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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine untere Gliedmaßenstruktur für einen Laufroboter, der über eine Vielzahl von Beinabschnitten verfügt und beim Laufen die jeweiligen Beinabschnitte schwenkt, sowie den Laufroboter.
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Technischer Hintergrund
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Ein Laufroboter verfügt über eine Vielzahl von Beinabschnitten und schwenkt die jeweiligen Beinabschnitte beim Laufen. Ein Laufroboter, der wie ein Mensch beim Laufen auf zwei Beinen balanciert, wird als zweifüßiger Laufroboter bezeichnet. Ein Laufroboter, der wie ein Tier auf vier Beinen läuft, wird als ein vierfüßiger Laufroboter bezeichnet. Die Anzahl der Beine beträgt üblicherweise zwei bis vier, jedoch ist jede beliebige Anzahl von Beinen möglich, die größer ist als 1.
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Jeder der Beinabschnitte wird ausgebildet, indem Glieder, die einem Oberschenkelabschnitt, einem Unterschenkelabschnitt und einem Fußabschnitt entsprechen, der Reihe nach von einem Rumpfabschnitt mit einem Hüftgelenk, einem Kniegelenk und einem Knöchelgelenk verbunden werden, die zwischen ihnen angeordnet sind. Jedes der Glieder, die dem Oberschenkelabschnitt, dem Unterschenkelabschnitt und dem Fußabschnitt entsprechen, ist mit jedem der Gelenke so verbunden, dass es um eine Quer- bzw. Nickachse herum gedreht werden kann, die seitlich von dem Laufroboter verläuft. Jedes der Gelenke enthält einen Motor (Betätigungselement bzw. Aktor), mit dem das Gelenk gedreht wird (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Die Motoren geben entsprechende Antriebskräfte zum Steuern von Drehwinkeln der Glieder aus, und dadurch kann der Laufroboter die Beinabschnitte relativ zu dem Rumpfabschnitt nach vorn und nach hinten schwenken. Die Hüftgelenke sind dabei Gelenke, die den Rumpfabschnitt und die Beinabschnitte verbinden, und zu den Hüftgelenken gehören auch Gelenke, die einen Rumpfabschnitt und die Vorderbeine des vierfüßigen Laufroboters verbinden. Die Motoren sind Vorrichtungen, mit denen Energie von Strom, Benzin oder dergleichen in mechanische Bewegungen umgewandelt wird, und es handelt sich üblicherweise um Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren.
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Liste der Anführungen
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Patentdokumente
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- Patentdokument 1: JP 2002-264046 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Um jedoch Beuge- und Streckbewegungen der Kniegelenke auszuführen, müssen die Motoren der Kniegelenke mit der doppelten Drehgeschwindigkeit der Motoren der Hüftgelenke gedreht werden. So müssen sich die Kniegelenke in größeren Bereichen mit höherer Geschwindigkeit bewegen als die anderen Gelenke und erfordern daher große Motoren.
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Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine untere Gliedmaßenstruktur für einen Laufroboter, mit der auf Aktoren zum Bewegen von Kniegelenken wirkende Lasten reduziert werden können, und den Laufroboter zu schaffen.
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Lösung des Problems
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Um das oben beschriebene Problem zu lösen, umfasst eine untere Gliedmaßenstruktur für einen Laufroboter gemäß der vorliegenden Erfindung einen Hüftgelenk-Hauptkörper, einen Oberschenkelabschnitt, eine Hüftgelenk-Kupplung, die den Oberschenkelabschnitt mit dem Hüftgelenk-Hauptkörper so verbindet, dass der Oberschenkelabschnitt wenigstens um eine Nickachse herum gedreht werden kann, einen Kniegelenk-Hauptkörper, der mit dem Oberschenkelabschnitt so verbunden ist, dass er um die Nickachse herum gedreht werden kann, ein Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied, das einen Endabschnitt hat, der mit dem Hüftgelenk-Hauptkörper oder der Hüftgelenk-Kupplung so verbunden ist, dass er um die Nickachse herum gedreht werden kann, wobei der andere Endabschnitt mit dem Kniegelenk-Hauptkörper so verbunden ist, dass er um die Nickachse herum gedreht werden kann, sowie einen Kniegelenk-Aktor, mit dem eine Länge von dem einen Endabschnitt zu dem anderen Endabschnitt des Oberschenkelabschnitt-Hilfsgliedes vergrößert und verkleinert wird.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird, wenn sich der Oberschenkelabschnitt um die Nickachse herum dreht, der Kniegelenk-Hauptkörper durch die Wirkung einer Parallelführung (parallel link) in einer bestimmten Stellung relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper gehalten. Indem das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied mittels des Kniegelenk-Aktors ausgefahren und eingezogen wird, kann die bestimmte Stellung des Kniegelenk-Hauptkörpers, in der er relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper gehalten wird, geändert werden. Daher ist es beim Ausführen von Beuge- und Streckbewegungen des Kniegelenks möglich, eine Geschwindigkeit der Drehung des Kniegelenk-Hauptkörpers um die Querachse herum relativ zu dem Oberschenkelabschnitt im Vergleich zu dem Laufroboter nach dem Stand der Technik, der den für das Kniegelenk vorhandenen Motor enthält, zu halbieren. So kann eine auf den Kniegelenk-Aktor wirkende Last reduziert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1(a) und 1(b) stellen einen Gesamtaufbau eines Laufroboters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar (1(a) stellt eine Vorderansicht dar, und 1(b) stellt eine Seitenansicht von links dar).
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2 stellt eine Perspektivansicht einer unteren Gliedmaßenstruktur des Laufroboters gemäß der Ausführungsform dar.
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3(a) und 3(b) stellen die untere Gliedmaßenstruktur des Laufroboters gemäß der Ausführungsform dar. (3(a) stellt eine Vorderansicht dar, und 3(b) stellt eine Seitenansicht von links dar).
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4(a) und 4(b) sind Bewegungsschemata zum Ausführen von Beuge- und Streckbewegungen von Kniegelenken der unteren Gliedmaßenstruktur des Laufroboters gemäß der Ausführungsform (4(a) stellt einen Zustand dar, in dem ein Kniegelenk-Aktor nicht angetrieben wird, und 4(b) stellt einen Zustand dar, in dem ein Kniegelenk-Aktor angetrieben wird, um das Kniegelenk zu beugen).
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5 stellt ein Schema dar, anhand dessen ein Effekt der unteren Gliedmaßenstruktur des Laufroboters gemäß der Ausführungsform zum Reduzieren der auf den Kniegelenk-Aktor wirkenden Last erläutert wird.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Auf Basis der beigefügten Zeichnungen wird im Folgenden ein Laufroboter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1(a) ist eine Vorderansicht, und 1(b) ist eine Seitenansicht von links, und sie stellen einen Gesamtaufbau des Laufroboters gemäß der Ausführungsform dar. In der folgenden Beschreibung ist eine Laufrichtung des Laufroboters als eine Richtung der X-Achse definiert, eine Querrichtung von dem Roboter aus gesehen ist als eine Richtung der Y-Achse definiert, eine vertikale Richtung des Laufroboters ist als eine Richtung der Z-Achse definiert, die X-Achse ist als eine Längs- bzw. Rollachse definiert, die Y-Achse ist als eine Quer- bzw. Nickachse definiert, und die Z-Achse ist als eine Hoch- bzw. Gierachse definiert. ”Links” und ”rechts” sind in der folgenden Beschreibung ”links” und ”rechts” von dem in 1(a) bis 3(b) gezeigten Laufroboter aus gesehen und ”vorn” und ”hinten” sind ”vorn” und ”hinten” von dem Laufroboter aus gesehen.
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Ein Laufroboter 10 besteht aus zwei Beinabschnitten 12, die unterhalb eines Rumpfabschnitts 11 angeordnet sind, zwei Armabschnitten 13, die an einer oberen linken und rechten Seitenfläche des Rumpfabschnitts 11 angeordnet sind, und einem Kopfabschnitt 14, der oberhalb des Rumpfabschnitts 11 angeordnet ist, und er kann ähnlich wie ein Mensch agieren.
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Die zwei Armabschnitte 13 sind mit dem Rumpfabschnitt 11 über dazwischen befindliche Schultergelenke 16 verbunden und können relativ zu dem Rumpfabschnitt 11 um die Gier-Achse und die Rollachse herum gedreht werden. Jeder der Armabschnitte 13 hat einen Oberarmabschnitt 13b nahe an einer Schulter und einen Unterarmabschnitt 13c nahe an einem Handabschnitt 13 an einander gegenüberliegenden Seiten eines Ellenbogengelenks 17. Der Unterarmabschnitt 13c kann relativ zu dem Oberarmabschnitt 13b um die Gierachse und die Nickachse herum gedreht werden.
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Die Beinabschnitte 12 sind mit einem Becken 11a des Rumpfabschnitts 11 über dazwischen befindliche Hüftgelenke 8 so verbunden, dass sie um die Rollachse und die Nickachse herum geschwenkt werden können. Der Laufroboter 10 schwenkt abwechselnd die zwei Beinabschnitte 12 um die Nickachse und die Rollachse herum und balanciert beim Laufen wie ein Mensch auf zwei Beinen.
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Jeder der Beinabschnitte 12 weist der Reihe nach von oben aus das mit dem Rumpfabschnitt 11 verbundene Hüftgelenk 8, einen Oberschenkelabschnitt 12a, einen Kniegelenk-Hauptkörper 19, einen Unterschenkelabschnitt 12b, ein Knöchelgelenk 9 sowie einen Fußabschnitt 21 auf. Jedes der Hüftgelenke 8 enthält einen Hüftgelenk-Hauptkörper 18, der mit dem Rumpfabschnitt 11 verbunden ist, sowie eine Hüftgelenk-Kupplung 22, die den Hüftgelenk-Hauptkörper 18 mit dem Oberschenkelabschnitt 12a so verbindet, dass sie um die Nickachse und die Rollachse herum gedreht werden können. Jedes der Knöchelgelenke 9 weist einen Knöchelgelenk-Hauptkörper 20, der mit dem Fußabschnitt 21 verbunden ist, und eine Knöchelgelenk-Kupplung 24 auf, die den Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 mit dem Unterschenkelabschnitt 12b so verbindet, dass sie um die Rollachse und die Nickachse herum gedreht werden können. Der Fußabschnitt 21 setzt beim Laufen auf einer Bodenfläche auf.
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Der Laufroboter 10 ist ein Roboter, der ferngesteuert werden kann, und wenn eine Bedienungsperson einen Betätigungs-Manipulator (nicht dargestellt) an einer entfernten Position betätigt, kann der Laufroboter 10 entsprechend der Bewegung des Betätigungs-Manipulators einen Vorgang durchführen.
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Im Folgenden wird eine Struktur jedes der Beinabschnitte 12 des Laufroboters 10 gemäß der Ausführungsform anhand von 2 bis 3(b) ausführlich beschrieben. 2 stellt eine Perspektivansicht eines ausgestreckten Beinabschnitts dar, 3(a) stellt eine Vorderansicht des ausgestreckten Beinabschnitts dar, und 3(b) stellt eine Seitenansicht des ausgestreckten Beinabschnitts dar.
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Der Beinabschnitt 12 schließt, wie in 2 gezeigt, den Hüftgelenk-Hauptkörper 18, den Oberschenkelabschnitt 12a, den Kniegelenk-Hauptkörper 19, den Unterschenkelabschnitt 12b sowie den Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 ein. Mit dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 ist der Oberschenkelabschnitt 12a über die dazwischen befindliche Hüftgelenk-Kupplung 22 so verbunden, dass er um die Rollachse und die Nickachse herum gedreht werden kann. Mit dem Oberschenkelabschnitt 12a ist der Kniegelenk-Hauptkörper 19 so verbunden, dass er um die Nickachse herum gedreht werden kann. Mit dem Kniegelenk-Hauptkörper 19 ist der Unterschenkelabschnitt 12b verbunden. Mit dem Unterschenkelabschnitt 12b ist der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 über die dazwischen befindliche Knöchelgelenk-Kupplung 24 so verbunden, dass er um die Rollachse und die Nickachse herum gedreht werden kann. Hinter dem Oberschenkelabschnitt 12a befindet sich ein Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31. Hinter dem Unterschenkelabschnitt 12b befindet sich ein Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32. Als Aktoren sind zwei Hüftgelenk-Aktoren 7, die sich vor dem Oberschenkelabschnitt 12a befinden, ein Kniegelenk-Aktor 4, der sich hinter dem Oberschenkelabschnitt 12a befindet, zwei Knöchelgelenk-Aktoren 6, die sich vor dem Unterschenkelabschnitt 12b befinden, und ein Knöchelgelenk-Aktor 3 vorhanden, der sich hinter dem Unterschenkelabschnitt 12b befindet.
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Der Hüftgelenk-Hauptkörper 18 wird durch Biegen einer Platte ausgebildet und enthält einen quadratischen Verbindungsabschnitt 18a, der mit dem Rumpfabschnitt 11 verbunden ist, sowie ein Paar Kupplungs-Verbindungsabschnitte 18b, die von einem Paar einander gegenüberliegenden Seiten des Verbindungsabschnitts 18a aus umgebogen sind.
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Mit dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 ist der Oberschenkelabschnitt 12a mit einer dazwischen befindlichen passiven Hüftgelenk-Kupplung 22 so verbunden, dass er um die Rollachse und die Nickachse herum gedreht werden kann. Die Hüftgelenk-Kupplung 22 hat, wie in 3(b) gezeigt, einen kreuzförmigen Hauptkörperabschnitt 22a, der aus einer Roll-Welle 22a1 und einer Nick-Welle 22a2 besteht, die rechtwinklig zueinander sind. Die Roll-Welle 22a1 des Hauptkörperabschnitts 22a ist mit den paarigen Kupplungs-Verbindungsabschnitten 18b des Hauptgelenk-Hauptkörpers 18 über dazwischen befindliche Lager drehbar verbunden. Die Nick-Welle 22a2 des Hauptkörperabschnitts 22a ist mit dem Oberschenkelabschnitt 12a über dazwischen befindliche Lager drehbar verbunden.
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Ein Arm 22b ist mit dem Hauptkörperabschnitt 22a der Hüftgelenk-Kupplung 22 verbunden. Mit dem Arm 22b ist ein oberer Endabschnitt des Oberschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 31 so verbunden, dass er um die Nickachse herum gedreht werden kann. Ein unterer Endabschnitt des Oberschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 31 ist mit einem Ausleger 12b1 des Unterschenkelabschnitts 12b so verbunden, dass er um die Nickachse herum gedreht werden kann.
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Das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 ist mit dem Kniegelenk-Aktor 4 versehen, mit dem eine Länge zwischen dem oberen Endabschnitt und dem unteren Endabschnitt des Oberschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 31 vergrößert und verkleinert wird. Der Kniegelenk-Aktor 4 enthält einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 4a und einen Wellenabschnitt 4b, der sich linear in einer axialen Richtung relativ zu dem Hauptkörperabschnitt 4a bewegt. Eine spiralförmige Gewindenut ist in einer Außenumfangsfläche des Wellenabschnitts 4b ausgebildet. Eine Kugelgewindemutter (nicht dargestellt), die mit der Spiralform der Gewindenut des Wellenabschnitts 4b in Eingriff gebracht wird, und ein Motor (nicht dargestellt), mit dem die Kugelgewindemutter drehend angetrieben wird, sind in dem Hauptkörperabschnitt 4a aufgenommen. Wenn der Motor die Kugelgewindemutter drehend antreibt, bewegt sich der Wellenabschnitt 4b linear in der axialen Richtung und fährt das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 aus und zieht es ein.
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Zwischen dem Oberschenkelabschnitt 12a und dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 ist das Paar aus dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Aktor 7 gelagert. Die Hüftgelenk-Aktoren 7 sind vor dem Oberschenkelabschnitt 12a angeordnet, und die Hüftgelenk-Aktoren 7 sowie die Kniegelenk-Aktoren 4 sind quer über den Oberschenkelabschnitt 12a angeordnet. Jeder der Hüftgelenk-Aktoren 7 enthält einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 7a sowie einen Wellenabschnitt 7b, der sich linear in einer axialen Richtung relativ zu dem Hauptkörperabschnitt 7a bewegt. Eine spiralförmige Gewindenut ist in einer Außenumfangsfläche des Wellenabschnitts 7b ausgebildet. Eine Kugelgewindemutter (nicht dargestellt), die mit der Spiralform der Gewindenut des Wellenabschnitts 7b in Eingriff gebracht wird, und ein Motor (nicht dargestellt), mit dem die Kugelgewindemutter drehend angetrieben wird, sind in dem Hauptkörperabschnitt 7a aufgenommen. Wenn der Motor die Kugelgewindemutter drehend antreibt, bewegt sich der Wellenabschnitt 7b linear in der axialen Richtung.
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Der Wellenabschnitt 7b des Hüftgelenk-Aktors 7 ist mit dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 über ein dazwischen befindliches Sphärolager drehbar verbunden. Der Hauptkörperabschnitt 7a des Hüftgelenk-Aktors 7 ist mit dem Oberschenkelabschnitt 12a über ein dazwischen befindliches Sphärolager drehbar verbunden. Wenn die zwei Hüftgelenk-Aktoren 7 gleichzeitig ausgefahren oder eingezogen werden, dreht sich der Oberschenkelabschnitt 12a relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 um die Nick-Welle 22a2 herum. Wenn hingegen einer der zwei Hüftgelenk-Aktoren 7 ausgefahren und gleichzeitig der andere eingezogen wird, dreht sich der Oberschenkelabschnitt 12a relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 um die Roll-Welle 22a1 herum. Wenn Drehwinkel der zwei Hüftgelenk-Aktoren 7 gesteuert werden, kann der Oberschenkelabschnitt 22a2 relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 um die Nick-Welle 22a2 und die Roll-Welle 22a1 herum gedreht werden.
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Wenn die passive Hüftgelenk-Kupplung 22, die über zwei Freiheitsgrade verfügt, zwischen dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 und dem Oberschenkelabschnitt 12a vorhanden ist und die zwei Hüftgelenk-Aktoren 7 zwischen dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 und dem Oberschenkelabschnitt 12a gelagert sind, wie dies bei der Ausführungsform der Fall ist, kann eine Kraft erzeugt werden, die ein Mehrfaches derjenigen in einem Fall beträgt, in dem zwei Motoren, die als formschlüssige Verbindungen bzw. Gelenke wirken, für eine Nick-Welle und eine Roll-Welle eines Hüftgelenk-Hauptkörpers 18 vorhanden sind. Da die Größe der Hüftgelenk-Aktoren 7 zum Erzielen einer erforderlichen Kraft verringert werden kann, kann die Größe der Beinabschnitte 12 reduziert werden.
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Um den Laufroboter auf zwei Beinen laufen zu lassen, ist Drehmoment erforderlich, um die Beinabschnitte 12 relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 um die Rollachse herum zu drehen, und ist Geschwindigkeit erforderlich, um die Beinabschnitte 12 relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 um die Nick-Achse herum zu drehen. Wenn die zwei Hüftgelenk-Aktoren 7 zwischen dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 und dem Oberschenkelabschnitt 12a gelagert sind, lassen sich die zwei Erfordernisse, d. h. das Drehmoment um die Rollachse herum und die Geschwindigkeit um die Nick-Achse herum, einfach erfüllen.
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An einem unteren Endabschnitt des Oberschenkelabschnitts 12a ist der Kniegelenk-Hauptkörper 19 so angebracht, dass er um eine Nick-Welle 19a herum gedreht werden kann. In der Ausführungsform ist der Unterschenkelabschnitt 12b integral mit dem Kniegelenk-Hauptkörper 19 ausgebildet.
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Mit dem Unterschenkelabschnitt 12b ist der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 mit der dazwischen befindlichen Knöchelgelenk-Kupplung 24 so gelagert, dass er um die Roll-Achse und die Nick-Achse herum gedreht werden kann. Der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 wird durch Biegen einer Platte ausgebildet und weist einen quadratischen Verbindungsabschnitt 20a (siehe 2), der mit dem Fußabschnitt 21 (siehe 1(a)) verbunden ist, sowie ein Paar Kupplungs-Verbindungsabschnitte 20b auf, die von einem Paar einander gegenüberliegender Seiten des Verbindungsabschnitts 20a aus umgebogen sind.
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Die Knöchelgelenk-Kupplung 24 hat einen kreuzförmigen Hauptkörperabschnitt 24a, der aus einer Roll-Welle 24a1 und einer Nick-Welle 24a2 besteht, die rechtwinklig zueinander sind. Die Roll-Welle 24a1 des Hauptkörperabschnitts 24a ist mit den paarigen Kupplungs-Verbindungsabschnitten 20b des Knöchelgelenk-Hauptkörpers 20b über dazwischen befindliche Lager drehbar verbunden. Die Nick-Welle 24a2 des Hauptkörperabschnitts 24a ist mit dem Unterschenkelabschnitt 12b über dazwischen befindliche Lager drehbar verbunden.
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Mit dem Hauptkörperabschnitt 24a der Knöchelgelenk-Kupplung 24 ist ein Arm 24b verbunden. Mit dem Arm 24b ist ein unteres Ende des Unterschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 32 so verbunden, dass es um die Nick-Achse herum gedreht werden kann. Ein oberer Endabschnitt des Unterschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 32 ist mit dem Ausleger 12b1 des Unterschenkelabschnitts 12b so verbunden, dass es um die Nick-Achse herum gedreht werden kann.
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Das Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32 ist mit dem Knöckelgelenk-Aktor 3 versehen, mit dem eine Länge zwischen dem oberen Endabschnitt und dem unteren Endabschnitt des Unterschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 32 vergrößert und verkleinert wird. Der Knöchelgelenk-Aktor 3 hat einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 3a und einen Wellenabschnitt 3b, der sich linear in einer axialen Richtung relativ zu dem Hauptkörperabschnitt 3a bewegt. Eine spiralförmige Gewindenut ist in einer Außenumfangsfläche des Wellenabschnitts 3b ausgebildet. Eine Kugelgewindemutter (nicht dargestellt), die mit der Spiralform der Gewindenut des Wellenabschnitts 3b in Eingriff gebracht wird, und ein Motor (nicht dargestellt), mit dem die Kugelgewindemutter drehend angetrieben wird, sind in dem Hauptkörperabschnitt 3a aufgenommen. Wenn der Motor die Kugelgewindemutter drehend antreibt, bewegt sich der Wellenabschnitt 3b linear in der axialen Richtung. Wenn der Knöchelgelenk-Aktor 3 ausgefahren und eingezogen wird, dreht sich der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 um die Nick-Achse herum.
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Zwischen dem Unterschenkelabschnitt 12b und dem Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 ist das Paar aus dem linken und dem rechten Knöchelgelenk-Aktor 6 gelagert. Die Knöchelgelenk-Aktoren 6 sind vor dem Unterschenkelabschnitt 12b angeordnet, und die Knöchelgelenk-Aktoren 6 sowie der Knöchelgelenk-Aktor 3 sind quer über den Unterschenkelabschnitt 12b angeordnet. Jeder der Knöchelgelenke-Aktoren 6 enthält einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 6a sowie einen Wellenabschnitt 6b, der sich linear in einer axialen Richtung relativ zu dem Hauptkörperabschnitt 6a bewegt. Eine spiralförmige Gewindenut ist in einer Außenumfangsfläche des Wellenabschnitts 6b ausgebildet. Eine Kugelgewindemutter (nicht dargestellt), die mit der Spiralform der Gewindenut des Wellenabschnitts 6b in Eingriff gebracht wird, und ein Motor (nicht dargestellt), mit dem die Kugelgewindemutter drehend angetrieben wird, sind in dem Hauptkörperabschnitt aufgenommen. Wenn der Motor die Kugelgewindemutter drehend antreibt, bewegt sich der Wellenabschnitt 6b linear in der axialen Richtung.
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Der Wellenabschnitt 6b des Knöchelgelenk-Aktors 6 ist mit dem Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 über ein dazwischen befindliches Sphärolager drehbar verbunden. Der Hauptkörperabschnitt 6a des Knöchelgelenk-Aktors 6 ist mit dem Unterschenkelabschnitt 12b über ein dazwischen befindliches Sphärolager drehbar verbunden. Wenn die zwei Knöchelgelenk-Aktoren 6 gleichzeitig ausgefahren oder eingezogen werden, dreht sich der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 relativ zu dem Unterschenkelabschnitt 12b um die Nick-Welle 24a2 herum. Wenn hingegen einer der zwei Knöchelgelenk-Aktoren 6 ausgefahren wird und gleichzeitig der andere eingezogen wird, dreht sich der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 relativ zu dem Unterschenkelabschnitt 12b um die Roll-Welle 24a1 herum. Wenn Drehwinkel der zwei Knöchelgelenk-Aktoren 6 gesteuert werden, kann der Knöchelgelenk-Hauptkörper 20 relativ zu dem Unterschenkelabschnitt 12b um die Roll-Welle 22a1 und die Nick-Welle 22a2 herum gedreht werden.
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Die Motoren der Hüftgelenk-Aktoren 7, des Kniegelenk-Aktors 4 und der Knöchelgelenk-Aktoren 3 und 6 werden von Ansteuereinrichtungen gesteuert. Jede der Ansteuereinrichtungen enthält einen Umrichter, wie beispielsweise einen Umrichter mit Pulsweitenmodulation (pulse width modulation – PWM), mit dem dem Motor Strom zugeführt wird, einen Sensor zum Erfassen einer Geschwindigkeit und einer Position einer Ausgangswelle des Motors, sowie eine Steuereinrichtung zum Steuern des Umrichters auf Basis von Befehlen von dem Betätigungs-Manipulator und Informationen von dem Sensor. Die Ansteuereinrichtungen kommunizieren miteinander und können sich ohne eine Steuereinheit synchron bewegen.
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Im Folgenden werden eine Parallelführung 41, die in den Oberschenkelabschnitt 12a integriert ist, sowie Vorgänge zum Ausfahren und Einziehen des Oberschenkelabschnitt-Hilfsgliedes 31 beschrieben, das die Parallelführung 41 bildet. Die Parallelführung 41 besteht, wie in 3(b) gezeigt, aus vier Gliedern a1, b1, c1 und d1, die ein Parallelogramm bilden. Einander gegenüberliegende Glieder haben gleiche Länge, für die Beziehungen a1 = c1 und b1 = d1 gelten. Das Glied a1 wird durch den Arm 22b der Hüftgelenk-Kupplung 22 gebildet, das Glied c1 wird durch den Kniegelenk-Hauptkörper 19 (den Kniegelenk-Hauptkörper 19 und den Unterschenkelabschnitt 12b) gebildet, das Glied b1 wird durch den Oberschenkelabschnitt 12a gebildet, und das Glied d1 wird durch das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 gebildet.
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4(a) zeigt einen Zustand, in dem der Hüftgelenk-Aktor 7 den Oberschenkelabschnitt 12a um die Nick-Welle 22a herum dreht, um den Oberschenkelabschnitt 12a nach vorn zu bewegen. Wenn der Oberschenkelabschnitt 12a um die Nick-Welle herum gedreht wird, wird der Kniegelenk-Hauptkörper 19 (der Kniegelenk-Hauptkörper 19 und der Unterschenkelabschnitt 12b) durch die Wirkung der Parallelführung 41 in einer bestimmten Stellung relativ zu dem Hüftgelenk-Hauptkörper 18 gehalten. Das heißt, selbst wenn der Oberschenkelabschnitt 12a, wie in 4(a) gezeigt, gedreht wird, befindet sich der Kniegelenk-Hauptkörper 19 (der Kniegelenk-Hauptkörper 19 und der Unterschenkelabschnitt 12b) genauso wie in 4(b) in der vertikalen Stellung. Wenn der Kniegelenk-Aktor 4 das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 einzieht, kann die vertikale Stellung des Kniegelenk-Hauptkörpers 19 (des Kniegelenk-Hauptkörpers 19 und des Unterschenkelabschnitts 12b) geändert werden, um das Kniegelenk zu beugen. Ein menschlicher Oberschenkelabschnitt verfügt über Muskeln, die dem Oberschenkel-Hilfsglied 31 entsprechen, an einem hinteren Abschnitt, und eine Stellung eines Kniegelenk-Hauptkörpers kann durch Kontrahieren der Muskeln geändert werden. Wenn das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 hinter dem Oberschenkelabschnitt 12a vorhanden ist und das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 ausgefahren und eingezogen wird, kann die Stellung des Kniegelenk-Hauptkörpers 19 wie bei einem Menschen mit weniger Energie geändert werden.
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5 ist ein Schema, das dazu dient, zu erläutern, wieso Energie für den Kniegelenk-Aktor 4 reduziert werden kann, indem das Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied 31 ausgefahren und eingezogen wird. Zunächst wird als ein Vergleichsbeispiel ein Beispiel beschrieben, bei dem Aktoren für ein Hüftgelenk und ein Kniegelenk vorhanden sind. Bei dem Vergleichsbeispiel wird angenommen, dass ein Oberschenkelabschnitt 12a von einem aufrechtstehenden Zustand eines gesamten Beinabschnitts ausgehend um einen Winkel θ1 geschwenkt wird und dass gleichzeitig ein Unterschenkelabschnitt 12b um θ2 relativ zu einer Achse eines Oberschenkelabschnitts 12a gebeugt wird. Um jedoch den Vergleich mit der Ausführungsform zu vereinfachen, wird angenommen, dass θ2 = 2θ1, dass Energie zum Schwenken des Oberschenkelabschnitts 12a um θ1 E1 ist, dass Energie, die zum Beugen des Unterschenkelabschnitts um θ2 (= 2θ1) erforderlich ist, E2 ist und dass auf Basis der Beziehung θ2 = 2θ1 E2 = 2E1 gilt. Auf Basis dieser Annahmen beträgt die gesamte Energie, mit der der Beinabschnitt von dem aufrechtstehenden Zustand in den in 5 gezeigten gebeugten Zustand gebracht wird (den gleichen gebeugten Zustand wie den in 4(b)) E1 + E2 = 3E1.
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Um jedoch die gleiche Bewegung mit der Ausführungsform auszuführen, beträgt, wenn die Länge und die Masse des Beinabschnitts die gleichen sind wie bei dem Vergleichsbeispiel, die Energie, die die Hüftgelenk-Aktoren 7 benötigen, um den Oberschenkelabschnitt 12a frei um θ1 zu bewegen, E1. Beim Schwenken des Oberschenkelabschnitts 12a wird der Unterschenkelabschnitt durch die Wirkung der Parallelführung, wie in 4(a) gezeigt, relativ zu einer Achse des Oberschenkelabschnitts 12a um einen Winkel θ1 gebeugt. Da der Unterschenkelabschnitt 12b durch die Wirkung der Parallelführung um den Winkel θ1 gebeugt wird, ist der Winkel, um den der Kniegelenk-Aktor 4 den Unterschenkelabschnitt 12b beugt, um den Unterschenkelabschnitt 12b weiter an eine Position von 2θ1 relativ zu der Achse des Oberschenkelabschnitts 12a zu bewegen, wie dies in 4(b) dargestellt ist, θ1, und die zum Herstellen dieses Zustandes erforderliche Energie ist lediglich E1. Das heißt, die Gesamtenergie, die erforderlich ist, um den Beinabschnitt vollständig zu beugen, ist lediglich 2E1. Während bei dem Vergleichsbeispiel der für das Kniegelenk vorhandene Aktor groß ist, um 2E1 auszugeben, ist bei der Ausführungsform lediglich der Kniegelenk-Aktor 4 erforderlich, der bis zu E1 ausgibt, wodurch sich die Größe der unteren Gliedmaßenstruktur verringert und der Energieverbrauch reduziert wird.
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Des Weiteren kann, wenn, wie in 4(a) und 4(b) gezeigt, das Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32 hinter dem Unterschenkelabschnitt 12b angeordnet ist und das Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32 mit dem Unterschenkel-Aktor 3 ausgefahren und eingezogen wird, eine Stellung des Knöchelgelenk-Hauptkörpers 20 relativ zu dem Unterschenkelabschnitt 12b geändert werden. Ein menschlicher Unterschenkelabschnitt verfügt über Muskeln, die dem Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32 entsprechen, an einem hinteren Abschnitt, und eine Stellung des Knöchelgelenk-Hauptkörpers kann durch Kontrahieren der Muskeln geändert werden. Wenn das Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32 hinter dem Unterschenkelabschnitt 12b vorhanden ist und das Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied 32 ausgefahren und eingezogen wird, kann die Stellung des Knöchelgelenk-Hauptkörpers 20 wie bei einem Menschen mit weniger Energie geändert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt sondern kann zu verschiedenen Ausführungsformen geändert werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Hüftgelenk-Hauptkörper und der Oberschenkelabschnitt miteinander so verbunden sind, dass sie um die Roll-Achse und die Nick-Achse herum gedreht werden können, ist es auch möglich, einen Hüftgelenk-Hauptkörper mit einem Oberschenkelabschnitt so zu verbinden, dass sie nur um eine Nick-Achse herum gedreht werden können. In diesem Fall ist ein Endabschnitt eines Oberschenkelabschnitt-Hilfsgliedes zum Ausbilden einer Parallelführung mit dem Hüftgelenk-Hauptkörper so verbunden, dass er um die Nick-Achse herum gedreht werden kann, und ist der andere Endabschnitt mit einem Kniegelenk-Hauptkörper so verbunden, dass er um die Nick-Achse herum gedreht werden kann.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Linear-Stellmotoren als die zwischen dem Hüftgelenk-Hauptkörper und dem Oberschenkelabschnitt gelagerten Aktoren eingesetzt werden, können auch Dreh-Aktoren eingesetzt werden. In diesem Fall kann jeder der Dreh-Aktoren durch einen Motor, der mit einem Oberschenkelabschnitt verbunden ist, ein Servohorn, das mit einem Ausgang des Motors verbunden ist, und ein Verbindungsglied gebildet werden, dessen einer Endabschnitt mit dem Servohorn über ein dazwischen befindliches Sphärolager drehbar verbunden ist und dessen anderer Endabschnitt mit einem Hüftgelenk-Hauptkörper über ein dazwischen befindliches Sphärolager drehbar verbunden ist.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Unterschenkelabschnitt integral mit dem Kniegelenk-Hauptkörper ausgebildet ist, können ein Kniegelenk-Hauptkörper und ein Unterschenkelabschnitt so miteinander verbunden werden, dass sie um eine Nick-Achse herum gedreht werden können.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Hüftgelenk-Hauptkörper mit dem Rumpfabschnitt verbunden ist, können ein Hüftgelenk-Hauptkörper und ein Rumpfabschnitt als eine integrale Struktur ausgebildet sein. Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Knöchelgelenk-Hauptkörper mit dem Fußabschnitt verbunden ist, können ein Knöchelgelenk-Hauptkörper und ein Fußabschnitt als eine integrale Struktur ausgebildet sein.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform Motoren als die Antriebsquellen zum Schwenken der Beinabschnitte eingesetzt werden, ist es möglich, neben den Motoren verschiedene Antriebsquellen, wie beispielsweise Druckluft- oder Hydraulikzylinder, Linearmotoren, Aktoren in Form künstlicher Muskeln und dergleichen als die Antriebsquellen einzusetzen.
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Die vorliegende Beschreibung basiert auf der am 31. Mai 2012 eingereichten
japanischen Patentanmeldung No. 2012-124511 , deren gesamter Inhalt hiermit einbezogen wird.
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Liste der Bezugszeichen
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- 3 – Knöchelgelenk-Aktor, 4 – Kniegelenk-Aktor, 7 – Hüftgelenk-Aktoren, 10 – Laufroboter, 12 – Beinabschnitt, 12a – Oberschenkelabschnitt, 12b – Unterschenkelabschnitt, 18 – Hüftgelenk-Hauptkörper, 19 – Kniegelenk-Hauptkörper, 20 – Knöchelgelenk-Hauptkörper, 22 – Hüftgelenk-Kupplung, 24 – Knöchelgelenk-Kupplung, 31 – Oberschenkelabschnitt-Hilfsglied, 32 – Unterschenkelabschnitt-Hilfsglied, 41 – Parallelführung
