CN1474738A - 腿式移动步行机器人的腿部结构 - Google Patents

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Abstract

一种腿式移动步行机器人的腿部结构，其中，在大腿部23的下端，借助膝关节27连接小腿部24，在小腿部24的下端，借助脚腕关节28连接装有6分力传感器60的脚部25，相对于小腿部24，脚腕关节28绕左右轴线Ly俯仰自如地同时在前后轴线Lx旋转自如地定位脚部25。绕左右轴线Ly俯仰脚部25的俯仰用电动机34定位在脚腕关节28上方的小腿部24，绕前后轴线Lx旋转脚部25的旋转用电动机35定位在脚腕关节28上方的小腿部24。由此，能够缩短绕膝关节27转动的惯性力矩，降低驱动小腿部24的驱动力，同时将电动机34、35的噪声对设置在脚部25的6分力传感器60的影响控制在最小限度。

Description

腿式移动步行机器人的腿部结构
技术领域
本发明涉及一种腿式移动步行机器人的腿部结构，特别涉及在大腿部的下端借助膝关节连接小腿部、在小腿部的下端借助脚腕关节连接脚部、相对于小腿部脚腕关节可自如俯仰及旋转脚部地定位脚部的腿式移动步行机器人的腿部结构。
背景技术
日本专利特开平3-184782号公报公开了有关腿式移动步行机器人的腿部结构。其结构是，用在靠近小腿部上端的位置上设置的俯仰用电动机，借助皮带传递手段，相对于小腿部绕俯仰轴部使脚部俯仰运动，并且用与上述俯仰轴部直交的旋转轴部上设置的旋转用电动机，相对于小腿部使脚部旋转运动。
在相对于大腿部驱动小腿部时，如果能靠近连接大腿部及小腿部的膝关节的下方的惯性力矩，就能够减轻驱动小腿部的驱动源的负荷。要减小上述惯性力矩，安装在小腿部的重量物的位置最好尽量接近膝关节。但是，由于上述以往的作为重量物的俯仰用电动机配置在小腿部的上部，即接近膝关节的位置，而另一重量物的旋转用电动机配置在小腿部的下部，即远离膝关节的位置，存在不能充分减小膝关节下方的惯性力矩的问题。
此外，在脚部安装有控制使机器人双足步行的6分力传感器，但是，如果旋转用电动机设置在接近脚部的小腿部的下部，存在为减轻电动机噪声的影响需要采取特别对策的问题。
而且，如在脚腕关节的近处设置旋转用电动机，存在脚腕关节的离地面的位置升高，脚腕关节的柔量控制的控制量增大，很难迅速适应地面的不可预测的凹凸不平及倾斜的问题。
发明内容
本发明是针对上述问题而提出的，目的是减小绕膝关节转动的惯性力矩，降低驱动小腿部的驱动力，同时最大限度地抑制电动机噪声对设在脚部的传感器的影响，本发明的另一目的是降低脚腕关节离地面的高度，以能够迅速适应地面的不可预测的凹凸不平及倾斜。
为达到上述目的，根据本发明的第1方面，可提供一种在大腿部的下端借助膝关节连接小腿部，同时在小腿部的下端借助脚腕关节连接脚部，相对小腿部，脚腕关节绕左右轴线自如俯仰地并且绕前后轴线自如旋转地将脚部定位在小腿部的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：绕左右轴线俯仰脚部的俯仰用电动机定位在脚腕关节上方的小腿部，同时绕前后轴线旋转脚部的旋转用电动机定位在脚腕关节上方的小腿部。
如果采用上述构成，由于绕左右轴线俯仰脚部的俯仰用电动机和绕前后轴线旋转脚部的旋转用电动机定位在脚腕关节上方的小腿部，作为重量物的俯仰用电动机及旋转用电动机的位置接近膝关节，能够减小绕膝关节旋转小腿部的惯性力矩，减轻驱动膝关节的驱动源的负荷。
此外，根据本发明的第2方面，在上述第1方面的基础上，提供一种腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：具有绕左右轴线可转动地定位在小腿部的俯仰轴部，和将在左右轴线方向配置的俯仰用电动机的输出轴的转动传递到俯仰轴部的俯仰用皮带传递手段，可旋转地将脚部定位在俯仰轴部的旋转装置。
如果采用上述构成，由于俯仰轴部绕左右轴线可转动地定位在小腿部，借助旋转装置脚部可旋转地定位在上述俯仰轴部，借助将俯仰用电动机的输出轴的转动传递到俯仰轴部的俯仰用皮带传递手段驱动俯仰轴部，所以通过转动俯仰轴部，能够使旋转装置及脚部整体俯仰运动，并且使旋转装置运转，相对于俯仰轴部能使脚部旋转，这样可避免脚部俯仰及旋转的相互干扰。
此外，根据本发明的第3方面，提供一种在大腿部的下端，借助膝关节连接小腿部，同时在小腿部的下端借助脚腕关节连接脚部；相对小腿部，脚腕关节绕左右轴线自如俯仰地并且绕前后轴线自如旋转地定位脚部的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：具有：相互垂直固定的、各自绕左右轴线及前后轴线转动的俯仰轴部及旋转轴部；在俯仰轴部及旋转轴部的一侧的外周，自如转动地定位的、与脚部整体转动的转动构件；使俯仰轴部及旋转轴部的另一侧转动的第1驱动源；在俯仰轴部及旋转轴部的另一侧的内部，同轴配置的驱动锥齿轮；咬合在俯仰轴部及旋转轴部的一侧的内部同轴配置的驱动锥齿轮上连接转动构件的从动锥齿轮；旋转驱动驱动锥齿轮的第2驱动源。
如果采用上述构成，由于整体具备脚部的转动构件转动自如地定位在相互垂直固定的俯仰轴部及旋转轴部的一侧的外周，使在俯仰轴部及旋转轴部的另一侧的内部同轴配置的驱动锥齿轮与俯仰轴部及旋转轴部的一侧的内部同轴配置的、同时连接转动构件的从动锥齿轮咬合在一起，利用第1驱动源转动俯仰轴部及旋转轴部的另一侧，同时利用第2驱动源转动驱动锥齿轮，所以，能够互不影响地独立进行脚部的俯仰及旋转运动。而且，由于能够降低俯仰轴部及旋转轴部的位置，可以用更小的控制量实现脚腕关节的柔量控制，能够迅速适应地面的不可预测的凹凸不平及倾斜，稳定地步行。
此外，根据本发明的第4方面，提供一种在大腿部的下端，借助膝关节连接小腿部，同时在小腿部的下端，借助脚腕关节连接脚部，脚腕关节相对于小腿部绕左右轴线俯仰自如地并且绕前后轴线旋转自如地定位脚部的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：旋转自如地将脚部定位在俯仰轴部的旋转装置具有：与俯仰轴部垂直固定的旋转轴部；整体固定在脚部的、转动自如地定位在旋转轴部外周的旋转构件；在俯仰轴部内同轴配置的驱动锥齿轮；将在左右轴线方向配置的旋转用电动机的输出轴的转动传递给驱动锥齿轮的旋转用皮带传递手段；在旋转轴部内同轴配置的、咬合在驱动锥齿轮上同时连接转动构件的从动锥齿轮。
如果采用上述构成，由于一体具备脚部的旋转构件转动自如地定位在与俯仰轴部垂直固定的旋转轴部的外周，借助旋转用皮带传递手段、在俯仰轴部内同轴配置的锥齿轮和在旋转轴部内同轴配置的从动锥齿轮，将旋转用电动机的输出轴的转动传递给旋转构件，所以，能够互不影响地独立进行脚部的俯仰及旋转运动，而且在旋转脚部的状态下同时还能够使脚部自由俯仰。此外，由于能够降低俯仰轴部及旋转轴部的位置，所以可以用更小的控制量实现脚腕关节的柔量控制，能够迅速适应地面的不可预测的凹凸不平及倾斜，稳定地步行。
此外，如根据本发明的第5方面，在上述第4方面的基础上，提供一种腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：在俯仰用皮带传递手段与俯仰轴部之间配置俯仰用减速器，在从动锥齿轮与旋转构件之间配置旋转用减速器。
如果采用上述构成，由于在俯仰用皮带传递手段与俯仰轴部之间配置俯仰用减速器，能够减轻俯仰用电动机的负荷，并且由于在从动锥齿轮与旋转构件之间配置有旋转用减速器，能够减轻旋转用电动机的负荷。
此外，根据本发明的第6方面，在上述第4或第5方面的基础上，提供一种腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：用部分球面状罩覆盖旋转构件的外侧，在构成小腿部的骨架的小腿部连杆的下端和部分球面状罩之间，形成规定的间隙。
如采用上述构成，由于在小腿部连杆的下端和覆盖旋转构件的外侧的部分球面状罩之间形成规定的间隙，即使使脚部俯仰及旋转，也能够防止在部分球面状罩与小腿部连杆之间产生大的间隙，有效地防止夹入异物。
此外，如根据本发明的第7方面，在上述第6方面的基础上，提供一种腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：部分球面状罩在俯仰轴部上或旋转轴部上具有中心。
如采用上述构成，由于部分球面状罩的中心在俯仰轴部上或旋转轴部上，能够在使脚部俯仰或旋转时，使在部分球面状罩与小腿部连杆之间产生的间隙保持一定，防止部分球面状罩和小腿部连杆相互干扰，扩大脚腕关节的可活动范围，同时更有效地防止夹入异物。
此外，根据本发明的第8方面，在上述第1～第7方面的任何一项的基础上，可提供一种腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：在脚部设置检测该脚部所受负荷的传感器。
如采用上述构成，由于俯仰用电动机及旋转用电动机的位置远离脚部，在脚部设置的传感器不易受到电动机噪声的影响，能够提高传感器的精度。
此外，实施例中的俯仰用电动机34及旋转用电动机35分别构成本发明的第1驱动源及第2驱动源，实施例中的旋转构件46构成本发明的转动构件，实施例中的内侧部分球面状罩62及外侧部分球面状罩63构成本发明的部分球面状罩，实施例中的6分力传感器构成本发明的传感器。
附图说明
图1～图7表示本发明的一个实施例。
图1是腿式移动机器人的正视图。
图2是腿式移动机器人的右侧面视图。
图3是图2的3-3线放大剖视图(图4的3-3线剖视图)。
图4是图3的4-4线剖视图。
图5是小腿部及脚部的立体图。
图6是脚部俯仰的作用说明图。
图7是脚部旋转的作用说明图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施例。
如图1及图2所示，可自立双足步行的腿式移动机器人R具有胴体11、头12、左臂13L、右臂13R、左腿14L及右腿14R，胴体11的背面附有装有电气装置的电气装置箱15。左臂13L及右臂13R由各自的大臂部16、小臂部17和手部18构成，胴体11与大臂部16由肩关节19连接，大臂部16和小臂部17由肘关节20连接，小臂部17和手部18由手腕关节21连接，此外，在大臂部16的长度方向中间设有大臂关节22，以相对于大臂部16的上半部扭动下半部。此外，左腿14L及右腿14R由各自的大腿部23、小腿部24和脚部25构成，胴体11和大腿部23由胯骨关节26连接，大腿部23和小腿部24由膝关节27连接，小腿部24和脚部25由脚腕关节28连接。此外，胴体11和头12由颈关节29连接。另外，上述各关节的位置用虚线圆圈表示。
下面，参照图3～图5说明机器人R的右腿14R结构。此外，由于左腿14L与右腿14R为镜面对称的同一结构，省略其重复的说明。
大腿部23和小腿部24由具有轴线L的膝关节27连接，由驱动源(未图示)借助皮带传递手段31及减速器32驱动。小腿部24上具有构成小腿骨架的小腿连杆33，左右轴线Ly方向配置有输出轴34a的俯仰用电动机34定位在小腿连杆33的上端部，在左右轴线Ly方向配置有输出轴35a的旋转用电动机35定位在小腿连杆33的中间部。
在左右轴线Ly上，俯仰轴部36借助一对横向滚珠轴承38、38转动自如地定位在小腿连杆33的下端(参照图3)。在俯仰用电动机34的输出轴34a上设置的驱动皮带轮39和在左右轴线Ly上配置的从动皮带轮40由环形皮带41连接。驱动皮带轮39、从动皮带轮40及环形皮带41构成俯仰用皮带传递手段42。从动皮带轮40和俯仰轴部36用由公知的谐波减速器(商品名称)组成的俯仰用减速器43连接。谐波减速器减速输入构件的转动，输出给同轴上配置的输出构件，也可用行星齿轮式的减速器替换该谐波减速器。
向与俯仰轴部36直交的方向(前后轴线Lx)延伸的旋转轴部44与俯仰轴部36形成一整体(参照图4)。筒状的旋转构件46借助一对横向滚珠轴承47、47定位在旋转轴部44的外周，脚部25固定在该旋转构件46上。
从动皮带轮52固定在驱动锥齿轮轴51的轴端，驱动锥齿轮轴51相对转动自如地定位在俯仰轴部36的内部，驱动皮带轮53固定在旋转用电动机35的输出轴35a上，从动皮带轮52和驱动皮带轮53用环形皮带54连接，从动皮带轮52、驱动皮带轮53和环形皮带54构成旋转用皮带传递手段55。从动锥齿轮轴56相对转动自如地定位在与俯仰轴部36整体形成的旋转轴部44的内部，设置在从动锥齿轮轴56的轴端的从动锥齿轮57咬合在设置于上述驱动锥齿轮轴51轴端的驱动锥齿轮58上。然后，用由谐波减速器组成的旋转用减速器59连接从动锥齿轮轴56的轴端和旋转构件46。在脚部25的中央部上面，设置检测作用于脚部25的6分力(直交的3轴方向的负荷及上述3轴系的力矩)的6分力传感器60，以使机器人R双足步行。
相对于俯仰轴部36，转动脚部25的旋转装置61由上述旋转轴部44、旋转构件46、驱动锥齿轮轴51、驱动锥齿轮58、从动锥齿轮轴56、从动锥齿轮57和旋转用皮带传递手段55组成。
参照图5～图7可以看出，相对于小腿部24，可俯仰及旋转地定位脚部25的脚腕关节28具有以前后轴线Lx及左右轴线Ly的交点为中心构成部分同心球面的内侧部分球状罩62及外侧部分球状罩63。内侧部分球状罩62固定在旋转轴部46上，而外侧部分球状罩63固定在俯仰轴部36上。因此，在脚部25绕左右轴线Ly俯仰时，内侧部分球状罩62与外侧部分球状罩63一体俯仰，在绕前后轴线Lx旋转时，相对于外侧部分球状罩63，只有内侧部分球状罩62相对旋转。此外，即使内侧部分球状罩62及外侧部分球状罩63相对转动，由于内侧部分球状罩62以前后轴线Lx为中心，具有实质的对称转动形状，所以在由外侧部分球状罩63及内侧部分球状罩62构成的部分球面的形状中，不产生级差及间隙。在小腿连杆33的下端形成凹状球面33a，该凹状球面33a与外侧部分球状罩63及内侧部分球状罩62的外周面的之间形成微小且均匀的间隙α。
下面，说明具有上述构成的本发明实施例的作用。
脚部25借助脚腕关节28连接在机器人R的小腿部24的下端，俯仰用电动机34可使脚部25绕左右轴线Ly俯仰运动。如果驱动俯仰用电动机34，就能借助俯仰用皮带传递手段42的驱动皮带轮39、环形皮带41及从动皮带轮40，将俯仰用电动机34的输出轴34a的转动传递到俯仰用减速器43，俯仰用减速器43减速输入的转动并输出给俯仰轴部36。如果俯仰轴部36绕左右轴线Ly与同其整体化的旋转轴部44同时转动，借助旋转构件46定位在旋转轴部44的脚部25可绕左右轴线Ly俯仰。这样，即使俯仰轴部36转动，由于旋转装置61的驱动锥齿轮轴51同轴且相对转动自如地配置在俯仰轴部36的内部，通过将旋转用电动机35置于可空转的状态，可防止脚部25胡乱地旋转。
如果驱动旋转用电动机35使旋转脚部25绕前后轴线Lx旋转，借助作为旋转用皮带传递手段55的驱动皮带轮53、环形皮带54及从动皮带轮52，可将旋转用电动机35的输出轴35a的转动传递到驱动锥齿轮轴51。借助驱动锥齿轮58、从动锥齿轮57及从动锥齿轮轴56，方向变化90度后，借助旋转用减速器59将驱动锥齿轮轴51的转动传递给旋转构件46，使脚部25与上述旋转构件46整体旋转。这样，旋转装置61定位在俯仰轴部36，与脚部25整体俯仰，并且由于是使旋转装置61单独运转，相对于俯仰轴部36使脚部25旋转，所以俯仰及旋转不相互干扰或交错，能够简化脚部25的俯仰及旋转的控制。
此外，由于俯仰用电动机34及旋转用电动机35定位在脚腕关节28上方的小腿部24，大重量的俯仰用电动机34及旋转用电动机35的位置接近膝关节27。结果，可以减小绕膝关节27旋转的小腿部24的惯性力矩，这样就能够降低驱动膝关节27的驱动源的负荷。而且，由于俯仰用电动机34及旋转用电动机35的位置远离设置在脚部25的6分力传感器60，这样6分力传感器60不易受俯仰用电动机34及旋转用电动机35的噪声的影响，由此可提高检测精度。
此外，通过如此配置俯仰用电动机34及旋转用电动机35，可以降低俯仰轴部36及旋转轴部44的位置，能够实现用更小的控制量控制脚腕关节28的柔量。由此能够迅速适应地面的不可预测的凹凸不平及倾斜，稳定地步行。
此外，如使脚部25俯仰，由于整体转动以左右轴线Ly及前后轴线Lx的交点为中心的内侧部分球状罩62及外侧部分球状罩63，在两罩62、63和小腿连杆33下端的凹状球面33a之间的间隙α保持固定，能够防止夹入异物。此外，如果使脚部25旋转，相对于外侧部分球状罩63，内侧部分球状罩62相对转动，但是，由于上述间隙α不变化，仍能够防止夹入异物。而且，由于上述间隙α不变化，内侧部分球状罩62及外侧部分球状罩63不易干扰小腿连杆33，能够扩大脚腕关节28的可移动范围。
以上，详细叙述了本发明的实施例，但在不脱离本发明要旨的范围内，也可以进行各种设计变更。
例如，在实施例中，整体固定脚部25的旋转构件46转动自如地定位在旋转轴部44的外周，使俯仰轴部36内同轴配置的驱动锥齿轮58和旋转轴部44内同轴配置的并与旋转构件46连接的从动锥齿轮57咬合，用俯仰用电动机34转动俯仰轴部36，使脚部25俯仰，用旋转用电动机35转动驱动锥齿轮58，使脚部25旋转；但也可以将整体固定脚部25的俯仰构件(与权利要求3发明的转动构件对应)转动自如地定位在俯仰轴部36的外周，使旋转轴部44内同轴配置的驱动锥齿轮58和俯仰轴部36内同轴配置的并与俯仰构件连接的从动锥齿轮57咬合，用旋转用电动机35转动旋转轴部44，使脚部25俯仰，用俯仰用电动机34转动驱动锥齿轮58，使脚部25俯仰。
此外，在实施例中，用6分力传感器60检测施加给脚部25的负荷，但也可以用能检测3分力或5分力的传感器代替。
如上所述，本发明的腿式移动机器人由于能够自立双足步行，可用作表演及示范。

Claims (8)

1.一种腿式移动步行机器人的腿部结构，在大腿部(23)的下端，借助膝关节(27)连接小腿部(24)，同时在小腿部(24)的下端，借助脚腕关节(28)连接脚部(25)，相对于小腿部(24)脚腕关节(28)绕左右轴线(Ly)俯仰自如地并且绕前后轴线(Lx)旋转自如地定位脚部(25)，其特征在于：
绕左右轴线(Ly)俯仰脚部(25)的俯仰用电动机(34)定位在脚腕关节(28)上方的小腿部(24)，同时绕前后轴线(Lx)旋转脚部(25)的旋转用电动机(35)定位在脚腕关节(28)上方的小腿部(24)。
2.如权利要求1记载的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：具有：
绕左右轴线(Ly)可旋转地定位在脚部(25)的俯仰轴部(36)；
将在左右轴线(Ly)方向配置的俯仰用电动机(34)的输出轴(34a)的转动传递给俯仰轴部(36)的俯仰用皮带传递手段(42)；
将脚部(25)可旋转地定位在俯仰轴部(36)的旋转装置(61)。
3.一种移动步行机器人的腿部结构，在大腿部(23)的下端，借助膝关节(27)连接小腿部(24)，同时在小腿部(24)的下端，借助脚腕关节(28)连接脚部(25)，相对于小腿部(24)，脚腕关节(28)绕左右轴线(Ly)俯仰自如地并且绕前后轴线(Lx)旋转自如地定位脚部(25)，其特征在于：具有：
相互垂直地固定的、各自绕左右轴线(Ly)及前后轴线(Lx)转动的俯仰轴部(36)及旋转轴部(44)；
转动自如地定位在俯仰轴部(36)及旋转轴部(44)的一侧的外周、与脚部(25)整体转动的转动构件(46)；
使俯仰轴部(36)及旋转轴部(44)的另一侧转动的第1驱动源(34)；
在俯仰轴部(36)及旋转轴部(44)的另一侧的内部同轴配置的驱动锥齿轮(58)；
在俯仰轴部(36)及旋转轴部(44)的另一侧的内部同轴配置的、咬合在驱动锥齿轮(58)上同时连接转动构件(46)的从动锥齿轮(57)；
旋转驱动驱动锥齿轮(58)的第2驱动源(35)。
4.一种腿式移动步行机器人的腿部结构，在大腿部(23)的下端，借助膝关节(27)连接小腿部(24)，同时在小腿部(24)的下端，借助脚腕关节(28)连接脚部(25)，相对于小腿部(24)脚腕关节(28)绕左右轴线(Ly)俯仰自如地并且绕前后轴线(Lx)旋转自如地定位脚部(25)，其特征在于：
将脚部(25)旋转自如地定位在俯仰轴部(36)的旋转装置(61)具有：
与俯仰轴部(36)垂直固定的旋转轴部(44)；
一体固定在脚部(25)的、转动自如地定位在旋转轴部(44)外周的旋转构件(46)；
在俯仰轴部(36)内同轴配置的驱动锥齿轮(58)；
将在左右轴线(Ly)方向配置的旋转用电动机(35)的输出轴(35a)的转动传递给驱动锥齿轮(58)的旋转用皮带传递手段(55)；
在旋转轴部(44)内同轴配置的、咬合在驱动锥齿轮(58)同时连接转动构件(46)的从动锥齿轮(57)。
5.如权利要求4记载的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：在俯仰用皮带传递手段(42)与俯仰轴部(36)之间配置俯仰用减速器(43)，在从动锥齿轮(57)与旋转构件(46)之间配置旋转用减速器(59)。
6.如权利要求4或5记载的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：用部分球面状罩(62、63)覆盖旋转构件(46)的外侧，在构成小腿部(24)的骨架的小腿连杆(33)的下端和部分球面状罩(62、63)之间形成规定的间隙(α)。
7.如权利要求6记载的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：部分球面状罩(62、63)在俯仰轴部(36)上或旋转轴部(44)上具有中心。
8.如权利要求1～7中任何一项记载的腿式移动步行机器人的腿部结构，其特征在于：在脚部(25)上设置检测该脚部(25)所受负荷的传感器(60)。
CNB018190332A 2000-11-17 2001-11-16 腿式移动步行机器人的腿部结构 Expired - Fee Related CN1267251C (zh)

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