专利名称：双足步行机器人的下半身模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及可只用下半身进行步行动作的双足步行机器人的下半身模块，尤其是涉及使用并联杆机构(パラレルリンク)作为脚部的机构的双足步行机器人的下半身模块。
背景技术：
近年来，大力研究开发了在人的生活环境中进行活动的人形机器人，即所谓的宇宙机器人。宇宙机器人不仅是在工业生产中，而且也多以家务、看护老年人等使人们的生活舒适为目的而使用，为了在以人为目的而形成的环境中与不特定的使用者密切合作，需要具有与此相对应的形态和功能。并且，要求不需要进行特别的使用训练而具有安全的柔软的接触面，具有非常多的研究课题。尤其是，很多研究机构和企业正在对作为移动装置的与人相同地具有双足、进行双足步行的双足步行机器人进行深入的研究和开发。
现有的双足步行机器人都是在脚部机构中使用运动学上限制少的串联杆机构。串联杆机构是将多条杆串联连结的机构，广泛用于生产用的机械手等上。
通过由这样的串联杆机构构成脚部的双足步行机器人在特开平5-237775号公报(以下称为公报①)中有所记载，即“一种双足步行机器人，其特征在于，具有基体、至少一个连杆机构、驱动装置以及控制设备，所述连杆机构与基体连结、至少具有一个使两个杆结合的关节，所述驱动装置驱动上述连杆机构的关节，控制设备控制该驱动装置的动作”。
图7是现有的双足步行机器人的模式图。另外，在图7中，只就右脚部进行说明，左脚部与右脚部的结构相同，因此省略说明。
在图7中，100是现有的双足步行机器人，101是胯部的转动方向运动用关节，102是胯部的前后方向运动用关节，103是胯部的左右方向运动用关节，104是膝部的前后方向运动用关节，105是脚腕部的前后方向运动用的关节，106是脚腕部的左右方向运动用关节，107是脚部，108是基体，109是连结胯部的关节101、102、103和膝部的关节104的大腿连杆，110是连结膝部的关节104和脚腕部的关节105、106的小腿连杆。
如图7所示，现有的双足步行机器人100在右足部和左足部各具有6个关节。在胯部和脚腕部上分别以直角设置有前后左右方向的两个关节，其关节轴线在空间的一点相交。胯部的前后方向运动用关节102和膝部的前后方向运动用关节104以及脚腕部的前后方向运动用关节105的转动轴平行设置，无论其他三个自由度怎样变化，该三个关节102、104、105的相对位置关系不会改变。并且，在胯部设置转动方向运动用的关节101，作为进行整个脚部转动的第三自由度，该转动轴在关节102、103的轴的交点处与这两个轴相互正交地进行配置。
并且，在特开2001-121460号公报(以下称为公报②)中记载有以下内容“一种机器人用并联杆驱动机构，以空间六个自由度相对驱动第一部件和第二部件，其特征在于，该并联杆机构由至少三根连结第一部件和第二部件的、具有双自由度驱动功能的组合杆构成，各组合杆具有第一臂和第二臂、连结第一部件和第一臂的单自由度转动驱动关节、连结第一臂和第二臂的单自由度转动驱动单自由度转动从动关节、以及连结第二臂和第二部件的三自由度转动从动关节”。
但是，在上述现有的技术中，具有以下问题。
(1)在①号公报中所述的双足步行机器人中，由于脚部是通过串联杆机构构成的，因此设置在脚部的前端的足部的输出功率小，结构上不能承受大的负荷，例如具有以下问题，即，上半身不能搭载或组装重量大的部件，设计自由度低，并且，在上半身上设置臂部等情况下，不能用臂部拿重物进行高速移动，实用性差。
(2)并且，现有的双足步行机器人由于下半身的脚部是通过串联杆机构构成、结构的稳定性差，因此将上半身和下半身进行组合、使其协调动作的进行设计。因此具有以下课题，即，只设计下半身是很困难的，需要考虑上半身的结构和动作设计下半身，因此设计自由度低。
(3)在②号公报所述的机器人用并联杆驱动机构中，由于各组合杆通过串联连结的第一臂和第二臂构成，因此在将该机器人用并联杆驱动机构用于机器人左右的脚部上时，具有各机构相互干涉，动作受到限制，并且设计自由度低、实用性差的问题。
本发明就是用于解决上述以往的课题的，其目的是提供一种双足步行机器人的下半身模块，该下半身模块由于通过并联杆机构构成脚部，因此脚部可承受大的负荷，可搬运重物，实用性好，并且可装载或组装重量大的上半身、设计自由度高。
发明内容
为了解决上述课题，本发明的双足步行机器人的下半身模块具有以下结构。
本发明的技术方案1所述的双足步行机器人的下半身模块具有以下结构，即，具有基座部；右足部和左足部；分别设置在上述基座部、上述右足部和上述左足部上的多个从动关节；在设置在上述基座部的上述从动关节和设置在上述右足部的上述从动关节之间、以及在设置在上述基座部的上述从动关节和设置在上述左足部的上述从动关节之间分别设置的并联杆机构部。
通过该结构具有如下作用。
(1)下半身模块的脚部，由于通过在基座部与右足部以及与左足部之间分别并列配置有多条杆的并联杆机构而形成，因此负荷可分散在各杆上、可承受大的负荷、可提高刚性，并且，右足部和左足部上的输出功率较大，可装载或运输重物、实用性非常好。
(2)下半身模块的脚部，由于通过在基座部与右足部以及与左足部之间分别并列配置有多条杆的并联杆机构而形成，因此由步行动作中的连杆的活动移位的误差而产生的右足部或左足部的位置误差被平均化，可进行高精度的定位，并且，检测杆的变位的检测器不需要很高的分辨率，生产效率高。
(3)由于下半身模块的脚部的动作不需要上半身的补偿动作，因此可装载或组装重量大的上半身，设计自由度高。
(4)下半身模块的脚部由于通过并联杆机构部而形成，因此容易进行用于动作控制的逆运动学的计算，可减轻生成步行方式的计算机的负担。
(5)下半身模块的脚部由于通过并联杆机构部形成，因此与串联杆机构相比较，在下半身模块形成低的姿势时，可降低施加在杆的促动器上的负荷转矩，同时，可节省促动器的动力、节能性好。
(6)由于构成并联杆机构部的多条杆可使用相同结构的部件，因此制造时可节省成本和劳动力，并且，可提高维修保养性。
在此，并联杆机构部被分别设置在基座部和右足部之间、基座部和左足部之间，多个杆并列配置在各并联杆机构部上。
连杆可使用具有电动机的进给螺纹机构，或使用油压、水压、气压缸或直动型促动器等的直动连杆，或通过驱动关节连结两根以上的棒状部件等的各种部件。另外，使用直动连杆的情况下，各直动连杆由于向其轴方向伸缩，因此不相互干涉，可实现装置的小型化和紧凑化，较为理想。
作为从动关节可将万向接头、球关节或双轴的联轴器，或将这些与单轴或双轴的联轴器的组合等分别适当地设置在基座侧或右足部侧、左足部侧使用。另外，与球关节相比较，使用万向接头时的可动范围变大，非常理想。
技术方案2所述的双足步行机器人的下半身模块在技术方案1所述的发明，其结构为，具有设置在上述基座部和上述右足部之间以及设置在上述基座部和上述左足部之间各三组的上述并联杆机构部。
通过该结构，在技术方案1的作用以外，还具有以下作用。
(1)左右的脚部使用的各并联杆机构部，两根为一组设置成V字形，由于通过设置了三组斯特瓦尔特(Stewart)平台而构成，因此稳定性和刚性非常好，并且，可使动作控制简便化。
在此，用于下半身模块的左右脚部的各并联杆机构部，最好对称设置在基座部的中央两侧。并且，用于并联杆机构部的连杆最好在左右的脚部也同样地对称设置。这样，可进行用于控制步行动作的ZMP(Zero Moment Point)控制，步行动作时的稳定性非常好。
技术方案3所述的双足步行机器人的下半身模块在技术方案1或2所述的发明中，上述并联杆机构部是分别具有六个自由度的结构。
通过该结构，在技术方案1或2的作用以外，还具有以下作用。
(1)由于并联杆机构部分别具有六个自由度，因此右足部和左足部可进行多种动作，可圆滑地进行步行动作。
(2)在右脚的并联杆机构部和左脚的并联杆机构部对称设置的情况下，由于各并联杆机构部具有六个自由度，因此在进行步行动作时，可进行步行控制，以使轴的周方向的力矩不施加在下半身模块的腰轴上，因此在步行时基座部不会在腰轴的轴周方向转动，可稳定地步行。
技术方案4所述的双足步行机器人的下半身模块，在技术方案1至3中的任一项所述的发明中，其结构为，上述并联杆机构部的连杆具有通过上述从动关节分别立设在上述基座部和上述右足部之间、以及上述基座部和上述左足部之间的多根可伸缩的直动连杆。
通过该结构，除了技术方案1至3中的任一项的作用以外，还具有以下作用。
(1)并联杆机构部的连杆，通过使用杆的纵向为可动方向的直动连杆，各直动连杆之间互不干涉，因此可使装置小型化以及紧凑化，并且，设计自由度高。
(2)并联杆机构部的连杆，通过使用杆的纵向为可动方向的直动连杆，在直动连杆伸长时和缩短时，施加在直动连杆的促动器上的负荷没有大的差别，因此在下半身模块形成低的姿势的情况下，可降低施加在促动器上的负荷转矩，并且可节省促动器的动力、节能性高。
(3)由于在各直动连杆上只附加拉伸力和压缩力，而没有弯矩，因此强度和刚性高，并且选择材质和形状的范围广、设计自由度高。
技术方案5所述的双足步行机器人的下半身模块，在技术方案1至4中的任一项所述的发明中，具有以下结构，即，上述并联杆机构部的连杆的各促动器是直动型的促动器。
通过该结构，在技术方案1至4中的任一项的作用以外，还具有以下作用。
(1)为了使直动连杆在其纵向伸缩，可使用直动型促动器，因此可减少零件数量，并且容易进行高精度的变位控制。
技术方案6所述的双足步行机器人的下半身模块在技术方案5所述的发明中，具有以下结构，即，上述直动型促动器被设置在上述直动连杆的上述基座部侧。
通过该结构，在技术方案5的作用以外，具有以下作用。
(1)由于直动型促动器设置在基座部侧，因此可减轻直动连杆的右足部以及左足部的重量，可降低使右足部和左足部动作的动力，节能性和稳定性非常好。
技术方案7所述的双足步行机器人的下半身模块在技术方案1至6中的任一项所述的发明中，具有以下结构，即，上述从动关节具有基座部侧从动关节，该基座部侧从动关节具有固定在上述基座部的コ字形的基座部侧上部联轴器、固定在上述直动连杆端部的コ字形的基座部侧下部联轴器、以及将上述基座部侧上部联轴器和上述基座部侧下部联轴器可自由转动地连结成正交状的连结转动部；足侧从动关节，该足侧从动关节具有固定在上述直动连杆的端部的コ字形的足部侧上部联轴器、可自由转动地固定在上述足部的コ字形的足部侧下部联轴器、以及将上述足侧上部联轴器和上述足侧下部联轴器可自由转动地连结成正交状的连结转动部。
通过该结构，在技术方案1至6中的任一项的作用以外，还具有以下作用。
(1)直动连杆，通过具有双自由度的基座部侧从动关节和具有三个自由度的足部侧从动关节，以此在其两端与基座部和足部连结，因此各从动关节追随直动连杆的伸缩、不妨碍其伸缩地圆滑地从动，可进行稳定的动作，同时可较大地设定可动范围。
(2)左右脚的并联杆机构部由于分别形成六个自由度，因此右足部和左足部可进行以前后、左右、上下以及前后方向、左右方向、上下方向为轴的轴周方向的动作，并可进行多种动作，可圆滑地进行步行动作。
图1(a)是第一实施方式中的双足步行机器人的下半身模块的模式立体图。
图1(b)是第一实施方式中的双足步行机器人的下半身模块的模式俯视图。
图2是第二实施方式中的双足步行机器人的下半身模块的立体图。
图3是直动连杆的要部立体图。
图4(a)是直动连杆的要部侧视图。
图4(b)是沿图4(a)的A-A线的要部剖视图。
图5是基座部侧从动关节的要部立体图。
图6是足部侧从动关节的要部立体图。
图7是现有的双足步行机器人的模式图。
具体实施例方式
以下根据附图就本发明的实施方式进行说明。
第一实施方式图1(a)是第一实施方式中的双足步行机器人的下半身模块的模式立体图，图1(b)是第一实施方式中的双足步行机器人的下半身模块的模式俯视图。
在图1中，1是第一实施方式中的双足步行机器人的下半身模块，1a是右脚的并联杆机构部，1b是左脚的并联杆机构部，2是基座部，3是右足部，4是左足部，5a、5a’，5b、5b’，5c、5c’是直动连杆，6a、6a’，6b、6b’，6c、6c’是基座部侧从动关节，7a、7b、7c是足部侧从动关节，8a、8b、8c是转动从动关节。另外，左脚的并联杆机构部1b的各部与右脚的并联杆机构部1a对称、结构相同，因此省略说明。
在此，基座部侧从动关节6a、6a’设置在基座部2的下面的右后部侧。足部侧从动关节7a设置在右足部3的右后部侧，转动从动关节8a设置在其下部。直动连杆5a的上端部与基座部侧从动关节6a连结，下端部与足部侧从动关节7a连结。直动连杆5a’的上端部与基座部侧从动关节6a’连结，下端部与足部侧从动关节7a连结。
基座部侧从动关节6b、6b’设置在基座部2的下面的右前部侧。足部侧从动关节7b设置在右足部3的右前部侧，转动从动关节8b设置在其下部。直动连杆5b的上端部与基座部侧从动关节6b连结，下端部与足部侧从动关节7b连结。直动连杆5b’的上端部与基座部侧从动关节6b’连结，下端部与足部侧从动关节7b连结。
基座部侧从动关节6c、6c’设置在基座部2下面的右中央部。足部侧从动关节7c设置在右足部3的右中央部，转动从动关节8c设置在其下部。直动连杆5c的上端部与基座部侧从动关节6c连结，下端部与足部侧从动关节7c连结。直动连杆5c’的上端部与基座部侧从动关节6c’连结，下端部与足部侧从动关节7c连结。
这样，右脚的并联杆机构部1a和左脚的并联杆机构部1b，相对于基座部2的中央对称地设置在其两侧。这样可进行用于步行动作控制的ZMP控制，步行动作时的稳定性非常好。
并且，直动连杆5、5a、5a’、5b、5b’、5c、5c’(以下称为直动连杆5、5a～5c’)使用具有电动机的进给螺纹机构或使用油压、水压、气压等的液压缸等的直动式促动器，可自由伸缩地形成，形成为在其纵向进行伸缩的单自由度。基座部侧从动关节6、6a、6a’、6b、6b’、6c、6c’(以下称为基座部侧从动关节6、6a～6c’)与直动连杆5、5a～5c’的纵向正交，并且，形成为在各正交的双轴的轴周方向转动的双自由度。足部侧从动关节7、7a、7b、7c与直动连杆5、5a～5c’的纵向正交，并且，形成为在各正交的双轴的轴周方向转动的双自由度。转动从动关节8、8a、8b、8c形成为在直动连杆5、5a～5c’的轴周方向转动的单自由度。
这样，并联杆机构部1a、1b由于分别形成为六个自由度，因此右足部3和左足部4可进行以前后、左右、上下以及前后方向、左右方向、上下方向为轴的轴周方向的动作，并可进行多种动作，可圆滑地进行步行动作。
并且，右脚的并联杆机构部1a和左脚的并联杆机构部1b相对于基座部2的中央对称地设置在其两侧，并且，由于各并联杆机构部1a、1b具有六个自由度，因此，在步行动作时，可进行步行控制，以使力矩不施加在下半身模块1的腰轴，即，穿过基座部2的中央、与基座部2正交的轴的轴周方向上。这样，步行时基座部2不会进行腰轴的轴周方向的转动，不会翻倒、可稳定地步行。
以下，利用附图就如上所述结构的第一实施方式的双足步行机器人的下半身模块的动作进行说明。在本实施方式中，就下半身模块的右脚的动作进行说明。左脚的动作和右脚相同，因此省略说明。
在使右脚动作的情况下，根据事先设定的步行方式、计算右足部3的逆运动学，根据计算的值驱动直动连杆5a～5c’的各未图示的促动器、使直动连杆5a～5c’进行伸缩。设置在直动连杆5a～5c’与基座部2或与右足部3的连结部分上的基座部侧从动关节6a～6c’、足部侧从动关节7a～7c以及转动联轴器8a～8c，随着直动连杆5a～5c’的伸缩、不妨碍该伸缩地圆滑地从动。直动连杆5a～5c’的促动器的驱动，通过分别设置在促动器上的回转式编码器等的无图示的检测器进行检测，并将得到的检测值作为角度数据进行反馈、对直动连杆5a～5c’进行反馈控制。这样，右足部3可进行迈出一步的动作或原地踏步的动作等。而且，通过右足部3和左足部4交替连续进行这样的动作，可进行步行动作。
由于如上所述地构成第一实施方式中的双足步行机器人的下半身模块1，因此具有以下作用。
(1)下半身模块1的脚部，由于通过在基座部2与右足部4以及与左足部4之间分别并列设置有多条直动连杆5的并联杆机构部1a、1b形成，因此负荷可分散在各直动连杆5上、可承受大的负荷、提高了刚性，同时，右足部和左足部上的输出功率增大，可装载或运输重物等、实用性非常好。
(2)由于由步行动作中的直动连杆的可动变位的误差产生的右足部3或左足部4的位置误差被平均化，可进行高精度的定位，同时，由于检测直动连杆5的变位的检测器不需要很高的分辨率，因此生产效率高。
(3)由于下半身模块1的脚部的动作不需要上半身的补偿动作，因此可装载或组装重量大的上半身，设计的自由度高。
(4)下半身模块1的脚部由于通过并联杆机构部1a、1b而形成，因此容易进行用于动作控制的逆运动学的计算，可减轻生成步行方式的计算机的负担。
(5)与串联杆机构相比较，在下半身模块1形成低的姿势时，可降低施加在直动连杆5的促动器上的负荷转矩，同时，可节省促动器的动力、节能性好。
(6)由于构成并联杆机构部1a、1b的直动连杆5可使用相同结构的部件，因此制造时可节省成本和劳动力，同时，可提高维修保养性。
(7)由于左右的脚部使用的各并联杆机构部1a、1b，以两根直动连杆5为一组设置成V字形，并利用将其设置了三组的斯特瓦尔特(Stewart)平台而构成，因此稳定性和刚性非常好，并且可使动作控制简便化。
(8)由于在各直动连杆5上只施加拉伸力和压缩力，而没有施加弯矩，因此强度和刚性高，并且选择材质和形状的范围广、设计自由度高。
第二实施方式图2是第二实施方式中的双足步行机器人的下半身模块的立体图。
在图2中，1c是第二实施方式中的双足步行机器人的下半身模块、2是基座部、3是右足部、3a是固定在右足部3的上部的平板状的固定板、4是左足部、4a是固定在左足部4的上部的平板状的固定板、9是设置在基座部2的上面的控制装置部、9’是设置在控制装置部9的后部的控制用计算机、10是罗盘、11是电池、12是电动机驱动用电路部、15是分别立设在基座部2与右足部3以及与左足部4之间的直动连杆、16是固定在基座部2下面侧的规定位置上的基座部侧从动关节、17是可自由转动地固定在右足部3和左足部4的固定板3a、4a的上面侧的规定位置上的足部侧从动关节。
在此，在第二实施方式中，直动连杆15通过后述的进给螺纹机构形成为可在纵向上自由伸缩。也可利用使用油压、水压、气压等的液压缸或直动式促动器的机构代替进给螺纹机构。直动连杆15，两根为一组设置成V字形，即，上端部与各基座部侧从动关节16连结、下端部与一个足部侧从动关节17连结。一组直动连杆15在右脚和左脚上各设置三组、俯视时呈三角形，每只脚上设置6根、共12根。即，第二实施方式中的双足步行机器人的下半身模块1c的左右脚部分别由斯特瓦尔特(Stewart)平台构成。这样，动作的稳定性和强度非常高。并且，在一个基座部侧从动关节16上连结有一个直动连杆15的上端部，在一个足部侧从动关节17上连结有两个直动连杆15的下端部。
罗盘10、电池11、电动机驱动用电路部12设置在控制装置部9上。在第二实施方式中，电池11使用镍氢电池。
并且，在右足部3和左足部4的底面侧也可设置检测地面的反作用力的六轴力觉传感器。六轴力觉传感器可高精度地并且逐一连续地同时检测各轴方向的力的三个成分和各轴的周围的力矩的三个成分。并且，也可根据六轴力觉传感器检测出的值进行ZMP控制。
以下利用附图、就直动连杆的结构进行详细说明。
图3是直动连杆的要部立体图，图4(a)是直动连杆的要部侧视图，图4(b)是图沿着4(a)的A-A线的要部剖视图。
在图3或图4中，15是直动连杆，21是保持后述的电动机、齿轮组件、保持制动器、回转式编码器等的保持壳体，22是从保持壳体21延伸设置的空心的外管部，23是插设在外管部22中、在直动连杆15的纵向滑动的内杆部。直动连杆15的伸缩通过内杆部23的滑动进行。24是在内杆部23上、形成在其纵向的外螺纹轴插通孔，25是在内杆部23的外周上、上下相对地铺设在其纵向的杆导轨部，26是与杆导轨部25嵌合滑动的导轨引导部，27是检测内杆部23的初期位置的初期位置传感器，28是电动机，29是将电动机28的转动轴的转动减速到规定的转动速度的齿轮组件，30是不通电时、用于固定电动机28的转动轴、保持内杆部23的保持制动器，31是检测电动机28的转动轴的转动的回转式编码器，32是通过齿轮组件29连结转动轴和后述的外螺纹轴部的联轴节、33是支撑后述的外螺纹轴部的轴承，34是设置在外管部22的内部、并插通内杆部23的外螺纹轴插通孔24、外周形成螺纹的外螺纹轴部，35是固定在内杆部23的外管部22的内部侧的端部的外螺纹轴插通孔24内、与外螺纹轴部34螺合的内螺纹螺母部、36a、36b是止动器。
在此，在第二实施方式中，保持壳体21和外管部22的材质使用轻质的并且强度较高的缩醛类塑料的DURACON(商标)。并且，初期位置传感器27使用显微照相传感器。
在保持电动机28、齿轮组件29、保持制动器30、回转式编码器31的保持壳体21上，可形成冷却用狭缝或空气冷却风扇、用于冷却电动机28。这样，可降低电动机28的负荷。并且，出于同样的目的也可将冷却用的风扇设置在系统内、可得到同样的效果。
电动机28、齿轮组件29、保持制动器30、回转式编码器31被设置在壳体21内，壳体21被设置在直动连杆15的基座部2侧。这样，由于可减轻直动连杆15上的右足部3或左足部4侧的重量，因此可降低使右足部3或左足部4动作的动力，节省劳动力并且稳定性好。
并且，在第二实施方式中，为了螺合外螺纹轴部34和内螺纹螺母部35而使用滑动螺纹(滑り螺子)。这样，可使内杆部23进行高速滑动，可提高步行速度。但是，外螺纹轴部34和内螺纹螺母部35的螺合并不局限于滑动螺纹，也可使用滚珠螺纹(ボ一ル螺子)。在使用滚珠螺纹的情况下，虽然可降低螺合部分的摩擦阻力，但是由于使装置大型化或限制导程角的设定等，因此最好根据装置的大小或需要的可动速度等进行适当的选择。
如图3或图4所示，一旦驱动发电机28，则其转动轴进行转动、外螺纹轴部34以通过齿轮组件29以规定的减速比减速后的转动速度进行转动。在外螺纹轴部34上啮合有固定在内杆部32上的内螺纹螺母部35。在此，由于设置在外周面上的杆导轨部25与导轨引导部26嵌合，因此内杆部23在纵向滑动而在轴的周方向不转动。这样，一旦外螺纹轴部34转动，则内杆部23利用进给螺纹机构、通过内螺纹螺母部35在其纵向滑动。如此直动连杆15进行伸缩。
以下利用附图，就基座部侧从动关节的结构进行详细说明。
图5是基座部侧从动关节的要部立体图。
在图5中，2是基座部，15是直动连杆，16是基座部侧从动关节，21是直动连杆15的保持壳体，41是固定在基座部2下部的コ字形的基座部侧上部联轴器，42是架设在基座部侧上部联轴器41的立设的相对边上的上部联轴器轴，43是固定在直动连杆15的保持壳体21侧的上端部的コ字形的基座部侧下部联轴器，44是架设在基座部侧下部联轴器43的立设的相对边上、并可自由转动地轴支撑基座部侧下部联轴器43的下部联轴器轴，45是使上部联轴器轴42和下部联轴器轴44正交连结的连结转动部。
如图5所示，基座部侧下部联轴器43相对于基座部侧上部联轴器41、在上部联轴器轴42和下部联轴器轴44的轴周方向转动。这样，基座部侧从动关节16由于在与直动连杆15的纵向正交的上部联轴器轴42和下部联轴器轴44的轴周方向上具有双自由度，因此可追随直动连杆15的伸缩、不妨碍该伸缩地圆滑地从动。
以下利用附图、就足部侧从动关节的结构进行详细说明。
图6是足部侧从动关节的要部立体图。
在图6中，3a是固定板，15、15’是直动连杆，17是脚部侧从动关节，23是直动连杆15的内杆部，23’是直动连杆15’的内杆部，51是与内杆部23的下端部连结的コ字形的第一足侧上部联轴器，53是与内杆部23’的下端部连结的コ字形的第二足侧上部联轴器，55是架设在第一足侧上部联轴器51和第二足侧上部联轴器53的立设的相对边上、连结第一足侧上部联轴器51和第二足侧上部联轴器53、可自由转动地分别对其轴支撑的上部联轴器轴，56是通过后述的足侧基端部连结在固定板3a上的コ字形的足侧下部联轴器，57是架设在足侧下部联轴器56的立设的相对边上的下部联轴器轴，58是固定在固定板3a上的足侧基部，59是将足侧下部联轴器56相对于足侧基部58可自由转动地轴支撑的基部轴，60是使上部联轴器轴55和下部联轴器轴57正交、连结的连结转动部。
如图6所示，第一足侧上部联轴器51和第二足侧下部联轴器53，相对于足侧下部联轴器56，在上部联轴器轴55和下部联轴器轴57的轴周方向上转动。并且，足侧下部联轴器56相对于足侧基端部58在基部轴59的轴周方向转动。这样，由于足部侧从动关节17在与直动连杆15的纵向正交的上部联轴器轴55和下部联轴器轴57的轴周方向具有双自由度，并且，在直动连杆15的轴方向的基部轴59的轴周方向具有单自由度，因此追随直动连杆15的伸缩、不妨碍该伸缩地圆滑地从动。
如上所述地构成的第二实施方式的双足步行机器人的下半身模块的步行动作与第一实施方式中所说明的相同，因此省略其说明。
第二实施方式的双足步行机器人的下半身模块如上所述地构成，因此具有以下作用。
(1)通过使用直动连杆15，各直动连杆15不相互干涉，因此可实现装置的小型化和紧凑化，并且设计自由度高。
(2)通过使用直动连杆15，在直动连杆15的伸长时和缩短时，施加在直动连杆15的电动机28上的负荷不产生大的差，因此在下半身模块1c形成低姿势的情况下，可降低施加在电动机28上的负荷转矩，同时，可节省电动机28的耗电量、节能性好。
(3)由于双足步行机器人的下半身模块1c的左右脚部，分别由将多条直动连杆15并列配置在基座部2与右足部3和与左足部4之间的并联杆机构形成，因此可承受大的负荷、可搬运重物、且实用性好，并且，由于双足步行机器人的下半身模块1c的脚部动作不需要上半身的补偿动作，因此可装载或组装重量大的上半身，设计自由度高。
(4)由于由步行动作中的直动连杆15的可动变位的误差而引起的右足部3或左足部4的位置误差被平均化，因此可进行高精度的动作，并且，由于检测直动连杆15的变位的回转式编码器31不需要高的分辨率，因此生产效率高。
(5)由于在各直动连杆15上只附加有拉伸力和压缩力，而不施加弯矩，因此强度和刚性高，并且选择材质和形状的面广、设计自由度高。并且，由于通过使用外螺纹轴部34和内螺纹螺母部35的进给螺纹机构，使内杆部23滑动，因此容易控制并且强度和刚性好。
(6)由于多根直动连杆15可使用相同结构的装置，因此制造时可节省成本和劳动力，并且可提高维修保养性。
(7)由于将直动连杆两根为一组设置成V字形，并在右足部和左足部上至少各设置三组、设置成俯视为三角形，因此下半身模块的脚部分别由斯特瓦尔特(Stewart)平台构成，稳定性以及强度好。
如上所述，根据本发明的双足步行机器人的下半身模块可得到以下有利的效果。
根据技术方案1所述的发明，具有以下效果，(1)由于下半身模块的脚部，通过在基座部与右足部和与左足部之间分别并列配置多条连杆的并联杆机构部而形成，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，负荷可分散在各连杆上、可承受大的负荷、并可提高刚性，同时，右足部和左足部上的输出功率大，可装载或运输重物、且实用性非常好。
(2)由于下半身模块的脚部，通过在基座部与右足部和与左足部之间分别并列配置多条连杆的并联杆机构部而形成，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，由步行动作中的连杆的可动变位的误差产生的右足部或左足部的位置误差被平均化，可进行高精度的定位，并且，由于检测连杆的变位的检测器不需要很高的分辨率，因此生产效率高。
(3)由于下半身模块的脚部的动作不需要上半身的补偿动作，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，可装载或组装重量大的上半身，并且设计自由度高。
(4)由于下半身模块的脚部通过并联杆机构部形成，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，容易进行用于动作控制的逆运动学的计算，可减轻生成步行方式的计算机的负担。
(5)由于下半身模块的脚部通过并联杆机构部形成，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，与串联杆机构相比较，在下半身模块形成低的姿势时，可降低施加在杆的促动器上的负荷转矩，并且，可节省促动器的动力、节能性好。
(6)由于构成并联杆机构部的多条杆可使用相同结构的部件，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，制造时可节省成本和劳动力，同时，可提高维修保养性。
根据技术方案2所述的发明，在技术方案1的效果之外，还具有以下作用，(1)由于左右的脚部所使用的各并联杆机构部，以两根连杆为一组设置成V字形，并通过将其设置了三组的斯特瓦尔特(Stewart)平台而构成，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，稳定性和刚性非常好，并且可使动作控制简便化。
根据技术方案3的发明，在技术方案1或2的作用以外，还具有以下作用，(1)由于并联杆机构部分别具有六个自由度，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，右足部和左足部可进行多种动作，可圆滑地进行步行动作。
(2)由于在右脚的并联杆机构部和左脚的并联杆机构部对称设置的情况下，各并联杆机构部具有六个自由度，因此在进行步行动作时，可进行步行控制，以使轴周方向的力矩不施加在下半身模块的腰轴上，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，步行时基座部不会在腰轴的轴周方向转动，可稳定地步行。
根据技术方案4的发明，在技术方案3的作用以外，还具有以下作用，(1)由于并联杆机构部的连杆使用活动方向为连杆的纵向的直动连杆，并且各直动连杆互不干涉，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，可使装置小型化以及紧凑化，并且，设计自由度高。
(2)由于并联杆机构部的连杆，使用可动方向为连杆的纵向的直动连杆，并且直动连杆伸长时和缩短时，施加在直动连杆的促动器上的负荷没有大的差别，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，在下半身模块形成低的姿势的情况下，可降低施加在促动器上的负荷转矩，并且可节省促动器的动力、节能性高。
(3)由于在各直动连杆上只附加有拉伸力和压缩力，而没有施加弯矩，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，强度和刚性高，并且，选择材质和形状的范围广、设计自由度高。
根据技术方案5的发明，在技术方案1至4中的任一项的作用以外，还具有以下作用，(1)为了使直动连杆在其纵向伸缩，可使用直动型促动器，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，可减少零件数量，并且，容易进行高精度的变位控制。
根据技术方案6的发明，在技术方案5的作用以外，还具有以下作用。
(1)由于直动型促动器设置在基座部侧，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，可减轻直动连杆的右足部以及左足部的重量，可降低使右足部和左足部动作的动力，节能性和稳定性非常好。
根据技术方案7的发明，在技术方案1至6中的任一项的作用以外，具有以下作用。
(1)由于直动连杆通过具有双自由度的基座部侧从动关节和具有三个自由度的足部侧从动关节，在其两端与基座部和脚部连结，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，各从动关节追随直动连杆的伸缩、并不妨碍其伸缩地圆滑地从动，可进行稳定的动作，并且可大范围地设定可动范围。
(2)由于左右脚的并联杆机构部分别形成为六个自由度，因此可提供如下的双足步行机器人的下半身模块，即，右足部和左足部可进行以前后、左右、上下以及前后方向、左右方向、上下方向为轴的轴周方向的动作，并可进行多种动作，可圆滑地进行步行动作。
权利要求
1.一种双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，具有基座部；右足部和左足部；分别设置在上述基座部、上述右足部和上述左足部上的多个从动关节；在设置在上述基座部的上述从动关节和设置在上述右足部的上述从动关节之间、以及在设置在上述基座部的上述从动关节和设置在上述左足部的上述从动关节之间分别设置的并联杆机构部。
2.如权利要求1所述的双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，具有设置在上述基座部和上述右足部之间以及设置在上述基座部和上述左足部之间各三组的上述并联杆机构部。
3.如权利要求1或2所述的双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，上述并联杆机构部分别具有六个自由度。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，上述并联杆机构部的连杆具有通过上述从动关节分别立设在上述基座部和上述右足部之间、以及上述基座部和上述左足部之间的多根可伸缩的直动连杆。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，上述并联杆机构部的连杆的各促动器是直动型促动器。
6.如权利要求5所述的双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，上述直动型促动器被设置在上述直动连杆的上述基座部侧。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的双足步行机器人的下半身模块，其特征在于，上述从动关节具有基座部侧从动关节和足侧从动关节，所述基座部侧从动关节具有固定在上述基座部的コ字形的基座部侧上部联轴器、固定在上述直动连杆端部的コ字形的基座部侧下部联轴器、以及将上述基座部侧上部联轴器和上述基座部侧下部联轴器可自由转动地连结成正交状的连结转动部；所述脚侧从动关节具有固定在上述直动连杆得端部的コ字形的足部侧上部联轴器、可自由转动地固定在上述脚部的コ字形的足部侧下部联轴器、以及将上述脚侧上部联轴器和上述脚侧下部联轴器可自由转动地连结成正交状的连结转动部。
全文摘要
本发明提供一种双足步行机器人的下半身模块，该下半身模块由于通过并联杆机构构成脚部，因此脚部可承受大的负荷，可搬运重物，实用性好，并且可装载或组装重量大的上半身、设计自由度高。本发明的双足步行机器人的下半身模块(1)，具有基座部(2)；右足部(3)和左足部(4)；分别设置在基座部(2)、右足部(3)和左足部(4)上的多个从动关节(6，7，8)；在设置在基座部(2)的从动关节(6)和设置在上述右足部(3)的从动关节(7，8)之间、以及在设置在基座部(2)的从动关节(6)和设置在左足部(4)的从动关节(7，8)之间分别设置的并联杆机构部(1a，1b)。
文档编号B25J19/00GK1819901SQ03826959
公开日2006年8月16日 申请日期2003年9月12日 优先权日2003年9月12日
发明者高西淳夫, 井野重秋, 高本阳一, 马场胜之 申请人:提姆查克股份有限公司, 高西淳夫