專利名稱：腿式移動步行機器人的腿部結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種腿式移動步行機器人的腿部結構，特別涉及在大腿部的下端借助膝關節連接小腿部、在小腿部的下端借助腳腕關節連接腳部、相對于小腿部腳腕關節可自如俯仰及旋轉腳部地定位腳部的腿式移動步行機器人的腿部結構。
在相對于大腿部驅動小腿部時，如果能靠近連接大腿部及小腿部的膝關節的下方的慣性力矩，就能夠減輕驅動小腿部的驅動源的負荷。要減小上述慣性力矩，安裝在小腿部的重量物的位置最好盡量接近膝關節。但是，由于上述以往的作為重量物的俯仰用電動機配置在小腿部的上部，即接近膝關節的位置，而另一重量物的旋轉用電動機配置在小腿部的下部，即遠離膝關節的位置，存在不能充分減小膝關節下方的慣性力矩的問題。
此外，在腳部安裝有控制使機器人雙足步行的6分力傳感器，但是，如果旋轉用電動機設置在接近腳部的小腿部的下部，存在為減輕電動機噪聲的影響需要采取特別對策的問題。
而且，如在腳腕關節的近處設置旋轉用電動機，存在腳腕關節的離地面的位置升高，腳腕關節的柔量控制的控制量增大，很難迅速適應地面的不可預測的凹凸不平及傾斜的問題。
發明內容
本發明是針對上述問題而提出的，目的是減小繞膝關節轉動的慣性力矩，降低驅動小腿部的驅動力，同時最大限度地抑制電動機噪聲對設在腳部的傳感器的影響，本發明的另一目的是降低腳腕關節離地面的高度，以能夠迅速適應地面的不可預測的凹凸不平及傾斜。
為達到上述目的，根據本發明的第1方面，可提供一種在大腿部的下端借助膝關節連接小腿部，同時在小腿部的下端借助腳腕關節連接腳部，相對小腿部，腳腕關節繞左右軸線自如俯仰地并且繞前后軸線自如旋轉地將腳部定位在小腿部的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于繞左右軸線俯仰腳部的俯仰用電動機定位在腳腕關節上方的小腿部，同時繞前后軸線旋轉腳部的旋轉用電動機定位在腳腕關節上方的小腿部。
如果采用上述構成，由于繞左右軸線俯仰腳部的俯仰用電動機和繞前后軸線旋轉腳部的旋轉用電動機定位在腳腕關節上方的小腿部，作為重量物的俯仰用電動機及旋轉用電動機的位置接近膝關節，能夠減小繞膝關節旋轉小腿部的慣性力矩，減輕驅動膝關節的驅動源的負荷。
此外，根據本發明的第2方面，在上述第1方面的基礎上，提供一種腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于具有繞左右軸線可轉動地定位在小腿部的俯仰軸部，和將在左右軸線方向配置的俯仰用電動機的輸出軸的轉動傳遞到俯仰軸部的俯仰用皮帶傳遞手段，可旋轉地將腳部定位在俯仰軸部的旋轉裝置。
如果采用上述構成，由于俯仰軸部繞左右軸線可轉動地定位在小腿部，借助旋轉裝置腳部可旋轉地定位在上述俯仰軸部，借助將俯仰用電動機的輸出軸的轉動傳遞到俯仰軸部的俯仰用皮帶傳遞手段驅動俯仰軸部，所以通過轉動俯仰軸部，能夠使旋轉裝置及腳部整體俯仰運動，并且使旋轉裝置運轉，相對于俯仰軸部能使腳部旋轉，這樣可避免腳部俯仰及旋轉的相互干擾。
此外，根據本發明的第3方面，提供一種在大腿部的下端，借助膝關節連接小腿部，同時在小腿部的下端借助腳腕關節連接腳部；相對小腿部，腳腕關節繞左右軸線自如俯仰地并且繞前后軸線自如旋轉地定位腳部的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于具有相互垂直固定的、各自繞左右軸線及前后軸線轉動的俯仰軸部及旋轉軸部；在俯仰軸部及旋轉軸部的一側的外周，自如轉動地定位的、與腳部整體轉動的轉動構件；使俯仰軸部及旋轉軸部的另一側轉動的第1驅動源；在俯仰軸部及旋轉軸部的另一側的內部，同軸配置的驅動錐齒輪；咬合在俯仰軸部及旋轉軸部的一側的內部同軸配置的驅動錐齒輪上連接轉動構件的從動錐齒輪；旋轉驅動驅動錐齒輪的第2驅動源。
如果采用上述構成，由于整體具備腳部的轉動構件轉動自如地定位在相互垂直固定的俯仰軸部及旋轉軸部的一側的外周，使在俯仰軸部及旋轉軸部的另一側的內部同軸配置的驅動錐齒輪與俯仰軸部及旋轉軸部的一側的內部同軸配置的、同時連接轉動構件的從動錐齒輪咬合在一起，利用第1驅動源轉動俯仰軸部及旋轉軸部的另一側，同時利用第2驅動源轉動驅動錐齒輪，所以，能夠互不影響地獨立進行腳部的俯仰及旋轉運動。而且，由于能夠降低俯仰軸部及旋轉軸部的位置，可以用更小的控制量實現腳腕關節的柔量控制，能夠迅速適應地面的不可預測的凹凸不平及傾斜，穩定地步行。
此外，根據本發明的第4方面，提供一種在大腿部的下端，借助膝關節連接小腿部，同時在小腿部的下端，借助腳腕關節連接腳部，腳腕關節相對于小腿部繞左右軸線俯仰自如地并且繞前后軸線旋轉自如地定位腳部的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于旋轉自如地將腳部定位在俯仰軸部的旋轉裝置具有與俯仰軸部垂直固定的旋轉軸部；整體固定在腳部的、轉動自如地定位在旋轉軸部外周的旋轉構件；在俯仰軸部內同軸配置的驅動錐齒輪；將在左右軸線方向配置的旋轉用電動機的輸出軸的轉動傳遞給驅動錐齒輪的旋轉用皮帶傳遞手段；在旋轉軸部內同軸配置的、咬合在驅動錐齒輪上同時連接轉動構件的從動錐齒輪。
如果采用上述構成，由于一體具備腳部的旋轉構件轉動自如地定位在與俯仰軸部垂直固定的旋轉軸部的外周，借助旋轉用皮帶傳遞手段、在俯仰軸部內同軸配置的錐齒輪和在旋轉軸部內同軸配置的從動錐齒輪，將旋轉用電動機的輸出軸的轉動傳遞給旋轉構件，所以，能夠互不影響地獨立進行腳部的俯仰及旋轉運動，而且在旋轉腳部的狀態下同時還能夠使腳部自由俯仰。此外，由于能夠降低俯仰軸部及旋轉軸部的位置，所以可以用更小的控制量實現腳腕關節的柔量控制，能夠迅速適應地面的不可預測的凹凸不平及傾斜，穩定地步行。
此外，如根據本發明的第5方面，在上述第4方面的基礎上，提供一種腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于在俯仰用皮帶傳遞手段與俯仰軸部之間配置俯仰用減速器，在從動錐齒輪與旋轉構件之間配置旋轉用減速器。
如果采用上述構成，由于在俯仰用皮帶傳遞手段與俯仰軸部之間配置俯仰用減速器，能夠減輕俯仰用電動機的負荷，并且由于在從動錐齒輪與旋轉構件之間配置有旋轉用減速器，能夠減輕旋轉用電動機的負荷。
此外，根據本發明的第6方面，在上述第4或第5方面的基礎上，提供一種腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于用部分球面狀罩覆蓋旋轉構件的外側，在構成小腿部的骨架的小腿部連桿的下端和部分球面狀罩之間，形成規定的間隙。
如采用上述構成，由于在小腿部連桿的下端和覆蓋旋轉構件的外側的部分球面狀罩之間形成規定的間隙，即使使腳部俯仰及旋轉，也能夠防止在部分球面狀罩與小腿部連桿之間產生大的間隙，有效地防止夾入異物。
此外，如根據本發明的第7方面，在上述第6方面的基礎上，提供一種腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于部分球面狀罩在俯仰軸部上或旋轉軸部上具有中心。
如采用上述構成，由于部分球面狀罩的中心在俯仰軸部上或旋轉軸部上，能夠在使腳部俯仰或旋轉時，使在部分球面狀罩與小腿部連桿之間產生的間隙保持一定，防止部分球面狀罩和小腿部連桿相互干擾，擴大腳腕關節的可活動范圍，同時更有效地防止夾入異物。
此外，根據本發明的第8方面，在上述第1～第7方面的任何一項的基礎上，可提供一種腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于在腳部設置檢測該腳部所受負荷的傳感器。
如采用上述構成，由于俯仰用電動機及旋轉用電動機的位置遠離腳部，在腳部設置的傳感器不易受到電動機噪聲的影響，能夠提高傳感器的精度。
此外，實施例中的俯仰用電動機34及旋轉用電動機35分別構成本發明的第1驅動源及第2驅動源，實施例中的旋轉構件46構成本發明的轉動構件，實施例中的內側部分球面狀罩62及外側部分球面狀罩63構成本發明的部分球面狀罩，實施例中的6分力傳感器構成本發明的傳感器。
圖1是腿式移動機器人的正視圖。
圖2是腿式移動機器人的右側面視圖。
圖3是圖2的3-3線放大剖視圖(圖4的3-3線剖視圖)。
圖4是圖3的4-4線剖視圖。
圖5是小腿部及腳部的立體圖。
圖6是腳部俯仰的作用說明圖。
圖7是腳部旋轉的作用說明圖。
如圖1及圖2所示，可自立雙足步行的腿式移動機器人R具有胴體11、頭12、左臂13L、右臂13R、左腿14L及右腿14R，胴體11的背面附有裝有電氣裝置的電氣裝置箱15。左臂13L及右臂13R由各自的大臂部16、小臂部17和手部18構成，胴體11與大臂部16由肩關節19連接，大臂部16和小臂部17由肘關節20連接，小臂部17和手部18由手腕關節21連接，此外，在大臂部16的長度方向中間設有大臂關節22，以相對于大臂部16的上半部扭動下半部。此外，左腿14L及右腿14R由各自的大腿部23、小腿部24和腳部25構成，胴體11和大腿部23由胯骨關節26連接，大腿部23和小腿部24由膝關節27連接，小腿部24和腳部25由腳腕關節28連接。此外，胴體11和頭12由頸關節29連接。另外，上述各關節的位置用虛線圓圈表示。
下面，參照圖3～圖5說明機器人R的右腿14R結構。此外，由于左腿14L與右腿14R為鏡面對稱的同一結構，省略其重復的說明。
大腿部23和小腿部24由具有軸線L的膝關節27連接，由驅動源(未圖示)借助皮帶傳遞手段31及減速器32驅動。小腿部24上具有構成小腿骨架的小腿連桿33，左右軸線Ly方向配置有輸出軸34a的俯仰用電動機34定位在小腿連桿33的上端部，在左右軸線Ly方向配置有輸出軸35a的旋轉用電動機35定位在小腿連桿33的中間部。
在左右軸線Ly上，俯仰軸部36借助一對橫向滾珠軸承38、38轉動自如地定位在小腿連桿33的下端(參照圖3)。在俯仰用電動機34的輸出軸34a上設置的驅動皮帶輪39和在左右軸線Ly上配置的從動皮帶輪40由環形皮帶41連接。驅動皮帶輪39、從動皮帶輪40及環形皮帶41構成俯仰用皮帶傳遞手段42。從動皮帶輪40和俯仰軸部36用由公知的諧波減速器(商品名稱)組成的俯仰用減速器43連接。諧波減速器減速輸入構件的轉動，輸出給同軸上配置的輸出構件，也可用行星齒輪式的減速器替換該諧波減速器。
向與俯仰軸部36直交的方向(前后軸線Lx)延伸的旋轉軸部44與俯仰軸部36形成一整體(參照圖4)。筒狀的旋轉構件46借助一對橫向滾珠軸承47、47定位在旋轉軸部44的外周，腳部25固定在該旋轉構件46上。
從動皮帶輪52固定在驅動錐齒輪軸51的軸端，驅動錐齒輪軸51相對轉動自如地定位在俯仰軸部36的內部，驅動皮帶輪53固定在旋轉用電動機35的輸出軸35a上，從動皮帶輪52和驅動皮帶輪53用環形皮帶54連接，從動皮帶輪52、驅動皮帶輪53和環形皮帶54構成旋轉用皮帶傳遞手段55。從動錐齒輪軸56相對轉動自如地定位在與俯仰軸部36整體形成的旋轉軸部44的內部，設置在從動錐齒輪軸56的軸端的從動錐齒輪57咬合在設置于上述驅動錐齒輪軸51軸端的驅動錐齒輪58上。然后，用由諧波減速器組成的旋轉用減速器59連接從動錐齒輪軸56的軸端和旋轉構件46。在腳部25的中央部上面，設置檢測作用于腳部25的6分力(直交的3軸方向的負荷及上述3軸系的力矩)的6分力傳感器60，以使機器人R雙足步行。
相對于俯仰軸部36，轉動腳部25的旋轉裝置61由上述旋轉軸部44、旋轉構件46、驅動錐齒輪軸51、驅動錐齒輪58、從動錐齒輪軸56、從動錐齒輪57和旋轉用皮帶傳遞手段55組成。
參照圖5～圖7可以看出，相對于小腿部24，可俯仰及旋轉地定位腳部25的腳腕關節28具有以前后軸線Lx及左右軸線Ly的交點為中心構成部分同心球面的內側部分球狀罩62及外側部分球狀罩63。內側部分球狀罩62固定在旋轉軸部46上，而外側部分球狀罩63固定在俯仰軸部36上。因此，在腳部25繞左右軸線Ly俯仰時，內側部分球狀罩62與外側部分球狀罩63一體俯仰，在繞前后軸線Lx旋轉時，相對于外側部分球狀罩63，只有內側部分球狀罩62相對旋轉。此外，即使內側部分球狀罩62及外側部分球狀罩63相對轉動，由于內側部分球狀罩62以前后軸線Lx為中心，具有實質的對稱轉動形狀，所以在由外側部分球狀罩63及內側部分球狀罩62構成的部分球面的形狀中，不產生級差及間隙。在小腿連桿33的下端形成凹狀球面33a，該凹狀球面33a與外側部分球狀罩63及內側部分球狀罩62的外周面的之間形成微小且均勻的間隙α。
下面，說明具有上述構成的本發明實施例的作用。
腳部25借助腳腕關節28連接在機器人R的小腿部24的下端，俯仰用電動機34可使腳部25繞左右軸線Ly俯仰運動。如果驅動俯仰用電動機34，就能借助俯仰用皮帶傳遞手段42的驅動皮帶輪39、環形皮帶41及從動皮帶輪40，將俯仰用電動機34的輸出軸34a的轉動傳遞到俯仰用減速器43，俯仰用減速器43減速輸入的轉動并輸出給俯仰軸部36。如果俯仰軸部36繞左右軸線Ly與同其整體化的旋轉軸部44同時轉動，借助旋轉構件46定位在旋轉軸部44的腳部25可繞左右軸線Ly俯仰。這樣，即使俯仰軸部36轉動，由于旋轉裝置61的驅動錐齒輪軸51同軸且相對轉動自如地配置在俯仰軸部36的內部，通過將旋轉用電動機35置于可空轉的狀態，可防止腳部25胡亂地旋轉。
如果驅動旋轉用電動機35使旋轉腳部25繞前后軸線Lx旋轉，借助作為旋轉用皮帶傳遞手段55的驅動皮帶輪53、環形皮帶54及從動皮帶輪52，可將旋轉用電動機35的輸出軸35a的轉動傳遞到驅動錐齒輪軸51。借助驅動錐齒輪58、從動錐齒輪57及從動錐齒輪軸56，方向變化90度后，借助旋轉用減速器59將驅動錐齒輪軸51的轉動傳遞給旋轉構件46，使腳部25與上述旋轉構件46整體旋轉。這樣，旋轉裝置61定位在俯仰軸部36，與腳部25整體俯仰，并且由于是使旋轉裝置61單獨運轉，相對于俯仰軸部36使腳部25旋轉，所以俯仰及旋轉不相互干擾或交錯，能夠簡化腳部25的俯仰及旋轉的控制。
此外，由于俯仰用電動機34及旋轉用電動機35定位在腳腕關節28上方的小腿部24，大重量的俯仰用電動機34及旋轉用電動機35的位置接近膝關節27。結果，可以減小繞膝關節27旋轉的小腿部24的慣性力矩，這樣就能夠降低驅動膝關節27的驅動源的負荷。而且，由于俯仰用電動機34及旋轉用電動機35的位置遠離設置在腳部25的6分力傳感器60，這樣6分力傳感器60不易受俯仰用電動機34及旋轉用電動機35的噪聲的影響，由此可提高檢測精度。
此外，通過如此配置俯仰用電動機34及旋轉用電動機35，可以降低俯仰軸部36及旋轉軸部44的位置，能夠實現用更小的控制量控制腳腕關節28的柔量。由此能夠迅速適應地面的不可預測的凹凸不平及傾斜，穩定地步行。
此外，如使腳部25俯仰，由于整體轉動以左右軸線Ly及前后軸線Lx的交點為中心的內側部分球狀罩62及外側部分球狀罩63，在兩罩62、63和小腿連桿33下端的凹狀球面33a之間的間隙α保持固定，能夠防止夾入異物。此外，如果使腳部25旋轉，相對于外側部分球狀罩63，內側部分球狀罩62相對轉動，但是，由于上述間隙α不變化，仍能夠防止夾入異物。而且，由于上述間隙α不變化，內側部分球狀罩62及外側部分球狀罩63不易干擾小腿連桿33，能夠擴大腳腕關節28的可移動范圍。
以上，詳細敘述了本發明的實施例，但在不脫離本發明要旨的范圍內，也可以進行各種設計變更。
例如，在實施例中，整體固定腳部25的旋轉構件46轉動自如地定位在旋轉軸部44的外周，使俯仰軸部36內同軸配置的驅動錐齒輪58和旋轉軸部44內同軸配置的并與旋轉構件46連接的從動錐齒輪57咬合，用俯仰用電動機34轉動俯仰軸部36，使腳部25俯仰，用旋轉用電動機35轉動驅動錐齒輪58，使腳部25旋轉；但也可以將整體固定腳部25的俯仰構件(與權利要求3發明的轉動構件對應)轉動自如地定位在俯仰軸部36的外周，使旋轉軸部44內同軸配置的驅動錐齒輪58和俯仰軸部36內同軸配置的并與俯仰構件連接的從動錐齒輪57咬合，用旋轉用電動機35轉動旋轉軸部44，使腳部25俯仰，用俯仰用電動機34轉動驅動錐齒輪58，使腳部25俯仰。
此外，在實施例中，用6分力傳感器60檢測施加給腳部25的負荷，但也可以用能檢測3分力或5分力的傳感器代替。
如上所述，本發明的腿式移動機器人由于能夠自立雙足步行，可用作表演及示范。
權利要求
1.一種腿式移動步行機器人的腿部結構，在大腿部(23)的下端，借助膝關節(27)連接小腿部(24)，同時在小腿部(24)的下端，借助腳腕關節(28)連接腳部(25)，相對于小腿部(24)腳腕關節(28)繞左右軸線(Ly)俯仰自如地并且繞前后軸線(Lx)旋轉自如地定位腳部(25)，其特征在于繞左右軸線(Ly)俯仰腳部(25)的俯仰用電動機(34)定位在腳腕關節(28)上方的小腿部(24)，同時繞前后軸線(Lx)旋轉腳部(25)的旋轉用電動機(35)定位在腳腕關節(28)上方的小腿部(24)。
2.如權利要求1記載的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于具有繞左右軸線(Ly)可旋轉地定位在腳部(25)的俯仰軸部(36)；將在左右軸線(Ly)方向配置的俯仰用電動機(34)的輸出軸(34a)的轉動傳遞給俯仰軸部(36)的俯仰用皮帶傳遞手段(42)；將腳部(25)可旋轉地定位在俯仰軸部(36)的旋轉裝置(61)。
3.一種移動步行機器人的腿部結構，在大腿部(23)的下端，借助膝關節(27)連接小腿部(24)，同時在小腿部(24)的下端，借助腳腕關節(28)連接腳部(25)，相對于小腿部(24)，腳腕關節(28)繞左右軸線(Ly)俯仰自如地并且繞前后軸線(Lx)旋轉自如地定位腳部(25)，其特征在于具有相互垂直地固定的、各自繞左右軸線(Ly)及前后軸線(Lx)轉動的俯仰軸部(36)及旋轉軸部(44)；轉動自如地定位在俯仰軸部(36)及旋轉軸部(44)的一側的外周、與腳部(25)整體轉動的轉動構件(46)；使俯仰軸部(36)及旋轉軸部(44)的另一側轉動的第1驅動源(34)；在俯仰軸部(36)及旋轉軸部(44)的另一側的內部同軸配置的驅動錐齒輪(58)；在俯仰軸部(36)及旋轉軸部(44)的另一側的內部同軸配置的、咬合在驅動錐齒輪(58)上同時連接轉動構件(46)的從動錐齒輪(57)；旋轉驅動驅動錐齒輪(58)的第2驅動源(35)。
4.一種腿式移動步行機器人的腿部結構，在大腿部(23)的下端，借助膝關節(27)連接小腿部(24)，同時在小腿部(24)的下端，借助腳腕關節(28)連接腳部(25)，相對于小腿部(24)腳腕關節(28)繞左右軸線(Ly)俯仰自如地并且繞前后軸線(Lx)旋轉自如地定位腳部(25)，其特征在于將腳部(25)旋轉自如地定位在俯仰軸部(36)的旋轉裝置(61)具有與俯仰軸部(36)垂直固定的旋轉軸部(44)；一體固定在腳部(25)的、轉動自如地定位在旋轉軸部(44)外周的旋轉構件(46)；在俯仰軸部(36)內同軸配置的驅動錐齒輪(58)；將在左右軸線(Ly)方向配置的旋轉用電動機(35)的輸出軸(35a)的轉動傳遞給驅動錐齒輪(58)的旋轉用皮帶傳遞手段(55)；在旋轉軸部(44)內同軸配置的、咬合在驅動錐齒輪(58)同時連接轉動構件(46)的從動錐齒輪(57)。
5.如權利要求4記載的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于在俯仰用皮帶傳遞手段(42)與俯仰軸部(36)之間配置俯仰用減速器(43)，在從動錐齒輪(57)與旋轉構件(46)之間配置旋轉用減速器(59)。
6.如權利要求4或5記載的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于用部分球面狀罩(62、63)覆蓋旋轉構件(46)的外側，在構成小腿部(24)的骨架的小腿連桿(33)的下端和部分球面狀罩(62、63)之間形成規定的間隙(α)。
7.如權利要求6記載的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于部分球面狀罩(62、63)在俯仰軸部(36)上或旋轉軸部(44)上具有中心。
8.如權利要求1～7中任何一項記載的腿式移動步行機器人的腿部結構，其特征在于在腳部(25)上設置檢測該腳部(25)所受負荷的傳感器(60)。
全文摘要
一種腿式移動步行機器人的腿部結構，其中，在大腿部23的下端，借助膝關節27連接小腿部24，在小腿部24的下端，借助腳腕關節28連接裝有6分力傳感器60的腳部25，相對于小腿部24，腳腕關節28繞左右軸線Ly俯仰自如地同時在前后軸線Lx旋轉自如地定位腳部25。繞左右軸線Ly俯仰腳部25的俯仰用電動機34定位在腳腕關節28上方的小腿部24，繞前后軸線Lx旋轉腳部25的旋轉用電動機35定位在腳腕關節28上方的小腿部24。由此，能夠縮短繞膝關節27轉動的慣性力矩，降低驅動小腿部24的驅動力，同時將電動機34、35的噪聲對設置在腳部25的6分力傳感器60的影響控制在最小限度。
文檔編號B25J13/08GK1474738SQ01819033
公開日2004年2月11日 申請日期2001年11月16日 優先權日2000年11月17日
發明者宮崎進, 高橋秀明, 明 申請人:本田技研工業株式會社