JP2004001138A - Walking robot - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure of a leg of a four-node link mechanism for weakening electronic controllability and strengthening mechanical controllability. <P>SOLUTION: A body 2 is formed by relatively moving first body 5 and second body 6. The leg 1 is constituted of a plurality of first legs 51 for supporting the first body 5 and a plurality of second legs 55 for supporting the second body 6. The first leg 51 is formed by a first four-node non-parallel link. The second leg 55 is formed by a second four-node non-parallel link. Constraining first two nodes 43 and 44 to be two nodes of the first four-node non-parallel link are constrained by the first body 5. A first landing point 66 or 83 is set at an extended portion 52 of the first link 49 for coupling two other free nodes of the first four node non-parallel link. A locus of the first landing point 83 is an approximate vertical line when the first body 5 is at a reference attitude. A locus of a second landing point is also an approximate vertical line. The four-node link mechanism has rigidity and strength to simplify an electronic control. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行ロボットに関し、特に、電子制御性が弱く機械的制御性が強い歩行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
オフロード上の凹凸面上を歩行して、凹凸面上のサンプルを採取したり、地面下にある未知の金属物体の存在を探知するために、常態的に安定姿勢を維持することができる歩行ロボットが有用に用いられている。そのような歩行ロボットとして、リンク機構で作られた屈折式６脚ロボットが知られている。屈折式６脚ロボットは、（１）その６脚のうちの３脚の同時的接地と、（２）その６脚の内の他の３脚の同時的離脱・前進・後退と、（３）一方の３脚の組と他方の３脚の組の水平面上の相対的回転との複合運動により、凹凸面とロボットの機体との間の干渉を回避しながら任意の方向に運動することができ、階段を昇降することができる。
【０００３】
屈折脚の自由端部位である接地部位の運動軌跡は、連接２リンクの２節２軸独立回転により自由に任意に与えられ得る。接地状態で屈折脚の姿勢を安定化するためには、２節２軸の回転静止時の制御トルクが大きいことが必要である。制御トルクを大きくするためには、フィードバック出力が大きいサーボモータが必要である。そのようなサーボモータの採用は、ロボットに搭載された電池容量と質量の増大化を招く。
【０００４】
観測機器、サンプル採取用機器のような作業機器を歩行ロボットに搭載するためには、設計上にある程度の剛性が屈折脚が有している必要がある。そのような剛性を確保するために、屈折脚には４節リンク機構が適用されている。４節リンク機構が好適に利用される運動機構として、４節間リンクが平行四辺形に形成され、１つの節に任意の運動軌跡を与えることにより他の節に拡大された運動を与える平行四辺形リンクが知られている。このような平行四辺形リンクは、連接２リンク機構に比べて、特開平１０−２４９７５７号で知られているように、機械的構造が複雑化し、その結果、運動制御機構が複雑化する。
【０００５】
運動軌跡が機械的に確定するリンク機構として、４節リンク機構が知られている。４節リンク機構は、運動軌跡が確定するとともに、４つのリンクで運動点に作用する反作用力を支持するので、その剛性が高く支持力が大きい。不平行リンクから形成される一般的な４節リンク機構は、その作用点の運動の解析が困難であり、目的に応じて特殊化された機構が知られている。作用点の運動軌跡が直線的であることが実用的に適正であることが多く、特殊化された機構が多く知られている。特殊化された機構として、作用点以外の１点の運動を直線上に拘束する近似直線運動機構、複数のリンクの長さを等しくする近似直線運動機構のような直線的運動を作用点に与える機構が有名である。これらの直線的運動機構は、付加的なリンクが必要であり、又は、支持力が保証されず剛性が低く、拡大的描画のような幾何学的性能を得る目的が優先的に考慮されていて、ロボットのような大きい質量を持つ物体を支持する物理的性能が考慮されていない。
【０００６】
作業が優先される歩行ロボットに求められる性能としては、その歩行姿勢の優雅さではなく、３脚支持により姿勢が力学的に安定化していることが求められ、その制御軸が１つで十分であることが制御の簡素さのために求められる。そのようなロボットに求められる歩行性能は、任意の２位置間の空間的遷移の確実さであり、運動軌跡が非制御的に知られていることが重要であり、特に、接地部位の運動は単純に直線であることで十分である。素粒子線が飛び交う場所（例示：原子炉内床面、月面）で使用されることが要請される歩行ロボットの姿勢制御は、半導体チップを使用した制御装置を用いるフィードバックのための電子的制御ではなく、主として機械的制御であることが望ましい。
剛性と直線運動性、特に、鉛直方向運動性が与えられることが求められる。その結果として、姿勢保持のためにフィードバック制御を要しないことが更に求められ、電子制御性が弱く機械的制御性が強いことが求められる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電子制御性が弱く機械的制御性が強い歩行ロボットを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明による歩行ロボットは、第１胴体（５）と、第１胴体（５）に支持されて第１胴体（５）に対して運動する第２胴体（６）と、第１胴体（５）を支持する複数の第１脚（５１）と、第２胴体（６）を支持する複数の第２脚（５５）とから構成されている。第１脚（５１）は、第１四節非平行リンクで形成され、第２脚（５５）は、第２四節非平行リンクで形成されている。第１四節非平行リンク（５１）は、構造の点で、第２四節非平行リンク（５５）に同じである。第１四節非平行リンクの２節である拘束第１二節（４３，４４）は、第１胴体（５）に拘束され、第２四節非平行リンクの２節である拘束第２二節（５６，５７）は、第２胴体（６）に拘束されている。第１四節非平行リンクの他の２つの自由二節を結合する第１リンク（４９）の延長部位（５２）に第１着地点（６６又は８３）が設定され、第２四節非平行リンクの他の２つの節である自由二節を結合する第２リンク（６３）の延長部位（６４）に第２着地点（６６’又は８３）が設定されている。第１着地点（８３）の軌跡は、第１胴体（５）が基準姿勢にあるときに近似的鉛直線であり、第２着地点（８３）の軌跡は第２胴体（６）が基準姿勢にあるときに近似的鉛直線である。
【００１０】
このように規定される４節リンク機構の少なくとも２つのリンク（４５，４６）は、胴体（１）の質量に作用する重力を支持する脚（１）の剛性と強度を強化し、且つ、着地点の運動軌跡を確定化する。そのような確定化のために、４節リンクがリンク数の点で最も簡素である。４節リンク機構の採用は、歩行ロボットの分野で公知である。着地点（８３）の運動が近似的に鉛直線の上にあることは公知ではない。この非公知の特徴は、脚特に着地点の自由な運動の範囲を公知のそれに比べて拡大することができ、地面上の障害物に接触する確率を小さくすることができる、又は、階段に対する昇降運動の確実性を増大させることができる。このように機械的に又は幾何学的に運動を制御することは、機械的制御性を強くして電子的制御性を弱くすることを意味する。大きい質量を持つ物体の運動制御が機械的に行われることが優れていることは、ロボット工学で特に求められいる。
【００１１】
第１着地点（８３）に配置される第１センサー（６６）と、第２着地点（８３）に配置される第２センサー（６６’）とが追加される。第１センサー（６６）は、延長部位（５２）に固着されている第１電極（７６）と、延長部位（５２）に３次元回転的に支持される３次元軸受（７２）と、３次元軸受（７２）に固着されている第２電極（７７）と、延長部位（５２）と３次元軸受（７２）との間に介設されるコイルスプリング（７４）とから構成されている。第１電極（７６）と第２電極（７７）は、コイルスプリング（７４）の圧縮時に互いに接触する３つの接触点を有して接触電気信号を生成する。少なくとも３点の接触点は、第１センサー（６６）の３次元的傾斜の検出を確実にする。第１電極（７６）と第２電極（７７）とが環状に形成されれば、その接触可能点は無限数化され、その確実性がより保証される。
【００１２】
第２胴体（６）が第１胴体（１）に線形運動自在に支持され、第２胴体（６）が第１胴体（５）に回転運動自在に支持されていることは、公知技術そのままであるが、本発明による歩行ロボットは、このような公知のメカの利点を有効に活用することができる。
第１胴体（５）に配置されるモータ（７）と、拘束第１二節のうちの１つの節（４３）として形成される回転軸とが当然に（必須的に）用いられている。モータ（７）の出力軸（８）はその回転軸に対してウォームギヤ（１４，５４）を介して回転自在に結合している。ウォームギヤの採択は、機械的制御性をより強くして電子的制御性をより弱くすることができる。
４節リンク機構に関する近似直線運動の一般的条件化は、詳しくは後述される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の歩行ロボットの外観を示す外観図である。図２は、上部を切断したときの平面図である。図３は、歩行ロボットの一部切断した正面図である。図１に示されているように、本発明による歩行ロボットの実施の形態は、６脚が胴体とともに設けられている。その６脚１−１〜６は、その胴体２に屈折自在に支持されている。胴体２は、図１に示されるように、略三角形状の板である下側胴体外板３と上側胴体外板４とから形成されている。略三角形状の板である下側胴体内板５が、下側胴体外板３に固定的に支持されている。下側胴体内板５は、下側胴体外板３より上側に配置されている。略三角形状の板である上側胴体内板６が、上側胴体外板４に固定的に支持されている。上側胴体内板６は、上側胴体外板４より下側に配置されている。
【００１４】
正逆両方向に出力軸が回転する第１脚駆動用モータ７が、下側胴体内板５に固定的に支持されている。第１脚駆動用モータ７は、下側胴体内板５の上面側に固定配置されている。第１脚駆動用モータ７の第１出力軸８は、下側胴体内板５の上面側から下面側に貫通している。第１出力軸８の下端側部位に歯車９が固着されている。減速歯車軸１１が、下側胴体内板５と下側胴体外板３とに回転自在に支持されている。減速歯車軸１１の上方部位は下側胴体内板５に支持され、減速歯車軸１１の下方部位は下側胴体外板３に支持されている。第１出力軸８に固着されている歯車９と減速歯車軸１１に固着されている歯車との噛み合いにより、第１出力軸８の回転は減速されて減速歯車軸１１に伝達される。
【００１５】
第１脚駆動歯車軸１２の下方部位は、下側胴体内板５に回転自在に支持されている。第１脚駆動歯車軸１２の上方部位は、下側胴体内板５に支持されている軸受け台１３に回転自在に支持されている。減速歯車軸１１の回転は、更に減速歯車軸１１に固定された歯車と第１脚駆動歯車軸１２に固定された歯車とで減速されて第１脚駆動歯車軸１２に伝達される。第１脚駆動歯車軸１２には、第１ウォームギヤ１４が固着されている。従って、第１脚駆動用モータ７の回転出力は、第１ウォームギヤ１４を介して、後述される４節リンク機構に伝達される。
【００１６】
下側胴体内板５には、レール１５が形成されている（図２参照）。往復運動台車１６は、レール１５に載置されレール１５に案内され下側胴体内板５に支持されて往復運動する。レール１５に平行してラック１７が配置されている。往復運動台車１６には、ピニオン軸が回転自在に支持され、そのピニオン軸にピニオン１７’が固着されている。ラック１７に噛み合うピニオン１７’を支持する往復運動台車１６は、ラック１７から反作用を受けて、レール１５の上で直線的に運動する。往復運動台車１６には、正逆両方向に出力軸が回転する往復運動駆動用モータ１８が載置されて固定されている。ピニオン１７’は、往復運動駆動用モータ１８の出力軸に連結されている。
【００１７】
相対的胴体回転軸１９の下端が往復運動台車１６に固定されており、往復運動台車１６から立ち上がっている。相対的胴体回転軸１９に対して回転自在に回転筒２１が、上下１対の玉軸受２２を介して相対的胴体回転軸１９に外装されている。既述の上側胴体内板６は、回転筒２１の上面に接合して回転筒２１に一体に固着されている。従って、下側胴体内板５と上側胴体内板６とは、相対的胴体回転軸１９を中心に相対的に回転可能である。上側胴体内板６の下面には、相対的胴体回転駆動用モータ２３の上面が固定されている。相対的胴体回転駆動用モータ２３は、正逆両方向に出力軸が回転可能である。
【００１８】
相対的胴体回転駆動用モータ２３の出力軸２４は、上側胴体内板６を貫通して上側胴体内板６の上面側に延びている。出力軸２４にはプーリ２５が固定されている。相対的胴体回転軸１９の上方部位である細径部位に、プーリ２６が固着されている。ベルト２７は、プーリ２６に摩擦的に結合していてプーリ２６の周溝面に転動して相対的胴体回転軸１９を中心軸として周回的に回転する。プーリ２５は、相対的胴体回転軸１９のまわりに公転し且つ自転する。なお、相対的胴体回転駆動用モータ２３は、ウォームギヤとウォームホイールによる駆動であっても良い。
【００１９】
正逆両方向に出力軸が回転する第２脚駆動用モータ２８上面は、上側胴体内板６の下面に接合して上側胴体内板６に固定されている。第２脚駆動用モータ２８の第２出力軸２９は、上側胴体内板６の下面側から上面側に貫通している。第２出力軸２９の上端側部位に歯車３１が固着されている。減速歯車軸３２が、上側胴体内板６と上側胴体外板４とに回転自在に支持されている。減速歯車軸３２の下方部位は上側胴体内板６に支持され、減速歯車軸３２の上方部位は上側胴体外板４に支持されている。第２出力軸２９に固着されている歯車３１と減速歯車軸３２に固着されている歯車との噛み合いにより、第２出力軸２９の回転は減速されて減速歯車軸３２に伝達される。
【００２０】
他方、第２脚駆動歯車軸３３の上方部位は、上側胴体内板６に回転自在に支持されている。第２脚駆動歯車軸３３の下方部位は、上側胴体内板６に支持されている軸受け台１３’に回転自在に支持されている。減速歯車軸３２の回転は、更に減速されて第２脚駆動歯車軸３３に伝達される。第２脚駆動歯車軸３３には、第２ウォームギヤ３４が固着されている。第２脚駆動用モータ２８の回転出力は、第２ウォームギヤ３４を介して、後述される４節リンク機構に伝達される。
【００２１】
回転数検出器３５が、上側胴体内板６に取り付けられている。回転数検出器３５の筐体が、上側胴体内板６に固着されている。回転数検出器３５は、回転数検出用回転軸３６を有している。回転数検出用回転軸３６の上端部位は、上側胴体内板６の上面側に突出している。プーリ３７が、回転数検出用回転軸３６のその突出部位に固着されている。相対的胴体回転軸１９にプーリ３８が同軸に固定されている。上側胴体内板６が相対的胴体回転軸１９を中心軸として回転するとき、ベルト３９はプーリ３８にタイミングベルトで連結されていてプーリ３８の周溝面に転動して相対的胴体回転軸１９を中心軸として周回的に回転する。
【００２２】
プーリ３７は、相対的胴体回転軸１９のまわりに公転し且つ自転する。プーリ３７の自転角速度と上側胴体内板６の自転角速度のずれが生じるように設計されているので、回転数検出用回転軸３６と回転数検出器３５の筐体との間の相対的回転が生じて、回転数検出用回転軸３６の回転角度を磁気的、又は電気的に検出する。このように検出される回転角度は設計定数に基づいて換算されて、下側胴体内板５と上側胴体内板６の相対的回転角度が検出される。
【００２３】
図３に示されるように、凹状に形成された３つの第１軸受固着体４１が下側胴体内板５に固定されている。第１軸受固着体４１は、相対的胴体回転軸１９の中心軸線のまわりに１２０度の角度間隔で３つが配置されている。図２には、第１軸受固着体４１は、１体のみが図示されている。第１軸受固着体４１に、第１軸受両側板４２が固着されている。第１軸受両側板４２に、第１第１節回転中心軸４３が通されて固定されている。
【００２４】
レール１５により規定される運動面（基準面）が水平面であれば、第１第１節回転中心軸４３の中心軸心線は水平に向いている。第１軸受両側板４２に、図３に示されているように、第１第２節回転中心軸４４が貫通し固定されている。第１第２節回転中心軸４４は、第１第１節回転中心軸４３に平行に配置されている。第１第１節回転中心軸４３と第１第２節回転中心軸４４との間の間隔は、後述される近似直線運動機構に設定されるパラメータとして定数である。
【００２５】
図３に示されているように、第１第１節回転中心軸４３に第１第１リンク４５の一端が揺動自在に連結されている。また、第１第２節回転中心軸４４に、第１第２リンク４６の一端が揺動自在に連結されている。第１第１リンク４５の回転（揺動）運動側の端部に、第１第３節回転中心軸４７が固定されている。第１第３節回転中心軸４７は、第１第１節回転中心軸４３に平行な位置に配置されている。第１第２リンク４６の回転運動側の他端部に、第１第４節回転中心軸４８が設けられている。第１第４節回転中心軸４８は、第１第１節回転中心軸４３に平行に配置されている。第１第３リンク４９の一端が、第１第３節回転中心軸４７と第１第４節回転中心軸４８とに回転自在に結合されている。
【００２６】
第１軸受両側板４２は、第１第４リンクに相当している。第１第１リンク４５、第１第２リンク４６、第１第３リンク４９、及び第１軸受両側板４２である第１第４リンクは、第１四節リンク機構５１を構成している。第１第３リンク４９は、図３では第１第１リンク４５に隠れた位置にあって図３には現れていない（図２参照）。第１第３リンク４９は、第１第３節回転中心軸４７と第１第４節回転中心軸４８との間のリンク部分が一体に構成され延長されており、第１着地（接地）脚部分５２を形成している。図２に示すように、このような第１四節リンク機構５１の３組が、相対的胴体回転軸１９のまわりに１２０度の角度間隔で配置され、既述の運動面に直交する面（今の場合、鉛直面）で回転的に運動し、第１着地脚部分５２の下端部位である接地動作部位５３は、疑似直線上で運動し、特に、既述の運動面が水平面であれば、それぞれに３つの鉛直線の上で運動する。
【００２７】
第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４が、図３に示されるように、第１第１節回転中心軸４３に一体に結合されている。既述の第１ウォームギヤ１４は、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４に噛み合っている。ウォームギヤを用いた理由は、第１脚駆動用モータ７の側から第１脚駆動歯車軸１２に入力される回転力（トルク）を、忠実に第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４に伝達するが、第１四節リンク機構５１の側から第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４に入力される回転力（トルク）を実質的に伝達しない不可逆的動力伝達性を保証することができるからである。
【００２８】
第１軸受両側板４２と第１第１節回転中心軸４３に対応する部材が、上側胴体内板６に固定的に配置される。３つの組の第１四節リンク機構５１に対応して第１四節リンク機構５１に完全に合同であり、又は、概ね合同である３組の第２四節リンク機構５５が、上側胴体内板６に支持されている。第２四節リンク機構５５は、相対的胴体回転軸１９に対して、概ね中心線対称に配置されている。３組の第２四節リンク機構５５は、１２０度の角度間隔で相対的胴体回転軸１９のまわりに配置されている。従って、第２四節リンク機構５５は、第１四節リンク機構５１に対して相対的胴体回転軸１９のまわりに初期的に６０度の離隔角度で配置されている。
【００２９】
第２第１節回転中心軸５６は、第１第１節回転中心軸４３に対応している。第２第２節回転中心軸５７は、第１第２節回転中心軸４４に対応している。第２第３節回転中心軸５８は、第２第３節回転中心軸４７に対応している。第２第４節回転中心軸５９は、第１第４節回転中心軸４８に対応している。第２第１リンク６１は、第１第１リンク４５に対応している。第２第２リンク６２は、第１第２リンク４６に対応している。第２第３リンク６３は、第１第３リンク４９に対応している。第２着地脚部分６４は、第１着地脚部分５２に対応している。
【００３０】
第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５が、図３に示されるように、第２第１節回転中心軸５６に回転が同体になるように固定されている。既述の第２ウォームギヤ３４は、第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５に噛み合っている。前述したように、この第２ウォームギヤ３４の使用は、第２脚駆動用モータ２８の側から第２脚駆動歯車軸３３に入力される回転力を、忠実に第２第２リンク６２に伝達するが、第２四節リンク機構５５の側から第２第２リンク６２に入力される回転力を実質的に伝達しない不可逆的動力伝達性を保証することができからである。
【００３１】
図３に示されるように、第１着地脚部分５２の自由端部位に後述する第１着地センサー６６が揺動自在に支持されている。第２着地脚部分６４の自由端部位に第２着地センサー６６’が揺動自在に支持されている。第１着地センサー６６と第２着地センサー６６’は、共に歪みを検出して接地圧に換算してそれに対応する電圧信号を生成する触覚センサーが有効に用いられ得る。本発明では、接地圧の検出はしていない。
【００３２】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１着地センサー６６又は第２着地センサー６６’のより好適な触覚センサーを示している。ここで例示される触覚センサーは、着地の事実のみを単純に検出して接地圧の検出を必要としない電気接点式検出機構を有している。第１着地脚部分５２又は第２着地脚部分６４は、円筒状に形成された円筒部位である。この金属製の円筒部位の内周面には、絶縁材料で形成される円筒状の電極支持筒６７が固着されている。電極支持筒６７の内周面に支柱保持筒６８が固着されている。支柱保持筒６８の中心部に３次元軸受支柱６９が貫通して配置されている。３次元軸受支柱６９の下端には、球状の形をした３次元回転軸７１が同体に、又は一体に結合されている。３次元回転軸７１には、第１着地センサー６６（又は第２着地センサー６６’）の３次元軸受７２が嵌め込まれて外装されている。
【００３３】
３次元回転軸７１は、半球面より広い球面を持つ部分球体である。３次元軸受７２は、凹球面を有している。その凹球面は、３次元回転軸７１の部分球体面に３次元回転自在に摺動することができる。３次元軸受７２の下方部位の鍔部７３の上面と電極支持筒６７の下面との間に、コイルスプリング７４が介設されている。コイルスプリング７４は、３次元軸受７２を地面側に押し出す押し出し力を有している。３次元軸受７２には、鍔部７３が形成されている。３次元軸受７２は、一体に着地部位７２’を有している。着地部位７２’は、鍔部７３に一体に嵌め込まれている。着地部位７２’の接地面は、部分球面７５に形成されている。
【００３４】
電極支持筒６７の下端面に、固定側環状電極７６が接合されている。これと対向するように、３次元軸受７２の上端面に揺動側環状電極７７が接合されている。固定側環状電極７６が揺動側環状電極７７に対向する面は、帯状凹部分球面、帯状凸部分球面、又は、帯状円錐面（以下、帯状凹球面といわれる）に形成されている。揺動側環状電極７７が固定側環状電極７６に対向する面は、帯状凸部分球面、帯状凹部分球面、又は、帯状円錐面（以下、帯状凸球面といわれる）に形成されている。
【００３５】
部分球面７５が地面から離れている間は、中心線Ｌに対して対称に形成されているコイルスプリング７４により全周的に均等に押し出し力を受けて３次元軸受７２に固定されている揺動側環状電極７７の帯状凸球面は、固定側環状電極７６の帯状凹球面から完全に離隔している。部分球面７５が地面に接地すれば、揺動側環状電極７７の帯状凸球面の少なくとも１点領域は、固定側環状電極７６の帯状凹球面の少なくとも１点領域に接触する。固定側環状電極７６と揺動側環状電極７７の接触により閉じられる電気回路（図示されず）が第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５と第１脚駆動用モータ７との間（第１着地センサー６６と第２脚駆動用モータ２８との間）に形成されていて、その接触に基づく電気信号が第１脚駆動用モータ７（第２脚駆動用モータ２８）に入力する。
【００３６】
図４（ｂ）は、部分球面７５が障害物７８の１点に軽く触れることにより揺動側環状電極７７が１点領域又は３点領域で固定側環状電極７６に接触している状態を示している。図３（ｃ）は、部分球面７５が地面７９にしっかり接地して揺動側環状電極７７が全面領域で固定側環状電極７６に接触している状態を示している。図３（ｃ）に示される接地状態では、コイルスプリング７４は完全に収縮している。このような収縮状態で、第１着地脚部分５２と３次元軸受７２とは、コイルスプリング７４を介して地面７９に接触していて、第１着地脚部分５２の下端面は３次元軸受７２の上端面に接触していない。第１着地脚部分５２と３次元軸受７２とは、電極又は電気接触子８１のみを介して接触して接合する。
【００３７】
１組の第１四節リンク機構５１には、１つの第１脚駆動用モータ７が対応している。１組の第２四節リンク機構５５には、１つの第２脚駆動用モータ２８が対応している。本発明による歩行ロボットは、下記ステップに従って運動する。
ステップ０：
３つの第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５と３つの第１着地センサー６６とが接地していて、往復運動台車１６はレール１５の上でその中立位置にあり、３つの第１第３リンク４９と３つの第２第３リンク６３が鉛直に向いている初期条件が採択される。
【００３８】
ステップ１：
３つの第２脚駆動用モータ２８に電源がＯＮ状態で接続される。３つの第１脚駆動用モータ７には電源がオフ状態で接続されている。３つの第２脚駆動用モータ２８の第２出力軸２９は、互いに同期して同一の回転角速度で同一の向きに回転する。第２出力軸２９の回転出力は、第２ウォームギヤ３４と第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５を介して第２第１節回転中心軸５６に伝達される。第２脚駆動用モータ２８の正転は、第２第１リンク６１又は第２第２リンク６２と水平面との角度を増大させる方向の回転として定義される。第２脚駆動用モータ２８の正転により、第２第１リンク６１が回転してより立ち上がる。
【００３９】
第２四節リンク機構５５の４節間の４つの距離（有効リンク長さ）は不変であるので、第２着地センサー６６’は定曲線の軌跡を描く。本発明では、その定曲線は概ね定直線であり、特に、第２鉛直線８２である（図２参照）。第２鉛直線８２は、往復運動台車１６に対して固定された直線である。本実施の本形態では、第２第３リンク６３の中心線は、第２鉛直線８２に概ね一致している。第２着地センサー６６’特に第２着地センサー６６’の着地部位７２’の頂点８３（図３（ａ）参照）の第２鉛直線（Ｌ）８２の上の上昇距離は、往復運動台車１６に搭載される制御器（図示されず）の制御用プログラムに入力されて規定され、又は、障害物７８の高さを検出する検出器（図示されず）が検出して出力する高さ信号に基づいて規定される。
【００４０】
ステップ２：
３つの第２着地センサー６６’は、規定高さ位置まで上昇すれば、第２脚駆動用モータ２８がオフ状態になって、その規定高さを保持する。往復運動駆動用モータ１８がＯＮ状態になって、ピニオン１７’が正方向に回転する。ピニオン１７’に噛み合うラック１７が固定されている下側胴体内板５から反作用を受ける往復運動台車１６は、下側胴体内板５に対して前進方向に前進する。ここで、前進方向は既述の中立位置を含む基準鉛直線８４から１つの第２四節リンク機構５５が遠ざかる放射方向８５（図２参照）に一致している。
【００４１】
他の２つの第２四節リンク機構５５は、放射方向に遠ざかる１つの第２四節リンク機構５５に並行してその放射方向に運動する。その放射方向の運動の距離は、既述の制御器により規定されている一定距離である。但し、その一定距離の運動の完了の前に第２着地センサー６６’が障害物に接触した場合には、第２着地センサー６６’から停止信号を受ける往復運動駆動用モータ１８の回転出力が零になって、第２着地センサー６６’はその接触位置から僅かに後退して停止する。
【００４２】
ステップ３：
往復運動台車１６が一定距離前進してその一定距離だけ３つの第２四節リンク機構５５が前進すれば、往復運動駆動用モータ１８の回転が停止して往復運動台車１６が停止し、次に、３つの第２脚駆動用モータ２８が同時的に逆転を始める。３つの第２着地センサー６６’は鉛直方向の下方に降下する。他の３つの第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６が同一水平面に接地している場合には、３つの第２着地センサー６６’は概ね同時的にその水平面に接地する。接地相手の接地面が水平面でなく凹凸面であれば、３つの第２着地センサー６６’のうちの１つが先にその凹凸面に接地する。
【００４３】
その１つの第２着地センサー６６’は、図４（ｃ）に示されるように、標準的に安定的に既述の通りに接地する。その接地に時間遅れで、他の２つの第２着地センサー６６’が相次いで接地する。３つの第２着地センサー６６’の接地と残りの他の３つの第１四節リンク機構５１の接地とによる６点支持で、本歩行ロボットは安定的に凹凸面上に保持される。３つの第２脚駆動用モータ２８の回転は、第２着地センサー６６’から接地信号をそれぞれに受けて相次いで停止する。
【００４４】
ステップ４：
次に、３つの第１脚駆動用モータ７が正転を開始する。３つの第１脚駆動用モータ７の規定角度の回転は、３つの第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６を鉛直方向上方に規定高さまで持ち上げる。３つの第１着地センサー６６がその規定高さまで上昇した時に、３つの第１脚駆動用モータ７はその回転を停止させる。
ステップ５：
次に、往復運動駆動用モータ１８はその逆転を開始する。往復運動駆動用モータ１８の出力軸の逆転は、３つの第２四節リンク機構５５の第２着地センサー６６’が接地していて運動することができない上側胴体内板６に対して相対的に下側胴体内板５を既述の放射方向８５に前進させる。下側胴体内板５に支持されている３つの第１四節リンク機構５１の１つは、基準鉛直線８４に対して逆放射方向８６（図２参照）に前進する。３つの第１四節リンク機構５１が既述の規定距離だけ前進した時に、往復運動駆動用モータ１８はその回転を停止させる。
【００４５】
ステップ６：
次に、第１脚駆動用モータ７が逆転して、３つの第１着地センサー６６が相次いで既述の凹凸面に接地して、第１脚駆動用モータ７の逆転が停止する。このように本歩行ロボットは、一定距離ずつ尺取り虫のように歩進する。
ステップ７：
本歩行ロボットは、前進方向を変更することができる。ステップ２の次に、相対的胴体回転駆動用モータ２３が正転を開始する。プーリ２５が回転駆動され、ベルト２７がプーリ２６のまわりに摩擦接触して相対的胴体回転軸１９のまわりに公転する。その公転の角度は、適正角度範囲にある。その適正性角度範囲として正負で２０度の程度が例示される。
【００４６】
３つの第２四節リンク機構５５の第２着地センサー６６’のステップ３の降下とその接地に続いて、ステップ４の第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６の上昇と、相対的胴体回転駆動用モータ２３の逆転に基づいて下側胴体内板５が受ける回転反作用による下側胴体内板５に支持される３つの第１四節リンク機構５１の正方向回転と、ステップ６の３つの第１着地センサー６６の降下と接地の複合運動により、本歩行ロボットは規定角度だけ基準鉛直線８４のまわりに自転することができる。
【００４７】
歩進的に自転して、基準鉛直線８４のまわりの任意の角度方向にレール１５の方向である前進後退方向を設定することができる。任意の直進的歩進幅と任意の自転的歩進幅との組合せにより、本歩行ロボットはオフロードの任意のコース上で運動することができる。そのようなオフロードとして、坂道、階段が例示される。
全質量に作用する重力を均等に又は不均等に分担して支持する６つの脚１〜１ないし脚１〜６の分担荷重の反作用が、第１四節リンク機構５１と第２四節リンク機構５５とを介して、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４と第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５に作用し、その反作用力は、更に、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４と第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５から第１ウォームギヤ１４と第２ウォームギヤ３４とに作用する。
【００４８】
その分担荷重は、第１ウォームギヤ１４と第２ウォームギヤ３４とのそれぞれに回転力を与えるが、第１・節側ウオーム噛み合い歯車５４と第１ウォームギヤ１４との間の回転力伝達特性と、第２・節側ウオーム噛み合い歯車６５と第２ウォームギヤ３４との間の回転力伝達特性とは、既述の非可逆性を有し、分担重力の反作用が第１ウォームギヤ１４と第２ウォームギヤ３４とを回転させることはない。従って、第１脚駆動用モータ７と第２脚駆動用モータ２８とにはフィードバック制御による回転角度位置保持制御が必要でなく、その制御のために必要である持続的電力を諸費しないですむので、搭載される電池の容量を小さくすることができる。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第１着地センサー６６又は第２着地センサー６６’の運動軌跡が、鉛直方向直線運動Ａ、非鉛直方向直線運動Ｂ、非直線運動（円弧）Ｃの３通りの前進方向運動領域の広狭の比較を示している。上昇し前進した後の運動点Ｐは、着地点Ｑに向かう。運動点Ｐの運動の自由度は、リンクの存在を無視して解析できる。円弧ＰＱと斜め直線ＰＱと鉛直直線ＰＱより前進方向に存在する障害物７８は、斜線で示されている。円弧運動（図５（ａ）の運動点は、降下しながら始点より前進方向に前方に進むことができる。斜め直線運動（図５（ｂ））の運動点Ｐは、降下しながら始点より更に前進方向に前方に進むことができる。鉛直直線運動（図５（ｃ））の運動点Ｐは、降下することができるが始点より前方に前進することができない。
【００５０】
３通りの運動のうち、着地点Ｑまで降下する運動点の降下運動の自由度は、斜め運動がもっとも低く、円弧運動が次に低く、鉛直降下運動がもっとも高い。障害物が図５（ｃ）に示されるように存在するとき、運動点は円弧運動と斜め直線運動をすることができない。斜め直線運動の傾斜角度が小さくなれば、斜め直線運動の自由度は、円弧運動の自由度よりも小さくなる。一般的には、降下始点から前進方向に進む距離がより短い運動の自由度がより高い。鉛直方向直線運動又は鉛直方向疑似直線運動の自由度が、もっとも高い。
【００５１】
障害物として、例えば階段が例示されると上記の考察の理解が容易となる。一般に、階段は鉛直面と水平面との繰り返しで形成されている。円弧運動の運動点（第１着地センサー６６に対応）と斜め運動の運動点は、階段の鉛直面に阻まれて水平面まで降下することができない。鉛直直線運動の運動点は、始点が段差幅より高い位置にある限り、理論的には（リンクの幅が無視されれば）必ず水平面まで降下することができる。試行的に脚を移動させて障害物の存否を探る場合、運動点が鉛直直線運動するならば、その試行回数が激減する。障害物と第１着地センサー６６との衝突の検知は、モータの出力トルクの検出により可能である。
【００５２】
図６は、第１四節リンク機構５１の第１着地センサー６６の作用点、即ち着地点８３の運動の幾何学的条件を解析するための直交座標系ｘ−ｙを示している。直交座標系ｘ−ｙは、第１胴体と第２胴体に対して固定される鉛直面に設定される。既述の第１第２節回転中心軸４４が原点として選択されている。第１第１節回転中心軸４３は、ｙ軸上にありその座標は、（０，Ａ）で表されている。その座標系上で、
角４８・４４・４３＝γ
角４４・４８・４７＝β
長さ４８・８３＝Ｌ
線分４７・４８とｘ軸との間の角度は、αで表されている。

線分４７・８３の傾き＝ｔａｎ（α）＝ｔａｎ｛（９０−γ）＋（１８０−β）｝
点４８の座標（ｘ，ｙ）＝（Ｃｃｏｓ（９０−γ），Ｃｓｉｎ（（９０−γ））
点８３の座標（ｘ，ｙ）＝（Ｃｃｏｓ（９０−γ）−Ｌｃｏｓ｛（９０−γ）＋（１８０−β）｝，｛Ｃｓｉｎ（９０−γ）−Ｌｓｉｎ｛（９０−γ）＋（１８０−β）｝）
【００５３】
γが変化するときに運動する点８３（ｘ，ｙ）の運動軌跡の傾きＫは、点８３の座標が用いられてｄｙ／ｄｘである。γが変数パラメータで表されて、

今、４節リンク機構が平行四辺形リンクであると考えると、
γ＋β＝１８０
点４８がｘ軸上にあれば、
角４８・４４・４３＝９０＝γ
この場合、
Ｋ＝−Ｃ／Ｌ
γが零であれば、
Ｋ＝０／Ｌ＝０
である。
【００５４】
ｙ軸が鉛直に向いていてＣとＬとが等しい場合、点８３の運動軌跡は、γが９０度の近傍で、鉛直線に対して４５度の角度の直線になる。ｙ軸が鉛直に向いている場合、点８３の運動軌跡は、γが０度の近傍で水平線になる。しかし、γが９０度より大きくなれば、近似直線運動の近似度は極端に小さくなる。十分に近似的である運動を得るためには、γ＋β＝１８０でないことが十分条件の１つである。０度でなく適正に大きい角度θが選択されて、

【００５５】この場合の４節リンク機構が僅かにその平行性を失って、θが零に近い場合、零に十分に近い２つの角度範囲設定設計定数θ１，θ２が採択され得る。更に、９０度に十分に近い２つの他の角度範囲設定設計定数γ１，γ２が採択され得る。「９０度に十分に」の「十分に」は「十分条件的に」を意味する。
θ１＜θ＜θ２
γ１＜γ＜γ２
今、このような範囲にあるθの零からの偏差がΔθで表され、このような範囲にあるγの９０度からの偏差がΔγで表されれば、以下、Ｋについて正負は無視され、式（２）は近似的に、
Ｋ＝（Ｃ＋ＬΔθ）／（ＣΔθ＋Ｌ）　　　　　　　　　　　　　……（３）
【００５６】
このような条件では、直線４４・４３が鉛直に設定されていれば、点８３はより拡大された角度範囲で、近似直線運動の軌跡を描く。直線４４・４３の回転に対応してそのままに、点８３の近似直線運動の傾斜が変化する。
Ｌ≒Ｃ・・・（４）
であれば、直線４４・４３の傾きが鉛直線に対して４５度に設定されていれば、点８３の運動軌跡は、平行四辺形リンクよりもより拡大された範囲で、近似鉛直直線になり得る。図２に示される非平行四辺形リンクは、このような近似鉛直直線運動軌跡を描く近似平行四辺形リンクが設計の通りに示されている。
γが６０゜〜９０゜の範囲にあり、Ｃ＝Ｄであり、θが十分に小さいことが仮定されれば、
γ＝６０゜のとき、Ｋ＝−１．１３
γ＝９０゜のとき、Ｋ＝−１．００
３０゜の角度範囲領域で、実用的に必要である近似的直線が得られる。ＣとＤの値が適正に与えられれば、より広い角度範囲で実用的に必要である近似的直線が得られる。ＬがＣより十分に大きい場合、γは６０゜〜１２０゜の範囲で、Ｋは−１．００〜−１．２０の範囲にある。
【００５７】
第１四節リンク機構５１又は第２四節リンク機構５５は、４節リンク機構の４節のうちの２節が胴体２に支持されて拘束され、自由である他の２節を結合するリンクが延長された延長部位である第１着地脚部分５２、又は第２着地脚部分６４の先端点が支持点として採択され、その支持点（着地点）８３に作用する重力反作用は、四辺形リンクであることに起因する十分に高い剛性と強度を持つ支持構造を介して胴体２に伝達される。そのような疑似平行四辺形リンクである脚１の着地点８３は、近似的に鉛直方向に運動する。更に、ウォームギヤの利用により、静止状態を維持する電子的制御機構が不要になり、歩行ロボットの全制御機構が簡素化されている。
【００５８】
【発明の効果】
本発明による歩行ロボットは、幾何学的条件のみで鉛直運動を実現することができるので、２節又は２節以上の節にモータ特にサーボモータを採用する必要がない。更には、ウォームギヤの採用により、全体の電子制御を簡素化することができ、放射線が多い場所で利用性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の歩行ロボットの外観を示す外観図である。
【図２】図２は、本発明による歩行ロボットの実施の形態を示す正面断面図である。
【図３】図３は、図１の平面断面図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、センサーの各動作状態を示す断面図である。
【図５】図５は、運動範囲の自由度を示す正面図である。
【図６】図６は、運動解析を示す座標系設定図である。
【符号の説明】
５…第１胴体
６…第２胴体
７…モータ
１４，５４…ウォームギヤ
４３…節
４５，４６…リンク
４９…第１リンク
５１…第１脚
５２…延長部位
５５…第２脚（第２四節非平行リンク）
５６，５７…拘束第２二節
６３…第２リンク
６６…第１着地点（第１センサー）
６６’…第２着地点（第２センサー）
７２…３次元軸受
７４…コイルスプリング
７６…第１電極
７７…第２電極
８３…第１着地点[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a walking robot, and more particularly, to a walking robot having weak electronic controllability and strong mechanical controllability.
[0002]
[Prior art]
Walking that can maintain a stable posture normally to walk on the uneven surface on the off-road and collect samples on the uneven surface and detect the presence of unknown metal objects under the ground Robots are usefully used. As such a walking robot, a refraction type six-legged robot made by a link mechanism is known. The bending type six-legged robot has (1) simultaneous grounding of three of the six legs, (2) simultaneous detachment / advance / retreat of the other three of the six legs, and (3). Due to the combined movement of one set of three legs and the relative rotation of the other set of three legs on the horizontal plane, the robot can move in any direction while avoiding interference between the uneven surface and the robot body. You can go up and down stairs.
[0003]
The motion trajectory of the ground contact portion, which is the free end portion of the refraction leg, can be freely arbitrarily given by two-node biaxial independent rotation of the connecting two links. In order to stabilize the posture of the bending leg in the ground contact state, it is necessary that the control torque at the time of stationary rotation of the two nodes and two axes is large. In order to increase the control torque, a servo motor having a large feedback output is required. The use of such a servomotor causes an increase in the capacity and mass of the battery mounted on the robot.
[0004]
In order to mount a working device such as an observation device or a sampling device on a walking robot, it is necessary for the refraction leg to have a certain degree of rigidity in design. In order to secure such rigidity, a four-node link mechanism is applied to the bending leg. As a motion mechanism in which a four-node link mechanism is preferably used, a four-node link is formed in a parallelogram, and a parallelogram that gives an enlarged motion to another node by giving an arbitrary motion trajectory to one node. Shaped links are known. Such a parallelogram link has a complicated mechanical structure as compared with the articulated two-link mechanism, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-249557, and as a result, a motion control mechanism is complicated.
[0005]
A four-bar link mechanism is known as a link mechanism whose movement locus is mechanically determined. Since the four-link mechanism has a fixed motion trajectory and supports the reaction force acting on the motion point with the four links, its rigidity is high and the supporting force is large. It is difficult to analyze the motion of the point of action of a general four-bar linkage formed from non-parallel links, and a mechanism specialized for the purpose is known. It is often practically appropriate that the motion trajectory of the action point is linear, and many specialized mechanisms are known. As a specialized mechanism, a linear motion such as an approximate linear motion mechanism that constrains the motion of one point other than the action point on a straight line or an approximate linear motion mechanism that makes the lengths of a plurality of links equal is given to the action point. The mechanism is famous. These linear motion mechanisms require additional links, or have low priority for the purpose of obtaining geometric performance such as enlarged drawing, because the supporting force is not guaranteed and the rigidity is low. However, the physical performance of supporting objects having a large mass such as a robot is not considered.
[0006]
The performance required of a walking robot that gives priority to work is not the elegance of the walking posture, but the requirement that the posture be mechanically stabilized by the tripod support, and one control axis is sufficient. Something is required for control simplicity. The walking performance required of such a robot is the certainty of the spatial transition between any two positions, and it is important that the motion trajectory is known in an uncontrolled manner. A simple straight line is sufficient. Attitude control of a walking robot that is required to be used in a place where elementary particles fly (eg, a floor surface inside a reactor, a moon surface) is performed by electronic control for feedback using a control device using a semiconductor chip. Rather, it is desirable that the control be mainly mechanical.
It is required that rigidity and linear mobility, particularly vertical mobility, be provided. As a result, it is further required that feedback control is not required for holding the posture, and that the electronic controllability is weak and the mechanical controllability is strong.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a walking robot having weak electronic controllability and strong mechanical controllability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the problem are expressed as follows. The technical items appearing in the expression are appended with numbers, symbols, etc. in parentheses. The numbers, symbols, and the like are technical items that constitute at least one embodiment or a plurality of embodiments of the embodiments or the embodiments of the present invention, in particular, the embodiments or the embodiments. Corresponds to the reference numbers, reference symbols, and the like assigned to the technical matters expressed in the drawings corresponding to. Such reference numbers and reference symbols clarify the correspondence and bridging between the technical matters described in the claims and the technical matters of the embodiments or examples. Such correspondence / bridge does not mean that the technical matters described in the claims are interpreted as being limited to the technical matters of the embodiments or the examples.
[0009]
The walking robot according to the present invention includes a first body (5), a second body (6) supported by the first body (5) and moving with respect to the first body (5), and a first body (5). And a plurality of second legs (55) supporting the second body (6). The first leg (51) is formed by a first four-node non-parallel link, and the second leg (55) is formed by a second four-node non-parallel link. The first four-node non-parallel link (51) is similar in construction to the second four-node non-parallel link (55). The first second section (43, 44), which is two nodes of the first four-node non-parallel link, is restricted by the first body (5), and the second second node (43, 44) which is two nodes of the second four-section non-parallel link. The nodes (56, 57) are restrained by the second body (6). A first landing point (66 or 83) is set at an extension (52) of the first link (49) connecting the other two free nodes of the first four-node non-parallel link, and the second four-node non-parallel is set. A second landing point (66 'or 83) is set at an extension (64) of the second link (63) connecting the other two nodes, which are the other two nodes of the link. The trajectory of the first landing point (83) is an approximate vertical line when the first body (5) is in the reference posture, and the trajectory of the second landing point (83) is that the second body (6) is in the reference posture. Is an approximate vertical line.
[0010]
At least two links (45, 46) of the four-bar linkage thus defined enhance the rigidity and strength of the leg (1) supporting the gravity acting on the mass of the body (1), and provide an improved wear. Determine the motion trajectory of the point. For such a determination, a four-bar link is the simplest in terms of the number of links. The adoption of a four-bar linkage is known in the field of walking robots. It is not known that the movement of the landing point (83) is approximately on a vertical line. This unknown feature allows the range of free movement of the legs, especially the landing point, to be increased compared to the known ones, the probability of contact with obstacles on the ground can be reduced, or climbing up and down stairs The certainty of the movement can be increased. Controlling the movement mechanically or geometrically in this way means increasing the mechanical controllability and weakening the electronic controllability. It is particularly required in robotics that the mechanical control of an object having a large mass be performed mechanically.
[0011]
A first sensor (66) arranged at the first landing point (83) and a second sensor (66 ') arranged at the second landing point (83) are added. The first sensor (66) includes a first electrode (76) fixed to the extension part (52), a three-dimensional bearing (72) supported three-dimensionally on the extension part (52), and a three-dimensional bearing. It comprises a second electrode (77) fixed to the bearing (72) and a coil spring (74) interposed between the extension part (52) and the three-dimensional bearing (72). The first electrode (76) and the second electrode (77) have three contact points that come into contact with each other when the coil spring (74) is compressed to generate a contact electric signal. At least three contact points ensure detection of a three-dimensional tilt of the first sensor (66). If the first electrode (76) and the second electrode (77) are formed in a ring shape, the number of contactable points is made infinite, and the reliability is further ensured.
[0012]
The fact that the second body (6) is supported by the first body (1) so as to be linearly movable and the second body (6) is supported by the first body (5) so as to be freely rotatable is the same as in the prior art. However, the walking robot according to the present invention can effectively utilize the advantages of such known mechanisms.
The motor (7) arranged on the first body (5) and the rotating shaft formed as one of the first second nodes (43) of the restraint first are naturally (essentially) used. An output shaft (8) of the motor (7) is rotatably connected to a rotation shaft thereof via worm gears (14, 54). The adoption of the worm gear can enhance the mechanical controllability and weaken the electronic controllability.
The general conditioning of the approximate linear motion for a four-bar linkage is described in detail below.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an external view showing the external appearance of the walking robot of the present invention. FIG. 2 is a plan view when the upper part is cut. FIG. 3 is a partially cutaway front view of the walking robot. As shown in FIG. 1, in the embodiment of the walking robot according to the present invention, six legs are provided together with the body. The six legs 1-1 to 6 are supported by the body 2 so as to be freely bent. As shown in FIG. 1, the fuselage 2 is formed of a lower fuselage outer plate 3 and an upper fuselage outer plate 4 which are substantially triangular plates. A lower body plate 5, which is a substantially triangular plate, is fixedly supported by the lower body outer plate 3. The lower torso plate 5 is disposed above the lower torso outer plate 3. An upper body plate 6, which is a substantially triangular plate, is fixedly supported by the upper body outer plate 4. The upper body panel 6 is disposed below the upper body panel 4.
[0014]
A first leg drive motor 7 whose output shaft rotates in both forward and reverse directions is fixedly supported by the lower body plate 5. The first leg drive motor 7 is fixedly arranged on the upper surface side of the lower body plate 5. The first output shaft 8 of the first leg drive motor 7 penetrates from the upper surface of the lower body plate 5 to the lower surface. A gear 9 is fixed to a lower end portion of the first output shaft 8. A reduction gear shaft 11 is rotatably supported by the lower body panel 5 and the lower body panel 3. The upper part of the reduction gear shaft 11 is supported by the lower body plate 5, and the lower part of the reduction gear shaft 11 is supported by the lower body skin 3. The rotation of the first output shaft 8 is reduced and transmitted to the reduction gear shaft 11 by meshing between the gear 9 fixed to the first output shaft 8 and the gear fixed to the reduction gear shaft 11.
[0015]
The lower part of the first leg drive gear shaft 12 is rotatably supported by the lower body plate 5. An upper portion of the first leg drive gear shaft 12 is rotatably supported by a bearing table 13 supported by the lower body plate 5. The rotation of the reduction gear shaft 11 is further reduced by a gear fixed to the reduction gear shaft 11 and a gear fixed to the first leg drive gear shaft 12 and transmitted to the first leg drive gear shaft 12. A first worm gear 14 is fixed to the first leg drive gear shaft 12. Therefore, the rotation output of the first leg drive motor 7 is transmitted to the four-bar linkage described below via the first worm gear 14.
[0016]
A rail 15 is formed on the lower body plate 5 (see FIG. 2). The reciprocating carriage 16 is placed on the rail 15 and guided by the rail 15 and reciprocates while being supported by the lower body plate 5. A rack 17 is arranged parallel to the rail 15. A pinion shaft is rotatably supported by the reciprocating carriage 16, and a pinion 17 ′ is fixed to the pinion shaft. The reciprocating trolley 16 supporting the pinion 17 ′ meshing with the rack 17 receives a reaction from the rack 17 and moves linearly on the rail 15. On the reciprocating carriage 16, a reciprocating drive motor 18 whose output shaft rotates in both forward and reverse directions is mounted and fixed. The pinion 17 ′ is connected to an output shaft of a reciprocating drive motor 18.
[0017]
The lower end of the relative body rotation shaft 19 is fixed to the reciprocating carriage 16 and rises from the reciprocating carriage 16. A rotating cylinder 21 is rotatably mounted on the relative body rotating shaft 19 via a pair of upper and lower ball bearings 22 so as to be rotatable with respect to the relative body rotating shaft 19. The above-mentioned upper body plate 6 is joined to the upper surface of the rotating cylinder 21 and is integrally fixed to the rotating cylinder 21. Therefore, the lower torso board 5 and the upper torso board 6 are relatively rotatable about the relative torso rotation axis 19. The upper surface of the relative body rotation drive motor 23 is fixed to the lower surface of the upper body plate 6. The output shaft of the relative body rotation drive motor 23 is rotatable in both forward and reverse directions.
[0018]
The output shaft 24 of the relative torso rotation drive motor 23 extends through the upper body plate 6 to the upper surface of the upper body plate 6. A pulley 25 is fixed to the output shaft 24. A pulley 26 is fixed to a small-diameter portion above the relative body rotation shaft 19. The belt 27 is frictionally coupled to the pulley 26, rolls on the circumferential groove surface of the pulley 26, and rotates around the relative body rotation shaft 19 as a center axis. The pulley 25 revolves around the relative body rotation axis 19 and rotates. The relative body rotation drive motor 23 may be driven by a worm gear and a worm wheel.
[0019]
The upper surface of the second leg drive motor 28 whose output shaft rotates in both forward and reverse directions is joined to the lower surface of the upper body plate 6 and fixed to the upper body plate 6. The second output shaft 29 of the second leg drive motor 28 penetrates from the lower surface of the upper body plate 6 to the upper surface. A gear 31 is fixed to an upper end portion of the second output shaft 29. A reduction gear shaft 32 is rotatably supported by the upper body plate 6 and the upper body skin 4. The lower part of the reduction gear shaft 32 is supported by the upper body plate 6, and the upper part of the reduction gear shaft 32 is supported by the upper body skin 4. The engagement of the gear 31 fixed to the second output shaft 29 and the gear fixed to the reduction gear shaft 32 causes the rotation of the second output shaft 29 to be reduced and transmitted to the reduction gear shaft 32.
[0020]
On the other hand, the upper part of the second leg drive gear shaft 33 is rotatably supported by the upper body plate 6. The lower part of the second leg drive gear shaft 33 is rotatably supported by a bearing base 13 ′ supported by the upper body plate 6. The rotation of the reduction gear shaft 32 is further reduced and transmitted to the second leg drive gear shaft 33. A second worm gear 34 is fixed to the second leg drive gear shaft 33. The rotation output of the second leg drive motor 28 is transmitted via a second worm gear 34 to a four-bar link mechanism described below.
[0021]
The rotation speed detector 35 is attached to the upper body plate 6. The housing of the rotation speed detector 35 is fixed to the upper body plate 6. The rotation number detector 35 has a rotation number detection rotation shaft 36. The upper end portion of the rotation speed detecting rotation shaft 36 protrudes toward the upper surface of the upper body plate 6. A pulley 37 is fixed to a protruding portion of the rotation speed detecting rotation shaft 36. A pulley 38 is coaxially fixed to the relative body rotation shaft 19. When the upper body plate 6 rotates about the relative body rotation shaft 19 as a center axis, the belt 39 is connected to the pulley 38 by a timing belt, and rolls on the circumferential groove surface of the pulley 38 to rotate the relative body rotation shaft 19. Rotates around the center axis.
[0022]
The pulley 37 revolves around the relative body rotation axis 19 and rotates. Since the rotation angle speed of the pulley 37 and the rotation angle speed of the upper body plate 6 are designed to be different from each other, the relative rotation between the rotation speed detecting rotation shaft 36 and the housing of the rotation speed detector 35 is not changed. Then, the rotation angle of the rotation speed detecting rotation shaft 36 is magnetically or electrically detected. The rotation angle thus detected is converted based on the design constant, and the relative rotation angle between the lower body plate 5 and the upper body plate 6 is detected.
[0023]
As shown in FIG. 3, three first bearing fixing bodies 41 formed in a concave shape are fixed to the lower body plate 5. Three first bearing fixed bodies 41 are arranged at an angular interval of 120 degrees around the central axis of the relative body rotating shaft 19. FIG. 2 shows only one first bearing fixed body 41. The first bearing side plates 42 are fixed to the first bearing fixed body 41. A first first joint rotation center shaft 43 is passed through and fixed to the first bearing side plates 42.
[0024]
If the movement plane (reference plane) defined by the rail 15 is a horizontal plane, the center axis of the first and first node rotation center shaft 43 is oriented horizontally. As shown in FIG. 3, the first and second joint rotation center shafts 44 pass through and are fixed to the first bearing side plates 42. The first and second joint rotation center axes 44 are arranged in parallel with the first and first joint rotation center axes 43. The distance between the first first joint rotation center axis 43 and the first second joint rotation center axis 44 is a constant as a parameter set in the approximate linear motion mechanism described later.
[0025]
As shown in FIG. 3, one end of a first first link 45 is swingably connected to the first first joint rotation center shaft 43. One end of a first second link 46 is swingably connected to the first and second joint rotation center shaft 44. A first third joint rotation center shaft 47 is fixed to an end of the first first link 45 on the rotation (swinging) movement side. The first and third joint rotation center axes 47 are arranged at positions parallel to the first and first joint rotation center axes 43. At the other end of the first and second links 46 on the rotational movement side, a first and fourth node rotation center shafts 48 are provided. The first fourth joint rotation center axis 48 is arranged parallel to the first first joint rotation center axis 43. One end of the first third link 49 is rotatably connected to the first third joint rotation center shaft 47 and the first fourth joint rotation center shaft 48.
[0026]
The first bearing side plates 42 correspond to first fourth links. The first first link 45, the first second link 46, the first third link 49, and the first fourth link, which is the first bearing side plate 42, constitute a first four-node link mechanism 51. The first third link 49 is at a position hidden by the first first link 45 in FIG. 3 and does not appear in FIG. 3 (see FIG. 2). The first third link 49 is configured such that a link portion between the first third node rotation center axis 47 and the first fourth node rotation center axis 48 is integrally formed and extended, and the first landing (ground contact) leg is provided. A portion 52 is formed. As shown in FIG. 2, three sets of such first four-bar linkages 51 are arranged at an angular interval of 120 degrees around the relative torso rotation axis 19, and are orthogonal to the above-described motion plane ( In this case, the robot moves rotationally on a vertical plane), and the ground contact operation portion 53, which is the lower end portion of the first landing leg portion 52, moves on a pseudo straight line. In particular, if the motion surface described above is a horizontal surface, , Each on three vertical lines.
[0027]
As shown in FIG. 3, the first / node-side worm meshing gear 54 is integrally connected to the first / first node rotation center shaft 43. The above-described first worm gear 14 meshes with the first-node-side worm meshing gear 54. The reason for using the worm gear is that the rotational force (torque) input to the first leg drive gear shaft 12 from the first leg drive motor 7 is faithfully transmitted to the first node-side worm meshing gear 54. This is because irreversible power transmission that does not substantially transmit the rotational force (torque) input to the first / node-side worm meshing gear 54 from the side of the first four-node link mechanism 51 can be guaranteed.
[0028]
The members corresponding to the first bearing side plates 42 and the first first joint rotation center shaft 43 are fixedly disposed on the upper body plate 6. The three sets of second four-bar linkages 55 that are completely or substantially congruent with the first four-bar linkages 51 corresponding to the three sets of first four-bar linkages 51 are provided in the upper body. It is supported by a plate 6. The second four-bar link mechanism 55 is disposed substantially symmetrically about the centerline with respect to the relative trunk rotation axis 19. The three sets of second four-bar linkages 55 are arranged around the relative body rotation axis 19 at an angular interval of 120 degrees. Accordingly, the second four-bar linkage 55 is initially arranged at a 60 ° separation angle around the body rotation axis 19 relative to the first four-bar linkage 51.
[0029]
The second first joint rotation center axis 56 corresponds to the first first joint rotation center axis 43. The second / second node rotation center axis 57 corresponds to the first / second node rotation center axis 44. The second and third joint rotation center shafts 58 correspond to the second and third joint rotation center shafts 47. The second fourth joint rotation center axis 59 corresponds to the first fourth joint rotation center axis 48. The second first link 61 corresponds to the first first link 45. The second and second links 62 correspond to the first and second links 46. The second and third links 63 correspond to the first and third links 49. The second landing leg portion 64 corresponds to the first landing leg portion 52.
[0030]
As shown in FIG. 3, the second-node-side worm meshing gear 65 is fixed to the second first-node rotation center shaft 56 so that the rotation is the same. The above-mentioned second worm gear 34 meshes with the second-node-side worm meshing gear 65. As described above, the use of the second worm gear 34 transmits the rotational force input to the second leg drive gear shaft 33 from the side of the second leg drive motor 28 to the second second link 62 faithfully. However, this is because irreversible power transmission that does not substantially transmit the rotational force input to the second second link 62 from the side of the second four-bar linkage 55 can be guaranteed.
[0031]
As shown in FIG. 3, a first landing sensor 66 described later is swingably supported at a free end portion of the first landing leg portion 52. A second landing sensor 66 'is swingably supported at the free end of the second landing leg portion 64. As the first landing sensor 66 and the second landing sensor 66 ′, a tactile sensor that detects distortion, converts the distortion to ground pressure, and generates a voltage signal corresponding thereto can be effectively used. In the present invention, the contact pressure is not detected.
[0032]
FIGS. 4A, 4B, and 4C show more preferable tactile sensors of the first landing sensor 66 or the second landing sensor 66 '. The tactile sensor exemplified here has an electric contact type detection mechanism that simply detects only the fact of landing and does not need to detect the ground pressure. The first landing leg portion 52 or the second landing leg portion 64 is a cylindrical portion formed in a cylindrical shape. A cylindrical electrode support cylinder 67 made of an insulating material is fixed to the inner peripheral surface of the metal cylindrical portion. A column holding cylinder 68 is fixed to the inner peripheral surface of the electrode support cylinder 67. A three-dimensional bearing support 69 is arranged to penetrate the center of the support holding cylinder 68. At the lower end of the three-dimensional bearing post 69, a spherical three-dimensional rotating shaft 71 is integrally or integrally connected. A three-dimensional bearing 72 of the first landing sensor 66 (or the second landing sensor 66 ') is fitted on the three-dimensional rotating shaft 71 and is externally mounted.
[0033]
The three-dimensional rotation axis 71 is a partial sphere having a spherical surface wider than a hemispherical surface. The three-dimensional bearing 72 has a concave spherical surface. The concave spherical surface can slide three-dimensionally freely on the partial spherical surface of the three-dimensional rotation shaft 71. A coil spring 74 is provided between the upper surface of the flange 73 below the three-dimensional bearing 72 and the lower surface of the electrode support cylinder 67. The coil spring 74 has a pushing force for pushing the three-dimensional bearing 72 toward the ground. A flange 73 is formed on the three-dimensional bearing 72. The three-dimensional bearing 72 has a landing portion 72 'integrally. The landing site 72 ′ is integrally fitted into the flange 73. The contact surface of the landing portion 72 ′ is formed as a partial spherical surface 75.
[0034]
A fixed annular electrode 76 is joined to the lower end surface of the electrode support cylinder 67. A swing-side annular electrode 77 is joined to the upper end surface of the three-dimensional bearing 72 so as to face this. The surface of the fixed-side annular electrode 76 facing the swing-side annular electrode 77 is formed as a band-shaped concave part spherical surface, a band-shaped convex part spherical surface, or a band-shaped conical surface (hereinafter, referred to as a band-shaped concave spherical surface). The surface of the oscillating-side annular electrode 77 facing the fixed-side annular electrode 76 is formed as a band-shaped convex part spherical surface, a band-shaped concave part spherical surface, or a band-shaped conical surface (hereinafter, referred to as a band-shaped convex spherical surface).
[0035]
While the partial spherical surface 75 is away from the ground, the coil spring 74 symmetrically formed with respect to the center line L receives a pushing force evenly over the entire circumference and is fixed to the three-dimensional bearing 72. The band-shaped convex spherical surface of the side annular electrode 77 is completely separated from the band-shaped concave spherical surface of the fixed side annular electrode 76. If the partial spherical surface 75 is grounded to the ground, at least one point region of the band-shaped convex spherical surface of the swing-side annular electrode 77 contacts at least one point region of the band-shaped concave spherical surface of the fixed-side annular electrode 76. An electric circuit (not shown) closed by the contact between the fixed-side annular electrode 76 and the swing-side annular electrode 77 is provided between the second / node-side worm meshing gear 65 and the first leg driving motor 7 (first landing sensor). 66 and the second leg drive motor 28), and an electrical signal based on the contact is input to the first leg drive motor 7 (the second leg drive motor 28).
[0036]
FIG. 4B shows a state in which the swing-side annular electrode 77 is in contact with the fixed-side annular electrode 76 at one point region or three-point region by lightly touching one point of the obstacle 78 with the partial spherical surface 75. ing. FIG. 3C shows a state where the partial spherical surface 75 is firmly grounded to the ground 79 and the swing-side annular electrode 77 is in contact with the fixed-side annular electrode 76 in the entire surface area. In the ground contact state shown in FIG. 3C, the coil spring 74 is completely contracted. In such a contracted state, the first landing leg portion 52 and the three-dimensional bearing 72 are in contact with the ground 79 via the coil spring 74, and the lower end surface of the first landing leg portion 52 is Not touching the top surface. The first landing leg portion 52 and the three-dimensional bearing 72 are brought into contact with each other via only the electrode or the electric contact 81 and joined.
[0037]
One first leg drive motor 7 corresponds to one set of first four-bar link mechanisms 51. One second leg drive motor 28 corresponds to one set of the second four-bar link mechanism 55. The walking robot according to the present invention moves according to the following steps.
Step 0:
The three second and nodal worm meshing gears 65 and the three first landing sensors 66 are grounded, the reciprocating trolley 16 is in its neutral position on the rail 15 and the three first third links 49 And the initial condition in which the three second and third links 63 are oriented vertically.
[0038]
Step 1:
The power is connected to the three second leg drive motors 28 while the power is on. The three first leg driving motors 7 are connected in a power-off state. The second output shafts 29 of the three second leg drive motors 28 rotate in the same direction at the same rotational angular velocity in synchronization with each other. The rotation output of the second output shaft 29 is transmitted to the second first-node rotation center shaft 56 via the second worm gear 34 and the second / node-side worm meshing gear 65. The forward rotation of the second leg drive motor 28 is defined as rotation in a direction that increases the angle between the second first link 61 or the second second link 62 and the horizontal plane. The forward rotation of the second leg drive motor 28 causes the second first link 61 to rotate and rise further.
[0039]
Since the four distances (effective link lengths) between the four nodes of the second four-link mechanism 55 are unchanged, the second landing sensor 66 'draws a locus of a constant curve. In the present invention, the constant curve is a substantially constant straight line, particularly, the second vertical line 82 (see FIG. 2). The second vertical line 82 is a straight line fixed to the reciprocating carriage 16. In the present embodiment, the center line of the second third link 63 substantially coincides with the second vertical line 82. The rising distance above the second vertical line (L) 82 of the vertex 83 (see FIG. 3A) of the second landing sensor 66 ′, especially the landing site 72 ′ of the second landing sensor 66 ′, Based on a height signal input to and defined by a control program of a mounted controller (not shown), or detected and output by a detector (not shown) for detecting the height of the obstacle 78. Stipulated.
[0040]
Step 2:
When the three second landing sensors 66 'are raised to the specified height position, the second leg drive motor 28 is turned off and maintains the specified height. The reciprocating drive motor 18 is turned on, and the pinion 17 'rotates in the forward direction. The reciprocating trolley 16 receiving a reaction from the lower body plate 5 to which the rack 17 meshing with the pinion 17 ′ is fixed advances in the forward direction with respect to the lower body plate 5. Here, the forward direction coincides with the radial direction 85 (see FIG. 2) in which one second four-bar linkage 55 moves away from the reference vertical line 84 including the neutral position described above.
[0041]
The other two second four-bar linkages 55 move in the radial direction in parallel with the one second four-bar linkage 55 that moves away in the radial direction. The distance of the radial movement is a fixed distance defined by the controller described above. However, if the second landing sensor 66 'comes into contact with an obstacle before the completion of the movement of the fixed distance, the rotation output of the reciprocating drive motor 18 receiving the stop signal from the second landing sensor 66' becomes zero. , The second landing sensor 66 'slightly retreats from the contact position and stops.
[0042]
Step 3:
When the reciprocating trolley 16 moves forward by a certain distance and the three second four-bar linkages 55 move by the certain distance, the rotation of the reciprocating drive motor 18 stops and the reciprocating trolley 16 stops. , The three second leg drive motors 28 simultaneously start reverse rotation. The three second landing sensors 66 'descend vertically downward. When the first landing sensors 66 of the other three first four-bar linkages 51 are grounded on the same horizontal plane, the three second landing sensors 66 'are grounded on that horizontal plane almost simultaneously. If the grounding surface of the grounding partner is not a horizontal surface but an uneven surface, one of the three second landing sensors 66 'first contacts the uneven surface.
[0043]
The one second landing sensor 66 'is normally stably grounded as described above, as shown in FIG. 4 (c). With a time delay to that ground, the other two second landing sensors 66 'will land one after the other. The walking robot is stably held on the uneven surface by the six points supported by the grounding of the three second landing sensors 66 'and the grounding of the other three first four-bar linkages 51. The rotations of the three second leg drive motors 28 stop one after another upon receiving the ground signals from the second landing sensors 66 '.
[0044]
Step 4:
Next, the three first leg drive motors 7 start normal rotation. The rotation of the three first leg drive motors 7 at the specified angle raises the first landing sensors 66 of the three first four-bar linkages 51 vertically upward to a specified height. When the three first landing sensors 66 have risen to their prescribed heights, the three first leg drive motors 7 stop their rotation.
Step 5:
Next, the reciprocating drive motor 18 starts its reverse rotation. The rotation of the output shaft of the reciprocating drive motor 18 is reversed relative to the upper body plate 6 where the second landing sensors 66 ′ of the three second four-bar linkages 55 are in contact with the ground and cannot move. The lower body plate 5 is advanced in the radial direction 85 described above. One of the three first four-bar linkages 51 supported by the lower torso plate 5 advances in a reverse radiation direction 86 (see FIG. 2) with respect to the reference vertical line 84. When the three first four-bar linkages advance by the specified distance, the reciprocating drive motor 18 stops its rotation.
[0045]
Step 6:
Next, the first leg driving motor 7 rotates in the reverse direction, and the three first landing sensors 66 successively touch the aforementioned uneven surface, and the reverse rotation of the first leg driving motor 7 stops. In this manner, the walking robot steps like a scale insect at a fixed distance.
Step 7:
This walking robot can change the forward direction. Subsequent to step 2, the relative body rotation drive motor 23 starts normal rotation. The pulley 25 is driven to rotate, and the belt 27 makes frictional contact around the pulley 26 and revolves around the relative body rotation axis 19. The angle of the revolution is in an appropriate angle range. An example of the appropriateness angle range is about 20 degrees in the positive and negative directions.
[0046]
Following the descent of the second landing sensors 66 ′ of the three second four-bar linkages 55 ′ in step 3 and their grounding, the first landing sensors 66 of the first four-bar linkages 51 in step 4 are raised and relative to each other. The forward rotation of the three first four-bar link mechanisms 51 supported by the lower body plate 5 due to the rotation reaction received by the lower body plate 5 based on the reverse rotation of the body rotation drive motor 23, By the combined movement of the three first landing sensors 66 descending and touching down, the walking robot can rotate around the reference vertical line 84 by a specified angle.
[0047]
By rotating in a stepwise manner, the forward / backward direction, which is the direction of the rail 15, can be set at an arbitrary angle around the reference vertical line 84. By the combination of the arbitrary step width and the arbitrary rotation step, the walking robot can move on any off-road course. Slope and stairs are exemplified as such off-road.
The reaction of the shared load of the six legs 1-1 to 1-6 supporting the gravity acting on the entire mass equally or unequally is caused by the first four-link mechanism 51 and the second four-link mechanism. 55, it acts on the first / node-side worm meshing gear 54 and the second / node-side worm meshing gear 65, and the reaction force is further applied to the first / node-side worm meshing gear 54 and the second-node worm meshing gear 54. The worm gear 65 acts on the first worm gear 14 and the second worm gear 34.
[0048]
The shared load imparts a rotational force to each of the first worm gear 14 and the second worm gear 34, and a rotational force transmission characteristic between the first / node-side worm meshing gear 54 and the first worm gear 14 and a second rotational force. The torque transmission characteristic between the node-side worm meshing gear 65 and the second worm gear 34 has the above-mentioned irreversibility, and the reaction of the shared gravity causes the first worm gear 14 and the second worm gear 34 to rotate. I won't let you. Therefore, the first leg drive motor 7 and the second leg drive motor 28 do not need the rotation angle position holding control by the feedback control, and the continuous power required for the control does not need to be spent. Thus, the capacity of the battery to be mounted can be reduced.
[0049]
FIGS. 5A, 5B, and 5C show that the movement trajectory of the first landing sensor 66 or the second landing sensor 66 ′ is such that the vertical linear motion A, the non-vertical linear motion B, the non-linear motion (circular arc). 3) shows a comparison of the width of the three forward motion regions C). The movement point P after ascending and moving forward goes to the landing point Q. The degree of freedom of the movement of the movement point P can be analyzed ignoring the existence of the link. Obstacles 78 existing in the forward direction from the arc PQ, the oblique straight line PQ, and the vertical straight line PQ are indicated by oblique lines. The moving point P of the circular motion (FIG. 5A) can move forward in the forward direction from the starting point while descending, and the moving point P of the oblique linear motion (FIG. 5B) further descends from the starting point while descending. The moving point P of the vertical linear motion (FIG. 5C) can descend, but cannot move forward from the starting point.
[0050]
Of the three types of motion, the degree of freedom of the descent motion at the motion point descending to the landing point Q is the lowest in the diagonal motion, the second lowest in the arc motion, and the highest in the vertical descent motion. When the obstacle is present as shown in FIG. 5C, the moving point cannot make a circular motion or an oblique linear motion. When the inclination angle of the oblique linear motion becomes smaller, the degree of freedom of the oblique linear motion becomes smaller than the degree of freedom of the arc motion. In general, the degree of freedom of movement that is shorter in the forward direction from the descent start point is higher. The degree of freedom of vertical linear motion or vertical pseudo-linear motion is the highest.
[0051]
If the obstacle is, for example, a staircase, the above consideration can be easily understood. Generally, stairs are formed by repeating a vertical plane and a horizontal plane. The movement point of the circular movement (corresponding to the first landing sensor 66) and the movement point of the oblique movement cannot be lowered to the horizontal plane because of the vertical plane of the stairs. The point of motion of the vertical linear motion can theoretically (as long as the width of the link is neglected) fall down to the horizontal plane as long as the starting point is at a position higher than the step width. When the leg is moved on a trial basis to find the presence or absence of an obstacle, the number of trials is drastically reduced if the moving point moves vertically and linearly. The collision between the obstacle and the first landing sensor 66 can be detected by detecting the output torque of the motor.
[0052]
FIG. 6 shows an orthogonal coordinate system xy for analyzing the geometrical condition of the movement of the action point of the first landing sensor 66 of the first four-bar linkage mechanism 51, that is, the landing point 83. The orthogonal coordinate system xy is set to a vertical plane fixed to the first body and the second body. The first and second joint rotation center axes 44 described above are selected as the origin. The first and first node rotation center axis 43 is on the y-axis, and its coordinates are represented by (0, A). On that coordinate system,
Angle 48, 44, 43 = γ
Angle 44 ・ 48 ・ 47 ＝ β
Length 48 · 83 = L
The angle between the line segments 47 and 48 and the x-axis is represented by α.

Slope of line segment 47.83 = tan (α) = tan {(90−γ) + (180−β)}
Coordinates (x, y) of point 48 = (Ccos (90−γ), Csin ((90−γ))
Coordinates (x, y) of point 83 = (Ccos (90−γ) −Lcosｃｏ (90−γ) + (180−β)}, {Csin (90−γ) −Lsin} (90−γ) + ( 180-β)｝)
[0053]
The gradient K of the movement locus of the point 83 (x, y) that moves when γ changes is dy / dx using the coordinates of the point 83. γ is represented by a variable parameter,

Now, assuming that the four-bar linkage is a parallelogram link,
γ + β = 180
If point 48 is on the x-axis,
Angle 48 · 44 · 43 = 90 = γ
in this case,
K = -C / L
If γ is zero,
K = 0 / L = 0
It is.
[0054]
When the y-axis is oriented vertically and C and L are equal, the motion trajectory of the point 83 is a straight line having an angle of 45 degrees with respect to the vertical line when γ is near 90 degrees. When the y-axis is oriented vertically, the motion trajectory of the point 83 becomes a horizontal line near γ of 0 degrees. However, if γ is larger than 90 degrees, the degree of approximation of the approximate linear motion becomes extremely small. One of the sufficient conditions is that γ + β = 180 is not enough to obtain a motion that is sufficiently approximate. The angle θ that is not 0 degree but is appropriately large is selected,

If the four-bar linkage loses its parallelism slightly in this case and θ is close to zero, two angle range setting design constants θ1 and θ2 sufficiently close to zero can be adopted. Further, two other angle range setting design constants γ1 and γ2 sufficiently close to 90 degrees may be adopted. “Sufficiently” of “sufficiently at 90 degrees” means “sufficiently conditional”.
θ1 <θ <θ2
γ1 <γ <γ2
Now, if the deviation of θ in such a range from zero is represented by Δθ, and the deviation of γ in such a range from 90 degrees is represented by Δγ, then the sign of K is ignored, Equation (2) is approximately
K = (C + LΔθ) / (CΔθ + L) (3)
[0056]
Under such conditions, if the straight lines 44 and 43 are set vertically, the point 83 draws a trajectory of an approximate linear motion in a wider angle range. In accordance with the rotation of the straight lines 44 and 43, the slope of the approximate linear motion of the point 83 changes as it is.
L ≒ C ... (4)
Then, if the inclination of the straight lines 44 and 43 is set to 45 degrees with respect to the vertical line, the motion trajectory of the point 83 becomes an approximate vertical line within a range enlarged more than the parallelogram link. obtain. In the non-parallelogram link shown in FIG. 2, an approximate parallelogram link that draws such an approximate vertical linear motion trajectory is shown as designed.
Assuming that γ is in the range of 60 ° to 90 °, C = D, and θ is small enough,
When γ = 60 °, K = −1.13
When γ = 90 °, K = −1.00
An approximate straight line that is practically necessary can be obtained in an angle range of 30 °. If the values of C and D are properly given, an approximate straight line that is practically necessary in a wider angle range can be obtained. When L is sufficiently larger than C, γ is in the range of 60 ° to 120 ° and K is in the range of −1.00 to −1.20.
[0057]
The first four-bar link mechanism 51 or the second four-bar link mechanism 55 is a link that connects two other nodes that are free with two of the four nodes of the four-bar link mechanism supported and supported by the body 2. The end point of the first landing leg portion 52 or the second landing leg portion 64, which is an extended part of which is extended, is adopted as a support point, and the gravity reaction acting on the support point (landing point) 83 is a quadrilateral link. Is transmitted to the fuselage 2 via a supporting structure having sufficiently high rigidity and strength. The landing point 83 of the leg 1, which is such a quasi-parallelogram link, moves approximately vertically. Further, the use of the worm gear eliminates the need for an electronic control mechanism for maintaining the stationary state, and simplifies the entire control mechanism of the walking robot.
[0058]
【The invention's effect】
The walking robot according to the present invention can realize the vertical motion only by the geometric condition, so that it is not necessary to employ a motor, particularly a servomotor, in two or more nodes. Further, the adoption of the worm gear can simplify the entire electronic control, and the usability is improved in a place where there is much radiation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view showing the external appearance of a walking robot according to the present invention.
FIG. 2 is a front sectional view showing an embodiment of a walking robot according to the present invention.
FIG. 3 is a plan sectional view of FIG. 1;
FIGS. 4A, 4B, and 4C are cross-sectional views showing each operation state of the sensor.
FIG. 5 is a front view showing degrees of freedom of a movement range.
FIG. 6 is a coordinate system setting diagram showing motion analysis.
[Explanation of symbols]
5 ... First body
6 ... Second fuselage
7 ... Motor
14, 54 ... Worm gear
43… section
45, 46 ... link
49 ... First link
51 ... first leg
52 ... Extended part
55 ... 2nd leg (2nd section bar non-parallel link)
56, 57… Restriction Section 2
63 ... Second link
66 ... First landing point (first sensor)
66 ': Second landing point (second sensor)
72 ... three-dimensional bearing
74 ... Coil spring
76: first electrode
77: Second electrode
83 ... First landing point

Claims (9)

第１胴体と、
前記第１胴体に支持されて前記第１胴体に対して運動する第２胴体と、
前記第１胴体を支持する複数の第１脚と、
前記第２胴体を支持する複数の第２脚とを具え、
前記第１脚は、第１四節非平行リンクで形成され、
前記第２脚は、第２四節非平行リンクで形成され、
前第１四節非平行リンクは、構造の点で、前記第２四節非平行リンクに同じであり、
前記第１四節非平行リンクの２節である拘束第１二節は、前記第１胴体に拘束され、
前記第２四節非平行リンクの２節である拘束第２二節は、前記第２胴体に拘束され、
前記第１四節非平行リンクの他の２つの自由二節を結合する第１リンクの延長部位に第１着地点が設定され、
前記第２四節非平行リンクの他の２つの節である自由二節を結合する第２リンクの延長部位に第２着地点が設定され、
前記第１着地点の軌跡は、前記第１胴体が基準姿勢にあるときに、近似的鉛直線であり、
前記第２着地点の軌跡は、前記第２胴体が基準姿勢にあるときに、近似的鉛直線である
歩行ロボット。A first body,
A second body supported by the first body and moving with respect to the first body;
A plurality of first legs supporting the first body;
A plurality of second legs for supporting the second body,
The first leg is formed of a first four-bar non-parallel link,
The second leg is formed of a second four-bar non-parallel link,
The first four-node non-parallel link is similar in structure to the second four-node non-parallel link;
A first second node, which is two nodes of the first four-node non-parallel link, is restrained by the first body,
The second second node, which is the second node of the second four-node non-parallel link, is restrained by the second body,
A first landing point is set at an extension of the first link connecting the other two free nodes of the first four-node non-parallel link,
A second landing point is set at an extension of the second link connecting the free two nodes, which are the other two nodes of the second four-node non-parallel link,
The trajectory of the first landing point is an approximate vertical line when the first body is in the reference posture,
A walking robot, wherein the trajectory of the second landing point is an approximate vertical line when the second body is in a reference posture. 請求項１に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１着地点に配置される第１センサーと、
前記第２着地点に配置される第２センサーとを更に具え、
前記第１センサーは、
前記延長部位に固着されている第１電極と、
前記延長部位に３次元回転的に支持される３次元軸受と、
前記３次元軸受に固着されている第２電極と、
前記延長部位と前記３次元軸受との間に介設されるコイルスプリングとを備え、
前記第１電極と前記第２電極は、前記コイルスプリングの圧縮時に互いに接触する３つの接触点を有して接触電気信号を生成する
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 1,
A first sensor arranged at the first landing point;
A second sensor disposed at the second landing point,
The first sensor includes:
A first electrode fixed to the extension portion;
A three-dimensional bearing supported three-dimensionally on the extension portion;
A second electrode fixed to the three-dimensional bearing;
A coil spring interposed between the extension portion and the three-dimensional bearing;
The walking robot according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode have three contact points that contact each other when the coil spring is compressed, and generate a contact electric signal. 請求項２に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１電極と前記第２電極は、環状に形成されている
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 2,
The walking robot according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are formed in an annular shape. 請求項１〜３から選択される１項の歩行ロボットにおいて、
前記第２胴体は、前記第１胴体に線形運動自在に支持されている
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 1, which is selected from claims 1 to 3,
A walking robot, wherein the second body is supported by the first body so as to be linearly movable. 請求項４に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第２胴体は、前記第１胴体に回転運動自在に支持されている
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 4,
The walking robot according to claim 1, wherein the second body is rotatably supported by the first body. 請求項１〜５から選択される１項に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１胴体に配置されるモータと、
前記拘束第１二節のうちの１つの節として形成される回転軸とを更に具え、
前記モータの出力軸は前記回転軸に対してウォームギヤを介して回転自在に結合している
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 1, which is selected from claims 1 to 5,
A motor disposed on the first body;
A rotation axis formed as one of the first and second restraint nodes,
A walking robot, wherein an output shaft of the motor is rotatably connected to the rotating shaft via a worm gear. 請求項１〜６から選択される１項に記載の歩行ロボットにおいて、
前記第１胴体に直交座標系ｘ，ｙが設定され、前記ｙ軸は前記第１胴体が基準姿勢にある時に鉛直面上に設定され、
前記２節である２つの前記拘束第１二節は、前記ｙ軸上に配置され、前記拘束第１二節に結合する２つのリンクのうちの１つは第３リンクとして形成され、
前記第３リンクと前記ｙ軸との間の角度がγで表され、前記第３リンクと前記第１リンクとの間の角度がβで表されて、γ＋β＝１８０＋θであり、前記θはともに零に近い設計範囲定数θ１とθ２に対してθ１＜θ＜θ２でありΔθで表され、前記γは９０度を含み設計範囲定数γ１とγ２に対してγ１＜γ＜γ２であり、前記延長部位の特定点の軌跡（ｘ，ｙ）の変化率Ｋは、
｜Ｋ｜＝（Ｃ＋ＬΔθ）／（ＣΔθ＋Ｌ）
Ｃ：前記第３リンクの長さ
Ｌ：前記延長部位の長さ
で表される
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 1, which is selected from claims 1 to 6,
An orthogonal coordinate system x, y is set on the first body, the y axis is set on a vertical plane when the first body is in a reference posture,
The two first nodes that are the two nodes are disposed on the y-axis, and one of the two links that couples to the first node is formed as a third link;
The angle between the third link and the y-axis is represented by γ, the angle between the third link and the first link is represented by β, γ + β = 180 + θ, and both θ are Θ1 <θ <θ2 for design range constants θ1 and θ2 close to zero and represented by Δθ, wherein γ includes 90 degrees and γ1 <γ <γ2 for design range constants γ1 and γ2; The change rate K of the locus (x, y) of the specific point of the part is
| K | = (C + LΔθ) / (CΔθ + L)
C: a length of the third link L: represented by a length of the extension portion, a walking robot. 請求項７に記載の歩行ロボットにおいて、
前記Ｃ及び前記ＬがＣ≒Ｌであり、
前記ｙ軸は前記鉛直面上で概ね４５度に設定されている
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 7,
The C and the L are C ≒ L,
The walking robot, wherein the y-axis is set at approximately 45 degrees on the vertical plane. 請求項７に記載の歩行ロボットにおいて、
前記Ｃ及び前記ＬがＣ≒Ｌであり、
Ｃ＜Ｌであり、前記ｙ軸は前記鉛直面上で概ね４５度に設定されている
ことを特徴とする歩行ロボット。The walking robot according to claim 7,
The C and the L are C ≒ L,
C <L, and the y-axis is set at approximately 45 degrees on the vertical plane.

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