JP5590622B2

JP5590622B2 - ２脚受動歩行機

Info

Publication number: JP5590622B2
Application number: JP2011547529A
Authority: JP
Inventors: 明人佐野; 吉人池俣; 英雄藤本
Original assignee: 国立大学法人名古屋工業大学
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: JP5590622B6; JPWO2011078104A1; WO2011078104A1

Description

本発明は、受動歩行機に関し、特に脚を２本とした２脚受動歩行機に関するものである。

受動歩行の研究を平地歩行に展開する場合、解析やシミュレーションにより適切な関節トルクの導出を図ったり、アクチュエータを有する実機の開発を行うことがほとんどである。これに対し、非特許文献１では、脚を４本とした受動歩行機とし、ヒトが受動歩行機をアシストすることで平地歩行を実現したものが提案されている。この中で、ヒトは巧みに適切なアシスト力を生み出している。また、ヒトと歩行機は自然と同調し、両者の歩容はほとんど同じになっている。

田部井聡，佐野明人，池俣吉人，林祐史，藤本英雄：「受動歩行機のアシスト平地歩行の実現」，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会"09講演論文集，2P1-C14，2009年

このアシスト平地歩行において、歩行の移動効率を高めることができれば、アシスト力を低減することが可能である。

本発明は、脚を２本とした２脚受動歩行機とし、この２脚受動歩行機において、歩行の移動効率を高め、アシスト力を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、人のアシストにより歩行を行う２脚受動歩行機であって、腰軸に回転可能に連結され、膝関節を介して相対的に回転する大腿部と下腿部を備えた２本の脚と、当該２脚受動歩行機を歩行させるためのアシスト治具と、を有し、人が前記アシスト治具を用いて当該２脚受動歩行機をアシストすることによって歩行を行うように構成されており、当該２脚受動歩行機は、さらに、前記腰軸に連結され、歩行状態において重心位置が前記腰軸より上方にある上体を有することを特徴とする。

これによれば、上体を設けることにより、歩行の移動効率を高め、アシスト力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る２脚受動歩行機の構成を示す図である。図１に示す２脚受動歩行機を斜め後方側から見た図である。図１に示す上体２を後方から見た図である。上体２の下部にローラ７を取り付けて背面ウレタンシート４ｂの可動を妨げない構成となっていることを示す図である。 PVDFフィルム１３で膝ストッパー９の衝突を検知する構成を示す図である。支持脚と上体２を模擬した簡単な２リンクモデルを示す図である。着地直後から着地直前までの一歩区間における水平方向のアシスト力を示す図である。支持脚の角度を示す図である。上体の角度を示す図である。支持脚の腰関節トルクを示す図である。２脚受動歩行機を脚式運搬機として構成した実施形態を示す図である。２脚受動歩行機を脚式運搬機として構成した他の実施形態を示す図である。２脚受動歩行機を脚式運搬機として構成した他の実施形態を示す図である。

図１に、本実施形態で使用した受動歩行脚式ロボット（２脚受動歩行機）を模式的に示す。受動歩行脚式ロボットは、それぞれの脚先端に円弧状の足１１を備えた２本の脚１と、上体２と、アシスト治具３と、前面ウレタンシート４ａと、背面ウレタンシート４ｂと、膝の過伸展を防ぐ膝ストッパー９を備えていている。

図２に、図１に示す２脚受動歩行機を斜め後方から見た図を示す。２本の脚１は、腰軸１５に回転可能に連結されている。腰軸１５で２本の脚１を回転可能に連結する部分により腰関節１６を構成している。それぞれの脚１は、膝関節（膝軸で連結する部分）１ｃを介して相対的に回転する大腿部１ａと下腿部１ｂを備えている。なお、大腿部１ａの長さは例えば４０ｃｍ、下腿部１ｂの長さは例えば４２ｃｍである。

上体２とアシスト治具３は、それぞれ２本の脚１の大腿部１ａの間で腰軸１５に連結（自由回転）されている。上体２の重心位置は歩行状態において腰軸１５から例えば１５０ｍｍ上方にある。また、上体２と脚１の大腿部１ａの前後にウレタンシート４を張った構造となっている。

歩行は、アシスト治具３を持って受動歩行脚式ロボットの後方より行う。ここで、左右の安定化もヒトが容易に行うことができる。

なお、前面ウレタンシート４ａと背面ウレタンシート４ｂは以下のような効果を有する。
前面ウレタンシート４ａ：遊脚初期に振り出しを促進する効果。支持脚後期での後傾（のけ反り）防止。
背面ウレタンシート４ｂ：遊脚後期に適切な歩幅に調整。支持脚初期での上体効果。

なお、遊脚は、地面から浮いている脚をいい、支持脚は、地面についている脚をいう。

前面ウレタンシート４ａと背面ウレタンシート４ｂのそれぞれは、一端側が脚１の大腿部１ａにボルト等でしっかりと固定され、上体にはスライダ５を介して取り付けられている。また、人体構造を模擬して、背面ウレタンシート４ｂは大腿部１ａの後方に接続されている。背面ウレタンシート４ｂは、スライダ５が図３に示す固定ストッパー６に当たると張力を発生する。ここで、図４に示すように、上体２の下部にローラ７を取り付けて背面ウレタンシート４ｂの可動を妨げない工夫がしてあり、また、図示していないが、固定ストッパー６に当たっていない時に、ウレタンシート４が遊ばないようにスライダ５はバネによって上方に吊り上げられている。

本実施形態では、図３上体２を後方から見た図で、背面ウレタンシート４ｂが取り付けられていない状態のものに示すような機構により、脚１が支持脚期か遊脚期かによって、背面ウレタンシート４ｂの張力の作用を切換える。

背面ウレタンシート４ｂが固定されたスライダ５は、図３の上下方向に移動可能で、可動ストッパー８あるいは固定ストッパー６のいずれかに当たると背面ウレタンシート４ｂが張力を発生する。図からわかるように、可動ストッパー８の方が上部にあり、同一の腰屈曲角でもより大きな張力を発生する。

背面ウレタンシート４ｂは、遊脚後期に適切な歩幅を決定し、着地をはさんで支持脚初期に上体効果を生み出す必要があるが、両者で望まれる張力特性が必ずしも同一であるとは限らない。具体的には、後者の方がより強力な張力が必要となる。

そこで、本実施形態では、図５に示すPVDFフィルム（検知手段）１３で膝ストッパー９の衝突を検知した時点で、サーボ１０を作動させてリンク機構を介して可動ストッパー８を移動させる（図３の場合、左方向に移動）。このとき、遊脚後期で既に固定ストッパー６にスライダ５が当たっているので、くさび状の可動ストッパー８がこれを押し広げて挿入される（着地直前）。これにより、支持脚初期には、より強力な張力特性が得られる。

なお、図示しないが、前面ウレタンシート４ａも固定ストッパーに当たると張力を発生する構成となっている。しかし、前面ウレタンシート４ａに対しては固定ストッパーのみで上記したような可動ストッパーは設けられていない。また、背面ウレタンシート４ｂと同様、上体２の下部に設けたローラにより前面ウレタンシート４ａの可動を妨げない構成となっている。

上記構成を有する２脚受動歩行機の歩行動作に関して、歩行開始から歩行停止まで一連の動きに沿って以下に述べる。

まず、両脚を揃えて立っている２脚受動歩行機を左右いずれかに傾けながら、後方よりアシスト力を加える。これにより、片方の脚１が支持脚期として地面を支持し、もう片方の脚１が地面から浮いて、遊脚期として膝を屈曲しながら前方に振り出され、歩行が開始される。

遊脚初期では、前面ウレタンシート４ａの張力で脚１の振り出しが促進する。脚１がある程度前方に振り出されると、脚１と背面ウレタンシート４ｂを介して接続されたスライダ５が固定ストッパー６に当たり、背面ウレタンシート４ｂが張力を発生する。これにより、振り出し量を抑え、遊脚後期に適切な歩幅を決定する。

遊脚後期では、脚１の大腿部１ａが重力により減速することで，当該脚１の膝関節１ｃが屈曲から伸展に転換し、膝関節が真直ぐになると膝ストッパー９の衝突が起きる。この衝突をＰＶＤＦフィルム１３で検知し、サーボ１０が作動する。サーボ１０の動作により、固定ストッパー６とスライダ５の間に可動ストッパー８が挿入される。この状態で当該の脚１が地面と衝突し、遊脚期から支持脚期に切り換る。

支持脚初期では、上体２は前方に傾斜し、背面ウレタンシート４ｂがより大きな張力を生みだし、前傾を抑制し上体姿勢を一定に保とうとする。この張力は、上体姿勢を一定にする腰トルクと等価的に働くので、ポテンシャルバリアが低くなり（後述する運動解析（数式３）を参照）、アシスト力の低減につながる（上体効果）。

支持脚後期では、上体２は後傾しようとするが、前面ウレタンシート４ａの張力で抑える。

遊脚期および支持脚期の動作を繰り返すことで、２脚受動歩行機の歩行を継続させることができる。

歩行速度の調整は、アシスト力の強弱で行う。アシスト力を強くすると、脚１の振り出し速度が促進されて歩行速度が上がる。逆に、アシスト力を弱めると歩行速度が減速する。徐々にアシスト力を弱めると歩幅が小さくなり、最終的に両脚を揃えて歩行を停止させることができる。

本実施形態では、２脚受動歩行機に上体２を設けることにより、歩行の移動効率を高め、アシスト力を低減することができる。以下、この点について説明する。

歩行アシストの一つの役割は、平地において脚を前方へ倒すことである。ここで、前方に倒れるためには、運動エネルギーが、腰関節が最高点になるまでのポテンシャルエネルギーを上回るか、このポテンシャルバリアを何らかの形で下げる必要がある。

図６に支持脚と上体を模擬した簡単な２リンクモデルを示す。ここで、上体の質量ｍ_２が脚の質量ｍ_１に比べて十分大きいものとするとき、運動方程式は数式１のように得られる。

ただし、τ_１ａ＝τ_１／ｍ_１、τ_２ａ＝τ_２／ｍ_２である。上体の姿勢変化は小さいと仮定して、上体姿勢を一定にするため（ｄθ_２／ｄｔ＝ｄ^２θ_２／ｄ^２ｔ＝０）の腰トルクを線形近似した運動方程式から導くと数式２を得る。なお、足首トルクはτ_１ａ＝０とした。

このとき、支持脚の角加速度ｄ^２θ_１／ｄ^２ｔは数式３のように得られる。

支持脚が前方に倒れるに従って、減速（ｄθ_１／ｄｔ＜０）して加速（ｄθ_１／ｄｔ＞０）することになるが、上体（ａ_２＞０）を有するとこれらの減速と加速の大きさは小さくなる。すなわち、ポテンシャルバリアが低くなったと捉えることができる。さらに、着地直前の速度が小さくなって床面との衝突が小さくなる。

さて、歩幅が等しくなるようにアシストを行い、上体の有無による違いの検証実験を行った。なお、関節角度は高速度カメラを用いて算出した。ただし、撮影速度は５００[frame/s]、フレームサイズは１０２４×５１２[pixels]とする。アシスト力は、アシスト治具の途中に取り付けた６軸力覚センサにより計測した。

着地直後から着地直前までの一歩区間における水平方向のアシスト力を図７に示す。図７からわかるように、着地直後および０．６[s]前後にスパイク状の押し付け力が発生している。これらは、それぞれ床面との衝突および膝ストッパーとの衝突による反動をヒトが受け止めた形となっている。これは、ヒトによる意図的なアシストではないが、後方から支えていることから、結果的にアシスト力の発生となっている。ここで、上体の有無で比較すると、膝衝突に関してはほぼ同レベルであるにも関わらず、床面との衝突に関しては上体付きでは半分程度に抑えられている。

図８、図９および図１０に、それぞれ支持脚の角度、上体の角度および支持脚の腰関節トルクを示す。ただし、トルクは前後のウレタンシートの張力から算出している。図８からわかるように、ポテンシャルバリアが下がったことから、上体有りの場合、支持脚の角速度（図では傾き）があまり低下することなく、腰関節が頂点（支持脚角度０[deg]）を越えている。頂点では、上体無しと比べて、角速度に２倍程度の差が生じている。さらに、１０[deg]付近で上体有りの場合は支持脚の加速が大きくなっている。

図９からわかるように、上体の挙動は、最大前傾角度が約６[deg]であり、１歩行周期中に２度前傾している（２峰性）。なお、再前傾と遊脚の膝ストッパーとの衝突のタイミングが一致していることから、その反動が上体に作用したと考えられる。ヒトの場合は、一旦、５[deg]程前傾し、遊脚膝が真直ぐになるころ、前傾から鉛直へ上体が起き上がってくる。

図１０からわかるように、支持脚背面のウレタンシートが張った状態で、上体の前傾を抑制して真直ぐになるように腰トルクが働いている。その後、支持脚前面のウレタンシートが張ることで上体の後傾（のけ反り）を防止している。なお、脚が切り換わり遊脚になって床面からの拘束が解かれると、前面のウレタンシートが収縮することにより遊脚の振り出しが促進される。

消費エネルギーＷおよび移動効率Ｃ_ｔは、それぞれ数式４および数式５のように表される。

ただし、Ｆ_ＸおよびＦ_Ｚはそれぞれ垂直方向および水平方向のアシスト力、ｖ_Ｘおよびｖ_Ｚはそれぞれ垂直方向および水平方向の速度、Ｔは歩行周期、Ｍは全質量、Ｓは移動距離（歩幅）である。表１に歩行機の諸元と消費エネルギーおよび移動効率を示す。

表１からわかるように、上体を付加することで、移動効率が３５％程良くなっている。これは、上体効果に加え、ヒトによる効果的なアシスト力生成によるものと考えられる。

なお、上記実施形態において、図４に示すように、ローラ７の固定部品に歪ゲージ１２を取り付けてウレタンシート４の張力を計測し、それによってウレタンシート４の張力を自動調整するようにしてもよい。

また、ウレタンシート４は、シート状のものに限らず、断面丸形状のものでもよく、またその機能からして、それが固定されたスライダ５が可動ストッパー８あるいは固定ストッパー６のいずれかに当たったときに張力を発生するような部材、例えば弾性部材であればよく、その場合、ウレタンでなく硬めのゴムを用いたものであってもよい。

また、図１１に示すように、２脚受動歩行機を脚式運搬機として構成してもよい。この場合、上体２は図に示すように荷物１４を搭載できる荷台２として構成されている。また、荷台でなくても荷物を引っ掛けるような構成となっていてもよい。なお、図１１は、図２と同様、ウレタンシート４ａ、４ｂ等を省略したものとなっている。

さらに、図１２、図１３に、２脚受動歩行機を脚式運搬機として構成した他の実施形態を示す。この実施形態では、荷台２における背板の裏側つまり荷台２の背面（より具体的には荷台２の背面の中央よりやや上部の位置）に、アシスト治具３として運搬ハンドル３が取り付けられている。荷台は２本の脚の間で腰軸に連結されている。

この例に示す脚式運搬機は、ブレーキ機構を有している。ブレーキは油圧式であり、図１２、図１３に示すように、ブレーキハンドル２０が運搬ハンドル３に取り付けられ、ブレーキ機構２１は膝関節１ｃ（図１２参照）あるいは腰関節１６（図１３参照）に取り付けられ、膝関節１ｃあるいは腰関節１６に回転抵抗を生じさせることができる。なお、ブレーキ機構２１は、膝関節１ｃと腰関節１６の両方に取り付けられていてもよい。

運搬者は、荷台に荷物１４を搭載し、運搬ハンドル３を把持する。運搬ハンドル３を介して後方より脚式運搬機を押すことで、歩行させながら荷物を楽に運搬することができる。実験では、５ｋｇの荷物の運搬に成功している。

運搬者は、運搬ハンドル３を操作することで、１輪車のように左右の安定化や方向転換などを容易に行うことができ、様々な経路を運搬して行くことができる。また、２本の脚の間隔（調整可能）は１５ｃｍ程度であり、狭隘な場所を運搬することが可能となっている。また、車輪式運搬機では困難な段差、溝などの不整地の運搬に適している。

運搬者は、ブレーキハンドル２０を操作することで、膝関節１ｃおよび／または腰関節１６の動きを調節したり、止めたりすることができる。これにより、歩幅の調整や停止時の姿勢保持を容易に行うことができる。

図１１〜図１３に示す脚式運搬機は、２本の脚を有する受動歩行機に荷台を設置し、その上に荷物を搭載して運搬する機構であり、しかも、運搬者がハンドルを押して脚式運搬機を歩行させながら、荷物を運搬するものである。

この脚式運搬機を用いることにより、キャリーバッグ、台車、一輪車などでは困難な階段などの段差、列車とホームとの間の隙間などの溝、パイプなどの障害物を踏破し、荷物を運搬することができる。また、荷物の下方に配置された細身の脚は占有面積が小さく、人ごみなどでも邪魔にならない。

したがって、本実施形態に係る脚式運搬機によれば、荷物を搭載することを可能とし、さらに受動歩行機の脚を４本から２本にして占有面積の低減、旋回など機動性を高めたものとすることができる。これらにより、使用者は押すだけで、歩行しながら荷物を楽に運搬することができる。

以下、上記実施形態から把握できる発明について述べる。本発明は、人のアシストにより歩行を行う２脚受動歩行機であって、腰軸に回転可能に連結され、膝関節を介して相対的に回転する大腿部と下腿部を備えた２本の脚と、当該２脚受動歩行機を歩行させるためのアシスト治具と、を有し、人が前記アシスト治具を用いて当該２脚受動歩行機をアシストすることによって歩行を行うように構成されており、当該２脚受動歩行機は、さらに、前記腰軸に連結され、歩行状態において重心位置が前記腰軸より上方にある上体を有することを特徴とする。

また、本発明は、前記上体と前記２本の脚のそれぞれの大腿部の前後に弾性部材が張られた構成とすることにより、安定した歩行を行うことができる。

具体的には、前記上体と前記２本の脚のそれぞれの大腿部の前後に張られた弾性部材は、遊脚初期では前記脚の振り出しを促進し、遊脚後期では前記脚の振り出し量を抑制し、支持脚初期では前記上体の前傾を抑制し、支持脚後期では前記上体の後傾を抑制する。

この場合、前記大腿部の前後に張られた弾性部材のそれぞれは、前記上体にスライダを介して取り付けられており、当該スライダが前記上体に設けられたストッパに当たると張力を発生する構成とするのが好ましく、さらに、前記上体にローラが取り付けられて前記弾性部材の可動を妨げないようになっているのが好ましい。

また、本発明は、前記脚が支持脚期か遊脚期かによって前記大腿部の後ろに張られた背面の弾性部材の張力の作用を切換える機構を有するようにすれば、支持脚初期に、より強力な張力特性を得ることができ、好ましい。

さらに、本発明は、前記上体が荷物を搭載できる荷台として構成されていれば、上記した２脚受動歩行機を脚式運搬機として用いることができる。
前記アシスト治具は、前記腰軸に連結されたものとする他、２脚受動歩行機が脚式運搬機として用いられる場合には、前記荷台の背面に取り付けられた運搬ハンドルとすることができる。

さらに、２脚受動歩行機が脚式運搬機として用いられる場合には、前記腰軸で前記２本の脚を回転可能に連結する腰関節および／または前記膝関節に回転抵抗を生じさせるブレーキ機構を有し、前記ブレーキ機構を操作するためのブレーキハンドルが前記運搬ハンドルに取り付けられている構成とするのが好ましい。

１脚
１ａ大腿部
１ｂ下腿部
１ｃ膝関節
２上体
３アシスト治具
４ａ前面ウレタンシート（弾性部材）
４ｂ背面ウレタンシート（弾性部材）
５スライダ
６固定ストッパー
７ローラ
８可動ストッパー
９膝ストッパー
１０サーボ
１１円弧足
１２歪ゲージ
１３ PVDFフィルム
１４荷物
１５腰軸
１６腰関節
２０ブレーキハンドル
２１ブレーキ機構

Claims

人のアシストにより歩行を行う２脚受動歩行機であって、
腰軸に回転可能に連結され、膝関節を介して相対的に回転する大腿部と下腿部を備えた２本の脚と、
当該２脚受動歩行機を歩行させるためのアシスト治具と、を有し、
人が前記アシスト治具を用いて当該２脚受動歩行機をアシストすることによって歩行を行うように構成されており、
当該２脚受動歩行機は、さらに、前記腰軸に連結され、歩行状態において重心位置が前記腰軸より上方にある上体を有することを特徴とする２脚受動歩行機。
前記上体と前記２本の脚のそれぞれの大腿部の前後に弾性部材が張られていることを特徴とする請求項１に記載の２脚受動歩行機。
前記上体と前記２本の脚のそれぞれの大腿部の前後に張られた弾性部材は、
遊脚初期では前記脚の振り出しを促進し、
遊脚後期では前記脚の振り出し量を抑制し、
支持脚初期では前記上体の前傾を抑制し、
支持脚後期では前記上体の後傾を抑制することを特徴とする請求項２に記載の２脚受動歩行機。
前記大腿部の前後に張られた弾性部材のそれぞれは、前記上体にスライダを介して取り付けられており、当該スライダが前記上体に設けられたストッパに当たると張力を発生するようになっていることを特徴とする請求項２または３に記載の２脚受動歩行機。
前記上体にローラが取り付けられて前記弾性部材の可動を妨げないようになっていることを特徴とする請求項４に記載の２脚受動歩行機。
前記脚が支持脚期か遊脚期かによって前記大腿部の後ろに張られた背面の弾性部材の張力の作用を切換える機構を有することを特徴とする請求項４または５に記載の２脚受動歩行機。
前記上体が荷物を搭載できる荷台として構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の２脚受動歩行機。
前記アシスト治具は、前記腰軸に連結されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の２脚受動歩行機。
前記アシスト治具は、前記荷台の背面に取り付けられた運搬ハンドルであることを特徴とする請求項７に記載の２脚受動歩行機。
前記腰軸で前記２本の脚を回転可能に連結する腰関節および／または前記膝関節に回転抵抗を生じさせるブレーキ機構を有し、
前記ブレーキ機構を操作するためのブレーキハンドルが前記運搬ハンドルに取り付けられていることを特徴とする請求項７または９に記載の２脚受動歩行機。