JP3841753B2 - ２足歩行ロボット - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、２足歩行ロボットに関する。
背景技術
ヒューマノイドロボット、特に、２足歩行ロボットは、人間用に作られた環境空間で活躍する自律運動機械として、家庭内の介護、火災現場での救助活動のような困難な活動を人間に代わって実行するために開発されている。このようなロボットは、図１に示されるように、多関節により互いに従属的な制御関係にある複数要素系と、その複数要素系（頭１０１、胴１０２、脚１０３）を関係づける関係要素系（１軸、２軸、３軸回転系である関節１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９）とから構成されている。複数要素系と関係要素系とから構成される全系の制御は、各系に属する多変数と多くのパラメータで記述されているが、多変数間の独立性と従属性を高精度に分離することは開発段階では現実的に困難であり、また歩行時の脚の浮動運動と着地運動の運動を正確に記述することも困難である。
理論的歩行運動と現実の歩行運動とが一致しない場合に、その不一致の原因がどの変数に起因するかが解析されることになる。しかしながら、各要素系のうちの機械要素は様々な物理的パラメータを持ち、特に、各機械要素の剛性、質量が微妙な歩行運動に重大な影響を及ぼす。このため、制御の不安定性が頭部の質量に起因するのか、胴体、脚の剛性に起因するのかを理論的に解析することは困難である。まして、各機械要素が理論通りに製作されていない場合には、特に解析が困難である。
そこで、要素間の物理的特性を前もって人為的に規定して全要素のパラメータの変動範囲を押さえ込むように設計すること、特に、複合回転系間の減衰を効果的にすることは、後の解析を容易にするだけでなく、設計の良否を確認するためにも重要である。運動の初期条件を規定する機械的原点の調整と初期化の合理的な規定は、設計の良否を実証するために更に重要である。
発明の開示
本発明の目的は、小型化された自立型２足歩行ロボットを提供することである。
本発明の他の目的は、運動解析が容易である２足歩行ロボットを提供することである。
本発明の他の目的は、複合座標系の初期化が容易である２足歩行ロボットを提供することである。
本発明の他の目的は、全運動系の制御をより良好に実現することができる２足歩行ロボットを提供することである。
本発明の観点では、２足歩行ロボットは、基体と、前記基体に堅牢に結合された上体骨格と、前記基体に可動的に結合された２つの脚部と、前記２つの脚部の各々に可動的に結合された足部と、前記上体骨格に可動的に結合された頭部と、前記上体骨格に可動的に結合された２つの腕部とを具備する。前記基体は機械的原点として機能することが好ましい。
２足歩行ロボットは、前記基体の対向する部位に取り付けられた２つの取手を更に具備してもよい。これにより、作業性、保管性が向上する。
また、前記２足歩行ロボットの重心は、前記２足歩行ロボットが初期状態にあるとき、前記２つの取手の前記基体への取り付け部の対応する端部を通る鉛直面間に存在することが好ましい。
また、前記２つの脚部の各々は、第１関節部を介して前記基体を支持する第１リンクと、第２関節部を介して前記第１リンクを支持する第２リンクとを具備してもよい。この場合、前記第１関節部の水平方向に延びる回転軸と前記第２関節部の水平方向に延びる回転軸とは、前記２足歩行ロボットが初期状態にあるとき、前記２つの取手の前記基体への取り付け部の対応する端部を通る鉛直面間に存在することが好ましい。更に、前記足部は、第３関節部を介して対応する前記第２リンクを支持してもよく、前記第３関節部の水平方向に延びる回転軸は、前記２足歩行ロボットが初期状態に有るとき、前記２つの取手の前記基体への取り付け部の対応する端部を通る鉛直面間に存在することが好ましい。
また、前記２つの脚部の各々が、第１関節部を介して前記基体を支持する第１リンクと、第２関節部を介して前記第１リンクを支持する第２リンクとを具備するとき、前記第１リンクの剛性は前記基体の剛性より低く、且つ前記第２リンクの剛性は前記第１リンクの剛性より低いことが好ましい。前記第１関節部は、垂直回転軸を具備することが好ましい。
また、上記上体骨格は、前記上体骨格と前記基体との間に間隙を有するように、前記基体に結合されていて、前記間隙にエネルギー源が配置されていることが好ましい。
また、２足歩行ロボットは、前記上体骨格の背部に設けられた制御部を更に有してもよい。
また、本発明の他の観点では、２足歩行ロボットは、基体と、第１関節部を介して前記基体を支持する第１リンクと、第２関節部を介して前記第１リンクを支持する第２リンクとから構成されている。前記第１リンクの剛性は前記基体の剛性より低く、且つ、前記第２リンクの剛性は前記第１リンクの剛性より低い。また、第３関節部を介して前記第２リンクを支持する足部が更に設けられている。前記基体と床に着地する前記足部との間にある２重振り子系（３、４、７、８）を瞬間的に伝播する機械的応力の緩和又は減衰により、基体にある制御系の機械原点の制御が容易になり、結果的に、前記第２リンクの位置決めが容易になる。更に、最小剛性リンクに取り付けられる前記足部の位置決めが容易になる。
本発明の更に他の観点では、２足歩行ロボットは、機械的原点が設定される基体と、前記基体を第１関節部を介して支持する第１リンクと、前記第１リンクを第２関節部を介して支持する第２リンクと、前記第２リンクを第３関節部を介して支持する足部とを具備する。前記基体は取手を備え、前記取手は、前記基体に２点で結合され、ロボットの全体の重心（Ｇ）は、機械的原点を基準とする全体姿勢の初期化時にその２点を含む２鉛直面間に存在することが好ましい。この結果、全体を持ち運ぶ際の回転モーメントが小さく、安定性が高くて、その持ち運びが容易である。初期化時に、前記第１関節部の水平方向に延びる回転軸、前記第２関節部の水平方向に延びる回転軸、及び前記第３関節部の水平方向に延びる回転軸とが２鉛直面間に存在することが好ましい。その２点は、特には、初期化時の前進方向に離隔した２位置に規定されて設けられている。前記取手は、初期化時に機械的原点に対する基準面を形成することが好ましく、前記取手の基準面に基づいて前記足部の下面を調整することができる。特に、前記取手の基準面が前記足部の下面に平行になるように調整することにより、原点に対する足部の調整が容易になる。前記取手は胴体部カバー等の外装体の外側にあって露出していて、定期的に行われる初期化の作業が容易となる。
本発明の更に他の観点では、２足歩行ロボットは、基体と、前記基体に支持される上体骨格と、前記基体を第１関節部を介して支持する第１リンクと、前記第１リンクを第２関節部を介して支持する第２リンクと、前記第２リンクを第３関節部を介して支持する足部と、前記上体骨格により第４関節部を介して支持される上方部とを具備する。高剛性の前記基体に前記上体骨格が取り付けられ、腕部と頭部が関節部を介して前記上体骨格により支持されている。こうして、前記頭部と前記腕部を支持する支持構造体の剛性を高く維持することができる。前記上体骨格は、前記基体に間隙を介して側板部により支持されていて、その間隙にエネルギー源（電池等）が配置され得るので、スペースの利用効率が高い。
前記基体には、それより上方にある上方部とそれより下方にある下方部とに対する取付け・取合い関係のために、多くの多様な穴や取り付け構造が複雑に形成されている。従って、前記基体は、全体に厚い軽合金で形成されている。前記基体には、適正な補強構造が採用され得る。
発明を実施するための最良の形態
以下に、添付図面を参照して、本発明の２足歩行ロボットを詳細に説明する。
図２は、本発明の一実施例による２足歩行ロボットの斜視図である。図２を参照して、本発明の２足歩行ロボットは、基体６を中心として胴体部１と２つの脚部２が設けられ、胴体部２の背後には制御部２６が設けられている。図２では、脚部は１本だけ示されている。
図３を参照して、基体６は、高剛性体である。基体６は、２軸回転自在に各脚部２により支持されている。各脚部２は２軸回転自在に足部５により支持されている。また、基体６は、図４に示されるように、基体６の左右両端部で立ち上がる２つの間隙形成用側板部１２（図３では省略されている）を有している。
各脚部２は、第１脚部３又は第１リンク３と、第２脚部４又は第２リンク４を有する。第１脚部３又は第１リンク３は、第１関節部７を介して２軸回転自在に基体６に結合されている。第２脚部４または第２リンク４は、第２関節部８を介して第１脚部３に１軸回転自在に結合されている。足部５は、第３関節部９を介して第２脚部４に２軸回転自在に結合されている。足部５は、平らな地面又は平らな床に接地する平らな足裏面を部分的に有している。尚、この例では、脚部２及び足部５は、２軸回転自在に結合されているが、１軸回転自在に結合されていてもよい。
こうして、第２脚部４は、第３関節部９を介して足部５により支持され、第１脚部３は、第２関節部８を介して第２脚部４により支持されている。更に、基体６は、第１関節部７を介して第１脚部３により支持されている。
胴体部１は、図４に示されるように、上体骨格１１を備えている。上体骨格１１は、軽合金により一体物として鋳造されている。上体骨格１１は、適正な厚みを有し、高剛性に製作されている。上体骨格１１は、間隙形成用側板部１２により基体６に堅牢に結合され、基体６により支持されている。上体骨格１１は、間隙形成用側板部１２により基体６の上面部位から鉛直方向の上方に離隔して支持されている。基体６の上面部位と上体骨格１１の底面部位との間に形成される間隙に、電池ケース１７が着脱自在に装着されている。
上体骨格１１は、図４に示されるように、その上面部位１８に頭部装着穴１９を有している。また、上体骨格１１は、左右の側部位１１に腕通し穴２３、２４を有している。
２つの取手１３が基体６の両側の間隙形成用側板部１２に対応する部位に設けられている。詳細には、２つの取手１３は、基体６の左右両端縁のそれぞれの側面部位１４に対向するように強固に固着されている。２つの取手１３は、それぞれに、２点Ｐ、Ｑで位置決めされる２箇所で左右の側面部位１４に取り付けられている。左右の取手の２点Ｐ、Ｐと左右の２点Ｑ、Ｑとは、同一平面に存在することが好ましい。また、その平面は、水平面に平行であること、即ちその平面が鉛直軸と直交することが好ましい。特に、２点Ｐ、Ｑは、後述される機械的原点を通る基準面に存在することが好ましい。図３に示されるように、２点Ｐ、Ｐの中点と２点Ｑ、Ｑの中点とを含む１鉛直面１５又はその近傍に２足歩行ロボットが完成したときの全質量の重心Ｇが位置することが好ましい。
図５に示されるように、基体６と上体骨格１１とは、胴体部カバー１６により覆われている。図６と図７は、このように胴体部カバー１６が基体６に取り付けられたときの２足歩行ロボットの全体を示している。但し、図７では、脚部２は１つだけ示されている。取手１３は、胴体部カバー１６の外側に露出している。胴体部カバー１６は、上体骨格１１の頭部装着穴１９と腕通し穴２３、２４に対応する開口部を有している。
図８に示されるように、頭部２２は、胴体部カバー１６の中で、上体骨格１１の頭部装着穴１９に軸合わせされ、鉛直方向に支持されるように上体骨格１１に装着される。頭部２２と同様に、腕部２５は、胴体部カバー１６内で、上体骨格１１の腕通し穴２３、２４に軸合わせされ、２軸回転自在に上体骨格１１に装着される。即ち、図８に示されるように、腕部２５は、多軸自由度を持って、上体骨格１１に揺動屈折自在に装着されている。背負い式制御部２６は、図２に示されるように、胴体部カバー１６の背面側に配置され、基体６に対して取り付けられている。
図９は、機械原点の合わせ方法を示している。要素系は、胴体部系Ｓ１と、第１リンク系Ｓ２と、第２リンク系Ｓ３と、足系Ｓ４とから構成される。図示の状態は腕系が省略されて歩行試験が行われる場合である。第１リンク系Ｓ２と、第２リンク系Ｓ３と、足系Ｓ４とは、左右に分割されているが、それぞれに同体系として取り扱われる。
取手１３は、図１０に示されるように、横方向部分１３Ａと前後方向部分１３Ｂとを有する一体物である。前後方向部分１３Ｂの面、特に、その下面が機械原点の基準面ＳＳ１として形成されている。左右の機械原点の基準面ＳＳ１に対応する基準面ＳＳ２は、基準水平床面ＳＳ３から立ち上がる剛体柱３１の上面として形成されている。機械原点の基準面ＳＳ１と基準面ＳＳ２との一致は、剛体柱３１と取手１３との接触を検知するタッチセンサ（図示せず）により検知されることができる。
人の体重程度の質量を持つ２足歩行ロボットは両側の取手１３により持ち運ばれて、機械原点の基準面ＳＳ１が２体の剛性柱３１の両基準面ＳＳ２に合致させられる。又は、遠隔無線操縦によりその２足歩行ロボットが操縦され、機械原点の基準面ＳＳ１が２体の剛性柱の両基準面ＳＳ２に合致させられる。その後、座標系Ｓ１を基準として他の３つの座標系Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が初期化される。即ち、初期状態では、要素系は、全ての座標系Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の原点にリセットされる。
図１１Ａと１１Ｂは、機械原点の許容範囲を示している。両側の取手１３の両点Ｐ、Ｐを含む１鉛直面３２と両側の取手１３の両点Ｑ、Ｑを含む１鉛直面３３とで挟まれる空間が許容範囲として定義される。制御目標は、第１関節部７の水平方向に延びる水平回転軸１０、第２関節部８の水平方向に延びる水平回転軸８Ｈ、第３関節部の水平方向に延びる水平回転軸９Ｈが、２鉛直面３２、３３の間に位置することである。水平回転軸７Ｈ、８Ｈ、９Ｈが１鉛直面にある必要はない。反対に、水平回転軸７Ｈ、８Ｈ、９Ｈが１鉛直面にない方が安定性に優れている。水平回転軸７Ｈ、８Ｈ、９Ｈがこのような許容範囲にあるとき、２足歩行ロボットの全体の重心Ｇもその許容範囲にあるように、全体の質量分布が初めから設計されている。足部５の下面の接地面は、この許容範囲に含まれている。このような重心位置調整が終了した時点で、各関節部に対応するサーボモータまたは回転駆動部の回転位置がリセットされ、初期化される。
尚、この例では、取手１３が基体６の側面部位１４に取り付けられているが、取手１３に代えて突起部（図示せず）として形成されてもよい。また、左右の取手１３は、同一平面上に設置される必要はなく、両取手１３を含め斜め平面に重心位置があれば、姿勢を容易に安定化することができる。ロボットの自らの原点合わせは、取手と基準平面とを用いることにより可能である。
歩行制御には、多様なパラメータが含まれている。衝撃緩和と適正な剛性と運動体の質量の適正化は、歩行制御のために重要な物理的要素であることが判明してきている。本発明による２足歩行ロボットでは、下記関係が設定されている。
（１）基体６、又は基体６と基体６に堅牢に結合されている物体の剛性＞第１脚部３の剛性＞第２脚部４の剛性
（２）基体６に上方から重力を及ぼす全物体の合計質量＞第１脚部３の質量＞第２脚部４の質量
（３）条件（１）＋条件（２）
これらの物体の剛性は、それぞれの物体の両端部位を支持して一定位置又は一定領域に荷重又は圧力を作用させたときの曲げ剛性、ねじれ剛性等により定義され得る。基体６に結合されていて、基体６より下方遠方にある物体の剛性がより低く、且つ、質量が低いことが重要である。条件（１）、（２）及び／又は（３）は、方向制御の変数依存性、パラメータ依存性の解析を容易にする。例えば、足部５の質量がより大きい場合、足部５の運動が全系の制御に大きな影響を与え、全系の運動がサーボモータの追随性に大きく依存しているのか、大きいイナーシャ（慣性質量）の足部５の遠心運動に大きく依存しているのか判断しづらい。しかしながら、足部５の質量が小さく設定されれば、全系の運動がサーボモータの追随性に大きく依存することが判断され得る。このようなことは、特に、各系の剛性に強く依存する。適正に高い剛性が与えられる第１リンクの剛性、第２リンクの剛性は、基体の剛性との比較で基体の剛性より低くなるように設計される。
取手１３を含む水平領域の近傍に重心位置がくるように、取手位置が決められると、取手１３によりロボットの全体を持ち運びする際にその安定性がよい。特に、取手１３によりロボットが剛性柱に据え付けられたとき、取手１３の基準面と足部５の下面とが平行になるように調整することにより、取手１３に対する足部の位置調整が容易である。
ロボット内で剛性度が最も高い基体６又はこれに一体に結合された高剛性の上体骨格１１に腕部２５と頭部２２を揺動自在に取り付ける場合にも、全体の軽量化を実現することができる。そのような基体６と上体骨格１１の間にバッテリーが挿入され、剛性の高さを維持しながらスペースの利用効率を上げることができる。
図１２は、胴体部カバー１６と背負い式制御部２６の全体を示している。図１３は、背負い式制御部２６の上層部位２６Ａが取り外され、胴体部カバー１６が切り開かれて、基体６の一部が示されている。図１４は、基体６の全体の斜視図である。図１４で、矢Ｆはフロント方向を示している。基体６は、軽合金鋳造により高剛性に一体物として製作され、鉛直方向に適正な厚みが全体的に与えられている。革体６には、２足に対応する２つの位置決め穴４１が形成されている。各足の位置決めのために、位置決めピン穴４５が形成されている。２足は、基体６に形成されているボルト穴４４に通されるボルトで強固に基体６に結合される。２つの位置決め穴４１には十字状に強化リブ４９が形成されている。
図１５と図１６は、第１関節部７の骨格部５２を示している。第１関節部７の骨格部５２は、固定部５２Ａと回転部５２Ｂとを有する。骨格部５２の固定部５２Ａの頂部の外周面は、円筒面５４に形成されている。円筒面５４は、図１４の位置決め穴４１に同軸に装着される。その装着の際には、固定部５２Ａの頂面から鉛直方向に立ち上がる位置決めピン５５が、図１４の位置決めピン通し穴４５に挿入され、骨格部５２と基体６との位置関係が固定される。骨格部５２と基体６とは、骨格部５２側のボルト孔５６と基体６側のねじ通し穴４４に通されるボルト（図示せず）によって、強固に、且つ、高剛性に結合される。
重心Ｇから遠い足部５は、第１脚部３と第２脚部４とを介して多軸自由度を持つように制御されている。このため、浮遊運動時と着地運動時の足部５の運動制御は、第１脚部３と第２脚部４とが基体６より高剛性である場合に比べて、基体６に固定されている基準座標系に対してより忠実に実行される。こうして、第１関節部７は、基体６に対して２軸揺動可能又は、１軸揺動可能である。
本発明による２足歩行ロボットは、原点合わせが高精度に容易で行うことが可能である。特に、機械原点から遠方になるほど剛性が低く、着地衝撃が遠方になるほど減衰する。剛性の低さは基体から遠方になるほど質量が小さいことと関連し、浮遊状態の回転モーメントの制御が容易となる。結果的に着地時における制御の初期化が容易となる。取手が重心位置に近く設定され、安定性がよい。２足歩行ロボットが静止状態で機械原点がその取手を利用して固定されるとき、ロボットの系の初期化が行われる。このため、初期化作業が簡素である。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の２足歩行ロボットを示す斜視図であり、
図２は、本発明の実施例による２足歩行ロボットの一部を示す斜視図であり、
図３は、図２の脚部を幾何学的に示す側面図であり、
図４は、上体骨格を示す斜視図であり、
図５は、カバー付き上体骨格を示す斜視図であり、
図６は、図２に示される２足歩行ロボットの側面図であり、
図７は、図２に示される２足歩行ロボットの一部の正面図であり、
図８は、腕、胴体部、頭部を示す斜視図であり、
図９は、本発明の実施例による２足歩行ロボットにおいて、原点合わせの方法を示す正面図であり、
図１０は、取手を幾何学的に示す斜視図であり、
図１１Ａは、本発明の実施例による２足歩行ロボットにおいて、原点合わせの方法を示す斜視図であり、図１１Ｂは原点合わせの方法を幾何学的に示す図であり、
図１２は、電源部が取り付けられた胴体部カバー付きの状態を示す斜視図であり、
図１３は、本発明の実施例による２足歩行ロボットの胴体部を示す斜視図であり、
図１４は、基体を示す斜視図であり、
図１５は、脚部を示す側面拡大図であり、
図１６は、図１４の上面図である。

Claims (4)

1. 基体と、
   ２つの脚部とを備え、
   前記２つの脚部の各々は、
   第１関節部を介して前記基体を支持する第１リンクと、
   第２関節部を介して前記第１リンクを支持する第２リンクと、
   第３の関節部を介して前記２つの脚部の各々に可動的に結合された足部と
   を具備し、
   前記第１リンクの剛性は前記基体の剛性より低く、前記第２リンクの剛性は前記第１リンクの剛性より低い
   ２足歩行ロボット。
2. 請求項１に記載の２足歩行ロボットにおいて、
   前記基体の対向する部位に取り付けられた２つの取手を更に具備する２足歩行ロボット。
3. 請求項２に記載の２足歩行ロボットにおいて、
   前記２足歩行ロボットの重心は、前記２足歩行ロボットが初期状態にあるとき、前記２つの取手の前記基体への取り付け部の対応する端部を通る鉛直面間に存在する２足歩行ロボット。
4. 請求項２に記載の２足歩行ロボットにおいて、
   前記第１乃至第３関節部の各々の水平回転軸は、前記２足歩行ロボットが初期状態にあるとき、前記２つの取手の前記基体への取り付け部の対応する端部を通る鉛直面間に存在する２足歩行ロボット。

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