るのかを知ることが出来、その結果例えば必要に応じて
脚部の一方を駆動して姿勢を補正することが可能とな
る。

本実施例においては接地物の形状、足底部との位置関
係等を精確に認識することが出来るので、凹凸が多い路
面であっても安定した歩行を実現することが出来る。ま
た接触センサ210を導電性ゴム材220を主体とした素子で
構成したので、それに自体に柔軟性を備えていることか
ら、保護膜212はゴミ、埃、水滴等の予想される異物等
を最低限防止する肉薄のもので足り、機械的な衝撃に対
しては主としてセンサ自体に対処させることが可能とな
る。従って、検出感度を低下されることなくセンサ自体
を十分保護することが出来ると共に、足部の重量の増加
を最小限度に止めつつ着地時の衝撃の吸収、足底部の馴
染み性も十分確保することが出来る。

尚、本実施例において接触センサ210群の出力をセン
サ駆動制御部230において多値の閾値で処理したが、２
値の閾値で処理してオン・オフ値としても良く、その場
合は２値の平面情報となって接触物の外形形状のみを検
出することが出来る。

尚、上記全ての実施例においては２足歩行ロボットを
例にとって説明してきたが、必ずしもそれに限られるも
のではなく、３足以上の脚部を備えたものであっても２
足歩行に類似する歩行形態を採るものであれば、妥当す
るものである。

（発明の効果） 請求項１項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、人の歩行のように滑らかで迅速で且つ消費エネル
ギ効率の良い歩容を実現することが出来る。

請求項２項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、立脚期から遊脚期にかけて人の歩行のように滑ら
かで迅速で且つ消費エネルギ効率の良い歩容を実現する
ことができる。

請求項３項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、旋回するとき、人の歩行の様に滑らかで迅速で且
つ消費エネルギ効率の良い歩容を実現することが出来
る。

請求項４項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、遊脚期から立脚期にかけての着地前後において、
人の歩行の様に滑らかで迅速で且つ消費エネルギ効率の
良い歩容を実現することが出来る。

請求項５項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、着地の位置が変化しても常に前記の如き安定した
歩容を実現することが出来る。

請求項６項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、前記した効果に加えて着地の衝撃を効果的に緩和
することが出来、一層滑らかな歩容を実現することが出
来る。

請求項７項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、着地時の衝撃を効果的に吸収すると共に、路面と
の馴染み性が良く、かつ安定した歩容を実現することが
出来る。而して、その具体的構成は、請求項８項乃至10
項に記載される如くした。

請求項11項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、請求項１項乃至５項に記載した構成において静止
時の安定性が低下した不都合を効果的に補償することが
出来、滑らかで迅速で且つ省エネルギ効率の良い歩容を
実現することが出来ると共に、歩行停止時にも安定した
静止姿勢を保持することが可能となる。而して、その具
体的構成は請求項12項乃至16項に記載される如くした。

請求項13項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、前記した効果を持ちつつ接地時の衝撃も吸収して
一層安定した歩容を実現することが出来る。

請求項14項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、前項と同様の効果を実現することが出来る。

請求項15項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、前記した効果に加えて接地時の圧力作用点が経時
的に変化することとなって力の伝達が滑らかとなり、よ
り安定した歩容を実現することが出来る。

請求項17項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、前記した効果に加えて静止時の省エネルギ性を向
上させることが出来る。而して、その具体的構成は、請
求項18項乃至19項に記載する如くした。

請求項20項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、接触物の外形形状を正確に認識しつつ歩行制御す
ることが出来、凹凸の多い路面においても安定した歩容
を実現することが出来る。

請求項21項記載の脚式歩行ロボットの足部構造にあっ
ては、接触センサを被覆する保護部材の肉厚を最小限度
に抑えることが出来、検出感度に優れると共に、衝撃吸
収性乃至は路面との馴染み性が向上して、一層安定した
歩容を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る脚式歩行ロボットの足部構造の矢
状面断面図、第２図はその一部破断正面図、第３図は足
部を含む脚式歩行ロボット全体の概略図、第４図は本発
明に係る脚式歩行ロボットの足部の足関節が歩行時に描
く空間軌跡と足底部（爪先部）形状との因果関係を示す
説明図、第５図は第１図に示す足底部の縮小底面図、第
６図はその歩行を制御する制御ユニットの説明ブロック
図、第７図は第６図に示した制御ユニットの制御動作を
示すフロー・チャート、第８図は本発明の第２実施例を
示す足部の矢状面要部断面図、第９図はその縮小底面
図、第10図は第９図Ｘ−Ｘ線断面図、第11図は第４図に
類似する足関節軌跡と踵部形状との因果関係を示す説明
図、第12図は本発明の第３実施例を示す足部の矢状面要
部断面図、第13図はその一部破断要部正面図、第14図は
その足底部の縮小底面図、第15図は本発明の第４実施例
を示す足部の矢状面要部断面図、第16図は本発明の第５
実施例を示す足部の矢状面要部断面図、第17図は本発明
の第６実施例を示す足部の矢状面要部断面図、第18図は
その一部破断要部正面図、第19図はその動作を示すフロ
ー・チャート、第20図は本発明の第７実施例を示す足部
の矢状面要部断面図、第21図はその中の制動機構の詳細
を示す説明図、第22図は本発明の第８実施例を示す足部
の矢状面要部断面図、第23図はその足底部の縮小底面
図、第24図はそこで使用される接触センサの説明断面
図、第25図は該センサの処理を示す説明ブロック図、第
26図は足関節が歩行時に描く理想的な空間軌跡を示す説
明図、第27図はその理論的根拠を示す説明図、第28図は
足底部における旋回時の体幹の重心移動を示す説明図、
第29図は第26図に類似する図で、踵部の理想的な着地前
後の空間軌跡を示す説明図及び第30図は踵部の理想的な
粘弾性特性を示す説明図である。 １……２足歩行ロボット、10……足部、12……下腿部、
14……大腿部、18……足関節、20……膝関節、22……股
関節、24,26,28,30,32,34,162,178……電動モータ、36
……ベルト、38,46……ハーモニック減速機、40……固
定部、42……回転部、44,48……軸線、50……６軸力セ
ンサ、52……フレーム、54……足底部、56……中央部、
58……爪先部、60……踵部、62……足背部、64,66,106,
108,110,112,114（積層弾性体）……弾性体、70……制
御ユニット、72……信号線、74,76……ロータリエンコ
ーダ、78……増幅器、80……A/D変換回路、82……CPU、
84……タイマ、86……RAM、88……カウンタ、90……RO
M、92……D/A変換回路、94……ドライバ、96……F/V変
換回路、100,102,114……凹部、120……窓、122,154…
…突起、124……板体、126……ボルト、130……リーフ
スプリング、140,150,170……ベルクランク、142,152…
…ピボット部、144,172……コイルスプリング、156,174
……扇形部、158……ウォームホィール、160……円筒ウ
ォーム、164……支持体、176……制動機構、180……減
速機構、182……油圧（マスタ）シリンダ、184……減速
ギヤ、186……ネジ伝動機構、188……スベリネジ、190
……ピストン、192……シリンダ、194……パイプ、196
……スレーブシリンダ、198,200……制動パッド、210…
…接触センサ、212……保護膜、214,216,218……凹部、
220……導電性ゴム材、222,224……電極、230……セン
サ駆動制御部、232……画像処理部

フロントページの続き (72)発明者 阿部 昇栄 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 五味 洋 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 平川 三昭 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−57683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−47686（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−97005（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−198085（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭48−39425（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B25J 5/00 B62D 57/02

Claims (21)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の可動脚部を備えると共に、その可
   動脚部の先端に足底部を設けて歩行自在とした脚式歩行
   ロボットにおいて、前記可動脚部と前記足底部を足関節
   で連結して前記足底部を前記可動脚部に対して進行方向
   およびそれに直交する幅方向に相対回転自在にすると共
   に、前記足底部の周縁の少なくとも一部に、走行時に前
   記足関節が進行方向に描く軌跡が地中の仮想点を中心と
   する所定の曲線あるいはそれに近似する曲線となる如く
   曲面部位を形成したことを特徴とする脚式歩行ロボット
   の足部構造。
2. 【請求項２】前記曲面部位を、前記足底部の進行方向に
   おいて足底部先端側の縁部に形成したことを特徴とする
   請求項１項記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
3. 【請求項３】前記足底部先端縁部に形成される曲面部位
   を、進行方向に直交する幅方向において歩行路の外側に
   位置する側ほど前記足関節に近接するように形成したこ
   とを特徴とする請求項１項記載の脚式歩行ロボットの足
   部構造。
4. 【請求項４】前記曲面部位を、前記足底部の進行方向に
   おいて後端側に形成したことを特徴とする請求項１項記
   載の脚式歩行ロボットの足部構造。
5. 【請求項５】前記曲面部位を、前記足底部後端縁部にお
   いて幅方向に連続的に形成して後端縁部が全体として凸
   面形状を呈するように形成したことを特徴とする請求項
   ４項記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
6. 【請求項６】前記曲面部位に弾性体を貼付したことを特
   徴とする請求項１項ないし５項のいずれかに記載の脚式
   走行ロボットの足部構造。
7. 【請求項７】前記弾性体が少なくとも、印加される荷重
   に対する変形量が略線形に変化する第１の特性と、印加
   される荷重に対する変形量が略非線形に変化する第２の
   特性とを具備することを特徴とする請求項６項記載の脚
   式歩行ロボットの足部構造。
8. 【請求項８】前記弾性体が、前記第１の特性を具備する
   第１の弾性部材と、前記第２の特性を具備する第２の弾
   性部材とを含む複数種の弾性部材からなることを特徴と
   する請求項７項記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
9. 【請求項９】前記第１及び第２の弾性部材を、前記足底
   部に少なくとも局部的に併設したことを特徴とする請求
   項８項記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
10. 【請求項１０】前記第１の弾性部材を前記第２の弾性部
    材に隣接して併設すると共に、前記第１の弾性部材が前
    記第２の弾性部材よりも、その径方向高さにおいて大で
    あるように構成したことを特徴とする請求項９項記載の
    脚式歩行ロボットの足部構造。
11. 【請求項１１】複数本の可動脚部を備えると共に、その
    可動脚部の先端に足底部を設けて歩行自在とした脚式歩
    行ロボットにおいて、前記可動脚部と前記足底部を足関
    節で連結して前記足底部を前記可動脚部に対して進行方
    向およびそれに直交する軸方向に相対回転自在にし、か
    つ前記足底部の周縁の少なくとも一部に、歩行時に前記
    足関節が進行方向に描く軌跡が地中の仮想点を中心とす
    る所定の曲線あるいはそれに近似する曲線となる如く曲
    面部位を形成すると共に、前記足底部の先端縁部又は後
    端縁部の少なくともいずれかにより少なくとも１個の突
    起を進退自在に突出させたことを特徴とする脚式歩行ロ
    ボットの足部構造。
12. 【請求項１２】前記突起が接地荷重の増加に応じて進退
    自在であることを特徴とする請求項11項記載の脚式歩行
    ロボットの足部構造。
13. 【請求項１３】前記突起が弾性体からなり、接地荷重に
    応じて弾性変形することにより後退自在であることを特
    徴とする請求項12項記載の脚式歩行ロボットの足部構
    造。
14. 【請求項１４】前記突起がバネ手段を介して突出位置に
    付勢されており、接地荷重に応じて縮退することにより
    後退自在であることを特徴とする請求項12項記載の脚式
    歩行ロボットの足部構造。
15. 【請求項１５】前記突起を複数個設けると共に、前記足
    底部断面形状部において進行方向又はそれに直交する幅
    方向において位置を相違させて取着したことを特徴とす
    る請求項11項ないし14項のいずれかに記載の脚式歩行ロ
    ボットの足部構造。
16. 【請求項１６】前記突起を動力伝達手段を介して動力手
    段により連結し、前記動力手段を駆動することにより突
    出位置と後退位置との間で変位自在であるように構成し
    たことを特徴とする請求項12項記載の脚式歩行ロボット
    の足部構造。
17. 【請求項１７】前記動力伝達手段が逆転止めの条件を備
    えてなり、前記動力伝達手段の駆動を停止して前記突起
    を突出位置に固定自在としたことを特徴とする請求項16
    項記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
18. 【請求項１８】前記動力伝達手段がウォームギヤであ
    り、前記突起をそのウォームホイィールに設けると共
    に、そのウォームを前記動力手段の回転軸に連結し、よ
    って前記動力手段の駆動を停止して前記突起を突出位置
    に固定自在としたことを特徴とする請求項17項記載の脚
    式歩行ロボットの足部構造。
19. 【請求項１９】前記突起を突出位置に固定する制動手段
    を備えると共に、前記制動手段に制動力を付与する動力
    手段との間に逆転止めの条件を備えてなる動力伝達手段
    を介挿し、よって前記動力手段の駆動を停止して前記突
    起を突出位置に固定自在としたことを特徴とする請求項
    14項記載の脚式歩行ロボットの足部構造。
20. 【請求項２０】２本の可動脚部を設けると共に、その可
    動脚部の先端に足底部を設けて歩行自在とした２足歩行
    の脚式歩行ロボットにおいて、前記足底部に印加された
    荷重の大きさに応じて少なくとも２値以上の情報に分け
    て検出する検出素子を複数個相互に離間して併設すると
    共に、その出力に基づいて接触物の外形形状を判別する
    ための判別回路とを備えてなることを特徴とする脚式歩
    行ロボットの足部構造。
21. 【請求項２１】前記検出素子が導電性弾性体を備えてな
    り、前記弾性体が印加された荷重の大きさに応じた値を
    出力するように構成したことを特徴とする請求項20項記
    載の脚式歩行ロボットの足部構造。