(57)【要約】      （修正有）【課題】速い関節速度と大きな関節トルクの両立が可能な人間型ロボットの関節機構を提供する。【解決手段】第一リンクと第二リンクの接合部にある関節を、第一リンクと第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、低負荷がかかる姿勢においては、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することを特徴とする。【選択図】  図１
2008036796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第一リンク、第二リンクを備えるとともに、第一リンクと第二リンクの接合部に関節を備え、前記関節を前記第一リンクと前記第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、
アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、
第一リンクと第二リンクの伸展姿勢にて、
前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成する
ことを特徴とするロボットの駆動機構。
【請求項２】
少なくとも第一リンク、第二リンクを備えるとともに、第一リンクと第二リンクの接合部に関節を備え、前記関節を前記第一リンクと前記第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、
アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、前記関節が駆動されることによる第一リンクと第二リンクの姿勢は、第一リンクと第二リンクが伸展姿勢となる状態を含み、更には、その一端の姿勢が屈折姿勢であるとともに、他端の姿勢が逆折姿勢であり、
第一リンクと第二リンクの逆折姿勢にて、
前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成する
ことを特徴とするロボットの駆動機構。
【請求項３】
少なくとも第一リンク、第二リンクを備えるとともに、第一リンクと第二リンクの接合部に関節を備え、前記関節を前記第一リンクと前記第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、
アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、
第一リンクと第二リンクの屈折姿勢にて、
前記能動出力軸と前記第一支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することを特徴とするロボットの駆動機構。
【請求項４】
請求項１または請求項２の駆動機構と、請求項３の駆動機構を同一関節に適用することを特徴とするロボットの駆動機構。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかの駆動機構を備えた関節を、少なくとも一関節有することを特徴とする人間型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節の駆動機構に関するものであり、特に人間型ロボットの小型化とともに、速い関節速度と大きな関節トルクを必要とする関節に好適に利用できる駆動機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの関節の駆動機構は、１つのアクチュエータで複数の関節を駆動する駆動機構や、複数のアクチュエータで複数の関節を干渉駆動する駆動機構や、１つのアクチュエータで１つの関節を駆動する駆動機構など、多種多様存在する。
【０００３】
１つのアクチュエータで複数の関節を駆動する駆動機構では、小型化に非常に優れており、また、複数の関節を構成する両端リンクの相対変位角を大きくできる利点もある。例えば、特許文献１には、１つのアクチュエータで２つの関節を供えた肘部位を駆動する機構が記載されている。しかしながら、アクチュエータのパワーが複数の関節で分散消費されるため、大きな関節トルクを得ることが難しい問題がある。
【０００４】
複数のアクチュエータで複数の関節を干渉駆動する駆動機構では、速い関節速度を必要とする関節と大きな関節トルクを必要とする関節を互い補いながら駆動できる利点がある。しかしながら、干渉駆動であるためにアクチュエータの動作計画が難しくなる問題がある。
【０００５】
一方、１つのアクチュエータで１つの関節を駆動する駆動機構では、アクチュエータの動作計画が容易であり、多くのロボットで用いられている。例えば、特許文献２には、１つのアクチュエータで１つの関節を駆動する脚式歩行ロボットが記載されている。しかしながら、１つのアクチュエータで１つの関節を駆動する駆動機構では、速い関節速度と大きな関節トルクを両立させるために、大きなパワーのアクチュエータが必要であり、小型化が難しい問題がある。特に、体内スペースの限られた脚式歩行ロボットや人間型ロボットの場合には、大きなアクチュエータを搭載することが難しく、速い関節速度と大きな関節トルクを両立させることは難しい問題がある。
【０００６】
そのため、脚式歩行ロボットや人間型ロボットでは、限られた体内スペースに搭載可能なアクチュエータと減速機構を用いて、関節トルクを優先し、要求される動作を実現するための関節トルクの最大値を得られるように、減速機構の減速比が設定されている。例えば、膝関節などは、深く膝関節を屈折した際に一番大きなトルクが必要であり、屈折姿勢から立ち上がる動作を実現するため、屈折姿勢時の関節トルクを得られるように、減速機構の減速比が設定されている。そのため、アクチュエータと減速機構により駆動される関節の関節速度が制限され、速い動作を実現することが難しくなる問題がある。特に、脚式歩行ロボットや人間型ロボットにおいては、膝関節の関節速度の制限により、歩行速度が上げられない問題がある。
【０００７】
そのため、脚部の下腿リンクの重量を軽減した脚式ロボットが、例えば特許文献３や特許文献４に記載されている。
【０００８】
一方、脚式歩行ロボットを実環境にて動作をさせる場合、床面の凹凸などの予期環境の変化により容易に転倒をすることがある。
【０００９】
そのため、脚式歩行ロボットを実環境において、安定した動作を実現するために、脚式ロボットに搭載したセンサを用いた制御装置が、例えば特許文献５に記載されている。
【特許文献１】特開２００４−１４１９７６
【特許文献２】特許第２５９２３４０号公報
【特許文献３】特開２００４−２９８９９７
【特許文献４】特開２００５−３３４９７８
【特許文献５】特許第３６２９１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３や特許文献４の脚式ロボットでは、足首関節を駆動するアクチュエータを下腿リンク内ではなく、膝関節を駆動するアクチュエータと共に大腿リンク内に配置している。これにより、下腿リンクの重量を軽減し、下腿リンクを駆動する慣性力を軽減することにより膝関節の駆動による下腿リンクの振り出し速度を向上することが可能になってきた。
【００１１】
しかしながら、特許文献３や特許文献４の脚式ロボットにより、膝関節の駆動による下腿リンクの振り出し速度を向上することができるものの、その膝関節の関節速度の最大値は、１つのアクチュエータで膝関節を駆動しているために、アクチュエータ自身の最大回転数と減速比で決定される関節速度の最大値で頭打ちとなり、歩行速度を飛躍的に向上することは難しい問題が引き続き存在している。
【００１２】
一方、特許文献５の脚式ロボットの制御装置では、ロボットの姿勢傾斜を検出し、目標全床反力中心点まわりの補償全床反力モーメントを決定し、各足平（足裏）に配分して目標全床反力中心点まわりと目標各足平床反力中心点まわりに、それぞれ所定角度回転させるように足平の位置・姿勢を決定している。これにより、実環境において安定した動作を実現することが可能になってきた。
【００１３】
しかしながら、ロボットを最終的に動かすためには、脚式ロボットの制御装置で決定した足平の位置・姿勢から、関節への指令角度を決定する必要がある。その際、特異姿勢に近い状態においては、例えば、大腿リンクと下腿リンクの接合部の膝関節が伸展した姿勢に近い状態においては、足平の位置・姿勢の変化量に対する膝関節の変化量は大きく、従って、膝関節が伸展姿勢に近い状態においては、膝関節には速い関節速度が必要になる問題がある。この問題を回避するため、一般的には十分に膝を曲げた姿勢で動作をさせているが、膝関節が伸展姿勢に近い状態を含む多種多様な動作に対して安定した動作を実現するためには、膝関節が伸展姿勢に近い状態において、速い関節速度を備えた膝関節が求められている。
【００１４】
本発明は、このような問題と要求を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、高負荷がかかる姿勢においては低関節速度及び高関節トルクを実現するとともに、低負荷姿勢においては高関節速度及び低関節トルクを実現し、速い関節速度と大きな関節トルクを両立可能なロボットの駆動機構を提供することにある。特に、人間型ロボットの膝関節の駆動機構や、胸部位と尻部位を相対変化させる腰関節（本明細書では、人間型ロボットの胸部位と尻部位を相対変化させる関節を「腰関節」と言う。以下同じ。）の駆動機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するため、本発明の第１の解決手段によれば、第一リンクと第二リンクの接合部にある関節を、第一リンクと第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、低負荷がかかる姿勢において、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することにより、低負荷がかかる姿勢において高関節速度及び低関節トルクを実現することが可能になり、速い動作を実現可能な駆動機構を実現することができる。
【００１６】
このような本発明の第１の解決手段によれば、低負荷がかかる姿勢において、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成するようにしたため、駆動機構における特異姿勢（本明細書においては、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成したことによる駆動機構における特異姿勢を「第一特異姿勢」という。また、「ある２点を通る直線」とは、その２点を通るまっすぐな線のうちでその点の両側について、無限の長さを持った線のことをいい、さらに、「２点を通る線分」とは、ある点２つを結んで得られるまっすぐな線のことをいう。以下同じ。）の状態になる。そのため、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ線方向のアームリンクの移動変化量に対する前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ第二リンク上の直線（本明細書においては、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ第二リンク上の直線を「第二枝リンク」と言う。以下同じ。）と前記関節の軸と前記能動出力軸を結ぶ第一リンク上の直線（本明細書においては、前記関節の軸と前記能動出力軸を結ぶ第一リンク上の直線を「第一枝リンク」と言う。以下同じ。）との相対角（本明細書においては、第一枝リンクと第二枝リンクとの相対角を「枝関節角」と言う。以下同じ。）の変位量は、前記関節の軸を、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線から離れた位置に配置した場合に比べ、大きくなる。第一リンクと第一枝リンクの相対関係は不動であり、第二リンクと第二枝リンクの相対関係も不動であるため、第一リンクと第二リンクとの相対角（本明細書においては、第一リンクと第二リンクとの相対角を「関節角」と言う。以下同じ。）の変位量は、枝関節角の変位量に一致する。また、アームリンクの移動変化量は、アクチュエータにより能動リンクを回転駆動することにより実現される。そのため、第一特異姿勢では、アクチュエータにより能動リンクを能動出力軸回りに回転駆動した回転角度（本明細書においては、アクチュエータにより能動リンクを能動出力軸に回転駆動した回転角度を「能動角」と言う。以下同じ。）の変化量に対する関節角の変化量も大きくなり、高関節速度及び低関節トルクを実現することが可能になり、速い動作を実現可能な駆動機構が可能となる。
【００１７】
本発明の第１の具体的方法によれば、第一リンクと第二リンクの接合部にある関節を、第一リンクと第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、第一リンクと第二リンクの伸展姿勢にて、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することにより、低負荷がかかる姿勢において高関節速度及び低関節トルクを実現することが可能になり、速い動作を実現可能な駆動機構が実現できる。
【００１８】
本発明の第２の具体的方法によれば、第一リンクと第二リンクの接合部にある関節を、第一リンクと第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、前記関節が駆動されることによる第一リンクと第二リンクの姿勢は、第一リンクと第二リンクが伸展姿勢となる状態を含み、更には、その一端の姿勢が屈折姿勢であるとともに、他端の姿勢が逆折姿勢であり、第一リンクと第二リンクの逆折姿勢にて、前記関節の軸と前記第二支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することにより、低負荷がかかる姿勢において高関節速度及び低関節トルクを実現することが可能になり、速い動作を実現可能な駆動機構が実現できる。
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明の第２の解決手段によれば、第一リンクと第二リンクの接合部にある関節を、第一リンクと第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、高負荷がかかる姿勢において、前記能動出力軸と前記第一支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することにより、高負荷がかかる姿勢において低関節速度及び高関節トルクを実現することが可能になり、大きな関節トルクを実現可能な駆動機構を実現することができる。
【００２０】
このような本発明の第２の解決手段によれば、高負荷がかかる姿勢において、前記能動出力軸と前記第一支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成するようにしたため、第一特異姿勢とは異なる駆動機構における特異姿勢（本明細書においては、前記能動出力軸と前記第一支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成したことによる駆動機構における特異姿勢を「第二特異姿勢」と言う。以下同じ。）の状態になる。そのため、第二特異姿勢では、能動リンクを動かしても第二支軸が仮想的に固定された状態となり、能動角の変化量に対する関節角の変化量は零であり、大きな関節トルクを実現可能な駆動機構が可能となる。
【００２１】
本発明の第３の具体的方法によれば、第一リンクと第二リンクの接合部にある関節を、第一リンクと第二リンクと能動リンクとアームリンクからなるリンク機構と１つのアクチュエータにより駆動できるようにしたロボットの駆動機構において、アクチュエータを第一リンクに配置し、能動リンクは、その一端部がアクチュエータにより駆動される能動出力軸に結合され、アームリンクは、その一端部が能動リンクに設けられた第一支軸を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が第二リンクに設けられた第二支軸を介して回転可能に軸支され、第一リンクと第二リンクの屈折姿勢にて、前記能動出力軸と前記第一支軸を結ぶ直線と、前記第一支軸と前記第二支軸を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成することにより、高負荷がかかる姿勢において低関節速度及び高関節トルクを実現することが可能になり、大きな関節トルクを実現可能な駆動機構が実現できる。
【００２２】
本発明の人間型ロボットは、上記第１の具体的方法あるいは第２の具体的方法の何れかの駆動機構を備えた関節を、膝関節や腰関節に適用することにより、低負荷がかかる姿勢においては、速い動作を実現可能な人間型ロボットが実現できる。また、本発明の人間型ロボットは、上記第１の具体的方法あるいは第２の具体的方法の何れかの駆動機構を備えた関節を、膝関節に適用することにより、脚式ロボットの制御装置で決定した足平の位置・姿勢から、関節への指令角度を決定する際に、例え膝関節が伸展姿勢に近い状態においても、速い関節速度を備えた膝関節を実現でき、より安定した動作を実現できる。更に、本発明の人間型ロボットは、上記第３の具体的方法の駆動機構を備えた関節を、膝関節や腰関節に適用することにより、高負荷がかかる姿勢においては、大きな関節トルクを実現可能な人間型ロボットが実現できる。加えて、本発明の人間型ロボットは、上記第１の具体的方法あるいは第２の具体的方法の何れかの駆動機構と上記第３の具体的方法の駆動機構を備えた関節を、膝関節や腰関節に適用することにより、低負荷がかかる姿勢においては速い動作を、高負荷がかかる姿勢においては大きな関節トルクを実現可能な人間型ロボットが実現できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるロボットの駆動機構によれば、高負荷がかかる姿勢においては低関節速度及び高関節トルクを実現するとともに、低負荷姿勢においては高関節速度及び低関節トルクを実現し、速い関節速度と大きな関節トルクの両立が可能であると同時に、１つのアクチュエータで実現しているため小型化も可能となる。これにより、特に体内スペースの限られた人間型ロボットの駆動機構として好適に用いることができる。具体的には、直立姿勢や歩行時などの膝及び腰が伸展時に近い状態においては、膝関節及び腰関節への負担は、膝及び腰を最大限に屈折した姿勢時に比べ低く、これら低負荷姿勢において高関節速度及び低関節トルクを実現することにより、速い動作や速い歩行速度を実現可能な駆動機構が実現できる。また、膝関節及び腰関節の伸展姿勢において、高関節速度及び低関節トルクを実現することにより、膝関節及び腰関節が伸展姿勢に近い状態を含む多種多様な動作に対してロボットの制御装置を適用することが可能であり、安定した動作を実現できる。更に、膝及び腰を最大限に屈折した姿勢での膝関節への負担は、直立姿勢や歩行時に比べ高く、これら高負荷姿勢において低関節速度及び高低関節トルクを実現することにより、長時間しゃがみ込んだ姿勢での作業及び長時間背中をかがめ腰関節を屈折させた姿勢での作業を実現可能な駆動機構が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施する場合の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明を一態様で実施する人間型ロボットの全体構造を示す斜視図である。
図１において、１は人間型ロボット、１１Ｒ（１１Ｌ）は右脚（左脚）大腿リンク、１２Ｒ（１２Ｌ）は右脚（左脚）下腿リンク、１５Ｒ（１５Ｌ）は右脚（左脚）足裏リンク、２１Ｒ（２１Ｌ）は右脚（左脚）膝関節である。また、３１は腰リンク、３２は胸リンク、４１は腰関節である。尚、脚に関する符号に関して、数字に付属のＲとＬは、右脚と左脚をそれぞれ意味している。以下の説明では、左右対称のため、符号の数字に付属のＲとＬは省略して説明を行う。
【００２５】
図２は、本発明の一態様で実施する人間型ロボットの脚関節の構造、特に膝関節の構造を示す側面図であり、図１と同じ符号については同じ部材と関節を示している。
【００２６】
図３は、本発明の一態様で実施する人間型ロボットの腰関節の構造を示す側面図であり、図１と同じ符号については同じ部材と関節を示している。
【００２７】
なお、図１においては、より人間と類似した運動ができるように、下腿リンク１２と足裏リンク１５の接合部には、図示しない２自由度を有する足首関節を有するとともに、大腿リンク１１と腰リンク３１の接合部には、同じく図示しない３自由度を有する股関節を有し、更には頭部、右腕部、左腕部まで有する構成にしている。しかしながら、本発明を脚関節の駆動機構に適用する場合には、腰リンク、胸リンク、頭部、両腕部を一体化した構造であっても適用することが出来る。また、本発明を腰関節の駆動機構に適用する場合には、脚構造の代わりに車輪構造であっても適用することができる。
【実施例１】
【００２８】
図４は、本発明の実施例１を示す人間型ロボットの膝関節の構造を示す側面図と、実施例１の関節可動の動作原理を概念的に示した図である。図１及び図２と同じ符号については同じ部材と同じ関節を示している。
図４において、１３は能動リンク、１４はアームリンク、２２は能動出力軸、２３は第一支軸、２４は第二支軸を表している。１１ａは、大腿リンク１１の一部であり、大腿主リンクを表している。１１ｂは、同じく大腿リンクの一部であり、膝関節２１と能動出力軸２２を結ぶ大腿枝リンクを表している。また、１２ａは、下腿リンク１２の一部であり、下腿主リンクを表している。１２ｂは、同じく下腿リンクの一部であり、膝関節２１と第二支軸２４を結ぶ下腿枝リンクを表している。
【００２９】
大腿リンク１１に配置された図示しないアクチュエータの出力は、同じく大腿リンクに配置した図示しない減速機構を介して、大腿リンク１１上に設けた能動出力軸２２に伝達される。また、能動リンク１３は、その一端部が能動出力軸２２に結合されている。そのため、アクチュエータにより、能動リンク１３を、能動出力軸２２回りに、能動的に動かすことが可能な機構構成となっている。
【００３０】
また、アームリンク１４は、その一端部が能動リンク１３に設けられた第一支軸２３を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が下腿リンク１２に設けられた第二支軸２４を介して回転可能に軸支されている。そのため、アクチュエータにより能動出力軸２２回りに能動リンク１３を能動的に動かすと、大腿リンク１１と下腿リンク１２の接合部の膝関節２１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
【００３１】
大腿枝リンク１１ｂ、能動リンク１３、アームリンク１４、下腿枝リンク１２ｂの各リンク長は不変であり、各リンク間の接合部は、能動出力軸２２、第一支軸２３、第二支軸２４、膝関節２１である。
【００３２】
図４に示す通り、アクチュエータと減速機構により、能動リンク１３を能動出力軸２２回りに能動的に動かすと、大腿枝リンク１１ｂと能動リンク１３の相対関係が変化する。そのため、第一支軸２３、第二支軸２４、膝関節２１で回転可能に軸支されたアームリンク１４、下腿枝リンク１２ｂも、受動的に、大腿リンク１１ｂや能動リンク１３に対して相対関係が変化する。そのため、アクチュエータにより、大腿リンク１１と下腿リンク１２の接合部である膝関節２１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
【００３３】
図５は、本発明の実施例１の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く膝関節２１の関節角（縦軸）の関係を示している。この図では、図４（ａ）に示す伸展姿勢での能動角と関節角を、それぞれゼロとしてグラフ化している。
【００３４】
また、図６は、本発明の実施例１の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、能動角の変化量に対する関節角の変化量である増速率（縦軸）（本明細書では、能動角の変化量に対する関節角の変化量である「△関節角／△能動角」を「増速率」と言う。以下同じ。）の関係を示している。
【００３５】
ところで、本発明の実施例１では、図４（ａ）に示すように、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢にて、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようにリンク機構を構成している。このような配置方法により、図４（ａ）の伸展姿勢は、本発明の第一実施例の駆動機構における第一特異姿勢となるため、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量に対する関節角の変位量は、最大となる。
【００３６】
図７を用いて詳しく説明をする。図７において、座標原点は膝関節２１に、Ｘ軸は第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向、Ｙ軸は座標原点を通りＸ軸に直交する方向とし、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度をθ12b、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量を△Ｘ、第二枝リンク１２ｂの変位量を△θ12bとしている。この時、第二支軸２４のＸ座標の値Ｘ24は、第二枝リンクの長さをr12bとすると、
Ｘ24  ＝  − ｒ12b  cosθ12b
と書ける。この関係式より、
ｄＸ24／dθ12b  ＝  △Ｘ／△θ12b  ＝  ＋ ｒ12b  sinθ12b
であり、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bが０度もしくは１８０度の時に、第二枝リンク１２ｂの変位量△θ12bに対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘがゼロであることが分かる。言い換えると、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bが０度もしくは１８０度の時に、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘに対する第二枝リンク１２ｂの変位量△θ12bの絶対値が最大になることが分かる。一方、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘは、アクチュエータにより能動出力軸２２回りに能動リンク１３を回転し、第一支軸２３を動かすことにより発生する。従って、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるようなリンク機構の姿勢では、アクチュエータにより能動角を動かす変化量に対する膝関節２１の関節角の変化量を大きくでき、図６に示すように、能動角がゼロ度付近で（図５からも分かるように、能動角がゼロ付近、すなわち、膝関節２１がゼロ度付近で）、増速率を上げられることを意味している。
【００３７】
なお、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４は、アクチュエータにより能動的に動かすことができないため、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bも、能動的に動かすことは出来ない。そのため、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bが、０度もしくは１８０度の場合、次に第二枝リンク１２ｂが動く方向を制御できない特異姿勢になる。従って、第二枝リンク１２ｂの動く方向を、一方向に固定化するためには、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bを、０度もしくは１８０度から若干ズラし、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がほぼ平行となるようにしておくと良い。
【００３８】
また、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢にて、能動出力軸２２と第一支軸２３を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、直交するようにリンク機構を構成することにより、より効果的に増速率を上げることが可能になる。
【００３９】
図８を用いて詳しく説明をする。図８において、座標原点は能動出力軸２２に、Ｘ軸は第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向、Ｙ軸は座標原点を通りＸ軸に直交する方向とし、能動リンク１３とアームリンク１４がなす角度をθ13、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量を△Ｘ、能動リンク１３の変位量を△θ13としている。この時、第一支軸２３のＸ座標の値Ｘ23は、能動リンクの長さをr13とすると、
Ｘ23  ＝  ＋ ｒ13  cosθ13
と書ける。この関係式より、
ｄＸ23／dθ13  ＝  △Ｘ／△θ13  ＝  − ｒ13  sinθ13
であり、能動リンク１３とアームリンク１４がなす角度θ13が９０度もしくは２７０度の時に、能動リンク１３の変位量△θ13に対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘの絶対値が、最大になることが分かる。すなわち、少ない能動角の変動量に対して、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘを大きく得られるため、より効果的に増速率を上げられることを意味している。
【００４０】
しかしながら、人間型ロボットのように限られた体内スペースにおいて、多くの条件を満たすリンク機構を構成することは難しい場合が多い。また、能動リンク１３とアームリンク１４がなす角度θ13が９０度付近もしくは２７０度付近であれば、能動リンク１３の変位量△θ13に対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘの絶対値は、ほぼ最大値を得ることができる。そのため、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢にて、能動出力軸２２と第一支軸２３を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、直交するようにリンク機構を構成するよりも、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようにリンク機構を構成すること優先することが、減速率を上げることには効果的である。
【００４１】
アクチュエータに対する膝関節２１の関節角に関する最終減速比は、「能動リンク１３を駆動する減速機構の減速比」／「リンク機構の増速率」である。そのため、膝関節が伸展姿勢にて、アクチュエータに対する膝関節２１の関節角に関する最終減速比は低減速比となり、速い関節速度を備えた膝関節が実現できる。
【００４２】
すなわち、本発明の実施例１では、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢において、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成しているため、高関節速度を実現することが可能になる。
【００４３】
ところで、本発明の実施例１に示す大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢において、高関節速度を実現することにより、逆に低関節トルクになることが懸念される。しかしながら、脚式歩行ロボットや人間型ロボットのように地面に固定されていないロボットの膝関節や腰関節においては、直立姿勢時や歩行姿勢時においては低関節速度及び高関節トルクよりも、高関節速度及び低高関節トルクが望まれている。図９は、膝関節の姿勢と関節トルクの関係を示している図であり、重心位置はロボット全体の重心位置を表している。例えば、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｄ）に示すような静止姿勢に必要な膝関節トルクは、接地脚毎が負担する自重の成分と、ロボット全体の重心位置を通る垂直線と膝関節２１までの距離との積で求められる。図９（ｃ）に示すようなに歩行時で単脚支持期に必要な膝関節トルクは、自重と、ロボット全体の重心位置を通り重力と歩行に必要な慣性力の合力と膝関節２１までの距離との積で求められる。すなわち、図９に示す通り、膝関節に必要なトルクは、膝関節を大きく曲げるほど必要で、大腿リンクと下腿リンクが伸展姿勢に近い状態では膝関節トルクはさほど必要でないことが分かる。すなわち、人間型ロボットの膝関節に関しては、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢あるいは伸展姿勢が、それぞれ高負荷がかかる姿勢あるいは低負荷がかかる姿勢であり、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢においては高関節速度及び低関節トルクは望ましいことが分かる。
【００４４】
このことから、従来技術において問題となっていた、脚式歩行ロボットや人間型ロボットにおいて、限られた体内スペースに搭載可能なアクチュエータと減速機構を用いて、関節トルクを優先し、要求される動作を実現するための関節トルクの最大値を得られるように、減速機構の減速比が設定していたため、アクチュエータと減速機構により駆動される関節の関節速度が制限され、速い動作を実現することが難しくなる問題を、本発明の実施例１により解消することが可能になった。また同様に、従来技術において問題となっていた、脚式ロボットの制御装置で決定した足平の位置・姿勢から、関節への指令角度を決定する際に、膝関節が伸展姿勢に近い状態においては、膝関節には速い関節速度が必要になる問題も、本発明の実施例１により解消することが可能になった。
【００４５】
加えて、本発明の実施例１では、図４（ｅ）に示すように、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢にて、能動出力軸２２と第一支軸２３を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようにリンク機構を構成している。このような配置方法により、図４（ｅ）の屈折姿勢は、本発明の第一実施例の駆動機構における第二特異姿勢となるため、アクチュエータにより能動リンク１３を能動出力軸２２回りに駆動する能動角の変化量に対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量は、ゼロとなる。
【００４６】
図８を用いて詳しく説明をする。図８において、座標原点は能動出力軸２２に、Ｘ軸は第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向、Ｙ軸は座標原点を通りＸ軸に直交する方向とし、能動リンク１３とアームリンク１４がなす角度をθ13、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量を△Ｘ、能動リンク１３の変位量を△θ13としている。この時、第一支軸２３のＸ座標の値Ｘ23は、能動リンクの長さをr13とすると、
Ｘ23  ＝  ＋ ｒ13  cosθ13
と書ける。この関係式より、
ｄＸ23／dθ13  ＝  △Ｘ／△θ13  ＝  − ｒ13  sinθ13
であり、能動リンク１３とアームリンク１４がなす角度：θ13が０度もしくは１８０度の時に、能動リンク１３の変位量△θ13に対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘが、ゼロであることが分かる。また、能動リンク１３とアームリンク１４がなす角度θ13が、ほぼ０度もしくはほぼ１８０度の時には、能動リンク１３の変位量△θ13に対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘが、ほぼゼロであることが分かる。一方、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘがゼロであると、膝関節２１の関節角の変化量もゼロである。従って、能動出力軸２２と第一支軸２３を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようなリンク機構の姿勢では、アクチュエータによる能動角の変化量に対する膝関節２１の関節角の変化量はゼロとなる。
【００４７】
また、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢にて、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、直交するようにリンク機構を構成することにより、より効果的に増速率を下げることが可能になる。
【００４８】
図７を用いて詳しく説明をする。図７において、座標原点は膝関節２１に、Ｘ軸は第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向、Ｙ軸は座標原点を通りＸ軸に直交する方向とし、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度をθ12b、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量を△Ｘ、第二枝リンク１２ｂの変位量を△θ12bとしている。この時、第二支軸２４のＸ座標の値Ｘ24は、第二枝リンクの長さをr12bとすると、
Ｘ24  ＝  − ｒ12b  cosθ12b
と書ける。この関係式より、
ｄＸ24／dθ12b  ＝  △Ｘ／△θ12b  ＝  ＋ ｒ12b  sinθ12b
であり、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bが９０度もしくは２７０度の時に、第二枝リンク１２ｂの変位量△θ12bに対する第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘの絶対値が、最大になることが分かる。すなわち、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘに対して、関節角の変化量は小さいため、より効果的に増速率を下げられることを意味している。
【００４９】
しかしながら、人間型ロボットのように限られた体内スペースにおいて、多くの条件を満たすリンク機構を構成することは難しい場合が多い。また、第二枝リンク１２ｂとアームリンク１４がなす角度θ12bが９０度付近もしくは２７０度付近であれば、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量△Ｘに対する第二枝リンク１２ｂの変位量△θ12bは、ほぼゼロとなる。そのため、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢にて、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、直交するようにリンク機構を構成するよりも、能動出力軸２２と第一支軸２３を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようなリンク機構を構成すること優先することが、減速率を下げることには効果的である。
【００５０】
アクチュエータに対する膝関節２１の関節角に関する最終減速比は、「能動リンク１３を駆動する減速機構の減速比」／「リンク機構の増速率」である。そのため、膝関節が屈折姿勢にて、アクチュエータに対する膝関節２１の関節角に関する最終減速比は高減速比となり、高い関節トルクを備えた膝関節が実現できる。
【００５１】
すなわち、本発明の実施例１では、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢において、能動出力軸２２と第一支軸２３を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるように前記リンク機構を構成しているため、高関節トルクを実現することが可能になる。
【００５２】
このことから、従来技術において問題となっていた、脚式歩行ロボットや人間型ロボットにおいて、限られた体内スペースに搭載可能なアクチュエータと減速機構を用いて、関節トルクを優先し、要求される動作を実現するための関節トルクの最大値を得られるように、減速機構の減速比が設定していたため、アクチュエータと減速機構により駆動される関節の関節速度が制限され、速い関節速度と大きな関節トルクを両立させることは難しくなる問題を、本発明の実施例１により解消することが可能になった。
【００５３】
以上の説明の通り、本発明の実施例１によるロボットの駆動機構によれば、高負荷がかかる姿勢においては低関節速度及び高関節トルクを実現するとともに、低負荷姿勢においては高関節速度及び低関節トルクを実現し、速い関節速度と大きな関節トルクの両立が可能であると同時に、１つのアクチュエータで実現しているため小型化も可能となる。これにより、特に体内スペースの限られた人間型ロボットにおいて、速い動作や速い歩行速度を実現する膝関節の駆動機構が可能になると同時に、膝関節が伸展姿勢に近い状態を含む多種多様な動作に対してロボットの制御装置を適用することも可能で、更には長時間しゃがみ込んだ姿勢での作業を実現する膝関節の駆動機構も可能な人間型ロボットの膝関節を得ることができる。
【実施例２】
【００５４】
図１０は、本発明の実施例２を示す人間型ロボットの膝関節の構造を示す側面図と、実施例２の関節可動の動作原理を概念的に示した図である。図１、図２及び図４と同じ符号については同じ部材と同じ関節を示している。
【００５５】
図１０に示す通り、アクチュエータと減速機構により、能動リンク１３を能動出力軸２２回りに能動的に動かすと、大腿枝リンク１１ｂと能動リンク１３の相対関係が変化する。そのため、第一支軸２３、第二支軸２４、膝関節２１で回転可能に軸支されたアームリンク１４、下腿枝リンク１２ｂも、受動的に、大腿リンク１１ｂや能動リンク１３に対して相対関係が変化する。そのため、アクチュエータにより、大腿リンク１１と下腿リンク１２の接合部である膝関節２１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
【００５６】
図１１は、本発明の実施例２の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く膝関節２１の関節角（縦軸）の関係を示している。この図では、図１０（ｂ）に示す伸展姿勢での能動角と関節角を、それぞれゼロとしてグラフ化している。
【００５７】
また、図１２は、本発明の実施例２の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、能動角の変化量に対する関節角の変化量である増速率（縦軸）の関係を示している。
【００５８】
ところで、本発明の実施例１と、実施例２の違いは、膝関節２１の実現可能な姿勢と、その端部の姿勢でのリンク構造の配置位置が異なる点である。
本発明の実施例１では、膝関節２１の実現可能な姿勢は、その一端が、図４（ｅ）に示す通り屈折姿勢であるとともに、他端の姿勢が、図４（ａ）に示す通り、大腿リンク１１と下腿リンク１２が伸展姿勢であり、膝関節２１が逆折姿勢となる姿勢を含んでいない。一方、本発明の実施例２では、膝関節２１の実現可能な姿勢は、図１０（ｂ）に示す通り、大腿リンク１１と下腿リンク１２が伸展姿勢となる状態を含み、更には、その一端が、図１０（ｅ）に示す通り屈折姿勢であるとともに、他端の姿勢が、図１０（ａ）に示す通り逆折姿勢となっている。そして、本発明の実施例２では、図１０（ａ）に示すように、大腿リンク１１と下腿リンク１２の逆折姿勢にて、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようにリンク機構を構成している。
このような構成により、実施例２の膝関節２１の駆動原理や、リンク機構の特異姿勢での挙動は、実施例１と同様であるので、詳述は省略する。
【００５９】
このような構成により、図１０（ｂ）の伸展姿勢から若干反り返った逆折姿勢にて、本発明の実施例２の駆動機構における第一特異姿勢となる。そのため、図１０（ａ）の逆折姿勢にて、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量に対する関節角の変位量は、最大となる。従って、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるようなリンク機構の姿勢では、アクチュエータにより能動角を動かす変化量に対する膝関節２１の関節角の変化量を大きくでき、図１２に示すように、能動角がマイナス角度からゼロ度付近で（図１１からも分かるように、能動角がマイナス角度からゼロ度付近、すなわち、膝関節２１がマイナス角度からゼロ度付近で）、増速率を上げられることを意味している。
通常のロボットの関節構造では、関節角制御の際のオーバーシュートを考慮し、膝関節の可動範囲として、若干、逆折れになるように構成されており、図１０（ａ）に示す逆折姿勢における膝関節２１の逆折角は、膝関節２１の可動範囲角に比べて十分小さな値である。
すなわち、本発明の実施例２においても、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢において、高関節速度を実現することが可能になる。また、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢において、高関節トルクを実現することが可能になる。
【００６０】
このことから、本発明の実施例２においても、従来技術において問題となっていた、脚式歩行ロボットや人間型ロボットにおいて、限られた体内スペースに搭載可能なアクチュエータと減速機構を用いて、関節トルクを優先し、要求される動作を実現するための関節トルクの最大値を得られるように、減速機構の減速比が設定していたため、アクチュエータと減速機構により駆動される関節の関節速度が制限され、速い関節速度と大きな関節トルクを両立させることは難しくなる問題を、本発明の実施例１と同様に、解消することが可能になった。
【００６１】
なお、本発明の実施例２においても、大腿リンク１１と下腿リンク１２の逆折姿勢と伸展姿勢において、高関節速度を実現することにより、逆に低関節トルクになることが懸念される。しかしながら、実施例１での詳述同様、図９に示す通り、膝関節に必要なトルクは、膝関節を大きく曲げるほど必要で、大腿リンクと下腿リンクが伸展姿勢に近い状態では膝関節トルクはさほど必要でないことが分かる。すなわち、人間型ロボットの膝関節に関しては、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢あるいは伸展姿勢が、それぞれ高負荷がかかる姿勢あるいは低負荷がかかる姿勢であり、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢においては高関節速度及び低関節トルクは望ましいことが分かる。
【００６２】
以上の説明の通り、本発明の実施例２によるロボットの駆動機構によれば、高負荷がかかる姿勢においては低関節速度及び高関節トルクを実現するとともに、低負荷姿勢においては高関節速度及び低関節トルクを実現し、速い関節速度と大きな関節トルクの両立が可能であると同時に、１つのアクチュエータで実現しているため小型化も可能となる。これにより、特に体内スペースの限られた人間型ロボットにおいて、速い動作や速い歩行速度を実現する膝関節の駆動機構が可能になると同時に、膝関節が伸展姿勢に近い状態を含む多種多様な動作に対してロボットの制御装置を適用することも可能で、更には長時間しゃがみ込んだ姿勢での作業を実現する膝関節の駆動機構も可能な人間型ロボットの膝関節を得ることができる。
【実施例３】
【００６３】
図１３は、本発明の実施例３を示す人間型ロボットの膝関節の構造を示す側面図と、実施例３の関節可動の動作原理を概念的に示した図である。図１、図２、図４及び図１０と同じ符号については同じ部材と同じ関節を示している。
【００６４】
図１３に示す通り、アクチュエータと減速機構により、能動リンク１３を能動出力軸２２回りに能動的に動かすと、大腿枝リンク１１ｂと能動リンク１３の相対関係が変化する。そのため、第一支軸２３、第二支軸２４、膝関節２１で回転可能に軸支されたアームリンク１４、下腿枝リンク１２ｂも、受動的に、大腿リンク１１ｂや能動リンク１３に対して相対関係が変化する。そのため、アクチュエータにより、大腿リンク１１と下腿リンク１２の接合部である膝関節２１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
【００６５】
図１４は、本発明の実施例３の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く膝関節２１の関節角（縦軸）の関係を示している。この図では、図１３（ｂ）に示す伸展姿勢での能動角と関節角を、それぞれゼロとしてグラフ化している。
【００６６】
また、図１５は、本発明の実施例３の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、能動角の変化量に対する関節角の変化量である増速率（縦軸）の関係を示している。
【００６７】
本発明の実施例３と、実施例１及び実施例２の違いは、膝関節２１の実現可能な姿勢と、その端部の姿勢でのリンク構造の配置位置が異なる点である。
実施例３では、実施例２と同様に、図１３（ａ）に示す通り、大腿リンク１１と下腿リンク１２が逆折姿勢となる膝関節２１の可動範囲角を含んでいる。また、実施例１及び実施例２では、膝関節２１の軸と能動出力軸２２を結ぶ線分と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線分が、膝関節２１の可動範囲内において、非交差となるリンク構造に対し、実施例３では、交差するリンク構造となる点が異なる。
【００６８】
膝関節２１の軸と能動出力軸２２を結ぶ線分と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線分が、膝関節２１の可動範囲内において、非交差又は交差となるリンク構造の違いがあるものの、実施例３の膝関節２１の駆動原理は、実施例１及び実施例２と同様である。
図１３に示す通り、アクチュエータと減速機構により能動出力軸２２を中心に能動リンク１３を能動的に動かすと、大腿枝リンク１１ｂと能動リンク１３の相対関係が変化する。そのため、第一支軸２３、第二支軸２４、膝関節２１で回転可能に軸支されたアームリンク１４、下腿枝リンク１２ｂも、受動的に、大腿リンク１１ｂや能動リンク１３に対して相対関係が変化する。そのため、アクチュエータにより、大腿リンク１１と下腿リンク１２の接合部である膝関節２１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
このような構成により、実施例３の膝関節２１の駆動原理や、リンク機構の特異姿勢での挙動は、実施例１及び実施例２と同様であるので、詳述は省略する。
【００６９】
なお、膝関節２１の軸と能動出力軸２２を結ぶ線分と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線分が、膝関節２１の可動範囲内において、非交差となるリンク構造と交差するリンク構造による違いは、膝関節２１の可動範囲の大きさに関係してくる。非交差となるリンク構造にした場合の方が、交差するリンク構造にした場合に比べ、膝関節２１の可動範囲が広くなる。一方、関節の可動範囲は、ロボットに要求する動作と関節機構の機械剛性にも関係してくる。従って、非交差又は交差となるリンク構造の選択は、ロボットへ要求する動作、関節機構の機械剛性、関節の可動範囲などから総合的に判断して決定すれば良い。
【００７０】
ところで、本発明の実施例３では、図１３（ａ）に示すように、大腿リンク１１と下腿リンク１２の逆折姿勢にて、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるあるいはほぼ平行となるようにリンク機構を構成している。
【００７１】
このような構成により、図１３（ｂ）の伸展姿勢から若干反り返った逆折姿勢にて、本発明の実施例２と同様に、本発明の実施例３の駆動機構における第一特異姿勢となる。そのため、図１３（ａ）の逆折姿勢にて、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ線方向のアームリンク１４の移動変化量に対する関節角の変位量は、最大となる。従って、膝関節２１の軸と第二支軸２４を結ぶ直線と、第一支軸２３と第二支軸２４を結ぶ直線が、重なるようなリンク機構の姿勢では、アクチュエータにより能動角を動かす変化量に対する膝関節２１の関節角の変化量を大きくでき、図１５に示すように、能動角がマイナス角度からゼロ度付近で（図１４からも分かるように、能動角がマイナス角度からゼロ度付近、すなわち、膝関節２１がマイナス角度からゼロ度付近で）、増速率を上げられることを意味している。
通常のロボットの関節構造では、関節角制御の際のオーバーシュートを考慮し、膝関節の可動範囲として、若干、逆折れになるように構成されており、図１３（ａ）に示す逆折姿勢における膝関節２１の逆折角は、膝関節２１の可動範囲角に比べて十分小さな値である。
すなわち、本発明の実施例３においても、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢において、高関節速度を実現することが可能になる。また、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢において、高関節トルクを実現することが可能になる。
【００７２】
このことから、本発明の実施例３においても、従来技術において問題となっていた、脚式歩行ロボットや人間型ロボットにおいて、限られた体内スペースに搭載可能なアクチュエータと減速機構を用いて、関節トルクを優先し、要求される動作を実現するための関節トルクの最大値を得られるように、減速機構の減速比が設定していたため、アクチュエータと減速機構により駆動される関節の関節速度が制限され、速い関節速度と大きな関節トルクを両立させることは難しくなる問題を、本発明の実施例１及び実施例２と同様に、解消することが可能になった。
【００７３】
なお、本発明の実施例３においても、大腿リンク１１と下腿リンク１２の逆折姿勢と伸展姿勢において、高関節速度を実現することにより、逆に低関節トルクになることが懸念される。しかしながら、実施例１及び実施例２での詳述同様、図９に示す通り、膝関節に必要なトルクは、膝関節を大きく曲げるほど必要で、大腿リンクと下腿リンクが伸展姿勢に近い状態では膝関節トルクはさほど必要でないことが分かる。すなわち、人間型ロボットの膝関節に関しては、大腿リンク１１と下腿リンク１２の屈折姿勢あるいは伸展姿勢が、それぞれ高負荷がかかる姿勢あるいは低負荷がかかる姿勢であり、大腿リンク１１と下腿リンク１２の伸展姿勢においては高関節速度及び低関節トルクは望ましいことが分かる。
【００７４】
以上の説明の通り、本発明の実施例３によるロボットの駆動機構によれば、高負荷がかかる姿勢においては低関節速度及び高関節トルクを実現するとともに、低負荷姿勢においては高関節速度及び低関節トルクを実現し、速い関節速度と大きな関節トルクの両立が可能であると同時に、１つのアクチュエータで実現しているため小型化も可能となる。これにより、特に体内スペースの限られた人間型ロボットにおいて、速い動作や速い歩行速度を実現する膝関節の駆動機構が可能になると同時に、膝関節が伸展姿勢に近い状態を含む多種多様な動作に対してロボットの制御装置を適用することも可能で、更には長時間しゃがみ込んだ姿勢での作業を実現する膝関節の駆動機構も可能な人間型ロボットの膝関節を得ることができる。
【実施例４】
【００７５】
図１６は、本発明の実施例４を示す人間型ロボットの腰関節の構造を示す側面図と、実施例４の関節可動の動作原理を概念的に示した図である。図１及び図３と同じ符号については同じ部材と同じ関節を示している。
図１６において、３３は能動リンク、３４はアームリンク、４２は能動出力軸、４３は第一支軸、４４は第二支軸を表している。３１ａは、腰リンク３１の一部であり、腰主リンクを表している。３１ｂは、同じく腰リンクの一部であり、腰関節４１と能動出力軸４２を結ぶ腰枝リンクを表している。また、３２ａは、胸リンク３２の一部であり、胸主リンクを表している。３２ｂは、同じく胸リンクの一部であり、腰関節４１と第二支軸４４を結ぶ胸枝リンクを表している。
【００７６】
腰リンク３１に配置された図示しないアクチュエータの出力は、同じく腰リンクに配置した図示しない減速機構を介して、腰リンク１１上に設けた能動出力軸４２に伝達される。また、能動リンク３３は、その一端部が能動出力軸４２に結合されている。そのため、アクチュエータにより、能動リンク３３を、能動出力軸４２回りに、能動的に動かすことが可能な機構構成となっている。
【００７７】
また、アームリンク４４は、その一端部が能動リンク３３に設けられた第一支軸４３を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が胸リンク３２に設けられた第二支軸４４を介して回転可能に軸支されている。そのため、アクチュエータにより能動出力軸４２を能動的に動かすと、腰リンク３１と胸リンク４２の接合部の腰関節４１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
【００７８】
腰枝リンク３１ｂ、能動リンク３３、アームリンク３４、胸枝リンク３２ｂの各リンク長は不変であり、各リンク間の接合部は、能動出力軸４２、第一支軸４３、第二支軸４４、腰関節４１である。
【００７９】
図１６に示す通り、アクチュエータと減速機構により、能動リンク３３を能動出力軸４２回りに能動的に動かすと、腰リンク３１ｂと能動リンク３３の相対関係が変化する。そのため、第一支軸４３、第二支軸４４、腰関節４１で回転可能に軸支されたアームリンク４４、胸枝リンク４２ｂも、受動的に、腰リンク３１ｂや能動リンク３３に対して相対関係が変化する。そのため、アクチュエータにより、腰リンク３１と胸リンク４２の接合部である胸関節４１を受動的に動かすことが可能な機構構成になっている。
【００８０】
図１７は、本発明の実施例４の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く胸関節４１の関節角（縦軸）の関係を示している。この図では、図１６（ｂ）に示す伸展姿勢での能動角と関節角を、それぞれゼロとしてグラフ化している。
【００８１】
また、図１８は、本発明の実施例４の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、能動角の変化量に対する関節角の変化量である増速率（縦軸）の関係を示している。
【００８２】
本発明の実施例４と、実施例１、実施例２及び実施例３の違いは、リンク機構を用いた駆動機構を適用した関節の違いである。
実施例１、実施例２及び実施例３では膝関節２１にリンク機構を用いた駆動機構を適用したのに対し、実施例４では腰関節４１にリンク機構を用いた駆動機構を適用している。
また、実施例４では（実施例３と同様に）、腰関節４１（膝関節２１）の軸と能動出力軸４２（２２）を結ぶ線分と、第一支軸４３（２３）と第二支軸４４（２４）を結ぶ線分が、腰関節４１（膝関節２１）の可動範囲内において、交差するリンク構造にしている。しかしながら（実施例１及び実施例２と同様に）、腰関節４１（膝関節２１）の軸と能動出力軸４２（２２）を結ぶ線分と、第一支軸４３（２３）と第二支軸４４（２４）を結ぶ線分が、腰関節４１（膝関節２１）の可動範囲内において、非交差となるリンク機構を用いた駆動機構を、腰関節４１に適用することも可能である。
更に、実施例４では（実施例３と同様に）、図１６（ａ）に示す通り（図１３（ａ）に示す通り）、腰リンク３１（大腿リンク１１）と胸リンク３２（下腿リンク１２）が逆折姿勢となる腰関節４１（膝関節２１）の可動範囲角を含んでいる。
【００８３】
このような構成により、実施例４の腰関節４１の駆動原理や、リンク機構の特異姿勢での挙動は、実施例１、実施例２及び実施例３の膝関節２１の駆動原理や、リンク機構の特異姿勢での挙動と同様であるので、詳述は省略する。また、実施例４の発明効果も、実施例３と同様であるので、詳述は省略する。
【００８４】
このことから、本発明の実施例４においても、従来技術において問題となっていた、脚式歩行ロボットや人間型ロボットにおいて、限られた体内スペースに搭載可能なアクチュエータと減速機構を用いて、関節トルクを優先し、要求される動作を実現するための関節トルクの最大値を得られるように、減速機構の減速比が設定していたため、アクチュエータと減速機構により駆動される関節の関節速度が制限され、速い関節速度と大きな関節トルクを両立させることは難しくなる問題を、本発明の実施例１、実施例２及び実施例３と同様に、解消することが可能になった。
【００８５】
なお、本発明の実施例４においても（実施例１、実施例２及び実施例３と同様に）、腰リンク３１（大腿リンク１１）と胸リンク３２（下腿リンク１２）の逆折姿勢と伸展姿勢において、高関節速度を実現することにより、逆に低関節トルクになることが懸念される。しかしながら、実施例１、実施例２及び実施例３での詳述同様、腰関節に必要なトルクは、腰関節を大きく曲げるほど必要で、腰リンクと胸リンクが伸展姿勢に近い状態では腰関節トルクはさほど必要でないことが分かる。すなわち、人間型ロボットの腰関節に関しては、腰リンク３１と胸リンク３２の屈折姿勢あるいは伸展姿勢が、それぞれ高負荷がかかる姿勢あるいは低負荷がかかる姿勢であり、腰リンク３１と胸リンク３２の伸展姿勢においては高関節速度及び低関節トルクは望ましいことが分かる。
【００８６】
以上の説明の通り、本発明の実施例４によるロボットの駆動機構によれば、高負荷がかかる姿勢においては低関節速度及び高関節トルクを実現するとともに、低負荷姿勢においては高関節速度及び低関節トルクを実現し、速い関節速度と大きな関節トルクの両立が可能であると同時に、１つのアクチュエータで実現しているため小型化も可能となる。これにより、特に体内スペースの限られた人間型ロボットにおいて、速い動作や速い歩行速度を実現する腰関節の駆動機構が可能になると同時に、腰関節が伸展姿勢に近い状態を含む多種多様な動作に対してロボットの制御装置を適用することも可能で、更には長時間背中をかがめ腰関節を屈折させた姿勢での作業を実現する腰関節の駆動機構も可能な人間型ロボットの腰関節を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の一態様で実施する人間型ロボットの全体構造を示す傾斜図である
【図２】本発明の一態様で実施する人間型ロボットの膝関節の構造を示す側面図である
【図３】本発明の一態様で実施する人間型ロボットの腰関節の構造を示す側面図である
【図４】本発明の実施例１を示す脚の駆動原理を示す側面図である
【図５】本発明の実施例１の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く膝関節の関節角（縦軸）の関係を示す図である
【図６】本発明の実施例１の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、増速率［＝△関節角／△能動角］（縦軸）の関係を示す図である
【図７】アームリンクの変動量と関節角の変動量の関係を示す図である
【図８】能動出力軸の変動量とアームリンクの変動量の関係を示す図である
【図９】膝関節の姿勢と関節トルクの関係を示す図である
【図１０】本発明の実施例２を示す脚の駆動原理を示す側面図である
【図１１】本発明の実施例２の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く膝関節の関節角（縦軸）の関係を示す図である
【図１２】本発明の実施例２の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、増速率［＝△関節角／△能動角］（縦軸）の関係を示す図である
【図１３】本発明の実施例３を示す脚の駆動原理を示す側面図である
【図１４】本発明の実施例３の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く膝関節の関節角（縦軸）の関係を示す図である
【図１５】本発明の実施例３の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、増速率［＝△関節角／△能動角］（縦軸）の関係を示す図である
【図１６】本発明の実施例４を示す腰の駆動原理を示す側面図である
【図１７】本発明の実施例４の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、受動的に動く腰関節の関節角（縦軸）の関係を示す図である
【図１８】本発明の実施例４の機構において、アクチュエータにより能動的に動かした能動角（横軸）と、増速率［＝△関節角／△能動角］（縦軸）の関係を示す図である
【符号の説明】
【００８８】
１      人間型ロボット
１１    大腿リンク
１１ａ  大腿主リンク
１１ｂ  大腿枝リンク
１２    下腿リンク
１２ａ  下腿主リンク
１２ｂ  下腿枝リンク
１３    （膝関節用）能動リンク
１４    （膝関節用）アームリンク
１５    足裏リンク
２１    膝関節
２２    （膝関節用）能動出力軸
２３    （膝関節用）第一支軸
２４    （膝関節用）第二支軸
３１    腰リンク
３１ａ  腰主リンク
３１ｂ  腰枝リンク
３２    胸リンク
３２ａ  胸主リンク
３２ｂ  胸枝リンク
３３    （腰関節用）能動リンク
３４    （腰関節用）アームリンク
４１    腰関節
４２    （腰関節用）能動出力軸
４３    （腰関節用）第一支軸
４４    （腰関節用）第二支軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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