腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)以及腿式機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠降低用于驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)的致動(dòng)器的負(fù)載的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)。腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)具備：股關(guān)節(jié)主體(18)、大腿部(2la)、將大腿部(12a)與股關(guān)節(jié)主體(18)連接起來(lái)的股關(guān)節(jié)接頭(22)、與大腿部(12a)連結(jié)的膝關(guān)節(jié)主體(19)。并且設(shè)置有大腿部輔助連桿(31)，該大腿部輔助連桿(31)的一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與股關(guān)節(jié)主體(18)或股關(guān)節(jié)接頭(22)連結(jié)，并且另一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與膝關(guān)節(jié)主體(19)連結(jié)。通過(guò)膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器(4)使大腿部輔助連桿(31)的從一端部到另一端部的長(zhǎng)度伸縮。
【專利說(shuō)明】腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)以及腿式機(jī)器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)一種具有多個(gè)腿部、且一邊擺動(dòng)各個(gè)腿部一邊行走的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)以及腿式機(jī)器人。

【背景技術(shù)】
[0002]腿式機(jī)器人具有多個(gè)腿部，并一邊擺動(dòng)各個(gè)腿部一邊行走。如人類那樣通過(guò)兩只腳掌握平衡并行走的腿式機(jī)器人被稱為兩足行走機(jī)器人。如動(dòng)物那樣通過(guò)四只腳行走的腿式機(jī)器人被稱為四足行走機(jī)器人。腿部的數(shù)量作為代表性為兩條或四條，但只要為多條則可以為任意條。
[0003]各腿部將相當(dāng)于大腿部、小腿部、腳部的連桿從機(jī)器人的軀體部經(jīng)由股關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)依次連接設(shè)置而構(gòu)成。相當(dāng)于大腿部、小腿部、腳部的連桿以能夠繞向腿式機(jī)器人的側(cè)方延伸的俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與各關(guān)節(jié)連結(jié)。在各關(guān)節(jié)上具備使連桿旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)(致動(dòng)器)(例如參照專利文獻(xiàn)I)。通過(guò)馬達(dá)輸出適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力來(lái)控制連桿的旋轉(zhuǎn)角度，腿式機(jī)器人能夠使腿部相對(duì)于軀體部前后擺動(dòng)。在此，股關(guān)節(jié)是指將軀體部與腿部連結(jié)的關(guān)節(jié)，四足行走機(jī)器人的連結(jié)軀體部與前腿的關(guān)節(jié)也包含于股關(guān)節(jié)。另外，馬達(dá)為將電、汽油等的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，代表性地具有電動(dòng)馬達(dá)或發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0004]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2002-264046號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明要解決的課題
[0008]然而，在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要使膝關(guān)節(jié)的馬達(dá)以股關(guān)節(jié)的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度的兩倍的速度旋轉(zhuǎn)。這樣，與其他關(guān)節(jié)相比需要增大膝關(guān)節(jié)的移動(dòng)范圍和速度，因此需要較大的馬達(dá)。
[0009]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠降低驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)的致動(dòng)器的負(fù)載的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)以及腿式機(jī)器人。
[0010]用于解決課題的手段
[0011]為了解決上述課題，本發(fā)明涉及一種腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)，具備:股關(guān)節(jié)主體；大腿部；股關(guān)節(jié)接頭，其使所述大腿部以至少能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述股關(guān)節(jié)主體連結(jié)；膝關(guān)節(jié)主體，其以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述大腿部連結(jié)；大腿部輔助連桿，其一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述股關(guān)節(jié)主體或所述股關(guān)節(jié)接頭連結(jié)，并且另一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述膝關(guān)節(jié)主體連結(jié)；膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器，其使所述大腿部輔助連桿的從所述一端部到所述另一端部的長(zhǎng)度伸縮。
[0012]發(fā)明效果
[0013]根據(jù)本發(fā)明，在大腿部繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于平行連桿的作用，膝關(guān)節(jié)主體相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體的姿勢(shì)保持恒定。而且，通過(guò)利用膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器使大腿部輔助連桿伸縮，能夠使相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體保持恒定的膝關(guān)節(jié)主體的姿勢(shì)發(fā)生變化。因此，在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，與在膝關(guān)節(jié)上設(shè)置馬達(dá)的以往的腿式機(jī)器人相比，能夠使膝關(guān)節(jié)主體相對(duì)于大腿部的繞俯仰軸的旋轉(zhuǎn)速度減半。因此，能夠降低膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器的負(fù)載。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的腿式機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的圖(圖1(a)表示主視圖，圖1 (b)表不左視圖)。
[0015]圖2是本實(shí)施方式的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0016]圖3是表示本實(shí)施方式的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)的圖(圖3(a)表示主視圖，圖3 (b)表不左視圖)ο
[0017]圖4是本實(shí)施方式的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)的進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)作圖(圖4(a)表示不驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器的狀態(tài)，圖4(b)表示驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器而使膝關(guān)節(jié)彎曲的狀態(tài))。
[0018]圖5是對(duì)本實(shí)施方式的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)的、膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器的負(fù)載的降低效果進(jìn)行說(shuō)明的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]以下，根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式中的腿式機(jī)器人進(jìn)行說(shuō)明。圖1(a)是表示本實(shí)施方式的腿式機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的主視圖，圖1(b)是左視圖。在以下的說(shuō)明中，將腿式機(jī)器人的行進(jìn)方向設(shè)為X軸方向，將從腿式機(jī)器人觀察時(shí)的左右方向設(shè)為I軸方向，將腿式機(jī)器人的上下方向設(shè)為Z軸方向，并將X軸設(shè)為搖擺軸，將y軸設(shè)為俯仰軸，將Z軸設(shè)為偏轉(zhuǎn)軸。另外，以下的說(shuō)明中的左右為從圖1至3所示的腿式機(jī)器人側(cè)觀察時(shí)的左右，前后為從腿式機(jī)器人側(cè)觀察時(shí)的前后。
[0020]腿式機(jī)器人10包括:設(shè)置于軀體部11的下方的兩條腿部12、設(shè)置于軀體部11的上方左右兩側(cè)面的兩個(gè)臂部13、設(shè)置于軀體部11的上方的一個(gè)頭部14，且腿式機(jī)器人10能夠進(jìn)行近似于人類的動(dòng)作。
[0021]兩個(gè)臂部13經(jīng)由肩關(guān)節(jié)16與軀體部11連結(jié)，且能夠相對(duì)于軀體部11繞偏轉(zhuǎn)軸以及搖擺軸旋轉(zhuǎn)。各臂部13以肘關(guān)節(jié)17為界，具備接近肩的上臂部13b和接近手部13a的下臂部13c。下臂部13c能夠相對(duì)于上臂部13b繞偏轉(zhuǎn)軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)。
[0022]腿部12經(jīng)由股關(guān)節(jié)8以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸擺動(dòng)的方式與軀體部11的骨盆Ila連結(jié)。腿式機(jī)器人10使兩個(gè)腿部12繞俯仰軸以及搖擺軸交替擺動(dòng)，從而如人類那樣利用兩只腳取得平衡并且行走。
[0023]腿部12從上側(cè)依次具備:與軀體部11結(jié)合的股關(guān)節(jié)8、大腿部12a、膝關(guān)節(jié)主體19、小腿部12b、踝關(guān)節(jié)9以及腳部21。股關(guān)節(jié)8具備:與軀體部11結(jié)合的股關(guān)節(jié)主體18、將股關(guān)節(jié)主體18和大腿部12a以能夠繞俯仰軸以及搖擺軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)的股關(guān)節(jié)接頭22。踝關(guān)節(jié)9具備:與腳部21結(jié)合的踝關(guān)節(jié)主體20、將踝關(guān)節(jié)主體20和小腿部12b以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)的踝關(guān)節(jié)接頭24。腳部21落腳于行走路面上。
[0024]該腿式機(jī)器人10是構(gòu)成為能夠遠(yuǎn)程操作的機(jī)器人，通過(guò)操作者操作處于分離位置的未圖示的操作控制器，腿式機(jī)器人10能夠執(zhí)行與操作控制器的動(dòng)作對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。
[0025]接下來(lái)，使用圖2以及圖3，對(duì)本實(shí)施方式的腿式機(jī)器人10的腿部12的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖2表示伸長(zhǎng)后的腿部的立體圖，圖3(a)表示伸長(zhǎng)后的腿部的主視圖，圖3(b)表示伸長(zhǎng)后的腿部的側(cè)視圖。
[0026]如圖2所示，腿部12具有:股關(guān)節(jié)主體18、大腿部12a、膝關(guān)節(jié)主體19、小腿部12b、踝關(guān)節(jié)主體20。在股關(guān)節(jié)主體18上經(jīng)由股關(guān)節(jié)接頭22以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有大腿部12a。在大腿部12a上以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有膝關(guān)節(jié)主體19。在膝關(guān)節(jié)主體19上結(jié)合有小腿部12b。在小腿部12b上經(jīng)由踝關(guān)節(jié)接頭24以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有踝關(guān)節(jié)主體20。在大腿部12a的后方連接有大腿部輔助連桿31。在小腿部12b的后方設(shè)置有小腿部輔助連桿32。致動(dòng)器具備:設(shè)置于大腿部12a的前方的兩個(gè)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7、設(shè)置于大腿部12a的后方的一個(gè)膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4、設(shè)置于小腿部12b的前方的兩個(gè)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6、設(shè)置于小腿部12b的后方的一個(gè)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3。
[0027]股關(guān)節(jié)主體18通過(guò)將板彎折而形成，且具備與軀體部11結(jié)合的四邊形的結(jié)合部18a、從結(jié)合部18a的對(duì)置的一對(duì)邊彎折而形成的一對(duì)接頭連結(jié)部18b。
[0028]在股關(guān)節(jié)主體18上經(jīng)由從動(dòng)股關(guān)節(jié)接頭22以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有大腿部12a。如圖3(b)所示，股關(guān)節(jié)接頭22具有構(gòu)成相互正交的搖擺軸22al以及俯仰軸22a2的十字狀的主體部22a。主體部22a的搖擺軸22al經(jīng)由軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與股關(guān)節(jié)主體18的一對(duì)接頭連結(jié)部18b連結(jié)。主體部22a的俯仰軸22a2經(jīng)由軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與大腿部12a連結(jié)。
[0029]在股關(guān)節(jié)接頭22的主體部22a上結(jié)合有臂22b。在臂22b上以能夠繞繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有大腿部輔助連桿31的上端部。大腿部輔助連桿31的下端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與小腿部12b的托架12bl連結(jié)。
[0030]在大腿部輔助連桿31上設(shè)置有使大腿部輔助連桿31的上端部與下端部之間的長(zhǎng)度伸縮的膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4。膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4具備筒狀的主體部4a和相對(duì)于主體部4a沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的軸部4b。在軸部4b的外周面形成有螺旋狀的螺紋槽。在主體部4a中收納有與軸部4b的螺紋槽螺合的滾珠絲杠螺母(未圖示)和驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)(未圖示)。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸部4b沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，從而使大腿部輔助連桿31伸縮。
[0031]在大腿部12a與股關(guān)節(jié)主體18之間架設(shè)有左右一對(duì)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7。股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7配置于大腿部12a的前方，股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7和膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4以跨越大腿部12a的方式配置。股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7具備筒狀的主體部7a和相對(duì)于主體部7a沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的軸部7b。在軸部7b的外周面形成螺旋狀的螺紋槽。在主體部7a中收納有與軸部7b的螺紋槽螺合的滾珠絲杠螺母(未圖示)和驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)(未圖示)。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸部7b沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。
[0032]股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7的軸部7b經(jīng)由球面軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與股關(guān)節(jié)主體18連結(jié)。股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7的主體部7a經(jīng)由球面軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與大腿部12a連結(jié)。當(dāng)使兩個(gè)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7同時(shí)伸長(zhǎng)、縮短時(shí)，大腿部12a相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體18繞俯仰軸22a2旋轉(zhuǎn)。另一方面，當(dāng)使兩個(gè)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7的一方伸長(zhǎng)、使另一方縮短時(shí)，大腿部12a相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體18繞搖擺軸22al旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制兩個(gè)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7的旋轉(zhuǎn)角度，能夠使大腿部12a相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體18繞俯仰軸22a2以及搖擺軸22al旋轉(zhuǎn)。
[0033]如本實(shí)施方式所示，通過(guò)在股關(guān)節(jié)主體18與大腿部12a之間夾裝2自由度的從動(dòng)股關(guān)節(jié)接頭22，并在股關(guān)節(jié)主體18與大腿部12a之間架設(shè)兩個(gè)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7，與在股關(guān)節(jié)主體18的俯仰軸以及搖擺軸上設(shè)置作為主動(dòng)接頭而發(fā)揮功能的兩個(gè)馬達(dá)的情況相比，能夠產(chǎn)生數(shù)倍的力。由于能夠使用于獲得所需的力的股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7小型化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)腿部12的小型化。
[0034]另外，在使腿式機(jī)器人二足行走時(shí)，為了使腿部12相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體18繞搖擺軸旋轉(zhuǎn)需要轉(zhuǎn)矩，為了使腿部12相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體18繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)需要速度。通過(guò)在股關(guān)節(jié)主體18與大腿部12a之間架設(shè)兩個(gè)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7，從而容易地應(yīng)對(duì)繞搖擺軸的轉(zhuǎn)矩以及繞俯仰軸的速度這兩個(gè)要求。
[0035]在大腿部12a的下端部以能夠繞俯仰軸19a旋轉(zhuǎn)的方式安裝有膝關(guān)節(jié)主體19。在該實(shí)施方式中，在膝關(guān)節(jié)主體19上結(jié)合有小腿部12b。
[0036]在小腿部12b上經(jīng)由踝關(guān)節(jié)接頭24以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有踝關(guān)節(jié)主體20。踝關(guān)節(jié)主體20通過(guò)將板彎折而形成，且具備與腳部21(參照?qǐng)D1(a))結(jié)合的四邊形的結(jié)合部20a (參照?qǐng)D2)、以及從結(jié)合部20a的對(duì)置的一對(duì)邊彎折而形成的一對(duì)接頭連結(jié)部20b。
[0037]踝關(guān)節(jié)接頭24具有構(gòu)成相互正交的搖擺軸24al以及俯仰軸24a2的十字狀的主體部24a。主體部24a的搖擺軸24al經(jīng)由軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與踝關(guān)節(jié)主體20的一對(duì)接頭連結(jié)部20b連結(jié)。主體部24a的俯仰軸24a2經(jīng)由軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與小腿部12b連結(jié)。
[0038]在踝關(guān)節(jié)接頭24的主體部24a上結(jié)合有臂24b。在臂24b上以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)有小腿部輔助連桿32的下端部。小腿部輔助連桿32的上端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與小腿部12b的托架12bl連結(jié)。
[0039]在小腿部輔助連桿32上設(shè)置有使小腿部輔助連桿32的上端部與下端部之間的長(zhǎng)度伸縮的踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3。踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3具備筒狀的主體部3a和相對(duì)于主體部3a沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的軸部3b。在軸部3b的外周面形成有螺旋狀的螺紋槽。在主體部3a中收納有與軸部3b的螺紋槽螺合的滾珠絲杠螺母(未圖示)和驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)(未圖示)。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸部3b沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)使踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3伸縮時(shí)，踝關(guān)節(jié)主體20繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)。
[0040]在小腿部12b與踝關(guān)節(jié)主體20之間架設(shè)有左右一對(duì)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6。踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6配置于小腿部12b的前方，踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6和踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3以跨越小腿部12b的方式配置。踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6具備筒狀的主體部6a和相對(duì)于主體部6a沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的軸部6b。在軸部6b的外周面形成有螺旋狀的螺紋槽。在主體部中收納有與軸部6b的螺紋槽螺合的滾珠絲杠螺母(未圖示)和驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)(未圖示)。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸部6b沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。
[0041]踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6的軸部6b經(jīng)由球面軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與踝關(guān)節(jié)主體20連結(jié)。踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6的主體部6a經(jīng)由球面軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與小腿部12b連結(jié)。當(dāng)使兩個(gè)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6同時(shí)伸長(zhǎng)、縮短時(shí)，踝關(guān)節(jié)主體20相對(duì)于小腿部12b繞俯仰軸24a2旋轉(zhuǎn)。另一方面，當(dāng)使兩個(gè)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6的一方伸長(zhǎng)、使另一方縮短時(shí)，踝關(guān)節(jié)主體20相對(duì)于小腿部12b繞搖擺軸24al旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制兩個(gè)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器6的旋轉(zhuǎn)角度，能夠使踝關(guān)節(jié)主體20相對(duì)于小腿部12b繞搖擺軸22al以及俯仰軸22a2旋轉(zhuǎn)。
[0042]股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7、膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4、踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3、6的馬達(dá)由驅(qū)動(dòng)器控制。驅(qū)動(dòng)器具備:向馬達(dá)供給電力的PWM(pulse width modulat1n)逆變器等電力轉(zhuǎn)換器、對(duì)馬達(dá)的輸出軸的速度以及位置進(jìn)行檢測(cè)的傳感器、根據(jù)來(lái)自操作控制器的指令以及來(lái)自傳感器的信息來(lái)控制電力轉(zhuǎn)換器的控制器。驅(qū)動(dòng)器相互通信，即便沒(méi)有控制箱也能夠同步運(yùn)動(dòng)。
[0043]接下來(lái)，對(duì)組裝于大腿部12a的平行連桿41、構(gòu)成平行連桿41的大腿部輔助連桿31的伸縮動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。如圖3(b)所示，平行連桿41由形成平行四邊形的四個(gè)連桿al、bl、cl、dl構(gòu)成。對(duì)置的連桿的長(zhǎng)度相等,具有al = cl、bl = dl的關(guān)系。連桿al由股關(guān)節(jié)接頭22的臂22b構(gòu)成，連桿Cl由膝關(guān)節(jié)主體19 (膝關(guān)節(jié)主體19以及小腿部12b)構(gòu)成，連桿bl由大腿部12a構(gòu)成，連桿dl由大腿部輔助連桿31構(gòu)成。
[0044]圖4(a)示出通過(guò)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7使大腿部12a繞俯仰軸22a2旋轉(zhuǎn)而使大腿部12a向前方伸出的狀態(tài)。在使大腿部12a繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)平行連桿41的作用，膝關(guān)節(jié)主體19(膝關(guān)節(jié)主體19以及小腿部12b)相對(duì)于股關(guān)節(jié)主體18的姿勢(shì)保持恒定。即，即使如圖4(a)所示使大腿部12a旋轉(zhuǎn)，膝關(guān)節(jié)主體19(膝關(guān)節(jié)主體19以及小腿部12b)的姿勢(shì)與圖4(b)相同朝向鉛直方向。而且，如圖4(b)所示，通過(guò)膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4使大腿部輔助連桿31收縮，能夠如膝關(guān)節(jié)彎曲那樣，使朝向鉛直方向的膝關(guān)節(jié)主體19 (膝關(guān)節(jié)主體19以及小腿部12b)的姿勢(shì)發(fā)生變化。在人類的大腿部中在后方也具有相當(dāng)于大腿部輔助連桿31的肌肉，通過(guò)使肌肉收縮能夠使膝關(guān)節(jié)主體的姿勢(shì)發(fā)生變化。通過(guò)在大腿部12a的后方設(shè)置大腿部輔助連桿31并使大腿部輔助連桿31伸縮，能夠與人類相同以較少的能量而使膝關(guān)節(jié)主體19的姿勢(shì)發(fā)生變化。
[0045]圖5是對(duì)通過(guò)使大腿部輔助連桿31伸縮能夠減少膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4的能量的理由進(jìn)行說(shuō)明的圖。首先，作為比較例，對(duì)在股關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)設(shè)置致動(dòng)器的情況進(jìn)行說(shuō)明。在比較例中，假設(shè)從腿部整體直立的狀態(tài)起使大腿部12a擺動(dòng)角度Θ 1，同時(shí)使小腿部12b相對(duì)于大腿部12a的軸線彎曲Θ2。其中，為了易于與本實(shí)施方式進(jìn)行比較，將Θ2 = 2Θ1，將用于使大腿部12a擺動(dòng)Θ I的能量設(shè)為El，將使小腿部彎曲Θ 2( = 2 Θ I)所需的能量設(shè)為E2，并且由于存在Θ 2 = 2 Θ I的關(guān)系而假設(shè)E2 = 2E1。當(dāng)這樣假設(shè)時(shí)，用于使腿部從直立狀態(tài)達(dá)到圖5所示的彎曲狀態(tài)(與圖4(b)相同的彎曲狀態(tài))的總能量為E1+E2 = 3E1。
[0046]與此相對(duì)，當(dāng)在本實(shí)施方式中進(jìn)行相同的動(dòng)作時(shí)，如果腿部的長(zhǎng)度、質(zhì)量與比較例相同，則通過(guò)股關(guān)節(jié)致動(dòng)器7使大腿部12a擺動(dòng)Θ1所需的能量為E1。在該大腿部12a擺動(dòng)時(shí)，由于平行連桿的作用，如圖4(a)所示，小腿部相對(duì)于大腿部12a的軸線彎曲角度Θ I。由于通過(guò)平行連桿的作用使小腿部12b彎曲角度Θ 1，因此如圖4(b)所示，為了進(jìn)一步使小腿部12b相對(duì)于大腿部12a的軸線成為2 Θ 1，從而通過(guò)膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4而使小腿部12b彎曲的角度成為Θ 1，其所需能量只需El即可。即，到腿部的彎曲結(jié)束為止所需的總能量只需2E1即可。即，比較例中的設(shè)置于膝關(guān)節(jié)的致動(dòng)器需要2E1的輸出，因此為大型，與之相對(duì)，在本實(shí)施方式中只需設(shè)置最大為El的輸出的膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器4即可，因此實(shí)現(xiàn)了下肢結(jié)構(gòu)的小型化，并且消耗能量也變少。
[0047]另外，如圖4所示，通過(guò)在小腿部12b的后方設(shè)置小腿部輔助連桿32，并通過(guò)踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器3而使小腿部輔助連桿32伸縮，能夠使踝關(guān)節(jié)主體20相對(duì)于小腿部12b的姿勢(shì)發(fā)生變化。在人類的小腿部的后方也具有相當(dāng)于小腿部輔助連桿32的肌肉，通過(guò)使肌肉收縮能夠使踝關(guān)節(jié)主體20的姿勢(shì)發(fā)生變化。通過(guò)在小腿部12b的后方配置小腿部輔助連桿32并使小腿部輔助連桿32伸縮，能夠與人類相同以較少的能量而使踝關(guān)節(jié)主體20的姿勢(shì)發(fā)生變化。
[0048]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式，在不改變本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)能夠變更為各種實(shí)施方式。
[0049]在上述實(shí)施方式中，將股關(guān)節(jié)主體與大腿部以能夠繞搖擺軸以及俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)，然而也可以將股關(guān)節(jié)主體與大腿部以僅能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)。在該情況下，構(gòu)成平行連桿的大腿部輔助連桿的一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與股關(guān)節(jié)主體連結(jié)，另一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與膝關(guān)節(jié)主體連結(jié)。
[0050]在上述實(shí)施方式中，作為架設(shè)于股關(guān)節(jié)主體與大腿部之間的致動(dòng)器，使用了直動(dòng)型的致動(dòng)器馬達(dá)，然而也可以使用旋轉(zhuǎn)型的致動(dòng)器。在該情況下，旋轉(zhuǎn)型的致動(dòng)器可以包括:與大腿部結(jié)合的馬達(dá)、與馬達(dá)的輸出結(jié)合的伺服搖臂(servo horn)、一端部經(jīng)由球面軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與伺服搖臂連結(jié)而另一端部經(jīng)由球面軸承以能夠旋轉(zhuǎn)的方式與股關(guān)節(jié)主體連結(jié)的連桿。
[0051]在上述實(shí)施方式中，將膝關(guān)節(jié)主體與小腿部結(jié)合，然而也可以將膝關(guān)節(jié)主體與小腿部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式連結(jié)。
[0052]在上述實(shí)施方式中，將股關(guān)節(jié)主體與軀體部結(jié)合，然而也可以由一體的框架構(gòu)成股關(guān)節(jié)主體和軀體部。在上述實(shí)施方式中，將踝關(guān)節(jié)主體與腳部結(jié)合，然而也可以由一體的框架構(gòu)成踝關(guān)節(jié)主體和腳部。
[0053]在上述實(shí)施方式中，作為使腿部擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源使用了馬達(dá)，然而作為驅(qū)動(dòng)源，除此之外還可以利用氣壓或液壓工作缸、線性馬達(dá)、人造肌肉致動(dòng)器等各種裝置。
[0054]本說(shuō)明書(shū)基于2012年5月31日向日本申請(qǐng)的日本特愿2012-124511。其內(nèi)容全部包含于此。
[0055]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0056]3…踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器；4…膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器；7…股關(guān)節(jié)致動(dòng)器；10…腿式機(jī)器人；12...腿部；12a…大腿部；12b…小腿部；18…股關(guān)節(jié)主體；19…膝關(guān)節(jié)主體；20…踝關(guān)節(jié)主體；22…股關(guān)節(jié)接頭；24…踝關(guān)節(jié)接頭；31…大腿部輔助連桿；32…小腿部輔助連桿；41...平行連桿。
【權(quán)利要求】
1.一種腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)，具備: 股關(guān)節(jié)主體； 大腿部； 股關(guān)節(jié)接頭，其使所述大腿部以至少能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述股關(guān)節(jié)主體連結(jié)； 膝關(guān)節(jié)主體，其以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述大腿部連結(jié)； 大腿部輔助連桿，其一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述股關(guān)節(jié)主體或所述股關(guān)節(jié)接頭連結(jié)，并且另一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述膝關(guān)節(jié)主體連結(jié)； 膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器，其使所述大腿部輔助連桿的從所述一端部到所述另一端部的長(zhǎng)度伸縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述股關(guān)節(jié)接頭將所述大腿部以能夠繞所述俯仰軸以及搖擺軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述股關(guān)節(jié)主體連結(jié)， 在所述大腿部與所述股關(guān)節(jié)主體之間架設(shè)有股關(guān)節(jié)致動(dòng)器，所述股關(guān)節(jié)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)所述大腿部相對(duì)于所述股關(guān)節(jié)主體繞所述俯仰軸以及所述搖擺軸旋轉(zhuǎn)。
3.一種腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)，其中， 所述腿式機(jī)器人還具備: 小腿部，其與所述膝關(guān)節(jié)主體結(jié)合； 踝關(guān)節(jié)主體； 踝關(guān)節(jié)接頭，其將所述踝關(guān)節(jié)主體以至少能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述小腿部連結(jié)； 小腿部輔助連桿，其一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述小腿部連結(jié)，并且另一端部以能夠繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)的方式與所述踝關(guān)節(jié)部連結(jié)； 踝關(guān)節(jié)致動(dòng)器，其使所述小腿部輔助連桿的從所述一端部到所述另一端部的長(zhǎng)度伸縮。
4.一種腿式機(jī)器人，其組裝有權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的腿式機(jī)器人的下肢結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B25J5/00GK104349871SQ201380028692
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月31日
【發(fā)明者】永塚正樹(shù) 申請(qǐng)人:Thk株式會(huì)社