JP2013035112A - ロボットの関節アクチュエータ及び脚式移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】第一部材３５と第二部材３３とを連結軸３４を介して回転可能に連結する。第一部材３５に連結軸３４から離れた位置に第一の支持軸４１を設ける。第二部材３３に連結軸３４から離れた位置に第二の支持軸としての駆動軸３７を設ける。伸縮機構３８，３９，４０が第一の支持軸４１と第二の支持軸３７との間の距離を変化させることによって、第一部材３５に対して第二部材３３が連結軸３４の回りを相対的に回転する。
【選択図】図４

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。

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。

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）。

特開２００６−５１５５８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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 図１の脚式移動ロボットの側面図 脚式移動ロボットの下半身の概略的な骨格図 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） 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。 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） 本発明の関節アクチュエータの他の例を示す模式図

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

表１にその計算結果を示す。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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