JPS61211177A - 負荷軽減機構を有する多関節脚機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は多関節脚式移動型ロボットの関節駆動アクチュ
エータ負荷軽減機構に係り、各関節に負荷軽減機構を設
けることによりロボットの小型化軽量化を図るものであ
る。

〔発明の背景〕

従来、多関節ロボットのアクチュエータの負荷を軽減す
る方法としては９例えば特開昭５９−３７０７９号公報
に示されるような、カンタバランスを取り付ける方式が
ある。しかし、この方法は、多関節ロボットがどのよう
な姿勢であっても一定の負荷を軽減するためのものであ
り、特定の姿勢の変化に対応したアクチュエータにかか
る負荷変動の軽減としては大きな効果が得られなかった
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、多関節脚機構において各関節の動作範
囲内の片振り側でアクチュエータにかかる負荷が大きく
変動する関節において、アクチュエータの負荷の変動幅
を低減し得る負荷軽減機構を提供することにより、アク
チュエータの小型軽量化及び本機構を適用するロボット
本体の小型軽量化を図ることにある。

〔発明の概要〕

多関節脚機構の適用例として歩行ロボット、特に２足歩
行ロボットを取り上げて説明する。

本発明の２足歩行ロボットの正面概念図として第１図を
右側面図として第２図を示す。本ロボットは人間の胴体
から下の下半身に相当するものである。

本ロボットでは、胴体部１３の内部に各関節１〜１２を
制御する制御装置１４と各関節１〜１２を駆動するため
の動力源１５が塔載されている。

また９脚部の構成は足首部Ａ、Ｂ及び膝部Ｃ，Ｄと腰部
Ｅ、Ｆと大腿部Ｇ、Ｈとこれらの各部を結合する構造部
材からなる。

右足首部Ａは胴体部１３を前後方向に動作させる関節１
と胴体部１３を左右方向に動作させるための関節３とか
ら成る。また、右膝部Ｃは胴体部１３を前後方向に動作
させる関節５からなる。さらに、右腰部Ｅは胴体部１３
を前後方向に動作させるアクチュエータ７と胴体部１３
を左右に振れさせるアクチュエータ９とから成る。加え
て、右大腿部Ｇは大腿部を軸として回動するアクチュエ
ータ１１から成る。

左足についても右足と同様に左足首部Ｂはアクチュエー
タ２，４．左膝部りはアクチュエータ６゜左腰部Ｆはア
クチュエータ８，１０．左大腿部Ｈはアクチュエータ１
２から成り、右足と同様に作動または回動する構造であ
る。

本ロボットの歩行形態の概念図を第３図に工〜Ｐで示す
。

第３図において歩行形態Ｉでは右足１６でロボットの全
重量を支持している。すなわち、右足１６の右足底面内
に重心軌跡を保持している状態である。

歩行形態Ｊ、に、Ｌ、Ｍでも９重心軌跡が右足底面内に
保持されている事は歩行形態Ｇと同様であり２本ロボッ
トは歩行形態Ｉ、Ｊ、に、Ｌの間に空中で支持されてい
る左足１７を後方から前方に振り出す、さらに１歩行形
態Ｍは右足１６から左足１７に重心軌跡を移動するため
の歩行形態の第１段階であり、以下１歩行形態を歩行形
態Ｎ。

○と進めて行く、この歩行形態Ｍ、Ｎ、Ｏの結果として
２重心軌跡が左足１７に移動する。そして。

歩行形態Ｏから歩行形態Ｐに移り変わることによってロ
ボットの１歩分の歩行が終了したことになる。次の１歩
のについては右足１６と左足１７とが入替ったとして各
関節１〜１２について、右足１６に左足１７の動作ステ
ップを、また、左足１７には右足１６の動作ステップを
置換することによって、左足１７でロボットの全重量が
保持されている状態から右足１６でロボットの全重量が
保持される状態に移行して歩行することができる。

以上の動作を操返すことにより本ロボットは各関節が動
作して直線的な歩行を行なうことができる。この考え方
は例えばロボットの方向転換を行なう場合にも同様の考
え方が適用できる。

また、横方向に移動する場合についても同様である。

このような各関節の動作は、制御信号を制御装置から出
力しながら各関節に配置したアクチュエータを駆動させ
これにより各関節１〜１２を作動させることになるが、
このとき１例えば関節９゜１０に作用する負荷の変動を
概略図で表すと第４図に示すようになる。

第４図で縦軸は関節に作用する負荷（Ｆ）を。

また横軸は関節角度（θ）を表している。ここで。

θ＝０の点はロボット直立状態の足の位置を示しており
、θ〉Ｏで関節９，１０がロボットが内股になるよう足
を曲げる方向すなわち片足で立っている状態の接地側の
足、θくＯでは関節９，１０が外股になるように足を曲
げるようになる方向すなわち片足で立っている状態の空
間に上げた足とする。するとθ〉０では右足１６または
左足１７で胴体部１３の負荷と他方の足を保持するため
の負荷力が作用する一方、θくＯでは右足１６．あるい
は左足１７は自分自身の重量すなわち右足あるいは左足
自身の重量を保持するのみの負荷しか関節には作用しな
いことになる。これにより、各関節の負荷の変動特性は
第４図に示す如く９片振り側（θくＯの範囲）は立上り
及び絶対値１８が小さい。しかしながら、もう一方の片
振り（θ〉０の範囲）はその立上り及び絶対値１９が非
常に大きくなり、関節に適用するアクチュエータの性能
はこの大きい側の負荷に対応する事がその基本的条件と
なる。

その結果、大容量のアクチュエータが必要となり、各関
節及びロボット全体の大型化、大重量化に、さらには動
力源エネルギ大容量化につながる悪循環を繰返すことに
なる。

したがって、このような負荷を何らかの方法で軽減し、
小型のアクチュエータが適用できるように改善する必要
がある。

〔発明の実施例〕

以下２本発明の一実施例を第４図から第７因により説明
する。

第４図に示すような負荷に対し、その負荷変動幅を軽減
するため第５図に示すような特性を有する負荷軽減機構
２例えば機械的バネを用いて補償することを発明した。

これにより、各関節に作用する負荷、すなわちアクチュ
エータの出力は第６図に示すように平担化されて改善さ
れたことがわかる。この結果により、最大負荷が小さく
押えられるため小容量のアクチュエータの使用が可能と
なり、関節機構及びロボット本体の軽量化が可能となっ
た。

上述のような負荷軽減機構を得ための一例として第７図
を説明する。第７図は、第２図の■−■矢視図である。

脚２７（第１図、及び第２図）が取付けられている回動
部材２２に設けられた軸２５は、カラー２８に回転可能
に取付けられている。カラー２８は、フレーム２３に固
定されているバネ受け２６に取付られている。ストッパ
ーピン２１は、バネ受け２６にネジにて固定されている
。フレーム２３の内側に配置されたバネ２０は。

カラー２８の周囲に設けられている。バネ２０の端部２
０Ａは、折り曲げられてストッパーピンに噛合っている
。また、バネ２０端部２０Ｂはボルト２９にて回転部材
２２に取付られている０回転部材２２の他端にある軸３
０（第１図）、アクチュエータ９，１０に連続されてい
る。アクチュエータ９，１０は、軸２５及び３０９回転
部材２２を回転させる。

回動部材２２がＲ方向に回転した場合は、バネ２０とス
トッパーピン２１が結合されているので。

バネ２０に復元力が発生する。しかし２回動部２２がＳ
方向に回転した場合は、バネ２ｏとストッパーピン２１
とが分離し、バネ２０の復元力は作用しない状態となる
。この結果より第５図に示したバネ特性を有した負荷軽
減機構となる。

この様に負荷軽減機構は比較的単純な機械的力を利用し
たバネ機構から、油圧、空圧等を利用したシリンダー機
構など各種の機構が考えられる。

尚９本発明は回動機構のみならず、第３図の負荷特性を
有する伸縮機構にも適可能である。

〔発明の効果〕

本発明を採用することにより、アクチュエータの負荷を
軽減することができ、アクチュエータの小型化、軽量化
、省エネルギ化が図られる。これにより、さらに多関節
脚機構及びロボット本体の小型化、軽量化、高出力化が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多関節型２足歩行ロボットの正面図、
第２図は多関節型２足歩行ロボットの右側面図、第３図
は多関節型２足歩行ロボットの歩行形態概念図、第４図
は本発明を用いない場合の関節に作用する負荷と関節角
度の特性を示したものである。また、第５図は９本発明
で用いようとする負荷軽減機構の特性図、第６図は本発
明を用いた場合の関節に作用する負荷と関節角度の特性
を示す図である。さらに、第７図は負荷軽減機構の構造
を示したもので第７図の（Ａ）は第２図の■−■矢視図
及び第７図の（Ｂ）は第７図（Ａ）の■−断面図である
。 符号の説明 ２０・・・・・バ　ネ　　　２１・・・・・ストッパー
ピン２２・・・・・回動部　　　２３・・・・・フレー
ム第１図 第３図 ■ 第４Ｎ 第５図 箋６０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ロボットの移動技術のひとつである多関節脚機構に
   おいて、脚動作時に発生する片方向の負荷変動（増加）
   に対応して直接関節を駆動するアクチュエータの負荷を
   軽減する為の機械的負荷軽減機構を設け、この結果、ア
   クチュエータの小型軽量化を可能とし、更に脚自体及び
   ロボット本体の小型軽量化を可能とすることを特徴とし
   た負荷軽減機構を有する多関節脚機構。