JP2005253127A

JP2005253127A - 関節アクチュエータ

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Publication number: JP2005253127A
Application number: JP2004056042A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kawano; 洋川野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: JP4376660B2

Abstract

【課題】低速域で高トルク性能を発揮し、減速器を搭載する必要をなくして歩行ロボットの軽量化を可能とする関節アクチュエータの提供。
【解決手段】歩行ロボットの脚部βのそれぞれにおける関節部Ａに適用される駆動用のアクチュエータであって、関節部Ａに、所定の交流電圧を印加したときに固有振動を振動する圧電振動子１１，１２を積層して、外接振動端面Ｓ上に任意の振動を励振する固定子１と、固定子１の外接振動端面Ｓ上に励振された振動を固定子１との外接接触により回転運動として伝達される回転子２と、固定子１と回転子２とに所要の予圧力を与える予圧手段５，６１，６２とを具備して、予圧手段５，６１，６２により固定子１の外接振動端面Ｓ上に励振した振動に基づき回転子２に回転運動を強制付与して、回転運動を関節部Ａに伝達することで、関節上部Ａ１と関節下部Ａ２との屈曲をなすよう構成される特徴的構成手段の採用。
【選択図】図１

Description

本発明は、関節アクチュエータに関し、詳しくは、歩行ロボットの２以上の脚部のそれぞれにおいて、関節上部と関節下部とを屈曲駆動するための関節部に適用されるアクチュエータに係わる。

近年、二足歩行が可能な二足歩行ロボットが実現され、その歩行性能向上を目指した研究が行われている。二足歩行ロボットの歩行技術として、歩行時における足の着地時の衝撃に耐えるための技術として以下に示す非特許文献１が、知られている。

金広文雄，金子健二，梶田秀司，横井一仁，藤原清司，比留川博久，川崎俊和，平田勝，五十棲隆勝，「人間協調・共存型ロボットシステムプロジェクトのロボットプラットフォームの開発」，日本ロボット学会誌，２００３年，第２１巻，第２号，ｐ．２０１〜２１１

非特許文献１には、歩行時における足の着地時の衝撃に耐えるための策として、二足歩行ロボットの膝が立っている場合にも歩いている場合にも、曲がっている状態としたものであり、その結果、二足歩行ロボットの姿勢はいつでも腰を後ろに出した状態とする、いわゆるへっぴり腰となっていた。そこで、二足歩行ロボットの歩行姿勢をよくするための技術として以下に示す非特許文献２及び３が知られている。

Tetsuya Kinugasa，Yoshinori Hashimoto，Hideaki Fushimi，"Passive Walking of Biped Emu with Attitude Control of Body"，Proceedings of 2003 IEEE/RSJ，International Conference on Intelligent Robots and Systems，October 2003，P.346〜351 岡田昌史，後藤達哉，中村仁彦，「歩行ロボットの従反力運動を実現する膝関節機構」，第２０回日本ロボット学会学術講演会予稿集，２００２年９月，１Ｃ１９

しかしながら、二足歩行ロボットの関節に利用されるアクチュエータとしては、電磁式のサーボモータを利用するものがあるが、電磁式サーボモータは、重量の割にトルクが小さく、単体では二足歩行ロボットの歩行に必要なトルクを発することができないので、適当な減速器とともに使用されている。

そのため、関節数の多い二足歩行ロボットの重量の増大につながり、ロボットの運動性能の低下の原因となっていた。特に、二足歩行ロボットの膝部分に採用されるアクチュエータのトルクは大幅に不足しているため、走行が可能な二足歩行ロボットは実現されていない。

さらに、歩行姿勢をよくするための研究として、非特許文献２に開示された、歩行運動を体が倒れ続ける運動と解釈したパッシブウォークと呼ばれる歩行手法があるが、この場合、二足歩行ロボットの足が着地していないときには、膝の関節がトルクフリーになる必要がある。

しかし、電磁式サーボモータをアクチュエータに利用した二足歩行ロボットで関節部においてトルクフリーな状態を実現するためには、非特許文献３に開示された技術のように、別途クラッチ機構を関節部に追加しなければならないため、関節部の機構が複雑化してしまうという問題があった。

ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。

即ち、本発明の第１の目的は、超音波モータを関節部に利用することで、関節部の屈曲駆動に低速域で高トルク性能を発揮し、減速器を搭載する必要をなくして歩行ロボットの軽量化を可能とする関節アクチュエータを提供せんとするものである。

本発明の第２の目的は、超音波モータに与える予圧力を、足が着地したときに最大、遊脚となったときに最小になるよう切り替え可能とすることで、足が着地したときには関節部に高いトルクを発生する一方、遊脚となったときには関節部をトルクフリーの状態にして、簡易な機構によりパッシブウォークが可能な関節アクチュエータを提供せんとするものである。

本発明の他の目的は、明細書、図面、特に、特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかになろう。

本発明装置においては、歩行ロボットの脚部のそれぞれにおける関節部に適用される駆動用のアクチュエータであって、関節部に、所定の交流電圧を印加したときに固有振動を振動する圧電振動子を積層して、外接振動端面上に任意の振動を励振する固定子と、固定子の外接振動端面上に励振された振動をこの固定子との外接接触により回転運動として伝達される回転子と、固定子と回転子とに所要の予圧力を与える予圧手段とを具備して、この予圧手段により固定子の外接振動端面上に励振した振動に基づき回転子に回転運動を強制付与して、この回転運動を関節部に伝達することで、関節上部と関節下部との屈曲をなすよう構成されてなる、特徴的構成手段を講じる。

さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、前記目的を達成するよう為される。

即ち、本発明装置の第１の特徴は、歩行ロボットの２以上の脚部のそれぞれにおいて、関節部の関節上部と関節下部とを屈曲駆動するための当該関節部に適用されるアクチュエータであって、当該関節部に、所定の交流電圧を印加したときに固有振動を振動する圧電振動子を積層して、外接振動端面上に任意の振動を励振する固定子と、前記固定子の前記外接振動端面上に励振された振動を当該固定子との外接接触により回転運動として伝達される回転子と、当該固定子と当該回転子とに所要の予圧力を与える予圧手段とを具備して、当該予圧手段により前記固定子の前記外接振動端面上に励振した振動に基づき前記回転子に前記回転運動を強制付与して、当該回転運動を前記関節部に伝達することで、前記関節上部と前記関節下部との屈曲をなすよう構成されてなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記関節アクチュエータが、下端を前記回転子に固着されて突立する一方、上端を前記関節上部上方に臨む大腿部と連結されて、当該回転子に付与された前記回転運動を当該大腿部に伝達するシャフトと、前記固定子の振動の節となる部位にて前記圧電振動子とともに一体積層固定されて、当該固定子を中空に懸架するとともに前記関節下部下方の前記歩行ロボットの歩行面に着地する足部と枢結された固定子懸架部とを具備してなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記関節アクチュエータが、上端を前記回転子に固着されて突垂する一方、下端を前記関節下部下方に臨む歩行ロボットの歩行面に着地する足部と枢結されて、当該回転子に付与された前記回転運動を当該足部に伝達するシャフトと、前記固定子の振動の節となる部位にて前記圧電振動子とともに一体積層固定されて、当該固定子を中空に懸架するとともに前記関節上部上方に臨む大腿部と連結された固定子懸架部とを具備してなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第２又は第３の特徴における前記予圧手段が、前記回転子を空転可能に把持する回転子空転把持部と、当該回転子と前記固定子を中に置いて対称配置かつ当該回転子空転把持部と前記固定子懸架部との間に亙り張架されて、前記回転子と前記固定子とを圧接する予圧発生弾性体群とを有し、当該予圧発生弾性体群が、当該予圧発生弾性体群下端に作用する重力と拮抗する引張弾性力を常時付勢するよう予め所要の伸張量を与えて張架されてなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第４の特徴における前記予圧発生弾性体群が、前記脚部が前記足部にて前記歩行面に着地しているときには、前記回転子と前記固定子とを圧接するよう前記引張弾性力を付勢する一方、当該足部が当該歩行面から離隔し前記脚部が遊脚となったときには、前記回転子と前記固定子とを前記予圧発生弾性体群下端に作用する重力による当該予圧発生弾性体群の伸張量分だけ前記引張弾性力を減ずるとともに、当該足部を釣支可能となる弾性定数を有してなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第２、第３、第４又は第５の特徴における前記アクチュエータが、前記固定子懸架部と対向配置された中立均衡部と、当該中立均衡部と当該固定子懸架部間に亙り前記予圧発生弾性体群の外方対側に均衡力発生弾性体群を並行張架し、当該均衡力発生弾性体群が、当該中立均衡部が関節上部に配置された場合は圧縮弾性力を常時付勢発揮し、当該中立均衡部が関節下部に配置された場合は引張弾性力を常時付勢発揮する弾性特性を有してなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第６の特徴における前記中立均衡部が、前記シャフトを上下滑動可能に貫通支承する軸受を有してなる、関節アクチュエータの構成採用にある。

本発明によれば、歩行ロボットの関節部に超音波モータを採用することにより、減速器等を搭載することなく、低速域にて高トルクを発揮することが可能となり、歩行ロボット全体の軽量化が可能になる。また、歩行ロボットの足が歩行面に着地している時に歩行ロボットの関節部に最大のトルクを発生することができる一方、遊脚となったときには、関節部のトルクをフリーとすることが可能であることから、パッシブウォークを簡単なモデルで実現可能である。

さらに、関節部の屈曲時に発生するトルクを、屈曲の際の伸張側と収縮側とに配置した弾性体群の伸び量の差により打ち消すことにより、歩行ロボットの歩行動作を、簡単な機構により実現することが可能となり、さらなる歩行ロボット全体の軽量化が可能である。

以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、その実施形態例１及び２を順に説明する。

（実施形態例１）
まず、図１は、本発明の実施形態例１に係る関節アクチュエータの一部断面にて示した側面図であり、２以上の脚部βを備えた歩行ロボットの片足が歩行面Ｇに着地している状態を示している。

同図に示すように、本実施形態例１に係る関節アクチュエータα１は、例えば２足歩行等の多脚歩行用の歩行ロボットの２以上の脚部βのそれぞれにおいて、関節部Ａの関節上部Ａ１と関節下部Ａ２とを屈曲駆動するための関節部Ａに適用されるアクチュエータであって、この関節部Ａに、所定の交流電圧を印加したときに、例えば、それぞれ、ピッチ方向にたわみ振動を行う圧電振動子１１と、上下方向に伸縮振動を行う圧電振動子１２とを積層し、圧電振動子１１と圧電振動子１２とを９０度の位相差を持たせて機械振動させることで外接振動端面Ｓ上に任意の振動を励振する固定子１を具備する。

加えて、関節アクチュエータα１は、固定子１の外接振動端面Ｓ上に励振された振動を固定子１との外接接触により回転運動として伝達される、例えば、側面にて回転運動を行う円柱もしくは球等の球面を有する回転子２と、固定子１と回転子２とに所要の予圧力を与える予圧手段とを具備して、ここで、例えば、回転子２は回転中心をＯとし、回転子２に円柱を採用した場合には、関節上部Ａ１と関節下部Ａ２との屈曲は１軸方向の回転運動、即ち、傾斜のみであり、本実施形態例１に係る発明では、ギアやプーリ等の減速器は一切使用していない。

即ち、関節アクチュエータα１は、固定子１と、回転子２と、予圧手段を備えた超音波モータを具備して、さらに、本実施形態例１では、下端が回転子２に固着されて突立する一方、上端にて関節上部Ａ１上方に臨む、例えば、この歩行ロボットの他の脚部βと連結された大腿部Ｂと接続されて、回転子２に付与された回転運動を大腿部Ｂに伝達するシャフト３ａと、固定子１を中空に懸架するとともに関節下部Ａ２下方の歩行ロボットの歩行面Ｇに着地する、例えば、足首関節部Ｃ１と着地部Ｃ２とからなる足部Ｃと枢結された固定子懸架部４ａとを具備するようにしている。

なお、固定子懸架部４ａは、固定子１に、圧電振動子１１，１２とともに一体に、外接振動端面Ｓに励振する振動の影響が少ない場所、即ち、固定子１の中央等の固定子１が励振する振動の節となる部位に積層固定されるとよく、これにより、固定子１の振動が固定子懸架部４ａに伝達されるのを防ぐことができる。

ここで、関節アクチュエータα１が搭載する予圧手段は、例えば、ボールベアリング５１を有して回転子２を空転可能に把持する回転子空転把持部５と、この固定子１と回転子２を中に置いて対称配置かつ回転子空転把持部５と固定子懸架部４ａとの間に亙り張架されて、回転子２と固定子１とを圧接する予圧発生弾性体群６１，６２とを有して構成されるとよい。

この予圧発生弾性体群６１，６２は、予圧発生弾性体群６１，６２下端に作用する重力と拮抗する引張弾性力を付勢するよう予め所要の伸張量を与えて張架されることで、関節アクチュエータα１が搭載された脚部βが歩行面Ｇに着地しているときに、シャフト３ａの上端に固定された部材の大腿部Ｂ等に作用する重力の全てが予圧力として、シャフト３ａを介して固定子１と回転子２とに作用させることができ、固定子１と回転子２とに十分な予圧力を付与することが可能になる。

さらに、関節アクチュエータα１は、回転子空転把持部５と固定子懸架部４ａに亙る予圧発生弾性体群６１，６２の外方対側に、固定子懸架部４ａと対向配置されかつシャフト３ａを上下滑動可能に貫通支承する、例えば、円筒軸受７１等の軸受を中央に貫着する中立均衡部７間に亙り均衡力発生弾性体群８１，８２を並行張架し、ここで、均衡力発生弾性体群８１，８２は、中立均衡部７が関節上部Ａ１に配置された本実施形態例１では、圧縮弾性力を常時付勢発揮する発条弾性特性を有するよう配置される。

なお、予圧発生弾性体群６１，６２と均衡力発生弾性体群８１，８２とは、関節部Ａが屈曲せずに完全に伸展している状態である０°肢位の状態において、それぞれ回転子２側の固定端が、例えば、水平面Ｐ上になるように配設されることで、最大の予圧力の付与、及びトルクの補償を為すものの、例えば、回転子空転把持部５や中立均衡部７のそれぞれの弾性体固定端を所要の高さにて固定可能に構成されることで、規定の弾性体に対応させることも可能である。

また、関節アクチュエータα１は、関節部Ａにおいて、例えば、関節上部Ａ１が関節下部Ａ２の前方には屈曲させない等の関節部Ａの可動域に制限をつける場合には、回転子２の外接球面上の所定位置に回転ストッパ９が固定されることで、回転子２の回転運動が所定の傾斜角となったときに、外接振動端面Ｓ上に回転ストッパ９が接触し、この傾斜角以上の傾斜を妨げるように構成されても構わない。

次に、図２は、図１に示した関節アクチュエータが適用された歩行ロボットの片足が歩行面から離れて遊脚になっている状態を一部断面にて示した側面図である。

同図に示すように、本実施形態例１に係る関節アクチュエータα１の予圧発生弾性体群６１，６２は、脚部βが足部Ｃにて歩行面Ｇに着地しているときには、回転子２と固定子１とを圧接するよう引張弾性力を付勢する一方、着地部Ｃ２が歩行面Ｇから離隔し脚部βが遊脚となったときには、回転子２と固定子１とを予圧発生弾性体群６１，６２下端に作用する重力による予圧発生弾性体群６１，６２の伸張量分だけ引張弾性力を減ずるとともに、足部Ｃを歩行面Ｇから離隔して釣支可能となるよう、弾性定数が設定されるとよい。

このとき、予圧発生弾性体群６１，６２に予め常時付与しておく引張弾性力は、予圧発生弾性体群６１，６２下端に作用する重力程度の、例えば、予圧発生弾性体群６１，６２下端以下の部材に作用する重力未満であれば、回転子２は固定子１の外接振動端面Ｓから離間して固定子１と回転子２との間に予圧力を発生しない。

一方、予圧発生弾性体群６１，６２に予め付与しておく引張弾性力が、予圧発生弾性体群６１，６２下端に作用する重力程度の、例えば、予圧発生弾性体群６１，６２下端以下の部材に作用する重力以上に設定されたときには、固定子１と回転子２とを圧着させたまま予圧力を大幅に減ずることが可能となる。

なお、脚部βが遊脚となったときに、固定子１と回転子２とが多大に離間して足部Ｃが歩行面Ｇから離れない、あるいは予圧発生弾性体群６１，６２が下端以下に接続された部材の重量により、再び弾性力を発揮できない程に延びきってしまわないよう、予圧発生弾性体群６１，６２は、十分に大きな弾性定数を有したものが採用されることが望ましい。

このように、適切な弾性定数を有した予圧発生弾性体群６１，６２を採用することにより、関節アクチュエータα１が適用された歩行ロボットの脚部βが持ち上げられて遊脚になったときには、脚部βが歩行面Ｇに着地していたときに固定子１と回転子２とに作用させていた予圧力を大幅に減ずることができ、関節部Ａにおいて関節上部Ａ１と関節下部Ａ２との姿勢を保持するトルクを発しないようにトルクの発生を切り替え可能にして、例えば、パッシブウォークに最適な構成を為す。

続いて、図３は、図１に示した関節アクチュエータが適用された歩行ロボットの片足の関節部が屈曲した状態を一部断面にて示した側面図である。

関節部Ａを屈曲させたときには、屈曲の角度に応じて関節部Ａに負荷トルクが発生する。そこで、同図に示すように、本実施形態例１に係る均衡力発生弾性体群８１，８２は、例えば、屈曲方向の前後に対称に配置されるとよい。

このとき、回転子２の回転軸は、例えば、関節上部Ａ１と関節下部Ａ２とが紙面内で屈曲を為すようにした場合、回転中心Ｏを通る水平面Ｐは、関節上部Ａ１の傾斜により傾斜面Ｑとなり、回転子２の回転軸は、回転子２の回転中心Ｏを通る紙面との直交軸となる。即ち、均衡力発生弾性体群８１，８２と中立均衡部７とが水平面Ｐ上にて固定された場合、この均衡力発生弾性体群８１，８２の中立均衡部７との固定端は、回転中心Ｏを通る傾斜面Ｑ上となるよう、それぞれ逆方向の伸縮を為す。

これにより、関節部Ａの屈曲時には、均衡力発生弾性体群８１，８２のそれぞれの伸張量は、屈曲の前後においてそれぞれ引張力と圧縮力との差を生じて逆方向の弾性力を発生し、関節部Ａの屈曲方向の前後において、それぞれ関節部Ａにかかる負荷トルクと逆向きのトルクを均衡付勢して、負荷トルクを打ち消すことが可能となる。

なお、均衡力発生弾性体群８１，８２は、中立均衡部７に円筒軸受７１等を有するようにしてシャフト３ａが上下に滑動可能にしたことで、関節部Ａを屈曲させたときにも固定子１と回転子２に対する予圧力を発生することはなく、また、均衡力発生弾性体群８１，８２は、関節部Ａの為す屈曲の前後に対して、例えば、予圧発生弾性体群６１，６２の外方対側に線対称に配設されればよく、予圧発生弾性体６１，６２ともども、２本の弾性体に限定されるものではない。

（実施形態例２）
図４は、本発明の実施形態例２に係る関節アクチュエータの一部断面にて示した側面図であり、２以上の脚部βを備えた歩行ロボットの片足が歩行面Ｇに着地している状態を示している。なお、図１に示したものと同一又は同等な構成要素につき同一の符号を当てるものとし、当該構成要素の詳細な説明については省略するものとする。

同図に示すように、本実施形態例２に係る関節アクチュエータα２は、実施形態例１に示した関節アクチュエータα１の超音波モータを上下倒立させて搭載している。即ち、上端が回転子２に固着されて突垂する一方、下端にて関節下部Ａ１２下方の歩行ロボットの歩行面Ｇに着地する足部Ｃと枢結されて、回転子２に付与された回転運動を足部Ｃに伝達するシャフト３ｂと、固定子１の振動の節となる部位にて圧電振動子１１，１２とともに一体積層固定され、この固定子１を中空に懸架するとともに関節上部Ａ１１上方に臨む大腿部Ｂと連結された固定子懸架部４ｂとを具備するようにしている。

また、本実施形態例２においても、関節部Ａに低速域で高トルク性能を発揮可能な超音波モータを採用していることから、ギアやプーリ等の減速器を使用する必要はなく、さらに、例えば、ボールベアリング５１を有して回転子２を空転可能に把持する回転子空転把持部５と、固定子１と回転子２を中に置いて対称配置かつ回転子空転把持部５と固定子懸架部４ｂとの間に亙り張架されて、回転子２と固定子１とを圧接する予圧発生弾性体群６１，６２とを有した予圧手段を採用することが可能である。

このとき、予圧発生弾性体群６１，６２は、予圧発生弾性体群６１，６２下端に作用する重力と拮抗する引張弾性力を付勢するよう予め所要の伸張量を与えて張架されることで、関節アクチュエータα２が搭載された脚部βが歩行面Ｇに着地しているときに、固定子懸架部４ｂの上端に固定された部材の大腿部Ｂ等に作用する重力の全てが予圧力として、固定子懸架部４ｂを介して固定子１と回転子２とに作用させることができ、固定子１と回転子２とに十分な予圧力を付与することが可能になる。

また、予圧発生弾性体群６１，６２は、例えば、脚部βが足部Ｃにて歩行面Ｇに着地しているときには、回転子２と固定子１とを圧接するよう引張弾性力を常時付勢する一方、脚部βが遊脚となったときには、回転子２と固定子１とを予圧発生弾性体群６１，６２下端に作用する重力による予圧発生弾性体群６１，６２の伸張量分だけ引張弾性力を減ずるとともに、足部Ｃを釣支可能となるよう、弾性定数が設定されるとよい。

なお、予圧発生弾性体群６１，６２と引張弾性力を常時付勢発揮する発条弾性特性を有する均衡力発生弾性体群８１，８２とは、関節アクチュエータα２を屈曲させていない０°肢位の状態時において、それぞれ回転子２側の固定端が、例えば、回転子２の回転中心Ｏを通る水平面Ｒ上になるように配設されることで、最大の予圧力の付与、及びトルクの補償を為すものの、例えば、回転子空転把持部５や中立均衡部７のそれぞれの弾性体固定端を所要の高さに設定することで、規定の弾性体に対応させることも可能である。

以上、本発明の実施形態につき、その実施形態例１及び２を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、前述の効果を有する範囲内において、随時、変更実施することが可能なものである。

例えば、予圧手段は、回転子空転把持部５と予圧発生弾性体６１，６２とで構成されることに限定されるものではなく、固定子１と回転子２とに所要の予圧力を付与して、振動する固定子１の外接振動端面Ｓ上にて回転子２を摩擦駆動させることにより回転子２に任意の回転運動の強制付与を可能とするものであれば、例えば、磁力や気圧等を用いて予圧力を付与することで関節アクチュエータα１，α２を駆動することも可能である。

また、中立均衡部７は、均衡力発生弾性体群８１，８２の一端が固着されて、シャフト３ａあるいはシャフト３ｂを貫通支承する円筒軸受７１等を中央に有した一本の直角並行屈曲型梁形状として説明したものの、直角並行屈曲型梁形状に代えて直角並行屈曲型放射梁形状や円筒皿型円盤形状により構成されても構わない。

さらに、本実施形態例では、関節アクチュエータα１，α２について、関節部Ａとして特に膝関節に適用された場合について説明したが、膝関節に限定されず、例えば、足首関節部Ｃ１に適用されて、脚部βにおいて、下肢と着地部Ｃ２との関節機構を為すよう構成することも可能である。

加えて、中立均衡部７は、シャフト３ａ，３ｂを上下滑動可能とする円筒軸受等の軸受を貫着するものとして説明したが、中立均衡部７は、円筒軸受７１を搭載せずにシャフト３ａ，３ｂに直接固着されるようにしても構わない。

このとき、図２に示した遊脚時においては、所定の弾性定数を有して事前に所定の引張弾性力が付与された均衡力発生弾性体群８１，８２が張架されることにより、関節部Ａをトルクフリーの状態にすることが可能であり、また、図３に示した関節部Ａの屈曲時にも、均衡力発生弾性体群８１，８２のうちの伸長している、例えば、均衡力発生弾性体８１の引張弾性力により、屈曲時に発生する負荷トルクを補償することが可能である。

本発明の実施形態例１に係る関節アクチュエータの一部断面にて示した側面図である。同上した関節アクチュエータが適用された歩行ロボットの片足が歩行面から離れて遊脚になっている状態を一部断面にて示した側面図である。同上した関節アクチュエータが適用された歩行ロボットの片足の関節部が屈曲した状態を一部断面にて示した側面図である。本発明の実施形態例２に係る関節アクチュエータの一部断面にて示した側面図である。

符号の説明

α１，α２…関節アクチュエータ
β…脚部
Ａ…関節部
Ａ１，Ａ１１…関節上部
Ａ２，Ａ１２…関節下部
Ｂ…大腿部
Ｃ…足部
Ｃ１…足首関節部
Ｃ２…着地部
Ｇ…歩行面
Ｏ…回転中心
Ｐ，Ｒ…回転子２の回転中心Ｏを通る水平面
Ｑ…傾斜面
Ｓ…外接振動端面
１…固定子
１１，１２…圧電振動子
２…回転子
３ａ，３ｂ…シャフト
４ａ，４ｂ…固定子懸架部
５…回転子空転把持部
５１…ボールベアリング
６１，６２…予圧発生弾性体群
７…中立均衡部
７１…円筒軸受
８１，８２…均衡力発生弾性体群
９…回転ストッパ

Claims

歩行ロボットの２以上の脚部のそれぞれにおいて、関節部の関節上部と関節下部とを屈曲駆動するための当該関節部に適用されるアクチュエータであって、
当該関節部に、
所定の交流電圧を印加したときに固有振動を振動する圧電振動子を積層して、外接振動端面上に任意の振動を励振する固定子と、
前記固定子の前記外接振動端面上に励振された振動を当該固定子との外接接触により回転運動として伝達される回転子と、
当該固定子と当該回転子とに所要の予圧力を与える予圧手段とを具備して、
当該予圧手段により前記固定子の前記外接振動端面上に励振した振動に基づき前記回転子に前記回転運動を強制付与して、当該回転運動を前記関節部に伝達することで、前記関節上部と前記関節下部との屈曲をなすよう構成される、
ことを特徴とする関節アクチュエータ。
前記関節アクチュエータは、
下端を前記回転子に固着されて突立する一方、上端を前記関節上部上方に臨む大腿部と連結されて、当該回転子に付与された前記回転運動を当該大腿部に伝達するシャフトと、
前記固定子の振動の節となる部位にて前記圧電振動子とともに一体積層固定されて、当該固定子を中空に懸架するとともに前記関節下部下方の前記歩行ロボットの歩行面に着地する足部と枢結された固定子懸架部とを具備する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節アクチュエータ。
前記関節アクチュエータは、
上端を前記回転子に固着されて突垂する一方、下端を前記関節下部下方に臨む歩行ロボットの歩行面に着地する足部と枢結されて、当該回転子に付与された前記回転運動を当該足部に伝達するシャフトと、
前記固定子の振動の節となる部位にて前記圧電振動子とともに一体積層固定されて、当該固定子を中空に懸架するとともに前記関節上部上方に臨む大腿部と連結された固定子懸架部とを具備する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節アクチュエータ。
前記予圧手段は、
前記回転子を空転可能に把持する回転子空転把持部と、
当該回転子と前記固定子を中に置いて対称配置かつ当該回転子空転把持部と前記固定子懸架部との間に亙り張架されて、前記回転子と前記固定子とを圧接する予圧発生弾性体群とを有し、
当該予圧発生弾性体群は、
当該予圧発生弾性体群下端に作用する重力と拮抗する引張弾性力を常時付勢するよう予め所要の伸張量を与えて張架される、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の関節アクチュエータ。
前記予圧発生弾性体群は、
前記脚部が前記足部にて前記歩行面に着地しているときには、前記回転子と前記固定子とを圧接するよう前記引張弾性力を付勢する一方、当該足部が当該歩行面から離隔し前記脚部が遊脚となったときには、前記回転子と前記固定子とを前記予圧発生弾性体群下端に作用する重力による当該予圧発生弾性体群の伸張量分だけ前記引張弾性力を減ずるとともに、当該足部を釣支可能となる弾性定数を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の関節アクチュエータ。
前記アクチュエータは、
前記固定子懸架部と対向配置された中立均衡部と、
当該中立均衡部と当該固定子懸架部間に亙り前記予圧発生弾性体群の外方対側に均衡力発生弾性体群を並行張架し、
当該均衡力発生弾性体群は、
当該中立均衡部が関節上部に配置された場合は圧縮弾性力を常時付勢発揮し、当該中立均衡部が関節下部に配置された場合は引張弾性力を常時付勢発揮する弾性特性を有する、
ことを特徴とする請求項２、３、４、又は５に記載の関節アクチュエータ。
前記中立均衡部は、
前記シャフトを上下滑動可能に貫通支承する軸受を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の関節アクチュエータ。