JP2003340771A - ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さな力でロボットの下肢や上肢を動かすこ
とができる技術を提供する。 【解決手段】 ロボットは、大腿部１４と、その大腿部
１４に膝関節２４を介して接続された下腿部１６と、そ
の下腿部１６に足首関節２６を介して接続された足部１
８と、大腿部１４に対して下腿部１６を回転させるアク
チュエータと、下腿部１６に対して足部１８を回転させ
るアクチュエータとを備えている。そして、前記アクチ
ュエータ群が大腿部１４に取付けられている。このよう
にアクチュエータ群が大腿部１４に固定されていると、
下肢の先端部分が軽くなるので下肢の股関節回りの慣性
モーメントが小さくなる。このため、小さな力で下肢を
動かすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、ロボットに関す
るものである。特に、人型ロボットや動物型ロボットの
下肢や上肢を動かす技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 下肢や上肢を備える人型ロボットや動
物型ロボットの開発が活発化している。このようなロボ
ットの下肢や上肢は関節を持ち、関節を回転させること
によって歩いたり、持ったり、操作したりする。関節の
回転は、その軸に取付けられたモータによって行われ
る。モータは関節の各軸毎に取付けられる。例えば、足
首関節は２軸回りに回転するので、足首関節に２つのモ
ータが取付けられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、上記
のロボットは関節の各軸にモータを取付けるので、下肢
や上肢の慣性モーメントが大きくなる。例えば、足首関
節に２つのモータを取付けると、股関節から距離の遠い
ところに重量のあるモータが配置されることになるため
に、股関節周りの慣性モーメントが大きくなる。慣性モ
ーメントが大きいと、下肢や上肢を動かすのに大きな力
が必要になってしまう。

【０００４】本発明は、かかる問題を解決するためにな
されたものであり、小さな力でロボットの下肢や上肢を
動かすことができる技術を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段および作用と効果】 請求
項１に記載のロボットは、大腿部と、その大腿部に膝関
節を介して接続された下腿部と、その下腿部に足首関節
を介して接続された足部とを備える。このロボットは、
大腿部に対して下腿部を回転させるアクチュエータと、
下腿部に対して足部を回転させるアクチュエータとを備
えており、それらのアクチュエータ群が大腿部に取付け
られていることを特徴とする。アクチュエータ群が大腿
部に固定されていると、下肢の先端部分（足部、足首関
節、下腿部等）が軽くなるので、股関節回りの慣性モー
メントが小さくなる。このため、小さな力で下肢を動か
すことができる。

【０００６】請求項１に記載のロボットにおいて、下腿
部用アクチュエータと下腿部がワイヤで接続され、足部
用アクチュエータと足部が膝関節周縁を通過するワイヤ
で接続されていることが好ましい（請求項２）。このよ
うに構成されていると、下腿部用アクチュエータがワイ
ヤを引くと下腿部が大腿部に対して回転され、足部用ア
クチュエータがワイヤを引くと足部が下腿部に対して回
転される。動力はワイヤで末端側部材に伝達され、末端
側部材に末端側部材を回転させるためのアクチュエータ
を設ける必要がない。

【０００７】請求項１に記載のロボットにおいて、下腿
部用アクチュエータと下腿部がワイヤで接続されて下腿
部が後方に引かれ、第１の足部用アクチュエータと足部
の前部が膝関節前側を通過する別の第１ワイヤで接続さ
れて足部の前部が上方に引かれ、第２の足部用アクチュ
エータと足部の後部が膝関節前側を通過する別の第２ワ
イヤで接続されて足部の後部が上方に引かれ、第１と第
２の足部用アクチュエータで第１と第２ワイヤを共に引
くことで下腿部が前方に引かれることが好ましい（請求
項３）。上記のロボットは、下腿部用アクチュエータと
下腿部がワイヤで接続されてワイヤが後方に引かれる。
また、第１と第２の２本のワイヤの引き方を調整するこ
とによって、足部の前部あるいは後部を上方に引くこと
もできるし、下腿部を前方に引くこともできる。

【０００８】請求項１に記載のロボットにおいて、下腿
部用アクチュエータと下腿部がワイヤで接続されて下腿
部が後方に引かれ、第１の足部用アクチュエータと足部
の前部が膝関節前側を通過する別の第１ワイヤで接続さ
れて足部の前部が上方に引かれ、第２の足部用アクチュ
エータと足部の後部外側が膝関節前側を通過する別の第
２ワイヤで接続されて足部の後部外側が上方に引かれ、
第３の足部用アクチュエータと足部の後部内側が膝関節
前側を通過する別の第３ワイヤで接続されて足部の後部
内側が上方に引かれ、第２と第３の足部用アクチュエー
タで第２と第３ワイヤを共に引くことで足部の後部が上
方に引かれ、第１と第２と第３の足部用アクチュエータ
で第１と第２と第３のワイヤを共に引くことで下腿部が
前方に引かれることが好ましい（請求項４）。上記のロ
ボットは、下腿部用アクチュエータと下腿部がワイヤで
接続されて下腿部が後方に引かれる。また、第１と第２
と第３の３本のワイヤの引き方を調整することによっ
て、足部の前部、足部の後部外側、足部の後部内側、足
部の後部を上方に引くこともできるし、下腿部を前方に
引くこともできる。足部の後部（かかと）を持ち上げる
ためには、足部の前部（爪先）を持ち上げるよりも力を
有する。上記のロボットでは、２個のアクチュエータを
利用して大きな力が必要とされる足部の後部（かかと）
を持ち上げる動きを実現し、１個のアクチュエータを利
用して小さな力ですむ足部の前部（爪先）を持ち上げる
動きを実現することから、アクチュエータ能力を等しく
しやすい。また、下腿部を持ち上げるためには、下腿部
を下げるよりも力を有する。上記のロボットでは、３個
のアクチュエータを利用して大きな力が必要とされる下
腿部を持ち上げる動きを実現し、１個のアクチュエータ
を利用して小さな力ですむ下腿部を下げる動きを実現す
ることから、アクチュエータ能力を等しくしやすい。

【０００９】請求項１に記載のロボットにおいて、下腿
部用アクチュエータと下腿部がワイヤで接続されて下腿
部が後方に引かれ、第１の足部用アクチュエータと足部
の前部外側が膝関節前側を通過する別の第１ワイヤで接
続されて足部の前部外側が上方に引かれ、第２の足部用
アクチュエータと足部の前部内側が膝関節前側を通過す
る別の第２ワイヤで接続されて足部の前部内側が上方に
引かれ、第３の足部用アクチュエータと足部の後部が膝
関節前側を通過する別の第３ワイヤで接続されて足部の
後部が上方に引かれ、第１と第２の足部用アクチュエー
タで第１と第２ワイヤを共に引くことで足部の前部が上
方に引かれ、第１と第２と第３の足部用アクチュエータ
で第１と第２と第３のワイヤを共に引くことで下腿部が
前方に引かれることが好ましい（請求項５）。上記のロ
ボットは、下腿部用アクチュエータと下腿部がワイヤで
接続されて下腿部が後方に引かれる。また、第１と第２
と第３の３本のワイヤの引き方を調整することによっ
て、足部の前部外側、足部の前部内側、足部の後部、足
部の前部を上方に引くこともできるし、下腿部を前方に
引くこともできる。上記のロボットでは、３個のアクチ
ュエータを利用して大きな力が必要とされる下腿部を持
ち上げる動きを実現し、１個のアクチュエータを利用し
て小さな力ですむ下腿部を下げる動きを実現することか
ら、アクチュエータ能力を等しくしやすい。

【００１０】請求項６に記載のロボットは、上腕部と、
その上腕部に肘関節を介して接続された前腕部と、その
前腕部に手首関節を介して接続された手部と、上腕部に
対して前腕部を回転させるアクチュエータと、前腕部に
対して手部を回転させるアクチュエータとを備えてい
る。そして、前記アクチュエータ群が上腕部に固定され
ている。アクチュエータ群が上腕部に固定されている
と、上肢の先端部分（手部、手首関節、前腕部等）が軽
くなるので、肩関節回りの慣性モーメントが小さくな
る。このため、小さな力で上肢を動かすことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】 本発明を具現化した第１実施例
を図１〜１４を参照して説明する。本明細書では、足部
の前後方向（ロボットの進行方向）をＸ軸とし、左右方
向をＹ軸とし、下腿部ないし胴体の伸びる方向をＺ軸と
する。各軸は相互に直交している。第１実施例は、本発
明をロボットの下肢に応用したものである。なお、左右
の下肢形状は鏡対称である。図１は本実施例のロボット
の両下肢の正面図であり、図２は左下肢の側面図であ
り、図３は足首関節の構造を説明するための図であり、
図４はボールネジの詳細を説明する図であり、図５〜１
４は足部の動きを説明する図である。

【００１２】図１に示すように、本実施例のロボット１
０の左右の下肢１２は大腿部１４と下腿部（脛）１６と
足部１８から構成され、大腿部１４と胴体部２０は股関
節２２によって接続されており、大腿部１４と下腿部１
６は膝関節２４によって接続されており、下腿部１６と
足部１８は足首関節２６によって接続されている。

【００１３】最初に股関節２２について説明する。ほぼ
水平に伸びる板状の骨盤部２８には、図２に示すよう
に、Ｚ軸回りに回転する円板３６がベアリング３４によ
って取付けられている。円板３６は、図１において左右
に一対設けられている。各円板３６の中心には、骨盤部
２８側から大腿部１４側に伸びる（Ｚ軸方向に伸びる）
シャフト３０が固定されている。シャフト３０は骨盤部
２８に対してＺ軸回りに回転する。シャフト３０の下端
に対して大腿部１４の上端がユニバーサルジョイント３
２によって接続されている。ユニバーサルジョイント３
２は、シャフト３０に対して大腿部１４がＸ軸回りとＹ
軸回りに回転することを許容する。股関節２２は、骨盤
部２８に対してＺ軸回りに回転できるシャフト３０と、
シャフト３０に対して大腿部１４がＸ軸回りとＹ軸回り
に回転することを許容するユニバーサルジョイント３２
を持ち、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のそれぞれの回りに回転すること
を許容する３軸関節である。

【００１４】次に膝関節２４を説明する。各大腿部１４
の下端にはＹ軸方向に平行に並ぶ２つのフランジ４０が
下方へ伸びており、各下腿部１６を構成するシャフト４
２の上端にはＹ軸方向に平行に並ぶ２つのフランジ４４
が上向きに設けられている。膝関節２４は、これらのフ
ランジ４０，４４を貫通してＹ軸方向に伸びる軸４６を
備える。膝関節２４は、大腿部１４に対して下腿部１６
がＹ軸回りに回転することを許容する。

【００１５】次に足首関節２６を説明する。図３は足首
関節２６の構造を説明するために単純化してデフォルメ
した図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しな
い。下腿部１６のシャフト４２の下部にはＸ軸方向に平
行に並んだ２つのフランジ５８が下方に伸びている。ま
た、足部１８の上面にはＹ軸方向に平行に並んだ２つの
フランジ６０が上方に伸びている。これら下腿部１６の
フランジ５８と足部１８のフランジ６０は十字型自在継
手６２によって接続されてユニバーサルジョイントを成
している。足首関節２６は、下腿部２４に対して足部１
８が、Ｘ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容する。
即ち、足首関節２６はＸ，Ｙ軸のそれぞれについて自由
度を持つ２軸関節である。

【００１６】各関節はワイヤによって駆動される（股関
節のＺ軸回りの回転を除く。この回転のみはワイヤを利
用せずに、モータで直接に回転される）。各ワイヤの一
端は末端側部材に取付けられており、他端はボールネジ
とモータから構成されるアクチュエータに接続されてい
る。モータによってボールネジの送りネジ（Ｚ方向に伸
びる）が回転し、これに伴って送りネジに螺合している
ナットが送りネジ方向に送られ、ナットに接続されてい
るワイヤ先端がＺ軸方向に進退する。ワイヤ先端をＺ軸
方向に進退させることによってワイヤによって末端側部
材を引いたり緩めたりすることができる。

【００１７】最初に図３を参照して足首関節を回転させ
るワイヤ群を説明する。足部１８には、図示しない取付
け板によってワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃ
が固定されている。各ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０
ｂ，７０ｃは円弧形状であり、それぞれの円弧の中心軸
はＹ軸方向に伸びており、円弧面は所定の巾（Ｙ軸に沿
って伸びる距離）を有している。ワイヤ終端ガイド７０
ａは足首関節２６のＹ軸よりも前方に位置し、Ｘ軸上配
置されている。その円弧面はＸ軸前方を向いている。ワ
イヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃは足首関節２６のＹ軸よ
りも後方に位置している。ワイヤ終端ガイド７０ｂは足
首関節２６のＸ軸よりも外側に位置し、ワイヤ終端ガイ
ド７０ｃは足首関節２６のＸ軸よりも内側に位置してい
る。ワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃの円弧面はＸ軸後
方を向いている。３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ
の下端は、ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの
それぞれの下端のワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃ
に固定されており、各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの
他端は、膝関節２４側に伸びている。各ワイヤ終端ガイ
ド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの円弧面に沿って湾曲してい
る。ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃはワイヤ
６６ａ，６６ｂ，６６ｃが小さな曲率半径で鋭く曲がる
ことを禁止している。

【００１８】ワイヤ接続点７２ａは足首関節２６のＹ軸
よりも前方に位置しており、ワイヤ６６ａが膝関節２４
側に引かれると足部１８は足首関節２６のＹ軸回りに回
転して爪先を持ち上げる。ワイヤ接続点７２ａは足首関
節２６のＸ軸上に配置されており、ワイヤ６６ａが膝関
節２４側に引かれても足部１８のＸ軸回りの回転角には
影響しない。ワイヤ接続点７２ｂは足首関節２６のＸ軸
よりも外側に位置しており、ワイヤ６６ｂが膝関節２４
側に引かれると足部１８は足首関節２６のＸ軸回りに回
転して足部１８の外側を持ち上げる。ワイヤ接続点７２
ｃは足首関節２６のＸ軸よりも内側に位置しており、ワ
イヤ６６ｃが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首
関節２６のＸ軸回りに回転して足部１８の内側を持ち上
げる。足部１８の内側を持ち上げる場合には、ワイヤ６
６ｃを引くと同時にワイヤ６６ｂを緩めて足部１８の外
側が下がることを許容する。同様に、足部１８の外側を
持ち上げる場合には、ワイヤ６６ｂを引くと同時にワイ
ヤ６６ｃを緩めて足部１８の内側が下がることを許容す
る。足部１８を足首関節２６のＸ軸回りに回転させる場
合にはワイヤ６６ａを操作する必要はない。ワイヤ６６
ｂ、６６ｃを同時に引くと足部１８は足首関節２６のＹ
軸回りに回転してかかとを持ち上げる。この場合には、
ワイヤ６６ａを緩めて爪先が下がるのを許容する。ワイ
ヤ６６ａを引いて爪先を持ち上げるときには、ワイヤ６
６ｂ、６６ｃを緩めてかかとが下がるのを許容する。３
本のワイヤ６６ａ、６６ｂ、６６ｃによって、足首関節
２６のＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角を独立に調
整することができる。

【００１９】なお、ワイヤ接続点を足首関節２６のＹ軸
よりも前方のＸ軸の両側と、Ｙ軸よりも後方のＸ軸上に
配置してもよい。このようにワイヤ接続点を配置して
も、ワイヤによって足首関節２６のＸ軸回りの回転角と
Ｙ軸回りの回転角を独立して調整することができる。

【００２０】図５〜１０は足部１８の動きを説明するた
めの模式図であり、図５と図６はＸ軸回りの回転を説明
するための図である。図５は足部１８の平面図であり、
図６は足部１８の背面図である。各ワイヤ６６ａ，６６
ｂ，６６ｃの終端ではワイヤ終端ガイド７０ａ，７０
ｂ，７０ｃの図示を省略し、ワイヤ接続点７２ａ，７２
ｂ，７２ｃのみで示してある。

【００２１】図５は、ワイヤ接続点７２ａに接続されて
いるワイヤ（図示省略）は中立状態を維持しながらワイ
ヤ接続点７２ｂに接続されているワイヤ６６ｂの有効長
を収縮させ、ワイヤ接続点７２ｃに接続されているワイ
ヤ６６ｃの有効長を伸長させることを示している。この
とき、足部１８は図６の破線で示したようにＸ軸回りに
矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・
収縮を逆にすると、足部１８は矢印とは逆方向に回転す
る。即ち、このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調
整することによって、足部１８をＸ軸の回りに自在に回
転させることができる。

【００２２】図７と図８はＹ軸回りの回転を説明するた
めの図である。図７は足部１８の平面図であり、図８は
足部１８の側面図である。各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６
６ｃの終端ではワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０
ｃの図示を省略し、ワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２
ｃのみで示してある。図７はワイヤ接続点７２ａに接続
されているワイヤ６６ａの有効長を収縮させ、ワイヤ接
続点７２ｂ，７２ｃに接続されているワイヤ６６ｂ，６
６ｃの有効長を共に伸長させた場合を示している。この
とき、足部１８は図８の破線で示すように、Ｙ軸回りに
矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・
収縮を逆にすると、足部１８は矢印とは逆方向に回転す
る。このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整する
ことによって、足部１８をＹ軸の回りに自在に回転させ
ることができる。なお、足部１８の前側を持ち上げるの
に要するワイヤの張力に比べ、足部１８の後ろ側を持ち
上げるのに要するワイヤの張力は大きい。このため、３
点のワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのうちの１点
を前側にし、２点を後側にし、２本のワイヤと２個のア
クチュエータでかかとを持ち上げることが好ましい。こ
の場合、各アクチュエータの能力を等しくすることがで
きる。

【００２３】なお図示はしないが、足部１８を同時にＸ
軸回りにもＹ軸回りにも回転させることができる。例え
ば、ワイヤ６６ｂの有効長を速度ａ−ｂで収縮させ、ワ
イヤ６６ｃの有効長を速度ａ＋ｂで伸長させ（即ち−ａ
−ｂで収縮させる）、ワイヤ６６ａの有効長をｂで収縮
させると、足部１８はＸ軸の回りに速度ａで回転して外
側が上がり、且つ、Ｙ軸の回りに速度ｂで回転して前側
が上がる。このように３本のワイヤの有効長を同時に調
整すると、足部１８をＸ軸の回りとＹ軸の回りに同時に
自在に回転させることができる。またＸ軸回りの回転速
度とＹ軸回りの回転速度を自在に調整することもでき
る。これらのことから、Ｘ，Ｙの２軸に対して３本のワ
イヤ、即ち、軸数＋１本のワイヤを用いることによっ
て、Ｘ，Ｙ軸について互いに独立に調整することが可能
である。

【００２４】図３に示すように、下腿部１６のシャフト
４２の上部には、フランジ４４を貫通するＹ軸方向の軸
４６の回りに自由回転可能な３つのプーリ６４ａ，６４
ｂ，６４ｃが２つのフランジ４４と交互に配されてい
る。それぞれのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃにはワイ
ヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃが１本ずつ巻かれている。ワ
イヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、プーリ６４ａ，６４
ｂ，６４ｃの前側でプーリから離反している。ワイヤ６
６ａ，６６ｂ，６６ｃは足部１８に対して膝関節の前方
位置から引張力を加える。このために、３本のワイヤ６
６ａ，６６ｂ，６６ｃを同時に同一速度で収縮させる
と、下腿部１６に対する足部１８の回転角度は変えない
で（足首関節２６を回転させないで）、下腿部１６を膝
関節２４の回りに前向きに回転させることができる。

【００２５】次に、このような足部の動きに伴うワイヤ
の動きについて説明する。図９〜１０は足部１８の回転
に伴うワイヤの動きを説明するための模式図であり、実
際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。図９はＸ軸回
りに回転した場合の足部１８の背面図であり、図１０は
Ｙ軸回りに回転した場合の足部１８の左側面図である。
なお、近似的にワイヤは鉛直方向に伸びているとするこ
とができる。

【００２６】図９は、足部１８が足首関節２６のＸ軸の
回りに矢印方向に最大限（本実施例では１５°）に回転
した状態を示す図である。足部１８が下腿部１６のシャ
フト４２に対して直角の状態が実線で示され、このとき
の足部１８の位置１８−１を通常位置とする。通常位置
での足部１８−１とワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１とこれら
をそれぞれ案内するワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ
１を実線で示している（最後の添え字１は、基準位置に
あることを示す）。Ｘ軸回りに回転した足部１８を破線
１８−２で示し、そのときのワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２
とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２を破線で示す
（最後の添え字２は、回転位置にあることを示す）。ワ
イヤ６６ｂ１，６６ｃ１の下端接続点７２ｂ１，７２ｃ
１は、ワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１のそれぞれ
の下端のＹ軸方向の中心にある。通常位置では、ワイヤ
６６ｂ１，６６ｃ１はワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０
ｃ１の円弧面のＹ軸方向の中心線に沿って案内されてい
る。足部１８がＸ軸回りに回転して足部１８−２の位置
まで移動すると、ワイヤ６６ｂ，６６ｃはワイヤ終端ガ
イド７０ｂ，７０ｃに案内されながらワイヤ６６ｂ２，
６６ｃ２の位置まで移動する。このときのワイヤ終端ガ
イド７０ｂ２，７０ｃ２はワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２に
対して傾斜する。ワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２を案内する
ワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の円弧面上の線
が、ワイヤ接続部７２ｂ２，７２ｃ２とワイヤ終端ガイ
ド７０ｂ２，７０ｃ２の図中右上端を結ぶ線まで移動す
る。また、図示しないが、図７の矢印とは反対方向に最
大限に回転した場合も同様に、ワイヤ６６ｂ２，６６ｃ
２は、ワイヤ接続部７２ｂ２，７２ｃ２とワイヤ終端ガ
イド７０ｂ２，７０ｃ２の図中左上端を結ぶ線まで移動
する。

【００２７】ワイヤ終端ガイド７０のＹ軸方向の巾は、
足部１８がＸ軸の回りに回転することによって、Ｘ軸と
ワイヤ接続点７２までの距離が変化する距離以上に設定
されているために、足部１８がＸ軸の回りに最大限に回
転しても、ワイヤ６６はワイヤ終端ガイド７０からはず
れることがない。このように、本実施例のワイヤ終端ガ
イド７０によれば、末端側部材１８のＸ軸回りのいかな
る姿勢変化に対してもワイヤ６６を案内し続けることが
可能となっている。なお本明細書において添え字を省略
して説明する事象は、添え字によって区分される部材に
共通する事象であることを示している。

【００２８】図１０は本実施例の足首関節２６がＹ軸の
回りに回転する場合の側面図を示している。本実施例で
のワイヤの動きと対比させるため、最初に図１１を用い
て、ワイヤ終端ガイド７０を備えない場合のワイヤの動
きについて説明する。

【００２９】ワイヤ終端ガイドが存在しない場合、足首
関節２２６はユニバーサルジョイントのＹ軸２６２より
も前方（図の左側）に取付けられたワイヤ２６６と後方
に取付けられたワイヤ（図示省略）によってＹ軸２６２
の回りに回転させられる。各ワイヤの下端は足部２１８
の上面のワイヤ接続部２７２（後方ワイヤの接続点は図
示省略）に固定され、上端は図示しないアクチュエータ
に接続されている。アクチュエータによって各ワイヤの
有効長を伸長・収縮させ、足部２１８をＹ軸２６２の回
りに回転させる。なお、近似的にワイヤは鉛直方向に伸
びているとすることができる。

【００３０】図１１の破線は、足部２１８が足首関節２
２６のＹ軸２６２の回りに矢印ＩＩＩ，ＩＶの方向に最
大限に回転したところを示している。足部２１８と下腿
部２１６のシャフト２４２が成す角が直角である通常位
置を実線で示す（添え字１は通常位置にあることを示
す）。このとき、足部２１８−１とワイヤ２６６−１が
成す角αも直角である。矢印ＩＩＩ方向（図中時計回
り）に回転後の足部２１８−３とワイヤ２６６−３とワ
イヤ接続部２７２−３を破線で示し、添え字３を付けて
示す。矢印ＩＶ方向（図中反時計回り）に回転後の足部
２１８−４とワイヤ２６６−４とワイヤ接続部２７２―
４を破線で示し、添え字４を付けて示す。矢印ＩＩＩ方
向に回転した足部２１８−３とワイヤ２６６−３が成す
角βは通常位置のときのαと比較して大きく、矢印ＩＶ
方向に回転した足部２１８−４とワイヤ２６６−４が成
す角γは通常位置のときのαと比較して小さい。即ち、
足部２１８の回転に伴って足部２１８とワイヤ２６６が
成す角は変化する。図１１のワイヤガイドを設けない方
式では、ワイヤ２６６が接続点２７２でシャープに屈曲
するために、ワイヤ２６６は接続点２７２で切れやす
い。

【００３１】また、足部２１８がＹ軸の回りに回転する
と、足部２１８上面のワイヤ接続部２７２もこれに伴っ
て回転する。矢印ＩＩＩ方向に回転したときのＹ軸２６
２とワイヤ接続点２７２−３の水平方向距離Ｌａは通常
位置と比較して大きく、矢印ＩＶ方向に回転したときの
Ｙ軸２６２とワイヤ接続点２７２−４の水平方向距離Ｌ
ｂは通常位置と比較して小さい。この距離ＬａやＬｂ
は、足部２１８をＹ軸２６２の回りに回転させるモーメ
ントの大きさに直結するアーム長であり、ワイヤにかか
る張力が同じであれば、アーム長が長いほどモーメント
は大きい。図１１のワイヤガイドを設けない方式では、
足部２１８の姿勢によってアーム長が大きく変化して足
部２１８を回転させるモーメントの大きさが大きく変化
する。

【００３２】一方、図１０は、本実施例の足首関節２６
とワイヤ終端ガイド７０等を示している。足部１８が足
首関節２６のＹ軸６２の回りに矢印ＩＩＩ、矢印ＩＶの
方向に最大限（本実施例では３０°）に回転したところ
を示す。標準位置での足部１８と下腿部１６のシャフト
４２が成す角は直角であり、このときの足部１８−１の
位置を通常位置とする（添え字１は通常位置にあること
を示す）。通常位置にある足部１８−１とワイヤ６６ａ
１とこれを案内するワイヤ終端ガイド７０ａ１を実線で
示す。矢印ＩＩＩ方向（図中時計回り）に回転後の足部
１８−３とワイヤ６６ａ３とワイヤ終端ガイド７０ａ３
と接続点７２ａ３と、矢印ＩＶ方向（図中反時計回り）
に回転後の足部１８−４とワイヤ６６ａ４とワイヤ終端
ガイド７０ａ４と接続点７２ａ４をそれぞれ破線で示
す。

【００３３】前述のように、足部１８に取付けられたワ
イヤ６６ａは、その下端がワイヤ終端ガイド７０ａの下
端のワイヤ接続部７２ａに固定されている。また、ワイ
ヤ終端ガイド７０ａは、その円弧の中心がワイヤ接続部
７２ａよりも常に下腿部１６に近くなるよう取付けられ
ている。即ち、ワイヤ６６ａの下端近傍は常にワイヤ終
端ガイド７０ａの円弧面に沿って案内される。このため
に、足部の姿勢変化によってワイヤ６６ａが局部的にシ
ャープに屈曲することがなく、ワイヤは切れにくい。

【００３４】足部１８がＹ軸６２の回りに回転すること
によって、ワイヤ６６ａのワイヤ終端ガイド７０ａの円
弧面による案内部分は以下のように変化する。通常位置
ではワイヤ６６ａ１はワイヤ終端ガイド７０ａ１の円弧
面の下端から中心角９０°の位置まで案内されている。
矢印ＩＩＩ方向に回転したとき、ワイヤ６６ａ３はワイ
ヤ終端ガイド７０ａ３の円弧面の下端から３分の１程の
位置まで案内されている。矢印ＩＶ方向に回転したと
き、ワイヤ６６ａ４はワイヤ終端ガイド７０ａ４の円弧
面の下端から上端近傍まで案内されている。即ち、足部
１８が回転しても、ワイヤ終端ガイド７０ａに案内され
るワイヤ６６ａの長さが変化するために、ワイヤ６６ａ
がワイヤガイド７０ａから離れる点とＹ軸６２までの水
平距離はほぼ一定に保たれる。この結果、図１０のワイ
ヤ終端ガイド７０を有する方式では、足部１８が姿勢変
化してもアーム長の変化は小さく、足部１８を回転させ
るモーメントの変化も小さい。

【００３５】ワイヤ終端ガイドがないと足部等の末端側
部材が動く度に、ワイヤ接続部においてワイヤが局所的
に屈曲するため、ワイヤ接続部の耐久性を維持すること
が容易でない。本実施例ではワイヤ終端ガイドを設けた
ために、足部がＹ軸の回りに回転しても、ワイヤの下端
近傍は常にワイヤ終端ガイドの円弧面に案内されている
ため、ワイヤ接続部においてワイヤが局所的に屈曲する
ことがなく、ワイヤ接続部の耐久性が向上する。また、
ワイヤ終端ガイドがないと、足部等の末端側部材が動く
度にワイヤとＹ軸の距離、即ちモーメントのアーム長が
大きく変化する。本実施例ではワイヤ終端ガイドを設け
たために、足部がＹ軸の回りに回転しても、ワイヤ終端
ガイドによってモーメントのアーム長の変化を抑制する
ことができる。また本実施例のワイヤ終端ガイドは、Ｙ
軸方向に巾を持ち、足部１８がＸ軸の回りの回転しても
ワイヤがワイヤ終端ガイドからはずれることがない。

【００３６】本実施例では、ワイヤ終端ガイドを利用す
ることによって、末端側部材のＸ軸Ｙ軸回りの姿勢変化
に対して、ワイヤ接続部の耐久性を維持することができ
る。また、末端側部材のＸ軸Ｙ軸回りの姿勢変化に対し
て、モーメントのアーム長の変化を抑制することができ
る。さらには、ワイヤ終端ガイドを巾広にしたために、
ワイヤがワイヤ終端ガイドから逸脱することなくワイヤ
接続点近傍を常に案内することができる。ワイヤ終端ガ
イドに溝を形成してワイヤを案内する方式でもワイヤが
ワイヤ終端ガイドから逸脱するのを防止できるが、ワイ
ヤが溝から離れるところでワイヤが局所的にシャープに
屈曲することがある。本実施例のワイヤ終端ガイドは溝
を持たず、ワイヤがワイヤ終端ガイドの円弧面を軸方向
に自由に移動できるようにし、しかも巾広にして逸脱し
ないようにしていることから、ワイヤが局所的にシャー
プに屈曲しないようにしながら常時案内することに成功
している。

【００３７】図３に明瞭に示されている３本のワイヤ６
６ａ，６６ｂ，６６ｃの上端はボールネジ６８ａ，６８
ｂ，６８ｃ（図１、図２参照）に接続されている。図
１、図２では図示の明瞭化のためにボールネジが簡略化
されて表示されている。図４はボールネジ６８の詳細を
模式的に示しており（すべてのボールネジは同様の構造
を有するために、添え字を省略して共通的に説明す
る）、一対のフランジ１０２と１０６が３本の案内ロッ
ド１０８，１１０，１１２で接続されている。一対のフ
ランジ間には送りネジ１２０が回転自在で軸方向には移
動不能に配置されている。送りネジ１２０は、モータ１
１４とギヤ１１６とギヤ１１８によって回転させられ
る。送りネジ１２０には可動プレート１０４が螺合して
いる。可動プレート１０４は案内ロッド１０８，１１
０，１１２に案内されて軸方向に移動可能で回転不能と
なっている。その可動プレート１０４にワイヤ６６の先
端が固定されている。モータ１１４が回転すると送りネ
ジ１２０が回転して可動プレート１０４が案内ロッドに
沿って滑り、ワイヤ６６が引き込まれたり、緩められた
りする。ボールネジ６８のモ−タは１１４と、一対のフ
ランジ１０２、１０６は大腿部１４に固定されている。
案内ロッド１０８，１１０，１１２は大腿部１４の長手
方向に伸びており、モ−タは１１４がボールネジ６８を
回転させることで、ワイヤ６６は大腿部１４の長手方向
に引かれたり緩められたりする。ワイヤ６６ａ，６６
ｂ，６６ｃのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃと接続点７
２ａ、７２ｂ、７２ｃ間の距離をワイヤの有効長とする
と、ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの有効長はモータ１
１４によって伸長させられる。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，
６６ｃの有効長を伸長させるアクチュエータ群（モータ
群とボールネジ群６８ａ，６８ｂ，６８ｃで構成され
る）は、股関節２２に近い大腿部１４に配置されてい
る。

【００３８】図４に示されているように、ボールネジ６
８にコントローラ２００が接続されている。コントロー
ラ２００は、第１計算部２００ａ、第２計算部２００
ｂ、第３計算部２００ｃを有している。コントローラ２
００には、ロボット１０の動き全体を制御している別の
コントローラ（図示省略）から、足首関節２６の回転角
と各ワイヤ６６ａ、６６ｂ、６６ｃの張力を指示する信
号が入力される。コントローラ２００の第１計算部２０
０ａは、足首関節２６の回転角を入力された値とする各
ワイヤ６６ａ、６６ｂ、６６ｃの有効長を計算する。第
２計算部２００ｂは、張力が入力された値となるための
各ワイヤ６６ａ、６６ｂ、６６ｃの伸び長さを計算す
る。第３計算部２００ｃは、第１計算部２００ａと第２
計算部２００ｂの計算結果からボールネジ６８の可動プ
レート１０４の作動量を計算する。計算された可動プレ
ート１０４の作動量はボールネジ６８に出力され、この
出力に従ってボールネジ６８が作動する。

【００３９】図２に示されているように、下腿部４２に
は下腿部４２を膝関節２４の回りに後方に回転させるワ
イヤ６６ｄの一端が接続されている。ワイヤ６６ｄは膝
関節に回転自在に配置されているプーリ６４ｄ（図１参
照）の後方を通ってボールネジ６８ｄの可動プレート１
０４に接続されている。ボールネジ６８ｄの可動プレー
ト１０４はモータによって進退する。可動プレート１０
４が進退すると、ワイヤ６６ｄは引き込まれたり、緩め
られたりする。

【００４０】以上によって下記の姿勢変化が実現され
る。 （１）ボールネジ６８ａを縮めてボールネジ６８ｂ、６
８ｃを緩めることで爪先が上がる。ボールネジ６８ａを
緩めてボールネジ６８ｂ、６８ｃを縮めることで爪先が
下がる。 （２）ボールネジ６８ｂを縮めてボールネジ６８ｃを緩
めることで足部の外側が上がる。ボールネジ６８ｂを緩
めてボールネジ６８ｃを縮めることで内側が上がる。 （３）ボールネジ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを縮めてボー
ルネジ６８ｄを緩めることで下腿部１６が前方に回転す
る。ボールネジ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを緩めてボール
ネジ６８ｄを縮めることで下腿部１６が後方に回転す
る。 ４本のアクチュエータと４本のワイヤで、足首関節２６
のＸ軸回りの回転角（前記２の回転）と、足首関節２６
のＹ軸回りの回転角（前記１の回転）と、膝関節２４回
りの回転角（前記３の回転）が独立に調整できる。４本
のアクチュエータで３軸回りの回転角を調整するため
に、アクチュエータは冗長であるように見える。しかし
ながら、この冗長性を利用して回転角に関する剛性を調
整することができる。なおこの点については後記する。

【００４１】膝関節２４のみならず足首関節２６の回転
角を調整するためのアクチュエータまでもが大腿部１４
に配置されているために、この人工下肢の先端部は軽
く、股関節回りの慣性モーメントは小さい。このため
に、小さなトルクで股関節２２の回りに高速に回転させ
ることができる下肢が得られる。

【００４２】次に股関節２２回りの回転角を調整するワ
イヤとアクチュエータを説明する。図１と図２に示すよ
うに、大腿部１４の上部の所定位置には３個の円弧形状
のワイヤ終端ガイド４８ａ，４８ｂ，４８ｃが３箇所に
取付けられ、それぞれにワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ
が１本ずつ掛けられている。それぞれのワイヤ５０ａ，
５０ｂ，５０ｃの下端はそれぞれワイヤ終端ガイド４８
ａ，４８ｂ，４８ｃの下端４９ａ，４９ｂ，４９ｃに固
定されている。後側に取付けられたワイヤ５０ｃの中程
にはプーリ５４が配置され、プーリ５４は股関節２２の
Ｙ軸よりも後方に位置している。ワイヤ５０ａ，５０
ｂ，５０ｃの上端はそれぞれボールネジ５２ａ，５２
ｂ，５２ｃの可動プレートに接続されている。ボールネ
ジ５２ａ，５２ｂのそれぞれの送りネジはそれぞれ図示
しないモータによって回転するために、送りネジに螺合
している可動プレートはモータの回転によって進退す
る。この結果、ワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの有効長
が伸長・収縮する。なお、ボールネジ５２ａ，５２ｂ，
５２ｃとそのためのモータ５６等は胴体部に配置されて
おり、股関節２２の回りに回転する下肢の慣性モーメン
トを全く増加させない。

【００４３】ボールネジ５２ａ，５２ｂは、股関節２２
のＹ軸よりも前方に位置しており、収縮すると大腿部１
４を股関節２２のＹ軸の回りに前方に回転させる。ワイ
ヤ５０ｃを案内するプーリ５４は股関節２２のＹ軸より
も後方に位置しており、ボールネジ５２ｃが収縮すると
大腿部１４を股関節２２のＹ軸の回りに後方に回転させ
る。なお、骨盤部２８に回転自在な円板３６はモータ３
８によってＺ軸の回りに回転させられる。モータ３８は
骨盤部２８に固定されている。

【００４４】ワイヤ接続点４９ｃは股関節２２のＹ軸よ
りも後方に位置しており、ワイヤ５０ｃが引かれると大
腿部１４は股関節２２のＹ軸回りに後方に回転する。ワ
イヤ接続点４９ｃは股関節２２のＸ軸上に配置されてお
り、ワイヤ５０ｃが引かれても大腿部１４のＸ軸回りの
回転には影響しない。ワイヤ接続点４９ａは股関節２２
のＸ軸よりも外側に位置しており、ワイヤ５０ａが引か
れると大腿部１４は股関節２２のＸ軸回りに回転して大
腿部１４を開ける。ワイヤ接続点４９ｂは股関節２２の
Ｘ軸よりも内側に位置しており、ワイヤ５０ｂが引かれ
ると大腿部１４は股関節２２のＸ軸回りに回転して大腿
部１４を閉じる。大腿部１４を閉じる場合には、ワイヤ
５０ｂを引くと同時にワイヤ５０ａを緩めて大腿部１４
が閉じることを許容する。同様に、大腿部１４を開ける
場合には、ワイヤ５０ａを引くと同時にワイヤ５０ｂを
緩めて大腿部１４が開くことを許容する。大腿部１４を
股関節２２のＸ軸回りに回転させる場合にはワイヤ５０
ｃを操作する必要はない。ワイヤ５０ａ，５０ｂを同時
に引くと大腿部１４は股関節２２のＹ軸回りに前方に回
転して大腿部１４を持ち上げる。この場合には、ワイヤ
５０ｃを緩めて大腿部１４が前方に回転するのを許容す
る。ワイヤ５０ｃを引いて大腿部１４を後方に回転させ
る場合には、同時にワイヤ５０ａ，５０ｂを緩めて大腿
部が下がるのを許容する。

【００４５】以上によって股関節２２は下記のように調
整される。 （１）ボールネジ５２ｃを縮めてボールネジ５２ａ，５
２ｂを緩めることで大腿部１４は後方に回転する。ボー
ルネジ５２ｃを緩めてボールネジ５２ａ、５２ｂを縮め
ることで大腿部１４が前方に回転する。大腿部１４を前
方に持ち上げるには大きなトルクが必要とされるのに対
し、後方に下げるには大きなトルクが要らない。大きな
トルクが必要とされる側に２本のアクチュエータと２本
のワイヤが利用され、小さな力しか必要とされない側に
１本のアクチュエータと１本のワイヤが利用されてい
る。 （２）ボールネジ５２ａを縮めてボールネジ５２ｂを緩
めることで大腿部１４が外向きに持ち上げられる。ボー
ルネジ５２ａを緩めてボールネジ５２ｂを縮めることで
大腿部１４が閉じる。 ３本のアクチュエータと３本のワイヤで、股関節２２の
Ｘ軸回りの回転角（前記２の回転）と、股関節２２のＹ
軸回りの回転角（前記１の回転）が独立に調整できる。

【００４６】股関節２２の回りに大腿部１４を動かすた
めのアクチュエータは胴体側に配置されているために、
大腿部１４を動かす際にはアクチュエータごとに動かす
必要がない。股関節２２回りの慣性モーメントは小さ
い。このために、小さなトルクで股関節２２の回りに下
肢を高速に回転させることができる。

【００４７】図３に明瞭に示されている３本のワイヤ６
６ａ，６６ｂ，６６ｃの中間部には、図１２、図１３に
示すバネ１４０が挿入されている。バネ１４０はバネ鋼
で形成されており、平板部１２２と一対のフランジ１２
６，１２６ともう一対のフランジ対１３０，１３０を備
えている。フランジ対１２６，１２６間にはシャフト１
２８が差し渡され、フランジ対１３０，１３０間にはシ
ャフト１３２が差し渡されている。平板部１２２には、
シャフト１２８，１３２と平行に伸びる峰部１２４が形
成されている。ワイヤ６６は、屈曲しながら、シャフト
１２８の下方、峰部１２４の上方、シャフト１３２の下
方を通過している。図１４に示されるように、ワイヤ６
６が強く引かれると、バネ鋼製の平板部１２２が撓んで
ワイヤ６６は引き伸ばされる。

【００４８】上記のバネ１４０がワイヤに挿入されてい
るために、ボールネジによってワイヤ張力を調整するこ
とができる。図１において、ボールネジ６８ｂの引き込
み量とボールネジ６８ｃの引き込み量が等しく、足部１
８はＸ軸回りに下腿部１６のシャフト４２に直角に調整
されているとする。この状態から、ボールネジ６８ｂと
ボールネジ６８ｃを同一速度でさらに引き込むとする。
この場合、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃは同一速度で引
き込まれるために、足部１８はＸ軸の回りに回転しな
い。しかしながら、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃが引き
込まれるのに応じて、図１４に示すように、バネ１４０
が変形し、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃの張力は増大す
る。即ち、このロボットは、２本のワイヤの一方を引い
て時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方
向に回転させる方式であるために、両方のワイヤを同時
に引き込むことによって、回転角を変えないで、ワイヤ
張力のみを増大させることができる。同様に、両方のワ
イヤを同時に緩めることによって、回転角を変えない
で、ワイヤ張力のみを減少させることができる。

【００４９】ワイヤ張力は関節回りの回転角の剛性を決
定する。例えば、図１の足部１８が地面に接地する場
合、両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、接地した
地面が足部の左側で高くて右側で低い場合に、足部１８
の右側を引き上げているワイヤが伸びて足部１８が地面
の傾斜に倣って傾斜して足部１８の全体が接地する。剛
性が低ければ外部事象に柔軟に追従する。一方におい
て、片側の足部１８が空中にある場合、その空中姿勢に
調整する両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、ロボ
ットにわずかな外力が作用することでワイヤが伸びるた
めに空中姿勢が不安定となる。姿勢を安定させるために
は、剛性が高い方が好ましい。剛性が高い状態の方が、
ボールネジの動きと関節回りの回転角が良く一致し、関
節回りに高速で回転ないし動作させることができる。

【００５０】この実施例のロボットは、２本のワイヤの
うちの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤ
を引いて反時計方向に回転させる方式（プルプル方式）
であり、しかも、ワイヤの中間部に、張力に比例して伸
びるバネを挿入しているために、ロボット姿勢とは独立
に剛性を調整できる。柔軟に追従することが必要なと時
には低剛性とし、姿勢を安定させることが必要な時には
高剛性に調整することができる。

【００５１】プルプル方式と非線形バネとによって、関
節回りの剛性を調整できる理由を、図２１、図２２を参
照しながら説明する。なお、この説明では、２本のワイ
ヤによって足部がＹ軸回りに回転する簡単な例を取り上
げて説明する。図２１は、このような構成を模式的に図
示したものである。図２１に示されているように、足部
３０２は円筒状のプーリ３０３と一体化されている。プ
ーリ３０３は、Ｙ軸３０３ｃの回りに回転可能に軸支さ
れている。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６はプー
リ３０３に巻き付けられ、それぞれの一端はワイヤ接続
点３０３ａ、３０３ｂでプーリ３０３に接続されてい
る。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６の他端は、そ
れぞれ前方アクチュエータ３１２と後方アクチュエータ
３１４に接続されている。前方アクチュエータ３１２と
後方アクチュエータ３１４は、固定部材３２２、３２４
に固定されている。アクチュエータ３１２、３１４は、
ワイヤ３０４、３０６を引き込んだり、緩めたりする。
ワイヤ３０４、３０６の途中には、前方非線形バネ３０
５と後方非線形バネ３０７が装着されている。

【００５２】図２２は、前方非線形バネ３０５と後方非
線形バネ３０７のバネ特性を示すグラフである。縦軸
（ｙ軸）はバネ力を示し、横軸（ｘ軸）はバネの伸び量
を示している。ｙ軸の右側のカーブが後方非線形バネ３
０７のバネ特性を表し、ｙ軸の左側が前方非線形バネ３
０５のバネ特性を表している。図２２から明らかなよう
に、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７のバ
ネ特性は、その伸びが大きくなると急にバネ力が大きく
なる（カーブの傾斜が急になる）非線形性を有してい
る。すなわちフックの法則には従わない。図２２を用い
て、足部３０２の回転軸３０３ｃ回りの剛性が調整され
る様子を具体的に説明する。例えば、バネ３０５、３０
７の伸び量がゼロで足部３０２の角度が所定位置に調整
されたときのアクチュエータ３１２、３１４の作動量か
らアクチュエータ３１２、３１４がさらにＡ（ｍｍ）ず
つ引き込まれとする。するとバネ３０５、３０７が伸
び、Ｂ（ｋｇ）のバネ力が発生する（点Ｄ、点Ｆ参
照）。ワイヤ張力はＢ（ｋｇ）に調整される。前方ワイ
ヤ３０４と後方ワイヤ３０６の張力は等しいので、足部
３０２は回転せず、調整された位置を保つ。この状態で
足部３０２に時計方向のモーメントを加えて回転させ、
後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びたとする（点Ｄ→点
Ｅ）。一方、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びると、こ
れと等しい量（Ｃ（ｍｍ））前方バネ３０５は縮む（点
Ｆ→点Ｇ）。従って、足部３０２を回転させてバネ（３
０５、３０７）をＣ（ｍｍ）伸縮させるのには、点Ｅと
点Ｇのバネ力の差であるＨ（ｋｇ）の力をプーリ３０３
に加える必要がある。

【００５３】アクチュエータ３１２、３１４がさらに大
きくＪ（ｍｍ）ずつ引き込まれたとする（点Ｌ、点
Ｍ）。このときにバネ３０５、３０７が発生するバネ力
はＫ（ｋｇ）である。この場合でも、ワイヤ３０４、３
０６の張力は等しいので、足部３０２は回転せずにその
ままの位置を保つ。この状態で足部３０２に時計方向の
モーメントが加わって、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸
びたとする（点Ｌ→点Ｎ）。前方バネ３０５はＣ（ｍ
ｍ）縮む（点Ｍ→点Ｐ）。従って、足部３０２を回転さ
せてバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに
は、点Ｎと点Ｐのバネ力の差であるＱ（ｋｇ）の力をプ
ーリ３０３に加える必要がある。

【００５４】アクチュエータ３１２、３１４がＡ（ｍ
ｍ）引き込まれて実現された張力Ｂの状態からバネ３０
７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに必要な力は、Ｈ
（ｋｇ）である。アクチュエータ３１２、３１４がＪ
（ｍｍ）引き込まれて実現された張力Ｋの状態からバネ
３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに必要な力
は、Ｑ（ｋｇ）である。明らかにＱ（ｋｇ）の方が、Ｈ
（ｋｇ）よりも大きい。すなわち、アクチュエータ３１
２、３１４を大きく引き込んで、大きな張力をワイヤ３
０４、３０６に発生させているときの方が、足部３０２
の剛性（足部３０２を所定角回転させるに要するＹ軸回
りの回転モーメント）は高くなる。アクチュエータ３１
２、３１４がワイヤ３０４、３０６を引き込む量を変化
させることによって、足部３０２の剛性を調整すること
ができる。プルプル方式と非線形バネ組合せて用いる
と、関節の回転角と独立に、剛性を調整することができ
る。

【００５５】図２２のバネ特性グラフの傾斜角が剛性に
比例する。そこで、その傾斜角が意図した剛性に相当す
るバネの伸び量を求め、その伸び量を与えることで、意
図した剛性に調整することができる。ロボットの姿勢に
かかわらず、回転中心からワイヤにおろした垂線の長
さ、即ちモーメントの腕の長さがほぼ一定であれば、剛
性から張力ないし伸び量を決定することができる。しか
しながら、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、
即ちモーメントの腕の長さが変化する場合には、剛性か
ら張力を決定するまでの間にモーメントの腕の長さを考
慮しなければならない。例えば、ともにワイヤ張力が１
ｋｇであるとする。このとき、回転中心からその１ｋｇ
の張力の作用点までの長さが１０ｃｍ（ケース１）と２
０ｃｍ（ケース２）とする。このとき、ケース２の方が
モーメントの腕の長さが長く、モーメントも大きい。ケ
ース２の方が、同じ張力でありながら、外力に抗して関
節回転角を所定値に維持する程度は強い。剛性は、張力
とモーメントの腕の長さによって決まる。コントローラ
の第２計算部が、剛性が指定されたときに、指定された
剛性とそのときのモーメントの腕の長さから指定された
剛性に調整するのに必要な張力を計算し、次いで、その
張力に調整するのに必要なワイヤの伸びの長さを計算す
ると、ロボットの姿勢によらないで関節回りの柔軟性を
指定された剛性に調整することができる。

【００５６】本発明を首関節に具現化した第２の実施例
を図１５〜図２０を参照して説明する。図１５はロボッ
トの首関節の構造を説明するための図であり、図１６〜
図２０は頭部の動きを説明する図である。

【００５７】図１５は首関節８０の構造を説明するため
にデフォルメした図であり、実際の形状や寸法とは必ず
しも一致しない。首関節８０は、頭部８２と胴体部２０
の鎖骨部８４とを接続している。頭部８２の下部には円
筒形状のフランジ８６が下方に伸びており、このフラン
ジ８６はＺ軸方向に伸びる軸孔８６ａを有している。頭
部８２の下方には短いシャフト８８が位置し、その上部
には軸９０が上方に伸びている。頭部８２のフランジ８
６の軸孔８６ａにはシャフト８８の軸９０が挿入され、
頭部８２はシャフト８８によってＺ軸回りに回転可能で
ある。

【００５８】このシャフト８８の下部にはＸ軸方向に平
行に並んだ２つのフランジ９２が下方に伸びている。ま
た、鎖骨部８４の上面にはＹ軸方向に平行に並んだ２つ
のフランジ９４が上方に伸びている。これらシャフト８
８のフランジ９２と鎖骨部８４のフランジ９４は十字型
自在継手９６によって接続されてユニバーサルジョイン
トの形態を成しており、シャフト８８は鎖骨部８４に対
してＸ軸回りとＹ軸回りに相互に独立に回転可能に接続
されている。即ち、首関節８０はＸ軸回りとＹ軸回りと
Ｚ軸回りに相互に独立に回転可能に接続されており、
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のそれぞれについて自由度を持つ。

【００５９】頭部８２と胴体部８４の間には、頭部８２
をＸ、Ｙ，Ｚ軸の３軸の回りに回転させるために、４本
のワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄが張られてい
る。４本のワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄのそ
れぞれの上端は、頭部８２の下部に取付けられた図示し
ない４つのワイヤ終端ガイドにガイドされ、ワイヤ接続
点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄに固定されている。
鎖骨部８４のフランジ９４の両外側にはフランジ９４に
平行に長穴８４ａ，８４ｂが設けられている。鎖骨部８
４の下方には、図示しない４つのプーリが配されてい
る。ワイヤ９６ａ，９６ｂは長穴８４ａを貫通して鎖骨
部８４の下方へ抜け、それぞれが別のプーリに巻き付け
られている。ワイヤ９６ｃ，９６ｄは長穴８４ｂをそれ
ぞれ貫通して鎖骨部８４の下方へ抜け、それぞれが別の
プーリに巻き付けられている。これらのワイヤ９６ａ，
９６ｂ，９６ｃ，９６ｄの下端は図示しないアクチュエ
ータに接続され、第１実施例と同様な機構によりワイヤ
の有効長が伸長・収縮する。なお、モータでプーリを回
転させてそのプーリにワイヤを巻き込むことでワイヤの
有効長を増減しても良い。ワイヤ接続点９８ａ，９８
ｂ，９８ｃ，９８ｄのうち、９８ａ，９８ｂはＸ軸の右
側にあり、９８ｃ，９８ｄはＸ軸の左側にある。９８
ｂ，９８ｃはＹ軸の後方にあり、９８ａ，９８ｄはＹ軸
の前側にある。ワイヤ接続点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，
９８ｄは、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれの両側に分布してい
る。

【００６０】次にワイヤの有効長の伸長・収縮による頭
部８２の動きについて説明する。図１６〜２０は頭部８
２の動きを説明するための模式図であり、図１６、１７
はＸ軸回りの回転を説明するための図であり、図１８，
１９はＹ軸回りの回転を説明するための図であり、図２
０はＺ軸回りの回転を説明するための図である。図１
６、１８、２０は頭部８２の平面図であり、図１７は頭
部８２の背面図であり、図１９は頭部８２の左側面図で
ある。ワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄの終端は
ワイヤ終端ガイドの図示を省略し、ワイヤ接続点９８
ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄのみで示してある。図１６
から明らかに、Ｚ軸の回りに順に時計方向に接続点９８
ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄを見たときに、ワイヤ群
は、接続点９８ａでは時計方向のモーメントを加え、接
続点９８ｂでは反時計方向のモーメントを加え、接続点
９８ｃでは時計方向のモーメントを加え、接続点９８ｄ
では反時計方向のモーメントを加える。即ち、ワイヤ群
９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄは、Ｚ軸回りのモーメ
ントが交互に反転する向きに引張られている。

【００６１】図１６，１７は、ワイヤ接続点９８ａ，９
８ｂに接続されているワイヤ９６ａ，９６ｂの有効長を
等しく収縮させ、ワイヤ接続点９８ｃ，９８ｄに接続さ
れているワイヤ９６ｃ，９６ｄの有効長を等しく伸長さ
せた場合を示している。このとき、頭部８２は図１７の
破線で示すようにＸ軸の回りに矢印の方向に回転する。
また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、頭部
８２は矢印と逆方向に回転する。即ち、このようにワイ
ヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８２をＸ軸の
回りに自在に回転させることができる。

【００６２】図１８，１９は、ワイヤ接続点９８ａ，９
８ｄに接続されているワイヤ９６ａ，９６ｄの有効長を
等しく伸長させ、ワイヤ接続点９８ｂ，９８ｃに接続さ
れているワイヤ９６ｂ，９６ｃの有効長を等しく収縮さ
せた場合を示している。このとき、頭部８２は図１９の
破線で示すようにＹ軸の回りに矢印の方向に回転する。
また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、頭部
８２は矢印と逆方向に回転する。即ち、このようにワイ
ヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８２をＹ軸の
回りに自在に回転させることができる。

【００６３】図２０は、ワイヤ接続点９８ａ，９８ｃに
接続されているワイヤ９６ａ，９６ｃの有効長を等しく
伸長させ、ワイヤ接続点９８ｂ，９８ｄに接続されてい
て反時計方向のモーメントを与えるワイヤ９６ｂ，９６
ｄの有効長を等しく収縮させた場合を示している。この
とき、頭部８２は図２０の破線で示すように、Ｚ軸の回
りに反時計方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸
長・収縮を逆にすると、頭部８２は時計方向に回転す
る。即ち、このようにワイヤ有効長の伸長・収縮を調整
すると、頭部８２をＺ軸の回りに自在に回転させること
ができる。

【００６４】また、図示はしないが、頭部８２を次のよ
うに動かすことも可能である。図２０のように、ワイヤ
９６ａ，９６ｃの有効長を伸長させ、ワイヤ９６ｂ，９
６ｄの有効長を収縮させるとき、ワイヤ９６ａの伸長量
とワイヤ９６ｄの収縮量を等しく減少させ、ワイヤ９６
ｃの伸長量とワイヤ９６ｂの収縮量を等しく増加させ、
これらの伸長量・収縮量の増減量を等しくすると、Ｚ軸
回りに矢印の方向に回転して頭部が左側を向き、且つ、
図１７のようにＸ軸回りに矢印の方向に回転して左側が
上がる。更に、ワイヤ９６ａの伸長量とワイヤ９６ｂの
収縮量を等しく増加させ、ワイヤ９６ｃの伸長量とワイ
ヤ９６ｄの収縮量を等しく減少させ、これらの伸長量・
収縮量の増減量を等しくすると、図１９のようにＹ軸回
りに矢印の方向にも回転して前側も上がる。即ち、この
ようにワイヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８
２をＸ軸についてもＹ軸についてもＺ軸についても自在
に回転させることができる。Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸に対して
４本のワイヤ、即ち、軸数＋１本のワイヤを用いること
によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸について互いに独立に回転角を
調整することが可能である。

【００６５】本発明のロボットはワイヤ駆動であり、各
関節にアクチュエータを実装する必要がない。アクチュ
エータを関節から離れた位置に実装することができるた
め、関節を小型化、軽量化することができ、アクチュエ
ータの実装位置の自由度が上がる。また、本発明の場
合、ワイヤ数は２軸の関節に対しては３本、３軸の関節
に対しては４本、即ち、１関節に対して軸数＋１本でよ
い。必要とするワイヤ数とアクチュエータ数が少数化す
るため、四肢等のスリム化や軽量化が図れる。これらの
ことにより、必要とする動力を小さくすることができる
ため、末端側部材の動きを高速化することができ、外観
的にも動作的にも人間や動物に類似したロボットを実現
することが可能となる。

【００６６】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性
を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。

【００６７】従って、例えば、以下に記載するように構
成することもできる。 （１）アクチュエータ群は大腿部に配置されることに限
られるものではない。例えば、上肢の上腕部にアクチュ
エータ群を配置し、個々のアクチュエータが動作して上
腕に対して前腕が回転されたり、前腕に対して手部が回
転されたりするように構成することができる。

【００６８】（２）上述したボールネジのコントローラ
は、関節の回転角と張力とが入力されているが、張力に
代えて関節の剛性を入力するように構成してもよい。こ
のような構成では、コントローラは、関節の回転角から
末端側部材（例えば、足部）の回転中心とワイヤの接続
点との間のモーメントアームを計算し、このモーメント
アームから関節が所望の剛性となるワイヤの張力を計算
する。そして、ワイヤの張力を計算された値とするボー
ルネジの作動量がボールネジに出力される。モーメント
アームが末端側部材の回転にともなって大きく変化する
構成（ワイヤ終端ガイドが存在しないような構成）にお
いては、上記のように張力に代えて剛性をコントローラ
に入力し、これを計算処理することにより、関節の剛性
をより正確にコントロールすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施例のロボットの両下肢の正面図。

【図２】 同ロボットの左下肢の側面図。

【図３】 同ロボットの足首関節の構造を説明するため
の図。

【図４】 同ロボットのボールネジの詳細を説明する
図。

【図５】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図６】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図７】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図８】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図９】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図１０】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図１１】 従来のワイヤ駆動のロボットの足部の動き
を説明する図。

【図１２】 本実施例のロボットの足部の動きを説明す
る図。

【図１３】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図１４】 同ロボットの足部の動きを説明する図。

【図１５】 本実施例のロボットの首関節の構造を説明
するための図。

【図１６】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。

【図１７】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。

【図１８】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。

【図１９】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。

【図２０】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。

【図２１】 ロボットの関節の剛性を説明する図。

【図２２】 ロボットの関節の剛性を説明するグラフ。

【符号の説明】

１０：ロボット １２：下肢部 １４：大腿部 １６：下腿部 １８：足部 ２０：胴体部 ２２：股関節 ２４：膝関節 ２６：足首関節 ２８：骨盤部 ３０：シャフト ３２：ユニバーサルジョイント ３４：ベアリング ３６：円板 ３８：アクチュエータ ４０：フランジ ４２：シャフト ４４：フランジ ４６：軸 ４８ａ，４８ｂ，４８ｃ：ワイヤ終端ガイド ４９ａ，４９ｂ，４９ｃ：ワイヤ接続点 ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ：ワイヤ ５２ａ，５２ｂ，５２ｃ：ボールネジ ５４：プーリ ５６：アクチュエータ ５８：フランジ ６０：フランジ ６２：十字型自在継手 ６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ：プーリ ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ：ワイヤ ６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄ：ボールネジ ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ：ワイヤ終端ガイド ７２ａ，７２ｂ，７２ｃ：ワイヤ接続点 ８０：首関節 ８２：頭部 ８４：鎖骨部 ８４ａ，８４ｂ：長穴 ８６：フランジ ８６ａ：軸孔 ８８：シャフト ９０：軸 ９２：フランジ ９４：フランジ ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄ：ワイヤ ９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄ：ワイヤ接続点 １０２：フランジ １０４：可動プレート １０６：フランジ １０８：案内ロッド １１０：案内ロッド １１２：案内ロッド １１４：モータ １１６：ギヤ １１８：ギヤ １２０：送りネジ １２２：平板部 １２４：峰部 １２６：フランジ １２８：シャフト １３０：フランジ １３２：シャフト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 博允 東京都文京区本郷７丁目３番１号 東京大 学内 (72)発明者 川瀬 昌男 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 津坂 祐司 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2C150 BA08 CA01 CA02 CA04 DA04 DA05 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC25 EC29 ED10 ED11 ED39 ED42 ED52 EF07 EF09 EF16 EF17 EF22 EF23 EF29 EF33 EF36 3C007 CS08 CY40 HS27 HT04 HT20 WA02 WA13 WA14 WC24

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大腿部と、その大腿部に膝関節を介して
   接続された下腿部と、その下腿部に足首関節を介して接
   続された足部と、大腿部に対して下腿部を回転させるア
   クチュエータと、下腿部に対して足部を回転させるアク
   チュエータとを備え、前記アクチュエータ群が大腿部に
   取付けられているロボット。
2. 【請求項２】 下腿部用アクチュエータと下腿部がワイ
   ヤで接続され、足部用アクチュエータと足部が膝関節周
   縁を通過するワイヤで接続されている請求項１のロボッ
   ト。
3. 【請求項３】 下腿部用アクチュエータと下腿部がワイ
   ヤで接続されて下腿部が後方に引かれ、第１の足部用ア
   クチュエータと足部の前部が膝関節前側を通過する別の
   第１ワイヤで接続されて足部の前部が上方に引かれ、第
   ２の足部用アクチュエータと足部の後部が膝関節前側を
   通過する別の第２ワイヤで接続されて足部の後部が上方
   に引かれ、第１と第２の足部用アクチュエータで第１と
   第２ワイヤを共に引くことで下腿部が前方に引かれる請
   求項１のロボット。
4. 【請求項４】 下腿部用アクチュエータと下腿部がワイ
   ヤで接続されて下腿部が後方に引かれ、第１の足部用ア
   クチュエータと足部の前部が膝関節前側を通過する別の
   第１ワイヤで接続されて足部の前部が上方に引かれ、第
   ２の足部用アクチュエータと足部の後部外側が膝関節前
   側を通過する別の第２ワイヤで接続されて足部の後部外
   側が上方に引かれ、第３の足部用アクチュエータと足部
   の後部内側が膝関節前側を通過する別の第３ワイヤで接
   続されて足部の後部内側が上方に引かれ、第２と第３の
   足部用アクチュエータで第２と第３ワイヤを共に引くこ
   とで足部の後部が上方に引かれ、第１と第２と第３の足
   部用アクチュエータで第１と第２と第３のワイヤを共に
   引くことで下腿部が前方に引かれる請求項１のロボッ
   ト。
5. 【請求項５】 下腿部用アクチュエータと下腿部がワイ
   ヤで接続されて下腿部が後方に引かれ、第１の足部用ア
   クチュエータと足部の前部外側が膝関節前側を通過する
   別の第１ワイヤで接続されて足部の前部外側が上方に引
   かれ、第２の足部用アクチュエータと足部の前部内側が
   膝関節前側を通過する別の第２ワイヤで接続されて足部
   の前部内側が上方に引かれ、第３の足部用アクチュエー
   タと足部の後部が膝関節前側を通過する別の第３ワイヤ
   で接続されて足部の後部が上方に引かれ、第１と第２の
   足部用アクチュエータで第１と第２ワイヤを共に引くこ
   とで足部の前部が上方に引かれ、第１と第２と第３の足
   部用アクチュエータで第１と第２と第３のワイヤを共に
   引くことで下腿部が前方に引かれる請求項１のロボッ
   ト。
6. 【請求項６】 上腕部と、その上腕部に肘関節を介して
   接続された前腕部と、その前腕部に手首関節を介して接
   続された手部と、上腕部に対して前腕部を回転させるア
   クチュエータと、前腕部に対して手部を回転させるアク
   チュエータとを備え、前記アクチュエータ群が上腕部に
   固定されているロボット。