CN100389937C - 双脚行走机器人 - Google Patents

Abstract

双脚行走机器人的上体(1)包括上体上部(5)和上体下部(6)，上体上部(5)和上体下部(6)可绕上下方向上转动轴心(C)相对转动地经由转动机构(13)被连结。上体下部(6)延设有两条腿部(2)，上体上部(5)两侧的肩部(14)延设有两只臂部(3)。该机器人的上体上部(5)于前后方向上的厚度(D)以及上体下部(6)于左右方向上的宽度Wd均小于肩部14于左右方向上的宽度(肩宽)(Wu)。另外，在机器人的上体上部(5)上搭载有作为机器人动作电源用的蓄电池装置(8)，在上体下部(6)上搭载有进行机器人动作控制的电路单元(11)。该机器人通过这样的构成，不会有损于作业等时的姿势的平稳性，并能提高机器人的作业能力。

Description

双脚行走机器人

技术领域

本发明涉及双脚行走机器人。

背景技术

众所周知，本申请的申请人等人近年来力图实现实用化的双脚行走机器人，原则上是人形的机器人，与人类同样，从其上体(躯干)下端部位的腰部延设有两条腿部，同时从上体的左右两侧的肩部延设有两只臂部。

另外，机器人身上搭载有其动作电源用的蓄电池装置的场合时，通常是在机器人的上体上搭载该蓄电池装置或担负机器人动作控制的电路单元(控制器)。

对于在各种环境下使用这种机器人进行各式各样的作业，人们希望机器人臂部的前端部尽可能地伸得远些。

这种场合下，尽量加长臂部，即可以使臂部的前端部伸到远处。但是，若过于加长臂部，将臂部伸到前方进行作业时，机器人的姿势很容易失去平稳，同时，利用臂部进行的在机器人的近处特定位置的作业难度反而增加。

另外，根据以往的双脚步行机器人，例如，在想使用两臂部抓持机器人侧方向的物体时，基本上是移动腿部使全身面向该物体。然而，若处于脚下窄小等恶劣环境下，有时很难移动腿部改变机器人全身的朝向，像这种情况下，实际上也就无法抓持该物体。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种双脚行走机器人，既无损于该机器人于作业等时姿势的平稳性又能提高其作业能力。

本发明的另一目的在于提供一对于机器人的维修或保养比较容易进行的双脚行走机器人。

发明内容

为达到所述目的，本发明的双脚行走机器人从上体的下端部延设有两条腿部，同时从该上体两侧的肩部延设有两只臂部，其特征在于，上述上体包括上体上部和上体下部，同时该上体上部及上体下部经由具有上下方向的转动轴的转动机构被连结，且可绕该转动轴相对转动地被设置，上述两只臂部从上述上体上部延设出，上述两条腿部从上述上体下部延设出。

在此，对本发明进行进一步详细说明之前，关于本说明书所使用的用语进行补充说明。在本说明书中，连结上体上部两侧的两个肩部的直线方向(肩部并排方向)称作上体上部的左右方向，垂直于该左右方向和上下方向(竖直方向)的方向称作上体上部的前后方向。而且，机器人于直立状态下，两条腿的并排方向称作上体下部的左右方向或机器人的左右方向，与该左右方向和上下方向相垂直的方向称作上体下部的前后方向或机器人的前后方向。

根据上述本发明，例如，从上述上体上部前后方向和上述上体下部前后方向相一致状态(以下称该状态为上体的基本姿势状态)下开始，通过使上述上体上部绕上述回转机构的转动轴相对于上体下部向顺时针方向或者逆时针方向旋转，上体上部左右两侧肩部中的一侧的肩部会向上体下部的前后方向上的前方一侧移动。由此，当将移动到该前方一侧的一肩部所延设出的臂部伸到上体下部的前方一侧时，该臂部的前端部与上述上体处于基本姿势状态时比能伸到更远的地方。因此，将机器人的臂部设制成较短形状，也可以利用臂部对较远的物体进行抓持等作业。此外，由于此时机器人另一侧肩部及该肩部延设出的臂部移到了上体下部的后方一侧，当将移动到前方一侧的肩部所延设的臂部伸到前方一侧时，通过移动到后方一侧的肩部所延设出的臂部，很容易保持机器人于前后方向上的重量平衡，这样，也就较容易确保机器人姿势的平稳性。

另外，通过使上体上部如上所述那样相对于上体下部旋转，不用移动从上体下部延设出的两条腿，就可以使延设有两只臂部的上体上部朝向各个方向。由此，即使处于例如脚下恶劣环境下，也可以在使上体下部延设出的两条腿部着地，机器人能稳定地站立的特定位置的状态，利用两臂部对处在上体下部前后方向的侧方向上的物体进行抓持等作业。

像这样根据本发明的双脚行走机器人，既无损于机器人于作业时的姿势的平稳性，又可以提高机器人的作业能力。

在本发明中，最好是上述上体上部以其前后方向上的厚度小于上述肩部上机器人的左右方向的宽度构成，上述上体下部以其左右方向的宽度小于上述肩部上机器人的左右方向的宽度构成。

根据这样的构成，从上述上体的基本姿势状态，使上体上部绕上述转动机构的转动轴旋转例如大致90°时，可以做到机器人的左右方向的最大宽度小于上体于基本姿势状态时的最大宽度(是指机器人肩部于左右方向上的宽度)。由此，例如：在上体处于基本姿势状态无法通过窄小通路的情下，可以像上述那样，使上体上部相对上体下部转动来移动机器人(使之行走)。

另外，在本发明的双脚行走机器人，具有作为上述机器人动作电源用的蓄电池装置及对该机器人的动作进行控制的电路单元的场合下，将这些蓄电池装置及电路单元搭载在上体上部及上体下部中的哪个上成为需要解决的问题。这种场合下，将这两个蓄电池装置及电路单元同时搭载在上体上部及上体下部中的任何一侧上都会招致上体上部或者上体下部过于大型化，这不是理想的情况。而且，由于搭载在机器人上作为其动作电源用的蓄电池装置必须具有较大的容量，这样该蓄电池装置也就成为较重的大型物体。由此，机器人上的蓄电池装置的搭载位置也就容易对机器人行走或作业时的姿势平稳性产生影响。

在此，对双脚行走机器人实施的一般是例如本申请的申请人在特开平5-337849号公报或美国专利第5459659号上公开的根据倒立摆动力学原理模型进行的机器人姿势稳定化控制。这种姿势稳定化控制是通过倒立摆的动作特性对机器人上体位置扰动的动作特性进行模拟表现，从而对踝部周围的转矩进行控制。而且，实施这种姿势稳定化控制的机器人，其整体重心处于较高位置时比该机器人整体重心处于较低(距离机器人脚掌接触地面相对较近的高度位置)位置时更容易确保机器人姿势的平稳性。

因此，在本发明中，具有作为上述机器人动作电源用的蓄电池装置及进行该机器人的动作控制的电路单元的场合下，将该蓄电池装置搭载在上体上部上，将上述电路单元搭载在上体下部上。

根据这样，因笨重的蓄电池装置搭载在上体上部，包括蓄电池装置及电路单元在内的机器人整体重心处于机器人上相对较高的位置，可以提高机器人在行走及作业时姿势的平稳性。而且，又因为电路单元处于蓄电池装置的下侧，机器人在工作运转中(行走或作业中)蓄电池装置产生的热也就不易传到电路单元上。这样，附加在电路单元上的热量只是其自身产生的热量，也就可以避免该电路单元处于过热的高温状态。

而且，如上所述，本发明最适合用于根据倒立摆动力学原理模型而进行的机器人姿势稳定化控制的双脚行走机器人上。

此外，在搭载有如上所述的蓄电池装置及电路单元的本发明的双脚行走机器人上，上述上体上部上最好固定设置将上述机器人吊起保持的保持部件。

根据这样，机器人于工作运转停止状态下(关闭机器人电源机器人无法自行站立的状态)，保持上述保持部件，可以将机器人吊起。而且，这种场合，由于保持部件被固定设置在搭载有笨重蓄电池装置的上体上部上，吊起机器人时，不易对机器人上的各个部分增加负担(过大的作用力等)，可以在保持机器人适当姿势中吊起该机器人进行保持。而且，由于笨重的蓄电池装置搭载在固定设置有上述保持部件的上体上部上，在吊起机器人时，机器人的上述转动机构的下侧部分的重量较轻，可防止过大的作用力(牵引作用力)作用在该转动机构上。通常情况下，很难提高这种转动机构抗牵引作用力的持久性，通过像上述那样减轻对转动机构的牵引作用，也就没有较大的必要来提高该转动机构抵抗牵引作用的持久性。这样，即可以实现该转动机构的构造简单化。

另外，在以上说明的本发明中，最好在上述上体上部的下端面及上述上体下部的上端面中至少其中的一侧设置这样的电器部件：在使上述转动机构工作，相对于该上体上部及上体下部的一侧使另一侧转动时，该电器部件露出到外部。在此，作为上述电器部件可列举出如：与机器人动作用的蓄电池装置的充电端子等及该蓄电池装置相关联的电器部件、或者与对机器人动作控制用的电子电路单元的动作进行检查等用的端子或电路等及该电子电路单元相关联的电器部件等。

根据这样，由于相对于上述上体上部及上体下部中的一侧使另一侧旋转，可以让上述电器部件露出，可以较容易地进行与该电器部件相关联的维修或动作检查等。

附图说明

图1是本发明的一实施例的双脚行走机器人于直立状态时的侧视图。

图2是图1中机器人上半身的简略的正视图。

图3及图4是图1中机器人的动作示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明的一实施例进行说明。另外，图2为便于说明，省去机器人上半身的一部分构成，是对图1的简略化描画。

参照图1，本实施例的双脚行走机器人是具有上体1(躯干)、腿部2、臂部3及头部4的人形机器人。此时，因图1是机器人于直立状态的侧视图，腿部2及臂部3虽然只各显示一只，但该腿部2和臂部3实际与人类一样，都各具有左右一对(关于臂部3参照图2)。图1所示的腿部2及臂部3分别是在其面向前方时右侧的腿部及臂部。

该机器人的上体1被分割成图1中假想的点划线X上侧的上体上部5及图1中假想的点划线X下侧的上体下部，上体上部5由连结着臂部3且支撑着头部4的上部主体7及搭载有机器人动作电源即蓄电池装置8的上部副体9构成。而且，上体下部6由连结着腿部2的下部主体10及搭载有担负机器人动作控制的控制单元11(具有微型计算机的电路单元，以下称‘ECU11’)的下部副体12构成。

在上体上部5的上部主体7及上体下部6的下部主体10的内部收装有使这些主体7、10中的一侧相对于另一侧可以转动且其转动轴心C朝向上下方向的转动机构13。而且，该转动机构13的上端部被设置在上部主体7的内部且与该主体7成一体的机构架7a所保持，同时该转动机构13的下端部又被设置在下部主体10的内部且与该主体10成一体的机构架10a所保持。

该场合虽省略了详细图解，但，详细的转动机构13是内藏有以上述转动轴心C为共同轴心并通过轴承等相互间相对自由转动的一对转动体的机构。而且，该转动机构13的构造是使其中一个转动体固定地连结到上部主体7的机构架7a上，使另一转动体固定地连结到下部主体10的机构架10a上。

通过这样，具有上部主体7的上体上部5与具有下部主体10的上体下部6可以经由该转动机构13绕转动机构13的转动轴心C相互间相对转动地连结。

另外，上体上部5及上体下部6通过转动机构13的相对转动是利用该转动机构13所具有的图中未示的电动机而进行的。而且，图1中上体1的状态是上体上部5与上体下部6于前后方向相一致的基本姿势状态。

在上体上部5的上部主体7的上部左右各一侧形成有肩部14，从内藏在该肩部14内图中未示的肩关节机构处延设出各臂部3。各个臂部3在其手指部15与肩部14之间，从肩部14一侧开始依次具有肘关节16和手腕关节17。此外，在上部主体7的上端固定·支撑有内部装有机器人视觉系统用的摄影装置(图中未示)等的头部4。

上体上部5的上部副体9是可安装、卸去地被安设在上部主体7的上部的背面呈筐体形状的构件。在该上部副体9的内部收装有支撑部件18，该支撑部件18固定设置在上部主体7上部的后背上，用于搭载上述蓄电池装置8用。蓄电池装置8可安装、卸去地被装载、支撑在该支撑部件18上。此外，支持部件18上靠近上部主体7的部分18a从上部主体7的背面特定位置延伸到头部4的背面特定位置，在该部分18a的上端上固定设置一突出到头部4上方的挂环19(保持部件)，该挂环19在机器人运转停止时等场合与吊起保持机器人的图中未示的挂钩相卡合。

另外，上述蓄电池装置8在本实施例中虽然使用的是例如锂离子电池等的可充电的充电电池，但电偶极子层电容等的大容量电容也可以。

上体下部6的下部主体10的下端部为腰部20，从与内藏在该腰部20内的图中未示的平行连杆机构相连结的左右一对髋关节21处向下方各延设出一条腿部2。各条腿部2在其脚掌部22与髋关节21之间，从髋关节21一侧开始依次具有膝关节23及踝关节24。

上体下部6的下部副体12是与上部副体9存有一些间隙地配置在该上部副体9的正下方且可安装、卸去地被安设在下部主体10上部的呈筐体形状的物体。在该下部副体12的内部收纳有支撑部件25，该支撑部件25又固定设置在下部主体10上部的后背上，用于搭载上述ECU11用，ECU11装载在该支撑部件25上并被其支撑。

此外，在下部副体12的上表面的靠近后部的边缘部(周边部)处固定设置有与ECU11相关联的电器部件，例如：配置有用于检查ECU11动作的端子列的电路板26。该电路板26如图1所示，在使机器人直立状态下，被下部副体12正上方的上部副体9遮挡起来，而当使上体上部5相对于上体下部6如后边所述地在转动机构13的转动轴心周围旋转时，它就露出到外部。

另外，图示中虽然省略，但本实施例的双脚行走机器人除具有上述的构成之外，还具备有驱动各腿部2及臂部3的各个关节的电动机、检测这些电动机转动位置(各个关节的转动位置)的传感器、检测作用到腿部2的脚掌部16及臂部3的手指部11上的载荷以及力矩的传感器、检测上体1的倾斜角度及倾斜角速度的传感器等。

此外，上述ECU11根据从上述各种传感器(包括头部4的摄影装置)得到的信息或事先设定的程序等，对上述的各电动机(包括转动机构13用的电动机)进行控制，从而进行机器人的动作控制(根据腿部2的动作进行的机器人行走的控制或根据臂部3的动作进行的作业的控制)。这种情况，在本实施例中，通过ECU11对腿部2各关节的动作进行特开平5-337849号公报或美国专利第5459659号上公开的根据倒立摆动力学原理模型的控制，对机器人进行在行走及作业时的姿势稳定化控制。

此外，在本实施例中，由上述上部主体7及上部副体9组合成的上体上部5以其前后方向上的厚度D(参照图1以下称胸厚D)小于机器人左右两肩部14于左右方向上的宽度Wu(参照图2以下称肩宽Wu)的尺寸构成。这种场合，上述肩宽Wu是组合上体上部5及上体下部6后的上体1(这里包括肩部14)整体于左右方向上的最大宽度，上体下部6于左右方向上的宽度Wd(参照图2上体下部6于左右方向上的最大幅度)也小于上述肩宽Wu。

根据如上构成的本实施例的双脚行走机器人，例如：如图3所示，在上体1的基本姿势状态下让转动机构13开始转动，在使上体上部5相对于上体下部6绕转动机构13的转动轴心C转动时，左右肩部14中的一侧肩部14向上体下部6的前方方向移动。在此，图3表示的是将俯视的上体上部5及上体下部6模式化的图面，实线所示的上体上部5及肩部14表示上体1的基本姿势状态。而且，点划线所示的上体上部5及肩部14表示使上体上部5绕转动机构13的转动轴心C向例如反时针方向转动时的状态。这种场合，通过上体上部5的旋转，右侧的肩部14从基本姿势状态移动到上体上部6的前方一侧。

像这样通过使上体上部5从上体1的基本姿势状态相对于上体下部6绕转动机构13的转动轴心C转动，一侧的肩部14(图3中是右侧的肩部14)移动到上体上部6的前方一侧，使该肩部14延设出的臂部3(图3中是右侧的臂部3)伸向上体下部6的前方方向，即使不通过腿部2的移动使机器人整体前进，也可以使该臂部3的手指部15及至上体下部6前方较远的特定位置。因此，通过臂部3就可以进行距离上体下部6前方较远的特定位置处的作业。另外，由于此时机器人另一侧的肩部14(图3中是左侧的肩部14)移到了后方一侧，即使将前方一侧的臂部3伸到上体下部6的前方一侧，通过后方一侧的臂部3，也就较容易保持前方一侧的臂部3的重量平衡，这样，就容易确保机器人姿势的平稳性。

此外，通过使上体上部5相对于上体下部6转动，上体上部5也就可以使上体上部5的前后方向朝向各个方向。由此，在上体1的基本姿势状态下，利用两臂部3对处在机器人侧向的物体进行抓持时，即使不移动机器人的腿部2来改变机器人整体的朝向，使腿部2站在原地，使上体上部5相对于上体下部6转动，也可以使上体上部5面向上述物体。而且，通过这种面对，利用两臂部3可以容易地抓持该物体。因此，即使脚下环境恶劣，能使机器人能稳定地站立的立足地局限于窄小范围的场合，也可以在使两条腿部立于该立足领域状态下，利用两臂部3容易地对处在上体下部6的侧向上的物体进行抓持等作业。

另外，本实施例的机器人如前所述那样，胸厚D小于肩宽Wu，而且上体下部6于左右方向上的宽度Wd也小于上述肩宽Wu。由此，如上所述那样使上体上部5相对于上体下部6转动时，如图3所示，在转动状态下，上体1在上体下部6的左右方向上的整体最大幅度(图3中Wx)小于上体1处于基本姿势状态下于左右方向上的最大幅度Wu。这样，即使在小于肩宽Wu的窄小通路上也想移动机器人的场合时，只要相对于上体下部6转动上体上部5，就可以进行机器人的移动(行走)。

另外，根据本实施例的机器人，使上体上部5相对于上体下部6从基本姿势状态开始转动时，如图4所示，上体下部6的下部副体12的边缘部处具有的上述电路板26露出外部。而且，图4中，只对上体上部5的上部副体9及上体下部6的下部副体12进行了简单的描画。

这样，将外部机器接到该电路板26的端子上等，可以容易地进行检查ECU11的动作等。

此外，根据本实施例的机器人，由于上体上部5、上体下部6上分别搭载有蓄电池装置8及ECU11，上体上部5及上体下部6在尺寸上可以处于平衡。特别是，因为笨重的蓄电池装置8搭载在上体上部5上，机器人整体重心也就处在该机器人整体上靠近上方的高位。由此，机器人姿势的动作特性更加符合倒立摆的动作特性。这样，通过根据倒立摆型模型而进行的姿势平稳性控制，也就适合进行机器人的姿势平稳化控制，能够有效确保该机器人姿势的平稳性。

另外，特别是ECU11需要避免过热状态，由于其被搭载在蓄电池装置8下侧的上体下部6上，避免了机器人在运转中蓄电池装置8产生的热传给ECU11的现象，这样，可以切实避免ECU11出现温度过高的现象。

此外，根据本实施例的机器人，由于机器人处于运转停止状态下(关闭电源状态)时，不能自行站立，因此利用图中未示的挂钩卡合上述挂环19，将机器人吊起保持。

这种场合，由于该挂环19被固定设置在支撑重量物蓄电池装置8的上体上部5的支撑部件18上，当将机器人吊起时，不容易对机器人上的各个部分增加负担(过大的作用力等)，可以在保持机器人适当姿势中吊起保持该机器人。特别是，在吊起状态下，包括上体下部6在内的机器人下半身的重量的重力虽然作用在转动机构13上，但由于该下半身上未搭载有重量物蓄电池装置8，因此可防止过大的作用力作用在该转动机构13上。由此，该转动机构13抵抗牵引作用的持久性可以相对较低。这样，可以将该转动机构13的构造简单化。

另外，根据以上说明的本实施例，使上体上部5相对于上体下部6转动时，露出外部的电器部件(上述实施例中的电路板26)被设置在上体下部6的下部副体12的上端面的边缘部处，但是，也可以设置在例如是上体上部5的上部副体9的下端面的边缘部处。这种场合，作为设置在上部副体9下端面的电器部件可以列举如：搭载在上体上部5上的蓄电池装置8充电用的端子等等。

如上所述，本发明的双脚行走机器人作为一种与人类同样用两只脚行走移动的同时，利用两只臂部进行各种作业的机器人，具有利用价值。

Claims (6)

1.一种双脚行走机器人，从上体的下端部延设有两条腿部，同时从该上体两侧的肩部延设有两只臂部，其特征在于，

上述上体包括上侧的上体上部和下侧的上体下部，同时该上体上部及上体下部经由具有上下方向的转动轴的转动机构被连结，且通过电动机驱动可绕该转动轴相对转动地被设置，

上述两只臂部从上述上体上部延设出，上述两条腿部从上述上体下部延设出。

2.如权利要求1所述的双脚行走机器人，其特征在于，上述上体上部以其前后方向上的厚度小于上述肩部上机器人的左右方向的宽度构成，上述上体下部以其左右方向的宽度小于上述肩部上机器人的左右方向的宽度构成。

3.如权利要求1所述的双脚行走机器人，其特征在于，

当以连结上述上体上部两侧的肩部的直线方向为上体上部的左右方向，上述两条腿部的并排方向为上体下部的左右方向，垂直于该左右方向和上下方向的方向为上体下部的前后方向或机器人的前后方向时，

从上述上体上部的前后方向和上述上体下部的前后方向相一致的状态开始，使上述上体上部绕上述转动机构的转动轴相对于上体下部旋转，并使任意一个上述肩部向上体下部的前后方向上的前方一侧移动，在该状态下，从上述一个肩部延设的臂部能够在上体下部的前方一侧伸展。

4.如权利要求1或2所述的双脚行走机器人，其特征在于，具有作为上述机器人动作电源用的蓄电池装置和进行该机器人的动作控制的电路单元，该蓄电池装置搭载在上体上部上，上述电路单元搭载在上体下部上。

5.如权利要求4所述的双脚行走机器人，其特征在于，在上述上体上部上固定设置有将上述机器人吊起保持用的保持部件。

6.如权利要求1所述的双脚行走机器人，其特征在于，在上述上体上部的下端面及上述上体下部的上端面中至少其中的一侧设置有电器部件，在使上述转动机构工作而相对于该上体上部及上体下部中的一侧使另一侧转动时，该电器部件露出到外部。

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