JP3769608B2 - ２足歩行ロボットの股関節構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホームロボットや各種サービスロボット、または、義足、脚型車椅子等の医療福祉機器等に適用できる人間型ないし非人間型の2足歩行ロボットの股関節構造に関し、より具体的には2足歩行ロボットの歩行時の消費パワーを減少させるように構成された股関節に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脚式歩行ロボットは、図１に示されているように、2足歩行ロボットでは通常片脚あたり6軸で構成される（例えば、特開平３−１８４７８２号公報参照）。 この2足歩行ロボットの股関節のメカニズムに注目すると胴体１０側から旋回軸１（ヨー軸）、左右開閉軸２（ロール軸）、前後動軸３（ピッチ軸）の順に関節軸が配置される場合がほとんどである。この際、股関節の前後動軸３の具体的な構造に着目すると、図２に示すように、通常、ロール軸２をはさみこむように前後動リンク６の上端が前後動軸３に対して両持ち構造として構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、股関節の前後動軸３を図２のような構造にすると機構がロボットの中心軸２０付近に集中するために、左右脚間のクリアランスをとることが困難になる。この結果、
（１）両股関節の中心の間隔を広くとる必要がある
（２）両脚をクロスさせることが困難
等の問題が生ずる。
上記（１）は、歩行ロボットにとっては消費パワー増大の原因となる。なぜなら、片脚支持期において股関節ロール軸２に作用するトルクは、図３に示すように、股関節と胴体重心の水平距離ｒに胴体重量ＭｇをかけたＭｇ・ｒであり、股関節ロール軸２が体の中心線より離れているほど大きくなる。トルクはモーター電流に比例するため、結果として大きなパワーを消費することになる。
また、上記（２）はロボットの転倒防止の上で問題となる。2足歩行ロボットは、転倒した方向に足を踏み出すことにより安定を確保できる。例えば右脚で体を支持している際に右方向へ転倒した場合、左脚を右脚より右へ着地すなわち両脚をクロスさせる必要があるが、これができない場合、もはやロボットは安定を回復できず転倒するにまかせるしかないものであった。
【０００４】
一方、実際の人間の脚部骨格を観察すると、図４に示すように、左右大腿骨は骨盤より一旦外側へ突き出した後、下方へ向かう構造をもっている。その結果、左右股関節の回転中心は短く保たれているにもかかわらず十分な可動範囲が確保されている。さらに確保されたスペースに坐骨が位置しており、着席時や後ろ向き転倒時の衝撃吸収をここで行える構造になっている。
本発明は、人間の脚部骨格構造を参考にして、図５に示すように、外見上人間に類似した関節構造、すなわち、股関節の前後動軸（ピッチ軸）３を完全に外側で保持する構造とすることによって、上述の問題を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の２足歩行ロボットの股関節構造は、２足歩行ロボットの各々の股関節を腰板、腰板に対して鉛直回りの外旋または内旋運動をする旋回リンク、旋回リンクに対して開閉運動をする開閉リンクおよび開閉リンクに対して前後動軸を介して前後運動をする前後動リンクより構成し、前後動リンクを前後運動させるための関節軸である前後動軸を片持ち支持構造としたものにおいて、各旋回リンクの回転軸を鉛直方向に設け、各旋回リンクからロボットの中心軸側と反対方向であるところの外側方向に向けて開閉リンクを設け、該開閉リンクから下方に向けて前後動リンクを設け、開閉リンクと前後動リンクの間を入れ子とし、両リンクの関節軸である前後動軸にベアリングを複数個介在させる構成とすることにより開閉リンクの回転中心を極力ロボット中心軸に近づけたことを特徴としている。
また、本発明の２足歩行ロボットの股関節構造は、前後動リンクの下部を内側に向けて曲折した構成とすることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図６ないし図７に基づき説明する。
図６は２足歩行ロボットの正面図、図７は図６のＡ−Ａ断面図、図８は図６の要部拡大図、図９は図７の要部拡大図を示している。
脚を構成する基本的な要素は、腰板１１、腰板１１に対して旋回軸１、１を介して鉛直回りの外旋または内旋運動を作り出す旋回リンク４、４、旋回リンク４、４に対して開閉軸２、２を介して脚の内転または外転（左右の開閉）を起こす開閉リンク５、５、開閉リンク５、５に対して前後動軸３、３を介して脚の屈曲または進展（前後動）を作り出し大腿に相当する前後動リンク６、６、前後動リンク６、６に対して膝をはさんで下腿に相当するリンク７、７、リンク７、７に対して足部の背屈または底屈（爪先の上下）を作り出すリンク８、８およびリンク８、８対して足部の内返しまたは外返しを作り出し、足部を構成するリンク９、９からなる。
【０００７】
次に本発明の主眼である股関節の構成を図８および図９に基づいてさらに細かく説明する。
旋回リンク４、４は、腰板１１、１１に対して旋回軸１、１、ローラベアリング２６、２６を介して旋回自在に設けられ、その内側（ロボットの中心軸側）が平面状をなし、外側が開閉リンク５、５が開閉したときに障害にならないように正面からみて図８に示すような形状となっている。
また、開閉リンク５、５は、旋回リンク４、４に対して開閉軸２、２、ローラベアリング３６、３６を介して所定角度脚を開閉できるように開閉自在に設けられ、旋回リンク４、４から外側方向に向けて形成されている。
また、前記前後動リンク６は、開閉リンク５、５に対して前後動軸３、３、ローラベアリング４６、４６を介して前後動できるように前後動自在に設けられ、開閉リンク５の一部分は前後動リンク６の中に入れ子となっており、その間隙にローラベアリング４６を構成するクロスローラベアリング４７が所定の距離で複数個配置されている。
【０００８】
このように、開閉リンク５を旋回リンク４から外側方向に向けて形成し、開閉リンク５の一部分を前後動リンク６の中に入れ子構造、すなわち、前後動リンク６を前後運動させるための関節軸を片持ち支持構造とすることにより、開閉リンク５の回転中心をロボットの中心軸２０に極力近づけることが可能となった。
そして、開閉リンク５に対する前後動リンク６の上記片持ち支持構造においても、両リンク間を入れ子とし、前後動軸３にクロスローラベアリング４７を所定距離で複数個配置することにより、強度状の問題を克服することが可能となった。
なお、リンク５および６の入れ子構造は、開閉リンク５の一部分を前後動リンク６の中に入れ込む方式に代え、その逆でも可能であり、要は両リンク５、６が入れ子構造になっていれば良い。
また、前後動リンク６を一体部品として構成することにより関節のガタが生じにくい構造とすることができる。
さらに、前後動リンク６の下部を図６に示すように、内側に向けて曲折した構成として、その下方に位置するリンク７、８、９をロボットの中心軸２０に近づけるように構成すると２足歩行ロボットの脚をスマートに構成できる。
【０００９】
腰板１１に対する旋回リンク４の外旋または内旋運動はモータ２１によって駆動される。その回転はプーリー２２、タイミングベルト２３、プーリー２４によりハーモニック減速器２５に伝えられ、腰板１１に対する旋回リンク４の回転を作り出す。
開閉リンク５の内転または外転（左右の開閉）運動はモータ３１によって駆動され、プーリー３２、タイミングベルト３３、プーリー３４により股関節内部に配置されたハーモニック減速器３５に伝えられ開閉リンク５を駆動する。
前後動リンク６屈曲または伸展運動（前後動）は大腿部に配置されたモータ４１により駆動され、プーリー４２、タイミングベルト４３、プーリー４４を介してハーモニック減速器４５に伝えられ開閉リンク５に対して前後動リンク６を駆動する。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）左右股関節の間隔を狭めることができる。例えばロボットの中心軸と股関節回転中心の距離は従来技術（図２）の場合10cmとなるのに対して、本発明では6cmに減らすことができる。これに伴い片脚支持期に支持脚側の股関節ロール軸が発生するトルクは40％減り、従って歩行時の消費パワーも相当分だけ減らすことが可能となる。
（２）左右両脚をクロスさせることが可能となる。これによって、特に左右方向に押された際の安定性の確保が可能となる。
（３）股間にスペースが確保できるため、ここに坐骨に相当する衝撃吸収パーツを挿入することが可能になる。これによって転倒時の衝撃吸収を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の脚式歩行ロボットの概略を示した斜視図である。
【図２】従来の脚式歩行ロボットの股間節の構造を示した正面図である。
【図３】ロボットの歩行において、片脚支持期における股関節開閉軸に作用するトルクの状態を示した説明図である。
【図４】人間の脚部骨格構造を背面から示した図である。
【図５】外見上人間に類似した関節構造を持った２足歩行ロボットの正面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る２足歩行ロボットの正面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】図６の要部拡大図である。
【図９】図７の要部拡大図である。
【符号の説明】
１ 旋回軸
２ 開閉軸
３ 前後動軸
４ 旋回リンク
５ 開閉リンク
６ 前後動リンク
７、８、９ リンク
１０ 胴体
１１ 腰板
２０ ロボットの中心軸
２１、３１、４１ モータ
２２、３２、４２ プーリー
２３、３３、４３ タイミングベルト
２４、３４、４４ プーリー
２５、３５、４５ ハーモニック減速器
２６、３６、４６ ローラベアリング
４７ クロスローラベアリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホームロボットや各種サービスロボット、または、義足、脚型車椅子等の医療福祉機器等に適用できる人間型ないし非人間型の2足歩行ロボットの股関節構造に関し、より具体的には2足歩行ロボットの歩行時の消費パワーを減少させるように構成された股関節に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脚式歩行ロボットは、図１に示されているように、2足歩行ロボットでは通常片脚あたり6軸で構成される（例えば、特開平３−１８４７８２号公報参照）。 この2足歩行ロボットの股関節のメカニズムに注目すると胴体１０側から旋回軸１（ヨー軸）、左右開閉軸２（ロール軸）、前後動軸３（ピッチ軸）の順に関節軸が配置される場合がほとんどである。この際、股関節の前後動軸３の具体的な構造に着目すると、図２に示すように、通常、ロール軸２をはさみこむように前後動リンク６の上端が前後動軸３に対して両持ち構造として構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、股関節の前後動軸３を図２のような構造にすると機構がロボットの中心軸２０付近に集中するために、左右脚間のクリアランスをとることが困難になる。この結果、
（１）両股関節の中心の間隔を広くとる必要がある
（２）両脚をクロスさせることが困難
等の問題が生ずる。
上記（１）は、歩行ロボットにとっては消費パワー増大の原因となる。なぜなら、片脚支持期において股関節ロール軸２に作用するトルクは、図３に示すように、股関節と胴体重心の水平距離ｒに胴体重量ＭｇをかけたＭｇ・ｒであり、股関節ロール軸２が体の中心線より離れているほど大きくなる。トルクはモーター電流に比例するため、結果として大きなパワーを消費することになる。
また、上記（２）はロボットの転倒防止の上で問題となる。2足歩行ロボットは、転倒した方向に足を踏み出すことにより安定を確保できる。例えば右脚で体を支持している際に右方向へ転倒した場合、左脚を右脚より右へ着地すなわち両脚をクロスさせる必要があるが、これができない場合、もはやロボットは安定を回復できず転倒するにまかせるしかないものであった。
【０００４】
一方、実際の人間の脚部骨格を観察すると、図４に示すように、左右大腿骨は骨盤より一旦外側へ突き出した後、下方へ向かう構造をもっている。その結果、左右股関節の回転中心は短く保たれているにもかかわらず十分な可動範囲が確保されている。さらに確保されたスペースに坐骨が位置しており、着席時や後ろ向き転倒時の衝撃吸収をここで行える構造になっている。
本発明は、人間の脚部骨格構造を参考にして、図５に示すように、外見上人間に類似した関節構造、すなわち、股関節の前後動軸（ピッチ軸）３を完全に外側で保持する構造とすることによって、上述の問題を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の２足歩行ロボットの股関節構造は、２足歩行ロボットの各々の股関節を腰板、腰板に対して鉛直回りの外旋または内旋運動をする旋回リンク、旋回リンクに対して開閉運動をする開閉リンクおよび開閉リンクに対して前後動軸を介して前後運動をする前後動リンクより構成し、前後動リンクを前後運動させるための関節軸である前後動軸を片持ち支持構造としたものにおいて、各旋回リンクの回転軸を鉛直方向に設け、各旋回リンクからロボットの中心軸側と反対方向であるところの外側方向に向けて開閉リンクを設け、該開閉リンクから下方に向けて前後動リンクを設け、開閉リンクと前後動リンクの間を入れ子とし、両リンクの関節軸である前後動軸にベアリングを複数個介在させる構成とすることにより開閉リンクの回転中心を極力ロボット中心軸に近づけたことを特徴としている。
また、本発明の２足歩行ロボットの股関節構造は、前後動リンクの下部を内側に向けて曲折した構成とすることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図６ないし図７に基づき説明する。
図６は２足歩行ロボットの正面図、図７は図６のＡ−Ａ断面図、図８は図６の要部拡大図、図９は図７の要部拡大図を示している。
脚を構成する基本的な要素は、腰板１１、腰板１１に対して旋回軸１、１を介して鉛直回りの外旋または内旋運動を作り出す旋回リンク４、４、旋回リンク４、４に対して開閉軸２、２を介して脚の内転または外転（左右の開閉）を起こす開閉リンク５、５、開閉リンク５、５に対して前後動軸３、３を介して脚の屈曲または進展（前後動）を作り出し大腿に相当する前後動リンク６、６、前後動リンク６、６に対して膝をはさんで下腿に相当するリンク７、７、リンク７、７に対して足部の背屈または底屈（爪先の上下）を作り出すリンク８、８およびリンク８、８対して足部の内返しまたは外返しを作り出し、足部を構成するリンク９、９からなる。
【０００７】
次に本発明の主眼である股関節の構成を図８および図９に基づいてさらに細かく説明する。
旋回リンク４、４は、腰板１１、１１に対して旋回軸１、１、ローラベアリング２６、２６を介して旋回自在に設けられ、その内側（ロボットの中心軸側）が平面状をなし、外側が開閉リンク５、５が開閉したときに障害にならないように正面からみて図８に示すような形状となっている。
また、開閉リンク５、５は、旋回リンク４、４に対して開閉軸２、２、ローラベアリング３６、３６を介して所定角度脚を開閉できるように開閉自在に設けられ、旋回リンク４、４から外側方向に向けて形成されている。
また、前記前後動リンク６は、開閉リンク５、５に対して前後動軸３、３、ローラベアリング４６、４６を介して前後動できるように前後動自在に設けられ、開閉リンク５の一部分は前後動リンク６の中に入れ子となっており、その間隙にローラベアリング４６を構成するクロスローラベアリング４７が所定の距離で複数個配置されている。
【０００８】
このように、開閉リンク５を旋回リンク４から外側方向に向けて形成し、開閉リンク５の一部分を前後動リンク６の中に入れ子構造、すなわち、前後動リンク６を前後運動させるための関節軸を片持ち支持構造とすることにより、開閉リンク５の回転中心をロボットの中心軸２０に極力近づけることが可能となった。
そして、開閉リンク５に対する前後動リンク６の上記片持ち支持構造においても、両リンク間を入れ子とし、前後動軸３にクロスローラベアリング４７を所定距離で複数個配置することにより、強度状の問題を克服することが可能となった。
なお、リンク５および６の入れ子構造は、開閉リンク５の一部分を前後動リンク６の中に入れ込む方式に代え、その逆でも可能であり、要は両リンク５、６が入れ子構造になっていれば良い。
また、前後動リンク６を一体部品として構成することにより関節のガタが生じにくい構造とすることができる。
さらに、前後動リンク６の下部を図６に示すように、内側に向けて曲折した構成として、その下方に位置するリンク７、８、９をロボットの中心軸２０に近づけるように構成すると２足歩行ロボットの脚をスマートに構成できる。
【０００９】
腰板１１に対する旋回リンク４の外旋または内旋運動はモータ２１によって駆動される。その回転はプーリー２２、タイミングベルト２３、プーリー２４によりハーモニック減速器２５に伝えられ、腰板１１に対する旋回リンク４の回転を作り出す。
開閉リンク５の内転または外転（左右の開閉）運動はモータ３１によって駆動され、プーリー３２、タイミングベルト３３、プーリー３４により股関節内部に配置されたハーモニック減速器３５に伝えられ開閉リンク５を駆動する。
前後動リンク６屈曲または伸展運動（前後動）は大腿部に配置されたモータ４１により駆動され、プーリー４２、タイミングベルト４３、プーリー４４を介してハーモニック減速器４５に伝えられ開閉リンク５に対して前後動リンク６を駆動する。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）左右股関節の間隔を狭めることができる。例えばロボットの中心軸と股関節回転中心の距離は従来技術（図２）の場合10cmとなるのに対して、本発明では6cmに減らすことができる。これに伴い片脚支持期に支持脚側の股関節ロール軸が発生するトルクは40％減り、従って歩行時の消費パワーも相当分だけ減らすことが可能となる。
（２）左右両脚をクロスさせることが可能となる。これによって、特に左右方向に押された際の安定性の確保が可能となる。
（３）股間にスペースが確保できるため、ここに坐骨に相当する衝撃吸収パーツを挿入することが可能になる。これによって転倒時の衝撃吸収を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の脚式歩行ロボットの概略を示した斜視図である。
【図２】従来の脚式歩行ロボットの股間節の構造を示した正面図である。
【図３】ロボットの歩行において、片脚支持期における股関節開閉軸に作用するトルクの状態を示した説明図である。
【図４】人間の脚部骨格構造を背面から示した図である。
【図５】外見上人間に類似した関節構造を持った２足歩行ロボットの正面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る２足歩行ロボットの正面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】図６の要部拡大図である。
【図９】図７の要部拡大図である。
【符号の説明】
１ 旋回軸
２ 開閉軸
３ 前後動軸
４ 旋回リンク
５ 開閉リンク
６ 前後動リンク
７、８、９ リンク
１０ 胴体
１１ 腰板
２０ ロボットの中心軸
２１、３１、４１ モータ
２２、３２、４２ プーリー
２３、３３、４３ タイミングベルト
２４、３４、４４ プーリー
２５、３５、４５ ハーモニック減速器
２６、３６、４６ ローラベアリング
４７ クロスローラベアリング
Claims (2)
- ２足歩行ロボットの各々の股関節を腰板、腰板に対して鉛直回りの外旋または内旋運動をする旋回リンク、旋回リンクに対して開閉運動をする開閉リンクおよび開閉リンクに対して前後動軸を介して前後運動をする前後動リンクより構成し、前後動リンクを前後運動させるための関節軸である前後動軸を片持ち支持構造としたものにおいて、各旋回リンクの回転軸を鉛直方向に設け、各旋回リンクからロボットの中心軸側と反対方向であるところの外側方向に向けて開閉リンクを設け、該開閉リンクから下方に向けて前後動リンクを設け、開閉リンクと前後動リンクの間を入れ子とし、両リンクの関節軸である前後動軸にベアリングを複数個介在させる構成とすることにより開閉リンクの回転中心を極力ロボット中心軸に近づけたことを特徴とする２足歩行ロボットの股関節構造。
- 前後動リンクの下部を内側に向けて曲折した構成とすることを特徴とする請求項１記載の２足歩行ロボットの股関節構造。
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|---|---|---|---|
| JP2001281157A JP3769608B2 (ja) | 2001-09-17 | 2001-09-17 | ２足歩行ロボットの股関節構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001281157A JP3769608B2 (ja) | 2001-09-17 | 2001-09-17 | ２足歩行ロボットの股関節構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003089080A JP2003089080A (ja) | 2003-03-25 |
| JP3769608B2 true JP3769608B2 (ja) | 2006-04-26 |
Family
ID=19105035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001281157A Expired - Lifetime JP3769608B2 (ja) | 2001-09-17 | 2001-09-17 | ２足歩行ロボットの股関節構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3769608B2 (ja) |
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| CN104924294B (zh) * | 2015-06-15 | 2017-03-08 | 上海交通大学 | 具有并联腰结构的四足机器人 |
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| CN106956277B (zh) * | 2017-04-07 | 2019-07-05 | 温州职业技术学院 | 一种智能娱乐机器人的机械结构 |
| JP6886393B2 (ja) * | 2017-11-24 | 2021-06-16 | 川崎重工業株式会社 | ロボットの股関節構造体 |
| CN110253625B (zh) * | 2019-07-11 | 2020-10-16 | 北京理工大学 | 仿人机器人腰关节和仿人机器人 |
| CN111017064A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-04-17 | 福州大学 | 一种电机驱动的双足下肢行走结构及其工作方法 |
| CN116803832A (zh) * | 2023-08-23 | 2023-09-26 | 深圳逐际动力科技有限公司 | 腿部结构，双足机器人，人形机器人，机器人 |
-
2001
- 2001-09-17 JP JP2001281157A patent/JP3769608B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003089080A (ja) | 2003-03-25 |
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Legal Events
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