腿式機器人的製作方法

2023-11-02 07:15:12

專利名稱：腿式機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種腿式機器人。特別地，本發明涉及一種能夠在將機器人的軀幹的 高度保持於低位置的情況下以長步幅行走的腿式機器人。
背景技術：
腿式機器人是已知的。腿式機器人包括軀幹和與軀幹相連接的腿。典型的腿式 機器人包括一對腿。各腿包括多個連杆。相鄰的連杆由關節連接在一起從而能夠轉動。 在各關節內設置有致動器。腿的各連杆由致動器驅動並相對於相鄰的連杆轉動。通過 控制各腿的致動器來適當地移動腿的各連杆，腿式機器人可行走。在日本專利申請公報 No. 2005-186650 (以下稱為專利文獻1)中公開了一種這樣的腿式機器人。在專利文獻1中 公開的腿式機器人包括一對腿和供乘員搭乘的軀幹。各腿分別與軀幹相連接從而能夠通過 轉動設置在軀幹下方的關節而進行轉動。各關節的轉動軸線沿軀幹的側向方向延伸。在專 利文獻1中公開的腿式機器人在所述的一對腿分別交替地相對於軀幹前後擺動的情況下 進行行走。所述的一對腿分別繞設置在軀幹下方的轉動關節的轉動軸線樞轉地擺動。

發明內容
為了快速移動，腿式機器人優選以長步幅行走。同時，為了穩定地行走，優選高度 低的軀幹。在專利文獻1中公開的腿式機器人中，所述的一對腿通過設置在軀幹下方的轉 動關節連接到軀幹的底部。這種腿式機器人通過在前後方向上交替地擺動所述的一對腿來 行走，其中各腿繞設置在軀幹下方的轉動關節的轉動軸線樞轉。因此，為了增加步幅的長 度，必須增加各腿的總長度。然而，因為各腿都通過轉動關節連接在軀幹的下方，所以腿的 長度變長會致使軀幹的高度變高。另一方面，如果為了使軀幹的高度降低而減小各腿的總 長度，則步幅的長度會變短。在專利文獻1中公開的技術中，難以實現既提供較大的步幅長 度又提供較低的軀幹高度的腿式機器人。需要一種實現在不使軀幹的高度升高的情況下增 大步幅的腿式機器人的技術。在本說明書中公開的腿式機器人使用滑動關節來使步長增大。在本說明書中，滑 動關節將腿連接到軀幹的側表面或底表面上。具體地，在本說明書中公開的腿式機器人具 有軀幹、一對腿以及一對滑動關節。各滑動關節分別將各腿的一端連接到軀幹，使得各腿都 能夠相對於軀幹在前後方向上前後滑動。各腿的各滑動關節可以分別設置在軀幹的兩個側 表面上，或者可以都設置在軀幹的底表面上。在各滑動關節分別設置在軀幹的兩個側表面 上的前一種情況下，各滑動關節分別在相應的體部側表面上將各腿連接到軀幹上。在一對滑動關節設置在軀幹的底表面上的後一種情況下，各滑動關節在軀幹的底表面上將各腿連 接到軀幹上。各滑動關節相對於軀幹在前後方向上延伸。注意，設置在腿式機器人上的雙 腿的數量以及相應的滑動關節對的數量可以是一對或多對。各滑動關節可使各腿沿軀幹的前後方向滑動。這種腿式機器人在行走時在前後方 向上交替地前後滑動所述一對腿。因此，雙腿的與滑動關節相連接的端部(在與軀幹相連 接的一側的端部)都以預定的長度在前後方向上交替地前後移動。即使在該腿式機器人具 有與其中通過轉動關節將各腿連接到軀幹的常規腿式機器人相同的腿長的情況下，由於在 步幅中各腿的端部在前後方向上達到的距離增加，也可以使該腿式機器人的預定的步長大 於常規腿式機器人的步長。本說明書中公開的腿式機器人可在不增加腿的總長的情況下使 腿式機器人的步幅長度加大。通過採用滑動關節，能夠實現在不增加軀幹高度的情況下具 有長步幅的腿式機器人。在軀幹的外形具有似卵狀的圓滑形狀的情況下，難以區分軀幹的底表面、後表面 和側表面。在這種情況下，本說明書中的用語「軀幹的底表面」是指「軀幹的面向地面的表 在滑動關節設置在軀幹的底表面上的情況下，各滑動關節的至少一部分至少在底 表面內在前後方向上延伸。滑動關節還可以延伸成超出底表面，達到軀幹的前表面或後表另外，用語「滑動關節相對於軀幹在前後方向上延伸」是指將滑動關節的切線投影 到水平面內的投影線在前述的前後方向上延伸。該滑動關節可以與水平方向成角度地延 伸。或者該滑動關節可彎曲。優選地，各滑動關節彎曲成突出到軀幹下方(軀幹的豎直下方)。用語「彎曲成突 出到軀幹下方」是指限定滑動關節的曲線的曲率中心位於滑動關節上方。換句話說，優選 地，滑動關節彎曲成使得曲線的最低點位於滑動關節的兩端部之間。各彎曲的滑動關節可形成為一系列的不同的曲線。這裡「不同的曲線」是指具有 不同的曲率中心的多個曲線，或者指具有不同的曲率半徑的多個曲線。在各彎曲的滑動關 節都形成為一系列的不同的曲線的情況下，各曲線的曲率中心可位於滑動關節的上方。如果各滑動關節彎曲成向下突出到軀幹下方(軀幹的豎直下方)，則各腿的頂端 部(與滑動關節相連接的端部)在移動的同時劃出繞曲率中心的弧。儘管各腿通過滑動關 節連接到軀幹，但是所述腿如同通過轉動關節連接在曲率中心處那樣擺動。由於這樣的構 型，可在行走時使腿的移動更平順。能夠使腿式機器人在行走時的運動更平順。各彎曲的滑動關節也可形成為一個弧。如果各滑動關節沿著一個圓弧彎曲，則在 各腿的關節之中，第一關節(最接近滑動關節的關節)繞所述一個圓弧的曲率中心樞轉地 擺動。軀幹與各腿之間的運動學關係等同於其中通過假想的連杆將假想的轉動關節(其轉 動軸線穿過所述一個圓弧的曲率中心)與第一關節相連接的結構的運動學關係。因此，盡 管實際上是通過滑動關節來將軀幹和腿相連接的，但是仍可在假定通過假想的轉動關節和 假想的連杆將腿和軀幹相連接的情況下進行正運動學和逆運動學的計算。在多關節機器人 中，對於僅通過轉動關節構成的機器人正運動學和逆運動學的計算比通過轉動關節和滑動 關節構成的機器人更簡單。因為前述結構，儘管設置有滑動關節，也能夠簡化對腿的正運動 學和逆運動學的計算。
優選地，各彎曲的滑動關節的曲率中心位於軀幹質心的上方。在腿沿著滑動關節 滑動的情況下，在幾何結構上，腿和軀幹繞滑動關節的曲率中心相對轉動。由於作用在軀幹 質心上的重力，繞曲率中心產生力矩。該力矩作用使得軀幹的質心位置位於曲率中心的豎 直下方。在腿沿著彎曲的滑動關節自由滑動時，在軀幹的質心位於曲率中心的豎直下方的 位置上的情況下使軀幹穩定。這裡，曲率中心是指軀幹的轉動中心。通過使曲率中心位於軀 幹質心的上方，能夠使得軀幹更不容易翻倒。即使由於某種情況而使腿式機器人在前後方 向上明顯傾斜的情況下，也能夠通過允許腿在滑動關節處自由運動而防止軀幹翻倒。從而 能夠改進軀幹的穩定性。注意，用語「允許腿在滑動關節處自由運動」是指在滑動關節的致 動器上既不施加使腿滑動的驅動力也不施加使腿在滑動關節上保持就位的制動力的條件。優選地，在腿式機器人中，除了滑動關節的曲率中心位於軀幹質心的上方外，軀幹還設置有可供乘員乘坐的座椅。在這種情況下，優選使所述座椅的座部位於曲率中心的下 方(豎直下方)。通常，已知在乘員乘坐在座椅中的狀態下，乘員的質心位於其髖部附近。因此，通過使座椅的座部位於滑動關節的曲率中心的豎直下方，能夠使乘坐的乘員的質心位於滑動 關節的曲率中心的豎直下方。與使曲率中心位於軀幹質心位置的豎直上方相結合，也可以 將包括乘坐的乘員的軀幹的質心設定在滑動關節的曲率中心的豎直下方。從而能夠防止供 乘員乘坐的軀幹翻倒。根據本說明書中公開的技術，能夠在不增加機器人的軀幹高度的情況下實現以長步幅行走的腿式機器人。


圖1 (A)示出第一實施例的腿式機器人的俯視圖，圖1⑶示出該腿式機器人的側視圖，圖1(C)示出該腿式機器人的後視圖。圖2示出在行走中的腿式機器人的側視圖。
圖3示出第二.實施例的腿式機器人的側視圖
附圖標記說明
10，10a:腿式機器人
12，13 軀幹
14L, 14R 腿
16L，16R 滑動關節
20L，20R 第—-連杆
22L，22R 第二連杆
24L，24R 第三連杆
24La，24Ra M丨三連杆端部
26L，26R 第—-組合關節
28L，28R 第二組合關節
30L，30R 第—-側傾關節
32L，32R 第—-俯仰關節
34L，34R 第二側傾關節
36L，36R 第二俯仰關節40L，40R:導軌42L，42R:致動器60 座椅60a 座椅座部100 乘員
具體實施例方式以下將列出各實施例的優選技術特徵。(1)滑動關節設置在軀幹的底表面上。當腿式機器人處於站立姿態時，設置在腿中 的各側傾(roll)關節都布置在軀幹的在側向方向(橫向方向)上的寬度之內。注意，用語 「站立姿態」是指在從相對於機器人的側向方向觀察的情況下，軀幹的質心以及腿的與人類 的膝關節相對應的關節和與人類的踝關節相對應的關節沿豎直線對齊的姿勢。「側傾關節」 表示轉動軸線沿軀幹(機器人)的前後方向延伸的關節。(2) 一對滑動關節的曲率中心沿相對於軀幹在側向方向上延伸的直線對齊。第一實施例下面參照附圖來說明腿式機器人的第一實施例。圖1示出腿式機器人10的俯視 圖、側視圖和後視圖。圖1 (A)示出腿式機器人10的俯視圖，圖1⑶示出腿式機器人10的 側視圖，圖1(C)示出腿式機器人10的後視圖。腿式機器人10具有軀幹12和一對腿14L和14R。腿14L對應於人體的左腿。腿 14R對應於人體的右腿。在軀幹12的底表面12a上設置有滑動關節16L。滑動關節16L將 腿14L的一端24La可滑動地連接到軀幹12。相似地，在軀幹12的底表面12a上設置有滑 動關節16R。滑動關節16R將腿14R的一端24Ra可滑動地連接到軀幹12。在圖1所示的坐標系統中，X軸的軸線箭頭所示的正方向對應於腿式機器人10(軀 幹12)的前方。與Y軸平行的方向對應於腿式機器人10 (軀幹12)的側方向。與Y軸平行 的方向也可稱為腿式機器人10(軀幹12)的「側向方向」或「橫向方向」。Z軸方向對應於 相對於腿式機器人10 (軀幹12)的上下方向。注意，Z軸方向也對應於「豎直方向」。首先說明腿14L和14R。腿14L由多個連杆20L、22L、和24L以及多個轉動關節 30L、32L、34L 和 36L 構成。左第一連杆20L構成腿14L的接地側端部。左第一連杆20L對應於人體的腳。左 第一連杆20L和左第二連杆22L通過左第一混合關節26L相連接。左第二連杆22L對應於 人體的腿的下半部(小腿)。左第一混合關節26L對應於人體的踝關節。左第一混合關節26L由左第一側傾關節30L和左第一俯仰(pitch)關節32L構成。 左第一側傾關節30L使左第一連杆20L相對於左第二連杆22L繞側傾軸線S1轉動。左第 一俯仰關節32L使左第一連杆20L相對於左第二連杆22L繞俯仰軸線S2轉動。藉助於左 第一混合關節26L，左第一連杆20L可相對於左第二連杆22L在兩個方向上轉動繞側傾軸 線S1轉動和繞俯仰軸線S2轉動。這裡，術語「側傾軸線」表示基本在腿式機器人10的前後方向上延伸的軸線。另 外，術語「俯仰軸線」表示基本在腿式機器人10的側向方向上延伸的軸線。當腿14L的各連杆擺動時，各關節的轉動軸線的方向也變化。因此，在本文中，使用用語「基本在前後方向 上」和「基本在側向方向上」。左第二連杆22L和左第三連杆24L由左第二混合關節28L相連接。與人體相比較 左第三連杆24L對應於大腿。與人體相比較左第二混合關節28L對應於膝關節。左第二混合關節28L由左第二側傾關節34L和左第二俯仰關節36L構成。左第二 側傾關節34L使左第二連杆22L相對於左第三連杆24L繞側傾軸線S3轉動。左第二俯仰 關節36L使左第二連杆22L相對於左第三連杆24L繞俯仰軸線S4轉動。藉助於左第二混 合關節28L，左第二連杆22L可相對於左第三連杆24L在兩個方向上轉動繞側傾軸線S3轉 動和繞俯仰軸線S4轉動。在各關節30L、32L、34L和36L內嵌入有電機(致動器)和旋轉編碼器。在圖1中 未示出電機和旋轉編碼器。各電機產生用於使與相應的關節相鄰的各連杆的相對轉動的轉 矩。各旋轉編碼器檢測與相應的關節相鄰的各連杆之間的相對轉動角度。腿14R的結構與腿14L的結構相似。例如，腿14L的左第一連杆20L對應於腿14R 的右第一連杆20R。相似地，在腿14L和腿14R的各部分的各附圖標記中，具有相同的數字 的部分表示相對應的部分。在腿14L和腿14R的俯仰軸線和側傾軸線之間的對應關係如下。 腿14L的側傾軸線S1和側傾軸線S3分別對應於腿14R的側傾軸線S5和側傾軸線S7。腿 14L的俯仰軸線S2和俯仰軸線S4分別對應於腿14R的俯仰軸線S6和俯仰軸線S8。在腿14R的各關節30R、32R、34R和36R內也嵌入有電機(未示出)和旋轉編碼器 (未示出)。各電機產生用於使與該關節相鄰的各連杆的相對轉動的轉矩。旋轉編碼器檢 測與該關節相鄰的各連杆之間的相對轉動角度。下面說明滑動關節16L和16R。滑動關節16L是將腿14L連接到軀幹12以使得腿 14L能夠相對於軀幹12滑動的關節。滑動關節16L包括導軌40L和致動器42L。導軌40L 沿軀幹12的底表面12a設置在外部。如圖1所示，當從側向方向觀察時軀幹12的底表面 彎曲成向下突出。因此，導軌40L也相應地彎曲成向下突出，同時在軀幹12的前後方向上 延伸。在圖1(B)中，彎曲的導軌40L的曲率中心的位置由附圖標記P示出。導軌40L限定 了相對於該位置P具有曲率半徑R的曲線。換句話說，導軌40L沿中心在位置P並具有半 徑R的圓彎曲。另外，如圖1(B)所示，導軌40L彎曲成使得曲率中心位於滑軌40L的位置 的上方。左第三連杆24L的端部24La可滑動地連接到導軌40L從而能夠沿所述導軌40L滑 動。左第三連杆24L的端部24La等同於腿14L的端部。由於左第三連杆24L的端部24La 可滑動地連接到導軌40L，因而整個腿14L可沿滑動關節16L的導軌40L滑動。致動器42L輸出使腿14L沿導軌40L滑動的驅動力。在致動器42L工作的情況下， 使腿14L位於沿導軌40L選定的任意位置上。滑動關節16L包括位置檢測器(未示出)。 該位置檢測器檢測腿14L的端部24La在導軌40L內所處的位置。將不再進一步說明滑動關節16L的詳細的機構。然而，可以通過使用例如在單軸 臺架中使用的直動機構來實現該滑動關節16L的機構。這種直動機構的軌道通常是平直 的。因此，在將直動機構應用到機器人10中時，可將平直的軌道修改成彎曲的。滑動關節16R是將腿14R可滑動地連接到軀幹12的關節。滑動關節16R的結構與 滑動關節16L的結構相似，因此不再對其進行說明。注意，滑動關節16R的導軌40R也沿具
7有半徑R的圓弧彎曲。當從側向方向觀察時，由滑動關節16L的彎曲的導軌40L限定的圓 弧的中心的位置與由滑動關節16R的彎曲的導軌40R限定的圓弧的中心位置在P點重合。 換句話說，彎曲的滑動關節16L的曲率中心與彎曲的滑動關節16R的曲率中心沿在軀幹12 的側向方向上延伸的直線對齊。除了滑動關節16L和16R，在軀幹12中還安裝有控制整個腿式機器人的控制器 (未示出)。可能存在軀幹12中設置有用於支撐乘員的座椅(該座椅將在下文中說明)的情 況，也可能存在軀幹12中設置有用於裝載貨物的託盤的情況。另外，還可能存在軀幹12中 安裝有用於執行各種操作的操作器的情況。在圖1中示出的其它附圖標記之中，G表示軀幹12的質心位置，W1表示軀幹12的 寬度(軀幹12的側向長度)。符號SO表示穿過軀幹的質心位置G的豎直線。符號W2表示 在側向方向上，豎直線SO與各側傾關節30L、34L、30R和34R的各旋轉軸線S1、S3、S5和S7 之間的距離。下文中將詳細說明軀幹12的質心位置G、寬度W1以及豎直線SO與各側傾軸 線之間的距離W2之間的關係。注意圖1中示出的腿式機器人10的姿態將稱為「站立姿態」。如圖1⑶所示，用 語「站立姿態」是指在從側向方向觀察的情況下，軀幹12的質心位置G、與人類的膝關節相 對應的關節28L和28R以及與人類的踝關節相對應的關節26L和26R沿豎直線SO (在豎直 方向上基本平直的線)對齊的姿勢。下面，將參照圖1和圖2說明本實施例的腿式機器人10在行走時的運動。圖2是 腿式機器人10沿X軸方向以一條腿14L向前邁步的側視圖。在圖2中，「向前方向」或「前 方」對應於X軸的正方向。以下說明將專注於在X軸方向上筆直向前前進時腿14L和14R 在XZ平面內的運動。在以下說明中，假定在筆直向前前進的情況下各腿14L和14R的側傾 軸線關節30L、34L、30R和34R不轉動。因此，圖2中省略了在腿14L中的第一混合關節26L 中的第一側傾關節30L和第二混合關節28L中的第二側傾關節34L。相似地，圖2中也省略 了在腿14R中的第一混合關節26R中的第一側傾關節30R和第二混合關節28R中的第二側 傾關節34R。在腿14L和14R的各關節32L、36L、32R和36R中嵌入有用於轉動連杆的致動器 (未示出)。在滑動關節16L中，設置有用於使腿14L的端部24La沿導軌40L滑動(移動) 到任意選定的位置的致動器42L。相似地，在滑動關節16R中還設置有用於使腿14R的端部 24Ra沿導軌40R滑動的致動器42R。腿14L在導軌40L上的位置由設置在滑動關節14L中的位置檢測器(未示出)檢 測。相似地，腿14R在導軌40R上的位置由設置在滑動關節14R中的位置檢測器(未示出) 檢測。在分別設置在腿14L和14R中的各轉動關節中還設置有旋轉編碼器(未示出)。由 旋轉編碼器檢測的關節角度以及由各位置檢測器檢測的腿14L和14R在導軌40L和40R內 的位置被輸入到腿式機器人10的控制器(未示出)中。控制器向各致動器輸出指令，從而 基於輸入值通過預定的控制邏輯來適當地控制各關節。結果，使腿14L和14R的各連杆協 調地運動，因此使腿式機器人10能夠行走。如圖2所示，當腿式機器人10進行使腿14L向前邁出的運動時，腿14L的端部24La 相對於軀幹12沿導軌40L向前滑動(移動)。同時，腿14R的端部24Ra相對於軀幹12沿導軌40R向後滑動(移動)。結果，在腿14L的端部24La與腿14R的端部24Ra之間相對於 軀幹12在前後方向上產生距離L。與腿式機器人10不同，通過如人體的髖關節的轉動關節將腿連接到軀幹的常規 腿式機器人不能夠使各腿與軀幹的連接部在前後方向上產生距離。因此，這種常規腿式機 器人的步長受到腿的從腿與軀幹的連接部到腳的總長的限制。在對機器人的說明中，注意， 忽略了以在不翻倒的情況下能夠行走的條件來約束腿式機器人的步長限制。與前述的常規 腿式機器人不同，本實施例的腿式機器人10能夠包括腿14L的端部24La與腿14R的端部 24Ra之間在軀幹12的前後方向上的距離L。結果，腿式機器人10能夠使各步幅長度相比 於由腿14L和14R的長度限定的步幅長度加長。步幅長度可在由距離L可得的附加長度的 範圍內加長。本實施例的腿式機器人10能夠在不增加腿的總長的情況下增加步長。換句 話說，腿式機器人10能夠在保持低軀幹12高度的情況下以比常規機器人長的步幅行走。下面，將說明腿14L。腿14R與之相似，因此省去對其的說明。使滑動關節16L的 導軌40L彎曲從而劃出具有一定的曲率半徑的弧，該曲率半徑定心在位於導軌40L上方的 位置Pi。換句話說，滑動關節16L的導軌40L彎曲成向下突出(相對於軀幹12豎直向 下)。腿14L的端部24La沿導軌40L的曲線滑動。通過由腿14L的端部24La沿向下突出 的滑動關節16L前後滑動的運動來平順地移動腿14L，腿式機器人10能夠行走。注意，在下 文中術語「豎直向下」簡稱為「向下」。特別是在本實施例的腿式機器人10中，導軌40L沿定心在一個位置P的精確的圓 弧彎曲。導軌40L限定的圓弧在軀幹12的前後方向上延伸。因此，經由滑動關節16L連接 的腿14L與軀幹12之間的連接構型的運動學關係等同於以下構型即，假定設置有假想的 轉動關節52L，該轉動關節52L的轉動軸線在俯仰方向(Y軸方向)上延伸並穿過軀幹12中 的位置P，並且該假想的轉動關節52L通過假想的連杆50L連接到左第二俯仰關節36L，其 中左第三連杆24L延伸至位置P。因此，本實施例的腿式機器人10等同於通過位於位置P 的假想的轉動關節52L將具有假想的連杆50L的腿14L連接到軀幹12的構型。因此，腿式 機器人10能夠實現與由具有假想的轉動關節52L和假想的連杆50L的腿實現的行走步幅 等同的行走步幅。換句話說，本實施例的腿式機器人10能夠以與具有與從左第一連杆20L 到假想的轉動關節52L的長度相一致的腿長的腿式機器人相同的步長行走。注意，在軀幹12的位置P處具有實際的關節的腿式機器人是不可行的。如圖1(C) 所示，腿14L通過在軀幹12的底表面12a下方的滑動關節16L而連接到軀幹12。為實現具 有在位置P處的轉動軸線的關節52L，該關節將被設置在軀幹12內部。另外，在關節下方 必須確保可供連杆50L擺動的一定的空間。因此，在軀幹12的位置P下方基本沒有剩下可 供其它裝置安裝的空間。這種腿式機器人事實上與軀幹的底部位於位置P的機器人是相同 的。這意味著，在常規機器人中，如果使髖關節的位置位於位置P，則必須使軀幹的高度更 尚o相反，在本實施例的腿式機器人10中，通過在軀幹12的底表面12a上的滑動關節 16L將實際的腿14L連接到軀幹12。從而不必將腿14L設置在軀幹12內。以前述構型，腿 式機器人10可在不使軀幹12的高度出現任何增高的情況下具有更大的步長。另外，如圖1(C)所示，通過在軀幹12的底表面12a上的滑動關節16L來連接腿式 機器人10的腿14L。因此，能夠縮短穿過軀幹12的質心位置G的豎直線SO與腿14L的側傾關節30L和34L的側傾軸線S1和S3之間在橫向方向上的距離W2。通過縮短距離W2可 得到以下效果。在腿式機器人中，特別是在使用一對腿來行走的腿式機器人中，當該機器人僅用 一條腿站立時，必須通過與地面相接觸的僅有的一條腿來支撐機器人的軀幹。在僅有一條 腿與地面相接觸的情況下，由於軀幹自身的重量而在支撐腿的側傾關節上作用有力矩。該 力矩的大小與穿過軀幹的質心位置的豎直線和側傾關節的轉動軸線之間的距離成比例。考 慮到這一點，在軀幹12的底表面12a上將腿式機器人10的腿14L連接到軀幹12上。因 此，如圖1 (C)所示，當腿式機器人10直立時，設置在腿14L中的側傾關節30L和34L在側 向方向上位於軀幹12的寬度W1範圍內。因此，腿式機器人10成功地將在側向方向上的距 離W2保持得很小。結果，在一條腿與地面相接觸期間，腿式機器人10能夠將作用在腿的側 傾關節30L和34L上的力矩控制得很小。當處於一條腿站立的狀態時，通過在軀幹12的底 表面12a上設置滑動關節16L和16R，腿式機器人10可使作用在與地面相接觸的腿的側傾 關節上的力矩很小。因此，能夠在側傾關節中使用輸出轉矩小的電機。如上所述，儘管腿式機器人10具有通過滑動關節16L將腿14L連接到軀幹12的 結構，該結構在運動學上等同於通過位於位置P的假想的轉動關節52L將具有假想的連杆 50L的腿14L連接到軀幹12的結構。通常在多關節機器人中，將多關節機器人的各關節角 度轉換為端部位置的坐標的計算轉換(這種轉換稱為正運動學或正向運動學)，以及將多 關節機器人的端部位置的坐標轉換為各關節角度的計算轉換(這種轉換稱為逆運動學或 反運動學)，在多關節機器人僅具有轉動關節的情況下比多關節機器人具有滑動關節和轉 動關節二者的情況更簡單。特別地，如在腿式機器人10的滑動關節中情況(其中腿式機器 人具有沿曲線滑動的關節)，對於更複雜的正運動學和逆運動學需要更多的計算量。為了控 制本實施例的腿式機器人10，必須參照腳端的位置和腿14L的端部24La以及參照各轉動關 節的關節角度來進行對於正運動學和逆運動學的計算。對於腿式機器人10，在執行正運動 學和逆運動學的轉換計算方面，可假定滑動關節16L可被位於位置P的假想的轉動關節52L 以及假想的連杆50L替代。換句話說，能夠在假定通過假想的轉動關節52L將腿14L連接 到軀幹12的情況下進行正運動學和逆運動學的計算。儘管實際上應用的是滑動關節16L， 但可使用簡單的計算來進行正運動學和逆運動學的處理。下面，將說明軀幹12的質心位置G與彎曲的滑動關節16L的曲率中心的位置P之 間的關係。如圖1(B)所示，位置P位於軀幹12的質心位置G上方。如上所述，腿式機器人 10的腿14L與軀幹12之間的運動學關係等同於通過位於位置P的假想的轉動關節52L將 包括假想的連杆50L的腿14L連接到軀幹12的結構。因此，當滑動關節16L和16R處於自 由狀態時，即，處於腿14L和14R的端部24La和24Ra可分別沿導軌40L和40R自由移動的 狀態時，由於重力而使軀幹12處於位置G位於位置P豎直下方的姿勢。或者，如果導軌40L 和40R的曲率中心的位置P位於位置G下方，並且滑動關節16L和16R被設定成自由狀態， 則重力作用在軀幹12上，促使軀幹12的質心位置G移動到位置P的豎直下方的位置。結 果，軀幹12會翻倒。通過使彎曲的導軌40L和40R的曲率中心的位置P位於軀幹12的質 心位置G的上方，腿式機器人10具有以下優點在由於某些原因而使腿式機器人10在向前 或向後的方向上的傾斜角度增加的情況下，腿式機器人10可通過允許滑動關節16L和16R 處於自由狀態來防止軀幹12翻倒。在以彼此相繼的不同的曲線形成導軌40L和40R的情況下也可得到這種優點。在這種情況下，各曲線的中心優選位於軀幹12的質心位置G的上方。第二實施例下面將說明根據本發明的第二實施例的腿式機器人10a。圖3所示的腿式機器人 10a具有在軀幹13內的可供乘員100乘坐的座椅60。該腿式機器人10a是在搭載有乘員 的情況下行走的搭載式的腿式機器人。腿14L和14R以及滑動關節16L和16R構造成與圖 1中的腿式機器人10相同，因此不再對其進行說明。除了設置有座椅60外，軀幹13構造成 與圖1所示的軀幹12相同，因此不再對其進行說明。座椅60設置成使得座椅60的座部60a布置在彎曲的導軌40L和40R的曲率中心 的位置P的下方。已知，通常乘坐的乘員的質心位於該乘坐的乘員的髖部附近。圖3示出 乘坐在座椅60中的乘員100的質心位置GH。可通過將座椅60設置成使得座椅60的座部 60a位於導軌40L和40R的曲率中心的位置P的下方，使乘員100的質心位置GH布置在曲 率中心的位置P的下方。軀幹13的質心位置G也位於導軌40L和40R的曲率中心的位置P 的豎直下方。也可能使包括乘員100的軀幹13的質心位於曲率中心的位置P的下方。因 此，與前述說明相似，在由於某些原因而使腿式機器人10a在向前或向後的方向上的傾斜 角度增加的情況下，腿式機器人10a可通過允許滑動關節16L和16R自由移動來防止搭乘 有乘員100的軀幹13翻倒。如上所述，說明了本發明的具體實施例，但這些僅是示例性的，而不會限制權利要 求的範圍。在權利要求中陳述的技術包括對上述具體實施例的修改和變型。在所述實施例中，如圖1所示，腿14L(14R)使用包括側傾關節30L(30R)和俯仰關 節32L(32R)的組合關節26L(26R)。然而，側傾關節30L(30R)和俯仰關節32L(32R)也可通 過分離的連杆串聯連接。也可對另一組合關節28L(28R)做同樣的修改。另外，在上述實施例中，具有一對腿14L和14R的腿式機器人僅是示例，腿的數量 不限於一對。本發明還可應用於具有三條或更多條腿的腿式機器人。儘管本發明可應用於具有三條或更多條腿的腿式機器人中，但將本發明應用於具 有一對腿的腿式機器人中是特別有利的。原因是這樣能夠在從側向方向上觀察的情況下， 使腿的各側傾關節都位於軀幹的寬度範圍內。在具有一對腿的腿式機器人中，在行走時會 出現腿式機器人僅用一條腿站立的情況。因此，由於軀幹自身的重量而在支撐軀幹的腿的 側傾關節上產生力矩。支撐軀幹的腿的各側傾關節必須輸出等於該力矩的轉矩。通過使各 腿的側傾關節在從側向方向觀察的情況下相對於軀幹的側部位於內側，可使由機器人自身 的重量產生的且作用在腿的側傾關節上的力矩很小。根據本發明的腿式機器人能夠在保持 低的軀幹高度的情況下以長步幅行走，同時，腿式機器人能夠使作用在腿的側傾關節上且 由軀幹自身的重量產生的力矩很小。另外，在上述實施例的腿式機器人中，沿彎曲的軀幹的底表面在前後方向上設置 滑動關節。在軀幹的底表面上延伸成從軀幹向下突出的彎曲導軌的布置中，不必使軀幹的 底表面在前後方向上彎曲。導軌可在幾個位置處連接到軀幹的底表面上。另外，在本發明的腿式機器人中，將軀幹與一對腿相連接以使各腿能夠相對於軀 幹滑動的滑動關節不限於彎曲的滑動關節。也可使用平直的滑動關節作為使腿在軀幹的前 後方向上滑動的滑動關節。
另外，在上述實施例中，滑動關節16L和16R設置在軀幹12的底表面上。然而，所 述一對滑動關節16L和16R可分別設置在軀幹12的基體的與所述一對腿中的各腿分別對 應的各側面上。即使在使用上述構型的情況下，也可實現能夠在保持低的軀幹高度的情況 下以大步行走的腿式機器人。在本說明書和附圖中說明的技術要素單獨地或以不同的組合展現出技術實用性， 並且不限於在提交時的權利要求中所列舉的組合。另外，在本說明書和附圖中說明的技術 以及特徵可同時實現多個目的，另外，僅通過獲得所述目的中的一者便使所公開的技術具 有技術實用價值。
權利要求
一種腿式機器人，包括軀幹；一對腿，各所述腿都包括側傾關節，所述側傾關節具有相對於所述軀幹沿前後方向延伸的轉動軸線；以及一對滑動關節，各所述滑動關節設置在所述軀幹的底表面上，並且分別將各所述腿的一端連接到所述軀幹，使得各所述腿都能夠相對於所述軀幹沿所述前後方向滑動；其中，所述側傾關節位於所述軀幹的下方，並位於所述軀幹的寬度範圍內。
全文摘要
本發明涉及一種腿式機器人，該腿式機器人在確保軀幹的高度低的情況下以大步幅行走。該腿式機器人具有軀幹、一對腿以及一對滑動關節。各滑動關節分別將各腿的一端連接到軀幹，使得各腿都能夠相對於軀幹在前後方向上滑動。對於每一個行走步，一條腿向前滑動而另一條腿向後滑動。可在一條腿的端部與另一條腿的端部之間保持預定的距離。該腿式機器人可使步幅增大相當於與腿長無關的該預定距離的量。
文檔編號B62D57/032GK101797938SQ20101015990
公開日2010年8月11日 申請日期2007年1月11日 優先權日2006年1月12日
發明者小川章 申請人:豐田自動車株式會社