WO2021079848A1 - 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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WO2021079848A1
WO2021079848A1 PCT/JP2020/039262 JP2020039262W WO2021079848A1 WO 2021079848 A1 WO2021079848 A1 WO 2021079848A1 JP 2020039262 W JP2020039262 W JP 2020039262W WO 2021079848 A1 WO2021079848 A1 WO 2021079848A1
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sensor
leg
spring
foot
mobile robot
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PCT/JP2020/039262
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祐太 香田
功一 尾花
Original Assignee
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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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
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    • 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
    • B62D57/02—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 with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—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 with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

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 force sensor or the like is provided on the foot, and ZMP is obtained using the output thereof.
  • Patent Document 1 discloses a structure in which a force sensor is sandwiched between an upper plate and a lower plate as a foot flat sensor attached to the sole of a robot.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and while using a force sensor having a small load capacity, it is not easily broken by a relatively large load of a robot or an impact during walking, and a floor reaction force is suitably detected. It is an object of the present invention to provide a foot structure and a leg-type mobile robot capable of being capable.
  • the foot structure according to the present invention is a foot structure provided at the lower end of the movable leg of the leg-type mobile robot, and is an instep that is connected to the movable leg and receives the load of the leg-type mobile robot.
  • a plurality of sensor mechanisms for detecting floor reaction forces at different positions on the sole member are provided, and the sensor mechanisms include a force sensor attached to one of the instep member and the sole member, respectively.
  • It is an elastic body having a lower rigidity than the elastic support member, and a fulcrum is arranged on the other side of the instep member and the sole member, and the force sensor responds to a change in the distance between the instep member and the sole member. It has a sensor pressing member that exerts pressure on the body.
  • the sensor pressing member is the foot member and the sole member when the load applied to the instep member changes from positive to zero. It can be configured to be urged and pressed against the force sensor at intervals.
  • the sensor mechanism is provided at each of the four corners of a rectangle composed of a side along the front-rear direction and a side along the left-right direction of the foot. be able to.
  • the sensor pressing member may be a leaf spring.
  • the force sensor is attached to the instep member, and the sensor pressing member has the fulcrum arranged on the sole member. be able to.
  • the sensor mechanism is provided at each of the four corners of a rectangle including a side along the front-rear direction and a side along the left-right direction of the foot.
  • the pressing member is a leaf spring extending along the diagonal of the rectangle, and the sole member may have a spring mounting base for attaching the sensor pressing member on the diagonal as the fulcrum.
  • the elastic support member can be arranged at a plurality of positions of the sole member in a plan view.
  • the elastic support member is a leaf spring elongated in the front-rear direction of the foot in a plan view, and is arranged at both left and right ends of the sole member. It can be configured to be.
  • both ends of the elastic support member provided in the sole member in the front-rear direction are supported, and the central portion of the elastic support member is lifted from the sole member.
  • a convex portion provided on the lower surface of the instep member facing the central portion of the elastic support member at each of the left and right ends of the spring support, and extending in the front-rear direction of the elastic support member.
  • a spring contact portion that is pressed against and exerts an elastic force from the elastic support member, Can be configured to have.
  • the foot has a substantially rectangular shape in a plan view, and has four corners, a long side along the front-rear direction, and a short side along the left-right direction.
  • the sole member has a spring support at each corner, and the elastic support member has a spring mount in the vicinity of each corner and on the diagonal line of the substantially rectangular shape.
  • the leaf spring elongated in the front-rear direction, suspended between the pair of spring supports on the left side of the sole member and between the pair of spring supports on the right side, and the sensor pressing member is one of them.
  • a leaf spring whose end is attached to each of the spring mounts, extends along the diagonal, and the other end of the sensor pressing member is the elastic support of the corner in the vicinity of the spring mount.
  • the instep member is located above the end of the member, and the instep member is provided with the force sensor that exerts the pressing from the other end of the sensor pressing member at each corner of the instep member.
  • Each of the left and right ends of the lower surface may have a spring contact portion that is pressed against the elastic support member in an elongated range in the front-rear direction and exerts an elastic force from the elastic support member.
  • the leg-type mobile robot according to the present invention has the foot structure described in (1) to (12) above.
  • a foot structure and a leg-type mobile robot that can suitably detect a floor reaction force without being easily broken by a relatively large load of the robot or an impact during walking while using a force sensor having a small load capacity. Be done.
  • 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 sensor mechanism for detecting the floor reaction force is provided as a sensor according to the present invention.
  • 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 separated into an upper portion 40 including the instep member and a lower portion 42 including the sole member.
  • the upper portion 40 includes an upper frame 44 having a substantially rectangular planar shape corresponding to the foot portion 10f, and an electric circuit board 46 arranged on the upper surface thereof. Of the upper portion 40, the upper frame 44 basically hits the instep member.
  • the upper frame 44 is made of a highly rigid material / structure.
  • the lower portion 42 includes a lower frame 48 having a substantially rectangular planar shape corresponding to the foot portion 10f, and a high-rigidity spring 50 and a sensor spring 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.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view from the lower surface side of the upper portion 40, contrary to the perspective view of FIG. 3 from the upper surface side.
  • FIG. 5 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).
  • the upper frame 44 of the upper portion 40 has a connecting portion 60 for connecting to the lower leg portion 10d at a substantially central portion of the upper surface thereof.
  • the connecting portion 60 is a convex portion formed on the upper surface of the upper frame 44, and projects upward from an opening provided in the electric circuit board 46.
  • the connecting portion 60 is connected to the structure of the ankle joint including the actuator group 27 described above, and is connected to the lower leg portion 10d via the ankle joint.
  • force sensors 62 which are part of a sensor mechanism for detecting floor reaction force, are attached with the pressure-sensitive portion facing downward, and the force sensor 62 is, for example, a flexible substrate (FPC) or the like. Is electrically connected to the electric circuit board 46. Further, an elongated convex portion is provided as a spring contact portion 64 on the edges of the two long sides of the lower surface of the upper frame 44 along the Y-axis direction.
  • force sensors 62 are arranged at both ends on the long side, and spring contact portions 64 are arranged at the center.
  • the high-rigidity spring 50 arranged in the lower portion 42 of the foot portion 10f is attached to the lower frame 48 which is a sole member, and elasticizes the upper frame 44 which is an instep member against the load of the humanoid robot 2. It is an elastic support member that supports.
  • a plurality of high-rigidity springs 50 can be arranged at different positions in the lower frame 48 in a plan view.
  • the high-rigidity spring 50 is a leaf spring elongated in the Y-axis direction, and each of the two long sides of the lower frame 48 along the Y-axis direction faces the spring contact portion 64 of the upper frame 44. Is placed.
  • Convex portions serving as support bases (spring support bases 70) for the high-rigidity spring 50 are provided at the four corners of the upper surface of the lower frame 48, and two spring support bases 70 arranged on one long side of the lower frame 48 are shown in FIG. As shown in, both ends of the high-rigidity spring 50 arranged on the long side are supported. As a result, the high-rigidity spring 50 is suspended between the spring support bases 70 arranged on each long side, and the central portion thereof in the Y-axis direction is supported so as to float from the lower frame 48.
  • the spring contact portion 64 of the upper frame 44 is in contact with the central portion of the high-rigidity spring 50 that is elongated in the Y direction, and the high-rigidity spring 50 bends downward when the spring contact portion 64 is pressed against the spring. It exerts an upward elastic force on the abutting portion 64.
  • the foot portion 10f is provided with a plurality of sensor mechanisms that detect floor reaction forces at different positions on the sole member.
  • Each of the sensor mechanisms includes a force sensor that detects the pressing force and a sensor pressing member that exerts a pressing force corresponding to the floor reaction force on the force sensor.
  • the force sensor 62 and the sensor spring 52 which is a sensor pressing member, are provided in pairs corresponding to one sensor mechanism.
  • the force sensor 62 is arranged on the upper frame 44, which is an instep member.
  • the sensor spring 52 is an elastic body having a lower rigidity than the high-rigidity spring 50, and a fulcrum is arranged on the lower frame 48, which is a sole member, so that the distance between the upper frame 44 and the lower frame 48 in the Z direction is large.
  • the force sensor 62 is pressed according to the change.
  • the sensor spring 52 is a leaf spring. Incidentally, the pressure of the sensor spring 52 on the force sensor 62 increases as the upper frame 44 and the lower frame 48 approach each other in the Z direction.
  • 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 high-rigidity spring 50 and the sensor spring 52 are leaf springs, and their relative rigidity can be defined by comparing the bending rigidity.
  • E Young's modulus
  • the Young's modulus of pure iron, stainless steel, and brass decreases in this order.
  • the sensor spring 52 can be made of a material having a Young's modulus smaller than that of the high-rigidity spring 50, or can be made thinner than the high-rigidity spring 50 to have a lower rigidity than the high-rigidity spring 50.
  • a convex portion serving as a mounting base (spring mounting base 72) for the sensor spring 52 is provided on the upper surface of the lower frame 48.
  • the plate-shaped member constituting the sensor spring 52 has a portion (fixed portion 52a) fixed to the upper surface of the spring mounting base 72 and an arm portion 52b that protrudes from the upper surface of the spring mounting base 72 and is movable.
  • the sensor spring 52 has a fixed portion 52a supported by a spring mounting base 72, and the arm portion 52b is brought into contact with the pressure-sensitive portion of the force sensor 62.
  • the member forming the sensor spring 52 can have an elongated planar shape in the direction in which the arm portion 52b protrudes, and the direction is a direction from the position of the force sensor 62 on the XY plane toward the center of the lower frame 48, that is, a substantially rectangular shape. It can be in the diagonal direction of the lower frame 48.
  • the spring mount 72 is arranged diagonally.
  • the force sensor 62 is arranged at the four corners of the upper frame 44, and the sensor mechanism including the force sensor 62 is also arranged at the substantially rectangular four corners of the foot portion 10f.
  • the spring mounting base 72 is arranged at the four corners.
  • the arm portion 52b of the sensor spring 52 extends from the arm portion 52b of the sensor spring 52 to a position facing the pressure-sensitive portion of the force sensor 62 at the corner portion.
  • the end of the sensor spring 52 on the arm portion 52b side is located above the end of the high-rigidity spring 50.
  • the amount of protrusion (height of the convex portion) from the lower surface of the upper frame 44 of the spring contact portion 64 and the height of the spring mounting base 72 are the Z directions of the pressure sensitive portion of the force sensor 62 and the arm portion 52b.
  • the planned displacement range of the spring 50 is designed to be located above the high-rigidity spring 50. Although the force sensor 62 and the arm portion 52b can overlap with the high-rigidity spring 50 in a plan view, the design can avoid interference with the high-rigidity spring 50.
  • the load received by the upper frame 44 changes according to the posture and the motion state of the humanoid robot 2, and the high-rigidity spring 50 elasticizes the upper frame 44 with respect to the load in the assumed change range as described above.
  • a resultant force of the elastic force of the high-rigidity spring 50 and the elastic force of the plurality of sensor springs 52 acts on the upper frame 44, and of these elastic forces, only the elastic force of the high-rigidity spring 50 acts on the upper frame 44.
  • the high-rigidity spring 50 does not hit the lower frame 48 at the position of the spring contact portion 64.
  • the foot portion 10f When a load is applied to the upper frame 44, the foot portion 10f is basically in a grounded state, and the lower frame 48 is pressed against the upper frame 44 by a floor reaction force. On the other hand, the foot portion 10f may be in a state of being separated from the walking surface (takeoff state) by, for example, a walking motion.
  • the foot portion 10f has a structure for connecting the lower frame 48 to the upper frame 44, for example, so that the lower frame 48 does not fall off in the takeoff state.
  • the structure defines a separated state in which the upper frame 44 and the lower frame 48 are most separated from each other.
  • the ground contact state is first in which a positive load corresponding to the weight of the humanoid robot 2 is applied to the upper frame 44.
  • the load decreases and first becomes a zero load state with a load of 0, and when the foot is further pulled up in this zero load state, it becomes a detached state and a takeoff state.
  • the sensor spring 52 is pressed against the force sensor 62 in a zero load state. That is, at the interval between the upper frame 44 and the lower frame 48 when the load applied to the upper frame 44 changes from positive to 0 (or when the floor reaction force received by the lower frame 48 changes from positive to 0). , The sensor spring 52 is pre-urged, i.e. preloaded. Further, the sensor spring 52 can be urged even in the separated state. By preloading the sensor spring 52 or setting it to be urged in a detached state, the sensor spring 52 does not come into contact with the pressure-sensitive portion of the force sensor 62 due to component variation or the like, so to speak, a missed swing state can be avoided. , It is possible to prevent the occurrence of a dead zone for floor reaction force / load detection by the sensor mechanism composed of the sensor spring 52 and the force sensor 62.
  • the distance between the upper frame 44 and the lower frame 48 defined by the above-mentioned structure for preventing falling off is such that the contact portion 64 is not pressed against the high-rigidity spring 50, that is, the contact portion.
  • the size of 64 can be set so as not to receive an upward elastic force from the high-rigidity spring 50, and the sensor spring 52 can be set to be in the preloaded state even in that state as described above. Thereby, the load detection range by the sensor mechanism including the sensor spring 52 can be extended in the direction of the negative load.
  • the sensor mechanisms arranged at the four corners of the foot portion 10f form a part of various sensors 31, and the detection signal thereof, specifically, the output signal of the force sensor 62 is input to the control unit 30.
  • the control unit 30 uses the output signal of the force sensor 62 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 result.
  • the control unit 30 acts on the floor 10f based on the measured value of the magnitude of the floor reaction force obtained by the sensor mechanism at a plurality of positions in the XY plane of one foot 10f. Calculate the reaction force vector (combined vector of floor reaction force over the entire sole) and its point of action.
  • the sensor mechanisms are arranged at four points in the XY plane, and basically, the measured values at three or more points are used in the XY plane of the action point of the floor reaction force with respect to the foot portion 10f. Two-dimensional coordinates can be obtained, and the floor reaction force can be obtained as a three-dimensional vector in XYZ space. That is, if the number of sensor mechanisms is three or more, the calculation can be performed. Further, the control unit 30 calculates the ZMP of the humanoid robot 2 based on the output of the force sensor 62.
  • the sensor mechanism including the force sensor 62 can detect the negative load, the floor reaction force with respect to the foot 10f can be accurately obtained under a wider range of situations. Specifically, for example, when the action point of the floor reaction force vector is located on the sole of the foot in front of the spring contact portion 64 (on the left side in FIG. 5) in the front-rear direction of the humanoid robot 2, both the upper and lower frames The interval becomes smaller in the front (left side in FIG. 5), while it becomes larger in the rear (right side in FIG. 5). In this case, since the sensor mechanism can detect a negative load, an effective measured value can be obtained even with the sensor mechanism at the rear (right side in FIG.
  • the sensor mechanism can detect a negative load, for example, even when the action point of the floor reaction force vector is located in the region outside the quadrangle whose apex is the floor reaction force detection point of each of the sensor mechanisms at the four corners. , The position can be calculated.
  • high-rigidity springs 50 are arranged at both left and right ends of the lower frame 48.
  • the elastic support members that resist the load of the upper frame 44 are arranged at a plurality of positions of the lower frame 48 in a plan view in this way, there is a difference in the magnitude of the floor reaction force in the XY plane.
  • its effect on the sensor mechanism is mitigated.
  • the floor reaction force on the left side of the foot portion 10f is larger than that on the right side, the force applied to two of the four sensor mechanisms on the left side is larger than the two on the right side, but the left and right forces are larger.
  • the high-rigidity spring 50 on the left side exerts a larger elastic force on the upper frame 44 than the high-rigidity spring 50 on the right side, so that the elastic support member can be smaller than the case of a single body. Therefore, the configuration in which the elastic support members are arranged at a plurality of locations contributes to the reduction of the load capacity of the force sensor 62.
  • the same effect can be obtained by making the spring contact portion 64 elongated along the extending direction of the high-rigidity spring 50.
  • the spring contact portion 64 elongated along the extending direction of the high-rigidity spring 50.
  • the high-rigidity spring 50 and the sensor spring 52 are leaf springs, respectively, but other types of springs may be used. Further, in the above-described embodiment, the high-rigidity spring 50, which is a separate component, is attached to the lower frame 48, but the high-rigidity spring 50 may be formed integrally with the lower frame 48.
  • the sensor mechanism may be turned upside down, that is, the force sensor 62 may be attached to the lower frame 48, and the fulcrum of the sensor spring 52 may be arranged on the upper frame 44.
  • the high-rigidity spring 50 may be provided on the upper frame 44 side, or may extend in the X direction, that is, in the left-right direction.

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Abstract

脚式移動ロボットの足部にて、床反力を直接的に力センサに及ぼして検知する構成は、耐荷重の大きなセンサが必要になる。足部（１０ｆ）は、可動脚に連結されロボットの荷重を受ける上フレーム（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、下フレーム（４８）に取り付けられ、荷重に抗して上フレーム（４４）を弾性支持する高剛性ばね（５０）と、下フレーム（４８）における互いに異なる位置での床反力を検知する複数のセンサ機構と、を備える。センサ機構はそれぞれ、上フレーム（４４）及び下フレーム（４８）の一方に取り付けられた力センサ（６２）と、高剛性ばね（５０）よりも剛性が低い弾性体であり、上フレーム（４４）及び下フレーム（４８）の他方に支点を配置して上フレーム（４４）と下フレーム（４８）との間隔の変化に応じて力センサ（６２）に押圧を及ぼすセンサばね（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。
　下記特許文献１には、ロボットの足底に取り付ける足平センサとして、上板と下板との間に力センサを挟んだ構造が開示されている。
特開２０００－２５４８８８号公報
　ロボットの荷重、又は床反力を直接的に力センサに及ぼして検知する構成は、耐荷重の大きなセンサが必要になるという問題がある。例えば、大きなセンサは足部の小型・軽量化や、コスト低減を難しくし得る。
　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、耐荷重の小さな力センサを用いつつ、ロボットの比較的大きな荷重や歩行時の衝撃などによって壊れにくく、好適に床反力を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前記脚式移動ロボットの荷重を受ける足甲部材と、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、前記足底部材に取り付けられ、前記荷重に抗して前記足甲部材を弾性支持する弾性支持部材と、前記足底部材における互いに異なる位置での床反力を検知する複数のセンサ機構と、を備え、前記センサ機構はそれぞれ、前記足甲部材及び前記足底部材の一方に取り付けられた力センサと、前記弾性支持部材よりも剛性が低い弾性体であり、前記足甲部材及び前記足底部材の他方に支点を配置して前記足甲部材と前記足底部材との間隔の変化に応じて前記力センサに押圧を及ぼすセンサ押圧部材と、を有する。
　（２）上記（１）に記載の足部構造において、前記センサ押圧部材は、前記足甲部材へ及ぼされる荷重が正から０になった時点での前記足甲部材と前記足底部材との間隔にて、付勢され前記力センサに押し当てられている構成とすることができる。
　（３）上記（１）に記載の足部構造において、前記足底部材が前記歩行面から離れた際に前記足底部材を前記足甲部材につなぎ止め前記足甲部材と前記足底部材との上限間隔を規定する構造を有し、前記センサ押圧部材は、前記足甲部材と前記足底部材との前記上限間隔にて、付勢され前記力センサに押し当てられている構成とすることができる。
　（４）上記（１）～（３）に記載の足部構造において、前記センサ機構が３つ以上設けられる構成とすることができる。
　（５）上記（４）に記載の足部構造において、前記センサ機構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の四隅のそれぞれに設けられる構成とすることができる。
　（６）上記（１）～（５）に記載の足部構造において、前記センサ押圧部材が板ばねである構成とすることができる。
　（７）上記（１）～（６）に記載の足部構造において、前記力センサは前記足甲部材に取り付けられ、前記センサ押圧部材は前記足底部材に前記支点を配置される構成とすることができる。
　（８）上記（７）に記載の足部構造において、前記センサ機構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の四隅のそれぞれに設けられ、前記センサ押圧部材は、前記矩形の対角線に沿って延在した板ばねであり、前記足底部材は前記支点として、前記センサ押圧部材を取り付けるばね取付台を前記対角線上に有する構成とすることができる。
　（９）上記（１）～（８）に記載の足部構造において、前記弾性支持部材が平面視にて前記足底部材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。
　（１０）上記（９）に記載の足部構造において、前記弾性支持部材は、平面視にて前記足部の前後方向に細長い板ばねであって、前記足底部材の左右両端部にそれぞれ配置される構成とすることができる。
　（１１）上記（１０）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弾性支持部材の前記前後方向の両端を支持し、前記弾性支持部材の中央部を前記足底部材から浮かせるばね支持台と、前記左右両端部それぞれの前記弾性支持部材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、前記弾性支持部材における前記前後方向に細長い範囲に押し当てられて、前記弾性支持部材から弾性力を及ぼされるばね当接部と、
　を有する構成とすることができる。
　（１２）上記（１）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ばね支持台を有し、また前記各角部の近傍であって前記略矩形の対角線上にばね取付台を有し、前記弾性支持部材は、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ばね支持台の間及び右側の一対の前記ばね支持台の間にそれぞれ懸架され、前記センサ押圧部材は一方の端部を前記各ばね取付台に取り付けられた板ばねであり、前記対角線に沿って延在し、当該センサ押圧部材の他方の端部は当該ばね取付台の近傍の前記角部の前記弾性支持部材の端部上方に位置し、前記足甲部材は、前記各角部に前記センサ押圧部材の前記他方の端部から前記押圧を及ぼされる前記力センサを配置され、また、当該足甲部材の下面の左右両端部にそれぞれ前記弾性支持部材における前記前後方向に細長い範囲に押し当てられて当該弾性支持部材から弾性力を及ぼされるばね当接部を有する構成とすることができる。
　（１３）本発明に係る脚式移動ロボットは、上記（１）～（１２）に記載の足部構造を備える。
　本発明によれば、耐荷重の小さな力センサを用いつつ、ロボットの比較的大きな荷重や歩行時の衝撃などによって壊れにくく、好適に床反力を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上側部分の下面側からの概略の斜視図である。 本発明の実施形態に係る足部の模式的な側面図である。
　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、床反力を検知するセンサ機構が設けられる。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４０と、足底部材を含む下側部分４２とに分離して示している。上側部分４０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と、その上面に配置された電気回路基板４６とを含んでいる。上側部分４０のうち上フレーム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４２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高剛性ばね５０及びセンサばね５２とを含んでいる。下側部分４２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。
　さらに詳細に足部１０ｆの構造を説明する。図４は、上面側からの図３の斜視図とは逆に、上側部分４０の下面側からの概略の斜視図である。また、図５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。
　上側部分４０の上フレーム４４はその上面のほぼ中央部に、下腿部１０ｄと連結するための連結部６０を有する。本実施形態では、連結部６０は上フレーム４４の上面に形成された凸部であり、電気回路基板４６に設けられた開口から上側に突出する。具体的には、連結部６０は上述したアクチュエータ群２７を含む足関節の構造に接続され、当該足関節を介して下腿部１０ｄに接続される。
　上フレーム４４の下面の四隅には、床反力を検知するセンサ機構の一部となる力センサ６２が感圧部を下に向けて取り付けられ、力センサ６２は例えば、フレキシブル基板（ＦＰＣ）などで電気回路基板４６に電気的に接続される。また、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、ばね当接部６４として細長い凸部が設けられている。ここで、当該長辺における両端部に力センサ６２が配置され、中央部にばね当接部６４が配置される。
　足部１０ｆの下側部分４２に配置される高剛性ばね５０は、足底部材である下フレーム４８に取り付けられ、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である。下フレーム４８には複数の高剛性ばね５０を平面視にて異なる位置に配置することができる。本実施形態では、高剛性ばね５０はＹ軸方向に細長い板ばねであり、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のばね当接部６４に対向して配置される。下フレーム４８の上面の四隅には高剛性ばね５０の支持台（ばね支持台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つのばね支持台７０が、図５に示すように、当該長辺に配置される高剛性ばね５０の両端を支持する。これにより、高剛性ばね５０は各長辺に並ぶばね支持台７０の間に懸架され、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。高剛性ばね５０の当該中央部のＹ方向に細長い範囲には上フレーム４４のばね当接部６４が当接され、高剛性ばね５０はばね当接部６４を押し当てられると下向きに撓み、ばね当接部６４に対し上向きの弾性力を及ぼす。
　足部１０ｆは、足底部材における互いに異なる位置での床反力を検知する複数のセンサ機構を備える。当該センサ機構はそれぞれ、押圧を検知する力センサと、床反力に応じた押圧を力センサに及ぼすセンサ押圧部材とを含んで構成される。本実施形態では、１つのセンサ機構に対応して、力センサ６２と、センサ押圧部材であるセンサばね５２とが対を成して設けられる。上述のように力センサ６２は足甲部材である上フレーム４４に配置される。一方、センサばね５２は、高剛性ばね５０よりも剛性が低い弾性体であり、足底部材である下フレーム４８に支点を配置して、上フレーム４４と下フレーム４８とのＺ方向の間隔の変化に応じて力センサ６２に押圧を及ぼす。本実施形態ではセンサばね５２は板ばねである。ちなみに、センサばね５２の力センサ６２に対する押圧は、上フレーム４４と下フレーム４８とがＺ方向に近づくほど大きくなる。
　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。本実施形態では高剛性ばね５０及びセンサばね５２は板ばねであり、それらの相対的な剛性は曲げ剛性の比較により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、センサばね５２は高剛性ばね５０よりヤング率が小さい材料で形成したり、厚みを薄くしたりすることで、高剛性ばね５０より剛性を低くすることができる。
　下フレーム４８の上面にはセンサばね５２の取付台（ばね取付台７２）となる凸部が設けられる。センサばね５２を構成する板状の部材は、ばね取付台７２の上面に固定された部分（固定部５２ａ）とばね取付台７２の上面からせり出して可動なアーム部５２ｂとを有する。センサばね５２は固定部５２ａをばね取付台７２によって支持され、当該アーム部５２ｂが力センサ６２の感圧部に当接される。
　例えば、センサばね５２をなす部材はアーム部５２ｂがせり出す方向に細長い平面形状とすることができ、当該方向はＸＹ面における力センサ６２の位置から下フレーム４８の中心に向かう方向、つまり略矩形の下フレーム４８の対角線方向とすることができる。この構成ではばね取付台７２は当該対角線上に配置される。このように力センサ６２の位置からＹ軸方向とは異なる方向にセンサばね５２を延在させることで、高剛性ばね５０及びばね当接部６４の位置を避けてばね取付台７２を配置することができる。
　なお、力センサ６２は上フレーム４４の四隅に配置され、それを含むセンサ機構も足部１０ｆの略矩形の四隅に配置されており、これに対応して、ばね取付台７２は四隅の角部の近傍に設けられ、そこからセンサばね５２のアーム部５２ｂが当該角部の力センサ６２の感圧部に対向する位置まで伸びている。このアーム部５２ｂ側のセンサばね５２の端部は高剛性ばね５０の端部上方に位置する。
　ここで、ばね当接部６４の上フレーム４４の下面からの突出量（凸部の高さ）、及びばね取付台７２の高さは、力センサ６２の感圧部及びアーム部５２ｂのＺ方向の変位の予定範囲が高剛性ばね５０より上に位置するように設計される。力センサ６２及びアーム部５２ｂは平面視にて高剛性ばね５０と重なり得るが、当該設計により高剛性ばね５０との干渉を避けることができる。
　さて、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、上述したように高剛性ばね５０は上フレーム４４を弾性支持する。つまり、上フレーム４４には高剛性ばね５０の弾性力と複数のセンサばね５２の弾性力との合力が作用しているが、それら弾性力のうち高剛性ばね５０の弾性力だけで上フレーム４４を下フレーム４８の上に支えることができる。例えば、センサばね５２が無い状態で、想定される最大荷重が高剛性ばね５０に印加されたとしても、ばね当接部６４の位置にて高剛性ばね５０は下フレーム４８にぶつからない。
　この足部１０ｆの構成では、上フレーム４４に加わる荷重に応じた床反力の大部分は高剛性ばね５０により上フレーム４４に及ぼされ、センサばね５２が力センサ６２に及ぼす力は床反力のうちの一部に限定することができる。これは、床反力が力センサ６２に直接的に伝達されず間接的に伝達される構成であるとも言える。このように力センサ６２が間接的に荷重又は床反力を受けることで、力センサ６２には耐荷重の小さなものを用いることができる。
　上フレーム４４に荷重が加わる状態では、足部１０ｆは基本的に接地状態であり、下フレーム４８は床反力により上フレーム４４に対して押し付けられた状態である。一方、足部１０ｆは例えば、歩行動作にて歩行面から離れる状態（離地状態）となり得る。足部１０ｆは離地状態にて下フレーム４８が脱落しないように、例えば、下フレーム４８を上フレーム４４につなぎ止める構造を有する。当該構造により、上フレーム４４と下フレーム４８とが最も離れる離反状態が規定される。ここで、歩行動作にて引き上げられ接地状態から離地状態となる過程を考えると、はじめには人型ロボット２の重さ等に応じた正の荷重が上フレーム４４に加わった接地状態であり、そこから足を引き上げるにつれ当該荷重が減少してまず荷重０のゼロ荷重状態となり、このゼロ荷重状態にてさらに足を引き上げることで離反状態、離地状態となる。
　センサばね５２はゼロ荷重状態において力センサ６２に押し当てられている。つまり、上フレーム４４に及ぼされる荷重が正から０になった時点（または下フレーム４８が受ける床反力が正から０になった時点）での上フレーム４４と下フレーム４８との間隔にて、センサばね５２は予め付勢されている、すなわちプリロードを掛けられている。また、離反状態においてもセンサばね５２が付勢された状態とすることができる。センサばね５２にプリロードを掛けたり、離反状態にて付勢された状態としたりすることにより、部品ばらつきなどによってセンサばね５２が力センサ６２の感圧部に当接されない、いわば空振り状態が避けられ、センサばね５２及び力センサ６２が構成するセンサ機構による床反力・荷重検知の不感帯の発生を防止することができる。
　また、上述の脱落防止の構造によって規定される上フレーム４４と下フレーム４８との離反状態での両フレームの間隔は、当接部６４が高剛性ばね５０に押し当てられない、つまり当接部６４が高剛性ばね５０から上向きの弾性力を受けない大きさに設定することができ、上述のようにセンサばね５２はその状態でもプリロード状態となるように設定することができる。これにより、センサばね５２を含むセンサ機構による荷重検知範囲をマイナス荷重の方向に拡張することができる。
　上述したように、足部１０ｆの四隅に配置したセンサ機構は、各種のセンサ３１の一部をなし、その検知信号、具体的には力センサ６２の出力信号は制御部３０に入力される。例えば、制御部３０は力センサ６２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センサ機構により得られる床反力の大きさ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。本実施形態ではセンサ機構をＸＹ面内の４箇所に配置しており、基本的にそのうち３箇所以上での測定値を用いて、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。つまり、センサ機構が３つ以上であれば当該計算を行うことができる。また、制御部３０は力センサ６２の出力に基づいて、人型ロボット２のＺＭＰを算出する。
　力センサ６２を含むセンサ機構がマイナス荷重を検知できることにより、足部１０ｆに対する床反力をより広範な状況下で正確に求めることが可能となる。具体的には、例えば、人型ロボット２の前後方向に関し、ばね当接部６４より前方（図５にて左側）の足底に床反力ベクトルの作用点が位置する場合、上下両フレームの間隔は前方（図５にて左側）では小さくなる一方、後方（図５にて右側）では大きくなる。この場合、センサ機構がマイナス荷重を検知できることで、後方（図５にて右側）のセンサ機構でも有効な測定値を得ることができ、上述の床反力ベクトルや作用点の算出に必要な複数位置での測定値を得やすくなる。また、センサ機構がマイナス荷重を検知できることにより、例えば、四隅のセンサ機構それぞれの床反力の検出ポイントを頂点とする四角形より外側領域に床反力ベクトルの作用点が位置する場合であっても、当該位置の計算が可能となる。
　本実施形態は下フレーム４８の左右両端部に高剛性ばね５０を配置している。このように上フレーム４４の荷重に抗する弾性支持部材を平面視にて下フレーム４８の複数の位置にそれぞれ配置することで、ＸＹ面内にて床反力の大きさに違いが存在しても、センサ機構に対するその影響が緩和される。例えば、本実施形態において、足部１０ｆの右側より左側の床反力が大きい場合、４箇所のセンサ機構のうち右側の２つより左側の２つに加わる力が大きくなるが、その左右の力の違いは、左側の高剛性ばね５０が右側の高剛性ばね５０より大きな弾性力を上フレーム４４に及ぼすことで、弾性支持部材が単体の場合より小さくなり得る。よって、弾性支持部材を複数箇所に配置する構成は、力センサ６２の耐荷重の低減に資する。
　また、ばね当接部６４を高剛性ばね５０の延在方向に沿って細長くしていることも同様の効果を奏し得る。例えば、足部１０ｆの後側より前側の足部１０ｆの右側より左側の床反力が大きい場合、４箇所のセンサ機構のうち後側の２つより前側の２つに加わる力が大きくなるが、その前後の力の違いは、Ｙ方向、つまり前後方向に延在する高剛性ばね５０がばね当接部６４の後寄りの部分より前寄りの部分に大きな弾性力を及ぼすことで緩和される。
　なお、上述の実施形態では、高剛性ばね５０、センサばね５２はそれぞれ、板ばねとしたが、他の種類のばねにしてもよい。また、上述の実施形態では、下フレーム４８に別部品である高剛性ばね５０を取り付けているが、下フレーム４８と一体に高剛性ばね５０を形成してもよい。
　また、センサ機構は上下を逆にする、つまり、力センサ６２を下フレーム４８に取り付け、センサばね５２の支点を上フレーム４４に配置する構成とすることもできる。また、高剛性ばね５０を上フレーム４４側に設けてもよいし、Ｘ方向、つまり左右方向に延在させてもよい。

Claims (13)

  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前記脚式移動ロボットの荷重を受ける足甲部材と、
    　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、
    　前記足底部材に取り付けられ、前記荷重に抗して前記足甲部材を弾性支持する弾性支持部材と、
    　前記足底部材における互いに異なる位置での床反力を検知する複数のセンサ機構と、を備え、
    　前記センサ機構はそれぞれ、
    　前記足甲部材及び前記足底部材の一方に取り付けられた力センサと、
    　前記弾性支持部材よりも剛性が低い弾性体であり、前記足甲部材及び前記足底部材の他方に支点を配置して前記足甲部材と前記足底部材との間隔の変化に応じて前記力センサに押圧を及ぼすセンサ押圧部材と、
    　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. 　前記センサ押圧部材は、前記足甲部材へ及ぼされる荷重が正から０になった時点での前記足甲部材と前記足底部材との間隔にて、付勢され前記力センサに押し当てられていること、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. 　前記足底部材が前記歩行面から離れた際に前記足底部材を前記足甲部材につなぎ止め前記足甲部材と前記足底部材との上限間隔を規定する構造を有し、
    　前記センサ押圧部材は、前記足甲部材と前記足底部材との前記上限間隔にて、付勢され前記力センサに押し当てられていること、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。
  4. 　前記センサ機構は３つ以上設けられること、を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  5. 　前記センサ機構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の各頂点に対応する角部に設けられること、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. 　前記センサ押圧部材は板ばねであること、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。
  7. 　前記力センサは前記足甲部材に取り付けられ、
    　前記センサ押圧部材は前記足底部材に前記支点を配置されること、
    　を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  8. 　前記センサ機構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の各頂点に対応する角部に設けられ、
    　前記センサ押圧部材は、前記矩形の対角線に沿って延在した板ばねであり、
    　前記足底部材は前記支点として、前記センサ押圧部材を取り付けるばね取付台を前記対角線上に有すること、
    　を特徴とする請求項７に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  9. 　前記弾性支持部材は平面視にて前記足底部材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から請求項８のいずれか１つに記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  10. 　前記弾性支持部材は、平面視にて前記足部の前後方向に細長い板ばねであって、前記足底部材の左右両端部にそれぞれ配置されること、を特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  11. 　前記足底部材に設けられ前記弾性支持部材の前記前後方向の両端を支持し、前記弾性支持部材の中央部を前記足底部材から浮かせるばね支持台と、
    　前記左右両端部それぞれの前記弾性支持部材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、前記弾性支持部材における前記前後方向に細長い範囲に押し当てられて、前記弾性支持部材から弾性力を及ぼされるばね当接部と、
    　を有することを特徴とする請求項１０に記載の脚式移動ロボットの足部構造。
  12. 　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ばね支持台を有し、また前記各角部の近傍であって前記略矩形の対角線上にばね取付台を有し、
    　前記弾性支持部材は、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ばね支持台の間及び右側の一対の前記ばね支持台の間にそれぞれ懸架され、
    　前記センサ押圧部材は一方の端部を前記各ばね取付台に取り付けられた板ばねであり、前記対角線に沿って延在し、当該センサ押圧部材の他方の端部は当該ばね取付台の近傍の前記角部の前記弾性支持部材の端部上方に位置し、
    　前記足甲部材は、前記各角部に前記センサ押圧部材の前記他方の端部から前記押圧を及ぼされる前記力センサを配置され、また、当該足甲部材の下面の左右両端部にそれぞれ前記弾性支持部材における前記前後方向に細長い範囲に押し当てられて当該弾性支持部材から弾性力を及ぼされるばね当接部を有すること、
    　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。
  13. 　請求項１から請求項１２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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