(57)【要約】【課題】傾斜などの多様な床面状況に対応して足裏を着地させることが可能となるロボット用の足首関節機構を提供することにある。【解決手段】左脛２に挿通された脛軸９と左足１に固定された足軸７が同一軸線Ｇ１上に配置され、足軸７及び脛軸９は、足軸７が脛軸９の回転とともに一方向に回転可能、かつ、脛軸９と独立して一方向のみに回転可能なワンウェイクラッチ１３を構成する。左足１が自身の自重で足軸７の軸線Ｇ１回りに独立して一方向に回転するのを阻止するため、左脛２と左足１を接続して左足１を他方向に付勢する押しバネ１４を備え、左足１の踵部３が床面Ｆに着地後、その着地点Ｌを支点、着地点Ｌより左足１の重心Ｇ側に位置するワンウェイクラッチ１３を作用点とし、左脛２がワンウェイクラッチ１３に荷重を加え、押しバネ１４の付勢に抗して左足１が床面Ｆに向けて独立して一方向に回転し、床面Ｆに沿うように足裏を着地させる。【選択図】図１Ａ
2015074050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの脛を足の踵部側に連結するロボット用の足首関節機構において、
前記脛に挿通された駆動軸と前記足に固定された従動軸が同一軸線上に配置され、前記駆動軸及び前記従動軸は、前記従動軸が前記駆動軸の回転とともに一方向に回転可能、かつ、前記駆動軸と独立して前記一方向のみに回転可能な回転手段として構成され、
前記足がその自重で前記従動軸の軸線回りに独立して前記一方向に回転するのを阻止するために、前記脛と足とを接続して前記足を他方向に付勢する付勢バネを備え、
前記足の踵部が床面に着地後、その着地点を支点とし、前記着地点より前記足の重心側に位置する前記回転手段を作用点として、前記脛が前記回転手段に荷重を加えることで、前記付勢バネの付勢に抗して前記足が床面に向けて独立して前記一方向に回転し、床面に沿うように足裏を着地させることを特徴とするロボット用の足首関節機構。
【請求項２】
前記軸線は前記足の内外両側に仮想的に位置する踝を貫く仮想踝軸線として設定され、
前記踵部が床面に着地後、前記着地点を支点として、前記足が床面に向けて前記仮想踵軸線回りに独立して前記一方向に回転し、前記足裏が床面に沿うように前記足裏を着地させる請求項１に記載のロボット用の足首関節機構。
【請求項３】
前記駆動軸は前記脛に取り付けたモーターを介して正逆両方向に回転可能であり、
前記足裏が床面に着地した後に前記モーターにより前記駆動軸を前記仮想踝軸線回りに前記一方向に回転させることで前記足裏の踏込力を強め、前記踵部を前記床面から浮かせる請求項２に記載のロボット用の足首関節機構。
【請求項４】
前記回転手段は、前記駆動軸を前記他方向に回転させることで、前記足の前記従動軸を相対的に前記他方向に回転可能な状態とし、
前記足裏が床面から離れた後、前記駆動軸を前記他方向に回転させることで、前記従動軸が前記付勢バネの付勢により前記駆動軸と一緒に前記他方向に回転可能となる請求項３に記載のロボット用の足首関節機構。
【請求項５】
前記軸線の方向と交差して前記足の前後方向に伸びる前後軸線が設定され、
前記踵部が床面に着地後、前記着地点を支点として、前記足が床面に向けて前記前後軸線回りに独立して回転し、前記足裏が床面に沿うように前記足裏を着地させる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロボット用の足首関節機構。
【請求項６】
前記回転手段はワンウェイクラッチである請求項１ないし５のいずれか１項に記載のロボット用の足首関節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット用の足首関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット用の膝関節にバックラッシュクラッチを用いて膝関節を中心に脛を振子状に自由に振動可能にし、遊脚を前に出す際の慣性力により膝関節を支点にして脛を進行方向に振り出させて、より自然な二足歩行を実現する膝関節機構が特許文献１で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３１０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記関節では、振子状に振動可能な範囲がバックラッシュにより設定され、いわば関節の可動域が一定範囲に制限される。よって、例えば、斜面の歩行時に足裏が斜面に沿うように足首を可動させることが望ましい足首関節に上記関節を適用すると、関節の可動域が制限されることで傾斜の勾配によっては、斜面に沿うように足裏が着地せず、転倒のおそれがある。
【０００５】
本発明の課題は、傾斜などの多様な床面状況に対応して足裏を着地させることが可能となるロボット用の足首関節機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明のロボット用の足首関節機構は、
ロボットの脛を足の踵部側に連結するロボット用の足首関節機構において、
脛に挿通された駆動軸と足に固定された従動軸が同一軸線上に配置され、駆動軸及び従動軸は、従動軸が駆動軸の回転とともに一方向に回転可能、かつ、駆動軸と独立して一方向のみに回転可能な回転手段として構成され、
足がその自重で従動軸の軸線回りに独立して一方向に回転するのを阻止するために、脛と足とを接続して足を他方向に付勢する付勢バネを備え、
足の踵部が床面に着地後、その着地点を支点とし、着地点より足の重心側に位置する回転手段を作用点として、脛が回転手段に荷重を加えることで、付勢バネの付勢に抗して足が床面に向けて独立して一方向に回転し、床面に沿うように足裏を着地させることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、ロボットの足の踵部が床面に着地した後に、ロボットの脛から足に加わる荷重を利用し、従動軸を中心に足を独立して回転させることで床面の傾斜に沿うように足を着地させることが可能となる。また、床面に凹凸がある場合は、凹凸に接触することで足の回転が止まり、足裏と凹凸の接触部と踵部の少なくとも２か所が床面に接し、ロボットのバランスが保ち易くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施例１におけるロボット用の足首関節機構を示す模式側面図。
【図１Ｂ】図１Ａの足首関節機構を構成する足を示す模式平面図。
【図２Ａ】図１Ａの足首関節機構の模式背面図。
【図２Ｂ】図２Ａの足首関節機構の部分断面図。
【図３Ａ】図２ＡのＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ模式断面図。
【図３Ｂ】図３Ａから押しバネを省いた模式断面図。
【図４Ａ】足と脛の関係（足が反時計回りに回転）を示す模式断面図。
【図４Ｂ】足と脛の関係（足が時計回りに回転）を示す模式断面図。
【図４Ｃ】足と脛の関係（脛が反時計回りに回転）を示す模式断面図。
【図４Ｄ】足と脛の関係（脛が時計回りに回転）を示す模式断面図。
【図５Ａ】踵部が床面に着地する直前の場面を示す模式側面図。
【図５Ｂ】図５Ａに続き、踵部が床面に着地した場面を示す模式側面図。
【図５Ｃ】図５Ｂに続き、着地点を支点として足裏が床面側に倒れる場面を示す模式側面図。
【図５Ｄ】図５Ｃに続き、足裏が床面側に倒れる場面を示す模式側面図。
【図５Ｅ】図５Ｄに続き、足裏が床面に沿うように着地した場面を示す模式側面図。
【図６Ａ】図１Ａの足首関節機構を有するロボットが二足歩行をする一場面（左足の踵は着地、右足は蹴り出し）を示す説明図。
【図６Ｂ】図６Ａに続き、左足の爪先も着地して左脛が床面に対して垂直に位置し、右足が床面から離れた場面を示す説明図。
【図６Ｃ】図６Ｂに続き、左足が着地して左脛が床面に対して垂直に位置し、右足が左足を追い越して進行方向に振り出す直前の場面を示す説明図。
【図６Ｄ】図６Ｃに続き、左足が着地して左脛が進行方向側に倒れ、右足が進行方向側に踏み出された場面を示す説明図。
【図６Ｅ】図６Ｄに続き、左足が床面を蹴り出すとともに、右足が踵から床面に着地する直前の場面を示す説明図。
【図７Ａ】踵部が床面に着地した場面を示す模式側面図。
【図７Ｂ】図７Ａに続き、足裏が床面に沿うように着地し、脛が床面に対して垂直となった場面を示す模式側面図。
【図７Ｃ】図７Ｂに続き、脛が足の甲側に向けて倒れた場面を示す模式側面図。
【図７Ｄ】図７Ｃに続き、足裏が母指球部を支点として上方に持ち上がる場面を示す模式側面図。
【図７Ｅ】図７Ｄに続き、爪先部が床面から離れた場面を示す模式側面図。
【図８Ａ】足裏が床面の窪みに接触して着地した場面を示す模式側面図。
【図８Ｂ】足裏が床面の突起に接触して着地した場面を示す模式側面図。
【図９Ａ】本発明の実施例２におけるロボット用の足首関節機構を示す模式側面図。
【図９Ｂ】図９Ａの足首関節機構の模式背面図。
【図９Ｃ】図９Ａの部分拡大図。
【図９Ｄ】図９Ｃの部分断面図。
【図１０Ａ】踵部が床面に着地する直前の場面を示す模式背面図。
【図１０Ｂ】図１０Ａに続き、踵部が床面に着地した場面を示す模式背面図。
【図１０Ｃ】図１０Ｂに続き、着地点を支点として足裏が床面側に倒れる場面を示す模式背面図。
【図１０Ｄ】図１０Ｃに続き、足裏が床面に沿うように着地した場面を示す模式背面図。
【図１１Ａ】ワンウェイクラッチの変形例を示す図２Ｂの断面部分に対応する部分断面図。
【図１１Ｂ】足軸と可動筒（脛軸）の関係（可動筒が反時計回りに回転）を示す模式図。
【図１１Ｃ】足軸と可動筒（脛軸）の関係（可動筒が時計回りに回転）を示す模式図。
【図１１Ｄ】足軸と可動筒（脛軸）の関係（足軸が反時計回りに回転）を示す模式図。
【図１１Ｅ】足軸と可動筒（脛軸）の関係（足軸が時計回りに回転）を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａ〜図３Ａに示すように本発明の実施例１のロボット用の足首関節機構Ａ１は、左足１（足）と、左足１に連結される左脛２（脛）と、左足１と左脛２を接続する付勢バネとを備える。
【００１０】
図１Ａ及びＢに示すように左足１は略扁平状の足本体部１ａと足本体部１ａの甲側から脛側に向かって隆起した足首部１ｂを備える。足本体部１ａは、踵（かかと）部３から爪先部４にかけて略Ｖ字板状に形成され、爪先部４が足袋状に母指球部４ａと小指球部４ｂの二股に分かれる。母指球部４ａ、小指球部４ｂ及び踵部３の足裏には、それぞれ足裏の厚さ方向に円盤状の弾性部材５と弾性部材５の表面から略半球状に盛り上がるグリップ部６が形成され、各グリップ部６の先端は同一平面上に位置する（図１Ａ）。
【００１１】
左足１の平面視（図１Ｂ）において、母指球部４ａと踵部３の両グリップ部６の中心Ｏ１、Ｏ２を結ぶ前後方向の直線Ｒ１は左足１の進行方向と平行又は略平行となり、小指球部４ｂと踵部３の両グリップ部５の中心Ｏ３、Ｏ２を結ぶ直線Ｒ２は直線Ｒ１から踵部３の中心Ｏ２を軸に反時計回り（鋭角α）にずれている。また、直線Ｒ１の長さＤ１は、直線Ｒ２の長さＤ２より長く（Ｄ１＞Ｄ２）設定される。
【００１２】
図１Ａ、２Ａ及び２Ｂに示すように足首部１ｂは左足１の内外両側に仮想的に位置する踝（くるぶし）を貫く仮想踝軸線を軸線Ｇ１とする肉厚円筒状の足軸７を備え、足軸７は足首部１ｂに固定される。また、平面視（図１Ｂ）において、足首部１ｂは踵部３のグリップ部６の中心Ｏ２から左足１の重心Ｇ側にずれて配置される。
【００１３】
図２Ａ及び２Ｂに示すように左脛２は足首部１ｂを両側から挟む一対の脛部材２ａを備える。脛部材２ａは脹脛（ふくらはぎ）側に突出する突出部８（図１Ａ）と、足軸７と同軸で円筒状の足軸７の中空部分に配置される円柱状の脛軸９を備え、脛軸９は図示しない軸受を介して脛部材２ａに挿通される。
【００１４】
図２Ａに示すように脛軸９はステッピングモーター１０に接続される。図示は省略するが、ステッピングモーター１０の回転子は脛軸９と連動しており、ステッピングモーター１０を駆動すると、回転子と連動する脛軸９は軸線Ｇ１回りに正逆両方向に回転可能になっている。また、ステッピングモーター１０の電源ＯＮでの動作停止中は、回転子と固定子との関係が一定に保たれるので、外部からトルクが働いても回転子はロックされて脛軸９は回転することができない。
【００１５】
図３Ａに示すように円柱状の脛軸９を囲むように肉厚円筒状の足軸７が脛軸９と同一軸線Ｇ１上に配置される。図４Ａに示すように足軸７の内面には軸線Ｇ１回りに等角度間隔で凹部状に形成された複数のカム溝７ａが形成される。カム溝７ａは軸線Ｇ１回りの反時計方向側において反時計方向側から時計方向側に向けて溝が僅かに深く形成される。また、カム溝７ａの時計方向側から反時計方向側に向けてバネ１１が備わる。脛軸９とカム溝７ａとバネ１１に囲まれるように各カム溝７ａには脛軸９の駆動を足軸７に伝達する媒体となるコロ１２が備わる。足軸７、脛軸９、バネ１１及びコロ１２により足軸７と脛軸９の回転を規制する回転手段となるワンウェイクラッチ１３を構成する。ワンウェイクラッチ１３において、ステッピングモーター１０（図２Ａ）により回転する脛軸９が駆動軸、足軸７が従動軸となる。なお、図１Ａ、図２Ｂ及び図３Ａ等ではステッピングモーター１０は省略してある。
【００１６】
図１Ａ、図２Ａ及び図３Ａに示すように左足１と左脛２はワンウェイクラッチ１３で連結されるとともに、付勢バネにも連結される。付勢バネは左脛２の脹脛側において突出部８と左足１の後側表面を接続する押しバネ１４である。図２Ａでは押しバネ１４は一対の脛部材２ａの両方に備わるが、脛部材２ａに一方のみに備えてもよい。
【００１７】
次にステッピングモーター１０の動作をワンウェイクラッチ１３の動作と絡めて説明する。最初にステッピングモーター１０を停止させた状態（脛軸９を静止させた状態）での足軸７（左足１）の動作を説明する。図１Ｂに示すように左足１は軸線Ｇ１から進行方向側に重心Ｇが位置するため、図３Ｂに示すように図３Ａの足首関節機構Ａ１から押しバネ１４を取り外した機構を想定すると左足１及び左足１に固定された足軸７は左足１の自重により軸線Ｇ１（脛軸９）回りに反時計方向に回転しようとする。
【００１８】
よって、ワンウェイクラッチ１３の内部では図４Ａに示すように足軸７と左足１（図示省略）を軸線Ｇ１に対し反時計回りに回転させる力が働き、コロ１２を足軸７に形成されたカム溝７ａから極僅かだけ離間した非係合位置に移動させる。この位置では足軸７がコロ１２を介して脛軸９と噛み合わないため、足軸７の回転力は脛軸９に伝わらない。
【００１９】
一方、例えば外力により左足１（足軸７）を軸線Ｇ１に対して時計回りに回転させる力を左足１に加えると、図４Ｂに示すように左足１（図示省略）に固定された足軸７が時計回りに回転しようとし、足軸７に接触しているコロ１２は摩擦力で時計回りに回転しようとするが、この回転力にバネ１１の押圧も加わって、コロ１２を足軸７の移動方向とは逆に、更にカム溝７ａの奥の係合位置に向かって移動させる。この位置はコロ１２の直径よりも隙間が小さいから、足軸７と脛軸９との間にコロ１２が噛み合い、足軸７の駆動力はコロ１２を介して脛軸９に伝わり、脛軸９も時計回りに回転しようとすると、脛軸９がロックされているので、足軸７も時計回りに回転できない。
【００２０】
次にステッピングモーター１０が駆動して脛軸９を軸線Ｇ１回りに回転させる動作を説明する。なお、説明の便宜上、足軸７（左足１）は静止した状態での動作を説明する。
【００２１】
図４Ｃに示すように足軸７（左足１）が静止した状態でステッピングモーター１０により脛軸９（回転子）を反時計回りに回転させると、脛軸９に接触しているコロ１２は摩擦力で時計回りに回転しようとするが、この回転力にバネ１１の押力も加わって、脛軸９の移動方向と同方向にコロ１２を移動させ、更にコロ１２をカム溝７ａの奥の係合位置に向かって移動させる。この位置はコロ１２の直径よりも隙間が小さいから、脛軸９と足軸７の間にコロ１２が噛み合い、脛軸９の駆動力はコロ１２を介して足軸７に伝わり、脛軸９と足軸７が一緒に回転する。
【００２２】
逆に図４Ｄに示すように足軸７が静止した状態でステッピングモーター１０により脛軸９（回転子）を時計回りに回転させると、脛軸９に接触しているコロ１２は摩擦力で反時計回りに回転しようとするが、この回転力はコロ１２を脛軸９の移動方向とは逆に、バネ１１を押しながら非係合位置に移動させる。この位置はコロ１２の直径よりも隙間が大きいから脛軸９とコロ１２と足軸７が噛み合わず、脛軸９の駆動力は足軸７に伝わらない。ただし、この状態で足軸７を外力で時計回りに回転することができるが、脛軸９の回転速度を超えることはできない。
【００２３】
以上より、ワンウェイクラッチ１３は従動軸である足軸７（左足１）が駆動軸である脛軸９（回転子）の回転と連動して一方向（反時計回り）に回転可能、かつ、脛軸９（回転子）と独立して一方向（反時計回り）のみに回転可能である。なお、図４Ｄに示すように脛軸９（回転子）を他方向（時計回り）に回転させることで、足軸７（左足１）が外力により他方向（時計回り）に回転可能となる。
【００２４】
次に、左足１が踵部３から床面Ｆに着地する際の左足１と左脛２の動作の一例を説明する。左足１が着地する床面Ｆは平面とし、左足１が着地する際、左脛２が床面Ｆに対する自らの角度（図５Ａ〜Ｅで左脛２に沿うように床面Ｆまで延びる破線と床面Ｆによりなす鋭角β）を一定に保つように着地する動作を説明する。動作説明の便宜上、二足歩行とは異なる動作を説明し、二足歩行の動作は後述する。
【００２５】
先ず、図５Ａに示すように左足１が床面Ｆに着地する直前の状態を説明する。左足１の後側（踵側）で、左足１と左脛２がワンウェイクラッチ１３により連結されているため、左足１の自重により左足１に固定された足軸７が反時計回りに回転すると、足軸７の回転が脛軸９に伝達されず（図４Ａ）、足軸７（左足１）が独立して反時計回りに回転しようとする。
【００２６】
しかし、左脛２の突出部８と左足１の後側表面を接続する押しバネ１４により左足１が時計回りに付勢され、左足１及び左足１に固定された足軸７が反時計回りに回転することが阻止される。その結果、左足１と左脛２の状態（着地前状態）が保持される（図５Ａ）。
【００２７】
次に、図５Ｂに示すように左足１と左脛２の着地前状態を保持し、踵部３が床面Ｆに接触する。図５Ｂは便宜的に踵部３が床面Ｆに接触した状態を図示し、左足１には左脛１から荷重が加えられていないため、左足１と左脛２は着地前状態を保持する。
【００２８】
左足１の踵部３が床面Ｆに着地すると（図５Ｂ）、左足１が軸足となりロボットの荷重が左脛２を介してワンウェイクラッチ１３に加わる。よって、踵部３の着地点Ｌを支点、ワンウェイクラッチ１３を作用点とし、左足１を反時計回りに回転させるトルクが働く。すると、図５Ｃ及びＤに示すように押しバネ１４の付勢に抗して軸線Ｇ１回りに左足１が床面Ｆに向けて独立して回転し（図４Ａ）、足裏の長手側が床面Ｆに沿って着地する（図５Ｅ）。
【００２９】
なお、踵部３における略半球状のグリップ部６の着地点Ｌを支点として左足１が回転するに伴い、グリップ部６と床面Ｆとの接触点（支点）は多少なりとも移動するが、その移動した接触点を含めて着地点Ｌと表現する。
【００３０】
左足１が着地する際、左脛２は床面Ｆに対する自らの角度（鋭角β）を保ち床面Ｆに接近するため、図５Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅと左足１が回転するに従い押しバネ１４が圧縮されて、押しバネ１４に付勢力が蓄えられる。
【００３１】
次に、図６Ａ〜Ｅに示すように足首関節機構Ａ１を左右両方の脚に設けたロボットが二足歩行する動作を説明する。図６Ａ〜Ｅに示すように二足歩行時に左足１の踵部３が着地した状態では（図６Ａ、図７Ａ）、左脛２の膝関節部分Ｎが後方（進行方向の後方）に倒れた状態であり（図６Ａ、図７Ａ）、右足１０１の蹴り出し（図６Ａ）によりロボット全体の重心が移動し、膝関節部分Ｎが後方に倒れた状態から垂直状態（図６Ｂ及びＣ、図７Ｂ）を経て前方に倒れた状態（図６Ｄ及びＥ、図７Ｃ〜Ｅ）へ移動する。
【００３２】
図６Ａ〜Ｅの一連の動きにおいて、膝関節部分Ｎが前方へ移動する（図６Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ、図７Ａ→Ｂ→Ｃ）ためには、左脛２は左足１の全体が着地する時までにステッピングモーター１０で脛軸９を時計回りに回転させることで、脛軸９の時計回りの回転がなければ時計回りに回転できない足軸７が左足１を着地させたまま時計方向に、ステッピングモーター１０による脛軸９の回転よりも遅い、任意の速度で回転可能になる。
【００３３】
この結果、左足１の全体が着地を維持したまま、左脛２が床面Ｆに対し垂直に立つことができる（図６Ａ→Ｂ→Ｃ、図７Ａ→Ｂ）。これは、左脛２が軸線Ｇ１回りに反時計回りに回転、すなわち、図７Ａ→Ｂに示すように左脛２が軸線Ｇ１を軸に外部からの力を受けて着地している左足１に向かって相対的に接近することで実現され、これに伴い押しバネ１４が伸長することとなる。
【００３４】
その後、左脛２が床面Ｆに対し垂直になる手前までに右足１０１を浮かせ（図６Ｂ）、ロボット全体の重心が進行方向に向けて移動して右足１０１が左足１の前に移動し（図６Ｂ→Ｃ→Ｄ）、左足１が床面Ｆに着地した状態を維持したまま左脛２が左足１の甲側に倒れる（図６Ｄ、図７Ｃ）。この際、詳細は省略するが、ステッピングモーター１０の回転と押しバネ１４により左脛２が倒れる位置が保持される。
【００３５】
左脛２が十分倒れて右足１００の踵部１０３が着地しようとすると（図６Ｅ）、この状態を図示しない角度センサーが検出し、この信号を受けて時計回りに回転していたステッピングモーター１０は反時計回りに回転を開始する。
【００３６】
ステッピングモーター１０による脛軸９の反時計回りの回転は、直接連動する足軸７を反時計回りに回転させ、この結果、図７Ｃ〜Ｅに示すように今まで着地していた左足１の母指球部４ａは床面Ｆを押し、踵部３が浮くように反時計回りの力が加えられ、左脛２と左足１との角度γが広がるように作用し、左脛２の関節部分Ｎを進行方向に向けて送り出して右足１０１の踵部１０３を着地させる動作となる。この状態が足の左右を変えた図６Ａである。
【００３７】
そして、右足１０１が上記の左足１と同様の動作をして、後ろに残った左足１が床面Ｆから離れる遊脚時にステッピングモーター１０を任意の角度に回転させると、左足１は押しバネ１４に押されているため脛軸９と足軸７が一緒に回転して、左足１と左脛２の角度γを踵部３が着地するのに適する角度γ（図５Ａ）まで戻すことができる。
【００３８】
以上のように左足１の足首関節機構Ａ１は、図５Ａに示すように足軸７に固定された左足１の自重で左足１（足軸７）が軸線Ｇ１回り（反時計回り）に回転する（図４Ａ）のを押しバネ１４で阻止し、遊脚時の左足１と左脛２の位置関係を保つことができる。
【００３９】
その遊脚が軸足となるように左足１の踵部３が床面Ｆに着地すると（図５Ｂ）、着地点Ｌ（踵部３）より左足１の重心Ｇ側に位置する（図１Ｂ参照）ワンウェイクラッチ１３にロボットの荷重が加わり、押しバネ１４の付勢に抗して左足１が床面Ｆに向けて独立して回転し、床面Ｆに沿うように左足１を着地させることができる。
【００４０】
足軸７と脛軸９をワンウェイクラッチ１３の構成部品とすることで、図４Ａ〜Ｄに示すように足軸７及び脛軸９の回転を簡易に規制できる。足軸７が左足１に固定され、脛軸９がステッピングモーター１０と連動して回転可能とされることで、左足１の動作も簡易に規制できる。この際、平面視（図１Ｂ）において、足首部１ｂは踵部３の中心Ｏ２から左足１の重心Ｇ側にずれて配置されることで、左脛２から左足１に加わる荷重により左足１（足軸７）を反時計回りに回転させることができる。
【００４１】
また、図５Ｃの破線に示すように床面Ｆが傾斜している場合には傾斜面に沿うように足裏を着地させることができ、図８Ａ及びＢに示すように床面Ｆに凹凸が形成される場合、爪先部４が凹凸に接触することで左足１（足軸７）の回転が止まり、足裏と凹凸の接触部と踵部３の少なくとも２か所が床面Ｆに接し、ロボットのバランスを保ち易くなる。
【００４２】
着地面が事前に計測不可能な傾斜面や凹凸面をロボットに歩行させる場合、たとえ足首がどの方向にも自由に動く構造であったとしても、遊脚後期から着地に至る時点での足裏と床面Ｆのなす鋭角θ１が適切に設定されていないと転倒に及ぶ可能性が高くなる。具体的にはロボットの爪先が傾斜面や凹凸面に接触してしまう場合などである。この傾向は歩行速度が速くなるほど大きくなるため、歩幅に合わせて床面Ｆとのなす鋭角θ１を拡大させるようにすることが望ましい。これは、図５Ｃに示すように向う脛側において左足１と左脛２がなす角度γを予め設定することにより歩幅に比例して床面Ｆのなす鋭角θ１を拡大させることが可能となる。具体的には、着地時（図５Ｃ）では角度γが１８０度を標準角度にし、着地面が予め平面と分かっている場合（又は計測している場合）は標準角度以上に、他方、着地面の状況が計測不可能な場合は標準角度以下に設定すると良い。
【００４３】
図１Ａに示すように足軸７と脛軸９の軸線Ｇ１は左足１と左脛２の内外両側に仮想的に位置する踝を貫く仮想踝軸線として設定することで人間の足首に類似した関節の可動が可能となる。つまり、軸線Ｇ１を基準として、左足１を時計回りに付勢する押しバネ１４を圧縮可能な範囲内で、左足１に固定される足軸７は反時計回りに回転可能となり、広い可動域を確保できる。
【００４４】
ロボットが二足歩行をする場合は、図６Ａ及び図７Ａに示すよう左足１の踵部３が床面Ｆに着地した状態からステッピングモーター１０（図示省略）で脛軸９を時計回りに回転させることで、左足１は床面Ｆに着地した状態のまま、軸線Ｇ１を軸として左脛２を左足１の甲側に向けて倒す（左足１（足軸７）を軸線Ｇ１回りに相対的に時計回りに回転させる）ことができ（図６Ａ〜Ｄ）、人間の歩行動作と同様の動きをロボットで実現できる。
【００４５】
また、図７Ｃの状態からステッピングモーター１０（図示省略）で脛軸９（回転子）を反時計回りに回転させることで脛軸９の回転が足軸７（左足１）に伝達され、床面Ｆに着地した左足１で床面Ｆを蹴り上げることができる（図７Ｃ→Ｄ→Ｅ）。
【００４６】
図１Ｂに示すように足本体部１ａは、踵部３から爪先４にかけて略Ｖ字板状に形成され、左足１の左右方向に対しても安定した着地が可能となる。また、爪先部４が足袋状に母指球部４ａと小指球部４ｂの二股に分かれることで、床面Ｆとの接地点を明確に分散できロボットのバランスを保ち易くなる。
【００４７】
また、足裏の弾性部材５が着地の衝撃を緩衝するとともに各グリップ部６が同一平面上に位置し、床面Ｆが平面の場合には安定した着地が可能となる。また、グリップ部６が略半球状に形成されることで、図５Ａ〜Ｅに示すようにグリップ部６を支点として左足１が回転（着地）し、足裏を円滑に着地させることが可能となる。
【００４８】
図１Ｂに示すように母指球部４ａと踵部３の両グリップ部６の中心Ｏ１、Ｏ２を結ぶ直線Ｒ１は左足１の進行方向と平行又は略平行のため、進行方向に沿うように踵部３と母指球部４ａを着地させることができ、ロボットの歩行が安定する。また、長さＤ１が長さＤ２より長く（Ｄ１＞Ｄ２）設定されることで、着地面の状況によらず蹴り上げ時の荷重を母指球部４ａに集中させることができるため歩行が安定する。
【００４９】
以上、左足１の足裏の長手側が床面Ｆに沿うように足裏を着地させる足首関節機構Ａ１について説明した。
【００５０】
次に、図９Ａ〜Ｄに示すように左脛２を足側脛部２ｂと膝側脛部２ｃの２部材に分けて、左足１の足裏の長手側及び短手側が床面Ｆに沿うように着地させる実施例２の足首関節機構Ａ２について説明する。なお、図９Ａでは膝側脛部２ｃに接続する押しバネ１４は省略してある。
【００５１】
実施例２では、先ず、左足１と足側脛部２ｂの関節機構に実施例１の足首関節機構Ａ１を適用する。次に、足側脛部２ｂと膝側脛部２ｃの関節機構に軸線Ｇ１と交差（直交）して左足１の前後方向に伸びる前後軸線Ｇ２を軸とするワンウェイクラッチを設けて足側脛部２ｂと脛側脛部２ｃを接続する。
【００５２】
左足１の前後方向（進行方向）に着地する動作は実施例１と同様である。一方、左足１の左右方向に着地する動作は、図１０Ａ〜Ｄに示すように母指球部４ａの代わりに小指球部４ｂのグリップ部６が床面Ｆに沿うように足裏を着地させる以外は実施例１と同様である。踵部３が床面Ｆに着地後、着地点Ｌを支点として、左足１が床面Ｆに向けて前後軸線Ｇ２回りに独立して回転し、足裏の短手側が床面Ｆに沿うように足裏を着地させる。
【００５３】
図９Ａに示すように左足１が足側脛部２ｂの軸線Ｇ１回りに回転可能であり、図９Ｂに示すように左足１及び足側脛部２ｂが膝側脛部２ｃの軸線Ｇ２回りに回転可能であることで、足裏の長手側及び短手側がほぼ同時に床面Ｆに沿うように着地することが可能となり、着地がより安定する。
【００５４】
また、左脛２における前後軸線Ｇ２の位置を左足１（軸線Ｇ１）に近づけることにより、床面Ｆの傾斜や凹凸に対する小指球部４ｂの着地可能角度を拡大させることができる。なお、実施例２では軸線Ｇ１と軸線Ｇ２が立体交差する例を示したが、ユニバーサルジョイント又はそれに類似した機構を利用して軸線Ｇ１と軸線Ｇ２を平面交差させる構造としてもよい。
【００５５】
実施例２の説明では２つのワンウェイクラッチを用いる足首関節機構を例示した。変形例として、左足１の軸線Ｇ２回りに正逆両方向に回転可能な電磁クラッチを用い、図示しない荷重センサーにより左足１に対して左右方向の床面Ｆに対する荷重を検出した後に電磁クラッチを作動させて、左足１の左右方向の床面Ｆに対する左足１の角度を固定する構成としてもよい。
【００５６】
左足１の左右方向に対する関節機構に電磁クラッチを設けることで、進行方向に対して左足１を蹴り上げる際に左右方向に対する左足１と左脛２の位置関係が固定され、蹴り上げが円滑となる。
【００５７】
以上、本発明の実施例１及び２について説明したが、本発明はその具体的な記載に限定されることなく、例示した構成等を技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせて実施することも可能であるし、またある要素、処理を周知の形態に置き換えて実施することもできる。
【００５８】
上記の説明では左足１と左脛２に足首関節機構を設けた例を説明したが、右足と右脛に足首関節機構を設けてもよい。右足と右脛に足首関節機構を設ける場合は、足本体部１ａの形状を左足１の内側に対し反転させて配置すればよい。
【００５９】
上記実施例１では、図３Ａに示すように脛軸９の駆動を足軸７に伝達する媒体としてバネ１１とコロ１２が脛軸９と足軸７の間に備わるワンウェイクラッチ１３を用いた場合について例示したが、これに代えて例えば図１１Ａに示すように軸線Ｇ１回りに脛軸９の一部を囲むように脛軸９に挿通されて脛軸９と一体に可動する可動筒１５と、軸線Ｇ１回りに脛軸９を囲むように脛軸９に挿通されて軸線Ｇ１方向において可動筒１５と隣接する足軸７が、可動筒１５と接触するように可動筒１５を付勢するバネ１６を用いて脛軸９の駆動を足軸７に伝達するワンウェイクラッチ１１３を構成してもよい。
【００６０】
具体的には、可動筒１５は、足軸７と接触する環状の端面の縁部にセレーション状の爪部１５ａを有し、足軸７も爪部１５ａと嵌合するセレーション状の嵌合爪部７ｂを有する。図１１Ｂ〜Ｅは可動筒１５（脛軸９）と足軸７の動作を概念的に示したものである。図１１Ｂに示すように可動筒１５（脛軸９）が反時計回りに回転すると爪部１５ａが嵌合爪部７ｂと互いに噛み合う方向に回転し、更にバネ１６の付勢により爪部１５ａと嵌合爪部７ｂの噛み合いが維持されたまま可動筒１５の回転が足軸７に伝達され、足軸７及び足軸７に固定された左足１は可動筒１５（脛軸９）と一体となり反時計回りに回転する。
【００６１】
逆に図１１Ｃに示すように可動筒１５（脛軸９）が時計回りに回転すると、爪部１５ａが嵌合爪部７ｂとの噛み合いが外れる方向に回転することで、バネ１６の付勢に抗するように爪部１５ａと嵌合爪部７ｂの噛み合いを外し、可動筒１５（脛軸９）の回転が足軸７に伝達されず、可動筒１５（脛軸９）が足軸７に対して時計回りに空転する。
【００６２】
一方、重力により足軸７（左足１）が反時計回りに回転する場合（図１１Ｄ）、嵌合爪部７ｂが爪部１５ａとの噛み合いが外れる方向に回転することで、バネ１６の付勢に抗するように爪部１５ａと嵌合爪部７ｂの噛み合いを外し、足軸７の回転が可動筒１５（脛軸９）に伝達されず、足軸７が可動筒１５（脛軸９）とは独立して反時計回りに回転する。
【００６３】
また、外力により足軸７（左足１）を軸線Ｇ１に対して時計回りに回転させる力が働く場合（図１１Ｅ）、嵌合爪部７ｂが爪部１５ａと噛み合う方向に回転し、更にバネ１６により爪部１５ａと嵌合爪部７ｂの噛み合いが維持されたまま可動筒１５（脛軸９）の回転が足軸７に伝達されるが、電源ＯＮでの動作停止中のステッピングモーター１０により回転子（脛軸９）と固定子（左脛２）の位置関係は固定されるため、脛軸９（可動筒１５）がロックされ、足軸７（左足１）の時計回りの回転が阻止される。
【００６４】
なお、回転手段としてワンウェイクラッチ１３、１１３を例示したが、ワンウェイクラッチ１３、１１３に限らず、それに類似する機構を用いてもよい。また、付勢バネとして押しバネ１４を例示したが、突起部８を向う脛側に設けて引きバネを用いてもよい。更に、足首関節機構として二足歩行ロボットを例示したが、４足歩行などの足首関節により動くロボットに対して本発明の機構を適用することができる。
【００６５】
更に、モーターとしてステッピングモーター１０を例示したが、ステッピングモーター１０に限らず、サーボモーター、直流モーターなど各種の電動モーターを用いてもよい。なお、モーターにより回転する脛軸９が外力により回転する場合は、適宜、減速機構を設ければよい。
【符号の説明】
【００６６】
１    左足（足）              １ａ  足本体部
１ｂ  足首部                  ２    左脛（脛）
２ａ  脛部材                  ３    踵部
４    爪先部                  ４ａ  母指球部
４ｂ  小指球部                ５    弾性部材
６    グリップ部              ７    足軸
８    突出部                  ９    脛軸（モーター出力軸）
１０  ステッピングモーター（モーター）
１１  バネ                    １２  コロ
１３  ワンウェイクラッチ（回転手段）
１４  押しバネ（付勢バネ）    Ｆ    床面
Ｇ    左足の重心              Ｇ１  軸線（仮想踝軸線）
Ｇ２  軸線（前後軸線）        Ｌ    着地点
【図１Ａ】
2015074050.tif 000003
【図１Ｂ】
2015074050.tif 000004
【図２Ａ】
2015074050.tif 000005
【図２Ｂ】
2015074050.tif 000006
【図３Ａ】
2015074050.tif 000007
【図３Ｂ】
2015074050.tif 000008
【図４Ａ】
2015074050.tif 000009
【図４Ｂ】
2015074050.tif 000010
【図４Ｃ】
2015074050.tif 000011
【図４Ｄ】
2015074050.tif 000012
【図５Ａ】
2015074050.tif 000013
【図５Ｂ】
2015074050.tif 000014
【図５Ｃ】
2015074050.tif 000015
【図５Ｄ】
2015074050.tif 000016
【図５Ｅ】
2015074050.tif 000017
【図６Ａ】
2015074050.tif 000018
【図６Ｂ】
2015074050.tif 000019
【図６Ｃ】
2015074050.tif 000020
【図６Ｄ】
2015074050.tif 000021
【図６Ｅ】
2015074050.tif 000022
【図７Ａ】
2015074050.tif 000023
【図７Ｂ】
2015074050.tif 000024
【図７Ｃ】
2015074050.tif 000025
【図７Ｄ】
2015074050.tif 000026
【図７Ｅ】
2015074050.tif 000027
【図８Ａ】
2015074050.tif 000028
【図８Ｂ】
2015074050.tif 000029
【図９Ａ】
2015074050.tif 000030
【図９Ｂ】
2015074050.tif 000031
【図９Ｃ】
2015074050.tif 000032
【図９Ｄ】
2015074050.tif 000033
【図１０Ａ】
2015074050.tif 000034
【図１０Ｂ】
2015074050.tif 000035
【図１０Ｃ】
2015074050.tif 000036
【図１０Ｄ】
2015074050.tif 000037
【図１１Ａ】
2015074050.tif 000038
【図１１Ｂ】
2015074050.tif 000039
【図１１Ｃ】
2015074050.tif 000040
【図１１Ｄ】
2015074050.tif 000041
【図１１Ｅ】
2015074050.tif 000042