足底機構
【課題】斜面歩行を支援する足底機構を提供する。
【解決手段】足底機構１０は、一対の袋体２６ａ、２６ｂと、ソール板１４と、流路２４と、バルブ２２を備える、一対の袋体は、足底の前後に配置されており、膨張収縮が可能である。ソール板１４は、一対の袋体の下側に取り付けられており、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化する。流路２４は、一対の袋体を連通する。バルブ２２は、流路を開閉する。バルブ２２は、足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合には開いており、荷重が荷重閾値を超えた場合に閉じる。バルブ２２が開いている間に流体の移動によってソール板１４が斜面に合わせて傾斜し、バルブ２２が閉じるとソール板１４の傾斜が固定される。ソール板１４が固定されると、ユーザの足裏を水平に保ち易くなる。
【解決手段】足底機構１０は、一対の袋体２６ａ、２６ｂと、ソール板１４と、流路２４と、バルブ２２を備える、一対の袋体は、足底の前後に配置されており、膨張収縮が可能である。ソール板１４は、一対の袋体の下側に取り付けられており、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化する。流路２４は、一対の袋体を連通する。バルブ２２は、流路を開閉する。バルブ２２は、足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合には開いており、荷重が荷重閾値を超えた場合に閉じる。バルブ２２が開いている間に流体の移動によってソール板１４が斜面に合わせて傾斜し、バルブ２２が閉じるとソール板１４の傾斜が固定される。ソール板１４が固定されると、ユーザの足裏を水平に保ち易くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行動作を支援する足底機構に関する。この足底機構は、脚式ロボットの足の一部として構成されるか、或いは、靴の底部分に構築され、脚式ロボット或いは人間の歩行動作を支援する。
【背景技術】
【０００２】
歩行動作を支援する足底機構が提案されている。例えば特許文献１には、足底の前後にクッションを配置した靴が提案されている。足底の２つのクッションは流路によって連通しており、前方（後方）のクッションが収縮すると後方（前方）のクッションが膨張する。特許文献１の靴は、着地時の衝撃を和らげることができるとともに、立脚から遊脚へ遷移する際につま先に荷重が加わることで踵を持ち上げる効果がある。
【０００３】
また、特許文献２には、足裏全体を柔軟な構造にして地面の細かい起伏にフィットするように構成した脚式ロボットが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−１７７７０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１７７９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は、踵側に比べてつま先の荷重が強まるとつま先側のクッションが収縮するとともに踵側のクッションが膨張する。逆に、つま先に比べて踵側の荷重が強まると踵側のクッションが収縮するとともにつま先側のクッションが膨張する。すなわち、足底の荷重分布に応じてクッションが膨張収縮する。特許文献２の技術は、地面の細かい起伏に応じて足裏面が変形する。即ち、特許文献２の技術も、足底の荷重分布に応じて足裏面の形状が変化する。それらの技術は、それぞれの目的を果すことはできるが、斜面を歩行する際の特有の課題に対しては考慮されていない。斜面を歩行する際の特有の課題とは、足裏が歩行面にしっかり密着するとき（即ち、体重を支えるとき）の足首関節の角度が水平面歩行時と異なることである。即ち、斜面を歩行する際には、足裏面を斜面の角度に合わせなければならない。そのような動作は、高齢者或いは歩行が不自由な者にとっては負担となり得る。また脚式ロボットの場合、足首関節の角度を歩行面の斜度に合わせるためのアルゴリズムが必要となる。本明細書が開示す技術は、斜面歩行を支援する足底機構を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する足底機構は、歩行面の傾斜によらずに、接地した足の足底を水平に保つことができる。なお、より厳密には、本明細書が開示する足底機構は、歩行面の傾斜によらず、接地した足の足底を水平に戻すように復元力を発生させることができる。その足底機構は、足底の前後に配置された膨張収縮が可能な一対の袋体と、一対の袋体の下側に取り付けられたソール板と、一対の袋体を連通する流路と、流路を開閉するバルブを備える。ここで、「足底」とは、靴の底、或いは、ロボットの足平リンクの底面を意味する。袋体は、例えばゴムで形成された風船でよい。ソール板は、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化する。即ち、バルブを開くと、一対の袋体の間で内部の流体が移動でき、ソール板が傾斜する。バルブを閉じると、流体が移動することができなくなり、ソール体の傾斜が固定される。即ち、足底機構のバルブは、足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合にはバルブが開いており、荷重が荷重閾値を超えた場合に前記バルブが閉じる。足が着地する際、荷重閾値を超えるまではバルブが開いており歩行面の斜度に合わせてソール板が傾斜する。荷重閾値を超えるとバルブが閉じ、足裏に対するソール板の傾斜が固定する。ここで、「固定する」とは、厳密に不動となることではなく、ソール板がさらに傾斜したときに流体が移動しない一対の袋体の復元力によって戻るべき傾斜角が決まることを意味する。即ち、バルブが閉じたときのソール板の傾斜角度が、ばね系における「中立点」に相当する。バルブが閉じた後は、体重移動による荷重変化が生じて足裏が傾斜しても、圧縮／膨張した各袋体によって、足裏面を水平に戻す方向の復元力が作用する。上記した足底機構は特に、荷重が高くなるとソール板の傾斜が固定し（中立点が設定され）、足裏の水平を保つことができる。
【０００７】
上記の足底機構を採用すると、斜面を歩行する際、体重を支えるほどに荷重が増したときに、ユーザの足または脚式ロボットの足部の水平を容易に保つことができる。即ち、上記の足底機構を採用すると、階段を上り下りするように斜面を歩行することができる。
【０００８】
バルブの開閉は、センサやコントローラを使って能動的に行ってもよいし、足裏に加わる荷重が閾値を超えると受動的にバルブが閉じる機構を採用してもよい。前者の場合、足底機構は荷重センサを備えるとともにソレノイドなどで動作する開閉弁をバルブに備える。そしてコントローラは、荷重センサが検知する荷重が荷重閾値を超えるとソレノイドを駆動してバルブを閉じる。荷重が荷重閾値を下回っている場合は、バルブは開放される。後者の場合は、ソール板自体が足に対して上下動するとともにバルブの開閉弁がソール板に機構的に連結しており、ソール板の上下動に連動してバルブを開閉するメカニカル機構を採用すればよい。或いは、バルブ開閉弁に連結されたロッドをソール板から下方に突出させ、ロッドが引っ込むと開閉弁がバルブを閉じるメカニズムを採用すればよい。ソール板或いはロッドはばねによって足底に支持されておりばねの弾性率によって上記の「荷重閾値」が実現される。
【０００９】
上記の足底機構は、流路を通して袋体内部の流体を一対の袋体の間で移動させるポンプをさらに備えることが好ましい。ポンプによって流体を移動させ、ソール板を能動的に傾斜させることができる。すなわち、ポンプは、ソール板を傾斜させるアクチュエータに相当する。
【００１０】
上述の足底機構は、前後方向の傾斜に対して（接地している足の）足裏の水平を維持することができる。前述したように、「足裏の水平を維持する」とは、足裏の水平が中立点となるようソール板を傾斜させることを意味することに留意されたい。この足底機構の技術的思想は、前後方向だけでなく、横方向の傾斜に対して足裏の水平を維持する装置に拡張することができる。なお、ここで「横方向」とは、つま先と踵を結ぶ直線と交差する方向を意味する。横方向の傾斜に適応することのできる足底機構は、一対の袋体を結ぶ直線から横方向に離れた位置で足底に配置された第３袋体と、一対の袋体の夫々と第３袋体を連通する流路と、各流路の夫々に備えられており各流路を開閉するバルブをさらに備えていればよい。各流路を開閉する夫々のバルブは、足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合には開いており、荷重が荷重閾値を超えた場合に閉じる。一直線上に並んでいない３個の袋体の膨張収縮によってソール板はピッチ軸とロール軸の２軸周りに傾斜することができる。即ち、そのような足底機構は、どのような方向に傾斜している斜面に対してもソール板を傾斜させることによって足底面の水平を保持し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【図２】第１実施例の足底機構の動きを説明する図である（１）。
【図３】第１実施例の足底機構の動きを説明する図である（２）。
【図４】第２実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【図５】第３実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【図６】第４実施例の足底機構の模式的平面図を示す。
【図７】第５実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【実施例１】
【００１２】
図１に、第１実施例の足底機構１０を示す。この足底機構１０は、ユーザＵが履く靴１２の一部として構成されている。靴１２の下側に、ばね１６ａ、１６ｂを介してソール板１４が配置されている。靴１２とソール板１４の間に一対の袋体２６ａ、２６ｂが配置されている。即ち、一対の袋体２６ａ、２６ｂを挟んで靴１２の底面とソール板１４が対向している。詳しくは後述するが、一対の袋体２６ａ、２６ｂの一方が膨張するとともに他方が収縮することによって、ソール板１４は靴１２の底面に対して傾斜する。一対の袋体２６ａ、２６ｂは、内部に空気が充填されているゴム風船である。
【００１３】
一対の袋体２６ａ、２６ｂは、流路２４で結ばれている。流路２４は、一対の袋体２６ａ、２６ｂの内部の流体を通す管である。流路２４を介して一方の袋体から他方の袋体へ内部の流体が移動することができる。さらに流路２４には、流路を開閉するバルブ２２（即ち、流体通過の許容と禁止を切り換えるバルブ）が備えられている。なお、図１は、足底機構１０の機構を模式的に示す図であって、足底機構１０の物理的構造を厳密には表していない。例えば、袋体２６ａ、２６ｂの周囲は柔軟なカバーで覆われており、袋体２６ａと２６ｂは外からは見えない。また、袋体２６ａ、２６ｂの上側は靴１２の底面１２ａに接しており、袋体２６ａ、２６ｂの下側はソール板１４の上面１４ａに接している。また、流路２４とバルブ２２は、靴１２の内部に配置されているのではなく、例えば靴１２の甲の上、或いは踵の後ろ側に配置されている。図では、機能を理解し易いように、バルブ２２を靴１２の中央付近に描いてある。
【００１４】
ソール板１４には、前方（つま先側）と後方（踵側）に夫々荷重センサ１８ａ、１８ｂが配置されている。荷重センサ１８ａ、１８ｂは、足底が歩行面Ｇから受ける荷重を計測する。また、図示を省略しているが、靴１２はコントローラを備える。コントローラは、荷重センサ１８ａ、１８ｂの計測値に基づいて、バルブ２２の開閉を制御する。
【００１５】
ソール板１４は、２つのばね１６ａ、１６ｂによって、靴１２側に引っ張られている。ばね１６ａ、１６ｂによって、ソール板１４が一対の袋体２６ａ、２６ｂに押し付けられている。そのため、一対の袋体２６ａ、２６ｂの膨張収縮に応じてソール板１４は靴１２に対して傾く。一方の袋体２６ａはつま先側に配置され、他方の袋体２６ｂは踵側に配置されており、両者の内部流体（空気）は流路２４を通じて一方の袋体から他方の袋体へ移動することができる。即ち、つま先側の袋体２６ａが収縮するとともに踵側の袋体２６ｂが膨張すると、ソール板１４は前方が靴１２に近づき後方が靴１２から離れるように傾斜する（図２参照）。逆に、つま先側の袋体２６ａが膨張するとともに踵側の袋体２６ｂが収縮すると、ソール板１４は前方が靴１２から離れ後方が靴１２に近づくように傾斜する（図３参照）。いずれの場合も、ソール板１４は、靴１２に対して相対的に、ピッチ軸回りに傾斜する。なお、「ピッチ軸」とは、ロボットの技術分野でよく知られているように、ユーザ（或いはロボット）の側方に伸びる軸を意味する。
【００１６】
バルブ２２の機能について説明する。コントローラ（不図示）は、前後に配置された荷重センサ１８ａ、１８ｂが検知する荷重の大きさによってバルブ２２を制御する。コントローラは、荷重センサ１８ａと１８ｂが検知する荷重の平均値が予め定められた荷重閾値を超えるまではバルブ２２を開いておく。コントローラは荷重の平均値が荷重閾値を超えるとバルブ２２を閉じる。荷重閾値は、予め設定されており、例えば、ユーザの体重の１５％の大きさである。
【００１７】
例えば、足底機構１０が地面を蹴って離床する瞬間では、荷重センサ１８ａと１８ｂが検知する荷重の平均値は必ず荷重閾値（例えばユーザの体重の１５％）未満になる。荷重の平均値が荷重閾値を下回っている間、コントローラはバルブ２２を開放する。離床時は踵側の荷重よりつま先側の荷重の方が大きい。従って、荷重の差によってつま先側の袋体２６ａが収縮し踵側の袋体２６ｂが膨張する。即ち、流路２４を通じて内部流体がつま先側の袋体２６ａから踵側の袋体２６ｂへ移動する。
【００１８】
図２に、登り坂を歩行する際のソール板１４の傾斜の様子を例示し、図３に、下り坂を歩行する際のソール板１４の傾斜の様子を例示する。登り坂を歩行する場合、着地時には先につま先が接地する。そのため、つま先側に加わる荷重が踵側に加わる荷重よりも大きくなる。荷重の差によってつま先側の袋体２６ａが収縮し踵側の袋体２６ｂが膨張する。コントローラによってバルブ２２が開放されている間、荷重が大きいつま先側の袋体２６ａから荷重の小さい踵側の袋体２６ｂへ内部流体が流れる。その結果、図２に示すように、ソール板１４は、つま先側が靴１２に近くなり、踵側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００１９】
遊脚だった足が着地し体重が加わっていくにつれて、踵側の荷重が増大する。前後２つの荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を超えると、コントローラはポンプ２０を停止する。なお、コントローラは、荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を下回っている間は、バルブ２２を開放している。
【００２０】
バルブ２２を閉じると、一対の袋体２６ａ、２６ｂの間を流体が流れることができなくなる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。図２に示すように、ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、接地している靴１２の底は水平を維持する。体重移動などにより、つま先側と踵側の荷重が変化すると、靴１２が傾斜し、夫々の袋体２６ａ、２６ｂが圧縮或いは膨張する。ここで、バルブ２２が閉じているのでそれぞれの袋体は独立に密封されており、夫々が弾性体として機能する。即ち、靴１２を水平に戻す向きに復元力が発生する。この復元力によってユーザは靴２１を水平に戻し易くなる。即ち、ユーザは接地した足の足底を水平に維持したまま登り坂を登ることができる。図２に示すように、ユーザは、あたかも階段を登るように登り坂を歩行することができる。
【００２１】
歩行する場合、登り坂・下り坂のいずれにおいても通常は踵から着地する。しかし、登り坂を歩行する場合は平地での歩行に比べて踵が接地してからつま先が接地するまでの時間が短くなる。場合によってはつま先から接地することもある。つまり、つま先側の荷重センサ１８ａの計測値と踵側の荷重センサ１８ｂの計測値が近い状態で荷重閾値を超える。そのため、登り坂の傾斜が大きいほど、踵側の袋体２６ｂからつま先側の袋体２６ａへ流れる内部流体の量が少なくなる。その結果、図２に示すように、ソール板１４はつま先側が靴１２に近くなるとともに、踵側が靴１２から離れるように傾斜した状態で固定される（バルブ２２が閉じる）。なお、踵よりもつま先が先に接地する場合には、内部流体はつま先側から踵側に移動する。
【００２２】
下り坂を歩行する場合の着地では、平地歩行に比べて踵が接地してからつま先が接地するまでの時間が長くなる。そのため、踵側の荷重がつま先側の荷重よりも大きくなっている時間が長くなる。踵側の袋体２６ｂが収縮し、つま先側の袋体２６ａが膨張する。コントローラがバルブ２２を開いている間、荷重の大きい踵側の袋体２６ｂから荷重の小さいつま先側の袋体２６ａへ内部流体が流れる。その結果、図３に示すように、ソール板１４は、踵側が靴１２に近くなり、つま先側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００２３】
２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を超えると、コントローラはバルブ２２を閉じる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。図３に示すように、ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、靴１２の底は水平を維持する。登り坂の場合と同様に、足底機構１０は靴１２を水平に維持するように復元力を発生する。即ち、ユーザは接地したときの足底を水平に維持したまま下り坂を登ることができる。図２に示すように、ユーザは、あたかも階段を登るように下り坂を歩行することができる。このように足底機構１０は、斜面を歩行する際、ユーザの足裏の水平を容易に維持することができる。
【実施例２】
【００２４】
図４を参照して第２実施例の足底機構１１０を説明する。図４は、足底機構１１０の模式的な側面図である。第２実施例の足底機構１１０は、第１実施例の足底機構１０に加えてポンプ２０を備えている。コントローラ（不図示）は、前後の荷重センサの計測値を比較し、計測値（荷重）が大きい側に位置する袋体から計測値（荷重）が小さい側の袋体へ内部流体（空気）が流れるようにポンプ２０を制御する。第１実施例の足底機構１０は、つま先と踵に加わる荷重差によって内部流体が前後の袋体２６の間を移動する。第２実施例の足底機構１１０は、ポンプ２０９が積極的に内部流体を移動させる。即ち、第２実施例の足底機構１１０は、第１実施例の足底機構１０よりも積極的に、着地する際にソール板１４が歩行面Ｇの傾斜に応じて傾斜する。
【００２５】
登り坂を歩行する場合、着地時には先につま先が接地する。そのため、つま先側の荷重センサ１８ａの計測値が踵側の荷重センサ１８ｂの計測値よりも大きくなる。コントローラは、計測値の大きいつま先側の袋体２６ａから計測値の小さい踵側の袋体２６ｂへ内部流体が流れるようにポンプ２０を駆動する。つま先側の袋体２６ａが収縮し、踵側の袋体２６ｂが膨張する。その結果、ソール板１４は、つま先側が靴１２に近くなり、踵側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００２６】
遊脚だった足が着地し体重が加わっていくにつれて、踵側の荷重センサ１８ｂが計測する荷重も増大する。前後２つの荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の５０％を超えると、コントローラはポンプ２０を停止するとともにバルブ２２を閉じる。なお、コントローラは、荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を下回っている間は、バルブ２２を開放している。
【００２７】
バルブ２２を閉じると、一対の袋体２６ａ、２６ｂの間を流体が流れることができなくなる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、接地している靴１２の底は水平を維持する。体重移動などにより、つま先側と踵側の荷重が変化すると、靴１２が傾斜し、夫々の袋体２６ａ、２６ｂが圧縮或いは膨張する。ここで、バルブ２２が閉じているのでそれぞれの袋体は独立に密封されており、夫々が弾性体として機能する。即ち、靴１２を水平に戻す向きに復元力が発生する。この復元力によってユーザは靴２１を水平に戻し易くなる。即ち、ユーザは接地した足の足底を水平に維持したまま登り坂を登ることができる。
【００２８】
下り坂を歩行する場合、着地時には先に踵が接地する。そのため、踵側の荷重センサ１８ｂの計測値はつま先側の荷重センサ１８ａの計測値よりも大きくなる。コントローラは、計測値の大きい踵側の袋体２６ｂから計測値の小さいつま先側の袋体２６ａへ内部流体が流れるようにポンプ２０を駆動する。踵側の袋体２６ｂが収縮し、つま先側の袋体２６ａが膨張する。その結果、図３に示すように、ソール板１４は、踵側が靴１２に近くなり、つま先側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００２９】
２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を超えると、コントローラはポンプ２０を停止するとともにバルブ２２を閉じる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、靴１２の底は水平を維持する。登り坂の場合と同様に、足底機構１１０は靴１２を水平に維持するように復元力を発生する。即ち、ユーザは接地したときの足底を水平に維持したまま下り坂を登ることができる。
【実施例３】
【００３０】
図５を参照して第３実施例の足底機構２１０を説明する。図５は、足底機構２１０の模式的な機構図である。ただし、図５は、バルブ２２２周辺の拡大図を示しており、足底機構全体を示していないことに留意されたい。図５に示されていない部分は、図３の足底機構１１０と同様の形態を備えている。また、図５では、バルブ２２２のみ、断面を示している。また、バルブ２２２は、靴１２の内部ではなく、靴１２の下方であり一対の袋体２６ａ、２６ｂの間に配置されている。図５は、機能の理解を助けるために、バルブ２２２の位置を図３に合わせて描いており、物理的配置を正確には示していないことに留意されたい。
【００３１】
第３実施例の足底機構２１０は、動力を使わずにバルブ２２２を閉じることができる。即ち足底機構２１０は、動力を使わずにソール板２１４の傾きを固定することができる。なお、より厳密には、靴１２が水平となるときが、袋体２６ａ、２６ｂの復元力による中立位置となるように、ソール板２１４の傾斜角が定まる。以下では簡単のため、中立点となるソール板の傾斜角が定まることを「ソール板の傾斜が固定する」と表現する場合がある。バルブ２２２は、ばね２２３で下方に付勢されている開閉弁２２４を備える。開閉弁２２４が下方に位置するとき、バルブ２２２は開放状態となり、開閉弁２２４が上方に移動するとバルブ２２２が閉じる。開閉弁２２４の下端はジョイント２２５を介してロッド２２６の上端に連結されている。ロッド２２６の下端はジョイント２２７を介してソール板２１４に連結されている。ジョイント２２５、ロッド２２６、及び、ジョイント２２７は、ソール板２１４の前後後方のほぼ中央に位置している。従って、ソール板２１４はジョイント２２７を中心に前後に（ピッチ軸回りに）傾くことができる。
【００３２】
足底機構２１０を装着した足が遊脚の間は、ソール板２１４は歩行面から圧力を受けることがない。従ってばね２２３によって開閉弁２２４は下側に位置し、バルブ２２２は開いた状態となる。足底機構２１０を装着した足が着地する際、ソール板２１４が接地し、ソール板２１４は歩行面から圧力を受ける。ソール板２１４は、歩行面からの圧力によって、ばね２２３に抗しながらも靴１２に接近する。歩行面からの圧力が予め定められた荷重閾値に達すると、ソール板２１４とともに開閉弁２２４が上方に移動し、バルブ２２２が閉じる。バルブ２２２が閉じるまでの間、流路２４を通じて流体が一対の袋体２６ａ、２６ｂの間を移動し、歩行面の斜度に応じてソール板２１４が傾斜する。歩行面からの圧力が予め定められた荷重閾値に達すると、バルブ２２２が閉じて流体が移動できなくなり、ソール板２１４の傾斜が固定する。第２実施例の足底機構２１０は、動力（電力）を要することなく、着地すると床面からの荷重によって受動的にバルブ２２２が閉じ、ソール板２１４の傾斜が固定する。なお、第３実施例の足底機構２１０は、第３実施例の足底機構１１０が有するポンプ２０を備えていない。第３実施例の足底機構２１０は、第１実施例の足底機構１０と同様に、つま先側と踵側の接地荷重の差によって流体が一方の袋体から他方の袋体へ移動する。
【実施例４】
【００３３】
図６を参照して第４実施例の足底機構３１０を示す。図６は、足底機構３１０の模式的平面図を示す。足底機構３１０は、一対の袋体３２６ａと３２６ｂの他、第３の袋体３２６ｃを備える。一対の袋体３２６ａと３２６ｂは、第２実施例の足底機構１１０と同様に、足の前後に配置されている。第３の袋体３２６ｃは、前方の袋体３２６ａの横に配置されている。詳しくは、第３の袋体３２６ｃは、一対の袋体３２６ａ、３２６ｂを結ぶ直線から横方向に離れた位置に配置されている。３つの袋体３２６ａ、３２６ｂ、及び、３２６ｃは夫々流路３２４ａ、３２４ｂ、及び、３２４ｃによって連結されている。詳しくは、袋体３２６ａと袋体３２６ｂが流路３２４ｂによって連結されており、袋体３２６ｂと３２６ｃが流路３２４ｃによって連結されており、袋体３２６ｃと３２６ａが流路３２４ａによって連結されている。流路３２４ａには流路を開閉するバルブ３２２ａと、袋体３２６ａと３２６ｃの間で流体を移動させるポンプ３２０ａが配置されている。流路３２４ｂには流路を開閉するバルブ３２２ｂと、袋体３２６ａと３２６ｂの間で流体を移動させるポンプ３２０ｂが配置されている。流路３２４ｃには流路を開閉するバルブ３２２ｃと、袋体３２６ｂと３２６ｃの間で流体を移動させるポンプ３２０ｃが配置されている。この足底機構３１０は、歩行面のピッチ軸回りの傾斜のみならず、ロール軸（ユーザの前後方向に伸びる軸）周りの歩行面の傾斜に対してもソール板３１４を傾斜させることができる。別言すれば、足底機構３１０は、ピッチ軸のみならずロール軸周りの歩行面の傾斜に対してソール板３１４を傾斜させることができ、接地したユーザの足裏の水平を維持することができる。ソール板３１４を傾斜させる原理は、第２実施例の足底機構１０の原理と同じである。
【実施例５】
【００３４】
図７を参照して第５実施例の足底機構４１０を説明する。この足底機構４１０は、ロボット９００の足裏に構築される。ロボット９００は脚式ロボットであり、下腿リンク９０４と足平リンク９０２が足首ジョイント９０６によって連結されている。図示を省略しているが、下腿リンク９０４の上方は膝ジョイントを介して大腿リンクが連結されている。即ち、ロボット９００は、人間の脚の構造を模した脚式ロボットである。足平リンク９０２に設けられた足底機構４１０の構造は全て第２実施例の足底機構１１０と同じであるので説明は省略する。なお、第１実施例の部品と同じ部品には同じ符号を付してある。
【００３５】
足底機構４１０を備えたロボット９００は、斜面を歩行する際、ソール板１４が斜面に応じて傾斜するので、接地した足平９０２の水平を維持することができる。従って、ロボット９００は斜面を歩行する際、足首ジョイント９０６の角度は水平面歩行時の角度と同じでよい。従って、歩行制御（歩行するための各ジョイントの制御）が容易になる。
【００３６】
実施例の足底機構の変形例を説明する。荷重センサ１８ａ、１８ｂの代わりに、距離センサを配置してもよい。その場合、足底機構は、つま先側と踵側にソール板と歩行面との間の距離を計測する距離センサを備え、コントローラはポンプを制御し、前後の距離センサの計測値が等しくなるようにソール板を傾斜させる。そのような距離センサに基づく制御によっても、実施例の足底機構と同様に斜面の歩行を支援することができる。
【００３７】
第１実施例の足底機構１０において、コントローラは、２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの夫々が検出する荷重の差が大きいほどバルブの開度を大きくすることも好適である。バルブの開度が大きい程、流路２４を流れる流体の流量が増加する。歩行面Ｇとソール板１４の角度が大きいほど、２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの夫々が検出する荷重の差が大きくなる。上記のようにバルブを制御することによって、歩行面Ｇとソール板１４の角度が大きいほど、流量が増大し、ソール板１４が迅速に歩行面Ｇと平行になる。同じ理由により、第２実施例の足底機構１１０において、コントローラは、２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの夫々が検出する荷重の差が大きいほど流路２４を流れる流体の流量が増大するようにポンプ２０を制御することも好適である。
【００３８】
第３実施例ではロッド２２６をソール板２１４に連結した。これに代えてロッド２２６をソール板２１４から下方に突出するように構成してもよい。ロッド２２６が歩行面に押されることによって、第２実施例の作用と同じ作用が生じる。
【００３９】
足裏（靴の底面或いはロボットの足平リンクの底面）の水平を確実に確保するため、即ち、足裏の水平が中立点となることを確実にするため、水平に対する靴（或いはロボット足平リンク）の傾斜を検知する傾斜角センサを備えることも好適である。この場合、コントローラは、傾斜角センサの出力に基づいて、ポンプを駆動しソール板を傾斜させて、靴（或いはロボットの足平リンク）の底面を水平に維持する。すなわち足底機構は、足底の前後に配置された膨張収縮が可能な一対の袋体と、一対の袋体の下側に取り付けられており、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化するソール板と、一対の袋体を連通する流路と、流路を開閉するバルブと、流路を通して袋体内部の流体を一対の袋体の間で移動させるポンプと、足底（靴の底面あるいはロボットの足平リンクの底面）の水平に対する傾斜角を検知する傾斜角センサを備えており、傾斜角センサの出力に基づいて、ポンプを駆動しソール板の傾斜を制御して、足底（靴の底面あるいはロボットの足平リンクの底面）を水平に維持するように構成されていることが好ましい。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０：足底機構
１２：靴
１４：ソール板
１６ａ、１６ｂ：ばね
１８ａ、１８ｂ：荷重センサ
２０：ポンプ
２２：バルブ
２４：流路
２６ａ、２６ｂ：袋体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行動作を支援する足底機構に関する。この足底機構は、脚式ロボットの足の一部として構成されるか、或いは、靴の底部分に構築され、脚式ロボット或いは人間の歩行動作を支援する。
【背景技術】
【０００２】
歩行動作を支援する足底機構が提案されている。例えば特許文献１には、足底の前後にクッションを配置した靴が提案されている。足底の２つのクッションは流路によって連通しており、前方（後方）のクッションが収縮すると後方（前方）のクッションが膨張する。特許文献１の靴は、着地時の衝撃を和らげることができるとともに、立脚から遊脚へ遷移する際につま先に荷重が加わることで踵を持ち上げる効果がある。
【０００３】
また、特許文献２には、足裏全体を柔軟な構造にして地面の細かい起伏にフィットするように構成した脚式ロボットが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−１７７７０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１７７９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は、踵側に比べてつま先の荷重が強まるとつま先側のクッションが収縮するとともに踵側のクッションが膨張する。逆に、つま先に比べて踵側の荷重が強まると踵側のクッションが収縮するとともにつま先側のクッションが膨張する。すなわち、足底の荷重分布に応じてクッションが膨張収縮する。特許文献２の技術は、地面の細かい起伏に応じて足裏面が変形する。即ち、特許文献２の技術も、足底の荷重分布に応じて足裏面の形状が変化する。それらの技術は、それぞれの目的を果すことはできるが、斜面を歩行する際の特有の課題に対しては考慮されていない。斜面を歩行する際の特有の課題とは、足裏が歩行面にしっかり密着するとき（即ち、体重を支えるとき）の足首関節の角度が水平面歩行時と異なることである。即ち、斜面を歩行する際には、足裏面を斜面の角度に合わせなければならない。そのような動作は、高齢者或いは歩行が不自由な者にとっては負担となり得る。また脚式ロボットの場合、足首関節の角度を歩行面の斜度に合わせるためのアルゴリズムが必要となる。本明細書が開示す技術は、斜面歩行を支援する足底機構を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する足底機構は、歩行面の傾斜によらずに、接地した足の足底を水平に保つことができる。なお、より厳密には、本明細書が開示する足底機構は、歩行面の傾斜によらず、接地した足の足底を水平に戻すように復元力を発生させることができる。その足底機構は、足底の前後に配置された膨張収縮が可能な一対の袋体と、一対の袋体の下側に取り付けられたソール板と、一対の袋体を連通する流路と、流路を開閉するバルブを備える。ここで、「足底」とは、靴の底、或いは、ロボットの足平リンクの底面を意味する。袋体は、例えばゴムで形成された風船でよい。ソール板は、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化する。即ち、バルブを開くと、一対の袋体の間で内部の流体が移動でき、ソール板が傾斜する。バルブを閉じると、流体が移動することができなくなり、ソール体の傾斜が固定される。即ち、足底機構のバルブは、足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合にはバルブが開いており、荷重が荷重閾値を超えた場合に前記バルブが閉じる。足が着地する際、荷重閾値を超えるまではバルブが開いており歩行面の斜度に合わせてソール板が傾斜する。荷重閾値を超えるとバルブが閉じ、足裏に対するソール板の傾斜が固定する。ここで、「固定する」とは、厳密に不動となることではなく、ソール板がさらに傾斜したときに流体が移動しない一対の袋体の復元力によって戻るべき傾斜角が決まることを意味する。即ち、バルブが閉じたときのソール板の傾斜角度が、ばね系における「中立点」に相当する。バルブが閉じた後は、体重移動による荷重変化が生じて足裏が傾斜しても、圧縮／膨張した各袋体によって、足裏面を水平に戻す方向の復元力が作用する。上記した足底機構は特に、荷重が高くなるとソール板の傾斜が固定し（中立点が設定され）、足裏の水平を保つことができる。
【０００７】
上記の足底機構を採用すると、斜面を歩行する際、体重を支えるほどに荷重が増したときに、ユーザの足または脚式ロボットの足部の水平を容易に保つことができる。即ち、上記の足底機構を採用すると、階段を上り下りするように斜面を歩行することができる。
【０００８】
バルブの開閉は、センサやコントローラを使って能動的に行ってもよいし、足裏に加わる荷重が閾値を超えると受動的にバルブが閉じる機構を採用してもよい。前者の場合、足底機構は荷重センサを備えるとともにソレノイドなどで動作する開閉弁をバルブに備える。そしてコントローラは、荷重センサが検知する荷重が荷重閾値を超えるとソレノイドを駆動してバルブを閉じる。荷重が荷重閾値を下回っている場合は、バルブは開放される。後者の場合は、ソール板自体が足に対して上下動するとともにバルブの開閉弁がソール板に機構的に連結しており、ソール板の上下動に連動してバルブを開閉するメカニカル機構を採用すればよい。或いは、バルブ開閉弁に連結されたロッドをソール板から下方に突出させ、ロッドが引っ込むと開閉弁がバルブを閉じるメカニズムを採用すればよい。ソール板或いはロッドはばねによって足底に支持されておりばねの弾性率によって上記の「荷重閾値」が実現される。
【０００９】
上記の足底機構は、流路を通して袋体内部の流体を一対の袋体の間で移動させるポンプをさらに備えることが好ましい。ポンプによって流体を移動させ、ソール板を能動的に傾斜させることができる。すなわち、ポンプは、ソール板を傾斜させるアクチュエータに相当する。
【００１０】
上述の足底機構は、前後方向の傾斜に対して（接地している足の）足裏の水平を維持することができる。前述したように、「足裏の水平を維持する」とは、足裏の水平が中立点となるようソール板を傾斜させることを意味することに留意されたい。この足底機構の技術的思想は、前後方向だけでなく、横方向の傾斜に対して足裏の水平を維持する装置に拡張することができる。なお、ここで「横方向」とは、つま先と踵を結ぶ直線と交差する方向を意味する。横方向の傾斜に適応することのできる足底機構は、一対の袋体を結ぶ直線から横方向に離れた位置で足底に配置された第３袋体と、一対の袋体の夫々と第３袋体を連通する流路と、各流路の夫々に備えられており各流路を開閉するバルブをさらに備えていればよい。各流路を開閉する夫々のバルブは、足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合には開いており、荷重が荷重閾値を超えた場合に閉じる。一直線上に並んでいない３個の袋体の膨張収縮によってソール板はピッチ軸とロール軸の２軸周りに傾斜することができる。即ち、そのような足底機構は、どのような方向に傾斜している斜面に対してもソール板を傾斜させることによって足底面の水平を保持し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【図２】第１実施例の足底機構の動きを説明する図である（１）。
【図３】第１実施例の足底機構の動きを説明する図である（２）。
【図４】第２実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【図５】第３実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【図６】第４実施例の足底機構の模式的平面図を示す。
【図７】第５実施例の足底機構の模式的機構図を示す。
【実施例１】
【００１２】
図１に、第１実施例の足底機構１０を示す。この足底機構１０は、ユーザＵが履く靴１２の一部として構成されている。靴１２の下側に、ばね１６ａ、１６ｂを介してソール板１４が配置されている。靴１２とソール板１４の間に一対の袋体２６ａ、２６ｂが配置されている。即ち、一対の袋体２６ａ、２６ｂを挟んで靴１２の底面とソール板１４が対向している。詳しくは後述するが、一対の袋体２６ａ、２６ｂの一方が膨張するとともに他方が収縮することによって、ソール板１４は靴１２の底面に対して傾斜する。一対の袋体２６ａ、２６ｂは、内部に空気が充填されているゴム風船である。
【００１３】
一対の袋体２６ａ、２６ｂは、流路２４で結ばれている。流路２４は、一対の袋体２６ａ、２６ｂの内部の流体を通す管である。流路２４を介して一方の袋体から他方の袋体へ内部の流体が移動することができる。さらに流路２４には、流路を開閉するバルブ２２（即ち、流体通過の許容と禁止を切り換えるバルブ）が備えられている。なお、図１は、足底機構１０の機構を模式的に示す図であって、足底機構１０の物理的構造を厳密には表していない。例えば、袋体２６ａ、２６ｂの周囲は柔軟なカバーで覆われており、袋体２６ａと２６ｂは外からは見えない。また、袋体２６ａ、２６ｂの上側は靴１２の底面１２ａに接しており、袋体２６ａ、２６ｂの下側はソール板１４の上面１４ａに接している。また、流路２４とバルブ２２は、靴１２の内部に配置されているのではなく、例えば靴１２の甲の上、或いは踵の後ろ側に配置されている。図では、機能を理解し易いように、バルブ２２を靴１２の中央付近に描いてある。
【００１４】
ソール板１４には、前方（つま先側）と後方（踵側）に夫々荷重センサ１８ａ、１８ｂが配置されている。荷重センサ１８ａ、１８ｂは、足底が歩行面Ｇから受ける荷重を計測する。また、図示を省略しているが、靴１２はコントローラを備える。コントローラは、荷重センサ１８ａ、１８ｂの計測値に基づいて、バルブ２２の開閉を制御する。
【００１５】
ソール板１４は、２つのばね１６ａ、１６ｂによって、靴１２側に引っ張られている。ばね１６ａ、１６ｂによって、ソール板１４が一対の袋体２６ａ、２６ｂに押し付けられている。そのため、一対の袋体２６ａ、２６ｂの膨張収縮に応じてソール板１４は靴１２に対して傾く。一方の袋体２６ａはつま先側に配置され、他方の袋体２６ｂは踵側に配置されており、両者の内部流体（空気）は流路２４を通じて一方の袋体から他方の袋体へ移動することができる。即ち、つま先側の袋体２６ａが収縮するとともに踵側の袋体２６ｂが膨張すると、ソール板１４は前方が靴１２に近づき後方が靴１２から離れるように傾斜する（図２参照）。逆に、つま先側の袋体２６ａが膨張するとともに踵側の袋体２６ｂが収縮すると、ソール板１４は前方が靴１２から離れ後方が靴１２に近づくように傾斜する（図３参照）。いずれの場合も、ソール板１４は、靴１２に対して相対的に、ピッチ軸回りに傾斜する。なお、「ピッチ軸」とは、ロボットの技術分野でよく知られているように、ユーザ（或いはロボット）の側方に伸びる軸を意味する。
【００１６】
バルブ２２の機能について説明する。コントローラ（不図示）は、前後に配置された荷重センサ１８ａ、１８ｂが検知する荷重の大きさによってバルブ２２を制御する。コントローラは、荷重センサ１８ａと１８ｂが検知する荷重の平均値が予め定められた荷重閾値を超えるまではバルブ２２を開いておく。コントローラは荷重の平均値が荷重閾値を超えるとバルブ２２を閉じる。荷重閾値は、予め設定されており、例えば、ユーザの体重の１５％の大きさである。
【００１７】
例えば、足底機構１０が地面を蹴って離床する瞬間では、荷重センサ１８ａと１８ｂが検知する荷重の平均値は必ず荷重閾値（例えばユーザの体重の１５％）未満になる。荷重の平均値が荷重閾値を下回っている間、コントローラはバルブ２２を開放する。離床時は踵側の荷重よりつま先側の荷重の方が大きい。従って、荷重の差によってつま先側の袋体２６ａが収縮し踵側の袋体２６ｂが膨張する。即ち、流路２４を通じて内部流体がつま先側の袋体２６ａから踵側の袋体２６ｂへ移動する。
【００１８】
図２に、登り坂を歩行する際のソール板１４の傾斜の様子を例示し、図３に、下り坂を歩行する際のソール板１４の傾斜の様子を例示する。登り坂を歩行する場合、着地時には先につま先が接地する。そのため、つま先側に加わる荷重が踵側に加わる荷重よりも大きくなる。荷重の差によってつま先側の袋体２６ａが収縮し踵側の袋体２６ｂが膨張する。コントローラによってバルブ２２が開放されている間、荷重が大きいつま先側の袋体２６ａから荷重の小さい踵側の袋体２６ｂへ内部流体が流れる。その結果、図２に示すように、ソール板１４は、つま先側が靴１２に近くなり、踵側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００１９】
遊脚だった足が着地し体重が加わっていくにつれて、踵側の荷重が増大する。前後２つの荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を超えると、コントローラはポンプ２０を停止する。なお、コントローラは、荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を下回っている間は、バルブ２２を開放している。
【００２０】
バルブ２２を閉じると、一対の袋体２６ａ、２６ｂの間を流体が流れることができなくなる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。図２に示すように、ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、接地している靴１２の底は水平を維持する。体重移動などにより、つま先側と踵側の荷重が変化すると、靴１２が傾斜し、夫々の袋体２６ａ、２６ｂが圧縮或いは膨張する。ここで、バルブ２２が閉じているのでそれぞれの袋体は独立に密封されており、夫々が弾性体として機能する。即ち、靴１２を水平に戻す向きに復元力が発生する。この復元力によってユーザは靴２１を水平に戻し易くなる。即ち、ユーザは接地した足の足底を水平に維持したまま登り坂を登ることができる。図２に示すように、ユーザは、あたかも階段を登るように登り坂を歩行することができる。
【００２１】
歩行する場合、登り坂・下り坂のいずれにおいても通常は踵から着地する。しかし、登り坂を歩行する場合は平地での歩行に比べて踵が接地してからつま先が接地するまでの時間が短くなる。場合によってはつま先から接地することもある。つまり、つま先側の荷重センサ１８ａの計測値と踵側の荷重センサ１８ｂの計測値が近い状態で荷重閾値を超える。そのため、登り坂の傾斜が大きいほど、踵側の袋体２６ｂからつま先側の袋体２６ａへ流れる内部流体の量が少なくなる。その結果、図２に示すように、ソール板１４はつま先側が靴１２に近くなるとともに、踵側が靴１２から離れるように傾斜した状態で固定される（バルブ２２が閉じる）。なお、踵よりもつま先が先に接地する場合には、内部流体はつま先側から踵側に移動する。
【００２２】
下り坂を歩行する場合の着地では、平地歩行に比べて踵が接地してからつま先が接地するまでの時間が長くなる。そのため、踵側の荷重がつま先側の荷重よりも大きくなっている時間が長くなる。踵側の袋体２６ｂが収縮し、つま先側の袋体２６ａが膨張する。コントローラがバルブ２２を開いている間、荷重の大きい踵側の袋体２６ｂから荷重の小さいつま先側の袋体２６ａへ内部流体が流れる。その結果、図３に示すように、ソール板１４は、踵側が靴１２に近くなり、つま先側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００２３】
２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を超えると、コントローラはバルブ２２を閉じる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。図３に示すように、ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、靴１２の底は水平を維持する。登り坂の場合と同様に、足底機構１０は靴１２を水平に維持するように復元力を発生する。即ち、ユーザは接地したときの足底を水平に維持したまま下り坂を登ることができる。図２に示すように、ユーザは、あたかも階段を登るように下り坂を歩行することができる。このように足底機構１０は、斜面を歩行する際、ユーザの足裏の水平を容易に維持することができる。
【実施例２】
【００２４】
図４を参照して第２実施例の足底機構１１０を説明する。図４は、足底機構１１０の模式的な側面図である。第２実施例の足底機構１１０は、第１実施例の足底機構１０に加えてポンプ２０を備えている。コントローラ（不図示）は、前後の荷重センサの計測値を比較し、計測値（荷重）が大きい側に位置する袋体から計測値（荷重）が小さい側の袋体へ内部流体（空気）が流れるようにポンプ２０を制御する。第１実施例の足底機構１０は、つま先と踵に加わる荷重差によって内部流体が前後の袋体２６の間を移動する。第２実施例の足底機構１１０は、ポンプ２０９が積極的に内部流体を移動させる。即ち、第２実施例の足底機構１１０は、第１実施例の足底機構１０よりも積極的に、着地する際にソール板１４が歩行面Ｇの傾斜に応じて傾斜する。
【００２５】
登り坂を歩行する場合、着地時には先につま先が接地する。そのため、つま先側の荷重センサ１８ａの計測値が踵側の荷重センサ１８ｂの計測値よりも大きくなる。コントローラは、計測値の大きいつま先側の袋体２６ａから計測値の小さい踵側の袋体２６ｂへ内部流体が流れるようにポンプ２０を駆動する。つま先側の袋体２６ａが収縮し、踵側の袋体２６ｂが膨張する。その結果、ソール板１４は、つま先側が靴１２に近くなり、踵側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００２６】
遊脚だった足が着地し体重が加わっていくにつれて、踵側の荷重センサ１８ｂが計測する荷重も増大する。前後２つの荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の５０％を超えると、コントローラはポンプ２０を停止するとともにバルブ２２を閉じる。なお、コントローラは、荷重センサの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を下回っている間は、バルブ２２を開放している。
【００２７】
バルブ２２を閉じると、一対の袋体２６ａ、２６ｂの間を流体が流れることができなくなる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、接地している靴１２の底は水平を維持する。体重移動などにより、つま先側と踵側の荷重が変化すると、靴１２が傾斜し、夫々の袋体２６ａ、２６ｂが圧縮或いは膨張する。ここで、バルブ２２が閉じているのでそれぞれの袋体は独立に密封されており、夫々が弾性体として機能する。即ち、靴１２を水平に戻す向きに復元力が発生する。この復元力によってユーザは靴２１を水平に戻し易くなる。即ち、ユーザは接地した足の足底を水平に維持したまま登り坂を登ることができる。
【００２８】
下り坂を歩行する場合、着地時には先に踵が接地する。そのため、踵側の荷重センサ１８ｂの計測値はつま先側の荷重センサ１８ａの計測値よりも大きくなる。コントローラは、計測値の大きい踵側の袋体２６ｂから計測値の小さいつま先側の袋体２６ａへ内部流体が流れるようにポンプ２０を駆動する。踵側の袋体２６ｂが収縮し、つま先側の袋体２６ａが膨張する。その結果、図３に示すように、ソール板１４は、踵側が靴１２に近くなり、つま先側が靴１２から離れるように傾斜する。
【００２９】
２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの計測値の平均値がユーザの体重の１５％を超えると、コントローラはポンプ２０を停止するとともにバルブ２２を閉じる。その結果、靴１２に対するソール板１４の傾斜が固定する。ソール板１４は歩行面Ｇの傾斜に合わせて傾斜するが、靴１２の底は水平を維持する。登り坂の場合と同様に、足底機構１１０は靴１２を水平に維持するように復元力を発生する。即ち、ユーザは接地したときの足底を水平に維持したまま下り坂を登ることができる。
【実施例３】
【００３０】
図５を参照して第３実施例の足底機構２１０を説明する。図５は、足底機構２１０の模式的な機構図である。ただし、図５は、バルブ２２２周辺の拡大図を示しており、足底機構全体を示していないことに留意されたい。図５に示されていない部分は、図３の足底機構１１０と同様の形態を備えている。また、図５では、バルブ２２２のみ、断面を示している。また、バルブ２２２は、靴１２の内部ではなく、靴１２の下方であり一対の袋体２６ａ、２６ｂの間に配置されている。図５は、機能の理解を助けるために、バルブ２２２の位置を図３に合わせて描いており、物理的配置を正確には示していないことに留意されたい。
【００３１】
第３実施例の足底機構２１０は、動力を使わずにバルブ２２２を閉じることができる。即ち足底機構２１０は、動力を使わずにソール板２１４の傾きを固定することができる。なお、より厳密には、靴１２が水平となるときが、袋体２６ａ、２６ｂの復元力による中立位置となるように、ソール板２１４の傾斜角が定まる。以下では簡単のため、中立点となるソール板の傾斜角が定まることを「ソール板の傾斜が固定する」と表現する場合がある。バルブ２２２は、ばね２２３で下方に付勢されている開閉弁２２４を備える。開閉弁２２４が下方に位置するとき、バルブ２２２は開放状態となり、開閉弁２２４が上方に移動するとバルブ２２２が閉じる。開閉弁２２４の下端はジョイント２２５を介してロッド２２６の上端に連結されている。ロッド２２６の下端はジョイント２２７を介してソール板２１４に連結されている。ジョイント２２５、ロッド２２６、及び、ジョイント２２７は、ソール板２１４の前後後方のほぼ中央に位置している。従って、ソール板２１４はジョイント２２７を中心に前後に（ピッチ軸回りに）傾くことができる。
【００３２】
足底機構２１０を装着した足が遊脚の間は、ソール板２１４は歩行面から圧力を受けることがない。従ってばね２２３によって開閉弁２２４は下側に位置し、バルブ２２２は開いた状態となる。足底機構２１０を装着した足が着地する際、ソール板２１４が接地し、ソール板２１４は歩行面から圧力を受ける。ソール板２１４は、歩行面からの圧力によって、ばね２２３に抗しながらも靴１２に接近する。歩行面からの圧力が予め定められた荷重閾値に達すると、ソール板２１４とともに開閉弁２２４が上方に移動し、バルブ２２２が閉じる。バルブ２２２が閉じるまでの間、流路２４を通じて流体が一対の袋体２６ａ、２６ｂの間を移動し、歩行面の斜度に応じてソール板２１４が傾斜する。歩行面からの圧力が予め定められた荷重閾値に達すると、バルブ２２２が閉じて流体が移動できなくなり、ソール板２１４の傾斜が固定する。第２実施例の足底機構２１０は、動力（電力）を要することなく、着地すると床面からの荷重によって受動的にバルブ２２２が閉じ、ソール板２１４の傾斜が固定する。なお、第３実施例の足底機構２１０は、第３実施例の足底機構１１０が有するポンプ２０を備えていない。第３実施例の足底機構２１０は、第１実施例の足底機構１０と同様に、つま先側と踵側の接地荷重の差によって流体が一方の袋体から他方の袋体へ移動する。
【実施例４】
【００３３】
図６を参照して第４実施例の足底機構３１０を示す。図６は、足底機構３１０の模式的平面図を示す。足底機構３１０は、一対の袋体３２６ａと３２６ｂの他、第３の袋体３２６ｃを備える。一対の袋体３２６ａと３２６ｂは、第２実施例の足底機構１１０と同様に、足の前後に配置されている。第３の袋体３２６ｃは、前方の袋体３２６ａの横に配置されている。詳しくは、第３の袋体３２６ｃは、一対の袋体３２６ａ、３２６ｂを結ぶ直線から横方向に離れた位置に配置されている。３つの袋体３２６ａ、３２６ｂ、及び、３２６ｃは夫々流路３２４ａ、３２４ｂ、及び、３２４ｃによって連結されている。詳しくは、袋体３２６ａと袋体３２６ｂが流路３２４ｂによって連結されており、袋体３２６ｂと３２６ｃが流路３２４ｃによって連結されており、袋体３２６ｃと３２６ａが流路３２４ａによって連結されている。流路３２４ａには流路を開閉するバルブ３２２ａと、袋体３２６ａと３２６ｃの間で流体を移動させるポンプ３２０ａが配置されている。流路３２４ｂには流路を開閉するバルブ３２２ｂと、袋体３２６ａと３２６ｂの間で流体を移動させるポンプ３２０ｂが配置されている。流路３２４ｃには流路を開閉するバルブ３２２ｃと、袋体３２６ｂと３２６ｃの間で流体を移動させるポンプ３２０ｃが配置されている。この足底機構３１０は、歩行面のピッチ軸回りの傾斜のみならず、ロール軸（ユーザの前後方向に伸びる軸）周りの歩行面の傾斜に対してもソール板３１４を傾斜させることができる。別言すれば、足底機構３１０は、ピッチ軸のみならずロール軸周りの歩行面の傾斜に対してソール板３１４を傾斜させることができ、接地したユーザの足裏の水平を維持することができる。ソール板３１４を傾斜させる原理は、第２実施例の足底機構１０の原理と同じである。
【実施例５】
【００３４】
図７を参照して第５実施例の足底機構４１０を説明する。この足底機構４１０は、ロボット９００の足裏に構築される。ロボット９００は脚式ロボットであり、下腿リンク９０４と足平リンク９０２が足首ジョイント９０６によって連結されている。図示を省略しているが、下腿リンク９０４の上方は膝ジョイントを介して大腿リンクが連結されている。即ち、ロボット９００は、人間の脚の構造を模した脚式ロボットである。足平リンク９０２に設けられた足底機構４１０の構造は全て第２実施例の足底機構１１０と同じであるので説明は省略する。なお、第１実施例の部品と同じ部品には同じ符号を付してある。
【００３５】
足底機構４１０を備えたロボット９００は、斜面を歩行する際、ソール板１４が斜面に応じて傾斜するので、接地した足平９０２の水平を維持することができる。従って、ロボット９００は斜面を歩行する際、足首ジョイント９０６の角度は水平面歩行時の角度と同じでよい。従って、歩行制御（歩行するための各ジョイントの制御）が容易になる。
【００３６】
実施例の足底機構の変形例を説明する。荷重センサ１８ａ、１８ｂの代わりに、距離センサを配置してもよい。その場合、足底機構は、つま先側と踵側にソール板と歩行面との間の距離を計測する距離センサを備え、コントローラはポンプを制御し、前後の距離センサの計測値が等しくなるようにソール板を傾斜させる。そのような距離センサに基づく制御によっても、実施例の足底機構と同様に斜面の歩行を支援することができる。
【００３７】
第１実施例の足底機構１０において、コントローラは、２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの夫々が検出する荷重の差が大きいほどバルブの開度を大きくすることも好適である。バルブの開度が大きい程、流路２４を流れる流体の流量が増加する。歩行面Ｇとソール板１４の角度が大きいほど、２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの夫々が検出する荷重の差が大きくなる。上記のようにバルブを制御することによって、歩行面Ｇとソール板１４の角度が大きいほど、流量が増大し、ソール板１４が迅速に歩行面Ｇと平行になる。同じ理由により、第２実施例の足底機構１１０において、コントローラは、２つの荷重センサ１８ａ、１８ｂの夫々が検出する荷重の差が大きいほど流路２４を流れる流体の流量が増大するようにポンプ２０を制御することも好適である。
【００３８】
第３実施例ではロッド２２６をソール板２１４に連結した。これに代えてロッド２２６をソール板２１４から下方に突出するように構成してもよい。ロッド２２６が歩行面に押されることによって、第２実施例の作用と同じ作用が生じる。
【００３９】
足裏（靴の底面或いはロボットの足平リンクの底面）の水平を確実に確保するため、即ち、足裏の水平が中立点となることを確実にするため、水平に対する靴（或いはロボット足平リンク）の傾斜を検知する傾斜角センサを備えることも好適である。この場合、コントローラは、傾斜角センサの出力に基づいて、ポンプを駆動しソール板を傾斜させて、靴（或いはロボットの足平リンク）の底面を水平に維持する。すなわち足底機構は、足底の前後に配置された膨張収縮が可能な一対の袋体と、一対の袋体の下側に取り付けられており、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化するソール板と、一対の袋体を連通する流路と、流路を開閉するバルブと、流路を通して袋体内部の流体を一対の袋体の間で移動させるポンプと、足底（靴の底面あるいはロボットの足平リンクの底面）の水平に対する傾斜角を検知する傾斜角センサを備えており、傾斜角センサの出力に基づいて、ポンプを駆動しソール板の傾斜を制御して、足底（靴の底面あるいはロボットの足平リンクの底面）を水平に維持するように構成されていることが好ましい。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０：足底機構
１２：靴
１４：ソール板
１６ａ、１６ｂ：ばね
１８ａ、１８ｂ：荷重センサ
２０：ポンプ
２２：バルブ
２４：流路
２６ａ、２６ｂ：袋体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行動作を支援する足底機構であり、
足底の前後に配置された膨張収縮が可能な一対の袋体と、
一対の袋体の下側に取り付けられており、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化するソール板と、
一対の袋体を連通する流路と、
流路を開閉するバルブと、
を備えており、
足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合にはバルブが開いており、前記荷重が荷重閾値を超えた場合に前記バルブが閉じることを特徴とする足底機構。
【請求項２】
前記流路を通して袋体内部の流体を一対の袋体の間で移動させるポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の足底機構。
【請求項３】
一対の袋体を結ぶ直線から横方向に離れた位置で足底に配置された第３袋体と、
一対の袋体の夫々と第３袋体を連通する流路と、
各流路の夫々に備えられており各流路を開閉するバルブと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の足底機構。
【請求項１】
歩行動作を支援する足底機構であり、
足底の前後に配置された膨張収縮が可能な一対の袋体と、
一対の袋体の下側に取り付けられており、袋体の膨張収縮に応じて傾きが変化するソール板と、
一対の袋体を連通する流路と、
流路を開閉するバルブと、
を備えており、
足底が地面から受ける荷重が予め定められた荷重閾値を下回っている場合にはバルブが開いており、前記荷重が荷重閾値を超えた場合に前記バルブが閉じることを特徴とする足底機構。
【請求項２】
前記流路を通して袋体内部の流体を一対の袋体の間で移動させるポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の足底機構。
【請求項３】
一対の袋体を結ぶ直線から横方向に離れた位置で足底に配置された第３袋体と、
一対の袋体の夫々と第３袋体を連通する流路と、
各流路の夫々に備えられており各流路を開閉するバルブと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の足底機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６４４７（Ｐ２０１２−１６４４７Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５４９３８（Ｐ２０１０−１５４９３８）
【出願日】平成２２年７月７日（２０１０．７．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月７日（２０１０．７．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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