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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-08
(45)【発行日】2022-12-16
(54)【発明の名称】関節構造および関節駆動装置ならびに二足歩行ロボット
(51)【国際特許分類】
B25J 17/00 20060101AFI20221209BHJP
B25J 5/00 20060101ALI20221209BHJP
B25J 13/08 20060101ALI20221209BHJP
F16H 1/32 20060101ALI20221209BHJP
【ＦＩ】
B25J17/00 E
B25J5/00 F
B25J13/08 Z
F16H1/32 B
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2018138677
(22)【出願日】2018-07-24
(65)【公開番号】P2020015119
(43)【公開日】2020-01-30
【審査請求日】2021-01-05
(73)【特許権者】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(73)【特許権者】
【識別番号】514074382
【氏名又は名称】カワダロボティクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】金子 健二
(72)【発明者】
【氏名】川崎 俊和
【審査官】松浦 陽
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－０００６６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０８０３２３２８（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１５－００３３５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０００６１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１００８７２（ＫＲ，Ａ）
【文献】国際公開第２００４／０６９４９３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０１４１０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１８４０４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１７４７０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８３６１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００７／０３７１３１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２
Ｆ１６Ｈ １／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１関節軸を中心に相対回転する各種要素から構成される第１波動歯車装置と、第２関節軸を中心に相対回転する各種要素から構成される第２波動歯車装置とを備えて本体装置に搭載される関節構造であって、前記第１波動歯車装置は前記第１関節軸周りの回転駆動力を第１モータから伝達入力される第１入力要素を具備し、前記第２波動歯車装置は前記第２関節軸周りの回転駆動力を第２モータから伝達入力される第２入力要素を具備し、
前記第１関節軸および前記第２関節軸が同一平面内に、あるいは、当該第１波動歯車装置または当該第２波動歯車装置の上下方向の厚さ未満の範囲内に位置して交差するように配置されて、
前記第１波動歯車装置は、第１固定要素が第１相対不動部材に固定されるとともに第１出力要素が第１相対駆動中間部材に固定され、
前記第２波動歯車装置は、第２固定要素が第２相対不動中間部材に固定されるとともに第２出力要素が第２相対駆動部材に固定され、
前記第１相対駆動中間部材と前記第２相対不動中間部材とは相対位置および相対姿勢が変化しないように構成されており、
前記第１波動歯車装置は、前記第２関節軸の軸線上に配置され、
前記第１波動歯車装置の前記第１入力要素に回転動力を伝達入力する前記第１モータは、前記第１相対不動部材に配置され、
前記第２波動歯車装置の前記第２入力要素に回転動力を伝達入力する前記第２モータは、前記第１相対駆動中間部材および前記第２相対不動中間部材の一方に、または双方に跨るように配置されていることを特徴とする関節構造。
【請求項2】
前記第２モータは、前記第１関節軸および前記第２関節軸の交差する交点を通過して当該第１関節軸および当該第２関節軸の双方に直交する直線上に配置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。
【請求項3】
前記第１波動歯車装置および前記第２波動歯車装置は、前記第１入力要素および前記第２入力要素としてそれぞれ波動発生器を、前記第１固定要素および前記第２固定要素としてそれぞれ可撓性外歯歯車を、前記第１出力要素および前記第２出力要素としてそれぞれ剛性内歯歯車を、備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の関節構造。
【請求項4】
前記第１モータは、前記第１関節軸と平行な回転駆動軸を有して前記第１波動歯車装置の前記第１入力要素に回転駆動力を伝達入力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の関節構造。
【請求項5】
前記第２モータは、前記第２関節軸と平行な回転駆動軸を有して前記第２波動歯車装置の前記第２入力要素に回転駆動力を伝達入力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の関節構造。
【請求項6】
前記第１関節軸の通過する経路に形成されている第１配線通路孔と、前記第２関節軸の通過する経路に形成されている第２配線通路孔と、前記第１配線通路孔および前記第２配線通路孔を連通させるように介在する部材に形成されている連通配線通路孔と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の関節構造。
【請求項7】
前記第１関節軸を軸心として前記第２相対不動中間部材および前記第１相対駆動中間部材と共に相対回転する構成要素の全体または一部を覆うカバーを有して、前記カバーは前記第１関節軸を軸心とする湾曲面を有して、前記第１相対不動部材は前記カバーの湾曲面に近接対面する相似形状の凹面形状を有していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の関節構造。
【請求項8】
上記の請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の関節構造を備える関節駆動装置であって、前記第１モータと、
前記第２モータと、
前記第１モータの回転駆動軸の駆動回転角を検出する第１駆動回転角センサと、
前記第２モータの回転駆動軸の駆動回転角を検出する第２駆動回転角センサと、
前記第１波動歯車装置の第１固定要素と第１出力要素との相対回転角度を検出する第１相対回転角センサと、
前記第２波動歯車装置の第２出力要素と第２固定要素との相対回転角度を検出する第２相対回転角センサと、
を備えて、
前記第１駆動回転角センサの検出値に、前記第１モータの回転駆動軸から前記第１波動歯車装置の第１入力要素に回転駆動力を伝達する減速比と当該第１波動歯車装置の第１入力要素から第１出力要素への減速比とを積算した積算値から前記第１相対回転角センサの検出値を減算した第１減算値を算出し、
前記第２駆動回転角センサの検出値に、前記第２モータの回転駆動軸から前記第２波動歯車装置の第２入力要素に回転駆動力を伝達する減速比と当該第２波動歯車装置の第２入力要素から第２出力要素への減速比とを積算した積算値から前記第２相対回転角センサの検出値を減算した第２減算値を算出し、
前記第１減算値と前記第２減算値のいずれか一方、もしくは当該第１減算値および当該第２減算値の双方に基づいて前記関節構造の異常を検出する検出手段を備えることを特徴とする関節駆動装置。
【請求項9】
上記の請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の関節構造を、下腿部および足部を連結する足首におけるピッチング動作とローリング動作とを行う足首関節として備えることを特徴とする二足歩行ロボット。
【請求項10】
上記の請求項８に記載の関節駆動装置を備えることを特徴とする二足歩行ロボット。
【請求項11】
上記の請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の関節構造を、下腿部および足部を連結する足首におけるピッチング動作とローリング動作とを行う足首関節として備え、かつ、上記の請求項８に記載の関節駆動装置を備えることを特徴とする二足歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交差する回転方向への相対回転を許容する関節構造および関節駆動装置ならびに二足歩行ロボットに関する。
【背景技術】
【0002】
関節を介して連結されている２部位をその関節を中心にして相対的に回転させることを実現する関節構造が知られている。この種の関節構造としては、例えば、二足歩行ロボットにおける足首のように、ピッチ方向とロール方向へ相対回転自在に下腿に足を連結する関節構造が各種開発されている。
【0003】
近年、二足歩行ロボットには、平地のみならず、凹凸のある不整地や急な傾斜地でも安定して足裏を接地させて信頼性高く歩行することが求められている。このため、二足歩行ロボットとしては、足首の高さを低くしつつ、その関節周りにおける可動範囲を広くするとともに、周囲環境からの干渉を受けることをなくすことによって、支障なく動作可能でコンパクトな構造にするのが好適である。
【0004】
このことから、特許文献１には、直交するピッチ軸およびロール軸を足首に備える歩行ロボットが開示されている。この歩行ロボットの足首の関節構造では、ピッチ軸およびロール軸のそれぞれに波動歯車装置が配置されており、そのピッチ軸の波動歯車装置に駆動力を入力する第１モータが下腿に配置され、また、ロール軸に波動歯車装置と共に第２モータが配置されている。
【0005】
しかしながら、この特許文献１に記載の関節構造では、ピッチ軸の波動歯車装置が下腿の側面に配置されていることから、ロール軸を中心にする可動範囲が狭くなって、さらに、床面に接触干渉し易い構造になっている。これらを回避しようとすると、足首周りの部品のレイアウトに制限が掛かるとともに、足首が床面から離隔されるために高くなってしまう。
【0006】
また、特許文献２には、直交するピッチ軸およびロール軸を足首に備える歩行ロボットが開示されている。この歩行ロボットの足首の関節構造では、ロール軸を挟む両側にアクチュエータとリンク部材をそれぞれ配置するとともにリンク間には球面軸受けを設け、ピッチ軸を挟んでその反対側にピッチ軸のみの寄与するアクチュエータとリンク部材を配置し、３つのアクチュエータの回転角度を制御することにより、ピッチ方向への回転とロール方向への回転の両回転が実現されている。
【0007】
しかしながら、この特許文献２に記載の関節構造では、リンク部材を介してアクチュエータの駆動力を伝達して足首を中心に足側を回転させるとともに、球面軸受を用いた３次元的に動くリンク機構が用いていることから、その足首の関節による可動範囲を大きく確保することが難しく、また、アクチュエータをそれぞれ独立して駆動させることができないことから制御処理が煩雑になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開平３－１８４７８２号公報
【文献】特開２０１３－２４８６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
そこで、本発明は、単方向の可動範囲を広くすることは言うまでもなく、交差する２回転方向が複合可動（ピッチ方向にも可動するとともに、ロール方向にも可動する）する場合においても両方向の可動範囲を広く確保し、加えて足首高さの低いコンパクトな構造の関節構造を実現して、それを備える関節駆動装置ならびに二足歩行ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決する関節構造の発明の第１の態様は、第１関節軸を中心に相対回転する各種要素から構成される第１波動歯車装置と、第２関節軸を中心に相対回転する各種要素から構成される第２波動歯車装置とを備えて本体装置に搭載される関節構造であって、前記第１波動歯車装置は前記第１関節軸周りの回転駆動力を第１モータから伝達入力される入力要素を具備し、前記第２波動歯車装置は前記第２関節軸周りの回転駆動力を第２モータから伝達入力される入力要素を具備し、前記第１波動歯車装置および前記第２波動歯車装置は、前記第１関節軸および前記第２関節軸が同一平面内に、あるいは、当該第１波動歯車装置または当該第２波動歯車装置の上下方向の厚さ未満の範囲内に位置して交差するように配置されて、前記第１波動歯車装置および前記第２波動歯車装置は、固定要素が相対不動部材に連結され、出力要素が相対駆動部材に連結されていることを特徴とするものである。
【0011】
この関節構造の発明の第１の態様では、第１波動歯車装置および第２波動歯車装置が第１関節軸および第２関節軸を同一平面内に、あるいは、これら歯車装置の厚さ未満の範囲内で交差させて配置されているので、軸周りの構造をできるだけ少なくしてコンパクトにすることができ、それぞれ深く相対回転させ、また、足首の高さを抑えて本体装置に搭載することができる。
【0012】
上記課題を解決する関節構造の発明の第２の態様は、上記の第１の態様に加えて、前記第１波動歯車装置および前記第２波動歯車装置の一方は、他方の前記第１関節軸または前記第２関節軸の軸線上に、あるいは、当該他方の前記第１関節軸または前記第２関節軸に近接する位置に配置されていることを特徴とするものである。
【0013】
この関節構造の発明の第２の態様では、第１波動歯車装置および第２波動歯車装置の一方を他方の第１関節軸または第２関節軸の軸線上や近接位置に配置するので、一方を他方の軸線周りで回転させることができ、その回転に必要な空間を不必要に大きく準備する必要なく、コンパクトな回転構造を実現することができる。この第１波動歯車装置および第２波動歯車装置の一方は、必要な部品をその他方の軸線周りにレイアウトして、その外周側に他方を配置することにより、全体的にコンパクトな回転構造を実現することができ、好適である。
【0014】
上記課題を解決する関節構造の発明の第３の態様は、上記の第１または第２の態様に加えて、前記第１波動歯車装置および前記第２波動歯車装置は、前記入力要素としての波動発生器と、前記固定要素としての可撓性外歯歯車と、前記出力要素としての剛性内歯歯車と、を備えることを特徴とするものである。
【0015】
この関節構造の発明の第３の態様では、関節軸を共通の軸心として、入力要素の波動発生器と、固定要素の可撓性外歯歯車と、出力要素の剛性内歯歯車とを軸心側から順次に配置されることにより、その関節軸周りに回転運動する相対回転部材と波動歯車装置の干渉がより起き難くなり、関節軸周りの関節可動範囲をより広く確保しつつ、相対回転部材との連結に必要な間隔を小さく抑えることが可能になる。
【0016】
上記課題を解決する関節構造の発明の第４の態様は、上記の第１から第３のいずれか１つの態様に加えて、前記第１モータおよび前記第２モータの一方または双方は、前記第１関節軸または前記第２関節軸と平行な回転駆動軸を有して前記第１波動歯車装置または前記第２波動歯車装置の前記入力要素に回転駆動力を伝達入力することを特徴とするものである。
【0017】
この関節構造の発明の第４の態様では、第１波動歯車装置および第２波動歯車装置の一方または双方において、入力要素と回転駆動軸の軸心を平行にして、それぞれの径方向を共通にして、コンパクトに配置することができる。
【0018】
上記課題を解決する関節構造の発明の第５の態様は、上記の第１から第４のいずれか１つの態様に加えて、前記第１モータおよび前記第２モータは、前記相対不動部材に配置されていることを特徴とするものである。
【0019】
この関節構造の発明の第５の態様では、相対不動部材にモータを配置して駆動させることができ、それぞれ第１、第２関節軸の軸周りの構造をコンパクトにして相対回転させることができる。
【0020】
上記課題を解決する関節構造の発明の第６の態様は、上記の第１から第５のいずれか１つの態様に加えて、前記相対不動部材および前記相対駆動部材を構成要素として含み、前記相対不動部材の内外を連通させるように前記第１関節軸の通過する経路に形成されている第１配線通路孔と、前記相対駆動部材の内外を連通させるように前記第２関節軸の通過する経路に形成されている第２配線通路孔と、前記第１配線通路孔および前記第２配線通路孔を連通させるように介在する部材に形成されている連通配線通路孔と、を備えることを特徴とするものである。
【0021】
この関節構造の発明の第６の態様では、内部構造に接続する必要のある配線を第１関節軸や第２関節軸を通過させて相対不動部材や相対駆動部材の外部に引き出すことができ、関節軸を中心に回転させて配線に与える回転負荷をできるだけ抑制することができ、また、周囲との接触による損傷を発生し難くすることができる。
【0022】
上記課題を解決する関節構造の発明の第７の態様は、上記の第１から第６のいずれか１つの態様に加えて、前記相対不動部材および前記相対駆動部材を構成要素として含み、前記第１関節軸を軸心として前記相対駆動部材と共に相対回転する構成要素の全体または一部を覆うカバーを有して、前記カバーは前記第１関節軸を軸心とする湾曲面を有して、前記相対不動部材は前記カバーの湾曲面に近接対面する相似形状の凹面形状を有していることを特徴とするものである。
【0023】
この関節構造の発明の第７の態様では、第１関節軸周りで異物を挟み込んでしまうことを回避しつつ相対不動部材を相対駆動部材に対して相対回転させることができる。
【0024】
上記課題を解決する関節駆動装置の発明の第１の態様は、上記の関節構造の発明の第１から第７のいずれか１つの態様を備える関節駆動装置であって、前記第１モータと、前記第２モータと、前記第１モータの回転駆動軸の駆動回転角を検出する第１駆動回転角センサと、前記第２モータの回転駆動軸の駆動回転角を検出する第２駆動回転角センサと、前記第１波動歯車装置の固定要素と出力要素との相対回転角度を検出する第１相対回転角センサと、前記第２波動歯車装置の出力要素と固定要素との相対回転角度を検出する第２相対回転角センサと、を備えて、前記第１駆動回転角センサの検出値に、前記第１モータの回転駆動軸から前記第１波動歯車装置の入力要素に回転駆動力を伝達する減速比と当該第１波動歯車装置の入力要素から出力要素への減速比とを積算した積算値から前記第１相対回転角センサの検出値を減算した第１減算値を算出し、前記第２駆動回転角センサの検出値に、前記第２モータの回転駆動軸から前記第２波動歯車装置の入力要素に回転駆動力を伝達する減速比と当該第２波動歯車装置の入力要素から出力要素への減速比とを積算した積算値から前記第２相対回転角センサの検出値を減算した第２減算値を算出し、前記第１減算値と前記第２減算値のいずれか一方、もしくは当該第１減算値および当該第２減算値の双方に基づいて前記関節構造の異常を検出する検出手段を備えることを特徴とするものである。
【0025】
この関節駆動装置の発明の第１の態様では、第１、第２減算値から構成部材の異常、例えば、ネジ締結の緩みや波動歯車装置内のラチェッティング等の異常発生を検出ことが可能になる。
【0026】
上記課題を解決する二足歩行ロボットの発明の第１の態様は、上記の関節構造の発明の第１から第７のいずれか１つの態様を、下腿部および足部を連結する足首におけるピッチング動作とローリング動作とを行う足首関節として備えるものである。
【0027】
この二足歩行ロボットの発明の第１の態様では、上記の関節構造の発明の第１から第７のいずれか１つの態様を足首関節として備えることができ、例えば、低い位置でコンパクトな足首により足部を深く相対回転させることができる。
【0028】
上記課題を解決する二足歩行ロボットの発明の第２の態様は、上記の関節駆動装置の発明の第１の態様を備えるものである。
【0029】
この二足歩行ロボットの発明の第２の態様では、上記の関節駆動装置の発明の第１の態様を備えることができ、例えば、関節構造におけるネジ締結の緩みや波動歯車装置内のラチェッティング等の異常発生を検出ことが可能になる。
【発明の効果】
【0030】
このように本発明の一態様によれば、第１波動歯車装置および第２波動歯車装置が関節軸を同一平面内などの近接する範囲で交差させてコンパクトな構造にされている。これら第１波動歯車装置および第２波動歯車装置は、関節軸と平行な回転駆動軸の第１モータおよび第２モータの回転駆動力をそれぞれの入力要素に伝達されることから、その回転駆動力の伝達機構を簡素な構造にして備えることができ、それぞれ別個に簡易に駆動制御することができる。
【0031】
したがって、可動範囲が広く高さを必要としないコンパクトな構造で、関節周りのレイアウトの自由度を向上させるとともに、低い位置に配置可能な関節構造を実現することができる。
【0032】
この結果、例えば、二足歩行ロボット（本体装置）の足首として第１波動歯車装置および第２波動歯車装置を備える関節構造を低い位置に配置して、下腿を相対不動部材として固定要素を連結するとともに、足を相対駆動部材として出力要素を連結することにより、凹凸のある不整地などでも快適に歩行動作をさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【発明を実施するための形態】
【0034】
【0035】
図１において、二足歩行ロボット１０は、腰部１１と、左右の脚部１２と、左右の足部１５と、胸部１６と、左右の腕部１７と、頭部１８とを備える左右対称構造の人型に構築されている。脚部１２は、大腿部１３と下腿部１４とに分けられて、大腿部１３は腰部１１に股関節２１を介して連結され、その大腿部１３には下腿部１４が膝関節２２を介して連結され、さらにその下腿部１４には足部１５が足首関節２３を介して連結されている。ここで、二足歩行ロボット１０は、左右対称構造に構築されていることから、本実施形態の右側構造を図示して、左右の区別を特にすることなく説明し、必要に応じて右下腿部１４の内側などとして説明する。
【0036】
二足歩行ロボット（本体装置）１０は、図２に示すように、下腿部１４と足部１５の間を、直交（交差）する図３に図示するピッチ軸線２４ｓおよび図２に図示するロール軸線２５ｓのそれぞれを回転軸として相対回転自在に連結する足首関節２３が配置されている。この足首関節２３は、ピッチ関節構造４１およびロール関節構造６１を備えて下腿部１４および足部１５のそれぞれに相対回転自在に連結している。ここで、ピッチ関節構造４１およびロール関節構造６１では、下腿部１４に対して足部１５をピッチ方向やロール方向に相対回転させる動力源として後述のモータが設置されて相対回転不能な固定側を固定部材と称し、相対回転可能な回転側を回転部材と称して、各部の構成を説明する。
【0037】
足首関節２３のピッチ関節構造４１は、図２および図３に示すように、ピッチ固定部材４１ｂおよびピッチ回転部材４１ｒにより構成されており、これらのピッチ固定部材４１ｂおよびピッチ回転部材４１ｒがピッチ軸線２４ｓを中心に相対回転自在に構築されて下腿部１４と足部１５との間を連結支持している。
【0038】
ピッチ関節構造４１のピッチ固定部材４１ｂは、短尺な概略円筒形状に形成されて下腿部１４の下腿フレーム３１に相対回転不能に連結されている。このピッチ固定部材４１ｂは、概略円筒形状の軸心に一致するピッチ軸線２４ｓ上に動力供給用のピッチ軸シャフト（第１関節軸）２４を収納して軸線方向に離隔するベアリング５８、５９を介して相対回転自在に支持している。
【0039】
また、ピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒは、ピッチ固定部材４１ｂと同様に、短尺な概略円筒形状に形成されて外周側に外装されている。このピッチ回転部材４１ｒは、軸線方向に離隔する位置に配置されているベアリング（軸受）５５、５６を介してピッチ軸線２４ｓを共通にして相対回転自在に下腿フレーム３１と一体のピッチ固定部材４１ｂに支持されている。このピッチ回転部材４１ｒは、後述するように、ピッチ軸シャフト２４から回転動力を受けてピッチ固定部材４１ｂ（下腿フレーム３１）に対して相対回転するように組み付けられて足部１５に連結されている。
【0040】
すなわち、足首関節２３のピッチ関節構造４１は、ピッチ軸線２４ｓを共通の軸心として、下腿フレーム３１と一体に連結固定されているピッチ固定部材４１ｂの内部に相対回転自在に内装されているピッチ軸シャフト２４を介して、そのピッチ固定部材４１ｂの外部に外装されて足部１５に連結されているピッチ回転部材４１ｒを相対回転させるようになっている。このことから、下腿部１４に対して足部１５を相対回転（相対駆動）させる構造において、ピッチ固定部材４１ｂは、下腿フレーム３１と共に、第１相対不動部材を構成し、ピッチ回転部材４１ｒは、そのピッチ固定部材４１ｂに対して相対回転（相対駆動）可能な第１相対駆動中間部材を構成している。
【0041】
一方、足首関節２３のロール関節構造６１は、図２～図４に示すように、ロール固定部材６１ｂおよびロール回転部材６１ｒにより構成されており、これらロール固定部材６１ｂおよびロール回転部材６１ｒがピッチ関節構造４１のピッチ軸線２４ｓに直交するロール軸線２５ｓを中心に相対回転自在に構築されて下腿部１４と足部１５との間を連結支持している。
【0042】
ロール関節構造６１のロール固定部材６１ｂは、ピッチ関節構造４１のピッチ固定部材４１ｂと同様に、短尺な概略円筒形状に形成されて、足部１５に連結されているピッチ回転部材４１ｒに相対回転不能に連結されている。このロール固定部材６１ｂは、概略円筒形状の軸心に一致する動力供給用のロール軸シャフト（第２関節軸）２５を収納して軸線方向に離隔するベアリング７８、７９を介して相対回転自在に支持している。
【0043】
また、ロール関節構造６１のロール回転部材６１ｒは、基底部６１ｒ１、対面板部６１ｒ２および対面収容部６１ｒ３を備えて構築されており、基底部６１ｒ１が足部１５の上面と平行姿勢で一体に連結固定されて、その基底部６１ｒ１の踵１５ｂ側に対面収容部６１ｒ３が一体に連結固定されているとともに、その基底部６１ｒ１の爪先１５ｆ側に対面板部６１ｒ２が一体に連結固定されて設置されている。要するに、ロール関節構造６１のロール回転部材６１ｒは、ロール軸線２５ｓ方向に対面板部６１ｒ２および対面収容部６１ｒ３が対面離隔するように配置されて基底部６１ｒ１に連結固定されている。なお、本実施形態では、基底部６１ｒ１が足部１５の上面に平行姿勢になるように設置する場合を一例として説明するが、これに限るものではなく、足部１５に対して相対的な位置関係が固定されている状態に設置すればよいことは言うまでもない。
【0044】
そのうちの対面板部６１ｒ２は、対面収容部６１ｒ３にロール軸線２５ｓ方向に対面する位置に設置されており、後述するように、相対回転自在に収容するロール固定部材６１ｂと一体のピッチ回転部材４１ｒを間に挟み込むように介在させてその対面収容部６１ｒ３に対面している。
【0045】
また、その対面収容部６１ｒ３は、ロール固定部材６１ｂと同様に、短尺な概略円筒形状に形成されて、そのピッチ回転部材４１ｒと一体のロール固定部材６１ｂの外周側に外装されている。この対面収容部６１ｒ３は、対面板部６１ｒ２と共に、軸線方向に離隔する位置に配置されているベアリング（軸受）７４、７５を介して、ロール軸線２５ｓを共通にして相対回転自在に一体のロール固定部材６１ｂおよびピッチ回転部材４１ｒに支持されている。この対面収容部６１ｒ３は、後述するように、ロール軸シャフト２５から回転動力を受けてロール固定部材６１ｂおよびピッチ回転部材４１ｒに対して対面板部６１ｒ２と共に相対回転するように組み付けられている。
【0046】
すなわち、足首関節２３のロール関節構造６１は、ロール軸線２５ｓを共通の軸心として、足部１５に連結されているピッチ回転部材４１ｒと一体のロール固定部材６１ｂの内部に相対回転自在に内装されているロール軸シャフト２５を介して、そのロール固定部材６１ｂの外部に外装されている足部１５と一体のロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３を対面板部６１ｒ２と共に相対回転させるようになっている。このことから、下腿部１４に対して足部１５を相対回転（相対駆動）させる構造において、ロール固定部材６１ｂは、ピッチ回転部材４１ｒと一体になって相対位置および相対姿勢が変化しないように構成されているとともに、第２相対不動中間部材を構成し、ロール回転部材６１ｒは、足部１５と共に、そのロール固定部材６１ｂに対して相対回転（相対駆動）可能な第２相対駆動部材を構成している。
【0047】
このため、足首関節２３のピッチ関節構造４１とロール関節構造６１は、ピッチ回転部材４１ｒがピッチ軸線２４ｓ周りに、また、ロール回転部材６１ｒがロール軸線２５ｓ周りに、それぞれ下腿部１４に対して相対回転可能に、すなわち、足部１５を相対回転させるように設置されており、そのピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓとが直交（交差）する関節原点（直交点）２７ｏをロール固定部材６１ｂと一体のピッチ回転部材４１ｒ内に位置するように構築されている。
【0048】
これにより、足首関節２３は、ピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓとが直交して、ピッチ方向とロール方向のそれぞれの回転軸を同一レベル（同一平面内あるいは後述する波動歯車減速装置４２、６２の直径程度の範囲内）に設置することができ、下腿部１４の下部近傍の接近位置に足部１５（ロール関節構造６１の基底部６１ｒ１）をピッチング動作やローリング動作させる際のピッチ方向とロール方向とのそれぞれに回転可能に設置することを可能にしている。
【0049】
そして、この二足歩行ロボット１０は、足首関節２３のピッチ関節構造４１およびロール関節構造６１のそれぞれの動力源としてピッチモータ４６（図５を参照）およびロールモータ６６（図５、図６を参照）を備えている。ピッチモータ４６は、ピッチ固定部材４１ｂである下腿部１４の上部で膝関節２２に近く、ロールモータ６６から離隔する位置に配置されている。ロールモータ６６は、ロール固定部材６１ｂと一体回転するように連結されたピッチ回転部材４１ｒの上部でロール軸シャフト２５に近い位置に配置されている。
【0050】
これにより、足首関節２３は、ロール関節構造６１のロールモータ６６の上部に空間を確保する位置にピッチ関節構造４１のピッチモータ４６を配置することによって、後述するように、ピッチング動作を足部１５にさせる際に、ピッチング方向に一体回転するロールモータ６６がピッチモータ４６の下部に入り込むことを許容することができ、ピッチング方向の回転範囲を大きく確保することができている。
【0051】
これらピッチ関節構造４１とロール関節構造６１は、図２～図６に示すように、ピッチモータ（第１モータ）４６とロールモータ（第２モータ）６６から駆動力をピッチ平行軸型伝動機構４７とロール平行軸型伝動機構６７を介してそれぞれ受け取って足部１５を下腿部１４に対してピッチ方向やロール方向に相対回転させるピッチ波動歯車減速装置（第１波動歯車装置）４２およびロール波動歯車減速（第２波動歯車装置）６２が内蔵されている。
【0052】
具体的には、ピッチ波動歯車減速装置４２は、歯数の異なる歯車を噛み合わせて入力される駆動力を減速して出力する、所謂、カップ型のハーモニックドライブ（登録商標）の構造を備えている。ピッチ波動歯車減速装置４２は、外径が一番大きなピッチ剛性内歯歯車（出力要素）４３と、このピッチ剛性内歯歯車４３の内周側に歯数が異なるために部分的に噛み合うピッチ可撓性外歯歯車（固定要素）４４と、このピッチ可撓性外歯歯車４４の内周側に配置されてピッチ剛性内歯歯車４３にピッチ可撓性外歯歯車４４を噛み合わさせるピッチ波動発生器（入力要素）４５とを備えて構築されている。このピッチ波動歯車減速装置４２は、ピッチ軸線２４ｓを共通の軸心として、ピッチ剛性内歯歯車４３、ピッチ可撓性外歯歯車４４、およびピッチ波動発生器４５が径方向に連続して同心円状に併置されることによりピッチ関節構造４１（ピッチ回転部材４１ｒ）内に組み込まれている。
【0053】
このうちのピッチ剛性内歯歯車４３は、ピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒにピッチ軸線２４ｓを軸心として同軸回転するように連結固定されて、下腿部１４に対して相対回転可能に設置されている。ピッチ可撓性外歯歯車４４は、ピッチ関節構造４１のピッチ固定部材４１ｂに連結固定されて、下腿部１４に対して相対回転不能に一体に設置されている。ピッチ波動発生器４５は、ピッチ関節構造４１のピッチ軸シャフト２４に連結固定されて、後述するようにピッチ平行軸型伝動機構４７を介して受け取るピッチモータ４６の回転駆動力で回転される。
【0054】
この構造により、ピッチ波動歯車減速装置４２は、ピッチ可撓性外歯歯車４４がピッチ関節構造４１のピッチ固定部材４１ｂを介して下腿部１４に連結固定されている状態で、ピッチ波動発生器４５がピッチ関節構造４１のピッチ軸シャフト２４からピッチ平行軸型伝動機構４７を介してピッチモータ４６の回転駆動力を入力（供給）されて回転駆動されると、ピッチ可撓性外歯歯車４４に噛み合うピッチ剛性内歯歯車４３がその歯数差に応じて減速回転して回転駆動力を出力する。
【0055】
また、ピッチ平行軸型伝動機構４７は、図３～図５に示すように、ピッチモータ４６の回転駆動軸に設置されているモータプーリ４８と、ピッチ軸シャフト２４の端部に設置されているピッチプーリ４９とが互いの軸心が平行になるように上下に配置されて、それぞれにタイミングベルト５０が巻き掛けられている。
【0056】
この構造により、ピッチ平行軸型伝動機構４７は、動力の伝達元と伝達先となるピッチモータ４６の回転駆動軸とピッチ軸シャフト２４のピッチ軸線２４ｓが平行となる伝動構造に構築されており、タイミングベルト５０を巻き掛けるピッチプーリ４９等の簡易な構造（ギア列でもよい）をその軸線方向の片側に配置して、ピッチモータ４６の回転駆動力を伝達することができる。このピッチ平行軸型伝動機構４７は、図５および図６に示すように、ピッチモータ４６の回転駆動力をピッチ軸シャフト２４に伝達してピッチ波動歯車減速装置４２のピッチ波動発生器４５からピッチ剛性内歯歯車４３を介してピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒ側（足部１５）に伝達してピッチ方向に相対回転させることができる。
【0057】
また、このピッチ波動歯車減速装置４２は、ピッチ剛性内歯歯車４３を、ピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓが直交する点である関節原点２７ｏの近傍に配置している。この配置の第一メリットとして、この配置により、外周面の歯面同士を噛み合わせる汎用のギア列の構造よりも、ピッチ軸線２４ｓの径方向がコンパクトなピッチ固定部材４１ｂを形成でき、その結果、足首関節２３をコンパクトにすることができる。
【0058】
加えて、この配置の第二メリットとして、この配置により、関節原点２７ｏを境にピッチ軸線２４ｓのある一方向にピッチ波動歯車減速装置４２のピッチ可撓性外歯歯車４４とピッチ波動発生器４５を配置することができ、その結果、そのピッチ軸線２４ｓの反対側に後述するケーブル配線用の配線孔５４を設けることができる。
【0059】
更に、この配置の第三メリットとして、ピッチ軸線２４ｓの径方向がコンパクトなピッチ固定部材４１ｂを形成でき、且つ、ロール軸線２５ｓの径方向がコンパクトなピッチ関節構造４１を形成でき、足部１５をロール方向に回転させる時に、ピッチ関節構造４１と足部１５が干渉せずに動作できる範囲が広がるため、足首高さを低く抑えつつ、ロール方向への回転角度も大きくすることができる。
【0060】
また、同様に、図２～図４に示すように、ロール波動歯車減速装置６２は、外径が一番大きなロール剛性内歯歯車（出力要素）６３と、このロール剛性内歯歯車６３の内周側に歯数が異なるために部分的に噛み合うロール可撓性外歯歯車（固定要素）６４と、このロール可撓性外歯歯車６４の内周側に配置されてロール剛性内歯歯車６３にロール可撓性外歯歯車６４を噛み合わさせるロール波動発生器（入力要素）６５とを備えて、所謂、カップ型のハーモニックドライブ（登録商標）の構造に構築されている。このロール波動歯車減速装置６２は、ロール軸線２５ｓを共通の軸心として、ロール剛性内歯歯車６３、ロール可撓性外歯歯車６４、およびロール波動発生器６５が径方向に連続して同心円状に併置されることによりロール関節構造６１（対面収容部６１ｒ３）内に組み込まれている。
【0061】
このうちのロール剛性内歯歯車６３は、ロール関節構造６１のロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３にロール軸線２５ｓを軸心として同軸回転するように連結固定されて、足部１５に対して相対回転不能に一体に設置されている。ロール可撓性外歯歯車６４は、ロール関節構造６１のロール固定部材６１ｂに連結固定されて、足部１５に対して相対回転可能に設置されている。ロール波動発生器６５は、ロール関節構造６１のロール軸シャフト２５に連結固定されて、後述するようにロール平行軸型伝動機構６７を介して受け取るロールモータ６６の回転駆動力で回転される。
【0062】
この構造により、ロール波動歯車減速装置６２は、ロール可撓性外歯歯車６４がロール関節構造６１のロール固定部材６１ｂと一体のピッチ回転部材４１ｒに連結固定されている状態で、ロール波動発生器６５がロール関節構造６１のロール軸シャフト２５からロール平行軸型伝動機構６７を介してロールモータ６６の回転駆動力を入力（供給）されて回転駆動されると、ロール可撓性外歯歯車６４に噛み合うロール剛性内歯歯車６３がその歯数差に応じて減速回転して回転駆動力を出力する。
【0063】
また、ロール平行軸型伝動機構６７は、図４～図６に示すように、ロールモータ６６の回転駆動軸に設置されているモータプーリ６８と、ロール軸シャフト２５の端部に設置されているロールプーリ６９とが互いの軸心が平行になるように上下に配置されて、それぞれにタイミングベルト７０が巻き掛けられている。
【0064】
この構造により、ロール平行軸型伝動機構６７は、動力の伝達元と伝達先となるロールモータ６６の回転駆動軸とロール軸シャフト２５のロール軸線２５ｓが平行となる伝動構造に構築されており、タイミングベルト７０を巻き掛けるロールプーリ６９等の簡易な構造（ギア列でもよい）をその軸線方向の片側に配置して、ロールモータ６６の回転駆動力をロール軸シャフト２５に伝達することができる。このロール平行軸型伝動機構６７は、図７および図８に示すように、ロールモータ６６の回転駆動力をロール軸シャフト２５に伝達してロール波動歯車減速装置６２のロール波動発生器６５からロール剛性内歯歯車６３を介してロール関節構造６１のロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｂ３側（足部１５）をロール方向に相対回転させることができる。
【0065】
また、ロール波動歯車減速装置６２は、ピッチ回転部材４１ｒの後方（足部１５の踵１５ｂ側）で且つピッチ波動歯車減速装置４２（ピッチ軸線２４ｓ）の側近に配置されている。そして、前述のように、ロールモータ６６は、ピッチ回転部材４１ｒの上部でロール軸シャフト２５に近い位置に配置されており、これらの配置により、ピッチ軸シャフト２４の径方向がコンパクトなピッチ関節構造４１を備える足首関節２３が実現できる。すなわち、ピッチ方向への回転角度も大きくすることができる。
【0066】
加えて、一般的に、二足歩行ロボットにおいては、本実施形態のように、例えば、足底１５ｓの寸法が、前後に長く、左右に短い略長方形の形状にすることが多用されていることから、ロール軸線２５ｓ周りのロールトルクはピッチ軸線２４ｓ周りのピッチトルクよりも小さく、その結果、ロール波動歯車減速装置６２はピッチ波動歯車減速装置４２に比べて低出力（小型）な減速装置を用いることができ、径方向（外径）が小さいロール波動歯車減速装置６２を採用することができる。そのため、ロール波動歯車減速装置６２のケーシング部材であるロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３の径も小さくすることが可能になり、足首関節２３におけるレイアウトの自由度を向上させることができるとともに、ロール方向への回転角度も大きくすることができる。
【0067】
したがって、足首関節２３では、ベアリング７４を介してピッチ回転部材４１ｒと一体回転するロール固定部材６１ｂを相対回転自在に支持する対面板部６１ｒ２の外形をコンパクトにすることができ、ベアリング７５を介して相対回転自在に支持される反対側の対面収容部６１ｒ３の外径も小さくして、さらには、ベアリング５５、５６を介して相対回転自在に支持するピッチ回転部材４１ｒのピッチ軸線２４ｓの軸方向の厚みを小さく（薄く）して、コンパクトな構造にすることができる。そのため、ピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓの両軸を中心に２方向に回転（可動）する状況においても、下腿部１４と足部１５の干渉が発生し難く（一方の軸を中心にする単軸可動では実現できていた可動範囲を狭めることなく）、２方向の可動範囲を広く保った関節を実現できる。
【0068】
加えて、ロール固定部材６１ｂは、ロール可撓性外歯歯車６４とねじ止め固定されてロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３内に内装されている。その結果、そのロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３およびロール固定部材６１ｂのロール軸線２５ｓ方向の端部をピッチ軸シャフト２４側に接近する位置に配置することができ、後述する力センサ８１を介して足部１５に連結支持されて床面から着地衝撃力を受けるロール回転部材６１ｒの剛性を高めることができる。
【0069】
この結果、この足首関節２３では、ピッチ波動歯車減速装置４２およびロール波動歯車減速装置６２のピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓの交差する関節原点２７ｏが同一水平面内に、あるいは少なくともその外径（上下方向の厚さ未満）の範囲内に位置して、さらに、そのピッチ波動歯車減速装置４２のピッチ軸線２４ｓの側近にロール波動歯車減速装置６２を内装するロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３が配置されている。このため、足首関節２３は、ピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓの軸周りの構造をコンパクトにすることができ、足首の高さを抑えつつ回転可能な角度範囲を大きく確保することができる。
【0070】
そして、二足歩行ロボット１０の足首関節２３では、図５および図６に示すように、ピッチモータ４６やロールモータ６６がピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓの直交点である関節原点２７ｏの上方で、同様に回転駆動軸が上下に位置して直交するように下腿部１４内に配置されている。足首関節２３は、それらモータ４６、６６の回転駆動力がプーリ４９、６９にタイミングベルト５０、７０をそれぞれ巻き掛ける簡易なピッチ平行軸型伝動機構４７やロール平行軸型伝動機構６７を介してピッチ軸シャフト２４やロール軸シャフト２５に伝達される。この足首関節２３では、そのピッチ軸シャフト２４やロール軸シャフト２５を中心（軸心）にして、構成要素が概略円筒形状のピッチ波動歯車減速装置４２やロール波動歯車減速装置６２が配置されることにより、伝達される回転駆動力を入出力して足部１５をピッチ方向やロール方向に相対回転させる。
【0071】
この構造により、二足歩行ロボット１０では、足首関節２３のピッチ軸線２４ｓやロール軸線２５ｓ周りがコンパクトにされて、膝関節２２（大腿部１３）側に剛性を備える構造の下腿部１４を備えている。このため、二足歩行ロボット１０は、ロール軸線２５ｓ等の近傍にロール関節構造６１の基底部６１ｒ１を設置して足首関節２３の足部１５からの高さを低くすることができ、その足部１５がピッチ軸線２４ｓやロール軸線２５ｓを中心にピッチ方向やロール方向に深く相対回転する空間が下腿部１４側に確保されている。具体的には、足首関節２３は、図７に示すように、ロール関節構造６１の対面収容部６１ｒ３が下腿部１４に突き当たるまで大きくピッチ方向に足部１５を回転させることができ、また、図８に示すように、その足部１５が下腿部１４と平行になるまで反対方向に回転させることができ、さらに、図９および図１０に示すように、その足部１５を下腿部１４に対してロール軸線２５ｓを中心にロール方向に大きく回転させることができ、これらを合わせて、図１１および図１２に示すように、そのまま足部１５が下腿部１４周りを回転するようにピッチ方向およびロール方向に大きく回転させることができる。
【0072】
この二足歩行ロボット１０は、図２～図６に示すように、足首関節２３の各種情報を取得するセンサ、例えば、モータ軸角度センサ（第１、第２駆動回転角センサ）５１、７１と、出力軸角度センサ（第１、第２相対回転角センサ）５２、７２と、力センサ８１とがそれぞれ各所に設置されている。これらを含む各種センサは、胸部１６内に設置されている後述の検出手段を構成する制御部１００（図１７を参照）に、下腿部１４内を通る信号線を介してそれぞれの検出情報を取得可能にケーブル接続されている。なお、本実施形態では、二足歩行ロボット１０が胸部１６の制御部１００により集中管理制御される場合を一例として説明するが、これに限るものではなく、機能や部位毎などに適宜に区分して、それぞれに設置する制御部が分散管理制御するようにしてもよい。
【0073】
具体的には、モータ軸角度センサ５１、７１は、ピッチモータ４６およびロールモータ６６の回転駆動軸の回転角を検出するように、それぞれのモータプーリ４８、６８の反対側に設置されてセンサケーブル５１ｃ、７１ｃがそれぞれ接続されている。出力軸角度センサ５２、７２は、ピッチ軸線２４ｓやロール軸線２５ｓの周りのそれぞれで一体回転するように連結されているピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒやロール関節構造６１のロール回転部材６１ｒに対する下腿フレーム３１やロール関節構造６１のロール固定部材６１ｂの相対回転角度をそれぞれ検出するように、設置されてセンサケーブル５２ｃ、７２ｃがそれぞれ接続されている。力センサ８１は、足部１５に作用する力の分布を検出するように、ロール関節構造６１の基底部６１ｒ１と足部１５との間に設置されて、センサケーブル８１ｃが接続されている。また、ピッチモータ４６およびロールモータ６６は、それぞれ回転駆動する際に電流を流す電源ケーブル４６ｃ、６６ｃがそれぞれ接続されている。ここで、力センサ８１は、足部１５の足底１５ｓに作用する力だけでなく、例えば、躓いた際に発生（作用）する力も検出し、足部１５に設置するカバーに作用する力も検出することになる。
【0074】
これらのケーブルレイアウトとして、二足歩行ロボット１０の足首関節２３には、図３および図４に示すように、センサケーブル５２ｃ、７１ｃ、７２ｃ、８１ｃと電源ケーブル６６ｃを通す配線孔３２、５３ａ、５３ｂ、５４、７３が設置されている。
【0075】
配線孔（第１配線通路孔）３２は、ピッチ軸シャフト２４を間に挟んでピッチプーリ４９の反対側に位置する下腿フレーム３１に形成されて開口されている。この下腿フレーム３１は、ピッチ関節構造４１のピッチ固定部材４１ｂと同様に、ベアリング５５を介してピッチ軸線２４ｓを中心に相対回転自在にピッチ回転部材４１ｒを支持しており、配線孔３２は、その下腿フレーム３１内で、そのピッチ軸線２４ｓを中心にする円形の開口形状に形成されている。
【0076】
配線孔７３（第２配線通路孔）は、ロール関節構造６１の対面板部６１ｒ２にベアリング７４を介してロール軸線２５ｓを中心に相対回転自在に支持されているピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒに形成されて開口している。配線孔７３は、そのピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒ内で、そのロール軸線２５ｓを中心にする円形の開口形状に形成されている。
【0077】
そして、配線孔（連通配線通路孔）５４は、配線孔３２の内側に位置するピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒ内に、ピッチ軸線２４ｓと同軸の概略円盤形状の空間として形成されている。また、配線孔（連通配線通路孔）５３ａは、そのピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒ一端部の配線孔７３を、隣接する位置で概略円盤形状の配線孔５４に連通させる空間である。要するに、これら配線孔５３ａ、５４は、配線孔３２、７３の開口の間にケーブルを通すことができるように連通されている。さらに、図１２に示すように配線孔５３ｂは、ピッチ関節構造４１のピッチ回転部材４１ｒの上部のロールモータ６６側の天井面の一部を切り欠いて外部に露出させる開口内にケーブルを通すことができるように形成されている。ここで、配線孔５４として形成される空間は、円盤形状に限るものではなく、ケーブル配線可能な空間が確保されていればよいことは言うまでもない。
【0078】
これらの構造により、ピッチモータ４６の電源ケーブル４６ｃやモータ軸角度センサ５１のセンサケーブル５１ｃは、そのピッチモータ４６が足首関節２３の上部に位置して下腿フレーム３１内で不動であるため、そのまま胸部１６側に向かうように通して設置することができる。このため、電源ケーブル４６ｃおよびセンサケーブル５１ｃは、足部１５の動きによって断線してしまうことがなく、また、その足部１５の動きを制限してしまうこともない。
【0079】
ロールモータ６６の電源ケーブル６６ｃやモータ軸角度センサ７１のセンサケーブル７１ｃは、そのロールモータ６６からピッチ回転部材４１ｒの配線孔５３ｂより内部に差し込んで、配線孔５４から配線孔３２に通して引き出した後に、下腿部１４内から胸部１６側に向かうように通して設置することができる。このロールモータ６６は、ロール固定部材６１ｂが連結固定されるピッチ回転部材４１ｒに取り付けられて一体回転するため、そのピッチ回転部材４１ｒの外面に開口する配線孔５３ｂの開口に対する位置関係が足部１５の動作で変化してしまうことがない。また、その配線孔５３ｂに連続する配線孔５４、３２を経由するルートの長さが足部１５の動作で変化することもない。さらに、配線孔３２の開口は、下腿フレーム３１に対して相対回転自在に支持されるピッチ回転部材４１ｒの回転中心のピッチ軸線２４ｓ上に開口して、その下腿フレーム３１に対する位置関係が足部１５の動作で変化してしまうこともない。このため、電源ケーブル６６ｃおよびセンサケーブル７１ｃは、足部１５の動きによって弛んだり、引っ張られることに起因する断線の恐れがなく、また、足首関節２３内を通すことによって外部との接触を未然に回避するとともに、その足部１５の動きを制限してしまうこともない。
【0080】
出力軸角度センサ５２は、ピッチ関節構造４１のピッチ軸線２４ｓに対する直交面を挟むピッチ固定部材４１ｂとピッチ回転部材４１ｒのそれぞれに対面するように配置される読取リング５２ｒと読取ヘッド５２ｈにより構成されている。出力軸角度センサ５２の読取リング５２ｒは、そのピッチ軸線２４ｓ周りに位置するようにリング形状に形成されてピッチ固定部材４１ｂに設置される。一方、読取ヘッド５２ｈは、ピッチ回転部材４１ｒの上部に位置してその読取リング５２ｒの回転位置を検出するように配置されている。この出力軸角度センサ５２は、ピッチ回転部材４１ｒのロールモータ６６近傍の上部に位置する読取ヘッド５２ｈにセンサケーブル５２ｃが接続されており、そのセンサケーブル５２ｃは、そのロールモータ６６の電源ケーブル６６ｃなどと同様に、ピッチ回転部材４１ｒの配線孔５３ｂ、５４、３２を通して下腿部１４内から胸部１６の制御部１００に接続される。このセンサケーブル５２ｃでも、下腿フレーム３１に対する位置関係が足部１５の動作で変化してしまうことがないことから、断線の恐れなく、また、足首関節２３内を通して外部との接触を未然に回避するとともに、その足部１５の動きを制限してしまうこともない。
【0081】
出力軸角度センサ７２は、出力軸角度センサ５２と同様に、ロール関節構造６１のロール軸線２５ｓに対する直交面を挟むロール固定部材６１ｂとロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３のそれぞれに対面するように配置される読取リング７２ｒと読取ヘッド７２ｈにより構成されている。出力軸角度センサ７２の読取リング７２ｒは、そのロール軸線２５ｓ周りに位置するようにリング形状に形成されてロール固定部材６１ｂに設置される。一方、読取ヘッド７２ｈは、ロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３の側部に位置してその読取リング７２ｒの回転位置を検出するように配置されている。この出力軸角度センサ７２は、ロール回転部材６１ｒの対面収容部６１ｒ３の側部に位置する読取ヘッド７２ｈにセンサケーブル７２ｃが接続されており、そのセンサケーブル７２ｃは、ロール回転部材６１ｒの基底部６１ｒ１の足部１５側に取り回して、ピッチ回転部材４１ｒの配線孔７３より配線孔５３ａ、５４、３２を通して下腿部１４内から胸部１６の制御部１００に接続される。ところで、ロール回転部材６１ｒは、足部１５側に固定されて相対的な姿勢が不動であるため、出力軸角度センサ７２のセンサケーブル７２ｃの配線孔７３までの経路がその足部１５の動作で変化することはなく、また、その配線孔７３から配線孔５３ａ、５４、３２を経由するルートの長さが足部１５の動作で変化することもないことから、その配線孔３２の開口の下腿フレーム３１に対する位置関係が足部１５の動作で変化してしまうこともない。このため、センサケーブル７２ｃでも、下腿フレーム３１に対する位置関係が足部１５の動作で変化してしまうことがないことから、断線の恐れなく、また、足首関節２３内を通して外部との接触を未然に回避するとともに、その足部１５の動きを制限してしまうこともない。
【0082】
また、力センサ８１のセンサケーブル８１ｃは、出力軸角度センサ７２のセンサケーブル７２ｃと同様に、足部１５との間のロール関節構造６１の基底部６１ｒ１の下側からピッチ回転部材４１ｒの配線孔７３、５３ａ、５４、３２を通して下腿部１４内から胸部１６の制御部１００に接続される。この力センサ８１のセンサケーブル８１ｃでも、ロール固定部材６１ｂと共に足部１５側に固定されて相対的な姿勢が不動で、経路やその長さや配線孔７３の位置が足部１５の動作で変化してしまうこともないことから、断線の恐れなく、また、足首関節２３内を通して外部との接触を未然に回避するとともに、その足部１５の動きを制限してしまうこともない。
【0083】
そして、二足歩行ロボット１０の足首関節２３は、図１３～図１７に示すように、下腿フレーム３１の下部がロール軸線２５ｓ方向から見て逆Ｕ字形状に窪む空間内に、ピッチ関節構造４１がピッチ軸シャフト２４により回転自在に支持されている。この足首関節２３は、そのピッチ関節構造４１の上部側に、一体回転する足首カバー８４が取り付けられて、ロールモータ６６と共に収容されている。
【0084】
具体的には、足首カバー８４は、ピッチ関節構造４１と共通の軸心のピッチ軸線２４ｓを中心とする円形の足首外周面（湾曲面）８４ａと、ピッチ軸シャフト２４の両端側の下腿フレーム３１の内面に対面する両側面８４ｓとを有している。この足首カバー８４は、ピッチ軸シャフト２４よりも上部側のピッチ関節構造４１やロールモータ６６などを内部に収容しつつ下腿フレーム３１の下部空間内で回転可能な半円の厚さを有する概略円盤形状に作製されて、そのピッチ回転部材４１ｒにネジＮによりネジ止め固定されている。これにより、足首カバー８４は、足首関節２３のピッチ関節構造４１やロールモータ６６などと共に、各種ケーブル５２ｃ、６６ｃ、７１ｃが外部に露出して引っ掛からないように上部側を覆って足部１５がロール方向に相対回転するのを許容しつつ、ピッチ軸線２４ｓを軸心にしてピッチ方向に一体回転可能に設置されている。
【0085】
これに対して、下腿フレーム３１は、足首カバー８４の足首外周面８４ａに小さな隙間を介して対面する下部天井面３１ｕを有して、この下部天井面３１ｕは、足首カバー８４の足首外周面８４ａと同様に、ピッチ軸線２４ｓを中心とする円形の湾曲形状に形成されている。これにより、下腿フレーム３１および足首カバー８４は、近接する狭い隙間を介して下部天井面３１ｕと足首外周面８４ａとが相対回転可能に対面し、その隙間が大きいために部材等が挟まって動作不良の要因になってしまうことや、その内部の各種ケーブル６６ｃ等が外部に露出して引っ掛かってしまうことを未然に防止することができる。
【0086】
この二足歩行ロボット１０は、胸部１６の制御部１００（図１７を参照）に接続されている各種ケーブル５１ｃ等を介して各種センサ５１、５２、７１、７２、８１による検出情報を取得可能に構築されており、その制御部１００は、メモリ１０１内に予め格納されている制御プログラムを実行して各種設定パラメータや各種センサ検出情報などに基づいて左右の脚部１２を腕部１７などと共に歩行動作させる。このとき、制御部１００は、ピッチモータ４６やロールモータ６６を単独あるいは協働して正逆駆動させることにより、足部１５を所望の相対回転角度に調整して足底１５ｓを床面等に均等に密接させつつ安定姿勢を維持させる。なお、制御部１００が利用するパラメータとしては、例えば、平行軸型伝達機構の減速比、波動歯車装置の減速比などが予め設定される。
【0087】
この制御部１００は、例えば、ピッチモータ４６のモータ軸角度センサ５１のセンサ検出情報と、ピッチ波動歯車減速装置４２の減速比と、ピッチ平行軸型伝動機構４７の減速比と、を掛け合わせて、ピッチ軸線２４ｓ周りのピッチ固定部材４１ｂ（下腿フレーム３１）とピッチ回転部材４１ｒとの相対回転角度（等価ピッチ出力軸角度算出値）を算出する。同様に、制御部１００は、例えば、ロールモータ６６のモータ軸角度センサ７１のセンサ検出情報と、ロール波動歯車減速装置６２の減速比と、ロール平行軸型伝動機構６７の減速比と、を掛け合わせて、ロール軸線２５ｓ周りのロール固定部材６１ｂ（ピッチ回転部材４１ｒ）とロール回転部材６１ｒ（足部１５）との相対回転角度（等価ロール出力軸角度算出値）を算出する。
【0088】
また、制御部１００は、例えば、上記の等価ピッチ出力軸角度算出値と、ピッチ出力軸角度センサ５２のセンサ検出値との間の差分であるピッチ減算値を算出し、同様に、上記の等価ロール出力軸角度算出値と、ロール出力軸角度センサ７２のセンサ検出値との間の差分であるロール減算値を算出する。
【0089】
ここで、二足歩行ロボット１０は、足首関節２３における各所のネジ締結の緩みや波動歯車減速装置４２、６２内のラチェッティング等の異常なく正常に稼働している場合、上記の等価ピッチ出力軸角度算出値と、ピッチ出力軸角度センサ５２のセンサ検出値は一致し、また、上記の等価ロール出力軸角度算出値と、ロール出力軸角度センサ７２のセンサ検出値も一致する。
【0090】
このことから、制御部１００では、算出したピッチ減算値の絶対値が予め設定されている微小閾値（センサの分解能に依存するような微小な値）を超えるような場合に、下腿フレーム３１やピッチ関節構造４１の一方あるいは双方でネジ締結の緩みやピッチ波動歯車減速装置４２内のラチェッティング等の異常発生を検知することができる。同様に、制御部１００は、算出したロール減算値の絶対値が設定微小閾値を超えるような場合に、ピッチ関節構造４１やロール関節構造６１の一方あるいは双方でネジ締結の緩みやロール波動歯車減速装置６２内のラチェッティング等の異常発生を検知することできる。
【0091】
この異常発生時には、制御部１００は、二足歩行ロボット１０を安全に停止させる制御処理を実行して、事故等が発生するのを未然に防止するようになっている。なお、その停止制御処理は、既存技術を実行すればよく、例えば、特開２００７－３００７８号公報に記載されている。
【0092】
このように、本実施形態の二足歩行ロボット１０の足首関節２３においては、ベアリング５５、５６の間に配置して支持するピッチ波動歯車減速装置４２を、ロール波動歯車減速装置６２を支持するベアリング７４、７５の間に位置させて、それぞれのピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓを直交させているので、コンパクトな構造にしつつ、足部１５からの高さの低い位置でピッチ方向とロール方向とに相対回転させることを実現することができる。また、これらピッチ波動歯車減速装置４２およびロール波動歯車減速装置６２は、それぞれピッチモータ４６とロールモータ６６の回転駆動力をそれぞれタイミングベルト５０、７０を巻き掛ける簡易なピッチ平行軸型伝動機構４７とロール平行軸型伝動機構６７で回転駆動力を伝達可能にしているので、個々に駆動制御するとともに、簡素な伝達機構でコンパクトに搭載することができる。
【0093】
したがって、二足歩行ロボット１０は、足首関節２３周りを簡素にしてレイアウトの自由度を向上させるとともに、その低い位置の足首関節２３により深くピッチ方向やロール方向に足部１５を簡易な制御で回転させることができ、凹凸のある不整地などでも快適に歩行動作をさせることができる。
【0094】
ここで、本実施形態では、上述するように、ピッチ波動歯車減速装置４２と、ロール波動歯車減速装置６２にハーモニックドライブ（商品名：登録商標）を用いており、ピッチ剛性内歯歯車４３とロール剛性内歯歯車６３とにハーモニックドライブにおけるサーキュラ・スプラインを用い、ピッチ可撓性外歯歯車４４とロール可撓性外歯歯車６４にハーモニックドライブにおけるフレクスプラインを用い、ピッチ波動発生器４５とロール波動発生器６５にハーモニックドライブにおけるウェーブ・ジェネレータを用いている。しかしながら、このハーモニックドライブに限る必要はなく、例えば、フレックスウェーブ減速機（商品名：登録商標）を用いても良い。より具体的には、ピッチ剛性内歯歯車４３とロール剛性内歯歯車６３にフレックスウェーブ減速機のインタナルギアを、ピッチ可撓性外歯歯車４４とロール可撓性外歯歯車６４にフレックスウェーブ減速機のフレックスギアを、ピッチ波動発生器４５とロール波動発生器６５にフレックスウェーブ減速機の弾性軸受とカムを用いてもよい。
【0095】
さらに、本実施形態では、ピッチ軸線２４ｓとロール軸線２５ｓとが直交する場合を一例として説明するが、これに限るものではなく、直角以外の角度で交差する形態にも適用することができることは言うまでもない。
【0096】
また、腕を模したマニピュレータの手首関節では、上記の足首関節と類して、「２軸が直交し」、「広い関節可動範囲を備え」、「手首からハンドまでの距離が短い」手首が望まれている。このことから、足首関節２３をその手首関節に好適に適用することもできる。
【0097】
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【符号の説明】
【0098】
１０……二足歩行ロボット
１４……下腿部
１５……足部
１５ｓ……足底
２３……足首関節
２４……ピッチ軸シャフト
２４ｓ……ピッチ軸線
２５……ロール軸シャフト
２５ｓ……ロール軸線
２７ｏ……関節原点
３１……下腿フレーム
３１ｕ……下部天井面
３２、５３、５４、７３……配線孔
４１……ピッチ関節構造
４１ｂ……ピッチ固定部材
４１ｒ……ピッチ回転部材
４２……ピッチ波動歯車減速装置
４３……ピッチ剛性内歯歯車
４４……ピッチ可撓性外歯歯車
４５……ピッチ波動発生器
４６……ピッチモータ
４６ｃ、６６ｃ……電源ケーブル
４７……ピッチ平行軸型伝動機構
５１、７１……モータ軸角度センサ
５１ｃ、５２ｃ、７１ｃ、７２ｃ、８１ｃ……センサケーブル
５２……ピッチ出力軸角度センサ
５５、５６、５８、５９、７４、７５、７８、７９……ベアリング
６１……ロール関節構造
６１ｂ……ロール固定部材
６１ｒ……ロール回転部材
６２……ロール波動歯車減速装置
６３……ロール剛性内歯歯車
６４……ロール可撓性外歯歯車
６５……ロール波動発生器
６６……ロールモータ
６７……ロール平行軸型伝動機構
７２……ロール出力軸角度センサ
８１……力センサ
８４……足首カバー
８４ａ……足首外周面
１００……制御部
１０１……メモリ
１４……下腿部
１５……足部
１５ｓ……足底
２３……足首関節
２４……ピッチ軸シャフト
２４ｓ……ピッチ軸線
２５……ロール軸シャフト
２５ｓ……ロール軸線
２７ｏ……関節原点
３１……下腿フレーム
３１ｕ……下部天井面
３２、５３、５４、７３……配線孔
４１……ピッチ関節構造
４１ｂ……ピッチ固定部材
４１ｒ……ピッチ回転部材
４２……ピッチ波動歯車減速装置
４３……ピッチ剛性内歯歯車
４４……ピッチ可撓性外歯歯車
４５……ピッチ波動発生器
４６……ピッチモータ
４６ｃ、６６ｃ……電源ケーブル
４７……ピッチ平行軸型伝動機構
５１、７１……モータ軸角度センサ
５１ｃ、５２ｃ、７１ｃ、７２ｃ、８１ｃ……センサケーブル
５２……ピッチ出力軸角度センサ
５５、５６、５８、５９、７４、７５、７８、７９……ベアリング
６１……ロール関節構造
６１ｂ……ロール固定部材
６１ｒ……ロール回転部材
６２……ロール波動歯車減速装置
６３……ロール剛性内歯歯車
６４……ロール可撓性外歯歯車
６５……ロール波動発生器
６６……ロールモータ
６７……ロール平行軸型伝動機構
７２……ロール出力軸角度センサ
８１……力センサ
８４……足首カバー
８４ａ……足首外周面
１００……制御部
１０１……メモリ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】