JP2006051558A - Bipedal walking robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二本の脚を有し、該脚により歩行運動が可能な二足歩行ロボットに関する。 The present invention relates to a biped walking robot having two legs and capable of walking with the legs.
脚式のロボットは階段又は段差や不整地に適応する能力が高く、人間の生活空間に良く適応できるが、車輪式の移動機構を持つロボットに比べて消費するエネルギーが格段に多くなる傾向がある。それは車輪式ロボットが自分の姿勢を維持するのに格別なエネルギーを消費しないのに対して、脚式ロボットはサーボ制御によるエネルギー消費を強いられているからである。本出願人は先に脚式ロボットの省エネ対策技術として、脚を構成する関節部に機械的なブレーキ装置を設け、そのときの姿勢を保つときにこのブレーキを作動させるとともに、当該関節の駆動モータへの電力供給量を遮断する技術、及び重力などの外力による関節の動き方向と関節が駆動される方向とが一致しているときは、当該関節に弱いブレーキ力をかけて、駆動モータの消費電力を節約する技術を提案している
(例えば、特許文献1を参照。)。
Legged robots have a high ability to adapt to stairs or steps and rough terrain, and can adapt well to human living spaces, but they tend to consume significantly more energy than robots with wheeled movement mechanisms. . This is because a wheeled robot does not consume special energy to maintain its posture, whereas a legged robot is forced to consume energy by servo control. The present applicant previously provided a mechanical brake device at a joint part constituting the leg as an energy-saving measure technique for the legged robot, and actuates the brake when maintaining the posture at that time, and also drives the joint motor. If the joint movement direction by external force such as gravity and the direction in which the joint is driven coincide with the technology that cuts off the power supply to the joint, a weak braking force is applied to the joint to consume the drive motor. A technique for saving electric power has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この技術は、重力などの外力が当該関節に作用して回転させる方向と、制御によって関節が駆動される方向とが異なる場合には適用できない。また、弱いブレーキをかける使い方では、ブレーキによって運動のエネルギーを摩擦の熱エネルギーに変えてしまうために、場合によっては必ずしも省エネ効果が充分ではないことが起きる。 This technique cannot be applied when the direction in which an external force such as gravity acts on the joint to rotate and the direction in which the joint is driven by the control are different. Moreover, in the usage which applies a weak brake, since the energy of movement is changed into the heat energy of friction by a brake, the energy saving effect may not necessarily be enough depending on the case.
また、ロボットの負荷を軽減させることを目的として、ロボットにバランサースプリングが用いられる。例えば、産業用ロボットの分野で、関節部に作用するワークの重量モーメントの一部を相殺する目的で、バランサースプリングが設けられている例がある。特に自動車の製造工程で自動車そのものを持ち上げたりするロボットは、取り付けベースに近い関節部には大きな負荷モーメントが加わるので、従来よりバランサースプリングを備えた関節が使われてきた。この例では、上下方向では必要なモータのトルクが少なくて済む利点(即ち、より小さな容量の小型モータで済むという省力化の利点)を期待し、水平方向にワークを移動するときにはより少ない消費エネルギーで移動する利点を期待したものと解釈できる。 In addition, a balancer spring is used for the robot in order to reduce the load on the robot. For example, in the field of industrial robots, there is an example in which a balancer spring is provided for the purpose of canceling out part of the weight moment of a workpiece acting on a joint. In particular, a robot that lifts the automobile itself in the automobile manufacturing process applies a large load moment to the joint near the mounting base, and thus a joint provided with a balancer spring has been used conventionally. In this example, expecting the advantage of requiring less motor torque in the vertical direction (that is, the labor-saving advantage of having a smaller motor with a smaller capacity), and less energy consumption when moving the workpiece in the horizontal direction. It can be interpreted as an expectation of the advantage of moving with.
更に、歩行ロボットの分野でも、このバランサースプリングを使った技術が提案されている(例えば、特許文献2、3を参照。)。この技術は金属バネに代えて空気圧バネを利用し、膝関節に装着した技術であり、より小さいモータでロボットを設計するための省力化の概念が示されている。また、膝関節特有の課題として、遊脚期(脚が歩行路面に接地していない状態にある時期をいう。尚、以下において、歩行路面に接地していない脚の状態を「遊脚状態」という。)に膝が大きく折れ曲がる事実があり、その事実に対応するために、遊脚期には当該バランサースプリングを無効にするための複雑な機構が追加されている。
二本の脚を有する二足歩行ロボットにおいて、その歩行中の動作を観察すると、各脚は立脚期(脚が歩行路面に接地している状態にある時期をいう。尚、以下において、歩行路面に接地している脚の状態を「立脚状態」という。)と遊脚期とを交互に繰り返し、ロボ
ットの姿勢を安定に維持するために、立脚期ではロボットの体重中心(重心)から下ろした鉛直線が立脚側の足底を貫くように、体重移動を行っている。もちろん運動に伴う慣性力も働いているから、より正確に表現すれば、重心に作用する重力と慣性力との合力が立脚側の足底接地面を貫通するように、体重の移動を行っている、と言うべきである。尚、上記慣性力は小さなものであるから、以後、説明の簡略化のために、該慣性力を省略する。
In a biped walking robot having two legs, when observing the movement during walking, each leg is in the stance phase (the period when the leg is in contact with the walking road surface. In order to maintain the robot's posture in a stable manner, the leg that is in contact with the ground is called “Standing”. The weight is shifted so that the vertical line penetrates the sole on the stance side. Of course, the inertial force that accompanies the exercise is also working, so if you express more accurately, the weight is moved so that the resultant force of gravity and inertial force acting on the center of gravity penetrates the foot contact surface on the standing leg side. Should be said. Since the inertial force is small, hereinafter, the inertial force is omitted for simplification of description.
片足が立脚期にあって、他の足が遊脚期にある場合、股関節のロールを担う関節部には、その関節から上に配置される全ての部材の重力がモーメントとして作用することは無論のこと、遊脚に作用する重力もモーメントとして作用している。従って前記のロールを担う関節(以後、「ロール関節」と言う)には絶えずこれらのモーメントの和(以下、「歩行時負荷モーメント」と言う。)が作用しつつ、歩行のための位置制御が実行されている。そこで、ロール関節のモータにはこれらの負荷に相当する仕事の為の電気エネルギーが供給されなければ、ロボットのバランスが崩れ歩行を継続できなくなる。 Of course, when one leg is in the stance phase and the other leg is in the swing phase, the gravity of all members placed above the joint acts as a moment on the joint that carries the roll of the hip joint. That is, gravity acting on the free leg also acts as a moment. Accordingly, the position control for walking is performed while the sum of these moments (hereinafter referred to as “load moment during walking”) is constantly acting on the joint that bears the roll (hereinafter referred to as “roll joint”). It is running. Therefore, unless electric energy for work corresponding to these loads is supplied to the motor of the roll joint, the balance of the robot is lost and walking cannot be continued.
一方で、歩行ロボットの歩行中に、ロール関節の制御モータに絶えず歩行時負荷モーメントに抗する電気エネルギーを供給し続けると、歩行のための電気エネルギー消費量が顕著となる虞がある。 On the other hand, if electric energy against the load moment during walking is continuously supplied to the control motor of the roll joint while the walking robot is walking, the electric energy consumption for walking may become significant.
本発明では、上記した問題に鑑み、二足歩行ロボットにおいて、その歩行時に股関節のロール関節で消費される電力量を抑制することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to suppress the amount of power consumed by a roll joint of a hip joint during walking in a biped walking robot.
本発明においては、上記した課題を解決するために、電気エネルギーを消費せずに付勢力を発揮する機械的付勢手段を、ロール関節に対して並列に設置することとした。二足歩行ロボットの歩行時において、ロール関節は必ず脚を立脚状態と遊脚状態とに交互に制御しなければならないため、歩行時のバランスを維持するためにロール関節に周期的な重力負荷が掛かる。そこで、この機械的付勢手段によってロール関節での二足歩行ロボットの動作を支持することで、二足歩行ロボットの歩行時にロール関節で消費される電気エネルギーを抑制することが可能となる。 In the present invention, in order to solve the above-described problems, mechanical biasing means that exerts a biasing force without consuming electric energy is installed in parallel with the roll joint. When walking with a biped robot, the roll joint must always be controlled alternately between the standing and swinging legs, so a periodic gravity load is applied to the roll joint to maintain the balance during walking. It takes. Therefore, by supporting the operation of the biped walking robot at the roll joint by this mechanical biasing means, it is possible to suppress the electric energy consumed at the roll joint when the biped walking robot is walking.
より詳細には、本発明は、複数のリンク部材と該リンク部材の各々を連結する関節部とで構成される脚を二本有し、該脚の駆動により歩行を行う二足歩行ロボットであって、前記脚の関節のうち前記二足歩行ロボットの体をロール軸回りに揺らす股関節のロール関節において、該二足歩行ロボットの歩行時に生じる所定重量による該ロール軸まわりの回転モーメントの回転方向と反対側の所定回転方向に、該ロール軸におけるロール角に応じて安定回転モーメントを機械的に発生させる機械的付勢手段を、該ロール関節に並列に備える二足歩行ロボットである。 More specifically, the present invention is a biped robot that has two legs each composed of a plurality of link members and joints that connect each of the link members, and walks by driving the legs. In the hip joint that swings the body of the biped walking robot around the roll axis among the joints of the legs, the rotational direction of the rotational moment around the roll axis due to a predetermined weight generated when the biped walking robot walks, The biped robot includes mechanical urging means for generating a stable rotational moment mechanically in accordance with the roll angle on the roll axis in parallel to the roll joint in a predetermined rotational direction on the opposite side.
ここで、ロール関節とは、上述したように二足歩行ロボットの脚の関節であって、股関節のロールを担う関節をいう。そして、ロール関節に備えられるロール軸回りに二足歩行ロボットの体を揺らすことで、二足歩行ロボットの体が左右に揺らされることになる。二足歩行ロボットが歩行を行うとき、一の脚が歩行路面と接地し且つ他の脚が歩行路面と接地していない状態と、一の脚が歩行路面と接地せず且つ他の脚が歩行路面と接地している状態とが、繰り返される。即ち、一の脚において、立脚状態と遊脚状態とが交互に繰り返される。その結果、ロール関節には、周期的に重力負荷による回転モーメントが掛かる。 Here, the roll joint refers to the joint of the leg of the biped robot as described above and bears the roll of the hip joint. Then, by swinging the body of the biped walking robot around the roll axis provided in the roll joint, the body of the biped walking robot is swung left and right. When a biped robot walks, one leg is in contact with the walking road surface and the other leg is not in contact with the walking road surface, and one leg is not in contact with the walking road surface and the other leg is walking. The state of being in contact with the road surface is repeated. That is, in one leg, the standing state and the free leg state are alternately repeated. As a result, a rotational moment due to a gravity load is periodically applied to the roll joint.
即ち、この重力負荷による回転モーメントが、上記の所定重量によるロール軸回りの回転モーメントである。所定重量とは、二足歩行ロボットの歩行時に、該二足歩行ロボットの歩行動作によってロール関節に掛かる二足歩行ロボットの部分的な重量である。従って
、所定重量によるロール軸回りの回転モーメントは、歩行時の二足歩行ロボットの位置や姿勢等によって変化する。
That is, the rotational moment due to the gravitational load is the rotational moment around the roll axis due to the predetermined weight. The predetermined weight is a partial weight of the biped walking robot that is applied to the roll joint by the walking motion of the biped walking robot when the biped walking robot is walking. Therefore, the rotational moment around the roll axis due to the predetermined weight varies depending on the position and posture of the biped robot when walking.
そして、二足歩行ロボットの歩行時には、ロボット全体のバランスを保つために、所定重量によるロール軸回りの回転モーメントに抗する回転モーメントを、外部からロール軸に掛ける必要がある。そのため二足歩行ロボットの歩行時には、外部に仕事をしない、ただ二足歩行ロボットの歩行時のバランスを保つためだけにロール軸で電気エネルギーが消費されることになり、消費電力量が増加する。 When the biped robot walks, in order to maintain the balance of the entire robot, it is necessary to apply a rotation moment against the rotation axis around the roll axis from a predetermined weight to the roll axis from the outside. Therefore, when walking with a biped walking robot, electric energy is consumed at the roll axis just to keep the balance during walking of the biped walking robot without working outside, and the power consumption increases.
そこで、本発明に係る二足歩行ロボットでは、この所定重量によるロール軸回りの回転モーメントの少なくとも一部を、機械的付勢手段による付勢力である安定回転モーメントで相殺する。機械的付勢手段による付勢力である安定回転モーメントは、機械的に発生され、その回転方向は所定重量による回転モーメントと反対の所定回転方向である。ここで、機械的とは、「電気エネルギーを消費せずに」という意味であり、機械的付勢手段は、ロール軸の本来の位置制御を行うモータとは異なり、電気エネルギーを消費することなく付勢力を発生させる。この機械的付勢手段によって、安定回転モーメントと所定重量によるロール軸回りの回転モーメントの一部が相殺され、その結果、歩行時のバランスを保つためにロール関節のモータで消費される電力量を抑制することが可能となる。尚、この安定回転モーメントは、所定重量によって生じる回転モーメントをより効率的に低減させるために、該回転モーメントの大きさに関連するロール角に応じてその大きさが決まる。ここで、ロール角とは、ロール軸に対する脚の回転角を言う。 Therefore, in the biped robot according to the present invention, at least a part of the rotational moment around the roll axis due to the predetermined weight is canceled by the stable rotational moment that is the biasing force by the mechanical biasing means. A stable rotation moment, which is an urging force by the mechanical urging means, is mechanically generated, and the rotation direction is a predetermined rotation direction opposite to the rotation moment due to a predetermined weight. Here, mechanical means “without consuming electric energy”, and mechanical urging means does not consume electric energy, unlike a motor that performs the original position control of the roll shaft. Generate a biasing force. By this mechanical biasing means, a part of the rotational moment around the roll axis due to the stable rotational moment and the predetermined weight is offset, and as a result, the amount of electric power consumed by the roll joint motor to maintain the balance during walking is reduced. It becomes possible to suppress. The stable rotational moment is determined in accordance with the roll angle related to the magnitude of the rotational moment in order to more efficiently reduce the rotational moment generated by the predetermined weight. Here, the roll angle refers to the rotation angle of the leg with respect to the roll axis.
ここで、上記の二足歩行ロボットにおいて、前記ロール関節が、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地している脚のロール関節である場合、前記所定重量は、少なくとも、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地していない脚および該二足歩行ロボットの上体の重量としてもよい。即ち、片脚のみが立脚状態となっている場合、二足歩行ロボットの体は、その片脚で支えられている。そのとき立脚状態となっている脚のロール関節には、二足歩行ロボットの上体(脚より頭部側の二足歩行ロボットの体の部分)と遊脚状態となっている片脚の重量による回転モーメントがロール軸回りに発生する。 Here, in the above biped robot, when the roll joint is a roll joint of a leg that is in contact with a walking road surface when the biped robot is walking, the predetermined weight is at least the biped It may be the weight of the leg that is not in contact with the walking road surface and the upper body of the biped robot when the walking robot is walking. That is, when only one leg is standing, the body of the biped robot is supported by the one leg. At that time, the leg roll joints in the standing state include the upper body of the biped robot (the body part of the biped robot on the head side from the leg) and the weight of one leg in the swinging state. Rotational moment due to is generated around the roll axis.
ここで、二足歩行ロボットの片脚に注目した場合、歩行時にはその脚が立脚状態と遊脚状態とを交互に迎える。このとき、該片脚のロール関節にかかる所定重量による回転モーメントの向きは、歩行時の二足歩行ロボットのバランスを踏まえると、立脚時期と遊脚時期とでは向きが反対となる場合がある。さらに、上述したように、所定重量が、立脚時期と遊脚時期とでは大きく異なる。つまり、遊脚時期における所定重量は、基本的に遊脚状態となっている脚の重量となるため、立脚時期における所定重量より遙かに小さくなる。 Here, when attention is paid to one leg of a biped robot, the leg alternately enters a standing leg state and a free leg state during walking. At this time, the direction of the rotational moment due to the predetermined weight applied to the roll joint of the one leg may be opposite between the standing time and the free leg time, based on the balance of the biped robot during walking. Furthermore, as described above, the predetermined weight is greatly different between the standing leg time and the free leg timing. In other words, the predetermined weight at the swinging leg time is basically the weight of the leg in the swinging leg state, and is much smaller than the predetermined weight at the standing leg time.
従って、ロール関節は、立脚期と遊脚期とで方向が逆で大きさが異なる回転モーメントに遭遇することになる。そして、前記機械的付勢手段による安定回転モーメントの向きが一定であれば、場合によっては所定重量による回転モーメントの一部を相殺することができず、却って所定重量による回転モーメントを増大させて、歩行時のバランスを維持するために要する電力量が増大する。 Therefore, the roll joint encounters rotational moments having opposite directions and different sizes in the stance phase and the swing phase. And if the direction of the stable rotational moment by the mechanical biasing means is constant, in some cases it is not possible to cancel a part of the rotational moment due to the predetermined weight, on the contrary, to increase the rotational moment due to the predetermined weight, The amount of power required to maintain the balance during walking increases.
即ち、安定回転モーメントと所定重量による回転モーメントの向きが反対である場合には、所定重量による回転モーメントの一部が安定回転モーメントによって相殺されるため、歩行時のバランス維持のための消費電力量を抑制できるが、安定回転モーメントと所定重量による回転モーメントの向きが同一である場合には、定重量による回転モーメントに安定回転モーメントが加算されるため、歩行時のバランス維持のための消費電力量が増大する。 In other words, when the direction of the stable rotational moment and the rotational moment due to the predetermined weight are opposite, a part of the rotational moment due to the predetermined weight is offset by the stable rotational moment, so the power consumption for maintaining the balance during walking However, when the direction of the stable rotation moment and the rotation moment due to the specified weight is the same, the stable rotation moment is added to the rotation moment due to the constant weight. Will increase.
そこで、上記の二足歩行ロボットでおいて、前記ロール関節が、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地している脚のロール関節であって、前記所定重量が、少なくとも、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地していない脚および該二足歩行ロボットの上体の重量となる場合に、前記機械的付勢手段は、前記所定回転方向に前記ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させ、且つ該所定回転方向と反対向きの方向には該ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させないようにしてもよい。 Therefore, in the above biped robot, the roll joint is a leg roll joint that is in contact with the walking road surface when the biped robot is walking, and the predetermined weight is at least the two biped robots. When the weight of the leg that is not in contact with the walking road surface and the upper body of the biped robot when the leg walking robot is walking, the mechanical biasing means is stable around the roll axis in the predetermined rotation direction. A rotational moment may be generated and a stable rotational moment around the roll axis may not be generated in a direction opposite to the predetermined rotational direction.
ここでいう所定回転方向とは、立脚状態にある脚のロール関節において、少なくとも二足歩行ロボットの上体および遊脚状態にある脚からなる所定重量によって発生するロール軸回りの回転モーメントの方向とは反対の方向である。従って、機械的付勢手段による安定回転モーメントは、所定重量が比較的大きくなる際の回転モーメントのみを相殺すべく設定される。これにより、歩行時における所定重量による回転モーメントが比較的大きくなるときに安定回転モーメントによってその一部を相殺することができ、且つ所定重量による回転モーメントが比較的小さいときに安定回転モーメントによって該回転モーメントが増加されることはなくなるので、歩行時にロール関節で消費される電力量を抑制し得る。 The predetermined rotation direction here refers to the direction of the rotational moment around the roll axis generated by a predetermined weight consisting of at least the upper body of the biped walking robot and the leg in the free leg state at the roll joint of the leg in the standing state. Is the opposite direction. Therefore, the stable rotational moment by the mechanical biasing means is set so as to cancel only the rotational moment when the predetermined weight becomes relatively large. As a result, when the rotational moment due to the predetermined weight during walking is relatively large, a part of the rotational moment can be offset by the stable rotational moment, and when the rotational moment due to the predetermined weight is relatively small, Since the moment is not increased, the amount of power consumed by the roll joint during walking can be suppressed.
また、上記の二足歩行ロボットでおいて、前記ロール関節が、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地している脚のロール関節であって、前記所定重量が、少なくとも、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地していない脚および該二足歩行ロボットの上体の重量となる場合に、前記機械的付勢手段は、前記所定回転方向に前記ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させ、且つ該所定回転方向と反対向きの方向には該所定回転方向の場合の安定回転モーメントより小さい安定回転モーメントを発生させるようにしてもよい。 Further, in the above biped robot, the roll joint is a roll joint of a leg that is in contact with a walking road surface when the biped robot is walking, and the predetermined weight is at least the two biped robots. When the weight of the leg that is not in contact with the walking road surface and the upper body of the biped robot when the leg walking robot is walking, the mechanical biasing means is stable around the roll axis in the predetermined rotation direction. A rotational moment may be generated, and a stable rotational moment smaller than the stable rotational moment in the predetermined rotational direction may be generated in a direction opposite to the predetermined rotational direction.
ここでいう所定回転方向も、上述の所定回転方向と同義である。この場合、機械的付勢手段による安定回転モーメントは、所定重量による回転モーメントが比較的大きくなる回転方向では比較的大きくなり、逆に該回転モーメントが比較的小さくなる回転方向では比較的小さくなる。即ち、機械的付勢手段によって、所定重量によって発生するそれぞれの回転方向の回転モーメントの大きさに応じた安定回転モーメントが発生させられることで、それぞれの回転モーメントの一部を相殺することができ、歩行時にロール関節で消費される電力量を抑制し得る。 The predetermined rotation direction here is also synonymous with the above-mentioned predetermined rotation direction. In this case, the stable rotational moment by the mechanical biasing means is relatively large in the rotational direction in which the rotational moment due to the predetermined weight is relatively large, and conversely becomes relatively small in the rotational direction in which the rotational moment is relatively small. In other words, the mechanical urging means generates a stable rotational moment according to the magnitude of the rotational moment in each rotational direction generated by a predetermined weight, so that a part of each rotational moment can be canceled out. The amount of power consumed by the roll joint during walking can be suppressed.
ここで、上記までの二足歩行ロボットにおいて、前記機械的付勢手段は、ばね部材であって、前記ばね部材の両端は前記ロール軸を挟んだ上下の部位でそれぞれ前記脚に接続され、且つ該ばね部材の少なくとも一端が所定の範囲の遊び部位を有する状態で該脚に接続されているようにしてもよい。 Here, in the above-described biped robot, the mechanical biasing means is a spring member, and both ends of the spring member are respectively connected to the legs at upper and lower portions sandwiching the roll shaft, and At least one end of the spring member may be connected to the leg in a state having a play area within a predetermined range.
ロール関節のロール軸を挟んでばね部材がその上下の脚の部位に接続されることで、歩行時にロール軸を中心とした脚の位置制御が行われると、ばね部材が伸縮されて付勢力が発生し、その付勢力がロール軸回りの安定回転モーメントとなる。ここで、ばね部材の少なくとも一端においては遊び部が設けられている。この遊び部位は、歩行時のロール軸を中心とした脚の位置制御が行われているときに、脚の動きによってばね部材が伸縮されないニュートラルな状態を作るためのものである。即ち、遊び部位によって、歩行時の脚の動き次第ではばね部材による付勢力を発生させないことで、前記所定回転方向に前記ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させ、且つ該所定回転方向と反対向きの方向には該ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させないようにしたり、前記所定回転方向に前記ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させ、且つ該所定回転方向と反対向きの方向には該所定回転方向の場合の安定回転モーメントより小さい安定回転モーメントを発生さ
せたりすることが可能となる。
The spring member is connected to the upper and lower leg parts across the roll axis of the roll joint, so that when the leg position is controlled around the roll axis during walking, the spring member is expanded and contracted and the urging force is increased. The generated urging force becomes a stable rotational moment around the roll axis. Here, at least one end of the spring member is provided with a play portion. This play portion is for creating a neutral state in which the spring member is not expanded or contracted by the movement of the leg when the position control of the leg around the roll axis during walking is performed. In other words, depending on the play portion, depending on the movement of the leg during walking, a biasing force by the spring member is not generated, so that a stable rotational moment around the roll axis is generated in the predetermined rotational direction, and the direction opposite to the predetermined rotational direction. The stable rotational moment around the roll axis is prevented from being generated in the direction of, or the stable rotational moment around the roll axis is generated in the predetermined rotational direction, and the predetermined rotational direction is opposite to the predetermined rotational direction. It is possible to generate a stable rotational moment that is smaller than the stable rotational moment in the case of the rotational direction.
また、上記までの二足歩行ロボットにおいて、前記機械的付勢手段は、回転ばね部材であって、前記回転ばね部材は、その一端が前記脚と接続され且つその他端が前記ロール軸と接続されるとともに、該一端または該他端のうち少なくともいずれかが所定の範囲の遊び部位を有する状態で該脚に接続されているようにしてもよい。 In the biped robot described above, the mechanical biasing means is a rotary spring member, and one end of the rotary spring member is connected to the leg and the other end is connected to the roll shaft. In addition, at least one of the one end and the other end may be connected to the leg in a state having a play area in a predetermined range.
ロール軸と脚が回転ばね部材で接続されることで、歩行時にロール軸を中心とした脚の位置制御が行われると、回転ばね部材が捩られて弾性エネルギーが蓄積されて、ロール軸に直接安定回転モーメントが発生する。ここで、回転ばね部材の一端または他端のうち少なくともいずれかにおいては遊び部位が設けられている。この遊び部位は、歩行時のロール軸を中心とした脚の位置制御が行われているときに、脚の動きによって回転ばね部材が捩られないニュートラルな状態を作るためのものである。即ち、遊び部位によって、歩行時の脚の動き次第では回転ばね部材による安定回転モーメントを発生させないことで、前記所定回転方向のみに前記ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させ、且つ該所定回転方向と反対向きの方向には該ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させないようにしたり、前記所定回転方向に前記ロール軸回りの安定回転モーメントを発生させ、且つ該所定回転方向と反対向きの方向には該所定回転方向の場合の安定回転モーメントより小さい安定回転モーメントを発生させたりすることが可能となる。 When the roll shaft and the leg are connected by the rotation spring member, when the position control of the leg around the roll axis is performed during walking, the rotation spring member is twisted and elastic energy is accumulated, and the roll shaft is directly connected to the roll shaft. A stable rotational moment is generated. Here, at least one of the one end and the other end of the rotary spring member is provided with a play portion. This play portion is for creating a neutral state in which the rotation spring member is not twisted by the movement of the leg when the leg position is controlled around the roll axis during walking. That is, depending on the play portion, depending on the movement of the legs during walking, a stable rotational moment by the rotary spring member is not generated, so that a stable rotational moment around the roll axis is generated only in the predetermined rotational direction, and the predetermined rotational direction The stable rotation moment around the roll axis is not generated in the direction opposite to the roll axis, or the stable rotation moment around the roll axis is generated in the predetermined rotation direction, and in the direction opposite to the predetermined rotation direction. It is possible to generate a stable rotational moment smaller than the stable rotational moment in the predetermined rotational direction.
ここで、上記の二足歩行ロボットにおいて、前記回転ばね部材の中心軸が前記ロール軸と同心となるようにしてもよい。これにより、機械的付勢手段である回転ばね部材の装着をより省スペース的に行うことが可能となり、回転ばね部材が二足歩行ロボットのその他の構成部品と接触、巻き込み等をする可能性を低くすることが可能となる。 Here, in the biped robot described above, the central axis of the rotary spring member may be concentric with the roll axis. As a result, it is possible to mount the rotary spring member, which is a mechanical biasing means, in a more space-saving manner, and it is possible for the rotary spring member to contact, entrain, etc. with other components of the biped robot. It can be lowered.
ここで、上述までの二足歩行ロボットにおいては、前記機械的付勢手段は、前記ロール角が大きくなるに従い前記安定回転モーメントを増大させ、且つ、該ロール角が大きくなるに従い該安定回転モーメントの増大率が小さくなるようにしてもよい。 Here, in the biped robot up to the above, the mechanical biasing means increases the stable rotational moment as the roll angle increases, and increases the stable rotational moment as the roll angle increases. The increase rate may be reduced.
二足歩行ロボットが平地を歩く場合と階段の昇降をする場合の2つを考慮すると、階段での立脚期では膝関節は大きく折れ曲がり、結果的に股関節と足関節との距離は縮まっている。しかし歩行の安定条件から、ロボットの重心から下ろした鉛直線は、脚の接地面を貫通していなければならない。この事実は膝が大きく折れ曲がったときに、ロール関節のロール角が階段歩行では平地歩行に比べて大きくなることを意味している。しかし一方では、階段歩行時にロール関節に加わる負荷モーメントは、平地歩行時に比べてそれほどは増えない。そこで、仮に、機械的付勢手段による安定回転モーメントの特性が、ロール角に比例して増加するように設定されていれば、階段歩行時には所定重量による回転モーメント以上の安定回転モーメントが発生することになり、却って消費電力量が多くなる。また、平地歩行時に対応した安定回転モーメントの最適化をした場合には、階段歩行時の消費電力量の削減が円滑に行われなくなる。 Considering two cases, when the biped robot walks on a flat ground and when going up and down the stairs, the knee joint is bent greatly during the stance phase on the stairs, and as a result, the distance between the hip joint and the ankle joint is shortened. However, because of the stability of walking, the vertical line drawn from the center of gravity of the robot must pass through the ground contact surface of the leg. This fact means that when the knee is bent greatly, the roll angle of the roll joint is larger in stair walking than in flat ground walking. However, on the other hand, the load moment applied to the roll joint during stair walking does not increase much as compared with walking on flat ground. Therefore, if the characteristic of the stable rotational moment by the mechanical biasing means is set to increase in proportion to the roll angle, a stable rotational moment greater than the rotational moment due to the predetermined weight will occur when walking on stairs. On the contrary, the amount of power consumption increases. Moreover, when the stable rotational moment corresponding to walking on flat ground is optimized, the amount of power consumption when walking on stairs cannot be reduced smoothly.
そこで、機械的付勢手段による安定回転モーメントの特性をロール関節のロール角に応じて可変に設定して、ロール角が大きい範囲では、ロール角が増大しても安定回転モーメントの増加が鈍くなるようにすることで、所定重量によるロール軸回りの回転モーメントを効率的に相殺することが可能となり、以て歩行時にロール関節で消費される電力量を抑制し得る。 Therefore, the characteristic of the stable rotational moment by the mechanical biasing means is variably set according to the roll angle of the roll joint, and in the range where the roll angle is large, the increase of the stable rotational moment becomes dull even if the roll angle increases. By doing so, it becomes possible to efficiently cancel the rotational moment around the roll axis due to the predetermined weight, and thus the amount of power consumed by the roll joint during walking can be suppressed.
本発明によって、二足歩行ロボットにおいて、その歩行時に股関節のロール関節で消費される電力量を抑制することが可能となる。 According to the present invention, in a biped walking robot, it is possible to suppress the amount of power consumed by the roll joint of the hip joint during walking.
ここで、本発明に係る二足歩行ロボットの実施の形態について図面に基づいて説明する。 Here, an embodiment of a biped robot according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に本発明の適用に適した二足歩行ロボット(以下、単に「ロボット」と言う。)の骨格図を示す。基本的に骨格図は左右対称であり、説明の簡略化のために右脚についてのみ説明する。また、本実施例における左右は、図面に示すロボット001側から見た左右である。従って、右脚という場合は、紙面に向かって左側の脚を指す。
FIG. 1 shows a skeleton diagram of a biped robot (hereinafter simply referred to as “robot”) suitable for application of the present invention. Basically, the skeleton diagram is symmetrical, and only the right leg will be described for the sake of simplicity. Further, the left and right in this embodiment are the left and right as viewed from the
図1で脚全体002は方向転換用の関節004で骨盤006に固定されており、その下にはロール関節008とピッチ関節010が図のように配置されている。この配置により、方向転換用の関節004が回動すると脚全体がヨー軸005回りに旋回し、ロール関節008が回動すると脚全体がロール軸009回りに揺動し、更にピッチ関節010が回動すると脚全体がピッチ軸011回りに揺動する。これら3関節はその出力軸が互いに直交するように配置され、股関節を形成している。
In FIG. 1, the
股関節の下には大腿リンク012に結合された膝関節014があり、更にその下にはスネリンク016に結合された足関節が配置される。足関節はピッチ関節018と、これに直交するロール関節020からなる。足関節の下には地面と接触する足部022が結合されている。また骨盤006に結合されて上体部024があるが、上体部は胴体と腕、頭部などを含み、本発明と密接に関係する重量はかなりの量を占めている。しかしその構造自体は本発明の主要な構成要因とならないために2点鎖線で大まかに示すに留める。尚、上記の各関節の位置は、電気エネルギーによって駆動される駆動モータ(以下、単に「モータ」とも言う。)によって制御される。
Below the hip joint is a knee joint 014 coupled to the
図2は図1に示すロボット001が平らな床上を歩行しているとき、右脚を立脚状態にしているときの様子を前方から見た正面図である。この姿勢の時のロボット001全体の重心位置を点PRとする。ロボット001の質量をMとすれば、点PRには鉛直下向きにMg(gは重力加速度で凡そ9.8m/s2)の力が作用している。この力のベクトルが地面と交わる点をPR'とすれば、点PR'には路面反力として鉛直上向きにMgと同じ大きさの力が作用する筈である。
FIG. 2 is a front view of the
このとき、股関節のロール関節008に作用する重力の負荷モーメントを求めてみる。ロール関節008に作用する重力モーメントは、ロール関節008から下の部分の重量を除くロボット001の重量(具体的には上体部024と遊脚である左脚の重量の和)が作用する筈であり、その重心を点QRとする。図2のような姿勢の場合には、点QRは、点PRよりやや左上に位置し、図示の位置にあるものとする。点QRには鉛直下向きにmgの力が作用する。ここで、mはロボット001全体の質量Mから右脚のロール関節008より下部の質量を引いたものである。このときロール関節008から点QRまでの水平距離をXRとすれば、ロール関節008に加わる重力負荷モーメントTRは、次式で表される。
TR=mg×XR
At this time, the load moment of gravity acting on the
T R = mg × X R
図2では時計方向の回転矢印で、重力負荷モーメントTRの大きさと方向とを表す。この姿勢を継続して保とうとすれば、ロール関節008の駆動モータは上記TRとは大きさが等しく反時計方向の安定回転モーメントTMを出力する必要がある。実際の歩行中のロボット001は図示の姿勢で静止せず、連続して動いているため、安定回転モーメントTMの算出には、慣性力の分を考慮する必要がある。しかし、実際には、慣性力による回転
モーメントは重力負荷モーメントに比べて小さいため、慣性力による回転モーメントの存在は無視し得る。そこで、説明の都合上、安定回転モーメントTMは、重力負荷モーメントTRと大きさが同じで、その方向が反対であるとする。
In the rotation arrows in Figure 2, clockwise, represent the magnitude and direction of gravity load moment T R. If attempts to keep continuously the attitude, the drive motor of the roll joint 008 is required to output a stable torque T M of the T R and counterclockwise equal magnitude.
この安定回転モーメントTMを出すために、駆動モータには安定回転モーメントTMに比例した電流Iを流しておく必要があり、電流Iと電源電圧Vとの積で決まる電力が消費される。また、この重力負荷モーメントTRは主として脚のロール角θRに比例している。このロール関節008におけるロール角θRは比較的小さいが、外部に対して何ら物理的な仕事をしていないから、この電力は無駄なエネルギー消費となる。 To issue this stable torque T M, the drive motor must electric current I which is proportional to the stable torque T M, the power determined by the product of the current I and the power supply voltage V is consumed. Moreover, the gravity load moment T R is mainly proportional to the roll angle theta R legs. The roll angle θ R at the roll joint 008 is relatively small, but since no physical work is performed on the outside, this power is wasted energy consumption.
図3は図1に示すロボット001が同じく平らな床上を歩行中に左脚を立脚状態にしているときの様子を前方から見た図である。ロボット001全体の重心位置は右に動いてPLとなり、その鉛直下向きの重力ベクトルMgは今度は左脚の足部の接地面を貫く。この状態のときに右脚股関節のロール関節008に加わる負荷モーメントTLを求める。このときのロール関節008には、これより下部にある右脚の重量が作用する筈であり、右脚の重心位置をQLとし、また重心QLまでのロール関節008からの水平距離をXLとし、右脚のロール関節008以下の質量をm’とすれば、ロール関節008に加わる負荷重力モーメントTLは、次式で表される。
TL=m’g×XL
FIG. 3 is a view of the
T L = m′g × X L
ここで、m’には上体部024の重量が加わらないため、m’はmに比べて充分に小さく、また距離XLもXRに比べて充分に小さい。このことから重力負荷モーメントTLは重力負荷モーメントTRに対して充分に小さい重力負荷モーメントである。この重力負荷モーメントTLも大腿リンク012のロール角θLにほぼ比例して増大する量である。この負荷モーメントTLを図示すると、図のように反時計方向の回転矢印となる。ロール関節008の駆動モータにはこの負荷モーメントと同じ大きさで時計方向の安定回転モーメントTMを出力する必要があり、そのモーメントに比例する電流Iを供給する必要がある。この電流で計算される電力も、上記の理由で無駄なエネルギーである。
Here, 'since the not applied weight of the
ここで注目すべきは、図2と図3とでロール関節008に加わる重力負荷モーメントTRとTLの方向は逆向きになり、従ってそれらに対応する安定回転モーメントTMもまた両者で逆向きとなることである。このことを考慮して、本発明における機械的付勢手段に相当するバランサースプリングの設計を行う。 Here it should be noted, the direction of gravity load moment T R and T L applied to the roll joint 008 in FIGS. 2 and 3 become opposite, thus stabilizing torque T M and vice versa in both their corresponding It is to be oriented. Considering this, a balancer spring corresponding to the mechanical biasing means in the present invention is designed.
図4には以上の安定回転モーメントTMとロール角θRとの関係をグラフ表示した。ここでロール角θRはロボット001の直立起立姿勢からの大腿リンク012の揺動角度であり、また安定回転モーメントTMとロールθRの回転角の方向は、反時計回りを+、時計回りを−で表示している。即ち右脚が立脚期のとき(θR>0のとき)にはロール角θRの増加に対して大きな割合で安定回転モーメントTMも増え、左脚が立脚のとき(θR<0のときであって、図3に示すθLに対応する場合)にはロール角θRの増加に対して小さな割合で安定回転モーメントTMが増える(但し、安定回転モーメントTMの方向は、立脚の時と反対となる)ことが分かる。安定回転モーメントTMの増加の割合が小さくなる理由は、前述したようにXLとm’が充分に小さいからである。
The graphical representation of the relationship between the above stable rotational moment T M and the roll angle theta R in FIG. Here, the roll angle θ R is the swing angle of the
次に、図5に本発明を適用する場合の基本的な考え方を示す。図において、安定回転モーメントTMが正の部分についての、バランサースプリングの設計概念を述べる。バランサースプリングは、弾性部材であって、それ自身が伸縮されることで外部に付勢力を与える。いまロール角θRに対するモーメント特性がTSで示されるバランサースプリングによって、重力負荷モーメントの一部が点線のように支えられたとする。その場合には、安定回転モーメントTMは重力負荷モーメントからバランサースプリングの支持モーメント
を差し引いた残りを負担すれば良いことになる。例えば、ロール角がθOのときを考えれば、ロール関節008の駆動モータの負担すべきモーメントは僅かにTM0’で済む。図中TM’の線は、バランサースプリングによって支持されるときの、駆動モータの負担すべきモーメントを示している。
Next, FIG. 5 shows a basic concept when the present invention is applied. In the figure, the design concept of the balancer spring for the portion where the stable rotational moment TM is positive will be described. The balancer spring is an elastic member and applies an urging force to the outside by expanding and contracting itself. By now balancer spring moment characteristics with respect to the roll angle theta R is represented by T S, a part of the gravitational load moment is supported as shown by a dotted line. In that case, the stable rotation moment T M should bear the remainder obtained by subtracting the support moment of the balancer spring from the gravity load moment. For example, given the time the roll angle of theta O, moment should bear the driving motor of the roll joint 008 requires only slightly T M0 '. The line T M 'in the figure indicates the moment to be borne by the drive motor when supported by the balancer spring.
図6および図7に具体的なバランサースプリング036の設計例の一つを示す。尚、図7は、図6に示す右脚のバランサースプリング036周辺の拡大図であって、図7(a)は、ロボット001が直立起立時の姿勢を取っているとき(図6に示す状態)の図であって、図7(b)は、ロボット001が図2に示すように右脚が立脚状態(例えば、図2に示す状態)の図であって、図7(c)は、ロボット001が図3に示すように右脚が遊脚状態(例えば、図3に示す状態)の図である。
6 and 7 show one specific design example of the
ここで、図6に基づいて、バランサースプリング036周辺の構造について説明する。ロール関節008の上方リンクから水平に補助リンク030を延ばし、またロール関節008の下方リンク(即ち、大腿リンク012)から水平に補助リンク032を延ばす。補助リンク030にはバランサースプリング036の上端が固定される。更に、補助リンク032には小穴034が開いていて、バランサースプリング036の下端がこの小穴034を通されたあと、ストッパー038によってバランサースプリング036が抜け出すことが防止されている状態で、バランサースプリング036がロール関節008に並列に装着される。尚、図6では理解のために直立起立姿勢でのストッパー038の寸法は、補助リンク032と隙間があるように描かれているが、望ましくは図示の直立起立姿勢時において補助リンク032に軽く当接しているように設計されているものとする。
Here, the structure around the
この状態から図7(b)に示す姿勢にロール関節008によって大腿リンク012が揺動されると、補助リンク030と補助リンク032との距離が長くなり、ストッパー038が補助リンク032に接した状態で、バランサースプリング036は伸ばされる。その結果、大腿リンク012に対して骨盤006を含む左脚を、図2に示す安定回転モーメントTMの方向に回転させる支持モーメントを発生する。
When the
逆に、図7(c)に示す姿勢に大腿リンク012が揺動されると、補助リンク030と補助リンク032との距離が短くなるが、バランサースプリング036の下端は補助リンク032の小穴034があるために、ストッパー038は補助リンク032と接触しない。つまり、バランサースプリング036の装着において、小穴034とストッパー038によって、バランサースプリング036に遊び部位を設けてその付勢力を発生させないニュートラルな状態を作り上げている。
Conversely, when the
従って、図7(c)に示す状態では、バランサースプリング036の長さは自然長のままであり、バランサースプリング036によって付勢力は発生しない。換言すると、ロール角θRが負であるとき、バランサースプリング036は、重力負荷モーメントを支持することはないが、バランサースプリング036が縮められてその付勢力によって重力負荷モーメントを増加させることもない。
Therefore, in the state shown in FIG. 7C, the length of the
尚、このロール角θRが負となる領域では、上述したように重力負荷モーメントは、ロール角θRが正となる領域に比べて比較的小さいため、図6、図7に示すようにバランサースプリング036の弾性効果を片効きとし、この負の領域ではバネを関与させないようにしてもロール関節008の駆動モータが消費する電力量は比較的低く抑えられる。
In the region where the roll angle theta R is negative, because the gravity load moment as described above, relatively small compared to the region to be the roll angle theta R is positive, balancer as shown in FIG. 6, FIG. 7 Even if the elastic effect of the
また、ロボット001は左右対称であるから、左脚にも同様なバランサースプリングを図6のように取り付けておくことで、左脚が立脚期となる図3の状態のときに左脚の股関節のロール関節を機械的に支持できる。
Further, since the
ここで、図8に、上記の考えに基づくより詳細なバランサースプリングの適用例を示す。図8はヨー軸005とロール軸009を含む平面でロボット001の脚を切断した断面図であり、図9のVIII−VIII断面でもある。図8の左側がロボット001の前方、右側が後方に当たる。また図9は図8のZ矢視図で、ロボット001の右脚股関節を正面から見た図である。
Here, FIG. 8 shows a more detailed application example of the balancer spring based on the above idea. FIG. 8 is a cross-sectional view in which the leg of the
図8において、方向転換用の関節004は、ハーモニック減速機を収納するケースと、この減速機に入力される回転力を図示されないモータからベルトで伝達される入力軸150と、その入力が減速機を介して増力されて出力される出力軸154とから成る。このような減速機の内部構造は公知であるから詳細を述べることはしないが、例えば図8に番号162で示すものと同じであるとする。出力軸154に接続されて右脚全体が図のヨー軸005を中心に回動できるようになっている。
In FIG. 8, a direction changing joint 004 includes a case that houses a harmonic reduction gear, an
ロール関節008にロール回転を与えるためのモータ156が設置され、その出力はベルトプーリー157、158を介して減速機162の入力軸160に伝えられる。減速機162によって回転力が増力されて、出力軸164が図示のロール軸009の回りに回転させられる。この出力軸164には大腿リンク012がヨー軸005の回りに回転自在に支持され、その他の方向には回転不可能に固定されている。即ち、モータ156が回転すると、結果的に大腿リンク012はロール軸009の回りに、脚のロール揺動運動となる回転運動を行うように構成されている。ピッチ方向の揺動運動はピッチ軸011(紙面に対して垂直の方向の軸)の回りに起きるが、その運動を与えるモータとして、モータ180が用意されている。これらについては更に図9でも開示する。
A
さて、大腿リンク012の一部には肉厚部が設けられ、その肉厚部に設けたネジを利用してボルト170がネジ込まれている。ボルト170の首部は後述するバランサースプリング136の止め穴を迎え入れるべく、円形断面をしている。またロール回転用のモータ156を収納するケースの一部から図6に示した補助リンク030に相当するアーム172が水平に延びており、このアーム172にはボルト170と類似のボルト174が埋め込まれ、ボルト174の首部にはバランサースプリング136の上端に設けられた止め穴を迎え入れている。
Now, a part of the
図9にはバランサースプリング136の詳細がより明瞭に示されている。図9において、バランサースプリング136の下端は細長い楕円の穴138を構成するように曲げられ、その楕円穴の下端でボルト170の首部が接触している。そして、バランサースプリング136は、ボルト170の主部によって大腿リンク012に固定されておらず、その下端は穴138の形状に沿ってスライドする。即ち、バランサースプリング136は、遊び部位138aを有した状態で大腿リンク012に接続されている。この遊び部位138aは、バランサースプリング136の下端が有する可動範囲のうちバランサースプリング136が占めていない範囲である。また、バランサースプリング136の上端は円形の穴になるように曲げられ、ボルト173の首部によってアーム172に固定されている。
FIG. 9 shows the details of the
ここで、図8および図9に示す状態は、ロボット001が図7(a)に示すような直立起立状態にあるときの図である。図8および図9に示す状態から、ロボット001が歩行を行うときのバランサースプリング136の動作の概略を説明する。
Here, the state shown in FIGS. 8 and 9 is a view when the
図8、9に示す直立起立状態においては、バランサースプリング136は自然長の状態である。そして、ロボット001の直立起立状態から大腿リンク012がロール軸009を中心に時計方向に回転すると、即ち、図7(b)や図2に示すような右脚を立脚状態にすると、ボルト170が穴138の下端に接触した状態でバランサースプリング136を
伸ばす。その結果、バランサースプリング136が直立起立姿勢の状態に戻そうとする回転モーメントをロール軸009周りに作用させる。換言すると、右脚が立脚状態となることでロール軸009に発生する重力負荷モーメント(図2中のTRで表されるモーメント)に抗する安定回転モーメントが、バランサースプリング136によって機械的に発生する。
In the upright standing state shown in FIGS. 8 and 9, the
次に、ロボット001の直立起立状態から大腿リンク012がロール軸009を中心に反時計方向に回転すると、即ち、図7(c)や図3に示すような右脚を遊脚状態にすると、ボルト170が穴138の遊び部位138aの中をスライドする。このとき、ボルト170は遊び部位138aの中をスライドするだけであって、バランサースプリング136を押し縮めるまでには至らない。その結果、バランサースプリング136によってロール軸009周りの回転モーメントは何ら発生されない。換言すると、右脚が遊脚状態となる場合は、ロール軸009に発生する重力負荷モーメント(図3中のTLで表されるモーメント)に抗する回転モーメントはバランサースプリング136によって機械的に発生されないが、該重力負荷モーメントを助長する回転モーメントもバランサースプリング136によって発生されず、バランサースプリング136はニュートラルな状態となっている。
Next, when the
以上より、ロボット001の歩行時において、右脚に着目すると、右脚が立脚状態にあるときは、ロール軸009から上方の骨盤006を、ロール軸009を中心に反時計方向に回転させようとする安定回転モーメントがバランサースプリング136によって働くから、歩行時のロボット001のバランスを維持するためにロール軸009の駆動用モータ156が発揮すべき出力トルクのうち、上記回転モーメントの分だけ出力トルクが不要となる。その結果、不要となったトルクに相当する電流を流す必要がなり、以て消費電力量は抑制される。
As described above, when the
一方で、右脚が遊脚状態にあるときは、重力負荷モーメントに抗する回転モーメントがバランサースプリング136によって働かないため、重力負荷モーメントに相当する出力トルクを駆動用モータ156は発揮しなければならない。しかし、右脚が遊脚状態にあるときの重力負荷モーメントは、上述したように右脚が立脚状態にあるときの重力負荷モーメントより遙かに小さいため、駆動用モータ156に流す電流は小さくて済み、以て消費電力量も低い。
On the other hand, when the right leg is in the free leg state, the rotation moment against the gravity load moment is not exerted by the
また、ロボット001の歩行時には、右脚が立脚状態にあるときは左足は遊脚状態にあり、右脚が遊脚状態にあるときは左足は立脚状態にあるため、上記のバランサースプリング136を左脚側にも設置することで、右脚もしくは左脚の何れかの脚ではバランサースプリング136によってロール関節駆動用のモータで消費される電力量を抑制することが可能となる。
When the
図10に、歩行ロボット001の歩行実験を行ったときの、ロール関節008の駆動に消費される電力の推移を示す。図10の横軸は時間(ロボット歩行時間)を、縦軸は消費される電力(ワット)を表す。図10中線L1は、上記のバランサースプリング136が設けられていないロボットの歩行時の消費電力の推移を示し、線L2は上記のバランサースプリング136が設けられているロボットの歩行時の消費電力の推移を示す。このように、バランサースプリング136を設けることでロール関節008の駆動に消費される電力量(ジュール)は、約25%低減された。
FIG. 10 shows a transition of electric power consumed for driving the roll joint 008 when a walking experiment of the walking
尚、本施例では、大腿リンク012のロール角θRが増大していくと、バランサースプリング136の下端を止めているボルト170の位置は、図9で円弧C1で示す軌跡を描きながらロール軸009を中心に回る。その結果、2つのボルト170、174の間の距離は、ロール角θRが小さなうちは、ロール角θRの増加に応じて拡大するが、ロール角
θRが大きくなるに従い、該距離の拡大の度合いは小さくなる。即ち、ロール角θRの増加に比例して、バランサースプリング136によって発生する安定回転モーメントは増加するのではなく、非線形に変動する。
In the present施例, the roll angle theta R of
ここで、ロボット001が階段歩行等を行うときは、立脚状態にある脚は大きくロールせざるを得ないので、その立脚状態にある脚と干渉せずに後ろから遊脚状態にある脚を前に出すには、該遊脚状態にある脚も平地歩行時よりも大きくロールさせる必要がある。その結果、図2に示す股関節から重心QRまでの水平距離XRも増えることになる。しかし、距離XRは、ロール角θRの増加に比例して大きくはならない。そこで、上述のようにバランサースプリング136によって発生する安定回転モーメントの増加を非線形とすることで、平地歩行時と階段歩行時に発生する重力負荷トルクの各々に、より適切に抗する安定回転モーメントを発生させることが可能となる。即ち、バランサースプリング136によって発生する安定回転モーメントが過小であったり過大であったりすることで駆動用モータ156の消費電力を十分に抑制することが困難となるのを、回避し得る。
Here, when the
尚、図9に明示するごとく、本実施例のバランサースプリング136の下端はループ状に曲げられ、ボルト170の首部でガイドされているから、作動中にバランサースプリング136の位置が設計した位置から外れて特性が出なくなる心配が未然に防止され、再現性が確保されている。
As clearly shown in FIG. 9, since the lower end of the
また、図9で膝関節014を駆動するためのモータ192が大腿リンク012の内部に収納され、その出力はベルトプーリー194を介して膝関節014に設けられた減速機の入力軸へと伝達されていることが示されている。しかし、この点は本発明とは直接に関係しないから、その説明は割愛する。
In FIG. 9, a
図11及び図12に基づいて、本発明に係る二足歩行ロボットの第二の実施例を説明する。図11および図12には、ロボット001の右脚のロール関節周辺の詳細な構造が示されている。図11は、図8に相当し、ロール関節0008周辺の、ヨー軸005とロール軸009とを含む平面での脚の断面図であり、図8と同様に左側がロボット001の前方、右側が後方である。また図12は図11のXII−XII断面である。また図12は、図9に相当し、図11のZ矢視でロボット001を前から見た正面図でもある。
Based on FIG.11 and FIG.12, the 2nd Example of the bipedal walking robot which concerns on this invention is described. 11 and 12 show a detailed structure around the roll joint of the right leg of the
尚、ロボット001の構成部品の参照番号の付け方において、第一実施例と比較・区別するために、類似の部品の番号は100番代の数字のみを2としている。また、同一の構成部品については、同一の参照番号を付している。そこで、これらの部品については主要な変更点のみ詳述することにし、特別に説明をしていない部品については、基本的に第一実施例と同じであるものとする。
In addition, in the method of assigning the reference numbers of the components of the
図11において、股関節のロール関節008のロール軸009の左端には、バランサースプリング310が示されている。即ち、ロール軸009が水平に左方向に延長されてスプリングガイド部312を構成し、その外周部に当該バランサースプリング310が、ロール軸009と同心に配置されている。このバランサースプリング310は回転バネであり、右端は方向転換用の関節004の出力軸側に設けられた第一のスリット314に差し込まれて回転ばねの回転方向に固定されている。また、バランサースプリング310の左端は、スプリングガイド部312に設けられた第二のスリット316に差し込まれている。組み立て後、これらスリットからバランサースプリング310が脱落するのを防ぐために、スプリングガイド部312の左端には、脱落防止用のワッシャー318がボルト4本で固定されている。これら2つのスリットの詳細形状は図12を参照することで明らかとなる。
In FIG. 11, a
図12では、脱落防止用のワッシャー318は説明の都合上、記載が省略されている。第一のスリット314は、バランサースプリング310の線径と基本的に同じ幅で加工されているのに対し、第二のスリット316は、所定の回転角度の範囲でバランサースプリング310が自由に回転できるよう、線径よりも幅広に加工されている。即ち、第二のスリット316には、遊び部位316aが設けられており、バランサースプリング310の一端は、この遊び部位316aを含む第二スリット316の中で回転し得る。
In FIG. 12, the description of the drop-off preventing
図11および図12に示すロボットの状態は、ロボット001が直立起立姿勢のときの状態である。ここで、図13に、ロボット001が直立起立姿勢にあるとき、右脚が立脚状態にあるとき、右脚が遊脚状態にあるときのバランサースプリング310の動作を、(a)、(b)、(c)のそれぞれに示す。ロボット001が直立起立姿勢のとき、図13(a)に示すように、第二スリット316のスリット幅の一側面316bがバランサースプリング310の一端と当接した位置にあり、スリット幅の他の側面316cは全く接触していない。このような位置関係にあることで、ロボット001が直立起立姿勢から図2に示すように右脚が立脚状態となると、図11に示された状態から大腿リンク012がロール軸009を中心に反時計方向に回転し、バランサースプリング310は直ちに捩じられる。このときのバランサースプリング310と第二スリット316との位置関係は、図13(b)に示すように、図13(a)と同じである。
The state of the robot shown in FIGS. 11 and 12 is a state when the
その結果、バランサースプリング310が、直立起立姿勢の状態に戻そうとする安定回転モーメントをロール軸009周りに作用させる。換言すると、右脚が立脚状態となることでロール軸009に発生する重力負荷モーメント(図2中のTRで表されるモーメント)に抗する安定回転モーメントが、バランサースプリング310によって機械的に発生することになる。
As a result, the
次に、ロボット001の直立起立状態から大腿リンク012がロール軸009を中心に時計方向に回転すると、即ち、図3に示すような右脚を遊脚状態にすると、図13(c)に示すように、バランサースプリング310の一端が、第二スリット316の遊び部位316aの中を回転移動する。このとき、バランサースプリング310の一端は、遊び部位316aの中を回転移動するだけであって、第二スリット316のスリット幅の上記一側面316b、およびそれと逆の一側面316cには当接した状態にはならず、従ってバランサースプリング310は捩られない。
Next, when the
その結果、バランサースプリング310によってロール軸009周りの回転モーメントは何ら発生されない。換言すると、右脚が遊脚状態となる場合は、ロール軸009に発生する重力負荷モーメント(図3中のTLで表されるモーメント)に抗する回転モーメントはバランサースプリング310によって機械的に発生されないが、該重力負荷モーメントを助長する回転モーメントもバランサースプリング310によって発生されず、バランサースプリング310はニュートラルな状態となっている。
As a result, the
従って、本実施例においても、第一の実施例と同様に、バランサースプリング310によって重力負荷トルクを支持することが可能となり、ロボット001の歩行時におけるロール関節008の駆動モータ256の消費電力量を抑制することが可能となる。
Accordingly, in this embodiment as well, as in the first embodiment, it is possible to support the gravity load torque by the
また、本実施例の特徴の一つは、バランサースプリング310の形状をロール軸009の回りに小さく設計できることであり、またその作動時にも形状の変化が少なく、ロボット001の他の部品、例えば配線や配管など形状不定のものを巻き込んだり、これらと干渉したりすることがない点である。この特徴を更に際立たせるために、図11中二点鎖線で示すように、バランサースプリング310全体をプラスチック製のカバーで覆ってもよ
い。
One of the features of this embodiment is that the shape of the
001・・・・二足歩行ロボット(ロボット)
002・・・・脚全体
008・・・・ロール関節
009・・・・ロール軸
012・・・・大腿リンク
030・・・・補助リンク
032・・・・補助リンク
034・・・・小穴
036・・・・バランサースプリング
038・・・・ストッパー
136・・・・バランサースプリング
138・・・・穴
138a・・・・遊び部位
156・・・・駆動用モータ
256・・・・駆動用モータ
310・・・・バランサースプリング
312・・・・スプリングガイド
314・・・・第一スリット
316・・・・第二スリット
316a・・・・遊び部位
001 ... Biped walking robot (robot)
002 ... Leg whole 008 ... Roll joint 009 ... Roll
Claims (8)
前記脚の関節のうち前記二足歩行ロボットの体をロール軸回りに揺らす股関節のロール関節において、該二足歩行ロボットの歩行時に生じる所定重量による該ロール軸まわりの回転モーメントの回転方向と反対側の所定回転方向に、該ロール軸におけるロール角に応じて安定回転モーメントを機械的に発生させる機械的付勢手段を、該ロール関節に並列に備えることを特徴とする二足歩行ロボット。 A biped robot that has two legs composed of a plurality of link members and joints that connect each of the link members, and that walks by driving the legs,
Among the joints of the legs, in the hip joint of the hip joint that swings the body of the biped robot about the roll axis, the side opposite to the rotation direction of the rotational moment around the roll axis due to a predetermined weight generated when the biped robot walks A bipedal walking robot comprising mechanical urging means for mechanically generating a stable rotational moment in accordance with a roll angle on the roll axis in parallel with the roll joint.
前記所定重量は、少なくとも、前記二足歩行ロボットの歩行時において歩行路面と接地していない脚および該二足歩行ロボットの上体の重量であることを特徴とする請求項1に記載の二足歩行ロボット。 The roll joint is a roll joint of a leg that is in contact with the walking road surface during walking of the biped robot,
2. The biped according to claim 1, wherein the predetermined weight is at least a weight of a leg that is not in contact with a walking road surface and an upper body of the biped walking robot when the biped walking robot is walking. Walking robot.
前記ばね部材の両端は前記ロール軸を挟んだ上下の部位でそれぞれ前記脚に接続され、且つ該ばね部材の少なくとも一端が所定の範囲の遊び部位を有する状態で該脚に接続されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の二足歩行ロボット。 The mechanical biasing means is a spring member,
Both ends of the spring member are respectively connected to the legs at upper and lower portions sandwiching the roll shaft, and at least one end of the spring member is connected to the legs in a state having a play portion within a predetermined range. The biped walking robot according to claim 3 or 4, characterized in that the biped walking robot is characterized.
前記回転ばね部材は、その一端が前記脚と接続され且つその他端が前記ロール軸と接続されるとともに、該一端または該他端のうち少なくともいずれかが所定の範囲の遊び部位を有する状態で該脚に接続されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の二足歩行ロボット。 The mechanical biasing means is a rotary spring member,
The rotary spring member has one end connected to the leg and the other end connected to the roll shaft, and at least one of the one end or the other end has a play area in a predetermined range. The biped robot according to claim 3 or 4, wherein the biped robot is connected to a leg.
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