JP4234624B2

JP4234624B2 - ロボット装置

Info

Publication number: JP4234624B2
Application number: JP2004060475A
Authority: JP
Inventors: 剛史小池; 進登坂; 健五十嵐; 良一前田; 昭人三浦
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Sony Corp
Current assignee: Sony Corp; Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: JP2004299045A

Description

本発明は、脚式移動型のロボット装置に関し、特に、足底に荷重センサを備えたロボット装置に関する。

近年、人や猿等の２足直立歩行を行う動物を模した脚式移動ロボット装置に関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動ロボット装置は、クローラ式、又は４足若しくは６足式のロボット装置等に比べて不安定であり、姿勢制御や歩行制御が複雑になるが、不整地若しくは障害物等、作業経路上に凹凸がある歩行面、又は階段若しくは梯子等の不連続な歩行面に対応することができる等、柔軟な移動作業を実現することができるという点で優れている。

人間の作業空間及び居住空間のほとんどは、２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するにはあまりに多くの障壁が存在する。機械システム、即ちロボット装置が様々な人的作業を支援又は代行し、更に人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボット装置の移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボット装置の実用化が大いに期待されている所以である。人間型の形態を有していることは、ロボット装置が人間の住環境との親和性を高める上で必須であると言える。

２足歩行による脚式移動を行うタイプのロボット装置についての姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多く提案されている。その中の多くは、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力並びにこれらのモーメントが作用し、これらと路面から歩行系への反作用としての床反力及び床反カモーメントがバランスするというダランベールの原理に基づく。力学的推論の帰結として、足裏の接地点と路面の形成する支持多角形の辺上又はその内側にピッチ及びロール軸モーメント（行中の床反力によるモーメント）がゼロとなる点が存在し、この点をＺＭＰという。また、ＺＭＰ軌道とは、例えばロボット装置の歩行動作期間中にＺＭＰが動く軌跡を意味する。

ＺＭＰ規範に基づく２足歩行制御には、足底着地点を予め決定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易い等の利点がある。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現性が高まる。このようなＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩行ロボット装置の安定度判別規範に適用する点については下記非特許文献１に記載されている。

ＺＭＰを安定判別規範として、ロボット装置の運動制御を行う場合、実際のＺＭＰを測定することは非常に有効である。このため、ロボット装置の可動脚の先端部に設けられる足部には、カセンサ（荷重センサ）や加速度センサ等のＺＭＰ検出用の複数のセンサが配設されている。これらのセンサの検出値は、Ａ／Ｄ変換されてロボット装置本体に設けられる主制御部に取り込まれ、主制御部によって、これらの検出値に基づいて実際のＺＭＰが算出され、ロボット装置の歩行動作を含む各部の制御に供される。

このようなロボット装置においては、上述したように、不整地若しくは障害物等、作業経路上に凹凸がある歩行面、又は階段若しくは梯子等の不連続な歩行面を移動するため、例えば脚式移動型であればその足底には意図しない大きな衝撃が加わる場合がある。したがって、上述のＺＭＰ検出のためなどに、足底に荷重センサを搭載すると、意図しない大きな衝撃により荷重センサが破壊されてしまうため、衝撃に強い足底とする必要がある。

そこで、本願発明者らは、足甲部材と該足甲部材に遊動可能に取り付けられる足底部材とからなる二重構造とし、荷重センサを足甲部材と足底部材との中間部に配置し、この荷重センサを強い衝撃から保護するためのストッパ機能を外装に設けた足底を開発した。このように外装にストッパ機能を設けることにより、不連続な歩行面上を歩行する場合、足底がたわむ等しても、荷重センサには大きな荷重が負荷されることを防止することができ、衝撃に強い足底を有するロボット装置を提供することができる（下記特許文献１）。

Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"（加藤一郎外著、「歩行ロボット装置と人工の足」、日刊工業新聞社）特開２００３−２６６３６２号公報

しかしながら、上述のような２重構造の足底の外装等に荷重センサに対応したストッパ機能を設けるとなると、荷重センサは通常数十μｍのオーダで位置決めが必要であり、また、複数あるすべてのセンサに対してストッパの位置決め調整が必要であり、寸法精度等の問題で製造等が極めて困難になってしまうという問題が生じた。このため、製造容易な足部構造を開発する必要がでてきた。

このような問題に対して、荷重センサ自体（内部等）にストッパ機能を有する荷重センサを足底に採用することで、外装等に必要であったストッパ機能を不要とすることができる。さらに、荷重センサにストッパ機能を有する従来の荷重センサは、感圧部を押圧するための駆動体において、荷重に対して比例して変位しないゴムを使用したものであった。このため、環境温度の違い、寸法精度などによって検出荷重にバラツキを生じやすく、検出精度が得られないという新たな問題が生じてしまう。特に、検出荷重にバラツキを生じるような荷重センサでは、ＺＭＰ検出に使用可能な検出精度を得ることは全く困難であるという問題点がある。

これらのことから、製造容易であり、かつ検出荷重結果にバラツキがない荷重センサを搭載した足底を開発する必要があった。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、強い荷重が付加された場合でも破壊することがなく荷重を精度よく荷重を検出することができ、かつ容易に製造が可能な移動手段を備えるロボット装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置は、可動部を有するロボット装置において、上記ロボット装置を移動させる移動手段と、上記移動手段が地面に接した際の反力を外力として検出する１以上の荷重センサとを備え、上記荷重センサは、押圧力を電気信号に変換する感圧部を備える圧力検出手段と、上記外力の大きさに応じて変位し、上記圧力検出手段を押圧する押圧手段とを有し、上記荷重センサは、上記圧力検出手段の上記感圧部に対する押圧力が所定の閾値以下になるよう上記外力を制限するストッパ機能を有し、上記押圧手段は、上記外力が加えられる操作体と、上記感圧部を押圧する駆動体と、該駆動体と操作体とを連結し該外力に対する変移量が線形性を有する弾性体とを有し、上記圧力検出手段は、上記感圧部と周辺部とからなり、上記周辺部は上記感圧部よりその厚さが厚い厚肉部からなり、上記押圧手段に対して外力が加えられると、上記操作体が上記弾性体を介して上記駆動体に外力を伝達して該駆動体が上記圧力検出手段の上記感圧部を押圧し、更に外力が加えられると、上記操作体が上記圧力検出手段の上記周辺部に当接することにより上記外力が制限される。

本発明においては、押圧部材がストッパ機能を有して、所定の閾値以下となるように外力を制限して所定の閾値以下の押圧力とするため、ロボット装置の移動の際に移動手段に設けられた荷重センサの圧力検出手段に、例えば永久ひずみが生じたり、破損したりすることを防止して荷重センサの検出精度を維持することができると共に、圧力検出手段は、外力の大きさに応じて変位する押圧部材により押圧されるため、外力を極めて精確かつ安定して検出することができる。

また、上記移動手段は、上記ロボット装置の脚部であって、上記脚部は、地面に接した際の反力を外力として検出する１以上の上記荷重センサを備えることができ、ロボット装置が不連続な路面を歩行したりする際に足底がたわむ等して大きな外力が付加されでも荷重センサが破壊されることがない。

更に、上記脚部の先端部に設けられる足甲部材と、上記足甲部材に遊動可能に取り付けられた足底部材と、上記足甲部材又は足底部材の一方に設けられる１以上の上記荷重センサとを有することができる。このことにより、足底部材が地面、路面に接地していない場合には、荷重センサが取り付けられた足底部材及び足甲部材のいずれか一方とは異なる他方と荷重センサとを離隔させた状態（遊客状態又は予圧しない状態）とし、荷重センサが地面に接した際の反力を外力として検出するようにしたので、各荷重センサのキャブレーション（ゼロ点調整）の作業が不要となると共に、荷重センサ内部に外力を制限するストッパ機能を有しているため、例えば荷重センサの外部に外力を制限するストッパ機能などを設ける必要がなく、生産性を向上することができる。また、このように足部に二重構造を採用することにより、足底を路面に応じて変更したり、磨耗によって磨り減ったりした場合には交換が可能になると共に、脚部と足底部とを別個に製造が可能となる。

本発明に係るロボット装置によれば、上述のような荷重センサ自体の内部にストッパ機能を有し、外力の大きさに比例して変位する押圧部材を備える荷重センサをロボット装置の移動手段、特に、脚式移動型の足部に設けることで、荷重センサの圧力検出手段が例えば永久ひずみを生じたり、破損したりすることを防止すると共に、外力の大きさに応じて圧力検出手段を押圧することで外力の検出精度を維持しつつ構造の軽量化、小型化、低コスト化が可能であって、衝撃に強いＺＭＰ計測機能を有した足底のロボット装置を提供することができる。

（１）ロボット装置
以下、本発明の一構成例として示す２足歩行の人間型のロボット装置について、図面を参照して詳細に説明する。この人間型のロボット装置は、住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットであり、内部状態（怒り、悲しみ、喜び、楽しみ等）に応じて行動できるほか、人間が行う基本的な動作を表出できるエンターテインメントロボットである。図１は、本実施の形態におけるロボット装置の概観を示す斜視図である。

図１に示すように、ロボット装置１は、体幹部ユニット２の所定の位置に頭部ユニット３が連結されると共に、左右２つの腕部ユニット４Ｒ／Ｌと、左右２つの脚部ユニット５Ｒ／Ｌが連結されて構成されている（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下において同じ。）。

このロボット装置１が具備する関節自由度構成を図２に模式的に示す。頭部ユニット３を支持する首関節は、首関節ヨー軸１０１と、首関節ピッチ軸１０２と、首関節ロール軸１０３という３自由度を有している。

また、上肢を構成する各々の腕部ユニット４Ｒ／Ｌは、肩関節ピッチ軸１０７と、肩関節ロール軸１０８と、上腕ヨー軸１０９と、肘関節ピッチ軸１１０と、前腕ヨー軸１１１と、手首関節ピッチ軸１１２と、手首関節ロール輪１１３と、手部１１４とで構成される。手部１１４は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。ただし、手部１１４の動作は、ロボット装置１の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、各腕部は７自由度を有するとする。

また、体幹部ユニット２は、体幹ピッチ軸１０４と、体幹ロール軸１０５と、体幹ヨー軸１０６という３自由度を有する。

また、下肢を構成する各々の脚部ユニット５Ｒ／Ｌは、股関節ヨー軸１１５と、股関節ピッチ軸１１６と、股関節ロール軸１１７と、膝関節ピッチ軸１１８と、足首関節ピッチ軸１１９と、足首関節ロール軸１２０と、足部１２１とで構成される。本明細書中では、股関節ピッチ軸１１６と股関節ロール軸１１７の交点は、ロボット装置１の股関節位置を定義する。人体の足部１２１は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、ロボット装置１の足底は、ゼロ自由度とする。したがって、各脚部は、６自由度で構成される。

以上を総括すれば、ロボット装置１全体としては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を有することになる。ただし、エンターテインメント向けのロボット装置１が必ずしも３２自由度に限定されるわけではない。設計・制作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることはいうまでもない。

上述したようなロボット装置１がもつ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うこと等の要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。

なお、以下では、説明の便宜上、足部１２１の説明において、足部１２１の裏面の路面（床面）に当接する部分を含んで構成される面をＸ−Ｙ平面とし、該Ｘ−Ｙ平面内において、ロボット装置の前後方向をＸ軸とし、ロボット装置の左右方向をＹ軸とし、これらに直交する方向をＺ軸として説明する。

このようなロボット装置は、ロボット装置全体の動作を制御する制御システムを例えば体幹部ユニット２等に備える。図３は、ロボット装置１の制御システム構成を示す模式図である。図３に示すように、制御システムは、ユーザ入力等に動的に反応して情緒判断や感情表現を司る思考制御モジュール２００と、アクチュエータ３５０の駆動等ロボット装置１の全身協調運動を制御する運動制御モジュール３００とで構成される。

思考制御モジュール２００は、情緒判断や感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３及び外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブ等）２１４等で構成され、モジュール内で自己完結した処理を行うことができる、独立駆動型の情報処理装置である。

この思考制御モジュール２００は、画像入力装置２５１から入力される画像データや音声入力装置２５２から入力される音声データ等、外界からの刺激等に従って、ロボット装置１の現在の感情や意思を決定する。ここで、画像入力装置２５１は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを複数備えており、また、音声入力装置２５２は、例えばマイクロホンを複数備えている。

また、思考制御モジュール２００は、意思決定に基づいた動作又は行動シーケンス、すなわち四肢の運動を実行するように、運動制御モジュール３００に対して指令を発行する。

一方の運動制御モジュール３００は、ロボット装置１の全身協調運動を制御するＣＰＵ３１１や、ＲＡＭ３１２、ＲＯＭ３１３及び外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブ等）３１４等で構成され、モジュール内で自己完結した処理を行うことができる独立駆動型の情報処理装置である。また、外部記憶装置３１４には、例えば、オフラインで算出された歩行パターンや目標とするＺＭＰ軌道、その他の行動計画を蓄積することができる。

この運動制御モジュール３００には、図２に示したロボット装置１の全身に分散するそれぞれの関節自由度を実現するアクチュエータ３５０、体幹部ユニット２の姿勢や傾斜を計測する姿勢センサ３５１、左右の足底の離床又は着床を検出する接地確認センサ３５２，３５３、足部１２１の足底１２１に設けられる後述する本実施の形態における荷重センサ、バッテリ等の電源を管理する電源制御装置３５４等の各種の装置が、バス・インターフェース（Ｉ／Ｆ）３０１経由で接続されている。ここで、姿勢センサ３５１は、例えば加速度センサとジャイロ・センサの組み合わせによって構成され、接地確認センサ３５２，３５３は、近接センサ又はマイクロ・スイッチ等で構成される。

思考制御モジュール２００と運動制御モジュール３００は、共通のプラットフォーム上で構築され、両者間はバス・インターフェース２０１，３０１を介して相互接続されている。

運動制御モジュール３００では、思考制御モジュール２００から指示された行動を体現すべく、各アクチュエータ３５０による全身協調運動を制御する。すなわち、ＣＰＵ３１１は、思考制御モジュール２００から指示された行動に応じた動作パターンを外部記憶装置３１４から取り出し、又は、内部的に動作パターンを生成する。そして、ＣＰＵ３１１は、指定された動作パターンに従って、足部運動、ＺＭＰ軌道、体幹運動、上肢運動、腰部水平位置及び高さ等を設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示する指令値を各アクチュエータ３５０に転送する。

また、ＣＰＵ３１１は、姿勢センサ３５１の出力信号によりロボット装置１の体幹部ユニット２の姿勢や傾きを検出するとともに、各接地確認センサ３５２，３５３の出力信号により各脚部ユニット５Ｒ／Ｌが遊脚又は立脚のいずれの状態であるかを検出することによって、ロボット装置１の全身協調運動を適応的に制御することができる。更に、ＣＰＵ３１１は、ＺＭＰ位置が常にＺＭＰ安定領域の中心に向かうように、ロボット装置１の姿勢や動作を制御する。

また、運動制御モジュール３００は、思考制御モジュール２００において決定された意思通りの行動がどの程度発現されたか、すなわち処理の状況を、思考制御モジュール２００に返すようになっている。このようにしてロボット装置１は、制御プログラムに基づいて自己及び周囲の状況を判断し、自律的に行動することができる。

（２）荷重センサ
次に、このようなロボット装置１の足部の足底に設けられる本実施の形態の荷重センサについて詳細に説明する。本実施の形態における荷重センサは、足部の足底に複数設けられるもので、足底が地面と接した際の地面からの反力を外力として検出するものである。

図４及び図５は、本実施の形態における荷重センサを示す夫々分解斜視図及び断面図である。図４及び図５に示すように、ロボット装置の脚部ユニット５Ｒ／Ｌの足首側を上面としたとき、荷重センサ１０は、感圧機能（感圧部）を備える圧力検出手段である例えばダイヤフラム１１と、外力を受け、ダイヤフラム１１の感圧部の下面側を押圧する押圧部材１２と、ダイヤフラム１１と押圧部材１２とを支持し、収納するケース体１３とを有している。

ダイヤフラム１１は、円盤形状に形成され、中央部分がその周辺（周縁）の厚肉部１１ｂより凹んでその板厚が薄くなっており、このように、薄肉状にすることで撓みやすくされ、この凹部が押圧部材１２からの押圧力を検出する感圧部１１ａとなっている。ダイヤフラム１１は、押圧部材１２から押圧される押圧面とは反対側の上面側が凹み、感圧部１１ａとなっており、押圧される側の押圧面は厚肉部１１ｂと同一平面上となるよう形成されている。この厚肉部１１ｂは、押圧部材１２の外側に配置される後述する操作体１４を衝止（当接）する衝止部となる。

ダイヤフラム１１は、例えば樹脂又は金属等の基板の押圧面となる側上に、押圧部材１２により加えられた押圧力を所定の電気信号に変換する電気回路等が形成されており、例えば、４つの歪ゲージ（歪センサ）１９が上記基板に貼着され、ブリッジ回路が形成されたもの等とすることができる。これにより、押圧力が電気信号に変換され、この電気信号がロボット装置本体の上述した制御システムの運動制御モジュール３００等に送られる。そして、運動制御モジュール３００にて、この電気信号に基づく押圧力からＺＭＰ等が計算される。

具体的には、中心部の薄肉状の部分には、その中心付近に２つ歪センサを設け、周縁部に近い場所にも中心付近の２つの歪センサを挟んで略対称な位置に、それぞれ１つずつ歪センサを設けて感圧部１１ａが構成されており、この感圧部１１ａは、押圧面側から荷重をかけられると、中心付近には圧縮方向の歪みが生じ、周縁部付近には引っ張り方向の歪みが生じる。そして、各歪センサは、図示しないブリッジ回路に接続されて、荷重を検出する。

また、押圧面の上記電気回路等の更に上（紙面では、下側）には、樹脂等により所定の厚さで例えば矩形等の複数のパターンが印刷され、これにより押圧力が感圧部１１全面に均一に付加されるようになっている。

ダイヤフラム１１の周縁部は厚肉状とされ、厚肉部１１ｂを構成する。厚肉部１１ｂは、その底面及び側面を後述するケース体１３の固定板１３ａに当接され、ダイヤフラム１１を支えている。

押圧部材１２は、外力を押圧力として感圧部１１ａに伝えると共に、大きな外力が付加された場合には、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａに対する押圧力を所定の閾値以下とするように外力を規制するストッパ機能を有する。この押圧部材１２は、外力が付加される操作体１４と、操作体１４の内部の中空部分に配置されダイヤフラム１１の感圧部１１ａを押圧する駆動体１７と、操作体１４を駆動体１７に対し、ダイヤフラム１１とは離隔する方向に付勢すると共に、操作体１４に加えられた外力を駆動体１７に伝達する弾性体１５とを有している。荷重センサ１０は、押圧部材１２を介して外力が加えられると、操作体１４が弾性体１５を介して駆動体１７に外力を伝達して駆動体１７がダイヤフラム１１の感圧部１１ａを押圧し、更に外力が加えられると、操作体１４がダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに接触することにより外力を規制するものである。

操作体１４は、例えば樹脂材料によって形成され、駆動体１７に比べて幅広とされ、駆動体１７を内部に略納めることができるように空洞が形成された上面視で略円形の有底円筒状の部材であり、その開口側がダイヤフラム１１の押圧面側に対向するように配置されている。

この操作体１４の開口側の開口端における当接面１４ｃ近傍の外側面にはケース体１３のカバー１３ｂの係合部１３ｄと係合する係合部１４ｂが形成され、ダイヤフラム１１の押圧面を押圧可能な位置にて、この係合部１４ｂと係合部１３ｄとが係止されている。操作体１４の円筒部の当接面１４ｃは、外力が付加されていない状態では、ダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂとは接することなく、ダイヤフラム１１との間にて後述するような所定のギャップ（間隙）を介し、ケース体１３の係合部１３ｄにその自重によりぶら下がった状態となる。

この操作体１４は、開口面とは反対側の底部外側から外力が付加されると、当接面１４ｃがダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに圧接するまでケース体１３の内側面をダイヤフラム１１の押圧面側へ摺動する。そして、更に外力が付加されて、所定の荷重までは後述する弾性体１５を介して駆動体１７を押圧する。所定の荷重に達すると当接面１４ｃはダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに当接して摺動が停止される。このように外力を規制し、所定の閾値以上の押圧力が感圧部１１ａに付加されないよう構成され、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａに対して過大荷重や衝撃荷重が加わることによる破損を防ぐことができる。この開口は、少なくともダイヤフラム１１の感圧部１１ａよりその直径が大きく、外力が付加されても、感圧部１１ａには押圧力を付加できないような構成となっている。

操作体１４の内部に形成された空洞の底面（内面）上には、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａよりもその直径が小さい段部（凹部）１４ａが形成されており、この段部１４ａに駆動体１７が嵌装される。また、操作体１４の底面の外部表面（外面）は略球面状に湾曲して形成され、外力として荷重を加えられた場合にその荷重が均一に駆動体１７に伝わるようにされている。

駆動体１７は、例えば金属材料によって形成され、操作体１４の内部の中空部分に配置されて、こうして押圧部材１２が操作体１４との二重構造とされている。この駆動体１７は、操作体１４の底部内面上に設けられた段部１４ａに嵌装される軸部１７ａと、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａに当接し、押圧する部分を幅広に形成した鍔部１７ｂとを有した二段の円筒形状からなる。即ち、この駆動体１７の鍔部１７ｂは、上述した操作体１４の内部の段部１４ａに合わせた形状とされ、駆動体１７が操作体１４に嵌装される。

操作体１４の段部１４ａに嵌装された駆動体１７の軸部１７ａは、操作体１４の段部１４ａ内をダイヤフラム１１の押圧面と直交する方向に摺動し、鍔部１７ｂにより感圧部１１の押圧面を押圧する。本実施の形態においては、駆動体１７の鍔部１７ｂは、軸部１７ａに一体的に成型されたフランジ部分からなり、鍔部１７ｂの、感圧部１１ａの押圧面に当接、押圧する側の面は、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａと上面視で略同一形状で、その直径が感圧部１１ａの直径よりもやや小さく形成され、これにより、感圧部１１ａの押圧面を均一に押圧することができる。

弾性体１５は、操作体１４と駆動体１７を連結するものであり、例えば、外径が駆動体１７の鍔部１７ｂより若干小さく、内径が駆動体１７の軸部１７ａより若干大きい、円錐面を有する複数枚の環状の皿バネ等からなり、駆動体１７に対し、操作体１４をダイヤフラム１１から離隔する方向に付勢する。皿バネは、略円形の板状からなるリング形状を有すると共に、内周から外周に向かって傾斜状に形成された部材１５ａを互いに対向するように重ねたもので、変位する方向の高さを比較的低く抑えることができ、その場合でも荷重の低い領域からストロークが略線形に変位するため、操作体１４と駆動体１７との間隔をそれほど大きくする必要がなく、したがって荷重センサ１０の薄型化を図ることができる。

弾性体１５は、操作体１４の段部１４ａと、駆動体１７の鍔部１７ｂとにそれぞれ係合し、駆動体１７の鍔部１７ｂより幅狭に形成された軸部１７ａを取囲むように設けられ、操作体１４に外力が付加されると、外力を駆動体１７に伝達し、これにより、駆動体１７がダイヤフラム１１の感圧部１１ａを押圧する。

また、弾性体１５と操作体１４の段部１４ａとの間にはワッシャ１６が設けられている。操作体１４が例えば樹脂材料から形成されている場合、皿バネからなる弾性体１５から局所的に荷重を受けた場合には、へこみ等を生じる可能性があるため、ワッシャ１６を設けることで段部１４ａにおける荷重を分散させてへこみ等を生じないようにしている。

ここで、操作体１４とダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂの間には弾性体１５が荷重に対して線形に変位する限界変位量より小さな隙間を設けることが好ましい。以下、このような隙間を設ける理由について詳細に説明する。

上述した如く、荷重に対して、弾性体１５が線形に変位しないと、寸法精度や環境温度の変化などによって、検出荷重にバラツキを生じやすく、ＺＭＰ検出用に使用するためには精度の面で問題がある。特に、設計上は所定の荷重において操作体１４がダイヤフラム１１に当接するようにされるものの、この寸法精度や環境温度の変化などよってバラツキが生じると、操作体１４がダイヤフラム１１に当接する荷重にもバラツキが生じる。例えば、ゴム等は、荷重に対して線形に変位せず、荷重の低い段階で大きく変位して、ある程度の荷重になるとほとんど変位しなくなるため、駆動体１７のわずかな特性の変化により、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａに極めて大きな荷重がかかる場合があり、ダイヤフラム１１の破損を招くことがある。

このような不具合を解消するため、操作体１４のダイヤフラム１１との当接面となる当接面１４ｃとダイヤフラム１１との隙間Ｌを弾性体１５の限界変位量より小さくすることで、弾性体１５が線形に変位する領域のみ用いることができ、これにより、常に一定の荷重で駆動体１７をダイヤフラム１１に当接させることができる。

この隙間Ｌは、弾性体１５の荷重に対するストロークの関係から決めることができ、操作体１４の当接面１４ｃを所定の荷重でダイヤフラム１１に当接させるが可能となる。図６は、横軸に荷重（Ｎ）をとり、縦軸にストローク（ｍｍ）をとって、弾性体１５の荷重に対するストロークの関係の一例を示すグラフ図である。また、図６には、皿バネの荷重に対するストロークと共に、ゴムを用いた場合の荷重に対するストロークの一例を示している。

図６に示すように、皿バネのストロークは、荷重に対して略比例するので、当接面１４ｃとダイヤフラム１１を当接させる設定荷重に対して設ける隙間Ｌの間隔を容易に求めることができる。ただし、荷重とストロークの関係はある一定の荷重を超えると比例関係とはならなくなる。この荷重を限界荷重ｆ_ｍａｘといい、この限界荷重ｆ_ｍａｘにおける皿バネのストロークを限界変位量Ｌ_ｍａｘという。したがって、当接面１４ｃとダイヤフラム１１を当接させる設定荷重ｆは、皿バネの限界荷重ｆ_ｍａｘより小さな値とする。すなわち隙間の設定値Ｌは限界変位量Ｌ_ｍａｘよりも小さくする必要がある。このような大きさの隙間を設けることで、皿バネには、皿バネの限界荷重より小さい荷重しかかからないようにできると共に、ダイヤフラム１１の感圧部１１に所定の閾値以上の押圧力が付加されないように外力を規制することができる。

なお、例えば皿バネを使用した荷重センサをロボット装置に適用する場合には、例えば、設定荷重ｆ＝５ｋｇ（≒５０Ｎ）のときのストローク（隙間の設定値）Ｌを０．４５ｍｍなどに設定することができるが、荷重とストロークとの関係は、これらの単位・大きさに限るものではなく、使用するバネの種類、機構、すなわち、例えば皿バネの枚数の違いや、バネ定数などによって異なる。またゴムを使用した場合についても材質、環境温度などによって異なるものとなりえる。

ここで、弾性体１７として皿バネの代わりに、荷重に対してそのストロークが線形的に変位せず、かつ環境変化に弱いゴムを使用すると、荷重の小さい領域では荷重に対してストロークが大きく変化すると共に、環境温度によってその硬度が変化するために、そのわずかな違いによって設定荷重ｆに誤差が生じて、操作体１４の動作が不安定となる場合がある。一方、荷重に対する変位量が線形性を有する皿バネを用いると、荷重に対するストロークは限界荷重ｆ_ｍａｘに達するまでは略比例関係にあり、また環境温度に対する特性の変化もほぼないため、安定して荷重を検出でき、また一定の荷重で操作体１４の当接面１４ｃをダイヤフラム１１に当接させることができる。

以上説明したように、荷重センサ１０を構成するダイヤフラム１１、駆動体１７、操作体１４、及び弾性体１７は、ケース体１３の中に納められている。ケース体１３は、固定板１３ａとカバー１３ｂとからなり、固定板１３ａにはダイヤフラム１１が取付けられる。ダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂの押圧部材１２からの押圧面とは反対側の面は、固定板１３ａに当接された状態で操作体１４からの荷重が支えられる。

上述したように、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａの押圧面側上に駆動体１７が戴置され、駆動体１７の鍔部１７ｂには弾性体１５が係合され、弾性体１５の操作体１４に接する側上にはワッシャ１６が設けられる。更に、駆動体１７及び弾性体１５を略覆うように操作体１４が配置され、操作体１４の段部１４ａがワッシャ１６に当接される。この段階で、操作体１４のダイヤフラム１１と当接する当接面１４ｃとダイヤフラム１１との隙間は、上述のような所定の荷重を加えられた場合に当接面１４ｃがダイヤフラム１１に当接する間隔となるよう調整される。

そして、ダイヤフラム１１及び操作体１４の周囲はカバー１３ｂによって取囲まれ、このカバー１３ｂは固定板１３ａに固定される。カバー１３ｂを固定板１３ａに固定した状態において、操作体１４は外部と接する外部表面がカバー１３ｂから突出するように背高状に形成され、外部からの荷重を受ける構造とされている。

以下、本実施の形態における荷重センサを押圧した際の動作について説明する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ外力が付加される前及び付加され操作体１４の当接面１４ｃがダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに圧接されている状態を示す荷重センサの側断面図である。

図５（Ａ）に示すように、荷重センサ１０に外力が付加されておらず、操作体１４がダイヤフラム１１から離隔した状態から、外力が付加されると、図５（Ｂ）に示すように、押圧部材１２の操作体の当接面１４ｃは、ダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに接するまでダイヤフラム１１側へケース体１３内を摺動する。

即ち、操作体１４のカバー１３ｂから突出された外部表面に外力が加えられると、操作体１４がダイヤフラム１１の押圧面に近づく方向に押されて上昇し、これに伴い弾性体１５が駆動体１７の鍔部１７ｂを上方（押圧面側方向）に押し上げる。これにより、駆動体１７の軸部１７ａが操作体１４の段部１４ａ内を押圧面側に摺動し、鍔部１７ｂがダイヤフラム１１の感圧部１１ａの押圧面を押圧する。ダイヤフラム１１の感圧部１１ａに設けられた歪センサを含むブリッジ回路（図示せず）は、感圧部１１ａの撓みに応じた信号を出力して、荷重を検出する。

そして、更に外力が加えられ、操作体１４の当接面１４ｃがダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに当接して摺動が停止されるまで、駆動体１７の鍔部１７ｂが押圧面を押圧するが、当接面１４ｃがダイヤフラム１１に当接（圧接）することにより、それ以上の大きさの外力が付加されても、操作体１４が駆動体１７を押圧することがない。

即ち、操作体１４は、外力が加えられていないときは、弾性体１５の付勢力によりダイヤフラム１１から隙間を介して離隔した状態となり、外力が加えられたときは、ダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに当接することにより、外力を制限し、駆動体１７の鍔部１７ｂがダイヤフラム１１の感圧部１１ａの押圧面を押圧する力が所定の閾値以下となるようダイヤフラム１１を保護する。

このように、外力が付加され、操作体１４の当接面１４ｃがダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに当接された時点で、駆動体１７の鍔部１７ｂは、ダイヤフラム１１の押圧面を、それ以上の押圧力で押圧することを防止する操作体１４により、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａの押圧面が保護される。即ち、操作体１４は、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａの押圧面に所定の閾値以上の押圧力が付加されないように外力を規制するストッパとして機能する。

このように構成された本実施の形態の荷重センサ１０においては、ダイヤフラム１１と、外力を規制するストッパ機能を備えた押圧部材１２とをケース体１３に収納して一体的に形成することにより、荷重センサ１０の感圧部１１ａには、所定の閾値以上の押圧力が付加されることがない。よって、押圧力が大きすぎてダイヤフラム１１に永久ひずみ等が生じることを防止し、検出精度を維持することができると共に、大きな押圧力が付加された場合においても荷重センサ１０の破壊を防止することができる。即ち、操作体１４の当接面１４ｃが厚肉部１１ｂに当接すると、弾性体１５はそれ以上縮むことはなく、駆動体１７にそれ以上の荷重はかからない。このことにより、駆動体１７が所定の押圧力以上の力にて押圧面を押圧することがなく、従って感圧部１１ａにかかる荷重もそれ以上大きくなることはないので、ダイヤフラム１１を過大荷重や衝撃荷重から保護することができる。

そして、弾性体１５として荷重に対してストロークが線形的に変位する皿バネを使用することで、環境変化に強く、高精度に荷重検出が可能である。

更に、本願発明者らが先に開発した二重構造の足底においては、荷重センサを設けるためには、荷重センサを衝撃から保護するためのストッパ機能が必要であり、その位置決めが極めて困難で、従って製造困難であったのに対し、この荷重センサ１０を足底に採用することにより、荷重検出精度を確保しつつ、二重構造の足底に従来必要であったストッパ機能を不要とすることができ、製造容易とすることができる。

二重構造の足底についての詳細は後述するが、足底を二重構造とすることにより、足底を路面に応じて変更する必要がある場合、磨耗によって磨り減った場合などにおいて交換が可能であったり、脚部と足底部とを別個に製造が可能であったり等の多くの利点を有する。

（３）荷重センサの第１の変形例
次に、本実施の形態における第１の変形例について説明する。図７は、本実施の形態における荷重検出装置の変形例を示す断面図である。上述の図４乃至６に示す例においては、外力が付加されると、操作体１４がダイヤフラム１１の厚肉部１１ｂに当接（圧接）するものとしたが、図７に示すように、操作体３４がケース体３３に当接するようにしてもよい。即ち、操作体３４がその内側面を摺動するケース体３３のダイヤフラム３１との係合部にフランジを設け、このフランジにおいて、操作体３４を当接する。

また、上述の例においては、操作体１４に加えられた外力を駆動体１７に伝える弾性体１５として、荷重に対する変位量が線形性を有する皿バネを配置するものとしたが、本第１の変形例においては、有底円筒形の操作体３４の底部に設けられた段部３４ａ内に、例えばコイルバネ等の弾性体３５を配置し、操作体３４に加えられた外力を駆動体３７に伝達するようにしている。なお、コイルバネにおいても、荷重に対する変位量が線形性を有することが好ましく、また、図４乃至図６に示す如く、皿バネを使用してもよいことはもちろんである。

また、本第１の変形例においても、外力が付加されない状態では、押圧部材３２の自重により、操作体３４の係合部３４ｂが、ケース体３３の係合部３３ｄにて係合してぶら下がった状態とし、ダイヤフラム３１とは離隔する方向に保持される。このように構成した第１の変形例においても、所定の閾値以上の押圧力が感圧部となっているダイヤフラム３１に付加されないようなストッパ機能を有した押圧部材３２によりダイヤフラム１１を押圧する荷重センサとなっており、荷重センサの精度を維持し、破壊を防止する。

（４）荷重センサの第２の変形例
次に、本実施の形態における第２の変形例について説明する。上述の図４及び図５に示す荷重センサと基本的な構成は同様であるが更に安定的に荷重を検出可能とするものである。

図８は、本第２の変形例における荷重センサの分解斜視図、図９は、固定板及びダイヤフラムを示す平面図、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、外力を加えられる前後の本第２の変形例における荷重センサを示す縦断面図である。

ロボット装置の脚部ユニット５Ｒ／Ｌの足首側を上面としたとき、荷重センサ２０は、図８乃至図１０に示すように、感圧機能（感圧部）を備える圧力検出手段である例えばダイヤフラム２１と、外力を受け、ダイヤフラム２１の感圧部の下面側を押圧する押圧部材２２と、ダイヤフラム２１と押圧部材２２とを支持し、収納するケース体２３とを有している。

ここで、本実施の形態におけるダイヤフラム２１は、上述した図４、図５に示す荷重センサと異なり、押圧部材２２を構成する駆動体２７から押圧される押圧面側が凹んで感圧部２１ａとなっており、ケース体２３の固定板２３ａに接触する側が厚肉部２１ｂと同一平面上となるよう形成されている。そして、感圧部２１ａを構成する複数の歪センサ２９は駆動体２７が接触する側とは反対側に形成され、駆動体２７が接触する側には、駆動体２７からの押圧力を均一に受け止めるために突起部２１ｃが形成されている。ダイヤフラム２１は、例えば樹脂又は金属等の基板の、押圧部材２２により加えられた押圧力を所定の電気信号に変換する電気回路等がケース体２３の固定板２３ａに接触する側に形成されており、例えば４つの歪ゲージ（歪センサ）２９が上記基板に回転対称になるよう配置され、貼着されて、ブリッジ回路が形成されたもの等とすることができる。これにより、上述の荷重センサ１０と同様、押圧力が電気信号に変換され、この電気信号がロボット装置本体の上述した制御システムの運動制御モジュール３００等に送られる。そして、運動制御モジュール３００にて、この電気信号に基づく押圧力からＺＭＰ等が計算される。

また、図４、図５に示す荷重センサ１０においては、ダイヤフラム１１の感圧部１１ａの駆動体１７に当接される面側には歪みゲージが形成され、その上に印刷などにより中央部が凸状となるパターンを形成することで荷重点を設けたものであるのに対し、本変形例における荷重センサ２０は、歪みゲージ上にパターンを印刷するのではなく、ダイヤフラム２１自体に突起部２１ｃを設けたものである。突起部２１ｃは、駆動体２７からの押圧力を均一に受け止めるため、その表面が湾曲して形成されている。このように、歪センサを駆動体２７が直接押圧しないような構成にすることで、更に外力の検出を安定させることができる。

ダイヤフラム２１の周縁部は厚肉状とされ、厚肉部２１ｂを構成する。厚肉部２１ｂは、その底面及び側面を後述するケース体２３に当接され、ダイヤフラム２１を支えている。すなわち、ダイヤフラム２１の厚肉部２１ｂが、外力が加えられる操作体２４を衝止（当接）する衝止部となる点は、上述の荷重センサと同様である。

また、感圧部２１ａにケース体２３の固定板２３ａが直接触れないようにするため、固定板２３ａには、ダイヤフラム２１の厚肉部２１ｂを支える支持部２３ｃが３箇所に形成されている。

押圧部材２２は、外力を押圧力として感圧部２１ａに伝えると共に、大きな外力が付加された場合には、ダイヤフラム２１の感圧部２１ａに対する押圧力を所定の閾値以下とするように外力を制限するストッパ機能を有する。また、操作体２４は、例えば樹脂材料又は金属材料などによって形成され、駆動体２７に比べて幅広とされ、駆動体２７を内部に略納めることができるように空洞が形成された上面視で略円形の有底円筒状の部材であり、その開口側がダイヤフラム２１の押圧面側に対向するように配置されている。

そして、操作体２４の円筒部の当接面２４ｃは、外力が付加されていない状態では、ダイヤフラム２１の厚肉部２１ｂとは接することなく、ダイヤフラム２１との間にて上述したように、皿バネなどの弾性体２５の限界変位量以下の所定のギャップ（間隙）Ｌを介した状態とする点も上述の荷重センサ１０と同様である。

すなわち、荷重に対して、弾性体２５が線形に変位しないと検出荷重にバラツキを生じやすく、精度の面で問題を生じる。したがって、操作体２４のダイヤフラム２１との当接面となる当接面２４ｃとダイヤフラム２１との隙間を弾性体２５の限界変位量Ｌ_ｍａｘより小さくすることで、弾性体２５が線形に変位する領域のみ用いることができ、これにより、常に一定の荷重で駆動体２７をダイヤフラム２１に当接させることができる。このことにより、弾性体２５には、その検出精度を保証すべく、その限界荷重より小さい荷重しか付加されないようにすると共に、ダイヤフラム２１の破壊を防止すべく、感圧部２１ａに所定の閾値以上の押圧力が付加されないように外力を制限することができる。

この荷重センサ２０における動作は上述した荷重センサ１０と同様である。すなわち、図１０（Ｂ）に示すように、外力が付加され、操作体２４の当接面２４ｃがダイヤフラム２１の厚肉部２１ｂに当接された時点で、駆動体２７の鍔部２７ｂは、ダイヤフラム２１の押圧面を、それ以上の押圧力で押圧することを防止する操作体２４により、ダイヤフラム２１の感圧部２１ａの押圧面が保護される。即ち、操作体２４は、ダイヤフラム２１の感圧部２１ａの押圧面に所定の閾値以上の押圧力が付加されないように外力を制限するストッパとして機能する。

本変形例における荷重センサ２０においては、ダイヤフラム２１と、外力を制限するストッパ機能を備えた押圧部材２２とをケース体２３に収納して一体的に形成することにより、荷重センサ２０の感圧部２１ａには、所定の閾値以上の押圧力が付加されることがなく、押圧力が大きすぎてダイヤフラム２１に永久ひずみ等が生じることを防止して、検出精度を維持することができると共に、大きな押圧力が付加された場合においても荷重センサ２０が破壊されることを防止することができる。即ち、操作体２４の当接面２４ｃが厚肉部２１ｂに当接すると、弾性体２５はそれ以上縮むことはなく、駆動体２７にそれ以上の荷重はかからなくなるため、駆動体２７も、所定の押圧力以上の力を押圧面に付加することがなく、感圧部２１ａにかかる荷重もそれ以上大きくなることはないので、ダイヤフラム２１を過大荷重や衝撃荷重から保護することができる。

また、押圧部材２２は、外力が加わる操作体２４とダイヤフラム２１を押圧する駆動体２７とを連結するための、荷重に対する変位量が線形性を有する弾性体２５を有する。この弾性体２５は、荷重に対するストロークが限界荷重に達するまでは略比例関係にあり、また環境温度に対する特性の変化が少ないため、安定して荷重を検出することができる。

したがって、荷重に対する変位量が線形性を有する本変形例における荷重センサをロボット装置の足底に設けることにより、環境変化が大きい状況下であっても長期に亘って安定且つ高精度に地面に接地した際の反力を検出することができる。また、荷重センサ内部にストッパ機能を有するため、例えば足底を２重構造にした場合、衝撃などによる過大な荷重が荷重センサに負荷されることを防止するための外装ストッパを設ける必要がなく、製造が容易になり生産性が向上する。

以上説明したように、本実施の形態における荷重センサは、それ自体に過度の衝撃を防止するためのストッパ機構を有しているため、外力が所定の値以上加わらないように制限でき、これを脚式移動型などの移動手段に設けることができる。また、外力に線形的に変位する駆動体により感圧部を押圧してその押圧力を検出するため、環境変化などに対しても安定して高精度に荷重検出が可能であり、脚式移動型のロボット装置の足部の足底に設ければＺＭＰ検出が可能となる。

（４）二重構造の足底
ところで、上述したように、ロボット装置の足底は、二重構造にすることによって足底を路面に応じて変更するための交換が容易となる。また、移動による磨耗によって磨り減った場合には容易に交換が可能である。更に、脚部と足底部とを別個に製造が可能である。このように、足底を二重構造とすることによって多くの利点が生じる。そして、このような二重構造の足底に、内部にストッパ機能付きでかつ検出結果にバラツキがなく信頼性が高い上述した荷重センサを採用することで、従来必要であった外装ストッパを不要とすることができ、足底の製造が簡単化するという優れた効果を奏する。

次に、そのような二重構造の足部について説明する。二重構造の足底は、本願発明者らが先に出願した上記特許文献１の明細書及び図面に記載されているように、ロボット装置の足部に取り付けることができる。

なお、特許文献１の足底は、従前の足部の構造における以下の問題点を解決したものである。すなわち、従前の足底は、足甲部材と足底部材の間に予圧した状態で荷重センサが設けられているため、各荷重センサのキャリブレーション（ゼロ点調整）は、各荷重センサへ作用する予圧を各荷重センサの検出範囲内の適宜な値となるように与えた状態で実施する必要があり、その作業が容易ではない。また、足底部材を交換する場合には、その都度、そのようなキャブレーションを行う必要があり、交換に伴う作業が煩雑であり、その工数が多い。これに対し、特許文献１におけるロボット装置の足底は、予圧を不要とし、荷重検出値の高精度化を図ると共に、足底部材の交換に伴う作業負担を軽減するものである。

本実施の形態においては、このような二重構造の足底に上述したストッパ機能内蔵型であって高い検出精度の荷重センサを採用することで、衝撃に強いと共に製造容易な足底を提供するものである。

図１１は、ロボット装置の二重構造の足部を示す側断面図である。図１１に示すように、足部は、左右各々の脚部ユニット５Ｒ／Ｌの足首にそれぞれ連結される足甲部材１０１０と、この足甲部材１０１０に誘導可能に取り付けられ、路面に直接接地される足底部材１０２０とを備えた二重構造となっている。

足甲部材１０１０はその下面が開口された略矩形箱状の部材であり、略矩形板状の天板部１０１１及びその周囲に沿って一体的に立設された側板部１０１２を有している。なお、側板部１０１２を周囲全面に設けず、複数箇所に設けるよういしてもよい。天板部１０１１の上面には足首に連結するための連結部１０１３が一体的に設けられている。天板部１０１１には、足底部材１０２０を取り付けるためのネジ穴（本例では４つ）１０１４が形成されている。各側板部１０１２の外面の境界部分はＲ面（円弧面）又は滑らかな曲面となっている。

足甲部材１０１０の足首への取り付けは、足甲部材１０１０を該足首に例えばネジ等の固定手段を用いて固定することができる。又は例えば連結機構（図示せず）を介して着脱自在となるように取り付けるようにしてもよい。足甲部材１０１０の天板部１０１１の下面の略中央には電気回路基板１１００が複数の支持部材１１１０を介して取り付けられている。

図１１は図１２に示す足甲部材を接地面側からみた平面図である。なお、図１１に示す断面図は、図１２に示す一点破線Ａにおける断面を示す図である。足甲部材１０１０の天板部１０１１の下面にはその四隅近傍にそれぞれ凸状のセンサ用台座部１０１５が一体的に形成されており、該センサ用台座部１０１５の先端部には、ＺＭＰを算出するためのＺ軸方向の圧力を検出する複数の荷重センサ１０１６が配設されている。これら各荷重センサ１０１６は、例えばロードセル等であり、上述したように、金属又は樹脂等からなるダイヤフラムと４つの歪ゲージ（歪センサ）からなり、４つの歪センサでブリッジ回路を形成し、該歪センサをダイヤフラムに貼着して形成されている。そして、荷重センサ１０１６は、上述した荷重センサ１０、２０又は３０であり、ケースにダイヤフラム及びこれを押圧すると共に押圧力を所定の閾値以下とするストッパ機能を備える押圧部材が収納された一体型のものであり、予圧無しで所望の精度で外力を検出することができる。

電気回路基板１１００上には、荷重センサ１０１６のダイヤフラムへの給電及び荷重センサ１０１６からの信号を伝送するためのケーブル（ここでは、フレキシブル・ケーブル）１１３０が接続されている。荷重センサ１０１６と電気回路基板１１００とをフレキシブル・ケーブル１１３０で接続するのは、荷重センサ１０１６にケーブル・テンションによる不要な力が作用することを防止するためである。また、電気回路基板１１００上には、演算処理手段（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等）１１２０、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度を検出するための加速度センサ１１４０等も搭載されている。この加速度センサ１１４０の出力は、路面の重力方向に対する傾きの検出、路面の凹凸等による躓きの検出に利用される。

足底部材１０２０は、略矩形板状の部材からなる足底本体１０２１の下面に、同じく略矩形板状の部材からなる接地部材１０２２を貼着するか、又はネジ等の固定部材を用いて一体的に取り付けられた二重構造となっている。

足底本体１０２１の外形は、足甲部材１０１０の側板部１０１２の開口側の外形状と略同一の形状となっている。足底本体１０２１の上面には、足甲部材１０１０に取り付けるため、天板部１０１１に形成されたネジ穴１０１４のそれぞれに対応して上側に凸状の固定用突起部１０２４が形成されている。固定用突起部１０２４の下側は、その先端部にネジ山を有する段付きボルト１１５０を下側から挿入するため、円柱状に陥没された凹部１０２５となっている。各固定用突起部１０２４の先端部の中央には上下に貫通する貫通穴１０２６がそれぞれ形成されている。また、足甲部材１０１０の天板部１０１１のセンサ用台座部１０１５に設けられた荷重センサ１０１６にそれぞれ対応する位置には、荷重センサ１０１６に接離自在に圧接ないし当接するセンサ押圧用台座部（センサ押圧部材）１０２７がそれぞれ一体的に形成されている。

接地部材１０２２は、足底本体１０２１の外形と略同一の形状を有しており、足底本体１０２１の凹部１０２５に対応して貫通穴１０２８がそれぞれ形成されている。接地部材１０２２は、足部１２１の路面への接地時にその衝撃を緩和するため、例えば、弾性ゴムシートから形成される。接地部材１０２２の材料としては、路面状況対応性の観点から、ゴムシート以外に、金属、プラスチック、又はその他、各種のものを採用することができ、その下面（接地面）の形状も路面状況対応性の観点から、例えば、溝を形成したもの、及び土踏まずを形成したもの等を採用することができる。この接地部材１０２２の材質や接地面の形状を適宜に変更又は選択することにより、各種の路面状況にそれぞれ対応した各種の足底部材１０２０を構成することができる。

足底部材１０２０の凹部１０２５及び貫通穴１０２６に、段付きボルト１１５０を下側から挿入し、該段付きボルト１１５０がその内側に貫通するように、コイルバネ１１６０を装着し、段付きボルト１１５０の先端のネジ山を天板部１０１１のネジ穴１０１４に限界（段差面）までねじ込むことにより、足底部材１０２０を足甲部材１０１０に装着することができる。なお、凹部１０２５の天井部分と段付きボルト１１５０の頭部との間に、円筒状の例えば弾性ゴム又はコイルバネ等からなる緩衝部材（図示せず）を介装してもよい。

このような構成の足部がロボット装置の脚部ユニットの足首に取り付けられた状態で、歩行動作を開始すると、遊脚時、即ち、足部が路面から離間して、足底部材１０２０に路面からの力が作用していない状態では、コイルバネ１１６０の付勢力によって、足底部材１０２０は足甲部材１０１０に対して、段付きボルト１１５０によって規定されるストローク限界まで離間された状態となっており、天板部１０１１の下面に設けられたセンサ用台座部１０１５に取り付けられた荷重センサ１０１６と、足底本体１０２０に設けられたセンサ押圧用台座部１０２７の先端面とは、所定のギヤツプを保って対峙している。このギヤツプは、例えば、０．７ｍｍ程度に設定される。

接地時、即ち、足部が路面に接地して、足底部材１０２０に路面からの力が作用している状態では、足底部材１０２０はコイルバネ１１６０の付勢力に抗して、足甲部材１０１０に接近し、天板部１０１１の下面に設けられたセンサ用台座部１０１５に取り付けられた荷重センサ１０１６に、足底本体１０２０に設けられたセンサ押圧用台座部１０２７の先端面が圧接し、各荷重センサ１０１６に路面からの圧力が伝達される。荷重センサ１０１６の出力はケーブル１１３０を介して電気回路基板１１００上の演算処理手段１１２０に送られ、必要な処理が施された後に、ロボット装置本体の制御システムの運動制御モジュール３００に伝送され、ＺＭＰの算出処理が実行される。なお、ロポット装置本体の運動制御モジュール３００の処理負担を軽減するため、足部の演算処理手段１１２０によってＺＭＰを算出した後に、ロボット装置本体の運動制御モジュール３００に伝送するようにしてもよい。

本実施の形態においては、ＺＭＰ検出用の荷重センサ１０１６は、予圧が不要であり、足底部材１０２０が路面に接地していない場合には、荷重センサ１０１６からセンサ押圧用台座部１０２７を離間させた状態、即ち、予圧しない状態とし、足底部材１０２０が路面に接地した場合に荷重センサ１０１６にセンサ押圧用台座部１０２７を圧接させるようにしたので、予圧の調整を実施する必要が全くなくなる。また、足底部材１０２０を足甲部材１０１０から離反させるように付勢するコイルバネ１１６０を足甲部材１０１０と足底部材１０２０の間に介装したので、足底部材１０２０の振動の発生が少なく、騒音の発生を低減することができる。さらに、各荷重センサ１０１６のキヤリブレーションは、足底部材１０２０に外力が作用していない状態で行うことができるので、歩行動作に伴う遊脚時にキヤリブレーションを実施することができ、常に正確な検出値を得ることができるようになる。

また、足底部材１０２０の交換は、段付きボルト１１５０を取り外すことにより容易に行うことができ、組立時には、段付きボルト１１５０を螺合の限界までねじ込むことにより、足底部材１０２０を足甲部材１０１０に対して所定の位置関係に容易に設定することができ、その交換作業が極めて容易である。

また、遊脚時に荷重センサ１０１６から足底部材１０１０が離間しているので、足底部材１０２０に何らかの衝撃が加わった場合であっても、この衝撃が荷重センサ１０１６に伝達されることが少なくなり検出精度を維持することができると共に、破損等が極めて生じにくい。

このように、歩行ロボット装置の足部に、荷重に対するストッパ機能を内蔵する荷重センサを取り付けることにより、衝撃に強いＺＭＰ計測足底を実現することができる。上述した如く、従来は足底がたわむような条件下では、荷重センサの外部に設けられたストッパが作動しても、荷重センサへの入力が抑制できない場合があり、荷重センサを破壊していたのに対し、本実施の形態のように、ケースにダイヤフラムとストッパ機能を有する押圧素子とを収納した一体型の荷重センサを設けることにより、荷重センサを破壊することがなく、また高精度の検出能力を維持することができる。

また、ストッパ機能と検出器の機能とが一体化しており、荷重センサ自身がストッパ機能を備えているため、ストッパが作動する変移量と、検出器としての変移量との間の調整が不要になり、製造、取り付け、メンテナンス等が容易である。すなわち、荷重センサは、上述した如く押圧部材にストッパ機能を持たせ、ストッパ機能が内蔵されたものであるため、足底には、荷重センサ保護のための過剰な強度を必要とせず、側板部１０１２がないような足底に取り付けても、足底の構造のたわみにより荷重センサが破壊されることがなく、構造の軽量化、小型化、低コスト化を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、本実施の形態においては、２足歩行の脚式移動ロボットに関して説明したが、ロボット装置の移動手段は、４足歩行、更には脚式移動方式に限定されない。

本発明の実施の形態におけるロボット装置の概観を示す斜視図である。同ロボット装置が具備する関節自由度を示す模式図である。同ロボット装置の制御システムを示す模式図である。本発明の実施形態におけるロボット装置の足底に設けられる荷重センサの組立図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ外力を加えられる前、及び加えられた後の様子を示す同荷重センサの縦断面図である。ゴム及び皿バネの荷重に対するストロークを模式的に示した図である。本発明の実施形態におけるロボット装置の足底に設けられる荷重センサの第１の変形例を示す縦断面図である。本発明の実施形態におけるロボット装置の足底に設けられる荷重センサの第２の変形例を示す組立図である。同荷重センサに用いられるダイヤフラムの平面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ外力を加えられる前、及び加えられた後の様子を示す同荷重センサの縦断面図である。ロボット装置における二重構造の足底を示す側断面図である。図１１に示す足甲部材を接地面側からみた平面図である。

符号の説明

１ロボット装置、２体幹部ユニット、３頭部ユニット、４Ｒ／Ｌ腕部ユニット、５Ｒ／Ｌ脚部ユニット、１０，２０，３０荷重センサ、１１，２１，３１ダイヤフラム、１１ａ，２１ａ感圧部、１１ｂ，２１ｂ厚肉部、１３，２３，３３ケース体、１３ａ，２３ａ固定板、１３ｂ，２３ｂカバー、１４，２４，３４操作体、１４ｂ，２４ａ，３４ａ段部、１４ｃ，２４ｃ当接面、１５，２５，３５弾性体、１５ａ，２５ａ部材、１６，２６，３６ワッシャ、１７，２７，３７駆動体、２７ａ軸部、１７ｂ，２７ｂ鍔部、１９ａ〜１９ｄ歪センサ、２１ｃ突起部、２２，３２押圧部材、２３ｃ支持部、２３ｄ，２３ｄ係合部、２８パターン、１００１足部、１０１０足甲部材、１０１１天板部、１０１２側板部、１０１３連結部、１０１４ネジ穴、１０１５センサ用台座部、１１００電気回路基板、１１１０支持部材、１１２０演算処理手段、１１３０ケーブル、１１４０加速度センサ、１１５０段付きボルト、１１６０コイルバネ、１０２０足底部材、１０２１足底本体、１０２２接地部材、１０２４固定用突起部、１０２５凹部、１０２６貫通穴、１０２７センサ押圧用台座部、１０２８貫通穴

Claims

可動部を有するロボット装置において、
上記ロボット装置を移動させる移動手段と、
上記移動手段が地面に接した際の反力を外力として検出する１以上の荷重センサとを備え、
上記荷重センサは、押圧力を電気信号に変換する感圧部を備える圧力検出手段と、上記外力の大きさに応じて変位し、上記圧力検出手段を押圧する押圧手段とを有し、
上記荷重センサは、上記圧力検出手段の上記感圧部に対する押圧力が所定の閾値以下になるよう上記外力を制限するストッパ機能を有し、
上記押圧手段は、上記外力が加えられる操作体と、上記感圧部を押圧する駆動体と、該駆動体と操作体とを連結し該外力に対する変移量が線形性を有する弾性体とを有し、
上記圧力検出手段は、上記感圧部と周辺部とからなり、上記周辺部は上記感圧部よりその厚さが厚い厚肉部からなり、
上記押圧手段に対して外力が加えられると、上記操作体が上記弾性体を介して上記駆動体に外力を伝達して該駆動体が上記圧力検出手段の上記感圧部を押圧し、更に外力が加えられると、上記操作体が上記圧力検出手段の上記周辺部に当接することにより上記外力が制限される
ロボット装置。
上記移動手段は、上記ロボット装置の脚部であって、
上記脚部は、地面に接した際の反力を外力として検出する１以上の上記荷重センサを備える
請求項１記載のロボット装置。
上記操作体と上記周辺部との間には、上記弾性体が上記外力に対して線形に変位する限界変位量より小さい隙間が設けられている
請求項１記載のロボット装置。
上記押圧部材は、有底円筒状の上記操作体の内部に上記駆動体が配置された２重構造とされ、
上記操作体は、上記駆動体を押圧する段部を有し、
上記駆動体は、上記感圧部に当接する鍔部を有し、
上記弾性体は、皿バネにより構成され、上記段部と鍔部とに係合されて上記操作体と上記駆動体とを連結する請求項１記載のロボット装置。
上記荷重センサは、上記圧力検出手段と上記押圧部材とを支持するケース体を有する請求項１記載のロボット装置。
上記押圧部材は、上記外力が加えられる操作体と、上記感圧部を押圧する駆動体と、該駆動体と操作体とを連結し該外力に対する変移量が線形性を有する弾性体とを有し、
上記押圧部材に対して外力が加えられると、上記操作体が上記弾性体を介して上記駆動体に外力を伝達して上記駆動体が上記圧力検出手段の上記感圧部を押圧し、更に外力が加えられると、上記操作体が上記ケース体に当接することにより上記外力が制限される
請求項５記載のロボット装置。
上記脚部の先端部に設けられる足甲部材と、
上記足甲部材に遊動可能に取り付けられた足底部材と、
上記足甲部材又は足底部材の一方に設けられる１以上の上記荷重センサとを有する
請求項２記載のロボット装置。