WO2009128125A1

WO2009128125A1 - 多脚歩行式移動装置の足部機構

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Publication number: WO2009128125A1
Application number: PCT/JP2008/057247
Authority: WO
Inventors: 克弥金岡
Original assignee: 学校法人立命館
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-22
Also published as: JP5268119B2; JPWO2009128125A1

Abstract

　不整地においても、トルク発生機能および摩擦力発生機能を発揮することができるとともに、支持多角形の形状および足部機構に対する位置関係に関する情報を取得することができる、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構を提供する。本発明の足部機構（１）は、脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材（２）と、それぞれ接地面（３ａ）を備えた３つの接地片（３）であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、接地片（３）ごとに設けられて接地片（３）をベース部材（２）に揺動可能に連結する揺動機構（４）とを含んでいる。揺動機構（４）は、接地片（３）が接地面（３ａ）を介して床反力を受けた際、接地片（３）が接地面（３ａ）近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように、接地片（３）をベース部材（２）に連結する。ベース部材（２）は、各揺動中心を含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成されている。

Description

多脚歩行式移動装置の足部機構

　本発明は、多脚歩行式移動装置の脚ユニットに取り付けられて接地する、足部機構に関するものである。

　従来の多脚歩行式移動装置、例えば二脚歩行式ロボットは一般に、図１４に示す如く、上体ユニット１１０と、上体ユニット１１０の下部に取り付けられた脚ユニット１３、１３とを有している。脚ユニット１３は、股関節部５と、大腿リンク６を介して股関節部５に連結された膝関節部７と、下腿リンク８を介して膝関節部７に連結された足首関節部９と、足首関節部９に連結された足部機構１０１とにより、構成されている。

　股関節部５は、Ｚ軸まわりの揺動軸５１と、Ｘ軸まわりの揺動軸５２と、Ｙ軸まわりの揺動軸５３とにより構成されている。膝関節部７は、Ｙ軸まわりの揺動軸７１からなっている。足首関節部９は、Ｘ軸まわりの揺動軸９１と、Ｙ軸まわりの揺動軸９２とにより、構成されている。つまり、脚ユニット１３は６自由度を有している。
　なお、ここでのＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向とは、二脚歩行式ロボット１１２の前後方向（前方＋）、横方向（向かって右側＋）、上下方向（上方＋）を指す（以下同じ）。

　各揺動軸５１～５３、７１、９１、９２は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、上体ユニット１１０内に格納された制御ユニット１１１によって駆動制御される。

　制御ユニット１１１は、外部からの要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部（不図示）と、この歩容データに基づいて各関節部５、７、９の駆動モータを駆動制御する歩行制御部（不図示）と、を備えている。

　歩容生成部は、各関節部５、７、９における駆動モータの目標角度、目標角速度等を含む歩容データを生成する。歩行制御部は、その歩容データに従って各関節部５、７、９の駆動モータを駆動制御することにより、所定の歩行パターンで脚ユニット１３を揺動させる。これにより、二脚歩行式ロボット１１２は、二脚歩行を実現している。

　上記のような二脚歩行式ロボットの立位バランス保持に関し、ＺＭＰ規範が適用され得る。ここで、「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ　Ｍｏｍｅｎｔ　Ｐｏｉｎｔ）」とは、ロボットの足底が受ける床反力の圧力中心であり、足底が平面である場合には足底が床面から受けるモーメント（の水平成分）がゼロになる点のことである。ＺＭＰ規範とは、このＺＭＰが、３点以上の接地点を線で結ぶことで形成される支持多角形の内側にあれば、ロボットは転倒せずに安定に歩行し得るとする規範である。

　このＺＭＰ規範に基づき、歩行中における実際のＺＭＰ（以下、実ＺＭＰと称する）を、所定の歩行パターンにおける目標ＺＭＰに一致させるようにロボットの状態を制御することにより、多脚歩行式移動装置の立位バランスを保持することができる。

　ところで、従来の多脚歩行式ロボットの足部機構は、その足底が単一平面で構成されていることが多い。足底が単一平面であると、図１５（非特許文献２の図２を引用）に示す如く、不整地歩行の際、凸部Ｐに乗り上げる等、足底全体が接地しない場合がある。この場合、支持多角形ＳＰの面積が小さくなり、立位バランスを保持することが困難となっていた。

　一般に、ロボットの足底には、地面との良好な接触固定状態を確保することによる次の二つの力学的な機能が期待される。
　ア）脚のアクチュエータによって接地点まわりにトルクを発生できるようにすること（トルク発生機能）
　イ）歩行の推進力の反作用として必要とされる床面との摩擦力を発生できるようにすること（摩擦力発生機能）
　トルク発生機能は、二脚歩行式ロボットの立位バランス保持を実現するために不可欠であり、摩擦力発生機能は、ロボットが床面を滑らずに推進力を得るために不可欠である。

　さらに、ロボットの立位バランス保持を自動制御によって行なう場合には、次の二つの情報を取得できることが望ましい。
　ウ）支持多角形ＳＰの形状および足部機構との位置関係
　エ）支持多角形ＳＰ内におけるＺＭＰの位置

　しかしながら、前述したような、単一平面で構成される足底で不整地歩行を行なう図１５のような状況においては、前記ア）、イ）の力学的機能が共に実現されず、またウ）、エ）の情報の取得も困難である。このように、上記４つの要件を満たさなくなるために、図１５のような状況においては、ロボットは歩行および立位バランス保持が困難となるのである。

　この問題に対し、例えば、非特許文献１では、足底を単一平面ではなく３点支持構造とすることの利点が指摘されている。つまり、足底を３点支持構造とすることで、不整地においても接地性が向上し、前記ア）のトルク発生機能が満足される。さらに、不整地の形状に依存せず、３つの接地点を頂点とする三角形を常に支持多角形ＳＰとすることができ、前記ウ）の情報の取得が容易となる。

　このような３点支持構造の利点から、特許文献１記載の足部機構が提案されている。
　特許文献１記載の足部機構３０１は主に、図１７（特許文献１の図２を引用）に示す如く、ベース部３０２と、ベース部３０２の後端付近に固定配置された踵部３３１と、ベース部３０２の下端に設けられた関節部（駆動モータ）３３２、３３２と、関節部３３２、３３２から実質的に前方に向かって並んで延び、ベース部３０２に対して上下に揺動可能に配置された一対の足先部３３３、３３３と、から構成されている。踵部３３１および足先部３３３、３３３の先端の下面には、床反力情報を得るための３軸力センサ３３４が設けられている。各３軸力センサ３３４からの検出値に基づき、関節部３３２、３３２が適宜駆動制御されることにより、不整地においても、踵部３３１と足先部３３３、３３３とで常に３点接地するようになっている。

　また、３点ではなく４点支持構造であるが類似の機構として、非特許文献２記載の足部機構が提案されている。
　非特許文献２記載の足部機構２０１は、図１６（非特許文献２の図３を引用）に示す如く、足部機構２０１の４隅に受動的に上下動する支持部材２０３を有していて、路面の凹凸に倣うようになっている。各支持部材２０３には、それぞれ接地を感知するスイッチ（不図示）が設けられている。スイッチが４つの支持部材２０３全ての接地を感知すると、各支持部材２０３がロックされる。これにより、速やかに支持多角形が構成され、保持される。

　しかしながら、特許文献１および非特許文献２の足部機構では、点でしか接地できないために、前記イ）の摩擦力発生機能は必ずしも十分に実現されない。さらに、前記エ）の情報を得るために必要以上の軸数の力センサを必要とし、複雑かつ高価で壊れやすい機構であった。

　そこで、本発明者は、３点支持構造を採用するとともに、３つの接地点すべてを通る平面として定義される仮想足底平面の法線方向のみの力を検出する１軸力センサを３つ備えることにより、最小の軸数の力センサで前記エ）の情報を得ることができる足部機構を提案した（特許文献２参照）。これによって、単純かつ安価で壊れにくい機構が実現されるが、依然として点接地であり、前記イ）の摩擦力発生機能は十分ではなかった。

　３点支持構造以外のアプローチとしては非特許文献３が挙げられる。ここでは、リモートセンター機構と連結差動機構の併用によって高い接地性を確保し、前記ア）、イ）の機能を満足する足部機構が提案されている。しかし、当該足部機構は、一つの足部において一つのリモートセンター機構と多数の独立した接地面を持つ連結差動機構がそれぞれ不整地に対して適応的に変形しながら倣う機構であり、リモートセンター機構と連結差動機構は、それ自体には固定機能を持たないため、前記ア）、イ）の機能を満足させるには、不整地に適応的に倣う時は自由関節、接地後は固定関節となるようなブレーキ機構を、リモートセンター機構と連結差動機構の可動部分に設けなければならない。
　加えて、前記ウ）の情報を取得するためには、リモートセンター機構と連結差動機構の多数の可動部分に多数の変位センサを配置し、足部機構の全可動部分の現在姿勢を計測しなければならない。さらに、前記エ）の情報を取得するためには、単一平面で構成された足部機構を持つロボットと同様に、必要以上の軸数の力センサを必要とする。
　以上、非特許文献３の足部機構は、機構とセンサを注意深く設計することにより、前記ア）、イ）、ウ）、エ）の条件をすべて満たすことが可能であるが、反面、非常に複雑な構造とならざるを得ない。
特開２００４－９０１９４号公報特願２００７－２８８１０３庄司道彦、王志東、高橋隆行、中野栄二：二脚ロボットの佇立能力向上のための足構造、バイオメカニズム学会誌、Vol.25, No.1, pp.36-42, 2001. 橋本健二、菅原雄介、林昭宏、川瀬正幹、太田章博、田中智明、遠藤信綱、沢戸瑛昌、林憲玉、高西淳夫：２足歩行ロボットの不正地適応能力向上を図った足部機構の開発（第３報：新保持機構開発による不整地歩行の実現）、第24回日本ロボット学会学術講演会講演論文集、2F15, 2006. 尾形勝、広瀬茂男：歩行ロボットの足首機構の研究（機能と形態に関する基本的考察）、第9回ロボティクス・シンポジア講演論文集、pp. 1-7, 1A1, 2004.

　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、不整地においても前記ア）、イ）、ウ）の条件を同時に満たすことができるとともに、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構を提供することにある。

　上記課題を解決するために本発明は、（１）多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、それぞれ接地面を備えた３つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、前記ベース部材は、前記各揺動中心を含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
　ここで、「足」とは人間でいう足首からつま先までに対応する部分を指し、「脚」とは人間でいう足首から骨盤までに対応する部分を指す（以下、同じ）。

　また本発明は、上記構成において、（２）前記揺動機構は、両端にそれぞれ回転自在関節部が設けられた３本の剛体ロッドからなり、前記各ロッドは、一端が前記回転自在関節部を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記回転自在関節部を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。
　ここで、「回転自在関節」とは、ユニバーサルジョイントあるいはボールジョイント等の、３軸まわりあるいは２軸まわりに回転自在な機械要素を指す（以下、同じ）。

　また本発明は、上記構成（１）において、（３）前記揺動機構は、両端にそれぞれ弾性部材が取り付けられた３本の剛体ロッドからなり、前記各ロッドは、一端が前記弾性部材を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記弾性部材を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。

　また本発明は、上記構成（１）において、（４）前記揺動機構は、一端に回転自在関節部が設けられた１本の剛体ロッドからなり、前記ロッドは、前記一端が前記接地片の上面に前記回転自在関節部を介して取り付けられているとともに他端が前記ベース部材の下面に固定されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。

　また本発明は、上記構成のいずれかにおいて、（５）前記接地片ごとに設けられて前記揺動機構を前記ベース部材に並進および／または旋回可能に連結する並進／旋回機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が、前記各揺動中心を含んでなる平面に沿って受動的に並進および／または旋回し得るように連結するものをさらに含んでいることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。

　また本発明は、上記構成のいずれかにおいて、（６）前記接地片が所定姿勢から揺動および／または並進した場合に前記所定姿勢へ復帰させる方向に付勢する付勢手段をさらに含んでいることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。

　また本発明は、上記構成（１）において、（７）前記揺動機構は、ゴム板および金属板を交互に複数枚積層してなる３本の積層ゴムからなり、前記各積層ゴムは、一端が前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構を提供するものである。

　本発明の足部機構は、足底が単一平面ではなく、一直線上に並ばないように分散配置された３つの接地片の各接地面で接地する構成となっている。さらに、それぞれの接地片が、接地面近傍に位置する揺動中心まわりに、床反力を受けて受動的に揺動し、自然に床面に倣うことができる。

　このとき、前記３つの接地片それぞれに対応する前記３つの揺動中心は、全て前記ベース部材に対して固定された接地点と見なすことができる。すなわち、本発明の足部機構は、前記３点支持構造を持つ足部機構と実質的に同等である。したがって、不整地においても接地性が向上し、前記ア）のトルク発生機能が満足される。さらに、不整地の形状に依存せず、また接地片の揺動の状態にも依存せず、ベース部材に対して固定された３つの揺動中心を頂点とする三角形を常に支持多角形とすることができ、前記ウ）の情報の取得が容易となる。
　これは、非特許文献３の足部機構にはない利点である。非特許文献３の足部機構においては、前記ア）のトルク発生機能を満足するためにブレーキ機構を、前記ウ）の情報を取得するために多数の変位センサを必要としていたが、本発明によれば、いずれも要さずに前記ア）、ウ）が実現される。

　また、本発明の足部機構によれば、床面に起伏や突起があっても、前記３つの接地面がそれぞれ独立に、各揺動中心の近傍で床面に接するように、床面に倣うことができる。つまり、本発明の足部機構は３点支持構造と実質的に同等でありながら、３点接触ではなく３面接触で床面に接地する。その結果、本発明によれば、前記ア）、ウ）と同時に、前記イ）の摩擦力発生機能も満足される、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構が提供される。

　また、本発明の足部機構によれば、前記接地片の揺動中心を接地面近傍に位置させていることにより、遊脚（足部が接地していない状態）から立脚（足部が接地している状態）への遷移時に、揺動機構を挫くことなく、また既接地点に床面との滑りを生じさせることなく、かつ受動的に移行することが可能である。

　また、本発明の足部機構は、特許文献２の足部機構と適合し得る。すなわち、特許文献２の３点支持構造の足部機構における「接地点」を、本発明の足部機構における「揺動中心」と一致させ、特許文献２の「仮想足底平面」を、本発明の足部機構における「３つの揺動中心の全てを含む平面」と一致させることができる。
　これにより、前述したように、特許文献２の足部機構の利点である、最小の軸数の力センサによって前記エ）の情報を得る効果を導入でき、さらに、特許文献２の足部機構のみでは十分に実現できなかった前記イ）の摩擦力発生機能が、本発明の足部機構の利点として実現され得る。
　つまり、本発明の足部機構は、特許文献２の足部機構と適合させた場合、不整地においても前記ア）、イ）、ウ）、エ）をすべて満たすことができるとともに、ロボットの立位バランス保持を自動制御によって行なうために必要十分な情報を最小限のセンサのみで取得することができる。

　また、前記構成（６）にかかる足部機構によれば、立脚から遊脚への遷移時に、前記揺動機構および前記並進／旋回機構を、自然に平衡状態に復帰させることが可能である。

本発明にかかる足部機構の一例を示す斜視図である。図１の足部機構の要部の作動原理を説明するための二次元概念図である。図１の足部機構を適用した二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図である。図３の二脚歩行式ロボットにおける制御ユニットの構成を示すブロック図である。図１の足部機構の接地態様を説明するための二次元概念図である。図１の足部機構の倣い動作を説明するための模式図である。本発明と異なる構成の足部機構の倣い動作を説明するための模式図である。本発明と異なる構成の足部機構の倣い動作を説明するための模式図である。足部機構における接地片の変形例を示す底面図である。足部機構におけるベース部材の変形例を示す斜視図である。足部機構における揺動機構の変形例を示す側面図である。足部機構における揺動機構の別の変形例を説明するための二次元概念図である。足部機構における揺動機構のさらに別の変形例を説明するための二次元概念図である。足部機構におけるベース部材の別の変形例を説明するための二次元概念図である。足部機構におけるベース部材のさらに別の変形例を説明するための二次元概念図である。足部機構における揺動機構のさらに別の変形例を説明するための二次元概念図である。従来例にかかる二脚歩行式ロボットの一例を示す概略図である。従来例にかかる足部機構が不整地歩行した際の状態を示す図である。別の従来例にかかる足部機構を説明するための図である。さらに別の従来例にかかる足部機構を説明するための図である。

符号の説明

Ｃ　揺動中心
Ｒ　床反力
１　足部機構
２　ベース部材
３　接地片
３ａ　接地面
４　揺動機構
１３　脚ユニット
２６　検出器（床反力検出器）

　以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態につき説明する。

　図１に示すように、本実施形態にかかる足部機構１は、後述する脚ユニット１３の下端に取り付けられるベース部材２と、それぞれ平坦な接地面３ａを備えた接地片３、３、３と、各接地片３に対して設けられ、接地片３をベース部材２に揺動可能に連結する揺動機構４と、を有している。

　ベース部材２は、脚ユニット１３の下端に連結される円柱状の本体部２１と、本体部２１からのびる中間部２２、２２、２２と、各中間部２２の先端に設けられた円柱状の先端部２３と、各先端部２３にスライド可能に保持されたスライド片２４と、スライド片２４をスライド方向であって床反力に逆らう方向に付勢する圧縮ばね２５と、から構成されている。

　各中間部２２は、棒状に形成されており、本体部２１から下方に向かって互いに異なる方向にのびている。

　先端部２３は、図２に示す如く、スライド片２４の軸部２４ａを収容する収容孔２３ａを有している。収容孔２３ａ内には、スライド片のスライド量を検出するための検出器２６が配置される。検出器２６は、ポテンショメータやレーザー変位計、ギャップセンサ等である。なお、先端部２３における当該構成は、特許文献２に記載の足部機構と適合する。

　スライド片２４は、軸部２４ａと、軸部２４ａの先端で直交するように設けられたプレート部２４ｂとからなっている。軸部２４ａは、先端部２３の収容孔２３ａに収容されて案内される。各スライド片２４のスライド方向は、後述する揺動中心Ｃ全てを含む平面の法線方向と一致するようになっている。

　圧縮ばね２５は、先端部２３の下面と、スライド片２４のプレート部２４ｂの上面との間に配置される。

　検出器２６によって検出されたスライド片２４のスライド量、つまり圧縮ばね２５の収縮量とフックの法則とに基づき、スライド方向、つまり後述する揺動中心Ｃ全てを含む平面の法線方向に作用する床反力のみが算出される。

　揺動機構４は、一端にボールジョイント部４１ａ、他端にボールジョイント部４１ｂが設けられてなる３本の剛体ロッド４２からなっている。

　各ロッド４２は、ボールジョイント部４１ａを介して、スライド片２４のプレート部２４ｂの下面２４ｃに取り付けられている。それと同時に、各ロッド４２は、ボールジョイント部４１ｂを介して、接地片３の上面３ｂに取り付けられている。ここで、ボールジョイント部４１ａのスライド片２４に対する取付け箇所は、一直線上に並ばない３箇所となっている。同様に、ボールジョイント部４１ｂの接地片３に対する取付け箇所も、一直線上に並ばない３箇所となっている。各ロッド４２は、接地片３側に向かって尖る三角錐の稜線を構成する。そして、各ロッド４２は、図２Ａに示す如く、接地片３の上面３ｂとスライド片２４の下面２４ｃとが平行である状態において、上記三角錐の頂点Ｔが接地片３の接地面３ａ近傍に位置するように、配置されている。

　揺動機構４によってベース部材２に連結された接地片３は、接地面３ａを介して床反力Ｒを受けると、図２Ｂに示す如く、接地面３ａ近傍に位置する揺動中心Ｃまわりに受動的に揺動する。

　上記のように構成された足部機構１は、図３に示す如く、上体ユニット１０および脚ユニット１３、１３を有する二脚歩行式ロボット１２において、各脚ユニット１３の下端にベース部材２の本体部２１が連結されて、取り付けられる。

　二脚歩行式ロボット１２の脚ユニット１３は、股関節部５、膝関節部７、足首関節部９、股関節部５と膝関節部７とを連結する大腿リンク６、および膝関節部７と足首関節部９とを連結する下腿リンク８、から構成されている。

　股関節部５は、Ｚ軸まわりの揺動軸５１と、Ｘ軸まわりの揺動軸５２と、Ｙ軸まわりの揺動軸５３とにより構成されている。膝関節部７は、Ｙ軸まわりの揺動軸７１からなっている。足首関節部９は、Ｘ軸まわりの揺動軸９１と、Ｙ軸まわりの揺動軸９２とにより、構成されている。これにより、脚ユニット１３は６自由度を有することとなる。

　各揺動軸５１～５３、７１、９１、９２は、それぞれの軸周りに回転する駆動モータにより構成されている。各駆動モータは、その回転量を検出するロータリエンコーダを備えている。各駆動モータは、上体ユニット１０内に格納された制御ユニット１１によって駆動制御される。

　制御ユニット１１は、図４に示す如く、歩容生成部１１ａと、演算部１１ｂと、補正部１１ｃと、駆動モータ制御部１１ｄと、を備えている。

　歩容生成部１１ａは、外部から入力される要求動作信号に対応して、脚ユニット１３における各揺動軸５１～５３、７１、９１、９２の目標角度、目標角速度、および目標ＺＭＰ等を含む歩容データを生成し、補正部１１ｃに出力する。

　演算部１１ｂは、脚ユニット１３における各関節部５、７、９の駆動モータに備えられたロータリエンコーダから、各駆動モータの角度信号が入力される。演算部１１ｂは、その角度信号に基づき、各関節部５、７、９の駆動モータの角度、角速度等に関する関節状態データを算出し、駆動モータ制御部１１ｄにそれを出力する。

　演算部１１ｂにはさらに、足部機構１における床反力検出器２６から、床反力検出値が入力される。演算部１１ｂは、各床反力検出器２６からの床反力検出値に基づいて、実ＺＭＰを算出し、補正部１１ｃにそれを出力する。

　補正部１１ｃは、演算部１１ｂから入力された実ＺＭＰが、歩容生成部１１ａから入力された目標ＺＭＰに一致するように、または支持多角形内に収まるように、各揺動軸５１～５３、７１、９１、９２の目標角度、目標各速度等の歩容データを補正する。補正後の歩容データは、駆動モータ制御部１１ｄに入力される。

　駆動モータ制御部１１ｄは、補正部１１ｃからの補正後の歩容データと、演算部１１ｂからの関節状態データとの差に基づいて、各関節部５、７、９の駆動モータに対する制御信号を生成する。駆動モータ制御部１１ｄは、その制御信号を各駆動モータに出力することで、各駆動モータを駆動制御する。

　以上のように構成された足部機構１は、足底が単一平面ではなく、一直線上に並ばないように分散配置された３つの接地片３の各接地面３ａで接地する構成となっている。さらに、それぞれの接地片が、接地面近傍に位置する揺動中心Ｃまわりに、床反力を受けて受動的に揺動し、自然に床面に倣うことができる。

　このとき、各接地片３に対応する各揺動中心Ｃは、全てベース部材２に対して固定された接地点と見なすことができる。すなわち、本発明の足部機構１は、前記３点支持構造を持つ足部機構と実質的に同等である。したがって、不整地においても接地性が向上し、前記ア）のトルク発生機能が満足される。さらに、不整地の形状に依存せず、また接地片３の揺動の状態にも依存せず、ベース部材２に対して固定された３つの揺動中心Ｃを頂点とする三角形を常に支持多角形とすることができ、前記ウ）の情報の取得が容易となる。

　また、足部機構１は、特許文献２に記載の足部機構と適合する検出器２６を備えていることにより、各揺動中心Ｃを含む平面の法線方向に作用する床反力のみをそれぞれ取得することができる。その結果、各揺動中心Ｃを含む平面に固定されたローカル座標軸に基づく実ＺＭＰ、つまり前記エ）の情報を容易に取得することができる。

　また、足部機構１によれば、図５Ａに示す如く床に起伏があっても、また図５Ｂに示す如く床に突起Ｐがあっても、３つの接地面３ａがそれぞれ独立に、各揺動中心Ｃの近傍で床面に接するように、床面に倣うことができる。つまり、足部機構１は３点支持構造と実質的に同等でありながら、３点接触ではなく３面接触で床面に接地する。その結果、足部機構１によれば、前記ア）、ウ）、エ）と同時に、前記イ）の摩擦力発生機能も満足される。

　また、足部機構１によれば、接地片３の揺動中心Ｃを接地面３ａ近傍に位置させていることにより、遊脚から立脚への遷移時に、図６Ａに模式的に示す如く、接地片３の床面に沿った方向への移動量が少なく、床面に滑らかに倣うことができる。
　もし仮に、揺動中心Ｃが接地面３ａから遠い位置にあれば、図６Ｂに示す如く、接地片１０３の床面に沿った方向への移動量が多くなり、床面上をすべりながら倣うことになる。接地片１０３の配置によっては、図６Ｂに示す如く、接地片１０３が相互に干渉する。あるいは，図６Ｃに示す如く、揺動機構を挫いてしまい、倣い動作ができない場合もあり得る。

　また、接地片３は受動的に揺動するため、駆動手段が不要であり、シンプルな構成である。

　また、前述したように、足部機構１は、特許文献２に記載の足部機構と適合する構成となっている。すなわち、足部機構１は、特許文献２の３点支持構造の足部機構における「接地点」を、本発明の足部機構における「揺動中心Ｃ」と一致させ、特許文献２の「仮想足底平面」を、本発明の足部機構における「３つの揺動中心Ｃの全てを含む平面」と一致させた構成となっている。
　これにより、特許文献２の足部機構の利点である、最小の軸数の力センサによって前記エ）の情報を得る効果を導入でき、さらには特許文献２の足部機構のみでは十分に実現できなかった前記イ）の摩擦力発生機能が実現される。
　つまり、足部機構１は、不整地においても前記ア）、イ）、ウ）、エ）をすべて満たすことができるとともに、二脚歩行式ロボット１２の立位バランス保持を自動制御によって行なうために必要十分な情報を最小限の検出器２６のみで取得することができる、単純かつ安価で壊れにくい多脚歩行式移動装置の足部機構となる。

　また、足部機構１によれば、接地した際の衝撃を圧縮ばね２５が緩和するため、多脚歩行式移動装置の各駆動部や各関節部を保護することができる。

［変形例］
　以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は次のように変形して実施することができる。

　３つの接地面３ａについて、揺動の際に互いに干渉しない限り、面積および形状は適宜選択され得る。図７Ａに示す如く、各接地面３ａの面積は異なっていてもよい。図７Ｂ、図７Ｃに示す如く、各接地面３ａの形状も異なってよい。

　ベース部材２の形状は、床面に接地せず、かつ接地片３の揺動に対して干渉しないような形状であれば、どのような形状であってもよい。
　さらに、ベース部材２は、図８に示す如く、スライド片２４を備えていないものでもよい。この場合、ベース部材２ａの先端部２３ａの下面に揺動機構４の一端が取り付けられる。また、この場合、圧力センサ等の公知の床反力検出器２６ａを、例えば各先端部２３ａと揺動機構４の間に設けてもよい。

　揺動機構４は、例えば図９に示す如く、１本の剛体ロッド４２の一端をスライド片２４の下面２４ｃに取り付けるとともに、他端をボールジョイントあるいはユニバーサルジョイント４１ｃを介して接地片３の上面３ｂに取り付けた揺動機構４ａとすることもできる。この場合、接地片３の揺動中心Ｃが極力接地面３ａの近傍に位置するように、ボールジョイントあるいはユニバーサルジョイント４１ｃを配置する必要がある。

　揺動機構４は、例えば図１０Ａに示す如く、３本のロッド４２の一端をばね等の弾性部材４１ｄを介してスライド片２４の下面２４ｃに取り付けるとともに、他端をばね等の弾性部材４１ｅを介して接地片３の上面３ｂに取り付けた揺動機構４ｂとすることもできる。
　また、図１０Ｂに示す如く、揺動機構４が取り付けられる面２４ｃ、３ｂ間にばね４３を設けることもできる。
　これらのばね等の弾性部材により、接地片３が床反力から開放されたとき、接地片３を基準姿勢（この場合接地片の上面３ｂがスライド片２４の下面２４ｃに平行となる姿勢）に自然に復帰させることができる。

　また、図１１に示す如く、揺動機構４が取り付けられる面をその面に沿って受動的に並進および／または旋回運動させ得る並進／旋回機構２７を、ベース部材２に設けてもよい。並進／旋回機構２７は例えば、スライド片２４の軸２４ａの下端に接続された円形箱２４ｄであって底部に開口部２４ｅを備えたものと、円形箱２４ｄ内に収容される並進板２８と、並進板２８の下面２８ａおよび円形箱２４ｄの底面２４ｆにそれぞれボールジョイントあるいはユニバーサルジョイント２９ａ、２９ｂを介して取り付けられた３本の剛体ロッド２９と、から構成することができる。接地片３は、揺動機構４を介して、並進板２８の下面２８ａに取り付けられる。

　このように構成した場合、図１１Ｂに示す如く、並進板２８がその下面２８ａに沿って受動的に並進および／または旋回運動することができる。それゆえ、並進板２８に取り付けられた接地片３は、同様に受動的に並進および／または旋回運動することができる。前述したように、足部機構１は、接地片３の床面に沿った方向への移動量が少なく、床面に滑らかに倣うことができるが、並進／旋回機構２７をさらに設けることにより、この僅かな床面上での滑りも吸収し、全く滑ることなく倣うことが可能となる。

　なお、並進／旋回機構２７は例えば、図１２に示す如く、並進板２８の下面２８ａおよび円形箱２４ｄの底面２４ｆにそれぞればね２９ｃ、２９ｄを介して取り付けられた３本の剛体ロッド２９を用いて構成した並進／旋回機構２７ａとすることもできる。

　また、揺動機構４を、図１３に示す如く、ゴム板および金属板を交互に複数枚積層してなる３本の積層ゴム４４であって一端がスライド片２４の下面２４ｃに取り付けられたものと、積層ゴム４４の他端が取り付けられたプレート４５と、プレート４５と接地片３との間に配置されたスペーサ４６とからなる揺動機構４ｄとしてもよい。ここで、積層ゴム４４は、接地片３の上面３ｂとスライド片２４の下面２４ｃとが平行である状態において、揺動中心Ｃを頂点Ｔとする三角錐の稜線を構成するように配置されている。

　揺動機構４ｄによれば、図１３Ｂに示す如く、接地片３が、揺動中心Ｃまわりに揺動し得るとともに、図１３Ｃに示す如く、スライド片２４の下面２４ｃに平行な面内において並進運動することができる。

　また、３つの接地面３ａについて、防塵・防水のために、防水布やゴム等の柔軟な素材で互いに連結してシーリングしてもよい。また、接地面３ａだけではなく、揺動機構４、並進／旋回機構２７、ベース部材も含めてシーリングしてもよい。

Claims

多脚歩行式移動装置における脚ユニットの下端に取り付けられて接地する足部機構であって、
前記脚ユニットの下端に取り付けられるベース部材と、
それぞれ接地面を備えた３つの接地片であって、それぞれが一直線上に並ばないものと、
前記接地片ごとに設けられて前記接地片を前記ベース部材に揺動可能に連結する揺動機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が当該接地面近傍に位置する揺動中心まわりに受動的に揺動し得るように連結するものと、を含み、
前記ベース部材は、前記各揺動中心を含んでなる平面の法線方向以外に関して剛体的とみなせるように構成されていることを特徴とする多脚歩行式移動装置の足部機構。
前記揺動機構は、両端にそれぞれ回転自在関節部が設けられた３本の剛体ロッドからなり、
前記各ロッドは、一端が前記回転自在関節部を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記回転自在関節部を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多脚歩行式移動装置の足部機構。
前記揺動機構は、両端にそれぞれ弾性部材が取り付けられた３本の剛体ロッドからなり、前記各ロッドは、一端が前記弾性部材を介して前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記弾性部材を介して前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多脚歩行式移動装置の足部機構。
前記揺動機構は、一端に回転自在関節部が設けられた１本の剛体ロッドからなり、
前記ロッドは、前記一端が前記接地片の上面に前記回転自在関節部を介して取り付けられているとともに他端が前記ベース部材の下面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の多脚歩行式移動装置の足部機構。
前記接地片ごとに設けられて前記揺動機構を前記ベース部材に並進および／または旋回可能に連結する並進／旋回機構であって、前記接地片が前記接地面を介して床反力を受けた際、当該接地片が、前記各揺動中心を含んでなる平面に沿って受動的に並進および／または旋回し得るように連結するものをさらに含んでいることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の多脚歩行式移動装置の足部機構。
前記接地片が所定姿勢から揺動および／または並進した場合に前記所定姿勢へ復帰させる方向に付勢する付勢手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の多脚歩行式移動装置の足部機構。
前記揺動機構は、ゴム板および金属板を交互に複数枚積層してなる３本の積層ゴムからなり、
前記各積層ゴムは、一端が前記接地片の上面に取り付けられているとともに他端が前記ベース部材の下面に取り付けられていて、基準姿勢において前記揺動中心を頂点とする三角錐の稜線を構成するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多脚歩行式移動装置の足部機構。