JP2018167382A - ロボット - Google Patents

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智弘 馬場
Tomohiro Baba
智弘 馬場
英雄 清水
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Abstract

【課題】駆動源への衝撃を緩和することができるロボットを提供する。【解決手段】ロボット1の上部基体10には、フレーム10aが設けられ、フレーム10aの内部にバッテリ70が収納される。上部基体10のフレーム10aの内部には、バッテリ70の左右方向の位置決めを行う左支持部10b及び右支持部10cが設けられている。フレーム10aと左支持部10bとの間には、左緩衝部材75が設けられている。フレーム10aと右支持部10cとの間には、右緩衝部材76が設けられている。上部基体10のフレーム10aとバッテリ70の前面との間には、前緩衝部材77が設けられている。上部基体10のフレーム10aとバッテリ70の後面との間には、後緩衝部材78が設けられている。ロボット1に衝撃が加わった場合、緩衝部材75〜78により、バッテリ70への衝撃が緩和される。【選択図】図3

Description

本発明は、複数のマニピュレータにより移動可能なロボットに関する。
従来、基体と、基体に連結された複数のマニピュレータとを備え、複数のマニピュレータの駆動を制御することで移動するロボットが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載のロボットは、基体を、上基体と下基体とから構成し、上基体の内部に、モータドライバユニット、無線LANユニット、姿勢センサユニット、後部ドライバユニット、コンピュータユニット等の各種ユニットを収納している。また、下基体の内部には、マニピュレータとしての腕及び脚を駆動する際の駆動源であるバッテリを収納している。
特許第4776159号公報
特許文献1に記載のロボットは、上基体及び下基体に各ユニットや駆動源を収納することにより、歩行性能や運動機能に制限が加えられるのを防止しているが、下基体に収納した駆動源は非常に重量のあるものであり、ロボットに衝撃が加わった場合、衝撃により駆動源が破損することがあった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動源への衝撃を緩和することができるロボットを提供することを目的とする。
本発明のロボットは、基体と、前記基体に連結された複数のマニピュレータとを備え、前記複数のマニピュレータを駆動して移動するロボットであって、前記基体の内部に収納され、前記複数のマニピュレータを駆動するための駆動源と、前記基体の内部で前記駆動源の外側に設けられ、前記駆動源への衝撃を緩和するための複数の緩衝部材と、を備えることを特徴とする。
本発明のロボットによれば、緩衝部材により駆動源への衝撃を緩和することができるので、駆動源に衝撃が加わった場合でも、衝撃で駆動源が破損することを防止することができる。
また、前記複数の緩衝部材は、前記駆動源の前面及び後面の少なくとも左右方向の両端部と前記駆動源の左側面及び右側面の少なくとも前後方向の両端部とを受けるように設けられていることが好ましい。
この構成によれば、駆動源への前方向及び後方向からの衝撃は、駆動源の後面及び前面を受ける緩衝部材により緩和し、駆動源への左方向及び右方向からの衝撃は、駆動源の右側面及び左側面を受ける緩衝部材により緩和することができる。
さらに、各緩衝部材により、前後方向及び左右方向から傾斜した斜め方向からの駆動源への衝撃を緩和することができる。例えば、駆動源の左斜め前から右斜め後方向への衝撃は、駆動源の後面の右端部を受ける緩衝部材と、駆動源の右側面の後端部を受ける緩衝部材とにより緩和することができる。
また、前記駆動源は、複数のバッテリセルを備え、前記複数の緩衝部材のうちの少なくとも1つは、前記複数のバッテリセルの軸方向への衝撃を緩和することが好ましい。
この構成によれば、緩衝部材により、バッテリセルの衝撃により破損しやすい方向である軸方向への衝撃を緩和することができる。
さらに、前記緩衝部材は、前記基体の内部における前記駆動源の位置決めを行うことが好ましい。
この構成によれば、緩衝部材とは別に、駆動源の位置決めを行う位置決め部材を設ける必要がなく、部品点数の削減及び省スペース化を図ることができる。
本発明の実施形態に係るロボットの構成を模式的に示す正面図。 ロボットの関節機構の自由度を模式的に示す斜視図。 上部基体の内部を示す正面断面図。 上部基体の内部を示す側面断面図。 フレームの左支持部及び右支持部とバッテリと左緩衝部材と右緩衝部材と前緩衝部材と後緩衝部材とを示す上面図。 ロボットの二足歩行モードで移動している状態を示す側面図。 ロボットの四足歩行モードで移動している状態を示す側面図。
以下、図面を参照して、本発明に係るロボットの実施形態を説明する。本実施形態のロボットは、人型のロボットであり、二足歩行モードと四足歩行モードとを切り替えて移動可能に構成されたものである。
まず、図1を参照して、ロボット1の構成を説明する。
ロボット1の胴体は、上部基体10と、上部基体10の下方に配置された下部基体11と、上部基体10と下部基体11との間に設けられた腰関節機構12とで構成されている。上部基体10と下部基体11とは、人間の腰関節に対応する腰関節機構12を介して、相対的に回動可能に連結されている。上部基体10の内部には、ロボット1を統括的に制御する制御部13が設けられている。
ロボット1の頭部は、周囲(主に前方)の環境を認識するための環境認識装置20の環境認識ユニット20a(第1距離検出部)である。環境認識ユニット20aには、外部環境を撮像するためのカメラ及び外部環境までの距離を認識するためのセンサが搭載されている。ロボット1の頭部である環境認識ユニット20aの内部には、環境認識ユニット20aのカメラ及びセンサを制御するための環境認識ユニット用制御回路20bが設けられている。環境認識ユニット用制御回路20bは、制御部13により制御される。
なお、環境認識ユニット20aの詳細構造に関しては、例えば、特開2016−150413号公報に詳しく記載されている。また、環境認識ユニット20aに搭載されるセンサは、例えば、赤外線センサ等を用いてもよい。
環境認識ユニット20aのカメラにより、ロボット1の前方の外部環境を撮像し、且つ、環境認識ユニット20aのLRFにより対象物までの距離を認識することができるので、その結果に基づいて制御部13がロボット1の動作を制御することにより、ロボット1が前方にあるもの(壁や障害物等)に接触することがない。
環境認識ユニット20aは、人間の首関節に対応する首関節機構21を介して、上部基体10に対して回動可能に連結されている。なお、環境認識ユニット20aを上部基体10に回動不能に固定してもよい。
ロボット1が人型のロボットであるので、人間の頭部に対応する環境認識ユニット20aを上部基体10の上方に設けている。しかし、本発明のロボットの基体側認識装置は、このような構成に限定されるものではなく、ロボットの使用環境等に応じて、上部基体の上部以外の位置(例えば、上部基体の前方、下部基体等)に設けてもよい。
ロボット1の左右の腕体は、上部基体10の上部左右両側から延設された一対の腕リンク30である。各々の腕リンク30は、人間の肩関節に対応する肩関節機構31を介して、上部基体10に対して回動可能に連結されている。
腕リンク30は、人間の上腕に対応する第1腕リンク部30aと、人間の前腕に対応する第2腕リンク部30bと、人間の肘関節に対応する肘関節機構30cとで構成されている。
第1腕リンク部30aは、肩関節機構31を介して、上部基体10に対して回動可能に連結されている。第2腕リンク部30bは、肘関節機構30cを介して、第1腕リンク部30aに対して回動可能に連結されている。第2腕リンク部30bの先端には、人間の手に対応するハンド部40が連結されている。
なお、ロボット1では、腕体である腕リンク30を、第1腕リンク部30aと、第2腕リンク部30bと、肘関節機構30cとで構成している。しかし、本発明のロボットの腕体は、このような構成に限定されるものではなく、単一のリンク部を有するものであってもよいし、3つ以上のリンク部及び各リンク部を連結する複数の関節部を有するものであってもよい。
ハンド部40は、エンドエフェクタの一例である。このハンド部40は、人間の手首関節に対応する手首関節機構41を介して、腕リンク30の第2腕リンク部30bに対して回動可能に連結されている。ロボット1では、ハンド部40と腕リンク30とで、マニピュレータとしてのロボットアームを構成している。
ハンド部40は、人間の手の平及び手の甲に対応するハンド基部40aと、人間の人差し指、中指、薬指及び小指に対応する単一の部材である第1指部40bと、人間の親指に対応する第2指部40cと、第1指部40bに取り付けられた緩衝部材40dとを備えている(図6参照)。
第1指部40bは、ハンド基部40aと一体的に構成され、ハンド基部40aに固定されている。第2指部40cは、第1指部40bの先端部のハンド基部40a側の面と対向するように、ハンド基部40aに取り付けられている。第2指部40cは、ハンド基部40aの内部に設けられた駆動機構によって、第2指部40cの先端部が第1指部40bに接近又は離間するように回動される。
このように第2指部40cが構成されているので、ハンド部40は、第1指部40bが固定されていても、第1指部40bと第2指部40cとによって対象物を摘まむ動作等を容易に行うことができる。
ロボット1の左右の脚体は、下部基体11の下部から下方に延設された左右一対の脚リンク50である。
各々の脚リンク50は、人間の股関節に対応する股関節機構51を介して、下部基体11に対して回動可能に連結されている。
脚リンク50は、人間の大腿に対応する第1脚リンク部50aと、人間の下腿に対応する第2脚リンク部50bと、人間の膝関節に対応する膝関節機構50cとで構成されている。
第1脚リンク部50aは、股関節機構51を介して、下部基体11に対して回動可能に連結されている。第2脚リンク部50bは、膝関節機構50cを介して、第1脚リンク部50aに対して回動可能に連結されている。第2脚リンク部50bの先端には、人間の足に対応する足平部60が連結されている。
なお、ロボット1では、脚体である脚リンク50を、第1脚リンク部50aと、第2脚リンク部50bと、膝関節機構50cとで構成している。しかし、本発明のロボットの脚体は、このような構成に限定されるものではなく、単一のリンク部を有するものであってもよいし、3つ以上のリンク部及び各リンク部を連結する複数の関節部を有するものであってもよい。
足平部60は、人間の足首関節に対応する足首関節機構61を介して、脚リンク50の第2脚リンク部50bに対して、回動可能に連結されている。ロボット1では、脚リンク50と足平部60とで、マニピュレータを構成している。
次に、図2を参照して、ロボット1の関節機構の自由度について説明する。
なお、本実施形態では、各関節機構が各部材を回動させる方向は、特にことわらない限り、いずれの関節機構も連結された部材を回動させていない姿勢(以下、「基準姿勢」という。)を基準として説明する。ロボット1の場合、基準姿勢は、ロボット1が起立した状態(上部基体10、下部基体11、各腕リンク30及び各脚リンク50をほぼ鉛直方向に伸ばした状態)となる。
また、本実施形態では、ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸は、それぞれ図2に示すように、ロボット1が基準姿勢のときにおけるロボット1の鉛直方向の軸(Z軸)、左右方向の軸(Y軸)、前後方向の軸(X軸)を意味する。この場合、ヨー軸は、上部基体10及び下部基体11の体幹軸である。
腰関節機構12は、上部基体10の下方に配置された第1腰関節機構12aと、第1腰関節機構12aと下部基体11との間に配置された第2腰関節機構12bとで構成されている。
第1腰関節機構12aは、上部基体10を、下部基体11及び第2腰関節機構12bに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。第2腰関節機構12bは、上部基体10及び第1腰関節機構12aを、下部基体11に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。
首関節機構21は、環境認識ユニット20aを、上部基体10に対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。
腕リンク30の肘関節機構30cは、人間の前腕に対応する第2腕リンク部30bを、人間の上腕に対応する第1腕リンク部30aに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。
肩関節機構31は、上部基体10の鉛直方向の幅及び水平方向の幅の範囲内に位置するように配置された第1肩関節機構31aと、第1肩関節機構31aの側方であって上部基体10の外側に配置された第2肩関節機構31bと、第2肩関節機構31b及び腕リンク30の第1腕リンク部30aの間に配置された第3肩関節機構31cとで構成されている。
第1肩関節機構31aは、第2肩関節機構31bを、上部基体10に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第2肩関節機構31bは、第3肩関節機構31cを、第1肩関節機構31aに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。第3肩関節機構31cは、腕リンク30を、第2肩関節機構31bに対してヨー軸周りに回動可能に連結している。
手首関節機構41は、腕リンク30の第2腕リンク部30bのハンド部40側に配置された第1手首関節機構41aと、第1手首関節機構41aのハンド部40の間に配置された第2手首関節機構41bとで構成されている。
第1手首関節機構41aは、第2手首関節機構41bを、第2腕リンク部30bに対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第2手首関節機構41bは、ハンド部40を、第1手首関節機構41aに対してロール軸周り及びピッチ軸周りに回動可能に連結している。
脚リンク50の膝関節機構50cは、人間の下肢に対応する第2脚リンク部50bを、人間の大腿に対応する第1脚リンク部50aに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。
股関節機構51は、下部基体11の下方に配置された第1股関節機構51aと、第1股関節機構51aの脚リンク50側に配置された第2股関節機構51bとで構成されている。
第1股関節機構51aは、第2股関節機構51bを、下部基体11に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第2股関節機構51bは、脚リンク50を、第1股関節機構51aに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。
足首関節機構61は、足平部60を、第2脚リンク部50bに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。
以上のように説明した第1腰関節機構12a、第2腰関節機構12b、首関節機構21、肘関節機構30c、第1肩関節機構31a、第2肩関節機構31b、第3肩関節機構31c、第1手首関節機構41a、第2手首関節機構41b、膝関節機構50c、第1股関節機構51a、第2股関節機構51b、及び、足首関節機構61は、制御部13(図1参照)により駆動が制御される。
なお、本発明のロボットにおける腰関節機構、首関節機構、肩関節機構、肘関節機構、膝関節機構、股関節機構、足首関節機構の構成は、上記の構成に限定されるものではなく、ロボットの用途、ロボット内の関節の配置スペース等に応じて、適宜変更してよい。例えば、いずれかの関節機構を省略してもよいし、上記以外の関節機構を追加してもよい。
図3及び図4に示すように、上部基体10の内部には、ロボット1の駆動源としてのバッテリ70が収納されている。バッテリ70は、間隔を存して規則的に配置された複数のバッテリセル70aと、一対の端部固定部材70bと、中央部固定部材70cとを備える。複数のバッテリセル70aは、一対の端部固定部材70bと中央部固定部材70cとにより固定されてユニットとなり、このユニットは、バッテリケース70dに収納されている。
端部固定部材70b及びバッテリケース70dには、バッテリセル70aの配置位置に対応するようにして複数の孔70eが形成されている。本実施形態では、バッテリセル70aの軸方向は、ロボット1の前後方向となる。
上部基体10には、フレーム10aが設けられており、このフレーム10aの内部にバッテリ70は収納される。フレーム10aには、バッテリ70を上部基体10の後面側から上部基体10の内部に挿入する際の開口と、開閉可能な蓋部とが設けられている(いずれも図示せず)。上部基体10のフレーム10aの内部には、バッテリ70の左右方向の位置決めを行う左支持部10b及び右支持部10cが設けられている。
上部基体10のフレーム10aの内部には、バッテリ70を上部基体10の内部に挿入する際にガイドし、バッテリ70の上下方向の位置決めを行う上ガイドレール10d及び下ガイドレール10eが2個ずつ設けられている。
図3〜図5に示すように、フレーム10aと左支持部10bとの間には、左緩衝部材75が設けられている。フレーム10aと右支持部10cとの間には、右緩衝部材76が設けられている。左緩衝部材75及び右緩衝部材76は、バッテリ70の前側端部から後側端部までの長さで形成され、上下に1個ずつ2個設けられている。なお、左緩衝部材75及び右緩衝部材76の数や設ける位置は、適宜変更可能である。
なお、左支持部10b及び右支持部10cを削除して、左緩衝部材75でバッテリ70の左側面を受け、右緩衝部材76でバッテリ70の右側面を受けるようにしてもよい。この場合、バッテリ70の前側端部から後側端部までの長さで形成された左緩衝部材75及び右緩衝部材76は、バッテリ70を上部基体10の後面側から上部基体10の内部に収納する際のガイド及び位置決めとして機能する。
上部基体10のフレーム10aとバッテリ70の前面との間には、前緩衝部材77が設けられている。上部基体10のフレーム10aとバッテリ70の後面との間には、後緩衝部材78が設けられている。前緩衝部材77及び後緩衝部材78は、バッテリセル70aの軸方向への衝撃を緩和する。前緩衝部材77及び後緩衝部材78は、バッテリ70の左側端部から右側端部までの長さで形成され、上下に1個ずつ2個設けられている。なお、前緩衝部材77及び後緩衝部材78の数や設ける位置は、適宜変更可能である。
前緩衝部材77は、バッテリ70の前面に当接しており、バッテリ70の前側の位置決めを行う。後緩衝部材78は、バッテリ70の後面に当接しており、バッテリ70の後側の位置決めを行う。各緩衝部材75〜78は、例えば発泡金属により構成されている。
次に、図6及び図7を参照して、ロボット1の2つの歩行モードについて説明する。なお、図6では、理解を容易にするために、腕リンク30の図示を省略している。
なお、本実施形態において、ハンド部40又は足平部60を「接地させる」とは、ハンド部40又は足平部60がロボット1に作用する力に抗する接触反力を受けるように、ハンド部40又は足平部60を外部環境に接触させることを意味する。
図6に示すように、二足歩行モードでは、一対の脚リンク50の一方の先端の足平部60を地面Aに接地させた状態(その一方の脚リンク50を支持脚とした状態)で、他方の脚リンク50の先端の足平部60を空中移動させ、さらに接地させること(その他方の脚リンク50を遊脚として動作させること)が繰り返される。この場合、脚リンク50のそれぞれの遊脚としての動作は、交互に行われる。また、図示省略した腕リンク30は、非接地状態となっている。
図7に示すように、四足歩行モードでは、腕リンク30の先端のハンド部40及び脚リンク50の先端の足平部60のうちの2つ又は3つを地面Aに接地させた状態(その2つ又は3つの腕リンク30及び脚リンク50を支持脚とした状態)で、残りの2つ又は1つのハンド部40又は足平部60を空中移動させ、さらに接地させること(その残りの2つ又は1つの腕リンク30又は脚リンク50を遊脚として動作させること)が繰り返される。この場合、遊脚として動作させる腕リンク30又は脚リンク50は、所定の規則で周期的に切り替えられる。
ただし、四足歩行モードの動作は、上記の動作に限定されるものではない。例えば、腕リンク30の先端のハンド部40及び脚リンク50の先端の足平部60のうちの1つを地面Aに接地させた状態(その1つのハンド部40又は足平部60を支持脚とした状態)で、残りの3つのハンド部40及び足平部60を空中移動させ、さらに接地させること(その残りの3つのハンド部40又は足平部60を遊脚として動作させること)を繰り返すようにすることも可能である。
また、腕リンク30の先端のハンド部40及び脚リンク50の先端の足平部60を一斉に空中に移動させて(すなわち、ロボット1をジャンプさせて)、さらに接地させることを繰り返すようにすることも可能である。
ロボット1は、作業中や停止時に衝撃が加わることがある。図5に示すように、上部基体10の前側から衝撃が加えられた場合、後緩衝部材78により衝撃が緩和され、上部基体10の後側から衝撃が加えられた場合、前緩衝部材77により衝撃が緩和される。
また、上部基体10の左側から衝撃が加えられた場合、右緩衝部材76により衝撃が緩和され、上部基体10の右側から衝撃が加えられた場合、左緩衝部材75により衝撃が緩和される。
さらに、図5に示すように、上部基体10に対して右斜め前から左斜め後方向に向けて斜め方向Aで衝撃が加わった場合、後緩衝部材78の左端部の部分と、左緩衝部材75の後端部の部分とによって衝撃が緩和され、上部基体10に対して左斜め前から右斜め後方向に前右方から後左方に向けて斜め方向Bで衝撃が加わった場合、後緩衝部材78の右端部の部分と、右緩衝部材76の後端部の部分とによって衝撃が緩和される。同様に、上部基体10に対して斜め方向C及びDに衝撃が加わった場合にも、左緩衝部材75及び右緩衝部材76の一方と、前緩衝部材77とより衝撃が緩和される。
[実施例]
バッテリ70が収納され、左緩衝部材75、右緩衝部材76、前緩衝部材77、後緩衝部材78が設けられた本実施形態の上部基体10に衝撃を加える実験を行ったところ、各緩衝部材75〜78により衝撃が緩和されて、バッテリ70の受ける衝撃加速度は、各緩衝部材75〜78が設けられていない従来の上部基体10に衝撃を加えた場合に比べて、半分程度に軽減された。
なお、上記実施形態では、左緩衝部材75及び右緩衝部材76は、バッテリ70の前側端部から後側端部までの長さで形成されているが、少なくともバッテリ70の前側端部と後側端部とを受ける位置に設けられていればよい。
また、上記実施形態では、前緩衝部材77及び後緩衝部材78は、バッテリ70の左側端部から右側端部までの長さで形成されているが、少なくともバッテリ70の左側端部と右側端部とを受ける位置に設けられていればよい。
1…ロボット、10…上部基体、11…下部基体、12…腰関節機構、12a…第1腰関節機構、12b…第2腰関節機構、13…制御部、20…環境認識装置、20a…環境認識ユニット、20b…環境認識ユニット用制御回路、21…首関節機構、30…腕リンク、30a…第1腕リンク部、30b…第2腕リンク部、30c…肘関節機構、31…肩関節機構、31a…第1肩関節機構、31b…第2肩関節機構、31c…第3肩関節機構、40…ハンド部、40a…ハンド基部、40b…第1指部、40c…第2指部、40d…緩衝部材、41…手首関節機構、41a…第1手首関節機構、41b…第2手首関節機構、41c…駆動部、50…脚リンク、50a…第1脚リンク部、50b…第2脚リンク部、50c…膝関節機構、51…股関節機構、51a…第1股関節機構、51b…第2股関節機構、60…足平部、61…足首関節機構、70…バッテリ(駆動源)、70a…バッテリセル、75…左緩衝部材、76…右緩衝部材、77…前緩衝部材、78…後緩衝部材

Claims (4)

  1. 基体と、前記基体に連結された複数のマニピュレータとを備え、前記複数のマニピュレータを駆動して移動するロボットであって、
    前記基体の内部に収納され、前記複数のマニピュレータを駆動するための駆動源と、
    前記基体の内部で前記駆動源の外側に設けられ、前記駆動源への衝撃を緩和するための複数の緩衝部材と、
    を備えることを特徴とするロボット。
  2. 請求項1に記載のロボットにおいて、
    前記複数の緩衝部材は、前記駆動源の前面及び後面の少なくとも左右方向の両端部と、前記駆動源の左側面及び右側面の少なくとも前後方向の両端部とを受けるように設けられていることを特徴とするロボット。
  3. 請求項1又は2に記載のロボットにおいて、
    前記駆動源は、複数のバッテリセルを備え、
    前記複数の緩衝部材のうちの少なくとも1つは、前記複数のバッテリセルの軸方向への衝撃を緩和することを特徴とするロボット。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のロボットにおいて、
    前記緩衝部材は、前記基体の内部における前記駆動源の位置決めを行うことを特徴とするロボット。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0512232U (ja) * 1991-08-05 1993-02-19 本田技研工業株式会社 電気自動車用バツテリ収納箱
JP2013229274A (ja) * 2012-04-27 2013-11-07 Honda Motor Co Ltd バッテリ保護装置
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