JP2005144582A - Tetrapodal traveling machine - Google Patents

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JP2005144582A JP2003383443A JP2003383443A JP2005144582A JP 2005144582 A JP2005144582 A JP 2005144582A JP 2003383443 A JP2003383443 A JP 2003383443A JP 2003383443 A JP2003383443 A JP 2003383443A JP 2005144582 A JP2005144582 A JP 2005144582A
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Akira Chiba
公 千葉
Baisho Kikuchi
梅昌 菊地
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AVICE KK
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AVICE KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tetrapodal traveling machine for realizing a moving shape such as a gallop, a trot, a pace and a bound (a jump) with a further simple mechanism. <P>SOLUTION: A front leg thigh upper part 110, a front leg thigh lower part 111, a rear leg thigh upper part 112 and a rear leg thigh lower part 113 of this tetrapodal traveling machine, are respectively composed of a four-node link mechanism. A cut line is formed in a pedestal 121 of a body, and front and rear pedestals are connected by a flexible beam 120. The front leg thigh upper part is supported by the front pedestal, and the rear leg thigh upper part is supported by the rear pedestal so as to be respectively rotatable. A link mechanism being a thigh upper part of respective front legs and rear legs, is driven by a driving device 130. At this time, a walking shape can be varied by changing a phase of the front legs and the rear legs. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、4足走行を行う4足走行マシンに関する。   The present invention relates to a four-leg running machine that performs four-leg running.

現在、ロボットの多くは産業用であり、人間の持つ運動機能のうち、ある部分を特殊化したものである。例えば、金属溶接を行ったり、製造機械に部品の取り付けを行うアームロボットなどはよく知られているし、産業界ではごく一般的なロボットとなっている。   Currently, most robots are for industrial use, and are specialized in certain parts of the human motor functions. For example, an arm robot that performs metal welding or attaches parts to a manufacturing machine is well known, and has become a very common robot in the industry.

コンピュータの小型化、IC技術の発達、様々なセンサーの出現等によって、ロボットの人間化、動物化も進んでいる。人間化、動物化といっても、人間や動物とまったく同じ形態と機能を有するロボットというよりは、人間や動物に擬したロボットである。例えば人間と同じ2足歩行のロボットや、犬や猫などの4足歩行するロボットである。またロボットに感情を持たせること(叩かれると怒り、撫でられると喜ぶ動作で感情を表すこと)によって、生きた動物と同様のペットであるかのような玩具も出現している。   With the miniaturization of computers, the development of IC technology, and the emergence of various sensors, robots are becoming more humanized and animalized. Humanization and animalization are robots that mimic humans and animals rather than robots that have exactly the same form and function as humans and animals. For example, the robot is a biped robot that is the same as a human, or a robot that walks on four legs, such as a dog or a cat. Also, by giving emotions to robots (expressing emotions with anger when tapped and delighted when stroked), toys that appear to be like pets have also appeared.

移動手段として車輪を用いたものがある。電車、自動車、自転車など、すべて車輪の回転運動を直線・曲線・円などの車体の移動運動に変えている。車輪による車体の移動は窪みや階段などの凹凸のある地面や床面を移動するには適していない。その点、動物の2足歩行や4足歩行は階段などの段差のある床面に対しても適応性が高い。ロボットに人間や動物と同じ形態(とくに歩行・走行)を実現させることは、人間の願望である。もちろん、車輪では移動できない移動方法や行動が可能になることも、ロボット実現への願望になっている。   Some moving means use wheels. In all trains, cars, bicycles, etc., the rotational movement of the wheels is changed to the movement movement of the car body such as a straight line, curve, or circle. The movement of the vehicle body by wheels is not suitable for moving on uneven surfaces such as depressions and stairs or on the floor. In this respect, biped walking and quadruped walking of animals are highly adaptable to floors with steps such as stairs. It is human desire to make robots realize the same form as humans and animals (especially walking and running). Of course, it is also a desire to realize a robot that enables movement methods and actions that cannot be moved by wheels.

人が歩くとき、右足を前に出すと同時に右手を後ろに振り、左手は前に出す。すなわち、右足と左手、左足と右手は同方向に移動する。四つん這いになり、そのままの手足の動作をすれば、4足歩行動物の歩き方になる。歩くという動作は、どちらかの足が地面に着いた状態で移動する動作である。4足歩行する動物が走るときも、基本的に歩くという動作の延長線上にある。馬の場合、競争時、空中姿勢で一時的に前足の左右あるいは後ろ足の左右が揃うことがあるが、着地するときは右足と左足は別々になっている。これは離陸時も同様で左右別々に動作している。決して兎跳びといわれる両足を合わせて跳ねる動作ではない。   When a person walks, put your right foot forward and at the same time swing your right hand back and your left hand forward. That is, the right foot and left hand, and the left foot and right hand move in the same direction. If you become crawl on all fours and move the limbs as they are, you will be walking a quadruped animal. The action of walking is an action of moving with either foot on the ground. Even when a quadruped animal runs, it is basically an extension of the movement of walking. In the case of a horse, the left and right of the front legs or the left and right legs of the rear legs may be temporarily aligned in the aerial posture during competition, but the right and left legs are separate when landing. This is the same during take-off and works separately on the left and right. It is not a movement to jump together with both feet, which is said to be jumping.

4足歩行による移動装置を扱った発明としては、『4脚走行装置』(特許文献1)がある。この発明では、前部左右脚部と後部左右脚部を略5節リンク機構の作動部に連繋させ、各作動部を1駆動源(1アクチュエータ)によって一連に作動させ、前後の脚部に4脚動物に類似した歩容を可能としている。また左右の脚部を狭く作ることによって、自転車やモータバイクと同じ操舵法が可能な構造となっている。   As an invention that deals with a moving device by walking on four legs, there is a “four-legged traveling device” (Patent Document 1). In the present invention, the front left and right legs and the rear left and right legs are connected to the operation part of the approximately five-bar linkage mechanism, and each operation part is operated in series by one drive source (one actuator). A gait similar to a leg animal is possible. In addition, by making the left and right legs narrow, it has a structure that allows the same steering method as a bicycle or motorbike.

速い動作速度や大きなトルクを持つ大型の駆動機構を用いることなく、走行や躍動などの激しい動作を行う脚式移動ロボットの発明としては、『脚式移動ロボット』(特許文献2)がある。歩行動作を行うアクチュエータのような通常の駆動機構のほかに、ゼンマイやフライホイールなどで構成された動力蓄積機構を備えていて、蓄積した動力を瞬間的に放出することによって、瞬発動作を可能としている。   As an invention of a legged mobile robot that performs a violent motion such as running or dynamism without using a large drive mechanism having a high operating speed and a large torque, there is a “legged mobile robot” (Patent Document 2). In addition to a normal drive mechanism such as an actuator that performs walking motion, it is equipped with a power storage mechanism composed of a mainspring, flywheel, etc., enabling instantaneous operation by releasing the stored power instantaneously Yes.

クロールやバウンズ、ギャロップ、トロットといった各種の脚式動作を行う脚式移動ロボットの発明としては、『脚式移動ロボット、並びに脚部の取付け構造』(特許文献3)がある。胴体部と脚上部の間にコイルバネを取り付けることによって、アクチュエータの駆動力よりも大きな力を得、躍動などの瞬発力を要する動作を可能としている。またバネにより、着地時の衝撃力が緩和されている。胴体部と脚部付け根部に平行に、胴体部の接続部を中心に回転可能なアッパー・リンクとロア・リンクを取り付けることにより、回転運動を脚部の上下運動に変えて、歩行や走行を可能にしている。このとき、リンクの回転による横方向へのブレが生じるが、上下動の動きの幅に比べて各リンクの長さを十分に長く取ることによって、左右のブレを無視できるものとしている。   As an invention of a legged mobile robot that performs various legged motions such as crawling, bounces, gallops, and trots, there is a “legged mobile robot and leg mounting structure” (Patent Document 3). By attaching a coil spring between the body part and the upper leg part, a force larger than the driving force of the actuator is obtained, and an operation requiring an instantaneous force such as a sway is possible. Moreover, the impact force at the time of landing is relieved by the spring. By mounting an upper link and a lower link that can rotate around the connection part of the body part in parallel to the body part and the base of the leg part, the rotational movement is changed to the vertical movement of the leg part, so that walking and running are possible. It is possible. At this time, a lateral blur occurs due to the rotation of the link, but by making the length of each link sufficiently longer than the width of the vertical movement, the lateral blur can be ignored.

『ロボット装置及びロボット装置の跳躍制御方法』(特許文献4)では、4点リンク機構(4節リンク機構)の脚部が採用されている。4点リンク機構を構成する2本の連結桿(リンク棒)の胴体方向の端は回転支軸で連結し、他端は連結部材(膝関節部になる個所)に連結している。連結部材にはコイルバネが仕組まれたロッドと、足につながる脚部(棒状部材)が連結されている。足となる棒状部材の先端には接触センサが取り付けられていて、接触センサの信号によって足が浮遊しているか、着床しているかが判断できる。このほか、タッチセンサー、距離センサー、マイクロホン、CCDなどからの信号を集積回路で解析することによって、人間と同じような感覚機能を再現している。特に学習機能による感情の表現もロボット動作の一部として採り入れている点が注目される。回転支軸の回転運動は4点リンク機構によって棒状部材の直線運動に変換される。また、駆動力としてサーボモーターを使うことによって、制御部の指令によって自在の回転を可能とし、様々な歩容や動作を引き出している。ロボットが接地したとき、関節が曲がり、コイルバネが縮む。従って次の動作として、コイルバネの伸長方向への弾性力によってロッドが押し下げられ、関節(連結部材部)が伸びて、跳躍動作を行うことができる。これによって、サーボモーターの負荷を軽減している。   In “Robot Device and Jump Control Method of Robot Device” (Patent Document 4), legs of a four-point link mechanism (four-bar link mechanism) are employed. The ends of the two connecting rods (link rods) constituting the four-point link mechanism in the body direction are connected by a rotation support shaft, and the other end is connected to a connecting member (a part that becomes a knee joint). The connecting member is connected to a rod having a coil spring and a leg (rod-like member) connected to the foot. A contact sensor is attached to the tip of the rod-like member that becomes the foot, and it can be determined whether the foot is floating or is landing by the signal of the contact sensor. In addition, sensory functions similar to those of humans are reproduced by analyzing signals from touch sensors, distance sensors, microphones, CCDs, etc. using integrated circuits. In particular, it is noted that the expression of emotions by learning function is also adopted as part of the robot motion. The rotational movement of the rotary spindle is converted into a linear movement of the rod-like member by a four-point link mechanism. In addition, by using a servo motor as the driving force, it is possible to rotate freely according to the command of the control unit, and various gaits and operations are drawn out. When the robot touches the ground, the joint bends and the coil spring contracts. Therefore, as the next operation, the rod is pushed down by the elastic force in the extending direction of the coil spring, the joint (connecting member portion) is extended, and a jumping operation can be performed. This reduces the load on the servo motor.

上記の例でも使用されていたが、4節リンク機構はロボット工学では様々な形態で応用されている。上記では「4点リンク機構」と表記されている。図1は4節リンク機構の例であり、少なくとも一つの節は基礎部に固定されていることが多い。図1の例で節AでリンクABが駆動部と連係していて回転運動するとした場合、リンク棒の長さにAB<BC<CD<ADの関係があり、かつリンク棒ABがθ1度回転することにより、リンク棒CDがθ2度回転したとすれば、θ1>θ2の関係が成り立つ。すなわち、小さな力で大きな物を動かす場合などに利用できる。 Although used in the above example, the four-bar linkage is applied in various forms in robotics. In the above, it is described as “4-point link mechanism”. FIG. 1 shows an example of a four-joint link mechanism, and at least one joint is often fixed to a base portion. In the example of FIG. 1, when the link AB is linked to the drive unit at the node A and rotates, the length of the link bar has a relation of AB <BC <CD <AD and the link bar AB is θ 1 degree. If the link rod CD is rotated by θ 2 degrees by rotating, the relationship θ 1 > θ 2 is established. That is, it can be used when moving a large object with a small force.

図2は、チェビシェフの第1近似直線運動機構を有する4節リンク機構の例である。点Aと点Dは固定されていて、点Bは点Aの周りを円回転できるものとする。さらにリンク棒BCの延長上の点Eとしたとき、以下の関係式が成り立っているとする。
AD=2AB
BC=CD=CE=2.5AB
この条件下で点Bが円運動すると、図に示すように点Eの軌跡の一部分が近似直線になる。これをチェビシェフの第1近似直線運動機構といい、ロボットの脚式歩行機構として利用されている。
FIG. 2 is an example of a four-bar linkage mechanism having a Chebyshev first approximate linear motion mechanism. It is assumed that the points A and D are fixed, and the point B can rotate around the point A. Further, when the point E on the extension of the link bar BC is assumed, the following relational expression holds.
AD = 2AB
BC = CD = CE = 2.5AB
When the point B moves circularly under this condition, a part of the locus of the point E becomes an approximate straight line as shown in the figure. This is called Chebyshev's first approximate linear motion mechanism, and is used as a legged walking mechanism of the robot.

特開平9−132119号公報JP-A-9-132119 特開2001−246585号公報JP 2001-246585 A 特開2002−103253号公報JP 2002-103253 A 特開2003−80477号公報JP 2003-80477 A

現在の4足走行マシン(ロボット)では、基本的に移動形態(歩容)は一様である。これは、機械構造のリンク形態を自由に切り換えて移動形態へ反映することが難しいからである。しかし従来技術で挙げたロボット装置では、移動、静止、ジャンプなどの動作が可能になっている。これは制御装置、エネルギー蓄積機構(素材の弾性エネルギー<主にバネ>を利用)、リンク機構、サーボモーターなどで実現している。   In the current quadruped traveling machine (robot), the movement form (gait) is basically uniform. This is because it is difficult to freely switch the link form of the mechanical structure and reflect it in the moving form. However, the robot apparatus mentioned in the prior art can move, stop and jump. This is realized by a control device, an energy storage mechanism (using elastic energy of the material <mainly spring>), a link mechanism, a servo motor, and the like.

本発明が解決しようとする課題は、より簡易な機構でギャロップ、トロット、ペース、バウンド(跳躍)といった移動形態を実現する4足走行マシンを実現することである。なお競馬用語でギャロップは襲走(競争時の走り方)、トロットは速歩、ペースはレースの流れを意味するが、ここでは走り、歩き、歩幅(または速度)などの意味で使用する。特に、脚の全てが地面から離れる運動をする場合、重力に抗するために、大きなパワーが要求される。そのため、なるべく少ないエネルギーで済むような機構とする。   The problem to be solved by the present invention is to realize a four-leg traveling machine that realizes a movement form such as gallop, trot, pace, and bound (jump) with a simpler mechanism. In terms of horse racing, gallop means assault (how to run during competition), trot means fast walking, and pace means the flow of the race, but here it is used to mean running, walking, stride (or speed), etc. In particular, when all of the legs move away from the ground, a large amount of power is required to resist gravity. Therefore, a mechanism that requires as little energy as possible is adopted.

上記の課題を解決するために、請求項1記載の発明は、様々な歩容可能な4足走行マシンにおいて、前記マシンの各脚が、4節リンク機構を備えた大腿上部および4節リンク機構を備えた大腿下部が関節部で結合された構造を備え、前脚を取り付ける台座と後脚を取り付ける台座の間を弾力性を有する柔軟性のある部材で接続したことを特徴とする4足走行マシンである。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a four-leg running machine capable of various gaits, wherein each leg of the machine includes an upper thigh and a four-joint link mechanism each having a four-joint link mechanism. A four-leg traveling machine having a structure in which a lower thigh having a joint is coupled by a joint portion, and a base to which a front leg is attached and a base to which a rear leg is attached is connected by a flexible member having elasticity. It is.

請求項2に記載された発明は、請求項1記載の4足走行マシンであって、前記4節リンク構造の脚のリンクの取り付け角度を変えることによって各脚の回転の位相を調整する機構を備えたことを特徴とする4足走行マシンである。   The invention described in claim 2 is the four-leg traveling machine according to claim 1, wherein a mechanism for adjusting the rotation phase of each leg by changing the attachment angle of the leg link of the four-bar linkage structure. A four-legged running machine is provided.

各脚部は、脚の大腿上部の4節リンク機構、および脚の大腿下部の4節リンク機構の、2組のセットからなる構造である。脚を大腿上部と大腿下部の2組とも4節リンク機構にすることによって、関節の屈伸を実現する。脚の運動に伴って、前脚部と後脚部を繋ぐ部材(ビーム)にたわみ(曲がり)が生じる。このたわみにエネルギー蓄積の効果があり、たわみが解放されるときにアクチュエータの動力以上の力が生じ、脚部の反発力として利用する。すなわち、この力によってバウンド(飛躍)などの動作が可能となる。   Each leg has a structure composed of two sets of a four-joint link mechanism in the upper thigh of the leg and a four-joint link mechanism in the lower thigh of the leg. By using a four-joint link mechanism for both the upper thigh and lower thigh legs, joint flexion and extension are realized. Along with the movement of the legs, deflection (bending) occurs in the member (beam) that connects the front legs and the rear legs. This deflection has an effect of energy storage, and when the deflection is released, a force more than the power of the actuator is generated and used as a repulsive force of the leg. In other words, this force enables operations such as bouncing.

駆動機構の回転運動を脚の4節リンクに伝える。4節リンク機構はチェビシェフの第1近似直線運動機構になるようにしておけば、駆動機構の回転運動は近似直線運動に変換できる。   The rotational movement of the drive mechanism is transmitted to the four-bar link of the leg. If the four-bar linkage is the Chebyshev's first approximate linear motion mechanism, the rotational motion of the drive mechanism can be converted to approximate linear motion.

本発明では様々な歩容を実現する。このため、本発明では左右の脚、前後の脚のそれぞれの4節リンク機構の回転角度を変えられるようにする。   In the present invention, various gaits are realized. For this reason, in the present invention, the rotation angles of the four-bar linkage mechanisms of the left and right legs and the front and rear legs can be changed.

通常の動物の歩行では、対になる左右の脚の位相差、および同じ側面の前後の脚の位相差はともに180度である。また、両足を揃えてジャンプするときの左右の脚の位相差は0度である。これらの動作も、前後左右の脚の各リンクの回転角度の取り付けで調整できるようにする。   In normal animal walking, the phase difference between the paired left and right legs and the phase difference between the front and rear legs on the same side are both 180 degrees. Also, the phase difference between the left and right legs when jumping with both feet aligned is 0 degrees. These operations can also be adjusted by attaching the rotation angle of each link of the front, rear, left and right legs.

ワンアクチュエータによる動力は、玩具のような電池で動く小さなマシンではパワー不足になることは否めない。そこでマシン上部に弾力性のある柔軟ビームを取り付ける。柔軟ビームは4節リンク機構の大腿部の上部に取り付け、大腿部の運動に伴ってたわみ(曲がり)が生じる。このたわみにエネルギー蓄積の効果があり、たわみが解放されるときにアクチュエータの動力以上の力が生じ、脚部の反発力として利用する。すなわち、この力によってバウンド(飛躍)などの動作が可能となる。   It cannot be denied that the power from the one-actuator is insufficient for a small machine powered by a battery such as a toy. Therefore, an elastic flexible beam is installed at the top of the machine. The flexible beam is attached to the upper part of the thigh of the four-joint link mechanism, and deflection (bending) occurs with the movement of the thigh. This deflection has an effect of energy storage, and when the deflection is released, a force more than the power of the actuator is generated and used as a repulsive force of the leg. In other words, this force enables operations such as bouncing.

発明の実施の形態を図を用いて説明する。図3は本発明の4足走行マシンの組立模型である。図に示した白抜きの四辺形が4節リンク機構大腿上部を形成し、その下の薄い白抜きの四辺形が4節リンク機構大腿下部を形成している。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is an assembly model of the four-leg traveling machine of the present invention. The white quadrilateral shown in the drawing forms the upper part of the four-node link mechanism thigh, and the thin white quadrilateral below it forms the lower part of the four-node link mechanism thigh.

図4は、左側面から見た本発明のマシンの一例を示す略図である。ただし、白抜きの部分(模型に付加した線)はチェビシェフの第1近似直線運動を解析するときに用いた、脚部の主要線である。本発明の4足走行マシン1は、脚部が前脚大腿上部110、前脚大腿下部111、後脚大腿上部112、後脚大腿下部113から構成されている。   FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the machine of the present invention viewed from the left side. However, the white part (line added to the model) is the main line of the leg part used when analyzing Chebyshev's first approximate linear motion. In the quadruped running machine 1 of the present invention, the legs are configured by a front leg upper thigh 110, a front leg lower thigh 111, a rear leg upper thigh 112, and a rear leg lower thigh 113.

図3で示したように、各部は4節リンク機構で構成されている。脚部の上に台座121を設置し、その上に駆動装置130(通常、モーター)、電源および制御装置収納部140が取り付けられている。また台座121部分に切れ目を入れ、前後の両台座を柔軟ビーム120で連結している。この柔軟ビームの素材としては、板バネなどが利用できる。前部150は動物の頭に相当する部分で、全体のバランスを取るための重りともなっている。足部114(接地部)は床に触れる部分で、滑り止めのためにゴムなどの素材が取り付けられている。またこの部分の底に圧力センサーを取り付けておけば、足が地面に着いているかどうかの判断が行える。   As shown in FIG. 3, each part is constituted by a four-bar linkage mechanism. A pedestal 121 is installed on the legs, and a driving device 130 (usually a motor), a power source and a control device storage unit 140 are mounted thereon. In addition, a cut is made in the pedestal 121, and the front and rear pedestals are connected by a flexible beam 120. As a material of the flexible beam, a leaf spring or the like can be used. The front part 150 corresponds to the head of the animal and serves as a weight for balancing the whole. The foot part 114 (grounding part) is a part that touches the floor, and a material such as rubber is attached to prevent slipping. If you attach a pressure sensor to the bottom of this part, you can determine whether your foot is on the ground.

図5は、図4に示した前脚の節を抜き出して骨格部分のみを図式化したものである。前脚は、大腿上部110を構成する4節リンク機構ABCDと、大腿下部111の4節リンク機構CEFGから成り立っている。節AとDは台座に固定されていて、節Bは節Aを中心に回転する。また節B、C、Eおよび節D、C、Gはそれぞれ同じリンク棒の上に取り付けられている。これにより、節Bが円の下半部を通過しているとき(r1の状態)、前脚(リンクABCD、CEFG)が縮み、足部114が浮遊し、足部がl1方向に移動する。一方、節Bが節Aの上部を通過するとき(r2の状態)、前脚(リンクABCD、CEFG)が狭まり、足部が離地(浮遊)し、足部にl2方向の力が働く。このように節Bの回転によって、脚部はキックと単なる移動とを繰り返して前進する。   FIG. 5 shows only the skeleton part extracted from the nodes of the front leg shown in FIG. The front leg is composed of a four-joint link mechanism ABCD constituting the upper thigh 110 and a four-joint link mechanism CEFG of the lower thigh 111. Nodes A and D are fixed to the pedestal, and node B rotates about node A. The nodes B, C, E and the nodes D, C, G are respectively mounted on the same link bar. As a result, when the node B passes through the lower half of the circle (the state of r1), the front legs (link ABCD, CEFG) contract, the foot 114 floats, and the foot moves in the l1 direction. On the other hand, when the node B passes the upper part of the node A (state of r2), the front legs (link ABCD, CEFG) are narrowed, the foot is released (floating), and the force in the l2 direction acts on the foot. As described above, the rotation of the node B causes the leg portion to advance by repeating the kick and the simple movement.

なお、図4の丸に点で示したrtは節(図5のBに相当)の回転位置を表し、rtに対応した足部114の移動lを四角に×の記号(図5のl1、l2に相当)で表している。この解析には、チェビシェフの第1近似直線運動機構を用いている。   Note that rt indicated by a dot in a circle in FIG. 4 represents a rotational position of a node (corresponding to B in FIG. 5), and the movement l of the foot 114 corresponding to rt is represented by a square x symbol (l1, FIG. 5). equivalent to l2). This analysis uses Chebyshev's first approximate linear motion mechanism.

図6は、4足歩行動物の基本的歩き方を示したものである。実線Lfl、Lblは左脚(側面から見たときの手前)、破線Lfr、Lbr右脚(側面から見たときの奥)である。歩くという動作は、以下のような動作である。
(1)静止状態。このとき、4脚が接地状態(正確には足底が接地状態)にある。
(2)歩き始め。左前脚Lflと右後脚Lbrを曲げて前に移動させる。このとき、右前脚Lfrと左後脚Lblは接地状態で、体Bdを前方へ押し出す力を生み出している。
(3)左前脚と右後脚が接地し、全体重が移動した状態。
(4)左前脚と右後脚が接地状態で、右前脚と左後脚が移動を始めた状態。
(5)右前脚と左後脚が接地し、全体重が移動した状態。
FIG. 6 shows a basic way of walking for a quadruped walking animal. Solid lines Lfl and Lbl are the left leg (front side when viewed from the side) and broken lines Lfr and Lbr right leg (the back side when viewed from the side). The operation of walking is as follows.
(1) Still state. At this time, the four legs are in a grounded state (more precisely, the sole is in a grounded state).
(2) Start walking. Bend left front leg Lfl and right rear leg Lbr and move them forward. At this time, the right front leg Lfr and the left rear leg Lbl are in contact with each other and generate a force to push the body Bd forward.
(3) The state where the left front leg and the right rear leg are in contact with each other and the entire weight has moved.
(4) The left front leg and the right rear leg are in contact with the ground, and the right front leg and the left rear leg start to move.
(5) The right front leg and the left rear leg are in contact with the ground and the entire weight has moved.

このように、4足歩行動物が歩く基本動作は、対角線上の脚(足)を接地させて推進力を生み、他の対角線上の脚を浮遊させて前へ進める動作である。対角線上の脚が接地しているということは、すなわち体の重心が対角線上にあるために、体を安定させることのできる状態である。走るという動作も基本的に歩くという動作の延長線上にある。異なる点は、4足が同時に地面から離れる動作が加わることである。4足マシンの場合、接地脚(キックする脚)のキック力を高めてやれば、自然と体全体(4足)が地面から離れて浮遊することになる。   In this way, the basic motion of a four-legged walking animal is an operation in which a leg (leg) on a diagonal line is grounded to generate a propulsive force, and a leg on another diagonal line is floated and moved forward. The fact that the diagonal legs are in contact with the ground means that the body can be stabilized because the center of gravity of the body is on the diagonal line. Running is basically an extension of walking. The difference is that the movement of the four legs moving away from the ground at the same time is added. In the case of a quadruped machine, if the kicking power of the grounding leg (kicking leg) is increased, the whole body (four legs) will naturally float away from the ground.

上記の動作を実現するためには、前脚と後脚の移動が逆方向になるようにすればよい。すなわち、同じ体側面の前脚と後脚の回転位相(図5のB点)を180度ずらし、左右の前脚間および左右の後脚間の回転位相も180度ずらせばよいことになる。   In order to realize the above operation, the movement of the front leg and the rear leg may be reversed. That is, the rotational phases of the front legs and rear legs (point B in FIG. 5) on the same body side surface are shifted by 180 degrees, and the rotational phases between the left and right front legs and between the left and right rear legs are also shifted by 180 degrees.

図7はアクチュエータの同一回転軸に同じ側面の前脚と後脚のリンクを取り付けた場合の例である。この場合、前後の脚のリンクの回転角度の位相差(BとBの回転のズレ)は0度であるために、リンクの取付を線対称にすることによって位相差を180度(前脚と後脚が逆向きになる動き)に変換している。この図でABCDは前脚大腿上部の4節リンク機構、A´B´C´D´は後脚大腿上部の4節リンク機構、CEFGは前脚大腿下部の4節リンク機構C´E´F´G´は後脚大腿下部の4節リンク機構である。C、C´は二つの4節リンク機構をつなぐ関節を構成する。   FIG. 7 shows an example in which a front leg link and a rear leg link on the same side are attached to the same rotation shaft of the actuator. In this case, since the phase difference between the rotation angles of the front and rear leg links (the difference in rotation between B and B) is 0 degrees, the phase difference is set to 180 degrees (the front legs and the rear legs by making the link attachments line-symmetric). The movement of the leg is reversed). In this figure, ABCD is the four-node link mechanism of the upper front leg thigh, A'B'C'D 'is the four-node link mechanism of the upper rear leg thigh, and CEFG is the four-node link mechanism C'E'F'G of the lower front leg thigh. 'Is a four-joint link mechanism in the lower leg thigh. C and C ′ constitute a joint that connects two four-joint link mechanisms.

またAとA´およびBとB´は同じ位置に取り付けられた節である(以下、A´とB´はそれぞれAとBで表記)。前脚の大腿上部・大腿下部と後脚の大腿上部・大腿下部の4節リンクをそれぞれ線対称に取り付けてある(ただし、リンクの大きさは必ずしも同じではない)。これにより、以下の動作が実現できる。   A and A ′ and B and B ′ are nodes attached at the same position (hereinafter, A ′ and B ′ are represented by A and B, respectively). The four-node links of the upper and lower thighs of the front leg and the upper and lower thighs of the rear leg are attached symmetrically with each other (however, the link sizes are not necessarily the same). Thereby, the following operations can be realized.

節Bの回転rにより、リンク棒BCにf1の力が働き、節C、Gが矢印の方向(後方)に引っ張られ、節Fが上方に押し上げられて足部114fは浮遊し、足部はl1の方向(前方)に移動する。一方、後脚では、回転rによってBC´にf2(=f1)の力が働き、節C´、G´が後方に押され、節F´が下方(矢印の方向)に押し下げられて足部114bが接地し、足部にl2の方向(後方)の力が働く。これによっては体Bdが前方に進むことができる。   By the rotation r of the node B, the force f1 acts on the link bar BC, the nodes C and G are pulled in the direction of the arrow (rearward), the node F is pushed upward, the foot 114f floats, and the foot Move in the direction of l1 (forward). On the other hand, in the rear leg, the rotation r causes a force of f2 (= f1) to act on BC ′, the nodes C ′ and G ′ are pushed backward, and the node F ′ is pushed down (in the direction of the arrow) to the foot. 114b is grounded, and a force in the direction l2 (rear) is applied to the foot. As a result, the body Bd can move forward.

節Bの回転rが逆向き、すなわち図のD方向に向くと、前足部が接地して後ろ側への力(キック力)が生じ、後足部が浮遊して前方へ進む(この場合の図は略)。現実のリンクの動きは前述したような単純なものではないが、要は、上部のリンクが狭まれば下部のリンクも狭まって脚長が長くなり、足が接地し、上部のリンクが広がれば下部のリンクも広がって脚長が短くなり、足が浮遊する。   When the rotation r of the node B is reversed, that is, in the direction D in the figure, the front foot is grounded and a rearward force (kick force) is generated, and the rear foot is floated and moves forward (in this case) (The figure is omitted). The movement of the actual link is not as simple as described above, but the bottom line is that if the upper link narrows, the lower link also narrows and the leg length becomes longer, the foot touches down, and the upper link widens, the lower part The link also spreads, the leg length becomes shorter, and the legs float.

ゆっくりとしたモーターの回転の場合は歩く動作になるが、回転が速くなるとキック力が増し、4足とも地面から離れる。いわゆる、走りの状態に移行する。回転の速さにより、競馬でいうキャンタ(ゆっくりした走り)やギャロップ(襲走)などが再現できる。   In the case of slow motor rotation, walking is performed, but as the rotation speeds up, the kicking force increases and all four legs move away from the ground. It shifts to the so-called running state. Depending on the speed of rotation, the canter (slow running) and gallop (running) in horse racing can be reproduced.

ただし玩具などの小さな4足走行マシンでは、動力に限界があるために、バウンド(跳躍)などの体全体を浮遊させる動作には別の工夫も必要になる。また動力源への負荷を軽減するためにも、何らかのエネルギー蓄積装置が必要になる。図8は本発明の4足走行マシンの実施例における前脚と後脚の動作を説明するための別の例である。   However, since a small four-legged traveling machine such as a toy has a limit in power, another device is required for the operation of floating the whole body such as bouncing. Also, some energy storage device is required to reduce the load on the power source. FIG. 8 is another example for explaining the operation of the front legs and the rear legs in the embodiment of the four-leg traveling machine of the present invention.

図9は、同じ側面の前脚と後脚のリンクを別のアクチュエータで駆動する場合の例である。図10は1モーターで図9の系を駆動する場合の構造の一例である。   FIG. 9 shows an example in which the link between the front leg and the rear leg on the same side is driven by another actuator. FIG. 10 shows an example of a structure in the case where the system of FIG. 9 is driven by one motor.

図11は柔軟ビームの取り付け例である。(1)と(2)は台座121を前後に分割し、柔軟ビーム120で接続した例である。(1)は全体に、(2)は左右に分けて部分接続している。通常の歩きや走りの場合、左右の脚は反対の動作をするために、左右の柔軟ビームも反対の動きをする。したがって、(2)のように分離していた方がバネとしての働きでは優れている。しかしいずれの場合も、台座121に直接取り付けた形になっているために、台座に振動を引き起こす原因となる。台座の上にはアクチュエータや制御装置などが取り付けられるために、この振動は好ましくない。そこで(3)の例では、台座121と柔軟ビーム取付台121l、121rを分離して、柔軟ビーム取付台に柔軟ビーム120を取り付ける。このようにすれば、柔軟ビームの伸縮運動に台座が影響されにくく、しかも左右の柔軟ビームが独自動作することができる。   FIG. 11 shows an example of attaching a flexible beam. (1) and (2) are examples in which the pedestal 121 is divided into front and rear and connected by a flexible beam 120. (1) is partially connected, and (2) is partially connected to the left and right. In normal walking and running, the left and right legs move in the opposite direction, so the left and right flexible beams move in the opposite direction. Accordingly, the separation as in (2) is superior in the function as a spring. However, in either case, since it is directly attached to the pedestal 121, it causes vibrations in the pedestal. Since an actuator, a control device, and the like are mounted on the pedestal, this vibration is not preferable. Therefore, in the example of (3), the base 121 and the flexible beam mounting bases 121l and 121r are separated, and the flexible beam 120 is attached to the flexible beam mounting base. In this way, the pedestal is not easily affected by the expansion and contraction of the flexible beam, and the left and right flexible beams can operate independently.

図12は、柔軟ビームの働きを示している。(1)は静止時である。柔軟ビーム120は取付台121lとともに水平になっている。(2)は前後の脚114f、114bを閉じたときで、柔軟ビームは曲がる。このとき、柔軟ビームの弾性力(復元力)で取付台121lには垂直方向にfの力が働く。この水平方向の力f´が脚を開くとき、駆動措置の駆動力Fにプラスされ、(3)のように、より大きな脚力を生むことができる(図中、rは柔軟ビームの弾性力による、取付台の動く方向を示す)。なお柔軟ビームの素材としては、板バネのような丈夫で弾性係数の高い素材が好ましい。   FIG. 12 shows the function of the flexible beam. (1) is at rest. The flexible beam 120 is horizontal with the mounting base 121l. (2) is when the front and rear legs 114f and 114b are closed, and the flexible beam bends. At this time, force f acts on the mounting base 121l in the vertical direction by the elastic force (restoring force) of the flexible beam. When this horizontal force f ′ opens the leg, it is added to the driving force F of the driving measure, and a larger leg force can be generated as in (3) (in the figure, r is due to the elastic force of the flexible beam). Shows the direction of movement of the mounting base). The material of the flexible beam is preferably a strong material having a high elastic coefficient such as a leaf spring.

前後左右の脚の取付角度を変えてやることによって、歩容を変えることができる。例えば、図6に示す例の歩容の場合には、左右の脚の位相差は180度である。これは図13の(1)に示すように、マシンを側面から見たとき、左脚の節Blと右脚の節Brの位置関係が回転円と正反対の位置に取り付けられている。このため、節ClとCrの回転rに対して前脚と後脚の運動方向が逆となる。(2)は位相差がθ度(<180度)の場合で、節ClとCrの移動のズレが少なくなっている。θを0度にすれば、右脚と左脚の位相差がなくなり、左右の脚が同方向に動き、兎跳びのような動作になる。   Gait can be changed by changing the mounting angle of the front, rear, left and right legs. For example, in the case of the gait shown in FIG. 6, the phase difference between the left and right legs is 180 degrees. As shown in FIG. 13 (1), when the machine is viewed from the side, the positional relationship between the left leg node Bl and the right leg node Br is attached to a position opposite to the rotation circle. For this reason, the direction of movement of the front and rear legs is reversed with respect to the rotation r of the nodes Cl and Cr. (2) is a case where the phase difference is θ degrees (<180 degrees), and the displacement of the movement of the nodes Cl and Cr is small. If θ is 0 degree, there is no phase difference between the right leg and the left leg, the left and right legs move in the same direction, and a jump-like action is obtained.

下記の表1は、モーターの回転速度と位相差による、4足走行マシンの平均移動速度の変化を調べた実験結果である。モーターの回転速度(角速度)が増せば、平均移動速度も増す。これは、容易に想像がつく。一方、位相差による平均移動速度は、同じ回転速度で比較すると、位相差が0度で最も速く、90度で最も遅い。これは位相差0度、すなわち両足で同時にキックする走り方が最も大きな推進力を生み、位相が90度のときは左右の脚の歩幅が通常時(位相差が180度時)より狭くなり、左右の脚のキックのタイミングが中途半端になるために速度が遅くなると推測できる。いずれにしろ表1の実験結果は、位相差を変えてやることによって、様々な歩き方(または走り方)と速度を作り出すことが可能なことを表している。   Table 1 below shows experimental results of examining changes in the average moving speed of a quadruped traveling machine due to the rotational speed and phase difference of the motor. If the rotational speed (angular speed) of the motor increases, the average moving speed also increases. This is easy to imagine. On the other hand, the average moving speed due to the phase difference is the fastest when the phase difference is 0 degrees and the slowest when it is 90 degrees when compared at the same rotational speed. This is because the phase difference is 0 degree, that is, the driving method that kicks with both feet at the same time produces the largest driving force. When the phase is 90 degrees, the stride of the left and right legs is narrower than normal (when the phase difference is 180 degrees), Since the timing of kicking the left and right legs is halfway, it can be estimated that the speed will be slow. In any case, the experimental results in Table 1 indicate that various ways of walking (or running) and speeds can be created by changing the phase difference.

本発明のマシンは、脚を4節リンク機構の大腿上部と大腿下部で構成し、大腿上部と大腿下部のつなぎの関節部分で動物の脚の関節の屈伸が再現でき、よりリアルな脚動を表現することができる。しかも、前後左右の脚の取り付け位置によって、位相差を調整することができるために、容易に歩容が変えられる利点がある。これにより通常歩行、兎跳び、小走り、大走りなどの動作が容易に実現できる。   In the machine of the present invention, the leg is composed of the upper thigh and lower thigh of the four-bar linkage mechanism, and the joint of the animal's leg can be reproduced at the joint part of the upper thigh and lower thigh. Can be expressed. Moreover, since the phase difference can be adjusted depending on the mounting positions of the front, rear, left and right legs, there is an advantage that the gait can be easily changed. As a result, operations such as normal walking, jumping, jumping, running, and running can be easily realized.

本発明の4足走行マシンを玩具に応用した場合、動力としてもモーターは小型なものとなるために、1モーターでは力に限界がある。そこで、本発明では柔軟ビームを取り付けることによって、動力源から得られる力に柔軟ビームの弾性力をプラスした力を引き出すことができるようにした。これにより、バウンドなどの襲発的な力が要求される運動を可能としている。また動力源の負荷を軽減する役割も果たしている。   When the quadruped traveling machine of the present invention is applied to a toy, the motor is small in terms of power, so there is a limit in power with one motor. Therefore, in the present invention, by attaching a flexible beam, a force obtained by adding the elastic force of the flexible beam to the force obtained from the power source can be extracted. As a result, it is possible to perform an exercise that requires an impulsive force such as bouncing. It also plays a role in reducing the load on the power source.

本発明ではセンサーや制御装置については説明しなかったが、これらの機能を追加することによって、本格的な動物型ロボットを実現することができる。例えば制御装置にギャロップやトロットなどの指令を送ることによって、アクチュエータの駆動力を変えたり、位相差を機械的に変えたりすることもできる。また足底に力センサー(接地圧力センサー)を取り付けておき、力センサーの信号によって制御装置がマシンの走行状態を自動的に判断し、歩いているのか、あるいは走っているのかを判定することもできる。視覚センサー、速度センサーなどと組み合わせ、各センサーの信号を制御装置にフィードバックして指令との差異を修正することによって、動作の補正を行うことも可能となる。このように、本発明は単純な玩具(制御装置無しの玩具)から大がかりなロボットに至るマシンまで、幅広い応用が可能である。   In the present invention, the sensor and the control device have not been described, but by adding these functions, a full-fledged animal robot can be realized. For example, by sending a command such as a gallop or a trot to the control device, the driving force of the actuator can be changed or the phase difference can be changed mechanically. In addition, a force sensor (ground pressure sensor) is attached to the sole of the foot, and the control device automatically determines the running state of the machine based on the signal of the force sensor to determine whether it is walking or running. it can. In combination with a visual sensor, a speed sensor, etc., it is also possible to correct the operation by feeding back the signal of each sensor to the control device and correcting the difference from the command. As described above, the present invention can be applied to a wide range of machines ranging from simple toys (toys without a control device) to large-scale robots.

4節リンク機構の説明図である。It is explanatory drawing of a four-bar linkage mechanism. 4節リンク機構におけるチェビシェフの第1近似直線運動機構の説明図である。It is explanatory drawing of Chebyshev's 1st approximate linear motion mechanism in a four-bar linkage mechanism. 本発明の4足走行マシンの組立模型とリンク機構の説明図である。It is explanatory drawing of the assembly model and link mechanism of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの説明図(側面図)である。It is explanatory drawing (side view) of the four-leg traveling machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの脚部における4節リンク機構の説明図である。It is explanatory drawing of the 4-joint link mechanism in the leg part of the four-leg traveling machine of this invention. 4足歩行動物の基本的な歩き方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic way of walking of a quadruped walking animal. 本発明の4足走行マシンの実施例における前脚と後脚の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the front leg and the rear leg in the Example of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの実施例における前脚と後脚の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the front leg and the rear leg in the Example of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの実施例におけるアクチュエータでの駆動を説明する図である。It is a figure explaining the drive by the actuator in the Example of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの実施例におけるアクチュエータでの駆動を説明する図である。It is a figure explaining the drive by the actuator in the Example of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの実施例における柔軟ビームの説明図である。It is explanatory drawing of the flexible beam in the Example of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの実施例における柔軟ビームの説明図である。It is explanatory drawing of the flexible beam in the Example of the quadruped running machine of this invention. 本発明の4足走行マシンの実施例における左右の脚の位相差を説明する図である。It is a figure explaining the phase difference of the leg on either side in the Example of the quadruped running machine of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 4足走行マシン
110 前脚大腿上部
111 前脚大腿下部
112 後脚大腿上部
113 後脚大腿下部
114 足部(接地部)
114f 前脚足部
114b 後脚足部
120 柔軟ビーム
121 台座
121f、b、l、r 台座における前部、後部、左部、右部
130 駆動装置
140 電源および制御装置収納部
150 前部(頭部、バランス用)
1 Four-leg running machine 110 Front leg upper thigh 111 Front leg lower thigh 112 Rear leg upper thigh 113 Rear leg lower thigh 114 Foot (grounding part)
114f front leg foot portion 114b rear leg foot portion 120 flexible beam 121 pedestal 121f, b, l, r front, rear, left, right portion 130 in drive base 140 drive unit 140 power supply and control unit storage unit 150 front (head, For balance)

Claims (2)

様々な歩容可能な4足走行マシンにおいて、前記マシンの各脚が、4節リンク機構を備えた大腿上部および4節リンク機構を備えた大腿下部が関節部で結合された構造を備え、前脚を取り付ける台座と後脚を取り付ける台座の間を弾力性を有する柔軟性のある部材で接続したことを特徴とする4足走行マシン。 In various gait quadruped running machines, each leg of the machine has a structure in which an upper part of a thigh provided with a four-joint link mechanism and a lower part of a thigh provided with a four-joint link mechanism are connected by a joint part. A four-leg traveling machine, characterized in that a pedestal for attaching the base and a pedestal for attaching the rear leg are connected by a flexible member having elasticity. 請求項1記載の4足走行マシンであって、前記4節リンク構造の脚のリンクの取り付け角度を変えることによって各脚の回転の位相を調整する機構を備えたことを特徴とする4足走行マシン。 The four-leg running machine according to claim 1, further comprising a mechanism for adjusting a phase of rotation of each leg by changing an attachment angle of a leg link of the four-bar linkage structure. Machine.
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