KR20010050355A

KR20010050355A - 로보트 및 로보트용 관절 장치

Info

Publication number: KR20010050355A
Application number: KR1020000052694A
Authority: KR
Inventors: 하토리유이치; 구로키요시히로; 이시다다츠조
Original assignee: 이데이 노부유끼; 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2001-06-15
Also published as: JP3435666B2; US20030173926A1; DE60020315T2; US6583595B1; DE60020315D1; CN1289665A; EP1083120B1; KR100687461B1; CN1276820C; EP1083120A3; EP1083120A2; JP2001150371A; US6917175B2

Abstract

본 발명은 적은 자유도를 이용하여 자연스러운 동작이나 표현력이 풍부한 로보트를 제공한다.

인간형 로보트는 상지와 하지와 체간부로 구성되고, 하지와 체간부를 연결하는 넓적다리 관절이 넓적다리 관절 요축, 넓적다리 관절 롤축 및 넓적다리 관절 피치축으로 이루어지는 자유도를 구비하며, 하지에 의한 2발 보행에 의한 각식 이동을 행한다. 롤축 방향에 대한 넓적다리 관절 요축의 오프셋을 임의로 설정하는 것으로, 로보트의 사용예의 변화에 동반하는 중심 이동의 영향을 흡수하고, 상지와 하지의 중량 밸런스를 유연하게 조정한다. 허리부분의 치수를 소형화하여, 균형이 잡힌 인간형 로보트를 형성한다. 또한, 방향 전환 시에 있어서의 좌우 발바닥끼리의 간섭을 회피한다.

Description

로보트 및 로보트용 관절 장치{Robot And Knuckle Apparatus For Robot}

본 발명은 생체의 메카니즘이나 동작을 모방한 구조를 가지는 사실적인 로보트에 관한 것으로, 특히, 예를 들면 인간이나 원숭이 등의 직립 보행형의 신체 메카니즘이나 동작을 모방한 구조를 가지는 각식 이동(脚式移動)형의 로보트에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은, 2발 직립 보행에 의한 각식 이동을 행함과 동시에 다리부의 위에는 몸통이나 머리부, 팔 등의 이른바 상반신이 탑재되어 이루어지는 직립 보행·각식 이동형의 로보트에 관한 것으로, 특히, 인체 등 현실의 신체 메카니즘보다도 훨씬 적은 자유도를 이용하여 인간에 가까운 자연스러운 동작이나 표현력이 풍부한 동작을 실현하는 로보트에 관한 것이다.

전기적 또는 자기적인 작용을 사용하여 인간의 동작과 비슷한 운동을 행하는 기계장치인 것을 「로보트」라고 한다. 로보트의 어원은, 슬라브어의 "R0B0TA(노예기계)"에 유래한다고 일컬어진다. 우리나라에서 로보트가 보급되기 시작한 것은 1960년대말부터이지만, 그 대부분은 공장에 있어서의 생산작업의 자동화·무인화등을 목적으로 한 메니퓰레이터(manipulator)나 반송 로보트 등의 산업용 로보트(industrial robot)이었다.

최근에는, 인간이나 원숭이 등의 2발 직립 보행을 하는 동물의 신체 메카니즘이나 동작을 모방한 각식 이동 로보트에 관한 연구개발이 진전하여, 실용화에 대한 기대도 높아지고 있다. 2발 직립에 의한 각식 이동은, 계단을 오르거나 장애물을 넘는 등, 유연한 주행 동작을 실현할 수 있다는 점에서 우수하다.

각식 이동 로보트는 직립하는 5체 모두를 장비한 형태가 아니라, 요소기술로서의 하지부분만에 의한 각식 이동에 관한 연구로부터 출발하였다는 역사적 경위가 있다.

예를 들면, 일본 특개평3-184782호 공보에는, 각식 보행 로보트중, 몸통으로부터 아래에 상당하는 구조체에 적용되는 관절구조에 대하여 개시하고 있다.

또한, 일본 특개평5-305579호 공보에는, 각식 이동 로보트의 보행 제어 장치에 대하여 개시하고 있다. 상기 공보에 기재된 보행 제어 장치는, ZMP(Zero Moment Point) 즉 보행할 때의 상반력(床反力)에 의한 모멘트가 제로가 되는 상면(床面)상의 점을 목표치에 일치시키도록 제어하는 것이다. 단, 상기 공보에 기재된 도 1을 보더라도 알 수 있는 바와 같이, 모멘트를 작용하는 몸통(24)은 블랙박스화 되어 있고, 5체 모두가 완성된 상태가 아니라, 요소기술로서의 각식 이동의 제안에 머무른다.

그러나, 각식 이동 로보트의 궁극적인 목적은, 말할 필요도 없이 5체를 완비한 구조체의 완성이다. 즉, 2발 보행을 하는 하지와, 몸통이나 머리부, 팔 등으로 이루어지는 상지와, 이들 하지와 상지를 연결하는 체간부로 구성된 구조체로 2발에 의한 직립 보행을 하는 것에 있다. 5체가 완성된 로보트는, 2발을 사용한 직립·각식 이동 작업을 전제로 하고, 인간의 주거 공간에서 행하는 작업의 각 장면에 있어서, 상지, 하지, 및 체간부를 소정의 우선 순위에 따라서 협조 동작하도록 제어할 필요가 있다.

특히, 인간의 메카니즘이나 동작을 에뮬레이트(emulate)한 각식 이동 로보트를 「인간형」, 또는 「인간형」의 로보트(humanoid robot)라고 부른다. 인간형 로보트는, 예를 들면, 생활 지원, 즉 주거 환경과 그 밖의 일상 생활상의 여러가지 장면에 있어서의 인적 활동의 지원 등을 행할 수 있다.

각식 이동 로보트는, 종래와 같은 산업목적인 것과, 엔터테인먼트 목적인 것으로 대별할 수 있다.

전자의 산업목적의 로보트는, 산업활동·생산활동 등에 있어서의 각종의 어려운 작업을 인간 대신에 대행하는 것을 의도한다. 그 일 예는, 원자력 발전 플랜트나 화력 발전 플랜트, 석유 화학 플랜트에 있어서의 보수 작업, 제조공장이나 고층빌딩에 있어서와 같은 위험한 작업·어려운 작업의 대행이다. 이 종류의 로보트는, 산업상의 특정한 용도 또는 기능을 실현하는 것이 설계·제작상의 지상의 주제이고, 2발 보행을 전제로는 하지만, 인간이나 원숭이 등 직립 보행동물이 원래 가지는 신체 메카니즘이나 동작을 기계장치로서 반드시 충실하게 재현할 필요는 없다. 예를 들면, 특정 용도를 실현하기 위해서 손끝 등 특정한 부위의 자유도나 동작기능을 강화하는 한편, 용도에는 비교적 관계가 낮아지는 머리부나 허리부 등의 자유도를 제한하거나 또는 생략한다. 상기 결과, 2발 보행이라고 하더라도, 로보트의 작업이나 동작의 외관상에서 부자연함이 남는 경우가 있지만, 설계의 편의상, 이러한 점은 타협하지 않을 수 없다.

이것에 대하여, 후자의 엔터테인먼트 목적의 각식 이동 로보트는, 어려운 작업을 대행한다는 생활지원이라고 하기 보다도, 생활 그자체에 밀착한 성질을 가진다. 즉, 이 종류의 로보트는, 인간이나 원숭이 등의 2발의 직립 보행을 하는 동물이 원래 가지는 메카니즘을 충실하게 재현하고, 그 자연스럽고 원활한 동작을 실현하는 것을 지상의 목적으로 한다. 또한, 엔터테인먼트·로보트는, 인간이나 원숭이 등의 지성이 높은 직립동물을 에뮬레이트하는 이상, 표현력이 풍부한 것이 바람직하다. 이 의미에 있어서, 인간을 모방한 엔터테인먼트·로보트는, 그야말로 「인간형 로보트」라고 부르는 것에 상응한다.

결국, 전적으로 각식 이동 로보트라고 하더라도, 엔터테인먼트 목적의 로보트는, 산업목적 로보트와는 요소기술을 공유하는 반면, 궁극 목표나 이것을 실현하는 하드웨어·메카니즘, 동작의 제어방법은 전혀 다르다고 하더라도 과언이 아니다.

이미 주지하는 바와 같이, 인체는 수백의 관절 즉 수백에 이르는 자유도를 구비하고 있다. 끝없이 인간과 가까운 동작을 각식 이동 로보트에 부여하기 위해서는, 거의 같은 자유도를 부여하는 것이 바람직하지만, 이것은 기술적으로는 극히 곤란하다. 왜냐하면, 1개의 자유도에 대하여 각 1개의 액추에이터를 배치할 필요가 있지만, 수백의 액추에이터를 로보트라는 기계장치상에 실장하는 것은, 제조 비용의 점에서도, 중량이나 사이즈 등 설계의 관점에서도 불가능과 같다. 또한, 자유도가 많으면, 그 만큼 위치·동작 제어나 밸런스 제어 등을 위한 계산량이 지수 함수적으로 증대하여 버린다.

이상을 요약하면, 인간형 로보트는, 제한된 자유도를 사용하여 인체 메카니즘을 에뮬레이트하지 않으면 안된다. 엔터테인먼트 목적의 로보트의 경우, 더욱이, 인체보다도 훨씬 적은 자유도를 이용하여 보다 인간에게 가까운 자연스러운 동작이나, 표현력이 풍부한 동작을 실현하지 않으면 안된다는 요건이 부과되는 것이다.

또한, 2발 직립 보행을 하는 각식 이동 로보트는, 유연한 주행 동작(예를 들면 계단을 오르거나 장애물을 넘는 등)을 실현할 수 있는 점에서 우수한 반면, 중심 위치가 높아지기 때문에, 그 만큼 자세 제어나 안정 보행 제어가 어렵게 된다. 특히, 엔터테인먼트형의 로보트의 경우, 인간이나 원숭이 등의 지성 동물에 있어서의 자연스러운 동작이나 감정을 풍부하게 표현하면서 자세나 안정 보행을 제어하지 않으면 안된다.

각식 이동 로보트의 안정 보행에 관해서는, 이미 수많은 제안이 이루어져 있다. 예를 들면, 일본 특개평5-305579호 공보에 기재된 각식 이동 로보트는, ZMP(Zero Moment Point), 즉 보행할 때의 상반력에 의한 모멘트가 제로가 되는 상면상의 점을 목표치에 일치시키도록 하여 안정 보행을 행하도록 되어 있다.

또한, 일본 특개평5-305581호 공보에 기재된 각식 이동 로보트는, ZMP가 지지 다면체(다각형) 내부, 또는, 착지, 상면 이탈 시에 ZMP가 지지 다면체(다각형)의 단부로부터 적어도 소정의 여유를 가지는 위치에 있도록 구성하였다. 상기 결과, 외부로부터의 곤란 등을 받더라도 소정 거리만큼 ZMP의 여유가 있고, 보행의 안정성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 일본 특개평5-305583호 공보에는, 각식 이동 로보트의 보행 속도를 ZMP 목표위치에 의해서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 상기 공보에 기재된 각식 이동 로보트는, 미리 설정된 보행 패턴·데이터를 사용하여, ZMP를 목표위치에 일치시키도록 다리부 관절을 구동함과 동시에, 상체의 경사를 검출하여 그 검출치에 따라서 설정된 보행 패턴·데이터의 토출 속도를 변경하도록 하고 있다. 상기 결과, 예기하지 않는 요철을 밟아 로보트가 예를 들면 전방측 경사질 때는 토출 속도를 빠르게 함으로써 자세를 회복할 수 있다. 또한 ZMP가 목표위치로 제어할 수 있기 때문에, 양 다리 지지기에 있어서 토출 속도를 변경하여도 지장이 없다.

또한, 일본 특개평5-305585호 공보에는, 각식 이동 로보트의 착지 위치를 ZMP 목표위치에 의해서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 상기 공보에 기재된 각식 이동 로보트는, ZMP 목표위치와 실측위치의 어긋남을 검출하고, 그것을 해소하도록 다리부의 한쪽 또는 쌍방을 구동하거나, 또는, ZMP 목표 위치 주위에 모멘트를 검출하여 그것이 0이 되도록 다리부를 구동하는 것으로 안정 보행을 행하도록 되어 있다.

또한, 일본 특개평5-305586호 공보에는, 각식 이동 로보트의 경사 자세를 ZMP 목표위치에 의해서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 상기 공보에 기재된 각식 이동 로보트는, ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하고, 모멘트가 생기고 있을 때는, 그것이 0이 되도록 다리부를 구동하는 것으로 안정 보행을 행하도록 되어 있다.

그러나, 상술한 제안의 모두, 인간이나 원숭이 등의 지성동물에 있어서의 자연스러운 동작이나 감정을 풍부하게 표현하면서 자세나 안정 보행을 제어하는 점에 대해서는 전혀 언급하지 않고 있다.

또한, 야마구치 외저의 논문 「2발 보행형 휴머노이드·로보트의 개발」{제 3회 로보틱스심포지엄(1998년 5월7일, 8일)}에 기재된 로보트 "WABIAN(Waseda Bipedal humanoid)"는, 하지 뿐만 아니라, 상지 및 체간을 장비한, 즉 5체가 완성된 「인간형 로보트」이다. WABIAN은, 전신 협조형 동작 보행을 목적으로서 개발된 것이고, 도 13 및 도 14에는, WABIAN의 모식적인 조립 구성도를 도시하고 있다. WABIAN은, 전신 강조 운동에 의한 이동 작업을 해결 과제로서 설계·제작되어, 체간 또는 체간·허리 협조의 3축 모멘트 보상 동작에 의해서 ZMP 및 ZMP 상의 요축 모멘트를 제어하는 것으로, 임의의 하지 및 손끝 궤도나 체간 궤도에 있어서 동작 보행의 실현을 도모한 것이다. 각 도면에 도시된 기계 모델은 주요 구성 부재로서 초 두랄루민(duralumin)을 사용하여, 총 중량 107[kg], 직립 정지 상태에서의 전체 길이는 1.66[m]이다.

본 발명의 목적은, 인간의 신체 메카니즘이나 동작을 모방한 구조를 가지는 뛰어난 로보트를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 2발 보행에 의한 각식 이동을 행함과 동시에 다리부의 위에는 몸통이나 머리부, 팔 등의 소위 상반신이 탑재되어 이루어지는, 뛰어난 로보트를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 인체보다도 훨씬 적은 자유도를 사용하여 인간에 가까운 자연스러운 동작이나 표현력이 풍부한 동작을 실현할 수 있는, 뛰어난 로보트를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 인간이나 원숭이 등의 지성동물에 있어서의 자연스러운 동작이나 감정을 풍부하게 표현하면서 자세나 안정 보행을 제어할 수 있는, 뛰어난 로보트를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 상기 과제를 참작하여 이루어진 것으로, 그 제 1 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 하지와 상기 체간부를 연결하는 넓적다리 관절이 적어도 넓적다리 관절 요축을 포함하는 관절 자유도를 구비함과 동시에,

상기 넓적다리 관절 요축의 상기 넓적다리 관절에 대한 롤축 방향의 오프셋을 임의로 설정 가능한 오프셋 설정기구를 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 2 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축에는, 상기 넓적다리 관절에 대한 롤축 방향의 오프셋이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 3 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

발끝의 방향 전환을 행하기 위한 넓적다리 관절 요축이 발에 의한 보행을 행하기 위한 넓적다리 관절의 위치에 대하여 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

본 발명의 제 1 내지 제 3 측면에 따른 로보트는, 넓적다리 관절 위치에 대한 넓적다리 관절 요축의 오프셋량을 조절할 수 있는 결과로서, 사용형태 등에 따른 중심 이동의 영향을 흡수하고, 상지와 하지의 중량 밸런스를 유연하게 조정하며, 원활하고 자연스러운 직립 보행을 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 넓적다리 관절 요축에 오프셋을 부여하는 것에 의해, 허리에 상당하는 부분의 치수를 보다 소형으로 형성할 수 있고, 각 기구 유닛간의 치수 비율(균형)이 조정된, 즉, 인간이나 원숭이 등의 직립 보행 동물의 자연체에 의해 가까운 외관을 가지는, 균형이 잡힌 로보트를 형성할 수 있다.

또한, 넓적다리 관절 요축이 넓적다리 관절 위치에 대하여 진행 방향 후방에 오프셋을 가지는 경우, 로보트 전체의 중심위치는 넓적다리 관절 요축보다도 전방에 존재한다. 따라서, 피치방향의 안정성을 확보하기 위해서는, 넓적다리 관절 요축은 좌우의 각 발바닥의 중심위치보다도 후방에 놓여진다. 이러한 경우, 발바닥의 방향 전환을 위해 한쪽의 넓적다리 관절 요축을 회전시키더라도, 좌우의 발바닥끼리의 간섭을 경감시킬 수 있다. 즉, 넓적다리 폭을 확장하지 않아도 충분하기 때문에, 안정적인 2발 보행을 행하기 위한 자세 제어가 용이하게 된다.

또한, 본 발명의 제 4 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축의 상기 체간부에 대한 롤축 방향의 오프셋을 임의으로 설정 가능한 오프셋 설정기구를 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 5 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축에는, 상기 체간부에 대한 롤축 방향의 오프셋이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 6 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

발끝의 방향 전환을 행하기 위한 넓적다리 관절 요축이 상기 체간부에 대하여 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

본 발명의 제 4 내지 제 6 측면에 따른 로보트는, 체간부에 대한 넓적다리 관절 요축의 오프셋량을 조절할 수 있는 결과로서, 이러한 중심 이동의 영향을 흡수하고, 상지와 하지의 중량 밸런스를 유연하게 조정하며, 원활하고 자연스러운 직립 보행을 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 2발 보행을 하는 인간 등의 기본 동작은, 전방측 경사 자세를 기조로 한다. 따라서, 인간의 허리에 상당하는 체간부가 전방에 있는 편이, 인간의 자연스러운 동작을 표현하기 쉽다. 상기 제 4 내지 제 6 의 각 측면에 따른 로보트에 의하면, 체간부에 대한 넓적다리 관절 요축의 오프셋을 롤축 방향에 설치하는 것에 의해서, 인간의 보행 동작을 충실하게 에뮬레이트할 수 있다.

또한, 오프셋을 설정하여 로보트 전체의 중심 위치를 약간 전방으로 이동시키는 것에 의해, 보행중의 동적인 중량 밸런스를 잡기 쉽게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 7 측면은, 적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 체간부는 상기 하지에 대하여 롤축 방향의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 8 측면은, 상지와 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 인간형 로보트에 있어서,

상기 상지는 상기 하지에 대하여 롤축 방향의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 9 측면은, 적어도 하지와 체간부가 거의 연직인 체축 방향에 따라서 장착되고, 넓적다리 관절의 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도에 의해서 개각(開脚) 동작을 실현하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축은 상기 체축에 대하여 소정의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 10 측면은, 적어도 하지와 체간부가 거의 연직인 체축 방향에 따라서 장착되고, 넓적다리 관절의 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도에 의해서 개각 동작을 실현하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축은 상기 체축에 대하여 롤축 부방향에 소정의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트이다.

또한, 본 발명의 제 11 측면은, 다관절로 구성되는 로보트용 관절 장치에 있어서,

적어도 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도를 구비함과 동시에, 상기 요축은 상기 롤축 및 피치축에 대한 직교축에 대하여 상기 롤축 방향에 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트용 관절 장치이다.

또한, 본 발명의 제 12 측면은, 다관절로 구성되는 로보트용 관절 장치에 있어서,

적어도 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도를 구비함과 동시에, 상기 요축은 상기 롤축 및 피치축의 쌍방에 대하여 비틀린 위치에 있는 것을 특징으로 하는 로보트용 관절 장치이다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징이나 이점은, 후술하는 본 발명의 실시예나 첨부된 도면에 의거하는 상세한 설명에 의해서 분명하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시에 제공되는 인간형 로보트(100)를 전방으로부터 조망한 모양을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시에 제공되는 인간형 로보트(100)를 후방으로부터 조망한 모양을 도시한 도면.

도 3은 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)가 구비하는 자유도 구성 모델을 모식적으로 도시한 도면.

도 4는 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시한 도면.

도 5는 본 실시예에 따른 자유도 구성 모델을 시상면으로부터 조망한 도면.

도 6은 넓적다리 관절 요축(16)이 넓적다리 관절 위치에 대하여 롤 방향에 오프셋을 가지지 않는 경우의, 좌우 발바닥(22R/L)과 넓적다리 관절 요축(16)의 위치 관계를 모식적으로 도시한 도면.

도 7은 넓적다리 관절 요축(16)이 넓적다리 관절 위치에 대하여 롤 방향에 오프셋을 가지지 않는 경우의, 좌우 발바닥(22R/L)과 넓적다리 관절 요축(16)의 위치 관계를 모식적으로 도시한 도면.

도 8은 인간형 로보트(100)의 넓적다리 사이 및 대형 몸체 부분을 추출하고 또한 확대하여 도시한 시상면도.

도 9는 인간형 로보트(100)의 넓적다리 사이 및 대형 몸체 부분을 추출하고 또한 확대하여 도시한 전두면도.

도 10은 넓적다리 관절 요축(16)에 대하여 오프셋을 설정하기 위한 기구를 설명하기 위한 도면.

도 11은 하지에 대하여 넓적다리 관절 요축(16)을 롤축 방향의 최대 오프셋 위치에서 장착한 모양을 도시한 단면도.

도 12는 인간형 로보트(100)의 동작 방향을 도시하는 좌표계를 도시한 도면.

도 13은 2발 보행형 휴머노이드·로보트("WABIAN")의 모식적인 구성도(전두면도)를 도시한 도면.

도 14는 2발 보행형 휴머노이드·로보트("WABIAN")의 모식적인 구성도(시상면도)를 도시한 도면.

도 15는 인간형 로보트의 관절 모델 구성을 모식적으로 도시한 도면.

도 16은 인간형 로보트의 관절 모델 구성을 모식적으로 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 머리부 2: 목 관절 요축

3: 목 관절 피치축 4: 목 관절 롤축

5: 체간 피치축 6: 어깨 관절 롤축

7: 체간 요축 8: 어깨 관절 피치축

9: 어깨 관절 롤축 10: 위팔 요축

11: 팔꿈치 관절 피치축 12: 앞팔 요축

13: 손목 관절 피치축 14: 손목 관절 롤축

15: 손부 16: 넓적다리 관절 요축

17: 넓적다리 관절 피치축 18: 넓적다리 관절 롤축

19: 무릎 관절 피치축 20: 발목 관절 피치축

21: 발목 관절 롤축 22: 발부

30: 머리부 유닛 40: 몸통 유닛

50: 팔부 유닛 51: 위팔 유닛

52: 팔꿈치 관절 유닛 53: 앞팔 유닛

60: 다리부 유닛 61: 대퇴부 유닛

62: 무릎 관절 유닛 63: 정강이부 유닛

80: 제어 유닛 81: 주제어부

82: 주변회로 91, 92: 접지 확인 센서

93: 자세 센서 100: 인간형 로보트

본 발명의 실시예를 개시하기 전에, 본 명세서에 있어서 로보트의 자유도 등을 표현하기 위해서 사용하는 좌표계에 대하여 정의하여 둔다.

본 실시예에서는, 로보트의 진행방향을 X축으로 하고, 좌우방향을 Y축(단, 우측 방향을 정방향이라고 한다)으로 하고, 연직방향을 Z축으로 한다. 당업계에서는, XZ 평면을 「시상면」이라고 부르고, 로보트가 정면을 향하는 YX 평면을 「전두면(前頭面)」이라고 부르는 것이 일반적이다.

또한, 도 12에 도시하는 바와 같이, 진행방향 즉 X축 주위의 회전을 「롤(roll)」이라고 부르고, 좌우 방향 즉 Y축 주위의 회전을 「피치(pitch)」라고 부르고, 연직방향 즉 Z축 주위의 회전을 「요(yaw)」라고 부른다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에는 본 발명의 실시에 제공되는 인간형 로보트(100)를 전방 및 후방의 각각으로부터 조망한 모양을 도시하고 있다. 더욱이, 도 3에는, 상기 인간형 로보트(100)가 구비하는 자유도 구성을 모식적으로 도시하고 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 인간형 로보트(100)는, 2개의 팔부와 머리부(1)를 포함하는 상지와, 이동 동작을 실현하는 2개의 다리부로 이루어지는 하지와, 상지와 하지를 연결하는 체간부로 구성된다.

머리부(1)를 지지하는 목 관절은, 목 관절 요축(2)과, 목 관절 피치축(3)과, 목 관절 롤축(4)이라는 3자유도를 가지고 있다.

또한, 각 팔부는, 어깨 관절 피치축(8)과, 어깨 관절 롤축(9)과, 위팔 요축(10)과, 팔꿈치 관절 피치축(11)과, 앞팔 요축(12)과, 손목 관절 피치축(13)과, 손목 관절 롤축(14)과, 손부(15)로 구성된다. 손부(15)는, 실제로는, 복수개의 손가락을 포함하는 다관절·다자유도 구조체이다. 단, 손부(15)의 동작은 로보트(100)의 자세 제어나 보행 제어에 대한 기여나 영향이 적기 때문에, 본 명세서에서는 제로 자유도라고 가정한다. 따라서, 각 팔부는 7자유도를 가지는 것으로 한다.

또한, 체간부는, 체간 피치축(5)과, 체간 롤축(6)과, 체간 요축(7)이라는 3자유도를 가진다. 본 명세서중에서는, 체간 피치축(5)과 체간 롤축(6)의 교점은 「체간부」의 위치를 정의하는 것으로 한다.

또한, 하지를 구성하는 각각의 다리부는, 넓적다리 관절 요축(16)과, 넓적다리 관절 피치축(17)과, 넓적다리 관절 롤축(18)과, 무릎 관절 피치축(19)과, 발목 관절 피치축(20)과, 발목 관절 롤축(21)과, 발부(22)로 구성된다. 본 명세서중에서는, 넓적다리 관절 피치축(17)과 넓적다리 관절 롤축(18)의 교점은 「넓적다리 관절」위치를 정의하는 것으로 한다. 인체의 발부(22)는 실제로는 다관절·다자유도의 발바닥을 포함한 구조체이지만, 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)의 발바닥은 제로 자유도로 한다. 따라서, 각 다리부는 6자유도로 구성된다.

이상을 총괄하면, 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100) 전체로서는, 합계 3+7×2+3+6×2=32 자유도를 가지게 된다. 단, 엔터테인먼트용의 인간형 로보트(100)가 반드시 32 자유도에 한정되는 것은 아니다. 설계상, 제작상의 제약 조건이나 요구수단 등에 따라서, 자유도 즉 관절수를 적절하게 증감할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

상술한 바와 같은 인간형 로보트(100)가 가지는 각 자유도는, 실제제로는 액추에이터를 사용하여 실장된다. 외관상에서 여분의 불룩함을 배제하여 인간의 자연체 형상에 근사시키는 것, 2발 보행이라는 불안정 구조체에 대하여 자세 제어를 행하는 것 등의 요구로부터, 액추에이터는 소형 또한 경량인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 기어 직결형이며 또한 서보 제어계를 원칩(one-chip)화 하여 모터·유닛에 내장한 타입의 소형 AC 서보 액추에이터를 탑재하는 것으로 하였다. 또, 이 종류의 AC 서보 액추에이터에 대해서는, 예를 들면 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 일본 특원평11-33386호 명세서에 개시되어 있다.

도 4에는, 인간형 로보트(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 인간형 로보트(100)는, 인간의 사지를 표현한 각 기구 유닛(30, 40, 50R/L, 60R/L)과, 각 기구 유닛간의 협조 동작을 실현하기 위한 적응 제어를 행하는 제어 유닛(80)으로 구성된다(단, R 및 L의 각각은, 우측 및 좌측의 각각을 나타내는 접미사이다. 이하 동일).

인간형 로보트(100) 전체의 동작은, 제어 유닛(80)에 의해서 총괄적으로 제어된다. 제어 유닛(80)은, CPU(Central Processing Unit)나 메모리 등의 주요 회로 소자(도시하지 않음)로 구성되는 주제어부(81)와, 전원회로나 로보트(100)의 각 구성 요소와의 데이터나 커맨드의 교환을 행하는 인터페이스(모두 도시하지 않음) 등을 포함한 주변회로(82)로 구성된다.

본 발명을 실현하는 데에 있어서, 이 제어 유닛(80)의 배치 장소는 특히 한정되지 않는다. 도 4에서는 몸통 유닛(40)에 탑재되어 있지만, 머리부 유닛(30)에 탑재하여도 좋다. 또는, 로보트(100)의 외부에 제어 유닛(80)을 배치하여, 로보트(100) 본체와는 유선 또는 무선으로 교신하도록 하여도 좋다.

도 3에 도시한 로보트(100)내의 각 자유도는, 각각 대응하는 관절 액추에이터에 의해서 실현된다. 즉, 머리부 유닛(30)에는, 목 관절 요축(2), 목 관절 피치축(3), 목 관절 롤축(4)의 각각을 표현하는 목 관절 요축 액추에이터(A₂), 목 관절 피치축 액추에이터(A₃), 목 관절 롤축 액추에이터(A₄)가 배치되어 있다.

또한, 몸통 유닛(40)에는, 체간 피치축(5), 체간 롤축(6), 체간 요축(7)의 각각을 표현하는 체간 피치축 액추에이터(A₅), 체간 롤축 액추에이터(A₆), 체간 요축 액추에이터(A₇)가 배치되어 있다.

또한, 팔부 유닛(50R/L)은, 위팔 유닛(51R/L)과, 팔꿈치 관절 유닛(52R/L)과, 앞팔 유닛(53R/L)으로 세분화 되지만, 어깨 관절 피치축(8), 어깨 관절 롤축(9), 위팔 요축(10), 팔꿈치 관절 피치축(11), 팔꿈치 관절 롤축(12), 손목 관절 피치축(13), 손목 관절 롤축(14)의 각각을 표현하는 어깨 관절 피치축 액추에이터(A₈), 어깨 관절 롤축 액추에이터(A₉), 위팔 요축 액추에이터(A₁₀), 팔꿈치 관절 피치축 액추에이터(A₁₁), 팔꿈치 관절 롤축 액추에이터(A₁₂), 손목 관절 피치축 액추에이터(A₁₃), 손목 관절 롤축 액추에이터(A₁₄)가 배치되어 있다.

또한, 다리부 유닛(60R/L)은, 대퇴부 유닛(61R/L)과, 무릎 유닛(62R/L)과, 정강이부 유닛(63R/L)으로 세분화 되지만, 넓적다리 관절 요축(16), 넓적다리 관절 피치축(17), 넓적다리 관절 롤축(18), 무릎 관절 피치축(19), 발목 관절 피치축(20), 발목 관절 롤축(21)의 각각을 표현하는 넓적다리 관절 요축 액추에이터(A₁₆), 넓적다리 관절 피치축 액추에이터(A₁₇), 넓적다리 관절 롤축 액추에이터(A₁₈), 무릎 관절 피치축 액추에이터(A₁₉), 발목 관절 피치축 액추에이터(A₂₀), 발목 관절 롤축 액추에이터(A₂₁)가 배치되어 있다.

각 액추에이터(A₂, A₃…)는, 보다 바람직하게는, 기어 직결형이며 또한 서보제어계를 원칩화 하여 모터·유닛내에 탑재한 타입의 소형 AC 서보 액추에이터(상술)이다.

머리부 유닛(30), 몸통 유닛(40), 팔부 유닛(50), 각 다리부 유닛(60) 등의 각 기구 유닛마다, 액추에이터 구동 제어용의 부제어부(35, 45, 55, 65)가 배치되어 있다. 더욱이, 각 다리부(60R, L)의 발바닥이 착상(着床)하였는지의 여부를 검출하는 접지 확인 센서(91 및 92)를 장착함과 동시에, 몸통 유닛(40)내에는, 자세를 계측하는 자세 센서(93)를 장착하고 있다.

주제어부(80)는, 각 센서(91 내지 93)의 출력에 응답하여 부제어부(35, 45, 55, 65)에 대하여 적응적인 제어를 행하고, 인간형 로보트(100)의 상지, 체간, 및 하지의 협조된 동작을 실현한다. 주제어부(81)는, 유저·커맨드 등에 따라서, 발부 운동, ZMP(Zero Moment Point) 궤도, 체간 운동, 상지 운동, 허리부의 자세 및 높이 등을 설정함과 동시에, 이들의 설정 내용에 따른 동작을 지시하는 커맨드를 각 부제어부(35, 45, 55, 65)에 전송한다. 그리고, 각각의 부제어부(35, 45…)에서는 주제어부(81)로부터의 수신 커맨드를 해석하고, 각 관절 액추에이터(A₂, A₃…)에 대하여 구동 제어 신호를 출력한다.

도 5에는, 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)를 시상면으로부터 조망한 모양을 도시하고 있다. 단, 도면이 복잡하게 되는 것을 방지하기 위해, 도 3에서 도시한 관절의 일부의 묘사를 생략하고 있다. 상기 도면중에서, 지면 세로 방향의 일점쇄선은, 「체축」 즉 로보트(100)의 거의 중심 위치를 통과하는 연직축이라고 한다.

본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)의 제 1 특징은, 넓적다리 관절에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋 위치, 즉, 하지에 대한 체간부의 오프셋 위치를 롤축 방향에 임의로 설정할 수 있는 기구로 한 점이다.

여기서 말하는 넓적다리 관절의 위치는, 넓적다리 관절 피치축(17)과 넓적다리 관절 롤축(18)이 교차하는 점에서 정의된다(상술). 도 5로부터도 알 수 있는 바와 같이, 넓적다리 관절 요축(16)의 롤축 방향으로의 오프셋량은, 상지에 대한 하지의 장착 위치를 정의하는 것이다. 넓적다리 관절 요축(16)의 장착 위치가 오프셋을 가지지 않는 경우, 시상면에 있어서, 넓적다리 관절 위치와 넓적다리 관절 요축(16)이 연직방향, 즉 로보트(100) 전체의 요축 방향으로 일직선상에 나란히 배열되는 것을 의미한다. 이것에 대하여, 오프셋이 설정된 넓적다리 관절 요축(16)은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 넓적다리 관절 위치의 연직 상방에 대하여 오프셋량만큼 떨어진 위치에 있다.

생활 지원 또는 생활 밀착을 목적으로 하는 인간형 로보트(100)의 사용예는 천차만별이다. 예를 들면, 한쪽 팔 또는 양쪽 팔에 짐을 가지게 하거나, 양팔로 중량물을 껴안거나, 또는 등에 가방을 메는 경우도 있지만, 각각의 경우에 따라서 중심 위치는 크게 변동한다. 넓적다리 관절 위치에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋량을 조절할 수 있는 결과로서, 이러한 중심 이동의 영향을 흡수하여, 상지와 하지와의 중량 밸런스를 유연하게 조정하는 것이 가능해진다.

또한, 넓적다리 관절 요축(16)을 넓적다리 관절 위치에 대하여 롤축 방향에 오프셋을 설치하는 것의 다른 효과로서, 넓적다리 관절 부분의 사이즈를 소형화 할 수 있다.

로보트(100)의 각 자유도를 구성하는 액추에이터(A₂, A₃…)는, 기어 직결형의 AC 서보 액추에이터(상술)이며, 다른 타입의 서보·액추에이터보다도 소형화 되어 있지만, 액추에이터는 액추에이터의 회전축 방향 및 반경방향에 실치수를 가진다. 넓적다리 관절 요축(16)에 대하여 말하면, 해당 요축용의 액추에이터(A₁₆)는, 구조상, 넓적다리 관절부분의 높이 방향의 치수를 확장하는 작용을 가진다.

만약, 넓적다리 관절 요축(16)을 넓적다리 관절 위치와 직교하도록 배치한다면, 넓적다리 관절 피치축(17) 및 넓적다리 관절 롤축(18)의 각각을 구성하는 액추에이터(A₁₆및 A₁₈)의 직경 치수(가령 2D로 한다)와 넓적다리 관절 요축 액추에이터 (A₁₈)의 긴쪽 치수(가령 L로 한다)의 합계(=2D+L)가 인간형 로보트(100)의 넓적다리 부분의 치수가 되고, 각 기구 유닛간의 치수 비율상의 밸런스 즉 균형을 손상하게 된다. 이것에 대하여, 넓적다리 관절 요축(16)에 오프셋을 부여하는 것에 의해, 허리에 상당하는 부분의 길이치수를 2D+L보다도 작게 소형으로 형성할 수 있고, 각 기구 유닛간의 치수 비율이 일정한, 즉, 보다 인간의 자연체에 가까운 외관을 가지는 균형이 얻어진 인간형 로보트(100)를 형성할 수 있다. 이 점은, 나중에 도 8을 참조하여 후술한다.

또한, 넓적다리 관절 요축(16)을 넓적다리 관절 위치에 대하여 롤축 방향에 오프셋을 설정하는 것의 다른 것의 다른 효과로서, 보행 시(특히, 발바닥을 회전시켜 방향 전환을 행하는 경우)에 있어서의 좌우의 발바닥끼리의 간섭을 회피할 수 있다. 이 점을, 도 6 및 도 7을 참조하여 이하에 설명한다. 2발 보행식의 로보트에 있어서의 방향 전환은, 일반적으로는, 전환 방향에 발바닥 즉 발목을 회전시켜서 해당 방향으로 발을 내딛는 것에 의해서 실현된다.

넓적다리 관절 요축(16)이 넓적다리 관절 위치에 대하여 오프셋을 가지지 않는, 즉, 넓적다리 관절 위치와 넓적다리 관절 요축(16)이 연직방향 즉 요축 방향에 일직선상에 나란히 배열된 경우, 중량물이 집중하고, 인간형 로보트(100) 전체의 중심위치가 넓적다리 관절 요축(16) 근방에 수렴되어 버린다. 이 때문에, 안정 보행 즉 피치방향의 안정성을 확보하기 위해서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 좌우의 각 발목은, 발바닥(22R/L)의 중심과 거의 일치하도록 장착해야 한다.

전환방향에 발바닥을 회전시켜서 해당 방향으로 발을 내디는 것에 의해서, 2발 보행식 로보트는 방향 전환한다. 이 발바닥의 회전은, 구체적으로는 넓적다리 관절 요축(16)을 회전시키는 것에 의해서 행해진다. 그리고, 넓적다리 관절 요축(16)이 넓적다리 관절 위치에 대하여 오프셋을 가지지 않는 경우에는, 발바닥의 회전중심은 발목의 중심과 거의 일치한다. 도 6에 도시하는 바와 같이 발목이 발바닥의 중심과 거의 일치하는 경우, 한쪽의 발바닥에 회전을 가하면 그 발꿈치가 다른 쪽의 발바닥과 간섭하여 버리는, 소정 각도 이상의 극단적인 방향 전환을 행하는 것은 불가능하다.

넓적다리 폭 즉 좌우의 다리부 유닛(60R/L)의 간격을 확장하는 것에 의해서도, 도 6에 도시하는 바와 같은 좌우의 발바닥끼리의 간섭을 회피할 수 있을 것이다. 그러나, 넓적다리 폭이 넓은 2발 로보트는, 정적 즉 보행하지 않는 상태에서는 자세가 안정화 하지만, 동적 즉 보행 시에 있어서는 중심의 좌우이동이 커지고, 관성 모멘트가 작용하는 결과로서 자세 제어가 현저하게 곤란하게 된다.

이것에 대하여, 도 5에 도시하는 바와 같이 넓적다리 관절 요축(16)이 넓적다리 관절 위치에 대하여 진행방향 후방에 오프셋을 가지는 경우, 중량물이 분산하고, 인간형 로보트(100) 전체의 중심위치는 넓적다리 관절 요축(16)보다도 전방에 존재한다. 또한, 넓적다리 관절 요축(16)이 넓적다리 관절 위치에 대하여 오프셋을 가지기 때문에, 좌우의 발바닥의 회전중심은, 각각의 발목보다도 후방에 놓여진다.

이러한 경우, 방향 전환을 위해 한쪽의 넓적다리 관절 요축(16)을 회전시키더라도, 발바닥(22R 및 22L)사이의 간섭을 경감시킬 수 있다. 즉, 넓적다리 폭을 확장하지 않아도 되기 때문에, 안정적인 2발 보행을 행하기 위한 자세 제어가 용이하게 된다.

또한, 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)의 제 2 특징은, 상체 즉 체간부에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋 위치를 롤축 방향에 임의로 설정할 수 있는 기구로 한 점이다.

본 실시예에서 설명하는 체간부의 위치는, 체간 피치축(5)과 체간 롤축(6)이 교차하는 점에서 정의된다(단, 본 발명의 요지를 판단하는 데에 있어서, 체간부의 위치를 한정적으로 해석하기 위해서가 아닌, 인간이나 원숭이 등의 생체의 메카니즘과의 대비에 의해 정의하여야 한다). 도 5에서도 알 수 있는 바와 같이, 넓적다리 관절 요축(16)의 롤축 방향으로의 오프셋량은, 하지에 대한 상체의 장착 위치를 정의하는 것이다. 넓적다리 관절 요축(16)의 장착 위치가 오프셋을 가지지 않는 경우, 시상면에 있어서, 체간부의 위치와 넓적다리 관절 요축(16)이 연직방향, 즉 로보트(100) 전체의 요축 방향에 일직선상에 나란히 배열하는 것을 의미한다. 이것에 대하여, 오프셋이 설정된 넓적다리 관절 요축(16)은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 체간부 위치의 연직 하방에 대하여 오프셋량만큼 떨어진 위치에 있다.

이미 설명한 바와 같이, 생활 지원 또는 생활 밀착을 목적으로 하는 인간형 로보트(100)의 사용예는 천차만별이고, 또한, 사용예에 따라서 중심 위치는 크게 변동한다. 체간부위에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋량을 조절할 수 있는 결과로서, 이러한 중심 이동의 영향을 흡수하고, 상지와 하지의 중량 밸런스를 유연하게 조정하는 것이 가능해진다. 상기 결과, 중심위치가 비교적 높은 구조체인 로보트(100)의 직립 보행 동작을 용이하게 안정시킬 수 있다.

또한, 2발 보행을 하는 인간의 기본 동작은 전측 경사 자세를 기조로 한다. 즉, 인간의 허리에 상당하는 체간부가 전방에 있는 편이, 인간이 자연스러운 동작을 표현하기 쉽다. 본 실시예에 따른 인간형 로보트(100)에 의하면, 체간부 위치에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋을 롤축 방향에 설정하는 것에 의해서, 인간의 보행 동작을 충실하게 에뮬레이트 할 수 있다.

또한, 오프셋을 설정하여 로보트(100) 전체의 중심 위치를 약간 전방으로 이동시키는 것에 의해, 보행중의 동적인 중량 밸런스를 잡기 쉽게 할 수 있다.

도 8 및 도 9에는, 인간형 로보트(100)의 넓적다리 사이 및 대체 부분을 추출하고, 시상면 및 전두면의 각각의 면상에서 확대하여 도시하고 있다.

도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 넓적다리 관절 피치축 액추에이터(A₁₇) 및 넓적다리 관절 롤축 액추에이터(A₁₈)는 대퇴부 유닛(61)상에 장착되고, 또한, 넓적다리 관절 요축 액추에이터(A₁₈)는 브래킷(체간측 골반부; 61')상에 장착되어 있다.

도 5에 도시한 개념도에서는, 넓적다리 관절 피치축(17)과 넓적다리 관절 롤축(18)은 직교하고 있다. 그러나, 현실적으로는, 볼륨이 있는 액추에이터(A₁₇및 A₁₈)를 서로의 회전축이 직교하도록 배치하는 것은 불가능하다. 그래서, 본 실시예에서는 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 직교축 중의 한쪽인 액추에이터(A₁₇)를 피치축(17)으로부터 이간시켜 배치함과 동시에, 풀리 전달계에 의해서 현실의 피치축(17)까지 구동력을 전달하는 것으로, 피치축 및 롤축의 교차를 실현하고 있다.

상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 인간형 로보트(100)에서는, 넓적다리 관절 위치에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋(O₁)을 설정하고 있는 동시에, 넓적다리 관절 요축(16)에 대한 체간부 위치의 오프셋(O₂)을 설정하고 있다.

오프셋(O₁및 O₂)을 설정하는 것에 의해, 중심 밸런스의 조정이나 보행 시의 자세 제어를 용이하게 할 수 있는 점은 이미 설명한 바와 같다.

도 8에 도시하는 위치에 체간 피치축 액추에이터(A₅)를 배치한 경우, 체간 롤축(6)과 넓적다리 관절 롤축(18)과의 간격은, 이미 설명한 바와 같다. 이것에 대하여, 오프셋(O₂)이 설정되어 있지 않는, 즉 O₂=0으로 한 경우, 체간 피치축 액추에이터(A5)를 도 8중의 파선으로 도시한 위치에 배치할 수 밖에 없다. 상기 결과, 체간 롤축(6)과 넓적다리 관절 롤축(18)의 간격은, 도시한 바와 같이 H₂에까지 확장된다. 이것은, 인간형 로보트(100)의 허리길이가 커지는 것을 의미하며, 전신의 균형을 잃게 된다. 반대로 말하면, 본 실시예와 같이 오프셋(O₂)을 설정하는 것에 의해서, 인간형 로보트(100)는 전체적인 균형을 유지할 수 있는 것이다.

또한, 도 10에는, 넓적다리 관절 주변의 장착 부품을 확대하여 도시하고 있다.

상술한 바와 같이, 넓적다리 관절 피치축 액추에이터(A₁₇) 및 넓적다리 관절 롤축 액추에이터(A₁₈)는 대퇴부 유닛(61)상에 장착되고, 또한, 넓적다리 관절 요축액추에이터(A₁₈)는 브래킷(체간측 골반부; 61')상에 장착되어 있다. 또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, 대퇴부 유닛(61)과 브래킷(체간측 골반부; 61')은 넓적다리 관절 가변 설치부(61-1)의 4개의 나사 구멍을 통하여 장착된다. 도시하는 바와 같이, 나사 구멍은 오프셋 방향으로 신장하는 기다란 구멍 형상을 가지고 있기 때문에, 하지에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋 위치를 장착 위치에 따라서 자유롭게 설정할 수 있다.

도 11에는, 하지에 대하여 넓적다리 관절 요축(16)을 롤축 방향의 최대 오프셋위치에서 장착한 모양을 단면도로 도시하고 있다.

또한, 몸통 유닛(40; 도 11에는 도시하지 않음)과 브래킷(체간측 골반부; 61')은, 체간 가변 설치부(61-2)의 4개의 나사 구멍을 통하여 장착된다. 도시하는 바와 같이, 나사 구멍은 오프셋 방향으로 신장하는 기다란 구멍 형상을 가지고 있기 때문에, 상기하는 바와 같이, 상지에 대한 넓적다리 관절 요축(16)의 오프셋 위치를 장착 위치에 따라서 자유롭게 설정할 수 있는 것이다.

[추가 보충]

이상, 특정한 실시예를 참조하면서, 본 발명에 관해서 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 해당 실시예의 수정이나 대용을 할 수 있는 것은 자명하다.

본 명세서속에서는, 설명의 편의상 체간 피치축(5)과 체간 롤축(6)의 교점은「체간부」위치를 정의하고, 또한, 넓적다리 관절 피치축(17)과 넓적다리 관절 롤축(18)의 교점은「넓적다리 관절」 위치를 정의하는 것으로 하였지만, 체간부나 넓적다리 관절의 위치는 인간형 로보트(100)와 현실의 인간의 관절 구성 등의 신체 메카니즘과의 대비에 의해 유연하게 해석하고자 한다. 또한, 신체의 연직방향의 중심축을 의미하는 「체축」이라는 용어에 대해서도, 마찬가지로, 유연하게 해석하고자 한다.

또한, 본 발명의 요지는, 반드시 「로보트」라고 불리는 제품에 한정되지 않는다. 즉, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 비슷한 운동을 행하는 기계장치라면, 예를 들면 완구 등과 같은 다른 산업분야에 속하는 제품이라도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

결국, 예시라는 형태로 본 발명을 개시하여 온 것이고, 한정적으로 해석되어 서는 안된다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 서두에 기재한 특허청구 범위의 난을 참작하여야 한다.

참고를 위해, 인간형 로보트의 관절 모델 구성을 도 15에 도시하여 둔다. 상기 도면에 도시하는 예에서는, 어깨 관절(5)로부터 위팔(3), 팔꿈치 관절(6), 앞팔(4), 손목 관절(7) 및 손부(8)로 이루어지는 부분을 「상지부」(17)라고 부른다. 또한, 어깨 관절(5)로부터 체간 관절(10)까지의 범위를 「체간부」(9)라고 부르고, 인간의 몸통에 상당한다. 또한, 넓적다리 관절(11)로부터 체간 관절(10)까지의 범위를 「허리부」(18)이라고 부른다. 체간 관절(10)은 인간의 등뼈가 가지는 자유도를 실현하는 작용을 가진다. 또한 넓적다리 관절(11)로부터의 아래의 대퇴부(12), 무릎 관절(14), 하퇴부(13), 발목 관절(15) 및 발부(16)로 이루어지는 부분을 「하지부」(19)라고 부른다. 일반적으로 체간 관절(10)보다 상방을 「상체(또는 상반신)」이라고 부르고, 그것보다 하방을 「하체(또는 하반신)」이라고 부른다.

또한 도 16에는 인간형 로보트의 다른 관절 모델 구성를 도시하고 있다. 상기 도면에 도시하는 예는 체간 관절(10)을 가지지 않는 점에서 도 15에 도시한 예와는 상이하다. 각부의 명칭에 대해서는 도면을 참조하고자 한다. 등뼈에 상당하는 체간 관절이 생략되는 결과로서 인간형 로보트의 상체의 동작은 표현력을 잃는다. 단, 위험한 작업이나 또한 작업의 대행 등, 산업 목적의 인간형 로보트의 경우, 상체의 동작을 필요로 하지 않는 경우가 있다. 또한 도 15 및 도 16에서 사용한 참조번호는 그 이외의 도면과는 일치하지 않는 점을 이해하고자 한다.

이상 상세하게 기재한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 인간의 신체 메카니즘이나 동작을 모방한 구조를 가지는 인간형 로보트를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 2족 보행에 의한 각식이동을 행하는 동시에 다리부의 위에는 몸통이나 머리부, 팔 등의 이른바 상반신이 탑재되어 있는, 우수한 인간형 로보트를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 인체보다도 훨씬 적은 자유도를 이용하여 인간에 근접한 자연스러운 동작이나, 표현력이 풍부한 동작을 표현할 수 있는, 우수한 인간형 로보트를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 인간형 로보트는 상지와 하지와 체간부로 구성되고, 하지의 2발 보행에 의한 각식 이동을 행하는 타입의 인간형 로보트로서, 상기 하지와 상기 체간부를 연결하는 넓적다리 관절 요축, 넓적다리 관절 롤축 및 넓적다리 관절 피치축으로 이루어지는 자유도를 구비하지만, 롤축 방향에 대한 넓적다리 관절 요축의 오프셋을 임의로 설정할 수 있다.

상기 결과, 로보트의 사용형태의 변화에 따른 중심 이동의 영향을 흡수하고, 상지와 하지의 중량 밸런스를 유연하게 조정하는 것이 가능해진다.

또한, 넓적다리 관절 요축으로 오프셋을 부여하는 것에 의해, 허리길이 즉 허리에 상당하는 부분의 길이 치수를 보다 작게 소형으로 형성할 수 있고, 각 기구 유닛간의 치수 비율이 조정된, 즉, 보다 인간의 자연체에 가까운 외관을 가지는 인간형 로보트를 형성할 수 있다.

또한, 넓적다리 관절 요축이 넓적다리 관절 위치에 대하여 진행 방향 후방에 오프셋을 가지는 경우, 인간형 로보트 전체의 중심위치는 넓적다리 관절 요축보다도 전방에 존재한다. 따라서, 피치방향의 안정성을 확보하기 위해서는, 좌우의 각 발목은 각각 발바닥의 중심위치보다도 후방에 놓여진다. 이러한 경우, 발바닥의 방향 전환을 위해 한쪽의 넓적다리 관절 요축을 회전시키더라도, 좌우의 발바닥끼리의 간섭(도 6에 도시하는 바와 같은, 한쪽의 발의 발뒤꿈치가 다른쪽의 발바닥과 충돌하는 사태)을 경감시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 인간형 로보트에 의하면, 전측 경사 자세를 기조로 하는 2족 보행을 하는 인간의 기본 동작을 충실하게 에뮬레이트할 수 있다.

또한, 오프셋을 설정하여 로보트 전체의 중심위치를 약간 전방으로 이동시키는 것에 의해, 보행중의 동적인 중량 밸런스를 잡기 쉽게 할 수 있다.

Claims

적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 하지와 상기 체간부를 연결하는 넓적다리 관절이 적어도 넓적다리 관절 요축을 포함하는 관절 자유도를 구비함과 동시에,

상기 넓적다리 관절 요축의 상기 넓적다리 관절에 대한 롤축 방향의 오프셋을 임의로 설정 가능한 오프셋 설정기구를 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 하지와 상기 체간부를 연결하는 넓적다리 관절이 적어도 넓적다리 관절 요축을 포함하는 관절 자유도를 구비함과 동시에,

상기 넓적다리 관절 요축에는, 상기 넓적다리 관절에 대한 롤축 방향의 오프셋이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

발끝의 방향 전환을 행하기 위한 넓적다리 관절 요축이 발에 의한 보행을 행하기 위한 넓적다리 관절의 위치에 대하여 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 하지와 상기 체간부를 연결하는 넓적다리 관절이 적어도 넓적다리 관절 요축을 포함하는 관절 자유도를 구비함과 동시에,

상기 넓적다리 관절 요축의 상기 체간부에 대한 롤축 방향의 오프셋을 임의으로 설정 가능한 오프셋 설정기구를 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 하지와 상기 체간부를 연결하는 넓적다리 관절이 적어도 넓적다리 관절 요축을 포함하는 관절 자유도를 구비함과 동시에,

상기 넓적다리 관절 요축에는, 상기 체간부에 대한 롤축 방향의 오프셋이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

발끝의 방향 전환을 행하기 위한 넓적다리 관절 요축이 상기 체간부에 대하여 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 체간부는 상기 하지에 대하여 롤축 방향의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
상지와 하지와 체간부로 구성되고, 하지에 의한 각식 이동을 행하는 형태의 인간형 로보트에 있어서,

상기 상지는 상기 하지에 대하여 롤축 방향의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부가 거의 연직인 체축 방향에 따라서 장착되고, 넓적다리 관절의 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도에 의해서 개각 동작을 실현하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축은 상기 체축에 대하여 소정의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
적어도 하지와 체간부가 거의 연직인 체축 방향에 따라서 장착되고, 넓적다리 관절의 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도에 의해서 개각 동작을 실현하는 형태의 로보트에 있어서,

상기 넓적다리 관절 요축은 상기 체축에 대하여 롤축 부방향에 소정의 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트.
다관절로 구성되는 로보트용 관절 장치에 있어서,

적어도 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도를 구비함과 동시에, 상기 요축은 상기 롤축 및 피치축에 대한 직교축에 대하여 상기 롤축 방향에 오프셋을 가지는 것을 특징으로 하는 로보트용 관절 장치.
다관절로 구성되는 로보트용 관절 장치에 있어서,

적어도 롤축, 피치축, 및 요축의 각각의 회전 자유도를 구비함과 동시에, 상기 요축은 상기 롤축 및 피치축의 쌍방에 대하여 비틀린 위치에 있는 것을 특징으로 하는 로보트용 관절 장치.