KR20070057209A - 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치 - Google Patents

Abstract

어시스트 장치(11)는 스프링 수단(21)(기체 스프링)을 구비하고 있고, 실린더(23) 내의 피스톤(24)이 로봇의 다리체(3)의 무릎관절(8)에서의 대퇴부(4) 및 하퇴부(5)의 상대적 변위운동(굴신운동)에 따라 상하운동한다. 피스톤(24)의 상하의 기체실(25, 26)에 기체가 충전되어 있다. 무릎관절(8)에서의 굽힘 정도가 소정값 이하일 때에는, 기체실(25, 26)이 실린더(23) 내의 홈(28)을 통하여 연통하여, 스프링 수단(21)은 탄성력을 발생시키지 않고, 굽힘 정도가 소정값을 초과하면, 기체실(25, 26)이 서로 밀봉 상태로 되어 스프링 수단(21)이 탄성력을 발생시켜, 그 탄성력이 무릎관절(8)에 보조 구동력으로서 작용한다. 소형이고 또한 간단한 구성으로 로봇의 에너지 소비를 저감하면서, 다리체의 관절 액추에이터의 부담을 경감시킬 수 있다. 또, 무릎관절(8)의 굽힘 정도에 대한 스프링 수단(21)의 보조 구동력의 특성변화를 제어할 수 있다.

다리체 관절 어시스트, 기체류 통로, 스프링용 기체 충전실, 미끄럼운동, 다리식 이동 로봇

Description

다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치{LEG JOINT ASSIST DEVICE OF LEGGED MOBILE ROBOT}

본 발명은 2족이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇의 다리체의 관절에 이 관절을 구동하기 위한 관절 액추에이터를 보조하는 보조 구동력을 발생하는 다리체 관절 어시스트 장치에 관한 것이다.

종래, 이 종류의 어시스트 장치로서는, 일본 특개2001-198864호 공보의 도 9에 도시되는 것(이하, 특허문헌 1이라고 함)이나, 본원 출원인이 앞서 제안한 일본 특개2003-145477호 공보(이하, 특허문헌 2라고 함), 일본 특개2003-103480호 공보(이하, 특허문헌 3이라고 함)에 도시되는 것이 알려져 있다.

특허문헌 1의 것은, 2족이동 로봇의 각 다리체의 무릎관절에 의해 연결된 2개의 링크 부재(대퇴부 및 하퇴부)의 사이에 스프링을 설치하여, 각 다리체의 무릎관절에서의 굴신운동을 스프링의 탄성에너지로 변환한다. 그리고, 로봇을 점프시키거나 할 때에, 그 탄성에너지에 의해 무릎관절에 보조 구동력(탄성력)을 작용시키도록 하고 있다. 이 경우, 각 다리체의 무릎관절에서의 굽힘각이 어떤 소정 각도일 때에, 스프링이 자연길이 상태(탄성에너지를 방출한 상태)로 되고, 그 소정 각도 이외의 굽힘각에서는, 스프링에 탄성에너지가 축적되어, 보조 구동력이 발생 하게 되어 있다.

또, 특허문헌 2의 것은, 각 다리체의 무릎관절에서의 굴신운동을 기체를 충전한 실린더에 의해 구성된 기체 스프링의 탄성에너지로 변환하고, 그 탄성에너지에 의해 무릎관절에 보조 구동력(탄성력)을 작용시키도록 한 것이다. 이 경우, 지지다리기에, 지지다리의 무릎관절에서의 굽힘각(대퇴부의 축심에 대한 하퇴부의 축심의 경사각)의 증가에 따라, 기체 스프링이 발생하는 보조 구동력이 다리체의 펴기 방향으로 증가하고, 지지다리의 무릎관절에서의 굽힘각이 거의 최대(극대)가 될 때에, 기체 스프링이 발생하는 보조 구동력(펴기 방향의 보조 구동력)이 거의 최대가 되도록 기체 스프링의 동작 특성(각 다리체의 굴신운동에 대한 기체 스프링의 피스톤의 운동특성)이 설정되어 있다. 이것에 의해, 무릎관절에 발생시킬 구동력이 가장 큰 것으로 되는 지지다리기에 기체 스프링에 의해 적절한 보조 구동력을 발생시켜, 무릎관절의 관절 액추에이터의 부담을 경감하도록 하고 있다.

또, 특허문헌 3의 것은, 각 다리체의 무릎관절에서의 굴신운동을 탄성에너지로 변환하는 스프링 수단(기체 스프링 등)을 구비함과 함께, 그 스프링 수단에 대한 각 다리체의 굴신운동의 전달을 적당하게 차단하는 기구(이하, 여기에서는 로킹 기구라고 함)를 구비한 것이다. 이 경우, 특허문헌 3의 것에서는, 그 로킹 기구를 전자 솔레노이드나 전자 밸브를 통하여 소정의 타이밍으로 동작시킴으로써 무릎관절에 보조 구동력을 작용시켜야 할 기간에서, 스프링 수단에 다리체의 굴신운동이 전달되는 상태로 하여, 이 스프링 수단에 보조 구동력(탄성력)을 발생시킨다. 또, 이것 이외의 기간에서는, 스프링 수단에 다리체의 굴신운동이 전달되지 않는 상태 로 하여, 무릎관절에 스프링 수단으로부터 보조 구동력(탄성력)이 작용하지 않게 하고 있다.

상기 특허문헌 1의 것에서는, 무릎관절에서의 다리체의 굽힘각이 소정 각도일 때에만 스프링의 보조 구동력이 발생하지 않는 것으로 되어 있기 때문에, 그 이외의 굽힘각에서는, 항상 스프링의 탄성력이 발생한다. 이 때문에, 각 다리체의 무릎관절에 발생시켜야 할 필요 구동력이 작을 때에도, 스프링의 탄성력을 없애는 구동력을 무릎관절의 관절 액추에이터에 발생시키지 않으면 안되는 경우가 있어, 관절 액추에이터의 에너지 소비가 오히려 증대하는 경우가 있었다. 특히, 특허문헌 1의 것에서는, 무릎관절에서의 다리체의 굽힘각이 클 수록, 스프링의 탄성력이 커지기 때문에, 무릎관절에 발생시켜야 할 필요 구동력이 작아도 되는 다리체의 미착지 다리기에 있어서의 관절 액추에이터의 발생 구동력이 오히려 커져, 관절 액추에이터의 발생 구동력, 나아가서는 에너지 소비를 억제하는 것이 곤란했다.

또, 상기 특허문헌 2의 것에서는, 로봇의 이동 시의 전체 기간에 걸치는 관절 액추에이터의 발생 구동력의 최대값을 작게 억제하여, 이 관절 엑추에이터의 부담을 경감시킬 수 있다. 그런데, 기체 스프링의 탄성력이 0이 되는 무릎관절의 굽힘각은 어떤 특정한 각도로 한정되고, 이 굽힘각이 작은 상태(다리체가 거의 펴져 있는 상태)에서 다리체의 굽힘 방향에 기체 스프링의 탄성력이 발생하게 되어 있었다. 이 때문에, 로봇을 직립시키고 있는 상태와 같이 무릎관절에 발생시켜야 할 구동력이 다리체의 펴기 방향의 구동력이 되는 상황이나, 로봇의 이동 시의 지지다리의 이상(離床) 직전과 같이, 무릎관절에 발생시켜야 할 구동력이 거의 0이 되는 것과 같은 상황에서는, 무릎관절의 관절 액추에이터에 기체 스프링의 탄성력을 없애는 구동력을 발생시키지 않으면 안된다. 따라서, 특허문헌 2의 것은, 무릎관절의 관절 액추에이터의 에너지 소비를 더욱 저감하는 점에서는 불충분한 것으로 되어 있었다.

또, 상기 특허문헌 3의 것은, 필요 시에만, 스프링 수단의 탄성력(보조 구동력)을 무릎관절에 작용시킬 수 있지만, 상기 로킹 기구나 이것을 동작시키기 위한 전자 솔레노이드나 전자 밸브가 필요하게 되어, 구성이 대형화, 또는 복잡화 한다고 하는 문제가 있었다. 또한, 전자 솔레노이드나 전자 밸브를 동작시키기 위한 에너지가 필요하게 되고, 이것이 로봇의 에너지 소비를 더한층 저감하는 점에서의 방해가 되고 있었다.

본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 소형이고 또한 간단한 구성으로 로봇의 에너지 소비를 저감하면서, 다리체의 관절 액추에이터의 부담을 경감시킬 수 있는 다리체 관절 어시스트 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치는, 이러한 목적을 달성하기 위해서,

상체로부터 복수의 링크 부재를 복수의 관절을 통하여 연이어 접속해서 이루어지는 다리체를 복수 구비한 다리식 이동 로봇에 있어서, 각 다리체의 복수의 관절 중 적어도 1개의 관절을 특정 관절로 하고, 이 특정 관절을 구동하는 관절 엑추에이터의 구동력과 더불어 이 특정 관절에 작용하는 보조 구동력을, 이 특정 관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 따라 축적하는 탄성에너지에 의해 발생하는 스프링 수단을 구비함과 함께, 이 스프링 수단이 실린더와, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 따라 이 실린더 내를 미끄럼운동 자유롭게 설치된 피스톤과, 이 실린더 내에서 피스톤의 양측에 형성되고, 이 피스톤의 미끄럼운동에 따라 체적이 변화되는 한쌍의 기체실과, 이 한쌍의 기체실 중 적어도 일방의 기체실을 스프링용 기체충전실로 하고, 이 스프링용 기체충전실에 충전된 기체를 구비하고, 상기 피스톤의 미끄럼운동에 수반되는 이 스프링용 기체충전실의 기체의 압축 또는 팽창에 의해 상기 보조 구동력을 탄성적으로 발생하는 수단인 다리체 관절 어시스트 장치로서,

상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 미리 정한 소정 범위에 있을 때에, 상기 스프링용 기체충전실을 외부에 연통시킴과 동시에, 이 상대적 변위량이 상기 소정 범위로부터 일탈해 있을 때에는 상기 피스톤에 의해 상기 스프링용 기체충전실이 외부로부터 차단되도록 상기 스프링 수단에 설치된 기체류 통로를 구비하고, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 이 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 수반되는 상기 피스톤의 미끄럼운동에 따라 이 스프링용 기체충전실과 외부 사이에서 상기 기체류 통로를 통하여 기체를 유통시킴으로써 이 스프링용 기체충전실의 기체의 압축 또는 팽창을 저지하도록 한 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의하면, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 이 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 수반되는 상기 피스톤의 미끄럼운동에 따라 이 스프링용 기체충전실과 외부 사이에서 상기 기체류 통로를 통하여 유통시킴으로써 이 스프링용 기체충전실의 기체의 압축 또는 팽창을 저지한다. 이것에 의해, 상기 상대적 변위량이 소정 범위에 있을 때에는, 스프링 수단은 보조 구동력을 발생하지 않는 것으로 된다. 그리고, 상기 상대적 변위량이 소정 범위로부터 일탈해 있을 때에는, 상기 피스톤에 의해 상기 스프링용 기체충전실이 외부로부터 차단된다. 이 때문에, 이 스프링용 기체충전실의 기체가 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 수반되는 피스톤의 미끄럼운동에 따라 압축 또는 팽창한다. 이것에 의해, 스프링 수단은 보조 구동력을 발생한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 상기 기체류 통로를 스프링 수단에 설치함으로써 전자 밸브 등의 전자기기를 사용하지 않고, 상기 상대적 변위량이 소정 범위를 일탈해 있을 때만, 스프링 수단에 보조 구동력을 발생시키고, 이 상대적 변위량이 소정 범위에 있을 때에는, 스프링 수단에 보조 구동력을 발생시키지 않도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다리체 관절 어시스트 장치에 의하면, 소형이고 또한 간단한 구성으로 로봇의 에너지 소비를 저감하면서, 다리체의 관절 액추에이터의 부담을 경감시킬 수 있다. 또, 상기 상대적 변위량이 소정 범위에 있을 때에는, 상기 스프링용 기체충전실이 외부로 연통하여, 이 스프링용 기체충전실 내의 기체의 압축 또는 팽창이 저지된다. 이 때문에, 로봇의 정상적인 이동 시와 같이, 상기 상대적 변위량이 소정 범위에 있는 상태가 정기적으로 발생하는 것과 같은 경우에는, 피스톤과 실린더 사이의 간극 등으로부터 이 실린더 내의 양 기체실 간의 기체 누설이 발생해도, 스프링 수단의 보조 구동력의, 상기 상대적 변위량에 대한 특성변화(예를 들면 보조 구동력이 어떤 값이 될 때의 상대적 변위량이 경시적으로 서서히 벗어나 가는 것과 같은 변화)를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 스프링용 기체충전실은 상기 실린더 내의 한쌍의 기체실 중 양자 또는 어느 하나의 어떤 것이어도 된다. 단, 상기 스프링용 기체충전실은 상기 한쌍의 기체실의 양자이며, 상기 기체류 통로는, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 상기 한쌍의 기체실 중 일방의 기체실을 타방의 기체실의 외부로 하여, 이 한쌍의 기체실을 서로 연통시키는 기체류 통로인 것이 바람직하다.

이것에 의하면, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에는, 상기 한쌍의 기체실 사이에서 서로 기체가 상기 기체류 통로를 통하여 유통한다. 따라서, 상기 피스톤이 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동 에 따라 미끄럼운동 해도, 양 기체실의 기체는 압축 또는 팽창하지 않고, 그 결과, 스프링 수단이 보조 구동력을 발생하지 않는 상태가 된다. 그리고, 상기 상대적 변위량이 상기 소정 범위를 일탈해 있을 때에는, 상기 한쌍의 기체실의 각각이, 그 외부인 타방의 기체실에 대해 상기 피스톤에 의해 차단되(각 기체실이 밀봉되)게 되므로, 양 기체실의 일방의 기체실의 기체가 압축됨과 동시에 타방의 기체실의 기체가 팽창한다. 이 때문에, 양 기체실의 기체가 탄성력을 발생한다. 따라서, 스프링 수단의 구성을 소형인 것으로 하면서, 발생가능한 상기 보조 구동력을 크게 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 스프링용 기체충전실을, 상기 한쌍의 기체실 중 어느 하나의 기체실로 했을 때에는, 타방의 기체실은 예를 들면 대기에 해방해 두면 된다.

또, 본 발명에서는, 상기 기체류 통로는 상기 실린더의 내주면에 형성된 1개 이상의 홈으로 구성되고, 각 홈은, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 이 홈의 일단이 상기 한쌍의 기체실 중 일방에 연통하고, 또한, 이 홈의 타단이 상기 한쌍의 기체실 중 타방에 연통함과 함께, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위로부터 일탈해 있을 때에는, 각 홈의 양단이 상기 한쌍의 기체실 중 적어도 어느 일방의 기체실로부터 상기 피스톤에 의해 차단되도록 설치되어 있는 것이 바람직하다.

이것에 의하면, 상기 상대적 변위량이 소정 범위에 있을 때에는, 상기 실린더 내의 한쌍의 기체실이 상기 기체류 통로를 구성하는 홈을 통하여 연통하게 되기 때문에, 양 기체실 사이에서 기체가 유통하게 된다. 따라서, 상기 피스톤이 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 따라 미끄럼운동 해도, 양 기체실의 기체는 압축 또는 팽창하지 않는다. 그 결과, 스프링 수단이 보조 구동력을 발생하지 않는 상태가 된다. 그리고, 상기 상대적 변위량이 소정 범위를 일탈해 있을 때에는, 양 기체실 사이에서의 기체의 유통을 할 수 없는 상태가 되기 때문에, 적어도 일방의 기체실(스프링용 기체충전실)의 기체가 압축 또는 팽창한다. 그 결과, 스프링 수단이 보조 구동력을 발생하는 상태가 된다. 이 경우, 기체류 통로를 구성하는 홈은 실린더의 내주면에 형성되어 있으므로, 스프링 수단의 구성을 효과적으로 소형으로 구성할 수 있다.

또, 본 발명에서는, 상기 다리식 이동 로봇이 상기 링크 부재로서의 대퇴부, 하퇴부 및 족평부(足平部)를 상기 상체측으로부터 고관절, 무릎관절 및 발목관절을 통하여 순서대로 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 2개 구비한 2족이동 로봇이며, 상기 특정 관절이, 상기 한쌍의 링크 부재로서의 대퇴부 및 하퇴부를 굴신 자유롭게 연결하는 무릎관절일 때에는, 상기 한쌍의 링크 부재 사이의 상대적 변위량의 소정 범위는 상기 무릎관절에서의 대퇴부 및 하퇴부 사이의 상기 상대적 변위량으로서의 굽힘 정도가 소정량 이하가 되는 범위인 것이 바람직하다.

즉, 2족이동 로봇에서는, 그 직립 정지 시의 양다리체나, 이 로봇의 이동 시에 이상하려고 하기 직전의 다리체와 같이, 무릎관절에서의 굽힘 정도가 작은 것이 되는 상태(다리체가 거의 펴진 상태)에서는, 일반적으로 각 다리체의 무릎관절에 발생시켜야 할 구동력(토크)은 비교적 작거나, 혹은 0에 가까운 것이 된다. 따라서, 스프링 수단의 보조 구동력이 발생하지 않도록 하는 상기 소정 범위를, 무릎관절에서의 굽힘 정도가 소정량 이하가 되는 범위(다리체가 거의 펴진 상태가 되는 무릎관절의 굽힘 정도의 범위)로 함으로써, 이 소정량 이하의 굽힘 정도에서, 무릎관절의 관절 엑추에이터에 스프링 수단의 보조 구동력을 없애는 구동력을 발생시키지 않으면 안되는 사태를 회피할 수 있다. 그 결과, 로봇의 여분의 에너지 소비를 억제할 수 있다.

또, 상기 2족이동 로봇의 각 다리체의 굽힘 정도는, 일반적으로, 이 다리체가 착상 상태로 되어 있을 때보다도, 이상 상태로 되어 있을 때의 쪽이 크게 된다. 한편, 각 다리체의 무릎관절에 발생시켜야 할 구동력(토크)은, 일반적으로, 이 다리체가 착상 상태로 되어 있을 때보다도, 이상 상태로 되어 있을 때의 쪽이 작게 된다. 따라서, 각 다리체의 상기 굽힘 정도가 상기 소정량을 초과한 상태(상기 소정 범위를 일탈한 상태)에서, 가령, 굽힘 정도의 증가에 따라, 스프링 수단의 보조 구동력을 단조롭게 증가시키도록 한 경우에는, 이 다리체가 이상 상태로 되어 있을 때에 상기 관절 엑추에이터에 발생시켜야 할 구동력이 스프링 수단의 보조 구동력을 없애는 방향으로 커질 우려가 있다.

그래서, 상기 2족이동 로봇에서는, 상기 스프링 수단은, 상기 굽힘 정도가 상기 소정량과 이 소정량보다도 높은 제 2 소정량 사이의 범위에 있을 때에는, 상기 보조 구동력이 이 굽힘 정도의 증가에 따라 상기 다리체의 펴기 방향으로 증가하고, 또한, 상기 굽힘 정도가 상기 제 2 소정량을 초과하는 굽힘 정도일 때에는, 상기 보조 구동력이 상기 굽힘 정도를 상기 제 2 소정량에 일치시켰을 때의 보조 구동력의 값인 보조 구동력 소정값보다도 작게 되거나, 또는, 이 보조 구동력 소정값과 대략 동등하게 되도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 함으로써, 각 다리체의 굽힘 정도가 상기 제 2 소정량을 초과했을 때에는, 상기 보조 구동력이 상기 굽힘 정도를 이 제 2 소정량에 일치시켰을 때의 보조 구동력의 값인 보조 구동력 소정값보다도 작아지거나, 또는, 이 보조 구동력 소정값과 대략 동일하게 된다. 이 때문에, 각 다리체가 이상 상태로 되어 있을 때에(각 다리체의 굽힘 정도가 상기 제 2 소정량을 초과하는 상태로 되어 있을 때에), 상기 보조 구동력이 과대하게 되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 각 다리체가 미착지 다리가 되는 시기에서, 관절 액추에이터의 구동력이 커지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 제 2 소정량은, 상기 2족이동 로봇을 대략 평탄한 바닥 위를 일정한 보용형태로 이동시킬 때의 각 다리체의 착상 상태에서의 최대의 굽힘 정도(무릎관절에 있어서의 굽힘 정도)의 근방의 굽힘 정도인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 각 다리체가 착상 상태로 되어 있을 때에, 이 다리체의 굽힘 정도가 상기 소정량을 초과한 상태에서 충분한 보조 구동력으로 스프링 수단에 의해 발생시킬 수 있음과 동시에, 각 다리체가 이상 상태로 되어 있을 때에는, 스프링 수단이 발생하는 보조 구동력의 최대값을 최대한 작게 하여, 무릎관절의 관절 액추에이터의 부담을 작게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 어시스트 장치를 포함하는 다리식 이동 로봇(2족이동 로봇)의 개략적인 구성을 모식화하여 도시하는 도면이다.

도 2는 도 1의 로봇의 무릎관절의 구동기구에 따른 구성을 도시하는 도면이다.

도 3(a)∼(c)는 도 1의 로봇에 구비한 어시스트 장치의 스프링 수단의 피스톤의 운동과 무릎관절에서의 다리체의 굴신운동과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 도 1의 로봇에 구비한 어시스트 장치의 스프링 수단이 발생하는 보조력과 무릎관절의 굽힘각과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5(a)는 도 1의 로봇의 주행동작 시에 있어서의 다리체의 무릎관절의 굽힘각의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 5(b)는 무릎관절의 필요 회전력의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 5(c)는 실시형태의 어시스트 장치에서 발생하는 무릎관절의 보조 구동력의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 5(d)는 실시형태에서 무릎관절의 전동모터에 발생시키는 토크의 경시적 변화를 실선으로 예시하는 그래프이다.

도 6은 도 1의 로봇에 구비한 제어 유닛의 기능적 구성을 도시하는 블럭도이다.

도 7은 도 6의 제어 유닛의 처리를 나타내는 플로우차트이다.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

본 발명의 제 1 실시형태를 도 1∼도 7을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태에서의 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇의 구성을 모식화 하여 도시한 도면이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 로봇(1)은 그 기체인 상체(2)로부터 하방으로 연장하여 설치된 2개의 다리체(3, 3)를 구비하고 있다. 또한, 이들 다리체(3, 3)는 후술의 어시스트 장치를 포함하여 동일구조이기 때문에, 일방의 다리체(3)(도면에서는 로봇(1)의 전방을 향해서 우측의 다리체(3))에 대해서는, 그 일부만을 도시하고 있다.

각 다리체(3)는, 인간의 다리와 동일하고, 대퇴부(4), 하퇴부(5) 및 족평부(6)를 상체(2)로부터 고관절(7), 무릎관절(8), 발목관절(9)을 통하여 순차로 연이어 접속하여 구성되어 있다. 보다 상세하게 말하면, 각 다리체(3)의 대퇴부(4)는, 상체(2)로부터 고관절(7)을 통하여 연장하여 설치되고, 하퇴부(5)는 무릎관 절(8)을 통하여 대퇴부(4)에 연이어 접속되고, 족평부(6)는 발목관절(9)을 통하여 하퇴부(5)에 연이어 접속되어 있다. 또한, 대퇴부(4), 하퇴부(5) 및 족평부(6)는 각각 본 발명에서의 링크 부재에 상당하는 것이다.

이 경우, 고관절(7)은 로봇(1)의 전후, 좌우, 상하방향의 3축 주위의 회전동작이 가능하게 되고, 무릎관절(8)은 좌우측 방향의 1축 주위의 회전동작이 가능하게 되고, 발목관절(9)은 전후, 좌우측 방향의 2축 주위의 회전동작이 가능하게 되어 있다. 이들 각 관절(7, 8, 9)의 회전동작에 의해, 각 다리체(3)는 인간의 다리와 거의 동일한 운동이 가능하게 되어 있다. 그리고, 무릎관절(8)의 좌우측 방향의 1축 주위의 회전동작을 행하기 위한 관절 액추에이터로서의 전동모터(10)(이하, 무릎관절 전동모터(10)라고 함)가 각 다리체(3)에 설치되어 있음과 동시에, 무릎관절(8)에 보조 구동력(무릎관절 전동모터(10)의 회전구동력과 병렬로 무릎관절(8)에 작용하는 보조적인 회전력)을 부여하기 위한 어시스트 장치(11)가 각 다리체(3)에 설치되어 있다. 또, 도시는 생략하지만, 고관절(7)에는, 그 3축 주위의 회전동작을 행하기 위한 3개의 전동모터가 설치되고, 발목관절(9)에는, 그 2축 주위의 회전동작을 행하기 위한 2개의 전동모터가 설치되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 각 족평부(6)에 작용하는 상반력(床反力)(로봇(1)의 전후, 좌우, 상하의 3축방향의 병진력 및 3축 주위의 모멘트)을 검출하기 위해서, 각 족평부(6)는 6축력 센서(12)를 개재하고 발목관절(9)에 연이어 접속되어 있다. 또, 각 관절(7, 8, 9)에는, 그 회전위치(또는 각 관절(7∼9)을 구동하는 전동모터의 회전각)를 검출하기 위한 인코더(도시하지 않음)가 구비되어 있다.

본 실시형태에서는, 상기 무릎관절(8)은 본 발명에서의 특정 관절에 상당하는 것으로, 상기 어시스트 장치(11)를 포함하여 무릎관절(8)의 구동기구를 도 2를 참조하여 더욱 설명한다. 도 2는 무릎관절(8)의 구동기구의 구성을 도시하는 도면이다.

동 도시와 같이, 하퇴부(5)는 그 상단부가 대퇴부(4)의 하단부에, 로봇(1)의 좌우측 방향(도 2의 지면에 수직한 방향)의 축심을 갖는 지지축(13)을 통하여 회전 자유롭게 지지되어 있다. 상기 무릎관절 전동모터(10)는, 그 축심을 로봇(1)의 좌우측 방향(지지축(13)의 축심방향)을 향하여 대퇴부(4)의 상부에 부착되어 있고, 그 로터(도시 생략)와 일체로 회전 자유롭게 설치된 회전편(14)이, 대퇴부(4)의 전면을 따라서 거의 상하방향으로 연장하여 설치된 연결 로드(15)를 통하여 하퇴부(5)의 상단부 전방부(지지축(13)보다도 전방측의 부분)에 연결되어 있다. 연결 로드(15)는 그 상단부가 회전편(14)에 회전 자유롭게 축지지됨과 동시에, 하단부가 하퇴부(5)의 상단부 전방부에 회전 자유롭게 축지지되어 있다.

도 2에 도시하는 상태는, 다리체(3)를 편 상태이며, 이 상태로부터 무릎관절전동모터(10)에 의해 도면 중의 화살표 Y1의 방향으로 회전편(14)을 회전시키면, 그 회전력이 연결 로드(15)를 통하여 하퇴부(5)에 전달되어, 하퇴부(5)가 지지축(13)의 주위로 화살표 Y2의 방향으로 회전한다. 이것에 의해, 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굴곡운동(굽힘 동작)이 행해지게 되어 있다. 또, 다리체(3)의 굴곡상태로부터, 무릎관절 전동모터(10)에 의해 회전편(14)을 화살표 Y1과 역방향으로 회전시키면, 하퇴부(5)가 지지축(13)의 주위로 화살표 Y2와 역방향으로 회전하 고, 이것에 의해 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 신장 운동(펴기 동작)이 행해지게 된다. 이와 같이 무릎관절 전동모터(10)의 로터의 회전이 회전편(14) 및 연결 로드(15)를 통하여 하퇴부(5)에 전달되고, 그것에 의해, 대퇴부(4)와 하퇴부(5) 사이의 무릎관절(8)에서의 상대적 변위운동으로서의 굴신운동(이하, 무릎 굴신운동이라고 함)이 행해진다.

상기 어시스트 장치(11)는 실린더 구조의 기체 스프링인 스프링 수단(21)과, 이 스프링 수단(21)에 무릎 굴신운동을 전달하는 운동전달 수단(22)을 구비하는 것이다. 스프링 수단(21)은 대퇴부(4)의 배면부에 비스듬하게 상하방으로 뻗어서 장착된 실린더(외통)(23)와, 이 실린더(23) 내에 그 축심방향으로 미끄럼운동 자유롭게 수용된 피스톤(24)과, 이 피스톤(24)의 양측(상하)에서 실린더(23) 내에 형성된 한쌍의 기체실(25, 26)을 구비하고 있다. 그리고, 본 실시형태에서는, 양 기체실(25, 26)을 스프링용 기체충전실로 하고, 이들 양 기체실(25, 26)에 가압된 공기 등의 기체가 충전되어 있다.

실린더(23)는 하단이 개구된 바닥있는 통 형상의 것으로, 그 하단(개구단)에 장착된 캡 부재(27)에 의해 씌워져 막혀 있다. 이 실린더(23)의 내주면의 하부에는, 그 둘레 방향에 간격을 두고, 실린더(23)의 축심방향으로 연장하는 복수의 홈(28)이 형성되어 있다. 이들 홈(28)은, 본 발명에서의 기체류 통로에 상당하고, 피스톤(24)이 도 2의 실선으로 도시하는 바와 같이, 각 홈(28)의 양 단의 사이의 위치에 있을 때에는, 각 홈(28)의 상단 및 하단이 각각 기체실(25, 26)에 연통하고, 나아가서는, 그들 홈(28)을 통하여 양 기체실(25, 26)이 서로 연통하도록 되어 있다(이하, 이 상태를 기체실 연통상태라고 함). 그리고, 피스톤(24)이 도 2의 가상선으로 도시하는 바와 같이, 각 홈(28)의 상단보다도 상방으로 이동한 상태에서는, 각 홈(28)의 양 단이 상측의 기체실(25)로부터 피스톤(24)에 의해 차단되게 되어 있다. 이 상태에서는, 기체실(25, 26)은 피스톤(24)에 의해 서로 격리되고, 각각의 기체실(25, 26)이 밀봉된다(이하, 이 상태를 기체실 밀봉 상태라고 함). 또한, 실린더(23)에는, 기체실(25, 26)에 가압 기체를 도입하기 위한 기체 도입구멍(29)이 설치되어 있고, 이 기체 도입구멍(29)은 평상시에는 폐쇄덮개 부재(30)에 의해 닫혀 있다. 또, 실린더(23)는 그 축심이 무릎관절(8)의 회전축(지지축(13)의 축심)과 교차하는 위치에 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 스프링 수단(21)에서는, 피스톤(24)의 미끄럼운동에 따라 기체실(25, 26)의 체적이 변화된다. 그리고, 이 때, 상기 기체실 연통상태에서는, 양 기체실(25, 26) 사이에서 복수의 홈(28)을 통하여 기체가 서로 유통함으로써 양 기체실(25, 26) 내의 기체의 압력은 서로 거의 동일한 일정압으로 유지된다. 이 때문에, 이 기체실 연통상태에서는, 양 기체실(25, 26) 내의 기체의 압축 또는 팽창이 저지되고, 이 기체는 탄성력을 발생하지 않는다.

한편, 상기 기체실 밀봉 상태에서는, 피스톤(24)의 미끄럼운동에 따르는 기체실(25, 26)의 부피변화에 의해, 각 기체실(25, 26)의 기체의 압축 또는 팽창이 발생하고, 그것에 의해, 이 기체가 탄성에너지를 축적하여 탄성력을 발생한다. 이 경우, 양 기체실(25, 26)의 일방의 기체가 압축되면, 타방의 기체가 팽창하므로, 각 기체실(25, 26)의 기체의 탄성력이 피스톤(24)에 작용하게 된다. 보충하면, 본 실시형태의 스프링 수단(21)에서는, 기체실(25)에 대해서는, 기체실(26)이 외부가 되고, 기체실(26)에 대해서는, 기체실(25)이 외부가 된다.

상기 운동전달 수단(22)은 무릎 굴신운동을 직동 운동으로 변환하여 스프링 수단(21)의 피스톤(24)에 전달하는 것으로, 피스톤(24)으로부터 하측의 기체실(26) 및 캡 부재(27)를 관통하여 무릎관절(8)을 향해서 연장하여 설치된 피스톤 로드(31)와, 이 피스톤 로드(31)의 선단부(하단부)를 하퇴부(5)의 상단부 후방부(지지축(13)보다도 후방측의 부분)에 연결하는 링크 암(32)을 구비하고 있다. 링크 암(32)은 그 일단부가 피스톤(31)의 선단부에 회전 자유롭게 축지지되고, 타단부가 하퇴부(5)의 상단부 후방부에 회전 자유롭게 축지지되어 있다.

이와 같이 구성된 운동전달 수단(22)에 의하면, 무릎 굴신운동(지지축(13)의 주위의 하퇴부(5)의 회전운동)에 따라 피스톤(24)이 피스톤 로드(31)과 함께 실린더(23)의 축심방향으로 이동하게 된다. 이 경우, 다리체(3)를 도 2와 같이 편 상태로부터, 이 다리체(3)를 무릎관절(8)로 굴곡시켜 가면(하퇴부(5)를 지지축(13)의 주위에 화살표 Y2의 방향으로 회전시키면), 피스톤(24)은 실린더(23) 내를 상향운동 한다. 그리고, 피스톤(24)이 상기 복수의 홈(28)의 상단을 통과할 때까지는, 상기한 바와 같이, 스프링 수단(21)은 탄성력을 발생하지 않지만, 피스톤(24)이 복수의 홈(28)의 상단을 통과하면, 상측의 기체실(25)의 기체가 압축되어 감과 동시에, 하측의 기체실(26)의 기체가 팽창해 가, 스프링 수단(21)이 탄성력을 발생하게 된다. 그 탄성력은 피스톤(24)을 하방으로 밀어 내리는 방향으로 작용하고, 그것이, 피스톤 로드(31) 및 링크 암(32)을 통하여 하퇴부(5)에, 지지축(13)의 주위의 보조 구동력(보조적인 회전력. 이하, 무릎회전 보조력이라고 함)으로서 작용한다.

여기에서, 다리체(3)의 무릎 굴신운동에 수반되는 피스톤(24)의 운동과, 상기 무릎회전 보조력의 변화의 특성에 대해 설명한다. 본 실시형태의 어시스트 장치(11)에서는, 무릎 굴신운동시에 피스톤(24)의 이동위치가 도 3(a), (b), (c)에 도시하는 바와 같이 변화된다. 또, 이 때, 스프링 수단(21)에 의한 무릎회전 보조력은, 각 다리체(3)의 대퇴부(4) 및 하퇴부(5) 간의 굴곡각도인 무릎굽힘각(θ)에 대해 도 4에 도시하는 바와 같이 변화된다. 도 3(a)∼(c)는, 다리체(3)의 무릎관절(8)에서의 굽힘 동작과 피스톤(24)의 이동위치와의 관계를 도시하는 도면으로, 도 4는 무릎굽힘각(θ)에 대한 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 변화특성을 도시하는 그래프이다.

또한, 도 3(a)∼(c)에서는, 스프링 수단(21)이나 하퇴부(5)를 간략화하여 도시함과 동시에, 대퇴부(4)를 간략하게 가상선으로 도시하고 있다. 또, 무릎굽힘각(θ)은 도 1에 도시하는 바와 같이, 대퇴부(4)의 축심에 대해 하퇴부(5)의 축심이 이루는 각도로서 정의된 것이다. 따라서, 대퇴부(4) 및 하퇴부(5)의 각각의 축심이 동일 방향으로 뻗어 있도록 다리체(3)를 편 상태(도 3(a)의 상태)가 θ=0의 상태이며, 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘정도가 크게 됨에 따라, 무릎굽힘각(θ)은 증가한다. 또, 도 4에서는, 무릎회전 보조력은 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 방향의 회전력을 정의 값으로 하고, 다리체(3)의 펴기 방향의 회전력을 부의 값으로 하고 있다.

여기에서, 피스톤(24)의 운동과, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 특성 에 대해 더 설명하기 전에, 본 실시형태에서 로봇(1)에게 행하게 하는 이동형태에 관해서 도 5(a), (b)를 참조하여 설명해 둔다. 본 실시형태에서는, 평지(평탄한 바닥)에서의 인간의 통상적인 주행의 경우와 동일한 발 진행의 형태(이하, 인간의 통상주행 보용 형태라고 함)로, 로봇(1)의 주행동작을 행하게 하도록 하고 있다. 그리고, 이 주행동작을 행하게 하는 경우, 각 다리체(3)의 무릎굽힘각(θ)의 목표값(이것은 로봇(1)의 후술하는 목표 보용에 의해 정해진다. 이하, 목표 무릎굽힘각이라고 함)과, 이 목표 무릎굽힘각에 대응하여 이 다리체(3)의 무릎관절(8)의 지지축(13)의 주위에 발생시키는 필요한 회전력(이하, 필요 무릎회전력이라고 함)은, 각각 예를 들면 도 5(a), 도 5(b)의 그래프에서 나타내는 바와 같은 경시적 변화를 보인다. 또한, 도 5(c), (d)의 그래프에 대해서는 후술한다.

즉, 인간의 통상주행 보용 형태와 동일한 보용형태로 로봇(1)을 평탄한 바닥 위에서 주행시키는 경우, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 다리체(3)의 족평부(6)가 착상 상태가 되는 지지다리기의 전반에서는 목표 무릎굽힘각은 증가한다(무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 정도가 커짐). 그리고, 지지다리기의 후반에서는, 이 지지다리기의 종료 직전까지 목표 무릎굽힘각은 감소한다(무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 정도가 작아짐). 또한, 지지다리기의 종료 직전부터, 미착지 다리기(다리체(3)의 족평부(6)가 이상 상태로 되는 기간)의 전반에 걸쳐서, 목표 무릎굽힘각은 증가해 가고, 그 후에 미착지 다리기의 후반에서는, 미착지 다리기의 종료 직전까지, 목표 무릎굽힘각은 감소해 간다. 또, 미착지 다리기의 종료 직전에서는, 목표 무릎굽힘각은 약간 증가한다. 따라서, 로봇(1)의 주행동작 시의 목표 무릎굽힘각은, 지지다리기의 중간시점과, 미착지 다리기의 중간시점에서 각각 극대값(θsupmax, θswgmax)을 채용하고, 또, 지지다리기의 종료 직전, 및 미착지 다리기의 종료 직전에서 극소값을 채용한다.

또한, 이하의 설명에서는, 각 다리체(3)의 지지다리기 및 미착지 다리기에서의 목표 무릎굽힘각의 극대값(θsupmax, θswgmax)을 각각 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax), 미착지 다리기 최대 무릎굽힘각(θswgmax)이라고 칭한다. 인간의 통상주행 보용 형태와 동일한 보용형태에서의 로봇(1)의 주행동작에서는, 일반적으로, 상기 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)은 대략 40~60도의 범위 내의 각도가 바람직하다. 또, 상기 미착지 다리기 최대 무릎굽힘각(θswgmax)은 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)보다도 크고, 예를 들면 이 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)의 대략 2배 정도의 각도이다.

상기 필요 무릎회전력(다리체(3)의 굽힘 방향의 회전력을 정의 값, 펴기 방향의 회전력을 부의 값으로 함)은, 도 5(b)에도시하는 바와 같이, 지지다리기의 전반(대략 목표 무릎굽힘각이 증가하는 기간)에서는, 정의 회전력으로부터 부의 회전력으로 크게 감소한다(다리체(3)의 펴기 방향으로 필요 무릎회전력이 크게 증가함). 그리고, 지지다리기의 후반에서는, 이 지지다리기의 종료 직전까지(대략 목표 무릎굽힘각이 감소하는 기간), 필요 무릎회전력의 절대값이 감소하고(다리체(3)의 펴기 방향의 필요 무릎회전력이 감소하고), 이 지지다리기의 종료 직전에서 거의 「0」의 회전력이 된다. 또한, 지지다리기의 종료 직전부터 미착지 다리기의 전반에 걸쳐서는, 필요 무릎회전력은 약간 부의 값으로 완만하게 감소하고, 그 후, 미 착지 다리기의 후반에서는, 필요 무릎회전력은 부의 값으로부터 정의 값으로 완만하게 증가해 간다. 따라서, 로봇(1)의 주행동작 시의 필요 무릎회전력은, 특히, 지지다리기에 있어서, 다리체(3)의 펴기 방향으로 커진다. 그리고, 이 지지다리기에서의 펴기 방향의 필요 무릎회전력은, 대략, 목표 무릎굽힘각의 증가에 따라 증가함과 동시에, 목표 무릎굽힘각의 감소에 따라 감소하고, 목표 무릎굽힘각이 상기 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)에 달하는 시점과 거의 동시에 최대(극대)가 된다. 또, 주행동작 시의 전체 기간에 걸쳐, 목표 무릎굽힘각이 비교적 작은 시기, 예를 들면 목표 무릎굽힘각이 도 5(a)의 θoff 이하로 되는 시기에서는, 필요 무릎회전력은 다리체(3)의 굽힘 방향으로 비교적 작은 값이 되거나, 혹은, 0에 가까운 값이 된다.

본 실시형태에서는, 로봇(1)의 주행동작 시의 이러한 목표 무릎회전각 및 필요 무릎회전력의 경시적 변화의 특성을 고려하여, 상기 어시스트 장치(11)의 피스톤(24)의 운동특성과 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 특성이 다음과 같이 설정되고 있다. 즉, 상기 어시스트 장치(11)에서는, 다리체(3)를 도 3(a)에 도시하는 바와 같이 편 상태(θ=0의 상태)로부터 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 동작(굴곡운동)을 행했을 때, 무릎굽힘각(θ)이 미리 정한 소정값 θoff(도 5(a) 참조)까지 증가했을 때에, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 스프링 수단(21)의 피스톤(24)이 홈(28)의 상단의 위치에 도달하게 되어 있다. 달리 말하면, 무릎굽힘각(θ)이 소정값 θoff 이하일 때에는, 기체실(25, 26)이 서로 연통하는 상기 기체실 연통상태로 되도록 홈(28)이 형성되어 있다. 이 때문에, 무릎굽힘각(θ)이 소정값 θoff 이하일 때는 기체실 연통상태이며, 이 기체실 연통상태에서는, 상기한 바와 같이, 스프링 수단(21)은 탄성력을 발생하지 않게 되어 있다. 따라서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 무릎굽힘각(θ)이 소정값 θoff 이하일 때에는, 스프링 수단(21)에 의한 무릎회전 보조력은 0이다.

그리고, 무릎굽힘각(θ)이 소정값 θoff(이하, 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)이라고 함)를 초과하여 증가하면, 도 3(c)에 도시하는 바와 같이, 피스톤(24)이 홈(28)의 상측으로 이동하여 상기 기체실 밀봉상태가 된다. 그리고, 이 기체실 밀봉상태에서는, 무릎굽힘각(θ)의 증가에 따라 피스톤(24)은 실린더(23) 내를 상향운동 하고, 상측의 기체실(25)의 기체가 압축됨과 동시에, 하측의 기체실(26)의 기체가 팽창하여, 그것들의 기체의 압력차에 의해, 피스톤(24)에, 그것을 하방으로 밀어 내리는 방향의 탄성력이 부여된다. 이 경우, 그 탄성력 자체는 무릎굽힘각(θ)의 증가(피스톤(24) 상향운동)에 따라 증가해 가지만, 운동전달 수단(22)의 링크 암(32)이 요동함으로써 무릎관절(8)의 지지축(13)의 주위에 하퇴부(5)에 작용하는 무릎회전 보조력은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 무릎굽힘각(θ)이 어떤 각도 θa(>θoff)에 도달할 때까지는, 무릎굽힘각(θ)의 증가에 따라 다리체(3)의 펴기 방향으로 증가하고, 무릎굽힘각(θ)이 각도(θa)를 초과하면, 무릎굽힘각(θ)의 증가에 따라 다리체(3)의 펴기 방향에서 감소해 가게 되어 있다. 이 경우, θa는 상기 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax) 보다도 약간 큰 각도이다. 달리 말하면, θoff를 초과하는 무릎굽힘각(θ)에서는, 무릎굽힘각(θ)의 변화에 대한 무릎회전 보조력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 볼록한 특성을 갖고, 그 펴기 방향의 무 릎회전 보조력이 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax) 보다도 약간 큰 각도(θa)(이하, 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)이라고 함)에서 극대값을 취하도록, 상기 피스톤 로드(31) 및 링크 암(32)의 길이나 위치관계가 설정되어 있다. 보충하면, 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)은, 본 발명에서의 제 2 소정량에 상당하고, 이 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)에서의 무릎회전 보조력이 본 발명에서의 보조 구동력 소정값에 상당한다.

도 1의 설명으로 되돌아와, 로봇(1)의 상체(2)에는, 각 다리체(3)의 각 관절(7, 8, 9)의 동작 제어 등을 행하는 제어 유닛(40)과, 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터 등의 전원으로서의 축전장치(41)와, 상체(2)의 자세(연직방향에 대한 경사각이나 연직방향의 축 주위의 회전각)를 검출하는 자세 센서(42)와, 각 전동모터의 통전을 제어하기 위한 모터 드라이버 회로(43)가 탑재되어 있다. 자세 센서(42)는 자이로 센서, 가속도 센서 등으로 구성된 것이다. 또, 축전장치(41)는 배터리(이차전지)나 컨덴서 등으로 구성된 것이다.

제어 유닛(40)은, 마이크로컴퓨터 등을 포함하는 전자회로에 의해 구성된 것으로, 도 6의 블럭도에 나타나 있는 바와 같이 그 주 기능적 구성으로서, 보용생성기(51) 및 모터 제어기(52)를 구비하고 있다.

보용생성기(51)는 로봇(1)의 목표 보용을 규정하는 보용 패러미터(보폭, 보용주기, 운동 모드 등)를 외부로부터의 지령, 또는 미리 설정된 티칭 데이터(이동계획 데이터) 등에 따라 로봇(1)의 이동 시의 1보마다(지지다리가 바뀔 때마다)로 결정하고, 또한 이것을 기초로 소정의 제어사이클 마다의 목표 보용(순시 목표 보 용)을 차례차례 생성하는 것이다. 여기에서, 본 실시형태에서 보용생성기(51)가 생성하는 보용 패러미터는 로봇(1)에 통상적인 보행동작을 행하게 하기 위한 목표 보용이나, 인간의 통상주행 보용 형태와 동일한 보용형태로 로봇(1)의 주행동작을 행하게 하기 위한 목표 보용 등을 규정하는 패러미터이다. 그리고, 이 목표 보용은, 예를 들면 로봇(1)의 상체(2)의 위치 및 자세의 목표값(이하, 목표 상체위치 자세라고 함)과, 로봇(1)의 각 족평부(6)의 위치 및 자세의 목표값(이하, 목표 족평위치 자세라고 함)과, 양 족평부(6, 6)에 각각 작용하는 상반력(병진력 및 모멘트)의 합력(전체 상반력)의 목표값(이하, 목표 전체 상반력이라고 함)과, 이 전체 상반력의 작용점으로서의 ZMP(Zero Moment Point)의 목표 위치(이하, 목표 ZMP라고 함)로 구성되는 것이다. 또한, 상기 목표 보용의 구성요소의 보다 구체적인 내용에 대해서는, 예를 들면 본원출원인이 일본 특개평11-300660호 공보에서 상세하게 설명하고 있는 대로이므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다. 또, 목표 보용의 내용은, 반드시 상기 공보에 개시되어 있는 것에 한정되는 것이 아니라, 기본적으로는, 로봇(1)의 목표로 하는 운동형태를 표현할 수 있는 것이면 된다.

모터 제어기(52)는, 상기 무릎관절 전동모터(10)를 포함하여, 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터를 차례차례 제어하는(상세하게는 이 전동모터의 회전각을 차례차례 제어하는) 것이다. 이 모터 제어기(52)는, 보용생성기(51)에 의해 생성된 목표 보용이나, 상기 자세 센서(42)에 의해 검출되는 상체(2)의 실경사각(연직방향에 대한 실제의 경사각), 도시하지 않은 인코더를 사용하여 검출되는 다리체(3)의 각 관절(7, 8, 9)의 실회전각, 상기 6축력 센서(11)에 의해 검출되는 각 족평부(6)의 실 상반력의 데이터 등에 기초하여 후술하는 바와 같이, 각 전동모터에 발생시켜야 할 토크를 규정하는 토크 지령(구체적으로는 전동모터의 통전 전류의 지령값)을 차례차례 생성한다. 그리고, 이 모터 제어기(52)는 생성한 토크 지령을 모터 드라이버 회로(43)에 출력하고, 이 모터 드라이버 회로(43)를 통하여 토크 지령에 따른 토크를 각 전동모터에 발생시킨다.

다음에, 본 실시형태의 시스템의 작동을 도 7의 플로우차트를 참조하여 설명한다. 상기 제어 유닛(40)은, 시각 측정을 행하는 타이머의 초기화 등의 소정의 초기화 처리를 행한 후, 미리 정해진 소정의 제어사이클(예를 들면 50ms)마다, 도 7의 플로우차트의 처리를 실행한다. 즉, 제어 유닛(40)은, 우선, 로봇(1)의 보용의 전환 타이밍인지의 여부를 판단한다(STEP 1). 여기에서, 보용의 전환 타이밍은, 상세하게는, 로봇(1)의 이동 시의 지지다리가 일방의 다리체(3)로부터 타방의 다리체(3)로 전환되는 타이밍이다. 그리고, STEP 1에서 보용의 전환 타이밍이 아닐 경우에는, 제어 유닛(40)의 처리는 후술의 STEP 3의 처리로 진행된다.

또, STEP1에서 보용의 전환 타이밍인 경우에는, 제어 유닛(40)은, 외부로부터 주어지는 로봇(1)의 동작 지령이나, 미리 설정된 이동계획 데이터에 기초하여 로봇(1)의 목표 보용을 규정하는 보용 패러미터를 상기 보용생성기(51)에 의해 생성(갱신)한다(STEP 2). 여기에서, 이 보용생성기(51)가 생성하는 보용 패러미터에 의해 규정되는 목표 보용은, 예를 들면 다음회의 보용의 전환 타이밍, 혹은, 그것보다도 약간 앞의 타이밍까지의 목표 보용이다. 또, 이 경우, 예를 들면 로봇(1)의 주행동작을 행해야 하는 취지의 동작 지령이 외부로부터 주어져 있는 경우나, 로봇(1)의 이동계획 데이터에 의해 로봇(1)의 주행동작을 행해야 하는 상황일 경우에는, 보용생성기(51)가 생성하는 보용 패러미터에 의해 규정되는 목표 보용은 로봇(1)의 주행동작의 목표 보용(상기 통상 주행보용 형태와 동일한 형태로 로봇(1)의 주행동작을 행하기 위한 목표 보용)이다. 이 경우의 목표 보용에 따라 정해지는 목표 무릎굽힘각이 상기 도 5(a)에 도시한 바와 같은 경시적 변화를 나타내는 것이 된다.

이어서, 제어 유닛(40)은 STEP 3∼5의 처리를 모터 제어기(52)에 의해 실행한다. 이 STEP 3∼5의 처리는 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 무릎관절(8)에 작용하지 않는다고 한 경우에, 상기 목표 보용에 로봇(1)의 운동을 추종시키기 위해서 요하는 각 관절(7∼9)의 전동모터의 토크 지령(이하, 기본 토크 지령이라고 함)을 구하기 위한 처리이다. 또한, 이 STEP 3∼5의 처리는, 이미 본원 출원인이 일본 특개평11-300660호 공보에서 상세하게 설명하고 있으므로, 이하에 STEP 3∼5의 처리의 개요를 설명한다.

STEP 3에서는, 제어 유닛(40)은 보용생성기(51)에 의해 현재 생성되고 있는 보용 패러미터에 기초하여 순시 목표 보용을 구한다. 이 순시 목표 보용은 제어 유닛(40)의 처리의 제어사이클 마다의 목표 보용이다. 이 순시 목표 보용은, 앞에서도 기술한 바와 같이, 제어사이클 마다의, 목표 상체위치 자세, 목표 족평위치 자세, 목표 전체 상반력, 목표 ZMP로 이루어진다. 또한, STEP 3의 처리에서는, 또한, 상기 목표 족평위치 자세, 목표 전체 상반력, 목표 ZMP 등에 기초하여 제어사이클 마다의 각 다리체(3)의 목표 상반력 및 그 목표 상반력의 작용점도 구해진다.

STEP 4에서는, 제어 유닛(40)은, 복합 컴플라이언스 동작 처리에 의해, 상기 순시 목표 보용 중 목표 족평위치 자세를 수정한다. 이 복합 컴플라이언스 동작 처리에서는, 보다 상세하게는, 로봇(1)의 상체(2)의 실경사각(이것은 상기 자세 센서(42)에 의해 검출됨)을, 상기 목표 상체위치 자세에 의해 정해지는 목표 경사각으로 복원시키기(상체(2)의 실경사각과 목표 경사각과의 편차를 「0」에 수렴시키기) 위해서 로봇(1)에 작용시켜야 할 상반력(모멘트)이 구해진다. 그리고, 이 상반력(모멘트)와 상기 목표 전체 상반력의 합력을 로봇(1)에 실제로 작용시켜야 할 토탈의 상반력의 목표값으로 한다. 또한, 이 목표값에, 각 족평부(6)의 6축력 센서(12)에 의해 검출되는 각 족평부(6)의 실상반력의 합력을 추종시키도록, 제어사이클 마다의 목표 족평위치 자세가 수정된다. 이러한 복합 컴플라이언스 동작 처리는 로봇(1)의 자세의 자율적인 안정성을 확보하기 위한 것이다.

그리고, STEP 5에서는, 제어 유닛(40)은 로봇(1)의 각 다리체(3)의 관절(7∼9)의 각 전동모터에 대한 기본 토크 지령을 구한다. 이 처리에서는, 보다 구체적으로는, 순시 목표 보용에서의 목표 상체위치 자세, 전술한 바와 같이 STEP 4에서 수정된 목표 족평위치 자세 등으로부터, 로봇(1)의 모델(강체 링크 모델)에 기초하는 역키네마틱스 연산처리에 의해, 로봇(1)의 각 다리체(3)의 각 관절(7∼9)의 목표 회전각이 구해진다. 그리고, 이 목표 회전각에, 각 관절(7∼9)의 실회전각(이것은, 각 관절(7∼9)에 구비한 도시하지 않은 인코더에 의해 검출됨)을 추종시키도록, 각 관절(7∼9)의 전동모터의 기본 토크 지령이 구해진다.

이 경우, 예를 들면 각 다리체(3)의 무릎관절 전동모터(10)의 기본 토크 지 령(이것은 상기 필요 무릎회전력에 대응함)은, 무릎관절(8)의 목표 무릎굽힘각과 이 무릎관절(8)의 실제의 무릎굽힘각(θ)(무릎굽힘각(θ)의 검출값)과의 편차(△θ)와, 이 다리체(3)에 대한 상기 목표 상반력을 발생시키기 위해서 필요한 무릎관절 전동모터(10)의 토크(Tff)(이하, 기준 토크(Tff)라고 함)로부터, 다음식 (1)에 의해 구해진다.

기본 토크 지령=Kp·△θ+Kv·(d△θ/dt)+Tff ……(1)

또한, 식 (1)의 연산에 사용하는 기준 토크(Tff)는 목표 상체위치 자세, 목표 족평위치 자세, 다리체(3)에 대한 목표 상반력이나, 각 관절(7, 8, 9)의 목표 회전각가속도 등으로부터, 로봇(1)의 모델에 기초하는 역동역학 연산처리에 의해 구해진다. 또, 식 (1) 중의 Kp, Kv는, 미리 정해진 게인 계수이며, d△θ/dt는 편차(△θ)의 시간미분값이다.

여기에서, 식 (1)의 우변 제 1 항 및 제 2 항은, 상기 편차(△θ)에 따른 피드백제어항이며, 우변 제 3 항은, 다리체(3)에 작용하는 상반력의 영향을 보상하기 위한 피드포워드 제어항이다. 그리고, 특히, 우변 제 2 항은 무릎굽힘각(θ)의 목표값에 대한 진동을 신속하게 감쇠시키는 완충기능(댐핑 기능)을 갖는 항이다.

무릎관절(8) 이외의 다른 관절(7, 9)의 각 전동모터에 대해서도 상기와 마찬가지로 기본 토크 지령이 구해진다. 이렇게 하여 구해지는 기본 토크 지령은, 앞에도 설명한 바와 같이, 어시스트 장치(11)의 스프링 수단(21)에 의한 무릎회전 보조력이 무릎관절(8)에 작용하지 않는다고 한 경우에, 상기 목표 보용에 로봇(1)의 운동을 추종시키기 위해서 요하는 각 관절(7∼9)의 전동모터의 토크 지령이다.

제어 유닛(40)은, 다음에, 어시스트 장치(11)의 스프링 수단(21)에 의한 무릎회전 보조력(상세하게는 제어사이클 마다의 무릎회전 보조력)을 추정한다(STEP 6). 이 무릎회전 보조력의 추정값은 모터 제어기(52)가 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종적인 토크 지령을 결정하기 위해서 사용하는 것이며, 본 실시형태에서는, 예를 들면 이 모터 제어기(52)에 의해 다음과 같이 구해진다. 즉, 상기 도 4에 도시한 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 무릎굽힘각(θ)에 대한 특성을 나타내는 데이터가 미리 데이터 테이블 또는 그 특성의 근사식으로서 도시하지 않은 메모리에 기억 유지되어 있다. 그리고, 모터 제어기(52)는 현재의 무릎굽힘각(θ)의 검출값(또는 목표값)으로부터 상기 데이터 테이블 또는 근사식에 기초하여 무릎회전 보조력을 추정한다. 또한, 무릎회전 보조력은 힘 센서 등을 사용하여 직접적으로 검출하도록 하는 것도 가능하다.

이어서, 제어 유닛(40)은, 모터 제어기(52)에 의해, 다리체(3)의 각 관절(7∼9)의 전동모터의 제어사이클 마다의 최종적인 토크 지령으로서의 최종 토크 지령을 결정한다(STEP 7). 이 경우, 상기 STEP 5에서 식 (1)에 의해 구한 기본 토크 지령(무릎회전 보조력이 「0」인 것으로 가정한 경우에 목표 보용에 따라 무릎관절(8)에 발생시켜야 할 토크의 지령값)으로부터, 상기 STEP 6에서 구한 무릎회전 보조력을 감산함으로써 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종 토크 지령을 결정한다. 즉, 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종 토크 지령(무릎관절 전동모터(10)에 실제로 발생시켜야 할 토크의 지령값)과 무릎회전 보조력과의 합이 기본 토크 지령이 되도록 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종 토크 지령을 생성한다. 또한, 무릎관 절(8) 이외의 관절(7, 9)의 전동모터에 대한 최종 토크 지령은 상기 기본 토크 지령이 그대로 사용된다.

이어서, 제어 유닛(40)은, 전술한 바와 같이 결정한 최종 토크 지령을 모터 드라이버 회로(43)에 출력하고(STEP 8), 이것에 의해 제어사이클 마다의 처리를 종료한다. 이 최종 토크 지령의 출력에 따라, 각 관절(7∼9)의 전동모터에 통전되고, 이 전동모터의 회전각, 즉, 각 관절(7∼9)의 회전각이 상기 목표 상체위치 자세나 목표 족평위치 자세(상기 복합 컴플라이언스 동작 처리에 의한 수정을 시행한 것)에 의해 정해지는 소요의 회전각에 추종하도록 제어된다. 따라서, 보용 패러미터에 의해 규정되는 목표 보용에 따라, 로봇(1)의 이동이 행해진다.

이러한 본 실시형태의 시스템에서는, 로봇(1)의 주행동작 시의 각 다리체(3)의 지지다리기에서, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)를 초과하여 증가하는 기간(도 5의 시각 T1으로부터 무릎굽힘각(θ)이 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)에 달하는 시각까지의 기간)에서는, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 도 5(c)에 도시하는 바와 같이, 다리체(3)의 펴기 방향으로 증가한다. 또한, 도 5(c)는 도 5(a)의 무릎굽힘각의 변화에 대응하여, 스프링 수단(21)에 의해 무릎관절(8)에 작용하는 무릎회전 보조력의 경시 변화를 도시하는 그래프이다. 그리고, 이것에 이어서 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)까지 감소하는 기간(무릎굽힘각(θ)이 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)에 도달한 시각으로부터 도 5의 시각 T2까지의 기간)에서는, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력(다리체(3)의 펴기 방향의 무릎회전 보조력)은 도 5(c)에 도시하는 바와 같이 감소한 다. 따라서, 기본적으로는, 필요 무릎회전력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 크게 증가하는 기간에서는, 그것과 더불어 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 증가하고, 이어서, 이 다리체(3)의 펴기 방향의 필요 무릎회전력이 감소하는 기간에서는, 그것과 더불어 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 감소한다. 즉, 각 다리체(3)의 지지다리기 중, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)을 초과하는 기간에서는, 다리체(3)의 펴기 방향의 필요 무릎회전력의 증감에 추종하도록 하여, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 증감하게 된다. 또, 이 경우, 다리체(3)의 펴기 방향의 필요 무릎회전력이 거의 최대가 되는 타이밍에서, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 극대가 된다. 또한, 지지다리기 중, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff) 이하가 되는 기간에서는, 스프링 수단(21)이 상기 기체실 연통상태로 되어, 무릎회전 보조력이 자동적으로 거의 0이 된다. 이 기간에서는, 필요 무릎회전 보조력은 굽힘 방향으로 비교적 작은 값이 되거나, 혹은 0에 가까운 값이 된다.

따라서, 각 다리체(3)의 지지다리기에서, 무릎관절 전동모터(10)가 발생하는 구동력(토크)은 도 5(d)에 도시하는 바와 같이, 비교적 작아도 된다(필요 무릎회전력보다도 충분히 작은 토크이어도 됨). 또한, 도 5(d)는, 도 5(a)의 무릎굽힘각의 변화에 대응하여, 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키는 토크의 경시 변화를 실선으로 나타냄과 함께, 필요 무릎회전력의 경시 변화(도 5(b)의 그래프와 동일한 것)을 파선에서 병기한 것이다.

또, 각 다리체(3)의 미착지 다리기에서는, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무 릎굽힘각(θoff)을 초과하여 상기 미착지 다리기 최대 무릎굽힘각(θswgmax)까지 증가해 가는 기간에서는, 이 무릎굽힘각(θ)이 상기 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)(도 4 참조)에 도달할 때까지는, 도 5(c)에 도시하는 바와 같이, 이 무릎굽힘각(θ)의 증가 에 따라 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 증가한다. 그리고, 상기 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)을 초과한 무릎굽힘각(θ)에서는, 무릎굽힘각(θ)이 상기 미착지 다리기 최대 무릎굽힘각(θswgmax)까지 증가해 감에 따라, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 크기(절대값)는, 도 5(c)에 도시하는 바와 같이 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)에서의 무릎회전 보조력으로부터 감소해 간다. 이어서, 무릎굽힘각(θ)이 미착지 다리기 최대 무릎굽힘각(θswgmax)으로부터 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)까지 감소하는 기간에서는, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)에 도달할 때까지는, 도 5(c)에 도시하는 바와 같이, 이 무릎굽힘각(θ)의 감소에 따라 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 크기(절대치)가 증가한다. 그리고, 보조력 최대 무릎굽힘각(θa) 이하의 무릎굽힘각(θ)에서는, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)까지 감소해 감에 따라, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 크기(절대값)는, 도 5(c)에 도시하는 바와 같이 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)에서의 무릎회전 보조력으로부터 감소해 간다. 따라서, 각 다리체(3)의 미착지 다리기에서, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 크기(절대값)은 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)에서의 무릎회전 보조력보다도 커지는 일은 없다. 즉, 미착지 다리기에서의 무릎회전 보조력은 최대이어도, 지지다리기에서의 무릎회전 보조력과 동일한 정도같은정도로 수습된다. 또한, 미착지 다리기의 종료 직전에서 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff) 이하가 되는 기간에서는, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 자동적으로 거의 0이 된다. 이 기간에서는, 필요 무릎회전 보조력은 굽힘 방향으로 비교적 작은 값이 된다.

이 때문에, 미착지 다리기에서도 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키는 구동력(토크)이 과잉하게 큰 것으로 되지 않아, 이 구동력은 비교적 작은 것이어도 된다.

따라서, 로봇(1)의 주행동작 시의 각 다리체(3)의 지지다리기 및 미착지 다리기를 합한 전체 기간에서 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키는 구동력은 비교적 작아도 된다. 이 때문에, 무릎관절 전동모터(10)에 대전류를 통전하지 않으면 안되는 것과 같은 상황이 없어, 줄 열 등에 의한 에너지손실이 적게 된다. 또한 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키는 구동력의 최대값이 비교적 작아도 되기 때문에, 이 전동모터(10)를 소형으로 구성할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)을 지지다리기 최대 무릎굽힘각(θsupmax)보다도 약간 크게 하고 있다. 따라서, 다리체(3)의 지지다리기에서의 무릎굽힘각(θ)의 증감에 대해, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 단조롭게(리니어 형상으로) 증감하기 때문에, 전술의 복합 컴플라이언스 동작 처리에 의한 로봇(1)의 안정성을 원활하게 확보할 수 있다.

또, 특히, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff) 이하이고, 필요 무릎회전 보조력이 0에 가까운 상태(예를 들면 도 5의 시각 T2∼T3의 기간)에서, 자동적으로 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력이 0이 된다. 이 때문에, 이 무릎회전 보조력을 없애는 것과 같은 구동력을 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키지 않아도 되어, 무릎관절 전동모터(10)의 여분의 전력소비를 억제할 수 있다.

또, 로봇(1)의 주행동작이외에 있어서도, 로봇(1)을 직립자세 상태로 유지하는 경우 등, 무릎굽힘각(θ)이 그다지 커지지 않고(θ가 대략 θoff 이하에 유지됨), 또한, 필요 무릎회전력이 그다지 커지지 않는 로봇(1)의 보용(운동형태)에서는, 전력소비를 수반하는 스프링 수단(21)의 특별한 제어를 필요로 하지 않는다. 그리고, 자동적으로 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력을 거의 0으로 할 수 있으므로, 로봇(1)의 전력소비를 억제할 수 있다.

또, 로봇(1)의 주행동작 시에 있어서, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제무릎굽힘각(θoff) 이하로 저하될 때마다, 홈(28)을 통하여 기구적으로 기체실(25, 26)이 연통하여, 서로 거의 동일한 압력이 된다. 이 때문에, 기체실 밀봉 상태에서의 피스톤(24)과 실린더(23) 사이의 간극 등으로부터 양 기체실(25, 26) 사이의 기체 누설이 발생해도, 스프링 수단(21)의 무릎회전 보조력의 무릎굽힘각(θ)에 대한 특성변화(예를 들면 무릎회전 보조력이 어떤 값이 될 때의 무릎굽힘각(θ)의 값이 경시적으로 서서히 벗어나 가는 것과 같은 변화)를 억제할 수 있다.

또한, 이상에서 설명한 실시형태에서는, 무릎굽힘각(θ)이 작을 때 (θ≤θoff일 때)에 스프링 수단(21)의 기체실(25, 26)을 홈(28)을 통하여 연통시키도록 했지만, 예를 들면 실린더(23)의 외부에 배관한 연통관 등을 통하여 연통시켜도 된다. 단, 본 실시형태와 같이, 홈(28)을 형성하는 쪽이, 스프링 수단(21)의 소형화 의 점에서 유리하다.

또, 상기 실시형태에서는, 양 기체실(25, 26)을 스프링용 기체충전실로 했지만, 어느 일방의 기체실(25 또는 26)만을 스프링용 기체충전실로 하고, 타방의 기체실을 항상, 대기측에 개방해 놓도록 해도 된다. 예를 들면 상측의 기체실(25)만을 스프링용 기체충전실로 하고, 하측의 기체실(26)을 항상, 대기측에 개방해 놓도록 해도 된다. 이 경우에는, 무릎굽힘각(θ)이 보조력 해제 무릎굽힘각(θoff)을 초과했을 때에, 기체실(25)의 기체만에 의해, 스프링 수단(21)이 탄성력을 발생하게 된다. 이 경우, 실린더(23)의 내주면에 홈(28)을 형성하지 않고, 홈(28)의 상단에 대응하는 개소에서, 실린더(23)에 대기측과 연통하는 구멍을 뚫어 두기만 해도 된다. 단, 스프링 수단(21)의 구성을 소형화 하면서, 스프링 수단(21)에서 발생가능한 무릎회전 보조력을 가능한 한 크게 하는 점에서는, 상기 실시형태와 같이, 양 기체실(25, 26)을 스프링용 기체충전실로서 사용하는 것이 바람직하다.

또, 상기 실시형태에서는, 스프링 수단(21)을 대퇴부(4)측에 장착했지만, 하퇴부(5)측에 장착하게 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 운동전달 수단(22)을 링크 암(32)을 사용하여 구성했지만, 예를 들면 상기 일본 특개2003-145477호 공보의 도 10에 도시되는 바와 같이, 하퇴부와 함께 무릎관절의 지지축의 주위로 회전하도록 설치한 캠을 사용하여 무릎 굴신운동을 스프링 수단(21)의 피스톤(24)에 전달하게 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 본 발명을 2족이동 로봇에 적용한 경우를 예로 들어서 설명했지만, 본 발명은, 2개 이상의 다리체를 구비하는 로봇에 대해서도 적용 할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, θoff를 초과하는 무릎굽힘각(θ)의 범위에서, 보조력 최대 무릎굽힘각(θa)으로 무릎회전 보조력이 극대값을 채용하는 특성을 스프링 수단(21)에 갖게 했지만, 무릎굽힘각(θ)이 θa까지 증가한 후는, 무릎굽힘각(θ)이 더 증가해도, 무릎회전 보조력이 θa에서의 값과 거의 동일한 값에 유지되게 해도 된다. 이러한 무릎회전 보조력의 무릎굽힘각에 대한 특성은, 무릎 굴신운동을 스프링 수단(21)의 피스톤(24)에 전달하는 수단으로서, 예를 들면 상기한 바와 같이 캠을 사용함으로써 용이하게 실현할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치는 소형이고 또한 간이한 구성이며, 2족이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇의 에너지 소비를 저감하면서, 이 로봇의 다리체의 관절에 적절하게 보조 구동력을 작용시킬 수 있는 것으로서 유용하다.

Claims (6)

1. 상체로부터 복수의 링크 부재를 복수의 관절을 통하여 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 복수 구비한 다리식 이동 로봇에서, 각 다리체의 복수의 관절 중 적어도 1개의 관절을 특정 관절로 하고, 이 특정 관절을 구동하는 관절 액추에이터의 구동력과 더불어 이 특정 관절에 작용하는 보조 구동력을, 이 특정 관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 따라 축적하는 탄성에너지에 의해 발생하는 스프링 수단을 구비함과 함께, 이 스프링 수단이 실린더와, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 따라 이 실린더 내를 미끄럼운동 자유롭게 설치된 피스톤과, 이 실린더 내에서 피스톤의 양측에 형성되고, 이 피스톤의 미끄럼운동에 따라 체적이 변화되는 한쌍의 기체실과, 이 한쌍의 기체실 중 적어도 일방의 기체실을 스프링용 기체충전실로 하고, 이 스프링용 기체충전실에 충전된 기체를 구비하고, 상기 피스톤의 미끄럼운동에 수반되는 이 스프링용 기체충전실의 기체의 압축 또는 팽창에 의해 상기 보조 구동력을 탄성적으로 발생하는 수단인 다리체 관절 어시스트 장치로서,

   상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 미리 정한 소정 범위에 있을 때에, 상기 스프링용 기체충전실을 외부에 연통시킴과 동시에, 이 상대적 변위량이 상기 소정 범위로부터 일탈해 있을 때에는 상기 피스톤에 의해 상기 스프링용 기체충전실이 외부로부터 차단되도록 상기 스프링 수단에 설치된 기체류 통로를 구비하고, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 이 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 수반되는 상기 피스톤의 미끄럼운동에 따라 이 스프링용 기체충전실과 외부 사이에서 상기 기체류 통로를 통하여 기체를 유통시킴으로써 이 스프링용 기체충전실의 기체의 압축 또는 팽창을 저지하도록 한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링용 기체충전실은 상기 한쌍의 기체실의 양자이며, 상기 기체류 통로는, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 상기 한쌍의 기체실 중 일방의 기체실을 타방의 기체실의 외부로 하고, 이 한쌍의 기체실을 서로 연통시키는 기체류 통로인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기체류 통로는, 상기 실린더의 내주면에 형성된 1개 이상의 홈으로 구성되고, 각 홈은, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위에 있을 때에, 이 홈의 일단이 상기 한쌍의 기체실 중 일방에 연통하고, 또한, 이 홈의 타단이 상기 한쌍의 기체실 중 타방에 연통함과 함께, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량이 상기 소정 범위로부터 일탈해 있을 때에는, 각 홈의 양단이 상기 한쌍의 기체실 중 적어도 어느 일방의 기체실로부터 상기 피스톤에 의해 차단되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다리식 이동 로봇은 상기 링크 부재로서의 대퇴부, 하퇴부 및 족평부를 상기 상체측으로부터 고관절, 무릎관절 및 발목관절을 통하여 차례로 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 2개 구비한 2족이동 로봇이며, 상기 특정 관절은 상기 한쌍의 링크 부재로서의 대퇴부 및 하퇴부를 굴신 자유롭게 연결하는 무릎관절이고, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위량의 소정 범위는 상기 무릎관절에서의 대퇴부 및 하퇴부 사이의 상기 상대적 변위량으로서의 굽힘 정도가 소정량 이하가 되는 범위인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 스프링 수단은, 상기 굽힘 정도가 상기 소정량과 이 소정량보다도 높은 제 2 소정량 사이의 범위에 있을 때에는, 상기 보조 구동력이 이 굽힘 정도의 증가에 따라 상기 다리체의 펴기 방향으로 증가하고, 또한, 상기 굽힘 정도가 상기 제 2 소정량을 초과하는 굽힘 정도일 때에는, 상기 보조 구동력이 상기 굽힘 정도를 상기 제 2 소정량에 일치시켰을 때의 보조 구동력의 값인 보조 구동력 소정값보다도 작아지거나, 또는, 이 보조 구동력 소정값과 대략 동일하게 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 소정량은, 상기 2족이동 로봇을 대략 평탄한 바닥 위를 일정한 보용형태로 이동시킬 때의 각 다리체의 착상 상태에서의 최대의 굽힘 정도 근방의 굽힘 정도인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.

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