CN1748956A

CN1748956A - 步行式移动机器人

Info

Publication number: CN1748956A
Application number: CNA2005101034326A
Authority: CN
Inventors: 早川正人; 宫崎进; 重见聪史
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: EP1637050A1; DE602005017718D1; KR100661330B1; US20060060394A1; KR20060051221A; JP2006082200A; EP1637050B1; JP4504768B2; CN100369717C; US7472765B2

Abstract

本发明提供了一种步行式移动机器人，其能够通过对脚部所带静电进行放电而有效地除去这些电荷。这种步行式移动机器人至少具有：主体；两条腿部；通过脚关节分别连接在腿部前端上的脚部(22)；配置在脚部(22)与腿部之间，驱动脚关节的电动机(20)；以及配置在脚部与腿部之间，用于检测脚部(22)所接触的地面(F)产生的地面反作用力的6轴力传感器(56)；并且，在脚部(22)上还具有用于缓冲与地面接触时冲击的缓冲部件(224)，其特征在于，在上述脚部(22)的缓冲部件(224)中设有导电部件(226)。

Description

步行式移动机器人

技术领域

本发明涉及一种步行式移动机器人，更具体的说，涉及对脚部所带电荷进行放电除去的步行式移动机器人。

背景技术

作为步行式移动机器人，已经记载在下述专利文献1中，为大家公知了。专利文献1中记载的步行式移动机器人，具有：主体；连接在主体上的两条腿部；以及通过脚关节分别连接在两腿部的前端的脚部，并且，至少还具有下列各部分：驱动脚部与腿部之间第二关节的电动机；检测由脚部所接触的地面产生的地面反作用力的力传感器。在这种步行式移动机器人中，脚部由铝材等制成的平板框架等构成，并且，在其底面上粘贴了缓冲接地时冲击的、聚氨酯橡胶制成的弹性材料(缓冲部件)。

当这种步行式移动机器人在地面上移动时，由于弹性件与地面之间的摩擦，或者与构成腿部等的联杆之间的摩擦等等，会带有静电。以往，作为将所带的静电放掉的技术，公知的是记载在下述专利文献2～4中的技术。专利文献2中所记载的技术涉及无人运送车辆，其中公开了，为了使这种车辆上所带有的静电的电位，与装载了作为对象的工件的设备的电位相等，因而具有由接触板、接触头和导线所构成的接触机构(放电机构)。此外，记载在专利文献3、4中的技术，其结构同样是为了实现对固定型工业机器人上所带有的静电进行放电，以除去静电的结构。

专利文献1日本特开平9-94785号公报

专利文献2日本实开平6-09098号公报

专利文献3日本特开平11-138488号公报

专利文献4日本特开2001-267094号公报

在步行式移动机器人上，因为所带的电(电荷)因其所带电量会干扰到配置在脚部上的力传感器，所以对所带电荷进行放电而除去这些电荷。可是，在专利文献2～4所记载的技术中，涉及了无人运送车辆或者固定型工业机器人上的电荷放电以及除去，对步行式移动机器人却没有任何对策。

发明内容

因此，本发明的目的就是解决上述问题，提供一种步行式移动机器人，在脚部具有力传感器的步行式移动机器人上，有效地对脚部所带的静电放电，除去这些电荷。

为解决上述问题，在本申请第一方面中提供了一种步行式移动机器人，它至少具有下列各种部件：主体；连接在上述主体上的多个腿部；通过脚关节分别连接在上述多个腿部前端上的脚部；配置在上述脚部与上述腿部之间，驱动上述脚关节的电动机；以及配置在上述脚部与上述腿部之间，检测上述脚部所接触的地面产生的地面反作用力的力传感器；并且，在上述脚部上还具有用于缓冲其与上述地面接触时冲击的缓冲部件，其结构特征在于，在上述脚部的缓冲部件中设有导电部件。

在本申请的第二方面的步行式移动机器人中，上述脚部的缓冲部件，是由粘贴在底面上的，能自由进行弹性变形的部件构成的，并且，上述导电部件设置在上述缓冲部件的内部。

在本申请的第三方面的步行式移动机器人中，上述缓冲部件具有凹部，并且上述导电部件容纳在上述凹部内，因而，在发生上述弹性变形时，上述导电部件便与上述地面接触。

在本申请的第一方面的步行式移动机器人的结构中，由于是把导电部件设置在用于缓冲脚部接触地面时冲击的缓冲部件中，所以能根据需要对脚部所带的静电进行放电，除去这些电荷，由此，就不会对配置在脚部上方的力传感器产生干扰。

此外，为了提高力传感器等的精度，使其不受周围的影响，例如，不受电动机等磁场的影响，大都将其做成与电动机绝缘，但是，其结果，脚部上方被绝缘，于是带电的电荷便积聚在脚部上。因为带电的电荷要向电位低的部位放电，所以由于这种放电能量所造成的冲击，可能会使得力传感器的处理电路等停止工作，或者产生误动作，但是，在上述那样的结构中，就不会发生这种不良情况。

在本申请的第二方面的步行式移动机器人的结构中，由于脚部的缓冲部件是由粘贴在底面上的，能进行自由弹性变形的部件制成的，并且，导电部件设置在缓冲部件的内部，所以，除了上述效果之外，还有不会妨碍缓冲部件的缓冲动作的作用，并且使结构紧凑。

在本申请的第三方面的步行式移动机器人的结构中，由于在缓冲部件上具有凹部，并且，还在该凹部中容纳了导电部件，因而，在发生弹性变形时，导电部件与地面发生接触，所以，在上述效果之外，在步行过程中在脚部上施加了载荷，在缓冲部件产生弹性变形时导电部件接地，从而使所带的静电通过放电而除去，因此，即使万一发生收容在机器人的主体等中的蓄电池等漏电等情形，只要没有载荷作用在脚部上，就不会向地面漏电。

此外，因为只要没有载荷作用，导电部件就容纳在凹部中，所以在步行过程中它不是经常与地面接触，因此，导电部件受到的污染的情况较少，从而避免放电性能的降低。

附图说明

图1是本发明第一实施例的步行式移动机器人的正视图；

图2是图1中所示的机器人的侧视图；

图3是以骨架来表示图1和图2中所示的机器人的说明图；

图4表示图1中所示的机器人脚部附近的结构模式，是脚部附近的侧视图；

图5是图4中所示的脚部的仰视图；

图6表示图4中所示的脚部上有载荷作用的状态，是脚部的侧视图；

图7是说明在图4所示的脚部上所带有的静电向地面放电的说明图；

图8是说明图4中所示的脚部结构的效果的曲线图；

图9表示本发明第二实施例的步行式移动机器人，与图4一样，是脚部附近的侧视图。

标号说明

1、步行式移动机器人(机器人)

2、腿部

3、主体

20、电动机

21、脚部

56、6轴力传感器

224、冲击缓冲部件

224a、凹部

226、导电部件

226a、导电材料

F、地面

具体实施方式

下面，参照附图说明用于实施本发明的步行式移动机器人的最佳实施方式。

【第一实施例】

下面，参照附图说明本发明第一实施例的步行式移动机器人。

图1是本发明第一实施例的步行式移动机器人的正视图；图2是其侧视图。另外，作为步行式移动机器人，以两只脚的类人型(人型)机器人为例。

如图1所示，步行式移动机器人(以下，简称“机器人”)1具有若干个(条)，更具体的说，是具有两个(条)腿部2，并且在其上方设有主体(上体)3。在主体3的上方形成了头部4，并且两个(只)臂部5连接在主体3的两侧。此外，如图2所示，在主体3的背部设有容纳部6，在其内部容纳了电子控制部件(将在下文中描述)和蓄电池等。另外，图1和图2中所示的机器人1由保护内部结构用的罩体覆盖起来。

图3是以骨架来表示机器人1的说明图。参照图3，以关节为中心说明其内部结构。如图3所示，机器人1分别在其左、右的腿部2和臂部5上，具有用11台电动机驱动的6个关节。

即，对于机器人1来说，在其腰部(髋部)的髋关节上具有：驱动关节使腿部2绕着垂直轴线(Z轴线或者垂直轴线)转动的电动机10R、10L(以右侧为R，以左侧为L。由于左右对称，所以下文中省略标号R、L)；驱动关节使腿部2向跨步(行进)方向(绕着Y轴线)摆动的电动机12；以及驱动关节使腿部2在摇摆(左右)的方向(绕着X轴线)转动的电动机14。并且，在膝部上具有驱动膝关节使腿部2的下部向跨步方向(绕着Y轴线)转动的电动机16。此外，还在脚腕上，具有驱动脚(踝)关节使腿部2的前端向跨步方向(绕着Y轴线)转动的电动机18，和驱动脚(踝)关节使腿部2的前端向摇摆的方向(绕着X轴线)转动的电动机20。

如上所述，在图3中，关节用驱动它的电动机(或者，连接在电动机上的，用以传递其动力的带轮等传动元件)的旋转轴线来表示。另外，脚部(脚板)22安装在腿部2的前端。

这样，电动机10、12、14配置在腿部2的髋关节上，使它们的旋转轴线相互正交，并且，电动机18、20配置在脚关节(踝关节)上，使它们的旋转轴线正交。另外，髋关节与膝关节用大腿联杆24连接，膝关节与脚关节用小腿联杆26连接。

腿部2通过髋关节连接在主体3上，但在图3中，只把主体3简略地用主体联杆28来表示。如上所述，臂部5连接在主体3上。

臂部5的结构与腿部2相同。即，机器人1，在肩部的肩关节上，具有驱动关节使臂部5向跨步方向转动的电动机30，和驱动关节使臂部5向摇摆方向转动的电动机32，并且，具有驱动关节使其自由端转动的电动机34，在肘部上，具有驱动关节使肘部以下的部位转动的电动机36，还在其前端一侧，具有驱动腕关节使手腕转动的电动机38。在手腕的前端安装了手(末端执行器)40。

即，在臂部5的肩关节上配置了旋转轴线互相正交的电动机30、32、34。另外，肩关节与肘关节用上臂联杆42连接起来，而肘关节与腕关节则用下臂联杆44连接起来。

虽然图中省略了，但在这种结构中，手40具有驱动5根手指40a的驱动机构，以便能用手指40a进行握持物品等作业。

此外，头部4通过围绕垂直轴线的电动机46(构成颈关节)，以及使头部4绕着与其正交的轴线转动的头部摆动机构48，连接在主体3上。如图3所示，在头部4的内部，配置了两台能自由地进行立体观察的CCD摄像机(camera)50，以及声音输入输出装置52。

借助于上述结构，腿部2有6个关节，对左右脚提供合计12个自由度，通过以适当的角度驱动(关节变位)6个关节，就能给腿部2以所希望的运动，从而能使机器人1任意地在三维空间里步行。此外，臂部5也具有5个关节，对左、右臂提供合计10个自由度，通过以适当的角度驱动(关节变位)5个关节，就能进行所希望的动作。还有，头部4有由两个自由度构成的关节或者摆动机构，通过以适当的角度驱动这些关节，就能使头部朝向所要求的方向。

分别给电动机10等设置了旋转式编码器(图中未表示)，以输出信号，该信号表示通过电动机旋转轴的旋转，而对应关节的角度、角速度，以及角加速度的至少一种。另外，电动机等具体是由DC伺服电动机组成的。

在脚部22上安装了公知的6轴力传感器(以下，简称为“力传感器”)56，它用来输出信号，该信号表示作用在机器人上的外力中的，从所接触的地面作用在机器人1上的地面反作用力的三个方向的分量Fx、Fy、Fz，和力矩的三个方向的分量Mx、My、Mz。另外，如众所周知，力传感器56是把传递载荷的两个凸缘部分连接起来，并且在其上安装了若干个应变检测元件而构成的，具有根据它们的输出信号计算出作用在传感器基准点上的力和力矩的各种分量，然后将其输送出去的结构。

在腕关节与手40之间安装了相同种类的力传感器(6轴力传感器)58，以输出信号，该信号表示作用在机器人1上的地面反作用力以外的外力，具体的说，表示从对象物作用在手40上的外力(对象物的反作用力)的三个方向的分量Fx、Fy、Fz，和力矩的三个方向的分量Mx、My、Mz。

在主体3上设有倾斜传感器60，以输出信号，该信号表示主体3相对于垂直轴线的倾斜度(倾斜角度)及其角速度中的至少一个，即，表示表示机器人1的主体3的倾斜(姿态)等的状态量。

这些力传感器56等的输出数据组，送到容纳在容纳部6中的由微型电脑构成的电子控制部件(Electric Control Unit。以下称之为“ECU”)70中(附图中为了方便，只表示了机器人1右侧的输入、输出)。ECU 70具有由CPU、存储器和输入一输出接口等构成的微型电脑，在计算出关节的角位移指令之后，控制构成各关节的电动机10等的驱动，以使机器人能以稳定的姿态移动。在容纳部6中，容纳了电动机10等的驱动电路(电动机驱动器)72作为电路部件，还容纳了无线电系统74和蓄电池76。

ECU70通过无线电系统74与同样是由微型电脑构成的操作用ECU 78能自由地进行通信联络。操作用ECU 78具有操作用的用户I/F 78a，用户(操作者)从操作用的用户I/F 78a输入的紧急停止等的指令，通过无线电系统74输送到ECU 70中。

在上述结构中，ECU 70根据容纳在其存储器中的步幅参数生成机器人1的步行(移动)的步幅，再根据所生成的步幅决定各关节的位移量(驱动量)，然后再通过驱动电路72驱动相应的电动机，以产生所决定的位移量。此外，ECU 70在通过操作用的ECU 78输入操作指令时，便进行与此相应的停止等动作。

由于本申请的特征是在上述机器人1中具有以放电除去脚部22上所带静电的结构，下面，对这一点加以说明。

图4以模式图表示图1～图3中所示的脚部22附近的结构，是脚部22附近的侧视图；图5是其仰视图。另外，脚部22的具体结构，与专利文献1中所记载的结构类似。

如图4所示，脚部22与腿部2之间，更具体的说，是在脚部22与构成腿部2的小腿联杆26之间，配置了构成脚关节的电动机之一的电动机20，并且，在其下部配置了力传感器56。为了提高力传感器56的检测精度，在上方的电动机20与下部的脚部22之间用绝缘材料进行绝缘。

脚部22具有用铝等的金属材料(导电材料)制成的平板框架222，并且，在其下部与地面F接触的底面上，粘贴了由能自由进行弹性变形的材料制成的(例如，由聚氨酯橡胶材料制成的)缓冲部件(弹性件)224。在脚部22与地面F接触时(有载荷作用时)，缓冲部件224便如图6所示的那样进行弹性变形，以缓和通过脚部22作用在机器人1上的冲击。

如图5所示，在缓冲部件224上，以脚部22长度方向的中心线(虚线)为界，在其两侧各穿透设有两个，共计4个凹部(缺口)224a，在其内部容纳了导电部件226。导电部件是用铜等导电性能良好的金属材料制成的，其一端(一面)与框架222接触，而另一端(多面)则配置在缓冲部件224的内部，并使其处于离开缓冲部件224的表面靠向内侧的位置上。另外，也可以用具有导电性能的橡胶材料制作导电部件。

即，导电部件226容纳在缓冲部件224的凹部224a中，其结构为，当机器人步行时，如图6所示，缓冲部件224由于脚部22着地时的载荷而产生弹性变形，从而被压缩，使导电部件226与地面F接触，于是，便如图6(和图4)中的箭头所示，脚部22的框架222和缓冲部件224上所带的静电，便通过向地面F(进而向其下部的地板材料)放电而被除去。

地面F，通常都铺设了垫子或者树脂材料等，因此地面F不是用导电体制作的。可是，由于静电也是电的一种，所以它要向电位较低的方向流动。因此，即使地面F并不是导电体，但是，由于在其下部有通过地板材料和柱子等建筑物的构件而连接起来的电位为零的大地，结果，便如图7所示，脚部22上所带的静电便向地面F流动。此外，地面F即使不是导电体，但，也不是完全的绝缘体，所以，如果是能量很小的静电，则被认为能够充分放电。

假设，地面F的电阻值为1MΩ，静电所带电压为4kV，则4kV/1MΩ＝4mA，即，这是能够放电的最大值。可是，由于能量极小的静电不会以这样大的值进行流动，所以，可以认为，按照上述结构，脚部22上所带静电能向地面F充分放电。

这样，在本实施例的机器人1中，由于采用了如下的结构，即，在用于缓冲脚部22接触地面F时冲击的缓冲部件224上设置导电部件226，所以，在需要时，就能将脚部22所带的静电通过放电而除去，由此，就不会对配置在脚部22上方的力传感器56产生干扰。

图8是说明本实施例的机器人1的带电电压与现有技术(专利文献1中所示的技术)相比的曲线图。在现有技术中，带电电压随着时间增加在增大，而在本实施例中，由于具有如上所述的结构，所以带电电压不会增大，保持在很小的定值。另外，不言而喻，图8中所示的特性，不因地面F的材质和湿度而变化。

此外，如图4所示，为了提高力传感器56的精度，使其不受周围的影响，例如，不受电动机20磁场的影响，而将其做成与电动机20绝缘的结构时，脚部22的上方做成绝缘的，于是带电的电荷便会积聚在脚部22上。由于带电的电荷要向电位低的部位放电，这种放电能量所造成的冲击，可能会使得力传感器的处理电路等停止工作，或者产生误动作，而通过上述那样的结构能够避免这种不良情况。

此外，由于在其结构中，脚部22的缓冲部件224是由粘贴在底面上的，能自由地进行弹性变形的材料(聚氨酯橡胶等)制成的，而且导电部件226设置在缓冲部件224的内部，所以，在上述效果之外，还具有不妨碍缓冲部件224缓冲动作的作用，并使结构紧凑。

此外，由于这种结构是在缓冲部件224具有凹部224a，并且，还在该凹部224a中容纳了导电部件226，因而，在发生弹性变形时，使导电部件226与地面F发生接触，所以，在上述效果之外，在步行过程中在脚部22上加上了载荷，在缓冲部件224产生弹性变形时导电部件226接地，能使所带的静电通过放电而除去，因此，即使万一收容在机器人1的主体3等中的蓄电池76等发生漏电，只要没有载荷作用在脚部22上，就不会向地面F漏电。

此外，由于导电部件226只要没有载荷作用，就容纳在凹部224a中，所以在步行过程中不会经常与地面F接触，因此，导电部件226受到污染情况较少，从而避免放电性能的降低。

【第二实施例】

图9是表示本发明第二实施例的步行式移动机器人的结构，更具体的说，是表示机器人脚部22附近的结构的，类似于图4的脚部22附近的侧视图。

第二实施例与第一实施例区别的关键在于，在第二实施例中，缓冲部件224是用导电性橡胶材料制成的。即，缓冲部件224是用在橡胶中添加了碳黑等导电材料226a的材料制成的(图中放大表示了导电材料226a)。即是将缓冲部件224与导电部件226做成一体，换言之，其结构是把导电部件226设置在缓冲部件224中，或者把导电部件226设置在缓冲部件224的内部。

在第二实施例中，利用上述结构，只要缓冲部件224与地面F接触，就持续地对所带的静电进行放电。如最初所述的那样，静电是由于步行时缓冲部件224与地面F的摩擦等而产生的，可是，由于在机器人1步行时，脚部22交替地与地面F接触，所以，在第二实施例中，实际上几乎不会产生静电。

这样，第二实施例的机器人1，与第一实施例那样的只在有载荷作用时才进行放电的结构不同，由于不带静电，或者即使带电了也马上进行放电，将其除去，所以能获得与第一实施例中所述的几乎同样的效果。

另外，也可以用导电树脂，即，在无导电性的高分子基体中，混入散布的具有导电性能的金属或金属纤维、碳黑、黑铅、碳素纤维以及银粒子等，来代替导电橡胶。

此外，在上文中，以6轴力传感器作为力传感器的例子，但并不仅限于此，只要是能检测出通过脚部作用在机器人上的地面反作用力的传感器，无论什么样的传感器都可以使用。

此外，以上以双足机器人来作为步行式移动机器人的例子，但并不仅限于此，也可以是三足或三足以上的机器人。

Claims

1.一种步行式移动机器人，其至少具有：主体；连接在上述主体上的多个腿部；通过脚关节分别连接在上述多个腿部前端的脚部；配置在上述脚部与上述腿部之间，驱动上述脚关节的电动机；以及配置在上述脚部与上述腿部之间，检测上述脚部所接触的地面产生的地面反作用力的力传感器；并且，在上述脚部上还具有用于缓冲其与上述地面接触时冲击的缓冲部件，其特征在于，在上述脚部的缓冲部件中设有导电部件。

2.如权利要求1所述的步行式移动机器人，其特征在于，上述脚部的缓冲部件，是由粘贴在底面上的，能自由进行弹性变形的部件构成的，并且，上述导电部件设置在上述缓冲部件的内部。

3.如权利要求1或2所述的步行式移动机器人，其特征在于，上述缓冲部件具有凹部，并且在上述凹部内容纳有上述导电部件，因而，在发生上述弹性变形时，上述导电部件便与上述地面接触。