JP2005161436A - 人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無理な外力による配線の断線の危険性・作動角の増大による支持軸部材の剛性低下をなくし、かつ減速機よる胴体の縦方向寸法の拡大を回避し、さらに、動力伝達部のバックラッシュを実質的になくすことにある。
【解決手段】人型ロボットの胴体の下半部に対しその胴体の上半部を相対的に左右に回動させる腰ヨー軸駆動装置において、前記上半部の胴体外殻５に前記胴体の上下方向へ延在する中空の支持軸部材１３を結合するとともに、前記下半部のフレーム１２にその支持軸部材１３を回動自在に支持する軸受けを設け、前記下半部のフレーム１２に、前記支持軸部材１３に並列に配置した減速機２１とそれを駆動するモータ２５とを搭載するとともに、その減速機２１の出力部材を前記上半部に二本の連結ロッド２７を持つパラレルリンク機構および支持軸部材１３等を介して連結した。
【選択図】図４

Description

この発明は、人型ロボットの胴体の下半部に対しその胴体の上半部を相対的に左右に回動させる腰ヨー軸駆動装置に関するものである。

人型ロボットにおける上記腰ヨー軸駆動装置には、下半身からの大量の配線を上半身に最適に導くためのスペースの確保と、ロボットの動作を安定的に実行するための高剛性およびバックラッシュのなさが求められる。また、人型ボットの全体寸法に対して胴体が占める割合や機器の搭載量を考えると、腰ヨー軸駆動装置は、よりコンパクトに纏まっている必要がある。

ところで、従来のロボットの可動軸駆動装置は通常、配線を当該駆動装置の可動軸を構成する支持軸部材の外に外通したり（例えば、特許文献１）、可動軸を構成する支持軸部材に軸線方向溝を設けてその軸線方向溝内に配線を中通ししたり（例えば、特許文献２）していた。
特開平１０−１６６２８６号公報 特開２０００−２１０８８８号公報

しかしながら、配線を外通しにした場合、外部に不安定な配線があることにより、ロボットの動作を安定的に行えない場合があり、また、動作に制限が生ずる可能性がある。さらに、配線自体にも、無理な外力による断線の危険性があった。

一方、配線を中通しする場合、減速機を支持軸部材に直列に配置する場合と、並列に配置してそれらの間を歯車やタイミングベルトで動力伝達する場合とが考えられるが、支持軸部材に減速機を直列に配置するとともにその支持軸部材に配線を中通しする場合には、配線の量が増えたり作動角が大きくなったりすると溝が大きくなって支持軸部材の剛性低下を招く恐れがあり、さらに、特に腰ヨー軸に関しては支持軸部材（ヨー軸部材）に直列に配置した減速機によって胴体の縦方向寸法が大きくなってしまうという問題もあった。

そして支持軸部材に減速機を並列に配置してそれらの間を歯車やタイミングベルトで動力伝達するとともにその支持軸部材に配線を中通しする場合には、減速機の出力側ゆえ大きな力が加わるその歯車やタイミングベルトを用いた動力伝達部のバックラッシュが大きすぎてしまうという問題があった。

この発明は上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、この発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置は、人型ロボットの胴体の下半部に対しその胴体の上半部を相対的に左右に回動させる腰ヨー軸駆動装置において、前記下半部と前記上半部とのうちの何れか一方に前記胴体の上下方向へ延在する中空の支持軸部材を結合するとともに、前記下半部と前記上半部とのうちの他方にその支持軸部材を回動自在に支持する軸受けを設け、前記下半部と前記上半部とのうちの何れか一方に、前記支持軸部材に並列に配置した減速機とその減速機を駆動するモータとを搭載するとともに、その減速機の出力部材を前記下半部と前記上半部とのうちの他方にパラレルリンク機構を介して連結したことを特徴とするものである。

かかるこの発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、胴体の上下方向へ延在する中空の支持軸部材内に、下半身からの大量の配線を中通しして上半身に導くことで、外部に不安定な配線がなくなることから、ロボットの動作を安定的に行うことができ、また、動作に制限が生ずることもなく、さらに、配線自体についても無理な外力による断線の危険性をなくすことができる。

しかもこの発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、支持軸部材に腰ヨー軸駆動装置の減速機を直列に配置していないことから、その支持軸部材にスリットを設ける必要がないので、配線の量が増えたり作動角が大きくなったりしても支持軸部材の剛性低下を招く恐れがなく、さらに、支持軸部材に直列に配置した減速機によって胴体の縦方向寸法が大きくなることもない。

そしてこの発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、胴体の下半部と上半部とのうちの何れか一方に腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材に並列に配置した減速機とその減速機を駆動するモータとを搭載して、その減速機の出力部材を前記下半部と前記上半部とのうちの他方にパラレルリンク機構を介して連結したから、腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材と減速機との間の大きな力の加わる動力伝達部のバックラッシュを実質的になくすことができる。

なお、この発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置においては、前記下半部に、前記支持軸部材に並列に配置した減速機とその減速機を駆動するモータとを搭載するとともに、その減速機の出力部材を、前記上半部に駆動結合した前記腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材にパラレルリンク機構を介して連結しても良く、このようにすれば、腰ヨー軸駆動装置の減速機とその減速機を駆動するモータとを胴体の下半部に搭載するので、人型ロボットの胴体の上半部に制御用電装機器等の搭載スペースを効果的に確保することができる。

また、この発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置においては、前記腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材が、前記胴体の下半部に対しその胴体の上半部を相対的に前後に回動させる腰ピッチ軸駆動装置の支持軸部材と一体的に結合されていても良く、このようにすれば、腰ピッチ軸駆動装置を設けた場合でも、その支持軸部材への配線の中通しも容易かつ安全に行うことができる。

そして、この発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置においては、前記腰ピッチ軸駆動装置の支持軸部材が、その腰ピッチ軸駆動装置の減速機を搭載していても良く、このようにすれば、スペース効率を高めて、腰ピッチ軸駆動装置を設けた場合でも、胴体の縦方向寸法が大きくなるのを防止することができる。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置の一実施例をカバー付の胴体下半部とともに示す平面図、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図および斜視図、図２（ａ），（ｂ）は、その人型ロボットの全体を示す正面図および側面図、図３，図４および図５は、上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体上半部および下半部のフレームとともに示す正面図、ロボットの左側から見た側面図、およびロボットの右側から見た側面図、図６は、上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体上半部および下半部のフレームとともに示す斜視図、そして図７（ａ），（ｂ）は、上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体下半部のフレームとともに示す正面図およびロボットの左側から見た側面図である。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、上記人型ロボットは胴体１の下に二本の脚２を具え、それらの脚２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この人型ロボットはまた、胴体１のロボット自身から見て左右に腕３を具えるとともに、胴体１上に頭４を具えている。

ここにおける胴体１は、腰の部分で互いに前後および左右回動可能に連結された上半部１ａと下半部１ｂとからなり、図３〜図６に示すように、上記胴体上半部１ａのフレームは、アルミニウム合金の鋳造で形成された胴体外殻５と、その胴体外殻５に装着されたタワーバー６および二本のパイプフレーム７とを具えてなり、前後二分割式の胴体上半部カバー８の内側に配置されていて、その胴体外殻５の内部および後部左右側部は図示しない電装機器の搭載スペースとなっている。また、上記胴体下半部１ｂのフレーム１２は、正面から見て略逆Ｔ字状をなすようにアルミニウム合金の鋳造で形成されており、Ｔ字の腕の部分に相当する左右側部は、図示しない二つのバッテリユニットの搭載スペースとなっている。

この実施例の腰ヨー軸駆動装置は、上記胴体上半部１ａを胴体下半部１ｂに対し軸線Ｙ周りに相対的に左右に回動させるためのものであり、この実施例では、胴体下半部１ｂと胴体上半部１ａとのうちの胴体上半部１ａに、直立した状態の胴体１の上下方向へ延在する部分を有する中空の支持軸部材１３を結合している。すなわち、ここにおける中空の支持軸部材１３は、直立した状態の胴体１の上下方向へ延在する中空の下部軸部１３ａと、胴体１の左右方向へ延在する中空の上部軸部１３ｂとを一体に有して略逆L字状をなしており、その上部軸部１３ｂのロボットから見て左端部（図１（ｂ）では右端部）には、腰ピッチ軸駆動装置の減速機としてのハーモニックドライブ機構（商品名）１４が搭載され、そのハーモニックドライブ機構１４の固定部材としての環状内歯歯車が上部軸部１３ｂに固定され、そのハーモニックドライブ機構１４の出力部材としての弾性外歯歯車には、上記胴体上半部１ａの胴体外殻５のロボットから見て左下端部（図３では右下端部）５ａが一体的に結合されている。

また、中空の支持軸部材１３の、中空の上部軸部１３ｂのロボットから見て右端部（図１（ｂ）では左端部）にはベアリングを介して、図５に示すように、中空軸１５が軸線Ｐ周りに回動自在に支持され、その中空軸１５には、上記胴体上半部１ａの胴体外殻５のロボットから見て右下端部（図３では左下端部）５ｂが一体的に結合されている。そして、上記ハーモニックドライブ機構１４の入力軸には、二個のプーリ１６，１７およびタイミングベルト１８を介して、上記胴体上半部１ａの胴体外殻５のロボットから見て左下端部（図３では右下端部）に搭載された腰ピッチ軸駆動装置のモータ１９の出力軸が駆動結合され、これにより、胴体外殻５に搭載されたモータ１９の出力回転を大減速比のハーモニックドライブ機構１４で減速して胴体外殻５ひいては胴体上半部１ａを胴体下半部１ｂに対し軸線Ｐ周りに相対的に前後に回動させる腰ピッチ軸駆動装置が構成されている。

一方、この実施例では、図１および図７に示すように、胴体下半部１ｂのフレーム１２の、Ｔ字の軸の部分に相当する中央部の上端部内に、上記支持軸部材１３の中空の下部軸部１３ａを軸線Ｙ周りに回動自在に支持する軸受けとしてのベアリング２０が配設されるとともに、そのフレーム１２の中央部のベアリング２０の後側の上端部上に、当該実施例の腰ヨー軸駆動装置の減速機としてのハーモニックドライブ機構（商品名）２１が搭載されて、そのハーモニックドライブ機構２１の固定部材としての環状内歯歯車がフレーム１２の中央部の上端部に固定され、さらに、そのフレーム１２の中央部内のベアリング２０の後側の上端部からフレーム１２内に突出したハーモニックドライブ機構２１の入力軸には、二個のプーリ２２，２３およびタイミングベルト２４を介して、上記胴体下半部１ｂのフレーム１２の中央部内に搭載された腰ヨー軸駆動装置のモータ２５の出力軸が駆動結合されている。

そしてここでは、上記ハーモニックドライブ機構２１の出力部材としての弾性外歯歯車に、略直線状の駆動アーム２６の中央部が結合され、その駆動アーム２６の両端部は、互いに平行に当該ロボットの前後方向に延在する各々長さ調整可能な二本の連結ロッド２７の後端部をそれぞれ回動自在に軸支し、また上記支持軸部材１３の上部軸部１３ｂとそこに搭載されたハーモニックドライブ機構１４との下部は、上記二本の連結ロッド２７の前端部をそれぞれ回動自在に軸支している。これによりこの実施例では、二本の連結ロッド２７がパラレルリンクとなって、ハーモニックドライブ機構２１の出力部材を胴体上半部１ａに連結するパラレルリンク機構が構成され、そして、胴体下半部１ｂに搭載されたモータ２５の出力回転を大減速比のハーモニックドライブ機構２１で減速して駆動アーム２６を回動させ、その回動を二本の連結ロッド２７で、支持軸部材１３の上部軸部１３ｂとそこに搭載されたハーモニックドライブ機構１４とに伝動し、それらに下端部５ａ，５ｂを支持された胴体外殻５ひいては胴体上半部１ａを胴体下半部１ｂに対し軸線Ｙ周りに相対的に左右に回動させる腰ヨー軸駆動装置が構成されている。

なお、かかる胴体下半部１ｂのフレーム１２は、図１および図２に示すように、胴体下半部前カバー２８と、衝撃吸収性を持つようにゲル材を内装した尻カバー２９とで覆われている。

この実施例の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、下部が胴体１の上下方向へ延在するとともに上部が胴体１の左右方向に延在する中空の支持軸部材１３内に、図１（ｂ）に矢印Ｒで示すように下半身からの大量の配線を中通しして上半身に導くことで、外部に不安定な配線がなくなることから、ロボットの動作を安定的に行うことができ、また、動作に制限が生ずることもなく、さらに、配線自体についても無理な外力による断線の危険性をなくすことができる。

しかもこの実施例の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、支持軸部材１３に腰ヨー軸駆動装置のハーモニックドライブ機構２１を直列に配置していないことから、その支持軸部材１３にスリットを設ける必要がないので、配線の量が増えたり作動角が大きくなったりしても支持軸部材１３の剛性低下を招く恐れがなく、さらに、支持軸部材１３に直列に配置した減速機によって胴体の縦方向寸法が大きくなることもない。

そして、この実施例の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、胴体１の下半部１ｂと上半部１ａとのうちの下半部１ｂに、腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材１３に並列に配置したハーモニックドライブ機構２１とそれを駆動するモータ２５とを搭載して、そのハーモニックドライブ機構２１の出力部材を上半部１ａにパラレルリンク機構を介して連結したから、腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材１３とハーモニックドライブ機構２１との間の、大きな力の加わる動力伝達部のバックラッシュを実質的になくすことができる。

さらに、この実施例の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、上記のように腰ヨー軸駆動装置のハーモニックドライブ機構２１とそれを駆動するモータ２５とを胴体１の下半部１ｂに搭載するので、人型ロボットの胴体１の上半部１ａに制御用電装機器等の搭載スペースを効果的に確保することができる。

また、この実施例の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材１３の、胴体１の上下方向へ延在する下部軸部１３ａが、胴体１の下半部１ｂに対しその胴体１の上半部１ａを相対的に前後に回動させる腰ピッチ軸駆動装置の支持軸部材としての上部軸部１３ｂと一体をなしているので、腰ピッチ軸駆動装置を設けていてもその支持軸部材への配線の中通しも容易かつ安全に行うことができる。

そして、この実施例の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、腰ピッチ軸駆動装置の支持軸部材としての上部軸部１３ｂが、その腰ピッチ軸駆動装置のハーモニックドライブ機構１４を搭載しているから、スペース効率を高めて、腰ピッチ軸駆動装置を設けていても胴体１の縦方向寸法が大きくなるのを防止することができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上記例に限定されるものでなく、例えば、この発明の腰ヨー軸駆動装置は、腰ピッチ軸駆動装置と組み合わせずに単独で用いても良い。また支持軸部材を胴体下半部に結合するとともに軸受けを胴体上半部に設けるようにしても良く、そして腰ヨー軸駆動装置の減速機およびモータを胴体上半部側に搭載しても良い。

かくしてこの発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置によれば、外部に不安定な配線がなくなるから、ロボットの動作を安定的に行うことができ、また、動作に制限が生ずることもなく、配線自体についても無理な外力による断線の危険性をなくすことができる。しかも、支持軸部材にスリットを設ける必要がないから、配線の量が増えたり作動角が大きくなったりしても支持軸部材の剛性低下を招く恐れがなく、支持軸部材に直列に配置した減速機によって胴体の縦方向寸法が大きくなることもない。そして、パラレルリンク機構で連結するから、腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材と減速機との間の動力伝達のバックラッシュを実質的になくすことができる。

（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置の一実施例をカバー付の胴体下半部とともに示す平面図、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図および斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を適用した人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。 上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体上半部および下半部のフレームとともに示す正面図である。 上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体上半部および下半部のフレームとともに示す、ロボットの左側から見た側面図である。 上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体上半部および下半部のフレームとともに示す、ロボットの右側から見た側面図である。 上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体上半部および下半部のフレームとともに示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の腰ヨー軸駆動装置を胴体下半部のフレームとともに示す正面図およびロボットの左側から見た側面図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 胴体上半部
１ｂ 胴体下半部
２ 脚
３ 腕
４ 頭
５ 胴体外殻
５ａ 胴体外殻のロボットから見て左下端部
５ｂ 胴体外殻のロボットから見て右下端部
６ タワーバー
７ パイプフレーム
８ 胴体上半部カバー
１２ 胴体下半部用フレーム
１３ 支持軸部材
１３ａ 下部軸部
１３ｂ 上部軸部
１４，２１ ハーモニックドライブ機構
１５ 中空軸
１６，１７，２２，２３ プーリ
１８，２４ タイミングベルト
１９，２５ モータ
２０ ベアリング
２６ 駆動アーム
２７ 連結ロッド
２８ 胴体下半部前カバー
２９ 尻カバー

Claims (4)

1. 人型ロボットの胴体の下半部に対しその胴体の上半部を相対的に左右に回動させる腰ヨー軸駆動装置において、
   前記下半部と前記上半部とのうちの何れか一方に前記胴体の上下方向へ延在する中空の支持軸部材を結合するとともに、前記下半部と前記上半部とのうちの他方にその支持軸部材を回動自在に支持する軸受けを設け、
   前記下半部と前記上半部とのうちの何れか一方に、前記支持軸部材に並列に配置した減速機とその減速機を駆動するモータとを搭載するとともに、その減速機の出力部材を前記下半部と前記上半部とのうちの他方にパラレルリンク機構を介して連結したことを特徴とする、人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置。
2. 前記下半部に、前記支持軸部材に並列に配置した減速機とその減速機を駆動するモータとを搭載するとともに、その減速機の出力部材を、前記上半部に駆動結合した前記腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材にパラレルリンク機構を介して連結したことを特徴とする、請求項１記載の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置。
3. 前記腰ヨー軸駆動装置の支持軸部材は、前記胴体の下半部に対しその胴体の上半部を相対的に前後に回動させる腰ピッチ軸駆動装置の支持軸部材と一体的に結合されていることを特徴とする、請求項１または２記載の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置。
4. 前記腰ピッチ軸駆動装置の支持軸部材は、その腰ピッチ軸駆動装置の減速機を搭載していることを特徴とする、請求項３記載の人型ロボットの腰ヨー軸駆動装置。

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