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JP2005088169A - ロボット - Google Patents

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Abstract

【課題】 末端側部材をほぼ完全に回転自由にできる技術を提供すること。
【解決手段】
本発明に係るロボットは、下腿部216と、下腿部216に回転可能に接続されている足部218と、足部218に取付けられている2本のワイヤ266a,266bと、各ワイヤ266a,266bを伸縮させるアクチュエータ268a,268bと、各アクチュエータ268a,268bを制御するコントローラ300とを備える。このロボットは、ワイヤ266aを伸ばしてワイヤ266bを縮めることによって足部218を反時計方向に回転させ、ワイヤ266aを縮めてワイヤ266bを伸ばすことによって足部218を時計方向に回転させる。そして、コントローラ300は、遊脚の足部218が接地されるときに、各ワイヤ266a,266bが緩んだ状態を維持し続けるように各アクチュエータ268a,268bを制御する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、胴体側部材と、胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材とを備えるロボットに関する。特に、末端側部材をほぼ完全に回転自由にするための技術に関する。
なお、特許請求の範囲及び本明細書における「胴体側部材と末端側部材」とは、例えば、「胴体部と頭部」、「胴体部と上腕部」、「上腕部と前腕部」、「前腕部と手平部」、「手平部と手指部」、「胴体部と大腿部」、「大腿部と下腿部」、「下腿部と足部」等を言う。なお、足部とは、足首関節より末端側の部材を意味する。また、末端側部材は複数の部材から構成されてもよい。例えば、下腿部と足部の2つの部材をあわせて末端側部材ということができる。
特許文献1には、胴体側部材と末端側部材を備え、胴体側部材に対して末端側部材を回転させるロボットが開示されている。このロボットは、末端側部材に対して直接的にモータを接続しており、そのモータを駆動することによって関節角(胴体側部材に対する末端側部材の回転角)を調整する。
ところで、ロボットが動作する過程において、末端側部材が外力に倣って自由に回転できるようにする(胴体側部材と末端側部材を接続する関節をフリーにする)ことが望ましい場合がある。例えば、歩行ロボットの場合、遊脚の足部を接地させるときに、その足部が接地面の凹凸に倣って自由に回転できるように足首関節をフリーにすることが好ましい。また、歩行ロボットの遊脚の膝関節(大腿部と下腿部を接続する関節)をフリーにすることによって、歩行に要する消費エネルギーを節約することもできる(このことは本出願人らによって出願された特願2003―070758号に記載されている)。
特許文献1には、末端側部材が外力に倣って自由に回転できるように、その末端側部材を回転させるモータのトルクをゼロにすること(モータフリーにすること)が開示されている。
特開2003−145456号公報
たとえモータフリーにしても、モータの回転軸を回転させるためにはある程度の大きさの力が必要である。従って、特許文献1の技術では、小さな外力が末端側部材に作用しても、その末端側部材が自由に回転することが許容されない場合がある。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、末端側部材をほぼ完全に回転自由にすることができる技術を提供することを目的とする。即ち、末端側部材と胴体側部材を接続する関節をほぼ完全に回転自由(フリー)にできる技術を提供することを目的とする。ここでいう「ほぼ完全」とは、関節を回転させるモータ等のアクチュエータに生じる摩擦の影響を受けないようにすることをいい、関節自体の摩擦まで打ち消すものではない。
本発明は、末端側部材に2本のワイヤを接続し(典型的には回転中心を挟む両側に2本のワイヤを接続する)、一方のワイヤを引くことで末端側部材を時計方向に回転させ、他方のワイヤを引くことで末端側部材を反時計方向に回転させる方式(本明細書ではプルプル方式という)を採用することによって、上記の目的を実現する。
請求項1に記載のロボットは、胴体側部材と、胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材と、末端側部材に端部が取付けられている少なくとも2本のワイヤと、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも2個のアクチュエータと、各アクチュエータを制御するコントローラとを備える。このロボットは、一方のワイヤを伸ばして他方のワイヤを縮めることによって末端側部材を一方方向に回転させ、前記した一方のワイヤを縮めて他方のワイヤを伸ばすことによって末端側部材を前記とは反対方向に回転させる。そして、コントローラが、ロボットが所定の状態にあるときに、各ワイヤが緩んだ状態を維持し続けるように各アクチュエータを制御することを特徴とする。
このロボットは、いわゆるプルプル方式を利用して末端側部材を回転させる。従って、各ワイヤを積極的に緩ませることができる。各ワイヤを積極的に緩ませることによって、末端側部材が外力(重力でもよい)に倣って自由に回転できるようになる。このロボットによると、ロボットの特定の関節をほぼ完全にフリーにすることができる。
上記のロボットは、末端側部材の回転角を検知する手段を備えるようにしてもよい。そして、コントローラが、ロボットが前記した所定の状態にあるときに、以下の各処理、
(1)検知された回転角に微小角度を加えた回転角を実現するのに必要な各ワイヤの長さを計算するとともに、検知された回転角から微小角度を減じた回転角を実現するのに必要な各ワイヤの長さを計算する処理、
(2)ワイヤ毎に、計算処理で計算された当該ワイヤの2つの長さのうちの大きい方を特定する処理、
(3)各ワイヤが特定処理で特定された長さになるように各アクチュエータを作動させる処理、
を繰り返して実行することによって、各ワイヤが緩んだ状態を維持し続けるようにしてもよい。
また、コントローラが、ロボットが前記した所定の状態にあるときに、以下の各処理、
(1)検知された回転角を実現するのに必要な各ワイヤの長さを計算するとともに、末端側部材を検知された回転角から微小角度回転させるのに必要な各ワイヤの長さ変化量を計算する第1計算処理、
(2)ワイヤ毎に、第1計算処理で計算された当該ワイヤの長さに、第1計算処理で計算された当該ワイヤの長さ変化量の絶対値を加えた長さを計算する第2計算処理、
(3)各ワイヤが第2計算処理で計算された長さになるように各アクチュエータを作動させる処理、
を繰り返して実行することによって、各ワイヤが緩んだ状態を維持し続けるようにしてもよい。
ここでは、下記の実施例に記載する技術の主要な特徴をまとめておく。
(形態1) 図1は、ロボットの足部218と下腿部216を簡単に示した図である。図1の左方向がロボットの前進方向であり、右方向がロボットの後進方向である。
足部218の上面にはフランジ260が形成されている。足部218は、フランジ260に挿通された軸262によって、下腿部216に回転可能に取り付けられている。軸262は、ヒトの足首関節に相当する。
下腿部216には、図1の紙面垂直方向に平行に一対のプーリ264a,264b(図1では一方のプーリ264aしか見えない)が自由回転可能に取り付けられている。また、下腿部216には、下腿部216に対する足部218の回転角を測定するエンコーダ280が設置されている。
足部218の回転軸262よりも左側に、ワイヤ266aの一端が接続されている。ワイヤ266aは、一方のプーリ264aに巻かれている。ワイヤ266aの他端は、アクチュエータ268aに接続されている。
足部218の回転軸262よりも右側に、ワイヤ266bの一端が接続されている。ワイヤ266bは、他方のプーリ264bに巻かれている。ワイヤ266bの他端は、アクチュエータ268bに接続されている。
各アクチュエータ268a,268bは、ボールネジ機構によって構成されている。アクチュエータ268aは、アクチュータ268aから突出しているワイヤ266aの長さ(以下ではワイヤ266aの有効長さという)を変えることができる。同様に、アクチュエータ268bは、アクチュータ268bから突出しているワイヤ266bの長さ(以下ではワイヤ266bの有効長さという)を変えることができる。なお、以下では、ワイヤ266aの有効長さとして符号L1を使用し、ワイヤ266bの有効長さとして符号L2を使用する。
アクチュエータ268aによってワイヤ266aが引かれるとともに、アクチュエータ268bによってワイヤ266bが緩められると、足部218が軸262回りに時計方向に回転し、足部218のつま先(図1の左端)が持ち上げられる。逆に、ワイヤ266bが引かれるとともにワイヤ266aが緩められると、足部218が軸262回りに反時計方向に回転し、足部218のかかと(図1の右端)が持ち上げられる。
足部218の回転位置を制御するコントローラ300が設置されている。コントローラ300とエンコーダ280は通信可能に接続されている。コントローラ300には、エンコーダ280が測定している回転角が常時入力されている。
コントローラ300と各アクチュエータ268a,268bは通信可能に接続されている。
コントローラ300は、図示省略の制御部と接続されている。この制御部は、コントローラ300に対して足部218の回転角θを指示する。コントローラ300は、制御部から指示された回転角θから各アクチュエータ268a,268bの作動量を計算し、計算された作動量に対応する指令値を各アクチュエータ268a,268bに対して出力する。
コントローラ300には、足部218の回転角θからワイヤ266aの有効長さL1を導出するための関数f1(θ)が記憶されている(L1=f1(θ))。さらに、コントローラ300には、足部218の回転角θからワイヤ266bの有効長さL2を導出するための関数f2が記憶されている(L2=f2(θ))。
コントローラ300は、ロボットが所定の状態にあるときに、足部218が外力に倣って自由に回転できるように各アクチュエータ268a,268bを制御する。即ち、足首関節262をフリーにする処理を実行する。以下に、コントローラ300が実行する足首関節フリー処理について簡単に説明する。
図2は、コントローラ300が実行する足首関節フリー処理のフローチャートを示している。
まず、エンコーダ280の計測値θcを読取る(ステップS2)。
次いで、以下の4つの値を計算する(ステップS4)。
(1)計測値θcに微小角度Δθが加算された値を足部218の目標角度とした場合のL1(これを目標L1とする)を計算する。即ち、f1(θc+Δθ)を計算する。
(2)計測値θcから微小角度Δθが減算された値を足部218の目標角度とした場合のL1(これを目標L1’とする)を計算する。即ち、f1(θc−Δθ)を計算する。
(3)計測値θcに微小角度Δθが加算された値を足部218の目標角度とした場合のL2(これを目標L2とする)を計算する。即ち、f2(θc+Δθ)を計算する。
(4)計測値θcから微小角度Δθが減算された値を足部218の目標角度とした場合のL2(これを目標L2’とする)を計算する。即ち、f2(θc−Δθ)を計算する。
ステップS6では目標L1と目標L1’を比較する。目標L1が大きい場合(ステップS6でYESの場合)は、ワイヤ266aの有効長さL1が、ステップS4で計算された目標L1となるようにアクチュエータ268aを制御する(ステップS8)。一方、目標L1’が大きい場合(ステップS6でNOの場合)は、ワイヤ266aの有効長さL1が、目標L1’となるようにアクチュエータ268aを制御する(ステップS10)。
ステップS12では目標L2と目標L2’を比較する。目標L2が大きい場合(ステップS12でYESの場合)は、ワイヤ266bの有効長さL2が、ステップS4で計算された目標L2となるようにアクチュエータ268bを制御する(ステップS14)。一方、目標L2’が大きい場合(ステップS12でNOの場合)は、ワイヤ266bの有効長さL2が、計算された目標L2’となるようにアクチュエータ268bを制御する(ステップS16)。
ステップS14又はステップ16を終えると、ステップS2からの処理を繰り返して実行する。
(形態2) 上記の形態1における関数式L1=f1(θ)を微分すると以下の式になる。
(式1)dL1/dt=df1(θ)/dθ・dθ/dt
この式1から、足部218が微小角度Δθだけ回転する場合の、L1の長さ変化量ΔL1を導出する式は次のようになる。
(式1’)ΔL1=f1’(θ)・Δθ (ただしf1’(θ)=df1(θ)/dθである)
また、上記の関数式L2=f2(θ)を微分すると以下の式になる。
(式2)dL2/dt=df2(θ)/dθ・dθ/dt
上記の式2から、足部218が微小角度Δθだけ回転する場合の、L2の長さ変化量ΔL2を導出する式は次のようになる。
(式2’)ΔL2=f2’(θ)・Δθ (ただしf2’(θ)=df2(θ)/dθである)
本形態のコントローラ300は、エンコーダ280の計測値θcから微小角度Δθだけ回転するのを許容する目標L1を導出するのに次の式を利用する。
(式3)目標L1=f1(θc)+|f1’(θc)・Δθ|
また、エンコーダ280の計測値θcから微小角度Δθだけ回転するのを許容する目標L2を導出するのに次の式を利用する。
(式4)目標L2=f2(θc)+|f2’(θc)・Δθ|
本実施形態のコントローラ300が実行する足首関節フリー処理について説明する。図3には、本形態の足首関節フリー制御のフローチャートが示されている。
まず、エンコーダ280の計測値θcを読取る(ステップS20)。
エンコーダ280の計測値θcを読取ると、形態2の(式3)及び(式4)を利用して目標L1と目標L2を算出する(ステップS22)。
ステップS24では、ワイヤ266aの有効長さが、ステップS22で算出された目標L1になるようにアクチュエータ268aを制御する。ステップS26では、ワイヤ266bの有効長さが、ステップS22で算出された目標L2になるようにアクチュエータ268bを制御する。
(第1実施例) 図面を参照して本発明の実施例を説明する。図4は、本実施例に係るロボット10の左下肢12の側面図である。図4では、ロボット10の上半身を図示省略している。ロボット10は、頭部、上腕、下腕等を備えるヒューマノイドロボットである。本明細書では、足部18の前後方向(図4の左右方向)をX軸とし、足部18の左右方向(図4の紙面垂直方向)をY軸とし、下腿部16の伸びる方向(図4の上下方向)をZ軸とする。各軸は相互に直交している。
下肢12は、大腿部14と下腿部(脛)16と足部18から構成される。大腿部14と胴体部20は股関節22によって接続されている。また、大腿部14と下腿部16は膝関節24によって接続されており、下腿部16と足部18は足首関節26によって接続されている。
最初に股関節22について説明する。ほぼ水平に伸びる板状の骨盤部28には、Z軸回りに回転する円板36がベアリング34によって取付けられている。円板36の中心には、骨盤部28側から大腿部14側に伸びる(Z軸方向に伸びる)シャフト30が固定されている。シャフト30は骨盤部28に対してZ軸回りに回転する。
シャフト30の下端に、ユニバーサルジョイント32によって大腿部14の上端が接続されている。ユニバーサルジョイント32は、シャフト30に対して大腿部14がX軸回りとY軸回りに回転することを許容する。股関節22は、骨盤部28に対してZ軸回りに回転できるシャフト30と、シャフト30に対して大腿部14がX軸回りとY軸回りに回転することを許容するユニバーサルジョイント32を持ち、X,Y,Z軸のそれぞれの回りに回転することを許容する三軸関節である。
次に膝関節24を説明する。大腿部14の下端には、Y軸方向に距離を隔てて平行に並んだ一対のフランジ40(図4では一つのフランジしか見えない)が下方に伸びている。下腿部16を構成するシャフト42の上端には、Y軸方向に距離を隔てて平行に並んだ一対のフランジ44(図4では一つのフランジしか見えない)が上方向に伸びている。膝関節24は、これらのフランジ40,44を貫通してY軸方向に伸びる軸46を備える。膝関節24は、大腿部14に対して下腿部16がY軸回りに回転することを許容する。
次に足首関節26を説明する。図5は足首関節26の構造を説明するために単純化してデフォルメした図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。
下腿部16のシャフト42の下部には、X軸方向に距離を隔てて平行に並んだ一対のフランジ58が下方に伸びている。また、足部18の上面には、Y軸方向に距離を隔てて平行に並んだ一対のフランジ60が上方に伸びている。これら下腿部16のフランジ58と足部18のフランジ60は、十字型継手62によって接続されてユニバーサルジョイントを成している。足首関節26は、下腿部24に対して足部18が、Y軸回りに回転することを許容する。
各関節はワイヤによって駆動される。ただし、股関節のZ軸回りの回転はワイヤを利用せずに、モータで直接に回転される。各ワイヤの一端は末端側部材に取付けられており、他端はボールネジとモータから構成されるアクチュエータに接続されている。モータによってボールネジの送りネジ(Z方向に伸びている)が回転し、これに伴って送りネジに螺合しているナットが送りネジ方向に送られ、ナットに接続されているワイヤ先端がZ軸方向に進退する。ワイヤ先端をZ軸方向に進退させることによってワイヤによって末端側部材を引いたり緩めたりすることができる。アクチュエータの構成については、後でより詳しく説明する。
図5を参照して足首関節を回転させるワイヤ群を説明する。足部18には、図示しない取付け板によってワイヤ終端ガイド70a,70bが固定されている。各ワイヤ終端ガイド70a,70bは円弧形状である。それぞれの円弧の中心軸はY軸方向に伸びており、円弧面は所定の幅(Y軸に沿って伸びる距離)を有している。ワイヤ終端ガイド70aは足首関節26のY軸よりも前方に位置し、足首関節26のX軸上に配置されている。その円弧面はX軸前方を向いている。ワイヤ終端ガイド70bは足首関節26のY軸よりも後方に位置し、足首関節26のX軸上に配置されている。ワイヤ終端ガイド70bの円弧面はX軸後方を向いている。
ワイヤ66aの下端は、ワイヤ終端ガイド70aの下端のワイヤ接続点72aに固定されている。ワイヤ66bの下端は、ワイヤ終端ガイド70bの下端のワイヤ接続点72bに固定されている。各ワイヤ66a,66bの他端は膝関節24側に伸びている。各ワイヤ66a,66bの下部は、各ワイヤ終端ガイド70a,70bの円弧面に沿って湾曲している。ワイヤ終端ガイド70a,70bは、ワイヤ66a,66bが小さな曲率半径で鋭く曲がることを禁止している。
ワイヤ接続点72aは足首関節26のY軸よりも前方に位置しており、ワイヤ66aが膝関節24側に引かれると足部18は足首関節26のY軸回りに回転して爪先を持ち上げる。この場合には、ワイヤ66bを緩めてかかとが下がるのを許容する。ワイヤ接続点72bは足首関節26のY軸よりも後方に位置しており、ワイヤ66bが膝関節24側に引かれると足部18は足首関節26のX軸回りに回転してかかとを持ち上げる。この場合には、ワイヤ66aを緩めて爪先が下がるのを許容する。ワイヤ66aを引いて爪先を持ち上げるときには、ワイヤ66b,66cを緩めてかかとが下がるのを許容する。
図5に示すように、下腿部16のシャフト42の上部には、フランジ44を貫通するY軸方向の軸46の回りに自由回転可能な2つのプーリ64a,64bが配されている。プーリ64aはフランジ44の間に配されており、プーリ64bはフランジ44の外面に配されている。プーリ64aにはワイヤ66aが巻かれており、プーリ64bにはワイヤ66bが巻かれている。ワイヤ66a,66bは、プーリ64a,64bの前側でプーリ64a,64bから離反している。ワイヤ66a,66bは足部18に対して膝関節24の前方位置から引張力を加える。このために、2本のワイヤ66a,66bを同時に同一速度で収縮させると、下腿部16に対する足部18の回転角度は変えないで(足首関節26を回転させないで)、下腿部16を膝関節24の回りに前向きに回転させることができる。
2本のワイヤ66a,66bの上端はボールネジ68a,68b(図4参照)に接続されている。図4では図示の明瞭化のためにボールネジ68a,68bが簡略化されて表示されている。ボールネジ68aとボールネジ68bは同様の構造を有するために、ここでは、ボールネジ68aの構造について説明する。図6は、ボールネジ68aの詳細を模式的に示した図である。
一対のフランジ102,106が、3本の案内ロッド108,110,112で接続されている。一対のフランジ102,106の間には、送りネジ120が回転自在で軸方向には移動不能に配置されている。送りネジ120は、モータ114とギヤ116とギヤ118によって回転させられる。送りネジ120には可動プレート104が螺合している。可動プレート104は、案内ロッド108,110,112に案内されて軸方向に移動可能で回転不能となっている。その可動プレート104にワイヤ66aの先端が固定されている。
モータ114が回転すると送りネジ120が回転して可動プレート104が案内ロッドに沿って滑り、ワイヤ66aが引き込まれたり、緩められたりする。
なお、以下では、ボールネジ68aに関連する部材の符号の後に「a」を付し、ボールネジ68bに関連する部材の符号の後に「b」を付し、ボールネジ68cに関連する部材の符号の後に「c」を付すことにする。例えば、ボールネジ68aのモータの符号は、「114a」である。
ボールネジ68a(図4参照)は、モ−タ114aと一対のフランジ102a,106aが大腿部14に固定されている。ボールネジ68aの各案内ロッド108a,110a,112aは大腿部14の長手方向に伸びており、モ−タ114aがボールネジ68aを回転させることで、ワイヤ66aは大腿部14の長手方向に引かれたり緩められたりする。
同様に、ボールネジ68bは、モ−タ114bと一対のフランジ102b,106bが大腿部14に固定されており、モ−タ114bがボールネジ68bを回転させることで、ワイヤ66bが大腿部14の長手方向に引かれたり緩められたりする。
ワイヤ66a,66bのプーリ64a,64bと接続点72a,72b間の距離をワイヤの有効長さとすると、ワイヤ66a,66bの有効長さはモータ114a,114bによって伸長させられる。ワイヤ66a,66bの有効長さを伸長させるボールネジ機構68a,68bは、股関節22に近い大腿部14に配置されている。
図4に示されているように、下腿部42には下腿部42を膝関節24の回りに後方に回転させるワイヤ66cの一端が接続されている。ワイヤ66cの他端は、ボールネジ68cの可動プレート104cに接続されている。ボールネジ68cの構造は、上記したボールネジ68aと同様である。ワイヤ66cは、膝関節24に回転自在に配置されているプーリ(図示省略)の後方を通っている。ボールネジ68cの可動プレート104cはモータ114cによって進退する。可動プレート104cが進退すると、ワイヤ66cは引き込まれたり、緩められたりする。なお、以下では、下腿部16におけるワイヤ66cの接続点から、ワイヤ66cが巻かれているプーリ(図示参照)までの長さを、ワイヤ66cの有効長さとする。
次に、股関節22回りの回転角を調整するワイヤとアクチュエータを説明する。図4に示すように、大腿部14の上部の所定位置にはワイヤ50a,50bが配置されている。また、ワイヤ50bとY軸方向に平行に図示省略のワイヤ50cが配置されている。
また、大腿部14の後部(図4の右部)には、Y軸方向に平行に一対のプーリ54(図4では1つしか見えていない)が配置されている。各プーリ54は、Y軸方向に伸びるシャフト56に自由回転可能に支持されている。ワイヤ50bとワイヤ50cは、それぞれプーリ54に巻かれている。
ワイヤ50aの下端は、股関節22のY軸よりも前方に位置している。ワイヤ50aの上端は、ボールネジ52aに接続されている。ワイヤ50bの下端は、股関節22のY軸よりも後方に位置している。ワイヤ50bの上端は、ボールネジ52bに接続されている。ワイヤ50cの下端は、股関節22のY軸よりも後方に位置している。ワイヤ50cの上端は、ボールネジ52bと重なっていて図示されていないボールネジ52cに接続されている。
ワイヤ50bの下端とワイヤ50cの下端は、股関節22のX軸を挟んで両側に配置されいてる。従って、ワイヤ50bを伸ばしてワイヤ50cを緩めると(あるいは、ワイヤ50bを伸ばしてワイヤ50cを緩めると)、大腿部14を股関節22のX軸回りに回転させることができる。
また、ワイヤ50aを伸ばしてワイヤ50b,50cを同時に緩めると(あるいは、ワイヤ50aを伸ばしてワイヤ50b,50cを緩めると)、大腿部14を股関節22のY軸回りに回転させることができる。
なお、骨盤部28に回転自在な円板36は、モータ38によってZ軸の回りに回転させられる。モータ38は骨盤部28に固定されている。
図4に示されるように、下腿部16には、下腿部16に対する足首関節26のY軸回りの回転角(即ち下腿部16に対する足部18の回転角)を検知するエンコーダ80が設置されている。また、大腿部14には、大腿部14に対する膝関節24のY軸回りの回転角(即ち大腿部14に対する下腿部16の回転角)を検知するエンコーダ82が設置されている。
図7は、下腿部16と足部18がY軸回りに回転している様子を模式的に示している。エンコーダ80は、下腿部16に対する足部18のY軸回りの回転角θ1を検知する。エンコーダ82は、大腿部14に対する下腿部16のY軸回りの回転角θ2を検知する。
なお、以下では、エンコーダ80,82によって計測された回転角を、それぞれθ1,θ2と表現することにする。
本実施例に係るロボット10は、上記した各アクチュエータ(ボールネジ66a,66b,66c等)を駆動制御するコントローラ200(図6に示されている)を備えている。
コントローラ200は、図示省略の制御部と接続されている。この制御部は、ロボット10が運動(例えば歩行)する過程において、コントローラ200に対して回転角θ1及びθ2を指示する。以下では、制御部からコントローラ200に指示される足部18の回転角をθ1と記載し、制御部からコントローラ200に指示される下腿部16の回転角をθ2と記載することにする。
コントローラ200は、制御部から指示された回転角θ1及びθ2を実現するのに必要な各ワイヤ66a,66b,66cの有効長さを計算する。なお、以下では、ワイヤ66aの有効長さを符号L1で表し、ワイヤ66bの有効長さを符号L2で表し、ワイヤ66cの有効長さを符号L3で表す。
コントローラ200には、θ1及びθ2から各ワイヤ66a,66b,66cの有効長さL1,L2,L3を導出することができる関数f1(θ1,θ2),f2(θ1,θ2),f3(θ1,θ2)がプログラミングされている。従って、制御部からθ1及びθ2が指示されると、そのθ1及びθ2を実現するのに必要なL1,L2,L3を計算することができる。
コントローラ200は、各有効長さL1,L2,L3を計算すると、各ボールネジ68a,68b,68cのモータ114a,114b,114cの回転数(即ち可動プレート104a,114b,114cの作動量)を計算する。計算された回転数は各ボールネジ68a,68b,68cのモータ114a,114b,114cに出力され、この出力に従って各ボールネジ68a,68b,68cのモータ114a,114b,114cが作動する。
また、コントローラ200は、エンコーダ80,82によって検知される回転角θ1,θ2を常時入力している。
本実施例に係るコントローラ200は、遊脚の左下肢12を接地するときに、足首関節26をフリー(即ち自由回転可能)にする制御を実行する。なお、本実施例では、左下肢12を中心に説明しているが、遊脚の右下肢を接地するときには右下肢の足首関節をフリーにする制御が実行される。図8に、コントローラ200が実行する足首関節フリー制御のフローチャートを示している。
まず、エンコーダ80で計測されたθ1を読取る(ステップS30)。
足首関節フリー制御を実行する際は、制御部からθ2のみが指示され、θ1は指示されない。ステップS32では、制御部から指示されたθ2を入力する。
次いで、ステップS34において、θ1に微小角度Δθ1が加算された角(θ1+Δθ1)及びθ2を実現するのに必要な各ワイヤ66a,66b,66cの有効長さを計算する。即ち、f1(θ1+Δθ1,θ2)、f2(θ1+Δθ1,θ2)、及びf3(θ1+Δθ1,θ2)を計算する。なお、以下では、角(θ1+Δθ1)及びθ2を実現するために必要な各ワイヤ66a,66b,66cの有効長さを、それぞれ目標L1、目標L2、目標L3と記載することにする。ステップS34では、さらに、θ1から微小角度Δθが減算された角(θ1−Δθ1)及びθ2を実現するのに必要な各ワイヤ66a,66b,66cの有効長さを計算する。即ち、f1(θ1−Δθ1,θ2)、f2(θ1−Δθ1,θ2)、及びf3(θ1−Δθ1,θ2)を計算する。なお、以下では、角(θ1−Δθ1)及びθ2を実現するのに必要な各ワイヤ66a,66b,66cの有効長さを、それぞれ目標L1’、目標L2’、目標L3’と記載することにする。
ステップS36以降では、ステップS34で計算された各値に基づいて、各ボールネジ68a,68b,68cの駆動制御を実行する。
(ボールネジ68aの駆動制御)
ステップS36では、ステップS34で計算された目標L1と目標L1’を比較して、どちらが大きいのかを判別する。目標L1の方が大きい場合(ステップS36でYESの場合)は、目標L1を実現するのに必要なボールネジ68aのモータ114aの回転数を計算する(ステップS38)。逆に、目標L1’の方が大きい場合(ステップS36でNOの場合)は、目標L1’を実現するのに必要なボールネジ68aのモータ114aの回転数を計算する(ステップS40)。
ステップS38又はステップS40を終了すると、ステップS42に進む。ステップS42では、ステップS38又はステップS40で計算された回転数をモータ114aに実行させる。即ち、ボールネジ68aのモータ114aに対して、計算された回転数を実行させる制御信号を出力する。
(ボールネジ68bの駆動制御)
ステップS44では、ステップS34で計算された目標L2と目標L2’を比較して、どちらが大きいのかを判別する。目標L2の方が大きい場合(ステップS44でYESの場合)は、目標L2を実現するのに必要なボールネジ68bのモータ114bの回転数を計算する(ステップS46)。一方、目標L2’の方が大きい場合(ステップS44でNOの場合)は、目標L2’を実現するのに必要なボールネジ68bのモータ114bの回転数を計算する(ステップS48)。
ステップS50では、ボールネジ68bのモータ114bに対して、ステップS46又はステップS48で計算された回転数を実行させる制御信号を出力する。
(ボールネジ68cの駆動制御)
ステップS52では、ステップS34で計算された目標L3と目標L3’を比較して、どちらが大きいのかを判別する。目標L3の方が大きい場合(ステップS52でYESの場合)は、目標L3を実現するのに必要なボールネジ68cのモータ114cの回転数を計算する(ステップS54)。一方、目標L3’の方が大きい場合(ステップS52でNOの場合)は、目標L3’を実現するのに必要なボールネジ68cのモータ114cの回転数を計算する(ステップS56)。
ステップS58では、ボールネジ68cのモータ114cに対して、ステップS54又はステップS56で計算された回転数を実行させる制御信号を出力する。
ステップS58を終了すると、ステップS30からの処理を繰り返し実行する。
本実施例の下肢12は、2軸(膝関節24、足首関節28)を3本のワイヤ66a,66b,66cで駆動するものであるために、膝関節24と足首関節28のどちらか一方のみをフリーにすることは不可能であるとも思えてしまう。しかしながら、上記した足首関節フリー制御の場合、ステップS30〜S58までの処理を高速で繰り返し実行することによって、制御部から指示される膝関節24の回転角θ2を実質的に維持しながら足首関節28はほぼ完全にフリーにすることができる。
上記した足首関節フリー制御を実行することにより、制御部から指示される膝関節24の回転角を実現しながら(膝関節24はフリーにしないで)、足首関節26のみをフリーにすることができる。
(第1実施例の変形例)
本変形例のロボット10は、遊脚の膝関節をフリーにする。ここでは、コントローラ200が、遊脚の左下肢12の膝関節24をフリーにする制御を簡単に説明しておく。膝関節フリー制御を実行する場合、コントローラ200には、θ1のみが指示され、θ2は指示されない。
コントローラ200は、エンコーダ82で検知される回転角θ2を読取る。そして、各ワイヤ66a,66b,66cについて、角θ1及び(θ2+Δθ2)に基づいて目標L1,L2,L3を計算する。さらに、コントローラ200は、角θ1及び(θ2−Δθ2)に基づいて目標L1’,L2’,L3’を計算する。そして、計算された目標L1,L2,L3と目標L1’,L2’,L3’に基づいて、各ボールネジ68a,68b,68cを制御する処理を実行していく(図8のステップS36〜S58と同様の処理を実行していく)。即ち、目標L1と目標L1’のうち大きい方を実現するのに必要なモータ回転数を計算し、計算されたモータ回転数をボールネジ68aのモータ114aに実行させる。同様に、目標L2と目標L2’のうち大きい方を実現するのに必要なモータ回転数をボールネジ68bのモータ114bに実行させ、目標L3と目標L3’のうち大きい方を実現するのに必要なモータ回転数をボールネジ68cのモータ114cに実行させる。
本変形例によると、足首関節26はフリーにしないで、膝関節24のみを完全にフリーにすることができる。遊脚の膝関節をフリーにすることによって、歩行中の消費エネルギーを節約することができる。遊脚の膝関節をフリーにして歩行するロボットについては、本出願人らによって出願された特願2003―070758号に詳しく記載されている。
(第2実施例)
ここでは、第1実施例と異なる点を中心に説明していく。本実施例は、足首関節フリー制御が第1実施例と異なる。図9に、本実施例の足首関節フリー制御処理のフローチャートが示されている。
ステップS80及びステップS82は、上記した図8のステップS30及びステップS32と同じ処理である。
ステップS84では、目標L1、目標L2、及び目標L3を計算する。ここでの計算手法が第1実施例と異なる。図9のステップS84に示されているJは、θ2を固定した場合におけるfn(θ1,θ2)(nは1、2、又は3)の微分関係を示す行列(ヤコビ行列;本実施例では3行1列の行列)である。例えば、ステップS84に示されているf1’(θ1,θ2)は、θ2(即ちθ2)を固定した場合の関数f1の微分係数を示している。J・Δθ1は、θ1から微小角度Δθ1だけ足部18を回転させるのに必要な各ワイヤ66a,66b,66cの長さ変化量(これをΔL1、ΔL2、及びΔL3と記載することにする)を表す。従って、長さ変化量の絶対値|J・Δθ1|は、ΔL1、ΔL2、及びΔL3の正の値を表すことになる。fn(θ1,θ2)(nは1、2、又は3)に各変位量ΔL1,ΔL2,ΔL3を加算することによって、θ1及びθ2に対応するL1,L2,L3をやや緩ませたL1,L2,L3(目標L1,目標L2,目標L3)を算出できることになる。
ステップS84で目標L1、目標L2、及び目標L3を算出すると、算出された各値に基づいて各ボールネジ68a,68b,68cを制御する処理を実行する(ステップS86〜S96)。ステップS86〜S96は、図8におけるステップS38,S42,S46,S50,S54,S58とほぼ同様の処理であるために、ここでの詳しい説明は省略する。
本実施例のようにしても、膝関節24をフリーにしないで、足首関節28だけを完全にフリーにすることができる。本実施例のようにヤコビ行列を用いることによって、コントローラ200の処理量を低減することができる(図8におけるステップS36,S44,S52のような分岐が必要ない)。
本実施例では、2軸(膝関節24、足首関節26)を3本のワイヤ66a,66b,66cを用いて制御するので1行3列のヤコビ行列を用いたが、例えば3軸を4本のワイヤを用いて制御する場合は複数行複数列のヤコビ行列を用いることになる。
本実施例で説明した処理によって、各ワイヤ66a,66b,66cが緩んだ状態を維持し続けるようにアクチュエータが制御される。現状の関節角θ1を実現するのに必要なワイヤ長を計算することによって、現状の関節角θ1を維持するのに必要なワイヤ長が計算される。この実施例では、微小角度Δθだけ回転することを許容するのに必要なワイヤ長の変化量を計算し、その分緩める。以上を繰り返すと、自由にされた関節が自由に回転するのに追従してワイヤ長が調整され(一方のワイヤは緩められて他方のワイヤは縮められる)、それからΔθだけ回転できるように緩められる。ワイヤ長は、常時、Δθの回転を許容する範囲で緩められる。ボールネジ68等やモータ114等の抵抗が関節の自由な回転を阻害しない。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記した実施例では、足首関節や膝関節をフリーにすることを説明したが、それら以外の関節をフリーにする場合も本技術思想を用いることができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
ロボットの足部と下腿部を簡単に示す。 実施形態に係るコントローラが実行する足首関節フリー制御のフローチャートを示す。 実施形態に係るコントローラが実行する足首関節フリー制御のフローチャートを示す(図2とは別形態)。 実施例に係るロボットの左下肢の側面図を示す。 実施例に係るロボットの足部と下腿部が接続態様を説明するための図である。 ボールネジの斜視図を示す。 下腿部に対する足部の回転角と、大腿部に対する下腿部の回転角を説明するための図である。 第1実施例に係るコントローラが実行する足首関節フリー制御のフローチャートを示す。 第2実施例に係るコントローラが実行する足首関節フリー制御のフローチャートを示す。
符号の説明
10:ロボット
12:左下肢
14:大腿部
16:下腿部
18:足部
20:胴体部
22:股関節
24:膝関節
26:足首関節
28:骨盤部
30:シャフト
32:ユニバーサルジョイント
34:ベアリング
36:円板
38:アクチュエータ
40:フランジ
42:シャフト
44:フランジ
46:軸
50a,50b,50c:ワイヤ
52a,52b,52c:ボールネジ
54:プーリ
56:アクチュエータ
58:フランジ
60:フランジ
62:十字型継手
64a,64b,64c:プーリ
66a,66b,66c:ワイヤ
68a,68b,68c:ボールネジ
70a,70b:ワイヤ終端ガイド
72a,72b:ワイヤ接続点
102:フランジ
104:可動プレート
106:フランジ
108:案内ロッド
110:案内ロッド
112:案内ロッド
114:モータ
116:ギヤ
118:ギヤ
120:送りネジ
216:下腿部
218:足部
260:フランジ
262:軸(足首関節)
264a:プーリ
266a,266b:ワイヤ
268a,268b:アクチュエータ
300:コントローラ

Claims (3)

  1. 胴体側部材と、胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材と、末端側部材に端部が取付けられている少なくとも2本のワイヤと、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも2個のアクチュエータと、各アクチュエータを制御するコントローラとを備え、
    一方のワイヤを伸ばして他方のワイヤを縮めることによって末端側部材を一方方向に回転させ、前記一方のワイヤを縮めて前記他方のワイヤを伸ばすことによって末端側部材を前記一方方向と反対方向に回転させるロボットであり、
    コントローラが、ロボットが所定の状態にあるときに、各ワイヤが緩んだ状態を維持し続けるように各アクチュエータを制御することを特徴とするロボット。
  2. 前記末端側部材の回転角を検知する手段を備え、
    前記コントローラが、ロボットが前記所定の状態にあるときに、以下の各処理、即ち、
    (1)検知された回転角に微小角度を加えた回転角を実現するのに必要な各ワイヤの長さを計算するとともに、検知された回転角から微小角度を減じた回転角を実現するのに必要な各ワイヤの長さを計算する処理、
    (2)ワイヤ毎に、計算処理で計算された当該ワイヤの2つの長さのうちの大きい方を特定する処理、
    (3)各ワイヤが特定処理で特定された長さになるように各アクチュエータを作動させる処理、
    を繰り返して実行することを特徴とする請求項1のロボット。
  3. 前記末端側部材の回転角を検知する手段を備え、
    前記コントローラが、ロボットが前記所定の状態にあるときに、以下の各処理、即ち、
    (1)検知された回転角を実現するのに必要な各ワイヤの長さを計算するとともに、前記末端側部材を検知された回転角から微小角度回転させるのに必要な各ワイヤの長さ変化量を計算する第1計算処理、
    (2)ワイヤ毎に、第1計算処理で計算された当該ワイヤの長さに、第1計算処理で計算された当該ワイヤの長さ変化量の絶対値を加えた長さを計算する第2計算処理、
    (3)各ワイヤが第2計算処理で計算された長さになるように各アクチュエータを作動させる処理、
    を繰り返して実行することを特徴とする請求項1のロボット。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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