JP2003266358A - Robot device and revolute joint shaft driving device - Google Patents

Robot device and revolute joint shaft driving device

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JP2003266358A
JP2003266358A JP2002074177A JP2002074177A JP2003266358A JP 2003266358 A JP2003266358 A JP 2003266358A JP 2002074177 A JP2002074177 A JP 2002074177A JP 2002074177 A JP2002074177 A JP 2002074177A JP 2003266358 A JP2003266358 A JP 2003266358A
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joint
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joint shaft
drive
driving
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浩昭 森川
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仁一 山口
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Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain passive drive characteristic while ensuring high active drive characteristic of a revolute joint itself by taking physical interaction with a man into account. <P>SOLUTION: A revolute joint driving mechanism is constituted by connecting an actuator, a low decelerator, and a driving force transmission mechanism in this order to ensure the passive drive property of a revolute joint by the low decelerator. A link used as the driving force transmission mechanism is provided with nonlinear spring characteristic composed of a passive drive region in which it acts at comparatively low elastic constant during a period when driving force is comparatively low, an active drive region in which it acts at comparatively high elastic constant during a period when driving force is comparatively high, and a machine body protection region in which it acts at extremely low elastic constant when driving force exceeds a predetermined threshold. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、脚式ロボットのよ
うに多数の関節自由度を持つロボット装置及び関節軸駆
動装置に係り、特に、各関節の自由度がアクチュエータ
・モータにより構成される多関節型のロボット装置及び
関節軸駆動装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a robot apparatus having a large number of joint degrees of freedom such as a legged robot and a joint axis drive apparatus, and more particularly to a joint apparatus having a plurality of degrees of freedom for each joint constituted by an actuator / motor. The present invention relates to a joint type robot device and a joint axis drive device.

【0002】さらに詳しくは、本発明は、例えば股関節
や足首、肩関節などのように1つの関節において2以上
の回転自由度を持つロボット装置及び関節軸駆動装置に
係り、特に、関節自由度を構成するアクチュエータ・モ
ータの少なくとも一部は関節軸から離間して配置され伝
達機構により関節軸に駆動力が伝達されるロボット装置
及び関節軸駆動装置に関する。
More specifically, the present invention relates to a robot apparatus and a joint axis drive apparatus having two or more rotational degrees of freedom in one joint such as a hip joint, ankle, and shoulder joint. The present invention relates to a robot device and a joint shaft driving device in which at least a part of constituent actuators and motors are arranged apart from a joint shaft and a driving force is transmitted to the joint shaft by a transmission mechanism.

【0003】[0003]

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ROBO
TA(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット(industrial robot)であった。
2. Description of the Related Art A mechanical device that makes a motion similar to a human motion by using an electrical or magnetic action is called a "robot". The origin of the robot is the Slavic word "ROBO".
It is said that it is derived from "TA (slave machine)." In Japan, robots began to be popular since the end of the 1960s, but most of them are automation of production work in factories.
It was an industrial robot such as a manipulator and a transfer robot for the purpose of unmanned operation.

【0004】最近では、イヌやネコのように4足歩行の
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトのような2足直立歩行を行う動物
の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた
「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット(hu
manoid robot)など、脚式移動ロボットに関する研究開
発が進展し、実用化への期待も高まってきている。
Recently, a model of the body mechanism and motion of a pet robot that imitates the body mechanism and motion of a quadruped animal such as a dog or cat, or an animal that walks upright on two legs such as a human. A robot called "humanoid" or "humanoid" designed by
Research and development on legged mobile robots such as manoid robots have progressed, and expectations for their practical application are increasing.

【0005】脚式移動ロボットは、一般に、多数の関節
自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで
実現するようになっている。このようなアクチュエータ
・モータとしては、取扱いが容易で、小型・高トルク
で、しかも応答性に優れているからである。特に、AC
サーボ・モータは、ブラシがなく、メンテナンス・フリ
ーであることから、自ら行動計画を立案して自由歩行を
行う脚式ロボットの関節アクチュエータなどに適用する
ことができる。ACサーボ・モータは、回転子(ロー
タ)側に永久磁石を、固定子(ステータ)側にコイルを
配置して、正弦波磁束分布と正弦波電流により回転子に
対して回転トルクを発生させるようになっている。そし
て、エンコーダや回転センサなどにより各関節モータの
回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行う
ことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、
姿勢制御を行うようになっている。
The legged mobile robot is generally provided with a large number of joint degrees of freedom, and the movement of the joint is realized by an actuator / motor. This is because such an actuator / motor is easy to handle, has a small size, high torque, and is excellent in responsiveness. Especially AC
Since the servo motor does not have a brush and is maintenance-free, it can be applied to joint actuators of legged robots that make their own action plans and walk freely. The AC servo motor has a permanent magnet on the rotor side and a coil on the stator side to generate a rotating torque on the rotor by the sinusoidal magnetic flux distribution and sinusoidal current. It has become. Then, by taking out the rotational position, the rotational amount, etc. of each joint motor with an encoder or a rotation sensor, and performing servo control, a desired operation pattern is reproduced, and
Attitude control is performed.

【0006】通常のロボット構成では、1つの関節自由
度を1つのアクチュエータ・モータで実現する。一方、
犬や猫、熊などの4足歩行の動物、あるいは人間のよう
に2足歩行の動物の動作メカニズムに近似したリアリス
テッィクな脚式ロボットを構成するためには、可能な限
り生体に近似した関節自由度を供えていることが好まし
い。
In a normal robot configuration, one joint degree of freedom is realized by one actuator / motor. on the other hand,
In order to construct a realistic robot that is similar to the motion mechanism of a quadruped animal such as a dog, a cat, or a bear, or a biped animal such as a human, a joint that is as close to a living body as possible is constructed. It is preferable to provide the degree of freedom.

【0007】例えば、足首や股関節、肩関節など、主要
な関節部位において生体モデルはロール軸とピッチ軸な
ど、2軸以上の回転自由度を備えている。このように1
つの関節において2軸以上の自由度を実現するために
は、2以上のアクチュエータ・モータを組み合わせなけ
ればならない。このような場合、少なくとも1つの関節
自由度に関しては、アクチュエータ・モータの回転軸と
関節の回転軸とを一致させることはできるが、それ以外
の関節自由度に関しては、アクチュエータ・モータの回
転軸を現実の関節の回転軸とは離間して配置しなければ
ならない。勿論、1軸自由度のみの関節においても、筐
体内の他の部品との配置すなわちスペース効率のため、
アクチュエータ・モータの回転軸を関節軸から離間する
こともある。このため、モータの駆動力を関節の回転軸
まで伝達するための駆動力伝達機構が必要となる。
For example, the biological model has two or more rotational degrees of freedom such as a roll axis and a pitch axis in main joint parts such as ankles, hip joints, and shoulder joints. 1 like this
In order to realize two or more degrees of freedom in one joint, it is necessary to combine two or more actuator motors. In such a case, the rotation axis of the actuator / motor and the rotation axis of the joint can be made to coincide with each other with respect to at least one joint degree of freedom, but the rotation axis of the actuator / motor can be changed with respect to other joint degrees of freedom. It must be placed away from the actual rotation axis of the joint. Of course, even in a joint having only one axis of freedom, because of the arrangement with other parts in the housing, that is, space efficiency,
The rotary shaft of the actuator / motor may be separated from the joint shaft. For this reason, a driving force transmission mechanism for transmitting the driving force of the motor to the rotary shaft of the joint is required.

【0008】ロボットなどの自動化機械における駆動力
伝達は例えばタイミング・ベルトを使用するのが一般的
である。この場合、関節自由度における能動駆動性を考
慮して、例えばアクチュエータ、ベルト、高減速器の順
で接続して構成される。
For transmission of driving force in an automated machine such as a robot, it is common to use a timing belt, for example. In this case, in consideration of active driveability in the degree of freedom of joint, for example, an actuator, a belt, and a high speed reducer are connected in this order.

【0009】ところが、エンターテインメント系のロボ
ットのように、人間との物理的インタラクションを重視
するタイプのロボットの場合、関節には高い能動駆動性
に加え、駆動系自身の受動的特性を備えていることが好
ましいと思料される。
However, in the case of a robot of a type that emphasizes physical interaction with humans, such as an entertainment robot, the joint must have a high active driveability as well as a passive characteristic of the drive system itself. Is considered preferable.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、各関
節の自由度がアクチュエータ・モータにより構成される
多関節型の優れたロボット装置及び関節軸駆動装置を提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an excellent articulated robot apparatus and articulated shaft drive apparatus in which the degree of freedom of each joint is formed by an actuator / motor.

【0011】本発明のさらなる目的は、例えば股関節や
足首、肩関節などのように1つの関節において2以上の
回転自由度を持つ、優れたロボット装置及び関節軸駆動
装置を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent robot device and joint axis drive device having two or more rotational degrees of freedom in one joint such as a hip joint, ankle or shoulder joint.

【0012】本発明のさらなる目的は、関節自由度を構
成するアクチュエータ・モータの少なくとも一部は関節
軸から離間して配置され伝達機構により関節軸に駆動力
が好適に伝達することができる、優れたロボット装置及
び関節軸駆動装置を提供することにある。
It is a further object of the present invention that at least a part of the actuator / motor that constitutes the degree of freedom of the joint is arranged apart from the joint shaft, and the driving force can be suitably transmitted to the joint shaft by the transmission mechanism. Another object is to provide a robot device and a joint axis drive device.

【0013】本発明のさらなる目的は、関節に対して高
い能動駆動性に加えてより高い受動駆動性能を付与する
ことができる、優れたロボット装置及び関節軸駆動装置
を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus and joint axis driving apparatus which can give a joint a high passive driving performance in addition to a high active driving performance.

【0014】本発明のさらなる目的は、人間との物理的
インタラクションを考慮して、関節本来の高い能動駆動
特性を確保しつつ受動駆動特性を得ることができる、優
れたロボット装置及び関節軸駆動装置を提供することに
ある。
A further object of the present invention is to provide an excellent robot device and a joint axis driving device, which can obtain passive driving characteristics while securing the original high active driving characteristics in consideration of physical interaction with humans. To provide.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
課題を参酌してなされたものであり、複数の関節自由度
を備えたロボット装置であって、少なくとも一部の関節
は、関節軸駆動用アクチュエータと、前記関節軸駆動用
アクチュエータと関節軸とを接続する駆動力伝達部で構
成され、前記駆動力伝達部は、印加される駆動力が比較
的低い期間中において比較的低い弾性定数にて作動する
受動駆動域と、印加される駆動力が比較的高い期間中に
おいて比較的高い弾性定数にて作動する能動駆動域を備
えた非線形ばね特性を有する、ことを特徴とするロボッ
ト装置である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a robot apparatus having a plurality of joint degrees of freedom, in which at least some joints have joint axes. The driving force transmission unit includes a driving actuator and a driving force transmission unit that connects the joint shaft driving actuator and the joint shaft. The driving force transmission unit has a relatively low elastic constant during a period in which the driving force applied is relatively low. A robot apparatus characterized by having a non-linear spring characteristic including a passive drive range that operates at 1 and an active drive range that operates at a relatively high elastic constant during a period when the applied driving force is relatively high. is there.

【0016】ここで言う関節とは、例えば足首や股関
節、肩関節などのように、ロール軸とピッチ軸の組み合
わせなど2軸以上の回転自由度を備えている部位を指
す。1つの関節において2軸以上の自由度を実現するた
めには、2以上のアクチュエータ・モータを組み合わせ
なければならない。このため、少なくとも1つの関節自
由度に関しては、関節アクチュエータの回転軸を現実の
関節の回転軸とは離間して配置しなければならない。こ
のため、アクチュエータの駆動力を関節の回転軸まで伝
達するための駆動力伝達部が必要となる。
The term "joint" as used herein refers to a portion having two or more rotational degrees of freedom, such as a combination of a roll axis and a pitch axis, such as an ankle, a hip joint, and a shoulder joint. In order to realize two or more degrees of freedom in one joint, it is necessary to combine two or more actuator motors. Therefore, with respect to at least one degree of freedom of the joint, the rotation axis of the joint actuator has to be arranged apart from the actual rotation axis of the joint. For this reason, a driving force transmission unit for transmitting the driving force of the actuator to the rotary shaft of the joint is required.

【0017】従来は、関節自由度における能動駆動性を
考慮して、例えばアクチュエータ、ベルト、高減速器の
順で接続して構成されていた。エンターテインメント系
のロボットのように、人間との物理的インタラクション
を重視するタイプのロボットの場合、関節には高い能動
駆動性に加え、駆動系自身の受動的特性が必要となる。
Conventionally, for example, an actuator, a belt, and a high speed reducer are connected in this order in consideration of active driveability in the degree of freedom of joints. In the case of a robot of a type that emphasizes physical interaction with humans, such as an entertainment robot, joints must have high active driveability and passive characteristics of the drive system itself.

【0018】そこで、本発明においては、高減速器の使
用をやめて、その代わりに、アクチュエータ、低減速
器、駆動力伝達機構という順の接続により関節駆動機構
を構成して、低減速器により関節の受動駆動性を確保し
た。
Therefore, in the present invention, the use of the high speed reducer is stopped, and instead, the joint drive mechanism is constructed by connecting the actuator, the reduction speed reducer, and the driving force transmission mechanism in this order, and the joint is realized by the reduction speed reducer. The passive driveability of

【0019】また、駆動力伝達機構としてとしてベルト
を利用した場合、高い能動駆動性能を確保するためにベ
ルトに高い張力を加えなければならない。このような場
合、能動駆動性確保のためには高い精度でベルト張力を
管理する必要があり、また、高いベルト張力に耐えうる
機体剛性を確保しなければならなくなることから、筐体
の肥大化、高重量化、大型化を伴う。
When a belt is used as the driving force transmission mechanism, high tension must be applied to the belt in order to ensure high active driving performance. In such a case, it is necessary to manage the belt tension with high accuracy in order to secure active driveability, and it is necessary to secure the machine rigidity that can withstand high belt tension. It is accompanied by higher weight and larger size.

【0020】そこで、本発明では、駆動力伝達部とし
て、ベルトの使用をやめて、リンク機構を採用した。そ
して、このリンクに対して非線形ばね特性を付与するこ
とにした。
Therefore, in the present invention, the link mechanism is adopted as the driving force transmitting portion without using the belt. And I decided to give a nonlinear spring characteristic to this link.

【0021】ここで言う非線形ばね特性とは、印加され
る駆動力が比較的低い期間中において比較的低い弾性定
数にて作動する受動駆動域と、印加される駆動力が比較
的高い期間中において比較的高い弾性定数にて作動する
能動駆動域という、駆動力に応じてばね特性が切り替わ
ることを意味する。
The term "non-linear spring characteristic" as used herein means that the passive driving region operates with a relatively low elastic constant during a period when the applied driving force is relatively low and the period during which the applied driving force is relatively high. This means that the spring characteristics are switched according to the driving force, which is an active driving range that operates with a relatively high elastic constant.

【0022】受動駆動域は、減速ギアなどで構成される
低減速器のバックラッシュ特性を吸収するために設けら
れる。したがって、受動駆動域から能動駆動域に切り替
わる臨界駆動力は低減速器が持つバックラッシュ特性に
応じて決定することができる。例えば、低減速器がバッ
クラッシュを持たない場合には、受動駆動域を省略する
ことができる。
The passive drive range is provided to absorb the backlash characteristics of the reduction gear reducer including a reduction gear. Therefore, the critical drive force for switching from the passive drive range to the active drive range can be determined according to the backlash characteristic of the reduction speed reducer. For example, if the reducer has no backlash, the passive drive range can be omitted.

【0023】また、この非線形ばね特性を持つ駆動力伝
達機構は、印加される駆動力が所定の閾値を越えたとき
に極めて低い弾性定数で作動する機体保護域をさらに備
えていてもよい。例えばロボットの機体が転倒などによ
り床面に落下したときや、障害物と衝突したときなど
に、極めて高い外力が印加され、駆動力伝達機構がこの
ままアクチュエータに外力を伝えてしまうとハードウェ
アの破壊を招きかねない。そこで、駆動力伝達機構が機
体保護域にて作動して、アクチュエータや関節軸から高
い衝撃力を遮断することにより、機体内部の損傷を防
ぎ、耐久性を向上することができる。
The driving force transmission mechanism having the non-linear spring characteristic may further include a body protection zone that operates with an extremely low elastic constant when the applied driving force exceeds a predetermined threshold value. For example, if the robot body falls to the floor due to a fall, or if it collides with an obstacle, an extremely high external force is applied, and if the driving force transmission mechanism transmits the external force to the actuator as it is, the hardware will be destroyed. May be invited. Therefore, the driving force transmission mechanism operates in the machine body protection area to block high impact force from the actuator and the joint shaft, thereby preventing damage to the inside of the machine body and improving durability.

【0024】前記駆動力伝達部は、例えば、前記関節軸
駆動用アクチュエータ側に連結された第1の接続部と、
前記関節軸側に連結された第2の接続部と、前記第1及
び第2の接続部の間に挿入されて、前記駆動力伝達部に
対して印加された圧縮力又は引張力に応じて所定の弾性
特性により圧縮又は伸張する弾性部と、前記弾性部の圧
縮又は伸張による最大変位量を設定する最大変位量設定
部とで構成することができる。
The driving force transmitting portion is, for example, a first connecting portion connected to the joint shaft driving actuator side,
Depending on a compressive force or a tensile force applied to the driving force transmission part, the insertion part is inserted between the second connection part connected to the joint shaft side and the first and second connection parts. It can be composed of an elastic portion that compresses or expands according to a predetermined elastic characteristic, and a maximum displacement amount setting portion that sets a maximum displacement amount due to compression or expansion of the elastic portion.

【0025】このような場合、前記駆動力伝達部は、印
加される駆動力が比較的低い期間中においては、前記弾
性部の作用により比較的低い弾性定数にて変位して、受
動駆動域を形成することができる。
In such a case, the driving force transmitting section is displaced by the action of the elastic section with a relatively low elastic constant during the period when the applied driving force is relatively low, and the passive driving area is moved. Can be formed.

【0026】また、前記駆動力伝達部は、前記関節軸駆
動用アクチュエータ側に連結された第3の接続部と、前
記関節軸側に連結された第4の接続部と、前記第3及び
第4の接続部の間に挿入されて、前記駆動力伝達部に対
して印加された圧縮力又は引張力に応じて所定の弾性特
性により圧縮又は伸張する第2の弾性部と、圧縮力又は
引張力が所定以上になるまで前記第2の弾性部の変位を
規制する変位規制部とで構成することができる。このよ
うな場合、前記駆動力伝達部は、印加される駆動力が所
定の閾値を越えるまでは変位規制部の作用により前記第
2の弾性部の変位が規制されて、能動駆動域を確保する
ことができる。そして、印加される駆動力が所定の閾値
を越えたときに、変位規制部による規制が解除されて、
前記第2の弾性部の作用により極めて低い弾性定数で作
動して、機体保護域を形成することができる。
Further, the driving force transmitting portion includes a third connecting portion connected to the joint shaft driving actuator side, a fourth connecting portion connected to the joint shaft side, and the third and third connecting portions. And a second elastic portion that is inserted between the connecting portions of 4 and that compresses or expands with a predetermined elastic characteristic according to the compressive force or the tensile force applied to the driving force transmitting portion, and the compressive force or the tensile force. It can be configured with a displacement regulating portion that regulates the displacement of the second elastic portion until the force exceeds a predetermined value. In such a case, the driving force transmitting section secures an active driving range by restricting the displacement of the second elastic section by the action of the displacement restricting section until the applied driving force exceeds a predetermined threshold value. be able to. Then, when the applied driving force exceeds a predetermined threshold value, the restriction by the displacement restriction unit is released,
By the action of the second elastic portion, it can operate with an extremely low elastic constant to form a body protection zone.

【0027】例えば、ロボットの機体が転倒などにより
床面に落下したときや、障害物と衝突したときなどに、
極めて高い外力が印加されるが、前記変位規制部が解除
されて機体保護域にて作動することにより、アクチュエ
ータや関節軸から高い衝撃力を遮断することにより、機
体内部の損傷を防ぎ、耐久性を向上することができる。
For example, when the robot body falls to the floor surface due to a fall or the like, or when it collides with an obstacle,
Although an extremely high external force is applied, the displacement restriction section is released and operates in the machine body protection area, blocking high impact force from the actuator and joint shafts to prevent damage inside the machine body and durability. Can be improved.

【0028】また、前記駆動力伝達部を前記ロボット装
置の機体の外側に配置することにより、機体のZMP位
置がZMP安定領域の略中央に向かうように機体の変形
量又は運動量が生成されるという、安定性の高いZMP
挙動空間を形成することができる。このような場合、例
えば歩行時における機体の姿勢安定制御のための計算機
負荷を軽減することができる。
Further, by disposing the driving force transmitting portion outside the machine body of the robot apparatus, the deformation amount or the momentum of the machine body is generated so that the ZMP position of the machine body is directed to substantially the center of the ZMP stable region. ZMP with high stability
A behavior space can be formed. In such a case, for example, it is possible to reduce the computer load for controlling the posture stability of the body during walking.

【0029】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより
詳細な説明によって明らかになるであろう。
Further objects, features and advantages of the present invention are as follows.
It will be apparent from the embodiments of the present invention described later and the more detailed description based on the accompanying drawings.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について詳解する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0031】図1及び図2には本発明の実施に供される
「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボットが直立し
ている様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示
している。図示の通り、脚式移動ロボットは、胴体部
と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右2足
の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制
御部(図示しない)により機体の動作を統括的にコント
ロールするようになっている。
FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which a "humanoid" or "humanoid" legged mobile robot used in the practice of the present invention is upright, as viewed from the front and the rear respectively. ing. As shown in the figure, the legged mobile robot includes a body, a head, left and right upper limbs, and lower left and right lower limbs that perform legged movement. For example, a control unit built in the body ( (Not shown) controls the operation of the aircraft as a whole.

【0032】左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、
脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体
幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の
上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節
によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されてい
る。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中
央に連結されている。
The left and right lower limbs have a thigh, a knee joint, and
It is composed of a shin, an ankle, and a foot, and is connected by a hip joint at approximately the lowermost end of the trunk. Each of the left and right upper limbs is composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and is connected by shoulder joints at the left and right side edges above the trunk. The head is connected to the center of the uppermost end of the trunk by a neck joint.

【0033】制御部は、この脚式移動ロボットを構成す
る各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ(後述)
などからの外部入力を処理するコントローラ(主制御
部)や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体で
ある。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフ
ェースや通信装置を含んでいてもよい。
The control unit controls the drive of each joint actuator and each sensor (which will be described later) constituting the legged mobile robot.
It is a housing that mounts a controller (main control unit) that processes external input from devices such as a power supply circuit and other peripheral devices. The control unit may also include a communication interface and a communication device for remote operation.

【0034】このように構成された脚式移動ロボット
は、制御部による全身協調的な動作制御により、2足歩
行を実現することができる。かかる2足歩行は、一般
に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り
返すことによって行われる。すなわち、
The legged mobile robot configured as described above can realize bipedal locomotion by the whole-body coordinated motion control by the control unit. Such bipedal walking is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods. That is,

【0035】(1)右脚を持ち上げた、左脚による単脚
支持期 (2)右足が接地した両脚支持期 (3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期 (4)左足が接地した両脚支持期
(1) Single leg support period with left leg with right leg lifted (2) Both legs support period with right foot grounded (3) Single leg support period with right leg lifted with right leg (4) Left leg supported Grounded both legs support period

【0036】脚式移動ロボットにおける歩行制御は、あ
らかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間におい
て計画軌道の修正を行うことによって実現される。すな
わち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計
画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修
正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首
と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修
正軌道を生成する。
Walking control in the legged mobile robot is realized by planning the target trajectory of the lower limb in advance and correcting the planned trajectory in each of the above periods. That is, in the two-leg support period, the correction of the lower limb trajectory is stopped, and the hip height is corrected to a constant value using the total correction amount for the planned trajectory. In the single-leg support period, a corrected trajectory is generated so that the corrected relative positional relationship between the ankle and the waist of the leg is returned to the planned trajectory.

【0037】歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の
姿勢安定制御には、一般に、ZMPに対する偏差を小さ
くするための位置、速度、及び加速度が連続となるよう
に、5次多項式を用いた補間計算により行う。ZMP
(Zero Moment Point)を歩行の安定度判別の規範とし
て用いている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系
から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメント
が路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反
力モーメントとバランスするという「ダランベールの原
理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と
路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)
の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメ
ントがゼロとなる点、すなわち「ZMP(Zero Moment
Point)」が存在する。
In order to control the attitude of the airframe such as the trajectory correction of the walking motion, generally, interpolation using a quintic polynomial is performed so that the position, velocity and acceleration are continuous in order to reduce the deviation with respect to ZMP. It is calculated. ZMP
(Zero Moment Point) is used as a criterion for determining the walking stability. The stability discrimination criterion by ZMP is "Durhamber's principle" that gravity and inertial force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of mechanical reasoning, the supporting polygon formed by the plantar ground contact point and the road surface (ie, ZMP stable region)
On the side of or inside the point where the pitch axis and roll axis moments are zero, that is, "ZMP (Zero Moment
Point) ”exists.

【0038】図3には、この脚式移動ロボットが具備す
る関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すよ
うに、脚式移動ロボットは、2本の腕部と頭部1を含む
上肢と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢
と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複
数の肢を備えた構造体である。
FIG. 3 schematically shows a joint degree of freedom configuration of the legged mobile robot. As shown in the figure, the legged mobile robot is an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb composed of two legs for realizing a moving motion, and a body connecting the upper limb and the lower limb. It is a structure with a plurality of limbs composed of a trunk.

【0039】頭部を支持する首関節(Neck)は、首
関節ヨー軸1と、首関節ピッチ軸2と、首関節ロール軸
3という3自由度を有している。
The neck joint (Neck) that supports the head has three degrees of freedom: a neck joint yaw axis 1, a neck joint pitch axis 2 and a neck joint roll axis 3.

【0040】また、各腕部は、その自由度として、肩
(Shoulder)における肩関節ピッチ軸4と、肩
関節ロール軸5と、上腕ヨー軸6、肘(Elbow)に
おける肘関節ピッチ軸7と、手首(Wrist)におけ
る手首関節ヨー軸8と、手部とで構成される。手部は、
実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体で
ある。
Further, each arm has, as its degree of freedom, a shoulder joint pitch axis 4 at the shoulder (Shoulder), a shoulder joint roll axis 5, an upper arm yaw axis 6, and an elbow joint pitch axis 7 at the elbow (Elbow). , A wrist joint yaw axis 8 in the wrist (Wrist) and a hand portion. The hand is
In reality, it is a multi-joint, multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers.

【0041】また、体幹部(Trunk)は、体幹ピッ
チ軸9と、体幹ロール軸10という2自由度を有する。
The trunk portion (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 9 and a trunk roll axis 10.

【0042】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節(Hip)における股関節ヨー軸11と、股関節ピッ
チ軸12と、股関節ロール軸13と、膝(Knee)に
おける膝関節ピッチ軸14と、足首(Ankle)にお
ける足首関節ピッチ軸15と、足首関節ロール軸16
と、足部とで構成される。
Each leg constituting the lower limb has a hip joint yaw axis 11 in a hip joint (Hip), a hip joint pitch axis 12, a hip joint roll axis 13, and a knee joint pitch axis 14 in a knee (Knee). Ankle joint pitch axis 15 and ankle joint roll axis 16 in the ankle
And a foot part.

【0043】但し、エンターティンメント向けの脚式移
動ロボットが上述したすべての自由度を装備しなければ
ならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもな
い。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、
自由度すなわち関節数を適宜増減することができること
は言うまでもない。
However, the legged mobile robot for entertainment need not be equipped with all the above-mentioned degrees of freedom, or not limited to this. Depending on the design and manufacturing constraints and required specifications,
It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints can be appropriately increased or decreased.

【0044】上述したような脚式移動ロボットが持つ各
自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装され
る。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に
近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して
姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは
小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態では、
ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモー
タ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アク
チュエータを搭載することとした(この種のACサーボ
・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲
渡されている特開2000−299970号公報に開示
されている)。本実施形態では、直結ギアとして低減速
ギアを採用することにより、人間との物理的インタラク
ションを重視するタイプのロボットに求められている駆
動系自身の受動的特性を得ている。
Each degree of freedom of the legged mobile robot as described above is actually implemented by using an actuator. It is preferable that the actuator be small and lightweight in view of demands such as eliminating extra bulges in appearance and approximating the shape of a natural human body, and performing posture control for an unstable structure such as bipedal walking. . In this embodiment,
It was decided to mount a small AC servo actuator of the type directly connected to the gear and incorporating the servo control system into a single chip in the motor unit (for this type of AC servo actuator, for example, the applicant has already transferred it). Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299970). In the present embodiment, by adopting the reduction speed gear as the direct connection gear, the passive characteristic of the drive system itself required for the robot of the type that emphasizes physical interaction with humans is obtained.

【0045】図3からも分かるように、脚式移動ロボッ
トの関節の中には、一箇所で2軸以上の回転自由度を備
えている部位が幾つか存在する。例えば、機体の首はロ
ール、ピッチ、ヨーの3軸回りの関節自由度を備えてい
る。また、肩はロール及びピッチの2軸回りの関節自由
度を備えている。また、胴体部の体幹はロール及びピッ
チの2軸回りの関節自由度を備えている。また、胴体部
と脚部を連結する股関節においては、ピッチ及びヨーの
2軸回りの関節自由度を備えている。また、膝はロール
及びピッチの2軸回りの関節自由度を備えている。ま
た、足首はロール及びピッチの2軸回りの関節自由度を
備えている。
As can be seen from FIG. 3, in the joints of the legged mobile robot, there are several parts having a rotational degree of freedom of two or more axes at one place. For example, the neck of the airframe has joint degrees of freedom around the three axes of roll, pitch, and yaw. In addition, the shoulder has joint degrees of freedom around two axes of roll and pitch. Further, the trunk of the body has a degree of freedom of joint around two axes of roll and pitch. In addition, the hip joint that connects the body portion and the leg portion has joint degrees of freedom around two axes of pitch and yaw. Further, the knee has joint freedom about two axes of roll and pitch. Further, the ankle has joint degrees of freedom around two axes of roll and pitch.

【0046】このような多自由度の関節においては、2
以上のアクチュエータ・モータを組み合わせなければな
らない。このような場合、少なくとも1つの関節自由度
に関しては、アクチュエータ・モータの回転軸と関節の
回転軸とを一致させることはできるが、それ以外の関節
自由度に関しては、アクチュエータ・モータの回転軸を
現実の関節の回転軸とは離間して配置しなければならな
い。勿論、1軸自由度のみの関節においても、筐体内の
他の部品との配置すなわちスペース効率のため、アクチ
ュエータ・モータの回転軸を関節軸から離間することも
ある。このため、モータの駆動力を関節の回転軸まで伝
達するための駆動力伝達機構が必要となる。
In such a multi-degree-of-freedom joint, 2
The above actuators and motors must be combined. In such a case, the rotation axis of the actuator / motor and the rotation axis of the joint can be made to coincide with each other with respect to at least one joint degree of freedom, but the rotation axis of the actuator / motor can be changed with respect to other joint degrees of freedom. It must be placed away from the actual rotation axis of the joint. Of course, even in the case of a joint having only one axis of freedom, the rotary shaft of the actuator / motor may be separated from the joint shaft because of the arrangement with other parts in the housing, that is, space efficiency. For this reason, a driving force transmission mechanism for transmitting the driving force of the motor to the rotary shaft of the joint is required.

【0047】ロボットなどの自動化機械における駆動力
伝達は例えばタイミング・ベルトを使用するのが一般的
である。従来は、関節自由度における能動駆動性を考慮
して、例えばアクチュエータ、ベルト、高減速器の順で
接続して構成されていた。
For transmission of driving force in an automated machine such as a robot, it is common to use a timing belt, for example. Conventionally, in consideration of active driveability in the degree of freedom of joint, for example, an actuator, a belt, and a high speed reducer are connected in this order.

【0048】ところが、エンターテインメント系のロボ
ットのように、人間との物理的インタラクションを重視
するタイプのロボットの場合、関節には高い能動駆動性
に加え、駆動系自身の受動的特性が必要となる。
However, in the case of a robot of a type that emphasizes physical interaction with humans, such as an entertainment robot, the joint must have a high active driveability as well as a passive characteristic of the drive system itself.

【0049】そこで、本発明者らは、まず第一に、アク
チュエータ、低減速器、駆動力伝達機構という順の接続
により関節駆動機構を構成して、低減速器により関節の
受動駆動性を確保した。
Therefore, first of all, the present inventors construct a joint drive mechanism by sequentially connecting an actuator, a reduction speed reducer, and a driving force transmission mechanism, and ensure the passive driveability of the joint by the reduction speed reducer. did.

【0050】この場合、関節自体の高い能動駆動性を併
せて確保しなければならない。もし駆動力伝達機構とし
てベルトを利用した場合、高い能動駆動性能を確保する
ためにベルトに高い張力を加えなければならない。この
ような場合、以下のような問題を招来する。
In this case, high active driveability of the joint itself must be ensured. If a belt is used as the driving force transmission mechanism, high tension must be applied to the belt to ensure high active driving performance. In such a case, the following problems occur.

【0051】(1)能動駆動性確保のためには高い精度
でベルト張力を管理する必要があり、組み立てやメンテ
ナンス作業が困難である。 (2)歩行に必要な剛性に加えて、高いベルト張力に耐
えうる機体剛性を確保する必要があり、この結果、筐体
の肥大化、高重量化、大型化を伴う。また、筐体の経時
的な変化が発生し易くなる。 (3)高駆動力および高ベルト張力に耐えうるベルト幅
が必要となり、機体の駆動力伝達系のスペース効率が低
下する。 (4)ベルトの経時変化(伸び、破損、屈曲疲労など)
のために、耐久性が低い。 (5)ベルト伸縮によるばね特性がある。 (6)ベルトの滑りやバックラッシュが発生する。 (7)高トルクの伝達ができない。
(1) It is necessary to manage the belt tension with high accuracy in order to secure the active driveability, which makes assembly and maintenance work difficult. (2) In addition to the rigidity required for walking, it is necessary to secure the rigidity of the machine body that can withstand a high belt tension, and as a result, the case becomes bulky, heavy and large. In addition, the housing is likely to change with time. (3) A belt width that can withstand high driving force and high belt tension is required, and space efficiency of the driving force transmission system of the machine body is reduced. (4) Change over time of the belt (elongation, breakage, bending fatigue, etc.)
Due to the low durability. (5) It has spring characteristics due to the expansion and contraction of the belt. (6) Belt slippage and backlash occur. (7) High torque cannot be transmitted.

【0052】そこで、本発明者らは、関節本来の能動駆
動性能を確保するために、駆動力伝達機構としてベルト
ではなくリンクを用いるとともに、このリンクに対して
非線形ばね特性を付与することにした。
Therefore, the present inventors decided to use a link instead of a belt as the driving force transmission mechanism and impart a non-linear spring characteristic to this link in order to secure the original active drive performance of the joint. .

【0053】ここで言う非線形ばね特性とは、印加され
る駆動力が比較的低い期間中において比較的低い弾性定
数にて作動する受動駆動域と、印加される駆動力が比較
的高い期間中において比較的高い弾性定数にて作動する
能動駆動域という、駆動力に応じてばね特性が切り替わ
ることを意味する。
The non-linear spring characteristic referred to here is a passive drive range that operates with a relatively low elastic constant during a period when the applied driving force is relatively low, and a period during which the applied driving force is relatively high. This means that the spring characteristics are switched according to the driving force, which is an active driving range that operates with a relatively high elastic constant.

【0054】受動駆動域は、減速ギアなどで構成される
低減速器のバックラッシュ特性を吸収するために設けら
れる。したがって、受動駆動域から能動駆動域に切り替
わる臨界駆動力は低減速器が持つバックラッシュ特性に
応じて決定することができる。例えば、低減速器がバッ
クラッシュを持たない場合には、受動駆動域を省略する
ことができる。
The passive drive area is provided to absorb the backlash characteristics of the reduction gear reducer including a reduction gear. Therefore, the critical drive force for switching from the passive drive range to the active drive range can be determined according to the backlash characteristic of the reduction speed reducer. For example, if the reducer has no backlash, the passive drive range can be omitted.

【0055】また、この非線形ばね特性を持つ駆動力伝
達機構は、印加される駆動力が所定の閾値を越えたとき
に極めて低い弾性定数で作動する機体保護域をさらに有
している。例えばロボットの機体が転倒などにより床面
に落下したときや、障害物と衝突したときなどに、極め
て高い外力が印加され、駆動力伝達機構がこのままアク
チュエータに外力を伝えてしまうとハードウェアの破壊
を招きかねない。本実施形態では、このような場合、駆
動力伝達機構は機体保護域にて作動することにより、ア
クチュエータに高い衝撃力を伝えることがないので、機
体内部の損傷を防ぎ、耐久性を向上することができる。
The driving force transmission mechanism having the non-linear spring characteristic further has a body protection zone which operates with an extremely low elastic constant when the applied driving force exceeds a predetermined threshold value. For example, if the robot body falls to the floor due to a fall, or if it collides with an obstacle, an extremely high external force is applied, and if the driving force transmission mechanism transmits the external force to the actuator as it is, the hardware will be destroyed. May be invited. In this embodiment, in such a case, the driving force transmission mechanism operates in the machine body protection area, and thus does not transmit a high impact force to the actuator, so that damage to the inside of the machine body is prevented and durability is improved. You can

【0056】また、人やイヌ、クマなどの生体をモデル
にしたロボットの場合、機体は生体メカニズムに合わせ
て左右均等となるように構成される。このような場合、
加工誤差や組立て誤差により機体の左右で不均一が生じ
ると、静的な状態でも駆動系に対して余分なトルクが発
生してしまい、機体の姿勢安定制御に重大な影響するこ
とがある。例えば、駆動力伝達のためにベルトを用いた
場合、左右でベルトの張力が相違するため張力管理が複
雑になる。これに対し、本実施形態に係る駆動力伝達機
構によれば、受動駆動域によりこのような不均一性を自
然に吸収することができる。
In the case of a robot modeled on a living body such as a human being, a dog, or a bear, the machine body is configured so as to be left-right uniform according to the biological mechanism. In such cases,
If unevenness occurs on the left and right sides of the machine due to processing errors and assembly errors, extra torque is generated in the drive system even in a static state, which may seriously affect the attitude stability control of the machine. For example, when a belt is used for transmitting the driving force, the tension of the belt is different between the left and the right, which makes the tension management complicated. On the other hand, according to the driving force transmission mechanism of the present embodiment, such non-uniformity can be naturally absorbed by the passive driving area.

【0057】また、本実施形態に係る駆動力伝達機構を
用いると、機体保護領域によりアクチュエータが過度の
負荷から保護されることから、関節の可動角を拡大させ
ることができる。
Further, when the driving force transmission mechanism according to this embodiment is used, since the actuator is protected from the excessive load by the body protection region, the movable angle of the joint can be expanded.

【0058】また、このような駆動力伝達機構を、脚式
移動ロボットの機体の外側に配置することにより、機体
のZMP位置がZMP安定領域の略中央に向かうように
機体の変形量又は運動量が生成されるような安定性の高
いZMP挙動空間を形成することができる。このような
場合、例えば歩行時における機体の姿勢安定制御のため
の計算機負荷を軽減することができる。
Further, by disposing such a driving force transmission mechanism outside the body of the legged mobile robot, the deformation amount or the momentum of the body is adjusted so that the ZMP position of the body moves toward the approximate center of the ZMP stable region. It is possible to form a highly stable ZMP behavior space as generated. In such a case, for example, it is possible to reduce the computer load for controlling the posture stability of the body during walking.

【0059】図4〜図6には、本実施形態に係る駆動力
伝達機構の非線形ばね特性の構成例を示している。
4 to 6 show configuration examples of the non-linear spring characteristic of the driving force transmission mechanism according to this embodiment.

【0060】各図に示すように、駆動力伝達機構は、印
加される駆動力が比較的低い期間中において比較的低い
弾性定数にて作動する受動駆動域と、印加される駆動力
が比較的高い期間中において比較的高い弾性定数にて作
動する能動駆動域、さらに、印加される駆動力が所定の
閾値を越えたときに極めて低い弾性定数で作動する機体
保護域を備えている。
As shown in the respective drawings, the driving force transmission mechanism has a passive driving area which operates with a relatively low elastic constant during a period when the driving force applied is relatively low, and a driving force applied relatively. It has an active drive region that operates with a relatively high elastic constant during a high period, and an airframe protection region that operates with an extremely low elastic constant when the applied driving force exceeds a predetermined threshold value.

【0061】図4には、アクチュエータ、低減速器、駆
動力伝達機構という順の接続により関節駆動機構を構成
した場合における、駆動力伝達機構の理想的な非線形ば
ね特性を示している。
FIG. 4 shows an ideal non-linear spring characteristic of the driving force transmission mechanism in the case where the joint driving mechanism is configured by connecting the actuator, the speed reducer, and the driving force transmission mechanism in this order.

【0062】この場合、受動駆動域では、駆動力伝達機
構は、低いばね弾性定数にて略線形的に作動して、低減
速器が持つギアのバックラッシュを吸収する。そして、
アクチュエータがバックラッシュ分だけ駆動すると、能
動駆動域に到達して、ばね弾性定数が限りなく高くな
り、すなわち剛体として作動して、減速されたアクチュ
エータの駆動をほぼそのまま関節軸に伝達する。さらに
印加される力が所定の限界値に到達すると、駆動力伝達
機構は、機体保護域に遷移してばね弾性定数がほぼゼロ
となり駆動力をまったく伝達しなくなる。例えば、転倒
などの機体の落下、あるいは障害物との衝突により、駆
動力伝達機構に過度の外力が印加されても、駆動力伝達
機構はこれをまったく伝播しない。したがって、その一
端に接続されている関節軸駆動アクチュエータや、他端
に接続されている関節軸は外力から遮られるので損傷を
免れることができる。
In this case, in the passive drive range, the drive force transmission mechanism operates substantially linearly with a low spring elastic constant to absorb the gear backlash of the reduction speed reducer. And
When the actuator is driven by the amount of backlash, it reaches the active driving range, the spring elastic constant becomes infinitely high, that is, it operates as a rigid body, and the decelerated drive of the actuator is transmitted to the joint shaft as it is. When the applied force reaches a predetermined limit value, the driving force transmission mechanism transits to the body protection zone, the spring elastic constant becomes almost zero, and the driving force is not transmitted at all. For example, even if an excessive external force is applied to the driving force transmission mechanism due to a fall of the vehicle body such as a fall or collision with an obstacle, the driving force transmission mechanism does not propagate the external force at all. Therefore, the joint shaft drive actuator connected to one end of the joint shaft and the joint shaft connected to the other end are shielded from the external force, so that damage can be avoided.

【0063】図4に示すように、受動駆動域、能動駆動
域、機体保護域において、駆動力伝達機構にそれぞれ線
形的なばね弾性定数を与え、全体として非線形ばね弾性
を形成することは、機構学的には理想であるが、各領域
間の接続点においてばね弾性定数が不連続的に変化する
ので、機体の姿勢安定制御システムがこの機構システム
における不連続性に適応的に追従することが困難とな
る。例えば、ばね男性定数の不連続な変化により制御信
号の振動成分が発生して、制御の安定動作に悪影響を及
ぼしかねない。そこで、図5に示す例では、このような
姿勢制御系の安定動作を考慮して、各領域間の接続点に
おいて、駆動力伝達機構のばね弾性定数を連続的に滑ら
かに変化させるようにした。これは、制御系の安定動作
を考慮した、駆動力伝達機構の理想的な非線形ばね特性
と言える。
As shown in FIG. 4, in the passive drive range, the active drive range, and the airframe protection range, linear spring elastic constants are given to the driving force transmission mechanisms, respectively, to form nonlinear spring elasticity as a whole. Although it is ideal from a theoretical point of view, since the spring elastic constant changes discontinuously at the connection point between each region, it is possible that the attitude stability control system of the airframe adaptively follows the discontinuity in this mechanical system. It will be difficult. For example, a discontinuous change in the spring male constant may generate a vibration component of the control signal, which may adversely affect the stable operation of the control. Therefore, in the example shown in FIG. 5, in consideration of such stable operation of the attitude control system, the spring elastic constant of the driving force transmission mechanism is continuously and smoothly changed at the connection point between the regions. . It can be said that this is an ideal nonlinear spring characteristic of the driving force transmission mechanism in consideration of the stable operation of the control system.

【0064】しかしながら、コイルばねや板ばねなどの
機械ばねを用いてばね特性を得ることから、図4や図5
に示すような理想的な非線形的なばね特性を自在に製作
することは物理的に困難である。このため、実際には、
図6に示すような具合となる。
However, since mechanical characteristics such as coil springs and leaf springs are used to obtain the spring characteristics, the characteristics shown in FIGS.
It is physically difficult to freely manufacture an ideal non-linear spring characteristic as shown in (1). Therefore, in practice,
The condition is as shown in FIG.

【0065】次いで、図1〜図3に示した脚式移動ロボ
ットの脚部を例にとって、本発明に係る駆動力伝達機構
の具体的な実装形態について説明する。
Next, with reference to the legs of the legged mobile robot shown in FIGS. 1 to 3, a specific mounting form of the driving force transmission mechanism according to the present invention will be described.

【0066】図7には、脚式移動ロボットの脚部構造を
図解している。また、図8及び図9には、この脚部を正
面及び側面から眺めた様子をそれぞれ示している。
FIG. 7 illustrates the leg structure of the legged mobile robot. 8 and 9 show the legs viewed from the front and the side, respectively.

【0067】既に述べたように、脚部は、股関節におけ
る股関節ヨー軸11と、股関節ピッチ軸12と、股関節
ロール軸13と、膝における膝関節ピッチ軸14と、足
首における足首関節ピッチ軸15と、足首関節ロール軸
16と、足部とで構成される。
As described above, the leg has the hip joint yaw axis 11, hip joint pitch axis 12, hip joint roll axis 13, knee joint pitch axis 14 and ankle ankle joint pitch axis 15 in the hip joint. , The ankle joint roll shaft 16 and the foot portion.

【0068】図7に示す例では、股関節ロール軸駆動用
モータ121は、その出力軸が股関節ロール軸13に一
致するように配設されている。
In the example shown in FIG. 7, the hip joint roll shaft drive motor 121 is arranged so that its output shaft coincides with the hip joint roll shaft 13.

【0069】また、股関節ピッチ軸駆動用モータ122
は、股関節ロール軸駆動用モータ121との筐体同士の
干渉により、その出力軸が股関節ピッチ軸12に一致す
る場所に配置することはできない。図示の例では、回転
リンク103を股関節ピッチ軸12に取り付ける一方、
回転リンク104を股関節ピッチ軸駆動用モータ122
の出力軸102に取り付けている。
Further, the hip joint pitch axis drive motor 122
Cannot be arranged at a position where its output shaft coincides with the hip joint pitch axis 12 due to interference between the hip joint roll shaft driving motor 121 and the housings. In the illustrated example, while the rotary link 103 is attached to the hip joint pitch shaft 12,
The rotary link 104 is connected to the hip joint pitch axis driving motor 122.
It is attached to the output shaft 102 of.

【0070】股関節ロール軸駆動用モータ121及び股
関節ピッチ軸駆動用モータ122は、ギア直結型のモー
タ・ユニットであり、内蔵式の低減速ギア(図示しな
い)が出力軸に取り付けられている。低減速ギアを使用
することにより、人間との物理的インタラクションを重
視するタイプのロボットに求められている駆動系自身の
受動的特性が付与されている。
The hip joint roll shaft drive motor 121 and the hip joint pitch shaft drive motor 122 are motor units of a direct gear type, and a built-in reduction speed gear (not shown) is attached to the output shaft. By using the low reduction gear, the passive characteristic of the drive system itself, which is required for the type of robot that emphasizes physical interaction with humans, is added.

【0071】そして、これら一対の回転リンク103と
104の間は、四節平行リンク機構105及び106に
よって連結されており、股関節ピッチ軸12と股関節ピ
ッチ軸駆動用モータ122の出力軸102は、一対の回
転リンク103及び104の回転に伴い、左右のリンク
105及び106を上下方向に作動させる。図10〜図
12には、この四節平行リンク機構についての正面図、
側面図、並びに謝し図をそれぞれ示している。
The pair of rotary links 103 and 104 are connected by four-joint parallel link mechanisms 105 and 106, and the output shaft 102 of the hip joint pitch shaft 12 and the hip joint pitch shaft driving motor 122 is paired. With the rotation of the rotary links 103 and 104, the left and right links 105 and 106 are operated in the vertical direction. 10 to 12 are front views of the four-bar parallel link mechanism,
A side view and an apology are shown respectively.

【0072】このような四節平行リンク機構の作用によ
り、股関節ピッチ軸駆動用モータ122の出力軸102
が定量回転するのに伴い、股関節ピッチ軸12もこれに
応じた角度だけ回転する。本実施形態では、平行リンク
機構であることから、股関節ピッチ軸12と股関節ピッ
チ軸駆動用モータ122の出力軸102は、同一角度だ
け回転することになる。
By the action of such a four-bar parallel link mechanism, the output shaft 102 of the hip joint pitch axis drive motor 122 is
Is rotated by a fixed amount, the hip joint pitch shaft 12 is also rotated by an angle corresponding thereto. In the present embodiment, since the parallel link mechanism is used, the hip joint pitch shaft 12 and the output shaft 102 of the hip joint pitch shaft driving motor 122 rotate by the same angle.

【0073】左右のリンク105及び106は、関節自
体の高い能動駆動性と、人間との物理的インタラクショ
ンを重視するタイプのロボットに求められている駆動系
自身の受動的特性を併せて確保するために、非線形ばね
特性が与えられている。すなわち、各リンク105及び
106は、印加される駆動力が比較的低い期間中におい
て比較的低い弾性定数にて作動する受動駆動域と、印加
される駆動力が比較的高い期間中において比較的高い弾
性定数にて作動する能動駆動域と、印加される駆動力が
所定の閾値を越えたときに極めて低い弾性定数で作動す
る機体保護域を備えており、駆動力に応じてばね特性が
切り替わる。
The left and right links 105 and 106 are for ensuring a high active driveability of the joint itself and the passive characteristics of the drive system itself required for a robot of a type that emphasizes physical interaction with humans. Is given a non-linear spring characteristic. That is, each of the links 105 and 106 has a passive drive range that operates with a relatively low elastic constant during a period when the applied driving force is relatively low, and a relatively high range during a period when the applied driving force is relatively high. It has an active drive region that operates with an elastic constant and a body protection region that operates with an extremely low elastic constant when the applied drive force exceeds a predetermined threshold value, and the spring characteristic switches according to the drive force.

【0074】受動駆動域は、減速ギアなどで構成される
低減速器のバックラッシュ特性を吸収することができ
る。また、能動駆動域を設けることにより、股関節ピッ
チ駆動用軸モータ122の駆動力を股関節ピッチ軸12
に伝達して通常の関節動作を実現することができる。ま
た、機体保護域を設けることにより、例えばロボットの
機体が転倒などにより床面に落下したときや、障害物と
衝突したときに、股関節ピッチ軸モータ122や股関節
ピッチ軸12に高い衝撃力を伝えることがないので、機
体内部の損傷を防ぎ、耐久性を向上することができる。
The passive drive range can absorb the backlash characteristic of the reduction speed reducer including a reduction gear. Further, by providing the active drive range, the driving force of the hip joint pitch drive shaft motor 122 can be increased.
Can be transmitted to the normal joint movement. Further, by providing the machine body protection area, for example, when the machine body of the robot falls to the floor due to a fall or collides with an obstacle, a high impact force is transmitted to the hip joint pitch axis motor 122 and the hip joint pitch axis 12. Since it does not occur, it is possible to prevent damage inside the machine body and improve durability.

【0075】加工誤差や組立て誤差により、左右のリン
ク105及び106間で不均一が生じて、静的な状態で
も駆動系に対して余分なトルクが発生してしまう可能性
があるが、各リンク105及び106が持つ受動駆動域
により、このような不均一性を吸収することができるの
で、機体の姿勢安定制御に悪影響を及ぼさない。
There is a possibility that non-uniformity may occur between the left and right links 105 and 106 due to a processing error or an assembly error, and extra torque may be generated in the drive system even in a static state. Since the non-uniformity can be absorbed by the passive drive range of 105 and 106, it does not adversely affect the attitude stability control of the airframe.

【0076】また、各リンク105及び106が持つ機
体保護領域によりアクチュエータが過度の負荷から保護
されることから、股関節ピッチ軸12回りの可動角を機
構の限界ぎりぎりまで拡大させることができる。
Since the actuator is protected from an excessive load by the fuselage protection region of each link 105 and 106, the movable angle around the hip joint pitch axis 12 can be expanded to the limit of the mechanism.

【0077】また、図7にように、リンク105及び1
06からなる四節リンク機構をロボットの機体の外側に
配置することにより、機体のZMP位置がZMP安定領
域の略中央に向かうように機体の変形量又は運動量が生
成されるような安定性の高いZMP挙動空間を形成する
ことができる。このような場合、例えば歩行時における
機体の姿勢安定制御のための計算機負荷を軽減すること
ができる。
Further, as shown in FIG. 7, the links 105 and 1
By arranging the four-joint link mechanism composed of 06 outside the robot body, high stability such that the deformation amount or the momentum of the body is generated so that the ZMP position of the body faces the approximate center of the ZMP stable region. A ZMP behavior space can be created. In such a case, for example, it is possible to reduce the computer load for controlling the posture stability of the body during walking.

【0078】また、図7に示す例では、股関節ロール軸
駆動用モータ121の出力軸を股関節ロール軸12に直
結させる一方、このモータ121の筐体によって排除さ
れる結果として、股関節ピッチ軸駆動用モータ122の
出力軸102は股関節ピッチ軸12から離間して配置さ
れて両者間を四節リンク機構によって連結される構成と
なっている。勿論、この変形例として、股関節ピッチ軸
駆動用モータ122の出力軸を股関節ピッチ軸11に直
結させる一方、股関節ロール軸駆動用モータ121の出
力軸が股関節ロール軸13から離間して配置されて両者
間を四節リンク機構によって連結するようにしてもよ
い。但し、機体の姿勢安定性を考慮した場合、機体の前
後方向の揺動よりも左右方向の揺動の原因を排除するこ
とを優先するべきであると思料される。したがって、図
7に示した構成例のように、股関節ロール軸駆動用モー
タ121の出力軸を股関節ロール軸13に一致させて、
股関節ロール軸回りの回転精度をより厳密にする方が、
より好ましい実施形態であろう。
Further, in the example shown in FIG. 7, the output shaft of the hip joint roll shaft driving motor 121 is directly connected to the hip joint roll shaft 12, and as a result of being eliminated by the housing of the motor 121, the hip joint pitch shaft driving motor is driven. The output shaft 102 of the motor 122 is arranged apart from the hip joint pitch shaft 12, and the two are connected by a four-bar linkage. Of course, in this modified example, the output shaft of the hip joint pitch shaft drive motor 122 is directly connected to the hip joint pitch shaft 11, while the output shaft of the hip joint roll shaft drive motor 121 is arranged apart from the hip joint roll shaft 13. The spaces may be connected by a four-bar link mechanism. However, in consideration of the attitude stability of the machine body, it is considered that the elimination of the cause of the rocking of the machine body in the left-right direction should be prioritized over the rocking of the machine body in the front-back direction. Therefore, as in the configuration example shown in FIG. 7, the output shaft of the hip joint roll shaft drive motor 121 is made to coincide with the hip joint roll shaft 13,
To make the rotation accuracy around the hip joint roll axis more strict,
It would be a more preferred embodiment.

【0079】なお、四節リンク機構の各節に、比率や機
素を設定すると、四節リンク機構は平行リンク機構、交
差リンク機構、二重レバー機構、クランク・レバー機
構、クランク・スライダ機構などを挙げることができ
る。図7に示す四節リンク機構は本発明の1つの実施形
態に過ぎず、他のリンク機構に置き換えても同様に本発
明の作用効果を得ることができる。
If ratios and elements are set for each node of the four-bar linkage, the four-bar linkage will be a parallel link mechanism, a cross link mechanism, a double lever mechanism, a crank lever mechanism, a crank slider mechanism, etc. Can be mentioned. The four-bar linkage shown in FIG. 7 is only one embodiment of the present invention, and the same effects as the present invention can be obtained even if the linkage is replaced with another linkage.

【0080】また、図7に示す例では、足首関節ロール
軸駆動用モータ125は、その出力軸が足首関節ロール
軸16に一致するように配置されている。
Further, in the example shown in FIG. 7, the ankle joint roll shaft driving motor 125 is arranged so that its output shaft coincides with the ankle joint roll shaft 16.

【0081】これに対し、足首関節ピッチ軸駆動用モー
タ124は、足首関節ピッチ軸15からは離間して配置
されている。すなわち、足首関節ピッチ軸駆動用モータ
124の出力軸107に取り付けられた回転リンク11
0と足首関節ピッチ軸15に取り付けられた回転リンク
110、並びに左右一対のリンク111及び112によ
って構成される四節平行リンクによって連結されてお
り、足首関節ピッチ軸駆動用モータ124の出力軸10
7が定量回転するのに伴い、足首関節ピッチ軸15もこ
れに応じた角度だけ回転する。ここで使用される四節平
行リンクの構成は、図10〜図12に示したものと略同
一である。
On the other hand, the ankle joint pitch axis driving motor 124 is arranged apart from the ankle joint pitch axis 15. That is, the rotary link 11 attached to the output shaft 107 of the ankle joint pitch axis drive motor 124
0 and a rotary link 110 attached to the ankle joint pitch shaft 15 and a four-bar parallel link composed of a pair of left and right links 111 and 112, and the output shaft 10 of the ankle joint pitch shaft driving motor 124.
As 7 rotates in a fixed amount, the ankle joint pitch axis 15 also rotates by an angle corresponding thereto. The structure of the four-bar parallel link used here is substantially the same as that shown in FIGS.

【0082】足首関節ロール軸駆動用モータ125及び
足首関節ピッチ軸駆動用モータ124は、低減速ギアを
使用することにより、人間との物理的インタラクション
を重視するタイプのロボットに求められている駆動系自
身の受動的特性が付与されている(同上)。
The ankle joint roll axis drive motor 125 and the ankle joint pitch axis drive motor 124 use a reduction speed gear, so that the drive system required for a robot of a type that places importance on physical interaction with humans. It is given its own passive characteristics (same as above).

【0083】左右のリンク111及び112は、関節自
体の高い能動駆動性と、人間との物理的インタラクショ
ンを重視するタイプのロボットに求められている駆動系
自身の受動的特性を併せて確保するために、非線形ばね
特性が与えられている。すなわち、各リンク111及び
112は、印加される駆動力が比較的低い期間中におい
て比較的低い弾性定数にて作動する受動駆動域と、印加
される駆動力が比較的高い期間中において比較的高い弾
性定数にて作動する能動駆動域と、印加される駆動力が
所定の閾値を越えたときに極めて低い弾性定数で作動す
る機体保護域を備えており、駆動力に応じてばね特性が
切り替わる。
The left and right links 111 and 112 are for ensuring a high active driveability of the joint itself and the passive characteristics of the drive system itself required for a robot of a type that places importance on physical interaction with humans. Is given a non-linear spring characteristic. That is, each of the links 111 and 112 has a passive driving region that operates with a relatively low elastic constant during a period when the applied driving force is relatively low, and a relatively high range during a period when the applied driving force is relatively high. It has an active drive region that operates with an elastic constant and a body protection region that operates with an extremely low elastic constant when the applied drive force exceeds a predetermined threshold value, and the spring characteristic switches according to the drive force.

【0084】受動駆動域は、減速ギアなどで構成される
低減速器のバックラッシュ特性を吸収することができ
る。また、能動駆動域を設けることにより、足首関節ピ
ッチ軸駆動用モータ124の駆動力を足首関節ピッチ軸
15に伝達して通常の関節動作を実現することができ
る。また、機体保護域を設けることにより、例えばロボ
ットの機体が転倒などにより床面に落下したときや、障
害物と衝突したときに、足首関節ピッチ軸モータ124
や足首関節ピッチ軸15に高い衝撃力を伝えることがな
いので、機体内部の損傷を防ぎ、耐久性を向上すること
ができる。
The passive drive range can absorb the backlash characteristic of the reduction speed reducer including a reduction gear and the like. Further, by providing the active drive range, the driving force of the ankle joint pitch axis drive motor 124 can be transmitted to the ankle joint pitch axis 15 to realize a normal joint operation. Further, by providing the body protection area, for example, when the body of the robot falls to the floor due to a fall or collides with an obstacle, the ankle joint pitch axis motor 124
Since no high impact force is transmitted to the ankle joint pitch axis 15 or the ankle joint pitch axis 15, damage to the inside of the body can be prevented and durability can be improved.

【0085】加工誤差や組立て誤差により、左右のリン
ク111及び112間で不均一が生じて、静的な状態で
も駆動系に対して余分なトルクが発生してしまう可能性
があるが、各リンク111及び112が持つ受動駆動域
により、このような不均一性を吸収することができるの
で、機体の姿勢安定制御に悪影響を及ぼさない。
There is a possibility that, due to a processing error or an assembly error, non-uniformity occurs between the left and right links 111 and 112, and extra torque is generated in the drive system even in a static state. Since the non-uniformity can be absorbed by the passive drive range of 111 and 112, the posture stability control of the airframe is not adversely affected.

【0086】また、各リンク111及び112が持つ機
体保護領域によりアクチュエータが過度の負荷から保護
されることから、足首関節ピッチ軸15回りの可動角を
機構の限界ぎりぎりまで拡大させることができる。
Since the actuator is protected from an excessive load by the fuselage protection region of each link 111 and 112, the movable angle around the ankle joint pitch axis 15 can be expanded to the limit of the mechanism.

【0087】また、図7にように、リンク111及び1
12からなる四節リンク機構をロボットの機体の外側に
配置することにより、機体のZMP位置がZMP安定領
域の略中央に向かうように機体の変形量又は運動量が生
成されるような安定性の高いZMP挙動空間を形成する
ことができる。このような場合、例えば歩行時における
機体の姿勢安定制御のための計算機負荷を軽減すること
ができる。
Further, as shown in FIG. 7, the links 111 and 1
By arranging the four-joint link mechanism consisting of 12 on the outside of the robot body, high stability such that the deformation amount or the momentum of the body is generated so that the ZMP position of the body faces the approximate center of the ZMP stable region. A ZMP behavior space can be created. In such a case, for example, it is possible to reduce the computer load for controlling the posture stability of the body during walking.

【0088】また、図7に示す例では、足首関節ロール
軸駆動用モータ125の出力軸を足首関節ロール軸16
に直結させる一方、足首関節ピッチ軸駆動用モータ12
4の出力軸107は足首関節ピッチ軸15から離間して
配置されて両者間を四節リンク機構によって連結される
構成となっているが、逆に、足首関節ピッチ軸駆動用モ
ータ124の出力軸を足首関節ピッチ軸15に直結させ
る一方、足首関節ロール軸駆動用モータ125の出力軸
が足首関節ロール軸16から離間して配置されて両者間
を四節リンク機構によって連結するようにしてもよい。
但し、機体の姿勢安定性を考慮した場合、機体の前後方
向の揺動よりも左右方向の揺動の原因を排除することを
優先するべきであると思料される。したがって、図7に
示した構成例のように、足首関節ロール軸駆動用モータ
125の出力軸を足首関節ロール軸16に一致させて、
足首関節ロール軸回りの回転精度をより厳密にする方
が、より好ましい実施形態であろう。
Further, in the example shown in FIG. 7, the output shaft of the ankle joint roll shaft driving motor 125 is the ankle joint roll shaft 16
Directly connected to the ankle joint pitch axis drive motor 12
The output shaft 107 of No. 4 is arranged so as to be separated from the ankle joint pitch shaft 15 and is connected to each other by a four-bar link mechanism, but conversely, the output shaft of the ankle joint pitch shaft driving motor 124. May be directly connected to the ankle joint pitch shaft 15, while the output shaft of the ankle joint roll shaft driving motor 125 may be arranged apart from the ankle joint roll shaft 16 so as to connect them by a four-bar linkage mechanism. .
However, in consideration of the attitude stability of the machine body, it is considered that the elimination of the cause of the rocking of the machine body in the left-right direction should be prioritized over the rocking of the machine body in the front-back direction. Therefore, as in the configuration example shown in FIG. 7, the output shaft of the ankle joint roll shaft driving motor 125 is matched with the ankle joint roll shaft 16,
It would be a more preferable embodiment to make the rotation accuracy around the ankle joint roll axis more precise.

【0089】上述したように、四節平行リンクにおいて
モータの出力軸から得られた駆動力を回転軸側に伝達す
るための左右一対のリンク105及び106、並びにリ
ンク111及び112には、関節自体の高い能動駆動性
と、人間との物理的インタラクションを重視するタイプ
のロボットに求められている駆動系自身の受動的特性を
併せて確保するために、非線形ばね特性が与えられてい
る。
As described above, in the four-bar parallel link, the left and right links 105 and 106 for transmitting the driving force obtained from the output shaft of the motor to the rotary shaft side, and the links 111 and 112 are connected to the joint itself. Non-linear spring characteristics are provided in order to secure both the high active driveability and the passive characteristics of the drive system itself required for the type of robot that emphasizes physical interaction with humans.

【0090】すなわち、各リンク105…は、印加され
る駆動力が比較的低い期間中において比較的低い弾性定
数にて作動する受動駆動域と、印加される駆動力が比較
的高い期間中において比較的高い弾性定数にて作動する
能動駆動域と、印加される駆動力が所定の閾値を越えた
ときに極めて低い弾性定数で作動する機体保護域を備
え、駆動力に応じてばね特性が切り替わる。
That is, each of the links 105 ... Compares the passive drive region which operates with a relatively low elastic constant during the period when the applied driving force is relatively low with the passive drive region during the period when the applied driving force is relatively high. It has an active drive region that operates with a relatively high elastic constant and a body protection region that operates with an extremely low elastic constant when the applied drive force exceeds a predetermined threshold, and the spring characteristics are switched according to the drive force.

【0091】以下では、このような非線形ばね特性を持
つリンクの具体的構成例について説明する。
Hereinafter, a specific example of the structure of the link having such a non-linear spring characteristic will be described.

【0092】図13には、リンクの非線形ばね特性のう
ち受動的駆動特性を実現するための構成例を示してい
る。
FIG. 13 shows a structural example for realizing the passive drive characteristic of the nonlinear spring characteristics of the link.

【0093】同図に示す例では、リンクは、関節軸駆動
用アクチュエータ側に連結される第1の接続部501
と、関節軸側に連結される第2の接続部502と、これ
ら第1及び第2の接続部の間に挿入されて、リンクに対
して印加された圧縮力に応じて所定の弾性特性により圧
縮する弾性部503とで構成されている。
In the example shown in the figure, the link is the first connecting portion 501 connected to the joint shaft driving actuator side.
And a second connecting portion 502 connected to the joint shaft side and a predetermined elastic characteristic according to the compressive force applied to the link, which is inserted between the first and second connecting portions. It is composed of an elastic portion 503 that compresses.

【0094】第1の接続部501及び第2の接続部50
2は、それぞれリンク両端において回転リンクなど他の
部材と連結するための連結部501A並びに502Aが
形設されている。
First connecting portion 501 and second connecting portion 50
Reference numeral 2 designates connecting portions 501A and 502A for connecting to other members such as a rotary link at both ends of the link.

【0095】第1の接続部501の一端には、突起50
5が形設されている。一方、第2の接続部502の一端
には、第1の接続部501側の突起505を挿入するた
めの穴部504が穿設されている。図13に示すよう
に、穴部504の内壁に突起505が案内されながら出
没し、この結果、リンク全体としてはその長手方向に伸
縮自在となっている。
At one end of the first connecting portion 501, the protrusion 50
5 is formed. On the other hand, a hole portion 504 for inserting the projection 505 on the first connecting portion 501 side is formed at one end of the second connecting portion 502. As shown in FIG. 13, the protrusion 505 is projected and retracted on the inner wall of the hole 504 while being guided, and as a result, the entire link is expandable and contractable in the longitudinal direction thereof.

【0096】この穴部504の中には、例えばΣ形状の
板ばねからなる弾性部503がΣの口が上を向くように
埋没されている。また、板ばねの底側には、突起505
の先端に当接する受容部506が配設されている。
An elastic portion 503 made of, for example, a Σ-shaped leaf spring is buried in the hole portion 504 so that the Σ mouth faces upward. Also, on the bottom side of the leaf spring, a protrusion 505
A receiving portion 506 is provided that abuts on the tip of the.

【0097】関節軸駆動用モータの作動により、図示の
リンクの長手方向に対して圧縮力が印加されると、第1
の接続部側の突起505は、第2の接続部側の穴部50
4内で、Σ形状の板ばね503の復元力に抗しながら、
駆動用モータによる圧縮力に応じて徐々に埋没してい
く。これによってリンクの受動駆動作用が得られる。
When a compressive force is applied in the longitudinal direction of the illustrated link by the operation of the joint shaft drive motor, the first
The projection 505 on the connecting portion side of the hole 50 on the second connecting portion side
In 4 inside, while resisting the restoring force of the Σ-shaped leaf spring 503,
It is gradually buried according to the compression force of the drive motor. This provides a passive drive action for the link.

【0098】そして、リンクに対する圧縮力が増大して
板ばね503の変位量が所定値に到達すると、突起50
5の先端が受容部506に当接して、最大の反発力を受
ける結果として、突起505の埋没すなわちリンクの収
縮が停止する。以後、リンク全体としての弾性定数が著
しく増大して、能動駆動域に切り替わる。
Then, when the compressive force on the link increases and the displacement amount of the leaf spring 503 reaches a predetermined value, the protrusion 50
As a result of the tip of No. 5 contacting the receiving portion 506 and receiving the maximum repulsive force, the burial of the protrusion 505, that is, the contraction of the link is stopped. After that, the elastic constant of the link as a whole is remarkably increased, and the link is switched to the active drive range.

【0099】また、図14には、リンクの非線形ばね特
性のうち機体保護域を実現するための構成例を示してい
る。
Further, FIG. 14 shows an example of the structure for realizing the body protection area of the nonlinear spring characteristics of the link.

【0100】同図に示す例では、リンクは、関節軸駆動
用アクチュエータ側に連結される第3の接続部601
と、関節軸側に連結される第2の接続部602と、これ
ら接続部601及び602の各一端をリンクの長手方向
に案内する中空状の案内部603と、この案内部603
内に収容されて、リンクに対して印加された圧縮力に応
じて所定の弾性特性により圧縮する弾性部604とで構
成されている。
In the example shown in the figure, the link is the third connection portion 601 connected to the joint shaft driving actuator side.
A second connecting portion 602 connected to the joint shaft side, a hollow guide portion 603 for guiding one end of each of the connecting portions 601 and 602 in the longitudinal direction of the link, and the guide portion 603.
The elastic portion 604 is housed inside and compresses with a predetermined elastic characteristic in accordance with the compressive force applied to the link.

【0101】第3の接続部601及び第4の接続部60
2は、それぞれリンク両端において回転リンクなど他の
部材と連結するための連結部601A並びに602Aが
形設されている。
Third connecting portion 601 and fourth connecting portion 60
Reference numeral 2 designates connecting portions 601A and 602A for connecting to other members such as a rotary link at both ends of the link.

【0102】接続部601及び602の各一端には、そ
れぞれ小突起601B及び602Bが突設されている。
また、案内部603の側面にはこれら小突起601B及
び602Bを貫挿させるための線条の案内溝603Aが
リンクの長手方向に穿設されており、接続部601及び
602間の伸縮運動の方向を長手方向に規制している。
Small projections 601B and 602B are provided at one end of each of the connecting portions 601 and 602, respectively.
In addition, a guide groove 603A having a linear shape for inserting these small protrusions 601B and 602B is formed in the side surface of the guide portion 603 in the longitudinal direction of the link, and the direction of expansion and contraction between the connection portions 601 and 602 is formed. Is regulated in the longitudinal direction.

【0103】接続部601及び602の各一端面はテー
パ状に形設されている。また、弾性部604は、例えば
トーション・バネで構成され、その両端が各接続部60
1及び602の端面に当接している。
One end faces of the connecting portions 601 and 602 are formed in a tapered shape. The elastic portion 604 is composed of, for example, a torsion spring, and both ends of the elastic portion 604 are connected to the connecting portions 60.
It is in contact with the end faces of 1 and 602.

【0104】トーション・バネ603は、初期状態では
略直線状をなしており、この状態ではリンクに印加され
た圧縮力に対して、棒材の圧縮応力として対抗すること
ができる。すなわち、この状態では弾性部603として
持つ弾性定数は極めて高く、これによってリンクの能動
駆動作用を提供することができる。
The torsion spring 603 is substantially linear in the initial state, and in this state, it is possible to oppose the compressive force applied to the link as the compressive stress of the bar. That is, in this state, the elastic constant of the elastic portion 603 is extremely high, which can provide the active driving action of the link.

【0105】また、リンクに対する圧縮がさらに増大し
て所定値に到達すると、トーション・バネ603は座屈
を開始する。この場合、トーション・バネ603は、図
示のように略V字形状となり、その両端は接続部601
及び602の各一端面のテーパを滑り落ちていき、さら
に座屈が進行する。このような状態では、トーション・
バネ603は、リンクに印加された圧縮力に対して、棒
材の曲げ応力として対抗することになる。曲げ応力は圧
縮応力に比較して極めて低い。したがって、リンク全体
としての弾性定数は、圧縮力が増大して所定値に到達す
ると、格段に低下する。この結果、リンクの機体保護域
を得ることができる。
When the compression on the link further increases and reaches a predetermined value, the torsion spring 603 starts buckling. In this case, the torsion spring 603 has a substantially V-shape as shown in the drawing, and both ends of the torsion spring 603 have connecting portions 601.
And 602 slide down the taper of each one end surface, and buckling further progresses. In such a state, torsion
The spring 603 opposes the compressive force applied to the link as bending stress of the bar. Bending stress is extremely low compared to compressive stress. Therefore, the elastic constant of the link as a whole decreases significantly when the compressive force increases and reaches a predetermined value. As a result, the body protection area of the link can be obtained.

【0106】例えば、図13及び図14にそれぞれ示し
たリンクを直列的に接続して用いることにより、受動駆
動域、能動駆動域、並びに機体保護域をすべて備えたリ
ンクを実現することができる。
For example, by connecting and using the links shown in FIGS. 13 and 14 in series, it is possible to realize a link having a passive drive area, an active drive area, and a body protection area.

【0107】[追補]以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。
[Supplement] The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiments without departing from the scope of the present invention.

【0108】本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と
称される製品には限定されない。すなわち、電気的若し
くは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行
う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産
業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用す
ることができる。
The subject matter of the present invention is not necessarily limited to products called “robots”. That is, as long as it is a mechanical device that performs a motion similar to a human motion by using an electric or magnetic action, even if it is a product belonging to another industrial field such as a toy, the present invention is similarly applied. Can be applied.

【0109】要するに、例示という形態で本発明を開示
してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈
するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、
冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきであ
る。
In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the contents described in this specification should not be construed in a limited manner. To determine the gist of the present invention,
The claims section mentioned at the beginning should be taken into consideration.

【0110】[0110]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
関節自由度を構成するアクチュエータ・モータの少なく
とも一部は関節軸から離間して配置され伝達機構により
関節軸に駆動力が好適に伝達することができる、優れた
ロボット装置及び関節軸駆動装置を提供することができ
る。
As described above in detail, according to the present invention,
Provided is an excellent robot device and a joint shaft driving device in which at least a part of an actuator / motor constituting a joint degree of freedom is arranged apart from a joint shaft and a driving force can be suitably transmitted to the joint shaft by a transmission mechanism. can do.

【0111】また、本発明によれば、関節に対して高い
能動駆動性に加えてより高い受動駆動性能を付与するこ
とができる、優れたロボット装置及び関節軸駆動装置を
提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide an excellent robot apparatus and joint axis driving apparatus capable of imparting higher passive driving performance to joints in addition to high active driving characteristics.

【0112】また、本発明によれば、人間との物理的イ
ンタラクションを考慮して、関節本来の高い能動駆動特
性を確保しつつ受動駆動特性を得ることができる、優れ
たロボット装置及び関節軸駆動装置を提供することがで
きる。
Further, according to the present invention, in consideration of physical interaction with a human, an excellent robot apparatus and joint axis drive capable of obtaining passive drive characteristics while securing high active drive characteristics of the original joint. A device can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直
立している様子を前方から眺望した様子を示した図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a state in which a legged mobile robot used for implementing the present invention is upright as viewed from the front.

【図2】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直
立している様子を後方から眺望した様子を示した図であ
る。
FIG. 2 is a view showing a state in which a legged mobile robot used for implementing the present invention is upright, as viewed from the rear.

【図3】脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を
模式的に示した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a joint degree of freedom configuration of a legged mobile robot.

【図4】本実施形態に係る駆動力伝達機構の非線形ばね
特性の構成例を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a nonlinear spring characteristic of the driving force transmission mechanism according to the present embodiment.

【図5】本実施形態に係る駆動力伝達機構の非線形ばね
特性の構成例を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a non-linear spring characteristic of the driving force transmission mechanism according to the present embodiment.

【図6】本実施形態に係る駆動力伝達機構の非線形ばね
特性の構成例を示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a nonlinear spring characteristic of the driving force transmission mechanism according to the present embodiment.

【図7】脚式移動ロボットの脚部構造を示した図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing a leg structure of a legged mobile robot.

【図8】脚式移動ロボットの脚部構造を示した図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing a leg structure of a legged mobile robot.

【図9】脚式移動ロボットの脚部構造を示した図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing a leg structure of a legged mobile robot.

【図10】関節軸への駆動力伝達のために使用される四
節平行リンク機構についての正面図である。
FIG. 10 is a front view of a four-bar parallel link mechanism used for transmitting driving force to a joint shaft.

【図11】関節軸への駆動力伝達のために使用される四
節平行リンク機構についての側面図である。
FIG. 11 is a side view of a four-bar parallel link mechanism used for transmitting driving force to a joint shaft.

【図12】関節軸への駆動力伝達のために使用される四
節平行リンク機構を斜視した図である。
FIG. 12 is a perspective view of a four-bar parallel link mechanism used for transmitting driving force to a joint shaft.

【図13】リンクの非線形ばね特性のうち受動的駆動特
性を実現するための構成例を示した図である。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration example for realizing a passive drive characteristic of the nonlinear spring characteristics of the link.

【図14】リンクの非線形ばね特性のうち受動的駆動特
性を実現するための構成例を示した図である。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration example for realizing a passive drive characteristic of the nonlinear spring characteristics of the link.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…首関節ヨー軸 2…首関節ピッチ軸 3…首関節ロール軸 4…肩関節ピッチ軸 5…肩関節ロール軸 6…上腕ヨー軸 7…肘関節ピッチ軸 8…手首関節ヨー軸 9…体幹ピッチ軸 10…体幹ロール軸 11…股関節ヨー軸 12…股関節ピッチ軸 13…膝関節ロール軸 14…膝関節ピッチ軸 15…足首関節ピッチ軸 16…足首関節ロール軸 102…股関節ピッチ軸駆動用モータの出力軸 103,104…回転リンク 105,106…非線形ばね特性を持たせたリンク 107…足首関節ピッチ軸駆動用モータの出力軸 109,110…回転リンク 111,112…非線形ばね特性を持たせたリンク 121…股関節ロール軸駆動用モータ 122…股関節ピッチ軸駆動用モータ 124…足首関節ピッチ軸駆動用モータ 125…足首関節ロール軸駆動用モータ 501…第1の接続部,501A…連結部 502…第2の接続部,502A…連結部 503…弾性部(板ばね) 504…穴部 505…突起 506…受容部 601…第3の接続部,601A…連結部,601B…
小突起 602…第4の接続部,602A…連結部,602B…
小突起 603…案内部,603A…案内溝 604…弾性部(トーション・バネ)
1 ... Neck joint yaw axis 2 ... Neck joint pitch axis 3 ... Neck joint roll axis 4 ... Shoulder joint pitch axis 5 ... Shoulder joint roll axis 6 ... Upper arm yaw axis 7 ... Elbow joint pitch axis 8 ... Wrist joint yaw axis 9 ... Body Stem pitch axis 10 ... Trunk roll axis 11 ... Hip joint yaw axis 12 ... Hip joint pitch axis 13 ... Knee joint roll axis 14 ... Knee joint pitch axis 15 ... Ankle joint pitch axis 16 ... Ankle joint roll axis 102 ... Hip joint pitch axis drive Motor output shafts 103, 104 ... Rotating links 105, 106 ... Link 107 having nonlinear spring characteristics ... Output shafts 109, 110 of ankle joint pitch axis driving motors ... Rotating links 111, 112 ... Having nonlinear spring characteristics Link 121 ... Hip joint roll axis drive motor 122 ... Hip joint pitch axis drive motor 124 ... Ankle joint pitch axis drive motor 125 ... Ankle joint roll axis drive motor 5 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st connection part, 501A ... Connection part 502 ... 2nd connection part, 502A ... Connection part 503 ... Elastic part (leaf spring) 504 ... Hole part 505 ... Protrusion 506 ... Receiving part 601 ... Third connection part , 601A ... Connection part, 601B ...
Small protrusions 602 ... Fourth connecting portion, 602A ... Connecting portion, 602B ...
Small protrusion 603 ... Guide portion, 603A ... Guide groove 604 ... Elastic portion (torsion spring)

フロントページの続き (72)発明者 山口 仁一 東京都日野市多摩平5−14−38 Fターム(参考) 2C150 BA08 CA01 DA04 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC19 EC25 EC26 EC28 ED11 ED42 ED52 EF07 EF09 EF16 EF17 EF22 EF23 EF33 EF36 EH07 EH08 3C007 CS08 CY00 CY32 HS27 HT11 HT36 WA03 WA13 Continued front page    (72) Inventor Jinichi Yamaguchi             5-14-38 Tamadaira, Hino City, Tokyo F term (reference) 2C150 BA08 CA01 DA04 DA24 DA26                       DA27 DA28 EB01 EC03 EC15                       EC19 EC25 EC26 EC28 ED11                       ED42 ED52 EF07 EF09 EF16                       EF17 EF22 EF23 EF33 EF36                       EH07 EH08                 3C007 CS08 CY00 CY32 HS27 HT11                       HT36 WA03 WA13

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数の関節自由度を備えたロボット装置で
あって、 少なくとも一部の関節は、関節軸駆動用アクチュエータ
と、前記関節軸駆動用アクチュエータと関節軸とを接続
する駆動力伝達部で構成され、 前記駆動力伝達部は、印加される駆動力が比較的低い期
間中において比較的低い弾性定数にて作動する受動駆動
域と、印加される駆動力が比較的高い期間中において比
較的高い弾性定数にて作動する能動駆動域を備えた非線
形ばね特性を有する、ことを特徴とするロボット装置。
1. A robot apparatus having a plurality of joint degrees of freedom, wherein at least a part of the joints has a joint axis drive actuator, and a drive force transmission section connecting the joint axis drive actuator and the joint axis. The driving force transmitting section compares a passive driving region that operates with a relatively low elastic constant during a period when the applied driving force is relatively low with a passive driving region during a period when the applied driving force is relatively high. A robot apparatus having a non-linear spring characteristic having an active drive range that operates with a relatively high elastic constant.
【請求項2】前記駆動力伝達部は低減速器を介して前記
関節軸駆動用アクチュエータに接続され、 前記受動駆動域から前記能動駆動域に切り替わる臨界駆
動力は前記低減速器が持つバックラッシュ特性に応じて
決定される、ことを特徴とする請求項1に記載のロボッ
ト装置。
2. The driving force transmitting portion is connected to the joint shaft driving actuator via a speed reducer, and the critical driving force for switching from the passive drive range to the active drive range has a backlash that the speed reducer has. The robot apparatus according to claim 1, wherein the robot apparatus is determined according to characteristics.
【請求項3】前記駆動力伝達部は、印加される駆動力が
所定の閾値を越えたときに極めて低い弾性定数で作動す
る機体保護域をさらに有する、ことを特徴とする請求項
1に記載のロボット装置。
3. The driving force transmitting portion further comprises a body protection zone which operates with an extremely low elastic constant when the applied driving force exceeds a predetermined threshold value. Robotic device.
【請求項4】前記駆動力伝達部は、前記ロボット装置の
機体の外側に配置される、ことを特徴とする請求項1に
記載のロボット装置。
4. The robot apparatus according to claim 1, wherein the driving force transmission unit is arranged outside a machine body of the robot apparatus.
【請求項5】前記駆動力伝達部は、 前記関節軸駆動用アクチュエータ側に連結された第1の
接続部と、 前記関節軸側に連結された第2の接続部と、 前記第1及び第2の接続部の間に挿入されて、前記駆動
力伝達部に対して印加された圧縮力又は引張力に応じて
所定の弾性特性により圧縮又は伸張する弾性部と、 前記弾性部の圧縮又は伸張による最大変位量を設定する
最大変位量設定部と、を備えることを特徴とする請求項
1に記載のロボット装置。
5. The driving force transmitting portion includes a first connecting portion connected to the joint shaft driving actuator side, a second connecting portion connected to the joint shaft side, and the first and the second connecting portions. An elastic part that is inserted between the two connecting parts and that compresses or expands according to a predetermined elastic characteristic in accordance with a compressive force or a tensile force applied to the driving force transmitting part; and compressing or expanding the elastic part. 2. The robot apparatus according to claim 1, further comprising: a maximum displacement amount setting unit configured to set the maximum displacement amount according to.
【請求項6】前記駆動力伝達部は、 前記関節軸駆動用アクチュエータ側に連結された第3の
接続部と、 前記関節軸側に連結された第4の接続部と、 前記第3及び第4の接続部の間に挿入されて、前記駆動
力伝達部に対して印加された圧縮力又は引張力に応じて
所定の弾性特性により圧縮又は伸張する第2の弾性部
と、 圧縮力又は引張力が所定以上になるまで前記第2の弾性
部の変位を規制する変位規制部と、を備えることを特徴
とする請求項1に記載のロボット装置。
6. The driving force transmitting portion includes a third connecting portion connected to the joint shaft driving actuator side, a fourth connecting portion connected to the joint shaft side, and the third and the third connecting portions. A second elastic portion that is inserted between the connecting portions of 4 and that compresses or expands with a predetermined elastic characteristic according to the compressive force or the tensile force applied to the driving force transmitting portion; The robot apparatus according to claim 1, further comprising: a displacement restricting portion that restricts displacement of the second elastic portion until a force exceeds a predetermined value.
【請求項7】複数の関節自由度を備えたロボット装置で
あって、 少なくとも一部の関節は、 関節軸に対し駆動力を与える関節軸駆動用アクチュエー
タと、 前記関節軸駆動用アクチュエータの駆動を低減速比にて
減速する低減速器と、 前記低減速器と関節軸とを接続する駆動力伝達部と、を
備えることを特徴とするロボット装置。
7. A robot apparatus having a plurality of joint degrees of freedom, wherein at least a part of the joints comprises a joint axis drive actuator for applying a driving force to a joint axis, and the joint axis drive actuator. A robot apparatus, comprising: a reduction speed reducer that decelerates at a low reduction ratio; and a driving force transmission unit that connects the reduction speed reducer and a joint shaft.
【請求項8】1以上の関節自由度を供えた機械装置のた
めの関節軸駆動装置であって、 関節軸駆動用アクチュエータと、前記関節軸駆動用アク
チュエータと関節軸とを接続する駆動力伝達部とで構成
され、 前記駆動力伝達部は、印加される駆動力が比較的低い期
間中において比較的低い弾性定数にて作動する受動駆動
域と、印加される駆動力が比較的高い期間中において比
較的高い弾性定数にて作動する能動駆動域を備えた非線
形ばね特性を有する、ことを特徴とする関節軸駆動装置
8. A joint shaft drive device for a mechanical device having one or more joint degrees of freedom, wherein a joint shaft drive actuator and a drive force transmission connecting the joint shaft drive actuator and the joint shaft. The driving force transmitting portion is a passive driving region that operates with a relatively low elastic constant during a period when the applied driving force is relatively low, and a period during which the applied driving force is relatively high. Joint drive device having a non-linear spring characteristic with an active drive range that operates with a relatively high elastic constant in
【請求項9】前記駆動力伝達部は低減速器を介して前記
関節軸駆動用アクチュエータに接続され、 前記受動駆動域から前記能動駆動域に切り替わる臨界駆
動力は前記低減速器が持つバックラッシュ特性に応じて
決定される、ことを特徴とする請求項8に記載の関節軸
駆動装置
9. The driving force transmitting portion is connected to the joint shaft driving actuator via a speed reducer, and the critical driving force for switching from the passive drive range to the active drive range has a backlash that the speed reducer has. The joint shaft drive device according to claim 8, wherein the joint shaft drive device is determined according to characteristics.
【請求項10】前記駆動力伝達部は、印加される駆動力
が所定の閾値を越えたときに極めて低い弾性定数で作動
する機体保護域をさらに有する、 ことを特徴とする請求項8に記載の関節軸駆動装置
10. The drive force transmission portion further has a body protection zone that operates with an extremely low elastic constant when the applied drive force exceeds a predetermined threshold value. Joint shaft drive
【請求項11】前記駆動力伝達部は、前記機械装置の機
体の外側に配置される、ことを特徴とする請求項8に記
載の関節軸駆動装置
11. The joint shaft driving device according to claim 8, wherein the driving force transmitting portion is arranged outside a machine body of the mechanical device.
【請求項12】前記駆動力伝達部は、 前記関節軸駆動用アクチュエータ側に連結された第1の
接続部と、 前記関節軸側に連結された第2の接続部と、 前記第1及び第2の接続部の間に挿入されて、前記駆動
力伝達部に対して印加された圧縮力又は引張力に応じて
所定の弾性特性により圧縮又は伸張する弾性部と、 前記弾性部の圧縮又は伸張による最大変位量を設定する
最大変位量設定部と、ことを特徴とする請求項8に記載
の関節軸駆動装置
12. The driving force transmitting portion includes a first connecting portion connected to the joint shaft driving actuator side, a second connecting portion connected to the joint shaft side, and the first and the second connecting portions. An elastic part that is inserted between the two connecting parts and that compresses or expands according to a predetermined elastic characteristic in accordance with a compressive force or a tensile force applied to the driving force transmitting part; and compressing or expanding the elastic part. The maximum displacement amount setting unit that sets the maximum displacement amount according to the above item, and the joint shaft drive device according to claim 8.
【請求項13】前記駆動力伝達部は、 前記関節軸駆動用アクチュエータ側に連結された第3の
接続部と、 前記関節軸側に連結された第4の接続部と、 前記第3及び第4の接続部の間に挿入されて、前記駆動
力伝達部に対して印加された圧縮力又は引張力に応じて
所定の弾性特性により圧縮又は伸張する第2の弾性部
と、 圧縮力又は引張力が所定以上になるまで前記第2の弾性
部の変位を規制する変位規制部と、ことを特徴とする請
求項8に記載の関節軸駆動装置
13. The driving force transmitting portion includes a third connecting portion connected to the joint shaft driving actuator side, a fourth connecting portion connected to the joint shaft side, and the third and the third connecting portions. A second elastic portion that is inserted between the connecting portions of 4 and that compresses or expands with a predetermined elastic characteristic according to the compressive force or the tensile force applied to the driving force transmitting portion; 9. The joint shaft drive device according to claim 8, further comprising: a displacement restricting portion that restricts displacement of the second elastic portion until a force exceeds a predetermined value.
【請求項14】1以上の関節自由度を供えた機械装置の
ための関節軸駆動装置であって、 関節軸に対し駆動力を与える関節軸駆動用アクチュエー
タと、 前記関節軸駆動用アクチュエータの駆動を低減速比にて
減速する低減速器と、 前記低減速器と関節軸とを接続する駆動力伝達部と、を
具備することを特徴とする関節軸駆動装置
14. A joint shaft drive device for a mechanical device having one or more joint degrees of freedom, the joint shaft drive actuator applying a driving force to the joint shaft, and the drive of the joint shaft drive actuator. And a driving force transmitting unit that connects the reduction speed reducer and the joint shaft.
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