JP5268119B2 - Foot mechanism of multi-legged walking device - Google Patents
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Description
本発明は、多脚歩行式移動装置の脚ユニットに取り付けられて接地する、足部機構に関するものである。 The present invention relates to a foot mechanism that is attached to and grounded to a leg unit of a multi-leg walking type moving apparatus.
従来の多脚歩行式移動装置、例えば二脚歩行式ロボットは一般に、図13に示す如く、上体ユニット110と、上体ユニット110の下部に取り付けられた脚ユニット13、13とを有している。脚ユニット13は、股関節部5と、大腿リンク6を介して股関節部5に連結された膝関節部7と、下腿リンク8を介して膝関節部7に連結された足首関節部9と、足首関節部9に連結された足部機構101とにより、構成されている。
A conventional multi-legged walking type mobile device, for example, a biped walking type robot, generally has an
股関節部5は、Z軸まわりの揺動軸51と、X軸まわりの揺動軸52と、Y軸まわりの揺動軸53とにより構成されている。膝関節部7は、Y軸まわりの揺動軸71からなっている。足首関節部9は、X軸まわりの揺動軸91と、Y軸まわりの揺動軸92とにより、構成されている。つまり、脚ユニット13は6自由度を有している。
なお、ここでのX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向とは、二脚歩行式ロボット112の前後方向(前方+)、横方向(向かって右側+)、上下方向(上方+)を指す(以下同じ)。
The hip
Here, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction refer to the front-rear direction (forward +), the lateral direction (right side +), and the vertical direction (upward +) of the
各揺動軸51〜53、71、91、92は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、上体ユニット110内に格納された制御ユニット111によって駆動制御される。
Each of the
制御ユニット111は、外部からの要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部(不図示)と、この歩容データに基づいて各関節部5、7、9の駆動モータを駆動制御する歩行制御部(不図示)と、を備えている。
The
歩容生成部は、各関節部5、7、9における駆動モータの目標角度、目標角速度等を含む歩容データを生成する。歩行制御部は、その歩容データに従って各関節部5、7、9の駆動モータを駆動制御することにより、所定の歩行パターンで脚ユニット13を揺動させる。これにより、二脚歩行式ロボット112は、二脚歩行を実現している。
The gait generator generates gait data including the target angles, target angular velocities, and the like of the drive motors at the
上記のような二脚歩行式ロボットの立位バランス保持に関し、ZMP規範が適用され得る。ここで、「ZMP(Zero Moment Point)」とは、ロボットの足底が受ける床反力の圧力中心であり、足底が平面である場合には足底が床面から受けるモーメント(の水平成分)がゼロになる点のことである。ZMP規範とは、このZMPが、3点以上の接地点を線で結ぶことで形成される支持多角形の内側にあれば、ロボットは転倒せずに安定に歩行し得るとする規範である。 Regarding the standing balance maintenance of the biped walking robot as described above, the ZMP norm can be applied. Here, “ZMP (Zero Moment Point)” is the center of pressure of the floor reaction force received by the sole of the robot, and when the sole is a plane, the moment received by the sole from the floor (the horizontal component of ) Is zero. The ZMP norm is a norm that the robot can walk stably without falling if the ZMP is inside a support polygon formed by connecting three or more grounding points with lines.
このZMP規範に基づき、歩行中における実際のZMP(以下、実ZMPと称する)を、所定の歩行パターンにおける目標ZMPに一致させるようにロボットの状態を制御することにより、多脚歩行式移動装置の立位バランスを保持することができる。 Based on this ZMP norm, by controlling the state of the robot so that an actual ZMP during walking (hereinafter referred to as an actual ZMP) matches a target ZMP in a predetermined walking pattern, Standing balance can be maintained.
ところで、従来の多脚歩行式ロボットの足部機構は、その足底が単一平面で構成されていることが多い。足底が単一平面であると、図14(非特許文献2の図2を引用)に示す如く、不整地歩行の際、凸部Pに乗り上げる等、足底全体が接地しない場合がある。この場合、支持多角形SPの面積が小さくなり、立位バランスを保持することが困難となっていた。 By the way, a foot mechanism of a conventional multi-legged walking robot often has a sole composed of a single plane. When the sole is a single plane, as shown in FIG. 14 (quoting FIG. 2 of Non-Patent Document 2), the entire sole may not touch the ground, such as riding on the convex portion P when walking on rough terrain. In this case, the area of the support polygon SP is small, and it is difficult to maintain a standing balance.
一般に、ロボットの足底には、地面との良好な接触固定状態を確保することによる次の二つの力学的な機能が期待される。
ア)脚のアクチュエータによって接地点まわりにトルクを発生できるようにすること(トルク発生機能)
イ)歩行の推進力の反作用として必要とされる床面との摩擦力を発生できるようにすること(摩擦力発生機能)
トルク発生機能は、二脚歩行式ロボットの立位バランス保持を実現するために不可欠であり、摩擦力発生機能は、ロボットが床面を滑らずに推進力を得るために不可欠である。
In general, the following two dynamic functions are expected from the bottom of the robot by ensuring a good contact and fixation with the ground.
A) Allowing the leg actuator to generate torque around the grounding point (torque generation function)
B) To be able to generate the friction force with the floor that is required as a reaction to the propulsive force of walking (friction force generation function)
The torque generation function is indispensable for realizing the standing balance maintenance of the biped walking robot, and the frictional force generation function is indispensable for the robot to obtain a propulsive force without sliding on the floor surface.
さらに、ロボットの立位バランス保持を自動制御によって行なう場合には、次の二つの情報を取得できることが望ましい。
ウ)支持多角形SPの形状および足部機構との位置関係
エ)支持多角形SP内におけるZMPの位置
Furthermore, in the case where the standing balance of the robot is maintained by automatic control, it is desirable that the following two pieces of information can be acquired.
C) The shape of the support polygon SP and the positional relationship with the foot mechanism d) The position of the ZMP in the support polygon SP
しかしながら、前述したような、単一平面で構成される足底で不整地歩行を行なう図14のような状況においては、前記ア)、イ)の力学的機能が共に実現されず、またウ)、エ)の情報の取得も困難である。このように、上記4つの要件を満たさなくなるために、図14のような状況においては、ロボットは歩行および立位バランス保持が困難となるのである。 However, in the situation as shown in FIG. 14 where walking is performed on a rough terrain with a sole composed of a single plane as described above, the mechanical functions of a) and b) are not realized. D) It is also difficult to obtain information. As described above, since the four requirements are not satisfied, it is difficult for the robot to walk and maintain a standing balance in the situation shown in FIG.
この問題に対し、例えば、非特許文献1では、足底を単一平面ではなく3点支持構造とすることの利点が指摘されている。つまり、足底を3点支持構造とすることで、不整地においても接地性が向上し、前記ア)のトルク発生機能が満足される。さらに、不整地の形状に依存せず、3つの接地点を頂点とする三角形を常に支持多角形SPとすることができ、前記ウ)の情報の取得が容易となる。
For example, Non-Patent
このような3点支持構造の利点から、特許文献1記載の足部機構が提案されている。
特許文献1記載の足部機構301は主に、図16(特許文献1の図2を引用)に示す如く、ベース部302と、ベース部302の後端付近に固定配置された踵部331と、ベース部302の下端に設けられた関節部(駆動モータ)332、332と、関節部332、332から実質的に前方に向かって並んで延び、ベース部302に対して上下に揺動可能に配置された一対の足先部333、333と、から構成されている。踵部331および足先部333、333の先端の下面には、床反力情報を得るための3軸力センサ334が設けられている。各3軸力センサ334からの検出値に基づき、関節部332、332が適宜駆動制御されることにより、不整地においても、踵部331と足先部333、333とで常に3点接地するようになっている。
From the advantage of such a three-point support structure, a foot mechanism described in
As shown in FIG. 16 (quoting FIG. 2 of Patent Document 1), the
また、3点ではなく4点支持構造であるが類似の機構として、非特許文献2記載の足部機構が提案されている。
非特許文献2記載の足部機構201は、図15(非特許文献2の図3を引用)に示す如く、足部機構201の4隅に受動的に上下動する支持部材203を有していて、路面の凹凸に倣うようになっている。各支持部材203には、それぞれ接地を感知するスイッチ(不図示)が設けられている。スイッチが4つの支持部材203全ての接地を感知すると、各支持部材203がロックされる。これにより、速やかに支持多角形が構成され、保持される。
Further, a foot mechanism described in
The
しかしながら、特許文献1および非特許文献2の足部機構では、点でしか接地できないために、前記イ)の摩擦力発生機能は必ずしも十分に実現されない。さらに、前記エ)の情報を得るために必要以上の軸数の力センサを必要とし、複雑かつ高価で壊れやすい機構であった。
However, since the foot mechanisms of
そこで、本発明者は、3点支持構造を採用するとともに、3つの接地点すべてを通る平面として定義される仮想足底平面の法線方向のみの力を検出する1軸力センサを3つ備えることにより、最小の軸数の力センサで前記エ)の情報を得ることができる足部機構を提案した(特許文献2参照)。これによって、単純かつ安価で壊れにくい機構が実現されるが、依然として点接地であり、前記イ)の摩擦力発生機能は十分ではなかった。 Therefore, the present inventor employs a three-point support structure and includes three uniaxial force sensors that detect a force only in the normal direction of the virtual sole plane defined as a plane passing through all three grounding points. Thus, a foot mechanism has been proposed that can obtain the information of d) with a force sensor having a minimum number of axes (see Patent Document 2). As a result, a simple, inexpensive and hard-to-break mechanism is realized, but it is still point grounding, and the function of generating a frictional force in the a) is not sufficient.
3点支持構造以外のアプローチとしては非特許文献3が挙げられる。ここでは、リモートセンター機構と連結差動機構の併用によって高い接地性を確保し、前記ア)、イ)の機能を満足する足部機構が提案されている。しかし、当該足部機構は、一つの足部において一つのリモートセンター機構と多数の独立した接地面を持つ連結差動機構がそれぞれ不整地に対して適応的に変形しながら倣う機構であり、リモートセンター機構と連結差動機構は、それ自体には固定機能を持たないため、前記ア)、イ)の機能を満足させるには、不整地に適応的に倣う時は自由関節、接地後は固定関節となるようなブレーキ機構を、リモートセンター機構と連結差動機構の可動部分に設けなければならない。
加えて、前記ウ)の情報を取得するためには、リモートセンター機構と連結差動機構の多数の可動部分に多数の変位センサを配置し、足部機構の全可動部分の現在姿勢を計測しなければならない。さらに、前記エ)の情報を取得するためには、単一平面で構成された足部機構を持つロボットと同様に、必要以上の軸数の力センサを必要とする。
以上、非特許文献3の足部機構は、機構とセンサを注意深く設計することにより、前記ア)、イ)、ウ)、エ)の条件をすべて満たすことが可能であるが、反面、非常に複雑な構造とならざるを得ない。
In addition, in order to obtain the information of c), a large number of displacement sensors are arranged in a large number of movable parts of the remote center mechanism and the connecting differential mechanism, and the current posture of all the movable parts of the foot mechanism is measured. There must be. Furthermore, in order to acquire the information of (d), a force sensor with more axes than necessary is required, as in the case of a robot having a foot mechanism constituted by a single plane.
As described above, the foot mechanism of
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、不整地においても前記ア)、イ)、ウ)の条件を同時に満たすことができるとともに、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances. The object of the present invention is to be able to satisfy the conditions a), b) and c) on rough terrain at the same time, and to be simple, inexpensive and difficult to break. An object of the present invention is to provide a foot mechanism of a multi-leg walking type moving device.
上記課題を解決するために本発明は、(1)多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、それぞれ接地面を備えた3つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、前記ベース部材は、前記各揺動中心のすべてを含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成され、前記揺動機構は、前記揺動中心が該揺動機構の外部に位置するように構成されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
ここで、「足」とは人間でいう足首からつま先までに対応する部分を指し、「脚」とは人間でいう足首から骨盤までに対応する部分を指す(以下、同じ)。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides (1) a foot mechanism that is attached to the lower end of a leg unit in a multi-legged walking device and is grounded, and a base member that is attached to the lower end of the leg unit; There are three grounding pieces each having a grounding surface, each of which is not arranged in a straight line, and a swinging mechanism provided for each grounding piece and movably connected to the base member. And when the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece is connected so as to be able to passively swing around the swing center located near the grounding surface. The base member is configured to be regarded as rigid with respect to a direction other than a normal direction of a plane including all of the swing centers, and the swing mechanism has the swing center at the swing center. Configure it so that it is located outside the mechanism. It is intended to provide a foot mechanism of the multi-legged walking type mobile device according to claim being.
Here, “foot” refers to a portion corresponding to an ankle to toe in humans, and “leg” refers to a portion corresponding to an ankle to pelvis in humans (hereinafter the same).
また本発明は、上記構成において、(2)前記揺動機構は、両端にそれぞれ回転自在関節部が設けられた3本の剛体ロッドからなり、前記各ロッドは、一端が前記回転自在関節部を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記回転自在関節部を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
ここで、「回転自在関節」とは、ユニバーサルジョイントあるいはボールジョイント等の、3軸まわりあるいは2軸まわりに回転自在な機械要素を指す(以下、同じ)。
Further, the present invention is the above configuration, wherein (2) the swing mechanism is composed of three rigid rods each provided with a rotatable joint at each end, and each rod has one end connected to the rotatable joint. A triangular pyramid ridge line that is attached to the upper surface of the grounding piece and the other end is attached to the lower surface of the base member via the rotatable joint, and has the rocking center as a vertex in a reference posture. It is arrange | positioned so that it may comprise. The foot part mechanism of the multileg walking type moving apparatus characterized by the above-mentioned is provided.
Here, the “rotary joint” refers to a mechanical element that can rotate about three axes or two axes, such as a universal joint or a ball joint (hereinafter the same).
また本発明は、上記構成(1)において、(3)前記揺動機構は、両端にそれぞれ弾性部材が取り付けられた3本の剛体ロッドからなり、前記各ロッドは、一端が前記弾性部材を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記弾性部材を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。 According to the present invention, in the configuration (1), (3) the swing mechanism includes three rigid rods each having an elastic member attached to both ends, and one end of each rod is interposed through the elastic member. Are attached to the upper surface of the grounding piece and the other end is attached to the lower surface of the base member via the elastic member to form a ridge line of a triangular pyramid having the rocking center as a vertex in a reference posture. The foot part mechanism of the multi-leg walking type moving device is provided.
また本発明は、上記構成(1)において、(4)前記接地片ごとに設けられて前記揺動機構を前記ベース部材に並進可能、旋回可能、または、並進および旋回可能に連結する並進/旋回機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が、前記各揺動中心を含んでなる平面に沿って受動的に並進、旋回、または、並進および旋回し得るように連結するものをさらに含んでいることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。 Further, the present invention provides the above-described configuration (1) , wherein ( 4 ) the translation / turning is provided for each grounding piece, and the swing mechanism is connected to the base member so as to be able to translate, turn, or translate and turn. When the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece passively translates, swivels, or turns along a plane including the swing centers . A foot mechanism of a multi-leg walking type moving apparatus is further provided, which further includes one that can be translated and turned .
また本発明は、上記構成のいずれかにおいて、(5)前記接地片が所定姿勢から揺動した場合、並進した場合、または、揺動および並進した場合に前記所定姿勢へ復帰させる方向に付勢する付勢手段をさらに含んでいることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。 In addition, according to the present invention, in any one of the above configurations, ( 5 ) when the grounding piece swings from a predetermined posture , translates, or biases in a direction to return to the predetermined posture when the grounding piece swings and translates. Further, the present invention provides a foot mechanism of a multi-legged walking type moving device characterized by further including an urging means.
また本発明は、上記構成(1)において、(6)前記揺動機構は、ゴム板および金属板を交互に複数枚積層してなる3本の積層ゴムからなり、前記各積層ゴムは、一端が前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。 In the configuration (1), the present invention is characterized in that: ( 6 ) the swing mechanism is composed of three laminated rubbers obtained by alternately laminating a plurality of rubber plates and metal plates, and each laminated rubber has one end. Is attached to the upper surface of the grounding piece, and the other end is attached to the lower surface of the base member, and is arranged so as to constitute a triangular pyramid ridge line having the rocking center as a vertex in a reference posture. The foot part mechanism of the multi-leg walking type moving device is provided.
本発明の足部機構は、足底が単一平面ではなく、一直線上に並ばないように分散配置された3つの接地片の各接地面で接地する構成となっている。さらに、それぞれの接地片が、接地面近傍に位置する揺動中心まわりに、床反力を受けて受動的に揺動し、自然に床面に倣うことができる。 The foot mechanism of the present invention has a configuration in which the sole is not grounded on a single plane but is grounded on each grounding surface of three grounding pieces that are dispersedly arranged so as not to line up in a straight line. Furthermore, each grounding piece can passively swing around the center of swinging located near the grounding surface in response to the floor reaction force, and can naturally follow the floor surface.
このとき、前記3つの接地片それぞれに対応する前記3つの揺動中心は、全て前記ベース部材に対して固定された接地点と見なすことができる。すなわち、本発明の足部機構は、前記3点支持構造を持つ足部機構と実質的に同等である。したがって、不整地においても接地性が向上し、前記ア)のトルク発生機能が満足される。さらに、不整地の形状に依存せず、また接地片の揺動の状態にも依存せず、ベース部材に対して固定された3つの揺動中心を頂点とする三角形を常に支持多角形とすることができ、前記ウ)の情報の取得が容易となる。
これは、非特許文献3の足部機構にはない利点である。非特許文献3の足部機構においては、前記ア)のトルク発生機能を満足するためにブレーキ機構を、前記ウ)の情報を取得するために多数の変位センサを必要としていたが、本発明によれば、いずれも要さずに前記ア)、ウ)が実現される。
At this time, all of the three swing centers corresponding to the three grounding pieces can be regarded as grounding points fixed to the base member. That is, the foot mechanism of the present invention is substantially equivalent to the foot mechanism having the three-point support structure. Accordingly, the ground contact property is improved even on rough terrain, and the torque generation function of a) is satisfied. Furthermore, a triangle that has three swing centers fixed to the base member as vertices is always used as a support polygon without depending on the shape of the rough terrain and the swinging state of the grounding piece. This makes it easy to obtain the information of c).
This is an advantage not found in the foot mechanism of
また、本発明の足部機構によれば、床面に起伏や突起があっても、前記3つの接地面がそれぞれ独立に、各揺動中心の近傍で床面に接するように、床面に倣うことができる。つまり、本発明の足部機構は3点支持構造と実質的に同等でありながら、3点接触ではなく3面接触で床面に接地する。その結果、本発明によれば、前記ア)、ウ)と同時に、前記イ)の摩擦力発生機能も満足される、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構が提供される。 In addition, according to the foot mechanism of the present invention, even if there are undulations or protrusions on the floor surface, the three grounding surfaces are independently in contact with the floor surface in the vicinity of each swing center. Can be imitated. In other words, the foot mechanism of the present invention is substantially equivalent to the three-point support structure, but is grounded to the floor surface by three-surface contact instead of three-point contact. As a result, according to the present invention, there is provided a foot mechanism of a multi-legged walking type moving device that satisfies the functions (a) and (c) and the frictional force generation function of (a) and is simple, inexpensive, and difficult to break. The
また、本発明の足部機構によれば、前記接地片の揺動中心を接地面近傍に位置させていることにより、遊脚(足部が接地していない状態)から立脚(足部が接地している状態)への遷移時に、揺動機構を挫くことなく、また既接地点に床面との滑りを生じさせることなく、かつ受動的に移行することが可能である。 According to the foot mechanism of the present invention, the swinging center of the grounding piece is positioned in the vicinity of the grounding surface, so that the standing leg (the foot is grounded) from the free leg (the foot is not grounded). It is possible to make a passive transition without turning the swinging mechanism and without causing a slip with the floor surface at the already grounded point.
また、本発明の足部機構は、特許文献2の足部機構と適合し得る。すなわち、特許文献2の3点支持構造の足部機構における「接地点」を、本発明の足部機構における「揺動中心」と一致させ、特許文献2の「仮想足底平面」を、本発明の足部機構における「3つの揺動中心の全てを含む平面」と一致させることができる。
これにより、前述したように、特許文献2の足部機構の利点である、最小の軸数の力センサによって前記エ)の情報を得る効果を導入でき、さらに、特許文献2の足部機構のみでは十分に実現できなかった前記イ)の摩擦力発生機能が、本発明の足部機構の利点として実現され得る。
つまり、本発明の足部機構は、特許文献2の足部機構と適合させた場合、不整地においても前記ア)、イ)、ウ)、エ)をすべて満たすことができるとともに、ロボットの立位バランス保持を自動制御によって行なうために必要十分な情報を最小限のセンサのみで取得することができる。
Further, the foot mechanism of the present invention can be adapted to the foot mechanism of
As a result, as described above, the effect of obtaining the information (d) by the force sensor having the minimum number of axes, which is an advantage of the foot mechanism of
That is, when the foot mechanism of the present invention is adapted to the foot mechanism of
また、前記構成(6)にかかる足部機構によれば、立脚から遊脚への遷移時に、前記揺動機構および前記並進/旋回機構を、自然に平衡状態に復帰させることが可能である。 Further, according to the foot mechanism according to the configuration (6), the swinging mechanism and the translation / turning mechanism can be naturally returned to the equilibrium state at the time of transition from the standing leg to the free leg.
C 揺動中心
R 床反力
1 足部機構
2 ベース部材
3 接地片
3a 接地面
4 揺動機構
13 脚ユニット
26 検出器(床反力検出器)
C Oscillation center R
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態につき説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本実施形態にかかる足部機構1は、後述する脚ユニット13の下端に取り付けられるベース部材2と、それぞれ平坦な接地面3aを備えた接地片3、3、3と、各接地片3に対して設けられ、接地片3をベース部材2に揺動可能に連結する揺動機構4と、を有している。
As shown in FIG. 1, the
ベース部材2は、脚ユニット13の下端に連結される円柱状の本体部21と、本体部21からのびる中間部22、22、22と、各中間部22の先端に設けられた円柱状の先端部23と、各先端部23にスライド可能に保持されたスライド片24と、スライド片24をスライド方向であって床反力に逆らう方向に付勢する圧縮ばね25と、から構成されている。
The
各中間部22は、棒状に形成されており、本体部21から下方に向かって互いに異なる方向にのびている。
Each
先端部23は、図2に示す如く、スライド片24の軸部24aを収容する収容孔23aを有している。収容孔23a内には、スライド片のスライド量を検出するための検出器26が配置される。検出器26は、ポテンショメータやレーザー変位計、ギャップセンサ等である。なお、先端部23における当該構成は、特許文献2に記載の足部機構と適合する。
As shown in FIG. 2, the
スライド片24は、軸部24aと、軸部24aの先端で直交するように設けられたプレート部24bとからなっている。軸部24aは、先端部23の収容孔23aに収容されて案内される。各スライド片24のスライド方向は、後述する揺動中心C全てを含む平面の法線方向と一致するようになっている。
The
圧縮ばね25は、先端部23の下面と、スライド片24のプレート部24bの上面との間に配置される。
The
検出器26によって検出されたスライド片24のスライド量、つまり圧縮ばね25の収縮量とフックの法則とに基づき、スライド方向、つまり後述する揺動中心C全てを含む平面の法線方向に作用する床反力のみが算出される。
Based on the slide amount of the
揺動機構4は、一端にボールジョイント部41a、他端にボールジョイント部41bが設けられてなる3本の剛体ロッド42からなっている。
The
各ロッド42は、ボールジョイント部41aを介して、スライド片24のプレート部24bの下面24cに取り付けられている。それと同時に、各ロッド42は、ボールジョイント部41bを介して、接地片3の上面3bに取り付けられている。ここで、ボールジョイント部41aのスライド片24に対する取付け箇所は、一直線上に並ばない3箇所となっている。同様に、ボールジョイント部41bの接地片3に対する取付け箇所も、一直線上に並ばない3箇所となっている。各ロッド42は、接地片3側に向かって尖る三角錐の稜線を構成する。そして、各ロッド42は、図2Aに示す如く、接地片3の上面3bとスライド片24の下面24cとが平行である状態において、上記三角錐の頂点Tが接地片3の接地面3a近傍に位置するように、配置されている。
Each
揺動機構4によってベース部材2に連結された接地片3は、接地面3aを介して床反力Rを受けると、図2Bに示す如く、接地面3a近傍に位置する揺動中心Cまわりに受動的に揺動する。
When the
上記のように構成された足部機構1は、図3に示す如く、上体ユニット10および脚ユニット13、13を有する二脚歩行式ロボット12において、各脚ユニット13の下端にベース部材2の本体部21が連結されて、取り付けられる。
As shown in FIG. 3, the
二脚歩行式ロボット12の脚ユニット13は、股関節部5、膝関節部7、足首関節部9、股関節部5と膝関節部7とを連結する大腿リンク6、および膝関節部7と足首関節部9とを連結する下腿リンク8、から構成されている。
The
股関節部5は、Z軸まわりの揺動軸51と、X軸まわりの揺動軸52と、Y軸まわりの揺動軸53とにより構成されている。膝関節部7は、Y軸まわりの揺動軸71からなっている。足首関節部9は、X軸まわりの揺動軸91と、Y軸まわりの揺動軸92とにより、構成されている。これにより、脚ユニット13は6自由度を有することとなる。
The hip
各揺動軸51〜53、71、91、92は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、その回転量を検出するロータリエンコーダを備えている。各駆動モータは、上体ユニット10内に格納された制御ユニット11によって駆動制御される。
Each of the
制御ユニット11は、図4に示す如く、歩容生成部11aと、演算部11bと、補正部11cと、駆動モータ制御部11dと、を備えている。
As shown in FIG. 4, the
歩容生成部11aは、外部から入力される要求動作信号に対応して、脚ユニット13における各揺動軸51〜53、71、91、92の目標角度、目標角速度、および目標ZMP等を含む歩容データを生成し、補正部11cに出力する。
The
演算部11bは、脚ユニット13における各関節部5、7、9の駆動モータに備えられたロータリエンコーダから、各駆動モータの角度信号が入力される。演算部11bは、その角度信号に基づき、各関節部5、7、9の駆動モータの角度、角速度等に関する関節状態データを算出し、駆動モータ制御部11dにそれを出力する。
The
演算部11bにはさらに、足部機構1における床反力検出器26から、床反力検出値が入力される。演算部11bは、各床反力検出器26からの床反力検出値に基づいて、実ZMPを算出し、補正部11cにそれを出力する。
Further, a floor reaction force detection value is input from the floor
補正部11cは、演算部11bから入力された実ZMPが、歩容生成部11aから入力された目標ZMPに一致するように、または支持多角形内に収まるように、各揺動軸51〜53、71、91、92の目標角度、目標各速度等の歩容データを補正する。補正後の歩容データは、駆動モータ制御部11dに入力される。
The
駆動モータ制御部11dは、補正部11cからの補正後の歩容データと、演算部11bからの関節状態データとの差に基づいて、各関節部5、7、9の駆動モータに対する制御信号を生成する。駆動モータ制御部11dは、その制御信号を各駆動モータに出力することで、各駆動モータを駆動制御する。
Based on the difference between the corrected gait data from the
以上のように構成された足部機構1は、足底が単一平面ではなく、一直線上に並ばないように分散配置された3つの接地片3の各接地面3aで接地する構成となっている。さらに、それぞれの接地片が、接地面近傍に位置する揺動中心Cまわりに、床反力を受けて受動的に揺動し、自然に床面に倣うことができる。
The
このとき、各接地片3に対応する各揺動中心Cは、全てベース部材2に対して固定された接地点と見なすことができる。すなわち、本発明の足部機構1は、前記3点支持構造を持つ足部機構と実質的に同等である。したがって、不整地においても接地性が向上し、前記ア)のトルク発生機能が満足される。さらに、不整地の形状に依存せず、また接地片3の揺動の状態にも依存せず、ベース部材2に対して固定された3つの揺動中心Cを頂点とする三角形を常に支持多角形とすることができ、前記ウ)の情報の取得が容易となる。
At this time, all the swing centers C corresponding to the
また、足部機構1は、特許文献2に記載の足部機構と適合する検出器26を備えていることにより、各揺動中心Cを含む平面の法線方向に作用する床反力のみをそれぞれ取得することができる。その結果、各揺動中心Cを含む平面に固定されたローカル座標軸に基づく実ZMP、つまり前記エ)の情報を容易に取得することができる。
In addition, the
また、足部機構1によれば、図5Aに示す如く床に起伏があっても、また図5Bに示す如く床に突起Pがあっても、3つの接地面3aがそれぞれ独立に、各揺動中心Cの近傍で床面に接するように、床面に倣うことができる。つまり、足部機構1は3点支持構造と実質的に同等でありながら、3点接触ではなく3面接触で床面に接地する。その結果、足部機構1によれば、前記ア)、ウ)、エ)と同時に、前記イ)の摩擦力発生機能も満足される。
Further, according to the
また、足部機構1によれば、接地片3の揺動中心Cを接地面3a近傍に位置させていることにより、遊脚から立脚への遷移時に、図6Aに模式的に示す如く、接地片3の床面に沿った方向への移動量が少なく、床面に滑らかに倣うことができる。
もし仮に、揺動中心Cが接地面3aから遠い位置にあれば、図6Bに示す如く、接地片103の床面に沿った方向への移動量が多くなり、床面上をすべりながら倣うことになる。接地片103の配置によっては、図6Bに示す如く、接地片103が相互に干渉する。あるいは,図6Cに示す如く、揺動機構を挫いてしまい、倣い動作ができない場合もあり得る。
Further, according to the
If the swing center C is far from the
また、接地片3は受動的に揺動するため、駆動手段が不要であり、シンプルな構成である。
Further, since the
また、前述したように、足部機構1は、特許文献2に記載の足部機構と適合する構成となっている。すなわち、足部機構1は、特許文献2の3点支持構造の足部機構における「接地点」を、本発明の足部機構における「揺動中心C」と一致させ、特許文献2の「仮想足底平面」を、本発明の足部機構における「3つの揺動中心Cの全てを含む平面」と一致させた構成となっている。
これにより、特許文献2の足部機構の利点である、最小の軸数の力センサによって前記エ)の情報を得る効果を導入でき、さらには特許文献2の足部機構のみでは十分に実現できなかった前記イ)の摩擦力発生機能が実現される。
つまり、足部機構1は、不整地においても前記ア)、イ)、ウ)、エ)をすべて満たすことができるとともに、二脚歩行式ロボット12の立位バランス保持を自動制御によって行なうために必要十分な情報を最小限の検出器26のみで取得することができる、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構となる。
Further, as described above, the
As a result, the effect of obtaining the above information (d) by the force sensor having the minimum number of axes, which is an advantage of the foot mechanism of
That is, the
また、足部機構1によれば、接地した際の衝撃を圧縮ばね25が緩和するため、多脚歩行式移動装置の各駆動部や各関節部を保護することができる。
Moreover, according to the
[変形例]
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は次のように変形して実施することができる。
[Modification]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention can be implemented with the following modifications.
3つの接地面3aについて、揺動の際に互いに干渉しない限り、面積および形状は適宜選択され得る。図7Aに示す如く、各接地面3aの面積は異なっていてもよい。図7B、図7Cに示す如く、各接地面3aの形状も異なってよい。
The area and shape of the three
ベース部材2の形状は、床面に接地せず、かつ接地片3の揺動に対して干渉しないような形状であれば、どのような形状であってもよい。
さらに、ベース部材2は、図8に示す如く、スライド片24を備えていないものでもよい。この場合、ベース部材2aの先端部23aの下面に揺動機構4の一端が取り付けられる。また、この場合、圧力センサ等の公知の床反力検出器26aを、例えば各先端部23aと揺動機構4の間に設けてもよい。
The shape of the
Furthermore, the
揺動機構4は、例えば図9Aに示す如く、3本のロッド42の一端をばね等の弾性部材41dを介してスライド片24の下面24cに取り付けるとともに、他端をばね等の弾性部材41eを介して接地片3の上面3bに取り付けた揺動機構4bとすることもできる。
また、図9Bに示す如く、揺動機構4が取り付けられる面24c、3b間にばね43を設けることもできる。
これらのばね等の弾性部材により、接地片3が床反力から開放されたとき、接地片3を基準姿勢(この場合接地片の上面3bがスライド片24の下面24cに平行となる姿勢)に自然に復帰させることができる。
For example, as shown in FIG. 9A , the
Further, as shown in FIG. 9B , a
When the
また、図10に示す如く、揺動機構4が取り付けられる面をその面に沿って受動的に並進および/または旋回運動させ得る並進/旋回機構27を、ベース部材2に設けてもよい。並進/旋回機構27は例えば、スライド片24の軸24aの下端に接続された円形箱24dであって底部に開口部24eを備えたものと、円形箱24d内に収容される並進板28と、並進板28の下面28aおよび円形箱24dの底面24fにそれぞれボールジョイントあるいはユニバーサルジョイント29a、29bを介して取り付けられた3本の剛体ロッド29と、から構成することができる。接地片3は、揺動機構4を介して、並進板28の下面28aに取り付けられる。
In addition, as shown in FIG. 10 , a translation /
このように構成した場合、図10Bに示す如く、並進板28がその下面28aに沿って受動的に並進および/または旋回運動することができる。それゆえ、並進板28に取り付けられた接地片3は、同様に受動的に並進および/または旋回運動することができる。前述したように、足部機構1は、接地片3の床面に沿った方向への移動量が少なく、床面に滑らかに倣うことができるが、並進/旋回機構27をさらに設けることにより、この僅かな床面上での滑りも吸収し、全く滑ることなく倣うことが可能となる。
When configured in this way, as shown in FIG. 10B , the
なお、並進/旋回機構27は例えば、図11に示す如く、並進板28の下面28aおよび円形箱24dの底面24fにそれぞればね29c、29dを介して取り付けられた3本の剛体ロッド29を用いて構成した並進/旋回機構27aとすることもできる。
For example, as shown in FIG. 11 , the translation /
また、揺動機構4を、図12に示す如く、ゴム板および金属板を交互に複数枚積層してなる3本の積層ゴム44であって一端がスライド片24の下面24cに取り付けられたものと、積層ゴム44の他端が取り付けられたプレート45と、プレート45と接地片3との間に配置されたスペーサ46とからなる揺動機構4dとしてもよい。ここで、積層ゴム44は、接地片3の上面3bとスライド片24の下面24cとが平行である状態において、揺動中心Cを頂点Tとする三角錐の稜線を構成するように配置されている。
Further, as shown in FIG. 12 , the
揺動機構4dによれば、図12Bに示す如く、接地片3が、揺動中心Cまわりに揺動し得るとともに、図12Cに示す如く、スライド片24の下面24cに平行な面内において並進運動することができる。
According to the
また、3つの接地面3aについて、防塵・防水のために、防水布やゴム等の柔軟な素材で互いに連結してシーリングしてもよい。また、接地面3aだけではなく、揺動機構4、並進/旋回機構27、ベース部材も含めてシーリングしてもよい。
Further, the three
Claims (6)
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
それぞれ接地面を備えた3つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、
前記ベース部材は、前記各揺動中心のすべてを含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成され、
前記揺動機構は、前記揺動中心が該揺動機構の外部に位置するように構成されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。 A foot mechanism that is attached to the lower end of a leg unit in a multi-legged walking device and is grounded,
A base member attached to the lower end of the leg unit;
There are three grounding pieces each having a grounding surface, each of which is not arranged in a straight line, and a swinging mechanism provided for each grounding piece and movably connected to the base member. And when the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece is connected so as to be able to passively swing around the swing center located near the grounding surface. Including,
The base member is configured to be regarded as rigid with respect to a direction other than a normal direction of a plane including all of the swing centers,
The swing mechanism is configured such that the swing center is located outside the swing mechanism.
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
それぞれ接地面を備えた3つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、
前記ベース部材は、前記各揺動中心のすべてを含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成され、
前記揺動機構は、両端にそれぞれ回転自在関節部が設けられた3本の剛体ロッドからなり、
前記各ロッドは、一端が前記回転自在関節部を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記回転自在関節部を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。 A foot mechanism that is attached to the lower end of a leg unit in a multi-legged walking device and is grounded,
A base member attached to the lower end of the leg unit;
There are three grounding pieces each having a grounding surface, each of which is not arranged in a straight line, and a swinging mechanism provided for each grounding piece and movably connected to the base member. And when the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece is connected so as to be able to passively swing around the swing center located near the grounding surface. Including,
The base member is configured to be regarded as rigid with respect to a direction other than a normal direction of a plane including all of the swing centers,
The swing mechanism is composed of three rigid rods provided with rotatable joints at both ends,
Each rod has one end attached to the upper surface of the grounding piece via the rotatable joint and the other end attached to the lower surface of the base member via the rotatable joint. the foot mechanism of the multi-leg walking type mobile device you characterized in that the swing center is disposed so as to form a triangular pyramid ridge having vertices at.
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
それぞれ接地面を備えた3つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、
前記ベース部材は、前記各揺動中心のすべてを含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成され、
前記揺動機構は、両端にそれぞれ弾性部材が取り付けられた3本の剛体ロッドからなり、前記各ロッドは、一端が前記弾性部材を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記弾性部材を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。 A foot mechanism that is attached to the lower end of a leg unit in a multi-legged walking device and is grounded,
A base member attached to the lower end of the leg unit;
There are three grounding pieces each having a grounding surface, each of which is not arranged in a straight line, and a swinging mechanism provided for each grounding piece and movably connected to the base member. And when the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece is connected so as to be able to passively swing around the swing center located near the grounding surface. Including,
The base member is configured to be regarded as rigid with respect to a direction other than a normal direction of a plane including all of the swing centers,
The swing mechanism is composed of three rigid rods each having an elastic member attached to both ends. Each rod has one end attached to the upper surface of the grounding piece via the elastic member and the other end. said attached to the lower surface of the elastic member through to the base member, multi leg walking you wherein being arranged to form a triangular pyramid ridge whose apex the pivot center in the reference posture Foot mechanism of a mobile device.
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
それぞれ接地面を備えた3つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、
前記ベース部材は、前記各揺動中心のすべてを含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成され、
前記接地片ごとに設けられて前記揺動機構を前記ベース部材に並進可能、旋回可能、または、並進および旋回可能に連結する並進/旋回機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が、前記各揺動中心を含んでなる平面に沿って受動的に並進、旋回、または、並進および旋回し得るように連結するものをさらに含んでいることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。 A foot mechanism that is attached to the lower end of a leg unit in a multi-legged walking device and is grounded,
A base member attached to the lower end of the leg unit;
There are three grounding pieces each having a grounding surface, each of which is not arranged in a straight line, and a swinging mechanism provided for each grounding piece and movably connected to the base member. And when the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece is connected so as to be able to passively swing around the swing center located near the grounding surface. Including,
The base member is configured to be regarded as rigid with respect to a direction other than a normal direction of a plane including all of the swing centers,
A translation / swivel mechanism provided for each grounding piece and connected to the base member so that the swinging mechanism can be translated, swiveled, or translated and swiveled , wherein the grounding piece is interposed via the grounding surface. The grounding piece further includes one that is passively translated, swiveled, or coupled so as to be able to translate and swivel along a plane including each of the swing centers when receiving a floor reaction force. foot mechanism of the multi-leg walking type mobile device you wherein a.
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
それぞれ接地面を備えた3つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、
前記ベース部材は、前記各揺動中心のすべてを含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成され、
前記揺動機構は、ゴム板および金属板を交互に複数枚積層してなる3本の積層ゴムからなり、
前記各積層ゴムは、一端が前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。 A foot mechanism that is attached to the lower end of a leg unit in a multi-legged walking device and is grounded,
A base member attached to the lower end of the leg unit;
There are three grounding pieces each having a grounding surface, each of which is not arranged in a straight line, and a swinging mechanism provided for each grounding piece and movably connected to the base member. And when the grounding piece receives a floor reaction force via the grounding surface, the grounding piece is connected so as to be able to passively swing around the swing center located near the grounding surface. Including,
The base member is configured to be regarded as rigid with respect to a direction other than a normal direction of a plane including all of the swing centers,
The swing mechanism is composed of three laminated rubbers formed by alternately laminating a plurality of rubber plates and metal plates,
Each of the laminated rubbers has one end attached to the upper surface of the grounding piece and the other end attached to the lower surface of the base member to form a triangular pyramid ridge line having the swing center as a vertex in a reference posture multi leg walking type mobile device foot mechanism you characterized in that it is arranged to.
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