JPWO2002040225A1 - 脚式歩行ロボット - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は脚式歩行ロボットに関し、より具体的には上体と脚部を容易に着脱できるようにした2足歩行の脚式歩行ロボットに関する。
背景技術
従来から脚式歩行ロボットに関する技術としては種々のものが提案されており、例えば特開平3−184782号公報に記載された技術が知られている。
特開平3−184782号公報においては、脚部(リンク)の慣性質量を減少させるために、上体と脚部を連結する関節を駆動するための駆動源(モータ)をロボットの上体の一部である腰板に配置している。脚式歩行ロボットにおいて駆動源の出力(回転)を減速させて関節に伝達するには、高い減速比とスペース効率を上げるために、通例、ハーモニックドライブ(ハーモニック減速機。商品名)などの入力と出力が同軸上にある高減速比の減速機が用いられる。
前記した技術にあっては、脚部を取外すには、腰板における減速機の構成要素(ハーモニック減速機にあってはフレクスプラインとサーキュラ・スプライン)を分解する必要があり、また組立の際は、逆の手順で行う必要があり煩瑣であった。
特に、フレクスプラインはサーキュラ・スプラインにギアが噛合されて嵌込まれており、分解は比較的容易であるものの、組立はギアを噛み合わせて行う必要があり、メンテナンス性で必ずしも満足できるものではなかった。さらには、駆動源から減速機に駆動力を伝達するベルトの張力を調整するときもロボットの上体から腰板を取り外す必要があって煩瑣であった。
発明の開示
従って、本発明の目的は上記した不都合を解消し、脚式歩行ロボットにおいて脚部の着脱を容易にしてメンテナンス性を向上するようにした脚式歩行ロボットを提供することにある。
さらに、本発明の第2の目的は、上体と脚部を連結する関節を駆動する駆動源から駆動力を伝達する動力伝達手段へ容易にアクセスすることができ、必要に応じてその調整を可能とした脚式歩行ロボットを提供することにある。
さらに、本発明の第3の目的は、脚部を相対変位させるときの干渉を防止して旋回動作などを容易とし、よって歩容設計の自由度を拡大するようにした脚式歩行ロボットを提供することにある。
上記した課題を解決するために、請求の範囲の1項においては、少なくとも上体と、前記上体にそれぞれ関節を介して回転自在に連結される複数本の脚部を備えた脚式歩行ロボットにおいて、前記関節を駆動する駆動源を前記脚部側に配置するように構成した。
上体と脚部を連結する関節を駆動する駆動源を脚部側に配置するので、ロボットの上体から脚部を着脱するのが容易となり、脚式歩行ロボットの脚部のメンテナンス性を向上することができる。
請求の範囲の2項にあっては、前記駆動源を前記関節の回転軸線からオフセットさせて配置し、動力伝達手段を介して前記関節に接続するように構成した。
上体と脚部を連結する関節を駆動する駆動源を関節の回転軸線からオフセットし、より詳しくは駆動源(電動モータ)の出力軸から減速機の入力軸(即ち、関節の回転軸)を離間した平行軸とすると共に、駆動源をロボットの進行方向に対し脚部の外側の後方に配置した。また、駆動源と関節を動力伝達手段、より詳しくはベルトを介して接続した。
このように構成したので、請求の範囲の1項と同様の作用効果を奏すると共に、脚部を任意の角度に回転させることができ、旋回動作などが容易となって歩容設計の自由度を拡大することができる。
請求の範囲の3項にあっては、前記駆動源をケースで被覆すると共に、前記ケースの前記上体と対面する位置に開口部を穿設するように構成した。
駆動源をケースで被覆すると共に、ケースの上体と対面する位置、より具体的には脚部の上端付近に開口部、さらに具体的にはドライバなどの調整器具挿入孔を穿設したので、上体と脚部を連結する関節を駆動するベルトなどの伝達手段に容易にアクセスすることができ、同様にメンテナンス性を向上することができる。
請求の範囲の4項にあっては、少なくとも上体と、前記上体にそれぞれ関節を介して回転自在に連結される2本の脚部を備えた2足歩行の脚式歩行ロボットにおいて、前記関節を駆動する駆動源を前記関節の回転軸線からオフセットさせて前記脚部の外側に配置し、よって前記2本の脚部を相対変位させるときの干渉を防止するように構成した。
2足歩行の脚式歩行ロボットにおいて、関節を駆動する駆動源を前記関節の回転軸線からオフセットさせて前記脚部の外側に配置し、即ち、2本の脚部に備えられた駆動源をロボットの進行方向に対し、右脚部にあっては右側方、左脚部にあっては左側方、より詳しくは左右側方の後方側に配置し、よって前記2本の脚部を相対変位させるときの干渉を防止するように構成したので、脚部を任意の角度に回転させることができ、旋回動作などが容易となって歩容設計の自由度を拡大することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して本発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットを説明する。
第1図は本発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボット(以下「ロボット」という)1の正面図、第2図はその側面図である。尚、脚式歩行ロボットとして、2足歩行のロボットを例にとる。
第1図に示すように、ロボット1は、2本の脚部(脚部リンク)2を備えると共に、その上方には上体(基体)3が設けられる。上体3の上部には頭部4が設けられると共に、上体3の両側には2本の腕リンク5が連結される。また、第2図に示すように、上体3の背部には格納部6が設けられ、その内部には制御ユニット(後述)およびロボット1の関節を駆動する電動モータ(駆動源。後述)のバッテリ電源(図示せず)などが収容される。尚、第1図および第2図に示すロボット1は、内部構造を保護するためのカバーが取着されたものを示す。
第3図を参照して上記したロボット1の内部構造を関節を中心に説明する。
図示の如く、ロボット1は、左右それぞれの脚部2に6個の関節を備える。
12個の関節は、腰部の脚回旋用の鉛直軸(Z軸あるいは重力軸)まわりの関節10R,10L(右側をR、左側をLとする。以下同じ)、股(腰部)のロール方向(X軸まわり)の関節12R,12L、股(腰部)のピッチ方向(Y軸まわり)の関節14R,14L、膝部のピッチ方向(Y軸まわり)の関節16R,16L、足首のピッチ方向(Y軸まわり)の関節18R,18L、および同ロール方向(X軸まわり)の関節20R,20Lから構成される。脚部リンク2R(L)の下部には足平(足部)22R,22Lが取着される。
即ち、脚部2は、股関節(腰関節)10R(L),12R(L),14R(L)、膝関節16R(L)、および足関節18R(L),20R(L)から構成される。股関節と膝関節は大腿リンク24R(L)で、膝関節と足関節は下腿リンク26R(L)で連結される。
脚部(脚部リンク)2は股関節を介して上体3に連結されるが、第3図では上体3を上体リンク28として簡略的に示す。前記したように、上体3には腕リンク5が連結される。
腕リンク5は、肩部のピッチ方向の関節30R,30L、同ロール方向の関節32R,32L、腕の回旋用の鉛直軸まわりの関節34R,34L、肘部のピッチ軸まわりの関節36R,36L、手首回旋用の鉛直軸まわりの関節38R,38Lから構成される。手首の先にはハンド(エンドエフェクタ)40R,40Lが取着される。
即ち、腕リンク5は、肩関節30R(L),32R(L),34R(L)、肘関節36R(L)、手首関節38R(L)から構成される。また肩関節と肘関節とは上腕リンク42R(L)で、肘関節とハンドとは下腕リンク44R(L)で連結される。
頭部4は、鉛直軸まわりの首関節46およびそれと直交する軸で頭部4を回転させる頭部揺動機構48から構成される。頭部4の内部には、CCDなどからなる視覚センサ(図示せず)が外界センサとして収容される。
上記の構成により、脚部2は左右の足について合計12の自由度を与えられ、歩行中にこれらの12個の関節を適宜な角度で駆動することで、足全体に所望の動きを与えることができ、任意に3次元空間を歩行させることができる。また、腕リンク5も左右の腕についてそれぞれ5つの自由度を与えられ、これらの関節を適宜な角度で駆動することで所望の作業を行わせることができる。
尚、足関節の下方の足部22R(L)には公知の6軸力センサ50が取着され、ロボットに作用する外力の内、接地面からロボットに作用する床反力の3方向成分Fx,Fy,Fzとモーメントの3方向成分Mx,My,Mzとを検出する。
また、上体3には傾斜センサ54が設置され、鉛直軸に対する傾きとその角速度を検出する。さらに、各関節の電動モータはその出力を減速・増力する減速機(後述)を介して前記したリンク24,26R(L)などを相対変位させると共に、その回転量を検出するロータリエンコーダ(第3図で図示省略)が設けられる。
前記したとおり、格納部6の内部にはマイクロコンピュータからなる制御ユニット60などが収納され、6軸力センサ50などの出力(図示の便宜のためロボット1の右側についてのみ図示する)は、制御ユニット60に送られる。
第4図は制御ユニット60の構成を詳細に示すブロック図である。
図示の如く、制御ユニット60はマイクロ・コンピュータから構成される。そこにおいて傾斜センサ54などの出力はA/D変換器(図に「A/D」と示す)62でデジタル値に変換され、その出力はバス64を介してRAM66に送られる。また各関節において電動モータに隣接して配置されるエンコーダの出力は、カウンタ68を介してRAM66内に入力される。
制御ユニット60内にはCPUからなる演算装置70が設けられ、演算装置70は、ROM72に格納されているデータおよびセンサ出力に基づいて各関節の駆動に必要な制御値(操作量)を算出してD/A変換器(図に「D/A」と示す)74と各関節に設けられたアクチュエータ駆動装置(アンプ)76を介して各関節を駆動する電動モータに出力する。
この実施の形態に係るロボット1において特徴的なことは、上体3に、股関節におけるそれぞれの脚部回旋用の鉛直軸まわりの関節10R(L)を介して回転自在に連結される複数本、より具体的には2本の脚部2R(L)を備えたものにおいて、関節10R(L)を駆動する駆動源(電動モータ。後述)を脚部2R(L)側に配置することにより、上体3から脚部2R(L)を容易に着脱可能とする如く構成したことにある。
以下、右側の脚部2Rを示す第5図から第7図を参照して、関節10Rの構成を説明する。
第5図は、第1図に示すロボット1の脚部2Rの部分断面図であるV−V線断面図、第6図は上体3から取外された脚部2Rを上方から見た上面図、第7図は第6図のVII−VII線で切断した説明断面図である。尚、第6図および第7図においては説明の簡略化のために、関節10Rの周辺のみ図示した。
第5図および第6図に示すように、脚部2Rの上端付近には、腰部の脚回旋用の鉛直軸まわりの関節10Rが配置される。関節10Rは、上体3に固定されるべきボルト孔(後述)が穿設された上体固定部80と、関節10Rと関節12R間を連結するフレーム部材82を備える。
上体固定部80およびフレーム部材82は、ベアリング83を介して相対回転可能に連結されると共に、その相対回転の駆動力は、減速機、具体的にはハーモニックドライブ84から付与される。フレーム部材82にはモータ取付部材(ケース)86が一体的に設けられ、その内部に駆動源、具体的には電動モータ88(第6図に想像線で示す)が収容される。電動モータ88の回転量はロータリエンコーダ89により検出されると共に、その駆動力はベルト(動力伝達手段)90を介してハーモニックドライブ84に伝達される。
次いで第7図を参照して、関節10Rの構成をさらに詳しく説明する。
モータ取付部材86内の適宜位置に収容された電動モータ88の出力軸94には、プーリ(動力伝達手段)96が固定されると共に、プーリ96にはベルト90が適宜な張力で巻掛られる。ベルト90の他端は、ハーモニックドライブ84の入力軸側のプーリ(動力伝達手段)98に巻掛られる。プーリ98はウェーブ・ジェネレータ100にそれと同軸で回転するように固定される。よって、電動モータ88の駆動力はベルト90を介してハーモニックドライブ84に伝達される。
ウェーブ・ジェネレータ100はフレクスプライン102に嵌込まれ、フレクスプライン102の出力部102aは上体固定部80側に固定され、他方、サーキュラ・スプライン104の出力部104aは、フレーム部材82側に固定される。フレクスプライン102は、サーキュラ・スプライン104に、それぞれのギアが噛合されて嵌込まれる。
関節10Rにおいて、電動モータ88から出力された駆動力が、ベルト90を介してハーモニックドライブに入力されると、周知の如くフレクスプライン102(即ち上体固定部80)とサーキュラ・スプライン104(即ちフレーム部材82)との間に相対運動が生じる。
第6図のように上方から見た場合を例に、より具体的に説明すると、電動モータ88が時計まわりに駆動されると、その駆動力は、プーリ96、ベルト90およびプーリ98を介して伝達されて、ウェーブ・ジェネレータ100を時計まわりに駆動する。フレクスプライン102が反時計まわりに、サーキュラ・スプラインがそれぞれ時計まわりに駆動されると、それらの出力部102a,104aが固定された上体固定部80が反時計まわりに、フレーム部材82が時計回りに駆動されて相対回転運動が生じ、よって、脚部2Rは上体3に対して時計まわりに回転される。
尚、脚部2Rの関節10R以外の関節12,14などの構成は、特開平3−184782号公報に記載したものと略同様であるため、説明を省略すると共に、第5図などにおける図示を省略する。また、脚部2R(L)は左右対称に形成されるため、左側の脚部2Lの説明を省略する。
次いで、第8図および第9図を参照して脚部2R(L)の上体3への着脱について説明する。
第8図は上体3を斜め下方から見た底面斜視図、第9図は脚部2Rを斜め上方から見た上面斜視図である。尚、第8図以降で上体3を図示する場合、説明の簡略化のために頭部4および腕リンク5R(L)の図示を省略した。
第8図に示す如く、上体3底面側の腰板110の脚部取付面112には、脚部2R(L)をボルト止めするためのボルト孔114R(L)が穿設されると共に、スタッドボルト116R(L)が突出するように形成される。脚部取付面112の適宜位置には、位置決め孔118が穿設される。
第9図に示す如く、脚部2Rの上体固定部80において、ボルト孔114R(L)、スタッドボルト116R(L)に対応する位置には、脚部2Rを上体に固定するためのボルト孔120が穿設される。また、上体固定部80の上面(脚部取付面112と向かい合う面)において、位置決め孔118に対応する位置には、突起部121が設けられる。
脚部2Rを上体3に取り付ける手順を説明すると、先ず上体3側のスタッドボルト116Rを第8図および第9図に示す破線8aおよび8bに沿ってボルト孔120に挿入し、突起部121を位置決め孔118に挿入し位置決めが完了し、次いでスタッドボルト16に上体固定部80の下方からナット(図示せず)を締着する。次いで、ボルト122を上体固定部80の下方から破線8cおよび8dに沿ってボルト孔120を挿通し、次いでボルト孔114に挿入して締着する。このようにして脚部2の上体3への取り付けが完了する。
前記したとおり従来技術にあっては、駆動源が腰板に配置されていたため、脚部を腰板に取り付けるときはフレクスプラインとサーキュラ・スプラインのそれぞれのギアを噛み合わせつつ組立する必要があり、作業が煩瑣となっていたが、本発明に係るロボット1にあっては、電動モータ88が脚部2R(L)側に配置されるので、ロボット1の上体3から脚部R(L)を着脱するとき、ハーモニックドライブ84の構成要素を分解する必要がなく、よって脚部2R(L)の取り付けはボルト止めを行うだけで良いため、メンテナンス性を向上することができる。
尚、上体3からの脚部2Rを取り外す場合は、位置決めなどを考慮する必要がないので、スタッドボルト116に締着されたナット、およびボルト122を取り外すだけで良い。
第6図の説明に戻ると、電動モータ88は、関節10Rの回転軸線92からオフセットして配置される。より詳しくは電動モータ88の出力軸(線)とハーモニックドライブ84の入力軸線(即ち、関節の回転軸線92)を離間した平行軸とすると共に、電動モータ88をロボット1の進行方向に対し脚部の外側の後方に配置した。また、電動モータ88は、ロボット1の進行方向(X軸方向)に対して脚部2Rの右外側後方に配置され、ベルト90を介して関節10Rに接続される。
次いで、第6図および第10図(a)(b)を参照してロボット1の旋回動作について説明する。
第10図(a)(b)は、両脚部2R(L)を第1図および第2図のX−X線で切断した断面図である。尚、図示は関節10R(L)を焦点とし、その周辺のみ図示すると共に、足平22R(L)などの図示は省略した。
ロボット1の旋回動作を容易にして歩容設計の自由度を拡大するために、関節10R(L)は、脚部2R(L)および図示しない足平22R(L)を第10図(a)に示す状態から第10図(b)に示すような任意の角度に回転できるように構成される必要がある。
そこで、この実施の形態にあっては前記した通り、電動モータ88を関節10R(L)の回転軸線92からオフセットして配置するようにした。より具体的には、電動モータ88は、脚部2R(L)の外側において進行方向(X軸方向)に対して後方に配置され、ベルト90動力伝達手段を介して関節10Rに接続するようにした。
これによって、第10図(b)に示すように、左右の脚部2R(L)が相互に干渉しないよう、脚部2R(L)を任意の角度に回転させることができ、上記した目的を実現することができる。
再度第6図の説明に戻ると共に、第11図および第12図を参照して、電動モータ88からハーモニックドライブ84へ駆動力を伝達するベルト90の張力の調整について説明する。
ベルト90は、経年変化などによってその張力が減少することがあり、その場合にはプーリ96とウェーブ・ジェネレータ100の間に滑りが生じる。電動モータ88側にエンコーダ89が設けられているため、そのような滑りが生じると、伝達力の低下に加え、電動モータ88への指令値とウェーブ・ジェネレータ100に実際に入力される回転数に誤差が生じ、制御性が低下する恐れがある。
電動モータ88を被覆するモータ取付部材86の上体3と対面する位置に開口(開口部)124が形成される。より具体的には、第6図に符号XIで示した周辺の部分拡大図である第11図に示すように、モータ取付部材86の上体3と対面する位置に開口124が形成され、さらに電動モータ88の位置調節用の調節器具挿入孔(開口部)125が穿設される。
電動モータ88は、ボルト126a,126bによってモータ取付部材86の上面側に係止される。尚、実際には開口部124上には蓋(図示せず)が取り付けられて、ベルト90の調節を行うときに開閉可能とされる。
ここで、ボルト126aは図示しない係止孔に挿入されると共に、ボルト126bは想像線で示す溝部128に沿って可動可能に構成される。即ち、ベルト90の張力を調整するときは、先ずボルト126a,bを緩め、次いで調節器具挿入孔125に例えばドライバ130などの調整器具を挿入し、電動モータ88の位置を移動する。電動モータ88は、ボルト124aを係止する軸をピボット(中心軸)として回転させられ、例えば(88)と示す位置まで移動され、よってベルト90の張力が調整される。
開口124は、上体3と対面する位置に形成されるので、脚部2(Rのみ図示)を第12図に示すような位置に回転することにより、上体3から脚部2R(L)を着脱することなくベルト90にアクセスし、その張力を調整することができる。
この実施の形態に係るロボット1にあっては、前記したとおり、電動モータ88を脚部2R(L)側に配置したので、上体3から脚部2R(L)を着脱するのが容易となる。即ち、例えば脚部を調整する場合などにおいてロボット1の脚部2R(L)のメンテナンス性を向上することができる。
また、電動モータ88を関節10R(L)の回転軸線92からオフセットし、より詳しくはロボットの進行方向(X軸方向)に対し脚部の外側の後方に配置すると共に、ベルト90を介して関節10R(L)に接続したので、脚部2R(L)を任意の角度に回転させることができ、旋回動作などが容易となって歩容設計の自由度を拡大することができる。
さらに、電動モータ88を被覆するモータ取付部材86の上体3と対面する位置に開口部124を穿設したので、上体3から腰板78を取り外すことなく、即ちロボット1を直立させた状態、あるいはスタンド(図示せず)などに掛止した状態でベルト90の張力を調整することができる。。
この実施の形態では上記の如く、少なくとも上体3と、前記上体にそれぞれ関節10R(L)を介して回転自在に連結される複数本の脚部2R(L)を備えた脚式歩行ロボット1において、前記関節を駆動する駆動源(電動モータ88)を前記脚部側に配置するように構成した。
また、前記駆動源を前記関節の回転軸線92からオフセットさせて配置し、動力伝達手段(ベルト90)を介して前記関節に接続するように構成した。
また、前記駆動源をケース(モータ取付部材86)で被覆すると共に、前記ケースの前記上体と対面する位置に開口部(開口124、調節器具挿入孔125)を穿設するように構成した。
また、少なくとも上体3と、前記上体にそれぞれ関節を介して回転自在に連結される2本の脚部2を備えた2足歩行の脚式歩行ロボット1において、前記関節を駆動する駆動源(電動モータ88)を前記関節の回転軸線92からオフセットさせて前記脚部の外側に配置し、よって前記2本の脚部を相対変位させるときの干渉を防止する(第10図(b))ように構成した。
尚、腰部の脚回旋用の関節を鉛直軸(Z軸あるいは重力軸)まわりの関節としたが、それに限られず、要は上体と脚部を連結する関節において、駆動源を脚部側に配置した構成であれば、例えば鉛直軸に対して回転中心軸が傾斜した関節であっても良い。
また、本発明において動力伝達手段としてベルトおよびプーリを用いたが、ギア機構など、他の伝達手段を用いても良い。
また、本発明を2足の脚式歩行ロボットに関して説明したが、2足歩行以外の多脚ロボットにも妥当する。
産業上の利用可能性
本発明によれば、ロボットの上体から脚部を着脱するのが容易となり、脚式歩行ロボットの脚部のメンテナンス性を向上することができる。また、脚部を任意の角度に回転させることができ、旋回動作などが容易となって歩容設計の自由度を拡大することができる。また、上体と脚部を連結する関節を駆動するベルトなどの伝達手段に容易にアクセスすることができ、同様にメンテナンス性を向上することができる。さらに、脚部を任意の角度に回転させることができ、旋回動作などが容易となって歩容設計の自由度を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一つの実施の形態に係る脚式歩行ロボットの正面図である。
第2図は、第1図に示す脚式歩行ロボットの右側面図である。
第3図は、第1図に示す脚式歩行ロボットの内部構造を関節を中心に全体的に示す概略図である。
第4図は、第3図に示す制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
第5図は、第1図のV−V線で切断した部分断面図である。
第6図は、上体から取り外された右側の脚部を上方から見た上面図である。
第7図は、第6図のVII−VII線断面図である。
第8図は、第1図などに示す脚式歩行ロボットの上体を斜め下方から見た底面斜視図である。
第9図は、第6図に示すロボットの右側の脚部を斜め上方から見た上面斜視図である。
第10図は、第1図および第2図のX−X線断面図である。
第11図は、第6図に符号XIで示した部分の部分拡大図である。
第12図は、ベルト(動力伝達手段)の張力を調整する際のロボットの上体と脚部の間の位置関係を説明する斜視図である。
Claims (4)
- 少なくとも上体と、前記上体にそれぞれ関節を介して回転自在に連結される複数本の脚部を備えた脚式歩行ロボットにおいて、前記関節を駆動する駆動源を前記脚部側に配置したことを特徴とする脚式歩行ロボット。
- 前記駆動源を前記関節の回転軸線からオフセットさせて配置し、動力伝達手段を介して前記関節に接続したことを特徴とする請求の範囲の1項記載の脚式歩行ロボット。
- 前記駆動源をケースで被覆すると共に、前記ケースの前記上体と対面する位置に開口部を穿設したことを特徴とする請求の範囲の1項または2項記載の脚式歩行ロボット。
- 少なくとも上体と、前記上体にそれぞれ関節を介して回転自在に連結される2本の脚部を備えた2足歩行の脚式歩行ロボットにおいて、前記関節を駆動する駆動源を前記関節の回転軸線からオフセットさせて前記脚部の外側に配置し、よって前記2本の脚部を相対変位させるときの干渉を防止するようにしたことを特徴とする脚式歩行ロボット。
Applications Claiming Priority (3)
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