CN1234507C - 双脚行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双脚行走机器人。作为机器人动作用电源的蓄电池装置(6)，以蓄电池装置(6)的重心点(B)处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点(A)的上方及后方一侧的特定位置，被搭载在该机器人的上体(1)上。而且，从该机器人的上体(1)延设出的臂部(3)的肩部(10)的中心部(C)处于重心点(A)的前方，另外，作为机器人视觉系统用的摄影装置(22)经由位于重心点(A)前方的安装部件(27)被支撑在机器人(1)上体的上端部位上。由此，可以容易地确保该机器人于行走或作业时的姿势平稳性。

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，此外，在上体的上端部位又搭载一包含有机器人视觉系统用的摄影装置的头部。

这种机器人，进行腿部或臂部等动作用的动作用电源，虽然也有从外部经由导线向其供给的，但是这种电源，机器人可活动的范围很容易受到限制，同时导线的处理上也烦杂。由此人们也就期望能在机器人自身上搭载有作为其动作电源用电池等的蓄电池装置。

但是，在机器人身上搭载作为其动作电源用的电池等的蓄电池装置的时候，为充分确保机器人连续活动时间，就必须装载容量相对较大的蓄电池装置，该蓄电池为比较大型的电池，且其重量也大。另外，与具有多条腿部的机器人相比，双脚行走机器人本来就在受到干扰等影响时更容易失去姿势的平稳性。

由此，大型笨重的蓄电池以何种配置方式搭载在双脚行走机器人的什么位置，成为在确保该机器人于行走或作业时姿势的平稳性方面的一个重要课题。

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种具有蓄电池装置搭载构造的双脚行走机器人，以便能够容易确保机器人于行走或作业时的姿势平稳性。

发明内容

为达到所述目的，本发明的双脚行走机器人具有两种形态。第1形态为：一种双脚行走机器人，具有作为机器人的动作电源用的蓄电池装置，其特征在于，上述蓄电池装置以其重心点处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的上方一侧位置的方式，被搭载于该机器人的上体上。

即，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而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，从而对机器人的踝部周围的转矩进行控制的。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的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，本发明的第1形态，如上所述，以蓄电池装置的重心点处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的上方一侧位置的方式，将蓄电池装置搭载于机器人的上体上，且该重心点处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的沿该机器人前后方向上的后方一侧位置。在此，该上体具体是指延设有机器人腿部及臂部的机器人躯干部。

这样，由于包括蓄电池装置在内的机器人重心处于机器人身上相对较高的位置，所以，可以提高机器人在行走及作业时的姿势平稳性。

另外，本发明的第1形态如上所述，最适合利用按照倒立摆动力学原理模型而进行姿势平稳性控制的双脚行走机器人。

此外，本发明的双脚行走机器人的第2形态为：在第1形态的双脚行走机器人的基础上，具有作为机器人的动作电源用的蓄电池装置和从该机器人上体的肩部延设出的臂部，其特征在于，连结着上述臂部的上述机器人上体肩部被设置在该机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的前后方向上的前方一侧位置。

另外，本说明书中机器人的前后方向是指机器人处于直立状态下，与机器人两条腿部并排方向(机器人的左右方向)及上下方向(垂直方向)垂直的方向。

根据本发明的第2形态，连结着机器人臂部的机器人上体肩部，由于靠近机器人的前侧，通过将臂部伸到机器人的前方，就可以进行抓持机器人前方较远特定位置的物体等的作业。而此时，将臂部伸到机器人的前方，卸去了上述蓄电池装置的机器人的重心将相对较大地移动至机器人前方一侧，但是因为在机器人的后侧(背面一侧)存在较重的上述蓄电池装置，装载有该蓄电池装置的机器人的整体重心将不会较大幅度地移动至机器人前方一侧。这样，机器人即使将臂部伸向前方进行作业的时候，也能够很容易地确保机器人姿势的平稳。即，根据本发明的第2形态，在机器人前方比较远的特定位置利用臂部进行作业中，也能够确保机器人姿势的平稳。

在本发明的第2形态中，与上述第1形态的情况一样，上述蓄电池装置最好以其重心点处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的上方一侧位置的方式，搭载在该机器人的上体上。

通过这样，就如对上述第1形态说明的那样，可以提高机器人在行走及作业时姿势的平稳性。

另外，在本发明的第2形态中，当上述机器人具有处于该机器人上体的上方一侧且被支撑于该上体的上端上的摄影装置的情况下，该摄影装置和机器人上体之间的连结部最好设置在该机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的前后方向上的前方一侧位置。

通过这样，由于上述摄影装置与臂部都靠近机器人的前面一侧，比较容易平衡该摄影装置、臂部与机器人后背一侧的蓄电池装置之间的重量关系，由此，更易确保机器人姿势的平稳性。

根据本发明第1及第2形态，用于搭载上述蓄电池装置的上述机器人上体上设置的蓄电池装置装载部，最好是在机器人于直立状态时其上端具有开口，经由该开口将上述蓄电池装置即可插入又可取出地装载在该蓄电池装置装载部内。

通过这样，在机器人比较小的情况下，进行维修或保养蓄电池装置等时候，可以经由上述开口将该蓄电池装置从上述蓄电池装置装载部的上方插入或取出，由此，该蓄电池装置的插入或取出作业变得简单易行。另外，例如由于能在使机器人下蹲状态下进行蓄电池装置的插入或取出作业，故而，能在保持机器人的姿势平稳的状态下进行该蓄电池装置的插入或取出作业。此外，由于蓄电池装置装载部的开口处于其上端，即使机器人以各种姿势进行作业，也能够切实避免蓄电池装置从蓄电池装置装载部内脱落的可能。特别是能够有效地防止在将蓄电池装置搭载在机器人上部特定位置的本发明第1形态中，万一因蓄电池装置装载部的开口的盖发生故障等原因，蓄电池装置有可能掉落，一旦掉下，很容易发生的该蓄电池装置损坏的现象。

这种情况，最好在上述机器人于直立状态时上述蓄电池装置装载部的下端处，接合/脱离自如地设置一在该蓄电池装置装载部内装载上述蓄电池装置的状态下与该蓄电池装置的供电端子部进行连接的受电端子部。

通过这样，将蓄电池装置插入、装载到蓄电池装载部内，可以使蓄电池装置的供电端子部与机器人的上体一侧的受电端子部连接，同时，通过该蓄电装置的自重，能够切实保证两个端子部可靠地连接。

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是表示对图1中机器人的蓄电池装置进行插入或取出作业时其下蹲姿态的侧视图。

具体实施方式

下面结合图1及图2对本发明的一实施例进行说明。

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的人型机器人。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。图示的腿部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包括主体5、第1副体7、第2副体9，其中，主体5在连结腿部2及臂部3等同时，又支撑着头部4，第1副体7为搭载机器人动作用电源即蓄电池装置6的蓄电池装载部，第2副体9搭载有担负机器人动作控制的控制单元8(具有微型计算机的电路单元，以下称‘ECU8’)。

另外，在本实施例中虽然蓄电池装置6使用的是例如锂离子电池等的可充电的充电电池，但是，电偶极子层电容器等的大容量电容也可以。

在主体5上部的左右一侧各形成有肩部10，从内藏在该肩部10内图中未示的肩关节机构处延设出各臂部3。各臂部3在其手指部11与肩部10之间，从肩部10一侧开始依次具有肘关节12及腕关节13。

此外，主体5的下端部为腰部14，从与内藏在该腰部14内图中未示的平行链环机构相连结的左右一对髋关节15处向下方各延设出一对腿部2。各腿部2在其脚掌部16与髋关节15之间，从髋关节15一侧开始依次具有膝关节17及踝关节18。

上述第1副体7是被安设在主体5的上部的背面部呈筐体形状的物体。在该第1副体7的内部收纳有支撑部件19，其中该支撑部件19固定设置在主体5上部的后背上，用于搭载上述蓄电池装置6。蓄电池装置6被架载支撑于该支撑部件19上。

在此参照图2，在第1副体7的上端部形成有供开闭盖20自如开关的开口21，在将开闭盖20如图2中的双点划线所示那样打开的状态下，经由该开口21可以将蓄电池装置6插入第1副体7内或从其内取出。而且，在支撑该蓄电池装置6的上述支撑部件19的下端部(机器人于直立状态时位于蓄电池装置6的正下方的部分)设置有与蓄电池装置6的底面部设置的插头状的供电端子部22(向外部输出蓄电池装置6的电能的部分)相接合的接头状的受电端子部23。该受电端子部23是向机器人各关节的电动机(图中未示)或上述ECU8等处提供、分配蓄电池装置6的电能的部分。并且，在将蓄电池装置6经由上述开口21插入第1副体7的内部并由支撑部件19支撑时，当该受电端子部23即与该蓄电池装置6的供电端子部22相接合形成电连通。

另外，开闭盖20盖上上述开口21后(图2中实线所示的状态)，又通过图示省略的锁定机关被锁止于其关闭状态，作为解除其锁止状态的执行元件的电动机24装载在第1副体7内。

参照图1，上述第2副体9是配置在第1副体7的正下方且被安设在主体5的下部呈筐体形状的物体。在该第2副体9的内部收纳有支撑部件25，其中该支撑部件25固定设置在主体5的下部的后背上，用于搭载上述ECU8。ECU8装载在该支撑部件25上并被其支撑。

在上述头部4的外部壳体4a(筐状体)的内部以使其视野方向朝向前方的方式收容有作为机器人的视觉系统用的摄影装置(照相机)26。该照相机26经由连结部件29与安装在安装部件27上的减速机28连结，随该减速机28的转动而连动，并能在该减速机28的转动轴心周围摇动，其中安装部件27竖直设置在靠近主体5上端部的前侧的特定位置。此时，减速机28的转动轴心朝向左右方向(垂直于图1纸面的方向)地被安装在安装部件27上，摄影装置26如图1中箭头Y所示，其视野可以上下摆动。此外，上述安装部件27上安设有电动机30，该电动机30的转动力经由传送带等传送给减速机28，借此，摄影装置26可以进行上述的摇动。

另外，虽然省略其图示，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上的载荷以及力矩传感器、检测上体1的倾斜角及倾斜角速度的传感器等。

此外，上述ECU8根据从上述各种传感器(包括摄影装置26)得到的信息或事先设定的程序等，对上述的各电动机进行控制，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ECU8根据特开平5-337849号公报或美国专利第5459659号上公开的倒立摆动力学原理模型而对腿部2的各关节的动作进行控制，从而对机器人进行在行走及作业时的姿势稳定化控制。

具有如上所述构成的本实施例的双脚行走机器人，在卸去蓄电池装置6的状态下，且使机器人于图1所示的直立状态下时，机器人的重心处于例如图1中A点(以下称该点A为基准重心点A)的位置(主体5的大致中心部)。并且，在此上述直立状态具体是指使左右腿部2于左右方向并排的状态下，该腿部2及上体1于竖直方向上伸展地站立，且左右臂部3竖直向下伸展的状态。

而且，蓄电池装置6本身的重心点(位于蓄电池装置6的大致中心部)在将该蓄电池装置6支撑于上述第1副体7内的支撑部件19上搭载于机器人上的时候，处于图1中的B点位置(以下称该点B为蓄电池装置重心点B)。即，蓄电池装置重心点B处于上述基准重心点A的上方(参照图1中的箭头P)且又在该基准重心点A的后方(参照图1中的箭头Q)。若换种说法，即，根据本实施例的机器人，以使蓄电池装置重心点B相对于基准重心点A形成如上所述的位置关系的方式，配设第1副体7及支撑部件19。

此外，在本实施例中，上述肩部10如图所示，以其中心部C处于上述基准重心点A的前方位置的方式，被设置在主体5上(参照图1中的箭头R)。另外，上述摄影装置26被处于基准重心点A的前方且从主体5上端部竖直设置出的安装部件27所支撑，而且，被配置在基准重心点A的前方靠近机器人最前面的位置(参照图1中的箭头S)。

根据本实施例的双脚行走机器人，由于笨重的蓄电池装置6的蓄电池装置重心点B处于如上所述基准重心点A的上方，因此，机器人上搭载有蓄电池装置6状态下的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(比基准重心点A高的位置)。由此，机器人姿势的动作特性比较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，也就能合理地进行机器人的姿势平稳化控制，可有效地确保机器人姿势的平稳性。

另外，肩部10的中心部C也处于基准重心点A的前方一侧，该肩部10处在靠近机器人前面的位置。这样，向前方伸开臂部3，该臂部3的手指部11伸到机器人前方比较远的特定位置，即可以进行抓持该远方位置的物体等作业。

此外，由于摄影装置26处在靠近机器人最前面的位置，所以即使不设置让机器人头部4上下摇动的机构而只通过让摄影装置26上下摇动，也可以确保摄影装置26的视野扩展到上下方向上的宽广范围，特别是在上下楼梯等时，可以对脚下情况进行摄像。

这种场合，因肩部10和摄影装置26都处在基准重心点A的前方、靠近机器人前面的位置，特别是当向前方伸开两臂部3时，卸去蓄电池装置6的机器人的重心将会较大幅度地移至机器人的前方，因此，蓄电池装置6与肩部10、摄影装置26相反地被搭载在基准重心点A的后方、机器人的后背上。所以，即使是在两条臂部3向前方伸开状态下，装载有蓄电池装置6的机器人整体的重心也不会大幅度地移动到机器人的前方。即，在两臂部3下垂状态和两臂部3向前方伸开状态中的两种状态下，装载有蓄电池装置6的机器人整体的重心位置在前后方向上的变化比较小。这样，在使用臂部3作业时，可以容易地确保机器人姿势的平稳性。

另外，根据本实施例的机器人，进行蓄电池装置6的维修保养(例如，蓄电池装置6的充电或更换)等时，例如，可按以下方法进行蓄电池装置6的取出、插入作业。

即，上述ECU8当从外部接受到例如进行蓄电池装置6的维修保养的指令时，即控制机器人姿态变为如图2所示的姿态。这种姿态是让机器人各腿部2的脚掌部16及膝关节17着地，然后让各臂部3的手指部11着地的姿态(人跪下、手撑地行礼的姿态)。控制成这种姿态是为了切实确保机器人姿势的平稳性。

并且，上述ECU8一旦通过检测驱动各腿部2及臂部3的各关节用的电动机(图未示)的转动位置的传感器(图未示)的输出信号确认机器人的姿态如图2所示的姿态后，即驱动上述第1副体7的电动机24工作，解除开闭盖20处于关闭位置的锁定。

而且，此时，ECU8也就将自身及各电动机等的电源转换到搭载在机器人身上作为临时动作用电源的预备蓄电池装置(图未示)上。该预备蓄电池装置因是机器人临时动作用的电源，故而是较小容量的就可以，与蓄电池装置6相比属于相当小型轻量的电源。

这种状态下，作业人员打开开闭盖20，然后经由第1副体7的开口21进行蓄电池装置6的取出、插入作业(向第1副体7内进行蓄电池装置6的取出、插入)。

这样，根据本实施例，可以在将机器人控制在确实能够保证其姿势平稳的姿态的状态下，容易地从第1副体7的上方进行蓄电池装置6的取出、插入作业。

此外，在将蓄电池装置6插入第1副体7的内部进行搭载时，由于蓄电池装置6的供电端子部22通过该蓄电池装置6的自重与上述支撑部件19的受电端子部23进行嵌合，所以能够确实保证两端子部22、23间的导电连通。

如上所述，本发明的双脚行走机器人作为一种搭载有动作用的蓄电池装置，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 (5)

1.一种双脚行走机器人，具有作为机器人动作电源用的蓄电池装置，其特征在于，

上述蓄电池装置以使其重心点处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的上方一侧位置的方式搭载在该机器人的上体上，且该重心点处于上述机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的前后方向上的后方一侧位置。

2.如权利要求1所述的双脚行走机器人，具有作为机器人动作电源用的蓄电池装置和从该机器人上体的肩部延设出的臂部，其特征在于，

连结着上述臂部的上述机器人上体肩部被设置在该机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的前后方向上的前方一侧位置。

3.如权利要求2所述的双脚行走机器人，其特征在于，

上述机器人具有处于该机器人上体的上方一侧且被支撑在该上体的上端上的摄影装置，该摄影装置和机器人上体之间的连结部设置在该机器人卸去上述蓄电池装置后该机器人于直立状态时的重心点的前后方向上的前方一侧位置。

4.如权利要求1所述的双脚行走机器人，其特征在于，

用于搭载上述蓄电池装置的上述机器人上体上所设置的蓄电池装置装载部，在机器人于直立状态时其上端具有开口，经由该开口将上述蓄电池装置可插入、可取出地搭载在该蓄电池装置装载部内。

5.如权利要求4所述的双脚行走机器人，其特征在于，

在上述机器人于直立状态时上述蓄电池装置装载部的下端处，接合/脱离自如地设置一在该蓄电池装置装载部内搭载上述蓄电池装置的状态下与该蓄电池装置的供电端子部进行接续的受电端子部。

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