JP2004001138A - Walking robot - Google Patents
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Abstract
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
[0014]
A first
[0015]
The lower part of the first leg
[0016]
A
[0017]
The lower end of the relative
[0018]
The
[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
[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
[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
[0022]
The pulley 37 revolves around the relative
[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
[0024]
If the movement plane (reference plane) defined by the
[0025]
As shown in FIG. 3, one end of a first
[0026]
The first
[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
[0028]
The members corresponding to the first
[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
[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-
[0031]
As shown in FIG. 3, a
[0032]
FIGS. 4A, 4B, and 4C show more preferable tactile sensors of the
[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
[0034]
A fixed
[0035]
While the partial
[0036]
FIG. 4B shows a state in which the swing-side annular electrode 77 is in contact with the fixed-side
[0037]
One first
Step 0:
The three second and nodal worm meshing gears 65 and the three
[0038]
Step 1:
The power is connected to the three second leg drive motors 28 while the power is on. The three first
[0039]
Since the four distances (effective link lengths) between the four nodes of the second four-
[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
[0041]
The other two second four-
[0042]
Step 3:
When the reciprocating trolley 16 moves forward by a certain distance and the three second four-
[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-
[0044]
Step 4:
Next, the three first
Step 5:
Next, the
[0045]
Step 6:
Next, the first
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
[0046]
Following the descent of the
[0047]
By rotating in a stepwise manner, the forward / backward direction, which is the direction of the
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-
[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
[0049]
FIGS. 5A, 5B, and 5C show that the movement trajectory of the
[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
[0052]
FIG. 6 shows an orthogonal coordinate system xy for analyzing the geometrical condition of the movement of the action point of the
Angle 44 ・ 48 ・ 47 = β
The angle between the
Slope of line segment 47.83 = tan (α) = tan {(90−γ) + (180−β)}
Coordinates (x, y) of
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
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-
[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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002160150A JP2004001138A (en) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | Walking robot |
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- 2002-05-31 JP JP2002160150A patent/JP2004001138A/en active Pending
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