JP4489755B2 - Motion control method for figurines with legs - Google Patents

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Description

アニマトロニクス制御支持式歩行システムと方法が一般的に開示される。   An animatronic controlled support walking system and method are generally disclosed.

(背景技術)
アニマトロニクス制御支持式形象物は、ロボットに生きた動きをさせるための電子工学又は他の機械的、液圧的、及び空気圧的部品を利用するものである。アニマトロニクス制御のキャラクターは、テーマパークの如き娯楽場所では人気がある。例えば、アニマトロニクス制御のキャラクターはテーマパークで見られるショー又は乗り物にたびたび利用される。しかし、アニマトロニクス制御のキャラクターは一般に固定位置にある。アニマトロニクス制御のキャラクターの頭又は腕は動くことができるが、キャラクターは一般に、1つの場所から他の場所へ自由にぶらつくか、又は歩行することはできない。
(Background technology)
Animatronic controlled support figurines utilize electronics or other mechanical, hydraulic and pneumatic components to make the robot move live. Animatronic controlled characters are popular in entertainment places such as theme parks. For example, animatronic controlled characters are often used for shows or vehicles seen in theme parks. However, animatronic control characters are generally in a fixed position. Although the head or arm of an animatronic controlled character can move, the character generally cannot freely hang from one place to another or walk.

(発明の要約)
従って、かかるキャラクターが、自由にかつテーマパーク、パレード、又は他の開催地を通して独立して歩行することが望ましい。更に、かかるアニマトロニクス制御のキャラクターは、全く現実的に見えるのが望ましい。しかし、かかるアニマトロニクス制御の歩行形象物を開発するときに解決すべき幾つかの特別な問題がある。
(Summary of the Invention)
Therefore, it is desirable for such characters to walk freely and independently through theme parks, parades, or other venues. Furthermore, it is desirable that such animatronic controlled characters look quite realistic. However, there are some special problems to be solved when developing such animatronic controlled walking figurines.

先ず、実際の動物はつまずいて転ぶことがあり、そしてそうなるものである。しかし、小さい子供を含む各お客に対する安全性が保証されなければならないテーマパークの如き公共の場所では、アニマトロニクス制御の形象物はつまずいて転ぶべきではない。それ故、動物のように見えるが、つまずいて転んだりお客に怪我をさせることのない歩行ロボットを作るのが目的である。   First of all, real animals can trip and fall. However, in a public place such as a theme park where the safety of each customer, including small children, must be guaranteed, the animatronic controls should not trip over. Therefore, the goal is to create a walking robot that looks like an animal but does not trip over and injure the customer.

複雑なロボットシステムはまた、機能するためには電子工学及びコンピュータを必要とする。可動システムはまた、動力供給源(バッテリ、エンジン等)を必要とする。これらのシステムを皮膚、(搭載された)実際のロボット形象物の内側に置くのは困難である。もしこれらが形象物の外側に置かれているならば、形象物が実際の動物であるという幻想を維持している間、これらの部品を隠す手法を見つけ出さなければならない。例えば、電気コードが形象物から出ているのを見られることはできない。   Complex robotic systems also require electronics and computers to function. Mobile systems also require power supplies (batteries, engines, etc.). It is difficult to place these systems on the skin, inside the actual robot (on board). If they are placed outside of the figurine, we must find a way to hide these parts while maintaining the illusion that the figurine is a real animal. For example, you cannot see the electrical cord coming out of the figurine.

理想的には、単一のオペレータがアニマトロニクス制御の形象物に前方、後方へ動くよう、また左や右へ回るよう命令すべきである。動物のように見えるロボットは40個を超える個々のモータをもつ。これは単一のオペレータが同時に制御するには多すぎる。それ故、これらの簡単な命令を、システムが歩行するのを可能にする個々の関節軌道に変換させる方法又はコンピュータアルゴリズムが作られなければならない。   Ideally, a single operator should command the animatronics control to move forward, backward, and turn left or right. Robots that look like animals have over 40 individual motors. This is too much for a single operator to control simultaneously. Therefore, a method or computer algorithm must be created that translates these simple instructions into individual joint trajectories that allow the system to walk.

更に、かかるアニマトロニクス制御の形象物の機械的下部構造は必然的にロボット式となる。即ち、それらは、関節、歯車、アクチュエータ、ホース、電気配線、及び金属、プラスチック、又は複合構造素子から作られる。これらのシステムを生きているように思わせるために、それらは、布地によって又は人工皮膚の何れかによってそれが滑らかであるかどうかには係わらず、又は柔毛、羽毛、又は鱗片で、なんとかして覆われなければならない。   Furthermore, the mechanical substructure of such an animatronic controlled figure is necessarily robotic. That is, they are made from joints, gears, actuators, hoses, electrical wiring, and metal, plastic, or composite structural elements. In order to make these systems appear alive, they manage to be smooth, either with fabric or with artificial skin, or with fur, feathers, or scales. Must be covered.

これに関して、ロボット式歩行形象物と、ロボット式歩行形象物を部分的に支持する車輪付き支持体からなる支持式歩行システムが開示される。支持式歩行システムは人間のオペレータによって駆動されそして制御される。   In this regard, a supported walking system is disclosed that comprises a robotic walking figurine and a wheeled support that partially supports the robotic walking figurine. The supported walking system is driven and controlled by a human operator.

一実施例では、歩行形象物は、恐竜の様に見えるよう設計されており、車輪付き支持体は旧式の木製カート状に見えるよう特徴的な凝った造りになっている。その結果、実際にカートが歩行機械を部分的に支持しそして人間のドライバー、コンピュータ、電子機器、及びバッテリーを収容しているときには、恐竜が人力車様式でカートを引っ張っているような幻想が生まれる。   In one embodiment, the walking figurine is designed to look like a dinosaur and the wheeled support is characteristically crafted to look like an old-fashioned wooden cart. The result is an illusion that a dinosaur pulls the cart in a rickshaw style when the cart actually supports the walking machine and houses a human driver, computer, electronics, and battery.

1実施例では、歩行形象物の皮膚は、繊維ガラス、プラスチック及びアルミニウムのリングからなる独特の骨格支持システムによって支持され、これらのリングは剛性の付属装置及び可撓性ゴム付属装置の組み合わせ体を介してお互いにまた歩行機械の骨格に取り付けられる。その効果は、生きいている動物の外観を与える機械的骨格を覆って浮動する現実的に見える皮膚となる。   In one embodiment, the skin of the walking figurine is supported by a unique skeletal support system consisting of fiberglass, plastic and aluminum rings, which combine a rigid attachment and a flexible rubber attachment. To each other and to the skeleton of the walking machine. The effect is a realistic looking skin that floats over the mechanical skeleton that gives the appearance of a living animal.

2脚付きの、自由に歩行するロボットは極めて少数しか造られておらず、これらのすべては、ひっくり返ることがある。ロボット式形象物を可動カートに取り付けることによって、大型の歩行形象物を作ることに関連する多数の問題点が提出される。   Only a handful of two-legged, freely walking robots have been built, all of which can be turned over. By attaching a robotic figurine to a movable cart, a number of problems associated with making a large walking figurine are presented.

1実施例では、歩行形象物は更に、“ヨーク”を介してカートに取り付けられる。歩行形象物を“ヨーク”を介してカートに取り付けることによって、ロボットは部分的に支持されそして落下を防止され、その付近の人々の安全を保証する。   In one embodiment, the walking figurine is further attached to the cart via a “yoke”. By attaching the walking figurine to the cart via a “yoke”, the robot is partially supported and prevented from falling, ensuring the safety of people nearby.

更に、歩行形象物は多くの個々の作動器、電子機器、コンピュータ、及び動力源を含み、また動力源は歩行ロボット内に置くには大き過ぎる。カートはこれらの部品に便利な場所を提供する。それらの部品はヨーク内に隠される配線によって歩行ロボットに接続される。   In addition, walking figurines include many individual actuators, electronics, computers, and power sources, which are too large to place in a walking robot. The cart provides a convenient place for these parts. These parts are connected to the walking robot by wires hidden in the yoke.

1実施例では、カートは2つの被動車輪と旋回キャスターをもつ。これはカートがそれ自身の重量を動かすことを可能にし、そして歩行ロボットを支持する安定した基礎を提供する。この形態はまた、人間オペレータが簡単なジョイステックを用いてカートを、前方、後方へ動かし、操縦し、そして適所で回転するためにカートを動かすことを可能にする。   In one embodiment, the cart has two driven wheels and a swivel caster. This allows the cart to move its own weight and provides a stable foundation that supports the walking robot. This configuration also allows a human operator to move the cart to move forward, backward, steer, and rotate in place using a simple joystick.

コンピュータアルゴリズムは、ロボットの歩行機能を自動的に制御し、ロボットが、変化する速度で駆動しそして回転する間に、カートの動きと同時に前方、後方、及び横向きに、ステップを進めることができるようになす。   The computer algorithm automatically controls the robot's walking function so that the robot can step forward, backward, and sideways simultaneously with the movement of the cart while it drives and rotates at varying speeds. To make.

以下、本発明の例示的なつ予期される実施例を図面を参照して説明するが、これらの実施例は網羅的なものではなく、また本発明を開示した精密な形式に限定することを意図するものでもない。多くの変更や変形が本文に記載された教えに照らして可能である。   Illustrative and anticipated embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings, which are not exhaustive and are intended to limit the invention to the precise form disclosed. It's not something to do. Many modifications and variations are possible in light of the teachings contained herein.

(詳細な説明)
1態様においては、ロボット式歩行形象物と、ロボット式歩行形象物を少なくとも部分的に支持する車輪付き支持体からなる支持式歩行システムが開示されている。支持式歩行システムは、人間オペレータによって駆動、制御することができる。歩行形象物は現在既知の又は認識可能な何らかの形状に似る必要はない。それは、所望の効果又は該システムに意図される用途に依存して、全く空想的か又は実用的なものとすることができる。図示された実施例はテーマパークにあるかも知れない恐竜であるが、本発明は決してこれに限定するつもりはない。
(Detailed explanation)
In one aspect, a supported walking system is disclosed that includes a robotic walking figurine and a wheeled support that at least partially supports the robotic walking figurine. The supportive walking system can be driven and controlled by a human operator. The walking figurine need not resemble any currently known or recognizable shape. It can be entirely fanciful or practical, depending on the desired effect or the intended use for the system. The illustrated embodiment is a dinosaur that may be in a theme park, but the present invention is in no way intended to be limited to this.

図1は支持式歩行システムの1実施例の骨格である。1実施例では、歩行形象物(100)は恐竜のように見えるよう設計され、そして車輪付き支持体(110)は旧式の木製カートのように見えるよう造られる。恐竜(100)はヨーク(120)によってカートに取り付けられる。結果としてできる車両は、事実、カートが部分的に歩行機械を支持し、そしてまた人間ドライバー、コンピュータ、電子機器及びバッテリーを収容しているときに、恐竜(100)が人力車様式のカート(110)を引張っているような幻想を造るよう設計される。   FIG. 1 is a skeleton of one embodiment of a support type walking system. In one embodiment, the walking figurine (100) is designed to look like a dinosaur and the wheeled support (110) is built to look like an old-fashioned wooden cart. The dinosaur (100) is attached to the cart by a yoke (120). The resulting vehicle is in fact a dinosaur (100) rickshaw style cart (110) when the cart partially supports the walking machine and also houses a human driver, computer, electronics and battery. Designed to create an illusion of pulling.

支持式歩行形象物‐運動学
以下には支持式歩行システムの1実施例の簡単な運動学的説明がなされている。かかる実施例では、支持式歩行システムは、3車輪付きカートによって部分的に支持される2脚付き歩行機械からなる。
Supporting walking figurine-kinematics Below is a brief kinematic description of one embodiment of a supporting walking system. In such an embodiment, the supported walking system consists of a two-legged walking machine that is partially supported by a three-wheeled cart.

図2は支持式歩行システムの1実施例の運動学的図表である。車輪付きカートは方形フレーム(201)として示されている。第1車輪(202)と第2車輪(203)は両側でカートの側面に据え付けられていて、軸Aの回りに回転する。第1車輪(202)と第2車輪(203)は動力供給される。第3の車輪(205)は、カートの正面に据え付けられている。第3の車輪(205)は垂直軸の回りに自由に転がりそして回転して、任意方向に動くことを可能にする。剛性ヨーク(204a‐c)は、ヨークと歩行形象物が軸Aの回りに自由に旋回できるように、カートに取り付けられる。ヨークは2つの側部ビーム(204aと204b)及び歩行機械の回りに嵌合する湾曲部材(204c)からなる。Uリンク(204d)は湾曲部材に堅固に固定される。このUリンクに取り付けられているのはリンク(205)であり、このリンクはヨークに関して水平軸Bの回りに自由に旋回する。歩行機械の本体(206)はまたそれに取り付けられたUリンク(206a)をもち、それは軸Cによりリンク(205)の回りに自由に旋回する。1実施例では、軸BとCは互いに直角をなす。こうして、本体はヨークに対して2自由度をもつ。本体に対して堅固に取り付けられているのは、2つの追加のUリンク(206b、206c)である。これらのUリンクに夫々取り付けられているのは歩行機械の右と左の脚である。   FIG. 2 is a kinematic diagram of one embodiment of a supported walking system. The wheeled cart is shown as a square frame (201). The first wheel (202) and the second wheel (203) are installed on the sides of the cart on both sides and rotate about axis A. The first wheel (202) and the second wheel (203) are powered. The third wheel (205) is installed in front of the cart. The third wheel (205) rolls freely around the vertical axis and rotates to allow it to move in any direction. The rigid yokes (204a-c) are attached to the cart so that the yoke and the walking figurine can freely pivot about axis A. The yoke consists of two side beams (204a and 204b) and a curved member (204c) that fits around the walking machine. The U link (204d) is firmly fixed to the bending member. Attached to the U-link is a link (205) that freely pivots about a horizontal axis B with respect to the yoke. The body (206) of the walking machine also has a U link (206a) attached to it, which freely pivots about the link (205) by axis C. In one embodiment, axes B and C are perpendicular to each other. Thus, the body has two degrees of freedom with respect to the yoke. Tightly attached to the body are two additional U links (206b, 206c). Attached to each of these U links are the right and left legs of the walking machine.

右脚について考えて見れば、リンク(207)はUリンク(206b)を通して本体に取り付けられていて、軸Dの回りに自由に旋回する。最新の実施例では、この関節は動力供給される。リンク(208)は次いで、それが軸Eの回りに自由に旋回するようにリンク(207)に取り付けられる。この関節もまた動力供給される。軸DとEは互いに直角をなす。リンク(209)は、それが軸Fの回りに旋回できるよう、枢軸を介してリンク(208)に取り付けられる。この軸Fは軸DとEに直角をなす。この関節は動力供給される。リンク(210)はそれが軸Gの回りに旋回できるようにリンク(209)に取り付けられる。この関節は動力供給される。リンク(211)はそれが軸Hの回りに旋回することができるようにリンク(210)に取り付けられる。最新の実施例では、このリンクは平行四辺形リンク機構(図示せず)を介して束縛されていて、リンク(209)に関する方位が固定されるようにされている。リンク(212)と(213)はリンク(211)に取り付けられていて、それらが夫々IとJの回りに独立して旋回できるようになしている。これらの関節もまた動力供給される。左脚は右脚の鏡像関係にある。   Considering the right leg, the link (207) is attached to the main body through the U link (206b), and freely pivots about the axis D. In the latest embodiment, this joint is powered. The link (208) is then attached to the link (207) so that it freely pivots about axis E. This joint is also powered. Axes D and E are perpendicular to each other. Link (209) is attached to link (208) via a pivot so that it can pivot about axis F. This axis F is perpendicular to axes D and E. This joint is powered. Link (210) is attached to link (209) so that it can pivot about axis G. This joint is powered. Link (211) is attached to link (210) so that it can pivot about axis H. In the current embodiment, the link is constrained via a parallelogram linkage (not shown) so that the orientation with respect to the link (209) is fixed. Links (212) and (213) are attached to link (211) so that they can independently pivot about I and J, respectively. These joints are also powered. The left leg is a mirror image of the right leg.

以下の記載は支持式歩行システムの1実施例の機械的構造の更に詳細な説明である。
図3aと3bは支持式歩行システムの1実施例を示す。
The following is a more detailed description of the mechanical structure of one embodiment of a supported walking system.
Figures 3a and 3b show one embodiment of a supported walking system.

1形態では、2脚付きロボット式機械(100)はヨーク(308)を介して車輪付きカート(110)に取り付けられる。図3a、3bに示す如く、支持式歩行機械は身体(306)に連結された2つの脚(307)からなる。この身体にはまた、首(305)と尾(303)が取り付けられている。歩行機械の身体は剛性のチューブからなる。各脚は、一連のリンクを作動する6個のコンピュータ制御型の電気モータと、窮屈な容積内で脚をその足を身体に関して何れかの位置と方位に任意に位置決めさせる関節とからなる機構である。(1つの脚のみが図示されていることに注目されたい)。首(305)は、一連のリンクと関節を作動する7個のコンピュータ制御型の電気モータから成る機構である。首は頭(321)を支持し、頭自体は幾つかの追加のモータを含んでいる。これらのモータは、例えば、目、瞼、口、及び他の顔の特徴を作動する。最後に、尾機構は身体チューブ(303)の後端に取り付けられている。首の設計と同様に、尾は一連のリンクと関節を作動する6個の電気モータからなる。   In one form, a two-legged robotic machine (100) is attached to a wheeled cart (110) via a yoke (308). As shown in FIGS. 3a and 3b, the supported walking machine consists of two legs (307) connected to the body (306). The body is also fitted with a neck (305) and tail (303). The body of a walking machine consists of a rigid tube. Each leg is a mechanism consisting of six computer-controlled electric motors that actuate a series of links and a joint that arbitrarily positions the leg in any position and orientation with respect to the body within a tight volume. is there. (Note that only one leg is shown). The neck (305) is a mechanism consisting of seven computer-controlled electric motors that actuate a series of links and joints. The neck supports the head (321), which itself contains several additional motors. These motors operate, for example, eyes, eyelids, mouths, and other facial features. Finally, the tail mechanism is attached to the rear end of the body tube (303). Similar to the neck design, the tail consists of a series of links and six electric motors that actuate the joints.

カートは鋼フレーム(311)からなり、このフレームに2つの駆動車輪(312)と旋回キャスター(310)が据え付けられる。(1つだけの被動車輪が図示されていることに注目されたい)。駆動車輪は各々、電気モータとベルト減速機構(322)によって動力供給される。また、カートは、囲い構体(317)内に据え付けられた電子機器、バッテリーパック電力源(313)、ジョイスティック(316)、及びパぺッティングインターフェイス(puppeting interface)(315)を収容する。人間オペレータは座席(314)に座り、そしてカートを駆動するためにジョイスティックを使用し、歩行機械の身体、首及び頭の動きを制御するためにパぺッティングインターフェイスを使用する。ここでは円形の車輪について記載したが、それらの車輪は実際には、所望の効果を発揮するために、他の形状(例えば楕円形)をとることができ、更に無限軌道システムとすることもできる。用語、“車輪”はこのように理解すべきである。   The cart consists of a steel frame (311) on which two drive wheels (312) and a swivel caster (310) are mounted. (Note that only one driven wheel is shown). The drive wheels are each powered by an electric motor and a belt reduction mechanism (322). The cart also houses electronics, battery pack power source (313), joystick (316), and puppeting interface (315) installed in enclosure (317). The human operator sits on the seat (314) and uses a joystick to drive the cart and uses a petting interface to control the body, neck and head movements of the walking machine. Although circular wheels have been described here, those wheels can actually take other shapes (eg, oval) to achieve the desired effect, and can also be an endless track system. . The term “wheel” should be understood in this way.

オペレータがカートを駆動するとき、歩行機械の機能のすべては、カートと同期的に動かすために、一連のコンピュータアルゴリズムによって自動的に制御される。例えば、これらのアルゴリズムは、各足がステップ(step)を進めなければならない時と場所、各ステップの速度と軌道及び身体、首、頭及び尾の運動を計算する。この運動は現実的見える歩行を造り出すステップを進める運動を伴う。オペレータはこれらの自動的に造り出された運動の幾つか、特に、頭と首の運動を、歩行中にパぺッティングインターフェイスを使用することによって、無視する(override)かも知れない。システムに意図された用途に依存して、1つ以上の機能アーム又は他の付属物を含むことができ、これらのアームは、保持すること、押すこと、持ち上げること等の如き機能をもつ。尾と頭は除去すること又は他の構造と置き換えることができる。該システムの操作を簡単にするために、歩行機構は頭に据え付けられたカメラ(319)とマイクロホン(320)を備える。オペレータはビデオイメージを見るためのモニタ(318)及び音を聞くためのヘッドホンをもつ。これらは、オペレータが該システムの近くに立ちそしてシステムに話しかけているお客とより良く影響し合うことを可能ならしめる。また、オペレータは、歩行機構から離れて、遠隔制御機器を用いて遠隔の場所に位置することができる。カートは伝統的カートに過ぎないという幻想を与えるために、木製の装飾フレームがカート全体を覆う。   When the operator drives the cart, all of the functions of the walking machine are automatically controlled by a series of computer algorithms to move synchronously with the cart. For example, these algorithms calculate when and where each foot must step, the speed and trajectory of each step, and body, neck, head and tail movements. This movement involves a movement that advances the steps to create realistic walking. The operator may override some of these automatically created movements, particularly head and neck movements, by using a petting interface during walking. Depending on the intended use of the system, one or more functional arms or other attachments can be included, which have functions such as holding, pushing, lifting and the like. The tail and head can be removed or replaced with other structures. In order to simplify the operation of the system, the walking mechanism comprises a camera (319) and a microphone (320) mounted on the head. The operator has a monitor (318) for viewing video images and headphones for listening to sound. These allow the operator to better interact with customers standing near the system and talking to the system. Also, the operator can be located at a remote location away from the walking mechanism using a remote control device. To give the illusion that the cart is just a traditional cart, a wooden decorative frame covers the entire cart.

カートと歩行機械は剛性ヨーク(308)によって3つの非動力化関節を経て結合される。このヨークはヒンジ(309)を経てカートに連結され、そして2軸型の“ユニバーサル”関節(304)を経て歩行機械に連結される。カートのヒンジは、歩行機械が、その脚を延ばすことによってその高さを変えることを可能にする。ユニバーサル関節は歩行機械が、その身体をヨークに関して前方に又は後方に傾けることを、また、その身体を左右に転がすことを可能にする。これらの3つの関節の組み合わせは、歩行機械が、実際に見える歩行及び運動に要求される広い運動範囲をもつことを可能にする一方、たとえすべてのモータが完全に止まりそして動力が遮断されても、該システムが左右に、前方に、又は後方に倒れるのを防止することを可能にする。ヨーク付属装置はまた、ばね釣り合わせ機構(322)を合体する。この機構は、歩行機械の重量を部分的に支えるヒンジ(309)の回りの回転トルクをヨークに与える。   The cart and walking machine are coupled via three non-powered joints by a rigid yoke (308). The yoke is connected to the cart via a hinge (309) and to a walking machine via a biaxial “universal” joint (304). The cart hinge allows the walking machine to change its height by extending its legs. The universal joint allows the walking machine to tilt its body forward or backward with respect to the yoke and to roll the body from side to side. The combination of these three joints allows the walking machine to have the wide range of motion required for actual walking and movement, while all motors are completely stopped and powered off. , Making it possible to prevent the system from falling to the left, right, forward or backward. The yoke attachment also incorporates a spring balancing mechanism (322). This mechanism provides the yoke with rotational torque about a hinge (309) that partially supports the weight of the walking machine.

歩行アルゴリズム
支持式歩行システムを制御しかつ形象物を歩行させるシステムと方法もまた開示される。
A system and method for controlling a walking algorithm- supported walking system and causing a figure to walk is also disclosed.

1実施例では、支持式歩行システムは通常の2軸型ジョイスティックを用いて人間オペレータによって駆動される。支持式歩行システムは2つの被動車輪と、各々が数個の独立作動器をもつ2つの脚とをもつ単一車両として見ることができる。   In one embodiment, the supported walking system is driven by a human operator using a conventional two-axis joystick. A supported walking system can be viewed as a single vehicle with two driven wheels and two legs, each with several independent actuators.

この場合、問題は2つのジョイスティック入力から複数の独立した運動プロフィールを如何にして造るかということである。例えば、該システムを回転している間にかつ変化する速度で、直線上を歩かせる運動を造ることが目的である。   In this case, the problem is how to create multiple independent motion profiles from two joystick inputs. For example, the goal is to create a movement that walks on a straight line while rotating the system and at a varying speed.

オペレータはカートを駆動するためにジョイスティック入力を使用し、そして歩行形象物の脚の運動は、カート運動に応答して、コンピュータアルゴリズムによって計算される。このアルゴリズムの簡単な説明は以下の通りである。   The operator uses joystick input to drive the cart, and the leg movement of the walking figurine is calculated by a computer algorithm in response to the cart movement. A brief description of this algorithm is as follows.

1実施例では、左/右又は前方/後方の何れかの2軸に沿って動くことができる標準のジョイスティックが使用される。ジョイスティックは2つのカート車輪の速度を直接制御する。例えば、もしジョイスティックが左にのみ動かされるならば、左のカート車輪は後方に回転し、右の車輪は前方に回転するだろう。その際カートは垂直軸の回りに回転し、上から見て反時計回りに、直接2つの車輪の間で垂直軸の回りに回転するだろう。もしジョイスティックが右にのみ動かされるならば、車輪は、上から見たとき、カートが時計回りに回転するように、反対方向に動く。車輪の速度は、ジョイスティックがその中心位置から動かされる距離によって制御される。   In one embodiment, a standard joystick is used that can move along two axes, either left / right or forward / backward. The joystick directly controls the speed of the two cart wheels. For example, if the joystick is moved only to the left, the left cart wheel will rotate backward and the right wheel will rotate forward. The cart will then rotate around the vertical axis and counterclockwise when viewed from above, directly between the two wheels around the vertical axis. If the joystick is moved only to the right, the wheels will move in the opposite direction so that the cart rotates clockwise when viewed from above. The speed of the wheel is controlled by the distance that the joystick is moved from its center position.

もしジョイスティックが前方にのみ動かされるならば、両車輪は同じ速度で前方に動かされ、そしてカートは前方に動くだろう。もしジョイスティックが後ろにのみ動かされるならば、両車輪は同じ速度で後方へ回転するだろう。またカートは後方に動くだろう。   If the joystick is moved only forward, both wheels will be moved forward at the same speed and the cart will move forward. If the joystick is moved only backwards, both wheels will rotate backwards at the same speed. The cart will also move backwards.

もしジョイスティックが或る角度、例えば、前方にかつ右へ動かされるならば、上記運動は、カートが前方へ動きそして同時に右方へ回るように、線状に結合される。また、運動の速度は、ジョイスティックがその中心位置からどれだけ遠く離されるかによって制御される。   If the joystick is moved at an angle, e.g. forward and right, the movement is coupled linearly so that the cart moves forward and simultaneously turns to the right. Also, the speed of movement is controlled by how far the joystick is from its center position.

カートと歩行形象物は3つの自由回転する関節をもつ剛性ヨークによって取り付けられ、そしていつでも、歩行形象物の脚の一方又は両方は地面上に載っている。かくして、カート、ヨーク、歩行形象物、及びシステムが載っている地面は、1つの閉じた運動連鎖を形成する。(閉じた運動連鎖は、ループを形成するためにそれ自体上に閉じる剛性リンクと関節の任意の系列となる)。   The cart and walking figurine are attached by a rigid yoke with three freely rotating joints, and at any time one or both of the legs of the walking figurine rest on the ground. Thus, the ground on which the cart, yoke, walking figurine, and system are placed forms a closed chain of motion. (A closed kinematic chain is an arbitrary series of rigid links and joints that close on itself to form a loop).

カートが動くとき(オペレータによって駆動される如くして)、歩行形象物は、運動連鎖の完全性を維持するために、その脚をその身体に関して動かさなければならない。もし脚が適切に動かなければ、典型的には、脚の滑り又は地面との接触を失うことによって、運動連鎖の或る部分は壊れるだろう。例えば、もしカートが前方に動けば、脚は、地面上に置かれたままに留まるために地面に関して回転することなしに、身体に関して後方に動かなければならない。   As the cart moves (as driven by the operator), the walking figurine must move its legs with respect to its body to maintain the integrity of the movement chain. If the leg does not move properly, typically some part of the chain of motion will be broken by losing leg slip or contact with the ground. For example, if the cart moves forward, the legs must move backward with respect to the body without rotating with respect to the ground to remain seated on the ground.

センサーは、カート中のあらゆる動く関節、ヨーク、脚、及び支持式歩行システムの身体上に合体される。該システムの寸法は既知であるので、それ故、運動連鎖の完全性を維持するのに必要な適切な脚運動は計算することができる。このことは、標準のロボット技術を用いてなされる。   Sensors are incorporated on the body of every moving joint, yoke, leg, and supportive walking system in the cart. Since the dimensions of the system are known, it is therefore possible to calculate the appropriate leg motion necessary to maintain the integrity of the motion chain. This is done using standard robot technology.

これらの技術を用いることによって、歩行形象物の身体は、たとえカートが停止している間でも、動かされることができることは注目すべきである。特に、ヨークの非作動関節に対応して、あたかも地面から食べるために前方に曲がるようにして、身体は前方に傾くことができる。身体はまた、長手方向軸の回りに転がることができるか、又は、身体は、歩行形象物をより高く又はより低く立てるために上下に上げられる。身体のかかる運動を命令するために、身体を動かしそしてカート、ヨーク、歩行形象物及び地面によって形成された閉じた運動連鎖の完全性を維持する脚の適切な運動が計算される。   It should be noted that by using these techniques, the body of the walking figurine can be moved even while the cart is stopped. In particular, corresponding to the non-actuated joint of the yoke, the body can tilt forward as if it were bent forward to eat from the ground. The body can also roll about the longitudinal axis, or the body can be raised or lowered to raise the walking figurine higher or lower. In order to command such a movement of the body, an appropriate movement of the leg is calculated that moves the body and maintains the integrity of the closed movement chain formed by the cart, yoke, walking figurine and the ground.

歩行形象物の脚は限定された運動範囲をもつので、或る箇所では、カートの移動を提供するために、歩行形象物はステップを進めなければならない。これらのステップを生じるために、コンピュータ処理される歩行アルゴリズムが使用される。基準線が最初に選択される。1実施例では、基準線はヨークを形象物に取り付けるピボットを通過する垂直線である。歩行形象物はこの基準線を使用し、そしてこの線に関して動く。この線は歩行形象物の身体の中心を垂直に通る。   Since the legs of the walking figurine have a limited range of motion, at some points the walking figurine must go through steps to provide cart movement. A computerized walking algorithm is used to produce these steps. The reference line is selected first. In one embodiment, the reference line is a vertical line that passes through a pivot that attaches the yoke to the feature. The walking figurine uses this reference line and moves with respect to this line. This line runs vertically through the center of the body of the walking figurine.

1例として、前進ステップについて考えて見る。もしカートが前方へ動かされるならば、歩行形象物の身体もまた、前方へ動き、そして脚は地面上に静止したままに留まるだろうが、基準線に関しては後方へ動くだろう。何れかの足が基準線の後ろを動くとき、アルゴリズムは、最も後ろの足が、基準線の前で特定の距離まで動くよう命令する。この距離はカート速度の関数である。それ故、より大きいカート速度は、より大きいステップを生じるだろう。地面上に留まっている足は、他方の足が安全に地面上に置かれるまで、ステップを進めることはできない。その地点で、もしそれが基準線の後ろにあれば、それは前方へステップを進めるだろう。空気中にある間の脚の軌道は、部分的には予め決められる。ステップの高さは予め決められる一方、ステップ長さとステップ時間はステップが命令されるときのカート速度の関数である。ステップの正確な軌道はこれらのパラメータの関数として計算される。   As an example, consider the forward step. If the cart is moved forward, the body of the walking figurine will also move forward and the legs will remain stationary on the ground, but will move backwards with respect to the baseline. When any foot moves behind the reference line, the algorithm commands the backmost foot to move to a certain distance before the reference line. This distance is a function of cart speed. Therefore, larger cart speeds will result in larger steps. A foot that remains on the ground cannot advance the step until the other foot is safely placed on the ground. At that point, if it is behind the baseline, it will step forward. The trajectory of the legs while in the air is partly predetermined. While the step height is predetermined, the step length and step time are a function of the cart speed when the step is commanded. The exact trajectory of the step is calculated as a function of these parameters.

足が地面と接触するステップの終結時に、前もって設定された足/地面力限界値を超えたときに、足の垂直運動が止まる。このことは、形象物が、それが規定された垂直位置の代わりに地面に出会うときに足の垂直運動を止めることによって、凹凸面上を歩行することを可能ならしめる。加えられた力は脚内の作動器に命令された電流を読むことによって間接的に感知される。これらのモータに加えられた電流はモータトルクに比例するので、地面に加えられた力を推定することができる。   At the end of the step where the foot touches the ground, the vertical motion of the foot stops when the preset foot / ground force limit is exceeded. This allows the figure to walk on the uneven surface by stopping the vertical movement of the foot when it encounters the ground instead of the defined vertical position. The applied force is sensed indirectly by reading the current commanded to the actuator in the leg. Since the current applied to these motors is proportional to the motor torque, the force applied to the ground can be estimated.

もしカートが、例えば、前方へ動いているときに、左へ曲がるならば、足は両方とも、再びカート速度の関数として、前方と基準線の左の両方に置かれるだろう。   If the cart turns to the left, for example when moving forward, both feet will again be placed both forward and to the left of the baseline as a function of cart speed.

こうして、ステップは、カートと歩行形象物を操縦するために、前方/後方及び左/右の任意の組合せで作ることができる。こうして生じたステップは歩行形象物が実際にカートを引いているという幻想を与える歩行運動をもたらす。   Thus, steps can be made in any combination of forward / backward and left / right to maneuver the cart and walking figurine. The resulting steps result in a walking movement that gives the illusion that the walking figurine is actually pulling the cart.

もう1つの実施例では、スクリプティングランゲジ(scripting language)が、歩行形象物(100)の運動を調整するために使用されることができる。スクリプティングランゲジは、ユーザーが歩行形象物(100)に1組の命令を提供することを可能ならしめるコンピュータ言語とすることができる。1実施例では、スクリプティングランゲジはあやつり人形(puppetry)と固定ショー(fixed show)の組合せを提供する。あやつり人形(puppetry)は人形に相互作用する命令を提供するユーザーの能力と称される。更に、固定ショーは、ロボット式形象物がユーザーからの相互作用なしに行うようプログラムされることができる予定の一連の運動である。スクリプティングランゲジは、Luckyがユーザーの入力からのプペッティング情報に同時に応答すること及び固定ショーを行うことを可能ならしめる。例えば、歩行形象物(100)は或る一定の時間間隔をおいてくしゃみをするよう前もってプログラムされることができる。同時に、ユーザーは歩行形象物(100)の運動について相互作用する情報を提供することができる。   In another example, a scripting language can be used to coordinate the movement of the walking figurine (100). The scripting language can be a computer language that allows a user to provide a set of instructions to the walking figurine (100). In one embodiment, the scripting language provides a combination of a puppetry and a fixed show. A puppetry is referred to as the user's ability to provide instructions to interact with the doll. Furthermore, a fixed show is a series of movements that can be programmed to be performed by robotic features without user interaction. Scripting language allows Lucky to respond simultaneously to pepting information from user input and perform fixed shows. For example, the walking figurine (100) can be pre-programmed to sneeze at certain time intervals. At the same time, the user can provide interacting information about the movement of the walking figurine (100).

スクリプティングランゲジの1つの潜在的応用は組み立てライン上におけるロボットの使用についてである。多くの製品は組み立てライン上で仕事を行うために、予め決められた運動を行うロボットで製造される。しかし、組み立てプロセスの一部は自動化することができない若干の人間の相互作用を要求するかも知れない。ユーザーはロボットがそれを組み立てているのと同時に製品に品質管理を行う順応性を望むかも知れない。例えば、ロボットの左のアームが製品に予め決められた組み立てルーチンを行うとき、右のアームは、或る品質管理テストを行うために、同時に人間のユーザーから情報を受け入れることができる。   One potential application of scripting language is for the use of robots on assembly lines. Many products are manufactured with robots that perform a predetermined motion to perform work on the assembly line. However, part of the assembly process may require some human interaction that cannot be automated. The user may want the flexibility of quality control on the product at the same time the robot is assembling it. For example, when the left arm of the robot performs a predetermined assembly routine on the product, the right arm can simultaneously accept information from a human user to perform some quality control test.

更に、スクリプティングランゲジ(scripting language)は、歩行形象物(100)の運動の軌道を滑らかにすることができる。スクリプティングランゲジはロボットに通常提供されることができるよりも滑らかな運動をなす能力を提供する。伝統的ロボットはぎこちない運動をもち、そして時には、不慣れな命令を受けると、不正確な運動をもって応答することさえある。スクリプティングランゲジは、命令が不慣れな場合にさえ、或る軌道を提供することによってこの問題を解決する。1実施例では、スクリプティングランゲジはロボットの精密な運動が生産性と安全性にとって重大であるセッティング(settings)において適用される。例えば、有害廃棄物のセッティングにおいて、ユーザーによるロボットへの不正確な命令が廃棄物の有害なこぼれをもたらすことがある。もしロボットが比較的滑らかな軌道内を動くよう指示されたならば、偶発的にもれる危険性は殆どないだろう。ロボット分野において滑らかな運動を造るためのスクリプティングランゲジの使用は、精密が最重要である広範囲の分野に適用することができる。   Furthermore, the scripting language can smooth the trajectory of the movement of the walking figurine (100). Scripting language provides the ability to make smoother motion than can normally be provided to a robot. Traditional robots have awkward movements, and sometimes even respond with inaccurate movements when they receive unfamiliar commands. Scripting language solves this problem by providing a trajectory even when the instructions are unfamiliar. In one embodiment, the scripting language is applied in settings where the precise movement of the robot is critical to productivity and safety. For example, in hazardous waste settings, inaccurate commands to the robot by the user may result in harmful waste spills. If the robot is instructed to move in a relatively smooth trajectory, there will be little risk of accidental leakage. The use of scripting language to create smooth motion in the robotics field can be applied to a wide range of fields where precision is paramount.

スクリプティングランゲジはまた、実際時間の最大限活用を提供することができる。以前のスクリプティングランゲジはメモリ及び他のコンピュータ資源を必要に応じてを配分した。これらの配分はコンピュータを任意の時間長さにわたって阻止することがある。もしメモリが適切に配分されなければ、ロボットは機能を停止する。ここでは、スクリプティングランゲジはコンピュータが阻止されるのを防止するメモリ配分方法をもつ。実際の時間性能は、仕事が特定の時間期間内に行われなければならないことを意味する。1実施例では、実際の時間の最大限活用技術は或る時間期間にわたって機能することを不必要に停止しないことを保証するロボットで使用される。例えば、有害廃棄物を運んでいるロボットが機能をたとえ瞬間的に停止しても、こぼれは起こるかも知れない。   Scripting language can also provide maximum utilization of real time. Previous scripting languages allocated memory and other computer resources as needed. These allocations may block the computer for any length of time. If the memory is not properly allocated, the robot stops functioning. Here, the scripting language has a memory allocation method that prevents the computer from being blocked. Actual time performance means that work must be done within a certain time period. In one embodiment, actual time maximization techniques are used in robots to ensure that they do not unnecessarily stop functioning over a period of time. For example, a spill may occur even if a robot carrying hazardous waste stops functioning momentarily.

更に、スクリプティングランゲジは改良された変換技術を含むことができる。ユーザーがロボットに或る一定の路内を動くことを指示する命令をロボットに提供するとき、ユーザーの指示と、ユーザーの指示を実施するのに必要な実際の関節運動との間の数学的変換が行われなければならない。スクリプティングランゲジは、ユーザーがロボットに或る一定の方向に動くよう直感的に指示することを可能にするインターフェイスを提供する。更に、このインターフェイスは垂直と水平の運動の如き運動を組合せる複雑さを簡単化する。例えば、ロボットは、“左脚を垂直にyフィート持ち上げ、左脚を水平にxフィート動かせ”と対照的な、“真っ直ぐ歩け”という指示に応答することができる。   In addition, the scripting language can include improved conversion techniques. Mathematical conversion between the user's instructions and the actual joint motion necessary to carry out the user's instructions when the user is instructed to move the robot in a certain path Must be done. Scripting language provides an interface that allows the user to intuitively instruct the robot to move in a certain direction. In addition, this interface simplifies the complexity of combining movements such as vertical and horizontal movements. For example, the robot can respond to an instruction “walk straight” as opposed to “lift the left leg y feet vertically and move the left leg x feet horizontally”.

普通の当業者の一人は、スクリプティングランゲジによって使用される技術は、他のコンピュータ言語と対照的な、スクリプティングランゲジに限定されないことを認めるだろう。これらの技術はまた、色々な型式のコンピュータ言語に利用することができる。更に、スクリプティングランゲジは特定型式の図表ユーザーインターフェイス(“GUI”)に限定されない。任意の数のGUIsはスクリプティングランゲジに関連して使用することができる。任意の方法、ハードウエア、ソフトウエア、又はコンピュータ化された情報を歩行形象物(100)に提供するのに必要な回路が利用される。普通の当業者の一人は、スクリプティングランゲジを実施するのに必要なコントローラ又はメモリが利用できることを認めるだろう。更に普通の当業者の一人は、スクリプティングランゲジは歩行形象物(100)自体内に、又は情報がそこから歩行形象物(100)に送られる遠隔の場所に記憶することができることを認めるだろう。上述の如く、スクリプティングランゲジは支持式歩行システム以外の他の用途に利用することができる。   One of ordinary skill in the art will appreciate that the technique used by scripting language is not limited to scripting language, in contrast to other computer languages. These techniques can also be used for various types of computer languages. Further, the scripting language is not limited to a specific type of graphical user interface (“GUI”). Any number of GUIs can be used in connection with scripting language. Any method, hardware, software, or circuitry necessary to provide the computerized information to the walking figurine (100) is utilized. One of ordinary skill in the art will appreciate that the controller or memory necessary to perform the scripting language is available. Furthermore, one of ordinary skill in the art will appreciate that the scripting language can be stored in the walking figurine (100) itself or in a remote location from which information is sent to the walking figurine (100). . As mentioned above, the scripting language can be used for other purposes than a supported walking system.

骨格支持構造及び皮膚
現実的に見えるロボット又はアニマトロニクス制御キャラクターの全体像を更に完成させるのは皮膚と骨格構造である。
It is the skin and skeletal structure that further completes the overall picture of the skeletal support structure and skin- realistic robot or animatronic control character.

伝統的に、アニマトロニクス制御形象物は液圧作動器を使用してきた。それは、それらの作動器の動力対寸法比が非常に高いためである。しかし、液圧システムは、幾つかの欠点をもつ。液圧オイルはこれらのシステムから漏れ出たり、繊細な皮膚や他の外側覆いを傷付ける傾向がある。それらはまた、500と6000psi間の圧力に加圧する必要がある。これらの高圧システムは人々から離した状態にしておかなくてはならない。というのは、加圧液圧ラインの破裂は危険な流体噴出を生じることがあるからである。液圧システムはまた、必然的に弾力性である液圧オイルの柱上に力を維持する。この弾力性は液圧システムの応答の帯域幅を制限する。最後に、液圧システムは、ポンプ、オイル溜め、マニホルド、弁及びアキュムレータといった基礎施設を必要とする。   Traditionally, animatronic controlled figurines have used hydraulic actuators. This is because the power-to-size ratio of these actuators is very high. However, the hydraulic system has several drawbacks. Hydraulic oil tends to leak out of these systems and damage delicate skin and other outer coverings. They also need to be pressurized to a pressure between 500 and 6000 psi. These high-pressure systems must be kept away from people. This is because rupture of the pressurized hydraulic line can cause dangerous fluid ejection. The hydraulic system also maintains a force on the hydraulic oil column, which is necessarily elastic. This elasticity limits the response bandwidth of the hydraulic system. Finally, hydraulic systems require basic facilities such as pumps, sump, manifolds, valves and accumulators.

それ故、ロボット及びアニマトロニクス制御形象物に電気モータを使用するのが有利である。しかし、電気モータは、典型的には、電力対寸法比が、液圧作動器のものよりも低い。それ故、電気駆動されるロボット又はアニマトロニクス制御システムの重量は重大な問題点になり、そしてできるだけ低く保たれなければならない。   It is therefore advantageous to use electric motors for robots and animatronic control objects. However, electric motors typically have a power to dimension ratio that is lower than that of hydraulic actuators. Therefore, the weight of an electrically driven robot or animatronic control system becomes a serious problem and must be kept as low as possible.

アニマトロニクス制御の皮膚を支持する下部構造の開発を困難にする幾つかの他の問題点がある。現実の動物はそれらの関節に非常に大きい運動範囲をもつ。このことは現実的な運動を作ることを意味し、皮膚及びそれらを支持する構造はかなりの引っ張りと圧縮に適応しなければならない。現実の動物は、特に、首又は尾の如き主要部に、多数の自由度をもつ。実際の動物に存在する程多くの関節をアニマトロニクス制御形象物にもたせるのはコストがかかる。そこで、まるで下にある機構にあるよりも多くの関節があるように思わせることによって、皮膚と支持構造が形象物の外観を向上させることができれば有利である。現実の動物は生物学的なものであり、それ故複雑な外側形状をもつ。皮膚と支持構造は、かなりの運動、引張り、及び圧縮にもかかわらず、これらの形状を現実的と思われると同時に、維持しなければならない。   There are several other problems that make it difficult to develop substructures that support animatronic controlled skin. Real animals have a very large range of motion at their joints. This means creating realistic movements and the skin and the structures that support them must adapt to considerable tension and compression. Real animals have many degrees of freedom, especially in the main parts such as the neck or tail. It is costly to have as many joints on an animatronic controlled figurine as there are in real animals. Thus, it would be advantageous if the skin and support structure could improve the appearance of the figurine by making it appear that there are more joints than in the underlying mechanism. Real animals are biological and therefore have a complex outer shape. The skin and support structure must maintain their shape while appearing realistic, despite considerable movement, tension, and compression.

それ故、できるだけ小さいスペースを占めることは皮膚及びそ支持構造にとって有利である。ロボット機構の強度はその寸法に関係するので、もし皮膚とその支持構造が多くのスペースを占めるならば、機構のためにはほんの少しだけしか残されず、十分に強くかつ剛性に造るのを困難にする。最後に。皮膚とその支持構造は製造が簡単でなければならない。   Therefore, occupying as little space as possible is advantageous for the skin and its support structure. Since the strength of the robotic mechanism is related to its dimensions, if the skin and its supporting structure occupy a lot of space, only a little remains for the mechanism, making it difficult to build sufficiently strong and rigid To do. Finally. The skin and its supporting structure must be easy to manufacture.

それ故、かなりの撓みと圧縮をもつ大きい運動範囲を通してアニマトロニクス制御皮膚を支持する機構が必要である。更に、下にあるロボット構造を隠すことは皮膚支持機構にとって望ましい。更に、複雑な形状に適応させることは皮膚支持機構にとって望ましい。更に、極めて軽量にすることは皮膚支持構造にとって望ましい。更に、内部ロボット機構と皮膚自体の間に少量のスペースを占めることは皮膚支持機構にとって望ましい。最後に、皮膚支持機構は製造が簡単であることが望ましい。   Therefore, there is a need for a mechanism that supports the animatronic controlled skin through a large range of motion with significant deflection and compression. Furthermore, hiding the underlying robot structure is desirable for the skin support mechanism. Furthermore, adapting to complex shapes is desirable for skin support mechanisms. Furthermore, it is desirable for the skin support structure to be very light. Furthermore, it is desirable for the skin support mechanism to occupy a small amount of space between the internal robot mechanism and the skin itself. Finally, it is desirable that the skin support mechanism be simple to manufacture.

それ故、機械的又はロボット式形象物用の骨格支持構造もまた開示される。骨格支持構造は、大きな運動範囲を可能にするアニマトロニクス制御形象物の皮膚を支持するシステムであり、寸法がコンパクトであり、軽量であり、複雑な形状に造ることができ、そして製造が簡単である。1実施例では、塗装された発泡ラテックス皮膚が骨格支持構造を覆う。   Therefore, a skeletal support structure for mechanical or robotic features is also disclosed. A skeletal support structure is a system that supports the skin of an animatronic controlled figurine that allows a large range of motion, is compact in size, lightweight, can be built into complex shapes, and is easy to manufacture is there. In one embodiment, the painted foamed latex skin covers the skeletal support structure.

図4乃至8は骨格支持構造と、上に横たわっている皮膚との実施例である。図4は1実施例において皮膚と骨格構造によって得られた現実的に見える結果を示す図である。   4-8 are examples of a skeletal support structure and overlying skin. FIG. 4 is a diagram showing realistic results obtained with skin and skeletal structure in one example.

図4の実施例では、歩行形象物100はカート110を引く恐竜の形をなしている。恐竜はヨーク120を用いてカートに取り付けられている。塗装した発泡ラテックス皮膚130は歩行形象物100の骨格支持構造を覆う。皮膚130は発泡ラテックスを所望のキャラクターの外側形状を表す成形型内に注入することによって作られる。恐竜の場合、恐竜の首と尾部分は多くの方向に撓んで動く。恐竜の運動を実際に見るために、独特の骨格構造が首と尾部分に用いられる。その効果は、生きている動物の外観を与える機械的骨格を覆って浮動している現実に見える皮膚である。   In the embodiment of FIG. 4, the walking figurine 100 is in the form of a dinosaur that pulls the cart 110. The dinosaur is attached to the cart using the yoke 120. The painted foamed latex skin 130 covers the skeletal support structure of the walking figurine 100. The skin 130 is made by injecting foamed latex into a mold that represents the outer shape of the desired character. In the case of a dinosaur, the neck and tail of the dinosaur flex and move in many directions. A unique skeletal structure is used on the neck and tail to actually see the dinosaur movement. The effect is real-looking skin floating over a mechanical skeleton that gives the appearance of a living animal.

骨格支持構造は、互いに取り付けられかつ形象物に色々な箇所で取り付けられる複数のリングからなる。リングは可撓性の付属装置を用いて互いに取り付けられ、そして剛性の又は固定された付属装置を用いて色々な場所で形象物に取り付けられる。   The skeletal support structure consists of a plurality of rings that are attached to each other and attached to the figurine at various points. The rings are attached to each other using flexible attachments and attached to the figurine at various locations using rigid or fixed attachments.

1実施例では、皮膚は、繊維ガラス、プラスチック及びアルミニウムのリングからなる骨格支持システムによって支持され、これらのリングは、剛性の付属装置と可撓性ゴムの付属装置の組合せによって互いにそして歩行機械骨格に取り付けられる。   In one embodiment, the skin is supported by a skeletal support system consisting of fiberglass, plastic and aluminum rings that are connected to each other and the walking machine skeleton by a combination of rigid and flexible rubber attachments. Attached to.

図5は図4に示したシステムの下に見られる骨格支持構造を示す図である。頭と尾部分は複数のリングからなる構造で覆われていることに注目されたい。図6は尾の骨格支持構造の拡大図を示す写真である。図7はリング自体の図である。リングは可撓性素子によって互いに取り付けられる。われわれの最新の実施例では、われわれはラテックス製の外科用チューブの部片を使用している。それらはプラスチック製の結び覆い材を用いてリングに簡単に取り付けることができるよう方向付けられている。この方向付けはまた、非常に小さい力でリングをお互いに圧縮したり、膨張させることを可能にする。それらはまた、尾又は首をその縦軸の回りに捩じることを許すために、お互いに関して回転することができる。しかし、チューブの方向付けは、リングが互いに関して位置換えしたり又はせん断変形したりするのを防止する傾向がある。   FIG. 5 shows a skeletal support structure found under the system shown in FIG. Note that the head and tail are covered with a structure consisting of multiple rings. FIG. 6 is an enlarged view of the tail skeleton support structure. FIG. 7 is a view of the ring itself. The rings are attached to each other by flexible elements. In our latest embodiment, we are using a piece of latex surgical tube. They are oriented for easy attachment to the ring using plastic tie wraps. This orientation also allows the rings to compress and expand each other with very little force. They can also rotate with respect to each other to allow the tail or neck to twist about its longitudinal axis. However, the orientation of the tube tends to prevent the rings from repositioning or shearing with respect to each other.

1実施例では、リングは、最初に可撓性皮膚を型成形するのに使用されるツーリング(tolling)のコンピュータスキャンをなすことによって作られる。次いで、CDAプログラムにおいて、リングはコンピュータスキャンされた表面を“スライシング(slicing)”することによって設計される。例えば、リングは、ノメックス(nomex)ハニカムコアにカーボン繊維シートを積層することによって作られたパネルからCNCフライス削りされる。通常これらの型式のパネルは、それらの重量の割には非常に硬いので、航空機産業で使用される。こうして作られたリングから該構造を組み立てることによって、複雑な皮膚形状はそれを支持する構造に合うことが保証される。更に、リングの薄さと、それらを接合するのに使用される可撓性弾性チューブの可撓性に起因して、該構造は下にある関節が大きな運動範囲を通して動くときに要求される大きな撓みと圧縮度に適応することができる。   In one embodiment, the ring is made by first making a tolling computer scan that is used to mold the flexible skin. The ring is then designed in the CDA program by “slicing” the computer scanned surface. For example, the ring is CNC milled from a panel made by laminating carbon fiber sheets on a nomex honeycomb core. Usually these types of panels are used in the aircraft industry because they are very hard for their weight. By assembling the structure from the ring thus made, it is ensured that the complex skin shape matches the structure that supports it. In addition, due to the thinness of the rings and the flexibility of the flexible elastic tubes used to join them, the structure has a large deflection required when the underlying joint moves through a large range of motion. And can be adapted to the degree of compression.

リング構造を、下にある尾機構に据え付けるために、該構造のリンク当たりに1リングが尾機構の各リンクに据え付けられる。こうして、リング構造は尾機構を覆って浮動する。1実施例では、これらのリングは、強さのためにアルミニウムから作られる。   In order to install the ring structure on the underlying tail mechanism, one ring per link of the structure is installed on each link of the tail mechanism. Thus, the ring structure floats over the tail mechanism. In one embodiment, these rings are made from aluminum for strength.

図8は示す。3つの関節と4つの機械的リンクで尾に据え付けられたこのシステムの概略図である。リング(801)、(802)、(803)、及び(804)は尾リンク(805)、(806)、(807)及び(808)に夫々据え付けられる。残りのリングの例には(809)を付しているが、これらの残りのリングはお互いに対して据え付けられそして固定リングに据え付けられているが、さもなければ、尾機構を覆って浮動することを許される。皮膚がリング構造を覆って滑らかに摺動することを可能ならしめるためにライクラソックス(lycra sock)がリングの上と皮膚の下に据え付けられる。ライクラで覆われたリングは、尾皮膚を支持するために比較的滑らかな連続した表面を作り、下にある尾機構を隠し、そして3つより多い作動関節があるという幻想を与える。   FIG. 8 shows. Figure 2 is a schematic view of this system installed on the tail with three joints and four mechanical links. Rings (801), (802), (803), and (804) are mounted on tail links (805), (806), (807), and (808), respectively. Examples of the remaining rings are labeled (809), but these remaining rings are mounted relative to each other and mounted on a stationary ring, otherwise they float over the tail mechanism. I am allowed to. A lycra sock is placed over the ring and under the skin to allow the skin to slide smoothly over the ring structure. The lycra-covered ring creates a relatively smooth continuous surface to support the tail skin, hides the underlying tail mechanism, and gives the illusion that there are more than three working joints.

小型ロボット関節
更に、これまで説明してきた支持式歩行システムに従って、寸法が小型であり、互いに直角に2自由度をもち、かつ電気作動器を用いて電力供給されることができる新規なロボット関節が開示される。
In addition, according to the supportive walking system described so far, there is a novel robot joint that is small in size, has two degrees of freedom at right angles to each other, and can be powered using an electric actuator. Disclosed.

前述の如く、ロボットとアニマトロニクス制御形象物に電気モータを使用することは有利である。しかし、電気モータは高速で最も有効に作動する。大部分のロボットとアニマトロニクス制御システムはしばしば電気モータの最適作動時間より小さい望ましい関節速度をもつので、減速装置が要求される。また、電気モータの形状ファクターは、それ自体、多くのアニマトロニクス制御形象物に要求される包み内へ嵌るという簡単な包装の解決には役立たない。   As mentioned above, it is advantageous to use an electric motor for the robot and the animatronic control object. However, electric motors operate most effectively at high speeds. Since most robots and animatronic control systems often have a desired joint speed that is less than the optimal operating time of an electric motor, a reduction gear is required. Also, the form factor of the electric motor itself does not lend itself to a simple packaging solution that fits within the packaging required for many animatronic controlled features.

特に、ほっそりしたアニマトロニクス制御アーム、首又は尾内に電気モータを適切な状態で包装するために、電気モータの出力(output)を90度だけ回すことはしばしば有利である。更に、軸が交差しているか又は殆ど交差しておりそして互いに直角をなしている関節を準備することは有利である。この理由は、動物の背中、首及び尾の関節は少なくとも2つの方向に曲がる椎骨からなっていることにあり、従ってアニマトロニクス制御形象物にあるこれらの関節を説明する必要がある。   In particular, it is often advantageous to turn the output of an electric motor by 90 degrees in order to properly package the electric motor in a slender animatronic control arm, neck or tail. In addition, it is advantageous to provide joints whose axes are intersecting or almost intersecting and perpendicular to each other. The reason for this is that the animal's back, neck and tail joints consist of vertebrae that bend in at least two directions, and therefore it is necessary to account for these joints in an animatronic controlled figurine.

それ故、小型のロボット関節が提供される。小型のロボット関節は2回転自由度をもち、この場合、回転軸は交差するか又は殆ど交差しておりそして互いに直角をなしている。小型のロボット関節は電気モータを用いて電力供給されることができる。更に、小型のロボット関節は重要な歯車減速を提供する。   Therefore, a small robot joint is provided. A small robot joint has two rotational degrees of freedom, in which case the axes of rotation intersect or almost intersect and are at right angles to each other. Small robot joints can be powered using an electric motor. In addition, small robot joints provide important gear reduction.

図9a、9b、9c、及び10は小型のロボット関節の例示的実施例を示す。   Figures 9a, 9b, 9c and 10 show an exemplary embodiment of a small robot joint.

関節はお互いに関して動くよう作動されることができる3つのリンクからなる。第1のリンク(Link1)は軸Aに沿って第2リンク(Link2)に関して動く。第3リンク(Link3)は軸Bに沿って第2リンクに関して動く。この実施例では、第1と第3リンクは同じであることに注目されたい。こうする必要はないが、これらのリンクを同じにすることは、製造と棚卸のコストを減らし、そしてこの関節の特徴の1つでもある。   The joint consists of three links that can be actuated to move relative to each other. The first link (Link1) moves with respect to the second link (Link2) along axis A. The third link (Link3) moves relative to the second link along axis B. Note that in this example, the first and third links are the same. Although not necessary, making these links the same reduces manufacturing and inventory costs and is one of the features of this joint.

第1のリンク(Link1)は電気モータ(902)からなり、その後部に取り付けられているのはモータ位置を測定するための回転エンコーダー(901)である。遊星ギヤボックス(903)はモータの正面に取り付けられる。この組立体はアダプタプレート(904)を経てUリンク(908)に取り付けられる。連結器シャフト(905)はギヤボックスのシャフトに堅固に取り付けられ、そして直角かさ歯車ピニオン(907)はドエルピン(図示せず)を用いてカップリングに堅固に固定されている。連結器シャフトは、回転及び推力ブッシング(906)の組合せ体を用いてUリンク内へ回転可能に据え付けられる。   The first link (Link1) consists of an electric motor (902), and attached to the rear part thereof is a rotary encoder (901) for measuring the motor position. The planetary gearbox (903) is attached to the front of the motor. This assembly is attached to the U link (908) via the adapter plate (904). The coupler shaft (905) is rigidly attached to the gearbox shaft and the right angle bevel pinion (907) is rigidly secured to the coupling using a dowel pin (not shown). The coupler shaft is rotatably mounted into the U-link using a combination of rotation and thrust bushing (906).

第2リンク(Link2)は主ブロック(914)からなり、このブロックに据え付けられているのはかさ歯車セクター(911)と(918)及び運動止め(909)と(019)である。フランジ付きブッシング(910)、(913)、(915)及び(917)もまた第1リンク内へ押し込められる。   The second link (Link2) consists of a main block (914), which is mounted with bevel gear sectors (911) and (918) and detents (909) and (019). Flange bushings (910), (913), (915) and (917) are also pushed into the first link.

第1リンクはシャフト(916)を用いて第2リンクへ回転可能に据え付けられている。第3リンクは同様に回転可能に第2リンクにシャフト(912)を用いて据え付けられている。   The first link is rotatably mounted to the second link using a shaft (916). The third link is similarly rotatably mounted on the second link using a shaft (912).

動力は第1リンクから第2リンクへピニオン(907)から歯車(911)を経て伝えられる。モータ(902)の方位を制御することによって、第2リンクは第1リンクに関して制御される。同様に、動力は第3リンクから第2リンクへピニオン(921)から歯車(918)を経て伝えられる。モータ(926)の位置を制御することによって、第3リンクの方位は第2リンクに関して制御される。   Power is transmitted from the first link to the second link from the pinion (907) via the gear (911). By controlling the orientation of the motor (902), the second link is controlled with respect to the first link. Similarly, power is transmitted from the third link to the second link from the pinion (921) via the gear (918). By controlling the position of the motor (926), the orientation of the third link is controlled with respect to the second link.

関節結合構造は一連のこれらの関節を連接することによって造ることができる。図10を参照されたい。   An articulated structure can be created by connecting a series of these joints. Please refer to FIG.

該システムを詳細にかつ特定の実施例に関して説明してきたが、種々の変化や変更が発明の精神と範囲を逸脱することなくなし得ることは当業者には明らかであろう。従って、請求の範囲に規定した発明は、上述の特定の説明に限定されるものではなく、請求の範囲とそれらの均等物内に含まれるならば、変更や変形をも含むものとなすものである。   Although the system has been described in detail and with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the invention defined in the claims is not limited to the above specific description, but includes modifications and variations as long as they are included in the claims and their equivalents. is there.

他の実施例や完成物は利用することができ、そして構造的及び機能的変化は夫々の請求された発明の範囲から逸脱することなく、なすことができる。例示的及び予想される実施例の付属説明は図示と説明の目的で提示されたものである。それらは、余すところのないものであるとする意図はなく、又は本発明を開示した精密な型式に限定する意図もない。
本文記載の技術に照らして、多くの変更と変形が可能である。本発明には細部の事項においてのみ他と異なっている多くの他の型式がある。本発明は請求の範囲の記載によって決定されるべきものとする。
Other embodiments and finished products can be utilized and structural and functional changes can be made without departing from the scope of each claimed invention. The accompanying descriptions of exemplary and anticipated embodiments are presented for purposes of illustration and description. They are not intended to be exhaustive or are intended to limit the invention to the precise form disclosed.
Many modifications and variations are possible in light of the technology described herein. There are many other types of the present invention that differ from others only in details. The present invention should be determined by the claims.

支持式歩行システムの実施例の見取り図である。It is a sketch of the Example of a support type walking system. 支持式歩行システムの運動学的図である。1 is a kinematic view of a supportive walking system. テーマ形成素子なしの支持式歩行形象物のCAD図である。It is a CAD figure of the support type walk figure without a theme formation element. テーマ形成素子なしの支持式歩行形象物の他のCAD図である。It is another CAD figure of the support type walk figure without a theme formation element. 骨格支持構造の実施例を示す写真である。It is a photograph which shows the Example of frame | skeleton support structure. 骨格支持構造を形成するリングを示すCAD図である。It is a CAD figure which shows the ring which forms a frame | skeleton support structure. 骨格支持構造の1実施例を示すクローズアップ図である。It is a close-up figure which shows one Example of frame | skeleton support structure. 骨格支持構造のCAD図である。It is a CAD figure of a skeletal support structure. 骨格支持構造のスケッチである。It is a sketch of the skeletal support structure. 小型ロボットの関節の実施例のCAD図である。It is a CAD figure of the Example of the joint of a small robot. 小型ロボットの関節の実施例の他のCAD図である。It is another CAD figure of the Example of the joint of a small robot. 小型ロボットの関節の実施例の更に他のCAD図である。It is another CAD figure of the Example of the joint of a small robot. 一連の例示的関節を連接することによって関節結合構造を造る方法を示す図である。FIG. 5 illustrates a method of creating a joint connection structure by connecting a series of exemplary joints.

Claims (5)

第1および第2の脚を含む脚付きの形象物の運動を制御する方法において、
前記形象物を、駆動機構により推進される車輪付き支持体に結合し、
前記支持体を動かす速度を表す命令を、手動操作可能な入力手段を含む入力装置から受け取り、
前記支持体を動かす前記速度を、前記形象物を歩行させるステップ長さに変換し、
前記駆動機構により、前記入力装置から受け取った命令により表される速度で前記支持体を動かし、
これと同時に、第1の脚を前記ステップ長さに対応する距離だけ動かすと共に、第1の脚が接地したときに第2の脚を動かすことにより前記形象物を歩行させ、前記形象物の歩行を前記支持体の動きと同調させることを特徴とする制御方法。
In a method of controlling the movement of a legged figure including first and second legs ,
Said shaped structure, bound to the support with a wheel driven by the drive mechanism,
An instruction that represents the speed of moving the support, receives from an input device including a manually operable input means,
Converting the speed of moving the support into a step length for walking the figurine ;
By the drive mechanism, moving the support at a speed represented by an instruction received from the input device,
At the same time, with the first leg to move by a distance corresponding to the step length, by walking the shaped structure by the first leg moves the second leg when the ground, walking the shaped structure A control method characterized by synchronizing with the movement of the support .
第1の脚を動かす軌跡を部分的に予定しておき、第1の脚を動かす行為が、前記部分的に予定された軌跡に沿って第1の脚を動かすことを含むことを特徴とする請求項記載の制御方法。 A trajectory for moving the first leg is partially scheduled, and the act of moving the first leg includes moving the first leg along the partially planned trajectory. The control method according to claim 1 . 第1の脚を動かす行為が、予定された高さまで第1の脚を動かすことを含むことを特徴とする請求項記載の制御方法。The control method according to claim 1 , wherein the act of moving the first leg includes moving the first leg to a predetermined height. 第1の脚を地面と接触させて前記形象物の歩行に際してのステップ運動を完了させる場合、第1の脚に作用する接地力が予定されたしきい値を超えたときに、第1の脚の垂直方向の動きを停止させることを特徴とする請求項1記載の制御方法。In the case where the first leg is brought into contact with the ground to complete the step movement during walking of the figurative object, when the ground contact force acting on the first leg exceeds a predetermined threshold, the first leg The control method according to claim 1, further comprising stopping the vertical movement of the motor. 第1の脚のアクチュエータに命令される電流を読み取ることにより、前記接地力を間接的に検知することを特徴とする請求項記載の制御方法。 5. The control method according to claim 4 , wherein the grounding force is indirectly detected by reading a current commanded to an actuator of the first leg.
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