JP5612763B2 - 多足歩行装置 - Google Patents

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Description

本発明は、多足歩行ロボットが自然なモーションを取りながら歩行することができるようにする多足歩行装置に関する。
人間や動物の歩行に関する研究はロボット分野で目立つ。このような人間や動物の歩行は、歩行の形式およびパターンにより2足歩行、多足歩行、多関節歩行などに分けられる。人間をモデルとして製作されるロボットは、2足歩行の側面から多くの研究がなされており、動物に基づいて製作されるロボットの場合には、多足歩行、例えば4足歩行に大いなる関心が傾けられている。
多足歩行ロボットは、脚で移動をする趾行動物の骨格構造または歩行形態を模倣して開発されているが、これは歩行ロボット研究者から最も安定的で速い歩行の方法として知られている。ただし、従来の多足歩行ロボットの場合、脚に焦点を合わせて生体模倣学的設計をしているため、全般的な歩行パターンが考慮されず、胴体の動きと脚の動きとの連結が不自然になるという問題点があった。
韓国公開特許第10−2003−29554号公報
本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明が解決しようとする課題は、多足歩行ロボットにおいて胴体と下肢の連関関係による全般的な歩行パターンを考慮して多足歩行ロボットが歩行時により自然なモーションを取ることができるようにする多足歩行装置を提供することにある。
前記課題を達成するための本発明の一実施形態による多足歩行装置は、胴体を含む胴体部、前記胴体に固定される前固定部、および前記前固定部と回転可能に連結される前回転部を備えた前脚部、前記胴体に固定される後固定部、および前記後固定部と回転可能に連結される後回転部を備えた後脚部、および、前記前回転部と前記後回転部に両端がそれぞれ連結される第1リンクを含み、前記胴体部は、前記前回転部と前記後回転部のうちの一つを回転させる駆動部をさらに含む。
前記駆動部は、一側が前記胴体と左右方向を軸に回転可能に連結される連結部材、および前記連結部材の他側に一端が回転可能に連結され、前記前回転部と前記後回転部のうちの一つに他端が回転可能に連結される第2リンクを備えたリンク部、前記連結部材の他側と上下方向を軸に回転可能に連結される昇降部、および、前記昇降部の前記連結部材の他側と連結された部分を上下方向に移動させる昇降駆動部を含むことができる。
前記第2リンクは、二つ備えられ、前記二つの第2リンクのうちの一つは、前記連結部材の他側の左側と前記前回転部の左側に両端がそれぞれ連結され、前記二つの第2リンクのうちの他の一つは、前記連結部材の他側の右側と前記前回転部の右側に両端がそれぞれ連結され得る。
前記連結部材は、他側に上下方向に伸びる軸部材を含み、前記昇降部は、前記軸部材の両端と上下方向を軸に回転可能に連結される回転部材を含むことができる。
前記昇降部は、一端が前記回転部材の上端と左右方向を軸に回転可能に連結される第1昇降部材、一端が前記回転部材の下端と左右方向を軸に回転可能に連結される第2昇降部材、および、前記第1昇降部材の他端と左右方向を軸に回転可能に連結され、前記第2昇降部材の中間部分と左右方向を軸に回転可能に連結される支持部材をさらに含み、前記昇降駆動部は、一端が前記第2昇降部材の他端と左右方向を軸に回転可能に連結され、他端が前記支持部材に左右方向を軸に回転可能に連結され、長さ方向に伸縮駆動され得る。
前記支持部材は、前記第1昇降部材と前記第2昇降部材が互いに平行に配置されるように前記第1昇降部材および前記第2昇降部材と連結され得る。
前記第2昇降部材は、前記支持部材と連結されるダンパー(damper)を含むことができる。
前記昇降駆動部は、油圧駆動機であってもよい。
前記前回転部は、前記前固定部に対して左右方向を軸に回転可能であり、前記後回転部は、前記後固定部に対して左右方向を軸に回転可能であり、前記駆動部は、前記前回転部および前記後回転部のうちの一つを左右方向を軸に回転させることができる。
本発明によれば、第1リンクと駆動部を備えることによって、多足歩行ロボットの歩行時に脚の動きに合わせて胴体が前後や左右に自然なモーションを取ることができるようになり、多足歩行ロボットに多足で歩行する実際の動物と類似する歩行動作を実現させ得る。
本発明の一実施形態による多足歩行装置が具備された多足歩行ロボットの斜視図である。 本発明の一実施形態による多足歩行装置の駆動部を拡大して示す立体図である。 本発明の一実施形態による多足歩行装置による多足歩行ロボットの歩行モーションを側方からみた状態を段階的に示す概略的な概念図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。
図1は、本発明の一実施形態による多足歩行装置が具備された多足歩行ロボットの斜視図であり、図2は、本発明の一実施形態による多足歩行装置の胴体に具備された駆動部を拡大した立体図である。
図1および図2を参照すると、本発明の一実施形態による多足歩行装置(以下、「本多足歩行装置」という)100は、胴体部1、前脚部2、後脚部3、そして第1リンク4を含む。
まず、胴体部1の構成を説明する。
図1および図2を参照すると、胴体部1は、胴体11を含む。胴体11は、多足歩行ロボットの胴体自体であってもよく、多足歩行ロボットの胴体と連結される一構成であってもよい。つまり、本多足歩行装置100が多足歩行ロボットの胴体自体を必ずしも一構成として含むのではなく、このような場合、本多足歩行装置100は多足歩行ロボットに装着される装置であってもよい。
また図1および図2を参照すると、胴体部1は、前回転部22と後回転部32のうちの一つを回転させる駆動部5をさらに含む。その例として、駆動部5は、図1および図2に示されているように、胴体11と回転可能に連結され得る。駆動部5については前脚部2、後脚部3、そして第1リンク4の構成を説明した後に別途に詳しく後述する。
次に、前脚部2と後脚部3の構成を共に説明する。
図1を参照すると、前脚部2は、胴体11に固定される前固定部21、および前固定部21に回転可能に連結される前回転部22を備える。前固定部21は、胴体11に移動自由度および回転自由度が制限されるように固定され得る。また、前回転部22は、前固定部21とヒンジ部を通じて連結され得る。
そして図1を参照すると、後脚部3は、胴体11に固定される後固定部31、および後固定部31と回転可能に連結される後回転部32を備える。後固定部31も前固定部21と同様に胴体11に移動自由度および回転自由度が制限されるように固定され得る。また、後回転部32は、後固定部31とヒンジ部を通じて連結され得る。前固定部21と後固定部31は、それぞれ胴体11に固定されているため、前回転部22と後回転部32は、それぞれ胴体11に対して相対的に回転可能であると見ることができる。
その例として図1を参照すると、前回転部22は、前固定部21に対して左右方向を軸に回転可能に構成され得、後回転部32は、後固定部31に対して左右方向を軸に回転可能に構成され得る。言い換えると、前回転部22は、前固定部21に対して相対的に上下に回転可能に構成され得、後回転部32は、後固定部31に対して相対的に上下に回転可能に構成され得る。また、前固定部21と後固定部31は、それぞれ胴体11に固定されているため、前回転部22と後回転部32はそれぞれ胴体11に対して相対的に上下に回転可能であると見ることができる。
図1では、駆動部5は、前回転部22を上下に回転させることができるように前回転部22に連結されている。しかし、必要に応じて駆動部5は後回転部32に連結されることもできる。つまり、胴体部1に具備される駆動部5は、前回転部22および後回転部32のうちの一つを左右方向を軸に回転させることができる。
次に、第1リンク4の構成を説明する。
図1を参照すると、第1リンク4は、前回転部22と後回転部32に両端がそれぞれ連結される。このような連結関係により、上述した駆動部5が前回転部22および後回転部32のうちの一つを回転させると、第1リンク4は前回転部22および後回転部32のうちの他の一つも共に回転するようにする役割を果たすことができる。
その例として、第1リンク4は、前回転部22と後回転部32に両端がそれぞれ左右方向を軸に回転可能に連結され得る。また、歩行の動きをより自然にするために、第1リンク4は長さ方向に所定の弾性を持って伸縮されることもできる。そして、必要に応じては、第1リンク4は前回転部22と後回転部32に両端がそれぞれ固定的に連結されてもよく、第1リンク4は前回転部22と後回転部32に両端がそれぞれ、例えばボールジョイントなどを通じてすべての回転方向に対して回転可能に連結されてもよい。
次に、胴体部1に具備される駆動部5の構成を説明する。
その例として、図1および図2(主に図2)を参照すると、駆動部5は、リンク部51、昇降部52、そして昇降駆動部53を含むことができる。
リンク部51は、一側が胴体11と左右方向を軸に回転可能に連結される連結部材512、そして連結部材512の他側に一端が回転可能に連結され、前回転部22と後回転部32のうちの一つに他端が回転可能に連結される第2リンク511を備えることができる。
つまり、連結部材512の一側は胴体11と連結され、他側は第2リンク511と連結されることによって、連結部材512は一側を中心に他側が胴体11に対して上下に回転されながら第2リンク511を押したり引いたりして駆動され得る。そして、第2リンク511が上述した連結部材512の回転を通じて押されたり引かれたりするようになると、第2リンク511と回転可能に連結された前回転部22と後回転部32のうちのいずれか一つも押されたり引かれたりしながら回転され得る。参考までに、このような連結部材512の回転は、後述する昇降駆動部53を通じて行われ得る。
その例として、図1では、第2リンク511は前回転部22に連結しているため、昇降駆動部53が連結部材512の他側を昇降させると、連結部材512の他側に連結された第2リンク511の動きを通じて前回転部22が回転するようになり、前回転部22が回転することによって前回転部22と連結された第1リンク4も移動するようになり、第1リンク4が移動することによって第1リンク4に連結された後回転部32も回転するようになり得る。
そして主に図2を参照すると、連結部材512は、他側に上下方向に伸びる軸部材5121を含むことができる。このような軸部材5121は、後述する昇降部52と連結されて昇降部52が軸部材5121の長さ方向を軸にして所定の角度だけ左右に回転するようにできる。このような作用については、昇降部52の構成を説明しながらより詳細に後述する。
また、昇降部52は、リンク部51を昇降させる構成であり得る。このようなリンク部51の昇降のために、昇降部52は後述する昇降駆動部53と連結され得る。
そして昇降部52は、連結部材512の他側と上下方向を軸に回転可能に連結され得る。その例として、主に図2を参照すると、前述のように連結部材512は、軸部材5121を含むことができ、昇降部52は、このような軸部材5121の両端と上下方向を軸に回転可能に連結される回転部材521を含むことができる。つまり、昇降部52は、回転部材521を通じてリンク部51に対して相対的に左右に回転できるようになる。
このように昇降部52は、リンク部51を昇降させたり、リンク部51に対して左右に回転したりもする構成であり得る。
その例として、図1および図2を参照すると、昇降部52がリンク部51を昇降させることによって、リンク部51と連結される前回転部22の回転が起こるようになり、このような前回転部22の回転により第1リンク4が動いて後回転部32も回転するようになる。本多足歩行装置100が設置された多足歩行ロボットが歩行する時、このように前回転部22と後回転部32が第1リンク4と連結されて共に所定の角度だけ上下に回転しながら多足歩行ロボットの歩行モーションがより自然になるようにできる。
また、昇降部52がリンク部51に対して所定の角度だけ左右に回転されることによって、本多足歩行装置100が設置された多足歩行ロボットが歩行する時、左側前脚(後脚)を踏み出したり右側前脚(後脚)を踏み出す時ごとに、左側(左側上向き)または右側(右側上向き)に体がねじるモーション(twist motion)がより自然に実現され得る。ここで、リンク部51が前回転部22または後回転部32と連結される方向によって体がねじる方向は左右に回転される方向よりも上向きまたは下向きに傾くことができる。
この時、図1および図2に示されているように、第2リンク511は、二つ備えられ得る。そして、二つの第2リンク511のうちの一つは、連結部材512の他側の左側と前回転部22の左側に両端がそれぞれ連結され、二つの第2リンク511のうちの他の一つは、連結部材512の他側の右側と前回転部22の右側に両端がそれぞれ連結され得る。このように第2リンク511が二つ備えられて前回転部22の左右側にそれぞれ連結されることによって、前回転部22は前固定部21に対して回転可能に連結しているため、前回転部22の左右ねじりモーション(twist motion)が実現され得る。
ただし、前回転部22が前固定部21に対して左右方向を軸に回転可能に連結されている場合であれば、前脚部2自体の弾性が許容する範囲内で所定の角度だけ左右に回転が許され得るだろう。
また、歩行の動きをより自然にするために、第2リンク511は長さ方向に予め定められた範囲内で弾性的に伸縮され得る。ここで予め定められた範囲とは、第2リンク511の弾性的な伸縮により本多足歩行装置100が設置された多足歩行ロボットが歩行時の衝撃をある程度吸収することができ、より自然なねじりモーションが可能になる範囲であることが好ましい。そして、弾性的な伸縮が許容される範囲が過度になると多足歩行ロボットや本多足歩行装置100の他の構成に過度な荷重がかかり得るため、各構成が適切に荷重を分配して受けられる範囲に予め定められた範囲を設定することが好ましい。このような予め定められた範囲は、上述した第1リンク4に対しては類似する概念が適用され得る。
その例として、図2を参照して昇降部52の下位構成をより具体的に説明すると、昇降部52は、一端が回転部材521の上端と左右方向を軸に回転可能に連結される第1昇降部材522、一端が回転部材521の下端と左右方向を軸に回転可能に連結される第2昇降部材523、そして第1昇降部材522の他端と左右方向を軸に回転可能に連結され、第2昇降部材523の中間部分と左右方向を軸に回転可能に連結される支持部材524をさらに含むことができる。この時、支持部材524は、第1昇降部材522と第2昇降部材523が互いに平行に配置されるように第1昇降部材522および第2昇降部材523と連結され得る。
また図1および図2を参照すると、第2昇降部材523は、支持部材524と連結されるダンパー5231(damper)を含むことができる。ダンパー5231は、吸振機であるとも言え、第2昇降部材523と支持部材524に両端が連結されて昇降部52の駆動時に発生し得る振動を吸収することができる。
この時、昇降駆動部53は、リンク部51の連結部材512の他側と連結された部分を上下方向に移動させることができる。より具体的には、昇降駆動部53は、一端が第2昇降部材523の他端と左右方向を軸に回転可能に連結され、他端が支持部材524に左右方向を軸に回転可能に連結され得る。また、昇降駆動部53は、長さ方向に伸縮駆動され得る。
その例として、このような昇降駆動部53は、油圧駆動機であり得る。
以下、上述した構成に基づいて本多足歩行装置100の作用および効果を説明する。
図3は、本発明の一実施形態による多足歩行装置100による多足歩行ロボットの歩行モーションを側方からみた状態を段階的に示す概略的な概念図である。
まず、本多足歩行装置100により多足歩行ロボットが取ることができる昇降モーション(up−down motion)について説明する。図3には多足歩行ロボットを側方から見た時の歩行モーションが(1)〜(8)まで段階別に示されている。
(1)の姿勢で前脚を上げて(2)の姿勢になる場合を説明すると、昇降駆動部53が長さ方向に縮みながら第2昇降部材523の他端を下へ引く。第2昇降部材523の他端が下へ引かれながら、第2昇降部材523は支持部材524と連結された中間部分を中心に回転するため、一端は反対に上へ上がるようになる。第2昇降部材523の一端が上へ上がると、第2昇降部材523の一端と連結された回転部材521および回転部材521と連結された軸部材5121も上へ上がるようになる。軸部材5121が上へ上がると、連結部材512の他側も上へ上がるようになり、連結部材512の他側に連結される第2リンク511の一端も上へ上がるようになる。第2リンク511の一端が上へ上がりながら、第2リンク511は前回転部22を前方上向きに所定の角度だけ押し上げるようになり、前回転部22が前方上向きに押し上げられただけ、第1リンク4も従って移動され、第1リンク4と連結されている後回転部32も前方下向きに回転されながら引かれるようになる。
このような各構成の相互作用により、多足歩行ロボットが前脚を上げる時、多足歩行ロボットの前方が後方より持ち上げられる自然な昇降モーションが取られる。
(2)の姿勢で前脚を前方に踏み出して(3)の姿勢になる場合を説明すると、今回は昇降駆動部53が長さ方向に伸びながら第2昇降部材523の他端を上へ押し上げる。第2昇降部材523の他端が上へ押し上げられながら、第2昇降部材523は支持部材524と連結された中間部分を中心に回転するため、一端は反対に下へ下がるようになる。第2昇降部材523の一端が下へ下がると、第2昇降部材523の一端と連結された回転部材521および回転部材521と連結された軸部材5121も下へ下がるようになる。軸部材5121が下へ下がると連結部材512の他側も下へ下がるようになり、連結部材512の他側に連結される第2リンク511の一端も下へ下がるようになる。第2リンク511の一端が下へ下がりながら、第2リンク511は前回転部22を後方下向きに所定の角度だけ引き下げるようになり、前回転部22が後方下向きに引き下げられただけ、第1リンク4も従って移動され、第1リンク4と連結されている後回転部32も後方上向きに回転されながら押し上げられるようになる。
このような各構成の相互作用により、多足歩行ロボットが前脚を踏み出す時、多足歩行ロボットの前方が後方よりも下がる自然な昇降モーションが取られる。
また、(5)の姿勢で後脚を上げて(6)および(7)の姿勢になる場合を説明すると、これは多足歩行ロボットの前方が後方よりも下がる、つまり、多足歩行ロボットの後方が前方よりも押し上げられる昇降モーションが取られる場合であるため、上述した(2)の姿勢で前脚を前方に踏み出して(3)の姿勢になる場合と各構成の相互作用が類似に行われ得る。したがってこれを参照する。
そして、(7)の姿勢で後脚を前方に踏み出して(8)の姿勢になる場合を説明すると、これは多足歩行ロボットの前方が後方よりも持ち上げられる、つまり、多足歩行ロボットの後方が前方よりも下がる昇降モーションが取られる場合であるため、上述した(1)の姿勢で前脚を上げて(2)の姿勢になる場合と各構成の相互作用が類似に行われ得る。したがって、これを参照する。
以下、本発明の一実施形態による多足歩行装置100による多足歩行ロボットの歩行モーションを後方からみた状態を段階的に説明する。
多足歩行ロボットのステップ、例えば左脚を前方に踏み出すのか右脚を踏み出すのかによって、多足歩行ロボットの肩、胴体、ヒップなどには左右にある程度ねじりが発生し得るが、このようなねじりがある程度許容され得る構造に本多足歩行装置100を構成することによって、より自然な歩行動作が行われるようにする。
つまり、上述した昇降モーション(up−down motion)は、多足歩行ロボットのステップに合わせて昇降駆動部53の駆動を通じて制御されることによって、能動的に実現され得る反面、左右にねじるねじりモーション(twist motion)は、このような昇降駆動部53のような別途の駆動パートにより能動的に制御されるのではない。ねじりモーションは多足歩行ロボットの歩行が行われる間に発生されるねじりを自然に受け入れられる構成を通じて受動的に実現され得る。
側ヒップ(または肩)が持ち上げられたり、右側ヒップ(または肩)が持ち上げられるねじりモーションは、次のような構成間の相互作用により実現され得る。
脚を持ち上げる場合、二つの第2リンク511のうち左側の第2リンクが前方上向きに引き上げられ得る。左側の第2リンクが前方上向きに引き上げられるとリンク部51および胴体11が左側(左側上向き)から右側(右側下向き)に少しねじるようになるが、軸部材5121に対して上下方向に回転可能に連結される昇降部52は、軸部材5121に対して相対的に回転してねじりが発生しなくなる。したがって、昇降部52に対してリンク部51および胴体11のねじりモーションが自然に実現され得る。
また、右脚を下ろす場合、二つの第2リンク511のうち左側の第2リンクが前方下向きに引き下げられ得る。左側の第2リンクが前方下向きに引き下げられるとリンク部51および胴体11が左側(左側下向き)から右側(右側上向き)に少しねじるようになるが、軸部材5121に対して上下方向に回転可能に連結される昇降部52は、軸部材5121に対して相対的に回転してねじりが発生しなくなる。したがって、昇降部52に対してリンク部51および胴体11のねじりモーションが自然に実現され得る。
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、本発明の実施形態から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により容易に変更されて均等であると認められる範囲のすべての変更および修正を含む。
本発明は、多足歩行ロボットが自然なモーションを取りながら歩行することができるようにする多足歩行装置に関するものであって、公演、映画など多様な分野に適用可能であるため、産業上の利用可能性がある。
1…胴体部
5…駆動部
11…胴体
2…前脚部
21…前固定部
22…前回転部
3…後脚部
31…後固定部
32…後回転部
4…第1リンク
51…リンク部
511…第2リンク
512…連結部材
5121…軸部材
52…昇降部
521…回転部材
522…第1昇降部材
523…第2昇降部材
524…支持部材
5231…ダンパー
53…昇降駆動部
100…多足歩行装置

Claims (8)

  1. 複数の脚部により歩行可能に構成された多足歩行装置であって、
    胴体を含む胴体部、
    前記胴体に固定される前固定部、および前記前固定部と回転可能に連結される前回転部を備えた前脚部、
    前記胴体に固定される後固定部、および前記後固定部と回転可能に連結される後回転部を備えた後脚部、および
    前記前回転部と前記後回転部に両端がそれぞれ連結される第1リンク
    を含み、
    前記胴体部は、前記前回転部と前記後回転部のうちの一つを回転させる駆動部をさらに含み、
    前記駆動部は、
    一側が前記胴体と左右方向を軸に回転可能に連結される連結部材、および前記連結部材の他側に一端が回転可能に連結され、前記前回転部と前記後回転部のうちの一つに他端が回転可能に連結される第2リンクを備えたリンク部、
    前記連結部材の他側と上下方向を軸に回転可能に連結される昇降部、および
    前記昇降部の前記連結部材の他側と連結された部分を上下方向に移動させる昇降駆動部を含む、多足歩行装置。
  2. 前記第2リンクは、二つ備えられ、
    前記二つの第2リンクのうちの一つは、前記連結部材の他側の左側と前記前回転部の左側に両端がそれぞれ連結され、
    前記二つの第2リンクのうちの他の一つは、前記連結部材の他側の右側と前記前回転部の右側に両端がそれぞれ連結される、請求項に記載の多足歩行装置。
  3. 前記連結部材は、他側に上下方向に伸びる軸部材を含み、
    前記昇降部は、前記軸部材の両端と上下方向を軸に回転可能に連結される回転部材を含む、請求項に記載の多足歩行装置。
  4. 前記昇降部は、
    一端が前記回転部材の上端と左右方向を軸に回転可能に連結される第1昇降部材、
    一端が前記回転部材の下端と左右方向を軸に回転可能に連結される第2昇降部材、および
    前記第1昇降部材の他端と左右方向を軸に回転可能に連結され、前記第2昇降部材の中間部分と左右方向を軸に回転可能に連結される支持部材
    をさらに含み、
    前記昇降駆動部は、一端が前記第2昇降部材の他端と左右方向を軸に回転可能に連結され、他端が前記支持部材に左右方向を軸に回転可能に連結され、長さ方向に伸縮駆動される、請求項に記載の多足歩行装置。
  5. 前記支持部材は、前記第1昇降部材と前記第2昇降部材が互いに平行に配置されるように前記第1昇降部材および前記第2昇降部材と連結される、請求項に記載の多足歩行装置。
  6. 前記第2昇降部材は、前記支持部材と連結されるダンパーを含む、請求項に記載の多足歩行装置。
  7. 前記昇降駆動部は、油圧駆動機である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の多足歩行装置。
  8. 前記前回転部は、前記前固定部に対して左右方向を軸に回転可能であり、
    前記後回転部は、前記後固定部に対して左右方向を軸に回転可能であり、
    前記駆動部は、前記前回転部および前記後回転部のうちの一つを左右方向を軸に回転させる、請求項1に記載の多足歩行装置。
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