DE60007055T2

DE60007055T2 - Schreitroboter mit Beinen

Info

Publication number: DE60007055T2
Application number: DE60007055T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Wako-shi Gomi; Kazushi Wako-shi Hamaya
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: EP1097860A3; US6377014B1; EP1097860B1; JP2001129774A; JP4279425B2; DE60007055D1; EP1097860A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen auf Beinen gehenden Roboter, insbesondere auf eine Fußstruktur eines auf Beinen gehenden Roboters, welche einen Stoß während des Gehens effektiv absorbiert und mindert.
Es sind verschiedene Fußstrukturen für auf Beinen gehende Roboter, insbesondere für zweifüßig gehende Roboter, entwickelt worden. Diese umfassen zum Beispiel die durch diesen Anmelder in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. Hei 3(1991)-184781 und Hei. 11(1999)-33941 offenbarten Strukturen.
Die Füße eines auf Beinen gehenden Roboters, insbesondere die eines zweifüßig gehenden Roboters, sollten vorzugsweise einen geeigneten Grad an Elastizität zum Absorbieren und Mindern eines Stoßes beim Auftritt (Aufsetzen eines Fußes auf dem Boden oder auf der Erde) aufweisen, jedoch auch einen geeigneten Steifigkeitsgrad zum Beibehalten der Haltungsstabilität nach dem Auftritt haben. Diese Eigenschaften sind jedoch stark inkompatibel und schwer gleichzeitig zu erzielen. Der Stand der Technik weist daher bezüglich dieses Punktes Platz für Verbesserung auf.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, dieses Problem des Stands der Technik anzugehen, indem versucht wird, einen auf Beinen gehenden Roboter bereitzustellen, insbesondere einen zweifüßig gehenden Roboter, welcher eine Fußstruktur aufweist, die es ermöglicht, eine optimale Balance zwischen Absorption/Minderung eines Stoßes beim Auftritt und Haltungsstabilisierung nach einem Auftritt zu erzielen.
Die den nächstkommenden Stand der Technik repräsentierende EP-A-0433091 offenbart eine Fußstruktur für einen auf Beinen gehenden Roboter, bei welcher die Ferse aus elastischen Schichten mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen gebildet ist. Diese Anordnung weist verschiedene Nachteile auf.
Hinsichtlich eines Aspektes sieht die vorliegende Erfindung einen auf Beinen gehenden Roboter vor, welcher wenigstens einen Körper und eine Mehrzahl von Beinen aufweist, die jeweils mit dem Körper verbunden sind und jeweils an ihrem freien Ende einen Fuß aufweisen, derart, dass der Roboter zum Gehen gesteuert wird, indem eine Ferse des Fußes zuerst auf einem Boden aufsetzt, wobei die Ferse des Fußes gebildet ist aus einem ersten Element, welches aus einem ersten Material hergestellt ist, und einem zweiten Element, welches aus einem zweiten Material hergestellt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass:
das zweite Element eine Gruppe von Vorsprüngen aufweist, welche von der Sohle nach außen vorstehen und das erste Element in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen gefüllt ist, wobei das zweite Element so ausgebildet ist, dass es eine erste Steifigkeit gegen Kräfte aufweist, welche in einer ersten Richtung bezüglich des Fußes wirken, die der Vertikalen entspricht, wenn der Fuß parallel zu einem horizontalen Boden ist, sowie eine zweite Steifigkeit, welche geringer ist als die erste Steifigkeit, gegen Kräfte, die in einer anderen als der ersten Richtung wirken, wenn die Ferse aufgesetzt wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ist eine Vorderansicht eines auf Beinen gehenden Roboters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine Seitenansicht des in 1 illustrierten Roboters;
3 ist eine Skelettansicht des in 1 illustrierten Roboters, welche die innere Struktur des Roboters zeigt;
4 ist eine Draufsicht, welche die Sohle des Fußes des in 1 illustrierten Roboters zeigt;
5 ist eine Schnittansicht entlang Linie V-V von 4;
6 ist eine Teilseitenansicht des in 1 illustrierten Fußes, welche zeigt, wie die Ferse auf die Bodenfläche trifft;
7 ist eine Ansicht ähnlich 5, welche jedoch einen Abschnitt der Sohle zeigt, der vom Fuß abnehmbar ist;
8 ist eine Ansicht ähnlich 5, welche jedoch die Sohle des Fußes des auf Beinen gehenden Roboters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht ähnlich 4, welche jedoch die Sohle des Fußes eines auf Beinen gehenden Roboters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 ist eine Ansicht ähnlich 4, welche jedoch die Sohle des Fußes eines auf Beinen gehenden Roboters gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
11 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie XI-XI in 10.
1 ist eine Vorderansicht eines auf Beinen gehenden Roboters, spezieller eines zweifüßig gehenden Roboters, dessen Fußstruktur das charakteristische Merkmal der Ausführungsform ist. 2 ist eine Seitenansicht derselben.
Wie in 1 gezeigt, ist der auf Beinen gehende Roboter (hier im Folgenden als „Roboter 1" bezeichnet) mit einem Paar von Beinelementen (Gelenkbeine) 2 und einem über den Beinelementen 2 positioniertem Körper 3 ausgestattet. Ein Kopf 4 ist an dem oberen Ende des Körpers 3 ausgebildet und Armelemente (Gelenkarme) 5 sind mit entgegen gesetzten Seiten des Körpers 3 verbunden. Wie in 2 gezeigt, ist eine Gehäuseeinheit 6 auf dem Rücken des Körpers 3 montiert, um neben anderen Dingen eine Steuer-/Regeleinheit (später erklärt) und eine Stromversorgungsbatterie zum Betrieb der Motoren, die die Gelenke des Roboters 1 antreiben, unterzubringen.
Die innere Struktur des Roboters 1 wird nun hauptsächlich unter Bezugnahme auf 3 erklärt.
Wie illustriert, weist der Roboter 1 rechte und linke Beinelemente 2 auf, welche jeweils sechs Gelenke aufweisen. (Um die Anordnung einfacher verständlich zu machen, sind alle Gelenke in 3 als die elektrischen Motoren, durch die sie angetrieben werden, repräsentiert.)
Die zwölf Gelenke sind: Gelenke 10R, 10L, (R und L bezeichnen rechte und linke Seiten), jeweils zum Schwenken des entsprechenden Beins (um die z-Achse) der Hüfte, Gelenke 12R, 12L, jeweils zur Drehung 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 sowie Gelenke 20R, 20L, jeweils zum Drehen um die Rollachse (x-Achse) des Fußgelenks. Füße (Fußelemente) 22R, 22L sind an den unteren Enden der Beinelemente 2 angebracht.
Jedes Beinelement 2 umfasst somit die Hüft-(Schritt-)Gelenke 10R(L), 12R(L) und 14R(L), Kniegelenke 16R(L) und Knöchelgelenke 18R(L) und 20R(L). Die Hüft- und Kniegelenke sind durch ein Oberschenkelglied 24R(L) und die Knie- und Knöchelgelenke sind durch ein Unterschenkel-(Crus-)Glied 26R(L) verbunden.
Die Beinelemente 2 sind über die Hüftgelenke mit dem Körper 3 verbunden, welcher in 3 einfach durch das Körperglied 27 repräsentiert wird. Die Armelemente 5 sind mit dem Körper 3, wie bereits beschrieben, verbunden. Ein Gelenk 29 ist zum Schwenken des Körpers und die Schwerachse (z- oder Vertikalachse) vorgesehen.
Die Armelemente 5 umfassen Gelenke 30R, 30L, jeweils zur Drehung um die Nickachse der entsprechenden Schulter, Gelenke 32R, 32L, jeweils zur Drehung um die Rollachse der Schulter, Gelenke 34R, 34L, jeweils zum Schwenken des Arms um die Schwerachse, Gelenke 36R, 36L, jeweils zur Drehung um die Nickachse des Ellenbogens, Gelenke 38R, 38L, jeweils zum Schwenken des Handgelenks um die Schwerachse, Gelenke 40R, 40L, jeweils zur Drehung des Handgelenks um die Nickachse sowie Gelenke 42R, 42L, jeweils zur Drehung des Handgelenks um die Rollachse. Hände (Endeffektoren) 44R, 44L sind an den distalen Enden der Handgelenke angebracht.
Mit „Schwerachse", „Rollachse" und „Nickachse" sind in diesem Zusammenhang gegenseitig orthogonale, in den Gelenken zentrierte Achsen gemeint, welche jeweils in vertikalen Richtung (die Richtung, in welcher die Schwerkraft wirkt), der Vorwärtsgangrichtung des Roboters bzw. in eine Richtung senkrecht zur Vorwärtsgangrichtung des Roboters verlaufen, wenn der Roboter in einer aufrecht stehenden Position ist.
Jedes Armelement 5 umfasst somit die Schultergelenke 30R(L), 32R(L) und 34R(L), die Ellenbogengelenke 36R(L) sowie die Handgelenke 38R(L), 40R(L) und 42R(L). Das Schultergelenk und das Ellenbogengelenk sind durch ein Armglied 46R(L) und das Ellenbogengelenk und das Handgelenk sind durch ein Unterarmglied 48R(L) verbunden.
Aufgrund der vorstehenden Konfiguration weisen die Beinelemente 2 der rechten und linken Beine somit insgesamt eine Freiheit von 12° auf, so dass während einer Fortbewegung eine Ausführung der gewünschten Bewegungen der Beine insgesamt verursacht werden kann, indem die 6*2=12 Gelenke in entsprechende Winkel angetrieben werden. (Das Symbol * zeigt in dieser Beschreibung eine Multiplikation an). Der Roboter ist daher im Stande, im dreidimensionalen Raum frei zu gehen. Jedes Armelement 5 weist sieben Freiheitsgrade auf. Der Roboter 1 kann daher so betrieben werden, dass er gewünschte Tätigkeiten ausführt, indem die Gelenke in entsprechende Winkel angetrieben werden.
Wie in 3 gezeigt, ist ein Kraftsensor 56 herkömmlicher Konstruktion an den Fuß 22R(L) unterhalb des Knöchelgelenks angebracht. Von den auf den Roboter wirkenden externen Kräften detektiert der Kraftsensor 56 die drei Bodenreaktions-Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz sowie die drei Momentkomponenten Mx, My und Mz, welche von der Kontaktfläche entlang und um drei aufeinander senkrecht stehende Achsen auf den Roboter 1 wirken.
Ein ähnlicher Kraftsensor 58 ist ferner zwischen den Handgelenken 38R(L), 40R(L), 42R(L) und der Hand 44R(L) angebracht. Der Kraftsensor 58 detektiert andere auf den Roboter wirkende Kräfte, insbesondere die drei Objektreaktions-Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz und die drei Momentkomponenten Mx, My und Mz, welche von dem Werkstück (dem Objekt, an welchem der Roboter eine Tätigkeit ausübt) entlang und um drei zueinander senkrecht stehende Achsen wirken.
Ein an dem Körper 3 angebrachter Neigungssensor 60 detektiert Neigung und Winkelgeschwindigkeit relativ zur Schwerachse. Die Ausgaben der Gelenkmotoren werden durch Reduktionsräder (nicht gezeigt) in ihrer Winkelgeschwindigkeit gesenkt und in ihrem Drehmoment gesteigert und zum Bewegen der Glieder 24R(L), 26R(L) etc. relativ zueinander eingesetzt. Jeder Motor ist mit einem Drehgeber (nicht gezeigt) zum Detektieren des Betrags der Motordrehung ausgestattet.
Die Steuer-/Regeleinheit (bezeichnet durch Bezugszeichen 50), welche wie oben erwähnt in der Gehäuseeinheit 6 untergebracht ist, weist einen Mikrocomputer auf. Die Ausgaben der Kraftsensoren 56 etc, werden zu der Steuer-/Regeleinheit 50 weitergeleitet (zur Einfachheit der Illustration sind in 3 nur die Ausgaben von der rechten Seite des Roboters 1 angegeben.). Basierend auf in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeicherten Daten und Detektionswerten errechnet die Steuer-/Regeleinheit 50 die die Gelenke ansteuernden beeinflussten Variablen und steuert die Gelenke an.
Die Struktur der Füße 22R, 22L des in 3 gezeigten Roboters 1 wird nun unter Bezugnahme auf 4 bis 11 im Detail erläutert.
4 zeigt die Sohle (Boden) eines der genannten Füße 22. Da die zwei Füße 22 lateral symmetrisch sind, wird die Notation R(L) fortgelassen. 5 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie V-V von 4. Da 5 bis 8 Ansichten zum Erläutern der Querschnittsstruktur des Sohlenbereichs sind, ist der verbleibende Abschnitt des Fußes 22 lediglich als Umriss gezeigt.
Wie in 4 gezeigt, weist die Sohle (Bodenfläche) des Fußes 22 eine allgemein rechteckige Form auf, welche lateral (in der Breite) in Richtung der Zehenspitzen allmählich spitz zuläuft.
Wie in 5 gezeigt, erstreckt sich eine relativ dünne Platte 70 im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Sohle (Boden) des Fußes 22, und zwar von der Zehenspitze 64 über den flachen mittleren Abschnitt 66 zur Ferse 68 an der Hinterseite. Die Platte 70 ist durch Schrauben 72 an der Zehenspitze 64 und an der Ferse 68 lösbar an der Sohle (Boden) befestigt.
Die Platte 70 ist in Richtung der Zehenspitze nach oben (in der Vertikalen- oder Schwerachsenrichtung) gekrümmt, mit einer Krümmung, so dass die Knöchelgelenke 18R(L), 20R(L) vorgeschriebene Orte in einer Sagittalebene parallel zur Fortschrittsrichtung beschreiben, und ist am hinteren Ende (Ferse) in ähnlicher Weise nach oben (in der Schwerachsenrichtung) gekrümmt, um ein glattes Aufsetzen zu ermöglichen. Die Platte 70 ist hergestellt aus Aluminium oder einem faserverstärkten Kunstharz oder einem anderen solchen Material mit exzellenter Steifigkeit und leichtgewichtigen Eigenschaften.
Ein erstes, aus Gummi/Kautschuk oder einem anderen elastischen Material hergestelltes elastisches Element 74 ist durch ein geeignetes Verfahren wie Kleben an der Außenfläche der Platte 70 von der Zehenspitze 64 zum hinteren Ende des flachen mittleren Abschnitts 66 angebracht. Ein zweites elastisches Element 76, welches von kleinerer Dicke ist als das erste elastische Element 74, ist durch eine geeignete Technik wie Kleben, über die gesamte Länge der Sohle, d.h. von der Zehenspitze 64 über den flachen mittleren Abschnitt 66 bis zur Ferse 68 an der Außenfläche des ersten elastischen Elements 74 angebracht.
Das erste elastische Element und das zweite elastische Element 76 (5) sind nicht an dem mittleren Längsbereich angebracht, welcher von der Zehenspitze 64 bis etwa zum hinteren Ende des flachen mittleren Abschnitts 66 verläuft, wie am besten in 4 gezeigt ist. Die Platte 70 ist in diesem Gebiet somit freigelegt.
Das zweite elastische Element 76 ist bis etwa zum hinteren Ende des flachen mittleren Abschnitts 66 relativ dünn ausgebildet, ist jedoch an der Ferse 68 dick hergestellt. Der dicke Fersenabschnitt ist mit mehreren, gleichmäßig beabstandeten Vorsprüngen (zweites Element) 76a ausgebildet, welche von der Sohle nach außen vorstehen. Die illustrierte Ausführungsform weist fünf Vorsprünge 76a auf.
Wie am besten in 5 gezeigt ist, ist der Winkel zwischen den Vorsprüngen 76a und des flachen mittleren Abschnitts 76 so vorgesehen, dass er im Wesentlichen 90° beträgt. Mit anderen Worten sind die Vorsprünge 76a so ausgebildet dass sie vertikal oder parallel mit der Schwerachse in Richtung der Bodenfläche 82, auf welcher der Fuß 22 aufsetzt, vorragen. Dies ist vorgesehen, um die Steifigkeit der Vorsprünge 76a gegen auf sie in der Schwerachsenrichtung wirkende Kräfte zu maximieren und ihre Steifigkeit gegen in anderen Richtungen wirkende Kräfte zu senken. Die Vorsprünge 76a sind als kammartige Zähne oder Wülste ausgebildet, wenn sie wie in 5 in vertikalem Schnitt betrachtet werden, und sind als gerade Linien, genauer Linien einer Linienserie, ausgebildet, wenn sie wie in 4 von der Sohle (Boden) aus betrachtet werden.
Das zweite elastische Element 76 einschließlich den Vorsprüngen 76a ist aus einem zweiten, relativ steifen Material hergestellt, welches eine Härte von 70 oder mehr aufweist. Geeignete Materialien umfassen Gummis/Kautschukarten wie NBR (Acrylonitril-Butadien-Gummi/Kautschuk) und Kunststoffe.
Füllelemente (erste Elemente) 80 werden in die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen 76a gefüllt. Die Füllelemente 80 werden so gefüllt, dass deren äußere Flächen relativ zu den Enden der Vorsprünge 76a leicht versenkt sind. Die Vorsprünge 76a stehen daher leicht von zwischen den Füllelementen 80 aus vor.
Die Füllelemente 80 sind aus einem ersten, ebenfalls relativ steifen Material, einschließlich Gummi/Kautschuk wie NBR (Acrylonitril-Butadien-Gummi/Kautschuk) oder einem Kunststoff hergestellt, weisen jedoch eine geringe Härte auf als das das zweite elastische Element 76 einschließlich den Vorsprüngen 76a bildende zweite Material, z.B. eine Härte von 55 oder weniger.
In dieser Ausführungsform ist somit die Ferse 68 des Fußes 22 aus dem zweiten Element, welches eine Mehrzahl von Vorsprüngen 76a umfasst, und den ersten Element, welches Füllelemente 80 umfasst, gebildet und die Vorsprünge 76a sind so ausgebildet, dass sie eine relativ höhere (erste) Steifigkeit gegen entlang der Schwerachse wirkende Kräfte und eine relativ geringere (zweite) Steifigkeit als diese aufweisen, gegen in anderen Richtungen wirkende Kräfte, wobei die Richtungen in diesem Zusammenhang so definiert sind, dass sich der Fuß flach auf einem horizontalen Boden befindet.
Die Erläuterung wird unter Bezugnahme auf 6 fortgesetzt. 6 ist eine Seitenansicht, welche zeigt, wie die Ferse 68 während des Aufsetzens eines Fußes 22 des Roboters 1 auf die Bodenfläche 82 trifft.
Wie illustriert, wird der flache mittlere Abschnitt 66 während des Auftritts in einem bestimmten Winkel zur Bodenfläche 82 gehalten, so dass die Ferse 68 zuerst aufsetzt. Die Ferse 68 erfährt somit eine Kraft in einer anderen Richtung als die Schwerachse, genauer gesagt eine Kraft, welche in der Längsrichtung des Fußes wirkt. Diese Kraft (die Bodenreaktionskraft) erzeugt einen Aufsetzstoß oder Schlag aufgrund der vom Boden auf den Roboter 1 einzuwinkenden Bodenreaktionskraft.
Wie vorher erwähnt, sind in dieser Ausführungsform die Vorsprünge 76a so ausgebildet, dass sie eine relativ höhere Steifigkeit gegen entlang der Schwerachse wirkende Kräfte und eine relativ geringere Steifigkeit gegen in anderen Richtungen wirkende Kräfte aufweisen und die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen 76a sind mit dem Füllelement 80, welches aus einem weniger steifen Material gebildet ist, gefüllt.
Da der Fuß 22 des Roboters 1 auf der Bodenfläche 82 aus einer anderen Richtung als die der Schwerachse aufsetzt, werden die Vorsprünge 76a daher einfach zusammengedrückt und deformieren die Füllelemente 80, um den Schlag beim Auftritt zu absorbieren und zu mindern. Nach dem Aufsetzen bewegt sich der flache, mittlere Abschnitt 66 des Fußes 22 dann zu einer Position, in welcher er parallel zur Bodenfläche 82 liegt, so dass das Gewicht des Roboters 1 durch die Vorsprünge 76a getragen wird. Da die Vorsprünge 76a so ausgebildet sind, dass sie eine höhere Steifigkeit gegen in der Schwerachsenrichtung wirkende Kräfte als Gegenkräfte in anderen Richtungen aufweisen, können sie zuverlässig das Gewicht des Roboters 1 tragen. Die Haltung des Roboters 1 kann somit nach dem Auftritt stabil beibehalten werden.
Damit erzielt die Fußstruktur eines auf Beinen gehenden Roboters dieser Ausführungsform eine optimale Balance zwischen zwei Anforderungen, welche gegenseitig inkompatibel erscheinen. Sie kann sich nämlich einfach deformieren, um den beim Auftritt verursachten Stoß zu absorbieren und zu mindern und kann einen Steifigkeitsgrad aufweisen, welcher dazu geeignet ist, Haltungsstabilität nach einem Auftritt zu gewährleisten.
Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Platte 70 durch Schrauben 72 lösbar in der Nähe der Zehenspitze 64 und der Ferse 68 befestigt. Wie in 7 gezeigt, können die Platte 70 und die an ihrer Außenseite bereitgestellten ersten und zweiten elastischen Elemente 74, 76 zusammen mit der Ferse 68 einschließlich den Füllelementen (erstes Element) und den Vorsprüngen (zweites Element) 76a einfach abgenommen werden. Mit anderen Worten ist wenigstens ein Abschnitt der Sohle des Fußes einschließlich des ersten Elements und des zweiten Elements abnehmbar.
Wenn daher die erste und zweiten elastischen Elemente 74, 76, insbesondere das zweite elastische Element 76 mit der aus Vorsprüngen 76a und den Füllelementen 80 gebildeten Ferse 68 während langer Benutzung abgenutzt werden, so können sie z.B. einfach ersetzt werden. Die Einfachheit des Ersetzens ist auch aus dem Gesichtspunkt des Wechselns der Vorsprünge 76a und der Füllelemente 80 gegen solche mit optimalen Eigenschaften für die Umgebung, in welcher der Roboter verwendet wird, vorteilhaft.
8 ist eine Schnittansicht eines Fußes 22 ähnlich der der 5 und zeigt einen auf Beinen gehenden Roboter, insbesondere die Fußstruktur eines auf Beinen gehenden Roboters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Elemente, die denen der ersten Ausführungsform gemeinsam sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut erläutert.
In der zweiten Ausführungsform ist das zweite elastische Element 76, einschließlich des Abschnitts der Ferse 68, mit einem dritten elastischen Element 84 bedeckt, welches aus einem elastischen Material gebildet ist.
Diese Konfiguration ermöglicht es der zweiten Ausführungsform der Fußstruktur eines auf Beinen gehenden Roboters, dieselben Effekte und Vorteile zu erzielen wie die erste Ausführungsform. In anderer Hinsicht sind die Struktur der zweiten Ausführungsform sowie auch die Effekte und Vorteile dieselben wie bei der ersten.
9 ist eine Unteransicht einer Fußstruktur ähnlich der von 4 und zeigt einen auf Beinen gehenden Roboter, insbesondere die Fußstruktur eines auf Beinen gehenden Roboters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Elemente, die denen der ersten Ausführungsform gleich sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut erläutert.
Der Unterschied zur ersten Ausführungsform wird erläutert. Wie in 9 gezeigt, erscheinen beim Fuß 22 der dritten Ausführungsform die Vorsprünge 76a nicht als gerade Linien, sondern sind als Linien einer nicht linearen Reihe, genauer als Zickzacklinien oder W-förmig ausgebildet, wenn sie wie in 4 von der Sohle (Boden) aus betrachtet werden.
Durch Erhöhen der Bodenkontaktfläche der Vorsprünge 76a ermöglicht diese Konfiguration in der dritte Ausführungsform, dieselben Merkmale, Effekte und Vorteile zu erzielen wie die erste Ausführungsform, während außerdem die Effekte und Vorteile einer weiteren Steigerung der Haltungsstabilität nach einem Auftritt bereitgestellt werden. In anderen Hinsichten sind die Struktur der dritten Ausführungsform sowie auch die Effekte und Vorteile dieselben wie bei der ersten.
Obwohl eine Zickzackform als Beispiel einer kontinuierlichen nichtlinearen Form bei Betrachtung von der Sohle (Boden) aus gegeben wurde, können stattdessen andere Muster, einschließlich V-förmige, U-förmige und gewellte verwendet werden. Jedes Muster, welches die Bodenkontaktfläche der Vorsprünge 76a erhöht, ist geeignet.
10 ist eine Unteransicht einer Fußstruktur ähnlich der von 4 und zeigt einen auf Beinen gehenden Roboter, insbesondere die Fußstruktur eines auf Beinen gehenden Roboters gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. 11 ist eine Schnittansicht entlang Linie XI-XI des Fußes von 10. Elemente, die denen der ersten Ausführungsform gemeinsam sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut erläutert.
Der Unterschied zur ersten Ausführungsform wird erläutert. In der vierten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von zylindrischen Vorsprüngen 86, 88 ausgebildet, um von der Platte 70 an der Ferse 68 vorzustehen. Mit anderen Worten sind die Vorsprünge 86, 88 als Säulen ausgebildet.
Wie die Vorsprünge 76a bei der ersten Ausführungsform sind die Vorsprünge 86, 88 so ausgebildet, dass sie bezüglich des flachen mittleren Abschnitts 66 einen Winkel von im Wesentlichen 90° bilden. Mit anderen Worten sind die Vorsprünge 86, 88 so ausgebildet, dass sie parallel mit der Schwerachse in Richtung der Bodenfläche 82, auf welcher der Fuß 22 aufsetzt, hervorragen. Dies ist dazu vorgesehen, um die Steifigkeit der Vorsprünge 86, 88 gegen auf diese in der Schwerachsenrichtung wirkende Kräfte zu maximieren und deren Steifigkeit gegen in andere Richtung wirkende Kräfte zu reduzieren.
Die Vorsprünge 86 weisen einen größeren Durchmesser auf als die Vorsprünge 88. Drei sind lateral mit gleichen Abständen angeordnet und Vorsprünge 88 sind zwischen jedem benachbarten Paar angeordnet. Ein Füllmittel 90 wird um die Vorsprünge 86, 88 gefüllt (angeordnet). Die Vorsprünge 86, 88 und das Füllmittel 90 sind aus demselben Material hergestellt wie die Vorsprünge 76a und die Füllelemente 80 der ersten Ausführungsform.
Die Fersen 68 der ersten bis dritten Ausführungsformen sind so strukturiert, dass sie eine Steifigkeit gegen Kräfte in anderen Richtungen als der Schwerachsenrichtung, insbesondere in der longitudinalen Richtung des Fußes, reduzieren. Solange der Fuß in der vorgeschriebenen Richtung parallel zur Längsachse des Fußes aufsetzt, kann der Schlag beim Auftritt daher gut absorbiert und gemindert werden. Weist die Bodenfläche 82 jedoch unerwartete Unregelmäßigkeiten auf, so kann eine Kraft in einer anderen Richtung als der vorgeschriebenen (wie etwa der lateralen) erzeugt werden. In einem solchen Fall kann der Schlag nicht gut absorbiert und gemindert werden.
Dies berücksichtigend sieht die Fußstruktur gemäß der vierten Ausführungsform die Vorsprünge 86, 88 in einer gegenseitig beabstandeten, besetzten Anordnung vor. Als ein Ergebnis kann selbst dann, wenn Kräfte auftreten sollten, die in einer anderen Richtung als der vorgeschriebenen wirken (z.B. lateral), der durch sie erzeugte Schlag gut absorbiert und gemindert werden. In anderen Hinsichten sind die Struktur der vierten Ausführungsform sowie auch die Effekte und Vorteile dieselben wie bei der ersten.
Obwohl die Vorsprünge 86, 88 der vierten Ausführungsform zylindrisch sind, können sie stattdessen in irgendeiner anderen Säulenform, wie etwa mehreckig, ausgebildet sein. Ferner sind die Anzahl und Positionierung der Vorsprünge 86, 88 nicht auf die des illustrierten Beispiels beschränkt.
Bei einer Konfiguration auf die vorstehend beschriebene Weise stellen die Ausführungsformen einen auf Beinen gehenden Roboter (1) mit wenigstens einem Körper (3) und einer Mehrzahl von Beinen (2) bereit, welche jeweils mit dem Körper verbunden sind und an ihrem freien Ende jeweils einen Fuß (22R, L) aufweisen, so dass der Roboter zum Gehen gesteuert wird, indem eine Ferse (68) des Fußes (22R, L) zuerst auf einem Boden aufgesetzt wird, wobei die Ferse (68) des Fußes (22R, L) gebildet wird aus einem ersten Element (80, 90), welches aus einem ersten Material hergestellt ist, und einem zweiten Element (76a, 86, 88), welches aus einem zweiten Material hergestellt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass:
das zweite Element eine Gruppe von Vorsprüngen (76a, 86, 88) umfasst, welche von der Sohle nach außen vorstehen, und das erste Element (80, 90) in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen gefüllt ist, wobei das zweite Element (76a, 86, 88) so ausgebildet ist, dass es eine erste Festigkeit aufweist, gegen Kräfte, die bezüglich des Fußes in einer ersten Richtung wirken, welche der Vertikalen entspricht, wenn der Fuß parallel zu einem horizontalen Boden ist, und eine zweite Festigkeit, welche geringer als die erste Festigkeit ist, aufweist, gegen Kräfte, die in einer anderen Richtung als der ersten Richtung wirken, wenn die Ferse (68) aufgesetzt wird.
Damit kann beim Auftritt daher der Fuß effektiv einen Schlag absorbieren und mindern, um eine milde Landung zu gewährleisten, und kann außerdem eine Beibehaltung der Haltungsstabilität im stehenden Zustand gewährleisten. Dies stellt daher eine Fußstruktur bereit, welche es einem auf Beinen gehenden Roboter, insbesondere einem zweifüßig gehenden Roboter, ermöglicht, eine optimale Balance zwischen Absorption/Milderung eines Auftrittschlags und einer Haltungsstabilisation nach dem Auftritt zu erreichen.
Bei den illustrierten Ausführungsformen des auf Beinen gehenden Roboters weist das erste Material eine geringere Härte auf als das zweite Material und das zweite Material umfasst eine Gruppe von Vorsprüngen (76a, 86, 88), welche von der Sohle nach außen vorstehen, und das erste Element (80, 90) ist in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen gefüllt, wodurch es einem auf Beinen gehenden Roboter, insbesondere einem zweifüßig gehenden Roboter, ermöglicht wird, eine Balance zwischen Absorption/Milderung eines Auftrittschlags und einer Haltungsstabilisierung nach dem Auftritt weiter zu optimieren.
Bei den illustrierten Ausführungsformen eines auf Beinen gehenden Roboters umfasst das zweite Element eine Gruppe von Vorsprüngen (76a, 86, 88), welche von der Sohle nach außen vorstehen und das erste Element (80, 90) ist in Zwiesprache zwischen den Vorsprüngen gefüllt, so dass eine äußere Fläche des ersten Elements (80, 90) relativ zu den Enden der Vorsprünge (76a, 86, 88) eingelassen ist.
In einer illustrierten Ausführungsform des auf Beinen gehenden Roboters sind die Vorsprünge (76a) als kammartige Zähne ausgebildet, wenn sie in vertikalem Schnitt betrachtet werden, und als Linien einer nicht linearen Reihe ausgebildet, wenn sie von einer Sohle des Fußes aus betrachtet werden, was Dank eines erhöhten Bodenkontaktbereichs des nicht linearen Reihenmusters sogar eine weiter verbesserte Beibehaltung der Haltungsstabilität in dem stehenden Zustand gewährleisten kann.
In einer anderen illustrierten Ausführungsform sind die Vorsprünge (86, 88) als Säulen ausgebildet, wodurch eine effektive Absorption und Milderung eines Auftrittstoßes selbst dann ermöglicht wird, wenn eine unerwartete Unregelmäßigkeit in der Bodenfläche eine Kraft beim Auftritt erzeugt, die in einer anderen Richtung als der normalen Richtung, wie in der lateralen Richtung des Fußes, wirkt.
In den illustrierten Ausführungsformen des auf Beinen gehenden Roboters ist wenigstens ein Abschnitt einer Sohle des Fußes einschließlich des ersten Elements (80, 90) und des zweiten Elements (76a, 86, 88), genau eine Platte (70), welche dieselben trägt, abnehmbar, was einen einfachen Austausch der Elemente (76a, 80, 86, 88, 90) ermöglicht, wenn dies beispielsweise aufgrund langer Benutzung notwendig ist.
In einer illustrierten Ausführungsform ist eine Sohle des Fußes von einem elastischen Element (84) bedeckt, welches aus einem elastischen Material hergestellt ist, wobei diese Ausführungsform dieselben Merkmale und Effekte bereitstellt wie die vorhergehenden.
Es sollte beachtet werden, dass obwohl in der vorstehenden Beschreibung ein zweifüßig gehender Roboter als Beispiel für einen auf Beinen gehenden Roboter verwendet wurde, dies nicht beschränkend ist und die Erfindung auch auf irgendeinen von verschiedenen anderen Typen auf Beinen gehender Roboter anwendbar ist.

Claims

Auf Beinen gehender Roboter (1) mit wenigstens einem Körper (3) und einer Mehrzahl von Beinen (2), welche jeweils mit dem Körper verbunden sind und an ihrem freien Ende jeweils einen Fuß (22R, L) aufweisen, so dass der Roboter zum Gehen gesteuert wird, indem eine Ferse (68) des Fußes (22R, L) zuerst auf einem Boden aufgesetzt wird, wobei die Ferse (68) des Fußes (22R, L) gebildet wird aus einem ersten Element (80, 90), welches aus einem ersten Material hergestellt ist, und einem zweiten Element (76a, 86, 88), welches aus einem zweiten Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass: das zweite Element eine Gruppe von Vorsprüngen (76a, 86, 88) umfasst, welche von der Sohle nach außen vorstehen, und das erste Element (80, 90) in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen gefüllt ist, wobei das zweite Element (76a, 86, 88) so ausgebildet ist, dass es eine erste Festigkeit aufweist, gegen Kräfte, die bezüglich des Fußes in einer ersten Richtung wirken, welche der Vertikalen entspricht, wenn der Fuß parallel zu einem horizontalen Boden ist, und eine zweite Festigkeit, welche geringer als die erste Festigkeit ist, aufweist, gegen Kräfte, die in einer anderen Richtung als der ersten Richtung wirken; wenn die Ferse (68) aufgesetzt wird.
Auf Beinen gehender Roboter gemäß Anspruch 1, wobei das erste Material von geringerer Härte ist als das zweite Material.
Auf Beinen gehender Roboter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Element (80, 90) so gefüllt ist, dass eine äußere Fläche des ersten Elements relativ zu Enden der Vorsprünge (76a, 86, 88) eingelassen ist.
Auf Beinen mobiler Roboter gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorsprünge (76a) als kammartige Zähne ausgebildet sind, wenn sie in vertikalem Schnitt betrachtet werden, und als eine Reihe von im Wesentlichen geraden Linien ausgebildet sind, wenn sie von einer Sohle des Fußes aus betrachtet werden.
Ein auf Beinen mobiler Roboter gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorsprünge (76a) als kammartige Zähne ausgebildet sind, wenn sie in vertikalem Schnitt betrachtet werden, und als eine Reihe von im Wesentlichen nicht geraden Linien ausgebildet sind, wenn sie von einer Sohle des Fußes aus betrachtet werden.
Auf Beinen mobiler Roboter gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorsprünge (86, 88) als Säulen ausgebildet sind.
Auf Beinen mobiler Roboter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens ein Abschnitt einer Sohle des Fußes einschließlich des ersten Elements (80, 90) und des zweiten Elements (76a, 86, 88) abnehmbar ist.
Auf Beinen mobiler Roboter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Sohle des Fußes von einem elastischen Element (84) bedeckt ist, welches aus einem elastischen Material hergestellt ist.