(57)【要約】【課題】ロボットの関節回りの回転角と剛性を独立に制御可能とする。【解決手段】ロボットは、足首関節２６に回転可能な末端側部材１８と、この末端側部材１８の回転中心を挟んだ両側に端部が取付けられている少なくとも２本のワイヤ（６６ａ、６６ｂ、６６ｃ）と、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも２個のアクチュエータと、このアクチュエータ群を制御するコントローラとを備えている。本発明のコントローラは、逐次変化する末端側部材１８の回転角に関する情報と、逐次変化するワイヤ張力に関する情報を入力して、各アクチュエータの作動量を制御し、指示された回転角と剛性に追従させる。【選択図】  図３
2004322283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節回りに回転する回転部材に接続されたワイヤ群のうちの一方を引き込んで他方を緩めることによって当該回転部材を当該関節回りに回転させて姿勢を変えるワイヤ式ロボットにおいて、
各ワイヤを引き込むアクチュエータのコントローラが、逐次変化する回転角と回転に対する剛性に関する指示値を入力し、実際の回転角と回転に対する剛性を逐次変化する指示値に追従させることを特徴とするワイヤ式ロボット。
【請求項２】
前記コントローラが、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータのトルクのフィードバック制御値を出力する手段と、指示された剛性に対応するトルクを前記のフィードバック制御値に加算して出力する手段とを備えることを特徴とする請求項１のワイヤ式ロボット。
【請求項３】
一方のワイヤのためのコントローラは、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備え、他方のワイヤのためのコントローラは、指示された剛性に対応するトルクと実際のトルクとの偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備えることを特徴とする請求項１のワイヤ式ロボット。
【請求項４】
多軸関節回りに回転する回転部材に接続されたワイヤ群の引き込み量をワイヤ毎に制御して当該回転部材を当該多軸関節回りに回転させて姿勢を変えるワイヤ式ロボットにおいて、
当該回転部材には、姿勢決定に必要なワイヤ本数に１を加えた本数のワイヤが接続されており、姿勢決定に必要な本数のワイヤのためのコントローラは、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備え、残りの１本のワイヤのためのコントローラは、指示された剛性に対応するトルクと実際のトルクとの偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備えることを特徴とするワイヤ式ロボット。
【請求項５】
各ワイヤに張力によって伸びる非線形バネが組み込まれていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤ式ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、関節回りに回転する回転部材に接続されたワイヤ群のうちの一方を引き込んで他方を緩めることによって、回転部材を関節回りに回転させて姿勢を変えるワイヤ式ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】ロボット、特に２足歩行ロボットの場合、姿勢と剛性を独立に制御できると、ロボットの動作が安定し、高速で動作させることが可能となる。例えば、片足が空中にある間は剛性を高め、その片足が接地する前後には剛性を低めるようにすると、片足が空中にある間は高い剛性を利用して姿勢を安定させ、片足が接地する前後には低い剛性を利用して地面の凹凸に倣わせることが可能となり、ロボットを高速で歩行させることが可能となる。特許文献１に、姿勢と剛性を独立に制御する歩行ロボットの技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−６３８８１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のロボットは、関節回りに回転する部材を、関節に設けたモータで直接または減速機構を介して回転させる。この形式のロボットの場合、回転角とトルクを独立に制御できるモータを利用することによって、ロボットの姿勢と剛性を独立に制御することができる。しかしながらこの駆動方式では、重量のあるモータを関節の近傍に配置しなければならず、動作の高速化に不利である。
【０００５】
そこで本発明者らは、関節回りに回転する回転部材にワイヤ群を接続し、一方のワイヤを引き込んで他方のワイヤを緩めることによって、回転部材を関節回りに回転させて姿勢を変えるワイヤ式ロボットを創作した。ワイヤ式ロボットの場合、ワイヤを引き込むアクチュエータを関節から離れた位置に配置することができる。この特性を生かすと、ロボットの姿勢を変えるためのアクチュエータを中央（胴体）側に置くことができ、手足に相当する末端側部材の重量を軽減することができる。末端側部材が軽量であると、軽量な末端側部材を高速で回転させることが可能となり、ロボットの動作速度を高速化することができる。ヒトに近い構造ということができる。
【０００６】
ワイヤ式ロボットの場合、回転部材に接続されたワイヤ群のうちの一方を引き込んで他方を緩めることから、少なくとも２個のアクチュエータを必要とする。この場合、ロボットの姿勢と剛性を独立に制御するのが困難となる。ワイヤ式ロボットの場合、それぞれのアクチュエータが発揮するトルクは打ち消されて姿勢が安定するために、各アクチュエータのトルクを高めてもそれだけではロボットの剛性は高くならない。ましてや、静止しているロボットの姿勢と剛性を独立に制御するだけでなく、ロボットの動作期間を通じて、ロボットの姿勢と剛性を独立に制御して指示された姿勢と剛性に追従させ続けることは難しい。
【０００７】
アクチュエータを関節から離れた位置に配置できるというワイヤ式ロボットの利点を享受するためには、アクチュエータ群が発揮するトルクが打ち消されるためにアクチュエータ群のトルクを高めてもロボットの剛性は高くならないという問題を突破しなければならない。本発明はこの問題を突破するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】請求項１の発明は、関節回りに回転する回転部材に接続されたワイヤ群のうちの一方を引き込んで他方を緩めることによって回転部材を関節回りに回転させて姿勢を変えるワイヤ式ロボットに関する。
本発明のロボットは、各ワイヤを引き込むアクチュエータのコントローラが、逐次変化する回転角と回転に対する剛性に関する指示値を入力し、実際の回転角と回転に対する剛性を逐次変化する指示値に追従させることを特徴とする。
ロボットの姿勢は様々な形式で記述される。重心位置の経時的変化で記述されたり、いわゆるＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）の経時的変化で記述されたりする。ロボットの姿勢を記述する形式は様々であっても、最終的には各回転部材の関節回りの回転角の経時的変化を示すデータに変換される。コントローラが入力する回転角に関する指示値の形式は様々であり、回転角に変換するまでに多くの演算を必要とすることもあれば、回転角自体が入力されることもある。
剛性に関する指示値も様々な形式で入力される。例えば回転角を単位角度変化させるのに要するモーメントで指示されたり、そのモーメントに対応するワイヤ張力で指示されたりする。ロボットの剛性を記述する形式は様々であっても、最終的にはアクチュエータのトルクに変換される。コントローラが入力する剛性に関する指示値の形式は様々であり、アクチュエータのトルクに変換するまでに多くの演算を必要とすることもあれば、アクチュエータのトルク自体が入力されることもある。
本発明によると、ロボットの動作期間を通じて、ロボットの姿勢と剛性を独立に制御して逐次指示される姿勢と剛性に追従させることができる。
【０００９】
一つの具体的態様では、各ワイヤを引き込む各アクチュエータのための各コントローラが、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータのトルクのフィードバック制御値を出力する手段と、指示された剛性に対応するトルクを前記のフィードバック制御値に加算して出力する手段とを備える。
このロボットは、実際の姿勢を指示された姿勢に制御するにあたって、アクチュエータのトルクをフィードバック制御する。指示された姿勢に対して引き込み量が不十分なアクチュエータのトルクを増大させ、指示された姿勢に対して引き込み量が過大なアクチュエータのトルクを減少させる。これによって、ロボットの実際の姿勢が指示された姿勢にフィードバック制御される。
本発明のコントローラは、姿勢のフィードバック制御に必要なトルクの増減値に、指示された剛性に対応するトルクを加算して出力する。指示された剛性に対応するトルクを加算しても、そのトルクはバランスしているために、姿勢のフィードバック制御に悪影響を及ぼすことはない。このようにして、指示された姿勢にフィードバック制御しながら、指示された剛性に調整することが可能となる。本発明のロボットには、姿勢と剛性を独立に指示することができる。
本発明のロボットは、末端側部材を軽量化できるという利点を享受すると同時に、ロボットの姿勢から独立して剛性を制御することができ、ロボットを高速で動作させることが可能となる。
【００１０】
請求項３の発明のワイヤ式ロボットは、姿勢に関するフィードバック制御と、剛性に関するフィードバック制御を併用する。すなわち、一方のワイヤのためのコントローラは、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備え、他方のワイヤのためのコントローラは、指示された剛性に対応するトルクと実際のトルクとの偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備える。
回転角をフィードバック制御するアクチュエータによって回転部材を引き付けてもよいし、トルクをフィードバック制御するアクチュエータによって回転部材を引き付けてもよい。前者の場合には、トルクをフィードバック制御するアクチュエータによって回転部材が遠ざかるのが許容され、後者の場合には、姿勢をフィードバック制御するアクチュエータによって回転部材が遠ざかるのが許容される。いずれの場合にも、ワイヤ群の張力は、指示された剛性に対応するものにフィードバック制御される。
このロボットは、末端側部材を軽量化できるという利点を享受すると同時に、ロボットの姿勢から独立して剛性を制御することができる。即ち、姿勢を変えないで剛性のみを変えたり、剛性を変えないで姿勢のみを変えたりすることが自在にできる。本発明のロボットには、姿勢と剛性を独立に指示することができる。
【００１１】
例えば、足首関節のように関節が多軸である場合、回転部材の一端に１本のワイヤを接続するだけでは回転部材の姿勢は決まらない。関節が２軸であれば姿勢決定に２本のワイヤが必要とされ、３軸であれば姿勢決定に３本のワイヤが必要とされる。
請求項４の発明は、多軸関節回りに回転する回転部材に接続されたワイヤ群の引き込み量をワイヤ毎に制御して当該回転部材を多軸関節回りに回転させて姿勢を変えるワイヤ式ロボットに関する。
本発明のロボットの回転部材には、その回転部材の姿勢を決定するのに必要なワイヤ本数に１を加えた本数のワイヤが接続されている。姿勢決定に必要な本数のワイヤのためのコントローラは、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備えおり、残りの１本のワイヤのためのコントローラは、指示された剛性に対応するトルクと実際のトルクとの偏差に基づいてアクチュエータをフィードバック制御する手段を備えている。
回転部材に対するワイヤ群の接続点は様々であってよく、同一点に全部のワイヤが接続されていても良く、回転中心を挟む両サイドに接続点が分布していてもよく、あるいは回転中心の片側に接続点が集中していてもよい。
このロボットによると、多軸関節回りの回転部材の姿勢と剛性を独立に制御することができる。
【００１２】
張力によって伸びる非線形バネ（張力が大きくなるとバネ定数も大きくなるバネ）を各ワイヤに組み込むことが好ましい。ワイヤは多かれ少なかれ非線形のバネ特性を備えているので、非線形バネを組み込むことが不可欠ではないが（請求項１〜４）、非線形のバネを積極的に組み込むことが有効である。
ワイヤ群の張力がつりあってロボットの姿勢が維持されている場合、ワイヤ群の張力は打ち消されており、直接には剛性につながらない。ワイヤ群の張力が高いからといって剛性が高いことにはならない。しかしながら、非線形のバネが組み込まれている場合、ロボットに外乱が加わって指示された姿勢から変化する場合、一方のバネが縮んで他方のバネが伸び、これがロボット姿勢を元に戻す力となる。この復元力が高いほどロボットの剛性は高い。バネが非線形の場合、一方のバネが縮んで他方のバネが伸びることによって生じる復元力は、張力が高いほど大きい。非線形バネと組合わせて用いると、ワイヤ張力を高めることによってロボット剛性が顕著に高められる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明を具現化した実施の形態を図１〜１４を参照して説明する。本明細書では、足部の前後方向（ロボットの進行方向）をＸ軸とし、左右方向をＹ軸とし、下腿部が伸びる方向をＺ軸とする。各軸は相互に直交している。本実施例は、本発明をロボットの下肢に応用したものである。なお、左右の下肢形状は鏡対称である。
図１は本実施例のロボットの両下肢の正面図であり、図２は左下肢の側面図であり、図３は足首関節の構造を説明するための図であり、図４はワイヤを引き込むアクチュエータの詳細を説明する図であり、図５〜１１は足部の動きを説明する図である。
図１に示すように、本実施例のロボット１０の左右の下肢１２は大腿部１４と下腿部（脛）１６と足部１８から構成され、大腿部１４と胴体部２０は股関節２２によって接続されており、大腿部１４と下腿部１６は膝関節２４によって接続されており、下腿部１６と足部１８は足首関節２６によって接続されている。
【００１４】
最初に股関節２２について説明する。ほぼ水平に伸びる板状の骨盤部２８には、図２に示すように、Ｚ軸回りに回転する円板３６がベアリング３４によって取付けられている。円板３６は、図１において左右に一対設けられている。各円板３６の中心には、骨盤部２８側から大腿部１４側に伸びる（Ｚ軸方向に伸びる）シャフト３０が固定されている。シャフト３０は骨盤部２８に対してＺ軸回りに回転する。
シャフト３０の下端に対して大腿部１４の上端が十字型の継手を利用したユニバーサルジョイント３２によって接続されている。ユニバーサルジョイント３２は、シャフト３０に対して大腿部１４がＸ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容する。股関節２２は、骨盤部２８に対してＺ軸回りに回転できるシャフト３０と、シャフト３０に対して大腿部１４がＸ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容するユニバーサルジョイント３２を持ち、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のそれぞれの回りに回転することを許容する３軸関節である。
【００１５】
次に膝関節２４を説明する。各大腿部１４の下端にはＹ軸方向に平行に並ぶ２つのフランジ４０が下方へ伸びており、各下腿部１６を構成するシャフト４２の上端にはＹ軸方向に平行に並ぶ２つのフランジ４４が上向きに設けられている。膝関節２４は、これらのフランジ４０，４４を貫通してＹ軸方向に伸びる軸４６を備える。膝関節２４は、大腿部１４に対して下腿部１６がＹ軸回りに回転することを許容する。
【００１６】
次に足首関節２６を説明する。図３は足首関節２６の構造を説明するために単純化してデフォルメした図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。下腿部１６のシャフト４２の下部にはＸ軸方向に平行に並んだ２つのフランジ５８が下方に伸びている。また、足部１８の上面にはＹ軸方向に平行に並んだ２つのフランジ６０が上方に伸びている。これら下腿部１６のフランジ５８と足部１８のフランジ６０は十字型自在継手６２によって接続されてユニバーサルジョイントを成している。足首関節２６は、下腿部２４に対して足部１８が、Ｘ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容する。即ち、足首関節２６はＸ，Ｙ軸のそれぞれについて自由度を持つ２軸関節である。
【００１７】
各関節はワイヤによって駆動される（股関節のＺ軸回りの回転を除く。この回転のみはワイヤを利用せずに、モータで直接に回転される）。各ワイヤの一端は末端側部材に取付けられており、他端はボールネジとモータから構成されるアクチュエータに接続されている。モータによってボールネジの送りネジ（Ｚ方向に伸びる）が回転し、これに伴って送りネジに螺合しているナットが送りネジ方向に送られ、ナットに接続されているワイヤ先端がＺ軸方向に進退する。ワイヤ先端をＺ軸方向に進退させることによってワイヤによって末端側部材を引いたり緩めたりすることができる。
【００１８】
最初に図３を参照して足首関節を回転させるワイヤ群を説明する。足部１８には、図示しない取付け板によってワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃが固定されている。各ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃは円弧形状であり、それぞれの円弧の中心軸はＹ軸方向に伸びており、円弧面は所定の巾（Ｙ軸に沿って伸びる距離）を有している。ワイヤ終端ガイド７０ａは足首関節２６のＹ軸よりも前方に位置し、Ｘ軸上配置されている。その円弧面はＸ軸前方を向いている。ワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃは足首関節２６のＹ軸よりも後方に位置している。ワイヤ終端ガイド７０ｂは足首関節２６のＸ軸よりも外側に位置し、ワイヤ終端ガイド７０ｃは足首関節２６のＸ軸よりも内側に位置している。ワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃの円弧面はＸ軸後方を向いている。
３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの下端は、ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃのそれぞれの下端のワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃに固定されており、各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの他端は、膝関節２４側に伸びている。各ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの円弧面は、ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃが小さな曲率半径で鋭く曲がることを禁止している。
【００１９】
ワイヤ接続点７２ａは足首関節２６のＹ軸よりも前方に位置しており、ワイヤ６６ａが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首関節２６のＹ軸回りに回転して爪先を持ち上げる。ワイヤ接続点７２ａは足首関節２６のＸ軸上に配置されており、ワイヤ６６ａが膝関節２４側に引かれても足部１８のＸ軸回りの回転角には影響しない。ワイヤ接続点７２ｂは足首関節２６のＸ軸よりも外側に位置しており、ワイヤ６６ｂが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首関節２６のＸ軸回りに回転して足部１８の外側を持ち上げる。ワイヤ接続点７２ｃは足首関節２６のＸ軸よりも内側に位置しており、ワイヤ６６ｃが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首関節２６のＸ軸回りに回転して足部１８の内側を持ち上げる。足部１８の内側を持ち上げる場合には、ワイヤ６６ｃを引くと同時にワイヤ６６ｂを緩めて足部１８の外側が下がることを許容する。同様に、足部１８の外側を持ち上げる場合には、ワイヤ６６ｂを引くと同時にワイヤ６６ｃを緩めて足部１８の内側が下がることを許容する。足部１８を足首関節２６のＸ軸回りに回転させる場合にはワイヤ６６ａを操作する必要はない。ワイヤ６６ｂ、６６ｃを同時に引くと足部１８は足首関節２６のＹ軸回りに回転してかかとを持ち上げる。この場合には、ワイヤ６６ａを緩めて爪先が下がるのを許容する。ワイヤ６６ａを引いて爪先を持ち上げるときには、ワイヤ６６ｂ、６６ｃを緩めてかかとが下がるのを許容する。
３本のワイヤ６６ａ、６６ｂ、６６ｃによって、足首関節２６のＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角を独立に調整することができる。
【００２０】
なお、ワイヤ接続点を足首関節２６のＹ軸よりも前方のＸ軸の両側と、Ｙ軸よりも後方のＸ軸上に配置してもよい。このようにワイヤ接続点を配置しても、ワイヤによって足首関節２６のＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角を独立して調整することができる。
【００２１】
図５〜１０は足部１８の動きを説明するための模式図であり、図５と図６はＸ軸回りの回転を説明するための図である。図５は足部１８の平面図であり、図６は足部１８の背面図である。各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの終端ではワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの図示を省略し、ワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのみで示してある。
【００２２】
図５は、ワイヤ接続点７２ａに接続されているワイヤ（図示省略）は中立状態を維持しながらワイヤ接続点７２ｂに接続されているワイヤ６６ｂの有効長を収縮させ、ワイヤ接続点７２ｃに接続されているワイヤ６６ｃの有効長を伸長させることを示している。このとき、足部１８は図６の破線で示したようにＸ軸回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、足部１８は矢印とは逆方向に回転する。即ち、このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整することによって、足部１８をＸ軸の回りに自在に回転させることができる。
【００２３】
図７と図８はＹ軸回りの回転を説明するための図である。図７は足部１８の平面図であり、図８は足部１８の側面図である。各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの終端ではワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの図示を省略し、ワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのみで示してある。図７はワイヤ接続点７２ａに接続されているワイヤ６６ａの有効長を収縮させ、ワイヤ接続点７２ｂ，７２ｃに接続されているワイヤ６６ｂ，６６ｃの有効長を共に伸長させた場合を示している。このとき、足部１８は図８の破線で示すように、Ｙ軸回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、足部１８は矢印とは逆方向に回転する。このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整することによって、足部１８をＹ軸の回りに自在に回転させることができる。
なお、足部１８の前側を持ち上げるのに要するワイヤの張力に比べ、足部１８の後ろ側を持ち上げるのに要するワイヤの張力は大きい。このため、３点のワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのうちの１点を前側にし、２点を後側にし、２本のワイヤと２個のアクチュエータでかかとを持ち上げることが好ましい。この場合、各アクチュエータの能力を等しくすることができる。
【００２４】
なお図示はしないが、足部１８を同時にＸ軸回りにもＹ軸回りにも回転させることができる。例えば、ワイヤ６６ｂの有効長を速度ａ−ｂで収縮させ、ワイヤ６６ｃの有効長を速度ａ＋ｂで伸長させ（即ち−ａ−ｂで収縮させる）、ワイヤ６６ａの有効長をｂで収縮させると、足部１８はＸ軸の回りに速度ａで回転して外側が上がり、且つ、Ｙ軸の回りに速度ｂで回転して前側が上がる。このように３本のワイヤの有効長を同時に調整すると、足部１８をＸ軸の回りとＹ軸の回りに同時に自在に回転させることができる。またＸ軸回りの回転速度とＹ軸回りの回転速度を自在に調整することもできる。これらのことから、Ｘ，Ｙの２軸に対して３本のワイヤ、即ち、軸数＋１本のワイヤを用いることによって、Ｘ，Ｙ軸について互いに独立に調整することが可能である。
【００２５】
図３に示すように、下腿部１６のシャフト４２の上部には、フランジ４４を貫通するＹ軸方向の軸４６の回りに自由回転可能な３つのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃが２つのフランジ４４と交互に配されている。それぞれのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃにはワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃが１本ずつ巻かれている。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、プーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃの前側でプーリから離反している。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃは足部１８に対して膝関節の前方位置から引張力を加える。このために、３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃを同時に同一速度で収縮させると、下腿部１６に対する足部１８の回転角度は変えないで（足首関節２６を回転させないで）、下腿部１６を膝関節２４の回りに前向きに回転させることができる。
【００２６】
次に、このような足部の動きに伴うワイヤの動きについて説明する。図９〜１０は足部１８の回転に伴うワイヤの動きを説明するための模式図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。図９はＸ軸回りに回転した場合の足部１８の背面図であり、図１０はＹ軸回りに回転した場合の足部１８の左側面図である。なお、近似的にワイヤは鉛直方向に伸びているとすることができる。
【００２７】
図９は、足部１８が足首関節２６のＸ軸の回りに矢印方向に最大限（本実施例では１５°）に回転した状態を示す図である。足部１８が下腿部１６のシャフト４２に対して直角の状態が実線で示され、このときの足部１８の位置１８−１を通常位置とする。通常位置での足部１８−１とワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１とこれらをそれぞれ案内するワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１を実線で示している（最後の添え字１は、基準位置にあることを示す）。Ｘ軸回りに回転した足部１８を破線１８−２で示し、そのときのワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２を破線で示す（最後の添え字２は、回転位置にあることを示す）。ワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１の下端接続点７２ｂ１，７２ｃ１は、ワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１のそれぞれの下端のＹ軸方向の中心にある。通常位置では、ワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１はワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１の円弧面のＹ軸方向の中心線に沿って案内されている。足部１８がＸ軸回りに回転して足部１８−２の位置まで移動すると、ワイヤ６６ｂ，６６ｃはワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃに案内されながらワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２の位置まで移動する。このときのワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２はワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２に対して傾斜する。ワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２を案内するワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の円弧面上の線が、ワイヤ接続部７２ｂ２，７２ｃ２とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の図中右上端を結ぶ線まで移動する。また、図示しないが、図７の矢印とは反対方向に最大限に回転した場合も同様に、ワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２は、ワイヤ接続部７２ｂ２，７２ｃ２とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の図中左上端を結ぶ線まで移動する。
【００２８】
ワイヤ終端ガイド７０のＹ軸方向の巾は、足部１８がＸ軸の回りに回転することによって、Ｘ軸とワイヤ接続点７２までの距離が変化する距離以上に設定されているために、足部１８がＸ軸の回りに最大限に回転しても、ワイヤ６６はワイヤ終端ガイド７０からはずれることがない。このように、本実施例のワイヤ終端ガイド７０によれば、末端側部材１８のＸ軸回りのいかなる姿勢変化に対してもワイヤ６６を案内し続けることが可能となっている。
なお本明細書において添え字を省略して説明する事象は、添え字によって区分される部材に共通する事象であることを示している。
【００２９】
図１０は本実施例の足首関節２６がＹ軸の回りに回転する場合の側面図を示している。本実施例でのワイヤの動きと対比させるため、最初に図１１を用いて、ワイヤ終端ガイド７０を備えない場合のワイヤの動きについて説明する。
【００３０】
ワイヤ終端ガイドが存在しない場合、足首関節２２６はユニバーサルジョイントのＹ軸２６２よりも前方（図の左側）に取付けられたワイヤ２６６と後方に取付けられたワイヤ（図示省略）によってＹ軸２６２の回りに回転させられる。各ワイヤの下端は足部２１８の上面のワイヤ接続部２７２（後方ワイヤの接続点は図示省略）に固定され、上端は図示しないアクチュエータに接続されている。アクチュエータによって各ワイヤの有効長を伸長・収縮させ、足部２１８をＹ軸２６２の回りに回転させる。なお、近似的にワイヤは鉛直方向に伸びているとすることができる。
【００３１】
図１１の破線は、足部２１８が足首関節２２６のＹ軸２６２の回りに矢印ＩＩＩ，ＩＶの方向に最大限に回転したところを示している。足部２１８と下腿部２１６のシャフト２４２が成す角が直角である通常位置を実線で示す（添え字１は通常位置にあることを示す）。このとき、足部２１８−１とワイヤ２６６−１が成す角αも直角である。矢印ＩＩＩ方向（図中時計回り）に回転後の足部２１８−３とワイヤ２６６−３とワイヤ接続部２７２−３を破線で示し、添え字３を付けて示す。矢印ＩＶ方向（図中反時計回り）に回転後の足部２１８−４とワイヤ２６６−４とワイヤ接続部２７２―４を破線で示し、添え字４を付けて示す。矢印ＩＩＩ方向に回転した足部２１８−３とワイヤ２６６−３が成す角βは通常位置のときのαと比較して大きく、矢印ＩＶ方向に回転した足部２１８−４とワイヤ２６６−４が成す角γは通常位置のときのαと比較して小さい。即ち、足部２１８の回転に伴って足部２１８とワイヤ２６６が成す角は変化する。図１１のワイヤガイドを設けない方式では、ワイヤ２６６が接続点２７２でシャープに屈曲するために、ワイヤ２６６は接続点２７２で切れやすい。
【００３２】
また、足部２１８がＹ軸の回りに回転すると、足部２１８上面のワイヤ接続部２７２もこれに伴って回転する。矢印ＩＩＩ方向に回転したときのＹ軸２６２とワイヤ接続点２７２−３の水平方向距離Ｌａは通常位置と比較して大きく、矢印ＩＶ方向に回転したときのＹ軸２６２とワイヤ接続点２７２−４の水平方向距離Ｌｂは通常位置と比較して小さい。この距離ＬａやＬｂは、足部２１８をＹ軸２６２の回りに回転させるモーメントの大きさに直結するアーム長であり、ワイヤにかかる張力が同じであれば、アーム長が長いほどモーメントは大きい。
図１１のワイヤガイドを設けない方式では、足部２１８の姿勢によってアーム長が大きく変化して足部２１８を回転させるモーメントの大きさが大きく変化する。
【００３３】
一方、図１０は、本実施例の足首関節２６とワイヤ終端ガイド７０等を示している。足部１８が足首関節２６のＹ軸６２の回りに矢印ＩＩＩ、矢印ＩＶの方向に最大限（本実施例では３０°）に回転したところを示す。標準位置での足部１８と下腿部１６のシャフト４２が成す角は直角であり、このときの足部１８−１の位置を通常位置とする（添え字１は通常位置にあることを示す）。通常位置にある足部１８−１とワイヤ６６ａ１とこれを案内するワイヤ終端ガイド７０ａ１を実線で示す。矢印ＩＩＩ方向（図中時計回り）に回転後の足部１８−３とワイヤ６６ａ３とワイヤ終端ガイド７０ａ３と接続点７２ａ３と、矢印ＩＶ方向（図中反時計回り）に回転後の足部１８−４とワイヤ６６ａ４とワイヤ終端ガイド７０ａ４と接続点７２ａ４をそれぞれ破線で示す。
【００３４】
前述のように、足部１８に取付けられたワイヤ６６ａは、その下端がワイヤ終端ガイド７０ａの下端のワイヤ接続部７２ａに固定されている。また、ワイヤ終端ガイド７０ａは、その円弧の中心がワイヤ接続部７２ａよりも常に下腿部１６に近くなるよう取付けられている。即ち、ワイヤ６６ａの下端近傍は常にワイヤ終端ガイド７０ａの円弧面に沿って案内される。
このために、足部の姿勢変化によってワイヤ６６ａが局部的にシャープに屈曲することがなく、ワイヤは切れにくい。
【００３５】
足部１８がＹ軸６２の回りに回転することによって、ワイヤ６６ａのワイヤ終端ガイド７０ａの円弧面による案内部分は以下のように変化する。通常位置ではワイヤ６６ａ１はワイヤ終端ガイド７０ａ１の円弧面の下端から中心角９０°の位置まで案内されている。矢印ＩＩＩ方向に回転したとき、ワイヤ６６ａ３はワイヤ終端ガイド７０ａ３の円弧面の下端から３分の１程の位置まで案内されている。矢印ＩＶ方向に回転したとき、ワイヤ６６ａ４はワイヤ終端ガイド７０ａ４の円弧面の下端から上端近傍まで案内されている。即ち、足部１８が回転しても、ワイヤ終端ガイド７０ａに案内されるワイヤ６６ａの長さが変化するために、ワイヤ６６ａがワイヤガイド７０ａから離れる点とＹ軸６２までの水平距離はほぼ一定に保たれる。
この結果、図１０のワイヤ終端ガイド７０を有する方式では、足部１８が姿勢変化してもアーム長の変化は小さく、足部１８を回転させるモーメントの変化も小さい。
【００３６】
ワイヤ終端ガイドがないと足部等の末端側部材が動く度に、ワイヤ接続部においてワイヤが局所的に屈曲するため、ワイヤ接続部の耐久性を維持することが容易でない。本実施例ではワイヤ終端ガイドを設けたために、足部がＹ軸の回りに回転しても、ワイヤの下端近傍は常にワイヤ終端ガイドの円弧面に案内されているため、ワイヤ接続部においてワイヤが局所的に屈曲することがなく、ワイヤ接続部の耐久性が向上する。
また、ワイヤ終端ガイドがないと、足部等の末端側部材が動く度にワイヤとＹ軸の距離、即ちモーメントのアーム長が大きく変化する。本実施例ではワイヤ終端ガイドを設けたために、足部がＹ軸の回りに回転しても、ワイヤ終端ガイドによってモーメントのアーム長の変化を抑制することができる。
また本実施例のワイヤ終端ガイドは、Ｙ軸方向に巾を持ち、足部１８がＸ軸の回りの回転してもワイヤがワイヤ終端ガイドからはずれることがない。
【００３７】
本実施例では、ワイヤ終端ガイドを利用することによって、末端側部材のＸ軸Ｙ軸回りの姿勢変化に対して、ワイヤ接続部の耐久性を維持することができる。また、末端側部材のＸ軸Ｙ軸回りの姿勢変化に対して、モーメントのアーム長の変化を抑制することができる。さらには、ワイヤ終端ガイドを巾広にしたために、ワイヤがワイヤ終端ガイドから逸脱することなくワイヤ接続点近傍を常に案内することができる。
ワイヤ終端ガイドに溝を形成してワイヤを案内する方式でもワイヤがワイヤ終端ガイドから逸脱するのを防止できるが、ワイヤが溝から離れるところでワイヤが局所的にシャープに屈曲することがある。本実施例のワイヤ終端ガイドは溝を持たず、ワイヤがワイヤ終端ガイドの円弧面を軸方向に自由に移動できるようにし、しかも巾広にして逸脱しないようにしていることから、ワイヤが局所的にシャープに屈曲しないようにしながら常時案内することに成功している。
【００３８】
図３に明瞭に示されている３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの上端はアクチュエータ６８ａ，６８ｂ，６８ｃ（図１、図２参照）に接続されている。図１、図２では図示の明瞭化のためにアクチュエータが簡略化されて表示されている。図４はアクチュエータ６８の詳細を模式的に示しており（すべてのアクチュエータは同様の構造を有するために、添え字を省略して共通的に説明する）、一対のフランジ１０２と１０６が３本の案内ロッド１０８，１１０，１１２で接続されている。一対のフランジ間には送りネジ１２０が回転自在で軸方向には移動不能に配置されている。送りネジ１２０は、モータ１１４とギヤ１１６とギヤ１１８によって回転させられる。送りネジ１２０には可動プレート１０４が螺合している。可動プレート１０４は案内ロッド１０８，１１０，１１２に案内されて軸方向に移動可能で回転不能となっている。その可動プレート１０４にワイヤ６６の先端が固定されている。
モータ１１４が回転すると送りネジ１２０が回転して可動プレート１０４が案内ロッドに沿って滑り、ワイヤ６６が引き込まれたり、緩められたりする。
ボールネジ６８のモ−タ１１４と、一対のフランジ１０２、１０６は大腿部１４に固定されている。案内ロッド１０８，１１０，１１２は大腿部１４の長手方向に伸びており、モ−タは１１４がボールネジ６８を回転させることで、ワイヤ６６は大腿部１４の長手方向に引かれたり緩められたりする。
ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃと接続点７２ａ、７２ｂ、７２ｃ間の距離をワイヤの有効長とすると、ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの有効長はモータ１１４によって伸長させられる。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの有効長を伸長させるアクチュエータ群６８ａ，６８ｂ，６８ｃは、股関節２２に近い大腿部１４に配置されている。
【００３９】
図４に示されているように、モータ１１４にコントローラ２００が接続されている。コントローラ２００には、ロボット１０の動き全体を制御している別のコントローラ（図示省略）から、足首関節２６の回転角と、足首関節２６の回りの剛性を指示する信号が入力される。
コントローラ２００は、モータ１１４を制御して、足首関節２６の回転角と足首関節２６の回りの剛性を、指示された回転角と剛性に調整する。
【００４０】
図２に示されているように、下腿部４２には下腿部４２を膝関節２４の回りに後方に回転させるワイヤ６６ｄの一端が接続されている。ワイヤ６６ｄは膝関節に回転自在に配置されているプーリ６４ｄ（図１参照）の後方を通ってボールネジ６８ｄの可動プレート１０４に接続されている。ボールネジ６８ｄの可動プレート１０４はモータによって進退する。可動プレート１０４が進退すると、ワイヤ６６ｄは引き込まれたり、緩められたりする。
【００４１】
以上によって下記の姿勢変化が実現される。
（１）アクチュエータ６８ａを縮めてアクチュエータ６８ｂ、６８ｃを緩めることで爪先が上がる。アクチュエータ６８ａを緩めてアクチュエータ６８ｂ、６８ｃを縮めることで爪先が下がる。即ち、かかとが上がる。
（２）アクチュエータ６８ｂを縮めてアクチュエータ６８ｃを緩めることで足部の外側が上がる。アクチュエータ６８ｂを緩めてアクチュエータ６８ｃを縮めることで内側が上がる。
（３）アクチュエータ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを縮めてアクチュエータ６８ｄを緩めることで下腿部１６が前方に回転する。アクチュエータ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを緩めてアクチュエータ６８ｄを縮めることで下腿部１６が後方に回転する。
４本のアクチュエータと４本のワイヤで、足首関節２６のＸ軸回りの回転角（前記２の回転）と、足首関節２６のＹ軸回りの回転角（前記１の回転）と、膝関節２４回りの回転角（前記３の回転）が独立に調整できる。
４本のアクチュエータで３軸回りの回転角を調整するために、アクチュエータは冗長であるように見える。しかしながら、この冗長性を利用して回転に対する剛性を調整することができる。なおこの点については後記する。
【００４２】
膝関節２４のみならず足首関節２６の回転角を調整するためのアクチュエータまでもが大腿部１４に配置されているために、この人工下肢の先端部は軽く、股関節回りの慣性モーメントは小さい。このために、小さなトルクで股関節２２の回りに高速に回転させることができる下肢が得られる。
【００４３】
次に股関節２２回りの回転角を調整するワイヤとアクチュエータを説明する。図１と図２に示すように、大腿部１４の上部の所定位置には３個の円弧形状のワイヤ終端ガイド４８ａ，４８ｂ，４８ｃが３箇所に取付けられ、それぞれにワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃが１本ずつ掛けられている。それぞれのワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの下端はそれぞれワイヤ終端ガイド４８ａ，４８ｂ，４８ｃの下端４９ａ，４９ｂ，４９ｃに固定されている。後側に取付けられたワイヤ５０ｃの中程にはプーリ５４が配置され、プーリ５４は股関節２２のＹ軸よりも後方に位置している。ワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの上端はそれぞれボールネジ５２ａ，５２ｂ，５２ｃの可動プレートに接続されている。ボールネジ５２ａ，５２ｂのそれぞれの送りネジはそれぞれ図示しないモータによって回転するために、送りネジに螺合している可動プレートはモータの回転によって進退する。この結果、ワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの有効長が伸長・収縮する。なお、ボールネジ５２ａ，５２ｂ，５２ｃとそのためのモータ５６等は胴体部に配置されており、股関節２２の回りに回転する下肢の慣性モーメントを増加させない。
【００４４】
ボールネジ５２ａ，５２ｂは、股関節２２のＹ軸よりも前方に位置しており、収縮すると大腿部１４を股関節２２のＹ軸の回りに前方に回転させる。ワイヤ５０ｃを案内するプーリ５４は股関節２２のＹ軸よりも後方に位置しており、ボールネジ５２ｃが収縮すると大腿部１４を股関節２２のＹ軸の回りに後方に回転させる。なお、骨盤部２８に回転自在な円板３６はモータ３８によってＺ軸の回りに回転させられる。モータ３８は骨盤部２８に固定されている。
【００４５】
ワイヤ接続点４９ｃは股関節２２のＹ軸よりも後方に位置しており、ワイヤ５０ｃが引かれると大腿部１４は股関節２２のＹ軸回りに後方に回転する。ワイヤ接続点４９ｃは股関節２２のＸ軸上に配置されており、ワイヤ５０ｃが引かれても大腿部１４のＸ軸回りの回転には影響しない。ワイヤ接続点４９ａは股関節２２のＸ軸よりも外側に位置しており、ワイヤ５０ａが引かれると大腿部１４は股関節２２のＸ軸回りに回転して大腿部１４を開ける。ワイヤ接続点４９ｂは股関節２２のＸ軸よりも内側に位置しており、ワイヤ５０ｂが引かれると大腿部１４は股関節２２のＸ軸回りに回転して大腿部１４を閉じる。大腿部１４を閉じる場合には、ワイヤ５０ｂを引くと同時にワイヤ５０ａを緩めて大腿部１４が閉じることを許容する。同様に、大腿部１４を開ける場合には、ワイヤ５０ａを引くと同時にワイヤ５０ｂを緩めて大腿部１４が開くことを許容する。大腿部１４を股関節２２のＸ軸回りに回転させる場合にはワイヤ５０ｃを操作する必要はない。ワイヤ５０ａ，５０ｂを同時に引くと大腿部１４は股関節２２のＹ軸回りに前方に回転して大腿部１４を持ち上げる。この場合には、ワイヤ５０ｃを緩めて大腿部１４が前方に回転するのを許容する。ワイヤ５０ｃを引いて大腿部１４を後方に回転させる場合には、同時にワイヤ５０ａ，５０ｂを緩めて大腿部が下がるのを許容する。
【００４６】
以上によって股関節２２は下記のように調整される。
（１）ボールネジ５２ｃを縮めてボールネジ５２ａ，５２ｂを緩めることで大腿部１４は後方に回転する。ボールネジ５２ｃを緩めてボールネジ５２ａ、５２ｂを縮めることで大腿部１４が前方に回転する。大腿部１４を前方に持ち上げるには大きなトルクが必要とされるのに対し、後方に下げるには大きなトルクが要らない。大きなトルクが必要とされる側に２本のアクチュエータと２本のワイヤが利用され、小さな力しか必要とされない側に１本のアクチュエータと１本のワイヤが利用されている。
（２）ボールネジ５２ａを縮めてボールネジ５２ｂを緩めることで大腿部１４が外向きに持ち上げられる。ボールネジ５２ａを緩めてボールネジ５２ｂを縮めることで大腿部１４が閉じる。
３本のアクチュエータと３本のワイヤで、股関節２２のＸ軸回りの回転角（前記２の回転）と、股関節２２のＹ軸回りの回転角（前記１の回転）が独立に調整できる。
【００４７】
股関節２２の回りに大腿部１４を動かすためのアクチュエータは胴体側に配置されているために、大腿部１４を動かす際にはアクチュエータごとに動かす必要がない。股関節２２回りの慣性モーメントは小さい。このために、小さなトルクで股関節２２の回りに下肢を高速に回転させることができる。
【００４８】
図３に明瞭に示されている３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの中間部には、図１２〜１４に示す非線形バネ１４０が挿入されている。バネ１４０はバネ鋼で形成されており、平板部１２２と一対のフランジ１２６，１２６ともう一対のフランジ対１３０，１３０を備えている。フランジ対１２６，１２６間にはシャフト１２８が差し渡され、フランジ対１３０，１３０間にはシャフト１３２が差し渡されている。平板部１２２には、シャフト１２８，１３２と平行に伸びる峰部１２４が形成されている。ワイヤ６６は、屈曲しながら、シャフト１２８の下方、峰部１２４の上方、シャフト１３２の下方を通過している。
図１４に示されるように、ワイヤ６６が強く引かれると、バネ鋼製の平板部１２２が撓んでワイヤ６６は引き伸ばされる。
【００４９】
上記のバネ１４０がワイヤに挿入されているために、ボールネジによってワイヤ張力を調整することができる。
図１において、アクチュエータ６８ｂの引き込み量とアクチュエータ６８ｃの引き込み量が等しく、足部１８はＸ軸回りに下腿部１６のシャフト４２に直角に調整されているとする。この状態から、アクチュエータ６８ｂとアクチュエータ６８ｃを同一速度でさらに引き込むとする。この場合、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃは同一速度で引き込まれるために、足部１８はＸ軸の回りに回転しない。しかしながら、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃが引き込まれるのに応じて、図１４に示すように、バネ１４０が変形し、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃの張力は増大する。即ち、このロボットは、２本のワイヤの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式であるために、両方のワイヤを同時に引き込むことによって、回転角を変えないで、ワイヤ張力のみを増大させることができる。同様に、両方のワイヤを同時に緩めることによって、回転角を変えないで、ワイヤ張力のみを減少させることができる。
【００５０】
ワイヤ張力は関節回りの回転角の剛性を決定する。例えば、図１の足部１８が地面に接地する場合、両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、接地した地面が足部の左側で高くて右側で低い場合に、足部１８の右側を引き上げているワイヤが伸びて足部１８が地面の傾斜に倣って傾斜して足部１８の全体が接地する。剛性が低ければ外部事象に柔軟に追従する。
一方において、片側の足部１８が空中にある場合、その空中姿勢に調整する両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、ロボットにわずかな外力が作用することでワイヤが伸びるために空中姿勢が不安定となる。姿勢を安定させるためには、剛性が高い方が好ましい。剛性が高い状態の方が、ボールネジの動きと関節回りの回転角が良く一致し、関節回りに高速で回転ないし動作させることができる。
【００５１】
この実施例のロボットは、２本のワイヤのうちの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式（プルプル方式）であり、しかも、ワイヤの中間部に非線形バネを挿入しているために、ロボット姿勢とは独立に剛性を調整できる。柔軟に追従することが必要なと時には低剛性とし、姿勢を安定させることが必要な時には高剛性に調整することができる。
【００５２】
プルプル方式と非線形バネとによって、関節回りの剛性を調整できる理由を、図１５、図１６を参照しながら説明する。なお、この説明では、２本のワイヤによって足部がＹ軸回りに回転する簡単な例を取り上げて説明する。図１５は、このような構成を模式的に図示したものである。図１５に示されているように、足部３０２は円筒状のプーリ３０３と一体化されている。プーリ３０３は、Ｙ軸３０３ｃの回りに回転可能に軸支されている。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６はプーリ３０３に巻き付けられ、それぞれの一端はワイヤ接続点３０３ａ、３０３ｂでプーリ３０３に接続されている。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６の他端は、それぞれ前方アクチュエータ３１２と後方アクチュエータ３１４に接続されている。前方アクチュエータ３１２と後方アクチュエータ３１４は、固定部材３２２、３２４に固定されている。アクチュエータ３１２、３１４は、ワイヤ３０４、３０６を引き込んだり、緩めたりする。ワイヤ３０４、３０６の途中には、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７が装着されている。
【００５３】
図１６は、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７のバネ特性を示すグラフである。縦軸（ｙ軸）はバネ力を示し、横軸（ｘ軸）はバネの伸び量を示している。ｙ軸の右側のカーブが後方非線形バネ３０７のバネ特性を表し、ｙ軸の左側が前方非線形バネ３０５のバネ特性を表している。図１６から明らかなように、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７のバネ特性は、その伸びが大きくなると急にバネ力が大きくなる（カーブの傾斜が急になる）非線形性を有している。すなわちフックの法則には従わない。
図１６を用いて、足部３０２の回転軸３０３ｃ回りの剛性が調整される様子を具体的に説明する。例えば、バネ３０５、３０７の伸び量がゼロで足部３０２の角度が所定位置に調整されたときのアクチュエータ３１２、３１４の作動量からアクチュエータ３１２、３１４がさらにＡ（ｍｍ）づつ引き込まれとする。するとバネ３０５、３０７が伸び、Ｂ（ｋｇ）のバネ力が発生する（点Ｄ、点Ｆ参照）。ワイヤ張力はＢ（ｋｇ）に調整される。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６の張力は等しいので、足部３０２は回転せず、調整された位置を保つ。この状態で足部３０２に時計方向のモーメントを加えて回転させ、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びたとする（点Ｄ→点Ｅ）。後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びると、前方バネ３０５はこれと等しい量（Ｃ（ｍｍ））縮む（点Ｆ→点Ｇ）。従って、足部３０２を回転させてバネ（３０５、３０７）をＣ（ｍｍ）伸縮させるのには、点Ｅと点Ｇのバネ力の差であるＨ（ｋｇ）の力をプーリ３０３に加える必要がある。
【００５４】
アクチュエータ３１２、３１４がさらに大きくＪ（ｍｍ）ずつ引き込まれたとする（点Ｌ、点Ｍ）。このときにバネ３０５、３０７が発生するバネ力はＫ（ｋｇ）である。この場合でも、ワイヤ３０４、３０６の張力は等しいので、足部３０２は回転せずにそのままの位置を保つ。この状態で足部３０２に時計方向のモーメントが加わって、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びたとする（点Ｌ→点Ｎ）。前方バネ３０５はＣ（ｍｍ）縮む（点Ｍ→点Ｐ）。従って、足部３０２を回転させてバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのには、点Ｎと点Ｐのバネ力の差であるＱ（ｋｇ）の力をプーリ３０３に加える必要がある。
【００５５】
アクチュエータ３１２、３１４がＡ（ｍｍ）引き込まれて実現された張力Ｂの状態からバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに必要な力は、Ｈ（ｋｇ）である。アクチュエータ３１２、３１４がＪ（ｍｍ）引き込まれて実現された張力Ｋの状態からバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに必要な力は、Ｑ（ｋｇ）である。明らかにＱ（ｋｇ）の方が、Ｈ（ｋｇ）よりも大きい。すなわち、アクチュエータ３１２、３１４を大きく引き込んで、大きな張力をワイヤ３０４、３０６に発生させているときの方が、足部３０２の剛性（足部３０２を所定角回転させるに要するＹ軸回りの回転モーメント）は高くなる。アクチュエータ３１２、３１４がワイヤ３０４、３０６を引き込む量を変化させることによって、足部３０２の剛性を調整することができる。
プルプル方式と非線形バネ組合せて用いると、関節の回転角と独立に、剛性を調整することができる。
【００５６】
図１６のバネ特性グラフの傾斜角が剛性に比例する。そこで、その傾斜角が意図した剛性に相当するバネの伸び量を求め、その伸び量を与えることで、意図した剛性に調整することができる。
ロボットの姿勢にかかわらず、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、即ちモーメントの腕の長さがほぼ一定であれば、剛性から張力ないし伸び量を決定することができる。
しかしながら、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、即ちモーメントの腕の長さが変化する場合には、剛性から張力を決定するまでの間にモーメントの腕の長さを考慮しなければならない。例えば、ともにワイヤ張力が１ｋｇであるとする。このとき、回転中心からその１ｋｇの張力の作用点までの長さが１０ｃｍ（ケース１）と２０ｃｍ（ケース２）とする。このとき、ケース２の方がモーメントの腕の長さが長く、モーメントも大きい。ケース２の方が、同じ張力でありながら、外力に抗して関節回転角を所定値に維持する程度は強い。剛性は、張力とモーメントの腕の長さによって決まる。
【００５７】
コントローラ２００によって、逐次指示されて経時的に変化する回転角の指示角と、逐次指示されて経時的に変化する剛性に関する指示値に追従するようにアクチュエータを制御する技術を説明する。以下では、アクチュエータ６８ｂと６８ｃによって、足首関節２６のＸ軸回りの回転角と剛性を、指示された回転角と剛性に追従するように制御する例について説明する。
（第１の制御技術）
図１７は、足首関節２６をワイヤ６６ｂによってＸ軸回りに外向きに回転させるアクチュエータ６８ｂのためのコントローラ２００ｂの制御ブロック図と、ワイヤ６６ｃによって内向きに回転させるアクチュエータ６８ｃのためのコントローラ２００ｃの制御ブロック図を示す。
最初にコントローラ２００ｂについて説明する。第１変換機２ｂは、足首関節２６の回転角の指示値Ｐ１から、その回転角の指示値Ｐ１を実現するのに必要なモータ１１４ｂの回転角Ｐ２に変換する。ここでは、バネ１４０が伸びないものとして計算する。計算された回転角Ｐ２は、モータ１１４ｂの実際の回転角Ｐ７と比較されて偏差Ｐ３が求められる。モータ１１４ｂの実際の回転角Ｐ７は、モータ１１４ｂに内蔵されているエンコーダ１１５ｂから得られる。第２変換機４ｂは、回転角偏差Ｐ３をモータ１１４ｂの回転速度Ｐ４に変換する。ここでは、偏差Ｐ３が大きいほど大きな回転速度Ｐ４に変換する。偏差Ｐ３がゼロであれば回転速度Ｐ４もゼロである。第３変換機６ｂは、モータ１１４ｂの回転速度Ｐ４をモータ１１４ｂに加えるトルクＰ５に変換する。モータ１１４ｂは、通電する電流値と発生するトルクが比例する特性を備えている。モータ１１４ｂに加えるトルクＰ５は電流の単位で指令される。電流の単位で指令されるトルクＰ５は、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータのトルクをフィードバック制御するトルクの増減値に相当し、指示された回転角に対して不十分なアクチュエータのトルクを増大させ、指示された回転角に対して過大なアクチュエータのトルクを減少させる。これによって、実際の回転角が指示された回転角にフィードバック制御される。
剛性の指示値Ｑ１は、第４変換機１０ｂに入力される。第４変換機１０ｂは、回転角の指示値Ｐ１からワイヤ６６ｂの張力が足首関節２６の回りのモーメントを発生させる腕の長さを計算し、剛性の指示値Ｑ１とモーメントの腕の長さから指示された剛性Ｑ１に調整するのに必要なワイヤ張力Ｑ２を計算する。ここでは図１６に示したバネ特性が参照され、バネ定数とモーメントの腕の長さから、指示された剛性Ｑ１に調整できるバネ特性を実現するワイヤ張力Ｑ２に変換する。第５変換機１２ｂは、張力Ｑ２をモータトルクＱ３に変換する。この変換には、図４のアクチュエータの特性式が利用される。モータのトルクの全部がワイヤ張力に反映されるわけでない。モータトルクの一部は、ボールねじ等の摩擦や慣性に費やされる。第６変換機１４ｂは、必要なワイヤ張力を発生するモータトルクＱ３に摩擦や慣性に費やされる分を補償して実際に必要とされるモータトルクＱ４を算出する。
摩擦や慣性に費やされる分を補償したモータトルクＱ４は、回転角のフィードバック制御によって算出されたモータトルクの増減値Ｐ５に加算される。最終的には、加算されたモータトルクＰ６が指令される。実際には、モータ１１４ｂのトルクは通電電流に比例するので、モータ１１４ｂに、加算されたトルクＰ６に比例する電流を通電する。
【００５８】
コントローラ２００ｃについても、制御ブロックは同一であり、重複説明はしない。この場合、アクチュエータ６８ｂとアクチュエータ６８ｃは左右対称のために、Ｐ２とＱ２とＱ３は、コントローラ２００ｂと２００ｃとで、異符号で同じ値を持つ。ただし、慣性項と摩擦項は左右対称にならないので、Ｑ４の値は等しくならない。
【００５９】
この制御ブロックによると、指示された剛性に調整するのに必要なモータトルクＱ４が加算される。このために、足首関節２６のＸ軸回りの剛性は、指示された剛性Ｑ１に制御される。指示された剛性Ｑ１に調整するためのモータトルクＱ３（ここではワイヤ張力となるモータトルク）は、アクチュエータ６８ｂとアクチュエータ６８ｃによるものとがバランスし、足首関節２６のＸ軸回りの回転角に影響しない。足首関節２６のＸ軸回りの回転角は、剛性に調整するためのモータトルクと無関係に、指示された回転角Ｐ１にフィードバック制御される。
図１７の制御ブロックによると、回転角Ｐ１と剛性Ｑ１が独立に指示されても、指示された回転角Ｐ１と剛性Ｑ１に制御することができる。
上記した事象は、回転角の剛性の指示値Ｐ１、Ｑ１が時々刻々に変化する動作中常に得られ、経時的に変化する指示値Ｐ１、Ｑ１に常に追従させることができる。
【００６０】
（第２の制御技術）
図１８は、第２の制御技術に係わるコントローラ２００ｂとコントローラ２００ｃの制御ブロック図を示す。
この場合、コントローラ２００ｂは、回転角の指示値Ｐ１に基づいてモータ１１４ｂの回転角をフィードバック制御し、コントローラ２００ｃは、剛性の指示値に基づいてモータ１１４ｃのトルクをフィードバック制御する。モータ１１４ｃの実際のトルクＱ６は、モータ１１４ｃに通電する電流を測定する電流計１１５ｃで測定される。モータは１１４ｂ、１１４ｃは、電流値とトルクが比例する特性をもっている。
モータ１１４ｂの回転角のフィードバック制御のための制御ブロック図は、図１７とほぼ同様であり、モータ１１４ｃのトルクのフィードバック制御のための制御ブロック図も図１７とほぼ同様であり、重複説明はしない。
この制御技術によると、指示された剛性Ｑ１に調整するために必要なトルクがモータ１１４ｃから加えられる。このトルクが働いた状態で、モータ１１４ｂは、指示された回転角Ｐ１に調整するのに必要なだけ回転される。このとき、結果的には、モータ１１４ｂのトルクも、指示された剛性Ｑ１に調整するのに必要なトルクに調整され、モータ１１４ｃの回転角も、指示された回転角Ｐ１に調整するのに必要な回転角に調整される。
図１８の制御技術は、回転角という１の自由度に対して、２個のモータを利用するという冗長性を利用して、回転角と剛性を独立に制御するものであり、ヒトに類似している。ヒトも、関節の自由度からみると冗長な数の筋肉を利用して関節の回りに回転させる。その冗長性を利用して剛性を調整している。
図１８の制御ブロックによると、回転角と剛性が独立に指示されたときに、指示された回転角と剛性に制御することができる。
【００６１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
（１）アクチュエータとワイヤは、関節軸に対して左右対称に配置されている必要はない。足首をＹ軸回りに回転させる、アクチュエータ６８ａと６８ｂ、乃至はアクチュエータ６８ａと６８ｃにも有効である。モーメントの腕の長さ等は、回転軸に対して対称である必要はない。
（２）回転部材の回転中心を挟んだ両側にワイヤを接続する必要もない。回転部材の一端側に、時計方向に回転させるワイヤと、反時計方向に回転させるワイヤを接続する場合にも有効である。
（３）関節が多軸関節である場合、例えばＸ軸とＹ軸の回りに回転させる２軸関節（足首関節２６はその例である）の場合、２本のワイヤによって、Ｘ軸回りの回転角とＹ軸の回りの回転角を決定することができる。この場合、３本目のワイヤは冗長である。この場合、Ｘ軸回りの回転角とＹ軸の回りの回転角を決定するのに必要な２本のワイヤについては回転角に基づいてフィードバック制御し、３本目の冗長なワイヤについては剛性に基づいてフィードバック制御すると、回転角と剛性が独立に指示されたときに、指示された回転角と剛性に制御することができる。３軸関節の場合、３本のワイヤによって、３軸回りの各回転角を決定することができる。４本目のワイヤは冗長である。この場合、３軸回りの各回転角を決定するのに必要な３本のワイヤについては回転角に基づいてフィードバック制御し、４本目の冗長なワイヤについては剛性に基づいてフィードバック制御すると、回転角と剛性が独立に指示されたときに、指示された回転角と剛性に制御することができる。
（４）多くのワイヤは、その程度は小さいものの、非線形のバネ特性を備えており、非線形のバネ特性を有するバネを積極的に導入することが不可欠ではない。しかしながら、非線形のバネ特性を有するバネを積極的に導入することによって、必要な剛性範囲を実現するに要するアクチュエータのトルク範囲を小さく抑えることが可能となり、小型のアクチュエータで対応できることになる。
【００６２】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００６３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のロボットの両下肢の正面図。
【図２】同ロボットの左下肢の側面図。
【図３】同ロボットの足首関節の構造を説明するための図。
【図４】同ロボットのボールネジの詳細を説明する図。
【図５】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図６】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図７】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図８】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図９】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図１０】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図１１】従来のワイヤ駆動のロボットの足部の動きを説明する図。
【図１２】本実施例の非線形ばねの縦断面図。
【図１３】本実施例の非線形ばねの横断面図。
【図１４】本実施例の非線形ばねの縦断面図。
【図１５】同ロボットの関節の剛性を説明する図。
【図１６】同ロボットの関節の剛性を説明するグラフ。
【図１７】第１の制御技術の制御ブロック図。
【図１８】第２の制御技術の制御ブロック図。
【符号の説明】
１０：ロボット
１２：下肢部
１４：大腿部
１６：下腿部
１８：足部
２０：胴体部
２２：股関節
２４：膝関節
２６：足首関節
２８：骨盤部
３０：シャフト
３２：ユニバーサルジョイント
３４：ベアリング
３６：円板
３８：アクチュエータ
４０：フランジ
４２：シャフト
４４：フランジ
４６：軸
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ：ワイヤ終端ガイド
４９ａ，４９ｂ，４９ｃ：ワイヤ接続点
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ：ワイヤ
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ：ボールネジ
５４：プーリ
５６：アクチュエータ
５８：フランジ
６０：フランジ
６２：十字型自在継手
６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ：プーリ
６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ：ワイヤ
６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄ：アクチュエータ（ボールネジ）
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ：ワイヤ終端ガイド
７２ａ，７２ｂ，７２ｃ：ワイヤ接続点
３０２：足部
３０３：プーリ、３０３ａ：ワイヤ接続点、３０３ｂ：ワイヤ接続点、３０３ｃ：Ｙ軸
３０４：前方ワイヤ
３０５：前方バネ
３０６：後方ワイヤ
３０７：後方バネ
３１２：前方アクチュエータ
３１４：後方アクチュエータ
３２２、３２４：固定部材
【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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