(57)【要約】【課題】移動安定性を確保することができる脚式移動ロボットを提供する。【解決手段】２足歩行ロボットは、脚部の先端に足首関節を介して連結される足部を備え、この足部は、足部の接地端を含む足平部３１と、足首関節に連結されて足平部３１に対して足部の接地端に垂直な方向に移動可能に構成されたセンサ固定フレーム３３と、運動方向変換機構および緩衝装置５１からなる衝撃吸収機構３４とを備える。緩衝装置５１は、足部の接地端に水平な方向へ配置されてセンサ固定フレーム３３に連結されている。運動方向変換機構は、センサ固定フレーム３３が垂直方向へ移動する運動を緩衝装置５１が水平方向へ伸縮する運動に変換するものであり、ベルクランク５３と、ベルクランク５３と足平部３１に対してそれぞれ回動可能に連結された球面軸５２とを備える。【選択図】図４
2008207321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上体と、前記上体に第１関節を介して駆動可能に連結される複数本の脚部と、前記脚部の先端に第２関節を介して連結される足部とを備える脚式移動ロボットにおいて、
前記足部は、
前記足部の接地端を含む足平部と、
前記第２関節に連結されて前記足平部に対して一方向に移動可能に構成された可動部と、
他方向へ伸縮可能に配置されて、伸縮方向の一端が前記可動部の第１地点に連結された緩衝装置と、
前記緩衝装置の伸縮方向の他端と、前記可動部の第２地点とに対してそれぞれ回動可能に連結され、前記可動部が一方向へ移動する運動を、前記緩衝装置が他方向へ伸縮する運動に変換する運動方向変換機構とを備えることを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記運動方向変換機構は、リンク部材を備え、
前記リンク部材は、基端が前記足平部に回動可能に連結され、先端が前記可動部の第２地点に所定距離をあけて配設された回転軸に回動可能に連結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。
【請求項３】
前記緩衝装置は、前記足部の接地端に水平な方向へ伸縮可能に配置され、
前記運動方向変換機構は、前記可動部が前記足平部に対して前記足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、前記足部の接地端に水平な方向へ移動する運動に変換することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】
前記緩衝装置は、前記足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ伸縮可能に配置され、
前記運動方向変換機構は、前記可動部が前記足平部に対して前記足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、前記足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ移動する運動に変換することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項５】
前記足部に前記運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みを複数個備え、
前記運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みは、それぞれ、前記第２関節の中心を通って前記足部の接地端に垂直な方向に切断した断面に対して対称となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
【請求項６】
前記複数個の運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みにおいて、各緩衝装置は、伸縮方向の外力に反発する反発力が、前記足部に配設された位置において床面から当該緩衝装置に作用する床反力に応じて互いに調整可能に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の脚式移動ロボット。
【請求項７】
前記反発力が互いに調整された複数個の運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みは、それぞれ、前記足平部においてつま先側および踵側を前後として、前記第２関節を挟んで前後方向に配置され、
前記緩衝装置の反発力は、後ろに配置された緩衝装置よりも前に配置された緩衝装置の方が大きくなるように設定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。
【請求項８】
前記緩衝装置は、バネ・ダンパ機構で構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
【請求項９】
前記バネ・ダンパ機構は、前記足部の接地する接地面から前記足平部に作用する反力を検出する変位センサを備えてい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。
【請求項１０】
前記足平部は、前記可動部に対向する面に、前記可動部の接触による衝撃を減衰させる減衰部材を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚式移動ロボットに係り、特に脚式移動ロボットの足部構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、脚式移動ロボット、特に脚式移動ロボットの足部構造に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の脚式移動ロボットの足部は、脚部の端部に足首関節を介して連結されており、上から順に、床反力を検出する６軸力センサと、衝撃吸収機能を有するゴムブッシュを備えたバネ機構体と、足底フレームと、足底プレートと、ソールとから構成される。この脚式移動ロボットは、床反力検出器が接地領域に近い足部に設けられているので床反力の検出精度が高まると共に、バネ機構体によって着地時の衝撃の影響を低減可能な構成となっている。
【特許文献１】特開２００３−７１７７６号公報（段落００４０〜００４５、図２および図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の脚式移動ロボットは、ゴムブッシュが衝撃を吸収する場合に、足部の接地面に垂直な方向に圧縮する。ゴムブッシュは、圧縮するストローク（変位）が比較的小さく、足部を接地面に下ろす着地期における着地衝撃の高周波成分を除去するためには不十分である。また、この脚式移動ロボットは、圧縮するストロークが小さいため、足部を持ち上げるために他の足部を踏ん張る支持期において充分な反力を生じさせるように圧縮させると、ゴムブッシュの寿命が低下してしまう。そこで、脚式移動ロボットは、足部構造において、ゴムブッシュ以外に、足部の移動に伴う衝撃を吸収する部材あるいは機構（衝撃吸収手段という）が要望されている。
【０００４】
ところで、脚式移動ロボットは、足部で衝撃を吸収するために、着地期よりも支持期において、より大きい変位（ストローク）を必要とする。言い換えると、脚式移動ロボットでは、支持期が着地期と比較して、足部の接地面に垂直な方向に対する反力が相対的に大きくなる。つまり、足部には、着地期では反力が相対的に小さく、支持期では反力が相対的に大きくなるような柔軟性が必要である。特に、脚式移動ロボットにおいては、移動のスピードを高めることが望まれており、脚式移動ロボットが高速で移動する場合に、足部への反力がさらに大きくなるので、移動安定性の向上が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、移動安定性を確保することができる脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、本発明のうち請求項１に記載のロボットは、上体と、前記上体に第１関節を介して駆動可能に連結される複数本の脚部と、前記脚部の先端に第２関節を介して連結される足部とを備える脚式移動ロボットにおいて、前記足部が、前記足部の接地端を含む足平部と、前記第２関節に連結されて前記足平部に対して一方向に移動可能に構成された可動部と、他方向へ伸縮可能に配置されて、伸縮方向の一端が前記可動部の第１地点に連結された緩衝装置と、前記緩衝装置の伸縮方向の他端と、前記可動部の第２地点とに対してそれぞれ回動可能に連結され、前記可動部が一方向へ移動する運動を、前記緩衝装置が他方向へ伸縮する運動に変換する運動方向変換機構とを備えることを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、足平部と第２関節との間に設けられた運動方向変換機構の回転運動によって、可動部が足平部に対して一方向へ移動する運動を、他方向へ緩衝装置が伸縮する運動に変換する。ここで、運動方向変換機構としては、例えば、ベルクランクや四節リンク等を用いることができる。これにより、可動部が一方向へ移動する運動による圧縮量が増加するほど緩衝装置の伸縮方向のストロークが増加するため、足部が接地面を踏み込むことによって受ける反力の特性が非線形特性となる。そのため、着地期では、相対的に小さい反力で衝撃を緩和し、また、支持期では、相対的に大きい反力で移動安定性を確保することができる。ここで、線形とは、圧縮方向の変位の変化と、伸縮方向の変化とが、それぞれ一定の割合で大きくなることを指しており、例えば、正比例などがこれに当たる。一方、非線形とは、圧縮方向の変位が比較的小さいときに、伸縮方向のストロークの変化が小さく、逆に、圧縮方向の変位が比較的大きいときに、伸縮方向のストロークの変化が大きくなることを指している。
【０００８】
また、請求項２に記載の脚式移動ロボットは、請求項１に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記運動方向変換機構が、リンク部材を備え、前記リンク部材は、基端が前記足平部に回動可能に連結され、先端が前記可動部の第２地点に所定距離をあけて配設された回転軸に回動可能に連結されることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、運動方向変換機構において、リンク部材が可動部の第２地点から第２所定距離をあけて配設された回転軸の回りに回動することで、可動部の移動可能距離を伸ばすことができる。これにより、可動部の第２地点にも連結されている運動方向変換機構がさらに回転することができるので、緩衝装置の収縮ストロークが増加する。その結果、足部の非線形特性が向上する。
【００１０】
また、請求項３に記載の脚式移動ロボットは、請求項１または請求項２に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記緩衝装置が、前記足部の接地端に水平な方向へ伸縮可能に配置され、前記運動方向変換機構が、前記可動部が前記足平部に対して前記足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、前記足部の接地端に水平な方向へ移動する運動に変換することを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、運動方向変換機構の回転運動によって、可動部が足平部に対して足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、足部の接地端に水平な方向へ移動する運動に変換する。また、緩衝装置は、足部の接地端に水平な方向へ伸縮可能に配置されているので、足部が接地面を踏み込むことによって受ける反力の特性が非線形特性となる。また、脚部の先端に、足首関節などの第２関節を介して連結される足部は、一般に、移動安定性を向上させるために、高さよりも前後の長さまたは左右の長さの方が長くなるように構成されるので、緩衝装置の伸縮方向を足平部に対して水平となる方向に配置することで、従来のようにゴムブッシュを用いる場合と比較してストローク（変位）を大きくとることができると共に、その収納スペースを確保し易い。
【００１２】
また、請求項４に記載の脚式移動ロボットは、請求項１または請求項２に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記緩衝装置が、前記足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ伸縮可能に配置され、前記運動方向変換機構が、前記可動部が前記足平部に対して前記足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、前記足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ移動する運動に変換することを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、運動方向変換機構の回転運動によって、可動部が足平部に対して足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ移動する運動に変換する。また、緩衝装置は、足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ伸縮可能に配置されているので、足部が接地面を踏み込むことによって受ける反力の特性が非線形特性となる。また、緩衝装置の伸縮方向を足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向に配置したので、足部の左右方向の幅または前後方向の幅が狭い場合であっても、緩衝装置の伸縮方向のストローク（変位）を大きくとることができるので、足部の接地端に水平な方向へ配置した場合と同様な効果を得ることが可能である。
【００１４】
また、請求項５に記載の脚式移動ロボットは、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記足部に前記運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みを複数個備え、前記運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みが、それぞれ、前記第２関節の中心を通って前記足部の接地端に垂直な方向に切断した断面に対して対称となる位置に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、運動方向変換機構および緩衝装置の組みが第２関節の鉛直方向の中心軸を通る平面を挟んで、対称な位置に配置されているので、第２関節の鉛直方向の中心軸を挟んで、例えば、前後方向や左右方向の衝撃をバランスよく吸収できる。ここで、緩衝装置の伸縮方向は、平面視で、前後方向や左右方向など任意の方位に配置するこができる。これにより、脚式移動ロボットは、移動速度を向上させるための姿勢の変化や、移動方向の転換に対して柔軟に対応できると共に、悪路上でも移動し易くなる。また、脚式移動ロボットは、足部に運動方向変換機構および緩衝装置の組みを複数設けることで、足部において、脚式移動ロボットの自重の負担を分散させることができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の脚式移動ロボットは、請求項５に記載の脚式移動ロボットであって、前記複数個の運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みにおいて、各緩衝装置が、伸縮方向の外力に反発する反発力が、前記足部に配設された位置において床面から当該緩衝装置に作用する床反力に応じて互いに調整可能に構成されていることを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、運動方向変換機構および緩衝装置の組みにおいて各緩衝装置の反発力が床反力に応じて互いに調整可能に構成されているので、足部において床反力が強く発生する部分から各緩衝装置までの距離に応じて緩衝装置の反発力の強度を設定することができる。すなわち、足部において床反力が強く発生する部分の近くに配設される緩衝装置は反発力を強く設定し、床反力が強く発生する部分から遠くに配設される緩衝装置は反発力を弱く設定することができる。足部において床反力が強く発生する部分は、例えば前進時と後進時とでは異なり、また、歩行時と走行時でも異なる。各緩衝装置は、このような移動形態に合わせて反発力の強度を調整することができる。これにより、脚式移動ロボットは足部の着床時の床反力および離床時の床反力に応じて歩行および走行を安定に行うことができる。
【００１８】
また、請求項７に記載の脚式移動ロボットは、請求項６に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記反発力が互いに調整された複数個の運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みは、それぞれ、前記足平部においてつま先側および踵側を前後として、前記第２関節を挟んで前後方向に配置され、前記緩衝装置の反発力は、後ろに配置された緩衝装置よりも前に配置された緩衝装置の方が大きくなるように設定されていることを特徴とする。
【００１９】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、運動方向変換機構および緩衝装置の組みが、それぞれ第２関節を挟んで前後方向に配置され、前に配置された緩衝装置の方が反発力が大きく設定されているので、前進時に足が着床している状態から踵側が離床した後に続いて離床するつま先側の方が緩衝装置の反発力が大きい。これにより、脚式移動ロボットが特に走る場合に、支持期において発生する大きな衝撃を効果的に吸収することができる。
【００２０】
また、請求項８に記載の脚式移動ロボットは、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記緩衝装置が、バネ・ダンパ機構で構成されることを特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、緩衝装置が、バネ・ダンパ機構で構成されるので、バネ・ダンパ機構の構成要素を適宜選択することで、足部の構成要素である運動方向変換機構やダンパ等のストロークを変更することなく、緩衝装置の弾性特性等を所望の値に設定することが可能となる。ここで、バネ・ダンパ機構は、例えば、ダンパとこのダンパの周囲に併設されたスプリングとから構成してもよいし、ダンパとこのダンパに密封された流体とから構成してもよい。バネ・ダンパ機構に流体を用いる場合には、流体を適宜選択することで粘性抵抗を所望の値に設定できる。この流体として磁気粘性流体を用いる場合には、磁束を変更させることで粘性抵抗を変化させることができる。また、電気粘性流体を用いる場合には、電界を変更させることで粘性抵抗を変化させることができる。また、ダンパのピストンにオリフィスを設けたり、ダンパのシリンダに並行に流量制御弁付のバイパスを設けたりすることもできる。さらに、ダンパのシリンダ内に、流体と共にエア充填領域や弾性体を設けてシリンダ内の圧力変化を調整することもできる。
【００２２】
また、請求項９に記載の脚式移動ロボットは、請求項８に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記バネ・ダンパ機構が、前記足部の接地する接地面から前記足平部に作用する反力を検出する変位センサを備えていることを特徴とする。
【００２３】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、バネ・ダンパ機構が、足部の接地する接地面から足平部に作用する反力を検出する変位センサを備えている。この変位センサは、例えば、ピストンロッドのガイド位置に配設することができる。また、変位センサは、ダンパのシリンダに対するピストンロッドの変位を測定する磁気センサ等を用いることができる。これによれば、足部において、足平部に作用する反力を検出するセンサを別に設ける必要がなくなる。
【００２４】
また、請求項１０に記載の脚式移動ロボットは、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の脚式移動ロボットにおいて、前記足平部が、前記可動部に対向する面に、前記可動部の接触による衝撃を減衰させる減衰部材を備えていることを特徴とする。
【００２５】
かかる構成によれば、脚式移動ロボットは、足平部が可動部に対向する面に減衰部材を備えているので、圧縮方向のストローク（変位）が比較的小さいときに、減衰部材が無い場合と比較して、足部のばね定数を低減することができる。脚式移動ロボットにおいて、圧縮方向のストローク（変位）が比較的小さいときとは、足部が接地したとき（着地期）に相当する。この着地期の衝撃を緩和するためには、ばね定数が小さい方がより好ましい。したがって、脚式移動ロボットは、足平部に減衰部材を設けたことで、着地期の衝撃を効果的に緩和することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、脚式移動ロボットは、歩行あるいは駆け足をする場合に、足部が接地面を踏み込むときに受ける反力が、圧縮方向の変位に対して非線形に変化するので、圧縮方向のストロークが小さくなり、足部の高さ方向を小さくすることができるため、移動安定性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の脚式移動ロボットを実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。この実施形態においては、本発明の脚式移動ロボットの構成を自律移動可能な２足移動ロボットに適用した場合を例にとる。
【００２８】
（第１実施形態）
［２足移動ロボットの構成］
第１実施形態に係る２足移動ロボットについて図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る２足移動ロボットを模式的に示す側面図である。なお、位置、方向等に関する表現は、２足移動ロボットの前後方向にＸ軸（ロボットＲの正面が向いた方向を前とする）、左右方向にＹ軸（ロボットＲを基準に左を正とする）、上下方向にＺ軸（ロボットＲを基準に上を正とする）をとり、２足移動ロボットが起立姿勢をとった状態を基準として説明する。
【００２９】
図１に示すように、２足移動ロボット（以下、単に「ロボット」ともいう）Ｒは、人間と同じように２本の脚部Ｒ１（１本のみ図示）により起立し、自律的に移動（歩行、走行等）するものであり、上体Ｒ２と、２本の腕部Ｒ３（１本のみ図示）と、頭部Ｒ４とを有している。そして、ロボットＲは、これら脚部Ｒ１、上体Ｒ２、腕部Ｒ３および頭部Ｒ４の動作を制御する制御装置搭載部Ｒ５を、背負う形で背中（上体Ｒ２の後方）に備えている。なお、２足歩行についての詳細は、例えば、特開２００１−６２７６０号公報に開示されている。
【００３０】
［脚部の関節構造］
ロボットＲの脚部Ｒ１の関節構造について図２を参照して説明する。図２は、図１に示した脚部の関節構造を模式的に示す図である。
図２に示すように、ロボットＲは、左右それぞれの脚部Ｒ１に６個の関節１１Ｒ（１１Ｌ）〜１６Ｒ（１６Ｌ）を備えている（右側をＲ、左側をＬと表記する。以下同じ。）。これら左右合計１２個の関節は、股部に設けられた脚回旋用（Ｚ軸まわり）の股関節１１Ｒ，１１Ｌと、股部のロール軸（Ｘ軸）まわりの股関節１２Ｒ，１２Ｌと、股部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの股関節１３Ｒ，１３Ｌと、膝部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの膝関節１４Ｒ，１４Ｌと、足首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの足首関節１５Ｒ，１５Ｌと、足首のロール軸（Ｘ軸）まわりの足首関節１６Ｒ，１６Ｌとから構成されている。そして、脚部Ｒ１の下には足部１７Ｒ，１７Ｌが取り付けられている。
【００３１】
すなわち、脚部Ｒ１は、股関節１１Ｒ（１１Ｌ），１２Ｒ（１２Ｌ），１３Ｒ（１３Ｌ）と、膝関節１４Ｒ（１４Ｌ）と、足首関節１５Ｒ（１５Ｌ），１６Ｒ（１６Ｌ）とを備えている。このうち、股関節１１Ｒ（１１Ｌ）〜１３Ｒ（１３Ｌ）と、膝関節１４Ｒ（１４Ｌ）とは大腿リンク２１Ｒ（２１Ｌ）で連結されている。また、膝関節１４Ｒ（１４Ｌ）と、足首関節１５Ｒ（１５Ｌ），１６Ｒ（１６Ｌ）とは、下腿リンク２２Ｒ（２２Ｌ）で連結されている。また、各関節１１Ｒ（１１Ｌ）〜１６Ｒ（１６Ｌ）を駆動する電動モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダ（図示せず）が設けられている。このような構成により、脚部Ｒ１は、左右の足について合計１２の自由度を与えられている。なお、股関節１１Ｒ（１１Ｌ）〜１３Ｒ（１３Ｌ）が特許請求の範囲における「第１関節」の一例であり、足首関節１５Ｒ（１５Ｌ），１６Ｒ（１６Ｌ）が特許請求の範囲における「第２関節」の一例である。
【００３２】
脚部Ｒ１は、股関節１１Ｒ（１１Ｌ）〜１３Ｒ（１３Ｌ）を介して上体Ｒ２（図１参照）に連結されている。図２では、脚部Ｒ１と上体Ｒ２との連結部を上体リンク２３として簡略化して示す。また、上体Ｒ２（上体リンク２３）には、傾斜センサ２４が設置されており、上体Ｒ２のＺ軸（鉛直軸）方向に対する傾きおよび角速度を検出する。
【００３３】
また、足首関節１５Ｒ（１５Ｌ），１６Ｒ（１６Ｌ）の下方には、足部１７Ｒ（１７Ｌ）が取り付けられている。足部１７Ｒ（１７Ｌ）は、足平部３１と、６軸力センサ３２と、センサ固定フレーム（可動部）３３と、運動方向変換機構および緩衝装置の組み３４とを備えている。以下では、運動方向変換機構および緩衝装置の組み３４のことを、衝撃吸収機構３４と呼ぶこととする。足部１７Ｒ（１７Ｌ）の構成要素の中で、６軸力センサ３２は、ロボットＲに作用する外力のうち、床面からロボットＲに作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを検出するものであり、各部品が筐体内に収められている（ユニット化）。この６軸力センサ３２や前記した傾斜センサ２４等が検出した床反力、モーメント、傾き、角速度等に関する信号は、ハーネスを介して制御ユニット２５に伝えられ、ロボットＲの姿勢、動作等の制御に利用される。制御ユニット２５は、制御装置搭載部Ｒ５（図１参照）内に設けられ、メモリ（図示せず）に格納されたデータおよび入力された検出信号に基づいて関節駆動制御値を算出し、歩行中に１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、足（脚部Ｒ１および足部１７）全体に所望の動きを与え、任意に３次元空間を歩行させるものである。
【００３４】
［足部］
図２に示した足部１７Ｒ（１７Ｌ）のうち、６軸力センサ３２以外の構成、すなわち、足平部３１と、センサ固定フレーム（可動部）３３と、衝撃吸収機構３４とについて図３ないし図６を参照（適宜図２参照）して説明する。図３は、第１実施形態に係る２足移動ロボットの足部を模式的に示す斜視図であり、図４は、図３に示した衝撃吸収機構を模式的に示す図である。また、図５は、図３に示した衝撃吸収機構を模式的に示す分解斜視図であり、図６は、図５に示したダンパの内部を模式的に示す一部断面図である。ここで、図３は、図２に示した足部１７Ｒの詳細な構成例を示している。また、図４は、ロボットＲの直立（起立）時において図３に示した足部１７ＲをＸ軸の正の方向からセンサ固定フレーム３３を透過して視た（右足を前から視た）正面および一部断面の左半分を示している。これら図３および図４は、ロボットＲの足部１７Ｒについて、説明の都合上、図１に示したロボットＲの外装部分を適宜取り除いた状態で一部の構成を省略して示している。左の足部１７Ｌと右の足部１７Ｒとは左右対称であるため、以下、必要のない場合にはＲ，Ｌを表記しないで説明する。なお、図３および図４では、Ｒ，Ｌの表記を省略している。
【００３５】
＜足平部＞
足平部３１は、衝撃吸収機構３４と共にロボットＲの自重を支持し、床面と接地するものである。この足平部３１は、図４に示すように、下から順に、足底部４１と、足平本体４２と、減衰部材４３とを備えている。
【００３６】
足底部４１は、床面との間に発生する摩擦抵抗により滑り止めの機能を発揮する部材であり、例えば、ゴムから形成される。なお、足底部４１は、接着、融着、ネジ止め等によって足平本体４２に固定される。また、足底部４１の底面が接地端となる。
足平本体４２は、底面に足底部４１が固定されており、例えば、金属部材（鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等）、カーボン、樹脂等から形成されている。
減衰部材４３は、支持期の踏み込み時に生じるセンサ固定フレーム３３の衝撃を減衰させるものであり、例えば、発泡樹脂やゴム等から形成される。なお、図３では、足平部３１の構成のうち、足底部４１と減衰部材４３とを省略し、足平本体４２だけ示している。
【００３７】
＜センサ固定フレーム＞
センサ固定フレーム（可動部）３３は、足首関節（第２関節）１５，１６に連結されて足平部３１に対して足部１７の接地端に垂直な方向に移動可能に構成されている。このセンサ固定フレーム３３は、６軸力センサ３２を固定するための台座であって、６軸力センサ３２と、足平部３１の減衰部材４３との間に設けられており、センサ固定フレーム３３と６軸力センサ３２とは複数のボルトにより固定されている。本実施形態では、センサ固定フレーム３３は、衝撃吸収機構３４を固定するための台座も兼ねている。そのため、図３の斜視図に示すように、センサ固定フレーム３３は、平面視矩形の中央に６軸力センサ３２を固定する領域を有すると共に、その中央の領域を挟んだ前後に、衝撃吸収機構３４を固定する領域を有している。なお、図示は省略したが、センサ固定フレーム３３の上下動を案内するガイド部材がセンサ固定フレーム３３の周囲に形成されている。また、センサ固定フレーム３３は、例えば、金属部材（鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等）、カーボン、樹脂等から形成されている。また、図４に示すように、センサ固定フレーム３３は、足平部３１から、ロボットＲの直立時の所定距離ｄ0だけ離間している。このセンサ固定フレーム３３と足平部３１との間の隙間の高さは、後記するように、ロボットＲの移動に伴う足部１７の踏み込みによって変化する。
【００３８】
＜衝撃吸収機構＞
衝撃吸収機構３４は、センサ固定フレーム３３の上に固定されており、移動ロボットＲの着地期および支持期の衝撃を吸収するものである。本実施形態では、図３の斜視図に示すように、足部１７には、４つの衝撃吸収機構３４（３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ）が設けられている。ただし、図４では説明上、１つの衝撃吸収機構３４（３４ｄ）のみを示している。なお、衝撃吸収機構３４の個数はこれに限定されるものではなく、１個以上であればよい。
【００３９】
図３では、２つの衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂが足部１７の左右方向に一列となるように６軸力センサ３２の後方（Ｘ軸の負の方向）で並設されている。また、２つの衝撃吸収機構３４ｃ，３４ｄが、足部１７の左右方向に一列となるように６軸力センサ３２の前方（Ｘ軸の正の方向）で並設されている。すなわち、２つの衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂから成る組と、２つの衝撃吸収機構３４ｃ，３４ｄから成る組とが、前後から６軸力センサ３２を挟むようにセンサ固定フレーム３３の上に配設されている。
【００４０】
この６軸力センサ３２の前方または後方において横一列に設けられている２つの衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂ（または３４ｃ，３４ｄ）から成る組は、足首関節（第２関節）１５，１６の中心を通ってＺ方向（足部１７の接地端に垂直な方向）に切断し、かつ、Ｘ軸を含むように切断した断面に対して対称な位置に配置されている。この切断面を、Ｘ軸の正の方向から視たときに視える中心線（足首関節中心線）を図４では符号Ｌcで示している。
【００４１】
衝撃吸収機構３４は、図４に示すように、緩衝装置５１と、球面軸（リンク部材）５２と、ベルクランク５３と、球面軸受５４とを備えている。なお、この例では、球面軸５２、ベルクランク５３および球面軸受５４が運動方向変換機構を形成する。
【００４２】
≪緩衝装置≫
緩衝装置５１は、伸縮方向が足平部３１に対して水平となる方向に配置されてセンサ固定フレーム３３に伸縮方向の一端が連結されている。本実施形態では、緩衝装置５１は、圧縮または引張による剛性あるいは粘性抵抗がセンサ固定フレーム３３の変位（圧縮方向）に対して非線形に変化する。この緩衝装置５１は、流体が密封されたダンパ６１と、このダンパ６１の周囲に併設されたスプリング６２とを備えている。また、図５に示すように、ダンパ６１は、ピストンを有し、このピストンの変位方向が足平部３１に対して水平となる方向に配置されている。そして、ダンパ６１は、ダンパ６１の先端に設けられた先端側軸穴６１ａと、ベルクランク５３の第１軸穴５３ａとに第１可動軸６３ａが挿入されて止め輪６４ａで止められている。また、ダンパ６１の基端６１ｂ（図５参照）は、センサ固定フレーム３３の上部軸穴３３ａ（図３参照）に回動自在とするピンを介して支持されている。なお、ダンパ６１の基端６１ｂ（図５参照）は、図４において仮想線で示す足首関節リンク部材５５に接続される。
【００４３】
ダンパ６１は、詳細には、図６に示すように、シリンダ６１１内を移動するピストンが接続されたピストンロッド６１２を備えている。このピストンロッド６１２は、磁気スケールを内蔵している。ダンパ６１は、シリンダ６１１とピストンロッド６１２との間のシール６１３と、このシール６１３の近傍に配設された変位センサ６１４とをキャップ６１５内に備えている。変位センサ６１４は、ピストンロッド６１２に内蔵された磁気スケールによって、ピストンロッド６１２の変位を検出し、制御ユニット２５（図２参照）に出力する。なお、変位センサ６１４は、ピストンロッド６１２のガイド機能も有している。シリンダ６１１の外周部分には、ダンパ６１の基端６１ｂ側のばね受けとしてスペーサ６１６が装着されている。
【００４４】
ダンパ６１に密封される流体は、粘性抵抗がダンパ６１の変位方向に対して非線形に変化するものであり、例えば、シリコンオイルや磁気粘性流体（Magnetorheological Fluid）であってもよい。
また、本実施形態では、スプリング６２は、ばね鋼等のダンパ６１に巻かれたコイルスプリングから構成され、引張り荷重に耐えられるように、その両端が加締めてある。なお、スプリング６２は、コイルスプリングに限定されず、例えば、竹の子ばねや皿ばね等で構成するようにしてもよい。
また、スプリング６２を線形ばねとしてダンパ６１に用いる流体の種類やレイノルズ数を適宜選択するようにしてもよいし、スプリング６２を非線形ばね特性を有するものとしてもよい。
【００４５】
≪球面軸≫
球面軸（リンク部材）５２は、基端が球面軸受５４を介して足平部３１に対して回動可能に接続されている。球面軸５２の連結部５２ａと、ベルクランク５３の第２軸穴５３ｂとに第２可動軸６３ｂが挿入されて止め輪６４ｂで止められている。なお、図４では、球面軸受５４のＹ軸方向の中心線をＬKで示している。
【００４６】
≪ベルクランク≫
ベルクランク５３は、球面軸５２の連結部（先端）５２ａおよび緩衝装置５１の他端に対してそれぞれ回動可能に接続されている。このベルクランク５３は、緩衝装置５１のダンパ６１に連結された第１可動軸６３ａと、球面軸５２の連結部５２ａに連結された第２可動軸６３ｂとは異なる第３可動軸６３ｃを介して、センサ固定フレーム３３の側底縁部に軸支されている。すなわち、図３および図５に示すように、第３可動軸６３ｃがセンサ固定フレーム３３の端部を介してベルクランク５３の第３軸穴５３ｃに挿入されてナット６４ｃで固定されている。
【００４７】
＜衝撃吸収機構の設定値＞
衝撃吸収機構３４の設定値について図７を参照（適宜図３ないし図５参照）して説明する。図７は、図３に示した衝撃吸収機構の構造を模式的に示す図である。この図７は、図４に示した衝撃吸収機構３４に備わる回転軸または軸穴を、点Ｏ、点Ｏ1、点Ａ（Ｙ1，Ｚ1）、点Ｂ（Ｙ2，Ｚ2）、点Ｃ（Ｙ3，Ｚ3）で示したものである。なお、以下では、点Ａ、点Ｂおよび点Ｃの座標値を省略する。
【００４８】
図７において、点Ｏは、ダンパ６１の基端６１ｂの軸穴（またはセンサ固定フレーム３３の上部軸穴３３ａ）の位置を示しており、センサ固定フレーム３３の上下動に伴って上下に移動するものである。また、点Ｏ1は、ベルクランク５３の第３軸穴５３ｃ（または第３可動軸６３ｃやセンサ固定フレーム３３の側底縁部の軸穴）の位置を示しており、センサ固定フレーム３３の上下動に伴って上下に移動するものである。つまり、点Ｏ1は、点Ｏに連動して上下に移動する。この点Ｏ1と点Ｏとは、Ｙ方向に距離「ａ」だけ離間し、Ｚ方向に距離「ｂ」だけ離間している。なお、距離「ａ」，「ｂ」は固定値である。
【００４９】
点Ａは、ベルクランク５３の第１軸穴５３ａ（またはダンパ６１の先端側軸穴６１ａ）の位置を示している。また、点Ａは、ベルクランク５３が点Ｏ1を中心に回転することで固定長（例えばＬ1）の線分ＡＯ1の動径と共に回転する。さらに、点Ａは、センサ固定フレーム３３に固定されたベルクランク５３が上下動することに伴って上下に移動する。つまり、点Ａは、Ｚ方向の直線運動と回転運動とを複合した運動を行う。また、線分ＡＯの長さは、ダンパ６１の一端から他端までの長さＬdampを示している。この長さＬdampは、ダンパ６１のピストンおよびスプリング６２の伸縮によって変化するものである。
【００５０】
点Ｂは、ベルクランク５３の第２軸穴５３ｂ（または球面軸５２の連結部５２ａの軸穴）の位置を示している。また、点Ｂは、ベルクランク５３が点Ｏ1を中心に回転することで固定長（例えばＬ2）の線分ＢＯ1の動径と共に回転する。さらに、点Ｂは、センサ固定フレーム３３に固定されたベルクランク５３が上下動することに伴って上下に移動する。また、線分ＢＣが固定長（例えばＬ3）なので、点Ｂは、Ｚ方向の直線運動と、ベルクランク５３の回転運動と、球面軸５２の回転運動とを複合した運動を行う。
【００５１】
点Ｃは、球面軸受５４に軸支された球面軸５２の基端の位置を示している。点Ｃは、球面軸受５４を介して足平部３１に固定されている。つまり、図７において、点Ｃは、不動点である。また、この点Ｃと点Ｏ1とは、Ｙ方向に距離「Ｙfoot」だけ離間し、Ｚ方向に距離「Ｚfoot」だけ離間している。ただし、点Ｃが不動点なので、距離「Ｙfoot」，「Ｚfoot」は可変値である。言い換えると、線分ＣＯ1の長さは、可変長である。
【００５２】
点Ａ、点Ｂおよび点Ｃの間の角度の関係は以下の通りである。固定長の線分ＡＯ1と、点Ｏ1を通りＹ軸に平行な中心線とのなす角度を示す可変角度を「θ1」、固定長の線分ＢＯ1と、点Ｏ1を通りＹ軸に平行な中心線とのなす角度を示す可変角度を「θ2」とすると、両者を合計した角度「θ」は、固定角度を示す∠ＡＯＢである。また、固定長の線分ＢＣと、点Ｂを通りＺ軸に平行な直線とのなす角度を示す可変角度を「θ3」、固定長の線分ＢＯ1と、点Ｏ1を通りＺ軸に平行な中心線とのなす角度を示す可変角度を「φ1」とする。なお、３６０°から、「θ3」と「φ1」との合計値を差し引いた角度の値を「φ2」とする。
【００５３】
［２足移動ロボットの動作］
第１実施形態に係る２足移動ロボットの動作として主に足部の衝撃吸収機構の動作について図８ないし図１０を参照（適宜図３ないし図７参照）して説明する。図８ないし図１０は、図４に示した衝撃吸収機構の動作を示す図であって、図８は、図４に示した直立時の状態から足部を踏み込み始めたときの状態を示し、図９は、図８に示した状態から進行して足部を最も踏み込んだときの状態を示している。また、図１０は、図４に示した直立時の状態から、接地した足部を持ち上げたときの状態を示している。
【００５４】
＜足部を踏み込むときの動作＞
図４と図８とを対比したときに、Ｚ軸方向の相違点は以下の通りである。
図４に示すように、ロボットＲの直立時では、センサ固定フレーム３３は、足平部３１から所定距離ｄ0だけ離間している。一方、図８に示すように、ロボットＲが足部１７を踏み込み始めたときには、センサ固定フレーム３３が足部１７の中で下降し、足平部３１から所定距離ｄ1（＜ｄ0）だけ離間した状態となる。つまり、センサ固定フレーム３３と足平部３１との間の隙間が狭くなる。
【００５５】
また、図４と図８とを対比したときに、図４に示す状態から、図８に示す状態へのＹ軸方向の変化は以下の通りである。すなわち、ベルクランク５３が第３可動軸６３ｃ（または第３軸穴５３ｃ）を中心に図中時計回り（右回転）し、緩衝装置５１のダンパ６１のピストンおよびスプリング６２が収縮する。つまり、ダンパ６１の長さが短くなる。
【００５６】
図８と図９とを対比したときに、図８に示す状態から、図９に示す状態へのＺ軸方向の変化は以下の通りである。すなわち、図９に示すように、ロボットＲが足部１７を最も踏み込んだときには、センサ固定フレーム３３が足部１７の中でさらに下降し、足平部３１に密着し、足平部３１の減衰部材４３を圧縮する。このとき、センサ固定フレーム３３の衝撃は減衰部材４３によって減衰する。
【００５７】
また、図８と図９とを対比したときに、図８に示す状態から、図９に示す状態へのＹ軸方向の変化は以下の通りである。すなわち、ベルクランク５３が第３可動軸６３ｃを中心に図中さらに時計回り（右回転）し、緩衝装置５１のダンパ６１のピストンおよびスプリング６２が最も収縮した状態となる。このときには、第３可動軸６３ｃは、センサ固定フレーム３３の下降に伴って、下降する。つまり、ベルクランク５３は、第２可動軸６３ｂを中心に図中時計回り（右回転）する動作も行う。このように、ロボットＲが直立した状態から足部１７を踏み込んだときには、センサ固定フレーム３３の下降というＺ軸方向の運動が、緩衝装置５１の収縮というＹ軸方向の運動に変換されることとなる。
【００５８】
＜足部を持ち上げるときの動作＞
図４と図１０とを対比したときに、図４に示す状態から、図１０に示す状態へのＺ軸方向の変化は以下の通りである。すなわち、図１０に示すように、ロボットＲが図４に示した直立時の状態から、接地した足部１７を持ち上げたときには、センサ固定フレーム３３が足部１７の中で上昇し、足平部３１から所定距離ｄ2（＞ｄ0）だけ離間した状態となる。つまり、センサ固定フレーム３３と足平部３１との間の隙間が広がる。
【００５９】
また、図４と図１０とを対比したときに、図４に示す状態から、図１０に示す状態へのＹ軸方向の変化は以下の通りである。すなわち、ベルクランク５３が第３可動軸６３ｃを中心に図中反時計回り（左回転）し、緩衝装置５１のダンパ６１のピストンおよびスプリング６２が伸長する。このときには、第３可動軸６３ｃは、センサ固定フレーム３３の上昇に伴って、上昇する。したがって、ベルクランク５３は、第２可動軸６３ｂを中心に図中反時計回り（左回転）すると共に、第３可動軸６３ｃが上昇することに伴って球面軸５２が図中時計回り（右回転）する。このように、ロボットＲが直立した状態から接地した足部１７を持ち上げたときには、センサ固定フレーム３３の上昇というＺ軸方向の運動が、緩衝装置５１の伸長というＹ軸方向の運動に変換されることとなる。
【００６０】
＜直立するまでの動作＞
図４に示した状態になったとき、すなわち、足部１７が接地したときには、衝撃吸収機構３４において、位置決めされた球面軸５２と、センサ固定フレーム３３と共に所定位置に下降している緩衝装置５１と、この緩衝装置５１に連動して回転したベルクランク５３とがロボットＲの自重、詳しくはロボットＲの衝撃吸収機構３４よりも上部の構造による荷重全体を支持すると共に、ベルクランク５３の回転に連動して弾性変形した緩衝装置５１が着地時の衝撃を吸収する。そのため、簡易な構成でありながらロボットＲの自重を支持し、さらに床反力による衝撃を吸収することができる。また、衝撃吸収機構３４は、ゴムブッシュと比較して衝撃吸収能が高いので、ロボットＲの移動（歩行、走行）速度を高めることが可能となる。
【００６１】
［衝撃吸収機構の特性］
衝撃吸収機構３４の特性について、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、衝撃吸収機構の接地面に垂直な方向に対する圧縮量とその圧縮に対する衝撃吸収機構の剛性との関係を示したグラフであり、図１２は、衝撃吸収機構の接地面に垂直な方向に対する圧縮量と接地面からの反力との関係を示したグラフである。ここで、衝撃吸収機構の剛性とは、接地面に垂直な方向（Ｚ軸方向）の圧縮力に対する衝撃吸収機構の変形しにくい性質を示す物理量であり、例えば、ゴムブッシュの剛性に相当する。この剛性は、例えば、［Ｎ／ｍｍ］を単位として表すことができる。
【００６２】
図１１および図１２に示すグラフでは、従来のゴムブッシュの特性（比較）と、実施形態のロボットＲの衝撃吸収機構３４の特性とを示している。
【００６３】
図１１に示すように、衝撃吸収機構３４は、圧縮量が増加するにしたがって、その剛性が非線形的に向上する特性を有している。詳細には、圧縮量が比較的小さい場合には、衝撃吸収機構３４の剛性が、ゴムブッシュの剛性とほぼ同程度であるが、圧縮量が比較的大きくなってくると、衝撃吸収機構３４の剛性の変化が、ゴムブッシュの剛性の変化よりも大きくなってくることがわかる。つまり、衝撃吸収機構３４は、足部１７が接地したとき（着地期）のばね定数に比べて、直立時（安定支持期）のばね定数を大きくすることができる。さらに、衝撃吸収機構３４は、直立時（安定支持期）のばね定数に比べて、足部１７の踏み込み時のばね定数をさらに大きくすることができる。
【００６４】
そのため、図１２に示すように、衝撃吸収機構３４は、圧縮量が増加するにしたがって、接地面からの反力が非線形的に向上する。詳細には、圧縮量が比較的小さい場合には、衝撃吸収機構３４を用いた場合の接地面からの反力が、ゴムブッシュを用いた場合の接地面からの反力がとほぼ同程度であるが、圧縮量が比較的大きくなってくると、衝撃吸収機構３４を用いた場合の反力の変化が、ゴムブッシュを用いた場合の反力の変化よりも大きくなってくる。
【００６５】
また、ゴムブッシュは、Ｚ軸方向に変位（ストローク）するものであり、そのストロークが小さい。一方、衝撃吸収機構３４は、Ｚ軸方向の僅かな変位をＹ軸方向の大きな変位に拡大することができる。ところで、ロボットＲの足部１７には、６軸力センサ３２の他にも各種装置類を収納することが要求されている。仮に、足部１７を従来のゴムブッシュを用いて構成し、ロボットＲの移動速度の上昇に対応するような大きなストロークを実現しようとすると、足部１７のＺ軸方向のスペースが有効に活用できなくなってしまうと共に、足部１７の美観が損なわれてしまう。一方、本実施形態のロボットＲの備える衝撃吸収機構３４は、足部１７の自然な形状に合わせてＹ軸方向に大きなストロークを確保できる。したがって、衝撃吸収機構３４は、Ｙ軸方向に確保した大きなストロークに対応して、大きな反力に対する耐久性が従来のゴムブッシュと比較して向上する。その結果、衝撃吸収機構３４は、ロボットＲの移動速度の上昇に対応することができる。さらに、衝撃吸収機構３４によれば、足部１７のスペースが有効に活用できるようになり、また、美観が損なわれない。
【００６６】
本実施形態によれば、ロボットＲは、足部１７に設けられた衝撃吸収機構３４のベルクランク５３の回転運動等によって、センサ固定フレーム３３のＺ軸方向の運動を、緩衝装置５１のＹ軸方向の運動に変換できる。したがって、足部１７が接地面を踏み込むことによって受ける反力の特性が非線形特性となる。そのため、ロボットＲは、着地期では、相対的に小さい反力で衝撃を緩和し、また、支持期では、相対的に大きい反力で移動安定性を確保することができる。また、ロボットＲは、移動速度を大きくしたとしても、緩衝装置５１が足平部３１に対して水平に配置されているので、ゴムブッシュを用いる場合と比較してストローク（変位）を大きくとることができると共に、足部１７の収納スペースを確保し易くなる。
【００６７】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る２足移動ロボットは、足部１７の衝撃吸収機構３４に四節リンクを利用した点を除いて図１ないし図４を参照して説明した第１実施形態と同じ構成である。したがって、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略し、足部の衝撃吸収機構について図１３を参照（適宜図３および図４参照）して説明する。
【００６８】
図１３は、第２実施形態に係る２足移動ロボットの足部を簡略に示す模式図である。第２実施形態に係る２足移動ロボットは、第１実施形態と同様に、足部１７の足平部１３１の上に、図示は省略するが４つの衝撃吸収機構を備えている。そして、図１３は、図４と同様に、ロボットＲの直立時において足部１７（１７Ｒ）をＸ軸の正の方向から視た（右足を前から視た）正面の左半分を示しており、センサ固定フレーム１３３に固定された１つの衝撃吸収機構のみを示している。なお、図１３では、四節リンクを分かり易く表示するために、足部１７の他の構成要素を簡略化して示している。したがって、足部１７の他の構成要素は、別の符号が付されているが、図４に示したものと同様に構成されているものとする。例えば、足平部１３１は、図示は省略するが、詳細には、足底部４１と、足平本体４２と、減衰部材４３とを備える。また、センサ固定フレーム１３３は、断面視で逆Ｌ字状で示したが、これは、四節リンクを分かり易く表示するためであって、直角三角形の形状で示すことができる。以下、同様である。
【００６９】
ダンパ１６１は、足平部１３１に対して水平に配置され、基端（一端）１６１ｂが、センサ固定フレーム１３３に接続されている。このダンパ１６１は、内部のピストン１６３がピストンロッド１６５の一端（右端）に連結されて水平方向に移動可能に構成されている。なお、ダンパ１６１は、その周囲にスプリング６２が配設されていると共に、その内部に流体が密封されているものとする。
【００７０】
図１３に示した足部１７は、複数の回転軸（以下、シャフトという）および軸穴を備えており、各シャフトは、その軸方向がＸ軸方向（図１３において紙面に垂直な方向）と平行に配置されている。シャフト２０１は、足平部１３１の上面に対して回動自在に固定されており、足平部１３１と共に上下動する。シャフト２０３とシャフト２０５とは、その間に所定間隔を空けてセンサ固定フレーム１３３の底部上面に対して回動自在に固定されており、センサ固定フレーム１３３と共に上下動する。シャフト２０７は、ダンパ１６１の基端１６１ｂに連結されてセンサ固定フレーム１３３の上部に対して回動自在に固定されており、センサ固定フレーム１３３と共に上下動する。
【００７１】
シャフト２０９は、ダンパ１６１のピストンロッド１６５の他端（左端）と連結されている。また、シャフト２０９は、リンク２１３を介してシャフト２１１に連結されると共に、リンク２１７を介してシャフト２０３に連結されている。シャフト２１１は、リンク２１３を介してシャフト２０９に連結されると共に、リンク２１５を介してシャフト２０５に連結されている。リンク２１９は、一端（右端）がシャフト２０３に連結されると共に、他端（左端）がシャフト２２３に連結されている。このリンク２１９とリンク２１７とのなす角は、固定されている。リンク（リンク部材）２２１は、一端（上端）がシャフト２２３に連結されると共に、他端（下端）がシャフト２０１に連結されている。このリンク２２１は、例えば、球面軸５２で構成される。
【００７２】
センサ固定フレーム１３３の底部上面において、シャフト２０３，２０５，２０９，２１１と、リンク２１３，２１５，２１７とによって、運動方向変換機構としての四節リンクが形成される。なお、リンク２１９とリンク２１７とのなす角が固定されているので、リンク２１９とリンク２１７とを、それらを一体にしたベルクランクで置き換えてもよい。
【００７３】
＜足部を踏み込むときの動作＞
ロボットＲが直立時から足部１７を踏み込むと、センサ固定フレーム１３３は、足部１７の中で下降し、センサ固定フレーム１３３と足平部１３１との間の隙間が狭くなる。すると、リンク２１７，２１９がシャフト２０３を中心に図中時計回り（右回転）し、シャフト２０９，２１１がＹＺ平面で回転する。これによって、ダンパ１６１のピストンロッド１６５がピストン１６３を押圧する。つまり、ダンパ１６１の長さが短くなる。このように、ロボットＲが直立した状態から足部１７を踏み込んだときには、センサ固定フレーム１３３の下降というＺ軸方向の運動が、ダンパ１６１の収縮というＹ軸方向の運動に変換されると共に、リンク２１３，２１５に軸支されたシャフト２１１の回転運動へと変換されることとなる。
【００７４】
＜足部を持ち上げるときの動作＞
ロボットＲが直立時の状態から、接地した足部１７を持ち上げたときには、センサ固定フレーム１３３が足部１７の中で上昇し、センサ固定フレーム１３３と足平部１３１との間の隙間が広がる。すると、リンク２１７，２１９がシャフト２０３を中心に図中反時計回り（左回転）し、シャフト２０９，２１１がＹＺ平面で回転する。このとき、センサ固定フレーム１３３の上昇に対応してシャフト２０３が上昇することに伴って、リンク２２１が図中時計回り（右回転）する。これらによって、ダンパ１６１のピストンロッド１６５がシャフト２０９によって引っ張られる。つまり、ダンパ１６１の長さが長くなる。このように、ロボットＲが直立した状態から接地した足部１７を持ち上げたときには、センサ固定フレーム１３３の上昇というＺ軸方向の運動が、ダンパ１６１の伸長というＹ軸方向の運動に変換されると共に、リンク２１３，２１５に軸支されたシャフト２１１の回転運動へと変換されることとなる。
【００７５】
本実施形態によれば、ロボットＲは、足部１７に四節リンクが設けられているので、センサ固定フレーム１３３のＺ軸方向の運動を、ダンパ１６１の伸長というＹ軸方向の運動に変換すると共に、四節リンクの回転運動にも変換できる。したがって、ロボットＲは、足部１７において、Ｚ軸方向のストロークに対応した接地面からの反力を、四節リンクの回転運動のエネルギーとして吸収することができる。その結果、ダンパ１６１が吸収すべき衝撃力を低減できる。
【００７６】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る２足移動ロボットは、図３に示した足部１７において、６軸力センサ３２の前後方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ並設された２つの衝撃吸収機構３４ｃ，３４ｄによる衝撃吸収力と、２つの衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂによる衝撃吸収力とが異なっている点を除いて、第１実施形態と同じ構成である。したがって、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。ここで、６軸力センサ３２の前後方向（Ｘ軸方向）は、足平部３１において足首関節（第２関節）１５、１６を挟んだ前後方向と同じ意味である。また、衝撃吸収機構３４による衝撃吸収力には、緩衝装置５１（図５参照）の特性が反映される。本実施形態では、緩衝装置５１の特性を、緩衝装置５１の伸縮方向の外力に反発する反発力で表すこととする。なお、足平部３１において足首関節１５、１６を挟んだ前後方向としては、足平部３１において踵側が先に着地するときの移動方向を前、足平部３１においてつま先側が先に着地するときの移動方向を後ろとする。
【００７７】
衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄにおいて、各緩衝装置５１は、伸縮方向の外力に反発する反発力が、足部１７に配設された位置において床面から当該緩衝装置５１に作用する床反力に応じて互いに調整可能に構成されている。これにより、足部１７において床反力が強く発生する部分の近くに配設される緩衝装置５１は反発力を強く設定し、床反力が強く発生する部分から遠くに配設される緩衝装置５１は反発力を弱く設定することができる。また、ロボットＲの歩行中や走行中には足部１７において床反力が強く発生する部分が移動するので、ロボットＲは、床反力が強く発生する部分から緩衝装置５１までの距離に応じた各緩衝装置５１の反発力の強度の順序の情報を、足部１７における床反力が強く発生する部分の位置情報と関連付けたテーブルやマップを保持するようにすることもできる。
【００７８】
以下では、緩衝装置５１の特性を、足平部３１において足首関節１５、１６を挟んだ前後方向で異なったものにする方法について図１４および図１５を参照して説明する。図１４および図１５は、緩衝装置５１（図５参照）のダンパ６１の構成例を模式的に示す図である
【００７９】
図１４（ａ）に示すダンパは、シリンダ６１１内に機能性流体６２０が密封されている。機能性流体６２０は、例えば、電気粘性流体（Electrorheological Fluid：ＥＲ流体）や磁気粘性流体（Magnetorheological Fluid：ＭＲ流体）から構成される。ここで、ＥＲ流体は、シリコンオイル等に絶縁体の微粒子を加えた流体である。このＥＲ流体を図示しない電極で挟み、電極間に電圧を印加して電界を印加することによって粘性が変化してＥＲ流体が固まり、電極間の電圧を切るとＥＲ流体が元に戻る。また、ＭＲ流体は、シリコンオイル等に強磁性体の微粒子を加えた流体である。このＭＲ流体に図示しない電磁石から磁界を印加することによって粘性が変化してＭＲ流体が固まり、磁界を切るとＭＲ流体が元に戻る。したがって、ダンパに例えばＭＲ流体を密封したときに、前後に配置されたダンパにおいて、図示しない電磁石からＭＲ流体を貫く磁束を互いに異なったものとすることで、粘性抵抗を互いに異なったものとすることができる。その結果、緩衝装置５１の特性を前後方向で異なったものにすることができる。
【００８０】
また、図１４（ａ）に示すダンパは、ピストンロッド６１２の先端のピストン６３０に、脱着可能なオリフィス（orifice）６３１が設けられている。オリフィス６３１は、ピストン６３０の内側（ピストンロッド６１２側）と外側（シリンダ６１１の先端側）とを連通し、管内を通る機能性流体６２０の絞りとして機能する。したがって、前後に配置されたダンパにおいて、オリフィス６３１の管径を互いに異なったものとすることで、管内を通る機能性流体６２０の圧力を互いに異なったものとすることができる。その結果、緩衝装置５１の特性を前後方向で異なったものにすることができる。さらに、機能性流体６２０による粘性抵抗の制御を組み合わせることで、オリフィス６３１の実質的に機能する管径を変更することも可能である。なお、緩衝装置５１の反発力は、ピストン６３０やオリフィス６３１の位置に依存する力と、ピストン６３０の速度やオリフィス６３１を通過する機能性流体６２０の速度に依存する減衰力とを含んでいる。
【００８１】
図１４（ｂ）に示すダンパは、シリンダ６１１内に機能性流体６２０が密封されており、シリンダ６１１に平行して、ピストン６３０の内側と外側とを連通するバイパス（bypass）６４０が設けられている。バイパス６４０の途中には、バルブ６４１が設けられている。バルブ６４１は、例えば、ニードルバルブ（needle valve）やサーボバルブ（servo valve）から構成される。したがって、前後に配置されたダンパにおいて、バルブ６４１を手動または自動で調整することによってバイパス６４０の圧力を互いに異なったものとすることができる。つまり、バイパス６４０が、図１４（ａ）に示したオリフィス６３１と同様な機能を果たすことができる。その結果、緩衝装置５１の特性を前後方向で異なったものにすることができる。
【００８２】
図１５（ａ）に示すダンパは、シリンダ６１１内に機能性流体６２０が密封される領域と、エア（air）６５０が充填される領域とを備えている。ピストン６３０の外側には、フリーピストン（free piston）６５１が設けられている。オリフィス６３１を有したピストン６３０の内側と、フリーピストン６５１の内側（ピストン６３０側）には、機能性流体６２０が密封されている。フリーピストン６５１の外側には、エア６５０が充填されている。シリンダ６１１において、フリーピストン６５１の外側に、エア注入管６５２が設けられている。エア注入管６５２の途中にはバルブ６５３が設けられている。バルブ６５３は、例えば、ニードルバルブやサーボバルブから構成され、エア注入管６５２を流れるエアの流量を制御する。したがって、前後に配置されたダンパにおいて、バルブ６５３を調整することによって、シリンダ６１１内のフリーピストン６５１の外側にかかる圧力を互いに異なったものとすることができる。これにより、緩衝装置５１の特性を前後方向で異なったものにすることができる。また、このようにシリンダ６１１内にエア６５０が充填された領域を有する場合には、機能性流体６２０が非圧縮性の流体であったとしても、エア６５０が充填された領域が圧縮可能なので、シリンダ６１１内のピストン６３０の外側において圧縮力を高めることができる。
【００８３】
図１５（ｂ）に示すダンパは、シリンダ６１１の先端側（ピストン６３０の外側）にゴム等の弾性体からなるダイヤフラム（diaphragm）６６０によってエア６５０が予め密封された領域が設けられている。これにより、簡易な構成で図１５（ａ）に示したダンパと同様な効果を奏する。
【００８４】
図１５（ｃ）に示すダンパは、シリンダ６１１の先端側（ピストン６３０の外側）に、例えばシリコーンゴム等の弾性部材６７０が設けられている。これにより、簡易な構成で図１５（ａ）に示したダンパと同様な効果を奏する。
【００８５】
図１５（ｄ）に示すダンパは、図１４（ｂ）および図１５（ａ）に示したダンパを組み合わせたダンパである。つまり、図１５（ａ）に示したダンパのオリフィス６３１を、バイパス６４０およびバルブ６４１で代替したものである。これにより、緩衝装置５１の特性を前後方向で異なったものにするときに微調整を容易に行うことができる。
【００８６】
また、ダンパ６１の構成を変更しなくても、スプリング６２に対する与圧を変更することで緩衝装置５１の特性を変更することもできる。例えば、ダンパ６１に脱着可能に装着されるスペーサ６１６（図６参照）の高さを、互いに異なったものとすることで実現できる。なお、スペーサ６１６（図６参照）の高さとは、ダンパ６１の伸縮方向の長さを示す。
【００８７】
また、本実施形態では、緩衝装置５１の反発力は、足首関節１５、１６を挟んで前後方向において後ろに配置された緩衝装置５１よりも、前に配置された緩衝装置５１の方が大きくなるように設定されている。図１６は、図３に示した足部１７をＺ軸の正の方向から視た模式図を示している。また、図１６では、足平部３１のつま先７０１を左側、踵７０２を右側にそれぞれ示している。図１６に示す足部１７は、センサ固定フレーム３３の中心に６軸力センサ３２が固定されており、このセンサ固定フレーム３３の中心は足首関節１５、１６の中心と一致している。センサ固定フレーム３３には、４つの衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄが接続されている。足平部３１のつま先７０１側の衝撃吸収機構３４ｃ，３４ｄは、踵７０２側の衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂよりも衝撃吸収力が大きく設定されている。つまり、衝撃吸収機構３４を構成する緩衝装置５１の反発力は、踵７０２側の緩衝装置５１よりもつま先７０１側の緩衝装置５１の方が大きく設定されている。ロボットＲは、前進するときに足部１７の踵７０２が着床した後で、つま先７０１が着床する。また、前進するときに仮に足部１７のつま先７０１と踵７０２とが同時に着床したとしても、踵７０２の方がつま先７０１よりも先に離床する。したがって、ロボットＲにおいては、着地期に踵７０２側で発生する衝撃吸収力よりも、支持期につま先７０１側で発生する衝撃吸収力の方が大きくなっている。
【００８８】
また、本実施形態では、図１６に示すように、足平部３１のつま先７０１と、足首関節１５、１６の中心（センサ固定フレーム３３の中心）との間の距離は、足平部３１の踵７０２と、足首関節１５、１６の中心との間の距離よりも長い。したがって、踵７０２が着地するときのモーメントよりつま先７０１が離床するときのモーメントの方が大きい。そのため、ロボットＲは、支持期に足部１７で発生する衝撃をつま先側で効果的に吸収することができる。ここで、つま先７０１と前方の作用点までの距離（衝撃吸収機構３４ｃ，３４ｄまでの距離）ｐと、踵７０２と後方の作用点までの距離（衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂまでの距離）ｑとに合わせて、前後の緩衝装置５１のそれぞれの特性を互いに異なったものに調整することができる。
【００８９】
なお、支持期に足部１７で発生する衝撃をつま先側で効果的に吸収するように、距離ｐ，ｑ（前後の作用点の位置）や足部１７のサイズを予め設定した場合には、前後の緩衝装置５１のそれぞれの特性を同じものとすることも可能である。また、衝撃吸収機構３４の運動方向変換機構（ベルクランク５３や四節リンク）の部分に並行にばねを追加することで、前後の衝撃吸収機構３４のそれぞれの特性を異ならせることも可能である。
【００９０】
本実施形態によれば、ロボットＲは、足部１７の衝撃吸収機構３４ａ，３４ｂの衝撃吸収力よりも衝撃吸収機構３４ｃ，３４ｄの衝撃吸収力の方が大きくなるように設定されているので、足部１７は踵７０２側よりもつま先７０１側の衝撃吸収力が大きい。したがって、ロボットＲは、着地期よりも相対的に大きな荷重のかかる支持期において足部１７で発生する衝撃をつま先側で効果的に吸収することができる。そのため、ロボットＲは、特に走行時のように足部１７に大きな衝撃を受けるときに、その衝撃を効果的に吸収することができる。
【００９１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ロボットＲの足部１７の複数の衝撃吸収機構３４の配置は、第１実施形態で説明したものに限定されるものではない。以下に、図１７を参照して複数の衝撃吸収機構３４の配置のバリエーションを説明する。図１７は、衝撃吸収機構の配置例を示す模式図である。なお、図１７において、４つの衝撃吸収機構３４の中心の位置が、足首関節（第２関節）１５，１６の中心であるものとする。図１７（ａ）に示す足部１７Ａは、第１実施形態で説明した配置を模式的に示している。すなわち、６軸力センサ３２の前後（ｘ軸方向）に対称に配設された衝撃吸収機構３４が２組存在している。この変形例である図１７（ｂ）に示す足部１７Ｂは、６軸力センサ３２の左右（ｙ軸方向）に対称に配設されている衝撃吸収機構３４が２組存在している。同様に、図１７（ｃ）に示す足部１７Ｃは、６軸力センサ３２の前後（ｘ軸方向）に対称に配設されている衝撃吸収機構３４と、左右（ｙ軸方向）に対称に配設されている衝撃吸収機構３４が存在している。同様に、図１７（ｄ）に示す足部１７Ｄは、４つの衝撃吸収機構３４が互いに９０度となるように放射状に配置されている。この足部１７Ｄは、衝撃吸収機構３４のダンパ６１の変位センサ６１４（図６参照）が、６軸力センサ３２と同様な機能を果たすため、６軸力センサ３２を備えていない。なお、衝撃吸収機構３４は、必ずしも足首関節（第２関節）１５，１６の中心に対して対称な位置に配設する必要はないが、バランスがよいのでこのようにすることが好ましい。
【００９２】
また、例えば、第１実施形態では、緩衝装置５１のピストンロッド側をベルクランク５３に連結したが、緩衝装置５１の向きを反転してベルクランク５３に連結するようにしてもよい。また、ベルクランク５３の図示した形状は一例であってこれに限定されるものではない。また、緩衝装置５１は、ダンパ６１に流体を備えると共にスプリング６２を備えることとしたが、流体またはスプリング６２のいずれか一方のみを備えるようにしてもよい。
【００９３】
また、例えば、第１実施形態では、緩衝装置５１は、圧縮または引張による剛性あるいは粘性抵抗がセンサ固定フレーム３３の変位（圧縮方向）に対して非線形に変化するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、線形に変化するもので構成してもよい。この場合であっても、ベルクランク５３等の運動方向変換機構による非線形特性は維持されることとなる。また、ロボットＲは進行方向に関わらず、複数の緩衝装置５１のうち、足部１７において先に離床する側に配置された緩衝装置５１よりも、後から離床する側に配置された緩衝装置５１の方を反発力が強くなるように調整することが好ましい。例えば、各緩衝装置５１は、前記したように前進に対応させる代わりに後進に対応させるように反発力を調整することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１実施形態に係る２足移動ロボットを模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示した脚部の関節構造を模式的に示す図である。
【図３】第１実施形態に係る２足移動ロボットの足部を模式的に示す斜視図である。
【図４】図３に示した衝撃吸収機構を模式的に示す図である。
【図５】図４に示した衝撃吸収機構を模式的に示す分解斜視図である。
【図６】図５に示したダンパの内部を模式的に示す一部断面図である。
【図７】図３に示した衝撃吸収機構の構造を模式的に示す図である。
【図８】図４に示した衝撃吸収機構の動作を模式的に示す図であって、直立時から足部を踏み込み始めたときの状態を示している。
【図９】図４に示した衝撃吸収機構の動作を模式的に示す図であって、足部を最も踏み込んだときの状態を示している。
【図１０】図４に示した衝撃吸収機構の動作を模式的に示す図であって、接地した足部を持ち上げたときの状態を示している。
【図１１】衝撃吸収機構の接地面に垂直な方向に対する圧縮量とその圧縮に対する衝撃吸収機構の剛性との関係を示したグラフである。
【図１２】衝撃吸収機構の接地面に垂直な方向に対する圧縮量と接地面からの反力との関係を示したグラフである。
【図１３】第２実施形態に係る２足移動ロボットの足部を簡略に示す模式図である。
【図１４】第３実施形態に係る２足移動ロボットのダンパに１種類の部材を密封した例を示す模式図である。
【図１５】第３実施形態に係る２足移動ロボットのダンパに２種類の部材を密封した例を示す模式図である。
【図１６】第３実施形態に係る２足移動ロボットの足部における衝撃吸収を説明するための模式図である。
【図１７】衝撃吸収機構の配置例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９５】
Ｒ      ２足移動ロボット（脚式移動ロボット）
Ｒ１    脚部
Ｒ２    上体
Ｒ３    腕部
Ｒ４    頭部
Ｒ５    制御装置搭載部
１５Ｒ，１５Ｌ  関節（足首関節、第２関節）
１６Ｒ，１６Ｌ  関節（足首関節、第２関節）
１７（１７Ｒ，１７Ｌ）  足部
３１，１３１  足平部
３２    ６軸力センサ
３３，１３３  センサ固定フレーム（可動部）
３３ａ  上部軸穴
３４（３４ａ〜３４ｄ）  衝撃吸収機構（運動方向変換機構および緩衝装置の組み）
４１    足底部
４２    足平本体
４３    減衰部材
５１    緩衝装置
５２    球面軸（リンク部材）
５２ａ  連結部
５２ｂ  軸部
５３    ベルクランク
５３ａ  第１軸穴
５３ｂ  第２軸穴
５３ｃ  第３軸穴
５４    球面軸受
５５    足首関節リンク部材
６１，１６１  ダンパ
６１ａ  先端側軸穴
６１ｂ  基端
６１４  変位センサ
６１６  スペーサ
６２    スプリング
６３ａ  第１可動軸
６３ｂ  第２可動軸
６３ｃ  第３可動軸
１６３  ピストン
１６５  ピストンロッド
１６１ｂ  基端
２０１，２０３，２０５，２０７，２０９，２１１，２２３  シャフト
２１３，２１５，２１７，２１９，２２１  リンク
６３０  ピストン
６３１  オリフィス
６４０  バイパス
６４１  バルブ
６５１  フリーピストン
６５２  エア注入管
６５３  バルブ
６７０  弾性部材
【図１】
2008207321.tif 000003
【図２】
2008207321.tif 000004
【図３】
2008207321.tif 000005
【図４】
2008207321.tif 000006
【図５】
2008207321.tif 000007
【図６】
2008207321.tif 000008
【図７】
2008207321.tif 000009
【図８】
2008207321.tif 000010
【図９】
2008207321.tif 000011
【図１０】
2008207321.tif 000012
【図１１】
2008207321.tif 000013
【図１２】
2008207321.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2008207321.tif 000017
【図１６】
2008207321.tif 000018
【図１７】
2008207321.tif 000019