腿式机器人的制作方法

专利名称：腿式机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种腿式机器人。特别地，本发明涉及一种能够在将机器人的躯干的 高度保持于低位置的情况下以长步幅行走的腿式机器人。
背景技术：
腿式机器人是已知的。腿式机器人包括躯干和与躯干相连接的腿。典型的腿式 机器人包括一对腿。各腿包括多个连杆。相邻的连杆由关节连接在一起从而能够转动。 在各关节内设置有致动器。腿的各连杆由致动器驱动并相对于相邻的连杆转动。通过 控制各腿的致动器来适当地移动腿的各连杆，腿式机器人可行走。在日本专利申请公报 No. 2005-186650 (以下称为专利文献1)中公开了一种这样的腿式机器人。在专利文献1中 公开的腿式机器人包括一对腿和供乘员搭乘的躯干。各腿分别与躯干相连接从而能够通过 转动设置在躯干下方的关节而进行转动。各关节的转动轴线沿躯干的侧向方向延伸。在专 利文献1中公开的腿式机器人在所述的一对腿分别交替地相对于躯干前后摆动的情况下 进行行走。所述的一对腿分别绕设置在躯干下方的转动关节的转动轴线枢转地摆动。

发明内容
为了快速移动，腿式机器人优选以长步幅行走。同时，为了稳定地行走，优选高度 低的躯干。在专利文献1中公开的腿式机器人中，所述的一对腿通过设置在躯干下方的转 动关节连接到躯干的底部。这种腿式机器人通过在前后方向上交替地摆动所述的一对腿来 行走，其中各腿绕设置在躯干下方的转动关节的转动轴线枢转。因此，为了增加步幅的长 度，必须增加各腿的总长度。然而，因为各腿都通过转动关节连接在躯干的下方，所以腿的 长度变长会致使躯干的高度变高。另一方面，如果为了使躯干的高度降低而减小各腿的总 长度，则步幅的长度会变短。在专利文献1中公开的技术中，难以实现既提供较大的步幅长 度又提供较低的躯干高度的腿式机器人。需要一种实现在不使躯干的高度升高的情况下增 大步幅的腿式机器人的技术。在本说明书中公开的腿式机器人使用滑动关节来使步长增大。在本说明书中，滑 动关节将腿连接到躯干的侧表面或底表面上。具体地，在本说明书中公开的腿式机器人具 有躯干、一对腿以及一对滑动关节。各滑动关节分别将各腿的一端连接到躯干，使得各腿都 能够相对于躯干在前后方向上前后滑动。各腿的各滑动关节可以分别设置在躯干的两个侧 表面上，或者可以都设置在躯干的底表面上。在各滑动关节分别设置在躯干的两个侧表面 上的前一种情况下，各滑动关节分别在相应的体部侧表面上将各腿连接到躯干上。在一对滑动关节设置在躯干的底表面上的后一种情况下，各滑动关节在躯干的底表面上将各腿连 接到躯干上。各滑动关节相对于躯干在前后方向上延伸。注意，设置在腿式机器人上的双 腿的数量以及相应的滑动关节对的数量可以是一对或多对。各滑动关节可使各腿沿躯干的前后方向滑动。这种腿式机器人在行走时在前后方 向上交替地前后滑动所述一对腿。因此，双腿的与滑动关节相连接的端部(在与躯干相连 接的一侧的端部)都以预定的长度在前后方向上交替地前后移动。即使在该腿式机器人具 有与其中通过转动关节将各腿连接到躯干的常规腿式机器人相同的腿长的情况下，由于在 步幅中各腿的端部在前后方向上达到的距离增加，也可以使该腿式机器人的预定的步长大 于常规腿式机器人的步长。本说明书中公开的腿式机器人可在不增加腿的总长的情况下使 腿式机器人的步幅长度加大。通过采用滑动关节，能够实现在不增加躯干高度的情况下具 有长步幅的腿式机器人。在躯干的外形具有似卵状的圆滑形状的情况下，难以区分躯干的底表面、后表面 和侧表面。在这种情况下，本说明书中的用语“躯干的底表面”是指“躯干的面向地面的表 在滑动关节设置在躯干的底表面上的情况下，各滑动关节的至少一部分至少在底 表面内在前后方向上延伸。滑动关节还可以延伸成超出底表面，达到躯干的前表面或后表另外，用语“滑动关节相对于躯干在前后方向上延伸”是指将滑动关节的切线投影 到水平面内的投影线在前述的前后方向上延伸。该滑动关节可以与水平方向成角度地延 伸。或者该滑动关节可弯曲。优选地，各滑动关节弯曲成突出到躯干下方(躯干的竖直下方)。用语“弯曲成突 出到躯干下方”是指限定滑动关节的曲线的曲率中心位于滑动关节上方。换句话说，优选 地，滑动关节弯曲成使得曲线的最低点位于滑动关节的两端部之间。各弯曲的滑动关节可形成为一系列的不同的曲线。这里“不同的曲线”是指具有 不同的曲率中心的多个曲线，或者指具有不同的曲率半径的多个曲线。在各弯曲的滑动关 节都形成为一系列的不同的曲线的情况下，各曲线的曲率中心可位于滑动关节的上方。如果各滑动关节弯曲成向下突出到躯干下方(躯干的竖直下方)，则各腿的顶端 部(与滑动关节相连接的端部)在移动的同时划出绕曲率中心的弧。尽管各腿通过滑动关 节连接到躯干，但是所述腿如同通过转动关节连接在曲率中心处那样摆动。由于这样的构 型，可在行走时使腿的移动更平顺。能够使腿式机器人在行走时的运动更平顺。各弯曲的滑动关节也可形成为一个弧。如果各滑动关节沿着一个圆弧弯曲，则在 各腿的关节之中，第一关节(最接近滑动关节的关节)绕所述一个圆弧的曲率中心枢转地 摆动。躯干与各腿之间的运动学关系等同于其中通过假想的连杆将假想的转动关节(其转 动轴线穿过所述一个圆弧的曲率中心)与第一关节相连接的结构的运动学关系。因此，尽 管实际上是通过滑动关节来将躯干和腿相连接的，但是仍可在假定通过假想的转动关节和 假想的连杆将腿和躯干相连接的情况下进行正运动学和逆运动学的计算。在多关节机器人 中，对于仅通过转动关节构成的机器人正运动学和逆运动学的计算比通过转动关节和滑动 关节构成的机器人更简单。因为前述结构，尽管设置有滑动关节，也能够简化对腿的正运动 学和逆运动学的计算。
优选地，各弯曲的滑动关节的曲率中心位于躯干质心的上方。在腿沿着滑动关节 滑动的情况下，在几何结构上，腿和躯干绕滑动关节的曲率中心相对转动。由于作用在躯干 质心上的重力，绕曲率中心产生力矩。该力矩作用使得躯干的质心位置位于曲率中心的竖 直下方。在腿沿着弯曲的滑动关节自由滑动时，在躯干的质心位于曲率中心的竖直下方的 位置上的情况下使躯干稳定。这里，曲率中心是指躯干的转动中心。通过使曲率中心位于躯 干质心的上方，能够使得躯干更不容易翻倒。即使由于某种情况而使腿式机器人在前后方 向上明显倾斜的情况下，也能够通过允许腿在滑动关节处自由运动而防止躯干翻倒。从而 能够改进躯干的稳定性。注意，用语“允许腿在滑动关节处自由运动”是指在滑动关节的致 动器上既不施加使腿滑动的驱动力也不施加使腿在滑动关节上保持就位的制动力的条件。优选地，在腿式机器人中，除了滑动关节的曲率中心位于躯干质心的上方外，躯干还设置有可供乘员乘坐的座椅。在这种情况下，优选使所述座椅的座部位于曲率中心的下 方(竖直下方)。通常，已知在乘员乘坐在座椅中的状态下，乘员的质心位于其髋部附近。因此，通过使座椅的座部位于滑动关节的曲率中心的竖直下方，能够使乘坐的乘员的质心位于滑动 关节的曲率中心的竖直下方。与使曲率中心位于躯干质心位置的竖直上方相结合，也可以 将包括乘坐的乘员的躯干的质心设定在滑动关节的曲率中心的竖直下方。从而能够防止供 乘员乘坐的躯干翻倒。根据本说明书中公开的技术，能够在不增加机器人的躯干高度的情况下实现以长步幅行走的腿式机器人。


图1 (A)示出第一实施例的腿式机器人的俯视图，图1⑶示出该腿式机器人的侧视图，图1(C)示出该腿式机器人的后视图。图2示出在行走中的腿式机器人的侧视图。
图3示出第二.实施例的腿式机器人的侧视图
附图标记说明
10，10a:腿式机器人
12，13 躯干
14L, 14R 腿
16L，16R 滑动关节
20L，20R 第—-连杆
22L，22R 第二连杆
24L，24R 第三连杆
24La，24Ra M丨三连杆端部
26L，26R 第—-组合关节
28L，28R 第二组合关节
30L，30R 第—-侧倾关节
32L，32R 第—-俯仰关节
34L，34R 第二侧倾关节
36L，36R 第二俯仰关节40L，40R:导轨42L，42R:致动器60 座椅60a 座椅座部100 乘员
具体实施例方式以下将列出各实施例的优选技术特征。(1)滑动关节设置在躯干的底表面上。当腿式机器人处于站立姿态时，设置在腿中 的各侧倾(roll)关节都布置在躯干的在侧向方向(横向方向)上的宽度之内。注意，用语 “站立姿态”是指在从相对于机器人的侧向方向观察的情况下，躯干的质心以及腿的与人类 的膝关节相对应的关节和与人类的踝关节相对应的关节沿竖直线对齐的姿势。“侧倾关节” 表示转动轴线沿躯干(机器人)的前后方向延伸的关节。(2) 一对滑动关节的曲率中心沿相对于躯干在侧向方向上延伸的直线对齐。第一实施例下面参照附图来说明腿式机器人的第一实施例。图1示出腿式机器人10的俯视 图、侧视图和后视图。图1 (A)示出腿式机器人10的俯视图，图1⑶示出腿式机器人10的 侧视图，图1(C)示出腿式机器人10的后视图。腿式机器人10具有躯干12和一对腿14L和14R。腿14L对应于人体的左腿。腿 14R对应于人体的右腿。在躯干12的底表面12a上设置有滑动关节16L。滑动关节16L将 腿14L的一端24La可滑动地连接到躯干12。相似地，在躯干12的底表面12a上设置有滑 动关节16R。滑动关节16R将腿14R的一端24Ra可滑动地连接到躯干12。在图1所示的坐标系统中，X轴的轴线箭头所示的正方向对应于腿式机器人10(躯 干12)的前方。与Y轴平行的方向对应于腿式机器人10 (躯干12)的侧方向。与Y轴平行 的方向也可称为腿式机器人10(躯干12)的“侧向方向”或“横向方向”。Z轴方向对应于 相对于腿式机器人10 (躯干12)的上下方向。注意，Z轴方向也对应于“竖直方向”。首先说明腿14L和14R。腿14L由多个连杆20L、22L、和24L以及多个转动关节 30L、32L、34L 和 36L 构成。左第一连杆20L构成腿14L的接地侧端部。左第一连杆20L对应于人体的脚。左 第一连杆20L和左第二连杆22L通过左第一混合关节26L相连接。左第二连杆22L对应于 人体的腿的下半部(小腿)。左第一混合关节26L对应于人体的踝关节。左第一混合关节26L由左第一侧倾关节30L和左第一俯仰(pitch)关节32L构成。 左第一侧倾关节30L使左第一连杆20L相对于左第二连杆22L绕侧倾轴线S1转动。左第 一俯仰关节32L使左第一连杆20L相对于左第二连杆22L绕俯仰轴线S2转动。借助于左 第一混合关节26L，左第一连杆20L可相对于左第二连杆22L在两个方向上转动绕侧倾轴 线S1转动和绕俯仰轴线S2转动。这里，术语“侧倾轴线”表示基本在腿式机器人10的前后方向上延伸的轴线。另 外，术语“俯仰轴线”表示基本在腿式机器人10的侧向方向上延伸的轴线。当腿14L的各连杆摆动时，各关节的转动轴线的方向也变化。因此，在本文中，使用用语“基本在前后方向 上”和“基本在侧向方向上”。左第二连杆22L和左第三连杆24L由左第二混合关节28L相连接。与人体相比较 左第三连杆24L对应于大腿。与人体相比较左第二混合关节28L对应于膝关节。左第二混合关节28L由左第二侧倾关节34L和左第二俯仰关节36L构成。左第二 侧倾关节34L使左第二连杆22L相对于左第三连杆24L绕侧倾轴线S3转动。左第二俯仰 关节36L使左第二连杆22L相对于左第三连杆24L绕俯仰轴线S4转动。借助于左第二混 合关节28L，左第二连杆22L可相对于左第三连杆24L在两个方向上转动绕侧倾轴线S3转 动和绕俯仰轴线S4转动。在各关节30L、32L、34L和36L内嵌入有电机(致动器)和旋转编码器。在图1中 未示出电机和旋转编码器。各电机产生用于使与相应的关节相邻的各连杆的相对转动的转 矩。各旋转编码器检测与相应的关节相邻的各连杆之间的相对转动角度。腿14R的结构与腿14L的结构相似。例如，腿14L的左第一连杆20L对应于腿14R 的右第一连杆20R。相似地，在腿14L和腿14R的各部分的各附图标记中，具有相同的数字 的部分表示相对应的部分。在腿14L和腿14R的俯仰轴线和侧倾轴线之间的对应关系如下。 腿14L的侧倾轴线S1和侧倾轴线S3分别对应于腿14R的侧倾轴线S5和侧倾轴线S7。腿 14L的俯仰轴线S2和俯仰轴线S4分别对应于腿14R的俯仰轴线S6和俯仰轴线S8。在腿14R的各关节30R、32R、34R和36R内也嵌入有电机(未示出)和旋转编码器 (未示出)。各电机产生用于使与该关节相邻的各连杆的相对转动的转矩。旋转编码器检 测与该关节相邻的各连杆之间的相对转动角度。下面说明滑动关节16L和16R。滑动关节16L是将腿14L连接到躯干12以使得腿 14L能够相对于躯干12滑动的关节。滑动关节16L包括导轨40L和致动器42L。导轨40L 沿躯干12的底表面12a设置在外部。如图1所示，当从侧向方向观察时躯干12的底表面 弯曲成向下突出。因此，导轨40L也相应地弯曲成向下突出，同时在躯干12的前后方向上 延伸。在图1(B)中，弯曲的导轨40L的曲率中心的位置由附图标记P示出。导轨40L限定 了相对于该位置P具有曲率半径R的曲线。换句话说，导轨40L沿中心在位置P并具有半 径R的圆弯曲。另外，如图1(B)所示，导轨40L弯曲成使得曲率中心位于滑轨40L的位置 的上方。左第三连杆24L的端部24La可滑动地连接到导轨40L从而能够沿所述导轨40L滑 动。左第三连杆24L的端部24La等同于腿14L的端部。由于左第三连杆24L的端部24La 可滑动地连接到导轨40L，因而整个腿14L可沿滑动关节16L的导轨40L滑动。致动器42L输出使腿14L沿导轨40L滑动的驱动力。在致动器42L工作的情况下， 使腿14L位于沿导轨40L选定的任意位置上。滑动关节16L包括位置检测器(未示出)。 该位置检测器检测腿14L的端部24La在导轨40L内所处的位置。将不再进一步说明滑动关节16L的详细的机构。然而，可以通过使用例如在单轴 台架中使用的直动机构来实现该滑动关节16L的机构。这种直动机构的轨道通常是平直 的。因此，在将直动机构应用到机器人10中时，可将平直的轨道修改成弯曲的。滑动关节16R是将腿14R可滑动地连接到躯干12的关节。滑动关节16R的结构与 滑动关节16L的结构相似，因此不再对其进行说明。注意，滑动关节16R的导轨40R也沿具
7有半径R的圆弧弯曲。当从侧向方向观察时，由滑动关节16L的弯曲的导轨40L限定的圆 弧的中心的位置与由滑动关节16R的弯曲的导轨40R限定的圆弧的中心位置在P点重合。 换句话说，弯曲的滑动关节16L的曲率中心与弯曲的滑动关节16R的曲率中心沿在躯干12 的侧向方向上延伸的直线对齐。除了滑动关节16L和16R，在躯干12中还安装有控制整个腿式机器人的控制器 (未示出)。可能存在躯干12中设置有用于支撑乘员的座椅(该座椅将在下文中说明)的情 况，也可能存在躯干12中设置有用于装载货物的托盘的情况。另外，还可能存在躯干12中 安装有用于执行各种操作的操作器的情况。在图1中示出的其它附图标记之中，G表示躯干12的质心位置，W1表示躯干12的 宽度(躯干12的侧向长度)。符号SO表示穿过躯干的质心位置G的竖直线。符号W2表示 在侧向方向上，竖直线SO与各侧倾关节30L、34L、30R和34R的各旋转轴线S1、S3、S5和S7 之间的距离。下文中将详细说明躯干12的质心位置G、宽度W1以及竖直线SO与各侧倾轴 线之间的距离W2之间的关系。注意图1中示出的腿式机器人10的姿态将称为“站立姿态”。如图1⑶所示，用 语“站立姿态”是指在从侧向方向观察的情况下，躯干12的质心位置G、与人类的膝关节相 对应的关节28L和28R以及与人类的踝关节相对应的关节26L和26R沿竖直线SO (在竖直 方向上基本平直的线)对齐的姿势。下面，将参照图1和图2说明本实施例的腿式机器人10在行走时的运动。图2是 腿式机器人10沿X轴方向以一条腿14L向前迈步的侧视图。在图2中，“向前方向”或“前 方”对应于X轴的正方向。以下说明将专注于在X轴方向上笔直向前前进时腿14L和14R 在XZ平面内的运动。在以下说明中，假定在笔直向前前进的情况下各腿14L和14R的侧倾 轴线关节30L、34L、30R和34R不转动。因此，图2中省略了在腿14L中的第一混合关节26L 中的第一侧倾关节30L和第二混合关节28L中的第二侧倾关节34L。相似地，图2中也省略 了在腿14R中的第一混合关节26R中的第一侧倾关节30R和第二混合关节28R中的第二侧 倾关节34R。在腿14L和14R的各关节32L、36L、32R和36R中嵌入有用于转动连杆的致动器 (未示出)。在滑动关节16L中，设置有用于使腿14L的端部24La沿导轨40L滑动(移动) 到任意选定的位置的致动器42L。相似地，在滑动关节16R中还设置有用于使腿14R的端部 24Ra沿导轨40R滑动的致动器42R。腿14L在导轨40L上的位置由设置在滑动关节14L中的位置检测器(未示出)检 测。相似地，腿14R在导轨40R上的位置由设置在滑动关节14R中的位置检测器(未示出) 检测。在分别设置在腿14L和14R中的各转动关节中还设置有旋转编码器(未示出)。由 旋转编码器检测的关节角度以及由各位置检测器检测的腿14L和14R在导轨40L和40R内 的位置被输入到腿式机器人10的控制器(未示出)中。控制器向各致动器输出指令，从而 基于输入值通过预定的控制逻辑来适当地控制各关节。结果，使腿14L和14R的各连杆协 调地运动，因此使腿式机器人10能够行走。如图2所示，当腿式机器人10进行使腿14L向前迈出的运动时，腿14L的端部24La 相对于躯干12沿导轨40L向前滑动(移动)。同时，腿14R的端部24Ra相对于躯干12沿导轨40R向后滑动(移动)。结果，在腿14L的端部24La与腿14R的端部24Ra之间相对于 躯干12在前后方向上产生距离L。与腿式机器人10不同，通过如人体的髋关节的转动关节将腿连接到躯干的常规 腿式机器人不能够使各腿与躯干的连接部在前后方向上产生距离。因此，这种常规腿式机 器人的步长受到腿的从腿与躯干的连接部到脚的总长的限制。在对机器人的说明中，注意， 忽略了以在不翻倒的情况下能够行走的条件来约束腿式机器人的步长限制。与前述的常规 腿式机器人不同，本实施例的腿式机器人10能够包括腿14L的端部24La与腿14R的端部 24Ra之间在躯干12的前后方向上的距离L。结果，腿式机器人10能够使各步幅长度相比 于由腿14L和14R的长度限定的步幅长度加长。步幅长度可在由距离L可得的附加长度的 范围内加长。本实施例的腿式机器人10能够在不增加腿的总长的情况下增加步长。换句 话说，腿式机器人10能够在保持低躯干12高度的情况下以比常规机器人长的步幅行走。下面，将说明腿14L。腿14R与之相似，因此省去对其的说明。使滑动关节16L的 导轨40L弯曲从而划出具有一定的曲率半径的弧，该曲率半径定心在位于导轨40L上方的 位置Pi。换句话说，滑动关节16L的导轨40L弯曲成向下突出(相对于躯干12竖直向 下)。腿14L的端部24La沿导轨40L的曲线滑动。通过由腿14L的端部24La沿向下突出 的滑动关节16L前后滑动的运动来平顺地移动腿14L，腿式机器人10能够行走。注意，在下 文中术语“竖直向下”简称为“向下”。特别是在本实施例的腿式机器人10中，导轨40L沿定心在一个位置P的精确的圆 弧弯曲。导轨40L限定的圆弧在躯干12的前后方向上延伸。因此，经由滑动关节16L连接 的腿14L与躯干12之间的连接构型的运动学关系等同于以下构型即，假定设置有假想的 转动关节52L，该转动关节52L的转动轴线在俯仰方向(Y轴方向)上延伸并穿过躯干12中 的位置P，并且该假想的转动关节52L通过假想的连杆50L连接到左第二俯仰关节36L，其 中左第三连杆24L延伸至位置P。因此，本实施例的腿式机器人10等同于通过位于位置P 的假想的转动关节52L将具有假想的连杆50L的腿14L连接到躯干12的构型。因此，腿式 机器人10能够实现与由具有假想的转动关节52L和假想的连杆50L的腿实现的行走步幅 等同的行走步幅。换句话说，本实施例的腿式机器人10能够以与具有与从左第一连杆20L 到假想的转动关节52L的长度相一致的腿长的腿式机器人相同的步长行走。注意，在躯干12的位置P处具有实际的关节的腿式机器人是不可行的。如图1(C) 所示，腿14L通过在躯干12的底表面12a下方的滑动关节16L而连接到躯干12。为实现具 有在位置P处的转动轴线的关节52L，该关节将被设置在躯干12内部。另外，在关节下方 必须确保可供连杆50L摆动的一定的空间。因此，在躯干12的位置P下方基本没有剩下可 供其它装置安装的空间。这种腿式机器人事实上与躯干的底部位于位置P的机器人是相同 的。这意味着，在常规机器人中，如果使髋关节的位置位于位置P，则必须使躯干的高度更 尚o相反，在本实施例的腿式机器人10中，通过在躯干12的底表面12a上的滑动关节 16L将实际的腿14L连接到躯干12。从而不必将腿14L设置在躯干12内。以前述构型，腿 式机器人10可在不使躯干12的高度出现任何增高的情况下具有更大的步长。另外，如图1(C)所示，通过在躯干12的底表面12a上的滑动关节16L来连接腿式 机器人10的腿14L。因此，能够缩短穿过躯干12的质心位置G的竖直线SO与腿14L的侧倾关节30L和34L的侧倾轴线S1和S3之间在横向方向上的距离W2。通过缩短距离W2可 得到以下效果。在腿式机器人中，特别是在使用一对腿来行走的腿式机器人中，当该机器人仅用 一条腿站立时，必须通过与地面相接触的仅有的一条腿来支撑机器人的躯干。在仅有一条 腿与地面相接触的情况下，由于躯干自身的重量而在支撑腿的侧倾关节上作用有力矩。该 力矩的大小与穿过躯干的质心位置的竖直线和侧倾关节的转动轴线之间的距离成比例。考 虑到这一点，在躯干12的底表面12a上将腿式机器人10的腿14L连接到躯干12上。因 此，如图1 (C)所示，当腿式机器人10直立时，设置在腿14L中的侧倾关节30L和34L在侧 向方向上位于躯干12的宽度W1范围内。因此，腿式机器人10成功地将在侧向方向上的距 离W2保持得很小。结果，在一条腿与地面相接触期间，腿式机器人10能够将作用在腿的侧 倾关节30L和34L上的力矩控制得很小。当处于一条腿站立的状态时，通过在躯干12的底 表面12a上设置滑动关节16L和16R，腿式机器人10可使作用在与地面相接触的腿的侧倾 关节上的力矩很小。因此，能够在侧倾关节中使用输出转矩小的电机。如上所述，尽管腿式机器人10具有通过滑动关节16L将腿14L连接到躯干12的 结构，该结构在运动学上等同于通过位于位置P的假想的转动关节52L将具有假想的连杆 50L的腿14L连接到躯干12的结构。通常在多关节机器人中，将多关节机器人的各关节角 度转换为端部位置的坐标的计算转换(这种转换称为正运动学或正向运动学)，以及将多 关节机器人的端部位置的坐标转换为各关节角度的计算转换(这种转换称为逆运动学或 反运动学)，在多关节机器人仅具有转动关节的情况下比多关节机器人具有滑动关节和转 动关节二者的情况更简单。特别地，如在腿式机器人10的滑动关节中情况(其中腿式机器 人具有沿曲线滑动的关节)，对于更复杂的正运动学和逆运动学需要更多的计算量。为了控 制本实施例的腿式机器人10，必须参照脚端的位置和腿14L的端部24La以及参照各转动关 节的关节角度来进行对于正运动学和逆运动学的计算。对于腿式机器人10，在执行正运动 学和逆运动学的转换计算方面，可假定滑动关节16L可被位于位置P的假想的转动关节52L 以及假想的连杆50L替代。换句话说，能够在假定通过假想的转动关节52L将腿14L连接 到躯干12的情况下进行正运动学和逆运动学的计算。尽管实际上应用的是滑动关节16L， 但可使用简单的计算来进行正运动学和逆运动学的处理。下面，将说明躯干12的质心位置G与弯曲的滑动关节16L的曲率中心的位置P之 间的关系。如图1(B)所示，位置P位于躯干12的质心位置G上方。如上所述，腿式机器人 10的腿14L与躯干12之间的运动学关系等同于通过位于位置P的假想的转动关节52L将 包括假想的连杆50L的腿14L连接到躯干12的结构。因此，当滑动关节16L和16R处于自 由状态时，即，处于腿14L和14R的端部24La和24Ra可分别沿导轨40L和40R自由移动的 状态时，由于重力而使躯干12处于位置G位于位置P竖直下方的姿势。或者，如果导轨40L 和40R的曲率中心的位置P位于位置G下方，并且滑动关节16L和16R被设定成自由状态， 则重力作用在躯干12上，促使躯干12的质心位置G移动到位置P的竖直下方的位置。结 果，躯干12会翻倒。通过使弯曲的导轨40L和40R的曲率中心的位置P位于躯干12的质 心位置G的上方，腿式机器人10具有以下优点在由于某些原因而使腿式机器人10在向前 或向后的方向上的倾斜角度增加的情况下，腿式机器人10可通过允许滑动关节16L和16R 处于自由状态来防止躯干12翻倒。在以彼此相继的不同的曲线形成导轨40L和40R的情况下也可得到这种优点。在这种情况下，各曲线的中心优选位于躯干12的质心位置G的上方。第二实施例下面将说明根据本发明的第二实施例的腿式机器人10a。图3所示的腿式机器人 10a具有在躯干13内的可供乘员100乘坐的座椅60。该腿式机器人10a是在搭载有乘员 的情况下行走的搭载式的腿式机器人。腿14L和14R以及滑动关节16L和16R构造成与图 1中的腿式机器人10相同，因此不再对其进行说明。除了设置有座椅60外，躯干13构造成 与图1所示的躯干12相同，因此不再对其进行说明。座椅60设置成使得座椅60的座部60a布置在弯曲的导轨40L和40R的曲率中心 的位置P的下方。已知，通常乘坐的乘员的质心位于该乘坐的乘员的髋部附近。图3示出 乘坐在座椅60中的乘员100的质心位置GH。可通过将座椅60设置成使得座椅60的座部 60a位于导轨40L和40R的曲率中心的位置P的下方，使乘员100的质心位置GH布置在曲 率中心的位置P的下方。躯干13的质心位置G也位于导轨40L和40R的曲率中心的位置P 的竖直下方。也可能使包括乘员100的躯干13的质心位于曲率中心的位置P的下方。因 此，与前述说明相似，在由于某些原因而使腿式机器人10a在向前或向后的方向上的倾斜 角度增加的情况下，腿式机器人10a可通过允许滑动关节16L和16R自由移动来防止搭乘 有乘员100的躯干13翻倒。如上所述，说明了本发明的具体实施例，但这些仅是示例性的，而不会限制权利要 求的范围。在权利要求中陈述的技术包括对上述具体实施例的修改和变型。在所述实施例中，如图1所示，腿14L(14R)使用包括侧倾关节30L(30R)和俯仰关 节32L(32R)的组合关节26L(26R)。然而，侧倾关节30L(30R)和俯仰关节32L(32R)也可通 过分离的连杆串联连接。也可对另一组合关节28L(28R)做同样的修改。另外，在上述实施例中，具有一对腿14L和14R的腿式机器人仅是示例，腿的数量 不限于一对。本发明还可应用于具有三条或更多条腿的腿式机器人。尽管本发明可应用于具有三条或更多条腿的腿式机器人中，但将本发明应用于具 有一对腿的腿式机器人中是特别有利的。原因是这样能够在从侧向方向上观察的情况下， 使腿的各侧倾关节都位于躯干的宽度范围内。在具有一对腿的腿式机器人中，在行走时会 出现腿式机器人仅用一条腿站立的情况。因此，由于躯干自身的重量而在支撑躯干的腿的 侧倾关节上产生力矩。支撑躯干的腿的各侧倾关节必须输出等于该力矩的转矩。通过使各 腿的侧倾关节在从侧向方向观察的情况下相对于躯干的侧部位于内侧，可使由机器人自身 的重量产生的且作用在腿的侧倾关节上的力矩很小。根据本发明的腿式机器人能够在保持 低的躯干高度的情况下以长步幅行走，同时，腿式机器人能够使作用在腿的侧倾关节上且 由躯干自身的重量产生的力矩很小。另外，在上述实施例的腿式机器人中，沿弯曲的躯干的底表面在前后方向上设置 滑动关节。在躯干的底表面上延伸成从躯干向下突出的弯曲导轨的布置中，不必使躯干的 底表面在前后方向上弯曲。导轨可在几个位置处连接到躯干的底表面上。另外，在本发明的腿式机器人中，将躯干与一对腿相连接以使各腿能够相对于躯 干滑动的滑动关节不限于弯曲的滑动关节。也可使用平直的滑动关节作为使腿在躯干的前 后方向上滑动的滑动关节。
另外，在上述实施例中，滑动关节16L和16R设置在躯干12的底表面上。然而，所 述一对滑动关节16L和16R可分别设置在躯干12的基体的与所述一对腿中的各腿分别对 应的各侧面上。即使在使用上述构型的情况下，也可实现能够在保持低的躯干高度的情况 下以大步行走的腿式机器人。在本说明书和附图中说明的技术要素单独地或以不同的组合展现出技术实用性， 并且不限于在提交时的权利要求中所列举的组合。另外，在本说明书和附图中说明的技术 以及特征可同时实现多个目的，另外，仅通过获得所述目的中的一者便使所公开的技术具 有技术实用价值。
权利要求
一种腿式机器人，包括躯干；一对腿，各所述腿都包括侧倾关节，所述侧倾关节具有相对于所述躯干沿前后方向延伸的转动轴线；以及一对滑动关节，各所述滑动关节设置在所述躯干的底表面上，并且分别将各所述腿的一端连接到所述躯干，使得各所述腿都能够相对于所述躯干沿所述前后方向滑动；其中，所述侧倾关节位于所述躯干的下方，并位于所述躯干的宽度范围内。
全文摘要
本发明涉及一种腿式机器人，该腿式机器人在确保躯干的高度低的情况下以大步幅行走。该腿式机器人具有躯干、一对腿以及一对滑动关节。各滑动关节分别将各腿的一端连接到躯干，使得各腿都能够相对于躯干在前后方向上滑动。对于每一个行走步，一条腿向前滑动而另一条腿向后滑动。可在一条腿的端部与另一条腿的端部之间保持预定的距离。该腿式机器人可使步幅增大相当于与腿长无关的该预定距离的量。
文档编号B62D57/032GK101797938SQ20101015990
公开日2010年8月11日 申请日期2007年1月11日 优先权日2006年1月12日
发明者小川章 申请人:丰田自动车株式会社