JPS62241781A - 歩行ロボツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、脚にて歩行やほふく歩行により移動する歩行
ロボットに関し、移動速度の高速化を図ったものである
。

〈従来の技術〉 不整地を移動する装置の１つとして脚による歩行を行う
ロボットが考えられており、例えば原子炉内点検ロボッ
ト、原子炉内重量物搬送ロボット等に利用されている。

この種の歩行ロボッ）・の脚の駆動装置としてリンク機
構を用いたものがある。乙の歩行ロボットでは、その機
構の概略構造図を表わす第１１図に示されるように、ロ
ボット胴体１１に取付けられた第１〜第４脚１２，１３
，１４，１５の垂直方向運動は脚上下駆動アクチュエー
タ１６により行い、それらの水平方向運動は脚部後駆動
アクチュエータ１７により行っている。この方式で（よ
！！１１１２〜１５のアクチュエータを自重が作用する
垂直方向と、自重が作用しない水平方向とに分けること
ができるので、水平方向運動用のアクチュエータ１７を
小さな８旦のものとすることができるという利点がある
反面、リンク機構の死点とアクチユエータのストローク
長の限界が存在するため、脚の可動範囲を大きくするこ
と（例えば１８０°以上とすること）が困難である。

一方、リンク機構を用いる代りに、脚の関節部に各々モ
ータと減速機を内蔵させ、その作動により脚を駆動する
ようにしたものも考えられている。この場合は脚とロボ
ット本体が干渉しない限り脚の可動範囲を自由に拡げろ
ことができ、１８０°以上の回動範囲を実現することは
極めて容易である。例えば第７図に示すように、ロボッ
ト胴体１８に対して上腿１９は股関節２０を中心にθ３
．Ｘ〜θ１．．．まで回動可能、且つ下腿２１は膝関節
２２を中心に上Ｉ！ｉＩ！１９に対してψ。１．８〜ψ
１９．。まで回動可能とすることができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、上述したような関節部にモータ、減速機等の
駆動機構を内蔵した歩行ロボットでは、姿勢によっては
いずれの関節部にもロボットの自重が作用する場合があ
るため、各関節部にはその最大荷重に見合った大きなト
ルクを発生できる動力源を備える必要がある。

例えば、第８図に示すように、各脚２３ａ。

２３ｂが伸び切った状態からロボット胴体１８を持ち上
げる場合には、股関節２０ａ、２０ｂに大きなトルクが
必要とされる。また、階段のような凹凸のある対象物を
移動する場合の側面図を第９図、その平面図を第１０図
に示すが、このような階段２４を昇るような場合には重
心Ｇが下側に位置する後１ｐＪ　２３　ａ寄りにあるた
め、後脚２３ａの各関節の必要トルクは非常に大きくな
る。またこの場合、４脚の力制御が完全でなければ、対
角線上の２脚が全荷重のほとんどを支えろことになるの
で、この状態において安定して移動するためには、後脚
２３ａ１本だけでほとんど全荷重を持ち上げることがで
きるだけの！・ルクが必要である。

このような歩行ロボットにおいて、関節部の駆動機構に
大きなトルクを発生させるためには、出力トルクの大き
な駆動モータを搭載するか、あろい１よ減速機の減速比
を大きくしなければならない。ところが、大トルクを発
生するモータは大形化し、必然的に重くなるばかりでな
く、速度の低下を招（。そこで、一般には小形の高速モ
ータと減速比の大きな減速機を用いることが行われてい
る。すなわち、従来は歩行ロボットの移動動作の一時期
だけに必要とされる最大トルクを得るためにそれに見合
った大きな減速比を有する減速機を使用しており、その
結果大トルクが必要とされない他の移動動作においても
動作速度が制限されてしまい、移動速度が遅いという問
題点があった。

本発明は、上述した従来の歩行ロボッ、トにおける問題
点を解決するものであり、移動速度の高速化を図った歩
行ロボットを提供することを目的としている。

く問題点を解決するための手段〉 この目的を達成するための本発明にかかる歩行ロボット
の構成は、各々屈曲自在な関節部を有する複数の脚を具
え、歩行あるいはほふ＜歩行により移動する歩行ロボッ
トにおいて、前記脚の各関節部には該脚を屈曲させるた
めの駆動モータの運動を減速して伝える減速機が配設さ
れろと共に該減速機は該関節部に作用する負荷に応じて
減速比を切り替え得ることを特徴とする。

く作　　　用〉 関節部に高負荷が作用する場合には減速機の減速比を大
きくして大トルクの発生を可能とする一方、軽負荷時に
は減速機を小さい減速比に切り替えて高速動作を可能と
する。

〈実　施　例〉 以下、本発明の一実施例を図面により具体的に説明する
。

第２図は本発明の一実施例にかかる脚・車脚型歩行ロボ
ットの斜視図を示す。第２図において、ロボット胴体３
１下部の左右側面中央には左駆動輪３２、右駆動輪（図
示せず）が設けられ、図示しない駆動源によるこれらの
駆動輪３２の回転によりロボット胴体３１が走行するよ
うになっている。また、ロボット胴体３１には左前脚３
３、左後脚３４、右前脚３５、及び図示しない右後脚の
４脚が取付けられろ。各脚３３，３４，３５はそれぞれ
膝関節３６，３７，３８で互いに屈曲自在に連結された
上腿３９，４０，４１と下腿４２゜４３．４４を有し、
上＋１ＬＩ３９，４０，４１の一端はそれぞれ股関節４
５，４６，４７により屈曲自在にロボット胴体３１に取
付けられると共に、下腿４２，４３，４４の先端にはそ
れぞれ補助輪４８，４９，５０が支持されている。尚、
第２図では図示しない右後脚も同様な構成を有する。而
して、第２図に示すように、本口ボッ）・は左前脚３３
、左後脚３４及び右前脚３５、右後脚をそれぞれＭ字形
に屈曲させて補助輪４８，４９，５０を接地させた状態
で駆動輪３２の転勤によって走行する一方、脚３３，３
４，３５の任意な屈曲動作によって不整地上等を歩行す
ることができる。

次に、関節部の構造について説明する。第１図はこれら
の関節部の断面図であり、前述の各関節は背向−の構成
を有している。第１図において、例えばロボット胴体３
１に固定される固定枠５１，５２にそれぞれ第１及び第
２クラッチ５３，５４が固定され、それらのクラッチ５
３．５４に組込まれる軸受５５゜５６によってその中心
に入力軸５７が支承されており、この入力軸５７は固定
枠５１に固定された図示しない駆動モータにより回転駆
動されろ。入力軸５７には第１クラツチ５３のカップリ
ング５８がキー５９を介して固定される一方、そのカッ
プリング５８に隣接して入力軸５７の外周部を覆うよう
に第１偏心軸６０が配設され、この第１偏心軸６０に一
体に形成されたクラッチ板６１がカップリング５８と係
脱できるように対向している。この第１０１心軸６０は
固定枠５１の筒部及び後述の第２偏心軸７３にそれぞれ
軸受６２．６３を介して支承されていて、その偏心部に
は一対の軸受６４を介して第１中間ギヤ６５が回動自在
に取付けられている。第１中間ギヤ６５は内歯歯車と外
歯歯車とを有し、その内歯歯車は固定枠５１の筒部外周
に固定された第１固定ギヤ６６と噛み合うと共に、外歯
歯車は第１駆動ギヤ６７と噛み合っている。第１駆動ギ
ヤ６７は、固定枠５１及び第２偏心軸７３にそれぞれ軸
受６８．６９を介して支承されている出力段偏心軸７０
に固定されている。

これら第１中間ギヤ６５、第１固定ギヤ６６、第１駆動
ギヤ６７でいわゆる和動型内公転減速機を構成しており
、従って第１クラツチ５３に通電してカップリング５８
とクラッチ板６１とを係合させた状態で入力軸５７を回
転させると、第１偏心軸６０が回転し、それに伴って第
１中間ギヤ６５が第１固定ギヤ６６と噛み合うことで自
転しながらその回９を公転し、さらに第１中間ギヤ６５
の運動によって第１中間ギヤ６５と噛み合う第１駆動ギ
ヤ６７を介して出力段偏心軸７０が減速回転をする。

さらに、入力軸５７には第２クラツチ５４のカップリン
グ７１がキー７２を介して固定される一方、それらの外
周を覆うように第２傷心軸７３が固定枠５２に軸受７４
を介して支承されると共に、第２偏心軸７３に固定され
たクラッチ板７５がそのカップリング７１と係脱できる
ように対向している。これらのカップリング７１とクラ
ッチ板７５とはばね等の力により通常は係合しており、
第２クラツチ５４に通電することによりその係合が解除
されろようになっている。すなわち、前記第１のクラッ
チ５３は通電することによってクラッチが接続されるい
わゆる正動作型であるのに対し、第２のクラッチ５４は
その反対の負動作型となっており、それによって１つの
信号によって両者を択一的に接続させることができる。

また、第２偏心軸７３の偏心部には一対の軸受７６を介
して第２中間ギヤ７７が回転自在に取付けられ、第２中
間ギヤ７７に形成された径の異なる一対の外歯歯車がそ
れぞれ固定枠５２に固定された第２固定ギヤ７８及び出
力段偏心軸７０に固定された第２駆動ギヤ７９と噛み合
っている。これら第２中間ギヤ７７、第２固定ギヤ７８
、第２駆動ギヤ７９ていわゆる差動型内公転減速機を構
成している。従って、カップリング７１とクラッチ板７
５とを係合させた状態で入力軸５７を回転させると、第
２偏心軸７３が回転し、それに伴って第２巾同ギヤ７７
が第２固定ギヤ７８と噛み合うことで自転しながらその
内周を公転し、さらに第２中間ギヤ７７の運動によって
第２中間ギヤ７７と噛み合う第２駆動ギヤ７９を介して
出力段偏心軸７０が減速回転をする。ここで、前述の和
動型内公転減速機はこの差動型内公転減速機に比べて小
さい減速比が得られ、従って第１帰心軸６０を経由して
出力段偏心軸７０を減速回転ぎせる場合と、第２偏心軸
７３を経由して出力段傷心軸７０を減速回転させる場合
とでは、前者の方が小さい減速比となる。

さらに、出力段偏心軸７０の偏心部には一対の軸受８０
を介して中間ギヤ８１が回転自在に取付けられ、中間ギ
ヤ８１；よ固定枠５１に形成された固定ギヤ８２及び出
力軸８３に形成された駆動ギヤ８４と噛み合っている。

出力軸８３は例えば上１ｉ１３９，４０．４１等に相当
し、固定枠５１及び出力段偏心軸７０にそれぞれ軸受８
５．８６を介して支承される。固定ギヤ８２と駆動ギヤ
８４とは歯数が若干異なっており、これら中間ギヤ８１
、固定ギヤ８２、駆動ギヤ８４で差動型の第３の内公転
減速機を構成している。従って、出力段偏心軸７０の回
転は前述と同様にさらに減速されて出力軸８３に伝えら
れる。尚、出力軸８３の回転角は図示しないロータリエ
ンコーダで測定される。

第３図は本実施例にかかる制御ブロック図である。第３
図において、手動あるいは計算機等から与えられたモー
タ速度指令によってサーボアンプ８７を介して駆動モー
タ８８が駆動される。一方、クラッチ切り替え指令によ
りクラッチ切り替え回＄８９を介して第１あるい（よ第
２クラッチ５３．５４のいずれかが接続され、第１偏心
軸６０を経由する和動型内公転減速機が働いた場合には
高速小トルクで、第２傷心軸７３を経由する差動型内公
転減速機が働いた場合には低速大トルクで関節が回！ｌ
’ｌｌ駆動される。関節の回転角（関節角）はロータリ
ニジコーグ９０により検出され、制御装置にフィードバ
ックされる。

本歩行ロボットの脚による歩行は、ロボッ：・胴体３１
を地面から持ち上げた状態で移動する歩行、及び１歩移
動する毎にロボット胴体３１を地面につけるほふく歩行
のいずれの場合においても、軽負荷時に減速機を低い減
速比に切り替えて高速動作を行うことにより従来より高
速に歩行することが可能となる。

ここでぐよ以下、はふく歩行の例Ｃζついて説明する。

第４図及び第５図はほゑく歩行の動作説明図であり、第
４図はその遊脚動作、第５図はその立脚動作を表わして
いる。第４図に示す遊脚動作では、駆動輪３２が接地し
ているので、前脚３３，３５と後１１ｆｉ３４，９１を
各１脚ずつ同時に持ち上げることができる。尚、３脚以
上、あるいは前２脚または後２脚を同時に持ち上げるこ
とは前後方向に不安定となるので好ましくない。而して
、２脚ずっ遊脚動作で、例えば左前脚（第１脚）３３と
右後脚（第４脚）９１を同時に進行方向に移動し、続い
て左後脚（第２＃］３４と右前脚（第３脚）３５を同様
に移動させる。次に、第５図に示すように、立脚動作に
より全脚を同期させてロボット胴体３１を持ち上げ、進
行方向に移動させる。これらの動作でロボットは１歩前
方へ移動し、これを繰り返すことによってほふく歩行が
なされる。ここで、遊脚動作では各関節に負荷があまり
作用しないので、低い減速比で高速動作を行う一方、立
脚動作では高負荷が作用するので減速比を上げて高トル
ク運転を行う。

従来の歩行ロボットと本発明による歩行ロボットとの移
動時間の比較図を第６図に示す。

第６図に示すように、従来の歩行ロボットでは減速比が
一定であるので負荷の軽い遊脚動作でも動作速度が遅く
、時間がかかるのに対して、本発明によれば遊脚動作時
には立＃動作の数倍〜１０数倍の動作速度を出せるので
、移動時間を大幅に短縮することができる。

〈発明の効果〉 以上、一実施例を挙げて詳細に説明したように本発明に
よれば、脚の関節部に配設される駆動モータの減速機の
減速比を負荷に応じて切り替えることができるので、軽
負荷時には高速動作が可能となり、脚による移動速度の
高速化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる関節部の断面図、第
２図は本発明の一実施例にかかる脚・車脚型歩行ロボッ
トの斜視図、第３図はその制御ブロック図、第４図及び
第５図はそれぞれほふく歩行の動作説明図、第６図は従
来の歩行ロボットと本発明による歩行ロボットとの移動
時間の比較図、第７図は歩行ロボットの関節動作範囲の
説明図、第８図は歩行ロボットの脚にかかる負荷の説明
図、第９図及び第１０図はそれぞれ歩行ロボッＩ・が階
段を昇る場合に脚にかかる負荷を説明するための側面図
及びその平面図、第１１図はリンク機構を用いた従来例
にかかる歩行ロボットの機構の概略構造図である。 図　　面　　中、 ３１はロボット胴体、 ３３．３４，３５，９１は脚、 ３６．３７，３１１は膝関節、 ４５．４６，４７は股関節、 ５３．５４は第１及び第２クラツチ、 ５７は入力軸、 ６０は第１個０軸、 ６５は第１中間ギヤ、 ６６は第１固定ギヤ、 ６７は第１駆動ギヤ、 ７０は出力段偏心軸、 ７３は第２ＷｊＡ心軸、 ７７は第２中間ギヤ、 ７８は第２固定ギヤ、 ７９は第２駆動ギヤ、 ８１は中間ギヤ、 ８２１よ固定ギヤ、 ８３は出力軸、 ８４は駆動ギヤである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 各々屈曲自在な関節部を有する複数の脚を具え、歩行あ
   るいはほふく歩行により移動する歩行ロボットにおいて
   、前記脚の各関節部には該脚を屈曲させるための駆動モ
   ータの運動を減速して伝える減速機が配設されると共に
   該減速機は該関節部に作用する負荷に応じて減速比を切
   り替え得ることを特徴とする歩行ロボット。