(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
股継手（Ｈ）によって本体（１）などに旋回可能に連結される上部アーム（２）と、膝継手（Ｋ）によって上部アーム（２）の他方端部に旋回可能に連結される下部アーム（３）とを有する脚部機構であって、前記本体（１）は前記脚部機構によって移動可能であり、下部アームの下端部は、歩行面によって支持される走行要素（９）を有し、これにおいて、上部アーム（２）と本体（１）の間では股継手（Ｈ）に、また上部アーム（２）と下部アーム（３）の間では膝継手（Ｋ）に、それぞれ当該継手における旋回運動を行わせるための原動アクチュエータ（４，５）が設けられる脚部機構において、
継手（Ｋ，Ｈ）のいずれか一方に、原動アクチュエータに加えて受動動力伝達手段（７）が設けられ、該受動動力伝達手段（７）は、該原動アクチュエータおよび外部荷重の影響によって継手で生じる旋回角度（α，β）の変化を、従動アクチュエータ（６，１２）を介して伝達し、前記角度変化を補償するための下部アーム（３）の下端部の位置の変化を作り出すように配置され、
受動動力伝達手段（７）は、膝継手（Ｋ）に配置され、該継手に設けられた原動アクチュエータ（５）によって生じる旋回運動を伝達して、前記旋回運動に起因する角度の変化を補償する下部アーム（３）の下端部の位置の変化を作り出すために設けられ、
受動動力伝達手段（７）および従動アクチュエータ（６，１２）は、可変長形式のものであり、
原動アクチュエータ（４，５）、受動動力伝達手段（７）、および従動アクチュエータ（６，１２）は、加圧媒体によって作動されるシリンダの形で実現され、
受動動力伝達手段（７）は、受動回路（１０）を介して従動アクチュエータ（６，１２）に動力を伝達することを特徴とする脚部機構。
【請求項２】
従動アクチュエータ（６）は、股継手（Ｈ）に配置され、上部アーム（２）の旋回角度（α）を変化させるように配置されることを特徴とする請求項１記載の脚部機構。
【請求項３】
従動アクチュエータ（１２）は、下部アーム（３）の下端部に配置され、また、下部アーム（３）の長さを変化させるように配置されることを特徴とする請求項１記載の脚部機構。
【請求項４】
受動動力伝達手段（７）からの運動を受ける従動アクチュエータ（６）に加えて、股継手（Ｈ）に作用する原動アクチュエータ（４）が可変長型のものであり、前記アクチュエータ（４，６）は、該アクチュエータの長さの全変化が継手における対応する角度変化を決定するような様式で、相互に連結されることを特徴とする請求項２記載の脚部機構。
【請求項５】
上部アーム（２）は、平行四辺形機構の形で実現されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脚部機構。
【請求項６】
上部アーム（２）の、膝継手（Ｋ）に続く端部の位置に、平行四辺形機構の一部を形成し、膝継手（Ｋ）に配置される原動アクチュエータ（５）の一方端部に対する連続部分として働くリンク（８）があり、前記アクチュエータの他方端部は下部アーム（３）に連結されることを特徴とする請求項５記載の脚部機構。
【請求項７】
受動動力伝達手段（７）は、その一方の端部において平行四辺形機構の前記リンク（８）に連結され、他方の端部が下部アーム（３）に連結されていることを特徴とする請求項６記載の脚部機構。
【請求項８】
下部アーム（３）も平行四辺形機構の形で実現されることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の脚部機構。
【請求項９】
下部アーム（３）は平行四辺形機構の形で実現され、下部アーム（３）の下端部に配置される従動アクチュエータ（１２）は平行四辺形の短辺上に載置されることを特徴とする請求項３記載の脚部機構。
【発明の詳細な説明】
本発明は、添付の請求項１の前提部に記載された型式の脚部機構に関する。
荷重運搬用脚部機構の目的は、本願出願人の先行特許であるフィンランド特許第８７１７１号に特に記載されている。この型式の脚部機構の目的は、一方では、該脚部機構が運搬する機械本体の荷重を支えることにあり、他方では、前進移動を達成することにある。上部アームと下部アームとを有するような脚部機構は、一般に、いわゆる“歩行機”に連結されて使用される。そのような機械の運動に対するモデルは、前進をもたらす歩行運動が、股関節を介して胴体（フレーム）に接合されるもも（上部アーム）、および膝関節を介してももに接合されるすね（下部アーム）の運動経路に依存するような、哺乳動物の脚部から得られる。これらの経路は、前記関節に関して行われる旋回運動の結果として生み出される。
自然の運動経路が機械によって摸倣される場合には、上記の部分を作動させるためのアクチュエータと、該アクチュエータに関係する制御動作が高度に要求される。運動経路とその時々での荷重状況を考慮して脚部機構の正確な運動を行うことを目的として、制御装置および操舵装置は、外乱を受けること無く前進移動と荷重支持を行わせるために非常に精巧で機能的にも信頼できるものでなければならない。
本発明の目的は、上述の欠点を排除することと、脚部の機能的信頼性を高めて効率を向上させることのできる機構そのものに関連する解決法を提供することにある。この目標を達成するために、本発明に従う脚部機構は、添付の請求項１の特徴部に開示されたことを主たる特徴とする。基本となる発想は、ある継手で生じた角度の変化は、特定の受動動力伝達手段によって別のアクチュエータまたは継手の運動に伝達されることができ、該アクチュエータまたは継手は、所望の運動経路を達成するために前記角度の変化を補償するというものである。相当する所望の運動をもたらすためには、後者のアクチュエータまたは継手に連結したいかなる原動アクチュエータも使用する必要はないが、角度変化に起因する運動は自動的に行われる。
請求項３に開示される他の好適な実施形態によれば、受動動力伝達手段は、膝継手の運動を伝達して股継手の運動を起させる。たとえば、膝継手の角度の絶対値が大きくなると、すなわち、下部アーム（すね）が所定の中間位置から離れるように移動すると、対応する股継手の、支持面に対向する角度が小さくなる。下部アームの下端部にある支点は、この場合、寸法上の設計に応じて直線的または略直線的な運動を行う。
また他の実施形態としては、膝継手の角度の絶対値が大きくなったとき、アームと支点との間で作用するアクチュエータの動作によって、該アームの下端部にある支点がアームの残余部分から離れるように移動されるというような様式で、下部アームの長さを可変とする。
本発明の他の好適な実施形態に関しては、添付の従属項および以下の説明が参照される。
本発明を、添付の図面を参照して以下に説明する。図面において、
図１は、本発明に従う脚部機構および関連するアクチュエータの側面図であり、
図２は、図１の実施形態をわずかに変更した実施形態の概略図であり、
図３は、股継手の構造に対する１つの実施形態を示し、
図４は、運動の補償に対する１つの実施形態を示し、
図５は、脚部機構の胴体への別の連結方法を図示しており、
図６は、本発明に従う脚部機構を適用することができる機械を示す。
図１は、本発明に従う脚部機構の第１の実施形態を側面図で示したものである。脚部機構は該脚部機構によって運搬される本体１に連結されている。連結は股継手Ｈを介して行われ、該股継手Ｈには、垂直平面において旋回可能な機構の上部アーム２が、旋回可能に連結される。下部アーム３は、上部アーム２の他端に膝継手Ｋを介して連結され、該下部アームは垂直平面において旋回可能である。下部アーム３の下端部には、歩行面Ｍと接触することによって生じる荷重を受けとり、歩行要素９が旋回可能に連結される支点Ａがある。上部アーム２の長軸と垂直平面とによって成され、歩行面Ｍに対向する角度αの変化は、原動可変長アクチュエータ４によって達成され、該原動可変長アクチュエータ４の第１の端部は本体１に取付けられ、他方の端部は上部アーム２に取付けられている。同様に、膝継手Ｋには別の原動可変長アクチュエータ５があり、該アクチュエータ５の第１の端部は上部アーム２に取付けられ、第２の端部は下部アーム３に取付けられている。該別のアクチュエータの長さの変化が角度βの変化をもたらすが、この角度βは、予め定める基準線、たとえば本体１に関して垂直な線と平行な垂直線と下部アームの長軸とによって成され、歩行面Ｍに対向する角度である。図１の配置においては、下部アーム３の長軸が基準線となるラインに一致するので角度βの値はゼロとなる。
原動アクチュエータによる上述の作用は以前から知られており、該作用は、加圧媒体源に連結された油圧シリンダなどの加圧媒体によって作動されるアクチュエータ４，５であって、周知の方法でバルブによる制御が可能なアクチュエータ４，５によって達成することができる。
受動動力伝達手段７は膝継手Ｋに配設され、該手段は、その駆動力を歩行要素に作用する外部荷重からだけでなく、同一の膝継手Ｋに配置される継手角βを変化させるための原動アクチュエータ５の運動からも受取る。該手段は、股継手Ｈに配置される従動アクチュエータ６の運動を伝達するために設けられている。これによって、股継手Ｈの角度αにおいて、膝継手Ｋの角度βの変化を補償するような角度変化が引起される。
図１は、脚部が歩行面Ｍから離れている状態を示す。たとえば、角度βが大きくなる場合、すなわち、下部アーム３（すね）が、角度βの値が０となる該アームの中間位置から前方に揺動する場合には、角度αが小さくなり、すなわち上部アーム２は図中の矢符で示されるように下降する。これによって、上記動力の正確な伝達において、下部アーム３の下端部の支点Ａが、図１の破線で示した水平運動経路に沿って適切に移動することが可能になる。この場合、該運動を達成するために股継手Ｈの原動アクチュエータ４の運動は必要とされないが、該原動アクチュエータ４の運動は、従動アクチュエータ６とは独立して脚部機構全体の高さ調節に用いることができる。このようにして脚部機構は、次のステップを踏出すまでの間、原動アクチュエータ４によって歩行面Ｍから持上げておくことができる。さらに、前方の障害物のために脚部機構をより高い位置に持上げることが望まれる場合、股継手Ｈの前記原動アクチュエータ４を用いることによって、上部アーム２と下部アーム３とを該原動アクチュエータ４と同時に持上げるようにする。上述した下部アーム３と上部アーム２の間リンク運動は、上部アーム２の瞬間高さ位置とは独立して、すなわち角度αとは独立して、膝継手Ｋのアクチュエータ５によって達成することができる。
脚部が歩行面Ｍに接触した状態での動作は以下の通りである。ステップの支持段階の開始時において、脚部機構は股継手Ｈの原動アクチュエータ４によって地面と向かい合せに配置することができ、この状態から、最適には下部アーム３が垂直線から上部アーム２から離れて角度βが大きくなる方向へ前方に旋回されるときに、上部アーム２が下降する。この結果、脚部機構によって運搬される本体１の荷重の一部がこの脚部機構に向けられるとともに、機械の他の脚部機構にもそれぞれの荷重の分担が割当てられる。膝継手Ｋがアクチュエータ５によって回転されると角度βが減少し、βの値はステップの長さに応じて下部アーム３の中間位置に相当するゼロに達する。そして、負の方向に回転されると角度βの絶対値は再び大きくなる。同様の順序で角度αは増大し、角度βがゼロになるときに最大値に達し、その後減少する。好適な実施形態において、本脚部機構によって運搬される本体１の高さ位置は、補償が行われるおかげで一定に保たれ、換言すると、本脚部機構は機能上車輪に相当する。
上部アーム２を作動させるアクチュエータ、すなわち、原動アクチュエータ４および受動動力伝達手段７から運動力を受取るアクチュエータ６は、可変長型式のものであり、両アクチュエータは、原動アクチュエータ４の本体１上への固定点が、シリンダに続く上部アーム２の方に向けられる従動アクチュエータ６の端部によって構成されるようにして、また該アクチュエータ６の第２の端部が本体そのものに取付けられるようにして、互いに連結される。従動アクチュエータ６の長さが変化しても、原動アクチュエータ４の長さは自動的には変化しないため、上部アーム２を回転させる両アクチュエータによって形成される全体の長さの変化は、従動アクチュエータ６の長さの変化のみに依存する。一方のアクチュエータのみが全長を変化させる要因となる同様の状況が、上部アーム２が原動アクチュエータ４によって移動されるときに生じる。というのも、前記両アクチュエータは互いに独立して操舵されることができ、両者は機械的に連結されているにすぎないためである。アクチュエータ４，５を同時に使用しているとき、統合されたアクチュエータの長さの変化は、アクチュエータ４および６の継手の動作に依存する。
実際上、膝継手Ｋから股継手Ｈへの運動発生力の伝達は、いわゆる受動回路１０を用いる加圧媒体、たとえば作動油によって行われる。受動動力伝達手段７を構成するアクチュエータは、該アクチュエータの第１端部で上部アーム２に取付けられ、第２端部で下部アーム３に取付けられる。下部アームの長軸が本体１に対して垂直であるような、図１に示した下部アームの中間点から膝継手Ｋの角度βが増大すると、加圧媒体が、ピストンロッドの周囲のアクチュエータチャンバから、回路１０のライン１０ａを受けるピストンロッドの周囲のチャンバへと輸送され、そうして手段７が伸張するときに従動アクチュエータ６が収縮される。ピストンの対向側面同士は加圧媒体の戻りライン１０ｂを介して連結され、閉回路を形成する。ピストンおよびチャンバの寸法は、相互に連結された側面における体積変化を互いに一致させるように、またさらに、ある角度αの値において、角度βの変化が角度αの正確な変化量を導くように設定される。アクチュエータ４と５との組合わせは、いわゆるタンデム形シリンダである。
本発明は、有益は運動進路に加えて制動機能も提供する。たとえば、機械が脚部機構に支えられて走行面Ｍに立っている場合、下部アーム３が図１に示す中間位置から方向転換すると、即座に上部アーム２が本体１に関して下降する。同じ現象が、下部アーム３が前後に旋回され得るような位置にある場合、および、角度βの絶対値が増加しつつある場合に起る。力の観点から言えば、膝継手Ｋに対して、膝の原動アクチュエータ５の寸法を通常よりも小さくすることができるというような効果をもたらす。
図１はさらにある有益な機構を示しており、該機構によって上部アーム２および下部アーム３は本体に接合され、また相互に連結される。上部アーム２は平行四辺形リンク機構から成り、該平行四辺形リンク機構は主アーム２ａを有し、該主アーム２ａは、荷重を優勢に受け、平行四辺形の一方の長辺を構成し、また原動アクチュエータ４との接点としても機能する。該機構はさらに、平行四辺形の第２の長辺を構成する補助アーム２ｂを有する。主アームと補助アームは本体１に旋回可能に連結されており、平行四辺形は、対向側端部においてアームの端部を相互に接続するリンク８によって完成され、こうして平行四辺形の短辺を包含することになる。リンク８と主アーム２ａの間の旋回継手の軸は同時に、主アーム２ａと下部アーム３の間の膝継手Ｋの旋回継手の軸とも一致する。
リンク８は平板状片として形成され、その平面は実質的に機構の旋回面に位置している。膝継手Ｋの原動アクチュエータ５は、その一方端部において前記平板に取付けられ、他方端部が下部アーム３に取付けられる。
運動力を伝達する受動手段７は、一方端部においてはリンク８に、他方端部においては下部アーム３に、順に旋回可能に連結される。さらに、図１に示すように、手段７とリンク８の間の連結点における旋回心軸は、リンク８と補助アーム２ｂの間の旋回心軸と一致させることもできる。
可変長受動手段７はさらに、膝継手Ｋと下部アーム３の下端の支点Ａの間のラインが図１に示す中間位置にある場合で、該ラインと手段７の前記連結点とが一致するときに、最短長となる、すなわち死点をなすように配置される。このことは、図１に従う解決法においては、手段７の、下部アーム３に対する旋回連結点を前記ライン上に配置し、上部アーム２に対する旋回連結点を平行四辺形の短辺上のリンク８の下側の継目（articulation）点に配置することによって実現されている。この短辺は、前記ラインと、または、角度βの値がゼロとなる中間位置に下部アーム３がある時の該下部アーム３の長軸と一致する。受動手段７の最短位置において、従動アクチュエータ６は最長位置となる。下部アーム３の長軸は、該下部アームの中間位置において、別の方法で平行四辺形リンク機構の短辺に向けてもよいこと、また、受動手段７の上部アーム２への取付け点は平行四辺形の継目点以外のいかなる場所に設けてもよいことは自明である。またこの場合、手段７の長軸が、下部アーム３の中間位置において該下部アーム３の長軸と一致するような配置をとることもできる。
図２は、図１の実施形態とはいくぶん異なる機構をもつ解決法の概要を示したものである。従動アクチュエータ６と原動アクチュエータ４の配置の違いは、図１の実施形態では、本体１側にあるアクチュエータ対が補助アーム２ｂと本体の間の継目点に取付けられているのに対し、図２の実施形態では、アクチュエータ対が本体への継目点とは離れた点に配置されていることにある。しかしながら、この配置は機構の基本的な機能には影響を及ぼさない。さらに、下部アーム３においても、平行四辺形リンク構造が用いられており、該平行四辺形リンク構造は、膝継手Ｋと支点Ａの間に伸びて荷重を優勢に受ける主アーム３ａと、該主アーム３ａに平行な補助アーム３ｂとを含んで構成され、該補助アーム３ｂの上端部はリンク８に旋回可能に連結され、下端部は歩行要素９に旋回可能に連結される。この解決法のおかげで、歩行面Ｍに横たわる受皿の形状または他の形状を有した部分でもあり得る走行要素９は、本体１に関して同一の方向に保たれる。さらに、受動動力伝達手段７は、上部アーム２に続く端部において該手段７自身の点によってリンク８に旋回可能に連結され、他方端部においてアーム３ａに連結される。その他の点に関しては、機能の動作は上述したものと同じである。
図３は、股継手Ｈのに対する他の構造を示す。上部アーム２および下部アーム３は、図２にあるような平行四辺形リンク構造から構成される。上部アーム２は、平行四辺形リンク構造の短辺を形作る継目点において本体１に旋回可能に連結されている。原動アクチュエータ４と従動アクチュエータ６は、従動アクチュエータ６が本体１に旋回可能に連結されるようにして、さらに該従動アクチュエータ６の他方の端部が、本体１に旋回可能に連結されるレバーアーム１１、本実施形態では平行四辺形リンクの継目点の１つに旋回可能に連結されるようにして、ともに機械的に連結されている。レバーアームは、その他方の端部において、原動アクチュエータ４の、本体に対向する側の端部を支えている。本解決法は、図１および２に示したタンデム形シリンダによる解決法とは異なるが、その他の点に関しては本解決法を使用することによって同様の効果が得られる。すなわち、原動アクチュエータ４と従動アクチュエータ６は、両者が互いに独立して作用することができ、両者の長さの変化が上部アーム２の位置変化および角度αの変化を決定するというような様式で、共に上部アーム２の旋回に影響を及ぼす。さらに、図３に従う構造において、膝部の受動アクチュエータはその下端部において、連結点がアーム３の長軸上に含まれないようにして連結されている。しかしながら、このことは機構の基本的な機能には何の影響も及ぼさない。
図４は、膝継手４にある受動動力伝達手段７を介して股継手Ｈに作用する以外の方法によって、補償機能を達成することのできる構造をを示す。本実施形態において、股継手Ｈに必要な一切のものは原動アクチュエータ４であり、上部アーム２に取付けられた該原動アクチュエータ４の端部が図中に示されている。補償機能は、可変長アクチュエータ１２を下部アーム３の下端部に取付けて、該下部アーム３の下端部の長さを可変とすることによって達成される。角度βが大きくなる場合には、受動動力伝達手段７の長さの変化が伝達されて従動アクチュエータ１２の長さの変化を引き起し、該従動アクチュエータ１２では、その長さが伸びることによって下端部にある支点Ａと歩行要素９とが下方に移動されるという様式によって、下部アーム３の位置変化補償する。角度βが小さくなる場合には、長さの変化は反対方向に生じる。また本構造において、角度βがゼロで従動アクチュエータ１２が最短位置にあるような、一定の中間位置または基準線を規定することもでき、下部アーム３の位置がどの方向にずれたとしても、該アームの下端部にある支点Ａの位置を下方に移動させるようにすることができる。
さらに図４の実施形態において、受動回路１０を用いることにより、力は、たとえば作動油などの加圧媒体によって膝継手Ｋと下部アーム２の下端部の間で伝達される。原理は、図１〜３を参照して上述した通りである。
下部アーム３の下端部は、平行四辺形リンク構造のアーム３の短辺上に前記従動アクチュエータ１２を固定して取付けることによって構造的に実現することができ、また、該アクチュエータの下端部、本実施形態においては油圧シリンダのピストンロッド端部は、支点Ａで受皿状の歩行要素９に旋回可能に連結され、該支点Ａは、アームの下端部の支点であって、この支点を介して歩行面Ｍと本体１の間の力の伝達が行われるとみなされる。
本発明は、脚部機構の運動に関する限りにおいて、上述したことに限定されるものではない。しかしながら、脚部機構は、下部アーム３が明確に定義された中間位置を持つような構造を有することが好ましく、上述の補償運動のために該中間位置はまた、補償によって得られる股継手Ｈの角度αが最大となる。または角度βがゼロで下部アーム３の下端部の可変長が最小となるような、最大（extreme）位置ともなる。アーム３の長軸が予め定める基準線と一致するこの中間位置は、静的に有利になるように選ぶことができ、たとえば、該中間位置は本体１に関して一定の方向に伸びる直線とすることができる。上部アーム２が平行四辺形構造をもつためにこのようなことが可能なのであるが、それは上部アーム２へ一定の角度で伸びる下部アーム３が本体１に対しても正確な所定の角度を成すためである。
図５は、本体の残余部分に旋回可能に連結された補助本体１ｂに、脚部機構を旋回可能に連結することによって、いかにして補助股継手Ｈの位置で脚部機構を本体１に接合できるかを示したものである。したがって、脚部機構全体が、実際の本体と補助本体１ｂの間の接合部によって定められる運動境界内で回転することができる。
実例を示すために、図６は、本発明に従う脚部機構を適用することのできる機械を示す。地勢を移動することができ、森林内で稼動するように意図された機械に関連する。機械は、本体に接合された片側３本ずつの計６本の脚部を有する。脚部機構の旋回面は本解決法においては進行方向に伸び、また、股継手Ｈが本体の残余部分に関して旋回可能な部分上に、たとえば図５に示した補助本体１ｂ上に取付けられていることから、前記旋回面は他の平面においても旋回されることができる。しかしながら、本発明は、異なる数の脚部を有ることが可能であり、本体への異なる取付け方法が可能であるような他の種類の機械にも使用することができる。
脚部機構そのものに関する限り、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、請求項によって与えられる発明的発想の範囲内で変更することができる。たとえば、一対のアクチュエータ４，６が、図１〜３に示したようにして機械的に互いに連結されている必要はない。それにもかかわらず、両アクチュエータが自身の継目を有するならば、従動アクチュエータ６の動作時に原動アクチュエータ４も運動することから、該原動アクチュエータ４内における自由な運動の可能性が与えられなければならず、たとえば油圧シリンダの場合であれば、ピストンの、対向する側のチャンバ同士での自由な循環の可能性が与えられなければならない。
脚部機構は、アクチュエータをアーム２および３の内部に配置するように機械的に実現することができる。たとえば、図１は、アクチュエータが両アームの外側にある側面図として解釈することができるが、アームの中間垂直面の断面図としても解釈することもでき、その場合旋回アームは平行なサブアーム対から構成され、該旋回アームの内部でアクチュエータと該サブアームとが連結される。
本発明は、適切な変更を行って、出願人の先行出願であるフィンランド特許第８７１７１号に記載されているような、原動アクチュエータの偶力を含む脚部機構と組合わせて用いることもできる。
【図１】
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【図６】
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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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