JP2015214019A5 - - Google Patents

Description

従って、エネルギを位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに入力する（例えば膝関節において脚を曲げる）際に、当該エネルギの少なくとも一部分が回生され、荷重に加えられる。例えば直立姿勢すなわち不加圧状態では、利用者すなわち着用者は、荷重がサポート部材を通じて地面に伝達するので、荷重を感じないだろう。位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇにエネルギが加えられると（例えば着用者が屈んだ場合に）、エネルギが位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに入力される。解放すると、又は利用者が直立していると、エネルギが回生され、荷重に戻される。このことは、ロボット装置１００によって為される仕事量を低減させるために位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇが利用される状況の一例である。言い換えれば、利用者は、エネルギを位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに入力するために、自身の体重を利用している。エネルギを取り戻すことが望ましい場合には、利用者は、エネルギを位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇから抽出するために、又は、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇにエネルギを加えないために、立っているか又は移動する。利用者及びロボット装置１００が必要とする仕事量が、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに入力されるエネルギ量だけ低減されるからである。言い換えれば、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに入力されたエネルギは回収又は回生され、アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇを補助するために利用される。これにより、さもなければ浪費されるであろう利用するためのエネルギを保存することによって、エネルギ消費が低減される。従って、歩行ロボット装置１００に位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇを設けることによって、歩行ロボット装置１００の効率を高めることができる。

位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、任意の適切なタイプの位置エネルギ蓄積機構とされ、任意の適切な方法でエネルギが加えられる。一の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、任意の適切なバネを備えている。このようなバネとしては、例えば引張バネ、圧縮バネ、捩じりバネ、螺旋状捩じりバネ、空気バネ（例えばエアシリンダや窒素ボンベ）、片持ち式バネ、定荷重バネ、ネゲータスプリング（negator spring）、弾性材料、螺旋状バネ、コイルスプリング、板バネ、液圧式アキュムレータ、磁気バネ、アーチスプリング（bow spring）が挙げられる。他の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、位置エネルギを蓄積及び回生するための任意の適切な材料又は媒体を備えている。従って、中実の弾性部材（例えばバネ鋼又は弾性材料から作られている）及び／又はガスを利用する空気バネが利用可能とされる。言い換えれば、エネルギを蓄積し、蓄積されたエネルギを供給することによって、力及び／若しくはトルクをサポート部材に作用させるか、又は、アクチュエータを補助することができることを条件として、任意のタイプのバネ要素が利用可能とされる。さらに以下に説明するように、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、弾性位置エネルギを蓄積するように構成されており、所定の用途又は条件に対して所望の結果を得るために動的に変化又は調整される弾性挙動を有している。さらに、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇのエネルギ散逸特性も動的に変化させることができる。

一の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇそれぞれが、アクチュエータと組み合わされるか、又はアクチュエータに関連している。例えば、アクチュエータ１１２ｂ及び位置エネルギ蓄積機構１１３ｂは、股関節に配置されているか、又は、利用者の脚部の股関節の屈曲／伸展についての自由度に関連している。アクチュエータ１１２ｂは、例えば利用者が階段を昇るために足を上げた場合に、位置エネルギ蓄積機構１１３ｂにエネルギを加えるように動作する。言い換えれば、アクチュエータ１１２ｂが脚を持ち上げるように動作した場合に、エネルギが位置エネルギ蓄積機構１１３ｂに入力されるので、これにより位置エネルギ蓄積機構１１３ｂにエネルギが加えられる。このエネルギが、操作者及び歩行ロボット装置１００を上の段に上げるために、アクチュエータ１１２ｂが股関節において脚を伸展させることを補助するために回生される。従って、エネルギが、歩行ロボット装置１００の脚部と利用者の脚とを動作させつつ、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに入力される。歩行ロボット装置１００は、単独でエネルギ蓄積／エネルギ回生をするように構成されているか、又は、利用者を一層力強く強靭にするためにアクチュエータと連動してエネルギ蓄積／エネルギ回生をするように構成されている。例えば、利用者は、荷物を運ぶ際に、歩行の際に、登山の際に、走る際に一層力強くなることができる。

位置エネルギ蓄積機構２１３は、任意の適切なタイプの任意に組み合わせされたバネを備えている。一の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構２１３のバネ定数が動的に変化する。位置エネルギ蓄積機構２１３のバネ定数は、任意の適切な手法によって動的に変化可能とされる。例えば、機械式バネの拘束位置に従って、当該バネ定数を効果的に変化させることができる。例えば、サポート部材から片持ち支持されているバネは、バネ定数を変化させるために、当該サポート部材からの距離を変更可能な状態で拘束されている。同様に、螺旋状の捩じりバネが、バネ定数を変化させるように拘束されている。特定の実施例では、位置エネルギ蓄積機構２１３は、関節軸線と同軸に配置されているネゲータスプリングを備えている。このようなバネは、所定の荷重に対する弾性挙動を最適化するために利用者がバネ張力を調整することができるという利点を有している。

当該方法の一の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構が設けられていない場合には、アクチュエータは、最大荷重の要求に対して小型とされる。当該方法他の実施態様では、ヒトの脚の少なくとも１つの自由度が、股関節の屈曲／伸展、股関節の外転／内転、股関節の内旋／外旋、膝関節の屈曲／伸展、足首の屈曲／伸展、足首の内反／外反、及び足首の内旋／外旋のうち少なくとも１つを備えている。当該方法のさらなる他の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構は、引張バネ、圧縮バネ、捩じりバネ、螺旋状捩じりバネ、空気バネ（例えばエアシリンダや窒素ボンベ）、片持ち式バネ、定荷重バネ、ネゲータスプリング（negator spring）、弾性材料、螺旋状バネ、コイルスプリング、板バネ、液圧式アキュムレータ、磁気バネ、アーチスプリング（bow spring）、又はこれらの組み合わせを備えている。

Claims (32)

1. 複数の自由度を有する相対運動をするように共に結合されている複数のサポート部材であって、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度が、人の脚の少なくとも１つの自由度に対応している、前記サポート部材と、
   前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度について力又はトルクを前記サポート部材に作用させるためのアクチュエータと、
   前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度に関連している位置エネルギ蓄積機構であって、前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度についての前記サポート部材同士の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記アクチュエータを補助するために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を前記サポート部材に補償力又は補償トルクとして供給するように動作し、前記位置エネルギ蓄積機構のバネ定数又は零点位置のうち少なくとも１つが、動作中に変化可能である、前記位置エネルギ蓄積機構と、
   前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に係合又は係合解除するように、前記位置エネルギ蓄積機構と直列に配置されているクラッチと、
   を備えている歩行ロボット装置において、
   前記アクチュエータは、前記アクチュエータを選択的に係合解除して自由に移動可能な状態となるよう動作可能であって、前記位置エネルギ蓄積機構および前記アクチュエータの選択的な係合解除により、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度において、前記サポート部材の自由な相対移動が促進されることを特徴とする歩行ロボット装置。
2. 前記アクチュエータが、前記位置エネルギ蓄積機構を考慮しない場合には、最大荷重要求に対して小型化されていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
3. 前記歩行ロボット装置の前記複数の自由度のうちの前記少なくとも１つの自由度が、人の脚の股関節の屈曲／伸展、股関節の外転／内転、股関節の内旋／外旋、膝関節の屈曲／伸展、足首の屈曲／伸展、足首の内反／外反、及び足首の内旋／外旋のうち少なくとも１つに対応していることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
4. 前記アクチュエータが、液圧式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、電気式アクチュエータ、又は前記液圧式アクチュエータ、前記空圧式アクチュエータ、及び前記電気式アクチュエータの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
5. 前記アクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構が、並列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
6. 前記アクチュエータが、液圧式アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
7. 前記液圧式アクチュエータが、液圧式ダンパとして選択的に機能するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の歩行ロボット装置。
8. 前記液圧式アクチュエータが、前記液圧式アクチュエータを選択的に係合解除するために、前記液圧式アクチュエータのピストンを自在に移動させるように構成されており、
   前記位置エネルギ蓄積機構と前記液圧式アクチュエータとを選択的に係合解除することによって、前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度について、前記サポート部材同士を自在に相対運動させることができることを特徴とする請求項６に記載の歩行ロボット装置。
9. 前記位置エネルギ蓄積機構が、空気バネを選択的に係合解除するために、前記空気バネのピストンを自在に移動させるように構成されている前記空気バネを備えており、
   前記液圧式アクチュエータが、前記液圧式アクチュエータを選択的に係合解除するために、前記液圧式アクチュエータのピストンを自在に移動させるように構成されており、
   前記空気バネと前記液圧式アクチュエータとを選択的に係合解除することによって、前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度について、前記サポート部材同士を自在に相対運動させることができることを特徴とする請求項６に記載の歩行ロボット装置。
10. 少なくとも１つのバルブが、前記空気バネの前記ピストンと前記液圧式アクチュエータの前記ピストンとのうち少なくとも１つのピストンを自在に移動させるように制御することを特徴とする請求項９に記載の歩行ロボット装置。
11. 前記位置エネルギ蓄積機構が、空圧式アクチュエータ及び空圧式ダンパのうち少なくとも１つとして選択的に機能するように構成されている空気バネを備えていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
12. 前記空気バネが、バネ定数、零点位置、及びプリロードのうち少なくとも１つを変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の歩行ロボット装置。
13. 前記位置エネルギ蓄積機構が、バネを備えていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
14. 前記バネが、引張バネ、圧縮バネ、捩じりバネ、螺旋状捩じりバネ、空気バネ、片持ち式バネ、定荷重バネ、ネゲータスプリング、弾性材料、螺旋状バネ、コイルスプリング、板バネ、アーチスプリング、液圧式アキュムレータ、磁気バネ、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１３に記載の歩行ロボット装置。
15. 前記バネに作用するプリロードが、動作中に変化可能とされることを特徴とする請求項１３に記載の歩行ロボット装置。
16. 前記少なくとも１つの自由度についての前記サポート部材の運動に抵抗するためのダンパを備えていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
17. 前記ダンパが、液圧式ダンパ、空圧式ダンパ、機械式ダンパ、電気式ダンパ、又は前記液圧式ダンパ、前記空圧式ダンパ、前記機械式ダンパ、及び前記電気式ダンパの組み合わせであることを特徴とする請求項１６に記載の歩行ロボット装置。
18. 前記ダンパの減衰係数が、動作中に変化可能とされることを特徴とする請求項１６に記載の歩行ロボット装置。
19. 前記アクチュエータに給電するために、前記歩行ロボット装置の周囲において支持されている電源を備えていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
20. 前記歩行ロボット装置が、人体に取り付けるための外骨格構造として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
21. 前記歩行ロボット装置が、ヒト型ロボットとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
22. 人の膝の自由度に対応している第１の自由度を有する相対運動をするように、第２のサポート部材に結合されている第１のサポート部材と、
    第１の自由度について、力又はトルクを前記第１のサポート部材及び前記第２のサポート部材に作用させるための第１のアクチュエータと、
    前記第１の自由度に関連している第１の位置エネルギ蓄積機構であって、前記第１の自由度についての前記第１のサポート部材及び前記第２のサポート部材の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記第１のアクチュエータを補助するために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を前記第１のサポート部材及び前記第２のサポート部材に補償力又は補償トルクとして供給するように動作し、前記第１の位置エネルギ蓄積機構のバネ定数及び零点位置のうち少なくとも１つが、動作中に変化可能である、前記第１の位置エネルギ蓄積機構と、
    前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に係合又は係合解除するように、前記位置エネルギ蓄積機構と直列に配置されているクラッチと、
    を備えている歩行ロボット装置において、
    前記アクチュエータは、前記アクチュエータを選択的に係合解除して自由に移動可能な状態となるよう動作可能であって、前記位置エネルギ蓄積機構および前記アクチュエータの選択的な係合解除により、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度において、前記サポート部材の自由な相対移動が促進されることを特徴とする歩行ロボット装置。
23. 人の股関節の自由度に対応している第２の自由度を有する相対運動をするように、前記第２のサポート部材に結合されている第３のサポート部材と、
    前記第２の自由度について、力又はトルクを前記第２のサポート部材及び前記第３のサポート部材に作用させるための第２のアクチュエータと、
    前記第２の自由度に関連している第２の位置エネルギ蓄積機構であって、前記第２の自由度についての前記第２のサポート部材及び前記第３のサポート部材の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記第２のアクチュエータを補助するために、蓄積されたエネルギの少なくとも一部を前記第２のサポート部材及び前記第３のサポート部材に補償力又は補償トルクとして供給するように動作する前記第２の位置エネルギ蓄積機構と、
    を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の歩行ロボット装置。
24. 前記歩行ロボット装置の第２の自由度が、人の股関節の屈曲／伸展、股関節の外転／内転、及び股関節の内旋／外旋のうち少なくとも１つに対応していることを特徴とする請求項２３に記載の歩行ロボット装置。
25. 前記股関節の第２の自由度に対応している第３の自由度を有する相対運動をするように、前記第３のサポート部材に結合されている第４のサポート部材と、
    前記第３の自由度について、力又はトルクを前記第３のサポート部材及び前記第４のサポート部材に作用させるための第３のアクチュエータと、
    前記第３の自由度に関連している第３の位置エネルギ蓄積機構であって、前記第３の自由度についての前記第３のサポート部材及び前記第４のサポート部材の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記第３のアクチュエータを補助するために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を前記第３のサポート部材及び前記第４のサポート部材に補償力又は補償トルクとして供給するように動作する前記第３の位置エネルギ蓄積機構と、
    を備えていることを特徴とする請求項２３に記載の歩行ロボット装置。
26. 前記股関節の第３の自由度に対応している第４の自由度を有する相対運動をするように、前記第４のサポート部材に結合されている第５のサポート部材と、
    前記第４の自由度について、力又はトルクを前記第４のサポート部材及び前記第５のサポート部材に作用させるための第４のアクチュエータと、
    前記第４の自由度に関連している第４の位置エネルギ蓄積機構であって、前記第４の自由度についての前記第４のサポート部材及び前記第５のサポート部材の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記第４のアクチュエータを補助するために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を前記第４のサポート部材及び前記第５のサポート部材に補償トルクとして供給するように動作する前記第４の位置エネルギ蓄積機構と、
    を備えていることを特徴とする請求項２５に記載の歩行ロボット装置。
27. 人の脚の股関節の自由度に対応している第１の自由度を有する相対運動をするように、第２のサポート部材に結合されている第１のサポート部材と、
    前記第１の自由度について、トルクを前記第１のサポート部材及び前記第２のサポート部材に作用させるための第１のアクチュエータと、
    前記第１の自由度に関連している第１の位置エネルギ蓄積機構であって、前記第１の自由度についての前記第１のサポート部材及び前記第２のサポート部材の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記第１のアクチュエータを補助するために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を前記第１のサポート部材及び前記第２のサポート部材に補償トルクとして供給するように動作し、前記第１の位置エネルギ蓄積機構のバネ定数及び零点位置のうち少なくとも１つが、動作中に変化可能である、前記第１の位置エネルギ蓄積機構と、
    前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に係合又は係合解除するように、前記位置エネルギ蓄積機構と直列に配置されているクラッチと、
    を備えている歩行ロボット装置において、
    前記アクチュエータは、前記アクチュエータを選択的に係合解除して自由に移動可能な状態となるよう動作可能であって、前記位置エネルギ蓄積機構および前記アクチュエータの選択的な係合解除により、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度において、前記サポート部材の自由な相対移動が促進されることを特徴とする歩行ロボット装置。
28. 前記第２のサポート部材が、人の脚の膝の自由度に対応している第２の自由度を形成するのに十分な弾性及び可撓性を有しており、
    弾性及び可撓性を有している前記第２のサポート部材が、前記第２のサポート部材の屈曲の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、第２のサポート部材を真っ直ぐにするために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を供給するように動作することを特徴とする請求項２７に記載の歩行ロボット装置。
29. 歩行ロボット装置のアクチュエータを補助するために補償トルクを供給するための方法において、
    前記方法が、
    複数の自由度を有する相対運動をするように共に結合されている複数のサポート部材を準備するステップであって、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度が、人の脚の少なくとも１つの自由度に対応している、前記ステップと、
    前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度について、力又はトルクを前記サポート部材に作用させるためのアクチュエータを準備するステップと、
    前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度に関連している位置エネルギ蓄積機構を準備するステップであって、前記位置エネルギ蓄積機構が、前記複数の自由度のうち前記少なくとも１つの自由度についての前記サポート部材同士の相対運動の結果として位置エネルギを蓄積するように、且つ、前記アクチュエータを補助するために、蓄積された位置エネルギの少なくとも一部を前記サポート部材に補償力又は補償トルクとして供給するように動作し、前記位置エネルギ蓄積機構のバネ定数及び零点位置のうち少なくとも１つが、動作中に変化可能である、前記ステップと、
    前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に係合又は係合解除するように、前記位置エネルギ蓄積機構と直列に配置されているクラッチを準備するステップと、
    を備えており、
    前記アクチュエータは、前記アクチュエータを選択的に係合解除して自由に移動可能な状態となるよう動作可能であって、前記位置エネルギ蓄積機構と前記アクチュエータとの選択的な係合解除により、前記複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度において、前記サポート部材の自由な相対移動が促進されることを特徴とする方法。
30. 前記アクチュエータが、前記位置エネルギ蓄積機構を設けられていない場合には、最大荷重要求に対して小型化されていることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 人の前記脚の前記少なくとも１つの自由度が、股関節の屈曲／伸展、股関節の外転／内転、股関節の内旋／外旋、膝関節の屈曲／伸展、足首の屈曲／伸展、足首の内反／外反、及び足首の内旋／外旋のうち少なくとも１つに対応していることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
32. 前記バネが、引張バネ、圧縮バネ、捩じりバネ、螺旋状捩じりバネ、空気バネ、片持ち式バネ、定荷重バネ、ネゲータスプリング、弾性材料、螺旋状バネ、コイルスプリング、板バネ、アーチスプリング、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項２９に記載の方法。