JP2011140096A - Bipedal walking robot including center of gravity movement device, and center of gravity movement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は2足歩行ロボットに関し、さらに詳しくは、2足歩行ロボットの重心移動装置構造と重心移動方法に関する。 The present invention relates to a biped walking robot, and more particularly to a structure for moving a center of gravity of a biped walking robot and a method of moving the center of gravity.
2足歩行ロボットに関しては、その構造から制御方法に至って、既に様々な研究が行われ実用レベルで使用されている。 With regard to biped robots, various researches have already been conducted from the structure to the control method, and they are used at a practical level.
自立2足歩行型ロボットの進歩は目覚しく、完全に、自立及び独立したヒトとしての存在感を与えるレベルのものまで完成されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)。
The progress of the self-standing biped robot has been remarkable and has been completed to a level that gives a presence as a self-supporting and independent human (see, for example,
2足歩行動作において、前述の画像認識技術や各種センサー技術に並ぶ最重要な制御技術の一つとして、歩行時におけるロボット自体の重心移動制御技術が挙げられる。 In biped walking, one of the most important control technologies along with the above-described image recognition technology and various sensor technologies is a center-of-gravity movement control technology of the robot itself during walking.
ヒトは無意識のうちに、起立状態と歩行状態でのバランスの変化を、逐一気にすることは極めて少ないと考えるが、いざ、2足歩行ロボットを考えるとき、前記起立状態と片脚が地面から浮いた状態では、ロボットの重心自体が移動してしまうので、無制御ではそのまま転倒してしまう。 Although humans unconsciously think that it is extremely rare to change the balance between the standing state and the walking state one by one, when considering a biped robot, the standing state and one leg float off the ground. In this state, the center of gravity of the robot itself moves.
2足歩行時のロボット自体のバランスを制御する方法は、2足歩行時の重心変移が吸収できるような、脚の地面との接触部分を体幅方向に、左右対称に極力延長させた構造がとられていることが多い(例えば、特許文献3参照。)。 The method of controlling the balance of the robot itself when walking on two legs has a structure in which the contact part of the leg with the ground is extended as much as possible symmetrically in the body width direction so as to absorb the change in the center of gravity when walking on two legs. It is often taken (for example, refer to Patent Document 3).
これにより、片脚が地面から浮いた状態でも、ロボットの重量が、起立状態に限りなく近い状態で、体幅方向全体にかかるようになり、特に片脚を挙げることによるバランスの配分を考えることなく、あくまで転倒しにくい構造にすることで、解決できるからである。 As a result, even when one leg is floating from the ground, the weight of the robot will be applied to the whole body width direction as much as possible in the standing state, especially considering the balance distribution by raising one leg. This is because it can be solved by making the structure difficult to fall over.
ただし、脚の形状が特徴的なため、2足歩行を行うヒトとして形容し難い場合も生じる。 However, since the shape of the legs is characteristic, it may be difficult to describe as a human who walks on two legs.
これに対し脚部の形を極力ヒトの脚型に近づけたロボットも研究されている。 On the other hand, a robot whose leg shape is as close as possible to a human leg shape has been studied.
この場合、片脚が地面から浮いたとき、着地側の脚のみではロボットの自重によるバランスを保つことが出来ず、浮いている脚側に転倒してしまう。 In this case, when one leg floats from the ground, the balance by the weight of the robot cannot be maintained with only the landing leg, and the leg falls over to the floating leg side.
これを回避するために、主にロボット上体部を用いた重心移動制御が必要となってくる。 In order to avoid this, center-of-gravity movement control using mainly the upper body of the robot is necessary.
例えば、上体の片側への積極的な傾斜による重心移動による歩行形態を採るロボットである(例えば、特許文献4参照。)。 For example, it is a robot that takes a walking form by moving the center of gravity by positive inclination to one side of the upper body (see, for example, Patent Document 4).
この場合、2足歩行時の、地面から浮いている脚側へかかる重量配分を、上体は正面を向いたまま逆側にひねることで、設置脚側に重心を移動させて、バランスを保っている例である。 In this case, when walking on two legs, the weight distribution to the leg floating from the ground is twisted to the opposite side with the upper body facing the front, so that the center of gravity is moved to the installation leg side to maintain the balance. This is an example.
ヒトの2足歩行時は、片側に相当の重いものを持たない限り、必ずしも先述のような姿勢にはならないので、この実施例も、自然なヒトの2足歩行として形容し難い場合がある。 When a human is walking on two legs, the posture is not necessarily as described above unless a heavy object is provided on one side, and this embodiment may be difficult to describe as a natural human biped walking.
また、重量のある上体部を接地脚側方向に傾けることにより、先の例と同じ要領でバランスを保っている例である(例えば、特許文献5参照。)。 Moreover, it is an example in which the balance is maintained in the same manner as the previous example by tilting the heavy body part toward the grounding leg (see, for example, Patent Document 5).
この実施例によれば、構造的に、地面から浮いているほうの脚が必然的に外反する構造になっているので、この実施例についても、自然なヒトの2足歩行として形容し難い場合がある。 According to this embodiment, since the leg floating from the ground is inevitably distorted, this embodiment is also difficult to describe as a natural human bipedal walk. There is.
また、ロボットの頭部から接地側の脚全体を一直線の倒立振り子としてとらえることにより、2足歩行時のバランスを保つことを実現している例もある(例えば、特許文献6及び特許文献7参照。)。
In addition, there is an example in which the entire leg on the grounding side from the head of the robot is regarded as a straight inverted pendulum to maintain the balance during biped walking (see, for example,
この場合、ロボットの頭部から脚先までが、一直線の振り子状に左右に振れながら歩行前進することになり、この実施例も、自然なヒトの2足歩行として形容し難い場合がある。 In this case, from the head of the robot to the leg tip, the robot moves forward while swinging left and right in a straight pendulum shape, and this embodiment may also be difficult to describe as a natural human bipedal walk.
本発明は、特にロボットの2足歩行時の姿勢に注目し、先述の従来の2足歩行ロボットよりも、より自然なヒトの2足歩行動作を実現させるものであり、その第1の目的とするところは、ロボットの2足歩行動作時の外見がヒトのそれに近い重心移動を行うことが可能な重心移動装置を有するロボットを提供することである。また本発明の第2の目的とするところは、前記重心移動装置を有するロボットの2足歩行時の重心移動方法を提供することである。 The present invention pays particular attention to the posture of the robot during biped walking, and realizes a more natural human biped walking action than the conventional biped walking robot described above. What is to be done is to provide a robot having a center-of-gravity moving device that can move the center of gravity close to that of a human when the robot is biped. A second object of the present invention is to provide a method of moving the center of gravity when the robot having the center of gravity moving device is walking on two legs.
上記課題を解決するために成された発明の2足歩行ロボットは、腰部と両脚から成る下肢と、前記腰部の上側に位置し進行方向に対し前記腰部を軸に前後に傾斜可能な構造を有する腹部と、左右に回転可能な構造を持つ頭部及び胸部に対し前後動作及び外転可能な両腕部が接続され、前記腹部を軸に任意にトルクコントローラーを介し左右に回転可能な構造を有する胸部から成る上体から構成され、前記胸部筐体内に、バランサーと称する駆動用バッテリーを搭載でき前記胸部筐体内で独立して左右に可動可能な構造と、スタビライザーと称する重心移動用補助錘を搭載でき前記胸部筐体内で独立して上下左右に可動可能な構造を有し、前記各可動部は任意にトルクコントローラーを介しアクチュエーターにより可動可能であり、前記頭部と腰部に3軸加速度センサーを有することにより、頭部の位置移動量より腰部を絶対水平に保ち、また前後の重心移動は上体の前傾動作もしくは後傾動作もしくはスタビライザーの胸部筐体内での位置移動もしくは前記両脚の足関節部を能動的に動かすことにより行い、また左右の重心移動は腹部を軸とする胸部の左右方向への回転動作もしくは腹部を軸とする胸部の左右方向への回転動作とバランサー及びスタビライザーの胸部筐体内での独立位置移動により、起立もしくは前記各部分と下肢の複合運動による2足歩行移動を行うことを特徴とする重心移動方法により2足歩行を行うことを特徴としている。 The biped walking robot of the invention made to solve the above-mentioned problems has a lower limb consisting of a lumbar part and both legs, and a structure which is located above the lumbar part and can be tilted back and forth around the lumbar part with respect to the traveling direction. Both arms are connected to the abdomen and the head and chest with a structure that can be rotated to the left and right, and can be rotated to the left and right via a torque controller. Consists of an upper body consisting of a chest, a driving battery called a balancer can be mounted inside the chest housing, and a structure that can be moved independently from side to side within the chest housing, and an auxiliary weight for moving the center of gravity called a stabilizer. And has a structure that can be moved vertically and horizontally independently within the chest housing, and each of the movable portions can be arbitrarily moved by an actuator via a torque controller, By having a 3-axis acceleration sensor in the body, the waist is kept in an absolutely horizontal position by the amount of head movement, and the center of gravity movement in the front-rear direction is the forward or backward movement of the upper body or the position of the stabilizer in the chest housing. Movement or active movement of the leg joints of both legs, and left and right center-of-gravity movements are performed by rotating the chest in the horizontal direction about the abdomen or rotating the chest in the horizontal direction about the abdomen. And biped walking by a center of gravity movement method characterized by performing biped walking movement by standing or by combined movement of each part and lower limb by independent position movement of balancer and stabilizer in chest housing Yes.
下肢は、ヒトの関節のように、ヒトの股関節、膝関節及び脚関節に相当する部分にアクチュエーターによる可動部を有し、腰部には3軸加速度センサーが設置される。 The lower limb has a movable portion by an actuator in a portion corresponding to a human hip joint, a knee joint, and a leg joint, like a human joint, and a triaxial acceleration sensor is installed in the waist.
特に前記股関節及び脚関節に使用するアクチュエーターは、トルクを検知しモーターにフィードバックする機能を有することが、より迅速で自然なヒトの脚動作の実現に必須となる。 In particular, actuators used for the hip joints and leg joints have a function of detecting torque and feeding back to the motor, which is essential for realizing a quick and natural human leg movement.
前記下肢の上方には、3軸加速度センサーが設置された頭部と、ヒトの肩関節に相当する部分に設置されたアクチュエーターにより胸部に対し前後と外側に可動可能な両腕が接続された胸部と、胸部の下部に設置された腹部により構成された上体が設置される。 Above the lower limb is a head where a three-axis acceleration sensor is installed, and a chest which is connected to both arms which can move forward and backward and externally with respect to the chest by an actuator installed at a portion corresponding to a human shoulder joint. And the upper body comprised by the abdominal part installed in the lower part of the chest is installed.
特に前記腹部と胸部間に使用するアクチュエーターは、トルクを検知しモーターにフィードバックする機能を有することが、より迅速で自然なヒトの脚動作の実現に必須となる。 In particular, an actuator used between the abdomen and the chest has a function of detecting torque and feeding it back to the motor, which is essential for realizing a quick and natural human leg movement.
起立時において、腰部、腹部及び胸部の重心を通り両脚軸に平行で絶対水平面に対し垂直な直線をそれぞれ、腰部の軸、腹部の軸、胸部の軸と呼ぶこととする。 When standing, the straight lines that pass through the center of gravity of the waist, abdomen and chest and are parallel to both leg axes and perpendicular to the absolute horizontal plane are called the waist axis, the abdominal axis and the chest axis, respectively.
前記腰部、腹部及び胸部の重心が異なる場合は、腰部の軸、腹部の軸、胸部の軸は一致しない。 When the centers of gravity of the waist, abdomen, and chest are different, the waist axis, the abdomen axis, and the chest axis do not match.
前記腹部は、アクチュエーターにより腰部との接続部分に対して前後に傾斜可能な可動構造を持ち、さらに前記胸部は、アクチュエーターにより、腹部との接続部分を中心として、腹部水平成分進行方向に対し左右に回転可動な構造を有する。 The abdomen has a movable structure that can be tilted back and forth with respect to the connection part with the waist by an actuator, and the chest part is moved to the left and right with respect to the abdominal horizontal component advancing direction with the actuator at the connection part. It has a rotatable structure.
胸部には、バランサーと称するロボット重量全体に占める割合の大きな駆動用バッテリーと、スタビライザーと称するロボット重量全体に占める割合の比較的大きな錘が、胸部筐体内に設置されたアクチュエーターに搭載されている。 On the chest, a driving battery called a balancer, which has a large proportion of the total weight of the robot, and a weight called a stabilizer, which has a relatively large proportion of the total weight of the robot, are mounted on an actuator installed in the chest housing.
また、前記バランサーは、胸部筐体内において、胸部の軸に設置されたアクチュエーターの可動部分を中心に、もしくは胸部の軸を通る胸部筐体内の中心線上の任意の位置に設置されたアクチュエーターの可動部分を中心に、左右方向に可動可能である。 In addition, the balancer is a movable part of an actuator installed at an arbitrary position on the center line in the chest housing that passes through the chest axis, centering on the movable part of the actuator installed on the chest axis in the chest housing. It is movable in the left-right direction around the center.
また、前記スタビライザーは、胸部筐体内において、胸部の軸に設置されたアクチュエーターの可動部分を中心に、もしくは胸部の軸を通る胸部筐体内の中心線上の任意の位置に設置されたアクチュエーターの可動部分を中心に、上下左右方向に可動可能である。 In addition, the stabilizer is a movable part of an actuator installed at an arbitrary position on the center line in the chest housing that passes through the chest axis, centered on the movable part of the actuator installed on the chest axis in the chest housing. Is movable in the vertical and horizontal directions.
スタビライザーの重量は、ロボットの仕様、構成、2足歩行運動様式及びバランサーの重量から、起立及び2足歩行に適した重さに設定される。 The weight of the stabilizer is set to a weight suitable for standing and bipedal walking from the specification, configuration of the robot, bipedal walking movement mode, and weight of the balancer.
特に必要に迫られない限り、スタビライザーの重量はバランサーと同等かそれ以下に設定することより、ロボット全体の重量を最小限に抑えることが出来る。 Unless necessary, the weight of the entire robot can be minimized by setting the weight of the stabilizer to be equal to or less than that of the balancer.
前述したバランサー及びスタビライザーにより、外観を変化させることなく、ロボットの重心移動を行う構造にすることにより、より自然なヒトの2足歩行運動に近い2足歩行ロボットを実現することが出来る。 By using the above-described balancer and stabilizer so as to move the center of gravity of the robot without changing the appearance, a biped robot close to a more natural human biped walking can be realized.
2足歩行時において、単に片脚を地面から浮かせた状態では、前述のように、重心位置の変化からロボットが即座にバランスを崩して転倒しやすい状態となる。 When walking with two legs, if the one leg is simply lifted from the ground, the robot immediately loses balance due to the change in the position of the center of gravity and tends to fall.
そこで、2足歩行時の重心移動を、前述した、両脚の各関節を一部にはトルクコントローラーを擁したアクチュエーターにより可動可能な構造にすることと、腹部を腰部の軸に対してアクチュエーターにより前後傾斜させ位置移動可能な構造にすることと、胸部を腹部との接続部分を中心に任意にトルクコントローラーを有するアクチュエーターにより左右回転可能な構造にすることと、胸部筐体内の胸部の軸、もしくは胸部の軸を通る胸部筐体内の中心線に対して前記バランサー及びスタビライザーの位置をアクチュエーターにより移動可能な構造にし、ロボットの全体重量に占める割合の高い重量物の位置移動をアクチュエーターにより能動的に行うことで、ロボットの重心移動を行う。 Therefore, the center-of-gravity movement during bipedal walking is structured so that the joints of both legs can be moved by an actuator partially equipped with a torque controller, and the abdomen is moved back and forth by the actuator with respect to the waist axis. A structure that can be tilted to move the position, a structure in which the chest can be rotated left and right by an actuator having a torque controller arbitrarily around the connection part with the abdomen, and a chest axis or chest in the chest housing The position of the balancer and the stabilizer can be moved by an actuator with respect to the center line in the chest housing that passes through the axis of the robot, and the position of a heavy object occupying a high proportion of the total weight of the robot is actively moved by the actuator. Then, the center of gravity of the robot is moved.
2足歩行は、腰部に設置された3軸加速度センサーにより、ロボットの腰部の軸を地面の絶対水平面に対して垂直に保持するように行う。 Biped walking is performed so that the axis of the lumbar part of the robot is held perpendicular to the absolute horizontal plane of the ground by a three-axis acceleration sensor installed on the lumbar part.
例えば階段や坂道の昇降時、凹凸箇所の歩行時及びしゃがむ動作時に明確であるが、腰部を絶対水平に維持することにより、よりヒトの2足歩行動作に似た2足歩行運動形態を実現出来る。 For example, it is clear when climbing up and down stairs and hills, walking on uneven parts, and crouching, but by keeping the hips absolutely horizontal, it is possible to realize a bipedal locomotion pattern that more closely resembles human bipedal walking .
ロボットの起立及び2足歩行を行うための重心移動制御は、頭部に設置された3軸加速度センサーで検出される位置変移量により行う。 The center-of-gravity movement control for standing up the robot and walking on two legs is performed by the amount of position shift detected by a triaxial acceleration sensor installed on the head.
これは、ロボットの重心軸を含んでいる頭部、胸部、腹部及び腰部のうち、起立及び2足歩行時において、腰部の軸の延長線と地面との交点に対し、頭部が最も変移量の大きな箇所であり、特に2足歩行時に常時変化する位置移動量の検出と制御を行う際、加速度センサーによる同一時間での位置変移検出が最大量得られる利点があるためである。 This is because, among the head, chest, abdomen, and hips that include the center of gravity axis of the robot, when the head is standing and biped walking, the head is the most displaced relative to the intersection of the extension line of the waist axis and the ground. This is because, in particular, when detecting and controlling a position movement amount that constantly changes during biped walking, there is an advantage that the maximum amount of position shift detection can be obtained at the same time by the acceleration sensor.
すなわち、両脚の動作による2足歩行時に、腰部の軸が常に地面の絶対水平面に対し垂直を保持するように姿勢制御を行う構造を持ち、頭部と両腕が接続された胸部と腹部を、腰部に対して任意に回転及び前後移動可能なロボット構造にすることにより、より自然なヒトの2足歩行動作を実現させることができる。 That is, when walking on two legs by the movement of both legs, it has a structure that performs posture control so that the axis of the lumbar portion is always kept perpendicular to the absolute horizontal plane of the ground, and the chest and abdomen where the head and both arms are connected, By using a robot structure that can arbitrarily rotate and move back and forth with respect to the waist, a more natural human bipedal walking motion can be realized.
前述した通り、本発明の構造と重心移動構造を有するロボットを、本発明である重心移動方法により制御することで、よりヒトの2足歩行運動に近い歩行運動が実現できることを、以下に記す。 As described above, it will be described below that a walking motion closer to a human bipedal walking motion can be realized by controlling the robot having the structure of the present invention and the center of gravity moving structure by the center of gravity moving method of the present invention.
起立時には、両脚は、腰部及び上体の重量を支える強度が必要なのは自明である。 Obviously, when standing, both legs need strength to support the weight of the waist and upper body.
このときの起立とは、ロボットの両脚と、前述した腰部の軸、腹部の軸及び脚部の軸が、全て前述の腰の軸に対して平行もしくは一致する状態、すなわち脚の各関節が伸びきった基準起立状態で、腰部、腹部、胸部及び胸部筐体内のバランサーとスタビライザーを移動させるアクチュエーターの位置が胸部の軸もしくは胸部の軸を含む中心線上にある基準状態であることをいう。 Standing up at this time is a state in which both legs of the robot and the above-mentioned waist axis, abdominal axis and leg axis are all parallel or coincide with the above-mentioned waist axis, that is, each joint of the leg extends. It means that the position of the actuator for moving the balancer and stabilizer in the waist, abdomen, chest, and chest housing is in the reference state in which the position of the actuator for moving the balancer and stabilizer is on the center line including the chest axis or the chest axis.
これは、ロボットの重心に対して、ロボットの進行方向に対し前後と左右方向各々についての力のモーメントが一致し、均衡が保たれている状態である。 This is a state in which the moment of force in each of the front and rear directions and the left and right directions with respect to the direction of movement of the robot is in agreement with the center of gravity of the robot, and the balance is maintained.
前記ロボットの重心は、ロボットの脚底部の形状や、ロボット内各部の構造や構成及び重量配分により異なる。 The center of gravity of the robot varies depending on the shape of the bottom of the robot, the structure and configuration of each part in the robot, and the weight distribution.
本発明におけるスタビライザーは、ロボット全体重量のうち大きな割合を占める駆動用バッテリーであるバランサーによる重心移動を補助する2つの機能を有するが、それについて以下に述べる。 The stabilizer in the present invention has two functions for assisting the movement of the center of gravity by a balancer, which is a driving battery that accounts for a large proportion of the total weight of the robot, which will be described below.
1つ目の機能は、前述した起立及び2足歩行時での、進行方向前後に対してのロボット全体の重心の確保である。 The first function is to secure the center of gravity of the entire robot with respect to the forward and backward directions in the above-described standing and bipedal walking.
2足歩行運動において大きな部分を占めるのは、前進歩行時である。 A large part of the bipedal movement is during forward walking.
本発明のロボット構造では、よりヒトの2足歩行運動に近づけるため、腰部の軸を常に地面の絶対水平面に対して垂直を保持する動作を行う。 In the robot structure of the present invention, in order to make it closer to a human bipedal movement, an operation is performed in which the axis of the waist is always kept perpendicular to the absolute horizontal plane of the ground.
ところが、前進歩行運動を開始するために、他方の片脚を前方に上昇させ腰部を前進させた瞬間、バランサーを設置したロボットの重心を担う上体が取り残されるため、進行方向後ろ方向に転倒する可能性が生じる。 However, in order to start the forward walking movement, the upper body that bears the center of gravity of the robot with the balancer is left behind at the moment when the other leg is raised forward and the waist is advanced, so it falls backward in the direction of travel. A possibility arises.
これは例として、自重の半分程の重さの荷物を抱えた人が、台車に飛び乗る際に安定して乗り切れず進みだす台車に脚だけもっていかれ、荷物ごと後方に転倒する場合に類似している。 For example, this is similar to the case where a person carrying a baggage about half the weight of his / her own weight has only a leg on the dolly that can not get over stably when jumping on the dolly, and falls with the baggage backward. Yes.
このため、2足歩行時の前後基準となる腰部に対して、上体の重心位置を前進させる必要があり、これは腰部との接続部分に対し、胸部が付属及び追従する腹部を前傾させる。 For this reason, it is necessary to advance the center of gravity position of the upper body with respect to the lumbar part, which is the front-rear reference during biped walking, and this tilts the abdomen that the chest is attached to and follows the connection part with the lumbar part. .
特に高速な2足歩行を頻繁に行う2足歩行ロボットでは、より迅速な重心移動が必要となるため、バランサーの位置も、胸部筐体内においてなるべく前方へ設置することが好ましい。 In particular, in a biped robot that frequently performs high-speed bipedal walking, it is necessary to move the center of gravity more quickly. Therefore, it is preferable to install the balancer as far as possible in the chest housing.
本発明では、胸部筐体内において進行方向前方にバランサーとして駆動用バッテリーを搭載するが、前述のように進行方向前向きへの迅速な2足歩行運動を主とする2足歩行ロボットの構成としては妥当であるといえる。 In the present invention, a driving battery is mounted as a balancer in the front of the traveling direction in the chest housing. However, as described above, it is appropriate as a configuration of a biped walking robot mainly for rapid bipedal walking motion forward in the traveling direction. You can say that.
なぜなら、より自然なヒトの2足歩行動作を実現させることが目的であり、進行方向後ろ向きへの常時迅速な2足歩行運動が発生する場合は少ないからである。 This is because it is intended to realize a more natural human bipedal movement, and there are few cases where a bipedal movement that is always rapid backward in the traveling direction occurs.
このとき、スタビライザーを胸部筐体内で上下動させることにより、ロボットの前後方向の重心移動をより効果的に行うことも可能となる。 At this time, it is possible to move the center of gravity of the robot in the front-rear direction more effectively by moving the stabilizer up and down within the chest housing.
スタビライザーは、2足歩行時のロボットの重心調整を行う。 The stabilizer adjusts the center of gravity of the robot when walking on two legs.
起立時においては、前記バランサーの重量により、ロボット全体の重心も前方に移動することになるため、スタビライザーの存在はロボットの起立時における安定した重心の確保に寄与する。 At the time of standing up, the center of gravity of the entire robot moves forward due to the weight of the balancer. Therefore, the presence of the stabilizer contributes to securing a stable center of gravity at the time of standing up of the robot.
前述した説明内容が、スタビライザーの1つ目の機能である。 The above-described explanation is the first function of the stabilizer.
次にスタビライザーの2つ目の機能を説明する。 Next, the second function of the stabilizer will be described.
2つ目の機能は、前述した起立及び2足歩行時での、進行方向左右に対しての重心の確保についての役割である。 The second function is a role of securing the center of gravity with respect to the left and right in the traveling direction during the above-described standing and bipedal walking.
2足歩行時の片脚が浮いた状態において、従来の技術のようにロボット全体もしくは上体を一方向に傾けることなく、よりヒトの2足歩行状態に近づけるために、胸部筐体内に設置されたバランサーを含む胸部を、腰部や腹部に対して回転させるか、前記バランサーを胸部筐体内で移動させるが、スタビライザーも同方向に移動させることにより、バランサーによる重心移動効率を向上させることも兼ね備えている。 In a state where one leg floats when walking on two legs, it is installed in the chest housing in order to make it more like a human biped walking state without tilting the whole robot or upper body in one direction as in the prior art. Rotate the chest including the balancer with respect to the waist and abdomen, or move the balancer within the chest housing. Yes.
前述した説明内容が、スタビライザーの2つ目の機能である。 The above-described explanation is the second function of the stabilizer.
尚、進行方向後ろ向きに2足歩行動作を行う際にも、バランサーとスタビライザーの関係がほぼ逆になると考えても問題ない。 It should be noted that there is no problem if the balancer and the stabilizer are substantially reversed in relation to the biped walking motion backward in the traveling direction.
このように、頭部に設置された3次元加速度センサーにより検出した位置移動量から、前後及び左右成分に分割し、それぞれの方向成分に対して固有の可動部分を制御し重心移動補正を行うのが、本発明にかかる重心移動方法である。 In this way, the position movement amount detected by the three-dimensional acceleration sensor installed on the head is divided into the front and rear and left and right components, and the center of gravity is corrected by controlling the specific movable part for each direction component. Is the center of gravity movement method according to the present invention.
本発明にかかる重心移動方法では、ロボットの進行方向に対し前後の重心移動は、腰部に対する腹部の前傾もしくは後傾姿勢か、接地脚の脚関節に相当する可動部のアクチュエーターにより行う。 In the center-of-gravity movement method according to the present invention, the front-rear center-of-gravity movement with respect to the moving direction of the robot is performed by the abdomen forward or backward tilt with respect to the waist or by the actuator of the movable part corresponding to the leg joint of the ground leg.
またロボットの進行方向に対し左右の重心移動は、腹部との接続部分を中心とする胸部の左右方向へのアクチュエーターによる回転動作、もしくは腹部との接続部分を軸とする胸部のアクチュエーターによる左右方向への回転動作と胸部筐体内でのバランサーとスタビライザーのアクチュエーターによる左右方向への回転動作を行うことにより行う。 The center of gravity movement to the left and right with respect to the direction of movement of the robot can be rotated by an actuator to the left and right of the chest centering on the connection part with the abdomen, or to the left and right by the actuator of the chest centering on the connection part with the abdomen. This is done by rotating in the left and right directions by the balancer and stabilizer actuators in the chest housing.
本節の冒頭で述べた、トルクを検知しモーターにフィードバックする機能を有する、特に前記股関節及び脚関節、及び腹部と胸部間に使用するアクチュエーターは、上記バランサーとスタビライザーの回転時の慣性力による、地面に対してのロボットの筐体自体の過誤動作を抑制制御し、より安定した重心移動を行うために重要となる。 The actuator used between the hip and leg joints, and the abdomen and chest, which has the function of detecting torque and feeding back to the motor, described at the beginning of this section, is based on the inertial force during rotation of the balancer and stabilizer. It is important to suppress the erroneous operation of the robot housing itself and to move the center of gravity more stably.
前述の重心移動方法により、2足歩行時の片脚が浮いた状態において、従来の技術のようにロボット全体もしくは上体を一方向に傾けることなく、よりヒトの自然な歩行運動に近い2足歩行運動を行うことが出来る。 Two legs closer to a natural human walking motion without tilting the whole robot or upper body in one direction as in the prior art when one leg floats when walking on two legs by the above-mentioned center of gravity movement method. Can perform walking exercise.
本発明にかかる2足歩行ロボットによれば、腰部の絶対水平維持制御と、腹部及び胸部の可動構造と、胸部筐体内で可動するバランサー及びスタビライザーと、接地側の足関節部の可動構造により、迅速で効果的な重心移動と、より自然な形態で安定した姿勢制御を行った2足歩行運動が実現出来る。このとき、腰部を絶対水平に保持しながら、頭部に接地した3軸加速度センサーにより検出した位置移動量成分を、進行方向前後及び左右方向に分解し、前後方向の重心移動は、上体の前傾もしくは後傾姿勢か、接地側の足関節部の可動により行い、左右方向の重心移動は、腹部を軸に胸部の左右方向への回転動作及び胸部筐体内のバランサーとスタビライザーの位置移動により行うことにより、よりヒトの2足歩行運動に近い歩行運動が実現できる。 According to the biped walking robot according to the present invention, by the absolute horizontal maintenance control of the waist, the movable structure of the abdomen and the chest, the balancer and stabilizer movable in the chest housing, and the movable structure of the foot joint part on the ground side, A bipedal walking motion that performs quick and effective gravity center movement and stable posture control in a more natural form can be realized. At this time, the position movement amount component detected by the three-axis acceleration sensor grounded on the head is decomposed in the forward and backward direction and the left and right direction while holding the waist horizontally, and the center of gravity movement in the front and rear direction is The position of the center of gravity in the horizontal direction is moved by the rotation of the chest in the horizontal direction around the abdomen and the movement of the balancer and stabilizer in the chest housing. By doing so, it is possible to realize a walking motion that is closer to a human biped walking motion.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を述べる。尚、以下の説明では、同一機能部分については同一符号を付して重複説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same function parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本発明の一実施例(実施例1)の形態を、図34〜図47を参照しながら説明する。本実施例1では、主に2足歩行ロボット1の連続した2足歩行時の左右の重心移動について述べる。特に、歩行動作終了時に必ず両足が接地して停止する2足歩行運動を行うロボットを対象とした、重心移動装置及び重心移動方法に関するものである。
The form of one Example (Example 1) of this invention is demonstrated referring FIGS. 34-47. In the first embodiment, the left and right center-of-gravity movement when the
図34は、本発明にかかる2足歩行ロボット1の、脚部の軸37、腰部の軸38、腹部の軸39、胸部の軸40を説明するための図である。図34は、左から、2足歩行ロボット1の正面図、2足歩行ロボット1の側面図を表している。図34において、脚部の軸37は、絶対水平面に垂直でかつ両脚の各重心を通るものとする。前記両脚の付け根は、具体的には、腰部4で固定され、両脚の大腿部と接続し動作させるためのアクチュエーターの辺りに該当する。
FIG. 34 is a view for explaining the
図34における、地面36上に起立した2足歩行ロボット1の脚部の軸37に平行な腰部の軸38、腹部の軸39及び胸部の軸40は、図34左の正面図では各々ロボットの正中線と重なっているが、図34右の側面図では重なっていない。本発明にかかる2足歩行ロボット1は、その構成によっては前述のような各部の重心が一致しない場合も生ずるが、後述する重心移動装置及び重心移動方法により、より自然な2足歩行を提供する。
34, the
図35〜図46は、本発明にかかる、重心移動装置を有する2足歩行ロボット1及び重心移動方法を説明するための図である。以下、各図面を参照しながら、順次説明を述べる。
FIGS. 35 to 46 are views for explaining the
図35は、本発明にかかる重心移動装置を有する2足歩行ロボット1の正面図である。2足歩行ロボット1は、頭部6と腕部7が接続された胸部2、腹部3、腰部4及び脚部5により構成されている。
FIG. 35 is a front view of the
2足歩行ロボット1は、胸部2の筐体内に、アクチュエーターの可動部を軸に可動するバランサー及びスタビライザー41を搭載する。以下、2足歩行時の2足歩行ロボット1の、バランサー及びスタビライザー41を用いた重心移動について、簡単なモデルを用いて説明を行う。
The
図36は、図35で述べた2足歩行ロボット1の各部の構成と重量を簡単に示したものである。本発明にかかる2足歩行時の重心移動モデルについては、図36における脚部5を駆動させるロボットの股関節部分45を基準に説明を行う。
FIG. 36 simply shows the configuration and weight of each part of the
図36において、2足歩行ロボット1は、バランサー42、スタビライザー43、ロボットの上体の筐体部分44、ロボットの股関節部分45及び脚部5により構成される。ロボットの上体の筐体部分44は、2足歩行ロボット1の、頭部6、腕部7、胸部2からバランサー42及びスタビライザー43を除いた胸部筐体部分、腹部3及び腰部4からロボットの股関節部分45を除いた筐体部分からなる。尚、腰部4からロボットの股関節部分45を除いた筐体部分は下肢に分類されるが、ロボットの股関節部分45にかかる重量に含まれるため、図35〜図46より、本発明にかかる、重心移動装置を有する2足歩行ロボット及び重心移動方法を説明する際には、ロボットの上体の筐体部分44に含めることとする。
In FIG. 36, the
ロボットの股関節部分45は、腰部4の筐体に固定されたアクチュエーターにより構成されるが、構成上、2足歩行ロボット1の重量全体に占める割合は小さいので、図36に示すように、ロボット全体からみる重量比は無視できると近似する。
The
図37は、図36におけるバランサー42及びスタビライザー43を結合したものである。本発明にかかる2足歩行時の左右の重心移動に際し、バランサー及びスタビライザー41は、2足歩行ロボット1全体からみると、同じ効果を与える機能を有するためである。
FIG. 37 is a combination of the
以下、各部の重量を、各部の重心における質点とみることで、質点による重力及び基準点からの距離を含めたモーメントにより、説明を行う。 Hereinafter, the weight of each part is regarded as a mass point at the center of gravity of each part, so that the description will be given by the moment including the gravity due to the mass point and the distance from the reference point.
図38は、図37で定義及び説明を行った、2足歩行ロボット1の起立状態における、バランサー及びスタビライザー41の正面から見た質点47、上体の筐体部分44の正面から見た質点48及び脚部の正面から見た質点49を示したもので、単純に各部分の中心に各部分の質量が集まったものとして考えている。図38に示す各部分の質点は、両脚部の軸37上もしくはロボットの正中線上に存在するとし、腰部の軸38、腹部の軸39及び胸部の軸40について左右対称となっており、バランスが保たれ起立動作が継続される。
FIG. 38 shows a
また、後述の説明に必要な、脚部の高さ51と、ロボットの股関節部分45からバランサー及びスタビライザー41の高さの中間部分、本モデルではバランサー及びスタビライザーの正面から見た質点47までの高さをバランサー及びスタビライザーの高さ50とする。尚、前述のとおり、バランサー42及びスタビライザー43は、2足歩行ロボット1の重心移動に、同じ効果を与える機能を有するため、重心移動の機能説明を行う際に、股関節部分から各々の中間部分までの距離を等しく仮定しても問題はない。
In addition, the
図39は、2足歩行時の2足歩行ロボット1の片脚接地時における左右の重心の不釣り合いを簡単に説明するための図であり、図38で説明した各部の正面から見た質点を、正面から見たロボットの腰部の軸38、腹部の軸39及び胸部の軸40について左右に分割したものである。図39において、バランサー及びスタビライザー41の正面から見た質点47は、浮いている脚側のバランサー及びスタビライザーの質点52と接地脚側のバランサー及びスタビライザーの質点53に、上体の筐体部分の正面から見た質点48は浮いている脚側の上体の筐体部分の質点54と接地脚側の上体の筐体部分の質点55に、左右の脚部の正面から見た質点49は、浮いている脚の質点56と脚部の正面から見た質点49に分割される。また図39について、各部分において、質量により質点部分にかかる力を、バランサー及びスタビライザーの質点による重力57、上体の筐体部分による重力58、脚部による重力59とする。
FIG. 39 is a diagram for simply explaining the unbalance between the center of gravity of the left and right when the one-legged ground of the
加えて、以下の説明において、図40に示すように、ロボットの股関節部分45を地面に水平な線分とみなし、浮いている側の脚部の軸37との交点を、浮いている脚側の股関節部60とし、接地側の脚部の軸37との交点を接地脚側の股関節部61とし、ロボット正面から見た両股関節部から腰部の軸38までの距離をw62とする。
In addition, in the following description, as shown in FIG. 40, the hip
尚、本発明にかかる実施例1における説明では前記ロボット正面から見た両股関節部から腰部の軸38までの距離w62は、限りなく0に近い値として考えている。
In the description of the first embodiment according to the present invention, the distance w62 from both hip joint portions to the
図40に示すように、浮いている脚側の股関節部60からみた重力は、前述したとおり、バランサー及びスタビライザーの質量による重力57、上体の筐体部分による重力58及び脚部による重力59のそれぞれの片側分となる。ここで、接地脚側の股関節部61では、接地脚部による重力59は接地しているので地面からの反作用により打ち消される。すると、図40に示すように、股関節部45からみた脚部による重力59は、浮いている脚側の股関節部60にのみかかる重力となり、このときロボットの左右股関節部について、重力のかかりかたが左右非対称となる。ここで、股関節部分45が、前述のとおり自重を無視出来かつ十分な剛性があると近似すると、図41に示すように、浮いている脚側の股関節部60にかかる重力は、そのまま接地脚側の股関節部61に上向きの力としてはたらく。これは図42に示すように、接地脚側の股関節部61を支点とした第3種てことして考えることも出来る。図41の接地脚側の股関節部61にはたらく上向きの力63のうち、同接地脚側の股関節部61にかかる下向きの力であるバランサー及びスタビライザー41の質点による重力57及び上体の筐体部分による重力58の片側分により打ち消されるが、浮いている側の脚の質点56による脚部による重力59は打ち消されず残っていると考えられる。
As shown in FIG. 40, the gravity viewed from the floating
よって、図42に示すように、浮いている脚側の股関節部60にかかる脚部による重力59により、接地脚側の股関節部61にロボットの正中方向にはたらくモーメント64が発生する。
Therefore, as shown in FIG. 42, a
以下、接地脚側の股関節部にロボットの正中方向にはたらくモーメント64による接地脚46の自然転倒を改善するための方法を述べる。
Hereinafter, a method for improving the natural fall of the
すなわち、図43に示すように、2足歩行時において発生した、浮いている脚側の股関節部60にかかる脚部による重力59を打ち消すような重力65を、接地脚側の股関節部61にさらに下向きに発生させるか、もしくは浮いている脚側の股関節部60にかかる脚部による重力59と同等の外力を、接地脚側の股関節部61からロボット外側方向に発生させれば良い。これにより接地脚側の股関節部にロボットの正中方向にはたらくモーメント64とロボット外向きに発生するモーメント77による、接地脚46を支点とした釣り合いにより自然転倒しないように改善することが出来る。本実施例1での2足歩行ロボット1の有する重心移動装置は、浮いている脚側の股関節部60にかかる脚部による重力59を打ち消すような重力65を、さらに接地脚側の股関節部61に下向きに発生させることを目的としたものである。
That is, as shown in FIG. 43,
図44は、バランサー及びスタビライザー41の、胸部2筐体内で接地脚46側への移動を表す図である。バランサー及びスタビライザー41の幅をW66とする。図44に示すように、バランサー及びスタビライザー41を接地脚46側にdW67移動させると、ロボット各部の質点は図45のように変化する。
FIG. 44 is a diagram illustrating movement of the balancer and
本発明にかかる2足歩行ロボット1の胸部2筐体は、その外転によりロボット正面から見た腰部の軸38、腹部の軸39及び胸部の軸40について、左右対称状態を大きくはずれることはないので、両股関節部にかかる重力はほぼ等分に分割されると考えられる。図45に示すように、バランサー及びスタビライザー41は胸部2の筐体内で単独で接地脚46側に移動することで、バランサー及びスタビライザー41の質点のみ、より接地脚側の股関節部61よりに移動することになる。このとき、バランサー及びスタビライザー41全体の質量をMbsとすると、浮いている脚側のその質量は次式で表される分だけ減少する。
The
また、接地脚46側の質量は、次式で表される分だけ増加する。
Further, the mass on the
各部にかかる重力を、てこの原理より両脚部の軸37上に換算して示したものを、図46に示す。図46において、浮いている脚側の脚部の軸37とバランサー及びスタビライザー41の質点を通る水平線との交点を、浮いている脚側の股関節上部68とし、接地脚46側の脚部の軸37とバランサー及びスタビライザー41の質点を通る水平線との交点を、接地脚側の股関節上部69とする。バランサー及びスタビライザー41の接地脚46側への移動により、接地脚側の股関節上部69にかかる下向きの重力70は、前記図39で示したバランサー及びスタビライザーによる重力57よりも増加する。これに反し、浮いている脚側の股関節上部68にかかる下向きの重力は、前記図39で示したバランサー及びスタビライザーの質点による重力57よりも減少する。尚、前記移動により、バランサー及びスタビライザー41の端が、浮いている脚側の脚部の軸37からロボット正中線方向に外れる場合、浮いている脚側の股関節上部68に下向きにかかる重力72は、図46に示すように、てこの原理によりバランサー及びスタビライザーの移動後の浮いている脚側の質点による重力71(前記[数1]に示したMbs×(1−2dW/W))よりもさらに減少する。
FIG. 46 shows the gravity applied to each part converted on the
これは、本発明にかかる2足歩行ロボット1の重心移動装置であるバランサー及びスタビライザー41の接地脚46側への移動により、両股関節上部の質量による下向きにかかる質量差が、次式で表される量以上生じるということである。
This is expressed by the following equation as a mass difference applied downward due to the mass of the upper part of both hip joints due to the movement of the balancer and the
前述の内容に加え、連続した2足歩行時には、図47に示すように、バランサー及びスタビライザー41の胸部2筐体内での移動による遠心力73が発生する。これは、バランサー及びスタビライザー41がアクチュエーターを介し胸部2筐体に接続されていることにより、バランサー及びスタビライザー41による慣性力がロボット全体に伝播するからである。バランサー及びスタビライザーの質量による重力57と、ロボット外向きに発生する、バランサー及びスタビライザーの移動による遠心力73との合力74が、バランサー及びスタビライザーの質点47から接地脚46側下方外向きに向かってはたらく。これにより、ロボット正中線から接地脚46側に、前記従来の技術で述べた倒立振り子運動歩行時と同様の力がはたらく(特許文献6及び特許文献7参照。)。
In addition to the above-described content, during continuous bipedal walking, as shown in FIG. 47,
これら質点による重力と遠心力による接地脚46にかかるロボット下向きの力が、前述の課題点の原因であった、接地脚側の股関節部61に上向きにかかる浮いた脚側の股関節部にかかる脚部による重力59相当以上であれば良い。
The downward force of the robot applied to the
尚、バランサー及びスタビライザー41を可動させるアクチュエーター自体の、ロボットの正中線に対しての左右非対称性は考慮から除外しているが、その全体に占める質量の割合が小さいことと、アクチュエーターの配置と形状により改善することが出来る可能性が大きいことから問題はないとする。
Note that the left-right asymmetry of the actuator itself for moving the balancer and
本発明の一実施例(実施例2)の形態を、図48〜図52を参照しながら説明する。本実施例2では、主に2足歩行ロボット1の、前述したロボット外側への慣性力を利用できない低速歩行時もしくは片脚を浮かせて静止した不安定状態での左右の重心移動について述べる。前記実施例1で述べた、接地脚側の股関節部にロボットの正中方向にはたらくモーメント64による接地脚46の自然転倒を改善するための後者の改善策で、ロボットの低速歩行時もしくは片脚を浮かせて静止した不安定状態で、脚部の軸37上での質点の左右の完全な均衡を実現するための方法である。すなわち、図43に示すように、2足歩行時において発生した、浮いている脚側の股関節部60にかかる脚部5の質量による重力59を打ち消すような重力65と同等の外力として、接地脚側の股関節部61を中心としてロボット外側に発生するモーメント77を発生させれば良い。
The form of one Example (Example 2) of this invention is demonstrated referring FIGS. 48-52. In the second embodiment, the left and right gravity center movements of the
本実施例では、バランサー及びスタビライザー41の移動により発生させた新たなモーメント77により、接地脚側の股関節部61について、接地脚側の股関節部にロボットの正中方向にはたらくモーメント64が残らないような重心移動及び重心整合について、ロボット正面から見た各股関節部から腰部の軸38までの距離w62を含めて考慮する必要がある。本発明にかかる実施例2では特に、片脚を浮かせて静止した状態を想定している。
In this embodiment, the
図48は、バランサー及びスタビライザーの正面から見た質点47を、接地脚46側の脚部の軸37よりもロボット外側に移動させた状態を示す図である。図48は、片脚を浮かせて静止した状態における、2足歩行ロボット1の重心の不釣り合いを簡単なモデルで説明するための図である。
FIG. 48 is a diagram illustrating a state where the
以下、説明を行うにあたり、前述の、バランサー及びスタビライザー41の幅W66、各股関節部から腰部の軸38までの距離w62に加え、上体の筐体部分の正面から見た質点48をmu75、浮いている脚の質点56をmf76、接地脚側の股関節部からバランサー及びスタビライザー中間部までの高さ50をH78、脚部の高さ51をL79とする。図48に示すように、片脚を浮かせて静止した状態では、ロボットの股関節部分45と腰部の軸38との交点であるロボットの股関節の中心部には質点mu75、浮いている脚側の股関節部60には質点mf76による重力がかかると考える。
Hereinafter, in the description, in addition to the above-described width W66 of the balancer and
このとき、接地脚側の股関節部61を支点として考えると、距離2w62離れた位置にmf76による下向きの重力、距離w62離れた位置にmu75による下向きの重力がそれぞれかかっている。よって、接地脚側の股関節部61について、以下の[数4]で表される浮いている脚の質点56によるモーメントと、以下の[数5]で表される上体の筐体部分の正面から見た質点48によるモーメントが発生する。
At this time, when the hip joint 61 on the grounding leg side is considered as a fulcrum, downward gravity by mf76 is applied to a position separated by a distance 2w62, and downward gravity by mu75 is applied to a position separated by a distance w62. Therefore, with respect to the hip joint 61 on the grounding leg side, the moment due to the
バランサー及びスタビライザーの正面から見た質点47が、股関節上部69からロボット外側にモーメントの釣り合う状態まで距離をWo84移動したとする。接地脚側の股関節上部69上におけるバランサー及びスタビライザー41の左右対称な部分80の重量は相殺するため、バランサー及びスタビライザー41は、図49に示すように、前記左右対称な部分80とロボット外側に過剰にはみ出した部分81に分割して考えることができる。接地脚側の股関節部61を支点としたとき、実質的なモーメントに寄与する部分は、ロボット外側に過剰にはみ出した部分81となる。ここで、前記バランサー及びスタビライザー41のロボット外側に過剰にはみ出した部分81の正面から見た中心をその質点82、ロボット外側に過剰にはみ出した幅をWm83とする。
It is assumed that the
以下、接地脚46側の脚部の軸37と接地脚側の股関節部61を基準に、新たに発生させるロボット外側に発生するモーメント77を考え、その後、接地脚46側の脚部の軸37と36との交点を基準にモーメントの釣り合いを考える。
Hereinafter, a
バランサー及びスタビライザー41を接地脚46側の脚部の軸37に対しロボット外側にWo移動させた時に、接地脚46側の脚部の軸37よりロボット外側に過重量として発生する、バランサー及びスタビライザー41の幅Wmは、以下の[数6]で表される
When the balancer and
図50は、接地脚側の脚部の軸上で、てこの原理よりモーメントの釣り合いを説明するための図である。図50より、片脚を浮かせて静止した状態における、2足歩行ロボット1のモーメントの釣り合いを簡単なモデルで説明する。
FIG. 50 is a view for explaining the balance of moments based on the lever principle on the axis of the leg portion on the grounding leg side. From FIG. 50, the balance of moments of the
接地脚側の股関節部61上高さHの点において、バランサー及びスタビライザーのロボット外側に過剰にはみ出した部分の質点82による、ロボット外側での質点によるモーメント77は、以下の[数7]で表される。
The
接地脚46側の脚部の軸37と36との交点を基準とし第2種のてことして考えたとき、接地脚側の股関節部61における、前記[数7]で表されるモーメントは、以
下の[数8]で表される量に相当する。
When considered as a second type lever based on the intersection of the
接地脚側の股関節部61において、前記[数4]と[数5]の和が前記[数8]と釣り
合うことにより、バランサー及びスタビライザーの正面から見た質点47が、接地脚側の脚部の軸からロボット外側にモーメントの釣り合う状態まで移動した距離Wo84は、以下の[数9]で表される。
In the hip
このとき、脚部の軸37からロボット外側に向けてバランサー及びスタビライザー41がはみ出している最大量Wmax85は、以下の[数10]で表される。
At this time, the maximum amount Wmax85 that the balancer and the
これが、前記実施例1で述べた脚部の軸37上で、ロボットの低速歩行時もしくは片脚を浮かせて静止した不安定状態で左右の完全なバランス保持を実現するための、バランサー及びスタビライザーの正面から見た質点47のロボット左右方向片側の最大の移動量である。
This is a balancer and stabilizer for realizing a perfect balance between the left and right in the unstable state where the robot is walking at low speed or in an unstable state with one leg floating on the
前記脚部の軸37からロボット外側に向けてバランサー及びスタビライザーがはみ出している最大量であるWmax85が、ロボットの股関節部分45の幅に対しての上体、特に胸部2、もしくは胸部2と腹部3筐体内の必要最小限な空隙幅となり、Wmax85の値が本発明にかかるロボットの外見に大きな影響を及ぼすことは自明である。
Wmax 85, which is the maximum amount of the balancer and stabilizer protruding from the
概算の一例では、全体重量3,6kg程度(筐体重量1.2kg程度)、高さ35〜45cm程度(これはロボットの体型と構成する筐体や部材により、ある程度の範囲に設定可能であると考える)、両股関節幅16cm及びバランサー及びスタビライザーの横幅10cm程度を想定した2足歩行ロボットで、Wmax85は6cm弱である。これは、ロボットの筐体の外郭構造や、脚部2の重心設計及び駆動用バッテリー及びスタビライザー41の重量密度や形状により、ヒトの体型を実現するにあたり現実的な値であると考える。また前述の各要素は、本発明にかかる2足歩行ロボット1を設計する上での重要な要素の一つとなる。
In an approximate example, the overall weight is about 3.6 kg (case weight is about 1.2 kg) and the height is about 35 to 45 cm (this can be set within a certain range depending on the body shape of the robot and the case and members constituting the robot. It is a biped walking robot that assumes a hip joint width of 16 cm and a lateral width of the balancer and stabilizer of about 10 cm. Wmax85 is less than 6 cm. This is considered to be a realistic value for realizing the human body shape by the outer structure of the robot housing, the design of the center of gravity of the
尚、本発明にかかる重心移動装置を有する2足歩行ロボット1の駆動用バッテリー及びスタビライザーのロボット正面から見た形状は、図52に示すものよりも図51に示すような、横方向の構造幅W66のより狭い形状のものが、前記Wmax85の値の小さい、棒型の2足歩行ロボット1を構成できることを補足しておく。
It should be noted that the shape of the driving battery and stabilizer of the
本発明の一実施例(実施例3)の形態を、図53〜図60、図1〜図13及び図33を参照しながら説明する。図53〜図60では、2足歩行ロボット1の可動部分で用いるアクチュエーターについての説明を行う。また図1〜図13では、前記アクチュエーターを各可動部分に用いた2足歩行ロボット1の構成例と、前記ロボットの重心移動による2足歩行について述べる。図33では、本発明にかかる重心移動装置を有する2足歩行ロボット1による、本発明にかかる重心移動方法についてまとめる。
The form of one Example (Example 3) of this invention is demonstrated referring FIGS. 53-60, FIGS. 1-13, and FIG. 53 to 60, the actuator used in the movable part of the
まず2足歩行ロボット1の可動部分で用いるアクチュエーターについて述べる。本実施例3では、本発明にかかる2足歩行ロボット1の可動部分で用いるアクチュエーターとして、軸回転型アクチュエーターである、ラジコン用サーボモーターを用いる。前記ラジコン用サーボモーターは、アナログサーボモーターもしくはデジタルサーボモーターである。
First, the actuator used in the movable part of the
図53は、ラジコン用サーボモーターの図である。図53において、サーボモーター8は、サーボケース9とサーボケース9内部のモーターとギアにより制御され回転するドライブシャフト11により構成されている。ドライブシャフト11にはサーボホーン10が取り付けられ、このサーボホーン10が接続された2足歩行ロボット1の可動部分が動く。
FIG. 53 is a diagram of a servo motor for radio control. In FIG. 53, the
図54は、図53で示したラジコン用サーボモーターのドライブシャフト11を垂直にみた図である。図55に示すようにドライブシャフト11のもう一方の端部にサーボホーン10を接続する場合もある。図54と図55で示したサーボモーター8の、本発明による実施例での表記を図56に示す。図56に示すサーボモーター8では、サーボホーン10の表記を省略している。
FIG. 54 is a view of the
図57は、2足歩行ロボット1の可動部分の一例を示した図である。図57において、2足歩行ロボット1の可動部分である筐体XA13、XB14と筐体Y15は、サーボモーター8を介し接続され可動する。筐体XA13及び筐体XB14は、ビス12によりサーボモーター8のサーボホーン10に接続されている。筐体Y15はビス12によりサーボケース9に接続されている。同図において、筐体XA13と筐体XB14は、サーボモーター8のドライブシャフト11の回転軸を中心に、筐体Y15に対して同方向に可動する。
FIG. 57 is a diagram illustrating an example of a movable part of the
以下、図57で示した2足歩行ロボット1のアクチュエーターによる可動部分を、図58のように簡略化したサーボモーター8、筐体XA13,筐体XB14及び筐体Y15で示すことにする。
Hereinafter, the movable part by the actuator of the
図59は、図57で示した2足歩行ロボット1の可動部分の一例を、ドライブシャフト11方向に、筐体XA13側をみた図である。
FIG. 59 is a diagram of an example of the movable part of the
以下、図59で示した2足歩行ロボット1のアクチュエーターによる可動部分を、図60のように簡略化したサーボモーター8、筐体XA13,筐体XB14及び筐体Y15で示すことにする。
Hereinafter, the movable part by the actuator of the
以下、図1〜図13を用いて、前述したアクチュエーターを各可動部分に用いた2足歩行ロボット1の構成例と、前記ロボットの重心移動による2足歩行について述べる。
Hereinafter, a configuration example of the
図1は、本発明にかかる2足歩行ロボット1の正面からみた構成の一例を、前記図58及び図60の表記を用いて示した図である。図1において、2足歩行ロボット1は、前出の頭部6、胸部2、腹部3、腰部4に加え、胸部2のヒトの肩関節部に相当する可動部分で接続された上腕部16と、前記上腕部16に接続された前腕部17と、前記前腕部17に接続された手部18と、前記腰部4にヒトの股関節部に相当するロボットの股関節部分45で接続された大腿部19と、前記大腿部19に接続された下腿部20と、前記下腿部20に接続された足部21と、各接続部分で可動するアクチュエーターであるサーボモーター8と、前記アクチュエーターの駆動用バッテリーであるバランサー42と、駆動用バッテリーもしくは補助錘であるスタビライザー43と、前記バランサー42及びスタビライザー43の位置移動用のアクチュエーターであるサーボモーター8及び頭部6と腰部4に設置された3軸加速度センサー22から構成される。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration viewed from the front of a
特に、足関節もしくは股関節もしくは前記両関節部と、胸部2と腹部3間のサーボモーター8は、トルク感知制御機能をもったものがよい。
In particular, the ankle joint, hip joint, or both the joint portions, and the
2足歩行ロボット1の一連の動作にかかる制御を行う基板は、多くの場合、最も筐体内空間の大きな胸部2に設置されるが、本発明にかかる2足歩行ロボット1においては、ロボット筐体内の任意の位置に搭載できる。1枚の制御基板であれば、ロボットの重量配分の左右対称性を保つために、ロボットの胸部2、腹部3もしくは腰部4に設置するのが簡易な方法である。尚、制御基板を偶数の複数枚に分割すれば、腕部7や脚部5に搭載することも出来、3枚以上の奇数枚の制御基板に分割すれば、それらを複合させた設置も可能である。
In many cases, a board that performs control related to a series of operations of the
図1で示した2足歩行ロボット1では、腰部4を軸に腹部3、腹部3を軸に胸部2が可動する構成になっており、左右の重心移動は、腹部3を軸とした胸部2と、胸部2筐体内のバランサー42及びスタビライザー43の可動により行われる。
In the
頭部6及び腰部4筐体内の2足歩行ロボット1の正面及び側面から見た中心軸上には、3軸加速度センサー22が設置される。前記2箇所における3軸加速度センサー22の設置箇所の意義と使用方法については後述する。
A
図2は、図1で示した、本発明にかかる2足歩行ロボット1の左側面からみた構成の一例を、前記図58及び図60の表記で示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration seen from the left side of the
前記胸部2と腹部3の間のアクチュエーターを省略した2足歩行ロボット1の構成も1例として挙げられる。この場合、腰部4を軸に、胸部2と腹部3が一体となって前後に可動する構造となり、左右の重心移動は、胸部2と腹部3が一体となった筐体内のバランサー及びスタビライザー41の可動により行われる。もしくは、腰部4と腹部3の接続部分において、直列に接続された2つのサーボモーター8により腰部4を軸として、胸部2と腹部3を前傾、後傾及び外旋を行う構造によっても行われる。
A configuration of the
前出の図1と図2の脚部5は、前後に屈曲及び伸展動作を行う構造であるが、図3に示すように、ロボットの腰部4と大腿部19との接続可動部において、脚部5の外旋及び内旋を行う構成も一例として挙げられる。
The above-described
図4は、図3の外観図であるが、2足歩行ロボット1の片側の脚部5が外旋する様子を示している。2足歩行ロボット1は、歩行時に進行方向を変更する場合が発生する。本実施例の図3及び図4で示した2足歩行ロボット1は、腰部4と大腿部19の最上位置との間に構成されたサーボモーター8により、腰部4に対し、左右大腿部19以下の脚部5が独立して外旋もしくは内旋し、特に2足歩行時において進行方向を変更することが可能である。
FIG. 4 is an external view of FIG. 3, but shows a state where the
また、図5は、2足歩行ロボット1の脚部5の大腿部19の付け根において、外転及び内転が可能な構成の一例である。図5において、ロボットの足部21も、ヒトの足関節部相当する可動部において外転及び内転が可能な構造になっている。図6は、図5の構造の外観図であるが、2足歩行ロボット1の脚部5の片側の大腿部19が外転し、その脚側の足関節部が足関節部が内転する様子を示している。
FIG. 5 is an example of a configuration capable of abduction and adduction at the base of the
前述の頭部6及び腰部4筐体内に設置された3軸加速度センサー22の意義と使用方法について述べる。図7は、2足歩行ロボット1の傾斜時において、頭部6、胸部2及び腹部3の各中心部の位置変移量を示したものである。図7において、ロボットの正中線の傾斜角26に対して、頭部6の位置変移量が最大となることは自明である。これは、同一時間における位置変移量が最大となる頭部6が、最も敏感で迅速な重心移動制御を行うための位置変移量観測点といえるということである。重心移動制御のための3軸加速度センサー22を頭部6に設置しているのはこのためである。
The significance and usage of the three-
また、頭部6を、軸回転型アクチュエーターにより、胸部2を軸に可動する構造にする場合には、頭部6に設置した3軸加速度センサー22の位置移動量による重心移動制御は、腰部4に対して頭部6の回転量もしくは移動量を補正して行う必要がある。尚、頭部6は、簡易的に胸部2に固定されたものでもよい。
When the
次に、ロボットの上体の筐体部分44内のバランサー及びスタビライザー41の構造及び動作について説明する。
Next, the structure and operation of the balancer and
図8は、2足歩行ロボット1の前傾時における、ロボットの上体の筐体部分44、本例では胸部2の筐体内のバランサー及びスタビライザー41を側面から見た構造及び動作の様子を示したものである。図8において、バランサー42は、胸部の軸40を軸に左右に外転する構造であるが、スタビライザー43については、アクチュエーターの可動部分を軸に、上下左右に可動する構造をとっている。これは、急速にロボット前方に重心移動を行う際に、図8に示すように腹部3及び胸部2の前方傾斜による重心移動をさらに補助する機能である。
FIG. 8 shows the structure and operation of the
図9は、2足歩行ロボット1の後傾時における、ロボットの上体の筐体部分44、本例では胸部2の筐体内のバランサー及びスタビライザー41を側面から見た構造及び動作の様子を示したものである。図9において、図8の場合と同様に、スタビライザー43は、アクチュエーターの可動部分を軸に、上下左右に可動する。これは、急速にロボット後方に重心移動を行う際に、図9に示すように腹部3及び胸部2の後方傾斜による重心移動をさらに補助する機能である。
FIG. 9 shows the structure and operation of the
前述した機能及び構造を有する2足歩行ロボット1の、実際の歩行動作と状態について、図10〜図13に示す例を用いて説明する。
An actual walking motion and state of the
図10〜図13は、各々の構造についての2足歩行ロボット1の起立及び歩行状態を示したものである。各図において、左が2足歩行ロボット1の左側面から見た図、右上と右下の図はロボットの正中線を共通に示してあり、右上はロボット上面からみたロボット筐体とバランサー42とスタビライザー43の位置、右下はロボット筐体におけるバランサー及びスタビライザー41の左右重量配分を表す図である。
10 to 13 show the standing and walking state of the
図10は、バランサー及びスタビライザー41を有する本発明にかかる2足歩行ロボット1の起立状態を表す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a standing state of the
図11は、バランサー42を有する本発明にかかる2足歩行ロボット1の、2足歩行時において右脚を浮かせて前方に踏み出す際、ロボットの腰部4の軸に対して上体が進行方向右に外旋して重心移動を行う状態を表す図である。
FIG. 11 shows that when the
図12は、バランサー及びスタビライザー41を有する本発明にかかる2足歩行ロボット1の、2足歩行時において右脚を接地して後方に残っている左脚を引き寄せる際、ロボットの腰部4の軸に対して上体が進行方向右に外旋し、ロボットの上体の筐体部分44内でバランサー及びスタビライザー41が可動して重心移動を行う状態を表す図である。
FIG. 12 shows the
図13は、バランサー及びスタビライザー41を有する本発明にかかる2足歩行ロボット1の、2足歩行時において右脚を接地して後方に残っている左脚を引き寄せる際、ロボットの腰部4の軸に対して上体は外旋せず、ロボットの上体の筐体部分44内でバランサー及びスタビライザー41が可動して重心移動を行う状態を表す図である。
FIG. 13 is a plan view of the
図10の起立状態のロボットでは、同図の右下部に示すように、両脚部5は接地しており、バランサー及びスタビライザー41はロボットの正中線に対して左右対称の重量配分となっている。
In the standing robot of FIG. 10, as shown in the lower right part of FIG. 10, both
また図11に示す、ロボットの上体の筐体部分44背面側にバランサー42を有する本発明にかかる2足歩行ロボット1の2足歩行状態では、浮かせて前方に踏み出す右脚側に上体を外旋している。このとき、ロボットの上体の筐体部分44が、左右対称構造であり、ロボット重量全体に占めるバランサー42の重量配分に対して十分小さい場合、左右どちらに外旋しても、ロボットの正中線に対するロボットの上体の筐体部分44の左右対称性はほぼ変わらないとすると、同図右下部のように、バランサー42の重量配分のみ接地脚46側に移動する。これが、本発明の2足歩行ロボット1の重心移動装置による重心移動の一例となる。
In addition, in the biped walking state of the
図12に示す、バランサー及びスタビライザー41を有する本発明にかかる2足歩行ロボット1の、2足歩行時において右脚を接地して後方に残っている左脚を引き寄せる際、ロボットの腰部4の軸に対して上体が進行方向右に外旋し、またロボットの上体の筐体部分44内でバランサー42及びスタビライザー43が進行方向右側に移動して重心移動を行う状態では、図11で説明した腰部4の軸に対して上体が左右外旋して重心移動を行う構造よりも、さらに胸部2筐体内でバランサー及びスタビライザー41が外旋方向に移動するので、その重量配分はより接地脚46側に移動する。これが、本発明の2足歩行ロボット1の重心移動装置による重心移動の一例となる。
When the
図13に示す、ロボットの上体の筐体部分44内でバランサー42及びスタビライザー43のみが可動して重心移動を行う2足歩行状態では、接地脚46側にバランサー及びスタビライザー41が移動し、2足歩行ロボット1の左右方向の重心はより接地脚46側に移動する。これが、本発明の2足歩行ロボット1の重心移動装置による重心移動の一例となる。
In the bipedal walking state in which only the
図33に、本発明にかかる重心移動装置を有する2足歩行ロボット1による、本発明にかかる重心移動方法についてまとめたものを示す。前述の通り、本発明にかかる重心移動方法は、腰部4を絶対水平に保ちながら、起立時及び2足歩行動作について、頭部6に搭載した3軸加速度センサーの位置変移量より、それに適した2足歩行ロボット1の前後と左右の重心移動を、それぞれ分割して行うことが特徴である。
FIG. 33 shows a summary of the center-of-gravity moving method according to the present invention by the
2足歩行ロボット1の前後の重心移動は、腰部4を軸とした腹部3の前後傾動作もしくはスタビライザー43の上下動作もしくはヒトの足関節部に相当する可動部の動作により行う。
The center-of-gravity movement of the
2足歩行ロボット1の左右の重心移動は、腰部4または腹部3を軸とした胸部2の外旋運動もしくはバランサー及びスタビライザー41の左右移動運動により行う。
The left and right center-of-gravity movement of the
本発明の一実施例(実施例4)の形態を、図14〜図29を参照しながら説明する。 The form of one Example (Example 4) of this invention is demonstrated referring FIGS. 14-29.
図14〜図19により、本発明にかかる振り子型のバランサー42及びスタビライザー43の構造と動作例について説明する。
The structure and operation examples of the
図14は、ロボットの上体の筐体部分44内の振り子型バランサー42をロボット正面から見た構成図である。図14において、サーボモーター8のドライブシャフト11の回転軸に取り付けられたバランサー42が、前記回転軸を軸に左右に振り子のようにロボット進行方向左右に外転する。
FIG. 14 is a configuration diagram of the
図15は、図14をロボット側面からみた構成図である。 FIG. 15 is a configuration diagram of FIG. 14 viewed from the side of the robot.
図16は、サーボモーター8に設置された振り子型バランサー42の構造の一例である。図16左はロボット正面から見た図、右は側面図である。図16において、振り子型バランサー42は、駆動用バッテリー27と、バッテリーケース28と、サーボモーター8により構成される。駆動用バッテリー27を搭載したバッテリーケース28は、サーボモーター8のサーボホーン10に固定される。
FIG. 16 is an example of the structure of the
尚、前記バッテリーケース28は、強度を向上させるため、図17に示すように、サーボモーター8のドライブシャフト11の両端部においてサーボホーン10に固定してもよい。
The
尚、図16で示した振り子型バランサー42は、図18のように、駆動用バッテリー27とサーボモーター8の上下が逆となった構造でもよい。
The
また、前述の振り子型バランサー42の構造は、図19に示すように、スタビライザー43に利用してもよい。
Further, the structure of the above-described
前述の振り子型のバランサー42及びスタビライザー43の特徴について簡単に説明を行う。本発明の一実施例(実施例2)で述べたように、本発明にかかる2足歩行ロボット1の重心移動に関し、バランサー42及びスタビライザー43中心位置もしくは重心位置が、高さはロボットの股関節から離れているほうが有利であり、かつ、より短時間で水平方向へ移動可能なほど有利である。
The characteristics of the above-described
図14や図15で示した振り子型バランサー42もしくはスタビライザー43は、構造上、移動量が大きくなると、サーボモーター8のドライブシャフト11の回転角度に対して、高さが減少し、また、所望の重心位置への水平方向の移動時間が増加し、2足歩行ロボットに要求される筐体幅の増加に繋がるという点を挙げておく。
The
図20〜図25により、本発明にかかるスイープ型のバランサー42及びスタビライザー43の構造と動作例について説明する。
The structure and operation example of the
図20は、ロボットの上体の筐体部分44内のスイープ型バランサー42をロボット正面から見た構成図である。図20において、バランサー42は、その動作軌跡がサーボモーター8のドライブシャフト11の回転軸に平行となるように取り付けられ、サーボモーター8の可動軸を中心に半円を描くように左右に外旋する。図21は、図20をロボット側面からみた構成図である。図22は、前述したスイープ型バランサー42を、ロボット上側からみた構成図である。
FIG. 20 is a configuration diagram of the
図24は、サーボモーター8に設置されたスイープ型バランサー42の構造の一例である。図24において、スイープ型バランサー42は、駆動用バッテリー27と、バッテリーケース28と、サーボモーター8により構成される。駆動用バッテリー27を搭載したバッテリーケース28は、サーボモーター8のサーボホーン10に固定される。図25は、図24をロボット上側からみた構成図である。
FIG. 24 is an example of the structure of the
尚、前記バッテリーケース28は、強度を向上させるため、サーボモーター8のドライブシャフト11の両端部においてサーボホーン10に固定してもよい。
The
また、前述のスイープ型バランサー42の構造は、図23に示すように、スタビライザー43に利用してもよい。
Further, the structure of the aforementioned
前述のスイープ型のバランサー42及びスタビライザー43の特徴について簡単に説明を行う。本発明の一実施例(実施例2)で述べたように、本発明にかかる2足歩行ロボット1の重心移動に関し、バランサー42及びスタビライザー43中心位置もしくは重心位置が、より短時間で水平方向へ移動可能なほど有利である。
The features of the above-described
図20で示したスイープ型バランサー42もしくはスタビライザー43は、構造上、移動量が大きくなると、サーボモーター8のドライブシャフト11の回転角度に対して、所望の重心位置への水平方向の移動時間が増加し、2足歩行ロボットに要求される筐体幅の増加に繋がるという点を挙げておく。
When the amount of movement of the
図26〜図29により、本発明にかかるスライド型のバランサー42及びスタビライザー43の構造と動作例について説明する。
The structure and operation examples of the
図26〜図28は、サーボモーター8に設置されたスライド型バランサー42の構造の一例である。図26において、スライド型バランサー42は、駆動用バッテリー27と、バッテリーケース28と、ステアピン31を有するバッテリーホルダー29と、ステアバー30と、ガイドレール33及びサーボモーター8により構成される。駆動用バッテリー27を搭載したバッテリーホルダー29は、バッテリーケース28内を左右に移動するが、これについて以下に説明する。
26 to 28 are examples of the structure of the
図26について、同図中左部はロボット正面から見た一例の図、同右部はそれをロボット背面から見た図である。図27は、図26の構造をロボット側面からみた図である。また図28は、図26の構造をロボット上側からみた図である。 With respect to FIG. 26, the left part of the figure is an example view seen from the front of the robot, and the right part is a view seen from the back of the robot. FIG. 27 is a view of the structure of FIG. 26 as viewed from the side of the robot. FIG. 28 is a view of the structure of FIG. 26 viewed from the upper side of the robot.
前記バッテリーホルダー29には、ステアピン31と称する、突起状のピンが付属している。このステアピン31が滑らかに移動できる内幅の空隙32を有するステアバー30の一端が、サーボモーター8のドライブシャフト11に、直接もしくはサーボホーン10を介して接続されている。
The
また前記ステアピン31が滑らかに移動できる内幅の空隙32を有するガイドレール33は、バッテリーケース28にその両端を固定されている。
The
前記ステアバーの空隙32及びガイドレール33の間に、ステアピン31を挿入した状態で、ステアバー30はサーボモーター8の可動軸を中心に外転及び内転を行う。
With the
このとき、サーボモーター8の可動軸を中心に外転及び内転を行うステアバー30に対し、ステアピン31は、ステアバーの空隙32内を自由に動くことが出来、かつガイドレール33の間隙に沿うため、駆動用バッテリー27を搭載したバッテリーホルダー29の移動軌跡はバッテリーケース28のガイドレール33方向となる。サーボモーター8のドライブシャフト11の外転及び内転運動が、前記駆動用バッテリー27を搭載したバッテリーケース28のガイドレール33に沿った左右移動に変換される。
At this time, the
尚、前記ステアバー30は、強度を向上させるため、サーボモーター8のドライブシャフト11の両端部においてサーボホーン10に固定してもよい。
The
また、前述のスライド型バランサー42の構造は、図29に示すように、スタビライザー43に利用してもよい。
Further, the structure of the
尚、前述した全てのバランサー42及びスタビライザー43による重心移動は、ロボットの前後左右の重心移動を兼用する場合も十分あり得るので、バランサー42及びスタビライザー43の外転及び外旋軌道は、2足歩行ロボット1の各軸に対して必ずしも平行もしくは垂直である必要はない。
It should be noted that the center of gravity movement by all the
尚、バランサー42及びスタビライザー43は、前述した全ての型について、互いに任意に組み合わせ可能である。
In addition, the
尚、前述した各型のスタビライザー43の錘は、必要な場合、駆動用電源を用いてもよい。
The weight of each type of
尚、バランサー及びスタビライザー41に使用する駆動用電源は、胸部筐体内アクチュエーター上への搭載時に、左右の重心バランスがロボット正面に対して左右対称となるように設計及び設置されるのが望ましい。
The power source for driving used for the balancer and
本発明の一実施例(実施例5)の形態を、図59及び図60を参照しながら説明する。 An embodiment of the present invention (Embodiment 5) will be described with reference to FIGS. 59 and 60. FIG.
図59及び図60により、本発明にかかる、腰部4と大腿部19の最上位置との間、もしくは胸部2や腹部3との間、もしくはバランサー42及びスタビライザー43を可動させるサーボモーター8に任意に搭載されたトルクコントローラーについて説明する。
59 and 60, the
図59及び図60に示すように、2足歩行ロボット1の全ての可動部分において、筐体XA13と筐体XB14が、サーボモーター8により接続された構成となっている。
As shown in FIGS. 59 and 60, the
前述のように、本発明にかかる2足歩行ロボット1の特徴は、ロボットの筐体重量に比較して十分に大きな質量を有する、バランサー42及びスタビライザー43の重量を利用することにある。前述の、腰部4と大腿部19の最上位置との間、もしくは胸部2や腹部3との間、もしくはバランサー42及びスタビライザー43を可動させるサーボモーター8は、少なくともサーボモーター8の両端に接続された部品の重量差の大きいか、もしくは片側の動作時に重い負荷がかかる構成になっている。
As described above, the
例えば図59及び図60において、筐体XA13が相対的に大きな重量のものであり、筐体XB14が軽量もしくはかかる負荷が極端に小さかった場合、同図中でサーボモーター8により筐体XA13を下方に移動させる際、筐体XA13の自重によりXB14が上方に移動してしまう可能性があるが、前記サーボモーター8に任意に搭載されたトルクコントローラーは、これを防ぐ役割を果たす。
For example, in FIGS. 59 and 60, when the housing XA13 has a relatively large weight and the housing XB14 is lightweight or the load is extremely small, the
具体的には、起立状態の2足歩行ロボット1について、バランサー42及びスタビライザー43を搭載した胸部2を腹部3に対して旋回させる場合、足部21と地面との摩擦係数が極端に低い場合、ロボットの腹部3より上方の部分を残し、腹部3以下部分が逆方向に回転してしまう現象である。前記サーボモーター8に任意に搭載されたトルクコントローラーに任意のキャンセルトルク値を設定することにより、前述の空転現象を防ぐことができる。
Specifically, for the
本発明の一実施例(実施例6)の形態を、図30〜図32を参照しながら説明する。 The form of one Example (Example 6) of this invention is demonstrated referring FIGS. 30-32.
本実施例6では、前述した2足歩行ロボット1を、遠隔操作式として応用した一例について述べる。
In the sixth embodiment, an example in which the
2足歩行ロボット1を遠隔操作式にするためには、操作側では、操作装置、信号処理基板、送信機が必要となる。また、被操作側である2足歩行ロボット1側では、前述の2足歩行ロボット1の各構成物に加え、受信機、サーボコントローラーを含む信号処理基板が必要となる。このとき、前記受信機及び基板は、2足歩行ロボット1全体の重心を考慮し配置する必要があるのは自明である。
In order to make the
また、さらなる実用性やエンターテイメント性を向上させることを目的とした遠隔操作式2足歩行ロボット1の一例を以下に挙げる。
An example of the remotely operated
図31は、前記遠隔操作式2足歩行ロボット1の頭部6に、カメラ34を搭載した一例である。この構成により、2足歩行ロボット1の視点での映像が、操作側で確認できる。
FIG. 31 shows an example in which a
図32は、前記遠隔操作式2足歩行ロボット1の任意の箇所に、スピーカー35を搭載した一例である。これにより、前出の信号処理基板により、特定の動作を行ったとき、臨場感を高める任意の効果音を出すことが可能である。
FIG. 32 shows an example in which a
図30は、本発明にかかる2足歩行ロボット1を、前述したカメラ34やスピーカー35を付加し、遠隔操作式にするために必要なシステムを示したものである。
FIG. 30 shows a system necessary for making the
図30において、操作側では、受信機及びモニタが必要となる。受信機は、2足歩行ロボット1の状態、カメラ34の受像データの受信に際し必要である。モニタは、前記受信情報の表示に用いる。
In FIG. 30, a receiver and a monitor are required on the operation side. The receiver is necessary for receiving the state of the
また図30において、2足歩行ロボット1側では送信機が必要となる。送信機は、2足歩行ロボット1の状態情報、カメラ34の受像データの操作側への送信に際し必要である。これにより、ロボットの視点からの映像やロボットの状態を操作側から確認することも可能となる。
In FIG. 30, a transmitter is required on the
最後に、本発明にかかる2足歩行ロボット1では、先述の遠隔操作において、例えば振動を検知するセンサー等を新たに設置した各関節部に構成されたサーボモーター8を、ある特定の条件、例えば障害物に接触した場合や、複数の2足歩行ロボット1による格闘時において、ロボットの接触した箇所等の任意の可動部のサーボモーター8の動作を停止させることにより、擬似負傷状態を表現することも出来る。
Finally, in the
また、高速2足歩行を連続して行った場合、あらかじめカウントしておいた2足歩行時間が一定の時間を越えた時に、特に脚部のサーボモーター8の動作を鈍く設定することや、前出のバランサー及びスタビライザー41の重心移動動作を鈍らせることにより、疲れてふらふら歩くヒトを擬似的に表現することも可能である。
In addition, when high-speed biped walking is performed continuously, when the biped walking time counted in advance exceeds a certain time, the operation of the
1 2足歩行ロボット
2 胸部
3 腹部
4 腰部
5 脚部
6 頭部
7 腕部
8 サーボモーター
9 サーボケース
10 サーボホーン
11 ドライブシャフト
12 ビス
13 筐体XA
14 筐体XB
15 筐体Y
16 上腕部
17 前腕部
18 手部
19 大腿部
20 下腿部
21 足部
22 3軸加速度センサー
23 頭部の位置変移量
24 胸部の位置変移量
25 腹部の位置変移量
26 ロボットの正中線の傾斜角
27 駆動用バッテリー
28 バッテリーケース
29 バッテリーホルダー
30 ステアバー
31 ステアピン
32 ステアバーの空隙
33 ガイドレール
34 カメラ
35 スピーカー
36 地面
37 脚部の軸
38 腰部の軸
39 腹部の軸
40 胸部の軸
41 バランサー及びスタビライザー
42 バランサー
43 スタビライザー
44 ロボットの上体の筐体部分
45 ロボットの股関節部分
46 接地脚
47 バランサー及びスタビライザーの正面から見た質点
48 上体の筐体部分の正面から見た質点
49 脚部の正面から見た質点
50 接地脚側の股関節部からバランサー及びスタビライザー中間部までの高さ
51 脚部の高さ
52 浮いている脚側のバランサー及びスタビライザーの質点
53 接地脚側のバランサー及びスタビライザーの質点
54 浮いている脚側の上体の筐体部分の質点
55 接地脚側の上体の筐体部分の質点
56 浮いている側の脚の質点
57 バランサー及びスタビライザーの質点による重力
58 上体の筐体部分による重力
59 脚部による重力
60 浮いている脚側の股関節部
61 接地脚側の股関節部
62 w(各股関節部から腰部の軸までの距離)
63 接地脚側の股関節部にはたらく上向きの力
64 接地脚側の股関節部にロボットの正中方向にはたらくモーメント
65 新たに発生させる重力
66 W(バランサー及びスタビライザーの幅)
67 dW(バランサー及びスタビライザーの移動量)
68 浮いている脚側の股関節上部
69 接地脚側の股関節上部
70 接地脚側の股関節上部にかかる下向きの重力
71 バランサー及びスタビライザーの移動後の浮いている脚側の質点による重力
72 バランサー及びスタビライザーの移動による浮いている脚側の股関節上部にかかる重力
73 バランサー及びスタビライザーの移動による遠心力
74 バランサー及びスタビライザーの質点による重力と移動による遠心力との合力
75 mu(上体の筐体部分の正面から見た質点)
76 mf(浮いている脚の質点)
77 ロボット外側に発生するモーメント
78 H(接地脚側の股関節部からバランサー及びスタビライザー中間部までの高さ)
79 L(脚部の高さ)
80 バランサー及びスタビライザーの接地脚側の股関節上部での左右対称な部分
81 バランサー及びスタビライザーの接地脚側の股関節上部でロボット外側に過剰にはみ出した部分
82 バランサー及びスタビライザーのロボット外側に過剰にはみ出した部分の質点
83 Wm(バランサー及びスタビライザーの接地側脚の軸を中心としてロボット外側に過剰にはみ出した幅)
84 Wo(バランサー及びスタビライザーの正面から見た質点が、接地脚側の脚部の軸からロボット外側にモーメントの釣り合う状態まで移動した距離)
85 Wmax(脚部の軸37からロボット外側に向けてバランサー及びスタビライザーがはみ出している最大量)
DESCRIPTION OF
14 Housing XB
15 Housing Y
16 Upper arm portion 17 Forearm portion 18 Hand portion 19 Thigh portion 20 Lower thigh portion 21 Foot portion 22 Three-axis acceleration sensor 23 Head position shift amount 24 Chest position shift amount 25 Abdominal position shift amount 26 Robot midline Inclination angle 27 Battery for driving 28 Battery case 29 Battery holder 30 Steer bar 31 Steer pin 32 Stair bar gap 33 Guide rail 34 Camera 35 Speaker 36 Ground 37 Leg shaft 38 Lumbar shaft 39 Abdominal shaft 40 Chest shaft 41 Balancer and stabilizer 42 Balancer 43 Stabilizer 44 Robot upper body part 45 Robot hip joint part 46 Ground leg 47 Mass point seen from the front of the balancer and stabilizer 48 Mass point seen from the front of the upper body part 49 From the front of the leg part Observed mass point 50 Ground leg Height from the hip joint part to the balancer and stabilizer middle part 51 Height of the leg part 52 Weight point of the balancer and stabilizer on the floating leg side 53 Point of mass of the balancer and stabilizer on the grounded leg side 54 Body on the floating leg side The mass point of the body part of the body 55 The mass point of the body part of the upper body on the grounding leg side 56 The mass point of the leg of the floating side 57 The gravity due to the mass point of the balancer and the stabilizer 60 Floating leg side hip joint 61 Ground leg side hip joint part 62 w (distance from each hip joint part to waist axis)
63 Upward force acting on the hip joint on the
67 dW (balancer and stabilizer travel)
68 Upper hip joint on the floating
76 mf (mass point of the floating leg)
77 Moment generated outside the robot 78 H (height from the hip joint part on the grounding leg side to the balancer and stabilizer middle part)
79 L (Leg height)
80 The balancer and the symmetrical part of the upper part of the hip joint on the grounding leg side of the
84 Wo (The distance the mass point viewed from the front of the balancer and stabilizer has moved from the axis of the leg on the grounding leg side to the moment balance state outside the robot)
85 Wmax (maximum amount of balancer and stabilizer protruding from the
Claims (1)
Lower leg consisting of waist and both legs, abdomen located on the upper side of the waist and tilting back and forth around the waist with respect to the direction of travel, front and back with respect to the head and chest with a structure that can rotate left and right It consists of an upper body consisting of a chest that is connected to both arms that can move and rotate, and that can be rotated to the left and right optionally via a torque controller around the abdomen, and is called a balancer in the chest housing. It has a structure that can be equipped with a drive battery and can be moved left and right independently within the chest housing, and a structure that can be equipped with an auxiliary weight for moving the center of gravity called a stabilizer and can be moved vertically and horizontally independently within the chest housing. Each of the movable parts can be arbitrarily moved by an actuator via a torque controller, and the position of the head can be moved by having a three-axis acceleration sensor on the head and the waist. Keeping the waist more absolutely horizontal, and moving the center of gravity in the front and back direction by moving the upper body forward or backward, or moving the stabilizer in the chest housing or actively moving the leg joints of both legs, The left and right center-of-gravity movements can be established by rotating the chest around the abdomen in the left-right direction or moving the chest around the abdomen in the left-right direction and moving the balancer and stabilizer independently within the chest housing. A bipedal walking robot that performs bipedal walking by a center-of-gravity movement method characterized by performing bipedal walking movement by a combined motion of each part and lower limb.
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