JP2015212009A - 修正可能なリンケージ機構を利用する脚型ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脚型ロボット装置を提供すること。
【解決手段】脚型ロボット装置は、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構を含むことができ、複数の自由度のうちの少なくともいくつかが、人間の脚部の自由度に対応する。脚型ロボット装置は、複数の自由度のうちの第１の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータも含むことができる。加えて、脚型ロボット装置は、複数の自由度のうちの第２の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータを含むことができる。機械機構は、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され得る。主駆動アクチュエータは、歩行のような動作で機械機構を動かすように機械機構を作動させるために十分であり得る。機械機構は、第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正され得る。
【選択図】図１

Description

関連出願
本出願は、本明細書中にその全体が参照により組み込まれている、２０１４年５月６日に出願された米国仮出願第６１／９８９，５１３号の利益を主張するものである。

多種多様な外骨格型、人型、および他の脚型ロボットシステムが存在する。エネルギー自律性に関わるこのようなシステムにとって解決すべき基本的な技術的問題は、電力である。ロボットシステムの要求を満足できる高出力電源の使用、または電力使用の削減といった２つの選択肢がある。第１の選択肢は携帯型電源が難題を残す限り実現性に欠けているため、第２の選択肢が残る。したがって、現在存在する外骨格型または歩行型ロボットは、長時間にわたって大きな力出力を提供できない。言い換えると、電力問題は、挑戦的な障害であり、典型的な解決策はシステムの力出力能力を削減することを含む。

本発明の特徴および利点は、例として発明の特徴をともに図説する添付の図面に関連して、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示の例による下半身外骨格の図である。 本開示の例による、図１の下半身外骨格の脚型ロボット装置の図であり、脚型ロボット装置の機械機構が人間の歩き方を真似たある位置にある。 本開示の例による、図１の下半身外骨格の脚型ロボット装置の図であり、脚型ロボット装置の機械機構が人間の歩き方を真似たある位置にある。 本開示の例による、図１の下半身外骨格の脚型ロボット装置の図であり、脚型ロボット装置の機械機構が人間の歩き方を真似たある位置にある。 本開示の例による、図１の下半身外骨格の脚型ロボット装置の図であり、脚型ロボット装置の機械機構が人間の歩き方を真似たある位置にある。 本開示の例による、図１の下半身外骨格の脚型ロボット装置の図であり、脚型ロボット装置の機械機構が人間の歩き方を真似たある位置にある。 本開示の例による、図１の下半身外骨格の脚型ロボット装置の図であり、脚型ロボット装置の機械機構が人間の歩き方を真似たある位置にある。 本開示の別の例による下半身外骨格の図である。

参照が、ここで図示した例示的な実施形態に行われ、特有な言語が、これを説明するために本明細書において使用されるであろう。それにも拘わらず、これによって本発明の範囲を限定するつもりがないことが理解されるであろう。

本明細書において使用されるように、「実質的に（substantially）」という用語は、行動、特性、特質、状態、構造、項目、または結果の完全なまたはほぼ完全な範囲または程度を表し、例えば、「実質的に」囲まれている対象は、対象が完全に囲まれているまたはほぼ完全に囲まれていることのいずれかを意味する。絶対的な完全性からの乖離の正確に許容可能な程度は、いくつかのケースでは具体的な状況に依存することがある。しかしながら、一般的に言って、完全に近いということは、絶対的かつ徹底した完全が得られたのと同じ全体的な結果になるであろう。「実質的に」の使用は、行動、特性、特質、状態、構造、項目、または結果の完全なまたはほぼ完全な欠如を表す否定的な意味合いで使用されるときに同じように適用可能である。

本明細書において使用されるように、「隣接する（adjacent）」は、２つの構造または要素の近さを表す。特に、「隣接する」と認識された要素は、いずれか、境界を接してもよいし接続されてもよい。このような要素はまた、互いに接触することを必要とせずに、互いに近くであってもよいし接近してもよい。近さの正確な程度は、いくつかのケースでは具体的な状況に依存することがある。

技術実施形態の手始めの概要が下記に与えられ、次いで、具体的な技術実施形態が後でさらに詳細に説明される。この手始めの要約は、読者が技術をより早く理解する際に助けるためのものであるが、技術の鍵となる特徴または本質的な特徴を特定するためのものではなく、特許請求した主題の範囲を限定するためのものでもない。

限られた利用可能な電力で外骨格型、人型、または他の脚型ロボットシステムの力出力および耐久性能力を向上させるために、このようなシステムの効率は、向上の焦点であり得る。したがって、典型的なロボットシステムに対して効率を向上させる脚型ロボット装置が開示される。一態様では、１つまたは複数の自由度に関係するアクチュエータを利用する実施形態において、採用するアクチュエータの数は、所与の命令シナリオの必要性を満足させるために必要に応じて変わり得る。別の一態様では、１つのアクチュエータが、人間の歩き方を真似た装置によって歩行のような動作を実行するように１つの自由度を作動させるために使用され得る。脚型ロボット装置は、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構を含むことができ、複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応する。脚型ロボット装置は、複数の自由度のうちの第１の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータも含むことができる。加えて、脚型ロボット装置は、複数の自由度のうちの第２の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータを含むことができる。機械機構は、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され得る。主駆動アクチュエータは、歩行のような動作で機械機構を動かすように機械機構を作動させるために十分であり得る。機械機構は、第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正され得る。

一態様では、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構を含むことができる脚型ロボット装置が開示される。複数の自由度のうちの少なくともいくつかは、人間の脚部の自由度に対応することが可能である。脚型ロボット装置は、人間の脚部の腰の屈伸の自由度に対応する複数の自由度のうちの第１の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータも含むことができる。加えて、脚型ロボット装置は、人間の脚部の膝の屈伸の自由度に対応する複数の自由度のうちの第２の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータを含むことができる。機械機構は、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され得る。主駆動アクチュエータは、歩行のような動作で機械機構を動かすように機械機構を作動させるために十分であり得る。機械機構は、第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正され得る。

さらに別の一態様では、ユーザの周りに設置されかつユーザに固定されるように構成されたベース部材を含むことができる下半身外骨格が開示される。下半身外骨格は、ベース部材の周りで支持された動的に調整可能な歩行模倣脚型ロボット装置も含むことができる。脚型ロボット装置は、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構を含むことができる。複数の自由度のうちの少なくともいくつかは、人間の脚部の自由度に対応することができる。脚型ロボット装置は、複数の自由度のうちの第１の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータも含むことができる。加えて、脚型ロボット装置は、複数の自由度のうちの第２の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータを含むことができる。機械機構は、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され得る。主駆動アクチュエータは、歩行のような動作で機械機構を動かすように機械機構を作動させるために十分であり得る。機械機構は、第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正され得る。

下半身外骨格１００の一実施形態が図１に図示される。下半身外骨格１００は、ユーザの周りに設置されかつユーザに固定されるように構成されたベース部材１１０を備えることができる。下半身外骨格１００は、ベース部材１１０の周りで支持された動的に調整可能な歩行模倣脚型ロボット装置１０１をも含むことができる。ベース部材１１０および脚型ロボット装置１０１の連結は、腰の内転／外転および／または腰の内旋／外旋などの人間の脚部の腰に対応する１つまたは複数の自由度（図示せず）を含むことができる。脚型ロボット装置１０１は、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材１２１ａ〜１２１ｉによって少なくとも一部を形成された機械機構１２０を含むことができる。脚型ロボット装置１０１は、人間の脚部の自由度に対応する様々な自由度で下半身外骨格１００を作動させるために、主駆動アクチュエータ１４０および１つまたは複数の副アクチュエータ１４１〜１４３も含むことができ、これらは、下記に非常に詳細に論じられる。

人間のユーザまたは操作者は、装置の足部分の中へと自身の足を置くことによって脚型ロボット装置１０１を使用する、または装置と相互に作用することができ、足部分では、操作者の足が対応する力センサと接触することができる。人間の操作者の部分は、脚型ロボット装置１０１の様々な位置に配置された力センサとも接触することができる。例えば、脚型ロボット装置１０１の腰部分は、操作者の腰と相互に作用するように構成された力センサを有することができる。操作者は、ウエストストラップまたは他の適切な連結具によって脚型ロボット装置１０１に連結され得る。操作者は、フットストラップまたは他の適切な連結具によって脚型ロボット装置１０１にさらに連結され得る。一態様では、力センサは、操作者の膝の近くの脚型ロボット装置１０１の膝部分の周りに設置され得る。脚型ロボット装置１０１上または周りの特定の位置に配置された力センサを参照したが、力センサは、脚型ロボット装置１０１の適切な動作を容易にするために、脚型ロボット装置１０１上のまたは周りの数多くの位置に方策的に置かれ得ることが理解されるであろう。

支持部材１２１ａ〜１２１ｉのうちの１つまたは複数は、機械機構１２０の１つのリンケージ内に含まれ得る。図示した例では、支持部材１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｆ、１２１ｉは、機械機構１２０のそれぞれリンケージ１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｆ、１２２ｉを各々が形成できる。一方で、支持部材１２１ｄ、１２１ｅおよび副アクチュエータ１４１は、機械機構１２０の１つのリンケージ１２２ｄ内に含まれることが可能であり、支持部材１２１ｇ、１２１ｈおよび副アクチュエータ１４２は、機械機構１２０の１つのリンケージ１２２ｇ内に含まれ得る。一態様では、支持部材１２１ａは、機械機構に関する固定基準として働くグランドリンケージまたはフレームを形成できる。参照が、本明細書においては機械機構の特定の例に対して行われたが、任意の適切な構成の任意の適切な機械機構が、本明細書において開示した原理にしたがって利用されてもよいことが認識されるであろう。例えば、複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応し、その結果、機械機構が人間の歩き方（例えば、ウォーキング、ランニング、等）を真似た歩行のような動作で動くように構成される任意の機械機構が、利用されてもよい。言い換えると、リンケージが操作者の具体的な周期的な歩行パターンを生成するように仕立てられることが可能な任意の機械機構が利用され得る。図１に図示した例を参照して、例えば、軸１３１ａの周りの回転のために支持部材１２１ａに支持部材１２１ｃを連結することによって形成される自由度は、腰の屈伸の自由度に対応できる。軸１３１ｂの周りの回転のために支持部材１２１ｇに支持部材１２１ｃを連結することによって形成される自由度は、膝の屈伸の自由度に対応できる。軸１３１ｃの周りの回転のために支持部材１２１ｈに支持部材１２１ｇを連結することによって形成される自由度は、足首の内旋／外旋の自由度に対応できる。軸１３１ｄの周りの回転のために支持部材１２１ｉに支持部材１２１ｈを連結することによって形成される自由度は、足首の屈伸の自由度に対応できる。いくつかの機械機構構成では、機械機構の動き全体を通して位置が変わる回転の仮想軸は、人間の脚部の自由度に対応できる。

一態様では、支持部材１２１ａ〜１２１ｉのうちの１つまたは複数は、機械機構１２０の支持部材（すなわち、入力リンケージ）に力および／またはモーメントを作用させるために利用され得る。例えば、主駆動アクチュエータ１４０は、支持部材の連結によって規定される自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｌに力またはトルクを作用させるように動作することが可能である。図示した例では、主駆動アクチュエータ１４０は、入力リンケージとして働くことができる支持部材１２１ｂに（すなわち、方向１４４に）力またはトルクを作用させることができて、機械機構１２０を動くようにさせる。一態様では、主駆動アクチュエータ１４０は、腰の屈伸（すなわち、軸１３１ａの周り）に対応する自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉを動くようにさせることができるが、主駆動アクチュエータは、機械機構１２０を動くようにさせるときに、膝の屈伸（すなわち、軸１３１ｂの周り）または足首の屈伸（すなわち、軸１３１ｄの周り）に対応する自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉを動くようにさせるように構成され得ることが認識されるであろう。

入力支持部材１２１ｂの全旋回の様々な位置の機械機構１２０を含む脚型ロボット装置１０１を図示する図２Ａ〜図２Ｆに示したように、主アクチュエータ１４０は、人間の歩き方に対応する歩行のような動作で機械機構を動かすように機械機構を作動させるために十分であり得る。言い換えると、副アクチュエータ１４１、１４２は、それぞれリンケージ１２２ｄ、１２２ｇが変更されずに、したがって、歩行サイクル全体を通して機械機構１２０の構成を維持するように、これらの図では動作を停止しているか、または動いていない。図２Ａ〜図２Ｆに図示した一態様では、機械機構１２０の端部１２３は、歩行中の人間の足の動きを真似た軌道で動くことができる。支持部材１２１ｉは、明確化のために省略されてきているが、この支持部材は、機械機構１２０の終端部１２３のところに含まれてもよい。主アクチュエータ１４０は、これゆえ、支持部材１２１ｂを連続的に回転させることができ、機械機構１２０は、機械機構１２０の端部１２３がウォーキングの歩き方またはランニングの走り方などの人間の歩き方を真似た所定の軌道をたどるような構成に維持され得る。一態様では、腰の屈伸および膝の屈伸などの人間の脚部の主な自由度に対応する脚型ロボット装置１０１の動きは、主駆動アクチュエータ１４０によって駆動されたときに、ウォーキングの歩行サイクルなどの所定の軌道をたどるように制約され得る機械機構１２０を使用することによって連結され得る。

図１〜図２Ｆを参照し続けると、副アクチュエータ１４１〜１４３は、思い通りに、機械機構１２０および周期的な歩行パラメータ（例えば、歩幅）を動的に変更するか、または修正するために、ならびに脚型ロボット装置１０１が、階段および斜面を上ること、不整地を逃れること、しゃがむこと、または他の動きおよび行動、などの歩行でない動作を行うことを可能にするために採用され得る。例えば、副アクチュエータ１４１は、支持部材を連結することによって規定される自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉに力またはトルクを作用させるように動作可能であり得る。図示した例では、副アクチュエータ１４１は、支持部材１２１ｄ、１２１ｅに力を加えることができ、これが支持部材１２１ｄ、１２１ｅを互いに方向１４５に動くようにさせることが可能である。言い換えると、副アクチュエータ１４１は、２つの同軸支持部材１２１ｄ、１２１ｅ間の軸距離を変えるように構成されることが可能であり、したがって、リンケージ１２２ｄを動的に修正し（すなわち、リンケージ１２２ｄの長さを変え）、これによって機械機構１２０を動的に修正する。このようにして、機械機構１２０は、副アクチュエータ１４１を作動させることによって動的に修正され得る。副アクチュエータ１４２は、支持部材を連結することによって規定される自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉに力またはトルクを作用させるようにも動作可能であり得る。図示したように、副アクチュエータ１４２は、支持部材１２１ｇ、１２１ｈにトルクを作用させることができ、これが支持部材１２１ｇ、１２１ｈを互いに軸１３１ｃの周りを回転させることができる。言い換えると、副アクチュエータ１４２は、２つの同軸支持部材１２１ｇ、１２１ｈ間の相対的な回転の向きを変えるように構成されることが可能であり、したがって、リンケージ１２２ｇを動的に修正し、これによって機械機構１２０を動的に修正する。このようにして、機械機構１２０は、副アクチュエータ１４２を作動させることによって動的に修正され得る。

一態様では、機械機構１２０は、歩き方の変更に応じて機械機構の歩行のような動作を調整するために動的に修正され得る。言い換えると、機械機構１２０は、そのユーザの歩行特性に適応するようにリアルタイムで調整され得る。例えば、リンケージ１２２ｄの長さは、ユーザの歩幅の変更に合わせるために、またはユーザのウォーキングの歩き方からランニングの走り方への移行に機械機構１２０を修正するために増減され得る。このように、副アクチュエータ１４１は、主駆動アクチュエータ１４０がユーザの歩き方の変更に応じて機械機構を動的に変えるまたは修正するために機械機構１２０の動きを能動的に生じさせている間に、「動作中（on the fly）」に作動され得る。

別の一態様では、機械機構１２０は、しゃがむこと、飛び出すこと（lunging）、膝をつくこと、うずくまること、階段を上り下りすること、はしごを上り下りすること、斜面を上り下りすること、方向を変えること、よろめきから戻すこと、および／または人間によって行われるいずれかの他の代表的な動きなどの、非歩行動作を容易にするために動的に修正され得る。例えば、副アクチュエータ１４１は、上に説明したように、機械機構１２０のリンケージ１２２ｄの長さを変えることによってなどで、膝の屈伸（すなわち、軸１３１ｂの周り）に対応する自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉを動くようにさせるために作動され得る。別の一例では、副アクチュエータ１４２は、上に説明したように、機械機構１２０のリンケージ１２２ｇの２つの同軸支持部材１２１ｇ、１２１ｈ間の相対的な回転の向きを変えることによってなどで、足首の内旋／外旋（すなわち、軸１３１ｃの周り）に対応する自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉを動くようにさせるために作動され得る。さらにその上、副アクチュエータ１４３は、機械機構１２０の支持部材１２１ｈ、１２１ｉ間の相対的な回転の向きを変えることによってなどで、足首の屈伸（すなわち、軸１３１ｄの周り）に対応する自由度で支持部材１２１ａ〜１２１ｉを動くようにさせるために作動され得る。このように、膝を曲げることまたは足首の回転を含むものなどの歩行でない動作は、副アクチュエータ１４１〜１４３だけをまたは主駆動アクチュエータ１４０および／もしくは別の副アクチュエータなどのいずれかの他のアクチュエータと協働してもしくは組み合わせて作動させることによって達成されることが可能であり、ここでは機械機構１２０の修正を生じさせる。

いずれかの機械機構のいずれかのリンケージが、任意の所望の目的のために任意の所望の方法で機械機構を修正するために利用され得る副アクチュエータを含むことができることが認識されるであろう。一態様では、副アクチュエータ１４１〜１４３は、動力型（すなわち、モータ、ポンプ、等を利用する）または受動型（すなわち、ばね、クラッチ、ダンパ、等を利用する）であり得る。動力型のときには、アクチュエータ１４０〜１４３は、液圧式アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ、および／または電気式アクチュエータなどの任意の適切なタイプのアクチュエータを含むことができる。

このように、上に説明したように、本開示は、１つの構成から別の変更した構成へと機械機構を修正するために、ロボット装置内で利用される様々なアクチュエータの効率的な採用のために構成された脚型ロボット装置を述べ、ここではその目的のうちの１つが、エネルギーを節約することである。一般的に言って、脚型ロボット装置のアクチュエータは、脚型ロボット装置内のリンケージ素子に即しており、その結果、リンケージ素子は、ウォーキングおよび他のウォーキングでない動作（しゃがむこと、登ること、ランニング、等）に一致する脚の動作を作り出すように修正され得る。リンケージは、アクチュエータを選択的に採用し作動させることによって動的に再構成されるか、または修正され得る。ところが、歩行のような動作を真似たときおよび主駆動アクチュエータだけにより作動されるときには、リンケージは、剛性部材のように振る舞う。しかしながら、本明細書において教示された原理にしたがった異なるアクチュエータの採用で、リンケージの硬直性または硬直的特質は、修正され再構成され得る。

様々なアクチュエータの動的な採用は、脚型ロボット装置がエネルギーを節約することを可能にする。ロボット装置が立っているまたは歩いているときには、両方ともマルチリンケージ機構内の１つの作動可能な自由度により達成され得る。このように、機械機構は、機械機構を人間の歩き方を介して動くようにさせることが可能な主駆動アクチュエータを有することが可能である。典型的には、１つのそのような機械機構が、各脚部に対して使用される。主駆動アクチュエータは、歩いているまたは立っているときに利用され得る。脚型ロボット装置は、追加のまたは他のアクチュエータ、および階段を上ること、うずくまること、等などの他の動作を容易にするための自由度を含むように構成されてもよい。これらの他の歩行でない動作は、他の（副）アクチュエータおよび以前には動作を停止している（作動していない）機械機構の自由度を動的に採用することによって合わせられるか、または達成されることが可能であり、このアクチュエータは、ウォーキングの動作のためには必要でない。それゆえに、副アクチュエータが不要なときには使用されないので、エネルギーは、浪費されない。言い換えると、必要であるアクチュエータだけが、任意の所与の時間に電源を入れられる（例えば、歩いているまたは立っているときには主駆動アクチュエータだけ電源を入れる）。このように、歩いているまたは立っているときには、装置のアクチュエータの一部が使用され、そのため、脚部当たり１つだけの自由度に対して電源が入れられるので、エネルギー使用量は、最小量に保たれる。しかしながら、ユーザが階段を上るなどの他の動作を行い始めると、機械機構の一部を形成しかつ他の動作の実行を容易にする機械機構を修正するように働くことができる１つまたは複数の追加の副アクチュエータおよび自由度が作動され得る。言い換えると、そうでなければ動作を停止している脚部の構造部品は、所望の機能を実行するために作動され得る（すなわち、機械機構の他の構造部品をオンにできる）。この起動は、所与の動作条件に応じてリアルタイムで実行され得る。通常動作を停止しているまたはオフである副アクチュエータの組み合わせられた動作は、人間の操作者が、非歩行動作および非起立動作の必要な範囲を行いながら正常に動くことができるようにするためのものである。

副アクチュエータの採用は、任意の適切なタイプのセンサを使用することによってシステムにより感知された負荷に基づくことが可能である。一態様では、操作者が歩行または起立以外の動作を実現しようと望むときを感知する制御システムが含まれ得る。このように、制御システムは、通常動作を停止しているまたはオフの副アクチュエータを作動させ、操作者によって命令された期間に命令された動作を提供するために副アクチュエータを管理することが可能であり、その後で、制御システムは、副アクチュエータを動作停止状態またはオフ状態に戻すことができる。

１つの例示的な動作シナリオでは、脚型ロボット装置は、歩行および起立のために低レベルで動作でき、したがって、１つだけの自由度が作動されるので、ロボット装置のエネルギー消費量が最小であることを可能にする。本明細書において説明し、図面に示したものなどの適切な機械機構と協働してアクチュエータの少ないセット（例えば、脚部当たり１つのアクチュエータ）を使用することによって、総合的なシステム効率が向上され得る。アクチュエータが、１つよりも多くの自由度で動作するように構成され得ること、および本開示が１つのアクチュエータが１つの自由度を常に制御する動作シナリオに限定されるべきではないことに留意されたい。エネルギー必要量は、追加の副アクチュエータおよび付随する自由度が採用されるにつれて自然に増加するであろう。しかしながら、このような追加の副アクチュエータを使用することは、１つの作動した自由度を使用して歩いているまたは立っているだけのときには、操作者には利用できない追加の機能を提供できる。

必要に応じて機械機構で動作可能な（例えば、リンケージ内に即して埋め込まれた）アクチュエータを採用することによって、ロボット装置は、従来のロボットシステムにおいて任意の利用可能な機能を実行するためにアクチュエータのすべてを常にオンにすることとは反対に、アクチュエータが、必要に応じて方策的に起動され動作を停止されるまたはオンオフにされ得るように構成され得る。実際に、多くの旧来のロボットの構造的配置および作動配置を用いると、１つの自由度が基本的な（とはいえ時には複雑な）動作を実行するために使用され得るところに、ロボットが設定されていないという理由で、すべての自由度が連続的に使用される。これゆえ、これらの従来システムは、ウォーキングの動作を行うためにすべてのアクチュエータの使用を必要とする。というのは、これが、ロボットが構成された方法であるためである。対照的に、本開示の脚型ロボット装置によれば、機械機構は、人間が１つのアクチュエータを使用して動く方法を真似た歩行のような方式で、ウォーキングなどの人間の歩き方が機械機構によって実行され得るように構成されることが可能であり、したがって、常にロボット装置のアクチュエータのすべてを使用する必要性を排除する。副アクチュエータは、歩き方の変更に応じて機械機構を修正するため、または非歩行機能を実行するために採用され得る。言い換えると、副アクチュエータは、ユーザが歩いていないまたは立っていないときに必要に応じて採用されてもよい。このように、副アクチュエータは、非歩行機能または非起立機能を実行するために必要なときにだけ起動状態になってもよい。時間の大部分が歩行または起立に費やされる限りは、この取り組みを使用する省エネルギーは、非常に有意義であるはずである。

したがって、機械機構は、機械機構を修正するために起動されるもしくはオンにされる、または一旦、機械機構が現在の動作シナリオ（すなわち、起立もしくはユーザの歩幅を近似する歩幅で歩くこと）にとって適切になると、所与の構成に機械機構のリンケージを戻すまたは設定するために動作を停止されるもしくはオフにされることが可能な副アクチュエータを含むことができる。このように、副アクチュエータは、所望の通りに選択的に作動されることが可能であり、エネルギーを節約できる。例えば、液圧式アクチュエータを用いると、アクチュエータが必要ないときには、アクチュエータが戻されたまま、または固定されたままであり、剛体部材として機能するように、流体は、ピストンの両側に留まることができる。このように作動していないときには、アクチュエータは、リンケージの剛体素子のように振る舞う。しかしながら、必要なときには、アクチュエータは、位置を変えるために選択的に作動されることが可能であり、これによって機械機構を修正するまたは変更し、機械機構に違った動作を作り出させる。言い換えると、アクチュエータをブレーキとして使用すると、必要ないときには剛体部材として振る舞うことができる構造素子は、必要なときに利用可能な自由度を提供する。

図３は、本開示の別の一例による動的に調整可能な歩行模倣脚型ロボット装置２０１を図示する。脚型ロボット装置２０１は、上に説明した脚型ロボット装置１０１に多くの点で類似する。例えば、脚型ロボット装置２０１は、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材２２１ａ〜２２１ｇによって少なくとも一部を形成された機械機構２２０を含むことができる。脚型ロボット装置２０１は、主駆動アクチュエータ２４０、および１つまたは複数の副アクチュエータ２４１、２４２も含むことができる。

支持部材２２１ａ〜２２１ｇのうちの１つまたは複数は、機械機構２２０の１つのリンケージ内に含まれ得る。図示した例では、各支持部材２２１ａ〜２２１ｅは、機械機構２２０のリンケージ２２２ａ〜２２２ｅのそれぞれを形成できる。他方で、支持部材２２１ｆ、２２１ｇおよび副アクチュエータ２４２は、機械機構２２０の１つのリンケージ２２２ｆ内に含まれ得る。一態様では、支持部材２２１ａは、機械機構２２０に関する固定基準として働くグランドリンケージまたはフレームを表すことができる。機械機構２２０の複数の自由度のうちの少なくともいくつかは、人間の脚部の自由度に対応することができ、その結果、機械機構２２０は、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成される。例えば、軸２３１ｂ周りの回転のために支持部材２２１ｆに支持部材２２１ｅを連結することによって形成される自由度は、膝の屈伸の自由度に対応できる。軸２３１ｃ周りの回転のために支持部材２２１ｇに支持部材２２１ｆを連結することによって形成される自由度は、足首の内旋／外旋の自由度に対応することができる。このケースでは、機械機構２２０の動き全体を通して位置を変える回転の仮想軸は、人間の脚部の腰の屈伸の自由度に対応してもよい。

支持部材２２１ａ〜２２１ｇのうちの１つまたは複数は、機械機構２２０の支持部材（すなわち、入力リンケージ）に力および／またはモーメントを作用させるために利用され得る。例えば、主駆動アクチュエータ２４０は、支持部材の連結によって規定される自由度で支持部材２２１ａ〜２２１ｇに力またはトルクを作用させるように動作することができる。図示した例では、主駆動アクチュエータ２４０は、入力リンケージとして働くことができる支持部材２２１ｂに力またはトルクを作用させることができて、支持部材２２１ａ（すなわち、グランドリンケージまたは基準リンケージ）と連結するピボット軸周りに支持部材２２１ｂを回転させ、機械機構２２０を動くようにさせる。

一態様では、機械機構２２０は、トルクを伝達するため、そして複数の支持部材２２１ａ〜２２１ｇのうちの２つ以上についての同期動作シーケンスを提供するために同期駆動システム２５０を備えることができる。例えば、支持部材２２１ｃは、支持部材２２１ｄの中点のところで支持部材２２１ｄに回転可能に連結され得る。支持部材２２１ｅは、支持部材２２１ｄの端部部分のところなどで支持部材２２１ｄに回転可能に連結され得る。支持部材２２１ｆは、支持部材２２１ｅの端部部分などで支持部材２２１ｅに回転可能に連結され得る。ギアまたはプーリ２５１、２５２は、支持部材２２１ｄに対する回転のために支持部材２２１ｃに連結され得る。ギアまたはプーリ２５３は、支持部材２２１ｄに対する回転のために支持部材２２１ｅに連結され得る。ギアまたはプーリ２５４は、支持部材２２１ｅに対する回転のために支持部材２２１ｆに連結され得る。ベルトまたはチェーン２５５は、ギアまたはプーリ２５１、２５３を相互に連結できる。ベルトまたはチェーン２５６は、ギアまたはプーリ２５２、２５４を相互に連結できる。このように、主駆動アクチュエータ２４０が支持部材２２１ｂを回転させるので、支持部材２２１ｃは、支持部材２２１ｄに対して回転する。これが、ギアまたはプーリ２５１にギアまたはプーリ２５３を回転させ、これによって支持部材２２１ｅを支持部材２２１ｄに対して回転させる。同様に、支持部材２２１ｄに対する支持部材２２１ｃの回転が、ギアまたはプーリ２５２にギアまたはプーリ２５４を回転させ、これによって支持部材２２１ｆを支持部材２２１ｅに対して回転させる。このように主駆動アクチュエータ２４０を作動させることは、副アクチュエータ２４１、２４２の何らかの作動またはこれらからの入力なしに、人間の歩き方を真似た機械機構２２０の動きを生じさせるために十分であり得る。

一態様では、機械機構２２０は、歩き方の変更に応じて機械機構の歩行のような動作を調整するために、または非歩行動作を容易にするために動的に修正され得る。例えば、副アクチュエータ２４１は、相互に独立してギアまたはプーリ２５１、２５２を、および支持部材２２１ｃ、２２１ｄを回転させるように構成されることが可能であり、その結果、支持部材２２１ｅ、２２１ｆは、機械機構２２０を修正できる他の支持部材２２１ａ〜２２１ｄに対して動かされ得る。どのようにして機械機構２２０が修正され得るかの別の一例として、ギアまたはプーリ２５１用に１つのアクチュエータおよびギアまたはプーリ２５２用にもう１つを含むことができる副アクチュエータ２４１は、ギアまたはプーリ２５１、２５２を相互に相対的におよび／または支持部材２２１ｃ、２２１ｄに対して回転させることができる。副アクチュエータ２４２は、機械機構１２０に関して上に論じたような類似の方法で機械機構２２０を修正するために作動され得る。このように、歩行のような動作および膝を曲げることまたは足首の回転を含むものなどの非歩行動作を調整することは、機械機構２２０を修正するために、副アクチュエータ２４１、２４２単独で、または主アクチュエータ１４０および／もしくは他の副アクチュエータなどの任意の他のアクチュエータと協働して、もしくは組み合わせて作動させることによって達成され得る。

ギアまたはプーリ２５１〜２５４は、関連する支持部材に関する任意の適切な同期する動きを実現するように構成され得る。任意の適切なチェーン、ベルト、歯車列、等が使用されてもよい。一態様では、タイミングチェーンまたはタイミングベルトが使用されてもよい。上に述べたように、本開示が当業者なら想像できる任意の適切な機械機構を組み込むことができるので、任意の適切な機械機構は、本明細書において開示した原理にしたがって利用され得る。

本発明の一実施形態によれば、操作者の下半身の動きのエミュレーションを容易にするための方法が開示される。本方法は、複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構であり、複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応する、機械機構と、複数の自由度のうちの第１の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータと、複数の自由度のうちの第２の自由度で支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータとを有し、機械機構が、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され、主駆動アクチュエータが、歩行のような動作で機械機構を動かすように機械機構を作動させるために十分である、脚型ロボット装置を用意するステップを含むことができる。加えて、本方法は、機械機構の動的な修正を容易にするステップを含むことができる。方法の一態様では、機械機構の動的な修正を容易にするステップは、主駆動アクチュエータおよび第２のアクチュエータのうちの少なくとも一方を作動させるステップを含むことができる。一般的に一実施形態では、これらの方法ステップが、逐次的に実行され得るけれども、特定の順番がこの方法では必要ないことに留意されたい。

開示した発明の実施形態が、特定の構造、プロセスステップ、または本明細書において開示した材料に限定されずに、当業者には理解されるようにこれらの等価物に拡張されることを理解されたい。本明細書において採用した術語は、特定の実施形態だけを説明する目的のために使用され、限定するものではないことも理解されるであろう。

「一実施形態（one embodiment）」または「実施形態（an embodiment）」へのこの明細書全体を通しての言及は、実施形態に関連して説明した特定の構成、構造、または特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。このように、この明細書全体を通して様々な場所で「一実施形態では」または「実施形態では」という句が現れることは、同じ実施形態をすべてが参照することを必ずしも必要としない。

本明細書において使用したように、複数の品目、構造的要素、組成的要素、および／または材料は、利便性のために共通リストに表示されることがある。しかしながら、これらのリストは、リストの各要素が別々の固有の要素として個々に認識されるかのように解釈されるべきである。したがって、このようなリストの個々の要素は、別段の表示なしに共通のグループ内のこれらの表示に単に基づく同じリストのいずれかの他の要素の事実上の等価物として解釈されるべきではない。加えて、本発明の様々な実施形態および例は、これらの様々な構成要素に対する代替物とともに本明細書において言及されることがある。このような実施形態、例、および代替物は、互いの事実上の等価物として解釈されるべきではなく、本発明の別々の自律的な表示として解釈されるべきであることが理解される。

さらにその上、説明した構成、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。明細書では、本発明の実施形態の完全な理解を与えるために、長さ、幅、形状、等の例などの数多くの具体的な詳細が提供される。しかしながら、本発明は、１つまたは複数の具体的な詳細を用いずに、または他の方法、構成要素、材料、等を用いて実行され得ることを当業者なら理解するであろう。他の事例では、良く知られた構造、材料、または操作は、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるために詳細には示されない、または説明されない。

前述の例が、１つまたは複数の特定の用途における本発明の原理の例示である一方で、形態、使用法、実施の詳細における数多くの修正が、発明的な能力を使用せずに、そして本発明の原理および概念から乖離せずに行い得ることは、当業者には明白であろう。したがって、別記の特許請求の範囲によるものを除いて、本発明を限定するようには見なされない。

１００ 下半身外骨格
１０１ 脚型ロボット装置
１１０ ベース部材
１２０ 機械機構
１２１ 支持部材
１２２ リンケージ
１２３ 端部
１３１ 軸
１４０ 主駆動アクチュエータ
１４１〜１４３ 副アクチュエータ
２０１ 脚型ロボット装置
２２０ 機械機構
２２１ 支持部材
２２２ リンケージ
２３１ 軸
２４０ 主駆動アクチュエータ
２４１，２４２ 副アクチュエータ
２５０ 同期駆動システム
２５１〜２５４ ギアまたはプーリ
２５５，２５６ ベルトまたはチェーン

Claims (23)

1. 複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構であって、前記複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応する、機械機構と、
   前記複数の自由度のうちの第１の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータと、
   前記複数の自由度のうちの第２の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータと
   を備え、
   前記機械機構が、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され、
   前記主駆動アクチュエータは、前記歩行のような動作で前記機械機構を動かすように前記機械機構を作動させるために十分であり、
   前記機械機構は、前記第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正される、
   脚型ロボット装置。
2. 前記機械機構が、歩き方の変更に応じて前記機械機構の前記歩行のような動作を調整するために動的に修正される、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
3. 前記歩き方の変更が、歩幅の変更を含む、請求項２に記載の脚型ロボット装置。
4. 前記歩き方が、ウォーキングの歩き方またはランニングの走り方である、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
5. 前記機械機構の端部が、歩行中の人間の足の動きを真似た軌道で動く、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
6. 前記機械機構が、非歩行動作を容易にするために動的に修正される、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
7. 前記非歩行動作が、しゃがむこと、膝をつくこと、うずくまること、階段を上り下りすること、はしごを上り下りすること、斜面を上り下りすること、またはこれらの組み合わせを含む、請求項６に記載の脚型ロボット装置。
8. 前記第２のアクチュエータが、前記非歩行動作を容易にするように前記機械機構のリンケージの長さを変えるために作動される、請求項６に記載の脚型ロボット装置。
9. 前記第２のアクチュエータが、前記非歩行動作を容易にするように前記複数の支持部材のうちの少なくとも１つを動かすために作動される、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
10. 前記機械機構が、前記第２のアクチュエータだけを作動させることによって動的に修正される、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
11. 前記機械機構が、前記第２のアクチュエータと協働して前記主駆動アクチュエータを作動させることによって動的に修正される、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
12. 前記機械機構が、前記複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された複数のリンケージを備える、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
13. 前記複数のリンケージのうちの少なくとも１つが、前記複数の支持部材および前記第２のアクチュエータのうちの少なくとも一方を備える、請求項１２に記載の脚型ロボット装置。
14. 前記第２のアクチュエータが、２つの同軸支持部材間の軸距離を変えるように構成される、請求項１３に記載の脚型ロボット装置。
15. 前記第２のアクチュエータが、２つの同軸支持部材間の相対的な回転の向きを変えるように構成される、請求項１３に記載の脚型ロボット装置。
16. 前記機械機構が、トルクを伝達し、かつ２つ以上の前記複数の支持部材に同期動作シーケンスを提供するための同期駆動システムを備える、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
17. 前記同期駆動システムが、ギア、ベルト、およびチェーンのうちの少なくとも１つを備える、請求項１６に記載の脚型ロボット装置。
18. 前記複数の自由度のうちの前記第１の自由度が、腰の屈伸の自由度、膝の屈伸の自由度、および足首の屈伸の自由度のうちの１つに対応する、請求項１に記載の脚型ロボット装置。
19. 複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構であって、前記複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応する、機械機構と、
    前記人間の脚部の腰の屈伸の自由度に対応する前記複数の自由度のうちの第１の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータと、
    前記人間の脚部の膝の屈伸の自由度に対応する前記複数の自由度のうちの第２の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータと
    を備え、
    前記機械機構が、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され、
    前記主駆動アクチュエータは、前記歩行のような動作で前記機械機構を動かすように前記機械機構を作動させるために十分であり、
    前記機械機構は、前記第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正される、
    脚型ロボット装置。
20. 前記機械機構の端部が、歩行中の人間の足の動きを真似た軌道で動く、請求項１９に記載の脚型ロボット装置。
21. ユーザの周りに設置されかつ前記ユーザに固定されるように構成されたベース部材と、
    前記ベース部材の周りで支持された動的に調整可能な歩行模倣脚型ロボット装置であって、
    複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構であり、前記複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応する、機械機構、
    前記複数の自由度のうちの第１の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータ、および
    前記複数の自由度のうちの第２の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータ
    を備える、脚型ロボット装置と
    を備え、
    前記機械機構が、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され、
    前記主駆動アクチュエータが、前記歩行のような動作で前記機械機構を動かすように前記機械機構を作動させるために十分であり、
    前記機械機構が、前記第２のアクチュエータを作動させることによって動的に修正される、
    下半身外骨格。
22. 操作者の下半身の動きのエミュレーションを容易にするための方法であって、該方法は、
    脚型ロボット装置を設けるステップであって、該脚型ロボット装置が、
    複数の自由度を規定する相対的な動きのために互いに連結された複数の支持部材によって少なくとも一部を形成された機械機構であって、前記複数の自由度のうちの少なくともいくつかが人間の脚部の自由度に対応する、機械機構と、
    前記複数の自由度のうちの第１の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する主駆動アクチュエータと、
    前記複数の自由度のうちの第２の自由度で前記支持部材に力またはトルクを作用させるように動作する第２のアクチュエータと
    を有し、
    前記機械機構が、人間の歩き方を真似た歩行のような動作で動くように構成され、
    前記主駆動アクチュエータは、前記歩行のような動作で前記機械機構を動かすように前記機械機構を作動させるために十分である、
    脚型ロボット装置を設けるステップと、
    前記機械機構の動的な修正を容易にするステップと
    を備える、方法。
23. 前記機械機構の動的な修正を容易にするステップが、前記主駆動アクチュエータおよび前記第２のアクチュエータのうちの少なくとも一方を作動させるステップを備える、請求項２２に記載の方法。

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