JP2002036153A

JP2002036153A - ロボットの関節装置

Info

Publication number: JP2002036153A
Application number: JP2000220936A
Authority: JP
Inventors: Masao Nishikawa; 正雄西川
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-02-05
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: JP3612545B2

Abstract

(57)【要約】【課題】付勢手段によって関節角度を特定姿勢角度に保
持し、消費エネルギーを低減できるロボットの関節装置
を提供することにある。【解決手段】大腿リンク１７と脛リンク１８を相対回転
可能に結合した関節部１５を有するロボットの関節装置
において、前記関節部１５が外部からエネルギーを供給
されて回転運動するように構成するとともに、前記大腿
リンク１７と脛リンク１８を前記関節部１５において所
望の姿勢角度になるように付勢する付勢手段としてのバ
ネ３３を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも２つの
リンクを相対回転可能に結合した関節部を有するロボッ
トの関節装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットの関節装置は、例えば特許第２
５９２３４０号公報で知られている。この関節装置には
電動モータとその出力を減速増力できるハーモニックド
ライブ減速機が組み合わされて使われている。ロボット
の減速機は必ずしもこの形式である必要はないが、軽量
であり大きな減速比が得られ、なおかつ伝達効率も納得
できるレベルであることが要求される。

【０００３】前記特許第２５９２３４０号公報に開示さ
れた構成では、ロボットが起立しているときには地球の
引力に抗して脚の関節を起立位置に保持するべく、当該
関節を駆動する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。関節の起立位置が物理
的に不安定な点になっているからである。

【０００４】また起立している時以外でも、例えば歩行
中に体重を支えている方の脚（以下これを立脚と言い、
支えている期間を立脚期と定義する）の膝関節は真っ直
ぐに伸ばした状態でサーボロックされている。立脚期が
終わるころ、サーボロックは解除され、その後はこの脚
は体重を支えない遊脚期に入る。立脚期の膝関節は上記
の起立時と同じ理由で電流の消費を継続していることに
なる。

【０００５】このようなサーボロックは外部に対して仕
事をしていないにも関わらず、電気エネルギーを消費し
ていることになる。サーボロックを行うことなく脚関節
を所望の位置に固定する技術も他の先行技術の中にみる
ことができる。例えば米国の企業が開発した６本足のロ
ボット「オデックス」はモータで駆動されるねじによっ
て関節を動かしている。この構成によるときは、モータ
を駆動すれば関節は角度を変えることができるのに対し
て、ロボットの体重による外力ではねじが変位を許さ
ず、機械的にセルフロックされて関節角度は保持される
から、モータに流す電流を止めてもその関節角度は維持
される。

【０００６】しかし、ねじをモータ減速機に使った場合
には、内部摩擦が大きく、減速機の伝達効率が極めて悪
いと言う副作用を覚悟しなければならない。このねじを
内部摩擦の少ないボールねじに交換してみると、最大の
特徴であった機械的なロックと言う利点まで失われてし
まうから、関節角度の維持には電流を継続して流す必要
が生じてしまう。

【０００７】更に、他の先行技術の中に、関節にブレー
キをかけてロックする技術がある。産業用ロボットで
は、電源が切れたときにロボットが落下してきて人身事
故になることを防止する目的で、関節構造と並列に電磁
クラッチを用意する。通常は電流を流して電磁クラッチ
を切っておき、停電などで電源が故障したときには電磁
クラッチがバネの力で関節をロックする、という概念で
ある。

【０００８】この概念が歩行ロボットの省エネ対策には
使えないことは、正常時に無駄な電流を流しておかなけ
ればいけないことや、電磁クラッチそのものが大変に重
いことなどを想起すれば自明だろう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の技術では体重に抗して関節を所望の角度に保持するた
めに、移動では使わなくてもよいエネルギーを消費して
おり、このために一度充電した後のロボットの稼働時間
を著しく短いものに縮めている。車輪式の移動機構の場
合、単に止まっているときにはエネルギーを全く消費し
ていない事実を考えれば、歩行ロボットの持つハンディ
の大きさが良く理解できよう。

【００１０】移動ロボットは移動そのものが目的ではな
く、目的地に到達した後、所定の作業をこなすことが使
命であり、作業時の姿勢としては起立姿勢をとる時間が
長いことから、起立姿勢での消費エネルギーを削減する
ことは非常に重要な課題である。

【００１１】更に、現在の人工知能の技術水準では、移
動中でさえ、現在自分が何処に居るのかを知るのに、回
りの環境を認識する長い時間が必要であり、その間起立
姿勢を維持することになり起立時の消費エネルギーの削
減の課題は益々重要性を帯びている。

【００１２】前述のような問題は、ロボットのアーム部
にもついて回る。アームは移動中には作業を行わないの
で、環境にある他の構造物や人と接触しないようにでき
るだけ折り畳んでいることが望ましい。このために従来
公知となった歩行ロボットではアームを肘部分で曲げて
歩行している。この姿勢では前腕部の重量が肘関節にか
かり、モータはこの重量によるモーメントに抗して肘角
度を維持しなければならないから電力の消費を必ず伴っ
ていた。

【００１３】肘関節を曲げることは、肩関節や手首関節
のモータにとっても重力モーメントに抗して電流の消費
を強いていたため、アーム全体では相当な量のエネルギ
ー消費を伴っている。これらの消費エネルギーが全体と
して現在の移動ロボットの稼働時間を著しく短いものに
してきた。

【００１４】次に、従来のロボットの関節が有する欠点
について歩行ロボットの膝関節を例にとり、起立時に電
力を消費する理由を制御の立場から説明する。

【００１５】図９（ａ）は特許第２５９２３４０号公報
に開示されたロボットを側面から見た図である。起立し
たロボット全体の重心Ｇから下ろした鉛直線が膝関節の
回転軸ａと交わるとき、重力に起因する膝関節を曲げる
モーメントは発生しない。

【００１６】しかし、図９（ａ）に示した如く重心から
下ろした鉛直線が膝関節の回転軸ａと微小量δｘだけ変
位したとしよう。ロボットの質量をＭとすれば、重力は
Ｍｇであるから、これにδｘを乗じた量が膝関節を回転
させるモーメントになる。このモーメントによって関節
角度は目標とする角度から次第にずれていき、ロボット
の姿勢を崩す。モータはこの崩れた姿勢角度を元の正常
な角度に戻すべくトルクを発生させなければならないか
ら、電流を消費することになる。

【００１７】本発明は、前記事情に着目してなされたも
ので、その目的とするところは、付勢手段によって関節
角度を特定姿勢角度に保持し、消費エネルギーを低減で
きるロボットの関節装置を提供することにある。

【００１８】更に、ロボットがアームを所定の姿勢にと
るとき、エネルギーの消費を基本的に伴わないか、消費
するにしても著しく節約できる新規なロボットの関節装
置を提供することにある。

【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の発明は、少なくとも１つの関
節部を持つロボットにおいて、当該関節部に関節の角度
が所望の角度になるように物理的に付勢する付勢手段を
付加し、その付勢力によって所望の関節角度が維持され
るように構成した。この付勢力はバネ等の機械的な力や
電磁力等のポテンシャル力をあてるので、基本的にエネ
ルギーの消耗が抑えられ、ロボットの稼働時間を大幅に
延長できる。

【００２０】請求項２の発明は、脚式の歩行ロボットの
関節に当該付勢手段を付加し、所望の角度を維持するの
にエネルギーの消費を伴わないように構成したから、歩
行ロボットが目的地についた後で作業を行うような場
合、又は移動中に経路探索等で立ち止まるような場合に
エネルギーの消費を基本的に抑えることができ、歩行ロ
ボットの行動半径を拡大できる。

【００２１】請求項３の発明は、少なくとも１つの関節
を含むアームを有するロボットの当該関節部に当該付勢
手段を付与したから、移動中などアームを使わないとき
にアーム角度を所望の角度に維持するのにエネルギー消
費を抑え、ロボットの稼働時間を延長できる。

【００２２】請求項４の発明は、前記関節角度が前記所
望の角度に近づくとき、この両者の差分が極めて微小で
あっても十分な付勢力が得られるように初期保持力を与
えたから、外部から当該関節角度を変位させるモーメン
トが加えられた場合でも正確に当該所望の角度を維持す
ることができ、エネルギーの消費を０にできるか、消費
するにしても著しく節約できる。

【００２３】請求項５の発明は、前記付勢手段が決める
所望の関節角度と制御システムが決める所望の関節角度
との間の誤差を解消するために、制御システムが決める
所望の角度と付勢手段の決める角度が一致するように調
節可能な調節手段を付け加えた。

【００２４】請求項６の発明は、前記付勢力の働く範囲
を前記所望の関節角度の近辺に限定し、その範囲を越え
て関節が曲がるときには当該付勢手段の機能を止めるよ
うに構成した。この発明によって歩行中の遊脚期におい
てエネルギー消費が増加するのを防止できる。

【００２５】

【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。

【００２６】図１〜図３は第１の実施形態を示し、図１
は移動ロボットとしての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２
Ｌ、右脚２Ｒは同一構造であり、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、その下部には力センサ
９を介して足部１０が設けられている。

【００２７】脚２Ｌ、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１
２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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】図２は膝関節部１５の具体的構成を示し、
図１の右脚２Ｒの膝関節部１５を前方から見た図であ
り、説明の都合上、一部を断面で示している。図２に示
すように、大腿リンク１７の上方には膝関節駆動用のモ
ータ（図示しない）が設けられ、その出力はタイミング
ベルト１９を介して膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に配
置されたプーリー２０に伝えられている。プーリー２０
の回転はハーモニック減速機２１で減速・増力されて脛
リンク１８をピッチ方向に回動するようになっている。
脛リンク１８は大腿リンク１７に対して自由な回転運動
ができるように、２つの軸受２２，２３で支持されてい
る。

【００３１】脛リンク１８の上端部には足部１０の足首
部ピッチ方向関節軸７を駆動するためのモータ２４が収
納され、その出力はタイミングベルト２５を介して足首
部ピッチ方向関節軸７へ伝達されている。モータ２４に
は公知のようにその右半分には関節角度を知ることがで
きる角度計（エンコーダ）が設けられ、この角度計のパ
ルス数によって、足部１０の脛リンク１８に対するピッ
チ方向の角度が分かる。前述の大腿リンク１７の駆動用
のモータやその他の関節駆動用のモータにも同じように
関節角度計が装着されている。

【００３２】また膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に脛リ
ンク１８側の右側面には複数本のねじ２６で結合された
円筒カム２７が設けられ、大腿リンク１７に対して脛リ
ンク１８が相対的に回動すると、この円筒カム２７も大
腿リンク１７に対して相対回動するようになっている。

【００３３】大腿リンク１７の右側面には、複数本のね
じ２８によってシリンダ２９が固定されている。このシ
リンダ２９の内部には軸方向に摺動自在にカムフォロア
３０が挿入されている。カムフォロア３０は公知のもの
であり、前記円筒カム２７の表面を転動するローラ３１
と、このローラ３１を回転自在に支持するローラ軸３２
を備えている。カムフォロア３０の上部には初期荷重を
与えられたバネ３３がシリンダ２９に内挿され、シリン
ダ２９の上部にはねじ込み用のねじ部を持つプラグ３４
が設けられている。すなわち、プラグ３４のねじ込み量
によって円筒カム２７とローラ３１とを適切な押し付け
力に設定している。

【００３４】そして、円筒カム２７とカムフォロア３０
及びシリンダ２９等は大腿リンク１７と脛リンク１８を
図示位置に保持しようとする付勢力を生み出しており、
この付勢力を生み出す装置を、以下、付勢手段と言い、
前記初期荷重によって作られた図示位置への保持力を、
以下、初期保持力と言う。

【００３５】図３は付勢手段を示し、図２の矢印Ａ方向
から見た概略的構成図である。図３に示すように、シリ
ンダ２９は大腿リンク１７に３本のねじ２８で固定され
ている。円筒カム２７の外周にはローラ３１を迎え入れ
る凹部２７ａが設けられ、図示位置ではローラ３１がバ
ネ３３によってこの凹部２７ａ押し付けられている。従
って、大腿リンク１７と脛リンク１８とが図示位置から
相対回転しようとする場合にこれを妨げて、図示位置に
両者の関係位置を保持しようとする初期保持力を発揮す
る。

【００３６】本実施形態では、凹部２７ａは円筒カム２
７の円周上の限られた部分にのみ設けられているから、
大腿リンク１７に対して脛リンク１８が図示位置からあ
る角度回転すると、ローラ３１は一定の半径を持つ円筒
上を転がることになり、前記付勢力は消滅して、両者の
相対回転運動の妨げにはならない。

【００３７】本実施形態では、図示位置を歩行ロボット
１の直立起立姿勢とした。このときの膝関節部１５の角
度を制御プログラムが正しく起立位置であることを認識
していないと、付勢手段が起立位置であること指定する
位置は、制御プログラムが起立位置であると認識してい
る角度と異なることになり、制御システムは自分の考え
ている角度を実現するべく、付勢手段の付勢力に抗して
エネルギーを費やし、結果的に本発明の省エネ目的に反
することになる。

【００３８】しかし、本発明は、次のような調節手段を
設けている。すなわち、円筒カム２７側のねじ２６と嵌
合する穴３５（図２参照）は長穴であるため、円筒カム
２７を脛リンク１８に固定するねじ２６を少し緩めれ
ば、起立位置では自然にバネ３３の押し付け力によって
円筒カム２７とローラ３１との相対位置が図示位置に調
節される。その後、ねじ２６を再度締め付ければ、前記
部品精度に基づくエラーを吸収・調節できる。

【００３９】図４及び図５は第２の実施形態を示し、第
１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を
省略する。

【００４０】図４は膝関節部１５の具体的構成を示し、
膝部ピッチ方向関節軸６と同軸に脛リンク１８側の右側
面には複数本のねじ２６で結合された円筒カム２７が設
けられ、大腿リンク１７に対して脛リンク１８が相対的
に回動すると、この円筒カム２７も大腿リンク１７に対
して相対回動するようになっている。

【００４１】円筒カム２７には大腿リンク１７と脛リン
ク１８を図示位置に付勢する付勢手段としての板ばね３
５，３６がベース３７を介して大腿リンク１８に取付け
られている。

【００４２】図５は図４の付勢手段を矢印Ｂの方向から
見た概略的構成図である。板ばね３５，３６はバネ鋼で
作られ、ベース３７には４本のねじ３８で固定されてい
る。板ばね３５，３６の自由な状態での形状は、図５に
２点鎖線に示す如く湾曲しており、円筒カム２７の２面
幅を抱え込むように装着されると、円筒カム２７を図示
位置に保持する力が生ずる。

【００４３】この力の大きさは、自由状態における板ば
ね３５，３６の湾曲度にもよるが、板の厚みによっても
変わる。板の厚みの変更以外にも板の枚数を図示の１枚
から複数枚に増やすことでも保持力を変えることができ
る。つまり保持力の設定の自由度は大変に大きい。更に
保持力を増やしたければ、板ばね３５，３６の下部にコ
イルばね３９を付け加えることもできる。

【００４４】本実施形態でも図示位置から大腿リンク１
７，脛リンク１８が相対回転を始めようとすると、初期
保持力があるので、所定のトルクを越えない限り相対回
転は起きない。所定のトルク以上のトルクが加わると始
めて相対回転が始まるが、絶えず図示位置に戻される力
が働くことになる。従って大腿リンク１７と脛リンク１
８の間には図示位置への付勢力が働いている。

【００４５】また、板ばね３５，３６が円筒カム２７の
外周の半径一定の円筒面に乗り上げた後は、この付勢力
は消滅するのであるが、板ばね３５，３６と円筒カム２
７の円筒面とは擦れ合うので、一種の摩擦力が発生す
る。この摩擦力は歩行時の抵抗となって消費エネルギー
を増大させる方向に働くので、両者間の摩擦係数を下げ
る必要がある。摩擦係数を低下させるには、摺動面にモ
リブデン系統のグリースを塗ることも良い解決策であ
る。また板ばね３５，３６の表面に低い摩擦係数を持つ
材料、例えばグリースを塗布したゴム材で覆うことも良
い解決策である。

【００４６】図６及び図７は第３の実施形態を示し、第
１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を
省略する。図６は膝関節部１５の具体的構成を示し、膝
部ピッチ方向関節軸６と同軸に脛リンク１８側の右側面
には複数本のねじ４０によって非磁性材料からなる軸受
部材４１に固定されている。

【００４７】大腿リンク１７と脛リンク１８はアルミニ
ウム等の非磁性体の材料で作られている。その相対回転
運動が、図示しないモータの出力を伝達するタイミング
ベルト１９と、このタイミングベルト１９で駆動される
ハーモニック減速機２１によって引き起こされる。

【００４８】軸受部材４１には第１の磁石４２が接着剤
などの適切な手段によって固定されている。軸受部材４
１の外周には磁性体からなる円筒体４３が設けられ、こ
の円筒体４３には第１の磁石４２と協調して前記大腿リ
ンク１７と脛リンク１８を図示位置に付勢する第２の磁
石４４，４５が接着剤などの適切な方法で固定されてい
る。更に、磁石の吸引力によって塵埃などが付着するこ
とがないように、膝関節部１５の全体を覆う樹脂などの
非磁性体のカバー４６が設けられている。

【００４９】第１の磁石４２及び第２の磁石４４，４５
に図示のような極性を与えるとき、大腿リンク１７と脛
リンク１８は互いに引き寄せられて、図示位置を保とう
とする。その力の大きさは磁石の強さによっても変える
ことができるが、第１の磁石４２と第２の磁石４４，４
５との間の隙間Ｔによっても変えることができる。隙間
Ｔを小さくするにつれ、図示位置に保持しようとする力
は飛躍的に強まる。

【００５０】なお、本実施形態の付勢手段は大腿リンク
１７と脛リンク１８にそれぞれ固定された第１の磁石４
２と第２の磁石４４，４５であるが、原理的にはこの内
の片方の磁石は、鉄などの磁性材料であれば、必ずしも
磁石である必要はない。

【００５１】本実施形態では第１及び第２の実施形態に
比べて付勢手段が機能する付勢力に初期保持力はない。
すなわち、図示位置から僅かな外部トルクが加えられて
も、大腿リンク１７と脛リンク１８はそのときのトルク
に応じた変位を示すようになる。もし初期荷重が欲しけ
れば、大腿リンク１７と脛リンク１８が磁石で引き寄せ
られる図示の位置に到達する直前に、当該リンクの相対
変位を止めるストッパーを別に設けておき、そのストッ
パーで停止した位置を起立位置となるように調整すれば
よい。

【００５２】前記円筒体４３は、図７に示すように、外
周壁には複数個の穴４７ａ，４７ｂ……が設けられ、当
該穴４７ａ，４７ｂ……に挿入されたボルト４８ａ，４
８ｂ……によって大腿リンク１７に固定されている。こ
の穴４７ａ，４７ｂ……の大きさはボルト４８ａ，４８
ｂ……の径に比べて十分に大きく、その結果、微小量で
はあるが、軸受部材４１と大腿リンク１７との相対位
置、言い換えれば第１の磁石４２と第２の磁石４４，４
５との相対位置を調節可能にしている。ロボットの組み
立て調整の段階では、サーボモータが膝を起立の位置に
保持したときに当該ボルトを締め付けることで、このと
きの関節角度が制御の基準関節角度となるように調整す
る。

【００５３】図８には膝関節部１５を目標値になるよう
に制御するためのブロック図である。本実施形態ではコ
ンピュータが時系列的に関節角度を記憶しており、その
関節角度になるようにサーボシステムが作られているも
のとする。このようなサーボシステムは公知であり、本
発明の主たる構成要素ではないために、以下簡潔に述べ
る。

【００５４】制御工学の分野では公知のように、ラプラ
ス変換を施した量でブロック図を書くのが決まりであ
る。図８はこの決まりに従って書いてある。図８に記入
された大文字の記号は、変換前の量に直すと小文字の量
である。例えば変換後の量Ω(s)は、本来はω(t)を表し
ている。以下の説明は変換前の量でなされている。

【００５５】時刻ｔ＝iのときの関節角度をθiとする。
そのうちコンピュータの記憶している時系列の関節角度
をθid、実際の関節角度をθirとして区別する。コンピ
ュータはθidとθirとの差分を計算して、その差分をＫ
1倍したものを改めて関節角速度ωidとして計算する。
このωidと実際の関節の回転速度ωirとを比較して、そ
の差分にＫ2倍した量をモータトルクＴmとして出力す
る。

【００５６】モータアンプはこの出力を受けてモータに
電流を供給するのでモータは回転して出力ωirを発生す
る。この回転速度ωirを積分器で積分したもの（カウン
ターで数えたもの）が回転角度θirである。この回転角
度θirはモータと一体に装着した前述の角度計（エンコ
ーダ）で検出され、再びコンピュータにフィードバック
される。この制御ループは公知であり、以上の情報の流
れを制御工学の決まりに従って示したものが図８であ
る。

【００５７】図８の要点は、角度指令値であるθidと実
際の関節角度との間に存在する差分に比例したトルクを
モータに供給するのがサーボ制御の基本であるという点
であり、この差分が小さくできれば、それだけモータに
流す電流値が小さくできることを示していることであ
る。なぜならば、公知のようにモータのトルクとは流す
電流値に比例するからである。

【００５８】以上、本発明を歩行ロボットの膝関節に適
用した場合について説明してきたが、本発明は膝関節に
限定されるべきではなく、全ての脚関節に適用できるの
は自明だろう。

【００５９】更にロボットの上体についても歩行中には
アームが環境にある他の物体と触れるのを避けるため
に、アームに所定の姿勢を取らせておくことは現在の技
術水準では必要なことである。アームが環境側の物体と
干渉しない自然な姿勢はアームの肘を凡そ９０°に曲げ
た上体で保持することだとされている。この場合にも本
発明を肘関節に適用し、肘の関節角度が所望の角度にな
るように本発明の付勢手段を付加すればよい。

【００６０】次に本発明の要点を同じ制御工学の立場か
ら説明する。膝関節に図９（ｂ）に概念的に示したよう
な関節角度の保持装置がある場合を考えてみる。当該保
持装置はバネｂで押圧された硬球ｃと、この硬球ｃを受
け入れるＶ字型の溝ｄを外周面上に持つ円柱ｅとからな
り、バネｂと硬球ｃとは大腿リンク側に、前記円柱ｅは
脛リンク側に組付けられているものとすれば、例え上記
のモーメントが発生して膝関節を座屈させようとして
も、この保持装置が発生する保持力によって関節の相対
角度はほとんど影響も受けないことになる。

【００６１】ロボットの関節の制御則は関節の相対角度
について、目標とする角度から現在の実際の角度を引い
た差分に応じて訂正動作を行うように構成されるのが公
知の方法であるから、上記保持力によって目標角度と現
在の角度とが一致している限り訂正動作は行われない。
つまりエネルギーの消費を伴うことなくロボットは起立
姿勢を取ることができることを意味している。また仮に
微小な差分が生じていても前記保持力がモータの行うべ
き訂正動作のトルクの一部または全てを負担するから、
結果的にモータは少ないトルクを負担するか、或いは全
くトルク負担をしないかのいずれかになり、省エネが図
られる。これが本発明の概念の基本である。

【００６２】本発明の実施にあたって付随する問題を次
に述べる。上記の説明から分かるとおり、関節角度の目
標値と現在値との間には、僅かな差分が生じても、その
差分を解消するべくモータには電流が流れ、エネルギー
の消費が始まる。付勢手段の発揮する付勢力が前記所望
の関節角度において０か、又は著しく小さいものであれ
ば、当該付勢力があるにも係わらず、その効果が低くな
る。

【００６３】この問題を解消するには、２つの方法があ
る。一つは制御的に前記所望の角度の近辺では角度変位
に対する不感帯を設ける手法と、もう一つは前記の差分
が生じなければモータに電流が流れることがないのであ
るから、差分を生じにくくする手法である。差分を生じ
にくくする手段を追加しなければ、本発明の効果は半減
する。本発明に課せられた課題の一つは、関節角度が所
望の位置に強く保持されるような構造を、軽くコンパク
トな形態で提供することである。

【００６４】更にまた、脚関節での前記所望の関節角度
の設定に当たっては、制御上の指定角度と機械設計上の
所望の角度とが一致する必要がある。なぜならば、起立
時の制御プログラムが指定する角度と、当該付勢手段が
決める角度との間に微小な偏差が生じている場合を想定
するに、モータにはその微小な偏差を解消する方向にト
ルクを発生させる制御則が働き、結局電流が流れるか
ら、本発明の効果を半減させることになる。

【００６５】この解決方法も前述のように制御上の不感
帯を設ける手法でも解決できるが、不感帯を設ければ遊
脚期の制御が不正確になると言った別の問題を生み出
す。従って本発明に課せられた課題の一つは制御上の指
定角度と機構的に設定する指定角度との間の偏差を吸収
できる新奇な方法を提案することにある。

【００６６】更にまた、歩行ロボットの脚部関節に本発
明を適用しようとする場合に、脚関節の持つ特殊性を考
慮しなければならない。脚は地面に着地して体重を支え
る立脚期と、地面から離れて空中を移行する遊脚期とに
別れる。立脚期では体重が関節を座屈させ、曲げようと
する方向に働くが、遊脚期には体重のこのような作用は
ない。

【００６７】言い換えれば、遊脚期の関節にとって前記
付勢力は、起立姿勢に関節を伸ばそうとして働くモーメ
ントになるから、関節のモータはこのモーメントに抗し
て関節を曲げると言う余計な仕事をしなければならな
い。つまり歩行中に限って本発明の功罪を問えば、効果
は相殺されて小さくなる。

【００６８】このようなジレンマを解消するには、本発
明の効果を前記所望の角度の近辺に限定し、通常使う角
度範囲では実質的に作用しないような構造にする必要が
ある。これも本発明に課せられた課題の一つである。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項記載の発明
によれば、付勢手段によって関節角度は特定姿勢角度を
保持する方向に付勢されているから、その特定姿勢角度
をとるときは指令値と実際の角度との間の差分が実質的
に０になる。差分が０になれば図８に示した原理に従っ
てモータに供給する電流値は０となるので、この姿勢を
とる間の消費エネルギーを原理的に０にできる。

【００７０】更に、当該特定姿勢角度から微小量δθ変
位した場合を考えるに、その変位δθに比例した大きさ
の付勢力が復元力として作用し、付勢力がない場合に必
要なモータトルクよりも少ないモータトルクでその変位
δθを保持できるから、消費エネルギーを低減できる。

【００７１】更に、制御システムが設定している姿勢角
度の所望値と付勢手段の決める角度の所望値とが一致す
るように調節手段を備えている。これによって製作上の
誤差による両者の不一致を無くして最大の省エネ効果が
得られる。

【００７２】本発明は付勢手段がいずれも物理的な原理
に従っており従来の電磁ブレーキなどによる関節ロック
がエネルギーの消費を前提に設計されるものとは違い、
基本的にエネルギーの消費を伴わない。また、従来の電
磁ブレーキ方式を改良して姿勢角度の保持に使おうとす
れば、電磁ブレーキそのものが持つ重量・体積が実用化
の上で大きな妨げとなるが、本発明に示されたいずれの
実施形態でも明らかなように、小型軽量であり、移動ロ
ボットにとって最も忌み嫌う重量増加を最小限に抑える
ことができる。

【００７３】更に、もし従来の電磁ブレーキ方式を改良
して姿勢角度の保持に使おうとすれば、次に動きだすと
きにブレーキを解除しつつモータのトルクを高めると言
う離れ業を行わねばならなくなり、制御が煩雑となる
が、本付勢手段はモータ制御に一切の制約を及ぼさない
から、極めて自然に次の運動動作に入ることができる。

【００７４】また、当該特定姿勢角度から離れた場所で
は、この付勢手段は何らの効果も発揮することがなく、
従来の関節運動のための制御方法に変更を求めない。こ
のことは従来から蓄積してきた技術体系を変更すること
なく本発明が適用できることを示しており、その適用範
囲を広げるものである。

【００７５】更に、本実施形態では、起立静止時につい
て説明したが、歩行中においても立脚期には膝を真っ直
ぐ伸ばしている時間が立脚期の相当な部分を占めるの
で、体重を支えるのに本発明に基づく付勢手段の付勢力
を利用でき、省エネルギーの効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す２足歩行ロボッ
トの骨格を示す斜視図。

【図２】同実施形態のロボットの膝関節部の具体的構成
を示す一部断面した正面図。

【図３】同実施形態を示し、図２の矢印Ａ方向から見た
図。

【図４】本発明の第２の実施形態を示し、ロボットの膝
関節部の具体的構成を示す一部断面した正面図。

【図５】同実施形態を示し、図４の矢印Ｂ方向から見た
図。

【図６】本発明の第３の実施形態を示し、ロボットの膝
関節部の具体的構成を示す一部断面した正面図。

【図７】同実施形態を示し、図６の矢印Ｃ−Ｃ線に沿う
断面図。

【図８】関節駆動制御ブロック図。

【図９】（ａ）（ｂ）は関節型の移動ロボットが起立時
に何故エネルギーを消費するのか、その原理を説明する
ための図。

【符号の説明】

１５…膝関節部１７…大腿リンク１８…脛リンク２７…円筒カム３３…バネ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも第１のリンクと第２のリンク
を相対回転可能に結合した関節部を有するロボットの関
節装置において、前記関節部が外部からエネルギーを供給されて回転運動
するように構成するとともに、前記２つのリンクを前記
関節部において所望の姿勢角度になるように付勢する付
勢手段を設けたことを特徴とするロボットの関節装置。
【請求項２】少なくとも第１のリンクと第２のリンク
からなる２本の脚を持ち、当該脚を動かすことによって
移動を行う形式の歩行ロボットであり、前記関節部を少
なくとも一つ当該脚の関節部の中に含むことを特徴とす
る請求項１に記載のロボットの関節装置。
【請求項３】前記ロボットが少なくとも１本のアーム
を持ち、当該アームに少なくとも１つの前記関節部を組
み込んだことを特徴とする請求項１に記載のロボットの
関節装置。
【請求項４】前記付勢手段の付勢力は、前記２つのリ
ンクを前記所望の姿勢角度から変位させようとすると
き、所定の力以上の力が働くように初期保持力が付与さ
れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つ
に記載のロボットの関節装置。
【請求項５】前記所望の姿勢角度と、前記付勢手段の
付勢力がバランスする角度とが一致しないとき、両者を
一致させるための調整手段を備えたことを特徴とする請
求項１〜３のいずれか１つに記載のロボットの関節装
置。
【請求項６】前記付勢手段の付勢力は前記姿勢角度か
ら所定の角度範囲内に前記２つのリンクがあるときに当
該付勢力を発揮し、当該所定の角度範囲を越えて前記２
つのリンクが回動するときには当該付勢力を発揮しない
ように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１つに記載のロボットの関節装置。