(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、
前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段と、
前記上体部が前記足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタと、
前記上体部が前記指関節部周りに前記足先部から離れる方向に回転した際に、前記上体部に対し前記足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段と、
を備えることを特徴とする歩行ロボットの足機構。
【請求項２】
上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、
前記足先部に設けられ、前記指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出するセンサ手段と、
前記上体部が前記足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタと、
前記上体部が前記指関節部周りに前記足先部から離れる方向に回転した際に、前記上体部に対し前記足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段と、
を備えることを特徴とする歩行ロボットの足機構。
【請求項３】
踵接地センサを有する請求項１又は２記載の足機構を備えた歩行ロボットの歩行を制御する歩行制御方法において、
前記踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、
踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、
踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程と、
を有することを特徴とする歩行制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多関節で構成された脚を有する歩行ロボットの足機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歩行ロボットの足機構において、歩行安定性と接地面の柔軟性を確保する試みを行ったものとして、例えば、特許第２８２６８５８号公報、特開２０００−１７６８６６号公報に記載されたものを挙げることができる。
【０００３】
上記特許第２８２６８５８号公報には、6軸力トルクセンサと緩衝材を組み合わせ、かつ足底のエッジ部を曲面にした足底としたものが開示されている。
【０００４】
この従来例の場合、緩衝材料の物性で決定される柔軟性であるために材料種別による選択自由度の制限があるとともに、足底のエッジ部の曲面を形成するための成形型等が必要で製造費用も高価であった。また、足底を床面に倣わすには、力センサを使ったコンプライアンス制御が必要であり、その応答帯域の制約から高速の歩行が困難となっていた。さらに、足底の接地反力センサとして6軸力トルクセンサを搭載する場合は、低価格化、軽量化が困難であった。
【０００５】
上記特開２０００−１７６８６６号公報には、足先端の接地部に回転自在自由度を持たせバネまたはバネ、ダンパを組み合わせ、接地部に接地検出センサを設けた足底としたものが開示されている。
【０００６】
この従来例の場合、機械的リミッタが無いために、柔軟なバネ剛性に設定すると、常に足底が柔軟になってしまい、2脚のロボットに適用した場合、静的な立脚状態の保持が困難であった。また、接地センサしか具備していないため、接地位置の判定は可能であったが、その力を検出することができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来例の問題点に鑑み、本発明者は、2足（脚）歩行ロボットで人間に近いエネルギーロスが少なく、ストライドの大きな自然な歩行では、歩行時に踵にあたる部位を浮かせた時期が発生する歩容となることに注目した。一方、静的に立脚する場合には、足底の接地面積が広くなるように踵を接地し、足底接地面内に静的な荷重を懸けると微細な上体部のバランス制御なしに安定な立脚が確保できる。人間は、これを実現するために、足首の関節のほかに、足の指の根元にも回転自由度（足指関節の回転自由度）を有しており、歩行時途中で踵を浮かせ足の指から先を接地させて支持している。
【０００８】
この足指関節の自由度がない足機構の場合は、図４に示すようにベタ足で小さなストライドで歩行することを余儀なくされる。仮に、無理に踵を浮かした歩容をすると、図５のように接地面の小さな指先端のみで支持するため、足先端の材料に大きな応力が発生するため強度が必要であるとともに、接触面積が小さいために接地面のスベリを抑制するのが困難であった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、大きなストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を迅速かつ柔軟に行わせること実現する歩行ロボットの足機構を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の他の目的は、大きなストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を実現する足機構を備えた歩行ロボットに対し迅速かつ容易な歩行制御を実現する歩行制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の歩行ロボットの足機構は、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段と、前記上体部が前記足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタと、前記上体部が前記指関節部周りに前記足先部から離れる方向に回転した際に、前記上体部に対し前記足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段と  を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の歩行ロボットの足機構は、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、  前記足先部に設けられ、前記指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出するセンサ手段と、前記上体部が前記足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタと、前記上体部が前記指関節部周りに前記足先部から離れる方向に回転した際に、前記上体部に対し前記足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明の歩行制御方法は、踵接地センサを有する上記の足機構を備えた歩行ロボットの歩行を制御する歩行制御方法であって、前記踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１７】
本発明の一実施例に係る歩行ロボットの足機構は、人間の足の指関節の機能を模擬した指関節部１０を備える柔軟足機構であり、図６のような歩容を実現できる。すなわち、受動回転自由度を有する指関節部１０を備えるため、踵を浮かせた状態で大きなストライドの広域接地の歩容が可能となる。
【００１８】
まず、本発明の歩行ロボットの足機構の基本原理について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
【００１９】
一般に、２足歩行ロボットの足首は足底を左右傾斜する自由度と前後に傾斜する自由度を有しているが、図１では本発明の基本原理を説明する都合上、膝にあたる回転軸と平行で足底を前後に傾斜させる自由度を有する足首関節部１２のみを記載している。
【００２０】
この足首関節部１２は、アクチュエータでその角度や速度を能動的に制御できるのが一般的である。本発明の足機構では、この足首関節部１２の能動回転自由度の他に、足指回転自由度を模擬した指関節部１０を追加した。指関節部１０は受動的に回転自在な自由度であり、外力負荷によって回転駆動される。
【００２１】
図１において、（Ａ）は指関節部１０周りの回転角が下限位置である状態を示し、（Ｂ）は指関節部１０が回転自在の状態を示す。
【００２２】
ここでは、図1に示すように指関節部１０より足底側に連結した部位を足先部４と呼び、その反対側部位を上体部２と呼ぶことにする。
【００２３】
本発明の歩行ロボットの足機構において、指関節部１０は、足首関節部１２と平行で、足底面４ａから上体部２側にオフセットした位置に設けている。すなわち、指関節部１０は、上体部２に対し足先部４を足底面４ａからオフセットした位置で受動的に回転自在に連結している。
【００２４】
この指関節部１０が常に回転自在であると、単に静止立脚したい場合でも、上体部２の姿勢安定のために常に足を前後に踏み出すなどの動的な姿勢制御をかけなければならず、計算機パワーやアクチュエータの電力を浪費する。そこで、本発明の足機構には、図１のように、指関節部１０の回転自由度に機械的リミッタ１４を設けて、足先部４に対し上体部２が指関節部１０周りに回転する回転角が下限値以上となるようにしている。
【００２５】
図２は、本発明の足機構の上体部が静止安定状態にある場合に、足先部の接地面におけるゼロモーメントポイントＺＭＰの位置を検出する方法を示す。
【００２６】
単に静止立脚する場合は、図2に示すように，上体部４から足先部２に作用する力Ｆのベクトル（上体部４の質量重心にかかる自重によって決定される）が、足先部４の足底面における指関節部１０の下端位置から足底面の踵エッジ点Bの範囲に入っている間は、足首関節部１２の角度を同じに保持しているだけで上体部２は静的に安定な状態を保つことが可能である。よって、静止立脚時の計算機パワーやアクチュエータの電力を削減できる。
【００２７】
ここで、図２（Ｂ）の静止安定状態では、Ｆは足先部４の足底面にかかる上体部２からの力を示し、Ｆ１、Ｆ２はエッジ点Ａ、Ｂにそれぞれ働く垂直抗力成分を示す。力のつりあいが成立するので、Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２である。
【００２８】
また、Ｌ１、Ｌはそれぞれ、足先部４の足底面におけるエッジ点Ａから、質量重心、エッジ点Ｂまでの距離を示すものとすると、エッジ点A周りのモーメントのつりあいも成立するので、ＦｘＬ１＝Ｆ２ｘＬである。ここで、垂直抗力成分Ｆ１、Ｆ２は単軸力センサ（後述する）で検出され、Ｌは既知であるので、上の２式から、エッジ点Ａから質量重心までの距離Ｌ１を求めることができる。
【００２９】
図３は、本発明の足機構の上体部２が指関節部１０で回転自在状態にある場合に、足先部の接地面におけるゼロモーメントポイントＺＭＰの位置を検出する方法を示す。
【００３０】
上体部２に可動部（図示せず）があり慣性力が発生する場合や、上体部２に外力が懸かる場合は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、これらの力ベクトルと自重ベクトルのモーメント和が、
（１）指関節部１０の周りに右回り（上体部２が踵を押し付ける方向）
（２）エッジ点A（つま先）を支点として右回り
（３）エッジ点Ｂ（踵）を支点として左回り
となっていれば、踵は足先部４に接地した状態で上体部２は安定となる。
【００３１】
一方、2足歩行ロボットで前進の動歩行を実現するには、上体部２を前に転倒させる時期が必要である。本発明の足機構では、この上体部２の転倒を指関節部１０を用いて行う。この上体部２の転倒は、指関節部１０が受動回転自由度を有するであるため、足先部４を安定に面接地したまま、滑らかに実現できる。転倒が滑らかであることは、足底に発生する反力も滑らかな変化となるため、上体部２の姿勢制御も容易となる。
【００３２】
上体部２を指関節部１０の周りに転倒させる条件は、上述した上体部２の慣性力、上体部２に作用する外力、自重のベクトルのモーメントが、指関節部１０の周りに右回り（上体部２が踵を押し付ける方向）となる。また、その際に、図３（A）に示したように、指関節部１０が回転自在であることから、指関節部１０を介して足先部４に伝わる力にはトルク成分が含まれず、指関節部１０を始点とした力ベクトルFとなる。
【００３３】
よって、足先部４が安定に面接地する条件は、力ベクトルFの足底面におけるゼロモーメントポイント（ＺＭＰ）の位置が、つま先エッジ点Aから踵エッジ点Bの範囲に入っていることである。上体部２の姿勢制御は、倒立振り子の制御で明らかなように、指関節部１０から上体部２に作用する反力ベルトルFを適切に与えることで可能となる。なお、一般に上体部２の重力場との相対姿勢（鉛直からの傾斜角度）や、上体部２の運動状態（角速度、加速度など）は、制御したい上体部２に搭載した姿勢センサで検出される。
【００３４】
足底が接地面でスベリを生じない場合で、全ての運動部の質量特性と運動状態が明らかな場合は、例えば、足首関節部１２をどのように駆動すると、指関節部１０にどのような力Fが作用するかを計算機内のシミュレーションで求めることができる。しかしながら、接地面のスベリ発生原理は、足底だけでなく、床側の摩擦条件も因子に含まれるため、実際に指関節部１０に発生しているFを検出することが望ましい。
【００３５】
本発明者の先願である特開２０００−２５４８８８号公報（特願平１１−６３９１０）で知られるように、足底に垂直抗力のみを検出できる単軸力センサを最低3個以上配置すれば、足底平面上の垂直抗力成分の総和と、そのゼロモーメントポイント（ＺＭＰ）の位置を足底平面内で2次元的に検出できる。
【００３６】
簡単に説明するために、足底の左右方向次元をなくし、横から見た足底で図３（Ｂ）のようにＸ−Ｚの方向を定義する。Ｘ方向のみのゼロモーメントポイント（ＺＭＰ）の位置を検出するのであれば、単軸力センサは最低2個あれば良く、前記した特開２０００−２５４８８８号公報に開示された力センサを本発明の足機構の足先部４のエッジ点Ａ、Ｂの位置に単軸力センサ２０を設けることによって、これら単軸力センサ２０の検出値F１、Ｆ２から、図３（Ｂ）のX方向のゼロモーメントポイントＺＭＰの位置Ｌ１と、垂直抗力の総和と等価なＦｚ（＝Ｆ１＋Ｆ２）とを検出することができる。
【００３７】
また、ゼロモーメントポイントＺＭＰの位置Ｌ１が分かれば、力ベクトルＦの開始点が指関節部１０に位置することと、足先部４の設計寸法Ｌｔ（エッジ点Ａから指関節部１０の下端位置までの距離）とＨ（足底面から指関節部１０の中心までの高さ）から、指関節部１０にかかる力ベクトルFの作用方向θを以下の式で算出できる。
【００３８】
θ＝ａｒｃｔａｎ（（L１−Ｌｔ）／Ｈ）
また、力ベクトルFの大きさは、このθとＦｚ（垂直抗力の総和）から以下の式で算出できる。
【００３９】
Ｆ＝Ｆｚ／ｃｏｓθ
よって、本発明の足機構と前記した特開２０００−２５４８８８号公報に開示された力センサを組み合わせることで、上体部２に作用する力Ｆを検出することが可能となる。言い換えれば、Ｆを検出して目標値に近づくよう制御することで上体部２の姿勢を制御可能となる。
【００４０】
また、図１のように足先部４の形状をつま先から踵まで伸ばした効果としては、静止立脚時などの機械的リミッタ１４が接触している場合も、機械的リミッタ１４が接触作用してない場合も、前記特開２０００−２５４８８８号公報に示された足底センサを用いて垂直抗力を広範囲に測定することが可能になる点が挙げられる。
【００４１】
次に、図１９は、本発明の第１の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す。
【００４２】
図１９に示したように、第１実施例の足機構には、足首関節部１２、指関節部１０、この指関節部１０に設けられた１方向ロータリダンパ２２とポテンショメータ２４、上体部と足先部の間に設けられたと機械的リミッタ１４とバネ１６、足先部に設けられたマイクロスイッチ１８と複数の単軸力センサ２０が装備されている。以下、図７乃至図１３を参照しながら、本実施例の足機構の各要素の構成、作用について説明する。
【００４３】
図７は、本発明に係る歩行ロボットの足機構が、図１に示した様に復帰手段を有しない場合の歩行状態を示す。図８は、本実施例の足機構における復帰手段の構成、作用を説明する図である。図７、図８において、（Ａ）は支持脚期間の足機構の状態を示し、（Ｂ）は遊脚期間の足機構の状態を示す。
【００４４】
図１に示した例では、受動回転自由度を有する指関節部１０は完全に自由に回転できるため、脚を浮かせるべき遊脚期において踵側が垂れ下がる。このため、遊脚の床面からの退避高さが小さいと、図７のように踵を引きずってしまう恐れがある。このような現象は歩容を見栄えの悪いものにするとともに、引きずる際の摩擦がロボットの姿勢制御からみれば外乱として働き好ましくない。
【００４５】
そこで、本実施例の足機構には、図８のように、足先部４と上体部２の間で、例えばコイルバネのようなもので、機械的リミッタ１４の下限位置の方向に足先部４を引き戻そうとする力を発生する機能を有する復帰手段１６を装備している。無論、このコイルバネに代えて、トーションバネやマグネット等を復帰手段１６として用いてもよい。
【００４６】
復帰手段１６の復帰力は、上体部２に比較して極めて軽い足先部４のみを、遊脚期間でひきつけることができる程度の小さな力でよい。よって、バネで復帰手段１６を構成したとしても小さなもので構成できる。この復帰力が小さいということは、足底を設置した際に、このバネから指関節部１０の周りに作用するトルクが小さいことになり、慣性や質量が足先部４に対して十分に大きな上体部２をもつ歩行ロボットの場合は、復帰手段１６の復帰力により生じるトルク成分が上体部２の姿勢制御に大きく影響することはない。
【００４７】
図９は、本発明に係る歩行ロボットの足機構がダンパ手段を有しない場合の遊脚開始期の歩行状態を示す。図１０は、本実施例の足機構におけるダンパ手段を示す。図１０において、（Ａ）は本実施例の足機構においてダンパ手段を設けた指関節部の平面図を示し、（Ｂ）は前記指関節部の正面図を示す。
【００４８】
図９に示したように、本発明に係る歩行ロボットの足機構が復帰手段１６を有する場合、支持脚から遊脚に推移する遊脚開始期に、足先部４の復帰の速度が速いとつま先が下がり、足底の前方先端を接地面に引っ掛け、遊脚の振り出し動作に支障をきたす場合がある。これを避けるには、支持脚から遊脚に推移し、足先の軌道を接地面から十分に離反してから遊脚として振り出しを行わなければならない。これは遊脚の振り出しとして与えられる時間が短くなり、より高速の遊脚振り出し動作が必要となることや、その離反動作そのものでエネルギ損失が大きくなる。
【００４９】
そこで、上述の問題を解決するため、本実施例の足機構においては、復帰手段１６の復帰力により機械リミッタ１４の下限位置方向に足先部４が復帰する際に、遊脚に推移したあと、再度支持脚になるまで復帰するようなダンピング力を上体部２に作用するダンパ手段２２を設けている。このようなダンパ手段２２の例としては、図１０に示したように、１方向のロータリダンパ等がある。
【００５０】
図１１は、本実施例の足機構における下限位置検出手段１８を示す。
【００５１】
本実施例の足機構は、受動回転自由度を有する指関節部１０が機械的リミッタ１４の下限位置に位置していることを検出する下限位置検出手段１８を装備している。このような下限位置検出手段１８の例としては、図１１に示したように、マイクロスイッチ等がある。このようなマイクロスイッチ１８を搭載することで、機械的リミッタ１４が足底に作用しない図３の回転自在状態に推移したことが正確に判別できる。これにより、上体の姿勢を制御するために必要な図３の力ベクトルFの制御を適切なタイミングで開始できる。
【００５２】
図１２は、本実施例の足機構における回転角度検出手段２４を示す。図１２において、（Ａ）は本実施例の足機構においてダンパ手段２２と同軸に回転角度検出手段２４を設けた指関節部の平面図を示し、（Ｂ）は前記指関節部の正面図を示す。
【００５３】
本実施例の足機構において、上体部２に搭載した角速度センサ（ジャイロ等）や加速度センサの出力を積分して傾斜角を求める姿勢センサでは、積分誤差や温度ドリフトが問題となる。足先部４が接地する床面の傾斜が既知の場合、機械的リミッタ１４に接触してない状況では、足先部４の接地面が保証できるので指関節部１０の回転角度を検出する回転角度検出手段２２を装備することにより、床面に対する上体部の傾斜角度を算出することが可能となり、姿勢センサによる傾斜計算は不要となる。このような回転角度検出手段２２の例としては、図１２に示したポテンショメータや、レゾルバ、パルスエンコーダ等がある。
【００５４】
また、回転角度検出手段２２の検出値から算出した上体部２の傾斜角度データにより、姿勢センサによる傾斜角データのキャリブレーションをすることが可能となる。また、図１１に示したマイクロスイッチ１８を、基準ゼロ点のセンサとして利用することで、2相のインクリメンタルエンコーダも、指関節部１０の絶対角度センサとして用いることができる。さらに、指関節部１０の回転角度や角速度を検出できることから、図１０に示したダンパ手段２２や図８に示した復帰手段１６により発生する指関節部１０におけるトルク成分を推定することが可能となり、精密な上体部２の姿勢制御が可能となるとともに、バネ、ダンパの特性を調整し、この復帰力を上体部２の転倒速度抑制力として用いることができる。
【００５５】
図１３は、本実施例の足機構に、上述した単軸力センサ２０の代わりに、力トルクセンサ２８を設けた例を示す。図１３において、（Ａ）は力トルクセンサ２８を上体部２の足首位置に設けた例を示し、（Ｂ）は力トルクセンサ２８を足先部４に設けた例を示す。
本実施例の足機構において、図２、図３に示した単軸力センサ２０の代わりに、図１３に示すように、足先部４の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントＺＭＰの接地面における位置を検出するセンサ手段として、力トルクセンサ２８を装備することも可能である。
図１３に示した例の場合、力トルクセンサ２８は市販品として入手でき、モジュール品として組み込むことが可能であり、交換が容易となる。また、６軸の力トルクの検出センサも市販されていることから、Z方向のトルクなどの検出も容易となり、歩行ロボットにおける上体の姿勢制御が、図２、図３に示した単軸力センサ２０の場合に較べてより高度にできる。
【００５６】
次に、図２０は本発明の第２の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す。図２０に示したように、第２実施例の足機構には、足首関節部１２、指関節部１０、この指関節部１０に設けられた１方向ロータリダンパ２２とポテンショメータ２４、上体部と足先部の間に設けられたと機械的リミッタ１４とバネ１６、上体部の踵位置に設けられた２６と単軸力センサ２０、足先部に設けられたマイクロスイッチ１８と複数の単軸力センサ２０が装備されている。
【００５７】
以下、図１４乃至図１６を参照しながら、本実施例の足機構の各要素の構成、作用について説明する。なお、図１９に示した前述の実施例の要素に相当する要素については、同一の参照符号を用い、その説明を省略する。
前述の実施例の足機構で説明した足先部は、つま先から踵までの一体であるため、図６に示したように、踵を浮かせた場合でも足先から踵までベタ足のように見られる歩容となり、人間に比較して見栄えの良くないものである。また、足先部が、指関節部１０に対してアンバランスで、かつ重いため、上体部に対し足先部を復帰させる力を発生する復帰手段(バネ等)も大きなものが必要となる。
【００５８】
そこで、図１４のように踵と足先部を分離した構成にすることで、上記問題は解決できる。すなわち、第２実施例の足機構においては、足先部４と分離させた踵部６を、足先部４と共に接地面を形成するように上体部２の下面に設ける。指関節部１０や機械的リミッタ１４は、前述の第１実施例のものと同様に実現される。さらに、本実施例の足機構における足先部４の復帰方法やダンピングなども、前述の第１実施例と同じ方法で実現できる。
【００５９】
図１５は、図１４に示した実施例の足機構の柔軟保持機構３０を示す。図１５に示したように、上体部２と足先部４の間に柔軟保持機構３０がバネ等で構成され、この柔軟保持機構３０は、上体部２が指関節部１０の周りに足先部４から離れる方向に回転した際に、上体部２に対し足先部４を機械的リミッタ１４の下限位置方向に復帰させようとする力を発生する。
【００６０】
また、図２０に示したように、第２実施例の足機構の場合、踵部６を接地した場合においても、床面からの反力を正確に検出するために、足先部４の垂直抗力成分を検出する単軸力センサ２０を設けると共に、踵部６にスペーサ２６を介して単軸力センサ２０を設けることも可能である。前者の単軸力センサ２０によって、つま先側の垂直抗力成分を検出し、後者の単軸力センサ２０によって、踵の接地面側の垂直抗力成分を検出することができる。
【００６１】
さらに、図示しないが、足先部と踵を分離したこの第２実施例の足機構の場合、前述の第１実施例と同様な方法で、力トルクセンサ２８を設けることによって、力トルク検出を行なわせることも無論可能である。
【００６２】
図１６は、図１４に示した第２実施例の足機構の指関節部に、ボールポイントなどの２自由度を有する指関節部１０ａを適用した例を示す。また、これに対応させて、２自由度を有する足首関節部１２ａを適用している。図１６に示したように、この指関節部１０ａは、足先部４が鉛直方向に回転する受動回転自由度と、足先部４が左右方向に傾斜する自由度とを有し、足先部４が左右方向の傾斜に対しても安定に倣う自由度を持たせている。
【００６３】
足先部４の復帰機構の例として、図１６に示した例では、バネ３０を上体部２と足先部４の間に配置している。前後方向傾斜に対する足先部４の復帰トルクはバネの強さと作用長さａで決定し、左右方向傾斜の足先部４の復帰トルクはバネの強さと作用長さｃ、ｂで決定する。これらの作用長さａ、ｂ、ｃを調整することで、独立に足先部の復帰トルクを簡易に設計することが可能である。
【００６４】
同様に、図１７は、図１に示した第１実施例の足機構の指関節部に、ボールポイントなどの２自由度を有する指関節部１０ａを適用した例を示す。この例の場合も、足先部４の復帰機構の例として、バネ３０を上体部２と足先部４の間に配置している。その作用や構成は、図１６に示した復帰機構と同様である。
【００６５】
次に、図１８は、本発明の足機構を備える歩行ロボットの２足歩行支持脚の歩行制御処理を説明するフロー図である。
【００６６】
本発明の足機構の歩行制御処理において、足首関節部１２を使って、歩行ロボットの姿勢を制御できることの利点としては、人間のような関節構成であるとすれば、足首関節部１２と指関節部１０の間のリンク長さは、膝や大腿部のリンク長さに比較してはるかに短いため、足首関節部１２による姿勢制御が歩幅（ストライド）に大きく影響しない点が挙げられる。これにより、様々なストライドの歩行制御が容易となる。
【００６７】
また、本発明の足機構によれば、歩行ロボットの支持脚の接地点から腰までのリンク長さを長くすることができ、遊脚を振り出す際に、遊脚の足先が床に引っかかってつまずき、上体が転倒する危険を低減できる。よって、歩行中、足底を床面に倣わせるために常に足首関節部１２をコンプライアンス制御するよりは、倣い動作をある期間は指関節部１０の受動回転自由度で実現し、その期間は、足首関節部１２を上体部の姿勢制御に用いるほうが安定歩行に有利である。
【００６８】
また、コンプライアンス制御の制御帯域の制限で足底面と床面の接地状態が安定確保できなかった歩行速度においても、指関節部１０の受動的な回転軸で確実な足底面との床面の接地状態が実現でき、滑らかな床反力変動が保証されるため指関節部１０の力制御および上体部の動的な姿勢制御が容易となる。
【００６９】
そこで、歩行中、殆どが両脚支持期となる、踵をついた期間は能動駆動できる足首関節部１２でコンプライアンス制御を行って大まかな安定接地を確保し、殆ど踵が浮いた状態で、もっとも不安定となる片足支持期を、指関節部１０の力制御で姿勢を安定にする方法が良い。
【００７０】
図１８に示した歩行制御処理では、踵接地センサを有する本発明の足機構を備えた歩行ロボットの支持脚が踵を着地している場合と、踵が浮いている場合の制御の流れを示した。すなわち、歩行制御処理が開始すると、まず、踵接地センサを用いて支持脚の踵が接地したか否かを判定する（Ｓ１０）。
【００７１】
ステップＳ１０で踵が接地した期間と判定された場合、足首関節部１２に対しコンプライアンス制御を行う（Ｓ１１）。そして、所望の範囲に歩行ロボットの上体の重心を制御することによって、支持脚の足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ（Ｓ１２）。ステップＳ１２を実行した後は、上記ステップＳ１０の判定に戻る。
【００７２】
一方、ステップＳ１０で踵が床から浮いている期間と判定された場合、歩行ロボットの上体の運動を検出する（Ｓ１３）。このとき、指関節部１０の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証される。そして、歩行ロボットの上体の運動修正に必要な指関節部１０の目標反力Ｆを算出する（Ｓ１４）。実際の指関節部１０における反力Ｆを単軸力センサ２０等を用いて検出する（Ｓ１５）。ステップＳ１５で検出した指関節部１０での検出反力Ｆが、ステップＳ１４で算出した目標反力Ｆとなるように、足首関節部１２に対し力制御を行う（Ｓ１６）。これにより、歩行ロボットの上体部の姿勢を制御する。ステップＳ１６を実行した後は、上記ステップＳ１０の判定に戻る。
【００７３】
上述した実施例の足機構の歩行制御処理によれば、踵をついた期間は能動駆動できる足首関節部１２でコンプライアンス制御を行って大まかな安定接地を確保し、殆ど踵が浮いた状態で、もっとも不安定となる片足支持期を、指関節部１０の力制御で姿勢を安定にするので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を実現する足機構を備えた歩行ロボットに対し迅速かつ容易な歩行制御を行わせることが可能である。
【００７４】
（付記１）  上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段と、を備える歩行ロボットの足機構。
【００７５】
（付記２）  前記センサ手段が、足先部に設けられ、前記指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出する複数の単軸力センサからなることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００７６】
（付記３）  上体部が足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタを備えることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００７７】
（付記４）  上体部が前記指関節部周りに足先部から離れる方向に回転した際に、上体部に対し足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段を備えることを特徴とする付記３記載の歩行ロボットの足機構。
【００７８】
（付記５）  前記復帰手段の復帰力により足先部が前記機械的リミッタの下限位置方向に回転した際に、上体部に対しダンピング力を発生するダンパ手段を、前記指関節部に設けたことを特徴とする付記４記載の歩行ロボットの足機構。
【００７９】
（付記６）  足先部に対し上体部が前記機械的リミッタの下限位置に位置していることを検出する下限位置検出手段を備えることを特徴とする付記３記載の歩行ロボットの足機構。
【００８０】
（付記７）  足先部に対し上体部が前記指関節部周りに回転した回転角を検出する回転角度検出手段を、前記指関節部に設けたことを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８１】
（付記８）  前記センサ手段が、前記上体部の足首位置に設けた力トルクセンサからなることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８２】
（付記９）  前記センサ手段が、前記足先部に設けた力トルクセンサからなることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８３】
（付記１０）  前記足先部と分離した踵部を、前記足先部と共に接地面を形成するよう前記上体部の下面に設け、かつ、前記センサ手段が、少なくとも前記足先部及び前記踵部の接地面からの垂直抗力成分をそれぞれ検出する複数の単軸力センサからなることを特徴とする付記１記載のロボットの足機構。
【００８４】
（付記１１）  前記指関節部を２自由度の回転軸として形成し、前記足先部に対する前記上体部の左右方向の傾斜に対し姿勢を安定に保つための柔軟保持機構を備えることを特徴とする付記１記載の歩行ロボットの足機構。
【００８５】
（付記１２）  上体部が足先部に対し前記指関節部周りに回転する回転角が下限値以上となるよう制限する機械的リミッタを備えることを特徴とする付記１０記載の歩行ロボットの足機構。
【００８６】
（付記１３）  上体部が前記指関節部周りに足先部から離れる方向に回転した際に、上体部に対し足先部を前記機械的リミッタの下限位置方向に復帰させようとする力を発生する復帰手段を備えることを特徴とする付記１２記載の歩行ロボットの足機構。
【００８７】
（付記１４）  前記復帰手段の復帰力により足先部が前記機械的リミッタの下限位置方向に回転した際に、上体部に対しダンピング力を発生するダンパ手段を、前記指関節部に設けたことを特徴とする付記１３記載の歩行ロボットの足機構。
【００８８】
（付記１５）  踵接地センサと、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段とを有する足機構を備えた歩行ロボットの歩行を制御する歩行制御方法において、前記踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程とを有する歩行制御方法。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載した発明によれば、歩行ロボットの足機構が、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部の接地面における垂直抗力の総和、及びその垂直抗力のゼロモーメントポイントの接地面における位置を検出するセンサ手段とを備えるので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を迅速かつ柔軟に行わせることが可能である。また、請求項２に記載した発明によれば、歩行ロボットの足機構が、上体部に対し足先部を足底の接地面からオフセットした位置で受動的に回転自在に連結する指関節部と、前記足先部に設けられ、指関節部の回転軸からの距離が互いに異なる少なくとも２箇所でそれぞれ接地面からの垂直抗力成分を検出するセンサ手段とを備えるので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を迅速かつ柔軟に行わせることが可能である。
【００９０】
さらに、請求項５に記載した発明によれば、歩行ロボットの足機構の歩行制御方法が、踵接地センサを用いて支持脚が接地したか否かを判定する工程と、踵が接地した期間では足首関節部に対しコンプライアンス制御することで足底の接地面を床に倣わせて足底の面接触を保つ工程と、踵が床から浮いた時点では、指関節部の受動的回転自由度で足底と床の接地面の倣い動作が保証されるため、指関節部での検出反力が上体部の運動に必要な目標反力となるよう足首関節部に対し力制御することにより上体部の姿勢を制御する工程とを有するので、様々なストライドでエネルギーロスの少ない自然な歩容を実現する足機構を備えた歩行ロボットに対し迅速かつ容易な歩行制御を行わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る足機構の基本原理を説明する図である。
【図２】本発明に係る足機構の基本原理を説明する図である。
【図３】本発明に係る足機構の基本原理を説明する図である。
【図４】従来の足機構で歩行を行わせた状態を示す図である。
【図５】従来の足機構で踵を浮かせた歩行を行わせた状態を示す図である。
【図６】本発明に係る歩行ロボットの足機構で踵を浮かせた歩行を行わせた状態を示す図である。
【図７】本発明に係る歩行ロボットの足機構が復帰手段を有しない場合の歩行状態を説明する図である。
【図８】本発明の一実施例に係る足機構が復帰手段を有する場合の歩行状態を説明する図である。
【図９】本発明に係る歩行ロボットの足機構がダンパ手段を有しない場合の歩行状態を説明する図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る足機構のダンパ手段を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例に係る足機構の下限位置検出手段を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る足機構の回転角度検出手段を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例に係る足機構の力トルクセンサを示す図である。
【図１４】本発明の他の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す図である。
【図１５】図１４に示した実施例の足機構の柔軟保持機構を示す図である。
【図１６】図１４に示した実施例の足機構に２自由度を有する指関節部を適用した例を示す図である。
【図１７】図１に示した実施例の足機構に２自由度を有する指関節部を適用した例を示す図である
【図１８】本発明の足機構を備える歩行ロボットの２足歩行支持脚の歩行制御処理を説明するフロー図である。
【図１９】本発明の第１の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す図である。
【図２０】本発明の第２の実施例に係る歩行ロボットの足機構の構成を示す図である。
【符号の説明】
２  上体部
４  足先部
４ａ  足底
６  踵部
１０  指関節部
１２  足首関節部
１４  機械的リミッタ
１６  バネ
１８  マイクロスイッチ
２０  単軸力センサ
２２  一方向ロータリダンパ
２４  ポテンショメータ
２６  スペーサ
２８  力トルクセンサ
３０  柔軟保持機構
【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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