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公開番号2021062470
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210422
出願番号2020105283
出願日20200618
発明の名称構造体
出願人本田技研工業株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類B25J 5/00 20060101AFI20210326BHJP(手工具;可搬型動力工具;手工具用の柄;作業場設備;マニプレータ)
要約【課題】SLIPモデルの直動バネを実現するための設計を容易にすることが可能な、二足歩行用の脚部の構造体を提供する。
【解決手段】本発明の構造体は、移動機構を有する脚部10の構造体100であって、ばねを有する第一受動関節O、Aと、第二受動関節B、C、Dと、接地部Eと、第一受動関節Oと第一受動関節Aとを接続するリンクOAと、第一受動関節Aと第二受動関節Bとを接続するリンクABと、第二受動関節Bと第二受動関節Cとを接続するリンクBCと、第二受動関節Cと第二受動関節Dとを接続するリンクCDと、第二受動関節Cと接地部Eとを接続するリンクCEと、第二受動関節Dと接地部Eとを接続するリンクDEと、第二受動関節Dと第一受動関節Oとを接続するリンクODと、で構成される5節リンク機構を有する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
移動機構を有する脚部の構造体であって、
ばねを有するモータが取り付けられた第一受動関節O、Aと、
前記モータが取り付けられていない第二受動関節B、C、Dと、
接地部Eと、
前記第一受動関節Oと前記第一受動関節Aとを接続するリンクOAと、
前記第一受動関節Aと前記第二受動関節Bとを接続するリンクABと、
前記第二受動関節Bと前記第二受動関節Cとを接続するリンクBCと、
前記第二受動関節Cと前記第二受動関節Dとを接続するリンクCDと、
前記第二受動関節Cと前記接地部Eとを接続するリンクCEと、
前記第二受動関節Dと前記接地部Eとを接続するリンクDEと、
前記第二受動関節Dと前記第一受動関節Oとを接続するリンクDOと、で構成される5節リンク機構を有することを特徴とする構造体。
続きを表示(約 480 文字)【請求項2】
前記リンクDEの長さとリンクDOの長さが等しいことを特徴とする請求項1に記載の構造体。
【請求項3】
前記第一受動関節Oと前記第一受動関節Aとが重なっており、
前記第一受動関節Aと前記第二受動関節Dとを結ぶ線分ADの長さが、前記リンクDOの長さと等しいことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の構造体。
【請求項4】
前記線分ADの長さが固定されており、前記リンクCDの長さと前記リンクABの長さとが等しく、前記線分ADの長さと前記リンクBCの長さとが等しいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項5】
前記線分ADの長さが固定されており、前記リンクCDの長さと前記リンクBCの長さとが等しく、前記線分ADの長さとリンクABの長さとが等しいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項6】
前記リンクCD、前記リンクCE、前記リンクDEが一体化されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の構造体。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、二足歩行用の脚部の構造体に関する。
続きを表示(約 5,600 文字)【背景技術】
【0002】
様々な環境に適用可能な二足歩行ロボットの研究が、数十年にわたって注目されている。一般的には、二足歩行ロボットの脚部は、バネ式倒立振り子(SLIP)等の単純化したモデルを適用し、複数のリンクで構成されるマルチリンク構造を有する(非特許文献1、2)。脚部の複雑なダイナミクスは、各リンクの運動を、コントローラを用いて調整することによって実現される(特許文献1)。SLIPモデルを適用した二足歩行ロボットとして、シリアルリンク型の構造を有するCassie、Pogo−stick−like Robot等(非特許文献3、4)、パラレルリンク型の構造を有するATRIAS等(非特許文献5)の構造体が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特許第6311153号公報
【非特許文献】
【0004】
Kenji Kaneko, et al., IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 3 (2002) 2431-2436
Sebastian Lohmeier, et al., 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 775-780
Marc H Raibert, MIT press, 1986
Xiaobin Xiong, et al., 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 3821-3828
Christian Hubicki, et al., The International Journal of Robotics Research, 35 (2016) 1497-1521
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
シリアルリンク型の構造体は、一つのモータで駆動されるため、小型であり、狭いスペースでの使用に適しているが、駆動力が低く、二足歩行の実施が難しい。パラレルリンク型の構造体は、二つのモータで駆動されるため、高い駆動力を有し、二足歩行の実施に適しているが、狭いスペースでの使用が難しい。また、いずれの構造体も多数の部材からなり、それぞれの部材が、所定の長さ、角度等のパラメータを有するため、設計することが難しく、最適な構成が得られにくい。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、SLIPモデルの直動バネのような力学を有する、二足歩行用の脚部の構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
【0008】
(1)本発明の一態様に係る構造体は、移動機構を有する脚部の構造体であって、腰部と接続する腰部側接続部と、歩行させる地面と接触する接地部Eとを連結する複数のリンクと、隣接する二つの前記リンク同士を連結する受動関節とを有し、前記接地部の変位ベクトルδp、それぞれの前記受動関節の微小変位ベクトルδθ、を用いた下記(1)式を満たす第一ヤコビアン行列J、前記リンクが、前記腰部側接続部を通り、前記地面と直交する直線となす角度θpを用い、前記第一ヤコビアン行列Jの座標系を、前記角度θpで回転させた座標系での第二ヤコビアン行列Jpが、二つの前記受動関節の微小変位δθを制御するばねのばね定数k

、k

、および定数C

、C

を用いた下記(2)式を満たし、さらに前記定数C

、C

を用いた下記(3)式または下記(4)式を満たすことを特徴とする構造体。
【0009】
(2)前記(1)に記載の構造体において、ばねを有するモータが取り付けられた第一受動関節O、Aと、前記モータが取り付けられていない第二受動関節B、C、Dと、前記接地部Eと、前記第一受動関節Oと前記第一受動関節Aとを接続するリンクOAと、前記第一受動関節Aと前記第二受動関節Bとを接続するリンクABと、前記第二受動関節Bと前記第二受動関節Cとを接続するリンクBCと、前記第二受動関節Cと前記第二受動関節Dとを接続するリンクCDと、前記第二受動関節Cと前記接地部Eとを接続するリンクCEと、前記第二受動関節Dと前記接地部Eとを接続するリンクDEと、前記第二受動関節Dと前記第一受動関節Oとを接続するリンクDOと、で構成される5節リンク機構を有してもよい。
【0010】
(3)前記(1)または(2)のいずれかに記載の構造体において、前記リンクDEの長さとリンクDOの長さが等しいことが好ましい。
【0011】
(4)前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の構造体において、前記第一受動関節Oと前記第一受動関節Aとが重なっており、前記第一受動関節Aと前記第二受動関節Dとを結ぶ線分ADの長さが、前記リンクDOの長さと等しいことが好ましい。
【0012】
(5)前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の構造体において、前記線分ADの長さが固定されており、前記リンクCDの長さと前記リンクABの長さとが等しく、前記線分ADの長さと前記リンクBCの長さとが等しいことが好ましい。
【0013】
(6)前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の構造体において、前記線分ADの長さが固定されており、前記リンクCDの長さと前記リンクBCの長さとが等しく、前記線分ADの長さとリンクABの長さとが等しいことが好ましい。
【0014】
(7)前記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の構造体において、前記リンクCD、前記リンクCE、前記リンクDEが一体化されていてもよい。
【発明の効果】
【0015】
本発明の構造体は、接地部(足部)と腰部側接続部とを結ぶ方向に力が作用したとき、反力が同じ方向に返ってくることを前提として導かれた、SLIPモデルの直動バネの力学が成立するための条件式で規定されるものである。この条件式は、SLIPモデルの直動バネの力学と同じ静力学を有する制約条件を与えるものである。したがって、この条件式を適用することによって、脚部を構成する各種の構造体において上記SLIPモデルの力学をが成立するか否かを検証することができる。そして、この条件式を満たすように、制約条件を満たすように設計することにより、従来の研究のように試行錯誤的な設計を繰り返すことなく、効率的に、SLIPモデルの直動バネの力学を有する、二足歩行用の脚部の構造体を実現することができる。
【0016】
本発明の構造体は、5節リンクの各設計リンクパラメータに適したバネを採用することで、SLIPモデルの直動バネの力学を有する脚部を構成し、腰側部分と踵側部分との間で伸縮する力を発生させる、脚部の動きを実現することができる。また、本発明の構造体は、二つのモータのそれぞれに直列なバネを備えたパラレルリンク型であり、高い駆動力を有するとともに、小型化が可能である。多くの場合、必要なバネの設計が複雑になるが、本発明の構造体は、大腿部分を構成する閉リンク機構を平行リンク機構にし、大腿部の長さと脛部分の長さを等しくすることにより、直動バネを実現するために必要な二つのバネの設計を簡単化することができる。
【0017】
本発明の構造体において、リンクDEの長さとリンクDOの長さが等しい場合には、所定の動作を実現するために必要なバネ設計作業を簡略化することができる。
【0018】
また、本発明の構造体は、モータOとモータAとが重なり、モータAと受動関節Dとを結ぶ線分ADの長さが、リンクDOの長さと等しい場合にも必要なバネ設計作業を簡単化することができる。
【0019】
また、本発明の構造体において、線分ADの長さが固定されており、リンクCDの長さとリンクABの長さとが等しく、線分ADの長さとリンクBCの長さとが等しい場合にも、必要なバネ設計作業を簡単化することができる。
【0020】
また、本発明の構造体において、線分ADの長さが固定されており、リンクCDの長さとリンクBCの長さとが等しく、線分ADの長さとリンクABの長さとが等しい場合にも、必要なバネ設計作業を簡単化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
本発明の一実施形態に係り、移動機構を有する脚部の構造体100の設計方法について説明する図である。
(a)〜(d)脚部を構成する各種の構造体について説明する図である。
本発明の第一実施形態に係る脚部の平面図である。
図3の脚部を構成する構造体を拡大した図である。
(a)図3の構造体において、二つのばねのばね定数の比を、バネが接続された関節の角度の関数として示すグラフである。(b)図3の構造体の形状、および構造体を構成する接地部に作用する力を示すグラフである。
(a)図3の構造体をより好適な形状とした場合において、二つのばねのばね定数の比を、バネが接続された関節の角度の関数として示すグラフである。(b)構造体の形状、および接地部に作用する力を示すグラフである。
本発明の第二実施形態に係る構造体の平面図である。
(a)図7の構造体において、二つのばねのばね定数の比を、バネが接続された関節の角度の関数として示すグラフである。(b)図7の構造体の形状、および接地部に作用する力を示すグラフである。
本発明の第三実施形態に係る構造体の平面図である。
(a)図9の構造体において、ばねのばね定数の比を、バネが接続された関節の角度の関数として示すグラフである。(b)図9の構造体の形状、および接地部に作用する力を示すグラフである。
(a)本発明の第五実施形態に係る構造体において、ばねのばね定数の比を、バネが接続された関節の角度の関数として示すグラフである。(b)第五実施形態の構造体の形状、および接地部に作用する力を示すグラフである。
(a)本発明の実施例として用いた構造体と、その周辺部の写真である。(b)実施例の構造体を動作させた場合において、接地部に作用する力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明を適用した実施形態に係る構造体とその設計方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0023】
<実施形態>
図1は、本発明の一実施形態に係り、移動機構を有する脚部の構造体100の設計方法について説明する図である。構造体100は、腰部と接続する腰部側接続部Sと、歩行させる地面と接触する接地部(足部)Eとを連結する複数のリンクLと、隣接する二つのリンクL同士を連結する受動関節Mとを有する。
【0024】
接地部Eの位置をpとし、その変位ベクトルをδpとする。受動関節Mの状態(位置、回転角度等)をθとし、その微小変位ベクトルをδθとする。ここでは、それぞれの受動関節M(M



、・・・M

)を介して連結される、全てのリンクL(L

、L

、・・・L

)のうち、隣接するリンク同士の対(L

とL

、L

とL

、・・・L
n−1
とL

)がなす角度をθ(θ
12
、θ
23
、・・・、θ
n−1,n
)とし、その微小変位ベクトルをδθとする(nは整数とする)。このとき、微小変位ベクトルδpとδθの関係は、第一ヤコビアン行列Jを用いて、下記(1)式で表すことができる。
【0025】
【0026】
ここで、τおよびfはそれぞれ、リンクLのθ方向の回転によるトルクをτとし、接地部Eに作用する力(接触力)のベクトルをfとすると、これらは下記(2)式の関係を満たす。
【0027】
【0028】
また、腰部側接続部Sと接地部Eとの間の構造は、直列弾性アクチュエータによってモデル化されるように、トルクτは、ばね定数Kを用いて下記(3)式の関係を満たすものとする。
【0029】
【0030】
上記(1)〜(3)式から、下記(4)式が得られる。
(【0031】以降は省略されています)

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