JP2014097549A - 剛性可変駆動装置及び関節駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作が可能である剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構を提供する。
【解決手段】剛性可変駆動装置１００は、棒状の弾性部材２と、駆動モータ５と、駆動モータ５に接続された回転軸４と、弾性部材２に嵌合する嵌合穴３２が形成され、回転軸４と一体に回転して弾性部材２に回転軸４の回転力を伝達する伝達部材３と、を備えている。また、剛性可変駆動装置１００は、伝達部材３を軸方向に駆動する超音波モータ６と、弾性部材２の一部分に接触して弾性部材２を拘束し、伝達部材３と一体に移動して、弾性部材２に対する接触位置が軸方向に移動する拘束部材１３と、を備えている。弾性部材２は、弾性部材２に捩れがない状態において、拘束部材１３が先端部２ａから軸方向に離れるに連れて、拘束部材１３と弾性部材２との接触範囲が小さくなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、剛性を調整して駆動する剛性可変駆動装置、及び剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構に関する。

近年、ヒューマノイド型のロボットにおいて、生体に近い動特性を持たせた俊敏で柔軟なロボットの研究が行われている。これら研究分野に関係して、非特許文献１、特許文献１に、車体のサスペンションの弾性力を変化させる手段や関節剛性を調整する手段が開示されている。

特許文献１では、トーションバーの支持点を可変する構成であり、トーションバーの有効長を変化させ、サスペンションの弾性力を調整できるとしている。

また、非特許文献１に記載の関節メカニズム設計方法では、ローラによる板ばねの支持点とロッド端面間の距離を変化させて、関節剛性を調整できるとしている。これにより、関節まわりの剛性を高剛性から低剛性まで変化させることができるとしている。

ここで、生物の筋力の一般的な粘弾性モデルとして、筋の収縮力が増加すると、筋の弾性係数も増加することが知られている。これは、筋の弾性係数は一定ではなく、筋の収縮力に比例して変化する非線形特性であることを表している。このような非線形剛性特性を持たせた剛性可変駆動装置をロボットやパワーアシスト装置の関節部に配置し、関節の駆動トルク及び関節の剛性を調整し制御することで生体動作に類似させている。

特開２００８−２３０４６９号公報

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｏｒｃｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ Ｕｓｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｄｊｕｓｔｅｒ Ｔｏｓｈｉｏ Ｍｏｒｉｔａ， Ｎｏｂｕｙｏｓｈｉ Ｔｏｍｉｔａ， Ｔａｋｅｏ Ｕｅｄａ ａｎｄ Ｓｈｉｇｅｋｉ Ｓｕｇａｎｏ 日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．１６ Ｎｏ．７、 ｐｐ１００１〜１００６、１９９８

しかしながら、ロボットやパワーアシスト装置では、柔らかく外力が働いた場合、押し戻される動作（以下、「バックドライバビリティを有する動作」）と、高速に高精度で目標位置に位置決めする動作とを両立させることが困難となっていた。

前者のような非常に柔らかいバックドライバビリティを有する動作では、関節剛性を０に近づける必要がある。一方、後者のような高速に高精度で目標位置に位置決めする動作では、関節剛性をできるだけ高くする必要がある。

このように大きく特性の異なる動作を同一のロボットで実現しようとすると、関節剛性を可変させ、最小の剛性値と最大の剛性値との可変比をより大きくすることが必要であった。

また、滑らかな関節動作を可能にするために関節剛性を低剛性の状態から高剛性まで連続的に変化させることが必要であった。

そこで、本発明は、低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作が可能である剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構を提供することにある。

本発明の剛性可変駆動装置は、軸方向に延びて形成され、軸線を中心に回転自在に支持され、先端部から回転力を出力する弾性部材と、回転駆動部と、前記回転駆動部の駆動により回転する回転軸と、前記軸方向にスライド自在に前記弾性部材に嵌合する嵌合穴が形成され、前記回転軸と一体に回転して前記弾性部材に前記回転軸の回転力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材を前記軸方向に駆動する伝達部材駆動部と、前記伝達部材に設けられ、前記弾性部材の一部分に接触して前記弾性部材を拘束し、前記伝達部材駆動部の駆動により前記伝達部材と一体に前記軸方向に移動して、前記弾性部材に対する接触位置が前記軸方向に移動する拘束部材と、を備え、前記拘束部材及び前記弾性部材は、前記弾性部材に捩れがない状態において、前記拘束部材が前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて、前記拘束部材と前記弾性部材との接触範囲が小さくなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、弾性部材の先端部の捩れ剛性を能動的に自由に変化させることができ、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。

第１実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図である。 第１実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す説明図である。 剛性可変駆動装置の動作を示す説明図である。 出力ギアの捩れ角度と捩れモーメントとの関係を示した図である。 第２実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す説明図である。 剛性可変駆動装置の動作を示す説明図である。 第３実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。 第４実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。 第５実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。 従来の剛性可変駆動装置の特性を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）は、捩れモーメント、即ち捩れ剛性が最小の状態、図１（ｂ）は、捩れモーメント、即ち捩れ剛性が最大の状態を示している。

剛性可変駆動装置１００は、出力端の捩れ剛性を可変とするものである。剛性可変駆動装置１００は、回転駆動部として電磁モータである駆動モータ５と、剛性可変機構１と、を備えている。

剛性可変機構１は、軸方向Ｙに延びて形成され、先端部２ａから回転力を出力する棒状の弾性部材２と、駆動モータ５から軸方向Ｙに延びる回転軸４と、伝達部材３と、伝達部材駆動部としての剛性可変モータである超音波モータ６とを有している。弾性部材２は、先端部２ａが外部に露出するように筐体１２に収容されており、弾性部材２の先端部２ａには、出力ギア（出力端）１０が接続されている。弾性部材２の先端部２ａは、筐体１２に固定された軸受１１に回転中心線（軸線）Ｇを中心として回転自在に支持され、また、軸受１１により軸方向Ｙへの移動が規制されている。

駆動モータ５は、筐体１２の外部に配置され、駆動モータ５の不図示の回転子に接続された回転軸４が筐体１２の内部に貫通して延びている。回転軸４と弾性部材２とは同軸に配置されている。なお、本第１実施形態では、回転軸４は、駆動モータ５と一体に形成されているが、別体であってもよく、不図示の歯車機構を介して駆動モータ５により駆動されるようにしてもよい。

伝達部材３は、回転軸４と一体に回転して弾性部材２に回転軸４の回転力を伝達する。具体的に説明すると、伝達部材３は、回転軸４が嵌合する嵌合穴３１と、弾性部材２が嵌合する嵌合穴３２とが形成されている。本第１実施形態では、嵌合穴３１と嵌合穴３２とは連通している。伝達部材３は、筐体１２に対して軸方向Ｙにスライド可能に筐体１２に収容されている。

伝達部材３の嵌合穴３１には、軸方向Ｙにスライド自在に回転軸４が挿通され、嵌合穴３２には、軸方向Ｙにスライド自在に弾性部材２が挿通される。

回転軸４及び嵌合穴３１は、断面四角形状に形成され、回転軸４が嵌合穴３１にガタがない状態で嵌められている。これにより、伝達部材３が回転軸４に図１中、区間Ｎで嵌合し、伝達部材３は、回転軸４と一体に回転する。伝達部材３は、弾性部材２と比べて剛性が高く、回転中心線Ｇを中心とする捩れが発生しない構造になっている。換言すると、弾性部材２は、伝達部材３と比べて剛性が低く、回転中心線Ｇを中心とする捩れが生じる構造になっている。

伝達部材３には、弾性部材２を拘束する拘束部材１３が設けられている。伝達部材３の嵌合穴３２は、図１中、区間Ｍで弾性部材２に嵌合しており、拘束部材１３を介して回転力が弾性部材２に伝達される。

本第１実施形態では、拘束部材１３は、弾性部材２を挟むように伝達部材３に回転自在に支持された一対の回転体として一対のローラ１３１，１３１を有している。一方のローラ１３１と他方のローラ１３１とは、弾性部材２を挟んで互いに対向して配置されている。なお、図１では、一方のローラ１３１のみ図示している。各ローラ１３１，１３１は、伝達部材３に形成された嵌合穴３２の開口端近傍に配置されている。このように、伝達部材３は、拘束部材１３を支持する支持部材でもある。

拘束部材１３は、弾性部材２の外周の一部分に接触して弾性部材２を拘束し、超音波モータ６の駆動により伝達部材３と一体に軸方向Ｙに移動する。これにより、拘束部材１３は、弾性部材２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。

伝達部材３は、ローラ１３１，１３１による弾性部材２の接触位置において、回転中心線Ｇを中心とした回転方向の捩れ動作を拘束しながら、軸方向Ｙにスライドすることができる。

駆動モータ５の駆動力は、回転軸４から伝達部材３、拘束部材１３及び弾性部材２を介して、出力ギア１０へ伝えることができる。

伝達部材３の外周には、周方向に延びる駆動溝３ｂが形成され、駆動溝３ｂには、雄ねじ８に固定された伝達部材駆動リング９が接触して配置されている。この雄ねじ８は、軸線Ｇを中心に回転可能に筐体１２に支持された雌ねじ７に噛合している。

超音波モータ６は、筐体１２に固定された固定部６ｂと、固定部６ｂに対して軸線Ｇを中心に回転する駆動出力部６ａとを有し、駆動出力部６ａが雌ねじ７に固定されている。これにより、雌ねじ７は、超音波モータ６により軸線Ｇを中心に回転する。

雌ねじ７に噛合した雄ねじ８は、筐体１２に対して軸方向Ｙに並進可能に筐体１２に支持されている。従って、雌ねじ７の回転運動は、雄ねじ８の軸方向Ｙへの並進運動に変換される。そして、雄ねじ８が軸方向Ｙに移動することで、伝達部材３が回転中心線Ｇを中心とした回転を許容した状態で軸方向Ｙに移動する。よって、伝達部材３は、超音波モータ６の回転駆動により、軸方向Ｙへ移動することとなる。

弾性部材２の材質は、ばね用の鋼材等である。回転軸４の回転を固定した状態で出力ギア１０に軸線Ｇを回転中心とした外力が働くと、弾性部材２における拘束部材１３と先端部２ａとの間の分、即ち有効長Ｌ１，Ｌ２の部分（図１（ａ），図１（ｂ））が捩じられる。

出力ギア１０に外力が働いたときの、捩れモーメント（負荷トルク）をＴ、弾性部材２の捩れ角度をθ、弾性部材２の有効長をＬ、弾性部材２の断面２次モーメントをＩ、弾性部材２の横弾性率をＧとすると、これらの関係式は以下の式（１）で表される。
θ＝（Ｔ×Ｌ）／（Ｇ×Ｉ）・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）

式（１）を変形すると、以下の式（２）となる。
Ｔ＝（Ｇ×Ｉ×θ）／Ｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）

式（２）より、捩れモーメントＴは、断面２次モーメントＩの大きさに比例し、弾性部材２の有効長Ｌに反比例する。弾性部材２の有効長Ｌを変えることで、捩れモーメントを可変することができる。また、断面２モーメント（≒断面積）を変えることで、捩れモーメントを可変とすることも可能となる。

図１（ａ）は、捩れモーメントが最小の状態である。超音波モータ６によって伝達部材３を軸方向Ｙにスライドさせることで、弾性部材２の有効長が最も長いＬ１となっている。この状態で出力ギア１０に外力が働くと、弾性部材２の有効長Ｌ１の部分が捩れ、捩れモーメントは最小となる。

図１（ｂ）は、捩れモーメントが最大の状態である。超音波モータ６によって伝達部材３を軸方向Ｙにスライドさせることで、弾性部材２の有効長が最も短いＬ２となっている。この状態で出力ギア１０に外力が働くと、弾性部材２の有効長Ｌ２の部分が捩れ、捩れモーメントは最大となる。

駆動モータ５と出力ギア１０との間に設けられた伝達部材３を超音波モータ６により軸方向Ｙに移動させることで、拘束部材１３（ローラ１３１，１３１）による弾性部材２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。これにより、弾性部材２の捩れモーメントが変化するので、出力ギア１０の回転方向の捩れ剛性が変化する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る剛性可変駆動装置１００を示す説明図である。図２（ａ）は剛性可変駆動装置１００の軸方向Ｙに沿った断面図、図２（ｂ）は弾性部材２及び伝達部材３のＢ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は弾性部材２及び伝達部材３のＣ−Ｃ断面図、図２（ｄ）は弾性部材２及び伝達部材３のＤ−Ｄ断面図である。図２では、弾性部材２の捩れモーメントが０の状態（捩れがない状態）を示している。

拘束部材１３及び弾性部材２は、弾性部材２に捩れがない状態において、拘束部材１３が先端部２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて、拘束部材１３と弾性部材２との接触範囲（拘束範囲）Ｒが小さくなるように形成されている。具体的に説明すると、本第１実施形態では、拘束部材１３は、ローラ１３１，１３１であり、軸方向Ｙに移動してもローラ面は一定である。従って本第１実施形態では、弾性部材２は、先端部２ａの近傍の第１端２１ａから軸方向Ｙに最も遠い第２端２１ｂに向かって先細りとなる第１被拘束面である一対の被拘束面２１，２１を有する。被拘束面２１は、ローラ１３１が接触する面である。

具体的に説明すると、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、弾性部材２の断面形状は、出力ギア１０、即ち先端部２ａに近い位置では断面積（≒断面２次モーメント）が大きく、出力ギア１０から軸方向Ｙに離れるに従って断面積も徐々に小さくなる。

伝達部材３は、図２（ｂ）に示す弾性部材２のＢ−Ｂ断面の断面形状よりも僅かに大きな嵌合穴３２が軸方向Ｙに同じ断面形状で連続している。

弾性部材２の断面形状は、弾性部材２の有効長が最も短くなる図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面の位置では、伝達部材３の嵌合穴３２よりも僅かに小さい断面形状をしている。伝達部材３に回転自在に支持された一対のローラ１３１，１３１は、弾性部材２の一対の被拘束面２１，２１にＢ−Ｂ断面の位置において捩れの拘束範囲（接触範囲）Ｒで接触することで拘束している。

一対のローラ１３１，１３１が図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面の位置に移動すると、ローラ１３１，１３１により弾性部材２の断面上下部分の全範囲で弾性部材２の捩れを拘束することができる。この位置で外力が出力ギア１０に働くと、弾性部材２の有効長Ｌ２の部分が捩られ、出力ギア１０の捩れモーメントは最大の値±ｔｍ（図４）となる。

弾性部材２の有効長が中間部付近の図２（ｃ）に示すＣ−Ｃ断面の位置の断面形状は、上下部分の両隅部が小さくなった断面形状をしている。つまり、被拘束面２１，２１の幅が狭くなっている。一対のローラ１３１，１３１は、弾性部材２の上下部分を拘束し、捩れの拘束範囲Ｒが狭くなっている。一対のローラ１３１，１３１が図２（ｃ）に示すＣ−Ｃ断面の位置に移動すると、一対のローラ１３１，１３１によって狭くなっている捩れの拘束範囲Ｒで弾性部材２の捩れを拘束することができる。この位置で外力が出力ギア１０に働くと、弾性部材２の有効長Ｌ３の部分が捩られる。

弾性部材２の有効長が最も長くなる図２（ｄ）に示すＤ−Ｄ断面の位置の断面形状は、上下部分の両隅部が大きく切られた断面形状になっている。一対のローラ１３１，１３１が図２（ｄ）に示すＤ−Ｄ断面の位置に移動すると、各ローラ１３１，１３１と弾性部材２とは点拘束となる。つまり、被拘束面２１は、第２端２１ｂでは第２端２１ｂに移動したローラ１３１に点接触する。

図３は、剛性可変駆動装置１００の動作を示す説明図である。図３（ａ）は剛性可変駆動装置１００の軸方向Ｙに沿った断面図、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は弾性部材２及び伝達部材３のＤ−Ｄ断面図である。なお、図３（ｂ）は弾性部材２に作用する捩れモーメントが０（ゼロ）の状態、図３（ｃ）は弾性部材２に作用する捩れモーメントが０ではない状態を示している。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、弾性部材２は、被拘束面２１の両側に被拘束面２１に対して傾斜する一対の第２被拘束面である被拘束面２２，２２を有する。本第１実施形態では、各被拘束面２１に対して２つの被拘束面２２，２２が配置されているので、被拘束面２２は合計４つある。図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、ローラ１３１と弾性部材２の被拘束面２１とが点接触（点拘束）であると、軸線Ｇを中心として、ローラ１３１と被拘束面２２とが接触する±θｎの範囲で弾性部材２は自由に回転できる。つまり±θｎの範囲の捩れモーメントは０となる。

図３（ｃ）に示すＤ−Ｄ断面の位置で外力が出力ギア１０に働くと、捩れモーメントが０の状態から弾性部材２の有効長Ｌ１の部分が捩られ、出力ギア１０の捩れモーメントが±ｔｓ（図４）となる。

図４は、剛性可変駆動装置１００の出力ギア１０の捩れ角度θと捩れモーメントＴとの関係を示した図である。図４（ａ）は非線形な特性を持たせた場合、図４（ｂ）は線形な特性を持たせた場合を示している。

図４（ａ）の実線のＬ１−Ｌ２は、弾性部材２の有効長が最も長いＬ１から最も短いＬ２まで、弾性部材２の回転方向の拘束をしながら伝達部材３をスライド移動させた特性である。

図４中の捩れモーメント０（ゼロ）領域Ｓは、図３の弾性部材２の有効長を最も長くしたＬ１状態での軸線Ｇを中心として±θｎの範囲は自由に回転できる状態を示している。捩れモーメント０の領域Ｓから最大の値±ｔｍまで連続的に幅広く変化している。

点線Ｌ１は、弾性部材２の有効長を変化させず有効長が最も長いＬ１の特性である。図４中捩れモーメント０（ゼロ）領域Ｓから±ｔｓまで連続的に緩やかに変化している。このように伝達部材３のスライドに伴って弾性部材２の捩れに対する拘束範囲Ｒを徐々に変化させることで、図４（ｂ）に示すような線形特性だけでなく、図４（ａ）に示すような非線形な捩れ剛性を得ることが可能となる。

図１０は、従来の剛性可変駆動装置の特性を示す図である。図１０（ａ）は、０の弾性領域が存在しない例である。図１０（ｂ）は、０の弾性領域は存在するが、不連続な曲線部分が有り低弾性をうまく制御できないことを示している。これに対し、本第１実施形態の剛性可変駆動装置１００は、出力ギア１０の捩れ剛性を０から高剛性まで幅広く連続的に可変できる。

以上、本第１実施形態によれば、弾性部材２の先端部２ａの捩れ剛性を能動的に自由に変化させることができ、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。

そして、拘束部材１３は、弾性部材２の捩れを拘束しながら弾性部材２の有効長を変化させるので、弾性部材２の先端部２ａの捩れ剛性を連続的に変化させることが可能となる。

また、弾性部材２は、被拘束面２１が第２端２１ｂに向かって先細り形状であるので、軸方向Ｙの位置によって捩れの拘束範囲Ｒを自由に決めることができ、捩れ剛性を線形だけでなく、非線形な特性にすることができる。よって、弾性部材２の有効長を長くすることなく、小型でコンパクトな剛性可変駆動装置１００が可能となる。

また、弾性部材２の先端部２ａの捩れモーメントを０にすることができるため、非常に柔らかい動作と、高速かつ目標位置に対する高精度の位置決め動作とを両立できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す説明図である。図５（ａ）は剛性可変駆動装置の軸方向に沿った断面図、図５（ｂ）は弾性部材及び伝達部材のＢ−Ｂ断面図、図５（ｃ）は弾性部材及び伝達部材のＣ−Ｃ断面図、図５（ｄ）は弾性部材及び伝達部材のＤ−Ｄ断面図である。図５では、弾性部材の捩れモーメントが０の状態（捩れがない状態）を示している。なお、本第２実施形態では、弾性部材、伝達部材及び拘束部材が上記第１実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、本第２実施形態の剛性可変駆動装置２００は、弾性部材２０２、伝達部材２０３及び拘束部材２１３を備えている。

弾性部材２０２は、軸方向Ｙに延びて形成され、軸線Ｇを中心に回転自在に軸受１１に支持され、先端部２０２ａから回転力を出力する。

伝達部材２０３には、軸方向Ｙにスライド自在に弾性部材２０２に嵌合する嵌合穴２３２が形成されており、伝達部材２０３は、上記第１実施形態と同様、回転軸４と一体に回転して弾性部材２０２に回転軸４の回転力を伝達する。

拘束部材２１３は、伝達部材２０３に設けられ、弾性部材２０２の一部分に接触して弾性部材２０２を拘束し、超音波モータ６（図１参照）の駆動により伝達部材２０３と一体に軸方向Ｙに移動する。これにより、拘束部材２１３は、弾性部材２０２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。

拘束部材２１３及び弾性部材２０２は、弾性部材２０２に捩れがない状態において、拘束部材２１３が先端部２０２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて、拘束部材２１３と弾性部材２０２との接触範囲Ｒが小さくなるように形成されている。

以下、具体的に説明すると、拘束部材２１３は、図５（ｂ）〜図５（ｄ）に示すように、伝達部材２０３と一体に形成され、嵌合穴２３２の側壁面から突出する一対の突出部２３１，２３１である。

各突出部２３１は、嵌合穴２３２の開口端２３２ａから前記軸方向に離れるに連れて広くなる一対の第１拘束面として一対の拘束面２４１，２４１を有する。そして、弾性部材２０２は、拘束面２４１，２４１にそれぞれ接触する一対の被拘束面２５１，２５１を有する。本第２実施形態では、被拘束面２５１は、軸方向Ｙに亘って同一の幅に形成されている。つまり、弾性部材２０２は、先端部２０２ａを除く部分は、軸方向Ｙに同じ断面形状で連続する形状、即ち軸方向Ｙに亘って断面形状が同一形状に形成されている。より詳細に説明すると、弾性部材２０２は、図５（ｄ）に示すＤ−Ｄ断面の位置での伝達部材２０３の嵌合穴２３２よりも僅かに小さな断面形状であり、軸方向Ｙに同じ形状で連続している。換言すると、伝達部材２０３の嵌合穴２３２の断面形状は、図５（ｄ）に示すＤ−Ｄ断面の位置では、弾性部材２０２の断面形状よりも僅かに大きい。

一対の突出部２３１，２３１が伝達部材２０３と一体に形成されているので、伝達部材２０３の嵌合穴２３２の断面形状は、出力ギア１０に近い位置では断面積が大きく、出力ギア１０から軸方向Ｙに離れるに伴い断面積も徐々に小さくなっている。

各突出部２３１の拘束面２４１は、開口端２３２ａでは、図５（ｂ）に示すように、弾性部材２０２の各被拘束面２５１に点接触する。

伝達部材２０３の嵌合穴２３２に設けられた一対の突出部２３１，２３１は、弾性部材２０２の上下部分、即ち一対の被拘束面２５１，２５１を、図５（ｄ）に示すＤ−Ｄ断面の捩れの拘束範囲Ｒで拘束している。これにより、外力が出力ギア１０に働くと、弾性部材２０２の有効長Ｌ１の部分が捩られる。

伝達部材２０３の嵌合穴２３２の断面形状は、図５（ｃ）に示すＣ−Ｃ断面の位置では、上下部分の両隅部が広がった断面形状をしている。伝達部材２０３の軸方向Ｙの中央部付近では、伝達部材２０３の嵌合穴２３２の上下の捩れの拘束範囲Ｒが狭くなっている。伝達部材２０３の嵌合穴２３２の断面形状は、図５（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面の位置では、上下部分の両隅部が大きく広がった断面形状をしている。

図６は、剛性可変駆動装置２００の動作を示す説明図である。図６（ａ）は剛性可変駆動装置２００の軸方向Ｙに沿った断面図、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は弾性部材２０２及び伝達部材２０３のＤ−Ｄ断面図である。なお、図６（ｂ）は弾性部材２０２に作用する捩れモーメントが０（ゼロ）の状態、図６（ｃ）は弾性部材２０２に作用する捩れモーメントが０ではない状態を示している。

図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、突出部２３１は、拘束面２４１の両側に拘束面２４１に対して傾斜する一対の第２拘束面である一対の拘束面２４２，２４２を有する。本第２実施形態では、各拘束面２４１に対して２つの拘束面２４２，２４２が配置されているので、拘束面２４２は合計４つある。

図６（ａ）に示すように、伝達部材２０３がＤ−Ｄ断面の位置までスライドすると、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、伝達部材２０３の嵌合穴２３２に配置された各突出部２３１の拘束面２４１と弾性部材２０２の各被拘束面２５１とが点接触となる。これにより、軸線Ｇを中心として、拘束面２４２と被拘束面２５１とが面接触する±θｎの範囲で弾性部材２０２は自由に回転できる。つまり±θｎの範囲の捩れモーメントは０となる。

図６（ｃ）に示すように、この位置で外力が出力ギア１０に働くと、捩れモーメントが０の状態から弾性部材２０２の有効長Ｌ１の部分が捩られ、出力ギア１０の捩れモーメントは±ｔｓ（図４）となる。

以上、本第２実施形態によれば、弾性部材２０２の先端部２０２ａの捩れ剛性を能動的に自由に変化させることができ、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。

そして、拘束部材２１３は、弾性部材２０２の捩れを拘束しながら弾性部材２０２の有効長を変化させるので、弾性部材２０２の先端部２０２ａの捩れ剛性を連続的に変化させることが可能となる。

また、突出部２３１の拘束面２４１は、開口端２３２ａから軸方向Ｙに離れるに従って広がる形状であるので、軸方向Ｙの位置によって捩れの拘束範囲Ｒを自由に決めることができる。したがって、捩れ剛性を、図４（ａ）に示すような線形な特性だけでなく、図４（ｂ）に示すような非線形な特性にすることができる。そして、弾性部材２０２の有効長を長くすることなく、小型でコンパクトな剛性可変駆動装置２００が可能となる。

また、弾性部材２０２の先端部２０２ａの捩れモーメントを０にすることができるため、非常に柔らかい動作と、高速かつ目標位置に対する高精度の位置決め動作とを両立できる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図７は、第３実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図７（ａ）は関節駆動機構の上面図、図７（ｂ）は関節駆動機構の側面図を示している。本第３実施形態の関節駆動機構は、ロボットアーム３０００であり、第１リンクであるリンク５１と、第２リンクであるリンク５２と、基体５３と、を備えている。リンク５１の一端は基体５３に固定されている。リンク５１の他端とリンク５２の一端とは関節Ｊで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク５１の他端には、軸受５４が固定され、リンク５２の一端には、軸受５４に回転可能に支持された軸５５が固定されている。この軸５５の一端には、傘歯車である関節ギア５６が接続されている。

本第３実施形態では、ロボットアーム３０００は、関節Ｊを駆動する、上記第１実施形態の剛性可変駆動装置１００を備えており、剛性可変駆動装置１００は、基体５３に固定されている。

剛性可変駆動装置１００の出力ギア１０は、傘歯車であり、関節ギア５６に噛合している。よって、出力ギア１０が回転すると、関節ギア５６が軸受５４を中心に回転し、リンク５２が軸受５４を中心に旋回する。剛性可変駆動装置１００の駆動モータ５は、制御回路（不図示）で駆動トルクを制御されている。また、剛性可変駆動装置１００の超音波モータ６も他の制御回路（不図示）で捩れモーメントを制御されている。これらの制御回路でリンク５２を駆動している。

図７（ｂ）には、リンク５２を駆動モータ５の駆動により関節角度θｐの位置に旋回させた状態である。この関節角度θｐの位置で超音波モータ６を駆動させ、伝達部材３をスライドさせることで、出力ギア１０の捩れモーメントを自由に変えることができる。このように駆動モータ５による関節角度と、超音波モータ６による関節Ｊまわりの捩れ剛性をそれぞれ独立して制御することができる。

本第３実施形態によれば、リンク５２の関節Ｊまわりの捩れ剛性を関節角度に関係なく、低剛性（０）から高剛性まで自由に設定でき、ダイナミックな動作と高い位置決め動作の両立が可能となる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図８は、第４実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図８（ａ）は関節駆動機構の上面図、図８（ｂ）は関節駆動機構の側面図を示している。本第４実施形態の関節駆動機構は、ロボットアーム４０００であり、第１リンクであるリンク５１と、第２リンクであるリンク５２と、基体５３と、を備えている。リンク５１の一端は基体５３に固定されている。リンク５１の他端とリンク５２の一端とは関節Ｊで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク５１の他端には、軸受５４が固定され、リンク５２の一端には、軸受５４に回転可能に支持された軸５５が固定されている。この軸５５の両端には、傘歯車である関節ギア５６_１，５６_２が接続されている。

本第４実施形態では、ロボットアーム４０００は、関節Ｊを駆動する、上記第１実施形態の２つの剛性可変駆動装置１００_１，１００_２を備えており、剛性可変駆動装置１００_１，１００_２は、基体５３に固定されている。２つの剛性可変駆動装置１００_１，１００_２は、同一特性であり、関節Ｊに拮抗配置されている。つまり、２つの剛性可変駆動装置１００_１，１００_２は、リンク５１の両側に配置されている。

剛性可変駆動装置１００_１の出力ギア１０_１は、傘歯車であり、関節ギア５６_１に噛合している。また、剛性可変駆動装置１００_２の出力ギア１０_２は、傘歯車であり、関節ギア５６_２に噛合している。剛性可変駆動装置１００_１，１００_２の軸受５４まわりの構成は、上記第３実施形態と同様であり、説明を省略する。

拮抗配置した剛性可変駆動装置１００_１，１００_２によって、関節ギア５６_１，５６_２を同じ方向に駆動すると、剛性可変駆動装置１００_１，１００_２の駆動トルクの和を、リンク５２に与えることができる。

また、剛性可変駆動装置１００_１，１００_２によって関節ギア５６_１，５６_２を互いに逆方向に駆動すると、剛性可変駆動装置１００_１，１００_２の駆動トルクの差を、リンク５２に与えることができる。

剛性可変駆動装置１００_１，１００_２の駆動トルクに差を持たせてリンク５２を駆動すると、出力ギア１０_１，１０_２と関節ギア５６_１，５６_２とのバックラッシュ（ギア間のガタ）小さくすることができる。

これにより目標位置に対する高い位置決めが可能となる。このように本第４実施形態では、２つの剛性可変駆動装置１００_１，１００_２を拮抗配置することで、大きな関節駆動トルクと更に高い位置決め動作が可能となる。

［第５実施形態］
次に、第５実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図９は、第５実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図９（ａ）は関節駆動機構の側面図、図８（ｂ）は関節駆動機構の正面図を示している。本第５実施形態の関節駆動機構は、パワーアシスト装置５０００であり、第１リンクであるリンク５０１と、第２リンクであるリンク５０２と、を備えている。リンク５０１の一端とリンク５０２の一端とが関節Ｊで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク５０１の一端には、軸受５０４が固定され、リンク５０２の一端には、軸受５０４に回転可能に支持された傘歯車である関節ギア５０３が固定されている。

本第５実施形態では、パワーアシスト装置５０００は、関節Ｊを駆動する、上記第１実施形態の剛性可変駆動装置１００を備えており、剛性可変駆動装置１００は、リンク５０１に固定されている。

剛性可変駆動装置１００の出力ギア１０は、傘歯車であり、関節ギア５０３に噛合している。よって、出力ギア１０が回転すると、関節ギア５０３が軸受５０４を中心に回転し、リンク５０２が軸受５０４を中心に旋回する。

パワーアシスト装置５０００は、人体Ｈの下肢部に装着される。リンク５０１は、人体Ｈの大腿Ｈｃの部分に配置されて、ベルト５０５で大腿Ｈｃに固定される。リンク５０２は、人体Ｈの下腿Ｈａの部分に配置されて、ベルト５０６で下腿Ｈａに固定される。

剛性可変駆動装置１００の弾性部材２は、大腿Ｈｃと並行して配置されている。弾性部材２の有効長を変えることで関節ギア５０３まわりのトルクおよび剛性を可変する。これにより膝関節Ｈｂまわりの関節トルクを補助する構成となっている。そして、剛性可変駆動装置１００は、リンク５０２を旋回させることで、下腿Ｈａへ駆動力を伝達することができる。

剛性可変駆動装置１００の駆動モータ５と超音波モータ６も上記第３実施形態で説明した制御回路（不図示）によって駆動される。

以下、膝関節の屈伸動作を例に説明する。図９（ａ）のような膝関節Ｈｂが比較的伸びた姿勢から深く折れ曲げるような動作では、超音波モータ６によって出力ギア１０を低剛性にした状態で駆動モータ５の駆動力によって膝関節Ｈｂを折り曲げ運動へ導く。このとき、人体Ｈの重力等で出力ギア１０に外力が働いている。同時に、駆動モータ５の駆動は、回転軸４（図１参照）の回転をロック、または出力ギア１０に働いている外力に対抗する方向のブレーキが働く駆動トルクで回転する。すると、駆動モータ５の駆動トルクと外力による出力ギア１０のトルクとの差で弾性部材２に捩れの変位が発生する。つまり、弾性部材２に捩れのエネルギーが蓄積させるのである。

次に、膝関節Ｈｂを折曲げた姿勢から超音波モータ６によって弾性部材２の有効長Ｌを短くして捩れ剛性を高めると、さらに蓄積された弾性部材２の捩れエネルギーを増加させることができる。膝関節Ｈｂを伸ばして短い時間に飛び跳ねる瞬発的動作時には、駆動モータ５による駆動と共にこの増加させた捩れ蓄積エネルギーを開放させることで俊敏でダイナミックな動きが可能となる。

また、比較的ゆっくりした歩行動作では、着地する時、超音波モータ６によって中間程度の捩れ剛性にする。これにより弾性部材２によって着地の衝撃を吸収することができる。駆動モータ５の駆動によって地面を蹴り上げた後には超音波モータ６によって出力ギア１０を最小の剛性にすることで自然で違和感のない歩行動作が得られる。

また、剛性可変駆動装置１００は出力ギア１０の捩れ剛性と駆動トルクを連動させて自由に変えることができるので、個人差のある人体の脚力および複雑な姿勢に対応した適切なパワーアシストが可能となる。本第５実施形態では、人体の膝関節まわりのパワーアシスト装置の構成であるが、人体および生物の上肢等の他の関節部位にも適用しても良い。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記第３〜第５実施形態では、剛性可変駆動装置が上記第１実施形態の剛性可変駆動装置１００である場合について説明したが、上記第２実施形態の剛性可変駆動装置２００であってもよい。

また、上記第３〜第５実施形態では、剛性可変駆動装置がロボットアームやパワーアシスト装置に適用される場合について説明したが、これに限定するものではなく、他のロボット、例えば、脚式ロボットや介護用ロボット等に適用することも可能である。

また、上記第１実施形態では、伝達部材駆動部として、リング型の超音波モータを用いた場合について説明したが、電磁式のモータやソレノイドを用いても良い。

また、上記第１実施形態では、拘束部材が２つのローラからなる場合について説明したが、これに限定するものではなく、拘束部材が１つ以上のローラからなるものであればよい。拘束部材が複数のローラからなり、これら複数のローラで弾性部材を挟むようにすると、弾性部材を拘束する効果が高く、より好ましい。

２…弾性部材、２ａ…先端部、３…伝達部材、４…回転軸、５…駆動モータ（回転駆動部）、６…超音波モータ（伝達部材駆動部）、１３…拘束部材、３２…嵌合穴、１００…剛性可変駆動装置

Claims (10)

1. 軸方向に延びて形成され、軸線を中心に回転自在に支持され、先端部から回転力を出力する弾性部材と、
   回転駆動部と、
   前記回転駆動部の駆動により回転する回転軸と、
   前記軸方向にスライド自在に前記弾性部材に嵌合する嵌合穴が形成され、前記回転軸と一体に回転して前記弾性部材に前記回転軸の回転力を伝達する伝達部材と、
   前記伝達部材を前記軸方向に駆動する伝達部材駆動部と、
   前記伝達部材に設けられ、前記弾性部材の一部分に接触して前記弾性部材を拘束し、前記伝達部材駆動部の駆動により前記伝達部材と一体に前記軸方向に移動して、前記弾性部材に対する接触位置が前記軸方向に移動する拘束部材と、を備え、
   前記拘束部材及び前記弾性部材は、前記弾性部材に捩れがない状態において、前記拘束部材が前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて、前記拘束部材と前記弾性部材との接触範囲が小さくなるように形成されていることを特徴とする剛性可変駆動装置。
2. 前記弾性部材は、前記先端部の近傍の第１端から前記軸方向に最も遠い第２端に向かって先細りとなる第１被拘束面を有することを特徴とする請求項１に記載の剛性可変駆動装置。
3. 前記第１被拘束面は、前記第２端では前記第２端に移動した前記拘束部材に点接触することを特徴とする請求項２に記載の剛性可変駆動装置。
4. 前記弾性部材は、前記第１被拘束面の両側に前記第１被拘束面に対して傾斜する一対の第２被拘束面を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の剛性可変駆動装置。
5. 前記拘束部材は、前記伝達部材に回転自在に支持された回転体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の剛性可変駆動装置。
6. 前記拘束部材は、前記伝達部材と一体に形成され、前記嵌合穴の側壁面から突出する突出部であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の剛性可変駆動装置。
7. 前記突出部は、前記嵌合穴の開口端から前記軸方向に離れるに連れて広くなる第１拘束面を有することを特徴とする請求項６に記載の剛性可変駆動装置。
8. 前記第１拘束面は、前記開口端では前記弾性部材に点接触することを特徴とする請求項７に記載の剛性可変駆動装置。
9. 前記突出部は、前記第１拘束面の両側に前記第１拘束面に対して傾斜する一対の第２拘束面を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の剛性可変駆動装置。
10. 第１リンクと、
    前記第１リンクに関節で連結された第２リンクと、
    前記関節を駆動する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の剛性可変駆動装置と、を備えた関節駆動機構。

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