JP4549626B2 - 二足歩行ロボット - Google Patents
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Description
本発明は、二足歩行ロボットに関する。
背景技術
本願出願人等により近年実用化が図られている二足歩行ロボットは、基本的には人型のロボットであり、人間と同様に上体(胴体)の下端部の腰部から二本の脚体を延設すると共に、上体の左右両側部の肩部から二本の腕体を延設したものが一般的に知られている。
尚、ロボットの動作用電源としての蓄電装置をロボット自身に搭載するものでは、該蓄電装置やロボットの作動制御を担う電子回路ユニット(コントローラ)が通常、ロボットの上体に搭載される。
この種のロボットによる種々様々の作業を多様な環境下で行う上では、該ロボットの腕体の先端部ができるだけ遠方まで届くことが望まれる。
この場合、腕体をできるだけ長くすれば該腕体の先端部を遠方まで届かせることができる。しかし、腕体をあまり長くすると、腕体をロボットの前方に伸ばして作業を行う際等におけるロボットの姿勢の安定性が損なわれやすいと共に、ロボットに近い箇所で腕体による作業を行う場合に却って作業が行い難いものとなる。
また、従来の二足歩行ロボットでは、例えばロボットの側方側に存する物体を両腕体で把持しようとするような場合には、基本的には脚体を動かしてロボット全体を該物体に向き合わせるようにしている。しかし、足場の悪い狭い環境下等では、脚体を動かしてロボット全体の向きを変えることが困難な場合もあり、このような場合には、実際上、該物体を把持することができないこととなる。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、ロボットの作業時等の姿勢の安定性を損なうことなくロボットの作業能力を向上させることができる二足歩行ロボットを提供することを目的とする。
併せて、ロボットのメンテナンスや保守を行いやすい二足歩行ロボットを提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の二足歩行ロボットはかかる目的を達成するために、上体の下端部から二本の脚体が延設されると共に、該上体の両側部の肩部から二本の腕体が延設された二足歩行ロボットにおいて、前記上体が上側の上部上体と下側の下部上体とから構成されると共に、該上部上体及び下部上体が上下方向の回転軸を有する回転機構を介して連結されて該回転軸の回りに相対的に回転可能に設けられ、前記二本の腕体は前記上部上体から延設され、前記二本の脚体は前記下部上体から延設されていることを特徴とするものである。
ここで、かかる本発明をより詳しく説明する前に本明細書で用いる用語について補足説明をしておく。本明細書では、上部上体の両側部の二つの肩部を結ぶ線の方向(肩部の並列方向)を上部上体の左右方向と言い、この左右方向と上下方向(鉛直方向)とに直行する方向を上部上体の前後方向と言う。また、ロボットの直立状態における二本の脚体の並列方向を下部上体の左右方向もしくはロボットの左右方向と言い、この左右方向と上下方向とに直行する方向を下部上体の前後方向もしくはロボットの前後方向という。
上述の本発明によれば、例えば前記上部上体の前後方向と前記下部上体の前後方向とを一致させた状態(以下、この状態を上体の基本姿勢状態ということがある)から、前記上部上体を下部上体に対して前記回転機構の回転軸の回りに時計回り方向、あるいは反時計回り方向に回転させるとこで、上部上体の左右両側部の肩部のいずれか一方の肩部が下部上体の前後方向における前方側に移動することとなる。このため、この前方側に移動した一方の肩部から延設されている腕体を下部上体の前方側に伸ばしたとき、該腕体の先端部は、前記上体の基本姿勢状態のときよりも、より遠くの箇所まで届くこととなる。従って、ロボットの腕体を比較的短いものとしつつ、比較的遠方の物体を腕体により把持する等の作業を行うことが可能となる。さらにこのとき、ロボットの他方の肩部と該肩部から延設された腕体は下部上体の後方側に移動することとなるため、前方側に移動した肩部から延設された腕体を前方に伸ばしたときに、後方側に移動した肩部から延設された腕体によってロボットの前後方向(下部上体の前後方向)における重量のバランスをとり易い。このため、ロボットの姿勢の安定性を確保し易い。
さらに、上部上体を下部上体に対して上述のように回転させることで、下部上体から延設された二本の脚体を動かすことなく、二本の腕体が延設された上部上体を種々の方向に向けることができる。このため、例えば足場の悪い環境下でも、ロボットが安定に立つことが可能な箇所で下部上体から延設された二本の脚体を着床させたまま、下部上体の前後方向に対して側方に存する物体を両腕体により把持する等の作業を行うことが可能となる。
このように本発明の二足歩行ロボットによれば、ロボットの作業時等の姿勢の安定性を損なうことなくロボットの作業能力を向上させることができる。
かかる本発明においては、さらに、前記上部上体は、その前後方向の厚みが前記肩部におけるロボットの左右方向の幅よりも小さくなるように構成され、前記下部上体は、その左右方向の幅が前記肩部におけるロボットの左右方向の幅よりも小さくなるように構成されていることが好ましい。
これによれば、前記上体の基本姿勢状態から、上部上体を下部上体に対して前記回転機構の回転軸の回りに例えば略90度回転させたとき、ロボットの左右方向の最大幅を、上体の基本姿勢状態における最大幅(これはロボットの肩部における左右方向の幅である)よりも小さくできる。このため、例えば、上体の基本姿勢状態では通過することができないような狭い通路でも、上記のように上部上体を下部上体に対して回転させることで、ロボットを移動させる(歩行させる)ことが可能となる。
また、本発明の二足歩行ロボットにおいて、前記ロボットの動作用電源としての蓄電装置と、該ロボットの作動制御を行う電子回路ユニットとを備えた場合には、それらの蓄電装置と電子回路ユニットとを上部上体及び下部上体のいずれに搭載するかが問題となる。この場合、これらの蓄電装置及び電子回路ユニットの両者を上部上体及び下部上体のいずれか一方のみに搭載することは、その一方の上部上体又は下部上体の過大な大型化を招くため好ましくない。また、ロボットにその動作用電源として搭載する蓄電装置は、比較的大きな容量のものを必要とするため、該蓄電装置が比較的大型で重いものとなる。このため、ロボットにおける蓄電装置の搭載箇所は、ロボットの歩行時や作業時の姿勢の安定性に影響を及ぼし易い。
ここで、二足歩行ロボットでは、例えば本願出願人が特開平5−337849号公報もしくは米国特許5459659に開示しているような倒立振子型動力学モデルに基づきロボットの姿勢安定化制御を行うことが一般に行われる。この姿勢安定化制御は、ロボットの上体位置の摂動分の挙動特性を倒立振子の挙動特性により擬似表現してロボットの足首周りのトルク制御を行うものである。そして、この種の姿勢安定化制御を行うロボットでは、ロボットの全体の重心がより低い位置(ロボットの足平が接地する床面により近い高さ位置)にある場合よりも、該重心がより高い位置にある方がロボットの姿勢の安定性を確保しやすい。
そこで、本発明においては、ロボットの動作用電源としての蓄電装置と、該ロボットの作動制御を行う電子回路ユニットとを備えた場合において、該蓄電装置を前記上部上体に搭載し、前記電子回路ユニットを前記下部上体に搭載する。
これによれば、重量物である蓄電装置が上部上体に搭載されるため、該蓄電装置及び電子回路ユニットを含めたロボットの全体の重心が、ロボットのより高い高さ位置に存することとなり、ロボットの歩行時や作業時の姿勢の安定性を高めることができる。また、電子回路ユニットが蓄電装置よりも下側に存することとなるため、ロボットの運転中(歩行中や作業中)に蓄電装置で発生する熱が電子回路ユニットに伝わりにくくなる。この結果、電子回路ユニットに付与される熱は、該電子回路ユニット自身が発生する熱だけで済み、該電子回路ユニットが過剰に高温となるような事態を回避することを可能となる。
尚、かかる本発明は、上記の如く、倒立振子型動力学モデルに基づく姿勢安定化制御が行われる二足歩行ロボットにおいて最適である。
さらに、上記のように蓄電装置及び電子回路ユニットを搭載した本発明の二足歩行ロボットでは、前記上部上体には、前記ロボットを吊り上げ保持するための保持部材が固設されていることが好ましい。
これによれば、ロボットの運転停止状態(ロボットの電源がOFFにされてロボットが自力で立っていることができない状態)で、前記保持部材を保持してロボットを吊り上げることが可能となる。そして、この場合、保持部材は、重量物である蓄電装置が搭載された上部上体に固設されているため、ロボットの吊り上げの際に、ロボットの各部に負担(過大な荷重等)がかかりにくい適正なロボットの姿勢を保ちながら該ロボットを吊り上げて保持することができる。また、重量物である蓄電装置は前記保持部材が固設された上部上体に搭載されているため、ロボットを吊り上げたときに、ロボットの前記回転機構の下側の部分の重量は比較的軽量なものとなり、該回転機構に過大な荷重(引っ張り荷重)が作用するのを防止することができる。一般に、この種の回転機構は、引っ張り荷重に対する耐性を高めることが難しいものの、上記のように回転機構にかかる引っ張り荷重が軽減されることにより、該回転機構の引っ張り荷重に対する耐性を高める必要性が少なくて済む。その結果、該回転機構の構造を比較的簡略な構成とすることが可能となる。
また、以上説明したような本発明では、前記上部上体の下端面と前記下部上体の上端面との少なくともいずれか一方には、前記回転機構を作動させて該上部上体及び下部上体の一方に対して他方を回転させたときに外方に露出する電装部品が設けられていることが好ましい。ここで、上記電装部品としては、例えばロボットの動作用の蓄電装置の充電端子等、該蓄電装置に関連した電装部品や、ロボットの作動制御用の電子回路ユニットの動作チェック等を行うための端子もしくは回路等、該電子回路ユニットに関連した電装部品等が挙げられる。
これによれば、前記上部上体及び下部上体の一方に対して他方を回転させて、前記電装部品を露出させることができるため、該電装部品に係わるメンテナンスや動作チェック等を容易に行うことが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の一実施形態を図1〜図4を参照して説明する。尚、図2は説明の便宜上、ロボットの上半身の一部の構成を省略して図1のものよりも簡略化して記載している。
図1を参照して、本実施形態の二足歩行ロボットは、上体1(胴体)、脚体2、腕体3、及び頭部4を具備する人型のロボットである。この場合、図1は、ロボットの直立状態における側面図であるため、脚体2及び腕体3がそれぞれ一本づつしか表示されていないが、該脚体2及び腕体3は、それぞれ人間と同様、左右一対づつ備えられている(腕体3については図2を参照)。図1に示される脚体2及び腕体3は、それぞれロボットの前方に向かって右側の脚体及び腕体である。
このロボットの上体1は、図1に示す仮想線Xよりも上側の上部上体5と、該仮想線Xよりも下側の下部上体6とに分割されて構成されており、上部上体5は、腕体3が連結されると共に頭部4を支持する上部側メインボディ7と、ロボットの動作用電源としての蓄電装置8を搭載する上部側サブボディ9とから構成されている。また、下部上体6は、脚体2が連結される下部側メインボディ10と、ロボットの作動制御を担うコントロールユニット11(マイコン等を有する電子回路ユニット。以下、ECU11という)を搭載する下部側サブボディ12とから構成されている。
上部上体5の上部側メインボディ7と下部上体6の下部側メインボディ10との内部には、これらのメインボディ7,10の一方に対して他方を相対的に回転可能とする回転機構13がその回転軸心Cを上下方向に向けて収容されている。そして、この回転機構13の上端部が上部側メインボディ7の内部に該メインボディ7と一体的に設けられたボディ機枠7aに保持されると共に、該回転機構13の下端部が下部側メインボディ10の内部に該メインボディ10と一体的に設けられたボディ機枠10aに保持されている。
この場合、詳細な図示は省略するが、回転機構13は、より詳しくは、上記回転軸心Cを共通の軸心としてベアリング等により互いに相対的に回転自在に設けられた一対の回転体を内蔵するものである。そして、該回転機構13は、その一方の回転体を上部側メインボディ7のボディ機枠7aに固定的に連結し、他方の回転体を下部側メインボディ10のボディ機枠10aに固定的に連結した構造となっている。
これにより上部側メインボディ7を有する上部上体5と下部側メインボディ10を有する下部上体6とは、回転機構13の回転軸心Cの回りに互いに相対的に回転し得るように該回転機構13を介して連結されている。
尚、回転機構13による上部上体5及び下部上体6の相対的な回転作動は、該回転機構13に備えた図示しない電動モータにより行われる。また、図1における上体1の状態は、上部上体5及び下部上体6の前後方向を一致させた基本姿勢状態である。
上部上体5の上部側メインボディ7の上部の左右の各側部には肩部14が形成されており、この肩部14に内蔵された図示しない肩関節機構から各腕体3が延設されている。各腕体3は、その手先部15と肩部14との間に、肩部14側から順番に肘関節16及び手首関節17を有している。さらに、上部側メインボディ7の上端部には、ロボットの視覚用の撮像装置(図示しない)等を内蔵した頭部4が固定・支持されている。
上部上体5の上部側サブボディ9は、上部側メインボディ7の上部の背面部に着脱可能に装着された筐体状のものである。この上部側サブボディ9の内部には前記蓄電装置8を搭載すべく上部側メインボディ7の上部の背面部に固設された支持部材18が収容されており、この支持部材18に蓄電装置8が着脱可能に装着されて支持されている。さらに、支持部材18の上部側メインボディ7寄りの部分18aは、上部側メインボディ7の背面箇所から頭部4の背面箇所まで延在しており、この部分18aの上端部には、ロボットの運転停止時等にロボットを吊り下げ保持するための図示しないフックを係合させる係止環19(保持部材)が頭部4の上方に突出して固設されている。
尚、前記蓄電装置8は、本実施形態では、例えばリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池であるが、電気二重層コンデンサ等の大容量コンデンサであってもよい。
下部上体6の下部側メインボディ10の下端部は腰部20となっており、この腰部20に内蔵された図示しない平行リンク機構に連結された左右一対の股関節21から各脚体2が下方に延設されている。各脚体2は、その足平部22と股関節21との間に、股関節21側から順番に膝関節23及び足首関節24を有している。
下部上体6の下部側サブボディ12は、上部側サブボディ9の直下に該サブボディ9と若干の間隙を存して配置されて下部側メインボディ10の上部に着脱可能に装着された筐体状のものである。この下部側サブボディ12の内部には、前記ECU11を搭載すべく下部側メインボディ10の上部の背面部に固設された支持部材25が収容されされており、この支持部材25にECU11が装着されて支持されている。
また、下部側サブボディ12の上面部の後部寄りの周縁部(隅部)には、ECU11に係わる電装部品として、例えばECU11の動作チェックを行うための端子を配列した回路基板26が固設されている。この回路基板26は、図1に示すようにロボットを直立させた状態では、下部側サブボディ12の直上の上部側サブボディ9によって隠されているが、上部上体5を下部上体6に対して後述するように回転機構13の回転軸心回りに回転させたときに、外方に露出するようになっている。
また、図示は省略するが、本実施形態の二足歩行ロボットは、上述した構成のほか、各脚体2や腕体3の各関節を駆動するための電動モータや、それらの電動モータの回転位置(各関節の回転位置)を検出するためのセンサ、脚体2の足平部22や腕体3の手先部15に作用する荷重及びモーメントを検出するセンサ、上体1の傾斜角及び傾斜角速度を検出するセンサ等も具備している。
そして、前記ECU11は、上記の各種センサ(頭部4の撮像装置を含む)から得られる情報やあらかじめ定められたプログラム等に基づいて上記の各電動モータ(回転機構13用の電動モータを含む)を制御して、ロボットの作動制御(脚体2の動作によるロボットの歩行の制御や、腕体3の動作による作業の制御)を行う。この場合、本実施形態では、ECU11は、例えば前記特開平5−337849号公報もしくは米国特許5459659に見られるような倒立振子型動力学モデルに基づいて脚体2の各関節の作動を制御することで、ロボットの歩行時や作業時の姿勢安定化制御を行う。
尚、本実施形態では、前記上部側メインボディ7及び上部側サブボディ9を合わせた上部上体5は、その前後方向の厚さD(図1参照。以下、胸厚Dという)が、ロボットの左右の両肩部14における左右方向の幅Wu(図2参照。以下、肩幅Wuという)よりも小さなものとなるようなサイズで構成されている。この場合、上記肩幅Wuは、上部上体5及び下部上体6を合わせた上体1(ここでは肩部14を含む)の全体の左右方向の最大幅であり、下部上体6の左右方向の幅Wd(下部上体6の左右方向の最大幅。図2参照)も、上記肩幅Wuよりも小さいものとされている。
以上のように構成された本実施形態の二足歩行ロボットでは、例えば図3に示すように、上体1の基本姿勢状態から回転機構13を作動させて、上部上体5を下部上体6に対して回転機構13の回転軸心Cの回りに回転させたとき、左右の肩部14のうちの一方の肩部14が下部上体6の前方方向に移動する。ここで、図3は、上方から見た上部上体5及び下部上体6を模式化して表したものであり、実線示の上部上体5及び肩部14が上体1の基本姿勢状態のものである。そして、仮想線示の上部上体5及び肩部14が上部上体5を回転機構13の回転軸心Cの回りに例えば反時計方向に回転させたときの状態を示したものである。この場合、上部上体5の回転によって、右側の肩部14が下部上体6の前方側に基本姿勢状態から移動している。
このように上体1の基本姿勢状態から上部上体5を下部上体6に対して回転機構13の回転軸心Cの回りに回転させることにより一方の肩部14(図3では右側の肩部14)が下部上体6の前方側に移動するため、この肩部14から延設されている腕体3(図3の場合は右側の腕体3)を下部上体6の前方方向に伸ばすことで、ロボット全体を脚体2の作動により前進させずとも、下部上体6の前方のより遠い箇所まで、該腕体3の手先部15を届かせることができる。従って、その腕体3により下部上体6から前方側のより遠い箇所での作業を行うことができる。また、このとき、他方の肩部14(図3では左側の肩部14)は、後方側に移動することとなるため、前方側の腕体3を下部上体6の前方に伸ばしても、後方側の腕体3により前方側の腕体3との重量のバランスがとり易く、ロボットの姿勢の安定性を容易に確保できる。
さらに、上部上体5を下部上体6に対して回転させることで、上部上体5は、この上部上体5の前後方向を種々の方向に向けることができる。このため、上体1の基本姿勢状態においてロボットの側方に存するような物体を両腕体3により把持するような場合に、ロボットの脚体2を動かしてロボット全体の向きを変更したりせずとも、脚体2を同じ場所で着床させたまま、上部上体5を下部上体6に対して回転させて、該上部上体5を上記物体に対面させることができる。そして、この対面により該物体を両腕体3により容易に把持することができる。従って、足場が悪く、ロボットを安定に立たせ得る床領域が狭い範囲に限定されるような場合であっても、そのような床領域に脚体2を着床させたまま、下部上体6の側方に存する物体を両腕体3により把持する等の作業を容易に行うことができる。
また、本実施形態のロボットは前述したように胸幅Dが肩幅Wuよりも小さく、且つ下部上体6の左右方向の最大幅Wdも肩幅Wuよりも小さい。このため、上述のように上部上体5を下部上体6に対して回転させたとき、図3に示すように、その回転状態での下部上体6の左右方向における上体1の全体の最大幅(図3ではWx)が上体1の基本姿勢状態における左右方向の最大幅である肩幅Wuよりも小さくできる。この結果、肩幅Wuよりも狭い通路でロボットを移動させようとする場合であっても、上部上体5を下部上体6に対して回転させることで、ロボットの移動(歩行)を行うことができる。
また、本実施形態のロボットでは、上体1の基本姿勢状態から、上部上体5を下部上体6に対して回転させたとき、図4に示すように、下部上体6の下部側サブボディ12の上端面の周縁部に備えた前記回路基板26が外方に露出する。尚、図4では、上部上体5の上部側サブボディ9と下部上体6の下部側サブボディ12のみを簡略的に記載している。
このため、該回路基板26の端子に外部機器を接続する等して、ECU11の動作チェックを容易に行うことができる。
また、本実施形態のロボットでは、蓄電装置8及びECU11がそれぞれ上部上体5、下部上体6に搭載されているため、上部上体5及び下部上体6のサイズのバランスがとれる。特に、重量物である蓄電装置8が上部上体5に搭載されているため、ロボット全体の重心は、該ロボット全体における上端寄りの高所に存することとなる。このため、ロボットの姿勢の挙動特性が倒立振子の挙動特性により良く合致するものとなる。その結果、姿勢安定化制御を倒立振子型モデルに基づいて行うことで、ロボットの姿勢安定化制御を適正に行うことができ、該ロボットの姿勢の安定性を良好に確保することができる。
さらに、特に過熱状態となるのを避ける必要性が高いECU11は、蓄電装置8の下側で下部上体6に搭載されているため、ロボットの運転中に蓄電装置8で発生する熱がECU11に付与されるような事態が回避され、これによりECU11が過剰に高温となるような事態を確実に回避することができる。
また、本実施形態のロボットでは、ロボットの運転停止状態(電源をOFFにした状態)では、ロボットは自力で立っていることができないため、前記係止環19(図1参照)に図示しないフックを引っ掛けてロボットを吊り上げ保持する。
このとき、該係止環19は、重量物である蓄電装置8を支持する上部上体5の支持部材18に固設されているため、ロボットの吊り上げの際に、ロボットの各部に負担(過大な荷重等)がかかりにくい適正なロボットの姿勢を保ちながら該ロボットを吊り上げ保持することができる。特に、その吊り上げ状態では、下部上体6を含めたロボットの下半身の重量が回転機構13に作用することとなるが、該下半身には、重量物である蓄電装置8は搭載されていないため、該回転機構13に大きな荷重(回転機構13の引っ張り方向の荷重)が作用することが防止される。このため、回転機構13の引っ張り方向の荷重に対する耐性は、比較的低いもので済む。その結果、回転機構13の構造を比較的簡略な構成とすることができる。
尚、以上説明した実施形態では、上部上体5を下部上体6に対して回転させたときに外方に露出する電装部品(前記実施形態では回路基板26)を、下部上体6の下部側サブボディ12の上端面の周縁部に設けたが、例えば上部上体5の上部側サブボディ9の下端面の周縁部に設けるようにしてもよい。この場合、上部側サブボディ9の下端面に設ける電装部品としては、例えば上部上体5に搭載する蓄電装置8の充電用の端子等が挙げられる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明の二足歩行ロボットは、人と同様に二本の脚体で移動すると共に、二本の腕体により種々様々な作業を行うロボットとして有用である。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の一実施形態の二足歩行ロボットの直立状態における側面図、図2は図1のロボットの上半身の簡略的な正面図、図3及び図4は図1のロボットの作動説明図である。
Claims (5)
- 上体の下端部から二本の脚体が延設されると共に、該上体の両側部の肩部から二本の腕体が延設された二足歩行ロボットにおいて、
前記上体が上側の上部上体と下側の下部上体とから構成されると共に、該上部上体及び下部上体が上下方向の回転軸を有する回転機構を介して連結されて該回転軸の回りに相対的に回転可能に設けられ、
前記二本の腕体は前記上部上体から延設され、前記二本の脚体は前記下部上体から延設されていることを特徴とする二足歩行ロボット。 - 前記上部上体は、その前後方向の厚みが前記肩部におけるロボットの左右方向の幅よりも小さくなるように構成され、前記下部上体は、その左右方向の幅が前記肩部におけるロボットの左右方向の幅よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の二足歩行ロボット。
- 前記ロボットの動作用電源としての蓄電装置と、該ロボットの作動制御を行う電子回路ユニットとを備え、該蓄電装置は前記上部上体に搭載され、前記電子回路ユニットは前記下部上体に搭載されていることを特徴とする請求の範囲第1項又は第2項記載の二足歩行ロボット。
- 前記上部上体には、前記ロボットを吊り上げ保持するための保持部材が固設されていることを特徴とする請求の範囲第3項記載の二足歩行ロボット。
- 前記上部上体の下端面と前記下部上体の上端面との少なくともいずれか一方には、前記回転機構を作動させて該上部上体及び下部上体の一方に対して他方を回転させたときに外方に露出する電装部品が設けられていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の二足歩行ロボット。
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