(57)【要約】【課題】使用目的や稼動条件の変更に伴う駆動モータや伝動機構の交換を容易に行い得るようにすることにある。【解決手段】歩行ロボットの脚構成リンク４を揺動させる脚関節軸９を駆動する駆動機構１１において、前記脚関節軸９を伝動機構１３を介して駆動する駆動モータ１２と、前記駆動モータを固定支持するモータブラケット１９と、前記脚構成リンクに設けられ、前記駆動モ−タを固定支持した前記モータブラケットを搭載位置変更可能に搭載するブラケット搭載部２０と、前記ブラケット搭載部に前記モータブラケットを着脱可能に固定するブラケット固定手段２１と、を具えてなる、歩行ロボットの脚関節軸駆動機構である。【選択図】図４
2006007362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行ロボットの脚構成リンクを揺動させる脚関節軸を駆動する駆動機構において、
前記脚関節軸を伝動機構を介して駆動する駆動モータと、
前記駆動モータを固定支持するモータブラケットと、
前記脚構成リンクに設けられ、前記駆動モ−タを固定支持した前記モータブラケットを搭載位置変更可能に搭載するブラケット搭載部と、
前記ブラケット搭載部に前記モータブラケットを着脱可能に固定するブラケット固定手段と、
を具えてなる、歩行ロボットの脚関節軸駆動機構。
【請求項２】
前記ブラケット搭載部は前記脚構成リンクの外部に前記駆動モ−タを配置するように設けられていることを特徴とする、請求項１記載の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構。
【請求項３】
前記ブラケット搭載部は前記脚構成リンクの、脚が脚関節軸で折れ曲がる外側の位置に設けられていることを特徴とする、請求項２記載の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構。
【請求項４】
前記ブラケット搭載部は搭載位置変更方向へ延在する長孔を有する平坦面であることを特徴とする、請求項１から３までの何れか記載の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構。
【請求項５】
前記モータブラケットは搭載位置変更方向へ延在する長孔を有していることを特徴とする、請求項１から４までの何れか記載の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人型ロボット等の歩行ロボットの脚に設けられた股関節軸、膝関節軸、足首関節軸等の、可動軸としての関節軸を駆動する駆動機構に関し、特には、それらの関節軸の駆動モータの選択自由度を高めた駆動機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、歩行ロボットにおいては、脚の股関節軸、膝関節軸、足首関節軸等の関節軸を駆動する駆動モータは、各関節軸上もしくは関節軸の近傍に搭載されており、この駆動モータは、各関節軸の駆動に必要とされるトルク出力、駆動速度、脚構成リンクの可動範囲等の仕様を考慮して、その仕様を満たす性能を元に選択されている。
【０００３】
そしてその駆動モータの搭載位置は通常、例えば特許文献１に記載のもののように、取り付けの容易さゆえ歩行ロボットの脚構成リンクの内部に、その駆動モータの形状および寸法に合わせて設定されているが、足への荷重負担を減らすため通常、脚構成リンクは高密度実装構造とされるので、駆動モータの搭載のための脚構成リンク内のスペースは極めて限られている。
【特許文献１】特許第２５９２３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、歩行ロボットの使用目的や稼動条件に変更があった場合、その使用目的や稼動条件の変更に対応させて例えば歩行速度や関節軸の回動出力等を変更する必要があり、そのためには各関節軸の駆動モータや伝動機構のプーリ径等の変更が必要な場合がある。
【０００５】
しかしながら従来の脚関節軸駆動機構では、上述のように駆動モータは通常、歩行ロボットの脚構成リンク内の限られた搭載スペースに固設されていることから、実際上、そのままでは駆動モータの変更や軸間距離を異ならせる伝動機構の変更はできなかった。
【０００６】
それゆえ従来の脚関節軸駆動機構では、歩行ロボットの使用目的や稼動条件に変更があった場合、その使用目的や稼動条件の変更に対応させるために、その変更後の使用目的や稼動条件に見合った駆動モータや伝動機構を搭載すべく、歩行ロボットの脚構成リンクを設計し直さなければならず、この設計変更のために設計費用や設計期間を新たに費やす必要があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、駆動モータの取り付け自由度をあえて高めることで上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構は、歩行ロボットの脚構成リンクを揺動させる脚関節軸を駆動する駆動機構において、前記脚関節軸を伝動機構を介して駆動する駆動モータと、前記駆動モータを固定支持するモータブラケットと、前記脚構成リンクに設けられ、前記駆動モ−タを固定支持した前記モータブラケットを搭載位置変更可能に搭載するブラケット搭載部と、前記ブラケット搭載部に前記モータブラケットを着脱可能に固定するブラケット固定手段と、を具えてなるものである。
【発明の効果】
【０００８】
かかる歩行ロボットの脚関節軸駆動機構にあっては、歩行ロボットの脚構成リンクを揺動させる脚関節軸を駆動モータが伝動機構を介して駆動し、その駆動モータをモータブラケットが固定支持し、脚構成リンクに設けられたブラケット搭載部が、駆動モ−タを固定支持したそのモータブラケットを搭載位置変更可能に搭載し、そのブラケット搭載部にブラケット固定手段がモータブラケットを着脱可能に固定する。
【０００９】
従って、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構によれば、ブラケット固定手段の固定を解除してブラケット搭載部に対するモータブラケットの搭載位置を変更した後、再度ブラケット固定手段でブラケット搭載部にモータブラケットを固定することで、脚構成リンクに対する駆動モータの搭載位置を変更することができるため、駆動モータの形状や寸法に係わらず、また伝動機構の軸間距離に係わらず、歩行ロボットの使用目的や稼動条件の変更に合わせた駆動モータや伝動機構を脚構成リンクに搭載することができるので、使用目的や稼動条件の変更に伴う駆動モータや伝動機構の交換を容易に行うことができる。
【００１０】
なお、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構においては、前記ブラケット搭載部は前記脚構成リンクの外部に前記駆動モ−タを配置するように設けられていても良く、このようにすれば、ブラケット搭載部の、駆動モータの寸法に関連する搭載位置の制約を容易に減らすことができる。
【００１１】
また、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構においては、前記ブラケット搭載部は前記脚構成リンクの、脚が脚関節軸で折れ曲がる外側の位置に設けられていて良く、このようにすれば、脚が脚関節軸で折れ曲がっても駆動モータが脚構成リンクや他の駆動モータと干渉しないので、脚関節軸の稼動範囲を大きく確保することができる。ここで脚は、人の脚のように前方へ折れ曲がっても良く、鳥の脚のように後方へ折れ曲がっても良い。
【００１２】
さらに、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構においては、前記ブラケット搭載部は搭載位置変更方向へ延在する長孔を有する平坦面であっても良く、このようにすれば、その長孔に沿ってブラケット固定手段を移動させることでモータブラケットひいては駆動モータの搭載位置を容易に変更することができる。
【００１３】
そして、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構においては、前記モータブラケットは搭載位置変更方向へ延在する長孔を有していても良く、このようにすれば、その長孔に沿ってブラケット固定手段を移動させることでモータブラケットひいては駆動モータの搭載位置を容易に変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構の一実施例を具える歩行機能評価用の歩行ロボットを示す斜視図、図２（ａ），（ｂ）は、上記歩行ロボットを示す正面図および側面図、図３は、上記歩行ロボットの足首関節軸に設けられた上記実施例の脚関節軸駆動機構を拡大して組立状態で示す斜視図、図４は、上記脚関節軸駆動機構を分解状態で示す斜視図、そして図５は、上記脚関節軸駆動機構を駆動モータを交換して分解状態で示す斜視図である。
【００１５】
上記歩行ロボットは、図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、矩形フレーム状の胴体１の下に二本の脚２を具えており、それらの脚２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この歩行ロボットの各脚２は、脚構成リンクとして、大腿リンク３と、下腿リンク４と、足リンク５とを具えるとともに、脚関節軸として、胴体１に対し大腿リンク３を前後に揺動させる股関節ピッチ軸６と、胴体１に対し大腿リンク３を左右に揺動させる股関節ロール軸７と、大腿リンク３に対し下腿リンク４を前後に揺動させる膝関節軸８と、下腿リンク４に対し足リンク５を前後に揺動させる足首関節ピッチ軸９と、下腿リンク４に対し足リンク５を左右に揺動させる足首関節ロール軸１０との五つの関節軸（可動軸）を具え、さらに、図示しないが胴体１に対し大腿リンク３を左右に回動させる股関節ヨー軸を具えている。
【００１６】
そして上記股関節ヨー軸を除く各関節軸６〜１０に設けられたこの実施例の脚関節軸駆動機構１１は、図３に足首関節ピッチ軸９と足首関節ロール軸１０とについて代表で示すように、駆動モータ１２と、二個のプーリ１３ａに無端のベルト１３ｂを巻き掛けてなるベルト式の伝動機構１３と、高減速比の(商品名)ハーモニックドライブ型の減速機１４とを有し、その駆動モータ１２の出力回転を伝動機構１３を介して関節軸上の減速機１４に入力し、減速機１４で減速して各関節軸を駆動する。
【００１７】
一方、この歩行ロボットの胴体１は、歩行制御用コンピュータ１５と、胴体１の姿勢を加速度センサとジャイロとで三次元的に検出するセンサユニット１６とに加えて、上記各関節軸の駆動モータ１２としてＤＣ(直流)モータとＡＣ（交流）モータとを交換しても駆動可能なように、ＤＣモータ用ドライバ１７と、ＡＣモータ用ドライバ１８とを、それぞれ当該歩行ロボットの上記脚関節軸の数ずつ収容しており、これによりこの歩行ロボットは、図示しない電源コードを介する外部からの電源供給によって作動して、歩行制御用コンピュータ１５がセンサユニット１６からの姿勢情報と各駆動モータ１２に設けられたロータリエンコーダからの回動角情報とを入力し、それらの情報に基づき各駆動モータ１２用のドライバ１７または１８を適宜作動させ、それらのドライバ１７または１８が各駆動モータ１２を適宜駆動することで、先に述べたように倒立振り子的に動的バランスをとりながら脚２を前後に動かして歩行する。
【００１８】
ところで、上記各関節軸に設けられたこの実施例の脚関節軸駆動機構１１は、図４に足首関節ピッチ軸９と足首関節ロール軸１０とについて代表で分解して示すように、駆動モータ１２を固定支持する略Ｌ字状のモータブラケット１９と、下腿リンク４等の各脚構成リンクに設けられ、駆動モ−タ１２を固定支持したモータブラケット１９を搭載位置変更可能に搭載するブラケット搭載部２０と、ブラケット搭載部２０にモータブラケット１２を着脱可能に固定するブラケット固定手段としての複数本のボルト２１とを具えてなる。
【００１９】
ここで、ブラケット搭載部２０は、下腿リンク４等の各脚構成リンクの外部に駆動モ−タ１２を配置するように、各脚構成リンクの外部の、脚２が膝関節軸８で折れ曲がる際の外側の位置に設けられた平坦面にて構成されており、その平坦面には、モータブラケット１９の搭載位置変更方向（図４の足首関節ピッチ軸９用のものでは上下方向）へ延在するとともに内部に貫通する、モータブラケット１９が通常のベルト１３ｂの張り調整の範囲を越えて摺動可能な長さ（この実施例では概略３ｃｍ）の長孔２０ａが複数設けられている。そしてブラケット搭載部２０を構成する平坦面は、その平坦面上を少なくとも上記長孔２０ａが許容する範囲でモータブラケット１９が摺動可能なように延在している。また、ボルト２１は、下腿リンク４等の各脚構成リンクの内側から外側へ上記長孔２０ａを貫通し、モータブラケット１９の雌ねじ孔１９ａに螺着されてそのブラケット搭載部２０にモータブラケット１９を着脱可能に固定する。
【００２０】
従って、この実施例の脚関節軸駆動機構１１によれば、ボルト２１を緩めてブラケット搭載部２０に対するモータブラケット１９の搭載位置を変更した後、再度ボルト２１を締め付けてブラケット搭載部２０にモータブラケット１９を固定することで、下腿リンク４等の各脚構成リンクに対する駆動モータ１２の搭載位置を変更することができるため、図４に示すＤＣモータからなる駆動モータ１２や、図５に示すＡＣモータからなる駆動モータ１２のように、駆動モータ１２の形状や寸法に係わらず、また伝動機構１３のプーリ１３ａのプーリ径に基づく軸間距離に係わらず、歩行ロボットの使用目的や稼動条件の変更に合わせた駆動モータ１２や伝動機構１３を下腿リンク４等の各脚構成リンクに搭載することができるので、使用目的や稼動条件の変更に伴う駆動モータ１２や伝動機構１３の交換を容易に行うことができる。
【００２１】
また、この実施例の脚関節軸駆動機構１１によれば、ブラケット搭載部２０を下腿リンク４等の各脚構成リンクの外部に設けているので、ブラケット搭載部２０の、駆動モータ１２の寸法に関連する搭載位置の制約を容易に減らすことができる。
【００２２】
さらに、この実施例の脚関節軸駆動機構１１によれば、図６に簡略化して示すように、ブラケット搭載部２０は下腿リンク４等の脚構成リンクの、脚２が膝関節軸８で折れ曲がる外側の位置に設けられているため、脚２が膝関節軸８で折れ曲がっても駆動モータ１２が大腿リンク３や下腿リンク４等の脚構成リンクや他の駆動モータ１２と干渉しないので、膝関節軸８の稼動範囲を大きく確保することができる。なお、この実施例では脚２は、図６に示す如く、人の脚のように前方へ折れ曲がるが、この実施例の一変形例としては、図７に示す如く、鳥の脚のように後方へ折れ曲がる脚２に適用しても良い。
【００２３】
さらに、この実施例の脚関節軸駆動機構１１によれば、ブラケット搭載部２０は搭載位置変更方向へ延在する長孔２０ａを有する平坦面であるので、その長孔２０ａに沿ってボルト２１を移動させることでモータブラケット１９ひいては駆動モータ１２の搭載位置を容易に変更することができる。
【００２４】
図８は、通常の人型歩行ロボット（例えば本願出願人が平成１５年３月に「平成１４年度新エネルギー・産業技術総合開発機構委託、人間協調・共存型ロボットシステム研究開発（エネルギー使用合理化技術開発）成果報告書」にて公開したＨＲＰ−２型ロボット）の足首関節軸に設けられた、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構の他の一実施例を拡大して組立状態で示す側面図、図９は、その実施例の脚関節軸駆動機構を示す斜視図、そして図１０は上記脚関節軸駆動機構を駆動モータを交換した状態で示す斜視図であり、図中先の実施例と同様の部分はそれと同一の符号にて示す。
【００２５】
すなわち、この実施例の脚関節軸駆動機構１１は、モータブラケット１９が搭載位置変更方向（図では上下方向）へ延在する長孔１９ｂを有している一方、ブラケット搭載部２０が、下腿リンク４等の脚構成リンクの内部に駆動モータ１２を収容するように、脚構成リンクの駆動モータ挿通孔の周囲にフランジ状に形成されていて、そのブラケット搭載部２０にボルト２１と螺合する雌ねじ孔が形成されている点のみ、先の実施例と異なっており、他の点では先の実施例と同様に構成されている。
【００２６】
かかる実施例の脚関節軸駆動機構１１によれば、モータブラケット１９の長孔１９ｂに沿ってボルト２１を相対的に移動させることでモータブラケット１９ひいては駆動モータ１２の搭載位置を容易に変更することができるため、図９に示すＤＣモータからなる駆動モータ１２や、図１０に示すＡＣモータからなる駆動モータ１２のように、駆動モータ１２の形状や寸法に係わらず、また伝動機構１３のプーリ１３ａのプーリ径に基づく軸間距離に係わらず、歩行ロボットの使用目的や稼動条件の変更に合わせた駆動モータ１２や伝動機構１３を下腿リンク４等の各脚構成リンクに搭載することができるので、使用目的や稼動条件の変更に伴う駆動モータ１２や伝動機構１３の交換を容易に行うことができる。
【００２７】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、先の実施例の脚関節軸駆動機構１１は、後の実施例と同様に通常の人型歩行ロボットに適用することもできる。また伝動機構は、ベルト式に限られず歯車式等でもこの発明を適用し得る。さらに、上述した脚関節軸駆動機構１１と同様の駆動機構は、人型歩行ロボットの腕にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
かくしてこの発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構によれば、駆動モータの形状や寸法に係わらず、また伝動機構の軸間距離に係わらず、歩行ロボットの使用目的や稼動条件の変更に合わせた駆動モータや伝動機構を脚構成リンクに搭載することができるので、使用目的や稼動条件の変更に伴う駆動モータや伝動機構の交換を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構の一実施例を具える歩行機能評価用の歩行ロボットを示す斜視図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、上記歩行ロボットを示す正面図および側面図である。
【図３】上記歩行ロボットの足首関節軸に設けられた上記実施例の脚関節軸駆動機構を拡大して組立状態で示す斜視図である。
【図４】上記脚関節軸駆動機構を分解状態で示す斜視図である。
【図５】上記脚関節軸駆動機構を駆動モータを交換して分解状態で示す斜視図である。
【図６】上記脚関節軸駆動機構における脚構成リンクに対する駆動モータおよびモータブラケットの配置を簡略化して示す説明図である。
【図７】上記実施例の一変形例の脚関節軸駆動機構における脚構成リンクに対する駆動モータおよびモータブラケットの配置を簡略化して示す説明図である。
【図８】通常の人型歩行ロボットの足首関節軸に設けられた、この発明の歩行ロボットの脚関節軸駆動機構の他の一実施例を拡大して組立状態で示す側面図である。
【図９】上記実施例の脚関節軸駆動機構を示す斜視図である。
【図１０】上記脚関節軸駆動機構を駆動モータを交換した状態で示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  胴体
２  脚
３  大腿リンク
４  下腿リンク
５  足リンク
６  股関節ピッチ軸
７  股関節ロール軸
８  膝関節軸
９  足首関節ピッチ軸
１０  足首関節ロール軸
１１  脚関節軸駆動機構
１２  駆動モータ
１３  伝動機構
１３ａ  プーリ
１３ｂ  ベルト
１４  減速機
１５  歩行制御用コンピュータ
１６  センサユニット
１７  ＤＣモータ用ドライバ
１８  ＡＣモータ用ドライバ
１９  モータブラケット
１９ａ  雌ねじ孔
１９ｂ  長孔
２０  ブラケット搭載部
２０ａ  長孔
２１  ボルト
【図１】
2006007362.tif 000003
【図２】
2006007362.tif 000004
【図３】
2006007362.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006007362.tif 000008
【図７】
2006007362.tif 000009
【図８】
2006007362.tif 000010
【図９】
2006007362.tif 000011
【図１０】
2006007362.tif 000012