JP4776158B2 - 人型ロボットの電装機器冷却構造 - Google Patents

Description

この発明は、人型ロボットに搭載したモータ駆動回路（ドライバ）や動作制御コンピュータ等の制御系電装機器を冷却する構造に関するものである。

人型ロボットにおける制御系電装機器（モータを除く）の配置としては従来、例えば、人型ロボットの胴体に背負わせたバックパックの中に制御系電装機器を集中的に配置したり(特許文献１参照)、脚や腕に制御系電装機器を分散させて格納したりするものが知られている。
特開２００２−１５４０８３号公報

しかしながら、胴体にバックパック等の大きな突出部を設けた場合、重心位置が後方に寄るとともにその大きな突出部が邪魔になって、人型ロボットの歩行性能に大きな制限を加える他、転倒時や起上り時等の全身運動機能にも大きな制限を加える可能性があり、人型ロボットの外観意匠の自由度を損なうことにもなる。

また、運動性能が要求される脚や腕に電装機器を分散させて搭載すると、取付け用ブラケット等も含めて慣性質量の増大を招き、脚や腕の運動性能を妨げる可能性があるとともに、電装機器への冷却手段の設置が脚や腕に対して個々に必要となるという問題がある。

この発明は上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、この発明の人型ロボットの電装機器冷却構造は、人型ロボットの脚及び腕の作動を制御する電装機器を含む制御系電装機器を機能毎に纏めてユニット化し、前記人型ロボットの胴体上半部を構成する、前部の前部中央開口部及び後部から左右側部に渡る後部左右開口部を有する胴体外殻、前部中央開口部を横切って延在し両端部を前記胴体外殻に取り外し可能に結合されて前記胴体外殻の前部を補強するタワーバー、及び前記胴体外殻の後部へ向けた後方端部が前記胴体外殻の後部に取り外し可能に固定されて前記胴体外殻の左右側部に装着された、前記胴体外殻の後部を補強する２本のパイプフレームからなるフレームの、前記胴体外殻の内部にモータドライバユニットを収納し、前記胴体外殻の後部の横に無線ＬＡＮユニットを装着し、前記胴体外殻の後部内に姿勢センサユニットを収納し、前記胴体外殻の前部と後部の間に後部ドライバユニットを搭載し、前記胴体外殻の後部の両横にコンピュータユニットを装着して、前記人型ロボットの胴体上半部に集中搭載した複数の電装機器ユニットと、前記胴体上半部に集中搭載された前記電装機器を冷却する冷却風を、前記モータドライバユニットの放熱板に固着された複数の発熱性素子が流路に露出した状態になる冷却風流路を形成するように、胴体外から吸い込んで胴体内の前方から後方へ通流させる、前記タワーバーに装着された、前記胴体外殻の内方へ上下傾斜せずに送気する向きと内方へ斜め下方に送気する向きの複数の冷却手段、及び前記胴体外殻の後部に設けた、前記胴体外殻の外方へ送気する向きの複数の冷却手段とを有するものである。

かかるこの発明の人型ロボットの電装機器冷却構造によれば、人型ロボットの胴体内にユニット化した制御系電装機器を集中搭載して、その制御系電装機器を、胴体に設けた冷却手段が胴体内の前方から後方へ通流させる冷却風で集中的に冷却しているので、制御系電装機器を搭載するバックパックを不要とし得て、バックパックによる人型ロボットの歩行性能や全身運動機能への制限をなくすことができるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度も高めることができる。そして、人型ロボットの前方への歩行によっても胴体内の前方から後方へ通流する冷却風が生じ得るので、冷却ファン等の冷却手段を簡易なものとすることができる。

また、運動性能が要求される脚や腕への制御系電装機器および冷却手段の搭載を不要とし得て、取付け用ブラケット等も含めた慣性質量の増大を回避できるので、脚や腕の運動性能を高めることができ、さらに、制御系電装機器のための冷却手段を脚や腕に設けるためのスペースの確保の必要性もなくすことができる。

また、ユニット化した制御系電装機器を囲む胴体外殻内にその前部中央開口部から入った冷却風が前方から後方へ通流して後部左右開口部等から出るので、冷却手段の冷却風で制御系電装機器を効率的に冷却することができ、しかも補強部材の着脱により胴体フレームの剛性と電装機器の良好な搭載性（搭載作業のし易さ）および脱着性とを確保することができる。

また、冷却ファンによって胴体内の前方から後方へ冷却風を通流させることができる。

さらに、制御系電装機器のＦＥＴ等の複数の発熱性素子が、基板上の共通の大きな放熱板に固着されるとともに冷却手段の冷却風の流路に露出するので、制御系電装機器の複数の発熱性素子を効率的に冷却することができる。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１および図２は、この発明の人型ロボットの電装機器冷却構造の一実施例の外観を示す分解斜視図および組立て状態の斜視図、図３（ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器冷却構造を示す平面図および正面図、図４（ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器冷却構造を示す、上記人型ロボットの左手側から見た側面図および背面図、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の電装機器冷却構造におけるドライバ基板、ドライバユニットの組立て方法および組立てたドライバユニットをそれぞれ示す斜視図、図６（ａ），（ｂ）は、上記人型ロボットの全体を示す正面図および側面図、そして図７は、上記実施例の電装機器冷却構造における冷却風の流れを示す説明図である。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、上記人型ロボットは胴体１の下に二本の脚２を具え、それらの脚２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この人型ロボットはまた、胴体１のロボット自身から見て左右に腕３を具えるとともに、胴体１上に頭４を具えている。

ここにおける胴体１は、腰の部分で互いに前後および左右回動可能に連結された上半部１ａと下半部１ｂとからなり、この実施例の電装機器冷却構造はその胴体上半部１ａに適用されたものである。この実施例では、図１〜図４に示すように、胴体上半部１ａのフレームが、胴体外殻５と、前部補強部材としてのタワーバー６と、後部補強部材としての二本のパイプフレーム７とを具えていて、図６に示すように前後二分割式の胴体上半部カバー８の内側に配置されており、その胴体上半部カバー８の前後部および後部付近の左右側部には、図６に示すように、カバー８内への冷却風の取り入れおよびカバー８外への冷却風の排出のために、ルーバ（庇付きスリット）等の開口部８ａが適宜設けられている。

ここで、胴体外殻５は、上方から見て略Ｔ字状をなすように、アルミニウム合金の鋳造で形成されており、前部の大部分を占める前部中央開口部５ａと、後部から左右側部に渡る上方から見てＬ字状の後部左右開口部５ｂ，５ｃとを有している。そしてこの胴体外殻５の後部には、図１および図７に示すように、冷却手段として、後方（胴体外殻５の外方）へ送気する向きの二台の冷却ファン９が装着されている。

また、ここにおけるタワーバー６は、アルミニウム合金の厚板から切削加工されたもので、両端部にボルト孔を有するとともに、中間部に冷却手段として、後方（胴体外殻５の内方）へ送気する向きの二台の冷却ファン９とそれらに挟まれた斜め下方へ送気する向きの一台の冷却ファン９とを装着され、胴体外殻５の前部中央開口部５ａを横切って左右方向に延在し、両端部をその前部中央開口部５ａの両脇の、胴体外殻５の前部にボルトで取り外し可能に固定されて、その胴体外殻５の前部を補強している。

そして、ここにおける二本のパイプフレーム７は各々、略Ｌ字状に曲げられていて、その前方端部には、直角に曲がった向きに固定パイプ７ａが固着されており、その固定パイプ７ａは、胴体外殻５の左右側部に形成された筒状の凹部内に嵌め合わされて、胴体外殻５の内側からその胴体外殻５に挿通されたボルトで胴体外殻５の左右側部に取り外し可能に固定されている。

また、ここにおける二本のパイプフレーム７は各々、その後方端部を胴体外殻５の後部へ向けられており、それらのパイプフレーム７の後方端部は各々、ボルトの締付けで縮径されるクランプ１１を介して胴体外殻５の後部下端部に取り外し可能に固定され、これにより二本のパイプフレーム７は胴体外殻５の後部を補強している。

かかる構成の胴体フレームに対して、この実施例の電装機器冷却構造では、図１〜図４に示すように、胴体外殻５のタワーバー６の上側にスピーカーパネル１３が装着され、また胴体外殻５内には、多数のモータドライバ基板が纏められたモータドライバユニット１４が収納され、胴体外殻５の後部の横には無線ＬＡＮユニット１５が装着され、胴体外殻５の後部内には三軸ジャイロと三軸加速度センサとが一体化された姿勢センサユニット１６が収納され、胴体外殻５の前部と後部の間には後部ドライバユニット１７が搭載され、さらに胴体外殻５の後部の両横には視覚制御系および動作演算系の多数のコンピュータ基板が纏められた二つのコンピュータユニット１８が装着されている。

図５は、五枚のモータドライバ基板１４ａが纏められた上記モータドライバユニット１４の構成を示しており、ここで、各モータドライバ基板１４ａは、図５（ａ）に示すように、そのプリント基板上にアルミニウム合金や銅板等の熱伝導性の良い金属板からなる断面コ字状の放熱版１４ｂを配置されており、各モータドライバ基板１４ａのプリント基板上に半田付けによって実装されたＦＥＴ等の複数の発熱性素子１４ｃはその放熱版１４ｂに各々小ねじによって密接固定されてそこに放熱し、放熱版１４ｂは各発熱性素子１４ｃからの熱を広い放熱面積によって効率的に放散させる。五枚のモータドライバ基板１４ａは、図５（ｂ）に示すように、スペーサ１４ｄと小ねじ１４ｅとによって互いに一体的に結合され、次いで各モータドライバ基板１４ａ上に実装された図示しないコネクタを配線用基板１４ｆ上に実装されたコネクタ１４ｇに結合することで、それぞれ配線用基板１４ｆに接続され、そして一部のスペーサ１４ｄに設けられた雌ねじに配線用基板１４ｆを介して小ねじ１４ｅを締込むことで、図５（ｃ）に示すように、配線用基板１４ｆに一体的に固定されている。

このようにしてこの実施例の電装機器搭載構造では、上記モータドライバユニット１４を含む各ユニットにおける基板間の接続の多くが、各基板上に実装したコネクタ同士を結合することで、或いは各基板上に実装したコネクタを主に配線用基板上に実装したコネクタに結合することで行われて、基板間の接続の確実性が高められている。また、各プリント基板と断面コ字状の放熱版１４ｂとを、プリント基板上に半田付けによって実装されるとともに小ねじ１４ｅによって放熱版１４ｂに固定された複数の発熱性素子１４ｃを介して強固に結合しているので、多層プリント基板等を用いた場合でもプリント基板毎の剛性を確保することができ、ユニットとしても高い剛性を確保して衝撃等に対し安定して作動することができる。

なお、この人型ロボットでは、図１〜図４に示すように、胴体下半部１ｂのフレーム１２が、正面から見て略逆Ｔ字状をなすようにアルミニウム合金の鋳造で形成されており、Ｔ字の腕の部分に相当する左右側部は、二つのバッテリユニット１９の搭載場所とされ、それらのバッテリユニット１９も各々、電装機器としての複数のバッテリセルをブラケットで纏めて一体化させたものとされている。

かかる実施例の人型ロボットの電装機器冷却構造によれば、人型ロボットの胴体１内に制御系電装機器のユニット１４〜１８を集中搭載して、その制御系電装機器を、胴体１内のタワーバー６に設けた冷却ファン９が胴体１外から吸い込んで胴体内の前方から後方へ通流させる冷却風で集中的に冷却し、その冷却風を胴体外殻５の後部に設けた冷却ファン９が胴体外殻５外へ排出しているので、制御系電装機器を搭載するバックパックを不要とし得て、バックパックによる人型ロボットの歩行性能や全身運動機能への制限をなくすことができるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度も高めることができる。そして、人型ロボットの前方への歩行によってもラム圧で胴体１内の前方から後方へ通流する冷却風が生じ得るので、冷却ファン９を簡易なものとすることができる。

また、運動性能が要求される脚２や腕３への制御系電装機器や冷却手段の搭載を不要とし得て、取付け用ブラケット等も含めた慣性質量の増大を回避できるので、脚２や腕３の運動性能を高めることができ、さらに、制御系電装機器のための冷却ファン９等を脚２や腕３に設ける必要性もなくすことができる。

さらに、この実施例の人型ロボットの電装機器冷却構造によれば、胴体１の上半部のフレームを、前部中央開口部５ａと、後部から左右側部に渡る後部左右開口部５ｂ，５ｃとを有する胴体外殻５と、胴体外殻５の各開口部５ａ〜５ｃを横切って延在し、両端部を胴体外殻５に取り外し可能に結合されてその胴体外殻５を補強するタワーバー６および二本のパイプフレーム７とを有するものとし、制御系電装機器のユニット１４〜１８を、胴体外殻５の内部および側部に搭載するから、制御系電装機器のモータドライバユニットユニット１４を囲む胴体外殻５内にその前部中央開口部５ａから入った冷却風が前方から後方へ通流して後部左右開口部５ｂ，５ｃ等から出るので、冷却ファン９の冷却風でモータドライバユニットユニット１４を効率的に冷却することができ、しかもタワーバー６および二本のパイプフレーム７の着脱により胴体フレームの剛性と電装機器の良好な搭載性（搭載作業のし易さ）および脱着性とを確保することができる。

さらに、この実施例の人型ロボットの電装機器冷却構造によれば、冷却手段は、胴体１の前部に位置するタワーバー６に設けられて外部からその胴体１内に冷却風を吸い込む三台の冷却ファン９と、胴体１の後部に位置する、胴体外殻５の後部に設けられてその胴体１内から外部へ冷却風を排出する二台の冷却ファン９との両方を具えているので、図７に矢印ＣＷで示すように、それらの冷却ファン９によって胴体１内の前方から後方へ十分な量の冷却風を確実に通流させることができる。

さらに、この実施例の人型ロボットの電装機器冷却構造によれば、モータドライバユニット１４は、基板上の共通の大きな放熱板１４ｂに固着されたＦＥＴ等の複数の発熱性素子１４ｃを有していて、それらの発熱性素子１４ｃが、図１，２および図３（ｂ）に示すように、胴体外殻５内の冷却風の流路に露出しているので、制御系電装機器の複数の発熱性素子１４ｃを効率的に冷却することができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上記例に限定されるものでなく、例えば、この発明の電装機器冷却構造は、人型ロボットの胴体全体に搭載した制御系電装機器を冷却する構成としてもよい。また、冷却手段は胴体の前部に設けられて外部からその胴体内に冷却風を吸い込む冷却ファンと胴体の後部に設けられてその胴体内から外部へ冷却風を排出する冷却ファンとの何れか一方でも良い。

かくしてこの発明の人型ロボットの電装機器冷却構造によれば、バックパックを不要とし得て、バックパックによる人型ロボットの歩行性能や全身運動機能への制限をなくすことができるとともに、人型ロボットの外観意匠の自由度も高めることができ、また運動性能が要求される脚や腕への電装機器や冷却手段の搭載を不要とし得て、脚や腕の運動性能を高めることができ、さらに、発熱する電装機器について纏めて胴体に冷却手段を設置し得て、冷却手段の設置スペースを脚や腕に設ける必要性もなくすことができる。

この発明の人型ロボットの電装機器冷却構造の一実施例の外観を示す分解斜視図である。 上記実施例の人型ロボットの電装機器冷却構造の外観を示す組立て状態の斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器冷却構造を示す平面図および正面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の電装機器冷却構造を示す、上記人型ロボットの左手側から見た側面図および背面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例の電装機器冷却構造におけるドライバ基板、ドライバユニットの組立て方法および組立てたドライバユニットをそれぞれ示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、上記人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。 上記実施例の電装機器冷却構造における冷却風の流れを示す説明図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 胴体上半部
１ｂ 胴体下半部
２ 脚
３ 腕
４ 頭
５ 胴体外殻
５ａ 前部中央開口部
５ｂ 後部左開口部
５ｃ 後部右開口部
６ タワーバー
７ パイプフレーム
７ａ 固定パイプ
８ 胴体上半部カバー
８ａ 開口部
９ 冷却ファン
１１ クランプ
１２ 胴体下半部用フレーム
１３ スピーカーパネル
１４ モータドライバユニット
１４ａ モータドライバ基板
１４ｂ 放熱版
１４ｃ 発熱性素子
１４ｄ スペーサ
１４ｅ 小ねじ
１４ｆ 配線用基板
１４ｇ コネクタ
１５ 無線ＬＡＮユニット
１６ 姿勢センサユニット
１７ 後部ドライバユニット
１８ コンピュータユニット
１９ バッテリユニット
ＣＷ 冷却風

Claims (1)

1. 人型ロボットの脚及び腕の作動を制御する電装機器を含む制御系電装機器を機能毎に纏めてユニット化し、前記人型ロボットの胴体上半部を構成する、前部の前部中央開口部及び後部から左右側部に渡る後部左右開口部を有する胴体外殻、前部中央開口部を横切って延在し両端部を前記胴体外殻に取り外し可能に結合されて前記胴体外殻の前部を補強するタワーバー、及び前記胴体外殻の後部へ向けた後方端部が前記胴体外殻の後部に取り外し可能に固定されて前記胴体外殻の左右側部に装着された、前記胴体外殻の後部を補強する２本のパイプフレームからなるフレームの、前記胴体外殻の内部にモータドライバユニットを収納し、前記胴体外殻の後部の横に無線ＬＡＮユニットを装着し、前記胴体外殻の後部内に姿勢センサユニットを収納し、前記胴体外殻の前部と後部の間に後部ドライバユニットを搭載し、前記胴体外殻の後部の両横にコンピュータユニットを装着して、前記人型ロボットの胴体上半部に集中搭載した複数の電装機器ユニットと、
   前記胴体上半部に集中搭載された前記電装機器を冷却する冷却風を、前記モータドライバユニットの放熱板に固着された複数の発熱性素子が流路に露出した状態になる冷却風流路を形成するように、胴体外から吸い込んで胴体内の前方から後方へ通流させる、前記タワーバーに装着された、前記胴体外殻の内方へ上下傾斜せずに送気する向きと内方へ斜め下方に送気する向きの複数の冷却手段、及び前記胴体外殻の後部に設けた、前記胴体外殻の外方へ送気する向きの複数の冷却手段と
   を有する人型ロボットの電装機器冷却構造。

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