CN1474736A - 腿式步行机器人 - Google Patents

Abstract

一种腿式步行机器人，其中，驱动连接上身和腿部2R的关节10R的电动机88配置在腿部一侧，同时采用偏离关节转动轴线的方法，配置电动机88。此外，在装有电动机88的电动机安装部件86与上身相对的位置上穿孔设置开口部。由此达到易于机器人腿部的装卸，提高其维修性能。此外，也能易于调整由驱动源为连接上身和腿部的关节传递驱动力的动力传递手段。另外，能够以任意角度转动腿部，使旋转动作等变得容易。

Description

腿式步行机器人

技术领域

本发明涉及一种腿式步行机器人，具体涉及上身和腿部容易装卸的双足步行的腿式步行机器人。

背景技术

关于以往有关腿式步行机器人的技术，提出了多种技术，已知的有例如在日本特开平3-184782号公报中记载的技术。

在特开平3-184782号公报中，为减少腿部(连杆)的惯性质量，在机器人上身的一部分(腰板)上配置为驱动连接上身和腿部的关节的驱动源(电动机)。在腿式步行机器中，在使驱动源的输出(转动)减速传递到关节的过程中，为了提高减速比和空间效率，通常采用谐波传动(谐波减速器，商品名)等输入和输出在同一轴上的高减速比的减速器。

在上述的技术中，如要拆卸腿部，需要先拆卸腰部的减速器的构成部件(在谐波减速器中，挠曲花键轴和环形花键轴)。此外，在组装时需要相反的顺序，很繁琐。

特别是在环形花键轴中咬合齿轮嵌入挠曲花键轴，尽管拆卸比较容易，但组装需要咬合齿轮，不一定能满足维修性能要求。此外，在调整从驱动源将驱动力传递给减速器的皮带的张力时，也需要从机器人的上身拆卸腰板，很繁琐。

发明内容

因此，本发明的目的是消除上述不方便之处，提供一种腿部容易装卸的、提高了维修性能的腿式步行机器人。

此外，本发明的第2个目的是提供一种能够容易地接触从驱动连接上身和腿部的关节的驱动源传递驱动力的动力传递手段并且需要时能够进行调整的腿式步行机器人。

此外，本发明的第3个目的是提供一种能够防止腿部在相对变位时相互干扰的、旋转动作等容易的、由此扩大步容设计自由度的腿式步行机器人。

为解决上述问题，如技术方案1记载，在至少具备上身及借助各自关节与上述上身可自由转动地连接的多个腿部的腿式步行机器人中，其特征在于：驱动上述关节的驱动源配置在上述腿部一侧。

由于驱动连接上身和腿部的关节的驱动源配置在腿部一侧，容易从机器人上身装卸腿部，可以提高腿式步行机器人的腿部的维修性能。

如技术方案2记载，采用偏离上述关节的转动轴线的方法，配置驱动源，借助动力传递手段连接上述关节。

将驱动连接上身和腿部的关节的驱动源偏离关节的转动轴线，具体是，使减速器的输入轴(即，关节的转动轴)离开驱动源(电动机)的输出轴，成为平行轴，同时将驱动源相对机器人前进方向配置在腿部外侧的后面。此外，借助动力传递手段即皮带连接驱动源和关节。

通过这样的结构，可以起到与技术方案1相同的作用，同时，腿部可以任意角度转动，旋转动作等容易，且可扩大步容设计的自由度。

如技术方案3记载，用外壳覆盖上述驱动源，同时在上述外壳与上述上身相对的位置穿孔设置开口部。

由于是用外壳覆盖上述驱动源，同时在外壳与上身相对的位置，具体是腿部的上端附近穿孔设置开口部即改锥等调试器具的插入孔，容易接触驱动连接上身和腿部的关节的皮带等传递手段，同样能够提高维修性能。

如技术方案4记载，提供一种至少具备上身及借助各自关节可自由转动地与上述上身连接的2个腿部的腿式步行机器人，其特征在于：采用偏离上述关节的转动轴线的方法，将驱动上述关节的驱动源配置在上述腿部的外侧，由此，防止上述2个腿部在相对变位时的干扰。

在双足步行的腿式步行机器人中，由于采用偏离上述关节的转动轴线的方法，将驱动上述关节的驱动源配置在上述腿部的外侧，即，相对机器人前进的方向，右腿部在右侧、左腿部在左侧，具体是在左右侧的后侧配置为2个腿部备置的驱动源，这样可防止在使上述2个腿部相对变位时的干扰，所以能够以任意角度转动腿部，使旋转动作等变得容易，能够扩大步容设计的自由度。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的腿式步行机器人的正视图。

图2是图1中所示腿式步行机器人的右侧面图。

图3是以关节为中心整体表示图1中所示腿式步行机器人的内部结构的概略图。

图4是表示图3所示控制装置的详细情况的框图。

图5是用图1的V-V线切断的局部剖视图。

图6是从上方看从上身拆卸的右侧腿部的上面图。

图7是图6的VII-VII线截面图。

图8是从斜下方看图1等所示腿式步行机器人的上身的底视立体图。

图9是从斜上方看图6所示机器人右侧腿部的上视立体图。

图10是图1及图2的X-X线截面图。

图11是图6中符号XI表示部分的局部放大图。

图12是说明在调整皮带(动力传递手段)张力时机器人的上身与腿部之间的位置关系的立体图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一个实施方式的腿式步行机器人。

图1是有关本发明的一个实施方式的腿式步行机器人(以下简称“机器人”)1的正视图，图2是其侧面图。此外，作为腿式步行机器人，以双足步行的机器人为例。

如图1所示，机器人1具有2个腿部(腿部连杆)2，同时在其上方设置上身(基体)3。在上身3的上部形成头部4，同时在上身3的两侧连接2个臂部连杆5。此外，如图2所示，在上身3的背部设有贮藏部6，在其内部安装有控制装置(后述)及驱动机器人1关节的电动机(驱动源，后述)的电池电源(图未示)等。此外，图1及图2所示的机器人1安装有保护内部结构的盖。

参照图3，以关节为中心说明上述机器人1的内部结构。

如图所示，机器人1在左右各自的腿部2上装有6个关节。

12个关节由腰部的腿旋转用的绕垂直轴(Z轴或重力轴)转动的关节10R、10L(右侧为R，左侧为L，以下相同)、胯骨(腰部)的转动方向(绕X轴)的关节12R、12L、腿(腰部)的俯仰方向(绕Y轴)的关节14R、14L、膝盖部的俯仰方向(绕Y轴)的关节16R、16L、脚尖部的俯仰方向(绕Y轴)的关节18R、18L、及同一转动方向(绕X轴)的关节20R、20L组成。在腿部连杆2R下部安装有平板脚(足部)22R、22L。

即，腿部2由胯骨关节(腰关节)10R(L)、12R(L)、14R(L)、膝关节16R(L)及足关节18R(L)、20R(L)组成。胯骨关节和膝关节由大腿连杆24R(L)连接，膝关节和足关节由小腿连杆26R(L)连接。

腿部(腿部连杆)2借助胯骨关节与上身3连接，但图3中作为上身连杆28简要示出上身3。如上所述，臂部连杆5与上身3连接。

臂连杆5由肩部的俯仰方向的关节30R、30L，相同转动方向的关节32R、32L，臂的旋转用的绕垂直轴转动的关节34R、34L，绕肘部的俯仰轴转动的关节36R、36L，手腕旋转用的绕垂直轴转动的关节38R、38L组成。手腕的顶端安装有手(作业操作装置)40R、40L。

即，臂连杆5由肩关节30R(L)、32R(L)、34R(L)、肘关节36R(L)及手腕关节38R(L)组成。此外，肩关节和肘关节由大臂连杆42R(L)连接，肘关节和手由小臂连杆44R(L)连接。

头部4由绕垂直轴转动的颈关节46及头部摆动结构48组成，该头部摆动结构48通过垂直于颈关节46的轴转动头部4。作为外部传感器，在头部4的内部装有由CCD等组成的视觉传感器(未图示)。

根据上述构成，腿部2具有左右腿合计12个自由度，在步行中通过以适宜的角度驱动上述12个关节，能够为腿整体提供所希望的动作，能够任意在3维空间步行。此外，臂连杆5分别为左右臂提供5个自由度，通过以适宜的角度驱动上述关节能够进行所希望的作业。

此外，在足关节下方的足部22R(L)中安装有公知的6轴力传感器50，在作用于机器人的外力内，检测从接地面作用于机器人的地面反作用力的3方向分力Fx、Fy、Fz和力矩的3方向成分Mx、My、Mz。

此外，在上身3上设置了倾斜的传感器54，检测对垂直轴的倾斜及其角速度。另外，各关节的电动机借助减速和增速其输出功率的减速器后述使上述连杆24、26R(L)等相对变位，同时还设置了检测其旋转量的旋转编码器(图3中图示略)。

如上所述，在贮藏部6的内部装有由微型计算机组成的控制装置60等，6轴力传感器50等的输出(为便于图示，只图示机器人1的右侧)传送给控制装置60。

图4是详细表示控制装置60构成的框图。

如图所示，控制装置60由微型计算机构成。在图中，倾斜传感器54等的输出通过A/D转换器(图中用“A/D”表示)62变换成数字值，该输出借助信息转移通路64传送给RAM66。此外，在各关节，与电动机相邻配置的编码器的输出借助计数器68输入给RAM66内。

在控制装置60内设有由CPU组成的演算装置70，演算装置70基于ROM72中储存的数据及传感器的输出计算出驱动各关节所需的控制值(操作量)，借助D/A转换器(图中用“D/A”表示)74和各关节上设置的促动驱动装置(放大器)76为驱动各关节的电动机输出功率。

在此实施方式的机器人1中，其特征在于：在具有借助胯骨关节中的绕各自腿部旋转用的垂直轴转动的关节10R(L)可自由转动地与上身3连接的多个，具体是2个腿部2R(L)的机器人1中，通过在腿部2R(L)配置驱动关节10R(L)的驱动源(电动机，后述)，能够容易地从上身3装卸腿部2R(L)。

下面，参照表示右侧腿部2R的图5至图7说明关节10R的构成。

图5是图1所示机器人1的腿部2R的局部剖视图即V-V线截面图，图6是从上方看从上身3拆卸腿部2R的上视图，图7是用图6的VII-VII线切断的说明截面图。此外，在图6及图7中，为简化说明，只图示了关节10R的外部。

如图5及图6所示，在腿部2R的上端附近，配置了腰部腿旋转用的绕垂直轴转动的关节10R。关节10R具有上身固定部80和连接关节10R和关节12的框架部件82。固定部80上穿孔设置有可固定在上身3上的螺栓孔(后述)。

上身固定部80及框架部件82借助轴承83可相对转动地连接在一起，同时由减速器，具体为谐波传动84提供其相对转动的驱动力。框架部件82上整体设有电机安装部件(壳体)86，在其内部装有驱动源，具体为电动机88(图6中用细点划线表示)。由旋转编码器89测定电动机88的转动量，同时借助皮带(动力传递手段)90将驱动力传递给谐波传动84。

下面，参照图7进一步详细说明关节10R的构成。

皮带轮(动力传递手段)96固定在电动机88的输出轴94上，输出轴94收装在电动机安装部件86内的适宜位置上，同时在皮带轮96上以适当的张力卷挂皮带90。皮带90的另一端卷挂在谐波传动84的输入轴侧的皮带轮(动力传递手段)98上。皮带轮98固定在波导振荡器100上，与其同轴转动。从而，电动机88的驱动力经皮带90传递到谐波传动84。

波导振荡器100配合在挠曲花键轴102内，挠曲花键轴102的输出部102a固定在上身固定部80一侧，此外，环形花键轴104的输出部104a固定在框架部件82一侧。挠曲花键轴102通过咬合各自的齿轮嵌入在环形花键轴104中。

在关节10R中，如电动机88输出的驱动力借助皮带90输入给谐波传动，众所周知，在挠曲花键轴102(即上身固定部80)和环形花键轴104(即框架部件82)之间产生相对运动。

如图6所示，如以从上方看时为例更详细地说明，电动机88如顺时针转动，借助皮带轮96、皮带90及皮带轮98传递其驱动力，顺时针转动波导振荡器100。如分别逆时针驱动挠曲花键轴102，顺时针驱动环形花键轴104，逆时针驱动固定其输出部102a、104a的上身固定部80，顺时针驱动框架部件82，产生相对转动运动，因此，腿部2R相对上身3顺时针转动。

此外，腿部2R的关节10R以外的关节12、14等的构成由于与特开平3-184782号公报中记载的构成相同，这里省略说明，同时也省略图5等中的图示。此外，腿部2R(L)由于是左右对称形成，也省略了左侧的腿部2L的说明。

下面，参照图8及图9说明在上身3上装卸腿部2R(L)。

图8是从斜下方看上身3的底视立体图，图9是从斜上方看腿部2R的上视立体图。此外，图8往后，在图示上身3时，为简化说明省略头部4及手臂连杆5R(L)的图示。

如图8所示，在上身3底面侧的腰板110的腿部安装面112上，穿孔设置有为螺栓固定腿部2R(L)的螺栓孔114R(L)，同时形成有突出的双头螺栓116R(L)。在腿部安装面112的适宜位置穿孔设置定位孔118。

如图9所示，在腿部2R的上身固定部80，在与螺栓孔114R(L)、双头螺栓116R(L)对应的位置上，为在上身固定腿部2R穿孔设置螺栓孔120。此外，在上身固定部80的上面(与腿部安装面112的正对面)，在与定位孔118对应的位置设置突起部121。

如果说明在上身3安装腿部2R的顺序，首先是，沿图8及图9所示的虚线8a及8b，将上身3侧的双头螺栓116R插入螺栓孔120中，将突起部121插入定位孔118，定位后，从上身固定部80的下方往双头螺栓116上拧螺母(无图示)。然后，从上身固定部80的下方沿虚线8c及8d插通螺栓孔120，随后将螺栓122插入螺栓孔114，拧紧。由此结束在上身3安装腿部2。

如上所述，在以往的技术中，由于驱动源配置在腰部，在腰部安装腿部时需要一边咬合挠曲花键轴和环形花键轴的各自的齿轮一边组装，作业繁琐，而在本发明的机器人1中，由于在腿部2R(L)侧配置电动机88，在从机器人1的上身3装卸腿部2R(L)时，不需要拆卸谐波传动84的构成部件，因而，腿部2R(L)的安装只需固定螺栓，非常方便，能够提高维修性能。

此外，在从上身3拆卸腿部2R时，由于不需要考虑定位等，只需拆卸紧固双头螺栓116的螺母、螺栓122即可。

如返回到图6的说明，采用偏离关节10R的转动轴线92的方法，配置电动机88。具体是，隔开电动机88的输出轴(线)和谐波传动84的输入轴线(即关节的转动轴线)，作为平行轴，同时，相对机器人1前进方向将电动机88配置在腿部的外侧后方。此外，相对机器人1前进方向(X轴方向)将电动机88配置在腿部2R的右外侧的后方，借助皮带90与关节10R连接。

下面，参照图6及图10(a)、(b)，说明机器人1的旋转动作。

图10(a)、(b)是用图1及图2的X-X线切断腿部2R(L)的截面图。此外，图示以关节10R(L)为焦点，只图示其外部，平板脚22R(L)等的图示省略。

为了使机器人1的旋转动作容易，扩大步容设计的自由度，关节10R(L)需要能使腿部2R(L)及未图示的平板脚22R(L)从图10(a)所示状态向图10(b)所示那样的以任意角度转动的构成。

因此，在此实施方式中，如前所述，采用偏离关节10R(L)的转动轴线92的方法配置电动机88。具体是，相对机器人1前进方向(X轴方向)将电动机88配置在腿部2R(L)的外侧的后方，借助皮带90与关节10R连接。

由此，如图10(b)所示，左右腿部2R(L)互不干涉，能够以任意角度转动腿部2R(L)，能够实现上述目的。

下面再回到图6的说明的同时，参照图11及图12，说明从电动机88向谐波传动84传递驱动力的皮带90的张力调整。

随时间的变化，皮带90张力会下降，在此种情况下，皮带轮96和波导振荡器100之间产生打滑。由于在电动机88侧设有编码器89，如产生上述那样的打滑，除传递力下降外，给电动机88的指令值与实际输入到波导振荡器100的转速出现误差，有降低控制性的危险。

在覆盖电动机88的电机安装部件86与上身3相对的位置上形成开口(开口部)124。具体是，如图6中符号XI所示的外部局部放大图即图11所示，电机安装部件86与上身3相对的位置上形成开口124，此外，穿孔设置用于调节电动机88位置的调节器具插入孔(开口部)125。

电动机88通过螺栓126a、126b固定在电机安装部件86上面一侧。此外，实际上，在开口124上安装有盖(未图示)，在调节皮带90时可以开关。

在此，将螺栓126a插入未图示的固定孔，同时沿细点划线表示的沟槽部128可动地构成螺栓126b。即，在调整皮带90的张力时，首先松动螺栓126a、126b，随后往调节器具插入孔125插入如改锥130等调节器具，移动电动机88的位置。作为支承轴(中心轴)，电动机88转动卡住螺栓124a的轴，例如，移动到表示为(88)的位置，由此调整皮带90的张力。

由于在与上身3相对的位置形成开口124，通过使腿部2(只图示R)在图12所示的位置转动，不用从上身3拆卸腿部2R(L)，就能接触皮带90，调整其张力。

在本实施方式的机器人1中，如上所述，由于电动机88配置在腿部2R(L)侧，容易从上身3装卸腿部2R(L)。即，例如在调整腿部等时，可提高机器人1的腿部2R(L)的维修性能。

此外，由于是采用偏离关节10R(L)的转动轴线92的方法，具体是相对机器人1前进方向(X轴方向)，在腿部的外侧的后方配置电动机88，同时借助皮带90连接关节10R(L)，能够以任意角度转动关节腿部2R(L)，使旋转动作等容易，可扩大步容设计的自由度。

此外，由于在覆盖电动机88的电机安装部件86与上身3相对的位置上穿孔设置开口124，在不从上身3上拆卸腰板78即在机器人1直立的状态或挂在支架(无图示)上等的状态下，能够调整皮带90的张力。

在此实施方式中，如上所述，提供一种至少具备上身3及借助各自关节10R(L)与上述上身可自由转动地连接的多个腿部2R(L)的腿式步行机器人1，将驱动上述关节的驱动源(电动机88)配置在上述腿部一侧。

另外，采用偏离上述关节的转动轴线92的方法，配置上述驱动源，借助动力传递手段(皮带90)与上述关节连接。

此外，在用壳体(电机安装部件86)覆盖上述驱动源，同时在上述壳体与上述上身相对的位置上穿孔设置开口部(开口124，调节器具插入孔125)。

此外，提供一种至少具备上身3及借助各自关节与上述上身可自由转动地连接的2个腿部2的双足步行的腿式步行机器人1，采用偏离上述关节的转动轴线92的方法，在上述腿部的外侧配置驱动上述关节的驱动源(电动机88)，由此，防止上述2个腿部在相对变位时的干扰(图10(b))。

此外，以腰部的腿旋转用关节作为绕垂直轴(Z轴或重力轴)转动的关节，但并不只限于此，总之，在连接上身和腿部的关节中，如是在腿部配置驱动源的构成，也可以是例如，相对于垂直轴倾斜转动中心轴的关节。

此外，在本发明中，作为动力传递手段采用皮带及皮带轮，但也可以采用齿轮机构等其他传递手段。

此外，就双足的腿式步行机器人说明了本发明，但也适合双足步行以外的多腿式步行机器人。

如果采用本发明，容易从机器人上身装卸腿部，能够提高腿式步行机器人的腿部的维修性能。此外，能够以任意角度转动腿部，使旋转动作等变得容易，能够扩大步容设计的自由度。此外，能够容易接触驱动连接上身和腿部的关节的皮带等动力传递手段，同样能够提高维修性能。能够进一步以任意角度转动腿部，使旋转动作等更加容易，进一步扩大步容设计的自由度。

Claims (4)

1.一种腿式步行机器人，至少具备上身及借助各自关节与上述上身可自由转动地连接的多个腿部，其特征在于：在上述腿部一侧配置驱动上述关节的驱动源。

2.如权利要求1记载的腿式步行机器人，其特征在于：采用偏离上述关节的转动轴线的方法，配置上述驱动源，借助动力传递手段连接上述关节。

3.如权利要求1或2记载的腿式步行机器人，其特征在于：用外壳覆盖上述驱动源，同时在上述外壳与上述上身相对的位置穿孔设置开口部。

4.一种腿式步行机器人，至少具备上身及借助各自关节与上述上身可自由转动地连接的2个腿部，其特征在于：采用偏离上述关节的转动轴线的方法，配置驱动上述关节的驱动源，由此，防止上述2个腿部在相对变位时的干扰。

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