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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkstruktur für einen Gehroboter mit
Beinen, und insbesondere eine solche Gelenkstruktur für einen Gehroboter mit
Beinen, die Hüftgelenke mit beweglichen Komponenten enthält, deren
Trägheitsmassen reduziert sind, um die zum Antrieb der beweglichen
Komponenten erforderliche Energie wirkungsvoll zu senken.
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Es sind Gehroboter mit einer Mehrzahl von Beinen bekannt, wie etwa
zweibeinige Gehroboter. Eine Bewegungsstudie der beweglichen
Komponenten eines solchen Gehroboters mit Beinen zeigt, dass, während sich
der Körper des Gehroboters mit Beinen mit im Wesentlichen konstanter
Geschwindigkeit bewegt, in jedem Bewegungszyklus die Beine wiederholt
erheblich beschleunigt und verzögert werden. Aktuatoren, die den jeweiligen
Gliedern oder Gelenken des Gehroboters mit Beinen zugeordnet sind, müssen
die Trägheitsmassen der unter diesen Gelenken befindlichen Beinabschnitte
antreiben. Daher müssen diese Gelenke die Beinabschnitte mit großen
Drehmomenten bei hohen Geschwindigkeiten antreiben, was bedeutet, dass
zur Bewegung des Roboters durch die Aktuatoren eine große Energiemenge
verbraucht wird. Jedoch ist der Verbrauch der großen Energiemenge durch
den Roboter nicht bevorzugt, weil dies die Brauchbarkeit des Roboters
reduziert.
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Die Beine eines Gehroboters mit Beinen enthalten Gelenke zur Durchführung
von Bewegungen in Vorwärtsrichtung (nachfolgend als "Nickrichtung"
bezeichnet), in Querrichtung (nachfolgend als "Rollrichtung" bezeichnet) oder
in Rotationsrichtung etc. Die Aktuatoren zum Antrieb der Beinabschnitte in
der Nickrichtung müssen besonders hohe Drehmomente bei hohen
Geschwindigkeiten erzeugen. Der Grund hierfür ist, dass sich die
Beinabschnitte, die in der Nickrichtung bewegbar sind, in einem weiten
Bereich und somit mit großen Beschleunigungen und Verzögerungen
bewegen, sodass sie sich mit großen Drehmomenten bei hohen
Geschwindigkeiten oder hohen Frequenzen bewegen müssen. Im Ergebnis
sind die Gelenke zum Bewegen der Beinabschnitte in der Nickrichtung und die
diesen Gelenken zugeordneten Aktuatormotoren groß und schwer.
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Allgemein hat ein Gehroboter mit Beinen eine vertikale Serie von Gelenken.
Die Verwendung von Aktuatoren, die große Drehmomente bei hohen
Geschwindigkeiten in Kombination mit der vertikalen Serie von Gelenken
erzeugen, erhöht die Trägheitsmassen der Beinabschnitte, die durch die
Aktuatoren in den höheren Positionen angetrieben werden müssen. Daher
müssen die Aktuatoren an den höheren Positionen höhere Leistungen
aufweisen, mit dem Ergebnis, dass das Gesamtgewicht des Gehroboters mit
Beinen zunimmt. Im Zusammenhang mit dem obigen Problem wurde ein
Gehroboter mit Beinen vorgeschlagen, der in jedem seiner Hüftgelenke
einander schneidende Nick- und Rollachsen enthält, wie in den japanischen
Patentoffenlegungsschriften Nr. 62(1987)-97005 und 62(1987)-97006
offenbart. Jedes Hüftgelenk umfasst eine Hydraulikpumpe und einen
Hydraulikaktuator. Obwohl jedoch der Hydraulikaktuator klein und kräftig ist,
verursacht er einen großen Energieumwandlungsverlust, und die
Hydraulikpumpe muss von einem Elektromotor hoher Leistung angetrieben
werden. Eine solche Aktuatoranordnung ist für die Gehroboter mit Beinen
nicht bevorzugt, für den nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung
steht. Jedenfalls besitzt der vorgeschlagene Gehroboter mit Beinen keine
Gelenkstruktur, die zur Reduktion der Trägheitsmassen konstruiert ist.
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Das Abstract des japanischen Patents JP-A-01047686 offenbart eine
Gehmaschine, die mit vier Beinen versehen ist. Die Beine besitzen jeweils eine
Anzahl von Gelenken, die von einem Motor durch ein Untersetzungsgetriebe
angetrieben sind. Der Motor und das Untersetzungsgetriebe sind koaxial zu
dem angetriebenen Gelenk angebracht.
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Die Hüftgelenke eines Gehroboters mit Beinen sind kompliziert, weil sie viele
Freiheitsgrade benötigen. Die mechanischen Komponenten der Beine des
Gehroboters mit Beinen neigen zu gegenseitiger Störung, wenn die Gelenke
angetrieben werden. Um eine körperliche Störung zwischen den
mechanischen Komponenten zu vermeiden, muss der Roboter derart
konstruiert sein, dass die mechanischen Komponenten einen Abstand
voneinander haben, z. B. die Beine um einen großen Abstand voneinander
angeordnet sind. Wenn die Beine einen großen Abstand voneinander haben,
dann wirken, wenn sich eines der Beine in einer Übergangsphase befindet, die
Gewichte des Beines in der Übergangsphase und der Körper des Roboters auf
das andere Bein, das sich in der 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 durch die einwirkenden Gewichte
verursacht wird. Da das einwirkende Moment proportional zum Abstand
zunimmt, um den die Beine voneinander angeordnet sind, müssen die
Elektromotoren zum Antrieb der Gelenke an den Beinen große
Ausgangsleistungen erzeugen, und die von den Motoren anzutreibenden
Trägheitsmassen sind groß, was zu einer erhöhten Energiemenge führt, die
von dem Roboter verbraucht wird. Die mit Abstand angeordneten Beine
erhöhen auch das Trägheitsmoment um die vertikale Achse des
Roboterkörpers. Infolgedessen kann sich der Roboter nicht leicht bewegen.
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Gehroboter mit Beinen haben Füße und Kniegelenke sowie auch Hüftgelenke.
Diese Fuß- und Kniegelenke werden ebenfalls in der Nick- und Rollrichtung
angetrieben. Erwünscht ist, dass der Weg, entlang dem ein Bein in der
Übergangsphase zu bewegen ist, bei der Schrittsteuerung des Roboters leicht
berechnet werden kann. Die jedem Bein zugeordneten drei Gelenke, d. h. die
Fuß-, Knie- und Hüftgelenke, in dem herkömmlichen Gehroboter mit Beinen
sind parallel zueinander angeordnet, was es möglich macht, den
Bewegungsweg in einem orthogonalen Koordinatensystem zu berechnen. Da
eine Gierachse zum Ändern der Bewegungsrichtung des Roboters an jedem
der Oberschenkel des Roboters angeordnet ist, wird jedoch, wenn der
Roboter gedreht wird, die Parallelität der Nickachsen durch eine
Wechselwirkung mit den Gierachsen gestört mit dem Ergebnis, dass die
erforderlichen Berechnungen hochkompliziert werden.
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Die Aktuatoren in einem Gehroboter mit Beinen sind vorteilhaft über den
zugeordneten Gelenken angeordnet, um die auf die unteren Beinabschnitte
einwirkenden Trägheitsmomente zu reduzieren. Mit dieser Konstruktion hat
der Roboter einen hochliegenden Schwerpunkt. Wenn daher auf den Roboter
ein Gravitationszug einwirkt, der den Oberkörper des Roboters dann, wenn
der Roboter gerade aufsteht, überdrehen möchte, ist die Zeit, die der Roboter
benötigt, um als umgekehrtes Pendel zu fallen, lang genug, damit der Roboter
so gesteuert werden kann, dass er seine normale Haltung einnimmt. Aus
diesem Grund wurde vorgeschlagen, Elektromotoren oberhalb zugeordneter
Gelenke anzuordnen und die Gelenke mit durch die Motoren angetriebenen
Riemen mit geeigneten Kraftübersetzungsverhältnissen anzutreiben, wie
offenbart in Control of Dynamic Two-Legged Walking Robots, verfasst von
Furusho, Bulletin Nr. 3, Vol. 1 der Japan Robotics Society.
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Da bei der obigen bekannten Anordnung das Drehmoment der Motoren durch
die Riemen übertragen wird, deren Drehzahluntersetzungsverhältnis
gewöhnlich auf 3 bis 4 beschränkt ist, müssen die Elektromotoren, die zur
Drehung mit hoher Geschwindigkeit ausgelegt sind, im
Niedergeschwindigkeitsbereich erregt werden. Insofern das gewünschte
Drehmoment von den Elektromotoren wegen des verfügbaren
Drehzahluntersetzungsverhältnisses nicht erzeugt werden kann, muss die
Leistung der Elektromotoren erhöht werden. Demzufolge ist die
vorgeschlagene Roboterstruktur nicht wirkungsvoll genug, um die
Trägheitsmomente zu reduzieren. Das von den Gelenken benötigte
Drehmoment wird notwendigerweise auf eine Höhe gesetzt, die erforderlich
ist, um das Gewicht des Roboters zu tragen, wenn der Roboter gerade
aufsteht. Die Riemen, die das Drehmoment auf die Gelenke übertragen,
werden daher starken Kräften ausgesetzt und müssen daher breit und groß
genug sein, um den einwirkenden Kräften zu widerstehen. Mit den breiten
und großen Riemen, die in den Hüftgelenken enthalten sind, müssen die Beine
so konstruiert sein, dass der Roboter breitbeinig geht, um die körperliche
Störung zwischen den Beinen zu vermeiden.
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Nach einem Aspekt wird nach der vorliegenden Erfindung eine Gelenkstruktur
in einem Gehroboter mit Beinen angegeben, die zumindest zwei Freiheitsgrade
aufweist, deren einer ein Freiheitsgrad zur Winkelbewegung eines Beins in
einer Nickrichtung um eine erste Achse einer Hüftgelenkanordnung ist,
umfassend einen Elektromotor zur Winkelbewegung des Beins in der
Nickrichtung, wobei der Elektromotor eine Ausgangswelle aufweist, die axial
mit der ersten Achse fluchtet, um die das Bein in der Nickrichtung
winkelbeweglich ist.
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Der Elektromotor zum Bewegen des Beins in der Nickrichtung hat das größte
Gewicht, muss das größte Drehmoment erzeugen und wird am häufigsten
erregt, und der Elektromotor ist positioniert, um die Trägheitsmassen von
darunter befindlichen Komponenten zu reduzieren und um ferner die
Energiemenge zu reduzieren, die von dem Elektromotor zum Antrieb der
Komponenten zu verbrauchen ist.
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Die Gelenkstruktur kann ferner einen Drehzahluntersetzer enthalten, um die
Drehzahl von dem Elektromotor zu reduzieren, während das Drehmoment
davon erhöht wird, wobei der Drehzahluntersetzer eine Eingangswelle
aufweist, die zur Ausgangswelle des Elektromotors koaxial ist. Das Vorsehen
eines Drehzahluntersetzers, dessen Eingangswelle mit der Ausgangswelle des
Elektromotors koaxial ist, macht die Gelenkstruktur kompakt.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der andere Freiheitsgrad ein Freiheitsgrad
zur Winkelbewegung des Beins in einer zur Nickrichtung normalen
Rollrichtung. Die Gelenkstruktur kann ferner einen zweiten Elektromotor
enthalten, um das Bein in der Rollrichtung im Winkel zu bewegen, sowie einen
zweiten Drehzahluntersetzer zur Reduktion der Drehzahl von dem zweiten
Elektromotor, während das Drehmoment davon erhöht wird, wobei der zweite
Drehzahluntersetzer eine Ausgangswelle aufweist, die zu einer zweiten Achse
koaxial ist, um die das Bein in der Rollrichtung im Winkel beweglich ist.
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Die obige Anordnung erlaubt, dass die kompakte Gelenkstruktur einen
höheren Schwerpunkt hat und ferner, dass eine körperliche Störung zwischen
ihren Komponenten vermieden wird.
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Das Bein kann ein Gelenk enthalten, das vertikal unterhalb eines
Schnittpunkts der ersten und zweiten Achse angeordnet ist, um die das Bein
im Winkel beweglich ist, wobei die Hüftgelenkanordnung ein oberes Element
aufweist, das oberhalb des Gelenks angeordnet ist, wobei das Gelenk in
Bezug auf das obere Element mit den 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 auf eine Eingangswelle des zweiten
Drehzahluntersetzers zu übertragen.
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Die Hüftgelenkanordnung kann ferner ein zweites oberes Element umfassen,
das vertikal oberhalb des erstgenannten oberen Elements angeordnet ist,
wobei das erstgenannte obere Element in Bezug auf das zweite obere Element
um eine dritte Achse drehbar ist, die sich vertikal für einen dritten
Freiheitsgrad erstreckt, die ferner einen dritten Elektromotor umfasst, um das
Bein um die dritte Achse zu drehen, sowie einen dritten Drehzahluntersetzer
zur Reduktion der Drehzahl von dem dritten Elektromotor, während das
Drehmoment davon erhöht wird, wobei der dritte Drehzahluntersetzer eine
Ausgangswelle aufweist, die zur dritten Achse koaxial ist.
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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.
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Der dritte Elektromotor kann, in Vorwärtsrichtung des Gehroboters mit
Beinen, hinter und nahe an der dritten Achse angeordnet sein.
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Die obige Konstruktion vermeidet eine körperliche Störung zwischen den
Teilen der Hüftgelenkanordnung, gestattet, dass die Hüftgelenkanordnung
eine freie Haltung einnimmt und reduziert die Trägheitsmomente um die
vertikale Achse in der Hüftgelenkanordnung.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird auch eine Gelenkstruktur in einem
Gehroboter mit Beinen angegeben, die zumindest drei Gelenke aufweist mit
einem ersten Freiheitsgrad zur Winkelbewegung eines Beins in einer
Nickrichtung um eine erste Achse der Hüftgelenkanordnung sowie zweite und
dritte Freiheitsgrade zur Winkelbewegung des Beins in der Nickrichtung um
jeweilige zweite und dritte Achsen, wobei die drei Gelenke derart angeordnet
sind, dass die ersten, zweiten und dritten Achsen jederzeit parallel zueinander
bleiben, ohne einander körperlich zu stören.
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Die Positionen der Gelenke können jederzeit in einem orthogonalen
Koordinatensystem bestimmt werden, unabhängig von den Bewegungen, die
gemäß den anderen Freiheitsgraden verursacht werden. Der Weg, dem das
Bein in einer Übergangsphase zu folgen hat, kann leicht berechnet werden.
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Ferner wird auch eine Gelenkstruktur in einem Gehroboter mit Beinen
angegeben, die zwei relativ bewegliche Gelenke aufweist, die durch ein
Gelenk miteinander verbunden sind, umfassend einen Drehzahluntersetzer, der
mit dem Gelenk koaxial ist, einen Elektromotor, der oberhalb des
Drehzahluntersetzers angeordnet ist, um das Gelenk anzutreiben, sowie ein
Mittel zur Übertragung der Drehung von dem Elektromotor zu dem
Drehzahluntersetzer.
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Mit der obigen Anordnung wird die Trägheitsmasse des Gehroboters mit
Beinen reduziert, und die Höhe des Schwerpunkts desselben wird angehoben,
um die Zeit zu verlängern, die der Gehroboter mit Beinen benötigt, um bei
einem Fehler umzufallen. Die verlängerte Zeit führt zu mehr Zeit, in der die
Steuerung des Roboters dessen gewünschte Haltung wieder herstellen kann.
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Nun wird eine Ausführung der Erfindung nur als Beispiel und anhand der
beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
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Fig. 1 ist eine schematische Teilperspektivansicht eines Gehroboters
mit Beinen, der eine Gelenkstruktur nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung enthält;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte vertikale Querschnittsansicht einer
Hüftgelenkanordnung der Gelenkstruktur;
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie III-III von Fig. 2;
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie IV-VI von Fig. 2;
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines Beinabschnitts oder Unterschenkels
unter einem Kniegelenk eines der in Fig. 1 gezeigten Beine; und
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Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie VI-VI von Fig. 5.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Gehroboter mit Beinen 1, dargestellt am
Beispiel eines zweibeinigen Gehroboters, der eine Gelenkstruktur nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält. Die Gelenkstruktur des
Gehroboters mit Beinen 1 umfasst zwei Beine, denen jeweils sechs
Gelenkanordnungen oder Gelenke (Achsen) zugeordnet sind. Die Gelenke
(Achsen) in jedem Bein enthalten, in der genannten Reihenfolge von oben her,
ein Gelenk (eine Achse) 10 zum Drehen des Beins, ein Gelenk (eine Achse) 12
an einem Oberschenkelglied 70 zum Bewegen des Beins in einer Nickrichtung,
ein Gelenk (eine Achse) 14 an dem Oberschenkelglied 70 zum Bewegen des
Beins in einer Rollrichtung, ein Gelenk (eine Achse) 16 in einem Knie zum
Bewegen eines Unterschenkelglieds 86 in der Nickrichtung, ein Gelenk (eine
Achse) 18 an dem Knöchel zum Bewegen eines Fußes 22 in der Nickrichtung
sowie ein Gelenk (eine Achse) 20 in dem Knöchel zum Bewegen des Fußes
22 in der Rollrichtung. Der Fuß 22 ist am Unterende des Beins angebracht.
Der Gehroboter mit Beinen 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.
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An jeweils dem Oberschenkel und dem Knöchel eines Beins sind die zwei
Nick- und Rollgelenke zueinander orthogonal angebracht, und ihre jeweiligen
Achsen schneiden einander an einem Punkt. Die Gelenke 12, 16, 18 in der
Hüftgelenkanordnung, dem Kniegelenk und der Fußgelenkanordnung
erstrecken sich jeweils parallel zueinander. Unabhängig von Bewegungen, die
durch andere Freiheitsgrade verursacht werden, insbesondere Bewegungen
des Gelenks 10 zum Ändern der Richtung des Beins, bleiben die Gelenke 12,
16, 18 parallel zueinander. In der Hüftgelenkanordnung erstrecken sich das
Gelenk 10 und die Nick- und Rollgelenke 12, 14 orthogonal zueinander,
sodass die drei Rotationsachsen, die die drei Freiheitsgrade repräsentieren,
zueinander orthogonal verlaufen. Jedes der Beine des Gehroboters mit Beinen
1 nach der dargestellten Ausführung besitzt daher sechs Freiheitsgrade.
Unabhängig von der Position oder der Haltung des Körpers 24 kann der Fuß
22 in jeder Position mit jedem Winkel und in jeder Richtung angeordnet
werden.
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Fig. 2 bis 4 zeigen die Hüftgelenkanordnung in größerem Detail. Der in
den Fig. 2 und 3 gezeigte Körper 24 enthält eine Steuereinheit mit einem
Mikrocomputer zum Steuern/Regeln der Bewegungen des Gehroboters mit
Beinen 1 sowie eine Batterie zur Stromversorgung der Steuereinheit 1 und der
verschiedenen Elektromotoren. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Körper 24 an
einer Hüftplatte 30 angebracht. Die Beine sind mit dem Körper 24 durch die
Hüftplatte 30 betriebsmäßig gekoppelt, und dienen zur Fortbewegung und
Stützung des Gehroboters mit Beinen 1. Die diese Hüftgelenkanordnungen
enthaltenden Beine, wie in Fig. 1 gezeigt, sind strukturell zueinander
identisch und symmetrisch angeordnet. Daher wird nachfolgend nur eines der
die Hüftgelenkanordnungen enthaltenden Beine beschrieben.
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In Fig. 2 trägt die Hüftplatte 30 einen ersten Harmonic (Handelsname)-
Drehzahluntersetzer 32 mit einer Eingangswelle 33, an dem eine
Riemenscheibe 34 angebracht ist. Die Riemenscheibe 34 wird durch einen
Riemen 35 gedreht, der durch einen ersten Elektromotor 36 angetrieben wird,
der an der Hüftplatte 30 mit vertikal erstreckender Ausgangswelle angebracht
ist. Die Drehzahl der Eingangswelle 33 des Drehzahluntersetzers 32 wird
durch eine 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 32
ist mit einem Ausgangselement 44 verbolzt. In Antwort auf die an dem ersten
Elektromotor 36 ausgeübte Drehung dreht sich das Ausgangselement 44 in
Bezug auf die Hüftplatte 30 um die Gelenkachse 10. Da der erste
Elektromotor 36 fest an der Hüftplatte 30 angebracht ist, braucht das Bein
das Gewicht des ersten Elektromotors 36 nicht tragen. Der erste Elektromotor
36 ist in der Richtung, in der sich der Gehroboter mit Beinen in Vorwärts
(Nick-)-Richtung bewegt, hinter dem Bein angeordnet, sodass sich der erste
Elektromotor 36 mit dem Bein in dessen Nickbewegung nicht körperlich stört.
Der erste Elektromotor 36 ist auch relativ nahe an der Gelenkachse 10
angeordnet, um das Trägheitsmoment um die vertikale Achse herum zu
reduzieren.
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Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, ist ein erstes Joch 50 mit einer Unterseite
des Ausgangselements 44 verbolzt. Das erste Joch 50 besitzt einen hohlen
oberen Abschnitt 51, der einen zweiten Elektromotor 52 aufnimmt, dessen
Ausgangswelle sich horizontal erstreckt. Die Drehung von dem zweiten
Elektromotor 52 wird durch einen Riemen 54 auf einen zweiten Harmonic-
Drehzahluntersetzer 56 übertragen, der in dem ersten Joch 50 unter dem
zweiten Elektromotor 52 angebracht ist. Der zweite Harmonic-
Drehzahluntersetzer 56 reduziert die Geschwindigkeit der angelegten Drehung
und dreht einen Ausgangsring 58 mit reduzierter Geschwindigkeit bei
erhöhtem Drehmoment. Der zweite Harmonic-Drehzahluntersetzer 56 besitzt
einen festen Ring 60, der mit einer unteren linken Seite (in Blickrichtung der
Fig. 3 und 4) des ersten Jochs 50 verbolzt ist. Der Ausgangsring 58 ist
durch ein Ausgangselement 62 an einem Oberende des Oberschenkelglieds
70 befestigt, das unter dem ersten Joch 50 angeordnet ist. Wenn der zweite
Elektromotor 52 erregt wird, wird daher das Oberschenkelglied 70 im Winkel
relativ zum ersten Joch 50 um die Gelenkachse 14 bewegt. Das Bein wird
daher in der Rollrichtung um die Gelenkachse 14 im Winkel 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.
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Das erste Joch 50 besitzt eine untere rechte Seite, die als Lager dient, das
mit dem Ausgangselement 62 beim Tragen des oberen Endes des
Oberschenkelglieds 70 zusammenwirkt. Der zweite Elektromotor 52, der das
Oberschenkelglied 70 antreibt, 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 zu tragen. Die durch den
zweiten Elektromotor 52 anzutreibende Trägheitsmasse ist daher relativ klein,
und das von dem zweiten Elektromotor 52 zu erzeugende Drehmoment kann
klein sein.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzt das Oberende des Oberschenkelglieds 70 ein
zweites Joch 71, das aus seitlich beabstandeten Jochelementen
zusammengesetzt ist, zwischen denen ein dritter Harmonic-
Drehzahluntersetzer 72 und ein dritter Elektromotor 74 zum Anlegen eines
Drehmoments an diesen angeordnet und befestigt sind. Der dritte Harmonic-
Drehzahluntersetzer 72 und der dritte Elektromotor 74 fluchten horizontal
zueinander. Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wird die Drehung von dem
dritten Elektromotor 74 auf den Drehzahluntersetzer 72 ohne jeden Riemen
dazwischen direkt übertragen. Der dritte Harmonic-Drehzahluntersetzer 72
besitzt einen festen Ring 76, der mit dem zweiten Ausgangselement 62
gekoppelt ist, und einen Ausgangsring 78, der mit dem zweiten Joch 71
gekoppelt ist. Wenn der dritte Elektromotor 74 erregt wird, wird daher das
Joch 71 relativ zu dem Ausgangselement 62 verdreht, wodurch sich das
Oberschenkelglied 70 um die Gelenkachse 12 im Winkel bewegt. 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 antreibt, ist nicht an
dem Oberschenkelglied 70 angebracht, sondern an dem Ausgangselement 62,
d. h. dem ersten Joch 50. Da das Oberschenkelglied 70 das Gewicht des
dritten Elektromotors 74 nicht zu tragen braucht, ist daher die Trägheitsmasse
des Oberschenkelglieds 70 um das Gewicht des dritten Elektromotors kleiner
als es der Fall wäre, wenn der dritte Elektromotor 74 an dem
Oberschenkelglied 70 angebracht wäre. Im Ergebnis kann die Leistung oder
das Gewicht des dritten Elektromotors 74 reduziert werden. Wie in Fig. 4
gezeigt, ist der dritte Harmonic-Drehzahluntersetzer 72 an einer Außenseite
des Beins von dem anderen Bein entfernt angeordnet, um eine körperliche
Störung mit dem entsprechenden dritten Harmonic-Drehzahluntersetzer in
dem anderen Bein zu vermeiden. Die Gelenkachsen 10, 12, 14 schneiden
einander orthogonal an einem Punkt A (Fig. 3), sodass die Winkelpositionen
der Gelenkachsen 10, 12, 14 durch Transformation eines orthogonalen
Koordinatensystems berechnet werden können.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, besitzt das Oberschenkelglied 70 eine Vertiefung 79,
die in einem oberen Endabschnitt desselben definiert ist und einen vierten
Elektromotor 80 aufnimmt. Die Drehung von dem vierten Elektromotor 80
wird durch einen Riemen 82 auf das Kniegelenk 16 übertragen. Wie in den
Fig. 5 und 6 gezeigt, ist der Riemen 82 um die Eingangswelle eines
vierten Harmonic-Drehzahluntersetzers 84 herumgelegt, der in dem
Kniegelenk 16 angebracht ist, in dem zur Gewichtsreduktion ein Hohlraum 85
definiert ist. Der vierte Elektromotor 80 ist so nahe an dem Oberende des
Oberschenkelglieds 70 wie möglich angeordnet. Daher wird die
Trägheitsmasse des Oberschenkelglieds 70 reduziert, und dessen
Schwerpunkt wird in einer relativ hohen Position angeordnet.
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Das Kniegelenk 16 und die Fußgelenkanordnung sind durch das
Unterschenkelglied 86 betriebsmäßig miteinander gekoppelt. Das
Unterschenkelglied 86 besitzt eine Vertiefung 87, die in einem Oberende
desselben definiert ist und einen fünften Elektromotor 88 aufnimmt. Die
Drehung von dem fünften Elektromotor 88 wird durch einen Riemen auf einen
fünften Harmonic-Drehzahluntersetzer 92 übertragen, der in dem
Knöchelgelenk angebracht ist, um den Fuß 22 in der Nickrichtung um die
Achse 18 herum im Winkel zu bewegen, d. h. um eine Nickbewegung des
Fußes 22 um die Achse 18 herum zu machen. Der Fuß 22 kann auch um die
Achse 22 in der Rollrichtung durch einen sechsten Harmonic-
Drehzahluntersetzer 94 im Winkel bewegt werden, der am 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 anzutreiben.
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Der fünfte Elektromotor 88 ist so nahe an dem Oberende des
Unterschenkelglieds 86 wie möglich angeordnet. Somit wird die
Trägheitsmasse des Unterschenkelglieds 86 reduziert, und sein Schwerpunkt
wird in einer relativ hohen Position angeordnet.
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Wie oben beschrieben, erstrecken sich die Nickgelenkachsen 12, 16, 18
zueinander parallel. Da das Gelenk 10 über diesen drei Nickgelenkachsen 12,
16, 18 angeordnet ist, werden die Nickgelenkachsen 12, 16, 18 durch das
Gelenk 10 nicht gestört, Positionsberechnungen in einem orthogonalen
Koordinatensystem sind jederzeit erlaubt, wenn der Gehroboter mit Beinen 1
geht und wenn er dreht.
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Nachfolgend wird nun der Betrieb des Gehroboters mit Beinen 1 beschrieben.
Wie in den Fig. 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 kombinerte Drehcodierer ist aus der Darstellung
weggelassen), die die Winkelverlagerungen der Motorwellen erfassen. Das
Knöchelgelenk besitzt einen sechsachsigen Kraftsensor (Fig. 5 und 6), um
eine einwirkende Last etc. zu messen. Ausgangssignale von den
Drehcodierern und dem Kraftsensor werden der Steuereinheit in dem Körper
24 zugeführt. Die CPU des Mikrocomputers in der Steuereinheit berechnet die
gegenwärtigen Winkelpositionen auf der Basis der zugeführten Signale, sucht
nach Regelgrößen, die in einem Speicher des Mikrocomputers gespeichert
sind, und erregt die Elektromotoren, um etwaige Differenzen zwischen den
gegenwärtigen Winkelpositionen und den Regelgrößen zu beseitigen. Dieser
Steuer- bzw. Regelprozess wird im Detail nicht beschrieben, da er sich nicht
direkt auf die vorliegende Erfindung bezieht. Die Steuereinheit ist in dem
Körper 24 in isolierter Beziehung zu den Elektromotoren untergebracht,
sodass die Steuereinheit durch das von den Elektromotoren erzeugte
elektromagnetische Rauschen nicht nachteilig beeinflusst wird.
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In der dargestellten Ausführung umfassen die Aktuatoren zum Antrieb der
Beine anstatt Hydraulikaktuatoren relativ leichte Elektromotoren, und das
Nickgelenk zur Durchführung von Nickbewegungen in der
Hüftgelenkanordnung ist nächst dem Oberschenkelglied angeordnet. Wenn ein
jeweiliges Bein eine Nickbewegung durchführen soll, üben die Gewichte der
Aktuatoren zum Antrieb der anderen Gelenke (Achsen) keine übermäßige Last
auf das Nickgelenk in der Hüftgelenkanordnung aus, und daher kann der
Aktuator (der dritte Elektromotor 74) zur Durchführung von Nickbewegungen
in Leistung oder Gewicht reduziert werden. Die Drehwellen des dritten
Harmonic-Drehzahluntersetzers 72 und des dritten Elektromotors 74 sind axial
zu den Nickgelenkachsen 12 ausgerichtet, um die das Oberschenkelglied 17
Nickbewegungen durchführt. Daher sind die Trägheitsmassen des dritten
Harmonic-Drehzahluntersetzers 72 und des dritten Elektromotors 74 vom
theoretischen Standpunkt her minimiert. Wenn die Drehwellen des dritten
Harmonic-Drehzahluntersetzers 72 und des dritten Elektromotors 74 von der
Nickgelenkachse 12 versetzt wären, dann würden ihre Trägheitsmassen
proportional zu dem Abstand größer, um die ihre Wellen von den
Nickgelenkachsen 12 versetzt wären, da die tatsächlichen Trägheitsmassen
die Summe der eigenen Trägheitsmasse des Drehzahluntersetzers 72 und des
Motors 74 und des Quadrats von (ihre Massen x dem Versatzabstand) wäre.
Am vernünftigsten ist es, den Drehzahluntersetzer und den Motor, die die
Nickbewegungen durchführen, die größten Gewichte aufweisen und am
häufigsten erregt werden, am Schnittpunkt der Gelenkachsen 12, 14
anzuordnen und die anderen Drehzahluntersetzer und Motoren an anderen
Stellen anzuordnen. Das Gelenk (das Rollgelenk) in der Hüftgelenkanordnung,
das das zweitgrößte Drehmoment und die zweithöchste Geschwindigkeit
erfordert, ist unmittelbar nächst dem Nickgelenk angeordnet, und das
Beindrehgelenk in der Hüftgelenkanordnung, das das kleinste Drehmoment,
die niedrigste Geschwindigkeit und die kleinste Geschwindigkeitsänderung
benötigt, und das auch am wenigsten häufig benutzt wird, ist an der
höchsten Stelle angeordnet. Obwohl alle diese anderen Gelenke eine Last auf
das höchste Beindrehgelenk ausüben, wenn das Bein eine Drehbewegung
durchführen soll, ist, da die Drehbewegung selbst eine langsamere
Geschwindigkeit hat als die Nickbewegung, kein signifikant großes
Drehmoment an dem Beindrehgelenk erforderlich, auch wenn große
Trägheitsmassen auf es einwirken. Vom obigen praktischen Standpunkt her
ist die obige Anordnung der Gelenke somit am meisten bevorzugt. Die obige
Gelenkauslegung dient auch zur Minimierung des Energieverbrauchs, weil die
Zeit, die zur Durchführung einer Drehbewegung erforderlich ist, kürzer ist als
die Zeit, die zur Durchführung einer Nickbewegung erforderlich ist.
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Die in der obigen Ausführung dargestellte Hüftgelenkanordnung ist mit dem
zweiten Harmonic-Drehzahluntersetzer 56 besonders kompakt, der in der
Nickrichtung hinter dem Bein angeordnet ist. Wenn das Oberschenkelglied 70
in der Vorwärtsrichtung schwingt, wird es durch keinerlei Gegenstände
gestört. Demzufolge ist das Oberschenkelglied 70 in einem breiten Bereich in
der Nickrichtung beweglich, was es erlaubt, dass der Gehroboter mit Beinen
1 eine Kauerstellung einnimmt. Der dritte Harmonic-Drehzahluntersetzer 72 ist
an der Außenseite des Beins angeordnet, sodass die dritten Harmonic-
Drehzahluntersetzer 72 an den zwei Beinen daran gehindert werden, einander
körperlich zu stören. Im Ergebnis wird der Abstand zwischen den beiden
Beinen verkleinert. Wenn sich eines der Beine in einer Übergangsphase
befindet, wird das Moment, das auf das andere Bein in einer Stützphase unter
Gravitationszug einwirkt, reduziert. Demzufolge wird die Leistung oder das
Gewicht des zweiten Elektromotors 52 des Rollgelenks reduziert, und somit
auch die Trägheitsmasse des Beins.
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Der erste Elektromotor 36 ist nicht nur hinter dem Bein angeordnet, sondern
auch nahe der vertikalen Mittelachse des Gehroboters mit Beinen 1.
Infolgedessen wird das Trägheitsmoment um die vertikale Achse des
Gehroboters mit Beinen herum reduziert, um hierdurch eine leichte
Durchführung von Bewegungen des Gehroboters mit Beinen zu erlauben,
wenn er gesteuert wird.
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In der obigen Ausführung sind die Elektromotoren zum Antrieb einiger
Gelenke an über den Gelenken befindlichen Komponenten angeordnet, und die
Drehzahluntersetzer sind jeweils in diesen Gelenken angeordnet, wobei ihre
Ausgangswellen mit den Gelenken axial fluchten, wobei die
Drehzahluntersetzer mit den Elektromotoren durch Riemen betriebsmäßig
gekoppelt sind. Daher werden die an die Elektromotoren angelegten
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 hochgelegenen Stellen wie
möglich anzuordnen, weil, obwohl die Abstände zwischen den Elektromotoren
und den Drehzahluntersetzern groß sind, die sich dazwischen erstreckenden
Riemen nur relativ kleine Motordrehmomente übertragen müssen, bevor die
Drehzahl reduziert wird. Da die Riemen schmal und leicht sein können, fügen
sie kein wesentliches Gewicht zu den Beinen hinzu.
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Die Hüftgelenkanordnung, das Kniegelenk und die Fußgelenkanordnung sind
relativ zueinander derart positioniert, dass die Nickgelenkachsen 12, 16, 1 8
jederzeit parallel zueinander bleiben. Daher bewegt sich ein Bein in einer
Übergangsphase entlang einem einfachen Weg, der in einer kurzen Zeitdauer
leicht berechnet werden kann, wenn das Bein in irgendeiner gewünschten
Position und Richtung angeordnet werden soll, ohne dass die Position und die
Haltung des Körpers geändert wird.
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Die Drehzahluntersetzer sind nicht auf die dargestellten Harmonic-
Drehzahluntersetzer beschränkt, sondern können auch Zahnräder aufweisende
Drehzahluntersetzer sein.
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Die hierdurch übertragene Drehzahl kann durch die Riemen reduziert werden
oder nicht.
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Die Drehcodierer zum Erfassen der Winkelverlagerungen der Elektromotoren
können durch Potentiometer oder irgendwelche anderen Winkelversatzwandler
ersetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde so beschrieben, dass sie in der
Gelenkbeinstruktur eines zweibeinigen Roboters enthalten ist. Jedoch sind die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch bei einer Gelenkbeinstruktur für
einen mehrbeinigen Gehroboter mit drei oder mehr Beinen anwendbar.
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Ersichtlich ist, dass dort eine Gelenkstruktur für einen Gehroboter mit Beinen
angegeben wird, die von der Größe her klein und im Gewicht leicht ist, wobei
als Aktuatoren Elektromotoren verwendet werden, und wobei die
Elektromotoren und die zugeordneten Drehzahluntersetzer in geeigneter Weise
zur wirkungsvollen Minderung der Trägheitsmassen beweglicher
Komponenten von Hüftgelenkanordnungen angeordnet sind.
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Die Hüftgelenke sind kompakt, um eine körperliche Störung zwischen den
Beinen zu vermeiden und um ferner die auf den Roboter einwirkenden
Trägheitsmomente zu reduzieren. Die Gelenkstruktur besitzt drei Gelenke, die
jedem Bein zugeordnet sind, die in geeigneter Weise in Bezug zueinander
angeordnet ist, um den Weg, entlang dem ein Bein sich in einer
Übergangsphase bewegt, leicht zu berechnen, vermeidet wirkungsvoll die
Nachteile herkömmlicher Gehroboter mit Beinen und reduziert die
Trägheitsmomente, die auf den Roboter wirken und hebt die Höhe des
Schwerpunkts des Roboters an.
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Obwohl eine bestimmte bevorzugte Ausführung gezeigt und beschrieben
wurde, versteht es sich, dass darin viele Änderungen und Modifikationen
erfolgen können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.