JP7281838B2 - ロボットの脚式移動を改善する方法及びシステム - Google Patents

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は国際出願であり、２０１９年２月２５日に出願された米国特許仮出願第６２／８１０，２９９号、発明の名称「Methods of Eliminating Peak Impact Forces of Legged Robots」の優先権を主張するものであって、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は概して、自律ロボットや自律走行車のための装置、方法、及びシステムに関する。より詳細には、本発明は、改善された自律脚式移動を可能にする方法及びシステムに関する。

歩行ロボット及び走行ロボットは、人間や動物にとっては当たり前である数多くの事項を考慮しなければならない。脚式ロボットが一歩歩くごとに、地面と、脚部の慣性及び足部の質量の組合せとの間で衝突が起こる。この衝突の結果、脚式ロボットは、構成部品の損傷と、センサ測定値のノイズ増加と、安定性低下の原因となる振動とを被る。

剛体衝突のもう１つの問題は、聞き取れるほどに大きな音を発してその騒音を聴いた人や動物を警戒させ、場合によっては、床や地面に損傷を与えることである。このようなタイプのロボットを日常生活に取り込むという目的を実現するためには、一歩ごとに発生するガタガタ音が低減されなければならない。

衝突を減らすための従来の試みでは、ゴム又は他の素材で作られたパッドを足部に付けることに重点が置かれてきた。このアプローチは、動物の足の裏にある肉球に類似しており、これらの肉球は、衝撃力を弱めて、筋骨格系を衝突損傷から保護する効果がある減衰特性を有する脂肪組織でできている。似たようなパッド素材をロボットに使用すると、一歩ごとに生じるシステムのきしみを低減し、不要な振動を減らすことができるものの、（動物の足の肉球と同等の）無理のない厚みでは、一般的な脚部の質量からの衝撃を低減するには不十分である。更に、（動物の足の肉球よりもかなり厚い）大きな又は非常に厚いパッドでは、制御が非常に困難であり、システムのエネルギー損失をもたらすため、バッテリー電源で動作するロボットにとっては好適ではない。

衝突を減らすためのもう１つの一般的なアプローチは、地面に近づくにつれて減速して非常にゆっくりと着地するように足部を制御することである。このアプローチは、地面の位置を認識することを必要としており、この認識の誤りに影響されやすく、更に、足が置かれるまでにより長い時間がかかり、これによって、ロボットが効果的にバランスをとる能力が制限されるおそれがある。従って、速度又はバランスを過度に犠牲にすることなく、脚式ロボットが歩き回る際に各脚部が地面に及ぼす衝撃の規模を低減する方法が必要である。

本明細書は、ロボットの脚式移動を改善するための足部アセンブリ及び方法を説明する。足部アセンブリ及び方法は、脚式であって２本以上の脚部を有する歩行ロボットと共に用いられることが意図されている。実施形態において、足部アセンブリ及び関連する方法の目的は、１歩ごとにロボットが受ける衝撃力を低減することである。

ある実施形態では、本発明の足部アセンブリは、脚式ロボットの脚部の遠位端に取り付けられており、第１部分及び第２部分を備える。第１部分は、第１アクチュエータ及び第１柔軟要素のうちの１又は複数を介して第２部分に対して動作可能である。ロボットが１歩踏み出すとき、第１部分が地面と接触することによって、第１アクチュエータ及び第１柔軟要素のうちの１又は複数が連動して、第２部分が最初に地面に接触する際に第２部分の初期垂直速度を実質的にゼロに低下させる。別の実施形態では、地面に接近する際の足部アセンブリの初期垂直速度が制御され、第１アクチュエータ及び第１柔軟要素のうちの１又は複数は、制御されたアクチュエータ、及び、選択された初期垂直速度に調整された特定のコンプライアンス機能を有する柔軟要素のうちの１又は複数を備える。脚部アクチュエータと通信するコントローラは、足部アセンブリの垂直速度を制御する。

実施形態では、足部アセンブリは、第１部分は第２部分よりも小さい有効慣性を有しており、ロボットが１歩踏み出すときに第２部分よりも先に地面に接触するように構成される。足部アセンブリの第２部分を各脚部の遠位部分に回転可能に接続し、脚部に対する第２部分の回転を可能にするアクチュエータ及び柔軟要素のうちの１又は複数を有する足首関節が、第１部分が地面と接触すると連動して、足部アセンブリの足首関節周りの回転を遅くして、これによって、地面に接近するときの第２部分の垂直速度を低下させる。実施形態では、足部アセンブリは略平坦な遠位面を有し、これによって、第１部分及び第２部分の両方が地面に接しているときに、足部アセンブリが地面に確実に係合する。

更に別の実施形態では、足部アセンブリは、第２アクチュエータ及び第２柔軟要素のうちの１又は複数を介して第１部分に対して動作可能に接続される第３部分を備える。第３部分は、ステップ中、第１部分よりも先に表面に接触するように配置され、これによって、第３部分が地面と接触すると、第２アクチュエータ及び第２柔軟要素のうちの少なくとも１つが連動して、ステップ中、第１部分が地面に到達する時点での第１部分の垂直速度を実質的にゼロに低下させる。幾つかの実施形態では、第３部分は、最初に地面に接触するとき、最初に地面に接触するときの第１部分よりもかなり小さい有効慣性を有する。

別の実施形態について、本明細書は、本体と、２本以上の伸縮可能な脚部とを備えており、伸縮可能な脚部の各々が、本体に枢動可能に取り付けられる近位端部と、遠位端部とを有する、地面を行き来するための脚式ロボットを開示する。少なくとも１つの脚部アクチュエータは、各伸縮可能な脚部の近位端部に動作可能に結合されており、その伸縮可能な脚部を少なくとも矢状面内で本体に対して回転させ、脚部を脚部長さ方向に伸縮させる。このようにして、伸縮可能な脚部の遠位端部は、制御された垂直速度で表面に向けて制御可能に伸ばされる。幾つかの実施形態では、ロボットは、少なくとも１つのアクチュエータと通信するコントローラを更に備えており、当該コントローラは、足部アセンブリの垂直速度を制御するために動作可能であり、これによって、制御された垂直速度で第１部分が地面に接触する。

実施形態では、足部アセンブリは、伸縮可能な脚部の各々の遠位端部に足首関節を介して回転可能に結合されており、少なくとも第１部分及び第２部分を有しており、第１部分は、アクチュエータ及び柔軟要素のうちの１又は複数を介して第２部分に対して動作可能であり、これによって、足部アセンブリの第１部分の地面との接触が、アクチュエータ及び柔軟要素のうちの１又は複数を連動させて、足部アセンブリの第２部分が地面に接触する前にその垂直速度を低下させる。任意選択的に、足部アセンブリの第２部分が最初に地面に接触するときに、その垂直速度が実質的にゼロに低下してよい。幾つかの実施形態では、アクチュエータは、既知の制御された力を加えるバックドライブ可能なアクチュエータであって、表面に最初に接触する前に第２部分の垂直速度を低下させる。

幾つかの実施形態では、足部アセンブリの第１部分は、地面と最初に接触するときに、任意のアクチュエータに起因する反射慣性を含む有効慣性を有しており、この有効慣性は、第２部分が最初に地面と接するときの、脚部と足部アセンブリの第２部分との組合せの有効慣性よりもかなり小さい。

本明細書に合致した他の特定の実施形態では、脚式ロボットが地面で一歩踏み出すときに、着地衝撃力を低減する方法が開示される。実施形態では、本発明の方法は、少なくとも本体と２本以上の伸縮可能な脚部とを有するロボットであって、各伸縮可能な脚部が、（ａ）各伸縮可能な脚部の近位端部を少なくとも矢状面内で本体に対して回転させるために本体に枢動可能に接続された近位端部と、（ｂ）足部アセンブリが配置される遠位端部と、を有するロボットを提供することを含む。本発明の方法は、足部アセンブリに第１部分及び第２部分を設け、ロボットが１歩踏み出すとき、第２部分よりも前に第１部分が地面に接触するように足部アセンブリが構成されることを更に含む。足部アセンブリの垂直速度は、コンピュータコントローラによって制御され、足部アセンブリは、ストライド中に足部アセンブリの第１部分で地面に接触する。第２部分の垂直速度は、地面に接触する前に低下し、これによって、第２部分が最初に地面に接触するときに、第２部分の垂直速度が実質的にゼロになる。

本発明の更に別の実施形態では、方法は、第１部分と第２部分との間に係合された柔軟要素及びアクチュエータのうちの１又は複数を作動させて、足部アセンブリが足首関節を中心に回転する速度を低下させることによって、第２部分の垂直速度を低下させることを含み、これにより、地面に到達する前に第２部分の垂直速度を低下させる。

開示する更なる実施形態は、第１部分の前に地面に接触するように向けられる第３部分を提供することを含み、第３部分は、地面に最初に接触する前に足部アセンブリの第１部分の垂直速度を低下させるために、第２アクチュエータ及び第２柔軟要素のうちの１又は複数を介して、第１部分に対して動作可能である。更に別の実施形態では、複数の付加部分を連動させることを含み、その各々は、直後の部分の垂直速度を低下させるために順次動作可能である。

本明細書は、１歩毎に地面に衝突する足部アセンブリによって生じる衝撃力を低減する方法の更なる実施形態を記載しており、当該実施形態は、各足部アセンブリが地面に接近する際に、足部アセンブリが地面に接触する前に画定された垂直速度を有するように垂直速度を制御することと、足部アセンブリの第１部分で地面に接触しすることと、足部アセンブリは、非線形的なコンプライアンス機能を有する柔軟要素を含むことと、足部アセンブリの付加部分の１又は複数で地面に接触し、各付加部分は如何なる先行部分よりも小さいコンプライアンスを有しており、これによって、足部アセンブリに接続された伸縮可能な脚部の垂直速度が徐々にゼロに低下することと、を含む。実施形態では、これはまた、変形しながら徐々に地面に係合する連続的要素を含む。

本明細書によってサポートされる更に別の実施形態では、本体又は基部に装着された伸縮可能なロボット肢であって、本体又は基部に配置される近位端部と、遠位端部とを有する伸縮可能なロボット肢は、少なくとも１本の伸縮可能な肢の近位端部に動作可能に結合された少なくとも１つの肢アクチュエータを備えており、少なくとも１つの肢アクチュエータは、伸縮可能な肢を少なくとも矢状面内で本体又は基部に対して回転させて肢を伸縮させ、これによって、伸縮可能な肢の遠位端部が制御された接近速度で表面に向かって伸ばされる。伸縮可能なロボット肢は、そこに配置され、第１部分及び第２部分を備える接触アセンブリを更に備えており、第１部分は、第１アクチュエータ及び第１柔軟要素のうちの１又は複数を介して第２部分に対して動作可能であり、第１部分が物体又は表面と接触することで、第１アクチュエータ及び第１柔軟要素のうちの１又は複数が連動して、第２部分が最初に物体又は面に接触するとき、その制御された接近速度を実質的にゼロに低下させる。

添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を図示し、詳細な説明と併せて本発明の効果、特徴、特性を説明するものである。

図１は、先行技術の脚式ロボットの斜視図である。

図２ａは、本発明の実施形態のデモンストレーションを目的としたポゴスティック（pogo stick）型モデルである。

図２ｂは、図２ａに示すポゴスティック型モデルの第２の実施形態である。

図３は、本発明のある態様を示すスプリングモデルを示したものである。

図４は、本発明のある実施形態に従って構成されたロボットの脚部を示したものである。

図５ａ乃至図５ｃは、ストライドにおける３つの連続する時点での本発明の実施形態に従って構成された足部アセンブリを示す。

図６は、本明細書に記載する発明の方法の実施形態を示すフローチャートである。

開示する発明の実施が例示によって本明細書に説明されているが、当業者は、記載されている実施形態又は図面に限定されないことを理解するであろう。図面と図面についての詳細な説明とは、開示される特定の形態に実施を限定することを意図しておらず、添付の特許請求の範囲によって規定される精神及び範囲内での変更、均等物、及び代替物の全てをカバーすることを意図している。本明細書で使用する表題は、明細書又は特許請求の範囲の範囲を限定するために用いられることを意図していない。

以下の記載では、説明の目的で、例示的な実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細を述べる。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細がなくても実施形態が実施可能であることは明らかであろう。幾つかの実施例では、本発明の詳細が不明瞭にならないように、周知の方法又は構成要素は詳細に記載されていない。

分かり易さのために、本明細書に記載された実施におけるありふれた特徴の幾つかは省略されている。本発明の実際の実施の開発においては、特定の目的を達成するためにある決定をしなければならず、様々な目的を達成するために、発明の開示から逸脱することなく、様々な決定がなされてよいことが理解されるであろう。実施には複雑で時間がかかるものもあるが、これらは、本開示の恩恵を受ける当業者にとっては、日常的に遂行することであろう。

本発明の実施形態を説明するために、先行技術の脚式ロボット１００のような脚式ロボットを図１に示す。ロボット１００は、本体１０５と、少なくとも２本の伸縮可能な脚部１１０とを有しており、脚部の各々は足部アセンブリ１２０を終端とする。１歩踏み出すためには、腰部１３０と膝部１３５のアクチュエータが協働して脚部１１０を歩行面から持ち上げて、前進させ、再び歩行面へと下降させる。足首部１４０のアクチュエータは、足首関節部１５０の動作を制御する。しかしながら、ロボット１００は、各ステップの最初のステージで、振動の低減や、脚部の慣性を落ち着かせることに特に対処する要素を有していない。本明細書では、脚部の慣性は、１歩踏み出す際に足部が地面に接触する場合において速度を変化させる脚部の質量の全てとして定義され、脚部に動作可能に接続されたアクチュエータの回転慣性も含む。

本発明のある実施形態に従ってロボット１００を変更すると、ステップ中にロボット１００の重量が足部アセンブリ１２０に支持され始めると、足部アセンブリ１２０の第１部分１２３が最初に地面に衝突する。第１部分１２３が地面に接触すると、ばね等の受動的要素、又はアクチュエータなどの能動的要素は、バックドライブされていようとなかろうと、足部アセンブリ１２０の第２部分１２５の速度を、速度ゼロ及び加速ゼロになるまで低下させる。速度ゼロ及び加速ゼロは、第２部分１２５が地面又は歩行面に接触すると同時に起こるのが好ましい。ゼロ速度は、地面速度の一致を保証し、脚部の慣性を構成する任意の要素との剛体衝突を防止する。ゼロ加速度は、その瞬間に足部の上と下での力が等しくなることを保証し、これは、如何なる場合であっても、第２部分が無駄に地面から跳ね返らないことを意味する。

実施形態では、第１部分１２３の慣性は、脚部よりもかなり小さく、脚部は、第２部分１２５が接触すると地面と完全に係合する。ある実施形態では、第１部分１２３の慣性は、脚部の慣性よりもかなり小さく、脚部は、第２部分１２５が地面に接触すると効率的に地面に接触する。この慣性は、「有効慣性」とも称され、少なくとも、足部１２０の回転慣性（rotational inertia）と、足部１２０の線形慣性（linear inertia）と、足部１２０に動作可能に接続されたアクチュエータの回転速度の増大によって生じる反射慣性（reflected inertia）とを含む。

ステップが続くと、脚部１１０によって足部アセンブリ１２０に加えられる力が増大し、例えば、足部ばねのようなばねを有する実施形態については、足部ばねをそのハードストップ（hard stop）に対して保持する。足部アセンブリ１２０におけるばね又はアクチュエータのこの「底打ち（bottoming out）」は、地面と脚部１１０との間での動かない接触として機能する。このようにして、足部アセンブリ１２０は、足部の垂直速度を地面と効果的に合わせて、接触時（接地前）のゼロの力から、足部が完全に接触する点までスムーズに増大するスムーズな力の移行によって、脚部が地面にかかる力を制御し、衝突や力の急激な上昇は生じない。この新たなアプローチを更に説明するために、本明細書では幾つかの例示的な実施形態が説明される。

本開示の幾つかの実施形態に従って、脚式ロボットの脚部２００の２ステージモデルが、図２ａ及び図２ｂで簡略化された例として示されている。このモデルは、脚部２００の機能を示す（ある程度の慣性を有する）ロボット本体２０５及び脚部ばね２１０と、一緒になって足部２１５となる（ロボット本体ではなく足部に接続された脚部慣性の構成要素を含む有効慣性を有する）足部本体２２０及び足部ばね２３０とを有する。

図２ａのモデルが、シミュレーションされたステップ中に地面に接近すると、ロボット本体２０５及び足部本体２２０の両方は同じ下向きの速度を有し、ばね２１０，２３０は圧縮されない。地面に接触すると、足部ばね２３０が圧縮を始め、これによって、少なくとも足部本体２２０の速度は低下し始める。足部ばね２３０が過度に柔軟である場合、それは地面に到達する前に足部本体２２０の速度をゼロに低下させず、足部本体２２０はゼロ以外の速度で地面に衝突する。その結果、ばねが全くない場合よりは低減されるものの、衝突、力の急激な上昇、及びシステムの急激な揺動が生じることになる。逆に、足部ばね２３０が硬すぎると、足部本体２２０が地面に到達する前に足部本体２２０の速度がゼロになり、脚部ばね２１０が圧縮を続けて足部本体２２０により大きな力を加えるので、足部本体２２０は、最終的に地面に降りる前に振動することになる。この振動が大きいと、チャタリング、不安定性、非効率性やロボット制御に関する他の問題が生じるおそれがある。しかしながら、足部ばね２３０のばね定数が足部本体２２０及び所定の垂直速度に対して適切な剛性に調整されれば、足部本体２２０が地面に接地する瞬間に、速度がゼロになり、加速度もゼロになる。

足部本体２２０が地面に接触すると同時にその速度がゼロになることは、地面への衝撃が小さく、上昇開始するまで脚部２００がストライドの進行中に確実に地面と接触することを意味するので、理想的である。地面又は歩行面との接触時に足部の加速度をゼロにするためには、接触点において、脚部ばね２１０からの下向きの力と、足部ばね２３０の上向きの力が等しくなければならない。足部ばね２３０は完全に圧縮されているかも知れないが、脚部ばね２１０は、ストライドに関連して圧縮し始めたばかりである。脚部ばね２１０がストライド中に圧縮し続けると、それは足部２１５に更なる下向きの力を加えて、これによって、足部が圧縮不可能な状態に陥る。脚部ばね２１０が立脚の後半で伸長するときにのみ、足部ばね２３０が上昇開始前に緩められ得る。

実施形態では、ロボットの足部を設計する本明細書に記載の方法は、調整された特定のばね剛性又はアクチュエータ性能と単一の接近速度のみに関して、剛体の衝突及び足部振動の両方を回避する。従って、ロボット制御の方法の一部として、垂直方向の接近速度が調整されなければならない。このような制御に必要なハードウェア及び制御システムはまとめて設計されてよく、協働して所望の動作をもたらす。足部ばね及び／又はアクチュエータは、速度制御のアプローチと共に、多くの様々なサイズのロボットを支持するように設計されてよく、従って、足部について限定的に考慮するだけで、ロボットの他の部分が作られてよい。

足部を設計するためには、足部アセンブリでの有効慣性など、対象となるロボットのシステムパラメータを知る必要がある。これには、脚部の多くの構成要素、反射アクチュエータ慣性、脚部のばね機能又は脚部アクチュエータ制御アルゴリズム、ロボットの慣性が含まれる。衝撃力を低減するためには、地面と最初に接触する足部アセンブリの構成要素の有効慣性をできるだけ小さくしなければならない。これらのシステムパラメータを考慮して、特定の接近速度からの衝突時に、足の慣性（足に直接取り付けられた脚部の構成要素を含む）をゼロ速度にするように、足の柔軟要素及び／又はアクチュエータとコントローラを設計することができる。ロボットに適用される歩行制御方法によって、地面が予想される位置にあるか否かに関わらず足部が制御された速度で地面に衝突するように、地面への足部の接近が、地面に対して制御された垂直速度に制御されてよい。

上記では、つま先が地面に接触した後にばねを用いて足部本体２２０の垂直速度を低下させる実施形態を記載したが、当業者であれば、幾つかの実施形態では、足部本体２２０が上記の方法に沿った方法で地面に接近する際の垂直速度を低下させるために、ばねが、アクチュエータに置き換えられてよく、又は、アクチュエータによって補完されてよい（アクチュエータをばねと直列又は並列に配置する等）ことを認識するであろう。このような実施形態では、直線アクチュエータが足部本体２２０の下側で使用され、衝突時に何らかの力の作用を適用して、完全に圧縮して地面又は歩行面に接地した瞬間にゼロになるように足部本体２２０を減速させるか、又は、足部本体２２０の減速を助ける。

図２ａに示す２ステージモデルを論理的に拡張したものが図２ｂに示すモデルであり、図２ｂでは、脚部２５０の３ステージモデルが図示されている。図２ａのモデルと同様に、このモデルは、脚部２５０の機能を示すロボット本体２５５及び脚部ばね２６０を有する。脚部ばね２６０の下側には、第１足部本体２６５及び第１足部ばね２７０と、第２足部本体２７５及び第２足部ばね２８０とが直列に配置されており、これらが一緒になって足部２８５となっている。相対慣性の点では、システムの幾つかの実施形態は、第１足部本体２６５を有しており、第１足部本体２６５は、ロボット本体２５５の慣性よりもかなり小さく、第２足部本体２７５の慣性よりもかなり大きい慣性を有する。各ばねは、その上にある本体２５５，２６５，２７５の速度を、地面に接触する瞬間に実質的にゼロへと制御可能に低下できるように、それが扱うことが予想される有効慣性に調節されたばね定数（ｋ）を有している。当業者であれば、理論上は、無制限の数の追加のばね－質量ステージが追加されてよいことを理解するであろう。幾つかの実施形態では、非線形ばねの特性を有する部材が作製されて、ロボットが１歩踏み出すときに、ロボットの足部及び脚部の慣性に抵抗するために、より大きな反力を徐々に加えてよい。

モデルを用いて更に説明するために、図３に、本開示のポゴスティック足部３００の実施形態を示す。ポゴスティック足部アセンブリ３００はスリーブ部分３２０を有しており、その外側部分は、雄ねじ３１０を介して外側ばね３６０に係合する。外側ばね３６０の下側部分は、完全に伸長した配置でスリーブ部分３２０の下方に延びる。実施形態では、ばね３６０の下側部分は、地面と接触する軽量で丈夫なつま先部材３７０に固定可能に接続される。動作中において、例えばストライドの最初の部分の間につま先部材３７０が地面と係合すると、外側ばね３６０が圧縮を開始して圧縮に抵抗する力を生成し、当該力は、ばねを捕捉する雄ねじ３１０を介してスリーブ部分３２０に移る。理想的な動作では、ばね３６０によって上向きの力がスリーブ部分３２０に加えられた結果、スリーブ部分３２０がゼロ速度及びゼロ加速度に達する時点で、スリーブ部分３２０はつま先部材３７０と接触する。

図２ａのモデル２００との関係で、外側ばね３６０と連動するつま先部材３７０の作用は、足部ばね２３０と「足部本体」との相互作用と類似している。本明細書では、つま先部材３７０は、「第１部分」とも称される。ロボットが、脚部の端にあるポゴスティック足部３００で１歩踏み出す状況では、つま先部材３７０及びばね３６０が最初に地面に接触するであろう。ばね３６０が地面に接触した後に圧縮を始めると、スリーブ部分３２０の垂直速度は低下する。実施形態では、スリーブ部分３２０は、足部アセンブリの「主支持部分」又は「第２部分」と称される。ポゴスティック足部３００が、所定の、又は、制御された初期速度で地面に接近すると、ばね３６０がスリーブ３２０の下降を減速させ、スリーブ３２０がつま先要素３７０に接触する瞬間又はその付近で速度及び加速度の両方がゼロになり、つま先要素３７は、動かないように地面又はその他の歩行面に効果的に係合する。その後、ストライドが続くと、スリーブ３２０に更なる力が加わって、ストライドの間中、ばね３６０が完全に圧縮された状態が維持される。

図４を参照すると、本発明のある実施形態に従って構成されたロボット脚部４００が示されている。足部４１０は、脚部４００と足部４１０の間の機能的な接続点を提供する回転式足首関節４２０を備える。実施形態では、足部４１０は、図２ａ，図２ｂ，及び図３に関する説明と同様に、２ステージ方式で動作するように設計及び構成されている。ストライド中、足部４１０の第１部分４３０が最初に地面に接触し、その際、回転式足首関節４２０が、１又は複数のばね等のパッシブダイナミクス（passive dynamics）を用いて地面に対する第２部分４４０の垂直速度を低下させる。幾つかの実施形態では、アクチュエータを追加又は別個に使用して力を加えて、地面に対する前側部分４４０の垂直速度を低下させ、接触時に実質的にゼロにする（又は、地面の速度と一致させる）。ある実施形態では、足首関節４２０は、受動的要素及び能動的要素の両方の組合せを使用する。足部４１０の第１部分４３０は、図２及び図３に関して説明した足部本体２２０及びつま先部材３７０と類似している。重要なのは、足首関節４２０がロボット脚部の慣性を受け取ることであり、従って、第２部分４４０（及びその結果として足首関節４２０）が地面に接触するときに、その垂直速度を実質的にゼロに低下させることが重要である。

図５ａ乃至図５ｃは、足部アセンブリ５３０の別の実施形態における動作の態様の時間進行を示しており、当該実施形態は、本明細書に開示される方法及びアセンブリを使用するロボットが受け得る衝撃力を更に低減する。この実施形態では、上述した図２乃至図４のアセンブリのように、開示する足部アセンブリ５３０は第１部分５３５及び第２部分５４５を有しており、第１部分５３５は第２部分５４５より先に地面に接触することが想定され、足首関節５４０は、足首関節５４０周りの足部アセンブリの回転を妨げるために柔軟要素及びアクチュエータのうちの１又は複数を使用し、これによって、第２部分５４５の垂直速度が地面に対して実質的にゼロになった直後に第２部分５４５が地面に接触する。しかしながら、これまでの図のアセンブリとは異なり、足部アセンブリ５３０は、第１部分５３５に枢動可能に配置された第３部分５２０を有する。ある実施形態では、第３部分５２０はアルミニウムで構成されており、トーションばねによって第１部分５３５に取り付けられた発泡体カバーを有してよい。他の実施形態では、第１部分５３５は、アクチュエータ、或いは、バックドライブ可能なアクチュエータを介して回転可能に接続されてよい。何れの場合も、第３部分５２０は、ステップ中に地面に接触する最初の構成要素である。地面に接触すると、図５ｂに示すように、第３部分５２０が第１部分５３５に対して回転して上向きに付勢され、トーションばね又は他の柔軟要素及び／又はアクチュエータが連動して第１部分５３５の垂直速度が低下し、地面との最初の接触点における第１部分５３５の垂直速度が地面速度と一致して、急激な衝撃力の発生が防止される。

ある実施形態では、第３部分５２０は、ロボットの用途又は構成に適した線形又は非線形コンプライアンスを有する柔軟発泡体又は他の部材で構成される。地面又は歩行面に接触すると、柔軟要素は、図２ｂに示した最下の最も柔らかいばね２８０と同様に、合致した地面速度で地面に最初に接触するまで第１部分５３５を更に減速させる。

最後部５３５が接地した後、ばね及びアクチュエータの一方又は両方を有する関節５４０は、トルクを印加して関節５４０周りの主支持部分５３０の回転を減速させる。これによって、図５ｃに示すように、主支持部分５３０が地面に「底打ち」する時点で、関節５４０に取り付けられた下側脚部（図示せず）と、主支持部分の最前部５４５との垂直速度がゼロになる。これは、図２ｂにおける中間ばね２７０及び質量２６５の機能と類似している。

その結果、図５ａに示す第３部分５２０の最初の接触時から、図５ｂに示す足部アセンブリ５３０の第１部分５３５の地面との最初の接触時点を経て、図５ｃに示す第２部分５４５が地面に接触する時点まで、足首関節５４０によって実現され、脚部が地面に向かう垂直速度を抑制及び低下させるスムーズな力のランピング（ramping）が存在しており、接触時に地面の速度と合致させて、このような衝撃に関する力を実質的に低減する。「かかとからつま先までの」足の運びのための、典型的な人間のかかとからつま先までのアセンブリ構造を説明したが、本願が開示する構造及び方法は、例えば鳥が見せるような「つま先からかかとまでの」足の運びにも同様に適用されてよいことが理解されるであろう。

当業者であれば、別の実施形態は、付加部分と、接続可能に連動する対応柔軟要素又はアクチュエータとを備えており、有効慣性を下降させて、可能な限りスムーズな力のランプを生成することを認識するであろう。ある実施形態では、非線形コンプライアンスの単一形状の構造体で同じ機能が生成されてよい。この構造体は、比較的柔らかい部分で地面に接触して、ストライド中に力が増加すると、足部構造体の剛性を増加させながら足部のより大きな表面積と係合するので、剛性を増加させる多数のリンク及びばねで近似できるであろう単一の非線形ばねとして動作する。他の実施形態では、ケーブルや剛線等の伝達装置により、成形された足部構成要素が地面と係合するときに有効慣性及びトルクが変化するようにアクチュエータを動作させ、次第に大きくなる一連のアクチュエータやリンクが動くように動かす。このようにコンプライアンス及びアクチュエータを連続的に変化させることで、個々のリンク及び柔軟要素又はアクチュエータよりもスムーズな力のランプを実現しつつ、脚部の質量を地面速度に減速して大きな衝撃力を回避する機能を実現している。

足首関節５４０にアクチュエータが用いられる実施形態では、足部アセンブリ５３０が第１部分５３５で最初に地面に接触するときに、アクチュエータがバックドライブして、第２部分５４５が地面に到達するまでその垂直速度を減速するように、アクチュエータが向けられてよい。同じ原理は、第１部分５３５の最初の接地に対する第３部分５２０の関係に適用できる。接地を超えてストライドが進行すると、どのアクチュエータも通常動作して、ストライドの後半でロボットを前方に押し出すことを支援してよい。

他の実施形態では、ばね又はその他の柔軟要素は、足首関節４２０，５４０に配置される必要はない。代わりに、それは、図１又は図４に示すような適切なリンク機構４６０又は４６５が存在する限りにおいて、ロボットの脚部４００の上部に配置されてよい。実施形態では、ハーモニックドライブ（登録商標）社のＣＳＧ－２Ａカップ型コンポーネントセット等のバックドライブ可能なアクチュエータを使用して、足部アセンブリ５３０の第１部分５３５又は第２部分５４５の下向き又は「垂直」速度が下げられてよい。

図６に参照される方法等の幾つかの実施形態では、開示するシステムは、歩行動作中に各足部アセンブリを配置してロボットの重量をその足に移行することに関連するきしみを最小限に抑えながら、脚式ロボットが地面を行き来することを可能にする方法６００を用いる。この方法の実施形態は、初めにロボット６１０の状態を確認することを含む。このステップは、エンコーダや他のセンサを用いて、ロボットの全ての肢の相対的な位置及び／又は姿勢を決定することを含む。幾つかの実施形態では、ロボット動作コントローラが全ての本体部分の相対的な位置を常に知ることができるように、エンコーダが全ての関節に配置される。実施形態では、ジャイロスコープや慣性測定装置等の角速度測定装置を用いて、地面に対するロボット本体の方向が追跡される。これらのセンサは、ロボット本体のロール、ピッチ、及びヨーに関する情報を提供する。これらの情報をもとに、第１足部が地面にあると仮定して、ストライド中の空中の足部の相対的な位置を計算することができる。そして、この位置は、状態情報の一部となる。

次に、この方法は、歩行面６２０に接近する際の足部アセンブリの下向きの垂直速度を制御し、最初の地面との接触点で所定のパラメータ内に収まるようにすることを含む。幾つかの実施形態では、垂直速度は、股関節領域と称されることもある脚部の上部、又は、人間の膝に類似する別の関節にあるアクチュエータによって制御されてよい。実施形態では、全てのエンコーダ及び他のセンサデータが中央プロセッサに伝達される。次に、中央プロセッサが状態情報及び今後の適切な動作を計算し、使用されている全てのアクチュエータの動作を制御する。

ある実施形態では、足部は、有効慣性が小さい（「第１」）部分が、主要支持（「第２」）部分よりも先に地面に接触するように設計される。このような実施形態では、次のステップ６３０は、有効慣性が小さい（「第１」）部分が地面に接触し、足部の主支持（「第２」）部分６４０が地面に達する前に、その垂直速度を低下させ始めることである。実施形態では、有効慣性が小さい部分は、ばね及び／又はアクチュエータを介して主支持部分に作用し、好ましくは、本明細書に記載したように、主支持部分の一部を地面又は歩行面と速度一致させることができる。当業者であれば、このプロセスは、既存の部分よりも有効慣性が小さく、図２ｂに関して説明したように、後続部分の垂直速度を制御するのに十分な嵌合ばね及び／又はアクチュエータを更に有する追加の足部分について繰り返されてよいことを理解するであろう。更に、多数の足部分及び柔軟要素は、地面との係合が最初の接触点から一定の係合へと進むにつれて非線形コンプライアンスが変化する単一形状の構造体と同等であってよい。

幾つかの実施形態では、６３０でのような歩行方法の次のステップで足部が地面に接触する際に、足部の低質量部分が地面に接触したときにどれだけ速く動くかを測定することによって、足部アセンブリが地面に接近する実際の垂直速度が確認されてよい。ロボットが押されて、バランスを維持するために意図したよりも早く足部アセンブリを配置しなければならない場合等、足部アセンブリが予定よりも速く地面に接近していると判断される場合には、関連するアクチュエータ上のコントローラがリアルタイムで調整されて、予想外の接近速度に対応し、なおかつ主支持部分の衝突時に速度をゼロに低下させることができるであろう。

図５のように脚部が足部の主支持部分に接続されている実施形態では、足部の打撃は、第１部分５３５でなく、第２部分５４５が最初に接触するように設計されてよい。このような実施形態では、５２０と同様な付加要素が、代わりに第２部分に接続されてよい。これは、人間のようにかかとから先に接触するのではなく、ダチョウや他の走鳥のようにつま先から先に接触することに似ている。本発明の方法は、何れの歩行タイプにおいても成功裏に用いることができる。

幾つかの実施形態では、足部アセンブリ３１０，４１０，又は５１０は、分離しているが接続された少なくとも２つの部分、即ち、最初に地面に接触するように設計された有効慣性が小さい（又は「第１」）部分３７０，４５０，又は５３５と、脚部及び足部の有効慣性を持っており、立脚中に地面にしっかりと係合しなければならない主支持（又は「第２」）部分３２０，４４０，又は５４５とを有する。実施形態では、有効慣性が小さい部分３７０，４５０，又は５３５は、主支持部分３２０，４４０，又は５４５の有効慣性よりも約１桁小さい有効慣性を有する。

本願の教示の原理を組み込んだ種々の例示的な実施形態を開示してきたが、本願の教示は、開示された実施形態に限定されない。むしろ、本願は、本願の教示の如何なる変形、使用、及び用途もカバーしており、その一般的な原理を使用することが意図されている。更に、本願は、これらの教示が関連する技術分野における既知の又は慣習的な実施の範囲内にある本開示からのそのような逸脱をカバーすることを意図している。

Claims (18)

1. 少なくとも２本の脚部を有しており、地面を行き来する歩行ロボットにおいて、ストライドの地面接触段階中に前記歩行ロボットが受ける力を制御するために各脚部の遠位端部に取り付けられる足部アセンブリであって、
   第１部分垂直速度を有する第１足部と、第２部分垂直速度を有する第２足部とを備えており、前記第１足部は第１アクチュエータ及び第１柔軟要素のうちの１又は複数を介して前記第２足部に対して動作可能であり、
   前記第１足部による地面との接触は、前記地面接触段階の開始時に、前記第１部分垂直速度を地面速度と一致させ、それにより、前記第１アクチュエータ及び前記第１柔軟要素のうちの１又は複数を連動させて前記第２部分垂直速度を、前記第２足部が地面に接触する前に前記地面速度に近づかせ、
   少なくとも前記第２足部は、前記ストライドの地面接触段階の残りの部分を通じて前記脚部の遠位端を柔軟に支持する、足部アセンブリ。
2. 前記地面接触段階の前に、地面に対する前記足部アセンブリの初期垂直速度が制御される、請求項１に記載の足部アセンブリ。
3. 前記第１足部は、地面との接触時に第１部分有効慣性を有し、前記第２足部は、地面との接触時に第２部分有効慣性を有し、前記第１足部の地面との接触時における前記第１部分有効慣性は、前記第２足部の地面との接触時における前記第２部分有効慣性よりも小さい、請求項１に記載の足部アセンブリ。
4. 前記第１アクチュエータ及び前記第１柔軟要素のうちの１又は複数は、前記第２足部の地面との接触時に前記第２部分垂直速度を前記地面速度に一致させるように選択される、請求項３に記載の足部アセンブリ。
5. 第３部分垂直速度を有する第３足部を更に備えており、前記第３足部は、第２アクチュエータ及び第２柔軟要素のうちの１又は複数を介して、前記第１足部に対して動作可能であり、前記第３足部は、前記地面接触段階の最初に、前記第１足部よりも先に地面に接触するように配置されており、
   前記地面接触段階の最初に、前記第３足部が地面に接触することにより、前記第３部分垂直速度が前記地面速度と一致し、それにより、前記第２アクチュエータ及び前記第２柔軟要素のうちの１又は複数が連動して、前記第１部分垂直速度が低下し、前記第１足部が地面に達する前に前記地面速度に近づく、請求項１に記載の足部アセンブリ。
6. 前記第１足部は、地面との接触時に第１部分有効慣性を有しており、前記第３足部は、地面との接触時に第３部分有効慣性を有しており、前記第３足部が地面に接触したときの前記第３部分有効慣性は、前記第１足部が地形に接触したときの前記第１部分有効慣性より小さい、請求項５に記載の足部アセンブリ。
7. 地面を行き来するための脚式ロボットにおいて、
   本体と、
   ２本以上の伸縮可能な脚部であって、各伸縮可能な脚部は、前記本体に回転可能に取り付けられた近位端部と、遠位端部とを有する、２本以上の伸縮可能な脚部と、
   各伸縮可能な脚部の近位端部に動作可能に結合された少なくとも１つの脚部アクチュエータであって、その伸縮可能な脚部を少なくとも矢状面内で前記本体に対して回転させ、前記脚部を脚部長さ方向に伸縮させ、これによって、その伸縮可能な脚部の遠位端部が、垂直速度で地面に向けて制御可能に伸ばされる、少なくとも１つの脚部アクチュエータと、
   各伸縮可能な脚部の遠位端部に回転可能に結合される足部アセンブリであって、前記足部アセンブリは、少なくとも第１部分及び第２部分を有しており、前記第１部分は、前記第２部分の地面との最初の接触の前に前記第２部分の垂直速度を低下させるためにアクチュエータ及び柔軟要素のうちの１又は複数を介して前記第２部分に対して動作可能である、足部アセンブリと、
   を備えており、
   前記足部アセンブリの前記第１部分が地面と接触することによって、前記アクチュエータ及び前記柔軟要素のうちの１又は複数が連動して、地面に対する前記足部アセンブリの前記第２部分の垂直速度を、前記第２部分が地面に接触する前に低下させる、脚式ロボット。
8. ストライドの地面接触部分中に脚式ロボットが受ける力を低減する方法において、
   少なくとも本体と２本以上の伸縮可能な脚部とを有するロボットであって、各伸縮可能な脚部が、（ａ）各伸縮可能な脚部の近位端部を少なくとも矢状面内で前記本体に対して回転させるために前記本体に枢動可能に接続された近位端部と、（ｂ）足部アセンブリが配置される遠位端部と、を有するロボットを提供することと、
   前記足部アセンブリに、第１部分垂直速度を有する第１部分と、第２部分垂直速度を有する第２部分とを設け、前記足部アセンブリは、前記第１部分がアクチュエータ及び柔軟要素のうちの少なくとも１つを介して前記第２部分に動作可能に接続されるように構成され、前記足部アセンブリは、ストライドの前記地面接触部分の開始時に前記第２部分よりも前に前記第１部分が地面に接触するように更に構成されることと、
   前記足部アセンブリの前記第１部分を地面に接触させて、前記第１部分垂直速度を地面速度と一致させることと、
   前記柔軟要素及び前記アクチュエータのうちの少なくとも１つを連動させて、前記第２部分が地面に接触する前に前記足部アセンブリの前記第２部分垂直速度を低下させ、これによって、前記第２部分が地面に接触する前に、前記第２部分垂直速度を地面速度に近づけることと、
   を含む方法。
9. 前記足部アセンブリの前記第１部分垂直速度を前記第１部分が最初に地面に接触する前に低下させるために、前記第１部分に対して動作可能な第３部分を設け、これによって、前記第１部分垂直速度は、前記第１部分が地面に接触する前に地面速度に近づくことを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記第３部分が、ステップ中に前記第１部分よりも先に地面に接触するように配置され、これによって、前記第３部分が地面と接触すると、第２アクチュエータ及び第２柔軟要素のうちの少なくとも１つが連動して、前記第１部分が地面に接触する前に、前記第１部分垂直速度を地面速度に近づける、請求項９に記載の方法。
11. 複数の付加部分を連動させることを含み、前記複数の付加部分の各々は、直前の部分の垂直速度をそれが最初に地面に接触する前に低下させるために動作可能である、請求項９に記載の方法。
12. 前記足部アセンブリがステップ中に地面に接近する際に前記足部アセンブリの垂直速度を制御することを更に含む、請求項８に記載の方法。
13. 本体と、少なくとも２本の伸縮可能な脚部と、各脚部の遠位端部に配置された足部アセンブリとを有する歩行ロボットにおいて、前記足部アセンブリが地面に衝突することによって１歩毎に生じる衝撃力を低減する方法であって、
    地面に接触する際の各足部アセンブリの垂直速度を、その足部アセンブリが規定された垂直速度を地面に接触する前に有するように制御することと、
    柔軟要素とコンプライアンス機能を有するアクチュエータとの少なくとも１つを備える足部アセンブリの第１部分で地面に接触することと、
    を含んでおり、
    前記足部アセンブリに接続された前記伸縮可能な脚部の遠位端の垂直速度は、 前記足部アセンブリが地面と接触する前に徐々に低下する、方法。
14. 前記足部アセンブリの１又は複数の付加部分を地面と順次接触させることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 歩行ロボットの脚部の遠位端に配置された足部アセンブリにおいて、
    前記足部アセンブリは、地面上へのストライドの接地段階によって前記歩行ロボットが受ける接触力を最小化し、前記接地段階の直後に続く前記ストライドの重量支持段階において前記歩行ロボットを支持するように構成されており、
    前記足部アセンブリは、
    各々が垂直速度を有する第１足部及び第２足部と、
    前記第１足部と前記第２足部とを機能的に接続するアクチュエータ及び柔軟要素のうちの１又は複数と、
    を備えており、
    前記接地段階中に前記第１足部が地面に接触することにより、前記第１足部の垂直速度が地面速度と一致し、前記アクチュエータ及び前記柔軟要素のうちの１又は複数が連動して、前記接地段階の終了時に前記第２足部が地面に到達する前に前記第２足部の垂直速度を低下させ、
    前記足部アセンブリは、前記ストライドの前記重量支持段階の間、前記脚部の遠位端を柔軟に支持する、足部アセンブリ。
16. 歩行ロボット用の足部アセンブリにおいて、
    地面上でのストライドの地面接触部分を改善するための第１足部及び第２足部と、
    前記第１足部と前記第２足部とを機能的に関連付けるアクチュエータ及び柔軟要素のうちの１又は複数と、
    を含んでおり、
    前記地面接触部分は、前記第１足部が地面に接触したときに開始し、前記第２足部が地面に接触したときに終了する接地段階と、前記第２足部が地面に接触したときに開始する支持段階とを含んでおり、
    各足部は、前記接地段階の前に垂直速度と有効慣性とを有しており、前記第１足部の有効慣性は、前記第２足部の有効慣性よりも小さく、
    前記接地段階の開始時に前記第１足部が地面に接触することにより、前記第１足部の垂直速度が地面速度と一致し、それにより、前記アクチュエータ及び前記柔軟要素のうちの１又は複数が連動して、前記接地段階の最後に前記第２足部が地面と接触する前に、前記第２足部の垂直速度を前記地面速度に近づけ、
    前記足部アセンブリは、前記ストライドの前記支持段階を通じて前記歩行ロボットを柔軟に支持する、足部アセンブリ。
17. コントローラが、前記第２足部が地面に到達する前に前記第２部分垂直速度を減少させるために前記第２足部に力を加えるように前記第１アクチュエータに命令する、請求項４に記載の足部アセンブリ。
18. 前記第２部分は、前記第２部分が取り付けられている伸縮可能な脚部の遠位端に、その脚部が脚部長さ方向に沿って縮むまで、柔軟性のない支持を提供する、請求項７に記載の脚式ロボット。
    
    

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