CN104349871A - 腿式机器人的下肢结构以及腿式机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够降低用于驱动膝关节的致动器的负载的腿式机器人的下肢结构。腿式机器人的下肢结构具备：股关节主体(18)、大腿部(2la)、将大腿部(12a)与股关节主体(18)连接起来的股关节接头(22)、与大腿部(12a)连结的膝关节主体(19)。并且设置有大腿部辅助连杆(31)，该大腿部辅助连杆(31)的一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与股关节主体(18)或股关节接头(22)连结，并且另一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与膝关节主体(19)连结。通过膝关节致动器(4)使大腿部辅助连杆(31)的从一端部到另一端部的长度伸缩。

Description

腿式机器人的下肢结构以及腿式机器人
技术领域
本发明设计一种具有多个腿部、且一边摆动各个腿部一边行走的腿式机器人的下肢结构以及腿式机器人。
背景技术
腿式机器人具有多个腿部，并一边摆动各个腿部一边行走。如人类那样通过两只脚掌握平衡并行走的腿式机器人被称为两足行走机器人。如动物那样通过四只脚行走的腿式机器人被称为四足行走机器人。腿部的数量作为代表性为两条或四条，但只要为多条则可以为任意条。
各腿部将相当于大腿部、小腿部、脚部的连杆从机器人的躯体部经由股关节、膝关节、踝关节依次连接设置而构成。相当于大腿部、小腿部、脚部的连杆以能够绕向腿式机器人的侧方延伸的俯仰轴旋转的方式与各关节连结。在各关节上具备使连杆旋转的马达(致动器)(例如参照专利文献1)。通过马达输出适当的驱动力来控制连杆的旋转角度，腿式机器人能够使腿部相对于躯体部前后摆动。在此，股关节是指将躯体部与腿部连结的关节，四足行走机器人的连结躯体部与前腿的关节也包含于股关节。另外，马达为将电、汽油等的能量转换为机械运动的装置，代表性地具有电动马达或发动机。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-264046号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在进行膝关节的屈伸运动时，需要使膝关节的马达以股关节的马达的旋转速度的两倍的速度旋转。这样，与其他关节相比需要增大膝关节的移动范围和速度，因此需要较大的马达。
因此，本发明的目的在于提供一种能够降低驱动膝关节的致动器的负载的腿式机器人的下肢结构以及腿式机器人。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明涉及一种腿式机器人的下肢结构，具备：股关节主体；大腿部；股关节接头，其使所述大腿部以至少能够绕俯仰轴旋转的方式与所述股关节主体连结；膝关节主体，其以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述大腿部连结；大腿部辅助连杆，其一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述股关节主体或所述股关节接头连结，并且另一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述膝关节主体连结；膝关节致动器，其使所述大腿部辅助连杆的从所述一端部到所述另一端部的长度伸缩。
发明效果
根据本发明，在大腿部绕俯仰轴旋转时，由于平行连杆的作用，膝关节主体相对于股关节主体的姿势保持恒定。而且，通过利用膝关节致动器使大腿部辅助连杆伸缩，能够使相对于股关节主体保持恒定的膝关节主体的姿势发生变化。因此，在进行膝关节的屈伸运动时，与在膝关节上设置马达的以往的腿式机器人相比，能够使膝关节主体相对于大腿部的绕俯仰轴的旋转速度减半。因此，能够降低膝关节致动器的负载。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的腿式机器人的整体结构的图(图1(a)表示主视图，图1(b)表示左视图)。
图2是本实施方式的腿式机器人的下肢结构的立体图。
图3是表示本实施方式的腿式机器人的下肢结构的图(图3(a)表示主视图，图3(b)表示左视图)。
图4是本实施方式的腿式机器人的下肢结构的膝关节的进行屈伸运动时的动作图(图4(a)表示不驱动膝关节致动器的状态，图4(b)表示驱动膝关节致动器而使膝关节弯曲的状态)。
图5是对本实施方式的腿式机器人的下肢结构的、膝关节致动器的负载的降低效果进行说明的示意图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的一实施方式中的腿式机器人进行说明。图1(a)是表示本实施方式的腿式机器人的整体结构的主视图，图1(b)是左视图。在以下的说明中，将腿式机器人的行进方向设为x轴方向，将从腿式机器人观察时的左右方向设为y轴方向，将腿式机器人的上下方向设为z轴方向，并将x轴设为摇摆轴，将y轴设为俯仰轴，将z轴设为偏转轴。另外，以下的说明中的左右为从图1至3所示的腿式机器人侧观察时的左右，前后为从腿式机器人侧观察时的前后。
腿式机器人10包括：设置于躯体部11的下方的两条腿部12、设置于躯体部11的上方左右两侧面的两个臂部13、设置于躯体部11的上方的一个头部14，且腿式机器人10能够进行近似于人类的动作。
两个臂部13经由肩关节16与躯体部11连结，且能够相对于躯体部11绕偏转轴以及摇摆轴旋转。各臂部13以肘关节17为界，具备接近肩的上臂部13b和接近手部13a的下臂部13c。下臂部13c能够相对于上臂部13b绕偏转轴以及俯仰轴旋转。
腿部12经由股关节8以能够绕摇摆轴以及俯仰轴摆动的方式与躯体部11的骨盆11a连结。腿式机器人10使两个腿部12绕俯仰轴以及摇摆轴交替摆动，从而如人类那样利用两只脚取得平衡并且行走。
腿部12从上侧依次具备：与躯体部11结合的股关节8、大腿部12a、膝关节主体19、小腿部12b、踝关节9以及脚部21。股关节8具备：与躯体部11结合的股关节主体18、将股关节主体18和大腿部12a以能够绕俯仰轴以及摇摆轴旋转的方式连结的股关节接头22。踝关节9具备：与脚部21结合的踝关节主体20、将踝关节主体20和小腿部12b以能够绕摇摆轴以及俯仰轴旋转的方式连结的踝关节接头24。脚部21落脚于行走路面上。
该腿式机器人10是构成为能够远程操作的机器人，通过操作者操作处于分离位置的未图示的操作控制器，腿式机器人10能够执行与操作控制器的动作对应的动作。
接下来，使用图2以及图3，对本实施方式的腿式机器人10的腿部12的结构进行详细说明。图2表示伸长后的腿部的立体图，图3(a)表示伸长后的腿部的主视图，图3(b)表示伸长后的腿部的侧视图。
如图2所示，腿部12具有：股关节主体18、大腿部12a、膝关节主体19、小腿部12b、踝关节主体20。在股关节主体18上经由股关节接头22以能够绕摇摆轴以及俯仰轴旋转的方式连结有大腿部12a。在大腿部12a上以能够绕俯仰轴旋转的方式连结有膝关节主体19。在膝关节主体19上结合有小腿部12b。在小腿部12b上经由踝关节接头24以能够绕摇摆轴以及俯仰轴旋转的方式连结有踝关节主体20。在大腿部12a的后方连接有大腿部辅助连杆31。在小腿部12b的后方设置有小腿部辅助连杆32。致动器具备：设置于大腿部12a的前方的两个股关节致动器7、设置于大腿部12a的后方的一个膝关节致动器4、设置于小腿部12b的前方的两个踝关节致动器6、设置于小腿部12b的后方的一个踝关节致动器3。
股关节主体18通过将板弯折而形成，且具备与躯体部11结合的四边形的结合部18a、从结合部18a的对置的一对边弯折而形成的一对接头连结部18b。
在股关节主体18上经由从动股关节接头22以能够绕摇摆轴以及俯仰轴旋转的方式连结有大腿部12a。如图3(b)所示，股关节接头22具有构成相互正交的摇摆轴22a1以及俯仰轴22a2的十字状的主体部22a。主体部22a的摇摆轴22a1经由轴承以能够旋转的方式与股关节主体18的一对接头连结部18b连结。主体部22a的俯仰轴22a2经由轴承以能够旋转的方式与大腿部12a连结。
在股关节接头22的主体部22a上结合有臂22b。在臂22b上以能够绕绕俯仰轴旋转的方式连结有大腿部辅助连杆31的上端部。大腿部辅助连杆31的下端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与小腿部12b的托架12b1连结。
在大腿部辅助连杆31上设置有使大腿部辅助连杆31的上端部与下端部之间的长度伸缩的膝关节致动器4。膝关节致动器4具备筒状的主体部4a和相对于主体部4a沿轴线方向进行直线运动的轴部4b。在轴部4b的外周面形成有螺旋状的螺纹槽。在主体部4a中收纳有与轴部4b的螺纹槽螺合的滚珠丝杠螺母(未图示)和驱动滚珠丝杠螺母旋转的马达(未图示)。当马达驱动滚珠丝杠螺母旋转时，轴部4b沿轴线方向进行直线运动，从而使大腿部辅助连杆31伸缩。
在大腿部12a与股关节主体18之间架设有左右一对股关节致动器7。股关节致动器7配置于大腿部12a的前方，股关节致动器7和膝关节致动器4以跨越大腿部12a的方式配置。股关节致动器7具备筒状的主体部7a和相对于主体部7a沿轴线方向进行直线运动的轴部7b。在轴部7b的外周面形成螺旋状的螺纹槽。在主体部7a中收纳有与轴部7b的螺纹槽螺合的滚珠丝杠螺母(未图示)和驱动滚珠丝杠螺母旋转的马达(未图示)。当马达驱动滚珠丝杠螺母旋转时，轴部7b沿轴线方向进行直线运动。
股关节致动器7的轴部7b经由球面轴承以能够旋转的方式与股关节主体18连结。股关节致动器7的主体部7a经由球面轴承以能够旋转的方式与大腿部12a连结。当使两个股关节致动器7同时伸长、缩短时，大腿部12a相对于股关节主体18绕俯仰轴22a2旋转。另一方面，当使两个股关节致动器7的一方伸长、使另一方缩短时，大腿部12a相对于股关节主体18绕摇摆轴22a1旋转。通过控制两个股关节致动器7的旋转角度，能够使大腿部12a相对于股关节主体18绕俯仰轴22a2以及摇摆轴22a1旋转。
如本实施方式所示，通过在股关节主体18与大腿部12a之间夹装2自由度的从动股关节接头22，并在股关节主体18与大腿部12a之间架设两个股关节致动器7，与在股关节主体18的俯仰轴以及摇摆轴上设置作为主动接头而发挥功能的两个马达的情况相比，能够产生数倍的力。由于能够使用于获得所需的力的股关节致动器7小型化，因此能够实现腿部12的小型化。
另外，在使腿式机器人二足行走时，为了使腿部12相对于股关节主体18绕摇摆轴旋转需要转矩，为了使腿部12相对于股关节主体18绕俯仰轴旋转需要速度。通过在股关节主体18与大腿部12a之间架设两个股关节致动器7，从而容易地应对绕摇摆轴的转矩以及绕俯仰轴的速度这两个要求。
在大腿部12a的下端部以能够绕俯仰轴19a旋转的方式安装有膝关节主体19。在该实施方式中，在膝关节主体19上结合有小腿部12b。
在小腿部12b上经由踝关节接头24以能够绕摇摆轴以及俯仰轴旋转的方式连结有踝关节主体20。踝关节主体20通过将板弯折而形成，且具备与脚部21(参照图1(a))结合的四边形的结合部20a(参照图2)、以及从结合部20a的对置的一对边弯折而形成的一对接头连结部20b。
踝关节接头24具有构成相互正交的摇摆轴24a1以及俯仰轴24a2的十字状的主体部24a。主体部24a的摇摆轴24a1经由轴承以能够旋转的方式与踝关节主体20的一对接头连结部20b连结。主体部24a的俯仰轴24a2经由轴承以能够旋转的方式与小腿部12b连结。
在踝关节接头24的主体部24a上结合有臂24b。在臂24b上以能够绕俯仰轴旋转的方式连结有小腿部辅助连杆32的下端部。小腿部辅助连杆32的上端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与小腿部12b的托架12b1连结。
在小腿部辅助连杆32上设置有使小腿部辅助连杆32的上端部与下端部之间的长度伸缩的踝关节致动器3。踝关节致动器3具备筒状的主体部3a和相对于主体部3a沿轴线方向进行直线运动的轴部3b。在轴部3b的外周面形成有螺旋状的螺纹槽。在主体部3a中收纳有与轴部3b的螺纹槽螺合的滚珠丝杠螺母(未图示)和驱动滚珠丝杠螺母旋转的马达(未图示)。当马达驱动滚珠丝杠螺母旋转时，轴部3b沿轴线方向进行直线运动。当使踝关节致动器3伸缩时，踝关节主体20绕俯仰轴旋转。
在小腿部12b与踝关节主体20之间架设有左右一对踝关节致动器6。踝关节致动器6配置于小腿部12b的前方，踝关节致动器6和踝关节致动器3以跨越小腿部12b的方式配置。踝关节致动器6具备筒状的主体部6a和相对于主体部6a沿轴线方向进行直线运动的轴部6b。在轴部6b的外周面形成有螺旋状的螺纹槽。在主体部中收纳有与轴部6b的螺纹槽螺合的滚珠丝杠螺母(未图示)和驱动滚珠丝杠螺母旋转的马达(未图示)。当马达驱动滚珠丝杠螺母旋转时，轴部6b沿轴线方向进行直线运动。
踝关节致动器6的轴部6b经由球面轴承以能够旋转的方式与踝关节主体20连结。踝关节致动器6的主体部6a经由球面轴承以能够旋转的方式与小腿部12b连结。当使两个踝关节致动器6同时伸长、缩短时，踝关节主体20相对于小腿部12b绕俯仰轴24a2旋转。另一方面，当使两个踝关节致动器6的一方伸长、使另一方缩短时，踝关节主体20相对于小腿部12b绕摇摆轴24a1旋转。通过控制两个踝关节致动器6的旋转角度，能够使踝关节主体20相对于小腿部12b绕摇摆轴22a1以及俯仰轴22a2旋转。
股关节致动器7、膝关节致动器4、踝关节致动器3、6的马达由驱动器控制。驱动器具备：向马达供给电力的PWM(pulse width modulation)逆变器等电力转换器、对马达的输出轴的速度以及位置进行检测的传感器、根据来自操作控制器的指令以及来自传感器的信息来控制电力转换器的控制器。驱动器相互通信，即便没有控制箱也能够同步运动。
接下来，对组装于大腿部12a的平行连杆41、构成平行连杆41的大腿部辅助连杆31的伸缩动作进行说明。如图3(b)所示，平行连杆41由形成平行四边形的四个连杆a1、b1、c1、d1构成。对置的连杆的长度相等，具有a1＝c1、b1＝d1的关系。连杆a1由股关节接头22的臂22b构成，连杆c1由膝关节主体19(膝关节主体19以及小腿部12b)构成，连杆b1由大腿部12a构成，连杆d1由大腿部辅助连杆31构成。
图4(a)示出通过股关节致动器7使大腿部12a绕俯仰轴22a2旋转而使大腿部12a向前方伸出的状态。在使大腿部12a绕俯仰轴旋转时，通过平行连杆41的作用，膝关节主体19(膝关节主体19以及小腿部12b)相对于股关节主体18的姿势保持恒定。即，即使如图4(a)所示使大腿部12a旋转，膝关节主体19(膝关节主体19以及小腿部12b)的姿势与图4(b)相同朝向铅直方向。而且，如图4(b)所示，通过膝关节致动器4使大腿部辅助连杆31收缩，能够如膝关节弯曲那样，使朝向铅直方向的膝关节主体19(膝关节主体19以及小腿部12b)的姿势发生变化。在人类的大腿部中在后方也具有相当于大腿部辅助连杆31的肌肉，通过使肌肉收缩能够使膝关节主体的姿势发生变化。通过在大腿部12a的后方设置大腿部辅助连杆31并使大腿部辅助连杆31伸缩，能够与人类相同以较少的能量而使膝关节主体19的姿势发生变化。
图5是对通过使大腿部辅助连杆31伸缩能够减少膝关节致动器4的能量的理由进行说明的图。首先，作为比较例，对在股关节以及膝关节设置致动器的情况进行说明。在比较例中，假设从腿部整体直立的状态起使大腿部12a摆动角度θ1，同时使小腿部12b相对于大腿部12a的轴线弯曲θ2。其中，为了易于与本实施方式进行比较，将θ2＝2θ1，将用于使大腿部12a摆动θ1的能量设为E1，将使小腿部弯曲θ2(＝2θ1)所需的能量设为E2，并且由于存在θ2＝2θ1的关系而假设E2＝2E1。当这样假设时，用于使腿部从直立状态达到图5所示的弯曲状态(与图4(b)相同的弯曲状态)的总能量为E1+E2＝3E1。
与此相对，当在本实施方式中进行相同的动作时，如果腿部的长度、质量与比较例相同，则通过股关节致动器7使大腿部12a摆动θ1所需的能量为E1。在该大腿部12a摆动时，由于平行连杆的作用，如图4(a)所示，小腿部相对于大腿部12a的轴线弯曲角度θ1。由于通过平行连杆的作用使小腿部12b弯曲角度θ1，因此如图4(b)所示，为了进一步使小腿部12b相对于大腿部12a的轴线成为2θ1，从而通过膝关节致动器4而使小腿部12b弯曲的角度成为θ1，其所需能量只需E1即可。即，到腿部的弯曲结束为止所需的总能量只需2E1即可。即，比较例中的设置于膝关节的致动器需要2E1的输出，因此为大型，与之相对，在本实施方式中只需设置最大为E1的输出的膝关节致动器4即可，因此实现了下肢结构的小型化，并且消耗能量也变少。
另外，如图4所示，通过在小腿部12b的后方设置小腿部辅助连杆32，并通过踝关节致动器3而使小腿部辅助连杆32伸缩，能够使踝关节主体20相对于小腿部12b的姿势发生变化。在人类的小腿部的后方也具有相当于小腿部辅助连杆32的肌肉，通过使肌肉收缩能够使踝关节主体20的姿势发生变化。通过在小腿部12b的后方配置小腿部辅助连杆32并使小腿部辅助连杆32伸缩，能够与人类相同以较少的能量而使踝关节主体20的姿势发生变化。
需要说明的是，本发明并不限定于上述实施方式，在不改变本发明的主旨的范围内能够变更为各种实施方式。
在上述实施方式中，将股关节主体与大腿部以能够绕摇摆轴以及俯仰轴旋转的方式连结，然而也可以将股关节主体与大腿部以仅能够绕俯仰轴旋转的方式连结。在该情况下，构成平行连杆的大腿部辅助连杆的一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与股关节主体连结，另一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与膝关节主体连结。
在上述实施方式中，作为架设于股关节主体与大腿部之间的致动器，使用了直动型的致动器马达，然而也可以使用旋转型的致动器。在该情况下，旋转型的致动器可以包括：与大腿部结合的马达、与马达的输出结合的伺服摇臂(servo horn)、一端部经由球面轴承以能够旋转的方式与伺服摇臂连结而另一端部经由球面轴承以能够旋转的方式与股关节主体连结的连杆。
在上述实施方式中，将膝关节主体与小腿部结合，然而也可以将膝关节主体与小腿部以能够绕俯仰轴旋转的方式连结。
在上述实施方式中，将股关节主体与躯体部结合，然而也可以由一体的框架构成股关节主体和躯体部。在上述实施方式中，将踝关节主体与脚部结合，然而也可以由一体的框架构成踝关节主体和脚部。
在上述实施方式中，作为使腿部摆动的驱动源使用了马达，然而作为驱动源，除此之外还可以利用气压或液压工作缸、线性马达、人造肌肉致动器等各种装置。
本说明书基于2012年5月31日向日本申请的日本特愿2012-124511。其内容全部包含于此。
附图标记说明
3…踝关节致动器；4…膝关节致动器；7…股关节致动器；10…腿式机器人；12…腿部；12a…大腿部；12b…小腿部；18…股关节主体；19…膝关节主体；20…踝关节主体；22…股关节接头；24…踝关节接头；31…大腿部辅助连杆；32…小腿部辅助连杆；41…平行连杆。

Claims (4)

1.一种腿式机器人的下肢结构，具备：
股关节主体；
大腿部；
股关节接头，其使所述大腿部以至少能够绕俯仰轴旋转的方式与所述股关节主体连结；
膝关节主体，其以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述大腿部连结；
大腿部辅助连杆，其一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述股关节主体或所述股关节接头连结，并且另一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述膝关节主体连结；
膝关节致动器，其使所述大腿部辅助连杆的从所述一端部到所述另一端部的长度伸缩。
2.根据权利要求1所述的腿式机器人的下肢结构，其特征在于，
所述股关节接头将所述大腿部以能够绕所述俯仰轴以及摇摆轴旋转的方式与所述股关节主体连结，
在所述大腿部与所述股关节主体之间架设有股关节致动器，所述股关节致动器驱动所述大腿部相对于所述股关节主体绕所述俯仰轴以及所述摇摆轴旋转。
3.一种腿式机器人的下肢结构，其中，
所述腿式机器人还具备：
小腿部，其与所述膝关节主体结合；
踝关节主体；
踝关节接头，其将所述踝关节主体以至少能够绕俯仰轴旋转的方式与所述小腿部连结；
小腿部辅助连杆，其一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述小腿部连结，并且另一端部以能够绕俯仰轴旋转的方式与所述踝关节部连结；
踝关节致动器，其使所述小腿部辅助连杆的从所述一端部到所述另一端部的长度伸缩。
4.一种腿式机器人，其组装有权利要求1至3中任一项所述的腿式机器人的下肢结构。
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