JP5900838B2 - ロボットの接地部構造 - Google Patents

Description

本発明は、脚式移動ロボットなどのロボットの接地部構造に関する。

本発明において、「粉粒体」とは、粉体と粒体の両方を含み、粉、粒などが集まった集合体を意味する。また、特に区別する場合、「粒体」とは最大直径が１０ｍｍ〜０．１ｍｍのもの、「粉体」とは最大直径が０．１ｍｍ〜０．０１ｍｍのものを意味する。

脚式移動ロボットなどのロボットの足部装置として、ロボットの足底部に粉体を封入した粉体封入ブロックを用いることが特許文献１に開示されている。
また、特許文献２は、柔軟性を有する薄板で形成された密封容器内に粒状体を装入するワーク支持方法を開示している。
さらに、特許文献３は、粒体を充填した中空バッグからなる形状自在バッグを開示している。

特開２００５−１７７９６０号公報 特開平１１−３３８６２号公報 特開２０１１−１８９４１４号公報

脚式移動ロボットなどのロボット、特に２足歩行ロボットにおいては、路面から離れている脚（「遊脚」と呼ぶ）が接地する際には衝撃吸収や路面の凹凸に対応するためロボットの足底部は柔軟性が高いことが要求され、接地後は路面に接している脚（「立脚」と呼ぶ）で脚に作用するモーメントを支持するために足底部は剛性が高いことが要求される。

しかし、足底部の剛性を変化させることは困難であるため、従来は、（１）足底部にゴムなどの弾性体を張る、（２）バネ機構を用いて固定するなどの手法がとられてきた。

足底部に弾性体を貼り付ける場合、衝撃吸収能力や凹凸への対応の幅が非常に狭くなってしまう。また、特許文献１のように、足底部に粉体を封入した粉体封入ブロックを取り付けた場合、粉体が圧縮されることにより剛性を高めているため、遊脚直前に足底部に作用する力が低下すると剛性も低下してしまい、歩行が不安定になってしまう。また、立脚時の剛性を高めるためには遊脚時にもある程度の剛性を確保しなければならず、凹凸への対応の幅が少なくなってしまう問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、遊脚が接地する際の足底部の柔軟性を大幅に高めることができ、立脚時の剛性と立脚から遊脚に変わる遊脚直前における足底部の剛性を大幅に高めることができるロボットの接地部構造を提供することにある。

本発明によれば、２以上の脚を有し、各脚が路面から離れている遊脚と路面に接している立脚とに交互に切り替わるロボットの接地部構造であって、
前記脚の下端に揺動可能に設けられた足甲部と、
足甲部の下面に固定されロボットの移動時に接地する足底部とを備え、
足底部は、路面の凹凸に倣う柔軟性と気密性を有する中空バッグと、
路面の凹凸に倣う最大直径を有し中空バッグ内に充填された粉粒体とを有し、
さらに、前記中空バッグ内の気体圧力を制御する圧力制御装置を備え、該圧力制御装置により、
（Ａ）遊脚が接地する際に、遊脚の中空バッグ内を外部と連通させて、粉粒体の変形抵抗を下げ足底部の柔軟性を高め、
（Ｂ）前記接地後に、立脚が遊脚に変わるまで、立脚の中空バッグ内を減圧して、粉粒体の充填密度を高め足底部の剛性を高める、ことを特徴とするロボットの接地部構造が提供される。

上記本発明の構成によれば、圧力制御装置により、ロボットの遊脚が接地する際に、遊脚の中空バッグ内を外部と連通させることにより、粉粒体の変形抵抗を下げ遊脚が接地する際の足底部の柔軟性を大幅に高めることができる。
また、圧力制御装置により、接地後に、ロボットの立脚が遊脚に変わるまで、立脚の中空バッグ内を減圧して、粉粒体の充填密度を高めるので、立脚時の剛性と立脚から遊脚に変わる直前における足底部の剛性を大幅に高めることができる。

従って、接地時の柔軟性が向上することにより、接地時の衝撃吸収や路面の凹凸への対応の幅が広がる。また立脚時には積極的に剛性を高めることができ、かつ路面の凹凸を把持することができるため、歩行を安定化できる。また、減圧の程度を変えることで、剛性を可変とすることができる。

本発明の実施形態を示す全体構成図である。 本発明の作用を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態を示す全体構成図である。
この図において、１はロボットが歩行する路面であり、２はロボットの脚である。本発明は、２以上の脚２（１本のみ示す）を有し、各脚２が路面１から離れている遊脚２ａと、路面１に接している立脚２ｂ（図２参照）とに交互に切り替わるロボットの接地部構造１０である。なおこの図における脚２は遊脚２ａである。

図１において、本発明のロボットの接地部構造１０は、足甲部１２及び足底部１４を備える。

足甲部１２は、ロボットの脚２の下端に足首関節３を介して揺動可能に設けられている。足甲部１２は、例えば剛性の高い金属部材であり、脚２に下向きに作用する力（ロボット全体の重量）を、変形することなく足底部１４を介して路面１に伝達する。
足底部１４は、足甲部１２の下面に固定され、ロボットの移動時に接地するようになっている。

上述した構成により、路面１から離れている遊脚２ａが、路面１に接して立脚２ｂ（図２参照）に切り替わる際に、脚２の姿勢に関らず、足首関節３を中心に足甲部１２と足底部１４が水平軸を中心に揺動し、足底部１４の底面を路面１に沿って位置決めし、脚２に下向きに作用する力を、足底部１４を介して路面１に伝達することができる。

足底部１４は、中空バッグ１６と粉粒体１８とを有する。

中空バッグ１６は、路面１の凹凸１ａに倣う柔軟性と気密性を有する中空の袋である。中空バッグ１６の材質は、例えばゴム、ビニール、プラスチック等であり、路面１の凹凸１ａに容易に倣うように膜厚が薄い（例えば１０〜１００μｍ）ことが好ましい。

この例で、中空バッグ１６は、その内部に開口寸法が粉粒体１８の最小直径より小さいエアフィルタ１７を有する。このエアフィルタ１７により、粉粒体１８の中空バッグ１６からの流出を防止することができる。

粉粒体１８は、路面１の凹凸１ａに倣う最大直径を有し、中空バッグ１６内に充填されている。粉粒体１８の充填比率は、中空バッグ１６内が外部と連通し、中空バッグ１６内の圧力が外圧（大気圧）と同じ場合に、粉粒体１８が全体として液体のような流動性を有するように設定する。この充填比率は、中空バッグ１６の内容積の５０〜９０％であるのがよい。

粉粒体１８は、互いに密着することにより全体形状を保持する形状又は摩擦係数を有する「粉体」又は「粒体」である。すなわち、粉粒体１８は、粉体又は粒体の隙間が大きくその間に気体（例えば空気）が介在している場合には全体として液体のような流動性を有し、逆にその間に介在する気体が少なく互いに密着する場合には、その形状又は表面間の摩擦により互いにブリッジを形成して全体形状を保持するようになっている。
かかる粉粒体１８として、例えばコーヒ豆、そば殻、ガラス球、金属球、発泡スチロール、等を用いることができる。

図１において、本発明のロボットの接地部構造１０は、更に、圧力制御装置２０を備える。
圧力制御装置２０は、例えば減圧装置（真空ポンプ）、流路切替弁、圧力検出器、制御ユニット、等で構成され、中空バッグ１６の内部と連通する可撓性のチューブ管１９を介して、中空バッグ１６内の気体圧力を制御するようになっている。

この圧力制御装置２０は、遊脚２ａが接地する際に、遊脚２ａの中空バッグ１６内を外部と連通させて、粉粒体１８の変形抵抗を下げ、足底部１４の柔軟性を高めるようになっている。
また、圧力制御装置２０は、接地後に、立脚２ｂ（図２参照）が遊脚２ａに変わるまで、立脚２ｂの中空バッグ１６内を減圧して、粉粒体１８の充填密度を高め、足底部１４の剛性を高めるようになっている。

図２は、本発明の作用を示す模式図である。この図において、（Ａ）は、遊脚２ａが接地する際、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は接地後に、立脚２ｂが遊脚２ａに変わる状態を示している。

図２（Ａ）の遊脚２ａが接地する際には、圧力制御装置２０により、中空バッグ１６内を外部と連通させて、粉粒体１８の変形抵抗を下げ、足底部１４の柔軟性を高める。従ってこの構成により、接地時の柔軟性が向上することにより、接地時の衝撃吸収や路面１の凹凸１ａへの対応の幅が広がる。

図２（Ｂ）の接地直後には、中空バッグ１６内の圧力は外気圧（大気圧）であるため、粉粒体１８の変形抵抗が低く柔軟性がある。この接地直後から脚２（立脚２ｂ）に下向きに力を作用させると共に、圧力制御装置２０により中空バッグ１６内を減圧する。
減圧を継続すると、図２（Ｃ）に示すように、中空バッグ１６内の圧力が下がるに従い、中空バッグ１６が収縮し、同時に粉粒体１８の充填密度が高まる。また、同時に路面１の凹凸１ａとの隙間も小さくなる。
図２（Ｄ）のように、予め設定した圧力まで減圧した後、減圧を停止して内部の圧力を一定に保持する。この状態で、粉粒体１８は内部圧力に応じた充填密度となっている。

上述したように、圧力制御装置２０により、立脚２ｂが遊脚２ａに変わるまで、中空バッグ１６内を減圧して、粉粒体１８の充填密度を高め、足底部１４の剛性を高める。従って、立脚２ｂ時には積極的に剛性を高めることができ、かつ路面の凹凸を把持することができるため、歩行を安定化できる。

また圧力制御装置２０により、中空バッグ１６内の気体圧力を大気圧以下の圧力に制御することにより、粉粒体１８の充填密度を上げて足底部１４の剛性を可変制御してもよい。

この構成により、路面１の凹凸１ａの状態に応じて、足底部１４を所望の剛性に可変制御することができる。

上述した本発明の構成によれば、圧力制御装置２０により、ロボットの遊脚２ａが接地する際に、遊脚２ａの中空バッグ１６内を外部と連通させることにより、粉粒体１８の変形抵抗を下げ遊脚２ａが接地する際の足底部１４の柔軟性を大幅に高めることができる。
また、圧力制御装置２０により、接地後に、ロボットの立脚２ｂが遊脚２ａに変わるまで、立脚２ｂの中空バッグ１６内を減圧して、粉粒体１８の充填密度を高めるので、立脚時の剛性と立脚２ｂから遊脚２ａに変わる直前における足底部１４の剛性を大幅に高めることができる。

従って、接地時の柔軟性が向上することにより、接地時の衝撃吸収や路面１の凹凸１ａへの対応の幅が広がる。また立脚時には積極的に剛性を高めることができ、かつ路面１の凹凸１ａを把持することができるため、歩行を安定化できる。また、減圧の程度を変えることで、剛性を可変とすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 路面、１ａ 凹凸、２ 脚、２ａ 遊脚、２ｂ 立脚、３ 足首関節、
１０ ロボットの接地部構造、１２ 足甲部、１４ 足底部、
１６ 中空バッグ、１７ エアフィルタ、１８ 粉粒体、
１９ チューブ管、２０ 圧力制御装置

Claims (4)

1. ２以上の脚を有し、各脚が路面から離れている遊脚と路面に接している立脚とに交互に切り替わるロボットの接地部構造であって、
   前記脚の下端に揺動可能に設けられた足甲部と、
   足甲部の下面に固定されロボットの移動時に接地する足底部とを備え、
   足底部は、路面の凹凸に倣う柔軟性と気密性を有する中空バッグと、
   路面の凹凸に倣う最大直径を有し中空バッグ内に充填された粉粒体とを有し、
   さらに、前記中空バッグ内の気体圧力を制御する圧力制御装置を備え、該圧力制御装置により、
   （Ａ）遊脚が接地する際に、遊脚の中空バッグ内を外部と連通させて、粉粒体の変形抵抗を下げ足底部の柔軟性を高め、
   （Ｂ）前記接地後に、立脚が遊脚に変わるまで、立脚の中空バッグ内を減圧して、粉粒体の充填密度を高め足底部の剛性を高める、ことを特徴とするロボットの接地部構造。
2. 前記圧力制御装置により中空バッグ内の気体圧力を大気圧以下の圧力に制御することにより、粉粒体の充填密度を上げて足底部の剛性を可変制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットの接地部構造。
3. 前記粉粒体は、互いに密着することにより全体形状を保持する形状又は摩擦係数を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットの接地部構造。
4. 前記中空バッグは、その内部に開口寸法が粉粒体の最小直径より小さいエアフィルタを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットの接地部構造。

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