(57)【要約】【課題】負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換える。【解決手段】２関節連動変速リンク機構（３）は、足元部（２ａ）と下腿部（２ｂ）とを連結する足首リンク機構（４）と、下腿部（２ｂ）と上腿部（２ｃ）とを連結する膝リンク機構（５）とを備え、足首角度（θａ）の増大に応じた足首リンク機構（４）の動作に連動して、減速比が増大するように膝リンク機構（５）が動作する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と第２部材とを連結する第１関節リンク機構と、
前記第２部材と第３部材とを連結する第２関節リンク機構とを備え、
前記第１部材と前記第２部材との間の屈曲角の増大に応じた前記第１関節リンク機構の動作に連動して、前記第２関節リンク機構の減速比が増大するように前記第２関節リンク機構が動作することを特徴とする２関節連動変速リンク機構。
【請求項２】
前記第１部材が人体の足首に対応し、
前記第２部材が前記人体の下腿に対応し、
前記第３部材が前記人体の上腿に対応し、
前記足首が宙に浮いて着地する前の遊脚期から前記足首が着地して自重を支える立脚期への遷移に応じて前記屈曲角が増大する請求項１に記載の２関節連動変速リンク機構。
【請求項３】
前記第１関節リンク機構が４節リンク機構を含む請求項１に記載の２関節連動変速リンク機構。
【請求項４】
前記４節リンク機構が、前記第２部材に固定された固定節と、
前記固定節と前記第１部材とに連結された原動節と、
前記固定節に連結された従動節と、
前記原動節と前記従動節とに連結された中間節とを有する請求項３に記載の２関節連動変速リンク機構。
【請求項５】
前記第２関節リンク機構が、前記第３部材に固定された第３部材固定節と、
前記第３部材固定節及び前記従動節に連結された第３部材第１従動節と、
前記第３部材固定節及び前記中間節に連結された第３部材第２従動節とを有する請求項４に記載の２関節連動変速リンク機構。
【請求項６】
前記第１関節リンク機構が平行リンク機構を含む請求項１に記載の２関節連動変速リンク機構。
【請求項７】
前記第１部材が人型歩行ロボットの足元部であり、
前記第２部材が前記人型歩行ロボットの下腿部であり、
前記第３部材が前記人型歩行ロボットの上腿部である請求項１に記載の２関節連動変速リンク機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連動する２個の関節機構を備えた２関節連動変速リンク機構に関し、特に、人型歩行ロボット等の脚部等に設けられる２関節連動変速リンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
人型歩行ロボットの脚部は、地面から受ける頻繁な衝撃に曝されながら、全身を支える役割を担う。足が宙に浮いて着地する前の遊脚期では、地面や外界との衝突時に備え、外力を吸収するしなやかさが脚部に求められる。一方、着地した後の立脚期では、自重を保持する硬さが脚部において速やかに回復されなければならない。このしなやかさと硬さという極端に相反する性質を短時間で切り替えるためには、上記脚部の構成に工夫が必要である。
【０００３】
非特許文献１は、人型歩行ロボットの膝モータに並列に高荷重ばねを付設し、全身を支持する脚部の負荷を低減する機構を提案した。
【０００４】
非特許文献２は、遊星歯車と高荷重ばねとが直列に接続され、駆動軸の振舞によって力の伝達特性が変わる機構を提案した。
【０００５】
非特許文献３は、膝モータの出力軸と脛リンクとの間の連結部に間隙が設けられ、人型歩行ロボットの脚部の接地状態に応じて上記出力軸と上記脛リンクとの連結部をクラッチのように利用することで上記の性質を切り替える機構を提案した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. Shirata et al. Design and evaluation of gravity compensation mechanism for a humanoid robot. In Proc. of 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.3635-3640, 2007.
【非特許文献２】高橋雅宏, 越智宏, and 小金澤鋼一. 能動/受動複合関節の新機構とそれを用いた二足歩行ロボット. 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス’08講演会, 1P1-B05, 2008.
【非特許文献３】M. Okada et al. Double spherical joint and backlash clutch for lower limbs of humanoids. In Proc. of 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 491-496, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１の機構では、遊脚期には逆に下腿部の負荷を増加させるという問題がある。非特許文献２の機構では、全体として人型歩行ロボットの下腿部の剛性が著しく低下するため、下腿部の制御性が低い。非特許文献３の機構では、非特許文献１及び非特許文献２の問題が解決されるが、脚部の接地状態をセンサにより検知しクラッチの接続・非接続を遷移する制御が複雑であり、即応性が求められる人型歩行ロボットの制御には不利である。
【０００８】
本発明の目的は、複雑な力センサ情報のフィードバックを必要とせず、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換えることができる２関節連動変速リンク機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る２関節連動変速リンク機構は、第１部材と第２部材とを連結する第１関節リンク機構と、前記第２部材と第３部材とを連結する第２関節リンク機構とを備え、前記第１部材と前記第２部材との間の屈曲角の増大に応じた前記第１関節リンク機構の動作に連動して、前記第２関節リンク機構の減速比が増大するように前記第２関節リンク機構が動作することを特徴とする。
【００１０】
本明細書において、「リンク機構の減速比」とは、４節リンク機構の原動節に係る入力角の微小変位角度と、従動節に係る出力角の微小変位角度との間の比率を意味するものとする。
【００１１】
この特徴によれば、第１部材と第２部材との間の屈曲角の増大に応じた第１関節リンク機構の動作に連動して、第２関節リンク機構の減速比が増大する。第１部材と第２部材との間の屈曲角が小さい時に、外力を吸収するしなやかさが求められ、第１部材と第２部材との間の屈曲角が増大する時に、負荷を保持する硬さが要求される機構に２関節連動変速リンク機構を取り付けることにより、外力を吸収するしなやかさが現れている状態で、第１部材と第２部材との間の屈曲角が増大すると、第１関節リンク機構の動作に連動して第２関節リンク機構の減速比が増大する。このため、外力を吸収するしなやかさが、第１関節リンク機構の動作に連動して、負荷を保持する硬さに即座に切り換わる。この結果、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換えることができる２関節連動変速リンク機構を提供することができる。
【００１２】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構では、前記第１部材が人体の足首に対応し、前記第２部材が前記人体の下腿に対応し、前記第３部材が前記人体の上腿に対応し、前記足首が宙に浮いて着地する前の遊脚期から前記足首が着地して自重を支える立脚期への遷移に応じて前記屈曲角が増大することが好ましい。
【００１３】
上記構成によれば、人体の脚に関連する機構に２関節連動変速リンク機構を適用することができる。
【００１４】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構では、前記第１関節リンク機構が４節リンク機構を含むことが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、簡単な構成で、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換えることができる。
【００１６】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構では、前記４節リンク機構が、前記第２部材に固定された固定節と、前記固定節と前記第１部材とに連結された原動節と、前記固定節に連結された従動節と、前記原動節と前記従動節とに連結された中間節とを有することが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、４節リンク機構を簡単な構成で実現することができる。
【００１８】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構では、前記第２関節リンク機構が、前記第３部材に固定された第３部材固定節と、前記第３部材固定節及び前記従動節に連結された第３部材第１従動節と、前記第３部材固定節及び前記中間節に連結された第３部材第２従動節とを有することが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、第３部材第１従動節と第３部材固定節との減速比を増大させることができる。
【００２０】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構では、前記第１関節リンク機構が平行リンク機構を含むことが好ましい。
【００２１】
上記構成によれば、平行リンク機構により、第１関節リンク機構を第１部材まで到達させることができ、第１関節リンク機構が第１部材と第２部材とを連結することができる。
【００２２】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構では、前記第１部材が人型歩行ロボットの足部であり、前記第２部材が前記人型歩行ロボットの下腿部であり、前記第３部材が前記人型歩行ロボットの上腿部であることが好ましい。
【００２３】
上記構成によれば、人型歩行ロボットの歩行や立作業を含む脚運動に適した性質を、下腿部に付与することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る２関節連動変速リンク機構は、負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを、複雑な力センサ情報のフィードバックを用いることなく即座に切り換えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は実施形態１に係る人型歩行ロボットの脚部の機構を示す斜視図であり、（ｂ）はその正面図である。
【図２】上記人型歩行ロボットが正立している場合の膝関節に負荷として作用する膝トルクを説明するための模式正面図である。
【図３】上記人型歩行ロボットが正立している場合の膝トルクと膝関節の屈曲角との間の関係を示すグラフである。
【図４】上記人型歩行ロボットの様々な状況における足首角度を説明するための模式図であり、（ａ）は上記人型歩行ロボットの足底が平坦な地面に接地している状況を示し、（ｂ）は上記人型歩行ロボットが坂道を登る状況を示し、（ｃ）は上記人型歩行ロボットが坂道を下る状況を示し、（ｄ）は上記人型歩行ロボットが障害物を乗り越える状況を示す。
【図５】上記人型歩行ロボットの脚部に設けられた２関節連動変速リンク機構を示す模式図であり、（ａ）は上記人型歩行ロボットの膝が伸びた状態を示し、（ｂ）は上記膝が屈曲した状態を示す。
【図６】上記２関節連動変速リンク機構を示す模式図であり、（ａ）は上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態を示し、（ｂ）は上記足首が屈曲した状態を示す。
【図７】上記人型歩行ロボットの出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。
【図８】上記人型歩行ロボットの足首角度を変化させたときの出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。
【図９】歩行時における膝角度と膝トルクとの間の関係を示すグラフである。
【図１０】屈伸時における膝角度と膝トルクとの間の関係を示すグラフである。
【図１１】上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記２関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。
【図１２】上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記２関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。
【図１３】上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記２関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。
【図１４】上記人型歩行ロボットの足首が伸びた状態での上記２関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。
【図１５】上記人型歩行ロボットの足首が屈曲した状態での上記２関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。
【図１６】上記人型歩行ロボットの足首が屈曲した状態での上記２関節連動変速リンク機構の動作を示す図である。
【図１７】（ａ）（ｂ）は逆駆動試験の局面を示す図である。
【図１８】（ａ）（ｂ）は逆駆動試験の局面を示す図である。
【図１９】足首角度が０度のときにおける膝角度に対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。
【図２０】足首角度が３０度のときにおける膝角度に対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。
【図２１】足首角度が６０度のときにおける膝角度に対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。
【図２２】実施形態２に係る人型歩行ロボットの膝が伸びた脚部に設けられた２関節連動変速リンク機構を示す模式図である。
【図２３】上記人型歩行ロボットの膝が屈曲した脚部に設けられた２関節連動変速リンク機構を示す模式図である。
【図２４】上記人型歩行ロボットの膝及び足首が屈曲した脚部に設けられた２関節連動変速リンク機構を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
（実施形態１）
（２関節連動変速リンク機構３の基本構成）
図１（ａ）は実施形態１に係る人型歩行ロボット１の脚部２の機構を示す斜視図であり、（ｂ）はその正面図である。人型歩行ロボット１の脚部２は、人体の足首に対応する足元部２ａ（第１部材）と人体の下腿に対応する下腿部２ｂ（第２部材）と人体の上腿に対応する上腿部２ｃ（第３部材）とを備える。
【００２８】
２関節連動変速リンク機構３は、足元部２ａと下腿部２ｂとを連結する足首リンク機構４（第１関節リンク機構）と、下腿部２ｂと上腿部２ｃとを連結する膝リンク機構５（第２関節リンク機構）とを有する。
【００２９】
足元部２ａと下腿部２ｂとの間の屈曲を表す足首角度θａ（第１部材と第２部材との間の屈曲角）の増大に応じた足首リンク機構４の動作に連動して、膝リンク機構５の減速比が増大するように膝リンク機構５が動作する。足元部２ａが宙に浮いて着地する前の遊脚期から足元部２ａが着地して自重を支える立脚期への遷移に応じて足首角度θａが増大する。
【００３０】
足首リンク機構４は、下腿部２ｂに固定されたリンク４ａ（固定節）と、リンク４ａと足元部２ａとに連結されたリンク４ｂ（原動節）と、リンク４ａに連結されたリンク４ｃ（従動節）と、リンク４ｂとリンク４ｃとに連結されたリンク４ｄ（中間節）とを有する４節リンク機構である。
【００３１】
膝リンク機構５は、上腿部２ｃに固定されたリンク５ａ（第３部材固定節）と、リンク５ａ及びリンク４ｃに連結されたリンク５ｂ（第３部材第１従動節）と、リンク５ａ及びリンク４ｄに連結されたリンク５ｃ（第３部材第２従動節）とを有する。
【００３２】
（２関節連動変速リンク機構３の基本概念）
負荷を保持する硬さと外力を吸収するしなやかさとを即座に切り換える機構を構成するために弾性要素を利用することは、当該機構の制御性を低下させるため好ましくない。膝モータ駆動力の伝達特性は負荷に応じて変わる。具体的には、足首が着地して自重を支える立脚期では膝モータの駆動トルクを増幅することが要求される。足首が宙に浮いて着地する前の遊脚期では慣性を低減することが要求される。駆動トルクの増幅率と、モータに対する負荷慣性の大きさとは、どちらも伝達器の減速比によって決定される。したがって、変化させるべきは剛性ではなく減速比である。
【００３３】
立脚期の駆動トルク増幅要求は、膝の屈曲を表す膝角度θｋが大きいほど顕著である。一方、遊脚期の慣性低減要求は、膝角度θｋと関わりを持たない。立脚期と遊脚期との判別をセンサ情報に基づいて行うことは、制御の即応性を低下させるため好ましくない。センサを用いることなく、即座に高減速比が得られる機構を開発する必要がある。
【００３４】
本実施形態では、多くの場面で、膝において高減速比が求められる際には足首角度θａも同時に大きくなるという事実に本発明者らは着目し、足首関節と膝関節との連動によって減速比が変化する２関節連動変速リンク機構３を提案する。
【００３５】
まず、このような２関節連動変速リンク機構３の有効性を、思考実験を通して検討する。膝関節は、四節リンク機構（膝リンク機構５）を基本とする。この膝関節に設けられた四節リンク機構は、単体でも屈曲角に応じて減速比が増大する仕組を有している。さらに、その四節リンク機構の一節を、下腿と足首とで構成する変位拡大機構（足首リンク機構４）に置き換え、足首角度θａの増加に伴って膝リンク機構５の減速比変化率も増加するようにしている。本実施形態に係る２関節連動変速リンク機構３を試作し、膝角度θｋと足首角度θａとの屈曲に対して所望の減速比特性が得られることを確認した。
【００３６】
（人型歩行ロボット１の膝関節負荷トルク）
図２は、人型歩行ロボット１が正立している場合の膝関節８に、負荷Ｍｇに基づいて作用する膝トルクτを説明するための模式正面図である。図１を参照して説明した構成要素と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【００３７】
人型歩行ロボット１の脚部２の下腿部２ｂと上腿部２ｃとの間に膝関節８が配置される。図１に示すように人型歩行ロボット１が静立している場合に、膝関節８に負荷Ｍｇに基づいて作用する膝トルクτは、モーメントアームＬの長さの観点から、膝関節８の屈曲に対応する膝角度θｋが大きくなるほど大きくなる。
【００３８】
図３は、人型歩行ロボット１が正立している場合の膝トルクτと膝角度θｋとの間の関係を示すグラフであり、重量３０ｋｇのロボットモデルを利用して歩行運動及び屈伸運動のシミュレーションを行った結果を示す。
【００３９】
歩行運動は３通りの重心高さでの歩行運動を含み、屈伸運動は３通りの速度での屈伸運動を含む。曲線Ｃ１は速度Ｔ＝２での屈伸運動に対応する。曲線Ｃ２は速度Ｔ＝３での屈伸運動に対応し、曲線Ｃ３は速度Ｔ＝４での屈伸運動に対応する。曲線Ｃ４・Ｃ６・Ｃ８は、いずれも立脚期における歩行運動に対応する。曲線Ｃ４は第１の重心高さでの立脚期の歩行運動に対応し、曲線Ｃ６は第２の重心高さでの立脚期の歩行運動に対応し、曲線Ｃ８は第３の重心高さでの立脚期の歩行運動に対応する。曲線Ｃ５・Ｃ７・Ｃ９は、いずれも遊脚期における歩行運動に対応する。曲線Ｃ５は第１の重心高さでの遊脚期の歩行運動に対応し、曲線Ｃ７は第２の重心高さでの遊脚期の歩行運動に対応し、曲線Ｃ９は第３の重心高さでの遊脚期の歩行運動に対応する。
【００４０】
曲線Ｃ１〜Ｃ３に示されるように、屈伸運動時では膝関節８の屈曲角（膝角度θｋ）が大きくなるほど、負荷として作用する膝トルクτが増加していることがわかる。曲線Ｃ４・Ｃ６・Ｃ８に示されるように、歩行運動の立脚期でも膝角度θｋが大きくなるほど膝トルクτが増加していることがわかる。
【００４１】
したがって、立脚期の膝関節８に負荷として作用する膝トルクτは、膝角度θｋに関係があると言える。一方、曲線Ｃ５・Ｃ７・Ｃ９に示されるように、遊脚期に膝関節８に作用する膝トルクτは、膝角度θｋによらずほぼ一定であり、膝角度θｋとの関係は見られない。
【００４２】
ここで、足首関節の足首角度θａに着目する。図４は、人型歩行ロボット１の様々な状況における足首角度θａを説明するための模式図であり、（ａ）は人型歩行ロボット１の足底が平坦な地面に接地している状況を示し、（ｂ）は人型歩行ロボット１が坂道を登る状況を示し、（ｃ）は人型歩行ロボット１が坂道を下る状況を示し、（ｄ）は人型歩行ロボット１が障害物６を乗り越える状況を示す。前述した構成要素と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【００４３】
図４（ａ）に示すように、人型歩行ロボット１の足底が平坦な地面に接地している状況を考える。立脚期に膝が大きく曲がっている場面で立位状態を保つためには、足首も曲がっている必要がある。一方で人体の運動を考えると経験上、遊脚期には足首は曲がっていないことが多い。このことから、膝関節８に作用する負荷（膝トルクτ）が大きいときは足首関節の屈曲角（足首角度θａ）も大きいという仮説を立てる。この仮説は、人型歩行ロボット１の足底が平坦な地面に接地している状況で、且つ、遊脚期に足首は屈曲していないという状況を前提としている。このため、地面が平坦でない状況や遊脚期において足首が屈曲する状況について思考実験を行う。
【００４４】
坂道を登る場合、足底を地面に接地すると、図４（ｂ）に示すように、立脚期の足首は平坦な地面での歩行と比較してより曲がっている状態になる。このため、膝トルクτが大きいときは足首角度θａも大きいという上記仮説の傾向はより顕著となる。
【００４５】
逆に、坂道を下る場合は、図４（ｃ）に示すように、足首角度θａ自体は平坦な地面に比べて小さくなる。しかしながら、負荷（膝トルクτ）が大きくなるほど足首の屈曲角（足首角度θａ）が増す傾向は、平坦な地面を歩行するときと同様に現れる。また、坂道の傾斜が極端に大きい状況を除き、足首は伸びてしまうことはないため、上記仮説は、極端な状況を除き、正しいと言える。
【００４６】
また、遊脚期において足首が曲がっている状況として、図４（ｄ）に示すように、人型歩行ロボット１が障害物６を乗り越える状況を考える。この場合の遊脚期には、膝関節８に作用する負荷（膝トルクτ）は小さいものの、障害物６に脚部２が接触しないように膝関節８が固く振る舞うことが望ましいため、膝関節８に対する要求は膝関節８に作用する負荷が大きい状況の要求に近いと考えられる。よって、この人型歩行ロボット１が障害物６を乗り越えるために遊脚期において足首が曲がっているという状況は、負荷が大きいときは足首関節の屈曲角（足首角度θａ）も大きいという上記仮説を否定するものではない。
【００４７】
以上から、極端に傾斜が急な下り坂など上記仮説が正しくない状況もあるが、比較的多くの状況で上記仮説は正しいと考えられる。このことから、足首関節の屈曲角（足首角度θａ）が大きくなるほど膝関節８の減速比が増大する機構を構成する。
【００４８】
（２関節連動変速リンク機構３の具体構成）
図５は、人型歩行ロボット１の脚部２に設けられた２関節連動変速リンク機構３を示す模式図であり、（ａ）は人型歩行ロボット１の膝が伸びた状態を示し、（ｂ）は膝が屈曲した状態を示す。図６は、２関節連動変速リンク機構３を示す模式図であり、（ａ）は人型歩行ロボット１の足首が伸びた状態を示し、（ｂ）は上記足首が屈曲した状態を示す。
【００４９】
２関節連動変速リンク機構３で実現したい性能は、次の通りである。
(i) 膝と足首との屈曲角に応じて減速比が変化する。
(ii)変速のために追加のアクチュエータを必要としない。
【００５０】
これらの性能を実現する機構として、４節リンク機構を利用する。４節リンク機構は、入力角と出力角との微小変位角度の比率が減速比となる減速機構である。また、４節リンク機構の入力と出力との間の関係は、各リンクの長さによって決定される。このため、４節リンク機構の減速比を決定するパラメータは、入力角、出力角、及び各リンクの長さとなる。
【００５１】
本実施形態では、膝関節の入力角を４節リンク機構の角度と連動させ、足首関節の角度（足首角度θａ）に応じてリンクの長さが変化する機構を提案する。
【００５２】
図５及び図６を参照すると、ピンｂ及びピンｈにアクチュエータが接続されている。リンク５ａに上腿部２ｃが固定されている。リンク４ａに下腿部２ｂが固定されている。リンク４ｂに足元部２ａが固定されている。ピンｃとピンｄとの間にはリンクが存在せず（仮想リンク４ｖ）、ピンｃとピンｄとの間の距離Ｌｃｄは、ピンｅ・ｆ・ｇ・ｈにそれぞれ連結されたリンク４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄによって拘束される。
【００５３】
図５（ａ）（ｂ）に示すように、足首の姿勢（足首角度θａ）が一定の場合は、膝の角度が変化しても、ピンｃ・ｄ・ｅ・ｆ・ｇ・ｈ間の位置関係は変化せず、したがって、ピンｃとピンｄとの間の距離Ｌｃｄは変化しない。足首の姿勢を一定に保ちながら膝関節を回転させたときの様子を図５（ａ）（ｂ）は示している。４個のピンａ・ｂ・ｃ・ｄにそれぞれ連結されたリンク５ａ・５ｂ・５ｃが４節リンク機構として振る舞い、膝が曲がる運動を実現する。
【００５４】
足首関節の角度は、ピンｅ・ｈ・ｃに連結されたリンク４ａとピンｇ・ｈに連結されたリンク４ｂとに基づく足首角度θａである。図６（ａ）（ｂ）に示すように、足首角度θａが変化することにより、ピンｅ・ｆ・ｇ・ｈにそれぞれ接続されたリンク４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄからなる４節リンク機構の姿勢が変化する。
【００５５】
ここで、ピンｃ・ｅ・ｈが同一のリンク４ａに連結され、ピンｄ・ｆ・ｇが同一のリンク４ｄに連結されている。このため、足首角度θａが増加すると、ピンｃとピンｄとの間の相対位置が変化し、ピンｃとピンｄとの間の距離Ｌｃｄが長くなる。これにより、ピンａ・ｂ・ｃ・ｄにそれぞれ連結されたリンク５ａ・５ｂ・５ｃの特性が変化し、減速比が増加する。
【００５６】
また、このとき膝リンク機構５は、ピンａ・ｂに連結されたリンク５ａとピンｂ・ｃに連結されたリンク５ｂとの間の角度がアクチュエータによって拘束されている。このため、ピンｃとピンｄとの間の距離Ｌｃｄの変化に伴い、ピンｂ・ｃ・ｄによる角度が変化する。この結果、上腿部２ｃに対する下腿部２ｂの位置が変化する。そのため、足首角度θａを変化させると同時に膝関節の膝角度θｋも変化する。
【００５７】
以上から、実施形態に係る２関節連動変速リンク機構３は、下記の特徴を持った機構である．
・膝関節の屈曲角（膝角度θｋ）が増大するほどピンａ・ｂ・ｃ・ｄに連結された膝リンク機構５が生み出す減速比が増加する。
・足首関節の屈曲角（足首角度θａ）が増大するほどピンｃとピンｄとの間の長さが増加し、それに伴って、ピンａ・ｂ・ｃ・ｄに連結された膝リンク機構５が生み出す減速比が増加する。
・足首関節の屈曲角（足首角度θａ）のみを独立に変化させることは出来ない。
【００５８】
（運動解析と減速比変化）
２関節連動変速リンク機構３の各リンク長は、次の条件を満足するように決定される。
(i) 膝関節が１５０度以上の可動範囲を持つ。
(ii)仮想リンク４ｖの長さＬｃｄの変化に対して膝リンク機構５の減速比が単調に変化する。
【００５９】
図７は、人型歩行ロボット１の出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。曲線Ｃ１０は、２関節連動変速リンク機構３において、足首角度θａが一定のときに出力角を変化させたときの減速比変化を示している。出力角が１００度よりも小さいときは増速しており、出力角が１００度以上の時には減速している。
【００６０】
図８は、人型歩行ロボット１の足首角度θａを変化させたときの出力角と減速比との間の関係を示すグラフである。
【００６１】
足首角度θａ＝０度からθａ＝６０度まで１０度刻みで足首角度θａが増大し、足首が曲がるときの減速比変化が示されている。曲線Ｃ１１は足首角度θａ＝０度に対応する。曲線Ｃ１２は足首角度θａ＝１０度に対応し、曲線Ｃ１３は足首角度θａ＝２０度に対応する。曲線Ｃ１４・Ｃ１５・Ｃ１６・Ｃ１７は、それぞれ、足首角度θａ＝３０度・４０度・５０度・６０度に対応する。
【００６２】
足首角度θａが大きくなるに従い減速比が増加している。出力角が２００度付近で足首角度θａに応じた減速比の大小が逆転するという問題がある。また、足首角度θａ＝４０度、５０度、６０度に対応する曲線Ｃ１５・Ｃ１６・Ｃ１７において、出力角が約５０度と小さい場合に特異点が発生しているという問題がある。
【００６３】
前者の問題は、改善するためには歩行時に利用される中屈曲帯での減速比が低下してしまうこと、図８に示される出力角が２００度付近の減速比は同付近での膝に対する要求と比較して十分な減速比であることから許容できると判断した。
【００６４】
そして、後者の問題は、４節リンク機構において減速比を高くするために特異点が出現することはやむを得ないということ、足首を曲げたまま膝を伸ばすという動作の重要性が低いことを考慮して、この２関節連動変速リンク機構３を採用した。この２関節連動変速リンク機構３において図７及び図８の出力角＝４２．８度を膝角度θｋ＝０度の状態とした。
【００６５】
図９は、歩行時における膝角度θｋと膝トルクτとの間の関係を示すグラフである。図１０は、屈伸時における膝角度θｋと膝トルクτとの間の関係を示すグラフである。
【００６６】
実施形態に係る２関節連動変速リンク機構３を用いた場合、膝リンク機構５のみを利用した場合、従来の単関節機構を用いた場合において、図３で示した歩行運動・屈伸運動をそれぞれの機構に行わせたときのアクチュエータへの要求トルク（膝トルクτ）を図９及び図１０は示している。
【００６７】
図９に示される曲線Ｃ１８は従来の単関節機構に対応する。曲線Ｃ１９は膝リンク機構５に対応する。曲線Ｃ２０は２関節連動変速リンク機構３に対応する。図１０に示される曲線Ｃ２１は従来の単関節機構に対応する。曲線Ｃ２２は膝リンク機構５に対応する。曲線Ｃ２３は２関節連動変速リンク機構３に対応する。
【００６８】
図９を参照すると、アクチュエータへの負荷（膝トルクτ）が最も小さいのは、２関節連動変速リンク機構３に対応する曲線２０である。次に負荷が小さいのは、膝リンク機構５に対応する曲線Ｃ１９である。最も負荷が大きいのは従来の単関節機構に対応する曲線Ｃ１８である。
【００６９】
図１０を参照すると、アクチュエータへの負荷（膝トルクτ）が最も小さいのは、２関節連動変速リンク機構３に対応する曲線２３である。次に負荷が小さいのは、膝リンク機構５に対応する曲線Ｃ２２である。最も負荷が大きいのは従来の単関節機構に対応する曲線Ｃ２１である。
【００７０】
このように、最も負荷が小さいのは２関節連動変速リンク機構３であり、次に小さいのが膝リンク機構５であり、最も負荷が大きいのが従来の単関節機構である。図１０に示すように、特に負荷が大きい状況である膝角度θｋが９０度以上の状況で、２関節連動変速リンク機構３に対応する曲線２３の負荷（膝トルクτ）が、従来の単関節機構に対応する曲線２１の負荷（膝トルクτ）、膝リンク機構５に対応する曲線Ｃ２２の負荷（膝トルクτ）よりも低減されており、望ましい結果が得られている。
【００７１】
（２関節連動変速リンク機構３の動作）
図１１〜図１４は、人型歩行ロボット１の足首が伸びた状態での２関節連動変速リンク機構３の動作を示す図である。図１５及び図１６は、人型歩行ロボット１の足首が屈曲した状態での２関節連動変速リンク機構３の動作を示す図である。
【００７２】
２関節連動変速リンク機構３を動作させた結果、膝角度θｋ＝０度〜１５０度、足首角度θａ＝０度〜６０度の可動範囲を２関節連動変速リンク機構３が有することが確認された。
【００７３】
図１７（ａ）（ｂ）、図１８（ａ）（ｂ）は逆駆動試験の局面を示す図である。２関節連動変速リンク機構３に対して、複数の膝角度θｋ、足首角度θａにおいて、フォースゲージ９により、図１７（ａ）（ｂ）に示される点Ｐ１から、ピンａ・ｂに連結されたリンク５ａに垂直な方向に力を加えた。ただし、膝角度θｋが１２０度のときは機構の回転中心が点Ｐ１に近く、点Ｐ１からの力では２関節連動変速リンク機構３が動かなかった。このため、図１８（ａ）（ｂ）に示される点Ｐ２から力を加えた。
【００７４】
フォースゲージ９により力を加えたときに２関節連動変速リンク機構３が動き始めたときの当該フォースゲージ９により加えた力を、各膝角度θｋ、各足首角度θａについて表１に示す。
【００７５】
【表１】
2016209983.tif 000003
【００７６】
各膝角度θｋ、各足首角度θａに基づく各姿勢について１０回力を加える試行を行い、それぞれの平均した結果が表１に示されている。また、表１中の空欄は２関節連動変速リンク機構３の可動範囲外で取り得ない姿勢であることを示す。
【００７７】
図１９は、足首角度θａが０度のときにおける膝角度θｋに対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。図２０は足首角度θａが３０度のときにおける膝角度θｋに対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフであり、図２１は足首角度θａが６０度のときにおける膝角度θｋに対する変換後のトルク及び減速比の理論値を比較したグラフである。
【００７８】
図１７、図１８の実験でフォースゲージ９により与えた力を、図１７（ａ）に示される点Ｐのまわりのトルクに変換して比較する。変換されたトルクは膝に接続された４節リンクの出力軸のまわりのトルクに相当する。このため、４節リンクの入力に減速機のみが接続されている状況では、変換後のトルクは減速機の抵抗トルクに減速比を乗算したトルクに相当する。それぞれの姿勢における変換後のトルクと、減速比の理論値とを比較した結果が図１９〜図２１に示されている。
【００７９】
図１９は足首角度θａ＝０度のときの結果を表している。図２０は足首角度θａ＝３０度のときの結果を表し、図２１は足首角度θａ＝６０度のときの結果を表している。膝角度θｋ、足首角度θａが小さいときはトルクの測定値の推移が減速比の理論値に近い傾向を示している。
【００８０】
しかしながら、図２１に示すように、足首角度θａ＝６０度、膝角度θｋ＝１２０度のときは上記傾向に反する結果が得られた。原因として、膝角度θｋ、足首角度θａが大きくなり減速比が大きくなると、入力軸が動き始めるために必要な力が大きくなり、それに応じて２関節連動変速リンク機構３のリンク部材のたわみが大きくなったからだと考えられる。リンク部材にたわみが発生すると、それぞれのリンク長が変化し、得られる減速比が変化する。実際に減速比が大きくなる２関節連動変速リンク機構３の姿勢では目視で確認できるほどのたわみが発生していた。また、試作した２関節連動変速リンク機構３は、たわみが視認できるほど大きかったのに対し、バックラッシュは比較的小さく、バックラッシュの影響は無視できると考えられる。
【００８１】
（実施形態２）
図２２は、実施形態２に係る人型歩行ロボット１Ａの膝が伸びた脚部２Ａに設けられた２関節連動変速リンク機構３Ａを示す模式図である。図２３は、人型歩行ロボット１Ａの膝が屈曲した脚部２Ａに設けられた２関節連動変速リンク機構３Ａを示す模式図である。図２４は、人型歩行ロボット１Ａの膝及び足首が屈曲した脚部２Ａに設けられた２関節連動変速リンク機構３Ａを示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【００８２】
２関節連動変速リンク機構３Ａには、膝リンク機構５と足首リンク機構４とに加えて、平行リンク機構７（第１関節リンク機構）が設けられている。人型歩行ロボット１Ａの脚部２Ａは、足元部２ａと下腿部２ｂｂと上腿部２ｃとを有する。
【００８３】
ピンａ・ｂに連結されたリンク５ａが上腿部２ｃに固定される。ピンｅ・ｈに連結されたリンク４ａ及びピンｈ・ｊに連結されたリンク７ａが下腿部２ｂｂに固定される。ここで、リンク４ａ及びリンク７ａは一体に構成される。したがって、ピンｅ・ｈ・ｊの相対的位置関係は変化しない。ピンｉ・ｊに連結されたリンク７ｂが足元部２ａに固定される。リンク５ａが膝関節を駆動する。リンク７ａとリンク７ｂとが足首関節を駆動する。リンク７ａ・７ｂの回動は、リンク４ｂ、リンク７ｂ、及び一対のリンク７ａからなる平行リンク機構７の運動を生じさせる。この平行リンク機構７の運動は、即座に、リンク４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄからなる４節リンク機構（足首リンク機構４）の運動に変換され、ピンｃ・ｄ間の長さに変化が生じる。膝の運動は、リンク５ａ・５ｂ・５ｃからなる、ピンｃ・ｄ間の長さが可変な４節リンク機構（膝リンク機構５）の運動と見なすことができる。
【００８４】
ピンｃ・ｄ間の長さが固定された条件で、リンク５ａ・５ｂのなす角度の変化に対する上腿部２ｃと下腿部２ｂｂとのなす角度変化の割合が減少する。即ち、減速比が増加する。
【００８５】
また、この減速比の増加の程度は、ピンｃ・ｄ間の長さが長い程著しい。例えば、図２２に示すリンク５ｂがリンク５ａから離れる方向にピンｂの周りに回動することによって、図２３に示すように膝を曲げた状態から、さらに、リンク７ｂがリンク７ａに近づく方向にピンｊの周りに回動することによって足首を曲げると、図２４に示す姿勢になり、ピンｃ・ｄ間の長さが増大する。
【００８６】
実施形態１及び２では、立脚期では大出力、高剛性、遊脚期では柔軟性という相反する要求を両立した人型ロボットの脚機構の製作を目的として、膝関節に作用する負荷（膝トルクτ）を足首関節の角度情報（足首角度θａ）から擬似的に読み取る方法を提案した。また、4 節リンク機構を用いて、膝関節の屈曲角（膝角度θｋ）・足首関節の屈曲角（足首角度θａ）が大きくなるほど減速比が増加する機構を開発し、実機を製作し、評価を行った。膝関節の屈曲角（膝角度θｋ）・足首関節の屈曲角（足首角度θａ）が大きい場合を除き、理論に近い傾向が見られた。したがって、実施形態に係る２関節連動変速リンク機構３・３Ａが可変減速機構としての特性を発揮していることがわかった。理論と異なる傾向が見られた問題を解決するためには、２関節連動変速リンク機構３・３Ａをたわみの小さい材料で製作すればよい。
【００８７】
本発明者らは、(i) 人体の歩行動作において、膝に硬さが要求される場面では膝と足首の同時屈曲が生じる点、及び、(ii)剛性ではなく減速比を変化させることにより、剛性を変化させるのと等価な効果が得られる点に着目し、力センサ情報を直接利用することなく、足首関節の屈曲角（足首角度θａ）の増大に伴って膝関節の減速比を大きく増大させることを特徴とする２関節連動変速リンク機構３・３Ａを開発した。
【００８８】
実施形態１及び２に係る２関節連動変速リンク機構３・３Ａは、力センサ情報を利用せず、能動変速機も高荷重ばね等の受動的弾性要素も利用しないので、構成が単純であり、信頼性、応答性が高く、従って、制御性も高い。２関節連動変速リンク機構３・３Ａによれば、副次的に、膝の最大屈曲角度の拡大（１５０度以上）、足先慣性の低減という効果が得られる。
【００８９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９０】
２関節連動変速リンク機構３・３Ａが、人型歩行ロボット１の脚部２の足元部２ａ、下腿部２ｂ・２ｂｂ、上腿部２ｃに設けられる例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電動義肢、義足の足元部、下腿部、上腿部に２関節連動変速リンク機構３・３Ａを設けてもよい。
【００９１】
また、介護作業、搬送作業、リハビリテーション等に使用されるパワーアシストスーツの足元装着部、下腿装着部、上腿装着部に２関節連動変速リンク機構３・３Ａを設けてもよい。
【００９２】
さらに、パワーショベル等の建設機械のバケットに連結されたアームに２関節連動変速リンク機構３・３Ａを設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、連動する２個の関節機構を備えた２関節連動変速リンク機構に利用することができ、特に、人型歩行ロボットの脚部に設けられる２関節連動変速リンク機構に利用することができる。
【００９４】
また、本発明は、電動義肢、義足の足元部、下腿部、上腿部に利用することができる。そして、本発明は、介護作業、搬送作業、リハビリテーション等に使用されるパワーアシストスーツの足元装着部、下腿装着部、上腿装着部に利用することもできる。
【００９５】
例えば脚のように、ある支持状態から別の支持状態に不連続的に遷移する機構にとって、剛性を極端に変化させなければならないという要求は共通のものである。本発明は、脚部を構成する二つの関節の運動に基づいて、上記要求を単純な方法で満たすことができる。
【００９６】
しかしながら、本発明の応用分野は、上記脚に関連する分野に限定されない。例えば、本発明は、建設機械のアーム部にも利用することができる。例えば、パワーショベルのバケットに連結されたアームに本発明を利用することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  人型歩行ロボット
２  脚部
２ａ  足元部（第１部材）
２ｂ  下腿部（第２部材）
２ｃ  上腿部（第３部材）
３  ２関節連動変速リンク機構
４  足首リンク機構（第１関節リンク機構）
４ａ  リンク（固定節）
４ｂ  リンク（原動節）
４ｃ  リンク（従動節）
４ｄ  リンク（中間節）
５  膝リンク機構（第２関節リンク機構）
５ａ  リンク（第３部材固定節）
５ｂ  リンク（第３部材第１従動節）
５ｃ  リンク（第３部材第２従動節）
６  障害物
７  平行リンク機構（第１関節リンク機構）
７ａ  リンク
７ｂ  リンク
ａ〜ｊ  ピン
θｋ  膝角度
θａ  足首角度（屈曲角）
【図１】
2016209983.tif 000004
【図２】
2016209983.tif 000005
【図３】
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【図４】
2016209983.tif 000007
【図５】
2016209983.tif 000008
【図６】
2016209983.tif 000009
【図７】
2016209983.tif 000010
【図８】
2016209983.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2016209983.tif 000013
【図１１】
2016209983.tif 000014
【図１２】
2016209983.tif 000015
【図１３】
2016209983.tif 000016
【図１４】
2016209983.tif 000017
【図１５】
2016209983.tif 000018
【図１６】
2016209983.tif 000019
【図１７】
2016209983.tif 000020
【図１８】
2016209983.tif 000021
【図１９】
2016209983.tif 000022
【図２０】
2016209983.tif 000023
【図２１】
2016209983.tif 000024
【図２２】
2016209983.tif 000025
【図２３】
2016209983.tif 000026
【図２４】
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