-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkstruktur für einen beintragenden
Schreitroboter und insbesondere eine Gelenkstruktur für einen beintragenden
Schreitroboter, die Hüftgelenke mit beweglichen Komponenten aufweist, deren
Trägheitsmassen reduziert sind, um die zur Betätigung der beweglichen
Komponenten erforderliche Energie effektiv zu senken.
-
Es sind beintragende Schreitroboter mit einer Mehrzahl von Beinen bekannt,
wie etwa zweibeinige Schreitroboter. Eine Bewegungsstudie beweglicher
Komponenten eines solchen beintragenden Schreitroboters zeigt, daß, obwohl
der Körper des beintragenden Schreitroboters sich mit im wesentlichen
konstanter Geschwindigkeit bewegt, die Beine bei jedem Bewegungszyklus in
großem Ausmaß wiederholt beschleunigt und verzögert werden. Stellglieder,
die den jeweiligen Anlenkungen oder Gelenken des beintragenden
Schreitroboters zugeordnet sind, müssen die Trägheitsmassen der Beinabschnitte unter
diesen Gelenken betätigen. Daher müssen diese Gelenke die Beinabschnitte mit
hohen Drehmomenten bei hohen Geschwindigkeiten betätigen, was bedeutet,
daß die Stellglieder eine große Energiemenge verbrauchen, um den Roboter zu
bewegen. Jedoch ist der Verbrauch der großen Energiemenge durch den
Schreitroboter nicht erwünscht, weil er die Verwendbarkeit des Roboters
einschränkt.
-
Die Beine eines beintragenden Schreitroboters enthalten Gelenke zur
Durchführung von Bewegungen in einer Vorwärtsrichtung (nachfolgend als
"Nickrichtung" bezeichnet), einer Querrichtung (nachfolgend als "Rollrichtung"
bezeichnet) oder einer Drehrichtung etc. Die Stellglieder zur Betätigung der
Beinabschnitte in der Nickrichtung müssen besonders große Drehmomente bei
hohen Geschwindigkeiten erzeugen. Der Grund hierfür ist, daß die
Beinabschnitte, die in der Nickrichtung beweglich sind, sich in einem weiten Bereich
und daher mit großen Beschleunigungen und Verzögerungen bewegen, so daß
sie sich mit großen Drehmomenten bei hohen Geschwindigkeiten oder hohen
Frequenzen bewegen müssen. Infolgedessen sind die Gelenke zum Bewegen
der Beinabschnitte in der Nickrichtung und die diesen Gelenken zugeordneten
Stellmotoren groß und schwer.
-
Allgemein hat ein beintragender Schreitroboter eine vertikale Serie von
Gelenken. Die Verwendung von Stellgedern, die große Drehmomente bei
hohen Geschwindigkeiten erzeugen, in Kombination mit der vertikalen Serie
von Gelenken, erhöht die Trägheitsmassen der Beinabschnitte, die durch die
Stellglieder in höheren Positionen zu betätigen sind. Daher müssen die
Stellglieder in den höheren Positionen leistungsfähiger sein mit der Folge, daß
das Gesamtgewicht des beintragenden Schreitroboters zunimmt. In Verbindung
mit dem obigen Problem wurde ein beintragender Schreitroboter
vorgeschlagen, der in jedem seiner Hüftgelenke einander schneidende Nick- und
Rollachsen aufweist, wie in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr.
62(1987)-97005 und 62(1098)-97006 offenbart ist. Jedes Hüftgelenk umfaßt
eine Hydraulikpumpe und ein hydraulisches Stellglied. Weil jedoch das
hydraulische Stellglied klein und kräftig ist, verursacht es einen großen Verlust
bei der Energiewandlung, und die Hydraulikpumpe muß durch einen groß
ausgelegten Elektromotor betätigt werden. Eine solche Betätigungsanordnung
ist für die beintragenden Schreitroboter, bei denen nur eine begrenzte
Energiemenge verfügbar ist, nicht erwünscht. Jedenfalls hat der
vorgeschlagene beintragende Schreitroboter eine Gelenkstruktur, die zur Reduktion der
Trägheitsmassen ausgebildet ist.
-
Die Hüftgelenke eines beintragenden Schreitroboters sind kompliziert, weil sie
viele Freiheitsgrade haben müssen. Die mechanischen Komponenten der Beine
eines beintragenden Schreitroboters haben die Neigung, sich gegenseitig zu
stören, wenn die Gelenke betätigt werden. Um eine solche körperliche
gegenseitige Störung zwischen den mechanischen Komponenten zu
vermeiden, muß man den Roboter derart ausgestalten, daß die mechanischen
Komponenten mit Abstand voneinander angeordnet sind, beispielsweise, daß
die Beine mit einem großen Abstand voneinander angeordnet sind. Wenn die
Beine mit großem Abstand voneinander angeordnet sind, dann wirken, wenn
sich eines der Beine in einer Überführungsphase befindet, die Gewichte des
Beins in der Überführungsphase und der Körper des Roboters auf das andere
Bein, das sich in einer Tragphase befindet. Von dem Hüftgelenk des Beins in
der Tragphase wird nun das Gelenk zum Antrieb des Beins in der Rollrichtung
dem Moment ausgesetzt, das von den einwirkenden Gewichten herrührt. Weil
das einwirkende Moment proportional zum Abstand der Beine voneinander
zunimmt, müssen die Elektromotoren zur Betätigung der Gelenke an den
Beinen große Ausgangskräfte erzeugen, und die von den Motoren
anzutreibenden Trägheitsmassen sind groß mit der Folge, daß die von dem Roboter
verbrauchte Energiemenge zunimmt. Die mit Abstand angeordneten Beine
erhöhen auch das Trägheitsmoment um die Vertikalachse des Roboterkörpers.
Infolgedessen kann sich der Roboter nicht leicht bewegen.
-
Beintragende Schreitroboter haben Fuß- und Kniegelenke sowie Hüftgelenke.
Diese Fuß- und Kniegelenke werden auch in der Nick- und der Rollrichtung
betätigt. Der Weg, entlang dem ein Bein in der Überführungsphase zu bewegen
ist, soll bei der Gangregelung des Roboters leicht zu berechnen sein. Die drei
Gelenke, das sind die jedem Bein zugeordneten Fuß-, Knie- und Hüftgelenke,
sind bei herkömmlichen beintragenden Schreitrobotern zueinander parallel
angeordnet, was es möglich macht, den Bewegungsweg in einem
orthogonalen Koordinatensystem zu berechnen. Weil zum Ändern der
Bewegungsrichtung des Roboters an jedem der Oberschenkel des Roboters eine Gierachse
angeordnet ist, ist jedoch, wenn der Roboter gedreht wird, die Parallelität der
Nickachsen durch Wechselwirkung mit den Gierachsen gestört, mit der Folge,
daß die erforderlichen Berechnungen außerordentlich komplex werden.
-
Die Stellglieder in einem beintragenden Schreitroboter sind bevorzugt oberhalb
der zugeordneten Gelenke angeordnet, um die Trägheitsmomente zu
reduzieren, die auf die unteren Beinabschnitte wirken. Mit einer solchen
Konstruktion hat der Roboter einen hohen Schwerpunkt. Wenn daher die
Schwerkraft an dem Roboter zieht, wodurch die Neigung besteht, daß der
Oberkörper des Roboters überschwenkt, während der Roboter gerade aufsteht,
ist die Zeit, die der Roboter zum Fallen als umgekehrtes Pendel benötigt, lang
genug, damit der Roboter zum Erreichen seiner normalen Stellung gesteuert
werden kann. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, Elektromotoren
oberhalb zugeordneter Gelenke anzuordnen und die Gelenke mit durch die
Motoren angetriebenen Riemen mit geeigneten Kraftübersetzungsverhältnissen
anzutreiben, wie in Control of Dynamic Two-Legged Walking Robots offenbart,
verfaßt von Furusho, Bulletin Nr. 3, Vol. 1 der Japan Robotics Society.
-
Weil nach der oben bekannten Anordnung das Drehmoment der Motoren durch
die Riemen übertragen wird, deren Untersetzungsverhältnis gewöhnlich auf 3
bis 4 begrenzt ist, müssen die Elektromotoren, die zur Drehung mit hoher
Geschwindigkeit ausgestaltet sind, in einem Niederdrehzahlbereich betrieben
werden. Insofern wegen des verfügbaren Untersetzungsverhältnisses das
gewünschte Drehmoment nicht von den Elektromotoren erzeugt werden kann,
muß die Leistungsfähigkeit der Elektromotoren erhöht werden. Demzufolge ist
die vorgeschlagene Roboterstruktur nicht effektiv genug, um die
Trägheitsmomente zu reduzieren. Das von den Gelenken aufzubringende Drehmoment
wird notwendigerweise in einer Höhe festgelegt, die zum Tragen des Gewichts
des Roboters erforderlich ist, wenn der Roboter gerade aufsteht. Die Riemen,
die das Drehmoment zu den Gelenken übertragen, werden somit starken
Kräften ausgesetzt und müssen daher breit und groß genug sein, um den
einwirkenden Kräften zu widerstehen. Mit den breiten und großen Riemen, die
den Hüftgelenken enthalten sind, müssen die Beine so ausgestaltet sein, daß
der Roboter O-beinig geht, um die gegenseitige körperliche Störung zwischen
den Beinen zu vermeiden.
-
Ein weiterer Typ eines Hüftgelenks für einen Roboter ist in der US-A-4579558
dargestellt, die eine Gelenkstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
zeigt, die zumindest zwei Freiheitsgrade hat, von denen einer ein Freiheitsgrad
zur Winkelbewegung eines Beins in Nickrichtung um eine erste Achse einer
Hüftgelenkanordnung ist, die einen Elektromotor zur Winkelbewegung des
Beins in der Nickrichtung aufweist. Die vorliegende Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Elektromotor eine Ausgangswelle aufweist, die mit
der ersten Achse, um die das Bein in der Nickrichtung winkelbeweglich ist,
permanent axial ausgerichtet ist.
-
Der Elektromotor zum Bewegen des Beins in der Nickrichtung hat das höchste
Gewicht, muß ein großes Drehmoment erzeugen und wird am häufigsten
erregt, und der Elektromotor ist angeordnet, um die Trägheitsmassen der
darunterliegenden Komponenten zu reduzieren und auch um die Energiemenge
zu reduzieren, die der Elektromotor zur Betätigung der Komponenten
verbraucht.
-
Die Gelenkstruktur kann ferner einen Drehzahluntersetzer aufweisen, um die
Drehzahl von dem Elektromotor unter Erhöhung dessen Drehmoments zu
reduzieren, und der Drehzahluntersetzer hat eine Eingangswelle, die zu der
Ausgangswelle des Elektromotors koaxial ist. Das Vorsehen eines
Drehzahluntersetzers, dessen Eingangswelle zu der Ausgangswelle des Elektromotors
koaxial ist, macht die Gelenkstruktur kompakt.
-
In einer bevorzugten Ausführung ist der andere Freiheitsgrad ein Freiheitsgrad
zur Winkelbewegung des Beins in einer zu der Nickrichtung normalen
Rollrichtung. Die Gelenkstruktur kann ferner einen zweiten Elektromotor zur
Winkelbewegung des Beins in der Rollrichtung sowie einen zweiten
Drehzahluntersetzer zum Reduzieren der Drehzahl des zweiten Elektromotors unter
Erhöhung dessen Drehmoments aufweisen, und der zweite Drehzahluntersetzer
hat eine Ausgangswelle, die zu einer zweiten Achse, um die das Bein in der
Rollrichtung winkelbeweglich ist, koaxial ist.
-
Die obige Anordnung gestattet eine kompakte Gelenkstruktur zum Erzielen
eines höheren Schwerpunkts und auch zum Vermeiden gegenseitiger
körperlicher Störung zwischen ihren Komponenten.
-
Das Bein kann ein Glied aufweisen, das vertikal unterhalb eines Schnittpunkts
der ersten und zweiten Achsen, um die das Bein winkelbeweglich ist,
angeordnet ist, wobei die Hüftgelenkanordnung ein oberes Element aufweist,
das oberhalb des Glieds angeordnet ist, wobei das Glied relativ zu dem oberen
Element mit zwei Freiheitsgraden drehbar ist, wobei der zweite Elektromotor
an dem oberen Element fest angebracht ist, und die ferner ein Mittel umfaßt,
um die Drehung von einer Ausgangswelle des zweiten Elektromotors zu einer
Eingangswelle des zweiten Drehzahluntersetzers zu übertragen.
-
Die Hüftgelenkanordnung kann ferner ein zweites oberes Element aufweisen,
das vertikal oberhalb des erstgenannten oberen Elements angeordnet ist,
wobei das erstgenannte obere Element relativ zu dem zweiten oberen Element
um eine dritte Achse drehbar ist, die sich für einen dritten Freiheitsgrad vertikal
erstreckt, und die ferner einen dritten Elektromotor zum Drehen des Beins um
die dritte Achse sowie einen dritten Drehzahluntersetzer zum Reduzieren der
Drehzahl des dritten Elektromotors unter Erhöhung dessen Drehmoments
aufweist, wobei der dritte Drehzahluntersetzer eine Ausgangswelle aufweist,
die zu der dritten Achse koaxial ist.
-
Der dritte Elektromotor kann an dem zweiten oberen Element fest angebracht
sein und kann ferner ein Mittel umfassen, um die Drehung von einer
Ausgangswelle des dritten Elektromotors zu einer Eingangswelle des dritten
Drehzahluntersetzers zu übertragen.
-
Der dritte Elektromotor kann in Vorwärtsrichtung des beintragenden
Schreitroboters hinter und nahe an der dritten Achse angeordnet sein.
-
Die obige Konstruktion vermeidet eine gegenseitige körperliche Störung
zwischen den Teilen der Hiiftgelenkanordnung und ermöglicht, daß die
Hüftgelenkanordnung eine freie Stellung hat und mindert Trägheitsmomente
um die Vertikalachse in der Hüftgelenkanordnung.
-
Beispielsweise kann auch eine Gelenkstruktur in einem beintragenden
Schreitroboter vorgesehen sein, die zumindest drei Gelenke aufweist mit einem
ersten Freiheitsgrad zur Winkelbewegung eines Beins in einer Nickrichtung um
eine erste Achse einer Hüftgelenkanordnung, sowie zweiten und dritten
Freiheitsgraden zur Winkelbewegung des Beins in der Nickrichtung um
jeweilige zweite und dritte Achsen, wobei die dritten Gelenke derart
angeordnet sind, daß die ersten, zweiten und dritten Achsen jederzeit ohne
gegenseitige körperliche Störung parallel zueinander bleiben.
-
Die Positionen der Gelenke können in einem orthogonalen Koordinatensystem
jederzeit bestimmt werden, unabhängig von Bewegungen, die gemäß anderen
Freiheitsgraden verursacht sind. Der Weg, dem das Bein in einer
Überführungsphase zu folgen hat, läßt sich leicht berechnen.
-
Beispielsweise kann auch eine Gelenkstruktur in einem beintragenden
Schreitroboter vorgesehen sein, die zwei relativ bewegliche, durch ein Gelenk
miteinander verbundene Glieder aufweist und die einen zu dem Gelenk
koaxialen Drehzahluntersetzer, einen oberhalb des Drehzahluntersetzers
angeordneten Elektromotor zur Betätigung des Gelenks sowie ein Mittel zum
Übertragen der Drehung von dem Elektromotor zu dem Drehzahluntersetzer
aufweist.
-
Mit der obigen Anordnung wird die Trägheitsmasse des beintragenden
Schreitroboters reduziert, und die Höhe seines Schwerpunkts nimmt zu, um die
Zeit zu verlängern, die der beintragende Schreitroboter benötigt, um bei einer
Fehlfunktion umzufallen. Die verlängerte Zeit ergibt eine verlängerte Zeit, in der
der Roboter zum Wiedererlangen seiner gewünschten Stellung zu steuern ist.
-
Eine Ausführung der Erfindung wird nun als Beispiel und anhand der
beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
-
Figur 1 ist eine schematische Teilperspektivansicht eines beintragenden
Schreitroboters, der eine Gelenkstruktur nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung enthält;
-
Figur 2 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht einer Hüftgelenkanordnung
der Gelenkstruktur;
-
Figur 3 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie III-III von Figur 2;
-
Figur 4 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie IV-IV von Figur 2;
-
Figur 5 ist eine Seitenansicht eines Beinabschnitts oder Schenkels unter einem
Kniegelenk eines der in Figur 1 gezeigten Beine; und
-
Figur 6 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie VI-VI von Figur 5.
-
Figur 1 zeigt schematisch einen beintragenden Schreitroboter 1, der im Beispiel
als zweibeiniger Schreitroboter dargestellt ist, der eine Gelenkstruktur nach
einer Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält. Die Gelenkstruktur des
beintragenden Schreitroboters 1 umfaßt zwei Beine, denen jeweils sechs
Anlenkungen oder Gelenke (Achsen) zugeordnet sind. Die Gelenke (Achsen)
jedes Beins umfassen der Reihe nach von oben benannt ein Gelenk (Achse) 10
zum Drehen des Beins, ein Gelenk (Achse) 12 an einem Oberschenkelglied 70
zum Bewegen des Beins in einer Nickrichtung, ein Gelenk (Achse) 14 an dem
Oberschenkelglied 70 zum Bewegen des Beins in einer Rollrichtung, ein Gelenk
(Achse) 16 in dem Knie zum Bewegen eines Unterschenkelglieds 86 in der
Nickrichtung, ein Gelenk (Achse) 18 an dem Fußgelenk zum Bewegen eines
Fußes 22 in der Nickrichtung sowie ein Gelenk (Achse) 20 in dem Fußgelenk
zum Bewegen des Fußes 22 in der Rollrichtung. Der Fuß 22 ist am Unterende
des
Beins angebracht. Der beintragende Schreitroboter 1 umfaßt ferner einen
Körper 24, der an den Oberenden der Beine angebracht ist. Die Gelenke
(Achsen) 10, 12, 14 bilden gemeinsam eine Hüftgelenkanordnung, und die
Gelenke 18, 22 bilden gemeinsam eine Fußgelenkanordnung.
-
An jedem Oberschenkel und am Fußgelenk jedes Beins sind die beiden
Nick- und Rollgelenke orthogonal zueinander angeordnet und haben jeweilige
Achsen, die einander an einem Punkt schneiden. Die Gelenke 12, 16, 18 in der
Hüftgelenkanordnung, dem Kniegelenk bzw. der Fußgelenkanordnung
verlaufen zueinander parallel. Unabhängig von durch andere Freiheitsgrade
verursachte Bewegungen, insbesondere Bewegungen des Gelenks 10 zur
Richtungsänderung des Beins, bleiben die Gelenke 12, 16, 18 zueinander
parallel. In der Hüftgelenkanordnung verlaufen das Gelenk 10 und die
Nick- und Rollgelenke 12, 24 zueinander parallel, so daß die drei Rotationsachsen,
die drei Freiheitsgrade repräsentieren, zueinander orthogonal verlaufen. Jedes
der Beine des beintragenden Schreitroboters 1 nach der dargestellten
Ausführung hat daher sechs Freiheitsgrade. Unabhängig von der Position oder
Stellung des Körpers 24 kann der Fuß 22 in jeder Position, mit jedem Winkel
und in jeder Richtung angeordnet werden.
-
Figuren 2 bis 4 zeigen die Hüftgelenkanordnung im näheren Detail. Der in den
Figuren 2 und 3 gezeigte Körper 24 enthält eine Steuereinheit, die einen
Mikrocomputer zur Bewegungssteuerung des beintragenden Schreitroboters
1 aufweist, sowie eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der
Steuereinheit und der verschiedenen Elektromotoren. Wie in Figur 2 gezeigt,
ist der Körper 24 an einer Beckenplatte angebracht. Die Beine sind
betriebsmäßig mit dem Körper 24 über die Beckenplatte 30 gekoppelt und dienen zum
Bewegen und Tragen des beintragenden Schreitroboters 1. Die Beine, die, wie
in Figur 1 gezeigt, die Hüftgelenkanordnungen enthalten, sind in der Struktur
einander identisch und symmetrisch angeordnet. Daher wird nachfolgend nur
eines der Beine beschrieben, das die Hüftgelenkanordnungen enthält.
-
In Figur 2 trägt die Beckenplatte 30 einen ersten Harmonic (Handelsname)
Drehzahluntersetzer 32 mit einer Eingangswelle 33, an der eine Rolle 34
angebracht ist. Die Rolle wird durch einen Riemen 35 gedreht, der durch einen
ersten Elektromotor 36 betätigt wird, der an der Beckenplatte 30 mit vertikal
erstreckender Ausgangswelle angebracht ist. Die Drehzahl der Eingangswelle
33 des Drehzahluntersetzers 32 wird durch Relativbewegung zwischen einem
flexiblen Ring 38, einem festen Ring 40 und einem Ausgangsring 42 des
Drehzahluntersetzers 32 reduziert. Der feste Ring 40 ist mit der Hüftplatte 30
verbolzt, und der Ausgangsring 42 ist mit einem Ausgangselement 44
verbolzt. In Antwort auf von dem ersten Elektromotor 36 angelegte Drehung
wird das Ausgangselement 44 relativ zu der Hüftplatte 30 um die Gelenkachse
10 gedreht. Weil der erste Elektromotor 36 fest an der Hüftplatte 30
angebracht ist, braucht das Bein nicht das Gewicht des ersten Elektromotors
36 zu tragen. Der erste Elektromotor 36 ist in der Richtung, in der sich der
beintragende Schreitroboter 1 in Vorwärts(Nick-)richtung bewegt, hinter dem
Bein angeordnet, so daß der erste Elektromotor 36 sich nicht mit dem Bein bei
dessen Nickbewegung körperlich stört. Der erste Elektromotor 36 ist ebenfalls
relativ nahe an der Gelenkachse 10 angeordnet, um das Trägheitsmoment um
die Vertikalachse zu reduzieren.
-
Wie in den Figuren 2 bis 4 gezeigt, ist ein erstes Joch 50 mit einer Unterfläche
des Ausgangselements 44 verbolzt. Das erste Joch 50 weist einen hohlen
Oberabschnitt 51 auf, der einen zweiten Elektromotor 52 aufnimmt, dessen
Ausgangswelle horizontal verläuft. Die Drehung des zweiten Elektromotors 52
wird durch einen Riemen 54 zu einem zweiten Harmonic-Drehzahluntersetzer
56 übertragen, der unter dem zweiten Elektromotor 52 in dem ersten Joch 50
gehalten wird. Der zweite Harmonic-Drehzahluntersetzer 56 reduziert die
Geschwindigkeit der einwirkenden Drehung und dreht einen Ausgangsring 58
bei reduzierter Drehzahl mit erhöhtem Drehmoment. Der zweite Harmonic-
Drehzahluntersetzer 56 weist einen festen Ring 60 auf, der an eine untere
linke Seite (beim Betrachten der Figuren 3 und 4) des ersten Jochs 50 gebolzt
ist. Ein Ausgangsring 58 ist durch ein Ausgangselement 62 an einem
Oberende des Oberschenkelglieds 70 befestigt, das unter dem ersten Joch 50
angeordnet ist. Daher wird, wenn der zweite Elektromotor 52 erregt wird, das
Oberschenkelglied 70 relativ zu dem ersten Joch 50 um die Gelenkachse 14
im Winkel bewegt. Das Bein wird daher im Winkel in der Rollrichtung um die
Gelenkachse 14 bewegt, d.h. es macht eine Rollbewegung um die
Gelenkachse 14. Der zweite Harmonic-Drehzahluntersetzer 56 ist hinter dem Bein in
enger Nachbarschaft zu der Gelenkachse 10 angeordnet.
-
Das erste Joch 50 weist eine untere rechte Seite auf, die als Lager dient, das
beim Tragen des Oberendes des Oberschenkelglieds 70 mit dem
Ausgangselement 62 zusammenwirkt. Der zweite Elektromotor 52, der das
Oberschenkelglied 70 betätigt, ist an dem ersten Joch 50 angebracht, jedoch nicht an
dem Oberschenkelglied 70. Daher braucht das Oberschenkelglied 70 das
Gewicht des zweiten Elektromotors 52 nicht tragen. Die von dem zweiten
Elektromotor 52 zu bewegende Trägheitsmasse ist daher relativ klein, und das
von dem zweiten Elektromotor 52 aufzubringende Drehmoment kann klein
sein.
-
Wie in Figur 3 gezeigt, weist das Oberende des Oberschenkelglieds 70 ein
zweites Joch 71 auf, das aus mit seitlichem Abstand angeordneten
Jochelementen zusammengesetzt ist, zwischen denen ein dritter Harmonic-
Drehzahluntersetzer 72 und ein dritter Elektromotor 74 zum Anlegen von
Drehmoment angeordnet und gehalten sind. Der dritte
Harmonic-Drehzahluntersetzer 72 und der dritte Elektromotor 74 fluchten horizontal miteinander.
Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wird die Drehung des dritten
Elektromotors 74 ohne jeden Riemen dazwischen direkt zu dem Drehzahluntersetzer
72 übertragen. Der dritte Harmonic-Drehzahluntersetzer 72 hat einen mit dem
zweiten Ausgangselement 62 gekoppelten festen Ring 76 sowie einen mit dem
zweiten Joch 71 gekoppelten Ausgangsring 78. Daher wird, wenn der dritte
Elektromotor 74 erregt wird, das zweite Joch 71 relativ zu dem
Ausgangselement 62 gedreht, wodurch sich das Oberschenkelglied 70 im Winkel um die
Gelenkachse 12 dreht. Somit wird das Oberschenkelglied 70 in der
Nickrichtung
um die Gelenkachse 12 im Winkel bewegt, d.h. es macht eine
Nickbewegung um die Gelenkachse 12. Der dritte Elektromotor 74, der das
Oberschenkelglied 70 betätigt, ist nicht an dem Oberschenkelglied 70 angebracht,
sondern an dem Ausgangselement 62, d.h. dem ersten Joch 50. Weil das
Oberschenkelglied 70 das Gewicht des dritten Elektromotors 74 nicht zu
tragen braucht, ist demzufolge die Trägheitsmasse des Oberschenkelglieds 70
um das Gewicht des dritten Elektromotors 74 kleiner als es der Fall wäre,
wenn der dritte Elektromotor 74 an dem Oberschenkelglied 70 angebracht
wäre. Infolgedessen läßt sich die Leistungsfähigkeit oder das Gewicht des
dritten Elektromotors 74 reduzieren. Wie in Figur 4 gezeigt, ist der dritte
Harmonic-Drehzahluntersetzer 72 fern von dem anderen Bein an der
Außenseite des Beins angeordnet, um hierdurch eine körperliche Störung mit dem
entsprechenden dritten Harmonic-Drehzahluntersetzer an dem anderen Bein zu
vermeiden. Die Gelenkachsen 10, 12, 14 schneiden einander orthogonal an
einem Punkt A (Figur 3), so daß die Winkelstellungen der Gelenkachsen 10,
12, 14 durch Transformation eines orthogonalen Koordinatensystems
berechnet werden können.
-
Wie in Figur 2 gezeigt, weist das Oberschenkelglied 70 eine Vertiefung 79 auf,
die in einem Oberendabschnitt desselben festgelegt ist und einen vierten
Elektromotor 80 aufnimmt. Die Drehung des vierten Elektromotors 80 wird
durch einen Riemen 82 zu dem Kniegelenk 16 übertragen. Wie in den Figuren
5 und 6 gezeigt, ist der Riemen 82 um die Eingangswelle eines vierten
Harmonic-Drehzahluntersetzers 84 gelegt, der an dem Kniegelenk 16
angebracht ist, in dem zur Gewichtsreduktion ein Hohlraum 85 festgelegt ist.
Der vierte Elektromotor 80 ist so nahe wie möglich am Oberende des
Oberschenkelglieds 70 angeordnet. Daher ist die Trägheitsmasse des
Oberschenkelglieds 70 reduziert, und dessen Schwerpunkt ist in einer relativ
hohen Position angeordnet.
-
Das Kniegelenk 16 und die Fußgelenkanordnung sind betriebsmäßig durch das
Unterschenkelglied 86 miteinander gekoppelt. In einem Oberende des
Unterschenkelglieds 86 ist eine Vertiefung 87 festgelegt, die einen fünften
Elektromotor 88 aufnimmt. Eine Drehung des fünften Elektromotors 88 wird
durch einen Riemen 90 zu einem fünften Harmonic-Drehzahluntersetzer 92
übertragen, der in dem Fußgelenk angebracht ist, um den Fuß 22 in der
Nickrichtung um die Achse 18 im Winkel zu bewegen, d.h. eine Nickbewegung
des Fußes 22 um die Achse 18 zu machen. Der Fuß 22 kann auch um die
Achse 22 in der Rollrichtung im Winkel bewegt werden, und zwar durch einen
sechsten Harmonic-Drehzahluntersetzer 94, der an dem Unterende des
Unterschenkelglieds 86 angebracht ist, sowie einen sechsten Elektromotor 96,
der in dem Unterende des Unterschenkelglieds 86 angeordnet ist, um den
sechsten Harmonic-Drehzahluntersetzer 94 zu betätigen.
-
Der fünfte Elektromotor 88 ist so nahe wie möglich an dem Oberende des
Unterschenkelglieds 86 angeordnet. Somit ist die Trägheitsmasse des
Unterschenkelglieds 86 reduziert, und dessen Schwerpunkt ist in einer relativ
hohen Position angeordnet.
-
Wie oben beschrieben, verlaufen die Nickgelenkachsen 12, 16, 18 parallel
zueinander. Weil das Gelenk 10 über diesen Nickgelenkachsen 12, 16, 18
angeordnet ist, werden die Nickgelenkachsen 12, 16, 18 nicht durch das
Gelenk 10 gestört, und es sind jederzeit Positionsberechnungen in einem
orthogonalen Koordinatensystem möglich, wenn der beintragende
Schreitroboter 1 geht und sich dreht.
-
Nun wird der Betrieb des beintragenden Schreitroboters 1 beschrieben. Wie in
den Figuren 2 bis 6 gezeigt, sind den Elektromotoren 36, 52, 74, 80, 88, 96
jeweilige Drehcodierer 37, 53, 75, 81, 89 zugeordnet (der mit dem sechsten
Elektromotor 96 kombinierte Drehcodierer ist in der Darstellung weggelassen),
welche Winkelverlagerungen der Motorwellen erfassen. Das Fußgelenk hat
einen Sechsachsenkraftsensor (Figuren 5 und 6) zum Messen einer
einwirkenden Belastung etc. Ausgangssignale von den Drehcodierern und dem
Kraftsensor werden der Steuereinheit in dem Körper 24 zugeführt. Die CPU
des Mikrocomputers in der Steuereinheit berechnet gegenwärtige
Winkelstellungen auf Basis der zugeführten Signale, sucht nach Steuerwerten, die in
einem Speicher des Mikrocomputers gespeichert sind, und erregt die
Elektromotoren zur Beseitigung jeglicher Differenzen zwischen den
vorliegenden Winkelstellungen und den Steuerwerten. Ein solcher Steuerprozeß wird im
Detail nicht beschrieben, weil er keinen direkten Bezug auf die vorliegende
Erfindung hat. Die Steuereinheit ist in dem Körper 24 von den Elektromotoren
isoliert untergebracht, so daß die Steuereinheit nicht durch
elektromagnetisches Rauschen, das von den Elektromotoren erzeugt wird, nachteilig
beeinflußt wird.
-
In der dargestellten Ausführung weisen die Stellglieder zur Betätigung der
Beine statt hydraulischer Stellglieder relativ leichte Elektromotoren auf, und das
Nickgelenk zum Durchführen von Nickbewegungen in der
Hüftgelenkanordnung ist sehr nahe an dem Oberschenkelglied angeordnet. Wenn jedes Bein
eine Nickbewegung machen soll, erzeugen die Gewichte der Stellglieder zur
Betätigung der anderen Gelenke (Achsen) keine übermäßige Belastung des
Nickgelenks in der Hüftgelenkanordnung, und daher kann das Stellglied (dritter
Elektromotor 74) zum Durchführen von Nickbewegungen in der
Leistungsfähigkeit oder dem Gewicht reduziert werden. Die drehbaren Wellen des dritten
Harmonic-Drehzahluntersetzers 72 und des dritten Elektromotors 74 fluchten
axial mit der Nickgelenkachse 12, um die das Oberschenkelglied 70
Nickbewegungen macht. Daher sind die Trägheitsmassen des dritten Harmonic-
Drehzahluntersetzers 72 und des dritten Elektromotors 74 vom theoretischen
Standpunkt her minimiert. Wenn die drehbaren Wellen des dritten Harmonic-
Drehzahluntersetzers 72 und des dritten Elektromotors 74 von der
Nickgelenkachse 12 versetzt wären, dann würden ihre Trägheitsmassen proportional zum
Abstand, um den ihre Wellen von der Nickgelenkachse 12 versetzt wären,
zunehmen, weil die tatsächlichen Trägheitsmassen die Summe der inhärenten
Trägheitsmassen des Drehzahluntersetzers 72 und des Motors 74 und des
Quadrats von (deren Massen x der Versatzabstand) betragen würde. Es ist
sehr vernünftig, den Drehzahluntersetzer und den Motor, die Nickbewegungen
machen, die höchsten Gewichte haben und am häufigsten betätigt werden, am
Schnittpunkt der Gelenkachsen 12, 14 anzuordnen, und die anderen
Drehzahluntersetzer und Motoren an anderen Stellen anzuordnen. Das Gelenk
(Rollgelenk) in der Hüftgelenkanordnung, das das zweitgrößte Drehmoment
und eine zweithöchste Geschwindigkeit erfordert, ist unmittelbar nächst dem
Hüftgelenk angeordnet, und das Beindrehgelenk in der Hüftgelenkanordnung,
das ein kleinstes Drehmoment, eine geringste Geschwindigkeit und eine
kleinste Geschwindigkeitsänderung erfordert und das auch am seltensten
verwendet wird, ist an der höchsten Stelle angeordnet. Obwohl alle anderen
Gelenke das höchste Beindrehgelenk belasten, wenn das Bein eine
Drehbewegung machen soll, benötigt das Beindrehgelenk kein signifikant großes
Drehmoment, auch wenn große Trägheitsmassen auf dieses einwirken, weil
die Drehbewegung selbst eine geringere Geschwindigkeit hat als die
Nickbewegung. Die obige Anordnung der Gelenke ist somit vom obigen praktischen
Standpunkt her besonders bevorzugt. Die oben genannte Gelenkauslegung
ergibt auch einen minimalen Energieverbrauch, weil die Zeit, die zum
Durchführen einer Drehbewegung erforderlich ist, kürzer ist als die Zeit, die
zum Durchführen einer Nickbewegung erforderlich ist.
-
Die in der obigen Ausführung dargestellte Hüftgelenkanordnung ist besonders
kompakt, da der zweite Harmonic-Drehzahluntersetzer 56 in Nickrichtung
hinter dem Bein angeordnet ist. Wenn das Oberschenkelglied 70 in
Vorwärtsrichtung schwenkt, wird es durch keinerlei Gegenstände gestört. Demzufolge
ist das Oberschenkelglied 70 in der Nickrichtung in einem weiten Bereich
beweglich, was es dem beintragenden Schreitroboter 1 ermöglicht, eine
geduckte Stellung einzunehmen. Der dritte Harmonic-Drehzahluntersetzer 72
ist an der Außenseite des Beins angeordnet, wodurch verhindert wird, daß die
dritten Harmonic-Drehzahluntersetzer 72 an den zwei Beinen einander
körperlich stören. Infolgedessen ist der Abstand zwischen den zwei Beinen
reduziert. Wenn sich eines der Beine in einer Überführungsphase befindet, wird
das Moment, das schwerkraftbedingt an dem in einer Tragphase befindlichen
anderen Bein zieht, reduziert. Demzufolge wird die Leistungsfähigkeit oder das
Gewicht des zweiten Elektromotors 52 des Rollgelenks reduziert, was auch für
die Trägheitsmasse des Beins gilt.
-
Der erste Elektromotor 56 ist nicht nur hinter dem Bein angeordnet, sondern
auch nahe der vertikalen Mittelachse des beintragenden Schreitroboters 1.
Infolgedessen wird das Trägheitsmoment um die Vertikalachse des
beintragenden Schreitroboters reduziert, wodurch es möglich wird, daß der
beintragende Schreitroboter leichtgängige Bewegungen macht, wenn dieser
gesteuert wird.
-
In der obigen Ausführung sind die Elektromotoren zur Betätigung einiger
Gelenke an Komponenten über den Gelenken angeordnet, und die
Drehzahluntersetzer sind jeweils in diesen Gelenken angeordnet, wobei ihre
Ausgangswellen axial mit den Gelenken fluchten, wobei die Drehzahluntersetzer mit den
Elektromotoren durch Riemen betriebsmäßig gekoppelt sind. Daher sind die auf
die Elektromotoren wirkenden Trägheitsmomente reduziert, ohne das Gewicht
des gesamten Beins wesentlich zu erhöhen, und der Roboter hat einen höheren
Schwerpunkt. Wirkungsvoll ist es, die Elektromotoren an so hohen Stellen wie
möglich anzuordnen, denn, obwohl die Abstände zwischen den Elektromotoren
und den Drehzahluntersetzern groß sind, brauchen die dazwischen
verlaufenden Riemen nur relativ kleine Motordrehmomente übertragen, bevor die
Drehzahl reduziert wird. Weil die Riemen dünn und leicht sein können, addieren
sie kein wesentliches Gewicht zu dem Bein.
-
Die Hüftgelenkanordnung, das Kniegelenk und die Fußgelenkanordnung sind
relativ derart positioniert, daß die Nickgelenkachsen 12, 16, 18 jederzeit
parallel zueinander bleiben. Daher bewegt sich ein Bein in einer
Überführungsphase entlang einem einfachen Weg, der leicht in einer kurzen Zeitperiode
berechnet werden kann, wenn das Bein in irgendeiner bestimmten Position und
Richtung anzuordnen ist, ohne daß sich die Position und Haltung des Körpers
ändert.
-
Die Drehzahluntersetzer sind nicht auf die dargestellten
Harmonic-Drehzahluntersetzer beschränkt, sondern können auch Drehzahluntersetzer mit
Zahnrädern sein.
-
Die Riemen können die hierdurch übertragene Drehzahl reduzieren, brauchen
dies aber nicht.
-
Die Drehcodierer zum Erfassen der Winkelvergerungen der Elektromotoren
können durch Potentiometer oder irgendwelche anderen
Winkelverlagerungswandler ersetzt werden.
-
Die vorliegende Erfindung ist gemäß der Beschreibung in einer
Gelenkbeinstruktur eines zweibeinigen Schreitroboters enthalten. Jedoch sind die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch bei einer Gelenkbeinstruktur für
einen mehrbeinigen Schreitroboter mit drei oder mehr Beinen anwendbar.
-
Es zeigt sich, daß eine Gelenkstruktur für einen beintragenden Schreitroboter
vorgesehen ist, die eine kleine Größe und ein geringes Gewicht hat, wobei als
Stellglieder Elektromotoren verwendet werden, und deren Elektromotoren und
zugeordnete Drehzahl untersetzer geeignet angeordnet sind, um die
Trägheitsmassen bewegender Komponenten von Hüftgelenkanordnungen wirkungsvoll
zu reduzieren.
-
Die Hüftgelenke sind kompakt, um eine körperliche Störung zwischen den
Beinen zu vermeiden und um ferner die auf den Roboter wirkenden
Trägheitsmomente zu reduzieren. Die Gelenkstruktur hat drei jedem Bein zugeordnete
Gelenke, die relativ zueinander geeignet angeordnet sind, um den Weg,
entlang dem sich ein Bein in der Überführungsphase bewegt, leicht berechnen
zu können, vermeidet wirkungsvoll die Nachteile der herkömmlichen
beintragenden Schreitroboter und reduziert die auf den Roboter einwirkenden
Trägheitsmomente und erhöhte die Höhe des Schwerpunkts des Roboters.
-
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungen gezeigt und beschrieben wurden,
versteht es sich, daß viele Änderungen und Modifkationen darin erfolgen
können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.