(57)【要約】装置を小型化することが可能な、新規かつ改良されたアクチュエータ及び義足を提供する。アクチュエータ（３２０）を、一端部（３２２ａ）が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネ（３２２）と、前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材（３２４）と、を備えるように構成する。
2017212708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネと、  前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材と、  を備える、  アクチュエータ。
【請求項２】
前記板バネの一端部に対して相対的に回動自在な回動体をさらに備え、  前記板バネは、駆動モータから出力されたトルクを前記回動体へ伝達し、  前記板バネの一端部は、前記駆動モータの出力軸と同期して回動自在であり、  前記板バネの他端部は、前記回動体と一体に回動自在である、  請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記支持部材は、前記板バネの前記一端部と一体に回動自在である、請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記回動体は、前記板バネの前記一端部の回動軸まわりに回動自在である、請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記板バネは、前記一端部の回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられる、請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記板バネは、前記一端部の回動方向に沿って等間隔に８個設けられる、請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記支持部材は、前記板バネの前記一端部の回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、前記一端部の回動方向に隣接する２個の前記板バネの間に位置する、請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記支持部材は、樹脂によって構成される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記回動体は、樹脂によって構成される、請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
大腿側部材と、  下腿側部材と、  前記大腿側部材と前記下腿側部材とを接続し、前記下腿側部材へトルクを伝達することにより、前記下腿側部材を前記大腿側部材に対して相対的に回動させる、アクチュエータと、  を備え、  前記アクチュエータは、  一端側が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネと、  前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材と、  を備える、  義足。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、アクチュエータ及び義足に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、各装置について、所望の駆動制御を実現するために、種々のアクチュエータが提案されている。具体的には、人の形状や動きを模した装置としてのロボットについて、要求される駆動制御を実現するために、ＳＥＡ（Ｓｅｒｉｅｓ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）と称される直列弾性アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４０３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  ところで、ロボットに関する分野において、装置をより小型化することが望まれている。ここで、ロボットのアクチュエータとして利用されるＳＥＡを小型化することによって、装置が小型化されることが期待される。しかしながら、ＳＥＡでは、具体的には、弾性部材としてのバネを介して動力の伝達が行われるので、ＳＥＡを小型化する場合には、ＳＥＡにおける当該バネを小型化する必要が生じ得る。それにより、当該バネの強度が要求される強度を下回る場合がある。ゆえに、ＳＥＡを小型化することが困難となり得る。【０００５】  そこで、本開示では、装置を小型化することが可能な、新規かつ改良されたアクチュエータ及び義足を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本開示によれば、一端部が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネと、前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材と、を備える、アクチュエータが提供される。【０００７】  また、本開示によれば、大腿側部材と、下腿側部材と、前記大腿側部材と前記下腿側部材とを接続し、前記下腿側部材へトルクを伝達することにより、前記下腿側部材を前記大腿側部材に対して相対的に回動させる、アクチュエータと、を備え、前記アクチュエータは、一端側が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネと、前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材と、を備える、義足が提供される。
【発明の効果】
【０００８】  以上説明したように本開示によれば、装置を小型化することが可能である。【０００９】  なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果又は本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＳＥＡによるコンプライアンス制御について説明するための説明図である。
【図２】本開示の実施形態に係る義足の概略構成の一例を示す模式図である。
【図３】同実施形態に係る義足における動力及び信号の伝達経路について説明するための説明図である。
【図４】板バネの一端部側の部分が変形ガイドと当接していない状態における、板バネの変形の様子を示す説明図である。
【図５】図４に示した状態における、板バネについてのせん断力図である。
【図６】図４に示した状態における、板バネについての曲げモーメント図である。
【図７】撓み角θと距離ｓとの関係性について説明するための説明図である。
【図８】板バネの一端部側の部分が変形ガイドと当接している状態における、板バネの変形の様子を示す説明図である。
【図９】板バネの一端部側の部分が変形ガイドと当接している状態における、板バネの他端部側の変形について説明するための説明図である。
【図１０】図８に示した状態における、板バネについてのせん断力図である。
【図１１】図８に示した状態における、板バネについての曲げモーメント図である。
【図１２】板バネの他端部撓み角θｌと板バネに付加される荷重Ｐとの関係の一例を示す説明図である。
【図１３】板バネの他端部撓み角θｌと剛性との関係の一例を示す説明図である。
【図１４】板バネの他端部撓み角θｌと荷重変化率との関係の一例を示す説明図である。
【図１５】板バネに付加される荷重Ｐと荷重変化率との関係の一例を示す説明図である。
【図１６】本開示の実施形態に係るアクチュエータの構成の一例を示す模式図である。
【図１７】板バネの一端部が回動体に対して相対的に停止している場合及び回動している場合のそれぞれについての、同実施形態に係るアクチュエータの様子の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】  以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】  なお、説明は以下の順序で行うものとする。  １．直列弾性アクチュエータの概要  ２．本開示の実施形態に係る義足  ３．本技術の概要    ３−１．板バネの変形    ３−２．板バネの機械的特性  ４．本開示の実施形態に係るアクチュエータ  ５．まとめ
【００１３】  ＜１．直列弾性アクチュエータの概要＞  上述したように、ロボットを駆動するためのアクチュエータとして、ＳＥＡが利用されている。ＳＥＡは、具体的には、駆動モータから出力される動力を弾性部材としてのバネを介して出力側の対象物へ伝達する。ＳＥＡは、このような構成を備えることにより、他のアクチュエータと比較して、高いコンプライアンスを有するので、ＳＥＡを含む装置へ付加される衝撃を緩和することができる。それにより、ロボットの関節部にＳＥＡを用いることによって、ロボットが着地動作を行った場合等において、接地面から受ける衝撃を緩和することができる。
【００１４】  また、ＳＥＡでは、バネの変位量の測定値及び当該バネのバネ定数に基づいて、当該バネに付加される荷重を測定することができる。このように測定された荷重は、出力側の対象物へ実際に伝達される動力と関連性を有するので、当該荷重の測定結果をＳＥＡの駆動制御に利用することができる。ここで、物体に付加される荷重の測定において、ひずみゲージを利用した力の測定が広く用いられている。しかしながら、ひずみゲージを利用した力の測定では、物体に付加される荷重が比較的小さい場合に、当該測定において処理される電気信号のノイズの影響に起因して、測定精度が低下しやすい。一方、バネの変位量の測定値を利用した荷重の測定では、バネに付加される荷重の程度によらず、比較的高い測定精度を確保することができる。ゆえに、バネの変位量の測定値を利用した荷重の測定では、測定対象の荷重が比較的小さい場合であっても、ひずみゲージを利用した力の測定と比較して、測定精度を向上させることができる。
【００１５】  上記で説明したＳＥＡの特性を利用することにより、人の形状や動きを模した装置としてのロボットについて、要求される駆動制御を実現することができる。具体的には、ＳＥＡでは、測定対象の荷重が比較的小さい場合であっても、バネに付加される荷重を比較的高い測定精度で測定することができるので、出力側の対象物へ伝達される動力をより精度良く制御することができる。それにより、ＳＥＡによれば、例えば、コンプライアンスを比較的高い状態に維持しながら出力側の対象物を運動させるコンプライアンス制御を実現することができる。
【００１６】  一例として、入力側質量体７０１と、入力側質量体７０２と、出力側質量体８００と、バネ６０１と、バネ６０２と、からなる図１に示した系を参照して、このようなコンプライアンス制御について、説明する。図１に概念的に示した各構成要素によって、ＳＥＡが構成されているものとする。図１に示すように、出力側質量体８００は、入力側質量体７０１と入力側質量体７０２との間に位置する。入力側質量体７０１及び出力側質量体８００は、バネ６０１を介して接続されている。入力側質量体７０２及び出力側質量体８００は、バネ６０２を介して接続されている。また、バネ６０１及びバネ６０２の伸縮方向は一致する。また、図示しない駆動モータから出力された動力が、入力側質量体７０１及び入力側質量体７０２に入力され、バネ６０１及びバネ６０２を介して出力側質量体８００へ伝達されるように、構成される。具体的には、入力側質量体７０１及び入力側質量体７０２へ入力された動力は、バネ６０１及びバネ６０２が伸縮することによって、バネ６０１及びバネ６０２を介して出力側質量体８００へ伝達される。なお、出力側質量体８００へ伝達された動力は、出力側質量体８００に接続された図示しない対象物へ伝達され得る。
【００１７】  図１に示した系において、出力側質量体８００がバネ６０１及びバネ６０２の伸縮方向に沿って移動している場合について考える。このような場合に、入力側質量体７０１及び入力側質量体７０２の位置を、出力側質量体８００の移動方向に沿って調整することによって、バネ６０１及びバネ６０２の長さを調整することができる。例えば、バネ６０１及びバネ６０２のそれぞれの長さが自然長に近づくように、入力側質量体７０１及び入力側質量体７０２の位置を調整することによって、出力側質量体８００へ付加される荷重を比較的低い状態に維持することができる。それにより、コンプライアンスを比較的高い状態に維持しながら出力側質量体８００を運動させるコンプライアンス制御を実現することができる。
【００１８】  このように、ＳＥＡをロボットのアクチュエータとして利用することによって、人の形状や動きを模した装置としてのロボットについて、要求される駆動制御を実現することができる。ここで、ロボットに関する分野において、上述したように、装置をより小型化することが望まれている。また、ロボットのアクチュエータとして利用されるＳＥＡを小型化することによって、装置の小型化が実現されることが期待される。しかしながら、ＳＥＡを小型化する場合には、ＳＥＡにおけるバネを小型化する必要が生じ得る。それにより、当該バネの強度が要求される強度を下回る場合がある。ゆえに、ＳＥＡを小型化することが困難となり得る。以下では、ＳＥＡを含む装置を小型化するために、ＳＥＡの小型化を実現するための仕組みについて説明する。
【００１９】  ＜２．本開示の実施形態に係る義足＞  続いて、図２及び図３を参照して、本開示の実施形態に係る義足１について説明する。図２は、本実施形態に係る義足１の概略構成の一例を示す模式図である。図３は、本実施形態に係る義足１における動力及び信号の伝達経路について説明するための説明図である。なお、図３では、実線の矢印及び破線の矢印によって、それぞれ動力及び信号の伝達経路が示されている。
【００２０】  本実施形態に係る義足１は、装着者であるユーザに装着されて使用され、ユーザの体重を支持するために用いられる。図１に示したように、義足１は、大腿側部材１００と、下腿側部材２００と、大腿側部材１００と下腿側部材２００とを接続するアクチュエータ３２０と、を備える。
【００２１】  大腿側部材１００は、ユーザにおける義足１との取り付け対象の部位を収容する図示しないソケット部材と接続される接続部１１０と、アクチュエータ３２０と接続される本体部１２０と、を備える。義足１がユーザに使用されている状態で、接続部１１０は、大腿側部材１００において、鉛直方向の上側に位置し、上記ソケット部材は、鉛直上方に向けて開口する。本体部１２０は、略円柱形状を有しており、本体部１２０の内部には、内部空間が形成される。当該内部空間には、種々の部材が収容され得る。例えば、本体部１２０の内部空間には、アクチュエータ３２０及び下腿側部材２００の延在部２１０の上端部が収容されてもよい。その場合、本体部１２０は、内部側において、アクチュエータ３２０を介して、延在部２１０の上端側と接続される。なお、本体部１２０の内部空間には、駆動モータ３４０及びギヤボックス３３０が収容されてもよい。
【００２２】  下腿側部材２００は、アクチュエータ３２０と接続される延在部２１０と、義足１がユーザに使用されている状態において、床と当接する接地部２２０と、を備える。延在部２１０は、上端側において、アクチュエータ３２０を介して、大腿側部材１００の本体部１２０と接続しており、大腿側部材１００に対して相対的に回動自在である。また、延在部２１０の回動方向は、例えば、大腿側部材１００の本体部１２０によって案内される。具体的には、延在部２１０は、本体部１２０の中心軸まわりに回動自在となるように、構成され得る。接地部２２０は、上部が延在部２１０の下端側と接続され、下部が床と当接する。具体的には、接地部２２０は、略直角に屈曲した形状を有しており、鉛直方向に延在する部分に延在部２１０の下端側が接続され、水平方向に延在する部分が床と当接する。
【００２３】  アクチュエータ３２０は、下腿側部材２００へトルクを伝達することにより、下腿側部材２００を大腿側部材１００に対して相対的に回動させる。アクチュエータ３２０は、ギヤボックス３３０を介して、駆動モータ３４０と接続されており、図３に示したように、駆動モータ３４０から出力されたトルクが、ギヤボックス３３０を介して、アクチュエータ３２０へ入力されるように構成される。ギヤボックス３３０は、駆動モータ３４０の出力軸３４２と接続されている。また、アクチュエータ３２０は、ギヤボックス３３０の出力軸３３２と接続されている。ギヤボックス３３０は、駆動モータ３４０から出力されたトルクを、所定の減速比で変換してアクチュエータ３２０へ出力する。
【００２４】  アクチュエータ３２０には、板バネが設けられ、駆動モータ３４０から出力されたトルクは、当該板バネを介して出力側の対象物としての下腿側部材２００へ伝達される。また、義足１には、アクチュエータ３２０の板バネの変位量を検出する変位センサ３５０が設けられる。変位センサ３５０により得られた検出結果は、制御装置４００へ出力され、制御装置４００による処理に用いられる。制御装置４００は、動作指示を出力することによって、駆動モータ３４０の駆動を制御する。
【００２５】  制御装置４００は、具体的には、変位センサ３５０により得られた検出結果に基づいて、駆動モータ３４０の駆動を制御する。より具体的には、制御装置４００は、板バネに付加された荷重を、当該検出結果に相当する板バネの変位量の測定値に基づいて、算出する。そして、制御装置４００は、板バネを介して下腿側部材２００へ実際に伝達されているトルクを、当該荷重の算出値に基づいて、算出する。そして、制御装置４００は、当該トルクの算出値に基づいて、下腿側部材２００へ伝達されるトルクが目標値に近づくように、駆動モータ３４０の駆動を制御する。
【００２６】  本実施形態によれば、アクチュエータ３２０において、板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、当該板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材が設けられることによって、装置の小型化を実現することができる。このようなアクチュエータ３２０の詳細については、後述する。
【００２７】  ＜３．本技術の概要＞  続いて、図４〜図１４を参照して、本開示の実施形態に係るアクチュエータ３２０の詳細についての説明に先立って、本技術の概要について説明する。具体的には、後述するアクチュエータ３２０における板バネの変形及び機械的特性についての理解を容易にするための事項について説明する。
【００２８】    ［３−１．板バネの変形］  まず、図４〜図１１を参照して、板バネ９１０の変形について説明する。以下では、一端部９１０ａが片持ち支持される板バネ９１０と、当該板バネの一部を撓み方向側において支持可能な変形ガイド９２０と、からなる系において、板バネ９１０の他端部９１０ｂに対して板厚方向に荷重Ｐが付加されたときの板バネ９１０の変形について説明する。板バネ９１０は、荷重Ｐに応じて板厚方向に撓み変形可能である。また、変形ガイド９２０は、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分に対して板バネ９１０の板厚方向に近接して設けられ、荷重Ｐが所定の値より大きい場合に、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分を撓み方向側において支持する。
【００２９】  図４及び図８では、このような板バネ９１０及び変形ガイド９２０が、板バネ９１０の幅方向に直交する断面についての断面図によって模式的に示されている。また、図４及び図８では、板バネ９１０の形状として、板バネ９１０の中立軸が模式的に示されている。具体的には、撓み変形が生じている場合における板バネ９１０の中立軸を示す撓み曲線が二点鎖線によって示され、撓み変形が生じていない場合における板バネ９１０の中立軸が実線によって示されている。なお、板バネ９１０の横断面形状は、長方形である。また、板バネ９１０についての板厚をｄとし、断面二次モーメントをＩとし、ヤング率をＥとし、長手方向の長さをｌとする。
【００３０】      （変形ガイド）  まず、変形ガイド９２０について、説明する。変形ガイド９２０は、板バネ９１０が、付加される荷重Ｐによって、破損することを防止するために設けられる。具体的には、変形ガイド９２０は、荷重Ｐによって、板バネ９１０に塑性変形が生じることを防止するために設けられる。板バネ９１０に付与される曲げモーメントＭと、板バネ９１０の中立軸の曲率半径ρとの関係は、以下の式（１）によって表される。
【００３１】
【数１】
2017212708.tif 000003
【００３２】  また、板バネ９１０に生じる長手方向の歪みは、板厚方向の端部において、最大となり、当該板厚方向の端部における歪みεは、以下の式（２）によって表される。
【００３３】
【数２】
2017212708.tif 000004
【００３４】  変形ガイド９２０の寸法は、例えば、板バネ９１０を構成する材料の弾性域における歪みの上限値がεｍａｘである場合において、当該上限値εｍａｘに応じた所定の許容歪みより大きな歪みが板バネ９１０に生じないように、設定され得る。許容歪みは、例えば、歪みの上限値εｍａｘに安全率ｎ（≧１）を除して得られる値に設定され得る。許容歪みが板バネ９１０に生じるときに、板バネ９１０に付与される曲げモーメントは上限値Ｍｍａｘをとり、板バネ９１０の曲率半径は下限値ρｍｉｎをとる。ゆえに、式（２）から、歪みの上限値εｍａｘと曲げモーメントの上限値Ｍｍａｘとの関係性を示す以下の式（３）が導出される。
【００３５】
【数３】
2017212708.tif 000005
【００３６】  また、式（３）を変形することにより、以下の式（４）が導出される。
【００３７】
【数４】
2017212708.tif 000006
【００３８】  また、式（１）から、曲率半径の下限値ρｍｉｎと曲げモーメントの上限値Ｍｍａｘとの関係性を示す以下の式（５）が導出される。
【００３９】
【数５】
2017212708.tif 000007
【００４０】  また、式（５）に式（４）を代入することにより、歪みの上限値εｍａｘと曲率半径の下限値ρｍｉｎとの関係性を示す以下の式（６）が導出される。
【００４１】
【数６】
2017212708.tif 000008
【００４２】  変形ガイド９２０は、例えば、図４及び図８に示したように、半円形状の横断面形状を有し、板バネ９１０の幅方向に延在する。変形ガイド９２０の半径は、具体的には、式（６）に基づいて算出される曲率半径の下限値ρｍｉｎに設定され得る。ここで、荷重Ｐによって板バネ９１０へ付与される曲げモーメントは、後述するように、板バネ９１０における各位置のうち、片持ち支持される一端部９１０ａにおいて最大となる。ゆえに、板バネ９１０の曲率半径は、板バネ９１０における各位置のうち、一端部９１０ａにおいて最小となる。
【００４３】  板バネ９１０の一端部９１０ａに付与される曲げモーメントが上限値Ｍｍａｘ以下になる程度に荷重Ｐが小さい場合には、一端部９１０ａにおける曲率半径は、下限値ρｍｉｎ以上となる。ゆえに、このような場合には、図４に示すように、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０の外周部と当接していない。ここで、荷重Ｐが比較的小さい値から上昇する過程について考えると、板バネ９１０の一端部９１０ａに付与される曲げモーメントが上限値Ｍｍａｘに達したときに、一端部９１０ａにおける曲率半径は、下限値ρｍｉｎに達する。さらに荷重Ｐが上昇した場合、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、曲率半径が下限値ρｍｉｎに維持された状態で、変形ガイド９２０の外周部と当接する。それにより、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０によって撓み方向側において支持される。ゆえに、曲率半径が下限値ρｍｉｎより小さくなるような板バネ９１０の変形を防止することができる。よって、板バネ９１０に塑性変形が生じることを防止することができる。
【００４４】  このように、荷重Ｐが所定の値以下である場合には、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０の外周部と当接していない。一方、荷重Ｐが所定の値より大きい場合には、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０の外周部と当接し、変形ガイド９２０によって撓み方向側において支持される。当該所定の値は、例えば、荷重Ｐを比較的小さい値から上昇させていく過程において、板バネ９１０の一端部９１０ａに付与される曲げモーメントが上限値Ｍｍａｘに達するときの荷重Ｐの値に相当し得る。
【００４５】      （付加される荷重が所定の値以下である場合における板バネの変形）  続いて、図４〜図７を参照して、付加される荷重Ｐが所定の値以下である場合の板バネ９１０の変形について説明する。荷重Ｐが所定の値以下である場合には板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０と当接していない。図４は、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分が変形ガイド９２０と当接していない状態における、板バネ９１０の変形の様子が示されている。
【００４６】  図５は、図４に示した状態における、板バネ９１０についてのＳＦＤ（ｓｈｅｅｒ  ｆｏｒｃｅ  ｄｉａｇｒａｍ）と称されるせん断力図である。図５におけるＳＦＤでは、板バネ９１０における、一端部９１０ａからの長手方向についての距離ｓと、付加されるせん断力との関係が示されている。図５に示したように、付加される荷重Ｐが所定の値以下である場合には、板バネ９１０に付与されるせん断力は、各距離ｓに対応する位置において同一の値となる。具体的には、板バネ９１０に付与されるせん断力は、各距離ｓに対応する位置において荷重Ｐと等しい値となる。
【００４７】  図６は、図４に示した状態における、板バネ９１０についてのＢＭＤ（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｍｏｍｅｎｔ  ｄｉａｇｒａｍ）と称される曲げモーメント図である。図６におけるＢＭＤでは、板バネ９１０における、一端部９１０ａからの長手方向についての距離ｓと、付加される曲げモーメントとの関係が示されている。なお、板バネ９１０において、曲げモーメントの長手方向についての変化率は、せん断力と一致する。ゆえに、図６におけるＢＭＤによって表される曲げモーメントと、図５におけるＳＦＤによって表されるせん断力とは、このような関係性を有する。図６に示したように、付加される荷重Ｐが所定の値以下である場合には、板バネ９１０に付与される曲げモーメントの絶対値は、他端部９１０ｂ側から一端部９１０ａ側へ向かうにつれて増大する。なお、図６及び図１１におけるＢＭＤでは、曲げモーメントの値が、正負の向きを考慮して表現されているが、以下の説明では、曲げモーメントの値を、正負の向きを考慮せず絶対値として表現する。
【００４８】  ここで、板バネ９１０の各距離ｓにおける曲げモーメントＭは、各距離ｓに対応する仮想断面におけるモーメントのつり合いに基づいて、以下の式（７）によって表される。
【００４９】
【数７】
2017212708.tif 000009
【００５０】  式（７）によれば、板バネ９１０に付与される曲げモーメントの絶対値は、図６におけるＢＭＤに示したように、他端部９１０ｂにおいて０をとり、一端部９１０ａにおいてＰｌをとる。このように、板バネ９１０に付与される曲げモーメントは、板バネ９１０における各位置のうち、片持ち支持される一端部９１０ａにおいて最大となる。以下では、このような一端部９１０ａにおける曲げモーメントを、ｍａｘＭ（ｓ）とも称する。
【００５１】  また、板バネ９１０の曲率半径は、板バネ９１０における各位置のうち、一端部９１０ａにおいて最小となる。以下では、このような一端部９１０ａにおける曲率半径を、ｍｉｎρ（ｓ）とも称する。荷重Ｐが所定の値以下である場合には、上述したように、一端部９１０ａにおける曲率半径ｍｉｎρ（ｓ）は、下限値ρｍｉｎ以上となるので、以下の式（８）が成立する。
【００５２】
【数８】
2017212708.tif 000010
【００５３】  また、荷重Ｐが所定の値以下である場合には、上述したように、一端部９１０ａにおける曲げモーメントｍａｘＭ（ｓ）は、上限値Ｍｍａｘ以下となる。さらに、式（７）によれば、一端部９１０ａにおける曲げモーメントｍａｘＭ（ｓ）は、Ｐｌである。ゆえに、以下の式（９）が成立する。
【００５４】
【数９】
2017212708.tif 000011
【００５５】  ここで、式（５）を変形することにより、以下の式（１０）が導出される。
【００５６】
【数１０】
2017212708.tif 000012
【００５７】  式（１０）を式（９）に代入して整理することによって、以下の式（１１）が導出される。
【００５８】
【数１１】
2017212708.tif 000013
【００５９】  式（１１）によれば、荷重ＰがＥＩ／ｌ・ρｍｉｎ以下である場合において、一端部９１０ａにおける曲率半径ｍｉｎρ（ｓ）は下限値ρｍｉｎ以上となるので、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は変形ガイド９２０と当接していない。ゆえに、荷重ＰがＥＩ／ｌ・ρｍｉｎ以下である場合に、板バネ９１０は、図４に示した状態となる。
【００６０】  ここで、板バネ９１０における撓み角θと一端部９１０ａからの長手方向についての距離ｓとの関係性について説明する。図７は、撓み角θと距離ｓとの関係性について説明するための説明図である。図７では、撓み変形が生じている場合における板バネ９１０の中立軸を示す撓み曲線Ｄ１０と、撓み変形が生じていない場合における板バネ９１０の中立軸を示す直線Ｄ２０とが模式的に示されている。図７に示すように、撓み曲線Ｄ１０上において、互いに微小距離ｄｓを隔てて位置する点Ｃ１１及び点Ｃ１２についての撓み角を、それぞれθ及びθ＋ｄθとする。なお、撓み曲線Ｄ１０上の各点における撓み角は、当該各点における撓み曲線Ｄ１０の接線と直線Ｄ２０とのなす角である。また、点Ｃ１１と点Ｃ１２との間の円弧についての曲率半径をρとし、曲率中心を点Ｃ９１とする。
【００６１】  この場合、図７に示したように、点Ｃ９１と点Ｃ１１とを結ぶ直線と、直線Ｄ２０に直交する直線とのなす角は、θとなる。また、点Ｃ９０と点Ｃ１２とを結ぶ直線と、直線Ｄ２０に直交する直線とのなす角の角度は、θ＋ｄθとなる。ゆえに、点Ｃ９１と点Ｃ１１とを結ぶ直線と、点Ｃ９１と点Ｃ１２とを結ぶ直線とのなす角の角度は、ｄθとなる。ここで、ｄθは、微小角度であるので、点Ｃ１１と点Ｃ１２との間の円弧の長さに相当する微小距離ｄｓは、点Ｃ９１と点Ｃ１１とを結ぶ直線と、点Ｃ９１と点Ｃ１２とを結ぶ直線とのなす角の角度であるｄθに曲率半径ρを乗じることによって得られる。よって以下の式（１２）が成立する。
【００６２】
【数１２】
2017212708.tif 000014
【００６３】  また、式（１）及び式（１２）を連立して解き、ρを消去することにより、以下の式（１３）が導出される。
【００６４】
【数１３】
2017212708.tif 000015
【００６５】  ここで、他端部９１０ｂにおける撓み角である他端部撓み角θｌは、撓み角θを距離ｓについて０からｌまで積分することによって得られる値に相当するので、以下の式（１４）が成立する。
【００６６】
【数１４】
2017212708.tif 000016
【００６７】  ここで、式（１４）に式（１３）を代入することにより、以下の式（１５）が導出される。
【００６８】
【数１５】
2017212708.tif 000017
【００６９】  ここで、式（１５）に式（７）を代入して整理することにより、以下の式（１６）が導出される。
【００７０】
【数１６】
2017212708.tif 000018
【００７１】  以上説明したように、荷重ＰがＥＩ／ｌ・ρｍｉｎ以下である場合において、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は変形ガイド９２０と当接していない。このような場合において、他端部９１０ｂにおける撓み角である他端部撓み角θｌは、式（１６）によって表される。
【００７２】      （付加される荷重が所定の値より大きい場合における板バネの変形）  続いて、図８〜図１１を参照して、付加される荷重Ｐが所定の値より大きい場合の板バネ９１０の変形について説明する。荷重Ｐが所定の値より大きい場合には、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０と当接している。図８は、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分が変形ガイド９２０と当接している状態における、板バネ９１０の変形の様子が示されている。
【００７３】  図８に示したように、板バネ９１０の一端部９１０ａ側において、一端部９１０ａからの長手方向についての距離ｓが０からｌｔまでの間の部分が、変形ガイド９２０と当接している部分とする。また、図８に示したように、二点鎖線によって示した撓み曲線において、長手方向について一端部９１０ａと距離ｌｔを隔てて位置する点を点Ｃ１６とする。具体的には、点Ｃ１６は、板バネ９１０の変形ガイド９２０と当接している部分における一端部９１０ａと逆側の端部についての、板バネ９１０の中立軸上の点に相当する。この場合、図９に示したように、板バネ９１０において点Ｃ１６より他端部９１０ｂ側の部分は、点Ｃ１６が片持ち支持される仮想的な板バネに相当し得る。
【００７４】  図１０は、図８に示した状態における、板バネ９１０についてのＳＦＤである。図１０に示したように、付加される荷重Ｐが所定の値より大きい場合には、板バネ９１０に付与されるせん断力は、一端部９１０ａ側の部分において、０となる。板バネ９１０の一端部９１０ａ側において、距離ｓが０からｌｔまでの間の部分は、変形ガイド９２０によって支持されているので、当該部分におけるせん断力は０となる。ゆえに、板バネ９１０に付与されるせん断力は、具体的には、距離ｓが０からｌｔまでの間の部分において、０となり、距離ｓがｌｔからｌまでの部分において、荷重Ｐと等しい値となる。
【００７５】  図１１は、図８に示した状態における、板バネ９１０についてのＢＭＤである。なお、板バネ９１０において、上述したように、曲げモーメントの長手方向についての変化率は、せん断力と一致する。ゆえに、図１１におけるＢＭＤによって表される曲げモーメントと、図１０におけるＳＦＤによって表されるせん断力とは、このような関係性を有する。図１１に示したように、板バネ９１０に付与される曲げモーメントの絶対値は、一端部９１０ａ側の部分において、上限値Ｍｍａｘとなる。具体的には、板バネ９１０の一端部９１０ａ側において、距離ｓが０からｌｔまでの間の部分についての曲率半径は、下限値ρｍｉｎとなるので、当該部分において、曲げモーメントの絶対値は、上限値Ｍｍａｘとなる。ゆえに、板バネ９１０に付与される曲げモーメントの絶対値は、距離ｓがｌｔからｌまでの部分において、他端部９１０ｂ側から一端部９１０ａ側へ向かうにつれて増大し、距離ｓが０からｌｔまでの間の部分において、上限値Ｍｍａｘとなる。
【００７６】  ここで、上限値Ｍｍａｘは、距離ｓがｌｔである位置についての仮想断面におけるモーメントのつり合いに基づいて、以下の式（１７）によって表される。
【００７７】
【数１７】
2017212708.tif 000019
【００７８】  また、式（１７）を変形することによって、以下の式（１８）が導出される。
【００７９】
【数１８】
2017212708.tif 000020
【００８０】  ここで、図８に示したように、変形ガイド９２０の横断面を表す半円の中心点を点Ｃ９５とし、一端部９１０ａについての板バネ９１０の中立軸上の点を点Ｃ１５とし、点Ｃ９５と点Ｃ１５とを結ぶ直線と、点Ｃ９５と点Ｃ１６とを結ぶ直線とのなす角の角度をθｔとする。ここで、θｔは、微小角度であるので、点Ｃ１５と点Ｃ１６との間の円弧の長さに相当するｌｔは、点Ｃ９５と点Ｃ１５を結ぶ直線と、点Ｃ９５と点Ｃ１６とを結ぶ直線とのなす角の角度であるθｔに変形ガイド９２０の半径である下限値ρｍｉｎを乗じることによって得られる。よって以下の式（１９）が成立する。
【００８１】
【数１９】
2017212708.tif 000021
【００８２】  ここで、板バネ９１０の点Ｃ１６における撓み角は、図８に示したように、θｔである。ゆえに、図９に示す点Ｃ１６が片持ち支持される仮想的な板バネは、当該仮想的な板バネとしての撓み変形が生じていない場合に、板バネ９１０の長手方向に対して撓み方向にθｔ傾斜した方向に延在する。よって、図９に示したように、仮想的な板バネについての他端部９１０ｂにおける撓み角は、図８に示す板バネ９１０についての他端部撓み角θｌからθｔを減算することによって得られる値に相当する。
【００８３】  ここで、仮想的な板バネについての他端部９１０ｂにおける撓み角（θｌ−θｔ）は、式（１５）における右辺の距離ｓについての積分区間をｌｔからｌまでの区間へ変換することによって得られる式によって表現され得るので、以下の式（２０）が成立する。
【００８４】
【数２０】
2017212708.tif 000022
【００８５】  また、式（２０）に式（７）を代入して整理することにより、以下の式（２１）が導出される。
【００８６】
【数２１】
2017212708.tif 000023
【００８７】  また、式（２１）に式（１７）を代入することにより、以下の式（２２）が導出される。
【００８８】
【数２２】
2017212708.tif 000024
【００８９】  また、式（５）及び式（２２）を連立して解き、上限値Ｍｍａｘを消去することにより、以下の式（２３）が導出される。
【００９０】
【数２３】
2017212708.tif 000025
【００９１】  また、式（１９）を式（２３）に代入して整理することにより、以下の式（２４）が導出される。
【００９２】
【数２４】
2017212708.tif 000026
【００９３】  また、式（１８）及び式（２４）を連立して解き、ｌｔを消去することにより、以下の式（２５）が導出される。
【００９４】
【数２５】
2017212708.tif 000027
【００９５】  また、式（５）及び式（２５）を連立して解き、上限値Ｍｍａｘを消去することにより、以下の式（２６）が導出される。
【００９６】
【数２６】
2017212708.tif 000028
【００９７】  以上説明したように、荷重ＰがＥＩ／ｌ・ρｍｉｎより大きい場合において、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は変形ガイド９２０と当接している。このような場合において、他端部９１０ｂにおける撓み角である他端部撓み角θｌは、式（２６）によって表される。
【００９８】    ［３−２．板バネの機械的特性］  続いて、図１２〜図１５を参照して、板バネ９１０の機械的特性について説明する。以下では、一例として、板バネ９１０の各諸元について、長手方向の長さｌを３０［ｍｍ］とし、板厚ｄを０．６［ｍｍ］とし、幅ｗを３［ｍｍ］とし、ヤング率Ｅを２００［ＧＰａ］とし、歪みの上限値εｍａｘを２．５×１０−３とし、安全率ｎを１．５とした場合について、説明する。
【００９９】  板バネ９１０の各諸元を上記のように設定した場合、板バネ９１０の断面二次モーメントＩは、以下の式（２７）により表される。
【０１００】
【数２７】
2017212708.tif 000029
【０１０１】  また、曲率半径の下限値ρｍｉｎは、以下の式（２８）により表される。
【０１０２】
【数２８】
2017212708.tif 000030
【０１０３】  ゆえに、変形ガイド９２０の半径は、式（２８）に示した下限値ρｍｉｎである１８０［ｍｍ］に設定される。
【０１０４】  荷重Ｐが比較的小さな値から上昇する過程において、板バネ９１０の一部が変形ガイド９２０と当接していない状態から板バネ９１０の一部が変形ガイド９２０と当接している状態へ切り替わる際の荷重Ｐに相当する所定の値は、ＥＩ／ｌ・ρｍｉｎである。板バネ９１０の各諸元を上記のように設定した場合、当該所定の値は、１．８５［Ｎ］となる。
【０１０５】  図１２は、板バネ９１０の他端部撓み角θｌと板バネ９１０に付加される荷重Ｐとの関係の一例を示す説明図である。図１２では、式（１６）及び式（２６）によって規定される他端部撓み角θｌと荷重Ｐとの関係が示されている。具体的には、式（１６）を用いることによって、１．８５［Ｎ］以下の荷重Ｐの各々について、対応する他端部撓み角θｌが算出され得る。また、式（２６）を用いることによって、１．８５［Ｎ］より大きい荷重Ｐの各々について、対応する他端部撓み角θｌが算出され得る。このように算出された結果が図１２に示されている。
【０１０６】  図１３は、板バネ９１０の他端部撓み角θｌと剛性との関係の一例を示す説明図である。板バネ９１０の剛性は、荷重Ｐに対する板バネ９１０の変形しにくさの程度を示し、図１２に示した他端部撓み角θｌと荷重Ｐとの関係に基づいて、算出され得る。具体的には、他端部撓み角θｌの各々についての剛性は、図１２に示した他端部撓み角θｌと荷重Ｐとの関係に基づいて、荷重Ｐを他端部撓み角θｌにより微分することによって、算出され得る。このように算出された結果が図１３に示されている。
【０１０７】  仮に、板バネ９１０に対して変形ガイド９２０が設けられないとすると、荷重Ｐが１．８５［Ｎ］を超えた場合に、板バネ９１０は、一端部９１０ａにおける曲率半径が下限値ρｍｉｎより小さくなるように、変形し得る。それにより、板バネ９１０に塑性変形が生じ得る。
【０１０８】  一方、図４及び図８に示した系では、板バネ９１０に対して変形ガイド９２０が設けられることによって、荷重Ｐが１．８５［Ｎ］を超えた場合に、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分が、変形ガイド９２０によって撓み方向側において支持される。それにより、荷重Ｐが１．８５［Ｎ］を超えた場合であっても、曲率半径が下限値ρｍｉｎより小さくなるような板バネ９１０の変形を防止することができる。
【０１０９】  このように、荷重Ｐが比較的大きい場合に、板バネ９１０の剛性が高い状態を確保することができる。図１３では、荷重Ｐと相関を有する他端部撓み角θｌが比較的大きい場合において、板バネ９１０の剛性が比較的高くなっていることが示されている。板バネ９１０の剛性は、具体的には、荷重Ｐ及び他端部撓み角θｌが比較的大きい場合において、荷重Ｐ及び他端部撓み角θｌが大きくなるにつれて増大する。ゆえに、板バネ９１０は、図１２に示したように、荷重Ｐが１．８５［Ｎ］を超えた場合であっても、各荷重Ｐに対応する変位量で弾性変形することができる。よって、板バネ９１０に塑性変形が生じることを防止することができる。
【０１１０】  ここで、板バネ９１０に関する荷重変化率について説明する。荷重変化率は、他端部撓み角θｌが変動した場合における荷重Ｐの変化の度合いを示す。具体的には、荷重変化率は、他端部撓み角θｌが０．１°だけ変動した場合における、当該変動の前後での荷重Ｐの変化率である。ゆえに、荷重変化率は、板バネ９１０の変位量としての他端部撓み角θｌの測定値を利用して板バネ９１０に付加される荷重Ｐを測定する場合における測定精度と関連性を有する。具体的には、荷重変化率が低いほど、当該測定精度は高い。一方、荷重変化率が高いほど、当該測定精度は低い。
【０１１１】  図１４は、板バネ９１０の他端部撓み角θｌと荷重変化率との関係の一例を示す説明図である。他端部撓み角θｌの各々についての荷重変化率は、図１２に示した他端部撓み角θｌと荷重Ｐとの関係に基づいて、算出され得る。このように算出された結果が図１４に示されている。
【０１１２】  図１５は、板バネ９１０に付加される荷重Ｐと荷重変化率との関係の一例を示す説明図である。荷重Ｐの各々についての荷重変化率は、図１２に示した他端部撓み角θｌと荷重Ｐとの関係に基づいて、算出され得る。このように算出された結果が図１５に示されている。
【０１１３】  図４及び図８に示した系では、荷重Ｐが１．８５［Ｎ］以下である場合には、板バネ９１０の一端部９１０ａ側の部分は、変形ガイド９２０の外周面と当接しないので、変形ガイド９２０によって支持されない。それにより、荷重Ｐが比較的小さい場合には、板バネ９１０の剛性が低い状態を確保することができる。図１３では、荷重Ｐと相関を有する他端部撓み角θｌが比較的小さい場合において、板バネ９１０の剛性が比較的低くなっていることが示されている。
【０１１４】  ここで、板バネ９１０の剛性が低いほど、荷重変化率は低い。図４及び図８に示した系では、荷重Ｐ及び他端部撓み角θｌが比較的小さい場合には、板バネ９１０の剛性が比較的低くなるので、荷重変化率は比較的低くなる。図１４では、荷重Ｐと相関を有する他端部撓み角θｌが比較的小さい場合において、荷重変化率が比較的低くなっていることが示されている。また、図１５では、荷重Ｐが比較的小さい場合において、荷重変化率が比較的低くなっていることが示されている。なお、他端部撓み角θｌが０［°］であるときの荷重Ｐは０［Ｎ］となるので、図１４及び図１５に示したように、荷重Ｐ及び他端部撓み角θｌが０の近傍の値をとるときには、荷重変化率は比較的大きな値をとり得る。
【０１１５】  このように、荷重Ｐが比較的小さい場合には、荷重変化率は比較的低くなる。ゆえに、板バネ９１０の変位量としての他端部撓み角θｌの測定値を利用して板バネ９１０に付加される荷重Ｐを測定する場合における測定精度が高い状態を確保することができる。
【０１１６】  図１４及び図１５に示した板バネ９１０の機械的特性は、荷重変化率と他端部撓み角θｌの関係及び荷重変化率と荷重Ｐの関係をそれぞれ規定する。具体的には、図１４によれば、荷重変化率が１０％を下回る範囲に対応する他端部撓み角θｌの範囲は、１［°］から８．５［°］までの範囲である。また、図１５によれば、荷重変化率が１０％を下回る範囲に対応する荷重Ｐの範囲は、０．４［Ｎ］から８．８［Ｎ］までの範囲である。ここで、板バネ９１０の機械的特性は、板バネ９１０の各諸元の設定値に依存する。ゆえに、板バネ９１０の各諸元を適宜設定することにより、所望の測定精度に対応当する荷重変化率の範囲に対応する他端部撓み角θｌ及び荷重Ｐの範囲を適切に設定することができる。また、板バネ９１０の機械的特性は、変形ガイド９２０の横断面形状にも依存する。ゆえに、変形ガイド９２０の横断面形状を適宜設定することによっても、板バネ９１０の機械的特性を適切に設定することができる。
【０１１７】  ＜４．本開示の実施形態に係るアクチュエータ＞  続いて、図１６及び図１７を参照して、本開示の実施形態に係るアクチュエータ３２０について説明する。アクチュエータ３２０は、外部から入力されたトルクを、板バネ３２２を介して出力側の対象物へ伝達する。アクチュエータ３２０は、例えば、上述したように、図２及び図３を参照して説明した義足１に用いられ得る。
【０１１８】  図１６は、本実施形態に係るアクチュエータ３２０の構成の一例を示す模式図である。図１６に示したように、アクチュエータ３２０は、トルクを伝達する板バネ３２２と、板バネ３２２の一部を支持するための支持部材３２４と、出力側の対象物と接続される回動体３２６と、を備える。図１７は、板バネ３２２の一端部３２２ａが回動体３２６に対して相対的に停止している場合及び回動している場合のそれぞれについての、アクチュエータ３２０の様子の一例を示す模式図である。図１７に示したように、本実施形態では、板バネ３２２の一端部３２２ａが回動体３２６に対して相対的に回動自在に構成されることによって、板バネ３２２を介した回動体３２６へのトルクの伝達が実現される。
【０１１９】  アクチュエータ３２０は、例えば、駆動モータ３４０から出力されたトルクを伝達する。具体的には、駆動モータ３４０から出力されたトルクは、アクチュエータ３２０の板バネ３２２へ入力される。そして、当該トルクは、板バネ３２２によって、回動体３２６へ伝達される。このように、板バネ３２２は、駆動モータ３４０から出力されたトルクを回動体３２６へ伝達する。回動体３２６は、出力側の対象物と接続されており、アクチュエータ３２０から出力されるトルクが当該対象物へ伝達されるように構成され得る。より具体的には、アクチュエータ３２０が図２及び図３を参照して説明した義足１に適用される場合、回動体３２６は、出力側の対象物としての下腿側部材２００と同期して回動自在に設けられる。ゆえに、トルクが板バネ３２２を介して回動体３２６へ伝達されることによって、下腿側部材２００による大腿側部材１００に対する相対的な回動が実現される。
【０１２０】  板バネ３２２は、一端部３２２ａが片持ち支持される。具体的には、板バネ３２２の一端部３２２ａは、ギヤボックス３３０の出力軸３３２に対して固定されることによって、片持ち支持される。図１６に示したように、アクチュエータ３２０は、例えば、略円板形状を有し、アクチュエータ３２０の中央部には中心軸に沿って一側から他側へ連通する連通孔部３２８が設けられる。板バネ３２２の一端部３２２ａは、例えば、ギヤボックス３３０の出力軸３３２が当該連通孔部３２８に挿通された状態で、出力軸３３２に対して固定される。それにより、板バネ３２２の一端部３２２ａは、ギヤボックス３３０の出力軸３３２と一体に回動自在となる。
【０１２１】  ギヤボックス３３０の出力軸３３２の回転軸は、連通孔部３２８の中心軸と略一致してもよい。その場合、板バネ３２２の一端部３２２ａは、連通孔部３２８の中心軸まわりに回動自在である。また、ギヤボックス３３０の出力軸３３２は、駆動モータ３４０の出力軸３４２と同期して回動自在である。ゆえに、板バネ３２２の一端部３２２ａは、駆動モータ３４０の出力軸３４２と同期して回動自在である。
【０１２２】  板バネ３２２は、例えば、一端部３２２ａの回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられる。具体的には、板バネ３２２は、一端部３２２ａの回動方向に沿って等間隔に８個設けられる。より具体的には、８個の板バネ３２２の各々は、図１６に示したように、連通孔部３２８の径方向に沿って延在し、周方向に沿って等間隔に設けられる。板バネ３２２は、板バネ３２２の幅方向と連通孔部３２８の軸方向とが略一致するように、配設される。換言すると、板バネ３２２は、板バネ３２２の板厚方向と連通孔部３２８の周方向とが略一致するように、配設される。
【０１２３】  支持部材３２４は、板バネ３２２の一部を支持するための部材である。支持部材３２４は、例えば、図１６に示したように、平板形状を有し、支持部材３２４の幅方向と板バネ３２２の板厚方向が略一致するように、配設される。また、支持部材３２４の板厚と、板バネ３２２の幅とは略一致してもよい。支持部材３２４は、板バネ３２２に対して、板バネ３２２の板厚方向に対向する対向面３２４ｂを有しており、当該対向面３２４ｂは、後述するように、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一部と当接する。
【０１２４】  支持部材３２４は、例えば、板バネ３２２の一端部３２２ａの回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、一端部３２２ａの回動方向に隣接する２個の板バネ３２２の間に位置する。具体的には、アクチュエータ３２０において、図１６に示したように、板バネ３２２及び支持部材３２４は、アクチュエータ３２０の周方向に沿って互いに交互に配設される。このように配設された板バネ３２２及び支持部材３２４の各々についての、アクチュエータ３２０における中央側の部分によって、図１６に示したように、連通孔部３２８が形成され得る。
【０１２５】  支持部材３２４及び板バネ３２２の一端部３２２ａは、互いに相対的な移動が規制されている。ゆえに、支持部材３２４は、板バネ３２２の一端部３２２ａと一体に回動自在である。具体的には、支持部材３２４の連通孔部３２８側には、ギヤボックス３３０の出力軸３３２をアクチュエータ３２０に取り付けるための貫通穴３２４ａが穿孔されている。貫通穴３２４ａには、例えば、ギヤボックス３３０の出力軸３３２と支持部材３２４とを接続するためのネジ等の部材が挿通され得る。支持部材３２４及び板バネ３２２の一端部３２２ａは、当該貫通穴３２４ａを利用することによって、ギヤボックス３３０の出力軸３３２に対して固定される。
【０１２６】  回動体３２６は、板バネ３２２の一端部３２２ａに対して相対的に回動自在である。回動体３２６は、例えば、図１６に示したように、複数の支持部材３２４に対して、支持部材３２４の板厚方向に対向し、環状の円板形状を有するベース部３２６ａと、ベース部３２６ａの外周部に沿って設けられ、ベース部３２６ａより支持部材３２４側へ突設された突設部３２６ｂと、を備える。
【０１２７】  ベース部３２６ａには、各支持部材３２４に対応する位置に、支持部材３２４側へ突出する突起部３２６ｃが設けられる。支持部材３２４の各々についての、アクチュエータ３２０における外周側の部分には、連通孔部３２８の周方向に沿って延在する貫通穴３２４ｃが穿孔されており、当該貫通穴３２４ｃに突起部３２６ｃが挿通される。貫通穴３２４ｃ及び突起部３２６ｃは、回動体３２６の回動方向を規定するガイドとしての機能を有し得る。また、支持部材３２４の各々についての、アクチュエータ３２０における外周側の側面３２４ｄは、突設部３２６ｂの内周面３２６ｆと当接する。支持部材３２４の側面３２４ｄ及び突設部３２６ｂの内周面３２６ｆもまた、回動体３２６の回動方向を規定するガイドとしての機能を有し得る。
【０１２８】  回動体３２６の回動方向は、連通孔部３２８の周方向と略一致してもよい。換言すると、回動体３２６は、板バネ３２２の一端部３２２ａの回動軸まわりに回動自在であってもよい。それにより、アクチュエータ３２０を構成する各部材を共通する回転軸まわりに回動可能とすることができるので、アクチュエータ３２０をより効果的に小型化することができる。
【０１２９】  突設部３２６ｂには、各板バネ３２２に対応する位置に、連通孔部３２８の径方向に沿って溝部３２６ｄが形成される。溝部３２６ｄは、板バネ３２２の板厚より大きい幅を有しており、板バネ３２２の他端部３２２ｂ側の部分が当該溝部３２６ｄに挿嵌される。具体的には、溝部３２６ｄにおける幅方向に対向する面の各々には、板バネ３２２の幅方向に延在するピン３２６ｅが設けられ、板バネ３２２の他端部３２２ｂ側の部分は一対のピン３２６ｅの間に挿嵌される。それにより、一対のピン３２６ｅによって板バネ３２２が板厚方向に支持される。ゆえに、板バネ３２２の他端部３２２ｂは、回動体３２６と一体に回動自在である。
【０１３０】  上述したように、板バネ３２２は、駆動モータ３４０から出力されたトルクを回動体３２６へ伝達する。また、板バネ３２２の一端部３２２ａは、駆動モータ３４０の出力軸３４２と同期して回動自在である。また、板バネ３２２の他端部３２２ｂは、回動体３２６と一体に回動自在である。また、板バネ３２２の一端部３２２ａは、回動体３２６に対して相対的に回動自在に構成される。ゆえに、駆動モータ３４０から板バネ３２２の一端部３２２ａにトルクが入力された場合、図１７に示したように、板バネ３２２の一端部３２２ａが他端部３２２ｂに対して相対的に回動することによって、板バネ３２２が板厚方向に撓み変形する。そして、板バネ３２２の他端部３２２ｂから回動体３２６のピン３２６ｅに対して、板バネ３２２の復元力に相当する荷重が付加される。それにより、板バネ３２２を介して回動体３２６へトルクが伝達される。このように、板バネ３２２は、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能である。
【０１３１】  ここで、板バネ３２２は、上述したように、一端部３２２ａが片持ち支持されている。また、図１７に示したように、板バネ３２２が、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形している場合、板バネ３２２の他端部３２２ｂには、回動体３２６のピン３２６ｅからの反力Ｆが荷重として板厚方向に付加される。反力Ｆは、板バネ３２２の撓み変形の程度に応じた大きさである。ゆえに、板バネ３２２の一端部３２２ａを固定して考えると、板バネ３２２の変形について、図４〜図１４を参照して説明した、一端部９１０ａが片持ち支持された板バネ９１０の他端部９１０ｂに対して板厚方向に荷重Ｐが付加されたときの板バネ９１０の変形と同様に考えることができる。なお、回動体３２６のピン３２６ｅから板バネ３２２の他端部３２２ｂに付加される荷重としての反力Ｆは、図４〜図１４を参照して説明した、板バネ９１０の他端部９１０ｂに付加される荷重Ｐに相当する。また、反力Ｆは、板バネ３２２によって伝達されるトルクと相関を有する。
【０１３２】  本実施形態に係る支持部材３２４は、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一部を撓み方向側において支持する。具体的には、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、支持部材３２４の対向面３２４ｂが板バネ３２２の一部と当接する。それにより、板バネ３２２の一部が撓み方向側において、支持部材３２４によって、支持される。当該所定の値は、伝達されるトルクを比較的小さい値から上昇させていく過程において、板バネ３２２の一端部３２２ａに付与される曲げモーメントが、板バネ３２２を構成する材料の弾性域における歪みの上限値に応じた所定の許容歪みに対応する曲げモーメントに達するときのトルクの値に相当し得る。
【０１３３】  ここで、支持部材３２４は、上述したように、板バネ３２２の一端部３２２ａと一体に回動自在である。ゆえに、本実施形態に係る支持部材３２４と板バネ３２２との関係について、図４〜図１４を参照して説明した系における、変形ガイド９２０と板バネ９１０との関係と同様に考えることができる。支持部材３２４は、例えば、板バネ３２２の一端部３２２ａ側の部分と板バネ３２２の板厚方向に近接して設けられ、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一端部３２２ａ側の部分を撓み方向側において支持してもよい。
【０１３４】  また、対向面３２４ｂの形状は、式（６）によって表される曲率半径の下限値ρｍｉｎに基づいて設定されてもよい。具体的には、対向面３２４ｂの、板バネ３２２の幅方向に直交する断面における断面曲線は、曲率半径が下限値ρｍｉｎである円弧であってもよい。また、対向面３２４ｂの、板バネ３２２の幅方向に直交する断面における断面曲線は、伝達されるトルクが所定の値である場合における板バネ３２２の撓み曲線のうちの一端部３２２ａ側の一部であってもよい。なお、下限値ρｍｉｎは、板バネ３２２の各諸元に基づいて算出され得る。
【０１３５】  本実施形態によれば、板バネ３２２に対して支持部材３２４が設けられことによって、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一部が、支持部材３２４によって撓み方向側において支持される。それにより、伝達されるトルクが所定の値を超えた場合であっても、曲率半径が下限値ρｍｉｎより小さくなるような板バネ３２２の変形を防止することができる。このように、伝達されるトルクが比較的大きい場合に、板バネ３２２の剛性が高い状態を確保することができる。従って、板バネ３２２に塑性変形が生じることを防止することができる。ゆえに、板バネ３２２の強度を確保しつつ、アクチュエータ３２０を小型化することができる。よって、アクチュエータ３２０を含む装置を小型化することができる。
【０１３６】  また、本実施形態によれば、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値以下である場合には、板バネ３２２の一部は、支持部材３２４の対向面３２４ｂと当接しないので、支持部材３２４によって支持されない。それにより、伝達されるトルクが比較的小さい場合には、板バネ３２２の剛性が低い状態を確保することができる。ここで、板バネ３２２の剛性が低いほど、他端部撓み角θｌが変動した場合における他端部３２２ｂに付加される反力Ｆの変化の度合いを示す荷重変化率は低い。ゆえに、伝達されるトルクが比較的小さい場合には、板バネ３２２についての荷重変化率は比較的低くなる。
【０１３７】  ここで、板バネ３２２の変位量は、上述したように、変位センサ３５０によって検出され得る。具体的には、板バネ３２２の変位量として、他端部３２２ｂにおける撓み角である他端部撓み角θｌが変位センサ３５０によって検出され得る。そして、板バネ３２２の他端部３２２ｂに付加された反力Ｆが、変位センサ３５０により得られた検出結果に相当する他端部撓み角θｌの測定値に基づいて、制御装置４００によって、算出され得る。また、荷重変化率が低いほど、当該測定精度は高い。ゆえに、本実施形態によれば、板バネ３２２によって伝達されるトルクが比較的小さい場合には、板バネ３２２の他端部３２２ｂに付加された反力Ｆを測定する場合における測定精度が高い状態を確保することができる。
【０１３８】  また、板バネ３２２の機械的特性は、板バネ３２２の各諸元の設定値に依存する。具体的には、板バネ３２２における、荷重変化率と反力Ｆの関係及び荷重変化率と他端部撓み角θｌの関係は、板バネ３２２の各諸元の設定値に依存する。ゆえに、板バネ３２２の各諸元を適宜設定することにより、所望の測定精度に相当する荷重変化率の範囲に対応する他端部撓み角θｌ及び反力Ｆの範囲を適切に設定することができる。なお、板バネ３２２についての長手方向の長さｌ、板厚ｄ、幅ｗ、ヤング率Ｅ、歪みの上限値εｍａｘ、及び安全率ｎが、板バネ３２２の諸元に該当し得る。また、板バネ３２２の機械的特性は、支持部材３２４の対向面３２４ｂの形状にも依存する。ゆえに、支持部材３２４の対向面３２４ｂの形状を適宜設定することによっても、板バネ３２２の機械的特性を適切に設定することができる。
【０１３９】  また、アクチュエータ３２０は、板バネ３２２、支持部材３２４、及び回動体３２６によって構成されており、比較的単純な構成を有する。ゆえに、アクチュエータ３２０を含む装置をより効果的に小型化及び軽量化することができる。
【０１４０】  板バネ３２２は、例えば、バネ鋼によって構成される。また、支持部材３２４及び回動体３２６の各々は、樹脂によって構成されてもよい。具体的には、支持部材３２４及び回動体３２６の各々は、ナイロン又はＰＰ（ポリプロピレン）等によって構成され得る。このように、支持部材３２４又は回動体３２６が樹脂によって構成されることによって、装置を軽量化することができる。
【０１４１】  上述したように、板バネ３２２は、例えば、一端部３２２ａの回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられる。それにより、アクチュエータ３２０に設けられる板バネ３２２の個数が１個である場合と比較して、各板バネ３２２に付与される曲げモーメントを低減することができる。ゆえに、板バネ３２２に塑性変形が生じることをより効果的に防止することができる。また、アクチュエータ３２０に設けられる板バネ３２２の数を適宜設定することにより、各板バネ３２２の機械的特性を適切に設定することができる。
【０１４２】  また、上述したように、支持部材３２４は、例えば、板バネ３２２の一端部３２２ａの回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、一端部３２２ａの回動方向に隣接する２個の板バネ３２２の間に位置する。それにより、複数の板バネ３２２及び複数の支持部材３２４を、それらの回転軸を含む平面について対称となるように、構成することができる。ゆえに、アクチュエータ３２０によって伝達されるトルクの方向が逆転した場合であっても、支持部材３２４による板バネ３２２の支持について、逆転する前と同様の作用及び効果を奏することができる。
【０１４３】  ＜５．まとめ＞  以上説明したように、本開示の実施形態によれば、板バネ３２２は、一端部３２２ａが片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能である。また、支持部材３２４は、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一部を撓み方向側において支持する。それにより、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一部が、支持部材３２４によって撓み方向側において支持される。ゆえに、伝達されるトルクが比較的大きい場合に、板バネ３２２の剛性が高い状態を確保することができる。従って、板バネ３２２に塑性変形が生じることを防止することができる。ゆえに、板バネ３２２の強度を確保しつつ、アクチュエータ３２０を小型化することができる。よって、アクチュエータ３２０を含む装置を小型化することができる。
【０１４４】  また、本実施形態によれば、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値以下である場合には、板バネ３２２の一部は、支持部材３２４の対向面３２４ｂと当接しないので、支持部材３２４によって支持されない。それにより、伝達されるトルクが比較的小さい場合には、板バネ３２２の剛性が低い状態を確保することができる。ゆえに、伝達されるトルクが比較的小さい場合には、板バネ３２２についての荷重変化率は比較的低くなる。また、荷重変化率が低いほど、板バネ３２２の変位量としての他端部撓み角θｌの測定値を利用して板バネ３２２の他端部３２２ｂに付加される反力Ｆを測定する場合における測定精度は高い。ゆえに、本実施形態によれば、板バネ３２２によって伝達されるトルクが比較的小さい場合には、板バネ３２２の他端部３２２ｂに付加された反力Ｆを測定する場合における測定精度が高い状態を確保することができる。
【０１４５】  また、本実施形態によれば、板バネ３２２の機械的特性は、板バネ３２２の各諸元の設定値に依存する。ゆえに、板バネ３２２の各諸元を適宜設定することにより、板バネ３２２の機械的特性を適切に設定することができる。
【０１４６】  なお、上述では、支持部材３２４が、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２の一端部３２２ａ側の部分を撓み方向側において支持する例について説明したが、板バネ３２２において支持部材３２４によって支持される部分は、係る例に限定されない。例えば、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２において一端部３２２ａより他端部３２２ｂ側の部分が、支持部材３２４によって支持されてもよい。また、板バネ３２２によって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、板バネ３２２における複数の部分が、支持部材３２４によって支持されてもよい。
【０１４７】  以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲は係る例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１４８】  また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１４９】  なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。（１）  一端部が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネと、  前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材と、  を備える、  アクチュエータ。（２）  前記板バネの一端部に対して相対的に回動自在な回動体をさらに備え、  前記板バネは、駆動モータから出力されたトルクを前記回動体へ伝達し、  前記板バネの一端部は、前記駆動モータの出力軸と同期して回動自在であり、  前記板バネの他端部は、前記回動体と一体に回動自在である、  前記（１）に記載のアクチュエータ。（３）  前記支持部材は、前記板バネの前記一端部と一体に回動自在である、前記（２）に記載のアクチュエータ。（４）  前記回動体は、前記板バネの前記一端部の回動軸まわりに回動自在である、前記（２）又は（３）に記載のアクチュエータ。（５）  前記板バネは、前記一端部の回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられる、前記（２）〜（４）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。（６）  前記板バネは、前記一端部の回動方向に沿って等間隔に８個設けられる、前記（５）に記載のアクチュエータ。（７）  前記支持部材は、前記板バネの前記一端部の回動方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、前記一端部の回動方向に隣接する２個の前記板バネの間に位置する、前記（５）又は（６）に記載のアクチュエータ。（８）  前記支持部材は、樹脂によって構成される、前記（１）〜（７）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。（９）  前記回動体は、樹脂によって構成される、前記（２）〜（７）のいずれか一項に記載のアクチュエータ。（１０）  大腿側部材と、  下腿側部材と、  前記大腿側部材と前記下腿側部材とを接続し、前記下腿側部材へトルクを伝達することにより、前記下腿側部材を前記大腿側部材に対して相対的に回動させる、アクチュエータと、  を備え、  前記アクチュエータは、  一端側が片持ち支持され、トルクを伝達することによって、当該トルクに応じて板厚方向に撓み変形可能な板バネと、  前記板バネによって伝達されるトルクが所定の値より大きい場合に、前記板バネの一部を撓み方向側において支持する支持部材と、  を備える、  義足。
【符号の説明】
【０１５０】１  義足１００  大腿側部材１１０  接続部１２０  本体部２００  下腿側部材２１０  延在部２２０  接地部３２０  アクチュエータ３２２  板バネ３２２ａ  一端部３２２ｂ  他端部３２４  支持部材３２４ａ  貫通穴３２４ｂ  対向面３２４ｃ  貫通穴３２４ｄ  側面３２６  回動体３２６ａ  ベース部３２６ｂ  突設部３２６ｃ  突起部３２６ｄ  溝部３２６ｅ  ピン３２６ｆ  内周面３２８  連通孔部３３０  ギヤボックス３３２  出力軸３４０  駆動モータ３４２  出力軸３５０  変位センサ４００  制御装置６０１  バネ６０１，６０２  バネ６０２  バネ７０１  入力側質量体７０２  入力側質量体８００  出力側質量体９１０  板バネ９１０ａ  一端部９１０ｂ  他端部９２０  変形ガイド
【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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【国際調査報告】
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