專利名稱：機(jī)器人及其關(guān)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有可模仿生物體機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)的仿真機(jī)器人，尤其是，涉及一種具有可模仿人或猴身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，該機(jī)器人可在直立姿態(tài)進(jìn)行行走。
特別是，本發(fā)明涉及一種處于直立姿態(tài)時(shí)可用雙腳行走的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，其包括設(shè)置在腿上的上半身，上半身包括軀干、頭部、臂和其它部分。本發(fā)明特別是涉及這樣一種機(jī)器人，該機(jī)器人能夠以接近于人類的方式，并且以比人體(例如)實(shí)際結(jié)構(gòu)少很多的自由度而呈現(xiàn)出足夠的情緒和感覺(jué)的方式進(jìn)行自然的運(yùn)動(dòng)。
機(jī)器人是一種利用電和磁作用來(lái)模仿人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。術(shù)語(yǔ)機(jī)器人起源于斯垃夫語(yǔ)ROBOTA(受控制的機(jī)器)。在日本，在60年代末開(kāi)始使用機(jī)器人，大多數(shù)是工業(yè)機(jī)器人，例如，在無(wú)人工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作的機(jī)械手和輸送機(jī)器人。
最近，在腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)中已取得了很大的進(jìn)步，這種機(jī)器人可模仿如人或猴這樣的動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)，在直立姿態(tài)下用雙腳行走。因此，很期待將這種腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人投入實(shí)際使用。在直立姿態(tài)下用雙腳運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是，其行走具有適應(yīng)性，如上下臺(tái)階或越過(guò)障礙。
在腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的歷史中，對(duì)腿運(yùn)動(dòng)的研究是通過(guò)研究?jī)H使用下肢的腿運(yùn)動(dòng)基本技術(shù)開(kāi)始的。因此，這種機(jī)器人不是所有的身體部件是豎直設(shè)置的。
例如，日本待審專利JP3-184782披露了一種應(yīng)用于用腿行走的機(jī)器人軀干下方結(jié)構(gòu)部件的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。
日本待審專利JP5-305579披露了用于控制腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人行走的控制器。該文獻(xiàn)中公開(kāi)的控制器可控制機(jī)器人行走，從而使ZMP(零力矩點(diǎn))與目標(biāo)值相適應(yīng)。ZMP是在機(jī)器人行走時(shí)地板反作用力所產(chǎn)生的力矩為0的地板面上的點(diǎn)。但是，如該文件的

圖1所示，力矩所作用的軀干使用黑箱來(lái)形成，因此并沒(méi)有設(shè)置所有的身體部件。因此，該文件局限在提出了被看作是基本技術(shù)的腿運(yùn)動(dòng)。
不言而喻，構(gòu)造腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的最終目標(biāo)是使這些機(jī)器人具有身體的所有的部位。特別是，最終目標(biāo)是使這些在處于直立姿態(tài)時(shí)可用雙腳行走的機(jī)器人具有用于以雙腳行走的下肢、頭部、上肢(包括臂)和連接上下肢的軀干。在這種裝有身體所有部件的機(jī)器人中，其先決條件是在機(jī)器人處于直立姿態(tài)的同時(shí)通過(guò)移動(dòng)雙腿來(lái)執(zhí)行工作。在人類的生活空間中執(zhí)行這種工作的所有情況下，必須控制機(jī)器人，使得上下肢和軀干按照預(yù)定的先后次序協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。
模仿人體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人稱為人形機(jī)器人。人形機(jī)器人可在生活中幫助人們，也就是，在生活環(huán)境中的各種不同活動(dòng)和日常生活的各種不同情況下幫助人們。
通常，將腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人粗略地分為工業(yè)機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人。
工業(yè)機(jī)器人用于代替人執(zhí)行各種不同難度的操作，如工業(yè)操作或產(chǎn)品加工。例如，它們可代替人在核電廠、熱電廠或石化企業(yè)進(jìn)行維護(hù)工作，或者在產(chǎn)品加工企業(yè)或高層建筑執(zhí)行危險(xiǎn)／困難的工作。最重要的課題是設(shè)計(jì)和制造工業(yè)機(jī)器人以使其在特定的工業(yè)中使用并提供特定的功能。工業(yè)機(jī)器人是以其用雙腳行走為假定條件進(jìn)行構(gòu)造的。但是，作為機(jī)械裝置，它們不必完全復(fù)制如人或猴等在直立姿態(tài)時(shí)行走的動(dòng)物的實(shí)際身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。例如，為了制造出具有特定用途的工業(yè)機(jī)器人，可分別增大特定部件(如手指尖)的運(yùn)動(dòng)自由度和提高其工作性能。在另一方面，可限制與工業(yè)機(jī)器人的用途不相關(guān)的部件(如頭部和臂)的運(yùn)動(dòng)自由度，或者不形成這些部件。這就使得工業(yè)機(jī)器人盡管是一種用雙腳行走的機(jī)器人，但在其工作和運(yùn)動(dòng)時(shí)具有不自然的外表形狀。但是，為了便于設(shè)計(jì)這種機(jī)器人，這種折衷方案是不可避免的。
相反，用于娛樂(lè)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人提供那些與生命本身緊密聯(lián)系的特性，而不是在生活中幫助人們，例如代替人做難作的工作。換句話說(shuō)，制造娛樂(lè)機(jī)器人的最終目標(biāo)是使這些機(jī)器人可完全復(fù)制在直立姿態(tài)時(shí)用雙腳行走的人或猴的實(shí)際結(jié)構(gòu)，并使其運(yùn)動(dòng)自如和平穩(wěn)。由于娛樂(lè)機(jī)器人是模仿以直立姿態(tài)站立的人或猴這樣的高智能動(dòng)物，因此，需要其以呈現(xiàn)出足夠的情緒和感覺(jué)效果的方式運(yùn)動(dòng)。在此意義上，模仿人運(yùn)動(dòng)的娛樂(lè)機(jī)器人可真正稱得上是人形機(jī)器人。
簡(jiǎn)而言之，毫不夸張地說(shuō)，盡管被稱為腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的娛樂(lè)機(jī)器人分享了工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)，但其生產(chǎn)的最終目標(biāo)是完全不同的，并且使用完全不同的硬件設(shè)備和操作控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其最終目標(biāo)。
正如在相關(guān)技術(shù)中已熟知的，人體具有幾百個(gè)關(guān)節(jié)，因此就具有幾百個(gè)自由度。為了使腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)接近于人，最好，腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人可象人一樣實(shí)際運(yùn)動(dòng)自如。但是，這在技術(shù)上是非常難以實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)闉榱藖?lái)獲得一個(gè)自由度需要設(shè)置一個(gè)致動(dòng)裝置，要獲得幾百個(gè)自由度就需設(shè)置幾百個(gè)致動(dòng)裝置，因此增加了生產(chǎn)成本，并且從重量和尺寸的方面看，實(shí)際上也不可能將之設(shè)計(jì)出來(lái)。另外，當(dāng)自由度數(shù)目較大時(shí)，位置／操作控制或平衡控制所需的計(jì)算量就會(huì)相應(yīng)地成指數(shù)地增加。
以另一種方式重申所聲明的，人形機(jī)器人必須模仿具有有限數(shù)目自由度的人體結(jié)構(gòu)。娛樂(lè)機(jī)器人需要通過(guò)比人體少很多的自由度、以接近于人體運(yùn)動(dòng)并且呈現(xiàn)出足夠的情緒和感覺(jué)效果的方式自然運(yùn)動(dòng)。
在直立姿態(tài)用雙腳行走的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人是行走適應(yīng)性很強(qiáng)(如上下臺(tái)階或越過(guò)障礙)的一種很好的機(jī)器人。但是，由于這種機(jī)器人的重心處于較高的位置，因此，相應(yīng)地很難對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)控制和穩(wěn)定行走控制。特別是，需要在娛樂(lè)機(jī)器人象人或猴這樣的智能動(dòng)物一樣以呈現(xiàn)出足夠的情緒和感覺(jué)效果的方式自如運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其行走和姿態(tài)進(jìn)行控制。
對(duì)于腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的穩(wěn)定行走已有各種不同的申請(qǐng)。例如，日本待審專利申請(qǐng)JP5-305579披露了一種腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，通過(guò)與目標(biāo)值零力矩點(diǎn)(ZMP)相協(xié)調(diào)來(lái)使該機(jī)器人行走穩(wěn)定，零力矩點(diǎn)也就是機(jī)器人行走時(shí)由地板反作用力所產(chǎn)生的力矩為0的地板面上的點(diǎn)。
日本待審專利申請(qǐng)JP5-305581披露了一種腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)使得當(dāng)該機(jī)器人的腳落在地板上或離開(kāi)地板時(shí)，ZMP或者是處于支承多面體(多邊形)的內(nèi)側(cè)，或者是處于與支承多面(多邊形)體端部間隔至少一定預(yù)定量的位置上。因此，即使當(dāng)機(jī)器人承受外界干擾時(shí)，也不會(huì)被與預(yù)定距離相對(duì)應(yīng)干擾所影響，這樣就可使其行走得更平穩(wěn)。
日本待審專利JP5-305583披露可通過(guò)ZMP目標(biāo)位置來(lái)控制腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的行走速度。特別是，在該文件所披露的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人中，先前設(shè)定的行走模式數(shù)據(jù)可用于驅(qū)動(dòng)臂關(guān)節(jié)，以便于使ZMP與目標(biāo)位置相一致(match)，并監(jiān)測(cè)身體上部的傾斜狀況，從而根據(jù)監(jiān)測(cè)值來(lái)改變所設(shè)定的行走模式數(shù)據(jù)的發(fā)射速度。因此，當(dāng)機(jī)器人不經(jīng)意地走在不平坦的地面上例如向前傾斜時(shí)，通過(guò)提高發(fā)射速度就可恢復(fù)機(jī)器人的原始姿態(tài)。另外，由于可控制ZMP與目標(biāo)位置相一致，因此，在支承雙臂的裝置中改變發(fā)射速度是沒(méi)有問(wèn)題的。
日本待審專利申請(qǐng)JP5-305585披露可通過(guò)ZMP目標(biāo)位置來(lái)控制腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的落地位置。具體說(shuō)，通過(guò)檢測(cè)ZMP目標(biāo)位置與實(shí)際測(cè)量位置之間的任何偏移并驅(qū)動(dòng)單臂或雙臂來(lái)消除這種偏移，或者通過(guò)檢測(cè)對(duì)ZMP目標(biāo)位置的力矩并驅(qū)動(dòng)一只臂使其為0，使得該文件所披露的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人平穩(wěn)地行走。
日本待審專利申請(qǐng)JP5-305586披露通過(guò)ZMP目標(biāo)位置來(lái)控制腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人的傾斜姿態(tài)。具體說(shuō)，通過(guò)檢測(cè)對(duì)ZMP目標(biāo)位置的力矩并在力矩產(chǎn)生時(shí)驅(qū)動(dòng)一只臂使力矩為0，使得該文件所披露的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人平穩(wěn)地行走。
然而，上述文件中沒(méi)有一篇涉及到在機(jī)器人以呈現(xiàn)出足夠的象人或猴這樣的智能動(dòng)物一樣的感覺(jué)效果的方式自如運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其行走和姿態(tài)進(jìn)行控制。
Yamaguchi等人在論文“雙腳行走的人形機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r”(第三屆機(jī)器人技術(shù)研討會(huì)，1998年5月7和8日)中披露了一種稱為WABIAN(Waseda雙足人形機(jī))的機(jī)器人。WABIAN是一種完整的人形機(jī)器人，其不僅具有下肢，而且具有上肢和軀干，這樣它就具有身體所有的部件。開(kāi)發(fā)WABIAN是為了生產(chǎn)出在行走時(shí)整個(gè)身體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。圖13和14是WABIAN組合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。設(shè)計(jì)和制造的WABIAN克服了在工作時(shí)整個(gè)身體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所涉及的問(wèn)題。通過(guò)控制ZMP和由軀干或軀干／腰協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)軸向力矩補(bǔ)償操作所引起的在ZMP上的扭轉(zhuǎn)軸力矩，就可使機(jī)器人在行走的同時(shí)，其下肢、手指尖和軀干可任意運(yùn)動(dòng)。圖中所示的機(jī)械模型使用了超硬鋁(Duralumin)作為主體結(jié)構(gòu)材料，其總重量為107kg，直立姿態(tài)時(shí)的整體高度為1．66m。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的就是提供一種具有模擬人體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀機(jī)器人。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種優(yōu)秀的用雙腳行走的腿運(yùn)動(dòng)形機(jī)器人，其包括如軀干、頭部、臂等位于腿上部的上半身。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種以比人體少很多的自由度而以接近于人體的方式且呈現(xiàn)出足夠的情緒和感覺(jué)效果的方式自然運(yùn)動(dòng)的優(yōu)秀機(jī)器人。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種在以呈現(xiàn)出足夠的象人或猴這樣的智能動(dòng)物一樣的情緒和感覺(jué)效果的方式自如運(yùn)動(dòng)的同時(shí)可對(duì)其行走和姿態(tài)進(jìn)行控制的優(yōu)秀機(jī)器人。
為此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種利用下肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸(yaw axis)的自由度。該機(jī)器人還包括一個(gè)偏離設(shè)定機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)用于使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上(in a roll axis direction)任意地偏離髖關(guān)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度。髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上偏離髖關(guān)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，用于改變腳尖方向的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸偏離用于用腳行走的髖關(guān)節(jié)位置。
在本發(fā)明的第一至第三方面的機(jī)器人中，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸偏離髖關(guān)節(jié)位置的偏離量是可調(diào)的，這樣就可適應(yīng)由機(jī)器人使用方式所引起的重心移動(dòng)的影響，從而靈活地平衡上下肢的重量。因此，就可使機(jī)器人在直立姿態(tài)時(shí)平穩(wěn)自如地行走。
通過(guò)使髖關(guān)節(jié)軸線偏離，對(duì)應(yīng)于腰部的機(jī)器人部分的尺寸就可制得小而緊湊，這樣，就可能制成機(jī)械單元尺寸相互成比例的機(jī)器人。換句話說(shuō)，就可制成一種具有接近于如人或猴這樣動(dòng)物(在直立姿態(tài)時(shí)行走)的身體自然形狀的成比例的外觀形狀的機(jī)器人。
當(dāng)關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在向后的方向或在與運(yùn)動(dòng)方向相反的方向偏離髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，整個(gè)機(jī)器人的重心位置就位于髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸之前。因此，為確保在俯仰方向的穩(wěn)定性，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸設(shè)置在每個(gè)左右腳中心位置的后面。在此情況下，即使在轉(zhuǎn)動(dòng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸來(lái)改變腳的方向時(shí)，也可減少左右腳之間的干涉。換句話說(shuō)，由于不必增大胯部的寬度，因此，可較容易地控制機(jī)器人的姿態(tài)來(lái)使其穩(wěn)定地用雙腳行走。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度。該機(jī)器人還包括一個(gè)偏離設(shè)定機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)用于使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上任意地偏離軀干。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度。髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上偏離軀干。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，用于改變腳尖方向的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸偏離軀干。
根據(jù)本發(fā)明的第四至第六方面，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸偏離軀干的偏離量是可調(diào)的，這樣就可使其適應(yīng)重心移動(dòng)的影響，從而靈活地平衡上下肢的重量。因此，就可使機(jī)器人在直立姿態(tài)時(shí)平穩(wěn)自如地行走。
用雙腳行走的人的基本運(yùn)動(dòng)是基于其前傾姿態(tài)的。因此，當(dāng)將對(duì)應(yīng)于人腰部的軀干向前設(shè)置時(shí)，機(jī)器人就可很容易地呈現(xiàn)出人的自然運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明第四至第六方面的機(jī)器人，通過(guò)使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上偏離軀干，就可以如實(shí)地模仿人的行走姿態(tài)。
通過(guò)偏離操作并使整個(gè)機(jī)器人的重心略向前移動(dòng)，就可在機(jī)器人行走時(shí)使其較容易地利用其自身重量而保持自身平衡。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人至少包括下肢和軀干。在該機(jī)器人中，軀干在搖擺軸方向上偏離下肢。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人包括上肢、下肢和軀干。在該機(jī)器人中，上肢在搖擺軸方向上偏離下肢。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，提供一種基于與髖關(guān)節(jié)搖擺軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)伸腿的機(jī)器人。在該機(jī)器人中，至少下肢和軀干沿身體軸線方向大致豎直地進(jìn)行設(shè)置，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸從身體軸線偏離一定的量。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，提供一種基于與髖關(guān)節(jié)搖擺軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)伸腿的機(jī)器人。在該機(jī)器人中，至少下肢和軀干沿身體軸線方向大致豎直地進(jìn)行設(shè)置，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向的負(fù)方向上從身體軸線偏離一定的量。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，提供一種用于包含多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人的關(guān)節(jié)裝置。在該關(guān)節(jié)裝置中，至少設(shè)有與搖擺軸、俯仰軸和扭轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上從垂直于搖擺軸和俯仰軸的一軸線偏離。
根據(jù)本發(fā)明的第十二方面，提供一種用于包含多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人的關(guān)節(jié)裝置。在該關(guān)節(jié)裝置中，至少設(shè)有與搖擺軸、俯仰軸和扭轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且扭轉(zhuǎn)軸相對(duì)于搖擺軸和俯仰軸位于扭轉(zhuǎn)位置。
本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可從對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述和附圖中清楚地得出。附圖中圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的人形機(jī)器人100的正視圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的人形機(jī)器人100的后視圖；圖3是表示本發(fā)明實(shí)施例的人形機(jī)器人100的自由度的結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖；圖4是本發(fā)明人形機(jī)器人100的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖5是表示在縱分面(sagittal)內(nèi)本發(fā)明人形機(jī)器人100的自由度的結(jié)構(gòu)模型圖；圖6顯示了在髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在搖擺軸方向(the roll direction)上不偏離相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，左腳22L和右腳22R的位置與髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的位置之間的關(guān)系簡(jiǎn)圖；圖7顯示了在髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在搖擺軸方向上偏離相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，左腳22L和右腳22R的位置與髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的位置之間的關(guān)系簡(jiǎn)圖；圖8是從縱分面所視的人形機(jī)器人100的大腿部分和胯部的放大圖；圖9是從正面所視的人形機(jī)器人100的大腿部分和胯部的放大圖；圖10顯示了一個(gè)用于使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏移的機(jī)構(gòu)；圖11是在髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16沿?fù)u擺軸方向最大地偏離下肢位置處進(jìn)行擰緊操作的狀態(tài)的截面圖；圖12是表示人形機(jī)器人100運(yùn)動(dòng)方向的坐標(biāo)系統(tǒng)圖；圖13是從正面所視的雙腳行走的人形機(jī)器人WABIAN的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖14是從縱分面所視的雙腳行走的人形機(jī)器人WABIAN的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖15是人形機(jī)器人關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖16是人形機(jī)器人另一種關(guān)節(jié)模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
在對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述之前，先對(duì)表示機(jī)器人自由度的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。
在該實(shí)施例中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向定義為X軸。向左或右的水平方向定義為Y軸(向右的水平方向作為正向)。豎直方向定義為Z軸。在工業(yè)中，通常將XZ平面稱為縱分面，而將機(jī)器人面向前方所處的YZ平面稱為前面或正面。
如圖12所示，繞運(yùn)動(dòng)方向(也就是，繞X軸)的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為搖擺(roll)，繞向左或右的水平方向(也就是，繞Y軸)的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為俯仰(pitch)，而繞豎直方向(也就是，繞Z軸方向)的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為扭轉(zhuǎn)(yaw)。
下面將結(jié)合附圖對(duì)該實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖1和2是本發(fā)明該實(shí)施例的人形機(jī)器人100的正視圖和后視圖。圖3是表示本發(fā)明實(shí)施例的人形機(jī)器人100自由度的結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖。
如圖3所示，人形機(jī)器人100包括上肢、頭部1、下肢和連接上肢與下肢的軀干，上肢包括雙臂，下肢包括用于使人形機(jī)器人100運(yùn)動(dòng)的雙腿。
支承頭部1的頸關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，其分別依據(jù)相應(yīng)的頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸3和頸關(guān)節(jié)搖擺軸4產(chǎn)生。
每個(gè)臂包括肩關(guān)節(jié)俯仰軸8、肩關(guān)節(jié)搖擺軸9、上臂扭轉(zhuǎn)軸10、肘關(guān)節(jié)俯仰軸11、前臂扭轉(zhuǎn)軸12、腕關(guān)節(jié)俯仰軸13、腕關(guān)節(jié)搖擺軸14和手15。實(shí)際上，每只手15具有一個(gè)包括多個(gè)關(guān)節(jié)／自由度的結(jié)構(gòu)和多個(gè)手指。但是，由于手15的運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人100的姿態(tài)和行走的控制的影響很小，因此，假定每只手15的自由度為0。每個(gè)臂就有7個(gè)自由度。
軀干具有三個(gè)自由度，其分別依據(jù)相應(yīng)的軀干俯仰軸5、軀干搖擺軸6和軀干扭轉(zhuǎn)軸7產(chǎn)生。在說(shuō)明書(shū)中，軀干俯仰軸5與軀干搖擺軸6的交點(diǎn)被定義為軀干位置。
腿或每個(gè)下肢包括髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16、髖關(guān)節(jié)俯仰軸17、髖關(guān)節(jié)搖擺軸18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸20、踝關(guān)節(jié)搖擺軸21和腳22。在說(shuō)明書(shū)中，每個(gè)髖關(guān)節(jié)俯仰軸17與其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)搖擺軸18的交點(diǎn)被定義為每個(gè)髖關(guān)節(jié)的位置。實(shí)際上，人體每只腳22的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)具有多個(gè)關(guān)節(jié)和自由度的腳板。但是，實(shí)施例中人形機(jī)器人100的每個(gè)腳板的自由度為0。因此，每條腿具有6個(gè)自由度。
總計(jì)，實(shí)施例中人形機(jī)器人100的總自由度數(shù)為3+7×2+3+6×2=32。但是，娛樂(lè)型人形機(jī)器人100的自由度數(shù)不必限定為32。顯然，其自由度數(shù)也就是關(guān)節(jié)數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的限定條件和所要求的特定規(guī)格來(lái)增加和減小。
上述人形機(jī)器人100的每個(gè)自由度實(shí)際上通過(guò)使用致動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿足將機(jī)器人外表的多余凸起部分去除掉而使機(jī)器人形狀與人的自然形狀相似的要求以及控制用雙腳行走所帶來(lái)的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)姿態(tài)的要求，最好使用小而輕的致動(dòng)裝置。在該實(shí)施例中，在人形機(jī)器人100中使用小的AC(交流)伺服致動(dòng)裝置，該致動(dòng)裝置直接與傳動(dòng)裝置(gears)相聯(lián)并裝入電機(jī)部件中，伺服控制系統(tǒng)制成一個(gè)單片系統(tǒng)。在已轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)申請(qǐng)人的日本申請(qǐng)平11-33386中就描述了這種AC伺服致動(dòng)裝置。
圖4是人形機(jī)器人100控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖4所示，人形機(jī)器人100包括機(jī)構(gòu)單元30、40、50R、50L、60R和60L，它們分別對(duì)應(yīng)于人的頭部、軀干和四肢。人形機(jī)器人100還包括控制單元80，其可執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂撇僮鱽?lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)機(jī)構(gòu)單元30、40、50R、50L、60R和60L之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。(50R和50L以及60R和60L中的R和L分別表示右和左。R和L也同樣地用于后面出現(xiàn)的標(biāo)號(hào)中。)整個(gè)人形機(jī)器人100的運(yùn)動(dòng)都由控制單元80來(lái)控制?？刂茊卧?0包括主控制部分81和外圍電路82。主控制部分81包括主體電路元件(未示出)，例如中央處理器(CPU)和存儲(chǔ)器。外圍電路82包括例如可在例如供電電路和機(jī)器人100的每個(gè)結(jié)構(gòu)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳遞的接口裝置(未示出)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，控制單元80的設(shè)置位置不必進(jìn)行特殊限定。盡管在圖4中控制單元安裝在軀干單元40中，但其也可安裝在頭部或人形機(jī)器人100的外部。當(dāng)將其安裝在人形機(jī)器人100的外部時(shí)，與人形機(jī)器人100身體的通信可通過(guò)有線或無(wú)線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖3所示的人形機(jī)器人的每個(gè)自由度都由相應(yīng)的關(guān)節(jié)致動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體說(shuō)，頭部單元30包括頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A3和頸關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A4，它們分別與頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸2、頸關(guān)節(jié)俯仰軸3和頸關(guān)節(jié)搖擺軸4相應(yīng)地設(shè)置。
軀干單元40包括軀干俯仰軸致動(dòng)裝置A5、軀干搖擺軸致動(dòng)裝置A6和軀干扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A7，它們分別與軀干俯仰軸5、軀干搖擺軸6和軀干扭轉(zhuǎn)軸7相應(yīng)地設(shè)置。
臂單元50R分為上臂單元51R、肘關(guān)節(jié)單元52R和前臂單元53R。臂單元50L分為上臂單元51L、肘關(guān)節(jié)單元52L和前臂單元53L。每個(gè)臂單元50R和50L包括肩關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A8、肩關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A9、上臂扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A10、肘關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A11、肘關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A12、腕關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A13和腕關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A14，它們分別與各肩關(guān)節(jié)俯仰軸8、各肩關(guān)節(jié)搖擺軸9、各上臂扭轉(zhuǎn)軸10、各肘關(guān)節(jié)俯仰軸11、各肘關(guān)節(jié)搖擺軸12、各腕關(guān)節(jié)俯仰軸13和各腕關(guān)節(jié)搖擺軸14相應(yīng)地設(shè)置。
腿單元60R分為大腿單元61R、膝單元62R和脛單元63R。腿單元60L分為大腿單元61L、膝單元62L和脛單元63L。每個(gè)腿單元60R和60L包括髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A16、髖關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A17、髖關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A20和踝關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A21，它們分別與髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16、髖關(guān)節(jié)俯仰軸17、髖關(guān)節(jié)搖擺軸18、膝關(guān)節(jié)俯仰軸19、踝關(guān)節(jié)俯仰軸20和踝關(guān)節(jié)搖擺軸21相應(yīng)地設(shè)置。
最好，每個(gè)致動(dòng)裝置A2-A21是一個(gè)小的AC伺服致動(dòng)裝置(上面所描述的)其直接與傳動(dòng)裝置相聯(lián)并裝入電機(jī)部件中，伺服控制系統(tǒng)形成一個(gè)單片系統(tǒng)。
輔助控制部分35、45、55L和55R以及65L和65R分別用于控制頭部單元30、軀干單元40、臂單元50L和50R以及腿單元60L和60R的相應(yīng)致動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)。地面確認(rèn)傳感器91和92用于檢測(cè)腿60R和60L的腳板是否已落在地板上。在軀干單元40上裝有用于檢測(cè)姿態(tài)的姿態(tài)傳感器93。
主控制部分81可根據(jù)傳感器91-93的輸出信號(hào)適當(dāng)?shù)乜刂戚o助控制部分35、45、55L和55R以及65L和65R，從而使人形機(jī)器人100的上肢、軀干和下肢協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)例如使用者的指令，主控制部分81可設(shè)定腿運(yùn)動(dòng)、零力矩點(diǎn)(ZMP)路徑、軀干運(yùn)動(dòng)、上肢運(yùn)動(dòng)、腰部姿態(tài)和高度等。然后，主控制部分81發(fā)出指令使上述身體部件根據(jù)前述對(duì)每個(gè)輔助控制部分35、45、55L和55R以及65L和65R的設(shè)定進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在發(fā)出指令后，每個(gè)輔助控制部分35、45、55L和55R以及65L和65R對(duì)其所接收到的來(lái)自主控制部分81的相應(yīng)指令進(jìn)行譯碼，以便于向每個(gè)關(guān)節(jié)致動(dòng)裝置A2-A21輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。
圖5是從縱分面觀察時(shí)示出本發(fā)明人形機(jī)器人100的自由度的結(jié)構(gòu)模型圖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在圖5中略去了圖3所示的一些關(guān)節(jié)。在圖5中，在紙面豎直方向延伸的點(diǎn)劃線定義為軀干軸線，也就是大致穿過(guò)人形機(jī)器人100重心的豎直軸線。
該實(shí)施例人形機(jī)器人100的第一個(gè)特征是具有一個(gè)可任意地設(shè)定髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離相應(yīng)髖關(guān)節(jié)的偏離位置，也就是，在搖擺軸方向上任意設(shè)定軀干偏離下肢的偏離位置的機(jī)構(gòu)。
這里，髖關(guān)節(jié)的位置被定義在相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)俯仰軸17與髖關(guān)節(jié)搖擺軸18的交點(diǎn)上(如上所述)。如圖5所示，在搖擺軸方向上每個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的偏離量確定了每個(gè)下肢相對(duì)于其相應(yīng)的上肢的安裝的位置。當(dāng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的固定位置不偏離時(shí)，在縱分面中穿過(guò)髖關(guān)節(jié)位置和相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的線沿豎直方向?qū)?zhǔn)，也就是沿整個(gè)機(jī)器人100扭轉(zhuǎn)軸方向在一條直線中。與此相反，在圖5中，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16是偏離的，因此，在豎直方向它們以相應(yīng)的偏離量在上方從相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置偏離。
可用于幫助人的生活或構(gòu)造成與生活緊密聯(lián)系的形式的人形機(jī)器人100可以無(wú)限種方式進(jìn)行應(yīng)用。例如，人形機(jī)器人100可用單臂或雙臂搬運(yùn)行李，或者將重物抱在雙臂中，或者將包扛在肩上。在這些情況下，重心位置是顯著變化的。由于每個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置的偏離量是可調(diào)的，因此就可能適應(yīng)重心位置的變化影響，上、下肢的重量就可適用性地達(dá)到平衡。
當(dāng)每個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16沿?fù)u擺軸方向偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，髖關(guān)節(jié)的尺寸就可做得很緊湊。
盡管產(chǎn)生人形機(jī)器人100的相應(yīng)自由度的致動(dòng)裝置A2-A21是直接與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相聯(lián)且比其它類型的伺服致動(dòng)裝置小的AC伺服致動(dòng)裝置(如上所述)，但是，這些致動(dòng)裝置的實(shí)際尺寸是在致動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向或徑向的尺寸。關(guān)于髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16，扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A16增大了高度方向的髖關(guān)節(jié)尺寸。
如果髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16與其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置相交成直角，人形機(jī)器人100的胯部的尺寸就等于致動(dòng)裝置A17和A18(與相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)俯仰軸17和髖關(guān)節(jié)搖擺軸18相一致地形成)的直徑(假設(shè)為2D)與髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A16的縱向尺寸(假設(shè)為L(zhǎng))之和。因此，人形機(jī)器人100的胯部的尺寸為2D+L。因此，機(jī)構(gòu)單元的尺寸就不再相互成比例或平衡。在另一方面，當(dāng)每個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離時(shí)，人形機(jī)器人100對(duì)應(yīng)于腰部部分的高度就小于2D+L，這就可能制成機(jī)構(gòu)單元相互成比例的人形機(jī)器人100。換句話說(shuō)，就可能制成比例外形與人體自然形狀非常接近的人形機(jī)器人100。這在后面將結(jié)合圖8進(jìn)行討論。
當(dāng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在搖擺軸方向上偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，這也可在機(jī)器人100行走時(shí)避免其左右腳之間(特別是在腳轉(zhuǎn)動(dòng)以變換方向時(shí))的干涉。這將結(jié)合圖6和7在后面進(jìn)行說(shuō)明。通常，雙腳行走的機(jī)器人可通過(guò)沿所需的變換方向轉(zhuǎn)動(dòng)腳或踝從而在所需的變換方向上使踝前移來(lái)改變方向。
當(dāng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16不偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，也就是，當(dāng)髖關(guān)節(jié)位置和相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16沿豎直方向?qū)?zhǔn)或在扭轉(zhuǎn)軸方向上處于一條直線中時(shí)，負(fù)荷就集中在特定位置上，使得整個(gè)人形機(jī)器人100的重心位置就限定在髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的附近。因此，如圖6所示，為了確保機(jī)器人100穩(wěn)定行走，也就是，為了在俯仰方向得到穩(wěn)定，左右踝必須是固定的，這樣，它們就大致與腳22R和22L的中心對(duì)準(zhǔn)。
通過(guò)在所需的變換方向轉(zhuǎn)動(dòng)腳并使腳前移，這種用雙腳行走的機(jī)器人就可改變行走方向。具體說(shuō)，這只腳要繞其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)該髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16不偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，腳的轉(zhuǎn)動(dòng)中心就大致與踝中心對(duì)準(zhǔn)。在此情況下，如圖6所示，踝就大致與相應(yīng)的腳中心對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)一只腳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其后跟就會(huì)與另一只腳相互干涉，從而使其不可能在預(yù)定極限角度范圍內(nèi)改變方向。
通過(guò)增大胯部的寬度也就是右腿單元60R與左腿單元60L之間的距離，可避免左右腳之間的相互干涉(如圖6所示)。但是，當(dāng)雙足機(jī)器人的胯部較寬時(shí)，這樣盡管在其不行走時(shí)的姿態(tài)是很穩(wěn)定的，但在其運(yùn)動(dòng)或行走時(shí)重心就會(huì)顯著地向左和右水平移動(dòng)。因此，在慣性矩作用下機(jī)器人的姿態(tài)是很難控制的。
相反，如圖5所示，當(dāng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在向后的方向或與運(yùn)動(dòng)方向相反的方向上偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，負(fù)荷展開(kāi)了，因此，整個(gè)人形機(jī)器人100的重心就位于髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16之前。由于髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置，因此，左右腳的轉(zhuǎn)動(dòng)中心就位于其相應(yīng)的踝之后。
在此情況下，即使當(dāng)一個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變方向，也可減小腳22R和22L之間的干涉。換句話說(shuō)，由于不必增大胯部的寬度，可以很容易地對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制，使機(jī)器人雙腳行走穩(wěn)定。
該實(shí)施例人形機(jī)器人100的第二個(gè)特征是具有另一個(gè)可任意地設(shè)定髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離身體上部(也就是在搖擺軸方向上)偏離軀干的偏離位置的機(jī)構(gòu)。
在該實(shí)施例中，軀干位置被定義為軀干俯仰軸5與軀干搖擺軸6的交點(diǎn)。(但是，由本發(fā)明的要點(diǎn)來(lái)推斷，軀干位置不應(yīng)當(dāng)在特定的意義下進(jìn)行定義。其應(yīng)當(dāng)通過(guò)與人或猴的機(jī)構(gòu)相對(duì)照來(lái)進(jìn)行確定。)如圖5所示，每個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在搖擺軸方向上的偏離量確定了身體上部在下肢上的固定位置。當(dāng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16固定位置不偏離時(shí)，在縱分面內(nèi)，軀干和髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的位置豎直地連成一線，也就是沿整個(gè)機(jī)器人100的扭轉(zhuǎn)軸方向直線對(duì)準(zhǔn)。相反，如圖5所示，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16就沿豎直方向在下方偏離軀干位置一定的偏離量。
如上面所提到的，可用于幫助人的生活并緊密地與生活相聯(lián)系地制成的人形機(jī)器人100可以無(wú)限種方式使用。另外，人形機(jī)器人100的重心位置可根據(jù)使用的方式顯著地變化。由于髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離軀干位置的偏離量是可調(diào)的，這樣就可適應(yīng)重心移動(dòng)的影響，從而靈活地平衡上下肢的重量。因此，就可較容易地制成在直立姿態(tài)時(shí)可穩(wěn)定行走的重心處于相對(duì)較高位置的機(jī)器人。
人用雙腳行走的基本運(yùn)動(dòng)是基于其前傾姿態(tài)的。換句話說(shuō)，當(dāng)將對(duì)應(yīng)于人的腰部的軀干向前設(shè)置時(shí)，就可很容易地使機(jī)器人呈現(xiàn)出人的自然運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在搖擺軸方向上偏離軀干位置，該實(shí)施例的人形機(jī)器人100就可如實(shí)地模仿人的行走。
通過(guò)使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離并使整個(gè)機(jī)器人100的重心位置略向前移動(dòng)，就可在機(jī)器人100行走或運(yùn)動(dòng)時(shí)使其較容易地利用其自身重量而保持自身平衡。
圖8是在縱分面觀察的人形機(jī)器人100的胯部和大腿部分的放大圖。圖9是從正面觀察的人形機(jī)器人100的胯部和大腿部分的放大圖。
如圖8和9所示，髖關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A17和髖關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A18安裝在大腿單元61上。每個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A16安裝在托架(軀干側(cè)的骨盆)61＇上。
在圖5的方案圖中，髖關(guān)節(jié)俯仰軸17和髖關(guān)節(jié)搖擺軸18相交成直角。然而，實(shí)際上，不能將具有較大體積的致動(dòng)裝置A17和A18設(shè)置成使其搖擺軸線彼此相交成直角。因此，在該實(shí)施例中，如圖8和9所示，機(jī)器人100的結(jié)構(gòu)是這樣的，包含一個(gè)相交成直角的軸線的致動(dòng)裝置A17設(shè)置位置離開(kāi)俯仰軸17，驅(qū)動(dòng)力通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳送到俯仰軸17，從而使俯仰軸和搖擺軸彼此相交。
如圖8所示，在該實(shí)施例的人形機(jī)器人100中，設(shè)定了髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置的偏離量O1和軀干位置偏離髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16的偏離量O2。
正如所討論的，通過(guò)設(shè)置偏離量O1和O2就可很容易地實(shí)現(xiàn)重量平衡和姿態(tài)控制。
當(dāng)軀干俯仰軸致動(dòng)裝置A5設(shè)置在圖8所示的位置時(shí)，相應(yīng)的軀干搖擺軸6與相應(yīng)的軀干關(guān)節(jié)搖擺軸18之間的距離就為H1。另外，當(dāng)不設(shè)置偏離量O2時(shí)，也就是，當(dāng)偏離量O2為0時(shí)，軀干俯仰軸致動(dòng)裝置A5只可設(shè)置在圖8虛線所示的位置上。因此，如圖8所示，軀干搖擺軸6與髖關(guān)節(jié)搖擺軸18之間的距離就增大為H2。這就意味著人形機(jī)器人100的腰部高度變大了，這樣，整個(gè)人形機(jī)器人100就不再合適。反過(guò)來(lái)講，通過(guò)象該實(shí)施例這樣設(shè)置偏離量O2，整個(gè)人形機(jī)器人100就可保持很好的協(xié)調(diào)比例。
圖10是髖關(guān)節(jié)周圍固定部件的放大圖。
如上所述，髖關(guān)節(jié)俯仰軸致動(dòng)裝置A17和髖關(guān)節(jié)搖擺軸致動(dòng)裝置A18安裝在大腿單元61L和61R上。髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸致動(dòng)裝置A16安裝在托架(軀干側(cè)的骨盆)61＇上。如圖10所示，大腿單元61和托架(軀干側(cè)的骨盆)61＇通過(guò)髖關(guān)節(jié)可調(diào)安裝部件61-1上的4個(gè)螺紋孔進(jìn)行螺紋安裝。如圖10所示，螺紋孔是沿偏離方向延伸的槽形，這樣，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16偏離其相應(yīng)的下肢的偏離位置就可根據(jù)螺紋緊固位置而很容易地進(jìn)行設(shè)定。
圖11是在髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16在搖擺軸方向最大地偏離相應(yīng)的下肢位置處進(jìn)行擰緊操作的截面圖。
軀干單元40(圖11中未示出)和托架(軀干側(cè)的骨盆)61′通過(guò)軀干可調(diào)安裝部件61-2上的4個(gè)螺紋孔進(jìn)行螺紋旋擰安裝。如圖11所示，由于螺紋孔是沿偏離方向延伸的槽形，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸16相對(duì)于其相應(yīng)的上肢的偏離位置可根據(jù)螺紋旋擰位置很容易地進(jìn)行設(shè)定。
上面結(jié)合本發(fā)明的特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述。但是，顯然，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可作出一些變化和改型。
在申請(qǐng)文件的說(shuō)明書(shū)中，為方便起見(jiàn)，軀干俯仰軸5與軀干搖擺軸6的交點(diǎn)被定義為軀干位置，而髖關(guān)節(jié)俯仰軸17與髖關(guān)節(jié)搖擺軸18的交點(diǎn)被定義為髖關(guān)節(jié)位置。但是，術(shù)語(yǔ)“軀干位置”和“髖關(guān)節(jié)位置”的含義可通過(guò)與人體結(jié)構(gòu)相對(duì)照來(lái)靈活理解，例如將人的實(shí)際關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與人形機(jī)器人100的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)照。類似地，表示身體豎直中心線的術(shù)語(yǔ)“身體軸線”的含義也應(yīng)靈活理解。
本發(fā)明的要點(diǎn)并不局限于機(jī)器人。換句話說(shuō)，本發(fā)明也可類似地用于屬于其它工業(yè)領(lǐng)域的任何產(chǎn)品上，例如玩具，只要該產(chǎn)品是通過(guò)使用電力和磁力作用而模仿人運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置即可。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，用于描述本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例僅僅是出于說(shuō)明的目的。因此，本發(fā)明并不局限于此。為了確定本發(fā)明的要點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)參見(jiàn)本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)。
作為參考，圖15顯示了人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)。在圖15所示的關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)中，從肩關(guān)節(jié)5向手8延伸的機(jī)器人部分包括上臂3、肘關(guān)節(jié)6、前臂4和腕關(guān)節(jié)7，其被稱為上肢部分17。從肩關(guān)節(jié)5向軀干關(guān)節(jié)10延伸的機(jī)器人部分被稱為軀干9，其對(duì)應(yīng)于人體的軀干。從髖關(guān)節(jié)11向軀干關(guān)節(jié)10延伸的機(jī)器人部分被稱為腰18。軀干關(guān)節(jié)10可產(chǎn)生人體脊柱所擁有的自由度。包括髖關(guān)節(jié)11以下的部件，也就是大腿12、膝關(guān)節(jié)14、小腿13、踝關(guān)節(jié)15和腳16的機(jī)器人部分被稱為下肢部分19。通常，軀干關(guān)節(jié)10之上的身體部分被稱為身體上部或上半身，而軀干關(guān)節(jié)10以下的身體部分被稱為身體下部或下半身。
圖16顯示了另一種人形機(jī)器人關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)。圖16所示的關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)與圖15所示的關(guān)節(jié)模型結(jié)構(gòu)的不同之處在于其不具有軀干關(guān)節(jié)10。(對(duì)于人形機(jī)器人不同部件的名稱參見(jiàn)圖16。)由于人形機(jī)器人不包括對(duì)應(yīng)于人體脊柱的軀干關(guān)節(jié)，因此，該人形機(jī)器人上部不能象人一樣運(yùn)動(dòng)。但是，在使用執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)或代替人執(zhí)行任務(wù)的工業(yè)人形機(jī)器人時(shí)，工業(yè)人形機(jī)器人有時(shí)不制成可使其身體上部運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。除了圖15和16以外，圖15和16中的標(biāo)號(hào)不與其它圖中的標(biāo)號(hào)相對(duì)應(yīng)。
從前述說(shuō)明書(shū)中可以理解到根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種具有可模仿人體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人。
根據(jù)本發(fā)明，可提供一種用雙腳行走的腿運(yùn)動(dòng)型人形機(jī)器人，其包括所謂的形成于腿上的上半身，上半身包括軀干、頭部和臂。
根據(jù)本發(fā)明，也可提供一種可以用人體少很多的自由度以接近于人體的方式并以呈現(xiàn)出足夠的感覺(jué)效果的方式自然運(yùn)動(dòng)的人形機(jī)器人。
本發(fā)明的人形機(jī)器人是利用下肢用雙腳行走的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，其包括上肢、下肢和軀干。在該人形機(jī)器人中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)具有由其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸、相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)搖擺軸和相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)俯仰軸所產(chǎn)生的自由度。髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸可在搖擺軸方向上任意地偏離。
因此，通過(guò)適應(yīng)由機(jī)器人使用狀態(tài)改變所引起的重心移動(dòng)影響就可靈活地平衡上下肢重量。
通過(guò)使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸偏離，就可降低腰的高度，也就是與腰對(duì)應(yīng)的機(jī)器人部分的長(zhǎng)度，這樣，尺寸就可做得很緊湊，并制成各個(gè)機(jī)構(gòu)單元尺寸相互成比例的人形機(jī)器人，也就是，人形機(jī)器人的外觀形狀接近于人的自然形狀。
當(dāng)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在向后的方向或在與運(yùn)動(dòng)方向相反的方向上偏離其相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)位置時(shí)，人形機(jī)器人的重心就位于髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的前方。因此，為了確保在俯仰方向的穩(wěn)定性，將左右踝設(shè)置在相應(yīng)的腳中心之后。在此情況下，即使轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸來(lái)改變相應(yīng)的腳的方向，也可減少左右腳之間的干涉(例如圖6所示的情況，一只腳的后跟與另一只腳相碰)。
人形機(jī)器人可如實(shí)地模仿人雙腳行走的基本運(yùn)動(dòng)，該基本運(yùn)動(dòng)是基于前傾姿態(tài)而產(chǎn)生的。
進(jìn)行偏離操作使整個(gè)機(jī)器人的重心位置略向前移，機(jī)器人就可在行走或運(yùn)動(dòng)時(shí)根據(jù)其自身重量而使其自身較容易地保持平衡。
權(quán)利要求
1．一種利用下肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度；和其中，該腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人還包括偏離設(shè)定機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上任意地偏離髖關(guān)節(jié)。
2．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度；其中，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上偏離髖關(guān)節(jié)。
3．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，用于改變腳尖方向的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸從供用腳行走的髖關(guān)節(jié)位置偏離。
4．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度；其中，該腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人還包括偏離設(shè)定機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上任意地從軀干偏離。
5．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，連接下肢和軀干的髖關(guān)節(jié)至少具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于包含在髖關(guān)節(jié)中的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸的自由度；其中，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上偏離軀干。
6．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，用于改變腳尖方向的髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸偏離軀干。
7．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括至少下肢和軀干；其中，軀干在搖擺軸方向上偏離下肢。
8．一種利用下肢運(yùn)動(dòng)的腿運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，包括上肢；下肢；和軀干；其中，上肢在搖擺軸方向上偏離下肢。
9．一種基于與髖關(guān)節(jié)搖擺軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)伸腿的機(jī)器人，其中，至少下肢和軀干沿身體軸線方向大致豎直地進(jìn)行設(shè)置，其中，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸從身體軸線偏離一定的量。
10．一種基于與髖關(guān)節(jié)搖擺軸、髖關(guān)節(jié)俯仰軸和髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)伸腿的機(jī)器人，其中，至少下肢和軀干沿身體軸線方向大致豎直地進(jìn)行設(shè)置，其中，髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向的負(fù)方向上從身體軸線偏離一定的量。
11．一種用于包含多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人的關(guān)節(jié)裝置，其中，至少設(shè)有與搖擺軸、俯仰軸和扭轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向上從垂直于搖擺軸和俯仰軸的一軸線偏離。
12．一種用于包含多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人的關(guān)節(jié)裝置，其中，至少設(shè)有與搖擺軸、俯仰軸和扭轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且扭轉(zhuǎn)軸相對(duì)于搖擺軸和俯仰軸位于扭轉(zhuǎn)位置。
全文摘要
一種包括上肢、下肢和軀干的人形機(jī)器人。髖關(guān)節(jié)具有與髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸、髖關(guān)節(jié)搖擺軸和髖關(guān)節(jié)俯仰軸相對(duì)應(yīng)的自由度。該腿運(yùn)動(dòng)型人形機(jī)器人通過(guò)使髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸在搖擺軸方向任意地偏離,就可適應(yīng)因使用模式發(fā)生變化而產(chǎn)生的重心移動(dòng)影響,以便對(duì)上下肢重量進(jìn)行適用性的平衡。因腰部緊湊,從而形成一種比例適當(dāng)且在改變腳方向時(shí)可避免左右腳間干涉的機(jī)器人。因此提供了一種運(yùn)動(dòng)自如且利用較少自由度就呈現(xiàn)出足夠感覺(jué)效果的機(jī)器人。
文檔編號(hào)B25J17/00GK1289665SQ0013168
公開(kāi)日2001年4月4日 申請(qǐng)日期2000年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月7日
發(fā)明者服部裕一, 黑木義博, 石田健藏 申請(qǐng)人:索尼公司