JP2013148204A - 関節機構 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動源の小型軽量化、コンパクト化、コストダウンを可能にする関節機構を提供する。
【解決手段】複数の駆動機構１０，２０により生じる作用力を拮抗作用させることにより、被駆動部６０を駆動自在でかつ剛性を可変自在となる関節機構１において、駆動機構１０，２０のそれぞれに、双方向に駆動力を出力可能なモータ１１，２１と、モータ１１，２１と被駆動部６０との伝達経路に介在し、双方向に生じる作用力に対して双方向の弾性特性を有するナイトハルトゴムバネ３０，４０とを備える。それぞれの駆動機構１０，２０に対して、弾性機構を１対（２個）設けることを不要とし、それぞれ１つのナイトハルトゴムバネ３０，４０だけで構成できるので、関節機構の軽量化、コンパクト化、コストダウンが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット等に用いられる関節機構に係り、詳しくは、複数の駆動機構の拮抗作用により、駆動自在でかつ剛性を可変自在となる関節機構に関する。

近年、ロボットを人との協調作業や介護用などへ応用しようという研究が行なわれている。このために対象物との接触時の衝撃の緩和や柔軟な挙動を実現する技術として、弾性特性が可変な弾性機構（駆動機構）の複数を拮抗作用させることで関節の剛性を可変できるものが提案されている（特許文献１参照）。

詳細には、特許文献１のものは、捩りコイルバネの内部に外径面がテーパ形状の軸状部材を設け、その軸状部材をボールねじを介してモータで駆動する構造の非線形弾性機構を有している。即ち、この非線形弾性機構は、ボールねじの軸方向の作用力（駆動負荷）に応じて捩りコイルバネが巻き締められるにしたがって、有効部長さが変化することで弾性特性の可変を実現している。

特許文献１の非線形弾性機構では、力の伝達方向が一方向であり、関節における作用力（関節の駆動力）は、拮抗させている２つの非線形弾性機構の一方を駆動するモータのみの出力トルクに制限される。他方の非線形弾性機構を駆動するモータは、関節の駆動力に寄与することができない。

そこで、２つのモータの出力トルクを活用するべく、１つのモータで２つの非線形バネを介して双方向に関節を駆動するようにした駆動系を２個設けたものが研究されている。この構成により２つの駆動系を拮抗作用させて剛性を可変するだけでなく、大きな外力に対しては２つの駆動系を共同させるようにして、２つのモータの出力を活用できる。これにより、モータの小型軽量化や、関節における負荷可能な出力の増大を図ることができる（非特許文献１参照）。

特開２００６−２５０２９６号公報

Florian Petit, Maxime Chalon, Werner Friedl, Markus Grebenstein, AlinAlbu-Sch, ¨affer and Gerd Hirzinger, "Bidirectional AntagonisticVariable Stiffness Actuation: Analysis, Design & Implementation", IEEE Int.Conf. on Robotics and Automation(ICRA2010), Anchorage, Alaska,2010.

非特許文献１のように、１つのモータで２つの非線形バネを介して双方向に関節を駆動するようにした駆動系を２個設けた構成は、モータの小型軽量化は可能であるが、非線形バネはそれぞれ２対必要であり、計４個必要である。これら非線形バネにあって１対のうちの一方は、常に出力に寄与しておらず、重量の増加を招くと共に、小型化やコストダウンの妨げにもなる。

そこで本発明は、駆動源の小型軽量化、コンパクト化、コストダウンを可能にする関節機構を提供することを目的とするものである。

本発明は、複数の駆動機構により生じる作用力を拮抗作用させることにより、被駆動部を駆動自在でかつ剛性を可変自在となる関節機構において、前記駆動機構の少なくとも１つは、双方向に駆動力を出力可能な駆動源と、前記駆動源と前記被駆動部との伝達経路に介在し、双方向に生じる前記作用力に対して双方向の弾性特性を有する１つの弾性機構と、を備えたことを特徴とする。

本発明によると、駆動機構の少なくとも１つが作用力を双方向に生じさせることが可能であるので、他の駆動機構と共同させることで、複数の駆動源の出力を活用できて、駆動源の小型軽量化を図ることができる。また、駆動機構の１つに対して、双方向の弾性特性を有する１つの弾性機構を備えるので、１つの駆動機構に対して弾性機構を１対（２個）設けることを不要とし、関節機構の軽量化、コンパクト化、コストダウンを可能とすることができる。

実施例１に係る関節機構の斜視図で、（ａ）は中立位置の状態の図、（ｂ）は２つのモータを同回転させた状態の図、（ｃ）は一方のモータを回転させた状態の図。 実施例１の関節機構におけるナイトハルトゴムバネの斜視図で、（ａ）は組立後の図、（ｂ）は分解斜視図。 実施例１の関節機構におけるストッパを組付けたナイトハルトゴムバネを示す動作説明図で、（ａ）は無負荷の状態の図、（ｂ）はトルクが作用した状態の図、（ｃ）は最大トルクが作用した状態の図。 実施例１の関節機構におけるストッパを取外したナイトハルトゴムバネを示す動作説明図で、（ａ）は無負荷の状態の図、（ｂ）はトルクが作用した状態の図、（ｃ）は最大トルクが作用した状態の図。 実施例１の関節機構における各種角度とトルクとの関係を示す図で、（ａ）はナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係の図。また、（ｂ）は図１（ａ）の中立位置の状態の関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。また、（ｃ）は図１（ｂ）の２つのモータを同回転させた状態の関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。更に、（ｄ）は図１（ｃ）の一方のモータを回転させた状態の関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。そして、（ｅ）は２つのナイトハルトゴムバネを逆方向に最大限に締め付けた状態の関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。 実施例１の関節機構におけるトルクとバネ定数との関係を示す図。 実施例２の関節機構における非対称特性のナイトハルトゴムバネを示す図で、（ａ）はナイトハルトゴムバネの断面図、（ｂ）はナイトハルトゴムバネの外観図。 実施例２の関節機構における各種角度とトルクとの関係を示す図で、（ａ）はナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係の図。また、（ｂ）は図１（ａ）の中立位置の状態の関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。また、（ｃ）は２つのモータを逆方向に最大回転させた状態の関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。更に、（ｄ）は逆回転に最大回転させた状態から一方向に最大外力をかけた関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。そして、（ｅ）は逆回転に最大回転させた状態から他方向に最大外力をかけた関節機構における、ナイトハルトゴムバネの角度とトルクとの関係、及び関節機構の角度とトルクとの関係の図。 実施例２の関節機構におけるトルクとバネ定数との関係を示す図で、（ａ）は図８（ｄ）の状態におけるトルクとバネ定数との関係の図、（ｂ）は図８（ｅ）の状態におけるトルクとバネ定数との関係の図。 実施例３の捩りコイルバネ機構を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図。 実施例４の圧縮コイルバネ機構を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は関節機構に一方向の外力が加わった際の正面図、（ｄ）は関節機構に他方向の外力が加わった際の正面図。 実施例５の関節機構を示す図で、（ａ）は上方斜視図、（ｂ）は下方斜視図。

ロボット等に用いられる関節機構においては、回転モータやリニアモータ等の駆動源で、ギヤやラック、ベルト、レバーなどの伝達機構を介して関節に軸支されたリンクを回動させる構成が一般的である。本発明では、その伝達機構（伝達経路）に、双方向に力を伝達可能で、いずれの方向でも動作する弾性特性を有する非線形バネを設け、且つ１つの駆動源と１つの非線形バネを１組の駆動機構として、２組以上（複数）の駆動機構を同じ関節に接続する。このようにすることで、後述するように関節の剛性を変化させられる関節機構をコンパクトに構成することが可能になる。

ここで、駆動源と非線形バネとからなる例えば２組のセット（駆動機構）は、双方向に力を伝達できるので、非線形バネは両方向に同一の弾性特性を有してもよいし、方向によって異なる弾性特性を有していてもよい。ただし、後述するように例えば２組の駆動機構による方向の差は、互いに逆方向とすることが望ましい。以下、本実施の形態を、実施例１〜実施例５に基づいて詳細に説明する。

ついで、本発明に係る実施例１を図１乃至図６に沿って説明する。図１は実施例１の関節機構１の斜視図であって、内部の構造を示すために外装や基台、軸受は省略して示している。図１（ａ）に示すように、関節機構１は、複数（２つ）の駆動機構１０，２０により生じる作用力の拮抗作用により被駆動部６０を駆動自在に駆動し、かつ被駆動部６０の双方向（即ち回転方向）の剛性を可変自在にするように構成されている。

具体的には、駆動機構１０には、駆動源として駆動力を出力可能なモータ１１と、その出力軸に固定された出力ギヤ１２と、出力ギヤ１２からの回転方向の双方向の駆動力を被駆動部６０に伝達する伝達部１５とが備えられている。その伝達部１５には、上記出力ギヤ１２に噛合するギヤ（回転入力部材）１６と、ギヤ１６の内部にあってモータ１１と被駆動部６０との伝達経路に介在するように、１つのナイトハルトゴムバネ３０が備えられている。詳しくはナイトハルトゴムバネ４０の説明を用いて説明するナイトハルトゴムバネ３０は、ギヤ１６と被駆動部６０との放射方向の間に配置され、双方向（即ち回転方向）に生じる作用力に対して双方向の弾性特性を有する。

同様に、駆動機構２０には、駆動源として駆動力を出力可能なモータ２１と、その出力軸に固定された出力ギヤ２２と、出力ギヤ２２からの回転方向の双方向の駆動力を被駆動部６０に伝達する伝達部２５とが備えられている。その伝達部２５には、上記出力ギヤ２２に噛合するギヤ（回転入力部材）２６と、ギヤ２６の内部にあってモータ２１と被駆動部６０との伝達経路に介在するように、１つのナイトハルトゴムバネ４０が備えられている。詳しくは後述するナイトハルトゴムバネ４０は、ギヤ２６と被駆動部６０との放射方向の間に配置され、双方向（即ち回転方向）に生じる作用力に対して双方向の弾性特性を有する。

そして、被駆動部６０は、２つの駆動機構１０，２０のモータ１１，２１及びナイトハルトゴムバネ３０，４０によって、駆動自在にかつ剛性を可変自在にされる回転軸６１と、その回転軸６１に固着されたリンク６２とを備えている。

ナイトハルトゴムバネ３０は、ナイトハルトゴムバネ４０と同構成からなるので、図２及び図３に沿って、ナイトハルトゴムバネ４０について説明する。図２はナイトハルトゴムバネ４０の斜視図であって、（ａ）は組立後の図、（ｂ）は分解斜視図である。

図２において、ハウジングを兼ねているギヤ２６は歯面を省略して図示してある。本実施例１では、バネは２段階のゴム層を有する構造となっている。図２（ｂ）に示すように、分解された状態から、まず角柱状の回転軸６１の４辺に４個の円柱状のゴム４１を２つのコの字状の押圧材（中間回転部材）４２で押しつけて、内周側のゴム層４１Ｓを構成する。次にコの字状の押圧材４２の突起部４３に、２つのストッパ４４の孔４５を嵌めこみ固定する。この固定はカシメや圧入、接着によってもよい。

次に一体化された２つの押圧材４２の４辺に４個の円柱状のゴム４７を２つのコの字状の押圧材４８で押しつけて、外周側のゴム層４７Ｓを構成する。そしてこれをギヤ２６に設けられた孔２６ａに挿入して固定する。この固定は、ゴム４７の反発力のみでもよいし、接着やカシメ等を行なってもよい。このように押圧材で挟みこんで組み立てるようにすると、手間がかかりゴムに傷をつけるおそれもある圧入工程を無くせるので組立コストと信頼性において利点がある。このようにして組みあがったナイトハルトゴムバネ４０は、図２（ａ）に示す状態となる。

つまり、ナイトハルトゴムバネ４０は、ギヤ２６と被駆動部６０との放射方向の間に配置された押圧材４２と、押圧材４２を介して直列的に配置された２段階のゴム層とを備えている。また、ストッパ４４には、被駆動部６０の回転軸６１と押圧材４２との所定角度以上の相対回転を規制する突起部（規制部）４６が備えられている。

なお、本実施例１におけるナイトハルトゴムバネ４０は、ゴム層が２段階であるが、２段階以上備えていてもよい。その場合は、中間回転部材としての押圧材４２は段数に応じて１つ以上の箇所に介在することになる。

次に、ナイトハルトゴムバネ４０の動作を正面図である図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｃ）に沿って説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、内部が見えるようにストッパ４４を取り去って示したものであって、図３（ａ）〜（ｃ）と夫々対応している。

図３（ａ）及び図４（ａ）は、回転軸６１にトルク（作用力）がかかっていない状態である。図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、矢印ωＹ２のように時計回りのトルクが作用するとゴム４１と４７が変形し始める。ゴム４１と４７は同一のトルクを受けるので、作用半径が小さい位置にある４１のほうが大きく変形し限界に達したところを図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示す。この時、回転軸６１の角部がストッパ４４の突起部４６の当接するようになっており、さらに大きなトルクを加えると、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示すように外側のゴム４７の限界まで使用することができる。このように本実施例１のナイトハルトゴムバネ４０は、通常の一段のものに比較すると、大きさと最大トルク、最大バネ定数は同じで、回転角が約２倍、最小バネ定数が約３分の１となり、飛躍的に高性能となっている。

なお、図３及び図４では時計方向に回転させた場合のみを示したが、反時計方向のトルクに対しても同様であることはいうまでもない。また、ストッパ４４の突起部４６以外の穴の内径部は、回転軸６１の４隅を円柱面としておき、軸支するようにしてもよい。これにより、ゴム４１を設けたために回転軸６１の倒れに対して柔らかくなりすぎることを防止して姿勢を安定させることができる。

また、ここでは円柱状のゴム４１、４７を用いているが、外形をあらかじめ圧入後の形状に近くして予圧を小さくしたり、大きくしたりして特性を変えることもできることはいうまでもない。ナイトハルトゴムバネの特性は、このようにゴムの形状と予圧だけでなく、材料や押圧面の形状でも変化させることができ、種々の特性が実現可能である。また、この形式のゴムバネは基本的に圧縮応力を利用しているため、高い応力まで使用できるので、コンパクトで高い容量のバネが実現できる。さらにゴムは比重が２以下と金属よりはるかに軽いので、重量の面でも利点がある。

次に関節機構１の動作を説明する。図１（ａ）は、ギヤ１６，２６が同じ位相になっており、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０は共に中立位置である。ここで、モータ１１，２１をそれぞれ矢印ωＸ１の方向に同じ回転数だけ回転駆動させた状態が図１（ｂ）に示す状態である。この場合、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０は共に相対的に中立位置であるが、リンク６２の方向が矢印ωＹ１の方向に移動される。

更に、図１（ｃ）に示すようにモータ１１のみを矢印ωＸ２の方向に回転駆動させ、ギヤ１６のみを元の位置に戻す。すると、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０は互いに逆方向にトルクがかかった状態となって釣り合う位置に回転軸６１が回転する。従って、リンク６２が矢印ωＹ２の方向に回転する。

このように２つのモータ１１，２１を同じ方向に回転させるとリンク６２の位置が変えられ（つまり駆動自在）、逆方向に回転させると、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０に互いに逆方向にかかるトルクを変えることができる（つまり剛性を可変自在）。

続いて、外力Ｆによるトルクが作用したときの動作について、図５（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図５（ａ）は、ナイトハルトゴムバネの角度θとトルクＴの関係を示す特性図であり、このグラフの傾斜角度が小さいほど柔らかく、大きいほど硬いことを示している。通常のコイルバネは、このようなグラフが直線となる線形バネであるが、本例のナイトハルトゴムバネは捩り角度が小さい時は柔らかく、捩り角度が大きくなると硬くなっており、一種の非線形バネである。

図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、各々図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の状態に対応した特性図である。ここで、点線はナイトハルトゴムバネ４０の位置と特性を示し、一点鎖線はナイトハルトゴムバネ３０の位置と特性を示し、実線はこれらの合成であるリンク６２の位置と特性を示している。

図５（ｂ）では、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０の特性線は重なっており、リンク６２に対してはこれらを合計した２倍のトルク特性が得られる。ここでモータ１１，２１を同じ方向に回転させて中立位置を変化させた状態が図５（ｃ）である。中立位置のみが角度θの正方向に変わっている。更に、モータ１１のみを逆方向に回転させると、図５（ｄ）のようにリンク６２の中立位置が若干小さくなるだけでなく、リンク６２のトルク特性が変化していることがわかる。このとき、中立位置での剛性は図５（ｂ）、（ｃ）の時よりも増加しているが、最大の負荷トルクが減少していることがわかる。

さらに、モータ１１とモータ２１を逆方向に回転させて２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０の限界近くまで締め付けた状態が図５（ｅ）である。中立位置での剛性が大きくなっているが、最大の負荷トルクが非常に小さくなっていることがわかる。

図６は、本実施例１のトルクＴと剛性であるバネ定数（弾性係数）Ｋとの関係をあらわすグラフである。パラメータ「０（ゼロ）」、「２９．４」、「５２．０」、「６７．４」、「７７．８」は、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０の角度差である。「０」は図１（ａ）、（ｂ）（即ち図５（ｂ）、（ｃ）)のように同じ角度の場合であり、この数値が大きいほど中立位置での剛性が大きくなる。

また、図６の「Ｋｔｈ」で示す実線は、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０のトルクが逆方向から同方向に切換る境界を示すものである。この境界線の中央よりではトルクは逆方向で、いわゆる拮抗状態であり、左右の外側では同方向となって２つのモータ１１，２１が共同して負荷に対抗している状態である。図６からわかるように負荷トルクが小さい状態では２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０を拮抗させることで大きく剛性を変化させることができ、負荷トルクがかかると徐々に剛性が高くなっていくことがわかる。従って、負荷トルクが大きくなっても剛性を一定に保つには、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０の拮抗を緩めることが必要である。

そして、２つのナイトハルトゴムバネ３０，４０の拮抗がない状態である「０（ゼロ）」の曲線が最も大きな負荷トルクに対抗できる状態であり、弾性係数が最小となる。この角度差「０」の状態では、負荷トルクに対抗できるトルク値が、本実施例１での１つのモータの限界トルクである２．２の約２倍の４．４と非常に大きくなっていることがわかる。

以上説明したように本実施例１の関節機構１は、駆動機構１０，２０が作用力を双方向に生じさせることが可能である。よって、互いの駆動機構１０，２０を共同させることで、２つのモータ１１，２１の出力を活用できて、モータ１１，２１の小型軽量化を図ることができる。また、駆動機構１０，２０の夫々１つに対して、双方向の弾性特性を有する１つのナイトハルトゴムバネ３０，４０を備えるので、１つの駆動機構に対して弾性機構を１対（２個）設けることを不要とすることができる。これにより、関節機構１の軽量化、コンパクト化、コストダウンを可能とすることができる。

なお、本実施例１では、駆動源として回転を出力するモータ１１，２１を一例として説明したが、双方向に駆動力を出力できるものであれば、例えば油圧アクチュエータなど、どのような駆動源であっても構わない。

また、本実施例１では、駆動機構１０，２０を拮抗作用させ、それら駆動機構１０，２０のそれぞれに１つの双方向の弾性特性を有する弾性機構（ナイトハルトゴムバネ３０，４０）を設けたものを説明した。しかし、例えば駆動機構の一方の弾性機構だけを双方向の弾性特性を有する弾性機構にした場合でも、一方の駆動機構が軽量化、コンパクト化、コストダウンできるので、十分に効果を得ることができる。

続いて、本発明に係る実施例２を図７乃至図９に沿って説明する。実施例２として、ナイトハルトゴムバネの特性を非対称としたものを図７（ａ）、（ｂ）に示す。関節機構としては実施例１と同様であり、ナイトハルトゴムバネ３０，４０のみをナイトハルトゴムバネ２４０と同構成に変更したものである。なお、本実施例２においては、上記実施例１と同様な部分に同符号を付して説明する。

図７に示すように本実施例２ではストッパ２４４を筒状とし、内側に２つのコの字状の押圧材４２でゴム４１を挟みつけた状態の一段目のゴムバネ部を挿入、固着している。外周は四角柱ではなく、曲面とされており回転方向によって円柱のゴム４７への圧縮の速さが異なるようにされている。また、回転軸６１が勘合しているストッパ２４４の開口に設けられた突起部４６も回転方向によって回転軸６１との当接角度位置を異ならせることで１段目のゴムバネ部の動作を回転方向で異ならせてある。図７（ｂ）に示す方向から見た場合、反時計方向に回転軸６１が回転した場合は、１段目のゴムバネ部が限界まで回転して突起部斜面４６ａに回転軸６１が当接する。逆に時計方向の回転に対しては突起部斜面４６ｂが回転軸６１に当接して１段目のゴムバネ部は殆んど回転しないようにされている。

本実施例２の構成により得られる動作特性について、図８（ａ）〜（ｅ）および図９（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図８（ａ）は、本実施例２のナイトハルトゴムバネ２４０の角度−トルク特性である。角度θが負方向に比べて正方向のバネ定数のほうが数倍大きくなっており、一方、限界トルクは正負同一である。前述のようにストッパ２４４の外周面の曲面の形状を適切に設定したり、１段目のゴムバネ部の動作を異ならせることで、このように非対称な特性を得ることができる。

このように方向により非線形バネ特性がことなる２つのナイトハルトゴムバネ２４０を図１（ａ）のナイトハルトゴムバネ３０，４０と交換した状態の特性が図８（ｂ）である。なお、２つのナイトハルトゴムバネは、回転軸６１に対する回転方向のバネ特性の差が互いに逆となるように組み込んである。本実施例２では２つのナイトハルトゴムバネにトルクがかかっていない中立位置においては、硬い側の特性が支配的となり、また、最大の負荷トルクもほぼ片側のモータの限界トルク程度である。

従って、実施例１と異なり、本実施例２ではこの状態から２つのナイトハルトゴムバネを捩って拮抗させる方向によって特性が異なることになる。負荷トルクが最大になるのは図８（ｃ）に示す状態であり、この方向にさらに捩り込むと図８（ｄ）のような状態で最大の剛性となる。図８（ｂ）の状態から反対方向に捩り込んでいくと図８（ｅ）のような状態で最大の剛性となる。

図８（ｃ）に示す状態から図８（ｂ）、（ｅ）の方向に動作させた場合のトルク−剛性特性を図９（ａ）に示す。図中のパラメータ「２９．４」が図８（ｃ）の状態に相当し、パラメータを小さくする方向で変化させている。逆に図８（ｄ）の状態の方向に動作させた場合が図９（ｂ）である。

なお、「Ｋｔｈ」は、図６と同様に２つのゴムバネ部のトルクが逆方向から同方向に切換る境界を示すものである。図９（ａ）、（ｂ）の２つのグラフを比較すると、いずれも非常に柔らかい状態から硬い状態まで変化させられることは変わらない。しかし、図９（ａ）の方向の場合のほうが、負荷が小さい状態では柔らかい状態から硬い状態に素早く変化させることが可能であり、軽負荷での位置決め動作に好適である。また、比較的大きな負荷トルクが常にかかった状態で使用する場合にも２つのモータを共同で動作させやすいので好適である。

一方、図９（ｂ）の方向の場合は、比較的軽い負荷の状態で剛性を細かく制御することが可能なので、バーチャルリアリティなどで用いられる反力提示装置などに好適である。

このように非線形バネの特性を方向によって異ならせることで多様な特性を一つの装置で実現することが可能になる。なお、非対称な特性であっても、回転軸６１に対して同一方向に組み込んだ場合は、外力トルクの方向によって特性が異なるだけであり、対称な場合に比較してあまり有用な特性は得られないことは明らかである。

ついで、実施例３として、捩りコイルバネ機構（非線形バネユニット）８０を用いた場合を図１０に示す。図１０（ａ）は捩りコイルバネ機構の正面図、（ｂ）は断面図である。本実施例３は、捩りコイルバネ機構８０を図１の関節機構１のナイトハルトゴムバネ３０，４０に換えて組み込めば同様に作用するものである。なお、本実施例３において、回転軸６１は、断面形状が円形となる円柱状で形成されている。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、捩りコイルバネ機構８０は、内筒８１と、外筒８２と、それらの間に介在するトーションバネ８３と、を備えている。更に、回転軸６１に対して、内筒８１を回転自在に支持する軸受８５と、外筒８２を回転自在に支持する軸受８６と、を備えている。内筒８１と外筒８２とは、それぞれトーションバネ８３の端部８３ａ，８３ｂにおいて接続されている。

内筒８１は、トーションバネ８３の内径側に配置され、トーションバネ８３の端部（一端）８３ａに接続された接続部分から先細形状となる傾斜が設けられた外周面８１ａを有する。また、外筒８２は、トーションバネ８３の外径側に配置され、トーションバネ８３の端部（他端）８３ｂに接続された接続部分から拡径形状となる傾斜が設けられた内周面８２ａを有する。即ち、内筒８１の外周面８１ａと外筒８２の内周面８２ａは直径がそれぞれ徐々に大径から小径に変化するテーパ面とされている。内筒８１は、モータ１１，２１の駆動力により回転駆動される回転入力部材であるギヤ１６，２６に接続されており、外筒８２は、被駆動部６０の回転軸６１に接続されているが、接続関係は逆でも良い。

内筒８１と外筒８２との間にトルクが作用すると、方向によってトーションバネ８３が巻き締められたり、巻きほどかれたりする。巻き締められた場合には、トーションバネ８３は内筒８１の外周面８１ａに巻き付いていき、有効長が短くなることでバネ定数が大きくなっていく。巻きほどかれた場合にはトーションバネ８３は外筒８２の内周面８２ａに圧接していき、有効長が短くなることでバネ定数が大きくなっていく。このように、捩りコイルバネ機構８０では、対称で非線形なバネ特性が得られる。これにより、弾性機構としてトーションバネ８３が両方向のトルクの伝達に活用できる。

なお、外周面８１ａと内周面８２ａとのテーパ面の傾斜角度を適宜に設定することで、対称なバネ特性だけでなく、実施例２のような非対称な特性も実現可能である。

また、本実施例３では金属製のトーションバネ８３を用いているので、低温などの環境やオイルなどの周囲条件からゴムバネが使用できない場合でも対応可能である。

ついで、実施例４として、圧縮コイルバネ機構９０を用いたものを図１１に示す。本実施例４では、モータの出力軸に接続された２つの駆動プーリと、関節機構の回転軸（被駆動部）に接続された２つの被駆動プーリとにそれぞれ巻回した輪状のワイヤによって駆動するものである。そして、それぞれの輪状のワイヤのうちの、一方の直線状となるワイヤＷ１と他方の直線状となるワイヤＷ２との間に介在するように、非線形バネである圧縮コイルバネ機構９０を配置する。これにより、モータ２個で１つの回転軸（関節）を拮抗駆動するものである。

図１１（ａ）はこの非線形バネユニットの外観斜視図である。図１１（ａ）に示すように、ワイヤＷ１，Ｗ２は２個のモータの一方に接続されて双方向に駆動するようにされている。ワイヤＷ１は台座９６に回動自由に軸支された２つの固定されたプーリ９１Ａ，９３Ａによって可動するプーリ９２Ａに巻回されている。ワイヤＷ２は台座９６に回動自由に軸支された２つの固定されたプーリ９１Ｂ，９３Ｂによって可動するプーリ９２Ｂに巻回されている。

詳細には、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、圧縮コイルバネ機構９０は、台座９６を備えており、台座９６にはガイド９６Ａが屈曲形成されている。可動部９４Ａは、外筒９４Ａｂを有しており、外筒９４Ａｂはガイド９６Ａによって紙面の上下方向に対して直動可能に支持されている。外筒９４Ａｂの角穴には、可動軸９４Ａｄが紙面の上下方向に対して摺動自在に支持されており、可動軸９４Ａｄの先端部分には可動するプーリ９２Ａを回転自在に支持する支持部９４Ａａが形成されている。また、外筒９４Ａｂの下方側端部には、バネ座９４Ａｃが形成されて、バネ９５の端部が着座すると共に、ガイド９６Ａに対して抜け止めとなっている。

また同様に、台座９６に屈曲形成されたガイド９６Ｂによって、可動部９４Ｂの外筒９４Ｂｂが紙面の上下方向に対して直動可能に支持されている。外筒９４Ｂｂの角穴には、可動軸９４Ｂｄが紙面の上下方向に対して摺動自在に支持されており、可動軸９４Ｂｄの先端部分には可動するプーリ９２Ｂを回転自在に支持する支持部９４Ｂａが形成されている。また、外筒９４Ｂｂの上方側端部には、バネ座９４Ｂｃが形成されて、バネ９５の端部が着座すると共に、ガイド９６Ｂに対して抜け止めとなっている。

従って、プーリ９２Ａは紙面の上下方向に直動可能であり、ワイヤＷ１のテンションによって紙面下方に押しつけられており、この力は可動軸９４Ａｄ、外筒９４Ａｂを介してバネ座９４Ａｃに係合しているバネ９５に支えられている。また、プーリ９２Ｂは紙面の上下方向に直動可能であり、ワイヤＷ２のテンションによって紙面下方に押しつけられており、この力は可動軸９４Ｂｄ、外筒９４Ｂｂを介してバネ座９４Ｂｃに係合しているバネ９５に支えられている。なお、可動軸９４Ａｄと可動軸９４Ｂｄとの間には、非常に柔らかい（弾性係数が小さい）バネ９７で接続されている。

外力が作用していない状態では、各プーリ９１Ａ，９２Ａ，９３Ａ，９１Ｂ，９２Ｂ，９３ＢからワイヤＷ１，Ｗ２が外れない程度の僅かなテンションが与えられるようにバネ９５が外筒９４Ａｂ，９４Ｂｂを介してプーリ９２Ａ，９２Ｂを押している状態である。

次に外力が加わりワイヤＷ１のテンションが増大した状態を図１１（ｃ）に示す。このときワイヤＷ１のテンションによってプーリ９２Ａは下方に押され、支持部９４Ａａ及び外筒９４Ａｂを介してバネ９５を押し込み、釣り合った状態まで下方に移動する。このとき、プーリ９２Ａとプーリ９１Ａ，９３Ａとの間のワイヤＷ１の方向が変化するため、プーリ９２Ａに作用する力は押し込むにつれてテンションの２倍より小さくなり、テンションと被駆動プーリとの位置、即ち関節の回転角との関係は非線形となる。

一方、反対側のワイヤＷ２は弛むことになるので、本実施例２では、プーリ９２Ａの移動に伴って、バネ９５を介してプーリ９２Ｂが下方に移動させられるようになっている。プーリ９２ＡによるワイヤＷ１の繰り出し量とプーリ９２ＢによるワイヤＷ２の繰り込み量がほぼ等しければ、弛みが生じないことになるが、ワイヤの角度変化やワイヤそのものの伸びなどの誤差要素がある。本実施例２では、この誤差をバネ９５の伸縮で吸収しており、ワイヤＷ２が弛むことはなく、バネ９５において僅かなテンションがかかった状態を保つようになっている。なお、バネ９７は弱い力でストロークするように構成されており、実質的に１つのバネ９５で双方向の力の伝達を可能とし、かつ非線形バネ特性を得ることが可能になっている。

なお、反対にワイヤＷ２のテンションが増大した場合を図１１（ｄ）に示す。この場合は、上述の動作と上下逆に動作するだけで、同様の作用となるため、その説明は省略する。

また、ワイヤＷ１，Ｗ２について、プーリ９１Ａ，９２Ａ，９３Ａとプーリ９１Ｂ，９２Ｂ，９３Ｂとの配置を変えることで、非対称な非線形バネ特性を得ることもできる。即ち、例えばワイヤＷ１のテンションによる繰り出し量のほうがワイヤＷ２のテンションによる繰り出し量より大きくなるように構成すると、ワイヤＷ１のテンションに対するバネ定数のほうがゆっくりと増大するようになる。

ついで、実施例５として、４個の駆動機構を拮抗させたものを図１２に示す。図１２に示す関節機構１００は、人間の手首のようにあおり角度２軸とひねりの３自由度の動きを行なう機構である。

詳細には、４個の駆動機構１１０，１２０，１３０，１４０を基台部１０１に配置する。基台部１０１に固定された支持軸１０２の先端は球面軸受で構成されている。その球面軸受で支持された可動板１０３は、各駆動機構１１０，１２０，１３０，１４０にユニバーサルジョイントを介して夫々接続された出力リンク１１１、１２１，１３１，１４１の先端で拮抗駆動される。

各駆動機構１１０，１２０，１３０，１４０は、配置しやすいように夫々のモータの位置を変更した程度で、実質的に同一であるので、駆動機構１１０を一例として説明する。駆動機構１１０は、上述の実施例１の片側の駆動機構１０とほぼ同様の構成である。モータ１１に接続された出力ギヤ１２によって駆動されるギヤ１６に設けられた非線形バネであるナイトハルトゴムバネ３０を介して回転軸６１に取り付けられたリンク６２を回転させるようになっている。リンク６２の先端にはユニバーサルジョイントを介して出力リンク１１１が取り付けられており、その先端の球面軸受で被駆動部としての可動板１０３に接続されている。

次に関節機構１００の動作を説明する。駆動機構１１０と駆動機構１４０の差分により可動板１０３のひねり量が決まり、駆動機構１１０及び駆動機構１４０の平均位置と駆動機構１２０，１３０の３点で可動板１０３の傾き角と方向が決まるようになっている。剛性が最小の場合は、可動板１０３の支持軸１０２の球面軸受周りのモーメントがすべて０の状態となる。ここから各駆動機構１１０，１２０，１３０，１４０を駆動して球面軸受の中心周りのモーメントを発生させることで、その合力の釣り合いによって姿勢と剛性を設定することができる。

外力が作用した場合にはそれに対抗するモーメントを４個の駆動機構１１０，１２０，１３０，１４０の合力として発生させればよい。たとえば駆動機構１１０と駆動機構１４０との作用点の中点と、支持軸１０２の球面軸受の中心を結ぶ直線周りの外力が作用した場合、駆動機構１２０と駆動機構１３０との合力モーメントが対抗することになり、その作用は前述の実施例１で述べたのと同様である。このように４個の駆動機構１１０，１２０，１３０，１４０を使用した場合においても外力に対する作用は２個の場合と同様であって、双方向駆動可能としたことによって２倍の外力に対応できる。

１，１００…関節機構：１０，２０，１１０，１２０，１３０，１４０…駆動機構：１１，２１…駆動源（モータ）：１６，２６…回転入力部材（ギヤ）：３０，４０，１４０…弾性機構、ナイトハルトゴムバネ：４１Ｓ，４７Ｓ…ゴム層：４２…中間回転部材：４６…規制部（突起部）：６０，１０３…被駆動部：８０…弾性機構（捩りコイルバネ機構）：８１…内筒、回転入力部材：８２…外筒：８３…トーションバネ：９０…弾性機構（圧縮コイルバネ機構）

Claims (6)

1. 複数の駆動機構により生じる作用力を拮抗作用させることにより、被駆動部を駆動自在でかつ剛性を可変自在となる関節機構において、
   前記駆動機構の少なくとも１つは、
   双方向に駆動力を出力可能な駆動源と、
   前記駆動源と前記被駆動部との伝達経路に介在し、双方向に生じる前記作用力に対して双方向の弾性特性を有する１つの弾性機構と、を備えた、
   ことを特徴とする関節機構。
2. 前記弾性機構は、前記作用力がゼロの時に弾性係数が最小となり、前記双方向のいずれかの方向に前記作用力が作用すると弾性係数が増大する非線形な弾性特性を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の関節機構。
3. 前記弾性機構は、前記作用力の方向に対して非対称な弾性特性を備えた、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の関節機構。
4. 前記駆動機構の少なくとも１つは、前記駆動源の駆動力により回転駆動される回転入力部材を有し、
   前記弾性機構は、前記回転入力部材と前記被駆動部との放射方向の間に配置されたナイトハルトゴムバネにより構成された、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の関節機構。
5. 前記ナイトハルトゴムバネは、前記回転入力部材と前記被駆動部との放射方向の間に配置された１つ以上の中間回転部材と、前記中間回転部材を介して直列的に配置された２段階以上のゴム層と、前記被駆動部と前記中間回転部材の１つとの所定角度以上の相対回転を規制する規制部と、を備えた、
   ことを特徴とする請求項４に記載の関節機構。
6. 前記駆動機構の少なくとも１つは、前記駆動源の駆動力により回転駆動される回転入力部材を有し、
   前記弾性機構は、トーションバネと、前記トーションバネの内径側に配置され、前記トーションバネの一端に接続された接続部分から先細形状となる傾斜が設けられた外周面を有する内筒と、前記トーションバネの外径側に配置され、前記トーションバネの他端に接続された接続部分から拡径形状となる傾斜が設けられた内周面を有する外筒と、を備え、
   前記内筒及び前記外筒の一方が前記回転入力部材に接続され、他方が前記被駆動部に接続された、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の関節機構。

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