KR20040094283A - 보행식 이동 로봇의 다리 장치 및 보행식 이동 로봇의제어 방법 - Google Patents

Abstract

보행식 이동 로봇의 발에 있어서는, 제1 오목부에 의해 발의 변형 등이 흡수되어, 접지부의 위치 및 형상이 거의 변화하지 않는다. 따라서, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화가 적어져서, 스핀 운동 등의 발생은 억지된다. 또한, 볼록부와 단차를 밟은 경우, 유연부가 변형되어 이를 수용하여, 볼록부와의 사이에서 마찰 유지력이 작용한다. 따라서, 발이 노면에 적응한 상태가 되어, 그 볼록부에 의한 미끄러져 떨어짐, 극도로 빠른 운동의 발생 등이 억지되어 비연속면, 요철면 등 다양한 노면에 적응하여 더욱 자세의 안정성이 향상된다.

Description

보행식 이동 로봇의 다리 장치 및 보행식 이동 로봇의 제어 방법 {LEG DEVICE FOR LEG TYPE MOVABLE ROBOT, AND METHOD OF CONTROLLING LEG TYPE MOVABLE ROBOT}

최근에는 인간이나 원숭이 등의 2족 직립 보행을 하는 동물을 모방한 보행식 이동 로봇에 관한 연구 개발이 진전되고 있으며, 실용화에의 기대도 높아지고 있다. 2족 직립에 의한 보행식 이동 로봇은 크롤러(crawler)식이나, 4족 또는 6족식 로봇에 비하여 불안정하여 자세 제어나 보행 제어가 복잡해지는 단점이 있다. 그러나, 한편으로, 고르지 못한 지면이나 장애물이 있는 장소 등 작업 경로상에 요철이 있는 장소나, 계단 및 사다리 등의 불연속적인 보행면과 같은 조건이 열악한 장소에 있어서도 유연하게 대응하여 이동 작업을 실현할 수 있다는 점에서 우수하다.

한편, 인간의 작업 공간이나 주거 공간의 대부분은 2족에 의한 직립 보행이라는 인간이 갖는 신체 메커니즘과 행동 양식에 맞게 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 인간의 주거 공간은 차륜 그 밖의 구동 장치를 이동 수단으로 한 현재의 기계 시스템이 이동하는 데에는 상당히 많은 장벽이 존재한다. 따라서, 기계 시스템 즉 로봇이 다양한 인적 작업을 지원 또는 대행하고, 인간의 주거 공간에 더욱 깊이 침투해 가기 위해서는 로봇의 이동 가능 범위가 인간의 이동 가능 범위와 거의 동일한 것이 바람직하다. 이것이 보행식 이동 로봇의 실용화가 크게 기대되고 있는 이유이기도 하다. 즉, 인간형의 형태를 갖는다는 것은, 로봇이 인간의 주거 환경과의 친화성을 높이는데 필수적이라고 할 수 있다.

2족 보행에 의한 보행식 이동을 행하는 타입의 로봇에 대해서, 자세 제어와 안정된 보행에 관한 기술은 이미 다수 제안되어 있다. 그 중의 대부분은 ZMP(Zero Moment Point)를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용하고 있다. ZMP에 의한 안정도 판별 규범은 보행계(步行系)로부터 노면에는 중력과 관성력, 및 이들 모멘트가 작용하고, 그 모멘트와 노면으로부터 보행계로의 반작용으로서의 바닥 반력 및 바닥 반력 모멘트가 균형을 이룬다고 하는 "달랑베르의 원리(D'Alembert's principle)"에 기초하는 것이다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변상(邊上) 또는 그 내측에 피치 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 점이 존재하며, 이 점을 ZMP라 한다.

ZMP 규범에 의거한 2족 보행 제어에 따르면, 발바닥 착지점을 미리 설정할 수 있으며, 노면 형상에 따른 발끝의 운동학적 구속 조건을 고려하기 쉬운 등의 이점이 있다. 또한 ZMP를 안정도 판별 규범으로 하는 것은, 힘이 아니라 궤도를 운동 제어상의 목표값으로 하는 것을 의미하므로, 기술적으로 실현 가능성이 높아진다. 또한, ZMP의 개념 및 ZMP를 보행 로봇의 안정도 판별 규범에 적용하는 점에 대해서는, Miomir kobratovic 저술 “LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(가토 이치로 외, 『보행 로봇과 인공 다리』(닛칸 코교 신문사))에 기재되어 있다.

한편, 보행식 이동 로봇에 있어서의 보행식 작업시의 안정성 및 제어성은 사지의 동작 패턴뿐만 아니라, 보행 등 다리를 사용하여 작업을 행하는 노면(지면, 바닥면) 상태의 영향을 받고 있다. 왜냐하면, 다리가 노면에 접지되어 있는 한, 노면으로부터 항상 반력을 받고 있기 때문이다. 이 때문에, 노면으로부터 직접 반력을 받는 발의 구조는 보행식 이동 로봇에 있어서의 다리를 사용하는 작업시의 안정성 및 제어성에 극히 중요하며, 지금까지 많은 제안이 이루어져 왔다.

예를 들면, 유휴 다리(idling leg; 노면에 접지되지 않은 측의 다리)가 착지하였을 때에 노면으로부터 받는 충격, 즉 Z축 방향(발바닥면에 대해서 직교하는 방향 또는 요축에 따른 방향)의 충격을 완화하기 위해서, 고무 등의 탄성 시트를 발바닥에 접착한 것, 또는 이 탄성 시트의 파손과 변형을 방지하기 위해 그 하면에 금속판 등을 더 접착한 것이 통상 널리 알려져 있다. 또한, 발바닥면에 Z축 방향의 충격을 흡수하기 위한 판스프링을 통하여 금속판 등을 설치한 것이 알려져 있다. 또한, 노면에 대한 미끄럼을 방지할 목적으로 발바닥면에 고무 등을 점착한 것도 알려져 있다.

그러나, 이들 종래의 족부(足部)는 착지시의 지면으로부터의 충격을 완화하는 것과 노면에 대한 미끄럼을 억제하기 위한 개선이 이루어진 것이 대부분이며, 구조 자체는 도82(A)에 도시한 바와 같은 판형상이었다. 도82에 도시한 족부(910)는 착지시에는 발바닥면의 전체로 노면(911)에 접지하는 구조로 되어 있다. 그리고, 이와 같은 종래의 족부에 있어서는, 예를 들면 도82(B)에 도시한 바와 같이, ZMP가 족부(910)의 대략 중앙부에 위치한 경우, 그 부분에 로봇의 하중이 집중하여, 족부(910)는 노면(911)과 반대 방향으로 휘어져, 형상이 변화하는 경우가 있었다. 이와 같은 상태가 되면, 족부(910)와 노면(911)과의 접촉 면적은 감소하고, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력이 약해지는 문제가 발생하였다. 또한, 형상의 변화에 따라, 발바닥과 노면과의 접촉면의 형상도 변화하고, 이 변화에 따라 보행식 이동 로봇의 움직임 특성에 변화가 발생하여, 로봇의 자세를 불안정하게 한다는 문제가 있다.

또한, 이와 같은 발바닥부의 휨에 따른 자세의 불안정화에 더하여, 발바닥부가 노면에 접지했을 때에, 발바닥면의 중간 부분이 노면의 볼록부에 위치한 경우에도, 소위 시소 상태가 되어, 같은 문제가 발생된다.

또한, 발바닥부의 접지면을 구성하는 발바닥면의 모서리부 내지 측변부에 배려를 행하지 않기 때문에, 노면에 요철 등이 있는 경우에 유휴 다리의 착지시에 그 요철에 다리의 당해 모서리부 내지 측변부가 간섭하여 걸려 넘어짐의 원인이 됨과 동시에, 걸려 넘어짐과 그 개방을 반복하는 소위 스틱슬립 상태에 빠지는 경우도 있으며, 로봇의 상체의 균형이 무너져 자세가 불안정해지는 경우가 있다.

여기에서, 로봇 자세의 안정성의 지표로서 '항력 발생 실효면'으로 명명하는 개념을 이용하기로 한다.

항력 발생 실효면이란, 예를 들면 족부와 노면과의 접지면이 하나의 면일 때는 그 면을 의미한다. 또한, 도83에 도시한 바와 같이, 족부와 노면이 점으로 접촉하는 경우에는, 이웃하는 2점간을 잇는 변으로 둘러싸인 평면을 의미한다. 또한, 도84에 도시한 바와 같이, 족부의 접지 부분이 프레임 형상일 때는, 이 프레임의 변으로 둘러싸인 면을 의미한다. 즉, '항력 발생 실효면'이란 보행식 이동 로봇에 발생하는 요축 주위의 모멘트에 대해서, 노면으로부터의 항력을 받는 점을 잇는 영역을 의미한다.

보행식 이동 로봇의 보행에 있어서의 ZMP의 이동에 따라서, 족부가 변형하고, 항력 발생 실효면의 면적이 감소하면, 보행식 이동 로봇의 동작에 따라서 발생하는 요축 주위의 모멘트에 대해서 약해지고, 보행식 이동 로봇의 자세를 불안정하게 하여, 스핀 운동을 초래하는 원인이 된다. 또한, 항력 발생 실효면의 변형은 보행식 이동 로봇 거동의 예기치 않은 변화를 일으켜, 보행식 이동 로봇의 자세를 불안정하게 하는 원인이 된다.

따라서, 보행식 이동 로봇의 발바닥면에 있어서는, 접지면에서의 면압(面壓)의 정적 및 동적인 조정, 즉 단순한 압력치의 조정뿐 아니라, 그 변화와 분포를 조정할 필요가 있는 것으로 사료된다. 또한, 마찰에 대해서도 마찬가지로 정적 및 동적으로 조정할 필요가 있는 것으로 사료된다.

또한, 이와 같은 것은 주로 평탄한 이동면 또는 완만한 연속면으로 한정되어 적응할 수 있는 문제이지만, 실이동면에 있어서는 요동면(waviness)과 같은 연속면 이외에 요철과 단차 등 불연속적인 면이 많이 존재하고, 그와 같은 면도 보행식 이동 로봇의 자세를 불안정하게 하는 원인이 됨에 유의하지 않으면 안된다.

구체적으로는, 예를 들면 도85에 도시한 단차 등을 족부가 밟은 경우에는, 족부는 마치 새끼 거북이가 중간에 걸려 오도가도 못하는 상태와 같이 되어, 접지부에서의 지지 모멘트를 발생할 수 없게 되며, 그 거동은 비선형이 되어 제어가 매우 곤란한 상황에 빠진다. 또한, 이동 궤적도 흐트러지기 쉬우며, 수정 제어와 이동 계획의 재설정이 필요하게 된다.

또한, 도86에 도시한 바와 같이, 융단 등 취약하고 미끄러지기 쉬운 면에 있어서는, 발의 접지면이 필요 이상으로 미끄러질 가능성이 있으며, 보행식 이동체 자체의 이동 안정성을 현저하게 저해할 가능성이 있다.

또한, 도87에 도시한 바와 같이, 마찰이 큰 면, 또는 부드러우므로 표면에 걸림이 발생되는 면에 있어서는, 발바닥 접지면의 형상의 효과에 따른 면압, 또는 면방향에서의 마찰이 극단적으로 상승하면, 관성력 등에 의해 전도(轉倒) 모멘트가 발생한다. 그 때문에 역시 접지부의 마찰 특성을 조정할 필요가 있다.

또한, 도88에 도시한 바와 같은 단차가 있는 부분에 있어서는, 도85에 도시한 바와 같은 지지 모멘트 문제 이외에도, 단차부 또는 요철부 부근의 형상의 조건이 불량한 경우와 현저히 마찰이 적은 경우에는, 족부가 미끄러져 떨어지는 문제가 있다. 또한, 이 같은 현상은 제어 주기 등에 비해 그 거동이 극히 빠르므로, 충분히 대처할 수 없는 위험성이 있다.

이와 같은 경우에는, 예를 들면 도89에 도시한 바와 같이, 족부에 발바닥의 장심(arch)와 같은 형상의 구조를 설치함으로써, 단차의 모서리를 피할 수 있게 하는 것이 가능하다. 그러나, 이와 같은 구조도, 결국 지지 효력 발생면(921)이 도면 중 사선으로 나타낸 삼각형 형상이 되도록 발바닥의 장심에 단차 또는 볼록부가 접촉하게 되어, 안정성을 확보할 수 있는 조건은 좁아진다. 따라서, 이와 같은 단차에도 대응하여 이동 성능과 안정성을 확보할 필요가 있다.

또한, 2족 보행 로봇은 필연적으로 전도할 가능성이 있으며, 이를 가능한 한 회피할 필요가 있다. 전도 방지 대책으로서는, 동작시에 어떻게 균형을 무너뜨리지 않고, 안정적으로 동작할 수 있는지의 관점, 및 균형을 무너뜨린 경우의 회복의 관점에서의 제어 방법의 연구가 이루어지고 있다. 또한, 이와 같은 제어 방법의 연구에 더하여, 족부의 구성을 도90∼도92에 도시되어 있는 바와 같은 구성으로 함으로써, 대책을 마련하고 있다.

도90∼도92는 각각 종래의 족부의 개략 구성을 나타내는 평면도이다. 이들 도면에 있어서는, 참조 번호 12, 22, 32는 다른쪽 발(당해 발이 결합되는 다리와 쌍을 이루는 다른쪽 다리에 결합되는 발)에 대해서 먼 측의 측면(외측면)이며, 참조 번호 13, 23, 33은 당해 다른쪽 발에 대해서 가까운 측의 측면(내측면)이며, 참조 번호 14, 24, 34는 로봇 정면측의 측면이며, 참조 번호 15, 25, 35는 로봇 배면측의 측면이다. 또한, 참조 번호 11, 21, 31은 로봇 다리의 발목에 결합하기 위한 결합부이다.

도90의 도시에 있어서는, 외측면(12)이 외측으로 볼록 형태가 되는 곡면으로 설정되어 있다. 또한, 도91의 도시에 있어서는, 외측면(22)이 외측으로 볼록 형태가 되는 2개의 평면으로 구성되어 있으며, 이들 2개의 평면이 교차한 부분에 정점(26)이 형성되어 있다. 또한, 도92의 도시에 있어서는, 외측면(32) 및내측면(33)의 중간 부분에 각각 외측으로 돌출하는 돌기부(36, 37)를 형성하고 있다. 외측면(12, 22, 32)을 이들 도면에서 도시되어 있는 바와 같이 외측으로 볼록 형태가 되도록 설정하는 것은 로봇의 외측(당해 다른쪽 발과 반대측)으로의 회전에 대한 안정성을 향상하기 위한 것으로 사료된다.

또한, 도90 및 도91에 있어서, 외측면(12, 22)을 이와 같은 외측으로 볼록 형태가 되도록 구성하는데 더하여, 내측면(13, 23)도 그 외측면(12, 22)과 마찬가지로 외측으로 볼록 형태가 되도록 설정하는 것도 있다.

종래의 족부의 구성에 의하면, 족부의 외측면을 외측으로 볼록 형태가 되도록 설정했으므로, 전도 거동에 돌입하기 전에 있어서는, 로봇의 좌우 방향으로의 회전 모멘트의 작용에 대한 안정성은 향상될 것으로 사료된다.

그러나, 일단 전도 거동에 돌입하여, 외측(로봇의 좌측 또는 우측)으로 어느 정도 경사된 자세가 되었을 경우에 있어서는, 도90의 도시에서는 외측 가장자리(외측면과 발바닥면의 접속부)의 노면에 대한 접촉부가 순차 이동하는, 즉 족부가 그 외측 가장자리의 곡선을 따라서 구르는 운동이 발생하고, 도91 또는 도92의 도시에서는, 외측 가장자리의 돌출한 부분(정점(26)과 돌기부(36)의 모서리부)에서 실질적으로 1점 접촉이 되게 되어, 전도중인 로봇의 중심 위치에 따라서 당해 점접촉부를 중심으로 하여 요축(족부의 발바닥면에 직교하는 축) 주위에 회전 운동이 발생하고, 이와 같은 회전 운동이 어떻게 발생하는지를 예측하는 것은 일반적으로 어렵다.

이와 같이, 종래의 족부 구성에서는, 전도중의 로봇의 자세가 일정하지 않고그 예측도 곤란하므로, 전도 동작이 시작된 후에는 전도를 회피하기 위한 제어, 전도시의 충격을 완화하기 위한 제어, 전도후의 복귀 제어 등의 전도에 따르는 제어는 곤란하며, 그대로 전도하여 자립적으로 복귀하는 것도 어려웠다.

또한, 전도중의 거동이 일정하지 않으므로, 전도에 따른 로봇 각 부의 노면에 대한 충돌에 따른 파손 등을 방지하기 위해, 전도시에 노면에 충돌할 가능성이 있는 모든 부분의 강성과 내충격성을 향상할 필요가 있으며, 로봇의 비용을 상승시키게 되는 문제도 있다.

또한, 보행식 이동 로봇은 연구 단계에서 현재 실용화에의 제1보를 막 내디디고 있는 상황으로서, 아직 수많은 기술적 과제가 남겨져 있다. 예를 들면, 노면의 표면 상태(고른 지면인지 고르지 못한 지면인지, 또는 마찰 계수 등)이 다리를 사용하는 보행의 자세 안정 제어와 안정적인 보행에 미치는 영향은 매우 크지만 충분히 해명되어 있지 않다. 4족 보행보다도 휴머노이드와 같은 2족 보행 로봇이, 중심 위치가 높고, 보행시의 ZMP 안정 영역이 좁다. 따라서, 이와 같은 노면 상태의 변화에 따른 자세 변동의 문제는, 2족 보행 로봇에 있어서 더욱 중요하게 된다.

노면에서의 보행을 고려할 경우, 본래 그 노면 상태에 적합한 보행 방법을 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 일본 특허 출원 2000-100708호의 명세서에는 노면의 표면 상태에 따라서 적절한 보행식 이동 작업을 수행할 수 있는 보행식 이동 로봇에 대해서 개시되어 있다. 그 명세서에 기재된 보행식 이동 로봇은, 각 가동 다리의 족부(발등 또는 발바닥)에는 족부와 노면과의 접지 상태를 확인하기 위한 노면 접지 센서와, 노면과 접지 다리와의 사이의 상대 이동(즉, '미끄러짐')을 측정하기 위한 상대 이동 측정 센서가 배치되어 있다. 예를 들면, 미끄러짐 등의 현상에 의해, 예정 또는 계획된 궤도와 실제 궤도와의 사이에 오차가 생긴 경우이더라도, 적응적으로 행동 계획의 수정 및 동작 제어를 수행할 수 있다.

또한, 인간의 보행을 고려한 경우, 통상의 보행과 눈길 등의 미끄러지기 쉬운 노면에서의 보행은 일반적으로 서로 다르다. 판의 사이와 모족이 긴 융단 위 등에서도 보행은 달라진다. 인간의 경우, 노면 상태에의 대응은 오감을 이용하여 상황 파악을 하면서 경험적으로 익힌 보행법을 선택하고, 또한 상황에 따라 자세 제어를 수행하면서 보행 동작을 실현한다. 또한, 노면 보행에 적합한 구두 등을 선택함으로써, 극단적인 노면, 예를 들면 눈길과 진흙길 등으로의 대응을 용이하게 하고 있다.

여기에서, 로봇의 보행 안정에 대해서 생각해 보면, 다양한 노면에서의 보행이 요구되는 점에서 로봇의 보행도 인간의 보행과 마찬가지이다. 로봇에 대해서 인간과 마찬가지로 다양한 보행 동작을 실현하는 것은 곤란하다.

한편, 로봇과 노면과의 관계에 대해서 생각해 본다. 로봇의 크기와 질량 등이 인간과 같은 정도인 경우에는, 보행 상황에 대한 노면 표면의 영향은 인간의 경우와 같은 정도로 추정할 수 있을 것이다.

이에 비해, 인간보다도 소형이며 경량인 로봇의 경우, 노면 상태의 영향이 보다 커지는 경우가 있다. 일예로서, 융단과 같이 하중에 대해서 변형되는 노면을 들 수 있다. 인간이 융단 위를 보행할 경우, 모족이 상당히 긴 경우더라도 인간의질량도 충분히 크므로, 족부가 접촉하는 부분의 융단 표면은 압력에 의해 짓눌리는 형상이 되므로 노면이 안정되며, 모족으로부터 받는 반력이 보행에 대해 미치는 영향은 작다. 이에 비해, 소형 경량의 로봇이 같은 융단 위를 보행하는 경우일지라도, 융단의 표면 부분이 로봇의 발바닥으로부터 받는 압력이 작고, 족부가 접촉하는 부분의 융단 표면이 충분하게 짓눌려지지 않는 상태가 된다. 이 결과, 예를 들면 인간이 두꺼운 매트리스 위를 걷는 상황이 되어, 보행에 대한 영향이 지나치게 커진다.

로봇은 인간만큼 다양한 보행 패턴을 행하기 어려우며, 그 만큼 보행중의 노면에 적응하기 어렵다. 또한, 노면으로부터 받는 영향은 인간의 보행시와는 다른 형태로 나타나게 된다.

로봇의 족부 및 발바닥에 대해서는 이미 수많은 연구 및 개발이 이루어져 왔다. 그러나, 모든 노면에 대응할 수 있는 만능 족부의 실현은 기술적으로도 경제적으로도 어려운 실정이다.

또한, 보행식 이동 로봇은 아직 연구 및 개발 단계이며, 현재 보행 노면을 한정한 작업 환경하에서 로봇의 족부의 적응성을 높이는 방향으로 개발이 이루어져 온 것이 실상이다.

따라서, 보행식 이동 로봇이 실용화 및 상품화의 단계를 맞이하여, 인간의 주거 환경에 도입되려고 하는 현재, 다양한 노면에의 대응이 불가피해지고 있다.

이상과 같은 관점에서, 본 출원인은 일본 특허 출원 2000-167681호 명세서에 있어서, 족부를 노면 상황에 따라서 교환할 수 있도록 한 보행식 이동 로봇을 제안하고 있다.

또한, 족부를 발목에 연결되는 발등 부재에, 노면에 접지되는 발바닥 부재를 착탈 가능하게 결합한 이중 구조로 하여, 발바닥 부재를 노면 상황에 따라서 교환할 수 있도록 한 보행식 이동 로봇도 제안되어 있다(일본 특허 출원 2002-037997호 참조). 노면 상황에의 대응에 무엇보다 기여함과 동시에, 노면으로의 접지에 의한 마모가 가장 심한 발바닥 부분만을 교환함으로써, 족부 전체를 교환하는 것과 비교하여, 각종 노면 상황에 대응하는 각종 발바닥 부재를 낮은 비용으로 다수 준비할 수 있다.

또한, 보행식 이동 로봇이 그 족부 또는 발바닥 부재를 교환했을 때, 적절한 족부 운동, ZMP 궤도, 체간(體幹) 운동, 상지(上肢) 운동, 요부(腰部) 높이 등의 설정 내용은 변화하므로, 이들 설정 내용을 변경할 필요가 있다. 이들 설정 내용을 적절하게 변경하기 위해서는 족부 또는 발바닥 부재의 형상, 마찰 계수, 족부 또는 발바닥 부재의 중량 등의 정보가 로봇 본체의 주제어부에 필요하게 된다. 이 경우, 족부 또는 발바닥 부재에 관한 정보를 로봇 본체에 탑재되는 ROM에 저장하고, 교환된 족부 또는 발바닥 부재를 식별하는 정보를 사용자가 외부에서 입력하는 방법을 생각할 수 있다.

그러나, 이와 같은 방법에서는 교환하는 족부 또는 발바닥 부재 개수 만큼의 정보를 ROM에 저장할 필요성이 있으며, 교환하는 족부 또는 발바닥 부재의 개수가 매우 커지면, 이에 따라 다수의 ROM 또는 용량이 큰 ROM이 필요하게 된다. 이는 특히 소형의 보행식 이동 로봇 등, ROM의 탑재 스페이스를 충분히 취할 수 없는 경우에는 해결하기 어려운 문제가 발생되고, 또는 ROM의 용량을 증대하면 비용 상승을 초래한다. 또한, 족부 또는 발바닥 부재를 교환할 때에, 전술한 족부 식별 정보를 입력할 필요가 있으므로, 사용자에게 번거롭다.

또한, 종래 기술에 의하면, 바닥에 착지할 때 발바닥이 노면으로부터 받는 Z축 방향의 충격은 탄성 시트와 판스프링에 의해 어느 정도 흡수할 수 있으나, Z축에 직교하는 면(X-Y 평면)내에 있어서, 특정 또는 불특정 방향으로 받는 힘에 대한 배려가 이루어지지 않았다. 즉, 노면에 요철 등이 있는 경우에, 유휴 다리의 바닥 착지시에 그 요철에 발의 일부가 간섭하여(걸림, 걸려 넘어짐), 로봇의 상체의 균형이 무너져, 자세가 불안정하게 되는 경우가 있다. 특히, 고속 동작을 실현하도록 한 경우에는, 노면에서 받는 반력이 증대하므로, 이 문제는 현저해진다. 또한, 이와 같은 경우, 로봇의 제어 수단에 의한 소프트웨어적인 처리에 의해서 긴급 회피적인 동작을 수행하게 되는데, 발의 하드웨어적인 구조에 의해서 이를 회피 또는 완화할 수 있다고 한다면, 안정 제어와 보행 제어상으로도 편의를 도모할 수 있다.

또한, 족부에는 로봇 본체의 주제어부가 가동 다리를 포함하는 각 부의 운동을 제어하기 위한 기초 정보를 검출하기 위한 다양한 센서가 설치되어 있다. 예를 들면, ZMP를 안정 판별 규범으로 하여 로봇의 운동 제어를 수행하는 경우에는, 실제의 ZMP를 측정하기 위해, 족부의 발바닥면(노면에 대한 접지면)에 ZMP 검출용의 복수의 파워 센서가 배치된다. 족부에 설치되는 센서로는, 노면에의 족부의 접지 유무를 검출하기 위한 센서, 노면상에 접지된 족부의 그 노면에 대한 미끄러짐을 검출하기 위한 센서 등도 설치되는 경우가 있다.

이들 센서의 검출치는 A/D 변환되어 로봇 본체에 설치되는 주제어부에 취득되어, 주제어부에 의해서 이들 검출치에 근거하여 실제 ZMP의 산출, 그 밖의 필요한 연산 처리가 이루어져, 로봇의 보행 동작을 포함하는 각 부의 제어에 제공된다.

그러나, 로봇 본체의 주제어부가 족부에 탑재된 각종 센서의 출력을 직접적으로 취득하여, 주제어부가 ZMP 연산을 포함한 필요한 연산 처리를 수행하므로, 주제어부의 처리 부담이 커지는 문제가 있다. 즉, 로봇 본체에 탑재되는 주제어부의 연산 장치는 로봇의 동작의 생성 등의 복잡, 또는 대량의 계산을 수행하며, 이 주제어부의 연산 장치에서 상기 ZMP 검출용 센서의 출력으로부터 실제 ZMP의 산출을 수행시키거나, 또는 다른 센서에 대한 출력을 처리시키는 것은 주제어부의 연산 장치에 많은 계산 부하가 걸린다.

이에 더하여, 족부에 설치된 각종 센서의 출력을 로봇 본체의 주제어부에 공급하기 위해서는, 그 센서와 주제어부를 연결하는 배선은 복잡하게 됨과 동시에, 족부를 교환하는 경우에, 그 족부에 설치되는 각종 센서의 종류, 특성, 수 등이 다른 경우에, 로봇 본체 측의 배선 등에 변경을 초래할 경우가 있으며, 변환에 따른 작업 부담이 많아지는 문제도 있다.

본 발명은 복수개의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇에 관한 것으로, 특히 그 가동 다리의 선단부에 설치된, 보행 동작시에 바닥면(보행면)에 맞닿는 족부의 구조, 및 족부의 구조에 대응한 보행식 이동 로봇의 제어 방법에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태의 '인간형'의 보행식 이동 로봇(100)이 직립하고 있는 모습을 전방에서 조망한 모습을 나타낸 도면이다.

도2는 보행식 이동 로봇(100)이 직립하고 있는 모습을 후방에서 조망한 모습을 나타낸 도면이다.

도3은 보행식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성의 개략을 나타낸 도면이다.

도4는 도1에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부의 제1 구체예의 사시도이다.

도5는 도1에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부의 제1 구체예의 측면도이다.

도6은 도1에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부의 제1 구체예의 이면도이다.

도7은 도6의 A-A선을 따라서 절단한 단면도이다.

도8은 도6의 B-B선을 따라서 절단한 단면도이다.

도9는 보행식 이동 로봇의 족부의 제2 구체예에 대한 사시도이다.

도10은 보행식 이동 로봇의 족부의 제2 구체예에 대한 측단면도이다.

도11은 보행식 이동 로봇의 족부의 제3 구체예에 대한 사시도이다.

도12는 보행식 이동 로봇의 족부의 제3 구체예의 측면도이다.

도13은 보행식 이동 로봇의 족부의 제3 구체예의 이면도이다.

도14는 도11에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부의 사이즈를 설명하기 위한도면이다.

도15는 도11에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부가 밟을 것이 예상되는 문턱의 형상을 설명하기 의한 도면이다.

도16은 보행식 이동 로봇의 족부의 제4 구체예에 대한 사시도이다.

도17은 보행식 이동 로봇의 족부의 제4 구체예에 대한 측면도이다.

도18은 보행식 이동 로봇의 족부의 제4 구체예에 대한 이면도이다.

도19는 도18의 A-A에 따라서 절단한 단면도이다.

도20은 도18의 B-B에 따라서 절단한 단면도이다.

도21은 도18의 C-C에 따라서 절단한 단면도이다.

도22는 도16에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부의 사이즈를 설명하기 위한 도면이다.

도23은 도16에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부가 밟을 것이 예상되는 문턱의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

도24는 보행식 이동 로봇의 족부의 제5 구체예에 대한 사시도이다.

도25는 보행식 이동 로봇의 족부의 제5 구체예에 대한 측면도이다.

도26은 보행식 이동 로봇의 족부의 제5 구체예에 대한 이면도이다.

도27은 도26의 A-A선에 따라 절단한 단면도이다.

도28은 도26의 B-B선에 따라 절단한 단면도이다.

도29는 도26의 C-C선에 따라 절단한 단면도이다.

도30은 보행식 이동 로봇의 족부의 제6 구체예에 대한 사시도이다.

도31은 보행식 이동 로봇의 족부의 제6 구체예에 대한 측면도이다.

도32는 보행식 이동 로봇의 족부의 제6 구체예에 대한 저면도이다.

도33은 도30에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부의 사이즈를 설명하기 위한 도면이다.

도34는 도30에 도시한 보행식 이동 로봇의 족부가 밟을 것이 예상되는 문턱의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

도35는 보행식 이동 로봇의 족부의 제7 구체예에 대한 사시도이다.

도36은 보행식 이동 로봇의 족부의 제7 구체예에 대한 측면도이다.

도37은 보행식 이동 로봇의 족부의 제7 구체예에 대한 저면도이다.

도38은 도37의 A-A선을 따라서 절단한 단면도이다.

도39는 도37의 B-B선을 따라서 절단한 단면도이다.

도40은 보행식 이동 로봇의 족부의 제8 구체예에 대한 사시도이다.

도41은 보행식 이동 로봇의 족부의 제8 구체예에 대한 측면도이다.

도42는 보행식 이동 로봇의 족부의 제9 구체예에 대한 측면도이다.

도43은 보행식 이동 로봇의 족부의 제9 구체예에 대한 저면도이다.

도44는 보행식 이동 로봇의 족부의 제10 구체예에 대한 저면도이다.

도45는 보행식 이동 로봇의 족부의 제10 구체예에 대한 측면도이다.

도46은 보행식 이동 로봇의 족부의 제11의 구성을 나타낸 평면도이다.

도47은 보행식 이동 로봇의 족부의 제11의 구성에 대한 전도시의 거동을 설명하기 위한 도면이다.

도48은 보행식 이동 로봇의 족부의 제12의 구성을 나타낸 평면도이다.

도49는 보행식 이동 로봇의 족부의 제12의 구성에 따른 족부에 대한 전도시의 거동을 설명하기 위한 도면이다.

도50은 보행식 이동 로봇의 족부의 제13의 구성을 나타낸 평면도이다.

도51은 보행식 이동 로봇의 족부의 제14의 구성을 나타낸 평면도이다.

도52는 보행식 이동 로봇의 족부가 가중에 의해 변형되는 상태를 나타낸 도면이다.

도53은 보행식 이동 로봇의 족부가 단차를 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도54는 보행식 이동 로봇의 족부가 융단 위를 보행하는 상태를 나타낸 도면이다.

도55는 보행식 이동 로봇의 족부의 저면의 모서리를 곡면으로 한 상태의 그 족부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도56은 보행식 이동 로봇의 족부가 밟은 오목부가 족부의 유연부를 통하여 발바닥의 장심부의 저면(천정면)에 이르는 상태를 나타내는 도면이다.

도57은 보행식 이동 로봇의 족부가 비교적 큰 단차를 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도58은 보행식 이동 로봇의 족부의 유연부를 통상의 탄성 부재로 형성했을 때의 유연부의 변형 모습을 나타낸 도면이다.

도59는 보행식 이동 로봇의 족부의 유연부를 보다 유연성이 강한 탄성 부재로 변형했을 때의 유연부에서의 변형 모습을 나타난 도면이다.

도60은 보행식 이동 로봇의 족부가 전도 운동 가능한 장애물을 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도61은 보행식 이동 로봇의 족부가 비교적 큰 전도 운동 가능한 장애물을 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도62는 보행식 이동 로봇의 족부가 융단 위를 진행하는 상태를 나타낸 도면이다.

도63은 발등과 발바닥과의 지지 구조에 대한 제1 구체예의 구성을 나타낸 측면도이다.

도64는 도63의 A-A 선에 따른 단면도이다.

도65는 발등과 발바닥과의 지지 구조에 대한 제2 구체예의 구성을 나타낸 사시도이다.

도66은 도65의 B-B선에 따른 단면도이다.

도67은 발등과 발바닥과의 지지 구조에 대한 제3 구체예의 구성을 나타낸 평면도이다.

도68은 발등과 발바닥과의 지지 구조에 대한 제3 구체예의 구성을 나타낸 일부를 파단한 측면도이다.

도69는 발목에서의 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조에 대한 제1 구체예의 구성을 나타낸 단면도이다.

도70은 도69에 나타낸 족부의 발목에 연결한 상태에서의 그 족부 및 연결부의 구성을 나타낸 단면도이다.

도71은 발목에서의 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조에 대한 제2 구체예의 구성을 나타낸 도면으로서, 족부를 발목에서 분리하는 경우에서의 상면도(A), 측면도(B), 배면도(C), 측단면도(D)이다.

도72는 제2 구체예에 따른 족부의 구성을 변경한 예를 나타낸 도면으로서, 족부를 발목에 연결하는 경우에서의 상면도(A), 측면도(B), 배면도(C), 측단면도(D)이다.

도73은 제3 구체예의 구조에 따른 족부의 발목에 연결한 상태에서의 그 족부 및 연결부의 구성을 나타낸 단면도이다.

도74는 족부에 채용되는 발등 회로부 및 발바닥 회로부의 구성을 나타낸 블록도이다.

도75는 제4 구체예의 구조에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 일부를 분해하여 표시한 측면도이다.

도76은 제4 구체예의 구조에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 족부의 평면도이다.

도77은 제4 구체예의 구조에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 족부의 일부를 분해하여 표시한 측단면도이다.

도78은 제4 구체예의 구조에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 족부의 저면도이다.

도79는 제5 구체예에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 족부의 구성을 나타내는 도면이며, 족부를 발목에서 분리한 상태에서의 그 족부 및 연결부의구성을 나타낸 단면도이다.

도80은 제5 구체예에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 족부의 구성을 나타내는 도면이며, 족부를 발목에 연결한 상태에서의 그 족부 및 연결부의 구성을 나타낸 단면도이다.

도81은 제5 구체예에 따른 다리와 족부와의 연결 및 교환 구조의 족부의 구성에서의 발등 부재의 이면도이다.

도82는 종래의 보행식 이동 로봇의 족부가 가중에 의해 변형되는 상태를 나타내는 도면이다.

도83은 족부와 노면이 점으로 접촉할 경우의 항력 발생 실효면을 설명하기 위한 도면이다.

도84는 족부와 노면이 프레임 형상으로 접촉할 경우의 항력 발생 실효면을 설명하기 위한 도면이다.

도85는 종래의 보행식 이동 로봇의 족부가 단차를 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도86은 종래의 보행식 이동 로봇의 족부가 융단 위를 보행하는 상태를 나타낸 도면이다.

도87은 종래의 보행식 이동 로봇의 족부의 저면의 모서리가, 노면에 걸린 상태의 그 족부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도88은 종래의 보행식 이동 로봇의 족부가 단차를 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도89는 발바닥의 장심부가 형성된 보행식 이동 로봇의 족부가 단차를 밟은 상태를 나타낸 도면이다.

도90은 족부 구성의 일예를 나타낸 평면도이다.

도91은 족부 구성에 대한 다른 예를 나타낸 평면도이다.

도92는 족부 구성의 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 주요 목적은 ZMP의 이동에 따른 족부 형상의 변화에 수반되는 항력 발생 실효면의 변화를 억제하고, 또한 연속면, 비연속면, 강체면, 점탄성면 등의 다양한 이동면에 적응하여, 보행식 이동 로봇의 자세 안정성을 충분히 확보할 수 있는 보행식 이동 로봇의발을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 ZMP의 이동에 따른 족부 형상의 변화에 수반되는 항력 발생 실효면의 변화를 억제하고, 또한 연속면, 비연속면, 강체면, 점탄성면 등의 다양한 이동면에 적응하는 족부를 갖고, 이에 따라 자세의 안정성을 충분히 확보할 수 있는 보행식 이동 로봇을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 로봇의 전도시의 거동을 예측할 수 있는 발의 구조를 제공하고, 전도를 회피하기 위한 제어, 전도시의 충격을 완화하기 위한 제어, 전도 후의 복귀 제어 등의 전도에 수반되는 제어를 용이하게 수행할 수 있도록 함과 동시에, 전도에 따른 각 부의 파손 등을 억제할 수 있도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 로봇 본체의 제어계가, 교환된 족부 또는 발바닥 부재에 관한 정보를 용이하게 취득할 수 있도록 하고, 족부 또는 발바닥 부재의 교환에 수반되는 작업 부담을 경감하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 안정적으로 고속 동작을 수행할 수 있는 보행식 이동 로봇 및 그 발을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 로봇 본체의 제어 수단의 처리 부담을 경감하는 것을 목적으로 한다. 또한, 족부에 설치되는 센서와 로봇 본체의 제어 수단을 잇는 배선의 복잡화를 방지함과 동시에, 족부가 교환되는 경우에 그 교환을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 하나의 측면에 따른 보행식 이동 로봇의 발은 복수의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇의 발로서, 상기 발의 접지면의 대략 중앙부에 형성된 제1오목부와, 상기 제1 오목부내에 소정의 탄력성을 갖는 부재에 의해 형성된 유연부를 갖는다.

상기 유연부는 바람직하게는 소정의 탄성 또는 점성을 갖는 탄성 부재 또는 점성 부재에 의해 형성되고, 또한 바람직하게는 변형에 대해서 소정의 히스테리시스성을 갖는 부재에 의해 형성된다.

또한, 바람직하게는 상기 유연부는 상기 발이 평탄한 노면에 접지한 경우에, 당해 노면에 접촉하지 않도록 형성된다. 또한, 바람직한 하나의 구체예로서는 상기 유연부는 상기 제1 오목부의 내부 표면을 덮도록 형성된다.

이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 발에 의하면, 예를 들면 ZMP가 발의 대략 중앙 부분에 배치되게 되어, 발이 그 위치를 중심으로 하여 휘어진 경우더라도, 이것이 제1 오목부에 의해 형성되는 오목부에 의해 흡수되고, 접지부의 위치 및 형상은 거의 변화하지 않는다. 따라서, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화는 적어지게 되어, 소위 스핀 운동이 발생되는 상태가 되는 것을 막을 수 있다. 또한, 제어계에 의한 제어의 예측 범위내의 현상으로서 적절히 제어되고, 보행식 이동 로봇의 자세는 안정적으로 유지된다.

또한, 예들 들면 발이 볼록부와 단차를 밟은 경우, 이 볼록부 등은 제1 오목부내에 형성된 유연부에 접촉하게 된다. 이에 따라 유연부의 형상은 그 볼록부의 형상에 정합하도록 변화되고, 그 상태에서 볼록부와의 사이에서 마찰을 확보할 수 있게 되어, 소위 발이 노면에 적응된 상태가 확보된다. 그 결과, 그 볼록부는 발의 일부와 같이 작용하여, 미끄러져 떨어짐, 극도로 빠른 운동의 발생 등의 제어적으로 위험한 상태에 빠지는 것이 방지된다.

또한, 바람직하게는 상기 발의 주연부의 소정 위치에, 평탄한 노면에 있어서 실제로 접지하게 되는 접지부가 형성되어 있으며, 상기 제1 오목부는 상기 접지부에 의해 둘러싸인 영역에, 예를 들면 돔 형상으로 형성된다.

또한, 바람직하게는 상기 제1 오목부는 상기 발의 보행 방향의 중앙부에 있어서, 상기 보행 방향에 수직인 방향으로 당해 발을 관통하도록 형성된다.

또한, 바람직하게는 상기 접지부와 상기 발의 측면은 원활한 곡면에 의해 결합된다. 즉, 접지부와 발의 측면부의 결합 부분인 발의 접지면의 주연부는 매끄러운 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성이라면, 노면에 요철 등이 있는 경우이더라도, 그 부분이 노면에 간섭하여 걸리거나, 걸려 넘어지게 되는 경우도 줄어들고, 소위 스틱슬립 상태에 빠지는 경우도 줄어들며, 아울러 로봇의 자세의 안정적인 제어가 이루어진다.

또한 바람직하게는 상기 제1 오목부의 내부에 상기 제1 오목부보다 더 패이도록 형성된 제2 오목부를 더 갖고, 상기 유연부는 상기 제2 오목부내에 형성된다.

바람직하게는 상기 제1 오목부는 상기 접지부보다 노면에서 벗어나도록 형성된 경사면을 갖고, 상기 제2 오목부는 상기 제1 오목부의 경사면보다 더 패이도록 형성되어 있다.

또한, 바람직한 하나의 구체예로서는, 상기 유연부는 상기 제2 오목부의 적어도 천정면을 덮도록 형성된다.

이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 발에 있어서는, 발이 단차 등의 볼록부를 밟은 경우에는, 제1 오목부에 더하여 제2 오목부에 의해 이 노면의 볼록부가 더욱 흡수된다. 따라서, 시소 상태와 같은 불안정한 상태가 발생될 가능성은 적어진다.

또한, 만일 밟은 볼록부가 제2 오목부내에 형성된 유연부에 접촉하게 되면, 유연부가 변형하여 이 볼록부에 밀접하게 되며, 볼록부를 마찰 유지하는 상태가 되어, 소위 발이 노면에 적응된 상태가 된다. 그 결과, 미끄러져 떨어짐, 극도로 빠른 운동의 발생 등이 방지된다.

또한, 바람직하게는 상기 제2 오목부는, 상기 발의 당해 발의 보행 방향의 중앙부에 있어서, 상기 보행 방향에 수직인 횡방향으로 당해 발을 관통하도록, 즉 인간의 발바닥의 장심에 상당하도록 형성된다.

그 때, 그 관통하도록 형성된 상기 제2 오목부의 측면은 접지면에 평행한 면내에 있어서 원활한 곡선 또는 직선이 되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 발바닥의 장심 부분의 전후 경계 부분의 형상은 노면 등에 걸리는 비연속 부분이 존재하지 않는 곡선 또는 직선에 의한 연속적인 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 바람직한 하나의 구체예로서는 상기 제2 오목부의 측면과 상기 제1 오목부의 경사면은 비연속적으로 결합된다. 즉, 제2 오목부의 측면은 접지부보다 떠있는 장소에 있어서, 매끄러운 곡면에 의해서가 아니라 실질적으로 비연속적인 굴곡부에 의해, 제1 오목부의 경사면과 연결되도록 형성된다.

또한, 바람직하게는 상기 제2 오목부의 측면은, 예를 들면 상기 접지면에 대해서 대략 수직인 방향, 즉 연직 방향인 상기 제1 오목부의 경사면보다 보다도 더욱 연직에 가까운 방향이 되도록 형성된다. 바람직한 하나의 구체예로서는 상기 제2 오목부는 기둥 형상으로 형성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 보행식 이동 로봇이 예를 들면 융단 등의 위를 보행하는 경우에, 융단의 모(毛)는 제2 오목부에까지 침입하여, 제2 단부내에 형성된 유연부에 접촉하여 어느 정도 큰 마찰력을 받음과 동시에, 모의 진행 방향에 대략 수직인 제2 오목부의 측면에 충돌하고, 또한 제2 오목부의 측면의 단부에 걸리는 상태가 된다. 따라서, 융단의 모에 대해서는 저항력, 반력이 인가되게 된다. 이 힘은 융단의 모에 대해서, 보행면인 융단에 대해서, 보행 방향 또는 그 반대 방향중 어느 방향에 있어서도, 미끄러짐을 방지하는 힘으로 작용한다. 이 결과, 미끄러지기 쉬운 융단 위에 있어서도, 족부에 적당한 마찰력이 얻어지게 되어, 보행할 때에도 적절한 추진력을 얻을 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 보행식 이동 로봇은 복수의 가동 다리를 갖는 보행식 이동 로봇이더라도, 상기 각 가동 다리의 선단에 설치된 발은, 상기 발의 접지면의 중앙부에 형성된 제1 오목부와, 상기 제1 오목부내에 소정의 탄력성을 갖는 부재에 의해 형성된 유연부를 갖는다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇의 발은 복수의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇의 발로서, 상기 발의 접지면의 대략 중앙부에 형성된 예를 들면 돔 형상의 제1 오목부와, 상기 제1 오목부보다 상기 발의 주변부를 통과하여 상기 발의 측면보다 외부에 이르도록 상기 발의 접지면에 형성된 하나 이상의 홈을 갖는다.

이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 발에 의하면, 예를 들면 ZMP가 발의 대략 중앙 부분에 배치되게 되어 발이 그 위치를 중심으로 하여 휘는 경우일지라도, 이것이 제1 오목부에 의해 형성되는 오목부에 의해 흡수되어, 접지부의 위치 및 형상은 거의 변화하지 않는다. 따라서, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화는 적어지고, 스핀 운동이 발생하는 상태가 되는 것은 억지된다. 또한, 제어계에 의한 제어의 예측은 범위내의 현상으로서 적절히 제어되고, 보행식 이동 로봇의 자세는 안정적으로 유지된다.

바람직하게는 본 발명의 보행식 이동 로봇의 발은, 상기 발의 접지면의 주연부의 소정 위치에 형성된 복수의 접지부를 갖고, 상기 홈은 인접하는 상기 접지부 사이를 통과하도록 하나 이상 형성된다.

또한, 바람직한 하나의 구체예로서는 상기 홈은 적어도 상기 제1 오목부로부터 상기 발의 보행 방향의 전방향에 당해하는 상기 발의 전측면, 상기 보행 방향의 후방향에 당해하는 상기 발의 뒤측면, 및 상기 보행 방향의 횡방향에 당해하는 상기 발의 좌우 각 측면의 4개의 측면에 대해서 4개 형성된다.

이 홈의 측면은 접지면에 평행한 면내에 있어서는, 비직선적인 곡선에 의해 구성하고, 예를 들면 융단의 모족(毛足) 등이 접촉하는 경우에 적당한 접촉에 의한 마찰력이 발생하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 측면 방향에 근접함에 따라 홈의 폭이 좁아지는 구성으로 하면, 모족 등이 보다 강제적으로 유도되어 접촉 저항이 증가하게 되어 바람직하다.

또한, 그 홈의 측면의 일부는 적극적으로 원활한 곡선으로서 형성하여, 노면등이 걸리지 않도록 하는 것도 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 접지부와 상기 발의 측면과는 원활한 곡면에 의해 결합된다. 즉, 접지부와 발의 측면부의 결합 부분인 발의 접지면의 주연부는 매끄러운 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 의하면, 노면에 요철 등이 있는 경우에, 그 부분이 노면에 간섭하여 걸리거나, 걸려 넘어지게 되는 경우가 적어지고, 소위 스틱슬립(stick slip) 상태에 빠지는 경우가 적어지며, 그리고 로봇 자세의 안정적인 제어가 이루어진다.

또한 바람직하게는, 상기 제1 오목부의 내부에 상기 제1 오목부보다 더 패이도록 형성된 제2 오목부를 더 갖는다. 예를 들면, 상기 제1 오목부는 상기 접지부보다 노면에서 떨어지도록 형성된 경사면을 갖고, 상기 제2 오목부는 상기 제1 오목부의 경사면보다 더 패이도록 형성되어 있다.

이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 발에 있어서는, 발이 단차 등의 볼록부를 밟은 경우에는 제1 오목부에 더하여 제2 오목부에 의해 이 노면의 볼록부가 더 흡수된다. 따라서, 시소 상태와 같은 불안정한 상태가 발생할 가능성은 적어진다.

또한, 바람직한 하나의 구체예로서는 상기 제2 오목부의 측면과 상기 제1 오목부의 경사면은 비연속적으로 결합된다. 즉, 제2 오목부의 측면은 접지면보다 떠 있는 장소에 있어서, 매끄러운 곡면에 의해서가 아니라 실질적으로 비연속적인 굴곡부에 의해 제1 오목부의 경사면과 연결되도록 형성된다.

또한 바람직하게는 상기 제2 오목부의 측면은, 예를 들면 상기 접지면에 대해서 대략 수직인 방향 즉 연직 방향인, 상기 제1 오목부의 경사면보다 보다 연직에 가까운 방향이 되도록 형성된다. 예를 들면, 상기 제2 오목부는 기둥 형상으로 형성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 보행식 이동 로봇이, 예를 들면 융단 등의 위를 보행하는 경우에, 융단의 모는 제2 오목부까지 침입하고, 제2 단부내에 형성된 유연부에 접촉하여 어느 정도 큰 마찰력을 받음과 동시에, 모의 진행 방향에 대략 수직인 제2 오목부의 측면에 충돌하고, 또한 제2 오목부의 측면 단부에 걸리는 상태가 된다. 따라서, 융단의 모에 대해서는 저항력, 반력이 인가되게 된다. 이 힘은 융단의 모에 대해서 다시 말하면 보행면인 융단에 대해서, 보행 방향 또는 그 반대 방향중 어느 방향에 있어서도, 미끄러짐을 방지하는 힘으로 작용한다. 그 결과, 미끄러지기 쉬운 융단 위에 있어서도, 족부에 적당한 마찰력을 얻을 수 있게 되어, 보행할 때에도 적절한 추진력을 얻을 수 있게 된다.

또한 바람직하게는 상기 제1 또는 제2 오목부내에, 소정의 탄력성을 갖는 유연부가 형성된다. 이 유연부는 바람직하게는 소정의 탄성 또는 점성을 갖는 탄성 부재 또는 점성 부재에 의해 형성되고, 또한 바람직하게는 변형에 대해서 소정의 히스테리시스성을 갖는 부재에 의해 형성된다.

또한 바람직하게는 상기 유연부는 상기 발이 평탄한 노면에 접지한 경우에, 당해 노면에 접촉하지 않도록 형성된다. 또한, 구체예로서는 상기 유연부는 상기제1 오목부의 내부 표면을 덮도록 또는 상기 제2 오목부의 적어도 천정면을 덮도록 형성된다.

이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 발에 의하면, 예를 들면 볼록부와 단차를 밟은 경우, 이 볼록부 등은 제1 또는 제2 오목부내에 형성된 유연부에 접촉하게 된다. 이에 따라 유연부의 형상은 그 볼록부의 형상에 정합하도록 변화되고, 그 상태에서 볼록부와의 사이에서 마찰을 확보하게 되어, 이른바 발이 노면에 익숙한 상태가 확보된다. 그 결과, 그 볼록부는 발의 일부와 같이 작용하여, 미끄러져 떨어짐, 극도로 빠른 운동의 발생 등의 제어적으로 위험한 상태에 빠지는 것이 방지된다.

또한, 본 발명에 따른 보행식 이동 로봇은 복수의 가동 다리를 갖는 보행식 이동 로봇으로서, 상기 각 가동 다리의 선단에 설치된 다리는, 상기 발의 접지면의 대략 중앙부에 형성된 제1 오목부와, 상기 제1 오목부로부터 상기 발의 주변부를 통과하여 상기 발의 측면으로부터 외부에 이르도록 상기 발의 접지면에 형성된 하나 이상의 홈을 갖는다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇의 발은 상기 발의 접지면의 주변부의 소정 위치에 형성된 접지부와, 상기 발의 접지면의 상기 접지부에 의해 둘러싸인 영역에 형성된, 상기 접지부보다 노면으로부터 떨어지도록 형성된 경사면을 갖는 제1 오목부와, 상기 제1 오목부의 내부에 상기 제1 오목부의 경사면보다 더욱 패이도록 형성된 제2 오목부를 갖는다. 보다 바람직한 하나의 구체예로서는 상기 제1 오목부는 돔 형상으로 형성되고, 또한 상기 제2 오목부는 기둥 형상, 즉 예를 들면 원주 형상의 함몰부와 같은 형태로 형성된다.

이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 발에 의하면, 예를 들면 ZMP가 발의 대략 중앙 부분에 배치되게 되어, 발이 그 위치를 중심으로서 휘어진 경우이더라도, 이것이 제1 오목부 및 제2 오목부에 의해 형성되는 오목부에 의해 흡수되고, 접지부의 위치 및 형상은 거의 변화하지 않는다. 따라서, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화는 적어지고, 스핀 운동이 발생되는 상태가 되는 것은 방지된다. 또한, 제어계에 의한 제어 예측의 범위내의 현상으로서 적절히 제어되어, 보행식 이동 로봇의 자세는 안정적으로 유지된다.

또한, 발이 단차 등의 볼록부를 밟은 경우에는, 제1 오목부 및 제2 오목부에 의해 형성되는 오목부에 의해 이 노면의 볼록부가 흡수된다. 따라서, 시소 상태라 불리는 불안정한 상태가 발생할 가능성은 적어진다.

바람직하게는 상기 제2 오목부의 측면은, 예를 들면 상기 접지면에 대해서 대략 수직인 방향 즉 연직인 방향인 상기 제1 오목부의 경사면보다, 보다 연직에 가까운 방향이 되도록 형성된다.

또한, 하나의 구체예로서는 상기 제2 오목부의 측면과 상기 제1 오목부의 경사면은 비연속적으로 결합되는 것도 바람직하다. 즉, 제2 오목부의 측면은 제1 오목부의 경사면의 경사에 의해 접지면보다 떠있는 장소에 있어서, 매끄러운 곡면에 의해서가 아니라 실질적으로 비연속적인 굴곡부에 의해, 제1 오목부의 경사면과 연결되도록 형성되도록 하여도 된다.

이와 같은 구성에 의하면, 예를 들면 융단 등의 위를 보행하는 경우에 제2오목부에까지 침입한 모는, 제2 오목부의 측면 또는 그 제2 오목부의 측면에 단부에 충돌하거나 걸리는 상태가 된다. 이들 충돌 부분은 모의 충돌 방향에 대해서 대략 수직인 방향의 면으로 되어 있으며, 경사면과 곡면 등의 연속적인 면에 의해 힘이 잘 빠져나가도록 구성되어 있는 것은 아니다. 따라서, 융단의 모가 충돌한 제2 오목부의 측면 및 단부에서 융단의 모에 대해서는, 저항력, 반력이 인가되게 된다. 이 힘은 융단의 모에 대해서, 보행면인 융단에 대해서 보행 방향 또는 그 반대 방향중 어느 방향에 있어서도 미끄러짐을 방지하는 힘으로 작용한다. 그 결과, 미끄러지기 쉬운 융단 상에 있어서도, 족부에 적절한 마찰력이 얻어지고, 보행할 때에도 적절한 추진력이 얻어지게 된다. 또한, 상기 제2 오목부는 상기 발의 보행 방향의 대략 중앙부에 있어서 상기 보행 방향에 수직인 횡방향에 당해 발을 관통하도록 즉 인간의 발바닥의 장심에 상당하도록 형성된다. 그 때, 그 관통하도록 형성된 상기 제2 오목부의 측면은 접지면에 평행한 면내에 있어서 원활한 곡선 또는 직선이 되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 발바닥의 장심 부분 전후의 경계 부분의 형상은 노면 등에 걸리는 비연속 부분이 존재하지 않는, 곡선 또는 직선에 의한 연속적인 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 접지부와 상기 발의 측면과는 원활한 곡면에 의해 결합된다. 즉, 접지부와 발의 측면부의 결합 부분인 발의 접지면의 주연부는 매끄러운 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성이면, 노면에 요철 등이 있는 경우더라도, 그 부분이 노면에 간섭하여 걸리거나, 걸려 넘어지는 경우가 적어지고, 스틱슬립 상태에 빠지는 경우가 적어지고 그리고 로봇 자세의 안정적인 제어가 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 보행식 이동 로봇은 복수의 가동 다리를 갖고, 상기 각 가동 다리의 선단에 발이 설치되어 있다. 당해 발은 접지면의 주변부의 소정 위치에 형성된 접지부와, 상기 발의 접지면의 상기 접지부에 의해 둘러싸인 영역에 형성된, 상기 접지부보다 노면으로부터 떨어지도록 형성된 경사면을 갖는 제1 오목부와, 상기 제1 오목부의 내부에 상기 제1 오목부의 경사면보다 더욱 패이도록 형성된 제2 오목부를 갖는다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇은 복수의 가동 다리의 발에 있어서 발바닥면 및 그 발바닥면의 주위에 연속하는 측면을 갖는 발바닥부를 형성하고, 상기 발바닥부는 상기 발바닥면에 내측을 향하여 함몰부를 형성하는 경사면을 갖는 발바닥의 장심부를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 발바닥면에 내측을 향하여 함몰부를 형성하는 경사면을 갖는 발바닥의 장심부를 형성하고, 그 외측 부분에 노면에 당접하는 접지부가 배치되어 있으므로, 예를 들면 ZMP가 발바닥부의 대략 중앙 부분에 위치하여, 발바닥부가 그 위치를 중심으로 하여 휜 경우이더라도, 이것이 발바닥의 장심부에 의해 흡수되고, 접지부의 위치 및 형상이 거의 변화하지 않는다. 따라서, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력이 변화하는 경우가 적으며, 소위 스핀 운동의 발생을 억제할 수 있음과 동시에, 제어계에 의한 제어도 예측 범위 내가 되고, 자세의 안정성을 향상할 수 있다.

또한, 발바닥부가 노면에 접지했을 때에, 발바닥면의 중간 부분이 노면의 볼록부에 위치한 경우더라도, 발바닥의 장심부의 존재에 의해 그 볼록부에 발이 올라가게 되는 경우가 적어지므로, 시소 상태가 되는 경우가 적어진다.

상기 발바닥부의 상기 발바닥면과 상기 측면을 매끄러운 곡면으로 결합하는 것이 바람직하다. 발바닥부의 모서리부 내지 측변부를 매끄러운 곡면으로 함으로써, 노면에 요철 등이 있는 경우더라도 그 부분이 노면에 간섭하여 걸리거나, 걸려 넘어지는 경우가 적어지고, 스틱슬립 현상에 빠지는 경우가 적어져 로봇 자세의 안정성이 향상된다. 상기 발바닥의 장심부로서는 상기 접지부에 연속하는 테이퍼면을 갖는 것으로 하고, 또는 돔 형상 또는 그라인딩 보울 형상으로 할 수 있다.

또한, 특히 한정되지 않으나 상기 발바닥부를 대략 구형체 또는 대략 구형판상체로 할 수 있다. 발바닥부의 주위에 곡선 부분이 있는 것, 예를 들면 발바닥부의 측변을 외측으로 돌출하도록 원호상으로 한 것이 알려져 있으나, 로봇이 당해 측변측으로 기울어진 경우에, 그 원호 부분을 따라서 구르는 동작이 발생되는 경우가 있어, 로봇의 자세 안정성을 저하시키는 경우가 있다. 이에 비해, 발바닥부의 바닥면 형상을 구형상(矩形狀)으로 함으로써, 즉 발바닥부의 측변을 직선으로 함으로써 구르는 동작이 발생되지 않게 된다.

또한, 상기 접지부를 상기 발바닥면의 네 모서리 근방에 각각 배설하는 것이 좋다. 접지부간의 간격을 가능한 한 넓게 함으로써, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력을 크게 할 수 있고, 로봇의 자세 안정성이 향상되기 때문이다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇은, 한 쌍의 가동 다리를 구비하고, 그 가동 다리의 선단에 결합되는 발에 있어서, 노면에 접지되는 구형상의 발바닥면 및 그 발바닥면의 각 측면 가장자리에 연속하는 복수의 측면을 갖는 발바닥부를 형성하고, 상기 각 측면 가장자리 중 다른쪽 발로부터 먼 측의 외측 가장자리를 상기 발바닥면을 포함하는 면에 투영했을 때의 형상이 실질적으로 직선이 되도록, 대응하는 측면의 형상을 설정한 것을 특징으로 한다. 여기에서 말하는 '실질적으로 직선'이란, 기하학적으로 엄밀히 직선일 필요는 없고, 노면과의 관계에서 직선으로 간주할 수 있는 정도인 것을 포함하는 의미이다.

본 발명에 의하면, 로봇이 예를 들면 좌측 또는 우측으로 균형을 무너뜨리고, 그 접지하고 있는 발의 외측 가장자리 부분을 그 회전 중심으로서 외측으로 경사했을 때에, 그 외측 가장자리 전체가 노면에 선접촉한 상태가 되므로, 로봇은 그 발바닥부의 요축(발바닥면에 대해서 직교하는 축) 주위의 회전 동작을 수반하지 않고, 그 외측 가장자리를 중심으로 하여 외측으로 회전하게 된다.

또한, 그 가동 다리의 선단에 결합되는 발은 노면에 접지되는 다각형의 발바닥면 및 그 발바닥면의 각 측면 가장자리에 연속하는 복수의 측면을 갖는 발바닥부를 형성하고, 상기 각 측면 가장자리 중 적어도 하나의 측면 가장자리를 상기 발바닥면을 포함하는 면에 투영했을 때의 형상이 내측으로 만곡하는 곡선이 되도록 대응하는 측면의 형상을 설정한다.

예를 들면, 외측 가장자리(다른쪽 발에 대해서 먼 측의 측면 가장자리)를 상기 발바닥면을 포함하는 면에 투영했을 때의 형상이 내측에 만곡하는 곡선이 되도록, 대응하는 측면의 형상을 설정한다. 로봇이 좌측 또는 우측으로 균형을 깨뜨리고 그 접지하고 있는 발의 외측 가장 자리 부분을 그 회전 중심으로서 외측으로 경사했을 때에, 그 외측 가장자리 중 가장 돌출한 전후 2점만이 노면에 당접한 상태가 되고, 로봇은 그 발바닥부의 요축 주위의 회전 동작을 수반하지 않고, 그 2점을 연결하는 가상선을 중심으로 하여 외측으로 회전하게 된다. 다른 측면 가장자리에 대해서도 마찬가지이다.

이와 같은 발의 구조를 채용하면, 전도시의 로봇의 자세와 거동을 어느 정도 예측할 수 있으므로, 전도를 회피하기 위한 제어(예를 들면, 중심을 적절히 이동하여 균형을 취하는 제어), 전도시의 충격을 완화하기 위한 제어(예를 들면, 로봇이 구비하는 손을 노면에 대해서 로봇의 기체가 노면에 직접 충돌하는 것을 방지하는 제어), 전도후의 복귀 제어(전도한 상태에서 일어나는 제어) 등의 전도에 따른 제어를 용이하게 수행할 수 있게 된다. 또한, 로봇은 요축 주위의 회전을 수반하지 않고, 소정의 선을 중심으로 하여 전도하게 되므로, 로봇의 측부의 가장 먼저 노면에 충돌하게 되는 부분에만 충격 대책(예를 들면, 당해 부분을 고강성 내지 내 충격 구조로 하고, 또는 쿠션 등의 완충 부재를 설치하는 등)을 실시하면 되므로, 그 비용 저감을 도모할 수도 있다.

또한, 상기 측면의 중간 부분에 내측에 오목하게 이루어진 절결부를 형성할 수 있다. 전도시에 노면에 작은 볼록부와 장애물 등이 존재한 경우에, 전술한 외측 가장자리 등의 노면에 대한 선접촉 또는 2점 접촉이 그 장애물 등의 위에 올라감으로써 손상되는 경우가 있으나, 이와 같은 절결부를 측면에 형성해 둠으로써, 작은 볼록부와 장애물 등의 위에 올라가게 되는 경우가 적어지고, 전도시에 예기치 않은 자세와 거동이 되는 경우를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇은, 가동 다리를 구비하고, 그 가동 다리의 선단부에 형성되는 발에 있어서, 상기 가동 다리의 선단부에 착탈 가능하도록 결합되는 발 본체와, 상기 발 본체에 설치되어 그 발 본체에 관련한 정보가 기억된 기억 수단을 구비한다.

또는, 상기 가동 다리의 선단부에 착탈 가능하도록 결합되는 발 본체와, 상기 발 본체에 설치되어, 그 발 본체에 관련한 정보가 기억된 기억 수단과, 상기 기억 수단에 기억된 정보에 근거하여 상기 가동 다리의 운동을 제어하는 제어 수단을 구비하여 구성된다. 이 경우에 있어서, 상기 제어 수단은 초기화시에 상기 기억 수단에 기억된 정보를 판독하도록 할 수 있다. 여기에서 말하는 초기화시란 로봇의 전원을 투입했을 때, 리셋했을 때, 또는 발 본체를 가동 다리에 결합했을 때를 의미한다.

또한, 이와 같은 구성의 보행식 이동 로봇의 제어 방법은, 상기 발에 관련한 정보를 그 발에 설치된 기억 수단에 미리 기억시키고, 초기화시에 그 기억 수단으로부터 그 정보를 판독하고, 그 판독한 정보에 근거하여 상기 가동 다리의 운동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 보행식 이동 로봇의 발은 상기 가동 다리의 선단부에 결합되는 발등 부재와, 상기 발등 부재에 착탈 가능하도록 결합되는 발바닥 부재와, 상기 발바닥 부재에 설치되어 그 발바닥 부재에 관련한 정보가 기억된 기억 수단과, 상기 기억 수단에 기억된 정보를 판독하는 상기 발등 부재에 설치된 판독 수단을 구비할 수 있다.

또한, 발의 노면에 대한 간섭을 줄여 자세 안정성을 향상하기 위해, 상기 발바닥 부재는 상기 발등 부재에 유동 가능하게 결합되도록 하는 것이 좋다. 이 경우에, 발바닥 부재와 발등 부재 사이에 그 발바닥 부재의 유동에 따른 그 발등 부재로의 충격 전달을 완화하기 위한 완충 수단 내지 탄성 수단을 끼워 장착하는 것이 좋다.

또한, 상기 발다닥 부재는 상기 발등 부재에 체결 조건을 변경 가능한 체결 수단에 의해 결합되도록 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발(발 본체, 발바닥 부재)에 그 발에 관련한 정보가 기억된 기억 수단을 설치했으므로, 가동 다리의 운동을 제어하는 로봇 본체의 주제어계는 제어시에 그 기억 수단에 기억된 정보를 판독하여, 그 판독한 정보를 포함하는 정보에 근거하여, 가동 다리의 운동을 제어할 수 있게 된다. 따라서, 그 발에 관련한 정보를 로봇의 주제어계가 구비하는 메모리에 입력하는 작업을 행할 필요가 없어지며, 발의 교환에 따른 작업이 간단해짐과 동시에, 교환될 예정이 있는 복수의 발에 관련한 정보를 미리 주제어계가 구비하는 메모리에 기억해 둘 필요가 없어져, 그 만큼 메모리의 개수와 메모리 용량을 적게 하거나, 또는 다른 정보의 기억에 이용할 수 있게 된다.

아울러, 발 전체를 교환하지 않고, 발바닥 부재만을 교환하는 구성이며, 발등 부재의 부분에 대해서는 각종 발바닥 부재로 공통으로 이용할 수 있어, 고효율적이다. 일반적으로 각종 노면 상황에 대응하기 위해서는, 노면에 접지되는 부분(발바닥)의 형상과 재질 등이 큰 비중을 차지하므로, 그 부분의 교환만으로 충분히대응할 수 있다.

발 본체 또는 발바닥 부재에 관련한 정보란, 로봇의 전체적 동작을 제어하는 로봇 본체의 제어계가 당해 발 또는 발바닥 부재에 관하여 궤도 계산, 그 외의 운동 제어상 필요로 하는 정보를 포함하는 정보이며, 특별히 한정되지 않으나, 발 본체 또는 발바닥 부재의 식별 정보, 형상(노면에 대한 접지면의 형상 등), 재질, 중량, 발바닥면의 마찰 계수, 탑재되는 센서(ZMP 검출용 파워 센서, 충돌 검출 또는 노면 기울기 검출용 가속도 센서, 노면 접지 검출 센서, 그 밖의 센서)의 개수, 배치, 특성(정적 특성 및 동적 특성의 쌍방을 포함한다)을 예시할 수 있다. 이 같은 관련 정보에는 이들 모든 정보가 포함될 필요는 없고, 이들 중 적어도 하나가 포함되면 된다.

기억 수단으로서는, ROM, EPROM, SRAM, 그 외의 전자적 기억 장치뿐 아니라, 바코드와 핀 등의 배열에 의한 것, 기호와 문자 등에 의한 것, 자기적 또는 광학적으로 기록하는 것, 기계적인 스위치, 그 밖의 모든 기억 수단이 포함된다. 이 경우의 판독 수단으로서는 이 기억 수단에 대응한 것(예를 들면, CPU 등의 처리 장치, CCD 등의 촬상 소자)으로 접촉식, 비접촉식의 구별을 불문한다.

또한, 발 본체 또는 발등 부재에 로봇 본체의 주제어계와는 별도로 그 주제어계와 통신 가능한 족부 제어계를 설치하고, 기억 수단으로부터 그 족부 제어계가 정보를 판독하여, 그대로 또는 어떠한 처리를 실시한 다음, 로봇 본체의 주제어계로 보내도록 할 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇은, 가동 다리를 구비하고, 상기 가동 다리에 결합되는 발등 부재와, 발바닥면에 대략 평행한 면을 따라서 유동 가능하도록 그 발등 부재에 결합된 발바닥 부재를 구비하여 구성된다. 여기에서 '발바닥면'이란 보행식 이동 로봇이 평탄한 바닥면에 직립하고 있다고 가정했을 때, 그 발바닥 부재의 그 바닥면에 당접하는 부분(복수의 부분에서 맞닿는 경우에는 그 전체)를 포함하여 구성되는 면을 말한다.

발바닥 부재는 발바닥면에 대략 평행한 면을 따라서 유동 가능하므로, 유휴 다리의 착지시에 노면에 요철 등이 있으며, 발바닥 부재의 일부가 그 요철에 간섭한 경우이더라도, 발바닥 부재가 당해 면을 따라서 움직임으로써 그 간섭을 해소하거나, 또는 노면으로부터 받는 힘을 흡수할 수 있게 되어, 로봇의 안정된 동작을 계속할 수 있다.

상기 발바닥 부재는 상기 발등 부재의 하면에 대면하는 바닥부와, 상기 발등 부재의 측면을 따라서 이간하여 대면하는 측부를 갖고, 그 발바닥 부재는 그 발등 부재의 측면과 그 측부와의 사이의 간극의 범위 내에서 유동하도록 구성할 수 있다. 보행식 이동 로봇의 발은 보행 동작 등에 따라 발의 바닥면뿐만 아니라 측부가 어떤 물체에 충돌 또는 간섭하는 경우가 있으나, 이와 같이 구성하면, 유동 가능한 발바닥 부재의 측부가 당해 물체에 충돌 또는 간섭하게 되어, 이 때 발바닥 부재 전체가 발바닥 부재의 하면을 따라 움직이므로 안정성을 저해하지 않고 동작을 계속할 수 있게 된다.

또한, 상기 발바닥 부재와 상기 발등 부재 사이에 완충 수단을 끼워 장착할 수 있다. 완충 수단으로서는 탄성 수단 또는 점성 수단 또는 이들 쌍방을 조합시킨 것을 채용할 수 있다. 이와 같은 완충 수단을 개재하여 장착함으로써, 발바닥 부재로부터 발등 부재에 대한 충격의 전달이 완화됨과 동시에, 발바닥 부재의 진동을 억제할 수 있으므로, 소음의 발생도 억제할 수 있다. 또한, 발바닥 부재가 발등 부재의 하면을 따라서 단지 유동할 수 있는 것만으로는, 발바닥 부재가 유동 한계에 위치하는 경우에는 그 충분한 효과를 얻을 수 없는 경우가 있으나, 이와 같은 완충 수단을 설치함으로써, 발바닥 부재에 외력이 작용하지 않는 상태에 있어서 발바닥 부재를 발등 부재에 대해서 적절한 위치로 설정할 수 있다.

탄성 수단과 점성 수단을 포함하는 완충 수단을 설치한 경우에 있어서, 상기 가동 다리의 보행 동작에 따라 상기 발바닥 부재가 노면에서 이간되고 나서 접지되기까지 요하는 시간 내에 상기 발바닥 부재의 진동이 소정치 이하까지 수속하도록, 그 완충 수단을 구성하는 탄성 수단의 탄성 계수 및 점성 수단의 점성 계수를 설정하는 것이 바람직하다. 유휴 다리의 착지 시점에 있어서, 소정치 이상의 진동이 잔존되어 있으면, 로봇의 제어계에 의한 궤도 계산과 그 밖의 제어를 위한 계산을 수정하지 않으면 안되는 경우가 있기 때문이다. 또한, 소정치란 로봇의 제어계가 안정 보행을 실현하기 위해 허용하는 필요 최소한의 진동이다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보행식 이동 로봇은, 가동 다리 및 그 가동 다리의 운동을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 그 가동 다리의 선단부에 설치되는 발에 있어서, 상기 가동 다리에 결합되는 발 본체와, 상기 가동 다리의 운동을 제어하기 위한 정보를 검출하는 상기 발 본체에 설치된 적어도 하나의 센서와, 상기 센서의 출력에 기초하여 그 센서의 종류에 따른 소정의 연산 처리를 실행하는상기 발 본체에 설치된 족부 처리 수단을 구비하여 구성된다.

또는, 보행식 이동 로봇은 상기 가동 다리에 결합되는 발 본체와, 상기 가동 다리의 운동을 제어하기 위한 정보를 검출하는 상기 발 본체에 설치된 적어도 하나의 센서와, 상기 센서의 출력에 기초하여 그 센서의 종류에 따른 소정의 연산 처리를 실행하는 상기 발 본체에 설치된 족부 처리 수단과, 상기 족부 처리 수단의 출력을 상기 제어 수단에 공급하는 통신 수단을 구비하여 구성된다.

또는, 보행식 이동 로봇의 그 가동 다리의 선단부에 설치되는 발은 상기 가동 다리에 결합되는 발등 부재와, 상기 발등 부재에 유동 가능하게 결합된 발바닥 부재와, 상기 가동 다리의 운동을 제어하기 위한 정보를 검출하는 상기 발등 부재에 설치된 적어도 하나의 센서와, 상기 센서의 출력에 기초하여 그 센서의 종류에 따른 소정의 연산 처리를 실행하는 상기 발등 부재에 설치된 족부 처리 수단을 구비하여 구성된다.

또는, 보행식 이동 로봇은 상기 가동 다리에 설치된 발등 부재와, 상기 발등 부재에 유동 가능하도록 결합한 발바닥 부재와, 상기 가동 다리의 운동을 제어하기 위한 정보를 검출하는 상기 발등 부재에 설치된 적어도 하나의 센서와, 상기 센서의 출력에 기초하여 그 센서의 종류에 따른 소정의 연산 처리를 실행하는 상기 발등 부재에 설치된 족부 처리 수단과, 상기 족부 처리 수단의 출력을 상기 제어 수단에 공급하는 통신 수단을 구비하여 구성된다.

상기 센서로서는 파워 센서와 가속도 센서를 예시할 수 있다. 이들 센서의 종류, 설치 목적에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 족부 처리 수단은 이들 센서의 종류, 설치 목적 등에 따른 연산 처리를 실행한다. 예를 들면, 발 본체 또는 발바닥 부재가 이면이 접지되는 접지부에 의해 구성되는 면(발바닥면)에 대해서 대략 직교하는 방향으로 작용하는 압력을 복수 개소(적어도 3개소)에서 검출하는 파워 센서의 출력에 기초하여, 당해 족부에 따른 ZMP를 산출하고, 가속도 센서의 출력에 기초하여, 족부의 장애물로의 충돌과 걸려 넘어짐 등을 검출하기 위한 연산을 실시하거나, 또는 가속도 센서의 출력에 기초하여, 족부가 접지되어 있는 노면의 경사 각도를 구하기 위한 연산을 실시한다.

본 발명에 의하면, 발 본체 또는 발등 부재에 ZMP를 산출하는 족부 처리 수단을 설치하고, 그 족부 처리 수단에 의해 그 센서의 출력에 기초하여 그 ZMP를 산출시키도록 했으므로, 로봇 본체의 제어 수단은 그 연산 결과의 공급을 받아, 이를 포함하는 정보에 근거하여 가동 다리의 운동을 제어할 수 있다. 따라서, 로봇 본체의 제어 수단은 ZMP의 산출 처리를 행하지 않고, 가동 다리의 운동 제어 등 다른 연산 처리에 전념할 수 있어, 처리 부담이 경감된다. 이에 따라, 긴급도가 높은 처리를 지체없이 행할 수 있게 됨과 동시에, 더욱 계산량이 많은 복잡한 동작을 수행할 수 있게 된다.

또한, 각 센서를 족부 처리 수단과의 관계로 최적화해둠으로써, 센서의 종류, 특성, 수 등의 차이를 흡수할 수가 있으며, 즉 발의 소위 모듈화가 가능하며, 발의 교환에 따른 로봇 본체의 기구와 정보의 변경을 줄일 수 있으며, 발의 교환에 따른 작업이 용이화된다.

센서를 그 출력에 기초하여 ZMP를 산출하는 족부 처리 수단과 같은 발등 부재에 설치했으므로, 그 센서를 발바닥 부재에 설치하는 경우와 비교하여, 센서와 족부 처리 수단을 연결하는 배선에 가동부가 아니라, 배선에 의해서 발바닥 부재의 유동이 저해되거나, 발바닥 부재의 유동에 의해 그 배선이 손상되거나 하는 경우가 적다. 특히, ZMP 검출용 센서를 발등 부재의 하면에 설치한 것에 있어서는, 그 ZMP 검출용 센서는 ZMP의 검출상, 노면과 동일시할 수 있는 발바닥 부재의 상면에서 압력을 받을 수 있게 되어, 노면 상황의 변화에 따라 발생되는 경우가 있는 검출치의 오차를 줄일 수 있어, 보다 정확한 ZMP를 구할 수 있게 된다.

또한, 상기 발 본체를 착탈 수단을 통하여 상기 가동 다리에 착탈 가능하게 장착하도록 구성할 수 있다.

또는, 상기 발바닥 부재를 착탈 수단을 통하여 상기 발등 부재에 착탈 가능하게 장착하도록 할 수 있다. 또한, 이것과의 조합에 있어서, 또는 단독으로 상기 발등 부재를 착탈 수단을 통하여 상기 가동 다리에 착탈 가능하게 장착하도록 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발 본체 또는 발등 부재에 설치된 센서의 출력을 처리하는 족부 처리 수단을 당해 발 본체 또는 발등 부재에 설치했으므로, 로봇 본체의 제어 수단은 그 처리 결과의 공급을 받아서, 이를 포함하는 정보에 근거하여 가동 다리의 운동을 제어할 수 있다. 따라서, 로봇 본체의 제어 수단은 당해 발 본체 또는 발등 부재에 설치된 센서의 출력에 대한 처리(예를 들면, 그 센서가 ZMP 검출용 센서인 경우에는 그 ZMP의 산출, 가속도 센서인 경우에는 노면의 경사의 산출과 걸려 넘어짐의 검출 등을 위한 처리)를 수행하지 않고, 가동 다리의 운동 제어 등의 다른 연산 처리에 전념할 수 있어, 처리 부담이 경감된다. 이에 따라, 긴급도가 높은 처리를 지체없이 수행할 수 있게 됨과 동시에, 더욱 계산량이 많은 복잡한 동작을 수행할 수 있게 된다.

또한, 발 본체 또는 발등 부재에 설치된 센서의 검출치를 제어 수단에 공급하기 위해 종래에는 각 센서마다 전용 배선에 의해 수행할 필요가 있었으나, 각 센서의 검출치가 족부 처리 수단에 의해 처리된 후에, 그 결과가 제어 수단으로 보내어지므로, 보다 간단한 배선으로 대응할 수 있다.

또한, 발 본체 또는 발등 부재에 설치된 센서를 족부 처리 수단과의 관계에서 최적화해 둠으로써, 센서의 종류, 특성, 수 등의 차이를 흡수할 수 있으며, 즉 발의 모듈화가 가능하고, 발의 교환에 따른 로봇 본체의 기구와 정보의 변경을 줄일 수 있어, 발의 교환에 따른 작업이 용이화된다.

또한, 센서를 그 출력을 처리하는 족부 처리 수단과 같은 발등 부재에 설치하므로, 센서와 족부 처리 수단을 연결하는 배선에 가동부가 없고, 배선에 의해 발바닥 부재의 유동이 저해되거나, 발바닥 부재의 유동에 의해 그 배선이 손상되는 경우가 적다.

또한, 발바닥 부재를 그 발바닥면에 대략 평행한 면을 따라서 유동 가능하도록 발등 부재에 결합하도록 하면, 유휴 다리의 착지시에 노면에 요철 등이 있어, 발바닥 부재의 일부가 그 요철에 간섭한 경우이더라도, 발바닥 부재가 당해면을 따라서 움직임으로써 그 간섭을 해소하고, 또는 노면으로부터 받는 힘을 흡수할 수 있게 되어, 로봇의 안정된 동작을 계속할 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징과 이점은 후술하는 본 발명의 실시 형태와 첨부하는 도면에 근거하여 보다 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.

전체 구성

우선, 그 보행식 이동 로봇의 전체 구성에 대해 도1∼도3을 참조하여 설명한다.

도1에는 본 발명의 일실시 형태의 '인간형'의 보행식 이동 로봇(100)이 직립하고 있는 모습을 전방에서 조망한 모습을 나타내고 있다. 또한, 도2에는 그 보행식 이동 로봇(100)이 직립하고 있는 상태를 후방에서 조망한 모습을 나타내었다.

보행식 이동 로봇(100)은 각 도면에 도시한 바와 같이, 보행식 이동을 수행하는 가동 다리로서의 좌우 2족의 하지(110), 체간부(體幹部, 120), 좌우의 상지(130) 및 두부(140)를 갖는다.

좌우 각각의 하지(110)는 대퇴부(大腿部, 111), 슬관절(膝關節, 112), 경부(頸部, 113), 발목(114) 및 족부(150)를 갖고, 고관절(股關節, 115)에 의해서 체간부(120)의 하단에 연결되어 있다.

또한, 좌우 각각의 상지(130)는 상완(上腕, 131), 주관절(elbow, 132) 및 전완(前腕, 133)을 갖고, 견관절(肩關節, 134)에 의해 체간부(120)의 위쪽의 좌우 각 측면 가장자리에 연결되어 있다.

또한, 두부(140)는 목관절(141)에 의해서 체간부(120)의 상단 중앙에 연결되어 있다.

또한, 이하에서는 설명의 편의상, 족부(150)의 설명에 있어서, 족부(150)의 이면의 노면(바닥면)에 당접하는 부분을 포함하여 구성되는 면을 X-Y 평면으로 하고, 그 X-Y 평면 내에 있어서, 로봇의 전후 방향을 X축으로 하고, 로봇의 좌우 방향을 Y축으로 하고, 이들에 직교하는 방향을 Z축으로서 설명한다.

또한, 이하의 도면 중에서 부호 R이 부여되어 있는 개소는 원활한 곡면 부분인 것을 나타낸다.

각 관절에는 액츄에이터가 배치되어 있고, 이 액츄에이터의 구동에 의해서 로봇의 동작은 실현된다. 이 관절 액츄에이터는 장치의 외관상 불필요한 팽창을 배제하여 사람의 자연 형상에 근사시키는 것과, 불안정 구조체에 대해서 자세 제어를 행하여 2족 보행을 수행하는 등의 다양한 요청으로부터, 소형 경량인 것이 바람직하다. 이 때문에, 본 실시 형태의 보행식 이동 로봇(100)에서는 기어 직결형으로, 서보 제어계를 원칩화하여 모터 유닛에 내장한 소형 AC 서보 액츄에이터를 탑재하고 있다. 또한, 소형 AC 서보 액츄에이터에 대해서는, 예를 들면 본원 출원인에 관한 일본 특허출원 제1999-3386호 명세서에 기재되어 있다.

체간부(120)의 내부에는 도1 및 도2상에서는 보이지 않는 주제어 유닛과 전원 회로 그 밖의 주변 기기류가 탑재되어 있다.

제어 시스템

다음에, 이와 같은 보행식 이동 로봇(100)의 제어 시스템에 대해서 도3을 참조하여 설명한다.

도3은 보행식 이동 로봇(100)의 제어 시스템의 구성의 개략을 도시한다. 주제어 유닛(제어 수단, 300)은 CPU(Central Processing Unit, 301), RAM(Random Access Memory, 302), 동작 패턴 등이 저장되어 있는 ROM(Read Only Memory, 303), 보행식 이동 로봇(100)에 탑재되는 각종 센서(306)의 출력으로서의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(305), 및 이들을 상호 접속하는 버스(304)를 갖는다.

또한, 상세는 후술할 것이나, 족부(150)에 설치된 ROM(305)도 버스(304)를 통하여 접속된다.

CPU(301)는 ROM(303)에 기억되어 있는 정보와 각종 센서(306)의 출력에 근거하여, 보행식 이동 로봇(100)의 동작을 결정하고, 각 관절에 배치된 AC 서보 액츄에이터(307)로의 동작 지령치를 포함하는 제어 신호를 생성한다. 그리고, CPU(301)는 생성한 각 관절에 대한 제어 신호를 버스(304)를 통하여 주제어 유닛(300)에 접속되어 있는 AC 서보 액츄에이터(307)에 인가한다. 이에 따라, 각 AC 서보 액츄에이터(307)는 제어 신호에 포함되는 동작 지령치에 기초하여 동작되고, 보행식 이동 로봇(100)은 보행 동작을 포함하는 다양한 동작을 수행한다.

또한, 보행식 이동 로봇(100)의 주제어 유닛과 전원 회로 그 밖의 주변 기기류 등은 도1 및 도2상에서는 보이지 않는 보행식 이동 로봇(100)의 체간부(120)의내부에 설치된다.

족부

족부(150)의 제1 구체예(150a)의 구성에 대해서 도4∼도8을 참조하여 설명한다.

도4는 족부의 제1 구체예(150a)의 사시도이며, 도5는 측면도이며, 도6은 이면도이며, 도7은 도6의 A-A선을 따라서 절단한 단면도이며, 도8은 도6의 B-B선을 따라서 절단한 단면도이다.

제1 구성에 따른 족부(150a)는 구형 판형상의 부재로 구성된 발 본체(160), 및 발 본체의 상면(162)에 발 본체(160)와 일체적으로 형성되어, 좌우 각각의 하지 (110)의 발목(114)에 연결되는 연결부(161)를 갖는다.

발 본체(160)의 하면(발바닥면)에는, 그 주연부로부터 발 본체의 중앙 방향을 향하여 완만하게 경사되어 있는 경사면(172)에 의해 돔 형상으로 함몰되어 있는 제1 오목부(함몰부, 170)가 형성되어 있다.

그리고, 이 제1 오목부(170)의 표면에, 외부로부터 힘이 인가됨으로써 소정의 탄성력을 항력으로서 발휘하면서 변형되고, 또한 그 외부로부터의 힘이 소멸함으로써 원래 형상으로 복원하는 유연부(190)가 형성되어 있다.

이 유연부(190)는 소정의 유연 부재가 제1 오목부(170)의 표면을 피복하고, 제1 오목부(170)에 의해 형성되는 오목부 공간을 어느 정도 매립하도록, 한편으로 족부(150a)가 평탄한 노면에 착지했을 때에는 유연부(190)의 표면이 노면에 접하지 않도록, 소정의 유연 부재를 제1 오목부(170)에 충전함으로써 형성된다.

구체적으로는, 이 유연 부재는 예를 들면 고무, 점토, 우레탄 등의 탄성, 점성 또는 유연성을 갖는 임의의 부재로 구성된다. 또한, 형상의 복원까지 시간이 걸리는, 다시 말해 어느 정도의 형상 기억 기능을 갖는, 히스테리시스 특성을 갖는 α겔, 메모리폼, 가루를 주머니에 봉입한 부재 등의 재료로 구성하면 더욱 바람직하다.

이와 같은 구조의 족부(150a)에 있어서는, 제1 오목부(170)를 둘러싸고 있으며 발 본체(160)의 이면에서 가장 돌출하여 주연부가, 접지면(보행면)과 실제로 접촉하는 접지부(165)가 된다. 따라서, 발 본체(160)의 발바닥면(접지면)이 노면에 접지된 때에는, 이 접지부(165)가 노면에 함께 맞닿아 보행식 이동 로봇(100)의 가중을 지지하여, 제1 오목부(170) 및 제1 오목부(170)내에 형성된 유연부(190)의 표면은 노면으로부터 뜬 상태가 된다.

또한, 발 본체(160)의 이면의 주연에서의 모서리부, 즉 발 본체(160)의 측면 (163)에서 접지부(165) 또는 제1 오목부의 경사면(172)에 이르는 부분은, 매끄러운 원호 곡면(R면, 164)으로서 형성되어 있다. 이와 같은 형상으로 구성함으로써, 예를 들면 족부(150a)의 주연 모서리부가 노면의 볼록부에 충돌하거나, 노면에 침입하는 등에 의한 보행식 이동 로봇(100)의 걸려 넘어짐을 방지할 수 있다. 또한, 보행식 이동 로봇(100)이 전도할 가능성에 놓여있을 때에도, 안전한 전도 동작으로 원활하게 이행할 수 있다.

제1 구체예의 족부(150a)는, 이와 같은 구조를 가지며, 발 본체(160)의 이면의 접지부(165)의 내측에 제1 오목부(170)를 갖고 있으므로, 보행식 이동 로봇의보행 동작에 따라 ZMP의 위치가 변화하여, 족부(150a)에 변형이 발생한 경우이더라도, 접지부(165)의 실질적인 위치 및 형상의 변화는 극히 작아지며, 전술한 항력 발생 실효면의 형상의 변화, 면적의 현상 등을 억제할 수 있다. 그 결과, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화도 작아지고, 로봇의 거동에 예기치 않은 변화를 초래하는 경우가 적어지고, 로봇이 접지부를 중심으로 하여 회전하게 되는 스핀 운동이 발생할 가능성을 낮출 수 있다. 따라서, 로봇의 자세 안정성이 높고, 안정된 동작을 계속할 수 있다.

또한, 노면에 대해 이반하는 제1 오목부를 형성함으로써, 노면에의 접지 압력을 높일 수 있으며, 보행식 이동 로봇에 발생하는 요축 주위의 모멘트에 대해서 강인성을 가질 수 있다. 또한, 노면과의 사이의 마찰력의 극단적인 상승을 방지할 수 있으며, 이에 의해서도 로봇의 걸러 넘어짐을 억제할 수 있다.

또한 특히 족부(150a)에 있어서는, 유연부(190)를 족부(150a)의 이면의 오목부(170)내에 형성하고 있으므로, 족부(150a)의 그 밖의 형상 및 구조만으로는 대응할 수 없는, 예를 들면 미끄러져 떨어짐 등의 위함한 거동이 되는 상태에 있어서도 적절하게 대응할 수 있다. 그와 같은 특수한 상태에서의 족부(150a)의 상태, 동작에 대해서는 이후에 구체적으로 설명한다.

또한, 발 본체(160)의 재질로서는 가능한 경량이고 강도가 뛰어난 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등이 바람직하다.

족부(150)의 제2 구체예(150b)의 구성에 대해서, 도9 및 도10을 참조하여 설명한다. 도9는 족부의 제2 구체예(150b)의 사시도이고, 도10은 단면도이다.

족부(150b)는 구형 판형상의 부재로 형성된 발 본체(200), 및 발 본체의 상면(202)에 발 본체(200)와 일체적으로 형성되어, 좌우 각각의 하지(110)의 발목 (114)에 연결되는 연결부(201)를 갖는다. 발 본체(200)의 하면(발바닥면)에는, 그 주연부로부터 내측 방향을 향하여 완만한 경사면(212)에 의해 돔 형상으로 함몰되어 있는 제1 오목부(함몰부, 210)가 형성되어 있다.

또한, 족부(150b)의 저면의 내측 및 외측의 주연부 중앙 부근은, 그 부분에 있어서 발 본체(200)가 바닥면(보행면)과 접촉하지 않도록, 제1 오목부(210)를 형성하는 면(천정면)을 따라서 절결(notch)되어 개방된 상태로 되어 있다. 즉, 발 본체 (200)의 중앙부에 있어서 제1 오목부(210)의 측벽이기도 한 발 본체(200)의 주연부가 터널 형상으로 횡방향(보행 방향에 수직인 방향)으로 절결되어 있다. 그리고, 이들 제1 오목부(210) 및 좌우 절결부(206)에 의해 구성되는 발 본체(200)의 안쪽 측의 오목부 전체가, 족부(150b)의 소위 발바닥의 장심부(207)를 형성하고 있다.

제1 오목부(210)의 표면에, 제1 구체예의 족부(150a)와 마찬가지로, 외부에서 힘이 인가됨으로써, 소정의 탄성력을 항력으로서 발휘하면서 변형되고, 또한 그 외부로부터의 힘이 소멸함으로써 원래 형상으로 복원하는 유연부(230)가 형성된다.

이 유연부(230)는 소정의 유연 부재가 제1 오목부(210)의 표면을 피복하고, 제1 오목부(210)에 의해 형성되는 오목부 공간을 어느 정도 매립하도록, 한편으로 족부(150b)가 평탄한 노면에 착지했을 때에는 유연부(230)의 표면이 노면에 접하지 않도록, 소정의 유연 부재를 제1 오목부(210)에 충전함으로써 형성한다. 유연부(230)의 구체적인 재료 등은 전술한 제1 족부(150a)의 경우와 같으므로 설명은 생략한다.

이와 같은 구조의 족부(150b)에 있어서는, 제1 오목부(210)를 둘러싸고 발 본체(200)의 이면에서 가장 돌출되어 있는 저면 부분, 즉 발바닥의 장심부(207) 전후의 저면 부분이 접지면(보행면)과 실제로 접촉하는 접지부(205)가 된다. 따라서, 발 본체(200)의 발바닥면(접지면)이 노면에 접지되었을 때에는, 이 접지부(205)가 노면에 함께 맞닿아 보행식 이동 로봇(100)의 가중을 지지하여, 발바닥의 장심부(207) 및 유연부(230)의 표면은 노면으로부터 뜬 상태가 된다.

또한, 발 본체(200) 이면의 주연 모서리부, 즉 발 본체(200)의 측면(203)에서 접지부(205) 또는 제1 오목부의 경사면(212)에 이르는 부분은, 매끄러운 원호 곡면(R면, 204)으로서 구성되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 예를 들면 족부(150a)의 주연 모서리부가 노면의 볼록부에 충돌하거나, 노면의 일부에 침입하는 등에 의한 보행식 이동 로봇(100)의 걸려 넘어짐을 방지할 수 있다. 또한, 보행식 이동 로봇(100)이 전도할 가능성에 놓였을 경우에도, 안전한 전도 동작으로 원활하게 이행할 수 있다.

제2 구체예의 족부(150b)는 제1 구체예의 족부(150a)와 마찬가지로, 발 본체 (200)의 이면에 발바닥의 장심부(207)를 갖고 있으므로, 보행식 이동 로봇의 보행 동작에 따라 ZMP의 위치가 변화하여, 족부(150b)에 변형이 발생된 경우더라도, 항력 발생 실효면의 형상의 변화, 면적 현상 등을 억제할 수 있다. 그 결과, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화도 작아지고, 로봇의 거동에 예기치 않은 변화를초래하는 경우가 적어져, 로봇이 접지부를 중심으로 하여 회전하는 스핀 운동이 발생할 가능성을 낮출 수 있다. 따라서, 로봇의 자세의 안정성이 높고, 안정된 동작을 계속할 수 있다.

또한, 노면에 대해서 이반하는 발바닥의 장심부를 형성함으로써, 노면에의 접지 압력을 높일 수 있으며, 보행식 이동 로봇에 발생하는 요축 주위의 모멘트에 대해서 강인성을 가질 수 있다. 또한, 노면과의 사이의 마찰력의 극단적인 상승을 방지하고, 로봇의 걸려 넘어짐을 억제할 수 있다. 또한, 특히 족부(150b)에 있어서는, 유연부(230)를 족부(150b) 이면의 오목부(210)내에 형성하고 있으므로, 족부 (150b)의 그 밖의 형상 및 구조만으로는 대응할 수 없는, 예를 들면 미끄러져 떨어지는 등의 위험한 거동이 되는 상태에서도, 적절히 대응할 수 있다. 이와 같은 특수한 상태에서의 족부(150b)의 상태, 동작에 대해서는 이후에 구체적으로 설명한다.

또한, 발 본체(200)의 재질로서는 가능한 경량이며 강도가 우수한, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등이 바람직하다.

족부(150)의 제3 구체예(150c)의 구성에 대해서, 도11∼도15를 참조하여 설명한다.

도11은 족부의 제3 구체예(150c)의 사시도이며, 도12는 측면도이며, 도13은 저면도이다. 또한, 도14 및 도15는 족부(150c)의 바람직한 크기의 설명을 하기 위한 도면이다.

족부(150c)는 구형판(矩形板) 형상의 부재로 형성된 발 본체(240), 및 발 본체의 상면(242)에 발 본체(240)와 일체적으로 형성되어, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 연결부(241)를 갖는다.

발 본체(240)의 하면(발바닥면)에는, 그 주연부에서 내측 방향을 향하여 완만하게 경사되는 경사면(252)에 의해 돔 형상으로 함몰되어 있는 제1 오목부(250)와, 발 본체(240)의 중앙부에 있어서 제1 오목부(250)보다 1단 더 원주 형상으로 발 본체(240) 내부에 함몰되어 있는 제2 오목부(260)가 형성되어 있다.

또한, 족부(150c) 저면의 내측 및 외측의 주연부 중앙 부근은, 그 부분에 있어서 발 본체(240)가 바닥면(보행면)과 접촉하지 않도록, 제2 오목부(260)의 저면(천정면) 부분까지 절결되어 개방된 상태로 되어 있다. 다시 말하면, 제1 오목부 (250)의 저면(천정면) 및 제2 오목부(260)의 측벽 일부가 발 본체(240)의 저면의 X방향의 중앙부에 있어서 제거되고, 제2 오목부가 보행 방향의 중앙부에 있어서, 횡방향(Y방향)으로 관통하도록 형성되어 있다. 이들 제1 오목부(250), 제2 오목부 (260) 및 절결부(246)에 의해 구성되는 발 본체(240)의 안측의 오목부 전체가 족부 (150c)의 소위 발바닥의 장심부(247)를 형성하고 있다.

또한, 제2 오목부(260)의 내부에, 외부로부터 힘이 인가됨으로써 소정의 탄성력을 항력으로서 발휘하면서 변형되고, 그 외부로부터의 힘이 소멸함으로써, 원래 형상으로 복원하는 유연부(270)가 형성되어 있다. 유연부(270)는 소정의 유연 부재가 제2 오목부(260)의 저면(천정면, 261)을 피복하여, 제2 오목부(260)에 의해 형성되는 오목부 공간을 어느 정도 매립하도록, 한편으로 족부(150c)가 평탄한 노면에 착지했을 때에는 유연부(270)의 표면이 노면에 접하지 않도록, 소정의 유연부재를 제2 오목부(260)에 충전함으로써 형성한다. 유연부(270)의 구체적인 재료 등은 전술한 제1 족부(150a)의 경우와 같으므로 설명은 생략한다.

이와 같은 구조의 족부(150c)에 있어서는, 제1 오목부(250)의 주연부의 발 본체(240)의 이면에서 가장 돌출되어 있는 부분이, 접지면(보행면)과 실제로 접촉하는 접지부(245)가 된다. 따라서, 발 본체(240)의 발바닥면(접지면)이 노면에 접지되었을 때에는, 이 접지부(245)가 노면에 함께 맞닿아 보행식 이동 로봇(100)의 가중을 지지하여, 발바닥의 장심부(247)는 노면으로부터 뜬 상태가 된다.

또한, 제2 오목부(260)의 측면(262)은, 제1 오목부(250)의 경사면(252)에 대해서 거의 절곡되듯이 불연속하게 접속하고, 또한 접지면에 대해서 수직인 연직 방향(Z방향)을 대략 따른 각도로 형성된다. 제2 오목부(260)의 측면을 상술한 바와 같은 구성으로 함으로써, 예를 들면 융단 등의 유연한 바닥면을 보행할 경우에 있어서, 융단의 모 등의 유연물이 이 제2 오목부(260)까지 침입해 온 경우에는, 이 제2 오목부(260)의 측면에 그와 같은 유연물을 충돌시키고, 또 불연속적인 단부에서 모가 걸리도록 할 수 있다. 그 결과, 모에 대해서는 모의 진행 방향에 대해서 항력, 반력이 작용하고, 나아가 족부(150c)의 보행면에 대한 마찰력으로서 작용하게 된다. 따라서, 이와 같은 미끄러지기 쉬운 보행면상에 있어서도 적절한 마찰력을 얻을 수 있으며, 제동력과 추진력의 효율을 높일 수 있다.

또한, 제1 오목부(250)의 경사면 및 제2 오목부(260)의 측벽의 일부로서, 절결부(246)에 면하는 단부(253)는, 도13에 도시한 바와 같이, 매끄러운 원호 곡면 (R면)으로서 형성되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 융단 위 등의 유연한 이동면에서의 침입 정도를 조정하고, 이에 따라 전도 모멘트의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 바닥면을 보호할 수도 있다.

또한, 발 본체(240)의 이면의 주연 모서리부, 즉 발 본체(240)의 측면(243)에서 접지부(245)에 달하는 부분은 매끄러운 원호 곡면(R면)(244)으로서 구성되어 있다. 이와 같은 형상으로 구성함으로써, 예를 들면 족부(150c)의 주연 모서리부가 노면의 돌출부에 충돌하거나, 노면에 침입하는 등에 의한 보행식 이동 로봇 (100)의 걸려 넘어짐을 방지할 수 있다. 또한, 보행식 이동 로봇(100)이 전도할 가능성에 놓여진 경우에도 안전한 전도 동작으로 원활하게 이행할 수 있다.

여기에서, 이 같은 제3 구체예의 족부(150c)의 사이즈에 대해서 도14 및 도15를 참조하여 설명한다. 도시한 구조의 족부(150c)의 크기는, 예를 들면 보행식 이동 로봇 본체의 사이즈 등에 따라서 임의로 정할 수 있다. 그러나, 예를 들면 보행식 이동 로봇이 일본의 가옥 내를 보행하는 것을 상정하면, 미닫이의 문턱의 요철이 소형의 보행식 이동 로봇의 보행에 큰 장애가 될 것이 예측된다. 따라서, 이 문턱을 안정적으로 보행하기 위해, 족부(150c)의 사이즈를 소정의 조건에 적합하도록 구성하는 것은 매우 유효하다. 미닫이의 문턱을 밟더라도 안정적으로 보행 가능한 족부(150c)의 조건에 대해 설명한다.

이 경우, 고려해야 할 조건은 발(150c)의 접지부(245)를 문턱의 홈에 빠지지 않는 크기로 하는 것이다. 도14에 도시한 바와 같이, 족부(150c)는 보행 방향에 대해서 전후 방향의 제1 오목부(250)의 단부가 접지부(245)로 되어 있다. 접지부 (245)의 더욱 주연측은, 원활한 곡면(244)에 의해 발 본체(240)의 측면(243)에 연결되어 있고, 또 접지부(245)의 발 본체의 중앙측은 제1 오목부(250)의 완만한 경사면(252)으로 되어 있다. 따라서, 경사면(252)에서 발 본체(240)의 주연 모서리의 곡면까지의 범위가, 발 본체에서 돌출되어 있는 접지 영역인 것으로 판단되고, 그 부분이 문턱의 홈에 빠지지 않으면 될 것으로 판단된다. 따라서, 도14에 도시한 바와 같이, 이 접지 영역의 보행 방향(X방향)의 길이 L1, L2 , 족부(150c)의 전체 길이 L, 및 이 접지 영역의 횡방향(Y방향)의 길이로서의 족부(150c)의 가로폭 W에 대해서 조건을 설정한다.

한편, 일본 가옥에 이용되는 문턱은, 예를 들면 도15에 도시한 바와 같은 형상이다. 도15(A)는 홈이 2개인 문턱을, 도15(B)는 홈이 3개인 문턱을 나타낸다. 도15(A) 및 도15(B)에 있어서, 각각의 홈 부분의 길이를 Lg1, Lg2, Lg3, 산 부분의 길이를 Lm1,Lm2로 한다. 또한, 통상 널리 이용되는 문턱은 Lg1=Lg2=Lg3=21mm, Lm1=Lm2=12mm이다.

그리고, 보행식 이동 로봇이 통상의 보행 방향으로 걸은 경우에, 그 발(150c)이 홈이 2개인 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는 식(1)의 조건을 만족시키는 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다

L1, L2 ＞ Lg1 (= Lg2)

L ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2 …(1)

또한, 보행식 이동 로봇이 통상의 보행 방향으로 걸은 경우에, 그 발(150c)이 홈이 3개인 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(2)의 조건을 만족시키는 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

L1, L2 ＞ Lg1 (= Lg2)

L ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2

L1, L2 ＜Lm1 + Lg2 + Lm2 …(2)

따라서, 전술한 바와 같은 통상의 문턱을 상정하면, 보행식 이동 로봇의 발(150c)이 홈 2개로 이루어진 문턱에 빠지지 않기 위해서는 L1, L2 ＞ 21mm, L ＞ 54mm, 또 보행식 이동 로봇의 발(150c)이 홈 3개로 이루어진 문턱에 빠지지 않기 위해서는, 21 ＜ L1, L2 ＜ 45mm, L ＞ 54mm라는 조건을 만족시킬 필요가 있다. 단, 본 실시 형태의 발(150c)은, L=105.8mm, W=69.8mm, L1=L2=33mm이다.

보행식 이동 로봇이 횡보할 경우에는, 발(150c)의 횡방향의 길이에 대해서도 보행 방향과 같은 조건을 설정할 필요가 있으나, 발(150c)에 대해서는 분할되어 있지 않으므로 문턱의 홈의 폭에 대해서 충분한 길이가 있다. 따라서, 여기에서는 설명을 생략한다.

족부(150c)는 상술한 바와 같은 구조를 가지며, 제1 및 제2 구체예의 족부(150a, 150b)와 마찬가지로, 발 본체(200)의 이면에 발바닥의 장심부(247)를 갖고 있으므로, 보행식 이동 로봇의 보행 동작에 따라서 ZMP의 위치가 변화하여, 족부(150c)에 변형이 발생한 경우더라도, 항력 발생 실효면의 형상의 변화, 면적 현상 등을 억제할 수 있다. 그 결과, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화도 작아지고, 로봇의 거동에 예기치 않는 변화를 초래하는 경우가 적어지며, 로봇이 접지부를 중심으로 회전하게 되는 소위 스핀 운동이 발생할 가능성을 낮출 수 있다. 따라서, 로봇의 자세의 안정성이 높고, 안정된 동작을 계속할 수 있다.

또한, 노면에 대해서 이반하는 발바닥의 장심부를 형성함으로써, 노면에의 접지압력을 높일 수 있으며, 보행식 이동 로봇에 발생하는 요축 주위의 모멘트에 대해서 강인성을 가질 수 있다. 또한, 노면과의 사이의 마찰력의 극단적인 상승을 방지할 수 있으며, 이에 의해서도 로봇의 걸려 넘어짐을 억제할 수 있다.

또한, 특히 족부(150c)에 있어서는, 유연부(270)를 족부(150c)의 이면의 제2 오목부(260)내에 형성했으므로, 족부(150c)의 그 밖의 형상 및 구조만으로는 대응할 수 없는, 예를 들면 미끄러져 떨어짐 등의 위험한 거동이 되는 상태에 있어서도, 적절히 대응할 수 있다. 단, 특수한 상태에서의 족부(150c)의 상태, 동작에 대해서는 이후에 구체적으로 설명한다.

또한, 발 본체(160)의 재질로서는 가능한 경량이고 강도가 우수한, 예를 들면 알루미늄 합금과 마그네슘 합금 등이 바람직하다.

족부(150)의 제4 구체예에 대해서, 도16∼도23을 참조하면서 설명한다.

도16은 족부(150)의 사시도, 도17은 족부(150)의 측면도, 도18은 족부 (150)의 이면도, 도19는 도18의 A-A선에 따라서 절단한 단면도이며, 도20은 도18의 B-B를 따라서 절단한 단면도이며, 도21은 도18의 C-C선을 따라서 절단한 단면도이다. 또한, 도22 및 도23은 족부(150)의 바람직한 크기의 설명을 하기 위한 도면이다.

족부(150)는 구형 판형상의 부재로 형성된 발 본체(240), 및 발 본체의 상면 (242)에 발 본체(240)와 일체적으로 형성되어, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 연결부(241)를 갖는다.

발 본체(240)의 하면(발바닥면)에는 그 네 모서리에서 내측 방향을 향하여 완만하게 경사되는 경사면(252)에 의해 가상적으로 돔 형상으로 함몰되어 있는 제1 오목부(250)와, 발 본체(240)의 대략 중앙부에 있어서 제1 오목부(250)보다 1단 더 가상적으로 원주 형상으로 발 본체(240) 내부에 함몰되어 있는 제2 오목부(260)가 형성되어 있다.

또한, 족부(150)의 저면의 4개의 주연부의 중앙 부근에 있어서는, 각각 그 부분에 있어서 발 본체(240)가 바닥면(보행면)과 접촉하지 않도록, 제2 오목부 (260)의 저면(천정면)과 같은 깊이로, 발 본체(240)의 중앙 부근과 발 본체와의 외부를 관통하는 홈(246a∼246d)이 형성되어 있다.

따라서, 제1 오목부(250) 및 제2 오목부(260) 및 홈(246)에 의해 구성되는 발 본체(240)의 안측의 오목부가, 족부(150)의 발바닥의 장심부(247)를 구성하게 된다. 또한, 여기에서 발바닥의 장심부(247)란 족부(150)의 이면의 오목부를 넓게 나타낸 것으로서 취급한다. 즉, 4개의 홈(246a∼246d)에 대응하는 오목부 각각, 횡방향 또는 보행 방향의 일련의 홈, 또는 족부(150)의 이면의 오목부 전체중 어느 것을 발바닥의 장심부로 칭할 수 있는 것으로 한다.

족부(150)의 이면이 이와 같은 4개의 홈(246a∼246d)에 의해 구분됨으로써, 족부(150)의 이면에는 결과적으로 4개의 모서리부 부근에 4개의 볼록부가 형성되게 된다. 그리고, 각 볼록부에 있어서, 그 가장 돌출된 개소가 접지면(보행면)과 실제로 접촉하는 접지부(245)가 된다.

이 돌출부는 제1 오목부(250)의 경사면(252) 및 후술하는 발 본체(260)의 모서리부에 형성되는 원활한 곡면(244)을 포함하는 것이지만, 통상 이 같은 경사면(252)과 곡면(244)의 경계 부분이 가장 돌출한 위치에서 접지부(245)가 된다.

발 본체(240)의 발바닥면(접지면)이 노면에 접지되었을 때에는, 접지부 (245)가 노면에 함께 맞닿아 보행식 이동 로봇(100)의 가중을 지지하게 되어, 발바닥의 장심부(247)는 노면으로부터 뜬 상태가 된다.

또한, 제2 오목부(260)의 내부에는 외부에서 힘이 인가됨으로써, 소정의 탄성력을 항력으로서 발휘하면서 변형되고, 또 외부로부터의 힘이 소멸함으로써 원래 형상으로 복원하는 유연부(270)가 형성되어 있다.

유연부(270)는 소정의 유연 부재가 제2 오목부(260)의 저면(천정면, 261)을 피복하고, 제2 오목부(260)에 의해 형성되는 오목부 공간을 어느 정도 매립하도록, 한편으로 족부(150)가 평탄한 노면에 착지했을 때에는 유연부(270)의 표면이 노면에 접하지 않도록, 소정의 유연 부재를 제2 오목부(260)에 충전하여 형성한다.

구체적으로는, 이 같은 유연 부재는, 예를 들면 고무, 점토, 우레탄 등의 탄성, 점성 또는 유연성을 갖는 임의의 부재로 구성된다. 또한, 형상의 복원까지 시간이 걸리는 다시 말하면 어느 정도의 형상 기억 기능을 갖는 히스테리시스 특성을 갖는 α겔, 메모리폼, 가루를 주머니에 봉입한 부재 등의 재료로 구성되면 더욱 바람직하다.

또한, 제2 오목부(260) 및 홈(246)의 측면(262)은, 제1 오목부(250)의 경사면(252)에 대해서 대략 절곡되듯이 불연속적으로 접속하고, 또 접지면에 대해서 수직인 연직 방향(Z방향)을 대략 따른 각도로 형성된다. 제2 오목부(260) 및 홈(246)의 측면(262)을 이와 같은 구성으로 함으로써, 예를 들면 융단 등의 유연한 바닥면을 보행하는 경우에 있어서, 융단의 모 등의 유연물이 이 발바닥의 장심부(247)까지 침입해 온 경우에는, 이 측면(262)에 이와 같은 유연물을 충돌시키고, 또 불연속적인 단부에서 모가 걸리도록 할 수 있다. 이 결과, 모에 대해서는 모의 진행 방향에 대해서 항력, 반력이 작용하고, 또 족부(150)의 보행면에 대한 마찰력으로서 작용하게 된다. 따라서, 미끄러지기 쉬운 보행면 상에 있어서도 적절한 마찰력을 얻을 수 있고, 제동력과 추진력의 효율을 높일 수 있다.

또한, 홈(246)의 측면(262)의 발 본체(240)의 측면의 개구부 부근의 단부 (253)는, 도6에 도시한 바와 같이, 매끄러운 원호곡면(R면)으로서 형성되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 융단상 등의 유연한 이동면에서의 침입을 조정하고, 전도 모멘트 발생을 억제할 수 있다. 또한, 바닥면을 보호할 수 있다.

또한 발 본체(240)의 이면의 주연 모서리부, 즉 발본체(240)의 측면(243)에서 접지부(245) 또는 제1 오목부(250)의 경사면(252)에 달하는 부분은, 매끄러운 원호 곡면(R면)(244)으로서 구성되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 예를 들면 족부(150)의 주연 모서리부가 노면의 볼록부에 충돌하거나, 노면에 침입하는 등에 의해 보행식 이동 로봇(100)이 걸려 넘어지는 현상을 방지할 수 있다. 또한 전도될 가능성에 놓인 경우에도 안전한 전도 동작으로 원활하게 이행할 수 있다. 또한, 발 본체(160)의 재질로서는 가능한 경량이고 강도가 뛰어난 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등이 바람직하다.

여기에서, 이 족부(150)의 사이즈에 대해서 도22 및 도23을 참조하면서 설명한다.

족부(150)의 크기는, 예를 들면 보행식 이동 로봇 본체의 사이즈 등에 따라서 임의로 정할 수 있다. 그러나, 예를 들면 보행식 이동 로봇이 일본의 가옥내를 보행하는 것을 상정하면, 미닫이의 문턱의 요철이 소형의 보행식 이동 로봇의 보행에 큰 장애가 될 것이 예측된다. 따라서, 이 문턱을 안정적으로 보행하기 위해, 족부(150)의 사이즈를 소정의 조건에 적합하도록 구성하는 것은 매우 유효하다. 미닫이의 문턱을 밟더라도 안정적으로 보행 가능한 족부(150)의 조건에 대해 설명한다.

이 경우, 고려해야 할 조건은 발(150)의 접지부(245)를 문턱의 홈에 빠지지 않는 크기로 하는 것이다. 도10에 도시한 바와 같이, 족부(150)는 보행 방향에 대해서 전후 방향인, 제1 오목부(250)의 단부가 접지부(245)로 되어 있다. 접지부 (245)의 더욱 주연측은, 원활한 곡면(244)에 의해 발 본체(240)의 측면(243)에 연결되어 있고, 또 접지부(245)의 발 본체의 중앙측은 제1 오목부(250)의 완만한 경사면(252)으로 되어 있다. 따라서, 경사면(252)에서 발 본체(240)의 주연 모서리의 곡면까지의 볼록부가 발 본체에서 돌출되어 있는 접지 영역인 것으로 판단되고, 그 부분이 문턱의 홈에 빠지지 않으면 될 것으로 판단된다.

또한, 보행식 이동 로봇이 통상의 진행 방향으로만 보행한다면, 족부(150)의 사이즈에 대해서는, 문턱의 홈에 수직인 방향, 즉 보행 방향(X방향)만을 상정하면 되나, 여기에서는 보행식 이동 로봇이 횡보하여 문턱을 밟을 경우를 상정하여, 보행 방향에 수직인 횡방향(Y방향)에 대해서도 동일 문턱의 조건에 의해 사이즈 조건을 설정한다.

따라서, 본 실시 형태의 발(150)에 대해서는, 도22에 도시한 바와 같이, 이 접지 영역의 보행 방향(X방향)의 길이 L1, L2 , 족부(150)의 전체 길이 L, 이 접지 영역의 횡방향(Y방향)의 길이 W1, W2 , 및 족부(150)의 전체 가로 폭 W에 대해서 조건을 설정한다.

일본 가옥에 이용되는 문턱은, 예를 들면 도11에 도시한 바와 같은 형상이다. 도23(A)은 홈이 2개인 문턱을, 도23(B)은 홈이 3개인 문턱을 나타낸다. 도23(A) 및 도23(B)에 있어서, 각각의 홈 부분의 길이를 Lg1, Lg2, Lg3, 산 부분의 길이를 Lm1,Lm2로 한다. 또한, 통상 널리 이용되는 문턱은 Lg1=Lg2=Lg3=21mm, Lm1=Lm2=12mm이다.

보행식 이동 로봇이 통상의 보행 방향으로 걸은 경우에, 그 발(150)이 홈 2개로 이루어진 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(3)의 조건을 만족시키는 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

L1, L2 ＞ Lg1 (= Lg2)

L ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2 …(3)

또한, 보행식 이동 로봇이 통상의 보행 방향으로 걸은 경우에, 그 발(150)이 홈 3개로 이루어진 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(4)의 조건을 만족시키는 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

L1, L2 ＞ Lg1 (= Lg2)

L ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2

L1, L2 ＜ Lm1 + Lg2 + Lm2 …(4)

따라서, 보행식 이동 로봇의 발(150)의 접지부가 홈 2개로 이루어진 문턱에 빠지지 않기 위해서는 L1, L2 ＞ 21mm, L ＞ 54mm, 또 보행식 이동 로봇의 발(150)이 홈 3개로 이루어진 문턱에 빠지지 않기 위해서는, 21 ＜ L1, L2 ＜ 45mm, L ＞ 54mm라는 조건을 만족시킬 필요가 있다.

또한, 보행식 이동 로봇이 횡방향으로 걸은 경우에, 발(150)이 홈 2개로 이루어지는 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(5)의 조건을 만족시키기 위한 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

W1, W2 ＞ Lg1 (= Lg2)

W ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2 …(5)

또한, 보행식 이동 로봇이 횡방향으로 걸은 경우에, 발(150)이 홈 3개로 이루어진 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(6)의 조건을 만족시키기 위한 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

W1, W2 ＞ Lg1 (= Lg2)

W ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2

W1, W2 ＜ Lm1 + Lg2 + Lm2 …(6)

따라서, 보행식 이동 로봇의 발(150)의 접지부가 홈 2개로 이루어지는 문턱에 빠지지 않기 위해서는 W1, W2 ＞ 21mm, W ＞ 54mm, 또 보행식 이동 로봇의 발(150)이 홈 3개로 이루어진 문턱게 빠지지 않기 위해서는 21mm ＜ W1, W2 ＜45mm, W ＞ 54mm라는 조건을 만족시킬 필요가 있다.

또한, 발(150)의 실제 사이즈는 L=105.8mm, W=69.8mm, L1=L2=33mm이며, 이들 조건을 모두 만족시키고 있다.

족부(150)의 제5 구체예에 대해서, 도24∼도29를 참조하면서 설명한다.

도24∼도29는 각각 다른 족부(150b)의 사시도, 측면도, 이면도, 단면도이다.

족부(150b)는 도시한 바와 같이 제2 오목부의 천정면이 돔 형상으로 구성되어 있으며, 이에 따라, 유연부(190)의 형성 상태도 다르다. 족부의 구성은 상정되는 보행 환경, 장애 등에 따라서 원하는 거동을 하도록 임의로 결정할 수 있다.

예를 들면, 유연부(190, 230)는 제1 오목부(170, 210)의 내면을 덮고, 또 족부(150)는 유연부(270)가 제2 오목부(260)의 천정면(261)을 덮도록 형성되어 있다. 단, 어떠한 경우에도 유연부는 이와 같이 형성면을 모두 덮도록 형성되어야만 하는 것은 아니다. 제1 및 제2 오목부의 일부만을 덮도록 형성하거나, 노면의 볼록부가 침입할 가능성이 높은 부위에 선택적으로 형성하거나, 또는 부분적인 유연부를 복수개 형성하는 구성으로 할 수 있으며, 그 형성 형태는 임의로 결정할 수 있다.

또한, 유연부의 재료는 본 실시 형태에 있어서는, 탄성 및 점성을 갖고, 또 히스테리시스 특성을 갖는 것이 바람직한 것으로 했으나, 이에 한정되지 않고, 유연성을 갖는 것이면 임의의 재료를 이용할 수 있다. 예를 들면, 히스테리시스성이 없더라도 충분한 용도에는, 히스테리시스성을 가지지 않는 재료를 이용할 수도 있다.

또한, 족부(150)에 있어서는, 제2 오목부(260)의 측면(262)은 접지면에 대해서 대략 수직인 방향을 따라서, 즉 연직 방향을 따라서 형성한 것으로 했으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 오목부(260)의 측면(262)은 제1 오목부(250)의 경사면(252)보다도, 더욱 연직 방향에 가까운 경사이면 제2 오목부(260)를 형성하는데 충분하며, 임의의 경사를 갖는 측면이어도 좋다.

또한, 상술한 보행식 이동 로봇의 족부에 관한 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기재된 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 전혀 아니다. 본 실시 형태에 개시된 각 요소는 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계 변경과 균등물도 포함하며, 또 임의의 바람직한 다양한 개변이 가능하다.

예를 들면, 제1 및 제2 발(足)의 구체예(150a, 150b)에 있어서는, 유연부(190, 230)는 제1 오목부(170, 210)의 내면을 덮고, 또 제3 발의 구체예(150c)에 있어서는, 유연부(270)가 제2 오목부(260)의 천정면(261)을 덮도록 형성되어 있으나, 어떠한 경우에도 유연부는 이와 같이 형성면을 모두 덮도록 형성되지 않으면 안되는 것은 아니다. 제1 및 제2 오목부의 일부만을 덮도록 형성하거나, 노면의 볼록부가 침입할 가능성이 높은 부위에 선택적으로 형성하거나, 또는 부분적인 유연부를 복수개 형성하는 구성으로 할 수 있으며, 그 형성 형태는 임의로 결정할 수 있다.

또한, 유연부의 재료는 탄성 및 점성을 갖고, 또 히스테리시스 특성을 갖는 것이 바람직한 것으로 했으나, 이에 한정되지 않고, 유연성을 갖는 것이면 임의의 재료를 이용할 수 있다. 예를 들면, 히스테리시스성이 없더라도 충분한 용도에는, 히스테리시스성을 가지지 않는 재료를 이용할 수도 있다.

또한, 족부(150c)에 있어서는, 제2 오목부(260)의 측면(262)은 접지면에 대해서 대략 수직인 방향을 따라서, 즉 연직 방향을 따라서 형성한 것으로 했으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 오목부(260)의 측면(262)은 제1 오목부(250)의 경사면(252)보다도, 더욱 연직 방향에 가까운 경사이면 제2 오목부(260)를 형성하는데 충분하며, 임의의 경사를 갖는 측면이어도 좋다.

또한, 족부(150c)에 있어서는, 제1 오목부(250)의 경사면(252)과 제2 오목부 (260)의 측면(262)은, 예를 들면 소정의 각도로 접하는 각형상 등, 비연속적으로 접하는 것으로 했으나, 발 본체(240)의 저면의 주연 모서리부와 마찬가지로, 매끄러운 곡면으로 결합하도록 할 수도 있다. 제2 오목부(260)의 측면(262) 및 그 단부의 형상 등은, 예를 들면 유연한 노면의 보행의 유무, 그 유연한 노면의 특성 등의 조건, 환경 등에 따라서 임의로 결정할 수 있다.

또한, 족부(150)의 이면에 형성하는 오목부는 돔 형상(그라인딩 볼 형상)으로 한정되지 않고, 접지부(265)로부터 연속하여 발 본체(240)의 내측에 함몰하는 경사면(예를 들면, 테이퍼 면 등)을 갖고 있으면, 임의의 형상으로 할 수 있다. 예를 들면, 사각추 형상과 원추 형상, 아치 형상, 터널 형상 등으로 할 수 있다.

족부(150)의 제6 구체예에 대해서, 도30∼도34를 참조하면서 설명한다. 도 30∼도32는 족부(150)의 구성을 나타낸 도이며, 도30은 사시도, 도31은 측면도, 도32는 저면도이다.

족부(150)는 구형 판형상의 부재로 형성된 발 본체(160), 및 발 본체의 상면(162)에 발 본체(160)와 일체적으로 형성되어, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 연결부(161)를 갖는다.

발 본체(160)의 하면(발바닥면)에는 그 주연부에서 내측 방향을 향하여 완만한 경사면(172)에 의해 돔 형상으로 함몰되어 있는 제1 오목부(170)와, 발 본체(160)의 대략 중앙부에 있어서 제1 오목부(170)보다 1단 더, 원주 형상으로 발본체(160) 내부에 함몰되어 있는 제2 오목부(180)가 형성되어 있다.

또한, 족부(150)의 저면의 내측 및 외측의 주변부 중앙 부근은, 그 부분에 있어서 발 본체(160)가 바닥면(보행면)과 접촉하지 않도록, 제2 오목부(180)의 저면(천정면)부분까지 절결되어 개방된 상태로 되어 있다. 다시 말하면, 제1 오목부 (170)의 저면(천정면) 및 제2 오목부(180)의 측벽 일부가 발 본체(160)의 저면의 X방향의 중앙부에 있어서 제거되고, 제2 오목부가 보행 방향의 중앙부에 있어서, 횡방향(Y방향)으로 관통하도록 형성되어 있다. 그리고, 제1 오목부(170), 제2 오목부(180) 및 절결부(165)에 의해 구성되는 발 본체(160)의 안측의 오목부 전체가 족부(150)의 소위 발바닥의 장심부(166)를 형성하고 있다.

족부(150)에 있어서는, 제1 오목부(170)의 주연부로서, 발 본체(160)의 이면에서 가장 돌출되어 있는 부분이 접지면(보행면)과 실제로 접촉하는 접지부(171)가 된다. 따라서, 발 본체(160)의 발바닥면(접지면)이 노면에 접지되었을 때에는, 이 접지부(171)가 노면에 함께 맞닿아 보행식 이동 로봇(100)의 가중을 지지하여, 발바닥의 장심부(166)는 노면에서 뜬 상태가 된다.

또한, 제2 오목부(180)의 측면은 제1 오목부(170)의 경사면(172)에 대해서 대략 절곡되듯이 불연속적으로 접속하고, 또 접지면에 대해서 수직인 연직 방향(Z방향)을 거의 따르는 각도로 형성된다. 제2 오목부(180)의 측면을 이와 같은 구성으로 함으로써, 예를 들면 융단 등의 유연한 바닥면을 보행하는 경우에 있어서, 융단의 모 등의 유연물이 이 제2 오목부(180)까지 침입해 온 경우에는, 이 제2 오목부(180)의 측면에 그와 같은 유연물을 충돌시키고, 또 불연속적인 단부에서 모가 걸리도록 할 수 있다. 그 결과, 모에 대해서는 모의 진행 방향에 대해서 항력, 반력이 작용하고, 또 족부(150)의 보행면에 대한 마찰력으로서 작용하게 된다. 따라서, 미끄러지기 쉬운 보행면 상에 있어서도 적절한 마찰력을 얻을 수 있고, 제동력과 추진력의 효율을 높일 수 있다.

또한, 제1 오목부(170)의 경사면 및 제2 오목부(180)의 측벽의 일부로서, 절결부(165)에 면하는 단부(173)는, 매끄러운 원호 곡면(R면)으로서 형성되어 있다. 이와 같은 형상으로 구성함으로써, 융단 위 등의 유연한 이동면에서의 침입을 조정하고, 이에 따른 전도 모멘트 발생을 억제할 수 있다. 또한, 바닥면을 보호할 수 있다.

또한, 발 본체(160)의 이면 주연(周緣)의 모서리부, 즉 발 본체(160)의 측면(163)에서 접지부(171)에 이르는 부분은, 매끄러운 원호 곡면(R면)(164)으로서 구성되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 예를 들면 족부(150)의 주연 모서리부가 노면의 볼록부에 충돌하거나, 노면에 침입하는 등에 의해 보행식 이동 로봇(100)이 걸려 넘어지는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 보행식 이동 로봇(100)이 전도될 가능성에 놓인 경우에도 안전한 전도 동작으로 원활하게 이행할 수 있다.

또한, 발 본체(160)의 재질로서는 가능한 경량이고 강도가 뛰어난, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등이 바람직하다.

여기에서, 족부(150)의 사이즈에 대해서 도33 및 도34을 참조하면서 설명한다.

족부(150)의 크기는, 예를 들면 보행식 이동 로봇 본체의 사이즈 등에 따라서 임의로 정할 수 있다. 그러나, 예를 들면 보행식 이동 로봇이 일본의 가옥내를 보행하는 것을 상정하면, 미닫이의 문턱의 요철이 소형의 보행식 이동 로봇의 보행에 큰 장애가 될 것이 예측된다. 따라서, 이 문턱을 안정적으로 보행하기 위해, 족부(150)의 사이즈를 소정의 조건에 적합하도록 구성하는 것은 매우 유효하다. 미닫이의 문턱을 밟더라도 안정적으로 보행 가능한 족부(150)의 조건에 대해 설명한다.

여기에서 고려해야 할 조건은, 발(150)의 접지부(171)를 문턱의 홈에 빠지지 않는 크기로 하는 것이다. 도33에 도시한 바와 같이, 족부(150)는 보행 방향에 대해서 전후 방향에 있는 제1 오목부(170)의 단부가 접지부(171)로 되어 있다. 접지부(171)의 주연측에 더 가까운 측은, 원활한 곡면(164)에 의해 발 본체(160)의 측면(163)에 연결되어 있고, 또 접지부(171)의 발 본체의 중앙측은 제1 오목부(170)의 완만한 경사면(172)으로 되어 있다. 따라서, 경사면(172)에서 발 본체(160)의 주연 모서리의 곡면까지의 범위가, 발 본체에서 돌출되어 있는 광의의 접지 영역인 것으로 판단되고, 그 부분이 문턱의 홈에 빠지지 않으면 될 것으로 판단된다.

따라서, 도33에 도시한 바와 같이, 이 접지 영역의 보행 방향(X방향)의 길이L1, L2 , 족부(150c)의 전체 길이 L, 및 이 접지 영역의 횡방향(Y방향)의 길이로서의 족부(150c)의 가로 폭 W에 대해서 조건을 설정한다.

한편, 일본 가옥에 이용되는 문턱은, 예를 들면 도34에 도시한 바와 같은 형상이다. 도34(A)는 홈이 2개인 문턱을, 도34(B)는 홈이 3개인 문턱을 나타낸다. 도34(A) 및 도34(B)에 있어서, 각각 홈 부분의 길이를 Lg1, Lg2, Lg3, 산 부분의 길이를 Lm1,Lm2로 한다. 또한, 통상 널리 이용되는 문턱은 Lg1=Lg2=Lg3=21mm, Lm1=Lm2=12mm이다.

그리고, 보행식 이동 로봇이 통상의 보행 방향으로 걷는 경우에, 그 발(150c)이 홈 2개로 이루어진 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(7)의 조건을 만족시키는 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

L1, L2 ＞ Lg1 (= Lg2)

L ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2 …(7)

또한, 보행식 이동 로봇이 통상의 보행 방향으로 걸은 경우에, 그 발(150c)이 홈 3개로 이루어진 문턱의 홈에 빠지지 않기 위해서는, 식(8)의 조건을 만족시키는 접지 영역 및 발의 사이즈일 필요가 있다.

L1, L2 ＞ Lg1 (= Lg2)

L ＞ Lg1 + Lm1 + Lg2

L1, L2 ＜ Lm1 + Lg2 + Lm2 …(8)

따라서, 보행식 이동 로봇의 발(150c)의 접지부가 홈 2개로 이루어진 문턱에 빠지지 않기 위해서는 L1, L2 ＞ 21mm, L ＞ 54mm, 또 보행식 이동 로봇의발(150c)이 홈 3개로 이루어진 문턱에 빠지지 않기 위해서는, 21mm ＜ L1, L2 ＜ 45mm, L ＞ 54mm라는 조건을 만족시킬 필요가 있다. 또한, 발(150c)은 L=105.8mm, W=69.8mm, L1=L2=33mm이다.

또한, 보행식 이동 로봇이 횡보할 경우에는, 발(150)의 횡방향에 대해서도 보행 방향과 같은 조건을 설정할 필요가 있으나, 발(150)에 대해서는 그 접지 영역은 횡방향으로 발바닥의 장심 등에 의해 분할되어 있지 않으므로, 문턱의 홈의 폭에 대해서 충분한 길이가 있다. 따라서, 여기에서는 설명을 생략한다.

족부(150)의 제7 구체예에 대해서, 도35∼39를 참조하면서 설명한다. 도35는 사시도, 도36은 측면도, 도37은 이면도, 도38은 도37의 A-A선을 따라서 절단한 단면도, 도39는 도37의 B-B선을 따라서 절단한 단면도이다.

제7에 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 대략 구형 판상의 부재로 구성된 발 본체(1000)를 구비하여 구성된다. 발 본체 (1000)의 재질로서는, 가능한 경량이며 강도 면에서 우수한 재료, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 채용할 수 있다.

발 본체(1000)의 상면(1001)에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1002)가 일체적으로 형성되어 있다. 발 본체(1000)의 하면(발바닥면)에는, 그 주연부에 노면에 대한 접지부(1003)가 형성되어 있다(도6의 사선으로 나타낸 부분 참조). 발 본체(1000)의 하면의 접지부(1003)의 내측에는, 오목 형상으로 함몰되도록 형성된 사면부(1005)를 갖는 발바닥의 장심부(1004)가 형성되어 있다.

발바닥의 장심부(1004)는 돔형으로 함몰하여 형성되어 있으며, 그 주연부는접지부(1003)에 결합되어 있다. 즉, 발 본체(1000)의 발바닥면이 노면에 접지되었을 때에, 접지부(1003)가 노면에 함께 맞닿아, 발바닥의 장심부(1004)는 그 노면으로부터 뜬 상태가 되도록 되어 있다. 단, 발바닥의 장심부(1004)의 형상은 돔형으로 한정되지 않고, 사각추상, 원추상(그라인딩 보울상)으로 할 수 있다. 발바닥의 장심부(1004)의 형상은 그 밖의 형성으로 할 수 있으며, 접지부(1002)에 연속하는 내측에 함몰하는 경사면(예를 들면, 테이퍼 면)을 갖고 있으면 된다.

발 본체(1000)의 측면(1006)과 접지부(접지면)(1003)는 매끄러운 곡면으로 결합되어 있다. 이 곡면은 원호면(R면)(1007)으로 했다. 또한, 접지부(1003)와 발바닥의 장심부(1004)도, 마찬가지로 매끄러운 곡면으로 결합하는 것이 바람직하다.

발 본체(1000)의 발바닥면에 있는 접지부(1003)의 내측에 발바닥의 장심부(1004)를 갖고 있으므로, 보행식 이동 로봇의 보행 동작에 따라 ZMP의 위치가 변화하여, 발 본체(1000)에 휨이 발생한 경우에도, 접지부(1003)의 실질적인 위치 및 형상의 변화는 극히 작게 된다. 따라서, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력의 변화도 작아지고, 로봇의 거동에 예기치 않은 변화를 초래하는 경우가 적어지고, 스핀 동작(로봇이 접지부를 중심으로 회전하는 운동)이 발생하게 되는 경우를 줄일 수 있다. 따라서, 로봇 자세의 안정성이 높고, 안정된 동작을 계속할 수 있다. 또한, 노면에 대해서 이반하는 발바닥의 장심부(1004)를 형성했으므로, 접지부(1003)가 발 본체(1000)의 중심에서 떨어진 위치에 설정되어, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력을 저해하지 않고, 접지부(1003)의 면적이 작아지므로, 노면과의 사이의 마찰력의 극단적인 상승을 방지할 수 있으며, 이에 의해서도 로봇의 걸려 넘어짐을 억제할 수 있다.

또한, 발 본체(1000)의 측면(1006)과 접지부(1003)는 매끄러운 R면(1007)으로 결합되어 있으므로, 그 부분이 노면의 요철에 걸려서 넘어지는 등의 장애를 억제할 수 있으며, 로봇의 전도 등을 저감할 수 있다.

또한, 노면에 요철이 있어서, 발바닥부의 중간 부분이 노면의 요철에 위치하는 경우에도, 발바닥의 장심부(1004)가 존재하므로, 족부가 볼록부 위에 놓이는 소위 시소 상태가 되는 경우가 적어진다.

족부(150)의 제8 구체예에 대해서, 도40∼도41을 참조하면서 설명한다. 도40은 사시도, 도41은 측단면도이다.

제8 구성에 따른 족부는 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 대략 구형판(矩形板)형의 부재로 형성된 발 본체(1100)를 구비하여 구성된다. 발 본체 (1100)의 재질로서는, 가능한 경량이며 강도 면에서 우수한 재료, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 채용할 수 있다.

발 본체(1100)의 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1101)가 일체적으로 형성되어 있다. 발 본체(1100)의 하면(발바닥면)에는, 그 전후의 단부 근방에 노면에 대한 접지부(1102)가 각각 형성되어 있다. 발 본체(1100)의 하면의 접지부(1102)의 내측에는, 홈형상으로 함몰하도록 발바닥의 장심부(1103)가 형성되어 있다.

발바닥의 장심부(1103)는, 돔형으로 함몰하여 형성되어 있으며, 그 전후의주연부는 접지부(1102)에 결합되어 있다. 또한, 좌우 주연부는 발 본체(1100)의 측면에 직접 접속되어 있으며, 발 본체(1100)의 발바닥면이 노면에 접지되었을 때, 접지부(1102)가 노면에 함께 맞닿아, 발바닥의 장심부(1103)는 좌우에 걸쳐 관통한 상태가 되도록 되어 있다. 단, 발바닥의 장심부(1103)의 형상은 돔형으로 한정되지 않고, 사각추상, 원추상(그라인딩 보울), 아치면상으로 할 수 있다. 발바닥의 장심부(1103)의 형상은 그 밖의 형상으로 할 수 있으며, 접지부(1102)에 연속하는 내측에 함몰하는 경사면을 갖고 있으면 된다.

발 본체(1100)의 측면(1104)과 접지부(접지면)(1102)는, 매끄러운 곡면으로 결합되어 있다. 이 곡면은 원호면(R면)으로 한다. 또한, 접지부(1102)와 발바닥의 장심부(1103)도 마찬가지로 매끄러운 곡면으로 결합하는 것이 바람직하다.

족부(150)의 제9 구체예에 대해서, 도42∼도43을 참조하면서 설명한다. 도42는 측단면도, 도43은 이면도이다.

제9 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 대략 구형판상의 부재로 구성된 발 본체(1200)를 구비하여 구성된다. 발 본체 (1200)의 재질로서는, 가능한 경량이며 강도 면에서 우수한 재료, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 채용할 수 있다.

발 본체(1200)의 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1201)가 일체적으로 형성되어 있다. 발 본체(1200)의 하면(발바닥면)에는, 그 모서리부 근방에 각각 즉 4개의 접지부(1202a∼1202d)가 형성되어 있다. 발 본체(1200)의 하면의 접지부(1202a∼1202d)의 내측에는, 한쌍의 사면부(1203) 및 그접지부(1202a∼1202d)에 의해 구성되는 면에 대략 평행으로 거의 원형의 평탄면부 (1204)를 갖는 발바닥의 장심부(1205)가 형성되어 있다. 평탄면부(1204)는 발 본체(1200)의 판 두께가 얇으므로, 그 강도를 확보하기 위해 형성한 것으로, 판 두께가 충분히 두꺼운 경우에는, 평탄면부(1204)는 형성하지 않고, 발 본체(1200)의 중앙 부분으로 감에 따라서 서서히 깊어지도록 경사면을 형성할 수도 있다.

사면부(1203)는 그 내측으로 감에 따라서, 함몰하도록 형성되어 있으며, 일예로서 평균 1/20 정도의 경사를 갖고 있다. 사면부(1203)는 평탄면일 수도 있고, 원추면일 수 있으며, 또는 다른 면 형상을 가질 수도 있다. 여기에서는 대략원추면(그라인딩 보울면)을 채용했으나, 그 중앙 부분에서 경사 각도가 크고, 좌우의 양단 부분으로 감에 따라서, 경사 각도가 작아지는 사면으로 되어 있다.

참고로, 각 부의 상세한 치수를 나타내면, 발 본체(1200)의 접지부 (1202a∼1202d)의 부분에 있어서의 판 두께는 t1=5mm, 평탄면부(1204)에서의 판 두께는 t2=4.2㎜, 접지부 근방에서의 측면과의 결합 부분의 곡면의 반경은 r1=4㎜, 측면간의 결합 부분의 곡면의 반경은 r2=4㎜, 평탄면부의 직경은 d=66㎜, 대각에 있는 접지부(1202a와 1202d) 또는 접지부(1202b와 1202c)간의 치수는 D=100㎜, 사면부(1203)의 중앙부에서의 치수는 m1=12㎜, 사면부(1203)의 양단부에서의 치수 m2=30㎜이다.

접지부(1202a와 1202b) 및 접지부(1202c와 1202d) 사이를 직선적으로 연결하여(같은 높이로서), 직선상의 접지부를 구성할 수도 있으며, 접지부(1202a와 1202b) 및 접지부(1202c와 1202d) 사이를 원호상, 또는 그 밖의 형상으로 오목상으로 함몰시킬 수도 있다. 이 경우, 사면부(1203)는 이 형상으로 매끄럽게 연속하도록 수정된다.

족부(150)의 제10 구체예에 대해서, 도44∼도45를 참조하면서 설명한다. 도44는 평면도, 도45는 마찬가지로 일부를 파단한 측면도이다.

제10 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 발등 부재(1310) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1320)를 구비하여 구성되고, 발바닥 부재(1320)를 발등 부재(1310)에 유동 가능하도록 결합한 이중 구조로 되어 있다.

발등 부재(1310)는 대략 구형판상의 부재로 구성되고, 그 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1311)가 일체적으로 형성되어 있다. 발등 부재 (1310)의 하면에는, 도시는 생략했으나, ZMP를 산출하기 위한, Z축 방향의 압력을 검출하는 복수의 파워 센서가 배설되어 있다. 본 실시 형태에서는, 파워 센서는 발등 부재(1310)의 하면의 네모서리 근방에 각각, 즉 4개 설치되어 있다.

이들 파워 센서는 각각 금속 다이어 프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지고, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이어프램에 점착하여 구성된다. 단, 파워 센서는 이와 같은 구성인 것으로 한정되지 않고, 다른 구성인 것을 채용할 수도 있다.

발바닥 부재(1320)는 그 상면이 개방된 대략 구형 상자형의 부재이며, 대략 구형 판상의 바닥판부(1321) 및 그 주위를 따라서 일체적으로 세워 설치된 측판부(1322)를 갖고 있다. 바닥판부(1321)의 상면은 발등 부재(1310)의 하면에맞닿아 있다. 바닥판부(1321)의 하면에 의해 족부(150)의 발바닥면이 구성된다. 바닥판부(1321)의 하면과 측판부(1322)의 외면과의 경계 부분은 R면(원호면)또는 매끄러운 곡면으로 되어 있다.

바닥 부재(1320)에는, 그 네모서리 근방에 각각 접지부(1323)가 형성되어 있다. 발바닥 부재(1320)의 하면의 접지부(1323)의 내측에는, 한 쌍의 사면부(1324) 및 그 접지부에 의해 구성되는 면에 대략 평행으로 대략 원형의 평탄면부(1325)를 갖는 발바닥의 장심부(1326)가 형성되어 있다.

사면부(1324)는 그 내측으로 감에 따라서 함몰하도록 형성되어 있다. 사면부(1324)는 평탄면으로 할 수 있고, 원추면으로 할 수도 있으며, 또는 다른 면형상을 갖고 있을 수도 있다.

발바닥 부재(1320)는 측판부(1322)의 내측의 형상은, 발등 부재(1310)의 측면의 형상에 대해서 근소하게 큰 상사 형상으로 되어 있다. 발등 부재(1310)의 측면은 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면에 미세한 간극(여유)을 갖고 대면하고 있으며, 이에 따라, 발바닥 부재(1320)는 발등 부재(1310)에 대해서, 그 발등 부재(1310)의 하면을 따라서, 즉 X-Y 평면내에 있어서, 임의의 방향으로 유동할 수 있게 되어 있다.

발바닥 부재(1320)는 유휴 다리시에 발등 부재(1310)에서 낙하하지 않도록 또 X-Y 평면내에서의 유동을 제한하지 않도록, 도시 않은 유지 기구를 통하여 발등 부재(1310)에 결합되어 있다. 이 유지 기구는 발바닥 부재(1320)의 교환을 위해, 용이한 조작으로 착탈하는 기구도 구비하는 것이 바람직하다.

발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면 사이에는, 완충 부재(완충 수단)(1330)가 개재하여 장착되어 있다. 완충 부재(1330)로서는 여기에서는 무단상의 고무 시트를 채용하고, 발바닥 부재(1320)의 측판부 (1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면과의 사이의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착되어 있다. 단, 완충 부재는 이와 같은 것으로 한정되지 않고, 판스프링, 스폰지, 고형 내지 반유동체상의 점성 수단을 채용할 수도 있다.

또한, 완충 부재는 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재 (1310)의 측면간과의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장치하면, 그 간극에 이물 등의 진입을 방지할 수 있다는 점에서 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 간헐적으로 배설하도록 할 수도 있다. 또한, 완충 부재를 완전히 생략할 수도 있다.

족부(150)의 제11의 구체예에 대해서, 도46∼도47을 참조하면서 설명한다. 도46은 제11 구성에 따른 족부의 개략 구성을 나타낸 평면도이다. 이 도에는 좌우 다리의 선단부에 각각 결합되는 족부 중 한쪽 구성을 나타내고 있으나, 다른쪽 족부도 대칭면으로 구성되어 있는 것을 제외하고 같은 구성이다.

제11 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 대략 구형 판상의 부재로 형성된 발 본체(1110)를 구비하여 형성된다. 발 본체(1110)의 재질로서는 가능한 경량이며 강도의 면에서 우수한 재료, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 채용할 수 있다.

발 본체(1110)의 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1111)가 일체적으로 형성되어 있다. 발 본체(1110)의 하면(발바닥면)이 노면에 대한 접지면이며, 도시한 예에서는 발바닥면은 평면으로 하고 있다.

발바닥면의 외형 형상은 동일 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 대략 구형 형상으로 되어 있다. 특히 한정되지 않으나, 발바닥면에는, 예를 들면 미끄럼 방지를 위한 복수의 홈과 오목 형상으로 함몰되도록 형성된 발바닥의 장심부를 형성할 수도 있다. 발바닥의 장심부로서는, 도시는 생략하지만, 돔 형상, 사각추상, 원추상(그라인드 보울 형상)으로 함몰된 것 중 어느 것으로 할 수 있다. 또한, 발바닥의 장심부를 형성한 발에 대해서는, 출원인에 의해 출원된 일본 특허 출원 2002-037988호 명세서 등에 기재되어 있다.

동일 도면에 있어서, 참조 번호 1112는 다른 쪽 발에 대해서 먼 측의 측연(외측연)또는 측면(외측면)이며, 참조 번호 1113은 당해 발과 쌍을 이루는 다른쪽 발에 대해서 가까운 측의 측연(내측연)또는 측면(내측면)이며, 참조번호 1114는 로봇의 정면측의 측연(전측연) 또는 측면(전측면)이며, 참조 번호 1115는 로봇의 배면측의 측연(후측연) 또는 측면(후측면)이다.

동일 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발 본체(1110)의 모든 측면(1112∼1115)은 평면으로 되어 있으며, 따라서, 모든 측연(1112∼1115)도 직선으로 되어 있다. 또한, 발바닥면에 측면(1112∼1115)에까지 이르는 홈과 발바닥의 장심부를 형성한 경우에는, 각 측연(1112∼1115)은 실제로는 그 홈과 발바닥의 장심부의 형상에 대응한 곡선과 불연속적인 직선 등이 되나, 적어도 각 측연(1112∼1115)을 그 발바닥면을 포함하는 면에 투영한 경우에 직선이 되도록 설정되어 있으면 된다.

발 본체(1110)의 각 측면(1112∼1115)의 인접하는 측면과의 사이의 부분은매끄러운 곡면으로 접속되어 있다. 여기에서는, 이 곡면은 원호면(R면)으로 했다. 또한, 발 본체(1110)의 각 측면(1112∼1115)과 발바닥면과의 사이의 부분도, 마찬가지로 매끄러운 곡면으로 접속되어 있다. 이와 같은 각면(측면, 발바닥면)과의 사이의 부분을 매끄러운 곡면으로 접속하는 것은 그 부분이 노면 등의 요철에 걸려 넘어지는 등의 장애를 억제하기 위한 것이다.

도47은 이 같은 제11 구성에 따른 족부의 전도시의 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도47의 왼쪽 도면은 로봇이 노면상에 한쪽발(오른발로 한다)로 서있는 경우를 나타내며, 참조 번호 50은 로봇의 중심 위치를 나타낸다. 도47의 오른쪽 도면은 로봇에 횡방향으로(좌측에서) 어떠한 외력이 작용하는 등으로 인하여, 로봇이 우측으로 균형을 잃고 전도하기 시작하는 상태를 나타낸다.

도47의 오른쪽 도면에 도시된 바와 같이, 그 로봇은 발 본체(1110)의 외측연 (1112)을 포함하는 선(51)을 그 전도 기준(회전 중심축)으로서 회전하여 전도하게 되어, 이 때 그 외측연(1112)의 전체가 노면에 선접촉하므로, 요축 주위에 회전하는 거동을 취하는 경우는 거의 없음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 내측연(1113), 전측연(1114), 후측연(1115)측으로 전도하는 경우에도, 이와 동일하다.

제11의 구성에 따른 족부에 있어서는, 발 본체(1110)의 각 측면(1112∼1115)을 모두 평면으로 하고, 그 평면보다도 외측으로 돌출하는 부분을 형성하지 않으므로, 로봇이 전도하려고 하는 경우에는, 각 측연(1112∼1115)중 어느 것을 회전 중심으로서 전도하게 되므로, 전도시의 로봇의 자세와 거동을 용이하게 예측할 수 있다.

족부(150)의 제12 구체예에 대해서 도48∼도49를 참조하면서 설명한다.

도48은 제12 구성에 따른 족부의 개력 구성을 나타내는 평면도이다. 이 도면에서는 좌우 다리의 선단부에 각각 결합되는 족부의 한쪽 구성을 나타내며, 다른쪽 족부도 면대칭으로 구성되어 있는 것을 제외하고 같은 구성이다.

제12 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 대략 구형판상의 부재로 구성된 발 본체(1210)를 포함하여 구성된다. 발 본체 (1210)의 재질은, 상술한 제11 구성에 따른 족부와 마찬가지이다.

발 본체(1210)의 상면에는 발목(114)에 연결되기 위한 연결부(1211)가 일체적으로 형성되어 있다. 발 본체(1210)의 하면(발바닥면)이 노면에 대한 접지면이며, 본 예에서는 발바닥면은 평면으로 한다.

발바닥면의 외형 형상은 같은 도면에 도시되어 있는 형상으로 되어 있다. 특별히 한정되지 않으나, 발바닥면에는 예를 들면 미끄럼 방지를 위한 복수의 홈과 오목상으로 함몰되도록 형성된 발바닥의 장심부를 형성할 수 있는 것은 상술한 제11 구성에 따른 족부와 마찬가지이다.

이 도면에 있어서, 참조 번호 1212는 다른쪽 발에 대해서 먼 측의 측연(외측연) 또는 측면(외측면)이며, 참조 번호 1213은 당해 발과 쌍을 이루는 다른쪽 발에 대해서 가까운 측의 측연(내측연) 또는 측면(내측면)이며, 참조 번호 1214는 로봇의 정면측의 측면(전측면) 또는 측면(전측면)이며, 참조 번호 1215는 로봇의 배면측의 측연(후측연) 또는 측면(후측면)이다.

이 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발 본체(1210)의 모든 측면(1212∼1215)은 내측에 오목 형상이 되도록 만곡한 곡면으로 되어 있으며, 따라서 모든 측연(1212∼1215)도 내측에 오목 형상이 되도록 만곡한 곡선으로 되어 있다. 또한, 발바닥면에 측면(1212∼1215)에까지 이르는 홈과 발바닥의 장심부를 형성한 경우에는, 각 측연(1212∼1215)은 실제로는 그 홈과 발바닥의 장심부의 형상과 이에 대응하는 측면의 형상을 합성한 곡선과 불연속적인 직선 등이 되나, 적어도 각 측연(1212∼1215)을 그 발바닥면을 포함하는 면에 투영한 경우에 내측에 오목형상이 되도록 만곡한 곡선이 되도록 설정되어 있으면 된다.

발 본체(1210)의 각 측면(1212∼1215)은 인접하는 것과의 사이의 부분, 및 각 측면(1212∼1215)과 발바닥면과의 사이의 부분이, 매끄러운 곡면으로 접속되어 있는 것은 상술한 제1 구성의 경우와 마찬가지이다.

도49는 이 제12 구성에 따른 족부의 전도시의 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도49의 왼쪽 도면은 로봇이 노면상에 한쪽 발(오른발로 한다)로 서있는 경우를 나타낸 것이며, 도60은 로봇의 중심 위치이다. 도49의 오른쪽 도면은 로봇이 횡방향으로(좌측에서) 어떠한 외력 등이 작용하여, 로봇이 우측으로 균형을 잃고 전도하기 시작하는 상태를 나타낸다.

도49의 오른쪽 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 그 로봇은 발 본체(1210)의 외측연(1212)의 가장 돌출된 전후 2점을 연결하는 선을 포함하는 선(61)을 그 전도 기준(회전 중심축)으로서 회전하여 전도하게 되어, 그 외측연(1212)의 당해 2점이 노면에 맞닿아 있으므로, 요축 주위로 회전하는 거동을 취하는 경우가 거의 없음을이해할 수 있다. 또한, 내측연(1213), 전측연(1214), 후측연(1215)측으로 전도하는 경우에 있어서도, 거의 같다.

이와 같이, 제12 구성에 따른 족부에 있어서는, 발 본체(1210)의 각 측면(1212∼1215)을 모두 내측으로 만곡된 곡면으로 했으므로, 로봇이 전도하려고 하는 경우에는, 각 측연(1212∼1215)의 가장 돌출한 전후 2점을 연결하는 선중 어느 것을 회전 중심으로서 전도하게 되므로, 전도시의 로봇의 자세와 거동을 용이하게 예측할 수 있다.

또한, 본 예에서는 모든 측면(1212∼1215)을 내측으로 만곡하는 곡면으로 했으나, 그 일부만을 곡면으로 할 수도 있다.

족부(150)의 제13 구체예에 대해서, 도50을 참조하면서 설명한다.

제13 구성에 따른 족부는, 상술한 제11 구성에 따른 족부의 구성을 약간 변경한 것이다. 도50은 제13 구성에 따른 족부의 개략 구성을 나타내는 평면도이다. 상술한 제1 구성에 따른 족부와 실질적으로 동일 부분에는 동일 번호를 부여하고 그 설명은 생략한다.

족부(1310)는 각 측면(1112∼1115)의 각각의 대략 중앙부에, 내측으로 함몰하는 절결부(1322∼1325)를 추가적으로 형성한 점이 서로 다르다. 절결부 (1322∼1325)는 발 본체(1310)의 상면 및 하면(발바닥면)에 이르도록 형성되어 있다. 그 밖의 구성은 상술한 구성과 같다. 전도시에는 대응하는 측연 (1112∼1115)(절결부(1322∼1325) 이외의 부분)이 노면에 맞닿은 상태에서 그 측연 (1112∼1115)을 그 회전 중심으로서 전도한다.

절결부(1322∼1325)를 형성한 것은, 전도하려고 할 때에 노면상에 작은 볼록부와 장애물 등이 존재할 경우에, 절결부(1322∼1325)의 존재에 의해, 노면에 맞닿아 있는 측연이 당해 볼록부 등의 위에 위치하게 되는 것을 억제하고, 전도시의 자세와 거동의 예측성을 저해하는 것을 줄이기 위해서이다.

또한, 절결부(1322∼1325)의 구성은 동일 도면에 도시한 바와 같은 형상으로 한정되지 않고, 원호면과 그 밖의 형상으로 할 수도 있다. 또한, 모든 측면(1112∼1115)에 대응하여 전체에 절결부(1322∼1325)를 형성할 필요는 없고, 그 중의 일부만으로 할 수 있다.

족부(150)의 제14 구체예에 대하여 도51을 참조하면서 설명한다.

이 제14 구성에 따른 족부는 상술한 제12 구성에 따른 족부의 구성을 약간 변경한 것이다. 도51은 제14 구성에 따른 족부의 개략 구성을 나타낸 평면도이다. 상술한 제2 구성에 따른 족부와 실질적으로 동일 부분에는 동일 번호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.

족부(1410)는 각 측면(1212∼1215)의 각각의 대략 중앙부에, 내측으로 함몰하는 절결부(1422∼1425)를 추가적으로 형성한 점이 서로 다르다. 절결부(1422∼1425)는 발 본체 (1410)의 상면 및 하면(발바닥면)에 이르도록 형성되어 있다. 그 밖의 구성은 상술한 제2 구성과 같다. 전도시에는, 대응하는 측연(1212∼1215)의 가장 돌출된 2점 부분이 노면에 맞닿은 상태에서 그 2점을 연결하는 가상의 선(도중, 일점 쇄선으로 나타낸다)을 그 회전 중심으로서 전도하게 된다.

절결부(1422∼1425)를 형성한 것은, 상술한 제13 구성에 따른 족부와 같은 이유에 의한 것이다. 또한, 절결부(1422∼1425)의 구성은 동일 도면에 도시한 바와 같은 형상으로 한정되지 않고, 도50에 도시한 절결부(1322∼1325)와 같은 형상과 그 밖의 형상으로 할 수도 있다. 또한, 모든 측면(1212∼1215)에 대응하여 전체에 절결부(1422∼1425)를 형성할 필요는 없고, 그 중의 일부만으로 할 수도 있다.

이어서, 본 발명에 따른 보행식 이동 로봇(100)의 족부(150a∼150c)의 동작 및 특징에 대해서, 도52∼도61을 참조하면서 설명한다.

우선, 본 실시 형태의 보행식 이동 로봇(100)의 족부(150; 150a∼150c))에 있어서는, 도52(A)에 도시한 바와 같이, 족부(150)의 이면에 발바닥의 장심부(247)등의 오목부를 형성하여 접지 부분을 항상 족부(150)의 주연부에 유지한다. 따라서, 도52(B)에 도시한 바와 같이, 예를 들면 족부(150)의 중앙 부근에 가중이 걸려 발바닥 기구가 변형된 경우와, 보행식 이동 로봇의 보행 동작에 따라 ZMP의 위치가 변화하여 발 본체(160)에 휨이 발생한 경우더라도, 접지부(245)의 위치 및 형상의 변화는 극히 작게 되며, 요축 주위의 모멘트에 대한 항력 변화도 작어진다. 즉, 접지 부분은 항상 족부(150)의 주연부에 유지되어 있으며, 지지 모멘트의 저하가 억제되게 되어, 로봇이 접지부를 중심으로 하여 회전하는 스핀 운동 등의 로봇의 예기치 않은 거동 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 자세의 안정성이 높고, 안정적인 동작을 계속할 수 있는 보행식 이동 로봇을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 보행식 이동 로봇(100)의 족부(150)에 있어서는, 도53에 도시한 바와 같이 단차를 밟은 경우에, 단차의 볼록부가 발바닥의 장심부(247), 특히 제2 오목부(260)에 있어서 흡수되어, 발바닥 기구가 영향을 받지 않게 하는 가능성을 높일 수 있다. 따라서, 이동면의 요철과 단차에 대해서, 이동 성능이 향상되고 강인한 특성을 갖는 보행식 이동 로봇을 실현할 수 있다.

또한, 이 같은 족부(150)는 도54에 도시한 바와 같이, 융단 등의 유연한 면위를 보행하는 경우에도 유효한 특성을 갖는다.

융단은 미끄러지기 쉽고 부드럽다는 특성을 가지며, 보행식 이동 로봇의 관점에서 보면, 요잉 방향의 모멘트가 확보되기 어렵고, 지지 모멘트도 높이기 어렵고, 걷기 어려운 바닥면이다. 또한, 발바닥 형상에 있어서는, 걸려서 전도 모멘트를 발생할 위험성도 있다.

이에 비해, 본 실시 형태의 보행식 이동 로봇(100)의 족부(150)에 있어서는, 발바닥 주연부를 매끄러운 형상으로 했으므로, 모족이 걸리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 융단의 모족을 중앙부의 발바닥의 장심부(247) 등의 오목부(180)에 침입시켜, 적당한 마찰력을 확보함과 동시에, 요잉 방향의 모멘트를 발생시켜 조정할 수 있다. 또한, 융단의 모족이 유연부에까지 달한 경우에는, 이에 따른 마찰이 요잉 방향의 지지력으로서 작용한다. 이 같은 결과, 융단 상에서도 적절한 제동력 및 추진력을 발휘할 수 있어, 안정적으로 이동할 수 있다.

또한, 족부(150)에 있어서는, 발 본체(240)의 측면(243)과 접지부(245)의 사이를 매끄러운 원호 곡면(R면)(244)으로 결합하고 있다. 따라서, 이 부위가 바닥면에 대해서 걸리는 소위 과잉 마찰력 상승을 일으켜 전도 모멘트가 발생하는 위험을 억제할 수 있어, 도55에 도시한 바와 같이 원활하게 이동할 수 있다.

또한, 족부(150)에 있어서는, 발 본체(240)의 발바닥의 장심부(247)등의 오목부내에 유연부(270)를 갖는다. 유연부(270)는 도53을 참조하여 전술한 바와 같이, 그 오목부내에 침입해 온 단차 등의 볼록부를, 스스로 변형하여 수용함과 함께 그 볼록부에 대해서 접착력에 의한 마찰 유지력을 발휘한다. 즉, 스스로 형상 변화를 적절히 조정하여, 노면 상태에 익숙해지는 효과를 발휘한다. 즉, 이들 형상 변화를 적절히 조정하여, 노면 상태에 익숙해지는 효과를 갖는다.

예를 들면, 도56은 제2 오목부(260)의 천정면(261)에 의해 단차를 지지하고 있는 상태를 나타낸다. 이와 같은 상태에 있어서, 유연부(270)가 노면과 익숙해져 마찰력을 발휘하고, 족부(150)가 미끄러져 단차로부터 미끄러져 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

특히, 도57에 도시한 바와 같이, 족부(150)에 대해서 비교적 큰 단차에 있어서, 발바닥의 장심부(247)로 지지하는 것이 불가피하게 된 경우에도, 유연부(270)의 한쪽 측면의 위치(271)에서 접촉을 개시한 것이, 유연부(270)의 변형에 의해, 위치 (272)까지 확대되게 되어, 지지 다각형(273)은 도시한 바와 같이 대형 형상이 된다. 그 결과, 제어 안정 영역은 확대되게 되어, 보다 안정된 제어가 가능해진다.

노면의 볼록부가 유연부(270)에 이르는 경우의 변형예를 도58 및 도59에 나타낸다. 도58은 고무 등의 통상의 탄성 부재로 형성된 표준적인 유연부(270)의 변형 모습을 나타내고 있다. 유연부(270)는 지지 모멘트를 발생한다는 관점에서는한계가 있다. 따라서, 보다 유연한 재질로 변형을 어느 정도 유지할 수 있는 즉 히스테리시스 효과가 있는 부재를 사용함으로써, 도59에 도시한 바와 같이 이것을 확대할 수 있다. 이와 같은 변형을 하는 유연재(270)이면, 단차 등에서 떨어질 위험이 있는 때에도 보다 안전하게 보행식 이동 로봇을 지지할 수 있다.

또한, 족부(150)는 도60 및 도61에 도시한 바와 같이, 전도 운동 가능한 장애물을 밟은 경우에도 유효한 특성을 갖는다. 이와 같은 장애물을 밟은 경우는, 통상의 족부에서는 소위 새끼 거북이 걸려서 오도가도 못하는 상태가 되어, 이 장애물을 지지점으로 시소와 같은 거동을 하고, 지지 모멘트를 발생할 수 없으며, 비선형 특성이 되므로, 제어가 불안정하게 된다.

이에 비해, 유연부(270)를 구비함으로써, 예를 들면 장애물이 작은 경우에는, 도60에 도시한 바와 같이 장애물을 감싸안은 듯한 형태로 이를 밟게 되어, 발바닥의 지지점은 확보된다. 또한, 비교적 큰 장애물을 밟은 경우에도, 발바닥이 노면으로부터 떨어지는 높이 h가 작아도 되며, 불안정 요소가 줄어든다.

그리고, 유연부(270)에 의해 이들 장애물이 발 본체(260)의 이면에 익숙해지므로, 실질적으로 그 장애물이 발의 일부와 같이 작용하여, 예를 들면 극단적으로 빠른 운동이 발생되거나, 불연속적인 비선형 운동에 의해 제어가 불가능해지거나 할 가능성을 현저하게 억제할 수 있다.

또한, 족부(150)에 있어서는, 홈(246)은 족부(150)의 측면에 가까워질수록 그 폭이 좁아지도록 형성되어 있다. 이는 융단 등의 미끄러지기 쉬운 노면을 이동할 경우, 예를 들면 홈(246)의 측면(262)이 평행한 직선 형상으로 구성되어홈(246)의 폭이 변함없는 경우에는, 융단의 모족은 발바닥의 장심부(247)를 원활하게 흘러가며, 특별히 힘을 반발시키는 경우는 없다.

이에 비해, 도62에 도시한 바와 같이, 측면(262)을 평행하지 않은 상태로 한 경우, 특히 그 폭을 변화시킨 경우에는, 모족은 홈(246)의 폭에 의해 모이는 상택 되어, 반력을 발생한다. 이 반력은 마찰 유지력으로서 작용시켜 이용할 수 있으며, 통상 마찰력의 확보가 곤란한 융단상에서는 매우 유효하다.

족부(150)에 있어서는, 중앙부의 오목부에서 외부를 향한 홈(246)이 족부 (150)의 전후 좌우의 4방향에 형성되어 있다. 따라서, 도면을 참조하여 설명한 각 동작, 작용, 효과는 족부를 어느 방향으로 진행시켰더라도, 어떠한 각도로 단차를 밟았더라도, 어느 부분에서 장애물을 밟았더라도, 유효하게 될 가능성이 매우 높다. 따라서, 보다 안정성이 있고 불안정 요소가 적으며, 안정적인 제어가 가능한 보행식 이동 로봇의 발을 제공할 수 있다.

발등과 발바닥의 지지 구조

여기에서는 발의 등과 발바닥과의 지지 구조에 대한 제1 구체예에 대해서 도63∼도64를 참조하면서 설명한다. 도63은 족부의 측면도, 도64는 도63의 A-A선을 따른 단면도이다.

제1 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 발등 부재(1110) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1120)를 구비하여 구성되고, 발바닥 부재(1120)를 발등 부재(1110)에 유동 가능하도록 결합한 이중 구조로 되어 있다. 발등 부재(1110) 및 발바닥 부재(1120)의 재질로서는 가능한 경량이며 강도면에서 우수한 재료, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 채용할 수 있다.

발등 부재(1110)는 대략 구형으로 형성된 바깥 프레임부(1111), 바깥 프레임(1111)의 상면을 폐색하는 천판부 및 그 천판부에 형성된 연결부(1112)를 구비하여 구성되어 있다. 연결부(1112)는 발목(114)에 연결하기 위한 부분이다. 바깥 프레임부(1111)의 네 측면의 대략 중앙부에는 각각 관통하는 고정핀용 홀이 형성되어 있다. 이들 고정핀용 홀은 각각 횡방향(X축 방향 또는 Y축 방향)에 그 길이 방향을 갖는 긴 홀로 되어 있다.

발바닥 부재(1120)는 대략 구형판(矩形板)형의 부재로 구성되어 있다. 발바닥 부재(1120)의 측면은 발등 부재(1110)의 바깥 프레임부(1111)의 내면 형상에 대해서 근소하게 작은 형상으로 되어 있다. 발바닥 부재(1120)의 네 측면에는, 발등 부재(1110)의 바깥 프레임(1111)에 형성된 고정핀용 홀에 대응하는 위치에 각각 고정핀용 홀이 형성되어 있다.

발바닥 부재(1120)는 발등 부재(1110)의 바깥 프레임(1111)의 내측에 하측으로부터 삽입되듯이 배치된 상태에서, 고정핀(1130)을 프레임 부재(1111)의 외측으로부터 고정핀용 홀을 관통시켜 삽입하고, 고정핀(1130)에 그 선단부로부터 코일 스프링(1131)을 삽입하고, 또 고정핀(1130)의 선단부를 발바닥 부재(1120)가 대응하는 고정핀용 홀에 압입함으로써 발등 부재(1110)에 결합된다.

이 상태에서 발바닥 부재(1120)의 상면은 발등 부재(1110)의 천판부의 하면에 대면하게 됨과 동시에, 발바닥 부재(1120)의 각 측면은 발등 부재(1110)의 바깥프레임(1111)의 내면에 대응하는 면에, 소정의 간극(여유)을 갖고 각각 대면한 상태가 된다. 고정핀(1130)에 삽입되어 있는 코일 스프링(1131)은 이 상태에서 발바닥 부재(1120)의 측면 및 발등 부재(1110)의 바깥 프레임(1111)의 내면에 예압(豫壓)된 상태로 끼움 결합되어 있다. 이에 따라, 발바닥 부재(1120)는 상기 간극의 범위내(또는 발등 부재(1110)의 측면에 형성된 고정핀용 홀의 길이 방향의 길이의 범위내)에서 발등 부재(1110)의 천판부의 하면을 따라서(X-Y 평면내에서) 2축 방향(X축 방향, Y축 방향)으로 유동 가능한 상태로 되어 있다.

각 코일 스프링(1131)에 의해 발바닥 부재(1120)에 부여되는 탄성력은 발바닥 부재(1120)에 외력이 작용하지 않는 상태로, 발바닥 부재(1120)가 발등 부재 (1110)의 바깥 프레임부(1111)의 내측에서 중심 위치(중립 위치)에 위치하도록 설정되어 있다.

발바닥 부재(1120)의 하면에는, 도시는 생략하지만, Z축 방향의 압력을 검출하는 복수의 파워 센서가 배치되어 있다. 이들 파워 센서는 ZMP를 산출하기 위해 이용되는 것으로, 본 실시 형태에서는 발바닥 부재(1120)의 하면 네 모서리 근방에 각각 설치되어 있다.

이들 파워 센서는, 각각 금속 다이아프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지며, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이아프램에 접착하여 구성된다. 단, 파워 센서는 이와 같은 구성인 것에 한정되지 않고, 다른 구성인 것을 채용할 수도 있다. ZMP 검출용 파워 센서의 수와 배설 위치도 상기에 한정되지 않는다.

또한, 발바닥 부재(1120)에는 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 가속도 센서(1132)가 탑재되어 있다. 가속도 센서(1132)를 설치하는 위치는, 특별히 한정되지 않으나, 본 실시 형태에서는 도64에 도시되어 있는 바와 같이, 발바닥 부재(1120)의 중앙부의 내부에 설치하는 것으로 했다. 이 가속도 센서의 출력은 노면의 중력 방향에 대한 기울기 검출, 노면의 요철 등에 의한 걸려 넘어짐의 검출에 이용된다.

또한, 상기에 있어서는, 발바닥 부재(1120)를 발등 부재(1110)에 유동 가능하도록 지지하기 위해, 고정핀(1130)의 선단부를 발바닥 부재(1120)의 고정핀용 홀에 압입하는 것으로 했으나, 고정핀(1130)의 선단에 수나사를 형성하고, 발바닥 부재(1120)의 고정핀용 홀을 암나사로 하여, 이들을 나사 결합하도록 할 수도 있다. 또한, 고정핀(1130)을 발등 부재(1110)측에 압입 또는 나사 결합에 의해 고정하여, 발바닥 부재(1120)의 고정핀용 홀을 횡방향(X축 방향 또는 Y축 방향)으로 그 길이 방향을 갖는 긴 홀로서, 고정핀(1130)의 선단부가 그 고정핀용 홀의 내부에서 X방향 및 Y방향으로 슬라이드하도록 하여도 된다. 발바닥 부재(1120)를 발등 부재(1110)에 유동 가능하도록 지지하는 구조로서는 이와 같은 구조로 한정되지 않고, 다른 구성을 채용할 수 있다.

또한, 완충 수단으로서 코일 스프링(1130)을 이용했으나, 이를 대신하여 다른 탄성 부재, 예를 들면 판스프링, 그 밖의 스프링, 고무 등을 채용할 수도 있다.

발바닥 부재(1120)는 발등 부재(1110)에 유동 가능하도록 결합했으므로, 로봇의 보행 동작 시에, 발바닥 부재(1120)와 발등 부재(1110)의 운동 사이에 시간적지연이 발생됨과 동시에, 발바닥 부재(1120)와 발등 부재(1110)의 사이에 완충 수단으로서의 코일 스프링(1131)을 개재하여 장착했으므로, 유휴 다리가 노면에 착지했을 때에 노면으로부터 받는 반력이 완만하게 하지(100)에 작용하게 된다. 따라서, 하지(110)의 관절 부분에 전달되는 충격이 완화되어, 액츄에이터 등으로의 부담이 경감된다. 또한, 로봇을 신속하게 이동시킬 때의 액츄에이터의 급격한 구동에 대한 로봇의 자세 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들면 구동계에 기계적인 오차(백래시; backlash)가 있거나, 제어 오차가 발생한 경우이더라도, 발바닥 부재 (1120)의 유동 범위내에서 이를 흡수하는 것이 가능하므로, 그 영향을 억제할 수 있다.

또한, 발바닥 부재(1120)에 설치한 가속도 센서(1132)의 출력에 근거하여 로봇의 걸려 넘어짐을 검출하고 나서, 발바닥 부재(1120)가 발등 부재(1110)에 대해서 상대적으로 유동 한계에까지 유동하고, 발등 부재(1110)에 그 충격이 완전히 전달될때 까지는 어느 정도의 타임 래그가 있으므로, 그 동안에 전도 등을 회피하기 위한 동작을 수행할 수 있게 되고, 로봇의 자세 제어성, 자세 안정성을 향상할 수 있다.

또한, 발등 부재(1110)와 발바닥 부재(1120)와의 사이에 완충 수단으로서, 탄성 수단(코일 스프링; 1130)을 이용하므로, 발바닥 부재(1120)가 발등 부재 (1110)에 대해서 장시간에 걸쳐 계속 진동할 우려가 있어, 보행 동작에 따른 제어성에 악영향을 줄 우려가 있다. 이 경우에는 탄성 수단에 부가하여 제진성(制振性)을 높이기 위해 점성 수단(예를 들면, 댐퍼 등)을 형성하는 것이 바람직하다.이 경우에 있어서, 다리의 보행 동작에 의해 발바닥 부재(1120)가 노면으로부터 이간한 후에 착지할 때까지 요하는 시간 내에 발바닥 부재(1120)의 진동이 소정치 이하까지 수속하도록, 그 탄성 수단의 탄성 계수 및 점성 수단의 점성 계수를 설정하면 된다. 이에 따라, 유휴 다리의 착지 시점에 있어서, 발바닥 부재(1120)는 소정치 이하의 진동으로 되어 있으므로, 로봇의 제어계에 의한 궤도 계산과 그 밖의 제어를 위한 재계산을 행할 필요가 없어져, 제어성이 향상된다. 또한, 소정치란 로봇의 제어계가 안정 주행을 실현하기 위해 허용하는 필요 최소한의 진동이다.

이어서, 발등과 발바닥과의 지지 구조의 제2 구체예에 대해서, 도65∼도66을 참조하면서 설명한다. 도65는 측면도, 도66은 도4의 B-B 선을 따른 단면도이다.

이 예의 족부는 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 발등 부재 (1210) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1220)를 구비하여 구성되고, 발바닥 부재(1220)를 발등 부재(1210)에 유동 가능하게 결합한 이중 구조로 되어 있다. 발등 부재(1210) 및 발바닥 부재(1220)의 재질로서는, 가능한 경량이며 강도면에서 우수한 재료, 예를 들면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등을 채용할 수 있다.

발바닥 부재(1210)는 대략 구형 판상의 부재로 구성되어 있다. 발등 부재 (1210)의 4측면에는, 각각 고정핀용 홀이 형성되어 있다. 또한, 발등 부재 (1210)의 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1211)가 일체적으로 형성되어 있다.

발바닥 부재(1220)는 대략 구형상으로 구성된 바깥 프레임(1221) 및 바깥 프레임(1221)의 하면을 폐색하는 바닥판부(1222)를 구비하여 구성되어 있다. 발바닥부재(1220)의 바깥 프레임부(1221)의 내면은, 발등 부재(1210)의 측면 형상에 대해서 근소하게 큰 형상으로 되어 있다. 발바닥 부재(1220)의 바깥 프레임부(1221)의 4측면에는, 발등 부재(1210)의 측면에 형성된 고정핀용 홀에 대응하는 위치에 각각 관통하는 고정핀용 홀이 형성되어 있다. 이들 발바닥 부재(1220)의 측면에 형성된 고정핀용 홀은 각각 횡방향(X축 방향 또는 Y축 방향)으로 그 길이 방향을 갖는 긴 홀로 되어 있다.

발바닥 부재(1220)는 바깥 프레임부(1221)의 내측에 발등 부재가 상측으로부터 삽입되는 형태로 배치된 상태에서, 고정핀(1230)을 바깥 프레임(1221)의 외측으로부터 고정핀용 홀을 관통 삽입하고, 고정핀(1230)에 그 선단부로부터 코일 스프링(1231)을 삽입하고, 또 고정 핀(1230)의 선단부를 발등 부재(1210)가 대응하는 고정핀용 홀에 압입함으로써, 발등 부재(1210)에 결합된다.

이 상태에서, 발바닥 부재(1220)의 바닥판부(1222)의 상면은 발등 부재(1210)의 하면에 대면함과 동시에, 발바닥 부재(1220)의 바깥 프레임부(1221)의 각 내면은 발등 부재(1210)의 각 측면이 대응하는 면에, 소정의 간극(여유)을 갖고 각각 대면한 상태가 된다. 고정핀(1230)에 삽입되어 있는 코일 스프링(1231)은, 이 상태에서 발바닥 부재(1220)의 바깥 프레임부(1221)의 내면 및 발등 부재(1210)의 측면에 의해 예압된 상태로 끼움 지지되어 있다. 이에 따라, 발바닥 부재(1220)는 상기의 간극의 범위내(또는 발바닥 부재(1220)의 측면에 형성된 고정핀용 홀의 길이 방향의 길이의 범위내)에서 발등 부재(1210)의 하면을 따라서(X-Y 평면내에서) 2축 방향(X축 방향, Y축 방향)으로 유동 가능한 상태가 되어 있다.

각 코일 스프링(1231)에 의해 발바닥 부재(1220)에 부여되는 압력은, 발바닥 부재(1220)에 외력이 작용하지 않는 상태에서, 발등 부재(1210)가 발바닥 부재 (1220)의 바깥 프레임부(1221)의 내측에서 중심 위치(중립 위치)에 위치하도록 설정되어 있다.

발바닥 부재(1220)에, ZMP를 산출하기 위한 파워 센서와 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 검출하는 가속도 센서가 설치되어 있는 것은, 상술한 제1 구성의 경우와 같다. 또한, 완충 수단으로서 탄성 수단에 점성 수단을 조합시키는 것이 바람직함은 이 경우도 마찬가지이다.

이와 같은 구성에 의하면, 제1 구성에 따른 이점을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 발바닥 부재(1220)의 바깥 프레임부(1221)가 발등 부재(1210)의 측면을 덮도록 배치되어 있으므로, 족부의 측부가 장애물에 충돌한 경우에, 그 충격도 완화할 수 있다.

이어서, 발등과 발바닥과의 지지 구조에 대한 제3 구체예에 대하여, 도67∼ 도68을 참조하면서 설명한다. 도67은 평면도, 도68은 동일 구조의 일부를 파단한 측면도이다.

제3 구성에 따른 족부는, 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 발등 부재(1310) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1320)를 구비하여 구성되고, 발바닥 부재(1320)를 발등 부재(1310)에 유동 가능케 결합한 이중 구조로 되어 있다.

발등 부재(1310)는 대략 구형 판상의 부재로 구성되어, 그 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1311)가 일체적으로 형성되어 있다. 발등 부재 (1310)의 하면에는, 도시는 생략되어 있으나, ZMP를 산출하기 위한, Z축 방향의 압력을 검출하는 복수의 파워 센서가 배치되어 있다. 파워 센서는 발등 부재(1310)의 하면의 네 모서리 근방에 각각 설치되어 있다.

이들 파워 센서는 각각 금속 다이아프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지고, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이아프램에 접착하여 구성된다. 단, 파워 센서는 이와 같은 구성인 것으로 한정되지 않고, 다른 구성인 것도 채용할 수 있다.

발바닥 부재(1320)는 그 상면이 개방된 대략 구형 상자형의 부재이며, 대략 구형판상의 바닥판부(1321) 및 그 주위를 따라서 일체적으로 세워 설치된 측판부(1322)를 갖고 있다. 바닥판부(1321)의 상면은 발등 부재(1310)의 하면에 맞닿아 있다. 바닥판부(1321)의 하면에 의해 족부(150)의 발바닥면이 구성된다. 바닥판부(1321)의 하면과 측판부(1322)의 외면과의 경계 부분은 R면(원호면)또는 매끄러운 곡면으로 되어 있다.

발바닥 부재(1320)는 측판부(1322)의 내측의 형상은, 발등 부재(1310)의 측면의 형상에 대해서 약간 큰 상사(相似) 형상으로 되어 있다. 발등 부재(1310)의 측면은 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면에 미세한 간극(여유)을 갖고 대면하고 있으며, 이에 따라, 발바닥 부재(1320)는 발등 부재(1310)에 대해서, 그 발등 부재(1310)의 하면을 따라서, 즉 X-Y 평면내에 있어서, 임의의 방향으로 유동할 수 있게 되어 있다.

발바닥 부재(1320)는 다리 유휴시에 발등 부재(1310)에서 낙하하지 않도록 또 X-Y 평면내에서의 유동을 제한하지 않도록, 도시 않은 유지 기구를 통하여 발등 부재(1310)에 결합되어 있다. 이 유지 기구는 발바닥 부재(1320)의 교환을 위해, 용이한 조작으로 착탈하는 기구도 구비하는 것이 바람직하다.

발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면 사이에는, 완충 부재(완충 수단)(1330)가 개재하여 장착되어 있다. 완충 부재(1330)로서는 여기에서는 무단상의 고무 시트를 채용하고, 발바닥 부재(1320)의 측판부 (1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면과의 사이의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착되어 있다. 단, 완충 부재는 이에 한정되지 않고, 판스프링, 스폰지, 고형 내지 반유동체상의 점성 수단을 채용할 수도 있다.

또한, 족부 조립시에 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면과의 사이의 간극에, 경화 내지 응고한 상태에서 탄성 및/또는 점성을 발생하는 접착제를 충전하여, 상호 접착하도록 할 수도 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 당해 간극으로의 이물 진입을 방지할 수 있음과 동시에, 발바닥 부재(1320)를 발바닥 부재(1310)에 유동 가능하게 결합하기 위한 유지 기구를 채용하지 않고, 같은 효과를 얻을 수 있으므로 바람직하다.

이 같은 구성에 의하면, 발바닥 부재(1320)는 발등 부재(1310)에 대해서, 그 발등 부재(1310)의 하면을 따라서 임의의 방향으로 유동할 수 있으며, 상술한 제1 또는 제2 구성과 비교하여 유동 방향의 제약이 적다.

또한, 상술한 바와 같은 완충 부재는 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의내면과 발등 부재(1310)의 측면간의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착하면, 그 간극에 이물 등의 진입을 방지할 수 있는 점에서 바람직하지만, 반드시 그와 같이 할 필요는 없고, 간헐적으로 배설할 수도 있다. 또한, 완충 부재는 필수는 아니고, 완충 부재를 완전히 생략할 수도 있다.

발목에서의 다리와 족부의 연결 및 교환 구조

여기에서는, 보행식 이동 로봇의 발목에서의 다리와 족부와의 연결 구조 및 족부의 교환 구조의 구체예에 대해 상세히 설명한다.

보행식 이동 로봇의 발목에서의 다리와 족부와의 연결 구조 및 족부의 교환 구조의 제1 구체예에 대해서, 도69∼도70을 참조하면서 설명한다.

도69에는, 족부(150)의 구조 및 하지(가동 다리)(110)와 족부(150)와의 연결부분의 단면 구성을 나타내었다.

하지(110)의 발목(114)의 다리측 연결부(1001)에는, 연결 고정 위치 결정 돌기(1002)와, 전기 접속용 커넥터(1003)가 배치되어 있다. 연결 고정 위치 결정 돌기(1002)의 측면에는 절결부(1004)가 형성되어 있다.

한편, 족부(150)를 구성하는 발 본체(1101)의 상부에 형성된 연결부(1102)에는 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)와, 전기 접속용 커넥터(1103)와, 커넥터 (1003)의 수용부(1104)와, 연결 고정용 액츄에이터(1105)가 배치되어 있다.

연결 고정용 액츄에이터(1105)의 대략 선단에는, 위치 결정핀(1106)이 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)의 저면을 따른 전후 방향(X축 방향)에 출몰 가능하도록 결합되어 있다. 위치 결정핀(1106)은 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)의 내부에 진출한 상태에서는 연결 고정 위치 결정 돌기(1002)의 측면에 형성된 절결부(1004)에 끼움 결합되도록 되어 있다. 도69에 도시한 상태에서는 연결 고정용 액츄에이터(1105)의 동작에 의해, 위치 결정 핀(1106)은 매몰되므로, 연결 고정 위치 결정 돌기(1002)를 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)에 대해서 끼우고 빼기가 자유롭도록 되어 있다.

도70에는, 발 본체(1101)가 다리측 연결부(1001)에 대해서 결합된 상태에서의 연결 부분의 단면 구성을 나타낸다.

연결 고정 위치 결정 돌기(1002)가 연결 고정 위치 결정 오목부(1102) 내에 완전히 삽입된 상태에서, 연결 고정용 액츄에이터(1105)의 동작에 의해 위치 결정핀(1106)을 진출시키고, 연결 고정 위치 결정 돌기(1002)의 선단부를 절결부(1004)에 끼움 결합시킴으로써, 발 본체(1101)는 다리측 연결부(1001)에 대해서 강고하게 연결된다.

이 때, 다리측 커넥터(1003)는 수용부(1104)내에 수용되고, 그 최내측부의 커넥터(1103)에 기계적으로 끼움 결합함과 동시에, 커넥터(1003)의 단자와 커넥터 (1103)이 대응하는 단자가 전기적으로 접속된다. 이 결과, 다리측 즉 로봇 본체측에서 발 본체(1101)로의 전력의 공급 및 상호간에서의 제어 명령 그 밖의 데이터 신호의 전송이 가능한 상태가 된다.

발 본체(1101)의 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)의 저면에는, 오목부 (1111)가 더 형성되어 있으며, 오목부(1111)에는 전기 회로 기판(1112)이 결합되어 있다. 전기 회로 기판(1112)에는 각종 데이터의 기억 수단으로서의 ROM(305)(도3참조) 및 이에 관련한 회로가 형성되어 있으며, 커넥터(1103, 1003) 및 버스(304)를 통하여, 로봇 본체의 주제어 유닛(300)에서 액세스할 수 있도록 되어 있다. 또한, 전기 회로 기판(1112)에는 발 본체(1101)에 설치되는 각종 센서의 신호 처리 회로 등도 설치되어 있다.

발 본체(1101)에는, 도시는 생략하지만, 파워 센서와 가속도 센서 등이 배치되어 있다. 즉, 발 본체(1101)의 발바닥의 접지부에는 Z축 방향의 압력을 검출하는 복수의 파워 센서가 배치되어 있다. 이들 파워 센서는 ZMP를 산출하기 위해 이용되는 것으로, 본 실시 형태에서는 발 본체(1101)의 하면(발바닥면)의 네 모서리 근방에 각각 설치되어 있다.

이들 파워 센서는 각각 금속 다이아프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지고, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이아프램에 접착하여 구성된다. 단, 파워 센서는 이에 한정되지 않고, 다른 구성인 것을 채용할 수도 있다. ZMP 검출용 파워 센서의 수와 배설 위치도 상기에 한정되지 않는다.

또한, 발 본체(1101)에는 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 가속도 센서도 탑재되어 있다. 가속도 센서를 설치하는 위치는 특별히 한정되지 않지만, 여기에서는 오목부(1111)에 설치되어 있다. 이 가속도 센서의 출력은 노면의 중력 방향에 대한 기울기 검출, 노면의 요철 등에 의한 걸려 넘어짐의 검출에 이용된다. 이들 센서의 출력 신호는 전기 회로 기판(1112)에 설치된 처리 회로, 커넥터(1103, 1003) 및 버스(304)를 통하여 로봇 본체측의 주제어 유닛(300)에 보내어진다.

전기 회로 기판(1112)에 탑재된 ROM(305)에는 발 본체(1101)에 관한 정보로서, 이하에 나타낸 바와 같은 발 정보가 미리 기억되어 있다.

발 정보란, 주제어 유닛(300)이 궤도 계산, 그 밖의 연산을 실행할 때에, 필요로 하는 당해 발 본체(1101)에 고유한 정보를 포함하는 정보이며, 구체적으로는 발 식별 정보, 발 구조 정보, 발 센서 정보 등으로 구성된다.

발 식별 정보는 당해 발 본체(1101)를 다른 발 본체로부터 식별하기 위해 부여된 식별 정보(ID)이다. 발 구조 정보는 발 본체 및 그 구성 부재의 치수(형상), 재질, 중량, 접지면의 마찰 계수 둥의 정보이다. 발 구조 정보 중, 발 본체 (1101)의 노면에 대한 접지부를 포함하는 발바닥면의 형상(발바닥 형상)은 제어 연산상 특히 중요하다. 이들은 예를 들면 수학식(2차원 근사식)과 비트맵 형식으로 표현할 수 있다.

발 센서 정보는, 발 본체(1101)에 배치되어 있는 각종 센서에 대한 정보이며, 그 식별 정보(그 센서를 다른 센서로부터 식별하기 위한 ID), 개수, 배치, 특성 등으로 구성된다. 본 실시 형태에서는 발 본체(1101)에는, ZMP 검출용 파워 센서, 충돌 검출 또는 노면 기울기 검출용 가속도 센서가 배치되어 있으므로, 이들 센서에 대한 센서 정보가 기억된다. 발 본체(1101)에 다른 센서, 예를 들면 발바닥면의 노면에 대한 접지, 비접지를 검출하는 노면 접지 검출 센서, 착지한 발바닥면의 노면에 대한 어긋남(미끄러짐)을 검출하는 센서 등을 설치할 수도 있으며, 이 경우 각 센서에 대한 센서 정보가 기억된다.

여기에서는 발 정보를 기억하는 기억 수단으로서, 데이터의 재기록이 불가능한 ROM을 이용했으나, 데이터의 재기록이 가능한 EPROM, SRAM, 전원 백업을 조건으로 하여 DRAM 등의 기억 수단을 이용할 수도 있다. 이 경우, 발 정보로서, 동적으로 변화하는 정보도 기억시키고, 필요에 따라서 수시 재기록하도록 할 수 있다. 예를 들면, 발 센서 정보로서, 센서의 경시적인 특성 변화를 나타내는 로그 정보를 기억시키도록 할 수 있다.

발 정보로서는 상기 이외에 당해 발 본체(1101)에 관한 모든 정보를 기억할 수 있다. 또한, 당해 발 본체(1101)에 직접 관계가 없는 정보를 기억해둘 수도 있다.

발 본체(1101)에 설치된 기억 수단에 기억된 발 정보는, 발 본체(1101)의 교환 등에 의해, 발 본체(1101)가 하지(110)의 발목(114)에 연결되었을 때, 이 보행식 이동 로봇의 초기화시(전원 투입시 또는 리셋시), 또는 그 밖의 필요한 때에, 로봇 본체의 주제어 유닛(300)의 CPU(301)에 의해 버스(304) 등을 통하여 판독되어, 그 주제어 유닛(300)에 의한 각 액츄에이터(306) 등으로의 지령치를 구하기 위한 연산을 포함하는 각종 제어 연산에 이용된다.

이와 같이, 발 본체(1101)는 발 본체(1101)에 관한 발 정보가 기억된 기억 수단으로서의 ROM을 구비하고 있으므로, 주제어 유닛(300)은 발 본체(1101)에 관한 정보를 스스로 구비하는 기억 수단(ROM(303), RAM(302), 그 밖의 외부 기억 장치)에 기억해 둘 필요가 없고, 기억 수단으로서 그 만큼 작은 수 또는 작은 용량의 것을 탑재할 수 있으며, 또는 당해 정보를 기억했던 영역에 다른 정보를 기억시킬 수있게 된다.

또한, 노면의 상황에 따라서 발바닥의 형상과 센서의 수와 종류를 변경하여, 각각 발 정보를 기억 보존한 각종 발 본체를 준비해 두고, 필요에 따라서 교환하도록 하면, 발 본체를 교환했을 때에, 발 본체에 대한 발 정보를 손으로 입력, 그 외의 방법으로 취득하기 위한 수고도 요하지 않는다.

또한, 발 본체의 기억 수단에 기억시켜 두는 발 정보로서, 발식별 정보만, 또는 그 발식별 정보와 주요한 정보(예를 들면, 발바닥 형상)만으로서, 그 나머지 발 구조 정보와 발 센서 정보 등을 주제어 유닛(300)이 구비하는 메모리에 발식별 정보와의 관계로 기억시켜 두고, 발 본체의 발목으로의 연결시에 당해 발식별 정보를 읽어내어, 이 식별 정보에 기초하여 대응하는 발구조 정보와 발 센서 정보 등을 취득하도록 할 수도 있다. 이 경우에 있어서도, 발의 교환에 따른 그 발의 식별 정보를 손으로 입력하는 종래와 같은 작업을 요하지 않으므로, 교환 작업이 용이해진다.

보행식 이동 로봇의 발목에서의 다리와 족부와의 연결 구조 및 족부의 교환 구조의 제2 구체예에 대해서, 도71을 참조하면서 설명한다.

도시의 예에서는, 다관절형 로봇이 본래 갖는 다른 액츄에이터를 이용하여 족부를 교환하는 방식을 채용하고 있다. 인간형을 비롯한 보행식 이동 로봇은 일반적으로 다관절 즉 다자유도를 구비한다. 이들 자유도를 활용함으로써, 족부를 고정하기 위해 전용 액츄에이터를 설치할 필요성을 배제한다. 즉, 인간의 팔과 손에 상당하는 부분의 동작을 활용하여, 족부의 고정 기구를 자율적으로 조작하도록하면, 족부로의 전용 액츄에이터를 생략할 수 있다.

도71에는 고정용 전용 액츄에이터를 갖지 않는 족부의 고정 기구가 해방된 상태에 있어서, 족부를 발목에서 분리하는 경우에 있어서의 상면도(A), 측면도(B), 배면도(C), 측단면도(D)를 각각 도시했다.

발 본체(1201)에는, 족부측 연결 고정용 오목부(1202)와, 족부측 전기 접속용 커넥터(1203)와, 그 커넥터(1203)를 최내측부에 수용하는 수용부(1204)가 배치되어 있다.

또한, 발 본체(1201)에는 족부 고정용으로서 홀더(1205)와, 고정용 핀(1206)과, 조작용 레버(1207)와, 누름 스프링(1208)이 도시와 같이 배치되어 있다.

도71에 나타낸 상태에서는 고정용 핀(1206)은 누름 스프링(1208)에 의해 힘이 부가되어, 연결 고정용 오목부(1202)측에 압력을 인가한다. 고정용 핀(1207)과 일체적으로 구성되어 있는 조작용 레버(1207)가 레버 안내 홈(1209)을 따라서 밀리고 있으므로, 고정용 핀(1206)은 이동하지 않고 도시의 상태를 유지한다. 이 상태에서 로봇은 발 본체(1201)를 교환할 수 있다.

또한, 도72에는 족부를 고정하는 모습을 도해하고 있다. 도시의 상태에서는 조작 레버(1207)를 레버 안내 홈(1209)을 따라서 족부 고정측으로 조작함으로서, 고정 핀(1206)은, 누름 스프링(1208)에 의해서 힘이 가해져 연결 고정용 오목부 (1202)내로 돌출하여, 고정 핀(1206)의 선단부를 다리측 연결부(1001)의 절결부(1004)에 끼움 결합시킴으로써, 발 본체(1201)는 다리측 연결부(1001)에 대하여 강고하게 연결된다.

도71 및 도72를 참조하면서 설명한 바와 같은 조작 레버(1207)의 조작을, 로봇의 완부 및 수부를 이용하여 수행함으로서, 족부 착탈에 수반되는 족부의 고정 및 개방을 자율적으로 행할 수 있다.

또한, 다양한 노면에의 적응이 필요한 것이 상정될 경우에는, 로봇이 하나 또는 특정의 복수 개의 족부(스페어)를 휴대하면서 보행식 작업을 수행하는 것도 유효하다. 미지의 노면을 보행하는 로봇의 경우, 보행하여 대향한 끝에서 노면 대응을 위해 족부의 교환이 필요하게 될 가능성도 있다. 예를 들면, 재해 구조와 혹성 탐색 등과 같이 가혹한 작업 현장에 있어서는, 노면을 미리 특정할 수 없는 경우가 많다. 반대로 말하면, 이와 같은 곤란하고 가혹한 상황이야말로 보행 로봇의 활동이 본래 요구되어 지는 작업 환경이라고 할 수 있다.

또한, 발 본체(1201)에 있어서, 도시는 생략했으나 도3에 도시한 ROM(305)을 포함하는 도69 또는 도70에 도시한 전기 회로 기판(1112)과 같은 전기 회로 기판이 탑재되어 있으며, ROM(305)내에는 상술한 것과 같은 발 정보가 기억되어 있다.

보행식 이동 로봇의 발목에서의 다리와 족부와의 연결 구조 및 족부의 교환 구조의 제3 구체예에 대해서 도73∼도74를 참조하면서 설명한다. 도73은 측단면도, 도74는 족부 제어 유닛을 나타낸 블록도이다.

상술한 제1 및 제2 구조에 따른 족부(150)는 발 본체(1101, 1201)를 구비하고, 그 발 본체(1101, 1201)가 노면에 직접 접지되는 발바닥을 갖는 것이다. 이 같은 예의 족부(150)는 좌우 각각의 하지(110)의 발목(114)에 연결되는 발등 부재 (1310) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1320)를 구비하고, 발바닥 부재(1320)를 발등 부재(1310)에 유동 가능하게 결합한 이중 구조로 되어 있다.

발등 부재(1310)는 대략 구형 판상의 부재로 구성되고, 그 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1311)가 일체적으로 형성되어 있다. 발등 부재 (1310)의 발목(114)으로의 결합은, 발등 부재(1310)를 그 발목(114)에 나사, 그 밖의 고정 수단을 이용하여 고정하고, 또는 상술한 발 본체(1101, 1201)에 따른 연결 기구와 같은 연결 기구를 통하여 착탈 가능하게 되도록 결합하도록 할 수 있다. 발등 부재(1310)의 하면에는 오목부(1312)가 형성되어 있으며, 그 오목부(1312)에는 발등 회로부(발등 회로 기판)(2100)가 지지 부재(1313)를 통하여 결합되어 있다.

발등 부재(1310)의 하면(오목부(1312)의 외주변 부분의 면)에는, 도시는 생략했으나, ZMP를 산출하기 위한 Z축 방향의 압력을 검출하는 복수의 파워 센서가 배치되어 있다. 이 실시 형태에서는, 파워 센서는 발등 부재(1310)의 하면의 4모서리 근방에 각각 설치되어 있다. 이들 파워 센서는, 각각 금속 다이아프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지고, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이아프램에 접착하여 구성된다. 단, 파워 센서는 이와 같은 구성인 것으로 한정되지 않고, 다른 구성인 것을 채용할 수도 있다.

또한, 발등 부재(1310)에는 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 가속도 센서도 탑재되어 있다. 이 가속도 센서의 출력은 노면의 중력 방향에 대한 기울기의 검출, 노면의 요철 등에 의한 걸려 넘어짐의 검출에 이용된다.

발바닥 부재(1320)는 그 상면이 개방된 대략 구형 상자형의 부재이며, 대략구형 판상의 바닥판부(1321) 및 그 주위를 따라서 일체적으로 세워 설치된 측판부(1322)를 갖고 있다. 바닥판부(1321)의 상면은 발등 부재(1310)의 하면에 맞닿아 있다. 바닥판부(1321)의 하면에 의해 족부(150)의 발바닥면이 구성된다. 바닥판부(1321)의 하면과 측판부(1322)의 외면과의 경계 부분은 R면(원호면) 또는 매끄러운 곡면으로 되어 있다.

발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내측의 형상은, 발등 부재(1310)의 측면의 형상에 대해서 근소하게 큰 상사 형상으로 되어 있다. 발등 부재(1310)의 측면은 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면에 미세한 간극(여유)을 갖고 대면하고 있으며, 이에 따라, 발바닥 부재(1320)는 발등 부재(1310)에 대해서, 그 발등 부재(1310)의 하면을 따라서, 즉 X-Y 평면내에 있어서, 임의의 방향으로 유동할 수 있게 되어 있다.

발바닥 부재(1320)는 다리 유휴시에 발등 부재(1310)에서 낙하하지 않도록 또 X-Y 평면내에서의 유동을 제한하지 않도록, 도시 않은 유지 기구를 통하여 발등 부재(1310)에 결합되어 있다. 이 유지 기구는 발바닥 부재(1320)의 교환을 위해, 용이한 조작으로 착탈하는 기구도 구비하는 것이 바람직하다.

발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면 사이에는, 완충 부재(완충 수단, 탄성 수단)(1330)가 개재하여 장착되어 있다. 완충 부재(1330)로서는 여기에서는 무단상의 고무 시트를 채용하고, 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면과의 사이의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착되어 있다. 단, 완충 부재(1330)는 이와 같은 것으로 한정되지않고, 판 스프링, 스폰지, 고형 내지 반유동체상의 점성 수단을 채용할 수도 있다.

또한, 족부(150) 조립시에 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면과의 사이의 간극에, 경화 내지 응고한 상태에서 탄성 및/또는 점성을 발생하는 접착제를 충전하여, 상호 접착하도록 할 수도 있으며, 이와 같은 구성으로 함으로써, 당해 간극으로의 이물 진입을 방지할 수 있음과 동시에, 발바닥 부재(1320)를 발바닥 부재(1310)에 유동 가능하게 결합하기 위한 유지 기구를 채용하지 않고, 같은 효과를 얻을 수 있으므로 바람직하다.

또한, 완충 부재(1330)는 발바닥 부재(1320)의 측판부(1322)의 내면과 발등 부재(1310)의 측면간의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착하면, 그 간극에 이물 등의 진입을 방지할 수 있는 점에서 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 간헐적으로 배설할 수도 있다. 또한, 완충 부재를 완전히 생략할 수도 있다.

발바닥 부재(1320)의 상면에는, 발등 부재(1310)의 오목부(1312)에 수용된 발등 회로부(1313)에 이간하여 대면하도록, 발바닥 회로부(발바닥 회로 기판, 2200)가 지지 부재(1323)를 통하여 결합되어 있다.

발등 회로부(2100)는 도9에 도시되어 있는 바와 같이, 전력 공급부(2101), 발등 송수신부(2102), 발등 제어부(2103), 및 안테나부(2105)를 구비하여 구성되어 있다.

전력 공급부(2101)는 로봇 본체로부터 공급되는 전력을 전자파로 변환하여 안테나부(2105)를 통하여 발바닥 회로부(2200)에 공급한다. 발등 송수신부(2102)는, 발바닥 회로부(2200)에 제어 신호, 그 밖의 신호를 안테나부(2105)로부터 송신함과 동시에, 발바닥 회로부(2200)로부터 송신되는 제어 신호, 그 외의 신호를, 안테나부(2105)를 통하여 수신한다. 발등 제어부(2103)는 CPU 및 메모리(RAM, ROM 등)를 갖고, 로봇 본체의 주제어 유닛(300)과의 사이에서, 버스(304)를 통하여 통신할 수 있다. ROM에는 예를 들면 ZMP 산출 프로그램, 노면 경사각 검출 프로그램, 걸려 넘어짐 검출 프로그램 등의 프로그램이 저장되어 있다. 또한, 이 예에서는 도3에 있어서, 족부 탑재 ROM(305)이 발등 회로부(2100)로 치환되게 된다.

발바닥 회로부(2200)는 도74에 도시되어 있는 바와 같이, 전력 수급부(2201), 발바닥 송수신부(2202), 발바닥 제어부(2203), 발바닥 정보 기억부(메모리), 및 안테나부(2205)를 구비하여 구성되어 있다.

전력 수급부(2201)는 전력 공급부(2101)로부터 안테나부(2105)를 통하여 송신되는 전자파를, 안테나부(2205)를 통하여 수신하고, 전기 에너지로 변환하여 축적하고, 발바닥 회로부(2100)의 각부로 공급한다.

발바닥 송수신부(2202)는 발등 회로부(2100)에 제어 신호, 그 밖의 신호를 안테나부(2205)를 통하여 송신함과 동시에, 발바닥 회로부(2200)로부터 송신되는 제어 신호, 그 밖의 신호를 안테나부(2205)를 통하여 수신한다. 발바닥 제어부(2203)는 CPU 및 메모리(RAM, ROM 등)를 갖고, 발바닥 제어부(2102)와, 발바닥 송수신부(2202), 안테나부(2205), 안테나부(2105) 및 발등 송수신부(2102)를 통하여 통신할 수 있다. ROM에는, 예를 들면 ZMP 산출 프로그램, 노면 경사각 검출 프로그램, 걸려 넘어짐 검출 프로그램 등의 프로그램이 저장되어 있다.

발바닥 정보 기억부(2204)는 발바닥 정보가 기억된 기억 수단이다. 이 발바닥 정보 기억부(2204)에는 발바닥에 관한 정보로서, 이하에 도시한 바와 같은 발바닥 정보가 미리 기억되어 있다.

발바닥 정보란, 주제어 유닛(300)이 궤도 계산, 그 외의 산출을 실행할 때에 필요한 당해 발바닥에 고유한 정보를 포함하는 정보이며, 구체적으로는 발바닥 식별 정보, 발바닥 구조 정보, 발바닥 센서 정보 등으로 구성된다.

발바닥 식별 정보는, 당해 발바닥 부재(1320)를 다른 발바닥 부재로부터 식별하기 위해서 부여된 식별 정보(ID)이다. 발바닥 구조 정보는 발바닥 부재(1320) 및 그 구성 부재의 치수(형상), 재질, 중량, 접지면의 마찰 계수 등의 정보로 구성된다. 발바닥 구조 정보 중, 발바닥 부재(1320)의 노면에 대한 접지부를 포함하는 발바닥면의 형상(발바닥 형상)은 제어 연산상, 특히 중요하다. 이들은, 예를 들면 수학식(2차원 근사식)과 비트맵 형식으로 표현할 수 있다.

발바닥 센서 정보는 발바닥 부재(1320)에 배치되어 있는 각종 센서에 대한 정보이며, 그 식별 정보(그 센서를 다른 센서로부터 식별하기 위한 ID), 개수, 배치, 특성 등으로 구성된다. 이 실시 형태에서는, ZMP 검출용 파워 센서와 충돌 검출 또는 노면 기울기 검출용 가속도 센서는, 발등 부재(1310)에 설치하는 것으로 했으나, 이들을 발바닥 부재(1320)에 설치할 수도 있고, 그 경우에, 당해 센서에 대한 정보가 기억된다. 발바닥 부재(1320)에 다른 센서, 예를 들면 발바닥면의 노면에 대한 접지, 비접지를 검출하는 노면 접지 검출 센서, 착지한 발바닥면의 노면에 대한 어긋남(미끄러짐)을 검출하는 센서 등을 설치하는 경우에는, 그들 센서에 대한 정보가 기억된다.

또한, 발바닥 정보 기억부(2204)로서는 데이터의 재기록이 불가능한 ROM, 데이터 재기록이 가능한 EPROM, SRAM, 전원 백업을 조건으로 하여 DRAM 등의 기억 수단을 이용할 수 있다. 데이터 재기록이 가능한 타입의 기억 수단을 이용한 경우에는, 발바닥 정보로서 동적으로 변화하는 정보도 기억시켜, 필요에 따라서 수시로 재기록 하도록 할 수 있다. 예를 들면, 발바닥 센서 정보로서, 센서의 경시적인 특성 변화를 나타내는 로그 정보를 기억시키도록 할 수 있다.

발바닥 정보로서, 상기 이외에, 발바닥 부재(1320)에 관한 모든 정보를 기억할 수 있다. 발바닥 부재(1320)에 직접 관계가 없는 정보를 기억할 수도 있다. 발바닥 정보 기억부(2204)에 기억된 발바닥 정보는, 발바닥 부재(1320)의 교환 등에 의해, 발바닥 부재(1320)가 발등 부재(1310)에 연결되었을 때, 이 보행식 이동 로봇의 초기화시(전원 투입시 또는 리셋시), 또는 그 외의 필요한 때에, 로봇 본체의 주제어 유닛(300)에 의해 판독된다. 즉, 주제어 유닛(300)은, 발등 제어부(2103)에 발바닥 정보의 판독을 지시하고, 발등 제어부(2103)는 발등 송수신부(2102), 안테나부(2105, 2205), 발바닥 송수신부(2202)를 통하여 발바닥 제어부(2203)에 발바닥 정보의 판독을 지시한다. 발바닥 제어부(2203)는 발바닥 정보 기억부(2204)로부터 필요한 발바닥 정보를 판독하고, 같은 방법으로 하여 발등 제어부(2103)로 보내고, 발등 제어부(2103)는 주제어 유닛(300)으로 이를 전송한다. 발바닥 정보는, 주제어 유닛(300)에 의한 각 액츄에이터(306) 등으로의 지령치를 구하기 위한 연산을 포함하는 각종 제어 연산에 이용된다.

발바닥 부재(1320)는 그 발바닥 부재(1320)에 관한 발바닥 정보가 기억된 기억 수단(발바닥 정보 기억부(2204))을 구비하므로, 주제어 유닛(300)은, 당해 발바닥 부재(1320)에 관한 정보를 스스로 구비하는 기억 수단(ROM(300), RAM(302), 그 밖의 외부 기억 장치)에 기억해 둘 필요가 없고, 기억 수단으로서 그 만큼 작은 개수, 작은 용량인 것을 탑재할 수 있으며, 또한 당해 정보를 기억했던 영역에 다른 정보를 기억시킬 수가 있게 된다.

또한, 노면의 상황에 따라서 발바닥의 형상과 센서의 수와 종류를 변경하여, 각각 발 정보를 기억 보존한 각종 발 본체를 준비해 두고, 필요에 따라서 교환하도록 하면, 발 본체를 교환했을 때에, 발 본체에 대한 발 정보를 손으로 입력, 그 외의 방법으로 취득하기 위한 수고도 요하지 않는다.

또한, 발바닥 정보 기억부(2204)에 기억시켜 둘 발바닥 정보로서, 발바닥 식별 정보만, 또는 그 발바닥 식별 정보와 주요한 정보(예를 들면, 발바닥 형상)만으로서, 그 나머지의 발바닥 구조 정보와 발바닥 센서 정보 등을, 발등 제어부 (2103)가 구비하는 메모리에 당해 발바닥 식별 정보와의 관계로 기억시켜 두고, 발바닥 부재(1320)의 발등 부재(1310)로의 연결시에 당해 발바닥 식별 정보를 읽어내어, 이 식별 정보에 기초하여 대응하는 발바닥 구조 정보와 발바닥 센서 정보 등을 발등 제어부(2103)의 메모리로부터 취득하여, 주제어 유닛(300)에 송신하도록 할 수도 있다.

또한, 발등 회로부(2100)와 발바닥 회로부(2200)와의 데이터 통신 및 전력 공급은 전자파에 의해 비접촉(무선)으로 수행하도록 했으나, 발등 회로부(2100)와 발바닥 회로부(2200)를 플렉시블 케이블 등을 이용하여 직접 접속할 수도 있다.이 경우, 발바닥 부재(1320)의 발등 부재(1310)에 대한 유동의 장해가 되지 않도록 케이블 종류와 결합 구조를 채용하는 것이 바람직하다.

보행식 이동 로봇의 발목에서의 다리와 족부와의 연결 구조 및 족부의 교환 구조의 제4 구체예에 대해서, 도75∼도78을 참조하면서 설명한다. 도75는 일부를 분해한 측면도, 도76은 평면도, 도77은 일부를 분해한 측단면도, 도78은 저면도이다.

이 예의 족부(150)도 상술한 제3 구조와 마찬가지로, 좌우 각각의 하지 (110)의 발목(114)에 각각 연결되는 발등 부재(1410) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1420)를 구비하여 구성되며, 발바닥 부재(1420)를 발등 부재(1410)에 유동 가능하도록 결합한 이중 구조로 되어 있다.

발등 부재(1410)는 그 하면이 개구된 대략 구형 상자형의 부재이며, 대략 구형 판상의 천판부(1411) 및 그 주위를 따라서 일체적으로 세워 설치된 측판부(1412)를 갖고 있다. 천판부(1411)의 상면에는 발목(114)에 연결하기 위한 연결부(1413)가 일체적으로 형성되어 있다. 천판부(1411)에는, 발바닥 부재(1420)를 결합하기 위한 나사 구멍(본 예에서는 4개, 1414)이 형성되어 있다. 각 측판부(1412)의 외면의 경계 부분은 R면(원호면)또는 매끄러운 곡면으로 되어 있다. 발등 부재(1410)의 발목(114)으로의 결합은, 발등 부재(1410)를 그 발목(114)에 나사, 그 외의 고정 수단을 이용하여 고정하거나, 또는 상술한 제1 또는 제2 구조에 따른 발 본체 (1101, 1201)의 연결 기구와 같은 연결 기구를 통하여 착탈 가능하게 되도록 결합하도록 할 수 있다. 발등 부재(1410)의 천판부(1411)의 하면의대략 중앙에는 발등 회로부(발등 회로 기판, 2100)가 결합되어 있다.

또한, 도시는 생략했으나, 발등 부재(1410)의 천판부(1411)의 하면에는 그 4모서리 근방에 각각 볼록상 센서용 축받이부가 일체적으로 형성되어 있으며, 그 센서용 축받이부의 선단부에는, ZMP를 산출하기 위한 Z축 방향의 압력을 검출하는 복수의 파워 센서가 배치되어 있다. 이들 파워 센서는 각각 금속 다이아프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지고, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이아프램에 접착하여 구성된다. 단, 파워 센서는 이와 같은 구성인 것으로 한정되지 않고, 다른 구성인 것을 채용할 수도 있다.

또한, 발등 부재(1410)의 천판부(1411)의 하면에는 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 검출하기 의한 가속도 센서도 탑재되어 있다(도시 생략). 이 가속도 센서의 출력은 노면의 중력 방향에 대한 기울기의 검출, 노면의 요철 등에 의한 걸려 넘어짐의 검출에 이용된다.

발바닥 부재(1420)는 대략 구형 판상의 부재로 이루어지는 발바닥 본체(1421)의 하면에, 마찬가지로 대략 구형 판상의 부재로 이루어지는 접지 부재(1422)가 접착 내지 나사 등을 이용하여 일체적으로 결합된 이중 구조로 되어 있다.

발바닥 본체(1421)의 외형은 발등 부재(1410)의 측판부(1412)의 개구측의 외형상과 대략 동일 형상으로 되어 있다. 발바닥 본체(1412)에는, 대략 구형상의 단차부(1423)가 일체적으로 형성되어 있다. 단차부(1423)의 외형은 발등 부재 (1410)의 측판부(1412)의 개구측의 내형상에 대해서 근소하게 작은 상사 형상으로되어 있다.

발바닥 본체(1421)의 상면에는 발등 부재(1410)에 결합되므로, 천판부(1411)에 형성된 나사공(1414)의 각각에 대응하여 상측에 볼록상의 고정용 돌기부(1424)가 형성되어 있다. 고정 돌기부(1424)의 하측은 완충 부재(1430)를 삽입하기 위해 원주상으로 함몰된 오목부(1425)로 되어 있다. 각 고정용 돌기부(1424)의 선단부의 중앙에는 상하로 관통하는 관통공(1426)이 각각 형성되어 있다. 또한, 도시는 생략했으나, 발등 부재(1410)의 상면의 센서용 돌기부에 설치된 ZMP 센서에 각각 대응하는 위치에는, 그 ZMP 센서에 압접 내지 맞닿는 센서 압압용 축받이부가 일체적으로 형성되어 있다.

접지 부재(1422)의 외형은, 발바닥 본체(1421)의 외형과 대략 동일 형상을 갖고 있으며, 발바닥 본체(1421)의 오목부(1425)에 대응하여 관통공(1427)이 각각 형성되어 있다. 접지 부재(1422)는 족부(150)의 노면에의 접지시에 그 충격을 완화하기 위해, 예를 들면 탄성 고무 시트로 형성된다. 접지 부재(1422)의 재료로서는 노면 상황 대응성의 관점에서, 고무 시트 이외에 금속과 플라스틱, 그 외에 각종의 것을 채용할 수 있으며, 그 하면(접지면)의 형상도 노면 상황 대응성의 관점에서 홈을 형성한 것과 발바닥의 장심을 형성한 것을 채용할 수 있다. 이 접지 부재(1422)의 재질과 접지면의 형상을 적절히 변경 및 선택함으로써, 각종 노면 상황에 각각 대응한 각종 발바닥 부재(1420)를 구성할 수 있다.

발바닥 부재(1420)의 오목부(1425) 및 관통공(1427)에 원통상의 완충 부재(1430)를 삽입한 상태에서, 발바닥 본체(1421)의 단차부(1423)를 발등부재(1410)의 개구부에 삽입함과 동시에, 완충 부재(1430)의 관통공 및 고정용 돌기부 (1424)의 관통공(1426)을 관통시켜서 하측에서 나사(1431)를 삽입하고, 그 나사(1431)의 선단을 천판부(1411)의 나사공(1414)에 나사 결합함으로써, 발바닥 부재(1420)를 발등 부재(1410)에 장착할 수 있다.

이 때, 천판부(1411)의 하면에 형성된 도시 생략된 센서용 축받이부에 결합된 도시 생략된 ZMP 센서에, 발바닥 본체(1420)에 형성된 도시 생략된 센서 압압용 축받이부의 선단면이 압접하고, ZMP 센서에 적당한 예압이 부여되도록 되어 있다. 완충 부재(1430)로서는, 원통상으로 형성된 탄성 고무, 코일 스프링 등을 채용할 수 있다. 완충 부재(1430)는 보행 동작 등에 따라 발바닥 부재(1420)에서 발등 부재(1410)에 전달되는 충격을 완화함과 동시에, 발바닥 부재(1420)의 진동을 억제하여, 소음 방지와 제어 성능의 향상을 도모하기 위한 것이다. 또한, 발바닥 부재(1420)를 발등 부재(1410)에 대해서 Z축 방향 및 X-Y 평면내에서 유동 가능하도록 유지하는 기능도 함께 갖고 있다. 완충 부재(1430)는 탄성뿐 아니라, 점성을 갖는 것도 채용할 수 있다.

또한, 발바닥 본체(1421)의 단차부(1423)와 발등 부재(1410)의 측판부(1412)가 대응하는 내면과의 사이에, 다른 완충 부재를 개재하여 장착하도록 할 수 있다. 이 경우의 다른 완충 부재로서, 무단상이 고무 시트를 채용하고, 발등 부재(1410)의 측판부(1412)의 내면과 발바닥 본체(1421)의 단차부(1423)간의 간극을 매립하도록 개재하여 장착할 수 있다. 단, 다른 완충 부재는 이와 같은 것으로 한정되지 않고, 판 스프링, 스폰지, 고형 내지 반유동체상의 점성 수단을 채용할 수도 있다.

또한, 족부(150)의 조립시에 발바닥 부재(1420)의 단차부(1423)와 이에 대면하는 발등 부재(1410)의 측판부(1412)와의 사이의 간극에, 경화 내지 응고된 상태로 탄성 및/또는 점성을 발생하는 접착제를 충전하여, 상호 접착하도록 할 수도 있고, 당해 간극으로의 이물의 진입을 방지할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같은 다른 완충 부재는 발등 부재(1410)의 측판부(1412)의 내면과 발바닥 본체(1421)의 단차부(1423)간의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착하면, 그 간극에 이물 등이 진입하는 것을 방지할 수 있는 점에서 바람직하지만, 반드시 그와 같이 할 필요는 없고, 간헐적으로 배설하도록 할 수도 있다.

발바닥 정보를 기억한 기억 수단을 포함하는 발바닥 회로부(2200) 및 그 기억 수단에 기억된 발바닥 정보를 판독하는 수단을 포함하는 발등 회로부(2100)의 구성은, 상술한 제3 구조에 따른 족부에 있어서 설명한 것과 같은 것이므로, 그 설명은 생략한다.

상술한 바와 같이, 발바닥 부재(1420)는 발등 부재(1410)에 대해서 완충 부재(1430)를 통하여 탄성적으로 장착되어 있으며, 발바닥 부재(1420)는 Z축 방향으로 근소하게 유동할 수 있음과 동시에, 발바닥 본체(1421)의 단차부(1423)와 발등 부재(1410)의 측판부(1412)의 개구측의 내측과의 사이에 존재하는 간극의 범위내에서 X-Y 평면내에 있어서 임의의 방향으로 근소하게 유동할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 보행 동작 등에 따른 발바닥 부재(1420)로부터 발등 부재(1410)로 전달되는 충격을 완화할 수 있음과 동시에, 발바닥 부재가 노면의 요철에 간섭한 경우이더라도, 이를 용이하게 회피할 수 있게 된다.

또한, 상술한 나사(1431) 및 완충 부재(1430) 등은, 본 발명에서 말하는 체결조건을 변경 가능한 체결 수단에 상당하고, 나사(1431)의 조임량을 조절함으로써, 발바닥 부재(1420)의 발등 부재(1410)에 대한 유동(상대 이동)량을 임의로 조정할 수 있음과 동시에, ZMP 센서로의 예압도 임의로 조정할 수 있다. 또한, 발바닥 본체(1421)의 단차부(1423)의 외형을 조정함으로써, 발바닥 부재(1420)의 발등 부재(1410)에 대한 X-Y 평면내에서의 유동 범위를 임의로 변경할 수 있으며, 나사 (1431)의 죄임량과 그 단차부(1423)의 외형을 조정함으로써, 각종 노면 상황에 대해서 유연하게 대응할 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 발(발 본체(1101, 1201) 또는 발바닥 부재(1320, 1420)에 설치하는 기억 수단으로서, 전자적인 메모리(RAM, ROM 등)를 이용했으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 기억 수단에는 정보를 보존할 수 있는 모든 것이 포함된다. 예를 들면, 바코드, 매트릭스 코드, 문자, 기호, 그 외의 시각적으로 인식 가능한 마크를 발 본체 또는 발바닥 부재에 표시해 두고, 발목 또는 발등 부재에 설치된 CCD, 그 외의 검출 장치로 당해 마크를 읽어 내도록 할 수도 있다. 또한, 기억 수단으로서 돌기(핀)의 배열에 따라 정보를 기억하도록 한 것을 이용하여, 이를 포토 인터프리터와 기계적인 스위치로 읽어내도록 할 수도 있다. 또한, 기억 수단으로서, 자기로 정보를 기억해 두는 것을 이용하여, 이를 자기 헤드와 리드 릴레이로 읽어내도록 할 수도 있다.

보행식 이동 로봇이 발목에서의 다리와 족부와의 연결 구조 및 족부의 교환 구조의 제5 구체예에 대해서, 도79∼도80을 참조하면서 설명한다. 각 도는 제6 구조에 따른 족부(150) 및 하지(가동 다리, 110)와의 연결 부분의 단면 구성을 나타낸 도면이며, 도79는 족부가 하지(110)의 발목(114)에서 이탈된 상태를 나타내며, 도80은 족부(150)가 다리측 연결부(1001)에 대해서 결합된 상태를 나타낸다.

상술한 제1 구조에 따른 족부(150)는, 발 본체(1101)의 이면이 노면에 대한 접지면으로 되어 있었으나, 이 제5 구조에 따른 족부(150)는, 좌우 각각의 하지 (110)의 발목(114)에 연결되는 발등 부재(1121) 및 노면에 직접 접지되는 발바닥 부재(1151)를 구비하여 구성되어, 발바닥 부재(1151)를 발등 부재(1121)에 유동 가능하게 결합한 이중 구조로 되어 있다.

족부(150)를 구성하는 발등 부재(1121)의 상부에 형성된 연결부에는, 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)와, 전기 접속용 커넥터(1103)와, 커넥터(1003)의 수용부(1104)와, 연결 고정용 액츄에이터(1105)가 배치되어 있다.

발바닥 부재(1151)는 그 상면이 개방된 대략 구형 상자형 부재이며, 대략 구형 판상의 바닥판부(1152) 및 그 주위를 따라서 일체적으로 세워 설치된 측판부(1153)를 갖고 있다. 바닥판부(1152)의 상면은 발등 부재(1121)의 하면에 맞닿아 있다. 여기에서는 바닥판부(1152)의 하면에 의해 족부(150)의 발바닥면이 구성된다. 바닥판부(1152)의 하면과 측판부(1153)의 외면과의 경계 부분은 R면(원호면) 또는 매끄러운 곡면으로 되어 있다.

발바닥 부재(1151)의 측판부(1153)의 내측의 형상은, 발등 부재(1121)의 측면의 형상에 대해서 근소하게 큰 상사 형상으로 되어 있다. 발등 부재(1121)의 측면은, 발바닥 부재(1151)의 측판부(1153)의 내면에 근소한 간극(여유)을 갖고 대면하며, 이에 의해 발바닥 부재(1151)는 발등 부재(1211)에 대해서, 그 발등 부재 (1121)의 하면을 따라서, 즉 X-Y 평면내에 있어서, 임의의 방향으로 유동할 수 있도록 되어 있다.

발바닥 부재(1151)는 다리 유휴시에 발등 부재(1121)에서 낙하하지 않도록, 또 X-Y 평면내에서의 유동을 제한하지 않도록, 도시 생략된 유지 기구를 통하여 발등 부재(1121)에 결합되어 있다. 이 보호 기구는, 발바닥 부재(1151)의 교환을 위해, 용이한 조작으로 착탈하는 기구를 구비하는 것이 바람직하다.

발바닥 부재(1151)의 측판부(1153)의 내면과 발등 부재(1121)의 측면 사이에는, 완충 부재(완충 수단, 1154)가 개입하여 장착되어 있다. 완충 부재(1154)로서는, 예를 들면 무단상의 고무 시트를 채용하고, 발바닥 부재(1151)의 측판부 (1153)의 내면과 발등 부재(1121)의 측면과의 사이의 간극을 완전히 매립하도록 개입하여 장착되어 있다. 단, 완충 부재(1154)는 이와 같은 것이 한정되지 않고, 판 스프링, 스폰지, 고형 내지 반유동체상의 점성 수단을 채용할 수도 있다.

또한, 족부의 조립시에 발바닥 부재(1151)의 측판부(1153)의 내면과 발등 부재(1121)의 측면과의 사이의 간극에, 경화 내지 응고된 상태로 탄성 및/또는 점성을 발생하지 않는 접착제를 충전하여, 상호 접착하도록 할 수도 있고, 당해 간극에의 이물의 진입을 방지할 수 있음과 동시에, 발바닥 부재(1151)를 발등 부재 (1121)에 유동 가능하게 결합하기 위한 보호 기구를 채용하지 않고, 같은 효과를 얻을 수 있으므로 바람직하다.

또한, 발바닥 부재(1151)는 발등 부재(1121)에 대해서, 그 발등 부재(1121)의 하면을 따라서 임의의 방향으로 유동할 수 있도록 구성했으나, X축 방향과 Y축 방향 등과 같이 특정 방향으로만 유동할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한, 완충 부재(1154)는 발바닥 부재(1151)의 측판부(1153)의 내면과 발등 부재(1121)의 측면과의 사이의 간극을 완전히 매립하도록 개재하여 장착하면, 그 간극에 이물 등의 진입을 방지할 수 있는 점에서 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 간헐적으로 배치하도록 할 수 있다. 또한, 완충 부재를 완전히 생략할 수 있다.

발등 부재(1121)의 연결 고정 위치 결정 오목부(1102)의 저면에는, 오목부(1111)가 더 형성되어 있으며, 오목부(1111)에는 전기 회로 기판(1112)이 수용되어 있다. 전기 회로 기판(1112)을 설치하는 위치는, 발등 부재(1121)상이면, 다른 위치로 할 수도 있다. 이 전기 회로 기판(1112)에는 족부 센서 처리 유닛 및 전원 유닛이 탑재되어 있다.

족부 센서 처리 유닛의 구성에 대해서는, 도74에 도시한 것과 마찬가지이며, 족부 센서 처리 유닛내의 ROM에 이 이중 구조의 족부(150)에 대한 발 정보가 저장되어 있는 점도 마찬가지이다.

발등 부재(1121)에는 파워 센서(406)와 가속도 센서(407) 등의 센서가 배치되어 있다. 파워 센서(406)는 Z축 방향의 압력을 검출하는 센서이며, 도81에 도시되어 있는 바와 같이, 발등 부재(1121)의 하면(발바닥 부재(1151)의 상면에 당접하는 면)에 배치되어 있다. 파워 센서(406)는 ZMP를 산출하기 위해 이용되는 것으로, 본 실시 형태에는 발등 부재(1121)의 하면의 4모서리 근방에 각각 설치되어 있다.

파워 센서(406)는 각각 금속 다이아프램과 4개의 변형 게이지로 이루어지고, 4개의 변형 게이지로 브릿지 회로를 형성하고, 그 변형 게이지를 금속 다이아프램에 접착하여 구성된다. 발등 부재(1121)의 하면이 발바닥 부재(1151)의 상면에 당접했을 때, 상기 금속 다이아프램의 변형량(왜곡량)이 전기 신호로서 출력되므로, 이 출력을 산출함으로써, 파워 센서(406)가 배치된 위치에 작용하는 발바닥 부재 (1151)로부터의 Z축 방향의 힘을 구할 수 있다. 단, 파워 센서(406)는 이와 같은 구성인 것에 한정되지 않고, 다른 구성인 것을 채용할 수도 있다. ZMP 검출용 파워 센서(406)의 수와 배설 위치도 상기에 한정되지 않는다.

또한, 도시는 생략했으나, 발등 부재(1121)에는 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 검출하기 위한 가속도 센서도 탑재되어 있다. 가속도 센서를 설치하는 위치는, 특히 한정되지 않으나, 여기에서는 오목부(1111)에 설치되어 있다. 이 가속도 센서의 출력은 노면이 중력 방향에 대한 기울기 검출, 노면의 요철 등에 의한 걸려 넘어짐의 검출에 이용된다.

센서(406, 407)는 도시하지 않은 OP 앰프를 통하여 족부 센서 처리 유닛(400)의 A/D 변환기(405)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 센서(406, 407)의 출력의 게인 조정은, A/D 변환기(405)의 다이나믹레인지에 따라서 미리 수행되고 있음은 물론이다.

또한, 발등 부재(1121)의 발목(114)에의 연결은 액츄에이터(1105)를 이용하여 수행하도록 했으나, 도71 및 도72에 도시한 바와 같은 수동식 레버를 채용하여, 같은 기능을 실현하도록 할 수 있다.

마지막으로, 족부 센서 처리 유닛(400)에 있어서 실행되는 ZMP의 산출 처리에 대해 설명한다. 또한, 여기에서 말하는 ZMP란, 보행중의 로봇이 받는 바닥면에서의 반력에 따른 모멘트가 제로가 되는 바닥면상의 점을 의미한다.

족부 센서 처리 유닛(400)의 CPU(401)는, 발 본체(1101) 또는 발등 부재(1121)(이하, 발 본체(1101)로 대표한다)에 설치된 4개의 파워 센서(406)의 검출치(압력)와 각 파워 센서(406)의 배치 위치에 대한 정보(여기에서는, ROM(403)에 발 센서 정보의 하나로서 기억되어 있는 것으로 한다)에 근거하여, 2족 보행 로봇의 한쪽 발 지지기에서의 당해 족부에 대한 ZMP를 하기의 식(9)에 따라서 산출한다.

_.......(9)

양 다리 지지기에 있어서는, 좌우의 각 족부(150)의 센서 처리 유닛(400)에서 2개의 ZMP가 산출되게 되나, 그 ZMP와 바닥 반력에 근거하여 주제어 유닛(300)내의 CPU(301)에 있어서, 각각의 ZMP의 값으로부터 실제의 ZMP가 산출된다.

ZMP는 한쪽 발에 대해 적어도 3개의 파워 센서의 검출치에 근거하여 산출할 수 있으나, 본 실시 형태에서는 4개의 파워 센서의 검출치에 근거하여 산출함으로써, ZMP 산출치의 신뢰성을 높이고 있다. 또한, 4개의 파워 센서를 설치한 경우에, 3개의 파워 센서의 출력으로부터 ZMP를 산출하고, 또 하나의 파워 센서의 출력을 산출한 ZMP를 체크하는데 이용하도록 할 수 있으며, 이에 의해서도 ZMP 산출치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 족부에 배치되는 파워 센서의 수는, 4개로 한정되지 안고 3개 이상이면 몇개라도 좋다. 이 경우, 파워 센서의 개수를 n으로 하면, ZMP는 다음 식(10)으로 주어진다.

_.......(10)

이와 같이, 족부 센서 처리 유닛(400)에 의해 산출된 ZMP는, 그 족부 센서 처리 유닛(400)의 입출력 제어부, 통신 케이블, 주제어 유닛(300)의 입출력 제어부(모두 미도시)를 통하여 주제어 유닛(300)에 전송되고, 주제어 유닛(300)의 CPU(301)는, 전송된 각 족부에 대한 ZMP, 및 그 외의 정보에 기초하여, 각 액츄에이터(306)등에 대한 지령치를 구하고, 이에 근거하여 로봇의 보행 동작, 그 외의 운동이 제어된다.

가속도 센서(407)는 족부의 X축, Y축 방향의 가속도를 검출하고 있다. 족부 센서 처리 유닛(400)의 CPU(401)는, 족부가 바닥면에 접지해 있을 때는 가속도 센서(407)의 출력에 근거하여, 족부(발바닥 접지면, X-Y평면)의 수평면에 대한 경사 각도를 산출한다. 또한, 한쪽 다리 지지기에 있어서는, 유휴 다리측의 가속도 센서 (407)의 검출치의 변화에 따라서, 유휴 다리에 충격이 가해졌을 때의 그 충격의크기를 산출하거나, 로봇의 보행 동작 중 등에 있어서의 걸려 넘어짐의 검출을 수행하도록 되어 있다.

족부 센서 처리 유닛(400)에 의해서 구해진 이들 정보도, 상술한 ZMP와 마찬가지로 주제어 유닛(300)으로 전송되어, 각 부를 제어하기 위한 기초 정보로서 이용된다.

족부 센서 처리 유닛(400)에 있어서, 파워 센서(406), 가속도 센서(407)의 센서 출력은, 일정 주기마다 또는 필요에 따라서 샘플링되어, ZMP와 족부의 경사 각도 등의 값도 일정 주기마다 또는 필요에 따라서 산출된다.

족부 센서 처리 유닛(400)에 의한 산출 결과의 주제어 유닛(300)에의 전송은, 주제어 유닛(300)이 소정의 주기에서 또는 필요에 따라서 폴링(poling)에 의해서 각 족부에 대한 족부 센서 처리 유닛(400)에 정보(연산 정보)의 전송을 요구하고, 이에 따라서 그 정보를 전송한다. 단, 각 족부에 대한 족부 센서 처리 유닛(400)측으로부터, 주제어 유닛(300)의 CPU(301)에 대해서 인터럽트를 걸어서, 그 정보를 전송하도록 할 수 있다. 경우에 따라서는, 이들 쌍방에 의해 그 정보를 전송할 수도 있다.

상술한 실시 형태에 있어서는, 족부 센서 처리 유닛(400)의 CPU(401)에 의해, ZMP 검출용의 파워 센서(406) 및 가속도 센서(407)의 출력에 따라서 소정의 연산이 실행되어, 연산 결과를 주제어 유닛(300)에 전송하는 것으로 했으나, 2개의 CPU를 설치하여, ZMP의 연산과, 족부의 기울기 등의 연산을 각기 다른 CPU에 의해 수행하도록 할 수도 있다.

또한, 족부 센서 처리 유닛(400)과 주제어 유닛(300)은, 각각에 설치된 입출력 제어부 및 이들을 접속하는 통신 케이블을 통하여 상호 접속하는 형태로 했으나, 족부 센서 처리 유닛(400)의 버스(404)와 주제어 유닛(300)의 버스(304)를 직접 접속하는 형태를 채용할 수도 있다. 또한, 족부 센서 처리 유닛(400) 및 주제어 유닛(300)에 무선으로 데이터 통신을 수행하기 위한 데이터 송수신 장치 및/또는 무선으로 전력을 공급하는 전력 송수신 장치를 배치하면, 이들 사이를 접속하는 케이블 등을 생략할 수 있어, 그 만큼 구성이 간략화됨과 동시에, 족부의 교환 작업도 용이해 진다.

상술한 본 발명의 실시 형태에 의하면, 족부(150)(발 본체(1101)또는 발등 부재(1121))에 설치된 각종 센서(406, 407)의 출력에 따라서, 같은 족부(150)에 설치된 족부 센서 처리 유닛(400)이 당해 족부(150)에 대한 ZMP 연산 등의 소정의 연산 처리를 실행하여, 연산 결과를 로봇 본체의 주제어 유닛(300)으로 전송하도록 했으므로, 그 만큼 그 주제어 유닛(300)의 처리 부담이 경감되어, 주제어 유닛(300)은 다른 연산 처리에 전념할 수 있어, 긴급도가 높은 처리를 양호한 응답성을 갖고 실행할 수 있게 된다.

또한, 족부(150)에 배설된 각종 센서(406, 407)는, 족부 센서 처리 유닛 (400)에 접속되어, 족부 센서 처리 유닛(400)과 주제어 유닛(300)이 통신 케이블에 의해서 접속되어 있으므로, 로봇 내부의 배선은 각종 센서(406, 407)와 주제어 유닛(300)을 직접 접속하는 경우와 비교하여, 로봇 내부의 배선과 커넥터부의 구성을 간편하게 할 수 있다. 상술한 무선 통신에 의해서 데이터 통신할 경우에는, 통신채널 수를 줄일 수 있는 이점도 있다.

또한, 족부(150)의 각종 센서(406, 407)와, 그 검출치에 따라서 연산 처리를 수행하는 족부 센서 처리 유닛(400)과의 사이는, 매우 가까우므로, 센서 출력에 중첩되는 노이즈가 적어져, 보다 정확한 처리 결과를 얻을 수 있다.

족부(150)에 관한 제5 구조에서는, 발바닥 부재(1151)를 발등 부재(1121)에 유동 가능하게 결합했으므로, 로봇의 보행 동작시에, 발바닥 부재(1151)와 발등 부재(1121)의 운동 사이에 시간적 지연이 발생됨과 동시에, 발바닥 부재(1151)와 발등 부재(1121) 사이에 완충 부재(1154)를 개재하여 장착했으므로, 유휴 다리가 노면에 착지했을 때에 노면에서 받은 반력이 완만하게 하지(110)에 작용하게 된다. 따라서, 하지(110)의 관절 부분에 전달되는 충격이 완화되어, 액츄에이터 등으로의 부담이 경감된다. 또한, 로봇을 신속하게 이동시킬 때의 액츄에이터의 급격한 구동에 대한 로봇의 자세 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들면 구동계에 기계적인 오차(백래시)가 있거나, 제어 오차가 발생한 경우이더라도, 발바닥 부재(1151)의 유동 범위 내에서 이를 흡수할 수 있으므로, 그 영향을 제어할 수 있다.

이 제5 구조에 있어서, 발등 부재(1121)와 발바닥 부재(1151)와의 사이에 완충 수단으로서, 탄성 수단을 이용한 경우에는, 발바닥 부재(1151)가 발등 부재(1121)에 대해서 장시간에 걸쳐 진동을 계속할 우려가 있으며, 보행 동작에 따른 제어성에 악영향을 줄 것이 염려된다. 이 경우에는, 탄성 수단에 더하여 제진성을 높이기 위해 점성 수단(예를 들면, 댐퍼 등)을 설치하는 것이 바람직하다.이 경우에 있어서, 다리의 보행 동작에 의해 발바닥 부재(1151)가 노면으로부터 이간한 후 착지할 때까지 요하는 시간 내에 발바닥 부재(1151)의 진동이 소정치 이하까지 수속하도록 그 탄성 수단의 탄성 계수 및 점성 수단의 점성 계수를 설정하면 된다. 이에 따라, 유휴 다리의 착지 시점에 있어서, 발바닥 부재(1151)는 소정치 이하의 진동으로 되어 있으므로, 로봇의 제어계(족부 처리 유닛(400) 또는 주제어 유닛(300))에 의한 궤도 계산과 그 밖의 제어를 위한 재계산을 행할 필요가 없어져, 제어성이 향상된다. 또한, 소정치란 로봇의 제어계가 안정 주행을 실현하기 위해 허용하는 필요 최소한의 진동이다.

또한, 마찬가지로 제5 구조에 있어서는, ZMP 검출용 파워 센서(406) 및 가속도 센서(407)를, 유동 가능한 발바닥 부재(1151)가 아니라, 발등 부재(1121)에 설치하는 것으로 했으나, 센서(406, 407)를 발바닥 부재(1151)측에 설치하는 경우와 비교하여, 센서(406, 407)와 족부 센서 처리 유닛(400)을 연결하는 배선에 가동부가 없고, 배선에 의해서 발바닥 부재(1151)의 유동이 저해되거나, 발바닥 부재(1151)의 유동에 의해 그 배선이 손상되는 경우가 적다. 특히, ZMP 검출용 센서(406)를 발등 부재(1121)의 하면(발바닥 부재(1151)의 상면에 맞닿는 면)에 설치했으므로, ZMP 검출용 센서(406)는 ZMP의 검출상, 노면과 동일시할 수 있는 발바닥 부재(1151)의 상면으로부터 압력을 받게 되어, 노면 상황의 변화에 따라 발생할 수 있는 검출치의 오차를 줄일 수 있어, 보다 정확한 ZMP를 구할 수 있게 된다.

보충

이상, 특정 실시예를 참조하면서 본 발명에 대해 상세히 설명하였다. 그러나, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 그 실시예의 수정과 대용을 이룰 수 있음은 자명하다.

본 발명의 요지는, 반드시 '로봇'으로 칭해지는 제품으로는 한정되지 않는다. 즉, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작에 유사한 운동을 수행하는 기계 장치이면, 예를 들면 완구 등과 같은 다른 산업 분야에 속하는 제품이더라도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

요컨대, 예시라는 형태로 본 발명을 개시해왔으며, 본 명세서의 기재 내용을 한정적으로 해석해야 하는 것은 아니다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 모두에 기재한 특허 청구의 범위의 난을 참작해야 한다.

본 발명에 의하면, ZMP의 이동에 따른 족부 형상의 변화에 따른 항력 발생 실효면의 변화를 억제하고, 또 연속면, 비연속면, 강체면, 점탄성면 등의 다양한 이동면에 적응하여, 보행식 이동 로봇의 자세의 안정성을 충분히 확보할 수 있는 보행식 이동 로봇의 발을 제공할 수 있다.

또한, ZMP의 이동에 의한 족부 형상의 변화에 따른 항력 발생 실효면의 변화를 억제하고, 또 연속면, 비연속면, 강체면, 점탄성면 등의 다양한 이동면에 적응하는 족부를 갖고, 이에 따라 자세의 안정성을 충분히 확보할 수 있는 보행식 이동 로봇을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, ZMP의 위치에 구애받지 않고 요축 주위의 모멘트에 대한 항력이 변화하는 경우가 줄고, 소위 스핀 운동의 발생을 억제할 수 있음과 동시에, 제어계에 의한 제어도 예측 범위내가 되고, 자세의 안정성을 향상할 수 있게 된다. 또한, 노면에 다서의 요철이 있더라도 발바닥의 장심부의 존재에 의해 볼록부에 발이 올라가게 되는 경우가 적으므로, 시소 상태가 되는 경우도 적어진다. 또한, 발바닥에 모서리가 없으므로(모서리부와 측변부가 매끄러운 곡면으로 되어 있다), 노면에 대한 간섭이 적어지고, 걸려 넘어짐 등을 억제할 수 있다. 따라서, 보행식 이동 로봇의 자세의 안정성을 충분히 확보할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 로봇의 전도시의 자세 내지 거동을 예측할 수 있게 되므로, 전도를 회피하기 위한 제어, 전도시의 충격을 완화하기 위한 제어, 전도후의 복귀 제어 등의 전도에 따른 제어를 용이하게 실시할 수 있게 된다. 또한, 전도에 의한 각 부의 파손 등을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 발바닥 부재는 발바닥면에 대략 평행한 면을 따라서 유동 가능하므로, 유휴 다리의 착지시에 노면에 요철 등이 있으며, 발바닥 부재의 일부가 그 요철에 간섭하는 경우이더라도, 발바닥 부재의 유동 범위내에서 그 발바닥 부재가 움직임으로써 그 간섭을 해소하고, 또는 노면에서 받는 힘을 흡수할 수 있게 되어, 안정적으로 고속 동작을 수행할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 발 본체 또는 발바닥 부재에 그 발 본체 또는 발바닥 부재에 관련한 정보가 기억된 기억 수단을 설치했으므로, 로봇 본체의 제어계가 교환된 족부에 관한 정보를 용이하게 취득할 수 있게 되어, 족부의 교환에 따른 작업 부담이 경감된다.

또한, 본 발명에 의하면, 각 족부(발 본체 또는 발등 부재)에 설치되는 센서의 출력의 처리를 당해 족부에 설치된 족부 처리 수단에 의해 실행하도록 했으므로, 로봇 본체의 제어 수단은 당해 처리에 따른 연산 등을 실행할 필요가 없어지고, 그 제어 수단의 처리 부담을 경감할 수 있다.

또한, 족부의 족부 처리 수단에 의한 연산 결과를 로봇 본체의 제어 수단에 전송하도록 했으므로, 각 센서의 출력을 직접적으로 로봇 본체의 제어 수단에 전송하는 경우와 비교하여, 이들을 연결하는 배선의 구성도 복잡화하지 않는다.

예를 들면, 각 족부에 대한 ZMP의 산출을 당해 족부(발 본체 또는 발등 부재)에 설치된 족부 처리 수단에 의해 실행하도록 했으므로, 로봇 본체의 제어 수단은 당해 연산을 실행할 필요가 없어지고, 그 제어 수단의 처리 부담을 경감할 수 있다. 또한, 족부로부터는 연산 결과(ZMP)를 전송하도록 했으므로, 각 센서의 출력을 직접적으로 로봇 본체의 제어 수단에 전송하는 경우와 비교하여, 이들을 연결하는 배선의 구성도 복잡화하지 않는다.

또한, 족부 처리 수단을 각종 센서와의 관계로 최적화할 수 있으며, 족부가 교환되는 경우에, 로봇 본체의 제어 수단의 처리 등으로 변경을 발생하는 경우가 없어져, 그 족부의 교환이 용이하게 된다.

Claims (12)

1. 복수의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇의 다리 장치에 있어서,

   발바닥면 및 그 발바닥면의 주위에 연속하는 측면을 갖는 발바닥부와,

   상기 발바닥면의 내측을 향하여 형성된 경사면으로 이루어지는 제1 오목부를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 접지부를 상기 발바닥면의 4모서리 근방에 각각 배치한 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 오목부내에 소정의 탄성력을 갖는 부재에 의해 형성된 유연부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 오목부의 내부에 상기 제1 오목부의 경사면보다 더 움푹해지도록 형성된 제2 오목부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 유연부는 상기 제2 오목부내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 오목부로부터 상기 발의 주변부를 통과하여 상기 발의 측면으로부터 외부에 이르도록 상기 발의 접지면에 형성된 하나 이상의 홈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 가동 다리에 결합되는 발등 부재와, 발바닥면에 대략 평행한 면을 따라서 유동 가능하도록 그 발등 부재에 결합된 발바닥 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 가동 다리의 선단부에 착탈이 자유롭게 결합되는 발 본체와, 상기 발 본체에 설치되어, 그 발 본체와 관련하는 정보가 기억된 기억 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 가동 다리에 발목부에서 지지되는 발등부와, 상기 발등부에 착탈이 자유롭게 결합되는 발바닥부와, 상기 발바닥부에 탑재되어, 그 발과 관련하는 정보가 기억된 기억 수단 및/또는 상기 기억 수단에 기억된 정보에 기초하여 상기 가동 다리의 운동을 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 가동 다리에 발목부에서 지지되는 발 본체와, 상기 발 본체에 탑재되어, 그 발 본체와 관련하는 정보가 기억된 기억 수단 및/또는 상기기억 수단에 기억된 정보에 기초하여 상기 가동 다리의 운동을 제어하는 제어 수단과, 상기 기억 수단 및/또는 상기 제어 수단을 외계로 노출하여 교환 가능하도록 하는 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
11. 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은 초기화시에 상기 기억 수단에 기억된 정보를 판독하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 다리 장치.
12. 가동 다리의 선단부에 착탈이 자유롭게 설치되는 발을 구비한 보행식 이동 로봇의 제어 방법에 있어서,

    상기 발과 관련하는 정보를 그 발에 설치된 기억 수단에 미리 기억시키고,

    초기화시에 그 기억 수단으로부터 그 정보를 판독하고,

    그 판독된 정보에 기초하여 상기 가동 다리의 운동을 제어하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.