JP2006198703A - 人型ロボットの腕駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】腕の慣性モーメントを減少させて、手で物を持つ動作や腕に装着したツールで作業を行う動作等、腕に荷重が加わる動作に適切に対応し得るようにすることにある。
【解決手段】人型ロボットの腕３の可動軸に設けられてその可動軸を駆動する駆動モータと、その駆動モータのための制御系機器とを具える腕駆動装置において、腕３の肩３ａの可動軸が、連結順序で前記人型ロボットの胴体１に近い側から順に肩ピッチ軸５と肩ロール軸６と肩ヨー軸７とを具え、肩ヨー軸７を駆動するサーボモータ１６が，前記人型ロボットの、肩ヨー軸線Ｙに対し連結順序で胴体１に近い側の部位である肩ヨー軸筐体３ｃに搭載されていることを特徴とする、人型ロボットの腕駆動装置である。
【選択図】図１

Description

この発明は、人型ロボットの腕の可動軸（所定軸線周りの回動機構や所定軸線に沿う直線移動機構）に設けられてその可動軸を駆動する駆動モータと、その駆動モータのための制御系機器とを具える腕駆動装置に関し、特には、腕の慣性モーメントを低減させた腕駆動装置に関するものである。

人型ロボットは、例えば非特許文献１に記載のもののように、そのロボットの腕の可動軸に含まれる肩の可動軸として通常、連結順序でそのロボットの胴体に近い側から順に、腕を前後に動かす肩ピッチ軸と、腕を左右に動かす肩ロール軸と、腕をその長手方向軸線周りに回動させてひねる肩ヨー軸とを具えている。

そしてそれらの可動軸に設ける駆動モータの搭載位置は通常、肩ピッチ軸の駆動モータは胴体に搭載し、肩ロール軸の駆動モータは腕の肩の部分に搭載しているが、人体では上腕部の筋肉で腕を捻っていることから、それに倣って人型ロボットにおいても、腕を捻る肩ヨー軸の駆動モータは腕の上腕部に搭載し、それに伴って、肩ヨー軸の駆動モータの出力回転を減速して肩ヨー軸を駆動する減速機も、腕の上腕部に搭載している。
平成１５年５月３０日川田工業株式会社他公開の「平成１４年度新エネルギー・産業技術総合開発機構委託 人間協調・共存型ロボットシステム研究開発（エネルギー使用合理化技術開発） 成果報告書」中、第９６頁

ところで近年、人型ロボットに求められる動作には、手で物を持つ動作や腕に装着したツールで作業を行う動作等、腕に荷重が加わる要因が増しており、これに対応するためには、腕の慣性モーメントを少しでも軽量化する必要がある。

しかしながら従来の腕駆動装置では、上述のように肩ヨー軸用の比較的重い駆動モータや減速機が腕の上腕部に搭載されていたため、腕の重量ひいては腕の慣性モーメントが嵩んでしまうという問題があった。

また近年、胴体内のコンピュータの限られた能力でロボットの動きの複雑化に対応するため、制御を階層化して、腕や脚のセンサからの信号のフィードバックを受け止めて腕や脚の可動軸の制御を行う制御系を腕や脚に搭載する分散制御系を採用することが検討されている。

しかしながら、従来の腕駆動装置では、上述のように肩ヨー軸の駆動用に駆動モータや減速機が腕の上腕部に搭載されていたため充分な空きスペースが確保できず、上腕部にその分散制御系の機器を搭載することが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、この発明の人型ロボットの腕駆動装置は、人型ロボットの腕の可動軸に設けられてその可動軸を駆動する駆動モータと、その駆動モータのための制御系機器とを具える腕駆動装置において、前記腕の肩の可動軸が、連結順序で前記人型ロボットの胴体に近い側から順に肩ピッチ軸と肩ロール軸と肩ヨー軸とを具え、前記肩ヨー軸を駆動する肩ヨー軸駆動モータが、前記人型ロボットの、その肩ヨー軸の軸線に対し連結順序で前記胴体に近い側の部位に搭載されていることを特徴とするものである。

かかる人型ロボットの腕駆動装置によれば、肩ヨー軸に設けられてその肩ヨー軸を駆動する肩ヨー軸駆動モータが、人型ロボットの、連結順序でその肩ヨー軸の軸線に対し胴体に近い側の部位に搭載されていることから、腕の上腕部が軽量化する。従って、腕の慣性モーメントを減少させることができるので、手で物を持つ動作や腕に装着したツールで作業を行う動作等、腕に荷重が加わる動作にも適切に対応することができる。

なお、この発明の人型ロボットの腕駆動装置においては、前記肩ヨー軸に設けられ、前記肩ヨー軸駆動モータの出力回転を減速して前記肩ヨー軸を駆動する減速機も、前記人型ロボットの、その肩ヨー軸の軸線に対し連結順序で前記胴体に近い側の部位に搭載されていても良い。このようにすれば、腕の上腕部がより軽量化するので、腕の慣性モーメントをさらに減少させることができる。

また、この発明の人型ロボットの腕駆動装置においては、前記腕の肘の可動軸が肘ピッチ軸を具え、前記肘ピッチ軸を駆動する肘ピッチ軸駆動モータが、前記腕の上腕部の前記肩近くの部位に搭載されていても良い。このようにすれば、腕の肘周りが軽量化するので、腕の慣性モーメントをさらに減少させることができる。

さらに、この発明の人型ロボットの腕駆動装置においては、前記腕の少なくとも一つの可動軸を駆動する駆動モータのための前記制御系機器を含む分散制御系機器が、前記腕の上腕部に搭載されていても良い。このようにすれば、腕に関する分散制御系を実現し得て、胴体内のコンピュータの限られた能力でロボットの腕の動きの複雑化に対応することができる。

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、この発明の人型ロボットの腕駆動装置の一実施例を人型ロボットの側方から見た状態で示す断面図、図２は、その実施例の人型ロボットの腕駆動装置を人型ロボットの前方から見た状態で示す断面図、図３は、その実施例の人型ロボットの腕駆動装置を人型ロボットの上方から見た状態で示す断面図、図４（ａ），（ｂ）は、上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置を適用した人型ロボットの全体を示す正面図および側面図、図５は、その人型ロボットの全体を示す斜視図、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置による腕の三種類の駆動状態をそれぞれ示す説明図である。

図４（ａ），（ｂ）および図５に示すように、上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置を具える一例としての人型ロボットは、胴体１の下に二本の脚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腕３を具えるとともに、胴体１上に頭４を具えており、ここで、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とからなっている。

上記人型ロボットは、脚２、腕３、頭４と胴体１との間の首および、胴体１の上下半部１ａ，１ｂ間の腰にそれぞれ関節としての可動軸を具えており、それらの可動軸の一部として、腕３の肩の可動軸を構成するこの実施例の腕駆動装置は、図４（ａ），（ｂ）および図５に示す胴体１および腕３の肩部３ａに設けられている。

すなわちこの実施例の腕駆動装置は、図１〜図３に示すように、従来の人型ロボットの肩と同様の通常の可動軸の連結順序となるよう、肩部３ａに設けられた、中央部とその中央部の図３では上下の両端部から胴体１と反対方向へ突出する二つのブラケット部とを持ち略コ字状をなす肩ロール軸筐体３ｂを当該ロボットが正面向きに直立した状態で胴体１の左右方向へ延在するピッチ軸線Ｐ周りに回動させることで腕３を前後に動かす肩ピッチ軸５と、肩ロール軸筐体３ｂの上記二つのブラケット部の間に配置された略円筒状の肩ヨー軸筐体３ｃを腕３を下げた状態で胴体１の前後方向へ延在するロール軸線Ｒ周りに回動させることで腕３を左右に動かす肩ロール軸６と、腕３の上腕部３ｄをその長手方向へ延在するヨー軸線Ｙ周りに回動させることで腕３をひねる肩ヨー軸７とを具えている。

ここにおける肩ピッチ軸５は、胴体１の上半部１ａに内蔵されており、サーボモータ８とその出力回転を減速して肩ロール軸筐体３ｂをピッチ軸線Ｐ周りに回動させる減速機９と、サーボモータ８の出力回転を減速機９に伝動するベルト式伝動機構１０と、その肩ロール軸筐体３ｂの回動角度を検出するエンコーダ１１とを有している。また、ここにおける肩ロール軸６は、肩ロール軸筐体３ｂに内蔵されており、サーボモータ１２とその出力回転を減速して肩ヨー軸筐体３ｃをロール軸線Ｒ周りに回動させる減速機１３と、サーボモータ１２の出力回転を減速機１３に伝動するベルト式伝動機構１４と、その肩ヨー軸筐体３ｃの回動角度を検出するエンコーダ１５とを有している。そして、ここにおける肩ヨー軸７は、肩ヨー軸筐体３ｃに内蔵されており、肩ヨー軸駆動モータとしてのサーボモータ１６とその出力回転を減速して腕３の上腕部３ｄをヨー軸線Ｙ周りに回動させる減速機１７と、サーボモータ１６の出力回転を減速機１７に伝動するベルト式伝動機構１８と、その上腕部３ｄの回動角度を検出するエンコーダ１９とを有している。

これらのエンコーダ１１，１５，１９が信号として出力する回動角度は、胴体上半部１ａ内に収納された図示しないモータ制御装置に記憶され、そのモータ制御装置は、通常のマイクロコンピュータとモータドライバとを有し、荷物の持ち上げ等の動作のために演算で求めた肩の各可動軸５，６，７の目標回動位置と上記エンコーダ１１，１５，１９から送られて来た実際の回動位置との偏差を減らすように肩の各可動軸５，６，７のサーボモータ８，１２，１６を適宜作動させる。

これにより上記人型ロボットは、肩ピッチ軸５の作動によって、図６（ａ）中矢印Ａで示すように、腕３を前後に揺動させることができ、肩ロール軸６の作動によって、図６（ｂ）中矢印Ｂで示すように、腕３を左右に揺動させることができ、さらに肩ヨー軸７の作動によって、図６（ｃ）中矢印Ｃで示すように、腕３を捻ることができる。

また、脚２、首および腰の可動軸についても同様に、それぞれの可動軸がサーボモータと減速機と伝動機構とエンコーダとを有し、胴体上半部１ａ内に収納された図示しないモータ制御装置がそのエンコーダの出力信号に基づきサーボモータを適宜作動させる。

上記人型ロボットはさらに、腕３の下腕部３ｅを上腕部３ｄに対し曲げ伸ばしする肘ピッチ軸２０と、下腕部３ｅに対し手３ｆを肩と同様に三自由度で動かす手首軸２１と、手３ｆの開閉を三自由度で行わせるハンド軸２２とを具え、ここにおける肘ピッチ軸２０は、図１および図２に示すように、上腕部３ｄに内蔵されており、サーボモータ２３とその出力回転を減速して腕３の下腕部３ｅを肘ピッチ軸線ＥＰ周りに回動させる減速機２４と、サーボモータ２３の出力回転を減速機２４に伝動するベルト式伝動機構２５と、その下腕部３ｅの回動角度を検出するエンコーダ２６とを有しているが、この実施例では、従来は上腕部３ｄ内に配設されていた肩ヨー軸用サーボモータ１６を肩部３ａの肩ヨー軸筐体３ｃ内に配置したことで空いた上腕部３ｄの内部の中央部から上部にかけて、上記肘ピッチ軸２０と手首軸２１とのための、上記と同様のモータ制御装置２７が収納配置されており、上記ハンド軸２２のための、上記と同様の図示しないモータ制御装置は、下腕部３ｅ内に収納配置されている。

そして、胴体上半部１ａ内には図示しないロボット動作制御装置も収納され、そのロボット動作制御装置は、通常のマイクロコンピュータからなり、あらかじめ与えられたプログラムおよび、胴体上半部１ａに内蔵された図示しない姿勢センサ他各種センサからの信号および頭４内の図示しないＣＣＤカメラからの画像信号に基づき上記各可動軸のモータ制御装置に作動指令を出力して、当該人型ロボットに所定の動作を行わせる。

かかる実施例の腕駆動装置によれば、可動軸としての肩ヨー軸７の駆動用のサーボモータ１６が、人型ロボットの、連結順序でその肩ヨー軸７の軸線である肩ヨー軸線Ｙに対し胴体１に近い側の部位である肩ヨー軸筐体３ｃに搭載されていることから、腕３の上腕部３ｄが軽量化する。従って、腕３の慣性モーメントを減少させることができるので、手３ｆで物を持つ動作や腕３に装着したツールで作業を行う動作等、腕３に荷重が加わる動作にも適切に対応することができる。

また、この実施例の人型ロボットの腕駆動装置によれば、肩ヨー軸７に設けられ、肩ヨー軸７の駆動用のサーボモータ１６の出力回転を減速して肩ヨー軸７を駆動する減速機１７も、上記人型ロボットの、その肩ヨー軸７の軸線Ｙに対し連結順序で胴体１に近い側の部位である肩ヨー軸筐体３ｃに搭載されていることから、腕３の上腕部３ｄがより軽量化するので、腕３の慣性モーメントをさらに減少させることができる。

さらに、この実施例の人型ロボットの腕駆動装置によれば、腕３の肘ピッチ軸２０を駆動するサーボモータ２３のための上記モータ制御装置と、胴体上半部１ａ内の上記ロボット動作制御装置とのローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を構成するためのＬＡＮボードとを含む分散制御系機器が、腕３の上腕部３ｄに搭載されていることから、胴体上半部１ａ内のロボット動作制御装置のマイクロコンピュータの限られた能力で、当該人型ロボットの腕３の動きの複雑化に対応することができる。

図７は、この発明の人型ロボットの腕駆動装置の他の一実施例を図５と同様に斜め上方から見た状態で示す透視図であり、図中先の従来例と同様の部分はそれと同一の符号にて示す。すなわち、この実施例の人型ロボットの腕駆動装置においては、図示のように、肘ピッチ軸２０を駆動する肘ピッチ軸駆動モータとしてのサーボモータ２３が、腕３の上腕部３ｄの肩部３ａ近くの部位に搭載され、これにより空いた上腕部３ｄの内部の中央部から下部にかけて、上記肘ピッチ軸２０と手首軸２１とのためのモータ制御装置２７と、上記ＬＡＮボード２８とが収納配置されており、それ以外は先の実施例と同様に構成されている。

かかる実施例の腕駆動装置によれば、比較的重量の嵩むサーボモータ２３を肩部３ａ近くに移したことから、腕３の肘周りが軽量化するので、腕３の慣性モーメントをさらに減少させることができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、腕３の、肩部３ａの可動軸５〜７を含む全ての可動軸のモータ制御装置を腕３内に収納しても良く、またその腕３の全ての可動軸のモータ制御装置を特に上腕部３ｄ内に収納しても良い。

かくしてこの発明の人型ロボットの腕駆動装置によれば、肩ヨー軸に設けられてその肩ヨー軸を駆動する肩ヨー軸駆動モータが、人型ロボットの、連結順序でその肩ヨー軸の軸線に対し胴体に近い側の部位に搭載されていることから、腕の上腕部が軽量化する。従って、腕の慣性モーメントを減少させることができるので、手で物を持つ動作や腕に装着したツールで作業を行う動作等、腕に荷重が加わる動作にも適切に対応することができる。

この発明の人型ロボットの腕駆動装置の一実施例を人型ロボットの側方から見た状態で示す断面図である。 上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置を人型ロボットの前方から見た状態で示す断面図である。 上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置を人型ロボットの上方から見た状態で示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置を適用した人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。 上記人型ロボットの全体を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の人型ロボットの腕駆動装置による腕の三種類の駆動状態をそれぞれ示す説明図である。 この発明の人型ロボットの腕駆動装置の他の一実施例を図５と同様に斜め上方から見た状態で示す透視図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 上半部
１ｂ 下半部
２ 脚
３ 腕
３ａ 肩部
３ｂ 肩ロール軸筐体
３ｃ 肩ヨー軸筐体
３ｄ 上腕部
３ｅ 下腕部
３ｆ 手
４ 頭
５ 肩ピッチ軸
６ 肩ロール軸
７ 肩ヨー軸
８，１２，１６，２３ サーボモータ
９，１３，１７，２４ 減速機
１０，１４，１８，２５ ベルト式伝動機構
１１，１５，１９，２６ エンコーダ
２０ 肘ピッチ軸
２１ 手首軸
２２ ハンド軸
２７ モータ制御装置
２８ ＬＡＮボード

Claims (4)

1. 人型ロボットの腕の可動軸に設けられてその可動軸を駆動する駆動モータと、その駆動モータのための制御系機器とを具える腕駆動装置において、
   前記腕の肩の可動軸が、連結順序で前記人型ロボットの胴体に近い側から順に肩ピッチ軸と肩ロール軸と肩ヨー軸とを具え、
   前記肩ヨー軸を駆動する肩ヨー軸駆動モータが、前記人型ロボットの、その肩ヨー軸の軸線に対し連結順序で前記胴体に近い側の部位に搭載されていることを特徴とする、人型ロボットの腕駆動装置。
2. 前記肩ヨー軸に設けられ、前記肩ヨー軸駆動モータの出力回転を減速して前記肩ヨー軸を駆動する減速機も、前記人型ロボットの、その肩ヨー軸の軸線に対し連結順序で前記胴体に近い側の部位に搭載されていることを特徴とする、請求項１記載の人型ロボットの腕駆動装置。
3. 前記腕の肘の可動軸が肘ピッチ軸を具え、
   前記肘ピッチ軸を駆動する肘ピッチ軸駆動モータが、前記腕の上腕部の前記肩近くの部位に搭載されていることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の人型ロボットの腕駆動装置。
4. 前記腕の少なくとも一つの可動軸を駆動する駆動モータのための前記制御系機器を含む分散制御系機器が、前記腕の上腕部に搭載されていることを特徴とする、請求項１から請求項３までの何れか記載の人型ロボットの腕駆動装置。

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