JP3612545B2

JP3612545B2 - ロボットの関節装置

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Publication number: JP3612545B2
Application number: JP2000220936A
Authority: JP
Inventors: 正雄西川
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: JP2002036153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つのリンクを相対回転可能に結合した関節部を有するロボットの関節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの関節装置は、例えば特許第２５９２３４０号公報で知られている。この関節装置には電動モータとその出力を減速増力できるハーモニックドライブ減速機が組み合わされて使われている。ロボットの減速機は必ずしもこの形式である必要はないが、軽量であり大きな減速比が得られ、なおかつ伝達効率も納得できるレベルであることが要求される。
【０００３】
前記特許第２５９２３４０号公報に開示された構成では、ロボットが起立しているときには地球の引力に抗して脚の関節を起立位置に保持するべく、当該関節を駆動するモータに電流を流しつづける所謂サーボロックをかけておく必要がある。関節の起立位置が物理的に不安定な点になっているからである。
【０００４】
また起立している時以外でも、例えば歩行中に体重を支えている方の脚（以下これを立脚と言い、支えている期間を立脚期と定義する）の膝関節は真っ直ぐに伸ばした状態でサーボロックされている。立脚期が終わるころ、サーボロックは解除され、その後はこの脚は体重を支えない遊脚期に入る。立脚期の膝関節は上記の起立時と同じ理由で電流の消費を継続していることになる。
【０００５】
このようなサーボロックは外部に対して仕事をしていないにも関わらず、電気エネルギーを消費していることになる。サーボロックを行うことなく脚関節を所望の位置に固定する技術も他の先行技術の中にみることができる。例えば米国の企業が開発した６本足のロボット「オデックス」はモータで駆動されるねじによって関節を動かしている。この構成によるときは、モータを駆動すれば関節は角度を変えることができるのに対して、ロボットの体重による外力ではねじが変位を許さず、機械的にセルフロックされて関節角度は保持されるから、モータに流す電流を止めてもその関節角度は維持される。
【０００６】
しかし、ねじをモータ減速機に使った場合には、内部摩擦が大きく、減速機の伝達効率が極めて悪いと言う副作用を覚悟しなければならない。このねじを内部摩擦の少ないボールねじに交換してみると、最大の特徴であった機械的なロックと言う利点まで失われてしまうから、関節角度の維持には電流を継続して流す必要が生じてしまう。
【０００７】
更に、他の先行技術の中に、関節にブレーキをかけてロックする技術がある。産業用ロボットでは、電源が切れたときにロボットが落下してきて人身事故になることを防止する目的で、関節構造と並列に電磁クラッチを用意する。通常は電流を流して電磁クラッチを切っておき、停電などで電源が故障したときには電磁クラッチがバネの力で関節をロックする、という概念である。
【０００８】
この概念が歩行ロボットの省エネ対策には使えないことは、正常時に無駄な電流を流しておかなければいけないことや、電磁クラッチそのものが大変に重いことなどを想起すれば自明だろう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来の技術では体重に抗して関節を所望の角度に保持するために、移動では使わなくてもよいエネルギーを消費しており、このために一度充電した後のロボットの稼働時間を著しく短いものに縮めている。車輪式の移動機構の場合、単に止まっているときにはエネルギーを全く消費していない事実を考えれば、歩行ロボットの持つハンディの大きさが良く理解できよう。
【００１０】
移動ロボットは移動そのものが目的ではなく、目的地に到達した後、所定の作業をこなすことが使命であり、作業時の姿勢としては起立姿勢をとる時間が長いことから、起立姿勢での消費エネルギーを削減することは非常に重要な課題である。
【００１１】
更に、現在の人工知能の技術水準では、移動中でさえ、現在自分が何処に居るのかを知るのに、回りの環境を認識する長い時間が必要であり、その間起立姿勢を維持することになり起立時の消費エネルギーの削減の課題は益々重要性を帯びている。
【００１２】
前述のような問題は、ロボットのアーム部にもついて回る。アームは移動中には作業を行わないので、環境にある他の構造物や人と接触しないようにできるだけ折り畳んでいることが望ましい。このために従来公知となった歩行ロボットではアームを肘部分で曲げて歩行している。この姿勢では前腕部の重量が肘関節にかかり、モータはこの重量によるモーメントに抗して肘角度を維持しなければならないから電力の消費を必ず伴っていた。
【００１３】
肘関節を曲げることは、肩関節や手首関節のモータにとっても重力モーメントに抗して電流の消費を強いていたため、アーム全体では相当な量のエネルギー消費を伴っている。これらの消費エネルギーが全体として現在の移動ロボットの稼働時間を著しく短いものにしてきた。
【００１４】
次に、従来のロボットの関節が有する欠点について歩行ロボットの膝関節を例にとり、起立時に電力を消費する理由を制御の立場から説明する。
【００１５】
図９（ａ）は特許第２５９２３４０号公報に開示されたロボットを側面から見た図である。起立したロボット全体の重心Ｇから下ろした鉛直線が膝関節の回転軸ａと交わるとき、重力に起因する膝関節を曲げるモーメントは発生しない。
【００１６】
しかし、図９（ａ）に示した如く重心から下ろした鉛直線が膝関節の回転軸ａと微小量δｘだけ変位したとしよう。ロボットの質量をＭとすれば、重力はＭｇであるから、これにδｘを乗じた量が膝関節を回転させるモーメントになる。このモーメントによって関節角度は目標とする角度から次第にずれていき、ロボットの姿勢を崩す。モータはこの崩れた姿勢角度を元の正常な角度に戻すべくトルクを発生させなければならないから、電流を消費することになる。
【００１７】
本発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、付勢手段によって関節角度を特定姿勢角度に保持し、消費エネルギーを低減できるロボットの関節装置を提供することにある。
【００１８】
更に、ロボットがアームを所定の姿勢にとるとき、エネルギーの消費を基本的に伴わないか、消費するにしても著しく節約できる新規なロボットの関節装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも第１のリンクと第２のリンクを相対回転可能に結合した関節部を有するロボットの関節装置において、前記関節部がモータの駆動力により回転運動するように構成するとともに、前記関節部における前記第２のリンクに、前記第１のリンクに対して相対回動するカムを設け、前記第１のリンクに前記カムの外周部に対して弾性的に押圧力を付与し、前記第１と第２のリンクが所望の姿勢角度になるように付勢する付勢手段を設けた。関節部に関節の角度が所望の角度になるように物理的に付勢する付勢手段を付加し、その付勢力によって所望の関節角度が維持されるように構成した。付勢力はバネ等の機械的な力であるので、基本的にエネルギーの消耗が抑えられ、ロボットの稼働時間を大幅に延長できる。
【００２０】
請求項２の発明は、脚式の歩行ロボットの関節に当該付勢手段を付加し、所望の角度を維持するのにエネルギーの消費を伴わないように構成したから、歩行ロボットが目的地についた後で作業を行うような場合、又は移動中に経路探索等で立ち止まるような場合にエネルギーの消費を基本的に抑えることができ、歩行ロボットの行動半径を拡大できる。
【００２１】
請求項３の発明は、少なくとも１つの関節を含むアームを有するロボットの当該関節部に当該付勢手段を付与したから、移動中などアームを使わないときにアーム角度を所望の角度に維持するのにエネルギー消費を抑え、ロボットの稼働時間を延長できる。
【００２２】
請求項４の発明は、前記関節角度が前記所望の角度に近づくとき、この両者の差分が極めて微小であっても十分な付勢力が得られるように初期保持力を与えたから、外部から当該関節角度を変位させるモーメントが加えられた場合でも正確に当該所望の角度を維持することができ、エネルギーの消費を０にできるか、消費するにしても著しく節約できる。
【００２３】
請求項５の発明は、前記付勢手段が決める所望の関節角度と制御システムが決める所望の関節角度との間の誤差を解消するために、制御システムが決める所望の角度と付勢手段の決める角度が一致するように調節可能な調節手段を付け加えた。
【００２４】
請求項６の発明は、少なくとも第１のリンクと第２のリンクを相対回転可能に結合した関節部を有するロボットの関節装置において、前記関節部がモータの駆動力により回転運動するように構成するとともに、前記関節部における前記第２のリンクに、前記第１のリンクに対して相対回動する第 1 の磁石を設け、前記第１のリンクに前記第 1 の磁石に対して磁気吸引力を発生させ、前記第１と第２のリンクが所望の姿勢角度になるように付勢する第２の磁石を設けた。付勢力は電磁力のポテンシャル力であるので、基本的にエネルギーの消耗が抑えられ、ロボットの稼働時間を大幅に延長できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１〜図３は第１の実施形態を示し、図１は移動ロボットとしての２足歩行ロボットの骨格を示す斜視図である。図１に示すように、歩行ロボット１は左脚２Ｌ、右脚２Ｒに６個の関節軸を備えている。左脚２Ｌ、右脚２Ｒは同一構造であり、一方について説明すると、６個の関節軸は上から順に、脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４、同ロール方向関節軸５、膝部ピッチ方向関節軸６、足首部ピッチ方向関節軸７、同ロール方向関節軸８となっており、その下部には力センサ９を介して足部１０が設けられている。
【００２７】
脚２Ｌ、２Ｒの最上部には人体の骨盤に相当する腰板リンク１２が設けられている。腰板リンク１２には関節の制御に必要な電源やアンプ（増幅器）、及び歩行空間に対するロボットの傾斜を検知して電気信号として出力する傾斜計１３などが図示しない手段で搭載されている。
【００２８】
脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４及び同ロール方向関節軸５によって股関節部１４が構成されている。更に、膝部ピッチ方向関節軸６によって膝関節部１５が構成されている。更に、足首部ピッチ方向関節軸７と同ロール方向関節軸８によって足関節部１６が構成されている。
【００２９】
股関節部１４と膝関節部１５とは大腿リンク１７によって結合され、また膝関節部１５と足関節部１６とは脛リンク１８によって結合されている。
【００３０】
図２は膝関節部１５の具体的構成を示し、図１の右脚２Ｒの膝関節部１５を前方から見た図であり、説明の都合上、一部を断面で示している。図２に示すように、大腿リンク１７の上方には膝関節駆動用のモータ（図示しない）が設けられ、その出力はタイミングベルト１９を介して膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に配置されたプーリー２０に伝えられている。プーリー２０の回転はハーモニック減速機２１で減速・増力されて脛リンク１８をピッチ方向に回動するようになっている。脛リンク１８は大腿リンク１７に対して自由な回転運動ができるように、２つの軸受２２，２３で支持されている。
【００３１】
脛リンク１８の上端部には足部１０の足首部ピッチ方向関節軸７を駆動するためのモータ２４が収納され、その出力はタイミングベルト２５を介して足首部ピッチ方向関節軸７へ伝達されている。モータ２４には公知のようにその右半分には関節角度を知ることができる角度計（エンコーダ）が設けられ、この角度計のパルス数によって、足部１０の脛リンク１８に対するピッチ方向の角度が分かる。前述の大腿リンク１７の駆動用のモータやその他の関節駆動用のモータにも同じように関節角度計が装着されている。
【００３２】
また膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に脛リンク１８側の右側面には複数本のねじ２６で結合された円筒カム２７が設けられ、大腿リンク１７に対して脛リンク１８が相対的に回動すると、この円筒カム２７も大腿リンク１７に対して相対回動するようになっている。
【００３３】
大腿リンク１７の右側面には、複数本のねじ２８によってシリンダ２９が固定されている。このシリンダ２９の内部には軸方向に摺動自在にカムフォロア３０が挿入されている。カムフォロア３０は公知のものであり、前記円筒カム２７の表面を転動するローラ３１と、このローラ３１を回転自在に支持するローラ軸３２を備えている。カムフォロア３０の上部には初期荷重を与えられたバネ３３がシリンダ２９に内挿され、シリンダ２９の上部にはねじ込み用のねじ部を持つプラグ３４が設けられている。すなわち、プラグ３４のねじ込み量によって円筒カム２７とローラ３１とを適切な押し付け力に設定している。
【００３４】
そして、円筒カム２７とカムフォロア３０及びシリンダ２９等は大腿リンク１７と脛リンク１８を図示位置に保持しようとする付勢力を生み出しており、この付勢力を生み出す装置を、以下、付勢手段と言い、前記初期荷重によって作られた図示位置への保持力を、以下、初期保持力と言う。
【００３５】
図３は付勢手段を示し、図２の矢印Ａ方向から見た概略的構成図である。図３に示すように、シリンダ２９は大腿リンク１７に３本のねじ２８で固定されている。円筒カム２７の外周にはローラ３１を迎え入れる凹部２７ａが設けられ、図示位置ではローラ３１がバネ３３によってこの凹部２７ａ押し付けられている。従って、大腿リンク１７と脛リンク１８とが図示位置から相対回転しようとする場合にこれを妨げて、図示位置に両者の関係位置を保持しようとする初期保持力を発揮する。
【００３６】
本実施形態では、凹部２７ａは円筒カム２７の円周上の限られた部分にのみ設けられているから、大腿リンク１７に対して脛リンク１８が図示位置からある角度回転すると、ローラ３１は一定の半径を持つ円筒上を転がることになり、前記付勢力は消滅して、両者の相対回転運動の妨げにはならない。
【００３７】
本実施形態では、図示位置を歩行ロボット１の直立起立姿勢とした。このときの膝関節部１５の角度を制御プログラムが正しく起立位置であることを認識していないと、付勢手段が起立位置であること指定する位置は、制御プログラムが起立位置であると認識している角度と異なることになり、制御システムは自分の考えている角度を実現するべく、付勢手段の付勢力に抗してエネルギーを費やし、結果的に本発明の省エネ目的に反することになる。
【００３８】
しかし、本発明は、次のような調節手段を設けている。すなわち、円筒カム２７側のねじ２６と嵌合する穴３５（図２参照）は長穴であるため、円筒カム２７を脛リンク１８に固定するねじ２６を少し緩めれば、起立位置では自然にバネ３３の押し付け力によって円筒カム２７とローラ３１との相対位置が図示位置に調節される。その後、ねじ２６を再度締め付ければ、前記部品精度に基づくエラーを吸収・調節できる。
【００３９】
図４及び図５は第２の実施形態を示し、第１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。
【００４０】
図４は膝関節部１５の具体的構成を示し、膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に脛リンク１８側の右側面には複数本のねじ２６で結合された円筒カム２７が設けられ、大腿リンク１７に対して脛リンク１８が相対的に回動すると、この円筒カム２７も大腿リンク１７に対して相対回動するようになっている。
【００４１】
円筒カム２７には大腿リンク１７と脛リンク１８を図示位置に付勢する付勢手段としての板ばね３５，３６がベース３７を介して大腿リンク１７に取付けられている。
【００４２】
図５は図４の付勢手段を矢印Ｂの方向から見た概略的構成図である。板ばね３５，３６はバネ鋼で作られ、ベース３７には４本のねじ３８で固定されている。板ばね３５，３６の自由な状態での形状は、図５に２点鎖線に示す如く湾曲しており、円筒カム２７の２面幅を抱え込むように装着されると、円筒カム２７を図示位置に保持する力が生ずる。
【００４３】
この力の大きさは、自由状態における板ばね３５，３６の湾曲度にもよるが、板の厚みによっても変わる。板の厚みの変更以外にも板の枚数を図示の１枚から複数枚に増やすことでも保持力を変えることができる。つまり保持力の設定の自由度は大変に大きい。更に保持力を増やしたければ、板ばね３５，３６の下部にコイルばね３９を付け加えることもできる。
【００４４】
本実施形態でも図示位置から大腿リンク１７，脛リンク１８が相対回転を始めようとすると、初期保持力があるので、所定のトルクを越えない限り相対回転は起きない。所定のトルク以上のトルクが加わると始めて相対回転が始まるが、絶えず図示位置に戻される力が働くことになる。従って大腿リンク１７と脛リンク１８の間には図示位置への付勢力が働いている。
【００４５】
また、板ばね３５，３６が円筒カム２７の外周の半径一定の円筒面に乗り上げた後は、この付勢力は消滅するのであるが、板ばね３５，３６と円筒カム２７の円筒面とは擦れ合うので、一種の摩擦力が発生する。この摩擦力は歩行時の抵抗となって消費エネルギーを増大させる方向に働くので、両者間の摩擦係数を下げる必要がある。摩擦係数を低下させるには、摺動面にモリブデン系統のグリースを塗ることも良い解決策である。また板ばね３５，３６の表面に低い摩擦係数を持つ材料、例えばグリースを塗布したゴム材で覆うことも良い解決策である。
【００４６】
図６及び図７は第３の実施形態を示し、第１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。図６は膝関節部１５の具体的構成を示し、膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に脛リンク１８側の右側面には複数本のねじ４０によって非磁性材料からなる軸受部材４１に固定されている。
【００４７】
大腿リンク１７と脛リンク１８はアルミニウム等の非磁性体の材料で作られている。その相対回転運動が、図示しないモータの出力を伝達するタイミングベルト１９と、このタイミングベルト１９で駆動されるハーモニック減速機２１によって引き起こされる。
【００４８】
軸受部材４１には第１の磁石４２が接着剤などの適切な手段によって固定されている。軸受部材４１の外周には磁性体からなる円筒体４３が設けられ、この円筒体４３には第１の磁石４２と協調して前記大腿リンク１７と脛リンク１８を図示位置に付勢する第２の磁石４４，４５が接着剤などの適切な方法で固定されている。更に、磁石の吸引力によって塵埃などが付着することがないように、膝関節部１５の全体を覆う樹脂などの非磁性体のカバー４６が設けられている。
【００４９】
第１の磁石４２及び第２の磁石４４，４５に図示のような極性を与えるとき、大腿リンク１７と脛リンク１８は互いに引き寄せられて、図示位置を保とうとする。その力の大きさは磁石の強さによっても変えることができるが、第１の磁石４２と第２の磁石４４，４５との間の隙間Ｔによっても変えることができる。隙間Ｔを小さくするにつれ、図示位置に保持しようとする力は飛躍的に強まる。
【００５０】
なお、本実施形態の付勢手段は大腿リンク１７と脛リンク１８にそれぞれ固定された第１の磁石４２と第２の磁石４４，４５であるが、原理的にはこの内の片方の磁石は、鉄などの磁性材料であれば、必ずしも磁石である必要はない。
【００５１】
本実施形態では第１及び第２の実施形態に比べて付勢手段が機能する付勢力に初期保持力はない。すなわち、図示位置から僅かな外部トルクが加えられても、大腿リンク１７と脛リンク１８はそのときのトルクに応じた変位を示すようになる。もし初期荷重が欲しければ、大腿リンク１７と脛リンク１８が磁石で引き寄せられる図示の位置に到達する直前に、当該リンクの相対変位を止めるストッパーを別に設けておき、そのストッパーで停止した位置を起立位置となるように調整すればよい。
【００５２】
前記円筒体４３は、図７に示すように、外周壁には複数個の穴４７ａ，４７ｂ……が設けられ、当該穴４７ａ，４７ｂ……に挿入されたボルト４８ａ，４８ｂ……によって大腿リンク１７に固定されている。この穴４７ａ，４７ｂ……の大きさはボルト４８ａ，４８ｂ……の径に比べて十分に大きく、その結果、微小量ではあるが、軸受部材４１と大腿リンク１７との相対位置、言い換えれば第１の磁石４２と第２の磁石４４，４５との相対位置を調節可能にしている。ロボットの組み立て調整の段階では、サーボモータが膝を起立の位置に保持したときに当該ボルトを締め付けることで、このときの関節角度が制御の基準関節角度となるように調整する。
【００５３】
図８には膝関節部１５を目標値になるように制御するためのブロック図である。本実施形態ではコンピュータが時系列的に関節角度を記憶しており、その関節角度になるようにサーボシステムが作られているものとする。このようなサーボシステムは公知であり、本発明の主たる構成要素ではないために、以下簡潔に述べる。
【００５４】
制御工学の分野では公知のように、ラプラス変換を施した量でブロック図を書くのが決まりである。図８はこの決まりに従って書いてある。図８に記入された大文字の記号は、変換前の量に直すと小文字の量である。例えば変換後の量Ω（ｓ）は、本来はω（ｔ）を表している。以下の説明は変換前の量でなされている。
【００５５】
時刻ｔ＝ｉのときの関節角度をθｉとする。そのうちコンピュータの記憶している時系列の関節角度をθｉｄ、実際の関節角度をθｉｒとして区別する。コンピュータはθｉｄとθｉｒとの差分を計算して、その差分をＫ１倍したものを改めて関節角速度ωｉｄとして計算する。このωｉｄと実際の関節の回転速度ωｉｒとを比較して、その差分にＫ２倍した量をモータトルクＴｍとして出力する。
【００５６】
モータアンプはこの出力を受けてモータに電流を供給するのでモータは回転して出力ωｉｒを発生する。この回転速度ωｉｒを積分器で積分したもの（カウンターで数えたもの）が回転角度θｉｒである。この回転角度θｉｒはモータと一体に装着した前述の角度計（エンコーダ）で検出され、再びコンピュータにフィードバックされる。この制御ループは公知であり、以上の情報の流れを制御工学の決まりに従って示したものが図８である。
【００５７】
図８の要点は、角度指令値であるθｉｄと実際の関節角度との間に存在する差分に比例したトルクをモータに供給するのがサーボ制御の基本であるという点であり、この差分が小さくできれば、それだけモータに流す電流値が小さくできることを示していることである。なぜならば、公知のようにモータのトルクとは流す電流値に比例するからである。
【００５８】
以上、本発明を歩行ロボットの膝関節に適用した場合について説明してきたが、本発明は膝関節に限定されるべきではなく、全ての脚関節に適用できるのは自明だろう。
【００５９】
更にロボットの上体についても歩行中にはアームが環境にある他の物体と触れるのを避けるために、アームに所定の姿勢を取らせておくことは現在の技術水準では必要なことである。アームが環境側の物体と干渉しない自然な姿勢はアームの肘を凡そ９０°に曲げた上体で保持することだとされている。この場合にも本発明を肘関節に適用し、肘の関節角度が所望の角度になるように本発明の付勢手段を付加すればよい。
【００６０】
次に本発明の要点を同じ制御工学の立場から説明する。膝関節に図９（ｂ）に概念的に示したような関節角度の保持装置がある場合を考えてみる。当該保持装置はバネｂで押圧された硬球ｃと、この硬球ｃを受け入れるＶ字型の溝ｄを外周面上に持つ円柱ｅとからなり、バネｂと硬球ｃとは大腿リンク側に、前記円柱ｅは脛リンク側に組付けられているものとすれば、例え上記のモーメントが発生して膝関節を座屈させようとしても、この保持装置が発生する保持力によって関節の相対角度はほとんど影響も受けないことになる。
【００６１】
ロボットの関節の制御則は関節の相対角度について、目標とする角度から現在の実際の角度を引いた差分に応じて訂正動作を行うように構成されるのが公知の方法であるから、上記保持力によって目標角度と現在の角度とが一致している限り訂正動作は行われない。つまりエネルギーの消費を伴うことなくロボットは起立姿勢を取ることができることを意味している。また仮に微小な差分が生じていても前記保持力がモータの行うべき訂正動作のトルクの一部または全てを負担するから、結果的にモータは少ないトルクを負担するか、或いは全くトルク負担をしないかのいずれかになり、省エネが図られる。これが本発明の概念の基本である。
【００６２】
本発明の実施にあたって付随する問題を次に述べる。上記の説明から分かるとおり、関節角度の目標値と現在値との間には、僅かな差分が生じても、その差分を解消するべくモータには電流が流れ、エネルギーの消費が始まる。付勢手段の発揮する付勢力が前記所望の関節角度において０か、又は著しく小さいものであれば、当該付勢力があるにも係わらず、その効果が低くなる。
【００６３】
この問題を解消するには、２つの方法がある。一つは制御的に前記所望の角度の近辺では角度変位に対する不感帯を設ける手法と、もう一つは前記の差分が生じなければモータに電流が流れることがないのであるから、差分を生じにくくする手法である。差分を生じにくくする手段を追加しなければ、本発明の効果は半減する。本発明に課せられた課題の一つは、関節角度が所望の位置に強く保持されるような構造を、軽くコンパクトな形態で提供することである。
【００６４】
更にまた、脚関節での前記所望の関節角度の設定に当たっては、制御上の指定角度と機械設計上の所望の角度とが一致する必要がある。なぜならば、起立時の制御プログラムが指定する角度と、当該付勢手段が決める角度との間に微小な偏差が生じている場合を想定するに、モータにはその微小な偏差を解消する方向にトルクを発生させる制御則が働き、結局電流が流れるから、本発明の効果を半減させることになる。
【００６５】
この解決方法も前述のように制御上の不感帯を設ける手法でも解決できるが、不感帯を設ければ遊脚期の制御が不正確になると言った別の問題を生み出す。従って本発明に課せられた課題の一つは制御上の指定角度と機構的に設定する指定角度との間の偏差を吸収できる新奇な方法を提案することにある。
【００６６】
更にまた、歩行ロボットの脚部関節に本発明を適用しようとする場合に、脚関節の持つ特殊性を考慮しなければならない。脚は地面に着地して体重を支える立脚期と、地面から離れて空中を移行する遊脚期とに別れる。立脚期では体重が関節を座屈させ、曲げようとする方向に働くが、遊脚期には体重のこのような作用はない。
【００６７】
言い換えれば、遊脚期の関節にとって前記付勢力は、起立姿勢に関節を伸ばそうとして働くモーメントになるから、関節のモータはこのモーメントに抗して関節を曲げると言う余計な仕事をしなければならない。つまり歩行中に限って本発明の功罪を問えば、効果は相殺されて小さくなる。
【００６８】
このようなジレンマを解消するには、本発明の効果を前記所望の角度の近辺に限定し、通常使う角度範囲では実質的に作用しないような構造にする必要がある。これも本発明に課せられた課題の一つである。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項記載の発明によれば、付勢手段によって関節角度は特定姿勢角度を保持する方向に付勢されているから、その特定姿勢角度をとるときは指令値と実際の角度との間の差分が実質的に０になる。差分が０になれば図８に示した原理に従ってモータに供給する電流値は０となるので、この姿勢をとる間の消費エネルギーを原理的に０にできる。
【００７０】
更に、当該特定姿勢角度から微小量δθ変位した場合を考えるに、その変位δθに比例した大きさの付勢力が復元力として作用し、付勢力がない場合に必要なモータトルクよりも少ないモータトルクでその変位δθを保持できるから、消費エネルギーを低減できる。
【００７１】
更に、制御システムが設定している姿勢角度の所望値と付勢手段の決める角度の所望値とが一致するように調節手段を備えている。これによって製作上の誤差による両者の不一致を無くして最大の省エネ効果が得られる。
【００７２】
本発明は付勢手段がいずれも物理的な原理に従っており従来の電磁ブレーキなどによる関節ロックがエネルギーの消費を前提に設計されるものとは違い、基本的にエネルギーの消費を伴わない。また、従来の電磁ブレーキ方式を改良して姿勢角度の保持に使おうとすれば、電磁ブレーキそのものが持つ重量・体積が実用化の上で大きな妨げとなるが、本発明に示されたいずれの実施形態でも明らかなように、小型軽量であり、移動ロボットにとって最も忌み嫌う重量増加を最小限に抑えることができる。
【００７３】
更に、もし従来の電磁ブレーキ方式を改良して姿勢角度の保持に使おうとすれば、次に動きだすときにブレーキを解除しつつモータのトルクを高めると言う離れ業を行わねばならなくなり、制御が煩雑となるが、本付勢手段はモータ制御に一切の制約を及ぼさないから、極めて自然に次の運動動作に入ることができる。
【００７４】
また、当該特定姿勢角度から離れた場所では、この付勢手段は何らの効果も発揮することがなく、従来の関節運動のための制御方法に変更を求めない。このことは従来から蓄積してきた技術体系を変更することなく本発明が適用できることを示しており、その適用範囲を広げるものである。
【００７５】
更に、本実施形態では、起立静止時について説明したが、歩行中においても立脚期には膝を真っ直ぐ伸ばしている時間が立脚期の相当な部分を占めるので、体重を支えるのに本発明に基づく付勢手段の付勢力を利用でき、省エネルギーの効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す２足歩行ロボットの骨格を示す斜視図。
【図２】同実施形態のロボットの膝関節部の具体的構成を示す一部断面した正面図。
【図３】同実施形態を示し、図２の矢印Ａ方向から見た図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示し、ロボットの膝関節部の具体的構成を示す一部断面した正面図。
【図５】同実施形態を示し、図４の矢印Ｂ方向から見た図。
【図６】本発明の第３の実施形態を示し、ロボットの膝関節部の具体的構成を示す一部断面した正面図。
【図７】同実施形態を示し、図６の矢印Ｃ−Ｃ線に沿う断面図。
【図８】関節駆動制御ブロック図。
【図９】（ａ）（ｂ）は関節型の移動ロボットが起立時に何故エネルギーを消費するのか、その原理を説明するための図。
【符号の説明】
１５…膝関節部
１７…大腿リンク
１８…脛リンク
２７…円筒カム
３３…バネ

Claims

少なくとも第１のリンクと第２のリンクを相対回転可能に結合した関節部を有するロボットの関節装置において、
前記関節部がモータの駆動力により回転運動するように構成するとともに、前記関節部における前記第２のリンクに、前記第１のリンクに対して相対回動するカムを設け、前記第１のリンクに前記カムの外周部に対して弾性的に押圧力を付与し、前記第１と第２のリンクが所望の姿勢角度になるように付勢する付勢手段を設けたことを特徴とするロボットの関節装置。
少なくとも第１のリンクと第２のリンクからなる２本の脚を持ち、当該脚を動かすことによって移動を行う形式の歩行ロボットであり、前記関節部を少なくとも一つ当該脚の関節部の中に含むことを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節装置。
前記ロボットが少なくとも１本のアームを持ち、当該アームに少なくとも１つの前記関節部を組み込んだことを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節装置。
前記付勢手段の付勢力は、前記２つのリンクを前記所望の姿勢角度から変位させようとするとき、所定の力以上の力が働くように初期保持力が付与されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のロボットの関節装置。
前記所望の姿勢角度と、前記付勢手段の付勢力がバランスする角度とが一致しないとき、両者を一致させるための調整手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のロボットの関節装置。
少なくとも第１のリンクと第２のリンクを相対回転可能に結合した関節部を有するロボットの関節装置において、
前記関節部がモータの駆動力により回転運動するように構成するとともに、前記関節部における前記第２のリンクに、前記第１のリンクに対して相対回動する第 1 の磁石を設け、前記第１のリンクに前記第 1 の磁石に対して磁気吸引力を発生させ、前記第１と第２のリンクが所望の姿勢角度になるように付勢する第２の磁石を設けたことを特徴とするロボットの関節装置。