(57)【要約】【課題】歩行制御に係るＣＰＵの演算を簡略化するとともに剛性部材の物理的な干渉による摩擦抵抗による外乱や六軸力センサの破損等を防ぐことにある。【解決手段】２本の可動脚２を具える二足歩行ロボット１の各可動脚２の先端の足部５に設けられた衝撃吸収機構において、可動脚２の足部関節４に結合された上部基板５ａと、その上部基板の下側にてその上部基板に対向する下部基板５ｂと、それら上部基板５ａと下部基板５ｂとの間に、上部基板５ａに対し垂直方向に延在するヨー軸ＹＡの周囲にて周方向に互いに等間隔に配設されて、各々上部基板５ａに対する下部基板５ｂの弾性的変位をヨー軸ＹＡの延在方向に関しては許容する一方そのヨー軸ＹＡに対し直交する方向に関しては抑制しつつ、上部基板５ａと下部基板５ｂとを弾性的に結合する、弾性に関し異方性を持った３つの弾性部材６と、を具えることを特徴とするものである。【選択図】　　　　図１
2004106077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の可動脚を具える歩行ロボットの前記各可動脚の先端の足部に設けられた衝撃吸収機構において、
前記可動脚の足部関節に結合された上部基板と、
前記上部基板の下側にてその上部基板に対向する下部基板と、
前記上部基板と前記下部基板との間に、前記上部基板に対し垂直方向に延在する所定軸線の周囲にて周方向に互いに等間隔に配設されて、各々前記上部基板に対する前記下部基板の弾性的変位を前記所定軸線の延在方向に関しては許容する一方前記所定軸線に対し直交する方向に関しては抑制しつつ、前記上部基板と前記下部基板とを弾性的に結合する、弾性に関し異方性を持った少なくとも３つの弾性部材と、
を具えることを特徴とする、歩行ロボットの衝撃吸収機構。
【請求項２】
前記上部基板と前記下部基板との間に、前記所定軸線の周囲にて周方向に互いに等間隔に配設されて、前記上部基板に対する前記下部基板の振動を減衰させる、少なくとも３つの高減衰部材を具えることを特徴とする、請求項１記載の歩行ロボットの衝撃吸収機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行ロボットの姿勢制御に用いられるコンプライアンス制御の安定性を向上させるための衝撃吸収機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、複数本の可動脚を具える歩行ロボットの歩行時においては、脚部リンク機構と地面や床面等の外部環境とが衝突するときの接地衝撃によって、脚部リンク機構もしくはそこに内蔵されたセンサ類等の精密機器が破損してしまうという問題があり、これを防ぐために、当該衝撃を吸収する、例えば低剛性のゴムブッシュ等を用いた衝撃吸収機構を該ロボットの可動脚の先端足部に具えるものがある。
【０００３】
ところで、該可動脚の先端足部においては、地面や床面等との接触面を持つ、足裏に相当する下部基板と、足部関節に結合されて可動脚を含む上側のロボット構造を支持する上部基板との間に、その可動脚を具える歩行ロボットの歩行制御のための、特には二足歩行制御における足部関節に係るコンプライアンス制御に用いる六軸力センサが取り付けられている場合がある。
【０００４】
そして二足歩行ロボットの歩行制御における足首関節のコンプライアンス制御では上記六軸力センサが、主に地面等との接触による下部基板からの反力をヨー軸方向（垂直方向）、ロール軸方向（前後方向）、ピッチ軸方向（左右方向）のそれぞれの力成分およびそれらの軸回りのモーメント成分として計測し、これらのパラメータに基づき、ロボット本体に内蔵されるＣＰＵ（中央処理ユニット）で演算を行い、可動脚の関節各部の制御を行っている。
【０００５】
このとき、ゴムブッシュ等の衝撃吸収機構を構成する弾性部材を具える足部機構においては、六軸力センサで測定される力成分および軸回りのモーメントが、ヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の各軸において弾性部材の弾性変位に起因する偏差を持っており、歩行制御上、ロボット本体に内蔵される上記ＣＰＵでの演算を複雑化させていた。
【０００６】
この各軸方向の力成分および軸回りのモーメントの偏差を一定に保つことが歩行制御の簡略化に繋がることになり、そのためには、具体的には、足部構造の下部基板と上部基板との間に介設される衝撃吸収を目的とした弾性部材の弾性変位において、該基板間の変位に係る回転バネ定数を一定とし、該基板間の相対的な位置関係を維持させる変位に等方性を持たせることが望ましい。
【０００７】
さらに詳しくは、ゴムブッシュ等の衝撃吸収機構による低剛性弾性変位が、下部基板からの反力と上部基板からのロボットの自重を含む荷重とを吸収するべく垂直方向（ヨー軸方向）に関する低剛性弾性変位を許容しつつ、該垂直方向に対し直交する軸方向に関して高剛性を持つことで、下部基板と上部基板の歩行制御に不適切な軸方向への変位（ズレ）を規制する構造とすることが望ましい。
【０００８】
しかしながら、可動脚を具える歩行ロボットにおいては、下部基板が、傾斜や不整地状態の地面等に接地すると、衝撃吸収機構を構成するゴムブッシュ等の弾性部材が各軸方向に関して変位量にバラツキのある不均一な弾性変位を起こしてしまうため、該弾性変位に係る回転バネ定数は一定とはならず、該基板間の相対的な位置関係を維持させる変位に等方性を得ることができない。
【０００９】
また、可動脚を具える歩行ロボット、特に二足歩行ロボットの歩行時においては、遊脚（接地していない移動中の脚）の振り出しにより、支持脚（接地状態にあり、自重を含む荷重を支持している脚）にヨー軸周りのトルク（回転モーメント）が発生するため、支持脚を回転中心としたヨー軸周りの大きなスピン力が働くことになり、衝撃吸収機構を構成するゴムブッシュ等の弾性部材においては、主にヨー軸周りに捩れによる弾性変位を起こしてしまうとともに、該ヨー軸方向に直交するロール軸周り（前後方向軸周り）やピッチ軸周り（左右方向軸周り）に関しても変位量にバラツキのある不均一な弾性変位を起こしてしまうことになるため、該基板間の相対的な位置関係を維持させる変位に等方性を得ることができず、歩行制御を複雑化させていた。
【００１０】
このような変位量にバラツキを持った弾性部材の不均一な弾性変位を規制して足裏に相当する下部基板と上部基板との間の相対的な変位に等方性を持たせるためには、従来は、該弾性部材のヨー軸方向への弾性変位を許容しつつ、該ヨー軸方向に対し直交する軸方向に関して高剛性を持つプレート等の剛性部材を用いたガイド機構を具えることが不可欠であり、これによって下部基板と上部基板との間の、歩行制御に不適切な軸方向への変位（ズレ）を規制していた（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−０３３９４１号公報（段落番号〔００２９〕、図１）
【００１２】
しかしながら、このように剛性部材を用いたガイド機構を取付けると、足部機構の重量の増加につながり、歩行ロボットの可動脚において抑えるべき慣性モーメントを増加させてしまうことになるとともに、該剛性部材と弾性部材との接触により摩擦抵抗を発生させ、この摩擦抵抗が歩行制御に対し外乱となって作用してしまう、という問題があった。
【００１３】
また、剛性部材を用いたガイド機構の設置付加によって足部機構が複雑化してしまい、歩行姿勢の状態よっては、ゴムブッシュ等の弾性部材の変位に伴って、該剛性部材が六軸力センサに対し物理的に干渉してその力センサを破損させてしまうという問題もあった。
【００１４】
さらに、上記コンプライアンス制御において、六軸力センサは主に地面等との接触による下部基板からの反力を計測しているが、このとき、下部基板と地面等との接触衝撃を吸収する例えばゴムブッシュ等の衝撃吸収機構は、該接触衝撃を吸収するので、六軸力センサ等のセンサ機器および脚部リンク機構を含むロボットの関節構造を保護するには好適だが、その性質である低剛性弾性変位によって振動が発生することになって、その振動減衰期間中振動が残存してしまうため、六軸力センサに対し不適切な振動を与えてしまうことになり、結果的に、この振動が歩行制御に対し外乱となって作用してしまうという問題もあった。
【００１５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記課題を有利に解決した機構を提供することを目的とするものであり、この発明の歩行ロボットの衝撃吸収機構は、複数本の可動脚を具える歩行ロボットの前記各可動脚の先端の足部に設けられた衝撃吸収機構において、前記可動脚の足部関節に結合された上部基板と、前記上部基板の下側にてその上部基板に対向する下部基板と、前記上部基板と前記下部基板との間に、前記上部基板に対し垂直方向に延在する所定軸線の周囲にて周方向に互いに等間隔に配設されて、各々前記上部基板に対する前記下部基板の弾性的変位を前記所定軸線の延在方向に関しては許容する一方前記所定軸線に対し直交する方向に関しては抑制しつつ、前記上部基板と前記下部基板とを弾性的に結合する、弾性に関し異方性を持った少なくとも３つの弾性部材と、を具えることを特徴としている。
【００１６】
かかる構成により、足部に係る各軸方向の力成分及びその軸周りのモーメントの偏差を一定に保つことができ、具体的には、足部における、足裏に相当する下部基板と上部基板との間に配置された弾性部材にとり、これらの基板間の相対的な変位に係る回転バネ定数を一定としつつ、これらの基板間の相対的な位置関係を維持させる変位に等方性を持たせることができるので、歩行制御に係るＣＰＵの演算を簡略化することができる。
【００１７】
ここで、上部基板に対し垂直方向に延在する所定軸線（ヨー軸）周りの回転のみを規制するのであれば、下部基板と上部基板との間に２つの弾性部材を配置すれば足りるが、弾性部材を２つとした場合には、上記所定軸線（ヨー軸）に直交するとともに互いに直交する二本の軸線（ロール軸、ピッチ軸）のうち一方の軸線周りの回転を規制し得ない。これに対し本発明では、所定軸線（ヨー軸）の周囲にて周方向に互いに等間隔に少なくとも３つの弾性部材を配置したので、上部基板に対する下部基板の上記所定軸線（ヨー軸）の延在方向の弾性的変位は許容しつつ、上部基板に対する下部基板の上記所定軸線（ヨー軸）に直交する軸線周りの回転を、その所定軸線（ヨー軸）に直交するとともに互いに直交する二本の軸線（ロール軸およびピッチ軸）に対して同等に規制することができる。
【００１８】
また、従来の足部の下部基板と上部基板との間の衝撃吸収機構に不可欠であったプレート等の剛性部材を用いたガイド機構を用いず、弾性部材のみの構成とすることができるため、非常に簡易な構成によって歩行制御に好適な衝撃吸収機構を実現することができ、これにより、剛性部材の物理的な干渉による摩擦抵抗による外乱や六軸力センサの破損等を防ぐことができる。
【００１９】
さらに、剛性部材を用いたガイド機構を必要としないので足部の重量が軽減されることになり、可動脚の振り出しにかかる慣性モーメントを低減することができるため、可動脚の各関節にかかる負荷を低減し得て、歩行ロボットの歩行速度の向上や迅速な姿勢維持／回復等をもたらすことができる。
【００２０】
なお、この発明の歩行ロボットの衝撃吸収機構においては、前記上部基板と前記下部基板との間に、前記所定軸線の周囲にて周方向に互いに等間隔に配設されて、前記上部基板に対する前記下部基板の振動を減衰させる、少なくとも３つの高減衰部材を具えていても良く、このようにすれば、足部の衝撃吸収機構に起因する振動を短期間で効果的に減衰することができるので、歩行制御に不適切な振動を抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の歩行ロボットの衝撃吸収機構の一実施例を透視状態で、ロボットの他の部分とともに示す斜視図、図２は、その実施例の衝撃吸収機構を具える足部を、ロボットの可動脚および足部関節とともに示す分解斜視図、図３（ａ），（ｂ）は、上記実施例の衝撃吸収機構を示す平面図および側面図、図４は、図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図６は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図７は、上記実施例の衝撃吸収機構の作動状況を示す説明図である。
【００２２】
図中符号１は二足歩行ロボット、２はそのロボットの可動脚、３はその可動脚２の脛部、４はその脛部の先端（下端）に設けられた足部関節、５はその足部関節４に結合されてその足部関節４の作動により脛部３に対しヨー軸ＹＡ、ロール軸ＲＡおよびピッチ軸ＰＡ周りにそれぞれ回動される足部を示し、４ａ〜４ｃはその足部関節４のカバーである。ここにおける足部５は、足部関節４に結合された上部基板５ａと、上部基板５ａの下側にてその上部基板５ａに対向する下部基板５ｂと、上部カバー５ｃと、下部カバー５ｄとを具えており、上記ヨー軸ＹＡは、上部基板５ａの中心を通って上部基板５ａに垂直に延在し、上記ロール軸ＲＡおよびピッチ軸ＰＡは、ヨー軸ＹＡに直交して可動脚２の前後方向および左右方向へそれぞれ延在している。
【００２３】
かかる足部５に設けられたこの実施例の衝撃吸収機構は、上部基板５ａおよび下部基板５ｂに加えて、それら上部基板５ａと下部基板５ｂとの間に、上部基板５ａに対し垂直方向に延在するヨー軸ＹＡの周囲にて周方向に１２０度ずつ離間して互いに等間隔に配設されて、各々上部基板５ａに対する下部基板５ｂの弾性的変位をヨー軸ＹＡの延在方向に関しては許容する一方そのヨー軸ＹＡに対し直交する上記ロール軸ＲＡおよびピッチ軸ＰＡの延在方向に関しては抑制しつつ、上部基板５ａと下部基板５ｂとを弾性的に結合する、弾性に関し異方性を持った３つの弾性部材６（例えば、ＮＯＫ株式会社の製品名「ウルトラブッシュ」）を具えている。
【００２４】
３つの弾性部材６は各々、図５に示すように外筒６ａおよび内筒６ｂと、それら外筒６ａおよび内筒６ｂの間に介挿されてそれらに加硫接着されたゴム状弾性体６ｃとを有していわゆるラバーマウント状をなしていて、径方向に硬く、軸方向および捩じり方向には柔らかいものとなっている。ここでは外筒６ａが下部基板５ｂに嵌着固定されるとともに、内筒６ｂが上部基板５ａにボルト固定されている。
【００２５】
さらにこの実施例の衝撃吸収機構は、図６に示すように、上部基板５ａと下部基板５ｂとの間に、ヨー軸ＹＡの周囲にて周方向に互いに１２０度ずつ離間して等間隔に配設されて弾性部材６と隣り合い、上部基板５ａに対する下部基板５ｂの振動を減衰させる３つの高減衰部材７（例えば、ＮＯＫ株式会社の製品名「ハイダンピングラバー」）を具えており、３つの高減衰部材７は各々、下方にネジ軸が突出した円盤状の座板７ａと、その座板７ａ上に加硫接着された円柱状のゴム状弾性体７ｂとを有し、この高減衰部材７のゴム状弾性体７ｂは、弾性部材６のゴム状弾性体６ｃよりも低い弾性率と高い粘弾性とを持っており、ここでは座板７ａが下部基板５ｂに螺着固定されるとともに、ゴム状弾性体７ｂが上部基板５ａにボルト固定されている。
【００２６】
この実施例の衝撃吸収機構によれば、足部５に係るヨー軸ＹＡ、ロール軸ＲＡおよびピッチ軸ＰＡの各軸の延在方向の力成分及びそれら軸周りのモーメントの偏差を一定に保つことができ、具体的には、足部５における、足裏に相当する下部基板５ｂと上部基板５ａとの間に配置された弾性部材６により、これらの基板間５ａ，５ｂの相対的な変位に係る回転バネ定数を一定としつつ、これらの基板間５ａ，５ｂの相対的な位置関係を維持させる変位に等方性を持たせることができるので、歩行制御に係るＣＰＵの演算を簡略化することができる。
【００２７】
すなわち、この実施例では、ヨー軸ＹＡの周囲にて周方向に互いに等間隔に３つの弾性部材６を配置したので、上部基板５ａに対する下部基板５ｂのヨー軸ＹＡの延在方向の弾性的変位は許容しつつ、上部基板５ａに対する下部基板５ｂのヨー軸ＹＡに直交する軸線周りの回転を、そのヨー軸ＹＡに直交するとともに互いに直交するロール軸ＲＡおよびピッチ軸ＰＡに対して同等に規制することができる。
【００２８】
また、従来の足部の下部基板と上部基板との間の衝撃吸収機構に不可欠であったプレート等の剛性部材を用いたガイド機構を用いず、弾性部材６および高減衰部材７のみの構成とすることができるため、非常に簡易な構成によって歩行制御に好適な衝撃吸収機構を実現することができ、これにより、剛性部材の物理的な干渉による摩擦抵抗による外乱や六軸力センサの破損等を防ぐことができる。
【００２９】
さらに、剛性部材を用いたガイド機構を必要としないので足部５の重量が軽減されることになり、可動脚２の振り出しにかかる慣性モーメントを低減することができるため、可動脚２の各関節にかかる負荷を低減し得て、歩行ロボット１の歩行速度の向上や迅速な姿勢維持／回復等をもたらすことができる。
【００３０】
さらに、上部基板５ａと下部基板５ｂとの間に、ヨー軸ＹＡの周囲にて周方向に互いに等間隔に配設されて上部基板５ａに対する下部基板５ｂの振動を減衰させる３つの高減衰部材７を具えているため、足部５の衝撃吸収機構に起因する振動を短期間で効果的に減衰することができるので、歩行制御に不適切な振動を抑えることができる。
【００３１】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、特許請求の範囲の記載の範囲内で、弾性部材６や高減衰部材７の構成や数を変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の歩行ロボットの衝撃吸収機構の一実施例を透視状態で、ロボットの他の部分とともに示す斜視図である。
【図２】上記実施例の衝撃吸収機構を具える足部を、ロボットの可動脚および足部関節とともに示す分解斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、上記実施例の衝撃吸収機構を示す平面図および側面図である。
【図４】図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図６】図３（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図７】上記実施例の衝撃吸収機構の作動状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１　二足歩行ロボット
２　可動脚
３　脛部
４　足部関節
５　足部
５ａ　上部基板
５ｂ　下部基板
６　弾性部材
７　高減衰部材
ＹＡ　ヨー軸
ＲＡ　ロール軸
ＰＡ　ピッチ軸
【図１】
2004106077.tif 000003
【図２】
2004106077.tif 000004
【図３】
2004106077.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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