(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部及び該胴体部に接続されていて複数の関節部からなる脚を少なくとも２本有する歩行ロボットの関節制動装置において、
前記関節部に作用する重力モーメントに対抗し、該関節部を相対回転運動させる駆動力を発生させる電動モータと、
前記関節部の相対運動を起こす部材間に設けられ、前記重力モーメントに対抗して制動を与える摩擦係合手段と、
前記摩擦係合手段を摩擦係合方向に押圧する空気圧押圧手段と、
前記空気圧押圧手段に空気圧を供給する空気圧供給源とを備え、
前記電動モータの駆動力と前記摩擦係合手段の制動力を同時に作動させることで階段または下り坂を下るロボット歩行を行わせ、前記歩行ロボットを駆動する消費エネルギーを節約させることを特徴とする歩行ロボットの関節制動装置。
【請求項２】
胴体部及び該胴体部に接続されていて複数の関節部からなる脚を少なくとも２本有する歩行ロボットの関節制動装置において、
前記関節部に作用する重力モーメントに対抗し、該関節部を相対回転運動させる駆動力を発生させる電動モータと、
前記関節部の相対運動を起こす部材間に設けられ、前記重力モーメントに対抗して制動を与える摩擦係合手段と、
前記摩擦係合手段を摩擦係合方向に押圧する空気圧押圧手段と、
前記空気圧押圧手段に空気圧を供給する空気圧供給源とを備え、
前記摩擦係合手段を作動させた状態で前記電動モータへの電流値を減少する方向に制御して前記関節部を所望の静止姿勢に維持させ、前記歩行ロボットを駆動する消費エネルギーを節約させることを特徴とする歩行ロボットの関節制動装置。
【請求項３】
前記空気圧供給源を前記胴体部に設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の歩行ロボットの関節制動装置。
【請求項４】
前記関節部は、前記電動モータの回転力がベルトを介してプーリに伝達される減速機を備え、前記空気圧押圧手段は、前記プーリに摩擦板を押圧して制動を付与することを特徴とする請求項１，２または３に記載の歩行ロボットの関節制動装置。
【請求項５】
前記関節部は、前記電動モータの回転力が直接伝達される減速機を備え、前記空気圧押圧手段は、前記減速機の回転体に摩擦板を押圧して制動を付与することを特徴とする請求項１，２または３に記載の歩行ロボットの関節制動装置。
【請求項６】
前記空気圧押圧手段は、シリンダと、該シリンダ内に進退自在に収納されたピストンとからなることを特徴とする請求項１，２，３，４または５に記載の歩行ロボットの関節制動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はロボットの関節装置に係り、特にロボットが静止した姿勢を保っているとき、若しくは運動中においても関節の運動方向が重力の作用する方向と一致するとき、当該関節に制御された制動力を発生して姿勢を保持するか、その運動に必要なエネルギーを節約することができるロボットの関節制動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の関節を持つ脚式の移動ロボットは、静止している間でも自分の体重を支えるのに少なからずエネルギーを消費するという動物に似た特徴を持っている。車輪式の移動ロボットが静止している間はエネルギーを消費しないのに比べてこの特徴は大きな欠点であり、階段や段差があっても移動できる脚式の利点はあるものの、その実用化を阻む原因の一つになっている。そもそも静止状態のロボットは外部にしている仕事はゼロなのだから、これらのエネルギーは本来消費する必要がないものであり、何らかの改善が求められていた。
【０００３】
更にまた移動手段が車輪であるロボットでも上体には複数の関節からなるアームを有しており、アームが物を掴んでいるときには重力に抗してアームを所定の姿勢に保つときには同じ事が起きている。つまり移動手段が脚式だろうと車輪式だろうと、従来の技術ではロボットが同じ姿勢を保持している限り、本来は不必要なエネルギーを消費しているわけで、何らかの改善が求められていた。
【０００４】
更にまた脚式ロボットが階段を降りている場合を考えてみるに、地面に付いている方の脚関節は体重を支えつつ重力が作用する方向に運動しているが、このときモータは体重に抗したトルクを発生しつつ逆方向に回転している。物理的に考えれば重力場に置かれた物体が重力の作用する方向に運動するときには位置エネルギーを放出しているわけだから、エネルギーを使うのではなく位置エネルギーを発電という形で回収することもできる筈である。しかし発電で回収するには、回転速度が十分に早いこと、言い換えれば相当な速さで階段を駆け降りる場合でなければこの手法は使えないことになる。従来技術では、階段を下りるときにも昇るときに劣らない量のエネルギーを消費していた。
【０００５】
地面に固定された産業用ロボットの場合にも、以上の状況は全く同じである。即ちワークを所定の姿勢で保持するときとか、重たいワークを重力の方向に移動させるときには、前述した問題点はそのままアームの関節部で起きている。ただ産業用ロボットの場合には外部からエネルギー補給がケーブルを通じて容易に行えることや、現在ではエネルギー価格（電気料金）も安価であるために問題が顕在化していないだけのことである。
【０００６】
【発明が解決しょうする課題】
本発明は、制御可能な制動力を発生することができる制動装置を関節部に組み込むことができ、体重による関節トルクの大半をこの制動装置が吸収してくれるので、関節を駆動するモータはその分少ない出力トルクを発生するので、エネルギーの消費が抑えることができる歩行ロボットの関節制動装置を提供することにある。
【０００７】
従来のロボットにおいても、関節部に制動装置を設けることは提案され、実施されてきた。しかし従来の制動装置は予期しない停電時に重量物を掴んだアームが落下して人身災害を起こすことを防止するために設けるものである。その原理は電磁クラッチによるもので、通常はばねをブレーキがかかる方向に設け、電磁力をばね力に対抗させてクラッチを開放するものである。従って、電磁力を発生するコイルや鋼板等がその構成部材であり、非常に重い装置になっていたし、各関節ごとに組み込むしか方法がなかったために、例えば６自由度を持つ産業用ロボットではアームの関節ごとに６ケの重い制動装置が付くことになり、このような制動装置を持つロボットの関節駆動用モータもまた大型化するという問題があった。従ってこの重さのために普及することはなく、重量物を扱うロボットの緊急時の安全という極く特殊な用途以外には適用されることはなかった。重量が増加すれば消費エネルギーも多くなるのは自明のことである。
【０００８】
歩行ロボットの関節構成に関しては、例えば特許第２５９２３４０号公報に開示の構造がある。この関節には電動モータとその出力を減速増力できるハーモニック減速機が組み合わされて使われている。
【０００９】
この特許公報に開示の構成では、ロボットが静止状態を維持するときは自分の体重を支えるべく脚関節のモータに電流を流しつづける所謂サーボロックをかけておく必要がある。体重が絶えず脚関節を曲げる方向に働いているからである。
【００１０】
このような問題に鑑み、本出願人は先に関節が所定の位置で安定するような関節構造と、その関節の制御について、特願２０００−２２０９３６号及び特願２０００−２８４０８０号として既に出願している。これらの先願では関節が安定する位置が決まっていたから、起立姿勢など特定の姿勢で休止する場合には使えるが、そうではない姿勢のときには使えないと言う欠点があった。また足関節について言えば、休止する地点の地面が水平ならば良いが、傾いている場合には使えない欠点もあった。
【００１１】
またこのロボットが階段を下りているときの各関節について考えてみる。例えば地面に接触している方の脚の膝関節を考えれば、関節は大きく折れ曲がり、体重の中心から下ろした鉛直線から膝関節の中心位置までの距離は最も大きく離れている。この距離に体重を乗じた量が関節を更に屈曲させようとするモーメントであるから膝関節はこの大きなモーメントに対抗できるトルクを発生させつつ膝を次第に曲げていく必要がある。従って膝関節はこのとき最も大きなエネルギーを消費していることになる。
【００１２】
ここでもし、膝関節に大きな摩擦力が存在していて、体重が作りだすモーメントの大半をこの摩擦力が受け持つように構成できれば、モータにはその分だけ少ない電流値が流れることになり、省エネが達成できる。この場合には体重の作りだすモーメントは膝関節の折れ曲がり角度に応じて増減するから、望ましくはこの摩擦力も関節角度に応じて可変に構成すべきである。更にまたこの摩擦力は階段を昇るときには逆に作用して従来よりも大きなエネルギーを消費することになるから、昇るときには摩擦力は無い方が望ましいわけで、状況に応じて摩擦力をゼロから可変に構成できることが望ましい。
【００１３】
本発明は前記事情に着目してなされたもので、第一の目的とするところは、ロボットの関節部に制御可能な制動機能を付与し、所望の姿勢をとって静止するときには当該制動機能によって関節をロック状態にすることができるとともに、当該制動機能を抑制して従来と同じように歩行を行うことができる、優れた歩行ロボットの関節制動装置を提供することにある。
【００１４】
更に本発明の第二の目的は、かかる制動装置を小型、軽量に構成することによりロボットの重量増加を実質的に抑えることができる歩行ロボットの関節制動装置を提供することにある。
【００１５】
更に本発明の第三の目的は、予想される様々な歩行場面に適応して最適な制動力を発揮することができる、制動力の制御が容易な歩行ロボットの関節制動装置を提供することにある。
【００１６】
ここで、静止中のロボットの関節で起きているエネルギーの使われ方について述べると、現在の関節制御技術は目標関節角度と現在の関節角度の差分を計算し、その差分に一定の比例定数Ｋを乗じて操作量とし、その比例定数Ｋを最大の負荷が加わる場合にも良好な追従性を保証するように大きめに設定していた。関節駆動のモータが消費するエネルギーの量はこの操作量、換言すれば前記差分値×上記比例定数に応じて決まり、同時にそれは関節に加わる外部からの負荷モーメントに応じたモータトルクを生ずるための電流値と比例関係にある。
【００１７】
関節の静止時を考えるに、この比例定数Ｋを大きく設定すると、目標関節角度と現在の関節角度との差分が小さくなるし、逆に小さく設定すると当該差分は大きくなって、結果的には消費するエネルギー（モータへ供給する電流値）は変わらないことになる。つまり比例定数Ｋを変えても消費エネルギーは理論的に変わらない。
【００１８】
これはあくまで摩擦のない理想的な関節が静止状態にある時の話であるが、摩擦力を想定すると随分と話は変わってくる。静止している関節に充分に大きな摩擦力があれば、その摩擦力だけで自分の体重を支えることができるから、一旦その姿勢をとることができれば、後は電流の供給を止めてもその姿勢を保ことができる。事実ねじを減速機に使った脚式ロボットでは、そのようにしてエネルギーの消費を抑えている。しかし、ねじのような摩擦の多い減速機を使うと、所望の姿勢に至る過程でも多くのエネルギーを消費するから、歩行で使うエネルギーが今度は多くなり、総合的にエネルギー消費を抑えるには無理がある。以上が関節内部で起きているエネルギー消費の実態である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、請求項１は、胴体部及び該胴体部に接続されていて複数の関節部からなる脚を少なくとも２本有する歩行ロボットの関節制動装置において、前記関節部に作用する重力モーメントに対抗し、該関節部を相対回転運動させる駆動力を発生させる電動モータと、前記関節部の相対運動を起こす部材間に設けられ、前記重力モーメントに対抗して制動を与える摩擦係合手段と、前記摩擦係合手段を摩擦係合方向に押圧する空気圧押圧手段と、前記空気圧押圧手段に空気圧を供給する空気圧供給源とを備え、前記電動モータの駆動力と前記摩擦係合手段の制動力を同時に作動させることで階段または下り坂を下るロボット歩行を行わせ、前記歩行ロボットを駆動する消費エネルギーを節約させることを特徴とする。
【００２０】
請求項２は、胴体部及び該胴体部に接続されていて複数の関節部からなる脚を少なくとも２本有する歩行ロボットの関節制動装置において、前記関節部に作用する重力モーメントに対抗し、該関節部を相対回転運動させる駆動力を発生させる電動モータと、前記関節部の相対運動を起こす部材間に設けられ、前記重力モーメントに対抗して制動を与える摩擦係合手段と、前記摩擦係合手段を摩擦係合方向に押圧する空気圧押圧手段と、前記空気圧押圧手段に空気圧を供給する空気圧供給源とを備え、前記摩擦係合手段を作動させた状態で前記電動モータへの電流値を減少する方向に制御して前記関節部を所望の静止姿勢に維持させ、前記歩行ロボットを駆動する消費エネルギーを節約させることを特徴とする。
【００２１】
請求項３は、請求項１または２の前記空気圧供給源を前記胴体部に設置したことを特徴とする。
【００２２】
請求項４は、請求項１，２または３の前記関節部は、前記電動モータの回転力がベルトを介してプーリに伝達される減速機を備え、前記空気圧押圧手段は、前記プーリに摩擦板を押圧して制動を付与することを特徴とする。
【００２３】
請求項５は、請求項１，２または３の前記関節部は、前記電動モータの回転力が直接伝達される減速機を備え、前記空気圧押圧手段は、前記減速機の回転体に摩擦板を押圧して制動を付与することを特徴とする。
【００２４】
請求項６は、請求項１，２，３，４または５に記載の前記空気圧押圧手段は、シリンダと、該シリンダ内に進退自在に収納されたピストンとからなることを特徴とする。
【００２５】
前記リンクの各関節部に制動をかけることができるから、制御方法を工夫することで様々な省エネを実行することができる。例えば歩行ロボットが起立姿勢をとるときに、関節制動をかけた上で関節駆動用のモータへの電流値を全く無くしても、起立姿勢を維持できるようになる。
【００２６】
従って、従来のサーボロックによる起立に比べて消費エネルギーを実質的にゼロにできる利点がある。また電流値を全くゼロにするのではなく幾らかは流しておき、弱い制動をかけることで、外力が不用意に加わった場合に素早く関節を駆動できるようにする使い方もできる。
【００２７】
更にロボットが階段を降りている場合に、立脚側の各関節部に部分制動をかけることで、各関節部の駆動用モータは、この制動力の分だけ少ないトルク、言い換えれば少ない電流で階段を降りることができる道も開ける。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１は本発明を適用するのに適した２足歩行ロボットの骨格を示す斜視図である。図１に示すように、歩行ロボット１は左脚２Ｌ、右脚２Ｒに６個の関節軸を備えている。左脚２Ｌ、右脚２Ｒは対称構造であり、一方について説明すると、６個の関節軸は上から順に、脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４、同ロール方向関節軸５、膝部ピッチ方向関節軸６、足首部ピッチ方向関節軸７、同ロール方向関節軸８となっており、その下部には６軸力センサ９を介して足部１０が設けられている。
【００３０】
左脚２Ｌ、右脚２Ｒの最上部には人体の骨盤に相当する腰板リンク１２が設けられている。腰板リンク１２には関節の制御に必要な電源やアンプ（増幅器）、及び歩行空間に対するロボットの傾斜を検知して電気信号として出力する傾斜計１３などが図示しない手段で搭載されている。
【００３１】
脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４及び同ロール方向関節軸５によって股関節部１４が構成されている。更に、膝部ピッチ方向関節軸６によって膝関節部１５が構成されている。更に、足首部ピッチ方向関節軸７と同ロール方向関節軸８によって足関節部１６が構成されている。
【００３２】
股関節部１４と膝関節部１５とは大腿リンク１７によって結合され、また膝関節部１５と足関節部１６とは脛リンク１８によって結合されている。
【００３３】
左脚２Ｌ、右脚２Ｒとは鏡像の関係にあり、対称形状である。
【００３４】
前記６軸力センサ９は、足関節部１６と足部１０との間に設けられ、床反力Ｆの垂直方向成分Ｆz,進行方向成分Ｆx,横方向成分Ｆy、及び床反力によって生ずるモーメントＮの垂直方向成分Ｎz,進行方向成分Ｎx,横方向成分Ｎyを各々独立に分離して検出できる。
【００３５】
図２は制動装置を備えた股関節部１４を示し、右脚２Ｒの股関節部１４を前方向から見た断面図である。まず、図１との対比で説明すると、脚部回転用関節軸３は、２つの軸受２０、２１によって回転自在に支持され、図示しない減速機を介して図示しないモータにより回転駆動される。また脚部回転用関節軸３の下部は、後述するヨーク部５３を構成するように紙面で上下に別れており、筐体部３１を紙面で時計方向又は反時計方向に股部ロール方向関節軸５の回りに回転可能に保持している。
【００３６】
ヨーク部５３と軸受２０、２１との中間部は空洞部２２が設けられ、この空洞部２２の内部にはモータ２３が設けられている。このモータ２３の出力はプーリ２４とタイミングベルト２５とを介して減速機（図示しない）で増力されて股部ロール方向関節軸５を回転駆動するようになっている。
【００３７】
股部ロール方向関節軸５と直交する股部ピッチ方向関節軸４上には股関節のピッチ運動を司るモータ２６が設けられ、この出力軸２７はハーモニック減速機のウェーブジェネレータ２８に締付ねじ２９で結合されている。出力軸２７の先端部にはねじ３０が固定され、後述するピストン３３の推力を支えている。
【００３８】
前記モータ２６を取り付ける筐体３１のフランジ部３２には、体積可変手段として、例えばドーナツ状のピストン３３を摺動自在に収納するシリンダー部３４が設けられている。シリンダー部３４とピストン３３とは空気圧によって作動する空気圧押圧手段を構成し、摩擦板３５を前記ウェーブジェネレータ２８に押し付け、後述する制動力を発生させる。シリンダー部３４には圧力下にある空気を送り込むための通路３６を設ける必要があるが、軸方向にコンパクトに通路を設計する必要から、シリンダー部３４を２つの部品の接合によって作っている。即ちシリンダー３４を始めに少し大きな径で作っておき、そこに通路を設けた後、別のシリンダー構成部品３７で塞ぎ、その後精密に加工してシリンダー部３４を製作している。通路３６は制御弁（図示しない）を介して空気圧供給源に接続されている。
【００３９】
摩擦板３５は鋼板に摩擦材料を塗布して乾燥後に表面を仕上げたもので、自動車の変速機のクラッチで使われている摩擦板と同じような構造をしている。空気圧によってピストン３３が図２で右側に押しつけられたあと、元の位置に復帰するのを助ける為に、適当なリターンスプリング３８が複数個設けられている。リターンスプリング３８はハーモニック減速機のサーキュラーリング３９に設けられた貫通孔４０により位置決めされている。ハーモニック減速機の出力はフレックスリング４１に伝えられ、減速機カバー４２を介して大腿リンク１７を駆動するようになっている。なお、図２に示した通路３６の部分は、図３に明示するように実際には９０°位相が異なる断面を示している。
【００４０】
図２に示すように、大腿リンク１７の上部には膝関節部１５を駆動するためのモータ４３が設けられ、その出力はプーリ４４及びタイミングベルト４５を介して膝関節部１５と同軸に配置されたハーモニック減速機（図示しない）に伝えられる。
【００４１】
図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、説明の都合からシリンダー部３４及び摩擦板３５等は取り除いている。図３において筐体３１のフランジ部３２の周囲は円筒形状の凸部４６が形成され、凸部４６には６０°間隔にねじ穴４７が穿設されている。このねじ穴４７を使って前記サーキュラーリング３９が固定されている。
【００４２】
また、凸部４６は１２０°間隔にスロット４８が３ケ所設けられ、前記摩擦板３５を円周方向に固定する役割を持つ。摩擦板３５の形状は図４に示すように概ね円盤状であるが、幅を前記スロット４８に摺動自在に嵌合できる幅に管理された３ケの爪４９が放射状に突出している。従って図３のフランジ部３２に図４の摩擦板３５を挿入して組み立てた場合には、摩擦板３５は軸方向には動くことができるが、円周方向には固定されることになる。
【００４３】
再び図３に戻って、シリンダー部３４は前記凸部４６より低く削り取られているが、その底部の一部が更に低くミーリングカッターで削られて凹部５０に形成され、前記圧縮空気の通路を形成している。この凹部５０に通ずるように、点線で示す通路３６がドリル等の加工方法で作られる。この凹部５０は前述したようにシリンダー部３４の構成部材３７（図２参照）によって一部が覆われ、完成時には凹部５０の右側の一部のみが外部から見ることができるようになる。筐体３１の左側には別の部品の軸受け材５１が固定され、この軸受け材５１側に設けられた通路を介して前記通路３６は矢印に示すようにホース等の適切な導管に接続され、空気圧源及び制御弁に接続される。軸受け材５１は軸受５２を介して前記ヨーク部５３に支持されている。
【００４４】
シリンダー部３４の構成部材３７は、図５（ａ）に示すように、この位相のまま図３のシリンダー部３４に組み込まれる構成部材３７の形状を示しているのに対して、図５（ｂ）は構成部材３７の裏側を示している。即ち構成部材３７には放射状に浅い溝５４ａ，５４ｂが２本形成され、この溝５４ａ，５４ｂを通じて圧縮空気の供給と排出とが素早く行われるように配慮されている。また構成部材３７の外部周辺には面取り５５が施され、この面取り５５も空気の供給と排出を速やかに行うことを助けている。
【００４５】
このようなシリンダー部３４とピストン３３により構成した圧力室に圧縮空気を送り込むとピストン３３は図２で右方向に移動し、摩擦板３５をウェーブジェネレータ２８に押しつけるから、制動力が得られ、その制動力は減速機の減速比に応じて拡大されて減速カバー４２に伝わり、大腿リンク１７のピッチ方向の動きを止める。
【００４６】
制動力の大きさはピストン３３の有効面積と空気圧の２つの要素で決まる。即ちこれら２つの要素を大きく設計すれば大きな制動力が発生し、大腿リンク１７のピッチ方向の動きを制止する力も強まるが、起立時の大腿リンク１７に発生する、ロボットを倒そうとする重力に起因したトルクは基本的に小さいトルクであるから、起立時のエネルギー消費を削減する目的からすれば、余り大きな制動力は必要ではない。また階段を下りるときの制動力に関しても、余り大きく制動力を設計すると、関節自体が動かなくなり歩けなくなるから、このときも程々の制動力が得られれば良いことになる。従ってピストン３３の有効面積や空気圧も小さなものでよいことになる。
【００４７】
逆に小さな制動力に設計することは次のような良い結果をもたらす。制動力によってロボットが起立している場合に、横から外力が不用意に加えられる場合を想定すると、制動力の解除を行ってから関節の駆動が始まり、姿勢の安定化が行われるのが理想的であるにしても、その時間的な余裕がない場合も想定される。弱めの制動力に設計しておけば、このような緊急時に制動力の解除が終わらない時でもモータ２６の駆動力を制動力より大きく設定しておけば、当該関節をロボットの安定性が復元する方向に駆動できる。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、前記ヨーク部５３の右側部分５３ａには前記モータ２３の出力をタイミングベルト２５を介して伝えられる被駆動プーリー５６が設けられている。その出力軸５７はハーモニック減速機のウェーブジェネレータ５８を回転させ、減速機の出力を受けて筐体３１はヨーク部５３の２つのベアリング５２及び５９によって股部ピッチ方向関節軸４の回りに回転するようになる。
【００４９】
さらに、図６（ａ）に示すように、出力軸５７を回転自在に支持するカバー６０にはドーナツ状のピストン６１を収納するシリンダー部６２が設けられ、ピストン６１の左側の室に圧力空気が導かれると、ピストン６１は右に動いて、摩擦板６３を被駆動プーリー５６に押しつける。この動きにより被駆動プーリー５６には制動力が働く。
【００５０】
摩擦力に引きずられる形で摩擦板６３が回転するのを防ぐために、摩擦板６３は図６（ｂ）に示すように放射状に伸びた一対の耳部６４が突設され、その耳部６４の一方には真円の穴６５ａが設けられ、他方の耳部６４には小判状の穴６５が設けられている。この穴６５，６５ａには密に係合する寸法のピン６６が前記カバー６０に打ち込まれている。このピン６６によって制動時に発生するトルクは吸収され、所望の制動力が得られる。圧縮空気を排出して被駆動プーリー５６の制動力を完全に取り除く為には摩擦板６３が被駆動プーリー５６から離れる必要があるが、そのことを保証するために、必要ならば、図６（ａ）に破線で示すように、鋼板を曲げて作った複数個の戻しばね６７を設けてもよい。
【００５１】
この実施形態では基本的にスペース上の制約が少ない上に、被駆動プーリー５６の径を大きく取れるので、摩擦板６３の径やピストン６１の径も大きく取れる。被駆動プーリー５６の径を大きく取ることはそれだけ伝達されるトルクも大きくなるのであるが、その関係は単なる比例関係にすぎない（径の１乗に比例するだけである）。これに対してピストン６１の径が増加することは径の２乗に比例して受圧面積が増加することであるから、制動力は増幅されるトルクを考慮しても差引き径の１乗に比例して強く設計できる。例えば膝の関節には階段の昇降時に大きな曲げトルクが作用するので、制動力も大きなトルクがでるような構造が望ましい。被駆動プーリー５６で伝達すべきトルクの増幅が行える場合には、図２に示した実施形態より制動力も大きく設計できると言う利点がある。
【００５２】
図１に示したロボットには１２ケの関節があるが、その関節のそれぞれに前述したいずれかの形式の制動装置が備わっている。
【００５３】
図７は圧縮空気を各関節に設けた制動装置に送るための制御システムが空気圧回路図である。
【００５４】
図７において、コンプレッサ２００は直流モータ２０１によって駆動され、逆止弁２０２を経てサージタンク２０４に圧力の形でエネルギーを蓄える。サージタンク２０４はコンプレッサ２００の脈動を平準化する効果も発揮するが、小容量のコンプレッサ２００や直流モータ２０１で長時間かけて作られるエネルギーを蓄えて、短時間に大きなエネルギー消費が行われることを保証する働きを持つ。
【００５５】
なお、サージタンク２０４の代わりにピストンや金属ばねを内蔵するアキュームレータを使っても良いが、移動ロボットに搭載する場合には軽量であることが必須の条件であることと、空気圧も比較的低い圧力レベルでよいことの２つの理由で、単なる空洞しかないタンク形式を例示した。サージタンク２０４の内部の圧力レベルを検知して、直流モータ２０１を停止するために、適切な圧力センサ２０３が設けられている。
【００５６】
圧力センサ２０３の出力に応じて直流モータ２０１を停止させる制御技術は公知であるから、図示していない。これら直流モータ２０１やコンプレッサ２００、サージタンク２０４等の空気圧供給源は、望ましくはロボットの腰板リンク１２に固定されているものとする。
【００５７】
前述の制動装置のシリンダー部６２とピストン６１のセットは各関節に用意されているが、左脚について言えば６ケの関節があるので、６組の制動装置が用意されている。例えば、股関節部１４は、脚部回転用関節軸３、股部ピッチ方向関節軸４及び同ロール方向関節軸５から構成されているため、３組の制動装置２０８−１、２、３が設けられている。ここで、制動装置２０８−１について簡単に説明すれば、シリンダー部６２の内部に摺動自在に収納されたピストン６１があって空気圧室を形成し、空気圧室に圧力空気が送り込まれると、ピストン６１は右に移動して図示しない摩擦板を回転部材に押しつけ制動力を発揮する。制動装置２０８−４は膝関節部１５の、２０８−５、２０８−６は足関節部１６のそれぞれ制動装置を示している。これらの制動装置の空気圧室は互いにホースによって圧力的に連結されており、共通の電磁弁２０６によって選択的にサージタンク２０４に接続されたり、大気に開放されたりできる。図示の状態は電磁弁２０６に通電されたときで、サージタンク２０４から圧力空気が各制動装置の空気圧室に圧力空気が送り込まれる状態を示している。電磁弁２０６への通電が止まると、ばね２０６ａの力で電磁弁２０６の左の相に変わり、空気圧室は電磁弁２０６を介して大気に開放される。
【００５８】
ロボットは両脚があるから、右脚用にも同じシステムが用意されており、２０７−１〜６に示す制動装置と、それら制動装置の制御用に電磁弁２０５が設けられている。
【００５９】
次に、図７に示すシステムの作用について説明する。図示しない歩行制御用のコンピュータが起立静止用の歩行モードを出力しているときに、同コンピュータは２つの電磁弁２０５，２０６も励磁して制動装置を作動させる。電磁弁２０５，２０６に励磁指令を出力し終えると同コンピュータは関節駆動用モータの制御ゲインを低下させて、結果として同モータが消費するエネルギーを節約する。
【００６０】
このようなゲインを変更することでモータの消費エネルギーを節約する技術は、前述の特願２０００−２８４０８０号に詳しく開示されている。この先願に開示の技術は、モータへの供給電流値を順次低下させて省エネを図るものであったが、これに限定さることなく、例えば制動装置の制動力がある程度以上の大きさをもって設計されているときには、電磁弁２０５，２０６への励磁指令を送った後は、モータへの通電をオンオフ的に停止することによっても省エネを達成できることは言うまでもない。
【００６１】
この実施形態からも分かるように、本発明によるときには重たい構成部品のコンプレッサ２００や直流モータ２０１が１ケあればシステムを構成することができ、従来の制動装置が関節ごとに重たい電磁クラッチを設ける必要があったのに比べて全体を軽く設計できる。またこのコンプレッサ２００と直流モータ２０１を設置する場所も、加減速の比較的緩やかな腰板リンク１２上に設けることが可能であるから、従来の制動装置が加減速の激しいアームや脚の関節部にしか置けないのに比べ、アームや脚のモータの容量を大きくしないで済ますことができる等の利点がある。
【００６２】
更にまたこのシステムの別の使い方について述べれば、階段を下りるときには歩行制御用のコンピュータが階段を下りるのに適した歩容を各関節のモータに出力しているときに、図１に示す６軸力センサ１３からの出力が得られた方の脚の電磁弁２０５または２０６を励磁することで、６ケの関節に所定の制動力を発生させながら、立脚期の関節を駆動していく。
【００６３】
こうすることで、立脚期にある関節のモータは体重を支えるトルクのうち、制動装置が負担した残りのトルクのみを負担すればよく、省エネが図られる。この制御に当たっては、特にモータのゲインを下げる必要はなく、モータの位置制御の制御則に従って自動的にモータへの供給電力は減少する。ただし例示のシステムでは膝関節部１５がその角度を大きくしていくにつれて体重による負荷トルクが増大する事実に対応することができず、制動装置が負担するトルクは常に一定である。立脚期の終了間近には、歩行制御用コンピュータは電磁弁を消磁して制動装置から制動力を取り除くことは言うまでもない。
【００６４】
なお、図７に示す、電磁弁２０５，２０６は励磁したときに制動力が発生するものを示したが、消磁したときに制動力が発生するように、接続を逆にすることは、当該技術分野では常識である。例えば産業用ロボットの場合に停電時にそのアームが落下してきて思わぬ事故になるのを防止する装置として、電磁クラッチやブレーキによる制動装置が既に実用化されているが、図７に示す制動装置を産業用ロボットのアームの関節部に適用し、図７とは逆に電磁弁２０５，２０６の接続を行って産業用ロボットの関節制動に利用すれば、従来と同じ性能・機能を達成できて、更に従来よりも小型軽量にロボットを設計でき、コストや品質を維持しつつ停電時の事故が予防できる。産業用ロボットでは工場内に張りめぐらされた配管が直ぐ脇にあることから、その配管を通じて圧縮空気を簡単に得ることができ、実際に適用する場合には一層簡便となる。
【００６５】
図８には膝関節部１５の角度の変化に対応して制動力が可変にできる、別の実施形態が示されている。図８では説明の簡略化のために左脚の制御回路のみが示されており、右脚のものは省略されている。図８において膝関節部１５の制動装置２１８−４と脚全体の電磁弁２１６との間にあって連続的に圧力を制御できる第二の電磁弁２１９が追加されている。このような電磁弁２１９は比例電磁弁またはサーボ弁等の呼称で呼ばれ電磁弁に供給される電流値に応じて出力圧が任意に変更できる。出力圧のレベルを正確に制御するために圧力センサ２１９Ｓが制動装置２１８−４と並列に接続され、フィードバックによる制御が行われる。この種の電磁弁及びそのフィードバック制御装置等も公知である。図８において、点線で囲まれた以外は基本的に図７のシステムと同じである。なお、コンプレッサ２１０、直流モータ２１１、逆止弁２１２、圧力センサ２１３及びサージタンク２１４は、図７のコンプレッサ２００、直流モータ２０１、逆止弁２０２、圧力センサ２０３及びサージタンク２０４と同じ機能を発揮する。
【００６６】
次に、図８のシステムの作用について説明すると、歩行制御用のコンピュータが階段を下りる時の歩容を膝関節部１５のモータに出力しているときで、左足が立脚期にあるときは、膝関節部１５のモータ４３に指令する関節角度に比例定数を乗じた量を指令圧力として前記第二の電磁弁２１９に出力する。（正確には膝関節角度をθとすれば、sinθに膝関節部１５の負荷トルクは比例するが、説明の簡略化のために上記の量としておく）この目標値を与えられた第二の電磁弁２１９は膝関節部１５の制動装置の圧力室の圧力レベルを目標値に合わせるべく、圧力センサ２１９Ｓの出力情報を参照しつつ比例制御を行い、増大する負荷トルクに見合う制動トルクを膝関節部１５に発生させるから、モータ４３に供給する電力（エネルギー）も低いレベルで済ますことができる。なお、図８において、２１８−１〜２１８−６は空気圧押圧手段である。
【００６７】
第二の電磁弁２１９を第一の電磁弁２１６と並列に接続することは同じような効果をもたらす。しかしながら、この種の比例制御弁は往々にして圧力空気を消費しながら制御を行うようにその構造がなっているので、並列接続の場合には、消磁しているときにもサージタンク２１４の圧力空気を僅かに消費するものである。図８のように第一の電磁弁２１６と直列に接続することで、遊脚期のときは第一の電磁弁２１６を消磁するために圧縮空気を浪費することが避けられる。
【００６８】
図９には更に別の実施形態が示されている。前述のように比例制御弁は制御中に圧力空気の一部を捨てて制御を行っているが、図９に示すオンオフ制御弁はこの心配が殆どない。図９の例では膝関節部１５の制動装置２２８−４に供給される圧力空気は電磁弁２２９によってその出力圧力レベルを所定のレベルに制御される。この電磁弁２２９は一対の電磁弁が協調制御を行うことで３つの相を作りだすことができる。電磁弁２２９が図示の相にあるときは、サージタンク２２４の圧力は直接空気圧押圧手段２２８−４に導かれるが、その時間を極めて短い時間に制限することで、空気圧押圧手段２２８−４内部の圧力が上昇しきらない内に真ん中の相に切り替わる。この第二の相では空気圧押圧手段２２８−４は孤立した状態におかれ、従ってその圧力レベルは一定に保たれる。圧力センサ２２９Ｓの圧力レベルが所定のレベルに達していないと判断したら、更にもう一度短時間に図示の第一の相を実現して圧力レベルの上昇に努めるが、その逆に圧力センサ２２９Ｓの圧力レベルが所定のレベルを越えて高くなりすぎたことを検知したときは、左側のソレノイドを励磁して圧力の一部を排出し、所定レベルに近づけようとする。膝関節部１５の空気圧押圧手段以外は基本的に図７と同じであり、右脚の制御回路は説明の簡略化のために省略されている。なお、図９において、コンプレッサ２２０、直流モータ２２１、逆止弁２２２、圧力センサ２２３及びサージタンク２２４は、図７のコンプレッサ２００、直流モータ２０１、逆止弁２０２、圧力センサ２０３及びサージタンク２０４と同じ機能を発揮する。また、２２８−１〜２２８−６は空気圧押圧手段である。
【００６９】
このようにオンオフ特性を持つ電磁弁２２９を使い連続的に出力圧レベルを変更する技術は、デューティ比制御として広く使われており、公知である。このデューティ比制御を使い、膝関節部１５の角度の増大に応じた圧力レベルを膝関節部１５の制動装置に発生させ、その分だけ膝関節部１５のモータ４３の消費電力を節約することができる。
【００７０】
図１０には更に別の実施形態が示されている。図１０も先の実施形態と同じく左脚の制御回路のみが示されているものとする。サージタンク２３４の内部の圧力レベルは圧力センサ２３３によってほぼ一定値に保たれる筈であるが、制御上の一般的な原則論ではハンチングを防止するために直流モータ２３１を駆動する開始の圧力レベルとこの直流モータ２３１を停止させるときの圧力レベルとは異なるレベルに設定する。つまりサージタンク２３４の内部圧力はこの２つのレベルの間にあって、絶えず変動することになる。
【００７１】
圧力レベルが変動することは、制動装置の発生する制動力もまた変動することを意味しており、この制動力の変動が望ましくない場合もある。例えば階段を降りるときのように膝関節部１５が制動力の下で回転する場合が該当する。
【００７２】
図１０に示す実施形態は、このような変動を防止して安定した歩行を行わせることを目的に作られたもので、オンオフ的に制御を行う電磁弁２３６が設けられているのは先の例と同じであるが、その電磁弁２３６と直列に減圧弁２３９−ａ、２３９−ｂが設けられ、制動装置にはこれらの減圧弁２３９−ａ、２３９−ｂの出力圧が供給されるように構成した。
【００７３】
これを更に詳しく述べれば、第一の減圧弁２３９−ａは股関節部と足関節部の５つの関節の制動装置の圧力レベルを一定に制御し、第二の減圧弁２３９−ｂは膝関節部１５の制動装置２３８−４の圧力レベルを所定の圧力レベルに保持する。この膝関節部１５の制動力は、前にも述べたように、膝関節部１５が曲がるにつれてより大きな制動力を発揮するのが望ましいので、電磁力によって出力圧レベルを変更できるリニアソレノイドが採用されている。
【００７４】
電磁コイルに通電すると、流れる電流値に応じた電磁力がばね力に加わり、対抗する出力圧（図で点線で表示）がより強くならなければ回路を閉じないように構成されている。このようなリニアソレノイドも公知公用に供されており、これ以上の説明を不要であろう。図１０に開示の膝関節用空気圧押圧手段２３８−４の圧力レベルはリニアソレノイド２３９−ｂの品質が安定していることから、この例では図９に示した圧力センサは省いてある。なお、図１０において、コンプレッサ２３０、直流モータ２３１、逆止弁２３２、圧力センサ２３３及びサージタンク２３４は、図７のコンプレッサ２００、直流モータ２０１、逆止弁２０２、圧力センサ２０３及びサージタンク２０４と同じ機能を発揮する。また、２３８−１〜２３８−６は空気圧押圧手段である。
【００７５】
以上詳述してきたように、本発明による制動装置は原理的に空気圧によるものであり、従来の電磁クラッチを駆動モータと一体化して装着する場合に比べて軽く、完成時のロボットの脚の慣性モーメントを増加させることが殆どないから、制動装置を追加することで駆動モータの容量を更に増やし消費エネルギーを増加させると言った矛盾を伴わない。しかも空気圧は絶えず新鮮な冷たい空気を制動装置に供給するので、関節部の冷却も同時に行うことができ、その分モータをより過酷に使うこともできるようになる。
【００７６】
モータとコンプレッサは、比較的加減速を行わない胴体部に設置するので、この重量増はあるものの、関節駆動用モータの容量アップの必然性は殆ど生じない。例えば胴体部を等速度で動かすような歩き方（歩容）の場合には、胴体部の重量増加は基本的に脚関節の駆動モータの負担にはならない（体重を支えるための必要トルクは当然増えるが、激しい加減速を伴う部位に全てを設ける従来の電磁クラッチ・ブレーキ方式に比べると影響は少ないし、何よりも従来方式が各関節ごとに１セット必要としていたのに比べると、モータとコンプレッサは１組で済むのが最大の利点である）。
【００７７】
更にロボットが移動ロボットではなく、産業用ロボットとして地面に固定して使われるような場合には、圧縮空気は工場エア配管から容易に供給されるからコンプレッサが不要になるばかりか、サージタンクも不要になる。その場合には圧縮空気は潤沢にあることから、使用する電磁弁の選択に際しても制約事項がなくなり、設計の自由度が高くなる。
【００７８】
以上の説明に使われた実施形態は全て空気圧を利用したものであるが、空気に比べて多少は重たくなるものの、圧力液体を使うこともほぼ同じ効果をもたらす。圧力液体を使い、大きく重たい部品は別の場所に設置して所望の関節部に伝達する技術の一例が特開平８−１２６９８４号公報に開示されている。
【００７９】
この技術を本発明に応用するときは、圧力源を共通にしてその出力を分岐させ、各関節の制動装置のピストン室に伝達させればよい。液体を作動流体に使えば、液体には圧縮性がないために応答性が向上するし、より高い圧力レベルで使えるから、ピストンの受圧面積もそれだけ小さくできるメリットが生まれる。
【００８０】
これに対して空気を作動流体に選ぶときは、空気は基本的に清潔であり、万一の漏れ故障のときでも環境を汚さないことが利点である。また空気には圧縮性があるので、サージタンクを用意するだけでエネルギーを蓄えておくことができ、より小さなモータとコンプレッサで所期の目的を達成できる利点をもある。液体を作動流体に使うときは、サージタンクはアキュームレータに変更しなければならないが、アキュームレータは重たくなるのが欠点である。要はロボットの使用目的に合わせて、いずれの流体を選ぶかを決めればよいことである。
【００８１】
以上の実施形態はいずれもシリンダーとピストンによる制動装置に圧力下の流体を供給して所定の制動力を得るものであるが、この技術概念は、大きく重い部品であって機械的な作動力を発生することができる作動力発生源を激しく動く必要のある関節から離れて設置し、その作動力を適切な伝達手段（この場合には圧力空気とホース）を介して制動装置に伝え、アームや脚等の加減速の激しい部位の重量増加を極力抑えるものである。例示のものは、シリンダーやピストンが軽合金やエンジニアリングプラスチック等の軽い材料で作れる事実を利用して、これらを関節各部に設けることにし、重たいモータやコンプレッサは、先ず数を減らして（実施形態では１ケで実現している）、全体の重量増加を抑えることに成功している。
【００８２】
更にこの技術概念は、複数の制動装置を単一の作動力発生装置の出力によって作動させることができるので、多関節からなるアームや脚に適用する場合には、従来技術の電磁クラッチ・ブレーキによる制動装置に比べて全体の重量増加を著しく抑えることができるし、その設置場所にも制約がなくなるので、加減速の少ない部位に選ぶことができるので、関節駆動モータの容量（重量）も増加させる必然性が極めて少なくなる。
【００８３】
以上の点を熟慮すると、動力伝達装置は圧力空気とホースの組み合わせに限定する必要はないことになる。以下に別の実施形態を示して説明する。
【００８４】
図１１〜図１３は圧力空気とホース以外の伝達手段としてテンドン（ケーブル）を用いた実施形態を示す。図１１には図６に示した被駆動プーリー５６を介して動力が伝達される場合の関節部が部分図として示されている。即ち回転する被駆動プーリー３０４の側面には円筒部３０２が突設されている。
【００８５】
一方、図１２に示すように、固定部位である減速機カバー３００には一対のピン３０６、３０７が打ち込まれ、そのピン３０６，３０７を中心に回転自在に半月状の制動セグメント３０８、３０９が設けられている。制動セグメント３０８の下側にはワイヤー３１０を通す穴３１２が開いており、この穴３１２を通過したワイヤー３１０は相手側セグメント３０９の穴３１４を通過したあと、ワイヤー３１０の径よりも大きな径の係止部品３１６とハンダ等の適切な手段で結合されている。
【００８６】
ワイヤー３１０の外側には鞘３１８が設けられ、ワイヤー３１０と鞘３１８との間に相対変位が起きるようにワイヤー３１０が図１２で右に引かれれば、２つのセグメント３０８，３０９はピン３０６，３０７を中心に回転運動を起こし、円筒部３０２に接触して制動力を発生する。このような鞘３１８を持つワイヤー３１０と、そのワイヤー３１０による制動方法は自転車のブレーキ等で広く使用されている。この機構ではセグメントの材料に軽合金や樹脂を使用することが可能であり、重量増加を嫌う関節部に配置するには大変好ましい機構と言える。
【００８７】
図１３にはワイヤー３１０の駆動システムが示されている。図１３では模式的に関節の制動装置が２つだけ示されている。即ち第一の制動装置３２０と第二の制動装置３２２とが設けられている。これら制動装置３２０，３２２は図１２に示した構成を模式的に描いたもので、第一の制動装置３２０について簡単に述べれば、一対のセグメント３２８、３２９はそれぞれ回転自在にピン３２６、３２７によって支持され、ワイヤー３３０が図で右に引かれれば制動力が発生するようになっている。第二の制動装置３２２も基本的に同じ構成をしており、これを作動させるワイヤー３３０ａが設けられている。
【００８８】
２本のワイヤー３３０，３３０ａはレバー３４０の両端に設けられた穴に結合され、レバー３４０が第三のワイヤー３４２により右側に引かれれば、第一、第二の制動装置３２０，３２２は共に作動状態となる。その場合、第一の制動装置３２０を作動させる第一のワイヤー３３０と第二の制動装置３２２を作動させる第二のワイヤー３３０ａとに作用する張力は、レバー３４０の支点Ｃの位置によって設計上任意にその比率を変更できる。図示のように距離ＡＣと距離ＢＣとが等しいときは、２本のワイヤー３３０と３３０ａには等しい張力が発生する。どれかの関節部位には大きな負荷モーメントが作用するような場合には、支点Ｃの位置を変えることで、簡単に設計要件を満たすことができる。
【００８９】
更に関節の数が増えるときには、第二のレバー３５０を設け、第四のワイヤー３３０ｂを引くようにすればよい。第二のレバー３５０は空気圧シリンダー３６０とそのピストンに結合された第五のワイヤー３６２によって支点Ｆに作用する右方向の作動力によって作動状態に置かれ、その力は２本のワイヤー３４２と３３０ｂとに支点間距離ＦＤ/ＦＥの比率によって決まる比率で分配され、伝達される。空気圧シリンダー３６０には適切な空気圧が適切な分配弁を介してホース３６４を通じて選択的に供給されるのは言うまでもない。
【００９０】
このケーブルを使う実施形態では、機械力発生手段はエアシリンダーに限定されることはなく、例えばモータの出力を受けて回転するウオームギアで当該ケーブルを引っ張るようにしてもよい。ウオームギアは内部摩擦が大きいので、摩擦係合力を発生させている場合にウオームギアを駆動するモータへの電力を止めても係合力は引き続き発生するようにできる。但しこの場合、ウオームギアには空気圧と違い圧縮性がないから、これを補完するものとしてケーブルの途中にこれと直列に機械的なばねを挿入する方がより望ましい。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によるときは実質的に脚部又はアーム部の重量の増加、換言すれば慣性モーメントの増加を伴うことなく、各関節に制動をかけることができるから、制御方法を工夫することで様々な省エネを実行することができる。例えば歩行ロボットが起立姿勢をとるときに、関節制動をかけた上で関節駆動用のモータへの電流値を全く無くしても、起立姿勢を維持できるようになる。従来のサーボロックによる起立に比べて消費エネルギーを実質的にゼロにできる利点がある。また電流値を全くゼロにするのではなく幾らかは流しておき、弱い制動をかけることで、外力が不用意に加わった場合に素早く関節を駆動できるようにする使い方もできる。
【００９２】
更にロボットが階段を降りている場合に、立脚側の各関節に部分制動をかけることで、各関節の駆動用モータは、この制動力の分だけ少ないトルク、言い換えれば少ない電流で階段を降りることができる道も開ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示し、２足歩行ロボットの骨格を示す斜視図。
【図２】同実施形態の制動装置を備えた股関節部の一部を断面した正面図。
【図３】同実施形態を示し、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図４】同実施形を示し、摩擦板の正面図。
【図５】同実施形態を示し、（ａ）はシリンダー部に組み込まれる構成部材の正面図、（ｂ）は構成部材の裏面図。
【図６】制動装置の別の実施形態を示し、（ａ）は制動装置の断面図、（ｂ）は摩擦板を示す正面図。
【図７】同実施形態の圧縮空気を各関節に設けた制動装置に送るための制御システムの空気圧回路図。
【図８】圧縮空気を各関節に設けた制動装置に送るための制御システムの別の例を示す空気圧回路図。
【図９】圧縮空気を各関節に設けた制動装置に送るための制御システムの別の例を示す空気圧回路図。
【図１０】圧縮空気を各関節に設けた制動装置に送るための制御システムの別の例を示す空気圧回路図。
【図１１】制動装置の一部を断面した正面図。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図１３】動力伝達機構を示す構成図。
【符号の説明】
１４…股関節部
１５…膝関節部
１６…足関節部
１７…大腿リンク
１８…膝リンク
２６，４３…モータ
３５，６３…摩擦板
【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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