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JP2013035112A - Joint actuator for robot, and leg type mobile robot - Google Patents

Joint actuator for robot, and leg type mobile robot Download PDF

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JP2013035112A
JP2013035112A JP2011175651A JP2011175651A JP2013035112A JP 2013035112 A JP2013035112 A JP 2013035112A JP 2011175651 A JP2011175651 A JP 2011175651A JP 2011175651 A JP2011175651 A JP 2011175651A JP 2013035112 A JP2013035112 A JP 2013035112A
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Masaki Nagatsuka
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THK Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint actuator for a robot of novel structure capable of transmitting output of a driving source to a joint, while reducing the output speed of the driving source.SOLUTION: A first member 35 and a second member 33 are rotatably connected to each other through a connecting shaft 34. The first member 35 includes a support shaft 41 at a position separated from the connecting shaft 34. The second member 33 includes a driving shaft 37 as a second support shaft at a position separated from the connecting shaft 34. Extendable mechanisms 38, 39 and 40 change a distance between the first support shaft 41 and the second support shaft 37 so that the second member 33 rotates around the connecting shaft 34 relatively to the first member 35.

Description

本発明は、第一部材と第二部材とが連結軸を介して回転可能に連結されるロボットの関節を駆動するロボットの関節アクチュエータ及び脚式移動ロボットに関する。   The present invention relates to a joint actuator and a legged mobile robot for a robot that drives a joint of a robot in which a first member and a second member are rotatably connected via a connecting shaft.

近年、人間のように二本足でバランスを取りながら歩く二足歩行ロボット等の脚式移動ロボットが開発されている。脚式移動ロボットの各脚体は複数のリンクを胴体部から複数の関節を介して順次連結して構成される。例えば各脚体は、大腿部、脛部、足裏を含む部分に相当するリンクをロボットの胴体部から股関節、膝関節、足首関節を介して順次連結して構成される。そして、各脚体の各関節にサーボモータ等の関節アクチュエータを設け、関節アクチュエータが大腿部、脛部、足裏を含む部分に相当するリンクにトルクを付与することによって、ロボットを移動させるための脚体の運動を得る。   In recent years, legged mobile robots such as a biped walking robot that walks while balancing with two legs like a human being have been developed. Each leg of the legged mobile robot is configured by sequentially connecting a plurality of links from the body through a plurality of joints. For example, each leg is configured by sequentially connecting links corresponding to portions including the thigh, the shin, and the sole from the body of the robot via the hip joint, knee joint, and ankle joint. In order to move the robot by providing a joint actuator such as a servomotor at each joint of each leg and applying torque to the link corresponding to the part including the thigh, shin, and sole. Get leg movements.

従来の関節アクチュエータとして、各関節にサーボモータの出力軸を配置し、サーボモータの出力軸に大腿部等のリンクを直接取り付け、サーボモータによってリンクを回転させる例が知られている。また、他の関節アクチュエータとして、関節から離れた位置にサーボモータの出力軸を配置し、サーボモータの動力をベルト及びプーリからなる伝動装置を介して関節に配置される減速機に伝達し、減速機の出力軸に取り付けられたリンクを回転させる例も知られている(特許文献1参照)。   As a conventional joint actuator, an example is known in which an output shaft of a servo motor is arranged at each joint, a link such as a thigh is directly attached to the output shaft of the servo motor, and the link is rotated by the servo motor. Also, as another joint actuator, the servomotor output shaft is placed at a position away from the joint, and the power of the servomotor is transmitted to the speed reducer placed in the joint via a transmission consisting of a belt and a pulley. An example of rotating a link attached to an output shaft of a machine is also known (see Patent Document 1).

特開2006−51558号公報JP 2006-51558 A

しかし、関節にサーボモータの出力軸を配置し、出力軸に直接リンクを取り付けた前者の関節アクチュエータにあっては、サーボモータの出力軸への負担が大きい、大きなトルクのサーボモータを必要とする、転倒時に大きな衝撃が直接サーボモータに入ってしまう等の問題がある。   However, in the former joint actuator in which the output shaft of the servo motor is arranged at the joint and the link is directly attached to the output shaft, a servo motor with a large torque that places a heavy burden on the output shaft of the servo motor is required. There is a problem that a large impact directly enters the servo motor when it falls.

また、関節に減速機を配置した後者の関節アクチュエータにあっては、減速機がある分関節が大型化したり、関節の重量が大きくなったりするという問題がある。   Further, in the latter joint actuator in which a speed reducer is arranged at the joint, there is a problem that the joint becomes larger due to the speed reducer, and the weight of the joint increases.

本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、駆動源の出力を減速して関節に伝達することができる新たな構造のロボットの関節アクチュエータ及び脚式移動ロボットを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and provides a joint actuator and a legged mobile robot having a new structure capable of decelerating the output of a drive source and transmitting it to a joint. For the purpose.

上記課題を解決するために、本発明は、第一部材と第二部材とが連結軸を介して回転可能に連結されるロボットの関節を駆動する関節アクチュエータであって、前記第一部材に前記連結軸から離れた位置に設けられる第一の支持軸と、前記第二部材に前記連結軸から離れた位置に設けられる第二の支持軸と、前記第一の支持軸と前記第二の支持軸との間の距離を変化させる伸縮機構と、を備え、前記伸縮機構が前記第一の支持軸と前記第二の支持軸との間の距離を変化させることによって、前記第一部材に対して前記第二部材が前記連結軸の回りを相対的に回転するロボットの関節アクチュエータである。   In order to solve the above-described problem, the present invention provides a joint actuator that drives a joint of a robot in which a first member and a second member are rotatably connected via a connecting shaft, and the first member is attached to the first member. A first support shaft provided at a position away from the connection shaft; a second support shaft provided at a position away from the connection shaft on the second member; the first support shaft and the second support; An expansion / contraction mechanism that changes a distance between the first support shaft and the first support shaft by changing the distance between the first support shaft and the second support shaft. The second member is a joint actuator of a robot in which the second member relatively rotates around the connecting shaft.

本発明によれば、第一部材及び第二部材の連結軸から離れた位置に第一の支持軸及び第二の支持軸を設け、梃子のように作用する伸縮機構によって第一の支持軸と第二の支持軸との間の距離を変化させ、これにより第一部材に対して第二部材を連結軸の回りを相対的に回転させる。駆動源の出力を減速して関節に伝達することができるので、小型の駆動源で大きな出力を取り出すことができる。また、関節の連結軸と伸縮機構とが分離しているので、関節アクチュエータの強度の向上も図れる。   According to the present invention, the first support shaft and the second support shaft are provided at positions away from the connecting shaft of the first member and the second member, and the first support shaft and The distance between the second support shaft is changed, and thereby the second member is rotated relative to the first member around the connecting shaft. Since the output of the drive source can be decelerated and transmitted to the joint, a large output can be taken out with a small drive source. Further, since the joint connecting shaft and the telescopic mechanism are separated, the strength of the joint actuator can be improved.

本発明の一実施形態の関節アクチュエータが組み込まれる脚式移動ロボットの正面図1 is a front view of a legged mobile robot incorporating a joint actuator according to an embodiment of the present invention. 図1の脚式移動ロボットの側面図Side view of the legged mobile robot of FIG. 脚式移動ロボットの下半身の概略的な骨格図Schematic diagram of the lower body of a legged mobile robot 脚式移動ロボットの股関節を示す図(図4(A)は正面図を示し、図4(B)は背面図を示す)The figure which shows the hip joint of a leg type mobile robot (FIG. 4 (A) shows a front view, FIG.4 (B) shows a rear view.) 左脚が立脚状態であり、右足が遊脚状態である脚式移動ロボットの下半身の概略的な骨格図。FIG. 3 is a schematic skeleton diagram of the lower half of a legged mobile robot in which a left leg is in a standing state and a right leg is in a swinging state. 脚式移動ロボットの左脚の股関節の動作図(図6(A)は左脚の初期位置を示し、図6(B)は左脚を内側に曲げた状態(内側位置)を示し、図6(C)は左脚を外側に揺動させた状態(外側位置)を示す)FIG. 6 (A) shows an initial position of the left leg, FIG. 6 (B) shows a state in which the left leg is bent inward (inner position), and FIG. (C) shows the state where the left leg is swung outward (outside position)) 本発明の関節アクチュエータの他の例を示す模式図The schematic diagram which shows the other example of the joint actuator of this invention

図1は、本実施形態に係る脚式移動ロボットの全体構成を示す外観図である。図2は、本実施形態に係る脚式移動ロボットの右側面図である。本実施形態において左右は図に示す脚式移動ロボット側から見た左右である。したがって左側というときは脚式移動ロボットからみて左側である。また、左脚というときは紙面に向かって右側の脚を指す。   FIG. 1 is an external view showing an overall configuration of a legged mobile robot according to the present embodiment. FIG. 2 is a right side view of the legged mobile robot according to the present embodiment. In the present embodiment, the left and right are the left and right viewed from the legged mobile robot side shown in the figure. Therefore, the left side is the left side as seen from the legged mobile robot. The left leg refers to the right leg toward the page.

本実施形態に係る脚式移動ロボット10は、家事ロボットとして製作されたものであり、胴体部11の下方に設置された2本の脚部12と、胴体部11の上方左右両側面に設置された2本の腕部13と、胴体部11の上方に設置された1個の頭部14とから構成されている。   The legged mobile robot 10 according to the present embodiment is manufactured as a housework robot, and is installed on two left and right side surfaces of the body unit 11 and two legs 12 installed below the body unit 11. The two arm portions 13 and one head portion 14 installed above the body portion 11 are configured.

脚式移動ロボット10は、外部からの押圧力などの外乱がなければ、電源を切った状態であっても図1に示すような直立状態を維持できるように構成されている。特に、2本の脚部12は、停止時においては常に直線的に伸びた状態となるように構成されているので、安全性および安定性に優れた構成となっている。また、2本の脚部12による2足歩行時には、2本の脚部12による足踏み動作が実行されることとなる。   The legged mobile robot 10 is configured to maintain an upright state as shown in FIG. 1 even when the power is turned off if there is no disturbance such as an external pressing force. In particular, since the two leg portions 12 are configured to always be in a linearly extended state when stopped, the two leg portions 12 are excellent in safety and stability. Further, when the two legs 12 are walking on two legs, the stepping action by the two legs 12 is executed.

一方、2本の腕部13は、胴体部11の周囲で自在に移動できるようになっており、電源を切った状態では、腕部13が下方に垂れ下がった状態となるように構成されている。さらに、腕部13の先端には手部13aが設置されているので、この手部13aを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。   On the other hand, the two arm portions 13 can move freely around the body portion 11 and are configured such that the arm portion 13 hangs downward when the power is turned off. . Furthermore, since the hand part 13a is installed in the front-end | tip of the arm part 13, it is possible to grasp and pick an object using this hand part 13a.

頭部14および胴体部11には、それぞれにCCDカメラ15が設置されている。このCCDカメラ15によって、脚式移動ロボット10の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。   A CCD camera 15 is installed on each of the head 14 and the body 11. With this CCD camera 15, the situation around the legged mobile robot 10 can be collected as image data.

この脚式移動ロボット10は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を脚式移動ロボット10が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や脚式移動ロボット10に設置されたCCDカメラ15等を介して、遠隔地に居ながらにして脚式移動ロボット10の周囲の状況を把握でき、脚式移動ロボット10の操作ができるようになっている。   The legged mobile robot 10 is a robot configured to be remotely operable, and an operator operates an operation manipulator (not shown) located at a distant position so that an operation according to the movement of the operation manipulator is performed. 10 can be executed. Therefore, the operator can grasp the surroundings of the legged mobile robot 10 while staying at a remote place via a wireless communication means such as an Internet line or the CCD camera 15 installed on the legged mobile robot 10. The legged mobile robot 10 can be operated.

図3は脚式移動ロボットの下半身の骨格図を示す。基本的に骨格図は左右対称であるので、説明の簡略化のために左脚についてのみ説明する。脚部12は方向転換用の関節21を介して胴体部11の骨盤に固定されている。方向転換用の関節21の下には、ロール関節22及びピッチ関節23が配置されている。方向転換用の関節21が回転すると、脚部12がヨー軸回りに旋回する。ロール関節22が回転すると、脚部12がロール軸回りに揺動する。ピッチ関節23が回転すると、脚部12がピッチ軸回りに揺動する。これらの3つの関節21,22,23はその出力軸が互いに直交するように配置され、股関節を構成する。   FIG. 3 shows a skeleton diagram of the lower body of the legged mobile robot. Since the skeleton diagram is basically symmetrical, only the left leg will be described for the sake of simplicity. The leg portion 12 is fixed to the pelvis of the trunk portion 11 via a direction changing joint 21. A roll joint 22 and a pitch joint 23 are disposed under the direction changing joint 21. When the direction changing joint 21 rotates, the leg 12 turns around the yaw axis. When the roll joint 22 rotates, the leg 12 swings around the roll axis. When the pitch joint 23 rotates, the leg 12 swings around the pitch axis. These three joints 21, 22, and 23 are arranged so that their output axes are orthogonal to each other, and constitute a hip joint.

ピッチ関節23には大腿部リンク24が結合される。大腿部リンク24の下には膝関節25が結合される。膝関節25の下には脛部リンク26が結合される。脛部リンク26の下には足関節27,28が配置される。足関節27,28はピッチ関節27とこれに直交するロール関節28からなる。足関節27,28の下には歩行路面と接触する足部29が結合される。各関節の位置は電気エネルギによって駆動されるサーボモータによって制御される。なお、図中の二点鎖線は骨盤に結合される上体部30を示す。上体部30が胴体部11、腕部13、頭部14から構成されるのは上述したとおりである。   A thigh link 24 is coupled to the pitch joint 23. A knee joint 25 is coupled under the thigh link 24. A shin link 26 is coupled under the knee joint 25. Ankle joints 27 and 28 are disposed under the shin link 26. The foot joints 27 and 28 include a pitch joint 27 and a roll joint 28 orthogonal thereto. A foot portion 29 that is in contact with the walking road surface is coupled under the ankle joints 27 and 28. The position of each joint is controlled by a servo motor driven by electrical energy. In addition, the dashed-two dotted line in a figure shows the upper body part 30 couple | bonded with a pelvis. As described above, the upper body portion 30 includes the body portion 11, the arm portion 13, and the head portion 14.

図4は、股関節にロール関節22として組み込まれる本実施形態の関節アクチュエータ31を示す。図4(A)は股関節の正面図を示し、図4(B)は股関節の背面図を示す。骨盤32には左右二つの関節アクチュエータ31が設けられる。図4(A)の左脚用の関節アクチュエータ31は左脚を外側に揺動させていて、右脚用の関節アクチュエータ31は、右脚を直立状態にさせている。左右二つの関節アクチュエータ31は左右対称である。   FIG. 4 shows the joint actuator 31 of this embodiment that is incorporated as a roll joint 22 in the hip joint. 4A shows a front view of the hip joint, and FIG. 4B shows a rear view of the hip joint. The pelvis 32 is provided with two left and right joint actuators 31. The left leg joint actuator 31 in FIG. 4A swings the left leg outward, and the right leg joint actuator 31 keeps the right leg upright. The two left and right joint actuators 31 are symmetrical.

関節アクチュエータ31は、第一部材としての腰フレーム35、第二部材としての脚支持部33、及び腰フレーム35と脚支持部33を回転可能に連結する連結軸34を備える。連結軸34はロール軸として機能する。関節アクチュエータ31は連結軸34の回りに脚部12を揺動させる。   The joint actuator 31 includes a waist frame 35 as a first member, a leg support portion 33 as a second member, and a connecting shaft 34 that rotatably connects the waist frame 35 and the leg support portion 33. The connecting shaft 34 functions as a roll shaft. The joint actuator 31 swings the leg 12 around the connecting shaft 34.

腰フレーム35は骨盤32にピッチ軸36の回りを旋回可能に取り付けられる。腰フレーム35はプレートを断面がコの字形になるように曲げ加工することで形成される。腰フレーム35はピッチ軸36に結合される上部壁35−1と、上部壁35−1に直交するように折り曲げられる一対の側部壁35−2と、を備える。腰フレーム35の側部壁35−2は左右方向に細長く伸びる。側部壁35−2の端部(ロボットから見たときの外側の端部)は下方に向かって突出していて、突出した部分35−2aに連結軸34が回転可能に取り付けられる。   The waist frame 35 is attached to the pelvis 32 so as to be able to turn around the pitch axis 36. The waist frame 35 is formed by bending the plate so that the cross section has a U-shape. The waist frame 35 includes an upper wall 35-1 coupled to the pitch shaft 36 and a pair of side walls 35-2 bent so as to be orthogonal to the upper wall 35-1. The side wall 35-2 of the waist frame 35 is elongated in the left-right direction. The end of the side wall 35-2 (the outer end when viewed from the robot) protrudes downward, and the connecting shaft 34 is rotatably attached to the protruding portion 35-2a.

脚支持部33は腰フレーム35と略平行に図4中左右方向に細長く形成される。脚支持部33は腰フレーム35の一対の側部壁35−2間に挟まれていて、連結軸34の回りを回転可能である。脚支持部33には脚部12の大腿部リンク24が結合される。脚支持部33の端部(ロボットから見れば外側の端部)は連結軸34に回転可能に連結される。脚支持部33には連結軸34から内側に向かって離れた位置に第二の支持軸としての駆動軸37が設けられる。この駆動軸37は図示しないサーボモータの出力軸であり、サーボモータによって時計方向及び反時計方向に回転駆動される。   The leg support portion 33 is elongated in the left-right direction in FIG. The leg support portion 33 is sandwiched between the pair of side walls 35-2 of the waist frame 35, and can rotate around the connecting shaft 34. The thigh link 24 of the leg 12 is coupled to the leg support 33. An end of the leg support 33 (the outer end as viewed from the robot) is rotatably connected to the connecting shaft 34. The leg support portion 33 is provided with a drive shaft 37 as a second support shaft at a position away from the connecting shaft 34 inward. The drive shaft 37 is an output shaft of a servo motor (not shown), and is driven to rotate clockwise and counterclockwise by the servo motor.

駆動軸37には第一のリンクとしてのホーン38が回転不能に連結される。言い換えればホーン38は駆動軸37に結合されていて、駆動軸37と一緒に回転する。ホーン38はその全体形状が先端部に向かって徐々に幅が狭くなる三角形に形成される。ただし、ホーン38の基部38a(図4(B))は円形に形成される。図4(B)に示すように、脚部12の内側への揺動角度を大きくとれるように、腰フレーム35にはホーン38の基部38aに対応した円弧形の切込み35bが形成される。ホーン38の基部38aと腰フレーム35の背面側の側部壁35−2とは同一平面上に配置される。   A horn 38 as a first link is non-rotatably connected to the drive shaft 37. In other words, the horn 38 is coupled to the drive shaft 37 and rotates together with the drive shaft 37. The horn 38 is formed in a triangular shape whose overall shape gradually decreases toward the tip. However, the base 38a (FIG. 4B) of the horn 38 is formed in a circular shape. As shown in FIG. 4B, an arc-shaped cut 35b corresponding to the base portion 38a of the horn 38 is formed in the waist frame 35 so that the swing angle to the inside of the leg portion 12 can be increased. The base 38a of the horn 38 and the side wall 35-2 on the back side of the waist frame 35 are arranged on the same plane.

ホーン38の先端部にはリンク軸39を介して第二のリンク40の一端部が回転可能に連結される。第二のリンク40の他端部は第一の支持軸41を介して腰フレーム35に回転可能に連結される。第二のリンク40は断面がプレートを断面がコの字形になるように曲げ加工することで形成される。第二のリンク40はホーン38を挟むように配置される一対のリンク本体40−1とリンク本体40−1を連結する連結部40−2とを備える。一対のリンク本体40−1は腰フレーム35の背面側の側部壁35−2も挟むように配置される。脚部12の内側への揺動角度を大きくとれるように、第二のリンク40のリンク本体40−1にもホーン38の基部38aに対応した円弧形の切込み40aが形成される。リンク本体40−1とホーン38の基部38aとが同一平面上に配置される。   One end of the second link 40 is rotatably connected to the tip of the horn 38 via a link shaft 39. The other end of the second link 40 is rotatably connected to the waist frame 35 via a first support shaft 41. The second link 40 is formed by bending the cross section of the plate so that the cross section becomes a U-shape. The second link 40 includes a pair of link main bodies 40-1 disposed so as to sandwich the horn 38 and a connecting portion 40-2 connecting the link main bodies 40-1. The pair of link main bodies 40-1 are arranged so as to sandwich the side wall 35-2 on the back side of the waist frame 35. An arc-shaped cut 40a corresponding to the base portion 38a of the horn 38 is also formed in the link main body 40-1 of the second link 40 so that the swing angle to the inside of the leg portion 12 can be increased. The link body 40-1 and the base 38a of the horn 38 are arranged on the same plane.

サーボモータが駆動軸37を回転させると、駆動軸37に結合されたホーン38が駆動軸37の回りを回転する。ホーン38の先端部には第二のリンク40が回転可能に連結されているので、ホーン38が駆動軸37の回りを回転すると、ホーン38及び第二のリンク40が折り畳まれて縮んだり、略一直線状に伸びたりその形状を変化させる。このため、駆動軸37から第一の支持軸41までの間の距離が変化し、脚支持部33が腰フレーム35に対して連結軸34の回りを回転する。これらホーン38、第二のリンク40、リンク軸39が伸縮機構を構成する。   When the servo motor rotates the drive shaft 37, the horn 38 coupled to the drive shaft 37 rotates around the drive shaft 37. Since the second link 40 is rotatably connected to the tip of the horn 38, when the horn 38 rotates around the drive shaft 37, the horn 38 and the second link 40 are folded and contracted. It extends in a straight line or changes its shape. For this reason, the distance from the drive shaft 37 to the first support shaft 41 changes, and the leg support portion 33 rotates around the connecting shaft 34 with respect to the waist frame 35. The horn 38, the second link 40, and the link shaft 39 constitute an expansion / contraction mechanism.

本実施形態の関節アクチュエータ31によれば、連結軸34から離れた位置に駆動軸37を設け、梃子のように作用するホーン38及び第二のリンク40によって腰フレーム35と脚支持部33との間の距離を変化させるので、駆動軸37の出力を減速して脚支持部33に伝達することができる。このため、小型のサーボモータで大きな出力を取り出すことができるようになる。   According to the joint actuator 31 of the present embodiment, the drive shaft 37 is provided at a position away from the connecting shaft 34, and the horn 38 and the second link 40 that act like a lever are used to connect the waist frame 35 and the leg support portion 33 to each other. Since the distance between them is changed, the output of the drive shaft 37 can be decelerated and transmitted to the leg support 33. For this reason, a large output can be taken out by a small servo motor.

脚式移動ロボットが二足歩行するとき、各脚部12は歩行路面と設置している立脚状態と歩行路面から離れた遊脚状態とを交互に繰り返す。図5は脚式移動ロボットが平らな歩行路面を走行しているときの様子を前方から見た正面図である。この図5では、左脚を立脚状態にし、右脚を遊脚状態にしている。この姿勢の脚式移動ロボットの全体の重心位置をQ、質量をMとすれば、点Qには鉛直下向きにMg(gは重力加速度)の力が作用する。この力のベクトルが地面と交わる点をPとすれば、Pには路面反力として鉛直上向きにMgと同じ力が作用する。立脚状態の脚部12を内側に揺動させることで、Pを足部29上に位置させることが可能になり、脚式移動ロボットの姿勢が安定する。また、遊脚状態の脚部12を外側に揺動させることで、遊脚状態の脚部12が歩行路面に干渉しなくなる。   When the legged mobile robot walks on two legs, each leg 12 alternately repeats the walking road surface, the standing leg state installed and the free leg state away from the walking road surface. FIG. 5 is a front view of the legged mobile robot as seen from the front when running on a flat walking road surface. In FIG. 5, the left leg is in a standing state and the right leg is in a free leg state. If the center of gravity position of the legged mobile robot in this posture is Q and the mass is M, a force of Mg (g is gravitational acceleration) acts on the point Q vertically downward. If the point at which this force vector intersects the ground is P, the same force as Mg acts on P as a road reaction force vertically upward. By swinging the leg 12 in the standing state inward, P can be positioned on the foot 29, and the posture of the legged mobile robot is stabilized. Further, by swinging the leg 12 in the free leg state outward, the leg 12 in the free leg state does not interfere with the walking road surface.

図6は背面側から見た右脚の関節アクチュエータ31の動作図を示す。図6(A)は右脚を直立させた初期位置を示し、図6(B)は右脚を内側に曲げた状態(内側位置)を示し、図6(C)は右脚を外側に揺動させた状態(外側位置)を示す。脚式移動ロボットの歩行を実現するために、立脚状態において図6(B)に示すように脚部12を内側に揺動させる。そして、遊脚状態において図6(C)に示すように脚部12を外側に揺動させる。駆動軸37を時計方向に回転させたり、反時計方向に回転させることによって、脚部12を内側に揺動させたり、外側に揺動させたりすることが可能になる。なお、図6(C)には脚部12の外側への揺動を分かり易くするために揺動角度を大きくとった例を示しているが、実際の遊脚状態の脚部12の外側への揺動角度は図6(C)に示すものよりも小さい。   FIG. 6 shows an operation diagram of the joint actuator 31 for the right leg as viewed from the back side. 6A shows an initial position where the right leg is upright, FIG. 6B shows a state where the right leg is bent inward (inner position), and FIG. 6C swings the right leg outward. The moved state (outside position) is shown. In order to realize the walking of the legged mobile robot, the leg portion 12 is swung inward as shown in FIG. Then, in the free leg state, the leg portion 12 is swung outward as shown in FIG. By rotating the drive shaft 37 clockwise or counterclockwise, the leg portion 12 can be swung inward or swung outward. Note that FIG. 6C shows an example in which the swing angle is increased in order to make it easier to understand the swing of the leg 12 to the outside, but to the outside of the leg 12 in the actual free leg state. Is smaller than that shown in FIG.

図6(A)及び図6(B)に示すように、脚部12が初期位置及び内側位置にあるとき、ホーン38と第二のリンク40とを連結するリンク軸39は、駆動軸37と連結軸34を結んだ線L1よりも脚部12側(言い換えれば腰フレーム35とは反対側)に位置する。その一方、図6(C)に示すように、脚部12が外側位置にあるとき、ホーン38と第二のリンク40とを連結するリンク軸39は、駆動軸37と連結軸34とを結んだ線L1よりも腰フレーム35側に位置する。これにより、脚部12の外側への揺動角度を大きくすることができる。   As shown in FIGS. 6A and 6B, when the leg 12 is in the initial position and the inner position, the link shaft 39 that connects the horn 38 and the second link 40 is the drive shaft 37. It is located on the leg 12 side (in other words, on the side opposite to the waist frame 35) from the line L1 connecting the connecting shafts 34. On the other hand, as shown in FIG. 6C, when the leg portion 12 is at the outer position, the link shaft 39 that connects the horn 38 and the second link 40 connects the drive shaft 37 and the connecting shaft 34. It is located closer to the waist frame 35 than the ellipse L1. Thereby, the rocking | swiveling angle to the outer side of the leg part 12 can be enlarged.

また、図6(A)及び図6(B)に示すように、脚部12が初期位置及び内側位置にあるとき、脚式移動ロボットの上体部30の荷重が脚部12に伝わる。リンク軸39を線L1よりも脚部12側に配置することで、上体部30の荷重のベクトルF(図6(B)参照)が駆動軸37にトルクとして作用しにくくすることもできる。これを詳述するに図6(B)の右側の図に示すように、上体部30の荷重のベクトルFはリンク軸39に矢印の方向に作用する。このベクトルFは、駆動軸37とリンク軸39とを結んだ方向のベクトルF1と、ベクトルF1に直交するベクトルF2とに分けることができる。駆動軸37にトルクとして作用するのはベクトルF2である。リンク軸39を線L1よりも脚部12側に配置することでこのベクトルF2を小さくすることができる。ベクトルF2の大きさは、駆動軸37とリンク軸39を結んだ線とリンク軸39と第一の支持軸41とを結んだ線とのなす角度θにも由来する。角度θが小さければ小さいほどベクトルF2を小さくすることができるので、θを45度未満に設定するのが望ましい。   As shown in FIGS. 6A and 6B, when the leg 12 is in the initial position and the inner position, the load of the upper body 30 of the legged mobile robot is transmitted to the leg 12. By disposing the link shaft 39 closer to the leg portion 12 than the line L1, the load vector F (see FIG. 6B) of the upper body portion 30 can be made difficult to act on the drive shaft 37 as a torque. In detail, as shown in the right side of FIG. 6B, the load vector F of the upper body 30 acts on the link shaft 39 in the direction of the arrow. The vector F can be divided into a vector F1 in a direction connecting the drive shaft 37 and the link shaft 39, and a vector F2 orthogonal to the vector F1. It is the vector F2 that acts on the drive shaft 37 as a torque. By arranging the link shaft 39 closer to the leg 12 than the line L1, the vector F2 can be reduced. The size of the vector F2 is also derived from an angle θ formed by a line connecting the drive shaft 37 and the link shaft 39 and a line connecting the link shaft 39 and the first support shaft 41. Since the vector F2 can be made smaller as the angle θ is smaller, it is desirable to set θ to less than 45 degrees.

ところで、立脚状態の関節アクチュエータ31には脚式移動ロボットの質量に応じた過大なモーメントが働く(図5を参照)。関節アクチュエータ31のサーボモータのトルクのみでこのモーメントを受けようとすると、サーボモータのトルクも大きくする必要がある。サーボモータが消費する電気エネルギを小さくし、又は無くすために立脚状態の脚部12の内側への揺動を機械的に制限するストッパを腰フレーム35に設けてもよい。ストッパは脚支持部33、ホーン38、第二のリンク40のいずれに当接してもよい。また、脚支持部33、ホーン38、第二のリンク40のいずれか一つが残りの一つに当接することによって、ストッパを構成するようにしてもよい。   By the way, an excessive moment according to the mass of the legged mobile robot acts on the joint actuator 31 in the standing state (see FIG. 5). In order to receive this moment only with the torque of the servomotor of the joint actuator 31, it is necessary to increase the torque of the servomotor. In order to reduce or eliminate the electric energy consumed by the servo motor, a stopper that mechanically restricts the inward swing of the leg 12 in the standing state may be provided on the waist frame 35. The stopper may abut on any of the leg support 33, the horn 38, and the second link 40. Moreover, you may make it comprise a stopper by contact | abutting any one of the leg support part 33, the horn 38, and the 2nd link 40 with the remaining one.

脚部12をロール軸の回りに−10°から+40°まで変化させたときの関節アクチュエータ31の減速比を算出した。脚角度のマイナス角度は脚部12を内側に揺動させたことを意味し、プラス角度は外側に揺動させたことを意味する。減速比はサーボモータの回転角度とロール軸回りの脚部12の回転角度の比から算出している。減速比が大きければ大きいほど、サーボモータのトルクが増幅して脚部12に伝わることを意味する。   The reduction ratio of the joint actuator 31 when the leg 12 was changed from −10 ° to + 40 ° around the roll axis was calculated. The minus angle of the leg angle means that the leg portion 12 is swung inward, and the plus angle means that it is swung outward. The reduction ratio is calculated from the ratio between the rotation angle of the servo motor and the rotation angle of the leg 12 around the roll axis. A larger reduction ratio means that the torque of the servo motor is amplified and transmitted to the legs 12.

表1にその計算結果を示す。   Table 1 shows the calculation results.

Figure 2013035112

表1の最上段の脚角度−10°の場合、サーボモータのトルクが4.76倍になって脚部12に伝達することがわかる。すなわち、サーボモータのトルクが10Nmであっても、トルクが47.6Nmまで増幅して脚部12に伝わる。サーボモータがトルクを必要とするのは脚部12が内側に揺動する−10°〜0°のときである。本実施形態によれば、このときに4倍以上サーボモータのトルクを増幅できる。このように脚部12が内側に揺動したときの減速比を脚部12が外側に揺動したときの減速比よりも大きくすることが望ましい。脚部12が外側に揺動するときは脚部12が持ち上がっているので、サーボモータにはそれほど大きなトルクが必要とされないが、3倍以上トルクを増大できた。
Figure 2013035112

It can be seen that when the uppermost leg angle in Table 1 is −10 °, the torque of the servo motor is 4.76 times and transmitted to the leg 12. That is, even if the torque of the servo motor is 10 Nm, the torque is amplified to 47.6 Nm and transmitted to the leg 12. The servo motor requires torque when the leg 12 swings inward from −10 ° to 0 °. According to the present embodiment, the torque of the servo motor can be amplified four times or more at this time. Thus, it is desirable that the reduction ratio when the leg portion 12 swings inward is larger than the reduction ratio when the leg portion 12 swings outward. Since the leg 12 is lifted when the leg 12 swings outward, the servomotor does not require a very large torque, but the torque can be increased by a factor of 3 or more.

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様々な実施形態に具現化できる。例えば、図7に示すように、腰フレーム35の第一の支持軸41と脚支持部33の第二の支持軸37との間にボールねじ等によって伸縮する伸縮機構51を設け、伸縮機構51によって第一の支持軸41と第二の支持軸37との間の距離を変化させ、これにより脚支持部33を連結軸34の回りに回転させてもよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be embodied in various embodiments without departing from the scope of the present invention. For example, as shown in FIG. 7, an expansion / contraction mechanism 51 that expands and contracts by a ball screw or the like is provided between the first support shaft 41 of the waist frame 35 and the second support shaft 37 of the leg support portion 33. By changing the distance between the first support shaft 41 and the second support shaft 37, the leg support portion 33 may be rotated around the connecting shaft 34.

また、関節アクチュエータの駆動源としてのサーボモータは脚支持部に設けられる替わりに腰フレームに設けられてもよい。さらに、本発明の関節アクチュエータは脚式移動ロボットの股関節に適用するのに限られることはなく、肩の関節、上体を前傾や後傾させる腰の関節等の関節に適用することができる。   A servo motor as a drive source for the joint actuator may be provided on the waist frame instead of being provided on the leg support. Furthermore, the joint actuator according to the present invention is not limited to the hip joint of a legged mobile robot, but can be applied to a joint such as a shoulder joint or a hip joint that tilts the upper body forward or backward. .

さらに、本発明の関節アクチュエータは関節を有するロボットであれば、脚式移動ロボットに適用するのに限られることはなく、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット等の産業用ロボットに適用することができる。   Furthermore, the joint actuator of the present invention is not limited to the legged mobile robot as long as it has a joint, and can be applied to industrial robots such as vertical articulated robots and horizontal articulated robots. it can.

10…脚式移動ロボット,11…胴体部,12…脚部,22…ロール関節,31…関節アクチュエータ,32…骨盤,33…脚支持部(第二部材),34…連結軸,35…腰フレーム(第一部材),37…駆動軸(第二の支持軸),38…ホーン(第一のリンク),39…リンク軸,40…第二のリンク,41…第一の支持軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Leg type mobile robot, 11 ... Body part, 12 ... Leg part, 22 ... Roll joint, 31 ... Joint actuator, 32 ... Pelvis, 33 ... Leg support part (2nd member), 34 ... Connecting shaft, 35 ... Waist Frame (first member) 37 ... drive shaft (second support shaft) 38 ... horn (first link) 39 ... link shaft 40 ... second link 41 ... first support shaft

Claims (5)

第一部材と第二部材とが連結軸を介して回転可能に連結されるロボットの関節を駆動する関節アクチュエータであって、
前記第一部材に前記連結軸から離れた位置に設けられる第一の支持軸と、
前記第二部材に前記連結軸から離れた位置に設けられる第二の支持軸と、
前記第一の支持軸と前記第二の支持軸との間の距離を変化させる伸縮機構と、を備え、
前記伸縮機構が前記第一の支持軸と前記第二の支持軸との間の距離を変化させることによって、前記第一部材に対して前記第二部材が前記連結軸の回りを相対的に回転するロボットの関節アクチュエータ。
A joint actuator that drives a joint of a robot in which a first member and a second member are rotatably connected via a connecting shaft,
A first support shaft provided on the first member at a position away from the connection shaft;
A second support shaft provided on the second member at a position away from the connection shaft;
A telescopic mechanism for changing a distance between the first support shaft and the second support shaft,
When the telescopic mechanism changes the distance between the first support shaft and the second support shaft, the second member rotates relative to the first member relative to the connection shaft. Robot joint actuator.
前記第二の支持軸が駆動源によって回転駆動される駆動軸であり、
前記伸縮機構は、前記駆動軸に回転不能に連結される第一のリンクと、前記第一のリンクにリンク軸を介して回転可能に連結され、かつ前記第一部材に前記第一の支持軸を介して回転可能に連結される第二のリンクと、を備えること特徴とする請求項1に記載のロボットの関節アクチュエータ。
The second support shaft is a drive shaft that is rotationally driven by a drive source;
The telescopic mechanism includes a first link that is non-rotatably coupled to the drive shaft, and is rotatably coupled to the first link via a link shaft, and the first support shaft is coupled to the first member. The joint actuator of the robot according to claim 1, further comprising: a second link that is rotatably connected via the joint.
前記第二部材に設けられる前記駆動軸が時計方向及び反時計方向に回転可能であり、
前記駆動軸が時計方向及び反時計方向のいずれか一方向に回転するとき、前記第一のリンクと前記第二のリンクとを連結する前記リンク軸が前記駆動軸と前記連結軸を結んだ線よりも前記第一部材側に位置し、
前記駆動軸が時計方向及び反時計方向の他方向に回転するとき、前記リンク軸が前記駆動軸と前記連結軸を結んだ線より前記第一部材とは反対側に位置することを特徴とする請求項2に記載のロボットの関節アクチュエータ。
The drive shaft provided on the second member is rotatable clockwise and counterclockwise;
When the drive shaft rotates in either one of the clockwise direction and the counterclockwise direction, the link shaft that connects the first link and the second link connects the drive shaft and the connecting shaft. Than the first member side,
When the drive shaft rotates in the other direction clockwise and counterclockwise, the link shaft is located on the opposite side of the first member from the line connecting the drive shaft and the connecting shaft. The joint actuator of the robot according to claim 2.
胴体部と、胴体部に二つの連結軸を介して回転可能に連結される二本の脚部と、を有する脚式移動ロボットであって、
請求項1ないし3のいずれかに記載のロボットの関節アクチュエータを、胴体部に対して各脚部をロール軸の回りに回転させる股関節の関節アクチュエータとして使用することを特徴とする脚式移動ロボット。
A legged mobile robot having a body part and two leg parts rotatably connected to the body part via two connecting shafts,
A legged mobile robot using the joint actuator of the robot according to any one of claims 1 to 3 as a joint actuator for a hip joint that rotates each leg portion around a roll axis with respect to a body portion.
前記脚式移動ロボットの各脚部は、歩行路面と設置している立脚状態と歩行路面から離れた遊脚状態とを交互に繰り返し、
立脚状態における脚部のロール軸回りの内側への揺動を制限できるように、前記第一部材、前記第二部材、前記第一のリンク及び前記第二のリンクの少なくとも一つの回転を制限するストッパが設けられることを特徴とする請求項4に記載の脚式移動ロボット。
Each leg of the legged mobile robot alternately repeats the walking road surface and the standing leg state and the free leg state away from the walking road surface,
Limiting rotation of at least one of the first member, the second member, the first link, and the second link so as to limit the inward swing of the leg portion around the roll axis in the standing state. The legged mobile robot according to claim 4, further comprising a stopper.
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