JP2008079809A

JP2008079809A - 脚体構造

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Publication number: JP2008079809A
Application number: JP2006262908A
Authority: JP
Inventors: Kuniyasu Matsumoto; 邦保松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: JP4737017B2

Abstract

【課題】一部のリンク部材の伸縮度合いが制御不能でも歩行動作を継続できること。
【解決手段】脚部を、支持部材に対して各始端部が回動自在に接続され、伸縮自在の複数のリンク部材からなるリンク部材群と、リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された固定部で構成した。駆動部を、支持部材に対する固定部の位置を規定し、各々のリンク部材の伸縮度合いを制御可能とし、複数のリンク部材からなるリンク部材群を、支持部材に対する固定部の位置を規定するために必要な数のリンク部材からなる第１のリンク部材群と、予備的な第２のリンク部材群から構成した。第１のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いが制御不能となり支持部材に対する固定部の位置を規定できない際に、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材に代えて第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いを制御した。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間等の脚部を模擬して作成された、駆動部を有する脚体構造に関するものである。

近年、ロボットの研究が進むにつれて、人間の形状を模したヒューマノイド型のロボットや、人間の脚部の形状を模擬して作成された脚体を有する脚式歩行型の移動体が開発されつつある。このようなロボットや移動体は、歩行する床面に脚部の裏面を予め定められた手順、もしくはリアルタイムに算出した手順で配置するように脚部を駆動することにより、安定した移動を行うことができる。

このような歩行による移動を行う脚体構造として、関節部に設けられたベルトとプーリにより、モータの回転駆動力を脚部に伝えたり、モータによってワイヤーの張力を変化させるものや、伸縮する複数のシリンダ等のリンク部材を用いて脚部を駆動する脚体構造が知られている。このような脚体構造の場合、脚部の位置を定めるためには、脚部の自由度を定めるために必要な最低限の数のリンク部材が必要であり、これらのリンク部材の伸縮度合いによって脚部の位置が規定され、駆動する脚部の位置を定めることができる。このような脚体構造は、例えば人間の歩行を補助するための歩行補助器具として用いられる。（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３）
特開平７−１６３６０７号公報特開２００４−１０５２６１号公報特開２００４−３４４３０４号公報

ところで、このような脚体構造の場合、脚部を駆動するための伸縮するリンク部材の一部が破損等により伸縮度合いが制御不能となると、駆動する脚部の位置を自由に定めることができなくなり、脚部を駆動して歩行動作を行わせることができなくなる。そのため、例えば前述のような歩行補助器具に組み込まれた脚体構造の場合、歩行補助器具を装着した装着者が、歩行動作を継続することができなくなるという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、リンク部材の伸縮により駆動される脚体構造であって、一部のリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合でも、歩行動作を継続することができる脚体構造を提供することを目的とする。

本発明にかかる脚体構造は、歩行動作を行うための脚部と、該脚部を支持する支持部材と、前記脚部に歩行動作をおこなわせるように駆動する駆動部と、を備えており、前記脚部が、支持部材に対して各始端部が回動自在に接続され、該支持部材への接続位置から伸縮自在に構成された複数のリンク部材からなるリンク部材群と、該リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された固定部と、を有し、前記駆動部が、前記支持部材に対する固定部の位置を規定し、脚部に歩行動作を行わせるために各々のリンク部材の伸縮度合いを制御可能であり、前記複数のリンク部材からなるリンク部材群が、前記支持部材に対する固定部の位置を、各リンク部材を伸縮させることで自由に規定するために最低限必要な数のリンク部材からなる第１のリンク部材群と、第１のリンク部材に含まれるリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合に備えて予備的に設けられた第２のリンク部材群とから構成されているとともに、前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材は、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材により規定される、支持部材に対する固定部の位置を満たすように伸縮度合いが決定されるものであり、前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材の伸縮度合いが制御不能となり、支持部材に対する固定部の位置を規定できない際には、前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材に代えて、前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いを制御することにより歩行動作を行うことを特徴とする。

このように構成された脚体構造によると、駆動部により通常駆動されるリンク部材群に含まれる一部のリンク部材の伸縮が制御不能になった場合であっても、第２のリンク部材群の中から適切なリンク部材群を選択し、駆動する脚部の位置を規定することができる。そのため、一部のリンク部材の伸縮制御不能になった場合であっても、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材によって脚部の位置を規定し、脚部の駆動を継続することが可能になる。その結果、一部のリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合でも、歩行動作を継続することができる

また、このような脚体構造に含まれる複数のリンク部材が、支持部材および固定部に対して各々略平行となるように接続されるとともに、前記支持部材および固定部が、各々人間の腰部および膝関節部に装着可能に構成されていてもよい。このように構成された脚体構造は、人間に装着されて使用され、装着した人間の歩行動作を補助する歩行補助器具として用いることができ、一部のリンク部材が破損した場合であっても、歩行動作を継続して行うことが可能になる。

また、本発明は、前述のように、歩行動作を行うための脚部と、該脚部を支持する支持部材と、前記脚部に歩行動作をおこなわせるように駆動する駆動部と、を備えた脚体構造であって、前記脚部が、支持部材に対して各始端部が回動自在に接続され、該支持部材への接続位置から伸縮自在に構成された複数のリンク部材からなるリンク部材群と、該リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された第１の固定部と、前記第１の固定部に対して各始端部が回動自在に接続され、腰部への接続位置から伸縮自在に構成された複数のリンク部材からなるリンク部材群と、該リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された第２の固定部とを有しており、前記駆動部が、前記支持部材に対する第１の固定部の位置、および第１の固定部に対する第２の固定部の位置を各々規定し、脚部に歩行動作を行わせるために各々のリンク部材の伸縮度合いを制御可能であり、前記複数のリンク部材からなるリンク部材群が、前記支持部材に対する第１の固定部の位置および、前記第１の固定部に対する第２の固定部の位置を、各リンク部材が伸縮することで自由に規定するために最低限必要な数のリンク部材からなる第１のリンク部材群と、第１のリンク部材に含まれるリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合に備えて予備的に設けられた第２のリンク部材群とから構成されているとともに、前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材は、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材により支持部材に対する固定部の位置が規定されている際には、自由な伸縮度合いを取り得るように構成され、前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材の伸縮度合いが制御不能となり、支持部材に対する固定部の位置を規定できない際には、前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材に代えて、前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いを制御することを特徴とする脚体構造をも提供する。

このような脚体構造は、第１の固定部の部分で折れ曲がるように駆動し、人間の脚体と同様の動きで歩行動作を行うことができるものであり、このような脚体構造においても、一部のリンク部材の伸縮制御不能になった場合に、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材によって脚部の位置を規定し、脚部の駆動を継続することが可能になる。

さらに、このように構成された脚体構造が、前記複数のリンク部材が、支持部材および第1の固定部に対して、および前記第１の固定部および第２の固定部に対して各々略垂直となるように接続され、前記支持部材、第１の固定部および第２の固定部が、各々人間の腰部、膝関節部、足首部に装着可能に構成されることで、人間の脚体の歩行動作に必要な動きを補助するような歩行補助器具として用いることも可能となる。

以上、説明したように、本発明に係る脚体構造によると、脚部を駆動するための伸縮するリンク部材の一部が破損等により伸縮度合いが制御不能となった場合でも、歩行動作を継続することができる。

発明の実施の形態１．
以下に、図１から図６を参照しつつ本発明に係る第１の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る脚体構造を、人間の歩行を補助するための歩行補助器具として用いた例を示すものである。なお、図１においては、このような歩行補助器具を装着した人間を左側方から見た様子を表すものとする。

図１に示すように、脚体構造としての歩行補助器具１０は、この歩行補助器具１０を装着する装着者１の全体を概略的に示すものであり、装着者１の腰部２の下端付近に装着される支持部材１１と、同じく装着者１の膝関節部３に装着される固定部１２と、を有している。そして、図２に示すように、支持部材１１と固定部１２とは１４本のリンク部材１３，１３，１３，．．．からなるリンク部材群１３０を介して連結されており、このリンク部材１３は、支持部材１１、固定部１２に対して各々回動自在に接続されている。各リンク部材１３は、その長さが伸縮自在に構成されているとともに、装着者１の腰部上部付近には、リンク部材群１３０に含まれる各々のリンク部材１３の伸縮度合いを制御するための制御部１４と、リンク部材１３を駆動するための電源１５とが取り付けられる。本実施形態では、前記複数のリンク部材と固定部とで装着者の歩行動作を補助するための脚部を構成している。以下、各構成について詳細に説明する。

支持部材１１は、図１に示すように、装着者１の腰部の下端、すなわち大腿部上部の脚部付け根付近において、身体の外側から内側に向けて装着されるものである。そして、図３に示すように、装着者１の左右の脚部に対応する左右一対の平面視略半円弧形状の右支持部材１１ａ、左支持部材１１ｂを備えている。これらの右支持部材１１ａ、左支持部材１１ｂは、各々円弧の開口部を内側前方に向けた状態で一体的に形成されており、この右支持部材１１ａ、左支持部材１１ｂには、各々７個ずつの球面軸受け部１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａ、１１５ａ、１１６ａ、１１７ａ、１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂ、１１５ｂ、１１６ｂ、１１７ｂが設けられている。

固定部１２は、図４に示すように、装着者１の膝関節部の近傍に装着されるものであり、同じく左右の脚部に対応する左右一対の略半円弧形状の右固定部１２ａ、左固定部１２ｂを備えている。これらの右固定部１２ａおよび左固定部１２ｂは、各々別体に設けられる。そして、これらの右固定部１２ａ、左固定部１２ｂにおいても、後述するリンク部材１３を回動自在となるように接続するための球面軸受け部１２１ａ、１２２ａ、１２３ａ、１２４ａ、１２５ａ、１２６ａ、１２７ａ、１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂ、１２４ｂ、１２５ｂ、１２６ｂ、１２７ｂが設けられている。

さらに、前述の支持部材１１および固定部１２は、装着者１と接触する部分において、歩行動作に伴う脚部の筋肉の緊張度合いや、筋肉を流れる電流量を検出するセンサＳが設けられている。このセンサＳからの信号により、後述するリンク部材１３の伸縮度合いが決定される。このような伸縮度合いの制御の詳細については後述する。

リンク部材群１３０は、後述するように、支持部材１１に対する固定部１２の位置を規定するために最低限必要な数のリンク部材からなる第１のリンク部材群１３０Ａと、第１のリンク部材１３０Ａに含まれる、各々のリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合に備えて予備的に設けられた第２のリンク部材群１３０Ｂとから構成される。本実施形態の場合、第１のリンク部材群１３０Ａは左右６本ずつの計１２本のリンク部材から構成され、第２のリンク部材群１３０Ｂは左右１本ずつの計２本のリンク部材から構成される。なお、第２のリンク部材群１３０Ｂに含まれるリンク部材は、左右方向のうち、接続されている側の同じ側に接続された、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材が伸縮度合い制御不能になった場合に駆動制御される。

さらに、第１のリンク部材群１３０Ａに含まれる左右３本ずつのリンク部材は、支持部材１１の球面軸受け部１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａ、１１５ａ、１１６ａ、１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂ、１１５ｂ、１１６ｂに対して一端が回動自在に接続され、さらに、その他端が固定部１２の球面軸受け部１２１ａ、１２２ａ、１２３ａ、１２４ａ、１２５ａ、１２６ａ、１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂ、１２４ｂ、１２５ｂ、１２６ｂに対して回動自在に接続されている。そして、第２のリンク部材群１３Ｂに含まれる左右１本ずつのリンク部材は、支持部材１１の球面軸受け部１１７ａ、１１７ｂと、固定部１２の球面軸受け部１２７ａ、１２７ｂとに各々回動自在に接続される。

なお、この第１のリンク部材群１３０Ａに含まれるリンク部材と、第２のリンク部材群１３０Ｂに含まれるリンク部材とは、前述のように支持部材１１の球面軸受け部、固定部１２の球面軸受け部に接続されることで、各々略平行に構成される。

また、図５に示すように、各々のリンク部材１３は、所定の長さを有するシリンダ１３１と、シリンダ１３１の一端からその内部に螺装されるボールネジ１３２と、該ボールネジ１３２を回転駆動するためのモータ１３３とを備えている。そして、シリンダ１３１の他端側１３１ａと、シリンダ１３１に挿入されるボールネジ１３２の自由端とは各々略球面状に形成されており、前述の支持部材１１および固定部１２に設けられた球面軸受け部に接続される。そして、シリンダ１３１の他端と支持部材、ボールネジの自由端と固定部とは回動自在に接続され、モータ１３３がボールネジ１３２を回転駆動することで、シリンダ１３１とボールネジ１３２との相対位置が変化し、その結果、リンク部材１３が伸縮する。このように、リンク部材１３の長さが変化し、球面軸受け部においてリンク部材が回動することによって、支持部材１１と固定部１２との相対位置を変更することができる。

このように、支持部材１１に対する右固定部１２ａ、左固定部１２ｂは、それぞれ相対的な位置を規定するための、各々６本のリンク部材と、予備的なリンク部材１本とによって接続されている。そして、前述の６本のリンク部材によって、支持部材１１に対する各固定部（右固定部１２ａ、左固定部１２ｂ）は、６自由度の動作（姿勢）を取り得ることができる。ここで、６自由度とは、物体の動きを表現するためのパラメータであり、前後、左右、上下、ロール、ピッチ、よーの６種類の方向についての動きを意味する。なお、ロール方向とは左右方向への傾き度合い、ピッチ方向は前後方向への傾き度合い、ヨー方向は左右方向へのひねり度合いを意味している。

さらに、各リンク部材１３の所定箇所には、モータ１３３からの駆動力により、シリンダ１３１とボールネジ１３２との伸縮度合いが正確に制御されているか否かを判定するための図示しない判定部が設けられている。この判定部は、例えばモータ１３３からの信号を受けた際にボールネジ１３２が駆動したか否かを検出するためのセンサスイッチなどで構成され、モータ１３３が動作しているにも関わらずボールネジが駆動していない場合を検出し、シリンダとボールネジとの伸縮度合いが正確に制御されているか否かを判定することができる。

制御部１４は、センサＳからの信号を受けて、各リンク部材１３の伸縮度合いを変更し、支持部材１１と固定部１２との相対位置を特定するものである。詳細には、センサＳからの信号により、装着者１の歩行動作を行おうとする脚の動きを予測し、その動きを行う筋力を補助するようにリンク部材１３を伸縮させるべく、リンク部材１３に備えられたモータ１３３を駆動するための駆動信号を送信する。前述の駆動信号により、伸縮させるリンク部材を特定し、さらに、そのリンク部材を伸縮させる量が特定される。これによって、装着者１が歩行動作を行うために必要な脚部の姿勢を連続してとりうるように、リンク部材１３の長さが変化し、支持部材１１と固定部１２との相対位置が変更され、歩行動作を行うために必要な装着者１の脚部の駆動力が補助される。制御部１４の内部に設けられた、図示しない記憶領域内には、このような歩行動作を補助するために必要な脚部の姿勢をとりうるような支持部材１１と固定部１２との相対位置を定めるための、リンク部材１３の伸縮度合いを定めるプログラムが記憶されている。

さらに、制御部１４に記憶されたプログラムは、各リンク部材が接続される支持部材１１および固定部１２の球面軸受け部の位置を記憶すると共に、リンク部材１３０に含まれる第１のリンク部材群１３０Ａと、第２のリンク部材群１３０Ｂとを独立して制御する。すなわち、通常の動作においては第１のリンク部材群１３０Ａに含まれるリンク部材のみを駆動し、第２のリンク部材群１３０Ｂに含まれるリンク部材は駆動しない。すなわち、第２のリンク部材群１３０Ｂに含まれるリンク部材は、通常は第１のリンク部材群１３０Ａに含まれるリンク部材１３０によって規定される支持部材１１と固定部１２との相対位置に追従するように自由に伸縮する。そして、第１のリンク部材群１３０Ａに含まれるリンク部材の伸縮度合いが不能となったときに、第２のリンク部材群１３０Ｂに含まれるリンク部材が、その伸縮度合いを制御される。この制御についての詳細は後述する。

電源１５は、各リンク部材１３に備えられたモータ１３３に対して、配線Ｌを介して電力を供給する、着脱自在のバッテリーであり、未使用時には歩行補助器具１０から取り外して充電を行うことができる。

このように構成された歩行補助器具１０を用いて、装着者１の歩行動作を補助するまでのステップを、図６に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、歩行補助器具１０を装着した後、電源１５により歩行補助器具１０全体に電流を供給する（ＳＴＥＰ１０１）。そして、支持部材１１および固定部１２に設けられたセンサＳは、各々装着者１の脚部における装着箇所の筋肉の緊張度合いまたは筋肉に流れる電流量（筋電位）を検出する（ＳＴＥＰ１０２）。制御部１４は、センサＳからの信号を受けて、第１リンク部材群中のうち、伸縮度合いを変更するリンク部材を特定し（ＳＴＥＰ１０３）、特定したリンク部材の伸縮度合いを決定する（ＳＴＥＰ１０４）。

伸縮度合いを変更するように特定されたリンク部材の内部に設けられたモータ１３３は、決定された伸縮度合いに応じてモータの駆動量を定め、リンク部材１３の伸縮度合いを変更する（ＳＴＥＰ１０５）。このとき、各リンク部材１３の所定箇所に設けられた判定部により、モータ１３３からの駆動力により、シリンダ１３１とボールネジ１３２との伸縮度合いが正確に制御されているか否かを判定する（ＳＴＥＰ１０６）。シリンダ１３１とボールネジ１３２との伸縮度合い、すなわちリンク部材１３の伸縮度合いが正確に制御されている場合は、ＳＴＥＰ１０２に戻って再び装着者１の脚部における筋肉の緊張度合い等から、伸縮度合いを変更するリンク部材、およびそのリンク部材の伸縮度合いを決定する。これによって、装着者が歩行動作に必要とする力を補助するように、リンク部材が動作する。逆に、リンク部材１３の伸縮度合いが正確に制御されている場合は、伸縮度合いを変更すべきリンク部材１３が不具合により伸縮制御不能であると判定し、伸縮制御不能なリンク部材についての伸縮度合いの制御を停止し、伸縮自由な状態とする（ＳＴＥＰ１０７）。その上で、それまで自由に伸縮可能となっていた、第２リンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いの制御を開始する（ＳＴＥＰ１０８）。このとき、不具合により伸縮度合いの制御を停止されたリンク部材の位置と、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の接続されている位置とを比較し、このリンク部材を伸縮させることで、新たに支持部材と固定部との相対位置を特定し、新たな６自由度を確保する。

そして、歩行動作を一時的に継続し、歩行動作を停止できる状態になった後に電源１５からの電力供給を停止することで（ＳＴＥＰ１０９）、歩行補助器具１０の動作を停止する。

上述したように、本発明の実施形態の一例である、装着者が歩行動作に必要な力を補助するように動作する歩行補助器具によると、一部のリンク部材が故障し、歩行補助器具の動作に必要な自由度が規定できなくなっても、通常は使用しないリンク部材を代わりに駆動させることで、必要な自由度を規定することができる。したがって、そのような場合においても装着者は歩行動作に必要な力の補助を受けた状態で、歩行動作を継続することができる。また、伸縮制御不能になった第１リンク部材群に含まれるリンク部材を、新しいリンク部材に交換するなどの処置を施すことで、歩行補助器具を再度使用することができる。

なお、上述の実施形態においては、装着者の腰部付近から大腿部にかけて装着され、装着者の歩行動作について、膝関節部分を動かすような動きを補助するものについて説明されているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、例えば膝関節部上部付近から下腿部にかけて装着され、膝関節部から下の下腿部の動きを補助するようなものであってもよい。

また、上述の実施形態においては、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材は、左右各1本ずつであったが、この本数は、必要に応じて増やすことは可能である。その場合、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材が駆動制御不能となった場合に、代わりに用いられる第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の駆動する順序を予め決めておく必要がある。すなわち、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材が複数であった場合、そのリンク部材に各々優先順位を付して、駆動制御する順序を定めておくことで、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材が故障した場合でも、より長く歩行動作を継続することができる。
なお、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材は、通常は自由に伸縮度合いを取り得るものであってもよいし、支持部材に対して規定された固定部の位置に追従するように駆動するものであってもよい。

発明の実施の形態２．
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る脚体構造を、人間の歩行を補助するための歩行補助器具として用いた他の例を示すものである。なお、本実施形態においては、前述の第１の実施形態において説明した構成と同一または同等の構成については、同一の符号および／または名称を付して、その説明を省略するものとする。

本実施形態に係る脚体構造としての歩行補助器具１０'は、図７に示すように、腰部下端部付近に装着され、大腿部および下腿部の動作を補助するように構成されたものである。詳細には、図示しない装着者の腰部の下端付近に装着される支持部材２１と、同じく装着者の膝関節部に装着される第１の固定部２２と、装着者の足首部に装着される第２の固定部２３と、を有している。そして、この支持部材２１と第１の固定部２２、および第１の固定部２２と第２の固定部２３とは、各々８本のリンク部材１３，１３，１３，．．．からなるリンク部材群１３０を介して連結されている。このリンク部材１３は、支持部材１１と第１の固定部２２、および第２の固定部２３に対して各々回動自在に接続されている。各リンク部材１３は、その長さが伸縮自在に構成されているとともに、装着者の腰部上部付近には、リンク部材群１３０に含まれる各々のリンク部材１３の伸縮度合いを制御するための制御部（図示せず）と、リンク部材１３を駆動するための電源（図示せず）とが取り付けられる。

支持部材２１は、図８に示すように、歩行補助器具１０'を固定する左右の脚部に対応する左右一対の平面視略半円弧形状の右支持部材２１ａ、左支持部材２１ｂから構成されている。これらの右支持部材２１ａ、左支持部材２１ｂは、各々円弧の開口部を内側前方に向けた状態で一体的に形成されているとともに、各支持部材２１ａ、２１ｂの下方面には、各々４個ずつの球面軸受け部２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ，２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ、２１４ｂが設けられている。

第１の固定部２２は、図９に示すように、装着者１の膝関節部の近傍に装着されるものであり、同じく左右の脚部に対応する左右一対の略半円弧形状の右固定部２２ａ、左固定部２２ｂを備えている。これらの右固定部２２ａおよび左固定部２２ｂは、各々別体に設けられる。そして、これらの右固定部２２ａ、左固定部２２ｂにおいても、支持部材２１から接続されるリンク部材１３を回動自在となるように接続するための球面軸受け部２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａ，２２１ｂ、２２２ｂ、２２３ｂ、２２４ｂが、その上方面において設けられている。さらに、各固定部２２ａ，２２ｂの下方面においては、同じく球面軸受け部２２１ｃ、２２２ｃ、２２３ｃ、２２４ｃ、２２１ｄ、２２２ｄ、２２３ｄ、２２４ｄが設けられており、後述する第２の固定部２３と、第１の固定部２２とを接続するリンク部材１３を接続する。

第２の固定部２３は、図１０に示すように、装着者の足首関節部の上部付近に装着されるものであり、同じく左右の脚部に対応する左右一対の略半円弧形状の右固定部２３ａ、左固定部２３ｂを備えている。これらの右固定部２３ａおよび左固定部２３ｂは、各々別体に設けられるとともに、装着者の足先を下方から支持する底部を各々有している。そして、これらの右固定部２３ａ、左固定部２３ｂにおいても、第１の固定部２２から接続されるリンク部材１３を回動自在となるように接続するための球面軸受け部２３１ａ、２３２ａ、２３３ａ、２３４ａ，２３１ｂ、２３２ｂ、２３３ｂ、２３４ｂが、その上方面に設けられている。

さらに、前述の支持部材２１および第１の固定部２２、第２の固定部２３は、装着者１と接触する部分において、歩行動作に伴う脚部の筋肉の緊張度合いや、筋肉を流れる電流量を検出するセンサＳを備えている。このセンサＳからの信号により、後述するリンク部材１３の伸縮度合いが決定される。

また、前述のリンク部材群１３０は、支持部材２１に対する第１の固定部２２の位置、および第１の固定部２２に対する第２の固定部２３を規定するために最低限必要な数である、リンク部材１３０からなる第１のリンク部材群と、第１のリンク部材群を構成するリンク部材のうち、一つのリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合に備えて予備的に設けられる第２のリンク部材群とから構成される。本実施形態の場合、支持部材２１に対する第１の固定部２２については、第１のリンク部材群は左右３本ずつの計６本のリンク部材１３が、第２のリンク部材群は左右１本ずつの計２本のリンク部材１３が設けられている。また、第１の固定部２２に対する第２の固定部２３についても、第１のリンク部材群は左右３本ずつの計６本のリンク部材１３が、第２のリンク部材群は左右１本ずつの計２本のリンク部材１３が設けられている。これによって、支持部材２１に対する第２の固定部２３の位置を規定する自由度として、左右それぞれ６自由度が確保される。なお、第２のリンク部材群を構成する各リンク部材は、前述説明した内容と同様に、接続されている側と同じ側に接続された、第１のリンク部材群を構成するリンク部材が伸縮度合い制御不能となった場合に駆動制御される。

さらに、支持部材２１と第１の固定部２２とを接続する第１のリンク部材群を構成する左右３本ずつのリンク部材は、支持部材２１の球面軸受け部２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂに対して一端が回動自在に接続され、さらに、その他端が第１の固定部２２の球面軸受け部２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２１ｂ、２２２ｂ、２２３ｂに対して回動自在に接続されている。そして、第２のリンク部材群を構成する左右１本ずつのリンク部材は、支持部材２１の球面受け部２１４ａ、２１４ｂと、第１の固定部２２の球面受け部２２４ａ、２２４ｂとに各々回動自在に接続されている。

なお、この第１のリンク部材群に含まれるリンク部材と、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材とは、前述のように支持部材２１の球面軸受け部、固定部２２の球面軸受け部に接続されることで、各々略平行に構成される。そして、各々のリンク部材１３長さが変化し、球面軸受け部においてリンク部材が回動することによって、支持部材２１と第１の固定部２２との相対位置、および第１の固定部２２と第２の固定部２３との相対位置を変更することができる。

また、制御部１４は、センサＳからの信号を受けて、各リンク部材１３の伸縮度合いを変更し、支持部材２１と第１の固定部２２との相対位置、および第１の固定部２２と第２の固定部２３との相対位置を特定する。すなわち、前述の実施形態と同様に、センサＳからの信号により、装着者１の歩行動作を行おうとする脚部の動きを予測し、その動きを行うための筋力を補助するようにリンク部材１３を伸縮させるべく、リンク部材１３に備えられたモータ１３３を駆動させる。これによって、装着者１が歩行動作を行うために必要な脚部の姿勢を連続してとりうるように、リンク部材１３の長さが変化し、支持部材２１と第１の固定部２２との相対位置、および第１の固定部２２と第２の固定部２３との相対位置とが変更され、歩行動作を行うために必要な装着者１の脚部（上腿部および下腿部）の動作に必要な力を補助することができる。すなわち、このように構成された歩行補助器具は、装着者１の膝関節部部に装着された第1の固定部２２で、装着者１の脚部の動きに併せて折れ曲がるように駆動し、装着者１の歩行動作を補助することができる。

さらに、前述の実施形態と同様に、支持部材２１と第１の固定部２２、第１の固定部と第２の固定部２３とを接続するリンク部材のうち、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材と、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材とは、制御部１４によって独立して制御される。そして、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いが不能となったときに、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材が、その伸縮度合いを制御される。その際にリンク部材の駆動を切り換える手順は、前述の実施形態と同様に行われる。

なお、本実施形態においても、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の本数は、必要に応じて増やすことが可能である。その場合、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材に各々優先順位を付して、駆動制御する順序を定めておく必要がある。

このように、本実施形態に係る歩行補助器具によると、歩行時における装着者の大腿部および下腿部の動作がリンク部材の伸縮動作によって補助され、一部のリンク部材が故障し、歩行補助器具の動作に必要な自由度が規定できなくなっても、通常は使用しないリンク部材を代わりに駆動させることで、歩行動作を継続することができる。

発明の実施の形態３．
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る脚体構造を、歩行型の移動体であるロボットの脚体に適用した例を示すものである。なお、本実施形態においては、前述の第１の実施形態および第２の実施形態において説明した構成と同一または同等の構成については、同一の符号および／または名称を付して、その説明を省略する場合がある。

本実施形態に係る脚体構造としての脚体１００は、２足歩行型のロボットの脚体として用いられるものであり、例えばロボット内部に備えられた電源により動力が供給されるとともに、予め記憶された歩行用プログラム等に基づいて駆動動作を行うことで、ロボットの歩行動作を可能とするものである。この図示しないロボットの内部構成については、特に限定されるものではないため、本実施形態の説明においては詳細を省略して記載するものとし、ロボットに適用される脚部について、以下、図１１を用いて詳細に説明するものとする。

ロボットに適用される脚体１００は、支持部材３０と、この支持部材３０に支えられた脚部としての右脚３１および左脚３２と、を備えている。支持部材３０は、図示しないロボットの胴体部分の下部、すなわち腰部に相当するものであり、その左右に各々７個ずつの球面軸受け部３０１ａ、３０２ａ、３０３ａ、３０４ａ，３０５ａ、３０６ａ、３０７ａ、３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂ、３０４ｂ、３０５ｂ、３０６ｂ、３０７ｂが設けられている。

右脚３１および左脚３２は、前記支持部材３０の各球面受け部に回動自在に一端が接続された、左右各々７本ずつのリンク部材１３からなるリンク部材群１３０と、これらのリンク部材の他端が各々接続された右固定部３３および左固定部３４とを備えている。この右固定部３３および左固定部３４は、それぞれ７個ずつの球面軸受け部３１１ａ、３１２ａ、３１３ａ、３１４ａ，３１５ａ、３１６ａ、３１７ａ、３１１ｂ、３１２ｂ、３１３ｂ、３１４ｂ、３１５ｂ、３１６ｂ、３１７ｂを備えており、各リンク部材は、左右各々６本のリンク部材と、予備的なリンク部材１本とによって接続されている。そして、この６本のリンク部材が第１のリンク部材群を構成し、前記予備的なリンク部材が第２リンク部材群を構成する。なお、支持部材３０に対する各固定部は、通常は第１のリンク部材群を構成する各々６本のリンク部材によって６自由度の動作（姿勢）を取り得ることができる。

前記リンク部材は、図示しないロボット内部の制御手段によってその伸縮度合いを制御され、歩行動作に必要な各リンク部材１３の伸縮度合いを変更し、脚部１００（右脚３１、左脚３２）を駆動する。この歩行動作は、予め定められた歩容データに基づいて、もしくは歩行する環境をセンシングして得られた情報に基づいて自律的に定められる。

さらに、本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、支持部材３０と右固定部３３、左固定部３４とを接続するリンク部材のうち、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材と、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材とが独立して制御される。すなわち、第２リンク部材群に含まれるリンク部材は通常は自由に伸縮し得る状態であり、他の各６本ずつのリンク部材で支持部材に対する各固定部の位置および姿勢が定められている。

そして、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いが不能となったときに、その伸縮度合いが不能になったリンク部材を伸縮フリーな状態とし、その代わりに第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いを制御することで、歩行動作を継続させる。その際にリンク部材の駆動を切り換える手順は、前述の実施形態と同様に行われる。

このように、本実施形態に係る脚部を歩行型ロボットに適用した場合、ロボットの脚部を駆動する一部のリンク部材が故障し、歩行動作に必要な自由度が規定できなくなっても、通常は使用しないリンク部材を代わりに駆動させることで、歩行動作を継続することができる。

なお、本実施形態においても、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の数は左右１本ずつとなっているが、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の本数を、必要に応じて増やすことが可能である。その場合、第２のリンク部材群に含まれるリンク部材に各々優先順位を付して、駆動制御する順序を定めておく必要がある。

また、本実施形態は、２足歩行型のロボットの脚部に、本発明に係る脚体構造を適用した例を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、４足歩行、６足歩行などのロボット脚部に、必要に応じて適用してもよい。

さらに、本実施形態は、２足歩行ロボットとして、人間でいう膝関節を有しない脚部を備えたものを開示しているが、人間と同様の上腿と下腿とを備えるような脚部を備えるものであってもよい。この場合、人間とは異なる構造として、上腿と下腿とが前方側に向かって開いた状態（上腿の延長線よりも前方側に、下腿が膝関節回りに回転した状態）、いわゆる「鳥足状態」をとるように構成されていてもよい。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではなく、適用される状況に応じて種々の形態を取り得るものである。

本発明の第１の実施形態である、本発明に係る脚体構造を用いた歩行補助器具が、装着者に装着された様子を概略的に示す概略図である。図１に示す歩行補助器具の全体を概略的に示す斜視図である。図１に示す歩行補助器具に備えられる支持部材を構成する、右支持部材および左支持部材を全体的に示す平面図である。図１に示す歩行補助器具に備えられる固定部を構成する、右固定部および左固定部を全体的に示す平面図である。図１に示す歩行補助器具に備えられるリンク部材を全体的に示す側面図である。図１に示す歩行補助器具を用いて、装着者の歩行動作を補助するためのステップを示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態である、本発明に係る脚体構造を用いた歩行補助器具の全体を概略的に示す斜視図である。図７に示す歩行補助器具に備えられる支持部材を構成する、右支持部材および左支持部材を全体的に示す平面図である。図７に示す歩行補助器具に備えられる第１の固定部を構成する、右固定部および左固定部を全体的に示す平面図である。図７に示す歩行補助器具に備えられる第２の固定部を構成する、右固定部および左固定部を全体的に示す平面図である。本発明の第３の実施形態である、本発明に係る脚体構造を用いた歩行型ロボットの脚体部分を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１０，１０'・・・歩行補助器具（脚体構造）
１１，２１・・支持部材
１２・・・固定部
１３・・・リンク部材
１３０・・・リンク部材群
１３０Ａ・・・第１のリンク部材群
１３０Ｂ・・・第２のリンク部材群
１３１・・・シリンダ
１３２・・・ボールネジ
１３３・・・モータ
１４・・・制御部
２２・・・第１の固定部
２３・・・第２の固定部
１００・・・脚体（脚体構造）
３０・・・支持部材
３１・・・右脚
３２・・・左脚
３３・・・右固定部
３４・・・左固定部

Claims

歩行動作を行うための脚部と、該脚部を支持する支持部材と、前記脚部に歩行動作をおこなわせるように駆動する駆動部と、を備えた脚体構造であって、
前記脚部が、支持部材に対して各始端部が回動自在に接続され、該支持部材への接続位置から伸縮自在に構成された複数のリンク部材からなるリンク部材群と、該リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された固定部と、を有し、
前記駆動部が、前記支持部材に対する固定部の位置を規定し、脚部に歩行動作を行わせるために各々のリンク部材の伸縮度合いを制御可能であり、
前記複数のリンク部材からなるリンク部材群が、前記支持部材に対する固定部の位置を、各リンク部材を伸縮させることで自由に規定するために最低限必要な数のリンク部材からなる第１のリンク部材群と、第１のリンク部材に含まれるリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合に備えて予備的に設けられた第２のリンク部材群とから構成されているとともに、
前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材は、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材により規定される、支持部材に対する固定部の位置を満たすように伸縮度合いが決定されるものであり、
前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材の伸縮度合いが制御不能となり、支持部材に対する固定部の位置を規定できない際には、前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材に代えて、前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いを制御することにより歩行動作を行うことを特徴とする脚体構造。
前記複数のリンク部材が、支持部材および固定部に対して各々略垂直となるように接続されているとともに、前記支持部材および固定部が、各々人間の腰部および膝関節部に装着可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の脚体構造。
歩行動作を行うための脚部と、該脚部を支持する支持部材と、前記脚部に歩行動作をおこなわせるように駆動する駆動部と、を備えた脚体構造であって、
前記脚部が、支持部材に対して各始端部が回動自在に接続され、該支持部材への接続位置から伸縮自在に構成された複数のリンク部材からなるリンク部材群と、該リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された第１の固定部と、前記第１の固定部に対して各始端部が回動自在に接続され、腰部への接続位置から伸縮自在に構成された複数のリンク部材からなるリンク部材群と、該リンク部材群の各終端部が回動自在に接続された第２の固定部とを有しており、
前記駆動部が、前記支持部材に対する第１の固定部の位置、および第１の固定部に対する第２の固定部の位置を各々規定し、脚部に歩行動作を行わせるために各々のリンク部材の伸縮度合いを制御可能であり、
前記複数のリンク部材からなるリンク部材群が、前記支持部材に対する第１の固定部の位置および、前記第１の固定部に対する第２の固定部の位置を、各リンク部材が伸縮することで自由に規定するために最低限必要な数のリンク部材からなる第１のリンク部材群と、第１のリンク部材に含まれるリンク部材の伸縮度合いが制御不能となった場合に備えて予備的に設けられた第２のリンク部材群とから構成されているとともに、
前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材は、第１のリンク部材群に含まれるリンク部材により支持部材に対する固定部の位置が規定されている際には、自由な伸縮度合いを取り得るように構成され、
前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材の伸縮度合いが制御不能となり、支持部材に対する固定部の位置を規定できない際には、前記第１のリンク部材群に含まれる一部または全てのリンク部材に代えて、前記第２のリンク部材群に含まれるリンク部材の伸縮度合いを制御することを特徴とする脚体構造。
前記複数のリンク部材が、支持部材および第1の固定部に対して、および前記第１の固定部および第２の固定部に対して各々略垂直となるように接続され、前記支持部材、第１の固定部および第２の固定部が、各々人間の腰部、膝関節部、足首部に装着可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の脚体構造。