(57)【要約】【課題】  停止状態および動作中に効果的に平衡を維持できる足部構造およびこれを適用したロボットを提供する。【解決手段】  ロボットの足首関節に固定されて、力センサを設置可能な支持部１１１、およびこの支持部１１１の下部に結合された衝撃を吸収する複数の下部構造（１１２ａないし１１２ｄ）から構成され、この下部構造（１１２ａないし１１２ｄ）は、上部メンバおよび複数の独立部が独立して動作可能に結合された下部メンバから構成される足部構造１１０。そして、この足部構造１１０を適用した脚部を有するロボット。【選択図】      図５Ａ
2005219204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの足首関節に固定される支持部と、
前記支持部の下部に結合され、衝撃を吸収する複数の下部構造とを備え、
前記複数の下部構造は、
前記支持部の下部に結合される上部メンバと、
複数の独立部が独立して動作可能に結合された下部メンバと、
前記上部メンバおよび前記下部メンバを結合する球形ジョイントとを含むこと、
を特徴とするロボットの足部構造。
【請求項２】
前記支持部は、力センサが設置されること、
を特徴とする請求項１に記載のロボットの足部構造。
【請求項３】
前記下部メンバは、
下部カバー部と、
前記下部カバー部に、前記複数の独立部を独立して動作可能に結合する複数のリニアスプリング部とをさらに含むこと、
を特徴とする請求項１に記載のロボットの足部構造。
【請求項４】
前記複数の独立部は、
前記リニアスプリングと結合されるメタル部と、
床と接触するゴム部とを含むこと、
を特徴とする請求項３に記載のロボットの足部構造。
【請求項５】
前記下部メンバは、
前記下部メンバの中央部に配置された四角形の１つの独立部と、前記四角形の独立部の周囲に対称に配置された４つの独立部とを備えること、
を特徴とする請求項４に記載のロボットの足部構造。
【請求項６】
前記上部メンバは、
本体部と、
前記本体部を覆う上部カバー部と、
前記本体部と前記上部カバー部との間に配置されるディスクスプリングとを含むこと、
を特徴とする請求項１に記載のロボットの足部構造。
【請求項７】
前記本体部の下部面および前記ディスクスプリングに、円形の開口部が形成されたこと、
を特徴とする請求項６に記載のロボットの足部構造。
【請求項８】
前記複数の独立部は、前記足部構造が床と接触する面に対して垂直方向に並進自由度を有すること、
を特徴とする請求項６に記載のロボットの足部構造。
【請求項９】
前記足部構造に加えられる公称力（nominal force）が所定の値以内である場合には、次の数式１によって全体剛性度が決定されること、
を特徴とする請求項６に記載のロボットの足部構造。
【数１】
2005219204.tif 000005
ここで、Ｃeqv（ｄ）は全体剛性度、Ｃlowerは前記下部メンバの剛性度、Ｃdisk（ｄ）は前記ディスクスプリングの剛性度、Ｄnomは公称変位（nominal displacement）をそれぞれ表す。
【請求項１０】
前記足部構造に加えられる公称力が所定の値以内である場合には、次の数式２によって全体剛性度が決定されること、
を特徴とする請求項９に記載のロボットの足部構造。
【数２】
2005219204.tif 000006
ここで、Ｃeqv（ｄ）は全体剛性度、Ｃlowerは前記下部メンバの剛性度、Ｃdisk（ｄ）は前記ディスクスプリングの剛性度、Ｄnomは公称変位をそれぞれ表す。
【請求項１１】
少なくとも１つの本体部および前記本体部に連結され、床を歩行するための足部構造を有する複数の脚部を備えたロボットにおいて、
前記足部構造は、
ロボットの足首関節に固定される支持部と、
前記支持部の下部に結合され、衝撃を吸収する複数の下部構造とを含み、
前記複数の下部構造は、
前記支持部の下部に結合される上部メンバと、
複数の独立部が独立して動作可能に結合された下部メンバと、
前記上部メンバおよび前記下部メンバを結合する球形ジョイントとを含むこと、
を特徴とするロボット。
【請求項１２】
前記支持部は、力センサが設置され、金属により形成されること、
を特徴とする請求項１１に記載のロボット。
【請求項１３】
前記下部メンバは、
下部カバー部と、
前記独立部を独立して動作可能に結合する複数のリニアスプリング部とをさらに含むこと、
を特徴とする請求項１１に記載のロボット。
【請求項１４】
前記複数の独立部は、
前記リニアスプリングと結合されるメタル部と、
地面と接触するゴム部とを含むこと、
を特徴とする請求項１３に記載のロボット。
【請求項１５】
前記下部メンバは、
前記下部メンバの中央部に配置された四角形の１つの独立部と、前記四角形の独立部の周囲に対称に配置された４つの独立部とを備えること、
を特徴とする請求項１４に記載のロボット。
【請求項１６】
前記上部メンバは、
本体部と、
前記本体部を覆う上部カバー部と、
前記本体部と前記上部カバー部との間に配置されるディスクスプリングとを含むこと、
を特徴とする請求項１１に記載のロボット。
【請求項１７】
前記本体部の下部面および前記ディスクスプリングに円形の開口部が形成されたこと、
を特徴とする請求項１６に記載のロボット。
【請求項１８】
前記球形ジョイントの直径が、前記本体部の下部面および前記ディスクスプリングの開口部の直径より大きいこと、
を特徴とする請求項１７に記載のロボット。
【請求項１９】
前記複数の独立部は、前記足部構造が床と接触する面に対して垂直方向に並進自由度を有すること、
を特徴とする請求項１６に記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットに係り、さらに詳細には停止状態および動作中に効果的に平衡を維持できるロボットの足部構造およびこれを適用したロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットは、産業における自動化に使われており、人間の生活領域から分離された環境で重要な役割を果たせるように設計されてきた。しかし、最近、産業における自動化を目的としたロボットから、人型ロボットシステムへとロボットの需要が変化してきている。
【０００３】
高齢化社会の問題が現実化するにつれ、事務室、家庭または病院のような人間の日常環境で、人間の活動を補助するロボットの出現が期待されるようになった。従って、かかる要求によって、いくつかの人型ロボットが開発されている。
【０００４】
ところで、かかる人型ロボットの最も重要な要件の一つは、ロボットの足底と地面との間で、効率的な相互作用を保証することである。ロボットの足底と地面とが効率的に相互作用をしなれば、ロボットの足のかかとが着地する瞬間に衝撃が発生し、これはロボットの足に作用する。さらに、この衝撃は、足首関節を介してロボットの本体に作用する。
かかる衝撃は、ロボットの動的平衡を乱すのはもとより、ロボットの歩く姿勢（gait）を不安定にさせる。さらに、ロボットの本体に伝えられる足の振動を発生させ、これはロボットの制御安定性を低下させる問題を生じる。
【０００５】
ロボットの足と地面との相互作用が円滑ではない場合に発生する他の問題点は、ロボットのビジョンシステムによって認識できない、または、ロボットが対応できない、実環境における、地面の小さな障害物や、平滑ではない領域を通り過ぎる場合に発生する。
かかる障害物や、平滑ではない領域では、ロボットの足部を、制御によって地面の所望の地点に下ろすことができない。従って、かかる環境を前もって考慮せずに計算された地面の所望しない領域に足部を下ろすことになり、ロボットの歩行姿勢の安定性が低下して、不自然な姿勢になる。
【０００６】
かかる問題点を改善するために、ロボットの足部を設計した典型的な従来の技術として、非特許文献１および特許文献１では、足部に衝撃を吸収する機構を有するロボットを開示している。
【０００７】
図１は、非特許文献１に開示された従来のロボットに使われる足部の構造を説明する断面図である。
図１に示すように、非特許文献１に開示されたロボットの足部１０は、ゴムで形成された足底１４およびガイドの中にゴムで形成されたブッシュ１２を含むことによって衝撃を吸収する機構を構成している。ロボットの足部１０のブッシュ１２は、ゴムで形成された足底１４から伝えられる力によって垂直方向に弾性的に変形する。かかる構成によると、衝撃力の伝達は減少し、さらに、機械的なローパスフィルタとして作用するため、脚部の振動を抑制して柔軟な制御が可能になる。
【０００８】
しかしながら、図１に示した従来のロボットの足部１０は、安定した歩行機構を提供できない。このため、足底１４に対するロボットの上体部の安定性を確保し、床と足部１０との緊密な接触（tight contact）を実現するために、足底１４とブッシュ１２とに、高い弾性を有するゴムを使用する必要がある。
この結果、足部の全体の剛性は高められ、印加される力の値に関係のない定数となる。従って、かかる形式の衝撃緩衝装置は、衝撃力と、この衝撃により発生する振動とを効果的に減衰できないという短所を有する。
【０００９】
前記の問題点を解決するために特許文献１では、ロボットの足部に、第１弾性部と第２弾性部とを含むゴムからなる足底を備え、さらに、この第２弾性部は、相対的に薄く平坦な中央部および相対的に厚く形成されて等間隔の複数の突出部が形成されたかかと部を有する特有な形状にデザインしようという試みを行った。
【００１０】
一方、非特許文献２では、人型ロボットを実際に使用するために、平滑な床だけではなく、荒れた地形でも良好に歩行できるように６軸力センサ（six-axis force sensor）を適用したロボットの構造を開示している。
図２は、非特許文献２に開示されたロボットにおける、荒れた地形を歩行するために６軸力センサを利用した足部の構造を説明する図面である。
【００１１】
図２に示すように、ロボットの足部２０は、６軸力センサ２２、ゴムからなる複数のブッシュ２４および足底プレート２６を備える。かかる構造では、ロボットに荒れた地形を歩かせるために、足底に付加されるトルクを制御することが非常に重要である。複数のブッシュ２４は、ロール軸およびピッチ軸に沿って弾性部材（compliance element）として作用するために、６軸力センサ２２を使用して複数のブッシュ２４の回転変形を制御することによってロボットの足底に付加されるトルクの制御がなされる。
【００１２】
また、非特許文献３では、人型ロボットの高度な足部構造であるＷＡＦ−２（Waseda Anthropomorphic Foot No.2）およびＷＡＦ−３と、これを制御するシステムとについて開示されている。
【００１３】
図３Ａは、非特許文献３で提案されたＷＡＦ−２の構造を説明する図面である。
図３Ａに示すように、ＷＡＦ−２（３０）は、上部足プレート（upper foot plate）４０、上部足プレート４０上に形成された４つの電位差計（potentiometer）３６、上部足プレート４０を貫通して形成された４本のワイヤ３８、上部足プレート４０の下部に形成された複数の上部ストッパ５０、上部足プレート４０の下に位置する衝撃吸収部材４４、上部足プレート４０と衝撃吸収部材４４との間に配置される第１アクリル板４２、下部足プレート６２、下部足プレート６２と衝撃吸収部材４４との間に形成される第２アクリル板４６、下部足プレート６２上に形成された複数の下部ストッパ６０および下部足プレート６２の下部に形成された複数のスパイク６４より構成される。
【００１４】
図３Ｂは、図３Ａに示した上部足プレート４０の下部に形成された複数の上部ストッパ５０のうち一つを詳細に示した斜視図である。
図３Ｂに示すように、上部ストッパ５０は、ジュラルミン５２、ウレタンラバー５４、ポリテトラフルオロエチレンレジン５６およびシリコンフォーム５８から構成される。
【００１５】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ＷＡＦ−２（３０）は、上部足プレート４０と下部足プレート６２との間に形成された衝撃吸収部材４４および上部足プレート４０の下部に形成された複数の上部ストッパ５０による受動的衝撃吸収（passive shock absorbing）機構を有する。かかる構造は、地面からの反力が非線形特性を有し、地面からの反力に対して剛性が緩慢に上昇する場合に、衝撃吸収機構として作用する。さらに、足底に複数のスパイク６４と、上部足プレート４０および下部足プレート６２にそれぞれ形成された上部ストッパ５０および下部ストッパ６０による特別の安定化構造を有する。
この安定化構造と衝撃吸収機構とを組み合わせることによって、二足歩行ロボットは、約１°程度の傾斜角または垂直または水平方向での数ｍｍ程度の偏差内であれば、問題なく動作できる。
【００１６】
しかし、ＷＡＦ−２またはＷＡＦ−３の構造を適用した人型ロボットにはいくつかの短所がある。
まず、約１１０ｋｇの重さを有するロボットに対応する公称負荷（nominal loading）および約６ｍｍの偏差内においてのみ、人間のような非線型の剛性特性を実現できる。すなわち、足部の剛性の最大値は、制約のもとで９１．７Ｎ／ｍｍ程度となる。かかる値を超えると、上部足プレート４０は下部足プレート６２と完全に接触することになり、平均の足部の剛性は、高剛性かつ低ダンピングの金属部分によって決定されてしまうという問題点がある。
【００１７】
また、ＷＡＦ−２およびＷＡＦ−３の構造は、“メモリーフォーム（登録商標）イエローＭ−３６”のような衝撃吸収部材４４を使用するが、これは周囲の温度変化によって弾性特性が変化する。従って、弾性特性を変化させないように、足部構造にヒータを装着して約４０℃の温度を維持する必要があり、これは足部構造を非常に複雑かつ重くするという問題点がある。
【００１８】
さらに、ＷＡＦ−２およびＷＡＦ−３は、足指関節（toe joint）を有さないため、ロボットの歩行時に地面を蹴る（push-off）動作で、地面と足との緊密な接触を確保できず、これによって速足、駆け足、荷物を持って歩く場合に要求される十分な推進力を確保できないという問題点がある。
【特許文献１】米国特許第６，３７７，０１４号明細書
【非特許文献１】平井和雄（Kazuo Hirai）ら、「ホンダ人型ロボットの開発（THE DEVELOPMENT OF HONDA HUMANOID ROBOT）」、アイトリプルイー１９９８年国際会議ロボットとオートメーション部会会報（Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation）、ベルギー（Belgium）、ルーバン（Leuven）、１９９８年５月
【非特許文献２】金子健二（Kenji Kaneko）ら、「エムアイティーアイの人型ロボット研究における高度脚部モジュールのデザイン（DESIGN OF ADVANCED LEG MODULE FOR HUMANOID ROBOTICS PROJECT OF METI）」、アイトリプルイー２００２年国際会議ロボットとオートメーション部会会報（Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation）、ワシントン（Washington,DC）、２００２年５月
【非特許文献３】山口順一（Jinichi Yamaguchi）ら、「着地表面位置情報と動的二足歩行の安定化とを得るための衝撃吸収材料を用いた脚構造の実験開発（EXPERIMENTAL DEVELOPMENT OF A FOOT MECHANISM WITH SHOCK ABSORBING MATERIAL FOR ACQUISITION OF LANDING SURFACE POSITION INFORMATION AND STABILIZATION OF DYNAMIC BIPED WALKING）」、アイトリプルイー国際会議ロボットとオートメーション部会（IEEE International Conference on Robotics & Automation）、１９９５年、ｐ．２８９２−２８９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、本発明の目的は、ロボットの歩行姿勢を、安定かつ円滑にできる足部構造およびこれを適用したロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記の目的を達成するために、本発明は、ロボットの足首関節に固定される支持部、および、この支持部の下部に結合され、衝撃を吸収する下部構造を含む足部構造を提供する。
また、本発明は、少なくとも１つの本体部、および、この本体部に連結され、床を歩行するための足部構造を備える複数の脚部を含むロボットにおいて、この足部構造が、ロボットの足首関節に固定される支持部およびこの支持部の下部に結合して、衝撃を吸収する下部構造を有し、この下部構造は、上部メンバ、および、床に接触する複数の独立部が独立して動作可能に結合された下部メンバを備えるロボットを提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、衝撃力が付加された場合に、人間と同じ剛性度曲線、すなわち一定の剛性度を実現することにより、ロボットが直立している場合の安定性を提供し、かかと部が床に着地するときに、円滑に接触することで大きな衝撃に耐えることができる。
また、本発明によれば、付加的な回転自由度および並進自由度を提供する衝撃吸収および安定化機構（ＳＡＳＭ：Shock-Absorbing and Stabilizing Mechanism）を備えることにより、人間の行う多様な動作のうち、現実のように理想的ではない床と足部構造とが良好に接触を行うことができ、これにより、小さな障害物または平滑ではない床に対する足部の安定性が高くなる。
また、本発明によれば、足部構造が足指関節に準じた機構（quasi-toe joint）を備えることにより、床を蹴る動作を行う場合に、足底が床と確実に接触することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、足部構造内に衝撃を良好に吸収するソフトな吸収材を適用したので、足部構造が床に着地した後の、高周波数の振動領域が減衰される。
また、本発明によると、足部構造と床との円滑であり、かつ衝撃を吸収できる相互接触により、衝撃がロボットの本体に伝達されることを防止できることはもとより、足部構造が床に着いた後で振動が減衰することにより、ロボットの歩行姿勢に安定性と円滑さとを提供できる。
また、本発明によれば、ロボットの歩行時に、床に小さい障害物が存在する、または床が平滑ではない場合にもこれに留意する必要がなく、ロボットの制御が単純となることにより、ロボットの歩行姿勢に安定性と円滑さとを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明にかかる足部構造およびこれを適用したロボットの望ましい実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
【００２４】
図４は、本発明の望ましい実施の形態による足部構造を適用したロボットを説明する図面である。
図４に示すように、本実施の形態による足部構造を適用したロボット１００は、２つの脚部１０２，１０３と腰部１０４とを含む。
脚部１０２，１０３は、それぞれ大腿部１０５，１０６、下腿部１０７，１０８および足部構造１０９，１１０を含む。脚部１０２，１０３および足部構造１０９，１１０は、互いに同一な構造を有し、かつ対称になるように配置される。従って、本実施の形態による脚部１０２，１０３のうち１つの足部構造１１０だけを以下で詳細に説明する。
【００２５】
図５Ａは、図４に示した本実施の形態による足部構造１１０を説明するために拡大した斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａに示した足部構造１１０の断面図である。
図５Ａおよび図５Ｂに示したように、本実施の形態による足部構造１１０は、６軸力センサと、ロボットの足首関節を固定するためのキャリアメタルプレート１１１、およびキャリアメタルプレート１１１（特許請求の範囲の支持部に相当）の下部に設置された４つのＳＡＳＭ（Shock-Absorbing and Stabilizing Mechanism）１１２ａないし１１２ｄを含む。
本実施の形態において、足部構造１１０の全体寸法は、２３５ｍｍ×１５０ｍｍ×５０ｍｍに製作され、それぞれのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄの全体寸法は、６０ｍｍ×６０ｍｍ×５０ｍｍに製作される。
【００２６】
図５Ａおよび図５Ｂに示したように、足部構造１１０の上部プレートであるキャリアメタルプレート１１１は、ロボットの足首関節を固定して６軸力センサを設置するように構成されている。本実施の形態では、キャリアメタルプレート１１１は、アルミニウム合金またはロボット全体の構造を形成する物質と同じ物質で形成される。
【００２７】
図５Ｃは、図５Ａに示した本実施の形態による足部構造１１０が床に着地したときに加えられる力を説明する斜視図である。
図５Ｃでは、ロボットの重さの半分に相当する公称力（Nominal Force）Ｆがキャリアメタルプレート１１１に加えられた状態でロボットが床１１２ｆに立った状態を表す。
【００２８】
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、図５Ａに示した足部構造１１０のＳＡＳＭ１１２ａを説明する斜視図、断面図および平面図である。
図６Ａないし図６Ｃに示したように、ＳＡＳＭ１１２ａは、上部メンバ１１３、下部メンバ１１４およびメタルボールからなる球形ジョイント１１５を含む。また、下部メンバ１１４は、下部カバー部１１６、複数のリニアスプリング１１７ａないし１１７ｅ、複数のメタル部１２５ａないし１２５ｅからなるメタル部分および複数のゴム部１２６ａないし１２６ｅからなるゴム部分を含む。
【００２９】
図７は、ＳＡＳＭ１１２ａの上部メンバ１１３と下部メンバ１１４とが分離された状態を説明する図面である。
【００３０】
図８は、図６Ａないし図６Ｃに示したＳＡＳＭ１１２ａの下部メンバ１１４を説明する斜視図である。
図８に示したように、下部メンバ１１４は、下部カバー部１１６、５つの独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄおよび複数のリニアスプリング１１７ａないし１１７ｅを含む。独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄのそれぞれは、複数のメタル部１２５ａないし１２５ｅおよび複数のゴム部１２６ａないし１２６ｅを含む。また、本実施の形態によれば、所定の範囲内でＳＡＳＭ１１２ａの垂直軸に沿って並進運動ができるように、それぞれの独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄは、リニアスプリング１１７ａないし１１７ｅによって連結されている。
【００３１】
本実施の形態では、地面に対して移動して接触するすべてのメタル部１２５ａないし１２５ｅは、熱可塑性のゴムからなるゴム部１２６ａないし１２６ｅがそれぞれ接着されている。また、球形ジョイント１１５は、スクリュー（図示せず）によって下部カバー部１１６に結合されている。
【００３２】
ここで、本実施の形態において、独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄの高さは、１０ｍｍに形成した。詳しくは、ゴム部１２６ａないし１２６ｅの高さは、それぞれ５ｍｍに形成し、アルミニウム合金からなるメタル部１２５ａないし１２５ｅの高さは、それぞれ５ｍｍに形成した。また、中央に形成された独立部１１８の移動可能な範囲は、５ｍｍであり、一方、残りの独立部１１９ａないし１１９ｄの移動可能な範囲は１０ｍｍである。
【００３３】
図９は、図６Ａないし図６Ｃに示したＳＡＳＭ１１２ａの上部メンバ１１３を、機械システムの機構解析ソフトウェアであるエムエスシーソフトウェア株式会社の「ＡＤＡＭＳ」でモデリングするための分解斜視図である。
図９に示すように、上部メンバ１１３は、本体部１２０、上部カバー部１２１および本体部１２０内に固定されて球形ジョイント１１５と接触するチタンからなるディスクスプリング１２２を含む。上部カバー部１２１は、スクリュー（図示せず）によって本体部１２０に係止される。また、球形ジョイント１１５は、複数の回転スプリング１２３ａないし１２３ｄを含み、本体部１２０の内部面と係合する。
【００３４】
ここで、本実施の形態のディスクスプリング１２２は、外径を約６０ｍｍに、内径を約１４ｍｍに構成した。また、球形ジョイント１１５の半径は、１０ｍｍに形成した。本体部１２０の下部は、球形ジョイント１１５の半径より小さい半径の穴が形成され、この穴の半径は約７ｍｍである。
また、ディスクスプリング１２２と本体部１２０の上部および下部との間に形成された本体部１２０内の空間は、高い減衰値（damping value）を有し、ディスクスプリング１２２の剛性度に比べて小さな弾性係数を有するソフトフォーム（soft foam）によって充填される。
【００３５】
次に、本実施の形態によるロボットの足部構造の原理を説明する。
まず、本実施の形態による足部構造１０９，１１０は、従来の標準足部構造が有する６自由度（ＤＯＦ：Degree Of Freedom）に加えて、２４の受動的な剛体自由度（passive rigid-body ＤＯＦ）を有する。これは、それぞれの足部構造１０９，１１０が４つのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄを有し、それぞれのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄは、８自由度（５個のリニアスプリングによる５自由度＋球形ジョイントによる３自由度）を有するために、本実施の形態による足部構造１０９，１１０は、３２の受動的な剛体自由度を付加的に得ることができる。
また、本実施の形態の足部構造１０９，１１０は、人間の足と非常に類似した非線型の剛性度特性を有している。
かかる特性は、本実施の形態の足部構造１０９，１１０が、キャリアメタルプレート１１１の下に、複数のＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄを備えることによって得られる。
【００３６】
ここで、本実施の形態のＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄの特性を説明すれば次の通りである。
第一に、例えば、ＳＡＳＭ１１２ａの上部メンバ１１３と下部メンバ１１４との受動回転ＤＯＦは、下部カバー部１１６内に固定された球形ジョイント１１５とディスクスプリング１２２とが接触することによって生じる。また、平衡状態で下部メンバ１１４を安定させるために、球形ジョイント１１５と上部カバー部１２１の内部面上との間に４つの回転スプリング１２３ａないし１２３ｄが提供される。この受動回転ＤＯＦは、床とロボットの足部とを円滑に接触させ、床の不均一性に対して留意することなく、ロボットが足底を床に着地させる動作を行う場合に、足底の接触がさらに良好させる。
【００３７】
第二に、ＳＡＳＭ１１２ａの上部メンバ１１３と下部メンバ１１４との間の受動並進ＤＯＦは、リニアスプリング１１７ａないし１１７ｅによって下部カバー部１１６の内部表面と結合された、独立して動作可能な５つの独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄによって生じる。また、床とさらに良好な接触を得るために、それぞれ独立して動作可能な５つの独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄは、ゴム部１２６ａないし１２６ｅによって覆われる。従って、本実施の形態の独立して動作可能な独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄは、固定された領域内で互いに独立して動作できる。
【００３８】
第三に、本実施の形態のＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄを構成しているスプリングの剛性度は、次の方法によって定義される。
例えば、ロボット全体の重さがＱ＝１，０００Ｎであると仮定すれば、それぞれのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄに作用する公称力Ｐは、Ｐ＝１２５Ｎ（＝１，０００Ｎ／８）である。すなわち、キャリアメタルプレート１１１の中央部に印加されるそれぞれの力は、Ｑ／２と同一である。このとき、ＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄの下部カバー部１１６と中央の独立部１１８の内面が完全に接触する。従って、独立部１１８の公称変位（Nominal displacement）がｄ＝５ｍｍであると仮定すれば、それぞれのリニアスプリングの剛性度（Clin）は、５Ｎ／ｍｍ（＝Ｐ／ｄ／５）であり、ＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄの下部メンバ１１４の剛性度（Clower）は２５Ｎ／ｍｍ（＝５Clin）である。
【００３９】
図１０は、図９に示したディスクスプリング１２２の剛性度を計算するための構成を説明する図面である。
図１０に示した構成を、設計解析ソフトウェアであるアンシス株式会社の「ＡＮＳＹＳ６．０」を利用して非線型有限要素解析（non−linear finite element analysis）を行うことにより、ディスクスプリング１２２の剛性度（Cdisk）を推定できる。
例えば、ディスクスプリング１２２が０〜３ｍｍの変位範囲内で動作すると仮定し、かかる仮定からディスクスプリング１２２の剛性度曲線が計算される。このように計算された値を、図１１のグラフに示す。この結果、より大きい衝撃力がはるかに丈夫なチタンからなるディスクスプリング１２２によって起きた場合に、有限要素解析法から得られた剛性度曲線に対して以下のように説明する。
【００４０】
図１２は、全体変位範囲で示されるＳＡＳＭの剛性度曲線を表すグラフである。図１２において、ｘ軸は、変位を表し、ｙ軸は剛性度を表す。
図１２に示したＳＡＳＭの全体剛性度曲線を表すグラフは、次の数式３，数式４によって計算される。
【数３】
2005219204.tif 000003
【００４１】
ここで、Ｃeqv（ｄ）は全体剛性度を表し、Ｃlowerは下部メンバの剛性度、Ｃdisk（ｄ）はディスクスプリングの剛性度を表し、Ｄnomは公称変位を表す。
【数４】
2005219204.tif 000004
【００４２】
ここで、Ｃeqv（ｄ）は全体剛性度を表し、Ｄnomは公称変位を表す。数式３と数式４とは、それぞれ公称変位が５ｍｍを超えない場合と超える場合とについてそれぞれ適用されるという点で異なる。
【００４３】
なお、本実施の形態におけるロボットの足部構造１１０は、４つのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄを備え、それぞれのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄが５つの独立部１１８，１１９ａないし１１９ｄを有するように構成されているが、ＳＡＳＭを４つ以上またはそれ以下で構成する、またはそれぞれのＳＡＳＭを５つ以下またはそれ以上の独立部を有するように形成することも可能である。
また、本実施の形態において、キャリアメタルプレート１１１の中央部分で凹形状に構成し、それぞれのＳＡＳＭ１１２ａないし１１２ｄが床に接する独立部が四角形をなすように構成されているが、それらの形状は例示的なものに過ぎず、多様な変形が可能である。
【００４４】
次に、図１３は、本実施の形態による足部構造１１０が、平坦でない床に着地した様子を説明する図面であり、図１４は、図１３に示した例において、足部構造に印加される力を経時的に表すグラフである。
図１３において、本実施の形態による足部構造１１０の初期垂直速度は１００ｍｍ／ｓであり、図１４に示した力がキャリアメタルプレート１１１の中心に印加されつつ地面に接触する。
【００４５】
図１５は、図１３および図１４に示した実験により、本実施の形態による足部構造１１０の上部メンバ１１３の地面に対する垂直変位を経時的に表すグラフである。
図１５を参照して、実線は、足の指に相当する部分の着地中心点に対する垂直変位を測定したものであり、破線は足首関節部位の着地中心点に対する垂直変位を測定したものであり、一点鎖線は、足部構造のかかとに相当する部分の着地中心点に対する垂直変位を測定したものである。
図１６は、図１３および図１４に示した実験により、本実施の形態による足部構造１１０のかかとに相当する部分の下部表面の地面に対する接触力（contact force）を経時的に表すグラフである。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野における当業者ならば、これから多様な変形および均等な他の実施例を具現可能である。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、前記した実施の形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想により定められる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、事務室、家庭または病院のような人間の日常環境で人間の活動を補助できる人型ロボットに効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来技術による、ロボットの足部構造を説明するための断面図である。
【図２】従来技術による、荒れた地形を歩くために６軸力センサを使用したロボットの足部構造を説明する図面である。
【図３Ａ】非特許文献３に開示されたＷＡＦ−２の構造を説明する図面である。
【図３Ｂ】図３Ａに示した上部足プレートの下部に形成された複数の上部ストッパを詳細に示した斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態による足部構造を適用したロボットを説明する図面である。
【図５Ａ】図４に示した脚部の足部構造を説明する斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示した足部構造の側面図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示した足部構造が床に着地する場合に加えられる力を説明する斜視図である。
【図６Ａ】図５Ａに示したＳＡＳＭを説明する斜視図である。
【図６Ｂ】図５Ａに示した足部構造のＳＡＳＭを説明する断面図である。
【図６Ｃ】図５Ａに示した足部構造のＳＡＳＭを説明する平面図である。
【図７】ＡＤＡＭＳにより得られたＳＡＳＭモデルを説明するための図面である。
【図８】図６Ａないし図６Ｃに示したＳＡＳＭの下部メンバを説明する斜視図である。
【図９】図６Ａないし図６Ｃに示したＳＡＳＭの上部メンバをＡＤＡＭＳでモデリングするための分解斜視図である。
【図１０】図９に示したディスクスプリングの剛性度を「ＡＮＳＹＳ６．０」を利用して計算するための構成を説明する図面である。
【図１１】ディスクスプリングの剛性度を変位の関係を示した剛性度曲線を表すグラフである。
【図１２】全体変位範囲で示されるＳＡＳＭの剛性度曲線を説明するグラフである。
【図１３】足部構造が平坦でない床に着地する様子を示す図面である。
【図１４】キャリアメタルプレートの中心部に印加される力を経時的に表すグラフである。
【図１５】図１３および図１４に示した実験において、足部構造の上部メンバの着地中心点に対する垂直変位を経時的に表すグラフである。
【図１６】図１３および図１４に示した実験において、足部構造のかかとに相当する部分の下部表面の地面に対する接触力を経時的に表すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１００  ロボット
１１０  足部構造
１１１  キャリアメタルプレート
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ  ＳＡＳＭ
【図１】
2005219204.tif 000007
【図２】
2005219204.tif 000008
【図３Ａ】
2005219204.tif 000009
【図３Ｂ】
2005219204.tif 000010
【図４】
2005219204.tif 000011
【図５Ａ】
2005219204.tif 000012
【図５Ｂ】
2005219204.tif 000013
【図５Ｃ】
2005219204.tif 000014
【図６Ａ】
2005219204.tif 000015
【図６Ｂ】
2005219204.tif 000016
【図６Ｃ】
2005219204.tif 000017
【図７】
2005219204.tif 000018
【図８】
2005219204.tif 000019
【図９】
2005219204.tif 000020
【図１０】
2005219204.tif 000021
【図１１】
2005219204.tif 000022
【図１２】
2005219204.tif 000023
【図１３】
2005219204.tif 000024
【図１４】
2005219204.tif 000025
【図１５】
2005219204.tif 000026
【図１６】
2005219204.tif 000027