WO2021079847A1 - 脚式移動ロボットの足部構造、及び脚式移動ロボット - Google Patents

脚式移動ロボットの足部構造、及び脚式移動ロボット Download PDF

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causing body
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功一 尾花
祐太 香田
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株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0283—Three-dimensional joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
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    • B25J19/02—Sensing devices

Definitions

  • the present invention relates to a leg-type mobile robot provided with movable legs, and more particularly to a structure of a foot portion provided at the lower end of the movable legs and in contact with a walking surface.
  • a sensor that detects a floor reaction force is provided on the foot of the robot, for example, for controlling the posture of the robot and grasping the state of the walking surface.
  • the sensor is important for posture control and stable walking.
  • many bipedal walking robots currently adopt the zero moment point (ZMP) norm for attitude control and stable walking.
  • ZMP zero moment point
  • a strain sensor, a force sensor, or the like is provided on the foot, and ZMP is obtained using the output thereof.
  • Patent Document 1 describes a load cell composed of a strain-causing body and a strain gauge arranged on the ankle as a conventional technique of a foot sensor.
  • the part where the load of the robot is directly applied can be made into a structure that is not easily deformed.
  • the strain sensor In the configuration in which the strain sensor is arranged at the relevant location, it becomes difficult to detect a small difference in stress because the strain becomes smaller, and it becomes difficult to secure the accuracy of the floor reaction force calculated based on the output of the strain sensor. There is.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and provides a foot structure and a leg-type mobile robot capable of detecting a floor reaction force with appropriate accuracy while using a strain sensor having a relatively low sensitivity.
  • the purpose is.
  • the foot structure according to the present invention is the structure of the foot provided at the lower end of the movable leg of the leg-type mobile robot, and the foot instep member connected to the movable leg and the instep member.
  • the sole member arranged below and in contact with the walking surface is connected to the instep member and the sole member at different positions in a plan view, and the distance or inclination between the instep member and the sole member. It has a strain-causing body that bends and deforms in response to a change in the strain, and a plurality of strain sensors installed at different positions of the strain-causing body.
  • the strain-causing body can be configured to be arranged at a plurality of positions of the foot in a plan view.
  • the strain-causing body may extend in the horizontal direction.
  • the strain-causing body extends one-dimensionally, and the first position and the second position are used as connection positions with one of the instep member and the sole member. It has a position and has a third position between the first position and the second position as a connection position between the instep member and the other of the sole member, and the strain sensor has the first position and the said. It can be configured to be installed between the third position and between the second position and the third position, respectively.
  • the first position and the second position are symmetrical positions with respect to the third position, and the strain sensors installed on both sides of the third position. Can be installed at positions symmetrical with respect to the third position.
  • the strain-causing body has two opposing sides in a rectangle composed of a side along the front-rear direction and a side along the left-right direction of the foot. It can be configured to be arranged in each.
  • the strain-causing body may be arranged on the long side of the rectangle.
  • the strain-causing body is a leaf spring that elastically supports the instep member against the load of the leg-type mobile robot. can do.
  • a strain-causing body support provided on the sole member to support both ends of the strain-causing body and to lift the central portion of the strain-causing body from the sole member. It has a pedestal and a strain-causing body pressing portion which is a convex portion provided on the lower surface of the instep member facing the central portion of the strain-causing body and is connected to the strain-causing body.
  • the rigidity of the strain-causing body is set low under the condition that the central portion of the strain-causing body does not come into contact with the sole member when a presumed maximum load is applied from the strain-causing body pressing portion. Can be.
  • the foot is substantially rectangular in a plan view, and has four corners, long sides along the front-rear direction, and along the left-right direction.
  • the sole member has a strain-causing body support at each corner, and the strain-causing body is a leaf spring elongated in the front-rear direction and is on the left side of the sole member.
  • the instep members Suspended between the pair of strain-causing body supports and between the pair of strain-causing body supports on the right side, the instep members are provided on the left and right ends of the lower surface of the instep member, respectively.
  • the convex portion may have a strain-causing body pressing portion connected to the central portion of the strain-causing body.
  • the leg-type mobile robot according to the present invention has the foot structure described in (1) to (10) above.
  • FIG. 5 is a schematic side view of a foot portion in a state where the upper frame is displaced downward in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic side view of a foot portion in a state where the upper frame is tilted forward in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a humanoid robot 2 which is an embodiment of a leg-type mobile robot according to the present invention, and shows a perspective view in a standing position.
  • the humanoid robot 2 is provided with a pair of movable legs and performs leg-type movement.
  • the humanoid robot 2 has a movable part that enables movement similar to that of a human.
  • the humanoid robot 2 has a torso 4, a head 6, and a pair of left and right upper limbs 8 and lower limbs 10, respectively.
  • the torso 4 is divided into a chest 4u and an abdomen 4d, which can change the relative angles of the three axes of roll, pitch and yaw by the actuator group 20.
  • the head 6 is connected on the chest 4u, and the angles of the three axes of roll, pitch and yaw can be changed by the actuator group 21 provided in the connecting portion corresponding to the neck joint.
  • the left and right upper limbs 8 each have a first upper limb portion 8s, a second upper limb portion 8u, and a third upper limb portion 8f connected in order from the side edge of the chest 4u, and an actuator arranged at each connecting portion.
  • the second upper limb portion 8u corresponds to the upper arm
  • the third upper limb portion 8f corresponds to the forearm and the hand
  • the connecting portion between the second upper limb portion 8u and the third upper limb portion 8f corresponds to the elbow joint, which is provided at the connecting portion.
  • the elbow is flexed by the actuator 22.
  • the first upper limb portion 8s corresponds to the shoulder, and the actuator group 23 arranged at the connecting portion between the first upper limb portion 8s and the chest 4u can change the roll angle and pitch angle of the first upper limb portion 8s. Further, the actuator 24 arranged at the connecting portion between the first upper limb portion 8s and the second upper limb portion 8u realizes a movement corresponding to a twist of the arm.
  • the left and right lower limbs 10 have a thigh portion 10u, a lower leg portion 10d, and a foot portion 10f, respectively.
  • the lower limbs 10 which are movable legs have the thighs 10u connected under the abdomen 4d, and the actuator group 25 provided at the connecting parts corresponding to the hip joints can change the angles of the three axes of roll, pitch and yaw.
  • the lower leg portion 10d is connected under the thigh portion 10u.
  • the connecting portion between the thigh portion 10u and the lower leg portion 10d corresponds to the knee joint, and the knee is flexed by the actuator 26 provided in the connecting portion.
  • the foot portion 10f is connected under the lower leg portion 10d and is located at the lower end of the movable leg.
  • the connecting portion between the foot portion 10f and the lower leg portion 10d corresponds to the foot (ankle) joint, and the roll angle and pitch angle of the foot portion 10f can be changed by the actuator group 27 provided in the connecting portion.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the control system of the humanoid robot 2.
  • the control unit 30 is configured to include an arithmetic unit and a storage device, and the arithmetic unit executes a program stored in the storage device and, for example, processes a signal input from a sensor 31 mounted on the humanoid robot 2. And also generate a control signal for the actuator 32.
  • the humanoid robot 2 may have various sensors 31.
  • the output of the detector such as the angle and speed provided in the servomotor is also input to the control unit 30 as a signal of the sensor 31.
  • a strain sensor for detecting the stress generated in the strain-causing body in response to the floor reaction force is provided.
  • the control unit 30 controls various operations including walking while detecting the state of the humanoid robot 2 and the operation of each unit based on the output of the sensor 31. In particular, in controlling the walking motion, it is necessary to detect the center of gravity of the humanoid robot 2, and for that reason, it is important to detect the floor reaction force by the sensor provided on the foot portion 10f.
  • the control unit 30 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) 33 as an arithmetic unit, and a RAM (Random Access Memory) 34 and a ROM (Read Only Memory) 35 as storage devices. Further, the control unit 30 may include an A / D converter 36 that converts an analog signal output by the sensor 31 into a digital signal.
  • the components of the control unit 30, such as the CPU 33, RAM 34, ROM 35, and A / D converter 36, may be connected to each other via, for example, the bus 37, and the actuator 32 may also be connected to the bus 37. it can.
  • the control unit 30 is configured by using, for example, a microcomputer or the like, and is mounted on the humanoid robot 2. Further, the control unit 30 may be separated from the humanoid robot 2 and connected to the humanoid robot 2 by a cable or the like.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the foot portion 10f.
  • the XYZ coordinate system is a right-handed Cartesian coordinate system
  • the Z axis is a vertical axis
  • the X axis is a horizontal axis in the left-right direction
  • the Y axis is a horizontal axis in the front-back direction.
  • the positive direction of the Z-axis is upward
  • the positive direction of the X-axis is the right-to-left direction of the humanoid robot 2
  • the positive direction of the Y-axis is the front-to-back direction.
  • the approximate shape of the foot portion 10f is a plate shape with the Z direction as the thickness direction
  • the planar shape is approximately the short side along the X direction and the long side along the Y direction. It is a rectangle consisting of.
  • the left and right foot portions 10f each have an instep member connected to the lower leg portion 10d and receiving the load of the humanoid robot 2, and a sole member arranged under the instep member and in contact with the walking surface.
  • the instep member and the sole member are not limited to those made of a single material, but may be made of a plurality of parts or materials.
  • FIG. 3 shows the foot portion 10f separately as an upper portion including the instep member and a lower portion including the sole member.
  • the upper portion includes an upper frame 44 having a substantially rectangular planar shape corresponding to the foot portion 10f, and the upper frame 44 basically hits the instep member.
  • the upper frame 44 is made of a highly rigid material / structure.
  • the lower portion includes a lower frame 48 having a substantially rectangular planar shape corresponding to the foot portion 10f, and a strain generating body 50 and a strain sensor 52 arranged on the upper surface thereof.
  • the lower frame 48 basically hits the sole member.
  • the lower frame 48 is made of a highly rigid material / structure.
  • the planar shapes of the upper frame 44 and the lower frame 48 are both substantially rectangular shapes corresponding to the foot portion 10f, and the shapes and sizes of the upper frame 44 and the lower frame 48 can be substantially the same.
  • the strain generating body 50 can be arranged at a plurality of positions in a plan view.
  • FIG. 4 is a schematic side view of the foot portion 10f viewed in the negative direction of the X-axis (that is, viewed from the front side in FIG. 3).
  • a convex portion is provided as a strain-causing body pressing portion 64 on the edges of the two long sides of the lower surface of the upper frame 44 along the Y-axis direction.
  • the strain-causing body pressing portion 64 is arranged at the center of the long side.
  • the strain-causing body 50 is attached to a lower frame 48, which is a sole member, and bends and deforms according to a change in the distance between the upper frame 44 and the lower frame 48 or the inclination of each other, and strains according to the floor reaction force. It has a function to generate.
  • the strain-causing body 50 is made of a highly rigid elastic body elongated in the Y-axis direction, and the strain-causing body pressing portion of the upper frame 44 is formed on each of the two long sides of the lower frame 48 along the Y-axis direction. It is arranged to face 64.
  • the corners forming the four corners of the upper surface of the lower frame 48 are provided with convex portions serving as a support base for the strain generating body 50 (distortion body support base 70), and two strain generating and straining arranged on one long side of the lower frame 48.
  • the body support 70 supports both ends of the strain generating body 50 arranged on the long side.
  • the strain generating body 50 is supported so that its central portion in the Y-axis direction floats from the lower frame 48.
  • the strain generating body pressing portion 64 of the upper frame 44 is connected to the central portion of the strain generating body 50.
  • the strain-causing body 50 extends in the horizontal direction, connects to the upper frame 44 and the lower frame 48 at different positions, and exerts a force from each of them.
  • the strain-causing body pressing portion 64 pushes the strain-causing body 50 from above with a force corresponding to the load received from the lower leg portion 10d
  • the strain-causing body support 70 pushes the strain-generating body 50 with a force corresponding to the floor reaction force. Supporting from below, the strain-causing body 50 is deformed by applying forces in opposite directions at both ends and the center.
  • the strain sensor 52 is installed at a plurality of different positions of the strain generating body 50.
  • the strain-causing body 50 extends one-dimensionally in the Y-axis direction (front-rear direction), and its front end and rear end are set as connection positions with the lower frame 48, and is located above the center. It has a connection position with the frame 44.
  • the strain sensor 52 has a connection position with the lower frame 48 at the strain generating body support 70 at the front end portion of the strain generating body 50 and a connection position with the upper frame 44 at the strain generating body pressing portion 64 at the central portion.
  • the structure related to the strain-causing body 50 is symmetrically configured on both front and rear sides with the strain-causing body pressing portion 64 as the center.
  • the distances from the strain-causing body pressing unit 64 to the front strain-causing body support 70 and the rear strain-causing body support 70 are the same, and the strain sensor 52 and the front strain sensor 52 from the strain-causing body pressing unit 64 The distance to each of the rear strain sensors 52 is the same.
  • the strain generating body 50 is arranged on each of the two long sides of the lower frame 48 along the Y-axis direction, and two strain sensors 52 are installed on each strain generating body 50. That is, the strain sensors 52 are arranged at a total of four positions on the XY surface, which are the front position and the rear position of the strain generating body 50 on the left side and the strain generating body 50 on the right side when viewed from the center of the foot portion 10f. To.
  • the strain-causing body 50 also has a function as an elastic support member that elastically supports the upper frame 44, which is an instep member, against the load of the humanoid robot 2.
  • the strain generating body 50 constitutes a leaf spring.
  • the load received by the upper frame 44 changes according to the posture and the motion state of the humanoid robot 2, and the strain generating body 50 elastically supports the upper frame 44 with respect to the load in the assumed change range as described above. ..
  • the rigidity of the strain generating body 50 is lowered as long as the condition that the strain generating body 50 does not collide with the lower frame 48 at the position of the strain generating body pressing portion 64 is satisfied even if a maximum load assumed in advance is applied.
  • the rigidity is increased by using a material having a large elastic modulus such as Young's modulus and rigidity. Further, if the same material is used, the rigidity can be increased by increasing the thickness or forming a cross section having a large cross-sectional performance such as an H shape or a pipe.
  • rigidity can be increased by increasing the thickness or forming a cross section having a large cross-sectional performance such as an H shape or a pipe.
  • the strain generating body 50 is a leaf spring, and its rigidity can be basically defined by flexural rigidity.
  • E Young's modulus
  • the Young's modulus of pure iron, stainless steel, and brass decreases in this order.
  • the strain generating body 50 can be made rigid enough to satisfy the above conditions by selecting a material from the viewpoint of Young's modulus E and designing a cross-sectional shape.
  • the strain generating body 50 can be set to the minimum rigidity satisfying the above conditions with respect to the assumed maximum load.
  • FIG. 5 and 6 show an example when the lower frame 48 receives a floor reaction force, and are schematic side views similar to those in FIG. 4, respectively.
  • FIG. 5 shows a case where the upper frame 44 is displaced downward while maintaining a parallel state with the lower frame 48.
  • the upper frame 44 receives a load from the lower leg portion 10d
  • the upper frame 44 is displaced downward, and the strain generating body 50 is bent by pushing down the central portion thereof by the strain generating body pressing portion 64.
  • the strain-causing body 50 and the strain sensor 52 are configured symmetrically with respect to the strain-causing body pressing portion 64, the upper frame 44 is displaced in the vertical direction while remaining horizontal as shown in FIG.
  • the deformation of the strain generating body 50 in the front-rear direction is basically symmetrical, and the stress received by the strain sensor 52 in the front-rear direction is also the same.
  • the strain sensor 52 in front of the strain generating body pressing portion 64 receives compressive stress
  • the strain sensor 52 behind also receives compressive stress.
  • the stress increases or decreases with the vertical displacement amount of the upper frame 44, and the vertical displacement amount can be obtained from the magnitude of the strain detected by the front and rear strain sensors 52.
  • FIG. 6 shows a case where the upper frame 44 is tilted forward.
  • the distance between the upper frame 44 and the lower frame 48 does not change at the center in the Y direction, that is, the upper frame 44 is not displaced in the vertical direction as a whole.
  • the front end of the strain generating body pressing portion 64 pushes down the strain generating body 50, while the rear end portion pulls up the strain generating body 50.
  • the deformation of the strain generating body 50 in the front-rear direction is basically asymmetric, and the stress received by the strain sensor 52 is also asymmetric.
  • the strain sensor 52 in front of the strain-causing body pressing portion 64 (on the left side in FIG.
  • the strain sensor 52 behind receives compressive stress
  • the strain sensor 52 behind receives tensile stress.
  • the absolute value of the stress increases or decreases with the amount of inclination of the upper frame 44, and the amount of inclination of the upper frame 44 in the front-rear direction (around the X-axis) is obtained from the difference in strain detected by the front-rear strain sensor 52. Can be done.
  • the amount of inclination of the upper frame 44 in the left-right direction is the distortion sensor of the left long side. It can be obtained from the difference between the distortion detected by the 52 and the distortion detected by the distortion sensor 52 on the long side on the right side.
  • the strain generating body pressing portion 64 pushes down the strain generating body 50 on the left long side, and the long side is concerned.
  • the strain sensor 52 of the above detects the downward vertical displacement of the upper frame 44, while the strain generating body pressing portion 64 pulls up the strain generating body 50 on the right long side, and the strain sensor 52 on the long side of the upper frame 44 faces upward. Detects vertical displacement of. That is, when the upper frame 44 is tilted in the left-right direction, the deformation of the strain generating body 50 on the long sides on both the left and right sides is basically asymmetric, and the stress received by the strain sensor 52 is also asymmetric on the two long sides.
  • the difference in stress increases or decreases with the amount of inclination of the upper frame 44, and the amount of inclination of the upper frame 44 in the left-right direction can be obtained from the difference in strain detected by the left and right strain sensors 52 as described above. ..
  • the strain sensors 52 arranged at the four locations of the foot portion 10f form a part of various sensors 31, and the output signal thereof is input to the control unit 30.
  • the control unit 30 uses the output signal of the strain sensor 52 to calculate the floor reaction force on each of the right foot and the left foot and the center of gravity of the humanoid robot 2, and further controls the walking motion using the results.
  • the control unit 30 has a floor reaction force vector () that acts on the foot portion 10f based on the measured values of stress obtained by the strain sensor 52 at a plurality of positions in the XY plane of one foot portion 10f. Calculate the synthetic vector of the floor reaction force over the entire sole) and its point of action.
  • the strain sensors 52 are arranged at four locations in the front, back, left and right in the XY plane, and by using the outputs of the strain sensors 52, the amount of vertical displacement of the upper frame 44 and the front and rear are as described above.
  • the amount of inclination in each of the direction and the left-right direction can be calculated, and the two-dimensional coordinates of the point of action of the floor reaction force on the foot portion 10f in the XY plane can be obtained, and the floor reaction force can be calculated in the XYZ space.
  • the action points and vectors of the floor reaction force can be basically calculated from the measured values of the strain sensor 52 at three or more points in the XY plane.
  • the control unit 30 calculates the ZMP of the humanoid robot 2 based on the output of the strain sensor 52.
  • each strain sensor 52 is installed on the upper surface of the strain generating body 50 in the present embodiment, it may be installed on the lower surface.
  • the strain-causing body is arranged on a pair of sides along the front-rear direction of the substantially rectangular foot portion 10f, but may be arranged on a pair of sides along the left-right direction, and four more. It may be placed on all sides.
  • the flexural rigidity 50 is arranged on the long side of the rectangle and the case where it is arranged on the short side
  • the long side has more force. Since the distance L between the action point and the fulcrum becomes large and the bending rigidity k becomes small, the strain-causing body 50 is easily deformed.

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Abstract

脚式移動ロボットの足部にて、比較的に感度の低い歪みセンサを用いて床反力を好適な精度で検知する。足部（１０ｆ）は、可動脚に連結された上フレーム（４４）と、上フレーム（４４）の下に配置され歩行面に接触する下フレーム（４８）と、平面視にて上フレーム（４４）及び下フレーム（４８）それぞれと互いに異なる位置で接続され、前記足甲部材と前記足底部材との間隔又は傾きの変化に応じて曲げ変形を起こす起歪体（５０）と、起歪体（５０）の互いに異なる位置に設置された複数の歪センサ（５２）と、を有する。

Description

脚式移動ロボットの足部構造、及び脚式移動ロボット
　本発明は、可動脚を備えた脚式移動ロボットに関し、特に、可動脚の下端に設けられ、歩行面に当接される足部の構造に関する。
　可動脚を備え歩行し移動する脚式移動ロボットにおいては、その足部に、例えば、ロボットの姿勢の制御や歩行面の状態把握などのために、床反力を検知するセンサが設けられる。
　特に、２足歩行を行うロボットにおいては、姿勢制御や安定歩行のために当該センサは重要である。例えば、現在、多くの２足歩行ロボットでは、姿勢制御や安定歩行に、ゼロモーメントポイント（Zero Moment Point：ＺＭＰ）規範を採用している。ＺＭＰを安定判別規範としてロボットの運動制御を行う場合、実際のＺＭＰを測定することは非常に有効である。そこで、足部に歪みセンサや力センサなどを設け、その出力を用いてＺＭＰを求めることが行われている。
　従来は、柱形状の起歪体に歪みセンサを設置したロードセルを足部に配置して、床反力を検知することが行われている。また、下記特許文献１には、足センサの従来技術として、足首に配置した起歪体と歪みゲージとからなるロードセルが記載されている。
特開２０００－２５４８８８号公報
　足首のようにロボットの荷重が直接に加わる箇所は変形しにくい構造とされ得る。当該箇所に歪みセンサを配置する構成では、歪みが小さくなる分、応力の小さな差異を検知しにくくなり、ひいては歪みセンサの出力に基づいて計算される床反力の精度の確保が難しくなるという問題がある。
　本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、比較的に感度の低い歪みセンサを用いつつ、床反力を好適な精度で検知できる足部構造及び脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
　（１）本発明に係る足部構造は、脚式移動ロボットの可動脚の下端に設けられた足部の構造であって、前記可動脚に連結された足甲部材と、前記足甲部材の下に配置され歩行面に接触する足底部材と、平面視にて前記足甲部材及び前記足底部材それぞれと互いに異なる位置で接続され、前記足甲部材と前記足底部材との間隔又は傾きの変化に応じて曲げ変形を起こす起歪体と、前記起歪体の互いに異なる位置に設置された複数の歪センサと、を有する。
　（２）上記（１）に記載の足部構造において、前記起歪体は平面視にて前記足部の複数の位置にそれぞれ配置される構成とすることができる。
　（３）上記（１）又は（２）に記載の足部構造において、前記起歪体が水平方向に延在する構成とすることができる。
　（４）上記（３）に記載の足部構造において、前記起歪体は一次元的に延在し、前記足甲部材及び前記足底部材の一方との接続位置として第１位置及び第２位置を有し、前記足甲部材及び前記足底部材の他方との接続位置として第１位置と第２位置との間に第３位置を有し、前記歪センサは、前記第１位置と前記第３位置との間、及び前記第２位置と前記第３位置との間にそれぞれ設置される構成とすることできる。
　（５）上記（４）に記載の足部構造において、前記第１位置と前記第２位置とは前記第３位置に関して対称の位置であり、前記第３位置の両側に設置される前記歪センサは、前記第３位置に関して対称の位置に設置される構成とすることができる。
　（６）上記（４）又は（５）に記載の足部構造において、前記起歪体は前記足部の前後方向に沿った辺と左右方向に沿った辺とからなる矩形における対向する２辺それぞれに配置されている構成とすることができる。
　（７）上記（６）に記載の足部構造において、前記起歪体は前記矩形の長辺に配置されている構成とすることができる。
　（８）上記（４）～（７）に記載の足部構造において、前記起歪体は、前記脚式移動ロボットの荷重に抗して前記足甲部材を弾性支持する板ばねである構成とすることができる。
　（９）上記（８）に記載の足部構造において、前記足底部材に設けられ前記起歪体の両端を支持し、前記起歪体の中央部を前記足底部材から浮かせる起歪体支持台と、前記起歪体の中央部に対向して前記足甲部材の下面に設けられた凸部であって、前記起歪体に接続される起歪体押圧部と、を有し、前記起歪体の剛性は、予め想定した最大荷重を前記起歪体押圧部から印加されたときに当該起歪体の中央部が前記足底部材に接触しないという条件の下で低く設定される構成とすることができる。
　（１０）上記（１）～（５）に記載の足部構造において、前記足部は平面視にて略矩形であり、四隅をなす角部と前後方向に沿った長辺と左右方向に沿った短辺とを有し、前記足底部材は前記各角部に起歪体支持台を有し、前記起歪体は、前記前後方向に細長い板ばねであって、前記足底部材の左側の一対の前記起歪体支持台の間及び右側の一対の前記起歪体支持台の間にそれぞれ懸架され、前記足甲部材は、当該足甲部材の下面の左右両端部にそれぞれ設けられた凸部であって、前記起歪体の中央部に接続される起歪体押圧部を有する構成とすることができる。
　（１１）本発明に係る脚式移動ロボットは、上記（１）～（１０）に記載の足部構造を備える。
　本発明によれば、比較的に感度の低い歪みセンサを用いつつ、床反力を好適な精度で検知できる足部構造及び脚式移動ロボットが得られる。
本発明の実施形態である人型ロボットの模式的な斜視図である。 本発明の実施形態である人型ロボットの制御システムの概略の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態である人型ロボットの足部の概略の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る足部の模式的な側面図である。 本発明の実施形態において上フレームが下に変位した状態での足部の模式的な側面図である。 本発明の実施形態において上フレームが前傾した状態での足部の模式的な側面図である。
　以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明に係る脚式移動ロボットの実施形態である人型ロボット２の模式図であり、立位での斜視図を示している。人型ロボット２は一対の可動脚を備え脚式移動を行う。また、人型ロボット２は脚以外にも人間と似た動きを可能とする可動部分を有する。具体的には、人型ロボット２は、胴体４、頭部６、並びにそれぞれ左右一対の上肢８及び下肢１０を有する。
　胴体４は胸部４ｕと腹部４ｄとに分かれ、それらはアクチュエータ群２０によりロール、ピッチ及びヨーの３軸についての相対的な角度を変えることができる。
　頭部６は胸部４ｕの上に連結され、首関節に相当する連結部に設けられたアクチュエータ群２１によりロール、ピッチ及びヨーの３軸について角度を変えることができる。
　左右の上肢８はそれぞれ、胸部４ｕの側縁から順に連結された第１上肢部８ｓ、第２上肢部８ｕ及び第３上肢部８ｆと、各連結部に配されたアクチュエータとを有する。第２上肢部８ｕは上腕、第３上肢部８ｆは前腕及び手に相当し、第２上肢部８ｕと第３上肢部８ｆとの連結部が肘関節に相当し、当該連結部に設けられたアクチュエータ２２により肘の屈曲が行われる。
　第１上肢部８ｓは肩に対応しており、第１上肢部８ｓと胸部４ｕとの連結部に配されたアクチュエータ群２３は第１上肢部８ｓのロール角とピッチ角を変えることができる。また、第１上肢部８ｓと第２上肢部８ｕとの連結部に配されたアクチュエータ２４は腕の捻りに相当する動きを実現する。
　左右の下肢１０はそれぞれ大腿部１０ｕ、下腿部１０ｄ及び足部１０ｆを有する。可動脚である下肢１０は大腿部１０ｕを腹部４ｄの下に連結され、股関節に相当する連結部に設けられたアクチュエータ群２５によりロール、ピッチ及びヨーの３軸について角度を変えることができる。下腿部１０ｄは大腿部１０ｕの下に連結される。大腿部１０ｕと下腿部１０ｄとの連結部が膝関節に相当し、当該連結部に設けられたアクチュエータ２６により膝の屈曲が行われる。
　足部１０ｆは下腿部１０ｄの下に連結され、可動脚の下端に位置する。足部１０ｆと下腿部１０ｄとの連結部は足（足首）関節に相当し、当該連結部に設けられたアクチュエータ群２７により足部１０ｆのロール角及びピッチ角が変えられる。
　図２は人型ロボット２の制御システムの概略の構成を示す模式図である。制御部３０は演算装置と記憶装置とを含んで構成され、演算装置は記憶装置に格納されたプログラムを実行し、例えば、人型ロボット２に搭載されたセンサ３１から入力される信号に対する処理を行い、またアクチュエータ３２に対する制御信号を生成する。
　なお、人型ロボット２にはアクチュエータ３２として、上述したように、各関節にアクチュエータ２０～２７が配置されている。また、人型ロボット２は各種のセンサ３１を有し得る。例えば、アクチュエータ３２をサーボモータで構成した場合に、当該サーボモータに設けられる角度・速度等の検出器の出力もセンサ３１の信号として制御部３０に入力される。また、特に足部１０ｆには、本発明に関するセンサとして、床反力に応じて起歪体に生じる応力を検知する歪センサが設けられる。制御部３０は、センサ３１の出力に基づいて人型ロボット２の状態や各部の動作を検知しつつ、歩行を含む各種の動作を制御する。特に、歩行動作の制御においては人型ロボット２の重心の検知が必要であり、そのために、足部１０ｆに設けるセンサによる床反力の検知が重要である。
　制御部３０は例えば、演算装置としてＣＰＵ（Central  Processing  Unit）３３を備え、また記憶装置としてＲＡＭ（Random  Access  Memory）３４、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）３５を備える。さらに、制御部３０は、センサ３１が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３６を含み得る。制御部３０の各ＣＰＵ３３、ＲＡＭ３４、ＲＯＭ３５、Ａ／Ｄ変換器３６等の構成要素は例えば、バス３７を介して相互に接続され、またアクチュエータ３２も当該バス３７に接続される構成とすることができる。
　制御部３０は例えば、マイクロコンピュータなどを用いて構成され、人型ロボット２に搭載される。また、制御部３０は人型ロボット２とは別体とし、人型ロボット２とケーブル等で接続される構成とすることもできる。
　図３は足部１０ｆの概略の分解斜視図である。以下の説明では、ＸＹＺ座標系を右手系の直交座標系とし、Ｚ軸を鉛直軸、Ｘ軸を左右方向の水平軸、Ｙ軸を前後方向の水平軸とする。また、Ｚ軸の正の向きは上向き、Ｘ軸の正の向きは人型ロボット２の右から左への向き、Ｙ軸の正の向きを前から後への向きとする。なお、本実施形態では、足部１０ｆの概略形状はＺ方向を厚み方向とする板状であって、平面形状が近似的に、Ｘ方向に沿った短辺とＹ方向に沿った長辺とからなる矩形である。
　左右の足部１０ｆはそれぞれ、下腿部１０ｄに連結され人型ロボット２の荷重を受ける足甲部材と、足甲部材の下に配置され歩行面に接触する足底部材とを有する。足甲部材、及び足底部材はそれぞれ単一材料からなるものに限られず、複数の部品や材料からなるものであってよい。
　図３は、足部１０ｆを足甲部材を含む上側部分と、足底部材を含む下側部分とに分離して示している。上側部分は、足部１０ｆに対応した略矩形の平面形状である上フレーム４４を含み、当該上フレーム４４が基本的に足甲部材に当たる。上フレーム４４は剛性が高い材料・構造で形成される。
　一方、下側部分は、足部１０ｆに対応した略矩形の平面形状である下フレーム４８と、その上面に配置された起歪体５０及び歪センサ５２とを含んでいる。下側部分のうち下フレーム４８が基本的に足底部材に当たる。下フレーム４８は剛性が高い材料・構造で形成される。ちなみに、上フレーム４４及び下フレーム４８の平面形状は上述したように、共に足部１０ｆに対応した略矩形であり、互いの形状、大きさは概略同一とすることができる。起歪体５０は平面視にて複数の位置にそれぞれ配置することができる。
　さらに詳細に足部１０ｆの構造を説明する。図４は、足部１０ｆをＸ軸の負方向に見た（つまり、図３にて手前側から見た）模式的な側面図である。
　上フレーム４４の下面のＹ軸方向に沿った２つの長辺における縁には、起歪体押圧部６４として凸部が設けられている。例えば、起歪体押圧部６４は当該長辺の中央部に配置される。
　起歪体５０は、足底部材である下フレーム４８に取り付けられ、上フレーム４４と下フレーム４８との間隔又は互いの傾きの変化に応じて曲げ変形を生じ、床反力に応じた歪みを発生する機能を有する。具体的には、起歪体５０はＹ軸方向に細長い高剛性の弾性体からなり、下フレーム４８のＹ軸方向に沿った２つの長辺のそれぞれに、上フレーム４４の起歪体押圧部６４に対向して配置される。下フレーム４８の上面の四隅をなす角部には起歪体５０の支持台（起歪体支持台７０）となる凸部が設けられ、下フレーム４８の１つの長辺に並ぶ２つの起歪体支持台７０が、図４に示すように、当該長辺に配置される起歪体５０の両端を支持する。これにより、起歪体５０はそのＹ軸方向の中央部が下フレーム４８から浮くように支持される。一方、起歪体５０の当該中央部には上フレーム４４の起歪体押圧部６４が接続される。つまり、起歪体５０は水平方向に延在し、上フレーム４４、下フレーム４８それぞれと互いに異なる位置にて接続して、それぞれから力を作用される。特に、起歪体押圧部６４は下腿部１０ｄから受ける荷重に応じた力で起歪体５０を上から押し、起歪体支持台７０は床反力に応じた力で起歪体５０を下から支え、起歪体５０は両端部と中央部とで互いに逆向きの力を及ぼされ変形する。
　歪センサ５２は起歪体５０の互いに異なる複数の位置にそれぞれ設置される。具体的には、起歪体５０はＹ軸方向（前後方向）に一次元的に延在し、その前方端部と後方端部とが下フレーム４８との接続位置とされ、中央部に上フレーム４４との接続位置を有する。歪センサ５２は、起歪体５０の前方端部における起歪体支持台７０での下フレーム４８との接続位置と中央部における起歪体押圧部６４での上フレーム４４との接続位置との間、及び起歪体５０の後方端部における起歪体支持台７０での下フレーム４８との接続位置と中央部における起歪体押圧部６４での上フレーム４４との接続位置との間にそれぞれ配置される。本実施形態では、この起歪体５０に係る構造は、起歪体押圧部６４を中心として前後両側を対称に構成される。例えば、起歪体押圧部６４から前方の起歪体支持台７０及び後方の起歪体支持台７０それぞれまでの距離は同じであり、また、起歪体押圧部６４から前方の歪センサ５２及び後方の歪センサ５２それぞれまでの距離は同じである。
　起歪体５０は既に述べたように下フレーム４８のＹ軸方向に沿った２つの長辺のそれぞれに配置され、各起歪体５０に２つの歪センサ５２が設置される。つまり、ＸＹ面にて足部１０ｆの中央から見て、左側の起歪体５０及び右側の起歪体５０それぞれの前寄りの位置と後寄りの位置の合計４箇所に歪センサ５２が配置される。
　起歪体５０は人型ロボット２の荷重に抗して足甲部材である上フレーム４４を弾性支持する弾性支持部材としての機能も有する。具体的には、起歪体５０は板ばねを構成する。起歪体５０は、上フレーム４４に加わる荷重に応じて起歪体押圧部６４を押し当てられると下向きに撓み、起歪体押圧部６４に対し上向きの弾性力を及ぼす。
　上フレーム４４が受ける荷重は人型ロボット２の姿勢や運動状態に応じて変化し、その想定される変化範囲の荷重に対して、上述したように起歪体５０は上フレーム４４を弾性支持する。起歪体５０は、例えば、予め想定される最大荷重を印加されたとしても、起歪体押圧部６４の位置にて下フレーム４８にぶつからないという条件が満たされることを限度としてその剛性を低く設定することができる。つまり、条件や限度が設定され得るが、起歪体５０は変形しやすく構成することができ、床反力や荷重に対し生じる歪みが大きくなる。よって、歪センサ５２は比較的に感度の低いものであっても、床反力や荷重による応力を高精度に検出することができる。
　ここで、剛性は、ヤング率や剛性率などの弾性率の大きい材料を使うことによって高くなる。また、同じ材質であれば、厚みを大きくしたり、Ｈ形や管などの断面性能の大きな断面にしたりすることで剛性は高くなる。曲げ変形、軸変形、せん断変形、ねじり変形といった変形の種類に対応して剛性にも種類が存在する。本実施形態では起歪体５０は板ばねであり基本的にその剛性は曲げ剛性で定義することができる。具体的には、曲げ剛性ｋは、ヤング率Ｅ、断面二次モーメントＩ、力の作用点と支点との距離Ｌを用いて、ｋ＝ＥＩ／Ｌで与えられる。例えば、純鉄、ステンレス鋼、黄銅のヤング率は、この並びの順に小さくなる。例えば、ヤング率Ｅの観点での材料の選択や断面形状の設計により、起歪体５０を上記条件を満たす剛性にすることができる。例えば、起歪体５０は、上記想定最大荷重に対して上記条件を満たす最小の剛性に設定することができる。
　図５及び図６は下フレーム４８が床反力を受けている場合の例を示しており、それぞれ図４と同様の模式的な側面図である。図５は上フレーム４４が下フレーム４８との平行状態を保ったまま下向きに変位した場合を示している。上フレーム４４は、下腿部１０ｄから荷重を受けると下向きに変位し、起歪体５０はその中央部を起歪体押圧部６４により押し下げられ撓む。ここで、例えば、起歪体５０及び歪センサ５２が起歪体押圧部６４を基準にして前後対称に構成されているとすると、図５のように上フレーム４４が水平のまま垂直方向に変位した場合には、基本的に前後での起歪体５０の変形も対称であり、前後の歪センサ５２が受ける応力も同じとなる。例えば、起歪体押圧部６４より前方（図５にて左側）の歪センサ５２が圧縮応力を受けるとすると、後方（図５にて右側）の歪センサ５２も同様に圧縮応力を受ける。基本的に、当該応力は上フレーム４４の垂直変位量と共に増減し、前後の歪センサ５２が検知する歪みの大きさから、当該垂直変位量を求めることができる。
　図６は上フレーム４４が前側に傾いた場合を示している。ここでは、上フレーム４４と下フレーム４８との間隔はＹ方向の中心では変わらない、つまり上フレーム４４は全体としては垂直方向に変位していないものとする。この場合、起歪体押圧部６４の前寄りの端部は起歪体５０を押し下げ、一方、後寄りの端部が起歪体５０を引き上げる。その結果、基本的に前後での起歪体５０の変形が非対象となり、歪センサ５２が受ける応力も非対象となる。例えば、起歪体押圧部６４より前方（図５にて左側）の歪センサ５２は圧縮応力を受け、後方（図５にて右側）の歪センサ５２は引っ張り応力を受ける。基本的に、当該応力の絶対値は上フレーム４４の傾き量と共に増減し、前後の歪センサ５２が検知する歪みの差から、上フレーム４４の前後方向（Ｘ軸周り）の傾き量を求めることができる。
　また、下フレーム４８のＹ軸方向に沿った２つの長辺それぞれを左側長辺、右側長辺とすると、上フレーム４４の左右方向（Ｙ軸周り）の傾き量は、左側長辺の歪センサ５２が検知する歪みと右側長辺の歪センサ５２が検知する歪みとの差から求めることができる。例えば、上フレーム４４が全体としては垂直方向に変位せずに左側にて下がり右側にて上がるように傾く場合、左側長辺では起歪体押圧部６４が起歪体５０を押し下げ、当該長辺の歪センサ５２は上フレーム４４の下向きの垂直変位を検知し、一方、右側長辺では起歪体押圧部６４が起歪体５０を引き上げ、当該長辺の歪センサ５２は上フレーム４４の上向きの垂直変位を検知する。つまり、上フレーム４４の左右方向の傾きでは、基本的に左右両側の長辺での起歪体５０の変形が非対象となり、歪センサ５２が受ける応力も２つの長辺で非対象となる。基本的に、当該応力の相違は上フレーム４４の傾き量と共に増減し、左右の歪センサ５２が検知する歪みの差から、上述のように上フレーム４４の左右方向の傾き量を求めることができる。
　上述したように、足部１０ｆの４箇所に配置した歪センサ５２は、各種のセンサ３１の一部をなし、その出力信号は制御部３０に入力される。例えば、制御部３０は歪センサ５２の出力信号を用いて、右足、左足それぞれにおける床反力や人型ロボット２の重心を計算し、さらにその結果を用いて歩行動作を制御する。具体的には、制御部３０は、１つの足部１０ｆのＸＹ面内の複数位置にて歪センサ５２により得られる応力の測定値に基づいて、当該足部１０ｆに作用する床反力ベクトル（足底全体での床反力の合成ベクトル）やその作用点を算出する。本実施形態では歪センサ５２をＸＹ面内の前後左右の４箇所に配置しており、それら歪センサ５２の出力を用いることで、上述のように上フレーム４４の垂直方向の変位量、並びに前後方向及び左右方向それぞれの傾き量を計算することができ、さらに、足部１０ｆに対する床反力の作用点のＸＹ面内での２次元座標を求めることができ、また床反力をＸＹＺ空間での３次元ベクトルとして求めることができる。なお、床反力の作用点やベクトルは、基本的にＸＹ面内の３箇所以上での歪センサ５２の測定値から算出できる。また、制御部３０は歪センサ５２の出力に基づいて、人型ロボット２のＺＭＰを算出する。
　なお、本実施形態では各歪センサ５２を起歪体５０の上面に設置しているが、下面に設置してもよい。また、本実施形態では起歪体は略矩形の足部１０ｆの前後方向に沿った一対の辺に配置しているが、左右方向に沿った一対の辺に配置してもよく、さらに４つの辺全てに配置してもよい。ここで、起歪体５０を矩形の長辺に配置する場合と短辺に配置する場合とを比較すると、ヤング率Ｅ及び断面二次モーメントＩが共通であれば、長辺の方が力の作用点と支点との距離Ｌが大きくなり、曲げ剛性ｋは小さくなるので、起歪体５０は変形しやすくなる。

Claims (11)

  1. 　脚式移動ロボットの可動脚の下端に設けられた足部の構造であって、
    　前記可動脚に連結された足甲部材と、
    　前記足甲部材の下に配置され歩行面に接触する足底部材と、
    　平面視にて前記足甲部材及び前記足底部材それぞれと互いに異なる位置で接続され、前記足甲部材と前記足底部材との間隔又は傾きの変化に応じて曲げ変形を起こす起歪体と、
    　前記起歪体の互いに異なる位置に設置された複数の歪センサと、
    　を有することを特徴とする脚式移動ロボットの足部構造。
  2. 　前記起歪体は平面視にて前記足部の複数の位置にそれぞれ配置されること、を特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  3. 　前記起歪体は水平方向に延在すること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  4. 　前記起歪体は一次元的に延在し、前記足甲部材及び前記足底部材の一方との接続位置として第１位置及び第２位置を有し、前記足甲部材及び前記足底部材の他方との接続位置として第１位置と第２位置との間に第３位置を有し、
    　前記歪センサは、前記第１位置と前記第３位置との間、及び前記第２位置と前記第３位置との間にそれぞれ設置されること、
    　を特徴とする請求項３に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  5. 　前記第１位置と前記第２位置とは前記第３位置に関して対称の位置であり、
    　前記第３位置の両側に設置される前記歪センサは、前記第３位置に関して対称の位置に設置されること、
    　を特徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  6. 　前記起歪体は前記足部の前後方向に沿った辺と左右方向に沿った辺とからなる矩形における対向する２辺それぞれに配置されていること、を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  7. 　前記起歪体は前記矩形の長辺に配置されていること、を特徴とする請求項６に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  8. 　前記起歪体は、前記脚式移動ロボットの荷重に抗して前記足甲部材を弾性支持する板ばねであること、を特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１つに記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  9. 　前記足底部材に設けられ前記起歪体の両端を支持し、前記起歪体の中央部を前記足底部材から浮かせる起歪体支持台と、
    　前記起歪体の中央部に対向して前記足甲部材の下面に設けられた凸部であって、前記起歪体に接続される起歪体押圧部と、を有し、
    　前記起歪体の剛性は、予め想定した最大荷重を前記起歪体押圧部から印加されたときに当該起歪体の中央部が前記足底部材に接触しないという条件の下で低く設定されること、
    　を特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  10. 　前記足部は平面視にて略矩形であり、四隅をなす角部と前後方向に沿った長辺と左右方向に沿った短辺とを有し、
    　前記足底部材は前記各角部に起歪体支持台を有し、
    　前記起歪体は、前記前後方向に細長い板ばねであって、前記足底部材の左側の一対の前記起歪体支持台の間及び右側の一対の前記起歪体支持台の間にそれぞれ懸架され、
    　前記足甲部材は、当該足甲部材の下面の左右両端部にそれぞれ設けられた凸部であって、前記起歪体の中央部に接続される起歪体押圧部を有すること、
    　を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  11. 　請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の足部構造を備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。
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