JP2007290068A - Straight move link device, robot using the same, and bipedal walking robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多段式で可動範囲の大きな直動リンク装置及びそれを用いたロボット並びにパラレルリンク機構部に直動リンク装置を用いた2足歩行ロボットに関するものである。 The present invention relates to a multi-stage linear motion link device having a large movable range, a robot using the linear motion link device, and a biped robot using the linear motion link device in a parallel link mechanism.
近年、人間の生活環境で活動する人間形ロボット、いわゆるヒューマノイドロボット の研究、開発がさかんに行われている。ヒューマノイドロボット は、工業生産用設備としてだけでなく、家事、高齢者介護等、人間の生活を快適にする目的で使用される場合が多く、人間のために作られた環境において不特定の使用者と密着して作業するため、それに適した形態と機能を持つ必要がある。また、特別な使用訓練を必要とせず安全で柔軟なインターフェースを備えることも要求され、極めて多くの研究課題がある。特に、移動手段として人間と同様に2足を有し、2足歩行を行う2足歩行ロボットは、多くの研究機関や企業で鋭意研究され開発されている。
本出願人が出願した(特許文献1)には「ベース部と、右足部及び左足部と、ベース部と右足部及び左足部の各々に配設された複数の受動ジョイントと、ベース部に配設された受動ジョイントと右足部に配設された受動ジョイントとの間、及び、ベース部に配設された受動ジョイントと左足部に配設された受動ジョイントとの間に各々配設されたパラレルリンク機構部と、を備えた2足歩行ロボットの下半身モジュール」が開示されている。
また、同じく本出願人が出願した(特許文献2)や(特許文献3)には「パラレルリンク機構の2足歩行ロボット装置に安定した2足歩行を行わせることができる歩行パターンを作成する歩行パターン作成装置」が開示されている。
(Patent Document 1) filed by the present applicant includes “a base portion, a right foot portion and a left foot portion, a plurality of passive joints disposed on each of the base portion, the right foot portion and the left foot portion, and a base portion. Parallel disposed between the passive joint provided and the passive joint disposed on the right foot, and between the passive joint disposed on the base and the passive joint disposed on the left foot. And a lower body module of a biped walking robot provided with a link mechanism unit ”.
Similarly, (Patent Document 2) and (Patent Document 3) filed by the applicant of the present application are “a walking that creates a walking pattern that allows a biped walking robot device with a parallel link mechanism to perform a stable biped walking. A “pattern creation device” is disclosed.
(特許文献1)に記載の2足歩行ロボットの下半身モジュールは、脚部をパラレルリンク機構で構成することにより、脚部が大きな負荷に耐えることができ、人間の搭乗や重量物の搬送が可能で実用性に優れると共に、重量の大きい上半身を搭載又は組み込むことができ設計の自由度に優れるものであり、(特許文献2)に記載の歩行パターン作成装置を備えることにより、安定した2足歩行を行わせる歩行パターンを作成することができ、特に平坦な接地面においては歩行動作の安定性に優れるという作用、効果を有していたが、直動リンクを用いたパラレルリンク機構の可動範囲が狭く、さらなる動作の安定性の向上、様々な地形における活動の実現のために可動範囲の拡大が望まれていた。
具体的には、
(1)階段などの段差を昇降したり、大きな歩幅で歩行したりする際に、たとえば(特許文献3)を利用して歩行動作を安定させて制御するためには、脚部の可動範囲を広げる必要があり、パラレルリンク機構部の直動リンクのストロークを長くしなければならないという課題を有していた。
(2)また、逆に、高齢者や歩行障害者が簡単に乗り降りするためや、人間を搭乗させて天井高さに限界のある人間の住環境において稼動するためには、直動リンクの最短リンク長を短くして座面の路面からの最低高さを低くしなければならないという課題を有していた。
The lower body module of the biped robot described in (Patent Document 1) is configured with a parallel link mechanism for the legs, so that the legs can withstand a heavy load, enabling human boarding and transporting heavy objects. In addition to being highly practical and capable of mounting or incorporating a heavy upper body, it has excellent design freedom. By providing the walking pattern creation device described in (Patent Document 2), stable biped walking It was possible to create a walking pattern that can be performed, especially on a flat ground contact surface, which has the effect and effect of excellent stability of walking motion, but the movable range of the parallel link mechanism using a linear link is In order to improve the stability of the movement further, and to realize activities on various terrains, it was desired to expand the range of movement.
In particular,
(1) When moving up and down steps such as stairs or walking with a large stride, in order to stabilize and control the walking motion using, for example, (Patent Document 3), the movable range of the leg is set. There was a problem that the stroke of the linear link of the parallel link mechanism must be increased.
(2) On the other hand, in order for elderly people and persons with walking disabilities to get on and off easily, or to operate in a human living environment where the ceiling height is limited by boarding a human, There has been a problem that the minimum height of the seat surface from the road surface must be reduced by shortening the link length.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、リンクを多段式とすることにより、最短リンク長が短く、しかもリンクのストロークが長く可動範囲が大きい汎用性に優れた直動リンク装置の提供、及び脚部や腕部などの最短リンク長が短いと共に、リンクのストロークが長く可動範囲が広い汎用性に優れた直動リンク装置を用いたロボットの提供、並びに脚部の最短リンク長を短くして路面から座面までの最低高さを低くすることができ、高齢者や歩行障害者が簡単に乗り降りすることや、人間を搭乗させて天井高さに限界のある人間の住環境において稼動することができると共に、リンクのストロークを長くして脚部の可動範囲を広げることができ、実時間でリンクの長さを修正するような安定化制御を用いて凹凸や段差、障害物等がある複雑な地形における歩行動作を安定化させることができる直動リンク装置を用いた2足歩行ロボットの提供を目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and by providing a multi-stage link, the provision of a linear motion link device having excellent versatility with a shortest link length is short, and the link stroke is long and the movable range is large. In addition, the shortest link length of legs and arms, etc. is short, the link stroke is long and the movable range is wide, and a robot using a linear link device with excellent versatility is provided, and the shortest link length of the legs is shortened. The minimum height from the road surface to the seating surface can be lowered, and elderly people and people with walking disabilities can easily get on and off, and people can board and operate in a living environment where the ceiling height is limited. It is possible to extend the range of movement of the leg by extending the stroke of the link, and there are irregularities, steps, obstacles etc. using stabilization control that corrects the length of the link in real time Double And an object thereof is to provide a biped walking robot with a linear motion link device a walking in terrain can be stabilized.
上記課題を解決するために本発明の直動リンク装置及びそれを用いたロボット並びに2足歩行ロボットは、以下の構成を有している。
本発明の請求項1に記載の直動リンク装置は、(a)第1のボールねじ軸と、第1のボールねじ軸に回動自在に螺合された第1のボールねじナットと、第1のボールねじナットの外周に形成又は固設された従動歯車と、を有する第1節と、(b)駆動モータと、駆動モータにより回動する第2のボールねじ軸と、第2のボールねじ軸に貫設され前記第1節の従動歯車に歯合した主動歯車と、を有する第2節と、(c)前記第2節の前記第2のボールねじ軸に回動自在に螺合された第2のボールねじナットと、前記第2のボールねじナットに連設され前記第2節の前記第2のボールねじ軸に外挿された筒状体と、を有する第3節と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)第1節が、第1のボールねじ軸と、第1のボールねじ軸に回動自在に螺合された第1のボールねじナットと、第1のボールねじナットの外周に形成又は固設された従動歯車と、を有し、第2節が、駆動モータと、駆動モータにより回動する第2のボールねじ軸と、第2のボールねじ軸に貫設され第1節の従動歯車に歯合した主動歯車と、を有するので、駆動モータで第2のボールねじ軸を回動させることにより主動歯車が回動し、それに従動して従動歯車と共に第1のボールねじナットが回動するが、第1節(第1のボールねじ軸)の回動を拘束することにより、第1のボールねじ軸は回動することなく、第2節の長手方向に摺動し、リンク長を変化させることができる。
(2)第3節が、第2節の第2のボールねじ軸に回動自在に螺合された第2のボールねじナットと、第2のボールねじナットに連設され第2節の第2のボールねじ軸に外挿された筒状体と、を有するので、第3節(筒状体)の第2のボールねじナットの回動を拘束することにより、駆動モータで第2のボールねじ軸を回動させた際に、第3節の第2のボールねじナット及び筒状体が回動することなく、第2節の長手方向に摺動し、リンク長を変化させることができる。
(3)第2節の第2のボールねじ軸に対して、第1節の第1のボールねじ軸及び第3節の第2のボールねじナットがそれぞれ摺動自在に連設されているので、1つの駆動モータで第2のボールねじ軸を回動させるだけで、第1節及び第3節を同時に摺動させることができ、駆動モータが2つ必要なく、伸縮動作の制御が容易である。
(4)第1節と、第2節及び第3節が、異なる軸線上に並べて配置されることにより、第1節及び第3節の合計のストロークが、最短リンク長よりも長くなり、可動範囲を広げることができる。
(5)第3節が、第2節の第2のボールねじ軸に回動自在に螺合された第2のボールねじナットと、第2のボールねじナットに連設された筒状体と、を有するので、第2節と第3節を同軸上に配置して、簡単な構造で第2節と第3節を摺動自在に保持することができる。
In order to solve the above problems, a linear motion link device of the present invention, a robot using the linear motion link device, and a biped walking robot have the following configurations.
The linear motion link device according to
This configuration has the following effects.
(1) The first knuckle is formed on the outer periphery of the first ball screw nut, the first ball screw nut that is rotatably engaged with the first ball screw shaft, and the first ball screw nut. A second driven gear, a second ball screw shaft rotated by the drive motor, and a second ball screw shaft penetrating the second ball screw shaft. A main gear that meshes with the gear, so that the main ball is rotated by rotating the second ball screw shaft by the drive motor, and the first ball screw nut rotates along with the driven gear. However, by constraining the rotation of the first node (first ball screw shaft), the first ball screw shaft slides in the longitudinal direction of the second node without rotating, and the link length Can be changed.
(2) The third section is connected to the second ball screw nut rotatably coupled to the second ball screw shaft of the second section, and the second section is connected to the second ball screw nut. And a cylindrical body extrapolated to the ball screw shaft of the second ball. Therefore, by restricting the rotation of the second ball screw nut of the third node (cylindrical body), the second ball is driven by the drive motor. When the screw shaft is rotated, the second ball screw nut and the cylindrical body of the third node can be slid in the longitudinal direction of the second node and the link length can be changed without rotating. .
(3) Since the first ball screw shaft of the first node and the second ball screw nut of the third node are slidably connected to the second ball screw shaft of the second node, respectively. By simply rotating the second ball screw shaft with a single drive motor, the first and third nodes can be slid simultaneously, two drive motors are not required, and the expansion and contraction operation can be easily controlled. is there.
(4) Since the first section, the second section, and the third section are arranged side by side on different axes, the total stroke of the first section and the third section becomes longer than the shortest link length and is movable. The range can be expanded.
(5) a second ball screw nut in which the third section is rotatably engaged with the second ball screw shaft of the second section, and a cylindrical body connected to the second ball screw nut. Therefore, the second and third nodes can be arranged coaxially, and the second and third nodes can be slidably held with a simple structure.
ここで、駆動モータとして正逆回転可能なモータを用いることにより、リンクを伸縮させることができる。駆動モータは第2節の第2のボールねじ軸の軸線上に配置して直接、第2のボールねじ軸を回動させてもよいし、駆動モータのモータ軸に配設した駆動プーリと第2のボールねじ軸に配設した従動プーリをタイミングベルトで連結し、駆動モータの動力を第2のボールねじ軸に伝達するようにしてもよい。特に、タイミングベルトを介して連結した場合は、直動リンク装置の最短長さをさらに小さくすることができ好ましい。
第1節の従動歯車は第1のボールねじナットと共に回動するものであればよく、第1のボールねじナットの外周に形成してもよいし、第1のボールねじナットの端部に固設してもよい。
第2のボールねじ軸の下端側に筒状体の内径と略同等の外径を有するウレタンワッシャを配設することにより、設定されたストローク以上に直動リンク装置が伸びようとしても、ウレタンワッシャが第2のボールねじナットで止まり、第2のボールねじ軸が筒状体から抜け落ちるのを防ぐことができる。
Here, the link can be expanded and contracted by using a motor capable of forward and reverse rotation as the drive motor. The drive motor may be disposed on the axis of the second ball screw shaft of the second section and directly rotate the second ball screw shaft, or the drive pulley disposed on the motor shaft of the drive motor and the second A driven pulley disposed on the second ball screw shaft may be connected by a timing belt so that the power of the drive motor is transmitted to the second ball screw shaft. In particular, the connection via the timing belt is preferable because the minimum length of the linear motion link device can be further reduced.
The driven gear of the first section may be any one that rotates together with the first ball screw nut, and may be formed on the outer periphery of the first ball screw nut, or may be fixed to the end of the first ball screw nut. You may set up.
By disposing a urethane washer having an outer diameter substantially equal to the inner diameter of the cylindrical body on the lower end side of the second ball screw shaft, even if the linear motion link device is extended beyond the set stroke, the urethane washer Can be stopped by the second ball screw nut, and the second ball screw shaft can be prevented from falling off the cylindrical body.
直動リンク装置の上端側及び下端側にジョイントを設けることにより、伸縮させたい2つの部材の間を連結することができる。このジョイントは、その目的や用途によって適宜、選択することができる。
直動リンク装置を2足歩行ロボットの脚部のパラレルリンク機構部に用いる場合は、腰部側受動ジョイントは回転2自由度を有する受動ジョイントとし、足部側受動ジョイントは回転3自由度を有する受動ジョイントとするのが好適である。左右のパラレルリンク機構部が6自由度を有することにより、左右の足部が多様な動作を行うことができ、例えば特開2006−82155号を利用して歩行動作を安定させて制御することができる。
回転2自由度を有する受動ジョイントとしては、ユニバーサルジョイントが好適に用いられ、回転3自由度を有する受動ジョイントとしては、ユニバーサルジョイントと回転ジョイントを直列に結合したものやボールジョイント等が好適に用いられる。
By providing joints on the upper end side and the lower end side of the linear motion link device, it is possible to connect the two members that are desired to be expanded and contracted. This joint can be appropriately selected depending on its purpose and application.
When the linear link device is used for the parallel link mechanism of the leg of the biped robot, the lumbar side passive joint is a passive joint having two degrees of freedom of rotation, and the foot side passive joint is passive having three degrees of freedom of rotation. A joint is preferred. Since the left and right parallel link mechanisms have 6 degrees of freedom, the left and right feet can perform various movements. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-82155 can be used to stabilize and control walking movements. it can.
A universal joint is preferably used as a passive joint having two degrees of freedom of rotation, and a passive joint having three degrees of freedom of rotation is preferably a combination of a universal joint and a rotary joint connected in series or a ball joint. .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の直動リンク装置であって、前記第1節に前記第1のボールねじ軸と平行に配設されたガイドレールと、前記第2節に配設され前記ガイドレールを摺動自在に案内する案内部と、を備えた構成を有している。
この構成により、請求項1の作用に加え、以下のような作用を有する。
(1)第1節に第1のボールねじ軸と平行にガイドレールが配設され、第2節にガイドレールを摺動自在に案内する案内部が配設されていることにより、第1節と第2節の回転を拘束し、第2節に対して第1節の第1のボールねじ軸を摺動させる際に、第1節のガイドレールを第2節の案内部で案内して第1のボールねじ軸を第2節と平行に移動させることができる。
The invention according to claim 2 is the linear motion link device according to
With this configuration, in addition to the operation of the first aspect, the following operation is provided.
(1) A guide rail is disposed in the first section in parallel with the first ball screw shaft, and a guide portion for slidably guiding the guide rail is disposed in the second section. When the first ball screw shaft of the first section is slid with respect to the second section, the guide rail of the first section is guided by the guide section of the second section. The first ball screw shaft can be moved parallel to the second node.
ここで、ガイドレールは第1節のストロークと略同等の長さに形成され、ガイドレールの上端部と第1節の上端部が上端固定部を介して連結された場合は、第1のボールねじ軸の回動を拘束すると共に、第1のボールねじ軸の摺動動作をガイドレールで最初から最後まで確実に案内することができる。ガイドレールの断面形状は、長手方向に一様であればよく、円形状、矩形状、多角形状などの任意の形状に形成することができる。案内部はガイドレールを摺動自在に案内できるものであればよい。ガイドレールの断面形状と同形状の挿通孔にガイドレールを挿通して案内するものが好適に用いられるが、ガイドレールの長手方向に少なくとも1以上の凸条或いは凹条を形成し、案内部に形成した凹条或いは凸条と係合させて案内してもよい。 Here, the guide rail is formed to have a length substantially equal to the stroke of the first node, and when the upper end portion of the guide rail and the upper end portion of the first node are connected via the upper end fixing portion, the first ball While restricting the rotation of the screw shaft, the sliding motion of the first ball screw shaft can be reliably guided from the beginning to the end by the guide rail. The cross-sectional shape of the guide rail only needs to be uniform in the longitudinal direction, and can be formed in an arbitrary shape such as a circular shape, a rectangular shape, or a polygonal shape. The guide part may be any as long as it can guide the guide rail slidably. A guide rail that is guided through an insertion hole having the same shape as the cross-sectional shape of the guide rail is preferably used, but at least one protrusion or recess is formed in the longitudinal direction of the guide rail, and the guide portion is formed. It may be guided by engaging with the formed ridges or ridges.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の直動リンク装置であって、前記第2節に前記第2のボールねじ軸と平行に配設されたガイドレールと、前記第3節に配設され前記ガイドレールに案内される摺動部と、を備えた構成を有している。
この構成により、請求項1又は2の作用に加え、以下のような作用を有する。
(1)第2節に第2のボールねじ軸と平行にガイドレールが配設され、第3節にガイドレールに案内される摺動部が配設されていることにより、第2節と第3節の回転を拘束し、第2節に対して第3節を摺動させる際に、第3節の摺動部を第2節のガイドレールで案内して第3節の筒状体を第2節と平行に移動させることができる。
The invention according to claim 3 is the linear motion link device according to
With this configuration, in addition to the operation of the first or second aspect, the following operation is provided.
(1) A guide rail is disposed in the second section in parallel with the second ball screw shaft, and a sliding portion guided by the guide rail is disposed in the third section. When the rotation of the third section is constrained and the third section is slid with respect to the second section, the sliding portion of the third section is guided by the guide rail of the second section, and the cylindrical body of the third section is moved. It can be moved parallel to the second section.
ここで、ガイドレールは第3節のストロ−クと略同等の長さに形成され、ガイドレールの上端部と第2節の上端部が連結された場合は、第3節の摺動動作をガイドレールで最初から最後まで確実に案内することができる。ガイドレールの断面形状は、長手方向に一様であればよく、円形状、矩形状、多角形状などの任意の形状に形成することができる。摺動部はガイドレールに沿って摺動自在に移動できるものであればよい。ガイドレールの断面形状と同形状の挿通孔にガイドレールを挿通して移動させるものが好適に用いられるが、ガイドレールの長手方向に少なくとも1以上の凸条或いは凹条を形成し、摺動部に形成した凹条或いは凸条と係合させて移動させてもよい。 Here, the guide rail is formed to be approximately the same length as the stroke of the third section, and when the upper end of the guide rail and the upper end of the second section are connected, the sliding movement of the third section is performed. Guide rails can guide you from start to finish. The cross-sectional shape of the guide rail only needs to be uniform in the longitudinal direction, and can be formed in an arbitrary shape such as a circular shape, a rectangular shape, or a polygonal shape. The sliding part should just be a thing which can move slidably along a guide rail. A guide rail that is inserted and moved through an insertion hole having the same shape as the cross-sectional shape of the guide rail is preferably used, but at least one ridge or recess is formed in the longitudinal direction of the guide rail, and the sliding portion You may make it move by engaging with the concave line or convex line formed in this.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の直動リンク装置であって、前記第3節に前記筒状体と平行に配設され前記第1のボールねじ軸が内挿される補強筒状体を備えた構成を有している。
この構成により、請求項1乃至3の内いずれか1項の作用に加え、以下のような作用を有する。
(1)第3節の筒状体と平行に補強筒状体を配設することにより、第3節の圧縮に対する剛性を向上させることができ、第3節に発生する曲げモーメントを低減することができる。
A fourth aspect of the present invention is the linear motion link device according to any one of the first to third aspects, wherein the first joint is disposed in the third node in parallel with the cylindrical body. It has the structure provided with the reinforcement cylindrical body in which a ball screw axis is inserted.
With this configuration, in addition to the operation of any one of
(1) By arranging the reinforcing cylindrical body in parallel with the cylindrical body of the third section, the rigidity against the compression of the third section can be improved, and the bending moment generated in the third section is reduced. Can do.
ここで、補強筒状体は第1節の第1のボールねじ軸と同軸上に配置される。補強筒状体を第1のボールねじ軸と略同等の長さに形成し、補強筒状体の上端部と筒状体の上端部を連結部を介して連結することにより、直動リンク装置を縮めた際に、確実に補強筒状体の内部に第1のボールねじ軸が収容され、第3節をコンパクト化することができる。 Here, the reinforcing cylindrical body is disposed coaxially with the first ball screw shaft of the first node. A linear motion link device is formed by forming the reinforcing cylindrical body to be substantially the same length as the first ball screw shaft, and connecting the upper end portion of the reinforcing cylindrical body and the upper end portion of the cylindrical body via a connecting portion. The first ball screw shaft is reliably accommodated in the inside of the reinforcing cylindrical body, and the third section can be made compact.
本発明の請求項5に記載の直動リンク装置は、(a)駆動モータと、前記駆動モータに連設された筒状体と、を有する第1節と、(b)筒状体に内挿され前記第1節の前記駆動モータで回動されることにより前記筒状体に沿って摺動する中空ボールねじを有するスプライン付きボールねじと、前記中空ボールねじの下端部に連設され前記中空ボールねじの外周面に形成されたねじ溝の巻き方向と逆の巻き方向にねじ溝が形成されたボールねじナットと、を有する第2節と、(c)前記第2節の前記ボールねじナットに回動自在に螺合され前記中空ボールねじに内挿されたボールねじ軸を有する第3節と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)第1節が、駆動モータと、駆動モータに連設された筒状体と、を有し、第2節が、筒状体に内挿され第1節の駆動モータで回動されることにより筒状体に沿って摺動する中空ボールねじを有するスプライン付きボールねじを備えているので、第1節の駆動モータを駆動することにより、第2節の中空ボールねじを回動させながら摺動(直動)させることができ、リンク長を変化させることができる。
(2)第2節の中空ボールねじの下端部に中空ボールねじの外周面に形成されたねじ溝の巻き方向と逆の巻き方向にねじ溝が形成されたボールねじナットが連設され、第3節が、第2節のボールねじナットに回動自在に螺合され中空ボールねじに内挿されたボールねじ軸を有し、第3節の下端部(ボールねじ軸)が左右の足部に連結されているので、駆動モータで第2節の中空ボールねじを回動させた際に、第3節のボールねじ軸が回動することなく、第2節の中空ボールねじと共に長手方向に摺動し、リンク長を変化させることができる。
(3)第1節の筒状体に第2節のスプライン付きボールねじが内挿され、スプライン付きボールねじの中空ボールねじに対して、第3節のボールねじ軸が摺動自在に保持されているので、1つの駆動モータでスプライン付きボールねじの中空ボールねじを回動させるだけで、第2節及び第3節を同時に摺動させることができ、駆動モータが2つ必要なく、リンクの伸縮動作の制御が容易である。
(4)第1節から第3節までが、同軸上に配置されることにより、機構を簡素化してコンパクト化することができ、中空ボールねじやボールねじ軸に曲げモーメントがかからず、同軸でない構成に比べ圧倒的に大きな剛性を確保することができ、第2節及び第3節の摺動動作の安定性、長寿命性に優れ、またその必要剛性の非常に高い人間搭乗型2足歩行ロボットの脚機構へと好適に用いることができると共に、第2節及び第3節の合計のストロークが、最短リンク長よりも長くなり、可動範囲を広げることができる。
(5)第2節の中空ボールねじと第3節のボールねじ軸を2本直列に配置した多段式とすることにより、ボールねじ1本の場合と比べて、全体の伸縮減速比を一定とするならば、同様の動作を行う際のボールねじの回転数が小さくなるため、危険速度に到達し難くなり、より高速な動作が可能となる。
The linear motion link device according to claim 5 of the present invention includes: (a) a first node having a drive motor and a cylindrical body connected to the drive motor; and (b) an inner part of the cylindrical body. A splined ball screw having a hollow ball screw that is inserted and rotated along the cylindrical body by being rotated by the drive motor of the first section; and a lower end portion of the hollow ball screw, A second section having a ball screw nut having a thread groove formed in a direction opposite to the winding direction of the thread groove formed on the outer peripheral surface of the hollow ball screw; and (c) the ball screw of the second section And a third node having a ball screw shaft that is rotatably engaged with the nut and inserted into the hollow ball screw.
This configuration has the following effects.
(1) The first node has a drive motor and a cylindrical body connected to the drive motor, and the second node is inserted into the cylindrical body and rotated by the drive motor of the first node. Since the splined ball screw having the hollow ball screw that slides along the cylindrical body is provided, the hollow ball screw of the second node is rotated by driving the drive motor of the first node. It is possible to slide (linearly move) while changing the link length.
(2) A ball screw nut having a thread groove formed in the winding direction opposite to the winding direction of the thread groove formed on the outer peripheral surface of the hollow ball screw is continuously provided at the lower end of the hollow ball screw of the second section. The third section has a ball screw shaft that is rotatably engaged with the ball screw nut of the second section and is inserted into the hollow ball screw, and the lower end portion (ball screw shaft) of the third section is the left and right foot portions. So that when the second motor ball ball screw is rotated by the drive motor, the third screw ball screw shaft does not rotate and the second motor ball ball screw is rotated in the longitudinal direction. The link length can be changed by sliding.
(3) The ball screw with spline of the second node is inserted into the cylindrical body of the first node, and the ball screw shaft of the third node is slidably held with respect to the hollow ball screw of the ball screw with spline. Therefore, the second and third sections can be simultaneously slid by simply rotating the hollow ball screw of the splined ball screw with a single drive motor, eliminating the need for two drive motors. Easy to control expansion and contraction.
(4) Since the first to third sections are coaxially arranged, the mechanism can be simplified and made compact, and the hollow ball screw and the ball screw shaft are not subjected to a bending moment, and are coaxial. It is possible to secure an overwhelmingly large rigidity compared to the configuration that is not, the stability of the sliding movement of the second section and the third section, excellent long life, and a very high human-rigid riding type two feet It can be suitably used for a leg mechanism of a walking robot, and the total stroke of the second and third sections becomes longer than the shortest link length, and the movable range can be expanded.
(5) By adopting a multistage system in which two hollow ball screws of the second section and two ball screw shafts of the third section are arranged in series, the overall expansion / contraction reduction ratio is made constant compared to the case of one ball screw. If this is the case, the number of rotations of the ball screw when performing the same operation becomes small, so that it becomes difficult to reach the critical speed, and a higher speed operation becomes possible.
ここで、スプライン付きボールねじの機構は従来公知のものであり、例えばボールねじナット及びボールスプライン外筒を軸方向に移動不能とした状態でボールスプライン外筒を回動させると、ボールねじ転動体及びボールスプライン転動体がボールねじ溝及びボールスプライン溝に沿って転動し、これに伴いボールねじ軸が周方向に回動しながら軸方向に直線運動するものである。このボールねじ軸を中空ボールねじとすることにより、ボールねじ軸を内挿することができ、第2節と第3節を同軸上に配置することができる。
中空ボールねじを回動させながら直動(螺旋運動)させることができるものとして、NSK製のΣシリーズ(登録商標)やTHK製のBNSシリーズ(登録商標)等がある。これらの中から、第3節のボールねじ軸の外径及びリードに応じて適当なものを選択することができる。
尚、第3節が第2節の同軸上に内挿され、第2節の中空ボールねじと第3節のボールねじ軸の回転数が等しく、同時に直動するので、第3節のストロ−クは最長で第2節のストロークと同一となる。この場合、第2節のストローク分の回転で第3節が同じストロ−クだけ進むように第3節のボールねじ軸のリードを設定する必要がある。
Here, the mechanism of the ball screw with a spline is conventionally known. For example, when the ball spline outer cylinder is rotated in a state in which the ball screw nut and the ball spline outer cylinder are immovable in the axial direction, The ball spline rolling element rolls along the ball screw groove and the ball spline groove, and the ball screw shaft linearly moves in the axial direction while rotating in the circumferential direction. By making this ball screw shaft a hollow ball screw, the ball screw shaft can be inserted, and the second and third nodes can be arranged coaxially.
There are Σ series (registered trademark) manufactured by NSK, BNS series (registered trademark) manufactured by THK, and the like that can be moved linearly (spiral motion) while rotating the hollow ball screw. From these, an appropriate one can be selected according to the outer diameter and the lead of the ball screw shaft of the third section.
The third section is inserted on the same axis as the second section, and the rotation speed of the hollow ball screw of the second section and the ball screw shaft of the third section is equal, and the linear movement is performed at the same time. The longest stroke is the same as the stroke in Section 2. In this case, it is necessary to set the lead of the ball screw shaft of the third section so that the third section advances by the same stroke by the rotation of the stroke of the second section.
本発明の請求項6に記載のロボットは、請求項1乃至5の内いずれか1項の直動リンク装置と、前記直動リンク装置の一端部に連結された固定ベース部と、前記直動リンク装置の他端側に連結された可動ベース部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)直動リンク装置の両端部にそれぞれ固定ベース部と可動ベース部が連結されることにより、直動リンク装置を伸縮させて容易に固定ベース部と可動ベース部との距離を変化させることができる。
(2)直動リンク装置が、第1節から第3節までを有する多段式の直動アクチュエータであるので、最短リンク長を短くできると共に、リンクのストロークを長くして可動ベース部の可動範囲を広げることができ、汎用性に優れる。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a robot according to any one of the first to fifth aspects, the fixed base portion connected to one end of the linear motion link device, and the linear motion. And a movable base connected to the other end of the link device.
This configuration has the following effects.
(1) By connecting the fixed base portion and the movable base portion to both ends of the linear motion link device, respectively, the distance between the fixed base portion and the movable base portion can be easily changed by extending and contracting the linear motion link device. Can do.
(2) Since the linear motion link device is a multistage linear motion actuator having the first to third sections, the shortest link length can be shortened and the stroke of the link can be lengthened to move the movable range of the movable base section. Can be expanded, and is highly versatile.
ここで、直動リンク装置は、固定ベース部に対し、可動ベース部を伸縮させることができるので、種々のロボットの脚部や腕部等に配置してその可動範囲を広げることができる。
固定ベース部と可動ベース部の間に配設される直動リンク装置の数や配置などは、固定ベース部と可動ベース部の大きさや形状、ロボットの目的や用途などに応じて適宜、選択することができる。
Here, since the linear motion link device can expand and contract the movable base portion with respect to the fixed base portion, the movable range can be expanded by arranging it on the leg portions and arm portions of various robots.
The number and arrangement of the linear motion link devices disposed between the fixed base portion and the movable base portion are appropriately selected according to the size and shape of the fixed base portion and the movable base portion, the purpose and application of the robot, etc. be able to.
本発明の請求項7に記載の2足歩行ロボットは、請求項1乃至5の内いずれか1項の直動リンク装置が2本1組としてV字形状に配設され、それが3組配設されたスチュワートプラットフォームにより形成されたパラレルリンク機構部と、前記直動リンク装置の上端側に連結された腰部と、前記直動リンク装置の下端側に連結された左右の足部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)2足歩行ロボットの脚部を伸縮させるパラレルリンク機構部が、2本の直動リンク装置を1組としてV字形状に配設し、それを3組配設したスチュワートプラットフォームで構成されていることにより、脚部の安定性及び剛性に優れると共に、動作制御を簡便化することができる。
(2)パラレルリンク機構部の直動リンク装置が、第1節から第3節までを有する多段式の直動アクチュエータであるので、脚部の最短リンク長を短くして座面の路面からの最低高さを低くすることができ、高齢者や歩行障害者が簡単に乗り降りすることや、人間を搭乗させて天井高さに限界のある人間の住環境において稼動することができ、安全性に優れると共に、リンクのストロークを長くして脚部の可動範囲を広げ、大歩幅歩行や階段昇降など大きな可動範囲を必要とする歩行の実時間の安定化を可能にすることができ、凹凸や段差、障害物等がある複雑な地形においても活動することができ、汎用性に優れる。
In the biped walking robot according to claim 7 of the present invention, the linear motion link device according to any one of
This configuration has the following effects.
(1) The parallel link mechanism that expands and contracts the legs of the biped walking robot is composed of a Stewart platform in which two linear motion link devices are arranged in a V-shape and three sets are arranged. Therefore, the stability and rigidity of the leg portion are excellent, and the operation control can be simplified.
(2) Since the linear motion link device of the parallel link mechanism is a multistage linear motion actuator having the first to third sections, the shortest link length of the legs is shortened from the road surface of the seating surface. The minimum height can be lowered, so that elderly people and people with walking disabilities can easily get on and off, and people can board and operate in a living environment where the ceiling height is limited. In addition to being excellent, it can extend the range of movement of the legs by lengthening the stroke of the link, and can stabilize the real time of walking that requires a large range of movement such as walking with large steps or climbing stairs. It can also be used on complex terrain with obstacles, etc., and is highly versatile.
ここで、請求項1で説明したように、2足歩行ロボットの腰部と左右の足部との間に、腰部側受動ジョイントと、足部側受動ジョイントを介して直動リンク装置が連結される。左右のパラレルリンク機構部が6自由度を有することにより、例えば特開2006−82155号を利用して2足歩行ロボットの歩行動作を安定させて制御することができる。
Here, as described in
以上のように、本発明の直動リンク装置及びそれを用いたロボット並びに2足歩行ロボットによれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
(1)1つの駆動モータで第2節の第2のボールねじ軸を回動させるだけで、第2のボールねじ軸に対して摺動自在に連設された第1節及び第3節を同時に摺動させることができ、駆動モータが2つ必要なく、伸縮動作の制御が容易な直動リンク装置を提供することができる。
(2)第1節と、第2節及び第3節を、異なる軸線上に並べて配置することにより、第1節と第3節の合計ストロークを最短リンク長よりも長くすることができ、歩行動作の安定性を向上させることができる汎用性に優れた直動リンク装置を提供することができる。
As described above, according to the linear motion link device of the present invention, the robot using the same, and the biped robot, the following advantageous effects can be obtained.
According to invention of
(1) By simply rotating the second ball screw shaft of the second node with a single drive motor, the first and third nodes connected to the second ball screw shaft so as to be slidable. It is possible to provide a linear motion link device that can be simultaneously slid, does not require two drive motors, and can easily control expansion and contraction operations.
(2) By arranging the first section, the second section and the third section side by side on different axes, the total stroke of the first section and the third section can be made longer than the shortest link length, and walking It is possible to provide a linear link device excellent in versatility that can improve operational stability.
請求項2に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、以下のような効果を有する。
(1)第1のボールねじ軸と平行に配設された第1節のガイドレールを第2節の案内部で案内して、確実に第1節の第1のボールねじ軸を第2節と平行に移動させることができる直動リンク装置を提供することができる。
According to invention of Claim 2, in addition to the effect of
(1) The guide rail of the first node arranged in parallel with the first ball screw shaft is guided by the guide portion of the second node, and the first ball screw shaft of the first node is surely connected to the second node. It is possible to provide a linear motion link device that can be moved in parallel with each other.
請求項3に記載の発明によれば、請求項1又は2の効果に加え、以下のような効果を有する。
(1)第3節に配設された摺動部を第2のボールねじ軸と平行に配設された第2節のガイドレールで案内して、確実に第3節の筒状体を第2節と平行に移動させることができる直動リンク装置を提供することができる。
According to invention of Claim 3, in addition to the effect of
(1) The sliding portion disposed in the third section is guided by the second section guide rail disposed in parallel with the second ball screw shaft, and the third section cylindrical body is securely connected to the second section. A linear motion link device that can be moved in parallel with the two nodes can be provided.
請求項4に記載の発明によれば、請求項1乃至3の内いずれか1項の効果に加え、以下のような効果を有する。
(1)第3節の筒状体と平行に補強筒状体を配設することにより、第3節の圧縮に対する剛性を向上させることができ、足部が地面に接地した際に、自重を支持することができ、第3節に発生する曲げモーメントを低減することができる耐久性に優れた直動リンク装置を提供することができる。
According to invention of Claim 4, in addition to the effect of any one of
(1) By arranging the reinforcing cylindrical body in parallel with the cylindrical body of the third node, the rigidity against the compression of the third node can be improved, and when the foot part comes in contact with the ground, its own weight is reduced. It is possible to provide a linear link device excellent in durability that can be supported and can reduce a bending moment generated in the third section.
請求項5に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
(1)1つの駆動モータで第2節のスプライン付きボールねじの中空ボールねじを回動させながら摺動させるだけで、中空ボールねじに対して摺動自在に保持された第3節のボールねじ軸を同時に摺動させることができ、駆動モータが2つ必要なく、伸縮動作の制御が容易な直動リンク装置を提供することができる。
(2)第1節から第3節を同軸上に配置することにより、機構を簡素化してコンパクト化することができ、中空ボールねじやボールねじ軸に曲げモーメントがかからず、同軸でない構成に比べ圧倒的に大きな剛性を確保することができ、第2節及び第3節の摺動動作の安定性、長寿命性に優れ、またその必要剛性の非常に高い人間搭乗型2足歩行ロボットの脚機構へと好適に用いることができると共に、第2節と第3節の合計ストロークを最短リンク長よりも長くして可動範囲を広げることができ、特に2足歩行ロボットの歩行動作の安定性を向上させることができる汎用性に優れた直動リンク装置を提供することができる。
According to invention of Claim 5, it has the following effects.
(1) A third ball screw held slidably with respect to the hollow ball screw only by rotating the hollow ball screw of the second-line splined ball screw with a single drive motor. It is possible to provide a linear link device that can slide the shafts at the same time, does not need two drive motors, and can easily control expansion and contraction operations.
(2) By arranging the first to third sections on the same axis, the mechanism can be simplified and made compact, and the bending moment is not applied to the hollow ball screw or the ball screw shaft, and the configuration is not coaxial. Compared to a human-riding biped robot that can secure an overwhelmingly large rigidity, has excellent sliding stability and long life in the second and third sections, and has a very high required rigidity. It can be suitably used for a leg mechanism, and the total stroke of the second and third sections can be made longer than the shortest link length to widen the movable range, and in particular the stability of the walking motion of a biped robot Therefore, it is possible to provide a linear link device excellent in versatility.
請求項6に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
(1)直動リンク装置が、第1節から第3節までを有する多段式の直動アクチュエータであるので、最短リンク長を短くできると共に、リンクのストロークが長く脚部や腕部などの可動範囲が広い汎用性に優れたロボットを提供することができる。
According to invention of Claim 6, it has the following effects.
(1) Since the linear motion link device is a multistage linear motion actuator having the first to third sections, the shortest link length can be shortened and the link stroke is long and the legs and arms can be moved. A robot with a wide range and excellent versatility can be provided.
請求項7に記載の発明によれば、以下のような効果を有する。
(1)パラレルリンク機構部の直動リンク装置が、最短リンク長が短く、ストロークが長い多段式の直動アクチュエータであるので、搭乗者の乗降時における座面を低くすることができ、高齢者や歩行障害者が簡単に乗り降りすることや、人間を搭乗させて天井高さに限界のある人間の住環境において稼動することができ安全性に優れると共に、脚部の可動範囲を広げることができ、大歩幅歩行や階段昇降など大きな可動範囲を必要とする歩行の実時間の安定化を可能とし、凹凸や段差、障害物等がある複雑な地形においても、歩行動作を安定させて活動することができる汎用性に優れた2足歩行ロボットを提供することができる。
According to invention of Claim 7, it has the following effects.
(1) Since the linear motion link device of the parallel link mechanism is a multistage linear motion actuator with a shortest link length and a long stroke, the seating surface when the passenger gets on and off can be lowered. It is easy for people with walking disabilities to get on and off, and can be operated in human living environments where the ceiling height is limited by boarding humans, and it is safe and widens the range of movement of the legs. Enables real-time stabilization of walking that requires a large range of movement, such as walking with large steps or moving up and down stairs, and stabilizes walking activity even in complex terrain with irregularities, steps, obstacles, etc. It is possible to provide a biped walking robot with excellent versatility.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における直動リンク装置について、以下図面を用いて説明する。
図1は本発明の実施の形態1における直動リンク装置を示す斜視図であり、図2は本発明の実施の形態1における直動リンク装置の伸張状態を示す斜視図である。
図1及び図2中、1は実施の形態1における直動リンク装置、20aは直動リンク装置1の上端固定部、20bは直動リンク装置1の下端固定部、21は直動リンク装置1の第1節、21aは上端部で上端固定部20aに固定された第1節21の第1のボールねじ軸、21bは第1節21と並設された後述する第2節25を連結して固定する連結部20cに配設され第1のボールねじ軸21aに回動自在に螺合された第1節21の第1のボールねじナット、22は第1のボールねじナット21bの端部に固設され第1のボールねじナット21bと共に回動する第1節21の従動歯車、23aは第1のボールねじ軸21aの下端部に配設されたウレタンワッシャ、23bは第1のボールねじ軸21aの下端部に配設されウレタンワッシャ23aを固定するベアリングナット、24は上端部で上端固定部20aの両側に固定され第1のボールねじ軸21aと平行に配設された第1節21のガイドレール、25は連結部20cで固定され第1節21と平行に配置された直動リンク装置1の第2節、25aは連結部20cで回動自在に保持された第2節25の第2のボールねじ軸、26は第2のボールねじ軸25aの上端側に貫設され第1節21の従動歯車22に歯合した主動歯車、27は第2のボールねじ軸25aに配設された従動プーリ、28aは第2のボールねじ軸25aの下端部に配設されたウレタンワッシャ、28bは第2のボールねじ軸25aの下端部に配設されウレタンワッシャ28aを固定するベアリングナット、29は連結部20cに固設された第2節25の駆動モータ、30は駆動モータ29のモータ軸に配設された駆動プーリ、31は駆動プーリ30と従動プーリ27を連結し駆動モータ29の動力を第2のボールねじ軸25aに伝達するタイミングベルト、32は連結部20cの両側部に配設され案内溝32aでガイドレール24を摺動自在に案内する第2節25の案内部、33は連結部20cの第1節21側の側部に第2のボールねじ軸25aと平行に配設された第2節25のガイドレール、34は第2節25の下端部に配設された連結部20dで第2節25の第2のボールねじ軸25aと同軸上に連設された直動リンク装置1の第3節、34aは第2節25の第2のボールねじ軸25aに回動自在に螺合され連結部20dに固設された第3節34の第2のボールねじナット、34bは第2のボールねじナット34aに連設され第2節25の第2のボールねじ軸25aに外挿された第3節34の筒状体、35は上端部及び下端部がそれぞれ連結部20d及び下端固定部20bに固定され筒状体34bと平行に配設され第1節21の第1のボールねじ軸21aが内挿される第3節34の補強筒状体、36は連結部20dの第1節21側の側部に配設され案内溝(図示せず)で第2節25のガイドレール33に案内される第3節34の摺動部である。
(Embodiment 1)
A linear motion link device according to
FIG. 1 is a perspective view showing a linear motion link device according to
1 and 2, 1 is a linear motion link device in the first embodiment, 20 a is an upper end fixing portion of the linear
第1のボールねじ軸21a及び第2のボールねじ軸25aの下端側に補強筒状体35及び筒状体34bの内径と略同等の外径を有するウレタンワッシャ23a,28aを配設した。これにより、設定されたストローク以上に直動リンク装置1が伸びようとしても、ウレタンワッシャ23a,28aが第1のボールねじナット21b,第2のボールねじナット34aで止まり、第1のボールねじ軸21a及び第2のボールねじ軸25aが、連結部20c及び筒状体34bから抜け落ちるのを防ぐことができる。
ガイドレール24,33はそれぞれ第1節21のストローク及び第3節34のストロークと略同等の長さに形成した。これにより、第1節21,第3節34の摺動動作をガイドレール24,33で最初から最後まで確実に案内することができる。
本実施の形態ではガイドレール24,33の断面形状は略矩形状に形成したが、これに限定されるものではなく、円形状、多角形状などの任意の形状に形成することができる。また、案内部32及び摺動部36はガイドレール24,33に対して摺動自在であればよく、案内溝32aを形成する代わりに、ガイドレール24,33の断面形状と同形状の挿通孔を形成してもよい。
第3節34の補強筒状体35は第1のボールねじ軸21と略同等の長さに形成し、第1節21の第1のボールねじ軸21aと同軸上に配置した。これにより、直動リンク装置1を縮めた際に、確実に補強筒状体35の内部に第1のボールねじ軸21aが収容され、第3節34をコンパクト化することができる。
The guide rails 24 and 33 were formed to have substantially the same length as the stroke of the first joint 21 and the stroke of the third joint 34, respectively. Thus, the sliding motion of the first joint 21 and the third joint 34 can be reliably guided from the beginning to the end by the guide rails 24 and 33.
In the present embodiment, the guide rails 24 and 33 are formed to have a substantially rectangular cross-sectional shape, but the present invention is not limited to this, and the guide rails 24 and 33 can be formed in an arbitrary shape such as a circular shape or a polygonal shape. Moreover, the
The reinforcing
以上のように構成された直動リンク装置の動作について説明する。
図1において、駆動モータ29を回転させると、モータ軸に配設された駆動プーリ30の回転がタイミングベルト31を介して従動プーリ27に伝達され、第2節25の第2のボールねじ軸25aが回転する。これにより、第2のボールねじ軸25aと共に主動歯車26が回転するので、主動歯車26に歯合した第1節21の従動歯車22と従動歯車22に固設された第1のボールねじナット21bが回転する。このとき、第1のボールねじナット21bに回動自在に螺合された第1のボールねじ軸21aの上端部は上端固定部20aに固定され、回転が拘束されているので、ねじ対偶により、第1節21と第2節25が相対的に直動(摺動)する。また、これと同時に、第2のボールねじ軸25aに回動自在に螺合された第3節34の第2のボールねじナット34aとそれに連設された筒状体34bは連結部20dや下端固定部20bに固定され、回転が拘束されているので、ねじ対偶により、第2節25と第3節34が相対的に直動(摺動)する。
駆動モータ29の回転方向を選択することにより、これらの直動(摺動)方向を切り換えることができる。
The operation of the linear motion link device configured as described above will be described.
In FIG. 1, when the
By selecting the rotation direction of the
次に、本発明の実施の形態1における直動リンク装置を2足歩行ロボットに適用した場合について説明する。
図3は本発明の実施の形態1における直動リンク装置を用いた2足歩行ロボットを示す模式斜視図であり、図4は本発明の実施の形態1における直動リンク装置を備えた2足歩行ロボットの模式平面透視図である。尚、図3においては、説明の便宜のために、パラレルリンク機構部の一部を省略して図示している。
図3及び図4中、1,1′,1a,1a′,1b,1b′,1c,1c′は実施の形態1における直動リンク装置、100は本発明の実施の形態1における直動リンク装置1,1′,1a,1a′,1b,1b′,1c,1c′(以下、直動リンク装置1〜1c′とする)を用いた2足歩行ロボット、101a,101bはそれぞれ右脚及び左脚のパラレルリンク機構部、102は2足歩行ロボット100の腰部、103a,103bはそれぞれ2足歩行ロボット100の右及び左の足部、104a,104bは右及び左の足部103a,103bの上面に配設された固定板、106,106′,106a,106a′,106b,106b′,106c,106c′は腰部側受動ジョイント、107,107a,107b,107cは足部側受動ジョイントである。
なお、左脚のパラレルリンク機構部101bの各部は右脚のパラレルリンク機構部101aと対称で同一構成なので説明を省略する。
Next, the case where the linear motion link device in
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a biped walking robot using the linear motion link device according to
In FIGS. 3 and 4, 1, 1 ', 1a, 1a', 1b, 1b ', 1c, 1c' are linear link devices in the first embodiment, and 100 is a linear link in the first embodiment of the present invention.
Since each part of the
ここで、腰部側受動ジョイント106a,106a′は腰部102の下面の右後部側に配設されている。足部側受動ジョイント107aは右の足部103aの右後部側に配設されている。直動リンク装置1aは上端部が腰部側受動ジョイント106aに連結され、下端部が足部側受動ジョイント107aに連結されている。直動リンク装置1a′は上端部が腰部側受動ジョイント106a′に連結され、下端部が足部側受動ジョイント107aに連結されている。
腰部側受動ジョイント106b,106b′は腰部102の下面の右前部側に配設されている。足部側受動ジョイント107bは右の足部103aの右前部側に配設されている。直動リンク装置1bは上端部が腰部側受動ジョイント106bに連結され、下端部が足部側受動ジョイント107bに連結されている。直動リンク装置1b′は上端部が腰部側受動ジョイント106b′に連結され、下端部が足部側受動ジョイント107bに連結されている。
腰部側受動ジョイント106c,106c′は腰部102の下面の右中央部に配設されている。足部側受動ジョイント107cは右の足部103aの右中央部に配設されている。直動リンク1cは上端部が腰部側受動ジョイント106cに連結され、下端部が足部側受動ジョイント107cに連結されている。直動リンク装置1c′は上端部が腰部側受動ジョイント106c′に連結され、下端部が足部側受動ジョイント107cに連結されている。
また、右脚のパラレルリンク機構部101aと左脚のパラレルリンク機構部101bは腰部102の中央に対してその両側に対称に配設されている。
Here, the waist-side passive joints 106 a and 106 a ′ are disposed on the right rear side of the lower surface of the
The waist-side
The waist-side
The right leg parallel link mechanism 101a and the left leg
腰部側受動ジョイント106,106′,106a,106a′,106b,106b′,106c,106c′(以下、腰部側受動ジョイント106〜106c′とする)は、直動リンク装置1〜1c′の長手方向に直交し、且つ各々直交する2軸の軸周方向に回動する2自由度に形成されている。
足部側受動ジョイント107,107a,107b,107c(以下、足部側受動ジョイント107〜107cとする)は、後述するように足底面に対する鉛直軸方向、及び直動リンク装置1〜1c′の長手方向に直交し、且つ各々直交する2軸の軸周方向に回動する3自由度に形成されている。
Lumbar side
The foot-side
次に、腰部側受動ジョイントの構造について図を用いて詳細に説明する。図5は腰部側受動ジョイントの要部斜視図である。尚、腰部側受動ジョイント106〜106c′は同一の構造なので、腰部側受動ジョイント106を用いて説明する。
図5中、113は腰部102の下部に固定されたコ字形状の腰部側上部継手、113aは腰部側上部継手113の立設された対向片間に軸支された上部継手軸、114は直動リンク装置1の上端固定部20aに固定されたコ字形状の腰部側下部継手、114aは腰部側下部継手114の立設された対向片間に軸支され腰部側下部継手114を回動自在に軸支する下部継手軸、115は上部継手軸113aと下部継手軸114aを直交させて連結する連結回動部である。
図5に示すように、腰部側下部継手114は、腰部側上部継手113に対して、上部継手軸113aと下部継手軸114aの軸周方向に回動する。これにより、腰部側受動ジョイント106は、直動リンク装置1の長手方向に直交する上部継手軸113aと下部継手軸114aの軸周方向に2自由度を有するので、直動リンク装置1の伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。
Next, the structure of the waist-side passive joint will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 5 is a perspective view of an essential part of the waist-side passive joint. Since the waist-side
In FIG. 5, 113 is a U-shaped waist-side upper joint fixed to the lower portion of the
As shown in FIG. 5, the waist-side lower joint 114 rotates in the axial direction of the upper joint shaft 113 a and the lower
次に、足部側受動ジョイントの構造について図を用いて詳細に説明する。図6は足部側受動ジョイントの要部斜視図である。尚、足部側受動ジョイント107〜107cはそれぞれ同一の構造なので、足部側受動ジョイント107を用いて説明する。
図6中、116は直動リンク装置1の下端固定部20bに連結された第1の足部上部継手、116′は直動リンク装置1′の下端固定部20bに連結された第2の足部上部継手、116a,116bは第1の足部上部継手116の両側部に互いに対向して配設された側部軸支板、116a′,116b′は第2の足部上部継手116′の両側部に互いに対向して配設された側部軸支板、117は内部に内壁面が球面状のボール収容部117aを有し両側部に突設された継手軸117bで側部軸支板116a,116b,116a′,116b′に回動自在に軸支され第1の足部上部継手116と第2の足部上部継手116′を連結したボール保持部、117cは継手軸117bの両端に螺着され各側部軸支板116a,116b,116a′,116b′を抜け止めするための止めナット、119は固定板104b上に固定された足側基部118上に立設され上端部にボール収容部117aに収容されるボール部119aが形成されたボール継手軸である。
Next, the structure of the foot side passive joint will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 6 is a perspective view of an essential part of the foot side passive joint. Since the foot side
In FIG. 6,
図6に示すように、第1の足部上部継手116及び第2の下端部材側下部継手116′は、ボール保持部117に対して、継手軸117bの軸周方向に回動する。また、ボール保持部117は、足側基部118に対して任意の方向に回動する。これにより、足部側受動ジョイント107は、継手軸117bの軸周方向およびボール継手軸119の軸周方向に1自由度ずつの2自由度を有すると共に、少なくとも継手軸117bとボール継手軸119とに直交する軸の軸周方向に1自由度を有するので、直動リンク装置1,1′の伸縮に追従してこれを妨げることなく円滑に従動する。
このように足部側受動ジョイント107をボールジョイントを用いた構造にすることにより、ユニバーサルジョイントと回転ジョイントを直列に結合するものよりも締結箇所が少なくなり、がたが低減し、動作の精度が向上し、制御の安定性および剛性を高めることができ、高速で安定した歩行動作を行うことができる。
As shown in FIG. 6, the first foot upper joint 116 and the second lower member lower joint 116 ′ rotate with respect to the
In this way, the foot-side passive joint 107 has a structure using a ball joint, so that the number of fastening points is smaller than that in which a universal joint and a rotary joint are connected in series, rattling is reduced, and the operation accuracy is reduced. The stability and rigidity of the control can be improved, and a stable walking motion can be performed at high speed.
このように、パラレルリンク機構部101a,101bが各々6自由度に形成されているため、右及び左の足部103a,103bは、前後、左右、上下、及び前後方向、左右方向、上下方向を軸とした軸周方向の動作が可能であり、多様な動作を行うことができ、歩行動作を円滑に行うことができる。
右脚のパラレルリンク機構部101aと左脚のパラレルリンク機構部101bとが腰部102の中央に対してその両側に対称に配設され、且つ、各々のパラレルリンク機構部101a,101bが6自由度を有することにより、歩行動作時に2足歩行ロボット100の腰軸、すなわち腰部102の中央を通り腰部102に直交する軸の軸周方向にモーメントがかからないよう歩行制御を行うことができる。これにより、歩行時に腰部102が腰軸の軸周方向の回動することなく、転倒することなく安定した歩行が可能である。
As described above, since the parallel
The right leg parallel link mechanism 101a and the left leg
本実施の形態では、直動リンク装置1を2足歩行ロボット100に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではない。
直動リンク装置1及び足部103a,103bの数や配置などは、腰部102の大きさや形状、歩行ロボットの目的や用途などに応じて適宜、選択することができ、4足或いはそれ以上の足部を有する多足ロボットにも適用することができる。
また、この直動リンク装置1の両端部にそれぞれ固定ベース部と可動ベース部を連結し、直動リンク装置1を伸縮させることにより、固定ベース部に対して可動ベース部を上下方向や左右方向などに摺動させることができるので、脚部以外にも種々のロボットの腕部等に配置してその可動範囲を広げることができ、歩行ロボット以外のロボットにも用いることができる。
In the present embodiment, the case where the
The number and arrangement of the linear
Further, by connecting the fixed base portion and the movable base portion to both ends of the linear
以上のように実施の形態1における直動リンク装置によれば、以下の作用を有する。
(1)第1節21が、第1のボールねじ軸21aと、第1のボールねじ軸21aに回動自在に螺合された第1のボールねじナット21bと、第1のボールねじナット21の端部に固設された従動歯車22と、を有し、第2節25が、駆動モータ29と、駆動モータ29により回動する第2のボールねじ軸25aと、第2のボールねじ軸25aに貫設され第1節21の従動歯車22に歯合した主動歯車26と、を有するので、駆動モータ29で第2のボールねじ軸25aを回動させることにより、主動歯車26が回動し、それに従動して従動歯車22と共に第1のボールねじナット21bが回動するが、第1のボールねじ軸21aの上端部が上端固定部20aに固定されているため、第1のボールねじ軸21aは回動することなく、第2節25の長手方向に摺動し、リンク長を変化させることができる。
(2)第3節34が、第2節25の第2のボールねじ軸25aに回動自在に螺合された第2のボールねじナット34aと、第2のボールねじナット34aに連設され第2節25の第2のボールねじ軸25aに外挿された筒状体34bと、を有し、第2のボールねじナット34aの回動が拘束され、筒状体34bの上端部及び下端部がそれぞれ連結部20dや下端固定部20bで固定されているので、駆動モータ29で第2のボールねじ軸25aを回動させた際に、第3節34の第2のボールねじナット34a及び筒状体34bが回動することなく、第2節25の長手方向に摺動し、リンク長を変化させることができる。
(3)第2節25の第2のボールねじ軸25aに対して、第1節21の第1のボールねじ軸21a及び第3節34の第2のボールねじナット34aがそれぞれ摺動自在に連設されているので、1つの駆動モータ29で第2のボールねじ軸25aを回動させるだけで、第1節21及び第3節34を同時に摺動させることができ、伸縮動作の制御が容易で動作安定性に優れる。
(4)第1節21と、第2節25及び第3節34が、異なる軸線上に並べて配置されることにより、第1節21と第3節34の合計のストロークが、最短リンク長よりも長くなり、可動範囲を広げることができる。
(5)第3節34が、第2節25の第2のボールねじ軸25aに回動自在に螺合された第2のボールねじナット34aと、第2のボールねじナット34aに連設された筒状体34bと、を有するので、第2節25と第3節34を同軸上に配置して、簡単な構造で第2節25と第3節34を摺動自在に保持することができる。
(6)第1節21に第1のボールねじ軸21aと平行にガイドレール24が配設され、第2節25にガイドレール24を摺動自在に案内する案内部32が配設されていることにより、第1節21と第2節25の回転を拘束し、第2節25に対して第1節21の第1のボールねじ軸21aを摺動させる際に、第1節21のガイドレール24を第2節25の案内部32で案内して第1のボールねじ軸21aを第2節25と平行に移動させることができる。
(7)第2節25に第2のボールねじ軸25aと平行にガイドレール33が配設され、第3節34にガイドレール33に案内される摺動部36が配設されていることにより、第2節25と第3節34の回転を拘束し、第2節25に対して第3節34を摺動させる際に、第3節34の摺動部36を第2節25のガイドレール33で案内して第3節34の筒状体34bを第2節25と平行に移動させることができる。
(8)第3節34の筒状体34bと平行に補強筒状体35を配設することにより、第3節34の圧縮に対する剛性を向上させることができ、第3節34に発生する曲げモーメントを低減することができる。
As described above, the linear motion link device according to
(1) The
(2) The third joint 34 is connected to the second
(3) The first
(4) Since the
(5) The third joint 34 is connected to the second
(6) A
(7) The
(8) By arranging the reinforcing
実施の形態1における直動リンク装置を用いた2足歩行ロボットによれば、以下の作用を有する。
(1)2足歩行ロボット100の脚部を伸縮させるパラレルリンク機構部101a,101bが、2本の直動リンク装置1,1′(1a,1a′、1b,1b′、1c,1c′)を1組としてV字形状に配設し、それを3組配設したスチュワートプラットフォームで構成されていることにより、脚部の安定性及び剛性に優れると共に、動作制御を簡便化することができる。
(2)パラレルリンク機構部101a,101bの直動リンク装置1〜1c′が、第1節21から第3節34までを有する多段式の直動アクチュエータであるので、脚部の最短リンク長を短くして座面を低くすることができ、搭乗者が容易に乗降を行うことができ、人間を搭乗させて天井高さに限界のある人間の住環境において稼動することができると共に、リンクのストロークを長くして脚部の可動範囲を広げ、歩行動作の安定性を向上させることができ、凹凸や段差、障害物等がある複雑な地形においても活動することができ、汎用性に優れる。
The biped walking robot using the linear motion link device in the first embodiment has the following actions.
(1) The parallel
(2) Since the linear
(実施の形態2)
図7は本発明の実施の形態2における直動リンク装置を示す斜視図であり、図8は本発明の実施の形態2における直動リンク装置の伸張状態を示す斜視図である。
図7及び図8中、40は本発明の実施の形態2における直動リンク装置、40aは直動リンク装置40の上端部に腰部側受動ジョイント106などのジョイントを取付けるための上端固定部、40bは直動リンク装置40の下端部に足部側受動ジョイント107などのジョイントを取付けるための下端固定部、41は上端部で上端固定部40aを介して腰部側受動ジョイント106などのジョイントに連結される直動リンク装置40の第1節、41aは上端部で上端固定部40aに固定された第1節41の筒状体、42は連結部40cを介して筒状体41aに連設された第1節41の駆動モータ、43は駆動モータ42のモータ軸に配設された駆動プーリ、44は第1節41の筒状体41aと同軸上に配置された直動リンク装置40の第2節、45は筒状体41aに内挿されスプライン外筒45aが回動することにより中空ボールねじ45bが回動しながら筒状体41aに沿って摺動する第2節44のスプライン付きボールねじ、46はスプライン外筒45aに固設されスプライン外筒45aと共に回動する第2節44の従動プーリ、47は駆動プーリ43と従動プーリ46を連結し駆動モータ42の動力をスプライン付きボールねじ45に伝達するタイミングベルト、48は中空ボールねじ45bの下端部に連設され中空ボールねじ45bの外周面に形成されたねじ溝45cの巻き方向と逆の巻き方向にねじ溝(図示せず)が形成されたボールねじナット、49は第2節44の中空ボールねじ45bと同軸上に配置され中空ボールねじ45bに内挿され下端部で下端固定部40bを介して足部側受動ジョイント107などのジョイントに連結される直動リンク装置40の第3節、49aは外周面に中空ボールねじ45bの外周面に形成されたねじ溝45cの巻き方向と逆の巻き方向にねじ溝49bが形成され第2節44のボールねじナット48に回動自在に螺合された第3節49のボールねじ軸である。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a perspective view showing a linear motion link device according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 8 is a perspective view showing an extended state of the linear motion link device according to Embodiment 2 of the present invention.
7 and 8, 40 is a linear motion link device according to the second embodiment of the present invention, 40a is an upper end fixing portion for attaching a joint such as a waist-side passive joint 106 to the upper end portion of the linear
第2節44のスプライン付きボールねじ45の機構は従来公知のものであり、本実施の形態では、第3節49のボールねじ軸49aの軸径などを考慮して、THK製のBNSシリーズ(登録商標)の中から、BNS1616Aを選択して使用した。第3節49が第2節44の同軸上に内挿され、第2節44の中空ボールねじ45bと第3節49のボールねじ軸49aの回転数が等しく、同時に直動する構成となっている。このとき、第2節44のストローク分の回転で第3節49が同じストロ−クだけ進むように第3節49のボールねじ軸49aのリードを設定することにより、第3節49のストロ−クは最長となり、第2節44のストロークと同一となる。
The mechanism of the splined ball screw 45 of the second joint 44 is conventionally known. In the present embodiment, in consideration of the shaft diameter of the
以上のように構成された直動リンク装置の動作について説明する。
図7において、駆動モータ42を回転させると、モータ軸に配設された駆動プーリ43の回転がタイミングベルト47を介して従動プーリ46に伝達される。これにより、従動プーリ46と共にスプライン外筒45aが回転する。このとき、スプライン外筒45aに螺合された中空ボールねじ45bが回転しながら、その長手方向に直動(摺動)する。また、これと同時に、第2節44のボールねじナット48に回動自在に螺合された第3節49のボールねじ軸49aは、下端固定部40bに配設される足部側受動ジョイント107などのジョイントを介して連結される足部などに固定され、回転が拘束されるので、ねじ対偶により、その長手方向に直動(摺動)する。
駆動モータ42の回転方向を選択することにより、これらの直動(摺動)方向を切り換えることができる。
The operation of the linear motion link device configured as described above will be described.
In FIG. 7, when the
By selecting the rotation direction of the
以上のように実施の形態2における直動リンク装置によれば、以下の作用を有する。
(1)第1節41が、駆動モータ42と、駆動モータ42に連設された筒状体41aと、を有し、第2節44が、筒状体41aに内挿され第1節41の駆動モータ42で回動されることにより筒状体41aに沿って摺動する中空ボールねじ45bを有するスプライン付きボールねじ45を備えているので、第1節41の駆動モータ42を駆動することにより、第2節44の中空ボールねじ45bを回動させながら摺動(直動)させることができ、リンク長を変化させることができる。
(2)第2節44の中空ボールねじ45bの下端部に中空ボールねじ45bの外周面に形成されたねじ溝45cの巻き方向と逆の巻き方向にねじ溝が形成されたボールねじナット48が連設され、第3節49が、第2節44のボールねじナット48に回動自在に螺合され中空ボールねじ45bに内挿されたボールねじ軸49aを有し、第3節49(ボールねじ軸49a)の下端部が下端固定部40bに配設される足部側受動ジョイント107などのジョイントを介して足部などに連結されるので、駆動モータ42で第2節44の中空ボールねじ45bを回動させた際に、第3節49のボールねじ軸49aが回動することなく、第2節44の中空ボールねじ45bと共に長手方向に摺動し、リンク長を変化させることができる。
(3)第1節41の筒状体41aに第2節44のスプライン付きボールねじ45が内挿され、スプライン付きボールねじ45の中空ボールねじ45bに対して、第3節49のボールねじ軸49aが摺動自在に保持されているので、1つの駆動モータ42でスプライン付きボールねじ45の中空ボールねじ45bを回動させるだけで、第2節44及び第3節49を同時に摺動させることができ、駆動モータが2つ必要なく、伸縮動作の制御が容易である。
(4)第1節41から第3節49までが、同軸上に配置されることにより、機構を簡素化してコンパクト化することができ、中空ボールねじ45bやボールねじ軸49に曲げモーメントがかからず、同軸でない構成に比べ圧倒的に大きな剛性を確保することができ、第2節44及び第3節49の摺動動作の安定性、長寿命性に優れ、またその必要剛性の非常に高い人間搭乗型2足歩行ロボットの脚機構へと好適に用いることができると共に、第2節44及び第3節49の合計のストロークが、最短リンク長よりも長くなり、脚部の可動範囲を広げることができる。
As described above, the linear motion link device according to Embodiment 2 has the following effects.
(1) The
(2) A
(3) The ball screw 45 with the spline of the
(4) Since the first joint 41 to the third joint 49 are arranged coaxially, the mechanism can be simplified and made compact, and a bending moment is applied to the
実施の形態2における直動リンク装置を用いた2足歩行ロボットによれば、実施の形態1で得られる作用と同様の作用を有する。 According to the biped walking robot using the linear motion link device in the second embodiment, it has the same operation as that obtained in the first embodiment.
本発明は、リンクを多段式とすることにより、最短リンク長が短く、しかもリンクのストロークが長く可動範囲が大きい汎用性に優れた直動リンク装置の提供、及び脚部や腕部などの最短リンク長が短いと共に、リンクのストロークが長く可動範囲が広い汎用性に優れた直動リンク装置を用いたロボットの提供、並びに脚部の最短リンク長を短くして路面から座面までの最低高さを低くすることができ、高齢者や歩行障害者が簡単に乗り降りすることや、人間を搭乗させて天井高さに限界のある人間の住環境において稼動することができると共に、リンクのストロークを長くして脚部の可動範囲を広げることができ、実時間でリンクの長さを修正するような安定化制御を用いて凹凸や段差、障害物等がある複雑な地形における歩行動作を安定化させることができる直動リンク装置を用いた2足歩行ロボットの提供を行うことができ、人間の生活環境での活動に好適な2足歩行ロボット、特に人間搭乗型2足歩行ロボットや重量物積載用2足歩行ロボットの普及を図ることができる。 The present invention provides a linear link device that has a short link length, a short link length, a long link stroke, a large movable range, and excellent versatility by using a multistage link. Provide a robot using a linear link device with a short link length, long link stroke and wide range of motion and excellent versatility, and shortening the shortest link length of the legs to minimize the minimum height from the road surface to the seat surface The height can be lowered, and elderly people and people with walking disabilities can easily get on and off, and they can operate in a human living environment where the ceiling height is limited by boarding humans, and the stroke of the link can be reduced. Longer movement range of legs can be extended, and stabilization control that corrects link length in real time stabilizes walking motion in complex terrain with irregularities, steps, obstacles, etc. A biped walking robot using a linear motion link device that can be operated can be provided, and is suitable for activities in a human living environment, in particular, a human boarding type biped walking robot and a heavy object loading The spread of bipedal robots can be promoted.
1,1′,1a,1a′,1b,1b′,1c,1c′,40 直動リンク装置
20a,40a 上端固定部
20b,40b 下端固定部
20c,20d,40c 連結部
21,41 第1節
21a 第1のボールねじ軸
21b 第1のボールねじナット
22 従動歯車
23a,28a ウレタンワッシャ
23b,28b ベアリングナット
24,33 ガイドレール
25,44 第2節
25a 第2のボールねじ軸
26 主動歯車
27,46 従動プーリ
29,42 駆動モータ
30,43 駆動プーリ
31,47 タイミングベルト
32 案内部
32a 案内溝
34,49 第3節
34a 第2のボールねじナット
34b 筒状体
35 補強筒状体
36 摺動部
41a 筒状体
45 スプライン付きボールねじ
45a スプライン外筒
45b 中空ボールねじ
45c,49b ねじ溝
48 ボールねじナット
49a ボールねじ軸
100 2足歩行ロボット
101a,101b パラレルリンク機構部
102 腰部
103a,103b 足部
104a,104b 固定板
106,106′,106a,106a′,106b,106b′,106c,106c′ 腰部側受動ジョイント
107,107a,107b,107c 足部側受動ジョイント
113 腰部側上部継手
113a 上部継手軸
114 腰部側下部継手
114a 下部継手軸
115 連結回動部
116 第1の足部上部継手
116′ 第2の足部上部継手
116a,116b,116a′,116b′ 側部軸支板
117 ボール保持部
117a ボール収容部
117b 継手軸
117c 止めナット
118 足側基部
119 ボール継手軸
119a ボール部
1, 1 ', 1a, 1a', 1b, 1b ', 1c, 1c', 40 Linear motion link device 20a, 40a Upper end fixing part 20b, 40b Lower end fixing part 20c, 20d, 40c Connection part 21, 41 Section 1 21a First ball screw shaft 21b First ball screw nut 22 Driven gear 23a, 28a Urethane washer 23b, 28b Bearing nut 24, 33 Guide rail 25, 44 Second section 25a Second ball screw shaft 26 Main drive gear 27, 46 Driven pulley 29, 42 Drive motor 30, 43 Drive pulley 31, 47 Timing belt 32 Guide part 32a Guide groove 34, 49 Third section 34a Second ball screw nut 34b Cylindrical body 35 Reinforcing cylindrical body 36 Sliding part 41a Tubular body 45 Ball screw with spline 45a Spline outer cylinder 45b Hollow ball screw 45c, 49b Thread groove 48 Ball screw nut 49a Ball screw shaft 100 Biped robot 101a, 101b Parallel link mechanism part 102 Lumbar part 103a, 103b Foot part 104a, 104b Fixing plate 106, 106 ', 106a, 106a', 106b, 106b ′, 106 c, 106 c ′ Lumbar side passive joint 107, 107 a, 107 b, 107 c Foot side passive joint 113 Lumbar side upper joint 113 a Upper joint shaft 114 Lumbar side lower joint 114 a Lower joint shaft 115 Connecting rotation portion 116 First foot Upper joint 116 'Second foot upper joint 116a, 116b, 116a', 116b 'Side shaft support plate 117 Ball holding portion 117a Ball housing portion 117b Joint shaft 117c Locking nut 118 Foot side base 119 Ball joint shaft 119 Ball portion
Claims (7)
A parallel link mechanism formed by a Stewart platform in which the linear motion link device according to any one of claims 1 to 5 is arranged in a V shape as a set of two, A biped walking robot comprising: a base portion connected to an upper end side of the linear motion link device; and left and right foot portions connected to a lower end side of the linear motion link device.
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