JP2004042232A

JP2004042232A - ロボットの関節制動装置

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Publication number: JP2004042232A
Application number: JP2002205845A
Authority: JP
Inventors: Masao Nishikawa; 西川　正雄
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】本発明は、小型で、且つ、軽量化の促進を図ったうえで、関節部に組み込むことができ、しかも体重による関節トルクの大半を制御可能な制動力を発生し得るようにすることにある。
【解決手段】圧縮気体タンク２００に蓄えた圧縮空気を駆動源として制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６を駆動制御して摩擦係合手段である摩擦板３５を作動させて、相対運動する部材間を架設する如く摩擦係合させ、関節に制御された制動力を発生させることにより、その運動に必要なエネルギーを節約し得るように構成し、所期の目的を達成した。
【選択図】　　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットシステムに係り、特に、そのロボットが静止した姿勢を保っているとき、若しくは運動中においても関節の運動方向が重力の作用する方向と一致するとき、当該関節に制御された制動力を発生して姿勢を保持し、その運動に必要なエネルギーを節約することができるロボットの関節制動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の関節を持つ脚式の移動ロボットは、静止している間でも自分の体重を支えるのに少なからぬエネルギーを消費すると言う動物に似た特徴を持っている。一方、移動手段が車輪式の移動ロボットが静止している間は、エネルギーを消費しないのに比べてこの特徴は大きな欠点であり、階段や段差があっても移動できる脚式の利点はあるものの、その実用化を阻む原因の一つになっている。そもそも静止状態のロボットは、外部にしている仕事は「ゼロ」なのだから、これらのエネルギーは本来消費する必要がないものであり、何らかの改善が求められている。
【０００３】
また、前記車輪式のロボットでも上体には、複数の関節からなるアームを有しており、アームが物を掴んでいるときには重力に抗してアームを所定の姿勢に保つときには同じ事が起きている。つまり移動手段が脚式だろうと車輪式だろうと、従来の技術では、ロボットが同じ姿勢を保持している限り、本来は不必要なエネルギーを消費しているわけで、何らかの改善が求められている。
【０００４】
ここで、前記脚式ロボットが直線ルートを歩行している場合を考えてみるに、方向転換用のモータは、サーボロックによって固定されており、僅かに方向を変えるときに使用されているに過ぎない。このモータを摩擦力によって固定し、当該モータヘの電力供給を停止すれば、エネルギーを効果的に削減できる。
【０００５】
また、脚式ロボットが階段を降りている場合を考えてみるに、地面に付いている方の脚関節は、体重を支えつつ重力が作用する方向に運動しているが、このときモータは、体重に抗したトルクを発生しつつ逆方向に回転している。物理的に考えれば、重力場に置かれた物体が重力の作用する方向に運動するときには、位置エネルギーを放出しているわけだから、エネルギーを使うのではなく位置エネルギーを発電という形で回収することもできると考えられる。しかし、発電で回収するには、回転速度が充分に早いこと、言い換えれば、相当な速さで階段を駆け降りる場合でなければこの手法は使えないことになる。このような従来技術では、階段を下りるときにも、昇るときに劣らない量のエネルギーを消費するという不都合を有する。
【０００６】
【発明が解決しようする課題】
従来のロボットにおいても、関節部に制動装置を設けることは提案され、実施されている。しかし、この従来の制動装置にあっては、予期しない停電時に重量物を掴んだアームが落下して人身災害を起こすことを防止するために設けるものであり、その原理は電磁クラッチによるもので、その基本設計はバネをブレーキがかかる方向に設け、電磁力をバネカに対抗させてクラッチを開放する構成のであり、電磁力を発生するコイルや鋼板等がその構成部材であり、非常に重たい装置となっている。即ち、各関節ごとに組み込むしか方法がなかったために、例えば６自由度を持つ産業用ロボットでは、アームの関節毎に、例えば６関節の場合だと６個の重い制動装置が付くことになり、このような制動装置を持つロボットの関節駆動用モータもまた大型化するという問題があった。
【０００７】
この重さのために普及することはなく、重量物を扱うロボットの緊急時の安全という極く特殊な用途以外には適用されることはなかった。この重量が増加すれば、その消費エネルギーも多くなるのは自明のことである。
【０００８】
ここで、以下においては、簡潔のために脚式の移動ロボット（以下歩行ロボットと言う）の脚関節について説明する。
【０００９】
このような歩行ロボットの関節構成に関しては、例えば特許公報第２５９２３４０号に開示の構造がある。この関節には、電動モータとその出力を減速増力できるハーモニック減速機が組み合わされて使われている。この特許公報に開示の構成では、ロボットが静止状態を維持するときは自分の体重を支えるべく脚関節のモータに電流を流しつづける所謂サーボロックをかけておく必要がある。体重が絶えず脚関節を曲げる方向に働いているからである。
【００１０】
そこで、階段を降りている場合を考察すると、立脚側の膝は、大きく折れ曲がり、重心から下ろした鉛直線と膝関節との距離は大きくなるから、膝関節にかかるモーメントも大きく、モータが負担するトルク（電流値）を大きくなる。このとき膝関節に大きな摩擦力が存在していて、体重が作りだすモーメントの大半をこの摩擦力が受け持つならば、モータにはその分だけ少ない電流値が流れることになり、省エネが達成できる。この場合には、体重の作りだすモーメントは膝関節の折れ曲がり角度に応じて増減するから、望ましくはこの摩擦力も関節角度に応じて可変に構成すべきである。
【００１１】
また、この摩擦力は、階段を昇るときには逆に作用して従来よりも大きなエネルギーを消費することになるから、昇るときには摩擦力は無い方が望ましいわけで、状況に応じて摩擦力を「ゼロ」から可変に構成できることが望ましい。
【００１２】
そこで、本発明は、第一の目的としてロボットの関節部に制御可能な制動機能を付与し、所望の姿勢をとって静止するときには当該制動機能によって関節をロック状態に置き、しからざるときには当該制動機能を抑制して従来と同じように歩行を行うことができること、
また、第二の目的として、かかる制動装置を軽く小型な実施態様にまとめる技術を提案し、ロボットの重量増加を実質的に抑えることができ、重量が増加することでモータを大きくしたり、減速比を大きくとる必要が生じないこと、
さらに、第三の目的として、予想される様々な歩行場面に適応して最適な制動力を発揮することができる、制動力の制御を容易に実現することにある。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、小型で、且つ、軽量化の促進を図ったうえで、関節部に組み込むことができ、しかも体重による関節トルクの大半を制御可能な制動力を発生し得るようにしたロボットの関節制動装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
ここで、先ず、本発明の適用されるロボットの静止中の関節で起きているエネルギーの使われ方について原理を簡潔に述べる。現在の関節制御技術は、例えば図９に示すように、目標関節角度θ_Ｄと現在の関節角度θ_Ｒの差分を計算し、その差分に一定の比例定数Ｋを乗じて操作量とし、その際、比例定数Ｋを負荷が大きいときも良好に追従するように大きめに設定される。関節駆動のモータに流す電流ｔは、その操作量、換言すれば前記（差分値×比例定数）に応じて決まり、同時にそれは関節に加わる外部からの負荷モーメントに応じたモータトルクを生ずるための電流値に等しいと考えられる。
【００１５】
また、静止した関節では、比例定数Ｋを大きくすると、目標関節角度と現在の関節角度との差分が小さくなるし、逆に小さくすると当該差分は大きくなって、結果的には消費するエネルギー（モータヘ供給する電流値）は変わらないことになる。つまり、比例定数Ｋを変えても消費エネルギーは理論的に変わらない。これは、摩擦のない理想的な関節の場合の話であるが、静止している関節に充分に大きな摩擦力があれば、その摩擦力だけで自分の体重を支えることができるから、一旦、その姿勢を取れれば、後は、電流供給を止めてもその姿勢を保ことができる。事実ネジを減速機に使った脚式ロボットでは、そのようにしてエネルギーの消費を抑えているものがある。
【００１６】
しかし、ネジのような摩擦の多い減速機を使うと、所望の姿勢に至る過程でも多くのエネルギーを消費するから、歩行で使うエネルギーが今度は多くなり、トータルで見てエネルギー消費を抑えるには無理が生じる。
【００１７】
そこで、本発明は、前記目的を達成するため、請求項１において、少なくとも第１のリンクと第２のリンクを相対回転運動可能に結合した関節部を有するロボットの関節制動装置において、前記第１及び第２のリンクの相対回転運動に応じて相対運動を起こす二つの部材間を架橋できる摩擦係合手段と、圧縮気体を駆動源として駆動制御され、前記摩擦係合手段を作動制御するアクチュエータと、前記圧縮気体が蓄えられるものであって、前記アクチュエータと気体回路を介して連通される圧縮気体タンクと、前記アクチュエータと前記圧縮気体タンクとを連通する気体回路を開閉制御して、前記圧縮気体タンクの圧縮気体を選択的に前記アクチュエータに供給する制御手段とを備えてロボットの関節制動装置を構成した。
【００１８】
また、請求項２においては、さらに、前記アクチュエータと前記圧縮気体タンクを連通する気体回路に、前記圧縮気体タンクの圧力を所定の圧力レベルに減圧して前記アクチュエータに供給する減圧手段を備えて構成した。
【００１９】
また、請求項３においては、さらに、前記第１及び第２のリンクと相対運動を起こす前記二つの部材との間に、前記二つの部材の相対運動よりも前記第１及び第２のリンクの相対運動の方が緩慢となるように機能する減速手段を備えて構成した。
【００２０】
また、請求項４においては、圧縮気体タンクを、ロボット構成部品を中空構造に形成して構成した。
【００２１】
前記構成によれば、駆動系の小型・軽量化が図れて容易に関節部に組み込むことができ、しかも体重による関節トルクの大半を制御可能な制動力を発生することが可能となる。従って、関節を駆動するモータの出力トルクを最小限に保つことが可能となり、エネルギーの消費を最小限に抑えることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態に係るロボットの制動制御装置を適用するのに適した２足歩行ロボットの骨格を示す斜視図である。即ち、歩行ロボット１は、左脚２Ｌ、右脚２Ｒに６個の関節軸を備えている。左脚２Ｌ、右脚２Ｒは、鏡像の関係で、対称構造であり、一方を代表して説明する。各６個の関節軸は、上から順に、脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４、同ロール方向関節軸５、膝部ピッチ方向関節軸６、足首部ピッチ方向関節軸７、同ロ一ル方向関節軸８となっており、その下部には、６軸力センサ９を介して足部１０が設けられている。
【００２４】
左脚２Ｌ、右脚２Ｒの最上部には、人体の骨盤に相当する腰板リンク１２が設けられている。腰板リンク１２には、関節の制御に必要な電源やアンプ（増幅器）、及び歩行空間に対するロボットの傾斜を検知して電気信号として出力する傾斜計１３などが図示しない手段が搭載されている。
【００２５】
脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４及び同ロール方向関節軸５によって股関節部１４が構成されている。更に、膝部ピッチ方向関節軸６によって膝関節部１５が構成されている。更に、足首部ピッチ方向関節軸７と足首部ロール方向関節軸８によって足関節部１６が構成されている。
【００２６】
前記股関節部１４と膝関節部１５とは、大腿リンク１７によってリンク結合され、膝関節部１５と足関節部１６とは、脛リンク１８によってリンク結合されている。
【００２７】
前記６軸力センサ９は、足関節部１６と足部１０との間に設けられ、床反力Ｆの垂直方向成分Ｆｚ、進行方向成分Ｆｘ、横方向成分Ｆｙ、及び床反力によって生ずるモーメントＮの垂直方向成分Ｎｚ、進行方向成分Ｎｘ、横方向成分Ｎｙを各々独立に分離して検出できる。
【００２８】
図２は、制動装置を備えた股関節部１４を示し、右脚２Ｒの股関節部１４を前方向から見た断面図である。先ず、図１との対比で説明すると、脚部回転用関節軸３は、２つの軸受２０、２１によって回転自在に支持され、図示しない減速機を介して図示しないモータにより回転駆動される。また、前記脚部回転用関節軸３の下部は、後述するヨーク部５３を構成するように紙面で上下に別れており、筐体３１を紙面で時計方向又は反時計方向に股部ロール方向関節軸５の回りに回転可能に保持している。
【００２９】
前記ヨーク部５３と軸受２０、２１との中間部には、空洞部２２が設けられ、この空洞部２２の内部には、モータ２３が設けられている。このモータ２３の出力は、プーリ２４とタイミングベルト２５とを介して減速機（図示せず）で増力されて股部ロール方向関節軸５を回転駆動するようになっている。
【００３０】
また、前記股部ロール方向関節軸５と直交する股部ピッチ方向関節軸４上には股関節のピッチ運動を司るモータ２６が設けられ、その出力軸２７は、減速手段を構成するハーモニック減速機のウェーブジェネレータ２８に締付ねじ２９で結合されている。出力軸２７の先端部には、ねじ３０が固定され、後述するピストン３３の推力を支えている。
【００３１】
前記モータ２６を取り付ける筐体３１のフランジ部３２には、例えばドーナツ状のピストン３３を摺動自在に収納するシリンダー部３４が設けられている。このシリンダー部３４とピストン３３とは、アクチュエータを構成し、空気圧によって軸方向に相対運動して、摩擦係合手段である摩擦板３５を前記ウェーブジェネレータ２８に押し付け、後述する制動力を発生させる。シリンダー部３４には、圧力下にある空気を送り込むための気体回路を構成する通路３６を設ける必要があるが、軸方向にコンパクトに通路を設ける必要から、例えばシリンダー部３４を２つの部品の接合によって作っている。即ち、シリンダー部３４を始めに少し大きな径で作っておき、そこに通路３６を設けた後、別のシリンダー構成部品３７で塞ぎ、その後、精密に加工してシリンダー部３４を製作している。通路３６は、図示しない方法により、後述する制御用電磁弁を介して圧縮気体タンクに接続されている。
【００３２】
摩擦板３５は、例えば鋼板に摩擦材料を塗布して乾燥後に表面を仕上げて形成され、自動車の変速機のクラッチで使われている摩擦板と同じような構造に形成される。空気圧によってピストン３３が図２中で右側に押しつけられた後、元の位置に復帰するのを助けるために、複数個のリターンスプリング３８が、所定の間隔に設けられている。
【００３３】
リターンスプリング３８は、ハーモニック減速機のサーキュラーリング３９に設けられた貫通孔４０により位置決めされている。ハーモニック減速機の出力は、フレックスリング４１に伝えられ、減速機カバー４２を介して大腿リンク１７を、ピストン３３とシリンダー部３４の相対運動より減速駆動する。なお、図２に示した通路３６の部分は、図３に明示するように実際には９０°位相が異なる断面を示している。
【００３４】
また、図２に示すように、大腿リンク１７の上部には、膝関節部１５を駆動するためのモータ４３が設けられ、その出力は、プーリ４４及びタイミングベルト４５を介して膝関節部１５と同軸に配置されたハーモニック減速機（図示せず）に伝えられる。
【００３５】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、説明の都合からシリンダー部３４及び摩擦板３５等は取り除いている。図３において、筐体３１のフランジ部３２の周囲は、円筒形状の凸部４６が形成され、この凸部４６には６０°間隔にねじ穴４７が穿設されている。このねじ穴４７を使って前記サーキュラーリング３９が固定されている。
【００３６】
また、凸部４６は、１２０°間隔にスロット４８が３箇所設けられ、前記摩擦板３５を円周方向に固定する役割を持つ。摩擦板３５の形状は、図４に示すように概ね円盤状であるが、幅を前記スロット４８に摺動自在に嵌合できる幅に管理された３個の爪４９が放射状に突出している。従って、図３のフランジ部３２に図４の摩擦板３５を挿入して組み立てた場合には、摩擦板３５は、軸方向には動くことができるが、円周方向には固定されることになる。
【００３７】
再び、図３に戻って、シリンダー部３４は、前記凸部４６より低く削り取られているが、その底部の一部が更に低く、例えばミーリングカッターで削られて、凹部５０に形成され、前記圧縮空気の通路３６を形成している。この凹部５０に通ずるように、点線で示す通路３６がドリル等の加工方法で作られる。この凹部５０は、前述したようにシリンダー部３４の構成部材３７（図２参照）によって一部が覆われ、完成時には、凹部５０の右側の一部のみが外部から見ることができるようになる。筐体３１の左側には、別の部品の軸受け材５１が固定され、この軸受け材５１側に設けられた通路を介して前記通路３６は、矢印に示すようにホース等の適切な導管に接続され、詳細を後述する空気圧源及び制御弁に接続される。軸受け材５１は、軸受５２を介して前記ヨーク部５３に支持されている。
【００３８】
前記シリンダー部３４の構成部材３７は、図５（ａ）に示すように、この位相のまま図３のシリンダー部３４に組み込まれる構成部材３７の形状を示しているのに対して、図５（ｂ）は構成部材３７の裏側を示している。即ち、構成部材３７には、放射状に浅い溝５４ａ，５４ｂが２本形成され、この溝５４ａ，５４ｂを通じて圧縮空気の供給と排出とが素早く行われるように配慮されている。また構成部材３７の外部周辺には、面取り５５が施され、この面取り５５も空気の供兼合と排出を謹やかに行うことを助けている。
【００３９】
このようなシリンダー部３４とピストン３３により構成した圧力室に圧縮空気を送り込むとピストン３３は、図２中において右方向に移動し、摩擦板３５をウェーブジェネレータ２８に押しつけるから、制動力が得られ、その制動力は、減速機の減速比に応じて拡大されて減速カバー４２に伝わり、大腿リンク１７のピッチ方向の動きを止める。
【００４０】
制動力の大きさは、ピストン３３の有効面積と空気圧の２つの要素で決まる。即ち、これら２つの要素を大きく設計すれば大きな制動力が発生し、大腿リンク１７のピッチ方向の動きを制止する力も強まるが、起立時の大腿リンク１７に発生する、ロボットを倒そうとする重力に起因したトルクは、基本的に小さいトルクであるから、起立時のエネルギー消費を削減する目的からすれば、余り大きな制動力は必要ではない。また、階段を下りるときの制動力に関しても、余り大きく制動力を設計すると、関節自体が動かなくなり歩けなくなるから、このときも程々の制動力が得られれば良いことになる。従って、ピストン３３の有効面積や空気圧も小さなものでよいことになる。
【００４１】
逆に、小さな制動力に設計することは、次のような良い結果をもたらす。制動力によってロボットが起立している場合に、横から外力が不用意に加えられる場合を想定すると、制動力の解除を行ってから関節の駆動が始まり、姿勢の安定化が行われるのが理想的であるにしても、その時間的な余裕がない場合も想定される。弱めの制動力に設計しておけば、このような緊急時に制動力の解除が終わらないときでもモータ２６の駆動力を制動力より大きく設定しておけば、当該関節をロボットの安定性が復元する方向に駆動できる。
【００４２】
再び、図３に戻って、前記ヨーク部５３の右側部分５３ａには、前記モータ２３の出力をタイミングベルト２５を介して伝えられる被駆動プーリー５６が設けられている。その出力軸５７は、ハーモニック減速機のウェーブジェネレータ５８を回転させ、減速機の出力を受けて筐体３１は、ヨーク部５３の２つのベアリング５２及び５９によって股部ピッチ方向関節軸４の回りに回転するようになる。
【００４３】
また、図６（ａ）（ｂ）は、別の実施形態である制動装置が示されている。即ち、図６（ａ）に示すように、出力軸５７を回転自在に支持するカバー６０には、ドーナツ状のピストン６１を収納するシリンダー部６２が設けられ、ピストン６１の左側の室に圧縮空気が導かれると、ピストン６１は、図中右方向に動いて、摩擦板６３を被駆動プーリー５６に押しつける。この動きにより被駆動プーリー５６には、制動力が作用する。
【００４４】
摩擦力に引きずられる形で摩擦板６３が回転するのを防ぐために、摩擦板６３は、図６（ｂ）に示すように放射状に伸びた一対の耳部６４が突設され、その耳部６４の一方には、真円の穴６５ａが設けられ、他方の耳部６４には、小判状の穴６５が設けられている。この穴６５，６５ａには、密に係合する寸法のピン６６が前記カバー６０に打ち込まれている。このピン６６によって制動時に発生するトルクは、吸収され、所望の制動力が得られる。圧縮空気を排出して被駆動プーリー５６の制動力を完全に取り除く為には、摩擦板６３が被駆動プーリー５６から離れる必要があるが、そのことを保証するために、必要に応じて図６（ａ）に破線で示すように、鋼板を曲げて作った複数個の戻しばね６７が設けられる。
【００４５】
この実施形態では、基本的にスペース上の制約が少ない上に、被駆動プーリー５６の径を大きく取れるので、摩擦板６３の径やピストン６１の径も大きく取れる。被駆動プーリー５６の径を大きく取ることは、それだけ伝達されるトルクも大きくなるのであるが、その関係は、単なる比例関係にすぎない（径の１乗に比例するだけである）。これに対して、ピストン６１の径が増加することは、径の２乗に比例して受圧面積が増加することであるから、制動力は増幅されるトルクを考慮しても差引き径の１乗に比例して強く設計することができる。例えば膝の関節には、階段の昇降時に大きな曲げトルクが作用するので、制動力も大きなトルクがでるような構造が望ましい。被駆動プーリー５６で伝達すべきトルクの増幅が行える場合には、図２に示した実施の形態より制動力も大きく設計できると言う利点を有する。
【００４６】
なお、図１に示したロボットには、両脚２Ｌ、２Ｒで１２個の関節があるが、その関節のそれぞれに前述したいずれかの形式の制動装置が備わっている。
【００４７】
ここで、前述した圧縮空気を駆動源とするアクチュエータである、シリンダー部６２とピストン６１のセットで構成される制動装置の制御システムについて、図７を参照して説明する。
【００４８】
図７において、２００は、圧縮気体タンクで、この圧縮気体タンク２００には、例えばコンプレッサ等の圧力源（図示せず）からの圧縮空気が、前記通路３６で構成される気体回路（圧縮空気回路）に配した逆止弁２０１を介して気体圧力の形でエネルギーとして選択的に蓄えられる。ここで、前記コンプレッサ（図示せず）は、圧縮気体タンク２００に圧縮空気を充填した後、切り離されてロボット本体から分離される。
【００４９】
この圧縮気体タンク２００は、望ましくは、アルミ等の軽合金で製作するか、又は炭素繊維樹脂等の軽量材料で作られ、後述するアクチュエータの駆動に必要な圧力レベル以上の高い圧力レベル、例えば４Ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力レベルで圧縮空気を蓄える。
【００５０】
圧縮気体タンク２００の下流には、例えば減圧手段である使用圧力レベル（例えば、１．５Ｋｇ／ｃｍ^２）に調圧するための減圧弁２０２が設けられる。圧縮気体タンク２００に蓄える流体が圧縮性のある気体であるので、減圧弁２０２で圧力を下げてもエネルギー的に損失とはならず、全ての圧力流体エネルギーを利用できる。換言すれば、小さなタンク容量で、必要なエネルギーを効率よく蓄えることができる。
【００５１】
ここで、前記制動装置を構成するシリンダー部３４（６２）とピストン３３（６１）のセットは、各関節に配されているが、左脚２Ｌについて言えば６個の関節があるので、６組の制動装置２０３−１〜２０３−６が配される。そのうち股関節部１４の３組の制動装置２０３−１、２０３−２、２０３−３で模式的に示されている。
【００５２】
即ち、これら２０３−１、２０３−２、２０３−３は、同様にシリンダー部３４（６２）内に摺動自在に収納されたピストン３３（６１）があって空気圧室を形成し、空気圧室に圧縮空気が送り込まれると、ピストン３３（６１）は、右に移動して前記摩擦板３５を回転部材に押しつけ制動力を発揮する。また、図７中において、２０３−４は、膝関節部１４の、２０３−５、６は、足関節部１６のそれぞれ制動装置を示している。
【００５３】
これらの制動装置２０３−１〜２０３−６の空気圧室は、互いにホース又はパイプによって圧力的に連結されており、制御用の電磁弁２０４によって選択的に駆動制御されて圧縮気体タンク２００に接続されたり、大気に開放されたりできる。図示の状態は、電磁弁２０４に通電されたときで、圧縮気体タンク２００から圧縮空気が各制動装置２０３−１〜２０３−６の空気圧室に送り込まれる状態を示している。電磁弁２０４への通電が止まるとバネの力で電磁弁２０４の左の相に変わり、空気圧室は、電磁弁２０４を介して大気に開放される。
【００５４】
なお、電磁弁２０４は、それ自体、公知公用に供されているものであり、その詳細な説明については、省略する。
【００５５】
ここで、ロボットには、両脚２Ｌ、２Ｒがあるから、右脚用にも同じシステムが用意されており、２０５−１〜６に示す制動装置と、それら制動装置２０５−１〜２０５−６の制御用の電磁弁２０６が配される。図７に示すシステムの作用について説明すれば、図示しない歩行制御用のコンピュータが起立静止用の歩行モードを出力しているときに、同コンピュータは、２つの電磁弁２０４、２０６も励磁して制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６を作動させる。電磁弁２０４、２０６に励磁指令を出力し終えると同コンピュータ（図示せず）は、関節駆動用モータの制御ゲインを低下させて、結果として同モータが消費するエネルギーを節約する。
【００５６】
なお、このようなゲインを変更することでモータの消費エネルギーを節約する技術は、本発明の出願人と同じ出願人による特開２００２―９６２８３号（特願２０００−２８４０８０号）公報に詳しく開示されている。この公報に開示の技術は、モータヘの供給電流値を順次、低下させて消費するエネルギーを節約するものであるが、これに限定されることなく、例えば制動装置の制動力がある程度以上の大きさをもって設計されているときには、電磁弁への励磁指令を送った後は、モータヘの通電をオン・オフ的に停止することによっても消費するエネルギを節約することができる。
【００５７】
ここで、上記制御システムの別の使い方について述べる。例えば階段を下りるときには、歩行制御用のコンピュータが階段を下りるのに適した歩容（歩き方）を各関節のモータに出力しているときに、図１に示す６軸力センサ９からの出力が得られた方の脚の電磁弁２０４（２０６）を励磁することで、６個の関節に所定の制動力を発生させながら、立脚期の関節を駆動する。こうすることで、立脚期にある関節の駆動モータは、体重を支えるトルクのうち、制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６が負担した残りのトルクのみを負担すればよく、省エネルギー化が図れる。この制御に当たっては、特に駆動モータのゲインを下げる必要はなく、モータの位置制御の制御則に従って自動的にモータヘの供給電力は減少する。
【００５８】
但し、例示のシステムでは、膝関節部１５がその角度を大きくしていくにつれて体重による負荷トルクが増大する事実に対応することができず、制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６が負担するトルクは常に一定である。立脚期の終了間近には、歩行制御用コンピュータは電磁弁２０４、２０６を消磁して制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６から制動力を取り除くこととなる。
【００５９】
なお、図７の実施の形態においては、電磁弁２０４、２０６は、励磁したときに制動力が発生するものを示したが、消磁したときに制動力が発生するように、接続を逆に配するようにしてもよい。
【００６０】
例えば産業用ロボットの分野では、停電時にそのアームが落下してきて思わぬ事故になるのを防止する装置として、電磁クラッチやブレーキによる制動装置が既に実用化されている。そこで、前記図７に示す制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６を産業用ロボットのアームの関節部に適用し、図とは逆に電磁弁２０４、２０６の接続を行って産業用ロボットの関節制動に利用すれば、従来と同じ性能・機能を達成できて、更に従来よりも小型・軽量にロボットを製作でき、コストや品質を維持しつつ停電時の事故が予防できる。この産業用ロボットに適用した場合には、例えば、工場内に張りめぐらされた配管が直ぐ脇にあることから、その配管を通じて圧縮空気を簡単に得ることができ、実際に適用する場合には、一層、簡便となる。
【００６１】
このように本発明の特徴とする制御システムにおいては、比較的軽い圧縮気体タンク２００と電磁弁２０４、２０６があればシステムを構成することができることにより、従来の制動装置が関節ごとに重い電磁クラッチを設ける必要があったのに比べて全体を軽く構築することができる。
【００６２】
また、この制御システムにおける圧縮気体タンク２００は、ロボット構成部品の中で適当な空隙があれば、どこにでも配することが可能であり、運動部分の重量増加を殆ど伴うことがなく、しかも、小型・軽量に形成することができることで、容易に関節駆動モータの小型化が図れる。
【００６３】
更に、前記圧縮気体タンク２００は、ロボット構成部品であるリンク等を中空構造に形成して、このロボット構成部品の中空構造に圧縮空気を直接的に蓄えるように構成してもよい。これによれば、さらにロボットの小型・軽量化の促進を図ることが可能となる。
【００６４】
また、本発明は、制御システムとして前記図７の実施の形態に限ることなく、例えば図８に示すように膝関節の角度の変化に対応して制動力が可変にできるように構成してもよい。但し、図８においては、前記図７と同一部分について、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００６５】
図８には、説明の簡略化のために左脚２Ｌの制御回路のみを示しているが、右脚２Ｒの回路についても、左脚２Ｌの回路と同様に構成される。即ち、図８に示す制御システムは、図７の制御システムに、膝関節部１５の制動装置２０３−４と脚全体の電磁弁２０４との間にあって連続的に圧力を制御できる第２の電磁弁２０７を追加したものである。この第２の電磁弁２０７は、比例電磁弁とかサーボ弁とかの呼称で呼ばれ、供給される電流値に応じて出力圧を減圧する如く任意に変更できる。また、第２の電磁弁２０７には、出力圧のレベルを正確に制御するために圧力センサ２０８が制動装置２０３−４と並列に接続され、この圧力センサ２０８の検出信号に基づいてフィードバックによる制御が行われる。これら第２の電磁弁２０７及びそのフィードバック制御装置等自体は、周知なものであり、ここでは、その詳細な説明について省略する。
【００６６】
ここで、前記制御システムの制御動作について説明する。即ち、前記歩行制御用コンピュータ（図示せず）が階段を下りる時の歩容（歩き方）を足関節部１６のモータに出力しているときで、左脚２Ｌが立脚期にあるときは、膝関節部１５のモータに指令する関節角度に比例定数を乗じた量を指令圧力として前記第２の電磁弁２０７に出力する（正確には、膝関節角度をθとすれば、ｓｉｎθに膝関節部１５の負荷トルクは比例するのだが、説明の簡略化のために前記の量としておく）。この目標値を与えられた第２の電磁弁２０７は、膝関節部１５の制動装置の圧力室の圧力レベルを目標値に合わせるべく、圧力センサ２０８の出力情報を参照しつつ比例制御を行い、増大する負荷トルクに見合う制動トルクを膝関節部１５に発生させるから、モータに供給する電力（エネルギー）も低いレベルで済ますことができる。
【００６７】
なお、図８の実施の形態では、第２の電磁弁２０７を電磁弁２０４と直列に配置した場合を例示したが、並列に接続するように構成してもよい。
【００６８】
このように、本発明によるロボットの関節制動装置は、圧縮気体タンク２００に蓄えた圧縮空気を駆動源として制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６を駆動制御して摩擦係合手段である摩擦板３５を作動させて、相対運動する部材間を架設する如く摩擦係合させ、関節に制御された制動力を発生させることにより、その運動に必要なエネルギーを節約し得るように構成した。
【００６９】
これによれば、従来の電磁クラッチを駆動モータと一体化して装着する場合に比べて軽く、完成時のロボットの脚の慣性モーメントを増加させることが殆どないから、制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６を追加するだけで、駆動モータの容量を更に増やし消費エネルギーを増加せることもない。しかも、空気圧は、絶えず新鮮な冷たい圧縮空気を制動装置２０３−１〜２０３−６、２０５−１〜２０５−６に供給するので、関節部の冷却も同時に行うことができ、その分モータをより過酷に使うこともできるようになる。
【００７０】
また、これによれば、圧縮気体タンク２００は、多少の重量増はあるものの、関節駆動モータの容量アップの必然性はほんど生じることがないもので、加減速を伴う部位に重たい電磁クラッチ・ブレーキを設ける従来の方式に比べると格段に実用性が高められる。
【００７１】
更に、ロボットが移動ロボットではなく、産業用ロボットとして地面に固定して使われるような場合には、圧縮空気は、例えば工場内のエアー配管から容易に供給することが可能となるから、圧縮気体タンク２００は極めて少容量のもので済むか、若しくは全く不要になる。
【００７２】
更に、この技術概念は、複数の制動装置を単一の圧縮気体タンク２００の圧力によって作動させることができるので、多関節からなるアームや脚に適用する場合には、従来技術の電磁クラッチ・ブレーキによる制動装置に比べて全体の重量増加を著しく抑えることができて、軽量化の促進が容易に図れる。
【００７３】
また、これによれば、実質的に脚部又はアーム部の重量の増加、換言すれば慣性モーメントの増加を伴うことなく、各関節に制動をかけることができるから、制御方法を工夫することで、さらに消費エネルギの軽減を図ることが可能となる。
【００７４】
例えば歩行ロボットが起立姿勢をとるときに、関節制動をかけたうえで、関節駆動用のモータヘの電流値を全く無くしても、起立姿勢を維持できるようになる。従来のサーボロックによる起立に比べて消費エネルギーを実質的に「ゼロ」にできる利点がある。方向転換用のモータも、その殆どの時間をサーボロックをかけた状態で使っているが、摩擦制動力によって固定して供給電流を「ゼロ」にすれば、消費エネルギーを「ゼロ」にすることができる。更に、階段を降りている場合に、立脚側の各関節に部分制動をかけることで、各関節の駆動用モータは、この制動力の分だけ少ないトルク、言い換えれば、少ない電流で階段を降りることが可能となる。
【００７５】
また、前記制御システムでは、圧縮気体として、圧縮空気を圧縮気体タンク２００に蓄えるように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、窒素等の気体を圧縮して圧縮気体タンク２００に蓄えて駆動源とするように構成することも可能である。
【００７６】
よって、本発明は、前記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、前記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
【００７７】
例えば実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、小型で、且つ、軽量化の促進を図ったうえで、関節部に組み込むことができ、しかも体重による関節トルクの大半を制御可能な制動力を発生し得るようにしたロボットの関節制動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るロボットの関節制動装置の適用される２足歩行ロボットの骨格を示す斜視図である。
【図２】図１の股関節部の一部を断面して示した平面図である。
【図３】図２のＡ―Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２の摩擦板を示した平面図である。
【図５】図２のシリンダー部に組み込まれる構成部品の（ａ）が表面側、（ｂ）が裏面側を示す平面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るロボットの関節制動装置を示し、（ａ）が、その制動装置の断面図、（ｂ）が、その摩擦板の平面図である。
【図７】図１の各関節に配した制動装置に圧縮空気を送るための制御システムを示した圧縮空気回路図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る圧縮空気を送るための制御システムを示した圧縮空気回路図である。
【図９】本発明の適用される関節制御技術の理論を説明するために示した制御ブロック図である。
【符号の説明】
２Ｌ　…　左脚
２Ｒ　…　右脚
９…　６軸力センサ
１４　…　股関節部
１５　…　膝関節部
１６　…　足関節部
１７　…　大腿リンク
１８　…　膝リンク
２６、４３　…　モータ
３５、６３　…　摩擦板
３３、６１　…　ピストン
３４、６２　…　シリンダー部
２００　…　圧縮気体タンク
２０１　…　逆止弁
２０２　…　減圧弁
２０３−１〜２０３−６　…　制動装置
２０４、２０６　…　電磁弁
２０５−１〜２０５−６　…　制動装置
２０７　…　第２の電磁弁
２０８　…　圧力センサ

Claims

少なくとも第１のリンクと第２のリンクを相対回転運動可能に結合した関節部を有するロボットの関節制動装置において、
前記第１及び第２のリンクの相対回転運動に応じて相対運動を起こす二つの部材間を架橋できる摩擦係合手段と、
圧縮気体を駆動源として駆動制御され、前記摩擦係合手段を作動制御するアクチュエータと、
前記圧縮気体が蓄えられるものであって、前記アクチュエータと気体回路を介して連通される圧縮気体タンクと、
前記アクチュエータと前記圧縮気体タンクとを連通する気体回路を開閉制御して、前記圧縮気体タンクの圧縮気体を選択的に前記アクチュエータに供給する制御手段と
を具備することを特徴とするロボットの関節制動装置。
さらに、前記アクチュエータと前記圧縮気体タンクを連通する気体回路に、前記圧縮気体タンクの圧力を所定の圧力レベルに減圧して前記アクチュエータに供給する減圧手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節制動装置。
さらに、前記第１及び第２のリンクと相対運動を起こす前記二つの部材との間に、前記二つの部材の相対運動よりも前記第１及び第２のリンクの相対運動の方が緩慢となるように機能する減速手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットの関節制動装置。
前記圧縮気体タンクは、ロボット構成部品を中空構造に形成してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロボットの関節制動装置。