JPH0332584A - 関節型作業機械の関節駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は関節型作業機械の関節駆動装置に関し、より具
体的には電動モータで関節機構を駆動させて作業をなす
ものにおいて油圧シリンダを設けて関節機構の駆動を負
荷に応じて適切にアシストする様にした関節型作業機械
の関節駆動装置に関する。

（従来の技術） 近時、産業用ロボットが種々開発されつつあり、その中
で電動モータを使用した多関節機構も幾多提案されてい
る。その−例としては、特開昭５８−５１０９０号公報
記載のものを挙げることが出来る。この従来技術におい
てはポテンショメータを使用して位置決めを行っている
が、それに代えてエンコーダを使用したものも紹介され
ており、斯る如く電動モータとエンコーダとの組み合わ
せよりなる関節機構は、位置決め精度が高いことから、
広く使用されている。

（発明が解決しようとする課題） 而して、電動モータを駆動源として用いる関節機構にあ
っては、現状では電動モータのエネルギ密度が余り高く
ないために、大出力の関節を小型軽量に設計することが
不可能である。

例えば、第１３図に示す天井吊下型の産業用ロボットア
ームにおいて、台車１００から部品１Ｏ２を取り上げて
コンベア１０４に乗せる作業を考えると、第１関ｔ１０
６にかかる負荷トルクはアームが水平方向に延びる程、
また掴む部品の重量が重い程、増大する。この負荷トル
クを電動モータのみで負担するとき、そのモータの寸法
・重量はかなりのものとなり、またそれによって増大す
るモータの慣性力のためにアームの高速駆動性が犠牲と
なる。

この問題を解決するために、アームに釣合い錘を付けて
一定のトルクをアシストすることが考えられるが、その
場合は錘の慣性力のために高速作動性が損なわれる欠点
が新たに生ずる。また変動する負荷トルクを一定の重量
の釣合い錘で相殺しようとすれば、錘は必要のないとき
にも関節を一方向に駆動しようとしており、電動モータ
はそのトルクに抗して所定の位置決め仕事をしなければ
ならず、エネルギ的に必ずしも良い手法とは言えない。

斯る場合、錘に代えてバネを用いる技術も提案されてい
るが、金属バネによるアシスト力には限界があり、強い
力を発生するバネを軽量小型に設計することは不可能で
ある。またバネ系が介入することによる制御性の悪化は
、この手法の欠点の一つでもある。

例示した据え付は型の作業用のロボットアームの場合に
は全体の重量の増加はそれ程大きな問題ではなく、可動
部の慣性力を抑えれば良いので、大型の電動モータを基
部１０８に設けても良く、或いは上記の様に釣合い錘を
設けても良い。またエネルギ源と適宜なケーブルで接続
すれば、必要なエネルギを幾らでも送ることが出来、釣
合い錘による損失があったとしても問題にはならないそ
れに対し、第１４図に示す脚穴の移動ロボットであって
その関節に前出例と同様に電動モータが装着されたもの
を考えると、この場合には自重を関節モータで支える必
要があって軽量に設計することが最重要であり、エネル
ギも自ら携行したもので全てを賄う必要があることから
、電動モータの寸法・重量を大きくすることも許されな
い。また、釣合い錘も上記した理由から採用し難い従っ
て、本発明の第１の目的は上記した従来技術の欠点を解
消することにあり、関節を駆動する電動モータ等の動力
手段の寸法・重量を増大することなく、効果的にアシス
ト力を関節に付与することが出来、よって機構全体とし
て小型軽量となる関節型作業機械の関節駆動装置を提供
することにある。

ところで、第１４図の２足歩行ロボットについて言えば
、そもそも人間の歩行を真似る機構であることから、そ
の脚部の寸法は人体のそれに酷似しており、従って関節
にかかるトルク乃至は関節角度自体の時間的な変化は、
人間のそれに似たものとなる。第１５図に人間が平地を
歩行している時の、膝関節と足（踵）関節の角度変化の
様子を歩行の１周期について横軸を時間にして表示した
ものを示す。いずれも片足が大地に着いた時から計測し
ており、歩行の１周期、即ち２歩に相当する期間におけ
る変化を示す。図中、変化の太きいのは膝の関節角度で
あり、立脚支持相で少し曲がった後伸び、次には非常な
速さで屈伸を行っていることが判る。

もし、ここで第１４図に示す移動ロボットに関して公知
技術の様に釣合い錘を付けて解決を図ろうとすれば、こ
の速い屈伸動作の時に電動モータには錘の慣性力による
異常なトルクがかかることになり、逆効果しか期待する
ことが出来ない。

またバネによるアシスト力を付与したとすれば、アシス
ト力が真に望まれる立脚支持期よりも遊脚支持期の方が
変動角度が大きいので、遊脚支持相で大きなアシスト力
が生じてしまい、目的を達成することが出来ない。更に
、バネの力に抗して屈伸動作を行うので、位置決め制御
に余分な保持エネルギを必要とすることになる。この場
合、仮にロボットの体重を人間と同じ様に６０ｋｇ程度
に設計することが可能であるとしたとき、膝関節にかか
るトルクは約８　＄ｃｇ−ｔａもあり、その半分をアシ
ストするとしても、その様な大出力のバネを設計するこ
とが技術的に不可能なことは前にも述べた斯る歩行ロボ
ットの膝関節については、屈伸角度は比較的小さいが、
大きなトルクがかかる立脚支持相と、屈伸角度と角速度
が大きく、しかも駆動トルクの小さな遊脚支持相とがあ
り、このことが−腰関節の設計を困難にしているのであ
るが、この傾向は第１３図に示した据え付は型の作業用
のロボットアームについても同様であって、−般に関節
角度は物をとりに行（ときの動作の方が実際に運搬する
動作のときよりも大きくなる。

従って、本発明の第２の目的は、関節の高速駆動に際し
ても実際上障害とならず、且つ上記した立脚支持期・遊
脚支持期の例でも明らかな様に、アシスト力が必要なと
きと不要なときとで自由にアシスト力を生じさせる或い
はアシスト力を消すことが出来る、制御自在なアシスト
力を備えた関節型作業機械の関節駆動装置を提供するこ
とにある。

更に、歩行ロボットにおいては歩行対象路面による関節
角度と負荷トルクとの変化がある。第１６図に先に示し
た２足歩行のロボットが階段を昇っているときの姿勢を
示し、第１７図にそのときの人間の場合における関節の
角度変化の様相を示す。図示の如く、斯る動作時には立
脚支持期の角度が大きくなるのが特徴である。第１６図
において、角度が大きくなると安定をとるため腰関節の
角度θ１も大きくなり、上部の重量Ｗと腿の長さｌによ
り決まるモーメントＭ　＝　Ｗ　１　ｓｉｎ　θ１が膝
関節にかかるので、膝関節は立脚支持期には前記平地歩
行の場合と比較して遥かに大きなトルクを高速で出力し
なければならない。

従って、本発明の第３の目的は、関節の角度に依存して
アシスト力が得られる関節型作業機械の関節駆動装置を
提供することにある。更に詳しくは、上記の様に負荷モ
ーメントＭが腰の関節角度θ１の関数であり、安定動作
のためには膝の関節角度と腰の関節角度との間に密接な
関係があるところから、膝の角度変化に応じてアシスト
力が変化する様にした、操作が便宜な関節型作業機械の
関節駆動装置を提供することにある。

更に、本発明の第４の目的は、エネルギの回収が出来て
航続距離の長いロボットを実現することが出来る、移動
式の関節型作業機械の関節駆動装置を提供することにあ
る。

更に、本発明の第５の目的は、位置決め精度は従来の電
動モータに負担させると共に、アシストに際してはアシ
スト力のみを制御することとしてアシスト制御を極めて
簡易なものとした関節型作業機械の関節駆動装置を提供
することにある。

更に又、この種の関節型作業機械においてアシスト機構
が脚部乃至はアーム等の可動部にあると、それだけ慣性
力が増加して高速駆動時の抵抗となる。

従って、本発明の第６の目的は、アシスト機構を可動部
の上方に配置して上記問題の解決を図る様にした関節型
作業機械の関節駆動装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、例えば請求項１項は、動
力手段により駆動される関節を備えた関節型作業機械の
関節駆動装置において、該関節駆動をアシストする流体
圧アシスト装置を備え、該流体圧アシスト装置が、流体
圧供給路より流体圧の供給を受けて作動する流体圧アク
チュエータ、該流体圧アクチュエータの出力軸と前記関
節の駆動軸とを連結し、前記関節にかかる負荷トルクを
伝達する連結部材、前記関節にかかる負荷トルクの変動
を検出する関節負荷検出手段、該関節負荷検出手段の出
力を入力し、負荷トルクの変動が所定値を超えたとき前
記流体圧アクチュエータを作動させて負荷トルクに応じ
て前記関節の駆動をアシストする流体圧アシスト制御手
段、及び前記流体圧供給路に介挿され、前記流体圧アク
チュエータの出力端を高圧側と低圧側とに選択的に接続
する油路切換手段を備え、前記流体圧アシスト制御手段
はアシスト開始を決定したとき、該油路切換手段を介し
て出力端を低圧側に接続して前記流体圧アクチュエータ
を作動させる様に構成した。

（作用） 例えば請求項１項記載の関節型作業機械の関節駆動装置
においては、負荷トルクに応じて関節駆動をアシストす
る流体圧アクチュエータを設けたので、動力手段たる電
動モータの寸法・重量を増大することなく、効果的なア
シスト力を関節に付与することが出来、機構全体をコン
パクトにすることが出来る。また前述した効果に加えて
、非アシスト時には流体圧アクチュエータの入出力端の
圧力は共に高圧となって差圧が生ぜず、よって該流体圧
アクチュエータが前記した連結部材を通じて駆動軸と連
結されていても動力手段たる電動モータの関節駆動を妨
げることがなく、その高速駆動の支障となることがない
。それと共に、アシストが必要となる時には低圧側に切
り換えることによって常時連結している連結部材を介し
て直ちに電動モータの関節駆動をアシストすることが出
来る。

（実施例） 以下、添付図面に即して本発明の詳細な説明する。第１
図に本発明に係る関節型作業機械の関節駆動装置を全体
的に示す。この装置を説明する前に、第２図乃至第６図
を参照して本実施例で使用する関節型作業機械について
説明する。

第２図は本発明に係る装置が予定する関節型作業機械を
示しており、先に第１４図に関連して説明した人体類似
の構造を持つ２足歩行の脚式移動ロボット１からなる。

このロボット１は腰部１０を備えており、そこに脚部回
転用の第１の関節１１、腰部の左右運動用の第２の関節
１２及び腰部の前後運動（屈伸）用の第３の関節１３が
リンクを介して適宜に配置される。腰部１０の上方には
リンクを介して胴部２０が連結されており、更にその上
方には視覚手段等を備えた頭部（図示せず）が配置され
る。ｒｔ部２０には、後述するアシスト機構が収納され
る。腰部ｌＯの下方は脚部３０を形成しており、膝の屈
伸を行う第４の関節たる膝関簡１４及び踵の屈伸を行う
第５の関節１５並びに踵の揺動運動を行う第６の関節１
６が順に配置され、更にその先端側には足ヒラ部１８が
連結される０足ヒラ部１８の裏面側の四隅には接地セン
サ１９が配置される。而して、膝関節１４と第５関節１
５とはリンク２２を介して連結されると共に、上方にお
いてはリンク２８を通じて腰部１０の第３関節１３と連
結される。尚、第２図において脚部３０は左右２足の中
、左足側のみを示した。

第３図は膝関節１４の詳細を機能的に示す説明図であり
、第４図乃至第５図はその機械的な構造の詳細を示す説
明断面図である。第３図を参照して先ず概略的に説明す
ると、下方リンク２２には電動モータ２４及びその回転
角度を検出するロークリエンコーダ２５が連結されてお
り、電動モータ２４の回転はハーモニック減速機２６を
介して他方リンク２８に伝えられ、両リンク２２．２８
が電動モータ２４の回転によって軸線３１を中心として
相対回転する様に槽底される。また電動モータ２４には
後で述べるリール６０が連結される。

第４図は第３図の磯念図をＩＶ−ＩＶ線から見たと想定
した場合の具体的構造の説明断面図であり、第５図は第
４図Ｖ−Ｖ線断面図である。いま述べた如く、膝関節１
４の中央に配置された電動モータ２４の出力軸６２はハ
ーモニック１速４ｍ２６に接続されており、ハーモニッ
ク減速機２６の一方の出力は第５図に示す如く断面円形
のモータケーシング６４に伝えられる。モータケーシン
グ６４の回転はスプライン６６を介してその外周に位置
する同様に断面略円形状のり−ル６０に伝達される。該
リール６０には下方リンク２２が固定される。またハー
モニック減速機２６の他方の出力は、リール６０の外周
にベアリング６日を介して配置されるケース７０に伝達
され、該ケース７０に上方リンク２８が固定される。ハ
ーモニック減速機２６の出力は所望のトルクを得るべく
適宜な倍率で減速されており、よって電動モータ２４の
回転に応じて上下リンク２２．２８が相対的に回転し、
膝関節１４を屈伸させる。而して、リール６０は第５図
に良く示す如く、リンク２２側において且つその中央位
置付近において穿孔されてそこに凹部３２が形成されて
おり、該凹部はその最奥部で更に小径の孔に連続してい
てそこに端部にボール３３を取り付けたワイヤ３４が挿
通される。ワイヤ３４はボール３３が凹部３２の最奥壁
に当接する迄の距離を移動自在に遊挿されると共に、小
径孔を抜けてリール表面に沿って進んだ後、上方へと延
びる。リール６０側にはワイヤ３４を支持するフランジ
６１が突設される。尚、ワイヤ３４はリール６０から離
れた後、同軸の鞘３６で被覆される。リール６０には鞘
３６を固定するストッパ３８が突設されて鞘３６を図示
位置に係止する。

ここで第１図に戻ると、前記したワイヤ３４はアシスト
機構２に接続される。アシスト機構２は油圧シリンダ４
０を備えており、ワイヤ３４はそのロッド４２に機械的
に接続される。ロッド４２はシリンダ内に摺動自在に嵌
合されたピストン４４に取着されており、そのピストン
４４の他端側には第２のロッド４３が取着される。尚、
ロッド４３の径は、ロッド４２のそれより僅かに大きく
形成する（図においては理解の便宜のため誇張して示し
た〉。ピストン４４で両底された上下の室４６．４７に
は、以下に述べる油圧源の流体圧が導入される。

油圧源ポンプ５０は図示しない電動モータにより駆動さ
れ、タンクの作動油を汲み出して加圧し、一方向弁５２
を介して油圧シリンダ４０に送出している。油圧源ポン
プ５０と油圧シリンダ４０との間の高圧ラインにはアキ
ュムレータ５４が並列に接続され、余分なエネルギの蓄
積を行う。

図示する油圧回路での過度な圧力上昇に備え、リリーフ
弁５６が用意される。

第１図において、アキュムレータ５４の圧力はそのまま
油圧シリンダ４０の下室４７に導かれており、上室４６
にはソレノイド弁（方向制御弁）５８を介して選択的に
アキュムレータ圧が導かれる。即ち、ソレノイド弁５８
が図示位置にあるときは油圧シリンダ４０の上下室には
等しい圧力が導かれるが、ソレノイド弁５８が励磁され
て油路が切り替わると、上室はタンクに接続されて上下
室に差圧が生じ、ピストン４４を上方に駆動する力を生
じる様に溝底される。尚、図示位置では第２０ツド４３
が油圧シリンダの固定部４００に当接してピストン４４
が機械的に位置決めされており、実際にはピストン４４
は移動しない。

前述した電動モータ２４及びいま述べたソレノイド弁５
８の動作を制御するために、制御ユニット９０が設けら
れる。制御ユニット９０はマイクロ・コンピュータより
なり、ロークリエンコーダ２５及び脚部先端に配置した
接地センサ１９よりの検出信号を入力して後述の如く制
御値を演算し、出力する。尚、接地センサ１９自体は公
知なものであるが、第６図を参照して簡単に説明すると
、足ヒラ部１８下部に埋設された接触センサ１９の下部
の円錐部７４は図示の様に、２個のバネ７６ａ、７６ｂ
にて吊られた、絶縁材からなるステム７８に当接してお
り、ステム７８の周辺には電気接点８０ａ、８０ｂが延
びて来ていて、導電性のバネ７６ａを介して互いに導通
している。而して、ステム７８は図から判読し難いが、
バネ７６ａの底部に接触する位置において十字架状に紙
面の前後に突出する突起が設けられており、歩行時に足
が固体に接触すると、円錐部７４が上方に持ち上げられ
て突起を介してバネ７６ａが押し上げられ、上記導通が
断たれることで接地を検出する。

再び、第１図において、ワイヤ３４の基端部において、
ブラケット３２（第５図において記した凹部３２の最奥
端を第１図においてブラケットとして示す）とボール３
３と離間距離はｌＯに設定される。この距離は、後述の
如く、アシスト開始点を決定するものであることから、
平地を歩行する時と階段を昇るときの屈伸度を考慮して
適宜設定する。即ち、第１５図と第１７図に対比的に示
した様に、平地を歩行する際の立脚時の膝の屈伸度は最
大１２度程度であり、階段を昇るときのそれは６１度程
度であるので、関節角度が１５度曲がったときボール３
３がブラケット３２に当接する様に設定し、また後述す
る様に、それと同時に足が接地した時点でソレノイド弁
５８を励磁してアシストを開始する様に溝底する。而し
て、ワイヤ３４は膝関節１４に同心に設けられた真円状
のリール６０の面上に沿わされていることから、ワイヤ
３４に働く張力Ｆと半径Ｒで決まるトルクＦＸＲがアシ
スト力として膝関節１４に作用することになる。尚、第
１図において図示はしなかったが、油圧シリンダ４０及
びソレノイド弁５日は左右の足に対応して２個設けられ
ると共に、油圧源を含むアシスト機構２及び制御ユニッ
ト９０等は前述した如く、第２図に示す胸式移動ロボッ
トｌの可動脚部の上方にある胴部２０に収納される。尚
、前記した鞘３６の上端側は適宜な手段で、続いて、第
７図乃至第１Ｏ図を参照して本発明に係る装置の動作を
説明する。

第７図は制御ユニット９０の電動モータ２４の制御を示
すフロー・チャートであり、該制御ユニットにおいて所
定時間毎に起動される。尚、図示した移動ロボット１は
、制御ユニット９０の図示しないメモリに格納されたプ
ログラムに従って仕事を行う定型作業用のものとする。

同図に従って説明すると、先ず３１においてメモリから
負荷（トルク）の時間的な変化（ｌ！Ｌを検索する。第
８図はこの格納値を示しており、図示の如く時間ｔに関
して負荷し、例えば立脚時の負荷Ｌｌ及び遊脚時の負荷
Ｌ２が適宜な手法で格納される。続いて、Ｓ２において
検索した負荷値を関節角度に変換して指令値θＤを決定
し、Ｓ３においてロータリエンコーダ２５の出力から実
際のモータ角度、即ち実際の膝の関節角度θ○を検出し
、Ｓ４で偏差θＣ）ＩＤを求め、最終ステップＳ５で電
動モータ２４に出力する。

第９図はアシスト制御を示すフロー・チャートであり、
同図に従って説明すると、先ず３１０において実際の関
節角度θＯが１５度（前記したボールとブラケット間の
距離ｌＯに対応する関節角度）を超えたか否か判断し、
超えたと判断されるときは続いて３１２において着地セ
ンサ１９の出力から右足側が着地したか否か判断し、肯
定されるときはＳ１４に進んでソレノイド弁５８　（右
足用）を励磁する。また３１２で否定されたときは３１
６に移行して左足が着地しているか否か判断し、肯定さ
れるときは３１Ｂにおいて左足側のソレノイド弁５８を
励磁する。尚、ＳｌＯで否定されたときはプログラムを
終了する。

以上の本装置の動作について第１０図を参照して説明す
ると、同図（ａ）に示す如く移動ロボットｌが階段を昇
るとき、左足について言えば、遊脚中であって且つ一段
上に上がるために膝関節１４を矢印で示す内方向に曲げ
る状態にある。このとき角度θＯが１５度を超えるとボ
ール３３がブラケット３２に当接し、それ以上関節が曲
がることに抵抗力を与える。しかし、この時点において
は左足は接地していないことからソ１／ノイド弁５８は
消磁されており、油圧シリンダ４０には第１、第２０ッ
ド４２，４３の径の僅かな差によって有効受圧面積に働
く微小な上向き力以外は作用しない。従って、油圧シリ
ンダ４０の存在は殆ど無視することが出来、電動モータ
２４はその上向き力に抗して膝関節１４を内方向に駆動
する。このとき、ピストン４４は下方に引かれて第２０
ノド４３は固定部４００から離間する。

而して、関節角度θＯが１５度を超え、且つ左足が同図
（ｂ）に示す如く接地した時点でソレノイド弁５８は励
磁されて上室４６をタンクに接続するので、ピストン４
４は上方に駆動される。

このとき左足は自重を支えて矢印で示す外方向に延びる
立脚時にあるので、電動モータ２４による屈伸動作に油
圧シリンダ４０の上方駆動力が加えられ、ワイヤ３３の
張力Ｆ×リール６０の半径Ｒで規定される負荷トルクに
応じたアシスト力が与えられる。而して、リール６０は
図示例において断面真円状であるので、アシスト力は関
節の回動角度に比例して増加するものとなる。そのアシ
スト力は関節角度が再び１５度未満に延びるまで続けら
れる。よって負荷トルクの増加する立脚時に、関節駆動
が負荷トルクに応じて効果的にアシストされる。

また上記構造において消費される油圧エネルギは効果的
に保存されるものであり、それについて説明すると、上
記の通り立脚時に１５度まで関節が曲がると油圧シリン
ダ４０の下室４７の作動流体は押し出されてアキュムレ
ータ５４に蓄えられる。この分量は次に関節が伸びると
きに再び下室４７に流入してくるので、油圧源ポンプ５
０はその作動に関与しない。つまり、油圧源ポンプ５０
の消費エネルギは零である。即ち、遊脚のときには油圧
シリンダ４０の上下室が連通しているので、膝が屈伸し
てピストン４４が移動しても単に作動流体が上室４６か
ら上室４７へと移動するのみで何等仕事をしないから、
やはり消費エネルギは零と見做して良い。結局、油圧源
ポンプ５０はソレノイド弁５８からの漏れ量のみ保証す
れば良いので、歩行中はアキュムレータ５４の圧力が規
定レベル以下に低下したときにのみ作動させれば良い、
斯る手法は公知であって詳細に述べるのは省略するが、
高圧ラインと低圧ラインに圧力センサを配置し、その検
出信号をポンプ駆動用モータにフィードバックすること
で容易に構成可能である。尚、階段を降りるときにはピ
ストン４４は逆の仕事を行うので、アキュムレータ５４
の中に加圧流体が押し込まれて圧力上昇を生ずる。この
余分な圧力上昇は、リリーフ弁５６を介して外部に捨て
られる。階段を降りるときは従って、ポンプ駆動用のモ
ータを作動させる必要はない。

本実施例の場合、胴部２０にアシスト機構２を収納し、
その油圧シリンダ４０を膝関節１４の駆動軸に同軸に設
けたリール６０上に沿わせたワイヤ３４を介して連結し
、関節角度が所定角度を超えて曲がって脚部が接地する
立脚時に電動モータ駆動を負荷トルクに応じてアシスト
すると共に、油圧シリンダ４０の作動がアシスト力を要
求されない遊脚時のモータ駆動の抵抗とならない様に構
成したので、所望時のみ効果的なアシストを行って電動
モータ２４の寸法・重量を増大することなく機構全体を
コンパクトにすることが出来、関節にかかる自重による
負荷トルクの増大を防止することが出来、その分だけ電
動モータを小型軽量なものと出来、軽量となった分だけ
高速に駆動することが出来る。

また移動式の関節型作業機械においてエネルギの回収が
出来て航続距離を延ばすことが出来、また位置決め制御
は電動モータ２４とロータリエンコーダ２５とが負担し
、アシストは力のみの制御であることから装置として簡
易な構成であり、更にはアシスト機構を脚部の上の胴部
に位置さセることによって脚部の高速駆動性を損なうこ
とがないと共に、重心を高めてそれだけ人体の重量配分
に類似させることによって歩容が自然になると言った副
次的な効果も奏する。

また油圧シリンダ４０は直動式アクチュエータであるの
で、油圧／機械変換効率が極めて良く、フリクションも
僅かであることから、アシスト効率において優れている
。更に、ここに例示したボール３３とブラケット３２の
構成は離間距離ｌＯを決めるだけでアシスト開始点を設
定することが出来、構成として極めて簡易で信頼性が高
く、万一ワイヤ３４が使用中に伸びたとしてもアシスト
の開始点が多少ズレるだけであり、位置決め精度は電動
モータが行っていることから実害はない、尚、ワイヤに
代えてリンクを用いても良いことは言うまでもなく、そ
のときはソフトリンクを用いればアシストするトルクを
膝の関節角度に応じて連続的に変化させることも可能と
なって、−層望ましい特性が得られる。

第１１図乃至第１２図は本発明の第２実施例を示す。

詳細な説明に入る前に第２実施例の課題を再度概説する
と、第１実施例ではアシスト力は油圧レベルが決まれば
一定であるが、負荷の方は第１６図に関して述べた様に
Ｍ　＝　Ｗ　４２　ｓｉｎ　θ１で表されるモーメント
が変動するので、アシスト力も腰の関節角度θｌに応じ
て増大することが望ましい、またロボットｌが重い荷物
を運搬する場合を考えると、その場合は重量Ｗも変動す
るので、負荷モーメントは広い範囲に亘って変動する。

このとき最大のモーメントが発生するのに合わせてアシ
スト力の大きさを設定すれば荷物を持たないときにアシ
スト力が過大となり、関Ｓ駆動用モータに逆向きのトル
クを加えなければならないと言った不具合が生ずる。例
えば移動ロボット１が１００ｋｇの荷物を持って平地を
歩行する場合を考えるに、第１６図から膝にかかる最大
トルクは凡そ２３ｋｇ−ｍであり、これが荷物を持たな
い歩行であると前述の様に約８　ｋｇ−ｍと激減する。

従って、２３　ｋｇ・ｍのトルクがかかるときには第１
実施例と同様に１５度以上でアシスト力が働く様に設定
しても良いが、その際には荷物を持たない場合アシスト
力の方が実際の負荷トルクよりも大きくなると言う恐れ
もある。第２実施例はこうした不具合を改良するために
なされたもので、その要旨とするところは関節の角度に
応じてアシスト力が増加し、また荷物の重量に応じてア
シスト開始点を変更することが出来る様にしたことにあ
る。以下、第１１図以下を参照して第２実施例を説明す
る。

尚、説明においては第１実施例と相違する点のみ行い、
第１１図において第１実施例と対応する部分には英字す
を付すに止めた。

第１１図において第１実施例と相違する点は、膝関ｆ！
ｆｆ　ｌ　４　ｂのリール６０ｂの半径が一定ではなく
、膝関節の角度θＯに依存して変わるカム形状になって
いること、ボール３３ｂとブラケット３２ｂとの離間路
ＭｌＯｂが実質的に零であること、及び腰関節１３ｂを
駆動する第２の電動モーフ２４０の回転角度を通じて腰
関節の回動角度θｌを形成する第２のロータリエンコー
ダ２５０の出力が制御ユニッ）９０ｂに送出されること
、並びに足首部に６軸力／トルクセンサ１９０が装着さ
れ、ロボットが運搬する荷物の重量を計測自在としたこ
とである。この６軸力／トルクセンサはＸｙ、ｚ３方向
の力とモーメントが検出自在なセンサであって、公知な
ものである（例えば、「６軸カセンサＬＳＡ６０００Ａ
の開発」　（昭和６３年１月２２〜２３日、日本ロボッ
ト学会、第１回ロボットセンサシンポジ１ウム参照）。

該センサ１９０の出力も制御ユニット９０ｂに送出され
る次に、第１２図を参照して第２実施例の動作を説明す
る。同図は制御ユニット９０ｂのアシスト制御を示すフ
ロー・チャートであるが、同図を参照して説明すると、
先ず５１００で設定値αを算出する。即ち、第２実施例
においてはソレノイド弁５８ｂは接地信号の他に腰の関
節角度θ１の大きさが設定値αより大きいか否かを条件
に駆動制御され、アシスト開始点が可変に制御される。

而して、設定値αは、５１００で制御ユニット９０ｂに
おいて６軸力／トルクセンサ１９０の出力から自己が積
載している荷物の重量を測定し、メモリ内に格納した適
宜なテーブル値を参照して荷物の重量が大きくなる程小
さくなる様に適宜設定する。

続いて、３１０２において右足が着地しているか否か判
断し、肯定されれば５１０４で左足が着地しているか否
か判断し、肯定されれば３１０６で右足側の腰関節角度
θＩＲが設定値αより大きいか否か判断し、肯定される
ときは３１０８で左足側について判断し、そこにおいて
も肯定されるときは５ＩＩＯで両足用のソレノイド弁５
８１〕を共に励磁する。また５１０２で右着地が否定さ
れたときは３１１２で左足側の腰関節角度θＩＬを設定
値αと比較し、比較結果に応じて５１１４で左足側のソ
レノイド弁のみ励磁する、乃至は５ｌ１６でいずれのソ
レノイド弁も励磁しない。更に、３１０４で左着地が否
定されたとき或いはＳ　］、　０６で右足側の腰関節角
度が設定値より小さいと判断されたときは、３１１Ｂ、
５１２０の判断を経て左足側のソレノイド弁のみ例示す
る５１２２を含む３１１４，５１１６のステップのいず
れかでソレノイド弁を励磁／消磁する。即ち、同図フロ
ー・チャートにおいて左右のソレノイド弁が共に励磁さ
れるのは、両足が着地しており、かつ両足の腰関節が設
定値αを超えたとき、例えば両足を揃えてしゃがむ場合
を想定すれば良い。また、左右のソレノイド弁が共に消
磁するのは、両足側の腰の関節角度がいずれも設定値よ
り小さいか、或いは大きくとも遊脚時であるかの何れか
である。

更に、一方のソレノイド弁が励磁しているのは、励磁し
ている側の足が接地し且つ腰の関節角度が設定値αを超
えているときである。

第２実施例では上記した様に、リール６０ｂがカム形状
であるので、膝関節が曲がっていくにつれてアシスト力
は半径Ｒの増加した分だけ増大する。カム形状は第８図
に示した予想される負荷の変動を勘案して概ね前述した
式においてｓｉｎ　θｉに等しく設定しておけば、変動
する負荷に即応してアシスト力を決定することが出来、
理想的なアシスト力を与えることが出来る。またソフト
リンクでアシスト開始点を決定しているので、状況に応
じてアシスト開始点を変更することが可能である。尚、
第１２図フロー・チャートにおいて設定値αの算定をイ
ニシャライズの直後に行い、以後は一切算定し直さない
様にしたが、これに限定される必要はなく、常時算定し
ても良い。また、６軸力／トルクセンサ１９０を使用し
て積載荷物の重量を測定したが、他の検出手段を用いて
も良い。

尚、第２実施例においてはカム形状のり−ル６０ｂを使
用したが、第１実施例で使用した真円形状のリール６０
を用いて負荷トルクを関節の回動角度に比例させても良
く、逆に第１実施例において第２実施例のリール６０ｂ
を用いて負荷トルクを決定しても良い。

上記した第１、第２実施例において、アシスト機構をシ
リンダタイプのものとして説明したが、これに限定され
ることはなく、ロータリ型のものであっても良い。

また、電動モータも膝関節の内部に収納されたものを示
したが、外部に設置してベルト等の適宜な手段で関節を
位置決め駆動しても良い。

また、アシスト機構２全体を移動ロボット１の胴部に収
容する例を示したが、その中の油圧源ポンプ５０　ｃ５
ｏｂ）、一方向弁５２　（５２ｂ）及びリリーフ弁５６
　（５６ｂ）を含む油圧源部分については移動ロボット
１から取り外して適宜な場所に固定しておき、必要に応
じて移動ロボットエにチャージする様に構成しても良い
。

また、移動ロボットに代えて第１３図に示す様な据え付
は型の作業用のロボットアームに使用するときは、接地
検出信号の代わりにエンドエフェクタの把持信号を用い
れば良い。

（発明の効果） 請求項１項は、動力手段により駆動される関節を備えた
関節型作業機械の関節駆動装置において、該関節駆動を
アシストする流体圧アシスト装置を備え、該流体圧アシ
スト装置が、流体圧供給路より流体圧の供給を受けて作
動する流体圧アクチュエータ、該流体圧アクチュエータ
の出力軸と前記関節の駆動軸とを連結し、前記関節にか
かる負荷トルクを伝達する連結部材、前記関節にかかる
負荷トルクの変動を検出する関節負荷検出手段、該関節
負荷検出手段の出力を入力し、負荷トルクの変動が所定
値を超えたとき前記流体圧アクチュエータを作動させて
負荷トルクに応じて前記関節の駆動をアシストする流体
圧アシスト制御手段及び前記流体圧供給路に介挿され、
前記流体圧アクチュエータの出力端を高圧側と低圧側と
に選択的に接続する油路切換手段を備え、前記流体圧ア
シスト制御手段はアシスト力妬を決定１−たとき、該油
路切換手段を介して出力端を低圧側に接続して前記流体
圧アクチュエータを作動させる様にしたので、動力手段
の寸法・重量を増大することなく、効果的なアシスト力
を関節に付与することが出来るコンパクトな関節型作業
機械の関節駆動装置を実現することが出来る。更に、関
節の高速駆動に際しても実際上障害とならず、かつアシ
ストが必要となるときと不要となるときとで自由にアシ
スト力を付与する乃至付与しないことが出来る関節型作
業機械の関節駆動装置を実現することが出来る。

請求項２項記載の装置は、前記連結部材は前記関節の回
動角度に応した負荷トルクを伝達する様にしたので、前
記した効果に加えて、関節の角度に依存してアシスト力
を付与することが出来、効果的なアシストを実現するこ
とが出来る。

請求項３項記載の装置は、前記流体圧アクチュエータが
油圧シリンダである様にしたので、前記した効果に加え
て、油圧／機械変換効率が良く、構成簡易な関節型作業
機械の関節駆動装置を実現することが出来る。

請求項４項は、人体類似の構造を有し、動力手段により
駆動される膝関節を含む可動脚部を備えた移動式の関節
型作業機械の関節駆動装置において該関節駆動をアシス
トする流体圧アシスト装置を備え、該流体圧アシスト装
置が、流体圧供給路より流体圧の供給を受けて作動する
流体圧アクチュエータ、該流体圧アクチスエータの出力
軸と前記膝関節の駆動軸とを連結し、前記膝関節にかか
る負荷トルクを伝達する連結部材、前記流体圧供給路に
介挿され、前記流体圧アクチュエータの出力端を高圧側
と低圧側とに選択的に接続する油路切換手段、前記流体
圧供給路に介挿され、流体圧を蓄圧する蓄圧手段、前記
膝関節にかかる負荷トルクの変動を検出する関節負荷検
出手段及び該関節負荷検出手段の出力を入力し、負荷ト
ルクの変動が所定値を超えるまでは前記流体圧アクチュ
エータの出力端を高圧側に接続して高圧出力を前記蓄圧
手段に蓄圧すると共に、負荷トルクの変動が所定値を超
えたとき前記油路切換手段を介して出力端を低圧側に接
続し、前記蓄圧手段に蓄圧した流体圧を前記流体圧アク
チュエータに供給して作動させ、負荷トルクに応じて前
記膝関節の駆動をアシストする流体圧アシスト制御手段
からなる樺にしたので、前記した効果に加えて、エネル
ギの回収が出来て航続距離の長い人体類似の移動式の関
節型作業機械において、その膝関節の駆動を効果的にア
シストする装置を実現することが出来る。

請求項５項記載の装置は、前記関節負荷検出手段は少な
くとも前記脚部の接地の有無から負荷トルクの変動を検
出する様にしたので、前記した効果に加えて、斯る移動
式の人体類似のものにおいてアシストを必要とする立脚
時を的確に検出してアシストすることが出来る。

請求項６項記載の装置は、腰関節の回動角度を検出する
腰関節角度検出手段を設け、前記流体圧アシスト制御手
段は該腰関節角度検出手段の出力を入力し、前記脚部が
接地すると共に腰関節の回動角度が所定値を超えたとき
前記流体圧アクチュエータを作動させてアシストを開始
する様にしたので、前記した効果に加えて、安定動作に
密接な関係がある膝の角度と腰の角度との双方を勘案し
てアシスト開始を決定することが出来、−層適切なアシ
スト制御を実現することが出来る。

請求項７項記載の装置は、積載する荷物の重量を検出す
る積載重量検出手段を設け、前記流体圧アシスト制御手
段は該積載重量検出手段の出力を入力し、入力値に応じ
て前記所定値を変える様にしたので、前記した効果に加
えて、４１Ｍする荷物の重量に応じてアシスト開始点を
変更することが出来、−ｍ円滑なアシスト制御を実現す
ることが出来る。

請求項８項記載の装置は、前記動力手段が角度検出手段
を備えた電動モータであり、前記流体圧アクチュエータ
が油圧シリンダである様に構成したので、前記した効果
に加えて、位置決め制御は該動力手段に負担させ、アシ
ストは力のみ制御すれば良い、構成簡易な装置を実現す
ることが出来る。

請求項９項記載の装置は、前記流体圧アシスト装置が可
動脚部の上方に配置される様にしたので、前記した効果
に加えて、慣性力を増すことがなく、よって高速駆動性
の障害となることがない、歩容が人間のそれに似て自然
となる装置を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る関節型作業機械の関節駆動装置を
全体的に示す説明図、第２図は該関節型作業機械を全体
的に示す説明図、第３図はその膝関節を機能的に示す説
明図、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線断面図に対応する
、機械的構造を詳細に示す説明断面図、第５図は第４図
Ｖ−ｖ線断面図、第６図は接地センサの構造を示す説明
断面図、第７図は関節駆動装置のアシスト機構の制御ユ
ニットの電動モータの関節駆動を説明するフロー・チャ
ート、第８図はその制御で使用するマイクロ・コンピュ
ータからなる制御ユニットのメモリに格納される負荷の
変動を時間的に示す説明図、第９図は同様にアシスト制
御を説明するフロー・チャート、第１０図（ａ）（ｂ）
はアシスト機構の動作を示す説明図、第１１図は本発明
の第２実施例を示す第１実施例と同様の説明図、第１２
図は第２実施例におけるアシスト機構の動作を示すフロ
ー・チャート、第１３図は作業用のロボットアームを一
般的に示す説明図、第１４図は移動式のロボットを一般
的に示す説明図、第１５図は人間が平地を歩行するとき
の関節角度の変化を示す実験データ、第１６図は第１４
図に示すロボットが階段を昇る状態を示す説明図及び第
１７図は第１５図に類似する人間が階段を昇るときの関
節角度の変化を示す実験データである。 ■・・・脚式移動ロボット、２．２ｂ・・・アシスト機
構、１０・・・腰部、１１．１２，１３゜１３ｂ、１４
，１４ｂ、１５．１６・・・関節、１８．１８ｂ・　・
・足ヒラ部、１９，１９ｂ・　・・接地センサ、２０，
２０ｂ・・・胴部、２１゜２１ｂ・・・ストッパ、２２
．２２ｂ、２Ｂ、２８ｂ、　　・・・リンク、２４，２
４ｂ、２４０・・・電動モータ（動力手段）、２５，２
５ｂ、２５０・・・ロータリエンコーダ、２６・・・減
速機、３０・・・脚部、３２，３２ｂ・・・ブラケット
（凹部最奥端）、３３．３３ｂ・・・ボール、３４．３
４ｂ・・・ワイヤ（連結部材Ｌ３６゜３６ｂ・・・鞘、
３８，３８ｂ・・・ストッパ、４０．４０ｂ・・・シリ
ンダ機構（流体圧アクチュエータ）、４２，４２ｂ、４
３，４３ｂ・・・ロッド、４４，４４ｂ・・・ピストン
、４６，４６ｂ、４７．４７ｂ・・・室、５０，５０ｂ
・・・油圧源ポンプ、５４，５４ｂ・・・アキュムレー
タ、５８．５８ｂ、　　・・・ソレノイド弁（油路切換
手段）、６０，６０ｂ・・・リール（連結部材）、６２
・・・モータ出力軸、６４・・・モータケーシング、６
６・・・スプライン、６８・・・ベアリング、７０・・
・ケース、９０．９Ｑｂ・制御ユニッ ト、 ９２　・ ６軸力／トルク センサ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）動力手段により駆動される関節を備えた関節型作
   業機械の関節駆動装置において該関節駆動をアシストす
   る流体圧アシスト装置を備え、該流体圧アシスト装置が
   、 ａ、流体圧供給路より流体圧の供給を受けて作動する流
   体圧アクチュエータ、 ｂ、該流体圧アクチュエータの出力軸と前記関節の駆動
   軸とを連結し、前記関節にかかる負荷トルクを伝達する
   連結部材、 ｃ、前記関節にかかる負荷トルクの変動を検出する関節
   負荷検出手段、 ｄ、該関節負荷検出手段の出力を入力し、負荷トルクの
   変動が所定値を超えたとき前記流体圧アクチュエータを
   作動させて負荷トルクに応じて前記関節の駆動をアシス
   トする流体圧アシスト制御手段、 及び ｅ、前記流体圧供給路に介挿され、前記流体圧アクチュ
   エータの出力端を高圧側と低圧側とに選択的に接続する
   油路切換手段、 を備え、前記流体圧アシスト制御手段はアシスト開始を
   決定したとき、該油路切換手段を介して出力端を低圧側
   に接続して前記流体圧アクチュエータを作動させること
   を特徴とする関節型作業機械の関節駆動装置。
2. （２）前記連結部材は前記関節の回動角度に応じた負荷
   トルクを伝達することを特徴とする請求項１項記載の関
   節型作業機械の関節駆動装置。
3. （３）前記流体圧アクチュエータが油圧シリンダである
   ことを特徴とする請求項１項又は２項記載の関節型作業
   機械の関節駆動装置。
4. （４）人体類似の構造を有し、動力手段により駆動され
   る膝関節を含む可動脚部を備えた移動式の関節型作業機
   械の関節駆動装置において該関節駆動をアシストする流
   体圧アシスト装置を備え、該流体圧アシスト装置が、 ａ、流体圧供給路より流体圧の供給を受けて作動する流
   体圧アクチュエータ、 ｂ、該流体圧アクチュエータの出力軸と前記膝関節の駆
   動軸とを連結し、前記膝関節にかかる負荷トルクを伝達
   する連結部材、 ｃ、前記流体圧供給路に介挿され、前記流体圧アクチュ
   エータの出力端を高圧側と低圧側とに選択的に接続する
   油路切換手段、 ｄ、前記流体圧供給路に介挿され、流体圧を蓄圧する蓄
   圧手段、 ｅ、前記膝関節にかかる負荷トルクの変動を検出する関
   節負荷検出手段、 及び ｆ、該関節負荷検出手段の出力を入力し、負荷トルクの
   変動が所定値を超えるまでは前記流体圧アクチュエータ
   の出力端を高圧側に接続して高圧出力を前記蓄圧手段に
   蓄圧すると共に、負荷トルクの変動が所定値を超えたと
   き前記油路切換手段を介して出力端を低圧側に接続し、
   前記蓄圧手段に蓄圧した流体圧を前記流体圧アクチュエ
   ータに供給して作動させ、負荷トルクに応じて前記膝関
   節の駆動をアシストする流体圧アシスト制御手段、 からなることを特徴とする関節型作業機械の関節駆動装
   置。
5. （５）前記関節負荷検出手段は、少なくとも前記脚部の
   接地の有無から負荷トルクの変動を検出することを特徴
   とする請求項４項記載の関節型作業機械の関節駆動装置
   。
6. （６） ｇ、腰関節の回動角度を検出する腰関節角度検出手段、 を設け、前記流体圧アシスト制御手段は該腰関節角度検
   出手段の出力を入力し、前記脚部が接地すると共に腰関
   節の回動角度が所定値を超えたとき前記流体圧アクチュ
   エータを作動させてアシストを開始することを特徴とす
   る請求項５項記載の関節型作業機械の関節駆動装置。
7. （７） ｈ、積載する荷物の重量を検出する積載重量検出手段、 を設け、前記流体圧アシスト制御手段は該積載重量検出
   手段の出力を入力し、入力値に応じて前記所定値を変え
   ることを特徴とする請求項６項記載の関節型作業機械の
   関節駆動装置。
8. （８）前記動力手段が角度検出手段を備えた電動モータ
   であり、前記流体圧アクチュエータが油圧シリンダであ
   ることを特徴とする請求項４項乃至７項のいずれかに記
   載の関節型作業機械の関節駆動装置。
9. （９）前記流体圧アシスト装置が前記可動脚部の上方に
   配置されることを特徴とする請求項４項乃至８項のいず
   れかに記載の関節型作業機械の関節駆動装置。