JP2012218142A - 関節構造体、ロボット及び関節構造体の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接地面からの部材の離間動作時、当該部材に付与される摩擦力の影響を抑制すること。
【解決手段】関節構造体１００は、接地面からこの順に離れる踵部（第１部材）５０及び爪先部（第２部材）２０を備える。踵部５０は、爪先部２０に対して係合した回転軸ＡＸを備え、この回転軸ＡＸは、爪先部２０に対する踵部５０の回動に応じて、接地面に沿って爪先部２０上を移動可能に構成されている。回転軸ＡＸは、Ｘ軸に対して平行な矢印方向に可動に構成されており、爪先部２０に対する踵部５０の回動に同調して、回転軸ＡＸは、接地面に沿って爪先部２０上を移動する。この構成を採用することによって、摩擦力の影響を抑制した態様にて接地面からの離間動作を実現することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、関節構造体、ロボット及び関節構造体の動作方法に関する。

ロボットは様々な分野において活用されているが、近年、介護／補助／余興等を目的としたパートナーロボットが注目されている。ヒトの住環境／生活空間は様々であるため、パートナーロボットにはヒトと同様の歩行特性が要求される場合がある。

特許文献１には、ロボットの足部構造に爪先部を設け、これにより、ロボットの移動能力を向上させることが開示されている。特許文献１の図２には、爪先を曲げることで足首の位置が高くなり、実質的に脚長が延長されることが開示されている。爪先動作によって脚長が変化する点も開示されている（同文献の段落００５１も併せて参照）。

特許文献２には、跳躍ロボットに関し、平板状の足平が床と平面接触することで非跳躍時の静止状態を確保することが開示されている。特許文献２の図５に示すように、爪先１２と足平１６とは、軸を介して互いに係合している。特許文献２の段落００１３には、足平１６に対する爪先１２の揺動角度が電気モーターによって調整される点が開示されている。

特許文献３には、足平の構造に関し、可動足平片を設けて、特許文献３の図１に開示の比率Ａ／Ｂを調整することが開示されている（同文献の図４、６、８も併せて参照：各図において、足平片１０２Ａ〜Ｄの位置が変化していることが分かる）。

特開２００５−１５３０３８号公報 特開２００７−７７９８号公報 特開平５−３１８３３７号公報

足平部に対して爪先部を設けて構成された足部を接地面から浮かす場合、接地状態の爪先部に対して足平部を回転制御することが必要になる。この場合、接地状態の足平部には、同部分の移動方向とは逆方向の摩擦力が付与されることになり、同摩擦力に対して打ち勝つだけのトルクを生じさせることが要求される。このように、足平部に対して爪先部が設けられた足部を接地面から浮かす場合、足平部に対して比較的大きな摩擦力が付与されてしまう場合がある。

上述の説明から明らかなように、接地面から対象部材を離間させる時、当該対象部材に付与される摩擦力を抑制することが強く望まれている。なお、上述の説明は、本願発明が生まれた背景説明を主目的として為されたものである。本願発明に係る関節構造体は、ロボットの足以外の他の様々な用途に適用することができるものであり、上述の説明を根拠として本願発明を限定解釈することは許されない。

本発明に係る関節構造体は、接地面からこの順に離れる第１及び第２部材を備える関節構造体であって、前記第１部材は、前記第２部材に対して係合した回転軸を備え、当該回転軸は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記接地面に沿って前記第２部材上を移動可能に構成されている。

第１部材に設けた回転軸を第２部材に対して係合させ、この回転軸を第２部材上において移動可動とする。回転軸は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、第２部材上を移動する。これによって、第１部材が接地面から離間する際、第１部材が接地面上を転がることが可能となり、摩擦力の影響を抑制した態様にて接地面からの離間動作を実現することが可能となる。

前記第１部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、当該軸保持部は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されている、と良い。

前記第１部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、当該軸保持部は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されている、上記いずれかに記載の関節構造体であって、前記回転軸と前記軸保持部間の回転比を調整する回転比調整機構を更に備える、と良い。

前記第１部材は、前記回転軸を保持する一組の軸保持部を備え、一組の前記軸保持部の間には、前記回転軸の前記移動時に前記第１及び第２部材同士が干渉することを回避するための空間が設けられている、と良い。

前記第１及び２部材には、前記回転軸の前記移動を案内する案内機構が設けられている、と良い。

前記第１部材は、前記回転軸上に設けられたピニオンを備え、前記第２部材は、前記ピニオンが歯合したラックを備える、と良い。

前記第１部材と前記第２部材間の回動を許容する態様にて、前記第１及び第２部材間を接続するリンク機構を更に備え、前記第１部材には、前記リンク機構に含まれるリンクを当該第１部材からみて前進及び後退させる駆動機構が設けられている、と良い。

前記第２部材は、接地面に対して接地する先端部と、前記回転軸の移動路が設けられたガイド部と、を含む、と良い。

前記第１部材の底面には弾性部材が設けられている、と良い。

前記第１部材は、ヒトの足の踵に対応する踵部であり、前記第２部材は、ヒトの足の爪先に対応する爪先部である、と良い。

本発明に係るロボットは、上記いずれかの関節構造体を具備する。

本発明に係る関節構造体の動作方法は、接地面から順に離れる第１及び第２部材を備え、第１部材に設けられた回転軸は前記第２部材に対して係合している関節構造体の動作方法であって、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記回転軸は、前記接地面に沿って前記第２部材上を移動し、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記第１部材は、前記接地面上を転がる。

本発明によれば、摩擦力の影響を抑制した態様にて接地面からの離間動作を実現することが可能となる。

実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な上面図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な上面図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な側面図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な側面図／断面模式図である。 実施の形態１にかかる回転比の調整を説明するための説明図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な上面図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な断面模式図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。 実施の形態１にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。 実施の形態２にかかる関節構造体の概略的な側面図である。 実施の形態３にかかるロボットの模式図である。 参考説明のための説明図である。 参考説明のための説明図である。 参考説明のための説明図である。 参考説明のための説明図である。 参考説明のための説明図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施形態にかかる関節構造体１００は、踵部（第１部材）５０と爪先部（第２部材）２０とが回転軸ＡＸを介して回転可能に係合した構造体である（図１乃至図４参照）。回転軸ＡＸは、Ｘ軸に対して平行な矢印方向（図１乃至図４参照）に可動に構成されており、爪先部２０に対する踵部５０の回動に同調して、回転軸ＡＸが爪先部２０上を移動する（図５参照：爪先部２０の後端位置から回転軸ＡＸまでの間隔は、Ｗ１１＜Ｗ２１＜Ｗ３１を満足する）。このように関節構造体１００を構成することによって、摩擦力の影響を抑制した態様にて、接地面からの離間動作を実現することが可能となる。端的には、接地面から踵部５０を持ち上げることに要するトルクを小さくすることができ、ロボットの移動に要する消費電力を低減することができる。関節構造体１００が移動体（例えば、ロボット）に取り付けられる場合には、その移動能力の向上も図ることができる。

以下、図１乃至図１１を参照して具体的に説明する。なお、各図面には、必要に応じて、ＸＹＺ座標が設定されている。Ｘ軸は、関節構造体１００の進行方向に一致し、Ｙ軸は、関節構造体１００の幅方向に一致し、Ｚ軸は、鉛直方向に一致する。上下左右といった方向を示す用語は、図面を正面視していることを前提とする。前後という用語は、原則として、関節構造体１００の進行方向を基準として理解されるべきである。

図１及び図２は、関節構造体の概略的な斜視図である。図３及び図４は、関節構造体の概略的な上面図である。図５は、関節構造体の概略的な側面図である。図６は、関節構造体の概略的な側面図／断面模式図である。図７は、回転比の調整を説明するための説明図である。図８は、関節構造体の概略的な上面図である。図９は、関節構造体の概略的な断面模式図である。図１０及び図１１は、関節構造体の概略的な斜視図である。

図１乃至図４に示すように、関節構造体１００は、爪先部２０、及び踵部５０を有する。爪先部２０と踵部５０間は、リンク機構３０により接続されている。図２に示すように、リンク機構３０は、ジョイント３１、リンク３２、ジョイント３３、リンク３４を含む。

図１に示すように、爪先部２０は、爪を模した形状の先端部２１と、回転軸ＡＸの移動路を提供するガイド部２２とから構成される。先端部２１は、平板２１ａ、平板２１ｂ、及び３つのアーチ部２１ｃから構成される。平板２１ａは、ｘｙ平面内に位置する平板状部材である。平板２１ｂは、ｚｙ平面内に位置する平板状部材であり、平板２１ａに対して垂直に起立して設けられている。アーチ部２１ｃは、平板２１ａの先端部分と平板２１ｂの上端部分とを接続するアーチ状部分である。

図２に示すように、ガイド部２２は、平板部２２ａに対して枠状部２２ｂ及び枠状部２２ｃが立設され、枠状部２２ｂと枠状部２２ｃとが梁部２２ｄによって連結された構造を有する。平板部２２ａは、ｘｙ平面内に位置する平板状部材である。枠状部２２ｂは、ＸＺ平面内に位置する枠状部分である。枠状部２２ｂは、ｘ軸方向に延在する柱状部とｚ軸方向に延在する柱状部とから構成される。枠状部２２ｃの構成は、枠状部２２ｂと略同様である。平板部２２ａ、枠状部２２ｂ、枠状部２２ｃの先端側部分は、平板２１ｂの背面に対して連結している（図１１参照）。

後述の説明から理解されるように、ガイド部２２には、回転軸ＡＸに沿って、ガイドレール、ラック、ガイドレールが設けられており、これによって、踵部５０に設けられたスライダ、ピニオン、スライダのｘ軸方向の変位が好適にガイドされる。

図２に示すように、踵部５０は、ベース板５３、変速機（回転比調整機構）４１、スライダ４２（図６（ｂ）参照）、ピニオン４３、スライダ４４、及び天板８０を有する。踵部５０には、電気モーター６１、プーリ―６２、プーリ―６３、ベルト６４、ナット部６５といった駆動部品が実装されている。リンク３４とナット部６５は、いわゆる"ボールねじ"を構成する。ナット部６５の回転によって、リンク３４の送り量（換言すれば、リンク３４上のナット部６５の位置）が調整され、これにより、接地状態の爪先部２０に対する踵部５０の傾斜調整が可能となる。

なお、ベース板５３に実装される駆動部品（電気モーター６１、プーリ―６２、プーリ―６３、ベルト６４、ナット部６５）を含めて、踵部５０を把握しても良い。ナット部６５を含めてリンク機構３０を把握しても良い。駆動源（電気モーター６１）と伝達機構（プーリ―６２、プーリ―６３、ベルト６４、ナット部６５）とによって駆動機構／駆動手段が実現される。駆動機構により、リンク機構３０に含まれるリンク３４の送り量が調整される。なお、個々の部材を包含する上位概念の認定態様は様々であり、本実施形態にて説明された上位概念に限られるべきではない。

繰り返しとなるが、踵部５０には、ネジ軸として機能するリンク３４とナットとして機能するナット部６５から構成される"ボールねじ"が実装されている。電気モーター６１によるナット部６５の回転制御により、リンク３４の送りが制御され、爪先部２０に対する踵部５０の傾斜調整が実行される。

図２に示すように、踵部５０のベース板５３は、ｘｙ平面内に位置する平板状部材である。ベース板５３は、平板部から爪先部２０側へ延出した一組の軸保持部５５、５６を有する。軸保持部５５は、ｘ軸に沿って直線状に延在する延在部５５ａと当該延在部５５ａの先端に設けられた側面視円状の円状部５５ｂを有する。軸保持部５６も同様に、ｘ軸に沿って直線状に延在する延在部５６ａと当該延在部５６ａの先端に設けられた円状部５６ｂを有する。円状部５５ｂ、５６ｂの各中心点は、回転軸ＡＸ上に配置されている。

ベース板５３の平板部には、壁部５７ａ、柱部５７ｂ、壁部５７ｃ、柱部５７ｄ、柱部５７ｅ、及び壁部５７ｆが立設されている。壁部５７ａと壁部５７ｃ間には、プーリ―６３とナット部６５が配置されている。ナット部６５は、壁部５７ｃに対して固定されてなく、回転可能な状態にある。壁部５７ａ、柱部５７ｂ、壁部５７ｃ、柱部５７ｄ、柱部５７ｅ、及び壁部５７ｆによって、踵部５０上に天板８０が強固定される。なお、踵部５０に対する天板８０の固定方法は任意である。

壁部５７ｆの後面には、踵部５０の平板部上に固定された電気モーター６１が配置されている。壁部５７ｆの前面には、プーリ―６２が設けられている。電気モーター６１の回転軸とプーリ―６２の回転軸とは連結している。電気モーター６１の駆動により、プーリ―６２をｙｚ平面内にて回転する。プーリ―６２とプーリ―６３とは、同一のｙｚ平面に配置されており、両者は、共通のベルト６４により回し掛けられている。プーリ―６２の回転軸とプーリ―６３の回転軸とは互いに平行に存在する。ベルト６４は、例えば、歯付きベルトである。各プーリ―６２、６３には、その周方向に連続した歯が形成されており、この歯は、ベルト６４の歯と噛み合わされる。なお、プーリ―６３は、プーリ―６２との比較において従動プーリ―として機能する。プーリ―６３は、ナット部６５に対して位置固定されており、プーリ―６３で受けた回転力は、ナット部６５へ伝達される。ナット部６５が回転することによって、リンク３４の進退（前後位置）が調整される。

図２及び図４に示すように、踵部５０と爪先部２０間には、リンク機構３０が設けられている。上述のように、リンク機構３０は、ジョイント３１、リンク３２、ジョイント３３、およびリンク３４を有する。ジョイント３１は、先端部２１とリンク３２間の連結部分である。ジョイント３３は、リンク３２とリンク３４間の連結部分である。リンク３２、３４は、直線状に延在する軸状部材である。ジョイント３１を介して、先端部２１とリンク３２とは、ｘｚ平面内にて揺動可能に接続されている。ジョイント３３を介して、リンク３２とリンク３４とは、ｘｚ平面内にて揺動可能に接続されている。各ジョイントの自由度は任意であり、２以上の自由度を付与しても良い。

図４に示すように、リンク３２は、ガイド部２２に対応づけて設けられている。リンク３４は、踵部５０に対して対応づけて設けられている。爪先部２０及び踵部５０が接地しているとき、リンク３２は、ｘ軸に対して平行に延在し、同様に、リンク３４は、ｘ軸に対して平行に延在する。爪先部２０及び踵部５０が接地しているとき、ジョイント３１からジョイント３３までのｘ軸上の距離は、ガイド部２２のｘ軸上の長さと略同一である。

図４に示すように、リンク３４は、壁部５７ａ、プーリー６３に設けられた各開口を通過し、ナット部６５に対して係合する。リンク３４とナット部６５は、上述のように"ボールねじ"を構成する。例えば、リンク３４の外周面には、ボールの進行通路（例えば、この進行通路は、らせん状に延在する）が設けられている。ナット部６５にも、ボールの進行通路が設けられている。リンク３４とナット部６５の各通路が連続することによって、両者は係合状態となる。リンク３４とナット部６５と間に連続形成される進行通路内には、多数のボールが隙間無く配置される。ナット部６５の回転によって、各ボールは、上述の通路内を循環し、これに応じて、ナット部６５に対してリンク３４が進退する。このように、ナット部６５の回転によってリンク３４が進退制御される。なお、リンク３４の進退制御は、ボールねじ以外の手段を用いて実現しても良い。

接地面から踵部５０が持ち上げられる動作は、例えば、次のメカニズムにより実現される。まず、電気モーター６１を駆動し、電気モーター６１の回転軸を回転させる。電気モーター６１の回転軸が回転すると、プーリ―６２も回転する。プーリ―６２が回転すると、共通のベルト６４が回し掛けられたプーリ―６３が回転する。プーリ―６３が回転すると、ナット部６５も回転する。ナット部６５が回転すると、リンク３４が踵部５０側へ近接／離間する方向へ移動ことになる。例えば、ナット部６５が右回転すると、リンク３４は、図４を正面視して上側へ移動する。ナット部６５が左回転すると、リンク３４は、図４を正面視して下側へ移動する。図５に模式的に示すように、ナット部６５よりも先端側に存在するリンク３４の長さが調整されることによって、回転軸ＡＸを回転軸として、接地面に対する踵部５０の傾斜角度が調整されることになる。

関節構造体１００は、１以上の脚部を有する歩行ロボットの足部を構成する。関節構造体１００は、接地面から離れる際、爪先部２０が接地している状態で、爪先部２０側へ接地面上において踵部５０が転がり移動する。通常、踵部５０が接地面から離れる際には、摩擦力が生じるため、この摩擦力に打ち勝つだけのトルクを爪先部２０と踵部５０との間に生じさせることが要求される。本実施形態では、この摩擦力の影響を低減させるべく、爪先部２０側へ接地面上において踵部５０を転がり移動させる。より具体的には、踵部５０に対して回転軸ＡＸを設け、この回転軸ＡＸが、踵部５０が接地面から離れることに同調して、爪先部２０の先端側へ爪先部２０上を移動する。これによって、踵部５０は、接地面上を転がり、それゆえ、摩擦力の影響を抑制することが可能となる。なお、関節構造体１００の用途は任意であり、歩行ロボットの足部に用途限定されるべきものではない。

図５を参照して、関節構造体１００が変形する過程を説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）の順に、関節構造体１００は変形する。

図５（ａ）に示すとき、爪先部２０及び踵部５０は接地している。壁部５７ａから先端側へ延出しているリンク３４の長さ（以下、リンク３４の延出長と呼ぶ場合がある）はＷ１０である。回転軸ＡＸは、ガイド部２２の後端面から幅Ｗ１１分だけ離間した位置にある。

図５（ｂ）に示すとき、接地面に対して踵部５０がθ２０度（なお、θ２０度＝２０度ではない）だけ傾いて持ち上げられている。リンク３４の延出長がＷ１０からＷ２０へ短く調整されることに同調して、踵部５０は、接地面に対してθ２０度だけ傾いた状態となる。回転軸ＡＸは、ガイド部２２の後面から幅Ｗ２１分だけ離間した位置にある（幅Ｗ１１＜幅Ｗ２１）。

図５（ｃ）に示すとき、接地面に対して踵部５０がθ３０度（なお、θ３０度＝３０度ではない）だけ傾いて持ち上げられている。リンク３４の延出長がＷ２０からＷ３０へ短く調整されることに同調して、踵部５０は、接地面に対してθ３０度だけ傾いた状態となる。回転軸ＡＸは、ガイド部２２の後面から幅Ｗ３１分だけ離間した位置にある（幅Ｗ２１＜幅Ｗ３１）。なお、リンク３４の後端は、ベース板５３の後端付近まで移動していることが分かる。

図５の開示から把握されるように、リンク３４の延出長が短く調整されるに同調して、爪先部２０に対して踵部５０が回動し、踵部５０が接地面から離れ、これらと同時に、踵部５０が接地面上を転がる。換言すれば、リンク３４の延出長が短くなるに同調して、爪先部２０に対して踵部５０が回動し、爪先部２０上を回転軸ＡＸが移動する。これによって、摩擦力の影響を抑制した態様で、接地面からの離間動作を実現することができる。軸保持部５５の先端部分は円状に構成されている。従って、軸保持部５５は、前方（図５を正面視して左側）に向かって接地面上を好適に転がることができる。このような転がりによって、爪先部２０に対する踵部５０の相対変位に要するトルクを小さくすることができ、電気モーター６１の消費電力を低減することが可能となる。

図６を参照して、踵部５０に設けられた回転軸ＡＸが爪先部２０に対して係合している具体的態様について説明する。図６（ｂ）は、図６（ａ）の一点鎖線に沿う断面模式図である。

図６（ｂ）に模式的に示すように、回転軸ＡＸ上には、変速機４１、ピニオン４３が配置されている。ピニオン４３及び変速機４１の各回転軸は、回転軸ＡＸに一致する。変速機４１は、後述の説明のように、ピニオン４３の回転量と円状部５５ｂ、５６ｂの回転量を調整するために設けられている。ピニオン４３は、平板部２２ａの上面に設けられたラック２７に歯合している。ピニオン４３がラック２７上を移動することによって、回転軸ＡＸがラック２７上を移動することになる。

図６（ｂ）に示すように、ピニオン４３の両側には、上下方向に突出した一組のスライダ（スライダ４２及びスライダ４４）が設けられている。スライダ４４の上部は、枠状部２２ｂに設けられた凹状のガイドレール２２ｂ１によりガイドされる。スライダ４２の上部は、枠状部２２ｃに設けられた凹状のガイドレール２２ｃ１によりガイドされる。スライダ４４の下部は、平板部２２ａに設けられた凹状のガイドレール２２ａ１によりガイドされる。スライダ４２の下部は、平板部２２ａに設けられた凹状のガイドレール２２ａ２によりガイドされる。スライダとガイドレールから構成されるガイド機構（案内機構）によって、ｘ軸に沿ってピニオン４３（回転軸ＡＸ）が直線移動することを確保できる。ピニオン４３（回転軸ＡＸ）をｘ軸に沿って直動させることで、円状部５５ｂ、５６ｂが接地面上を安定して連続的に転がる状態を確保することができる。

図７を参照して変速機４１を設ける理由について説明する。図７（ａ）に示すように、ピニオン４３の半径をｒ_ｐとし、円状部５６ｂの回転半径をｒ_ｈとする。このとき、変速機４１の減速比は、次のように求まる。
変速機４１の減速比＝ｒ_ｈ／ｒ_ｐ

図７（ｂ）に示すように、回転角度＝θとすると、ピニオン４３の転がり量ｄ_ｐと円状部５６ｂの転がり量ｄ_ｈは次のように算出される。
ｄ_ｈ＝ｒ_ｈ×θ
ｄ_ｐ＝ｒ_ｐ×θ×（ｒ_ｈ／ｒ_ｐ）＝ｒ_ｈ×θ

変速機４１のギア比は、ピニオン４３の転がり量ｄ_ｐと円状部５６ｂの転がり量ｄ_ｈとは互いに一致するように調整されている。ピニオン４３の転がり量ｄ_ｐと円状部５６ｂの転がり量ｄ_ｈが一致させることによって、円状部５６ｂが接地面上を移動する際に滑りが生じないように構成することができる。なお、ピニオン４３と円状部５６ｂ間の関係は、ピニオン４３と円状部５５ｂ間の関係についても同様である。各円状部の回転中心は、ピニオン４３の回転軸と同様、回転軸ＡＸ上に位置する。変速機４１の回転軸も同様に、回転軸ＡＸ上に位置する。

図８及び図９を参照してラック２７上をピニオン４３が移動する過程を補足的に説明する。図９（ａ）〜（ｃ）は、図８の一点鎖線に沿う断面模式図である。図９（ａ）〜（ｃ）の順に、リンク３４の延出長は短く調整される。

図９（ａ）に示すとき、爪先部２０及び踵部５０は接地している。ピニオン４３の回転軸ＡＸは、ラック２７の後端位置から幅Ｗ１１分だけ離間した位置にある。

図９（ｂ）に示すとき、接地面に対して踵部５０がθ２０度だけ傾いて持ち上げられている。ピニオン４３の回転軸ＡＸは、ラック２７の後端位置から幅Ｗ２１分だけ離間した位置にある（幅Ｗ１１＜幅Ｗ２１）。

図９（ｃ）に示すとき、接地面に対して踵部５０がθ３０度だけ傾いて持ち上げられている。ピニオン４３の回転軸ＡＸは、ラック２７の後端位置から幅Ｗ３１分だけ離間した位置にある（幅Ｗ２１＜幅Ｗ３１）。

図９の開示から把握されるように、リンク３４の延出長が短く調整されるに同調して、ピニオン４３がラック２７上を転がる。ピニオン４３の回転に同調して、円状部５５ｂは接地面上を転がる。ラック２７は、水平方向に延在し、ピニオン４３は、ラック２７上を水平移動する。従って、接地状態を保ちつつ、円状部５５ｂも接地面に沿って水平移動する。

図１０及び図１１に、関節構造体１００の変化の態様を模式的に示す斜視図を示す。

図１０に示すように、関節構造体１００は、先端部２１が接地した状態で、踵部５０は先端部２１側へ回転移動する。踵部５０の各軸保持部の先端は円状に構成されているため、踵部５０の回転移動は好適に為し得る。その後、踵部５０は、円状部のみで接地している状態となり、最終的には、爪先部２０と共に接地面から離れる。なお、踵部５０が接地面から離れるタイミングと先端部２１が接地面から離れるタイミングとを略同時とすると良いが、これに限られるべきものではない。

図１０は、接地面の下方から接地面を透過して関節構造体１００の姿勢変化を斜視した図である。図１０に示すように、踵部５０が接地面から離れるに応じて、踵部５０は、前方に移動する。軸保持部５５と軸保持部５６との間には、ガイド部２２を受け入れる受け空間が設けられている。これによって、ガイド部２２とベース板５３とが干渉することを効果的に抑制することができる。

図１１に示すように、接地面から踵部５０が離れるに応じて、リンク３４は、壁部５７ｃから徐々に後方へ延出する。これは、壁部５７ａから前方に延出しているリンク３４の長さが短くなることの結果として生じる。

なお、壁部５７ｃには、ねじ軸として機能するリンク３４が通過可能な開口が設けられている。壁部５７ａについても同様である。

実施の形態２
図１２を参照して実施の形態２について説明する。図１２に模式的に示すように、ベース板５３の底面には、一定厚の層状の弾性部材９０が貼り付けられている。踵部５０を接地面から浮かせる過程で、踵部５０の後方から前方へ弾性部材９０に係る加重が減少する。このとき、踵部５０が短時間で接地面から離れる場合には、床反力が突然存在しない状態となってしまい、床反力の分布を緩慢に変化させることができなくなるおそれがある。本実施形態では、この点に鑑みて、踵部５０の底面に対して弾性部材９０を設ける。これによって、踵部５０が接地面から受ける床反力の分布を緩慢に変化させること（床反力の分布を滑らかに爪先部２０側へ変化させること）が可能となり、床反力の影響を抑制した態様にて、関節構造体１００を接地面から浮かせることが可能になる。

本実施形態によれば、ロボットの足部として関節構造体１００をロボットに組み込む場合、ＺＭＰ（Zero Moment Point）が後方へずれることによってロボット全体の安定性が劣化することも効果的に抑制することができる。なお、ＺＭＰとは、足裏全体に分布してかかっている床反力の法線成分を，ある一点にかかっているとして置き換えたときの作用点のことである。昨今のロボットにおいては、ＺＭＰの位置を算出し、ＺＭＰの位置が所定範囲内に存在するように駆動系を制御することが行われている。弾性部材９０の材料は、例えば、樹脂等が例示されるが、これに限らず任意である。

実施の形態３
図１３を参照して実施の形態３について説明する。図１３に示すように、実施の形態１又は２に示した関節構造体１００は、ロボット２００の足部を構成する。このような場合であっても、上述の実施形態１及び２と同様の効果を得ることができる。なお、図１３に示すように、ロボット２００は、胴部２０１、複数の関節を含むアーム２０２、２０３、複数の関節を含む脚部２０４、２０５を有する。ロボット２００は、自立的又は外部からの指令に応じて、２足歩行により空間移動する。なお、関節構造体１００の組み込み対象は、このような２足歩行ロボットに限られるべきものではない。

参考説明
以下、図１４乃至図１８を参照して参考説明をする。図１４乃至図１８を参照した後述の説明を踏まえて、上述の実施形態の開示内容を把握しても良い。

図１４に示すように、爪先部３０１と踵部３０２が回転機構３０３を介して接続されている場合について検討する。図１４（ａ）に示すように、回転機構３０３の回転制御により、踵部３０２を接地面から持ち上げる場合、踵部３０２と床間の摩擦により、図１４（ｂ）の矢印に示す摩擦力が生じてしまう。

上述の摩擦力を低減するためには、図１５に示す解決手段が考えられる。

図１５（ａ）に示すように、回転機構３０３の高さを低くすることによって摩擦力を低減することが考えられる。しかしながら、回転機構３０３の大きさを無視することはできず、また、爪先部３０１又は踵部３０２に対する干渉も回避する必要があるため、回転機構３０３の高さを低くすることには限界がある。

図１５（ｂ）に示すように、回転機構３０３を前側に配置することによって摩擦力を低減することが考えられる。しかしながら、回転機構３０３を前側に配置するとしても、爪先部３０１の先端までという限界がある。加えて、回転機構３０３から外部から見て目立つ箇所に配置することは、意匠的な観点から好ましくない。回転機構３０３を前方に配置すると、意匠設計の自由度が損なわれるという問題もある。

図１５（ｃ）に示すように、踵部３０２の底面の面積を減らすことが考えられる。しかしながら、踵部３０２の底面における摩擦は、ロボットの安定姿勢を維持するために必要なものである。従って、図１５（ｃ）に示す場合、踵部３０２の底面に高い摩擦係数の物質を設ける必要が生じ、結果的には、摩擦力を低減するという効果は限定的なものにしかならないと考えられる。

図１５（ｄ）に示すように、踵部３０２に対して回転車輪を設けることが考えられる。しかしながら、ロボットの安定姿勢を維持するためには、回転車輪をロックする機構が必要となり、かえって、構成の複雑化を招いてしまう。

上述の本実施形態では、踵部３０２において十分な摩擦力を確保することができるため、ロボットの姿勢が不安定化することはない。

図１６に示すように、爪先部３０１が配置されている接地面の摩擦係数が、踵部３０２が配置されている接地面の摩擦係数よりも小さい場合も想定される。この場合、図１６（ａ）に模式的に示すように、踵部３０２を上方へ回転させる際、踵部３０２に付与される摩擦力が、爪先部３０１に対して付与される摩擦力よりも大きくなることが想定される。この場合、全体としては、図１６（ｂ）に模式的に示すように、前方へ滑ってしまうことが想定される。

上述の本実施形態では、接地面から踵部を上方へ回転させるとき、踵部に対して大きな摩擦力が付与されることが抑制されている。従って、摩擦係数が異なる接地面上を歩行する場合であっても、歩行状態が不安定なものとなることを抑制することができる。

図１７に模式的に示すように、接地面から踵部を持ち上げる際には、接地面に対する踵部の接地面積が急激に減少する。この時、ＺＭＰの位置にずれが生じ、フィードバック制御をしても対応できないという問題がある。図１７（ａ）に示すとき、爪先部３０１と踵部３０２に対して床反力分布が付与されている。図１７（ｂ）に示すとき、踵部３０２が接地面から浮き、矢印で模式的に示すように後方へ倒れるモーメントが生じる。すると、図１７（ｃ）に示すように、ＺＭＰが後方へずれてしまう。ＺＭＰの位置ズレが大きい場合にはロボットが転倒してしまう可能性もある。

ＺＭＰズレに関する問題を解決するために、図１８に示すように、踵部３０２の底面に対して層状の弾性部材３０４を貼り付けると良い。この場合、踵部３０２を接地面から浮かすとき、図１８（ａ）に示した床反力の分布は、図１８（ｂ）に示した床分布へと推移する。このように、弾性部材３０４を設けることによって、床反力の推移がゆっくりとしたものとなり、姿勢制御フィードバック系の作動により、ＺＭＰの位置ズレの影響を抑制することができる。しかしながら、図１８に示す場合であっても、踵部３０２を接地面から浮かす時に生じる摩擦力は低減されない。従って、図１４にて摩擦力に打ち勝つだけのトルクを生じさせる必要がある。

実施形態の形態２では、踵部を浮かす時に踵部に付与される摩擦力は小さい。従って、実施の形態２では、踵部の底面に弾性部材を貼り合わせることができ、ＺＭＰ位置ズレに対する耐性も関節構造体に付与することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、爪先部上を移動する回転軸の移動態様は任意であり、直線状の移動に限らない。回転軸が爪先部により保持されている具体的態様は任意である。爪先部／踵部の具体的な形状は任意である。ボールねじ以外の駆動機構を採用しても良い。関節構造体に設けられる関節数は任意である。

１００ 関節構造体

２０ 爪先部
２１ 先端部
２２ ガイド部
５０ 踵部

３０ リンク機構

４１ 変速機
４２ スライダ
４３ ピニオン
４４ スライダ

２７ ラック

５３ ベース板
５５ 軸保持部
５５ａ 延在部
５５ｂ 円状部
５６ 軸保持部
５６ａ 延在部
５６ｂ 円状部

６１ 電気モーター
６２ プーリ―
６３ プーリ―
６４ ベルト
６５ ナット部

８０ 天板

Claims (12)

1. 接地面からこの順に離れる第１及び第２部材を備える関節構造体であって、
   前記第１部材は、前記第２部材に対して係合した回転軸を備え、
   当該回転軸は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記接地面に沿って前記第２部材上を移動可能に構成されている、関節構造体。
2. 前記第１部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、
   当該軸保持部は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の関節構造体。
3. 前記第１部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、当該軸保持部は、前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されている、請求項１又は２に記載の関節構造体であって、
   前記回転軸と前記軸保持部間の回転比を調整する回転比調整機構を更に備える。
4. 前記第１部材は、前記回転軸を保持する一組の軸保持部を備え、
   一組の前記軸保持部の間には、前記回転軸の前記移動時に前記第１及び第２部材同士が干渉することを回避するための空間が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の関節構造体。
5. 前記第１及び２部材には、前記回転軸の前記移動を案内する案内機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の関節構造体。
6. 前記第１部材は、前記回転軸を自身の回転軸とするピニオンを備え、
   前記第２部材は、前記ピニオンが歯合したラックを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の関節構造体。
7. 前記第１部材と前記第２部材間の回動を許容する態様にて、前記第１及び第２部材間を接続するリンク機構を更に備え、
   前記第１部材には、前記リンク機構に含まれるリンクを当該第１部材からみて前進及び後退させる駆動機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の関節構造体。
8. 前記第２部材は、接地面に対して接地する先端部と、前記回転軸の移動路が設けられたガイド部と、を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の関節構造体。
9. 前記第１部材の底面には弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の関節構造体。
10. 前記第１部材は、ヒトの足の踵に対応する踵部であり、
    前記第２部材は、ヒトの足の爪先に対応する爪先部であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の関節構造体。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の関節構造体を具備するロボット。
12. 接地面から順に離れる第１及び第２部材を備え、第１部材に設けられた回転軸は前記第２部材に対して係合している関節構造体の動作方法であって、
    前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記回転軸は、前記接地面に沿って前記第２部材上を移動し、
    前記第２部材に対する前記第１部材の回動に応じて、前記第１部材は、前記接地面上を転がる、関節構造体の動作方法。

Images