JP2004017248A

JP2004017248A - Robot and robot operation system

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Publication number: JP2004017248A
Application number: JP2002178702A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Yamamoto; 山本　昌彦; Yasuo Fujii; 藤井　康夫
Original assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Current assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: JP3932449B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bipedal robot where the miniaturization of an actuator, the improvement of rigidity and the acceleration of actions can be performed and the improvement of accuracy in positioning the toe sections of leg sections can be expected as compared to a conventional one. <P>SOLUTION: The leg section 4 is constructed by connecting two parallel mechanisms 28, 29 in series. The parallel mechanism 28 is constructed by a base 30, an intermediate member 31 and six motion sections 32 disposed therebetween. In addition, the parallel mechanism 29 is constructed by the intermediate member 31, a toe section 33 and the six motion sections 34 disposed therebetween. And, the leg section 4 is operated by the respective telescopic motions of the motion sections 32, 34. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの脚部を備え、前記脚部を動作させて移動する二足歩行型のロボットに関し、特に前記脚部にパラレルメカニズムを具備するロボット及び該ロボットを操作するためのロボット操作システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの脚部を備え、該脚部を動作させて移動する二足歩行型のロボットが広く知られている。従来のこの種のロボットの脚部は、複数のリンクを直列に連結したシリアルリンク機構を利用したものが一般的である。この種のロボットは、各リンクの接続部分たる関節にモータ等のアクチュエータが設けられており、これらのアクチュエータを駆動することによって、各関節を動作させるようになっている。また、このような従来のロボットの多くは、脚部と同様シリアルリンク機構を利用した腕部が設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した如き従来のロボットにあっては、脚部及び腕部の先端部から基端部へ向かうに従って、関節に作用するモーメントが増大するため、基端側のアクチュエータが大型化していた。また、片持ち梁の構造となっているため、各リンクに曲げ応力が作用することとなり、十分な剛性を確保するために、高剛性のリンクを必要とし、これによるリンクの質量の増大及びアクチュエータの更なる大型化を招いていた。従って、かかるロボットの脚部及び腕部に用いられるアクチュエータには、脚部及び腕部を動作させることが可能な出力を確保しつつ、可及的に小型化するという要望があるが、このような要望を満たすためには動作の高速化が困難となるという問題があった。
【０００４】
また、各アクチュエータに接続された減速機等のバックラッシュにより、脚部及び腕部の先端部の位置決め精度が低いという問題もあった。
【０００５】
また、従来のロボットの殆どは、例えば脚部の自由度が６自由度とされていた。図８は、従来のロボットの脚部の自由度を説明する模式図である。図８に示すように、従来のロボットにあっては、重量及びサイズ等を可及的に小さくしつつ、人間の脚部に近い自由度を確保するという要求から、腰が、前後方向への回動、左右方向への回動及び大腿の軸回りへの回動の３自由度とされ、膝が、前後方向への回動の１自由度とされ、足首が、前後方向への回動及び左右方向への回動の２自由度とされており、片方の脚部につき合計６自由度とされていた。これに対して、人間の脚部は、膝を固定したまま足先を左右に振ることができる、即ち、足首が下腿の軸回りへの回動を行うことができるため、片方の脚部が７自由度を有しており、ロボットの脚部より１自由度多い。これと同様に、従来のロボットの殆どは、人間の腕部の自由度が７自由度であるのに対し、腕部の自由度がこれよりも少ない４〜５自由度とされていた。従って、かかる従来のロボットにあっては、人間のような自然な姿勢をとることができないという問題があった。
【０００６】
また、従来のロボットは、歩行時に常に膝を曲げた状態とする必要があった。これは、膝を伸ばしきった状態とすると、この状態から更に足を延ばしたいという要望が発生した場合に、逆運動学（逆問題）を解くことができず、これに応えることができないことによる。このような、常に膝を曲げた状態での歩行においては、膝を駆動するアクチュエータによってトルクを発生し続けなければならず、脚部に作用する負荷が大きいという問題があった。また、このことにより、従来のロボットは、人間のような自然な姿勢での歩行が行えないという問題があった。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、パラレルメカニズムを利用することにより、従来に比してアクチュエータの小型化、剛性の向上、及び動作の高速化が可能であるとともに、脚部及び腕部の先端部の位置決め精度の向上が期待できるロボット及び該ロボットを操作するためのロボット操作システムを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、パラレルメカニズムを腕部及び／又は脚部に適用することにより、従来に比して軽量且つコンパクトでありながら、人間の腕部及び／又は脚部と同等又はそれ以上の自由度を有する腕部及び／又は脚部を備え、人間のような自然な姿勢をとることが可能なロボット及び該ロボットを操作するためのロボット操作システムを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の更に他の目的は、パラレルメカニズムを腕部及び／又は脚部に適用することにより、肘又は膝を伸ばした状態であっても、逆運動学を解くことができ、従って、膝を伸ばした状態で歩行することができるロボット及び該ロボットを操作するためのロボット操作システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るロボットは、２つの脚部を備え、前記脚部を動作させて移動する二足歩行型のロボットにおいて、前記脚部は、基端部と、先端部と、該基端部及び該先端部に接続され、夫々の接続箇所の相対位置を変化させる動作部とを有し、前記基端部及び前記先端部が、複数の前記動作部によって連結されているパラレルメカニズムを具備することを特徴とする。
【００１１】
図９（ａ），（ｂ）は、パラレルメカニズムを例示する概念図である。パラレルメカニズムとは、互いに離隔して対向配置された第１部材９１及び第２部材９２を、複数のリンク（動作部）９３夫々によって連結した機械構造をいう。このようなパラレルメカニズムには、伸縮型、回転型、直動型、及びワイヤ型等の種類が存在する。
【００１２】
図９（ａ）は、伸縮型のパラレルメカニズムを示しており、図９（ｂ）は、回転型のパラレルメカニズムを示している。図９（ａ）に示す如く、伸縮型のパラレルメカニズムは、リンク９３が、その両端が第１部材９１及び第２部材９２に夫々接続された棒状をなし、長手方向へ伸縮する構造となっている。このパラレルメカニズムでは、リンク９３の第１部材９１との接続箇所、リンク９３の第２部材９１との接続箇所の夫々に、ユニバーサルジョイント等が用いられ、リンク９３が第１部材９１及び第２部材９２に対して、所定範囲であらゆる角度に傾倒可能とされている。このような伸縮型のパラレルメカニズムでは、各リンク９３の伸縮を独立に制御することにより、第１部材９１及び第２部材９２を、その動作範囲内でいかなる方向にでも相対的に移動させることができる。
【００１３】
また、図９（ｂ）に示す如く、回転型のパラレルメカニズムは、夫々の一端部が枢着された２つの棒状のジョイントによってリンク９３が構成され、一方のジョイントの他端部が第１部材９１に接続され、他方のジョイントの他端部が第２部材９２に接続された構造となっている。また、第１部材９１側のジョイントは、回転式のアクチュエータによって基端部（他端部）を中心として揺動されるようになっており、第２部材９２側に接続されるジョイントは、ユニバーサルジョイント等により、所定の範囲であらゆる角度に傾倒可能とされている。このような回転型のパラレルメカニズムでは、各リンク９３の第１部材９１側のジョイントの揺動を独立に制御することにより、第１部材９１及び第２部材９２を、その動作範囲内でいかなる方向にでも相対的に移動させることができる。
【００１４】
このようなパラレルメカニズムは、各リンク９３を動作させるためのアクチュエータを小型のものとしても、各アクチュエータの出力が並列的に作用するため、パラレルメカニズム全体として大きな出力を発生させることができるという利点がある。また、第１部材９１，第２部材９２に如何なる方向の力が作用した場合であっても、夫々のリンク９３には曲げ応力が殆ど作用せず、引っ張り応力又は圧縮応力のみが作用する。従って、かかるパラレルメカニズムは、軽量な材料を用いて各リンクを構成した場合であっても、使用目的に対して十分な剛性を確保しやすいという特徴がある。
【００１５】
本発明に係るロボットは、脚部がこのようなパラレルメカニズムによって構成されているので、全体としての出力を、使用目的に対して十分なだけ確保しながら、従来に比してアクチュエータを小型化することができる。また使用目的に対して、軽量でありながら十分な剛性を確保することもできる。更に、従来に比して軽量且つ高出力であることにより、動作を高速化することが可能となる。
【００１６】
また、各動作部（各動作部に設けられたアクチュエータ）の出力は比較的小さくてもよいので、減速機等を必要としない場合が多い。これによって、更に小型化、軽量化が可能となる。また、減速機等を設けていない場合には、これによるバックラッシュが殆ど発生しないので、脚部の先端部の位置決め精度を向上させることが可能となる。また、減速機等を必要としないことにより、更に動作の高速化が期待できる。
【００１７】
また、上記発明においては、前記脚部が、複数の前記パラレルメカニズムを直列的に具備しており、相隣する２つの前記パラレルメカニズムの一方の先端部と、他方の基端部とが接続されている構成とするか、又は相隣する２つの前記パラレルメカニズムの一方の先端部が、他方の基端部とされた構成とすることが望ましい。
【００１８】
このように、脚部をパラレルメカニズムが複数直列に接続された構成とすることにより、脚部の動作範囲を大きくすることが可能となる。直列接続するパラレルメカニズムの数は任意に設定することができるが、パラレルメカニズムの数が多くなるほど複雑な構成となるので、使用目的に応じて、十分な動作範囲を確保できるだけの数とすればよい。
【００１９】
また、これによって、従来に比して軽量且つコンパクトでありながら、人間の脚部と同等又はそれ以上の自由度を有する脚部を容易に構成することができる。
【００２０】
更に、このような構成の場合には、膝を伸ばしたような、脚部が途中で屈曲されていない状態であっても、更に動作部を動作させることによって脚部の長さを伸張させることができるときには、逆運動学を解くことができる。従って、本発明に係るロボットにおいては、脚部を屈曲させたまま歩行させる必要がなく、従来に比して歩行時に脚部に作用する負荷を低減することができ、より人間の歩行姿勢に近づけることが可能となる。
【００２１】
また、上記発明においては、基端部と、先端部と、該基端部及び該先端部に接続され、夫々の接続箇所の相対位置を変化させる動作部とを有し、前記基端部及び前記先端部が、複数の前記動作部によって連結されているパラレルメカニズムを具備する腕部を更に備える構成とすることが望ましい。
【００２２】
このように、脚部だけでなく、腕部も上述の如きパラレルメカニズムによって構成することにより、ロボット全体の重量を更に低減させることができるとともに、従来のロボットに比して腕部の位置決め精度、剛性、出力及び動作速度を向上させることができる。
【００２３】
また、上記発明においては、前記腕部が、複数の前記パラレルメカニズムを直列的に具備しており、相隣する２つの前記パラレルメカニズムの一方の先端部と、他方の基端部とが接続されている構成とするか、又は相隣する２つの前記パラレルメカニズムの一方の先端部が、他方の基端部とされた構成とすることが望ましい。
【００２４】
このように、腕部をパラレルメカニズムが複数直列に接続された構成とすることにより、腕部の動作範囲を大きくすることが可能となる。この場合も、直列接続するパラレルメカニズムの数は任意に設定することができるが、パラレルメカニズムの数が多くなるほど複雑な構成となるので、使用目的に応じて、十分な動作範囲を確保できるだけの数とすればよい。
【００２５】
また、これによって、従来に比して軽量且つコンパクトでありながら、人間の腕部と同等又はそれ以上の自由度を有する腕部を容易に構成することができる。
【００２６】
更に、このような構成の場合には、肘を伸ばしたような、腕部が途中で屈曲されていない状態であっても、更に動作部を動作させることによって腕部の長さを伸張させることができるときには、逆運動学を解くことができる。従って、本発明に係るロボットにおいては、常に腕部を屈曲させたまま動作させる必要がなく、より人間の動作姿勢に近づけることが可能となる。
【００２７】
上記発明においては、前記動作部が、前記接続箇所の離隔距離を変化させるように、動作すべく構成することも可能である。これにより、夫々の動作部は、前記接続箇所の離隔距離を変化させるだけの単純な動作を行うだけでよく、各動作部の構成を単純化することが可能となる。
【００２８】
また、脚部及び腕部の両方が、夫々パラレルメカニズムを有して構成されている場合には、脚部及び腕部の何れか一方の動作部を、このような構成としてもよいし、脚部及び腕部の両方の動作部を、このような構成としてもよい。
【００２９】
この場合においては、前記動作部が、回転動作する回転動作部と、該回転動作部の回転運動を直線運動へ変換する変換手段とを有する構成とすることも可能である。これにより、変換手段として、カム機構、ボールねじ機構、リンク機構等、公知の各種の機構を利用することができ、簡単な構造の動作部を構成することが可能となる。
【００３０】
また、上記発明においては、前記動作部が、直動式のアクチュエータを有する構成とすることも可能である。これにより、ロボットの脚部の構造を更に単純化することが可能である。
【００３１】
また、この場合においては、前記動作部が、ピストンロッド及びシリンダチューブの一方が、前記基端部及び前記先端部の一方に接続され、ピストンロッド及びシリンダチューブの他方が、前記基端部及び前記先端部の他方に接続されている流体シリンダを有する構成とすることもできる。これにより、各動作部の構造が単純になるだけでなく、動作部を比較的高速に動作させることができ、また比較的大きな動力を得ることが可能となる。
【００３２】
また、このような構成とすることにより、バックラッシュの発生を排除することができる。
【００３３】
また、本発明に係るロボット操作システムは、上記発明に係るロボットと、該ロボットに対する動作指示を外部から受け付ける入力部と、該入力部によって受け付けた動作指示を表す動作指示情報を外部へ送信する送信部とを具備する操作装置とを備え、前記ロボットは、前記操作装置から送信された動作指示情報を受信する受信部と、該受信部によって受信した動作指示情報に基づき、前記動作部の動作を制御する制御部とを具備することを特徴とする。
【００３４】
本発明に係るロボット操作システムにおいては、操作者によって入力部から入力された動作指示に従って、動作部の動作制御を行うので、脚部及び／又は腕部がパラレルメカニズムを有して構成されたロボットの操作を行うことができる。
【００３５】
なお、前記ロボットは、脚部のみがパラレルメカニズムを有する構成としてもよく、脚部及び腕部の両方が、夫々パラレルメカニズムを有する構成としてもよい。また、前記制御部は、脚部のみがパラレルメカニズムを有する構成の場合には、脚部の動作部の動作制御を行うように構成され、脚部及び腕部の両方が、夫々パラレルメカニズムを有する構成の場合には、脚部及び腕部の何れか一方又は両方の動作部の動作制御を行うように構成される。
【００３６】
また、上記発明においては、前記ロボットが、該ロボットの状態を表す状態情報を取得する状態情報取得部と、該状態情報取得部によって取得した状態情報を外部へ送信する送信部とを更に具備し、前記操作装置が、前記ロボットから送信された状態情報を受信する受信部と、該受信部によって受信した状態情報に基づき、前記ロボットの状態を出力する出力部とを更に具備する構成とすることが望ましい。
【００３７】
これにより、ロボットの状態が出力部によって出力され、この状態を操作者が確認しながら、ロボットの操作を行うことができる。このようなロボットの状態には、例えば、ロボットの脚部及び腕部の先端の位置、前記脚部及び腕部の動作部の動作状態及び／又はロボットの現在位置等がある。
【００３８】
また、上記発明においては、前記ロボットが、撮像部と、該撮像部による撮像画像を表す画像情報を外部へ送信する送信部とを更に具備し、前記操作装置が、前記ロボットから送信された画像情報を受信する受信部と、該受信部によって受信した画像情報に基づき、前記撮像部による撮像画像を出力する出力部とを更に具備する構成とすることが望ましい。
【００３９】
これにより、ロボットの周囲の画像が出力部によって出力され、この画像を操作者が確認しながら、ロボットの操作を行うことができる。
【００４０】
また、上記発明においては、前記出力部を、液晶表示装置とし、前記入力部を、前記液晶表示装置に貼着されたタッチパネルとすることが望ましい。
【００４１】
なお、前記ロボットが、状態情報取得部及び撮像部の両方を備える場合には、ロボットの状態及び撮像画像を別個に設けた液晶表示装置によって各別に出力する構成としてもよいし、１つの液晶表示装置によって両方を出力する構成としてもよい。また、ロボットの状態及び撮像画像を別個に設けた液晶表示装置によって各別に出力する構成の場合には、夫々の液晶表示装置にタッチパネルが貼着されていてもよいし、何れか一方にのみタッチパネルが貼着されていてもよい。
【００４２】
また、上記発明においては、前記ロボットが、現在位置を表す位置情報を取得する位置情報取得部を更に具備し、前記制御部が、前記位置情報取得部によって取得した位置情報に基づいて、前記脚部の動作部を動作させることにより、ロボットの歩行制御を行うように構成されていることが望ましい。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るロボットの構成を示す斜視図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係るロボット１は、頭部２，胴体部３，脚部４，及び腕部５から主として構成されており、略人間型をなしている。即ち、胴体部３の上部には、頭部２が設けられており、胴体部３の腰の部分、即ち胴体部３の下端部には、横方向に所定距離離隔せしめられた２つの脚部４が設けられており、胴体部３の肩の部分、即ち胴体部３の両側部の上端部分には、夫々腕部５が設けられている。
【００４５】
図２は、本発明の実施の形態１に係るロボット１が備える腕部５の構成を示す斜視図である。図２に示すように、腕部５は、ベース６，エンドエフェクタ７，動作部８，９，及び中間部材１０から主として構成されている。ベース６は、中央に丸孔が設けられた円盤状をなしており、その一面が、胴体部３の腰の部分に取り付けられている。ベース６の取付面の反対面には、次のような６つの動作部８が夫々ユニバーサルジョイント１１によって接続されている。
【００４６】
夫々の動作部８は、エアシリンダ１２を備えている。エアシリンダ１２のシリンダチューブ１３の基端部には、前述したユニバーサルジョイント１１が取り付けられており、ピストンロッド１４の先端部には、ユニバーサルジョイント１５が取り付けられている。また、ピストンロッド１４の中間部には、円盤状の当接部材１６が取り付けられている。更に詳しく説明すると、当接部材１６は、エアシリンダ１２のシリンダチューブ１３の外径と略同一の外径の円盤状をなしており、ピストンロッド１４がその中心を貫通した状態で、ピストンロッド１４の中間部に固着されている。また、シリンダチューブ１３のヘッドカバー（ピストンロッド１４が突出している端面）からは、ピストンロッド１４と略並行な丸棒状の２本のガイド１７が延設されている。これらのガイド１７は、当接部材１６を夫々適度な遊びが設けられた状態で貫通しており、これによって当接部材１６がガイド１７を摺動することが可能とされている。
【００４７】
また、ガイド１７の先端には、当接部材１６と略同寸の外径の円盤状をなすストッパ１８が設けられている。ストッパ１８の中心には、ピストンロッド１４の直径よりも若干大きい直径の孔が設けられており、この孔をピストンロッド１４が貫通せしめられている。従って、ピストンロッド１４は、当接部材１６が、シリンダチューブ１３のヘッドカバーに当接する状態から、ストッパ１８に当接する状態までの範囲で、ガイド１７に案内されて、軸長方向へ移動することが可能となっている。
【００４８】
また、ピストンロッド１４の先端は、ユニバーサルジョイント１５によって、略円盤状をなす中間部材１０の縁部に接続されている。中間部材１０は、ベース６の直径よりも若干小さい直径の略円盤状とされており、その中心には丸孔が設けられている。このように、動作部８は、ユニバーサルジョイント１１，１５によってベース６及び中間部材１０に接続されているため、ベース６及び中間部材１０に対して如何なる向きでも傾倒することが可能となっている。
【００４９】
また、このような動作部８は、夫々互いに交差しないように、その両端がベース６の外縁部及び中間部材１０の外縁部に接続されている。しかも、各動作部８の内の相隣する２つは、互いに平行とはならないように配置されている。即ち、相隣する２つの動作部８は、夫々のベース６に対する接続箇所の間隔と、夫々の中間部材１０に対する接続箇所の間隔とが相違している。このように構成することにより、各動作部８の伸縮によって、例えばベース６に対して中間部材１０が捻れるような動作、即ちベース６と中間部材１０とが相対的に回転する動作が可能となっている。
【００５０】
このように、ベース６，動作部８，及び中間部材１０によって、パラレルメカニズム１９が構成されている。
【００５１】
一方、図２に示すように、中間部材１０のベース６との対向面の反対面には、６つの動作部９が接続されている。これらの動作部９は、夫々エアシリンダ２０を備えており、動作部８と略同様に構成されている。また、エアシリンダ２０のシリンダチューブの基端には、ユニバーサルジョイント２１が取り付けられており、これによりエアシリンダ２０が中間部材１０に接続されている。また、エアシリンダ２０のピストンロッド２２の先端には、ユニバーサルジョイント２３が取り付けられており、これによってエアシリンダ２０が後述するようなエンドエフェクタ７に接続されている。そして、このような動作部９は、夫々互いに交差しないように、その両端が中間部材１０の外縁部及びエンドエフェクタ７の外縁部に接続されている。しかも、各動作部９の内の相隣する２つは、互いに平行とはならないように配置されている。その他、動作部９の構成は、動作部８の構成と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００５２】
このように、中間部材１０，動作部９，及びエンドエフェクタ７によって、パラレルメカニズム２４が構成されている。即ち、本実施の形態１に係るロボット１の腕部５は、２つのパラレルメカニズム１９，２４が直列接続されて構成されている。このとき、パラレルメカニズム１９においては、ベース６が本発明に係る基端部となり、中間部材１０が本発明に係る先端部となる。また、パラレルメカニズム２４においては、中間部材１０が本発明に係る基端部となり、エンドエフェクタ７が本発明に係る先端部となる。
【００５３】
次に、エンドエフェクタ７の構成について説明する。図２に示すように、エンドエフェクタ７は、円錐形の頂点部分から略円柱状の部分が延設された如き形状をなすベース部２５を備えている。このベース部２５の円柱状の部分には、板状の部材をチャネル状に屈曲させた如き形状をなす枢支部材２６が取り付けられており、この枢支部材２６の対向面間に挟まれた状態で、夫々指状をなす３つの指部材２７の夫々の基端部が枢支されている。２つの指部材２７は、夫々同一の枢軸にて枢支されており、他の１つの指部材２７は、これとは異なる位置に設けられた枢軸にて枢支されている。
【００５４】
また、エンドエフェクタ７には、モータ（図示せず）が設けられており、モータが動作することによって、各指部材２７が夫々の枢軸回りに回動することが可能となっている。このように、エンドエフェクタ７は、手の如き形状とされており、夫々の指部材２７が夫々の枢軸回りに回動することにより、対象物を把持したり、解放する動作が可能となっている。
【００５５】
なお、エンドエフェクタ７をモータによって動作させる構成に限定されるものではなく、例えば、エアシリンダ、又は油圧シリンダ等によって動作させる構成であってもよい。
【００５６】
また、エンドエフェクタ７を、対象物を把持することが可能な手型のものとする構成に限定されるものではなく、例えば、溶接用、ドリル用、又はネジ締め用等のエンドエフェクタを用いる構成としてもよいことは言うまでもない。
【００５７】
図３は、本発明の実施の形態１に係るロボット１が備える脚部４の構成を示す斜視図である。図３に示すように、脚部４は、２つのパラレルメカニズム２８，２９が直列接続された構成となっている。一方のパラレルメカニズム２８は、本発明に係る基端部たるベース３０，本発明に係る先端部たる中間部材３１，及び６つの動作部３２によって主として構成されている。
【００５８】
動作部３２は、エアシリンダを具備しており、このエアシリンダのシリンダチューブの基端が、ユニバーサルジョイントを介してベース３０に接続されている。また、動作部３２のエアシリンダのピストンロッドの先端が、ユニバーサルジョイントを介して中間部材３１に接続されている。
【００５９】
また、他方のパラレルメカニズム２９は、本発明に係る基端部たる中間部材３１，本発明に係る先端部たる足先部３３，及び６つの動作部３４によって主として構成されている。動作部３４は、エアシリンダを具備しており、このエアシリンダのシリンダチューブの基端が、ユニバーサルジョイントを介して中間部材３１に接続されている。また、動作部３４のエアシリンダのピストンロッドの先端が、ユニバーサルジョイントを介して足先部３３に接続されている。
【００６０】
なお、パラレルメカニズム２８，２９の構成は、パラレルメカニズム１９，２４の構成と略同様であるので、その説明を省略する。
【００６１】
足先部３３は、側面視において略台形状の箱状をなす接地部材３５と、該接地部材３５の上部に設けられた略円盤状のベース部材３６とによって構成されており、該ベース部材３６の外縁部分に、動作部３４のピストンロッドの先端が接続されている。
【００６２】
このような脚部４の動作部３２，３４及び腕部５の動作部８，９は、夫々ロボット１に内蔵されている、又はロボット１の外部に設けられている制御装置（図示せず）によってその動作が制御されるようになっている。そして、ロボット１は、動作部３２，３４を伸縮させることにより、脚部４を動作させ、二足歩行によって移動することができる。なお、ロボット１の歩行動作が所謂動歩行となるように、脚部４の動作の制御を行ってもよいし、所謂静歩行となるように、脚部４の動作の制御を行ってもよい。
【００６３】
また、前述した腕部５も、脚部４と同様に、夫々が備える動作部８，９の伸縮動作を前記制御装置が制御することにより、その動作が制御される。このときの腕部５の制御は、以下に説明するようにスレーブアームとして用いるように制御することもできるし、例えば、エンドエフェクタ７の目標位置を与えたときに、この目標位置へエンドエフェクタ７を到達させるべく、各動作部８，９の伸縮量を夫々演算し、この演算結果の伸縮量だけ各動作部８，９を動作させるように制御することもできる。
【００６４】
図４は、マスターアームとして用いられる操作装置を示す模式図である。本実施の形態１に係る操作装置３７は、図４に示す如く、基端部３８，把持部３９，伸縮部４０，４１，及び操作側中間部材４２から主として構成されている。基端部３８は、板状をなしており、操作者の腕を挿通させるための孔が設けられている。そして、この基端部３８は、操作者の腕を前記孔に挿通させて、操作者の肩に取り付けるようになっている。
【００６５】
操作側中間部材４２もまた、板状をなしており、操作者の腕を挿通させるための孔が設けられている。このような操作側中間部材４２は、操作者の腕を前記孔に挿通させて、操作者の肘に取り付けるようになっている。
【００６６】
そして、基端部３８と操作側中間部材４２とは、６つの伸縮部４０によって連結されている。夫々の伸縮部４０は、例えば円筒状の部材と、これに挿入された棒状部材とによって、伸縮が自在に構成されている。夫々の伸縮部４０には、位置センサが設けられており（図示せず）、これらの位置センサは、取り付けられた伸縮部４０の伸縮に応じた信号を出力するようになっている。
【００６７】
一方、把持部３９は、板状の取付板４３を有している。この取付板４３には、操作者の腕を挿通させるための孔が設けられており、操作者の腕を前記孔に挿通させて、把持部３９を操作者の手首に取り付けるようになっている。取付板４３の一面には、支持部４４が設けられており、この支持部４４によって２つのハンドル部材４５が回転自在に支持されている。これらのハンドル部材４５は、夫々棒状部材が略矩形状に屈曲された如き形状をなしており、端部が支持部４４に枢着されている。また、各ハンドル部材４５は図示しないバネによって所定の間隔だけ離隔するように付勢されている。そして、取付板４３の孔の近傍に、夫々のハンドル部材４５の矩形の一辺の部分が位置する状態となっており、前記孔に手首の部分を挿通させた操作者が、この部分を把持することができるようになっている。これにより、操作者は、各ハンドル部材４５を互いに接近させるように、前記バネの付勢力に抗して回動させることができる。
【００６８】
また、把持部３９には位置センサが設けられており（図示せず）、この位置センサは、ハンドル部材４５の位置に応じた信号を出力するようになっている。
【００６９】
そして、操作側中間部材４２と取付板４３とは、６つの伸縮部４１によって連結されている。夫々の伸縮部４１には、位置センサが設けられており（図示せず）、これらの位置センサは、取り付けられた伸縮部４１の伸縮に応じた信号を出力するようになっている。また、伸縮部４１の構成は、上述した伸縮部４０の構成と同様であるので、その説明を省略する。
【００７０】
夫々の伸縮部４０，４１の位置センサから出力された信号は、前述した制御装置へと入力される。制御装置では、各伸縮部４０が、腕部５の動作部８に一対一で対応付けられており、各伸縮部４１が、動作部９に一対一で対応付けられている。そして、この制御装置は、１つの伸縮部４０に対応する動作部８を、この伸縮部４０の伸縮量に比例した伸縮量で伸縮させるように動作制御する。また、同様に、制御装置は、動作部９を、これに対応する伸縮部４１の伸縮量に比例した伸縮量で伸縮させるべく、動作制御する。
【００７１】
このように、腕部５の動作を制御することによって、操作装置３７をマスターアームとし、腕部５をスレーブアームとして、腕部５の操作を行うことができる。
【００７２】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るロボット操作システムの要部の構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施の形態２に係るロボット操作システム５０は、ロボット５１と、操作装置５２とから主として構成されている。
【００７３】
まず、ロボット５１の構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係るロボット５１の要部の構成を示すブロック図である。ロボット５１は、図５に示すような胴体部３の内部に、制御部５３が設けられている。該制御部５３は、ＣＰＵ５４，ＲＯＭ５５，ＲＡＭ５６及び入出力インタフェース５７から主として構成されている。
【００７４】
ＣＰＵ５４は、マイクロプロセッサであり、バスを介してＲＯＭ５５，ＲＡＭ５６，及び入出力インタフェース５７に接続されている。ＣＰＵ５４は、ＲＯＭ５５に記憶されているコンピュータプログラム又はＲＡＭ５６にロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。
【００７５】
ＲＯＭ５５は、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等から構成されており、ＣＰＵ５４に実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。
【００７６】
ＲＡＭ５６は、ＳＲＡＭ又はＤＲＡＭ等により構成されている。ＲＡＭ５６は、ＲＯＭ５５に記憶されているコンピュータプログラムを実行するときに、このコンピュータプログラムがロードされ、ＣＰＵ５４の作業領域として利用される。
【００７７】
入出力インタフェース５７は、例えばＵＳＢ，ＩＥＥＥ１３９４，ＲＳ−２３２Ｃ等のシリアルインタフェース、ＳＣＳＩ，ＩＤＥ，ＩＥＥＥ１２８４等のパラレルインタフェース、Ｄ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。また、入出力インタフェース５７には、制御部５３の外部に設けられたＧＰＳ受信装置（位置情報取得部）５８，ＣＣＤ（撮像部）５９，動作センサ（状態情報取得部）６０〜６４，駆動回路６５〜６９及び無線通信装置（送信部，受信部）７０が接続されている。
【００７８】
ＧＰＳ受信装置５８は、複数のＧＰＳ衛星から発信された信号を受信し、これに基づいてＧＰＳ受信装置５８自体の現在位置を検出する。そして、このＧＰＳ受信装置５８は、検出した現在位置を表す位置情報７１を入出力インタフェース５７へ出力するようになっている。
【００７９】
ＣＣＤ５９は、ロボット５１の頭部の正面側等に取り付けられており、所定の周期で外部の映像を撮像し、得られた画像情報７２を入出力インタフェース５７へ出力するようになっている。
【００８０】
ロボット５１の脚部４の６つの動作部３２の夫々には、動作センサ６０が取り付けられている。また同様に、脚部４の動作部３４には、夫々動作センサ６１が取り付けられており、腕部５の動作部８，９には、夫々動作センサ６２，６３が取り付けられている。これらの動作センサ６０〜６３は、ポテンショメータ又はエンコーダ等から構成されており、夫々取り付けられた動作部３２，３４，８，９の伸縮量に応じた出力信号（状態情報）７３を発生するようになっている。
【００８１】
また、エンドエフェクタ７には、動作センサ６４が取り付けられている。この動作センサ６４は、例えばロータリエンコーダから構成されており、指部材２７の回動角度に応じた出力信号（状態情報）７４を発生するようになっている。そして、動作センサ６０〜６４の出力信号７３，７４は、接続先の入出力インタフェース５７へ与えられるようになっている。
【００８２】
また、動作部３２，３４，８，９には、夫々駆動回路６５，６６，６７，６８が各別に接続されており、エンドエフェクタ７には、駆動回路６９が接続されている。駆動回路６５〜６８は、制御部５３から与えられた制御信号に基づいて、接続先の動作部３２，３４，８，９が備えるエアシリンダに対して吸気又は排気を行うエアポンプ及び電磁弁等からなる給排気装置（図示せず）を駆動し、動作部３２，３４，８，９を伸縮させるようになっている。
【００８３】
一方、駆動回路６９は、制御部５３から与えられた制御信号に基づいて、エンドエフェクタ７に設けられたモータを駆動し、指部材２７を開閉させるようになっている。
【００８４】
無線通信装置７０は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＩＥＥＥ８０２．１１，ＩＥＥＥ８０２．１１ａ，ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ，ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ若しくはＨｏｍｅＲＦ等によって規定された通信方式によりデータ通信が可能なもの、又はＰＨＳ方式、ＰＤＣ方式若しくはＣＤＭＡ方式等によりデータ通信が可能なものである。このような無線通信装置７０は、入出力インタフェース５７から与えられたデータを外部へ送信し、外部から受信したデータを入出力インタフェース５７へ出力するようになっている。
【００８５】
なお、本実施の形態２に係るロボット５１のその他の構成は、実施の形態１に係るロボット１の構成と同様であるので、同符号を付し、その説明を省略する。
【００８６】
次に、操作装置５２の構成について説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る操作装置５２の要部の構成を示すブロック図である。操作装置５２は、ＣＰＵ７５，ＲＯＭ７６，ＲＡＭ７７，入出力インタフェース７８，液晶表示装置７９，タッチパネル８０，無線通信装置８１から主として構成されている。ＣＰＵ７５，ＲＯＭ７６，ＲＡＭ７７，入出力インタフェース７８及び無線通信装置８１の構成は、前述したＣＰＵ５４，ＲＯＭ５５，ＲＡＭ５６，入出力インタフェース５７及び無線通信装置７０と略同様の構成であるので、その説明を省略する。
【００８７】
ＲＯＭ７６又はＲＡＭ７７には、操作装置５２が後述するような動作を行うためのコンピュータプログラムが格納されている。
【００８８】
液晶表示装置７９は、入出力インタフェース７８に接続されており、ＣＰＵ７５から出力された画像データに従って、画像を出力（表示）するようになっている。
【００８９】
タッチパネル８０は、液晶表示装置７９の表面に設けられており、入出力インタフェース７８に接続されている。このタッチパネル８０は、操作者が指又は専用のペン８２で画面に触れたときに、ペン８２等が触れた位置を検出し、この位置に応じた位置信号を入出力インタフェース７８へ出力するようになっており、これにより操作者が入力操作を行うことができるようになっている。
【００９０】
次に、本実施の形態２に係るロボット操作システム５０の動作について説明する。操作者は、操作装置５２に対して所定の入力操作を行うことにより、ロボット５１の移動目標位置を指示することができる。この移動目標位置が入力されたとき、操作装置５２は、無線通信装置８１によって移動目標位置を表すデータを送信する。ロボット５１の無線通信装置７０によって、このデータは受信され、ＣＰＵ５４に与えられる。そして、ロボット５１は、ＣＰＵ５４の演算処理により、ＧＰＳ受信装置５８によって検出された現在位置と、前記移動目標位置とを比較し、移動経路を決定して、この移動経路に沿って歩行する。
【００９１】
また、このような動作に限らず、例えば操作者が操作装置５２に対して所定の入力操作を行うことによって、ロボット５１の進行方向を指示し、ロボット５１が指示された進行方向へ向けて歩行するような動作であってもよい。
【００９２】
ＲＯＭ５５又はＲＡＭ５６には、ロボット５１の歩行制御用のコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ５４がこのコンピュータプログラムを実行することにより、ロボット５１の歩行制御が行われる。この歩行制御は、例えば予めＲＯＭ５５又はＲＡＭ５６に格納されている歩行用の動作パターンに従って、脚部４の動作部３２，３４を動作させることにより行われる。
【００９３】
また、ＣＰＵ５４は、ＧＰＳ受信装置５８によって検出された現在位置を示す位置情報７１を無線通信装置７０に送信させる。この位置情報７１は、操作装置５２の無線通信装置８１によって受信され、ＣＰＵ７５に与えられる。操作装置５２では、ＣＰＵ７５が、例えばＲＡＭ７７に記憶された地図データを読み出し、操作者が視覚的にロボット５１の現在位置を確認できるように、液晶表示装置７９に地図とロボット５１の位置とを重畳して表示する。
【００９４】
操作者は、液晶表示装置７９によって出力された表示画像を視認して、ロボット５１の移動目標位置を変更する場合には、タッチパネル８０の所定箇所をペン８２によって触れる等、必要な入力操作を行うことにより、新たな移動目標位置を指示する。
【００９５】
ロボット５１のＣＰＵ５４は、ＣＣＤ５９の撮像により得られた画像情報７２を無線通信装置７０に送信させる。この画像情報７２は、操作装置５２の無線通信装置８１によって受信され、ＣＰＵ７５に与えられる。ＣＰＵ７５は、この画像情報７２に従って、ＣＣＤ５９の撮像画像を液晶表示装置７９に表示させる。これにより、操作者に対して、ロボット５１の周囲の状況を知らしめることができる。
【００９６】
また、ＣＰＵ５４は、動作センサ６０〜６４によって取得された状態情報７３，７４を無線通信装置７０に送信させる。状態情報７３，７４は、無線通信装置８１によって受信され、ＣＰＵ７５に与えられる。ＣＰＵ７５は、このようにして受け取った状態情報７３，７４に基づいて、例えばロボット５１の３次元モデルを演算し、これを液晶表示装置７９に表示させる。
【００９７】
操作者は、液晶表示装置７９に出力されたロボット５１の周囲の映像及びロボット５１の動作状態を示す３次元モデルを確認することができ、これらを確認することによって把握したロボット５１の周囲の状況及びロボット５１の各部の状態に応じて、タッチパネル８０に対して所定の入力操作を行うことにより、ロボット５１の各種の動作指示を行うことができる。
【００９８】
操作装置５２のＣＰＵ７５は、操作者から腕部５の動作指示を受け付けた場合、タッチパネル８０から受け付けた腕部５の動作指示を示す動作指示情報８３を、無線通信装置８１によって外部へ送信させる。この動作指示情報８３は、ロボット５１の無線通信装置７０によって受信され、ＣＰＵ５４に与えられる。ＣＰＵ５４は、このようにして取得した動作指示情報８３と、動作センサ６２〜６４から得た状態情報とに基づいて、各動作部８，９及びエンドエフェクタ７の動作のフィードバック制御を行い、前記動作指示に従って腕部５を動作させる。
【００９９】
なお、実施の形態１，２においては、動作部８，９，３２，３４がエアシリンダを備え、これらのエアシリンダの動作により動作部８，９，３２，３４を伸縮させる構成について述べたが、エアシリンダの代わりに油圧式シリンダ等の他の流体シリンダを用いる構成としてもよいことは言うまでもない。
【０１００】
また、動作部８，９，３２，３４がエアシリンシリンダを備える構成ではなく、例えば、動作部を、固定子が本発明に係る基端部及び先端部の一方に接続され、走行子が他方に接続されたリニアモータとしてもよい。また、例えば夫々の動作部が、内面に雌ねじ部が設けられた筒状の回転軸を有するモータと、外面に雄ねじ部が設けられ、この回転軸に螺合した状態で貫通する移動軸とを備え、モータが動作することによって移動軸が軸長方向へ移動し、これによって動作部が伸縮する構成としてもよいし、夫々の動作部が、一部の外面に雄ねじ部が設けられた回転軸を有するモータと、内面に雌ねじ部が設けられ、この回転軸に螺合する移動軸とを備え、モータが動作することによって移動軸が軸長方向へ移動し、これによって動作部が伸縮する構成としてもよい。
【０１０１】
また、これらに限らず、夫々の動作部が、モータ等の回転式アクチュエータと、これの回転運動を直線運動へ変換する、例えばラック・ピニオン、ベルト、ボールねじのような変換手段とを備え、変換手段の直線運動によって動作部の本発明に係る基端部及び先端部に対する接続箇所間の離隔距離が変化する構成であれば、如何なる構成であってもよい。
【０１０２】
また、実施の形態１，２においては、エアシリンダにより夫々の動作部を構成したが、例えばソレノイドのような他の直動式アクチュエータによって夫々の動作部を構成し、この直動式アクチュエータの動作によって動作部の本発明に係る基端部及び先端部に対する接続箇所間の離隔距離が変化するようにしてもよい。
【０１０３】
また、動作部が直動式又は回転式のアクチュエータではなく、形状記憶合金のような、回転運動及び直線運動とは異なる運動を行うアクチュエータによって構成し、このアクチュエータの動作により、動作部の本発明に係る基端部及び先端部に対する接続箇所間の離隔距離が変化するようにしてもよい。
【０１０４】
また、実施の形態１，２においては、１つの脚部４に、直列接続された２つのパラレルメカニズム２８，２９が設けられた構成について述べたが、これに限定されるものではなく、例えば１つのパラレルメカニズムによって脚部４を構成してもよいし、３以上のパラレルメカニズムを直列的に接続し、これを脚部４に用いた構成としてもよい。
【０１０５】
また、実施の形態１，２においては、脚部４の一方のパラレルメカニズム２８の先端部と、他方のパラレルメカニズム２９の基端部とを、一つの部品である中間部材３１によって構成した場合について述べたが、これに限定されるものではなく、パラレルメカニズム２８の先端部と、パラレルメカニズム２９の基端部とを接続して、中間部材３１を構成してもよい。このことは、腕部５についても同様である。
【０１０６】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明に係るロボットによれば、パラレルメカニズムによって脚部が構成されているので、全体としての出力を、使用目的に対して十分なだけ確保しながら、従来に比してアクチュエータを小型化することができる。また使用目的に対して、軽量でありながら十分な剛性を確保することもできる。更に、従来に比して軽量且つ高出力であることにより、動作を高速化することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るロボットの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るロボットが備える腕部の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るロボットが備える脚部の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る腕部の操作装置を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るロボット操作システムの要部の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るロボットの要部の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る操作装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図８】従来のロボットの脚部の自由度を説明する模式図である。
【図９】パラレルメカニズムを例示する概念図であり、（ａ）は伸縮型のパラレルメカニズムを示し、（ｂ）は回転型のパラレルメカニズムを示す図である。
【符号の説明】
１　ロボット
２　頭部
３　胴体部
４　脚部
５　腕部
６　ベース（基端部）
７　エンドエフェクタ（先端部）
８，９　動作部
１０　中間部材（基端部、先端部）
１２　エアシリンダ
１３　シリンダチューブ
１４　ピストンロッド
１９，２４　パラレルメカニズム
２０　エアシリンダ
２２　ピストンロッド
２５　ベース部
２６　枢支部材
２７　指部材
２８，２９　パラレルメカニズム
３０　ベース（基端部）
３１　中間部材（基端部、先端部）
３２，３４　動作部
３３　足先部（先端部）
３７　操作装置
３８　基端部
３９　把持部
４０，４１　伸縮部
４２　操作側中間部材
５０　ロボット操作システム
５１　ロボット
５２　操作装置
５３　制御部
５８　ＧＰＳ受信装置（位置情報取得部）
５９　ＣＣＤ（撮像部）
６０〜６４　動作センサ（状態情報取得部）
６５〜６９　駆動回路
７０　無線通信装置（送信部、受信部）
７１　位置情報
７２　画像情報
７３，７４　出力信号（状態情報）
７９　液晶表示装置
８０　タッチパネル
８１　無線通信装置（送信部、受信部）
８３　動作指示情報[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bipedal walking robot having two legs and moving by operating the legs, and more particularly to a robot having a parallel mechanism in the legs and a robot operation system for operating the robot About.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A bipedal walking robot having two legs and moving by operating the legs is widely known. Conventionally, the legs of this type of robot generally use a serial link mechanism in which a plurality of links are connected in series. In this type of robot, actuators such as motors are provided at joints that are connection portions of the links, and the joints are operated by driving these actuators. Many of such conventional robots are provided with arms using a serial link mechanism like legs.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional robot as described above, since the moment acting on the joint increases from the distal ends of the legs and the arms toward the proximal end, the actuator on the proximal end is increased in size. In addition, since it has a cantilever structure, a bending stress acts on each link, and a high-rigidity link is required to secure sufficient rigidity, which increases the link mass and the actuator. Was further enlarged. Therefore, there is a demand for actuators used for the legs and arms of such robots to be as small as possible while ensuring an output capable of operating the legs and arms. In order to satisfy such demands, there is a problem that it is difficult to increase the operation speed.
[0004]
In addition, there is also a problem that positioning accuracy of the distal ends of the legs and the arms is low due to backlash of a speed reducer or the like connected to each actuator.
[0005]
In addition, most conventional robots have, for example, six degrees of freedom in the legs. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the degrees of freedom of the legs of a conventional robot. As shown in FIG. 8, in the conventional robot, the waist is moved in the front-rear direction due to a demand for securing a degree of freedom close to human legs while minimizing the weight and size. The knee has three degrees of freedom of rotation, left and right rotation, and rotation of the thigh about the axis, the knee has one degree of freedom of rotation in the front and rear direction, and the ankle has rotation in the front and rear direction. And two degrees of freedom of rotation in the left-right direction, and a total of six degrees of freedom are provided for one leg. On the other hand, the human leg can swing the toe to the left and right while the knee is fixed, that is, the ankle can rotate around the axis of the lower leg, so that one leg is It has seven degrees of freedom, one more than the legs of the robot. Similarly, most of the conventional robots have a degree of freedom of a human arm of 7 degrees of freedom, whereas the degree of freedom of an arm is 4 to 5 degrees of freedom. Therefore, such a conventional robot has a problem that it cannot take a natural posture like a human.
[0006]
Further, in the conventional robot, it was necessary to always keep the knee bent when walking. This is because, when the knee is fully extended, if a request to extend the leg further from this state arises, the inverse kinematics (inverse problem) cannot be solved and cannot be responded to. . In such walking with the knee always bent, there is a problem that torque must be continuously generated by the actuator that drives the knee, and the load acting on the legs is large. In addition, this causes a problem that the conventional robot cannot walk in a natural posture like a human.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and by using a parallel mechanism, it is possible to reduce the size of the actuator, improve rigidity, and increase the speed of operation, as compared with the related art. It is another object of the present invention to provide a robot that can be expected to improve the positioning accuracy of the tip of the arm, and a robot operation system for operating the robot.
[0008]
Another object of the present invention is to apply a parallel mechanism to an arm and / or a leg, so that it is lighter and more compact than a conventional one, but is equivalent to a human arm and / or a leg. It is an object of the present invention to provide a robot having arms and / or legs having more degrees of freedom and capable of taking a natural posture like a human, and a robot operation system for operating the robot.
[0009]
Still another object of the present invention is to apply the parallel mechanism to the arm and / or the leg, so that the inverse kinematics can be solved even when the elbow or the knee is extended, and An object of the present invention is to provide a robot capable of walking with its knees extended and a robot operation system for operating the robot.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A robot according to the present invention includes two legs, and in a bipedal walking robot that moves by operating the legs, the legs include a base end, a tip end, the base end, An operating unit connected to the distal end and changing a relative position of each connection point, wherein the base end and the distal end are provided with a parallel mechanism connected by a plurality of the operating units. It is characterized by.
[0011]
FIGS. 9A and 9B are conceptual diagrams illustrating a parallel mechanism. The parallel mechanism refers to a mechanical structure in which a first member 91 and a second member 92 that are spaced apart and opposed to each other are connected by a plurality of links (moving parts) 93. There are various types of such parallel mechanisms, such as a telescopic type, a rotary type, a direct acting type, and a wire type.
[0012]
FIG. 9A shows a telescopic parallel mechanism, and FIG. 9B shows a rotary parallel mechanism. As shown in FIG. 9A, the telescopic parallel mechanism has a structure in which a link 93 has a rod shape with both ends connected to a first member 91 and a second member 92, and expands and contracts in the longitudinal direction. I have. In this parallel mechanism, a universal joint or the like is used at each of a connection point of the link 93 with the first member 91 and a connection point of the link 93 with the second member 91, and the link 93 is connected to the first member 91 and the second member 91. 92 can be tilted at any angle within a predetermined range. In such a telescopic parallel mechanism, the first member 91 and the second member 92 can be relatively moved in any direction within the operation range by independently controlling the expansion and contraction of each link 93. it can.
[0013]
As shown in FIG. 9B, in the rotary parallel mechanism, a link 93 is formed by two rod-shaped joints each having one end pivotally connected, and the other end of one joint is a first member. 91, and the other end of the other joint is connected to the second member 92. The joint on the first member 91 side is pivoted about the base end (the other end) by a rotary actuator, and the joint connected to the second member 92 is a universal. A joint or the like enables tilting at any angle within a predetermined range. In such a rotary parallel mechanism, the first member 91 and the second member 92 can be moved in any direction within the operation range by independently controlling the swing of the joint of each link 93 on the first member 91 side. Can be relatively moved.
[0014]
Such a parallel mechanism has an advantage that even if the actuator for operating each link 93 is small, the output of each actuator acts in parallel, so that a large output can be generated as a whole parallel mechanism. is there. In addition, even if a force in any direction acts on the first member 91 and the second member 92, the bending stress hardly acts on each link 93, and only the tensile stress or the compressive stress acts. Therefore, such a parallel mechanism has a feature that even when each link is formed using a lightweight material, it is easy to secure sufficient rigidity for the purpose of use.
[0015]
In the robot according to the present invention, since the legs are constituted by such a parallel mechanism, the actuator can be downsized as compared with the related art while securing sufficient output as a whole for the purpose of use. be able to. In addition, sufficient rigidity can be ensured for the purpose of use while being lightweight. Furthermore, the operation can be sped up because of its light weight and high output as compared with the conventional case.
[0016]
Further, since the output of each operation unit (actuator provided in each operation unit) may be relatively small, a reduction gear or the like is often not required. Thereby, further reduction in size and weight can be achieved. Further, when a speed reducer or the like is not provided, the backlash hardly occurs due to this, so that the positioning accuracy of the tip of the leg can be improved. Further, since a reduction gear is not required, a higher speed operation can be expected.
[0017]
Further, in the above invention, the leg portion includes a plurality of the parallel mechanisms in series, and one end portion of two adjacent parallel mechanisms is connected to the other base end portion. It is preferable that one of the two parallel mechanisms adjacent to each other has one end serving as the other base end.
[0018]
In this way, by configuring the legs to have a plurality of parallel mechanisms connected in series, it is possible to increase the operating range of the legs. The number of parallel mechanisms connected in series can be set arbitrarily, but the more the number of parallel mechanisms, the more complicated the configuration.Therefore, depending on the purpose of use, the number should be sufficient to ensure a sufficient operation range. .
[0019]
In addition, this makes it possible to easily configure a leg that has a degree of freedom equal to or higher than that of a human leg, while being lightweight and compact as compared with the related art.
[0020]
Furthermore, in the case of such a configuration, even when the leg is not bent in the middle, such as when the knee is extended, it is necessary to extend the length of the leg by further operating the operating unit. When you can, you can solve inverse kinematics. Therefore, in the robot according to the present invention, it is not necessary to walk with the legs bent, and it is possible to reduce the load acting on the legs during walking, as compared with the related art, and to bring the robot closer to a human walking posture. It becomes possible.
[0021]
Further, in the above invention, a base end, a distal end, and an operating unit connected to the base end and the distal end, and changing a relative position of each connection portion, the base end and It is preferable that the distal end further include an arm having a parallel mechanism connected by a plurality of the operation units.
[0022]
In this way, not only the legs but also the arms are configured by the parallel mechanism as described above, so that the weight of the entire robot can be further reduced, and the positioning accuracy of the arms can be reduced compared to the conventional robot. Rigidity, output and operating speed can be improved.
[0023]
Further, in the above invention, the arm portion includes a plurality of the parallel mechanisms in series, and one distal end portion of two adjacent parallel mechanisms is connected to the other proximal end portion. It is preferable that one of the two parallel mechanisms adjacent to each other has one end serving as the other base end.
[0024]
As described above, by configuring the arm portion to have a configuration in which a plurality of parallel mechanisms are connected in series, it is possible to increase the operation range of the arm portion. In this case as well, the number of parallel mechanisms connected in series can be set arbitrarily. However, as the number of parallel mechanisms increases, the configuration becomes more complicated. And it is sufficient.
[0025]
In addition, this makes it possible to easily configure an arm having a degree of freedom equal to or higher than that of a human arm while being lighter and more compact than a conventional one.
[0026]
Further, in the case of such a configuration, even when the arm is not bent in the middle, such as when the elbow is extended, the length of the arm is extended by further operating the operating unit. When you can, you can solve inverse kinematics. Therefore, in the robot according to the present invention, it is not necessary to operate the robot with the arms always bent, and it is possible to bring the robot closer to the human motion posture.
[0027]
In the above invention, the operating section may be configured to operate so as to change a separation distance of the connection portion. Accordingly, each operating unit only needs to perform a simple operation that changes the separation distance of the connection portion, and the configuration of each operating unit can be simplified.
[0028]
In the case where both the leg and the arm are each configured to have a parallel mechanism, any one of the operating units of the leg and the arm may have such a configuration, The operation units of both the unit and the arm unit may have such a configuration.
[0029]
In this case, it is possible that the operating unit includes a rotating operating unit that performs a rotating operation and a conversion unit that converts the rotating motion of the rotating operating unit into a linear motion. As a result, various known mechanisms such as a cam mechanism, a ball screw mechanism, and a link mechanism can be used as the conversion means, and it is possible to configure an operation unit having a simple structure.
[0030]
Further, in the above invention, it is also possible to adopt a configuration in which the operating section has a direct-acting actuator. Thereby, the structure of the leg of the robot can be further simplified.
[0031]
Further, in this case, the operating portion is configured such that one of a piston rod and a cylinder tube is connected to one of the base end and the distal end, and the other of the piston rod and the cylinder tube is connected to the base end and the cylinder tube. It is also possible to have a configuration having a fluid cylinder connected to the other end of the tip. This not only simplifies the structure of each operation unit, but also allows the operation unit to operate at a relatively high speed and obtain a relatively large power.
[0032]
Further, by adopting such a configuration, occurrence of backlash can be eliminated.
[0033]
In addition, a robot operation system according to the present invention includes a robot according to the above invention, an input unit that externally receives an operation instruction for the robot, and a transmission that transmits operation instruction information representing the operation instruction received by the input unit to the outside. And an operation device comprising a unit, wherein the robot receives an operation instruction information transmitted from the operation device, and, based on the operation instruction information received by the reception unit, performs an operation of the operation unit. And a control unit for controlling.
[0034]
In the robot operation system according to the present invention, since the operation of the operation unit is controlled in accordance with the operation instruction input from the input unit by the operator, the robot in which the legs and / or the arms have a parallel mechanism. Operation can be performed.
[0035]
The robot may have a configuration in which only the legs have a parallel mechanism, or both the legs and the arms may each have a parallel mechanism. In a case where only the legs have a parallel mechanism, the control unit is configured to control the operation of the operation unit of the legs, and both the legs and the arms each have a parallel mechanism. In the case of the configuration, it is configured to control the operation of one or both of the leg and the arm.
[0036]
In the above invention, the robot further includes a state information acquisition unit that acquires state information representing a state of the robot, and a transmission unit that transmits the state information acquired by the state information acquisition unit to the outside. The operation device may further include a receiving unit that receives the state information transmitted from the robot, and an output unit that outputs the state of the robot based on the state information received by the receiving unit. Is desirable.
[0037]
Thus, the state of the robot is output by the output unit, and the operator can operate the robot while checking this state. Such robot states include, for example, the positions of the distal ends of the legs and arms of the robot, the operating states of the operating units of the legs and arms, and / or the current position of the robot.
[0038]
Further, in the above invention, the robot further includes an imaging unit, and a transmission unit that transmits image information representing an image captured by the imaging unit to the outside, wherein the operation device includes an image transmitted from the robot. It is preferable that the information processing apparatus further includes a receiving unit that receives information, and an output unit that outputs a captured image of the imaging unit based on the image information received by the receiving unit.
[0039]
Thus, an image around the robot is output by the output unit, and the operator can operate the robot while checking the image.
[0040]
Further, in the above invention, it is preferable that the output unit is a liquid crystal display device and the input unit is a touch panel attached to the liquid crystal display device.
[0041]
When the robot has both a state information acquisition unit and an image pickup unit, the robot state and the picked-up image may be separately output by a separately provided liquid crystal display device. A configuration in which both are output by a device may be adopted. In the case of a configuration in which the state of the robot and the captured image are separately output by a liquid crystal display device provided separately, a touch panel may be attached to each liquid crystal display device, or a touch panel may be attached to only one of the liquid crystal display devices. May be stuck.
[0042]
Further, in the above invention, the robot further includes a position information acquisition unit that acquires position information representing a current position, and the control unit is configured to control the leg based on the position information acquired by the position information acquisition unit. It is desirable that the robot be configured so as to control the walking of the robot by operating the operation section of the section.
[0043]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0044]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the robot according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the robot 1 according to the first embodiment of the present invention mainly includes a head 2, a body 3, a leg 4, and an arm 5, and has a substantially human shape. . That is, the head 2 is provided on the upper part of the body part 3, and the lower part of the waist part of the body part 3, that is, the lower part of the body part 3 is provided with two leg parts which are laterally separated by a predetermined distance. Arms 5 are provided at shoulder portions of the body 3, that is, at upper end portions on both sides of the body 3.
[0045]
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of the arm 5 provided in the robot 1 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 2, the arm 5 mainly includes a base 6, an end effector 7, operating units 8 and 9, and an intermediate member 10. The base 6 has a disk shape with a round hole provided in the center, and one surface thereof is attached to a waist portion of the body 3. The following six operating parts 8 are connected to the opposite surface of the mounting surface of the base 6 by universal joints 11 respectively.
[0046]
Each operation unit 8 includes an air cylinder 12. The universal joint 11 described above is attached to the base end of the cylinder tube 13 of the air cylinder 12, and the universal joint 15 is attached to the tip of the piston rod 14. A disk-shaped contact member 16 is attached to an intermediate portion of the piston rod 14. More specifically, the contact member 16 has a disk shape having an outer diameter substantially equal to the outer diameter of the cylinder tube 13 of the air cylinder 12, and the piston rod 14 Is fixed to the middle part of Further, two round bar-shaped guides 17 extending substantially parallel to the piston rod 14 extend from the head cover (the end face from which the piston rod 14 projects) of the cylinder tube 13. These guides 17 penetrate the contact members 16 in a state where appropriate play is provided, so that the contact members 16 can slide on the guides 17.
[0047]
At the tip of the guide 17, a disk-shaped stopper 18 having an outer diameter substantially the same as that of the contact member 16 is provided. A hole having a diameter slightly larger than the diameter of the piston rod 14 is provided at the center of the stopper 18, and the piston rod 14 penetrates this hole. Therefore, the piston rod 14 is guided by the guide 17 in the range from the state where the contact member 16 contacts the head cover of the cylinder tube 13 to the state where the contact member 16 contacts the stopper 18, and can move in the axial direction. It is possible.
[0048]
The distal end of the piston rod 14 is connected by a universal joint 15 to the edge of the substantially disk-shaped intermediate member 10. The intermediate member 10 has a substantially disk shape with a diameter slightly smaller than the diameter of the base 6, and has a circular hole at the center. As described above, since the operation unit 8 is connected to the base 6 and the intermediate member 10 by the universal joints 11 and 15, it is possible to tilt the operation unit 8 with respect to the base 6 and the intermediate member 10 in any direction.
[0049]
In addition, both ends of the operating section 8 are connected to the outer edge of the base 6 and the outer edge of the intermediate member 10 so as not to intersect with each other. Moreover, two adjacent ones of the operation units 8 are arranged so as not to be parallel to each other. That is, in the two adjacent operation units 8, the distance between the connection points to each base 6 and the distance between the connection points to each intermediate member 10 are different. With this configuration, an operation in which the intermediate member 10 is twisted with respect to the base 6, for example, an operation in which the base 6 and the intermediate member 10 are relatively rotated can be performed by expansion and contraction of each of the operation units 8. Has become.
[0050]
Thus, the parallel mechanism 19 is configured by the base 6, the operation unit 8, and the intermediate member 10.
[0051]
On the other hand, as shown in FIG. 2, six operating parts 9 are connected to the surface of the intermediate member 10 opposite to the surface facing the base 6. Each of these operation units 9 includes an air cylinder 20 and is configured substantially similarly to the operation unit 8. A universal joint 21 is attached to the base end of the cylinder tube of the air cylinder 20, whereby the air cylinder 20 is connected to the intermediate member 10. Further, a universal joint 23 is attached to the tip of the piston rod 22 of the air cylinder 20, whereby the air cylinder 20 is connected to the end effector 7, which will be described later. Both ends of the operating section 9 are connected to the outer edge of the intermediate member 10 and the outer edge of the end effector 7 so as not to cross each other. Moreover, two adjacent ones of the operation units 9 are arranged so as not to be parallel to each other. Otherwise, the configuration of the operation unit 9 is the same as the configuration of the operation unit 8, and a detailed description thereof will be omitted.
[0052]
As described above, the parallel mechanism 24 is configured by the intermediate member 10, the operating unit 9, and the end effector 7. That is, the arm 5 of the robot 1 according to the first embodiment is configured by connecting two parallel mechanisms 19 and 24 in series. At this time, in the parallel mechanism 19, the base 6 becomes the base end according to the present invention, and the intermediate member 10 becomes the distal end according to the present invention. In the parallel mechanism 24, the intermediate member 10 is a base end according to the present invention, and the end effector 7 is a distal end according to the present invention.
[0053]
Next, the configuration of the end effector 7 will be described. As shown in FIG. 2, the end effector 7 includes a base portion 25 having a shape such that a substantially cylindrical portion extends from a vertex of a conical shape. A pivot member 26 having a shape obtained by bending a plate member into a channel shape is attached to the columnar portion of the base portion 25, and is sandwiched between opposing surfaces of the pivot member 26. In this state, the base ends of the three finger members 27 each having a finger shape are pivotally supported. The two finger members 27 are each pivotally supported by the same pivot, and the other finger member 27 is pivotally supported by a pivot provided at a position different from this.
[0054]
The end effector 7 is provided with a motor (not shown), and the operation of the motor allows each finger member 27 to rotate around each pivot axis. As described above, the end effector 7 is shaped like a hand, and the respective finger members 27 rotate around the respective pivots, thereby enabling the operation of gripping and releasing the target object. I have.
[0055]
The configuration is not limited to the configuration in which the end effector 7 is operated by a motor, and may be, for example, a configuration in which the end effector 7 is operated by an air cylinder or a hydraulic cylinder.
[0056]
Further, the end effector 7 is not limited to a hand-shaped configuration capable of gripping an object, and is configured to use an end effector for welding, drilling, screwing, or the like. Needless to say, it is acceptable.
[0057]
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of the leg 4 provided in the robot 1 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 3, the leg 4 has a configuration in which two parallel mechanisms 28 and 29 are connected in series. On the other hand, the parallel mechanism 28 mainly includes a base 30 as a base end according to the present invention, an intermediate member 31 as a distal end according to the present invention, and six operating parts 32.
[0058]
The operation unit 32 includes an air cylinder, and a base end of a cylinder tube of the air cylinder is connected to the base 30 via a universal joint. Further, the distal end of the piston rod of the air cylinder of the operating section 32 is connected to the intermediate member 31 via a universal joint.
[0059]
The other parallel mechanism 29 mainly includes an intermediate member 31 serving as a base end according to the present invention, a forefoot portion 33 serving as a distal end according to the present invention, and six operating sections 34. The operation section 34 includes an air cylinder, and a base end of a cylinder tube of the air cylinder is connected to the intermediate member 31 via a universal joint. The distal end of the piston rod of the air cylinder of the operating section 34 is connected to the toe section 33 via a universal joint.
[0060]
Note that the configuration of the parallel mechanisms 28 and 29 is substantially the same as the configuration of the parallel mechanisms 19 and 24, and a description thereof will be omitted.
[0061]
The toe portion 33 includes a grounding member 35 having a substantially trapezoidal box shape in a side view, and a substantially disk-shaped base member 36 provided on an upper portion of the grounding member 35. The distal end of the piston rod of the operating section 34 is connected to the outer edge portion of.
[0062]
The operation units 32 and 34 of the leg unit 4 and the operation units 8 and 9 of the arm unit 5 are respectively built in the robot 1 or a control device (not shown) provided outside the robot 1. Controls its operation. The robot 1 can move the legs 4 by expanding and contracting the operation units 32 and 34, and can move by bipedal walking. The operation of the legs 4 may be controlled so that the walking operation of the robot 1 is so-called dynamic walking, or the operation of the legs 4 may be controlled so as to be so-called static walking. .
[0063]
In addition, similarly to the leg 4, the operation of the arm 5 described above is controlled by controlling the expansion / contraction operation of the operation units 8 and 9 provided in the arm 5, respectively. The control of the arm 5 at this time can be controlled so as to be used as a slave arm as described below. For example, when a target position of the end effector 7 is given, the end effector 7 is moved to the target position. In order to reach, the amount of expansion and contraction of each of the operation units 8 and 9 is calculated, and the operation units 8 and 9 can be controlled to operate by the amount of expansion and contraction as a result of the calculation.
[0064]
FIG. 4 is a schematic diagram showing an operation device used as a master arm. As shown in FIG. 4, the operating device 37 according to the first embodiment mainly includes a base end portion 38, a grip portion 39, telescopic portions 40 and 41, and an operation side intermediate member 42. The base end portion 38 has a plate shape and is provided with a hole through which an operator's arm is inserted. Then, the base end portion 38 is configured such that an operator's arm is inserted through the hole and attached to the operator's shoulder.
[0065]
The operation-side intermediate member 42 also has a plate shape, and is provided with a hole through which an operator's arm is inserted. Such an operation side intermediate member 42 is configured to be inserted into the hole of the operator's arm and attached to the operator's elbow.
[0066]
Then, the base end portion 38 and the operation-side intermediate member 42 are connected by six expandable and contractible portions 40. Each of the expansion and contraction sections 40 is configured to be freely expandable and contractable by, for example, a cylindrical member and a rod-shaped member inserted therein. Each of the extendable sections 40 is provided with a position sensor (not shown), and these position sensors output signals according to the extension and contraction of the attached extendable section 40.
[0067]
On the other hand, the grip portion 39 has a plate-shaped mounting plate 43. The mounting plate 43 is provided with a hole through which the operator's arm is inserted, and the gripper 39 is attached to the operator's wrist by inserting the operator's arm through the hole. . A support portion 44 is provided on one surface of the mounting plate 43, and the two handle members 45 are rotatably supported by the support portion 44. Each of the handle members 45 has a shape in which a rod-shaped member is bent into a substantially rectangular shape, and ends thereof are pivotally attached to the support portion 44. Each handle member 45 is urged by a spring (not shown) so as to be separated by a predetermined interval. Then, a portion of one side of the rectangle of each handle member 45 is located near the hole of the mounting plate 43, and the operator who has inserted the wrist portion into the hole grips this portion. You can do it. This allows the operator to rotate the handle members 45 against the urging force of the spring so as to approach each other.
[0068]
The grip 39 is provided with a position sensor (not shown), and the position sensor outputs a signal corresponding to the position of the handle member 45.
[0069]
The operation-side intermediate member 42 and the mounting plate 43 are connected by six expandable and contractable portions 41. A position sensor (not shown) is provided in each of the expansion and contraction units 41, and these position sensors output signals corresponding to expansion and contraction of the attached expansion and contraction unit 41. The configuration of the expansion and contraction section 41 is the same as the configuration of the expansion and contraction section 40 described above, and thus the description thereof is omitted.
[0070]
The signals output from the position sensors of the respective telescopic portions 40 and 41 are input to the above-described control device. In the control device, each extendable section 40 is associated with the operating section 8 of the arm section 5 one-to-one, and each extendable section 41 is associated with the operating section 9 one-to-one. Then, the control device controls the operation of the operating unit 8 corresponding to one expansion / contraction unit 40 so as to expand / contract with an expansion / contraction amount proportional to the amount of expansion / contraction of the expansion / contraction unit 40. Similarly, the control device controls the operation of the operating unit 9 so that the operating unit 9 expands and contracts by an expansion and contraction amount proportional to the expansion and contraction amount of the expansion and contraction unit 41 corresponding thereto.
[0071]
As described above, by controlling the operation of the arm 5, the operation of the arm 5 can be performed by using the operating device 37 as a master arm and the arm 5 as a slave arm.
[0072]
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main part of a robot operation system according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 5, the robot operation system 50 according to the second embodiment mainly includes a robot 51 and an operation device 52.
[0073]
First, the configuration of the robot 51 will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a main part of a robot 51 according to Embodiment 2 of the present invention. The robot 51 has a control unit 53 provided inside the body 3 as shown in FIG. The control unit 53 mainly includes a CPU 54, a ROM 55, a RAM 56, and an input / output interface 57.
[0074]
The CPU 54 is a microprocessor, and is connected to the ROM 55, the RAM 56, and the input / output interface 57 via a bus. The CPU 54 can execute a computer program stored in the ROM 55 or a computer program loaded in the RAM 56.
[0075]
The ROM 55 includes a mask ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM, and the like, and stores a computer program executed by the CPU 54, data used for the computer program, and the like.
[0076]
The RAM 56 is configured by an SRAM, a DRAM, or the like. When the computer program stored in the ROM 55 is executed, the RAM 56 is loaded with the computer program and used as a work area of the CPU 54.
[0077]
The input / output interface 57 includes, for example, a serial interface such as USB, IEEE1394, RS-232C, etc., a parallel interface such as SCSI, IDE, IEEE1284, etc., an analog interface including a D / A converter, an A / D converter, and the like. I have. The input / output interface 57 includes a GPS receiver (position information acquisition unit) 58, a CCD (imaging unit) 59, an operation sensor (state information acquisition unit) 60 to 64, and a drive circuit provided outside the control unit 53. 65 to 69 and a wireless communication device (transmitter, receiver) 70 are connected.
[0078]
The GPS receiver 58 receives signals transmitted from a plurality of GPS satellites, and detects the current position of the GPS receiver 58 itself based on the signals. The GPS receiver 58 outputs position information 71 indicating the detected current position to the input / output interface 57.
[0079]
The CCD 59 is mounted on the front side of the head of the robot 51 or the like, captures an external image at a predetermined cycle, and outputs the obtained image information 72 to the input / output interface 57.
[0080]
A motion sensor 60 is attached to each of the six motion sections 32 of the leg 4 of the robot 51. Similarly, a motion sensor 61 is attached to the motion section 34 of the leg 4, and motion sensors 62 and 63 are respectively attached to the motion sections 8 and 9 of the arm 5. These operation sensors 60 to 63 are constituted by a potentiometer, an encoder, or the like, and generate an output signal (state information) 73 corresponding to the amount of expansion or contraction of the operation units 32, 34, 8, 9 attached respectively. Has become.
[0081]
A motion sensor 64 is attached to the end effector 7. The motion sensor 64 is composed of, for example, a rotary encoder, and generates an output signal (state information) 74 corresponding to the rotation angle of the finger member 27. The output signals 73 and 74 of the motion sensors 60 to 64 are provided to the input / output interface 57 of the connection destination.
[0082]
Driving circuits 65, 66, 67, 68 are respectively connected to the operating units 32, 34, 8, 9, and a driving circuit 69 is connected to the end effector 7. The drive circuits 65 to 68 are controlled by an air pump, a solenoid valve, or the like, which inhales or exhausts air cylinders provided in the connected operation units 32, 34, 8, 9 based on a control signal given from the control unit 53. The operating units 32, 34, 8, 9 are expanded and contracted by driving a supply / exhaust device (not shown).
[0083]
On the other hand, the drive circuit 69 drives a motor provided in the end effector 7 based on a control signal given from the control unit 53 to open and close the finger member 27.
[0084]
The wireless communication device 70 can perform data communication according to a communication method defined by, for example, Bluetooth, IEEE802.11, IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEEE802.11g, HomeRF, or the like, or a PHS system, PDC system, or CDMA system The data communication can be performed by the above method. Such a wireless communication device 70 transmits data provided from the input / output interface 57 to the outside, and outputs data received from the outside to the input / output interface 57.
[0085]
The other configuration of the robot 51 according to the second embodiment is the same as the configuration of the robot 1 according to the first embodiment.
[0086]
Next, the configuration of the operation device 52 will be described. FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a main part of operation device 52 according to Embodiment 2 of the present invention. The operation device 52 mainly includes a CPU 75, a ROM 76, a RAM 77, an input / output interface 78, a liquid crystal display device 79, a touch panel 80, and a wireless communication device 81. The configurations of the CPU 75, the ROM 76, the RAM 77, the input / output interface 78, and the wireless communication device 81 are substantially the same as those of the CPU 54, the ROM 55, the RAM 56, the input / output interface 57, and the wireless communication device 70, and therefore, the description thereof is omitted. .
[0087]
The ROM 76 or the RAM 77 stores a computer program for the operation device 52 to perform an operation described later.
[0088]
The liquid crystal display device 79 is connected to the input / output interface 78, and outputs (displays) an image in accordance with the image data output from the CPU 75.
[0089]
The touch panel 80 is provided on the surface of the liquid crystal display device 79, and is connected to the input / output interface 78. When the operator touches the screen with a finger or a dedicated pen 82, the touch panel 80 detects a position touched by the pen 82 or the like, and outputs a position signal corresponding to this position to the input / output interface 78. Thus, the operator can perform an input operation.
[0090]
Next, the operation of the robot operation system 50 according to the second embodiment will be described. The operator can indicate a movement target position of the robot 51 by performing a predetermined input operation on the operation device 52. When the movement target position is input, the operation device 52 transmits data representing the movement target position by the wireless communication device 81. This data is received by the wireless communication device 70 of the robot 51 and given to the CPU 54. Then, the robot 51 compares the current position detected by the GPS receiving device 58 with the movement target position, determines a movement path, and walks along the movement path by the arithmetic processing of the CPU 54.
[0091]
The present invention is not limited to such an operation. For example, when the operator performs a predetermined input operation on the operation device 52, the traveling direction of the robot 51 is instructed, and the robot 51 walks in the instructed traveling direction. May be performed.
[0092]
The ROM 55 or the RAM 56 stores a computer program for controlling the walking of the robot 51, and the CPU 54 executes the computer program to control the walking of the robot 51. This walking control is performed, for example, by operating the operating units 32 and 34 of the leg 4 according to a walking operation pattern stored in the ROM 55 or the RAM 56 in advance.
[0093]
Further, the CPU 54 causes the wireless communication device 70 to transmit position information 71 indicating the current position detected by the GPS receiving device 58. The position information 71 is received by the wireless communication device 81 of the operation device 52 and given to the CPU 75. In the operation device 52, the CPU 75 reads the map data stored in the RAM 77, for example, and superimposes the map and the position of the robot 51 on the liquid crystal display device 79 so that the operator can visually confirm the current position of the robot 51. To display.
[0094]
The operator visually recognizes the display image output by the liquid crystal display device 79 and performs a necessary input operation such as touching a predetermined portion of the touch panel 80 with the pen 82 when changing the movement target position of the robot 51. Thus, a new movement target position is indicated.
[0095]
The CPU 54 of the robot 51 causes the wireless communication device 70 to transmit image information 72 obtained by imaging the CCD 59. The image information 72 is received by the wireless communication device 81 of the operation device 52 and provided to the CPU 75. The CPU 75 displays a captured image of the CCD 59 on the liquid crystal display device 79 according to the image information 72. Thereby, the situation around the robot 51 can be notified to the operator.
[0096]
Further, the CPU 54 causes the wireless communication device 70 to transmit the state information 73 and 74 obtained by the operation sensors 60 to 64. The state information 73 and 74 are received by the wireless communication device 81 and provided to the CPU 75. The CPU 75 calculates, for example, a three-dimensional model of the robot 51 based on the state information 73 and 74 received in this manner, and causes the liquid crystal display device 79 to display this.
[0097]
The operator can check the image around the robot 51 output to the liquid crystal display device 79 and the three-dimensional model indicating the operation state of the robot 51, and confirm the situation around the robot 51 by checking these. By performing a predetermined input operation on the touch panel 80 in accordance with the state of each unit of the robot 51, various operation instructions of the robot 51 can be given.
[0098]
When receiving the operation instruction of the arm 5 from the operator, the CPU 75 of the operation device 52 causes the wireless communication device 81 to transmit operation instruction information 83 indicating the operation instruction of the arm 5 received from the touch panel 80 to the outside. The operation instruction information 83 is received by the wireless communication device 70 of the robot 51 and given to the CPU 54. The CPU 54 performs feedback control of the operation of each of the operation units 8 and 9 and the end effector 7 based on the operation instruction information 83 thus obtained and the state information obtained from the operation sensors 62 to 64, and The arm 5 is operated according to the instruction.
[0099]
In the first and second embodiments, the configuration has been described in which the operating units 8, 9, 32, and 34 include air cylinders, and the operating units 8, 9, 32, and 34 are expanded and contracted by the operation of these air cylinders. Needless to say, another fluid cylinder such as a hydraulic cylinder may be used instead of the air cylinder.
[0100]
In addition, the operating portions 8, 9, 32, and 34 do not have a configuration including an air cylinder. For example, the operating portion is configured such that the stator is connected to one of the base end and the distal end according to the present invention, and the traveling member is the other May be connected to a linear motor. Further, for example, each of the operating units includes a motor having a cylindrical rotary shaft provided with a female screw portion on the inner surface, and a moving shaft provided with a male screw portion on the outer surface and penetrating in a state of being screwed to the rotary shaft. The moving shaft may be moved in the axial direction by the operation of the motor, whereby the operating unit may be expanded or contracted.Each of the operating units may be a rotary shaft provided with a male screw part on a part of its outer surface. A motor having a female screw portion provided on the inner surface thereof and a moving shaft screwed to the rotating shaft, wherein the moving shaft moves in the axial direction by operating the motor, whereby the operating portion expands and contracts. It may be.
[0101]
Also, not limited to these, each operating unit includes a rotary actuator such as a motor, and a conversion unit such as a rack and pinion, a belt, and a ball screw for converting the rotational motion of the actuator into a linear motion, Any configuration may be used as long as the distance between the connecting portions of the operating unit to the base end and the distal end according to the present invention is changed by the linear movement of the conversion unit.
[0102]
Further, in the first and second embodiments, each operating section is constituted by the air cylinder. However, each operating section is constituted by another direct-acting actuator such as a solenoid, for example. The distance between the connecting portions of the operating portion to the base end and the distal end according to the present invention may be changed.
[0103]
Further, the operating unit is not a direct-acting or rotary actuator, but is constituted by an actuator such as a shape memory alloy that performs a motion different from a rotary motion and a linear motion. The separation distance between the connection points with respect to the base end and the front end may be changed.
[0104]
In the first and second embodiments, the configuration in which one leg 4 is provided with two parallel mechanisms 28 and 29 connected in series has been described. However, the present invention is not limited to this. The leg 4 may be configured by one parallel mechanism, or three or more parallel mechanisms may be connected in series and used as the leg 4.
[0105]
Further, in the first and second embodiments, the case where the distal end portion of one parallel mechanism 28 of the leg portion 4 and the proximal end portion of the other parallel mechanism 29 are formed by an intermediate member 31 as one component. Although described above, the present invention is not limited to this, and the intermediate member 31 may be configured by connecting the distal end of the parallel mechanism 28 and the proximal end of the parallel mechanism 29. This applies to the arm 5 as well.
[0106]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the robot according to the present invention, since the legs are configured by the parallel mechanism, the output as a whole can be sufficiently secured for the purpose of use, and The actuator can be downsized. In addition, sufficient rigidity can be ensured for the purpose of use while being lightweight. Further, the present invention has excellent effects, such as being able to operate at a higher speed because of its light weight and high output as compared with the related art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a robot according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of an arm provided in the robot according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a leg provided in the robot according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an arm operating device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main part of a robot operation system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a main part of a robot according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a main part of an operating device according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a degree of freedom of a leg of a conventional robot.
9A and 9B are conceptual diagrams illustrating a parallel mechanism. FIG. 9A is a diagram illustrating a telescopic parallel mechanism, and FIG. 9B is a diagram illustrating a rotary parallel mechanism.
[Explanation of symbols]
1 Robot
2 head
3 body
4 legs
5 arms
6 base (base end)
7 End effector (tip)
8,9 Working part
10 Intermediate members (base end, tip)
12 Air cylinder
13 Cylinder tube
14 Piston rod
19,24 Parallel mechanism
20 Air cylinder
22 Piston rod
25 Base
26 pivot members
27 finger members
28,29 Parallel mechanism
30 base (base end)
31 Intermediate member (base end, tip)
32, 34 operation part
33 Toe (tip)
37 Operating device
38 Base end
39 gripper
40, 41 Telescopic part
42 Operation side intermediate member
50 Robot operation system
51 Robot
52 Operating device
53 control unit
58 GPS receiver (location information acquisition unit)
59 CCD (imaging unit)
60-64 motion sensor (state information acquisition unit)
65-69 drive circuit
70 wireless communication device (transmitter, receiver)
71 Location information
72 Image information
73, 74 output signal (state information)
79 Liquid crystal display
80 Touch Panel
81 Wireless communication device (transmitter, receiver)
83 Operation instruction information

Claims

In a bipedal walking robot having two legs and moving by operating the legs,
The leg has a base end, a distal end, and an operation unit connected to the base end and the distal end, and changing a relative position of each connection point, the base end and the distal end. A robot, wherein the unit comprises a parallel mechanism connected by a plurality of the operation units.

The leg has a plurality of the parallel mechanisms in series, and one end of the two adjacent parallel mechanisms is connected to the other base. The robot according to claim 1.

The said leg part is equipped with the said several parallel mechanism in series, and one front-end | tip part of two adjacent parallel mechanisms is made into the other base end part, The said leg part is characterized by the above-mentioned. The robot according to 1.

A proximal end, a distal end, an operating unit connected to the proximal end and the distal end, and changing a relative position of each connection point, wherein the proximal end and the distal end have a plurality of The robot according to any one of claims 1 to 3, further comprising an arm having a parallel mechanism connected by the operation unit.

The arm portion includes a plurality of the parallel mechanisms in series, and one end portion of two adjacent parallel mechanisms is connected to the other base end portion. The robot according to claim 4.

The said arm part is equipped with the said several parallel mechanism in series, The front-end | tip part of one of the two said parallel mechanisms adjacent to each other is made into the other base end part, The Claims characterized by the above-mentioned. 4. The robot according to 4.

The robot according to any one of claims 1 to 6, wherein the operating unit is configured to operate so as to change a separation distance between the connection points.

The robot according to claim 7, wherein the operating unit includes a rotating operating unit that performs a rotating operation and a conversion unit that converts a rotating motion of the rotating operating unit into a linear motion.

The robot according to claim 7, wherein the operation unit includes a direct-acting actuator.

In the operating unit, one of a piston rod and a cylinder tube is connected to one of the base end and the distal end, and the other of the piston rod and the cylinder tube is connected to the other of the base end and the distal end. The robot according to claim 9, comprising a fluid cylinder.

A robot according to any one of claims 1 to 10,
An operation device including an input unit that receives an operation instruction for the robot from outside, and a transmission unit that transmits operation instruction information representing the operation instruction received by the input unit to the outside,
The robot includes a receiving unit that receives the operation instruction information transmitted from the operation device, and a control unit that controls the operation of the operation unit based on the operation instruction information received by the reception unit. And robot operation system.

The robot further includes a state information acquisition unit that acquires state information representing the state of the robot, and a transmission unit that transmits state information acquired by the state information acquisition unit to the outside,
The operating device may further include a receiving unit that receives the state information transmitted from the robot, and an output unit that outputs the state of the robot based on the state information received by the receiving unit. The robot operation system according to claim 11.

The robot further includes an imaging unit, and a transmission unit that transmits image information representing an image captured by the imaging unit to the outside,
The operating device further includes a receiving unit that receives image information transmitted from the robot, and an output unit that outputs a captured image of the imaging unit based on the image information received by the receiving unit. The robot operation system according to claim 11 or 12, wherein

14. The robot operation system according to claim 12, wherein the output unit is a liquid crystal display device, and the input unit is a touch panel attached to the liquid crystal display device.

The robot further includes a position information acquisition unit that acquires position information indicating a current position,
The said control part performs the walking control of a robot by operating the operation | movement part of the said leg part based on the positional information acquired by the said positional information acquisition part, The Claims 11 thru | or 11 characterized by the above-mentioned. 15. The robot operation system according to any one of 14.