CN1474739A - 双脚步行机器人 - Google Patents

Abstract

基体6通过第1关节部7、第1连杆3、第2关节部8、第2连杆4、第3关节部9接合于脚部5。第1连杆3的刚性比基体6的刚性低，第2连杆4的刚性比第2连杆4的刚性低。由这样的刚性高低关系可相对设定于基体的机械原点对第2连杆4和脚部5进行高精度的定位。把手13由2点接合于基体6。当以机械原点为基准使整体姿势初始化时，机器人的整体的重心G存在于包含于该2点的铅直面之间。初始化时，第1关节部7、第2关节部8、第3关节部9处于该2铅直面间，获得整体平衡，所以，容易对齐原点。

Description

双脚步行机器人

技术领域

本发明涉及一种双脚步行机器人。

背景技术

具有人类特点的特别是双脚步行的机器人作为可在为人类服务的环境空间操作的自律运动机械，已被开发用来代替人实施家庭内的看护、火灾现场的救助活动那样的困难的活动。这样的机器人如图1所示那样由根据多关节而处于相互从属的控制关系的多个要素系和使该多个要素系(头101、胴102、腿103)相关的关系要素系(作为1轴、2轴、3轴回转系的关节104、105、106、107、108、109)构成。由多个要素系和关系要素系构成的全系的控制由属于各系的多变量和多个参数记述，但以高精度分离成多变量间的独立性和从属性在开发阶段实际非常困难，另外，正确地记述步行时的腿的浮动运动和着地运动这些运动也困难。

在理论性步行运动与现实的步行运动不一致的场合，对其不一致的原因是由哪个变量引起进行解析。然而，各要素系中的机械要素具有各种各样的参数，特别是各机械要素的刚性、质量对细微的步行运动产生重大的影响。为此，难以对控制的不稳定性是由头部的质量引起还是由胴体、腿的刚性引起进行理论解析。在各机械要素不完全按理论制作的场合，解析特别困难。

因此，事先人为地规定要素间的物理特性，限制所有要素的参数的变动范围地设计，特别是使复合回转系间的衰减有效，对于使后面的解析容易和确认设计的优劣很重要。用于规定运动初期条件的机械原点的调整和初始化的合理规定对于验证设计的优劣更重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化的自立型双脚步行机器人。

本发明的另一目的在于提供一种运动解析容易的双脚步行机器人。

本发明的另一目的在于提供一种复合座标的初始化容易的双脚步行机器人。

本发明的另一目的在于提供一种可更好地实现全运动系的控制的双脚步行机器人。

在本发明的观点中，双脚步行机器人具有基体、牢固地接合到上述基体的上身体、可动地接合于上述基体的2个腿部、分别可动地接合于上述2个腿部的脚部、可动地接合于上述上身体的头部、可动地接合于上述上身体的2个臂部。上述基体最好作为机械原点起作用。

双脚步行机器人也可还具有安装于上述基体的相向的部位的2个把手。这样，作业性、保管性提高。

另外，上述双脚步行机器人的重心在上述双脚步行机器人处于初期状态时最好存在于通过上述2个把手在上述基体的安装部的对应端部的铅直面间。

另外，上述2个腿部也可分别具有通过第1关节部支承上述基体的第1连杆和通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆。在该场合，上述第1关节部的朝水平方向延伸的回转轴和上述第2关节部的朝水平方向延伸的回转轴在上述双脚步行机器人处于初期状态时最好存在于通过上述2个把手在上述基体的安装部的对应端部的铅直面间。另外，上述脚部也可通过第3关节部支承对应的上述第2连杆，上述第3关节部的朝水平方向延伸的回转轴在上述双脚步行机器人处于初期状态时最好存在于通过上述2个把手在上述基体的安装部的对应端部的铅直面间。

另外，上述2个腿部分别具有通过第1关节部支承上述基体的第1连杆和通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆时，上述第1连杆的刚性最好比上述基体的刚性低，而且上述第2连杆的刚性比上述第1连杆的刚性低。上述第1关节部最好具有垂直回转轴。

上述上身体最好在上述上身体与上述基体之间具有间隙地接合于上述基体，在上述间隙配置能源。

另外，双脚步行机器人也可还具有设于上述上身体的背部的控制部。

另外，在本发明的另一观点中，双脚步行机器人由基体、通过第1关节部支承上述基体的第1连杆、及通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆构成。上述第1连杆的刚性比上述基体的刚性低，而且上述第2连杆的刚性比上述第1连杆的刚性低。另外，还设置有通过第3关节部支承上述第2连杆的脚部。通过在上述基体与接触于地板的上述脚部之间的双摆系(3，4，7，8)瞬间传播的机械应力的缓和或衰减使处于基体的控制系的机械原点的控制容易，结果，上述第2连杆的定位容易。另外，安装于最小刚性连杆的上述脚部的定位容易。

另外，在本发明的另一观点中，双脚步行机器人具有设定机械原点的基体、通过第1关节部支承上述基体的第1连杆、通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆、及通过第3关节支承上述第2连杆的脚部。上述基体具有把手，上述把手按2点接合于上述基体，机器人的整体的重心(G)在以机械原点为基准的整体姿势的初始化时最好存在于包含该2点的2铅直面间。结果，对整体进行搬运时的转矩小、稳定性高，其搬运容易。初始化时，上述第1关节部的沿水平方向延伸的的回转轴、上述第2关节部的朝水平方向延伸的回转轴、及上述第3关节部的朝水平方向延伸的回转轴最好存在于2铅直面间。该2点特别是规定设置于沿初始化时的前进方向离开的2个位置。上述把手最好在初台化时形成相对机械原点的基准面，可根据上述把手的基准面调整上述脚部的下面。特别是通过使上述把手的基准面平行于上述脚部的下面地调整，使脚部相对原点的调整容易。上述把手在胴体部罩等的外装体的外侧露出，容易进行定期进行的初始化的作业。

另外，在本发明的再另一观点中，双脚步行机器人具有基体、支承于上述基体的上身体、通过第1关节部支承上述基体的第1连杆、通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆、通过第3关节支承上述第2连杆的脚部、及由上述上身体通过第4关节部受到支承的上方部。在高刚性的上述基体安装上述上身体，通过关节部由上述上身体支承臂部和头部。这样，可将支承上述头部和上述臂部的支承构造体的刚性维持得较高。上述上身体隔着间隙由侧板部支承于上述基体，在该间隙配置能源(电池等)，所以，空间的利用效率高。

在上述基体，由于为相对处于其上方的上方部和处于其下方的下方部的安装和平衡的关系，所以，复杂地形成多个多样的孔和安装构造。因此，上述基体整体由厚的轻合金形成。在上述基体可采用适当的加强构造。

附图说明

图1示出现有双脚步行机器人的透视图。

图2为示出本发明实施例的双脚步行机器人的一部分的透视图。

图3为几何学地示出图2的腿部的侧面图。

图4为示出上身体的透视图。

图5为示出带罩的上身体的透视图。

图6为图2所示双脚步行机器人的侧面图。

图7为图2所示双脚步行机器人的一部分的正面图。

图8为示出臂、胴体部、头部的透视图。

图9为在本发明实施例的双脚步行机器人中示出对准原点的方法的正面图。

图10为几何学地示出把手的透视图。

图11A为在本发明实施例的双脚步行机器人中示出对准原点的方法的透视图，图11B为几何学地示出对准原点的方法的图。

图12为示出安装电源部的胴体部带罩的状态的透视图。

图13为示出本发明实施例的双脚步行机器人的胴体部的透视图。

图14为示出基体的透视图。

图15为示出腿部的侧面放大图。

图16为图14的上面图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的双脚步行机器人。

图2为按照本发明一实施例的双脚步行机器人的透视图。如图2所示，本发明的双脚步行机器人以基体6为中心设置胴体部1和2个腿部2，在胴体部2的背后设置控制部26。在图2中，腿部仅示出1只。

如图3所示，基体6为高刚性体。基体6可自由进行2轴回转地由各腿部2支承。各腿部2可自由2轴回转地由脚部5支承。另外，基体6如图4所示那样，具有在基体6的左右两端部立起的2个间隙形成用侧板部12(在图3中省略)。

各腿部2具有第1腿部3或第1连杆3和第2腿部4或第2连杆4。第1腿部3或第1连杆3通过第1关节部7可自由2轴回转地接合于基体6。第2腿部4或第2连杆4通过第2关节部8可自由1轴回转地接合于第1腿部3。脚部5通过第3关节部9可自由2轴回转地接合到第2腿部4。脚部5分别地具有接触于平地面或平地板的平脚底面。在该例中，腿部2和脚部5可自由2轴回转地接合，但也可自由1轴回转地接合。

这样，第2腿部4通过第3关节部9由脚部5支承，第1腿部3通过第2关节部8由第2腿部4支承。另外，基体6通过第1关节部7由第1腿部3支承。

胴体部1如图4所示那样，具有上身体11。上身体11由轻合金作为一体物铸造。上身体11具有适当的厚度，高刚性地制作。上身体11由间隙形成用侧板部12牢固地接合于基体6，由基体6支承。上身体11由间隙形成用侧板部12在基体6上面部位的铅直方向的上方隔开地支承。在形成于基体6的上面部位与上身体11的底面部位之间的间隙可自由装拆地安装电池盒17。

上身体11如图4所示那样，在其上面部位18具有头部安装孔19。另外，上身体11在左右的上身体11具有臂通孔23、24。

2个把手13设置在基体6的两侧的与间隙形成用侧板部12对应的部位。详细地说，2个把手13与基体6的左右两端缘的各侧面部位14相向地牢固地固定。2个把手13分别在由2点P、Q定位的2个部位安装于左右的侧面部位14。左右的把手的2点P、P和左右的2点Q、Q最好存在于同一平面。另外，该平面最好与水平面平行即该平面与铅直轴直交。特别是2点P、Q最好存在于通过后述的机械原点的基准面。如图3所示，双脚步行机器人完成时的整体质量的重心G最好位于包含2点P、P的中点和2点Q、Q的中点的1铅直面15或其近旁。

如图5所示，基体6与上身体11由胴体部罩16覆盖。图6和图7示出如上述那样在基体6安装胴体部罩16时的双脚步行机器人的整体。但是，在图7中，腿部2仅示出1个。把手13露出到胴体部罩16的外侧。胴体部罩16具有与上身体11的头部安装孔19和臂通孔23、24对应的开口部。

如图8所示那样，头部22在胴体部罩16中与上身体11的头部安装孔19对齐轴，沿铅直方向受到支承地安装于上身体11。与头部22同样，臂部25在胴体部罩16内与上身体11的臂通孔23、24的轴对齐，可自由2轴回转地安装于上身体11。即，如图8所示，臂部25具有多轴自由度，在上身体11可自由摆动折曲地安装。背负式控制部26如图2所示，配置到胴体部罩16的背面侧，相对基体6安装。

图9示出机械原点的对齐方法。要素系由胴体部系S1、第1连杆系S2、第2连杆系S3、及脚系4构成。图示的状态为省略臂系、进行步行试验的场合。第1连杆系S2、第2连杆系S3、脚系4被朝左右剖分，但分别作为同体系处理。

把手13如图10所示那样，为具有横向部分13A和前后方向部分13B的一体物。前后方向部分13B的面特别的由其下面作为机械原点的基准面SS1形成。与左右的机械原点基准面SS1对应的基准面SS2作为从基准水平地板面SS3立起的刚体柱31的上面形成。机械原点的基准面SS1与基准面SS2的一致由用于检测刚体柱31与把手13的接触的接触式传感器(图中未示出)进行检测。

具有人的体重程度的质量的双脚步行机器人由两侧的把手13对其进行搬运，机械原点的基准面SS1与2体的刚体柱31的两基准面SS2一致。另外，由遥控操纵对该双脚步行机器人进行操纵，机械原点的基准面SS1与2体的刚性柱的两基准面SS2一致。此后，将座标系S1作为基准，将其它3个座标系S2、S3、S4初始化。即，在初期状态下，要素系复位到所有的座标系S 1、S2、S3、S4。

图11A和11B示出机械原点的容许范围。将由包含两侧的把手13的两点P、P的1铅直面32和包含两侧的把手13的两点Q、Q的1铅直面33夹住的空间定义为容许范围。控制目标为使第1关节部7的朝水平方向延伸的水平回转轴10、第2关节部8的朝水平方向延伸的水平回转轴8H、第3关节部的朝水平方向延伸的水平回转轴9H位于2铅直面32、33之间。水平回转轴7H、8H、9H不需要处于1铅直面。相反，水平回转轴7H、8H、9H不处于1铅直面时稳定性更优良。当水平回转轴7H、8H、9H处于这样的容许范围时，双脚步行机器人的整体的重心G也处于该容许范围地从最初设计整体的质量分布。脚部5的下面的接地面包含于该容许范围。在这样的重心位置调整结束时，与各关节部对应的伺服马达或回转驱动部的回转位置复位，进行初始化。

在该例中，把手13安装于基体6的侧面部位14，但也可形成凸起部(图中未示出)代替把手13。另外，左右的把手13没有必要设置在同一平面上，如重心位置处于通过把手13的斜平面上，则可容易稳定姿势。机器人的自身的原点对齐可通过使用把手和基准平面实现。

已经判明，在步行控制中包含多种参数。缓冲、适当刚性、及运动体的质量的优化对于步行控制为重要的物理要素。在按照本发明的双脚步行机器人中，设定下述关系。

(1)基体6、或基体6和与基体6牢固地接合的物体的刚性＞第1腿部3的刚性＞第2腿部4的刚性

(2)从上方使重力作用到基体6的全部物体的合计质量＞第1腿部3的质量＞第2腿部4的质量

(3)条件(1)+条件(2)

这些物体的刚性可由支承各物体的两端部位地在一定位置或一定区域作用负荷或压力时的弯曲刚性、扭转刚性等定义。接合于基体6、处于下方远方的物体的刚性比基体6更低而且质量较低非常重要。条件(1)、(2)和/或(3)可使方向控制的变量依存性、参数依存性的解析容易。例如，在脚部5的质量更大的场合，脚部5的运动对全系的控制产生大的影响，很难判断全系的运动对伺服马达的随动性依存程度大还是对大的惯性(惯性质量)的脚部5的离心运动的依存程度大。然而，如将脚部5的质量设定得较小，则可判断全系的运动对伺服马达的随动性依存程度较大。这特别是对各系的刚性依存性较强。适当地施加高的刚性的第1连杆的刚性、第2连杆的刚性在与基体的刚性比较时比基体的刚性低地设计。

如使重心位置处于包含把手13的水平区域近旁地决定把手位置，则在由把手13搬运机器人整体时其稳定性良好。特别是由把手13将机器人安装到刚性柱时，通过使把手13的基准面与脚部5的下面平行地调整，使得脚部相对把手13的位置调整容易。

即使在将臂部25和头部22可自由摆动地安装到在机器人内刚性度最高的基体6或与其一体接合的高刚性的上身体11的场合，也可实现整体的轻量化。在那样的基体6与上身体11之间插入蓄电池，可在维持刚性的大小的同时提高空间的利用效率。

图12示出胴体部罩16和背负式控制部26全体。图13示出拆下控制部26的上层部位26A、切开胴体部罩16示出基体6的一部分。图14为基体6整体的透视图。在图14中，箭头F示出前方向。基体6由轻合金铸造高刚性地制成一体物，在铅直方向整体上形成适当的厚度。在基体6形成与双脚对应的2个定位孔41。为了各腿的定位，形成定位孔45。双腿由穿过形成于基体6的螺栓孔44的螺栓牢固地接合于基体6。在2个定位孔41以十字状形成加强肋49。

图15和图16示出第1关节部7的体部52。第1关节部7的体部52具有固定部52A和回转部52B。体部52的固定部52A的顶部外周面形成为圆筒面54。圆筒面54同轴地安装于图14的定位孔41。当进行该安装时，从固定部52A的顶面沿铅直方向立起的定位销55插入到图14的定位销通孔45，体部52与基体6的位置关系固定。体部52与基体6由通过体部52侧的螺栓孔56和基体6侧的螺纹通孔44的螺栓(图中未示出)牢固而且高刚性地接合。

距重心G较远的脚部5通过第1腿部3和第2腿部4具有多轴自由度地受到控制。为此，浮动运动时和着地运动时的脚部5的运动控制与第1腿部3和第2腿部4比基体6的刚性高的场合相比，可相对固定于基体6的基准座标系更忠实地实施。这样，第1关节部7可相对基体6进行2轴摆动或可进行1轴摆动。

本发明的双脚步行机器人可高精度、容易地进行原点对齐。特别是离机械原点越远刚性越低，越远则着地冲击衰减越大。刚性低与距基体越远则质量越小有关，浮动状态的转矩的控制容易。结果，着地时的控制的初期化容易。把手靠近重心位置地设定，稳定性良好。双脚步行机器人在静止状态下利用该把手固定机械原点时，进行机器人系的初始化。为此，初始化作业简单。

Claims (13)

1.一种双脚步行机器人，具有：

基体，

牢固地接合到上述基体的上身体，

可动地接合于上述基体的2个腿部，

分别可动地接合于上述2个腿部的脚部，

可动地接合于上述上身体的头部，

可动地接合于上述上身体的2个臂部。

2.根据权利要求1所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述基体作为机械原点起作用。

3.根据权利要求1或2所述的双脚步行机器人，其特征在于：还具有安装于上述基体的相向的部位的2个把手。

4.根据权利要求3所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述双脚步行机器人的重心在上述双脚步行机器人处于初期状态时存在于通过上述2个把手在上述基体的安装部的对应端部的铅直面间。

5.根据权利要求3或4所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述2个腿部分别具有：

通过第1关节部支承上述基体的第1连杆，和

通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆。

6.根据权利要求5所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述第1关节部的水平回转轴和上述第2关节部的水平回转轴在上述双脚步行机器人处于初期状态时存在于通过上述2个把手在上述基体的安装部的对应端部的铅直面间。

7.根据权利要求5或6所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述脚部通过第3关节部支承对应的上述第2连杆。

8.根据权利要求7所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述第3关节部的水平回转轴在上述双脚步行机器人处于初期状态时存在于通过上述2个把手在上述基体的安装部的对应端部的铅直面间。

9.根据权利要求1～4中任何一项所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述2个腿部分别具有：

通过第1关节部支承上述基体的第1连杆，和

通过第2关节部支承上述第1连杆的第2连杆，

上述第1连杆的刚性比上述基体的刚性低，而且上述第2连杆的刚性比上述第1连杆的刚性低。

10.根据权利要求9所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述第1关节部具有垂直回转轴。

11.根据权利要求1～10所述的双脚步行机器人，其特征在于：上述上身体在上述上身体与上述基体之间具有间隙地接合于上述基体上。

12.根据权利要求11所述的双脚步行机器人，其特征在于：在上述间隙配置能源。

13.根据权利要求1所述的双脚步行机器人，其特征在于：还具有设于上述上身体的背部的控制部。

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