JP6272837B2 - ヒューマノイドロボット用脊柱 - Google Patents

Description

本発明は、ヒューマノイドロボット用脊柱に関する。

人間の脊柱は、最多数の関節を有する人体の一部である。これらの関節のそれぞれは、５〜６つの自由度を有する。人間の機能性を可能な限りよく模倣するために、ヒューマノイドロボットにおいて多くの試みがなされている。

従来、複数の関節を直列に配置し、これらの関節のそれぞれにモータを取り付けることによって、人間の脊柱における複数の脊椎骨を再現するために、ロボットにおいて試みがなされている。人間の脊柱を可能な限りよく模倣するためには、多数の関節を設ける必要があり、これにより、設けるべき独立したアクチュエータの数と、状況に合わせて操作しなければならないこれらの様々な関節アクチュエータの制御との両方の観点から、ロボットの複雑さが増す。

本発明は、２つの水平軸を中心に回転するための２自由度を有する可撓性のある脊柱を提供することを目的とする。垂直軸を中心とする第３の回転は、本発明による脊柱においては使用されない。この最後の回転は、有利には、脊柱の頂部に組み立てられるロボットの首によって達成される。この脊柱は、製造を簡単にするために、人間の脊柱の主動作だけにとどまる。脊柱の可撓性によって単調な湾曲が可能となり、これは、回転のうちの１つが生じた時に、背骨全体に湾曲が広がり、オフセットが小さいことを意味する。

この目的のために、本発明の主題は、ヒューマノイドロボット用脊柱であって、ロボットの骨盤に固定するように意図された下部ベースと、ロボットの首に固定するように意図された上部ベースとを備え、下部ベースに対する上部ベースの２つの回転を可能にし、回転うちの第１の回転が矢状軸を中心とし、回転のうちの第２の回転が脊柱の横軸を中心とする脊柱であって、可撓性ロッドおよびリニアアクチュエータをさらに備え、ロッドが、その端部のうちの第１の端部において、ベースのうちの第１のベースの点で差し込まれ、かつベースのうちの第２のベースの点で少なくとも案内され、アクチュエータの両方が、アンカ点で２つのベース間に固定されていること、ベースのそれぞれに対して、２つのアクチュエータのアンカ点、およびロッドの差込点または案内点が離れていることを特徴とする脊柱である。

添付図面によって図示し、例として挙げる一実施形態の詳細な説明を読むことによって、本発明がよりよく理解され、他の利点がより明らかとなる。

本発明による脊柱を使用するヒューマノイドロボットの概略図を示す。 本発明による脊柱を使用するヒューマノイドロボットの別の概略図を示す。 本発明による脊柱を使用するヒューマノイドロボットの、さらに別の概略図を示す。 本発明による脊柱を使用するヒューマノイドロボットの、またさらに別の概略図を示す。 本発明による脊柱の一実施形態における詳細図を示す。 本発明による脊柱の一実施形態における別の詳細図を示す。 本発明による脊柱の一実施形態における、さらに別の詳細図を示す。

見やすいように、様々な図において、同じ要素には同じ参照符号を付す。

図１は、横から見たヒューマノイドロボット１０を概略的に示し、図２は、正面から見たこの同じロボットを示す。ロボット１０は、ロボット１０の骨盤１２に固定するように意図された下部ベース１１と、ロボット１０の首１４に固定するように意図された上部ベース１３とを備える。下部ベース１１および骨盤１２は、共に剛接合されているため、それらは全く同じブロックとして示される。骨盤１２は、ロボット１０の脚１５に連接されている。脊柱２０は、２つのベース１１および１３を連結している。脊柱２０は、下部ベース１１に対する上部ベース１３の２つの回転を可能にする。回転のうちの第１の回転は、脊柱２０の矢状軸２１を中心とし、第２の回転は、脊柱２０の横軸２２を中心とする。

図３は、横から見たロボット１０を示し、上部ベース１１が、横軸２２を中心とする回転を受けており、前方に傾いている。図４は、正面から見たロボット１０を示し、上部ベース１１が、矢状軸２１を中心とする回転を受けており、その側面のうちの一方に傾いている。言うまでもなく、２つの回転は結合されてもよい。

本発明によれば、脊柱２０は、可撓性ロッド２５と、２つのリニアアクチュエータ２６および２７とを備える。ロッド２５は、第１の端部２８において、下部ベース１１の点２９で差し込まれ、かつ第２の端部３０において、上部ベース１３の点３１で案内または差し込まれたビームを形成する。上部ベース１３が回転すると、ロッド２５が曲がる。アクチュエータ２６および２７は両方とも、ロッド２５の差込点から離れたアンカ点で、２つのベース１１と１３との間に固定されている。アクチュエータ２６は、点３２で下部ベース１１内に、点３３で上部ベース１３内に固定されている。アクチュエータ２７は、点３４で下部ベース１１内に、点３５で上部ベース１３内に固定されている。

リニアアクチュエータ２６および２７は、有利には複動リニア作動筒である。アンカ点３２〜３５は、ボールジョイントによって形成されている。

脊柱２０は、有利には、２つのベース１１と１３との間に直列に連結された少なくとも叉ありボールジョイントを備える。示した例では、脊柱２０は、３つの叉ありボールジョイント３７、３８および３９を備える。叉ありボールジョイントは、２回転自由度を有する連結部である。３自由度を有する従来のボールジョイントと比較すると、ジョイントの叉は、第３の回転を阻止する。残るのは、矢状軸２１を中心とする回転および横軸２２を中心とする回転だけである。脊柱２０の垂直軸４０を中心とする回転は阻止される。ボールジョイントが垂直軸を中心に回転しないようにすることによって、ロッド２５は、いかなるねじれも受けず、曲がるだけである。様々な軸２１、２２および４０の命名は、ロボット１０が垂直に立っている場合に、脊柱２０およびロボット１０に等しく適用される。実際には、特にロボット１０が動き回っている場合、軸２１、２２および４０は、それらの配向が変わる可能性がある。便宜上、これらの軸の配向は、下部ベース１１に対して画定されてもよい。叉ありボールジョイントは、直列に共に連結されているため、それらの回転軸を叉ありボールジョイントそれぞれに対して画定することができる。慣例により、脊柱２０が垂直である場合、すなわち言いかえれば、ロッド２５が全く曲がっていない場合、３つのボールジョイントの軸は平行である。

ロッド２５が倒れないように、ロッド２５は、叉ありボールジョイント３７、３８および３９のそれぞれによって案内されている。

図５は、ロボット１０の後部から見た脊柱２０の一実施形態を示す。図６は、図５の脊柱２０の対称面を形成する矢状面ＡＡにおける脊柱２０の断面を示す。図７は、上から見た脊柱２０を示す。

図５〜７は、叉ありボールジョイント３７、３８および３９の一実施形態を示す。叉ありボールジョイント３７は、共に球形状であり、互いに補足し合うドーム４２および空胴４３を備える。ドーム４２は、下部ベース１１に固定され、空胴４３は、脊椎骨４４の底部内に形成されている。ドーム４２および空胴４３は、ボールジョイント３７の回転を可能にするために、他方に対して一方を摺動させるように同じ呼び径を有する。脊椎骨４４に属する叉は、脊椎骨４４が垂直軸４５を中心に回転しないように、ドーム４２の溝内を摺動することができる。同様に、ボールジョイント３８は、球状ドーム４６と、ボールジョイント機能を果たすように協働する球状空胴４７と、垂直軸４５を中心とする回転を阻止するために溝内を動くことができる叉とを備える。ドーム４６は、脊椎骨４４の頂部と、脊椎骨４８の底部の空胴４７とに連結されている。最後に、ボールジョイント３９は、球状ドーム４９と、ボールジョイント機能を果たすように協働する球状空胴５０と、垂直軸４５を中心とする回転を阻止するために溝内を動くことができる叉とを備える。ドーム４９は、脊椎骨４８の頂部と、上部ベース１３内、または上部ベース１３に堅く固定された付属部品内の空胴４７とに製造される。慣例により、ボールジョイント３８および３９の垂直軸は、脊柱２０が垂直である場合を意味すると理解される。実際には、ボールジョイントの「垂直」と呼ばれる軸は、ボールジョイントまたはボールジョイントを下部ベースに連結するジョイントの回転の関数として傾く。

ボールジョイント３７、３８および３９のそれぞれが回転する移動角距離は、あまり大きくなく、典型的には約１０度程度である。脊椎骨４４および４８を空洞にして、ロッド２５に脊椎骨４４および４８のそれぞれの中心を通り抜けさせることができる。脊椎骨４４および４８は垂直に貫通され、ロッド２５をその全高にわたって案内することができる。ロッド２５は、脊柱２０がいずれの回転に対して曲がる際にも、同じように挙動するように、有利には、円形断面を有する。

有利なことには、ロッド２５は、互いに実質的に平行に延在する複数のストランドを備える。図６には、３つのストランド５５、５６および５７を見ることができる。ストランドは、下部ベース１１に差し込まれ、各脊椎骨４４および４８によって案内されている。複数のストランドからロッド２５を作ることは、ロッド２５が曲がる際の、各ストランドにおける引張応力を低減し得ることを意味する。

ロッド２５は、上部ベース１３にセットすることができる。叉ありボールジョイント３７〜３９が存在する場合、ベース１３に対する垂直軸４５に沿った並進運動自由度をロッド２５にもたせることができる。これは、ボールジョイントが、上下に配置されることによって、２つのベース１１および１３を分離する距離を設定するからである。ロッド２５、またはロッド２５を作るストランドは、上部ベース１３に対して垂直に摺動することができる。ロッド２５をその１つの端部において案内することはまた、２つのベース１１と１３との間の、公差が過度に厳しい寸法が増加するのを避けるという利点がある。したがって、叉ありボールジョイント３７〜３９が回転すると、ロッド２５は、純曲げのみを受ける。言うまでもなく、ロッド２５の差込と案内とを逆にすることはできる。言いかえれば、ロッド２５は、上部ベース１３にセットされ、下部ベース１１内に案内されてもよい。

ロッド２５を案内するために、ロッドが複数のストランドから構成される実施形態では、叉ありボールジョイント３７〜３９のそれぞれは、有利には、ロッド２５の主方向に実質的に垂直な格子を備える。脊柱２０が垂直である場合、ロッド２５の主方向は垂直軸４５である。より具体的には、ボールジョイント３７は、空胴４３の頂部を形成する格子６０を備え、ボールジョイント３８は、空胴４７の頂部を形成する格子６１を備え、ボールジョイント３９は、空胴５０の頂部を形成する格子６２を備える。格子６０、６１および６２のそれぞれには、格子一面に分布した複数の穴部６５が穿設されている。ロッド２５のストランドのそれぞれは、各格子の穴部６５のうちの１つによって案内されている。これらの穴部６５は、図７の上から見た図においてはっきり見ることができる。

脊柱２０が動くと、ストランドは、穴部６５内でわずかに摺動する。したがって、穴部６５と、穴部６５を通り抜けるストランドとの間に機能的なクリアランスを設けることが重要である。穴部６５およびストランドは、筒状であってもよい。ストランドと穴部６５との直径の差によって、対応する格子の全高にわたって、ストランドが摺動することができなければならない。ストランドの軸と穴部６５の軸との間の格子における局所的なオフセットが許容される必要がある。このことは、穴部の直径を拡大しなければならないことを意味し、これは、その穴部６５にストランドを案内するのに不利である。この案内を改善するために、穴部のそれぞれは、穴部６５が属する格子の、主方向４５に測定される高さの中央から上に弓形状を有してもよく、各穴部６５は、弓形状の両側のその端部に向かって広がっている。例えば各穴部に対して、双曲面形状が使用されてもよく、双曲面は、軸４５に平行な軸を中心に回転するものである。より簡単に言えば、２重円錐形状が、ストランドの案内を既に改善するだろう。

脊柱２０が垂直である場合、ロボット１０が直立している時に、上部ベース１３の上方に位置する部分であるロボット１０上部の重心が、垂直軸４０上に位置することを考慮することによって、ロボット１０の垂直軸４０に対してボールジョイント３７〜３９が位置する垂直軸をオフセットすることができる。この状況は、脊柱が人体の背中に沿って配置される人体構造を反映している。ロボットが直立している場合、軸４０および４５をオフセットすることは、通常、このオフセットによって発生したモーメントに対抗するために、作動筒が推力を永久に加えなければならないことを意味する。

この永久的推力を避けるために、脊柱２０は、上部ベース１３をロボット１０の後部の方へ戻そうとする力を上部ベース１３に加えるように、２つのベース１１と１３との間に配置されたばね６８を備えてもよい。ばね６８は、図１および図３においてはっきり見ることができる。

ばねを省くことができる別の代替方法は、脊柱が垂直である場合に、上部ベースをロボット１０の後部の方へ戻そうとする力を上部ベースに加えるように、矢状面内でロッド２５に曲げの前負荷を加えることである。ロッド２５が、複数のストランドから構成される場合、この前負荷は、格子６０、６１および６２を使用して得られてもよい。有利なことには、格子６０、６１および６２は、同一である。各格子は、存在するストランドより多い穴部６５を備え、各格子の穴部にストランドを通り抜けさせることによって、ロッド２５に予め負荷がかけられている。少なくとも１つのストランドの場合には、各格子内のこのストランド用の案内穴は、互いに対向せず、脊柱２０が垂直である場合、このストランドに湾曲路を進ませ、したがって、前負荷を加える。

脊柱２０の横移動角距離は、矢状面ＡＡに対して対称であり、有利には、脊柱２０が垂直である場合、アクチュエータ２６および２７のアンカ点３２〜３５は、ロッド２５を通り抜ける矢状面ＡＡに対して対称に、ベース１１および１３上に位置する。

ロッド２５が複数のストランドから形成されている場合、差込点２９は、ストランドが下部ベース１１にセットされているゾーンの中心として、慣例によって画定される。同じことが、上部ベース１３のロッド２５の差込点３１または案内点に当てはまる。

ロボット１０の前進移動に有利に働くことが有利である。そのために、ベースのそれぞれに対して、ロッド２５の差込点または案内点で出会う２つの直線であって、それらの直線のそれぞれが、アクチュエータのアンカ点を通り抜ける２つの直線によって形成される角度αが、９０°未満の値を有する。図７は、上部ベース１３に対して、点３１および３３を連結する直線７０と、点３１および３５を連結する直線７１とを示す。好ましい実施形態では、人体構造を可能な限りよく模倣するために、直線７０および７１は、６０°の角度αをなす。

脊柱２０が垂直である場合、さらにロボット１０の前進移動に有利に働くために、回転を行うためアクチュエータ２６および２７のそれぞれによって加えられるトルクが、当該アクチュエータに加えられる所与の力に対して、各回転の移動角距離の真ん中で最大となるように、アクチュエータ２６および２７が、有利には、垂直方向４０に対して傾いている。この傾斜は、図６においてはっきり見ることができる。２つの作動筒２６および２７が上部ベース１３を下方に引くと、作動筒はより真っすぐになる。

有利なことには、脊柱２０が占有する空間を減少させるために、下部ベース１１上の２つのアクチュエータ２６および２７のアンカレッジ点３２および３４は、下部ベース１１内のロッド２５の差込点または案内点より高く位置する。アクチュエータ２６および２７が、ボールジョイントによって下部ベースに固定されていることは、先に見られた。アンカ点３２および３４は、関係のあるボールジョイントの回転中心に画定される。アンカ点３２および３４は、点２９に対して、図６において見ることができる高さｈだけ垂直にオフセットされている。すでに述べたように、オフセットする垂直方向は、直立しているロボット１０に対して画定される。この高さ方向のオフセットにより、その矢状面ＡＡ内の脊柱２０が占有する空間を減少させることができ、その空間占有は、アクチュエータ２６および２７の傾斜と関係がある。

ロッド２５は、その長手軸を中心とするその慣性モーメントを、その２つの端部２８と３０との間で一定に維持するように定義することができる。脊柱２０が垂直である場合、その長手軸は垂直軸４５である。この慣性モーメントは、ロッド２５が一体型である場合、またはロッド２５が複数のストランドから形成されている場合、定義することができる。マルチストランドの実施形態の場合では、ロッド２５の全体的な慣性モーメントは、ストランドを分離する距離の関数としての、結合された様々なストランドの慣性モーメントの累積作用である。ロッド２５は、例えば、２つの端部２８と３０との間に延在する一定断面のバーなどの一体型の機械部品から、例えば形成される。ロッドが複数のストランドから形成される場合、それぞれは例えば、２つの端部２８と３０との間に延在する一定断面のバーから同様に形成された一体型の機械部品から形成される。一体型部品は、例えば金属材料などの均質材料、または、例えば樹脂に埋め込まれた繊維を含む複合材料から作られてもよい。繊維は、ロッド２５の２つの端部２８と３０との間のその全長に沿って延在する。

Claims (14)

1. ヒューマノイドロボット（１０）用の脊柱（２０）であって、前記脊柱（２０）が、前記ロボット（１０）の骨盤に固定するように意図された下部ベース（１１）と、前記ロボット（１０）の首（１４）に固定するように意図された上部ベース（１３）とを備え、前記脊柱（２０）が、前記下部ベース（１１）に対する前記上部ベース（１３）の２つの回転を可能にし、前記回転のうちの第１の回転が矢状軸（２１）を中心とし、前記回転のうちの第２の回転が前記脊柱（２０）の横軸（２２）を中心とし、
   前記脊柱（２０）が、可撓性ロッド（２５）および２つのリニアアクチュエータ（２６、２７）をさらに備え、前記ロッド（２５）が、第１の端部（２８）において、下部ベース（１１）の点（２９）で差し込まれ、かつ前記上部ベース（１３）に対して摺動することができるように、第２の端部（３０）において、前記上部ベース（１３）の点（３１）で案内され、あるいは、前記ロッド（２５）が、第１の端部（２８）において、下部ベース（１１）に対して摺動することができるように、下部ベース（１１）の点（２９）で案内され、かつ第２の端部（３０）において、上部ベース（１３）の点（３１）で差し込まれ、前記２つのリニアアクチュエータ（２６、２７）の両方が、アンカ点（３２、３３、３４、３５）で前記下部ベース（１１）と上部ベース（１３）との間に固定されていること、
   前記下部ベース（１１）および上部ベース（１３）のそれぞれに対して、前記２つのリニアアクチュエータ（２６、２７）の前記アンカ点（３２、３３、３４、３５）、前記下部ベース（１１）の点（２９）、および前記上部ベース（１３）の点（３１）が離れていることを特徴とする、脊柱。
2. 前記リニアアクチュエータ（２６、２７）が、複動リニア作動筒であることを特徴とする、請求項１に記載の脊柱。
3. 前記脊柱が、前記下部ベース（１１）と上部ベース（１３）との間に直列に連結された少なくとも２つの叉ありボールジョイント（３７、３８、３９）を備えること、前記ロッド（２５）が、前記叉ありボールジョイント（３７、３８、３９）のそれぞれによって案内されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の脊柱。
4. 前記叉ありボールジョイント（３７、３８、３９）のそれぞれが、前記ロッド（２５）の長手軸（４５）に実質的に垂直な格子（６０、６１、６２）を備えること、前記格子（６０、６１、６２）には、前記格子（６０、６１、６２）一面に分布した複数の穴部（６５）が穿設されていることを特徴とする、請求項３に記載の脊柱。
5. 前記ロッド（２５）が、互いに実質的に平行に延在する複数のストランド（５５、５６、５７）を備え、前記ストランド（５５、５６、５７）のそれぞれが、前記格子（６０、６１、６２）の前記穴部（６５）のうちの１つによって案内されていることを特徴とする、請求項４に記載の脊柱。
6. 前記穴部（６５）のそれぞれが、前記穴部（６５）が属する前記格子の、前記長手軸（４５）に沿った方向に測定される高さの中央から上に弓形状を有し、各穴部（６５）が、前記弓形状の両側のその端部に向かって広がっていることを特徴とする、請求項４に記載の脊柱。
7. 前記脊柱（２０）が垂直である場合に、前記上部ベース（１３）を前記ロボット（１０）の後部の方へ戻そうとする力を前記上部ベース（１３）に加えるように、前記ロッド（２５）が、矢状面（ＡＡ）内で、曲げにおいて予め負荷がかけられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の脊柱。
8. 前記叉ありボールジョイント（３７、３８、３９）のそれぞれの前記格子（６０、６１、６２）が同一であること、各格子（６０、６１、６２）が、存在するストランド（５５、５６、５７）より多い穴部（６５）を備えること、各格子（６０、６１、６２）の穴部（６５）に前記ストランド（５５、５６、５７）を通り抜けさせることによって、前記ロッド（２５）に予め負荷がかけられていること、少なくとも１つのストランド（５５、５６、５７）の場合に、各前記格子（６０、６１、６２）内のこのストランド（５５、５６、５７）用の前記穴部（６５）が、互いに対向しないことを特徴とする、請求項６に記載の脊柱。
9. 前記脊柱が、前記上部ベース（１３）を前記ロボット（１０）の後部の方へ戻そうとする力を前記上部ベース（１３）に加えるように、前記下部ベース（１１）と上部ベース（１３）との間に配置されたばね（６８）を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の脊柱。
10. 前記脊柱（２０）が垂直である場合、前記アクチュエータ（２６、２７）の前記アンカ点（３２〜３５）が、前記ロッド（２５）を通り抜ける矢状面（ＡＡ）に対して対称に、前記下部ベース（１１）および上部ベース（１３）上に位置することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の脊柱。
11. 前記下部ベース（１１）および上部ベース（１３）のそれぞれに対して、前記ロッド（２５）の差込点または案内点で出会う２つの直線（７０、７１）であって、それらの直線のそれぞれが、前記アクチュエータ（２６、２７）のアンカ点（３２〜３５）を通り抜ける２つの直線によって形成される角度（α）が、９０°未満、好ましくは６０°に等しい値を有することを特徴とする、請求項１０に記載の脊柱。
12. 前記脊柱（２０）が垂直である場合、回転を行うため前記アクチュエータ（２６、２７）のそれぞれによって加えられるトルクが、当該前記アクチュエータに加えられる所与の力に対して、各前記回転の移動角距離の真ん中で最大となるように、前記アクチュエータ（２６、２７）が、垂直方向（４０）に対して傾いていること特徴とする、請求項９または１０に記載の脊柱。
13. 前記下部ベース（１１）上の前記２つのアクチュエータ（２６、２７）の前記アンカ点（３２、３４）が、前記下部ベース（１１）内の前記ロッド（２５）の前記差込点または案内点より高く位置することを特徴とする、請求項１１に記載の脊柱。
14. 前記ロッド（２５）が、その２つの端部（２８、３０）間で、その長手軸（４５）を中心とする一定の慣性モーメントを維持することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の脊柱。

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