WO2006027902A1 - 脚式移動ロボット - Google Patents

Abstract

　足部（１７Ｒ，１７Ｌ）に設けられる床反力検出器の小型化・軽量化が可能な脚式移動ロボット（Ｒ）を提供する。６軸力センサ（５２）の中心Ｐｂは、ロボット（Ｒ）の起立静止状態において平面視で板バネ部（Ｓ１～Ｓ４）の底面側に設けられた接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置（Ｐａ）上に設けられており、平面視で６軸力センサ（５２）の中心（Ｐｂ）から各板バネ部（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）の底面の接地領域それぞれの最遠点までの距離（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）が等しくなっている。そして足首関節の中心（Ｐｃ）は、平面視で位置（Ｐａ）に対して後方にオフセットしている。

Description

明 細 書

脚式移動ロボット

技術分野

[0001] 本発明は、脚式移動ロボットに関する。

背景技術

[0002] 脚式移動ロボット、特に脚式移動ロボットの足部構造に関する技術として、例えば 特開 2003— 71776号公報に記載の技術が知られている。この特開 2003— 71776 号公報に記載の脚式歩行ロボットの足部は、脚部の端部に足首関節を介して連結さ れており、上から順に、床反力を検出する 6軸力センサ (床反力検出器)と、衝撃吸収 機能を有するゴムブッシュを備えたパネ機構体と、足底フレームと、足底プレートと、 ノールと、から構成される。

足首関節の中心は、床面に接地する足部の底面、すなわち接地領域に対して後 方かつ内側にオフセット (偏倚)している。そして、床反力検出器は、その中心 (ここで は、 Z軸感度中心線と一致する。）が平面視で足首関節の中心と同位置となるように 設けられ、接地領域から入力される床反力を、パネ機構体を介して検出する。

このように、床反力検出器を接地領域に近い足部に設けることによって床反力の検 出精度を高めつつ、パネ機構体によって着地時の衝撃の影響を低減可能な構成と なっている。

[0003] し力しながら、前記した脚式歩行ロボットにお 、ては、移動のスピード (歩行、走行） を高めることが望まれている。脚式歩行ロボットが高速で移動する場合に、脚部に大 きな慣性力が生じる。力かる慣性力を小さくするために、脚部の末端側、すなわち足 部の軽量ィ匕が望まれている。特に、足部に設けられる床反力検出器の小型化'軽量 化が望まれている。

[0004] 本発明は、前記した背景に鑑み創案されたものであり、足部に設けられる床反カ検 出器の小型化'軽量ィ匕が可能な脚式移動ロボットを提供することを課題とする。 発明の開示

[0005] 本発明のの脚式移動ロボットは、上体と、前記上体に第一の関節を介して連結され た脚部と、前記脚部の端部に第二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式 移動ロボットであって、前記足部は、床面に接地する接地領域を下端部に有する足 平部と、前記足平部を介して前記床面力 作用する床反力を検出する床反力検出 器と、を備え、前記第二の関節の中心 Pcは、平面視で前記一または複数の接地領 域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置 Paに対してオフセットしており、前記 床反力検出器の中心 Pbは、前記第二の関節の中心 Pcよりも平面視で前記位置 Pa に近くなるように設けられて 、る。

[0006] この位置 Paは、一または複数の接地領域の最小外接円の中心と言い換えることも できる。このようにすることで、床反力検出器の中心 Pbを平面視で第二の関節の中 心 Pcと同じ位置に設けた場合よりも、床反力検出器に入力される床反力の大きさを 抑えることができる。

[0007] 本発明によれば、足部に設けられた床反力検出器の小型化 ·軽量ィ匕が可能となり、 高速移動に適した脚式移動ロボットを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]本発明に係る 2足移動ロボットを示す側面図である。

[図 2]図 1の脚部の関節構造を示す模式図である。

[図 3]本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットの足部を示す正面図である。

[図 4]本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットの足部を示す側面図である。

[図 5]本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットの足部を示す底面図である。

[図 6]本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットが高速移動する場合を説明する模式 図である。

[図 7]本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの足部および足首関節を示す模式側 面図である。

[図 8]本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの接地領域、足首関節および 6軸カセ ンサの位置関係を説明する模式平面図である。

[図 9]本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの接地領域、足首関節および 6軸カセ ンサの位置関係を説明する模式平面図である。

[図 10]本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの接地領域、足首関節および 6軸カセ ンサの位置関係を説明する模式平面図である。

[図 11]本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの接地領域、足首関節および 6軸カセ ンサの位置関係を説明する模式平面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 以下、本発明の実施形態について、本発明の脚式移動ロボットの構成を自律移動 可能な 2足移動ロボットに適用した場合を例にとり、適宜図面を参照しながら説明す る。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。なお、位置、方向等 に関する表現は、 2足移動ロボットの前後方向に X軸、左右方向に Y軸、上下方向に Z軸をとり、 2足移動ロボットが起立姿勢をとつた状態を基準として説明する。

[0010] < 2足移動ロボット R>

まず、本発明の 2足移動ロボットについて図 1を参照して説明する。図 1は、本発明 に係る 2足移動ロボットを示す側面図である。

図 1に示すように、 2足移動ロボット（以下、単に「ロボット」ともいう） Rは、人間と同じ ように 2本の脚部 Rl (1本のみ図示）により起立、移動（歩行、走行等）し、上体 R2、 2 本の腕部 R3 (1本のみ図示）および頭部 R4を有し、自律して移動するロボットである 。そして、ロボット Rは、これら脚部 Rl、上体 R2、腕部 R3および頭部 R4の動作を制 御する制御装置搭載部 R5を背負う形で背中（上体 R2の後方）〖こ備えている。

[0011] <脚部 R1の関節構造 >

続いて、ロボット Rの脚部 R1の関節構造について図 2を参照して説明する。図 2は、 図 1の脚部の関節構造を示す模式図である。

図 2に示すように、ロボット Rは、左右それぞれの脚部 R1に 6個の関節 11R(L)〜1 6R (L)を備えている。左右 12個の関節は、股部に設けられた脚回旋用（Z軸まわり） の股関節 11R, 11L (右側を R、左側をしとする。以下同じ。）、股部のロール軸 (X軸 )まわりの股関節 12R, 12L、股部のピッチ軸 (Y軸)まわりの股関節 13R, 13L、膝部 のピッチ軸 (Y軸）まわりの膝関節 14R, 14L、足首のピッチ軸 (Y軸）まわりの足首関 節 15R, 15L、および、足首のロール軸 (X軸）まわりの足首関節 16R, 16L力も構成 されている。そして、脚部 R1の下には足部 17R, 17Lが取り付けられている。

[0012] すなわち、脚部 R1は、股関節 11R(L) , 12R (L) , 13R(L)、膝関節 14R(L)およ び足首関節 15R(L) , 16R(L)を備えている。股関節 11R(L)〜13R(L)と膝関節 1 4R (L)とは大腿リンク 21R, 21Lで、膝関節 14R(L)と足首関節 15R (L) , 16R(L) とは下腿リンク 22R, 22Lで連結されている。

なお、股関節 11R(L)〜13R (L)は、「第一の関節」の一例であり、足首関節 15R( L) , 16R(L)は、「第二の関節」の一例である。

[0013] 脚部 R1は、股関節111^( 〜131^( を介して上体1^2に連結されてぃる。図 2で は、脚部 R1と上体 R2との連結部を上体リンク 23として簡略化して示す。また上体 R2 には、傾斜センサ 24が設置されており、上体 R2の Z軸 (鉛直軸)方向に対する傾きお よび角速度を検出する。また、各関節を駆動する電動モータには、その回転量を検 出するロータリエンコーダ（図示せず)が設けられる。

[0014] このような構成により、脚部 R1は左右の足について合計 12の自由度を与えられ、 歩行中にこれらの 6 * 2= 12個の関節を適宜な角度で駆動することで、足 (脚部 R1 および足部 17)全体に所望の動きを与えることができ、任意に 3次元空間を歩行させ ることができる（この明細書で「 *」は乗算を示す)。

[0015] なお、図 2に示すように、足首関節 15R (L) , 16R(L)の下方には公知の 6軸カセ ンサ 52が設けられ、ロボット Rに作用する外力のうち、床面力もロボット Rに作用する 床反力の 3方向成分 F , F , Fとモーメントの 3方向成分 M , M , Mとを検出する。 これら 6軸力センサ 52、傾斜センサ 24等が検出した床反力、モーメント、傾き、角速 度等に関する信号が制御装置搭載部 R5内に設けられた制御ユニット 25に伝えられ 、ロボット Rの姿勢、動作等の制御に利用される。制御ユニット 25は、メモリ（図示せず )に格納されたデータおよび入力された検出信号に基づ!、て関節駆動制御値を算 出し、前記した関節を駆動する。

[0016] <ロボット Rの足部 17 >

ロボット Rの足部 17R(L)は、足首関節 15R(L) , 16R (L)を介して脚部 Rlの端部（ 床面側）に取り付けられており、 6軸力センサ 52および足平部材 61を備えている。左 足 (左の脚部 R1および足部 17L)と右足 (右の脚部 R1および足部 17R)とは左右対 称であるため、以下、必要のない場合には R, Lを外して説明する。

[0017] <実施形態 > まず、本発明の実施形態に係るロボット Rの足部 17について図 3ないし図 5を参照 して説明する。図 3は、本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットの足部を示す正面 図である。図 4は、本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットの足部を示す側面図で ある。図 5は、本発明の実施形態に係る 2足移動ロボットの足部を示す底面図である 。図 3ないし図 5の脚部 R1および足部 17は、図 1に示すロボット Rの外装部分を適宜 取り除いた状態として示されている。なお、図 3ないし図 5には、ロボット Rの左足（左 の脚部 R1および足部 17L)が示されている。

[0018] 《ロボット Rの足首関節》

ここで、図 3および図 4を参照し、ロボット Rの足首関節 15, 16について簡単に説明 する。ロボット Rの足首関節 15, 16は、十字軸 41を下腿リンク 22および足部 17の第 一台座部 51に連結することによって構成されている。

十字軸 41は、 Y軸を回動軸線とする軸 41aと、 X軸を回動軸線とする軸 41bとを十 字状に組み合わせた部材である。軸 41aの両端部は、下腿リンク 22によって回動可 能に支持されている。また、軸 41bの両端部は、第一台座部 51によって回動可能に 支持されている。すなわち、軸 41aが足首関節 15に相当し、軸 41bが足首関節 16に 相当する。

[0019] また、下腿リンク 22の斜め後ろには、第一ロッド 31および第二ロッド 32が設けられ ている。第一ロッド 31は、下腿リンク 22の右斜め後方に設けられており、十字軸 36を 介して第一台座部 51と連結されている。第二ロッド 32は、下腿リンク 22の左斜め後 方に設けられており、十字軸 37を介して第一台座部 51と連結されている。これら第 一ロッド 31および第二ロッド 32は、その上方 (例えば、下腿リンク 22、大腿リンク 21等 )に設けられた電動モータの回転によって生じた駆動力が減速機を介して伝えられる ことによって上下方向に進退し、足首関節 15, 16を動かし、また所定角度に維持す る構成となっている。

[0020] 例えば、足部 17の爪先部分を浮力せたい場合には、第一ロッド 31および第二ロッ ド 32を下に進出させ、足部 17の踵部分を浮かせたい場合には、第一ロッド 31および 第二ロッド 32を上に退行させる。また、足部 17の左右のいずれかを浮かせたい場合 には、浮力せたい側のロッドを上に退行させ、他方のロッドを下に進出させる。かかる 第一ロッド 31および第二ロッド 32の動作は、前記した制御ユニット 25によって制御さ れる。

[0021] 《ロボット Rの足部 17》

図 3ないし図 5に示すように、ロボット Rの足部 17は、上 (足首関節側）から順に、第 一台座部 51と、 6軸力センサ 52と、第二台座部 53と、足平部材 61と、を備えている。

[0022] 第一台座部 51は、足部 17の上部に設けられた部材であり、足首関節 15, 16と連 結される部材である。

[0023] 6軸力センサ 52は、前記したように 3方向の床反力並進力および 3方向の床反力の モーメントを検出する装置であり、各部品が筐体内に収められている（ユニットィ匕)。本 実施形態において、第一台座部 51と 6軸力センサ 52とは複数のボルト（図示せず） により固定されている。この 6軸力センサ 52の出力は、ハーネスを介して前記制御ュ ニット 25に入力される。

この 6軸力センサ 52は、「床反力検出器」の一例である。

[0024] 第二台座部 53は、 6軸力センサ 52の下方、すなわち 6軸力センサ 52と足平部材 6 1との間に設けられた部材であり、 6軸力センサ 52と足平部材 61とを互 、に固定する ための部材である。本実施形態において、 6軸力センサ 52と第二台座部 53とは複数 のボルト（図示せず）により固定され、第二台座部 53と足平部材 61とは複数のボルト (図示せず）により固定されている。このように、 6軸力センサ 52と足平部材 61とを第 二台座部 53を介して固定する構成としたので、足部 17の構造の簡略化、軽量化が 達成される。なお、足部 17の各部材の組付構造は前記したものに限定されない。

[0025] 足平部材 61は、第二台座部 53の下方に取り付けられた部材であり、床面と接地す る足平部の主要部分を構成している。この足平部材 61は、「足平部」の一例である。 この足平部材 61は、板パネ本体 62、第一中間部材 63、第一足底部材 64、第二中 間部材 65および第二足底部材 66を備えている。

板パネ本体 62は、橈みつつロボット Rの自重を支持する部分であり、主に基部 62a と、基部 62aからのびるパネ部 62bと、力も構成される。本実施形態において、板パネ 本体 62は、パネ部 62bの基端部が基部 62aに連結された形状に一体成形された部 材である。 基部 62aは、平板形状を有しており、第二台座部 53の底面に沿う形状を有している 。後記するパネ部 62bの基端部が、この基部 62aに連結されており、パネ部 62bは、 基部 62aとの連結部分を基端部とした板パネとして機能する。

パネ部 62bは、基部 62aの端部から、角度 Θ (図 4参照）で下向きにのびるパネ部 分である。本実施形態では、 4個のパネ部 62b , 62b , 62b , 62bがあり、パネ部 6

1 2 3 4

2b , 62bは基部 62aから前方（爪先方向）にのびており、パネ部 62b , 62bは基部

1 2 3 4

62a力ら後方（鍾方向）〖このびて!/、る。これら各ノネ咅 62b , 62b , 62b , 62b〖ま、

1 2 3 4 同一形状、同一強度、同一性能 (弾性率)とすることが望ましい。

角度 Θは、最大床反力 Fが作用した際に基部 62aが床面に接地しない最小の角 度に設定されていることが望ましい。ここでいう最大床反力 Fは、例えば、ロボット尺が 最高速度で走行し片足で接地した際に作用する反力である。力かる設定により、バ ネ部 62b (62b〜62b )の弾性力によってロボット Rの自重を支持しつつ、基部 62a

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が接地して 6軸力センサ 52に悪影響を与えることを防ぐことができる。

この板パネ本体 62は、パネ部 62bが板パネとして機能することが可能な素材であ ればよぐ例えば、金属部材 (鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等)から形成さ れていてもよい。特に、繊維で強化された複合部材 (繊維強化プラスチック等)から形 成されて!/、る場合には、所望の強度や剛性を得つつ板パネ本体 62の軽量ィ匕を図る ことができる。この際、強化用繊維の繊維方向をパネ部 62bの基端部力も先端部へ 向かう方向（長手方向）と一致させることによって、パネ部 62bの強度を確保すること ができる。

また、各パネ部 62bの繊維方向を変えることによって異方性を持たせ、各パネ部 62 bのパネ特性を変えることもできる。

強化用繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維等が好適である この板パネ本体 62は、一体成形された部材であることが望ましい。 1個の基部 62a に複数のパネ部 62b (本実施形態では 4個）が取り付けられた構成を有する板パネ本 体 62を一体成形することによって、さらなる部品点数の削減、および足部の構造の 簡略化が可能となる。 [0027] 第一中間部材 63は、パネ部 62bの底面の接地領域に対応する部分、すなわち下 端部側 (本実施形態では先端部側と同一）に取り付けられた減衰部材であり、接地時 に生じるパネ部 62bの振動を減衰させる機能を有している。この第一中間部材 63は 減衰機能を備えた素材カゝら形成されたものであればよぐ例えば、発泡榭脂等から形 成されたものが好適である。また、第一中間部材 63の代わりの減衰手段として、液圧 を利用したダンバ装置等を設置する構成であってもよい。このダンバ装置は、第一中 間部材 63と併用可能である。

[0028] 第一足底部材 64は、第一中間部材 63の底面に取り付けられた部材であり、足平 部材 61の下端部に位置し、移動時に実際に床面に接地する部材である。この第一 足底部材 64は、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能を発揮する部 材である。この第一足底部材 64は滑り止め機能を備えた素材カゝら形成されたもので あればよぐ例えば、ゴム力 形成されたものが好適である。この第一足底部材 64の 底面が、「接地領域」である。

[0029] 第二中間部材 65は、パネ部 62bの底面の中間部分に取り付けられた減衰部材で あり、後記する第二足底部材 66が接地した際に生じるパネ部 62bの振動を減衰させ る機能を有している。この第二中間部材 65は第一中間部材 63と同様に、減衰機能 を備えた素材カゝら形成されたものであればよぐ例えば発泡榭脂等カゝら形成されたも のが好適である。

[0030] 第二足底部材 66は、第二中間部材 65の底面に取り付けられた部材であり、前記し た第一足底部材 64と同様に、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能 を発揮する部材である。この第二足底部材 66は、第一足底部材 64よりも上方に位置 している。

[0031] 本実施形態において、 4個の板パネ部 SI, S2, S3, S4は、それぞれパネ部 62b カゝら構成されている。さらに詳しくは、板パネ部 S1は、パネ部 62bから構成され、板

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パネ部 S2は、パネ部 62bから構成され、板パネ部 S3はパネ部 62bから構成され、

2 3

板バネ部 S4はバネ部 62b力 構成されている。そして各板バネ部 Sl， S2, S3, S4

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の先端に設けられた第一足底部材 64が接地した際には、これら各板パネ部 SI, S2 , S3, S4が弾性変形しつつ、弾性変形した状態の各板パネ部 SI, S2, S3, S4によ つてロボット Rの自重、詳しくはロボット Rのパネ部 62bよりも上部の構造による荷重全 体を支持する構成となっている。そのため、簡易な構成でありながらロボット Rの自重 を支持し、さらに床反力による衝撃を吸収することができる。また、衝撃吸収能を高め ることによって、ロボット Rの移動（歩行、走行)速度を高めることが可能となる。

[0032] また、ゴムブッシュ等が不要となり、足部 17の軽量ィ匕が可能となる。力かる軽量ィ匕に より、脚部 R1にかかる慣性力が小さくなるので、高速移動に適した構造となる。

[0033] また、各板パネ部 SI, S2, S3, S4および基部 62aは、平面視略 H字状に配置され ている。力かる構成により、接地領域が前側および後側に 2箇所ずつ配置され、かつ それぞれ前後にのびるように配置された各板パネ部 SI, S2, S3, S4のパネ特性が 前後方向の荷重制御に適しているので、力かる足平構造は、 2足移動の制御や、前 後の接地領域によって踏ん張り、ロボット Rの荷重中心を前後方向に移動させる制御 に適している。また、板パネ部 SI, S2および板パネ部 S3, S4の各組が先端部に向 かってやや開くように設けられて!/、るので、ロボット Rが左右に傾!、て荷重が左右方 向へずれた場合であっても踏ん張りが効く。

[0034] また、床面形状に凹凸がある場合等には、各板パネ部 S1〜S4のうちのいずれか が浮いた (接地していない)状態となることが考えられる。このような場合には、板パネ 部 S 1〜S4の曲げバネ特性 (ロール剛性、ピッチ剛性）が非線形的に変化してしまう。 そのため、制御ユニット 25は、 6軸力センサ 52からの信号等に基づいて、全ての板 パネ部 S1〜S4が接地して橈むように目標足平位置姿勢を修正し、ロボット Rが目標 床反力を発生させるような姿勢をとるように制御している。かかる目標足平位置姿勢 の修正量は、 6軸力センサ 52の検出値力 推測した板パネ部の浮き具合に応じて非 線形演算で算出される。

[0035] ここで、図 5を参照して、接地領域のうちの最遠点までの距離が最小となる位置 Pa と、 6軸力センサの中心 Pbと、足首関節の中心 Pcとの関係について説明する。

本実施形態において、 6軸力センサの中心 Pb (ここでは、 6軸力センサ 52の Z軸方 向感度中心と一致する）は、接地領域 (ここでは、複数の接地領域)のうちの最遠点ま での距離が最小となる位置 Pa、詳しくは、ロボット Rの起立静止状態において板パネ 部 S1〜S4の底面側に設けられた接地領域のうちの、平面視（図 5では底面視)での 最遠点までの距離が最小となる位置 (接地領域の中心とも 、う） Pa (以下、単に「位置 Pa」と記載する。）の上方に設けられている。

本実施形態では、各板パネ部 SI, S2, S3, S4の底面の接地領域それぞれの最遠 点までの距離 LI, L2, L3, L4が等しくなつている。

力かる構成によると、移動時に 6軸力センサ 52に作用する荷重の最大値を抑えるこ とができ、 6軸力センサ 52の小型化が可能である。また、 6軸力センサ 52を足部 17に 設け、接地領域に近づけたことにより、床反力およびモーメントのより正確な測定が可 能となる。

[0036] なお、接地領域が正多角形状に配置されている場合には、各接地領域から 6軸力 センサ 52までの距離が等しくなるように 6軸力センサ 52を配置することになる。また、 6軸力センサ 52に変えて、少なくとも 1軸の床反力またはモーメント (例えば、 Z軸方 向の床反力の並進力 F )を検出する床反力検出器を用いる構成であってもよい。

z

[0037] また、本実施形態において、足首関節の中心 Pcは、平面視で位置 Paに対してオフ セットしている。ここでは、軸 41aおよび軸 41b (図 3参照）の交点が足首関節の中心 P cに相当する。この足首関節の中心 Pcは、位置 Paよりもロボット Rの後方に設けられ ている。このように足首関節 15, 16が足平部材 61の接地領域に対して後方にオフセ ットして!/、る理由につ 、ては後記する。

なお、足首関節の中心 Pcは、さらに足平部材 61の接地領域の内側（ロボット Rの中 心側）にもオフセットしている構成であってもよい。足首関節の中心 Pcを内側にオフ セットすること〖こより、隣接する足部 17R, 17Lの足平部材 61同士の干渉を防ぎ、か つ接地面積を確保してロボット Rの姿勢の安定性を維持することができる。

[0038] また、本実施形態において、 6軸力センサの中心 Pbが位置 Pa上に設けられるよう にしたが、 6軸力センサの中心 Pbは、少なくとも平面視で足首関節の中心 Pcよりも位 置 Paに近くなるように設けられて 、ればよ 、。

言い換えると、 6軸力センサの中心 Pbは、平面視で位置 Paを中心とし、位置 Paと足 首関節の中心 Pcとを結ぶ線分 rlを半径とする円 C1の内部にあればよい。例えば、 線分 rl上に 6軸力センサの中心 Pbが位置する構成であってもよい。かかる構成であ つても、移動時に 6軸力センサ 52に作用する荷重の最大値を抑えることができ、 6軸 力センサ 52の小型化が可能である。特に、 6軸力センサの中心 Pbが位置 Pa上にあ る場合には、 6軸力センサ 52の小型化と 、う効果を最大に発揮することができる。

[0039] また、図 4に示すように、板パネ部 S1〜S4の下端部（先端部）は、足首関節 15, 16 力も離れるにつれて上に向力つて反る形状を有しており、その底面に設けられた第 一足底部材 64も同様の形状を有している。これは、力かるロボット Rの歩行の制御が 、踵部分力 接地して爪先部分で蹴り上げるようになっているため、接地時および蹴 り上げ時に接地する面積を大きくし、床面との間の摩擦力を確保することを可能とす るためである。また、接地領域を面で確保できるので、ロボット Rの姿勢の安定化にも つながる。

[0040] 続いて、足首関節 15, 16が足平部材 61の接地領域の後方にオフセットしている理 由について、ロボット Rが高速移動（走行)する場合を例にとり説明する。図 6は、本発 明の実施形態に係る 2足移動ロボットが高速移動する場合を説明する模式図であり、 (a)は足首関節が足平部に対して後方にオフセットしている図、 (b)は足首関節が足 平部の前後方向中心に位置している図である。なお、図 6 (b)において、図 6 (a)と同 様の部分には「 '」を付加した符号を用いる。

図 6 (a)に示すように、足首関節 15, 16は、足平部材 61に対して後方にオフセット（ 偏倚)している。この場合には、足首関節 15, 16から足平部材 61の接地部分の前方 先端までの距離 Laが長くなる (La>La' )。ロボット Rが高速移動（走行)する場合に は、膝関節 14を深く折り曲げ、足平部材 61の爪先部分に床反力 Fが集中する状態 が生じる。このとき、膝関節 14に生じるモーメントは、 F * Lbとなる。一方、図 6 (b)に 示すように、足首関節 15' , 16'が、足平部材 61 'の前後方向中心に位置している場 合に膝関節 14，に生じるモーメントは、 F， * Lb，となる。ここで、 Lbく Lb，であるので 、 F=F 'とすると F * Lb<F' * Lb'が成立する。

これは、高速移動時に膝関節 14を駆動 (屈曲）した場合において、足首関節 15, 1 6を足平部材 61に対して、膝関節 14の足平部材 61に対する相対移動方向（本実施 形態では前方）と反対方向（本実施形態では後方）にオフセットさせた場合に成立す る。そして、足首関節 15, 16の足平部材 61に対する後方へのオフセット量を大きく すると、高速移動時における膝関節 14にかかる負担をより小さく抑えることができるこ とを意味している。

[0041] <変形例>

続いて、ロボット Rの足平部の接地領域と、足首関節の中心と、 6軸力センサの中心 との位置関係の変形例について、前記実施形態との相違点を中心に説明する。図 7 は、本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの足部および足首関節を示す模式側面 図である。図 8ないし図 11は、本発明の変形例に係る 2足移動ロボットの接地領域、 足首関節および 6軸力センサの位置関係を説明する模式平面図である。

[0042] 図 7に示すように、変形例に係る足部 117は、足平部材 61の代わりに足平部材 16 1を備えている。

図 7に示すように、足平部材 161は、平面状の剛性部材カもなる足平本体部 162と、 足平本体部 162の底面に設けられたゴム等力 なる足底部材 164と、を備えている。 その接地領域は、足平本体部 162の底面と略同一形状であり、 X軸方向を長手方向 とする長方形状となって 、る（図 8参照)。

すなわち、足平部材 161は、一の接地領域を有している。 6軸力センサ 52は、足平 部材 161の上方に設けられており、足平部材 161から入力される床反力を検出する ここで、特開 2003— 71776号公報に記載の脚式歩行ロボットのように、足平部材 16 1と 6軸力センサ 52との間にパネ機構体 (ゴムブッシュ等）を設ける構成であってもよ い。足首関節 15, 16は、 6軸力センサ 52の上方に設けられている。

[0043] 図 8は、足首関節の中心 Pcが、接地領域 (ここでは、一の接地領域)のうちの最遠 点までの距離が最小となる位置 Paに対して後方にオフセットしている例を示す。かか る状態において、 6軸力センサの中心 Pbは、平面視で位置 Paと足首関節の中心 Pc とを結ぶ線分 r2上に位置して 、る。

なお、 6軸力センサの中心 Pbは、前記した例に限定されず、平面視で位置 Paを中 心とし、線分 r2を半径とする円 C2内（円周上を除く）であればよぐ円 C2のうち、足首 関節の中心 Pcを円弧の中央とする半円 C2a内（直径部分を含み、円弧上を除く）で あることがさらに望ましぐこの半円 C2aのうち、線分 r2に近くなることがさらに望ましい さらに、 6軸力センサの中心 Pbは、線分 r2上 (足首関節の中心 Pcを除く）であること が望ましぐ線分 r2上のうち、位置 Paに近い方がさらに望ましい。

[0044] 図 9ないし図 11は、足首関節の中心 Pcが、位置 Paに対して後方かつ内側にオフ セットしている例を示す。

図 9に示す変形例は、 6軸力センサの中心 Pbが Y軸方向（ロボット Rの左右方向）の み、位置 Paに近づく場合である。

6軸力センサの中心 Pbは、位置 Paから後方 (X軸マイナス方向）にのびる線分 alに 対して足首関節の中心 Pcから下ろした垂線 a2上 (足首関節の中心 Pcを除く）に位置 している。

図 10に示す変形例は、 6軸力センサの中心 Pbが X軸方向（ロボット Rの前後方向） のみ、位置 Paに近づく場合である。

6軸力センサの中心 Pbは、位置 Paから内側（Y軸マイナス方向）にのびる線分 a3に 対して足首関節の中心 Pcから下ろした垂線 a4上 (足首関節の中心 Pcを除く）に位置 している。

図 11に示す変形例は、 6軸力センサの中心 Pbが X軸方向、 Y軸方向の双方にお いて、共に位置 Paに近づく場合である。特に図 11においては、 6軸力センサの中心 Pbが平面視で位置 Paと足首関節の中心 Pcとを結ぶ線分 r3上 (足首関節の中心 Pc を除く）に位置する場合を示している。

なお、 6軸力センサの中心 Pbは、前記した例に限定されず、平面視で位置 Paを中 心とし、線分 r3を半径とする円 C3内（円周上を除く）であればよぐ円 C3のうち、足首 関節の中心 Pcを円弧の中央とする半円 C3a内（直径部分を含み、円弧上を除く）で あることがさらに望ましぐこの半円 C3aのうち、線分 r3に近くなることがさらに望ましい 。さらに、 6軸力センサの中心 Pbは、線分 r3上 (足首関節の中心 Pcを除く）であること が望ましぐ線分 r3上のうち、位置 Paに近い方がさらに望ましい。

[0045] 前記した変形例において、 6軸力センサの中心 Pbの位置 Paに対するオフセット（偏 倚)の方向や距離は、円 C2, C3内（円周上を除く）において適宜変更可能であるが 、 6軸力センサの中心 Pbは平面視で足平部材 161の接地領域内に設けられることが 望ましい。 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定さ れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、ロボット Rは、図示した 2足移動ロボットに限定されず、 1本のみの脚部を備えた脚式移動ロボ ットまたは 3本以上の脚部を備えた脚式移動ロボットであってもよい。

また、足平部 (足平部材)の素材、形状、機能等も前記したものに限定されず、床反 力検出器も前記した 6軸力センサ 52に限定されない。すなわち、本発明は、接地領 域を有する足平部 (足平部材)と第二の関節 (足首関節)との間に床反力検出器を設 けたあらゆる脚式移動ロボットに適用可能である。

また、接地領域の数、形状、配置等についても前記したものに限定されない。

Claims

請求の範囲

[1] 上体と、前記上体に第一の関節を介して連結された脚部と、前記脚部の端部に第 二の関節を介して連結された足部と、を備えた脚式移動ロボットであって、

前記足部は、床面に接地する一または複数の接地領域を下端部に有する足平部 と、前記足平部を介して前記床面から作用する床反力を検出する床反力検出器と、 を備え、

前記第二の関節の中心 (Pc)は、平面視で前記一または複数の接地領域のうちの 最遠点までの距離が最小となる位置 (Pa)に対してオフセットしており、

前記床反力検出器の中心 (Pb)は、前記第二の関節の中心 (Pc)よりも平面視で前 記位置 (Pa)に近くなるように設けられていることを特徴とする脚式移動ロボット。

[2] 前記床反力検出器の中心 (Pb)は、前記位置 (Pa)に対して後方にオフセットしてい る

ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の脚式移動ロボット。

[3] 前記床反力検出器の中心 (Pc)は、前記位置 (Pa)と前記第二の関節の中心 (Pc) とを結ぶ線分上に位置して 、る

ことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の脚式移動ロボット。

[4] 前記床反力検出器の中心 (Pb)は、前記位置 (Pa)に対して後方であって前記脚式 移動ロボットの中心側にオフセットしている

ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の脚式移動ロボット。

[5] 前記床反力検出器の中心 (Pc)は、前記位置 (Pa)から前記脚式移動ロボットの後 方に伸びる線分に対して、前記第二の関節の中心 (Pc)から下ろした垂線上に位置 している

ことを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の脚式移動ロボット。

[6] 前記床反力検出器の中心 (Pc)は、前記位置 (Pa)から前記脚式移動ロボットの中 心側に伸びる線分に対して、前記第二の関節の中心 (Pc)から下ろした垂線上に位 置している

ことを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の脚式移動ロボット。

[7] 前記床反力検出器の中心 (Pc)は、前記位置 (Pa)と前記第二の関節の中心 (Pc) とを結ぶ線分上に位置して 、る

ことを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の脚式移動ロボット。