(57)【要約】【課題】  歩行性能を向上させ得るロボット装置及びその歩行制御方法を提案する。【解決手段】  可動脚を有する脚式移動型のロボット装置及びその歩行制御方法において、可動脚の遊脚期、足平本体部の前端部に取り付けられた爪先部を跳上げ方向に回転させると共に当該足平本体部の後端部に取り付けられた踵部を下げ方向に回転させ、当該可動脚の着地時、爪先部を下げ方向に回転させる第２のステップとを設けるようにした。また脚式移動型のロボット装置において、足平本体部の前端部に、ロボットの機体のピッチ軸方向と異なる方向の関節軸により回転自在に取り付けられた複数の爪先部と、足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部とを設けるようにした。【選択図】        図３８
2006051585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動脚を有する脚式移動型のロボット装置において、
上記可動脚の最下端に配設された足平本体部と、
上記足平本体部の前端部に回転自在に取り付けられた爪先部と、
上記足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部と、
上記爪先部及び上記踵部を跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動する駆動手段と、
上記爪先部又は上記踵部に印加された外部からの跳上げ方向又は下げ方向の衝撃を緩和させる緩衝手段と
を具え、
上記駆動手段は、
上記可動脚の遊脚期には、上記爪先部を上記跳上げ方向に回転させると共に上記踵部を上記下げ方向に回転させ、当該可動脚の着地時には、上記爪先部を下げ方向に回転させる
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
上記駆動部は、
上記可動脚の上記着地後、上記爪先部を下げ方向に位置させたまま、上記踵部を下げ方向に回転させる
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
上記駆動部は、
上記爪先部及び上記踵部を連動して跳上げ方向又は下げ方向に回転させる
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
可動脚を有する脚式移動型のロボット装置の歩行制御方法において、
上記ロボット装置は、
上記可動脚の最下端に配設された足平本体部と、
上記足平本体部の前端部に回転自在に取り付けられた爪先部と、
上記足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部と、
上記爪先部及び上記踵部を跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動する駆動手段と、
上記爪先部又は上記踵部に印加された外部からの跳上げ方向又は下げ方向の衝撃を緩和させる緩衝手段とを有し、
上記可動脚の遊脚期、上記爪先部を上記跳上げ方向に回転させると共に上記踵部を上記下げ方向に回転させる第１のステップと、
当該可動脚の着地時、上記爪先部を下げ方向に回転させる第２のステップと
を具えることを特徴とするロボット装置の歩行制御方法。
【請求項５】
上記可動脚の上記着地後、上記爪先部を下げ方向に位置させたまま、上記踵部を下げ方向に回転させる第３のステップ
を具えることを特徴とする請求項４に記載のロボット装置の歩行制御方法。
【請求項６】
上記爪先部及び上記踵部を連動して跳上げ方向又は下げ方向に回転させる
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット装置の歩行制御方法。
【請求項７】
可動脚を有する脚式移動型のロボット装置において、
上記可動脚の最下端に配設された足平本体部と、
上記足平本体部の前端部に、上記ロボットの機体のピッチ軸方向と異なる方向の関節軸により回転自在に取り付けられた複数の爪先部と、
上記足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部と
を具えることを特徴とするロボット装置。
【請求項８】
上記足平本体部、上記爪先部及び上記踵部は、
それぞれその裏面が凹形状に形成された
ことを特徴とする請求項７に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット装置及びその歩行制御方法に関し、例えば２足歩行型のロボット装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の研究機関や企業等において２足歩行型のロボットの研究が盛んに行われている。２足歩行は、クローク式や、４足又は６足などに比べて不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など、作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段又は梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００３】
２足歩行型のロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多く提案されている。なお、ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義される。機体の転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、かつ転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われる。また転倒によって、ロボット自体や当該ロボットと衝突する相手側の物体にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。このため転倒を回避するための姿勢安定制御は、２足歩行型のロボットの開発上、最も重要な課題の１つに位置づけられている。
【０００４】
しかしながら２足歩行を行うロボットは、基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、２足歩行型のロボットの姿勢安定制御には、ＺＭＰ（Zero Moment Point）が歩行の安定度判別の規範として用いられている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面が形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上又はその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちＺＭＰが存在する（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】ヴコブラトビッチ（Miomir Vukobratovic）著「脚式移動ロボット（LEGGED LOCOMOTION ROBOTS）」（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞社））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、２足歩行型のロボットの場合、一般的に、右脚を持ち上げた状態での左脚による単脚支持期、右脚が接地した両脚支持期、左脚を持ち上げた状態での右脚による単脚支持期及び左脚が接地した両脚支持期の４つの動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行われる。
【０００６】
この場合において、従来のロボットでは、足底が平面な単板構造であったため、以下のような問題があった。
１．特異姿勢を避けるため、脚姿勢が曲がる。特に膝を曲げた感が強い。このため足首の可動角も制限される。
２．選択できる脚姿勢が限られているため、対地適応性能に限度がある。
３．先端部（足）速度に限界があるため、自ずと移動速度が限られる。
【０００７】
かかる問題点を解決するための１つの手法として、近年、図５０に示すように、足平本体部２００に対して爪先２０１を、足先に跳ね上がる自由度をもって取り付けることが提案されている（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｋ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｈ６／Ｈ６＿Ｈ７．ｈｔｍｌ（平成１５年９月１１日現在））。
【０００８】
そしてこの手法によれば、かかる爪先２０１の存在によって
１．爪先２０１の分だけ実質的な脚長が伸びるため、高速に歩くことが可能となる
２．爪先２０１の分だけ高く足を持ち上げられるため、より段の高い階段を歩ける
３．歩く姿勢が綺麗になるため、膝の曲がりが少なくなる
といった、効果を得ることができる。
【０００９】
また２足歩行型のロボットの足平に可動足平片を設けることにより、平坦な歩行面を歩行する場合と、階段を上昇又は下降する場合のいずれにおいても、歩行の安定性を増すことができる（例えば、特開平５−３１８３３５号公報）。この場合、足平本体部に、歩行面に対する有効接地面の面積を変化させる方向へ移動可能な可動足平片を設け、作動機構によって各可動足平片を所定の方向に移動させる。
【００１０】
足平に爪先や足平片などの可動部を設けることによって、大きなメリットをもたらす一方で、機構が複雑になり、重量が増す、部分的には可動角が小さくなる、といった問題を招来する。また、通常歩行には足底位置と姿勢を決定すれば十分であることから、爪先は余剰自由度であるという観点も依然として存在する。
【００１１】
このような理由により、爪先を導入することによる効果や可能性が認知されつつも、導入は研究レベルにとどまり、実用には至っていないのが実情である。勿論、爪先を考慮した制御アルゴリズムは、一段と高レベルなものとなることも確かである。
【００１２】
他方、従来、脚式歩行型ロボットの踵構造として、衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を最適にバランスさせることを目的として、図５１に示すように足部の踵２１０を柔軟材等を用いて構成することが提案されている（特開２００１−１２９７７４号）。
【００１３】
この踵構造は、足部の踵２１０を硬質部材（突起２１１）とその間に充填されてなる軟質部材（充填材２１２）から構成し、突起２１１を、断面視において櫛歯状を呈すると共に平面視において線形状あるいは非線形状に連続し、重力軸方向から作用する力に対する剛性に比してそれ以外の方向から作用する力に対する剛性が低いように構成したものである。
【００１４】
しかしながら、かかる踵構造によると、脚部の着地時における衝撃吸収・緩和についてはそれなりの効果を得られることが期待できるものの、足底全体として見た場合に足底形状が常に固定であることから、凹凸地形において充分な接地圧や支持モーメントを得難く、不整地に対する適応性が未だ不充分な問題がある。
【００１５】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、歩行性能を向上させ得るロボット装置及びその歩行制御方法を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
かかる課題を解決するため本発明においては、可動脚を有する脚式移動型のロボット装置において、足平本体部の前端部に回転自在に取り付けられた爪先部と、足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部と、爪先部及び踵部を跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動する駆動手段と、爪先部又は踵部に印加された外部からの跳上げ方向又は下げ方向の衝撃を緩和させる緩衝手段とを設け、駆動手段が、可動脚の遊脚期には、爪先部を跳上げ方向に回転させると共に踵部を下げ方向に回転させ、当該可動脚の着地時には、爪先部を下げ方向に回転させるようにした。
【００１７】
この結果このロボット装置では、可動脚の着地時における衝撃を爪先部及び踵部において吸収及び緩和できる。またこのとき爪先部及び踵部が跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動されるため、爪先部及び踵部を接地面の凹凸に倣わせて接地させることができ、凹凸地形においても充分な接地圧や支持モーメントを得ることができる。
【００１８】
また本発明においては、可動脚を有する脚式移動型のロボット装置の歩行制御方法において、可動脚の遊脚期、足平本体部の前端部に取り付けられた爪先部を跳上げ方向に回転させると共に当該足平本体部の後端部に取り付けられた踵部を下げ方向に回転させる第１のステップと、当該可動脚の着地時、爪先部を下げ方向に回転させる第２のステップとを設けるようにした。
【００１９】
この結果このロボット装置の歩行制御方法によれば、可動脚の着地時における衝撃を爪先部及び踵部において吸収及び緩和できる。またこのとき爪先部及び踵部が跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動されるため、爪先部及び踵部を接地面の凹凸に倣わせて接地させることができ、凹凸地形においても充分な接地圧や支持モーメントを得ることができる。
【００２０】
さらに本発明においては、脚式移動型のロボット装置において、足平本体部の前端部に、ロボットの機体のピッチ軸方向と異なる方向の関節軸により回転自在に取り付けられた複数の爪先部と、足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部とを設けるようにした。
【００２１】
この結果このロボット装置では、爪先部及び踵部を接地面の凹凸に倣わせて接地させることができ、凹凸地形においても充分な接地圧や支持モーメントを得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、可動脚を有する脚式移動型のロボット装置において、足平本体部の前端部に回転自在に取り付けられた爪先部と、足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部と、爪先部及び踵部を跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動する駆動手段と、爪先部又は踵部に印加された外部からの跳上げ方向又は下げ方向の衝撃を緩和させる緩衝手段とを設け、駆動手段が、可動脚の遊脚期には、爪先部を跳上げ方向に回転させると共に踵部を下げ方向に回転させ、当該可動脚の着地時には、爪先部を下げ方向に回転させるようにしたことにより、可動脚の着地時における衝撃を爪先部又は踵部を介して緩衝手段において吸収及び緩和できると共に、凹凸地形においても爪先部及び踵部を接地面の凹凸に倣わせて接地させて充分な接地圧や支持モーメントを得ることができ、かくして歩行性能を向上させ得るロボット装置を実現できる。
【００２３】
また本発明によれば、可動脚を有する脚式移動型のロボット装置の歩行制御方法において、可動脚の遊脚期、足平本体部の前端部に取り付けられた爪先部を跳上げ方向に回転させると共に当該足平本体部の後端部に取り付けられた踵部を下げ方向に回転させる第１のステップと、当該可動脚の着地時、爪先部を下げ方向に回転させる第２のステップとを設けるようにしたことにより、可動脚の着地時における衝撃を爪先部又は踵部を介して緩衝手段において吸収及び緩和できると共に、凹凸地形においても爪先部及び踵部を接地面の凹凸に倣わせて接地させて充分な接地圧や支持モーメントを得ることができ、かくして歩行性能を向上させ得るロボット装置の歩行制御方法を実現できる。
【００２４】
さらに本発明によれば、脚式移動型のロボット装置において、足平本体部の前端部に、ロボットの機体のピッチ軸方向と異なる方向の関節軸により回転自在に取り付けられた複数の爪先部と、足平本体部の後端部に回転自在に取り付けられた踵部とを設けるようにしたことにより、爪先部及び踵部を接地面の凹凸に倣わせて接地させることができることから、凹凸地形においても充分な接地圧や支持モーメントを得ることができ、かくして歩行性能を向上させ得るロボット装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００２６】
（１）本実施の形態によるロボットの構成
図１及び図２において、１は全体として本実施の形態によるロボットを示し、胴体部ユニット２の上部に首部３を介して頭部ユニット４が連結されると共に、当該胴体部ユニット２の上部左右両側面にそれぞれ腕部ユニット５Ａ、５Ｂが連結され、かつ当該胴体部ユニット２の下部に一対の脚部ユニット６Ａ、６Ｂが連結されることにより構成されている。
【００２７】
この場合、首部３は、図３に示すように、首関節ピッチ軸１０回り、首関節ヨー軸１１回り及び首関節ピッチ軸１２回りの自由度を有する首関節機構部１３により保持されている。また頭部ユニット４は、この首部３の先端部に図３のように首部ロール軸１４回りの自由度をもって取り付けられている。これによりこのロボット１においては、頭部ユニット４を前後、左右及び斜めの所望方向に向かせることができるようになされている。
【００２８】
また各腕部ユニット５Ａは、図１及び図２において明らかなように、上腕部ブロック１５、前腕部ブロック１６及び手先部ブロック１７の３つのブロックから構成され、上腕部ブロック１５の上端部が図３のように肩ピッチ軸１８回り及び肩ロール軸１９回りの自由度を有する肩関節機構部２０を介して胴体部ユニット２に連結されている。
【００２９】
このとき前腕部ブロック１６は、図３のように上腕部ブロック１５に上腕ヨー軸２１回りの自由度をもって連結されている。また手先部ブロック１７は、図３のように前腕部ブロック１６に手首ヨー軸２２回りの自由度をもって連結されている。さらに前腕部ブロック１６には、肘ピッチ軸２３回りの自由度を有する肘関節機構部２４が設けられている。
【００３０】
これによりロボット１においては、これら腕部ユニット５Ａ、５Ｂを全体としてほぼ人間の腕部と同様の自由度をもって動かすことができ、かくして片手を上げた挨拶や腕部ユニット５Ａ、５Ｂを振り回すダンスなどの当該腕部ユニット５Ａ、５Ｂを用いた各種行動を行い得るようになされている。
【００３１】
さらに手先部ブロック１７の先端部には、５本の指部２５がそれぞれ屈曲及び伸長自在に取り付けられており、これによりこれら指部を使って物を摘んだり、把持することができるようになされている。
【００３２】
他方、各脚部ユニット６Ａ、６Ｂは、図１及び図２において明らかなように、大腿部ブロック３０、脛部ブロック３１及び足平部ブロック３２の３つのブロックから構成され、大腿部ブロック３０の上端部が図３のように股関節ヨー軸３３回り、股関節ロール軸３４回り及び股関節ピッチ軸３５回りの自由度を有する股関節機構部３６を介して胴体部ユニット２に連結されている。
【００３３】
このとき大腿部ブロック３０及び脛部ブロック３１は、図３のように脛ピッチ軸３７回りの自由度を有する膝関節機構部３８を介して連結されると共に、脛ブロック３１及び足平ブロック３２は、図３のように足首ピッチ軸３９回り及び足首ロール軸４０回りの自由度を有する足首関節機構部４１を介して連結されている。
【００３４】
これによりロボット１においては、これら脚部ユニット６Ａ、６Ｂを人間の脚部とほぼ同様の自由度をもって動かすことができ、かくして歩行やボールを蹴るなどの脚部ユニット６Ａ、６Ｂを用いた各種動作を発現し得るようになされている。
【００３５】
なおこのロボット１の場合、各股関節機構部３６は、図３のように体幹ロール軸４２回り及び体幹ピッチ軸４３回りの自由度を有する腰関節機構部４４により支持されており、これにより胴体部ユニット２を前後、左右方向に自在に傾かせることもできるようになされている。
【００３６】
ここでロボット１においては、上述のように頭部ユニット４、各腕部ユニット５Ａ、５Ｂ、各脚部ユニット６Ａ、６Ｂ及び胴体部ユニット２を動かすための動力源として、図４に示すように、首関節機構部１３及び肩関節機構部２０等の各関節機構部を含む各自由度を有する部位に、それぞれその自由度数分のアクチュエータＡ１〜Ａ１７が配設されている。このアクチュエータＡ１〜Ａ１７は、ケース内部にＩＣチップ化された演算回路や駆動電流値を検出する電流検出器等が設けられたものであり、外部機器との通信機能等をも有するものである（例えば特願２０００−３８０９７号参照）。
【００３７】
また胴体部ユニット２には、当該ロボット１全体の動作制御を司るメイン制御部５０と、電源回路及び通信回路などの周辺回路５１と、バッテリ５２（図５）となどが収納されると共に、各構成ユニット（胴体部ユニット２、頭部ユニット４、各腕部ユニット５Ａ、５Ｂ及び各脚部ユニット６Ａ、６Ｂ）内には、それぞれメイン制御部５０と電気的に接続されたサブ制御部５３Ａ〜５３Ｄが収納されている。
【００３８】
さらに頭部ユニット４には、図５に示すように、このロボット１の「目」として機能する一対のＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ６０Ａ、６０Ｂ及び「耳」として機能するマイクロホン６１などの各種外部センサと、「口」として機能するスピーカ６２となどがそれぞれ所定位置に配設されている。また各脚部ユニット６Ａ、６Ｂにおける足平部ブロック３２の裏面等の各所定部位には外部センサとしてのタッチセンサ６３が配設されている。
【００３９】
さらに胴体部ユニット２内には、バッテリセンサ６４及び加速度センサ６５などの各種内部センサが配設されると共に、各構成ユニット内には、それぞれ各アクチュエータＡ１〜Ａ１７にそれぞれ対応させて、対応するアクチュエータＡ１〜Ａ１７の出力軸の回転角度を検出する内部センサとしてのポテンショメータＰ１〜Ｐ１７が設けられている。
【００４０】
そして各ＣＣＤカメラ６０Ａ、６０Ｂは、周囲の状況を撮像し、得られた画像信号Ｓ１Ａをサブ制御部５３Ｂ（図５において図示せず）を介してメイン制御部５０に送出する一方、マイクロホン６１は、各種外部音を集音し、かくして得られた音声信号Ｓ１Ｂをサブ制御部５３Ｂを介してメイン制御部５０に送出する。
【００４１】
また各タッチセンサ６３は、それぞれユーザからの物理的な働きかけや、外部との物理的な接触を検出し、検出結果を圧力検出信号Ｓ１Ｃとして対応するサブ制御部５３Ａ〜５３Ｄ（図５において図示せず）を介してメイン制御部５０に送出する。
【００４２】
さらにバッテリセンサ６４は、バッテリ５２のエネルギ残量を所定周期で検出し、検出結果をバッテリ残量信号Ｓ２Ａとしてメイン制御部５０に送出する一方、加速度センサ６５は、３軸（ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸）の加速度を所定周期で検出し、検出結果を加速度検出信号Ｓ２Ｂとしてメイン制御部５０に送出する。
【００４３】
さらに各ポテンショメータＰ１〜Ｐ１７は、対応するアクチュエータＡ１〜Ａ１７の出力軸の回転角度を検出し、検出結果を所定周期で角度検出信号Ｓ２Ｃ１〜Ｓ２Ｃ１７として対応するサブ制御部５３Ａ〜５３Ｄを介してメイン制御部５０に送出する。また各アクチュエータＡ１〜Ａ１７は、その内部に設けられた上述の電流検出器により検出された駆動電流値に基づいて自己の出力トルクを算出し、算出結果を出力トルク検出信号Ｓ２Ｄ１〜Ｓ２Ｄ１７として対応するサブ制御部５３Ａ〜５３Ｄを介してメイン制御部５０に送出する。
【００４４】
メイン制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んでなるマイクロコンピュータ構成でなり、ＣＣＤカメラ６０Ａ、６０Ｂ、マイクロホン６１及び各タッチセンサ６３等の各種外部センサからそれぞれ供給される画像信号Ｓ１Ａ、音声信号Ｓ１Ｂ及び圧力検出信号Ｓ１Ｃ等の外部センサ信号Ｓ１と、バッテリセンサ６４、加速度センサ６５及び各ポテンショメータＰ１〜Ｐ１７等の各種内部センサからそれぞれ供給されるエネルギ残量信号Ｓ２Ａ、加速度検出信号Ｓ２Ｂ及び各角度検出信号Ｓ２Ｃ１〜Ｓ２Ｃ１７や、各アクチュエータＡ１〜Ａ１７からそれぞれ供給される出力トルク検出信号Ｓ２Ｄ１〜Ｓ２Ｄ１７などの内部センサ信号Ｓ２とに基づいて、ロボット１の外部及び内部の状態や、ユーザの物理的な働きかけの有無等を判断する。
【００４５】
そしてメイン制御部５０は、この判断結果と、予め内部メモリ５０Ａに格納されている制御プログラムと、そのとき装填されている外部メモリ６６に格納されている各種制御パラメータとなどに基づいて続くロボット１の行動を決定し、当該決定結果に基づく制御コマンドを対応するサブ制御部５３Ａ〜５３Ｄ（図４）に送出する。
【００４６】
この結果、この制御コマンドに基づき、そのサブ制御部５３Ａ〜５３Ｄの制御のもとに、対応するアクチュエータＡ１〜Ａ１７が駆動され、かくして頭部ユニット４を上下左右に揺動させたり、腕部ユニット５Ａ、５Ｂを上に上げたり、歩行するなどの各種行動や動作がロボット１により発現される。
【００４７】
このようにしてこのロボット１においては、外部及び内部の状況等に基づいて自律的に行動することができるようになされている。
【００４８】
（２）本実施の形態によるロボット１の足平ブロック３２の構成
（２−１）基本構造
（２−１−１）２自由度以上の爪先の配置と可動範囲
ほとんどの移動面は凹凸があり、仮に足底に柔軟物を装備したとしても、接地荷重（圧力分布）を適切に設定することは困難である。
【００４９】
ところが、この接地状態を適切に制御することが、ロボットの移動性能に大きく影響する。そしてこの影響は、脚式移動機械の寸法が小さくなるほど、つまりロボットの機体が小さくなるほど、ロボットの機体の運動性能に対する移動面の寸法効果は大きく、充分に検討及び解決すべき課題となる。
【００５０】
またＺＭＰを安定度判別規範とする場合、支持モーメントを適切に発生させるために、支持多角形を適切に選択することも重要となる。原則的には、支持多角形の面積を大きくとることが必要となるが、その形状がどのようなものであるかも歩行性能に大きな影響を与える。単純に接地面積だけで決定されるわけではない点に注意が必要となる。
【００５１】
この場合において、上述した従来技術のように片脚当たりに１自由度の爪先を装備しただけでは不充分であり、２自由度以上の爪先を設けた機械系を用意することが望ましい。
【００５２】
図６は、その一例として、爪先に２本の指部７０Ａ、７０Ｂを設けた足平構造を示すものである。この例では、足首関節７１に連結された足平本体部７２の前端縁に、ピッチ軸方向（進行方向と垂直な方向）と平行な関節軸を有する指関節７３Ａ、７３Ｂをそれぞれ介して２本の指部７０Ａ、７０Ｂが回転自在に取り付けられている。
【００５３】
また、この足平構造は、２本の指部７０Ａ、７０Ｂを設けることに加えて、これらの指部７０Ａ、７０Ｂの可動範囲にも特徴がある。すなわち、これら２本の指部７０Ａ、７０Ｂは、足平本体部７２に対して図７（Ａ）のように上方に跳ね上がる方向（矢印ａで示す方向、以下、これを跳上げ方向と呼ぶ）だけでなく、図７（Ｂ）のように足平本体部７２に対して下がる方向（矢印ｂで示す方向、以下、これを下げ方向と呼ぶ）にも作動することができる。
【００５４】
これら２本の指部７０Ａ、７０Ｂの可動範囲としては、跳上げ方向に60〔°〕程度、下げ方向に15〔°〕程度が考えられる。ただし、この可動範囲は、ロボットの規模や脚制御法により変える必要があり、例えば足平の長さが110〔mm〕程度、足平の幅が70〔mm〕程度、身長が600〔mm〕程度のロボットの場合には、跳上げ方向に35〔°〕、下げ方向に15〔°〕程度であれば良い。
【００５５】
このような指部７０Ａ、７０Ｂの跳上げ方向の動きは、歩行時や走行時において、支持脚から遊脚に切り替わる際に移動面を蹴り付けて推進力を得るのに有効である。また指部７０Ａ、７０Ｂの下げ方向への動きは、接地圧を調整したり、図３４のように足底を移動面に倣わせる場合に有効であるほか、図３５のように障害物を踏まないようにすることもできる。また、各指部７０Ａ、７０Ｂをそれぞれ独立して動かすことができるようにすることによって、図３６に示すように、より精度良く足底を移動面に倣わせることも可能となる。
【００５６】
（２−１−２）可動踵の配置と可動範囲
本実施の形態に係る足平構造は、図６に示すように、足平の踵部分にも自由度を設けることをもう１つの特徴とする。図６の例は、足平本体部７２の後端縁に、ピッチ軸と平行な関節軸を有する踵関節７４を介して踵部７５を取り付けたものである。
【００５７】
そしてこの踵部７５は、指部７０Ａ、７０Ｂと同様に、足平本体部７２に対して図７（Ａ）のように跳上げ方向（矢印ｃ）だけでなく、図７（Ｂ）のように足平本体部７２に対して下げ方向（矢印ｄ）にも作動することができる。
【００５８】
この踵部７５は、主として着地時の緩衝のほか、かかる爪先の２本の指部７０Ａ、７０Ｂとあわせて対地適応性向上を補助する機能を有する。爪先の２本の指部７０Ａ、７０Ｂと同様に支持接地面を構成するものでもあるが、むしろ足本体の接地部の状態を調整するものであると考えた方が本実施の形態に係る足平構造における踵部７５の機能を具体的に説明していると言える。
【００５９】
かかる踵部７５の可動範囲としては、跳上げ方向に30〔°〕程度、下げ方向に15〔°〕程度が考えられる。ただし、この可動範囲もロボットの規模や脚制御法により変わる。
【００６０】
（２−１−３）各指部１２１Ａ、１２１Ｂの関節軸の方向
図６は、各指部７０Ａ、７０Ｂの各関節軸をそれぞれピッチ軸方向と一致させた足平構造例を例示したものであるが、これら関節軸をピッチ軸方向に対して角度をもたせることによって、各指部７０Ａ、７０Ｂと足平本体部８１とで対地角度を異ならせるようにすることができる。
【００６１】
図６との対応部分に同一符号を付して示す図８及び図９には、各指部８０Ａ、８０Ｂ、８５Ａ、８５Ｂの関節軸の取付け方向をピッチ軸方向と異ならせた場合の構成例を示している。これら図８及び図９に示すように、関節軸を適宜傾斜させることで、足底面を適切に変化させることが可能である。
【００６２】
図８は、各指部８０Ａ、８０Ｂを、ピッチ軸方向に対してその関節軸をロール方向の下方側に角度θ１だけ傾けて足平本体部８１の前端縁に取り付けた足平構造例であり、このようにすることで足底の接地圧を高く確保することができるため、適切な路面摩擦を確保でき、さらに適切な支持モーメントを発生させることができる。
【００６３】
また図９は、各指部８５Ａ、８５Ｂを、ピッチ軸方向に対してその関節軸をロール方向の下方側に角度θ２、ヨー方向の後退側に角度θ３だけそれぞれ傾けて足平本体部８６の前端縁に取り付けた足平構造例であり、このようにすることで指部８５Ａ、８５Ｂをロール方向の下方側に回転させることで足平の内外側の接地圧を高く確保することができるため、適切な路面摩擦を確保でき、さらに適切な支持モーメントを発生させることができる。
【００６４】
このような足平構造によれば、足底に印加される負荷荷重レベルに応じて、各指部８０Ａ、８０Ｂ、８５Ａ、８５Ｂの足平本体部８１、８６に対する角度が変わるようにすることができる。
【００６５】
また、足底の中央が凸になると適切な支持モーメントを確保することが困難になるため、支持点はできる限り外側に設定する方がよい。この目的を達成するには、上述のように関節軸の軸方向を変更し、外周部が低くなるようにすることが望ましい。ちょうど土踏まずのような効果を発揮する。
【００６６】
具体的には、指部８０Ａ、８０Ｂ、８５Ａ、８５Ｂのピッチ軸方向に対する取り付け角度を、例えばロール方向の下方側に−５〜15〔°〕程度、ヨー方向の後退側に30〜45〔°〕程度の範囲に設定する。足底を下方に動かした際、接地圧を高める方向が望ましいので、基本的には指部８０Ａ、８０Ｂ、８５Ａ、８５Ｂの対地角度がきつくなるような取付け角度を選択する。
【００６７】
（２−１−４）各指部１２１Ａ、１２１Ｂの関節軸の高さ方向の位置
図６のように足平本体部７２の前端に２本の指部７０Ａ、７０Ｂを設けた構造とする場合、これら２本の指部７０Ａ、７０Ｂの関節軸の方向（ピッチ軸に対する傾き）に加えて、関節軸の高さ方向の位置も重要である。
【００６８】
実際上、例えば図１０のように関節軸９０を足底から高く設定した場合、爪先９１を跳上げ方向にしか曲げられず、爪先９１の関節トルクが大きくなり、さらに爪先９１を曲げたときに足平本体部９２との間に大きな隙間が開くために、異物を挟み込んでしまうおそれがあるなど、対地適応性に欠け、危険であるといった問題点が発生する。
【００６９】
このような事態を回避するためには、図１１に示すように、各指部９３の関節軸９４を足底から極力低い位置に設定し、さらに図１２に示すように、各指部９５Ａ、９５Ｂの後端縁と足平本体部９６の前端縁とを噛合させるようにして指関節９７Ａ、９７Ｂを構成するなどの工夫をすることで、ほぼ目的の効果を得ることができる。
【００７０】
なお図１３に示すように、各指部９８の関節軸９９の具体的な高さ位置としては、足平の厚さｈ内に位置するように設定するのが良い。この場合において、図１０について上述したような爪先９１及び足平本体部９２との間の隙間の問題を考えると、関節軸９９（図１３）を移動面付近にまで下げるべきであるが、これは困難である。現実的には、各指部９８の関節軸９９を足底から足平の上面までの高さの２／３くらいの高さ位置に設定することになると思われる。
【００７１】
（２−１−５）駆動用アクチュエータの配置
一般に、脚式移動式のロボットは、胴体に重量物を集中し、速度の上がる先端部の重量は抑える設計をすべきであるといる論理的見解がある。しかしながら、現実的には、一脚あたり最低６個のアクチュエータを配置しなければならず（図３参照）、各部に分散させるような設計もあり、その範囲で適切な重量配置を考えているのが実状である。
【００７２】
上述のように足平の爪先に２本の指部７０Ａ、７０Ｂを設ける機構とした場合、足平内にさらにアクチュエータを配置すると、スペースの余裕が少なくなる。ロボットの動作する性質に合わせ、すなわち各指部７０Ａ、７０Ｂの駆動用のアクチュエータに要求される性能に応じて、配置できるところに取り付けることを考えるものとする。なお、指部や足平本体部でないところにアクチュエータを配置した場合、リンク、ワイヤ、ベルト又は歯車などの動力伝達手段が別途必要となる。
【００７３】
移動速度や動作速度、機体規模、機能に応じて、指部の駆動機構を以下に挙げるような制御方法を選択して適用することができる。
【００７４】
１．ロボットの動作が比較的遅く、主に移動面への倣い制御が中心の場合：
アクチュエータを指部又は足平本体部に配置する。アクチュエータが小さくて済み、簡潔な設計が適しているからである。
２．ロボットが比較的高速に動き、特に速い周期で脚を動かす場合：
慣性力を少なくするためにもできる限り先端部を軽くする必要がある。このような場合、脚や胴体にアクチュエータを置くことになるが、その際は伝達機構を必要とする。
３．ロボットが跳躍・走行を可能とした場合：
アクチュエータの構成法が変わるものと考えられる。全体に大きな出力（瞬発力）を必要とする場合、かえってスペースのある先端部に配置した方がよことも考えられる。
【００７５】
上述したように、機体の大きさや動作条件などに応じて、アクチュエータの配置構成を変化させることが望ましい。
【００７６】
図１４に、可動脚におけるアクチュエータの配置例を示す。２足歩行型のロボットは、一般に慣性力などの影響を避けるため、足機構に強い出力を発生させるためには、アクチュエータが重くなりがちであるが、足機構上にアクチュエータを配置する必要はなく、この図１５に示すように脛や腿の各部又は体幹などに配置し、ワイヤやギア、リンクなどを組み合わせた伝達機構を介して動力を伝達するようにすれば良い。
【００７７】
また、特定の関節アクチュエータにおいて強力な出力を実現するには、干渉駆動の原理を用い、足指自由度分のアクチュエータを配置し、いずれかの関節軸用アクチュエータを組み合わせて駆動することも考えられる。例えば、足首２軸のモータの他に２モータを追加し干渉させることで、足首２自由度と足指２自由度を動作させることが可能になると言える。
【００７８】
（２−１−６）受動型機械要素を装備する場合
サーボ・アクチュエータを用いた能動的な制御を行なえば、動的な機械システムは高性能を得ることができると言える。豊富なセンサ群を利用した予見的制御を行なうことで、さらに性能を向上することが可能である。しかしながら、周波数が上がるにつれ、次第に適応できなくなっていくという欠点がある。
【００７９】
そこで、受動的な機構制御系を取り入れて、外乱入力など高い周波数帯域での応答特性を補う、すなわち能動的制御要素と受動的制御要素の組み合わせからなる複合的制御系という設計論を本願発明者らは提案する。
【００８０】
これに対して受動的な機構制御系は、例えばばねやダンパなどの機械要素の組み合わせによって構成される。受動的制御要素として、可変式非線形コンプライアンス機構を導入する。単純なばねを導入したものではない、という点に十分留意されたい。ここで導入する要素として、以下のものを挙げることができる。
【００８１】
１．ばね（非線形特性、プリロード、リミッタなどを含む）
２．ダンパ（非線形特性、圧縮・伸展で特性を変化あるいは速度に対する負特性など）
３．摩擦（速度依存性が小さい非線形的成分）
【００８２】
図１５に、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系の概念を実現した直動機構１００の一例を示す。
【００８３】
同図に示す例では、サーボ・モータからなる能動制御によるサーボ駆動系１０１と出力部（関節などの効果器）の間に、受動的で広帯域で応答することができる機構系１０２が直列的に配置されている。この受動的な機構系１０２は、例えばばねやダンパなどのコンプライアンスの他、プリロードや摩擦その他の非線形要素により構成することができる。また、受動的な機構系１０２と出力部の間に、さらにトルクリミッタや他のリンク、関節などを含んでいてもよい。また、機構要素は、コイルなどの電気系であってもよい。
【００８４】
ここで、受動的なコンプライアンス機構を実現するには、単純なばねでは充分な性能を出すことは困難であり、非線形の機構要素を備えていることが好ましい。この部位に関しては、その定数などをアクチュエータなどによって変更することもできる。受動的な制御処理系１０３は、基本的には機械要素で実現しているが、それを補助するための制御手段を組み合わせることも想定している。
【００８５】
図１５に示す例では、受動的な機構系１０２の作動をオン／オフするためのソレノイドなどの切替機構１０４を配置しており、受動的な機構系１０２のロック、解放、コントロールを行なう。すなわち、制御処理系１０３からの切替機構制御信号Ｓ１０によって受動的な機構系１０２における高周波応答作用を付勢又は減勢し得るようになされている。
【００８６】
勿論、上述したような受動的な機構系１０２及び制御処理系１０３を組み合わせなくとも、本願所望の作用効果を達成することはできるが、さらに高性能で、緻密な制御を可能にすることができる。
【００８７】
以下では、ばねやダンパなど、受動的な機構系１０２を構成する各要素について説明する。
【００８８】
（２−１−６−１）ばね
図１６に、通常の線形ばねの弾性特性を示す。このような単純ばねを適用するのは、安定性を確保する上では不適切である。何故ならば、必要な支持モーメントを発生しようとしても、その変位が小さい場合は充分に伝わらず、転倒につながる可能性があるからである。
【００８９】
この場合、ばねの荷重（変位）が小さい場合、ばねが柔らか過ぎると、変位が大きくなり過ぎ、充分な支持モーメントを発生することが困難である。逆に、徒にばね定数を上げると、緩衝に適応できない特性となる。すなわち、脚式移動ロボットへ直接利用することは困難であり、いたずらにストロークが大きくなるか、振動を起こすなどの問題が考えられる。また、位置を決定するのに、ばね要素が入ることは一般に制御が難しくなる。
【００９０】
このような問題を解決するための手段としては、低荷重領域では作動せず所定荷重を超えた時点で弾性特性が作動するプリロード機構と、変位量が所定値に到達した時点で弾性変形が停止するリミッタ機構をばねに適用する。
【００９１】
この場合の弾性特性は図１７に示す通りとなり、ばね定数を適度に抑え、かつ、低荷重域の特性を改善するためのオフセット（バイアス）が与えられている。図１７に示すような弾性特性を得ることにより、例えば通常時にはほぼ剛体として作用し非常時のみ作動する、あるいは、足先接地時に荷重とともに変位するようにすることができる。
【００９２】
ただし、実際上は、ここまで線形な特性は必要ない。また機構的な位置関係でなく、切替機構のようなものを制御して同様の弾性特性を実現するようにしても良く、この場合にその弾性特性は図１８のようになる。また意図的に弾性特性に非線形性を与えることで、移動性能と制御特性の整合性を向上させることもできる。
【００９３】
機能に、プリロード、変位ストッパ、非線形特性ばねなどを組み合わせると効果的である。また、これらの要素のつながりに極端な段の付いたものは、挙動を乱す原因になるので滑らかに変化するような特性を考慮しておく必要がある。
【００９４】
（２−１−６−２）ダンパ
図１９に、基本モデルとなるダンパの特性を示す。この図１９に示すダンパは、線形粘性を持つ減衰要素である。このような単純な特性のものを適用すると、速い外乱入力に対して抵抗力が大きくなり過ぎてしまう。すなわち、高速な応答に対しての抵抗力が大きくなり、歩行機械で考えると、急激な力に対しては剛体として作用する。このため、結局のところ、転倒モーメントを発生させる原因となる。この対策として、以下の２つの方法を導入する。
【００９５】
１．伸び、縮み方向で特性が変わる
２．高速な入力に対して追従性を挙げた負特性とする。
【００９６】
図２０に、１番目の方法を導入し、方向による異特性を与えたダンパの特性を示す。すなわち、荷重が加わる方向に応じて減衰率を変えることが有効であり、衝撃を受けるときは減衰力を小さくして素早く吸収し、伸展するときは減衰力を大きく設定し、飛び跳ねによる転倒モーメントの発生を抑えるようにする。
【００９７】
また、図２１に、２番目の方法を導入し、系が作動する速度に応じて特性が切り替わるという速度依存型のダンパ特性を示す。衝撃力による挙動はきわめて速く、速度が上がったときに抵抗力が小さくなって、素早く変位させることで、上体の変位、衝撃を少なくすることが望ましい。図２１に示すような負特性をダンパに与えることでこの機能を実現することができる。
【００９８】
図２０及び図２１に示すダンパ特性を自在に組み合わせることによって、衝撃力を逃がし、かつ支持するための力を適切に発生することができる。これをさらに拡張し、機体の持つ固有振動数の影響を小さくするなどの工夫を行ない、かつ急峻な変化を誘発しないための非線形特性を与える。図２２に、この場合のダンパ特性例を示す。これらの要素のつながりに極端な段の付いたものは挙動を乱す原因となるので、滑らかに変化するような特性を考慮しておく必要がある。
【００９９】
また、ばねやダンパ以外に、摩擦などの要素を適宜導入することにより、特性改善を行なうことができる。
【０１００】
（２−１−６−３）切替機構
受動的機構制御系の特性を切り替えるために、プリロード、ラッチ又はソレノイド、ブレーキ機構など、あるいはこれらの組み合わせを導入することができる。
【０１０１】
荷重や速度が大きくなると受動的に動作開始したり、制御を与えることで切り替え動作を明確にしたりする。または特性自体を作り出したりすることに利用することもできる。
【０１０２】
図２３に、上述したばね、ダンパ、切替機構を有機的に組み合わせた非線形コンプライアンス機構の構成例を示す。
【０１０３】
この非線形コンプライアンス機構１１０において、非線形ばね１１１の要素は、不定ピッチや多重ばねなどで構成される。リミット機構１１２は緩衝機構１１３を有し、ストッパで急激に停止させるのではなく、緩衝材を用いておくことが好ましい。
【０１０４】
非線形ばね１１１には、プリロード機構１１４が作用している。ロック機構としてブレーキやラッチなどを用いる。受動的及び能動的制御系のいずれにもロック機構を装備する。また、この図２３において非線形ばね１１１及びダンパ１１５からなる非線形ダンピング機構としては、流体の他、固体摩擦、コイルなどの電気系を利用することができる。
【０１０５】
また図２４に、ばね、ダンパ、切替機構を有機的に組み合わせた機構ユニットの構成例を示す。この図２４に示す例では、図２３に示す非線形コンプライアンス機構１１０を、受動的な制御要素を適宜ロックするロック機構１１６と組み合わせて用いている。
【０１０６】
本実施の形態に係る機構構成上、足機構本体に強力なアクチュエータの装着が必要であるが、重量や寸法など他の設計事項との関係から、装着が困難である。この場合、ロック（ブレーキ）できる機構が有効であり、足平先端の指機構が動くことが常時要求されるとは言えず、一度ある形状が作り出されたらしばらくその形状を保持すればよい場合、若しくは一定の抵抗力（トルク）を出しつつも外力に押し戻されるような動作をする場合、ブレーキ機構が有効である。
【０１０７】
（２−２）本実施の形態によるロボット１の足平ブロック３２の具体的構造
ここで図２５〜図２７は、上述のような各種事項を考慮して形成された本実施の形態によるロボット１の足平ブロック３２の具体的構造を示すものである。
【０１０８】
これら図２５〜図２７からも明らかなように、足平ブロック３２は、足平本体部１２０の前端縁に２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂが配設されると共に、足平本体部１２０の後端縁に踵部１２２が配設されることにより構成されている。
【０１０９】
この場合、各指部１２１Ａ、１２１Ｂにおいては、その関節軸を足平本体部１２０の厚み内に位置させるように、それぞれ櫛歯状に形成されたその後端縁を、これに対応させて同じく櫛歯状に形成された足平本体部１２０の前端縁と嵌め合わせるようにして足平本体部１２０に取り付けられている。
【０１１０】
これによりこの足平ブロック３２では、歩行時や走行時に各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び足平本体部１２０間に隙間を生じさせることなく、各指部１２１Ａ、１２１Ｂを跳上げ方向及び下げ方向の双方に自在に駆動させ得、かくして跳上げ方向の動きによって、歩行時や走行時に移動面を蹴り付けて充分な推進力を得ることができ、また下げ方向への動きによって、接地圧を調整したり、足底を移動面に倣わせることができるようになされている。
【０１１１】
また各指部１２１Ａ、１２１Ｂにおいては、それぞれ隣接する他の指部１２１Ａ、１２１Ｂとの間に適度な大きさの隙間が生じるように、それぞれ台形状に形成されており、これによりこれら各指部１２１Ａ、１２１Ｂを跳上げ方向又は下げ方向に動作させたときに、これら指部１２１Ａ、１２１Ｂが隣接する他の指部１２１Ａ、１２１Ｂと干渉するのを未然に防止し得るようになされている。
【０１１２】
さらに各指部１２１Ａ、１２１Ｂは、それぞれその関節軸がピッチ軸方向に対して後退方向に30〜45〔°〕程度、下方に５〜15〔°〕程度傾斜するように足平本体部１２０に取り付けられており、これにより接地時おける支持点を足底面の外側に位置させて適切な支持モーメントを得られるようになされている。
【０１１３】
一方、踵部１２２においては、その関節軸を足平本体部１２０の厚み内に位置させるように、櫛歯状に形成されたその前端縁を、これに対応させて同じく櫛歯状に形成された足平本体部１２０の後端縁と嵌め合わせるようにして足平本体部１２０に取り付けられている。
【０１１４】
これによりこの足平ブロック３２においては、これにより歩行時や走行時に踵部１２２及び足平本体部１２０間に隙間を生じさせることなく、当該踵部１２２を跳上げ方向及び下げ方向の双方に自在に駆動させ得、かくして跳上げ方向の動きによって、歩行や走行の際の着地時における衝撃を緩和し、また下げ方向への動きによって、接地圧を調整したり、足底を移動面に倣わせることができるようになされている。
【０１１５】
なおこの実施の形態の場合、図示せずも各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び足平本体部１２０間と、足平本体部１２０及び踵部１２２間とには、それぞれ図２３について上述した非線形コンプライアンス機構が図２４のように設けられており、これにより外乱入力など高い周波数帯域での応答特性を向上させ得るようになされている。
【０１１６】
かかる構成に加えてこの実施の形態の場合、
１．各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び足平本体部１２０ともに裏面（接地する面）の中央が凹になった形状
２．各指部１２１Ａ、１２１Ｂは、裏面の外周側で接地するように、当該外周側が内周側に比べて凸になった形状
３．各指部１２１Ａ、１２１Ｂの裏面の後端側（すなわち付け根側）にも凸部を設け、爪先立ちを可能とする形状
４．足平本体部１２０も、外周側で接地するように、隅ほど凸な形状
という、安定した立脚又は歩行状態を維持するための要求を満たすべく、足平ブロック３２の足底が図２８（Ａ）〜（Ｃ）において曲線ｋ１〜ｋ４に示すような凹状に湾曲させて形成されている。
【０１１７】
実際上、このロボット１の場合、各指部１２１Ａ、１２１Ｂにおいては、その裏面が、図２８（Ａ）において曲線ｋ１及び図２８（Ｂ）において曲線ｋ２でそれぞれ示すように、幅方向については足平本体部１２０の幅方向の中央ほど接地面から離反し、これと直交する長手方向については当該指部１２１Ａ、１２１Ｂの中央ほど接地面から離反するように、全体としてアーチ状の湾曲面を有する凹形状に形成されている。
【０１１８】
また足平本体部１２０の裏面も同様に、図２８（Ｂ）において曲線ｋ３及び図２８（Ｃ）において曲線ｋ４で示すように、その幅方向及び長手方向ともに当該足平本体部１２０の中央ほど接地面から離反するように、全体としてアーチ状に窪んだ湾曲凹状に形成されている。
【０１１９】
さらに踵部１２２においては、その裏面が、図２８（Ｂ）において曲線ｋ３及び図２８（Ｃ）において曲線ｋ４でそれぞれ示すように、幅方向については当該踵部１２２の中央ほど接地面から離反し、長手方向については足平本体部１２０の湾曲と滑らかに繋がるように全体としてアーチ状に窪んだ湾曲凹状に形成されている。
【０１２０】
これによりこのロボット１においては、かかる足底が全体として湾曲した凹形状を有することにより、人間でいうところの土踏まずを形成し、立脚時や歩行時における足底の不必要な接地部位を低減させることができるようになされている。
【０１２１】
かくするにつきこのロボット１においては、立脚時や歩行時において支持多角形を広く取ることができると共に、面圧を調整して接地面との間の適切な摩擦力を確保することができ、これにより図２９及び図３０のように爪先（各指部１２１Ａ、１２１Ｂ）のみを接地させてロボット１を支える爪先接地支持時や、図３１及び図３２のように踵部１２２のみを接地させてロボット１を支える踵接地支持時、及び図２９のように各指部１２１Ａ、１２１Ｂ、足平本体部１２０及び踵部１２２を全て接地させてロボット１を支える通常接地時のいずれの状態であっても接地点を適切に確保し、充分な支持モーメントを確保し得るようになされている。
【０１２２】
このため足平ブロック３２においては、各指部１２１Ａ、１２１Ｂの後端縁に設けられた足平本体部１２０との連結部でなる各突起１２１ＡＸ、１２１ＢＸの先端部と、足平本体部１２０の前端縁に設けられた各指部１２１Ａ、１２１Ｂとの連結部でなる各突起１２０Ａの先端部と、足平本体部１２０の後端縁に設けられた踵部１２２との連結部でなる各突起１２０Ｂの先端部と、踵部１２２の前端縁に設けられた足平本体部１２０との連結部でなる各突起１２２Ａの先端部とがそれぞれ滑らかな曲面で形成されており、これにより通常支持から爪先接地支持又は踵接地支持に切り替わる際に急激な支持状態の状態変化が生じるのを未然に防止し得るようになされている。
【０１２３】
さらにこのロボット１の場合、各指部１２１Ａ、１２１Ｂ、足平本体部１２０及び踵部１２２の最外周部が曲率をもって形成されており、これにより接地時の対地角度による引っ掛かりを未然かつ有効に防止し得るようになされている。
【０１２４】
（２−３）本実施の形態による足平構造により得られる効果
ロボット１の足平構造として、上述のように２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２を跳上げ方向及び下げ方向に回転自在に設けた構造を採用することによって、以下のような効果を得ることができる。
【０１２５】
（２−３−１）運動性能とアプリケーション性能
足底位置・姿勢を決定する機構・制御方式に対し、爪先に相当する足平ブロック３２の各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵に相当する踵部１２２をそれぞれ適切に制御することで、ロボット１の運動性能とアプリケーション性能を向上することができる。
【０１２６】
（２−３−２）高速移動
２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂを足平先端に装備することにより、ロボット１が高速に移動できるようになる。実質上の脚が長くなることの他、選択できる可動域が拡大できるからである。図３３に示すように、足平ブロック３２に爪先（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）を付けることで見かけ上の足首高さを変化させることが可能であり、脚長や移動面と足首軸間の距離を拡大することができる。これにより、歩行速度を上げることができる。また、適宜コンプライアンスを与えることで、これまでにない脚軌道が可能となり、さらに高速な移動が可能になる。
【０１２７】
通常、歩行のためには、総駆動トルク軽減の観点から足首軸を低く設定することが重要である。しかしながら、移動面地形の凹凸が深くなると必ずしもそうは言えなくなる。脚機構と移動地形の干渉があるため、足首高さを高くしておくことで、これを防ぐことができる。
【０１２８】
（２−３−３）路面の凹凸への適応能力
指部１２１Ａ、１２１Ｂが下方にも動作し、かつ２自由度すなわち部位により独立して動作可能であることは大きな効果を持つ。
【０１２９】
例えば図３４に示すように、指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２を足平本体部１２０より下げることで土踏まずを形成することができる。これより、幾何的に移動面の小障害物を踏まないで移動することが可能である。すなわち、指部１２１Ａ、１２１Ｂを用いることで、不整地であっても接地部をできる限り周縁部に確保することができ、高い支持モーメントを発生させることができる。
【０１３０】
また、図３５に示すように、地面に固定されていない障害物１５０が移動面に存在する場合、障害物１５０がコロとして作用し特に危険な状態となる。本実施の形態の足平構造によれば、可動角を指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２に与えることで土踏まずを構成し、移動面に固定されていない小障害物を踏みつける危険性を排除することが可能である。
【０１３１】
（２−３−４）不整地移動性
地表面は多かれ少なかれ凹凸が存在する。しかも、それらは分布的に点在するので、小さいものであっても１自由度の爪先では対応できない。
【０１３２】
仮に足平において３点の支持点が構成できても、その支持多角形は矮小なものとなり易い。爪先に１自由度を付けても、実際にはほとんど理想的な接地状態を実現するのは難しい。少々の凹凸の他、センサ誤差や制御誤差、あるいはその他の原因で爪先面接地（４点接地）はありえないからである。まして、凹凸地形においては、必要な接地平面を選択することは至難の業である。
【０１３３】
これに対し、本実施の形態による足平構造によれば、独立して動作可能な２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂを装備することで、対地適応性を向上することが可能である。図３６に、独立動作可能な２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂにより凹凸の路面に対し適応している様子を示す。図示の通り、不整地に着床するような状況下において、２自由度を用いれば確実な接地を実現することが可能であり、しかも、必要な支持モーメントを発生させることが可能である。この性能は、通常の歩行でも有効で、支持モーメントを充分に発生できる支持多角形を生成することができる足底機構である。
【０１３４】
（２−３−５）表現力の向上
ロボットはまだ進歩を続けている段階であり、さまざまな性能を示す必要がある。人間型ロボットの場合、動作の表現力もまた性能の１つとして考慮すべきである。ロボットにコンプライアンスを持たせることで、緻密な力制御でなくても足底の接地状態を選択することができる。例えば、ロボットに舞踏的な動作をさせる場合、設計上の理由からロボットの関節自由度は概して不足気味になる。何故ならば、通常の脚では冗長自由度がなく、姿勢によっては実質上自由度が縮退することもあるからである。
【０１３５】
これに対し、本実施の形態に係る足平構造を採用することにより、冗長的な動作をすることも可能となり、表現力の幅が拡がる。勿論、関節が増えたことにより足自体の形状を自由に変更できるのは大きなメリットである。
【０１３６】
（２−３−６）障害物回避
関節が増えることにより脚姿勢の選択の範囲が拡大し、この結果、移動面に置かれた障害物に対応できる可能性が大きくなる。階段の段差越え能力が上がることも、この効果の現れである。
【０１３７】
（２−３−７）緩衝
本実施の形態に係る２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２を足平ブロック３２に装備することにより、ほとんどの脚式動作において衝撃吸収の効果を得ることができる。しかも、単純にばねを付けただけとは異なり、制御性を損なわない特性を与えることを含んでいるので、機構の保護が必要な条件時に優先的かつ選択的に動作させることも可能である。
【０１３８】
２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２の制御（コンプライアンスの設定）如何で、接触初期から荷重までの状態を制御することができ、機体へのダメージを軽減することができる。受動的又は能動的いずれかの制御系のみ、これらの制御要素の組み合わせた場合のいずれであっても、この効果を発揮することができる。
【０１３９】
（２−３−８）地面接触センシング
２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２のコンプライアンスを調整可能に構成することで、爪先接地又は踵接地の瞬間から本格的に荷重をかけるまでに時間ができる。この結果、地面接触状態の判別を含んだ歩容を実現することができる。例えば、比較的大きな凹凸でかつ回避するような大きな障害物ではないような場合に有効な動作である。
【０１４０】
（２−３−９）エネルギ効率の改善
本実施の形態に係る２本の指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２を備えた足平構造では、エネルギを散逸させる要素が含まれているが、必ずしもエネルギ消費が多くなるとは限らない。これは、重量軽減や、ピーク出力の分散などの効果があるからである。
【０１４１】
ここで、高速移動に関して考察してみる。すべての機体動作をアクチュエータがまかなう訳ではなく、コンプライアンス要素が一時的に受け止める、あるいはダンピング要素が重力方向の力を受け持つといったことが可能であり、制御動作そのものが変更できる。したがって、モータを小さく設定することができる。この結果、動力源の規模も小さくでき、相乗効果的に駆動能力に余裕が生まれる。そして、エネルギ面で効率のよい、高性能な機体を実現することができる。付言すれば、小さいアクチュエータは概して即応性に優れ、ダイナミックな動作の実現には大変有利である。
【０１４２】
本実施の形態による足平構造を採用することで、上述したような作用効果を得ることができる。移動性能とは性質が異なるが、動作姿勢が美しく自然になる。また、歩容脚ストロークが同一であっても、実質デューティ比が向上するので、より安定した移動が実現し易くなる。
【０１４３】
（２−４）ロボット１の歩行制御
（２−４−１）各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２の駆動機構の構成
次に、かかる足平ブロック３２における各指先部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２を駆動するための駆動機構について説明する。
【０１４４】
このロボット１においては、歩行時や走行時に足平ブロック３２の各指先部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２を連動させて駆動させ得るようになされており、そのための手段として、非線形プーリ及び駆動ワイヤ等からなる駆動機構（以下、これを爪先踵駆動機構と呼ぶ）が設けられている。
【０１４５】
実際上、図３７に示すように、かかる爪先踵駆動機構１３０においては、股関節機構部３６のピッチ軸とその中心軸を一致させて配置された、例えば楕円形状の第１の非線形プーリ１３１を有し、この第１の非線形プーリ１３１における長径部分の一端側が第１の駆動ワイヤ１３２を介して足平ブロック３２の各指部１２１Ａ、１２１Ｂの先端と接続されている。そして、第１の非線形プーリ１３１は、対応する脚部ユニット６Ａ、６Ｂと一体にピッチ軸の周りに回転駆動するようになされている。
【０１４６】
これによりロボット１においては、脚部ユニット６Ａ、６Ｂをピッチ軸の周りに回転駆動したときに、これと一体に第１の非線形プーリ１３１がピッチ軸の周りに回転して第１の駆動ワイヤ１３２を引っ張ることにより、足平ブロック３２の各指部１２１Ａ、１２１Ｂを跳上げ方向に回転駆動させ得るようになされている。
【０１４７】
この場合、第１の駆動ワイヤ１３２は、第１及び第２のワイヤ１３２Ａ、１３２Ｂを非線形ばね又はダンパ機構等からなる第１の緩衝部１３３を介して連結することにより形成されており、これにより各指部１２１Ａ、１２１Ｂに作用する下げ方向の外力をこの第１の緩衝部１３３において必要に応じて吸収し得るようになされている。
【０１４８】
また踵関節部１３４には、当該踵関節部１３４の関節軸とその中心軸を一致させて第２の非線形プーリ１３５が配置され、この第２の非線形プーリ１３５における長径部分の一端側が足底側に配置された第２の駆動ワイヤ１３６を介して足平ブロック３２の各指部１２１Ａ、１２１Ｂの先端と接続されている。
【０１４９】
これによりこのロボット１においては、踵部１２２を下げ方向に下げた状態から跳上げ方向に回転させたときに、第２の駆動ワイヤ１３６を介して各指部１２１Ａ、１２１Ｂに対して下げ方向への回転力を印加することができ、またこれと逆に、各指部１２１Ａ、１２１Ｂを跳上げ方向に上げた状態から下げ方向に回転させたときに、第２の駆動ワイヤ１３６を介して踵部１２２に対して下げ方向への回転力を印加することができ、これにより各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２のいずれか一方の跳上げ方向の回転に連動させて他方を下げ方向に回転駆動させ得るようになされている。
【０１５０】
この場合、第２の駆動ワイヤ１３６は、第１の駆動ワイヤ１３２と同様に、第３及び第４のワイヤ１３６Ａ、１３６Ｂを非線形ばね又はダンパ機構からなる第２の緩衝部１３７を介して連結することにより形成されており、これにより指部１２１Ａ、１２１Ｂや踵部１２２に作用する跳上げ方向の外力をこの第２の緩衝部１３７において必要に応じて吸収し得るようになされている。
【０１５１】
（２−４−２）歩行時等における各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２の動作
次に、歩行時等における各指部１２１Ａ、１２１Ｂ及び踵部１２２の動作について、図３８に示すように、一方の脚部ユニット６Ａ、６Ｂを持ち上げた状態の遊脚期と、その後その脚部ユニット６Ａ、６Ｂを着地させた直後の着地期と、その後ロボット１の体重を２本の脚部ユニット６Ａ、６Ｂによって支持した両脚支持期と、その後１つの脚部ユニット６Ａ、６Ｂによってのみロボット１の体重を支持した単脚支持期前期と、さらにその後その脚部ユニット６Ａ、６Ｂがロボット１の進行方向に倒れつつ、当該脚部ユニット６Ａ、６Ｂのみによってロボット１の体重を支持した単脚支持期後期とに分けて説明する。
【０１５２】
（２−４−２−１）遊脚期
遊脚期では、図３９に示すように、脚部ユニット６Ａ、６Ｂが股関節機構部３６のピッチ軸を中心として前方に回転することで膝関節機構部３８が上方に動き、これに伴って第１の非線形プーリ１３１に連結された第１の駆動ワイヤ１３２に引っ張られることにより、各指部１２１Ａ、１２１Ｂに跳上げ方向の回転力が与えられる。またこれに連動して第２の駆動ワイヤ１３６によって第２の非線形プーリ１３５が引っ張られることにより、この第２の非線形プーリ１３５を介して踵部１２２に下げ方向の回転力が与えられる。
【０１５３】
これによりロボット１においては、遊脚時に指部１２１Ａ、１２１Ｂが未知の凹凸と衝突した場合においても、その衝撃力を指部１２１Ａ、１２１Ｂの向きと第１の緩衝部１３３による拮抗駆動による受動特性によって受け流すことができる。かくするにつき、脚部ユニット６Ａ、６Ｂ全体としての運動の妨げを少なくすることができ、これにより躓きによるロボット１の転倒を避けることができる。
【０１５４】
またこのように股関節機構部の３６ピッチ軸用のアクチュエータ３５（図３）のトルクを必要としない期間にそのトルク出力を足平ブロック３２の各指部１２１Ａ、１２１Ｂの駆動に割り振ることで、搭載スペースに制約の多い足平ブロック３２に新たなアクチュエータを設けてその出力トルクによって指部１２１Ａ、１２１Ｂを直接的に駆動する場合に比して、脚部ユニット６Ａ、６Ｂの大幅な軽量化を達成できると共に、指関節１３８により多くのトルクと速度を与えることができる。
【０１５５】
（２−４−２−２）着地期
着地期では、図４０に示すように、脚部ユニット６Ａ、６Ｂが少し後側に戻ることから、股関節機構部３６のピッチ軸が第１の駆動ワイヤ１３２の張力を下げる方向に回転する。また、この後の踵着地によって踵部１２２が自重により跳上げ方向に回転すると、これに伴って第２の非線形プーリ１３５が回転して第２の駆動ワイヤ１３６を引っ張る。これにより各指部１２１Ａ、１２１Ｂが下げ方向に回転し、これに伴って第１の駆動ワイヤ１３２にその分の張力が発生する。従って、このとき第１及び第２の緩衝部１３３、１３７による２段階の緩衝作用により、着地時の衝撃及び振動を急速に減衰させることができる。
【０１５６】
（２−４−２−３）両脚支持期
両脚支持期では、図４１に示すように、前脚の脚部ユニット６Ａ、６Ｂの踵部１２２と、後脚の脚部ユニット６Ｂ、６Ａの指部１２１Ａ、１２１ＢとによりＺＭＰ安定領域を形成する。
【０１５７】
（２−４−２−４）単脚支持期前期
単脚支持期前期には、図４２に示すように、自重を支持することによる力により踵部１２２と一体に第２の非線形プーリ１３５が回転することで、当該第２の非線形プーリ１３５と連結された第２の駆動ワイヤ１３６が引っ張られる。これによって第２の緩衝部１３７を介して指部１２１Ａ、１２１Ｂが駆動されると共に、自重の支持力と第２の駆動ワイヤ１３６の張力が拮抗することによって、指関節１３８及び踵関節１３４の間に高い剛性と適切な粘性を発生させる。これにより特別なアクチュエータを設けることなく踵部１２２の先端部と指部１２１Ａ、１２１Ｂの先端部との間でＺＭＰ安定領域を形成することができる。
【０１５８】
（２−４−２−５）単脚支持期後期
単脚支持期後期には、図４３に示すように、ＺＭＰが前方に移動し、踵部１２２にかかるトルクが低下すると、第２の非線形プーリ１３５を介して指部１２１Ａ、１２１Ｂを駆動している第２の駆動ワイヤ１３６の張力が弱まり、指関節１３８の剛性が低くなる。これによりＺＭＰ安定領域が縮小し、ロボット１の機体が指関節１３８付近を回転中心とした倒立振子の系による運動となる。なお指関節１３８がある一定以上に回転すると、第２の非線形プーリ１３５に接続された第２の駆動ワイヤ１３６が引っ張られ、指関節１３８の剛性が上昇し、ＺＭＰ安定領域が形成される。
【０１５９】
（２−５）ロボット１における歩行制御処理
次に、上述のような足平構造を有するロボット１の歩行制御について説明する。
【０１６０】
このロボット１においては、図５について上述したメイン制御部５０が図４４及び図４５に示す歩行制御処理手順ＲＴ１に従って脚部ユニット６Ａ、６Ｂの軌道計画を１歩ごとに立て、この軌道計画に従って各アクチュエータＡ１〜Ａ１７を駆動制御することにより、歩行動作を行い得るようになされている。
【０１６１】
すなわちメイン制御部５０は、ロボット１の次の行動として『歩行』を決定すると、この歩行制御処理手順ＲＴ１をステップＳＰ０において開始し、続くステップＳＰ１において、接地部位として各脚部ユニット６Ａ、６Ｂを設定する。因みに、ロボット１の次の行動として、『逆立ちでの前進』が決定された場合には、接地部位として腕部ユニット５Ａ、５Ｂが設定されることとなる。なお、メイン制御部５０は、次の行動として『歩行』を決定する際、その歩幅及び歩行周期（歩行速度）も決定する。
【０１６２】
続いてメイン制御部５０は、ステップＳＰ２に進んで、そのとき決定された『歩行』時の歩幅及び周期に応じて、ステップＳＰ１において設定された接地部位（脚部ユニット６Ａ、６Ｂ）内で最大の支持多角形（図４１に示す両脚支持期のＺＭＰ安定領域に相当）を形成できる接地可能領域を算出する。
【０１６３】
従って、『歩行』の場合には、一定速度（周期）で一定角度（歩幅）だけ股を広げた場合に最大の支持多角形を形成できる接地可能領域は、脚部ユニット６Ａ、６Ｂの先端に位置する足底であり、この足底において接地可能領域になり得るのは爪先部（各指部１２１Ａ、１２１Ｂ）、足本体部１２０及び踵部１２２であり、このうち最も先端に位置するのは爪先部であることから、『歩行』時には、このステップＳＰ２における接地可能領域としてまず足底の爪先（各指部１２１Ａ、１２１Ｂ）が算出されることとなる。
【０１６４】
続くステップＳＰ３において、メイン制御部５０は、ステップＳＰ２において算出した接地可能領域を、次の１歩行周期において着地させるべき部位（以下、これを接地部）として設定し、この後ステップＳＰ４に進んで、予め決定された歩幅及び周期でこの接地部を次の１歩行周期において着地させるようにロボット１を動作させるための当該ロボット１全身の軌道計画を立てる。
【０１６５】
そしてメイン制御部５０は、この後ステップＳＰ５〜ステップＳＰ９を並行して処理することにより、かかる軌道計画が実現可能であるか否かを判断する。
【０１６６】
実際上、メイン制御部５０は、ステップＳＰ５において、ステップＳＰ４で立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させるために各関節機構部において発生すべき加速度が、アクチュエータ性能等のロボットのハードウェア構成によって定まる実現可能な範囲内にあるか否かを、予め外部メモリ６６（図５）に格納されたスペック情報等に基づいて判断する。
【０１６７】
そしてメイン制御部５０は、このステップＳＰ５において否定結果を得るとステップＳＰ１７に進み、これに対して肯定結果を得るとステップＳＰ１０に進んで、その軌道計画に従った場合の各関節機構部の加速度に対して予め定められた重み係数ａを乗算する。なおこの重み係数ａは、すなわちステップＳＰ４において立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させるために各関節機構部において発生すべき加速度が実現可能な範囲内であることの重要性の度合いに応じて決定される数値である。
【０１６８】
またメイン制御部５０は、ステップＳＰ６において、ステップＳＰ４で立てた軌道計画に従ってロボット１を歩行動作させた場合の１歩行周期内での全アクチュエータＡ１〜Ａ１７の平均トルクを算出し、当該算出した平均トルクが予め定められた許容範囲内であるか否かをスペック情報等に基づいて判断する。
【０１６９】
そしてメイン制御部５０は、このステップＳＰ６において否定結果を得るとステップＳＰ１７に進み、これに対して肯定結果を得るとステップＳＰ１１に進んで、その軌道計画に従った場合の１歩行周期内での全アクチュエータＡ１〜Ａ１７の平均トルクに対して予め定められた重み係数ｂを乗算する。なおこの重み係数ｂは、ステップＳＰ４において立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させたときの１歩行周期内での全アクチュエータＡ１〜Ａ１７の平均トルクが許容範囲内であることの重要性の度合いに応じて決定される数値である。
【０１７０】
さらにメイン制御部５０は、ステップＳＰ７において、ステップＳＰ４で立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させるために各関節機構部において発生すべき速度が、アクチュエータ性能等のロボット１のハードウェア構成によって定まる実現可能な範囲内にあるか否かをスペック情報等に基づいて判断する。
【０１７１】
そしてメイン制御部５０は、このステップＳＰ７において否定結果を得るとステップＳＰ１７に進み、これに対して肯定結果を得るとステップＳＰ１２に進んで、その軌道計画に従った場合の各関節機構部の速度に対して予め定められた重み係数ｃを乗算する。なおこの重み係数ｃは、ステップＳＰ４において立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させるために各関節機構部において発生すべき速度が実現可能な範囲内であることの重要性の度合いに応じて決定される数値である。
【０１７２】
一方、メイン制御部５０は、ステップＳＰ８において、ステップＳＰ４で立てた軌道計画に従ってロボット１を歩行動作させた場合の各アクチュエータＡ１〜Ａ１７の出力トルクがそれぞれ予め定められた許容範囲内であるか否かをスペック情報等に基づいて判断する。
【０１７３】
そしてメイン制御部５０は、このステップＳＰ８において否定結果を得るとステップＳＰ１７に進み、これに対して肯定結果を得るとステップＳＰ１３に進んで、その軌道計画に従った場合の各アクチュエータＡ１〜Ａ１７の出力トルクの総和に対して予め定められた重み係数ｄを乗算する。なおこの重み係数ｄは、ステップＳＰ４において立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させるために各アクチュエータＡ１〜Ａ１７で発生させる出力トルクの総和が許容範囲内であることの重要性の度合いに応じて決定される数値である。
【０１７４】
これに対してメイン制御部５０は、ステップＳＰ９において、ステップＳＰ４で立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させる際の各関節機構部の動作範囲がロボット１のハードウェア構成によって定まる可動範囲内であるか否かを予め外部メモリ６６に格納された該当する情報等に基づいて判断する。
【０１７５】
そしてメイン制御部５０は、このステップＳＰ９において否定結果を得るとステップＳＰ１７に進み、これに対して肯定結果を得るとステップＳＰ１４に進んで、その軌道計画に従った場合に必要な各関節機構部の動作角の総和に対して予め定められた重み係数ｅを乗算する。なおこの重み係数ｅは、ステップＳＰ４において立てた軌道計画に従ってロボット１を動作させた場合に各関節機構部の動作範囲がいずれも可動範囲内にあることの重要性の度合いに応じて決定される数値である。
【０１７６】
そしてメイン制御部５０は、このようにしてステップＳＰ５〜ステップＳＰ９及びステップＳＰ１０〜ステップＳＰ１４を並行して処理し終えると、ステップＳＰ１５に進んで、ステップＳＰ１０〜ステップＳＰ１４においてそれぞれ得られた数値を所定の演算式に代入することにより、ステップＳＰ４において立てた軌道計画の評価値を算出する。
【０１７７】
またメイン制御部５０は、この後ステップＳＰ１６に進んで、算出した評価値が予め定められた所定範囲内にあるか否かを判断し、否定結果を得るとステップＳＰ１７に進んで、ステップＳＰ３において設定した接地部を最大の支持多角形を形成できる接地可能領域の対象から削除し、この後ステップＳＰ２に戻って、この後ステップＳＰ１６において肯定結果を得るまでステップＳＰ２〜ステップＳＰ１６について同様の処理を繰り返す。
【０１７８】
この結果、例えば歩幅が大きく周期（歩行速度）が速い場合には、接地部として爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）が選定され、歩幅が小さく周期が遅い場合には、接地部として足平本体部１２０が選定され（いわゆるベタ足）、歩幅及び周期が通常の場合には、接地部として踵部１２２が選定されて、そのときの軌道計画が立てられることとなる。
【０１７９】
そしてメイン制御部５０は、やがてステップＳＰ１６において肯定結果を得ると、ステップＳＰ１８に進んで最後にステップＳＰ４において立てた軌道を次の１歩行周期で実行すべき軌道として設定し、この後ステップＳＰ１９に進んで、この設定した軌道計画に従ってロボット１の全身のアクチュエータＡ１〜Ａ１７を駆動制御することにより、ロボット１に１歩行周期分の歩行動作を行わせる。そしてメイン制御部５０は、この後ステップＳＰ１に戻り、さらにこの後ステップＳＰ１〜ステップＳＰ１９を同様に繰り返す。
【０１８０】
このようにしてこのロボット１においては、メイン制御部５０の制御のもとに、歩行動作を行い得るようになされている。
【０１８１】
（３）本実施の形態の作用動作及び効果
以上の構成において、このロボット１では、図３８〜図４３について上述したように、脚部ユニット６Ａ、６Ｂの遊脚期には、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）を跳上げ方向に回転させると共に踵部１２２を下げ方向に回転させ、当該脚部ユニット６Ａ、６Ｂの着地期には、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）を下げ方向に回転させる。
【０１８２】
従って、このロボット１では、遊脚期には、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）が未知の凹凸と衝突したことに起因する転倒を避けることができる。また着地期には、踵着地時における衝撃を、下げ方向に回転された踵部１２２を介して第１及び第２の緩衝部１３３及び１３７（図３７）において吸収及び緩和し、さらにその後単脚支持期前期に遷移する際の衝撃を下げ方向に回転された爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）を介して第２の緩衝部１３７において吸収及び緩和することができる。
【０１８３】
さらにこの場合において、このロボット１では、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）及び踵部１２２が跳上げ方向及び下げ方向に自在に回転できるように構築されているため、着地期やその後の両脚支持期、単脚支持期前期及び単脚支持期後期などにおいて、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）及び踵部１２２を接地面の凹凸に倣わせて接地させることができ、この結果凹凸地形においても充分な接地圧や支持モーメントを得ることができる。
【０１８４】
以上の構成によれば、遊脚期には、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）を跳上げ方向に回転させると共に踵部１２２を下げ方向に回転させ、当該脚部ユニット６Ａ、６Ｂの着地期には、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）を下げ方向に回転させるようにしたことにより、踵着地時における衝撃を爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）又は踵部１２２を介して第１及び第２の緩衝部１３７により吸収及び緩和することができると共に、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）及び踵部１２２を接地面の凹凸に倣わせて接地させることで凹凸地形においても充分な接地圧や支持モーメントを得ることができ、かくして歩行性能を向上させ得るロボットを実現できる。
【０１８５】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を図１〜図３のように構成された２足歩行型のロボット１に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、複数の可動脚を有する脚式移動型のロボット装置であれば、この他種々の形態のロボット装置に広く適用することができる。
【０１８６】
また上述の実施の形態においては、図２５〜図２７について上述したように、踵に１自由度をもたせるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば図２５〜図２７との対応部分に同一符号を付して示す図４９に示すように、足平本体部１４０の後端縁に２個の踵部１４１Ａ、１４１Ｂを配置するようにして２自由度をもたせるようにしても良い。
【０１８７】
この場合において、図５０は、これら踵部１４１Ａ、１４１Ｂを、ピッチ軸方向に対してその関節軸をロール方向の下方側に傾きをもたせると共に、ヨー方向の前進側に傾きをもたせて足平本体部８６の後端縁に取り付けた足平構造例であり、足平本体部１４０及び各踵部１４１Ａ、１４１Ｂの各裏面（接地する面）は、それぞれ図２５〜図２７について上述した本実施の形態における足平構造と同様にアーチ状に湾曲した凹形状に形成されている。
【０１８８】
さらに上述の実施の形態においては、爪先に２自由度をもたせるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本発明による歩行制御方法を採用する場合には、爪先に２自由度以外の１又は３以上の自由度をもたせるようにしても良い。
【０１８９】
さらに上述の実施の形態においては、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）及び踵部１２２を駆動する爪先踵駆動機構１３０を第１及び第２の非線形プーリ１３１、１３５、第１及び第２の駆動ワイヤ１３２、１３６並びに第１及び第２の緩衝部１３３、１３７により構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の構成を広く適用することができる。
【０１９０】
この場合において、本発明によるロボット装置の歩行制御方法を採用する場合においては、爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）及び踵部１２２をそれぞれ独立又は連動させて跳上げ方向又は下げ方向に回転駆動するためのアクチュエータを足平ブロック３２に配置し、これらアクチュエータをソフトウェア制御することで図３８〜図４３について上述したように爪先部（指部１２１Ａ、１２１Ｂ）及び踵部１２２をそれぞれ駆動するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１９１】
本発明は、２足歩行型のロボット装置の他、種々の形態の脚式移動型のロボット装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】本実施の形態によるロボットの外観構成を示す略線的な斜視図である。
【図２】本実施の形態によるロボットの外観構成を示す略線的な斜視図である。
【図３】ロボットの各関節機構部等における自由度の説明に供する概念図である。
【図４】ロボットの内部構成の説明に供するブロック図である。
【図５】ロボットの内部構成の説明に供するブロック図である。
【図６】２本の指部及び踵部を有する足平構造の一例を示す正面図、平面図及び側面図である。
【図７】指部及び踵部の可動範囲の説明に供する側面図である。
【図８】２本の指部及び踵部を有する足平構造の一例を示す正面図、平面図及び側面図である。
【図９】２本の指部及び踵部を有する足平構造の一例を示す正面図、平面図及び側面図である。
【図１０】指の関節軸の高さを足底から高く設定した場合の動作の様子を示す略線図である。
【図１１】指の関節軸を足底から低い位置に設定した様子を示す略線図である。
【図１２】関節軸接合部付近の形状についての構成例を示す斜視図である。
【図１３】指関節軸の具体的な高さ位置の説明に供する側面図である。
【図１４】可動脚におけるアクチュエータの配置例を示した略線図である。
【図１５】能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系の概念を実現した直動機構の構成例を示したブロック図である。
【図１６】通常のばねの弾性特性を示した特性図である。
【図１７】リミッタ機構とプリロード機構を適用した場合のばねの弾性特性を示した特性図である。
【図１８】リミッタ機構とプリロード機構を適用した場合のばねの弾性特性を示した特性図である。
【図１９】基本モデルとなるダンパの特性を示した特性図である。
【図２０】方向による異特性を与えたダンパの特性を示した特性図である。
【図２１】速度依存型のダンパ特性を示した特性図である。
【図２２】急峻な変化を誘発しないための非線形特性が付与されたダンパ特性を示した特性曲線図である。
【図２３】ばね、ダンパ、切替機構を有機的に組み合わせた非線形コンプライアンス機構を一部断面をとってしめす側面図である。
【図２４】ばね、ダンパ、切替機構を有機的に組み合わせた機構ユニットの構成例を示した側面図である。
【図２５】本実施の形態による足平構造の具体的構成を示す斜視図である。
【図２６】本実施の形態による足平構造の具体的構成を示す斜視図である。
【図２７】本実施の形態による足平構造の具体的構成を示す斜視図である。
【図２８】本実施の形態による足平構造の底面形状の説明に供する正面図、側面図及び背面図である。
【図２９】本実施の形態による足平構造における爪先接地支持の説明に供する正面図、側面図及び背面図である。
【図３０】本実施の形態による足平構造における爪先接地支持の説明に供する正面図、側面図及び背面図である。
【図３１】本実施の形態による足平構造における踵接地支持の説明に供する正面図、側面図及び背面図である。
【図３２】本実施の形態による足平構造における踵接地支持の説明に供する正面図、側面図及び背面図である。
【図３３】本実施の形態による足平構造により得られる効果の説明に供する略線的な側面図である。
【図３４】本実施の形態による足平構造により得られる効果の説明に供する略線的な側面図である。
【図３５】本実施の形態による足平構造により得られる効果の説明に供する略線的な側面図である。
【図３６】本実施の形態による足平構造により得られる効果の説明に供する略線的な側面図である。
【図３７】爪先踵駆動機構を示す略線図である。
【図３８】歩行動作の流れの説明に供する略線図である。
【図３９】遊脚期における爪先及び踵部の状態の説明に供する略線図である。
【図４０】着地期における爪先及び踵部の状態の説明に供する略線図である。
【図４１】両脚支持期における爪先及び踵部の状態の説明に供する略線図である。
【図４２】単脚支持期前期における爪先及び踵部の状態の説明に供する略線図である。
【図４３】単脚支持期後期における爪先及び踵部の状態の説明に供する略線図である。
【図４４】歩行制御処理手順を示すフローチャートである。
【図４５】歩行制御処理手順を示すフローチャートである。
【図４６】従来の足平構造での歩行状態を示す概念図である。
【図４７】本実施の形態による足平構造での歩行状態を示す概念図である。
【図４８】本実施の形態による足平構造での走行状態を示す概念図である。
【図４９】他の実施の形態を示す正面図、側面図及び背面図である。
【図５０】従来提案されている足平構造の説明に供する側面図である。
【図５１】従来提案されているロボットの踵構造例の説明に供する断面図である。
【符号の説明】
【０１９３】
１……ロボット、６Ａ、６Ｂ……脚部ユニット、３６……股関節機構部、３８……膝関節機構部、４１……足首機構部、１３０……爪先踵駆動機構、１３１、１３５……非線形プーリ、１３２、１３６……駆動ワイヤ、１３３、１３７……緩衝部、５０……メイン制御部、１２０、１４０……足本体部、１２１Ａ、１２１Ｂ……指部、１２２、１４１Ａ、１４１Ｂ……踵部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４８】
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【図５０】
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【図５１】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４９】
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