JP7261082B2

JP7261082B2 - 歩行ロボット

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Publication number: JP7261082B2
Application number: JP2019088747A
Authority: JP
Inventors: 修一山口
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2023-04-19
Anticipated expiration: 2039-05-09
Also published as: JP2020183014A; WO2020226025A1

Description

本発明は、歩行ロボットに関し、特に足平部を足首関節のピッチ軸を中心に回転させる歩行ロボットに関する。

人間や動物の歩行形態を模した歩行ロボットの開発が進められている。特許文献１には、上体と、左右２本の脚部と、を備える二足歩行ロボットが開示されている。上体と脚部とは、股関節を介して連結される。脚部は、大腿リンクと、下腿リンクと、足平部と、を備える。大腿リンクと下腿リンクとは、膝関節を介して連結される。下腿リンクと足平部とは、足首関節を介して連結される。複数のアクチュエータによって大腿リンク、下腿リンク及び足平部を、各関節を中心に回転させれば、二足歩行が可能になる。

足平部は、アクチュエータによって足首関節のピッチ軸を中心に回転させられる。足平部を回転させるこのアクチュエータを足首関節に配置すると、脚部を高速で移動させる場合に大きな慣性力が働く。この課題を解決するために、特許文献１の発明においては、アクチュエータを大腿リンクに配置し、アクチュエータの駆動力がリンク装置を介して足平部に伝達されるようにしている。

特開２０１１－２２４７５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の歩行ロボットにおいても、脚部を高速で移動させる場合、アクチュエータを足首リンクに配置するときに比べて小さいものの、やはり脚部に慣性力が働くという課題がある。また、アクチュエータの配置やリンク装置の構成上、脚部が太くなるという課題がある。

そこで本発明は、脚部の慣性力を軽減でき、また脚部を細くすることができる歩行ロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、股関節に大腿リンクが第１ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記大腿リンクに下腿リンクが第２ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記下腿リンクに足平部が第３ピッチ軸を中心に回転可能に連結される歩行ロボットにおいて、前記股関節に配置されるアクチュエータと、前記アクチュエータを回転させれば第１リンクが前記第１ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第１リンク装置と、前記第１リンクを回転させれば第２リンクが前記第２ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第２リンク装置と、前記第２リンクを回転させれば前記足平部が前記第３ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第３リンク装置と、を備え、前記第２リンク装置及び前記第３リンク装置それぞれが、平行運動機構である歩行ロボットである。
本発明の他の態様は、股関節に大腿リンクが第１ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記大腿リンクに下腿リンクが第２ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記下腿リンクに足平部が第３ピッチ軸を中心に回転可能に連結される歩行ロボットにおいて、前記股関節に配置されるアクチュエータと、前記アクチュエータを回転させれば第１リンクが前記第１ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第１リンク装置と、前記第１リンクを回転させれば第２リンクが前記第２ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第２リンク装置と、前記第２リンクを回転させれば前記足平部が前記第３ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第３リンク装置と、を備え、前記第１リンク装置が、前記アクチュエータによって回転させられる原動リンクと、前記原動リンクと前記第１リンクに連結される第１連接リンクと、を有し、前記第２リンク装置が、前記第１リンクと前記第２リンクに連結される第２連接リンクを有し、前記第１リンクにおける前記第１ピッチ軸、前記第１連接リンクが連結される軸、及び前記第２連接リンクが連結される軸が、三角形の頂点を形成する歩行ロボットである。

本発明によれば、足平部を第３ピッチ軸（足首関節のピッチ軸）を中心に回転させるアクチュエータを股関節に配置するので、脚部を高速で移動させるときの慣性力を軽減することができる。また、アクチュエータの回転を、第１リンク装置、第２リンク装置及び第３リンク装置を介して足平部に伝達するので、第１リンク装置、第２リンク装置及び第３リンク装置を股関節、大腿リンク及び下腿リンクに沿って配置することができ、脚部を細くすることができる。

本発明の一実施形態の歩行ロボットの模式図である。本実施形態の脚部の斜視図である。本実施形態の脚部の側面図である。本実施形態の脚部の動作図である（図４（ａ）は足平部を地面に平行にした状態を示し、図４（ｂ）は足平部を伸ばした状態を示す）。比較例の脚部の可動域を示す図である（図５（ａ）は脚部を伸ばした状態、図５（ｂ）は脚部を畳んだ状態）。本実施形態の脚部の可動域を示す図である（図６（ａ）は図５（ｂ）と同じ角度まで足平部を回転させた状態、図６（ｂ）はさらに足平部を回転させた状態）。本実施形態の第１連接リンクの可動域を示す図である（図７（ａ）は本実施形態の三日月状の第１連接リンクを示し、図７（ｂ）は比較例の直線状の第１連接リンクを示す）。本実施形態の足平部の可動域を示す図である。本実施形態の足平部の可動域を示す図である（図９（ａ）は脚部を伸ばし、上体を前方に倒した状態を示し、図９（ｂ）は脚部を伸ばし、上体を直立させた状態を示し、図９（ｃ）は脚部を屈伸させた状態を示す）。本実施形態の足平部の可動域を示す図である（図１０（ａ）は脚部を曲げ、上体を前方に倒した状態を示し、図１０（ｂ）は脚部を曲げ、上体を直立させた状態を示す）。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態の歩行ロボットを説明する。ただし、本発明の歩行ロボットは、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本発明の一実施形態の歩行ロボット１の模式図を示す。以下では、説明の便宜上、歩行ロボット１の進行方向をＸ軸方向、歩行ロボット１の左右方向をＹ軸方向、歩行ロボット１の上下方向をＺ軸方向として、歩行ロボット１の構成を説明する。ここで、Ｘ軸はロール軸であり、Ｙ軸はピッチ軸であり、Ｚ軸はヨー軸である。左右一対の脚部３は、左右対称であるので、同一の符号を附す。

歩行ロボット１は、上体２と、上体２の下端部に連結される左右一対の脚部３と、を備える。各脚部３は、大腿リンク４と、下腿リンク５と、足平部６と、を備える。上体２には、３自由度の股関節１１を介して大腿リンク４が連結される。大腿リンク４には、１自由度の膝関節を介して下腿リンク５が連結される。下腿リンク５には、２自由度の足首関節を介して足平部６が連結される。

より詳しくは、上体２には、股関節１１の第１ヨー軸１１ａ、第１ロール１１ｂ軸、及び第１ピッチ軸１１ｃを中心に回転可能に大腿リンク４が連結される。大腿リンク４には、膝関節１２の第２ピッチ軸１２ａを中心に回転可能に下腿リンク５が連結される。下腿リンク５には、足首関節１３の第２ロール軸１３ａ及び第３ピッチ軸１３ｂを中心に回転可能に足平部６が連結される。

脚部３を上記のように構成するので、足平部６は、上体２に対して６自由度を有する。脚部３の関節１１，１２，１３を適宜駆動することで、脚部３の所定の運動が可能になり、これにより、歩行ロボット１の歩行動作、走行動作等が可能になる。

なお、図示は省略するが、上体２の左右両側には、左右一対の腕部が取り付けられる。上体２の上端部には、頭部が取り付けられる。

以下に、足平部６を第３ピッチ軸１３ｂを中心に回転させる駆動機構を詳細に説明する。図２は脚部３の斜視図を示し、図３は脚部３の側面図を示す。１１は股関節、４は大腿リンク、５は下腿リンク、６は足平部である。

股関節１１は、上体２に第１ヨー軸１１ａを中心に回転可能に、かつ第１ロール軸１１ｂを中心に回転可能に連結される（図３参照）。図２に示すように、股関節１１には、大腿リンク４が第１ピッチ軸１１ｃを中心に回転可能に連結される。大腿リンク４には、下腿リンク５が第２ピッチ軸１２ａを中心に回転可能に連結される。下腿リンク５には、足平部６が第３ピッチ軸１３ｂを中心に回転可能に連結される。股関節１１、大腿リンク４及び下腿リンク５それぞれは、断面コ字状であり、互いに対向する一対の側板と、側板を連結する連結部と、を備える。足平部６は、略板状である。

図３に示すように、股関節１１には、アクチュエータ１５が配置される。アクチュエータ１５は、モータと、モータの回転を減速する減速機と、を備える。アクチュエータ１５の出力軸１５ａの回転は、第１リンク装置２１、第２リンク装置２２、及び第３リンク装置２３を介して足平部６に伝達される。

第１リンク装置２１は、股関節１１と、第１リンク３１と、原動リンク３２と、第１連接リンク３３と、を備える。原動リンク３２は、股関節１１に固定されたアクチュエータ１５によってアクチュエータ１５の出力軸１５ａを中心に回転させられる。第１リンク３１は、股関節１１に第１ピッチ軸１１ｃを中心に回転可能に連結される。第１連接リンク３３は、原動リンク３２に軸４１を介して回転可能に連結されると共に、第１リンク３１に軸４２を介して回転可能に連結される。

第１リンク装置２１は、これらの４つのリンク１１，３１，３２，３３がすべて回り対偶によって連鎖をなした４節回転連鎖である。第１リンク装置２１は、アクチュエータ１５を回転させれば第１リンク３１が第１ピッチ軸１１ｃを中心に回転させられるように構成される。

第１リンク装置２１は、平行運動機構から構成されてもよいし、非平行運動機構から構成されてもよい。第１リンク装置２１を平行運動機構から構成する場合、相対する２組のリンクの長さが等しい。すなわち、股関節１１のリンク長さと第１連接リンク３３のリンク長さとが等しく、原動リンク３２のリンク長さと第１リンク３１のリンク長さとが等しい。原動リンク３２の仮想線３２ｂ（出力軸１５ａと軸４１とを結んだ線）と第１リンク３１の第１仮想線３１ａ（第１ピッチ軸１１ｃと軸４２とを結んだ線）とは、常に平行である。また、第１リンク装置２１を非平行運動機構から構成すれば、第１リンク３１ひいては足平部６の可動範囲を拡大することができる。

第２リンク装置２２は、第１リンク３１と、大腿リンク４と、第２リンク３５と、第２連接リンク３６と、を備える。第２リンク３５は、大腿リンク４に第２ピッチ軸１２ａを中心に回転可能に連結される。第２連接リンク３６は、第１リンク３１に軸４３を介して回転可能に連結されると共に、第２リンク３５に軸４４を介して回転可能に連結される。

第２リンク装置２２は、これらの４つのリンク３１，４，３５，３６がすべて回り対偶によって連鎖をなした４節回転連鎖である。第２リンク装置２２は、第１リンク３１を回転させれば第２リンク３５が第２ピッチ軸１２ａを中心に回転させられるように構成される。

第２リンク装置２２も、平行運動機構から構成され、相対する２組のリンクの長さが等しい。すなわち、大腿リンク４のリンク長さと第２連接リンク３６のリンク長さとが等しく、第１リンク３１のリンク長さと第２リンク３５のリンク長さとが等しい。第１リンク３１の第２仮想線３１ｂ（第１ピッチ軸１１ｃと軸４３を結んだ線）と第２リンク３５の第１仮想線３５ａ（第２ピッチ軸１２ａと軸４４とを結んだ線）とは、常に平行である。

第３リンク装置２３は、第２リンク３５と、下腿リンク５と、足平部６と、第３連接リンク３７と、を備える。第３連接リンク３７は、第２リンク３５に軸４５を介して回転可能に連結されると共に、足平部６に軸４６を介して回転可能に連結される。

第３リンク装置２３は、これらの４つのリンク３５，５，６，３７がすべて回り対偶によって連鎖をなした４節回転連鎖である。第３リンク装置２３は、第２リンク３５を回転させれば足平部６が第３ピッチ軸１３ｂを中心に回転させられるように構成される。

第３リンク装置２３も、平行運動機構から構成され、相対する２組のリンクの長さが等しい。すなわち、下腿リンク５のリンク長さと第３連接リンク３７のリンク長さとが等しく、第２リンク３５のリンク長さと足平部６のリンク長さとが等しい。第２リンク３５の第２仮想線３５ｂ（第２ピッチ軸１２ａと軸４５とを結んだ線）と足平部６の仮想線６ａ（第３ピッチ軸１３ｂと軸４６とを結んだ線）とは、常に平行である。

第１リンク３１は、三角状であり、より詳しくは頂角が６０°未満の略二等辺三角形状である。第１リンク３１は、３つの回り対偶を持つ複リンクである。第１リンク３１における第１ピッチ軸１１ｃ、第１連接リンク３３が連結される軸４２、及び第２連接リンク３６が連結される軸４３が、三角形の頂点を形成する。

第１連接リンク３３は、三日月状であり、２つの回り対偶を持つ単リンクである。第１連接リンク３３は、第１リンク３１の可動域を広げられるように、第１ピッチ軸１１ｃの軸方向視において湾曲する。

第２リンク３５は、三角状であり、より詳しくは略正三角形状である。第２リンク３５は、３つの回り対偶を持つ複リンクである。第２リンク３５における第２ピッチ軸１２ａ、第２連接リンク３６が連結される軸４４、及び第３連接リンク３７が連結される軸４５が、三角形の頂点を形成する。

図４は、本実施形態の脚部３の動作図を示す。図４（ａ）に示すように、アクチュエータ１５の回転によって原動リンク３２が回転する（矢印（１）参照）。第１連接リンク３３の矢印（２）方向への移動に伴い、第１リンク３１が第１ピッチ軸１１ｃを中心に回転する（矢印（３）参照）。第２連接リンク３６の矢印（４）方向への移動に伴い、第２リンク３５が第２ピッチ軸１２ａを中心に回転する（矢印（５）参照）。第３連接リンク３７の矢印（６）方向への移動に伴い、足平部６が第３ピッチ軸１３ｂを中心に回転する（矢印（７）参照）。図４（ｂ）は、足平部６の回転後、すなわち足平部６を伸ばした状態を示す。

なお、脚部３には、脚部３を前後に移動させるためのアクチュエータ５１、脚部３を伸縮させるためのアクチュエータ５２、足平部６を第２ロール軸１３ａの回りに回転させるアクチュエータ５３が組み込まれる（図２参照）。

以上に本発明の歩行ロボット１の構成を説明した。本実施形態の歩行ロボット１によれば、以下の効果を奏する。

アクチュエータ１５を股関節１１に配置するので、脚部３を高速で移動させるときの慣性力を軽減することができる。また、アクチュエータ１５の回転を、第１リンク装置２１、第２リンク装置２２及び第３リンク装置２３を介して足平部６に伝達するので、第１リンク装置２１、第２リンク装置２２及び第３リンク装置２３を股関節１１、大腿リンク４及び下腿リンク５に沿って配置することができ、脚部３を細くすることができる。

第２リンク装置２２及び第３リンク装置２３を平行運動機構から構成するので、大腿リンク４の角度や脚部３の伸縮の影響を受けずに、足平部６を回転させることができる。

第１リンク３１を三角状の複リンクから構成するので、第１リンク装置２１を第１ピッチ軸１１ｃの近傍にコンパクトに配置することができ、脚部３のコンパクト化が実現できる。

第１リンク３１と第２リンク３５を三角状の複リンクから構成するので、足平部６の可動域を広くすることができる。以下にこれを詳述する。

図５（ａ）（ｂ）は、第１リンク３１´と第２リンク３５´を直線状の単リンクから構成した比較例を示す。図５（ａ）は脚部３´を伸ばした状態を示し、図５（ｂ）は脚部３´を畳んだ状態を示す。図５（ｂ）に示すように、第１リンク３１´と第２リンク３５´を直線状の単リンクから構成する場合、脚部３を畳んだ状態では、早い段階で第１リンク３１´と第２リンク３５´とが同一直線上になってしまい、第１リンク３１´と第２リンク３５´とに特異点（思案点とも呼ばれる）が生ずる。このため、脚部３´を畳んだ状態では、足平部６´の第３ピッチ軸１３ｂ´回りの可動域が早い段階でその限界を超えてしまう。

図６は、第１リンク３１と第２リンク３５を三角状の複リンクから構成した本実施形態を示す。図６（ａ）（ｂ）は図５（ｂ）と同じ角度で脚部３を畳んだ状態を示す。図６（ａ）は図５（ｂ）と同じ角度まで足平部６を回転させた状態を示し、図６（ｂ）はさらに足平部６を回転させた状態を示す。

図６（ｂ）に示すように、第１リンク３１と第２リンク３５を三角状の複リンクから構成することで、第１リンク３１と第２リンク３５が特異点に入るまでの角度を大きくすることができ、これによって足平部６の可動域を広げることができる。

また、第１連接リンク３３を三日月状に湾曲させることで、第１連接リンク３３を直線状にする場合に比べて、第１連接リンク３３と第１ピッチ軸１１ｃの干渉を避けることができ、第１リンク３１の可動域を広げることができる。以下にこれを詳述する。

図７（ａ）は本実施形態の三日月状の第１連接リンク３３を示し、図７（ｂ）は比較例の直線状の第１連接リンク３３´を示す。図７（ａ）（ｂ）では、第１連接リンク３３，３３´の可動範囲の限界、すなわち第１連接リンク３３，３３´が第１ピッチ軸１１ｃに干渉している状態を示す。

図７（ａ）に示すように、第１連接リンク３３を三日月状に湾曲させることで、第１ピッチ軸１１ｃとの干渉を避けた状態で、第１連接リンク３３を第１ピッチ軸１１ｃに近づけることができる（すなわち、θ１をθ２よりも小さくすることができる）。このため、第１リンク３１の可動域を広げることができる。この結果、図８に示すように、例えば脚部３を伸ばした状態で、足平部６の可動域θ３を略９０°まで広げることができる。

本実施形態によれば、上体２に対する大腿リンク４の角度にかかわらず、また脚部３の伸縮にかかわらず、足平部６の可動範囲を広げることができる。このため、例えば図９（ａ）に示すように、脚部３を伸ばし、股関節１１と上体２を前方に倒した状態から、図９（ｂ）に示すように、股関節１１と上体２を直立させたり、図９（ｃ）に示すように、脚部３を屈伸させたりすることができる。また、図１０（ａ）に示すように、脚部３を曲げ、股関節１１と上体２を前方に倒した状態から起き上がったり、図１０（ｂ）に示すように、脚部３を曲げ、股関節１１と上体２を直立させた状態から起き上がったりすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化可能である。例えば、上記実施形態では、本発明を２足歩行ロボットに適用した例を説明したが、４足歩行ロボットにも適用することができる。

１…歩行ロボット、４…大腿リンク、５…下腿リンク、６…足平部、１１…股関節、１１ｃ…第１ピッチ軸、１２ａ…第２ピッチ軸、１３ｂ…第３ピッチ軸、１５…アクチュエータ、２１…第１リンク装置、２２…第２リンク装置、２３…第３リンク装置、３１…第１リンク、３２…原動リンク、３３…第１連接リンク、３５…第２リンク、３６…第２連接リンク、３７…第３連接リンク、４２…第１リンクにおける第１連接リンクが連結される軸、４３…第１リンクにおける第２連接リンクが連結される軸、４４…第２リンクにおける第２連接リンクが連結される軸、４５…第２リンクにおける第３連接リンクが連結される軸

Claims

股関節に大腿リンクが第１ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記大腿リンクに下腿リンクが第２ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記下腿リンクに足平部が第３ピッチ軸を中心に回転可能に連結される歩行ロボットにおいて、
前記股関節に配置されるアクチュエータと、
前記アクチュエータを回転させれば第１リンクが前記第１ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第１リンク装置と、
前記第１リンクを回転させれば第２リンクが前記第２ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第２リンク装置と、
前記第２リンクを回転させれば前記足平部が前記第３ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第３リンク装置と、を備え、
前記第２リンク装置及び前記第３リンク装置それぞれが、平行運動機構である歩行ロボット。
股関節に大腿リンクが第１ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記大腿リンクに下腿リンクが第２ピッチ軸を中心に回転可能に連結され、前記下腿リンクに足平部が第３ピッチ軸を中心に回転可能に連結される歩行ロボットにおいて、
前記股関節に配置されるアクチュエータと、
前記アクチュエータを回転させれば第１リンクが前記第１ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第１リンク装置と、
前記第１リンクを回転させれば第２リンクが前記第２ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第２リンク装置と、
前記第２リンクを回転させれば前記足平部が前記第３ピッチ軸を中心に回転させられるように構成される第３リンク装置と、を備え、
前記第１リンク装置が、前記アクチュエータによって回転させられる原動リンクと、前記原動リンクと前記第１リンクに連結される第１連接リンクと、を有し、
前記第２リンク装置が、前記第１リンクと前記第２リンクに連結される第２連接リンクを有し、
前記第１リンクにおける前記第１ピッチ軸、前記第１連接リンクが連結される軸、及び前記第２連接リンクが連結される軸が、三角形の頂点を形成する歩行ロボット。
前記第３リンク装置が、前記第２リンクと前記足平部に連結される第３連接リンクを有し、
前記第２リンクにおける前記第２ピッチ軸、前記第２連接リンクが連結される軸、及び前記第３連接リンクが連結される軸が、三角形の頂点を形成することを特徴とする請求項２に記載の歩行ロボット。
前記第１連接リンクが、前記第１リンクの可動域を広げられるように、前記第１ピッチ軸の軸方向視において湾曲することを特徴とする請求項２又は３に記載の歩行ロボット。