JP3962281B2 - ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットに関するものである。特に、ロボットの関節の剛性を調整可能とする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上肢や下肢を有する人型ロボットや動物型ロボットの開発が活発化している。このようなロボットは、胴体側部材に関節を介して末端側部材を接続し、その関節を回転させることにより、歩いたり、物を持ったり、物を操作したりする。
関節の回転は、関節の回転軸に取付けたモータの回転によって行われたり、関節の回転軸に取付けたプーリに接続したワイヤをアクチュエータが引く等によって行われたりしている。
なお、ここで「胴体側部材と末端側部材」とは、例えば、「胴体部と頭部」、「胴体部と上腕部」、「上腕部と前腕部」、「前腕部と手平部」、「手平部と手指部」、「胴体部と大腿部」、「大腿部と下腿部」、「下腿部と足部」等を言う。なお、足部とは、足首関節より末端側の部材を意味する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のロボットは、関節の剛性を調整することができない。このため、末端側部材が外部に対して柔軟に追従することができない。例えば、足部が凹凸のある地面に接地した場合に、足首関節が柔軟であれば足部が地面の凹凸に倣うことができるが、柔軟でないと（剛性が高いと）足部が地面の凹凸に倣うことができない。足部が地面の凹凸に倣うことができないと、ロボットはバランスを崩して転倒してしまう。しかしながら、常時に柔軟にしておくと、例えば機敏な動作ができず、また、外乱によって容易に姿勢が乱され、常時に柔軟にしておくことも妥当でない。
【０００４】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、ロボットの関節の剛性を調整可能とする技術を提供することを課題とする。
本発明では、回転可能な部材の回転中心を挟む両側に２本のワイヤを接続し、一方のワイヤを引くことで時計方向に回転させ、他方のワイヤで引くことで反時計方向に回転させる方式、いわゆるプルプル方式を採用し、ワイヤに非線形バネ（張力と伸びが比例せず、張力が高くなるほど伸びにくくなるバネ）を挿入することで、ロボットの姿勢とは独立に剛性を調整することが可能となるという知見を活用して目的を実現する。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
請求項１に記載のロボットは、胴体側部材と、この胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材と、この末端側部材の回転中心を挟んだ両側に端部が取付けられている少なくとも２本のワイヤと、各ワイヤに挿入された非線形バネと、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも２個のアクチュエータとを備える。この構成を備えると、一方のワイヤを引いて他方のワイヤを緩めることによって末端側部材を回転させることができる。これによって関節角度を変えることができる。一方において、両方のワイヤを強く引くと、関節の回転角を変えないでワイヤ張力を増大させることができる。両ワイヤの張力を高めることによって関節の剛性を高くすることができる。請求項１のロボットでは、アクチュエータ群を制御するコントローラが、末端側部材の回転角に関する情報とワイヤにかける張力に関する情報を入力して、各アクチュエータの作動量を出力する。
コントローラが末端側部材の回転角に関する情報とワイヤにかける張力に関する情報に基づいて各アクチュエータに作動量を出力すると、末端側部材はコントローラに入力された回転角まで回転されるとともに、ワイヤの張力はコントローラに入力された張力に調整される。これによって、回転角と張力の双方を入力された値に調整することができる。
なお、ワイヤにかける張力に関する情報は、全てのワイヤについて入力する必要はない。一方のワイヤの張力を指定すれば、末端側部材を所望の回転角に維持するための力のバランスから、他方のワイヤの張力を計算することができるからである。
【０００６】
請求項１に記載のロボットにおいて、コントローラは、末端側部材の回転角に関する情報からワイヤ長さを計算する第１計算部と、張力に関する情報からワイヤの伸びの長さを計算する第２計算部と、両計算部の計算結果からアクチュエータの作動量を計算する第３計算部を有することが好ましい（請求項２）。
このようにして計算された作動量がコントローラから出力されて各アクチュエータが作動すると、末端側部材の回転角とワイヤ張力の双方が意図した値に調整される。
【０００７】
請求項３に記載のロボットは、胴体側部材と、この胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材と、この末端側部材の回転中心を挟んだ両側に端部が取付けられている少なくとも２本のワイヤと、各ワイヤに挿入された非線形バネと、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも２個のアクチュエータと、このアクチュエータ群を制御するコントローラとを備えている。そして、本発明のコントローラは、末端側部材の回転角に関する情報とその末端側部材をその回転角に維持する剛性に関する情報を入力して、各アクチュエータの作動量を出力する。
なお、ここでいう剛性とは、末端側部材に加えられた力に対する末端側部材の回転のし易さの程度を意味する。剛性が低いと回転し易く、剛性が高いと回転しにくい。
コントローラが末端側部材の回転角に関する情報と末端側部材をその回転角に維持する剛性に関する情報に基づいて各アクチュエータに作動量を出力すると、末端側部材はコントローラに入力された回転角まで回転されるとともに、そのときの剛性がコントローラに入力された値に調整される。
【０００８】
請求項３に記載のロボットにおいて、コントローラは、末端側部材の回転角に関する情報からワイヤ長さを計算する第１計算部と、剛性に関する情報からワイヤの伸びの長さを計算する第２計算部と、両計算部の計算結果からアクチュエータの作動量を計算する第３計算部を有することが好ましい（請求項４）。
一般的にワイヤ張力が高いほど関節の剛性は高い。しかしながら剛性には張力のみならず、回転中心から計ったモーメントの腕の長さが影響する。例えば、ともにワイヤ張力が１ｋｇであるとする。このとき、回転中心からその１ｋｇの張力の作用点までの長さが１０ｃｍ（ケース１）と２０ｃｍ（ケース２）とする。このとき、ケース２の方がモーメントの腕の長さが長く、モーメントも大きい。ケース２の方が、同じ張力でありながら、外力に抗して関節回転角を維持する程度は強い。剛性は、張力とモーメントの腕の長さによって決まる。
コントローラの第２計算部が、剛性が指定されたときに、指定された剛性とそのときのモーメントの腕の長さから指定された剛性に調整するのに必要な張力を計算し、次いで、その張力に調整するのに必要なワイヤの伸びの長さを計算すると、ロボットの姿勢によらないで関節回りの柔軟性を指定された剛性に調整することができる。
このようにして計算された作動量に従って各アクチュエータが作動すると、末端側部材の回転角と関節の剛性の双方が意図された値に調整される。
【０００９】
ワイヤに非線形バネ（張力と伸びが比例せず、張力が高くなるほど伸びにくくなるバネ）を挿入することで、張力を上げることで剛性を高めることが可能となる。
【００１０】
請求項１〜４のいずれかに記載のロボットにおいて、胴体側部材は下腿部であり、末端側部材は足部であることが好ましい（請求項５）。
足部の回転角と剛性を調整することにより、足部は地面の凹凸に倣うことができる。
【００１１】
請求項５に記載のロボットにおいて、足部が空中にあるべきときには高剛性を指示し、接地中には低剛性を指示することが好ましい（請求項６）。
足部が空中にあるときに高剛性を指示すると、慣性モーメント等の外力で足部が容易に動いてしまうことがなく、ロボットの歩行姿勢が安定する。また、足部が接地中に低剛性を指示すると、足部は地面の凹凸に倣うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を具現化した第１実施例を図１〜１４を参照して説明する。本明細書では、足部の前後方向（ロボットの進行方向）をＸ軸とし、左右方向をＹ軸とし、下腿部ないし胴体の伸びる方向をＺ軸とする。各軸は相互に直交している。
第１実施例は、本発明をロボットの下肢に応用したものである。なお、左右の下肢形状は鏡対称である。図１は本実施例のロボットの両下肢の正面図であり、図２は左下肢の側面図であり、図３は足首関節の構造を説明するための図であり、図４はボールネジの詳細を説明する図であり、図５〜１４は足部の動きを説明する図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施例のロボット１０の左右の下肢１２は大腿部１４と下腿部（脛）１６と足部１８から構成され、大腿部１４と胴体部２０は股関節２２によって接続されており、大腿部１４と下腿部１６は膝関節２４によって接続されており、下腿部１６と足部１８は足首関節２６によって接続されている。
【００１４】
最初に股関節２２について説明する。ほぼ水平に伸びる板状の骨盤部２８には、図２に示すように、Ｚ軸回りに回転する円板３６がベアリング３４によって取付けられている。円板３６は、図１において左右に一対設けられている。各円板３６の中心には、骨盤部２８側から大腿部１４側に伸びる（Ｚ軸方向に伸びる）シャフト３０が固定されている。シャフト３０は骨盤部２８に対してＺ軸回りに回転する。
シャフト３０の下端に対して大腿部１４の上端がユニバーサルジョイント３２によって接続されている。ユニバーサルジョイント３２は、シャフト３０に対して大腿部１４がＸ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容する。股関節２２は、骨盤部２８に対してＺ軸回りに回転できるシャフト３０と、シャフト３０に対して大腿部１４がＸ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容するユニバーサルジョイント３２を持ち、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のそれぞれの回りに回転することを許容する３軸関節である。
【００１５】
次に膝関節２４を説明する。各大腿部１４の下端にはＹ軸方向に平行に並ぶ２つのフランジ４０が下方へ伸びており、各下腿部１６を構成するシャフト４２の上端にはＹ軸方向に平行に並ぶ２つのフランジ４４が上向きに設けられている。膝関節２４は、これらのフランジ４０，４４を貫通してＹ軸方向に伸びる軸４６を備える。膝関節２４は、大腿部１４に対して下腿部１６がＹ軸回りに回転することを許容する。
【００１６】
次に足首関節２６を説明する。図３は足首関節２６の構造を説明するために単純化してデフォルメした図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。下腿部１６のシャフト４２の下部にはＸ軸方向に平行に並んだ２つのフランジ５８が下方に伸びている。また、足部１８の上面にはＹ軸方向に平行に並んだ２つのフランジ６０が上方に伸びている。これら下腿部１６のフランジ５８と足部１８のフランジ６０は十字型自在継手６２によって接続されてユニバーサルジョイントを成している。足首関節２６は、下腿部２４に対して足部１８が、Ｘ軸回りとＹ軸回りに回転することを許容する。即ち、足首関節２６はＸ，Ｙ軸のそれぞれについて自由度を持つ２軸関節である。
【００１７】
各関節はワイヤによって駆動される（股関節のＺ軸回りの回転を除く。この回転のみはワイヤを利用せずに、モータで直接に回転される）。各ワイヤの一端は末端側部材に取付けられており、他端はボールネジとモータから構成されるアクチュエータに接続されている。モータによってボールネジの送りネジ（Ｚ方向に伸びる）が回転し、これに伴って送りネジに螺合しているナットが送りネジ方向に送られ、ナットに接続されているワイヤ先端がＺ軸方向に進退する。ワイヤ先端をＺ軸方向に進退させることによってワイヤによって末端側部材を引いたり緩めたりすることができる。
【００１８】
最初に図３を参照して足首関節を回転させるワイヤ群を説明する。足部１８には、図示しない取付け板によってワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃが固定されている。各ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃは円弧形状であり、それぞれの円弧の中心軸はＹ軸方向に伸びており、円弧面は所定の巾（Ｙ軸に沿って伸びる距離）を有している。ワイヤ終端ガイド７０ａは足首関節２６のＹ軸よりも前方に位置し、Ｘ軸上配置されている。その円弧面はＸ軸前方を向いている。ワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃは足首関節２６のＹ軸よりも後方に位置している。ワイヤ終端ガイド７０ｂは足首関節２６のＸ軸よりも外側に位置し、ワイヤ終端ガイド７０ｃは足首関節２６のＸ軸よりも内側に位置している。ワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃの円弧面はＸ軸後方を向いている。
３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの下端は、ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃのそれぞれの下端のワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃに固定されており、各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの他端は、膝関節２４側に伸びている。各ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの円弧面に沿って湾曲している。ワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃはワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃが小さな曲率半径で鋭く曲がることを禁止している。
【００１９】
ワイヤ接続点７２ａは足首関節２６のＹ軸よりも前方に位置しており、ワイヤ６６ａが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首関節２６のＹ軸回りに回転して爪先を持ち上げる。ワイヤ接続点７２ａは足首関節２６のＸ軸上に配置されており、ワイヤ６６ａが膝関節２４側に引かれても足部１８のＸ軸回りの回転角には影響しない。ワイヤ接続点７２ｂは足首関節２６のＸ軸よりも外側に位置しており、ワイヤ６６ｂが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首関節２６のＸ軸回りに回転して足部１８の外側を持ち上げる。ワイヤ接続点７２ｃは足首関節２６のＸ軸よりも内側に位置しており、ワイヤ６６ｃが膝関節２４側に引かれると足部１８は足首関節２６のＸ軸回りに回転して足部１８の内側を持ち上げる。足部１８の内側を持ち上げる場合には、ワイヤ６６ｃを引くと同時にワイヤ６６ｂを緩めて足部１８の外側が下がることを許容する。同様に、足部１８の外側を持ち上げる場合には、ワイヤ６６ｂを引くと同時にワイヤ６６ｃを緩めて足部１８の内側が下がることを許容する。足部１８を足首関節２６のＸ軸回りに回転させる場合にはワイヤ６６ａを操作する必要はない。ワイヤ６６ｂ、６６ｃを同時に引くと足部１８は足首関節２６のＹ軸回りに回転してかかとを持ち上げる。この場合には、ワイヤ６６ａを緩めて爪先が下がるのを許容する。ワイヤ６６ａを引いて爪先を持ち上げるときには、ワイヤ６６ｂ、６６ｃを緩めてかかとが下がるのを許容する。
３本のワイヤ６６ａ、６６ｂ、６６ｃによって、足首関節２６のＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角を独立に調整することができる。
【００２０】
なお、ワイヤ接続点を足首関節２６のＹ軸よりも前方のＸ軸の両側と、Ｙ軸よりも後方のＸ軸上に配置してもよい。このようにワイヤ接続点を配置しても、ワイヤによって足首関節２６のＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角を独立して調整することができる。
【００２１】
図５〜１０は足部１８の動きを説明するための模式図であり、図５と図６はＸ軸回りの回転を説明するための図である。図５は足部１８の平面図であり、図６は足部１８の背面図である。各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの終端ではワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの図示を省略し、ワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのみで示してある。
【００２２】
図５は、ワイヤ接続点７２ａに接続されているワイヤ（図示省略）は中立状態を維持しながらワイヤ接続点７２ｂに接続されているワイヤ６６ｂの有効長を収縮させ、ワイヤ接続点７２ｃに接続されているワイヤ６６ｃの有効長を伸長させることを示している。このとき、足部１８は図６の破線で示したようにＸ軸回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、足部１８は矢印とは逆方向に回転する。即ち、このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整することによって、足部１８をＸ軸の回りに自在に回転させることができる。
【００２３】
図７と図８はＹ軸回りの回転を説明するための図である。図７は足部１８の平面図であり、図８は足部１８の側面図である。各ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの終端ではワイヤ終端ガイド７０ａ，７０ｂ，７０ｃの図示を省略し、ワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのみで示してある。図７はワイヤ接続点７２ａに接続されているワイヤ６６ａの有効長を収縮させ、ワイヤ接続点７２ｂ，７２ｃに接続されているワイヤ６６ｂ，６６ｃの有効長を共に伸長させた場合を示している。このとき、足部１８は図８の破線で示すように、Ｙ軸回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、足部１８は矢印とは逆方向に回転する。このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整することによって、足部１８をＹ軸の回りに自在に回転させることができる。
なお、足部１８の前側を持ち上げるのに要するワイヤの張力に比べ、足部１８の後ろ側を持ち上げるのに要するワイヤの張力は大きい。このため、３点のワイヤ接続点７２ａ，７２ｂ，７２ｃのうちの１点を前側にし、２点を後側にし、２本のワイヤと２個のアクチュエータでかかとを持ち上げることが好ましい。この場合、各アクチュエータの能力を等しくすることができる。
【００２４】
なお図示はしないが、足部１８を同時にＸ軸回りにもＹ軸回りにも回転させることができる。例えば、ワイヤ６６ｂの有効長を速度ａ−ｂで収縮させ、ワイヤ６６ｃの有効長を速度ａ＋ｂで伸長させ（即ち−ａ−ｂで収縮させる）、ワイヤ６６ａの有効長をｂで収縮させると、足部１８はＸ軸の回りに速度ａで回転して外側が上がり、且つ、Ｙ軸の回りに速度ｂで回転して前側が上がる。このように３本のワイヤの有効長を同時に調整すると、足部１８をＸ軸の回りとＹ軸の回りに同時に自在に回転させることができる。またＸ軸回りの回転速度とＹ軸回りの回転速度を自在に調整することもできる。これらのことから、Ｘ，Ｙの２軸に対して３本のワイヤ、即ち、軸数＋１本のワイヤを用いることによって、Ｘ，Ｙ軸について互いに独立に調整することが可能である。
【００２５】
図３に示すように、下腿部１６のシャフト４２の上部には、フランジ４４を貫通するＹ軸方向の軸４６の回りに自由回転可能な３つのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃが２つのフランジ４４と交互に配されている。それぞれのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃにはワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃが１本ずつ巻かれている。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，は、プーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃの前側でプーリから離反している。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃは足部１８に対して膝関節の前方位置から引張力を加える。このために、３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃを同時に同一速度で収縮させると、下腿部１６に対する足部１８の回転角度は変えないで（足首関節２６を回転させないで）、下腿部１６を膝関節２４の回りに前向きに回転させることができる。
【００２６】
次に、このような足部の動きに伴うワイヤの動きについて説明する。図９〜１０は足部１８の回転に伴うワイヤの動きを説明するための模式図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。図９はＸ軸回りに回転した場合の足部１８の背面図であり、図１０はＹ軸回りに回転した場合の足部１８の左側面図である。なお、近似的にワイヤは鉛直方向に伸びているとすることができる。
【００２７】
図９は、足部１８が足首関節２６のＸ軸の回りに矢印方向に最大限（本実施例では１５°）に回転した状態を示す図である。足部１８が下腿部１６のシャフト４２に対して直角の状態が実線で示され、このときの足部１８の位置１８−１を通常位置とする。通常位置での足部１８−１とワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１とこれらをそれぞれ案内するワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１を実線で示している（最後の添え字１は、基準位置にあることを示す）。Ｘ軸回りに回転した足部１８を破線１８−２で示し、そのときのワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２を破線で示す（最後の添え字２は、回転位置にあることを示す）。ワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１の下端接続点７２ｂ１，７２ｃ１は、ワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１のそれぞれの下端のＹ軸方向の中心にある。通常位置では、ワイヤ６６ｂ１，６６ｃ１はワイヤ終端ガイド７０ｂ１，７０ｃ１の円弧面のＹ軸方向の中心線に沿って案内されている。足部１８がＸ軸回りに回転して足部１８−２の位置まで移動すると、ワイヤ６６ｂ，６６ｃはワイヤ終端ガイド７０ｂ，７０ｃに案内されながらワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２の位置まで移動する。このときのワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２はワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２に対して傾斜する。ワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２を案内するワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の円弧面上の線が、ワイヤ接続部７２ｂ２，７２ｃ２とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の図中右上端を結ぶ線まで移動する。また、図示しないが、図７の矢印とは反対方向に最大限に回転した場合も同様に、ワイヤ６６ｂ２，６６ｃ２は、ワイヤ接続部７２ｂ２，７２ｃ２とワイヤ終端ガイド７０ｂ２，７０ｃ２の図中左上端を結ぶ線まで移動する。
【００２８】
ワイヤ終端ガイド７０のＹ軸方向の巾は、足部１８がＸ軸の回りに回転することによって、Ｘ軸とワイヤ接続点７２までの距離が変化する距離以上に設定されているために、足部１８がＸ軸の回りに最大限に回転しても、ワイヤ６６はワイヤ終端ガイド７０からはずれることがない。このように、本実施例のワイヤ終端ガイド７０によれば、末端側部材１８のＸ軸回りのいかなる姿勢変化に対してもワイヤ６６を案内し続けることが可能となっている。
なお本明細書において添え字を省略して説明する事象は、添え字によって区分される部材に共通する事象であることを示している。
【００２９】
図１０は本実施例の足首関節２６がＹ軸の回りに回転する場合の側面図を示している。本実施例でのワイヤの動きと対比させるため、最初に図１１を用いて、ワイヤ終端ガイド７０を備えない場合のワイヤの動きについて説明する。
【００３０】
ワイヤ終端ガイドが存在しない場合、足首関節２２６はユニバーサルジョイントのＹ軸２６２よりも前方（図の左側）に取付けられたワイヤ２６６と後方に取付けられたワイヤ（図示省略）によってＹ軸２６２の回りに回転させられる。各ワイヤの下端は足部２１８の上面のワイヤ接続部２７２（後方ワイヤの接続点は図示省略）に固定され、上端は図示しないアクチュエータに接続されている。アクチュエータによって各ワイヤの有効長を伸長・収縮させ、足部２１８をＹ軸２６２の回りに回転させる。なお、近似的にワイヤは鉛直方向に伸びているとすることができる。
【００３１】
図１１の破線は、足部２１８が足首関節２２６のＹ軸２６２の回りに矢印ＩＩＩ，ＩＶの方向に最大限に回転したところを示している。足部２１８と下腿部２１６のシャフト２４２が成す角が直角である通常位置を実線で示す（添え字１は通常位置にあることを示す）。このとき、足部２１８−１とワイヤ２６６−１が成す角αも直角である。矢印ＩＩＩ方向（図中時計回り）に回転後の足部２１８−３とワイヤ２６６−３とワイヤ接続部２７２−３を破線で示し、添え字３を付けて示す。矢印ＩＶ方向（図中反時計回り）に回転後の足部２１８−４とワイヤ２６６−４とワイヤ接続部２７２―４を破線で示し、添え字４を付けて示す。矢印ＩＩＩ方向に回転した足部２１８−３とワイヤ２６６−３が成す角βは通常位置のときのαと比較して大きく、矢印ＩＶ方向に回転した足部２１８−４とワイヤ２６６−４が成す角γは通常位置のときのαと比較して小さい。即ち、足部２１８の回転に伴って足部２１８とワイヤ２６６が成す角は変化する。図１１のワイヤガイドを設けない方式では、ワイヤ２６６が接続点２７２でシャープに屈曲するために、ワイヤ２６６は接続点２７２で切れやすい。
【００３２】
また、足部２１８がＹ軸の回りに回転すると、足部２１８上面のワイヤ接続部２７２もこれに伴って回転する。矢印ＩＩＩ方向に回転したときのＹ軸２６２とワイヤ接続点２７２−３の水平方向距離Ｌａは通常位置と比較して大きく、矢印ＩＶ方向に回転したときのＹ軸２６２とワイヤ接続点２７２−４の水平方向距離Ｌｂは通常位置と比較して小さい。この距離ＬａやＬｂは、足部２１８をＹ軸２６２の回りに回転させるモーメントの大きさに直結するアーム長であり、ワイヤにかかる張力が同じであれば、アーム長が長いほどモーメントは大きい。
図１１のワイヤガイドを設けない方式では、足部２１８の姿勢によってアーム長が大きく変化して足部２１８を回転させるモーメントの大きさが大きく変化する。
【００３３】
一方、図１０は、本実施例の足首関節２６とワイヤ終端ガイド７０等を示している。足部１８が足首関節２６のＹ軸６２の回りに矢印ＩＩＩ、矢印ＩＶの方向に最大限（本実施例では３０°）に回転したところを示す。標準位置での足部１８と下腿部１６のシャフト４２が成す角は直角であり、このときの足部１８−１の位置を通常位置とする（添え字１は通常位置にあることを示す）。通常位置にある足部１８−１とワイヤ６６ａ１とこれを案内するワイヤ終端ガイド７０ａ１を実線で示す。矢印ＩＩＩ方向（図中時計回り）に回転後の足部１８−３とワイヤ６６ａ３とワイヤ終端ガイド７０ａ３と接続点７２ａ３と、矢印ＩＶ方向（図中反時計回り）に回転後の足部１８−４とワイヤ６６ａ４とワイヤ終端ガイド７０ａ４と接続点７２ａ４をそれぞれ破線で示す。
【００３４】
前述のように、足部１８に取付けられたワイヤ６６ａは、その下端がワイヤ終端ガイド７０ａの下端のワイヤ接続部７２ａに固定されている。また、ワイヤ終端ガイド７０ａは、その円弧の中心がワイヤ接続部７２ａよりも常に下腿部１６に近くなるよう取付けられている。即ち、ワイヤ６６ａの下端近傍は常にワイヤ終端ガイド７０ａの円弧面に沿って案内される。
このために、足部の姿勢変化によってワイヤ６６ａが局部的にシャープに屈曲することがなく、ワイヤは切れにくい。
【００３５】
足部１８がＹ軸６２の回りに回転することによって、ワイヤ６６ａのワイヤ終端ガイド７０ａの円弧面による案内部分は以下のように変化する。通常位置ではワイヤ６６ａ１はワイヤ終端ガイド７０ａ１の円弧面の下端から中心角９０°の位置まで案内されている。矢印ＩＩＩ方向に回転したとき、ワイヤ６６ａ３はワイヤ終端ガイド７０ａ３の円弧面の下端から３分の１程の位置まで案内されている。矢印ＩＶ方向に回転したとき、ワイヤ６６ａ４はワイヤ終端ガイド７０ａ４の円弧面の下端から上端近傍まで案内されている。即ち、足部１８が回転しても、ワイヤ終端ガイド７０ａに案内されるワイヤ６６ａの長さが変化するために、ワイヤ６６ａがワイヤガイド７０ａから離れる点とＹ軸６２までの水平距離はほぼ一定に保たれる。
この結果、図１０のワイヤ終端ガイド７０を有する方式では、足部１８が姿勢変化してもアーム長の変化は小さく、足部１８を回転させるモーメントの変化も小さい。
【００３６】
ワイヤ終端ガイドがないと足部等の末端側部材が動く度に、ワイヤ接続部においてワイヤが局所的に屈曲するため、ワイヤ接続部の耐久性を維持することが容易でない。本実施例ではワイヤ終端ガイドを設けたために、足部がＹ軸の回りに回転しても、ワイヤの下端近傍は常にワイヤ終端ガイドの円弧面に案内されているため、ワイヤ接続部においてワイヤが局所的に屈曲することがなく、ワイヤ接続部の耐久性が向上する。
また、ワイヤ終端ガイドがないと、足部等の末端側部材が動く度にワイヤとＹ軸の距離、即ちモーメントのアーム長が大きく変化する。本実施例ではワイヤ終端ガイドを設けたために、足部がＹ軸の回りに回転しても、ワイヤ終端ガイドによってモーメントのアーム長の変化を抑制することができる。
また本実施例のワイヤ終端ガイドは、Ｙ軸方向に巾を持ち、足部１８がＸ軸の回りの回転してもワイヤがワイヤ終端ガイドからはずれることがない。
【００３７】
本実施例では、ワイヤ終端ガイドを利用することによって、末端側部材のＸ軸Ｙ軸回りの姿勢変化に対して、ワイヤ接続部の耐久性を維持することができる。また、末端側部材のＸ軸Ｙ軸回りの姿勢変化に対して、モーメントのアーム長の変化を抑制することができる。さらには、ワイヤ終端ガイドを巾広にしたために、ワイヤがワイヤ終端ガイドから逸脱することなくワイヤ接続点近傍を常に案内することができる。
ワイヤ終端ガイドに溝を形成してワイヤを案内する方式でもワイヤがワイヤ終端ガイドから逸脱するのを防止できるが、ワイヤが溝から離れるところでワイヤが局所的にシャープに屈曲することがある。本実施例のワイヤ終端ガイドは溝を持たず、ワイヤがワイヤ終端ガイドの円弧面を軸方向に自由に移動できるようにし、しかも巾広にして逸脱しないようにしていることから、ワイヤが局所的にシャープに屈曲しないようにしながら常時案内することに成功している。
【００３８】
図３に明瞭に示されている３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの上端はボールネジ６８ａ，６８ｂ，６８ｃ（図１、図２参照）に接続されている。図１、図２では図示の明瞭化のためにボールネジが簡略化されて表示されている。図４はボールネジ６８の詳細を模式的に示しており（すべてのボールネジは同様の構造を有するために、添え字を省略して共通的に説明する）、一対のフランジ１０２と１０６が３本の案内ロッド１０８，１１０，１１２で接続されている。一対のフランジ間には送りネジ１２０が回転自在で軸方向には移動不能に配置されている。送りネジ１２０は、モータ１１４とギヤ１１６とギヤ１１８によって回転させられる。送りネジ１２０には可動プレート１０４が螺合している。可動プレート１０４は案内ロッド１０８，１１０，１１２に案内されて軸方向に移動可能で回転不能となっている。その可動プレート１０４にワイヤ６６の先端が固定されている。
モータ１１４が回転すると送りネジ１２０が回転して可動プレート１０４が案内ロッドに沿って滑り、ワイヤ６６が引き込まれたり、緩められたりする。
ボールネジ６８のモ−タは１１４と、一対のフランジ１０２、１０６は大腿部１４に固定されている。案内ロッド１０８，１１０，１１２は大腿部１４の長手方向に伸びており、モ−タは１１４がボールネジ６８を回転させることで、ワイヤ６６は大腿部１４の長手方向に引かれたり緩められたりする。
ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃのプーリ６４ａ，６４ｂ，６４ｃと接続点７２ａ、７２ｂ、７２ｃ間の距離をワイヤの有効長とすると、ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの有効長はモータ１１４によって伸長させられる。ワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの有効長を伸長させるアクチュエータ群（モータ群とボールネジ群６８ａ，６８ｂ，６８ｃで構成される）は、股関節２２に近い大腿部１４に配置されている。
【００３９】
図４に示されているように、ボールネジ６８にコントローラ２００が接続されている。コントローラ２００は、第１計算部２００ａ、第２計算部２００ｂ、第３計算部２００ｃを有している。コントローラ２００には、ロボット１０の動き全体を制御している別のコントローラ（図示省略）から、足首関節２６の回転角と各ワイヤ（６６ａ、６６ｂ、６６ｃ）の張力を指示する信号が入力される。
コントローラ２００の第１計算部２００ａは、足首関節２６の回転角を入力された値とする各ワイヤ（６６ａ、６６ｂ、６６ｃ）の有効長を計算する。第２計算部２００ｂは、張力が入力された値となるための各ワイヤ（６６ａ、６６ｂ、６６ｃ）の伸び長さを計算する。第３計算部２００ｃは、第１計算部２００ａと第２計算部２００ｂの計算結果からボールネジ６８の可動プレート１０４の作動量を計算する。計算された可動プレート１０４の作動量はボールネジ６８に出力され、この出力に従ってボールネジ６８が作動する。
【００４０】
図２に示されているように、下腿部４２には下腿部４２を膝関節２４の回りに後方に回転させるワイヤ６６ｄの一端が接続されている。ワイヤ６６ｄは膝関節に回転自在に配置されているプーリ６４ｄ（図１参照）の後方を通ってボールネジ６８ｄの可動プレート１０４に接続されている。ボールネジ６８ｄの可動プレート１０４はモータによって進退する。可動プレート１０４が進退すると、ワイヤ６６ｄは引き込まれたり、緩められたりする。
【００４１】
以上によって下記の姿勢変化が実現される。
（１）ボールネジ６８ａを縮めてボールネジ６８ｂ、６８ｃを緩めることで爪先が上がる。ボールネジ６８ａを緩めてボールネジ６８ｂ、６８ｃを縮めることで爪先が下がる。
（２）ボールネジ６８ｂを縮めてボールネジ６８ｃを緩めることで足部の外側が上がる。ボールネジ６８ｂを緩めてボールネジ６８ｃを縮めることで内側が上がる。
（３）ボールネジ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを縮めてボールネジ６８ｄを緩めることで下腿部１６が前方に回転する。ボールネジ６８ａ、６８ｂ、６８ｃを緩めてボールネジ６８ｄを縮めることで下腿部１６が後方に回転する。
４本のアクチュエータと４本のワイヤで、足首関節２６のＸ軸回りの回転角（前記２の回転）と、足首関節２６のＹ軸回りの回転角（前記１の回転）と、膝関節２４回りの回転角（前記３の回転）が独立に調整できる。
４本のアクチュエータで３軸回りの回転角を調整するために、アクチュエータは冗長であるように見える。しかしながら、この冗長性を利用して回転角に関する剛性を調整することができる。なおこの点については後記する。
【００４２】
膝関節２４のみならず足首関節２６の回転角を調整するためのアクチュエータまでもが大腿部１４に配置されているために、この人工下肢の先端部は軽く、股関節回りの慣性モーメントは小さい。このために、小さなトルクで股関節２２の回りに高速に回転させることができる下肢が得られる。
【００４３】
次に股関節２２回りの回転角を調整するワイヤとアクチュエータを説明する。図１と図２に示すように、大腿部１４の上部の所定位置には３個の円弧形状のワイヤ終端ガイド４８ａ，４８ｂ，４８ｃが３箇所に取付けられ、それぞれにワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃが１本ずつ掛けられている。それぞれのワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの下端はそれぞれワイヤ終端ガイド４８ａ，４８ｂ，４８ｃの下端４９ａ，４９ｂ，４９ｃに固定されている。後側に取付けられたワイヤ５０ｃの中程にはプーリ５４が配置され、プーリ５４は股関節２２のＹ軸よりも後方に位置している。ワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの上端はそれぞれボールネジ５２ａ，５２ｂ，５２ｃの可動プレートに接続されている。ボールネジ５２ａ，５２ｂのそれぞれの送りネジはそれぞれ図示しないモータによって回転するために、送りネジに螺合している可動プレートはモータの回転によって進退する。この結果、ワイヤ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの有効長が伸長・収縮する。なお、ボールネジ５２ａ，５２ｂ，５２ｃとそのためのモータ５６等は胴体部に配置されており、股関節２２の回りに回転する下肢の慣性モーメントを全く増加させない。
【００４４】
ボールネジ５２ａ，５２ｂは、股関節２２のＹ軸よりも前方に位置しており、収縮すると大腿部１４を股関節２２のＹ軸の回りに前方に回転させる。ワイヤ５０ｃを案内するプーリ５４は股関節２２のＹ軸よりも後方に位置しており、ボールネジ５２ｃが収縮すると大腿部１４を股関節２２のＹ軸の回りに後方に回転させる。なお、骨盤部２８に回転自在な円板３６はモータ３８によってＺ軸の回りに回転させられる。モータ３８は骨盤部２８に固定されている。
【００４５】
ワイヤ接続点４９ｃは股関節２２のＹ軸よりも後方に位置しており、ワイヤ５０ｃが引かれると大腿部１４は股関節２２のＹ軸回りに後方に回転する。ワイヤ接続点４９ｃは股関節２２のＸ軸上に配置されており、ワイヤ５０ｃが引かれても大腿部１４のＸ軸回りの回転には影響しない。ワイヤ接続点４９ａは股関節２２のＸ軸よりも外側に位置しており、ワイヤ５０ａが引かれると大腿部１４は股関節２２のＸ軸回りに回転して大腿部１４を開ける。ワイヤ接続点４９ｂは股関節２２のＸ軸よりも内側に位置しており、ワイヤ５０ｂが引かれると大腿部１４は股関節２２のＸ軸回りに回転して大腿部１４を閉じる。大腿部１４を閉じる場合には、ワイヤ５０ｂを引くと同時にワイヤ５０ａを緩めて大腿部１４が閉じることを許容する。同様に、大腿部１４を開ける場合には、ワイヤ５０ａを引くと同時にワイヤ５０ｂを緩めて大腿部１４が開くことを許容する。大腿部１４を股関節２２のＸ軸回りに回転させる場合にはワイヤ５０ｃを操作する必要はない。ワイヤ５０ａ，５０ｂを同時に引くと大腿部１４は股関節２２のＹ軸回りに前方に回転して大腿部１４を持ち上げる。この場合には、ワイヤ５０ｃを緩めて大腿部１４が前方に回転するのを許容する。ワイヤ５０ｃを引いて大腿部１４を後方に回転させる場合には、同時にワイヤ５０ａ，５０ｂを緩めて大腿部が下がるのを許容する。
【００４６】
以上によって股関節２２は下記のように調整される。
（１）ボールネジ５２ｃを縮めてボールネジ５２ａ，５２ｂを緩めることで大腿部１４は後方に回転する。ボールネジ５２ｃを緩めてボールネジ５２ａ、５２ｂを縮めることで大腿部１４が前方に回転する。大腿部１４を前方に持ち上げるには大きなトルクが必要とされるのに対し、後方に下げるには大きなトルクが要らない。大きなトルクが必要とされる側に２本のアクチュエータと２本のワイヤが利用され、小さな力しか必要とされない側に１本のアクチュエータと１本のワイヤが利用されている。
（２）ボールネジ５２ａを縮めてボールネジ５２ｂを緩めることで大腿部１４が外向きに持ち上げられる。ボールネジ５２ａを緩めてボールネジ５２ｂを縮めることで大腿部１４が閉じる。
３本のアクチュエータと３本のワイヤで、股関節２２のＸ軸回りの回転角（前記２の回転）と、股関節２２のＹ軸回りの回転角（前記１の回転）が独立に調整できる。
【００４７】
股関節２２の回りに大腿部１４を動かすためのアクチュエータは胴体側に配置されているために、大腿部１４を動かす際にはアクチュエータごとに動かす必要がない。股関節２２回りの慣性モーメントは小さい。このために、小さなトルクで股関節２２の回りに下肢を高速に回転させることができる。
【００４８】
図３に明瞭に示されている３本のワイヤ６６ａ，６６ｂ，６６ｃの中間部には、図１２、図１３に示す非線形バネ１４０が挿入されている。バネ１４０はバネ鋼で形成されており、平板部１２２と一対のフランジ１２６，１２６ともう一対のフランジ対１３０，１３０を備えている。フランジ対１２６，１２６間にはシャフト１２８が差し渡され、フランジ対１３０，１３０間にはシャフト１３２が差し渡されている。平板部１２２には、シャフト１２８，１３２と平行に伸びる峰部１２４が形成されている。ワイヤ６６は、屈曲しながら、シャフト１２８の下方、峰部１２４の上方、シャフト１３２の下方を通過している。
図１４に示されるように、ワイヤ６６が強く引かれると、バネ鋼製の平板部１２２が撓んでワイヤ６６は引き伸ばされる。
【００４９】
上記のバネ１４０がワイヤに挿入されているために、ボールネジによってワイヤ張力を調整することができる。
図１において、ボールネジ６８ｂの引き込み量とボールネジ６８ｃの引き込み量が等しく、足部１８はＸ軸回りに下腿部１６のシャフト４２に直角に調整されているとする。この状態から、ボールネジ６８ｂとボールネジ６８ｃを同一速度でさらに引き込むとする。この場合、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃは同一速度で引き込まれるために、足部１８はＸ軸の回りに回転しない。しかしながら、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃが引き込まれるのに応じて、図１４に示すように、バネ１４０が変形し、ワイヤ６６ｂとワイヤ６６ｃの張力は増大する。即ち、このロボットは、２本のワイヤの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式であるために、両方のワイヤを同時に引き込むことによって、回転角を変えないで、ワイヤ張力のみを増大させることができる。同様に、両方のワイヤを同時に緩めることによって、回転角を変えないで、ワイヤ張力のみを減少させることができる。
【００５０】
ワイヤ張力は関節回りの回転角の剛性を決定する。例えば、図１の足部１８が地面に接地する場合、両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、接地した地面が足部の左側で高くて右側で低い場合に、足部１８の右側を引き上げているワイヤが伸びて足部１８が地面の傾斜に倣って傾斜して足部１８の全体が接地する。剛性が低ければ外部事象に柔軟に追従する。
一方において、片側の足部１８が空中にある場合、その空中姿勢に調整する両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、ロボットにわずかな外力が作用することでワイヤが伸びるために空中姿勢が不安定となる。姿勢を安定させるためには、剛性が高い方が好ましい。剛性が高い状態の方が、ボールネジの動きと関節回りの回転角が良く一致し、関節回りに高速で回転ないし動作させることができる。
【００５１】
この実施例のロボットは、２本のワイヤのうちの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式（プルプル方式）であり、しかも、ワイヤの中間部に非線形バネを挿入しているために、ロボット姿勢とは独立に剛性を調整できる。柔軟に追従することが必要なと時には低剛性とし、姿勢を安定させることが必要な時には高剛性に調整することができる。
【００５２】
プルプル方式と非線形バネとによって、関節回りの剛性を調整できる理由を、図２１、図２２を参照しながら説明する。なお、この説明では、２本のワイヤによって足部がＹ軸回りに回転する簡単な例を取り上げて説明する。図２１は、このような構成を模式的に図示したものである。図２１に示されているように、足部３０２は円筒状のプーリ３０３と一体化されている。プーリ３０３は、Ｙ軸３０３ｃの回りに回転可能に軸支されている。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６はプーリ３０３に巻き付けられ、それぞれの一端はワイヤ接続点３０３ａ、３０３ｂでプーリ３０３に接続されている。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６の他端は、それぞれ前方アクチュエータ３１２と後方アクチュエータ３１４に接続されている。前方アクチュエータ３１２と後方アクチュエータ３１４は、固定部材３２２、３２４に固定されている。アクチュエータ３１２、３１４は、ワイヤ３０４、３０６を引き込んだり、緩めたりする。ワイヤ３０４、３０６の途中には、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７が装着されている。
【００５３】
図２２は、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７のバネ特性を示すグラフである。縦軸（ｙ軸）はバネ力を示し、横軸（ｘ軸）はバネの伸び量を示している。ｙ軸の右側のカーブが後方非線形バネ３０７のバネ特性を表し、ｙ軸の左側が前方非線形バネ３０５のバネ特性を表している。図２２から明らかなように、前方非線形バネ３０５と後方非線形バネ３０７のバネ特性は、その伸びが大きくなると急にバネ力が大きくなる（カーブの傾斜が急になる）非線形性を有している。すなわちフックの法則には従わない。
図２２を用いて、足部３０２の回転軸３０３ｃ回りの剛性が調整される様子を具体的に説明する。例えば、バネ３０５、３０７の伸び量がゼロで足部３０２の角度が所定位置に調整されたときのアクチュエータ３１２、３１４の作動量からアクチュエータ３１２、３１４がさらにＡ（ｍｍ）ずつ引き込まれとする。するとバネ３０５、３０７が伸び、Ｂ（ｋｇ）のバネ力が発生する（点Ｄ、点Ｆ参照）。ワイヤ張力はＢ（ｋｇ）に調整される。前方ワイヤ３０４と後方ワイヤ３０６の張力は等しいので、足部３０２は回転せず、調整された位置を保つ。この状態で足部３０２に時計方向のモーメントを加えて回転させ、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びたとする（点Ｄ→点Ｅ）。一方、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びると、これと等しい量（Ｃ（ｍｍ））前方バネ３０５は縮む（点Ｆ→点Ｇ）。従って、足部３０２を回転させてバネ（３０５、３０７）をＣ（ｍｍ）伸縮させるのには、点Ｅと点Ｇのバネ力の差であるＨ（ｋｇ）の力をプーリ３０３に加える必要がある。
【００５４】
アクチュエータ３１２、３１４がさらに大きくＪ（ｍｍ）ずつ引き込まれたとする（点Ｌ、点Ｍ）。このときにバネ３０５、３０７が発生するバネ力はＫ（ｋｇ）である。この場合でも、ワイヤ３０４、３０６の張力は等しいので、足部３０２は回転せずにそのままの位置を保つ。この状態で足部３０２に時計方向のモーメントが加わって、後方バネ３０７がＣ（ｍｍ）伸びたとする（点Ｌ→点Ｎ）。前方バネ３０５はＣ（ｍｍ）縮む（点Ｍ→点Ｐ）。従って、足部３０２を回転させてバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのには、点Ｎと点Ｐのバネ力の差であるＱ（ｋｇ）の力をプーリ３０３に加える必要がある。
【００５５】
アクチュエータ３１２、３１４がＡ（ｍｍ）引き込まれて実現された張力Ｂの状態からバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに必要な力は、Ｈ（ｋｇ）である。アクチュエータ３１２、３１４がＪ（ｍｍ）引き込まれて実現された張力Ｋの状態からバネ３０７、３０５をＣ（ｍｍ）伸縮させるのに必要な力は、Ｑ（ｋｇ）である。明らかにＱ（ｋｇ）の方が、Ｈ（ｋｇ）よりも大きい。すなわち、アクチュエータ３１２、３１４を大きく引き込んで、大きな張力をワイヤ３０４、３０６に発生させているときの方が、足部３０２の剛性（足部３０２を所定角回転させるに要するＹ軸回りの回転モーメント）は高くなる。アクチュエータ３１２、３１４がワイヤ３０４、３０６を引き込む量を変化させることによって、足部３０２の剛性を調整することができる。
プルプル方式と非線形バネ組合せて用いると、関節の回転角と独立に、剛性を調整することができる。
【００５６】
図２２のバネ特性グラフの傾斜角が剛性に比例する。そこで、その傾斜角が意図した剛性に相当するバネの伸び量を求め、その伸び量を与えることで、意図した剛性に調整することができる。
ロボットの姿勢にかかわらず、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、即ちモーメントの腕の長さがほぼ一定であれば、剛性から張力ないし伸び量を決定することができる。
しかしながら、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、即ちモーメントの腕の長さが変化する場合には、剛性から張力を決定するまでの間にモーメントの腕の長さを考慮しなければならない。例えば、ともにワイヤ張力が１ｋｇであるとする。このとき、回転中心からその１ｋｇの張力の作用点までの長さが１０ｃｍ（ケース１）と２０ｃｍ（ケース２）とする。このとき、ケース２の方がモーメントの腕の長さが長く、モーメントも大きい。ケース２の方が、同じ張力でありながら、外力に抗して関節回転角を所定値に維持する程度は強い。剛性は、張力とモーメントの腕の長さによって決まる。
コントローラの第２計算部が、剛性が指定されたときに、指定された剛性とそのときのモーメントの腕の長さから指定された剛性に調整するのに必要な張力を計算し、次いで、その張力に調整するのに必要なワイヤの伸びの長さを計算すると、ロボットの姿勢によらないで関節回りの柔軟性を指定された剛性に調整することができる。
【００５７】
本発明を首関節に具現化した第２の実施例を図１５〜図２０を参照して説明する。図１５はロボットの首関節の構造を説明するための図であり、図１６〜図２０は頭部の動きを説明する図である。
【００５８】
図１５は首関節８０の構造を説明するためにデフォルメした図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。首関節８０は、頭部８２と胴体部２０の鎖骨部８４とを接続している。頭部８２の下部には円筒形状のフランジ８６が下方に伸びており、このフランジ８６はＺ軸方向に伸びる軸孔８６ａを有している。頭部８２の下方には短いシャフト８８が位置し、その上部には軸９０が上方に伸びている。頭部８２のフランジ８６の軸孔８６ａにはシャフト８８の軸９０が挿入され、頭部８２はシャフト８８によってＺ軸回りに回転可能である。
【００５９】
このシャフト８８の下部にはＸ軸方向に平行に並んだ２つのフランジ９２が下方に伸びている。また、鎖骨部８４の上面にはＹ軸方向に平行に並んだ２つのフランジ９４が上方に伸びている。これらシャフト８８のフランジ９２と鎖骨部８４のフランジ９４は十字型自在継手９６によって接続されてユニバーサルジョイントの形態を成しており、シャフト８８は鎖骨部８４に対してＸ軸回りとＹ軸回りに相互に独立に回転可能に接続されている。即ち、首関節８０はＸ軸回りとＹ軸回りとＺ軸回りに相互に独立に回転可能に接続されており、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のそれぞれについて自由度を持つ。
【００６０】
頭部８２と胴体部８４の間には、頭部８２をＸ、Ｙ，Ｚ軸の３軸の回りに回転させるために、４本のワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄが張られている。４本のワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄのそれぞれの上端は、頭部８２の下部に取付けられた図示しない４つのワイヤ終端ガイドにガイドされ、ワイヤ接続点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄに固定されている。鎖骨部８４のフランジ９４の両外側にはフランジ９４に平行に長穴８４ａ，８４ｂが設けられている。鎖骨部８４の下方には、図示しない４つのプーリが配されている。ワイヤ９６ａ，９６ｂは長穴８４ａを貫通して鎖骨部８４の下方へ抜け、それぞれが別のプーリに巻き付けられている。ワイヤ９６ｃ，９６ｄは長穴８４ｂをそれぞれ貫通して鎖骨部８４の下方へ抜け、それぞれが別のプーリに巻き付けられている。これらのワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄの下端は図示しないアクチュエータに接続され、第１実施例と同様な機構によりワイヤの有効長が伸長・収縮する。なお、モータでプーリを回転させてそのプーリにワイヤを巻き込むことでワイヤの有効長を増減しても良い。
ワイヤ接続点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄのうち、９８ａ，９８ｂはＸ軸の右側にあり、９８ｃ，９８ｄはＸ軸の左側にある。９８ｂ，９８ｃはＹ軸の後方にあり、９８ａ，９８ｄはＹ軸の前側にある。ワイヤ接続点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄは、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれの両側に分布している。
【００６１】
次にワイヤの有効長の伸長・収縮による頭部８２の動きについて説明する。図１６〜２０は頭部８２の動きを説明するための模式図であり、図１６、１７はＸ軸回りの回転を説明するための図であり、図１８，１９はＹ軸回りの回転を説明するための図であり、図２０はＺ軸回りの回転を説明するための図である。図１６、１８、２０は頭部８２の平面図であり、図１７は頭部８２の背面図であり、図１９は頭部８２の左側面図である。ワイヤ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄの終端はワイヤ終端ガイドの図示を省略し、ワイヤ接続点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄのみで示してある。
図１６から明らかに、Ｚ軸の回りに順に時計方向に接続点９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄを見たときに、ワイヤ群は、接続点９８ａでは時計方向のモーメントを加え、接続点９８ｂでは反時計方向のモーメントを加え、接続点９８ｃでは時計方向のモーメントを加え、接続点９８ｄでは反時計方向のモーメントを加える。即ち、ワイヤ群９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄは、Ｚ軸回りのモーメントが交互に反転する向きに引張られている。
【００６２】
図１６，１７は、ワイヤ接続点９８ａ，９８ｂに接続されているワイヤ９６ａ，９６ｂの有効長を等しく収縮させ、ワイヤ接続点９８ｃ，９８ｄに接続されているワイヤ９６ｃ，９６ｄの有効長を等しく伸長させた場合を示している。このとき、頭部８２は図１７の破線で示すようにＸ軸の回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、頭部８２は矢印と逆方向に回転する。即ち、このようにワイヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８２をＸ軸の回りに自在に回転させることができる。
【００６３】
図１８，１９は、ワイヤ接続点９８ａ，９８ｄに接続されているワイヤ９６ａ，９６ｄの有効長を等しく伸長させ、ワイヤ接続点９８ｂ，９８ｃに接続されているワイヤ９６ｂ，９６ｃの有効長を等しく収縮させた場合を示している。このとき、頭部８２は図１９の破線で示すようにＹ軸の回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、頭部８２は矢印と逆方向に回転する。即ち、このようにワイヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８２をＹ軸の回りに自在に回転させることができる。
【００６４】
図２０は、ワイヤ接続点９８ａ，９８ｃに接続されているワイヤ９６ａ，９６ｃの有効長を等しく伸長させ、ワイヤ接続点９８ｂ，９８ｄに接続されていて反時計方向のモーメントを与えるワイヤ９６ｂ，９６ｄの有効長を等しく収縮させた場合を示している。このとき、頭部８２は図２０の破線で示すように、Ｚ軸の回りに反時計方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、頭部８２は時計方向に回転する。即ち、このようにワイヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８２をＺ軸の回りに自在に回転させることができる。
【００６５】
また、図示はしないが、頭部８２を次のように動かすことも可能である。図２０のように、ワイヤ９６ａ，９６ｃの有効長を伸長させ、ワイヤ９６ｂ，９６ｄの有効長を収縮させるとき、ワイヤ９６ａの伸長量とワイヤ９６ｄの収縮量を等しく減少させ、ワイヤ９６ｃの伸長量とワイヤ９６ｂの収縮量を等しく増加させ、これらの伸長量・収縮量の増減量を等しくすると、Ｚ軸回りに矢印の方向に回転して頭部が左側を向き、且つ、図１７のようにＸ軸回りに矢印の方向に回転して左側が上がる。更に、ワイヤ９６ａの伸長量とワイヤ９６ｂの収縮量を等しく増加させ、ワイヤ９６ｃの伸長量とワイヤ９６ｄの収縮量を等しく減少させ、これらの伸長量・収縮量の増減量を等しくすると、図１９のようにＹ軸回りに矢印の方向にも回転して前側も上がる。即ち、このようにワイヤ有効長の伸長・収縮を調整すると、頭部８２をＸ軸についてもＹ軸についてもＺ軸についても自在に回転させることができる。Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸に対して４本のワイヤ、即ち、軸数＋１本のワイヤを用いることによって、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸について互いに独立に回転角を調整することが可能である。
【００６６】
本発明のロボットはワイヤ駆動であり、各関節にアクチュエータを実装する必要がない。アクチュエータを関節から離れた位置に実装することができるため、関節を小型化、軽量化することができ、アクチュエータの実装位置の自由度が上がる。また、本発明の場合、ワイヤ数は２軸の関節に対しては３本、３軸の関節に対しては４本、即ち、１関節に対して軸数＋１本でよい。必要とするワイヤ数とアクチュエータ数が少数化するため、四肢等のスリム化や軽量化が図れる。これらのことにより、必要とする動力を小さくすることができるため、末端側部材の動きを高速化することができ、外観的にも動作的にも人間や動物に類似したロボットを実現することが可能となる。
【００６７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００６８】
従って、例えば、以下に記載するように構成することもできる。
（１）アクチュエータ群は大腿部に配置されることに限られるものではない。例えば、上肢の上腕部にアクチュエータ群を配置し、個々のアクチュエータが動作して上腕に対して前腕が回転されたり、前腕に対して手部が回転されたりするように構成することができる。
【００６９】
（２）上述したボールネジのコントローラは、関節の回転角と張力とが入力されているが、張力に代えて関節の剛性を入力するように構成してもよい。
このような構成では、コントローラは、関節の回転角から末端側部材（例えば、足部）の回転中心とワイヤの接続点との間のモーメントアームを計算し、このモーメントアームから関節が所望の剛性となるワイヤの張力を計算する。そして、ワイヤの張力を計算された値とするボールネジの作動量がボールネジに出力される。モーメントアームが末端側部材の回転にともなって大きく変化する構成（ワイヤ終端ガイドが存在しないような構成）においては、上記のように張力に代えて剛性をコントローラに入力し、これを計算処理することにより、関節の剛性をより正確にコントロールすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施例のロボットの両下肢の正面図。
【図２】 同ロボットの左下肢の側面図。
【図３】 同ロボットの足首関節の構造を説明するための図。
【図４】 同ロボットのボールネジの詳細を説明する図。
【図５】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図６】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図７】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図８】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図９】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図１０】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図１１】 従来のワイヤ駆動のロボットの足部の動きを説明する図。
【図１２】 本実施例のロボットの足部の動きを説明する図。
【図１３】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図１４】 同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図１５】 本実施例のロボットの首関節の構造を説明するための図。
【図１６】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。
【図１７】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。
【図１８】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。
【図１９】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。
【図２０】 同ロボットの頭部の動きを説明する図。
【図２１】 同ロボットの関節の剛性を説明する図。
【図２２】 同ロボットの関節の剛性を説明するグラフ。
【符号の説明】
１０：ロボット
１２：下肢部
１４：大腿部
１６：下腿部
１８：足部
２０：胴体部
２２：股関節
２４：膝関節
２６：足首関節
２８：骨盤部
３０：シャフト
３２：ユニバーサルジョイント
３４：ベアリング
３６：円板
３８：アクチュエータ
４０：フランジ
４２：シャフト
４４：フランジ
４６：軸
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ：ワイヤ終端ガイド
４９ａ，４９ｂ，４９ｃ：ワイヤ接続点
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ：ワイヤ
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ：ボールネジ
５４：プーリ
５６：アクチュエータ
５８：フランジ
６０：フランジ
６２：十字型自在継手
６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ：プーリ
６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ：ワイヤ
６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄ：ボールネジ
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ：ワイヤ終端ガイド
７２ａ，７２ｂ，７２ｃ：ワイヤ接続点
８０：首関節
８２：頭部
８４：鎖骨部
８４ａ，８４ｂ：長穴
８６：フランジ
８６ａ：軸孔
８８：シャフト
９０：軸
９２：フランジ
９４：フランジ
９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄ：ワイヤ
９８ａ，９８ｂ，９８ｃ，９８ｄ：ワイヤ接続点
１０２：フランジ
１０４：可動プレート
１０６：フランジ
１０８：案内ロッド
１１０：案内ロッド
１１２：案内ロッド
１１４：モータ
１１６：ギヤ
１１８：ギヤ
１２０：送りネジ
１２２：平板部
１２４：峰部
１２６：フランジ
１２８：シャフト
１３０：フランジ
１３２：シャフト
３０２：足部
３０３：プーリ、３０３ａ：ワイヤ接続点、３０３ｂ：ワイヤ接続点、３０３ｃ：Ｙ軸
３０４：前方ワイヤ
３０５：前方バネ
３０６：後方ワイヤ
３０７：後方バネ
３１２：前方アクチュエータ
３１４：後方アクチュエータ
３２２、３２４：固定部材

Claims (6)

1. 胴体側部材と、この胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材と、この末端側部材の回転中心を挟んだ両側に端部が取付けられている少なくとも２本のワイヤと、各ワイヤに挿入された非線形バネと、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも２個のアクチュエータと、このアクチュエータ群を制御するコントローラとを備えており、
   そのコントローラは、末端側部材の回転角に関する情報とワイヤにかける張力に関する情報を入力して、各アクチュエータの作動量を出力することを特徴とするロボット。
2. 前記コントローラは、末端側部材の回転角に関する情報からワイヤ長さを計算する第１計算部と、張力に関する情報からワイヤの伸びの長さを計算する第２計算部と、両計算部の計算結果からアクチュエータの作動量を計算する第３計算部を有することを特徴とする請求項１のロボット。
3. 胴体側部材と、この胴体側部材に回転可能に接続されている末端側部材と、この末端側部材の回転中心を挟んだ両側に端部が取付けられている少なくとも２本のワイヤと、各ワイヤに挿入された非線形バネと、各ワイヤの他端部に接続されて各ワイヤを伸縮させる少なくとも２個のアクチュエータと、このアクチュエータ群を制御するコントローラとを備えており、
   そのコントローラは、末端側部材の回転角に関する情報とその末端側部材をその回転角に維持する剛性に関する情報を入力して、各アクチュエータの作動量を出力することを特徴とするロボット。
4. 前記コントローラは、末端側部材の回転角に関する情報からワイヤ長さを計算する第１計算部と、剛性に関する情報からワイヤの伸びの長さを計算する第２計算部と、両計算部の計算結果からアクチュエータの作動量を計算する第３計算部を有することを特徴とする請求項３のロボット。
5. 前記胴体側部材は下腿部であり、末端側部材は足部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかのロボット。
6. 前記足部が空中にあるべきときには高剛性を指示し、接地中には低剛性を指示する請求項５のロボット。

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