专利名称：双臂机器人的双臂肩关节机构和双足行走机器人的双腿髋关节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双臂机器人的双臂肩关节机构和一种双足行走机器人的双腿髋关节机构，还涉及使用上述机构的人形机器人的一种肩关节机构和一种髋关节机构。
另一方面，关于双足行走机器人的髋关节，比如如图8所示，采用这样一种机构，即，分别由电机A、B和C构成的3个旋转接头被设置成使3个电机的旋转轴相交于一点。
同时，人的髋关节通常是左侧和右侧分别各由一个具有3个DOF的球关节构成。此外，人具有臀部和脊椎的自由度，行走时能有效地利用这些自由度。到目前为止，在人形机器人中，通过髋关节63-1，63-2分别将两条腿62-1，62-2连接到腰部61上，如图9所示，而且，从通过减少致动器数量从而减轻重量的观点看，臀部和脊椎不具有自由度。此时，就出现了下面的问题。
(1)为了使包括腰部61的上身71从一侧到另一侧倾斜或者绕一垂直轴旋转，如
图10a-10d所示，就需要曲膝72，以便在正面图上在水平方向保持重心(COG)的可操作性。
(2)当人形机器人行走时，就需要借助于上身71控制左右平衡。因而，当行走时，人形机器人必须在膝盖72总是弯曲的情况下行走以便在任何方向控制左右平衡。此时，人形机器人的动作看起来很笨拙。
(3)当膝盖72弯曲时，由于向上的姿势在膝盖72上施加了一个负荷，用于驱动膝盖72的致动器就必须是一种大功率型的致动器。因而，有时就需要储存能量。
(4)作为解决上述问题的一种方法，可以考虑的是，提供给腰部61又一个DOF。然而，由于要求减轻重量和缩小尺寸，相对于人形机器人来说，增加自由度是不希望的。
本发明的另一个目的是提供一种双足行走机器人的双腿髋关节机构，它能够通过一个具有减少自由度的机构设计而减轻重量，并在保持低自由度时，能够使公知的髋关节增加腰关节的功能，并且能够自然行走。
根据本发明，一种双臂机器人的双臂肩关节机构包括一具有6个DOF(自由度)的双球关节，其结构是关节旋转轴相交于一点；以及被分别连接到所述双球关节两端上的两个臂。在本发明的双臂肩关节机构中，可以扩展双臂相互配合的工作空间，而没有改变DOF的数量。
而且，根据本发明的双臂肩关节机构可以被用作人形机器人的肩关节。此时，也可以扩展人形机器人的双臂相互配合的工作空间。
根据本发明，一种双足行走机器人的双腿髋关节机构包括一具有6个DOF(自由度)的双球关节，其结构是关节旋转轴相交于一点；以及被分别连接到所述双球关节两端上的两支腿。在本发明的双腿髋关节机构中，可以使髋关节功能增加一种腰关节的功能，而没有增加DOF。
而且，根据本发明的双腿髋关节机构可以被用作人形机器人的髋关节。此时，人形机器人可以进行多种动作，比如，上身的倾斜或者旋转，而膝盖保持直立状态，以便能够自然行走。
图1为示出本发明的双球关节的一实施例的示意图；图2为示出采用本发明双球关节的一种双臂机器人的一实施例的示意图；图3为示出图2所示双臂机器人的工作空间的示意图；图4为示出采用本发明双球关节的一种人形机器人的髋关节的一实施例的示意图；图5a-5d为分别示出采用本发明双球关节的人形机器人的一个动作的示意图；图6为示出公知双臂机器人的一个实例的示意图；图7为示出图6所示双臂机器人的工作空间的示意图；图8为示出所述双球关节的一实施例的示意图；图9为示出公知人形机器人的髋关节的一个实施例的示意图；图10a-10d为分别示出公知人形机器人的一个动作的示意图。
优选实施例描述图1为示出本发明的被用于双臂肩关节机构和双腿髋关节机构的一种双球关节的一个实施例的示意图。在图1所示实施例中，一双球关节1包括一第一球关节3，它由被用作致动器的电机A、B和C和一个被用于连接所述电机的各自旋转轴的连接件2构成；以及一第二球关节5，它由被用作致动器的电机D、E和F和一个被用于连接所述电机的各自旋转轴的连接件4构成。而且，在所述双球关节1中，第一球关节3和第二球关节5的旋转中心被连接到一点A。在上述机构中，同样在图8所示的机构中，给电机C确立一坐标系XcYcZc，而给电机F确立一坐标系XfYfZf，所述坐标系可以相对于一固定坐标系XYZ独立地表示任意姿势。而且，应当注意的是，电机A-F除了本身用作驱动装置以外，它们还包括用于控制转速的齿轮(未示出)。
本发明的另一特征是，所述双臂机器人采用了上述双球关节1。就是说，如图2所示，一双臂机器人11的所述双臂肩关节机构是通过将所述双球关节1固定到一基座12上，将一个臂13-1连接到所述双球关节1的第一球关节3上，并将另一臂13-2连接到所述双球关节1的第二球关节5上实现的。在此情况下，图3的阴影部分示出了所述臂13-1和臂13-2相互协作的工作空间，并且该空间比图7所示的没有采用双球关节的公知实例的工作空间要大很多。
作为一实施例，可以采用上述双臂肩关节机构作为人形机器人的肩关节。在此情况下，可以使得该人形机器人的肩关节机构具有较大的工作空间。
作为另一实施例，可以采用上述双腿髋关节机构作为双足行走机器人的髋关节。图4为示出使用本发明的双腿髋关节的人形机器人的髋关节的一实施例的示意图。在图4所示的实施例中，通过将第一球关节3的电机A与第二球关节5的电机D的公共轴线连接到所述腰部21上，将所述双球关节1固定到腰部。此外，一腿22-1与所述第一球关节3的电机C的旋转轴相连接，而另一腿22-2与所述第二球关节5的电机F的旋转轴相连接。因此，获得下面的效果。
(1)如图5a-5d所示，可以前后或者左右倾斜上身31并绕一垂直轴旋转上身31，而且这些动作可以独立于腿的动作而进行。因此，不需要曲膝32。
(2)即使在行走时，也可以独立地控制用于控制平衡的上身的动作。因此，可以仅仅通过上身的动作就能控制行走时的平衡，无需控制包括膝盖32在内的全部腿的平衡，从而能够实现象人一样的自然动作。
(3)即使在处于向上姿势时，由于上身能够起到控制平衡的作用，就可以弯曲膝盖32并且可以节省能量消耗和致动器的功率。
(4)除了髋关节功能之外，仅仅通过具有6个DOF的双腿髋关节，该机构就能实现腰关节的功能，比如上身的倾斜、扭转和旋转。
根据以上对本发明进行的描述可以清楚地知道，在具有与公知技术相同DOF的情况下，本发明可以获得如下效果。
(a)可以扩展所述双臂机器人的臂相互协作的工作空间。
(b)在采用本发明的机构作为人形机器人的肩关节机构时，可以构成具有大的工作空间的机构。
(c)可以倾斜、扭转和旋转人形机器人的髋关节和上身。
(d)当膝盖保持直立状态时，可以通过移动上身来控制前后或者左右的重心。
(e)当膝盖保持直立状态时，可以进行行走。
(f)可以减轻用于驱动膝盖的负荷，从而可以改善电机的能量消耗和电能不足。
权利要求
1.一种双臂机器人的双臂肩关节机构，其包括一个具有6个自由度的双球形关节，该关节的结构使关节旋转轴相交于一点；以及被分别连接到所述双球关节两端上的两个臂。
2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于所述双臂肩关节机构被用作人形机器人的一肩关节。
3.一种双足行走机器人的双腿髋关节机构，其包括一个具有6个自由度的双球关节，其结构是关节旋转轴相交于一点；以及被分别连接到所述双球关节两端上的两支腿。
4.根据权利要求3所述的机构，其特征在于所述双腿髋关节机构被用作人形机器人的一髋关节。
5.根据权利要求1-4任一项所述的机构，其特征在于所述6个自由度各自的旋转由一单轴电机和一齿轮执行。
全文摘要
一种双臂机器人的一种双臂肩关节机构以及一种双足行走机器人的一种双腿髋关节机构，它们采用一种双球关节，该球关节的具有6个自由度的关节旋转轴相交于一点。所述双臂机器人的双臂肩关节机构，其臂被分别连接到所述双球关节的一第一球关节和一第二球关节上。所述双足行走机器人的双腿髋关节机构，其腿被分别连接到所述双球关节的一第一球关节和一第二球关节上。
文档编号B25J17/00GK1440857SQ0312008
公开日2003年9月10日 申请日期2003年1月31日 优先权日2002年2月7日
发明者中村仁彦, 岡田昌史, 篠原彻也 申请人:东京大学