JP7455413B2 - エクソスケルトンとプロキシ - Google Patents

Description

本発明は、エクソスケルトン（外骨格）及びプロキシ（マスター）の改良、並びに仮想世界又は現実世界での遠隔操作用途におけるそれらの利用に関する。

エクソスケルトンは、人間型化又は非人間型化の方法で設計することができるロボットスーツを形成する。人間型化機構は、その作成において着用者の幾何学及び運動学と非常に類似している。理想的には、機構の各点が使用者の身体の固定基準点に対して一定の相対変換を持つように、一種の「第２のスキン」を形成する。昆虫のエクソスケルトンはこの理想に非常に近いものである。人間型化エクソスケルトンは、使用者の可動域を著しく減少させることなく、又はエクソスケルトンと使用者との間に力及び張力が存在することなく、多くの点で又は広い領域で人体にしっかりと取り付けることができる。これは、例えば、使用者の身体、エクソスケルトン、又はその両方に、それぞれ装甲又は触覚及び触覚の入力及び出力ユニットを取り付けることを可能にする。非人間型化エクソスケルトンは、一般に、使用者の身体のほんの数点、例えば腰及び足、又は背中及び手に取り付けられるだけである。ここにおいて、この機構は手又は足の動きに追従するように設計されており、その作動空間内では、使用者の脚又は腕の機構を有する接続点以外で使用者の身体と接触する場所はない。しかしながら、非人間型化機構は、全体として、使用者とは非常に異なる動きをすることができ、その機構に接続された使用者の可動身体部位の自由度の合計よりも多い又は少ない自由度を有することができる。

非作動エクソスケルトンを使用して、使用者に作用する、例えば重い荷物、道具、又は使用者の体重にもよる荷重を地面に伝達することができ、それによって使用者の関節及び筋肉系を解放し得る。これによって、使用者の耐久力、そしてまたその有効強度を増大させることができる。

モータ駆動で作動するエクソスケルトンは様々な分野で用途がある。それらは内蔵の電源及び電子制御を有する自由に動く、ロボットスーツとして身に着けることができる。それらはまた、環境内で自由に動く間、使用者の強さ及び耐久性を改善するためにも使用され得る。用途には、船舶の建造、兵力の身体能力の向上及び保護（武装）、病気のリハビリテーション又は身体障害者用の歩行補助器具としての利用など、重い身体的作業の支援が含まれる。

エクソスケルトンの関節、使用者とエクソスケルトンとの間の接触点における力センサ及びトルクセンサ、又は皮膚上の筋電信号又は使用者に埋め込まれた筋電信号を測定するためのセンサを使用して、エクソスケルトンの一連の動作を制御することができる。特に「歩行車椅子」としての用途では、制御信号の入力はまた、ジョイスティック、顔もしくは視線認識を介して、又は同様の手動の、音響的もしくは視覚的入力手段を介してなされ得る。固定エクソスケルトンは、とりわけ、リハビリテーションに使用される。それらは、使用者が正確に予め決められた一連の動作を通じて誘導され、そして必要ならば力を加えることを可能にする。このようにして、筋肉だけでなく神経も刺激することができ、使用者の運動性は持続的な効果で改善することができる。

固定エクソスケルトンの別の用途は、仮想世界との相互作用又は現実のロボット制御の分野にある。ここでは、エクソスケルトンを使用して、使用者とプロキシ（仮想アバター又は現実のロボット）との間に遠隔操作接続を確立することができる。それにより、使用者はエクソスケルトンを使用して直接制御コマンドをプロキシに転送する。そして、使用者の肢体とプロキシの肢体は、ほぼ同じ一連の動作を同時に実行する。同時に、力のフィードバックも提供することができ、それにより、使用者はまた、プロキシの側で作用する力を認識することができ、使用者のエクソスケルトンに対する力をプロキシに加えることができる。ここで、人間型化エクソスケルトンは、非人間型化エクソスケルトン以上の利点を持ち、これは現実の使用者の身体のあらゆる部分を触覚相互作用に使用できることを意味し（例えば、手だけでなく下腕や上腕）、同時に触覚の中継又は熱刺激の伝達のための装置は、エクソスケルトンだけでなく使用者にも取り付けることができる。

特に、力のフィードバックが適用され、使用者の足がプロキシの足を直接制御するために使用されると想定され、使用者がこの設計においてもプロキシのバランスを直接制御しなければならないか又は直接制御し得る場合には、エクソスケルトン内の使用者はモーション基部に取り付けられる（独国特許出願公開第１０２０１００２３９１４Ａ１号、「プロキシを制御するための方法及び装置」）。使用者はもはや堅い床の上に立っていないが、エクソスケルトンの足は使用者に表示され、仮想又は遠隔の現実の床を歩行中又は走行中にエクソスケルトン内の使用者がモーション基部によって現実の床の上に持ち上げられる。次に、モーション基部によって、エクソスケルトン内の一定の及び時間依存の線形及び回転加速度が使用者に表示される。通常、プロキシの仮想環境又は現実の環境の現実的な視覚的印象を知覚するために立体ゴーグル又は他の適切な手段を使用し、これらの印象は対応する触覚によって補完され、適用可能な場合は、仮想又は遠隔の現実の環境中のプロキシの場所において触感によって補われるべき印象を有する。使用者がプロキシを歩かないか又は走らないように制御し、代わりに登る、奪う、はう、又はその手で歩くなどすべき場合は、当然ながら、床は足だけでなく他の身体の部分又はエクソスケルトンの領域を介しても表示される。これらは、下肢、膝、上肢、手、下腕、上腕、頭、又は背中であり得るが、これらに限定されない。

そのような用途では、エクソスケルトンの耐荷力が非常に重要である。特に関節及びアクチュエータの状態を著しく変形又は変化させることなく、使用者の体重を支える必要がある。さらに加えて、走行中やジャンプ中に発生する可能性がある大きな動的な力を、最小の反応時間と遅延、最小の振動とアクチュエータのたわみで正確に表示する必要もある。さらに、エクソスケルトンのアクチュエータは、使用者がそれらに及ぼす力が非常に強いために機構又は制御装置が適切な抵抗を提供するのに十分速くなく又は十分に強くないときに与えることができることが望ましい。この後退駆動性は、使用者もエクソスケルトンも損傷を受けないこと、また過度に又は急速に作用する力が作用した場合にシステムの制御を失うことがないことを保証する。ギア、セットアップギアボックス、セットダウンギアボックスなどのような機械的システムが後退駆動可能であるためには、それらは大きな機械的効率を持たなければならず、これは低い内部摩擦及び低い内部エネルギー損失を意味する。

もちろん、高効率は、アクチュエータ、モータ、トランスミッション及び電源に対する要求を減らして、電力、力又は速度などの必要な要求を満たすことができるため一般的に有用である。それはまた、内部損失及び作動力を定量化することがより容易であるので、モデリング、つまりロボットシステム、特に力フィードバックを伴うシステムの制御を容易にする。特に、使用者による装着、独自のエネルギー供給及び制御ユニットを有する可動エクソスケルトンの場合、効率の程度は、使用期間、エクソスケルトンの重量及び体積、並びに必要なエネルギー供給及びエネルギー貯蔵にも影響を及ぼす。

一般に、エクソスケルトンのアクチュエータができるだけ少ない空間を使用し、利用可能な空間を最適に使用する場合には有利である。可動エクソスケルトンについては、可能な限りの耐荷重性が重要となる。より大きな作動はそのために利用可能な容積を減少させる。遠隔操作用用途の大きな関心は、使用者に最大限の可動性（可能な体勢の意味）を与え、そして身体の自由度、特に腰部の自由度の全部又はほとんどを作動させる特定のエクソスケルトンである。また、大きな耐荷重性を必要とする可動エクソスケルトンは、それは使用者一人の体力だけで排他的に駆動することができるより低い要求において作動されることを必要とする自由度の範囲と同様の要求を有する。多自由度で作動されるそのようなエクソスケルトンはより大きい空間を必要とし、より大きなアクチュエータが必要とされる。身体的リハビリテーションにおいて使用されるエクソスケルトンもまた、歩行補助として又は「歩行車椅子」として、大きな力に耐える必要ななく、理想的にはあらゆる自由度で作動し、より大きく、自然な可動性を許容する。これらの全ての用途に、様々な必要に応じて、大きなアクチュエータ、モータ、及びギアは、必要に応じて、突進、分割、足を交差させる、座る、又は内部もしくは外部の足の回転や股関節の回転などの極端な使用者の動きの自由を制限でき、エクソスケルトンの他の要素、荷重、オペレーションユニット、環境、又は使用者自体が、空間的な衝突を起こす可能性がある。

ここにおいてアクチュエータの高効率は、エクソスケルトンの要件を満たし、空間を節約するために役立つ。必要な大きな力を発生させるためにギアを使用しなければならない場合、これは特に困難である。多段階の縮小は通常後退駆動できず、少数の段階での縮小は大きな力又は大きすぎる力にさらされるか、非常に大きく重いものでなければならない。ブラシレス電動機は、非常に効率的であり得、そして小さい体積及び外側寸法において高性能を有し得る。しかしながら、それらは比較的小さいトルクしか発生しない。ブラシレストルクモータも非常に効率的だが、直径が大きいために多くの空間が必要である。それらはまた、減少することなく大きなトルクを発生させるための電力供給に対する要求を増大させている。

直列弾性アクチュエータが知られている（直列弾性アクチュエータ；Ｊ．Ｐｒａｔｔ、Ｋｒｕｐｐ、「脚式ロボット用の直列弾性アクチュエータ（Ｓｅｒｉｅｓ Ｅｌａｓｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｌｅｇｇｅｄ ｒｏｂｏｔｓ）」、２００４；Ｇ．Ｐｒａｔｔら、「剛性が全てではない（Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｉｓｎ’ｔ Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ）」、１９９５；Ｇ．Ｐｒａｔｔ、Ｍ．Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ、米国特許第５，６５０，７０４号、「ＰＲＥＣ、ＩＳＥ力制御用弾性アクチュエータ（ＥＬＡＳＴＩＣ ＡＣＴＵＡＴＯＲ ＦＯＲ ＰＲＥＣＩＳＥ ＦＯＲＣＥ ＣＯＮＴＲＯＬ）」）。それらはプーリを介して軸を作動させる関節やロープ（ボーデンケーブルに該当する場合）を直接駆動するヒューマノイドロボットやエクソスケルトンに用途を見出す。

この種のアクチュエータは、足関節又は膝関節のもののように、レバーを介してヒンジ関節を駆動するためのリニアアクチュエータとして使用される（Ｍ２ロボット、ＭＩＴ）。リニアアクチュエータが作動される関節と三角形を形成し、その長さを変えることによって関節の角度を作動させる用途も知られている（ＲｏｂｏＫｎｅｙ、Ｙｏｂｏｔｉｃｓ）。一般に、このような機構ではギア比が角度と共に変化するという問題が生じる。それ故、例えば他の運動領域で必要な値を達成できるようにするためには、運動領域によっては大きすぎる歯車と小さすぎる歯車の比率を許容する必要があるなど、設計においてしばしば妥協がなされなければならない。したがって、大きすぎる不必要に速いアクチュエータ及びモータが使用される。加えて、トルクを発生させることができず、所与の長さの変化に対する回転方向が決定されない場合、より大きな領域「デッドポイント」が生じる可能性があるため、大きな作動角度範囲をカバーすることは困難である。同様に、アクチュエータをロボット又はエクソスケルトンの部材に取り付けることは、システムの全体的な特性に直接影響するので簡単なことではない。

特に、２つのロボットＭ２及びＭ２Ｖ２でも、直列の弾性アクチュエータ（ＳＥＡとも呼ばれる）が２本のプーリを介して誘導される閉ループ又は同等の構造を駆動する機構が使用された。一方はアイドラプーリとして作用し、他方は関節を作動させるために軸を駆動する（Ｍ２：３０、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉ．ｍｉｔ．ｅｄｕ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｌａｂｔｏｕｒｓ／ＬｅｇｇｅｄＲｏｂｏｔｓ／ＬｅｇｇｅｄＲｏｂｏｔｓ．ｐｐｔ、１７頁；Ｍ２、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｎｔｓｅ．ｃｏｍ／ｐｏｒｔｆｏｌｉｏ／ｍ２．ｈｔｍｌ．Ｆｉｇ．１；Ｍ２Ｖ２、ｈｔｔｐ：／／ｒｏｂｏｔｓ．ｉｈｍｃ．ｕｓ／ｈｕｍａｎｏｉｄ－ｒｏｂｏｔｓ／）。この構造は、その全長に比べてわずかなリニア運動範囲しかない。駆動軸の所与のプーリ直径に対して、これは利用可能な最大角度範囲（プーリ、軸又は関節の該当する場合の最大及び最小角度位置間の差）を制限する。さらに、駆動軸の最大トルクは、所与の最大角度範囲、つまり所与のプーリ直径に対して制限される。より大きなプーリは、所与のＳＥＡ力に対してより大きなトルクを生成するが、所与の最大角度範囲に対してより大きなＳＥＡのリニア位置範囲を必要とする。ロボットやエクソスケルトンでは、利用可能な空間は限られている。したがって、例えば太ももの長さのうちできるだけ多くの利用可能な長さを、リニア運動範囲として使用できることが有利である。

他の設計は、関節にリニアアクチュエータを取り付けないことによってこの問題に対処している。例えばロボット又はエクソスケルトンの背面に取り付けて（Ｗａｌｋａｇａｉｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＴｃＡｖｔｇｌｏ９Ｊｇ）、ボーデンケーブルを使用して関節を駆動する。さらに、いくつかのアクチュエータがより大きな力を加えるために並列に接続されているか、又はアクチュエータが互いに反対向きに作動しているので、一方が引っ張り、他方がより大きな力で一緒に作動しながら押す。さらに、いくつかのモータが、歯付き歯車又は歯付きベルトを介して一緒にアクチュエータの１つのボールねじを駆動するシステムが知られている。

完全に人間型化されたエクソスケルトンでは、個々の部分は対応する人体部分と同じ変換を受ける。したがって、例えば、膝関節をヒンジ関節としての良い近似として記述できる。大腿部の下肢の固定された大腿部及び屈曲又は伸張により、下肢は、矢状平面に対して垂直に大腿骨頭と交差する横軸を中心に純粋な回転を受ける。下肢を曲げると、生体軸自体はわずかに動くだけである（並進と回転）。すなわち、エクソスケルトンと大腿部及び下肢とを接続するためには、そのヒンジ関節の軸が膝関節の軸と同一直線上にある簡単な機構、例えば脚を完全に伸ばした状態が適している。この場合、エクソスケルトンのこの部分の上部を大腿部にしっかりと取り付け、他の部分を下肢にしっかりと取り付けることができる。膝関節もまた完全なヒンジ関節ではないので、関節がその初期位置を大きく超えて動かされると、エクソスケルトンと身体部分との間に張力が依然として生じる。この効果は適切なクッションによって容易に補償することができるので、使用者は、膝を動かすときに大きな障害又は不便を経験することはないであろう。膝はまた、垂直軸を中心に回転することができる限られた範囲を有する。このような機構ではこの動きは抑制されるが、これは膝の機能をわずかに制限するだけである。したがって、ほとんどすべての用途で、人間の膝関節を１自由度の機構として理解し、それに応じてここに記載のエクソスケルトンを設計すれば十分である。しかしながら、「ＳＥＲＫＡ膝アクチュエータ」の場合のように、多軸関節もまた作動させることができる。特にエクソスケルトンの膝関節を作動させるときは、作業空間の大部分を占め、移動中の作業のはるかに大部分を提供するので、主な自由度（屈曲及び伸展）のみを考慮することで通常十分である。

足首関節についても同じ仮定がなされ、エクソスケルトンの屈曲及び伸展のみが可能である場合、この制限はより重要である。足首関節は、１つの軸を中心とする実質的に純粋な回転として屈曲及び伸展を行うことができるが、回内及び回外（並びに軸のわずかな並進及び回転）のかなりの自由度も有する。この第２の自由度は、地形の傾斜及び使用者の体位にかかわらず、足の裏、及び場合によっては磨耗した靴が常に傾斜した地面に平らになるように、立っている間のすべての歩容のバランスを制御するために重要である。回内及び回外が抑制された場合、例えばダウンヒルスキーのスポーツ用の硬い靴（少なくとも部分的には屈曲と伸展を可能にする）を着用するとき、歩ける可能性はかなり制限される。これが、エクソスケルトンが通常、足首関節又はエクソスケルトンに対して２つ以上の１自由度を有するか、又はこの関節を完全に省き、上肢のみ支持される理由である。この場合、下肢エクソスケルトンの端並びに使用者の足及び下肢の筋肉は、支持なしですべての力及び動きを生み出さなければならない（例えばＡｉｒＬｅｇｓ、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝Ｕ２ｅ４ｔＧｏｋｑｅＯ）。アングル関節のための作動エクソスケルトンの場合、通常、足の屈曲及び伸展の１自由度のみが作動される（例えばＢＬＥＥＸ、Ａｄａｍ Ｚｏｓｓ、Ｈ．Ｋａｚｅｒｏｏｎｉ、Ａｎｄｒｅｗ Ｃｈｕ、「バークレー下肢エクソスケルトン（ＢＬＥＥＸ）の機械設計について（Ｏｎ ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｌｏｗｅｒ Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）」）。特に使用者のパフォーマンスを向上させるために自由に動くエクソスケルトンでは、最大の力と駆動力が移動中に発生するので、これで十分である。したがって使用者は自身の筋肉活動を通して他の自由度を制御しながら足の単一の作動関節のみで大いに支えられる。第２の自由度の作動は、アクチュエータが空間を占有し、エクソスケルトン内で使用者の移動性を妨げるために困難である。

人間の股関節は、おおよそ、球関節に似ている。したがって、大腿骨頭の中心点の周りに３つの相互に独立した回転自由度を有し、有意な並進の自由度はない。これらすべての自由度は、自然な歩行運動、作業の遂行、バランスの維持、及び地面に対する足の向きの制御を可能にするために重要である。使用者の能力を増強するために自由に動くエクソスケルトンについては、この自由度が大部分の仕事を果たすので、一般に大腿部の屈曲及び伸展のみが作動される。歩行補助として使用されるエクソスケルトンについては、この股関節自由度のみが部分的にも作動される（Ａｒｇｏ ＲｅＷａｌｋエクソスケルトン、Ｉｎｄｅｇｏエクソスケルトン、ＮＡＳＡ Ｘ１）。しかし、麻痺している使用者はそれから、バランスをコントロールするか、又は方向に影響を与えるために松葉杖を使用するか、それに似たものを追加で使用する必要がある。「歩行車椅子」として使用され、松葉杖を必要としないエクソスケルトンについては、少なくとも外転及び内転も作動される（ＲＥＸエクソスケルトン）。ここでは例えばジョイスティックによって制御される。この種の既存のエクソスケルトンについては、一連の動作は、使用されるモータ及びギアに起因するものと考えられるものを著しく遅くし、使用者は過度の大きな力にさらされないため、自身の身体は所与のエクソスケルトンの一連の動作に従うことができる。

現在のところ、股関節はその固有の自由度に従ってまだ作動されていない。代わりに、非人間型化機構が使用され、それは股関節の３つの独立した回転自由度のものとは著しく異なる変換特性を有する。したがって、例えば２つの軸のみが使用され、そのうちの１つは横軸とほぼ平行で、少なくとも大腿骨頭の中心付近又は中心を通るように設計される（ＢＬＥＥＸ）。作業の大部分はこの軸に沿った歩行中及び走行中に行われるので、屈曲及び伸展において、これはまた、可動作動エクソスケルトンにおいて好ましくは作動される軸でもある。

他の好ましい軸は矢状軸と平行である。ここでは、必ずしもそれが実際に大腿骨頭の中心を通過するかは観察されないが（ＰＯＷＥＲＬＯＡＤＥＲ ＰＬＬ－０１、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｖｄｈＵｐＲ－ｄｚｇｋ；ＦＯＲＴＩＳ ｂｙ Ｌｏｃｋｈｅｅｄ Ｍａｒｔｉｎ、ｈｔｔｐ：／／ｒｏｂｒａｄｙ．ｃｏｍ／ｄｅｓｉｇｎ－ｐｒｏｊｅｃｔ／ｌｏｃｋｈｅｅｄ－ｍａｒｔｉｎ－ｆｏｒｔｉｓ－ｈｕｍａｎ－ｐｏｗｅｒｅｄｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｊｕｎｇ－Ｈｏｏｎ Ｋｉｍら、「麻痺患者のための歩行補助下肢エクソスケルトンの設計とＣｏｐを使用したハードウェア検証（Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗａｌｋｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｌｏｗｅｒ Ｌｉｍｂ Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｆｏｒ Ｐａｒａｐｌｅｇｉｃ Ｐａｔｉｅｎｔｓ ａｎｄ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｐ）」、ｈｔｔｐ：／／ｃｄｎ．ｉｎｔｅｃｈｏｐｅｎ．ｃｏｍ／ｐｄｆｓ－ｗｍ／４２８３６．ｐｄｆ）、これは人間型化機構の理想的な選択ではないかもしれない。多くの場合、３番目の股関節軸（Ｒａｔｈｅｏｎ ＳａｒｃｏｓのＸＯＳ ２）を省略し、代わりにエクソスケルトンの「大腿部」又は「下腿」が垂直軸の周りの回転できるように設計される。したがって足がそれに応じて回転することを可能にし、一般的に非人間型化機構が存在する。それは脚の動作中に使用者の身体とエクソスケルトンの主要部分との間に顕著な変位を生じるためである。これらの変位は、エクソスケルトンと使用者との取り付け位置における対応するコンプライアント機構、追加の非作動関節、クッションなどによって許容される（Ｑｉｎｇｃｏｎｇ Ｗｕら、「歩行補助のためのエクソスケルトン（Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｆｏｒ Ｗａｌｋｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）」）。したがって、そのような機構は人間の作業空間全体をカバーすることはできず、それらは、歩くこと、走ること及び座っていることのような主な動きに焦点を合わせる。ここでは人間の可能な作業空間のほんの一部しか必要とされず、したがって個々の関節の可能な作業空間は限られた範囲でしか使用されない。

独国特許出願公開第１０２０１００２３９１４号明細書 米国特許第５，６５０，７０４号明細書

本発明の目的は、広範囲の動きが可能であり、現実的な印象を与え、さらに迅速かつ効果的に操作することができるように、ロボット及び仮想アバター及び関連制御ユニットなどのエクソスケルトン及びそのプロキシを改良することである。

この目的は、主請求項１に記載の装置によって達成される。従属請求項は、本発明によるさらなる改良を請求する。

本発明のさらなる詳細及び利点を以下に対応する図と共に好ましい実施形態によって説明する。これらは下記を示す：
図１ エクソスケルトン１０００の斜視図 図２ エクソスケルトン１０００の上面図 図３～５ エクソスケルトン１０００の異なる角度の図 図３～５ エクソスケルトン１０００の異なる角度の図 図３～５ エクソスケルトン１０００の異なる角度の図 図６～１１ エクソスケルトン１００１の異なる図 図６～１１ エクソスケルトン１００１の異なる図 図６～１１ エクソスケルトン１００１の異なる図 図６～１１ エクソスケルトン１００１の異なる図 図６～１１ エクソスケルトン１００１の異なる図 図６～１１ エクソスケルトン１００１の異なる図 図１２～１７ エクソスケルトン１００２の異なる図 図１２～１７ エクソスケルトン１００２の異なる図 図１２～１７ エクソスケルトン１００２の異なる図 図１２～１７ エクソスケルトン１００２の異なる図 図１２～１７ エクソスケルトン１００２の異なる図 図１２～１７ エクソスケルトン１００２の異なる図 図１８～２３ エクソスケルトン１００３の異なる図 図１８～２３ エクソスケルトン１００３の異なる図 図１８～２３ エクソスケルトン１００３の異なる図 図１８～２３ エクソスケルトン１００３の異なる図 図１８～２３ エクソスケルトン１００３の異なる図 図１８～２３ エクソスケルトン１００３の異なる図 図２４～図２６ 分割された第２の要素（８２ａ～ｃ）の異なる図 図２４～図２６ 分割された第２の要素（８２ａ～ｃ）の異なる図 図２４～図２６ 分割された第２の要素（８２ａ～ｃ）の異なる図 図２７～３１ アクチュエータ２００１の異なる図 図２７～３１ アクチュエータ２００１の異なる図 図２７～３１ アクチュエータ２００１の異なる図 図２７～３１ アクチュエータ２００１の異なる図 図２７～３１ アクチュエータ２００１の異なる図 図３２ アクチュエータ２００２の側面図 図３３～３７ アクチュエータ２００３の異なる図 図３３～３７ アクチュエータ２００３の異なる図 図３３～３７ アクチュエータ２００３の異なる図 図３３～３７ アクチュエータ２００３の異なる図 図３３～３７ アクチュエータ２００３の異なる図 図３８～４１ アクチュエータ２００４の異なる図 図３８～４１ アクチュエータ２００４の異なる図 図３８～４１ アクチュエータ２００４の異なる図 図３８～４１ アクチュエータ２００４の異なる図 図４２、４３ アクチュエータ２００５の図 図４２、４３ アクチュエータ２００５の図 図４４～４６ アクチュエータ２００６の異なる図 図４４～４６ アクチュエータ２００６の異なる図 図４４～４６ アクチュエータ２００６の異なる図 図４７～４９ アクチュエータ２００７の異なる図 図４７～４９ アクチュエータ２００７の異なる図 図４７～４９ アクチュエータ２００７の異なる図 図５０～５２ アクチュエータ２００８の異なる図 図５０～５２ アクチュエータ２００８の異なる図 図５０～５２ アクチュエータ２００８の異なる図 図５３～５４ アクチュエータ２００９の異なる図 図５３～５４ アクチュエータ２００９の異なる図 図５５～５８ モーションシミュレータ３０００の異なる図 図５５～５８ モーションシミュレータ３０００の異なる図 図５５～５８ モーションシミュレータ３０００の異なる図 図５５～５８ モーションシミュレータ３０００の異なる図 図５９ 後方支持体を有するエクソスケルトン２０３ 図６０～６３ 足９０００の異なる図 図６０～６３ 足９０００の異なる図 図６０～６３ 足９０００の異なる図 図６０～６３ 足９０００の異なる図 図６４、６５ スチュワートプラットフォーム４０００の異なる図 図６４、６５ スチュワートプラットフォーム４０００の異なる図

請求項１に記載の装置は、特に、エクソスケルトン及びロボット又は仮想アバターなどのプロキシ及びモーションシミュレータ並びに他の適切な仮想又は現実の機械に関する。前述の種類の装置では、様々な動作及び一連の動作が検出及び／又は実施されるべきである。したがって、本発明は、主にエクソスケルトンを参照して説明されることに留意されたい。しかしながら、それは決してこれに限定されず、前述の全ての装置を含む。

請求項１に記載の装置は、他の手段に加えて、４つの要素を含み、これらの要素に隣接してそれぞれがそれぞれの軸を中心に回転可能な設計で取り付けられている。この目的のために、回転関節（ｒｏｔａｒｙ ｊｏｉｎｔ）が隣接する要素間に設けられており、それらは例えばシャフトなどのような様々な方法で設計することができる。前述の３つの軸が概して共通点を通り抜けることが重要である。好ましくは、この点はそれぞれの－すなわち右又は左股関節の中心上にある。

この場合、第１の回転軸と第２の回転軸は第１の角度φ１を形成し、第２の回転軸と第３の回転軸は第２の角度φ２を形成する。

本発明は、股関節のような可能な限り人間型化した複雑な自由度を有するエクソスケルトンを作ることを可能にし、最大の力、増大した効率、少ない空間需要及び重量、高い作動速度、増大した動力、後退駆動性、低いバックラッシュ並びに短い反応時間で、あらゆる自由度で使用者が全動作範囲で作動できることを可能にする点で有利である。

これにより、特に、ロボットスーツのように足用のエクソスケルトンを装着しながら使用者の体重を支えることが可能となり、エクソスケルトン自体をモーション基部により支持及び移動することが可能となる。現在は、同時に、メカニズムは非常に堅牢に見えるため、実際にエクソスケルトンを使用して硬い床の上に立たせることなく、使用者に硬い床と速い動きを現実的に示すことができる。同様に、以前は作動させることができなかった、又は様々な理由で作動させられなかった自由度で作動させることも可能であるため、可動エクソスケルトン及びヒューマノイドロボットの性能が向上する。エネルギー供給の需要が減少し、及び／又は稼働の範囲及び時間が増大する。このように身体的リハビリテーションのための固定されたエクソスケルトンについては、訓練可能な可動域を増大させ、治療の有効性を高めるか、又は以前に手助けが可能であった以上の治療を行うことができる。エクソスケルトンの股関節の新しい幾何学的形状、及びその新しい操作方法により、脚部のエクソスケルトンの作動の柔軟性向上が達成される。関節隣接のモータを配置する可能性は、電力及び電力伝達手段を節約し、油圧、ケーブル又はボーデンケーブルトランスミッションなどと比較し機構を単純化する。股関節機構は、空間を節約し、可動エクソスケルトンで利用可能な荷重量を制限しない。エクソスケルトンの主に人間型的な振る舞いは、身体の大部分にわたって使用者への安定した取り付けを可能にし、したがって触覚フィードバック及び触覚入力及び出力ユニットの使用を容易にする。同様に、ハウジング、装甲、又は触覚及び熱入力及び出力ユニットの使用は、すべての関節を同時に作動させても容易になり、これは、使用者の身体を囲むとともにエクソスケルトンを囲むか、又はエクソスケルトンの一部であり得る。

第一の要素は、エクソ背部プレート（Ｅｘｏ－ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ）又はエクソ腰部プレート（（Ｅｘｏ－）ｈｉｐ ｐｌａｔｅ）とも呼ばれ、好ましくは板状の要素である。通常の操作では、使用者は腰骨に対してしっかりと取り付けられている。エクソ背部プレート又はエクソ股関節プレートの一部は角度を付けたりアーチ状に設計することがあるが主平面を持つ。本発明による装置の一実施形態では、前記第１の軸は、前記主平面に対して垂直又は実質的に垂直であり、したがって使用者の矢状平面に対して実質的に平行に延びる。

第１の軸が第１の要素の主平面（エクソ背部プレート）に対して垂直ではなく、それから外れるが、前述の共通点を通ることも可能である。この逸脱は以下のように説明することができる。通常の位置では、エクソ背部プレートの主平面は上から下へ（又はその逆に）垂直又は実質的に垂直に伸びる。これに基づいて、一方ではこの主平面に対して実質的に垂直にかつ平行に延び、他方では共通点を通って延びる垂直軸を規定することができる。本発明による装置のこの実施形態では、第１の軸は前記垂直軸を中心にして第３の角度αだけ回転され、この角度はいわば水平面内で延在する。これにより、足の内側又は外側へのより大きな回転（負の角度α）が可能になる。

第１の軸が水平軸の周りに第４の角度βだけ回転することもさらに可能である。この回転軸は、前述の垂直軸に対して実質的に垂直であり、エクソ背部プレートの主平面に対して平行であり、また共通点を通る。この実施形態の関連する利点は、好ましい実施形態の説明において与えられる。

本発明の好ましい実施形態では、第１の角度φ１は、２５～４５度の範囲内の値を有し、約３５度の値が特に有用であることが証明されている。

また、第２の角度φ２は６０～８０度の範囲内の値を有することが証明されている。特に約７０度の値が有用であることが証明されている。

前の２段落に記載した範囲内の角度φ１及びφ２の組み合わせを有する装置は、概して大きなストライド長、足の大きな余分な回転及び概して大きな可動性を可能にする大きな作業空間を有するエクソスケルトンを与える。これらのエクソスケルトンは、遠隔操作によるヒューマノイドロボット及び仮想アバターの制御に特に適している。

現実の世界での単純な着席にも特に注意が払われるべきであり、エクソスケルトンは、第１の角度（φ１）と第２の角度（φ２）との合計が８５～１２０度の間にあり、かつ、第１の角度（φ１）は１５～４５度の範囲の値を有することが適している。

第３の角度α及び／又は第４の角度βの値については、１０～３０度の間、好ましくは約２０度の値が特に有用であることが証明されている。

さらなる請求項は、エクソスケルトンに関連して、足とも呼ぶことができるプロキシ又は同等の第５の要素に関する。この足は、使用者がその上に立つ支持領域（足底とも呼ばれる）が特定の輪郭を有するという事実によって特徴付けられる。この輪郭は、円の半径が異なる２つの円部分によって特徴付けられる。好ましくは、これらの中心は使用者の足首関節の近くにある。これらの円が使用者の正面平面に平行であることも好ましい。

さらに、それが単一軸のみを有する一方でそれが敏捷な動きを可能にすることが好ましい。円階層という用語は、また好ましい実施形態の説明との関連では、楕円形又は同様のものなど、円状の形状も含むことに留意されたい。これにより、軸が１つしかない場合でも、操作しやすい動きを可能にすることができる。ここで、また好ましい実施例の説明に関連して、用語「円」は、楕円形などと同様に円状の形状も含むことに留意されたい。

本発明による足は、本発明による前述の装置と一緒に、又はそれとは無関係に使用することができる。これはまた、好ましい実施形態の説明に関連して以下に説明されるすべての実施形態にも当てはまる。

ヒューマノイドロボットなどのエクソスケルトン又はプロキシは、人間の可動性に近づくため２つの自由度の足を必要とする。両方の自由度の作動は空間と重量を必要とする適切な手段を必要とする。エクソスケルトンがより強くより効率的であるべきであるほど、これらのアクチュエータは一般的に重くなりそしてより多くの空間を必要とするであろう。

可動エクソスケルトンの足のための特別な足底形状を選択することにより、エクソスケルトンの足の関節の作動に対する要求が低減され、１つの軸のみが作動され、それにより他の動きが抑制され、それでもエクソスケルトンを有する使用者の高い可動性を保証する。人間の力によってエクソスケルトンの足を直接駆動するために足の自由度が使用されないので、エクソスケルトンにおける使用者の能力が増大し、使用者が過度の力によって怪我をしたり、必要な力を提供できないために一連の動作の制御ができなくなる危険性危険を冒さずに、より大きい力及び駆動力を伝達することができる。

さらなる特許請求の範囲は重力補償の分野に関する。遠隔操作用途では、モーションシミュレータを用いて股関節又は背部要素に取り付けられている脚のエクソスケルトンが使用者の体重を支えることができなければならない。起立時には、例えば使用者は全体重が彼の足底に作用するという感覚を持つ。

しかしながら、使用者は自分の体重が減っているという印象も受けることが望ましい。それは例えば、自由落下、無重力、惑星の周りの安定した軌道、加速慣性系、水中、すなわち浮力の影響下などの重力の少ない環境で、現実のヒューマノイドロボットを制御しようとするような場合であると言える。

さらに、そのような対応する低重力状況は仮想世界で起こり、使用者はそれに応じてアバターを制御したいと思うかもしれない。使用者は極端な場合には無重力で適用できるようにすべきであり、その結果、使用者の足に力をかけず、浮遊のプロキシを操縦することができる。また、自身の体力が低い使用者がプロキシ（現実のロボット又は仮想アバター）に対して不均衡な力を引き起こす可能性があることも考えられる。この力の強化により、エクソスケルトンの使用者はまるで自分の体重全体を運ぶ必要がなくなったかのように感じることができるはずである。加えて、使用者が自分の体重よりも持続的で大きな力を経験することもまた望ましい。したがって、これらの大きな力を長時間そのままにする、例えば、増加した重力の搬送や足の足底に完全に従って動くことなど必要があるかもしれない。しかしながら、使用者は通常、実際の地球の重力場においてエクソ脚部の力によって実際に自分の位置を変えることは妨げられなければならない。

遠隔操作方法は一般に力及びトルクを拡大縮小することもできる。エクソスケルトンに対する要求を減少させるために、常に減少した力、特に脚部を使用者に伝達することが望ましいかもしれず、エクソスケルトンは使用者の全体重を支えることができる必要はない。これにより、軽く、頑丈さが少なく、弱くて小さいエクソスケルトン及びより速い動きを使用することが可能になる。

これまでのところ、体重の全体的又は部分的な減少は、エクソスケルトン内の使用者を液体に浸すことによって達成されてきた。あるいは、使用者は、エクソスケルトン又はエクソスケルトンの一部に取り付けられる液体充填スーツを着用する。

したがって、本発明によるこの実施形態の目的は、エクソスケルトン内の使用者が、液体の中にいる必要なしに、完全に又は部分的に持ち上がった体重の印象を持つこと、及び／又はエクソスケルトンへの要求を下げることを可能にすることである。さらなる目的は、使用者に増大した持続的な力を与えることである。

これは、ベルト（６点式又は５点式ベルト、クライミングハーネスなど）、ストラップ、シェル、ハーネスなどにより、使用者の胴体、腰及び／又はこれと、エクソスケルトンの骨盤及び／又は背部プレートをきつく接続することにより、足の可動性を大幅に制限することなく達成される。それに特に適しているのは、脚又は腰の周りの高い位置で噛み合うベルト又はシェルである（あるいは、使用者の体重が大腿部にかかることもあるが、これによって媒介される印象が損なわれる。）好ましくは、この運搬手段は、使用者が股関節プレート及び／又は背部プレートに対して大きく移動することなく、使用者の全体重を任意の荷重方向に運搬できるように設計されている。支持機構は、原理的にはエクソビオニック（Ｅｘｏｂｉｏｎｉｃ）又はインデゴ（Ｉｎｄｅｇｏ）のエクソスケルトンのように設計することができる。

その後、モーション基部に取り付けられているエクソスケルトン内に立っている使用者は、エクソスケルトンと運搬機構によって保持されている使用者の胴体が位置を維持している間、例えば足を引き、地面から両方を持ち上げることができる。逆に、使用者が足を完全に伸ばして立ち位置に対応する位置を占めることも可能であるが、それでも使用者の足で体重を支える必要はなく、そしてそれは足底への負担として全くあるいはごくわずかにしかない。

任意でエクソスケルトンの足底を並進及びその法線方向に作動させることができる。これにより、エクソ脚部の長さを使用者の脚の有効長に正確に合わせることができ、発生するわずかな誤差や股関節プレート及び／又は背部プレートに対する使用者の位置の変化を補正することができる。この作動を迅速に行うことができ、プレート上の力及びトルク又は足までの距離を測定及び制御することができれば有利である。使用者の体重を可能な限り均等に、低い圧力と大きな接触面積で使用者の胴体（あるいは大腿部）に分配することが重要である。このようにして、あまりにもあからさまになることを避け、（部分的な）無重力感を改善する。

一般に、使用者の体重はあらゆる方向に作用することができ、運搬装置によって完全に吸収されることが重要である。このようにして、使用者を拘束することができ、例えば腰部プレート及び／又は背部プレートに対して頭を下げても、固定位置を維持できる。しかし、用途に応じて、運搬装置は関連する方向にのみ作用するように設計することができる。

重力を減らすこの新しい方法を、液体中で浮力を使用する以前の方法と組み合わせることが可能である。

使用者が股関節プレート又は背部プレートから上方に押し出されることができないように運搬装置が設計されている場合、使用者の足はまた、体重を超える持続的な力を有する可能性がある。その結果、重力の増加をシミュレーションできる。

運搬装置自体もまた、それ自体を弛緩又は移動させることができるように設計することができ、したがって解放の程度を変えることができる。この目的のために、搬送装置は、その取り付け点に、例えば調整可能なばね要素（空気ばねなども含む）及び／又は適切な計量要素などの調整要素を有することが好ましい。

重力補償のための本発明による装置は、本発明による前述の装置と一緒に、又はそれとは無関係に使用することができる。これはまた、好ましい実施形態の説明に関連して以下でさらに説明されるすべての実施形態にも当てはまる。

さらなる特許請求の範囲は、動作中にスピンドルを介してねじを有する手段で並進運動させるモータを有する装置に関する。これはチェーン等のような回転要素に接続され、それは次にシャフトを回転させる。この駆動装置は、他の請求項による本発明による装置に特に適しているが、いかなる場合もそのような使用に限定されない。

以下ではアクチュエータとも呼ばれる前述の駆動装置は、以下の特性及び利点を有する。

ヒューマノイドエクソスケルトンの電力密度、重量、トルク、機械的ヒステリシス、剛性、速度、効率、及び位置決め精度の要件は、可動エクソスケルトンにおける着用者のパフォーマンスを大幅に向上させる場合、特に静止したエクソスケルトンが脚の遠隔操作ユニットとして使用される場合、その強度を増すために非常に重要である。後者の場合、たとえ単純な動きであっても、脚のほとんどすべての関節に１００Ｎｍをわずかに超えるトルクが発生する。これらのトルクは、それらの駆動方向では両方のアクチュエータに部分的に作用するが、それらに直交しても、後者の場合、ベアリング及び耐荷重構造体が負担をかける。走ったりジャンプしたりするとき、これらのトルクは依然として何倍も高く、また安定した制御のための待ち時間も減少するので、高出力でのアクチュエータの高速で正確な制御性をさらに重要にする。ここでは、アクチュエータの能力を超える可能性がある極端な範囲で力が一時的に発生する可能性があるため、アクチュエータの後退駆動性も重要である。実際の遠隔環境又はシミュレートされた環境が硬いほど、アクチュエータ及び他のエクソスケルトンの構造は弾力性が低くなり得る。これは、プロキシの姿勢（仮想アバター又は現実のロボット）が常にわずかしか異ならない場合に特に当てはまる。

強力な人型ロボットにも同様の要件があり、特に遠隔操作のための子機として使用されるときには、それらが移動しようとすると速度が速くなる。

様々な可動エクソスケルトン及びヒューマノイドロボットなどの直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）を使用する用途もまた、高い作動力及び大きな関節回転角度を必要とする。ここではアクチュエータは「ソフト」に設計されており、エンドエフェクタとモータとの間には少なくとも１つのばね要素（ねじりばね、板ばね、コイル引張ばね、コイル圧縮ばねなど）があり、これは速い衝撃を吸収することを可能にし、所望の駆動力が達成されるようにモータによって緊張させることができる。

本発明によるドライブ装置は、エクソスケルトン、ロボットあるいはその他同種のもののための新しいアクチュエータのタイプに関係がある。外力の場合には互いに対してそれらを置き換えることができないように適当なベアリングあるいはクランプ経由で基部（基部プレート、シャーシ、フレーム又はハウジング；１部以上）にモータとスピンドルを接続する。また、モータとスピンドルはそれらの運転軸の周りを自由に回転することができる。モータをそのような方法で直接あるいは間接的に実装し、それは、スピンドルにおいて作動する。エクソスケルトンの第１の要素（例えばもも）に基部を接続するか、あるいはそれを備えた１ユニットを形成する。スピンドルは、その回転中に適切なナットが実装されたボールベアリング（ナットとも呼ばれる）を駆動し、それはボールねじの回転中に長手方向の軸を中心に回転できないように基部に接続されている。リニアレール、リニアベアリング、レールガイドを備えたローラーベアリングなどは、ナットのこの取り付けを達成することができる。再循環するボールベアリング及び「直角の」レールガイドを備えたリニアキャリッジ／リニアスライドによるガイドを好む。これはたった１つの自由度を許容し、すべての軸に沿ったトルクの吸収を許容する。ボールねじがモータによって回転する場合、それに付けられたナットとキャリッジは直線移動を行なう。これは今ある、チェーン、ベルト、ロープ（以下、単に「チェーン」と呼ぶ）のようなスピンドルとスピンドルへ平行に走る可撓性要素を（そこに）接続するのに現在使用される。チェーンは適切な手段によってナット又はキャリッジに直接又は間接的に取り付けられる。キャリッジ、ナット、及びファスナーで１つのユニットを形成できる。チェーンは、ナットの両端に直接又は間接的に取り付けられ開いているように設計されるか、又はそれ自体が端部又は開始部を持たずにナットに取り付けられ閉じられているように設計されることが好ましい。チェーンの代わりにロープが使用される場合、それはまた好ましくは駆動車輪に固定され、また滑りを回避するために駆動車輪の周りを完全に一回以上誘導され得る。例えば駆動方向ごとに１本ずつ、２本のロープをも使用できる。チェーンは駆動車輪を駆動し、それは駆動車軸に堅固に連結されている。チェーンと駆動車輪はチェーンとスプロケットのように互いに接続されているので、大きな力がかかってもこれらの部品の間に滑りは生じない。駆動車軸は、それがその長手方向軸の周りを自由に回転できるように、しかし他のすべての力に耐えて、基部又はベアリングに対して回転できないように取り付けられる。さらにチェーンは少なくとも方向転換要素、すなわちベアリングを有するスプロケット、スライディングベアリング、循環ローラー等のような適当な方向転換装置の周りに誘導され、そしてそこから駆動車軸のチェーンホイールまで戻りチェーンが閉路をたどるようにする。さらに、チェーンホイールと駆動車軸を１つの部品として設計することができる。自由走行要素（ダイバータホイール）は、チェーンが常に緊張状態にあるように、必要ならば１つ以上のさらなるテンション要素を使用して、好ましくはボールベアリング装着車軸によって基部に取り付けられる。そしてボールねじや駆動車軸によって動かされるとき常に自由にそして少しの遊びをもってその走行経路に沿って動くことができる。駆動車軸又は駆動スプロケット／ローププーリ等は、エクソスケルトンの別の第２の要素（例えば下肢）がそれらに堅固に取り付けられるように設計されている。駆動車軸又は駆動チェーンホイール等の回転の結果として、第１の要素（例えば、大腿部）と第２の要素（例えば、下肢）との間の角度が変化する。最大の力とトルクを高効率で伝達するためには、ボールベアリングナットを再循環ボールねじに主として軸方向に負荷すること、すなわちナットの横トルクを最小にすることが必要である。これは、単一チェーンを用いてボールねじのできるだけ近くにそれと平行に誘導することによって可能である。これでは完全な耐軸荷重は達成されないが、許容できる損失は依然として達成できる。ただし、ボールねじに必要なベアリングは、スピンドルがストレートチェーン部分とほぼ同じ長さであるか又は短い場合、短いボールねじの最小チェーン間隔を増加させる。しかしながら、スピンドルがチェーン装置の長さよりも著しく長い場合、スピンドルベアリングがチェーン又はスプロケットと衝突する可能性はない。そうすれば、単一チェーンをボールねじに非常に近づけることができ、ナットのトルクを低く抑えることができる。しかしながら、ナットと回転するスピンドルに完全な耐軸荷重をかけるためには、荷重はナットの異なる側面に均等に加えられなければならない。したがって、好ましい構成（図２７～図３１）は、駆動シャフト上に同じ直径の２つのチェーンホイールを有し、これらも２つの方向転換装置の周りに誘導される。ボールねじ及びそれに取り付けられたチェーンは、ナットの移動範囲の一部において、共通の平面に位置している。ナットはチェーン間を誘導され、連結ブロック（１１８）のように又はリニアベアリング（１２０）上でチェーンに直接又は間接的に連結される。

所要成分がナットのいくつかの側面に補足空間を必要とするので、負荷がナットに軸方向に作用することを可能にすることは必ずしも望ましいとは限らない。それを防ぐ場合、ボールねじへの横トルクの影響の下でナットが横に回転させることができる負荷が、ナットに主として一方的に作用することはありえる、つまり、ナットの軸線及びスピンドルは、及び／又はスピンドルともはや互いに平行ではなく曲がっている。この目的のために、適当な直線誘導装置にナットを接続することができ、それは好ましくは横トルクをすべて吸収し、必要ならば、基部あるいは他の成分にそれらを作用させる。チェーンは、ナット、リニアキャリッジ、コネクティングブロック、ばね要素などによって一方的に駆動される。ばね要素がチェーン駆動装置と共に使用される場合、それはチェーンに対して平行かつ同軸に負荷される。作動する関節と用途に応じて、個々の小型リニアキャリッジ／ベアリングのリニア容量は異なる。作動させた接合箇所及び適用によって、リニアガイドのトルクは非常に高くなり、個々の小型リニアキャリッジ／ベアリングの耐荷重を超える可能性がある。ボールサイズ又はボールチェーンを交互に使用してベアリングの円滑な回転を確保する場合、これは特に真実である。そのため、複数のベアリングを連続して使用し、互いに適切に接続するため、及び／又はトルクを一緒に吸収するために、いくつかのリニアガイドを平行に動かすことを可能にするためにできるだけ横トルクを吸収しなければならないベアリングを選択するのが有利である。しかしながら、好ましい設計例では、２本の鎖において、最小の横トルクと低い軸方向のトルクだけがここではリニアガイドに作用するのでこれは必要ではない。多くの用途で、ナットがその軸の周りを回転することを防ぐ主な仕事を有する非常に単純なリニアガイドを使用することは可能である。例えば直接又は間接的にナットに接続される単純なリニアガイド付き丸ボールベアリングでこれがなされることは可能である。両側の鎖の使用によってナットの横トルクが最小になる場合、これは特に真実である。しかし、大口径のボールねじ及び／又は特別に長いナット又は連続していくつかのナットが使用される場合、このような単純なリニアガイドは、チェーンの片側だけでも達成できる。その場合、横トルクは、その効率を劇的に低下させることなく、リニアガイドではなく、ボールねじによって主に伝達される。

各リニアガイドは自由ではなく支持されていることが好ましい。これは、それが基部、フレームなどの端だけではなく、その全長又はその長さの大部分にわたって接続されることを意味する。このように、基部等の剛性もトルクを吸収してそれらからナットを解放するために使用される。

チェーン、特にリンクチェーンは、高出力で最高の効率を発揮し、空間をほとんど必要としない。ただし、リンクチェーンには、スプロケットの有効径は、スプロケット内のチェーンリンクを係合したり解放したりする過程「コーダルアクション（ｃｈｏｒｄａｌ ａｃｔｉｏｎ）」の間にわずかに変化するため、それらは決して完全に「周（ｒｏｕｎｄ）」を走ることはないというような一般に特徴がある。この「ポリゴン効果（ｐｏｌｙｇｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）」は、スプロケットが大きいほど、また個々のリングが小さいほど、小さくなる。サイレントチェーンは、有効径がほぼ一定に保たれ、ポリゴン効果が非常に小さいように設計される。「スマートチェーン（ＳｍａｒｔＣｈａｉｎｓ）」（ＳｍａｒｔＣｈａｉｎ Ｂ．Ｖ．、Ｚｏｅｔｅｒｍｅｅｒ、オランダ）を使用すると、ポリゴン効果はほぼ完全に抑制される。歯の下にばねスプロケットが付いている柔らかいプラスチックスプロケット又は半径方向に可撓性のあるスプロケットの使用はポリゴン効果を減らすことができる。ロープやベルトでは、ポリゴン効果は発生しないか、ほとんど発生しない。

いくつかのチェーンが使用される場合、それらの歯の間に位相差があるように、互いに対して回転させられる、共通の軸を共有するスプロケットを取り付けることが有利であり得る。例えば、ボールねじの両側に１つずつ、２つのチェーンが使用される場合、位相差はスプロケットピッチ（１８０°）の半分になり得る。両側に２つのスプロケット及びチェーンが使用される場合、同じ側にある２つの車輪は互いに９０°の位相差を有し得る。他方の側の２つの車輪は、第１の側の各車輪に対して１８０°の位相差を有することが好ましい。片側の各ホイールがもう一方の側の対応するホイールと１８０°の位相差で対向している場合、ナットの合計の耐軸荷重は可能な限り最善の時間で平均化される。しかし、ナットの横トルクには、まだ明らかな最大値と最小値がある。トルクへのこの影響は、同じ軸上で互いに同位相の２つのスプロケットを持つが、他のスプロケットの対とは位相が異なる複数のギアの対を使用することによって最小限に抑えられる。片側チェーン配置を有するシステムのための可能なスプロケット位相の例が以下の表１に示されているが、それによって言及された位相は単なる例示であり、さらなる位相差が多数可能である。これはナット及び／又はリニアガイドの片側に作用する１、２及び３のチェーンを持つさまざまな位相の表である。そのため、ポリゴン効果が減少する。しかしながら、横トルクがナット及び／又はリニアガイドに作用する。これらの位相構成のいずれも、小さい力、強いナット、及び／又は強いリニアガイドに実用的であり得る。チェーンはボールねじと同一平面上（その左右）にあることができるが、ボールネねじの上方又は下方に延びることもできる。したがって、チェーンを省略したり、実質的な損失なしに位相をずらしたりすることができる。同様に、表１は４つ以上のチェーンにも使用できる。表中の位相はピッチの倍数として与えられる。

互いにオフセットされたリンクを有する個々のチェーン又は特別なマルチストランドチェーン（例えば米国特許第６，１９０，２７８ Ｂ１号）を使用することができる。後者は、より少ないスペースを必要とし、より均一な運転を可能にするという利点を有する。

ポリゴン効果の影響をさらに減少させるために、駆動車輪と偏向車輪との間のシャフト距離は、駆動チェーン部分の自由長が常に正確にチェーンピッチの倍数になるように選択されることが好ましい。

ボールねじの軸線から同じ距離でかつ共通の位相でナットの両側にチェーンを走らせることによってナット上の横トルクをさらに減少させることが可能である。このタイプのチェーンの他の対は、他の対と位相差が均等であるため、駆動力が滑らかになり、運転をより均一にすることができる。以下の表２には、両側チェーン配置についての対応する例を示す。それは、横トルクのための２、４及び６のチェーンの位相のすべての順列を含み、すべてのチェーンの個々の横トルクの合計はナット及び／又はリニアガイドに最小化される。より多くのチェーンが使用されればされるほど、各個々のチェーンとフェーズの正確な選択はより不要になる。したがって、チェーンを省略したり、大幅な損失なしに位相をずらすことができる。表２は、各側の４つ以上のチェーンについても同様に使用することができる。

所与の数のチェーン及びスプロケットを用いてこの機構によって使用される位相はより少ないが、２つのチェーンは常に同じ位相を有するので、ナットへの横トルクを減少させることによってより均一な運転を達成することができる。「位相チェーン」の使用は、個々のチェーンの使用よりも好ましい。それらはリンク間隔の半分の位相差を有するスプロケットの対に対して対で使用されるのが好ましい。この目的のために、スプロケットは車軸上に対で配置されなければならない。サイレントチェーンはローラーチェーンよりも優れている。次に、位相チェーンが、前述の単一チェーンのいくつかを置き換える。

ナットに対する横チェーントルクの影響は、横トルクがこのガイドによって吸収されるように、ナットを直接又は間接的にリニアガイドのキャリッジに接続することによって低減することができる。チェーンは、リニアガイド自体のキャリッジに接続することもできる。ナットはまた、それがトロリーの特性を引き継ぎ、それ自体がローラー、ベアリング、車輪などを有するように設計することもできる。それは順番に横トルクを吸収するライナーレール上を走る。これらのレールの各々は一般にナットの長手方向トルクを吸収するのにも適しており、これはスピンドル回転中にナットがボールねじに沿ってヒステリシスのないように移動し、所定の位置に留まらないことの前提条件である。

できるだけヒステリシスのないように機能させるためには、チェーン又は他の柔軟な要素にプレテンションをかける必要がある。この目的のために、切換スプロケットの車軸は、再循環ボールねじの方向に沿って移動できるように取り付けられるのが好ましい。あるいは、他の自走アイドラ車輪も使用することができ、その位置は、予荷重を制御できるように調整することができる。チェーンは、特にロープと比較して、低ヒステリシスで作業するためにはほとんどプレテンションが必要でないという利点がある。

大きな伝達比（小さなモータトルクは駆動車軸の大きなトルクとなるはずである）を達成するためには、大きな駆動車輪直径と小さなピッチのボールねじが必要とされる。駆動軸の与えられた回転角度がカバーされるためには、これはチェーンが真っ直ぐに誘導されるべくより大きな必要距離をもたらす。大きな回転角及び大きな伝達比の場合、これはボールねじの大きな必要長、ひいては大きなアクチュエータ長をもたらす。ここでは大きなトルクと大きな回転角とが必要とされるので、これは、大腿骨の屈曲と伸展とを制御するエクソスケルトンの第３の軸９５（図１～２６）を駆動するときに特に問題となり得る。

ボールねじから駆動軸への減速比は
（ボールねじのピッチ）／（駆動スプロケットの円周）
＝ピッチ／（２πｒ）。

したがって、直径１５０ｍｍのスプロケット及び５ｍｍピッチのボールねじを用いると、約１：９４の減速比を達成することができる。ボールねじの事実上すべての可能なピッチに対して、機構の単純な後退駆動性が与えられる。

ボールねじ及びボールナットの代わりに、ＡＣＭＥねじなどの他の手段を使用することができる。しかしながら、この場合、後方駆動性が失われ、効率が低下する可能性がある。さらに、駆動車軸でより高いトルクを達成するため後退駆動性を失うことなく全減速比を改善するために、モータとスピンドルとの間に低減速ギアを接続することができる。駆動車軸を直接使用してロボット関節を駆動するのではなく、それを使用してチェーンギアを駆動する別のスプロケットを駆動し、それが最終的に関節を作動させることも可能である。ベルト、ロープ、又は歯車などでも同様のことが達成できる。

また、ボールねじは、力、加速度及びトルクを増大させるために２つのモータによって両端で駆動することができる。モータは、それらの軸を長手方向に接続することによって、スピンドルの片側に直列に接続することもできる。これはより長いモータに相当する。再循環ボールねじは、それがモータによって内側から駆動されるように、又はモータの外側がボールねじのガイドを保持するように設計することもできる。これは、スピンドルの全長をモータとして使用することができ、全体の構造がより短いという利点を有する。

モータは、必ずしもボールねじと同軸に取り付ける必要はない。したがって、モータとボールねじとの間に、カルダンシャフト、ベベルギア、ハイポイドギア、歯付きベルトドライブなどを使用することが可能である。このようにして、ハウジング内のモータの位置に影響を与え、ハウジングの大きさを小さくすることができる。このようにして減速比もさらに影響され得る。一般に、モータに直接生じるトルク及び力は依然として最も低いので、比較的単純で費用対効果の高い減速、動力伝達及び軸方向変更の手段がここでは適している。

一般に、再循環ボールねじをその両端で基部上の固定ベアリングで固定することが好ましい。これにより、一方の固定ベアリングと反対側の「軸方向に自由な」又は「支持された」ベアリングと比較して、耐軸荷重用量（座屈荷重）が２倍になる。これは最大加速度と速度と共振周波数を著しく増加させる。その場合、引っ張り方向と押し方向の動作に違いはない。また、力はより均等に基部に伝達される。

本発明による駆動装置（アクチュエータ）は、前述の本発明による装置と一緒に、又はそれらとは無関係に使用することができる。これは、好ましい実施形態の説明において以下に論じられる全ての実施形態にも当てはまる。

さらなる特許請求の範囲は、モーションシミュレータ、特にその回転ユニットに関する。 それらは好ましくは少なくとも３つの回転要素から構成され、それにより隣接する要素は互いに回転可能に接続される。第１の回転要素は、並進ユニットの手段などの他の装置に回転可能に取り付けられる。最後に、例えば第３の回転要素のように、エクソスケルトン又は同様のものが回転可能に取り付けられる。本発明によるこの装置は以下の知見に基づく。

遠隔操作用のエクソスケルトン、すなわち仮想（アバター）又は現実の環境（ヒューマノイドロボット）でプロキシを制御するために、使用者に静的又は時間的に変動する身体加速度を与えるためにモーションシミュレータを使用する。この目的のためにジンバルサスペンションも使用される。

特に、これには「ジンバルロック」の影響を避けるために４つの独立した軸を持つシステムが必要である。この条件は、互いに対する軸の特定の位置で自由度が失われるとき、特に互いに平行な軸の場合、又は２つ以上の軸が共通の平面にある場合に発生する。これらの状態に近接して、軸の必要な位置決め速度は、使用者のある方向から別の方向へ、さらにゆっくりと変化させるために、非常に速く又は任意に高くなる可能性がある。

３軸のみのジンバルサスペンションでは、この効果は、適切な空間位置又は加速印象を経験するために、モーションシミュレータの電子機器によって制御される使用者が空間内の特定の配向領域を占めることを技術的及び実用的に不可能にし得る。

４軸を使用する場合は、３つの自由度が常に使用可能で、極端な速度や加速度が必要ないように適切に制御できる。そのようなシステムは、一般に、それぞれが２つの軸と４つの独立した軸を持つ３つの要素で構成される。そのようなシステムは、一般的に、車軸が３つしかないシステムよりも大きくて重い。これは、各要素が完全な円又は半円を囲む場合に特に当てはまる。これらの要素はまた特に鈍くそして回転及び並進加速に抵抗する。同じことが、楕円形又は大きな角距離を有する他の形状にも当てはまる。加えて、位置決め角度の誤差は、特に各要素の軸が互いに大きな角度にあるときに累積する。これらの角度は通常９０°として選択される。最も内側の要素が完全又は半円形に似ている必要がある場合は、使用者が絶対に衝突できないように直径が十分大きいことが特に重要である。

本発明によるモーションシミュレータは特別なジンバルサスペンションを含む。ジンバルロックを回避し、エクソスケルトン内の使用者がすべての可能な空間的な向きをとることができるようにするには、要素の角度の合計（要素の２つの軸の互いに対する角度）を１８０°より大きくする必要がある。

本発明によるモーションシミュレータは、前述の本発明による装置と一緒に、又はそれらとは無関係に使用することができる。これは、好ましい実施形態の説明において以下に論じられる全ての実施形態にも当てはまる。

さらなる要件は、モーションプラットフォーム、特に六脚の特別な設計（ここではスチュワート（Ｓｔｅｗａｒｔ）プラットフォームとも呼ばれる）に関するものである。本発明によれば、アクチュエータによって動かすことができる可動式作業プラットフォームが提供される。この作業プラットフォームの内側に、好ましくは対応する使用者がフレーム上のアクチュエータの取り付け点の間の中心にくるように、エクソスケルトンが取り付けられる。

本発明によるプラットフォームのさらなる発展のために、アクチュエータと作業プラットフォームとの間に支持体が設けられることが意図されている。モーションシミュレータの作業スペースを拡大又は最大化するには、これらを長くする必要がある。さらに、これは以下の知見に基づく。

遠隔操作（仮想又は現実の支配者）におけるエクソスケルトンのためのモーションプラットフォームとしては、スチュワートプラットフォームも適している。これらは一般に６つのリニアアクチュエータ、又は同様の手段を有し、それらの一方の側は床又は他の基部に固定され、他方の側は作業プラットフォーム又は作業面に固定される。リニアアクチュエータの適切で協調的な作動によって、作業プラットフォームは空間内で６つの自由度で自由に作動し加速することができる。このようにして、プラットフォームの任意の線形又は回転位置、速度及び／又は加速度を生成することができる。エクソスケルトン内の使用者がスチュワートプラットフォームに接続されている場合、プロキシの任意の身体加速度をモーションキューイングプロセスによっても使用者に伝達できる。

スチュワートプラットフォームはすべての空間的方向性を許容するわけではない。しかし、ほぼすべて又はすべての歩き方を許容する可能性がある。しかし、これを達成するためには、その可能性を十分に引き出すようにエクソスケルトンによる遠隔操作の要件に技術を適合させる必要がある。従来のスチュワートプラットフォームは多くの空間と高さを必要とする。エクソスケルトンを用いた遠隔操作の用途では、主に使用者の身体の内側又は近くの点を中心にした回転が必要である。しかしながら、もし使用者がスチュワートプラットフォームの作業プラットフォームに装着されるならば、そのような回転は可能であるが、しかしスチュワートプラットフォームの作業範囲は狭くそして大きな移動距離と速度が要求される。回転中心が移動作業プラットフォーム上のリニアアクチュエータの取り付け点の間のほぼ重心に位置していると有利である。

本発明によるモーションプラットフォームは、前述の本発明による装置と一緒に、又はそれらとは無関係に使用することができる。これは、好ましい実施形態の説明において以下に説明されるように、すべての実施形態にも当てはまる。

図１は、エクソスケルトン１０００の好ましい実施例の斜視図を示す。これは、エクソ背部プレートと呼ばれる第１の要素８０ａを含み、これは使用者の股関節の骨に対して通常の操作において固定される。このエクソ背部プレート８０ａは、内側に傾斜している取り付け部材８０ｂとも呼ばれる車軸取り付け領域８０ｂの各側部の下方領域に含まれる。これらの取り付け要素８０ｂのそれぞれに、第２の要素８２がシャフト８１によって回転可能に取り付けられている。さらなるシャフト８３（図２参照）によって、２つの脚部８４ａ、８４ｂからなる第３の要素８４が第２の要素８２に回転可能に取り付けられている。２つの要素８２、８４が股関節の本質的な機能を引き継ぐので、それぞれ、第１のエクソ股関節８２及び第２のエクソ股関節８４とも呼ばれる。別のシャフト８５を介して、第４の要素８６が第２のエクソ股関節８４に回転可能に接続され、それらはエクソ大腿部とも知られる。その下には第５の要素８８があり、これはシャフト８７を介してエクソ大腿部８６に回転可能に接続されているエクソ下腿として知られている。その下に、エクソ足部として知られる第５の要素９０が、ヒンジ関節８９によってエクソ下腿８８に接続されている。

エクソスケルトン１０００は、エクソ股関節８２、８４、エクソ大腿部８６、エクソ下腿８８及びエクソ足部９０、及び関連する関節８１、８３、８５、８７、８９は各々２倍、それぞれ右側と左側の１つずつなどの上述の要素を含む限り鏡面対称であることに留意されたい。エクソ足部９０（左下の先端）の配置により、通常の歩行の前方方向を認識することができる。これは、これ以降の図の「右」と「左」の指定に対するものである。明確にするために、「右側」及び「左側」は図１に記載のとおり示されている。さらに、第１の要素８０ａ、８０ｂがエクソ背部プレートとしての機能とエクソ腰部プレートとしての機能の両方を有することがここで記載される設計のために指摘される。したがって、ここでは「腰部プレート」と「背部プレート」の両方の用語が等しく使用される。本明細書では説明しない他の設計では、背中を作動させるために少なくとも１つの別個の背部プレートを設けることができる。そして、腰部と背骨の間の関節角度を変えることによって、腰部は背部に対して動くことができる。

図２は、エクソスケルトン１０００の上面図を示し、特にその左側に配置されているその要素が示されている。記載された要素に加えて、図１及び図２はまた、特にシャフト８１、８３、８５、８７及び８９の配置から生じるいくつかの軸を示す。これについては、下記にさらに詳しく説明する。

図１及び図２に示すように、第１の軸９３がシャフト８１を貫通しているので、第１のエクソ股関節８２は、背部プレート８０ａ又は対応する左右の締結要素８０ｂに対して第１の軸９３を中心に回転できる。図１では、第１の軸９３は右側と左側の両方に印されている。図１、２のさらなる軸は通常、対応する軸が最もよく認識できる場所に応じて、右側又は左側にのみ描画又は印される。第２の軸９４は、シャフト８３の配置によって画定される。これにより、第２のエクソ股関節８４が対応する第１のエクソ股関節８２に対してこの軸９４の周りを回転することが可能になる。第３軸９５は、シャフト８５の配置によって画定される。これにより、エクソ大腿部８６が関連する第２のエクソ股関節に対して第３の軸９５を中心に回転することが可能になる。従って、
－シャフト８７の配置に従うエクソ大腿部８６とエクソ大腿下部８８との間の第４の軸９６、及び
－シャフト８９に従うエクソ大腿下部８８とエクソ足部９０との間の第５の軸９７が、
画定される。

第４の軸９６は、中外側軸又は使用者の膝の軸と平行又はほぼ平行で中立位置（直線、直立姿勢；図１に示すように）にあり、使用者の膝関節を通る。

第５の軸９７は、中外側軸又は足首関節の軸と平行又はほぼ平行な中立位置（図１参照）にあり、人間の足首関節を通っている。図１及び図２から分かるように、シャフト８１、８３、８５は、対応する軸９３、９４、９５が右手側の点９１又は左手側の点９１を通るように配置されている（図２ではこれも点線の円で囲まれている）。これらの点９１は、右又は左の股関節の中心点を表す。図１、２では、他の軸９２が右側と左側に描かれている。それにより、一方では関連する右又は左股関節の中心点９１を通り、他方では矢状軸に平行に走ることが定義される。さらに、軸９２、９３、９４、９５及び関連する関節は、第１の軸９３と第２の軸９４との間の角度φ１及び第２の軸９４と第３の軸９５との間の角度φ２を画定するように設計及び配置される。さらに、第１の軸９３は、特定の条件下で、軸９２を有する角度αを形成することができ（図２参照）、これについては以下でより詳細に説明する。

軸９３、９４、９５及び関連する関節の配置は、エクソ股関節のコアを形成する。これらの軸は３つの独立した回転軸であり、それらはすべて使用者の股関節の中心９１で交差している。それらは中心として股関節の中心を有するジンバルサスペンションを形成する。

このジンバルサスペンションの軸９３、９４、９５は互いに垂直である必要はない。機構の必要な作業空間又は所望の作動の種類に応じて、これも常に可能又は望ましいとは限らない。

第１の軸９３は、図３～５に示されるように角度α及びβを通る空間又は等価の変換における所望の用途及び必要性に応じて使用者の腰部に対して又はエクソ腰部と同等に配向され得る。しかしながら、第１の軸９３は常に使用者の股関節の中心９１を通る。このためには、エクソ腰部と使用者の間の距離をそれに応じて調整する必要がある。α＝β＝０の場合、第１の軸９３は矢状軸と平行であり、股関節９１の中心を通って延びる。ゼロに等しくないα及び／又はβの場合、最初に垂直軸を中心とした角度αの回転が起こり、次に横断面と垂直に交差し、９２ｂを通って延びる平面に垂直な９１の支点を有するベクトルを中心とした角度βの回転が起こる（図４に記載）。

これまでの図は、主に本発明の原理を説明するのに役立つ。以下の図では、いくつかの実行例が示される。明確にするために、参照記号は理解に必要な範囲内でのみ描かれている。

図６～１１は、第１の好ましい実施形態を示す。ここで、左右の第１の軸９３は両方とも第１の要素８０ａ上に直角に立っており、矢状軸と平行であり、大腿骨頭の中心につながる。これらの第１の軸９３の周りで作動するだけで、大腿部の純粋な外転及び内転が可能になる。
最初の例では、角度は以下の値を有する：
φ１＝３５度。φ２＝７０度。α＝０度。β＝０度。

図６及び図７は、第１の例に続きエクソスケルトン１００１の異なる図を示し、それによって中立姿勢が示される。それにより、中立位置にある第３の軸９５は中外側軸と平行である。したがって、それらは大腿部の純粋な屈曲と伸展を担当する。

この方向における第３の軸９５の選択は、歩行又は走行時に大腿部の作動を容易にする。そして、ほとんどの作業はここで行われ、最大の角度変化が存在する。

中立位置にある第４の軸９６及び第５の軸９７は、中外側軸と平行である。したがって、それらは下腿（第４の軸９６）又は足（第５の軸９７）の純粋な屈曲及び伸展を担当する。

第２軸９４の位置の選択は些細なことではない。歩行、立脚、走行の用途では、ヒンジ関節は上半身か大腿部のどちらかに配置する必要があるため、股関節を通して垂直に渡すことはできない（その場合、３つの軸すべてが中立位置で互いに直角になる）。第１軸９３と第２軸９４との間の角度はφ１＝３５度である。第２軸９４と第３軸９５との間の角度はφ２＝７０度である。この配置では、矢状軸に平行な軸９３及び腰部の第３軸９５を有し、横軸に平行な膝の第４軸９６及び足９０の第５軸９７は、φ１＋φ２＝１０５度の角度の合計から、φ１＋φ２－９０度＝１０５度－９０度＝１５度の脚部の最大内部回転を生じる。そして、全ての軸９３～９５は、横断面に平行な平面内に同時に置かれる。垂直軸を中心とした脚部の最大回転は、決定するのがそれほど容易ではなく、本質的に要素８０、８２、８４の形状及び大きさに依存する。個々の部品が互いに貫通することができ、又はそれらが互いに貫通しない、又は互いに衝突しないように構成されるべきであると仮定される場合、最後に説明した場合における足９０の最大外部回転は以下である。
－φ１＋φ２－９０度＝－３５度＋７０度－９０度＝－５５度。
最大内部回転と外部回転の差は２・φ１＝７０度である。

図８及び図９は、最大内部回転が１５度で最大外部回転が約４５度の第１の実施例の異なる斜視図を示している。図１０及び図１１はまた、最大同時外部回転が約３２度の場合の第１の実施例の異なる斜視図を示している。それは極端なものであっても、ほとんどすべての姿勢や動きを可能にする。これには、歩行、走行、跳躍、その場での回転（ターンアラウンド）、深い突出し、サイドステップ、クロスステップ、近接戦闘、椅子やベンチに着席することなどが含まれる。構造１は、足の広い範囲の外部回転（４５度の外部回転、１５度の内部回転）を可能にする。用途の要求に従って他の構造を実現することができる。

既に上述したように、第１の軸９３は必ずしも矢状軸と平行に走る必要はない。特に、より広い範囲で垂直軸を中心に足を内側に回転させることができるように、垂直軸を中心に回転させると有用である。これは、図１２～１７を用いて説明した第２の実施例であり、以下の角度を有する：
φ１＝３５度。φ２＝７０度。α＝２０度。β＝０度。

図１２及び図１３は、第２の実施例による中立位置にあるエクソスケルトン１００２を示す。

図１４及び図１５は、３５度の最大内部回転及び３５度の最大外部回転を有するエクソスケルトン１００２を示す。

図１６及び図１７は、最大同時外部回転が約２８度のエクソスケルトン１００２を示す。２番目の例は、α＞０度を選択することによって、足の最大内部回転をどのように増やすことができるかを示す。さらに、図１５は、第２の要素８２の最大移動範囲が増大し、そして足９０の外側回転の理論的最大値に達することができることを示している。第１の実施例では、この回転は、第２の要素８２が要素１と衝突する可能性があるという事実によって制限されていた。従って、５５度の理論的最大外部回転の代わりに、４５度しか達成されなかった。したがって、第２の設計例はそれを可能にし、例えば滑らずに完全な地面接触を伴い、最初の設計例よりも速く歩行方向を変える。

しかしながら、エクソスケルトン１００２では、垂直軸を中心とした足９０の最大外向き回転は自動的に同じ量だけ減少する。外側への回転については、最大角度の定量化はまた、特に要素８０ａ、８２、８４の大きさ及び性質に依存し、選択した角度と他の特定の形状によっては衝突する可能性がある。しかしながら、これは第２の例の場合には当てはまらない（特に図１５、右脚参照）。ここでは、足の最大内向き及び外向きの回転は３５度である。

大腿部の可能な限り広い外転を可能にするために、使用者の大腿部又は股関節と第３の軸９５上の最も近い構成要素との間の横方向距離を維持することが必要である。これらの部分は、脚が外転されたときに大腿骨頭の中心の周りに円を描くように回転する、すなわち主に第１の軸９３の周りを回転する。これらの円は上半身の部分（腰と上方向）と交差する。股関節の中心と第３の軸に沿った最も内側の部分との間のこれらの円の半径が大きいほど、脚部の最大外転角が大きくなる。同様に、エクソプレート８０ａは、脚がさらに外転された場合に第３の要素８４と衝突しないように（横方向に）狭く保たれるべきである。

好ましい実施形態におけるエクソ大腿部８６は、使用者の脚の外側に取り付けられる。第３の要素８４は、第３の軸９５に沿って、次いでエクソ大腿部８６の遠位方向に取り付けられる。これは、大腿部がカルダン式サスペンションの内側に取り付けられていることを意味する。それからそれほど遠くない距離でそれに使用者の大腿部を取り付けるのは簡単である。そしてエクソ大腿部８６は、第２の要素８２又は第３の要素８４の後方への揺動方向に自動的に停止するので、転倒を防止することができる。しかしながら、使用者とエクソスケルトンとの間に特に大きな距離が第３の軸９５の領域内で必要とされる場合、例えば、脚の特に大きな外転を可能にするために、大腿部を第３の要素８４の外側に取り付けることもできる。

ジンバルのブラケットである要素８２及び８４は、内側要素が外側要素と極端な角度及び足９０の外部回転で衝突しないように、内側要素が外側要素よりも小さくなるように、設計されるのが好ましく、したがって、運動の自由度を制限される。要素８２、８４は、「ブラケット」として設計されるのが好ましいが、それらが典型的なカルダン式サスペンションの要素により似るように、円弧として設計することもできる。

図１８～図２３は、第３の実施例による別のエクソスケルトン１００３を示す。これには以下の角度を有する：
φ１＝３５度、φ２＝７０度、α＝２０度、β＝２０度。

図１８及び図１９の場合、中立位置にあるエクソスケルトン１００３を示す。図２０及び図２１は、最大内部回転３３度及び最大外部回転約３７度のエクソスケルトン１００３を示す。さらに、エクソ背部プレート８２は、ここに示されているものよりも短くてもよいことを指摘する。

図２２及び図２３は、最大同時外側回転が約２６度のエクソスケルトン１００３を示す。

隆起した第２の要素８２によって、この実施例のエクソスケルトン１００３は、原則として、先の実施例におけるよりも長いステップを可能にする。しかしながら、大抵の人間の自然な作業空間によっては、これらのより長いステップは通常もはや対象としない。しかしながら、使用者の脚の後ろに形成された空間は、触覚要素又は装甲などの他の装置を使用者の大腿に取り付けることも可能にする。この設計は、着席をさらに容易にし、周囲と衝突する危険性を減らすので、可動性用途にとって興味深い。この構造はまた、例えば、エクソスケルトンの足部９０が腰部要素と衝突することなく、より深いひざまずきを可能にする。

これまでに記載した実施例が好ましい。しかしながら、これまでに記載したすべての実行例を参照する他の多数の構成がある。これらの改善点のいくつかを以下に簡単に説明する。

先の実施例では、要素８２及び８４は、第１の軸９３と第３の軸９５との間にただ１つのさらなる軸、すなわち、要素８２と８４の間の関節８３から生じる、第２の軸９４が設けられるように設計されている。維持された軸９３と９５の間に第２の軸９４を設けるだけでなく、２つを超えるブラケット又は円弧を用いて追加の軸（例えば軸９４ａ、９４ｂなど）を導入することも可能である。特に、これらの要素の全部又は一部を互いに完全に折り畳むことができる場合、これは対応する足９０の最大内側回転と最大外側回転との間の差を大きくすることができるという利点を有する。

図２４～図２６は、そのような例の異なる斜視図を示しており、要素８２は、ここでは８２ａ、８２ｂ及び８２ｃと呼ばれる３つの部分に分割されている。これらの部分のそれぞれは、その隣接部分に回転可能に接続され、その結果、軸９４ａ、９４ｂ、及び９４ｃをもたらす。好ましくは、各軸が更新される。これはまた、図示されていない要素８０又は８６上のアクチュエータによってもなされ得る。この例の小さい方の要素はそれぞれ３０度の角度及び大きい方の要素は６０度の角度を対象とする。この構成では、足は、内側及び外側に６０度（股関節の外転及び内転により）回転させることができる（α＝β＝０度の腰部プレートに）。要素８１、８２ａ、８２ｂ、８２ｃなど、８４、８６を互いに内側又は外側に任意の順序で取り付けることが可能である。さらに、要素の角度φｉは互いに異なり得る。図２４～２６による例のように内側から外側へ配置されている要素８２～８４は、決して交差することはできなく、使用される角度φｉとは無関係である。しかしながら、要素の少なくともいくつかが外側から内側に配置されるべきである場合、次の要素（例えば要素８２ｃが８２ｂの次の要素である）が前の要素よりもはるかに小さい角度を対象とするならば、互いの粉砕は避けられ得る。要素８２ａが後続の要素８２ｂなどの外側にあるが、最初に要素８０に取り付けられることも可能である。これらの手段のいくつかを使用することによって、又はそれらを組み合わせることによって、全体の股関節の直径が要素の数の増加と共に大きくなり過ぎることを防ぐことができる。

股関節に３つを超える軸を使用するため、一般に、駆動車軸角度（関節角度）の選択に対する明確な課題はもはやはない。しかしながら、軸９３と軸９５との間の角度を表形式的に又は全単射関数的に軸９４ａ、９４ｂなどの作動角（関節角）のベクトルと相関させることが好ましい。これにより、機構は安全かつ予測どおりに動作する。一般に、要素８４は水平方向からそれほど逸脱しないことが必要である。これは足の自由な揺れを妨ぐであろう。この種の作動はまた、腰部の外部回転を増大させるために他の方向に操作することもできる。しかし、左右の脚の股関節が互いに対立することがある。

股関節機構の全ての状態において、エクソ大腿部８６が取り付けられる最後の要素（ここでは８４）が、エクソ大腿部８６が歩行中に揺動することを可能にすることが一般的に重要である。好ましい実施例では、エクソ大腿部８６は第３の要素８４の内側に固定されているので、要素８４の第３の軸９５の領域は内側が平坦であることが好ましい。これは、ここで使用されている図に対応する。しかしながら、特に、エクソ大腿部８６を外側に取り付ける必要がある場合、又は第３の軸９５に沿ったエクソ大腿部８６と要素８４との間の距離を大きくしてエクソ大腿部８６の自由揺動が有意に制限されるべきでない場合、要素８４は円形であり得る。

好ましくは球状シェルの部分としての腰部要素の特に広い選択のために、腰部機構は球状シェルの折り畳み可能部分にさらに密接に対応し得る。これは例えば、保護や装甲として使用されることがある。

図示のエクソスケルトン形態１０００、１００１、１００２、１００３において、第３の要素８４は、２つのブラケット８４、８４ｂが互いにほぼ垂直に配置されるように形成されている。その結果、第３の要素８４は様々な動きにおいてかなり横方向に突出する。第３の要素８４がより少なく横方向空間を占有するために、好ましくは第２の脚部８４ｂが中立位置で矢状軸と平行に延びるように、第１の脚部８４ａを短くすることが可能である。これは歩行時、腕の振動を促進し、重量を節約することを容易にする。この目的のために、脚部８４ａと８４ｂとの間の角度はそれに応じて調整される。

明確にするために、必要なベアリング、車軸取り付け、及びアクチュエータは、記載の例では明確には特定されていない。アクチュエータは、任意の要素の中又は上に取り付けることができる。それに対応して、固定車軸接続部、又は、例えば、ボールベアリング接続が必要になる。しかしながら、第１の例に示されるように、エクソ下腿部８８内のアクチュエータが第５の軸９７をエクソ足部９０に作動させることが好ましい。エクソ大腿部要素８６の第１のアクチュエータは膝関節の第４の軸９６を作動させ、エクソ大腿部要素８６の第２のアクチュエータはエクソ股関節の股関節軸９５を作動させ、要素８４内のアクチュエータは、股関節の第２の軸９４を作動させ、そしてエクソ腰部又はエクソ背部プレート８０ａの上、中のアクチュエータは、第１の軸９３を作動させる。

好ましい設計において、説明したエクソスケルトンの全ての関節を駆動するために使用することができる新規なアクチュエータを以下に説明する。これとは無関係に、エクソスケルトンの機構は他のアクチュエータによっても駆動することができる。これには、通常のギヤードモータ、リニアアクチュエータ、油圧又は空圧シリンダ、ギアレストルクモータによる直接駆動、ケーブルによる駆動、ボーデンケーブル及びローラーなどが含まれる。グローバルロールスピンドル又は「ハーモニックドライブ（登録商標）」ギアを備えた、バックドライブ可能なボールベアリングウォームギア（ＵＳ ３４６８１７９ Ａによるボールウォーム、ボールウォームギア、再循環ボールウォーム駆動装置）を備えたモータによる駆動が特に有利である。

特にエクソ足部９０は一般に、回内及び回外を作動させることができる追加の軸及び必要な構成要素を有することができる。エクソ足部の特に有利なさらなる開発は以下に記載され、エクソ足部９０００と呼ばれる。

エクソ大腿部８６の２つの軸が互いに平行ではない場合は有利であり得る。しかしながら、第４の軸９６は常に膝関節の軸と平行又はほぼ平行でなければならない。しかしながら、第３の軸９５は一般に任意に配向することができる。このようにして、角度αの効果に従って、脚部の外部及び内部回転がどの程度可能であるかに影響を与えることができる。上述の股関節機構は、股関節の中心で交差する少なくとも３つの軸を有し、実際には軸方向のずれに関して非常に寛容である。また、使用者は、理想的な位置より大きすぎる、小さすぎる、前に遠すぎる、後ろに遠すぎる、左に遠すぎる、又は右に遠すぎる可能性がある。これは、１人を超える使用者に１つの大きさのエクソスケルトンを使用するためである。特別な使用者に対する中心距離及び角度の調整もまた容易にされる。しかしながら、機構の原理はこれらの逸脱によって失われることはない。これは、車軸の取り付け点及びベアリングを変位可能かつ調整可能に設計することを目的としている。股関節の中心を軸の交点に合わせるために、使用者の背部から腰プレートまでの距離、及びその垂直位置を調整できることが有利である。

エクソスケルトンの広く人間型的な特性のために、説明された要素の大部分は、それらが使用者を囲むように設計することが可能であり、それは、図のように、使用者の側方に立脚するだけではない。

驚くべきことに、説明したエクソスケルトンに関連して、好ましい単純な股関節機構（例えば、図１～図２５）を用いると、一般に、極めて低いトルクのみが第２の軸９４を作動させるのに必要とされる。遠隔操作用途のように、モーションシュミレータによって腰部や背部上のそれ自体に実行される間、エクソスケルトンが使用者の全体重を支えなければならない場合も当てはまる。例えば、使用者の体重が伸びた脚にのみに係りエクソスケルトンの足部要素の上にある使用者の足によって完全にエクソ脚部に伝達される場合、脚部及び使用者の重心は、常に使用者の負荷をかけた股関節の下又は上で垂直である（点９１）。β＝０度であり、要素８２及び９４の重量が他の重量と比較して無視できる場合、軸９３及び９４の関節角度の変化のみが重心を上げることによって位置エネルギーを変えることができる。これにはかなりのトルクが必要である。しかしながら、足の単一の外部回転又は内部回転（股関節の外部又は内部回転）が達成されるように軸９３及び９５が動かされるならば、軸９４の作動も位置エネルギーを変えることなく可能である。重心は同じ高さのままなので、作業は行われず、軸方向トルクも発生しない。しかし、重力場内の要素８２及び８４の位置は、一般に、軸９３の変更された関節角のために変化するので、低い軸方向トルクがアクチュエータによって加えられるか又は吸収されなければならない。しかしながら、この軸上の横トルクは、脚に体重のかなりの部分が負荷されているとき、一般的に非常に高い。関節部はそれに対応して強い設計でなければならない。低いベアリングの摩擦力も克服する必要がある。脚の外側又は内側の回転は、強制的に人間では弱く発達しているだけである。したがって、主にこの自由度を与える軸９４の駆動されるべきトルクも、エクソ脚部に生じる他のトルクと比較して低い。したがって、ここでのアクチュエータはより小さくてより弱いものとなり得る。

同様に、いくつかの要素８２、８２ｂなどを有する物体の軸方向トルク（図２４～図２６）は、ごくわずかである。したがって、かなり小さいアクチュエータは、すべての構成でこれらの要素の上又は中に簡単に配置できるが、リモート（ボーデンケーブル）でもあり得る。これは、１つの要素８２のみが使用されている場合にも当てはまる。たとえβが０度に等しくなくても、βが小さいままである限り、これらの軸方向トルクは低い。

記載されているすべての構造及び特性の組み合わせは、エクソスケルトンだけでなく、ヒューマノイドロボットや仮想アバター、仮想マシンにも使用できる。仮想の場合、実際の構成要素は対応する仮想の構成要素に置き換えられなければならない。

既に述べたように、好ましいエクソスケルトン１００１、１００２、１００３の前の説明は、関連するアクチュエータの図及び説明を含まなかった。特に適切なアクチュエータは以下に記載される。

図２７～図３１は、新規アクチュエータ２００１の第１の実施例を示している。
図２７は、前方から、すなわちそのハウジングの内側からの閉じたアクチュエータ２００１を斜視図で示す。
図２８は、前記と同様の斜視図で、アクチュエータ２００１を示す。しかしながら、ここでは、ハウジングの一部、すなわち前部基部プレート１０６ａ及び基部フレーム１０７が取り除かれている。
図２９は、前記と同様の方法でアクチュエータ２００１を示す。ここでは、前部チェーン１１０ならびにそれらの駆動に関する要素１０８、１０９、１０４ａ及び１０５ａが欠けている。
図３０は、ハウジング部品なしで、背面からの斜視図でアクチュエータ２００１を示す。
図３１は、前面基部プレート１０６ａを除いた正面図と共にアクチュエータ２００１を側面図で示す。

アクチュエータ２００１は２つの平行なチェーン１１０、１１３を有し、これらはボールネジ１１４を有する平面内でアクチュエータ２００１の一方の側に、それと同じ距離で走る。アクチュエータ２００１は「一体構造」で設計されており、これはハウジング部分１０６ａ、１０６ｂ及び１０７が基礎の機能、すなわち構造的機能を果たすことを意味する。しかしながら、この機能の一部は、ここでは、リニアガイド支持体１２１及びモータ１２４のフレーム１２３によっても引き継がれ、これらは強制的固定的に基部に取り付けられている。ナット１１７は連結ブロック１１８に強制的に固定され、これは適当な手段によってチェーン１１０、１１３に強制固定的に取り付けられている。このアクチュエータ２００１は、専用の駆動シャフト１０１と、専用のアイドラシャフト１０２と、専用の固定シャフト１０３とを有する。駆動スプロケット１０８、１１１は、直接（溶接、ねじ込み）又は間接（ハブ、クランピングセット、スポークハブ）などの適切な手段によって駆動車軸１０１に接続される。車軸１０１及びスプロケット１０８及び１１１もまた単一部品として製造することができる。駆動シャフト１０１は、その軸の周りを回転することができるが移動することができないように、適切なベアリング１０４ａ、１０４ｂによって基部に接続されている。専用アイドラシャフト１０２も、ベアリング１０５ａ、１０５ｂによって同様に取り付けられている。自走スプロケット１０９、１１２は、偏向軸１０２に摩擦係止するように装着されるのが好ましい。しかしながら、ベアリングの配置は、ここでの場合のように、外部軸上ではなく内部軸上で個別に又は一緒になど、異なることもあり得る。専用の固定シャフト１０３（他のアクチュエータを例示のアクチュエータに取り付けるために使用される）を省くこと、及び他の付属品を提供することも可能である。固定シャフトを使用して、自走車軸又は自走スプロケットのベアリングを支持することも可能である（例えば、アクチュエータ２００３のように）。

アクチュエータ２００１では、片側のスプロケットとチェーンを省くことができる。しかしながら、与えられた荷重によっては、かなりの横方向トルクが発生する可能性があり、それはナットとリニアガイドによって吸収されなければならない。基本的な要素、車軸、ベアリングなどは、もちろん空間と重量を節約できるので、新しい形状に適応させるべきである。

図３２は、第２の実施例のアクチュエータ２００２の側面図を示す。このアクチュエータ２００２は、上述のアクチュエータ２００１にほぼ完全に対応する。しかしながら、ここでは駆動車軸はより短く、エクソスケルトン又はロボットの駆動構成要素Ｘは適当な空間節約手段を使用してハウジングの内側の駆動車軸に固定されている。それに応じてハウジングが変更される。アクチュエータ２００１と同様の変形は、もちろんここでも適用可能である。

他の実施例に続き第３のアクチュエータ２００３を図３３～図３７に示す。図３３は、アクチュエータ２００３を完全に斜視図で示しているが、任意のハウジングを除く。

図３４はアクチュエータ２００３を上から見た図でありリニアガイド支持体１２１ｂは、基部と組み合わされて側面ガイドとして図３５に別々に示されていることを特に特徴とする。

図３６は、前部１０８、１０９、１１０を除いたアクチュエータ２００３の側面図を示す。
図３７は、アクチュエータ２００３の斜視図を示しているが、前部１０８、１０９、１１０を除き、かつベアリング１０４ｃ及び１２５ａを除く。

アクチュエータ２００３は「相違的」設計で設計されている。だからそれは必ずしもハウジングを必要としない。ただし、適切なハウジングを基部と組み合わせた１２１ｂリニアガイド支持体に接続して、耐荷重を向上させることができる。基部と組み合わされたリニアガイド支持体１２１ｂは、今や、上記のリニアガイド支持体１２１と比較して、ベアリング及び車軸もそれに取り付けることができるように設計されている。アクチュエータ２００３は、駆動シャフトを支持しかつ軸方向の自由度のみを許容する中央ベアリング１０４ｃを有する。固定シャフト１０３は、ここではリニアガイド支持体１２１ｂにしっかりと接続されている。自走スプロケットは適切なベアリングで固定される。このアクチュエータ２００３は、もちろん、アクチュエータ２００１のように、専用のアイドラシャフトと専用の固定シャフトとが使用されるように実施することもできる。次いで、すべてのシャフトは、ベアリング又は固定によって適切に接続された１２１ｂで取り付けられ得る。また、アクチュエータ２００１と同様に、アクチュエータ２００３は、図３６と同様に、片側の変形で構築することができる（自由、未使用のベアリング及び詳細調整なしで）。ここに示されているすべてのアクチュエータは、一体的又は相違的設計で製造できる。

他の実施例に係る第４アクチュエータ２００４を図３８～図４１に示す。
図３８は、アクチュエータ２００４の斜視図を示す。
図３９は、前部基部プレート１０６ａを除いたアクチュエータ２００４の側面図を示す。
図４０は、基部フレーム１０７を除いたアクチュエータ２００４の上面図を示す。
アクチュエータ２００４’はリニアガイドを１つだけ有する、アクチュエータ２００４を改変したものである。

アクチュエータ２００４は、１１３と印されたチェーンが１つだけの省空間設計を示す。２つのリニアガイド１１９は、適切な手段によってチェーン１１３に直接的又は間接的に取り付けられる。それらはここではチェーン１１３上に取り付けられる。二重配置は長さに影響を与えることなく積載量を２倍にする。それらの位置のために、リニアレール１１９は直線部分よりもかなり長くすることができ、したがってより長いキャリッジ又は二重キャリッジを互いにより大きな距離で使用することができる。これら全てがトルクに対する負荷容量を増大させる。再循環ボールねじ１１４のボールナット１１７はかなりのトルクを吸収しなければならないが、それは適切な手段によってリニアガイドのベアリングにしっかりと接続されているので、これらのトルクは動作にほとんど影響を及ぼさない。変形例２００４’では、関連する制限が受け入れられるならば、このアクチュエータはまた１つのリニアガイド１０９（図４１）だけで動作させることができる。ナット、リニアガイドキャリッジ又はキャリッジと連結ブロックも１つの部品として製造できる。ボールねじのベアリングは、図では基部１０８と共に、適切な手段によって基部に直接又は間接的に接続される。

他の実施例に続き第５の２００５アクチュエータが図４２及び４３に示される。
図４２はアクチュエータ２００５の斜視図、図４３は側面図である。

アクチュエータ２００５は、ただ１つのリニアガイドを有するアクチュエータ２００４’に対応する（図４１参照）。チェーン１１３は、リニアガイドキャリッジに直接的又は間接的に取り付けられている。ここで、リニアガイドは、横軸に沿ったトルクが実質的にゼロになるように、チェーン１１３及びボールねじと共に平面内で移動することが好ましい。図４２では、リニアレールの再循環ボールベアリングガイドの中心がチェーン中心の平面及びボールねじ平面の軸上にないため、描画上の理由から、完全には実現されない場合である。この目的のために、基部及びリニアレールにしっかりと接続されているか又はその一部であり得るスペーサー１２６は、多少厚くなければならないであろう。図から分かるように、基部／ハウジングは部分的にさらに狭く設計することができる。もちろんここでも相違的構築を選択することができる。また、独占的専用軸か非専用軸かを自由に選択できる。リニアレールとボールねじはここでは場所を変えることができる（下記のアクチュエータ２００６と同様に）。次に、チェーン１１３をボールねじのナットに直接又は間接的に取り付ける。しかし、そのような設計では、ナットとリニアガイドへのトルクの影響はより大きくなる。

他の実施例に続き第６のアクチュエータ２００６を図４４～図４６に示す。図４４はアクチュエータ２００６の斜視図であり、図４５は側面図である。さらに、図４６は、ただ１つのガイドレール１１９を有するアクチュエータ２００６’を示す。

アクチュエータ２００６又は２００６’では、１つ又は２つのリニアガイド１１９がボールねじ１１４とほぼ平行に走り、それはチェーンの近くに導かれてトルクを減少させる。
全ての部分は、他の例に対応する基部及び軸に適切に接続されている。

別の例に続き第７のアクチュエータ２００７を、図４７から図４９に示す。図４７はアクチュエータ２００７の斜視図であり、図４８は側面図である。図４９はまた、ガイドレール１１９を１つだけ有するアクチュエータ２００７’を示す。

アクチュエータ２００７又は２００７’では、１つ又は２つのリニアガイド１１９がボールねじ１１４の下を走り、それはチェーン１１３の近くに導かれてトルクを減らす。他の例によれば、全ての部品は基部及び軸に適切に接続されている。これにより、アクチュエータ２００６と比較して空間が節約される。

これらすべてのアクチュエータは、既知の手段、特に既知のばね要素及びそれらをロープ、ロッド、軸などに結合することによって直列弾性アクチュエータに変換することができる。この一例は、図５０～５２に象徴的に示されているように、アクチュエータ２００８である。ここに示されていない要素は、前の例に従って補足されるべきである。決定的な要因は、ばね要素１２７がチェーン１１３の区画に同軸上に取り付けられることが好ましいということである。同軸固定は、横方向の力がほとんどないため、ばね１２７の誘導を不必要又は非常に簡単にする。２つのばね１２７は、ここではそれらの側面のそれぞれにおいて、当接部を有しここでは１１８ｂと印される連結ブロックによって連結されている。反対側では、それらはチェーン１１３に直接接続されるか、又は図５０～５２に示されるようにチェーンばね接続要素１２８で接続されることもできる。これはチェーン１１３に接続される。皿ばね、板ばね、エラストマー、クッシュドライブなどもばねとして使用することができる。これらの要素を使用すると、ポリゴン効果による悪影響も軽減される。チェーン１１３は、以前のようにナット又はリニアキャリッジなどに取り付けることもでき、ばねはチェーンの一部とすることができる。関連するばね機構もまた、連結ブロックの一部としてボールねじと同軸であり得る。ボールネジが軸方向のみに負荷されている場合、これは実施するのが特に容易であり、なぜなら、ばね用の追加の強力なガイドを必要としないからである。知られているように、ばねは、駆動シャフトのねじりばね又はそこに取り付けられたハブ（順次駆動スプロケットを保持する）でもよい。駆動車軸は、ロボットの次の駆動要素が取り付けられているねじりばねに取り付けることもできる。ねじりばねはまた、ロボットの次の要素の一部でもあり得る。図５１、５２では、要素１２８が、要素１１８ｂの２つの側面を有するチェーン及びばねに接続されている。チェーン１１３はここで１１８ｂを通過しなければならない。構造を逆にすることができ、１２８を１１８ｂの一部とし、１１８ｂのばねホルダーをそれぞれチェーンと１つのばねに接続するか、あるいはばねをチェーンに直接一体化してチェーンをばねの間で駆動する。

一般に、第３の軸９５の駆動装置又はアクチュエータだけでなく、第４の軸９６（膝関節）のエクソ大腿部８６（又は人型ロボットの大腿部）にも取り付けることが有用である。これら２つのアクチュエータは互いの上に積み重ねることができる。しかしながら、それらが駆動輪及びプーリの軸を共有することが好ましい。そして駆動車軸は他の軸の転向ローラーのベアリングを保持する。図５３、５４は２００９に適したアクチュエータの例であり、そこでは自由輪スプロケットのベアリング１２９と軸のベアリング１３０も示す。アクチュエータ２００９の原理は、ここに提示され暗示される他のすべてのアクチュエータに適用することができることに留意されたい。車軸とアイドラプーリのベリングの間に、適切なセンサハブなどのトルクセンサを取り付けることが好ましい。これによりシャフトに対して回転しているアイドラプーリの残留トルクを測定し、このシャフトの測定された主トルクを補正するのに使用することができる。好ましくは、自走式スプロケットは、図に示されるように個々に取り付けられるのではなく、最初に共通の車軸に取り付けられ、次に同軸駆動車軸の反対側に取り付けられる。例えばひずみゲージを使用して様々な点で駆動シャフトに作用する軸トルクを測定することも可能であり、従ってシャフトへの個々の影響を分離することができる。もちろん、アクチュエータを１つのハウジング内において相違設計又は一体型設計の複数の基部と一体化することも可能である。

アクチュエータの他の構成は、駆動シャフトがボーデンケーブル機構を駆動することを提供する。この目的のために、例えば適切なプーリがこのシャフトに直接固定されるか、又はロープがシャフトの周りに直接巻かれることが好ましい。シャフト又はローラーは適切なケーブルガイド／溝を有してもよい。複数のロープを使用することができ、それぞれ同じ方向又は反対方向の引っ張り方向に使用できる。１つ又は複数のロープは、力の伝達を確実にするための既知の手段によって車軸又はプーリに固定することができる。ボーデンケーブルを使用して、１つ又は複数の追加のプーリ又は車軸が遠隔地点で駆動されるようにロープを配線することができる。ここでも、通常の直列弾性アクチュエータの特性を達成するために、バネ付きボーデンケーブル又はバネ付きローラーなどの既知の手段を再び使用することができる。ボーデンケーブル機構のプーリ直径を今や使用して、既知の手段によってギア比にさらに影響を与えることができる。ロープを介して、しかしボーデンケーブルを使用せずに、プーリ及び対応する手段を介してのみ電力を伝達することも可能である。

ボーデンケーブル機構と同様に、２つの「液圧－回転変換器」（ＨＲＴ）も使用することができる。アクチュエータ上の１つのＨＲＴは、駆動シャフトによって回転可能に駆動され、２つの接続された圧力管路内に加圧及び減圧をもたらす。遠隔ＨＲＴにおいて、これは作動関節の対応する動きを引き起こす。これはボーデンケーブルよりも損失が少なく、システムの反応が柔軟でないという利点がある。

自走式スプロケット、ローラー、シリンダ等は、駆動スプロケット、ローラー、シリンダ等と同じ直径を有するように常にここでは示されている。しかしながら、それらは異なる直径を有することができる。さらに、いくつかの小さな自走アイドラプーリを使用することができる。これにより、例えば、利用可能なストロークを増大させること、ハウジング内のチェーン、ロープなどの経路にパワーエレクトロニクスのようなさらなるシャフトや装置のための軸を作成するような方法で影響を与えることが可能になる。自走ローラー（等）は、スライドレール、ボーデンケーブル、テフロン（登録商標）ガイド、基部内のチャネル等のような代替の偏向要素によって置き換えることもできる。

チェーン、ロープ、ベルトなどにプレテンションをかけるには、通常適切なテンション装置が必要である。これらは、軸間の距離をわずかに変えるために、ボールねじとは反対側のアクチュエータの側面に取り付けるか、又は軸の支持体に一体化することが好ましい。これらの手段はばね要素を含み得る。

記載された全てのアクチュエータの利点は、それらがモータから駆動車軸まで一定のギア比を有することである。特に広い角度範囲にわたって作動させなければならない関節の場合、これは有利であり得る。これにより、以前よりも多関節のロボットやエクソスケルトンを構築することが可能になる。また、エクソスケルトン又はロボット内のアクチュエータの位置は、もはや角度依存の伝達比に直接影響しない。これにより設計プロセスが簡単になる。

上述の実施例のさらなる利点は、アクチュエータのほぼ全長が今やボールねじの使用可能な移動範囲として利用可能であることである。これにより、駆動シャフトのローラーの直径が一定である作動角度範囲をより大きくすることができる。逆に、より大きいローラー直径、したがってより大きい動力伝達比もまた達成することができる。これにより、ロボット及びエクソスケルトン内のアクチュエータ及び／又はモータの数を減らすことができ、かつ／又は強度又は電力を高めることができる。

上述の設計例のさらなる利点は、チェーンが常にガイドナットの近くに取り付けられていることである。これは振動と制御されていない弾性挙動を減少させる。さらに、作動は両方向で完全に同一である；そして、一方向では安定したトラクション挙動を示さず、かつもう一方では不安定なプッシュ挙動を示さない。これにより、制御可能な力と速度が向上する。

ボールねじ及びブラシレスＤＣモータをリニアモータ（リニア、電気、ブラシレスモータ又はピエゾアクチュエータなど）と交換することが可能である。この駆動の高い応答時間は有利であり得る。いくつかのリニアモータを積み重ねてそれらをチェーン、ロープなどを一緒に駆動させることも可能であり、したがって利用可能な容積を利用して高い力（ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ）を可能にする。

電気的又は機械的ブレーキをアクチュエータに一体化することも可能である。これはモータ上で直接行われるのが好ましい。低い制動トルクがあると駆動車軸に高い制動トルクが生じるからである。

すべてのアクチュエータは、位置エンコーダ、角度エンコーダ、トルクセンサ、及びリミットスイッチを備えた明白な手段を装備することができる。ケーブルは、シャフトを通って１つのアクチュエータから次のアクチュエータへと配線されることが好ましい。この目的のために、ケーブルを挿抜するための開口部がシャフトに設けられてもよい。すべてのアクチュエータは、チェーン、ロープ、ベルト、及び適切な偏向及び引張装置を用いて実現することができる。

アクチュエータは、他のロボットシステム、又は高トルク伝達を必要とする他の任意の用途にも使用することができる。より大きな力を達成するために、２つのボールねじを使用することもでき、それらの各々は、共通のチェーンを取り付けるために記載の手段を有する。次に、スピンドルはスプロケットの反対側に配置され（例えば、駆動車軸と自由軸の平面上に鏡映される）、それぞれチェーンの異なる直線部分を駆動する。そしてナットはチェーンを同じ回転方向に駆動するが、空間において反対方向になる。チェーンの直線部分が複数ある場合、複数の回転輪又は駆動輪がある場合は、２つを超えるスピンドル、モータなどを使用することもできる。同様に、いくつかのスピンドルが、それぞれが共通の駆動シャフトを駆動する平行機構を駆動することができる。これは、すべてのチェーン、モータ及びスピンドルなどによって駆動されるただ１つの駆動シャフトしかないことを除いて、図５３、５４の図解にほぼ対応する。ストレージはこの状況に適応する必要がある。

無制限の作動範囲を達成するために、例えば、共通のチェーンを駆動する２つのボールねじを有するシステムでは、作業を行うために適切な手段で一度に１つのスピンドルのみがチェーンに係合しなければならないということがあり得る。もう一方のスピンドルは、接続されたナットとチェーンのグリップ機構を引き込み、チェーンと係合し、作業を開始したり力を加えたりし得る。それから、他のグリップ機構はそれ自身をチェーンから解放し、その新しい開始位置に移動し、チェーンを握りそしてチェーン上で作業を開始し、あるいは力を加え得る。この手順は、ハンドルを両手で回すのと似ているが、ここではハンドル操作を続けるには一回に片手だけが必要である。チェーンのトルク、力、速度及び／又は位置は、特に係合及び解放する場合、不連続が発生しないように正確に制御する必要がある。ロープ又はベルトを用いても同様の機構を再実現し得る。チェーンなどを握って保持するのに適したグリッパの外形及びアクチュエータの設計は明白な（例えば、ロープクランプス、ケーブルウェイズ）、両側に歯の外形を有するプライヤである。また、共通のシャフトを駆動するために、いくつかのボールねじを並列に使用することができる（図５３、５４と同様であるが、１つの駆動軸のみを有する）。しかしながら、ここでもまた、構造体がチェーン等に係合及び解放することができるように構造体を設計することができ、したがって駆動車軸の任意の軸方向移動を達成することができる。同様に、スプロケット、車軸、ハブなどにも連結機構を設けることができる。その後、チェーンはナット／ボールスピンドルに接続されたままであり得、スプロケット又はシャフトは、駆動方向に再び操作されて作業を実行するか又は力を発生させるために係合される前に切り離されそして引き込まれ得る。いくつかの回転ボールねじの駆動を係合及び解放するという原理は、片側だけのチェーン積載を伴うアクチュエータの例にも適用することができる。その場合、２つの駆動スプロケットと２つのボールねじを有するそのようなアクチュエータは、両側にチェーン積載を有するアクチュエータよりも大きくないか又は実質的に大きくない。ここでは、ナットとボールねじによってそれぞれ片側から駆動される１つのチェーン（又はフェーズドチェーンの構造）のみを使用することもできる。ここでは、それが分離されそして戻されるならば、グリップ機構が衝突するのを防止しなければならない。

遠隔操作のためのエクソスケルトン、すなわち仮想環境（アバター）又は実環境（ヒューマノイドロボット）においてプロキシを制御するために、モーションシュミレータを使用して静的又は時間的に変化する身体加速度を使用者に及ぼす。ジンバルサスペンションもこの目的に使用される。

以下の図は、エクソスケルトンとともに使用できる好ましいモーションシミュレータを説明する。図５５は、後部装着型のエクソスケルトン２０３が取り付けられたモーションシュミレータ３０００の斜視図を示す。モーションシミュレータ３０００は、基本的に２つの主要部分で構成され、すなわち、
－アクチュエータ２５０、２５２、２５４、ならびに、ここでは示されていないモータ、シャフト、ロープなどの適切な駆動手段を有する並進ユニット２１０。これにより、矢印Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に沿った並進移動が可能になる。
－第１の回転部材２００、第２の回転部材２０１、及び第３の回転部材２０２を備える回転ユニット２１１。これらはそれぞれ、隣接する要素に対して回転可能に取り付けられる。

以下では、主に回転部２１１について説明する。図５６もモーションシュミレータ３０００の斜視図であり、以下では異なる回転軸を説明するために使用される。

第１の回転要素２００は、その第１の端部に、第１の回転軸２０５を中心に回転可能にリニアアクチュエータ２５４に取り付けられ、これは通常の動作では本質的に垂直であり、リニアアクチュエータ２５４の垂直軸に対応する。 第１の回転要素２００の第２の端部には、第２の回転要素２０１が第２の回転軸２０６を中心に回転可能に取り付けられている。この第２の回転要素２０１の他端には、第３の回転要素２０２が第３の回転軸２０７の周りにベアリングで取り付けられている。第３の回転要素２０２の他端には、エクソスケルトン２０３が第４の回転軸２０８を中心に回転可能に取り付けられている。上述の回転軸の各々に対して適切なベアリングが提供され配置されなければならないことに注意すべきである。これは一般に専門家に知られているので、これ以上論じない。

図５７は、回転軸２０５、２０６、２０７、２０８が点２２０で交差し、個々の要素又は軸の間にどの角度が形成されるかを示し、つまり
－回転軸２０５と２０６は要素角２１２を形成する。
－回転軸２０６と２０７は要素角２１３を形成する。
－回転軸２０７及び２０８は要素角２１４を形成する。

ジンバルロックを回避し、エクソスケルトン内の使用者がすべての可能な空間的方向を想定できるようにするには、要素角度の合計が１８０度より大きくなければならない。図では、回転要素２００、２０１、２０２はそれぞれ２つの車軸ベアリング又は軸の取り付け点のみを備えている（使用者のそれぞれの側面に２つの反対側のものを備えていない）。 特に、並進ユニット２１０への取り付けから数えて第１の回転要素２００及び第２の回転要素２０１は、しかしながら、それらが鏡面対称に追加されるべきであるならば、２つの車軸取り付け点又は車軸ベアリングを有することもできる。しかしながら、第２の回転要素２０１をそのように補足するのではなく、その代わりに、エクソスケルトンの脚部が好ましくはそれから離れる方向に向けられるようにそれを方向付けることが有利である。第２の回転要素２０１は、重量及び空間を節約するために楕円形である。しかしながら、これは次の回転要素２０２の大きさを制限するので、それはもはや完全な又は半円として設計することはできず、そうでなければ使用者は必然的にそれと衝突するはずだ。

本発明によれば、第３の回転要素２０２は、単純で短く小さい弧又はブラケットとして設計されているので、それは車軸及び車軸ベアリングに対して２つの固定点のみを有する。３軸のみを有する回転ユニット２１１がジンバルロックを経験する領域において可能な限り滑らかな運動挙動を達成するために、第３の回転要素２０２の角度はできるだけ大きく選択される。

一般に、エクソスケルトン２０３は、第３の回転要素２０２と衝突することなく、又は使用者が特定の姿勢をとるときに衝突することなく、もはや軸２０８の周りを３６０度回転することはできない。ただし、これらの衝突は避けなければならず、また防ぐことができる。一般に、２０８軸を３６０度作動させる必要はない（より小さい要素角度２１３の場合、しかしながら、３６０度の作動が可能である。しかし、その場合は、高速度と加速度に関する前述の問題が再びますます発生する。）。

図５８に見られるように、第３の回転要素２０２は、それは全体的にかなり高く座るように、そして第２の回転要素２０１に取り付けられる部分は（図に示されるように回転ユニットの中立位置にある）エクソスケルトン上の取り付け点に対して底部に座るような方法で、好ましくはエクソスケルトン２０３に取り付けられている。しかしながら、他の種類の取り付けも可能である。図はまた、第３の回転要素２０２がエクソスケルトン２０３に対してある角度で取り付けられることが好ましいことを示している。これは、腰の第２の要素８２の軸９３に類似した２つの角度によって説明することができる背部取り付け２０４によって達成される（図２）。要素軸２０８がすべての要素軸２０５、２０６、２０７、２０８の共通の交点を通ることが重要である。これは好ましくは使用者の身体にあり、例えば使用者の頭又は胴にある。好ましくは、通常位置における第３の回転要素２０２に対して開始角度が選択され、次いで適切な背面支持体２０４が設計される。次いで、このブラケット２０４は、エクソスケルトン２０３の背部プレート（又は腰部プレートなど）と共に剛性ユニットを形成する。設定例では、要素２０２は垂直から３０度傾いている。要素２０２が背部プレート又はエクソスケルトン２０３の他の部分と衝突しない場合、この角度もまた異なり得る。軸２０８の作動角度は、第３の回転要素２０２が背部プレートと衝突することが決してできないほど小さいか又はより小さい領域に制限されなければならない。関節角の有効残余合計が１８０度を超える場合は、通常、この範囲を最大値よりもかなり小さく選択すれば十分である。他のすべての軸２０５、２０６、及び２０７は、３６０度全体にわたって作動させることができる。

好ましい設計例では、要素角度は以下の値を有する：
角度２１２＝９０度。角度２１３＝９０度。角度２１４＝３０度（図５７参照）。

制御は境界条件付きの逆運動学の方法で行われる。軸２０８は、好ましい実施例では、エクソスケルトンの背部プレートに対して＋／－３５度を超えて決して偏向されないように制御されることが好ましい（図では、これは３０度である）。この角度は、腕を持つ使用者が第２の回転要素２０１から遠ざけられるように機構を制御するために使用される。この目的のために、柔らかい又は強い拘束又は位置を使用することができる。制御方法は、例えば最初に目標方位を取ることであり、例えば、アバターの空間位置、又はモーションキューイングプロセスからの対応する目標値である。コンピュータでは、モーションシュミレータ又はその一部のモデルの動的シミュレーションにおいて、エクソスケルトンにおける使用者の所与の目標位置が境界条件として適用されるか、又はモーションシュミレータのエンドエフェクタ又はエクソスケルトンに拘束される。次いで、模擬モーションシュミレータは、必要な向きを達成するために「自動的に」正しい関節角度が採用されるように反応する。これらの関節角度は、実際のモーションシミュレータのターゲット角度として使用できる。もちろん、この手順は数値シミュレーションではなく正確な数学モデルを使用することによって数学的に単純化し加速することもできる。この設計の利点は、第３の回転要素２０２をエクソスケルトンの非常に近くに配置できることである。これはそれを小さく、堅く、軽くそして回転の中心に近くする。それ故、作動するのは容易かつ迅速である。それは非常に大きな要素角度を持つことができ、それはさらに大きくて重い要素をさらに必要とするだろう。衝突は、２０８軸を３６０度よりも小さい角度範囲で作動させることによって防止することができる。以前は、衝突を回避する必要があるため、より大きな要素を使用する必要があった。２０８軸の限られた角度範囲にもかかわらず、この機構は全ての回転の空間を十分にカバーしているので、２０５～２０８の回転要素全ての低速及び加速度のみでの流体移動が可能である。ジンバルロックは避けられ、システムは常に「良い特性」のふるまいをする。使用者の近くで説明された軽い要素を使用することは、ジンバルサスペンションの速度に関してさらなる利点を有する。空間内の使用者の各方向又はほぼすべての方向に対して４軸及び３つ以上の要素を使用することによって、使用者のこの方向を生成するために、ジンバルサスペンションの無限に多数の密接に隣接する作動角がある。使用者の新しい空間的位置／向きが迅速に採用されるべきであるならば、回転ユニットの全ての要素は迅速に反応しなければならない。しかしながら、これは外側要素では特に困難である。なぜならそれらは通常大きくて重い、一方では大きな慣性モーメントを有し、他方ではモーションシュミレータの内部構造全体がそれらに作用するからである。上述の回転ユニットの運動学的制御において個々の要素の慣性（近似又は精密）も考慮に入れると、急激な向きの変化や角速度の急激な反転があっても、大きな要素ではソフトな加速動作が発生することがわかる。それらはゆっくりと、言い換えれば、ゆっくり回転し、それを逆転させる前にゆっくりとそれらの回転速度を下げ得る。高速又は突然の変化は、最も内側又は２番目に内側のアクチュエータでほぼ排他的に発生する。これらは小さく、すぐに反応する可能性がある。これは、システムの反応を遅くすることなく、可能な限りより弱いモータを用いて、回転ユニットのより大きくより堅い外側要素を選択することを可能にする。あるいは、より速い動きを実行することができる。

この利点をさらに拡大するために、この要素２０２がエクソスケルトンに取り付けられるように、追加の小さな要素を内側要素２０２に取り付けることができる。これらの追加の要素も、特に所望の大きな要素角度に対しては、一般に３６０度よりも小さい角度範囲にわたってのみ作動される。したがって、内側要素のより速い反応でも、外側要素の反応がより遅いなどの事実につながる可能性があり、それに応じて設計することができる。

代替的に、個々の要素の角度は任意であることができるが、合計は１８０度以上、好ましくは２７０度以下であるように、３つの要素の４軸、又はそれ以上を有するジンバルサスペンション一つのみを設計することも可能である。これにより、結果として生じる機構がジンバルロックを回避することが可能になる。その場合、要素の角度は一般的に９０度より小さく、これは以前のモーションシミュレータの選択である。角度合計が小さければ小さいほど、関節はより速く作動され加速されなければならないが、構造はより軽量になり、より不活性になる。限られた配向空間しか必要とされない場合、角度の合計は１８０度未満であり得る。

ジンバルサスペンションの２つの要素と３つの軸だけでも、ジンバルロックを回避することが可能であり、それでも要素の作動中の高速を必要とせずにほぼあらゆる配向をとることが可能である。このためには、要素の角度の合計が最初に１８０度より大きくなければならない。両方の要素角度が等しい場合、ただ一つの位置であり、折りたたみ要素を有し、軸が平行になり、自由度が失われる。角度の合計が大きいほど、配向空間での速度と加速度の挙動が良くなる。全ての軸は依然として１つの平面内に存在することができるが、代替の関節角度があり、それは使用者の同じ空間的位置／配向を示し、そこでは軸が１つの平面内に存在しない。この設計は、４軸の設計と比較してアクチュエータ、重量、及び費用を節約する。

ここに示されている要素の軸ベアリングは非常に短く平坦である。しかしながら、それらはまた長くてもよく、しがたって例えばシリンダに類似し、そして要素間又はある要素からエクソスケルトンの間の距離を橋渡ししてもよい。

記載された種類のジンバルサスペンションはまた、他のいかなる用途にも用途を見出すことができる。前述のエクソスケルトンは、足部９０の特別な設計によってさらに改善することができる。エクソスケルトン－及びまたヒューマノイドロボット－は人間の可動性に近づくために通常足の２つの自由度を必要とする。これは作動中に対応する力（ｅｆｆｏｒｔ）を必要とし、それは順次対応する空間と重量を必要とする。

図６０は、本発明によるエクソ足部９０００の好ましい設計例を示している。この足部９０００は、使用者の足首関節の横軸とほぼ平行な軸９１０を有する。この軸と平行に、好ましくはシャフト９０２を使用して足部をアクチュエータに取り付ける。代替的には、このシャフト９０２はアクチュエータの一部である。

したがって、足の回外及び回内運動は作動させることができない。同様の種類の動きを可能にするために、作動されないが、図６１に示すように足部９０００の足底９０４は横方向に丸められている。

これは、異なる半径の円又は円形の形状を有する２つの円形部分の外形に基づいて行われることが好ましく、それらは使用者の足首関節に近い中心を有し、使用者の正面に平行に位置する（図６３）。より小さな円直径は広げやすくし、より大きな直径はより安全な立脚を可能にする。回内運動を容易にすること、すなわち足の内側により小さい半径である９０００を選択することが好ましい。外形は、矢状軸に平行に足の長さに沿って前方に掃引されて、足部９０００の中央に足底の表面を画定する（図６２、６３）。エクソ足部９０００のかかと部分を画定するために、外形は足首の軸を中心に後方に回転する。足部９０００の中央部分では、足首関節から第１足指関節までのほぼ前方であり、足底９０４の表面が左右の側部に円筒形又は円筒形の幾何学的形状の表面部分を形成する。

足部９０００の後部において、おおよそ足首から後ろにかけて、左右の足底表面はボール又はトーラスなどの表面部分に類似する。

エクソ足部９０００の前部は、足の中央部からの移行部で中央部と同じ断面を有する。前部は平坦であり得るが、回転を可能にするために上向きに傾斜させるのが好ましい。中央部から前部への移行部はまた、横方向軸に表面外形を回転／掃引することによる中央部から後部への移行と同じ方法で製作される。横軸から足底９０４までの距離は、足底９０４から足首関節までの距離よりも前部の方がはるかに大きいことが好ましい。この軸は、容易に広げることを達成するために、好ましくは下腿の近くに配置される。

与えられた足部９０００の利点は、今やエクソスケルトンの足部９０００（ロボット又は仮想アバター又は仮想機械）が回転ベアリングのように作用することである。一歩踏み出され、丸いかかと領域を有する足部９０００が地面に接触すると、足部９０００は、中央の足領域が地面に接触するまでかかと表面で回転する。この時まで、足部９０００が同時に左から右へ強く回転するべきでない限り、その場合でも距離の変化は緩やかで遅くなるが、足首から床までの距離は実質的に一定に保たれる。回転時のこの実質的に一定の距離はまた、足部９０００を回転することにより、その高さを変えず、したがって使用者が一定の速度で歩くときに体の上部に作用しない強固な基部、足首関節を形成することを意味する（そうでなければ、制動力または加速力が運動の方向に又は運動の方向に反対に作用する）。したがって、足部９０００の足底９０４が実際に硬い材料でできていても、回転は非常に流動的で柔らかいと知覚される。

足部の前部が後部と同じように形作られているが、前に回転するときの半径がかかとよりも大きい場合、同じ効果が発生し、足は体の大部分には何の働きもしない。しかしながら、膝と足首の自然な動きはより大きな半径を必要とする。半径の中心が膝関節にある固定された足首位置を選択することも可能である。これにより、可動足首がなくても非常に柔らか回転が可能になる。外形半径の接線方向の移行により、いつでも左右に回転可能となる。

足部９０００の中央部は側面から見て垂直である。これは安定した立脚を可能にし、そして使用者は不安定になることなく使用者の重心を移動させることができる広い範囲を有する。この平坦な領域は外形の回転軸を前後に動かすことによって減少又は増加させることができ、操作性に影響を与える。足部９０００の前側領域への移行領域も前後に動かすことができる。

横には、示されたエクソ足部９０００の有する、そのような垂直な領域はない。ただし、追加することは可能である。その場合、図６３の円部分の中心は互いに重ならず、左右に補正する。底部において、足底は直線部分を有し、それは好ましくは接線方向に円部分に合流する。

足部９０００の外縁は、極端な姿勢を可能にし、怪我を防ぐために、小さな半径で丸みを帯びていることが好ましい。足底９０４は、ゴムなどで覆われていること、及び／又はこの材料で作られていることが好ましい。これにより、歩行時の牽引力と衝撃吸収性が向上する。特に、横方向の回転も弾性、制振性材料によって抑制され、これは、片足で立っているときにバランスを維持するのに必要な労力を減らすため、垂直部分のない横方向の外形において役立つことがある。この種の足をエクソスケルトン、ヒューマノイドロボット、仮想アバター、又は仮想マシンで使用することは可能である。

６脚としても知られているスチュワートプラットフォームは、遠隔操作（仮想又は実際のプロキシ）システムにおけるエクソスケルトンのためのモーションプラットフォームとしても適している。スチュワートプラットフォームは、一般に、一方の側に床又は他の基部を取り付け、そして他方の側に作業プラットフォーム又は作業平面を取り付けた６つのリニアアクチュエータ又は同様の手段を有する。

図６４及び図６５は、本発明によるスチュワートプラットフォームの一例４０００を示す。図６４は、斜視図を示し、図６５は、スチュワートプラットフォーム４０００の正面図を示す。

スチュワート４０００プラットフォームは、基部としても知られる固定フレーム３０３を備えている。このために、可動フレーム３０２が、好ましくはリニアアクチュエータとして設計されている多数のアクチュエータ３０４ａ～３０４ｆを覆って設置されている。エクソスケルトン３００は、取り付け要素３０１によってこれに取り付けられる。スチュワートプラットフォーム４０００の場合、作業プラットフォームは可動フレーム３０２によって形成される。エクソスケルトン３００は、使用者がフレームにおけるアクチュエータ３０４ａ～３０４ｆの取り付け点の間の中心にくるように、取り付け要素３０１によってフレーム３０２内に位置決めされる。アクチュエータ３０４ａ～３０４ｆは、可動フレーム３０２と固定基部３０３又は床もしくは床支持体に固定される。図６４、６５に示すように、固定点が互いに補正しているスチュワートプラットフォームの通常の基本配置が使用される。体の構成要素と衝突することなく脚部及び腕部を前方に振りやすくするために、エクソスケルトン３００をわずかに後方に変位させることが有利である。使用者は一般的に完全に直立して歩く傾向が全くないので、使用者が直立した状態でフレーム３０２が後方にわずかに傾斜していると有利であり、したがって最大前方傾斜角を増加させる。本発明による可動プラットフォームは、長い支持体３０５ａ、３０５ｂ及び３０５ｃを備えている。これらの支持体３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃは、モーションシュミレータの作業スペースを最大にするために不可欠である。それらは使用者に対してフレームを持ち上げるので、使用者がフレームと衝突する可能性を減らす。それらはまた、作業プラットフォーム又は支持体自体が３０４ａ～３０４ｆアクチュエータと衝突することなく、アクチュエータ間で非常に低く沈み、なお直線的に傾斜し、旋回し、そして加速することを可能にする。これは、基部３０３における３０４ａ～３０４ｆアクチュエータとそれらの最小長との間の距離が非常に大きいので、上下の取り付け点が実質的に床と平行な平面内にあっても、３０４ａ～３０４ｆアクチュエータはまだ完全には後退しないという事実により、これらはさらに促進される。これは、作業プラットフォームが低い位置にあるときでも、並進及び回転を作動させることができることを意味する。モーションシュミレータの回転作業空間をさらに拡大するために、本発明によれば、追加の回転アクチュエータを介してエクソスケルトン３００を作業プラットフォーム３０２に対して回転させることもできる。例えば、締結要素３０１は、その長手方向軸もしくはその横断方向軸、又はこれらの組み合わせの周りで回転することができるように設計することができる。回転ユニットをエクソスケルトン３００に直接設けることもできる。一般に、ジンバルサスペンション又はシリアルロボットアームも可動プラットフォームに接続することができる。

ジンバルサスペンションの第１の、好ましくは円形の要素をフレーム３０２として選択することが特に有利である。次いで、このサスペンションのさらなる要素をこの第１の要素の内側に取り付けることが好ましい。次いで、スチュワートプラットフォーム４０００のアクチュエータは、それらが回転及び／又は並進運動、又は例えば並進運動のみを生じるように駆動することができる。後者の場合、スチュワートプラットフォームは純粋な並進移動ユニットとして使用され、ジンバルサスペンションは純粋な回転ユニットとして機能する。後者について、本発明による上記の特徴を再び採用することができる。並進ユニットとしてのスチュワートプラットフォームは、平行機構であるため、非常に堅くて強いという利点がある。しかしながら、スチュワートプラットフォームはまた、また、保持されたジンバルサスペンションに加えて、又はそれに加えて回転を生成することができる。可動プラットフォーム３０２上の回転ユニットは任意の軸配置をとることができる。

可動プラットフォームをフレームとして設計することは有利であり得、それは固定点間の交差接続を非常に高く置く。これは、例えば、支柱構造における半球又はドームに似ているが、アクチュエータ３０４と伴う取り付け点への長い支柱３０５を有し得る。交差支柱はまた、取り付け点の間で斜め上方に誘導されることができ、したがって、図のようにもはや１つの平面内に存在しない。基部３０３は、図６４、６５にフレームとして示されている。しかしながら、このフレームは省略することもでき、アクチュエータは床に固定することもできる。固定点は柱の上に立てることもできる。したがって、使用者が床に衝突する危険性を冒さずにプラットフォームを非常に低く保つことができる。そして、モーションシミュレータの作業領域は拡大されるが、所要空間は増加する。

アクチュエータをプラットフォームと基部に固定するために必要な接合は、図６４、６５では欠けているが、カルダンシャフト（Ｕ字接合）として設計されるのが好ましい。

装着要素３０１は図にのみ示されている。それはエクソスケルトン３００の背後に配置されるのが好ましいが、図よりもはるかに強くてもよい。特に、それはいくつかの点で作業プラットフォームに接続されるか、支えられるか、あるいはプラットフォーム自体の一部でさえあり得る。

２つを超える同軸要素（図では１つの固定要素と１つの可動要素＝２つの要素）を有する伸縮式リニアアクチュエータを使用することが好ましい。これらは最大長と最小長の間により大きな差を有する。したがって、それらははるかに広い作業範囲を可能にする。例えば、伸縮ボールねじ又は油圧シリンダを使用することができる。特に作業プラットフォームが低くなっている場合や急に傾斜している場合は、これはかなりの利点をもたらす。

エクソスケルトン３００の後ろで、又は機構の他の点で、保持されている重力及び／又は他の力及びトルクを測定することは有用であり得る。これは、遠隔操作用途においてエクソスケルトン３００を制御することをより容易にする。

記載されたモーションシュミレータの利点は、拡大された使用可能な作業領域を使用することができるように、例えばその中央に使用者を保持する能力にある。特に長いアクチュエータの移動を必要とせずに、使用者を使用者の内側又は近くの点を中心に容易に回転することができる。可動作業プラットフォーム（又は同様の可動構造）上の支持体を使用することによって、深い又は遠くに傾いた／回転した空間位置において単純なリニアアクチュエータでさえも並進運動を依然として発生させることができる。傾斜範囲、旋回範囲、回転範囲など、すなわち可能な向きの空間が拡大される。これらの範囲は、エクソスケルトン３００を旋回させるために１つ又は複数の追加の回転軸を使用することによって拡張される。スチュワートプラットフォームがジンバルサスペンションを含むように設計されている場合は、任意の空間位置を想定することができ、スチュワートプラットフォームの古典的な境界を超えることができる。したがってスチュワートプラットフォームは非常に強固で強力な並進ユニットとして機能するが、回転を示すこともできる。

エクソスケルトンのない、スチュワートプラットフォーム又は並進ユニット及びジンバルサスペンションを有する記載されたモーションシュミレータはまた、コンピュータ用の他の入力及び出力ユニットと組み合わせることができる。エクソスケルトンの代わりに、航空機、ヘリコプター、又は車両の操縦席を取り付けて、仮想又は実際の輸送手段を制御し、遠隔制御又はシミュレーション用途でそれらに作用する力の改善された印象を得ることができる。

ここで記載される技術革新は、遠隔操作、ロボット工学、運動シミュレーション及び作動のシステムにおいて有益な新しい特性を達成するために様々な方法において組み合わせることができる。

記載された装置又は工程のいずれか１つ、装置又は工程の任意の組合せ、又はすべての装置又は工程の組合せが実現され得る。

以下において、いくつかの有利な組み合わせが言及される。
ヒューマノイドロボット、仮想又は現実機械及びエクソスケルトンについて記載されている足要素（図６０～６３及び記載事項）は、図１～２６及び上記の説明に記載の特に股関節を有するエクソスケルトン、ロボット又は仮想機械に関してそれらの完全な利点を広げる。この股関節は、危機的な状況でも脚と足のより良い制御を可能にし、そして足要素の追加の自由度から最大の利益を引き出すことができる。

記載されたエクソスケルトン（また記載された足と組み合わせて）は、記載された運動プラットフォーム及びそれらの変形と組み合わせることができる。

記載されたアクチュエータは、小さな空間でより大きい作動角度範囲、より大きいトルク、低いエネルギー消費、より小さい重量、後方駆動能力などを達成するために、エクソスケルトン、遠隔操作型ヒューマノイドロボット及びモーションシュミレータにおいて使用することができる。したがって、エクソスケルトン、遠隔操作型ヒューマノイドロボット、及びモーションシミュレータは、他のアクチュエータでは達成できない、又は達成が困難な特性を取得する。特に、第３軸が、使用者の自然な作業範囲が著しく制限されないように、多くの作業を行うことができなければならず、記載されたアクチュエータから利益を得る記載されたエクソスケルトン及び人型ロボットの股関節構造は、同時に非常に広い範囲の作動角を持たなければならない。同じ程度ではないが、同じことが膝の第４の軸９６にも当てはまる。

モーションシミュレータとして記載されたジンバルサスペンション、それらの要素又はそれらの部分は、改良された股関節、及びスチュワートプラットフォームと共に、記載されたエクソスケルトンと組み合わせることができる。これは、エクソスケルトンの改善された移動性及び強度を活用することを可能にするが、そうでなければ制限された動作シミュレータによって制約されるであろう。例えば、高速ジャンプ、ランニング、トランポリンジャンプなどが記載されたエクソスケルトンによって可能にされるが、記載されたモーションシミュレータが提供するこの可能性を十分に活用するために適切なモーションシミュレータも必要である。

知覚される重力を減少又は増加させるための方法及び装置にも同じことが当てはまる。それらは、単独で又は任意の組み合わせで、記載された股関節、足要素、及びモーションシミュレータから利益を得る。知覚される重力を減少又は増加させるための方法及び装置は、例えば、力が減少された場合、より軽いエクソスケルトンの使用を可能にする。しかしながら、それより、より速い移動及び位置変更を実行することを可能にするために、記載されるように、より速くより良いモーションシミュレータが必要であるか、又は少なくとも有用である。力が増加した場合、足のあらゆる自由度が作動することが特に重要である。

記載のとおり３つの有効自由度及び完全に作動する足を有する完全作動股関節は、使用者が直接制御する自由に動くエクソスケルトンによってより大きな積載を支えることを可能にする。その代わりに、そのようなロボットが、モーションシミュレータ上のエクソスケルトンにおいて遠隔使用者によって遠隔操作的に操作される場合、この使用者は、上記した重力低減の可能性から、及び記載の足を使用することによって利益を得る。これは仮想用途にも当てはまる。エクソスケルトン及びロボットにおける記載の股関節は適用可能性をさらに改善する。

記載のスチュワートプラットフォームは、記載のジンバルサスペンションと組み合わせることができる。したがってスチュワートプラットフォームのアクチュエータは、直接又は間接的にジンバルサスペンションを支持する。記載の最も内側の要素２０２、又は前後に並ぶそれらのいくつかは、モーションシミュレータの回転作業空間を拡大するために（必要ならば２０４などのブラケットで）エクソスケルトンを間接的又は直接的にスチュワートプラットフォームの可動作業プラットフォームに取り付けるために使用することもできる。

エクソスケルトンを背後で移動プラットフォームから素早く取り外すことができることを備えることができる。このエクソスケルトンは、力を高めるための可動エクソスケルトンとして、又はヒューマノイドロボットとして直ちに使用することができる。そして、このエクソスケルトンに記載された足を装備して、容易な回転及びより良い制御などを可能にすることが有利である。それからこのエクソスケルトン又はロボット等はまた、重力の減少又は増大のための装置を有することができる。

「歩行車椅子」として使用されるとき、エクソスケルトンは、股関節、記載の足、ならびに重力補償又は重力拡大の装置及び手順の任意の組み合わせから利益を得る。彼らは、障害のある、弱っている、又は麻痺している人々が彼らの足で彼らの全体重を運ぶことなく、より自然に動くことを可能にする。同様に、知覚体重を徐々に増加させて筋肉の成長又は順応を達成することができる。宇宙飛行士にとって、そうでなければ存在しないであろう重力の印象も達成することができ、ここでは筋肉の破壊を減らすのに役立つ。

上記の組み合わせ、それぞれの革新の各組み合わせ、又はすべての革新の組み合わせを含む、記載の革新のそれぞれを実現することができる。

８０ａ 要素１、第１の要素、エクソ腰部又はエクソ背部プレート
８０ｂ ８０ａの車軸取り付け領域（取り付け要素）
８１ 軸１のシャフト
８２ エクソ股関節１、要素２、第２の要素
８２ｂ エクソ股関節１ｂ、要素２ｂ
８２ｃ エクソ股関節１ｃ、要素２ｃ
８３ 軸２のシャフト
８４ エクソ股関節２、要素３、第３の要素
８５ 軸３のシャフト
８６ 要素４、第４の要素、エクソ大腿部
８７ 軸４のシャフト
８８ 要素５、第５の要素、エクソ下腿部
８９ 軸５のシャフト
９０ 要素５、第６の要素、エクソ足部
９１ 股関節の中心
９２ 股関節の中心を通る矢状軸に平行な軸
９３ 軸１、第１軸
９４ 軸２、第２軸
９４ｂ 軸２ｂ
９４ｃ 軸２ｃ
９５ 軸３、第３軸
９６ 軸４、第４軸
９７ 軸５、第５軸

１０１ 駆動シャフト／駆動車軸
１０２ 偏向シャフト、アイドラシャフト
１０３ 固定シャフト／固定車軸
１０４ａ ベアリング、前部、駆動車軸
１０４ｂ ベアリング、後部、駆動車軸
１０４ｃ ベアリング、中心、駆動車軸
１０５ａ ベアリング、前部、自走車軸
１０５ｂ ベアリング、後部、自走車軸
１０６ａ 前基部プレート
１０６ｂ 後基部プレート
１０７ 基部フレーム
１０８ 駆動前部スプロケット
１０９ 自走前部スプロケット
１１０ 前部チェーン
１１１ 駆動後部スプロケット
１１２ 自走後部チェーンホイール
１１３ 後部チェーン
１１４ ボールねじ
１１５ ボールねじベアリングＡ
１１６ ボールねじベアリングＢ
１１７ ボールナット、ナット
１１８ 連結ブロック
１１８ｂ ばね要素用アバットメント付き連結ブロック
１１９ リニアガイドレール、レール
１２０ リニアガイドキャリッジ
１２１ リニアガイド支持部
１２１ｂ 基部の組み合わせたリニアガイド支持部
１２２ シャフトカップリング
１２３ モータフレーム
１２４ モータ
１２５ａ ベアリング、前部、自走スプロケット用
１２５ｂ ベアリング、後部、自走チェーンスプロケット用
１２６ スペーサー
１２７ ばね要素
１２８ チェーンばね接続要素
１２９ 自走スプロケット用ベアリング
１３０ 車軸用ベアリング

２００ 要素Ａ、第１の回転要素
２０１ 要素Ｂ、第２の回転要素
２０２ 要素Ｃ、第３の回転要素
２０３ 背部支持部付きエクソスケルトン
２０４ 背部支持部
２０５ 軸Ａ、第１の回転軸
２０６ 軸Ｂ、第２の回転軸
２０７ 軸Ｃ、第３の回転軸
２０８ 軸Ｄ、第４の回転軸
２１０ 並進ユニット
２１１ 回転ユニット
２１２ 要素角度Ａ
２１３ 要素角度Ｂ
２１４ 要素角度Ｃ
２２０ ２０５－２０８の交点
２５０ 第１のリニアアクチュエータ
２５２ 第２のリニアアクチュエータ
２５４ 第３のリニアアクチュエータ

３００ エクソスケルトン
３０１ 取り付け要素
３０２ 可動フレーム／作業プラットフォーム
３０３ 固定フレーム／基部
３０４ アクチュエータ
３０４ａ－ｆ リニアアクチュエータ
３０５ 支持部
３０５ａ－ｃ 各々の支持部

９０２ シャフト
９０４ 足底
９１０ ９０２を通る軸

１０００－１００３ エクソスケルトン
２０００－２００９ アクチュエータ
３０００ モーションシミュレータ
４０００ スチュワートプラットフォーム
９０００エクソ足部
Ｘ 駆動コンポーネント

Claims (10)

1. 第１の部材（８０ａ、８０ｂ）、第２の部材（８２）、第３の部材（８４）、及び第４の部材（８６）を含む装置（１０００）であって、
   －第１の部材（８０ａ、８０ｂ）は第１の回転関節（ｒｏｔａｒｙ ｊｏｉｎｔ）（８１）に接続され、それを介して第２の部材（８２）が第１の軸（９３）に回転可能に支持され、
   －第２の部材（８２）は第２の回転関節（８３）に接続され、それを介して第３の部材（８４）が第２の軸（９４）に回転可能に支持され、
   －第３の部材（８４）は第３の回転関節（８５）に接続され、それを介して第４の部材（８６）は、大腿部の屈曲／伸展を目的として第３の軸（９５）に回転可能に支持され、
   －軸（９３、９４、９５）は実質的に共通点（９１）を通り、かつ
   －第１の軸（９３）は第２の軸（９４）と第１の角度（φ１）を形成し、第２の軸（９４）は第３の軸（９５）と第２の角度（φ２）を形成し、
   －第１の角度（φ１）と第２の角度（φ２）との合計が８５～１２０度の範囲であり、かつ第１の角度（φ１）が１５～４５度の範囲である、
   前記装置（１０００）。
2. 第１の角度（φ１）が２５～４５度の範囲を有する、及び／又は、
   第２の角度（φ２）が６０～８０度の範囲を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 要素（８２、８４、８６）のうちの少なくとも１つが、少なくとも２つの副要素（８２ａ、ｂ、ｃ）に分割され、かつ前記副要素（８２ａ、ｂ、ｃ）の隣接するものは、それぞれ軸（９４ａ、９４ｂ、９４ｃ）に互いに回転可能に接続され、前記軸は実質的に共通点（９１）を通ることを特徴とする、請求項１～２のいずれか一項に記載の装置。
4. 第５の要素（９０；９０００）がさらなる軸（９１０）に回転可能に取り付けられ、かつさらなる軸（９１０）と実質的に平行に走る表面（９０４）を有し、該表面（９０４）は、少なくとも軸（９１０）とは離れた側において、半径が異なる少なくとも２つの円形部分に相当する外形を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記円形部分に属する円は使用者の近傍にその中心があり、及び／又は使用者の正面の平面に平行であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 締結手段が備えられ、それは使用者が使用者の腰、胴体及び／又は大腿部で、要素（８０ａ、８０ｂ；８２；８４；８６；９０）の少なくとも一つで、及び／又は背部プレートの一部へ硬く連結されるように設計及び配置されることを特徴とする、請求項４～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 締結手段がストラップ、シェル（ｓｈｅｌｌ）及び／又はハーネスを含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 締結手段の位置は調節手段により変更可能であることを特徴とする、請求項６～７のいずれか一項に記載の装置。
9. 締結手段による力は調節手段により変更可能であることを特徴とする、請求項６～８のいずれか一項に記載の装置。
10. 使用者に対する足表面（９０４）を動かすのに適するように手段が備えられること特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。