DE60004302T2

DE60004302T2 - Schreitroboter mit Beinen

Info

Publication number: DE60004302T2
Application number: DE60004302T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Wako-shi Gomi; Kazushi Wako-shi Hamaya; Takashi Wako-shi Matsumoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: ATE246626T1; US6564888B1; EP1081027A2; EP1081027B1; DE60004302D1; JP4213310B2; EP1081027A3; KR20010050273A; KR100385424B1; JP2001062761A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf mobile Roboter, und insbesondere auf zweibeinige mobile Roboter.
Es wurden verschiedene Techniken in Bezug auf zweibeinige mobile Roboter vorgeschlagen, einschließlich z. B. denjenigen, die von den offengelegten japanischen Patentanmeldungen JP-A-62-097005 und JP-A-62-097006 gelehrt werden. Außerdem zeigt eine Betrachtung des Standes der Technik, dass verschiedene Verfahren vorgeschlagen wurden, um den Stoss, den ein zweibeiniger mobiler Roboter bei einem Schritt (Aufsetzen eines Fußes während des zweibeinigen Gehens) aufgrund der Reaktionskräfte vom Boden erfährt, effektiv zu absorbieren.
Zum Beispiel lehrt die offengelegte japanische Patentanmeldung JP-A-11-033941 eine Technik des Absorbierens eines Stoßes bei einem Schritt durch Versehen des gesamten Fußes mit einem Polsterelement. Unter anderem wurde vorgeschlagen, den Stoss beim Aufsetzen durch scharfes Abbiegen des Knies des freien Beins zu absorbieren, wenn der Roboter geht. Ein weiterer Vorschlag ist derjenige der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP-A-0-205069, die eine Technik des Aufhebens der Drehkraft um das unterstützende Bein durch Antreiben der Arme während des Robotergehens lehrt.
Keine dieser Techniken des Standes der Technik bietet jedoch eine zufriedenstellende Lösung. Unter der Annahme, dass ein Roboter 130 kg wiegt, beläuft sich der beim Schritt aufgenommene Stoss auf mehr als 300 kp. Ein Stoss dieser Größe kann nicht ausreichend absorbiert werden, indem der gesamte Fuß mit einem stoßdämpfenden Element versehen wird. Wenn außerdem ein weiches stoßdämpfendes Element mit großer Dicke verwendet wird, um dem starken Stoss beim Schritt zu begegnen, wird der Roboter instabil, wenn er aufrecht steht.
Die Technik, den Fuß mit scharf abgebogenem Knie des freien Beins aufzusetzen, kann einen starken Schrittstoß bis zu einem gewissen Grad absorbieren, kann jedoch nicht den Schrittstoß absorbieren, der während des schnellen Gehens mit langen Schritten entsteht, da das Knie des freien Beins während eines solchen schnellen Gehens nicht abgebogen werden kann. Das Abbiegen des Knies des freien Beins bei jedem Schritt erhöht ferner den Energieverbrauch.
Bei der Technik der obenerwähnten offengelegten japanischen Patentanmeldung JP-A-0-205069 mittels Aufheben der Drehkraft um das unterstützende Bein durch Antreiben der Arme während des Robotergehens veranlasst die Tatsache, dass die verschiedenen Höhen der rechten und linken Füße während des Gehens den Roboterkörper neigen, den Roboter, während des Gehens lateral zu schwingen. Die Haltung des Roboters wird somit während des schnellen Gehens instabil. Ein weiteres Problem ist, dass die Neigung des Körpers das Gyroskop und/oder den G-Sensor (Beschleunigungsmesser), die am Rücken des Körpers oder am Kopf montiert sind, veranlasst, falsche Signale auszugeben, die die Laufsteuerung schwierig machen. Das Antreiben der Arme verbraucht ebenfalls zusätzliche Energie.
Ein weiterer zweibeiniger mobiler Roboter gemäß dem Obergebriff des Anspruchs 1 ist auch bekannt aus JP-A-02160482.
Eine praktische Technik, die die Absorption und Linderung eines solchen Schrittstoßes ermöglicht, würde den Freiheitsgrad bei der Roboterganggestaltung erhöhen, eine schnelle, energieeffiziente Fortbewegung in einer stabilen Haltung ermöglichen, um durch Zulassen von freien Körperbewegungen zu ermöglichen, dass der Roboter in z. B. einer knienden Haltung arbeitet.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist daher, einen zweibeinigen mobilen Roboter zu schaffen, der einen Schrittstoß effektiv absorbieren und lindern kann, einen hohen Freiheitsgrad bei der Ganggestaltung bietet, wodurch eine schnelle, energieeffiziente Fortbewegung in einer stabilen Haltung ermöglicht wird, und eine freie Körperbewegung zu erlauben.
Hinsichtlich dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen mobilen Roboter, der wenigstens einen Körper und zwei mit dem Körper verbundene Beinelemente aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass:
ein Mittel zwischen dem Körper und den zwei Beinelementen vorgesehen ist, um den Körper mit den zwei Beinelementen zu verbinden, derart, dass jedes der zwei Beinelemente relativ zum Körper in einer Richtung beweglich ist, die im wesentlichen der Vertikalen entspricht, wenn der Roboter auf den zwei Beinelementen in einer aufrechten Position steht.
Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf zweibeinige mobile Roboter anwendbar, wobei wenigstens in den bevorzugten Ausführungsformen das Mittel, das den Körper mit den zwei Beinelementen verbindet, eine parallele Verbindung ist.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Vorderansicht eines zweibeinigen mobilen Roboters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Roboters ist;
3 eine Skelettansicht des in 1 gezeigten Roboters ist, die die innere Struktur des Roboters zeigt;
4 ein Blockschaltbild ist, das Einzelheiten einer in 1 dargestellten Steuereinheit zeigt;
5 eine teilweise im Schnitt gezeigte Vorderansicht des in 1 dargestellten Roboters ist, die eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer paralle len Verbindung 7 zeigt;
6 eine Vorderansicht der in 5 gezeigten parallelen Verbindung 7 ist;
7 eine Schnittansicht längs der Linie VII-VII der 6 ist;
8 eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht des Roboters ist, die die Verbindung zwischen der in 7 gezeigten parallelen Verbindung und einem Roboterkörper in Rückwärtsorientierung gegenüber demjenigen in 7 zeigt;
9 eine Schnittansicht längs der Linie IX-IX in 6 ist;
10 eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht des in 5 gezeigten Roboters ist, die die Verbindung zwischen der in 9 gezeigten parallelen Verbindung und dem Roboterkörper in Rückwärtsorientierung gegenüber demjenigen in 9 zeigt;
11 eine Schnittansicht längs der Linie XI-XI der 6 ist, wobei der Pfeil die Richtung des Robotermarsches zeigt (x-Achsen-Richtung);
12 ein Satz von Seiten- und Vorderansichten des Roboters ist, die schematisch zeigen, wie der Roboter angetrieben wird, um sich während des Gehens zu bewegen; und
13 ein Graph ist, der beobachtete Daten zeigt, die den Schrittstoß (Bodenreaktionskraft) zeigen, der auf den Roboter einwirkt.
Die 1 und 2 sind Vorder- und Seitenansichten eines zweibeinigen mobilen Roboters.
Wie in 1 gezeigt ist, ist der zweibeinige mobile Roboter (im folgenden mit "Roboter 1" bezeichnet) mit einem Paar Beinelemente (Gelenkbeine) 2 und einem Körper 3, der oberhalb der Beinelemente 2 angeordnet ist, ausgestattet. Ein Kopf 4 ist am oberen Ende des Körpers 3 ausgebildet, wobei Armelemente (Gelenkarme) 5 mit den entgegengesetzten Seiten des Körpers 3 verbunden sind. Wie in 2 gezeigt ist, ist eine Gehäuseeinheit 6 am Rücken des Körpers 3 montiert, um unter anderem eine Steuereinheit (später erläutert) und eine Stromversorgungsbatterie zum Antreiben der Gelenke des Roboters 1 aufzunehmen.
Die interne Struktur des Roboters 1 wird im folgenden mit Bezug auf 3 kurz erläutert.
Wie gezeigt ist, besitzt der Roboter 1 rechte und linke Beinelemente (Beine) 2, die jeweils sechs Gelenke aufweisen. (Um die Anordnung leichter verständlich zu machen, sind alle Gelenke in 3 als Elektromotoren dargestellt, mit denen diese angetrieben werden.)
Die zwölf Gelenke sind: Gelenke 10R, 10L (R und L bezeichnen die rechten und linken Seiten) jeweils zum Schwenken des entsprechenden Beins um die Schwerkraftachse (z oder vertikale Achse) der Hüfte, Gelenke 12R, 12L jeweils zum Drehen um die Rollachse (x-Achse) der Hüfte, Gelenke 14R, 14L jeweils zum Drehen um die Nickachse (y-Achse) der Hüfte, Gelenke 16R, 16L jeweils zum Drehen um die Nickachse (y-Achse) des Knies, Gelenke 18R, 18L jeweils zum Drehen um die Nickachse (y-Achse) des Fußgelenks, und Gelenke 20R, 20L jeweils zum Drehen um die Rollachse (x-Achse) des Fußgelenks. An den unteren Enden der Beinelemente 2 sind Füße (Fußelemente) 22R, 22L angebracht.
Mit "Schwerkraftachse", "Rollachse" und "Nickachse" sind in diesem Zusammenhang wechselweise orthogonale Achsen gemeint, die an den Gelenken zentriert sind und jeweils in vertikaler Richtung (Richtung, in der die Schwerkraft wirkt), in Richtung des Robotermarsches und in Richtung senkrecht zur Richtung des Robotermarsches verlaufen, wenn sich der Roboter in einer aufrechten, stehenden Position befindet.
Jedes Beinelement 2 umfasst somit die Hüftgelenke (Leistengelenke) 10R(L), 12R(L) und 14R(L), das Kniegelenk 16R(L) und die Fußgelenke 18R(L) und 20R(L). Die Hüft- und Kniegelenke sind durch ein Oberschenkelglied 24R(L) verbunden, während die Knie- und Fußgelenke durch ein Unterschenkelglied 26R(L) verbunden sind. Die Beinelemente 2 sind über die Hüftgelenke mit dem Körper 3 verbunden, der in 3 einfach durch ein Körperelement 28 dargestellt ist. Die Armelemente 5 sind mit dem Körper 3 verbunden, wie bereits erwähnt worden ist.
Die Armelemente 5 umfassen Gelenke 30R, 30L, jeweils zum Drehen um die Nickachse der entsprechenden Schulter, Gelenke 32R, 32L jeweils zum Drehen um die Rollachse der Schulter, Gelenke 34R, 34L jeweils zum Schwenken des Arms um die Schwerkraftachse, Gelenke 36R, 36L jeweils zum Drehen um die Nickachse des Ellbogens, Gelenke 38R, 38L jeweils zum Schwenken des Handgelenks um die Nickachse, und Gelenke 42R, 42L jeweils zum Drehen des Handgelenks um die Rollachse. Hände (End-Effektoren) 44R, 44L sind an den distalen Enden der Handgelenke angebracht.
Somit umfasst jedes Armelement 5 die Schultergelenke 30R(L), 32R(L) und 34R(L), und die Handgelenke 38R(L), 40R(L) und 42R(L). Das Schultergelenk und das Ellbogengelenk sind durch ein Armglied 46R(L) verbunden, während das Ellbogengelenk und das Handgelenk durch ein Vorderarmglied 48R(L) verbunden sind.
Aufgrund der vorangehenden Konfiguration weisen somit die rechten und linken Beine insgesamt zwölf Freiheitsgrade auf, so dass während der Fortbewegung die Beine insgesamt veranlasst werden können, die gewünschten Bewegungen auszuführen, indem die 6·2 = 12 Gelenke mit geeigneten Winkeln angesteuert werden. (Das Symbol · bezeichnet in dieser Beschreibung die Multiplikation.) Der Roboter ist somit fähig, innerhalb des dreidimensionalen Raumes frei zu gehen. Jedes Armelement 5 weist sieben Freiheitsgrade auf. Der Roboter 1 kann somit so betrieben werden, dass er gewünschte Aufgaben ausführt, indem diese Gelenke auf geeignete Winkel gesteuert werden.
Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Kraftsensor 56 einer herkömmlichen Gestaltung am Fuß 22R(L) unterhalb des Fußgelenks montiert. Von den externen Kräften, die auf den Roboter einwirken, erfasst der Kraftsensor 56 die drei Bodenreaktionskraftkomponenten Fx, Fy und Fz und die drei Momentkomponenten Mx, My und Mz, die auf den Roboter in und um die drei wechsel weise orthogonalen Achsen von der Kontaktoberfläche aus einwirken.
Ferner ist ein ähnlicher Kraftsensor 58 zwischen dem Handgelenk und der Hand 44R(L) montiert. Der Kraftsensor 56 erfasst andere Kräfte, die auf den Roboter einwirken, insbesondere die drei Objektreaktionskraftkomponenten Fx, Fy und Fz und die drei Momentkomponenten Mx, My und Mehrzahl, die auf den Roboter in und um drei wechselweise orthogonale Achsen vom Werkstück aus (dem Objekt, mit dem der Roboter eine Operation durchführt) einwirken.
Ein Neigungssensor 60, der auf dem Körper 3 montiert ist, erfasst die Neigung und die Winkelgeschwindigkeit des Roboters 1, genauer des Körpers 3, relativ zur Schwerkraftachse. Die Ausgangsleistungen der Gelenkmotoren werden durch (nicht gezeigte) Untersetzungsgetriebe untersetzt und für die Bewegung der Verbindungsglieder 24R(L), 26R(L) und dergleichen relativ zueinander angewendet. Jeder Motor ist mit einem (nicht gezeigten) Codierer zum Erfassen des Motorrotationsmaßes versehen.
Die Steuereinheit (mit dem Bezugszeichen 68 bezeichnet), die wie vorher erwähnt in der Gehäuseeinheit 6 aufgenommen ist, besitzt einen Mikrocomputer. Die Ausgangssignale der Kraftsensoren 56 und dergleichen werden zur Steuereinheit 68 weitergeleitet. (Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur die Ausgänge von der rechten Seite des Roboters 1 in 3 gezeigt.) Einzelheiten der Konfiguration der Steuereinheit 68 sind im Blockschaltbild der 4 gezeigt.
Die Steuereinheit 68 besitzt, wie vorher erwähnt worden ist, einen Mikrocomputer. Die Ausgänge vom Neigungssensor 60 und dergleichen werden durch einen A/D-Umsetzer 70 in digitale Signale umgesetzt, wobei die resultierenden digitalen Werte über einen Bus 72 zu einem RAM (Schreib/Lese-Speicher) 74 gesendet werden. Die Ausgänge der Codierer, die neben den jeweiligen Motoren angeordnet sind, werden über einen Zähler 76 in den RAM 74 eingegeben.
Die Steuereinheit 68 besitzt eine arithmetische Einheit (Zentraleinheit) 80.
Auf der Grundlage der in einem ROM (Nur-Lese-Speicher) 84 gespeicherten Daten und der Sensorausgänge berechnet die arithmetische Einheit 80 die Stellgrößen (Steuereingänge), die zum Antreiben der Gelenke erforderlich sind. Sie gibt die berechneten Steuereingänge an die Motoren zum Antreiben der Gelenke über einen D/A-Umsetzer 86 und an den jeweiligen Gelenken vorgesehene Betätigungselementtreiber (Verstärker) 88 aus.
Was den Roboter 1 dieser Ausführungsform kennzeichnet, ist, dass der Körper 3 und die zwei Beinelemente (bewegliche Beine) 2 über eine parallele Verbindung 7 verbunden sind, so dass die Beinelemente 2 relativ zueinander in Richtung der Schwerkraftachse (z-Achse) beweglich sind.
Genauer ist der Körper 3 mit oberen und unteren Verbindungsgliedern der Parallelverbindung 7 an ersten und zweiten Drehpunkten (Unterstützungspunkten) verbunden, wobei die rechten und linken Beinelemente 2 mit oberen und unteren Verbindungsgliedern verbunden sind, und wobei ein Betätigungselement zum Bewegen der Beinelemente 2 relativ zur Schwerkraftachsenrichtung an dem einen oder dem anderen der ersten und zweiten Drehpunkte (Unterstützungspunkte) vorgesehen ist.
Ferner sind der Körper 3 und die oberen und unteren Verbindungsglieder über ein Gelenk verbunden, so dass der Körper 3 um die Schwerkraftachse (z-Achse) relativ zu der parallelen Verbindung 7 gedreht werden kann.
Die Struktur der parallelen Verbindung 7 und der zugehörigen Elemente wird im folgenden mit Bezug auf die 5 bis 11 explizit erläutert.
5 ist eine Vorderseite des Roboters 1 der 1, teilweise im Schnitt gezeigt, die eine teilweise aufgebrochene Ansicht der parallelen Verbindung 7 zeigt. 6 ist eine Vorderansicht der parallelen Verbindung 7 in 5. 7 ist eine Schnittansicht längs der Linie VII-VII der 6. 8 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht des Roboters der 5, die die Verbindung zwischen der parallelen Verbindung 7, die in 7 gezeigt ist, und dem Körper 3 in Rückwärtsorientierung gegenüber demjenigen in 7 zeigt. 9 ist eine Schnittansicht längs der Linie IX-IX in 6. 10 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht des Roboters der 5, die die Verbindung zwischen der parallelen Verbindung 7 und dem Körper 3 in 9 in Rückwärtsorientierung gegenüber demjenigen in 9 zeigt. 11 ist eine Schnittansicht längs der Linie XI-XI der 6, wobei der Pfeil die Richtung des Robotermarsches (x-Achsen-Richtung) angibt.
Wie gezeigt ist, umfasst die parallele Verbindung 7 obere und untere Verbindungsglieder, d. h. ein oberes Verbindungsglied 90 und ein unteres Verbindungsglied 92, die an höheren und tieferen Positionen auf der Schwerkraftachse (z-Achse) angeordnet sind, sowie rechte und linke Verbindungsglieder, d. h. ein rechtes Verbindungsglied 94R und ein linkes Verbindungsglied 94L, die parallel zur Schwerkraftachse (z-Achse) orientiert sind, wenn der Roboter 1 aufrecht steht.
Das obere Verbindungsglied 90 und die rechten und linken Verbindungsglieder 94R, L sind über Wellen 96R, L verbunden, die wechselweise um die Rollachse (x-Achse) drehbar sind. In ähnlicher Weise sind das untere Verbindungsglied 92 und die rechten und linken Verbindungsglieder 94R, L über Wellen 98R, 98L verbunden, um wechselweise drehbar um die Rollachse (x-Achse) zu sein.
Eine Welle (erster Drehpunkt oder Unterstützungspunkt) 100 ist in der Mitte des oberen Verbindungsgliedes 90 (genauer in der Mitte des oberen Verbindungsgliedabschnitts zwischen den Wellen 96R, L) vorgesehen, wobei das obere Verbindungsglied 90 mit dem Körperelement 28 verbunden ist, so dass es um die Rollachse (x-Achse) drehbar ist. Ein Gelenk (zweiter Drehpunkt oder Unterstützungspunkt) 102 ist in der Mitte des unteren Verbindungsgliedes 92 (genauer in der Mitte des unteren Verbindungsgliedabschnitts zwischen den Wellen 98R, L) vorgesehen, wobei das untere Verbindungsglied 92 mit dem Körperelement 28 verbunden ist, so dass es um die Rollachse (x-Achse) drehbar ist.
Das Gelenk 102 wird im folgenden erläutert. Wie in den 7 und 11 am besten gezeigt ist, ist ein Motor (Betätigungsglied) 104 an dem Gelenk angeordnet, wobei seine Welle parallel zur Rollachse (x-Achse) ausgerichtet ist. Die Ausgangsleistung des Motors 104 wird in einen Untersetzungsmechanismus 106 von Harmonic Drive (Handelsname) eingegeben. Der Eingang des Untersetzungsmechanismus 106 von Harmonic Drive ist am Körperelement 28 befestigt, wobei dessen Ausgang am unteren Verbindungsglied 92 befestigt ist, oder umgekehrt.
Das untere Verbindungsglied 92 ist mit den Oberschenkelelementen 24 der Beinelemente 2 verbunden. Genauer, wie in 11 gezeigt ist, ist jedes Oberschenkelglied 24 (nicht gezeigt) mit einem leeren Raum in der Umgebung des Verbindungspunktes und des Hüftgelenks 10R(L) des Beinelements 10 versehen, das in diesen Raum aufgenommen ist, so dass es um die Schwerkraftachse (z-Achse) drehbar ist.
Wenn der Motor 104 betätigt wird, dreht dessen Ausgangsleistung, die in der Winkelgeschwindigkeit (bei erhöhtem Drehmoment) durch den Untersetzungsmechanismus 106 von Harmonic Drive herabgesetzt wird, das Körperelement 28 (Körper 3) um die Rollachse relativ zum unteren Verbindungsglied 92 (und den Beinelementen 2).
Wie in den 5 und 6 deutlich wird, fallen dann, wenn der Roboter 1 aufrecht steht (stillsteht), die Wellen 96R und 98R auf die selbe Linie in Richtung der Schwerkraftachse. Das gleiche gilt für die Wellen 96L, 98L, und auch für die Welle 100 und das Gelenk 102 (genauer dessen Achse 102a). Der Motor 104 dreht somit das Körperelement 28 (Körper 3) um die Rollachse relativ zum unteren Verbindungsglied 92 (und den Beinelementen 2), um somit die Beinelemente 2 relativ zueinander in Schwerkraftachsenrichtung zu bewegen.
Dies ermöglicht die effektive Absorption und Milderung des Schrittstoßes und erweitert die Freiheit der Gangartgestaltung. Es wird somit möglich, eine schnelle, energieeffiziente Fortbewegung in einer stabilen Haltung zu erreichen, und ferner eine freie Körperbewegung zu verwirklichen.
Eine Bewegung findet ferner in Nickachsenrichtung statt, da die rechten und linken Wellen 98R, 98L über das untere Verbindungsglied 92 um das Gelenk 102 rotieren. Die Beinelemente 2 können somit nicht genau parallel zu Schwerkraftachse mit dem Gelenk 102 in der Mitte bewegt werden. Die Bewegung in Nickachsenrichtung ist jedoch von vernachlässigbar, da nur eine kleine Größe der Bewegung der Beinelemente in Schwerkraftachsenrichtung ausreichend ist, um den Schrittstoß zu absorbieren.
Außerdem ist eine Fortbewegung in einer stabilen Haltung möglich, da die Bewegung des Körperelements 28 (Körper 3), die durch den Motor 104 erzeugt wird, auch parallel zur Schwerkraftachse ist. Wie in 6 gezeigt ist, ist ferner der am Körper 3 montierte Neigungssensor 60 am Körperelement 28 oberhalb der parallelen Verbindung 7 angebracht. Er wird daher nur durch die Bewegung in Richtung der Schwerkraftachse beeinflusst, wobei eine unangemessene Steuerung aufgrund einer fehlerhaften Erfassung vermieden werden kann.
Ein Gelenk 110 ist am Körperelement 28 in der Nähe des Montageortes des Neigungssensors 60 vorgesehen. Genauer, wie in den 7 und 8 am besten gezeigt ist, ist ein Motor 112 im Körperelement 28 installiert, wobei dessen Welle parallel zur Schwerkraftachse ausgerichtet ist. Die Ausgangsleistung des Motors 112 wird in dem Untersetzungsmechanismus 114 von Harmonic Drive eingegeben. Der Eingang des Untersetzungsmechanismus 114 von Harmonic Drive ist am oberen Abschnitt 28a des Körperelements 28 befestigt, wobei dessen Ausgang am unteren Abschnitt 28b des Körperelements 28 befestigt ist, oder umgekehrt.
Wenn der Motor 112 betätigt wird, dreht dessen Ausgangsleistung, die durch den Untersetzungsmechanismus 114 von Harmonic Drive in der Winkelgeschwindigkeit herabgesetzt worden ist (bei Erhöhung des Drehmoments), den oberen Abschnitt 28a des Körperelements 28 um die Schwerkraftachse relativ zum unteren Abschnitt 28b des Körperelements 28 (und die parallele Verbindung 7 und die Beinelemente 2). Dies ermöglicht weiterhin freie Körperbewegungen.
Im folgenden wird mit Bezug auf die 12 die Operation des Roboters 1 gemäß dieser Ausführungsform erläutert.
Die 12A und 12B sind Seiten- und Vorderansichten, die schematisch zeigen, wie der Roboter 1 sich während des Gehens bewegt.
Wie vorher erläutert worden ist, sind die Welle 100, die Welle 96R und die Welle 96L jeweils an Positionen angeordnet, die von der Welle 102, der Welle 98R (in den Figuren nicht gezeigt) und der Welle 98L durch gleiche Abstände beabstandet sind. Die Welle 100, die Welle 96R und die Welle 96L, die durch das obere Verbindungsglied 90 verbunden sind, liegen daher parallel zum unteren Verbindungsglied 92. Aufgrund dieser parallelen Verbindung können die rechten und linken Beinelemente 2 relativ zueinander oder im wesentlichen parallel zur Schwerkraftachse (z-Achse) mit dem Gelenk 102 in der Mitte bewegt werden.
12A zeigt beispielsweise das Aufsetzen des rechten Beinelements 2R. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Bodenreaktionskraft (Schrittstoß) über das rechte Beinelement 2R auf den Roboter 1. In dieser Ausführungsform wird der (nicht gezeigte) Motor 104, der am Gelenk 102 angeordnet ist, während dieses Schritts so betätigt, dass er die parallele Verbindung 7 veranlasst, das rechte Beinelement 2R parallel (im wesentlichen parallel) zum linken Beinelement 2I in Richtung der Schwerkraftachse zu bewegen, wie durch den Pfeil gezeigt ist.
Genauer wird der Motor 104 während des Schritts so betätigt, dass er das untere Verbindungsglied 92 um das Gelenk 102 dreht, um das aufsetzende Bein (rechtes Beinelement 2R) in Richtung der Schwerkraftachse zu bewegen. Da die Beinelemente 2 mit dem oberen Verbindungsglied 90 verbunden sind, wird das rechte Beinelement 2R, das den Bodenkontakt ausführt, in Richtung der Schwerkraftachse bewegt.
Mit anderen Worten, das aufsetzende Bein 2R wird im wesentlichen parallel zu dem im Kontakt mit dem Boden befindlichen unterstützenden Bein (linkes Beinelement 2I) um ein Maß parallel zur Ausgangsleistung des Motors und in der Richtung, die eine Absorption der großen Bodenreaktionskraft beim Stoß ermöglicht, bewegt. Die Bodenreaktionskraft kann somit proportional zum Bewegungsmaß der parallelen Verbindung 7, d. h. zum Bewegungsmaß des freien Beins, absorbiert werden, so dass der Stoß beim Schritt absorbiert und gelindert werden kann.
Da die parallele Verbindung 7 sicherstellt, dass der Körper 3 nicht relativ zur Schwerkraftachse kippt, kann die Absorption und Milderung des Schrittstoßes erreicht werden, während die Haltung des Roboters 1 stabil gehalten wird. Irgendein Sensor, der am Körper 3 montiert ist, wird somit davor bewahrt, falsche Erfassungssignale zu Erzeugen, wobei die Steuerung somit ohne Fehler bewerkstelligt werden kann.
Die beschriebene Konfiguration erweitert den Freiheitsgrad bei der Gangartgestaltung, ermöglicht eine energieeffiziente Fortbewegung, und macht es durch Zulassen freier Körperbewegungen möglich, dass der Roboter z. B. in einer knienden Haltung arbeitet.
Der Schrittstoß, der auf den Roboter 1 dieser Ausführungsform wirkt, wird im folgenden mit Bezug auf 13 erläutert.
Die in 13 gezeigte gestrichelte Kennlinie wurde gezeichnet, indem wirklich beobachtete Daten, die den Schrittstoß (Bodenreaktionskraft) repräsentieren, der auf den Roboter wirkt, angetragen wurden, wie in der früheren offengelegten japanischen Patenanmeldung des Anmelders mit der Nr. 11(1999)-39941 gelehrt wird. Der im Test verwendete Roboter wog 130 kg. Die Kurve zeigt, dass eine Stoßkraft (Bodenreaktionskraft), die zum Zeitpunkt des Aufsetzens des freien Beins auftritt, aufgrund des Rückpralls (in Richtung der Schwerkraftachse) vorübergehend auf Null fällt, und anschließend nahezu 300 kp erreicht, wenn das freie Bein anschließend mit dem Boden kollidiert.
Die durchgezogene Kurve zeigt das Schrittstoßmuster des Roboters 1 der obenerwähnten Ausführungsform. Es ist ein nahezu ideales Muster, bei dem der Schrittstoß (Bodenreaktionskraft) von näherungsweise 200 kp beim Schritt allmählich im Zeitverlauf abnimmt. Der Roboter 1 der Ausführungsform ist fähig, diese nahezu idealen Eigenschaften zu erreichen, da der Körper 3 und die Beinelemente 2, wie in vorangehenden erläutert worden ist, über die parallele Verbindung 7 verbunden sind.
In der vorangehenden Weise konfiguriert, ist die Ausführungsform so konfiguriert, das ein zweibeiniger mobiler Roboter (1) geschaffen wird, der wenigstens einen Körper (3) und zwei Beinelemente (2), die mit dem Körper verbunden sind, aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Verbindung (7) zwischen dem Körper und den zwei Beinelementen vorgesehen ist, um den Körper und die zwei Beinelemente so zu verbinden, dass jedes der zwei Beinelemente relativ zum Körper im wesentlich in einer Richtung der Schwerkraftachse (d. h. der z-Achse) beweglich ist.
Der zweibeinige mobile Roboter gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann den Schrittstoß (Bodenreaktionskraft) effektiv absorbieren und lindern, bietet einen hohen Freiheitsgrad bei der Gangartgestaltung, ermöglicht somit eine schnelle, energieeffiziente Fortbewegung in einer stabilen Haltung, und erlaubt eine freie Körperbewegung.
Die Fähigkeit des Roboters, während der Fortbewegung eine stabile Haltung beizubehalten, bewahrt außerdem irgendeinen Sensor, wie z. B. ein Gyroskop oder einen G-Sensor, der am Körper montiert ist, vor der Erzeugung falscher Erfassungssignale, so dass eine unangemessene Steuerung vermieden werden kann.
Beim dargestellten zweibeinigen mobilen Roboter umfasst die parallele Verbindung obere und untere Verbindungsglieder (90, 92), die an höheren und tieferen Positionen auf der Schwerkraftachse angeordnet sind, sowie rechte und linke Verbindungsglieder (94R, 94L), die jeweils mit den oberen und unteren Verbindungsgliedern verbunden sind und jeweils parallel zur Schwerkraftachse ausgerichtet sind, wenn der Roboter aufrecht steht, wobei der Körper (3) mit den oberen und unteren Verbindungsgliedern über einen ersten Drehpunkt (100) und einen zweiten Drehpunkt (102) verbunden ist, während die zwei Beinelemente (2) jeweils mit den rechten und linken Verbindungsgliedern (94R, 94L) verbunden sind.
Im zweibeinigen mobilen Roboter ist ein Betätigungselement (104) an dem ersten Drehpunkt (100) oder am zweiten Drehpunkt (102) vorgesehen, um jedes der zwei Beinelemente (2) relativ zum Körper (3) in Richtung der Schwerkraftachse zu bewegen.
Im dargestellten zweibeinigen mobilen Roboter ist der Körper (3) über ein Gelenk (110) mit der parallelen Verbindung (7) verbunden, so dass der Körper relativ zu den zwei Beinelementen um die Schwerkraftachse beweglich ist.
Zusätzlich zum Vorsehen der gleichen Merkmale und zum Erreichen der gleichen Wirkungen wie bei den zweibeinigen mobilen Roboter gemäß den obenerwähnten Aspekten, kann der zweibeinige mobile Roboter gemäß diesem bevorzugten Merkmal ferner einen hohen Freiheitsgrad der Körperbewegung erreichen.
Im dargestellten zweibeinigen mobilen Roboter fallen der erste Drehpunkt (100) und der zweite Drehpunkt (102) auf dieselbe Linie in Richtung der Schwerkraftachse, wenn der Roboter (1) aufrecht steht.
Im dargestellten zweibeinigen mobilen Roboter sind die rechten und linken Verbindungsglieder (94R, 94L) mit dem oberen Verbindungsglied (90) über eine erste Gruppe von Wellen (96R, 96L) verbunden und mit dem unteren Verbindungsglied (92) über eine zweite Gruppe von Wellen (98R, 98L) verbunden, wobei der erste Drehpunkt (100) an einer Position angeordnet ist, die mit dem gleichen Abstand von der ersten Gruppe von Wellen (96R, 96L) angeordnet ist, und wobei der zweite Drehpunkt (102) an einer Position angeordnet ist, die im gleichen Abstand von der zweiten Gruppe von Wellen (98R, 98L) angeordnet ist.
Im dargestellten zweibeinigen mobilen Roboter fällt eine (z. B. 94R) der ersten Gruppe von Wellen (94R, 94L) und eine (98L) der zweiten Gruppe von Wellen (98R, 98L) auf die gleiche Linie in Richtung der Schwerkraftachse, während eine weitere (z. B. 94L) der ersten Gruppe von Wellen (94R, 94L) und eine weitere (98L) der zweiten Gruppe von Wellen (98R, 98L) auf die selbe Linie in Richtung der Schwerkraftachse fallen, wenn der Roboter (1) aufrecht steht.
Im dargestellten zweibeinigen mobilen Roboter ist der erste Drehpunkt eine Welle (100), während der zweite Drehpunkt ein Gelenk (102) ist.
Der dargestellte zweibeinige mobile Roboter enthält ferner einen Neigungssensor (60) zum Erfassen der Neigung des Roboters (1) relativ zur Schwer kraftachse, wobei der Neigungssensor (60) am Körper (3) oberhalb der parallelen Verbindung (7) montiert ist.
Es ist zu beachten, dass, obwohl eine parallele Verbindung in der beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, die Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt ist. Zum Beispiel kann statt dessen ein Zahnstangen-Ritzel-Mechanismus angewendet werden, bei dem die zwei beweglichen Beinelemente mit zwei Zahnstangen verbunden sind und das Körperelement mit einem Ritzelzahnrad verbunden ist, das in der Mitte zwischen diesen angeordnet ist.
Es ist ferner zu beachten, dass die Erläuterung bezüglich eines zweibeinigen mobilen Roboters, die im vorangehenden ausgeführt ist, auch mit notwendigen Modifikationen für beinbestückte mobile Roboter eines anderen Typs als des Typs mit zweibeiniger Fortbewegung gilt.

Claims

Mobiler Roboter (1), der wenigstens einen Körper (3) und zwei mit dem Körper verbundene Beinelemente (2) aufweist; und der ferner ein Mittel (7) aufweist, das zwischen dem Körper (3) und den zwei Beinelementen (2) vorgesehen ist, um den Körper (3) mit den zwei Beinelementen (2) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel so beschaffen ist, daß jedes der zwei Beinelemente (2) relativ zum Körper (3) in einer Richtung beweglich ist, die im wesentlichen der Vertikalen entspricht, wenn der Roboter auf den zwei Beinelementen (2) in einer aufrechten Position steht.
Mobiler Roboter nach Anspruch 1, bei dem das Mittel (7) eine parallele Verbindung umfaßt.
Mobiler Roboter nach Anspruch 2, bei dem die parallele Verbindung (7) obere und untere Verbindungsglieder (90, 92), die an höheren und tieferen Positionen bezüglich der Vertikalen angeordnet sind, wenn der Roboter aufrecht steht, sowie rechte und linke Verbindungsglieder (94R, 94L) umfaßt, die jeweils mit den oberen und unteren Verbindungsgliedern verbunden sind und jeweils parallel zur Vertikalen orientiert sind, wenn der Roboter aufrecht steht, und wobei der Körper (3) mit den oberen und unteren Verbindungsgliedern über einen ersten Drehpunkt (100) und einen zweiten Drehpunkt (102) verbunden ist, während die zwei Beinelemente (2) jeweils mit den rechten und linken Verbindungsgliedern (94R, 94L) verbunden sind.
Mobiler Roboter nach Anspruch 3, bei dem ein Betätigungselement (104) an einem der ersten (100) und zweiten (102) Drehpunkte vorgesehen ist, um jedes der zwei Beinelemente (2) relativ zum Körper (3) in der Richtung zu bewegen, die im wesentlichen der Vertikalen entspricht, wenn der Roboter aufrecht steht.
Mobiler Roboter nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Körper (3) mit der parallelen Verbindung (7) über ein Gelenk (110) verbunden ist, so daß der Körper (3) relativ zu den zwei Beinelementen (2) um eine Achse beweglich ist, die im wesentlichen vertikal ist, wenn sich der Roboter in einer aufrechten Position befindet.
Mobiler Roboter nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der erste Drehpunkt (100) und der zweite Drehpunkt (102) auf die gleiche Linie in vertikaler Richtung fallen, wenn der Roboter (1) aufrecht steht.
Mobiler Roboter nach Anspruch 6, bei dem die rechten und linken Verbindungsglieder (94R, 94L) mit dem oberen Verbindungsglied (90) über eine erste Gruppe von Wellen (96R, 96L) und mit dem unteren Verbindungsglied (92) über eine zweite Gruppe von Wellen (98R, 98L) verbunden sind, wobei der erste Drehpunkt (100) an einer Position angeordnet ist, die von der ersten Gruppe von Wellen (96R, 96L) mit einem gleichen Abstand beabstandet ist, während der zweite Drehpunkt (102) an einer Position angeordnet ist, die von der zweiten Gruppe von Wellen (98R, 98L) mit einem gleichen Abstand beabstandet ist.
Mobiler Roboter nach Anspruch 7, bei dem eine (94R) der ersten Gruppe von Wellen (94R, 94L) und eine (98L) der zweiten Gruppe von Wellen (98R, 98L) auf die gleiche Linie in vertikaler Richtung fallen, während eine weitere (94L) der ersten Gruppe von Wellen (94R, 94L) und eine weitere (98L) der zweiten Gruppe von Wellen (98R, 98L) auf die gleiche Linie in vertikaler Richtung fallen, wenn der Roboter (1) aufrecht steht.
Mobiler Roboter nach Anspruch 3, bei dem der erste Drehpunkt eine Welle (100) ist und der zweite Drehpunkt ein Gelenk (102) ist.
Mobiler Roboter nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 9, der ferner enthält: einen Neigungssensor (60) zum Erfassen der Neigung des Roboters (1) relativ zur Schwerkraftachse; wobei der Neigungssensor (60) am Körper (3) oberhalb der parallelen Verbindung (7) montiert ist.
Mobiler Roboter nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der mobile Roboter ein zweibeiniger Roboter mit einem Körper und zwei Beinelementen (2) ist.