JP4826539B2

JP4826539B2 - 脚式移動型ロボット

Info

Publication number: JP4826539B2
Application number: JP2007116426A
Authority: JP
Inventors: 宏史嶋田; 邦保松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: JP2008272846A

Description

本発明は、脚部を有する脚式移動型ロボットに関するものである。

近年、歩行するための脚部を備え、この脚部を駆動し、脚部の下端に設けられた足平部分を所定の歩容データに基づいて床面上に配置することで歩行動作を行う脚式移動型のロボットが開発されている。

このような脚式移動型のロボットは、まず、脚部の足平部分を床面に接触させて支持脚とし、その後に足平の裏面で床面を押して脚部全体（ロボット全体）を上げるように脚部を駆動することで、次の歩行動作を行う。駆動された脚部は遊脚となる一方、他の脚部が支持脚となり、このように、遊脚と支持脚とを交互に繰り返して切り換えることで、歩行動作を行うことが可能になる。

このような歩行動作を安定して行う際には、ロボット全体の重心位置を制御して、脚部を駆動する必要がある。すなわち、左右に各々脚部を有する2足歩行タイプの脚式歩行型ロボットの場合、歩行する床面に接地する支持脚の足平部分の接地面内部に、ロボット全体の重心によるモーメントが作用しない点（ＺＭＰ＝ＺｅｒｏＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔ）を位置させる。

さらに、より安定して歩行するため、足部分にセンサを設けた脚式移動ロボットが開示されている（特許文献１）。これらの脚式移動ロボットでは、足部に弾性体を設けている。そして、弾性体の空間内に内蔵された変位センサによって、足部の接地端の変位を検出している。この変位センサで検出された変位によって床反力を推定する。床反力に応じて、異常を検知している。しかしながら、上記の脚式移動ロボットでは、床反力を受けてから制御が開始される。このため、ロボット本体が外力を受けてしまう。すなわち、床反力が弾性体を介して、脚部に伝わってしまう。また、足裏の床面と接触する面に弾性体を配置すると、ロボットの姿勢が不安定になりやすい。

床反力を受ける前に、床面と足裏との距離を測定するためには、例えば、非接触型の距離センサを使用することが考えられる。非接触型の距離センサの典型例として、光学式のセンサが挙げられる。しかしながら、光学式の距離センサでは、十分な、精度、計測レンジを得ることが困難である。また、床面の色などに影響を受けてしまう。

また、足裏に接触式のセンサ（路面検知装置）を設けた脚式移動ロボットが開示されている（特許文献２）。このセンサは、足部の底面に対して出没自在に取り付けられた路面検知子を有している。この路面検知子の出没位置に応じて、路面との距離関係を測定している。しかしながら、このセンサでは、路面検知子が足部ベース体に埋没してしまう。従って、特許文献２のセンサでは、凹凸のある床面を歩行する場合、正確に測定することができなくなってしまうという問題点がある。凹凸のある床面を歩行する場合、例えば、凹部上に路面検知子が配置されてしまうことがある。凹部が路面検知子よりも深い場合、路面検知子以外の箇所で足部ベース体が床面と接触する。すなわち、足部ベース体が床面と接触していても、路面検知子が床面と接触していない状態と認識されてしまう。また、このようなセンサを用いた場合、足裏を床面に倣わせることが困難である。例えば、床面に凹凸がある場合、センサ以外の部分が路面に触れてしまう。そのため、足裏を床面に倣わせる制御が困難になってしまう。

このように、従来の脚式移動ロボットでは、足裏から床面までの距離を正確に測定することが困難であるという問題点がある。床面までの測定距離が実際の距離からずれていると、ロボットを安定させることが困難になってしまう。例えば、足裏を床面に倣わせるために、床面までの距離を０とする方向に足首関節を駆動することがある。このような場合、上記のセンサでは床面までの距離を誤って測定しているため、既に足裏が床面に接地していても、足首関節を駆動してしまう。従って、床反力が脚部に加わってしまい、ロボットが不安定になってしまう。

特開平２００３−２０５４８１号公報特開平２００１−３５３６８６号公報

このように、従来の脚式移動ロボットでは、床面までの距離を正確に測定することが困難であるという問題点がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、床面までの距離を正確に測定することができる脚式移動型ロボットを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる脚式移動型ロボットは、脚部によって床面を移動する脚式移動型ロボットであって、前記脚部に設けられた足平本体部と、前記足平本体部に対して摺動可能に取り付けられ、前記足平本体部の底面よりも床面側に突出する可動部と、前記可動部の摺動位置を検出するセンサ部と、前記可動部が前記足平本体部の足裏面に近づく方向の摺動端において、前記可動部の下端が前記足平本体部よりも床面側に突出するよう、前記可動部の摺動範囲を規制するストッパと、を備えるものである。これにより、床面に凹凸がある場合でも、床面までの距離を正確に測定することができる。

本発明の第２の態様にかかる脚式移動型ロボットは、上述の脚式移動型ロボットであって、前記可動部が前記足平本体部の足裏面から離れる方向の摺動端において、前記可動部と前記足平本体部との間に空間が生じているものである。これにより、可動部が床面と接触しても、ロボット本体に外力がほとんど伝わらない状態で、距離を測定することができる。

本発明の第３の態様にかかる脚式移動型ロボットは、上述の脚式移動型ロボットであって、前記可動部を床面側に付勢する付勢手段を、さらに有するものである。これにより、速やかに可動部を元の位置に戻すことができる。

本発明の第４の態様にかかる脚式移動型ロボットは、上述の脚式移動型ロボットであって、前記可動部が、下端側に向かうにしたがって細くなる先細り形状になっていることを特徴とするものである。これにより、横方向からの外力を受けても可動部が動くため、横方向からの外力を受け流すことができる。

本発明の第５の態様にかかる脚式移動型ロボットは、上述の脚式移動型ロボットであって、前記可動部と前記足平本体部との間に、着地時の衝撃を吸収する衝撃吸収部材が設けらていることを特徴とするものである。これにより、着地時の衝撃を吸収することが出来る。

本発明の第６の態様にかかる脚式移動型ロボットは、上述の脚式移動型ロボットであって、前記可動部の下端に滑り止めが形成されていることを特徴とするものである。これにより、着地時に滑りにくくなる。

本発明の第７の態様にかかる脚式移動型ロボットは、上述の脚式移動型ロボットであって、前記足平本体部の足裏面と垂直な方向に、前記可動部が摺動することを特徴とするものである。これにより、水平方向の剛性を高くすることができる。

本発明によれば、床面までの距離を正確に測定することができる脚式移動型ロボットを提供することが可能になる。

以下に、図１、及び図２を参照しつつ本発明の実施の形態１にかかる脚式移動型ロボット（以下、単にロボットという）について説明する。

図１は、ロボット１を正面から見た様子を概略的に表す概略図であり、床面Ｆ上をロボット１が歩行する様子を表しているなお、図１においては、説明の便宜上、ロボット１が進行する向き（前後方向）をｘ軸、ロボット１が進行する方向について水平方向に直交する向き（左右方向）をｙ軸、移動体の移動する平面から鉛直方向に延びる向き（上下方向）をｚ軸とし、これらの３軸からなる座標系を用いて説明する。すなわち、図１中において、前記ｘ軸は紙面の奥行方向、ｙ軸は紙面に向かって左右方向、ｚ軸は紙面中の上下方向を示す。

図１に示すように、ロボット１は、頭部２と、体幹３と、体幹３に結合された腰部４と、体幹３に接続された右腕５、左腕６と、腰部４に対して回動自在に固定される脚部１０と、を備えた２足歩行型のロボットである。以下、詳細に説明する。

頭部２は、ロボット１の周囲の環境を視覚的に撮像するための左右一対の撮像部（図示せず）を備えているとともに、体幹３に対して頭部２を鉛直方向に平行な軸周りに回動させることで、周囲の環境を広く撮像する。撮像した周囲の環境を示す画像データは、後述する制御部１３０に送信され、ロボット１の動作を決定するための情報として用いられる。

体幹３は、その内部にロボット１の動作を制御する制御部１３０や、脚部のモータ等に電力を供給するためのバッテリー（図示せず）等を収容するものである。制御部１３０は、図２に示すように、脚部１０を駆動し、ロボット１を動かすための歩容データを記憶する記憶領域１３１と、この記憶領域１３１に記憶された歩容データを読み出す演算処理部１３２と、脚部１０に含まれるモータを駆動するモータ駆動部１３３と、を備えている。これらの各構成要素は、体幹３の内部に設けられたバッテリー（図示せず）から電力を供給されることで動作する。

また、演算処理部１３２は、記憶領域１３１に記憶された歩容データを読み出すとともに、読み出した歩容データによって特定されるロボット１の姿勢を実現するために必要な脚部１０の関節角を算出する。そして、このように算出した関節角に基づく信号をモータ駆動部１３３に送信する。

モータ駆動部１３３は、演算処理部１３２より送信された信号に基づいて、脚部を駆動するための各モータの駆動量を特定し、これらの駆動量でモータを駆動させるためのモータ駆動信号を各モータに送信する。これによって脚部１０の各関節における駆動量が変更され、ロボット１の動きが制御される。

また、演算処理部１３２は、読み出した歩容データに基づいてモータの駆動を行うように指令するほか、ロボット１に組み込まれたジャイロや加速度計などセンサ（図示せず）からの信号を受けて、モータの駆動量を調整する。また、レーザセンサなどを設けて、床面Ｆまでの距離を検出してもよい。ジャイロセンサや加速度計やレーザセンサなどの各種センサは、例えば、体幹３や腰部４に設けられる。このように、センサにより検出したロボット１に作用する外力や、ロボット１の姿勢などに応じて脚部１０の関節角を調整することで、ロボット１が安定した状態を維持することができる。

右腕５および左腕６は、体幹３に対して回動自在に接続されており、肘部分および手首部分に設けられた関節部分を駆動することにより、人間の腕部と同様の動きを行うことができる。また、手首部分の先端に接続された手先部は、図示を省略するが物体を把持するためのハンド構造を備えており、ハンド構造に組み込まれた複数の指関節を駆動することで、様々な形状の物体を把持することが可能となる。

腰部４は、体幹３に対して回動するように接続されており、歩行動作を行う際に腰部４の回動動作を組み合わせることで、脚部１０を駆動するために必要な駆動エネルギーを低減させることができる。

２足歩行を行うための脚部１０（右脚２０、左脚３０）は、右脚２０と左脚３０とから構成されている。詳細には、図２に示すように、右脚２０は右股関節２１、右上腿２２、右膝関節２３、右下腿２４、右足首関節２５、右足平２６を備え、同様に、左脚３０は左股関節３１、左上腿３２、左膝関節３３、左下腿３４、左足首関節３５、左足平３６を備えている。

そして、右脚２０および左脚３０とは、図示しないモータからの駆動力が、同じく図示しないプーリおよびベルトを介して伝達されることで、各関節部が所望の角度に駆動され、その結果、脚部に所望の動きをさせることができる。

なお、本実施形態においては、脚部１０（右脚２０および左脚３０）は、下腿を膝関節回りに前方側に持ち上げると、人間の脚部のように、上腿と下腿が後方側に向かって開いた状態（上腿の延長線よりも後方側に、下腿が膝関節回りに回転した状態）となる。

記憶領域１３１に記憶された歩容データは、操作部（図示せず）から送られる信号で特定される脚部１０の移動量に対応づけて、脚部１０の足平（右足平２６、左足平３６）の先端（足先）の位置と、移動体本体（本実施の形態においては載置部１１）の位置とを、ロボット１の移動する空間を定める座標系（例えばｘｙｚ座標系）において経時的に指示するものである。

さらに、右足平２６、及び左足平３６には、床面Ｆまでの距離を測定する距離センサ（図示せず）が設けられている。距離センサは、足平の足裏から床面までの距離を測定する。この距離センサの構成については、後述する。そして、図２に示すように、距離センサで測定された床面までの距離がセンサ信号１３５として、制御部１３０に入力される。このセンサ信号１３５に基づいて、制御部１３０はフィードバック制御を行っている。例えば、足平部の足裏を床面Ｆに倣わせるように、足首関節（右足首関節２５、左足首関節３５）を駆動する。これにより、ロボットが安定して、歩行することができる。

次に、脚部１０に備えられた足平部（右足平２６、左足平３６）の構造について、図３および図４を用いて詳細に説明する。なお、右足平２６、左足平３６は左右対称の同様の構造を備えているため、ここでは右足平２６の詳細な構造についてのみ説明するものとし、左足平３６については説明を省略するものとする。なお、図３は、右足平２６を上面から見た様子を示す概略図であり、図４は、右足平２６を側方（右側方）から見た様子を示す側方図である。

図３、及び図４に示すように、右脚２０の先端に配置された右足平２６は、足平本体部４０と、距離センサ５０とを有している。足平本体部４０は、板状の部材である。よって、足平本体部４０の下面である足裏面４０ａは平面になっている。足平本体部４０は、足首関節２５に連結されている。右足首関節２５を駆動すると、足平本体部４０の傾きが変化する。すなわち、右足首関節２５の駆動軸を回転中心として、足平本体部４０が回転する。これにより、足平本体部４０が床面Ｆに対して傾斜する。足平本体部４０の爪先側を踵側よりも下方に配置したり、踵側を爪先側よりも下方に配置することができる。また、足平本体部４０が床面Ｆから受けた力は右足首関節２５を介して、ロボット１本体（例えば、右脚部２０や、体幹３など）に伝わる。足平本体部４０は、上面視において、略矩形状に形成されている。

足平本体部４０には、複数の距離センサ５０が設けられている。図３に示すように、距離センサ５０は、足平本体部４０の四隅近傍に配置されている。ここでは、足平本体部４０の踵側に２つの距離センサ５０が設けられ、爪先側に２つの距離センサ５０が設けられている。足平本体部４０の四隅には、距離センサ５０を配設するための貫通孔が設けられている。そして、足平本体部４０に設けられた貫通孔に距離センサ５０が挿入される。これらの４つの距離センサ５０は同じ構成を有している。なお、図４では、爪先側の距離センサ５０を省略して図示している。

距離センサ５０は、足平本体部４０の足裏から突出している。すなわち、距離センサ５０の下端は、足平本体部４０の底面（足裏面４０ａ）よりも下側に位置する。従って、着地時には、距離センサ５０が床面Ｆと接触する。着地時において、足平本体部４０の下面と、床面Ｆとの間には空間が形成される。すなわち、足平本体部４０の下には、距離センサ５０の突出量に対応する隙間が設けられている。ここでは、複数の距離センサ５０を設けているため、着地時に足平本体部４０が水平になる。よって、ロボット１を安定して、倒立させることができる。

この距離センサ５０の構成について、図５を用いて詳細に説明する。図５は、距離センサ５０とその周辺の構成を拡大して示す側面断面図である。なお、図５では、右足平２６が着地する前の状態を示している。距離センサ５０は、可動部５１、滑り止め部材５２、測定対象物５３、衝撃吸収部材５４、付勢バネ５６、変位センサ５７、ベアリング５８、及び係止部５９を有している。

可動部５１は、足平本体部４０に対して摺動可能に取り付けられている。ここでは、足平本体部４０の足裏面４０ａと垂直方向に摺動する。すなわち、可動部５１は、足平本体部４０の厚さ方向に沿って移動する。足平本体部４０の足裏面４０ａがＸＹ平面と平行な場合、可動部５１はＺ方向に移動する。可動部５１は、例えば、アルミニウム等の金属によって形成されている。これにより、右足平２６を軽量化することができる。なお、可動部５１は、ベアリング５８にガイドされて摺動する。ベアリング５８は、例えば、スラストベアリングである。これにより、直進性よく、可動部５１を移動させることができる。すなわち、可動部５１の動きが上下方向（足裏面４０ａと垂直方向）に拘束される。

右脚２０が着地するときに、右足平２６に設けられた可動部５１が床面Ｆと接する。そして、着地時に床面Ｆから受ける力によって、可動部５１が押し込まれる。これにより、可動部５１が足裏面４０ａ側に摺動する。すなわち、可動部５１の下端が足裏面４０ａに近づく。一方、右脚が床面Ｆから離れる時は、可動部５１が床面Ｆ側に摺動する。すなわち、可動部５１の下端が足裏面４０ａから離れる方向に摺動する。このように、可動部５１が摺動することによって、可動部５１の下端と、足平本体部４０との距離が変化する。可動部５１は、所定の摺動範囲が設定されている。すなわち、上下両方向に対して摺動端が決定されている。よって、可動部５１は、足平本体部４０側の摺動端と、床面Ｆ側の摺動端との間を摺動する。

可動部５１は、滑り止め部材５２を有している。滑り止め部材５２は、可動部５１の下端に、配置されている。すなわち、可動部５１の着地面には、滑り止め部材５２が設けられている。着地時には、滑り止め部材５２が床面Ｆと接触する。これにより、ロボット１が着地時等に滑るのを防ぐことができる。滑り止め部材５２は、例えば、シート状の弾性体によって形成されている。これにより、移動中のロボット１が滑るのを防ぐことができ、安定した歩行が可能となる。また、滑り止め部材５２の換わりに、可動部５１の下面を加工して、滑り止めを設けてもよい。例えば、可動部５１の下面に微小な凹凸を形成することによって、滑り止めが形成される。このように、滑り止め部材５２は、弾性体に限られるものではない。可動部５１の下面に、摩擦係数の大きい滑り止めを形成することで、転倒を防止することができる。

可動部５１は、針状の測定対象物５３を有している。測定対象物５３は、ＸＹ方向において、可動部５１の略中心に配置されている。測定対象物５３は、例えば、金属によって、形成されている。可動部５１の摺動に応じて、測定対象物５３が移動する。すなわち、可動部５１の摺動に伴って、測定対象物５３が足裏面４０ａと垂直方向に移動する。測定対象物５３の先端は、変位センサ５７内に挿入されている。

変位センサ５７は、足平本体部４０に固定されている。従って、可動部５１が摺動すると、変位センサ５７と測定対象物５３との位置関係が変化する。変位センサ５７は、例えば、渦電流式変位センサのセンサヘッドである。変位センサ５７は、測定対象物５３の変位量を検出する。測定対象物５３は可動部５１とともに移動する。従って、可動部５１が変位すると、変位センサ５７からの出力電圧が変化する。これにより、変位センサ５７は、足平本体部４０に対する可動部５１の摺動位置が検出される。距離センサ５０は、変位センサ５７で検出された変位量に基づいて、足裏面４０ａから床面Ｆまでの距離を測定する。距離センサ５０は、変位センサ５７で検出された変位量に基づいて、床面Ｆまでの距離に対応するセンサ信号１３５として出力する。もちろん、光学式等のセンサを用いてもよい。

可動部５１の上端には、衝撃吸収部材５４が設けられている。すなわち、衝撃吸収部材５４は、可動部５１と足平本体部４０との間に配置されている。衝撃吸収部材５４は、例えば、ゴムなどの弾性体により形成されている。そして可動部５１の取り付け位置において、衝撃吸収部材５４には、開口が設けられている。測定対象物５３は衝撃吸収部材５４の開口を貫通している。衝撃吸収部材５４は可動部５１とともに移動する。右脚２０が遊脚となっている状態において、衝撃吸収部材５４と足裏面４０ａとの間には、隙間がある。着地時には、可動部５１が足平本体部４０側に押し込まれる。従って、可動部５１が足裏面４０ａ側に摺動して、衝撃吸収部材５４が足裏面４０ａに当接する。すなわち、可動部５１が移動することによって、衝撃吸収部材５４が足平本体部４０と衝突する。衝撃吸収部材５４は、弾性体により形成されているため、衝撃が吸収される。すなわち、衝撃吸収部材５４によって、着地時にインパルス的に加わる衝撃が緩和される。なお、衝撃吸収部材５４を取り付ける箇所は、図５の位置に限られるものではない。例えば、足平本体部４０の足裏面４０ａに衝撃吸収部材５４を取り付けてもよい。この場合、着地時に可動部５１が押し込まれると、衝撃吸収部材５４の下端が、可動部５１の上端と当接する。このように、衝撃吸収部材５４は、可動部５１と足平本体部４０との間に、配置されていればよい。

さらに、距離センサ５０には、可動部５１と当接する係止部５９が設けられている。係止部５９は、足平本体部４０に対して固定されている。係止部５９が可動部５１の摺動を止めるストッパとなる。すなわち、係止部５９が足裏面４０ａ側への可動部５１の摺動を制限する。具体的には、可動部５１が足裏面４０ａ側に摺動すると、係止部５９の先端が可動部５１に当接する。これにより、可動部５１の摺動が制限され、可動部５１が、これ以上摺動しなくなる。すなわち、係止部５９は、可動部５１が足裏面４０ａに近づく方向の摺動端を規定している。着地時に、可動部５１が床面に押し込まれると、係止部５９が可動部５１に当接して、摺動を止める。従って、右脚２０が支持脚となっている場合、可動部５１が係止部５９に当接している。また、右脚２０が遊脚となっている場合、可動部５１が係止部５９から離間している。

可動部５１の足裏面４０ａ側の摺動端において、可動部５１は、足裏面４０ａから突出している。足裏面４０ａよりも、可動部５１の下端が下方に位置する。ここでは、滑り止め部材５２が足裏面４０ａよりも下側に位置する。従って、着地時には、足平本体部４０の足裏面４０ａは床面Ｆに接触しない。すなわち、着地時において、足平本体部４０のと床面Ｆとの間に隙間が設けられる。これにより、床面Ｆに凹凸がある場合でも、正確に床面Ｆまでの距離を測定することができる。

すなわち、係止部５９を設けているため、可動部５１が足平本体部４０に埋没しなくなる。着地時にも、可動部５１が足裏面４０ａから突出した状態となっているため、足裏面４０ａと床面Ｆとの間には、常に隙間がある。床面Ｆに凹凸がある場合でも、支持脚時の可動部５１の位置は一定となる。例えば、着地時に、可動部５１が凹部上に移動したとしても、摺動端における可動部５１の突出量以下の凹部であるならば、可動部５１の下面が接地する。すなわち、可動部５１の下端が凹部の底面と接触するため、可動部５１が摺動端まで押し込まれる。これにより、凹部上に着地した時の可動部５１の変位量が、平面上に着地した場合の変位量と同じになる。よって、正確に床面までの距離を測定することができる。

さらに、可動部５１が付勢バネ５６によって下方に付勢されている。付勢バネ５６は、足平本体部４０に固定されている。よって、右脚２０が床面Ｆから離れる時に、付勢バネ５６は可動部５１を床面Ｆ側に付勢する。これにより、可動部５１が速やかに足裏面４０ａから離れる。すなわち、右足が、床面Ｆから離れた時に、可動部５１が速やかに元の位置に戻る。また、付勢バネ５６を設けることで、確実に元の位置に戻すことができる。

付勢バネ５６は例えばコイル状のスプリングである。具体的には、付勢バネ５６として、圧縮コイルバネを用いることができる。可動部５１が押し込まれると付勢バネ５６が縮む。付勢バネ５６によって、可動部５１は下方向に付勢され、足平本体部４０は上方向に付勢されている。付勢バネ５６の中にベアリング５８や係止部５９が挿入されている。すなわち、付勢バネ５６の中にベアリング５８や係止部５９が収納される。これにより、距離センサ５０を小型化することができる。もちろん、付勢バネ５６の換わりとなる付勢手段として、ゴムなどの弾性体を用いることができる。

なお、付勢バネ５６のバネ定数を小さくすることが好ましい。具体的には、付勢バネ５６は、衝撃吸収部材５４や滑り止め部材５２よりも小さいバネ定数を有している。これにより、着地時に足平本体部４０が受ける床反力を小さくすることができる。すなわち、付勢バネ５６のバネ定数を小さくすると、可動部５１の摺動によって生じる付勢バネ５６の弾性力が小さくなる。従って、可動部５１が摺動しても、付勢バネ５６から足平本体部４０に加わる弾性力は小さくなる。よって、足平本体部４０を介してロボット１が着地時に受ける衝撃を小さくすることができる。なお、滑り止め部材５２のバネ定数を衝撃吸収部材５４よりも大きくすることが好ましい。これにより、衝撃を効果的に吸収することができるとともに、ロボット１を安定させることができる。

また、可動部５１が足裏面４０ａに近づく方向の摺動端も規定されている。右脚２０が遊脚となっているときには、衝撃吸収部材５４と足平本体部４０の足裏面４０ａとの間に隙間が生じる。可動部５１が押し込まれる前には、可動部５１と足裏面４０ａとの間に空間が生じている。換言すると、可動部５１が足平本体部４０の足裏面４０ａから離れる方向の摺動端において、可動部５１と足平本体部との間に空間が生じている。さらに、付勢バネ５６のバネ定数を小さくしている。よって、着地時以外は、可動部５１と足平本体部との間に隙間が生じている。これにより、可動部５１が床面Ｆに接触しても、ロボット本体に外力がほとんど伝わらない状態で、測定することができる。すなわち、可動部５１が受けた力が直接、足平本体部４０に伝わるのを防ぐことができる。また、右足平２６が床面Ｆから離れるときに、可動部５１が自重によって下方に摺動する構成とすることで、付勢バネ５６を取り除くことが出来る。これにより、可動部５１の摺動中に足平本体部４０にかかる外力をさらに低減することができる。また、右足平２６の軽量化を図ることができる。

可動部５１に適度な荷重が加わると、可動部５１と係止部５９が当接する。すなわち、完全に着地した状態では、係止部５９によって、可動部５１の摺動が停止している。このため、弾性体である衝撃吸収部材５４、及び付勢バネ５６が一定以上変形しなくなる。これにより、倒れそうになったときに、ロボット１本体を元に戻すための床反力モーメントを発生させやすくなる。すなわち、足平本体部４０と可動部５１の間にある弾性体の変形が、係止部５９によって制限される。このため、例えば、速やかに足首関節のトルクを床面に伝えることができる。よって、転倒を防止するための制御を容易に行うことができ、ロボット１を安定させることができる。

なお、可動部５１の先端部分は、テーパー形状に加工されている。すなわち、可動部５1の下端側が面取りされている。可動部５１は、下端が最も細くなり、足裏面４０ａに向かうにしたがって太くなるような、形状となっている。よって、側面視において、可動部５１の外形は台形状になっている。このように可動部５１を下端側に向かうにしたがって細くなる先細り形状とすることで、可動部５１が水平方向の外力を受けても、可動部５１が摺動する。よって、可動部５１に対する水平方向の外力を受け流すことができる。もちろん、可動部５１はテーパ形状に限らず、Ｒ形状に加工されていてもよい。可動部５１はリニアガイドであるベアリング５８を介して足平本体部４０に取り付けられている。このため、着地時における水平方向に対する剛性を高くすることができる。また、ベアリング５８によって、足裏面４０ａと垂直な方向の動きに制限されるため、着地時において、鉛直方向には衝撃吸収力がある。

例えば、可動部５１の下端は、直径３ｃｍの円形にすることができる。すなわち、可動部５１の床面Ｆと接触する部分は、直径３ｃｍの円形にすることができる。そして、可動部５１を摺動範囲（摺動可能距離）を５ｍｍとすることができる。従って、右足平２６が床面Ｆから離れている状態では、可動部５１の衝撃吸収部材５４と足裏面４０ａとの間の隙間は５ｍｍ以下となる。そして、着地時における、衝撃吸収部材５４の変形量と隙間とを合わせると５ｍｍとなる。このように、係止部５９と可動部５１の位置関係、及び形状を設計している。この摺動範囲が距離センサで測定できる測定可能範囲に対応している。距離センサ５０の測定範囲を越える距離は、体幹３等に設けたレーザセンサで測定する。すなわち、可動部５１が床面Ｆと接触するまでは、レーザセンサで床面Ｆまでの距離を測定する。

距離センサ５０の一つの重さは、例えば、２００〜３００ｇとすることができる。よって、右足平２６を軽量化することができる。すなわち、距離センサ５０の数を少なくすることで、より軽量な右足平２６を実現することができる。これにより、制御性を向上することができ、容易に歩行させることができる。また、可動部５１の突出量を２ｃｍとすることができる。なお、ここでの突出量は、足裏面４０ａ側の摺動端における突出量である。すなわち、支持脚時における可動部５１の突出量が２ｃｍとなる。この突出量は、歩行する床面において、想定される凹凸高さに応じて変えることができる。すなわち、想定される凹凸高さを吸収できるような、突出量とすることが好ましい。また、突出量以上の段差がある場合、レーザセンサなどを用いて段差を認識して、その段差を避けて移動する。これにより、右足平２６が突出量以上の段差を踏まないようにロボット１が歩行するため、安定して歩行させることができる。また、レーザセンサで判断可能な凹凸高さを突出量とすればよい。すなわち、レーザセンサで検出可能な最小凹凸高さに応じて突出量を規定する。

このように、距離センサ５０は、足平本体部４０に対して固定された固定部（例えば、変位センサ５７及び係止部５９）に対して、可動部５１が移動する。可動部５１の変位が変位センサ５７によって検出される。そして、可動部５１のみが床面Ｆと接触し、足裏面４０ａが床面Ｆと接触しない構成となっている。すなわち、可動部５１が常時、足裏面４０ａから突出している。そして、突出した可動部５１を基準として、足裏面４０ａから床面Ｆまでの距離を測定している。これにより、床面Ｆに凹凸がある場合でも、正確に距離を測定することができる。すなわち、床面Ｆの凹凸高さが突出量以下である場合、可動部５１は摺動端まで移動する。よって、床面Ｆの凹凸によらず着地時の可動部５１が一定になるため、正確な測定が可能になる。

距離センサ５０で測定された距離に基づいて、倒立を安定させることができる。すなわち、着地時には、全ての距離センサ５０で、摺動端になるように、足首関節にトルクを与える。これにより、右足平２６が床面Ｆに倣うように制御される。よって、確実に距離センサ５０を床面Ｆに接地することができるため、安定して倒立させることができる。このような制御を歩行、あるいは走行中に行うことで、安定した移動が可能になる。

また、距離センサ５０で測定された距離に基づいて、フィードバック制御を行うことも可能である。例えば、歩容データで生成された軌道に対して追従するように、モータ駆動する。具体的には、歩容データにおける床面Ｆまでの距離と、距離センサ５０で測定された距離との差に、適当なフィードバックゲインを乗じて、フィードバック制御する。これにより、関節のモータが駆動して、歩容データで生成された軌道に追従する。よって、より安定した歩行が可能になる。

このように、上記の距離センサ５０を用いることで、正確に床面Ｆまでの距離を測定することができる。よって、確実に制御することができ、安定した倒立、及び移動が可能になる。特に不整地での移動に適している。なお、上記の説明では、２足歩行型のロボットについて説明したが、これに限られるものではない。例えば、３本以上の脚部を有するロボットであってもよい。また、全ての足平に距離センサ５０を設けていなくてもよく、１本以上の脚部に距離センサが設けられていればよい。さらに、１つの足平に１以上の距離センサ５０を設けていればよい。

本発明の第１の実施形態に係る脚式移動型ロボットの全体を概略的に表した全体概略図である。図１に示す脚式移動型ロボットの内部に備えられた制御部の内部を概念的に表したブロック図である。図１に示す脚式移動型ロボットの脚部に備えられた足平（右足平）部分の構造を概略的に示す上面図である。図１に示す脚式移動型ロボットの脚部に備えられた足平（右足平）部分の構造を概略的に示す側面図である。図４に示す右足平の距離センサとその周辺の構造を示す側面断面図である。

符号の説明

１ロボット、２頭部、３体幹、４腰部、５右腕、６左腕、
１０脚部、２０右脚、２１右股関節、２２右上腿、２３右膝関節、
２４右下腿、２５右足首関節、２６右足平、
３０左脚３０、３１左股関節、３２左上腿、３３左膝関節、
３４左下腿、３５左足首関節、３６左足平、
４０足平本体部、４０ａ足裏面、
５０距離センサ、５１可動部、５２滑り止め部材、５３測定対象物、
５４衝撃吸収部材、５６付勢バネ、５７変位センサ、
５８ベアリング、５９係止部、
１３０制御部、１３１記憶領域、１３２演算処理部、１３３モータ駆動部
１３５センサ信号

Claims

脚部によって床面を移動する脚式移動型ロボットであって、
前記脚部に設けられた足平本体部と、
前記足平本体部に対して摺動可能に取り付けられ、前記足平本体部の足裏面よりも床面側に突出する可動部と、
前記可動部の摺動位置を検出する距離センサ部と、
前記可動部が前記足平本体部の足裏面に近づく方向の摺動端において、前記可動部の下端が前記足平本体部よりも床面側に突出するよう、前記可動部の摺動範囲を規制するストッパと、を備える脚式移動型ロボット。
前記可動部が前記足平本体部の足裏面から離れる方向の摺動端において、前記可動部と前記足平本体部との間に空間が生じている請求項１に記載の脚式移動型ロボット。
前記可動部を床面側に付勢する付勢手段を、さらに有する請求項、１又は２に記載の脚式移動型ロボット。
前記可動部が、下端側に向かうにしたがって細くなる先細り形状になっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の脚式移動型ロボット。
前記可動部と前記足平本体部との間に、着地時の衝撃を吸収する衝撃吸収部材が設けらていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の脚式移動型ロボット。
前記可動部の下端に滑り止めが形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の脚式移動型ロボット。
前記足平本体部の足裏面と垂直な方向に、前記可動部が摺動することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の脚式移動型ロボット。