JP2019093507A - ロボットの膝構造 - Google Patents

Abstract

【課題】膝を浅く屈曲させる場合に、膝を屈曲させるためにアクチュエータに必要とされるトルクが少なく抑えられたロボットの膝構造を提供する。【解決手段】脚部５は、大腿部１０と、大腿部１０よりも下方に配置された下腿部１１と、大腿部１０と下腿部１１との間を屈曲可能に接続する膝関節部１２と、脚部５が直立したときにたるみを持たせて大腿部１０と下腿部１１とを跨いで取り付けられたゴム部材１５とを備えている。脚部５が、ゴム部材１５が伸長するような深く屈曲した状態のときに、ゴム部材１５による復元力Ｆ３が大腿部１０と下腿部１１とに付与される。【選択図】図５

Description

本発明は、ロボットが膝を屈曲させた状態から直立させた状態に復帰させる際に、補助的なトルクが膝に付加されるロボットの膝構造に関する。

従来、２足で歩行するロボットについての開発が行われている。このようなロボットは、人と同様の作業を行うことが可能なので、災害時の瓦礫の撤去や人命救助等、人が入ることが難しい場所で作業を行うことが期待されている。

このようなロボットが膝を屈曲させた状態から膝をまっすぐにさせて直立させた状態に復帰させる際には、膝関節に大きなトルクが必要とされる。そのため、膝関節に弾性体を配置し、膝を屈曲させた状態から直立させた状態に復帰させる際に弾性体の復元力を用いる構成が提案されている。

特許文献１には、膝関節に弾性体が配置された脚式ロボットについて開示されている。特許文献１の脚式ロボットでは、膝関節にバネが取り付けられ、膝を屈曲させた状態から直立させた状態に復帰させる際に、バネの復元力が用いられる構成について開示されている。また、特許文献１では、大きな復元力を必要とする際に膝に取り付けられたバネが引っ張られ、復元力を大きくする構成について開示されている。

特開２００１−２８７１７７公報

特許文献１に開示された脚式ロボットでは、バネが、膝の屈曲に応じて引っ張られるように膝関節に取り付けられている。そのため、ロボットが膝を曲げようとする際に、膝の屈曲に応じてバネが引っ張られる。しかしながら、膝が屈曲する度に膝に取り付けられたバネが引っ張られるので、膝を小さく屈曲させるような場合であっても、膝を屈曲させるためのトルクと、バネを引っ張るためのトルクとの両方のトルクが必要になる。そのため、膝を浅く屈曲させる場合及び膝を深く屈曲させる場合の両方について、膝が屈曲する度に、膝を屈曲させる際に必要とされるトルクが大きくなり、膝を屈曲させる際に消費される電力が大きくなる。人型ロボットの消費電力が大きくなるので、その分運転コストが高くなる。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、膝を浅く屈曲させる場合には、膝を屈曲させるために必要とされるトルクが少なく抑えられたロボットの膝構造を提供することを目的としている。

本発明のロボットの膝構造は、屈曲可能な脚部を有するロボットであって、前記脚部は、大腿部と、前記大腿部よりも下方に配置された下腿部と、前記大腿部と前記下腿部との間を屈曲可能に接続する膝関節部と、前記脚部が直立したときにたるみを持たせて前記大腿部と前記下腿部とを跨いで取り付けられた復元力付与手段とを備え、前記脚部が、前記復元力付与手段が伸長するような深く屈曲した状態のときに、前記復元力付与手段による復元力が前記大腿部と前記下腿部とに付与されることを特徴とする。

上記構成のロボットの膝構造では、復元力付与手段が、たるみを持たせて大腿部と下腿部とを跨いで取り付けられるように構成されているので、脚部をある程度深く屈曲させたときにだけ復元力付与手段が引っ張られる。従って、脚部を浅く屈曲させたときには、復元力付与手段に引っ張り力が作用しないので、脚部を屈曲させるのに必要なトルクが小さくて済む。また、復元力付与手段が伸長するように脚部が深く屈曲した状態のときには、復元力付与手段によって復元力が大腿部と下腿部とに付与されるので、トルクを大腿部と下腿部とに補助的に付与することができる。

また、前記復元力付与手段は、ゴムによって形成され、帯状に形成されていてもよい。

復元力付与手段が帯状のゴムによって形成されているので、復元力付与手段が伸縮し易く、復元力を大腿部と下腿部とに適切に付与できる。

また、前記復元力付与手段は、前記脚部が屈曲したときに生じる前記大腿部と前記下腿部との間の隙間を塞ぐように取り付けられていてもよい。

復元力付与手段が、脚部が屈曲したときに生じる大腿部と下腿部との間の隙間を塞ぐように取り付けられているので、大腿部と下腿部との間の隙間に物が入り込むことを抑えることができる。

また、前記復元力付与手段は、前記膝関節部よりも、前記脚部を屈曲させた際に直立の状態から突出する側の位置を通って取り付けられていてもよい。

復元力付与手段が、脚部を屈曲させた際に直立の状態から突出する側の位置を通って取り付けられているので、脚部が深く屈曲したときには復元力付与手段が伸長し、脚部が屈曲の程度を浅くしたときには復元力付与手段が縮む。従って、脚部が深く屈曲した状態から屈曲の程度を浅くするときに、復元力付与手段が復元力を大腿部と下腿部とに効率的に付与することができる。

また、前記大腿部あるいは前記下腿部のいずれかにおける、前記膝関節部よりも、前記脚部を屈曲させた際に直立の状態から突出する側とは逆側の位置に取り付けられ、前記脚部が所定以上の屈曲角となったときに前記大腿部と前記下腿部との間に挟まれて圧縮されて復元力を発生させる被圧縮部を備えていてもよい。

被圧縮部による復元力が、大腿部と下腿部とに付与されるので、復元力付与手段とは別の位置で、復元力を大腿部と下腿部とに付与することができる。従って、復元力付与手段と、被圧縮部とによって複合的に復元力を大腿部と下腿部とに付与することができ、大きな復元力を大腿部と下腿部とに付与することができる。また、脚部が所定以上の屈曲角となったときに、被圧縮部による復元力が発生するので、脚部が浅く屈曲するような場合には被圧縮部は圧縮されず、被圧縮部の圧縮のためのトルクが用いられずに済む。

本発明によれば、比較的大きなトルクが必要とされる、脚部を深く屈曲させた状態のときにだけ、復元力付与手段が大腿部と下腿部とに復元力を付与するので、必要なときにだけ復元力付与手段が復元力を大腿部と下腿部とに付与することができる。脚部を浅く屈曲させる場合には、復元力付与手段に引っ張り力を作用させないので、脚部を屈曲させるのに少ないトルクで屈曲させることができる。従って、消費される電力が少なく済み、ロボットの運転コストを少なく抑えることができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る人型ロボットの正面図であり、（ｂ）は（ａ）の人型ロボットの側面図である。 図１の人型ロボットの制御系統の構成について示したブロック図である。 図１の人型ロボットにおける膝関節部のカバー及び下腿部のカバーについて一部を破断して膝構造の内部を示した部分断面図である。 図１の人型ロボットにおける、膝関節部のカバーが取り外され、膝を屈曲させた状態の膝構造の斜視図である。 図１の人型ロボットにおける脚部を直立した状態から屈曲させ、さらに直立した状態に復帰させる際の各工程の脚部について示した側面図である。 図１の人型ロボットにおける脚部を直立した状態から屈曲させる際の各工程の脚部について、カバーを取り外して内部構造を示した側面図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る人型ロボットにおける、膝関節部のカバーが取り外され、膝を屈曲させた状態の膝構造の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の膝構造の平面図である。

以下、本発明の実施形態に係るロボットの膝構造について、添付図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係るロボットの膝構造について説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る人型ロボットの正面図であり、図１（ｂ）は、人型ロボットの側面図である。

本実施形態のロボットとしての人型ロボット１は、人間を模した形状を有しており、頭部２、胴体部３、腕部４及び脚部５を有している。人型ロボット１は、脚部５の駆動を制御することにより、２足歩行を行うことが可能に構成されている。また、腕部４、脚部５を駆動させ、手足を移動させることにより、人間と同様の作業を行うことができる。

腕部４や脚部５等は、複数のリンクが関節によって接続されることによって構成されている。それぞれのリンク同士の間は、関節の部分で屈曲可能に構成されている。それぞれの関節には、サーボモータやアクチュエータといった駆動装置が配置されている。駆動装置の駆動が制御されることにより、リンク同士の間の屈曲の程度が制御され、腕部４や脚部５等の駆動が制御される。駆動装置は、人型ロボット１の有する屈曲可能な複数の関節に対応して複数備えられている。

人型ロボット１の胴体部３における背面部６には、ケーブル７が接続されている。ケーブル７は柔軟な材料によって形成されており、屈曲可能に構成されている。ケーブル７の内部には配線が配置されており、ケーブル７内部に配置された配線を介して人型ロボット１に電源からの電流が供給されている。本実施形態では、ケーブル７からの配線が分岐し、複数のサーボモータに接続されている。ケーブル７からの電流が配線を介してサーボモータに供給されるように構成されている。

脚部５の先端部には、足部８が設けられている。足部８の外側には、足先部９が取り付けられている。足先部９は、足部８に対し着脱可能に取り付けられている。

脚部５は、大腿部１０と、大腿部１０よりも下方に配置された下腿部１１とを有している。大腿部１０と下腿部１１との間には、膝関節部１２が設けられている。膝関節部１２は、大腿部１０と、下腿部１１との間を屈曲可能に接続している。ここでは、膝関節部１２は、大腿部１０と下腿部１１との間でヒンジ等によって屈曲可能に構成されている部分のことをいうものとする。

本実施形態では、大腿部１０と下腿部１１との間の回転可能な回転軸として膝関節部１２が設けられており、脚部５のうち、回転軸としての膝関節部１２よりも上方の部分を大腿部１０とし、回転軸としての膝関節部１２よりも下方の部分を下腿部１１としている。

脚部５における下腿部１１の後ろ側には、被圧縮バネ（被圧縮部）１６が取り付けられている。つまり、被圧縮バネ１６は、下腿部１１における膝関節部１２よりも、脚部５を屈曲させた際に直立の状態から突出する側（前側）とは逆側（後ろ側）の位置に取り付けられている。

被圧縮バネ１６は、脚部５が屈曲したときに大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれて圧縮される位置に取り付けられている。また、被圧縮バネ１６は、脚部５が直立している状態では圧縮されず、脚部５が屈曲したときに圧縮される位置に取り付けられている。本実施形態では特に、脚部５が所定以上の屈曲角となったときにのみ、大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれて圧縮される位置に被圧縮バネ１６が取り付けられている。ここで、所定以上の屈曲角は、脚部５が深く屈曲した結果、大腿部１０あるいは下腿部１１と当接するような屈曲角のことをいうものとする。屈曲角が所定以上となったときに、被圧縮バネ１６が大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれ、そこで復元力を発生させる。

なお、本実施形態では、被圧縮バネ１６は、下腿部１１に取りつけられているが、本発明はこれに限定されない。被圧縮バネ１６は、大腿部１０に取り付けられていてもよく、大腿部１０あるいは下腿部１１のいずれかに取り付けられていればよい。

次に、人型ロボット１の制御構成について説明する。図２に、人型ロボット１における制御構成についてのブロック図を示す。

図２に示されるように、人型ロボット１における制御部１４は、演算部１４ａと、記憶部１４ｂと、サーボ制御部１４ｃとを含む。

制御部１４は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータを備えたロボットコントローラである。なお、制御部１４は、集中制御する単独の制御部１４によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御部１４によって構成されていてもよい。

記憶部１４ｂには、ロボットコントローラとしての基本プログラム、各種固定データ等の情報が記憶されている。演算部１４ａは、記憶部１４ｂに記憶された基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、本体部１００の各種動作を制御する。すなわち、演算部１４ａは、本体部１００の制御指令を生成し、これをサーボ制御部１４ｃに出力する。例えば、演算部１４ａは、プロセッサユニットによって構成されている。

サーボ制御部１４ｃは、演算部１４ａにより生成された制御指令に基づいて、人型ロボット１のそれぞれの関節に対応する駆動装置の駆動を制御するように構成されている。

次に、人型ロボット１における膝構造について説明する。

図３に、膝関節部１２のカバー１２ａ及び下腿部１１のカバー１１ａについて一部を破断して膝構造の内部を示した部分断面図を示す。図３には、脚部５が直立した状態について示されている。

図３に示されるように、膝関節部１２には、脚部５における大腿部１０の一部と下腿部１１の一部との間に復元力付与手段としてゴム部材１５が設けられている。復元力付与手段としては弾性体が用いられており、本実施形態ではゴム部材１５が用いられている。ゴム部材１５は、ゴムによって形成され、本実施形態では、ゴム部材１５は、複数重ねられたゴムチューブによって構成されている。ゴム部材１５は、図３に示されるように、複数本のゴムチューブが取り付けられて複数重ねられたゴム部材１５として構成されてもよいし、１本のゴムチューブが複数回折り返されて複数重ねられたゴム部材１５として構成されてもよい。

ゴム部材１５は、膝関節部１２よりも上方の位置で、大腿部１０から下方に延びた上側ゴム部材支持部１０ａに取り付けられている。また、ゴム部材１５は、膝関節部１２よりも下方の位置で、下腿部１１の上端に設けられた下側ゴム部材支持部１１ｂに取り付けられている。つまり、ゴム部材１５は、大腿部１０の上側ゴム部材支持部１０ａと、下腿部１１の下側ゴム部材支持部１１ｂとの間を架け渡すように設けられている。

本実施形態では、大腿部１０の上側ゴム部材支持部１０ａ及び下腿部１１の下側ゴム部材支持部１１ｂがパイプ状の形状を有して構成されている。パイプ状の上側ゴム部材支持部１０ａ及び下側ゴム部材支持部１１ｂにゴムチューブによって構成されたゴム部材１５がそれぞれの位置で巻き付けられて、ゴム部材１５が上側ゴム部材支持部１０ａと下側ゴム部材支持部１１ｂとの間を架け渡すように設けられている。

ゴム部材１５は、脚部５が直立したときにたるみを持たせた状態で、大腿部１０と下腿部１１とを跨いで取り付けられている。ゴム部材１５の後ろ側には、脚部５の支柱５ａが上下に延びて配置されている。本実施形態では、膝関節部１２は、支柱５ａにおける屈曲可能な部分である。

次に、膝を屈曲させたときの人型ロボット１における膝構造について説明する。

図４に、脚部５の膝を屈曲させた状態の膝構造について示す。図４は、膝関節部１２のカバー１２ａが取り外され、膝を屈曲させた状態における膝構造の斜視図である。

図４に示されるように、ゴム部材１５は、膝関節部１２よりも前側の位置を通って、大腿部１０と下腿部１１との間に設けられている。このように、ゴム部材１５は、膝関節部１２よりも、脚部５を屈曲させた際に直立の状態から突出する前側の位置を通って取り付けられている。

脚部５における膝が屈曲されると、大腿部１０の上側ゴム部材支持部１０ａと、下腿部１１の下側ゴム部材支持部１１ｂとの間の距離が長くなる。そのため、上側ゴム部材支持部１０ａと下側ゴム部材支持部１１ｂとの間を架け渡すように設けられたゴム部材１５が上下に引っ張られる。

ゴム部材１５は、脚部５が直立したときにたるみを持たせた状態で取り付けられているので、膝を浅く屈曲させた状態では、たるんだ部分が伸ばされるだけで、ゴム部材１５自体は伸長しない。

膝をある程度深く屈曲させると、ゴム部材１５のたるんだ部分が伸ばされた状態からさらにゴム部材１５が引っ張られ、そこでゴム部材１５自体が伸長する。ゴム部材１５が伸長すると、ゴム部材１５が縮む方向に復元力が生じる。

図５（ａ）〜（ｅ）に、人型ロボットが膝を屈曲させ、そこから膝を直立させた状態に復帰させるまでの各状態についての脚部５の側面図を示す。

図５（ａ）に、脚部５が直立した状態の脚部５についての側面図を示す。脚部５が直立した状態にあるので、ゴム部材１５は、たるんだ状態で、上側ゴム部材支持部１０ａと下側ゴム部材支持部１１ｂとの間を架け渡すように配置されている。

図５（ｂ）に、脚部５が浅く屈曲した状態の脚部５についての側面図を示す。脚部５が浅く屈曲することにより、ゴム部材１５のたるんだ部分が張った状態になる。図５（ｂ）の状態では、ゴム部材１５におけるたるんだ部分が張るだけで、ゴム部材１５自体は伸長しない。つまり、図５（ｂ）に示されるゴム部材１５の長さが、ゴム部材１５自体の自然長である。

図５（ｃ）に、脚部５が深く屈曲した状態の脚部５についての側面図を示す。図５（ｂ）に示される状態からさらに膝が深く屈曲すると、張った状態のゴム部材１５にさらに引っ張り力Ｆ１が作用する。従って、ゴム部材１５がそこからさらに引っ張られ、これによってゴム部材１５自体が伸長する。

また、脚部５が深く屈曲すると、被圧縮バネ１６が圧縮される。被圧縮バネ１６は、脚部５が直立している状態では圧縮されず、脚部５が屈曲したときに圧縮される位置に取り付けられている。本実施形態では特に、脚部５がある程度深く屈曲し、脚部５の屈曲した角度がある程度の角度以上となったときに初めて圧縮される位置に、被圧縮バネ１６が取り付けられている。脚部５が深く屈曲したときに、被圧縮バネ１６が大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれることにより圧縮される。これにより、被圧縮バネ１６に圧縮力Ｆ２が作用する。

図５（ｄ）に、脚部５が深く屈曲した状態から再び直立しようとする状態の脚部５についての側面図を示す。図５（ｄ）に示される状態では、脚部５が深く屈曲しているので、ゴム部材１５が引っ張られた状態にある。ゴム部材１５は既に引っ張られた状態にあるので、ゴム部材１５は、そこから縮もうとする復元力Ｆ３を有している。つまり、脚部５が、ゴム部材１５が伸長するような深く屈曲した状態のときには、ゴム部材１５による復元力Ｆ３が、大腿部１０と下腿部１１とに付与される。脚部５が直立する際には、このときのゴム部材１５の復元力Ｆ３が補助的に用いられる。ゴム部材１５が復元力Ｆ３を作用させることにより、大腿部１０を、膝関節部１２を中心にＤ１方向に回転させるトルクが生じる。また、下腿部１１を、膝関節部１２を中心にＤ２方向に回転させるトルクが生じる。このように、脚部５が深く屈曲した状態から直立した状態に復帰するときに、ゴム部材１５による復元力Ｆ３が大腿部１０と下腿部１１とに付与される。

なお、本実施形態では、脚部５が深く屈曲した状態から直立した状態に復帰するときに、ゴム部材１５による復元力Ｆ３が大腿部１０と下腿部１１とに付与されることとしているが、本発明は上記実施形態に限定されない。脚部５が、ゴム部材１５が伸長するような深く屈曲した状態から、屈曲の程度を浅くするときに、復元力Ｆ３が大腿部１０と下腿部１１とに付与されればよい。脚部５が直立するまで復帰せずに、屈曲を浅くするだけのような場合であっても、ゴム部材１５による復元力Ｆ３が大腿部１０と下腿部１１とに付与される構成であってもよい。

図５（ｄ）に示される状態では、脚部５が深く屈曲しているので、被圧縮バネ１６が圧縮された状態にある。図５（ｄ）では、被圧縮バネ１６は既に圧縮された状態にあるので、被圧縮バネ１６はそこから伸長しようとする復元力Ｆ４を有している。脚部５が直立した状態に復帰する際には、このときの被圧縮バネ１６の復元力Ｆ４についても補助的に用いられる。被圧縮バネ１６が復元力Ｆ４を作用させることにより、大腿部１０を、膝関節部１２を中心にＤ１方向に回転させるトルクが生じると共に、下腿部１１を、膝関節部１２を中心にＤ２方向に回転させるトルクが生じる。つまり、脚部５が屈曲した状態から直立した状態に復帰するときに、被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４が大腿部１０と下腿部１１との間に付与される。

なお、本実施形態では、脚部５が深く屈曲した状態から直立した状態に復帰するときに、被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４が大腿部１０と下腿部１１とに付与されることとしているが、本発明は上記実施形態に限定されない。脚部５が、被圧縮バネ１６が圧縮されるような深く屈曲した状態から、屈曲の程度を浅くするときに、被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４が大腿部１０と下腿部１１とに付与されればよい。脚部５が直立するまで復帰せずに、屈曲を浅くするだけのような場合であっても、被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４が大腿部１０と下腿部１１とに付与される構成であってもよい。

ゴム部材１５による復元力Ｆ３及び被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４が補助的に用いられながら、脚部５が屈曲した角度を徐々に浅くさせることにより、脚部５が直立した状態に復帰していく。

図５（ｅ）に、脚部５が再び直立した状態の脚部５についての側面図を示す。図５（ｄ）に示された状態から、大腿部１０が膝関節部１２を中心にＤ１方向に回転すると共に、下腿部１１が膝関節部１２を中心にＤ２方向に回転することにより、脚部５が直立した状態に近づいていく。脚部５がまっすぐな状態となると、脚部５が直立する。

膝関節部１２が屈曲した状態から直立した状態に復帰させる際に膝関節部１２を駆動させるのに必要とされるトルクは、屈曲した角度が大きくなればなる程大きくなる。

図６に、脚部５におけるカバーの内部の構造について示す。図６（ａ）〜（ｃ）は、カバーが取り外された状態における脚部５の側面図である。

図６（ａ）には、脚部５が直立した状態の脚部５の内部構造について示されている。図６（ａ）に示されるように、脚部５は、複数のアクチュエータ１７を備えている。本実施形態では、一つの脚部５につき、３つのアクチュエータ１７が取り付けられている。

図６（ａ）〜（ｃ）では、大腿部１０の前側に取り付けられたアクチュエータをアクチュエータ１７ａとし、大腿部１０の後ろ側に取り付けられたアクチュエータをアクチュエータ１７ｂとし、下腿部１１に取り付けられたアクチュエータをアクチュエータ１７ｃとしている。

各アクチュエータ１７を駆動させ、各アクチュエータ１７に接続されたそれぞれのリンク１８の長さを変えることにより、膝関節部１２の屈曲した角度を変化させることができる。

本実施形態では、アクチュエータ１７ａに接続されたリンクをリンク１８ａとし、アクチュエータ１７ｂに接続されたリンクをリンク１８ｂとし、アクチュエータ１７ｃに接続されたリンクをリンク１８ｃとしている。

脚部５が直立した状態では、上体からの荷重Ｌ１が支柱５ａにかかる。従って、直立した状態にある支柱５ａが、上体からの荷重Ｌ１を支持する。

図６（ｂ）には、脚部５が浅く膝関節部１２を屈曲させた状態の脚部５の内部構造について示されている。

脚部５が屈曲した状態では、上体からの荷重Ｌ２を、支柱５ａ、リンク１８ａ、リンク１８ｂによって支持する。上体からの荷重Ｌ２を支持するために、アクチュエータ１７ａには負荷Ｌ４が作用し、アクチュエータ１７ｂには負荷Ｌ５が作用する。また、上体からの荷重Ｌ３を支持するために、アクチュエータ１７ｃには負荷Ｌ６が作用する。脚部５が、姿勢を維持し、膝関節部１２による屈曲の角度を維持するためには、アクチュエータ１７ａには負荷Ｌ４に対応した負荷を作用させ、アクチュエータ１７ｂには負荷Ｌ５に対応した負荷を作用させ、アクチュエータ１７ｃには負荷Ｌ６に対応した負荷を作用させる。

図６（ｃ）には、脚部５が深く膝関節部１２を屈曲させた状態の脚部５の内部構造について示されている。

脚部５が深く屈曲した状態では、上体からの荷重Ｌ７を、支柱５ａ、リンク１８ａ、リンク１８ｂによって支持する。上体からの荷重Ｌ７を支持するために、アクチュエータ１７ａには負荷Ｌ９が作用し、アクチュエータ１７ｂには負荷Ｌ１０が作用する。また、上体からの荷重Ｌ８を支持するために、アクチュエータ１７ｃには負荷Ｌ１１が作用する。

上体からの荷重Ｌ７を支持するために、アクチュエータ１７ａには負荷Ｌ９が作用し、アクチュエータ１７ｂには負荷Ｌ１０が作用する。また、上体からの荷重Ｌ８を支持するために、アクチュエータ１７ｃには負荷Ｌ１１が作用する。脚部５が、姿勢を維持し、膝関節部１２による屈曲の角度を維持するためには、アクチュエータ１７ａには負荷Ｌ９に対応した負荷を作用させ、アクチュエータ１７ｂには負荷Ｌ１０に対応した負荷を作用させ、アクチュエータ１７ｃには負荷Ｌ１１に対応した負荷を作用させる。

このとき、支柱５ａは、人型ロボット１の前後方向に作用する成分の荷重については支持できない。図６（ｃ）のアクチュエータ１７ａによる負荷Ｌ９は、図６（ｂ）のアクチュエータ１７ａによる負荷Ｌ４よりも大きくなる。また、図６（ｃ）のアクチュエータ１７ｂによる負荷Ｌ１０は、図６（ｂ）のアクチュエータ１７ｂによる負荷Ｌ５よりも大きくなる。また、図６（ｃ）のアクチュエータ１７ｃによる負荷Ｌ１１は、図６（ｂ）のアクチュエータ１７ｃによる負荷Ｌ６よりも大きくなる。アクチュエータ１７による負荷は、脚部５の屈曲した角度が深くなる程大きくなる。そのため、脚部５の屈曲の角度を維持して脚部５の姿勢を維持するためには、脚部５の屈曲した角度が深くなる程、アクチュエータ１７に作用する負荷が大きくなる。

また、脚部５を屈曲した姿勢から直立した状態に復帰させるために脚部５を駆動させる際には、脚部５の姿勢を維持するための負荷を上回るトルクをそれぞれのアクチュエータ１７に作用させる必要がある。そのため、脚部５が深く屈曲した状態では、脚部５を屈曲した姿勢から直立した状態に復帰させるのに、それぞれのアクチュエータ１７に大きなトルクが必要とされる。

本実施形態では、図５（ｄ）に示されるように、脚部５を深く屈曲した状態から直立した状態に復帰させる際に、ゴム部材１５による復元力Ｆ３及び被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４を補助的に用いながらアクチュエータ１７を駆動させることにより、脚部５の膝関節部１２を駆動させることができる。従って、必要とされるそれぞれのアクチュエータ１７による駆動力を低減させることができる。

また、本実施形態では、ゴム部材１５は、たるみを持って取り付けられているので、図５（ｃ）に示されるように脚部５が深く屈曲した状態で初めてゴム部材１５に引っ張り力が作用すると共に、そこから図５（ｄ）に示されるように脚部５が直立した状態に復帰する際にゴム部材１５に復元力Ｆ３が作用する。従って、脚部５が深く屈曲した状態から直立した状態に復帰させるときにのみ、ゴム部材１５による復元力Ｆ３を補助的に用いることができる。つまり、大きな負荷がかかり、アクチュエータ１７による大きな駆動力を必要とするときにのみゴム部材１５による復元力Ｆ３を補助的に用いることができる。

その一方、図５（ｂ）に示されるように、脚部５が浅く屈曲した状態では、ゴム部材１５のたるんだ部分が張るだけで、ゴム部材１５自体が伸長するわけではない。従って、脚部５を浅く屈曲させるだけでは、ゴム部材１５自体は伸長しない。つまり、脚部５を浅く屈曲させるときには、ゴム部材１５に引っ張り力を作用させる分のトルクを必要としない。そのため、脚部５を浅く屈曲させる際に、脚部５を屈曲させるのに必要とされるアクチュエータ１７の駆動力を少なく抑えることができる。アクチュエータ１７による駆動力を小さく抑えることができるので、人型ロボット１で消費される電力を少なく抑えることができる。従って、人型ロボット１の運転コストを少なく抑えることができる。

また、このように、ゴム部材１５にたるみを持たせた状態でゴム部材１５が取り付けられることにより、脚部５を深く屈曲させた状態から直立した状態に復帰させるときにのみ、ゴム部材１５による復元力Ｆ３が補助的に用いられている。従って、簡易な構成によって、脚部５を深く屈曲させた状態から直立した状態に復帰させるときにのみゴム部材１５による復元力Ｆ３が用いられる人型ロボット１を提供することができる。また、特別な駆動装置を用いることなく、ゴム部材１５による復元力Ｆ３を必要なときにのみ選択的に作用させるための構成を提供することができる。このように、ゴム部材１５による復元力を選択的に作用させるための構成を、簡易な構成で提供することができるので、人型ロボット１の製造コストを少なく抑えることができる。

また、本実施形態では、被圧縮バネ１６は、脚部５を深く屈曲したときに初めて、大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれて圧縮される位置に取り付けられている。従って、図５（ｃ）に示されるように脚部５が深く屈曲した状態で初めて被圧縮バネ１６が圧縮されると共に、そこから図５（ｄ）に示されるように脚部５が直立した状態に復帰する際に被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４が作用する。従って、脚部５が深く屈曲した状態から直立した状態に復帰させるときにのみ、被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４を補助的に用いることができる。つまり、脚部５に大きな負荷がかかり、アクチュエータ１７による大きな駆動力を必要とするときにのみ被圧縮バネ１６による復元力Ｆ４を補助的に用いることができる。

その一方、図５（ｂ）に示されるように脚部５が浅く屈曲した状態では、被圧縮バネ１６は挟まれずに圧縮されない。従って、脚部５を浅く屈曲させるだけでは、被圧縮バネ１６は圧縮されない。そのため、脚部５を浅く屈曲させる際には、被圧縮バネ１６に圧縮力を作用させる分のトルクを必要としない。これにより、脚部５を浅く屈曲させるときには、脚部５を屈曲させるのに必要とされるアクチュエータ１７の駆動力を少なく抑えることができる。アクチュエータ１７による駆動力を少なく抑えることができるので、人型ロボット１で消費される電力を少なく抑えることができる。従って、人型ロボット１の運転コストを少なく抑えることができる。

また、本実施形態では、被圧縮バネ１６が、膝関節部１２よりも後ろ側に取り付けられている。つまり、被圧縮バネ１６が、膝関節部１２よりも、脚部５を屈曲させた際に直立の状態から突出する側（前側）とは逆側（後ろ側）の位置に取り付けられている。従って、被圧縮バネ１６をゴム部材１５とは逆側の位置に取り付けることができる。これにより、膝構造の内部でスペースを効率的に用いることができ、脚部５を小型化することができる。

また、別々の位置に取り付けられたゴム部材１５と被圧縮バネ１６とによって、複合的に復元力を大腿部１０と下腿部１１とに対し作用させることができる。従って、別々の位置から異なる種類の復元力をそれぞれ大腿部１０と下腿部１１とに対し作用させることができるので、合計の復元力を大きくすることができる。これにより、脚部５を直立させるのに必要とされるアクチュエータ１７の駆動力を少なく抑えることができる。

なお、本実施形態では、ゴムによって形成されたゴム部材１５が復元力付与手段として構成される形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。復元力付与手段は、ゴム以外の材料によって構成されてもよい。脚部５が深く屈曲した状態から直立した状態に復帰するときに、復元力を大腿部１０と下腿部１１とに付与することができるのであれば、復元力付与手段は他の材料によって構成されていてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るロボットの膝構造について説明する。なお、上記第１実施形態と同様に構成される部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

第１実施形態では、複数重ねられたゴムチューブによって構成されたゴム部材１５を用いた形態について説明している。これに対し、第２実施形態では、ゴム部材１５ａが帯状の形状を有している点で第１実施形態と構成が異なる。

図７（ａ）に、第２実施形態に係る人型ロボット１の膝構造の斜視図を示し、図７（ｂ）に人型ロボット１の膝構造の平面図を示す。図７（ａ）、（ｂ）には、膝関節部１２のカバー１２ａが取り外された状態の膝構造について示されている。

第２実施形態では、帯状の形状を有し、バンド状に形成されたゴム部材１５ａが、脚部５に取り付けられている。ゴム部材１５ａは、大腿部１０の上側ゴム部材支持部１０ａと下腿部１１の下側ゴム部材支持部１１ｂとの間を架け渡すように設けられている。第２実施形態においても、ゴム部材１５ａは、脚部５が直立したときにたるみを持たせて大腿部１０と下腿部１１とを跨いで取り付けられている。

第２実施形態ではゴム部材１５ａが帯状に形成されているので、脚部５が屈曲、直立する際にゴム部材１５ａが伸縮する方向に沿って、ゴム部材１５ａが伸縮し易く形成されている。従って、ゴム部材１５ａによる復元力の調節を行い易い。そのため、ゴム部材１５ａによる復元力を、容易に、大腿部１０と下腿部１１とに適切に付与できる。

また、ゴム部材１５ａが帯状の形状を有しているので、ゴム部材１５ａが、脚部５が屈曲したときに生じる大腿部１０と下腿部１１との間の隙間を塞ぐことができる。

図７（ｂ）の平面図に示されるように、本実施形態では、膝構造を平面視したときに、脚部５が屈曲したときに生じる大腿部１０と下腿部１１との間の隙間のほぼ全体に亘って塞ぐように、ゴム部材１５ａが取り付けられている。ゴム部材１５ａが、脚部５が屈曲したときに生じる大腿部１０と下腿部１１との間の隙間を塞ぐように取り付けられているので、大腿部１０と下腿部１１との間の隙間に物が入り込むことを抑えることができる。

また、ゴム部材１５ａは、下腿部１１のカバー１１ａ内部の隙間を塞ぐように配置されている。本実施形態では特に、下腿部１１のカバー１１ａ内部の隙間を塞ぐことができるので、カバー１１ａの内部に物が入り込むことを抑えることができる。

図７（ｂ）に示されるように、下腿部１１を平面視したときに、下腿部１１のカバー１１ａ内部の隙間のほぼ全体に亘って塞ぐように、ゴム部材１５ａが取り付けられている。

膝構造を平面視したときに、下腿部１１のカバー１１ａの上面がほぼ全体に亘ってゴム部材１５ａによって塞がれ、カバー１１ａの内部の隙間Ｃ１がほぼ全体に亘って塞がれるので、隙間Ｃ１の内部に物が落下して入り込むことを抑えることができる。従って、隙間Ｃ１の内部に、工具や部品が落下して隙間に入り込むことを抑えることができる。仮に、隙間Ｃ１に工具や部品が落下したまま人型ロボット１を駆動させた場合、隙間Ｃ１内部に落下した工具や部品が人型ロボット１の部材と接触し、故障の要因となる可能性がある。本実施形態では、隙間Ｃ１への工具や部品の落下を抑えることができるので、人型ロボット１の信頼性を向上させることができる。

また、人が指等を大腿部１０と下腿部１１との間の隙間に入れることを抑えることができる。本実施形態では特に、下腿部１１のカバー１１ａ内部の隙間Ｃ１が塞がれているので、人が隙間Ｃ１の内部に指等を入れることを抑えることができる。従って、人型ロボット１の安全性を向上させることができる。

また、ゴム部材１５ａが、復元力を付与する復元力付与手段としての機能と、大腿部１０と下腿部１１との間の隙間を塞ぐ保護手段としての機能の両方を兼ね備えている。ゴム部材１５ａを用いることにより、膝構造に、復元力付与手段としての機能と、保護手段としてとしての機能を持たせることができるので、これらが別々に配置される形態に比べてスペースを効率的に用いることができる。従って、膝構造を小型化させることができる。また、膝構造を小型化させることができるので、膝構造の製造コストを少なく抑えることができる。

なお、ゴム部材１５ａは、脚部５が屈曲したときに生じる大腿部１０と下腿部１１との間の隙間の少なくとも一部を塞ぐことができるのであればよい。大腿部１０と下腿部１１との間に形成される隙間の全体を覆うように構成されていなくてもよい。

また、本実施形態では、膝構造を平面視したときに、ゴム部材１５ａが、下腿部１１のカバー１１ａの上面をほぼ全体に亘って塞ぎ、カバー１１ａの内部の隙間Ｃ１をほぼ全体に亘って塞ぐように構成されているが、本発明は上記実施形態に限定されない。大腿部１０と下腿部１１との間の隙間の少なくとも一部を塞ぐことができるのであれば、カバー１１ａの内部の隙間Ｃ１を塞ぐように構成されていなくてもよい。

また、本実施形態では、ゴム部材１５ａは、１枚のシートによって構成された形態について説明しているが、本発明は上記実施形態に限定されない。複数のシートが用いられてゴム部材１５ａが構成されてもよい。その際、ゴム部材１５ａは、人が膝にサポーターを巻くようにして、複数のゴム部材１５ａが膝に巻きつけられるように構成されてもよい。また、１枚のシートのゴム部材１５ａが長く形成され、ゴム部材１５ａが複数回に亘って巻きつけられる構成であってもよい。

なお、上記第１実施形態では、ゴム部材１５がゴムチューブによって構成された形態について説明し、第２実施形態ではゴム部材１５ａが帯状の形状を有して構成された形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。復元力付与手段としてのゴム部材は、他の形状を有して構成されてもよい。ゴムが引っ張られ、復元力を脚部が直立する際のトルクとして補助的に用いられるのであれば、ゴム部材は他の形状を有していてもよい。

また、上記実施形態では、脚部５が屈曲したときに大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれて圧縮される位置に被圧縮バネ１６が取り付けられる形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。脚部５が屈曲したときに大腿部１０と下腿部１１との間に挟まれて圧縮されるものはバネでなく、他のものであってもよい。脚部５が深く屈曲したときに圧縮されて直立するときに、復元力を、脚部が直立する際のトルクとして補助的に用いることができるのであれば、他のものが用いられてもよい。例えば、ゴムによって形成された部材が配置されてもよい。

また、上記実施形態では、被圧縮バネ１６が取り付けられる構成について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。被圧縮バネ１６は取り付けられなくてもよい。脚部を深く屈曲させた状態から直立させた状態に復帰する際に、ゴム部材の復元力のみが用いられる構成であってもよい。

また、上記実施形態では、ロボットとして人型ロボット１が用いられた形態について説明しているが、本発明は上記実施形態に限定されない。本発明の膝構造を有しているのであれば、ロボットは人型でなくてもよい。腕を持たずに、胴体部と脚部だけを有するような構成のロボットに本発明が適用されてもよい。

１ 人型ロボット
１０ 大腿部
１１ 下腿部
１２ 膝関節部
１５ ゴム部材

Claims (5)

1. 屈曲可能な脚部を有するロボットであって、
   前記脚部は、
   大腿部と、
   前記大腿部よりも下方に配置された下腿部と、
   前記大腿部と前記下腿部との間を屈曲可能に接続する膝関節部と、
   前記脚部が直立したときにたるみを持たせて前記大腿部と前記下腿部とを跨いで取り付けられた復元力付与手段とを備え、
   前記脚部が、前記復元力付与手段が伸長するような深く屈曲した状態のときに、前記復元力付与手段による復元力が前記大腿部と前記下腿部とに付与されることを特徴とするロボットの膝構造。
2. 前記復元力付与手段は、ゴムによって形成され、帯状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットの膝構造。
3. 前記復元力付与手段は、前記脚部が屈曲したときに生じる前記大腿部と前記下腿部との間の隙間を塞ぐように取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のロボットの膝構造。
4. 前記復元力付与手段は、前記膝関節部よりも、前記脚部を屈曲させた際に直立の状態から突出する側の位置を通って取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロボットの膝構造。
5. 前記大腿部あるいは前記下腿部のいずれかにおける、前記膝関節部よりも、前記脚部を屈曲させた際に直立の状態から突出する側とは逆側の位置に取り付けられ、前記脚部が所定以上の屈曲角となったときに前記大腿部と前記下腿部との間に挟まれて圧縮されて復元力を発生させる被圧縮部を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロボットの膝構造。
   
   
   

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