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：
本发明涉及具有躯干链(link)和连接在躯干链上的一双腿的腿式机 器人。另外，在本说明书中，有时将腿式机器人简称为机器人。
背景技术：
在躯干链上连接有一双腿的腿式机器人已经被开发出来。各个腿具有 多个链。在各个腿上连接有至少两个链，并配置有多个关节，所述多个关 节使得相连的链彼此通过动力而相对旋转。与关节相连的链有时是构成腿 的链彼此，有时是构成腿的一个链和躯干链。将连接构成腿的一个链与躯 干链的关节称为股关节。在本说明书中，将相对于所连接的链仅实现一个 自由度的相对旋转的关节以一个关节来表现，将相对于所连接的链实现两 个自由度的相对旋转的关节以两个独立的关节来表现。
腿式机器人通过适当控制使连接在关节上的链彼此相对旋转的动力， 使得一双腿相对于躯干链交替地前后摆动，由此腿式机器人行走。前后摆 动的腿的动作主要由如下关节的动作形成，该关节是指使所连接的链彼此 在与向体侧方向延伸的直线相交叉的面内旋转的关节中其旋转中心位于离 行走面(例如地板面)最远的位置(即最高的位置)上的关节。
使链彼此相对旋转的关节除了具有物理上的旋转轴的旋转关节之外， 还可以滑动关节来实现，该滑动关节具有沿着以虚拟旋转轴为中心的圆弧 延伸的轨道和在轨道上移动的滑动部件。在滑动关节的情况下，尽管不存 在构成旋转轴的物理部件，但存在作为旋转中心轴的旋转轴。在本说明书中所说的旋转轴表示旋转的中心轴，其不受有无物理部件的制约。此外， 所谓旋转中心，是指在由相对旋转的链形成的平面中链彼此相对旋转时的 中心点，换句话说就是由相对旋转的链形成的平面与旋转轴的交点。
在本说明书中，将使连接的链彼此在与向体侧方向延伸的直线交叉的 面内旋转的关节称为俯仰关节。换句话说，俯仰关节是使连接的链彼此绕 着向体侧方向延伸的旋转轴而旋转的关节。此外，将俯仰关节中旋转中心 位于离地板最高的位置上的关节称为最高位俯仰关节。
专利文献1中公开了具有一双腿的腿式机器人。专利文献1的腿式机 器人具有供人搭乘的搭乘部和一双腿。各个腿链的上端与搭乘部的下部通 过俯仰关节而连接。专利文献1的腿式机器人在腿的上端且搭乘部下方的 位置上配置有最高位俯仰关节。
另外，专利文献1中的搭乘部相当于本说明书中所说的躯干链，腿链 相当于本说明书中所说的腿。以下，用"躯干链"来表示"搭乘部"，用 "腿"来表示"腿链"。
专利文献h日本国发明专利公开公报第2005-186650号公报。

发明内容
当腿式机器人行走时，躯干链自身也前后摆动。躯干链既有根据来自 腿的反作用力而摆动的情况，也有通过用于维持机器人整体平衡的控制而 有意识地摆动的情况。
在专利文献1的腿式机器人中，躯干链位于最高位俯仰关节的上部。 即，躯干链的重心位置与最高位俯仰关节的旋转中心相比而位于上方。如 果躯干链的重心位置与最高位俯仰关节的旋转中心相比位于上方，当躯干 链绕着最高位俯仰关节的旋转中心摆动时，重力就会沿着扩大躯干链的摆 动的方向起作用。目卩，专利文献1的腿式机器人具有行走时躯干链容易摆 动的构造。但行走时躯干链的摆动小些好。人们期望获得的是行走时躯干 链难以摆动的腿式机器人。
本发明的腿式机器人包括躯干链；以及具有多个链并连接在躯干链
上的一双腿。各个腿具有多个关节。各个关节至少连接有两个链，通过动力使所连 接的链彼此相对旋转。各个腿的关节中的至少一个关节能够使所连接的链 彼此在与向体侧方向延伸的直线交叉的面内旋转，其旋转中心与躯干链的 重心位置相比位于上方。这里，所谓"其旋转中心与躯干链的重心位置相 比位于上方"，只要处于腿式机器人站立的状态或者行走的状态等、腿式 机器人的通常的运行状态中即可，只要不是处于腿式机器人倒下的状态等 在通常运行中想不到的状态中即可。
换句话说，上述腿式机器人包括旋转中心与躯干链的重心位置相比位 于上方的最高位俯仰关节。当最高位俯仰关节的旋转中心与躯干链的重心 位置相比位于上方时，作用在躯干链上的重力朝着抑制躯干链绕着最高位 俯仰关节的旋转轴所进行的摆动的方向起作用。从而能够实现行走时躯干 难以摆动的腿式机器人。
上述腿式机器人在压低躯干链的位置的同时，还起到能够确保大步伐 的效果。腿式机器人在使其腿绕着最高位俯仰关节的旋转中心前后摆动的 情况下行走。因此，从行走面到最高位俯仰关节的旋转中心的高度越高， 就越能确保大的步伐。根据上述的腿式机器人，与躯干链的重心位置的高 度相比，能够提高最高位俯仰关节的旋转中心的位置。这意味着能够在压 低躯干链的位置的同时确保大的步伐。
最高位俯仰关节也可以是将腿的链彼此连接的关节，但优选为将躯干 链与腿的上部顶端的链连接的股关节。此时，能够使腿式机器人的躯干链 与腿的连接关系类似于人的躯干与腿的连接关系。并且可获得容易简化腿 构造的长处。
股关节可以包括物理上的旋转轴，也可以不包括物理上的旋转轴。当 包括物理上的旋转轴时，可以在体侧面的外侧连接腿，也可以在体侧面的 内侧连接腿。无论在何种情况下，都能够将躯干链的内部有效地利用于载 物或载人。
还可以通过不具有物理上的旋转轴的关节来构成股关节。此时的股关 节固定在躯干链上，并包括轨道，该轨道被固定在躯干链上，并且当从 体侧方向观察时沿着以与躯干链的重心位置相比位于上方的点为中心的圆
6弧而延伸；以及滑动部件，该滑动部件被固定在腿的上部顶端链上，并在 轨道上移动。换句话说，轨道以与躯干链的重心位置相比靠上方的点为中 心进行弯曲，并且在机器人的前后方向上延伸。另外，如上所述，此时的 旋转轴是通过圆弧中心(旋转中心)并与由沿着圆弧延伸的轨道形成的面 正交的直线。
当用上述滑动关节实现股关节时，能够以全长较短的腿来确保大的步 伐。当利用滑动关节时，能够通过从行走面向轨道延伸但并不延伸到圆弧 中心(旋转中心)的较短的腿来确保与由延伸到圆弧中心(旋转中心)的 长腿实现的步伐相等的步伐。
优选的是，旋转中心位于躯干链的重心位置上方的关节(即，各个腿 部的关节中的至少一个关节，该关节可使所连接的链彼此在与向体侧方向 延伸的直线相交叉的面内旋转、并且其旋转中心与躯干链的重心位置相比 位于上方)中的至少一个关节具有释放装置，当预定条件成立时，该释放 装置允许该关节上连接的链彼此被动地旋转。所谓被动地旋转，指的是链 受到外力而旋转。外力例如是重力。换句话说，释放装置允许连接着的链 彼此自由旋转。预定条件可以是躯干链绕着向体侧方向延伸的直线所成的 姿势角、所述姿势角的变化速度、所述姿势角的变化加速度中的至少一个 处于预定范围之外的条件。或者，预定条件也可以是躯干链的移动速度、 躯干链的移动加速度中的至少一个处于预定范围之外的条件。上述的条件 在具有一双腿的机器人中可以用于判断机器人是否倒下。即，当判断出机 器人倒下时，上述的释放装置可使连接在最高位俯仰关节上的链彼此通过 重力的作用而被动地(自由地)摆动。通过这种释放装置，当机器人倒下 时，能够维持躯干链的重心位置位于最高位俯仰关节的旋转中心的下方的 姿势。从而当机器人倒下时，躯干链不会大幅度旋转。
释放装置例如可以是插在传递使连接在关节上的链彼此相对旋转的动 力的轴上的离合器。或者，当通过传动带来传递使连接着的链彼此相对旋 转的动力时，可以是带的张力调节器。通过张力调节器调弱张力，能够切 断使连接着的链彼此相对旋转的动力的传递，从而能够允许链彼此自由旋 转。
7当判断出机器人倒下时，能够不依赖于动力，而是通过重力的作用以 维持重心位置位于关节旋转中心的下方的姿势将躯干链落在地板面上。
躯干链可以具有供乘员乘坐的座位。该座位优选被配置成使得乘坐的 乘员的腰的位置与所述交点相比位于下方。
通常对于人的坐姿来说，己知人的重心位置位于腰部附近。因此，通 过如上配置座位，能够使得乘坐的乘员的重心位置与最高位俯仰关节的旋 转中心相比位于下方。如果结合躯干链的重心位置与最高位俯仰关节的旋 转中心相比位于下方，能够使得将躯干链与乘员结合起来的重心位置与最 高位俯仰关节的旋转中心相比位于下方。从而能够使载有乘员的躯干链更 加稳定。即，即使搭载乘员行走时，也能够实现躯干链难以摆动的腿式机 器人。
根据本发明，能够提供行走时躯干难以摆动的腿式机器人。


图1 (A)是第一实施例的腿式机器人的主视图，图1 (B)是第一实 施例的腿式机器人的侧视图2是腿式机器人行走时某个瞬间的侧视图； 图3是倒下瞬间的腿式机器人的侧视图； 图4是第二实施例的腿式机器人的侧视图5 (A)是第三实施例的腿式机器人的俯视图，图5 (B)是第三实 施例的腿式机器人的侧视图，图5 (B)是第三实施例的腿式机器人的后 视图6是第二实施例的腿式机器人行走时某个瞬间的侧视图。 标号说明
10、 110、 210:腿式机器人 12、 112、 212:躯干链 20L、 20R、 220L、 220R:腿
114:座位 114A:乘坐面216L、 216R:滑动关节 240L、 240R:轨道 241L、 241R:滑动部件
具体实施例方式
以下列出实施例的机器人的特点。 (第一特点)
当腿式机器人保持直立姿势时，最高位俯仰关节的旋转中心与躯干链的 重心位置从体侧方向来看处于在竖直线上一致的位置关系。"直立姿势" 是指躯干链的重心位置、腿关节中与人的膝关节相当的关节以及与足踝关 节相当的关节在从体侧方向观察时呈与竖直线大体一致的位置关系时的姿 势。由此，能够有效地抑制行走时躯干链的摆动。 (第二特点)
滑动关节设置在躯干链的下表面，当腿式机器人取直立姿势时，腿上设 置的各横摆关节位于在躯干链的体侧方向上的宽度内。横摆关节是指关节 的旋转轴在躯干链的前后方向延伸的关节。 (第三特点)
按照在躯干链上的座位被配置为当从体侧方向观察时，连接最高位俯 仰关节的旋转中心和躯干链的重心位置的直线与座位的乘坐面大致垂直。 当躯干链的重心位置位于最高位俯仰关节的旋转中心的竖直下方时，躯干 链处于相对于重力最稳定的姿势。通过上述结构，当处于这种姿势时，能 够使座位114的乘坐面114A处于与竖直方向相垂直的方向(即水平)。 (第一实施例)
下面参考附图对本发明第一实施例的腿式机器人进行说明。图1
(A) 是腿式机器人的主视图。图1 (B)是腿式机器人的侧视图。在图1
(B) 中，省略了被位于图中眼前侧的部件所遮住的部件的图示。 腿式机器人10具有躯干链12和一双腿(右腿20R、左腿20L)。每
个腿如后所述具有多个链和多个关节。
首先对坐标系进行说明。在图1 (A)、图1 (B)中示出了构成右手正交坐标系的XYZ坐标系。该XYZ坐标系是固定在腿式机器人10的躯 干链12上的坐标系。X轴向躯干链12的前方延伸。将X轴称为横摆(口 一，)轴。Y轴向躯干链12的体侧方向延伸。将Y轴称为俯仰(匕°、7 于)轴。Z轴向躯干链12的上方延伸，将Z轴称为偏航(3 — )轴。横摆 轴(X轴)与俯仰轴(Y轴)及偏航轴(Z轴)彼此正交。
接着对关节进行说明。腿式机器人10的关节全部都是具有旋转轴的 旋转关节。将具有向横摆轴方向延伸的旋转轴的关节称为横摆关节。将具 有向俯仰轴方向延伸的旋转轴的关节称为俯仰关节。将具有向偏航轴方向 延伸的旋转轴的关节称为偏航关节。
图1 (A)所示的例如标有标号36L的圆表示在与纸面垂直的方向上 具有旋转轴的关节。在圆的中央所画的点表示旋转轴。在图1 (A)中， 由于与纸面垂直的方向是横摆轴(X轴)方向，因而如标号36L所示，用 圆表现的关节表示横摆关节。
图1 (A)所示的例如标有标号24L或32L的矩形表示在与纸面平行 的面内具有旋转轴的关节。与纸面平行且与画在矩形内的直线垂直的方向 即表示该关节的旋转轴的方向。例如，图1 (A)所示的标有标号24L的 关节表示沿俯仰轴(Y轴)方向具有旋转轴Cl的关节。S卩，图1 (A)所 示的标有标号24L的关节表示俯仰关节。此外，图1 (A)所示的标有标 号32L的关节表示沿偏航轴(Z轴)具有旋转轴的关节。g卩，图1 (A)所 示的标有标号32L的关节表示偏航关节。
标有标号36L的横摆关节在图1 (A)中用圆形来表示，但在图1 (B)中用具有在纸面的上下方向上延伸的直线(对角线)的矩形来表 示。这是由于在图1 (A)和图1 (B)中，坐标系相对于纸面的朝向不同 的缘故。同样，标有标号24L的俯仰关节在图1 (A)中用在纸面的上下 方向上画有对角线的矩形来表示，但在图1 (B)中用圆形来表示。标有 标号32L的偏航关节在图1 (A)和图1 (B)中都用在纸面的左右方向上 画有对角线的矩形来表示。图中所示的关节形状所表示的意思在第一实施 例和第二实施例的图中都是一样的。
腿20L、 20R的各个关节的类型(横摆关节、俯仰关节、偏航关节中的任一类型)是通过腿式机器人10保持直立姿势时关节的旋转轴方向来
确定的。如图1 (A)、图l.(B)所示，所谓直立姿势是指一双腿20L、 20R保持相同的姿势，并且躯干链12的重心位置G、腿关节中与人的膝关 节相当的关节以及与足踝关节相当的关节在从体侧方向观察时呈与竖直线 V大体一致的位置关系时的姿势。在图1中，如后所述，标注了标号28L 和28R的关节是膝关节，标注了标号40L和40R的关节是足踝关节。换句 话说，所谓腿式机器人10的直立姿势，是与人类的直立姿势相同的姿 势。各关节的类型在腿式机器人10保持直立姿势的状态下被确定。腿上 所具有的关节通过链的摆动，其旋转轴的延伸方向将会发生变化。但是， 在腿式机器人IO保持直立姿势的状态下所确定的关节的类型无论腿20L、 20R变化为任何姿势都是不会改变的。此外，关节的类型被如下分类当 腿式机器人10保持直立姿势时，如果某个关节的旋转轴与横摆轴、俯仰 轴、偏航轴各轴所成的角度中与横摆轴所成的角度最小，就将该关节分类 为横摆关节；如果某个关节的旋转轴与横摆轴、俯仰轴、偏航轴各轴所成 的角度中与俯仰轴所成的角度最小，就将该关节被分类为俯仰关节。偏航 轴关节也是一样。
换句话说，俯仰关节是指与连接着的链彼此相对旋转时所形成的平面 正交的直线向体侧方向延伸的关节。同样，横摆关节是指与连接着的链彼 此相对旋转时所形成的平面正交的直线向躯干链的前后方向延伸的关节。 偏航关节是指与连接着的链彼此相对旋转时形成的平面正交的直线向躯干 链的上下方向延伸的关节。
下面对腿式机器人10的左腿20L的构造进行说明。左腿20L具有左 第一链22L、左第二链26L、左第三链30L、左第四链34L、左第五链 38L、左第六链42L。此外，左腿20L具有左第一关节24L、左第二关节 28L、左第三关节32L、左第四关节36L以及左第五关节40L。在左第一关 节24L中内置有离合器25L。
左第一链22L的一端固定在躯干链12的左体侧面12L上，另一端与 左第一关节24L相连。换句话说，左第一链22L形成了躯干链12的一部 分。左第二链26L的一端与左第一关节24L相连，另一端与左第二关节 28L相连。左第三链30L的一端与左第二关节28L相连，另一端与左第三 关节32L相连。左第四链34L的一端与左第三关节32L相连，另一端与左 第四关节36L相连。左第五链38L的一端与第四关节36L相连，另一端与 左第五关节40L相连。左第六链42L的一端与左第五关节40L相连。左第 六链42L相当于左腿20L的脚掌，其下表面与地板S (行走面)接触。
左第一关节24L、左第二关节28L以及左第五关节40L是俯仰关节， 左第三关节32L是偏航关节。左第四关节36L是横摆关节。
右腿20R具有右第一链22R、右第二链26R、右第三链30R、右第四 链34R、右第五链38R、右第六链42R。此外，右腿20R具有右第一关节 24R、右第二关节28R、右第三关节32R、右第四关节36R以及右第五关 节40R。在右第一关节24R中内置有离合器25R。右腿20R在右第一链 22R的一端与躯干链12的右体侧面12R相连。右腿20R的构造与左腿 20L的构造相同。这里，在从横摆轴方向(X轴方向)观察时相对于穿过 躯干链12的中心与横摆轴平行的直线来说，右腿20R的整体形状呈与左 腿20L的整体形状左右对称的形状。
对于与左腿20L的各部件相对应的右腿20R的部件，标注相同的数字 标号。标号的后缀L表示是左腿20L的部件，标号的后缀R表示是右腿 20R的部件。
由于右腿20R的构造与左腿20L的构造相同，因此省略对右腿20R的 具体说明。
在各关节中内置有图中未示出的致动器(动力)。致动器包括马达与 减速器。通过内置的致动器，各关节能够使与该关节相连的链彼此绕着旋 转轴相对旋转。腿式机器人10具有图中未示出的控制器，控制器向各关 节的致动器输出适当的驱动指令值。通过由控制器向致动器输出合适的驱 动指令值，各个链协调摆动，结果使得腿式机器人10行走。这里省略了 对用于使腿式机器人IO行走的运算法则的说明。
将通过由连接在关节上的链彼此相对旋转时的中心的线称为该关节的 旋转轴。此外，将由相对旋转的链形成的平面与旋转轴的交点称为该关节
12的旋转中心。在腿式机器人中，将各个腿所具有的关节中旋转中心位于最 上方的俯仰关节称为最高位关节。在腿式机器人10中，左第一关节24L
是左腿20L的最高位俯仰关节，右第一关节24R是右腿20R的最高位俯仰 关节。此外，左腿20L的最高位俯仰关节、即左第一关节24L可使与其连 接的左第一链22L和左第二链26L在与XZ平面平行的面内旋转，其旋转 中心是图1所示的点24LP。同样，右腿20R的最高位俯仰关节、即右第 一关节24R可使与其连接的右第一链22R和右第二链26R在与XZ平面平 行的面内旋转，其旋转中心是图1所示的点24RP。
在腿式机器人10中，最高位俯仰关节(左第一关节24L、右第一关节 24R)的各个旋转中心(旋转中心24LP、旋转中心24RP)与躯干链12的 重心位置相比位于上方。如图1 (B)所示，在腿式机器人10中，最高位 俯仰关节的旋转轴Cl与俯仰轴平行地延伸。因此，当从体侧方向观察 时，旋转中心轴Cl与旋转中心24LP和23LP—致。因此，在腿式机器人 20中，当从体侧方向观察时，最高位俯仰关节的旋转轴能够表现为位于躯 干链12的上方。
此外，当腿式机器人IO保持直立姿势时，从体侧方向观察，左第一 关节24L的旋转中心24LP和右第一关节24R的旋转中心24RP与躯干链 12的重心位置G构成与竖直线V —致的布置。
对于将一双腿交替地前后摆动来行走的腿式机器人来说，从地板面 (行走面)到最高位俯仰关节的旋转中心的高度越高，就越能扩大步伐。
如图1 (B)所示，腿式机器人10保持直立姿势时从地板面S到最高 位俯仰关节的旋转中心24LP与24RP的高度为H2。另外，从地板面S到 躯干链10的下表面12B的高度为Hl。腿式机器人10的最高位俯仰关节 的旋转中心与躯干链12的重心位置G相比位于上方，因此与将腿连接在 躯干链12下方的腿式机器人相比，能够在压低躯干链12的位置的情况下 确保较大的步伐。
图2示出了腿式机器人IO行走时某个瞬间的侧视图。腿式机器人10 将左右腿29R、 20L交替地前后摆动来行走。躯干链12通过来自腿的反作 用力、或者通过用于维持腿式机器人IO整体平衡的控制而摆动。
13当行走时，左右腿20R、 20L绕着最高位俯仰关节(右第一关节 24R、左第一关节24L)的旋转中心24LP、 24RL大幅旋转。g卩，由右第 一关节24R和左第一关节24L的旋转支配行走时的腿20L、 20R的运动。 因此，躯干链12的摆动也受到右第一关节24R和左第一关节24L的旋转 的支配。换句话说，行走时躯干链12的运动受到绕着最高位俯仰关节 (右第一关节24R、左第一关节24L)的旋转中心24LP、 24RP的摆动的 支配性影响。图2示出了躯干链12绕着向体侧方向延伸的直线所成的姿 势角e的状态。图2所示的虚线W是从体侧方向观察时连接旋转中心 24LP与重心位置G的直线。如图1 (B)所示，当腿式机器人10保持直 立姿势10时，直线W从体侧方向观察与竖直线V相一致。由竖直线V与 直线W所成的角0是躯干链12绕着向体侧方向延伸的直线所成的姿势 角。
此时，作用在躯干链12上的重力F起到使躯干链12的重心位置G返 回到作为摆动的旋转中心的最高位俯仰关节的旋转中心24LP的竖直下方 的作用。即，作用在躯千链12上的重力起到使躯干链12恢复到直立姿势 时躯干链12的姿势的作用。即，在腿式机器人10中，作用于躯干链12的 重力朝着抑制行走时躯干链12摆动的方向起作用。这是通过腿式机器人 10的最高位俯仰关节、即左第一关节24L和右第一关节24R的旋转中心 24LP、 24RL与躯干链12的重心位置G相比位于上方而实现的。
在右第一关节24R与左第一关节24L中内置有离合器25R、 25L。当 释放离合器25R时，通过右第一关节24R而连接的右第一链22R和右第二 链26R能够相互自由旋转。同样，当释放离合器25L时，通过左第一关节 24L而连接的左第一链22L与左第二链26L能够相互自由旋转。由于右第 一链22R与左第一链22L被连接在躯干链12上，因此在离合器被释放 后，躯干链12可通过外力的作用而被动旋转。
在图3中用实线示出了倒下瞬间的腿式机器人10的侧视图。当绕着 向体侧方向延伸的直线(即旋转轴Cl)所成的躯干链12的姿势角ct处于 预定范围之外时，腿式机器人10释放离合器25L、 25R。 一旦离合器被释 放，躯干链12就被允许绕着旋转中心24LP、 24RP (在图3中，旋转中心
1424R位于旋转中心24LP的纸面里侧，因此省略了图示)自由旋转。由于 最高位俯仰关节的旋转中心24LP、 24RP与躯干链12的重心位置相比位于 上方，因此重力起到使躯干链12的重心位置G返回到旋转中心24LP、 24RP的竖直下方的作用。因此，即便在腿式机器人IO摔倒的情况下，通 过释放离合器25L、 25R，也能够如虚线12所示，使躯干链12保持稳定 的姿势落到地板面S上。
关于腿式机器人IO摔倒的判断，可根据躯干链12绕着向体侧方向延 伸的直线所成的姿势角、姿势角的变化速度、姿势角的变化加速度中的至 少一个跑到预定范围之外来进行判断，关于腿式机器人10摔倒的判断， 也可以根据躯干链12的移动速度、躯干链的移动加速度中的至少一个跑 到预定范围之外来进行判断。
此外，当用传动带传递使右第一链22R与右第二链26R相对旋转的动 力时，也可以取代离合器25R而使用对带的张力进行调节的张力调节装 置。通过由张力调节机构将张力松弛至零，也可以使右第一链22R与右第 二链26R被动地相对旋转(能够允许右第一链22R与右第二链26R自由旋 转)。当通过传动带来传递使左第一链22L与左第二链26L相对旋转的动 力时也一样。
(第二实施例)
接着，对本发明的第二实施例进行说明。图4是第二实施例的腿式机 器人110的侧视图。腿式机器人110在其躯干链112的内部具有供乘员H 乘坐的座位114。腿式机器人110的躯干链112的外形以及腿20L、 20R的 构造与第一实施例的腿式机器人IO相同，因此省略说明。另外在图4 中，由于右腿20R在图中位于左腿20L的里侧，故省略图示。
在腿式机器人110中也与第一实施例的腿式机器人10 —样，最高位 俯仰关节、即左第一关节24L与右第一关节24R (在图4中没有示出右第 一关节24R)的旋转中心24LP、 24RP (图4中没有示出右第一关节24R 的旋转中心24RP)位于躯干链112的重心位置G的上方。配置于躯干链 112内部的座位114的乘坐面114A被配置成使得乘坐的乘员的腰的位置比 旋转中心24LP、 24RL位于更下方。通常对于人的坐姿来说，已知人的重心位置位于腰部附近。因此，通 过如上配置座位114，能够使得乘坐的乘员H的重心位置HG与最高位俯
仰关节的旋转中心24LP、 24RP相比位于下方。如果结合躯千链112的重 心位置G与最高位俯仰关节的旋转中心24LP、 24RP相比位于下方，将躯 干链112与乘员H结合起来的重心位置与最高位俯仰关节的旋转中心 24LP、 24RP相比位于下方。从而腿式机器人110能够使得载有乘员H的 躯干链112稳定。
当从体侧方向观察座位114时，座位114被配置成连接最高位俯仰关 节的旋转中心24LP、 24RP与躯干链112的重心位置G的直线V与座位 114的乘坐面114A大体垂直。由于躯干链112绕着最高位俯仰关节的旋转 中心24LP、 24RP摆动，因此作用在躯干链112上的重力起到使躯干链 112的重心位置G位于旋转中心24LP、 24RP的竖直下方的作用。即，从 体侧方向观看时，连接最高位俯仰关节的旋转中心24LP、 24RP与躯干链 112的重心位置G的直线与竖直线V相一致的状态是躯干链112最稳定的 姿势。通过上述结构，当处于这种姿势时，能够使座位114的乘坐面 114A处于与竖直方向相垂直的方向(即水平)。 (第三实施例)
接下来，参考附图对本发明的第三实施例进行说明。图5 (A) 图5 (C)是第三实施例的腿式机器人210的三面视图(俯视图、侧视图和后 视图)。图5 (A)是腿式机器人210的俯视图。图5 (B)是腿式机器人 210的侧视图。图5 (C)是腿式机器人210的后视图。
该腿式机器人210包括躯干链212和一双腿(左腿220L、右腿 220R)。在躯干链212的下表面212a上分别与腿220L、 220R相对应地设 置有滑动关节216L、 216R，滑动关节216L、 216R将腿220L、 220R的一 端224La、 224Ra可滑动地连接在躯干链212上。
下面对左腿220L的构造进行说明。
左腿220L包括多个链221L、 222L、 224L、多个旋转关节230L、 232L、 234L、 236L、以及一个滑动关节216L。
左腿220L的接地面一侧的端部是左第一链221L。左第一链221L例如相当于人的脚掌。左第一链221L与左第二链222L通过左第一复合关节 226L相连。左第二链222L例如相当于人的小腿。左第一复合关节226L 例如相当于人的足踝关节。
左第一复合关节226L包括使左第一链221L与左第二链222L相对 地绕横摆轴Sl摆动的左第一横摆关节230L;和使左第一链221L与左第 二链222L相对地绕俯仰轴S2摆动的左第一俯仰关节232L。因此，左第 一链221L与左第二链222L可通过左第一复合关节226L而相对地绕着横 摆轴Sl以及俯仰轴S2这两个方向旋转。
左第二复合关节222L与左第三链224L通过左第二复合关节228L相 连。左第三链224L例如相当于人的大腿。左第二复合关节228L例如相当 于人的膝关节。
左第二复合关节228L包括使左第二链222L与左第三链224L相对 地绕横摆轴S3旋转的左第二横摆关节234L;和使左第二链222L与左第 三链224L相对地绕俯仰轴S4旋转的左第二俯仰关节236L。因此，左第 二链222L与左第三链224L可通过左第二复合关节228L而相对地绕着横 摆轴S3以及俯仰轴S4这两个方向旋转。
在各关节230L、 232L、 234L、 236L中内置有马达(图中没有示出) 和编码器(图中没有示出)。马达产生用于使与该关节邻接的链彼此相对 旋转的转矩。编码器检测与该关节邻接的链彼此的相对旋转角。
右腿220R的构造也和左腿220L相同。例如左腿220L的左第一链 221L相当于右腿220R的右第一链221R。同样地，左腿220L与右腿220R 的各部件上所标注的标号中，数字相同的表示相对应的部件。左腿220L 与右腿220R的俯仰轴与横摆轴之间的对应关系如下。左腿220L的横摆轴 Sl和横摆轴S3分别与右腿220R的横摆轴S5和横摆轴S7相对应。左腿 220L的俯仰轴S2和俯仰轴S4分别与右腿220R的俯仰轴S6和俯仰轴S8 相对应。
在右腿220R的各关节230R、 232R、 234R、 236R中也内置有马达 (图中没有示出)和编码器(图中没有示出)。马达产生用于使与该关节 邻接的链彼此相对旋转的转矩。编码器检测与该关节邻接的链彼此的相对旋转角。
下面对滑动关节(左滑动关节216L和右滑动关节216R)进行说明。 左滑动关节216L是将左腿220L相对于躯干链212可滑动地连接的关
左滑动关节216L具有轨道240L、滑动部件241L以及致动器242L。 轨道240L沿着躯干链212的下表面212a而安装，该躯干链212的下表面 212a是弯曲的，以致从体侧方向看去其向下侧突出。因此，轨道240L也 在躯干链212的下表面212a上沿着躯干链212的前后方向延伸，并形成为 向躯干链212的下侧突出的曲线形状。换句话说，轨道240L在躯干链212 的下表面212a上沿着躯干链212的前后方向延伸，并如同画出一道曲线那 样地形成。该曲线如图l (B)所示是以躯干链212上的P点为中心并且曲 率半径为R的曲线。S口，轨道240L被设置在躯干链212的下表面上，当 从体侧方向观察时，形成以固定在躯干链212上的P点为中心的圆弧。P 点与躯干链212的重心位置G相比位于上方。
在轨道240L上安装有在轨道240L上滑动(移动)的滑动部件 241L。左第三链224L (左腿220L的上部顶端链)的一个端部224La被固 定在滑动部件241L上。左第三链224L的一个端部224La相当于左腿 220L的一个端部。即，当滑动部件241L在轨道240L上滑动时，固定在 滑动部件241L上的左腿220L整体沿着轨道240L移动。轨道240L从体侧 方向观看时沿着以点P为中心的圆弧而形成，因此左腿220L整体从体侧 方向观看时按照画出以点P为中心的圆弧的方式进行摆动。
致动器242L输出使滑动部件241L (即、固定在滑动部件241L上的 左腿220L)沿着轨道240L滑动的驱动力。通过致动器242L，左腿220L 被定位在沿着轨道240L的任意位置上。左滑动关节216L具有位置检测器 (图中没有示出)。该位置检测器检测滑动部件241L在轨道240L上的位 置。
对于左滑动关节216的具体结构省略说明，其例如能够利用将用于单 轴级(単軸7亍一^)的直线运动(直動)机构弯曲而得的机构来实现。 右滑动关节216R是将右腿220R相对于躯干链212可滑动地连接的关
18节。右滑动关节216R的构造与左滑动关节216L相同，因此省略说明。当 从体侧方向观察时，右滑动关节216R也以画出以P点为中心且半径为R 的圆弧的方式弯曲。从体侧方向看去，由左滑动关节216L的轨道240L画 出的圆弧的中心位置与由右滑动关节216R的轨道240R画出的圆弧的中心 位置均与P点相一致。即， 一对弯曲的滑动关节216L、 216R各自所形成 的曲线的中心位置被布置在向躯干链212的体侧方向延伸的直线上。
躯干链212除了滑动关节216L、 216R之外，还安装有对腿式机器人 整体进行控制的控制器(图中没有示出)。
图5所示的其他记号如下所示。记号G表示躯干链212的重心位置， 记号Wl表示躯干链212的宽度(躯干链212的体侧方向上的长度)，记 号SO表示通过躯干链212的重心位置G向竖直方向延伸的竖直线。记号 W2表示竖直线S0与各关节230L、 234L、 230R、 234R的旋转轴Sl、 S3、 S5、 S7在体侧方向上的距离。这些重心位置G、躯干链212的宽度 Wl、竖直线SO与各横摆轴之间的距离W2的关系将在后面进行说明。图 5所示的姿势是腿式机器人210的直立姿势。
接着，参照图5和图6对本实施例的腿式机器人210行走时的动作进 行说明。图6是腿式机器人210在X轴方向上将左腿220L向前迈出(图6 的X轴的正方向)时的侧视图。图6示出了腿式机器人210向X轴的正方 向直进的情况。下面，专注于直进时左腿220L与右腿220R在XZ平面上 的动向，并假设直进时各腿220L、 220R的横摆轴关节230L、 234L、 230R、 234R不旋转来进行说明。因此，在图6中，省略对左腿220L的第 一复合关节226L中的第一横摆关节230L以及第二复合关节228L中的第 二横摆关节234L的图示。同样地，省略对右腿220R的第一复合关节 226R中的第一横摆关节230R以及第二复合关节228R中的第二横摆关节 234R的图示。
在各腿220R、 220L的各关节232L、 236L、 232R、 236R中内置有用 于使邻接的链旋转的致动器(图中没有示出)。在左滑动关节216L上配 置有用于使滑动部件241L (即、固定在滑动部件241L上的左腿220L的 端部224La)滑动到轨道240L的任意位置处的致动器242L。在右滑动关
19节216R中也同样配置有致动器242R。
左腿220L在轨道240L上的位置由左滑动关节220L所配备的位置检测器(图中没有示出)检测。右腿220R在轨道240R上的位置由右滑动关节220R所配备的位置检测器(图中没有示出)来检测。在腿220L、 220R所具有的其他关节中配置有编码器(图中没有示出)。由编码器测出的链彼此的旋转角以及由位置检测器测出的腿220L、 220R的位置被输入给腿式机器人210中所安装的控制器(图中没有示出)。控制器基于所输入的值，向各致动器输出指令值，以便根据预定的控制逻辑适当地控制各关节。其结果是，腿式机器人210在使各腿220L、 220R交替地前后摆动的情况下行走。
如图6所示，腿式机器人210在进行将左腿220L向前迈出一步的动作时，使左腿220L的端部224La (滑动部件241L)沿着轨道240L向躯干链212的前方滑动。同时，使右腿220R的端部224Ra (滑动部件241R)沿着轨道240R向躯干链212的后方滑动。结果，左腿220L的端部224La和右腿22R的端部224Ra在躯干链212的前后方向上产生距离L的差。
在像人的股关节那样通过旋转关节将一双腿连接在躯干链上的腿式机器人中，无法将各个腿与躯千链的连接部(连接躯干链与腿的关节)在前后方向错开。因此在这种以往的腿式机器人中，行走时的步伐很大程度上取决于从腿与躯干链的连接部至足尖为止的腿的全长。与此相对，在本实施例的腿式机器人210中，左腿220L的端部224La与右腿220R的端部224Ra能够在躯干链212的前后方向上产生距离L的差。其结果是，在由腿220L、 220R的全长规定的步伐的基础上还能够将步伐延长距离L的量，该距离L是连接在躯干链212上的一双腿220L、 220R的端部224La、 224Ra在前后方向上的距离。因此，本实施例的腿式机器人210通过使得一双腿220L、 220R中的每一个相对于躯干链212在前后方向上滑动的一对滑动关节216L、 216R连接到躯干链212上，能够在不延长腿的全长的情况下增大行走时的步伐。换句话说，能够实现在压低躯干链212的高度的情况下增大步伐的腿式机器人。
此外，左滑动关节216L的轨道240L与轨道240L相比位于上方，并且按照画出以固定在躯干链212上的点P为中心且曲率半径为R的曲线的
方式弯曲。换句话说，轨道240L以向躯干链212的下方突出的方式弯曲。因此，固定在滑动部件241L上的左腿220L的端部224La能够沿着轨道240L的弯曲而移动。通过左腿220L的端部224La按照向躯干链212的下方突出的方式画着曲线而在前后方向上移动，可使行走时左腿220L的运动平顺。对于右腿220R也一样。
在本实施例的腿式机器人210中，轨道240L形成为以固定在躯干链212上的唯一的点P为中心的圆弧形状。轨道240L所画出的圆弧在躯干链212的前后方向上延伸。因此，左腿220L与躯干链212通过左滑动关节216L相连的连接构造的几何学上的关系等价于如下构造。g卩，在躯干链212上假设具有通过点P向俯仰轴方向(Y轴方向)延伸的旋转轴的虚拟的旋转关节252L。虚拟的旋转关节252L与左第二俯仰关节236L通过将左第三链224L向点P的方向延长所得的虚拟的链250L而相连。
艮P，本实施例的腿式机器人210等价于通过配置在点P处的虚拟的旋转关节252L而将具有虚拟的链250L的左腿220L与躯干链212相连的构造。因此，该腿式机器人210能够实现与下述腿式机器人等价的行走，在所述腿式机器人中，左腿220L不是连接在躯干链212的下部，而是通过从躯干链212的体侧方向看去具有通过点P的旋转轴的旋转关节252L而与躯干链212相连。换句话说，本实施例的腿式机器人210能够实现与下述的腿所能实现的步伐相同的步伐，所述腿具有通过配置在点P处的虚拟股关节的关节252L而连接在躯干链212上虚拟的链250L。
实现在固定于躯干链212的点P上具有实际关节的腿式机器人是不现实的。如图5 (C)所示，左腿220L在躯干链212的下表面212a的下侧通过左滑动关节216L而连接至躯干链212。若要实现在点P处具有旋转轴的虚拟关节252L，就需要在躯干链212的内部配置关节。另外在该关节的下侧，还需要设置供虚拟链250摆动的空间。如此一来，在固定于躯干链212的点P的下侧，实际上就不会有配置其他装置的富余空间。这种腿式机器人实际上与点P的位置处于躯干链的下部是一样的。即，在以往的腿式机器人中，若要将股关节配置在点P的位置，就必须抬高躯干的高度。
21与此相对，在本实施例的腿式机器人210中，实际的左腿220L在躯
干链212的下表面212a通过滑动关节216被连接至躯干链212。无需将左 腿220L伸至躯干链212的内部。g卩，能够在不提高躯干链212位置的情 况下增大步伐。 .
另外如图5 (C)所示，在本实施例的腿式机器人210中，左腿220L 在躯干链212的下表面212a通过滑动关节216L而连接。由此能够縮短通 过躯干链212的重心位置G的竖直线SO与左腿220所具有的横摆关节 230L、 234L的横摆轴Sl、 S3在体侧方向上的距离W2。通过縮短距离 W2，能够获得如下效果。
在通过一双腿进行双足行走的腿式机器人中，当变成单腿着地的单脚 直立("金鸡独立")状态时，所述着地的一条腿必须支撑躯干链。当只 有一条腿着地时，通过躯干链的自重会有转矩作用于腿的横摆关节上。转 矩的大小与通过躯干链的重心位置的竖直线和横摆轴关节的旋转轴之间的 距离成正比。在本实施例的腿式机器人210中，左腿220L在躯干链212 的下表面212a连接至躯干链212。因此，如图5 (C)所示，当腿式机器 人210保持直立姿势时，能够使设置在左腿220L上的各横摆关节230L、 234L位于躯干链212的体侧方向上的宽度Wl内。由此能够縮短通过躯干 链212的重心位置G的竖直线SO与横摆关节230L、 234L的旋转轴Sl、 S2在体侧方向上的距离W2。其结果是，本实施例的腿式机器人210能够 将单脚直立状态时作用在着地的那条腿的横摆关节230L、 234L上的由躯 干链212的自重产生的转矩抑制得较小。通过将一双滑动关节216L、 216R设置在躯干链212的下表面212a,能够减小单脚直立状态时施加在 着地的那条腿的横摆关节上的转矩。从而能够在横摆关节上使用输出较小 的马达。
另外，如上所述，本实施例的腿式机器人210尽管采用了左腿220L 与躯干链212通过左滑动关节216相连的构造，但等价于在几何学上通 过配置在固定于躯干链212上的点P处的虚拟的旋转关节252L而将具有 虚拟链250L的左腿220L与躯干链212相连的构造。通常，对于从多链机 构的各关节的角度求出该多链机构的顶端位置座标的变换(一般称为正变换、顺序变换或正向运动学(順牛氺7亍^f々X)变换)、或者相反地从 多链机构的顶端位置的座标求出多链机构的各关节的角度的变换(一般称 为逆变换或反向运动学(逆年才、7亍^夕又)变换)来说，与在一部分关 节为滑动关节的多链机构相比，在所有关节均为旋转关节的多链机构的情
况下的计算更加简单。特别是，当具有如腿式机器人210的滑动关节那样
使链的一方在轨道上曲线移动的关节时，正变换或者逆变换会变得复杂。
在本实施例的腿式机器人210中，需要在足尖的座标和左滑动关节216中 的左腿220L的端部224La的位置以及各旋转关节的旋转角之间进行正变 换或者逆变换。此时，在腿式机器人210的情况下，通过用配置在点P位 置处的虚拟的旋转关节252L和虚拟链250L来替换左滑动关节216，能够 作为躯干链212与左腿220L通过旋转关节相连的结构进行正变换或逆变 换。根据该正变换或逆变换的计算结果，能够求出左滑动关节216上的左 腿220L的端部224La的位置。尽管使用了左滑动关节216，但能够简单地 进行正变换或逆变换。
如图5 (A) 图5 (c)所示，在本实施例的腿式机器人210中，左 滑动关节216L使左腿220L与躯干链212在与XYZ坐标系的XZ平面平行 的平面内以点P为中心相对旋转。即可以换句话说，左滑动关节216是俯 仰关节，其旋转中心为点P。此外，作为滑动关节216的旋转中心的点P 与其他俯仰关节(左第一俯仰关节232L和左第二俯仰关节236L)的旋转 轴S2、 S5相比位于上方。S卩，左滑动关节216L是最高位俯仰关节。并且 具有如下关系作为该最高位俯仰关节的旋转中心的点P与躯干链212的 重心位置G相比位于上方。
如上所述，对于在使一双腿在前后方向上摆动的情况下行走的腿式机 器人来说，行走时躯干链的动作主要是绕最高位俯仰关节的旋转中心所进 行的摆动。因此，作用在躯干链212上的重力朝着使躯干链212的重心位 置G向作为最高位俯仰关节的旋转中心的点P的下方移动的方向起作用。 从而腿式机器人210构成为行走时躯干链212在前后方向上的摆动小的腿 式机器人。
以上对本发明的具体例子进行了详细说明，但这些只不过是例示，并不是用来限定权利要求书的。在权利要求书所记载的技术中包括对以上例 示的具体例子进行各种变形、变更而得的方式。
在第一实施例的腿式机器人10中，连接躯干链12与腿20R、 20L的 关节是最高位俯仰关节。此外，在第三实施例的腿式机器人210中，连接 躯干链212与腿220R、 220L的滑动关节216R、 216L是最高位俯仰关 节。如果将连接腿的上端链与躯干链的关节称为股关节，则对于第一实施 例的腿式机器人10与第三实施例的腿式机器人210，可以将具有与躯干链 的重心位置相比位于上方的旋转中心的最高位俯仰关节称为股关节。最高 位俯仰关节不必是连接躯干链与腿的股关节。即便在连接躯干链与腿的关 节是横摆关节(或者偏航关节)、并且腿所具有的其他关节是最高位俯仰 关节的情况下，只要该最高位俯仰关节的旋转中心与躯干链的重心位置相 比位于上方，就能够获得与实施例的腿式机器人相同的效果。此外，具有 与躯干链的重心位置相比位于上方的旋转中心的俯仰关节在各腿上也可以 存在两个以上。
如图5 (A) (C)所示，在第三实施例中，左腿220L (右腿 220R)使用了将横摆关节230L (230R)与俯仰关节232L (232R)复合在 一起的复合关节226L (226R)，但也可以通过其他的链来串联连接横摆 关节230L (230R)与俯仰关节232L (232R)。关于其他的复合关节 228L (228R)也一样。
此外，在第三实施例中，在躯干链212的下表面设置了滑动关节 216L、 216R。但也可以将一对滑动关节216L、 216R以一侧一个的方式分 别设置在躯干链212的两个体侧。通过这种结构，也能够抑制行走时躯干 链在前后方向上的摆动，能够在将躯干链的位置保持较低的同时实现大步 伐的腿式机器人。
此外，在本说明书或附图中进行说明的技术要件可以单独或者通过各 种组合来发挥技术效用，并不限定于申请时权利要求中所记载的组合。此 外，在本说明书或附图中例示的技术可同时实现多个目的，单实现其中的 一个目的的本身就具有技术效用。
权利要求
1.一种腿式机器人，包括躯干链；以及具有多个链和多个关节并连接在躯干链上的一双腿，所述腿式机器人的特征在于，各个腿的关节至少连接两个链，通过动力使所连接的链彼此相对旋转，各个腿的关节中的至少一个能够使所连接的链彼此在与向体侧方向延伸的直线交叉的面内旋转，其旋转中心与躯干链的重心位置相比位于上方。
2. 如权利要求1所述的腿式机器人，其特征在于，旋转中心与躯干链的重心位置相比位于上方的所述关节中的一个是将 腿的上部顶端的链连接到躯干链上的股关节。
3. 如权利要求2所述的腿式机器人，其特征在于， 所述股关节包括轨道，该轨道被固定在躯干链上，并且当从体侧方向观测时沿着以与 躯干链的重心位置相比位于上方的点为中心的圆弧而延伸；和滑动部件，该滑动部件被固定在腿的上部顶端链上，并在轨道上移动。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的腿式机器人，其特征在于， 旋转中心与躯干链的重心位置相比位于上方的所述关节中的至少一个具有释放装置，当预定条件成立时，该释放装置允许连接着的链彼此自由 旋转。
5. 如权利要求4所述的腿式机器人，其特征在于，所述预定条件是指环绕向体侧方向延伸的直线的躯干链的姿势角、 所述姿势角的变化速度、所述姿势角的变化加速度中的至少一个处于预定 范围之外。
6. 如权利要求4所述的腿式机器人，其特征在于，所述预定条件是指躯干链的移动速度、躯干链的移动加速度中的至 少一个处于预定范围之外。
7.如权利要求1至6中任一项所述的腿式机器人，其特征在于， 躯干链具有供乘员乘坐的座位，该座位被配置成使得乘坐的乘员的腰 的位置与所述旋转中心相比位于下方。
全文摘要
提供行走时躯干链难以在前后方向上摆动的腿式机器人。腿式机器人(10)包括具有躯干链(12)和一双腿(20R、20L)。腿(20R、20L)分别具有可使所连接的链彼此在与向体侧方向延伸的直线交叉的面内旋转的俯仰关节(24L、24R)。并且俯仰关节的旋转中心(24LP、24RP)与躯干链的重心位置(G)相比位于上方。腿式机器人的腿主要在绕着所述旋转中心在前后方向摆动的情况下行走。从而躯干链(12)也主要在绕着所述旋转中心在前后方向摆动的情况下行走。由于躯干链的重心位置(G)位于所述旋转中心的下方，因此作用在躯干链(12)上的重力朝着抑制行走时躯干链(12)的摆动的方向起作用。由此，行走时躯干链难以在前后方向上摆动。
文档编号B25J5/00GK101495275SQ20078002872
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月27日 优先权日2006年7月31日
发明者小川章, 菅敬介 申请人:丰田自动车株式会社