JP6880281B2 - エネルギを回生する歩行ロボットシステム - Google Patents

Description

本出願は、米国仮出願第６１／９８９４２７号に基づく優先権を主張するものであり、米国仮出願第６１／９８９４２７号全体が、参照により本出願に組み込まれている。

様々な外骨格ロボットシステム、ヒト型ロボットシステム、及び他の歩行ロボットシステムが開示されているが、実際に構築された歩行ロボットシステムはあまり多くない。エネルギ自給について懸念される当該システムにおいて解決すべき根本的な技術的課題は、電力である。有効な２つの選択肢は、エネルギ密度源を効率的に利用すると共にロボットシステムの要求に適合する高出力の電源を利用すること、及び、あまり多くの電力を利用しないことである。第１の選択肢は、実用性に欠け、携行式電源と同様に、依然として課題を有しているので、第２の選択肢を選ばざるを得ない。従って、既存の外骨格ロボットや歩行ロボットは、長時間に亘って大きい力及び速い速度を出力することができない。言い換えれば、出力に関する問題は、解決することができない課題であるので、典型的な解決手段は、システムの出力性能を低減することである。

K. Shamaei, G.S. Sawichi, and P.M. Dollar著、PLOS ONE, Vol. 8(3):e59993 (2013)

本発明の特徴及び優位性については、本発明の特徴を例示的に表わす添付図面と関連させつつ、以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。

本発明の一の実施例における歩行ロボット装置を表わす。 本発明の一の実施例における歩行ロボット装置を表わす。 本発明の一の実施例におけるアクチュエータ及びエネルギ蓄積機構の構成を表わす。 本発明の他の実施例におけるアクチュエータ及びエネルギ蓄積機構の構成を表わす。 本発明のさらなる他の実施例におけるアクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構の構成を表わす。 本発明の一の実施例における歩行ロボット装置の液圧式構成部品及び／又は空圧式構成部品を制御するために利用されるバルブ装置を表わす。 本発明の他の実施例における歩行ロボット装置の液圧式構成部品及び／又は空圧式構成部品を制御するために利用されるバルブ装置を表わす。 本発明のさらなる他の実施例における歩行ロボット装置の液圧式構成部品及び／又は空圧式構成部品を制御するために利用されるバルブ装置を表わす。 膝トルクと膝角度との関係を表わす、膝関節についての典型的なヒトの歩行周期のグラフである。 本発明の他の実施例における歩行ロボット装置を表わす。 本発明の他の実施例における歩行ロボット装置を表わす。

図示の典型的な実施例を参照しつつ、本明細書では、特定の言語が、典型的な実施例を説明するために利用される。しかしながら、これにより、本発明の技術的範囲が限定される訳ではないことを留意すべきである。

本明細書で利用されるように、「実質的に（略）」との用語は、完全な又は完全に近い程度の動作、特性、性質、状態、構造、物品、又は結果を示している。例えば、“実質的に”囲まれている物体は、当該物体が完全に又は完全に近い状態で囲まれていることを意味する。絶対的な完全性からの逸脱の厳密な許容可能な程度は、特定の文脈に依存する場合がある。しかしながら、一般的には、完全性の類似は、絶対的且つ全体的な完全性が得られた場合における同一の結果全体を有しているだろう。「実質的に（略）」は、完全に又は完全に近い状態で作用、特徴、性質、状態、構造、物品、又は結果を示すために、否定的な含みで利用される場合にも同様に利用される。

本明細書で利用されるように、「隣り合っている」は、２つの構造体又は要素の近接を示している。特に、「隣り合っている」として認識される要素は、当接又は接続している場合がある。また、このような要素は、必ずしも互いに接触することなく、互いに対して近位又は近傍に位置している場合がある。近接の厳密な程度は、特定の文脈に依存する場合がある。

最初に技術的な実施例の外観について以下に提示し、その後に特定の技術的実施例についてさらに詳細に後述する。最初の概要は、読者が技術を一層急速に理解することを補助するが、当該技術の肝心な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、本発明の技術的範囲を制限することを意図する訳でもない。

利用可能な電力が限られる状況において、外骨格ロボットシステム、ヒト型ロボットシステム、又は歩行ロボットシステムの出力能力及び耐久能力を改善するために、このようなシステムの効率は、改善に関する焦点のうち一の焦点であることに違いない。従って、本発明は、一般的なロボットシステムより高い効率を有する歩行ロボット装置を開示する。一の実施態様では、さもなければ失われてしまうエネルギを蓄積するための、且つ、歩行ロボット装置において利用するために蓄積されたエネルギを供給するための位置エネルギ蓄積機構が設けられている。歩行ロボット装置は、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含んでおり、複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度が、ヒトの脚部の少なくとも１つの自由度に対応している。また、歩行ロボットシステムは、複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度について力又はトルクをサポート部材に作用させるための、アクチュエータを含んでいる。さらに、歩行ロボット装置は、複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構を含んでおり、位置エネルギ蓄積機構は、複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度についての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動作し、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サポート部材に補償力又は補償トルクとして供給する。位置エネルギ蓄積機構のバネ定数及び／又は零点位置は、動作中に変化可能とされる。

一の実施態様では、歩行ロボット装置は、ヒトの脚部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のサポート部材を含んでいる。また、歩行ロボット装置は、第１の自由度について、力又はトルクを第１のサポート部材及び第２のサポート部材に作用させるための第１のアクチュエータを含んでいる。さらに、歩行ロボット装置は、第１の自由度に関連する第１の位置エネルギ蓄積機構を含んでおり、第１の位置エネルギ蓄積機構は、第１の自由度についての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動作し、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第１のサポート部材及び第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する。第１の位置エネルギ蓄積機構のバネ定数及び／又は零点位置は、動作中に変化可能とされる。

さらなる他の実施態様では、歩行ロボット装置は、ヒトの脚部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のサポート部材を含んでいる。また、歩行ロボット装置は、第１の自由度についてトルクを第１のサポート部材及び第２のサポート部材に作用させるための第１のアクチュエータを含んでいる。さらに、歩行ロボット装置は、第１の自由度に関連する第１の位置エネルギ蓄積機構を含んでおり、第１の位置エネルギ蓄積機構は、第１の自由度についての第１のサポート部材及び第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、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第１のサポート部材及び第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する。第１の位置エネルギ蓄積機構のバネ定数及び／又は零点位置は、動作中に変化可能とされる。

図１Ａ及び図１Ｂは、歩行ロボット装置１００の一の実施例を表わす。歩行ロボット装置１００は、人体に取り付けるための外骨格構造体、ヒト型ロボット、又は任意の他の歩行ロボット装置として構成されており、軍事、ファーストレスポンダー、商業に関連する利用分野において利用可能とされる。歩行ロボット装置１００は、本明細書に開示される概念に従った任意の適切な構成を有している。図示の一の実施例では、歩行ロボット装置１００は、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１００ａ〜１００ｇを備えている。例えば、サポート部材１００ａ〜１００ｇは、回転可能に共に結合されており、１つ以上の軸線１１０ａ〜１１０ｇを中心とする回転自由度を有しているが、並進自由度を有していても良い。一の実施態様では、複数のサポート部材１１０ａ〜１１０ｇが継手で共に結合されている場合がある。継手は、１つ以上の自由度を調整することができる。例えば、サポート部材１１０ｂ，１１０ｃは、単一の自由度を形成するために共に結合されており、サポート部材１１０ｆ，１１０ｇは、軸線１１１ｆ，１１１ｇを中心とする自由度を形成するために（例えば自在継手すなわちボールジョイントによって）共に結合されている。このような単一の又は複数の自由度が、歩行ロボット装置１００の任意の適切な位置に設けられている。例えば軸線１１１ａ〜１１１ｇを中心とする回転自由度のような１つ以上の自由度は、例えば股関節の屈曲／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／外旋のような、ヒトの脚部１０１の１つ以上の自由度に対応している。

例えば図示の如く、サポート部材１１０ｅは、膝関節の自由度（すなわち股関節の屈曲／伸展）に対応している自由度を有する相対運動をするように、サポート部材１１０ｄに結合されている。サポート部材１１０ｃは、股関節の自由度（すなわち股関節の内旋／外旋）に対応している自由度を有する相対運動をするように、サポート部材１１０ｄに結合されている。サポート部材１１０ｂは、股関節の他の自由度（すなわち股関節の屈曲／伸展）に対応している自由度を有する相対運動をするように、サポート部材１１０ｃに結合されている。サポート部材１１０ａは、股関節のさらなる他の自由度（すなわち股関節の外転／内転）に対応している自由度を有する相対運動をするように、サポート部材１１０ｂに結合されている。

ヒトである利用者すなわち操作者は、操作者の脚が対応する力センサに接触するように、操作者の脚を歩行ロボットシステム１００の第１の部分１０７の内部に配置させることによって、歩行ロボットシステム１００を利用するか、又は歩行ロボットシステム１００と協働することができる。また、ヒトである操作者の部位が、歩行ロボットシステム１００の様々な位置に配置されている力センサと接触している。例えば、歩行ロボット装置１００の臀部サポート１０２は、操作者の臀部と接触するように構成されている力センサを有している。操作者は、腰部ストラップ１０３又は他の適切な連結装置によって歩行ロボット装置１００に連結されている。さらに、操作者は、足部ストラップ１０４によって歩行ロボット装置１００に連結されている。一の実施態様では、力センサは、操作者の膝の近傍に位置する歩行ロボット装置１００の膝部サポート１０５の周囲に配置されている。歩行ロボット装置１００の又はその周囲の特定位置に配置されている力センサについて説明すると、力センサは、歩行ロボット装置１００を適切に動作させるために、歩行ロボット装置１００の又はその周囲の多数の位置に目的に合致するように配置されていることに留意すべきである。

また、歩行ロボット装置１００は、例えば軸線１１１ａ〜１１１ｇを中心とする回転自由度のうち任意の回転自由度のような、自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ａ〜１１０ｇに作用させるための、１つ以上のアクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇを備えている。例えば図示の如く、アクチュエータ１１２ａは、軸線１１１ａを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ａ，１１０ｂに作用させることができる。アクチュエータ１１２ｂは、軸線１１１ｂを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ｂ，１１０ｃに作用させることができる。アクチュエータ１１２ｃは、軸線１１１ｃを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ｃ，１１０ｄに作用させることができる。アクチュエータ１１２ｄは、軸線１１１ｄを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ｄ，１１０ｅに作用させることができる。アクチュエータ１１２ｅは、軸線１１１ｅを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ｅ，１１０ｆに作用させることができる。アクチュエータ１１２ｆは、軸線１１１ｆを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ｆ，１１０ｇに作用させることができる。アクチュエータ１１２ｇは、軸線１１１ｇを中心とする自由度について力又はトルクをサポート部材１１０ｆ，１１０ｇに作用させることができる。

さらに、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、例えば軸線１１１ａ〜１１１ｇを中心とする回転自由度のうち任意の回転自由度のような、１つ以上の自由度に関連している。位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、当該回転自由度についてのサポート部材１１０ａ〜１１０ｇ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、アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇ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サポート部材１１０ａ〜１１０ｇ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。例えば膝関節の屈曲／伸展に対応する自由度に関連して図示するように、軸線１１１ｄを中心とする自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構１１３ｄは、当該自由度についてのサポート部材１１０ｄ，１１０ｅ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、アクチュエータ１１２ｄ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サポート部材１１０ｄ，１１０ｅ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。

股関節の自由度に対応する自由度に関連して、軸線１１１ｃを中心とする自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構１１３ｃは、当該自由度についてのサポート部材１１０ｃ，１１０ｄ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、アクチュエータ１１２ｃ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サポート部材１１０ｃ，１１０ｄ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。軸線１１１ｂを中心とする自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構１１３ｂは、当該自由度についてのサポート部材１１０ｂ，１１０ｃ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、アクチュエータ１１２ｂ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サポート部材１１０ｂ，１１０ｃ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。軸線１１１ａを中心とする自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構１１３ａは、当該自由度についてのサポート部材１１０ａ，１１０ｂ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、アクチュエータ１１２ａ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サポート部材１１０ａ，１１０ｂ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。足首の自由度に対応する自由度に関連して、軸線１１１ｅを中心とする自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構１１３ｅは、当該自由度についてのサポート部材１１０ｅ，１１０ｆ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、アクチュエータ１１２ｅ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サポート部材１１０ｆ，１１０ｇ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。軸線１１１ｆ，１１１ｇを中心とする自由度に関連する位置エネルギ蓄積機構１１３ｆ，１１３ｇは、当該自由度についてのサポート部材１１０ｆ，１１０ｇ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、アクチュエータ１１２ｆ、１１２ｇ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サポート部材１１０ｆ，１１０ｇ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。

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。

アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇは、例えば液圧式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、及び／又は電気式アクチュエータのような、任意の適切なアクチュエータとされる。一の実施態様では、アクチュエータは、アクチュエータが力又はトルクを作用させる関節すなわち自由度に対して遠位に配置されている。例えば、足首の自由度のためのアクチュエータは、利用者の骨盤又は大腿部の近傍に位置するサポート部材に配置されており、例えば足首の自由度を遠隔で動作させるために中間自由度（例えば膝関節の屈曲／伸展）の中立軸線を通るケーブルのような、動力伝達機構を有している。このような構成によって、アクチュエータの質量が回転中心（すなわち股関節）の近傍に配置されるので、歩行ロボット装置１００の遠位の質量及び慣性モーメントが低減される。

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作中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作中に変化させることができる。

一の実施態様では、１つ以上のアクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇが、位置エネルギ蓄積機構を具備しないアクチュエータにおいて必要とされる大きさと比較して、最大荷重要求に対して小型化されている（例えば、さもなければ必要とされるであろう出力容量より小さい出力容量を有している）。例えば、上述の位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇを具備及び利用することによって、アクチュエータは、所定の自由度についての最大力要求又は最大トルク要求の約半分の力又はトルクを供給する大きさとされる。このようなアクチュエータの容量についての低減によって、アクチュエータの大きさが小さくなり、アクチュエータを動作させるために必要とされる動力も小さくなる。しかしながら、任意の適切な容量を有するアクチュエータであれば利用可能であることに留意すべきである。アクチュエータ及び／又は歩行ロボット装置１００の他の構成部品（すなわち電子機器）に電力を供給するための電源１０６は、例えば取付式フレームワークのように、歩行ロボット装置１００の周りにおいて支持されているか、又は歩行ロボット装置１００の格納機構又は積載機構によって支持されている。

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。

一の実施態様では、アクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構が組み合わされて、歩行ロボット装置１００のサポート部材の所望の関節部又は結合部に配置又は位置しているユニット又はモジュールになっている。例えば、アクチュエータ１１２ｄ及び位置エネルギ蓄積機構１１３ｄが組み合わされて、共通のハウジングとサポート部材同士を結合するための標準化されたインターフェースとを有している単一のユニット又はモジュールになっている。一の実施態様では、以下に詳述するように、アクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構が、脚の特定の自由度に対応する自由度を具備して利用するように特に構成されている。例えば、アクチュエータ１１２ｄ及び位置エネルギ蓄積機構１１３ｄは、膝関節の屈曲／伸展に対応する自由度を形成している関節部を具備して利用するように特に構成されている。また、このようなモジュールは、股関節及び足首に関する自由度に適している。

一の実施態様では、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇが、歩行ロボット装置１００を直立姿勢となるように付勢するように構成されているので、直立姿勢を初期の姿勢とすることができる。これにより、歩行ロボット装置１００は、安全性が高められると共に脱着するのが容易になる。歩行ロボット装置１００が、動力を失っても倒れないからである。特定の実施態様では、アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇが、利用者が作用させる力に加えて運動を実現するように動作又は係合されていなければならないように、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは構成されている。例えば、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、利用者の自重によって作用される下向きの力に加えて、アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇがスクワット運動を実現するように動作又は係合されているように構成されている。位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇの当該構成は、歩行ロボットシステム１００自体の重量を補償するのではなく、歩行ロボットシステム１００の全位置エネルギにおける慣性に起因する負荷又は変化を補償するために必要とされる、アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇの出力容量を低減させることができる。このようにしてアクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇの出力容量が低減されることによって、アクチュエータの大きさ及び重量を、さらには関連するアクチュエータシステム（例えば液圧式ポンプ、バルブ、配管等）の大きさ及び重量を低減させることができる。これにより、歩行ロボットシステム１００全体の重量が低減又は最小限に抑えられるので、エネルギ消費を低減すると共に効率を改善することができる。

位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、ヒトの能力を高めるという観点から、長期間に亘って利用される。位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、荷物を運搬するというヒトの能力を高めるために、負荷の有無に関わらず利用者の持久力を高めるために、利用者が健康なヒトと同程度に又はより速く走るために、及び一層効率的に歩行するために利用される。これらは、すべて変数であり、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇを歩行ロボットシステム１００に導入することができるという利点を有している。さらに、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇを利用することによって、歩行ロボットシステム１００は、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇを利用しない場合に可能とされる周波数より高い周波数で、エネルギを入出力する機能を果たすように構成されている。一の実施態様では、アクチュエータ１１２ａ〜１１２ｇ及び／又は位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、歩行ロボット１００のサポート部材１１０ａ〜１１０ｇを減速させる場合に、特に装着された場合に、エネルギを回生するように又はエネルギを抽出するように構成されている。例えば健康なヒトが歩行する際に、膝関節は、アクチュエータのトルクと位置の軌跡との関係に従う（図４参照）。当該関係においては、アクチュエータのトルクが膝関節の角速度及び／又は直線速度を減速させる。このようなことが発生すると、上述のように、例えばブレーキ（例えばクラッチ）、空圧式機構、液圧式機構等のようなエネルギ散逸機構によってエネルギが消散する。代替的には、このエネルギは、例えばバネ、空圧式機構、液圧式機構等のような、本明細書で説明した位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇに蓄積され、その後に再利用される。これにより、歩行ロボットシステム１００の効率が向上する。

位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、歩行ロボットシステム１００によるエネルギ消費を低減させることができる。位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇが設けられていない場合には、すべてのエネルギを新たに発生させなければならないが、その大半が浪費される。本発明における歩行ロボットシステム１００は、位置エネルギ蓄積／回生要素として機能するヒトの腱及び靭帯を有している人体に類似している。例えばヒトが飛び上がった場合には、エネルギが位置エネルギ蓄積／回生要素（腱、靭帯、及び骨）から抽出される。さらに、ヒトが筋肉を屈曲させた場合には、エネルギが、その後に抽出される位置エネルギ蓄積／回生要素（腱、靭帯、及び骨）に入力される。このようにして、人体は、一層高い速度及び一層高い負荷性能を実現させることができる。このようなことの一例として、より速い速度でボールを投げるように最適化するために、位置エネルギを肩の腱、靭帯、及び筋肉に入力するように腕を動かすことが挙げられる。本発明における歩行ロボットシステムは、同様の機能を実現するように構成されている。

他の実施態様では、歩行ロボットシステム１００は、様々な形式及び逆形式に従って動作するように構成されている。例えば、歩行ロボットシステム１００は、様々な形式及び逆形式に従ったヒトの動作に適応する位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇを具備して構成されている。従って、位置エネルギ蓄積機構１１３ａ〜１１３ｇは、歩行のために利用されるが、荷物運搬の補助にも適している。幾つかの場合には、高速動作を容易に実現する位置エネルギ蓄積機構は、低速動作のために必要とされる位置エネルギ蓄積機構と同一のものとはならないので、歩行ロボットシステムは目的に合致する数量及びタイプの位置エネルギ蓄積機構を備えていること、並びに、位置エネルギ蓄積機構が目的に合致するように実装され且つ配置されていることに留意すべきである。

図２Ａ〜図２Ｃに表わす幾つかの例示的なアクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構は、図１Ａ及び図１Ｂに表わす歩行ロボットシステム１００で利用可能とされるように構成されている。例えば図２Ａに表わすように、アクチュエータ２１２及び位置エネルギ蓄積機構２１３は並列配置されている。この構成は、ヒトである利用者の周りに相対的に歩行ロボット装置を位置決めした結果として、歩行ロボット装置に固有のモーメントを相殺するためのプリロード力又はプリロードトルクを発生させるようになっている。一の実施態様では、サポート部材の結合位置が、例えば股関節の外転／内転及び股関節の内旋／外旋に対応する自由度を形成するために、利用者を中心として横方向にオフセットされている。これにより、当該結合位置におけるモーメントが誘発される。従って、プリロード力又はプリロードトルクをサポート部材に作用させるために、位置エネルギ蓄積機構２１３を利用することによって、歩行ロボット装置を低圧で動作させること、及び／又は、一層小型で一層効率的なアクチュエータを利用することが容易になる。このような構成は、任意の適切な配置において利用可能とされるが、股関節の屈曲／伸展、股関節の外転／内転、及び股関節の内旋／外旋に対応する自由度において特に有益である。以下に詳述するように、このようなプリロード力又はプリロードトルクの付勢は、位置エネルギ蓄積機構２１３の適合性と同様に、所望の結果を得るために動作中に調整可能とされる。図２Ａに表わす付加的又は代替的な位置エネルギ蓄積機構２１３′は、本明細書で説明する任意の適切な構成を有しており、アクチュエータ２１２と直列配置されている。従って、位置エネルギ蓄積機構は、任意の関節において、アクチュエータと直列配置及び／又は並列配置されていても良い。

一の実施態様では、アクチュエータ２１２は、液圧式アクチュエータであって、ピストン２１５の両側においてチャンバ２１４に対する流体継手Ａ，Ｂを具備する複動式アクチュエータとして構成されている。アクチュエータ２１２のＡ側及びＢ側は、図３Ａ〜図３Ｃに例示するように、１つ以上のバルブによって制御される。一の実施態様では、アクチュエータ２１２は、選択的に係合解除可能とされるか、又は例えばバルブの操作によって自在に且つ拘束されることなく動作するように構成されていている。他の実施態様では、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。従って、同一の装置又は構成部品が、歩行ロボット装置の一の自由度についてサポート部材の運動を制御するために、アクチュエータ及びダンパとして交互に利用可能とされる。

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のバネ定数が動作中に変化する。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作中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。

一の実施例では、位置エネルギ蓄積２１３の零点位置が動作中に変更可能とされる。例えば、固定位置２２３ａ，２２３ｂのうち少なくとも１つの固定位置は、位置エネルギ蓄積機構２１３の零点位置すなわち中立位置を調整するために移動可能とされる。固定位置２２３ａ，２２３ｂの位置は、１つ以上のアクチュエータ２２０ａ，２２０ｂによって制御可能とされる。従って、零点位置を動作中に変化させることによって、位置エネルギ蓄積機構２１３がエネルギを蓄積し始める位置と、蓄積されたエネルギが失われる位置とを変更することができる。従って、位置エネルギ蓄積機構２１３の零点位置を動作中に変化させることによって、歩行ロボット装置の性能を改善する点において優位性を発揮させるように、サポート部材同士の相対運動に影響を及ぼすことができる。一の実施例では、固定位置２２３ａ，２２３ｂ同士の相対位置を変更することによって、サポート部材同士の相対運動から独立して、エネルギを蓄積又は解放させることができる。他の実施例では、固定位置２２３ａ，２２３ｂの相対位置を変更することによって、位置エネルギ蓄積機構２１３に作用するプリロードを変化させることができる。従って、位置エネルギ蓄積機構２１３に作用するプリロードは動作中に変化させることができる。

一の実施形態では、アクチュエータ２２０ａ，２２０ｂのうち１つ以上のアクチュエータが、所定の自由度についてのサポート部材の動作に抵抗するためのダンパとして機能するか、又は当該ダンパに相当する。例えば液圧式ダンパ、空圧式ダンパ、機械式ダンパ、電気式ダンパー（例えば発電機）のような、任意の適切なダンパが利用可能とされる。特定の実施形態では、例えば１つ以上のバルブを介してダンパを通過する流れを制御することによって、当該ダンパの減衰係数を動作中に変化させることができる。
アクチュエータ２１２及び位置エネルギ蓄積機構２１３の特性及び機能を動作中に変化させることによって、エネルギの蓄積／回生性能及び動作性能を調整することができる。

図２Ｂに表わすように、位置エネルギ蓄積機構３１３はクラッチ３１４と直列に配置されている。位置エネルギ蓄積機構３１３及びクラッチ３１４は、アクチュエータ３１２と並列に配置されている。このような構成は、歩行周期の一部分の間に位置エネルギを蓄積及び回生するために、且つ、サポート部材を（例えば遊脚期における）関節角度に対する準バリスティック（受動的）トルクの軌跡に追従させるために利用される。従って、当該構成は任意の適切な位置において利用されるが、当該構成は、当該構成と適合するように容易に且つ動作中に調整可能とされるので、膝関節の屈曲／伸展又は股関節の屈曲／伸展に対応する自由度のために効果的に利用可能とされる。また、図２Ｂは、アクチュエータ３１２と直列に配置されている、本明細書で説明する任意の適切な構成から成る付加的な又は代替的な位置エネルギ蓄積機構３１３′を表わす。従って、位置エネルギ蓄積機構は、所定の関節においてアクチュエータと直列又は並列に配置されている。

一の実施形態では、クラッチ３１４は、位置エネルギ蓄積機構３１３を選択的に係合又は係合解除するために利用される。アクチュエータ３１２は、選択的に係合解除可能されるか、又は自在に且つ拘束されることなく動作するように構成されていている。例えば、液圧式アクチュエータは、液圧式アクチュエータ３１２を選択的に係合解除するために、液圧式アクチュエータ３１２のチャンバ３１４の内部においてピストン３１５を自在に移動させることによって、液圧式アクチュエータを選択的に係合解除するように構成されている。従って、位置エネルギ蓄積機構３１３及び液圧式アクチュエータ３１２を選択的に係合解除することによって、所定の自由度についてサポート部材を自在に相対移動させることができる。

クラッチ３１４は、任意の適切なタイプのクラッチとされる。図２Ｂに明確には表わさないが、位置エネルギ蓄積機構３１３のバネ定数、零点位置、及び／又はプリロードは、図２Ａを参照して上述したように変更可能とされる。

図２Ｃは、並列に配置されているアクチュエータ４１２及び位置エネルギ蓄積機構４１３を表わす。他の実施例と同様に、アクチュエータ４１２は、液圧式アクチュエータであって、選択的に係合解除可能とされるか、又は、例えば１つ以上のバルブによって制御された流体を介してチャンバ４１４の内部におけるピストン４１５の移動を制御することによって、自在に且つ拘束されることなく動作するように及び／若しくはダンパとして機能するように構成されている。位置エネルギ蓄積機構４１３は、空気バネとして図示されている。空気バネは、ピストン４１７の両側において、チャンバ４１６に対する流体継手を備えて構成されている。ガスが、１つ以上のバルブ４２４，４２５を利用することによってチャンバ４１６から導入又は排出される。バルブ４２４は、空気バネを圧力源及び回収タンクに接続している三方向バルブとされる。バルブ４２５は、チャンバ４１６の一方の側面からのガス流の流入及び流出を調節することができる。一の実施形態では、位置エネルギ蓄積機構４１３のピストン４１７の両側に至るガス流及び当該両側からのガス流は、位置エネルギ蓄積機構４１３の特性を変更するために、及び／又は、他の利用又は機能に適合するように位置エネルギ蓄積機構４１３を再構成するために、図３Ａ〜図３Ｃに表わす例示的なバルブによって制御される。

従って、一の実施態様では、バルブ４２４，４２５を制御することによってチャンバ内のガスの圧力を変化させることによって、位置エネルギ蓄積機構４１３のバネ定数は動作中に変化される。所望の圧力すなわちバネ定数に到達すると、バルブ４２４，４２５の両方が、所望する時間の間において、例えば長時間に亘って圧力を維持するために閉じられる。他の実施態様では、ピストンをチャンバの内部の所望の位置に移動させるようにバルブ４２４，４２５を制御することによって、位置エネルギ蓄積機構４１３の零点位置が動作中に変化可能とされる。さらなる他の実施態様では、バルブ４２４，４２５を利用することによってチャンバからガスを解放するように制御することによって、位置エネルギ蓄積機構４１３は、空圧式ダンパとして機能する。さらに、ピストンをチャンバの内部において移動させるようにバルブ４２４，４２５を制御することによって、空気バネは、選択的に空圧式アクチュエータとして機能するように構成されている。このように利用された場合には、空圧式アクチュエータは、主アクチュエータ４１２を補助するように機能する。
また、空気バネは、空気バネ／アクチュエータ／ダンパを選択的に係合解除するために、バルブを制御することによってピストンを自在に移動させるように構成されている。従って、バルブ４２４，４２５が協働して動作することによって、様々な態様で機能するように空気バネを制御することができる。当該空気バネ及びバルブの構成は、アクチュエータと共に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述した構成と同様に機能する。例えば、液圧式アクチュエータ及び空圧式アクチュエータの両方が、例えば歩行周期の遊脚期に、サポート部材を互いに対して自在に相対移動させるように係合解除可能とされる。従って、液圧式アクチュエータ及び空気バネの流体を利用することによって、任意の用途又は要求条件に適合するように位置エネルギの蓄積／回生及び動作を最適化するために、動作中に回復及び調整（例えばエネルギ入力能力）をすることができる。

図２Ｂと同様に、図２Ｃは、歩行周期の一部分の間において位置エネルギを蓄積及び回生するために、且つ、サポート部材を（例えば遊脚期における）関節角度に対する準バリスティック（受動的）トルクの軌跡に追従させるために利用される構成を表わす。一の実施形態では、バネ特性、減衰特性、及び／又はエネルギ入力／抽出が、単一の歩行周期において所望の結果を得るように調整可能とされる。当該構成は、任意の適切な位置において利用可能とされるが、当該構成は、当該構成と適合するように容易に且つ動作中に調整可能とされるので、膝関節の屈曲／伸展又は股関節の屈曲／伸展に対応する自由度のために利用可能とされる。また、図２Ｃは、アクチュエータ４１２と直列に配置されている、本明細書で説明する任意の適切な構成から成る付加的な又は代替的な位置エネルギ蓄積機構４１３′を表わす。従って、位置エネルギ蓄積機構は、所定の関節においてアクチュエータと直列及び／又は並列に配置されている。

一の実施態様では、本明細書で説明されるアクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構は、歩行ロボット装置が最適な荷重運搬能力を有するように、減衰、エネルギ蓄積／回生、及び動作の組み合わせについての特性を動作中に変更することによって、任意の状況すなわち負荷条件に適応することができる。従って、歩行ロボット装置のアクチュエータ及び位置エネルギ蓄積機構のエネルギ回生及び出力低減について優位性を有している制御方針及び制御ソフトウエアが利用可能とされる。

図３Ａ〜図３Ｃは、本明細書で説明される歩行ロボット装置の液圧式構成部品及び／又は空圧式構成部品を制御するために利用される。他のバルブの構成及び配置も可能であるが、任意の適切なバルブ構成又は配置が利用されることに留意すべきである。図３Ａは、圧力源と回収部との間においてチャンバのピストンの両側Ａ，Ｂに至るまでの流体流れを制御するための、一組の三方向バルブ５２０，５２１を利用する構成を表わす。この場合には、三方向バルブ５２０，５２１は、加圧流体を液圧式アクチュエータ又は空圧式位置エネルギ蓄積機構のＡ側及び／又はＢ側に所望の通りに供給することができる。また、三方向バルブ５２０，５２１は、減衰させること、位置エネルギ蓄積機構の零点位置を変更すること、及びアクチュエータ又は位置エネルギ蓄積機構を係合解除することによってサポート部材を自在に揺動させること等を目的として、Ａ側及びＢ側からの流体流れを制御することができる。

図３Ｂは、圧力源と回収部との間においてチャンバ内のピストンのＡ側及びＢ側の両方に至るまでの流体流れを制御するための、一組の三方向バルブ６２０，６２１と二方向バルブ６２２とを利用する構成を表わす。このような構成は、二方向バルブ６２２を追加したことを除けば、図３Ａに表わす構成に類似している。従って、三方向バルブ６２０，６２１は、加圧流体を液圧式アクチュエータ又は空圧式位置エネルギ蓄積機構のＡ側及び／又はＢ側に所望の通りに供給することができる。この場合には、三方向バルブ６２０，６２１を閉じることによって、二方向バルブ６２２は、減衰させること、位置エネルギ蓄積機構の零点位置を変更すること、及びアクチュエータ又は位置エネルギ蓄積機構を係合解除することによってサポート部材を自在に揺動させること等を目的として、Ａ側とＢ側との間において流体を移動させることができる。

図３Ｃは、圧力源と回収部との間においてチャンバ内のピストンのＡ側及びＢ側の両方に至るまでの流体流れを制御するための、四方向バルブ７２３及び二方向バルブ７２２を利用する構成を表わす。この場合には、四方向バルブ７２３は、加圧流体を液圧アクチュエータ又は空圧式位置エネルギ蓄積機構（例えば位置エネルギ蓄積機構としても機能する空圧式アクチュエータ）のＡ側及び／又はＢ側に所望の通りに供給することができる。この場合には、四方向バルブ７２３を閉じることによって、二方向バルブ７２２は、減衰させること、位置エネルギ蓄積機構の零点位置を変更すること、及びアクチュエータ又は位置エネルギ蓄積機構を係合解除することによってサポート部材を自在に揺動させること等を目的として、Ａ側とＢ側との間において流体を移動させることができる。

これらバルブの構成それぞれによって、流体が分岐するように制御されるので、サポート部材は自在に揺動することができる。さらに、これらバルブの構成によって、加圧流体供給源から動力を取ることなく、サポート部材を互いに対してロックすること、エネルギ散逸を制御すること（すなわち、ダンパとして機能させる）、及び／又は、位置エネルギ蓄積機構にエネルギを蓄積することが可能になる。この点において、加圧流体によって為される仕事がサポート部材を関節を中心として加減速させるように付与される、液圧動作する関節部内の動力／流体流れを調整するために利用される従来技術に基づく四方向バルブとは異なる。従って、本発明におけるバルブの構成の優位点は、ロボット歩行装置の自然法則を利用した動力が電力の利用を低減するために利用されることである。本発明におけるバルブの構成の他の優位点は、バルブがデジタル伝送装置として機能している状態において、アクチュエータがリアルタイムで回復されることである。このことも、電力効率を向上させるのに貢献する。

図４は、典型的なヒトの膝関節についての歩行周期のグラフ、特に膝に作用するトルクと膝の角度との関係を表わす（非特許文献１参照）。点Ａで表わす始点且つ終点である点は、同一の足の連続的な踵接地に対応している。立脚期の際には、関節トルクと関節角との関係は、膝がショックアブソーバのように動作しているので、バネのような挙動を有している。一方、遊脚期の際には、膝は、踵が接地する前に発生する最終的な伸展の際に幾らか減衰するので、準バリスティック（受動的）な応答性を有している。立脚期（点Ａにおける踵接地から点Ｄにおける爪先転回／立脚終期）の際には、トルク−関節に関するプロファイルは準バリスティックな挙動を有している。動的な剛性は、荷重及び歩行又は走行速度と共に変化するが、バネのような挙動は定性的に維持される。歩行周期の遊脚期（点Ｄにおける爪先転回／立脚終期から点Ａにおける踵接地）の際には、軌道が準バリスティックであり、膝が最初に制御されたダンパのように機能する。本明細書に開示される技術は、動力アクチュエータに対する要求を最小限度に抑えるために、且つ、全体的な動力の利用を低減させるために、これら特徴を利用するように構成されている。例えば、軽量且つ効率的な動作システムを確立するために、アクチュエータ及び／又は筒は、歩行の立脚期の際における膝の準弾性応答並びに股関節及び大腿部の他の独特な特徴を利用する。膝の屈曲／伸展に対応する自由度は、調整可能な位置エネルギ蓄積機構を含んでいる。調整可能な位置エネルギ蓄積機構は、例えば上述の図２Ｂ及び図２Ｃに表わすように、第１の（調整可能な）液圧式アクチュエータと並行して動作し、図４に表わす歩行周期に類似する周期で動作可能とされる。例えば、位置エネルギ蓄積機構及び液圧式アクチュエータは、遊脚期における自由な揺動特性及び減衰特性と同様に、立脚期においてバネのような挙動特性を提供するように、動作中に調節又は調整可能とされる。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明における他の実施例の歩行ロボット装置８００を表わす。歩行ロボット装置８００は、ヒトの脚の股関節の自由度に対応する自由度を有する相対運動をするために、サポート部材８１０ｂに結合されているサポート部材８１０ａを含んでいる。例えば、サポート部材８１０ａ，８１０ｂは、股関節の屈曲／伸展に関する自由度に対応する、軸線８１１ａを中心とする回転自由度を規定するように、共に回転可能に結合されている。また、歩行ロボット装置８００は、軸線８１１ａを中心とする自由度についてトルクをサポート部材８１０ａ，８１０ｂに作用させるためのアクチュエータ８１２ａを含んでいる。さらに、位置エネルギ蓄積機構８１３ａは、軸線８１１ａを中心とする自由度に関連しており、当該自由度についてのサポート部材８１０ａ，８１０ｂ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、アクチュエータ８１２ａ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サポート部材８１０ａ，８１０ｂに補償トルクとして供給するように動作可能とされる。位置エネルギ蓄積機構８１３ａのバネ定数及び／又は零点位置は動作中に変化可能とされる。一の実施態様では、サポート部材８１０ｂは、例えば膝の屈曲／伸展のようなヒトの脚の膝の自由度に対応する自由度を形成するのに十分な弾性及び可撓性を有している。弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂは、サポート部材８１０ｂを屈曲させた結果として位置エネルギを蓄積するように、及び、サポート部材８１０ｂ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可能とされる。

一の実施態様では、弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂは、屈曲可能なバネ（アーチスプリング）の形態をした位置エネルギ蓄積機構として機能する。当該位置エネルギ蓄積機構は、（屈曲可能なバネが結合されている）股関節から足の下に至るまで下方に延在しており、垂直荷重を支持すると共に当該垂直荷重を足底を介して伝達させることができる。一の実施態様では、弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂは、所望の方向に且つ例えば利用者の膝の近傍のような所望の位置において屈曲させることを容易にするために、予め前方に屈曲されている。直立姿勢すなわち不活動状態では、荷重がサポート部材８１０ｂすなわち位置エネルギ蓄積機構を介して地面に伝達するので、利用者すなわち着用者は荷重を感じない。サポート部材８１０ｂすなわち位置エネルギ蓄積機構が活動状態にある場合（例えば着用者が屈んだ場合）には、エネルギが位置エネルギ蓄積機構に入力される。解放されると、すなわち利用者が直立すると、エネルギが回生され、荷重に戻される。このことは、歩行ロボット装置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に入力するために、自重を利用している。エネルギを戻すことが望ましい場合には、利用者は立っているか、そうでなければ位置エネルギ蓄積機構を活動させないように移動する。利用者がする必要がある仕事量が、位置エネルギ蓄積機構に入力されるエネルギの量だけ低減されるからである。

一の実施態様では、歩行ロボット装置８００は、例えばケーブルのような腱８３０を含んでいる。腱８３０は、一連のアイレット８３１ａ〜８３１ｃを介して弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂに結合されており、弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂから延在している梃子の腕８３２において終端している。腱８３０は、利用者の股関節の近位に配置されているアクチュエータ８１２ｂ及びアクチュエータ８１２ａに結合されている。アクチュエータ８１２ｂは、本明細書で説明した任意の適切なタイプのアクチュエータとされる。アクチュエータ８１２ｂは腱８３０を引っ張り、腱８３０が梃子の腕８３２を引っ張るので、これにより、膝の屈曲／伸展に対応する自由度について弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂを屈曲させることができるトルクが発生する。従って、アイレット８３１ａ〜８３１ｃの数量及び配置、並びに、梃子の腕８３２の長さ及び配置が、腱８３０に作用する所定の引張力について、弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂを所望の量で屈曲させるように、且つ、弾性及び可撓性を有しているサポート部材８１０ｂを所望の位置で屈曲させるように選択可能となる。

本発明の一の実施例は、本明細書で説明した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発生させるための方法を提供する。当該方法は、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、当該複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度が、ヒトの脚の少なくとも１つの自由度に対応しているステップを備えている。また、当該方法は、当該複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度について、力又はトルクを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を備えている。さらに、当該方法は、当該複数のうち少なくとも１つの自由度に関連している位置エネルギ蓄積機構であって、当該複数の自由度のうち少なくとも１つの自由度についての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、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一部分を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可能とされる位置エネルギ蓄積機構を準備するステップであって、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、動作中に変化可能とされる、ステップを備えている。当該方法では、特定の順序が必要とされないが、一の実施例では、当該方法のステップは逐次的に実施されることに留意すべきである。

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。

本発明の実施例が、本明細書で説明した特定の構造、プロセスステップ、又は材料に限定される訳ではなく、当業者が認識可能な均等物にまで拡張されることに留意すべきである。また、本明細書で利用された術語は、特定の実施例を説明することのみを目的とし、限定することを意図しないことにも留意すべきである。

「一の実施例（one embodiment）」又は「実施例（an embodiment）」との参照は、本明細書全体に亘って、実施例に関連して説明された特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施例に含まれていることを意味する。従って、「一の実施例では（in one embodiment）」又は「実施例では（in an embodiment）」との語句が本明細書全体に亘って様々な箇所に現れるとしても、必ずしも同一の実施例を示す訳ではない。

本明細書で利用されるように、複数の物品、構造的要素、構成要素、及び／又は材料は、便宜上、共通するリストに示されている場合がある。しかしながら、これらリストは、当該リストのメンバそれぞれが個々に独立した固有のメンバとして識別されるように構成されるべきである。従って、このようなリストの個々のメンバは、真逆のものを示すことなく、共通するグループにおける存在に基づいて単独で同一のリストの任意の他のメンバと実質的に等価なものとして構成されているべきである。さらに、本明細書では、本発明の様々な実施例及び例示は、様々な構成部品についての代替物と共に参照される。このような実施例、例示、及び代替例は、互いの実質的な等価物として構成されていないが、本発明の自主独立した代表として考慮すべきである。

さらに、説明した特徴、構造、又は特性は、１つ以上の実施例において、任意の適切な態様で組み合わせ可能とされる。発明の詳細な説明では、本発明の実施例を全体的に理解するために、例えば長さ、幅、形状等のような多数の詳細な事項が含まれている。しかしながら、当業者であれば、１つ以上の詳細な事項が欠けていても、他の方法、構成部品、材料等によって本発明が実施可能であることを理解可能である。他の実施例では、本発明の実施態様が不明瞭になることを回避するために、公知の構造体、材料、又は操作を図示又は詳述していない。

上述の実施例は、１つ以上の特定の用途における本発明の原理を表わすが、当業者であれば理解可能なように、形態、利用、実施の詳細についての多数の変更が、本発明の技術的原理及び技術的思想から逸脱することなく可能である。従って、本発明が特許請求の範囲を除いて限定されることを意図する訳ではない。

１００ 歩行ロボット装置
１００ａ サポート部材
１００ｂ サポート部材
１００ｃ サポート部材
１００ｄ サポート部材
１００ｅ サポート部材
１００ｆ サポート部材
１００ｇ サポート部材
１０２ 臀部サポート
１０３ 腰部ストラップ
１０４ 側部ストラップ
１０６ 電源
１０７ 第１の部分
１１０ａ 軸線
１１０ｂ 軸線
１１０ｃ 軸線
１１０ｄ 軸線
１１０ｅ 軸線
１１０ｆ 軸線
１１０ｇ 軸線
１１１ａ 軸線
１１１ｂ 軸線
１１１ｃ 軸線
１１１ｄ 軸線
１１１ｅ 軸線
１１１ｆ 軸線
１１１ｇ 軸線
１１２ａ アクチュエータ
１１２ｂ アクチュエータ
１１２ｃ アクチュエータ
１１２ｄ アクチュエータ
１１２ｅ アクチュエータ
１１２ｆ アクチュエータ
１１２ｇ アクチュエータ
２１２ アクチュエータ
２１３ 位置エネルギ蓄積機構
２１３′ 付加的又は代替的な位置エネルギ貯蔵機構
２２０ａ アクチュエータ
２２０ｂ アクチュエータ
２２３ａ 固定位置
２２３ｂ 固定位置
３１３ 位置エネルギ蓄積機構
３１４ クラッチ（チャンバ）
４１２ アクチュエータ
４１３ 位置エネルギ蓄積機構
４１４ チャンバ
４１５ ピストン
４１６ チャンバ
４１７ ピストン
４２４ バルブ
４２５ バルブ
５２０ 三方向バルブ
５２１ 三方向バルブ

Claims (40)

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、複数のサポート部材と、
   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であって、前記アクチュエータは、自由に移動可能な状態で動作可能であり、前記アクチュエータを選択的に係合解除する、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、選択的に係合解除されるよう動作可能である位置エネルギ蓄積機構と、
   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および前記位置エネルギ蓄積機構との選択的な係合解除により、前記複数の自由度のうちの少なくとも１つの自由度における前記サポート部材の自由な相対運動が容易にな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. 前記バネへのプリロードが動作中に可変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。
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. 前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に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さらに備え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。
23. 前記位置エネルギ蓄積機構のバネ定数、零点位置、及びプリロードのうち少なくとも１つが動作中に可変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。
24. 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のアクチュエータであって、前記第１のアクチュエータは、自由に移動可能な状態で動作可能であり、前記第１のアクチュエータを選択的に係合解除する、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、選択的に係合解除されるよう動作可能である第１の位置エネルギ蓄積機構と、
    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および前記位置エネルギ蓄積機構との選択的な係合解除により、複数の自由度のうちの少なくとも１つの自由度における前記サポート部材の自由な相対運動が容易になることを特徴とする歩行ロボット装置。
25. 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２４に記載の歩行ロボット装置。
26. 前記歩行ロボット装置の前記第２の自由度が、人の脚の前記股関節の屈曲／伸展、前記股関節の外転／内転、及び前記股関節の内旋／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２５に記載の歩行ロボット装置。
27. 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２５に記載の歩行ロボット装置。
28. 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２７に記載の歩行ロボット装置。
29. 前記第１の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いることを特徴とする、請求項２４に記載の歩行ロボット装置。
30. 前記第１の位置エネルギ蓄積機構と選択的に係合解除するように、前記第１の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さらに備えることを特徴とする、請求項２４に記載の歩行ロボット装置。
31. 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アクチュエータであって、前記アクチュエータは、自由に移動可能な状態で動作可能であり、前記アクチュエータを選択的に係合解除する、アクチュエータと、
    前記第１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、選択的に係合解除されるよう動作可能である位置エネルギ蓄積機構と、
    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および前記位置エネルギ蓄積機構との選択的な係合解除により、複数の自由度のうちの少なくとも１つの自由度における前記第１および第２のサポート部材の自由な相対運動が容易になることを特徴とする、歩行ロボット装置。
32. 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３１に記載の歩行ロボット装置。
33. 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いることを特徴とする、請求項３１に記載の歩行ロボット装置。
34. 前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に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さらに備えることを特徴とする、請求項３１に記載の歩行ロボット装置。
35. 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であって、前記アクチュエータは、自由に移動可能な状態で動作可能であり、前記アクチュエータを選択的に係合解除する、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、選択的に係合解除されるよう動作可能である、前記ステップと、
    を備えており、
    前記アクチュエータおよび前記位置エネルギ蓄積機構との選択的な係合解除により、前記複数の自由度のうちの少なくとも１つの自由度における前記サポート部材の自由な相対運動が容易になることを特徴とする、方法。
36. 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３５に記載の方法。
37. 前記複数の自由度のうち前記少なくとも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３５に記載の方法。
38. 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３５に記載の方法。
39. 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いることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
40. 前記位置エネルギ蓄積機構と選択的に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設けるステップをさらに備えることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。

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