WO2004103650A1 - 脚式移動ロボット - Google Patents

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Publication number
WO2004103650A1
WO2004103650A1 PCT/JP2004/007064 JP2004007064W WO2004103650A1 WO 2004103650 A1 WO2004103650 A1 WO 2004103650A1 JP 2004007064 W JP2004007064 W JP 2004007064W WO 2004103650 A1 WO2004103650 A1 WO 2004103650A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotating shaft
motor
shaft
axis
rotation
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/007064
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshinari Takemura
Tadaaki Hasegawa
Takafumi Fukushima
Original Assignee
Honda Motor Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co., Ltd. filed Critical Honda Motor Co., Ltd.
Priority to EP04733690A priority Critical patent/EP1625917B1/en
Priority to DE602004020606T priority patent/DE602004020606D1/de
Priority to US10/554,267 priority patent/US7441614B2/en
Publication of WO2004103650A1 publication Critical patent/WO2004103650A1/ja

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00Joints
    • B25J17/02Wrist joints
    • B25J17/0283Three-dimensional joints
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S901/00Robots
    • Y10S901/01Mobile robot

Definitions

  • the present invention relates to a legged mobile robot, and more particularly, to a crotch joint structure of a legged mobile robot.
  • a parallel link mechanism is provided at the hip joint to connect the left and right legs, and when the free leg lands, By operating the parallel link mechanism to drive the landing leg upward, the landing impact is reduced.
  • a rotation axis that generates a degree of freedom around the y-axis. Is offset in the roll axis direction to avoid interference between the feet when the mouth pot changes direction.
  • the upper body is divided into an upper part and a lower part, and they are connected via a joint having a degree of freedom about a pitch axis.
  • the relative rotation around the axis reduces the amount of upper body flexion of the hip joint.
  • Insufficient range of motion of the hip joint means that it is not possible to secure a large range of motion for the legs at the same time as the amount of flexion of the upper body is insufficient.
  • the range of motion of the legs is not increased at all, and the lower body is not increased.
  • an object of the present invention is to increase the amount of flexion of the upper body and the range of motion of the legs, improve the posture and the degree of freedom of gait, and do not reduce the accommodation of equipment in the upper body.
  • An object of the present invention is to provide a legged mobile robot.
  • a legged mobile robot comprising: a knee joint; and a leg having an ankle joint connecting the lower leg link and the foot, wherein the hip joint generates a degree of freedom about a haw axis. It has a first rotation axis, a second rotation axis that generates degrees of freedom around the roll axis, and a third rotation axis that generates degrees of freedom around the pitch axis, and further generates redundant degrees of freedom. And a fourth rotating shaft.
  • the hip joint connecting the upper body and the thigh link includes the first rotation axis that generates the degree of freedom around the axis, the second rotation axis that generates the degree of freedom around the roll axis, and the And a fourth rotation axis for generating a degree of freedom, so that the amount of flexion of the upper body and the leg Since the range of motion can be increased, the degree of freedom in posture and gait can be improved.
  • the upper body since the upper body is not divided, the accommodation capacity of the equipment in the upper body does not decrease.
  • the hip joint is connected to the upper body via any one of the first to third rotation shafts.
  • a first member, a second member connected to the upper leg link via the remaining rotation axis of the third rotation axis from the first force, and the first member and the second member are configured to be connected via the fourth rotation shaft.
  • the first member connected to the body via any one of the first to third rotation shafts, and the remaining rotation axis of the first to third rotation shafts A second member connected to the upper leg link via a fourth rotation shaft, and the first member and the second member are connected via a fourth rotation shaft.
  • the amount of flexion of the upper body and the range of motion of the legs can be increased, and the degree of freedom in posture and gait can be improved.
  • the present invention is configured such that the fourth rotation axis is a rotation axis that is non-parallel to the single axis, as described in claim 3 described later.
  • the fourth rotation axis is configured to be a rotation axis that is non-parallel to the one axis of the robot, so that the amount of bending of the upper body and the movable range of the legs are the same as in claim 1. Can be increased, and the degree of freedom in posture and gait can be improved.
  • the present invention is configured such that the fourth rotation shaft is disposed forward of the first rotation shaft in the roll axis direction, as described in claim 4 described later.
  • the first rotation shaft motor driving the first rotation shaft and the output of the first rotation shaft motor are reduced.
  • a first rotating shaft reducer, and the first rotating shaft motor and the first rotating shaft reducer are arranged such that their output shafts are coaxial with the first rotating shaft. It was configured as follows.
  • the motor for the first rotating shaft includes the motor for the first rotating shaft that drives the first rotating shaft, and the speed reducer for the first rotating shaft that reduces the output of the motor for the first rotating shaft.
  • the motor and the first rotary shaft reducer are arranged so that their output shafts are coaxial with the first rotary shaft.
  • the structure of the system can be made compact.
  • a motor for the second rotating shaft that drives the second rotating shaft, and the output of the motor for the second rotating shaft are reduced.
  • a second rotary shaft reducer, and the second rotary shaft motor and the second rotary shaft reducer are arranged such that their output shafts are coaxial with the second rotary shaft. Configured.
  • the motor for the second rotating shaft includes the motor for the second rotating shaft that drives the second rotating shaft, and the speed reducer for the second rotating shaft that reduces the output of the motor for the second rotating shaft.
  • the motor and the speed reducer for the second rotating shaft are arranged so that their output shafts are coaxial with the second rotating shaft.
  • the structure of the output transmission system can be made compact.
  • a third rotating shaft motor that drives the third rotating shaft, and the output of the third rotating shaft motor are reduced.
  • a third reduction shaft reducer; and the third reduction shaft reducer is arranged such that an output shaft thereof is coaxial with the third rotation shaft.
  • the motor for the third rotating shaft which drives the third rotating shaft
  • the speed reducer for the third rotating shaft which reduces the output of the motor for the third rotating shaft
  • the structure of the output transmission system for the third rotation shaft can be made compact.
  • the other transmission elements required to drive the third rotary shaft are the third rotary shaft motor. And only the one disposed between the third rotary shaft reducer.
  • Such a transmission element only needs to transmit a small driving force before deceleration (that is, the output of the third rotary shaft motor) to the third rotary shaft reducer, so that the transmission capacity can be set small. You. Therefore, since a relatively lightweight transmission element can be used, even if the distance between the electric motor and the reduction gear is increased and the transmission element is extended, a large increase in weight is not caused. The degree of freedom in the position of the electric motor for the rotating shaft can be improved.
  • the present invention includes a fourth rotating shaft motor that drives the fourth rotating shaft, and the fourth rotating shaft motor includes the fourth rotating shaft motor, as described in claim 8 described below.
  • the motor for the fourth rotating shaft for driving the fourth rotating shaft is provided, and the motor for the fourth rotating shaft is provided.
  • the motor for the fourth rotating shaft is not subject to rotation of the fourth rotating shaft. It is possible to reduce the moment of inertia generated at the legs at times.
  • the present invention includes a fourth rotary shaft reducer for reducing the output of the fourth rotary shaft motor, as described in claim 9 described later, and the fourth rotary shaft reducer.
  • the fourth rotary shaft reducer are arranged such that their output shafts are coaxial with the fourth rotation shaft.
  • the fourth rotary shaft reducer for reducing the output of the fourth rotary shaft motor is provided, and the output shaft of the fourth rotary shaft reducer is coaxial with the fourth rotary shaft.
  • the structure of the output transmission system related to the fourth rotation axis can be made compact.
  • the other transmission elements required to drive the fourth rotary shaft are the fourth rotary shaft motor. And only the one arranged between the 4th shaft reduction gear.
  • Such a transmission element only needs to transmit a small driving force before deceleration (ie, the output of the fourth rotary shaft motor) to the fourth rotary shaft reducer, so that the transmission capacity can be set small. .
  • a relatively lightweight transmission element can be used, so that even if the distance between the electric motor and the reduction gear is increased and the transmission element is extended, a large increase in weight is not caused.
  • the degree of freedom of the arrangement position of the electric motor for the four rotation shaft can be improved.
  • the present invention provides a second rotating shaft motor for driving the second rotating shaft, and a fourth rotating shaft for driving the fourth rotating shaft, as described in claim 10 described later. And the second member and the upper leg link are connected via at least the second rotating shaft, and the fourth rotating shaft motor is located on the upper body side relative to the second rotating shaft motor. It was configured to be arranged in.
  • the second member and the upper leg link are connected via at least the second rotation axis.
  • the fourth rotation axis is disposed on the upper body side with respect to the second rotation axis.
  • the motor for the 4th rotating shaft is arranged on the upper body side with respect to the motor for the 2nd rotating shaft, the weight at the distal end of the leg is reduced (the position of the center of gravity of the leg from the distal side). Distance), and the 'I award moment' generated on the legs when the robot moves can be reduced. That is, by arranging the fourth rotation axis on the body side with respect to the second rotation axis, the number of members rotated by the fourth rotation axis is greater than the number of members rotated by the second rotation axis. .
  • the fourth rotating shaft motor requires a larger driving force than the second rotating shaft motor, a larger and heavier motor is used. Therefore, by disposing the motor for the fourth rotating shaft above the motor for the second rotating shaft, it is possible to reduce the weight on the distal end side of the leg and to reduce the moment of inertia generated in the leg. .
  • the present invention provides a motor for a third rotating shaft that drives the third rotating shaft, and a fourth rotating shaft that drives the fourth rotating shaft, as described in claim 11 described below.
  • the second member and the upper leg link are connected via at least the third rotating shaft, and the fourth rotating shaft motor is located on the upper body side relative to the third rotating shaft motor. It was configured to be arranged in.
  • the second member and the upper J3 retreat link are connected via at least the third rotation shaft.
  • the fourth rotation shaft is disposed closer to the body than the third rotation shaft.
  • the motor for the fourth rotating shaft is arranged on the upper side of the motor for the third rotating shaft, so that the weight at the distal end of the leg is reduced. Away from the robot), and the moment of inertia generated in the legs when the robot moves can be reduced. That is, by arranging the fourth rotation axis on the body side relative to the third rotation axis, the member rotated by the fourth rotation axis becomes a part rotated by the third rotation axis. More than wood.
  • the motor for the fourth rotating shaft requires a larger driving force than the motor for the third rotating shaft, so it is larger and heavier! / ⁇ stuff is used. Therefore, by arranging the motor for the fourth rotating shaft on the upper side of the motor for the third rotating shaft, it is possible to reduce the weight on the distal end side of the leg and reduce the moment of inertia generated in the leg. .
  • the fourth rotating shaft motor is disposed in the roll axis direction with the fourth rotating shaft sandwiching the center axis of the leg portion. It was configured to be arranged at a position facing the axis.
  • the fourth rotary shaft motor is arranged at a position facing the fourth rotary shaft across the center axis of the leg in the roll axis direction, in addition to the effects described above, The balance of the center of gravity of the legs can be improved. Further, even when the upper body is largely bent forward, a large amount of forward bending can be obtained because the upper body and the motor for the fourth rotary shaft do not interfere with each other.
  • the present invention is configured such that the first rotation axis is offset in the roll axis direction with respect to a center axis of the leg portion, as described in claim 13 described later.
  • the first rotation axis is configured to be offset in the roll axis direction with respect to the center axis of the leg, interference between the feet when the leg is rotated can be suppressed. And the angle of rotation of the legs can be increased.
  • the present invention is configured such that the second rotation axis and the third rotation axis are orthogonal to each other, as described in claim 14 described later.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a legged mobile robot according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a right side view showing the right leg of the mouth pot schematically shown in FIG. 1 in detail. is there.
  • FIG. 3 is a front view showing the details of the right leg of the robot schematically shown in FIG.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the gait (inner thigh rotation) of the robot shown in FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the gait of the robot shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic view showing an example of a driving direction of a hip joint pitch axis and a hip joint redundant axis when a compliance function is given to a leg in the robot shown in FIG.
  • Fig. 7 compares the landing impact force of the robot shown in Fig. 1 when the hip joint pitch axis and hip joint redundant axis are driven in the opposite direction when the leg lands, and the landing impact force when the hip joint pitch axis and the hip joint redundant axis do not. It is a graph shown.
  • FIG. 8 is a schematic diagram similar to FIG. 1, showing an example in which a degree of freedom other than around the pitch axis is generated by the hip joint redundant axis.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a legged mobile robot according to this embodiment, more specifically, a bipedal walking port bot.
  • a bipedal walking robot (hereinafter referred to as “robot”) 10 has left and right legs 12 R and 12 L (R on the right side and R on the left side; the same applies hereinafter).
  • the left and right legs 12 R, 12 L are respectively hip joints 18 R, 18 L connecting the upper body 14 and the upper leg links 16 R, 16 L, and the upper leg links 16 R, Ankle joint connecting 16 L and lower leg link 2 OR, 20 L, Thai joint 22 R, 22 L, lower leg link 20 R, 20 L and foot 2 4 R, 24 L 26 R and 26 L.
  • the hip joints 18 R and 18 L generate degrees of freedom around the bow axis (Z axis, vertical direction).
  • the hip joint axes 18 RZ and 18 LZ (the first rotation axis described above) Axis (X axis .
  • the roll direction of the hip joint 18RX, 18LX (the second rotation axis described above), which generates the degree of freedom of rotation, and the pitch axis (Y axis.
  • the hip joint pitch axes 18RY and 18LY (the above-described third rotation axis) that generate the degrees of freedom around, and the hip joint redundant axes 18RR and 18LR that generate the degrees of freedom around the pitch axis (the above-described fourth rotations) Axis).
  • the hip joint roll axes 18RX and 18LX and the hip joint pitch axes 18RY and 18LY are orthogonalized as shown in the figure.
  • hip joints 18R, 18L include first hip links 30R, 30L (the first member described above) connected to the upper body 14 via hip joint shafts 18RZ, 18LZ, and hip joint roll shafts 18RX, 18L.
  • Second hip links 32R, 32L (the second members described above) are connected to the upper leg links 16R, 16L via the LX and the hip pitch axes 18RY, 18LY.
  • the first hip links 30R, 30L and the second hip links 32R, 32L are connected via redundant hip joint axes 18RR, 18LR.
  • the first hip links 30R and 30L and the second hip links 32R and 32L are provided so that even if they form part of the hip joints 18R and 18L, they do not feel uncomfortable.
  • the knee joints 22R and 22L include knee joint pitch axes 22RY and 22LY that generate degrees of freedom around the pitch axis.
  • the ankle joints 26 R and 26L have an ankle roll axes 26 RX and 26 LX that generate degrees of freedom around the roll axis, and an ankle joint pitch axes 26 RY and 26 LY that generate degrees of freedom around the pitch axis. .
  • Each of the rotating shafts described above is driven by each electric motor described below.
  • a well-known 6-axis force sensor is attached between the ankle joints 26R, 26L and the feet 24R, 24L, and the three-directional components Fx, Fy, Fz of force and the three-directional components of moment MX, My, Mz is measured, and the presence or absence of landing on the legs 12R and 12L and the floor reaction force acting on the legs 12R and 12L from the floor surface are detected.
  • An inclination sensor is installed on the upper body 14, and detects the inclination of the robot 10 with respect to the Z axis and its angular velocity. Also
  • An electric motor that drives each rotating shaft is provided with a rotary encoder that detects the amount of rotation.
  • the output of each of these sensors is input to a control unit housed in the upper body 14.
  • the control unit calculates a control value of the motor that drives each rotating shaft based on the data stored in the memory and the input detection value. Since the method of calculating the control value is not the subject of the present invention, detailed description thereof will be omitted, and illustration of the above-described sensors and control cutouts used for it will also be omitted.
  • the robot 10 is provided with seven rotation axes (degrees of freedom) for each of the left and right legs 12 R and 12 L.
  • the upper body 14 is connected to an arm or a head as described in, for example, International Publication WO02 / 42026A1 pamphlet. Since there is no direct relationship with the gist, illustration and description are omitted.
  • FIG. 2 is a right side view showing the leg portion 12R schematically shown in FIG. 1 in detail.
  • FIG. 3 is a front view showing the leg portion 12R in detail.
  • an electric motor 50 (hereinafter referred to as a “motor for the hip joint shaft”) that drives the hip joint shaft 18 RZ is disposed on the upper body 14.
  • the hip joint axis 18 R Z is made to coincide with the central axis 12 R C of the leg part 12 R.
  • the output shaft of the hip joint single-axis motor 50 is directly connected to a reducer 52 (hereinafter referred to as a “throat reducer shaft reducer”) attached to the lower end of the upper body 14, and is thus connected to the hip joint lower shaft.
  • the output of the motor 50 is transmitted directly to the hip joint reducer 52.
  • the hip joint single shaft reducer 52 is arranged so that its output shaft is coaxial with the hip joint shaft 18 RZ, so that the output reduced by the hip joint single shaft reducer 52 is
  • the first hip link 3 OR is transmitted directly to the hip joint axis 18 RZ to rotate the first hip link 3 OR with respect to the upper body 14.
  • the hip joint shaft reducer 52 is configured such that the input shaft (that is, the output shaft of the hip joint shaft motor 50) and the output shaft are coaxial. That is, the output shafts of the hip joint shaft motor 50 and the hip joint shaft reducer 52 are coaxial with the hip joint shaft 18 RZ.
  • the first hip link 3 OR has an electric motor that drives the hip joint redundant axis 18 RR
  • the output of the hip joint redundant shaft module ⁇ 54 is transmitted to the speed reducer 58 (hereinafter referred to as “hip joint redundant shaft reducer”) via the belt 56.
  • the hip joint redundant shaft reducer 58 is arranged so that its output shaft is coaxial with the hip joint redundant shaft 18 RR, so that the output reduced by the hip joint redundant shaft reducer 58 is the hip joint redundant shaft 18 Directly transmitted to the RR, the first hip joint link 30 R and the second hip joint link 32 R are relatively rotated about the pitch axis.
  • the hip joint redundant shaft motor 54 is disposed on the upper body 14 side of the hip joint redundant shaft 18 RR.
  • the hip joint redundant shaft motor 54 is not subject to rotation of the hip joint redundant shaft 18 R R. More specifically, since there is no degree of freedom other than rotation around the yaw axis on the upper body side than the motor 54 for the hip joint redundant axis, the motor 54 for the hip joint redundant axis is not subject to rotation except for rotation around the yaw axis. No. Accordingly, it is possible to reduce the moment of inertia generated in the leg 12R when the hip joint redundant shaft 18RR is driven, and thus when the robot 10 moves.
  • An electric motor 60 (hereinafter, referred to as a “hip roll axis motor”) that drives the hip roll axis 18 RX is disposed on the thigh link 16 R.
  • the output shaft of the hip roll shaft motor 60 is directly connected to a reducer 62 (hereinafter referred to as a “hip joint roll shaft reducer”) attached to the upper leg link 16R, and thus the hip roll shaft.
  • the output of 60 is transmitted directly to the hip roll shaft reducer 62.
  • the hip joint roll shaft reducer 62 is arranged so that its output shaft is coaxial with the hip joint roll shaft 18 RX, so that the output reduced by the hip joint shaft shaft reducer 62 is output. Is directly transmitted to the hip roll axis 18 RX to relatively rotate the second hip link 32 R and the upper link 16 R around the roll axis.
  • the hip joint roll shaft reducer 62 is configured such that the input shaft (ie, the output shaft of the hip joint roll shaft motor 60) and the output shaft are coaxial. That is, the output shafts of the hip roll shaft motor 60 and the hip roll shaft reducer 62 are coaxial with the hip roll shaft 18 RX.
  • An electric motor 66 (hereinafter, referred to as “hip joint pitch axis motor”) for driving the hip joint pitch axis 18 RY is disposed on the upper leg link 16 R.
  • Hip joint pitch axis The output of the motor for transmission 66 is transmitted to a reduction gear 70 (hereinafter referred to as a “hip reduction gear for pitch axis”) via a belt '68.
  • the hip joint pitch shaft reducer 70 is arranged so that its output shaft is coaxial with the hip joint pitch shaft 18 RY, so that the output reduced by the hip joint pitch shaft reducer 70 is the hip joint pitch shaft 1 8 Directly transmitted to RY to rotate the second hip joint link 32R and the upper thigh link 16R relatively about the pitch axis.
  • the hip joint redundant axis 18 RR is disposed on the upper body 14 side of the hip joint roll axis 18 RX and the hip joint pitch axis 18 RY, and the hip joint redundant axis Motor 54 is arranged on the upper body 14 side of the motor 60 for the hip joint roll axis and the motor 66 for the hip joint pitch axis, so that the weight of the distal end of the leg 12 R can be reduced by light weight.
  • the position of the center of gravity of the leg 12R can be made farther from the distal end), and the moment of inertia generated in the leg when the robot 10 moves can be reduced.
  • the hip joint redundant axis 18 RR can be rotated.
  • the members (from the second hip link 32R to the foot 24R) are the members that are rotated by the hip joint shaft axis 18RX and the hip joint pitch axis 18RY (the upper thigh link 16R to the foot). Up to 24 shaku).
  • the larger and heavier hip joint redundant shaft motor 54 is used because it requires a larger driving force than the hip joint roll shaft motor 60 and the hip joint pitch shaft motor 66. .
  • the terminal 1R of the leg 12R The weight can be reduced, and the moment of inertia generated in the leg 12 R when the robot 10 moves can be reduced.
  • the upper leg link 1 '6 R is further provided with an electric motor 7 4 for driving the knee joint pitch axis 2 RY (hereinafter referred to as “knee joint pitch axis motor”). Is arranged.
  • the output of the knee joint pitch axis motor 74 is transmitted to a speed reducer 78 (hereinafter, referred to as a “knee joint pitch axis reducer”) via a belt 76.
  • the knee joint pitch axis reducer 78 is arranged so that its output axis is coaxial with the knee joint pitch axis 22RY, and thus the output reduced by the knee joint pitch axis reducer 78 is provided. Is Directly transmitted to the knee joint pitch axis 22RY, the upper leg link 16R and the lower leg link 20R are relatively rotated about the pitch axis.
  • an electric motor 80 (hereinafter, referred to as “ankle joint roll axis motor”) for driving the ankle joint Lorenole axis 26 RX is arranged on the lower leg link 20R.
  • the output shaft of the motor 80 for the ankle joint port is directly connected to the reducer 82 (hereinafter referred to as “the ankle joint roll shaft reducer J”) attached to the lower leg link 2OR.
  • the output of the motor 80 is directly transmitted to the ankle joint roll shaft reducer 82.
  • the ankle joint roll shaft reducer 82 is arranged so that its output shaft is coaxial with the ankle joint roll shaft 26 RX, and The output decelerated by the joint shaft reduction gear 82 is directly transmitted to the ankle joint roll shaft 26 RX to relatively rotate the lower leg link 2OR and the foot 24R around the roll axis.
  • the joint roll shaft reducer 82 is configured such that the input shaft (ie, the output shaft of the ankle joint roll shaft motor 80) and the output shaft are coaxially located.
  • the output of the ankle joint gearbox reduction gear 82 Is Ru is the ankle joint port Lumpur shaft 26 R X coaxial.
  • an electric motor 84 (hereinafter, referred to as “ankle joint pitch axis motor”) that drives the ankle joint pitch axis 26 RY is arranged on the retreat link 201.
  • the output of the ankle joint pitch axis motor 84 is transmitted to a speed reducer 88 (hereinafter, referred to as an ankle joint pitch axis speed reducer) via a belt 86.
  • the output gear 88 for the ankle joint pitch axis is arranged so that its output axis is coaxial with the ankle joint pitch axis 26RY, so that the output reduced by the ankle joint pitch axis reducer 88 is the ankle joint pitch axis 2 6 Directly transmitted to RY, relative rotation of lower leg link 2OR and foot 24R around pitch axis.
  • the hip joints 18R, 18L generate the degrees of freedom around the force axis
  • the hip joints 18RZ, 18LZ generate the degrees of freedom around the roll axis.
  • It is equipped with a Lonolet shaft 18 RX, 18LX, and a hip joint pitch axis 18RY, 18 LY that generates a degree of freedom around the pitch axis, and further has a hip joint redundant axis 18 RR, 18L that generates a redundant degree of freedom around the pitch axis. Since it is configured to have the R, the range of motion of the hip joint 18 R is increased, and the amount of bending (the amount of forward bending and the amount of backward bending) of the upper body 14 can be increased.
  • the range of motion of the legs 12R and 12L can be increased, for example, the inner crotch rotation as shown in FIG. 4, the crab crotch rotation as shown in FIG. 5, and the crouching can be performed.
  • the hip joint roll axis 18 RX, 18 LX and the hip joint pitch axis 18 RY, 18 LY are orthogonal to each other. Even when the redundant shafts 18RR and 18LR are provided, the hip joints 18R and 18L can be made compact.
  • the accommodation capacity of the device in the upper body 14 does not decrease.
  • the reach of the upper body 14 and the attachment to the upper body 14 are possible, compared to the case where joints (degrees of freedom) are provided for the upper body 14. It is possible to further increase the reachable range of the arm that has been set. This is similar to the effect that the human body becomes more flexible by placing the hip joint redundant axes 18 RR and 18 LR close to the other rotation axes of the hip joint. Is obtained.
  • the hip pitch axes 18RY and 18LY when the legs 12R and 12L land, the hip pitch axes 18RY and 18LY, the hip roll axes 18RX and 18LX and the hip joint redundant axes 18RR and 18LR are appropriately driven.
  • the hip joint pitch axis 18RY (18 L ⁇ ) and the hip joint redundant axis 18RR (18 LR) are driven to rotate in the reverse direction (hip joint 18R (18 L)).
  • a compliance function can be provided.
  • FIG. 7 shows that the hip joint redundant axes 18RR and 18LR are provided, and the hip joint pitch axes 18RY and 18LY and the hip joint redundant axes 18RR and 18LR are reversed when the legs 12R and 12L are landed.
  • FIG. 6 is a graph showing a comparison between a landing impact force (indicated by a solid line) when driving in the direction and a landing impact force (indicated by a dashed line) when the driving direction is different.
  • the landing impact force specifically, the force acting in the Z-axis direction, ie, Fz described above
  • the redundant axes 18RR and 18LR of the hip joint are located forward of the center axes 12RC and 12LC of the legs in the traveling direction (X-axis (roll axis) direction) of the robot 10.
  • the forward bending motion of the upper body 14 is facilitated.
  • the motor 54 for the hip joint redundant axis which is a heavy object, is positioned opposite to the hip joint redundant axes 18RR, 18LR with the center axis 12RC, 12LG of the leg therebetween in the roll axis direction (rearward in the traveling direction of the robot 10). Therefore, even when the hip joint redundant shafts 18RR and 18LR are arranged forward of the center axes 12RC and 12LC of the legs, the balance of the centers of gravity of the legs 12R and 12L can be improved.
  • the hip joint redundant shaft motor 54 which is a heavy object, is disposed rearward in the traveling direction of the robot 10, stability when the robot 10 bends forward while standing is improved. Furthermore, even when the upper body 14 is bent forward significantly, the upper body 14 and the motor 54 for the hip joint redundant shaft do not interfere with each other, so that a large amount of forward bending can be obtained.
  • the forward bending amount is larger than the backward bending amount.
  • L 8RR and 18 LR are arranged in front and the hip joint redundant shaft motor 54 is arranged in the rear.
  • 18 RR and 18 LR may be arranged at the rear, and the hip joint redundant shaft motor 54 may be arranged at the front.
  • the structure of the output transmission system can be made compact.
  • the hip joint shafts 18RZ and 18LZ the hip joint roll shafts 18RX and 18LX and the ankle joint joint shafts 26RX and 26LX, the number of rotating shafts and electric motors is reduced. Since the speed gears are all arranged coaxially and they are directly connected without intervening other transmission elements, the structure of the output transmission system can be made more compact.
  • the hip joint pitch axes 18RY and 18LY, the hip joint redundant axes 18RR and 18LR, the knee joint pitch axes 22RY and 22LY, and the ankle joint pitch axes 26RY and 26LY are larger than the uniaxial and roll axes. Since a driving force is required, each electric motor and the speed reducer are connected via a belt (and a pulley having a different diameter) to amplify the input of the speed reducer. Since the belt interposed between the speed reducers only needs to transmit a relatively small driving force before being reduced by the speed reducer, that is, the output of the electric motor itself, the transmission capacity can be set small.
  • the hip joint redundant axes 18 RR and 18 LR generate degrees of freedom around the pitch axis.
  • the rotation axis that is not parallel to the Y axis (Z axis, vertical direction)
  • How to arrange the hip joint redundant axes 18RR and 18LR may be determined as appropriate according to the posture to be taken by the robot 10 and the gait.
  • Fig. 8 shows an example in which the degrees of freedom other than around the pitch axis are generated by the hip joint redundant axes 18RR and 18LR (specifically, an example in which the degrees of freedom are generated on the XY plane).
  • hip joint axes 18 RZ and 18 LZ are made to coincide with the center axes 12RC and 12RC of the legs, but the hip joint axes 18R2 and 18LZ are roll axes with respect to the center axes 12RC and 12LC of the legs. It may be offset in the direction. By doing so, it is possible to suppress interference between the feet when the legs 12R, 12L are rotated, and to increase the rotation angle of the legs 12R, 12L.
  • each The motor may be arranged at the same position as the rotating shaft, and the electric motor, the reduction gear and the rotating shaft may be coaxially connected directly! / ,.
  • the rotation axes are sequentially changed from the upper body 14 side to the hip joint axes 18RZ and 18LZ, the hip joint redundant axes 18RR and 18LR, the hip joint roll axes 18RX and 18LX, and the hip joint pitch axis 1'8RY, 18 LY was placed, but it is not necessarily limited to this.
  • the hip joint (18R, 18L) connecting the upper body (14) and the thigh link (16R, 16L) includes: The knee joint (22R, 22L) connecting the upper leg link (16R, 16L) and the lower retreat link (2OR, 20L), the lower leg link (2OR, 20L) and the foot (24R) , 24L) is connected to a leg (12R, 12L) having an ankle joint (26R, 26L), and the legged mobile robot (10) moves by driving the leg (12R, 12L).
  • the hip joints (18R, 18L) have a first rotational axis (hip joint axis 18RZ, 18LZ) that generates a degree of freedom around the X axis (Z axis), and a degree of freedom about the roll axis (X axis). And a third rotation axis (hip pitch axis 18RY, 18LY) for generating a degree of freedom around the pitch axis (Y axis). Furthermore, it was configured with a fourth rotation axis for generating a redundant degrees of freedom (hip redundant axis 18RR, 18 LR).
  • the hip joint (18R, 18L) is connected to the upper body (14) via one of the first to third rotation axes (hip joint axis 18RZ, 18LZ).
  • the first member (the first hip joint link 30R, 30L) and the remaining one of the first to third rotation axes (the hip roll axis 18 RX, 18 LX and the hip joint pitch)
  • a second member (second hip link 32R, 32L) connected to the upper thigh link (16R, 16L) via a shaft 18RY, 18LY), and the first member (30R , 30L) and the second member (32R, 32L) are connected via the fourth rotation shaft (18RR, 18LR).
  • the fourth rotation axis (18RR, 18LR) is configured to be a rotation axis that is not parallel to the Yaw axis (Z axis).
  • the fourth rotation shaft (18RR, 18LR) is configured to be disposed forward of the first rotation shaft (18RZ, 18LZ) in the roll axis direction. (18RZ, 18LZ) for the first rotating shaft (hip joint shaft motor 50) and the first rotating shaft reducer (hip joint motor) for reducing the output of the first rotating shaft motor (50).
  • the output shafts of the first rotary shaft motor (50) and the first rotary shaft reducer (52) are connected to the first rotary shaft (18RZ). , 18 LZ).
  • a motor for the second rotating shaft (motor 60 for the hip joint roll shaft) for driving the second rotating shaft (18RX, 18LX) and a second motor for reducing the output of the motor for the second rotating shaft (60) are provided.
  • the second rotation axis motor (60) and the second rotation axis speed reducer (62) are connected to the output shaft.
  • the second rotation axis (18RX, 18LX) is arranged so as to be coaxial with the second rotation axis (18RX, 18LX).
  • a third rotating shaft motor (hip joint pitch shaft motor 66) for driving the third rotating shaft (18RY, 18LY) and a third rotating shaft motor (66) for reducing the output of the third rotating shaft motor (66).
  • the third rotation axis speed reducer (70) has an output shaft of the third rotation axis (18 RY, 18 LY).
  • a motor for the fourth rotating shaft (motor 54 for the hip joint redundant shaft) for driving the fourth rotating shaft (18RR, 18LR) is provided, and the motor for the fourth rotating shaft (54) is It is configured so that it is arranged at the same position as the rotation axis (18RR, 18LR) of 4 or above (14).
  • a fourth rotary shaft reducer (hip joint redundant shaft reducer 58) for reducing the output of the fourth rotary shaft motor (54) is provided, and the fourth rotary shaft reducer (58) is The output shaft was configured to be coaxial with the fourth rotation shaft (18RR, 18LR).
  • a mode for the second rotating shaft for driving the second rotating shaft (18RX, 18LX) is provided.
  • a hip joint roll axis motor 60 and a fourth rotation axis motor (hip joint redundant axis motor 54) for driving the fourth rotation axis (18RR, 18LR).
  • 32R, 32L) and the upper leg link (16R, 16L) are connected via at least the second rotary shaft (18 RX, 18 LX), and the fourth rotary shaft motor (54) is It is configured to be disposed on the upper body (14) side of the second rotation shaft motor (60).
  • a third rotating shaft motor (hip joint pitch shaft motor 66) for driving the third rotating shaft (18RY, 18LY) and a third rotating shaft (18RR, 18LR) for driving the fourth rotating shaft (18RR, 18LR).
  • a motor for a four-rotation shaft (motor for a hip joint redundant shaft 54) is provided, and the second member (32R, 32L) and the upper leg link (16R, 16L) are connected to at least the third rotation shaft. (18RY, 18LY), and the fourth rotary shaft motor (54) is arranged closer to the upper body (14) than the third rotary shaft motor (66).
  • the fourth rotating shaft motor (54) is positioned at a position facing the fourth rotating shaft (18RR, 18LR) across the center axis (12RC, 12LC) of the leg in the roll axis direction. It was configured to be arranged in.
  • first rotation axis (18RZ, 18LZ) is configured to be offset in the roll axis direction with respect to the center axis (12RC, 12LC) of the leg.
  • the second rotation axis (18RX, 18LX) and the third rotation axis (18RY, 18LY) are configured to be orthogonal to each other.
  • a bipedal walking robot has been described as an example of a legged mobile robot, but the present invention is applicable to any type of mouth bot as long as it is a robot that moves by legs. is there.
  • Industrial applicability is applicable to any type of mouth bot as long as it is a robot that moves by legs. is there.
  • the hip joint that connects the upper body and the upper leg link has a first rotation axis that generates a degree of freedom about the hoop axis and a second rotation axis that generates a degree of freedom about the roll axis.
  • the amount of flexion of the upper body and the range of motion of the legs can be increased. The degree of freedom can be improved.

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Abstract

脚式移動ロボット(10)において、上体(14)と上腿リンク(16R,16L)を連結する股関節(18R,18L)が、ヨー軸(Z軸)回りの自由度を生成する第1の回転軸(18RZ,18LZ)と、ロール軸(X軸)回りの自由度を生成する第2の回転軸(18RX,18LX)と、ピッチ軸(Y軸)回りの自由度を生成する第3の回転軸(18RY,18LY)とを備えると共に、さらに、冗長自由度を生成する第4の回転軸(18RR,18LR)を備えるように構成した。それによって、上体(14)の屈曲量と脚部(12R,12L)の可動域を増大させることができるため、姿勢や歩容の自由度を向上させることができる。

Description

明細書 脚式移動ロボット 技術分野
この発明は脚式移動ロボットに関し、 より詳しくは、 脚式移動ロボットの股関 節構造に関する。 背景技術
脚式移動ロボットの股関節構造に関する技術としては、 例えば特許第 2592 340号公報、 特開 2001— 62761号公報、 特開 2001— 150371 号公報に記載される技術が知られている。 特許第 2592340号公報 (第 4頁 から第 5頁、 図 2など) に係る従来技術にあっては、 股関節を駆動する各モータ を上体側に配置することで、 脚部末端側の重量を軽量化し、 脚部に発生する慣性 モーメントを減少させるように構成している。
また、 特開 2001— 62761号公報 (段落 0053から 0055、 図 12 など) に係る従来技術にあっては、 股関節に平行リンク機構を設けて左右の脚部 を連結し、 遊脚の着地時に前記平行リンク機構を動作させて着地する脚部を上方 に駆動することで、 着地衝擊カを緩和させるように構成している。
また、 特開 2001— 150371号公報 (段落 0070から 0056、 図 5 、 図 7など) に係る従来技術にあっては、 股関節の各自由度のうち、 ョー軸回り の自由度を生成する回転軸をロール軸方向に対してオフセットさせることで、 口 ポットの方向転換時における足平同士の干渉を回避するように構成している。 ところで、 脚式移動ロボットの上体を屈曲させる場合 (前屈あるいは後屈させ る場合) 、 股関節に設けられたピッチ軸あるいはロール軸回りの各回転軸の可動 域のみでは、 所望の屈曲量を得ることができない場合があった。
そこで、 上体の屈曲量を増大させる技術として、 上体を上部と下部に分割する と共に、 それらをピッチ軸回りの自由度を有する関節を介して連結し、 前記上体 の上部と下部をピッチ軸回りに相対回転させることで、 上体の屈曲量を股関節の 可動域以上に大きく得るようにした技術が提案されている (例えば、 川田工業株 式会社、 "働く人間型口ポットによる"起き上がる ·寝転ぶ"動作に成功"、 [online] , 20 02年 9月 19日、川田工業株式会社ホームページ、 topics、 [2003年 5月 2日検索]、ィ ンターネット <URL :Mtp:〃 www.kawada.co.jp/general/topics/020919— hrp - 2p.html>参 照) 。
上記したホームページ記載の技術にあっては、 上体を上部と下部に分割するよ うに構成していること力 ら、 上体内部への機器の収容性が低下するという不具合 があった。
また、 股関節の可動域が不足するということは、 上体の屈曲量が不足するのと 同時に、 脚部の可動域を大きく確保できないことを意味する。 上記したホームべ 一ジ記載の技術にあっては、 上体に関節を設けることによつて上体の屈曲量を増 大させているため、 脚部の可動域についてはなんら増大されず、 下半身を含めた ロボットの姿勢や歩容の自由度を向上させるには至っていなかった。 発明の開示
従って、 この発明の目的は、 上体の屈曲量および脚部の可動域を増大させ、 姿 勢や歩容の自由度を向上させると共に、 上体への機器の収容性を低下させること のないようにした脚式移動ロボットを提供することにある。
この発明は、 上記した目的を達成するために、 後述する請求の範囲第 1項に記 載する如く、 上体と上腿リンクを連結する股関節と、 前記上腿リンクと下腿リン クを連結する膝関節と、 前記下腿リンクと足平を連結する足首関節を有する脚部 を備え、 前記脚部を駆動して移動する脚式移動ロボットにおいて、 前記股関節は 、 ョー軸回りの自由度を生成する第 1の回転軸と、 ロール軸回りの自由度を生成 する第 2 ·の回転軸と、 ピッチ軸回りの自由度を生成する第 3の回転軸とを備える と共に、 さらに、 冗長自由度を生成する第 4の回転軸を備えるように構成した。 このように、 上体と上腿リンクを連結する股関節が、 ョー軸回りの自由度を生 成する第 1の回転軸と、 ロール軸回りの自由度を生成する第 2の回転軸と、 ピッ チ軸回りの自由度を生成する第 3の回転軸とを備えると共に、 さらに、 冗長自由 度を生成する第 4の回転軸を備えるように構成したので、 上体の屈曲量と脚部の 可動域を増大させることができるため、 姿勢や歩容の自由度を向上させることが できる。 また、 上体が分割されないことから、 上体への機器の収容性が低下する こともない。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 2項に記載する如く、 前記股関節は 、 前記第 1力 ら第 3の回転軸のいずれかの回転軸を介して前記上体に違結される 第 1の部材と、 前記第 1力 ら第 3の回転軸のうちの残余の回転軸を介して前記上 腿リンクに連結される第 2の部材を備えると共に、 前記第 1の部材と第 2の部材 を、 前記第 4の回転軸を介して連結するように構成した。
このように、 第 1から第 3の回転軸のいずれかの回転軸を介して上体に連結さ れる第 1の部材と、 前記第 1から第 3の回転軸のうちの残余の回転軸を介して上 腿リンクに連結される第 2の部材を備えると共に、 前記第 1の部材と第 2の部材 を、 第 4の回転軸を介して連結するように構成したので、 請求の範囲第 1項と同 様に、 上体の屈曲量と脚部の可動域を増大させることができ、 姿勢や歩容の自由 度を向上させることができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 3項に記載する如く、 前記第 4の回 転軸は、 前記ョ一軸と非平行な回転軸であるように構成した。
このように、 第 4の回転軸が、 ロボットのョ一軸と非平行な回転軸であるよう に構成したので、 請求の範囲第 1項と同様に、 上体の屈曲量と脚部の可動域を増 大させることができ、 姿勢や歩容の自由度を向上させることができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 4項に記載する如く、 前記第 4の回 転軸を、 前記第 1の回転軸より前記ロール軸方向において前方に配置するように 構成した。
このように、 第 4の回転軸を、 第 1の回転軸よりロール軸方向において前方 ( 換言すれば、 ロボットの進行方向において前方) に配置するように構成したので 、 上記した効果に加え、 上体の前屈動作が容易となる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 5項に記載する如く、 前記第 1の回 転軸を駆動する第 1回転軸用モータと、 前記第 1回転軸用モータの出力を減速す る第 1回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 1回転軸用モータと第 1回転軸 用減速機を、 それらの出力軸が前記第 1の回転軸と同軸になるように配置するよ うに構成した。
このように、 第 1の回転軸を駆動する第 1回転軸用モータと、 前記第 1回転軸 用モータの出力を減速する第 1回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 1回転 軸用モータと第 1回転軸用減速機を、 それらの出力軸が前記第 1の回転軸と同軸 になるように配置するように構成したので、 上記した効果に加え、 第 1の回転軸 に関する出力伝達系の構造をコンパクト化できる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 6項に記載する如く、 前記第 2の回 転軸を駆動する第 2回転軸用モータと、 前記第 2回転軸用モータの出力を減速す る第 2回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 2回転軸用モータと第 2回転軸 用減速機を、 それらの出力軸が前記第 2の回転軸と同軸になるように配置するよ うに構成した。
このように、 第 2の回転軸を駆動する第 2回転軸用モータと、 前記第 2回転軸 用モータの出力を減速する第 2回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 2回転 軸用モータと第 2回転軸用減速機を、 それらの出力軸が第 2の回転軸と同軸にな るように配置するように構成したので、 上記した効果に加え、 第 2の回転軸に関 する出力伝達系の構造をコンパクト化できる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 7項に記載する如く、 前記第 3の回 転軸を駆動する第 3回転軸用モータと、 前記第 3回転軸用モータの出力を減速す る第 3回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 3回転軸用減速機を、 その出力 軸が前記第 3の回転軸と同軸になるように配置するように構成した。
このように、 第 3の回転軸を駆動する第 3回転軸用モータと、 前記第 3回転軸 用モータの出力を減速する第 3回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 3回転 軸用減速機を、 その出力軸が第 3の回転軸と同軸になるように配置するように構 成したので、 上記した効果に加え、 第 3の回転軸に関する出力伝達系の構造をコ ンパクト化できる。 また、 第 3回転軸用減速機の出力軸と第 3の回転軸を同軸に することで、 第 3の回転軸を駆動するのに必要とされる他の伝達要素は第 3回転 軸用モータと第 3回転軸用減速機の間に配置されるもののみとなる。 かかる伝達 要素は、 減速される前の小さな駆動力 (即ち、 第 3回転軸用モータの出力) を第 3回転軸用減速機に伝達すればよいため、 伝達容量を小さく設定することができ る。 そのため、 比較的軽量な伝達要素を使用することができることから、 電動モ ータと減速機の離間距離が増加して伝達要素が延長されても大きな重量の増加を 招くことがなく、 よって第 3回転軸用電動モータの配置位置の自由度を向上させ ることができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 8項に記載する如く、 前記第 4の回 転軸を駆動する第 4回転軸用モータを備えると共に、 前記第 4回転軸用モータを 、 前記第 4の回転軸と同位置あるいはそれより上体側に配置するように構成した このように、 第 4の回転軸を駆動する第 4回転軸用モータを備えると共に、 前 記第 4回転軸用モータを、 前記第 4の回転軸と同位置あるいはそれより上体側に 配置するように構成したので、 第 4回転軸用モータは第 4の回転軸の回転対象と ならないため、 第 4の回転軸の駆動時に脚部に発生する慣性モーメントを低減す ることができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 9項に記載する如く、 前記第 4回転 軸用モータの出力を減速する第 4回転軸用減速機を備えると共に、 前記第 4回転 軸用減速機を、 その出力軸が前記第 4の回転軸と同軸になるように配置するよう に構成した。
このように、 第 4回転軸用モータの出力を減速する第 4回転軸用減速機を備え ると共に、 前記第 4回転軸用減速機を、 その出力軸が第 4の回転軸と同軸になる ように配置するように構成したので、 上記した効果に加え、 第 4の回転軸に関す る出力伝達系の構造をコンパクト化できる。 また、 第 4回転軸用減速機の出力軸 と第 4の回転軸を同軸にすることで、 第 4の回転軸を駆動するのに必要とされる 他の伝達要素は第 4回転軸用モータと第 4回転軸用減速機の間に配置されるもの のみとなる。 かかる伝達要素は、 減速される前の小さな駆動力 (即ち、 第 4回転 軸用モータの出力) を第 4回転軸用減速機に伝達すればよいため、 伝達容量を小 さく設定することができる。 そのため、 比較的軽量な伝達要素を使用することが できること力 ら、 電動モータと減速機の離間距離が増加して伝達要素が延長され ても大きな重量の増カ卩を招くことがなく、 よって第 4回転軸用電動モータの配置 位置の自由度を向上させることができる。 また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 1 0項に記載する如く、 前記第 2の 回転軸を駆動する第 2回転軸用モータと、 前記第 4の回転軸を駆動する第 4回転 軸用モータを備えると共に、 前記第 2の部材と上腿リンクを、 少なくとも前記第 2の回転軸を介して連結し、 前記第 4回転軸用モータを、 前記第 2回転軸用モー タより上体側に配置するように構成した。
このように、 第 2の部材と上腿リンクは、 少なくとも第 2の回転軸を介して連 結される、 換言すれば、 第 4の回転軸は第 2の回転軸より上体側に配置されると 共に、 第 4回転軸用モータを第 2回転軸用モータより上体側に配置するように構 成したので、 脚部の末端側の重量を軽量化する (脚部の重心位置を末端側から遠 くする) ことができ、 ロボットの移動時に脚部に発生する' I賞性モーメントを低減 できる。 即ち、 第 4の回転軸を第 2の回転軸より上体側に配置することで、 第 4 の回転軸によって回転させられる部材は第 2の回転軸によって回転させられる部 材に比して多くなる。 このため、 第 4回転軸用モータは、 第 2回転軸用モータよ り大きな駆動力が要求されることから、 より大型で重量の重!/ヽものが使用される 。 従って、 第 4回転軸用モータを第 2回転軸用モータより上体側に配置すること で、 脚部の末端側の重量を軽量ィヒし、 脚部に発生する慣性モーメントを低減する ことができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 1 1項に記載する如く、 前記第 3の 回転軸を駆動する第 3回転軸用モータと、 前記第 4の回転軸を駆動する第 4回転 軸用モータを備えると共に、 前記第 2の部材と上腿リンクを、 少なくとも前記第 3の回転軸を介して連結し、 前記第 4回転軸用モータを、 前記第 3回転軸用モー タより上体側に配置するように構成した。
このように、 第 2の部材と上 J3退リンクは、 少なくとも第 3の回転軸を介して連 結される、 換言すれば、 第 4の回転軸は第 3の回転軸より上体側に配置されると 共に、 第 4回転軸用モータを第 3回転軸用モータより上体側に配置するように構 成したので、 脚部の末端側の重量を軽量化する (脚部の重心位置を末端側から遠 くする) ことができ、 ロボットの移動時に脚部に発生する慣性モーメントを低減 できる。 即ち、 第 4の回転軸を第 3の回転軸より上体側に配置することで、 第 4 の回転軸によって回転させられる部材は第 3の回転軸によって回転させられる部 材に比して多くなる。 このため、 第 4回転軸用モータは、 第 3回転軸用モータよ り大きな駆動力が要求されることから、 より大型で重量の重!/ヽものが使用される 。 従って、 第 4回転軸用モータを第 3回転軸用モータより上体側に配置すること で、 脚部の末端側の重量を軽量ィヒし、 脚部に発生する慣性モーメントを低減する ことができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 1 2項に記載する如く、 前記第 4回 転軸用モータを、 前記ロール軸方向において、 前記脚部の中心軸を挟んで前記第 4の回転軸と対向する位置に配置するように構成した。
このように、 第 4回転軸用モータを、 ロール軸方向において、 脚部の中心軸を 挟んで第 4の回転軸と対向する位置に配置するように構成したので、 上記した効 果に加え、 脚部の重心パランスを向上させることができる。 また、 上体を大きく 前屈させた場合であっても、 上体と第 4回転軸用モータが干渉することがないた め、 大きな前屈量を得ることができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 1 3項に記載する如く、 前記第 1の 回転軸を、 前記脚部の中心軸に対し、 前記ロール軸方向にオフセットさせるよう に構成した。
このように、 第 1の回転軸を、 脚部の中心軸に対し、 ロール軸方向にオフセッ トさせるように構成したので、 脚部を回旋させたときの足平同士の干渉を抑制す ることができると共に、 脚部の回旋角度を増大させることができる。
また、 この発明は、 後述する請求の範囲第 1 4項に記載する如く、 前記第 2の 回転軸と第 3の回転軸を直交させるように構成した。
このように、 第 2の回転軸と第 3の回転軸を直交させるように構成したので、 上記した効果にカ卩え、 股関節に冗長自由度を生成する第 4の回転軸を設けた場合 であっても、 股関節をコンパクトにすることができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 この発明の一つの実施の形態に係る脚式移動ロボットの模式図であ る。
第 2図は、 第 1図で模式的に示した口ポットの右脚部を詳しく示す右側面図で ある。
第 3図は、 第 1図で模式的に示したロボットの右脚部を詳しく示す正面図であ る。
第 4図は、 第 1図に示すロボットの歩容の一例 (内股旋回) を示す説明図であ る。
第 5図は、 第 1図に示すロボットの歩容の一例 (蟹股旋回) を示す説明図であ る。
第 6図は、 第 1図に示すロボットにおいて、 脚部にコンプライアンス機能を与 えるときの股関節ピッチ軸と股関節冗長軸の駆動方向の一例を示す模式図である 。
第 7図は、 第 1図に示すロボットにおいて、 脚部の着地時に股関節ピッチ軸と 股関節冗長軸を逆方向に駆動した場合の着地衝撃力と、 然らざる場合の着地衝撃 力を対比して示すグラフである。
第 8図は、 股関節冗長軸によってピッチ軸回り以外の自由度が生成される例を 示す、 第 1図と同様な模式図である。 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この発明の一つの実施の形態に係る脚式移動口ポッ トについて説明する。
第 1図はこの実施の形態に係る脚式移動ロボット、 より詳しくは、 2足歩行口 ボットの模式図である。
図示の如く、 2足歩行ロボット (以下 「ロボット」 という) 1 0は、 左右それ ぞれの脚部 1 2 R, 1 2 L (右側を R、 左側を とする。 以下同じ) を備える。 左右の脚部 1 2 R, 1 2 Lは、 それぞれ、 上体 1 4と上腿リンク 1 6 R, 1 6 L を連結する股関節 1 8 R, 1 8 Lと、 上腿リンク 1 6 R, 1 6 Lと下腿リンク 2 O R , 2 0 Lを連結する泰関節 2 2 R, 2 2 Lと、 下腿リンク 2 0 R, 2 0 Lと 足平 2 4 R, 2 4 Lを連結する足首関節 2 6 R, 2 6 Lとを有する。
股関節 1 8 R , 1 8 Lは、 ョー軸 (Z軸。 鉛直方向) 回りの自由度を生成する 股関節ョー軸 1 8 R Z, 1 8 L Z (前記した第 1の回転軸) と、 口ール軸 (X軸 。 ロボット 10の進行方向) 回りの自由度を生成する股関節ロール軸 18RX, 18LX (前記した第 2の回転軸) と、 ピッチ軸 (Y軸。 ロボット 10の進行方 向および鉛直方向に直行する左右方向) 回りの自由度を生成する股関節ピッチ軸 18RY, 18 LY (前記した第 3の回転軸) と、 ピッチ軸回りの冗長自由度を 生成する股関節冗長軸 18 RR, 18LR (前記した第 4の回転軸) を備える。 股関節ロール軸 18RX, 18 LXと股関節ピッチ軸 18RY, 18 LYは、 図 示の如く直交させられる。
また、 股関節 18R, 18 Lは、 股関節ョー軸 18RZ, 18LZを介して上 体 14に連結される第 1の股関節リンク 30R, 30 L (前記した第 1の部材) と、 股関節ロール軸 18RX, 18 LXと股関節ピッチ軸 18RY, 18 LYを 介して上腿リンク 16 R, 16 Lに連結される第 2の股関節リンク 32 R, 32 L (前記した第 2の部材) を備える。 第 1の股関節リンク 30 R, 30 Lと第 2 の股関節リンク 32R, 32 Lは、 股関節冗長軸 18RR, 18 LRを介して連 結される。 尚、 第 1の股関節リンク 30R, 30 Lおよぴ第 2の股関節リンク 3 2R, 32Lは、 股関節 18R, 18 Lの一部をなしても違和感のないよう、 上 腿リンク 16 R, 16 Lや下腿リンク 20R, 20 Lに比して短く形成される。 膝関節 22R, 22Lは、 ピッチ軸回りの自由度を生成する膝関節ピッチ軸 2 2RY, 22 LYを備える。 また、 足首関節 26 R, 26Lは、 ロール軸回りの 自由度を生成する足首関節ロール軸 26 RX, 26 LXと、 ピッチ軸回りの自由 度を生成する足首関節ピッチ軸 26 RY, 26 LYを備える。 上記した各回転軸 は、 後述する各電動モータによって駆動される。
足首関節 26R, 26 Lと足平 24R, 24 Lの間には、 公知の 6軸力センサ が取り付けられ、 力の 3方向成分 Fx, F y, F zとモーメントの 3方向成分 M X, My, Mzとを測定し、 脚部 12R, 12Lの着地の有無と、 床面から脚部 12R, 12 Lに作用する床反力などを検出する。 また、 上体 14には傾斜セン サが設置され、 ロボット 10の Z軸に対する傾きとその角速度を検出する。 また
、 各回転軸を屠区動する電動モータには、 その回転量を検出するロータリエンコー ダが設けられる。
これら各センサの出力は、 上体 14に収容された制御ュニットに入力される。 制御ュニットは、 メモリに格納されているデータおよぴ入力された検出値に基づ き、 各回転軸を駆動するモータの制御値を算出する。 尚、 制御値の算出手法につ いてはこの発明の主旨とするところではないので、 詳しい説明を省略すると共に 、 それに用いられる上記した各センサや制御ュ-ットの図示も省略する。
このように、 この実施の形態に係るロボット 1 0は、 左右の脚部 1 2 R , 1 2 Lのそれぞれについて 7つの回転軸 (自由度) を与えられ、 これら 7 X 2 = 1 4 個の回転軸を電動モータで駆動することにより、 脚部全体に所望の動きを与えて 任意に 3次元空間を移動することができる。 尚、 上体 1 4には、 例えば国際公開 第 WO 0 2 / 4 0 2 2 6 A 1パンフレットに記載されるような腕部や頭部が接 続されるが、 それらの構造はこの発明の要旨に直接の関係を有しないため、 図示 および説明を省略する。
続いて、 第 2図以降を参照し、 ロボット 1 0の脚部 1 2 R, 1 2 Lについて詳 説する。 尚、 以下、 右側の脚部 1 2 Rを例に挙げて説明するが、 左右の脚部 1 2 R, 1 2 Lは左右対称のため、 以下の説明は左側の脚部 1 2 Lにも妥当する。 第 2図は、 第 1図で模式的に示した脚部 1 2 Rを詳しく示す右側面図である。 また、 第 3図は、 脚部 1 2 Rを詳しく示す正面図である。
両図に示すように、 上体 1 4には、 股関節ョー軸 1 8 R Zを駆動する電動モー タ 5 0 (以下 「股関節ョー軸用モータ」 という) が配置される。 尚、 股関節ョー 軸 1 8 R Zは、 脚部 1 2 Rの中心軸 1 2 R Cと一致させられる。
股関節ョ一軸用モータ 5 0の出力軸は、 上体 1 4の下端に取り付けられた減速 機 5 2 (以下 「股闋節ョー軸用減速機」 という) に直接接続され、 よって股関節 ョー軸用モータ 5 0の出力は、 股関節ョー軸用減速機 5 2に直接伝達される。 ま た、 股関節ョ一軸用減速機 5 2は、 その出力軸が股関節ョー軸 1 8 R Zと同軸と なるように配置され、 よつて股関節ョ一軸用減速機 5 2によつて減速された出力 は、 股関節ョー軸 1 8 R Zに直接伝達されて第 1の股関節リンク 3 O Rを上体 1 4に対して回旋させる。 尚、 股関節ョー軸用減速機 5 2は、 入力軸 (即ち、 股関 節ョー軸用モータ 5 0の出力軸) と出力軸が同軸上に位置するように構成される 。 即ち、 股関節ョー軸用モータ 5 0と股関節ョー軸用減速機 5 2の各出力軸は、 股関節ョー軸 1 8 R Zと同軸とされる。 第 1の股関節リンク 3 O Rには、 股関節冗長軸 1 8 R Rを駆動する電動モータ
5 4 (以下 「股関節冗長軸用モータ」 という) が配置される。 股関節冗長軸用モ → 5 4の出力は、 ベルト 5 6を介して減速機 5 8 (以下 「股関節冗長軸用減速 機」 という) に伝達される。 股関節冗長軸用減速機 5 8は、 その出力軸が股関節 冗長軸 1 8 R Rと同軸になるように配置され、 よって股関節冗長軸用減速機 5 8 によって減速された出力は、 股関節冗長軸 1 8 R Rに直接伝達されて第 1の股関 節リンク 3 0 Rと第 2の股関節リンク 3 2 Rをピッチ軸回りに相対回転させる。 ここで、 股関節冗長軸用モータ 5 4は、 股関節冗長軸 1 8 R Rより上体 1 4側 に配置される。 このため、'股関節冗長軸用モータ 5 4は、 股関節冗長軸 1 8 R R の回転対象とならない。 さらに言及すれば、 股関節冗長軸用モータ 5 4より上体 側にはョー軸回り以外の自由度が存在しないため、 股関節冗長軸用モータ 5 4は ョー軸回りの回転を除いて回転対象とはならない。 従って、 股関節冗長軸 1 8 R Rの駆動時、 ひいてはロボット 1 0の移動時に脚部 1 2 Rに発生する慣性モーメ ントを低減することができる。
上腿リンク 1 6 Rには、 股関節ロール軸 1 8 R Xを駆動する電動モータ 6 0 ( 以下 「股関節ロール軸用モータ」 という) が配置される。 股関節ロール軸用モー タ 6 0の出力軸は、 上腿リンク 1 6 Rに取り付けられた減速機 6 2 (以下 「股関 節ロール軸用減速機」 という) に直接接続され、 よって股関節ロール軸用モータ
6 0の出力は、 股関節ロール軸用減速機 6 2に直接伝達される。
また、 股関節ロール軸用減速機 6 2は、 その出力軸が股関節ロール軸 1 8 R X と同軸となるように配置され、 よつて股関節口一ル軸用減速機 6 2によつて減速 された出力は、 股関節ロール軸 1 8 R Xに直接伝達されて第 2の股関節リンク 3 2 Rと上腿リンク 1 6 Rをロール軸回りに相対回転させる。 尚、 股関節ロール軸 用減速機 6 2は、 入力軸 (即ち、 股関節ロール軸用モータ 6 0の出力軸) と出力 軸が同軸上に位置するように構成される。 即ち、 股関節ロール軸用モータ 6 0と 股関節ロール軸用減速機 6 2の各出力軸は、 股関節ロール軸 1 8 R Xと同軸とさ れる。
また、 上腿リンク 1 6 Rには、 股関節ピッチ軸 1 8 R Yを駆動する電動モータ 6 6 (以下 「股関節ピッチ軸用モータ」 という) が配置される。 股関節ピッチ軸 用モータ 6 6の出力は、 ベルト' 6 8を介して減速機 7 0 (以下 「股関節ピッチ軸 用減速機」 という) に伝達される。 股関節ピッチ軸用減速機 7 0は、 その出力軸 が股関節ピッチ軸 1 8 R Yと同軸になるように配置され、 よつて股関節ピッチ軸 用減速機 7 0によって減速された出力は、 股関節ピッチ軸 1 8 RYに直接伝達さ れて第 2の股関節リンク 3 2 Rと上腿リンク 1 6 Rをピッチ軸回りに相対回転さ せる。
このように、 この実施の形態にあっては、 股関節冗長軸 1 8 R Rを股関節ロー ル軸 1 8 R Xおよぴ股関節ピッチ軸 1 8 R Yより上体 1 4側に配置すると共に、 股関節冗長軸用モータ 5 4を股関節ロール軸用モータ 6 0および股関節ピッチ軸 用モータ 6 6より上体 1 4側に配置するように構成したので、 脚部 1 2 Rの末端 側の重量を軽量ィ匕 (脚部 1 2 Rの重心位置を末端側から遠くする) することがで き、 ロボット 1 0の移動時に脚部に発生する慣性モーメントを低減できる。
これについて具体的に説明すると、 股関節冗長軸 1 8 R Rを股関節ロール軸 1 8 R Xおよび股関節ピッチ軸 1 8 RYより上体 1 4側に配置することで、 股関節 冗長軸 1 8 R Rによって回転させられる部材 (第 2の股関節リンク 3 2 Rから足 平 2 4 Rまで) は、 股関節口ール軸 1 8 R Xや股関節ピッチ軸 1 8 R Yによって 回転させられる部材 (上腿リンク 1 6 Rから足平 2 4尺まで) に比して多くなる 。 このため、 股関節冗長軸用モータ 5 4は、 股関節ロール軸用モータ 6 0および 股関節ピッチ軸用モータ 6 6より大きな駆動力が要求されること力 ら、 より大型 で重量の重いものが使用される。 従って、 より重量の重い股関節冗長軸用モータ 5 4を股関節ロール軸用モータ 6 0および股関節ピッチ軸用モータ 6 6より上体 1 4側に配置することで、 脚部 1 2 Rの末端側の重量を軽量化し、 ロボット 1 0 の移動時に脚部 1 2 Rに発生する慣性モーメントを低減することができる。
第 2図および第 3図の説明を続けると、 上腿リンク 1 '6 Rには、 さらに膝関節 ピッチ軸 2 2 R Yを駆動する電動モータ 7 4 (以下 「膝関節ピッチ軸用モータ」 という) が配置される。 膝闋節ピッチ軸用モータ 7 4の出力は、 ベルト 7 6を介 して減速機 7 8 (以下 「膝関節ピッチ軸用減速機」 という) に伝達される。 膝関 節ピッチ軸用減速機 7 8は、 その出力軸が膝関節ピッチ軸 2 2 R Yと同軸になる ように配置され、 よつて膝関節ピッチ軸用減速機 7 8によつて減速された出力は 、 膝関節ピッチ軸 22 RYに直接伝達されて上腿リンク 16 Rと下腿リンク 20 Rをピッチ軸回りに相対回転させる。
また、 下腿リンク 20 Rには、 足首関節ローノレ軸 26 RXを駆動する電動モー タ 80 (以下 「足首関節ロール軸用モータ」 という) が配置される。 足首関節口 一ル軸用モータ 80の出力軸は、 下腿リンク 2 ORに取り付けられた減速機 82 (以下 「足首関節ロール軸用減速機 J という) に直接接続され、 よって足首閧節 ロール軸用モータ 80の出力は足首関節ロール軸用減速機 82に直接伝達される 足首関節ロール軸用減速機 82は、 その出力軸が足首関節ロール軸 26 RXと 同軸となるように配置され、 よつて足首関節口一ル軸用減速機 82によつて減速 された出力は、 足首関節ロール軸 26 RXに直接伝達されて下腿リンク 2 ORと 足平 24 Rをロール軸回りに相対回転させる。 尚、 足首関節ロール軸用減速機 8 2は、 入力軸 (即ち、 足首関節ロール軸用モータ 80の出力軸) と出力軸が同軸 上に位置するように構成される。 即ち、 足首関節ロール軸用モータ 80と足首関 節口一ル軸用減速機 82の各出力軸は、 足首関節口ール軸 26 R Xと同軸とされ る。
さらに、 下退リンク 201 には、 足首関節ピッチ軸 26 RYを駆動する電動モ ータ 84 (以下 「足首関節ピッチ軸用モータ」 という) が配置される。 足首関節 ピッチ軸用モータ 84の出力は、 ベルト 86を介して減速機 88 (以下 「足首関 節ピッチ軸用減速機」 という) に伝達される。 足首関節ピッチ軸用減速機 88は 、 その出力軸が足首関節ピッチ軸 26 RYと同軸になるように配置され、 よって 足首関節ピッチ軸用減速機 88によって減速された出力は、 足首関節ピッチ軸 2 6 RYに直接伝達されて下腿リンク 2 ORと足平 24 Rをピッチ軸回りに相対回 転させる。
このように、 この実施の形態に係るロボット 10にあっては、 股関節 18R, 18L力 ョー軸回りの自由度を生成する股関節ョー軸 18 RZ, 18LZと、 ロール軸回りの自由度を生成する股関節ローノレ軸 18 RX, 18LXと、 ピッチ 軸回りの自由度を生成する股関節ピッチ軸 18RY, 18 LYとを備えると共に 、 さらに、 ピッチ軸回りの冗長自由度を生成する股関節冗長軸 18 RR, 18L Rを備えるように構成したので、 股関節 1 8 Rの可動域が増大し、 上体 14の屈 曲量 (前屈量および後屈量) を増大させることができる。
また、 脚部 1 2R, 1 2 Lの可動域を増大させることがで'きるため、 例えば第 4図に示すような内股旋回や第 5図に示すような蟹股旋回、 しゃがみ込みなどが 可能となるなど、 ロボット 1 0の姿勢や歩容の自由度を向上させることができる さらに、 股関節ロール軸 1 8 RX, 1 8 LXと股関節ピッチ軸 1 8 RY, 1 8 LYを直交させたため、 股関節冗長軸 1 8RR, 1 8 LRを設けた場合であって も、 股関節 1 8R, 1 8 Lをコンパクトにすることができる。
尚、 従来技術のように上体 14が分割されないことから、 上体 14への機器の 収容性が低下することもない。 また、 股関節 1 8R, 1 8 Lに冗長自由度を設け ることで、 上体 14に関節 (自由度) を設けた場合に比して上体 14の到達可能 範囲、 ひいては上体 14に取り付けられた腕部の到達可能範囲をより拡大するこ とができる。 これは、 股関節冗長軸 1 8 R R, 1 8 LRと股関節の他の回転軸と が近接して配置されることにより、 人間で言えば、 体の柔軟性がより高くなつた のと同様の効果を得ることができるためである。
また、 脚部 1 2R, 1 2Lの着地時に、 股関節ピッチ軸 1 8RY, 1 8 LY, 股関節ロール軸 1 8RX, 1 8 LXおよび股関節冗長軸 1 8RR, 1 8 LRを適 宜に駆動する、 例えば、 第 6図に示すように、 股関節ピッチ軸 1 8RY (1 8 L Ύ) と股関節冗長軸 1 8RR (1 8 LR) を逆回転させるように駆動する (股関 節 1 8R (1 8 L) を収縮させる方向に駆動する) ことで、 脚部 1 2R (1 2L ) にコンプライアンス機能を与えることができる。
第 7図は、 股関節冗長軸 1 8RR, 1 8 LRを設け、 脚部 1 2R, 1 2Lの着 地時に股関節ピッチ軸 1 8 RY, 1 8 LYと股関節冗長軸 1 8RR, 1 8 LRを 逆方向に駆動した場合の着地衝撃力 (実線で示す) と、 然らざる場合の着地衝撃 力 (破線で示す) を対比して示すグラフである。 同図に示すように、 股関節冗長 軸 1 8RR, 1 8 LRを設けてコンプライアンス機能を与えることにより、 着地 衝撃力 (具体的には、 Z軸方向に作用する力。 即ち、 前記した F z) を速やかに 収束させることができ、 より安定した歩行や走行が可能となる。 また、 従来技術で例示したように、 左右の脚部を平行リンク機構で連結した場 合、 上方に駆動できるのは一方の脚部のみであるから、 例えば両脚を同時に着地 させる場合などにあっては、 着地衝擊カを緩和できないという不具合があった。 これに対し、 この実施の形態にあっては、 左右の股関節 18 R, 18Lの双方に 股関節冗長軸 18RR, 18LRを設けることで、 両脚に独立したコンプライァ ンス機能を与えることができるため、 かかる不具合が生じない。
また、 第 2図に良く示すように、 股関節冗長軸 18RR, 18LRは、 脚部の 中心軸 12RC, 12 LCよりロボット 10の進行方向 (X軸 (ロール軸) 方向 ) において前方に配置されるため、 上体 14の前屈動作が容易となる。
さらに、 重量物である股関節冗長軸用モータ 54を、 ロール軸方向において脚 部の中心軸 12RC, 12 LGを挟んで股関節冗長軸 18RR, 18 LRと対向 する位置 (ロボット 10の進行方向において後方) に配置したので、 股関節冗長 軸 18RR, 18 LRを脚部の中心軸 12RC, 12 L Cより前方に配置した場 合であっても、 脚部 12R, 12 Lの重心バランスを向上させることができる。 また、 重量物である股関節冗長軸用モータ 54がロボット 10の進行方向におい て後方に配置されることで、 ロポット 10が立位のまま前屈した際の安定性が向 上する。 さらに、 上体 14を大きく前屈させた場合であっても、 上体 14と股関 節冗長軸用モータ 54が干渉することがないため、 大きな前屈量を得ることがで さる。
尚、 この実施の形態に係るロボット 10のように、 歩行形態を人間と同様な 2 足歩行とした場合、 後屈量に比して前屈量が大きい方が自然であるので、 股関節 冗長軸: L 8RR, 18 LRを前方に配置し、 股関節冗長軸用モータ 54を後方に 配箧するようにしたが、 前屈量に比して後屈量を大きく得たい場合は、 股関節冗 長軸 18 R R, 18 LRを後方に配置し、 股関節冗長軸用モータ 54を前方に配 置すれば良い。
また、 上記した各回転軸と、 それらに電動モータの出力を伝達する減速機の出 力軸を同軸としたので、 出力伝達系の構造をコンパク ト化することができる。 特 に、 股関節ョー軸 18RZ, 18 LZ、 股関節ロール軸 18RX, 18 LXおよ ぴ足首関節ロール軸 26RX, 26 LXに関しては、 各回転軸と電動モータと減 速機が全て同軸上に配置され、 他の伝達要素を介在させることなくそれらが直接 接続されることから、 出力伝達系の構造をより一層コンパクト化することができ る。
他方、 股関節ピッチ軸 18RY, 18LY、 股関節冗長軸 18RR, 18LR 、 膝関節ピッチ軸 22RY, 22 LYおよび足首関節ピッチ軸 26 RY, 26 L Yに関しては、 ョ一軸やロ^ "ル軸に比して大きな駆動力が必要とされることから 、 各電動モータと減速機を、 ベルト (および直径の異なるプーリ) を介して接続 し、 減速機の入力を増幅させるようにしている。 ここで、 電動モータと減速機の 間に介在させられるベルトは、 減速機によって減速される前の比較的小さな駆動 力、 即ち、 電動モータの出力そのものを伝達すればよいため、 伝達容量を小さく 設定することができる。 そのため、 比較的幅や厚みの少ない軽量なベルトを使用 することができることから、 電動モータと減速機の離間距離を増加させてベルト を延長させても大きな重量の増加を招くことがない。 従って、 各電動モータの配 置位置のき由度を向上させることができる。
尚、 上記において、 股関節冗長軸 18 RR, 18 LRはピッチ軸回りの自由度 を生成するようにしたが、 ョー軸 (Z軸。 鉛直方向) と非平行な回転軸、 即ち、 上体 14の屈曲量を変化させるような回転軸であれば、 上述したのと同様の効果 を得ることができる。 股関節冗長軸 18RR, 18 LRをどのように配置するか は、 ロボット 10にとらせるべき姿勢ゃ歩容に応じて適宜決定すれば良い。 股関 節冗長軸 18RR, 18 LRによってピッチ軸回り以外の自由度が生成される例 (具体的には XY平面上に生成される例) を第 8図に示す。
また、 股関節ョー軸 18 RZ, 18 LZを、 脚部の中心軸 12RC, 12RC と一致させるようにしたが、 股関節ョー軸 18R2, 18LZを脚部の中心軸 1 2RC, 12 LCに対してロール軸方向にオフセットさせても良い。 そうするこ とで、 脚部 12 R, 12Lを回旋させたときの足平同士の干渉を抑制することが できると共に、 脚部 12R, 12 Lの回旋角度を増大させることができる。
また、 股関節冗長軸 18RR, 18LR、 股関節ピッチ軸 18RY, 18LY 、 膝関節ピッチ軸 22RY, 22 LYおよび足首関節ピッチ軸 26RY, 26 L Yに関し、 各電動モータと減速機の間にベルトを介在させるようにしたが、 各電 動モータを回転軸と同位置に配置し、 電動モータと減速機と回転軸とを同軸とし て直接接続するようにしても良!/、。
また、 股関節 18R, 18 Lにおいて、 各回転軸を上体 14側から順に股関節 ョー軸 18 R Z, 18 L Z、 股関節冗長軸 18RR, 18LR、 股関節ロール軸 18RX, 18 LXおよび股関節ピッチ軸 1'8RY, 18 LYと配置したが、 必 ずしもそれに限られるものではない。
以上のように、 この発明の一つの実施の形態に係る脚式移動ロポットにおいて は、 上体 (14) と上腿リンク (16R, 16 L) を連結する股関節 (18R, 18 L) と、 前記上腿リンク (16R, 16 L) と下月退リンク (2 OR, 20 L ) を連結する膝関節 (22R, 22 L) と、 前記下腿リンク (2 OR, 20 L) と足平 (24 R, 24 L) を連結する足首関節 (26R, 26 L) を有する脚部 (12R, 12L) を備え、 前記脚部 (12R, 12 L) を駆動して移動する脚 式移動ロボット (10) において、 前記股関節 (18R, 18 L) は、 ョー軸 ( Z軸) 回りの自由度を生成する第 1の回転軸 (股関節ョー軸 18RZ, 18 LZ ) と、 ロール軸 (X軸) 回りの自由度を生成する第 2の回転軸 (股関節ロール軸 18RX、 18 LX) と、 ピッチ軸 (Y軸) 回りの自由度を生成する第 3の回転 軸 (股関節ピッチ軸 18RY, 18 LY) とを備えると共に、 さらに、 冗長自由 度を生成する第 4の回転軸 (股関節冗長軸 18RR, 18 LR) を備えるように 構成した。
また、 前記股関節 (18R, 18 L) は、 前記第 1から第 3の回転軸のいずれ かの回転軸 (股関節ョー軸 18 RZ, 18 LZ) を介して前記上体 (14) に連 結される第 1の部材 (第 1の股関節リンク 30 R、 30 L) と、 前記第 1から第 3の回転軸うちの残余の回転軸 (股関節ロール軸 18 RX、 18 LXおよぴ股関 節ピッチ軸 18 RY, 18 LY) を介して前記上腿リンク (16R、 16 L) に 連結される第 2の部材 (第 2の股関節リンク 32 R、 32L) を備えると共に、 前記第 1の部材 (30R、 30 L) と第 2の部材 (32R、 32 L) を、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18LR) を介して連結するように構成した。
また、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18LR) は、 前記ョー軸 (Z軸) と非 平行な回転軸であるように構成した。 また、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18LR) を、 前記第 1の回転軸 (18 RZ, 18 LZ) より前記ロール軸方向において前方に配置するように構成した また、 前記第 1の回転軸 (18RZ, 18 LZ) を駆動する第 1回転軸用モー タ (股関節ョー軸用モータ 50) と、 前記第 1回転軸用モータ (50) の出力を 減速する第 1回転軸用減速機 (股関節ョー軸用減速機 52) とを備えると共に、 前記第 1回転軸用モータ (50) と第 1回転軸用、減速機 (52) を、 それらの出 力軸が前記第 1の回転軸 (18RZ, 18 LZ) と同軸になるように配置するよ うに構成した。
また、 前記第 2の回転軸 (18RX, 18 LX) を駆動する第 2回転軸用モー タ (股関節ロール軸用モータ 60) と、 前記第 2回転軸用モータ (60) の出力 を減速する第 2回転軸用減速機 (股関節ロール軸用減速機 62) とを備えると共 に、 前記第 2回転軸用モータ (60) と第 2回転軸用減速機 (62) を、 それら の出力軸が前記第 2の回転軸 (18RX, 18 LX) と同軸になるように配置す るように構成した。
また、 前記第 3の回転軸 (18RY, 18 LY) を駆動する第 3回転軸用モー タ (股関節ピッチ軸用モータ 66) と、 前記第 3回転軸用モータ (66) の出力 を減速する第 3回転軸用減速機 (股関節ピッチ軸用減速機 70) とを備えると共 に、 前記第 3回転軸用減速機 (70) を、 その出力軸が前記第 3の回転軸 (18 RY、 18 LY) と同軸になるように配置するように構成した。
また、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18LR) を駆動する第 4回転軸用モー タ (股関節冗長軸用モータ 54) を備えると共に、 前記第 4回転軸用モータ (5 4) を、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18 LR) と同位置あるいはそれより上 体 (14) 側に配置するように構成した。
また、 前記第 4回転軸用モータ (54) の出力を減速する第 4回転軸用減速機 (股関節冗長軸用減速機 58) を備えると共に、 前記第 4回転軸用減速機 (58 ) を、 その出力軸が前記第 4の回転軸 (18RR, 18LR) と同軸になるよう に配置するように構成した。
また、 前記第 2の回転軸 (18RX, 18 LX) を駆動する第 2回転軸用モー タ (股関節ロール軸用モータ 60) と、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18 LR ) を駆動する第 4回転軸用モータ (股関節冗長軸用モータ 54) を備えると共に 、 前記第 2の部材 (32R, 32L) と上腿リンク (16R, 16 L) を、 少な くとも前記第 2の回転軸 (18 RX, 18 LX) を介して連結し、 前記第 4回転 軸用モータ (54) を、 前記第 2回転軸用モータ (60) より上体 (14) 側に 配置するように構成した。
また、 前記第 3の回転軸 (18RY, 18 LY) を駆動する第 3回転軸用モー タ (股関節ピッチ軸用モータ 66) と、 前記第 4の回転軸 (18RR, 18 LR ) を駆動する第 4回転軸用モータ (股関節冗長軸用モータ 54) を備えると共に 、 前記第 2の部材 (32 R, 32 L) と上腿リンク (16R, 16 L) を、 少な くとも前記第 3の回転軸 (18RY, 18LY) を介して連結し、 前記第 4回転 軸用モータ (54) を、 前記第 3回転軸用モータ (66) より上体 (14) 側に 配置するように構成した。
また、 前記第 4回転軸用モータ (54) を、 前記ロール軸方向において、 前記 脚部の中心軸 (12RC, 12LC) を挟んで前記第 4の回転軸 (18RR, 1 8LR) と対向する位置に配置するように構成した。
また、 前記第 1の回転軸 (18RZ, 18 LZ) を、 前記脚部の中心軸 (12 RC, 12LC) に対し、 前記ロール軸方向においてオフセットさせるように構 成した。
また、 前記第 2の回転軸 (18RX、 18 LX) と第 3の回転軸 (18RY、 18 LY) が直交するように構成した。
尚、 上記において、 脚式移動ロボットとして 2足歩行ロボットを例に拳げて説 明したが、 この発明は脚部によって移動するロボットであればいかなる形態の口 ボットに対しても妥当するものである。 産業上の利用可能性
この発明によれば、 脚式移動ロボットにおいて、 上体と上腿リンクを連結する 股関節が、 ョー軸回りの自由度を生成する第 1の回転軸と、 ロール軸回りの自由 度を生成する第 2の回転軸と、 ピッチ軸回りの自由度を生成する第 3の回転軸と を備えると共に、 さらに、 冗長自由度を生成する第 4の回転軸を備えるように構 成したので、 上体の屈曲量と脚部の可動域を増大させることができるため、 姿勢 や歩容の自由度を向上させることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 上体と上腿リンクを連結する股関節と、 前記上腿リンクと下腿リンクを違結 する膝関節と、 前記下腿リン と足平を連結する足首関節を有する脚部を備え、 前記脚部を駆動して移動する脚式移動ロボットにおいて、 前記股関節は、 ョー軸 回りの自由度を生成する第 1の回転軸と、 ロール軸回りの自由度を生成する第 2 の回転軸と、 ピッチ軸回りの自由度を生成する第 3の回転軸とを備えると共に、 さらに、 冗長自由度を生成する第 4の回転軸を備えるように構成したことを特徴 とする脚式移動ロボット。
2 . 前記股関節は、 前記第 1から第 3の回転軸のいずれかの回転軸を介して前記 上体に連結される第 1の部材と、 前記第 1から第 3の回転軸のうちの残余の回転 軸を介して前記上腿リンクに連結される第 2の部材を備えると共に、 前記第 1の 部材と第 2の部材を、 前記第 4の回転軸を介して連結したことを特徴とする請求 の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
3 . 前記第 4の回転軸は、 前記ョー軸と非平行な回転軸であることを特徴とする 請求の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
4 . 前記第 4の回転軸を、 前記第 1の回転軸より前記ロール軸方向において前方 に配置するように構成したことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の脚式參動ロ ボット。
5 . 前記第 1の回転軸を駆動する第 1回転軸用モータと、 前記第 1回転軸用モー タの出力を減速する第 1回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 1回転軸用モ 一タと第 1回転軸用減速機を、 それらの出力軸が前記第 1の回転軸と同軸になる ように配置したことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
6 . 前記第 2の回転軸を駆動する第 2回転軸用モータと、 前記第 2回転軸用モー タの出力を減速する第 2回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 2回転軸用モ 一タと第 2回転軸用減速機を、 それらの出力軸が前記第 2の回転軸と同軸になる ように配置したことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
7 . 前記第 3の回転軸を駆動する第 3回転軸用モータと、 前記第 3回転軸用モー タの出力を減速する第 3回転軸用減速機とを備えると共に、 前記第 3回転軸用減 速機を、 その出力軸が前記第 3の回転軸と同軸になるように配置したことを特徴 とする請求の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
8 . 前記第 4の回転軸を駆動する第 4回転軸用モータを備えると共に、 前記第 4 回転軸用モータを、 前記第 4の回転軸と同位置あるいはそれより上体側に配置し たことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
9 . 前記第 4回転軸用モータの出力を減速する第 4回転軸用減速機を備えると共 に、 前記第 4回転軸用減速機を、 その出力軸が前記第 4の回転軸と同軸になるよ うに配置したことを特徴とする請求の範囲第 8項記載の脚式移動ロボット。
1 0 . 前記第 2の回転軸を駆動する第 2回転軸用モータと、 前記第 4の回転軸を 駆動する第 4回転軸用モータを備えると共に、 前記第 2の部材と上腿リンクを、 少なくとも前記第 2の回転軸を介して連結し、 前記第 4回転軸用モータを、 前記 第 2回転軸用モータより上体側に配置したことを特徴とする請求の範囲第 2項記 载の脚式移動ロボット。
1 1 . 前記第 3の回転軸を駆動する第 3回転軸用モータと、 前記第 4の回転軸を 駆動する第 4回転軸用モータを備えると共に、 前記第 2の部材と上腿リンクを、 少なくとも前記第 3の回転軸を介して連結し、 前記第 4回転軸用モータを、 前記 第 3回転軸用モータより上体側に配置したことを特徴とする請求の範囲第 2項記 載の脚式移動ロボット。
1 2 . 前記第 4回転軸用モータを、 前記ロール軸方向において、 前記脚部の中心 軸を挟んで前記第 4の回転軸と対向する位置に配置したことを特徴とする請求の 範囲第 1項記載の脚式移動口ポット。
1 3 . 前記第 1の回転軸を、 前記脚部の中心軸に対し、 前記ロール軸方向にオフ セットさせたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
1 4 . 前記第 2の回転軸と第 3.の回転軸を直交させたことを特徴とする請求の範 囲第 1項記載の脚式移動ロボット。
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