JP2005161447A - 歩行ロボットのモジュール化構造 - Google Patents

Abstract

【課題】人間と等身大程度の大型ロボットに適用した場合に、構成装置同士を強固に結合し、しかも各構成装置の、大荷重による構造の撓みなどの影響で接点が浮くことによる接触不良を防止して、構成装置同士の電気的接続を確実に維持することにある。
【解決手段】歩行ロボットの複数の構成装置を各々モジュールとして互いに分離可能に結合した、歩行ロボットのモジュール化構造において、前記各構成装置に、複数の構成装置を機械的に結合する機械結合部２１と、複数の構成装置を電気的に接続する電気接続部２２とを設け、前記機械結合部２１に、所定操作で分離可能な結合部２５，２６と、トルク伝達形状部２７，２８と、ガタ取り形状部２９，３０と、曲げモーメント支持形状部３１，３２とを設け、前記電気接続部２２に、少なくとも電力供給用接点を含む複数の電極３３，３４を設け、互いに接触する一方の電極３４を他方の電極３４へ向かって突出するよう弾性的に付勢したことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、歩行ロボットの複数の構成装置を各々モジュールとして互いに分離可能に結合した、歩行ロボットのモジュール化構造に関するものである。

歩行ロボットにおいては、全身を一つの装置構成として設計し、かつ各部の構成について個別・専用に、腕や脚等の装置が設計されている。それゆえこれら各部の構成装置を搭載したロボットの全体にかかる開発コストは非常に大規模なものになってしまう。また、各部がロボット専用に個別に設計されているため、汎用の工業製品と違い、メンテナンスのための脱着によってわずかなズレが生じたとしても、機械的に結合されるその構成部品の調整には多くの手間が必要となる。

これに対し、歩行ロボットの各構成装置をモジュールとして一つの機能部品とすることによって、そのモジュールをロボットに限らず他の装置でも使用できるようにし、汎用性を与えるようにすれば、開発コストの分散ができ、また、結合部の構造を統一することによって脱着時の再現性を向上させることが可能となる。

ところで、歩行ロボットにおいて各部がモジュールとして存在し、それらを結合するためには、機械的な結合の他に電気的な接続が必要であり、これらを行っている従来公知の構造としては、例えば、各々断面略Ｔ字状で平面形状が略楔形の溝部と差込み部とを嵌合させるとともに、溝部の奥に設けたジャックに差込み部の先端に設けたプラグを差し込むものが知られている（特許文献１参照）。
特開平１０−１６６２８６号公報

しかしながら、上記従来の構造では、結合のための工具を不要とし、人の手の力で脱着ができるが、歩行ロボットが大型化した場合には、剛性・強度等により結合構造に求められる機能が保てなくなるという問題があった。すなわち、この従来の構造では、小型の玩具ロボットに対応はするが、引き抜き方向に所定の取り外し力を加えると掛合箇所が弾性変形して結合部を外せる構造となっているため、人間と等身大程度の大型ロボットに適用するのは困難であるという問題があった。

この発明は上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造は、歩行ロボットの複数の構成装置を各々モジュールとして互いに分離可能に結合した、歩行ロボットのモジュール化構造において、前記各構成装置に、二つの構成装置を機械的に結合する機械結合部と、二つの構成装置を電気的に接続する電気接続部とを設け、前記機械結合部に、所定操作で分離可能な結合部と、トルク伝達形状部と、ガタ取り形状部と、曲げモーメント支持形状部とを設け、前記電気接続部に、少なくとも電力供給用電極を含む複数の電極を設け、互いに接触する前記電極の少なくとも一方を他方へ向かって突出するよう弾性的に付勢したことを特徴とするものである。

かかる歩行ロボットのモジュール化構造によれば、各構成装置の機械結合部が、雌ねじを持つリングを回す等の所定操作で分離可能な結合部と、キーおよびキー溝等のトルク伝達形状部と、テーパーコーン等のガタ取り形状部と、円筒面等の曲げモーメント支持形状部とを有しているので、人間と等身大程度の大型ロボットに適用しても、その所定操作で分離可能な結合部とトルク伝達形状部とガタ取り形状部と曲げモーメント支持形状部とによって構成装置同士を強固に結合することができ、しかも、各構成装置の電気接続部が、装置の駆動に必要な電力供給用電極を少なくとも含む複数の電極を持っていて、互いに接触する電極の少なくとも一方が他方へ向かって突出するよう弾性的に付勢されているから、大荷重による構造の撓みなどの影響で接点が浮くことによる接触不良を防止し得て、構成装置同士の電気的接続を確実に維持することができる。

なお、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造においては、前記分離可能結合部は、上記雌ねじを持つリングを用いたねじ結合部であっても良く、また、エアホースの継手のように、雄側の周方向溝に嵌まり合う雌側の複数の遊動ボールをリングで押えて外れ止めし、そのリングを軸方向に動かすとリング内周面の逃げ部にボールが逃げて雄側が抜けるようになるワンタッチ式のボールロック式結合部であっても良い。

また、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造においては、制御信号は光通信で伝達しても良いが、前記複数の電極は、制御信号用電極を含んでいても良く、このようにすれば接点で、制御信号も伝達することができる。

さらに、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造においては、前記構成装置は、前記歩行ロボットの腕と脚との少なくとも一方を含んでいても良く、また前記歩行ロボットの、ビデオカメラを搭載した頭を含んでいても良い。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造の一実施例を適用した歩行ロボットとしての人型ロボットの胴体フレームの一部と腕の肩との結合部を分離状態で示す、図４のＡ−Ａ線に沿う断面図、図２は、上記人型ロボットの全体を示す斜視図、図３は、上記人型ロボットの胴体フレームと腕とをカバーを除いて示す斜視図、図４は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と腕の肩との結合部を分離状態で示す平面図、図５は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と腕の肩との結合部を分離状態で示す一部切欠き正面図、図６は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を分離状態で示す斜視図、図７（ａ），（ｂ）は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を分離状態で示す胴体フレーム側の斜視図および肩側の斜視図、図８は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を結合状態で示す斜視図、図９は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を結合状態で示す平面図、そして図１０は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を結合状態で示す、図９の平面図に対応する断面図である。

図２に示すように、上記人型ロボットは構成装置としての胴体１の下にこれも構成装置としての二本の脚２を具え、それらの脚２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この人型ロボットはまた、胴体１のロボット自身から見て左右にこれも構成装置としての腕３を具えるとともに、胴体１上にこれも構成装置としての頭４を具えている。そしてここにおける胴体１は、腰の部分で互いに前後および左右回動可能に連結された上半部１ａと下半部１ｂとを有しており、また頭４はビデオカメラを左右側部に二台と中央のシールドの位置に一台搭載している。

上記胴体１の上半部１ａのフレーム構造はその主要部として、図３に示す如き胴体外殻５を有し、この胴体外殻５には、腕３が肩ピッチ軸および肩ロール軸を介して駆動結合されており、ここにおける肩ピッチ軸の駆動装置は、図１に示すように胴体外殻５に設けられ、図３に示すモータ７の出力回転を胴体外殻５内の減速機８で減速して中空の肩支持軸９に伝えることで、その肩支持軸９に結合された肩フレーム１０を胴体外殻５に対し肩ピッチ軸線Ｐ周りに回動させ、また、肩ロール軸の駆動装置は、図３に示すモータ１１の出力回転を減速機１２で減速して肩フレーム１０に伝えることで、腕３を肩フレーム１０に対し肩ロール軸線Ｒ周りに回動させる。

しかしてこの実施例の歩行ロボットのモジュール化構造では、図１に示すように、上記肩支持軸９と上記肩フレーム１０とのそれぞれに、二つの構成装置としての胴体１と腕３とを機械的に結合する機械結合部２１と、それら胴体１と腕３とを電気的に接続する電気接続部２２とが設けられている。

ここにおける機械結合部２１では、肩ピッチ軸線Ｐ周りに回動させる操作で結合および分離可能なねじ結合部として、肩支持軸９に設けられた雌部材２３と肩フレーム１０に設けられた雄部材２４とに、雌ねじ２５ａを持つリング２５とその雌ねじ２５ａに螺合する雄ねじ２６とがそれぞれ設けられ、また、トルク伝達形状部として、肩支持軸９に設けられた雌部材２３と肩フレーム１０に設けられた雄部材２４とに、直径方向に延在するキー溝２７と直径方向に延在してそのキー溝２７に密に嵌まり合うキー突起２８とがそれぞれ設けられている。さらに、ガタ取り形状部として、肩支持軸９に設けられた雌部材２３と肩フレーム１０に設けられた雄部材２４とに、肩ピッチ軸線Ｐに対し僅かな角度を持ったテーパーコーン状内周面２９とその内周面２９に密に嵌まり合うテーパーコーン状外周面３０とがそれぞれ設けられ、さらに、曲げモーメント支持形状部として、肩支持軸９に設けられた雌部材２３と肩フレーム１０に設けられた雄部材２４とに、肩ピッチ軸線Ｐを中心とした円筒状内周面３１とその内周面３１より僅かに小さい外径でその内周面３１に摺接する円筒状外周面３２とがそれぞれ設けられている。

また、ここにおける電気接続部２２では、肩支持軸９に設けられた雌部材２３と肩フレーム１０に設けられた雄部材２４とに、電力供給用および制御信号用を含む複数本（図では八本）ずつの電極３３，３４がそれぞれ、肩ピッチ軸線Ｐ周りに周方向に並べられて絶縁体３５を介し肩ピッチ軸線Ｐと平行に配設され、それらの電極３３，３４は、互いに接点を持って接触するように対向しており、それらの電極３３，３４のうち肩フレーム１０側の電極３４は、平坦な先端部３４ａを有するとともに絶縁体３５内を摺動でき、その先端部３４ａの裏面と雄部材２４との間には、電極３４を電極３３へ向かって突出するよう弾性的に付勢する弾性体としての合成ゴム製Ｏリング３６が介挿されている。そして上記電極３３，３４のうち肩支持軸９側の電極３３は、半球状に丸められた先端部３３ａを有して、電極３４の姿勢の変化にかかわらず常に確実に電極３４の平坦な先端部３４ａに接触するようにされている。

かかる実施例の歩行ロボットのモジュール化構造によれば、胴体１、脚２、腕３、頭４の各構成装置の機械結合部２１が、リング２５を回す操作で結合および分離可能な雌ねじ２５ａと雄ねじ２６とからなるねじ結合部と、キー突起２８およびキー溝２７からなるトルク伝達形状部と、テーパーコーン状内外周面２９，３０からなるガタ取り形状部と、円筒状内外周面３１，３２からなる曲げモーメント支持形状部とを有しているので、人間と等身大程度の大型ロボットに適用しても、上記操作で分離可能な結合部とトルク伝達形状部とガタ取り形状部と曲げモーメント支持形状部とによって構成装置同士を強固に結合することができ、しかも、各構成装置の電気接続部２２が、構成装置の駆動に必要な電力供給用電極と構成装置の制御信号用電極とを含む複数の電極３３，３４を持っていて、一方の電極３４が他方の電極３３へ向かって突出するよう弾性的に付勢されているから、大荷重による構造の撓みなどの影響で接点が浮くことによる接触不良を防止し得て、構成装置同士の電気的接続を確実に維持することができる。

図１１は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットの腕３を、車椅子４１に装着した適用例を示す分解斜視図および組立斜視図、図１２は、上記腕３を装着した車椅子４１の使用状態を示す説明図であり、このようにすれば、腕３に荷物を持たせる等、腕３を体の不自由な人Ｈの腕代わりにすることができる。

図１３（ａ），（ｂ）は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットの脚２を車椅子４１に装着した適用例を、脚２を曲げた状態で示す斜視図および正面図、図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記脚２を装着した車椅子４１を、脚２を伸ばした状態で示す斜視図、正面図および側面図であり、このようにすれば、車椅子４１で階段を昇降する等、平坦路以外の場所を移動することができる。

図１５（ａ），（ｂ）は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットの腕３を作業台４２に装着した適用例を示す斜視図および平面図、図１６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記腕３を装着した作業台４２を示す左側面図、正面図および右側面図であり、このようにすれば、作業台４２上の作業に腕３を手伝わせたり、作業台４２上で腕３に自動的に作業を行わせたりすることができる。

図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットの頭４を、本願出願人が先に特開２００１−０２０２２４号公報にて開示した橋梁下面点検装置４３にＣＣＤカメラの代わりに装着した適用例を示す斜視図、その頭部４を測量装置の代わりに三脚４４に装着した適用例を示す斜視図、およびその頭部４を監視カメラの代わりに壁４５に取り付けた適用例を示す斜視図であり、このようにすれば、頭４に設けられた上記三台のビデオカメラを用いて対象物との距離を計ったり対象物を観察したりすることができる。

図１８は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットの胴体１に脚２の代わりに電動台車４６を装着し、両腕３の変わりにキーボード４７と測量装置４８を装着し、頭４の変わりにディスプレイ装置４９を装着した、自走式自動測量装置への適用例を示す斜視図であり、このようにすれば、人型ロボットが、予め与えられたプログラムに基づき自走して自動的に測量を行うことができる。

図１９は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットに脚２の代わりに電動台車４６を装着した、高速・長距離移動型ロボットへの適用例を示す側面図であり、このようにすれば、人型ロボットを、脚２を用いる場合より高速で長距離移動させることができる。

図２０は、上記実施例の歩行ロボットのモジュール化構造を適用した人型ロボットに脚２の代わりに船体５０を装着した、水上自動監視ロボットへの適用例を示す側面図であり、このようにすれば、人型ロボットが、予め与えられたプログラムに基づき水上を自走して自動的に監視を行うことができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上記例に限定されるものでなく、例えば、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造においては、分離可能結合部はエアホースの継手のように、雄側の周方向溝に嵌まり合う雌側の複数の遊動ボールをリングで押えて外れ止めし、そのリングを軸方向に動かすとリング内周面の逃げ部にボールが逃げて雄側が抜けるようになるワンタッチ式のボールロック式結合部であっても良い。また、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造においては、制御信号は光通信で伝達しても良い。

かくしてこの発明の歩行ロボットのモジュール化構造によれば、人間と等身大程度の大型ロボットに適用しても、所定操作で分離可能な結合部とトルク伝達形状部とガタ取り形状部と曲げモーメント支持形状部とによって構成装置同士を強固に結合することができ、しかも各構成装置の電気接続部によって、大荷重による構造の撓みなどの影響で接点が浮くことによる接触不良を防止し得て、構成装置同士の電気的接続を確実に維持することができる。

は、この発明の歩行ロボットのモジュール化構造の一実施例を適用した歩行ロボットとしての人型ロボットの胴体フレームの一部と腕の肩との結合部を分離状態で示す、図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 上記人型ロボットの全体を示す斜視図である。 上記人型ロボットの胴体フレームと腕とをカバーを除いて示す斜視図である。 上記人型ロボットの胴体フレームの一部と腕の肩との結合部を分離状態で示す平面図である。 上記人型ロボットの胴体フレームの一部と腕の肩との結合部を分離状態で示す一部切欠き正面図である。 上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を分離状態で示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を分離状態で示す胴体フレーム側の斜視図および肩側の斜視図である。 上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を結合状態で示す斜視図である。 上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を結合状態で示す平面図である。 上記人型ロボットの胴体フレームの一部と肩との結合部を結合状態で示す、図９の平面図に対応する断面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例のモジュール化構造を持つ腕を車椅子に装着した適用例を示す分解斜視図および組立斜視図である。 上記腕を装着した車椅子の使用状態を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例のモジュール化構造を持つ脚を車椅子に装着した適用例を脚を曲げた状態で示す斜視図および正面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記脚を装着した車椅子を脚を伸ばした状態で示す斜視図、正面図および側面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例のモジュール化構造を持つ腕を作業台に装着した適用例を示す斜視図および平面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記腕を装着した作業台を示す左側面図、正面図および右側面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例のモジュール化構造を持つ頭を橋梁下面点検装置にＣＣＤカメラの代わりに装着した適用例を示す斜視図、その頭部を測量装置の代わりに三脚に装着した適用例を示す斜視図、およびその頭部を監視カメラの代わりに壁に取り付けた適用例を示す斜視図である。 上記実施例のモジュール化構造を持つ胴体に脚の代わりに電動台車を装着し、両腕の変わりにキーボードと測量装置を装着し、頭の変わりにディスプレイ装置を装着した、自走式自動測量装置への適用例を示す斜視図である。 上記実施例のモジュール化構造を持つロボットに脚の代わりに電動台車を装着した、高速・長距離移動型ロボットへの適用例を示す斜視図である。 上記実施例のモジュール化構造を持つロボットに脚の代わりに船体を装着した、水上自動監視ロボットへの適用例を示す側面図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 胴体上半部
１ｂ 胴体下半部
２ 脚
３ 腕
４ 頭
５ 胴体外殻
７，１１ モータ
８，１２ 減速機
９ 肩支持軸
１０ 肩フレーム
２１ 機械結合部
２２ 電気接続部
２３ 雌部材
２４ 雄部材
２５ リング
２５ａ 雌ねじ
２６ 雄ねじ
２７ キー溝
２８ キー突起
２９ テーパーコーン状内周面
３０ テーパーコーン状外周面
３１ 円筒状内周面
３２ 円筒状外周面
３３，３４ 電極
３３ａ，３４ａ 先端
３５ 絶縁体
３６ 合成ゴム製Ｏリング
４１ 車椅子
４２ 作業台
４３ 橋梁下面点検装置
４４ 三脚
４５ 壁
４６ 電動台車
４７ キーボード
４８ 測量装置
４９ ディスプレイ装置
５０ 船体
Ｐ 肩ピッチ軸線
Ｒ 肩ロール軸線
Ｈ 人

Claims (6)

1. 歩行ロボットの複数の構成装置を各々モジュールとして互いに分離可能に結合した、歩行ロボットのモジュール化構造において、
   前記各構成装置に、複数の構成装置を機械的に結合する機械結合部と、複数の構成装置を電気的に接続する電気接続部とを設け、
   前記機械結合部に、所定操作で分離可能な結合部と、トルク伝達形状部と、ガタ取り形状部と、曲げモーメント支持形状部とを設け、
   前記電気接続部に、少なくとも電力供給用接点を含む複数の電極を設け、
   互いに接触する前記電極の少なくとも一方を他方へ向かって突出するよう弾性的に付勢したことを特徴とする、歩行ロボットのモジュール化構造。
2. 前記分離可能結合部は、ねじ結合部であることを特徴とする、請求項１記載の歩行ロボットのモジュール化構造。
3. 前記分離可能結合部は、ボールロック式結合部であることを特徴とする、請求項１記載の歩行ロボットのモジュール化構造。
4. 前記複数の電極は、制御信号用電極を含むことを特徴とする、請求項１から３までの何れか記載の歩行ロボットのモジュール化構造。
5. 前記構成装置は、前記歩行ロボットの腕と脚との少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか記載の歩行ロボットのモジュール化構造。
6. 前記構成装置は、前記歩行ロボットの、ビデオカメラを搭載した頭を含むことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか記載の歩行ロボットのモジュール化構造。
   
   

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