JP2003231081A - 双腕ロボットの双腕肩関節機構および二足歩行ロボットの両足股関節機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低自由度の機構設計によって計量化を図ること
ができ、低自由度でより大きな協調動作可能な可動範囲
を得ることができ、二足歩行ロボットには腰関節機能を
合わせ持って股関節を構成することができる間接機構を
提供する。 【解決手段】双腕ロボットの双腕肩関節機構として、お
よび、二足歩行ロボットの両足股関節機構として、６つ
の自由度の関節回転軸を一点で交わらせた構造の二重球
面関節１を使用する。二足歩行ロボットの両足股関節機
構としては、この二重球面関節１の第１の球面関節３お
よび第２の球面関節５に各足２３−１、２３−２を接続
する。同様に、双腕ロボットの双腕肩関節機構として
は、二重球面関節１の第１の球面関節３および第２の球
面関節５に各腕を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、双腕ロボットの双
腕肩関節機構および二足歩行ロボットの両足股関節機構
及びそれらを用いたヒューマノイドロボットの肩関節機
構と股関節機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、産業用等で使用される双腕ロボ
ットは、図６に示すように、ベース５１に対して独立し
た二つのロボット５２−１、５２−２によって実現され
る。このロボット５２−１、５２−２の可動範囲は、上
から見ると図７の斜線部で表され、ロボットの腕の長さ
に比べ、両腕で協調動作可能な可動範囲は小さなものと
なる。可動範囲を大きくする方法として、ベース全体を
回転させるアクチュエータ設けることなどが考えられる
が、これは自由度を増やし、重量、体積の拡大につなが
る。このことは、ヒューマノイドロボットの肩関節につ
いても同様である。

【０００３】一方、二足歩行ロボットの股関節につい
て、例えば図８に示すように、モータA、B、Cからなる
三つの回転関節を順に配置することで実現され、これら
の回転軸が一点で交わる構造も使われている。

【０００４】一方、一般に人間の股関節は左右それぞれ
３自由度の球面関節で合計６自由度を有しているが、こ
れとは別に腰の自由度や背骨の自由度をも有しており、
歩行においてはこれら全ての自由度を有効に利用してい
る。これまでのヒューマノイドロボットはアクチュエー
タの数を減らし軽量化を図るという観点から、図９に示
すように、腰や背骨の自由度は持たずに、二本の足６３
−１、６３−２を配置している。これにより、以下の問
題がおこっている。

【０００５】（１） 図１０(a)〜(d)に示されるよう
に、腰６１を含む上半身７１を左右に傾けたり、鉛直軸
周りに回転するためには、膝７２を曲げることが必要と
なる。 （２） ヒューマノイドロボットが歩行動作をする場
合、上半身７１で左右のバランスをとる必要があるの
で、歩行時にはどの方向にもこれが可能なようにするた
め常に膝７２を曲げたまま歩行しなければならず、その
動きがぎこちなく見える。 （３） 膝７２を曲げた状態の直立姿勢は膝７２に負担
をかけるため、膝７２のアクチュエータは高出力である
必要があり、パワー不足の原因となる。 （４） この問題を解決する方法として、腰６１にさら
に自由度を配置することが考えられるが、軽量化・小型
化を必要とするヒューマノイドロボットに対して自由度
を増やすことは望ましくない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低自
由度の機構設計によって軽量化を図ることができ、低自
由度でより大きな協調動作可能な可動範囲を得ることが
できる双腕肩関節機構を提供しようとするものである。

【０００７】また、本発明の他の目的は、低自由度の機
構設計によって計量化を図ることができ、低自由度であ
りながらも従来の股関節に腰関節の機能を合わせて持た
せることができ、これによって膝を曲げない自然な歩行
動作を実現することのできる二足歩行ロボットの両足股
関節機構を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の関節機構は、双
腕ロボットの双腕肩関節機構として、６つの自由度の関
節軸を一点で交わらせた構造の二重球面関節を使用し、
この二重球面関節の両端に各腕を接続したことを特徴と
するものである。本発明の双腕肩関節機構では、自由度
の数を変えることなく、協調動作可能な可動範囲を拡げ
ることができる。

【０００９】また、本発明の双腕肩関節機構は、ヒュー
マノイドロボットの肩関節として使用したことを特徴と
するものである。本発明の関節機構では、上述した双腕
肩関節機構と同様に、ヒューマノイドロボットの二つの
腕の強調動作可能な可動範囲を拡げることができる。

【００１０】本発明の関節機構は、二足歩行ロボットの
両足股関節機構として、６つの自由度の関節軸を一点で
交わらせた構造の二重球面関節を使用し、この二重球面
関節の両端に各足を接続したことを特徴とするものであ
る。本発明の両足股関節機構では、自由度を追加するこ
となしに股関節の機能に加えて腰関節の機能を合わせて
持つものである。

【００１１】また、本発明の両足股関節機構は、ヒュー
マノイドロボットの股関節として使用したことを特徴と
するものである。本発明の関節機構では、ヒューマノイ
ドロボットにおいて、膝を伸ばしたまま上半身を傾けた
り、回転するといった動作を実現でき、自然な歩行動作
を実現することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の双腕肩関節機構お
よび両足股関節機構の特徴となる二重球面関節の一例を
示す図である。図１に示す例において、二重球面関節１
は、アクチュエータとしてのモータA、B、Cとそれぞれ
の回転軸を連結するリンク２とから構成される第１の球
面関節３と、アクチュエータとしてのモータD、E、Fと
それぞれの回転軸を連結するリンク４とから構成される
第２の球面関節とから構成され、これら第１の球面関節
３と第２の球面関節５との回転中心を図の点Aで一致さ
せた機構である。この機構も図８で示した機構と同様、
固定座標XYZに対して、モータC、Fに固定された座標Ｘ
ｃＹｃＺｃ、ＸｆＹｆＺｆはそれぞれ独立に任意の姿勢
をとることができる。なお、図示してはいないが、各モ
ータには駆動装置としてのモータの他に回転数調整のた
めのギアも設けられている。

【００１３】この二重球面関節１を利用して双腕ロボッ
トを構成する点が本発明の特徴となる。すなわち、図２
に示すように、双腕ロボット１１の双腕肩関節機構とし
て、ベース１２に二重球面関節１を固定し、二重球面関
節１の第１の球面関節３に一方の腕１３−１を接続する
とともに、二重球面関節１の第２の球面関節５に他方の
腕１３−２を接続することで、双腕関節機構としての双
腕ロボットを実現している。このとき、ロボットの協調
動作可能な可動範囲は図３の斜線部分となり、二重球面
関節を使用しない従来例の図７の例に比べて極めて大き
くなる。

【００１４】一例として、この双腕肩関節機構をヒュー
マノイドロボットの肩関節機構として用いることができ
る。そうすることで、可動範囲の大きなヒューマノイド
ロボットの肩関節機構を実現することができる。

【００１５】他の例として、この両足股関節機構を二足
歩行ロボットおよびヒューマノイドロボットの股関節機
構として用いることができる。図４は本発明の両足股関
節機構を用いたヒューマノイドロボットの股関節機構の
一例を示す図である。図４に示す例では、腰２１に二重
球面関節１を、第１の球面関節３のモータAと第２の球
面関節５のモータDとの共通軸を腰２１に接続すること
で固定している。同時に、第１の球面関節３のモータC
の回転軸に一方の足２２−１を接続するとともに、第２
の球面関節５のモータFの回転軸に他方の足２２−２を
接続している。これにより、以下の効果を得ることがで
きる。

【００１６】（１） 図５(a)〜(d)に示すように、両足
の動きとは独立に上半身３１を前後左右に傾けたり、鉛
直軸周りに回転させることができ、腰３２を曲げる必要
がない。 （２） 歩行動作の場合にも、バランスをとるための上
半身の運動を独立に制御できるため、膝３２を曲げる必
要がなく、人間らしい自然な動きが実現される。 （３） 直立状態の場合にも、上半身でバランスをとる
機能を生ぜしめるために、膝３２を曲げる必要がなく、
アクチュエータのエネルギー消費やパワーを節約でき
る。このため、アクチュエータの小型化・軽量化を図る
ことができる。 （４） この機構は両足股関節の６自由度だけで、股関
節の機能だけではなく上半身を傾けたり、ねじったり回
転するといった腰関節機能を合わせ持つ。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、従来と同じ数の自由度のもとで以下のような
効果を得ることができる。 (a) 双腕ロボットの協調動作可能な可動範囲を大きく
する。 (b) ヒューマノイドロボットの肩関節機構に用いるこ
とで、可動範囲の大きな機構が構成される。 (c) ヒューマノイドロボットの股関節および上半身を
傾けたり、ねじったり回転することが可能となる。 (d) 膝を伸ばしたまま、上半身を動かすことで前後左
右の重心制御を可能とする。 (e) 膝を伸ばしたままの歩行動作が可能となる。 (f) 膝のアクチュエータへの負担が小さくなり、モ
ータのエネルギー消費およびパワー不足が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の関節機構の特徴となる二重球面関節の
一例を示す図である。

【図２】本発明の二重球面関節を用いた双腕ロボットの
一例を示す図である。

【図３】図２に示す双腕ロボットの可動範囲を示す図で
ある。

【図４】本発明の関節機構の特徴となる二重球面関節を
用いたヒューマノイドロボットの股関節機構の一例を示
す図である。

【図５】(a)〜(d)はそれぞれ本発明の双腕関節機構の特
徴となる二重球面関節を股関節に用いたヒューマノイド
ロボットの動作の一例を示す図である。

【図６】従来の双腕ロボットの一例を示す図である。

【図７】図６に示す双腕ロボットの可動範囲を示す図で
ある。

【図８】球面関節の一例を示す図である。

【図９】従来のヒューマノイドロボットの股関節の一例
を示す図である。

【図１０】(a)〜(d)はそれぞれ従来のヒューマノイドロ
ボットの動作の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 二重球面関節、２、４ リンク、３ 第１の球面関
節、５ 第２の球面関節、１１ 双腕ロボット、１２
ベース、１３−１、１３−２ 腕、２１ 腰、２２−
１、２２−２ 足、３１ 上半身、３２ 膝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C150 BA08 CA01 CA04 DA04 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC25 EC26 ED09 ED10 ED42 ED52 EF07 EF09 EF16 EF17 EF22 EF23 EF33 EF36 3C007 BS26 BS27 CS08 CV09 CY39 HS27 HT21 WA03 WA13 WC24

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 双腕ロボットの双腕肩関節機構として、
   ６つの自由度の関節回転軸が一点で交わる構造である二
   重球面関節を使用したことを特徴とする双腕ロボットの
   双腕肩関節機構。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の双腕ロボット肩関節機
   構を、ヒューマノイドロボットの肩関節として使用した
   ことを特徴とする肩関節機構。
3. 【請求項３】 二足歩行ロボットの両足股関節機構とし
   て、６つの自由度の関節回転軸が一点で交わる構造であ
   る二重球面関節を使用したことを特徴とする二足走行ロ
   ボットの両足股関節機構。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の二足走行ロボットの両
   足股関節機構を、ヒューマノイドロボットの股関節とし
   て使用したことを特徴とする股関節機構。
5. 【請求項５】 前記６つの自由度の各回転を一軸のモー
   タとギアの組み合わせで実現する請求項１〜４のいずれ
   か１項に記載の関節機構。