JP2005224921A - 移動ロボットの関節制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、信頼性の高い高精度な移動ロボットの制動制御を実現すると共に、省電力化の促進を図り得るようにする。
【解決手段】ロボットの関節部の運動を妨げる摩擦力を発生する膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）にステップ状の２段階の異なる制動力を発生する空気圧を選択的に供給する空気圧制御回路を備えて構成した。空気圧は、関節の動作角度・関節に加わる負荷トルクなどにより切替設定される。
【選択図】図３

Description

この発明は、ロボットシステムに係り、特に、そのリンクを互いに回転可能に結合した関節を持つ移動ロボットの関節制動装置に関する。

一般に、移動ロボットは、搭載した電力で静止状態を含む全ての運動を賄わなければならない、という宿命を負わされている。一方、このような電力を蓄える電池の技術は、現状、未発達のため、搭載したエネルギーを節約することが重要とされ、例え搭載電池に革命的な技術進歩があったとしても、この省エネルギーに関しては、地球温暖化の唯一の解決策であり、長期的にも大切な技術であると考えられている。

このような移動ロボットにおいては、特に、脚式のロボットの場合、静止している間でも、自分の体重を支えるのにエネルギーを消費する動物に似た特徴を有する。そこで、移動ロボットの関節を機械的に制動する関節制動装置においては、階段を降りるときの膝関節で関節角度に応じて予め設定した強弱２段階の制動力を用意しておき、予め作られた歩容のデータと、この強弱２段階の制動力の設定データとをメモリに蓄えて、両方のデータを一緒に吐き出すことで、消費電流を軽減する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
特開２００３−０１１０７９号公報 特開２００３−１３６４４０号公報

しかしながら、上記移動ロボットの関節制動装置では、歩行の現場でリアルタイムに歩容を生成する歩き方を求める必要があるために、その設計を含む製作が非常に煩雑となるという問題を有する。

また、最近では、電圧に反応して出力が直線的に変化する、所謂、リニアソレノイド技術を利用して移動ロボットの関節制動装置を構築する研究が進められている。

ところが、上記リニアソレノイド技術にあっては、油圧の分野では、確立された技術であるが、ロボット関節制動制御のように空気圧を利用する分野では必ずしも技術的に確立されているとは言い難いため、その消費電流の省電力化等の各種の改良が必要とされている。

また、移動ロボットの分野においては、複数の関節を持つ移動ロボットの様々な運動形態に応じて各関節を高精度に制動制御したい場合、その関節数に応じて関節制動部の数も増え、その結果、静止姿勢をとるように制御すると、これら多数の関節制動部に同時に作動させる必要が生まれる。このため、関節制動部の作動に要する消費電力そのものが小さいとは言え、独立に制動したい関節の数が増えれば増える程、静止姿勢時のエネルギーが増加するという問題も有する。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、構成簡易して、信頼性の高い高精度な制動制御を実現し得、且つ、省電力化の促進を図り得るようにした移動ロボットの関節制動装置を提供することを目的とする。

この発明の移動ロボットの関節制動装置は、相対的に回転運動する一対のリンクと当該リンクを互いに回転可能に結合する関節を少なくとも１つ有する移動ロボットの前記関節の運動を妨げる摩擦力を発生できるブレーキと、このブレーキの制動力を少なくともステップ状の２段階に変えることができる制動力可変手段とを備え、その制動力の可変動作に際しては実質的に消費電力が増加しないように構成した。

上記構成によれば、ブレーキの制動力は、一定の消費電力を保ったうえで、制動力可変手段を介して２段階に変更することにより、異なる制動モードに対応することが可能となる。これにより、消費電力を一定に保った状態で、信頼性の高い高精度な関節制動制御が可能となり、電源系の小形化を確保したうえで、省電力化の促進を図ることが可能となる。

また、この発明は、相対的に回転運動する第１の対をなすリンクと、当該リンク対を互いに回転可能に結合する第１の関節と、相対的に回転運動する第２の対をなすリンクと、当該第２のリンク対を互いに回転可能に結合する第２の関節の少なくとも２つの関節を有する移動ロボットの関節制動装置において、前記第１の関節の運動を妨げる摩擦力を発生できる第１の空気圧ブレーキと、この第１の空気圧ブレーキを第１の圧力源又は大気に選択的に接続する第１の切替弁と、前記第２の関節の運動を妨げる摩擦力を発生できる第２の空気圧ブレーキと、この第２の空気圧ブレーキを第２の圧力源又は大気とに選択的に接続可能な第２の切替弁とを備えて、前記第２の切替弁が前記第２の関節の制動を休止する切替位置にあるにも係わらず、前記第１の切替弁が前記第１の関節を制動する切替位置にあるときは、前記第２の関節にも制動力が発生するように構成した。

上記構成によれば、第１の空気圧ブレーキを制動制御する第１の切替弁は、第２の切替弁が第２の関節の制動を休止する切替位置にある状態において、第１の空気圧ブレーキを作動して第１の関節を制動する切替位置に設定されると、同時に第２の空気圧ブレーキを作動して第２の関節にも制動力を付与する。これにより、異なる関節制動モードを、少ない消費電力で制動制御することができて、省電力化の促進が図れ、例えば多数の関節の制動制御も、小型の電源系を備えるだけで実現することが可能となる。

この発明によれば、構成簡易して、信頼性の高い高精度な制動制御を実現し得、且つ、省電力化の促進を図り得るようにした移動ロボットの関節制動装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の適用される移動ロボットである２足歩行ロボットの骨格を示すもので、左右それぞれの脚１Ｌ、１Ｒに６個の関節軸を備える。この６個の関節軸は、上から順に、脚部回転用の関節軸１０Ｌ、１０Ｒ、股関節部のピッチ方向の関節軸１２Ｌ、１２Ｒ、同ロール方向の関節軸１４Ｌ、１４Ｒ、膝関節部のピッチ方向の関節軸１６Ｌ、１６Ｒ、足関節部のピッチ方向の関節軸１８Ｌ、１８Ｒ、同ロール方向の関節軸２０Ｌ、２０Ｒが可動可能に形成され、その下部には、６軸力センサ２２Ｌ、２２Ｒを介して足部２４Ｌ、２４Ｒが組付け配置される。

また、最上部には、例えば人体の骨盤に相当する腰板リンク２６がリンク結合される。この腰板リンク２６には、関節部の制御に必要な電源やアンプ（増幅器）、及び歩行空間に対するロボットの傾斜を検知して電気信号として出力する傾斜計２８等が、図示しない方法で搭載される。

なお、上記左右の脚１Ｌ（１Ｒ）は、所謂、鏡像の関係にあり、対称形状を有する。

ここで、上記股関節部は、上述したように３つの関節軸１０Ｌ、１０Ｒ、１２Ｌ、１２Ｒ、１４Ｌ、１４Ｒから構成されており、股関節部と膝関節部との結合には、大腿リンク３０Ｌ、３０Ｒが用意される。また、上記足関節部は、上述したように２つの関節軸１８Ｌ、１８Ｒ，２０Ｌ、２０Ｒから構成されており、足関節部と膝関節部との結合には、スネリンク３２Ｌ、３２Ｒが用意される。

また、上記足関節部と足部２４Ｌ、２４Ｒとの間には、床反力Ｆの垂直方向成分Ｆz、進行方向成分Ｆx、横方向成分Ｆy、及び床反力によって生ずるモーメントＮの垂直方向成分Ｎz ，進行方向成分Ｎx、横方向成分Ｎyを各々独立に分離して検出できる周知の６軸力センサ２２が設けられる。

ここで、図２は、この発明の一実施の形態に係る移動ロボットの関節制動装置の制動手段を構成する膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）を模式に示したもので、その他の脚部回転用、股関節部、足関節部も略同様に構成されることで、ここでは、説明の便宜上、膝関節部について代表して説明する。本実施の形態では、膝関節の制動のみが２段階の可変機能をもつ。

即ち、大腿リンク３０Ｌ（３０Ｒ）は、同様に空気圧ブレーキを構成するシリンダー２２０Ｌ（２２０Ｒ）に図示しない軸受等を介して回転自在に結合され、このシリンダー２２０Ｌ（２２０Ｒ）には、スネリンク３２Ｌ（３２Ｒ）が結合される。このシリンダー２２０Ｌ（２２０Ｒ）には、ピストン２２２Ｌ（２２２Ｒ）が矢印Ａ、Ｂ方向に摺動自在に内装され、この挿入されたピストン２２２Ｌ（２２２Ｒ）が大腿リンク３０Ｌ（３０Ｒ）に結合された摩擦クラッチを構成する回転円盤２２４Ｌ（２２４Ｒ）に接離移動される。このピストン２２２Ｌ（２２２Ｒ）は、シリンダー２２０Ｌ（２２０Ｒ）を介して矢印Ａ方向に押し出されて回転円盤２２４Ｌ（２２４Ｒ）に当接されると、大腿リンク３０Ｌ（３０Ｒ）とスネリンク３２Ｌ（３２Ｒ）との間に摩擦力を発生させて、両者の相対運動を抑えようとするモーメントを付与する。このピストン２２２Ｌ（２２２Ｒ）は、外部から適切なレベルの空気圧の圧縮空気が後述する空気圧制御回路を介して選択的に供給されて矢印Ａ方向に押し出し駆動される。なお、シリンダー２２０Ｌ（２２０Ｒ）の内部には、膝関節を駆動するモータ及び減速機等が内蔵されるものとする。

図３は、上記空気圧制御回路を示すもので、圧力源を構成する第１及び第２タンク２０４、２０６には、異なる空気圧の圧縮空気が蓄えられる。これら第１及び第２タンク２０４，２０６は、ロボットに搭載され、第１タンク２０４には、高圧の圧縮空気が逆止弁２０２を介して蓄えられる。この高圧の圧縮空気は、第１減圧弁２０５を介して減圧され、第２タンク２０６に中圧の圧縮空気として蓄えられる。

この中圧の圧縮空気は、第２減圧弁２０７を介して低圧レベルに減圧され、制動力可変手段を構成する切替弁である左右の低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）に供給される。他方、第１減圧弁２０５の出力には、各関節部に設けられた関節シリンダーを作動させるヨー軸ロック用電磁弁２０８及び一括ロック用電磁弁２０９が接続され、中圧の圧縮空気を出力する。ここで、中圧とは、例えば１．５気圧、低圧とは、例えば１．２気圧に設定される。

ここで、上記膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）のシリンダー２２０Ｌ（２２０Ｒ）とピストン２２２Ｌ（２２２Ｒ）のセットは、上記左右の脚１Ｌ（１Ｒ）において、上から順に配される股関節部を構成するヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６−１Ｒ）、ピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）にそれぞれ同様に構成される。また、足関節部には、同様のシリンダー構造を有するピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）が順に組合わせ配置される。

このうち股関節部のヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６−１Ｒ）には、上記ヨー軸ロック用の電磁弁２０８と、周知のハイセレクト弁２３０−１を介して上記第２タンク２０６が接続され、これらヨー軸ロック用電磁弁２０８及びハイセレクト弁２３０−１を介して第２タンク２０６の圧縮空気が導かれる。

また、上記膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）には、第２タンク２０６が１対の膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及びハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０Ｒ−２Ｒ），２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）を介して接続され、これら膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及びハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０Ｒ−２Ｒ），２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）を介して第２タンク２０６の空気圧が導かれる。

上記一括ロック用電磁弁２０９の出力には、残りの左右のピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）、ピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）及びハイセレクト弁２３０ー１が接続され、これらピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）、ピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）及びハイセレクト弁２３０−１に第２タンク２０６の圧縮空気を供給する。

また、上記一括ロック用電磁弁２０９の出力には、ハイセレクト弁２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）が接続され、このハイセレクト弁２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）に上記第２タンク２０６の圧縮空気を供給する。

上記第２減圧弁２０７の出力には、左右の低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を介して上記ハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）の一方の入力が接続される。

上記ヨー軸ロック用の電磁弁２０８、一括ロック用電磁弁２０９、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）、低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）は、例えば使用時電力が０．５ｗの３方向電磁弁で構成され、それぞれ通電時に、圧力源である第１タンク２０４と関節部のヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６ー１Ｒ）、ピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）、ピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）とを接続し、消電時にそれぞれ大気に接続する。

ここで、上記ハイセレクト弁２３０−１、２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）、２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）の原理について説明する。但し、ここでは、説明の都合上、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を介して供給される異なる圧力の圧縮空気を、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に供給するハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）について図４を参照して説明する。但し、図４の説明においては、このハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）と膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）との間に配されるハイセレクト弁２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）については、説明の便宜上、省略する。

即ち、このハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）は、内部にスチールボール２３１が互いに向かい合う２つの弁座の間を自由に移動可能に内装される。これにより、例えば膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）から高圧空気が供給されると、スチームボール２３１は、図４中右方向に移動されて、右側の低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を閉じ、その圧力を出力ポート（図では下側）に出力する。言い換えると、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）の双方から異なるレベルの圧縮空気が供給されても、スチームボール２３１は、低圧側に移動して低圧側の弁座を閉じて、高圧側の圧縮空気のみを出力ポートに送りだす構成となっている。

例えば、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を介して異なるレベルの圧力Ｐ2とＰ1とが、ハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）の左右の入力ポートに供給されると、上述したハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）の特性から、出力ポートにはいずれか高圧の方の圧縮空気が現れ、出力ポートを膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に接続しておけば、制動力のレベルは送られてくる２つの圧力のうち、高い方の圧力による制動レベルに設定される。

そこで、ハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）は、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）が図５のように通電されると、ハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）は図示ｃのような圧力を出力する。

仮に、Ｐ2＞Ｐ1に設定した場合には、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を、同時に通電すればハイセレクト弁２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）の出力がＰ2となる。しかし、このように膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を同時に通電することは、消費電力の視点から望ましくないので、電圧特性ａ、ｂのように両者が同時に通電している時間を最小限に抑えて実質的には単独に通電するように制御することで、消費するエネルギーが、１個の消費エネルギーでありながら、強弱２段階の制動力に切替設定することが可能となる。

上記構成において、ヨー軸のみをロックして図示しないヨー軸駆動モータへの供給電力を停止又は低下させる、例えば直進歩行中を行う場合には、ヨー軸ロック用電磁弁２０８のみを通電し、残りの一括ロック用電磁弁２０９、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）、低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）を非通電に設定する。すると、ハイセレクト弁２３０−１は、第２タンク２０６の圧縮空気（この例では、１．５気圧）を左右２つのヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６−１Ｒ）に供給して、ロック状態に設定する。これにより、直進歩行時には、その２つのヨー軸のサーボモータによるロックが、ヨー軸ロック用電磁弁２０８の僅か０．５ｗの電力消費で実現される。

また、例えば階段を下りるときの立脚のように、関節の移動方向と駆動モータの駆動トルクの方向とが逆となる場合には、その膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に強弱２段階の制動を適時かける制御が行われる。この場合には、立脚側の膝関節が未だ伸びていて余り負荷モーメントが大きくない状態から次第に膝関節が曲がって行き、負荷モーメントが次第に大きくなることで、先ず、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（又は２１０−Ｒ）を非通電のままにし、低圧電磁弁２１１−Ｌ（又は２１１−Ｒ）を膝関節がある程度曲がりはじめた時に通電する。この時、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）には、第２減圧弁２０７の出力である１．２気圧の圧力が導かれ、弱い制動力が発生する。

次に、膝関節が曲がって負荷モーメントが大きくなった状態で、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（又は２１０−Ｒ）を通電し、その後、微小時間が経ってから低圧電磁弁２１１−Ｌ（又は２１１−Ｒ）を非通電状態に設定する。ここで、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）には、第１減圧弁２０５の出力である１．５気圧の圧力が導かれ、強い制動力が発生される。この強い制動力により、増大した負荷モーメントの大部分を制動機構が負担し、その分、膝関節の駆動モータの負担が軽減されて小さくなる。この間、他の関節制動部を担当する一括ロック用電磁弁２０９及び低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）は、全て非通電状態に設定される。ここで、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）の制動で消費する電力は、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（又は２１０−Ｒ）を、上述したように０．５ｗの３方向電磁弁で構成した場合、１個分の０．５ｗとなる。

さらに、例えば階段を下りるときの遊脚で、且つ、膝関節が相当に曲がっている状態では、膝関節制動部に弱い制動力のみ発生させる。この場合、膝関節には、スネリンク３２Ｌ（３２Ｒ）より下の重量が作用しており、且つ、徐々に伸びている状態であることで、弱い制動力が図示しない駆動モータの負担を小さくする方向に付与するように、その膝角度に応じて適時、低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）のみを通電する。立脚時とは違い、膝関節部に加わる負荷モーメントがそれほど大きくならないから、比較的弱い制動力を付与することとなる。仮に、強い制動力が必要となった場合には、上述した２段階の制動制御を行うことで極めて少ない電力消費で高精度な制御か可能となる。

また、ロボットが歩行を中断または終了して静止姿勢を保つような場合には、全ての脚関節をロックして、図示しない１２個全ての駆動モータへの供給電流を停止又は低減するように制御する。この場合には、一括ロック用電磁弁２０９のみを通電し、各所に配置したハイセレクト弁２３０−１、２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）、２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）を介して第２タンク２０６の圧縮空気がヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６−１Ｒ）、ピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）、ピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）に供給され、機械的にロックされてそのときの姿勢が維持される。

ここで、例えば直前に他の電磁弁、例えばヨー軸ロック用電磁弁２０８が作動していたとしても、起立姿勢に入った直後に、先ず一括ロック用電磁弁２０９を通電し、それから所定の時間を置いてヨー軸ロック用の電磁弁２０８を非通電に設定することによいり、単一の電磁弁２０９の電流消費だけで、長時間起立姿勢を保つことができる。

なお、この際、２つの電磁弁２０８，２０９の出力圧が同じ圧なので、ハイセレクト弁２３０−１、２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）、２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）の切り替わりの瞬間にヨー軸の制動トルクが不安定にならないか、との心配があるときは、次のような手順で起立姿勢をロックする。

先ず、上記ヨー軸駆動モータ（図示せず）に電力を供給してサーボロックと機械的な摩擦ロックとを併用する。次に、ヨー軸ロック用電磁弁２０８を非通電にしてサーボロックだけで固定する。その後、一括ロック用電磁弁２０９を通電し、所定の時間を置いて全ての駆動モータ（図示せず）への供給電力を停止若しくは低減する。

これにより、ロボットの起立姿勢を保つ場合にも、ヨー軸ロック用電磁弁２０８、又は一括ロック用電磁弁２０９の一方を駆動するだけの僅か０．５ｗの消費電力だけで起立姿勢を保つことができる。

このように、上記移動ロボットの関節制動装置は、ロボットの関節部の運動を妨げる摩擦力を発生する膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）にステップ状の強弱２段階の異なる制動力をする発生する空気圧を選択的に供給する空気圧制御回路を備えて構成した。

これによれば、空気圧制御回路を介して異なる制動力を発生する空気圧を切替式に供給することにより、異なる制動モードが実現されるため、消費電力を一定に保った状態で、信頼性の高い高精度な関節制動制御が可能となる。この結果、電源系の小形化を確保したうえで、極めて少ない電力で、高精度な制動制御が可能となり、省電力化の促進を図ることができる。

具体的には、空気圧制御回路として、例えば１２．５グラムの重量を有するヨー軸ロック用電磁弁２０８、一括ロック用電磁弁２０９、低圧電磁弁２１１−Ｌ（２１１−Ｒ）、膝関節ロック用電磁弁２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）と、ハイセレクト弁２３０−１、２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）、２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）、２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）や第１及び第２減圧弁２０５，２０７を加えるだけの単純な構成で、信頼性の高い制動制御が可能となることにより、軽量化と共に、小形化の要求を満足することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、ハイセレクト弁２３０−１、２１０−Ｌ（２１０−Ｒ）、２３０−２Ｌ（２３０−２Ｒ）、２３０−３Ｌ（２３０−３Ｒ）を備えて空気圧制御回路を構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、次に述べるように複数の電磁弁を組合わせて制動力を、ステップ状の強弱２段階に切替設定可能とした空気圧制御回路を構成することも可能で、略同様の効果が期待される。

この実施の形態においては、説明の都合上、例えば図６に示すように上記膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）の制動制御を例に採って説明する。即ち、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）には、切替弁を構成する第１電磁石１００のポート１００ｂが接続され、この第１電磁石１００のポート１００ａに空気圧Ｐ2の圧縮空気を供給とする。そして、この第１の電磁石１００の他方のポート１００ｃには、第２の電磁石１０１のポート１０１ｂが接続される。この第２の電磁石１０１は、そのポート１０１ａに空気圧Ｐ1の圧縮空気が供給され、そのポート１０１ｃが大気に開放される。ここで、空気圧Ｐ2≧Ｐ1とする。

上記第１電磁弁１００は、図７に示すように通電されて励磁されると、ポート１００ａに供給される空気圧Ｐ2の圧縮空気を、ポート１００ｂを介して膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に供給して制動し、消磁されると、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）が第２電磁弁１０１のポート１０１ｂに接続される。この第２電磁弁１０１は、通電されて励磁されると、ポート１０１ａに供給される空気圧Ｐ1の圧縮空気をポート１０１ｂを介して上記第１電磁弁１００に出力し、消磁されると、大気を第１電磁弁１００のポート１００ｃに接続する。この第２電磁弁１０１を介して大気開放となる第１電磁弁１００は、通電されて励磁されると、その接続されている空気圧源からの圧縮空気を、第２電磁弁１０１に優先して、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に供給する（図８参照）。

ここで、第２電磁弁１０１が励磁され、続いて第１電磁弁１００が消磁されると、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）には、図８に示すように空気圧Ｐ1の圧縮空気が供給される。そして、第２電磁弁１０１が消磁された状態で、第１電磁弁１００が通電されて励磁されると、空気圧Ｐ2の圧縮空気が供給される。

また、第１及び第２電磁弁１００，１０１の双方が励磁されると、第２電磁弁１０１の出力は、第１電磁弁１００によって阻止され、空気圧Ｐ2の圧縮空気が膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に供給される。一方、第１及び第２電磁弁１００，１０１の双方が非通電状態に設定されて消磁されると、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）の内部圧力は、該第１及び第２電磁弁１００，１０１を介して大気に排出される。

即ち、Ｐ2＞Ｐ1の場合を考えてみると、同時に、第１及び第２電磁弁１００，１０１の双方が励磁される状態では、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）には、第１電磁弁１００の一方の入力に接続されている空気圧Ｐ2の圧縮空気が供給されるだけで、第２電磁弁１０１からの空気圧Ｐ1の圧縮空気が第１電磁弁１００によって阻止される。従って、この状態においては、図７に示すように第１及び第２電磁弁１００，１０１が励磁されている区間では、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）は、高い方の圧力レベルの出力特性ｃ1に設定される。

上記構成により、膝関節部の制動力をステップ状の強弱２段階に切替設定する場合には、図８に示すように、先ず、膝関節が曲がると、第１電磁弁１００を非通電状態に設定して消磁すると共に、第２電磁弁１０１を通電状態に設定して励磁する。そして、更に膝関節部が曲がって負荷モーメントが増えた場合には、上記第２電磁弁１０１を励磁した状態で、第１電磁弁１００を通電状態に設定して励磁し、所定の僅かな時間が経過した後、第２電磁弁１０１を非通電状態に設定して消磁すると、高い圧力レベルの出力特性ｃ1に設定される。

ここで、実質的に励磁するのは、第１及び第２電磁弁１００，１０１のいずれか一方でありながら、図７の出力特性ｃ1のようにステップ状の強弱２段階の制動力に切替設定することができる。なお、上記第１及び第２電磁弁１００，１０１の圧力レベルは、Ｐ1＝Ｐ2であってもよい。

上記実施の形態の係る空気圧制御回路を２足歩行ロボットに適用した場合には、例えば図９に示すように構成される。但し、この図９においては、説明の便宜上、上記図３と同一部分について、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

即ち、上記第１減圧弁２０５の出力には、ヨー軸ロック用電磁弁３０８、一括ロック用電磁弁３０９、膝関節ロック用電磁弁３１０−Ｌ（３１０−Ｒ）の各一方の入力が接続される。そして、上記第２減圧弁２０７の出力には、低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）の一方の入力が接続される。

このうちヨー軸ロック用電磁弁３０８の出力には、上記ヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６−１Ｒ）が接続され、その制動部のピストン室を上記第２タンク２０６に接続する。他方、一括ロック用電磁弁３０９の出力には、ピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）、ピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）が接続され、これらの制動部のピストン室を上記第２タンク２０６、又は大気と選択的に接続する。そして、この一括ロック用電磁弁３０９の出力は、上記ヨー軸ロック用電磁弁３０８の他方の入力に接続され、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）を選択的に大気、又は第２タンク２０６に接続する。また、この一括ロック用電磁弁３０９の出力は、低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）の他方の入力に接続され、該低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）が消磁されると、膝関節ロック用電磁弁３１０−Ｌ（３１０−Ｒ）の他方の入力に接続される。

さらに、上記低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）の他方の入力には、上記第２減圧弁２０７の出力が接続される。そして、この低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）の出力は、膝関節ロック用電磁弁３１０−Ｌ（３１０−Ｒ）の一方の入力に接続され、これら膝関節ロック用電磁弁３１０−Ｌ（３１０−Ｒ）の他方の入力には、上記低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）の出力が接続される。

上記構成により、上述した図３に示す実施の形態の場合と略同様にヨー軸ロック用電磁弁３０８、一括ロック用電磁弁３０９、膝関節ロック用電磁弁３１０−Ｌ（３１０−Ｒ）及び低圧電磁弁３１１−Ｌ（３１１−Ｒ）を選択的に動作制御することにより、ヨー軸のみをロックして図示しないヨー軸駆動モータへの供給電力を停止又は低下させたり、階段を下りる場合等において、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）に強弱２段階の制動を適時かける制御を行ったり、各種の制動制御が行われる。

この実施の形態によれば、複数の関節制動部を備える移動ロボットにおいて、その複数の関節制動部の少なくとも１個の電磁弁を、他の電磁弁に対して優先的に機能させるように構成して、当該電磁弁が励磁されると、優先的に別の電磁弁が励磁されていなくても、その別の電磁弁が管理担当する関節を制動するようにしていることにより、その消費エネルギーが約半分で済むことで、この点からも省電力化の促進と共に、小形化の促進を図ることができる。

なお、上記各実施の形態においては、膝関節制動部２２６−４Ｌ（２２６−４Ｒ）をステップ状の強弱２段階に切替設定するように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、例えばロボットの関節部の運動を妨げる摩擦力を発生するヨー関節制動部２２６−１Ｌ（２２６−１Ｒ）、ピッチ腰関節制動部２２６−２Ｌ（２２６−２Ｒ）、ロール腰関節制動部２２６−３Ｌ（２２６−３Ｒ）、ピッチ足関節制動部２２６−５Ｌ（２２６−５Ｒ）、ロール足関節制動部２２６−６Ｌ（２２６−６Ｒ）をステップ状の強弱２段階の異なる制動力で制動制御するように構成することも可能である。

また、上記実施の形態では、移動ロボットとして、２足歩行ロボットに適用した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、相対的に回転運動する一対のリンクと当該リンクを互いに回転可能に結合する関節を少なくとも１つ有する移動ロボットにおいても適用可能で、略同様の効果が期待される。

さらに、上記実施の形態では、関節部の制動力をステップ状の強弱２段階に切替設定するように構成した場合で説明したが、この２段階に限ることなく、２段階以上の複数段階に切替設定するように構成することも可能である。

また、さらに、上記実施の形態では、流体として空気を利用した空気圧ブレーキを用いて構成した場合で説明したが、これに限ることなく、各種の流体を用いて構成することも可能である。

よって、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の適用される２足歩行ロボットの骨格構成を示した図である。 図１の膝関節部の関節軸を取り出して模式的に示した図である。 図１の２足歩行ロボットに適用するこの発明の一実施の形態に係る移動ロボットの関節制動装置の空気圧制御回路を示した図である。 図３の一部回路構成を取り出して示した図である。 図４の動作を説明するために示した図である。 この発明の他の実施の実施の形態の係る移動ロボットの関節制動装置を原理を説明するために示した図である。 図６の動作を説明するために示した図である。 図６の切替手順の一例を示した図である。 図６の移動ロボットの関節制動装置を、図１に示す２足歩行ロボットに適用した場合を示した図である。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ…脚、１０Ｌ、１０Ｒ…関節軸、１２Ｌ、１２Ｒ…関節軸、１４Ｌ、１４Ｒ…関節軸、１６Ｌ、１６Ｒ…関節軸、１８Ｌ、１８Ｒ…関節軸、２０Ｌ、２０Ｒ…関節軸、２２Ｌ、２２Ｒ…６軸センサ、２４Ｌ、２４Ｒ…足部、２６…腰板リンク、２８…傾斜計、３０Ｌ、３０Ｒ…大腿リンク、３２Ｌ、３２Ｒ…スネリンク、２２０Ｌ、２２０Ｒ…シリンダー、２２２Ｌ、２２２Ｒ…ピストン、２０２…逆止弁、２０４…第１タンク、２０５…第１減圧弁、２０６…第２タンク、２２４Ｌ、２２４Ｒ…回転円盤、２０７…第２減圧弁、２０８…ヨー軸ロック用電磁弁、２０９…一括ロック用電磁弁、２１０−Ｌ、２１０−Ｒ…膝関節ロック用電磁弁、２１１−Ｌ、２１１−Ｒ…低圧電磁弁、２３０−１、２３０−Ｌ、２３０−Ｒ、２３０−２Ｌ、２３０−２Ｒ、２３０−３Ｌ、２３０−３Ｒ、２３０−４Ｌ、２３０−４Ｒ…ハイセレクト弁、２３１…スチームボール、２２６−１Ｌ、２２６−１Ｒ…ヨー関節制動部、２２６−２Ｌ、２２６−２Ｒ…ピッチ腰関節制動部、２２６−３Ｌ、２２６−３Ｒ…ロール腰関節制動部、２２６−４Ｌ、２２６−４Ｒ…膝関節制動部、２２６−５Ｌ、２２６−５Ｒ…ピッチ足関節制動部、２２６−６Ｌ、２２６−６Ｒ…ロール腰関節制動部、１００…第１電磁弁、１０１…第２電磁弁、３０８…ヨー軸ロック用電磁弁、３０９…一括ロック用電磁弁、３１０−Ｌ、３１０−Ｒ…膝関節ロック用電磁弁、３１１−Ｌ、３１１−Ｒ…低圧電磁弁。

Claims (5)

1. 相対的に回転運動する一対のリンクと当該リンクを互いに回転可能に結合する関節を少なくとも１つ有する移動ロボットの関節制動装置において、
   前記関節の運動を妨げる摩擦力を発生できるブレーキと、
   このブレーキの制動力を少なくともステップ状の２段階に変えることができる制動力可変手段と、
   を具備したことを特徴とする移動ロボットの関節制動装置。
2. 前記制動力可変手段は、前記関節の動作角度を指標として、当該動作角度が第１の角度範囲において第１のレベルの制動力に設定し、前記動作角度が前記第１の角度範囲と異なる第２の角度範囲において、前記第１のレベルに比して強い制動力に切替設定することを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの関節制動装置。
3. 前記制動力可変手段は、前記関節に加わる負荷トルクを指標として、当該負荷トルクが第１のトルク範囲において第１のレベルの制動力に設定し、前記負荷トルクが前記第１のトルク範囲と異なる第２のトルク範囲において前記第１のレベルと異なる第２のレベルの制動力に切替設定することを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの関節制動装置。
4. 前記ブレーキを、前記一対のリンクの間に架設される摩擦クラッチと、この摩擦クラッチを作動するピストンと、このピストンを駆動する圧縮空気が供給される圧力室と、この圧力室に空気圧源の圧縮空気を選択的に導入する電磁切替弁とを備えて構成し、さらに前記ブレーキの圧力室に少なくとも２つの圧力レベルの空気圧を選択的に供給する圧力レベル切替手段を設けて構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の移動ロボットの関節制動装置。
5. 相対的に回転運動する第１の対をなすリンクと、当該リンク対を互いに回転可能に結合する第１の関節と、相対的に回転運動する第２の対をなすリンクと、当該第２のリンク対を互いに回転可能に結合する第２の関節の少なくとも２つの関節を有する移動ロボットの関節制動装置において、
   前記第１の関節の運動を妨げる摩擦力を発生できる第１の空気圧ブレーキと、
   この第１の空気圧ブレーキを第１の圧力源又は大気に選択的に接続する第１の切替弁と、
   前記第２の関節の運動を妨げる摩擦力を発生できる第２の空気圧ブレーキと、
   この第２の空気圧ブレーキを第２の圧力源又は大気とに選択的に接続可能な第２の切替弁と、
   を具備し、前記第２の切替弁が前記第２の関節の制動を休止する切替位置にあるにも係わらず、前記第１の切替弁が前記第１の関節を制動する切替位置にあるときは、前記第２の関節にも制動力が発生するように構成したことを特徴とする移動ロボットの関節制動装置。

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