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JP2016209983A - Two-joint interlocking shift link mechanism - Google Patents

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JP2016209983A
JP2016209983A JP2015098610A JP2015098610A JP2016209983A JP 2016209983 A JP2016209983 A JP 2016209983A JP 2015098610 A JP2015098610 A JP 2015098610A JP 2015098610 A JP2015098610 A JP 2015098610A JP 2016209983 A JP2016209983 A JP 2016209983A
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joint
link mechanism
knee
ankle
angle
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JP2015098610A
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Japanese (ja)
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知道 杉原
Tomomichi Sugihara
知道 杉原
直樹 東田
Naoki Higashida
直樹 東田
賢 舛屋
Ken Masuya
賢 舛屋
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Osaka University NUC
Original Assignee
Osaka University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To instantly switch hardness for holding a load and suppleness for absorbing external force.SOLUTION: A two-joint interlocking shift link mechanism (3) includes: an ankle link mechanism (4) for connecting a foot section (2a) and a lower thigh section (2b); and a knee link mechanism (5) for connecting the lower thigh section (2b) and an upper thigh section (2c). The knee link mechanism (5) is operated so that a speed reduction ratio is increased interlocking with an operation of the ankle link mechanism (4) according to an increase in an ankle angle (θa).SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、連動する2個の関節機構を備えた2関節連動変速リンク機構に関し、特に、人型歩行ロボット等の脚部等に設けられる2関節連動変速リンク機構に関する。   The present invention relates to a two-joint gear-shifting link mechanism provided with two interlocking joint mechanisms, and more particularly to a two-joint gear-shifting link mechanism provided on a leg portion or the like of a humanoid walking robot.

人型歩行ロボットの脚部は、地面から受ける頻繁な衝撃に曝されながら、全身を支える役割を担う。足が宙に浮いて着地する前の遊脚期では、地面や外界との衝突時に備え、外力を吸収するしなやかさが脚部に求められる。一方、着地した後の立脚期では、自重を保持する硬さが脚部において速やかに回復されなければならない。このしなやかさと硬さという極端に相反する性質を短時間で切り替えるためには、上記脚部の構成に工夫が必要である。   The leg of the humanoid walking robot plays a role of supporting the whole body while being exposed to frequent impacts received from the ground. In the swing phase before the feet float and land, the legs are required to be flexible to absorb external forces in case of a collision with the ground or the outside world. On the other hand, in the stance phase after landing, the hardness that holds its own weight must be quickly recovered in the legs. In order to switch the extremely contradictory properties of suppleness and hardness in a short time, it is necessary to devise the structure of the leg portion.

非特許文献1は、人型歩行ロボットの膝モータに並列に高荷重ばねを付設し、全身を支持する脚部の負荷を低減する機構を提案した。   Non-Patent Document 1 has proposed a mechanism for reducing the load on the legs supporting the whole body by attaching a high-load spring in parallel to the knee motor of the humanoid walking robot.

非特許文献2は、遊星歯車と高荷重ばねとが直列に接続され、駆動軸の振舞によって力の伝達特性が変わる機構を提案した。   Non-Patent Document 2 has proposed a mechanism in which a planetary gear and a high-load spring are connected in series, and the force transmission characteristics change depending on the behavior of the drive shaft.

非特許文献3は、膝モータの出力軸と脛リンクとの間の連結部に間隙が設けられ、人型歩行ロボットの脚部の接地状態に応じて上記出力軸と上記脛リンクとの連結部をクラッチのように利用することで上記の性質を切り替える機構を提案した。   In Non-Patent Document 3, a gap is provided in the connecting portion between the output shaft of the knee motor and the shin link, and the connecting portion between the output shaft and the shin link according to the ground contact state of the leg portion of the humanoid walking robot. We proposed a mechanism to switch the above properties by using the like as a clutch.

S. Shirata et al. Design and evaluation of gravity compensation mechanism for a humanoid robot. In Proc. of 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.3635-3640, 2007.S. Shirata et al. Design and evaluation of gravity compensation mechanism for a humanoid robot.In Proc. Of 2007 IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.3635-3640, 2007. 高橋雅宏, 越智宏, and 小金澤鋼一. 能動/受動複合関節の新機構とそれを用いた二足歩行ロボット. 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス’08講演会, 1P1-B05, 2008.Masahiro Takahashi, Tomohiro Koshi, and Koichi Koganezawa. A new mechanism of active / passive composite joint and biped robot using it. The Japan Society of Mechanical Engineers Robotics and Mechatronics'08 Lecture, 1P1-B05, 2008. M. Okada et al. Double spherical joint and backlash clutch for lower limbs of humanoids. In Proc. of 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 491-496, 2003.M. Okada et al. Double spherical joint and backlash clutch for lower limbs of humanoids.In Proc. Of 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 491-496, 2003.

しかしながら、非特許文献1の機構では、遊脚期には逆に下腿部の負荷を増加させるという問題がある。非特許文献2の機構では、全体として人型歩行ロボットの下腿部の剛性が著しく低下するため、下腿部の制御性が低い。非特許文献3の機構では、非特許文献1及び非特許文献2の問題が解決されるが、脚部の接地状態をセンサにより検知しクラッチの接続・非接続を遷移する制御が複雑であり、即応性が求められる人型歩行ロボットの制御には不利である。   However, the mechanism of Non-Patent Document 1 has a problem that the load on the lower leg is increased during the swing leg period. In the mechanism of Non-Patent Document 2, since the rigidity of the lower leg part of the humanoid walking robot is significantly lowered as a whole, the controllability of the lower leg part is low. In the mechanism of Non-Patent Document 3, the problems of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are solved, but the control of detecting the ground contact state of the leg by a sensor and transitioning the connection / disconnection of the clutch is complicated, This is disadvantageous for the control of a humanoid walking robot that requires quick response.

本発明の目的は、複雑な力センサ情報のフィードバックを必要とせず、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換えることができる2関節連動変速リンク機構を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a two-joint interlocking transmission link mechanism that does not require complicated feedback of force sensor information and can immediately switch between hardness for holding a load and flexibility for absorbing external force.

上記の課題を解決するために、本発明に係る2関節連動変速リンク機構は、第1部材と第2部材とを連結する第1関節リンク機構と、前記第2部材と第3部材とを連結する第2関節リンク機構とを備え、前記第1部材と前記第2部材との間の屈曲角の増大に応じた前記第1関節リンク機構の動作に連動して、前記第2関節リンク機構の減速比が増大するように前記第2関節リンク機構が動作することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention connects a first joint link mechanism that connects a first member and a second member, and connects the second member and a third member. The second joint link mechanism, and in conjunction with the operation of the first joint link mechanism according to an increase in the bending angle between the first member and the second member, The second joint link mechanism operates such that the reduction ratio increases.

本明細書において、「リンク機構の減速比」とは、4節リンク機構の原動節に係る入力角の微小変位角度と、従動節に係る出力角の微小変位角度との間の比率を意味するものとする。   In this specification, the “reduction ratio of the link mechanism” means a ratio between the minute displacement angle of the input angle related to the driving node of the four-bar linkage mechanism and the minute displacement angle of the output angle related to the driven node. Shall.

この特徴によれば、第1部材と第2部材との間の屈曲角の増大に応じた第1関節リンク機構の動作に連動して、第2関節リンク機構の減速比が増大する。第1部材と第2部材との間の屈曲角が小さい時に、外力を吸収するしなやかさが求められ、第1部材と第2部材との間の屈曲角が増大する時に、負荷を保持する硬さが要求される機構に2関節連動変速リンク機構を取り付けることにより、外力を吸収するしなやかさが現れている状態で、第1部材と第2部材との間の屈曲角が増大すると、第1関節リンク機構の動作に連動して第2関節リンク機構の減速比が増大する。このため、外力を吸収するしなやかさが、第1関節リンク機構の動作に連動して、負荷を保持する硬さに即座に切り換わる。この結果、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換えることができる2関節連動変速リンク機構を提供することができる。   According to this feature, the reduction ratio of the second joint link mechanism increases in conjunction with the operation of the first joint link mechanism in accordance with an increase in the bending angle between the first member and the second member. When the bending angle between the first member and the second member is small, the flexibility to absorb the external force is required, and when the bending angle between the first member and the second member increases, the hardness that holds the load. If the flexure angle between the first member and the second member is increased in a state where the flexibility to absorb the external force appears by attaching the two-joint interlocking transmission link mechanism to the mechanism that requires the The reduction ratio of the second joint link mechanism increases in conjunction with the operation of the joint link mechanism. For this reason, the flexibility that absorbs the external force is immediately switched to the hardness that holds the load in conjunction with the operation of the first joint link mechanism. As a result, it is possible to provide a two-joint interlocking transmission link mechanism that can immediately switch between the hardness that holds the load and the flexibility that absorbs the external force.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構では、前記第1部材が人体の足首に対応し、前記第2部材が前記人体の下腿に対応し、前記第3部材が前記人体の上腿に対応し、前記足首が宙に浮いて着地する前の遊脚期から前記足首が着地して自重を支える立脚期への遷移に応じて前記屈曲角が増大することが好ましい。   In the two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention, the first member corresponds to the ankle of the human body, the second member corresponds to the lower leg of the human body, and the third member corresponds to the upper leg of the human body. It is preferable that the bending angle increases in accordance with a transition from the swing leg period before the ankle floats in the air to the stance period where the ankle lands and supports its own weight.

上記構成によれば、人体の脚に関連する機構に2関節連動変速リンク機構を適用することができる。   According to the above configuration, the two-joint interlocking transmission link mechanism can be applied to the mechanism related to the leg of the human body.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構では、前記第1関節リンク機構が4節リンク機構を含むことが好ましい。   In the two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention, it is preferable that the first joint link mechanism includes a four-joint link mechanism.

上記構成によれば、簡単な構成で、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換えることができる。   According to the above configuration, it is possible to immediately switch between the hardness that holds the load and the flexibility that absorbs the external force with a simple configuration.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構では、前記4節リンク機構が、前記第2部材に固定された固定節と、前記固定節と前記第1部材とに連結された原動節と、前記固定節に連結された従動節と、前記原動節と前記従動節とに連結された中間節とを有することが好ましい。   In the two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention, the four-joint link mechanism includes a fixed joint fixed to the second member, a driving joint connected to the fixed joint and the first member, and the fixed joint. It is preferable to have a follower connected to a node and an intermediate clause connected to the prime mover and the follower.

上記構成によれば、4節リンク機構を簡単な構成で実現することができる。   According to the above configuration, the four-bar linkage mechanism can be realized with a simple configuration.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構では、前記第2関節リンク機構が、前記第3部材に固定された第3部材固定節と、前記第3部材固定節及び前記従動節に連結された第3部材第1従動節と、前記第3部材固定節及び前記中間節に連結された第3部材第2従動節とを有することが好ましい。   In the two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention, the second joint link mechanism is connected to the third member fixing node fixed to the third member, the third member fixing node and the follower node. It is preferable to have a three-member first follower and a third member second follower connected to the third member fixed joint and the intermediate joint.

上記構成によれば、第3部材第1従動節と第3部材固定節との減速比を増大させることができる。   According to the said structure, the reduction ratio of a 3rd member 1st follower node and a 3rd member fixed node can be increased.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構では、前記第1関節リンク機構が平行リンク機構を含むことが好ましい。   In the two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention, it is preferable that the first joint link mechanism includes a parallel link mechanism.

上記構成によれば、平行リンク機構により、第1関節リンク機構を第1部材まで到達させることができ、第1関節リンク機構が第1部材と第2部材とを連結することができる。   According to the said structure, a 1st joint link mechanism can be reached to a 1st member by a parallel link mechanism, and a 1st joint link mechanism can connect a 1st member and a 2nd member.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構では、前記第1部材が人型歩行ロボットの足部であり、前記第2部材が前記人型歩行ロボットの下腿部であり、前記第3部材が前記人型歩行ロボットの上腿部であることが好ましい。   In the two-joint-coupled transmission link mechanism according to the present invention, the first member is a foot of a humanoid walking robot, the second member is a lower leg of the humanoid walking robot, and the third member is the The upper leg of the humanoid walking robot is preferable.

上記構成によれば、人型歩行ロボットの歩行や立作業を含む脚運動に適した性質を、下腿部に付与することができる。   According to the said structure, the property suitable for the leg exercise | movement including the walk of a humanoid walking robot and standing work can be provided to a leg part.

本発明に係る2関節連動変速リンク機構は、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを、複雑な力センサ情報のフィードバックを用いることなく即座に切り換えることができるという効果を奏する。   The two-joint interlocking transmission link mechanism according to the present invention has an effect of being able to immediately switch between the hardness for holding a load and the flexibility for absorbing an external force without using complicated force sensor information feedback.

(a)は実施形態1に係る人型歩行ロボットの脚部の機構を示す斜視図であり、(b)はその正面図である。(A) is a perspective view which shows the mechanism of the leg part of the humanoid walking robot which concerns on Embodiment 1, (b) is the front view. 上記人型歩行ロボットが正立している場合の膝関節に負荷として作用する膝トルクを説明するための模式正面図である。It is a model front view for demonstrating the knee torque which acts as a load to the knee joint in case the said humanoid walking robot stands upright. 上記人型歩行ロボットが正立している場合の膝トルクと膝関節の屈曲角との間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the knee torque and the bending angle of a knee joint when the said humanoid walking robot stands upright. 上記人型歩行ロボットの様々な状況における足首角度を説明するための模式図であり、(a)は上記人型歩行ロボットの足底が平坦な地面に接地している状況を示し、(b)は上記人型歩行ロボットが坂道を登る状況を示し、(c)は上記人型歩行ロボットが坂道を下る状況を示し、(d)は上記人型歩行ロボットが障害物を乗り越える状況を示す。It is a schematic diagram for demonstrating the ankle angle in various situations of the said humanoid walking robot, (a) shows the condition where the sole of the said humanoid walking robot is touching the flat ground, (b) Shows a situation where the humanoid walking robot climbs a hill, (c) shows a situation where the humanoid walking robot goes down a hill, and (d) shows a situation where the humanoid walking robot gets over an obstacle. 上記人型歩行ロボットの脚部に設けられた2関節連動変速リンク機構を示す模式図であり、(a)は上記人型歩行ロボットの膝が伸びた状態を示し、(b)は上記膝が屈曲した状態を示す。It is a schematic diagram which shows the 2 joint interlocking transmission link mechanism provided in the leg part of the said humanoid walking robot, (a) shows the state which the knee of the said humanoid walking robot extended, (b) shows the said knee. The bent state is shown. 上記2関節連動変速リンク機構を示す模式図であり、(a)は上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態を示し、(b)は上記足首が屈曲した状態を示す。It is a schematic diagram which shows the said 2 joint interlocking transmission link mechanism, (a) shows the state which the ankle of the said humanoid walking robot extended, (b) shows the state which the said ankle bent. 上記人型歩行ロボットの出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output angle and reduction ratio of the said humanoid walking robot. 上記人型歩行ロボットの足首角度を変化させたときの出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output angle when the ankle angle of the said humanoid walking robot is changed, and a reduction ratio. 歩行時における膝角度と膝トルクとの間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the knee angle at the time of a walk, and knee torque. 屈伸時における膝角度と膝トルクとの間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the knee angle at the time of bending and extending and knee torque. 上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記2関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the said 2 joint interlocking transmission link mechanism in the state which the ankle of the said humanoid walking robot extended. 上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記2関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the said 2 joint interlocking transmission link mechanism in the state which the ankle of the said humanoid walking robot extended. 上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記2関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the said 2 joint interlocking transmission link mechanism in the state which the ankle of the said humanoid walking robot extended. 上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記2関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the said 2 joint interlocking transmission link mechanism in the state which the ankle of the said humanoid walking robot extended. 上記人型歩行ロボットの足首が屈曲した状態での上記2関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the said 2 joint interlocking transmission link mechanism in the state in which the ankle of the said humanoid walking robot was bent. 上記人型歩行ロボットの足首が屈曲した状態での上記2関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the said 2 joint interlocking transmission link mechanism in the state in which the ankle of the said humanoid walking robot was bent. (a)(b)は逆駆動試験の局面を示す図である。(A) (b) is a figure which shows the aspect of a reverse drive test. (a)(b)は逆駆動試験の局面を示す図である。(A) (b) is a figure which shows the aspect of a reverse drive test. 足首角度が0度のときにおける膝角度に対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。It is the graph which compared the theoretical value of the torque and reduction ratio after conversion with respect to a knee angle when an ankle angle is 0 degree | times. 足首角度が30度のときにおける膝角度に対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。It is the graph which compared the theoretical value of the torque and reduction ratio after conversion with respect to a knee angle when an ankle angle is 30 degree | times. 足首角度が60度のときにおける膝角度に対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。It is the graph which compared the theoretical value of the torque and reduction ratio after conversion with respect to a knee angle when an ankle angle is 60 degree | times. 実施形態2に係る人型歩行ロボットの膝が伸びた脚部に設けられた2関節連動変速リンク機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2 joint interlocking transmission link mechanism provided in the leg part which the knee of the humanoid walking robot which concerns on Embodiment 2 extended. 上記人型歩行ロボットの膝が屈曲した脚部に設けられた2関節連動変速リンク機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2 joint interlocking transmission link mechanism provided in the leg part which the knee of the said humanoid walking robot bent. 上記人型歩行ロボットの膝及び足首が屈曲した脚部に設けられた2関節連動変速リンク機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the two joint interlocking transmission link mechanism provided in the leg part where the knee and the ankle of the said humanoid walking robot were bent.

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(実施形態1)
(2関節連動変速リンク機構3の基本構成)
図1(a)は実施形態1に係る人型歩行ロボット1の脚部2の機構を示す斜視図であり、(b)はその正面図である。人型歩行ロボット1の脚部2は、人体の足首に対応する足元部2a(第1部材)と人体の下腿に対応する下腿部2b(第2部材)と人体の上腿に対応する上腿部2c(第3部材)とを備える。
(Embodiment 1)
(Basic configuration of the two-joint gear shifting link mechanism 3)
FIG. 1A is a perspective view showing the mechanism of the leg 2 of the humanoid walking robot 1 according to the first embodiment, and FIG. 1B is a front view thereof. The leg 2 of the humanoid walking robot 1 includes a foot 2a (first member) corresponding to the ankle of the human body, a crus 2b (second member) corresponding to the lower leg of the human body, and an upper corresponding to the upper leg of the human body. A thigh 2c (third member).

2関節連動変速リンク機構3は、足元部2aと下腿部2bとを連結する足首リンク機構4(第1関節リンク機構)と、下腿部2bと上腿部2cとを連結する膝リンク機構5(第2関節リンク機構)とを有する。   The two-joint interlocking transmission link mechanism 3 includes an ankle link mechanism 4 (first joint link mechanism) that connects the foot portion 2a and the crus 2b, and a knee link mechanism that connects the crus 2b and the crus 2c. 5 (second joint link mechanism).

足元部2aと下腿部2bとの間の屈曲を表す足首角度θa(第1部材と第2部材との間の屈曲角)の増大に応じた足首リンク機構4の動作に連動して、膝リンク機構5の減速比が増大するように膝リンク機構5が動作する。足元部2aが宙に浮いて着地する前の遊脚期から足元部2aが着地して自重を支える立脚期への遷移に応じて足首角度θaが増大する。   In conjunction with the operation of the ankle link mechanism 4 corresponding to the increase in the ankle angle θa (the bending angle between the first member and the second member) representing the bending between the foot portion 2a and the crus 2b, The knee link mechanism 5 operates so that the reduction ratio of the link mechanism 5 increases. The ankle angle θa increases in accordance with the transition from the swing leg period before the foot part 2a floats in the air to the landing stage where the foot part 2a lands and supports its own weight.

足首リンク機構4は、下腿部2bに固定されたリンク4a(固定節)と、リンク4aと足元部2aとに連結されたリンク4b(原動節)と、リンク4aに連結されたリンク4c(従動節)と、リンク4bとリンク4cとに連結されたリンク4d(中間節)とを有する4節リンク機構である。   The ankle link mechanism 4 includes a link 4a (fixed node) fixed to the crus 2b, a link 4b (drive node) connected to the link 4a and the foot 2a, and a link 4c (linked to the link 4a). This is a four-joint link mechanism having a follower joint) and a link 4d (intermediate joint) connected to the link 4b and the link 4c.

膝リンク機構5は、上腿部2cに固定されたリンク5a(第3部材固定節)と、リンク5a及びリンク4cに連結されたリンク5b(第3部材第1従動節)と、リンク5a及びリンク4dに連結されたリンク5c(第3部材第2従動節)とを有する。   The knee link mechanism 5 includes a link 5a (third member fixing node) fixed to the upper leg 2c, a link 5b (third member first follower node) connected to the link 5a and the link 4c, a link 5a, A link 5c (third member second driven node) connected to the link 4d.

(2関節連動変速リンク機構3の基本概念)
負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換える機構を構成するために弾性要素を利用することは、当該機構の制御性を低下させるため好ましくない。膝モータ駆動力の伝達特性は負荷に応じて変わる。具体的には、足首が着地して自重を支える立脚期では膝モータの駆動トルクを増幅することが要求される。足首が宙に浮いて着地する前の遊脚期では慣性を低減することが要求される。駆動トルクの増幅率と、モータに対する負荷慣性の大きさとは、どちらも伝達器の減速比によって決定される。したがって、変化させるべきは剛性ではなく減速比である。
(Basic concept of the two-joint gear shifting link mechanism 3)
It is not preferable to use an elastic element to constitute a mechanism that immediately switches between the hardness that holds the load and the flexibility that absorbs the external force because the controllability of the mechanism is lowered. The transfer characteristic of the knee motor driving force varies depending on the load. Specifically, it is required to amplify the driving torque of the knee motor in the stance phase where the ankle lands and supports its own weight. It is required to reduce inertia during the swing phase before the ankle floats in the air. Both the amplification factor of the driving torque and the magnitude of the load inertia with respect to the motor are determined by the reduction ratio of the transmitter. Therefore, what should be changed is not the rigidity but the reduction ratio.

立脚期の駆動トルク増幅要求は、膝の屈曲を表す膝角度θkが大きいほど顕著である。一方、遊脚期の慣性低減要求は、膝角度θkと関わりを持たない。立脚期と遊脚期との判別をセンサ情報に基づいて行うことは、制御の即応性を低下させるため好ましくない。センサを用いることなく、即座に高減速比が得られる機構を開発する必要がある。   The driving torque amplification requirement in the stance phase is more conspicuous as the knee angle θk representing the knee flexion is larger. On the other hand, the inertia reduction request during the swing phase does not relate to the knee angle θk. It is not preferable to discriminate between the stance period and the free leg period based on the sensor information because the responsiveness of the control is reduced. There is a need to develop a mechanism that can quickly obtain a high reduction ratio without using a sensor.

本実施形態では、多くの場面で、膝において高減速比が求められる際には足首角度θaも同時に大きくなるという事実に本発明者らは着目し、足首関節と膝関節との連動によって減速比が変化する2関節連動変速リンク機構3を提案する。   In this embodiment, the present inventors pay attention to the fact that the ankle angle θa also increases at the same time when a high reduction ratio is required in the knee in many situations, and the reduction ratio is determined by the interlocking of the ankle joint and the knee joint. A two-joint interlocking transmission link mechanism 3 in which the angle changes is proposed.

まず、このような2関節連動変速リンク機構3の有効性を、思考実験を通して検討する。膝関節は、四節リンク機構(膝リンク機構5)を基本とする。この膝関節に設けられた四節リンク機構は、単体でも屈曲角に応じて減速比が増大する仕組を有している。さらに、その四節リンク機構の一節を、下腿と足首とで構成する変位拡大機構(足首リンク機構4)に置き換え、足首角度θaの増加に伴って膝リンク機構5の減速比変化率も増加するようにしている。本実施形態に係る2関節連動変速リンク機構3を試作し、膝角度θkと足首角度θaとの屈曲に対して所望の減速比特性が得られることを確認した。   First, the effectiveness of such a two-joint interlocking transmission link mechanism 3 will be examined through a thought experiment. The knee joint is based on a four-joint link mechanism (knee link mechanism 5). The four-joint link mechanism provided in the knee joint has a mechanism in which the reduction ratio increases according to the bending angle even if it is a single unit. Furthermore, one section of the four-link mechanism is replaced with a displacement enlarging mechanism (ankle link mechanism 4) composed of the lower leg and the ankle, and the reduction ratio change rate of the knee link mechanism 5 increases as the ankle angle θa increases. I am doing so. A two-joint interlocking transmission link mechanism 3 according to the present embodiment was prototyped, and it was confirmed that a desired reduction ratio characteristic was obtained with respect to bending of the knee angle θk and the ankle angle θa.

(人型歩行ロボット1の膝関節負荷トルク)
図2は、人型歩行ロボット1が正立している場合の膝関節8に、負荷Mgに基づいて作用する膝トルクτを説明するための模式正面図である。図1を参照して説明した構成要素と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
(Knee joint load torque of humanoid walking robot 1)
FIG. 2 is a schematic front view for explaining the knee torque τ acting on the knee joint 8 when the humanoid walking robot 1 is upright based on the load Mg. The same components as those described with reference to FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description of these components will not be repeated.

人型歩行ロボット1の脚部2の下腿部2bと上腿部2cとの間に膝関節8が配置される。図1に示すように人型歩行ロボット1が静立している場合に、膝関節8に負荷Mgに基づいて作用する膝トルクτは、モーメントアームLの長さの観点から、膝関節8の屈曲に対応する膝角度θkが大きくなるほど大きくなる。   A knee joint 8 is disposed between the lower leg 2b and upper leg 2c of the leg 2 of the humanoid walking robot 1. As shown in FIG. 1, when the humanoid walking robot 1 is standing still, the knee torque τ acting on the knee joint 8 based on the load Mg is from the viewpoint of the length of the moment arm L. The knee angle θk corresponding to the bending increases as the knee angle increases.

図3は、人型歩行ロボット1が正立している場合の膝トルクτと膝角度θkとの間の関係を示すグラフであり、重量30kgのロボットモデルを利用して歩行運動及び屈伸運動のシミュレーションを行った結果を示す。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the knee torque τ and the knee angle θk when the humanoid walking robot 1 is standing upright. The result of the simulation is shown.

歩行運動は3通りの重心高さでの歩行運動を含み、屈伸運動は3通りの速度での屈伸運動を含む。曲線C1は速度T=2での屈伸運動に対応する。曲線C2は速度T=3での屈伸運動に対応し、曲線C3は速度T=4での屈伸運動に対応する。曲線C4・C6・C8は、いずれも立脚期における歩行運動に対応する。曲線C4は第1の重心高さでの立脚期の歩行運動に対応し、曲線C6は第2の重心高さでの立脚期の歩行運動に対応し、曲線C8は第3の重心高さでの立脚期の歩行運動に対応する。曲線C5・C7・C9は、いずれも遊脚期における歩行運動に対応する。曲線C5は第1の重心高さでの遊脚期の歩行運動に対応し、曲線C7は第2の重心高さでの遊脚期の歩行運動に対応し、曲線C9は第3の重心高さでの遊脚期の歩行運動に対応する。   The walking motion includes a walking motion at three different heights of the center of gravity, and the bending / extending motion includes a bending / extending motion at three speeds. Curve C1 corresponds to the flexion and extension movement at speed T = 2. Curve C2 corresponds to the bending / extending motion at speed T = 3, and curve C3 corresponds to the bending / extending motion at speed T = 4. Curves C4, C6, and C8 all correspond to the walking motion in the stance phase. Curve C4 corresponds to the gait walking movement at the first center of gravity height, curve C6 corresponds to the gait walking movement at the second center of gravity height, and curve C8 corresponds to the third center of gravity height. Corresponds to the gait movement during the stance phase. Curves C5, C7, and C9 all correspond to walking movements during the swing phase. Curve C5 corresponds to the walking movement in the swing phase at the first center of gravity height, curve C7 corresponds to the walking motion in the swing leg period at the second center of gravity height, and curve C9 corresponds to the third center of gravity height. Corresponds to the walking movement during the swing phase.

曲線C1〜C3に示されるように、屈伸運動時では膝関節8の屈曲角(膝角度θk)が大きくなるほど、負荷として作用する膝トルクτが増加していることがわかる。曲線C4・C6・C8に示されるように、歩行運動の立脚期でも膝角度θkが大きくなるほど膝トルクτが増加していることがわかる。   As shown by the curves C1 to C3, it can be seen that the knee torque τ acting as a load increases as the flexion angle (knee angle θk) of the knee joint 8 increases during flexion and extension. As shown by the curves C4, C6, and C8, it can be seen that the knee torque τ increases as the knee angle θk increases even in the stance phase of the walking motion.

したがって、立脚期の膝関節8に負荷として作用する膝トルクτは、膝角度θkに関係があると言える。一方、曲線C5・C7・C9に示されるように、遊脚期に膝関節8に作用する膝トルクτは、膝角度θkによらずほぼ一定であり、膝角度θkとの関係は見られない。   Therefore, it can be said that the knee torque τ acting as a load on the knee joint 8 in the stance phase is related to the knee angle θk. On the other hand, as indicated by the curves C5, C7, and C9, the knee torque τ acting on the knee joint 8 during the swing phase is substantially constant regardless of the knee angle θk, and no relationship with the knee angle θk is observed. .

ここで、足首関節の足首角度θaに着目する。図4は、人型歩行ロボット1の様々な状況における足首角度θaを説明するための模式図であり、(a)は人型歩行ロボット1の足底が平坦な地面に接地している状況を示し、(b)は人型歩行ロボット1が坂道を登る状況を示し、(c)は人型歩行ロボット1が坂道を下る状況を示し、(d)は人型歩行ロボット1が障害物6を乗り越える状況を示す。前述した構成要素と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。   Here, attention is focused on the ankle angle θa of the ankle joint. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the ankle angle θa in various situations of the humanoid walking robot 1. FIG. 4A shows a situation in which the sole of the humanoid walking robot 1 is in contact with the flat ground. (B) shows the situation where the humanoid walking robot 1 climbs the hill, (c) shows the situation where the humanoid walking robot 1 goes down the hill, and (d) shows the situation where the humanoid walking robot 1 shows the obstacle 6. Indicates the situation to get over. The same reference numerals are assigned to the same components as those described above, and detailed description of these components will not be repeated.

図4(a)に示すように、人型歩行ロボット1の足底が平坦な地面に接地している状況を考える。立脚期に膝が大きく曲がっている場面で立位状態を保つためには、足首も曲がっている必要がある。一方で人体の運動を考えると経験上、遊脚期には足首は曲がっていないことが多い。このことから、膝関節8に作用する負荷(膝トルクτ)が大きいときは足首関節の屈曲角(足首角度θa)も大きいという仮説を立てる。この仮説は、人型歩行ロボット1の足底が平坦な地面に接地している状況で、且つ、遊脚期に足首は屈曲していないという状況を前提としている。このため、地面が平坦でない状況や遊脚期において足首が屈曲する状況について思考実験を行う。   As shown in FIG. 4A, a situation is considered in which the sole of the humanoid walking robot 1 is in contact with the flat ground. In order to maintain a standing position in a situation where the knee is bent greatly during the stance phase, the ankle also needs to be bent. On the other hand, considering the movement of the human body, experience has often shown that the ankle is not bent during the swing phase. From this, it is hypothesized that when the load acting on the knee joint 8 (knee torque τ) is large, the bending angle (ankle angle θa) of the ankle joint is also large. This hypothesis is based on the situation where the sole of the humanoid walking robot 1 is in contact with the flat ground and the ankle is not bent during the swing phase. For this reason, a thought experiment is performed for a situation where the ground is not flat or a situation where the ankle bends during the swing leg period.

坂道を登る場合、足底を地面に接地すると、図4(b)に示すように、立脚期の足首は平坦な地面での歩行と比較してより曲がっている状態になる。このため、膝トルクτが大きいときは足首角度θaも大きいという上記仮説の傾向はより顕著となる。   When climbing a hill, when the plantar is in contact with the ground, as shown in FIG. 4 (b), the ankle in the stance phase is more bent than walking on a flat ground. For this reason, when the knee torque τ is large, the tendency of the hypothesis that the ankle angle θa is large becomes more remarkable.

逆に、坂道を下る場合は、図4(c)に示すように、足首角度θa自体は平坦な地面に比べて小さくなる。しかしながら、負荷(膝トルクτ)が大きくなるほど足首の屈曲角(足首角度θa)が増す傾向は、平坦な地面を歩行するときと同様に現れる。また、坂道の傾斜が極端に大きい状況を除き、足首は伸びてしまうことはないため、上記仮説は、極端な状況を除き、正しいと言える。   Conversely, when going down a slope, as shown in FIG. 4C, the ankle angle θa itself is smaller than that on a flat ground. However, the tendency for the ankle flexion angle (ankle angle θa) to increase as the load (knee torque τ) increases becomes the same as when walking on a flat ground. Also, since the ankle does not stretch except in situations where the slope of the slope is extremely large, the above hypothesis can be said to be correct except in extreme situations.

また、遊脚期において足首が曲がっている状況として、図4(d)に示すように、人型歩行ロボット1が障害物6を乗り越える状況を考える。この場合の遊脚期には、膝関節8に作用する負荷(膝トルクτ)は小さいものの、障害物6に脚部2が接触しないように膝関節8が固く振る舞うことが望ましいため、膝関節8に対する要求は膝関節8に作用する負荷が大きい状況の要求に近いと考えられる。よって、この人型歩行ロボット1が障害物6を乗り越えるために遊脚期において足首が曲がっているという状況は、負荷が大きいときは足首関節の屈曲角(足首角度θa)も大きいという上記仮説を否定するものではない。   Further, as a situation where the ankle is bent during the swing leg period, a situation where the humanoid walking robot 1 gets over the obstacle 6 as shown in FIG. In this case, it is desirable that the knee joint 8 behaves firmly so that the leg 2 does not come into contact with the obstacle 6 although the load (knee torque τ) acting on the knee joint 8 is small during the swing phase. The demand for 8 is considered to be close to the demand for a situation where the load acting on the knee joint 8 is large. Therefore, the situation that the ankle is bent during the swing leg period because the humanoid walking robot 1 gets over the obstacle 6 is based on the above hypothesis that the ankle joint bend angle (ankle angle θa) is large when the load is large. There is no denial.

以上から、極端に傾斜が急な下り坂など上記仮説が正しくない状況もあるが、比較的多くの状況で上記仮説は正しいと考えられる。このことから、足首関節の屈曲角(足首角度θa)が大きくなるほど膝関節8の減速比が増大する機構を構成する。   From the above, there are situations where the above hypothesis is not correct, such as downhills with extremely steep slopes, but the hypothesis is considered to be correct in relatively many situations. From this, a mechanism is constructed in which the reduction ratio of the knee joint 8 increases as the bending angle (ankle angle θa) of the ankle joint increases.

(2関節連動変速リンク機構3の具体構成)
図5は、人型歩行ロボット1の脚部2に設けられた2関節連動変速リンク機構3を示す模式図であり、(a)は人型歩行ロボット1の膝が伸びた状態を示し、(b)は膝が屈曲した状態を示す。図6は、2関節連動変速リンク機構3を示す模式図であり、(a)は人型歩行ロボット1の足首が伸びた状態を示し、(b)は上記足首が屈曲した状態を示す。
(Specific configuration of the two-joint gear shifting link mechanism 3)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 provided on the leg portion 2 of the humanoid walking robot 1. FIG. 5A shows a state where the knee of the humanoid walking robot 1 is extended. b) shows a state where the knee is bent. 6A and 6B are schematic views showing the two-joint interlocking transmission link mechanism 3. FIG. 6A shows a state where the ankle of the humanoid walking robot 1 is extended, and FIG. 6B shows a state where the ankle is bent.

2関節連動変速リンク機構3で実現したい性能は、次の通りである。
(i) 膝と足首との屈曲角に応じて減速比が変化する。
(ii)変速のために追加のアクチュエータを必要としない。
The performance desired to be realized by the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 is as follows.
(i) The reduction ratio changes according to the flexion angle between the knee and the ankle.
(ii) No additional actuator is required for shifting.

これらの性能を実現する機構として、4節リンク機構を利用する。4節リンク機構は、入力角と出力角との微小変位角度の比率が減速比となる減速機構である。また、4節リンク機構の入力と出力との間の関係は、各リンクの長さによって決定される。このため、4節リンク機構の減速比を決定するパラメータは、入力角、出力角、及び各リンクの長さとなる。   As a mechanism for realizing these performances, a four-bar link mechanism is used. The four-bar linkage mechanism is a reduction mechanism in which a ratio of a minute displacement angle between an input angle and an output angle is a reduction ratio. In addition, the relationship between the input and output of the four-bar linkage is determined by the length of each link. For this reason, the parameters that determine the reduction ratio of the four-bar linkage are the input angle, the output angle, and the length of each link.

本実施形態では、膝関節の入力角を4節リンク機構の角度と連動させ、足首関節の角度(足首角度θa)に応じてリンクの長さが変化する機構を提案する。   In the present embodiment, a mechanism is proposed in which the input angle of the knee joint is interlocked with the angle of the four-joint link mechanism, and the length of the link changes according to the angle of the ankle joint (ankle angle θa).

図5及び図6を参照すると、ピンb及びピンhにアクチュエータが接続されている。リンク5aに上腿部2cが固定されている。リンク4aに下腿部2bが固定されている。リンク4bに足元部2aが固定されている。ピンcとピンdとの間にはリンクが存在せず(仮想リンク4v)、ピンcとピンdとの間の距離Lcdは、ピンe・f・g・hにそれぞれ連結されたリンク4a・4b・4c・4dによって拘束される。   Referring to FIGS. 5 and 6, actuators are connected to the pins b and h. The upper thigh 2c is fixed to the link 5a. The crus 2b is fixed to the link 4a. The foot portion 2a is fixed to the link 4b. There is no link between the pin c and the pin d (virtual link 4v), and the distance Lcd between the pin c and the pin d is the link 4a. It is restrained by 4b, 4c and 4d.

図5(a)(b)に示すように、足首の姿勢(足首角度θa)が一定の場合は、膝の角度が変化しても、ピンc・d・e・f・g・h間の位置関係は変化せず、したがって、ピンcとピンdとの間の距離Lcdは変化しない。足首の姿勢を一定に保ちながら膝関節を回転させたときの様子を図5(a)(b)は示している。4個のピンa・b・c・dにそれぞれ連結されたリンク5a・5b・5cが4節リンク機構として振る舞い、膝が曲がる運動を実現する。   As shown in FIGS. 5A and 5B, when the ankle posture (ankle angle θa) is constant, even if the knee angle changes, the distance between the pins c, d, e, f, g, and h The positional relationship does not change, and therefore the distance Lcd between the pin c and the pin d does not change. FIGS. 5A and 5B show a state where the knee joint is rotated while keeping the posture of the ankle constant. The links 5a, 5b, and 5c respectively connected to the four pins a, b, c, and d behave as a four-joint link mechanism, thereby realizing a motion of bending the knee.

足首関節の角度は、ピンe・h・cに連結されたリンク4aとピンg・hに連結されたリンク4bとに基づく足首角度θaである。図6(a)(b)に示すように、足首角度θaが変化することにより、ピンe・f・g・hにそれぞれ接続されたリンク4a・4b・4c・4dからなる4節リンク機構の姿勢が変化する。   The angle of the ankle joint is an ankle angle θa based on the link 4a connected to the pins e · h · c and the link 4b connected to the pins g · h. 6 (a) and 6 (b), when the ankle angle θa is changed, the four-bar linkage mechanism including the links 4a, 4b, 4c, and 4d connected to the pins e, f, g, and h, respectively. The posture changes.

ここで、ピンc・e・hが同一のリンク4aに連結され、ピンd・f・gが同一のリンク4dに連結されている。このため、足首角度θaが増加すると、ピンcとピンdとの間の相対位置が変化し、ピンcとピンdとの間の距離Lcdが長くなる。これにより、ピンa・b・c・dにそれぞれ連結されたリンク5a・5b・5cの特性が変化し、減速比が増加する。   Here, the pins c, e, and h are connected to the same link 4a, and the pins d, f, and g are connected to the same link 4d. For this reason, when the ankle angle θa increases, the relative position between the pin c and the pin d changes, and the distance Lcd between the pin c and the pin d increases. As a result, the characteristics of the links 5a, 5b, and 5c connected to the pins a, b, c, and d change, and the reduction ratio increases.

また、このとき膝リンク機構5は、ピンa・bに連結されたリンク5aとピンb・cに連結されたリンク5bとの間の角度がアクチュエータによって拘束されている。このため、ピンcとピンdとの間の距離Lcdの変化に伴い、ピンb・c・dによる角度が変化する。この結果、上腿部2cに対する下腿部2bの位置が変化する。そのため、足首角度θaを変化させると同時に膝関節の膝角度θkも変化する。   At this time, in the knee link mechanism 5, the angle between the link 5a connected to the pins a and b and the link 5b connected to the pins b and c is restricted by the actuator. For this reason, the angle by pin b * c * d changes with the change of the distance Lcd between the pin c and the pin d. As a result, the position of the lower leg 2b with respect to the upper leg 2c changes. Therefore, the knee angle θk of the knee joint changes at the same time as the ankle angle θa is changed.

以上から、実施形態に係る2関節連動変速リンク機構3は、下記の特徴を持った機構である.
・膝関節の屈曲角(膝角度θk)が増大するほどピンa・b・c・dに連結された膝リンク機構5が生み出す減速比が増加する。
・足首関節の屈曲角(足首角度θa)が増大するほどピンcとピンdとの間の長さが増加し、それに伴って、ピンa・b・c・dに連結された膝リンク機構5が生み出す減速比が増加する。
・足首関節の屈曲角(足首角度θa)のみを独立に変化させることは出来ない。
From the above, the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 according to the embodiment is a mechanism having the following characteristics.
-The reduction ratio produced by the knee link mechanism 5 connected to the pins a, b, c, and d increases as the knee joint flexion angle (knee angle θk) increases.
The length between the pin c and the pin d increases as the bending angle of the ankle joint (ankle angle θa) increases, and accordingly, the knee link mechanism 5 connected to the pins a, b, c, and d. The reduction ratio produced by increases.
-Only the bending angle of the ankle joint (ankle angle θa) cannot be changed independently.

(運動解析と減速比変化)
2関節連動変速リンク機構3の各リンク長は、次の条件を満足するように決定される。
(i) 膝関節が150度以上の可動範囲を持つ。
(ii)仮想リンク4vの長さLcdの変化に対して膝リンク機構5の減速比が単調に変化する。
(Motion analysis and reduction ratio change)
Each link length of the two joint interlocking transmission link mechanism 3 is determined so as to satisfy the following conditions.
(i) The knee joint has a movable range of 150 degrees or more.
(ii) The reduction ratio of the knee link mechanism 5 changes monotonously with respect to the change in the length Lcd of the virtual link 4v.

図7は、人型歩行ロボット1の出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。曲線C10は、2関節連動変速リンク機構3において、足首角度θaが一定のときに出力角を変化させたときの減速比変化を示している。出力角が100度よりも小さいときは増速しており、出力角が100度以上の時には減速している。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the output angle of the humanoid walking robot 1 and the reduction ratio. A curve C10 indicates the reduction ratio change when the output angle is changed when the ankle angle θa is constant in the two-joint interlocking transmission link mechanism 3. When the output angle is smaller than 100 degrees, the speed is increased, and when the output angle is 100 degrees or more, the speed is decreased.

図8は、人型歩行ロボット1の足首角度θaを変化させたときの出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the output angle and the reduction ratio when the ankle angle θa of the humanoid walking robot 1 is changed.

足首角度θa=0度からθa=60度まで10度刻みで足首角度θaが増大し、足首が曲がるときの減速比変化が示されている。曲線C11は足首角度θa=0度に対応する。曲線C12は足首角度θa=10度に対応し、曲線C13は足首角度θa=20度に対応する。曲線C14・C15・C16・C17は、それぞれ、足首角度θa=30度・40度・50度・60度に対応する。   The change in reduction ratio is shown when the ankle angle θa increases in steps of 10 degrees from the ankle angle θa = 0 degrees to θa = 60 degrees, and the ankle bends. Curve C11 corresponds to the ankle angle θa = 0 degrees. Curve C12 corresponds to ankle angle θa = 10 degrees, and curve C13 corresponds to ankle angle θa = 20 degrees. Curves C14, C15, C16, and C17 correspond to ankle angles θa = 30 degrees, 40 degrees, 50 degrees, and 60 degrees, respectively.

足首角度θaが大きくなるに従い減速比が増加している。出力角が200度付近で足首角度θaに応じた減速比の大小が逆転するという問題がある。また、足首角度θa=40度、50度、60度に対応する曲線C15・C16・C17において、出力角が約50度と小さい場合に特異点が発生しているという問題がある。   The reduction ratio increases as the ankle angle θa increases. There is a problem that the magnitude of the reduction ratio according to the ankle angle θa is reversed when the output angle is around 200 degrees. Further, in the curves C15, C16, and C17 corresponding to the ankle angle θa = 40 degrees, 50 degrees, and 60 degrees, there is a problem that a singular point is generated when the output angle is as small as about 50 degrees.

前者の問題は、改善するためには歩行時に利用される中屈曲帯での減速比が低下してしまうこと、図8に示される出力角が200度付近の減速比は同付近での膝に対する要求と比較して十分な減速比であることから許容できると判断した。   In order to improve the former problem, the reduction ratio at the middle flexion band used during walking is reduced, and the reduction ratio when the output angle shown in FIG. Judging from the fact that the reduction ratio is sufficient compared to the demand, it was judged acceptable.

そして、後者の問題は、4節リンク機構において減速比を高くするために特異点が出現することはやむを得ないということ、足首を曲げたまま膝を伸ばすという動作の重要性が低いことを考慮して、この2関節連動変速リンク機構3を採用した。この2関節連動変速リンク機構3において図7及び図8の出力角=42.8度を膝角度θk=0度の状態とした。   The latter problem takes into account the fact that a singular point is unavoidable in order to increase the reduction ratio in the four-bar linkage mechanism, and that the operation of extending the knee while bending the ankle is low. Thus, the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 is employed. In this two-joint interlocking transmission link mechanism 3, the output angle = 42.8 degrees in FIGS. 7 and 8 is set to the knee angle θk = 0 degrees.

図9は、歩行時における膝角度θkと膝トルクτとの間の関係を示すグラフである。図10は、屈伸時における膝角度θkと膝トルクτとの間の関係を示すグラフである。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between knee angle θk and knee torque τ during walking. FIG. 10 is a graph showing the relationship between knee angle θk and knee torque τ during flexion and extension.

実施形態に係る2関節連動変速リンク機構3を用いた場合、膝リンク機構5のみを利用した場合、従来の単関節機構を用いた場合において、図3で示した歩行運動・屈伸運動をそれぞれの機構に行わせたときのアクチュエータへの要求トルク(膝トルクτ)を図9及び図10は示している。   When the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 according to the embodiment is used, when only the knee link mechanism 5 is used, or when the conventional single-joint mechanism is used, the walking motion and the flexion / extension motion shown in FIG. FIGS. 9 and 10 show the required torque (knee torque τ) to the actuator when the mechanism is used.

図9に示される曲線C18は従来の単関節機構に対応する。曲線C19は膝リンク機構5に対応する。曲線C20は2関節連動変速リンク機構3に対応する。図10に示される曲線C21は従来の単関節機構に対応する。曲線C22は膝リンク機構5に対応する。曲線C23は2関節連動変速リンク機構3に対応する。   A curve C18 shown in FIG. 9 corresponds to a conventional single joint mechanism. A curve C19 corresponds to the knee link mechanism 5. A curve C20 corresponds to the two-joint interlocking transmission link mechanism 3. A curve C21 shown in FIG. 10 corresponds to a conventional single joint mechanism. A curve C22 corresponds to the knee link mechanism 5. A curve C23 corresponds to the two-joint interlocking transmission link mechanism 3.

図9を参照すると、アクチュエータへの負荷(膝トルクτ)が最も小さいのは、2関節連動変速リンク機構3に対応する曲線20である。次に負荷が小さいのは、膝リンク機構5に対応する曲線C19である。最も負荷が大きいのは従来の単関節機構に対応する曲線C18である。   Referring to FIG. 9, the curve 20 corresponding to the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 has the smallest load on the actuator (knee torque τ). Next, the curve C19 corresponding to the knee link mechanism 5 has the smallest load. The curve C18 corresponding to the conventional single joint mechanism has the largest load.

図10を参照すると、アクチュエータへの負荷(膝トルクτ)が最も小さいのは、2関節連動変速リンク機構3に対応する曲線23である。次に負荷が小さいのは、膝リンク機構5に対応する曲線C22である。最も負荷が大きいのは従来の単関節機構に対応する曲線C21である。   Referring to FIG. 10, the curve (23) corresponding to the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 has the smallest load on the actuator (knee torque τ). Next, the curve C22 corresponding to the knee link mechanism 5 has the smallest load. The curve C21 corresponding to the conventional single joint mechanism has the largest load.

このように、最も負荷が小さいのは2関節連動変速リンク機構3であり、次に小さいのが膝リンク機構5であり、最も負荷が大きいのが従来の単関節機構である。図10に示すように、特に負荷が大きい状況である膝角度θkが90度以上の状況で、2関節連動変速リンク機構3に対応する曲線23の負荷(膝トルクτ)が、従来の単関節機構に対応する曲線21の負荷(膝トルクτ)、膝リンク機構5に対応する曲線C22の負荷(膝トルクτ)よりも低減されており、望ましい結果が得られている。   As described above, the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 has the smallest load, the knee link mechanism 5 has the next smallest load, and the conventional single-joint mechanism has the largest load. As shown in FIG. 10, when the knee angle θk is 90 degrees or more, which is a particularly heavy load, the load of the curve 23 (knee torque τ) corresponding to the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 is the conventional single joint. The load of the curve 21 corresponding to the mechanism (knee torque τ) and the load of the curve C22 corresponding to the knee link mechanism 5 (knee torque τ) are reduced, and a desirable result is obtained.

(2関節連動変速リンク機構3の動作)
図11〜図14は、人型歩行ロボット1の足首が伸びた状態での2関節連動変速リンク機構3の動作を示す図である。図15及び図16は、人型歩行ロボット1の足首が屈曲した状態での2関節連動変速リンク機構3の動作を示す図である。
(Operation of 2-joint-coupled transmission link mechanism 3)
FIGS. 11-14 is a figure which shows operation | movement of the 2 joint interlocking transmission link mechanism 3 in the state in which the ankle of the humanoid walking robot 1 was extended. 15 and 16 are diagrams illustrating the operation of the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 in a state where the ankle of the humanoid walking robot 1 is bent.

2関節連動変速リンク機構3を動作させた結果、膝角度θk=0度〜150度、足首角度θa=0度〜60度の可動範囲を2関節連動変速リンク機構3が有することが確認された。   As a result of the operation of the two-joint interlocking shift link mechanism 3, it was confirmed that the two-joint interlocking shift link mechanism 3 has a movable range of the knee angle θk = 0 ° to 150 ° and the ankle angle θa = 0 ° to 60 °. .

図17(a)(b)、図18(a)(b)は逆駆動試験の局面を示す図である。2関節連動変速リンク機構3に対して、複数の膝角度θk、足首角度θaにおいて、フォースゲージ9により、図17(a)(b)に示される点P1から、ピンa・bに連結されたリンク5aに垂直な方向に力を加えた。ただし、膝角度θkが120度のときは機構の回転中心が点P1に近く、点P1からの力では2関節連動変速リンク機構3が動かなかった。このため、図18(a)(b)に示される点P2から力を加えた。   17 (a), 17 (b), 18 (a), and 18 (b) are diagrams showing aspects of the reverse drive test. With respect to the two-joint interlocking transmission link mechanism 3, the force gauge 9 is connected to the pins a and b from the point P1 shown in FIGS. 17A and 17B at a plurality of knee angles θk and ankle angles θa. A force was applied in a direction perpendicular to the link 5a. However, when the knee angle θk was 120 degrees, the center of rotation of the mechanism was close to the point P1, and the force from the point P1 did not move the two-joint interlocking transmission link mechanism 3. For this reason, force was applied from the point P2 shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b).

フォースゲージ9により力を加えたときに2関節連動変速リンク機構3が動き始めたときの当該フォースゲージ9により加えた力を、各膝角度θk、各足首角度θaについて表1に示す。   Table 1 shows the force applied by the force gauge 9 when the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 starts moving when force is applied by the force gauge 9 for each knee angle θk and each ankle angle θa.

Figure 2016209983
Figure 2016209983

各膝角度θk、各足首角度θaに基づく各姿勢について10回力を加える試行を行い、それぞれの平均した結果が表1に示されている。また、表1中の空欄は2関節連動変速リンク機構3の可動範囲外で取り得ない姿勢であることを示す。   Table 1 shows the results obtained by performing an attempt to apply force 10 times for each posture based on each knee angle θk and each ankle angle θa. Also, the blank in Table 1 indicates that the posture cannot be taken outside the movable range of the two-joint interlocking transmission link mechanism 3.

図19は、足首角度θaが0度のときにおける膝角度θkに対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。図20は足首角度θaが30度のときにおける膝角度θkに対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフであり、図21は足首角度θaが60度のときにおける膝角度θkに対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。   FIG. 19 is a graph comparing the converted torque and the theoretical value of the reduction ratio with respect to the knee angle θk when the ankle angle θa is 0 degree. FIG. 20 is a graph comparing theoretical values of torque and reduction ratio after conversion with respect to the knee angle θk when the ankle angle θa is 30 degrees, and FIG. 21 is a conversion with respect to the knee angle θk when the ankle angle θa is 60 degrees. It is the graph which compared the theoretical value of the later torque and reduction ratio.

図17、図18の実験でフォースゲージ9により与えた力を、図17(a)に示される点Pのまわりのトルクに変換して比較する。変換されたトルクは膝に接続された4節リンクの出力軸のまわりのトルクに相当する。このため、4節リンクの入力に減速機のみが接続されている状況では、変換後のトルクは減速機の抵抗トルクに減速比を乗算したトルクに相当する。それぞれの姿勢における変換後のトルクと、減速比の理論値とを比較した結果が図19〜図21に示されている。   The force applied by the force gauge 9 in the experiments of FIGS. 17 and 18 is converted into a torque around the point P shown in FIG. 17A and compared. The converted torque corresponds to the torque around the output shaft of the 4-joint link connected to the knee. For this reason, in the situation where only the speed reducer is connected to the input of the 4-bar link, the converted torque corresponds to the torque obtained by multiplying the resistance torque of the speed reducer by the speed reduction ratio. The result of comparing the converted torque in each posture and the theoretical value of the reduction ratio is shown in FIGS.

図19は足首角度θa=0度のときの結果を表している。図20は足首角度θa=30度のときの結果を表し、図21は足首角度θa=60度のときの結果を表している。膝角度θk、足首角度θaが小さいときはトルクの測定値の推移が減速比の理論値に近い傾向を示している。   FIG. 19 shows the result when the ankle angle θa = 0 degrees. FIG. 20 shows the result when the ankle angle θa = 30 degrees, and FIG. 21 shows the result when the ankle angle θa = 60 degrees. When the knee angle θk and the ankle angle θa are small, the transition of the measured torque value tends to be close to the theoretical value of the reduction ratio.

しかしながら、図21に示すように、足首角度θa=60度、膝角度θk=120度のときは上記傾向に反する結果が得られた。原因として、膝角度θk、足首角度θaが大きくなり減速比が大きくなると、入力軸が動き始めるために必要な力が大きくなり、それに応じて2関節連動変速リンク機構3のリンク部材のたわみが大きくなったからだと考えられる。リンク部材にたわみが発生すると、それぞれのリンク長が変化し、得られる減速比が変化する。実際に減速比が大きくなる2関節連動変速リンク機構3の姿勢では目視で確認できるほどのたわみが発生していた。また、試作した2関節連動変速リンク機構3は、たわみが視認できるほど大きかったのに対し、バックラッシュは比較的小さく、バックラッシュの影響は無視できると考えられる。   However, as shown in FIG. 21, when the ankle angle θa = 60 degrees and the knee angle θk = 120 degrees, a result contrary to the above tendency was obtained. As a cause, when the knee angle θk and the ankle angle θa are increased and the reduction ratio is increased, the force required for the input shaft to start to move increases, and accordingly the deflection of the link member of the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 increases. It is thought that it was because it became. When deflection occurs in the link member, each link length changes, and the obtained reduction ratio changes. In the posture of the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 in which the reduction ratio is actually increased, a deflection that can be visually confirmed has occurred. In addition, the prototype 2-joint interlocking transmission link mechanism 3 was so large that the deflection could be visually recognized, but the backlash was relatively small, and the influence of the backlash can be ignored.

(実施形態2)
図22は、実施形態2に係る人型歩行ロボット1Aの膝が伸びた脚部2Aに設けられた2関節連動変速リンク機構3Aを示す模式図である。図23は、人型歩行ロボット1Aの膝が屈曲した脚部2Aに設けられた2関節連動変速リンク機構3Aを示す模式図である。図24は、人型歩行ロボット1Aの膝及び足首が屈曲した脚部2Aに設けられた2関節連動変速リンク機構3Aを示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
(Embodiment 2)
FIG. 22 is a schematic diagram showing a two-joint interlocking transmission link mechanism 3A provided on a leg 2A with a knee extended in a humanoid walking robot 1A according to the second embodiment. FIG. 23 is a schematic diagram showing a two-joint interlocking transmission link mechanism 3A provided on a leg 2A where the knee of the humanoid walking robot 1A is bent. FIG. 24 is a schematic diagram showing a two-joint interlocking transmission link mechanism 3A provided on a leg 2A where the knee and ankle of the humanoid walking robot 1A are bent. The same reference numerals are assigned to the same components as those described above, and detailed description of these components will not be repeated.

2関節連動変速リンク機構3Aには、膝リンク機構5と足首リンク機構4とに加えて、平行リンク機構7(第1関節リンク機構)が設けられている。人型歩行ロボット1Aの脚部2Aは、足元部2aと下腿部2bbと上腿部2cとを有する。   In addition to the knee link mechanism 5 and the ankle link mechanism 4, the two-link interlocking transmission link mechanism 3A is provided with a parallel link mechanism 7 (first joint link mechanism). The leg 2A of the humanoid walking robot 1A has a foot 2a, a crus 2bb, and a crus 2c.

ピンa・bに連結されたリンク5aが上腿部2cに固定される。ピンe・hに連結されたリンク4a及びピンh・jに連結されたリンク7aが下腿部2bbに固定される。ここで、リンク4a及びリンク7aは一体に構成される。したがって、ピンe・h・jの相対的位置関係は変化しない。ピンi・jに連結されたリンク7bが足元部2aに固定される。リンク5aが膝関節を駆動する。リンク7aとリンク7bとが足首関節を駆動する。リンク7a・7bの回動は、リンク4b、リンク7b、及び一対のリンク7aからなる平行リンク機構7の運動を生じさせる。この平行リンク機構7の運動は、即座に、リンク4a・4b・4c・4dからなる4節リンク機構(足首リンク機構4)の運動に変換され、ピンc・d間の長さに変化が生じる。膝の運動は、リンク5a・5b・5cからなる、ピンc・d間の長さが可変な4節リンク機構(膝リンク機構5)の運動と見なすことができる。   A link 5a connected to the pins a and b is fixed to the upper thigh 2c. The link 4a connected to the pins e · h and the link 7a connected to the pins h · j are fixed to the crus 2bb. Here, the link 4a and the link 7a are integrally formed. Therefore, the relative positional relationship between the pins e, h, and j does not change. A link 7b connected to the pins i and j is fixed to the foot portion 2a. The link 5a drives the knee joint. The link 7a and the link 7b drive the ankle joint. The rotation of the links 7a and 7b causes the movement of the parallel link mechanism 7 including the link 4b, the link 7b, and the pair of links 7a. The movement of the parallel link mechanism 7 is immediately converted into the movement of a four-joint link mechanism (ankle link mechanism 4) composed of the links 4a, 4b, 4c and 4d, and the length between the pins c and d changes. . The knee motion can be regarded as a motion of a four-joint link mechanism (knee link mechanism 5) composed of links 5a, 5b and 5c and having a variable length between pins c and d.

ピンc・d間の長さが固定された条件で、リンク5a・5bのなす角度の変化に対する上腿部2cと下腿部2bbとのなす角度変化の割合が減少する。即ち、減速比が増加する。   Under the condition that the length between the pins c and d is fixed, the ratio of the angle change between the upper thigh 2c and the lower thigh 2bb to the change in the angle formed by the links 5a and 5b decreases. That is, the reduction ratio increases.

また、この減速比の増加の程度は、ピンc・d間の長さが長い程著しい。例えば、図22に示すリンク5bがリンク5aから離れる方向にピンbの周りに回動することによって、図23に示すように膝を曲げた状態から、さらに、リンク7bがリンク7aに近づく方向にピンjの周りに回動することによって足首を曲げると、図24に示す姿勢になり、ピンc・d間の長さが増大する。   Further, the degree of increase in the reduction ratio becomes more remarkable as the length between the pins c and d is longer. For example, the link 5b shown in FIG. 22 rotates around the pin b in the direction away from the link 5a, so that the link 7b further approaches the link 7a from the bent state as shown in FIG. When the ankle is bent by rotating around the pin j, the posture shown in FIG. 24 is obtained, and the length between the pins c and d increases.

実施形態1及び2では、立脚期では大出力、高剛性、遊脚期では柔軟性という相反する要求を両立した人型ロボットの脚機構の製作を目的として、膝関節に作用する負荷(膝トルクτ)を足首関節の角度情報(足首角度θa)から擬似的に読み取る方法を提案した。また、4 節リンク機構を用いて、膝関節の屈曲角(膝角度θk)・足首関節の屈曲角(足首角度θa)が大きくなるほど減速比が増加する機構を開発し、実機を製作し、評価を行った。膝関節の屈曲角(膝角度θk)・足首関節の屈曲角(足首角度θa)が大きい場合を除き、理論に近い傾向が見られた。したがって、実施形態に係る2関節連動変速リンク機構3・3Aが可変減速機構としての特性を発揮していることがわかった。理論と異なる傾向が見られた問題を解決するためには、2関節連動変速リンク機構3・3Aをたわみの小さい材料で製作すればよい。   In the first and second embodiments, the load (knee torque) acting on the knee joint is intended to produce a leg mechanism of a humanoid robot that satisfies the conflicting requirements of high output, high rigidity in the stance phase, and flexibility in the swing phase. A method of pseudo-reading τ) from ankle joint angle information (ankle angle θa) was proposed. In addition, using a four-joint link mechanism, we developed a mechanism in which the reduction ratio increases as the knee joint flexion angle (knee angle θk) and ankle joint flexion angle (ankle angle θa) increase. Went. Except for the case where the knee joint flexion angle (knee angle θk) and ankle joint flexion angle (ankle angle θa) were large, a tendency close to the theory was observed. Therefore, it was found that the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 or 3A according to the embodiment exhibits the characteristics as a variable deceleration mechanism. In order to solve a problem in which a tendency different from the theory is found, the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 or 3A may be made of a material having a small deflection.

本発明者らは、(i) 人体の歩行動作において、膝に硬さが要求される場面では膝と足首の同時屈曲が生じる点、及び、(ii)剛性ではなく減速比を変化させることにより、剛性を変化させるのと等価な効果が得られる点に着目し、力センサ情報を直接利用することなく、足首関節の屈曲角(足首角度θa)の増大に伴って膝関節の減速比を大きく増大させることを特徴とする2関節連動変速リンク機構3・3Aを開発した。   In the walking motion of the human body, the present inventors have (i) a point in which knees and ankles are bent simultaneously in a scene where the knee is required to be rigid, and (ii) by changing the speed reduction ratio instead of rigidity. Focusing on the fact that an effect equivalent to changing the stiffness is obtained, the reduction ratio of the knee joint is increased as the ankle joint flexion angle (ankle angle θa) increases without directly using the force sensor information. A two-joint interlocking transmission link mechanism 3.3A has been developed.

実施形態1及び2に係る2関節連動変速リンク機構3・3Aは、力センサ情報を利用せず、能動変速機も高荷重ばね等の受動的弾性要素も利用しないので、構成が単純であり、信頼性、応答性が高く、従って、制御性も高い。2関節連動変速リンク機構3・3Aによれば、副次的に、膝の最大屈曲角度の拡大(150度以上)、足先慣性の低減という効果が得られる。   The two-joint interlocking transmission link mechanism 3 or 3A according to the first and second embodiments does not use force sensor information, and does not use an active transmission or a passive elastic element such as a high-load spring. High reliability and responsiveness, and therefore high controllability. According to the two-joint interlocking transmission link mechanisms 3 and 3A, the effects of secondary expansion of the maximum knee flexion angle (150 degrees or more) and reduction of foot tip inertia can be obtained.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

2関節連動変速リンク機構3・3Aが、人型歩行ロボット1の脚部2の足元部2a、下腿部2b・2bb、上腿部2cに設けられる例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電動義肢、義足の足元部、下腿部、上腿部に2関節連動変速リンク機構3・3Aを設けてもよい。   An example in which the two-joint interlocking transmission link mechanism 3 or 3A is provided at the foot part 2a, the lower leg part 2b or 2bb, or the upper leg part 2c of the leg part 2 of the humanoid walking robot 1 has been shown. It is not limited. For example, the two-joint interlocking transmission link mechanism 3A may be provided on the electric prosthesis, the leg portion, the lower leg portion, and the upper leg portion of the artificial leg.

また、介護作業、搬送作業、リハビリテーション等に使用されるパワーアシストスーツの足元装着部、下腿装着部、上腿装着部に2関節連動変速リンク機構3・3Aを設けてもよい。   In addition, the two-joint interlocking shift link mechanism 3 or 3A may be provided in the foot mounting part, the lower leg mounting part, or the upper leg mounting part of a power assist suit used for nursing work, transport work, rehabilitation and the like.

さらに、パワーショベル等の建設機械のバケットに連結されたアームに2関節連動変速リンク機構3・3Aを設けてもよい。   Further, a two-joint interlocking transmission link mechanism 3.3A may be provided on an arm connected to a bucket of a construction machine such as a power shovel.

本発明は、連動する2個の関節機構を備えた2関節連動変速リンク機構に利用することができ、特に、人型歩行ロボットの脚部に設けられる2関節連動変速リンク機構に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a two-joint interlocking shift link mechanism including two interlocking joint mechanisms, and in particular, can be used for a two-joint interlocking shift link mechanism provided on a leg portion of a humanoid walking robot. it can.

また、本発明は、電動義肢、義足の足元部、下腿部、上腿部に利用することができる。そして、本発明は、介護作業、搬送作業、リハビリテーション等に使用されるパワーアシストスーツの足元装着部、下腿装着部、上腿装着部に利用することもできる。   In addition, the present invention can be used for an electric prosthesis, a foot part of a prosthetic leg, a lower leg part, and an upper leg part. And this invention can also be utilized for the step mounting part, lower leg mounting part, upper leg mounting part of the power assist suit used for care work, conveyance work, rehabilitation, etc.

例えば脚のように、ある支持状態から別の支持状態に不連続的に遷移する機構にとって、剛性を極端に変化させなければならないという要求は共通のものである。本発明は、脚部を構成する二つの関節の運動に基づいて、上記要求を単純な方法で満たすことができる。   For mechanisms that transition discontinuously from one support state to another, such as a leg, the requirement that the stiffness must be changed drastically is common. The present invention can satisfy the above requirements in a simple manner based on the motion of the two joints constituting the leg.

しかしながら、本発明の応用分野は、上記脚に関連する分野に限定されない。例えば、本発明は、建設機械のアーム部にも利用することができる。例えば、パワーショベルのバケットに連結されたアームに本発明を利用することができる。   However, the application field of the present invention is not limited to the field related to the leg. For example, this invention can be utilized also for the arm part of a construction machine. For example, the present invention can be used for an arm connected to a bucket of a power shovel.

1 人型歩行ロボット
2 脚部
2a 足元部(第1部材)
2b 下腿部(第2部材)
2c 上腿部(第3部材)
3 2関節連動変速リンク機構
4 足首リンク機構(第1関節リンク機構)
4a リンク(固定節)
4b リンク(原動節)
4c リンク(従動節)
4d リンク(中間節)
5 膝リンク機構(第2関節リンク機構)
5a リンク(第3部材固定節)
5b リンク(第3部材第1従動節)
5c リンク(第3部材第2従動節)
6 障害物
7 平行リンク機構(第1関節リンク機構)
7a リンク
7b リンク
a〜j ピン
θk 膝角度
θa 足首角度(屈曲角)
1 Humanoid walking robot 2 Leg 2a Foot (first member)
2b Lower leg (second member)
2c Upper leg (third member)
3 2-joint-linked shift link mechanism 4 Ankle link mechanism (first joint link mechanism)
4a Link (fixed clause)
4b link
4c link (following clause)
4d link (intermediate section)
5 Knee link mechanism (second joint link mechanism)
5a Link (third member fixing node)
5b Link (3rd member 1st follower)
5c Link (3rd member 2nd follower)
6 Obstacles 7 Parallel link mechanism (first joint link mechanism)
7a link 7b link aj pin θk knee angle θa ankle angle (flexion angle)

Claims (7)

第1部材と第2部材とを連結する第1関節リンク機構と、
前記第2部材と第3部材とを連結する第2関節リンク機構とを備え、
前記第1部材と前記第2部材との間の屈曲角の増大に応じた前記第1関節リンク機構の動作に連動して、前記第2関節リンク機構の減速比が増大するように前記第2関節リンク機構が動作することを特徴とする2関節連動変速リンク機構。
A first joint link mechanism for connecting the first member and the second member;
A second joint link mechanism for connecting the second member and the third member;
In conjunction with the operation of the first joint link mechanism in response to an increase in the bending angle between the first member and the second member, the second reduction ratio of the second joint link mechanism is increased. A two-joint interlocking transmission link mechanism in which a joint link mechanism operates.
前記第1部材が人体の足首に対応し、
前記第2部材が前記人体の下腿に対応し、
前記第3部材が前記人体の上腿に対応し、
前記足首が宙に浮いて着地する前の遊脚期から前記足首が着地して自重を支える立脚期への遷移に応じて前記屈曲角が増大する請求項1に記載の2関節連動変速リンク機構。
The first member corresponds to the ankle of the human body;
The second member corresponds to the lower leg of the human body;
The third member corresponds to the upper leg of the human body;
2. The two-joint interlocking transmission link mechanism according to claim 1, wherein the bending angle increases in accordance with a transition from a swing leg period before the ankle floats and landing to a stance period where the ankle lands and supports its own weight. .
前記第1関節リンク機構が4節リンク機構を含む請求項1に記載の2関節連動変速リンク機構。   The two-joint interlocking transmission link mechanism according to claim 1, wherein the first joint link mechanism includes a four-joint link mechanism. 前記4節リンク機構が、前記第2部材に固定された固定節と、
前記固定節と前記第1部材とに連結された原動節と、
前記固定節に連結された従動節と、
前記原動節と前記従動節とに連結された中間節とを有する請求項3に記載の2関節連動変速リンク機構。
A fixed joint fixed to the second member;
A driving node coupled to the fixed node and the first member;
A follower connected to the fixed node;
4. The two-joint interlocking transmission link mechanism according to claim 3, further comprising an intermediate node connected to the driving node and the driven node.
前記第2関節リンク機構が、前記第3部材に固定された第3部材固定節と、
前記第3部材固定節及び前記従動節に連結された第3部材第1従動節と、
前記第3部材固定節及び前記中間節に連結された第3部材第2従動節とを有する請求項4に記載の2関節連動変速リンク機構。
The second joint link mechanism is a third member fixing node fixed to the third member;
A third member first follower connected to the third member fixed joint and the follower;
The two-joint interlocking transmission link mechanism according to claim 4, further comprising a third member second follower connected to the third member fixed joint and the intermediate joint.
前記第1関節リンク機構が平行リンク機構を含む請求項1に記載の2関節連動変速リンク機構。   The two-joint interlocking transmission link mechanism according to claim 1, wherein the first joint link mechanism includes a parallel link mechanism. 前記第1部材が人型歩行ロボットの足元部であり、
前記第2部材が前記人型歩行ロボットの下腿部であり、
前記第3部材が前記人型歩行ロボットの上腿部である請求項1に記載の2関節連動変速リンク機構。
The first member is a foot of a humanoid walking robot;
The second member is a lower leg of the humanoid walking robot;
The two-joint interlocking transmission link mechanism according to claim 1, wherein the third member is an upper leg portion of the humanoid walking robot.
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