JP2007326218A - 脚式移動ロボットの脚構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 膝関節回りの慣性モーメントを減少させて下脚部を駆動する駆動力の低減を図る。
【解決手段】 足部２５を左右軸線Ｌｙ回りにピッチングさせるピッチング用モータ３４と、足部２５を前後軸線Ｌｘ回りにローリングさせるローリング用モータ３５とを足首関節２８よりも上方の下脚部２４に支持したので、重量物であるピッチング用モータ３４およびローリング用モータ３５の位置が膝関節２７に接近して膝関節２７回りの下脚部２４の慣性モーメントが減少し、膝関節２７を駆動する駆動源の負荷を低減することができる。前記ピッチング用モータ３４および前記ローリング用モータ３５の軸線は、左右軸線Ｌｙと平行に配置される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、脚式移動ロボットの脚構造に関し、特に上脚部の下端に膝関節を介して下脚部を連結するとともに、下脚部の下端に足部を足首関節を介して連結し、足首関節は下脚部に対して足部をピッチングおよびローリング自在に支持する脚式移動ロボットの脚構造に関する。

かかる脚式移動ロボットの脚構造は、下記特許文献１により公知である。このものは、下脚部の上端寄りの位置に設けたピッチング用モータで、下脚部に対してベルト伝達手段を介して足部をピッチング軸部回りにピッチングさせ、かつ前記ピッチング軸部と直交するローリング軸部上に設けたローリング用モータで、下脚部に対して足部をローリングさせるようになっている。
特開平３−１８４７８２号公報

ところで、上脚部に対して下脚部を駆動する場合、上脚部および下脚部を連結する膝関節より下方の慣性モーメントを小さくすれば、下脚部を駆動する駆動源の負荷を軽減することができる。前記慣性モーメントを小さくするには、下脚部に取付けられる重量物の位置をできるだけ膝関節に接近させることが望ましいが、上記従来のものは重量物であるピッチング用モータが下脚部の上部、つまり膝関節に近い位置に配置されてはいるが、もう一つの重量物であるローリング用モータが下脚部の下部、つまり膝関節から遠い位置に配置されているため、膝関節より下方の慣性モーメントを充分に小さくすることができないという問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、膝関節回りの慣性モーメントを減少させて下脚部を駆動する駆動力の低減を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、上脚部の下端に膝関節を介して下脚部を連結するとともに、下脚部の下端に足部を足首関節を介して連結し、足首関節は下脚部に対して足部を左右軸線回りにピッチング自在に支持し、かつ前後軸線回りにローリング自在に支持する脚式移動ロボットの脚構造であって、足部を左右軸線回りにピッチングさせるピッチング用モータを足首関節よりも上方の下脚部に支持するとともに、足部を前後軸線回りにローリングさせるローリング用モータを足首関節よりも上方の下脚部に支持し、かつ前記ピッチング用モータおよび前記ローリング用モータの軸線を前記左右軸線と平行に配置したことを特徴とする脚式移動ロボットの脚構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、下脚部に左右軸線回りに回転可能に支持されたピッチング軸部と、左右軸線方向に配置されたピッチング用モータの出力軸の回転をピッチング軸部に伝達するピッチング用ベルト伝達手段と、ピッチング軸部に足部をローリング可能に支持するローリング機構とを備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの脚構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、足部に該足部に加わる荷重を検出するセンサを設けたことを特徴とする脚式移動ロボットの脚構造が提案される。

尚、実施の形態の６分力センサ６０は本発明のセンサを構成する。

以上のように請求項１に記載された発明によれば、足部を左右軸線回りにピッチングさせるピッチング用モータと、足部を前後軸線回りにローリングさせるローリング用モータとを足首関節よりも上方の下脚部に支持したので、重量物であるピッチング用モータおよびローリング用モータの位置が膝関節に接近して膝関節回りの下脚部の慣性モーメントが減少し、膝関節を駆動する駆動源の負荷を低減することができる。

また請求項２に記載された発明によれば、下脚部に左右軸線回りに回転可能に支持したピッチング軸部にローリング機構を介して足部をローリング可能に支持し、ピッチング用モータの出力軸の回転をピッチング軸部に伝達するピッチング用ベルト伝達手段を介してピッチング軸部を駆動するので、ピッチング軸部を回転させることでローリング機構および足部を一体にピッチングさせ、かつローリング機構を作動させてピッチング軸部に対して足部をローリングさせることができ、足部のピッチングおよびローリングが相互に干渉するのを回避することができる。

また請求項３に記載された発明によれば、ピッチング用モータおよびローリング用モータの位置が足部から遠くなるため、足部に設けたセンサがモータのノイズの影響を受け難くなり、センサの検出精度が向上する。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の実施の形態を示すもので、図１は脚式移動ロボットの正面図、図２は脚式移動ロボットの右側面図、図３は図２の３−３線拡大断面図（図４の３−３線断面図）、図４は図３の４−４線断面図、図５は下脚部および足部の斜視図、図６は足部のピッチングの作用説明図、図７は足部のローリングの作用説明図である。

図１および図２に示すように、自立二足歩行が可能な脚式移動ロボットＲは、胴体１１、頭１２、左腕１３Ｌ、右腕１３Ｒ、左脚１４Ｌおよび右脚１４Ｒを備えており、胴体１１の背面に電装品を収納した電装品ボックス１５を背負っている。左腕１３Ｌおよび右腕１３Ｒの各々は、上腕部１６と、下腕部１７と、手部１８とから構成され、胴体１１と上腕部１６とは肩関節１９で連結され、上腕部１６と下腕部１７とは肘関節２０で連結され、下腕部１７と手部１８とは手首関節２１で連結され、更に上腕部１６の長手方向中間には、上腕部１６の上半部に対して下半部を捻るための上腕関節２２が設けられる。また左脚１４Ｌおよび右脚１４Ｒの各々は、上脚部２３と、下脚部２４と足部２５とから構成され、胴体１１と上脚部２３とは股関節２６で連結され、上脚部２３と下脚部２４とは膝関節２７で連結され、下脚部２４と足部２５とは足首関節２８で連結される。更に胴体１１と頭１２とは首関節２９で連結される。尚、前記各関節は、その位置のみを破線の円で示している。

次に、図３〜図５に基づいてロボットＲの右脚１４Ｒの構造を説明する。尚、左脚１４Ｌは右脚１４Ｒと鏡面対称な同一構造であるため、その重複する説明は省略する。

上脚部２３および下脚部２４は軸線Ｌを有する膝関節２７で連結されており、図示せぬ駆動源によりベルト伝動手段３１および減速機３２を介して駆動される。下脚部２４はその骨格を構成する下脚リンク３３を備えており、下脚リンク３３の上端部に出力軸３４ａを左右軸線Ｌｙ方向に配置したピッチング用モータ３４が支持され、下脚リンク３３の中間部に出力軸３５ａを左右軸線Ｌｙ方向に配置したローリング用モータ３５が支持される。

左右軸線Ｌｙ上において、ピッチング軸部３６が下脚リンク３３の下端に一対のクロスローラベアリング３８，３８を介して回転自在に支持される（図３参照）。ピッチング用モータ３４の出力軸３４ａに設けた駆動プーリ３９と、左右軸線Ｌｙ上に配置した従動プーリ４０とが無端ベルト４１で接続される。駆動プーリ３９、従動プーリ４０および無端ベルト４１はピッチング用ベルト伝達手段４２を構成する。従動プーリ４０とピッチング軸部３６とが公知のハーモニック減速機（商品名）よりなるピッチング用減速機４３で接続される。ハーモニック減速機は入力部材の回転を減速して同軸上に配置された出力部材に出力するもので、それを遊星歯車式の減速機で置き換えることができる。

ピッチング軸部３６に、それと直交する方向（前後軸線Ｌｘ）に延びるローリング軸部４４が一体に形成される（図４参照）。ローリング軸部４４の外周に筒状のローリング部材４６が一対のクロスローラベアリング４７，４７を介して支持されており、このローリング部材４６に足部２５が固定される。

ピッチング軸部３６の内部に相対回転自在に支持された駆動ベベルギヤ軸５１の軸端に固定した従動プーリ５２と、ローリング用モータ３５の出力軸３５ａに固定した駆動プーリ５３とが無端ベルト５４で接続されており、駆動プーリ５３、従動プーリ５２および無端ベルト５４はローリング用ベルト伝達手段５５を構成する。ピッチング軸部３６と一体に形成されたローリング軸部４４の内部に相対回転自在に支持された従動ベベルギヤ軸５６の軸端に設けた従動ベベルギヤ５７が、前記駆動ベベルギヤー軸５１の軸端に設けた駆動ベベルギヤ５８に噛合する。そして従動ベベルギヤ軸５６の軸端とローリング部材４６とがハーモニック減速機よりなるローリング用減速機５９で接続される。足部２５の中央部上面には、ロボットＲを二足歩行させるために、足部２５に作用する６分力（直交する３軸方向の荷重、および前記３軸回りのモーメント）を検出する６分力センサ６０が設けられ、また足部２５の後部上面には６分力センサ６０のアンプ６４が設けられる。

ピッチング軸部３６に対して足部２５をローリングさせるローリング機構６１は、前記ローリング軸部４４と、ローリング部材４６と、駆動ベベルギヤ軸５１と、駆動ベベルギヤ５８と、従動ベベルギヤ軸５６と、従動ベベルギヤ５７と、ローリング用ベルト伝達手段５５とから構成される。

図５〜図７を参照すると明らかなように、下脚部２４に対して足部２５をピッチングおよびローリング可能に支持する足首関節２８は、前後軸線Ｌｘおよび左右軸線Ｌｙの交点を中心とする同心球面の一部を構成する内側部分球状カバー６２および外側部分球状カバー６３を備える。内側部分球状カバー６２はローリング部材４６に固定されているのに対し、外側部分球状カバー６３はピッチング軸部３６に固定されている。従って、足部２５が左右軸線Ｌｙ回りにピッチングする際には、内側部分球状カバー６２および外側部分球状カバー６３は一体にピッチングし、足部２５が前後軸線Ｌｘ回りにローリングする際には、外側部分球状カバー６３に対して内側部分球状カバー６２だけが相対的にローリングする。尚、外側部分球状カバー６３および内側部分球状カバー６２が相対回転しても、内側部分球状カバー６２は前後軸線Ｌｘを中心として実質的に回転対称な形状を有しているため、外側部分球状カバー６３および内側部分球状カバー６２により構成される部分球面の形状に段差や隙間が発生することはない。下脚リンク３３の下端には凹状球面３３ａが形成されており、この凹状球面３３ａと外側部分球状カバー６３および内側部分球状カバー６２の外周面との間に、微小かつ均一な隙間αが形成される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。

ロボットＲの下脚部２４の下端に足首関節２８を介して接続された足部２５を左右軸線Ｌｙ回りにピッチングさせるべくピッチング用モータ３４を駆動すると、その出力軸３４ａの回転がピッチング用ベルト伝達手段４２の駆動プーリ３９、無端ベルト４１および従動プーリ４０を介してピッチング用減速機４３に伝達され、ピッチング用減速機４３は入力された回転を減速してピッチング軸部３６に出力する。ピッチング軸部３６が、それと一体のローリング軸部４４と共に左右軸線Ｌｙ回りに回転すると、ローリング軸部４４にローリング部材４６を介して支持された足部２５が左右軸線Ｌｙ回りにピッチングする。このようにしてピッチング軸部３６が回転しても、ローリング機構６１の駆動ベベルギヤ軸５１はピッチング軸部３６の内部に同軸に、かつ相対回転自在に配置されているため、ローリング用モータ３５を空転可能な状態にしておくことにより、足部２５が妄りにローリングすることが防止される。

足部２５を前後軸線Ｌｘ回りにローリングさせるべくローリング用モータ３５を駆動すると、その出力軸３５ａの回転がローリング用ベルト伝達手段５５の駆動プーリ５３、無端ベルト５４および従動プーリ５２を介して駆動ベベルギヤ軸５１に伝達され、駆動ベベルギヤ軸５１の回転は駆動ベベルギヤ５８、従動ベベルギヤ５７および従動ベベルギヤ軸５６を介して９０°方向を変換した後、ローリング用減速機５９を介してローリング部材４６に伝達され、そのローリング部材４６と一体の足部２５をローリングさせる。このように、ピッチング軸部３６にローリング機構６１を支持して足部２５と一体でピッチングさせ、かつローリング機構６１を単独で作動させてピッチング軸部３６に対して足部２５をローリングさせるので、ピッチングおよびローリングが相互に干渉、あるいは交錯することがなくなり、足部２５のピッチングおよびローリングの制御が簡素化される。

またピッチング用モータ３４およびローリング用モータ３５を足首関節２８よりも上方の下脚部２４に支持したので、重量の大きいピッチング用モータ３４およびローリング用モータ３５の位置が膝関節２７に接近する。その結果、膝関節２７回りの下脚部２４の慣性モーメントを減少させて、膝関節２７を駆動する駆動源の負荷を低減することができる。しかもピッチング用モータ３４およびローリング用モータ３５の位置が足部２５に設けた６分力センサ６０から遠くなるため、６分力センサ６０がピッチング用モータ３４およびローリング用モータ３５のノイズの影響を受け難くなって検出精度が向上する。

またピッチング用モータ３４およびローリング用モータ３５の上記配置によりピッチング軸部３６およびローリング軸部４４の位置が低くなり、足首関節２８のコンプライアンス制御をより小さな制御量で実現することができる。これにより、床面の不測の凹凸や傾斜に速やかに対応して安定した歩行を可能にすることができる。

更に、足部２５をピッチングさせると、左右軸線Ｌｙおよび前後軸線Ｌｘの交点を中心とする内側部分球状カバー６２および外側部分球状カバー６３が一体に回転するため、両カバー６２，６３と下脚リンク３３の下端の凹状球面３３ａとの間の隙間αが一定に保たれ、異物の挟み込みを防止することができる。また足部２５をローリングさせると、内側部分球状カバー６２が外側部分球状カバー６３に対して相対的に回転するが、前記隙間αは変化することがないため、やはり異物の挟み込みを防止することができる。しかも前記隙間αが変化しないために、内側部分球状カバー６２および外側部分球状カバー６３が下脚リンク３３と干渉し難くなり、足首関節２８の可動範囲を拡大することができる。

以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では足部２５を一体に固定したローリング部材４６をローリング軸部４４の外周に回転自在に支持し、ピッチング軸部３６内に同軸に配置された駆動ベベルギヤ５８と、ローリング軸部４４内に同軸に配置されてローリング部材４６に連結された従動ベベルギヤ５７とを噛合させ、ピッチング用モータ３４でピッチング軸部３６を回転させて足部２５をピッチングさせ、ローリング用モータ３５で駆動ベベルギヤ５８を回転させて足部２５をローリングさせているが、足部２５を一体に固定したピッチング部材をピッチング軸部３６の外周に回転自在に支持し、ローリング軸部４４内に同軸に配置された駆動ベベルギヤ５８と、ピッチング軸部３６内に同軸に配置されてピッチング部材に連結された従動ベベルギヤ５７とを噛合させ、ローリング用モータ３５でローリング軸部４４を回転させて足部２５をローリングさせ、ピッチング用モータ３４で駆動ベベルギヤ５８を回転させて足部をピッチングさせても良い。

また実施の形態では足部２５に加わる荷重を６分力センサ６０で検出しているが、３分力乃至５分力を検出できるセンサで代用することができる。

脚式移動ロボットの正面図 脚式移動ロボットの右側面図 図２の３−３線拡大断面図（図４の３−３線断面図） 図３の４−４線断面図 下脚部および足部の斜視図 足部のピッチングの作用説明図 足部のローリングの作用説明図

符号の説明

２３ 上脚部
２４ 下脚部
２５ 足部
２７ 膝関節
２８ 足首関節
３４ ピッチング用モータ
３４ａ 出力軸
３５ ローリング用モータ
３６ ピッチング軸部
４２ ピッチング用ベルト伝達手段
６０ ６分力センサ
６１ ローリング機構
Ｌｙ 左右軸線
Ｌｘ 前後軸線

Claims (3)

1. 上脚部（２３）の下端に膝関節（２７）を介して下脚部（２４）を連結するとともに、下脚部（２４）の下端に足部（２５）を足首関節（２８）を介して連結し、足首関節（２８）は下脚部（２４）に対して足部（２５）を左右軸線（Ｌｙ）回りにピッチング自在に支持し、かつ前後軸線（Ｌｘ）回りにローリング自在に支持する脚式移動ロボットの脚構造であって、
   足部（２５）を左右軸線（Ｌｙ）回りにピッチングさせるピッチング用モータ（３４）を足首関節（２８）よりも上方の下脚部（２４）に支持するとともに、足部（２５）を前後軸線（Ｌｘ）回りにローリングさせるローリング用モータ（３５）を足首関節（２８）よりも上方の下脚部（２４）に支持し、かつ前記ピッチング用モータ（３４）および前記ローリング用モータ（３５）の軸線を前記左右軸線（Ｌｙ）と平行に配置したことを特徴とする脚式移動ロボットの脚構造。
2. 下脚部（２４）に左右軸線（Ｌｙ）回りに回転可能に支持されたピッチング軸部（３６）と、
   左右軸線（Ｌｙ）方向に配置されたピッチング用モータ（３４）の出力軸（３４ａ）の回転をピッチング軸部（３６）に伝達するピッチング用ベルト伝達手段（４２）と、
   ピッチング軸部（３６）に足部（２５）をローリング可能に支持するローリング機構（６１）と、
   を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の脚式移動ロボットの脚構造。
3. 足部（２５）に該足部（２５）に加わる荷重を検出するセンサ（６０）を設けたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の脚式移動ロボットの脚構造。

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