(57)【要約】【課題】ロボットの首関節の駆動に関しては、頭部内に充分なスペースを確保し、ロボットの肩関節の駆動に関しては、ロール軸の前後方向寸法を短縮し、ロボットの指部の駆動に関しては、２本以上の指部を一括駆動しながら指部の動きに変化をもたせる。【解決手段】ロボット（１Ａ）は、胴体部（２）と、胴体部（２）に少なくとも２自由度の首関節を介して連結された頭部（３）とを備える。胴体部（２）内に２組のアクチュエータ（１０，２０）を対向配置して、両アクチュエータ（１０，２０）の出力軸に取り付けた互いに対向する駆動歯車（３１，３２）と、両駆動歯車（３１，３２）と噛合する互いに対向した従動歯車（３３，３４）とで歯車機構（３０）を構成し、歯車機構（３０）の両従動歯車（３３，３４）を取り付けた出力軸（３５）によって首関節のピッチ軸およびヨー軸を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、この胴体部に少なくとも２自由度の首関節を介して連結された頭部とを備えたロボットであって、
前記胴体部内に２組のアクチュエータを対向配置して、前記両アクチュエータの出力軸に取り付けた互いに対向する駆動歯車と、この両駆動歯車と噛合する互いに対向した従動歯車とで歯車機構を構成し、
前記歯車機構の前記両従動歯車を取り付けた出力軸によって前記首関節のピッチ軸およびヨー軸を構成したことを特徴とするロボット。
【請求項２】
胴体部と、この胴体部に３自由度の肩関節を介して連結された腕部とを備えたロボットであって、
前記腕部内に、前記肩関節のヨー軸用アクチュエータおよびロール軸用アクチュエータを平行に配置し、前記ロール軸用アクチュエータの出力軸を方向変換してロール軸部材に伝達する構成としたことを特徴とするロボット。
【請求項３】
腕部と、この腕部の先に支軸を介して回動可能に連結された２本以上の指部とを備えたロボットであって、
前記腕部内に配置したアクチュエータの出力軸に、前記各指部と個別に係合して前記出力軸の回転に応じて各指部を個別に回動させる２個以上の駆動部を有する駆動部材を設置したことを特徴とするロボット。
【請求項４】
リンク機構を繋ぐ関節と、前記関節を駆動するアクチュエータと、前記関節の角度を測定する角度測定手段または前記アクチュエータの角速度を測定する角速度測定手段とを備え、前記角度測定手段または前記角速度測定手段の出力値が、前記関節の目標角度または前記アクチュエータの目標角速度に追従するように前記アクチュエータの制御値が決定されるロボットであって、
前記角度測定手段から得られる前記関節の角速度と前記アクチュエータの制御値とに基づいて、前記関節で出力されるトルクを推定する構成としたことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば脚式移動ロボットに適用して好適なロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の脚式移動ロボットにおいて、胴体部に対して頭部を支持する首関節の駆動に関しては、ピッチ軸、ヨー軸の２軸をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動するものや、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の３軸をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動するものなどがあった（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
また、従来の脚式移動ロボットにおいて、胴体部に対して腕部を支持する肩関節の駆動に関しては、ロボットが脱力した状態において直交する２軸ないし３軸について、これらの各軸をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動していた（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、従来の脚式移動ロボットにおいて、指動作を表現する方法として、多重リンクで構成され一方向に付勢された指部を数本もち、各指部をワイヤで湾曲駆動するタイプのものがあった（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平５−２３７７７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２００３６６号公報
【特許文献３】特開２００２−１５４０７６号公報
【特許文献４】特開２００３−２６６３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば、特許文献２に記載されたような従来のものは、各関節軸をそれぞれ駆動するアクチュエータ（モータおよび減速機構）のうち、少なくとも１組のアクチュエータが頭部内に収納されていたため、例えば小型のロボットにおいて、頭部内に各種のセンサ類を収納するスペースが不足してしまうという問題があった。
【０００６】
また、例えば、特許文献３に記載されたような従来のものは、ロボットの脱力状態においてロール軸となる関節を駆動するアクチュエータ（モータおよび減速機構）が、関節軸線上に設置されているため、ロール軸関節（人間でいうと肩にあたる部分）が前後方向に長くなり、見た目がいかにもロボット的になってしまっていた。
【０００７】
とくに小型のロボットでは、アクチュエータの軸線方向の寸法短縮に限界があることから、この傾向が顕著であるという問題があった。
【０００８】
また、例えば、特許文献４に記載されたような従来のものは、各指部をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動するため、自由な表現ができるものの、構造が複雑で大型化することが避けられず、一方、各指部を一括駆動するものの場合は、動作が単純化してしまうことが避けられないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ロボットの首関節の駆動に関しては、頭部内に充分なスペースを確保できるようにし、また、ロボットの肩関節の駆動に関しては、ロール軸の前後方向寸法を短縮できるようにし、また、ロボットの指部の駆動に関しては、２本以上の指部を一括駆動しながら指部の動きに変化をもたせることのできるロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、胴体部と、この胴体部に少なくとも２自由度の首関節を介して連結された頭部とを備えたロボットであって、前記胴体部内に２組のアクチュエータを対向配置して、前記両アクチュエータの出力軸に取り付けた互いに対向する駆動歯車と、この両駆動歯車と噛合する互いに対向した従動歯車とで歯車機構を構成し、前記歯車機構の前記両従動歯車を取り付けた出力軸によって前記首関節のピッチ軸およびヨー軸を構成したロボットである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、胴体部と、この胴体部に３自由度の肩関節を介して連結された腕部とを備えたロボットであって、前記腕部内に、前記肩関節のヨー軸用アクチュエータおよびロール軸用アクチュエータを平行に配置し、前記ロール軸用アクチュエータの出力軸を方向変換してロール軸部材に伝達する構成としたロボットである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、腕部と、この腕部の先に支軸を介して回動可能に連結された２本以上の指部とを備えたロボットであって、前記腕部内に配置したアクチュエータの出力軸に、前記各指部と個別に係合して前記出力軸の回転に応じて各指部を個別に回動させる２個以上の駆動部を有する駆動部材を設置したロボットである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、リンク機構を繋ぐ関節と、前記関節を駆動するアクチュエータと、前記関節の角度を測定する角度測定手段または前記アクチュエータの角速度を測定する角速度測定手段とを備え、前記角度測定手段または前記角速度測定手段の出力値が、前記関節の目標角度または前記アクチュエータの目標角速度に追従するように前記アクチュエータの制御値が決定されるロボットであって、前記角度測定手段から得られる前記関節の角速度と前記アクチュエータの制御値とに基づいて、前記関節で出力されるトルクを推定する構成としたロボットである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は以上のように、胴体部と、この胴体部に少なくとも２自由度の首関節を介して連結された頭部とを備えたロボットであって、前記胴体部内に２組のアクチュエータを対向配置して、前記両アクチュエータの出力軸に取り付けた互いに対向する駆動歯車と、この両駆動歯車と噛合する互いに対向した従動歯車とで歯車機構を構成し、前記歯車機構の前記両従動歯車を取り付けた出力軸によって前記首関節のピッチ軸およびヨー軸を構成したので、首関節のピッチ軸およびヨー軸を駆動するアクチュエータを胴体部内に収納することで、頭部内に充分なスペースを確保することができ、そのため、頭部の軽量化によって制御性を向上させたり、頭部内に各種のセンサ類を収納することできめ細かい制御が可能になるなどの効果がある。
【００１５】
また、本発明は、胴体部と、この胴体部に３自由度の肩関節を介して連結された腕部とを備えたロボットであって、前記腕部内に、前記肩関節のヨー軸用アクチュエータおよびロール軸用アクチュエータを平行に配置し、前記ロール軸用アクチュエータの出力軸を方向変換してロール軸部材に伝達する構成としたので、ロール軸の前後方向寸法を短縮することができ、そのため、ロボットの肩部のデザインを自然な形状におさめることができるなどの効果がある。
【００１６】
また、本発明は、腕部と、この腕部の先に支軸を介して回動可能に連結された２本以上の指部とを備えたロボットであって、前記腕部内に配置したアクチュエータの出力軸に、前記各指部と個別に係合して前記出力軸の回転に応じて各指部を個別に回動させる２個以上の駆動部を有する駆動部材を設置した構成としたので、腕部に連結されたすべての指部を単一のアクチュエータで駆動することができ、そのため、小型化に適していることに加えて、単純な動きではない変化をもたせた指部の動きを実現することができるなどの効果がある。
【００１７】
さらに、本発明は、リンク機構を繋ぐ関節と、前記関節を駆動するアクチュエータと、前記関節の角度を測定する角度測定手段または前記アクチュエータの角速度を測定する角速度測定手段とを備え、前記角度測定手段または前記角速度測定手段の出力値が、前記関節の目標角度または前記アクチュエータの目標角速度に追従するように前記アクチュエータの制御値が決定されるロボットであって、前記角度測定手段から得られる前記関節の角速度と前記アクチュエータの制御値とに基づいて、前記関節で出力されるトルクを推定する構成としたので、外力を直接検出するための感圧センサ、力覚センサなどを用いることなく、また、アクチュエータの負荷を知るために電流値を測定したりすることなく、外力をソフトウェア的に推定することが可能になり、その結果、ロボットの軽量化、低価格化に寄与することができるなどの効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明のロボットの第１の実施形態を示す概略的構成図であり、このロボット１Ａは、胴体部２と、この胴体部２に少なくとも２自由度の首関節を介して連結された頭部３とを備える。
【００２０】
胴体部２内（人間でいうと鎖骨にあたる部分）には、２組のアクチュエータ１０，２０を対向配置してある。
【００２１】
アクチュエータ１０は、モータ１１と減速機１２で構成され、アクチュエータ１０の出力軸（すなわち減速機１２の出力軸）には、駆動歯車（ベベルギア）３１が固定されている。
【００２２】
同様に、アクチュエータ２０は、モータ２１と減速機２２で構成され、アクチュエータ２０の出力軸（すなわち減速機２２の出力軸）には、駆動歯車（ベベルギア）３２が固定されている。
【００２３】
両駆動歯車（ベベルギア）３１，３２は、この両駆動歯車３１，３２と噛合する互いに対向した従動歯車（ベベルギア）３３，３４とで歯車機構３０を構成している。
【００２４】
両従動歯車（ベベルギア）３３，３４のうち、いずれか一方の従動歯車（例えばベベルギア３３）は、歯車機構３０の出力軸３５に固定され、他方の従動歯車（例えばベベルギア３４）は、出力軸３５のまわりに回転可能に取り付けられている。
【００２５】
そして、歯車機構３０の出力軸３５の先に頭部３が取り付けられ、この出力軸３５がロボット１Ａの首関節のピッチ軸およびヨー軸を構成している。
【００２６】
上記のように構成されたロボット１Ａは、両アクチュエータ１０，２０が、歯車機構３０の駆動歯車（ベベルギア）３１，３２をその共通軸線のまわりに同一方向に回動させるときは、それに連動して従動歯車（ベベルギア）３３，３４が姿勢を変えることで、出力軸３５が前方または後方へ傾斜する。すなわち、頭部３がピッチ方向に揺動する。
【００２７】
一方、両アクチュエータ１０，２０が、歯車機構３０の駆動歯車（ベベルギア）３１，３２を互いに反対方向に回動させるときは、それに連動して従動歯車（ベベルギア）３３，３４が互いに反対方向に回動することで、出力軸３５が右回りまたは左回りに回動する。すなわち、頭部３がヨー方向に回動する。
【００２８】
このように、ロボット１Ａは、頭部３内に充分なスペースを確保することができ、そのため、頭部３の軽量化によって制御性を向上させたり、頭部３内に各種のセンサ類を収納することできめ細かい制御が可能になる。
【００２９】
図２は、本発明のロボットの第２の実施形態を示す概略的構成図であり、このロボット１Ｂは、胴体部２と、この胴体部２に３自由度の肩関節を介して連結された腕部４とを備える。
【００３０】
ここで、肩関節の３自由度とは、ロボット１Ｂが脱力して腕部４が鉛直方向に安定した状態にあるときのピッチ、ロール、ヨーの３軸のことである。
【００３１】
胴体部２内には、胴体部２の中央から腕部４に向かって横向きに、肩関節のピッチ軸用のアクチュエータ４０を配置してある。アクチュエータ４０は、モータ４１と減速機４２で構成される。そして、アクチュエータ４０の出力軸（すなわち減速機４２の出力軸）は、腕部４の肩にあたる部分に配置されたピッチ軸部材４５に取り付けられている。
【００３２】
腕部４内には、腕部４の肩にあたる部分に向かって上向きに、肩関節のヨー軸用のアクチュエータ５０を配置してある。アクチュエータ５０は、モータ５１と減速機５２で構成される。そして、アクチュエータ５０の出力軸（すなわち減速機５２の出力軸）は、腕部４の肩にあたる部分に配置されたヨー軸部材５５に取り付けられている。
【００３３】
腕部４内には、肩関節のロール軸用のアクチュエータ６０を、ヨー軸用のアクチュエータ５０と平行に配置してある。アクチュエータ６０は、モータ６１と減速機６２で構成される。
【００３４】
アクチュエータ６０の出力軸（すなわち減速機６２の出力軸）には、ベベルギア６３が固定され、このベベルギア６３と噛合するベベルギア６４が、腕部４の肩にあたる部分に配置されたロール軸部材６５に固定されている。そして、アクチュエータ６０の出力軸の軸線と、ロール軸部材６５の軸線とは、ベベルギア６３，６４を介して互いにほぼ９０度の角度をもって配置されている。
【００３５】
上記のように構成されたロボット１Ｂは、アクチュエータ４０がピッチ軸部材４５を回動させると、胴体部２に対して腕部４がピッチ方向に揺動する。
【００３６】
また、アクチュエータ５０がヨー軸部材５５を相対的に回動させる（実際にはヨー軸部材５５に対してアクチュエータ５０が回動する）と、胴体部２に対して腕部４がヨー方向に回動する。
【００３７】
さらに、アクチュエータ６０がベベルギア６３，６４を介してロール軸部材６５を回動させると、胴体部２に対して腕部４がロール方向に揺動する。
【００３８】
このように、ロボット１Ｂは、ロール軸の前後方向寸法を短縮することができ、そのため、ロボット１Ｂの肩部のデザインを自然な形状におさめることができる。
【００３９】
図３は、本発明のロボットの第３の実施形態を示す概略的構成図であり、このロボット１Ｃは、腕部４と、この腕部４の先に支軸６を介して回動可能に連結された２本以上（具体的には５本）の指部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ）とを備える。
【００４０】
腕部４内には、指部駆動用のアクチュエータ７０を配置してある。アクチュエータ７０は、モータ７１と減速機７２で構成される。そして、アクチュエータ７０の出力軸（すなわち減速機７２の出力軸）には、駆動部材７５が設置してある。
【００４１】
駆動部材７５は、各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅと個別に係合して、アクチュエータ７０の出力軸の回転に応じて各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを個別に回動させる２個以上（具体的には５個）の駆動部７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅを備えている。
【００４２】
このような駆動部材７５は、各駆動部７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅがそれぞれ欠歯ギアからなる円筒多重欠歯ギアで構成することが好ましい。しかし、駆動部材７５は、各駆動部７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅがそれぞれカムからなる円筒多重カムで構成することも可能である。図３には、円筒多重カムで構成した駆動部材７５を示してある。
【００４３】
一方、各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅには、１ないし数歯のギア（または１ないし数個のカムフォロワ）が形成してある。また、駆動部材７５の角度を検出可能なポテンショメータ（角度センサ）を備えている。
【００４４】
上記のように構成されたロボット１Ｃは、アクチュエータ７０が駆動部材７５を回動させると、腕部４に対して各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅが支軸６のまわりに揺動する。しかも、駆動部材７５の各駆動部７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅごとに、欠歯ギアまたはカムを任意の位相、任意の形状に形成することで、各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅにはそれぞれ独立した動きをさせることができる。
【００４５】
すなわち、駆動部材７５が１回転する３６０度の回転領域内において、各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅの角度状態を設定したモードをつくれば、ポテンショメータの値を使って位置決め制御することで、いくつかの指角度の組み合わせを実現することができる。
【００４６】
例えば、駆動部材７５が１回転する３６０度の回転領域内において、各指部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅが、じゃんけんのグー、チョキ、パーの形となるように３種類のモードを設定しておけば、ポテンショメータの目標値を指令することで、その指令に応じたグー、チョキ、パーいずれかの形を実現できる。
【００４７】
このように、ロボット１Ｃは、腕部４に連結されたすべての指部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ）を単一のアクチュエータ７０で駆動することができ、そのため、小型化に適していることに加えて、単純な動きではない変化をもたせた指部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ）の動きを実現することができる。
【００４８】
また、ロボット１Ｃにおいて、指部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ）を多関節構造とすることもできる。この場合、多関節指リンクは、フリー状態のときは一方向に付勢しておき、一端が指の先端に取り付けられたワイヤを引っ張り駆動することで湾曲動作を実現することが可能である。
【００４９】
以上のロボット１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、部位こそ違え、いずれも関節を有している。すなわち、図１に示すロボット１Ａは首関節を有し、図２に示すロボット１Ｂは肩関節を有し、図３に示すロボット１Ｃは指関節を有している。
【００５０】
このように、リンクを繋ぐ関節をアクチュエータで駆動する場合、関節出力軸の角度または角速度として与えられる目標値、あるいはアクチュエータの角速度として与えられる目標値に追従するように、関節出力軸に取り付けられたポテンショメータやアクチュエータの回転計のセンサ値と目標値とを比較し、その偏差が小さくなるようにアクチュエータを駆動する。
【００５１】
アクチュエータの制御値の決定は、ＰＤ制御またはＰＩＤ制御により、上記偏差を用いて次式のように計算される。
【００５２】
Ｑ＝Ｋｐ（ｑｒｅｆ−ｑ）＋Ｋｄ（ｑｒｅｆ−ｑ）＋Ｋｉ∫（ｑｒｅｆ−ｑ）
【００５３】
制御値は、例えばアクチュエータをＰＷＭ駆動する際のデューティ比としてモータドライバアンプに送られる。
【００５４】
アクチュエータとしてよく用いられるＤＣモータの場合、回転速度が一定の場合または停止状態の場合、ＤＣモータは電圧印加入力としてのＰＷＭデューティ比に比例したトルクを発生する。このため、関節の回転速度と関節駆動の制御値を参照することにより、関節で出力されるトルクを推定することができる。例えば、この関節に繋がるリンクが接地している場合は、関節軸のトルクを介して地面から受ける反力を推定することができる。
【００５５】
例えば、歩行ロボットにおいては地面に「蹴り」を与える意味においての足首トルクが重要な安定性のファクタであり、この方法は有効である。
【００５６】
上記のように、関節で出力されるトルクを推定することで、関節に繋がるリンクに加わる外力を推定できることを利用すれば、例えば、外力を直接検出するための感圧センサ、力覚センサなどを用いることなく、また、アクチュエータの負荷を知るために電流値を測定したりすることなく、外力をソフトウェア的に推定することが可能になる。
【００５７】
したがって、このような外力の推定を利用することによって、ロボットの軽量化、低価格化に寄与することができ、また、センサ類を取り付けることがスペース的に困難な小型のロボットに対しても有効な方法である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のロボットの第１の実施形態を示す概略的構成図である。
【図２】本発明のロボットの第２の実施形態を示す概略的構成図である。
【図３】本発明のロボットの第３の実施形態を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
【００５９】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  ロボット
２  胴体部
３  頭部
４  腕部
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ  指部
６  支軸
１０，２０，４０，５０，６０，７０  アクチュエータ
１１，２１，４１，５１，６１，７１  モータ
１２，２２，４２，５２，６２，７２  減速機
３０  歯車機構
３１，３２  駆動歯車（ベベルギア）
３３，３４  従動歯車（ベベルギア）
３５  出力軸
４５  ピッチ軸部材
５５  ヨー軸部材
６５  ロール軸部材
７５  駆動部材
７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅ  駆動部
【図１】
2005279856.tif 000003
【図２】
2005279856.tif 000004
【図３】
2005279856.tif 000005