JP4776159B2 - 人型ロボットの電装機器搭載構造 - Google Patents

Description

この発明は、人型ロボットにモータ駆動回路（ドライバ）や動作制御コンピュータ等の制御系電装機器を搭載する構造に関するものである。

歩行ロボット等に搭載される制御系電装機器（モータを除く）は、該制御系電装機器によって制御される被制御機器（例えばアクチュエータ等）の近傍や、適宜求められる搭載スペースに配置されることが望ましい。しかしながら、歩行ロボット、特には人型ロボットの脚や腕内に搭載されるアクチュエータ等の近傍に制御系電装機器を搭載することは、搭載配置スペースを確保することが難しい上に、重量の増加を招き、脚や腕の慣性質量の増加が人型ロボットの歩行性能や全身運動機能（全身を使った動き、転倒動作や起き上がり動作等）に多大な影響を及ぼすことになり、人型ロボットの外観意匠にも影響する。

ところで従来、人型ロボットにおいては、可能な限り安定した歩容を維持しやすいように、その重心位置が胴体内中心軸線に近い位置にあるとき人型ロボットが安定状態にあるように設計されていることが多く、制御系電装機器についても、他の内部搭載部品と同様に人型ロボットの胴体部内の、鉛直方向中心軸線周りに搭載する方がよく、このような配置にすれば歩行性能や全身運動機能に影響を及ぼす慣性質量を低減することができるが、自身が移動体である人型ロボットにおいては、その内部構造に対し占める搭載スペースは非常に限られた小さなものであり、そのため、制御系電装機器を収納するためのバックパックを背負わせたり（特許文献１参照）、脚や腕に電装機器の一部を格納したりしていた。また、搭載する電装機器の着脱性や耐ノイズ製を犠牲にして人型ロボットの胴体内に集中配置する場合もあった。
特開２００２−１５４０８３号公報

しかしながら、バックパック等の大きな突出部を設けた場合、人型ロボットの歩行性能や全身運動機能に大きな制限を加える可能性があるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度を損なうことにもなる。

また、運動性能が要求される脚や腕に電装機器の一部を搭載すると、取付け用ブラケット等も含めて慣性質量の増大を招き、脚や腕の運動性能を妨げる可能性がある。そして、発熱する電装機器については、個々に脚や腕への冷却手段の設置が必要となるという不都合もある。

一方、電装機器の着脱性を犠牲にして胴体内への無理な集中配置を行うと、組立て時やメンテナンス時に多大な労力が必要になるとともに、それらの作業時に配線の断線や接触不良等の二次的な不具合を招く恐れがある。また、電源線や信号線等の配線を無理に詰め込むことにより、ノイズ等の影響で予期し得ない不具合が発生する可能性がある。

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電装機器搭載構造は、人型ロボットの脚及び腕の作動を制御する電装機器を含む制御系電装機器を機能毎に纏めてユニット化し、前記人型ロボットの胴体上半部を構成する、前部の前部中央開口部及び後部から左右側部に渡る後部左右開口部を有する胴体外殻、前部中央開口部を横切って延在し両端部を前記胴体外殻に取り外し可能に結合されて前記胴体外殻の前部を補強するタワーバー、及び前記胴体外殻の後部へ向けた後方端部が前記胴体外殻の後部に取り外し可能に固定されて前記胴体外殻の左右側部に装着された、前記胴体外殻の後部を補強する２本のパイプフレームからなるフレームの、前記胴体外殻の内部にモータドライバユニットを収納し、前記胴体外殻の後部の横に無線ＬＡＮユニットを装着し、前記胴体外殻の後部内に姿勢センサユニットを収納し、前記胴体外殻の前部と後部の間に後部ドライバユニットを搭載し、前記胴体外殻の後部の両横にコンピュータユニットを装着して、前記人型ロボットの胴体上半部に集中搭載した複数の電装機器ユニットと、複数のバッテリセルを纏めて一体化し、前記人型ロボットの胴体下半部のフレームの左右側部をそれぞれ搭載場所として、前記人型ロボットの胴体下半部内に集中搭載したバッテリユニットと、前記タワーバーに装着された、後方へ上下傾斜せずに送気する向きと後方へ斜め下方に送気する向きとの、胴体上半部に集中搭載された発熱する前記電装機器について纏めて設置した複数の冷却手段とを有する。

かかるこの発明の人型ロボットの電装機器搭載構造によれば、人型ロボットの胴体内にユニット化した制御系電装機器を集中搭載しているので、バックパックを不要とし得て、バックパックによる人型ロボットの歩行性能や全身運動機能への制限をなくすことができるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度も高めることができる。

また、運動性能が要求される脚や腕への電装機器の搭載を不要とし得て、取付け用ブラケット等も含めた慣性質量の増大を回避できるので、脚や腕の運動性能を高めることができ、さらに、発熱する電装機器について纏めて胴体に冷却手段を設置し得て、冷却手段の設置スペースを脚や腕に設ける必要性もなくすことができる。

そして、機能毎に纏めてユニット化した制御系電装機器を人型ロボットの胴体内に集中搭載することから、組立て時やメンテナンス時の労力を僅かなものにできるとともに、それらの作業時に配線の断線や接触不良等の二次的な不具合の可能性を減らすことができ、また、電源線や信号線等の配線を無理に詰め込む必要がないので、ノイズ等の影響で予期し得ない不具合が発生する可能性をなくすことができる。

特に、前記人型ロボットの胴体上半部を構成する、前部の前部中央開口部及び後部から左右側部に渡る後部左右開口部を有する胴体外殻、前部中央開口部を横切って延在し、両端部を前記胴体外殻に取り外し可能に結合されて前記胴体外殻の前部を補強するタワーバー、及び前記胴体外殻の左右側部に取り外し可能に固定され、後方端部を前記胴体外殻の後部へ向けて前記胴体外殻の後部を補強する２本のパイプフレームからなるフレームの、前記胴体外殻の内部にモータドライバユニットを収納し、前記胴体外殻の後部の横に無線ＬＡＮユニットを装着し、前記胴体外殻の後部内に姿勢センサユニットを収納し、前記胴体外殻の前部と後部の間に後部ドライバユニットを搭載し、前記胴体外殻の後部の両横にコンピュータユニットを装着して、前記人型ロボットの胴体上半部に複数の電装機器ユニットを集中搭載したので、胴体外殻内に電装機器の充分な搭載スペースを確保し得るとともに、補強部材の着脱により胴体フレームの剛性と電装機器の良好な搭載性（搭載作業のし易さ）および脱着性とを確保することができる。

また、この発明の人型ロボットの電装機器搭載構造において、前記ユニット化した制御系電装機器は、各基板上に実装したコネクタ同士を結合することで互いに接続した複数の基板を有するものとしても良く、このようにすれば、ユニットを構成する基板間の配線を別途に設ける必要がないので、ユニットをよりコンパクトに纏めることができる。

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および図２は、この発明の人型ロボットの電装機器搭載構造の一実施例の外観を示す分解斜視図および組立て状態の斜視図、図３（ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器搭載構造を示す平面図および正面図、図４（ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器搭載構造を示す、上記人型ロボットの左手側から見た側面図および背面図、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の電装機器搭載構造におけるドライバ基板、ドライバユニットの組立て方法および組立てたドライバユニットをそれぞれ示す斜視図、そして図６（ａ），（ｂ）は、上記人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。

図６（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、この実施例の電装機器搭載構造はその胴体上半部１ａに適用されたもので、この実施例では、図１〜図４に示すように、胴体上半部１ａのフレームが、胴体外殻５と、前部補強部材としてのタワーバー６と、後部補強部材としての二本のパイプフレーム７とを具えてなり、図６に示すように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る。

ここにおける胴体外殻５は、上方から見て略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、前部の大部分を占める前部中央開口部５ａと、後部から左右側部に渡る上方から見てＬ字状の後部左右開口部５ｂ，５ｃとを有している。

また、ここにおけるタワーバー６は、アルミニウム合金の厚板から切削加工されたもので、両端部にボルト孔を有するとともに、中間部に後方へ送気する向きの二台の冷却ファン９とそれらに挟まれた斜め下方へ送気する向きの一台の冷却ファン９とを装着され、胴体外殻５の前部中央開口部５ａを横切って左右方向に延在し、両端部をその前部中央開口部５ａの両脇の、胴体外殻５の前部にボルトで取り外し可能に固定されて、その胴体外殻５の前部を補強している。

そして、ここにおける二本のパイプフレーム７は各々、略Ｌ字状に曲げられていて、その前方端部には、直角に曲がった向きに固定パイプ７ａが固着されており、その固定パイプ７ａは、胴体外殻５の左右側部に形成された筒状の凹部内に嵌め合わされて、胴体外殻５の内側からその胴体外殻５に挿通されたボルトで胴体外殻５の左右側部に取り外し可能に固定されている。

また、ここにおける二本のパイプフレーム７は各々、その後方端部を胴体外殻５の後部へ向けられており、それらのパイプフレーム７の後方端部は各々、ボルトの締付けで縮径されるクランプ１１を介して胴体外殻５の後部下端部に取り外し可能に固定され、これにより二本のパイプフレーム７は胴体外殻５の後部を補強している。

かかる構成の胴体フレームに対して、この実施例の電装機器搭載構造では、図１〜図４に示すように、胴体外殻５のタワーバー６の上側にスピーカーパネル１３が装着され、また胴体外殻５内には、それぞれ三枚または五枚のモータドライバ基板が纏められた四つのモータドライバユニット１４が収納され、胴体外殻５の後部の横には無線ＬＡＮユニット１５が装着され、胴体外殻５の後部内には三軸ジャイロと三軸加速度センサとが一体化された姿勢センサユニット１６が収納され、胴体外殻５の前部と後部の間には後部ドライバユニット１７が搭載され、さらに胴体外殻５の後部の両横には視覚制御系および動作演算系の多数のコンピュータ基板が纏められた二つのコンピュータユニット１８が装着されている。

図５は、五枚のモータドライバ基板１４ａが纏められた上記モータドライバユニット１４の構成を示しており、ここで、各モータドライバ基板１４ａは、図５（ａ）に示すように、そのプリント基板上にアルミニウム合金や銅板等の熱伝導性の良い金属板からなる断面コ字状の放熱版１４ｂを配置されており、各モータドライバ基板１４ａのプリント基板上に半田付けによって実装されたＦＥＴ等の複数の発熱性素子１４ｃはその放熱版１４ｂに各々小ねじによって密接固定されてそこに放熱し、放熱版１４ｂは各発熱性素子１４ｃからの熱を広い放熱面積によって効率的に放散させる。五枚のモータドライバ基板１４ａは、図５（ｂ）に示すように、スペーサ１４ｄと小ねじ１４ｅとによって互いに一体的に結合され、次いで各モータドライバ基板１４ａ上に実装された図示しないコネクタを配線用基板１４ｆ上に実装されたコネクタ１４ｇに結合することで、それぞれ配線用基板１４ｆに接続され、そして一部のスペーサ１４ｄに設けられた雌ねじに配線用基板１４ｆを介して小ねじ１４ｅを締込むことで、図５（ｃ）に示すように、配線用基板１４ｆに一体的に固定されている。

このようにしてこの実施例の電装機器搭載構造では、上記モータドライバユニット１４を含む各ユニットにおける基板間の接続の多くが、各基板上に実装したコネクタ同士を結合することで、或いは各基板上に実装したコネクタを主に配線用基板上に実装したコネクタに結合することで行われて、基板間の接続の確実性が高められている。また、各プリント基板と断面コ字状の放熱版１４ｂとを、プリント基板上に半田付けによって実装されるとともに小ねじ１４ｅによって放熱版１４ｂに固定された複数の発熱性素子１４ｃを介して強固に結合しているので、多層プリント基板等を用いた場合でもプリント基板毎の剛性を確保することができ、ユニットとしても高い剛性を確保して衝撃等に対し安定して作動することができる。

一方、この実施例の電装機器搭載構造では、図１〜図４に示すように、胴体下半部１ｂのフレーム１２が、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、二つのバッテリユニット１９の搭載場所とされ、それらのバッテリユニット１９も各々、電装機器としての複数のバッテリセルをブラケットで纏めて一体化させたものとされている。

かかる実施例の人型ロボットの電装機器搭載構造によれば、人型ロボットの胴体１の胴体上半部１ａ内に制御系電装機器のユニット１４〜１８を集中搭載するとともに、胴体下半部１ｂ内に二つのバッテリユニット１９を集中搭載しているので、バックパックを不要とし得て、バックパックによる人型ロボットの歩行性能や全身運動機能への制限をなくすことができるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度も高めることができる。

また、運動性能が要求される脚２や腕３への電装機器の搭載を不要とし得て、取付け用ブラケット等も含めた慣性質量の増大を回避できるので、脚２や腕３の運動性能を高めることができ、さらに、発熱する電装機器について纏めて胴体１に冷却ファン９を設置し得て、冷却ファンの設置スペースを脚２や腕３に設ける必要性もなくすことができる。

そして、機能毎に纏めてユニット１４〜１８とした制御系電装機器を人型ロボットの胴体１内に集中搭載することから、組立て時やメンテナンス時の労力を僅かなものにできるとともに、それらの作業時に配線の断線や接触不良等の二次的な不具合の可能性を減らすことができ、また、電源線や信号線等の配線を無理に詰め込む必要がないので、ノイズ等の影響で予期し得ない不具合が発生する可能性を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電装機器搭載構造によれば、胴体１の上半部１ａのフレームを、前部中央開口部５ａと、後部から左右側部に渡る後部左右開口部５ｂ、５ｃとを有する胴体外殻５と、その胴体外殻５の各開口部５ａ〜５ｃをそれぞれ横切って延在し、両端部を胴体外殻５に取り外し可能に結合されてその胴体外殻５を補強するタワーバー６および二本のパイプフレーム７とを有するものとし、制御系電装機器のユニット１４〜１８を、胴体外殻５の内部および側部に搭載するから、胴体外殻５内に電装機器の充分な搭載スペースを確保し得るとともに、タワーバー６および二本のパイプフレーム７の着脱により胴体フレームの剛性と電装機器の良好な搭載性（搭載作業のし易さ）および脱着性とを確保することができる。

さらに、この実施例の人型ロボットの電装機器搭載構造によれば、制御系電装機器のユニットは、各基板上に実装したコネクタ同士を結合することで互いに接続した複数の基板を有しているから、ユニットを構成する基板間の配線を別途に設ける必要がないので、ユニットをよりコンパクトに纏めることができる。

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、この発明の電装機器搭載構造は、人型ロボットの胴体全体に制御系電装機器を搭載する構成としてもよい。また、バッテリについてはセルに分散して搭載しても良い。

かくしてこの発明の人型ロボットの電装機器搭載構造によれば、バックパックを不要とし得て、バックパックによる人型ロボットの歩行性能や全身運動機能への制限をなくすことができるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度も高めることができ、また運動性能が要求される脚や腕への電装機器の搭載を不要とし得て、取付け用ブラケット等も含めた慣性質量の増大を回避できるので、脚や腕の運動性能を高めることができ、さらに、発熱する電装機器について纏めて胴体に冷却手段を設置し得て、冷却手段の設置スペースを脚や腕に設ける必要性もなくすことができ、また、組立て時やメンテナンス時の労力を僅かなものにできるとともに、それらの作業時に配線の断線や接触不良等の二次的な不具合の可能性を減らすことができ、そして、ノイズ等の影響で予期し得ない不具合が発生する可能性をなくすことができる。

この発明の人型ロボットの電装機器搭載構造の一実施例の外観を示す分解斜視図である。 上記実施例の人型ロボットの電装機器搭載構造の外観を示す組立て状態の斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器搭載構造を示す平面図および正面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器搭載構造を示す、上記人型ロボットの左手側から見た側面図および背面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の電装機器搭載構造におけるドライバ基板、ドライバユニットの組立て方法および組立てたドライバユニットをそれぞれ示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。

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 前部中央開口部
５ｂ 後部左開口部
５ｃ 後部右開口部
６ タワーバー
７ パイプフレーム
７ａ 固定パイプ
８ 胴体上半部カバー
９ 冷却ファン
１１ クランプ
１２ 胴体下半部用フレーム
１３ スピーカーパネル
１４ モータドライバユニット
１４ａ モータドライバ基板
１４ｂ 放熱版
１４ｃ 発熱性素子
１４ｄ スペーサ
１４ｅ 小ねじ
１４ｆ 配線用基板
１４ｇ コネクタ
１５ 無線ＬＡＮユニット
１６ 姿勢センサユニット
１７ 後部ドライバユニット
１８ コンピュータユニット
１９ バッテリユニット

Claims (2)

1. 人型ロボットの脚及び腕の作動を制御する電装機器を含む制御系電装機器を機能毎に纏めてユニット化し、前記人型ロボットの胴体上半部を構成する、前部の前部中央開口部及び後部から左右側部に渡る後部左右開口部を有する胴体外殻、前部中央開口部を横切って延在し両端部を前記胴体外殻に取り外し可能に結合されて前記胴体外殻の前部を補強するタワーバー、及び前記胴体外殻の後部へ向けた後方端部が前記胴体外殻の後部に取り外し可能に固定されて前記胴体外殻の左右側部に装着された、前記胴体外殻の後部を補強する２本のパイプフレームからなるフレームの、前記胴体外殻の内部にモータドライバユニットを収納し、前記胴体外殻の後部の横に無線ＬＡＮユニットを装着し、前記胴体外殻の後部内に姿勢センサユニットを収納し、前記胴体外殻の前部と後部の間に後部ドライバユニットを搭載し、前記胴体外殻の後部の両横にコンピュータユニットを装着して、前記人型ロボットの胴体上半部に集中搭載した複数の電装機器ユニットと、
   複数のバッテリセルを纏めて一体化し、前記人型ロボットの胴体下半部のフレームの左右側部をそれぞれ搭載場所として、前記人型ロボットの胴体下半部内に集中搭載したバッテリユニットと、
   前記タワーバーに装着された、後方へ上下傾斜せずに送気する向きと後方へ斜め下方に送気する向きとの、胴体上半部に集中搭載された発熱する前記電装機器について纏めて設置した複数の冷却手段と
   を有する人型ロボットの電装機器搭載構造。
2. 前記ユニット化した制御系電装機器は、各基板上に実装したコネクタ同士を結合することで互いに接続した複数の基板を有する請求項１記載の人型ロボットの電装機器搭載構造。

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