JP2014121761A - Linkage - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a linkage capable of setting the rigidity of an elastic element of a joint mechanism in an appropriate range in order to prevent the joint mechanism from being damaged because of collision of a movable part with an external object.SOLUTION: A linkage 1 is constituted so that the rigidity k_i of an elastic element 5 of each joint mechanism Ji can be changed in the range higher than first rigidity k1_i and lower than second rigidity k2_i. The first rigidity k1_i is set so that joint maximum elastic energy becomes higher than joint minimum inertial collision kinetic energy. The second rigidity k2_i is set so that a third time becomes longer than a fourth time.

Description

本発明は、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた1つ又は複数の関節機構と、前記1つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記1つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構に関する。   The present invention includes one or a plurality of joint mechanisms provided between a base and a movable portion movable with respect to the base, and an actuator that outputs a driving force that displaces the one or more joint mechanisms. And each of the one or more joint mechanisms relates to a link mechanism configured to transmit power via an elastically deformable elastic element configured to be capable of variably controlling rigidity.

従来、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた複数の関節機構と、複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構が知られている(特許文献1)。このリンク機構では、可動部が外部の物体と衝突するときに、関節機構の弾性要素の剛性が、所定の剛性となるように制御される。   Conventionally, a plurality of joint mechanisms provided between a base body and a movable part movable with respect to the base body, and an actuator that outputs a driving force for displacing the plurality of joint mechanisms, each of the plurality of joint mechanisms is A link mechanism configured to transmit power via an elastically deformable elastic element configured to be capable of variably controlling rigidity is known (Patent Document 1). In this link mechanism, when the movable part collides with an external object, the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is controlled to be a predetermined rigidity.

特開2008−302496号公報JP 2008-30296 A

特許文献1に記載されたようなリンク機構では、可動部が物体と衝突したときに当該関節機構が損傷することを防止するために、当該関節機構の弾性要素の剛性を変更することも考えられる。   In the link mechanism as described in Patent Document 1, it is conceivable to change the rigidity of the elastic element of the joint mechanism in order to prevent the joint mechanism from being damaged when the movable part collides with the object. .

しかしながら、従来においては、関節機構の損傷を防止するために適切な当該関節機構の弾性要素の剛性の設定範囲について充分に検討されていない。そのため、関節機構の弾性要素の剛性の適切な設定範囲を、試行錯誤をした上で設定するか、又は、充分な余裕がある範囲すなわち過剰に広い範囲に設定する必要があった。   However, conventionally, in order to prevent damage to the joint mechanism, an appropriate setting range of the rigidity of the elastic element of the joint mechanism has not been sufficiently studied. Therefore, it has been necessary to set an appropriate setting range of the stiffness of the elastic element of the joint mechanism after trial and error, or to set a range with a sufficient margin, that is, an excessively wide range.

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた1つ又は複数の関節機構と、1つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、1つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構において、可動部が外部の物体と衝突することにより関節機構が損傷することを防止するために、関節機構の弾性要素の剛性を適切な範囲に設定できるリンク機構を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and includes one or a plurality of joint mechanisms provided between a base and a movable portion movable with respect to the base, and one or a plurality of joint mechanisms. Each of the one or more joint mechanisms is configured to transmit power via an elastically deformable elastic element configured to variably control rigidity. Provided is a link mechanism that can set the rigidity of an elastic element of an articulation mechanism within an appropriate range in order to prevent the articulation mechanism from being damaged when a movable part collides with an external object. For the purpose.

本発明は、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた1つ又は複数の関節機構と、前記1つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記1つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構であって、前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性は、前記1つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第1剛性以上且つ第2剛性以下の範囲で変更可能に構成されており、前記1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第1剛性は、当該関節機構の前記弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の前記弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーが、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値となり、且つ前記アクチュエータによって変位される場合の当該関節機構が実現可能な最大の変位速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合の当該関節機構の運動エネルギー以上となるように設定され、前記1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第2剛性は、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値となり、且つ当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合に、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合の時間以上となるように設定されていることを特徴とする。   The present invention includes one or a plurality of joint mechanisms provided between a base and a movable portion movable with respect to the base, and an actuator that outputs a driving force that displaces the one or more joint mechanisms. Each of the one or more joint mechanisms is a link mechanism configured to transmit power via an elastically deformable elastic element configured to be variably controllable in rigidity, The rigidity of the elastic element of each of the one or more joint mechanisms can be changed within a range of a first rigidity or more and a second rigidity or less set for each of the one or more joint mechanisms. In each of the one or more joint mechanisms, the first rigidity of the elastic element of the joint mechanism is such that the amount of elastic deformation of the elastic element of the joint mechanism is the amount of elastic deformation of the elastic element of the joint mechanism. In case of maximum deformation When the elastic energy of the elastic element of the joint mechanism is displaced, the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism is a minimum value that can be taken by the joint mechanism, and the elastic energy of the joint mechanism is displaced by the actuator. The joint mechanism is set to be equal to or higher than the kinetic energy of the joint mechanism when it is assumed that the joint mechanism is displaced at the maximum displacement speed that can be realized. In each of the one or more joint mechanisms, the joint mechanism When the joint mechanism is displaced, the second stiffness of the elastic element is such that the moment of inertia or mass of the joint mechanism is a maximum value that the joint mechanism can take, and the displacement of the joint mechanism is started. From the elastic energy of the elastic element of the joint mechanism accumulated by the displacement of the joint mechanism Assuming that the joint mechanism is displaced at the maximum acceleration that can be realized by the actuator, the displacement speed of the joint mechanism is the maximum displacement of the joint mechanism. It is characterized in that it is set to be longer than the time required for changing only the speed.

ここで、本発明における弾性要素の弾性変形量とは、弾性要素に動力を伝達する側と該動力が当該弾性要素を介して伝達される側との間の相対的な変位量を意味する。また、関節機構が変位する場合の当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量において、関節機構が回転関節機構の場合には、慣性モーメントであり、直動関節機構の場合には、慣性質量である。   Here, the amount of elastic deformation of the elastic element in the present invention means the relative amount of displacement between the side transmitting power to the elastic element and the side transmitting the power via the elastic element. Further, the inertia moment or inertia mass of the joint mechanism when the joint mechanism is displaced is the inertia moment when the joint mechanism is a rotary joint mechanism, and the inertia mass when the joint mechanism is a linear motion joint mechanism.

また、関節機構が変位する場合における当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量は、1つ又は複数の関節機構の各々の変位(以下、「リンク機構の姿勢」という)に応じて変化する。当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最大値又は最小値は、リンク機構で実現可能な姿勢の範囲内で取り得る最大値又は最小値である。   Further, when the joint mechanism is displaced, the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism changes in accordance with the displacement of each of the one or more joint mechanisms (hereinafter referred to as “link mechanism posture”). The maximum value or the minimum value of the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism is the maximum value or the minimum value that can be taken within the range of postures that can be realized by the link mechanism.

本願発明者の各種検討によれば、可動部が外部の物体に衝突する場合、各関節機構が損傷することを防止するためには、次の2つの条件を満たすように、各関節機構の弾性要素の剛性を制御できることが必要である。   According to various studies by the inventors of the present application, in order to prevent each joint mechanism from being damaged when the movable part collides with an external object, the elasticity of each joint mechanism is satisfied so as to satisfy the following two conditions. It is necessary to be able to control the stiffness of the element.

(条件1)
1つ又は複数の関節機構の各々において、可動部が物体に衝突することに起因する当該関節機構の変位による運動エネルギー(以下、「衝突運動エネルギー」という)を、当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーに全て変換できるという条件。
(Condition 1)
In each of one or a plurality of joint mechanisms, the kinetic energy (hereinafter referred to as “collision kinetic energy”) due to the displacement of the joint mechanism caused by the collision of the movable part with the object is represented by the elasticity of the elastic element of the joint mechanism. The condition that everything can be converted into energy.

(条件2)
1つ又は複数の関節機構の各々において、可動部が物体に衝突することに起因する当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始されるまでの時間、換言すると、当該衝撃を当該関節機構の弾性要素が吸収している時間(以下、「第1時間」という)が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構を変位する場合に、当該関節機構の変位速度を、当該衝突による当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化できる時間(以下、「第2時間」という)以上であるという条件。
(Condition 2)
In each of the one or more joint mechanisms, the elastic elements of the joint mechanism accumulated by the displacement of the joint mechanism from the time when the displacement of the joint mechanism due to the collision of the movable part with the object is started. The time until the displacement of the joint mechanism due to elastic energy, in other words, the time during which the elastic element of the joint mechanism absorbs the impact (hereinafter referred to as “first time”) is determined by the actuator. When the joint mechanism is displaced at the maximum acceleration that the joint mechanism can realize, the displacement speed of the joint mechanism can be changed by a speed obtained by reversing the direction of the relative displacement speed of the joint mechanism due to the collision ( (Hereinafter referred to as “second time”).

1つ又は複数の関節機構の各々において、上記2つの条件が満たされている場合には、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構への衝撃が、当該関節機構の弾性要素によって吸収されると共に(条件1による効果)、当該衝撃を当該関節機構の弾性要素が吸収している間に、当該関節機構の変位速度を、当該衝突による当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化させることが可能となり、当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによって、当該関節機構が強制的に変位されてしまうことを防止できる(条件2による効果)。上記2つの条件が満たされることで、上記効果が得られるので、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の損傷を防止できる。   In each of one or a plurality of joint mechanisms, when the above two conditions are satisfied, the impact on the joint mechanism due to the collision of the movable part with the object is absorbed by the elastic element of the joint mechanism. In addition, while the elastic element of the joint mechanism absorbs the impact, the displacement speed of the joint mechanism is reversed and the direction of the relative displacement speed of the joint mechanism due to the collision is reversed. It becomes possible to change only the speed which made it, and it can prevent that the said joint mechanism is forcedly displaced by the elastic energy of the elastic element of the said joint mechanism (effect by Condition 2). By satisfying the above two conditions, the above-described effect can be obtained, so that the joint mechanism can be prevented from being damaged by the collision of the movable part with the object.

本発明においては、上記条件1及び条件2を満たすために、以下に示される構成が採用される。   In the present invention, in order to satisfy the above conditions 1 and 2, the following configuration is adopted.

まず、上記条件1を満たすために、次の構成が採用される。すなわち、1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーが、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値となり、且つアクチュエータによって変位される場合の当該関節機構が実現可能な最大の変位速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合の当該関節機構の運動エネルギー(以下、「関節最小慣性衝突運動エネルギー」という)以上となるように、第1剛性が設定されている。   First, in order to satisfy the above condition 1, the following configuration is adopted. That is, in each of the one or more joint mechanisms, the elastic energy of the elastic element of the joint mechanism when the elastic deformation amount of the elastic element of the joint mechanism is the maximum deformation amount of the elastic element of the joint mechanism is When the joint mechanism is displaced, the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism becomes the minimum value that can be taken by the joint mechanism, and when the joint mechanism is displaced by the actuator, the joint mechanism has the maximum displacement speed that can be realized. The first stiffness is set so as to be equal to or higher than the kinetic energy of the joint mechanism (hereinafter referred to as “joint minimum inertial collision kinetic energy”).

衝突運動エネルギーは、当該関節機構が変位する場合における当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が大きくなる程大きくなる。関節最小慣性衝突運動エネルギーは、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値である場合における衝突運動エネルギーである。従って、当該関節機構の弾性要素の剛性及び当該関節機構の変位速度が一定という条件下において、関節最小慣性衝突運動エネルギーは、衝突運動エネルギーが取り得る値のなかの最小値となる。   The collision kinetic energy increases as the moment of inertia or mass of the joint mechanism increases when the joint mechanism is displaced. The joint minimum inertial collision kinetic energy is the collision kinetic energy when the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism is the minimum value that the joint mechanism can take when the joint mechanism is displaced. Therefore, under the condition that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism and the displacement speed of the joint mechanism are constant, the joint minimum inertial collision kinetic energy is the minimum value that can be taken by the collision kinetic energy.

当該関節機構の弾性要素の剛性が第1剛性以上に設定されることにより、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び当該関節機構の変位速度を変化させる量が当該関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件1を満たすように、当該関節機構の弾性要素の剛性を設定できる。   By setting the rigidity of the elastic element of the joint mechanism to be equal to or higher than the first rigidity, the inertia moment or the inertial mass of the joint mechanism is any value that the joint mechanism can take when the joint mechanism is displaced. In addition, the stiffness of the elastic element of the joint mechanism can be set so as to satisfy the condition 1 regardless of any value that can be taken when changing the displacement speed of the joint mechanism. .

また、上記条件2を満たすために、次の構成が採用される。すなわち、1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値となり、且つ当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間(以下、「第3時間」という)が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合に、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合の時間(以下、「第4時間」という)以上となるように、第2剛性が設定されている。   In order to satisfy the above condition 2, the following configuration is adopted. That is, in each of one or a plurality of joint mechanisms, when the joint mechanism is displaced, the inertia moment or the inertial mass of the joint mechanism becomes the maximum value that can be taken by the joint mechanism, and the displacement of the joint mechanism is started. The time from the point in time until the point when the displacement of the joint mechanism is started by the elastic energy of the elastic element of the joint mechanism accumulated by the displacement of the joint mechanism (hereinafter referred to as “third time”) is the actuator Assuming that the joint mechanism is displaced at the maximum acceleration that can be realized by the joint mechanism, the time for changing the displacement speed of the joint mechanism by the maximum displacement speed of the joint mechanism (hereinafter referred to as “fourth”). The second rigidity is set so as to be equal to or greater than “time”.

ここで、第1時間は、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、当該関節機構が変位する場合の当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が大きい程大きくなる。第3時間は、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値である場合における第1時間である。従って、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、第3時間は、第1時間が取り得る長さのなかの最大長となる。   Here, the first time increases as the moment of inertia or mass of the joint mechanism increases when the joint mechanism is displaced under the condition that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is constant. The third time is the first time when the moment of inertia or inertial mass of the joint mechanism is the maximum value that the joint mechanism can take when the joint mechanism is displaced. Therefore, under the condition that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is constant, the third time is the maximum length that can be taken by the first time.

また、第2時間は、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、当該関節機構の変位速度を、変化させる量が大きい程大きくなる。第4時間は、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合における第2時間である。従って、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、第4時間は、第2時間が取り得る長さのなかの最大長となる。   The second time increases as the amount of change in the displacement speed of the joint mechanism increases under the condition that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is constant. The fourth time is a second time when the displacement speed of the joint mechanism is changed by the maximum displacement speed of the joint mechanism. Accordingly, under the condition that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is constant, the fourth time is the maximum length that can be taken by the second time.

このように、第1時間の最大長である第3時間が、第2時間の最大長である第4時間以上となるように、第2剛性が設定されているので、当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び当該関節機構の変位速度を変化させる量が当該関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、当該関節機構の弾性要素の剛性を、第1時間が第2時間以上となるような(条件2を満たすような)剛性に設定することができる。   Thus, since the second stiffness is set so that the third time, which is the maximum length of the first time, is equal to or greater than the fourth time, which is the maximum length of the second time, the moment of inertia of the joint mechanism Or, even if the inertial mass is any value that the joint mechanism can take, and the value that changes the displacement speed of the joint mechanism is any value that can be taken when changing the joint mechanism, the joint The rigidity of the elastic element of the mechanism can be set to such a rigidity that the first time is equal to or longer than the second time (satisfying condition 2).

以上のように、1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び当該関節機構の変位速度を変化させる量が当該関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件1及び条件2を満たすように、当該関節機構の弾性要素の剛性を設定できるので、可動部が外部の物体と衝突することにより当該関節機構が損傷することを防止するために、当該関節機構の弾性要素の剛性を適切な範囲に設定できる。   As described above, in each of one or a plurality of joint mechanisms, when the joint mechanism is displaced, the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism is any value that the joint mechanism can take, and The stiffness of the elastic element of the joint mechanism can be set so as to satisfy the conditions 1 and 2 regardless of the value that can be taken when changing the joint mechanism. In order to prevent the joint mechanism from being damaged when the movable part collides with an external object, the rigidity of the elastic element of the joint mechanism can be set within an appropriate range.

本発明において、前記1つ又は複数の関節機構のうちの任意の1つの関節機構を第i関節機構と定義したとき、前記第i関節機構の前記弾性要素の前記第1剛性は、次式(1)に従って得られる剛性以上に設定されていることが好ましい。   In the present invention, when any one of the one or more joint mechanisms is defined as the i-th joint mechanism, the first rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism is expressed by the following formula ( It is preferable that it is set to be higher than the rigidity obtained according to 1).

但し、I_min_iは、前記第i関節機構が変位する場合に当該第i関節機構が取り得る当該第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最小値を示し、ω_max_iは、前記第i関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度を示し、x_lim_iは、前記第i関節機構の前記弾性要素の最大変形量を示す。   However, I_min_i indicates the minimum moment of inertia or mass of the i-th joint mechanism that can be taken by the i-th joint mechanism when the i-th joint mechanism is displaced, and ω_max_i indicates the i-th joint mechanism as described above. The maximum displacement speed that can be realized when the actuator is displaced is indicated by x_lim_i, which indicates the maximum deformation amount of the elastic element of the i-th joint mechanism.

ここで、第i関節機構の弾性要素の剛性をk_iと定義したとき、式(1)は、次式(1−1)を満たすk_iである。   Here, when the rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism is defined as k_i, Expression (1) is k_i that satisfies the following Expression (1-1).

式(1−1)において、左辺は、第i関節機構が変位する場合に当該第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該第i関節機構の取り得る最小値のときに、可動部が物体と衝突する場合における第i関節機構の運動エネルギー(すなわち、関節最小慣性衝突運動エネルギー)を示す。また、右辺は、第i関節機構の弾性要素の剛性がk_iのときにおいて、第i関節機構の弾性要素の弾性変形量が、当該第i関節機構の弾性要素の最大変形量の場合における当該第i関節機構の弾性要素の弾性エネルギーを示す。   In Expression (1-1), when the i-th joint mechanism is displaced, the left side indicates that the movable part is an object when the inertia moment or the inertial mass of the i-th joint mechanism is the minimum value that can be taken by the i-th joint mechanism. The kinetic energy of the i-th joint mechanism in the case of colliding with (i.e., the joint minimum inertial collision kinetic energy) is shown. Further, the right side shows the first deformation when the elastic deformation amount of the elastic element of the i-th joint mechanism is the maximum deformation amount of the elastic element of the i-th joint mechanism when the rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism is k_i. The elastic energy of the elastic element of i joint mechanism is shown.

従って、第i関節機構が変位する場合に第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が第i関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び第i関節機構の変位速度を変化させる量が第i関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、前述した条件1を満たすように、第i関節機構の弾性要素の剛性を設定できる。   Accordingly, when the i-th joint mechanism is displaced, the moment of inertia or the inertial mass of the i-th joint mechanism is any value that the i-th joint mechanism can take, and the amount by which the displacement speed of the i-th joint mechanism is changed is The rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism can be set so as to satisfy the above-described condition 1 regardless of any value that can be taken when changing the i-th joint mechanism.

本発明において、前記1つ又は複数の関節機構のうちの任意の1つの関節機構を第i関節機構と定義したとき、前記第i関節機構の前記弾性要素の前記第2剛性は、次式(2)に従って得られる剛性以下に設定されていることが好ましい。   In the present invention, when any one of the one or more joint mechanisms is defined as the i-th joint mechanism, the second rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism is expressed by the following formula ( It is preferably set to be equal to or less than the rigidity obtained according to 2).

但し、I_max_iは、前記第i関節機構が変位する場合に当該第i関節機構が取り得る当該第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最大値を示し、πは、円周率を示し、A_max_iは、前記第i関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大加速度を示し、ω_max_iは、前記第i関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度を示す。   However, I_max_i indicates the maximum value of the moment of inertia or inertial mass of the i-th joint mechanism that can be taken by the i-th joint mechanism when the i-th joint mechanism is displaced, π indicates the circumference, and A_max_i Indicates the maximum acceleration that can be achieved when the i-th joint mechanism is displaced by the actuator, and ω_max_i indicates the maximum displacement speed that can be achieved when the i-th joint mechanism is displaced by the actuator.

ここで、第i関節機構の弾性要素の剛性をk_iと定義したとき、式(2)は、次式(2−1)を満たすk_iである。   Here, when the stiffness of the elastic element of the i-th joint mechanism is defined as k_i, equation (2) is k_i that satisfies the following equation (2-1).

式(2−1)において、左辺は、第i関節機構の状態が、第i関節機構が変位する場合に第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が第i関節機構の取り得る最大値となる状態、且つ第i関節機構の弾性要素の剛性がk_iの場合において、第i関節機構の弾性要素の固有振動数の逆数が表す周期の4分の1周期を示す。詳細には、左辺は、可動部が物体と衝突することによる第i関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による第i関節機構の変位によって蓄積された第i関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる第i関節機構の変位が開始される時点までの時間を示す。   In equation (2-1), the left side indicates that the state of the i-th joint mechanism is the maximum value that can be taken by the i-th joint mechanism when the i-th joint mechanism is displaced. In the state and the stiffness of the elastic element of the i-th joint mechanism is k_i, a quarter cycle of the period represented by the reciprocal of the natural frequency of the elastic element of the i-th joint mechanism is shown. Specifically, the left side of the elastic element of the i-th joint mechanism accumulated by the displacement of the i-th joint mechanism due to the collision from the time when the displacement of the i-th joint mechanism due to the collision of the movable part with the object starts. The time until the time when the displacement of the i-th joint mechanism by elastic energy is started is shown.

また、右辺は、第i関節機構で実現可能な最大加速度で、アクチュエータにより第i関節機構を変位させるときに、第i関節機構の変位速度を、第i関節機構をアクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度だけ変化させるときの時間(第i関節機構で実現可能な最短時間)を示す。   The right side is the maximum acceleration that can be realized by the i-th joint mechanism. When the i-th joint mechanism is displaced by the actuator, the displacement speed of the i-th joint mechanism is realized when the i-th joint mechanism is displaced by the actuator. The time when changing only the maximum possible displacement speed (the shortest time that can be realized by the i-th joint mechanism) is shown.

左辺で示される時間は、第i関節機構の弾性要素の剛性が小さい程長くなるので、第2剛性が、式(2)によって得られる剛性以下に設定されることで、第i関節機構が変位する場合に第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が第i関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び第i関節機構の変位速度を変化させる量が第i関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、前述した条件2を満たすように、第i関節機構の弾性要素の剛性を設定できる。   Since the time indicated by the left side becomes longer as the rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism is smaller, the i-th joint mechanism is displaced by setting the second rigidity to be equal to or less than the rigidity obtained by the equation (2). When the moment of inertia or the inertial mass of the i-th joint mechanism is any value that the i-th joint mechanism can take, and when the amount of change in the displacement speed of the i-th joint mechanism changes the i-th joint mechanism The rigidity of the elastic element of the i-th joint mechanism can be set so as to satisfy the condition 2 described above regardless of which value can be taken.

本発明において、前記1つ又は複数の関節機構の各々は、前記弾性要素及び、粘性係数を可変的に制御可能に構成された粘性要素を介して動力伝達を行うように構成され、前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の粘性係数は、前記1つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第1粘性係数以上且つ第2粘性係数以下の範囲で変更可能に構成されており、前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第1粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第1剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定され、前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第2粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第2剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定されていることが好ましい。   In the present invention, each of the one or more joint mechanisms is configured to transmit power via the elastic element and a viscous element configured to variably control a viscosity coefficient. Alternatively, the viscosity coefficient of the viscous element of each of the plurality of joint mechanisms can be changed within a range of the first viscosity coefficient and the second viscosity coefficient that are set for each of the one or more joint mechanisms. And the first viscosity coefficient of the viscous element of each of the one or more joint mechanisms is assumed to be equal to the joint when the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is equal to the first rigidity. A behavior characteristic of the mechanism is set to be a critical damping characteristic or an over-damping characteristic, and the second viscosity coefficient of the viscous element of each of the one or more joint mechanisms is a stiffness of the elastic element of the joint mechanism Is equal to the second stiffness If it is assumed, it is preferable that the behavioral characteristics of the joint mechanism is configured such that the characteristics of critical damping or overdamping.

これにより、1つ又は複数の関節機構の弾性要素の剛性が、第1剛性以上且つ第2剛性以下の範囲のいずれの剛性に変更された場合であっても、当該変更された剛性に対して、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となる粘性係数が、第1粘性係数以上且つ第2粘性係数以下の範囲に含まれる。   Thereby, even if the rigidity of the elastic element of one or a plurality of joint mechanisms is changed to any rigidity within the range of the first rigidity or more and the second rigidity or less, The viscosity coefficient at which the behavior characteristic of the joint mechanism becomes a critical damping characteristic or an excessive damping characteristic is included in the range of the first viscosity coefficient and the second viscosity coefficient.

従って、1つ又は複数の関節機構の各々の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となるように、各関節機構の粘性要素の粘性係数を変更することが可能となり、各関節機構の挙動特性が減衰振動の特性となることが防止される。そして、各関節機構の減衰振動に応じた可動部の振動の発生が防止され、各関節機構の弾性要素の弾性による可動部と物体との衝突が生じることが防止される。これにより、可動部が物体と衝突することによる各関節機構の損傷を防止できる。   Accordingly, it is possible to change the viscosity coefficient of the viscous element of each joint mechanism so that the behavior characteristic of each of the one or more joint mechanisms becomes a critical damping characteristic or an overdamping characteristic. Is prevented from becoming a characteristic of damped vibration. And generation | occurrence | production of the vibration of a movable part according to the damped vibration of each joint mechanism is prevented, and collision with a movable part and an object by the elasticity of the elastic element of each joint mechanism is prevented. Thereby, damage of each joint mechanism by a movable part colliding with an object can be prevented.

本発明の実施形態のリンク機構を示す図。The figure which shows the link mechanism of embodiment of this invention. 図1のリンク機構の関節機構を示す図。The figure which shows the joint mechanism of the link mechanism of FIG. 図2の関節機構の伝達機構を示す図。The figure which shows the transmission mechanism of the joint mechanism of FIG. 図3の伝達機構の特性可変機構を示す図。The figure which shows the characteristic variable mechanism of the transmission mechanism of FIG. 図4のV−V線断面図。VV sectional view taken on the line of FIG.

(1.構成)
(1−1.リンク機構)
図1〜図5を参照して、本発明の実施形態のリンク機構について説明する。図1に示されるように、リンク機構1は、基体2と、先端部3と、複数の関節機構Ji(i=1,2,...,N)と、複数のリンク部材Li(i=0,1,...,N)と、アクチュエータ4(図2参照)とを備える。
(1. Configuration)
(1-1. Link mechanism)
With reference to FIGS. 1-5, the link mechanism of embodiment of this invention is demonstrated. As shown in FIG. 1, the link mechanism 1 includes a base body 2, a distal end portion 3, a plurality of joint mechanisms Ji (i = 1, 2,..., N), and a plurality of link members Li (i = 0, 1,..., N) and an actuator 4 (see FIG. 2).

複数の関節機構Jiの「i」は、基体2から先端部3に向かって1から数えたときの順番を表している。なお、関節機構の順番がi番目であることを明示的に指定する場合には、第i関節機構と表す。例えば、j番目の関節機構を「第j関節機構Jj」と表す場合がある。また、複数のリンク部材Liの「i」は、基体2から先端部3に向かって0から数えたときの順番を表している。なお、リンク部材の順番がi番目であることを明示的に指定する場合には、第iリンク部材と表す。例えば、j番目のリンク部材を「第jリンク部材Lj」と表す場合がある。   “I” of the plurality of joint mechanisms Ji represents the order when counting from 1 toward the tip 3 from the base body 2. In addition, when explicitly specifying that the order of the joint mechanism is i-th, it is expressed as the i-th joint mechanism. For example, the j-th joint mechanism may be expressed as “j-th joint mechanism Jj”. Further, “i” of the plurality of link members Li represents the order when counting from 0 toward the tip 3 from the base body 2. In addition, when specifying explicitly that the order of a link member is i-th, it represents with an i-th link member. For example, the jth link member may be represented as “jth link member Lj”.

基体2は、床面上等の所定の位置に固定されている。なお、基体2は、動力装置等を備え、該動力装置の駆動力によって、その位置及び姿勢を変更可能に構成されていてもよい。先端部3は、当該リンク機構1におけるエンドエフェクタとして機能する。先端部3は、複数の関節機構Jiを介して連結されている複数のリンク部材Liによって基体2に連結されている。   The base 2 is fixed at a predetermined position such as on the floor surface. In addition, the base | substrate 2 is equipped with a motive power apparatus etc., and it may be comprised so that the position and attitude | position can be changed with the driving force of this motive power apparatus. The distal end portion 3 functions as an end effector in the link mechanism 1. The tip portion 3 is connected to the base body 2 by a plurality of link members Li that are connected via a plurality of joint mechanisms Ji.

複数の関節機構Ji(i=1,...,N)の各々には、2つのリンク部材Li-1,Liが連結されている。   Two link members Li-1, Li are connected to each of the plurality of joint mechanisms Ji (i = 1,..., N).

また、複数の関節機構Jiの各々は、当該関節機構Jiに連結されている2つのリンク部材Li-1,Liの相対的な位置及び姿勢を変化させるように構成されている。   Each of the plurality of joint mechanisms Ji is configured to change the relative positions and postures of the two link members Li-1, Li connected to the joint mechanism Ji.

なお、本実施形態では、全ての関節機構Jiが回転関節機構として構成されている。このため、以降の説明では、所定の関節機構Jiに連結された2つのリンク部材Li-1,Liの相対的な位置及び姿勢を、関節角度ψ_iということもある。なお、本実施形態における「関節角度ψ_iが変化する」ことが、本発明における「関節機構が変位する」ことに相当する。   In the present embodiment, all the joint mechanisms Ji are configured as rotary joint mechanisms. For this reason, in the following description, the relative position and posture of the two link members Li-1, Li connected to the predetermined joint mechanism Ji may be referred to as a joint angle ψ_i. Note that “the joint angle ψ_i changes” in the present embodiment corresponds to “the joint mechanism is displaced” in the present invention.

なお、本実施形態では、全ての関節機構Jiが回転関節機構として構成されているが、各関節機構Jiは、回転関節機構及び直動関節機構のいずれで構成されていてもよい。また、関節機構Jiの数は任意の数でよい。   In the present embodiment, all joint mechanisms Ji are configured as rotary joint mechanisms, but each joint mechanism Ji may be configured as either a rotary joint mechanism or a linear motion joint mechanism. Further, the number of joint mechanisms Ji may be an arbitrary number.

アクチュエータ4は、複数の関節機構Jiの各々に設けられており、各関節機構Jiを変位させる駆動力を出力する。   The actuator 4 is provided in each of the plurality of joint mechanisms Ji, and outputs a driving force that displaces each joint mechanism Ji.

(1−2.関節機構)
(1−2−1.関節機構の構成)
次に、複数の関節機構Jiの詳細について図2〜図5を参照して説明する。なお、本実施形態において、各関節機構Jiは、全て同じ構成の回転関節機構である。
(1-2. Joint mechanism)
(1-2-1. Configuration of joint mechanism)
Next, details of the plurality of joint mechanisms Ji will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, each joint mechanism Ji is a rotary joint mechanism having the same configuration.

図2に示すように、関節機構Jiは、ワイヤ11と、駆動プーリ12aと、被動プーリ12bと、これらのプーリ12a,12bの間に弾性力と粘性力とを発生させる伝達機構8とを備える。   As shown in FIG. 2, the joint mechanism Ji includes a wire 11, a driving pulley 12a, a driven pulley 12b, and a transmission mechanism 8 that generates an elastic force and a viscous force between the pulleys 12a and 12b. .

また、駆動プーリ12aには、アクチュエータ4のアクチュエータ出力軸4aに連結された減速機7が連結されている。そして、駆動プーリ12aは、アクチュエータ4から減速機7を介して付与される回転駆動力(トルク)によって、アクチュエータ出力軸4aの回転に連動して回転するようになっている。   The reduction gear 7 connected to the actuator output shaft 4a of the actuator 4 is connected to the drive pulley 12a. The drive pulley 12a rotates in conjunction with the rotation of the actuator output shaft 4a by the rotational driving force (torque) applied from the actuator 4 via the speed reducer 7.

なお、減速機7は、任意の構造のものでよく、例えば、ハーモニックドライブ(登録商標)若しくは複数のギヤにより構成される減速機を採用することができる。あるいは、減速機7は、直動を回転運動に変換する機構を備えるものであってもよい。その場合には、アクチュエータとして、例えば、電動モータ及びボールネジにより構成される直動アクチュエータや、電動式のリニアモータ等を採用してもよい。   Note that the speed reducer 7 may have an arbitrary structure, and for example, a speed reducer constituted by a harmonic drive (registered trademark) or a plurality of gears may be employed. Alternatively, the speed reducer 7 may include a mechanism that converts a linear motion into a rotational motion. In that case, as the actuator, for example, a linear motion actuator constituted by an electric motor and a ball screw, an electric linear motor, or the like may be employed.

また、第i関節機構Jiにおいて、第iリンク部材Liは、駆動プーリ12a及び被動プーリ12bを回転自在に支持している(図示省略)。また、第i関節機構Jiにおいて、被動プーリ12bに第i-1リンク部材Li-1が固定されている。   In the i-th joint mechanism Ji, the i-th link member Li rotatably supports the driving pulley 12a and the driven pulley 12b (not shown). In the i-th joint mechanism Ji, the i-1th link member Li-1 is fixed to the driven pulley 12b.

被動プーリ12bは、その回転軸心が駆動プーリ12aの回転軸心と平行になるようにして、該駆動プーリ12aの側方に並設されている。   The driven pulley 12b is juxtaposed on the side of the drive pulley 12a so that the rotation axis thereof is parallel to the rotation axis of the drive pulley 12a.

伝達機構8は、両プーリ12a,12b間の剛性及び粘性を変更するための特性可変機構10と、駆動プーリ12a及び被動プーリ12bの間に架け渡されたワイヤ11とを備える。   The transmission mechanism 8 includes a characteristic variable mechanism 10 for changing the rigidity and viscosity between the pulleys 12a and 12b, and a wire 11 spanned between the driving pulley 12a and the driven pulley 12b.

ワイヤ11は、図3に示すように、両プーリ12a,12bの間で延在する二条の張設部分11a,11bを有し、該張設部分11a,11b以外の部分が両プーリ12a,12bの外周のうちの内端側の部分(駆動プーリ12aの外周のうちの被動プーリ12bに臨む部分、及び被動プーリ12bの外周のうちの駆動プーリ12aに臨む部分)を除く箇所に滑らないように巻き掛けられている。なお、ワイヤ11は、多少の伸縮性を有する。   As shown in FIG. 3, the wire 11 has two extending portions 11a and 11b extending between the pulleys 12a and 12b, and portions other than the extending portions 11a and 11b are both pulleys 12a and 12b. Of the outer periphery of the outer periphery of the driving pulley 12a so that it does not slip to any place except the outer periphery of the driving pulley 12a (the portion facing the driven pulley 12b and the outer periphery of the driven pulley 12b facing the driving pulley 12a). It is wrapped around. Note that the wire 11 has some elasticity.

特性可変機構10は、例えば図3〜図5に示すように構成されている。すなわち、特性可変機構10は、両端部にローラ13a,13bが回転自在に枢着された回転バー14を備えている。この回転バー14は、その中央部に固定された回転軸15の軸心まわりに該回転軸15と一体に回転可能とされている。回転軸15は、駆動プーリ12a及び被動プーリ12bの間の位置で、両プーリ12a,12bの回転軸心と平行な姿勢で配置されている。   The characteristic variable mechanism 10 is configured, for example, as shown in FIGS. That is, the variable characteristic mechanism 10 includes a rotating bar 14 having rollers 13a and 13b pivotally attached to both ends. The rotary bar 14 can rotate integrally with the rotary shaft 15 around the axis of the rotary shaft 15 fixed at the center thereof. The rotation shaft 15 is disposed in a position parallel to the rotation axis of the pulleys 12a and 12b at a position between the driving pulley 12a and the driven pulley 12b.

回転バー14の両端部のローラ13a,13bは、各々の回転軸心が駆動プーリ12a及び被動プーリ12bの回転軸心と平行な方向に向けられている。   The rollers 13a and 13b at both ends of the rotating bar 14 have their respective rotation axes oriented in parallel to the rotation axes of the drive pulley 12a and the driven pulley 12b.

そして、ローラ13a,13bのうちの一方のローラ13aの内端側(他方のローラ13bに臨む側)の外周部が、ワイヤ11の二条の張設部分11a,11bのうちの一方の張設部分11aに圧接され、他方のローラ13bの内端側(一方のローラ13aに臨む側)の外周部が、ワイヤ11の他方の張設部分11bに圧接されている。この場合、ワイヤ11の張設部分11a,11bの各々は、ローラ13a,13bの圧接箇所で湾曲されている。   And the outer peripheral part of the inner end side (side facing the other roller 13b) of one roller 13a of the rollers 13a and 13b is one extending portion of the two extending portions 11a and 11b of the wire 11 The outer peripheral portion on the inner end side (the side facing one roller 13a) of the other roller 13b is in pressure contact with the other stretched portion 11b of the wire 11. In this case, each of the extending portions 11a and 11b of the wire 11 is curved at the press contact portion of the rollers 13a and 13b.

特性可変機構10は、更に、回転バー14に回転軸15を介して連結されて該回転バー14と一体に回転可能に設けられたギヤ(平歯車)16と、このギヤ16に噛合されたスプリングウォーム17と、このスプリングウォーム17を回転駆動する電動モータ18と、粘性オイルが内部に封入されたシリンダ19とを備えている。   The variable characteristic mechanism 10 further includes a gear (spur gear) 16 that is connected to the rotary bar 14 via a rotary shaft 15 so as to be rotatable integrally with the rotary bar 14, and a spring meshed with the gear 16. A worm 17, an electric motor 18 that rotationally drives the spring worm 17, and a cylinder 19 in which viscous oil is sealed are provided.

スプリングウォーム17は、ウォームギヤとして機能可能にコイルスプリング状に形成されたばね部材であり、電動モータ18の回転駆動軸18aに外挿されている。そして、スプリングウォーム17の電動モータ18の本体寄りの一端は、回転駆動軸18aに固定されたバネ座部材20aに固定されている。従って、スプリングウォーム17は、電動モータ18の回転駆動軸18aと一体に回転し、このスプリングウォーム17の回転に伴い、ギヤ16が回転するようになっている。   The spring worm 17 is a spring member formed in a coil spring shape so as to be able to function as a worm gear, and is externally attached to the rotation drive shaft 18 a of the electric motor 18. One end of the spring worm 17 near the main body of the electric motor 18 is fixed to a spring seat member 20a fixed to the rotation drive shaft 18a. Accordingly, the spring worm 17 rotates integrally with the rotation drive shaft 18a of the electric motor 18, and the gear 16 rotates as the spring worm 17 rotates.

シリンダ19は、スプリングウォーム17の他端側で回転駆動軸18aと同軸心に配置された筒部21を有する。この筒部21の内部を電動モータ18の回転駆動軸18aが貫通し、該筒部21が、回転駆動軸18aに沿って、その軸心方向に摺動可能とされている。そして、筒部21のスプリングウォーム17側の端面に固定されたバネ座部材20bにスプリングウォーム17の他端が固定されている。従って、スプリングウォーム17の伸縮に伴い、シリンダ19の筒部21が電動モータ18の回転駆動軸18aの軸心方向に摺動するようになっている。   The cylinder 19 has a cylindrical portion 21 disposed coaxially with the rotation drive shaft 18 a on the other end side of the spring worm 17. A rotation drive shaft 18a of the electric motor 18 passes through the inside of the cylinder portion 21, and the cylinder portion 21 is slidable in the axial direction along the rotation drive shaft 18a. The other end of the spring worm 17 is fixed to a spring seat member 20b fixed to the end face of the cylindrical portion 21 on the spring worm 17 side. Therefore, as the spring worm 17 expands and contracts, the cylinder portion 21 of the cylinder 19 slides in the axial direction of the rotation drive shaft 18 a of the electric motor 18.

また、筒部21の内部には、回転駆動軸18aに固定されたピストン22が設けられており、このピストン22の外周面が筒部21の内周面に摺接されている。   In addition, a piston 22 fixed to the rotary drive shaft 18 a is provided inside the cylinder portion 21, and an outer peripheral surface of the piston 22 is in sliding contact with an inner peripheral surface of the cylinder portion 21.

そして、筒部21の内部でピストン22により画成された2つの油室23a,23bに粘性オイルが封入されている。これらの油室23a,23bは、オリフィス部24を有する連通管25により連通されている。この場合、オリフィス部24は、図示しない弁機構等により開口面積を変化させることが可能となっている。   Then, viscous oil is enclosed in two oil chambers 23 a and 23 b defined by the piston 22 inside the cylinder portion 21. These oil chambers 23 a and 23 b are communicated by a communication pipe 25 having an orifice portion 24. In this case, the orifice portion 24 can change the opening area by a valve mechanism or the like (not shown).

(1−2−2.関節機構の動作)
以上の構成の関節機構Jiの動作を説明しておく。電動モータ18により、スプリングウォーム17を回転駆動することで、該スプリングウォーム17に噛合されたギヤ16を介して回転バー14が回転する。従って、電動モータ18のサーボ制御によって、回転バー14の回転角度(位相角)を制御することができる。ここで、以降の説明では、回転バー14の位相角を、図3に示すように、回転バー14の延在方向(ローラ13a,13bの間隔方向)が駆動プーリ12a及び被動プーリ12bの間隔方向と直交する状態からの該回転バー14の回転角度φとして定義する。
(1-2-2. Operation of joint mechanism)
The operation of the joint mechanism Ji having the above configuration will be described. When the spring worm 17 is rotationally driven by the electric motor 18, the rotating bar 14 is rotated via the gear 16 meshed with the spring worm 17. Therefore, the rotation angle (phase angle) of the rotating bar 14 can be controlled by the servo control of the electric motor 18. Here, in the following description, as shown in FIG. 3, the phase angle of the rotary bar 14 is the direction in which the rotary bar 14 extends (the interval between the rollers 13a and 13b), and the interval between the drive pulley 12a and the driven pulley 12b. Is defined as a rotation angle φ of the rotating bar 14 from a state perpendicular to the rotation bar 14.

両プーリ12a,12b間の動力伝達(回転駆動力の伝達)を行っていない状態で、回転バー14の位相角φをある既定の角度値(例えば図3のφ0)に制御し、その状態で電動モータ18の回転駆動軸18aの回転(ひいては、スプリングウォーム17の回転)を停止させた状態(以降、この状態を基準状態という)を想定する。   In a state where power transmission (transmission of rotational driving force) between the pulleys 12a and 12b is not performed, the phase angle φ of the rotary bar 14 is controlled to a predetermined angle value (for example, φ0 in FIG. 3). Assume a state in which the rotation of the rotation drive shaft 18a of the electric motor 18 (and hence the rotation of the spring worm 17) is stopped (hereinafter, this state is referred to as a reference state).

この基準状態において、前記アクチュエータ4から駆動プーリ12aに回転駆動力(トルク)を付与すると、ワイヤ11の張設部分11a,11bの一方に、当該回転駆動力に比例した張力が発生し、その張力を介して、駆動プーリ12aから被動プーリ12bに回転駆動力が伝達される。   In this reference state, when a rotational driving force (torque) is applied from the actuator 4 to the driving pulley 12a, a tension proportional to the rotational driving force is generated in one of the stretched portions 11a and 11b of the wire 11, and the tension The rotational driving force is transmitted from the driving pulley 12a to the driven pulley 12b.

同時に、ワイヤ11の張設部分11a,11bの一方に発生する上記張力に起因して、ローラ13a,13bのうちの該張設部分11a又は11bに接触するローラ13a又は13bに、両プーリ12a,12bの間隔方向とほぼ直交する方向の並進力が作用する。   At the same time, due to the tension generated in one of the stretched portions 11a and 11b of the wire 11, both pulleys 12a and 13b are brought into contact with the roller 13a or 13b of the rollers 13a and 13b that are in contact with the stretched portion 11a or 11b. A translational force in a direction substantially orthogonal to the interval direction of 12b acts.

例えば、図3に示すように、駆動プーリ12aに反時計まわり方向のトルクτdを付与すると、ワイヤ11の張設部分11aにトルクτdに比例する張力Te(=τd/駆動プーリ12aの有効回転半径)が発生し、この張力Teによってローラ13aに並進力Fが作用する。なお、この並進力Fの大きさは、トルクτdにほぼ比例する。また、図3中の張力Teは、ローラ13aに対して作用する張力を示している。   For example, as shown in FIG. 3, when a torque τd in the counterclockwise direction is applied to the drive pulley 12a, a tension Te proportional to the torque τd (= τd / the effective rotation radius of the drive pulley 12a) ) Occurs, and the translation force F acts on the roller 13a by the tension Te. The magnitude of the translational force F is substantially proportional to the torque τd. Further, the tension Te in FIG. 3 indicates the tension acting on the roller 13a.

基準状態での回転バー14の位相角がゼロでない場合(例えば図3に示す状況)では、ローラ13a又は13bに作用する上記並進力(以降、これをFと表記する)に起因して、回転バー14に回転駆動力(トルク)が作用することとなる。これにより、駆動プーリ12aが被動プーリ12bに対して相対回転すると共に、回転バー14が回転する。ひいては、前記スプリングウォーム17に噛合しているギヤ16が回転バー14と一体に回転する。   When the phase angle of the rotating bar 14 in the reference state is not zero (for example, the situation shown in FIG. 3), the rotation is caused by the translational force acting on the roller 13a or 13b (hereinafter referred to as F). A rotational driving force (torque) acts on the bar 14. As a result, the drive pulley 12a rotates relative to the driven pulley 12b, and the rotating bar 14 rotates. As a result, the gear 16 meshing with the spring worm 17 rotates integrally with the rotating bar 14.

この場合、ローラ13a又は13bに作用する上記並進力Fに起因して回転バー14に作用するトルク(以降、τaと表記する)は、上記並進力Fに対して、次式(122−1)の関係を有する。なお、図3に示す如く、φ0は、基準状態での回転バー14の位相角φの値、Raは、回転軸15の軸心まわりでのローラ13a,13bの軸心部の回転半径である。   In this case, the torque (hereinafter referred to as τa) acting on the rotating bar 14 due to the translational force F acting on the roller 13a or 13b is expressed by the following equation (122-1) with respect to the translational force F. Have the relationship. As shown in FIG. 3, φ0 is the value of the phase angle φ of the rotating bar 14 in the reference state, and Ra is the rotation radius of the shaft center portion of the rollers 13a and 13b around the shaft center of the rotating shaft 15. .

τa=F・sin(φ0)・Ra …(122−1)
このように回転バー14にトルクτaが作用している状況で、スプリングウォーム17は回転しないので、ギヤ16の回転によってスプリングウォーム17の一部(詳しくは、ギヤ16の噛合部分と前記電動モータ18側のバネ座部材20aとの間の部分)が伸長又は短縮され、その伸縮量に応じた弾性力をスプリングウォーム17が発生する。
τa = F · sin (φ0) · Ra (122-1)
Since the spring worm 17 does not rotate in the situation where the torque τa is applied to the rotary bar 14 as described above, a part of the spring worm 17 (specifically, the meshed portion of the gear 16 and the electric motor 18 are rotated by the rotation of the gear 16. The portion between the side spring seat member 20a) is extended or shortened, and the spring worm 17 generates an elastic force corresponding to the amount of expansion / contraction.

この場合、スプリングウォーム17の基準状態からの伸縮量、ひいては、回転バー14の基準状態からの回転量(位相角の変化量)は、該スプリングウォーム17の弾性力(並進力)によってギヤ16に作用するトルクと、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する上記並進力Fに起因して回転バー14に作用するトルク(=ギヤ16に作用するトルク)とが釣り合う状態で平衡する。この平衡状態で、駆動プーリ12aに付与されるトルクτdが伝達機構8を介して被動プーリ12bに伝達されることとなる。   In this case, the amount of expansion and contraction of the spring worm 17 from the reference state, and hence the amount of rotation of the rotating bar 14 from the reference state (the amount of change in phase angle) is applied to the gear 16 by the elastic force (translation force) of the spring worm 17. The applied torque balances with the torque acting on the rotating bar 14 (= the torque acting on the gear 16) due to the translational force F acting on the roller 13 a or 13 b due to the tension of the wire 11. In this equilibrium state, the torque τd applied to the drive pulley 12a is transmitted to the driven pulley 12b via the transmission mechanism 8.

上記平衡状態での回転バー14の基準状態からの回転量をΔφ[rad]、ギヤ16の回転半径をRb、スプリングウォーム17の剛性(スプリングウォーム17の伸縮量の単位変化量あたりに発生する弾性力の変化量)をk_sp_wとおくと、上記平衡状態でのスプリングウォーム17の弾性力によってギヤ16に作用するトルク(以降、これをτbと表記する)は、次式(122−2)により与えられる。   The rotation amount of the rotating bar 14 from the reference state in the equilibrium state is Δφ [rad], the rotation radius of the gear 16 is Rb, the rigidity of the spring worm 17 (the elasticity generated per unit change amount of the expansion / contraction amount of the spring worm 17). If the force change amount is k_sp_w, the torque (hereinafter referred to as τb) acting on the gear 16 by the elastic force of the spring worm 17 in the equilibrium state is given by the following equation (122-2). It is done.

τb=k_sp_w・sin(Δφ)・Rb≒k_sp_w・Δφ・Rb …(122−2)
この式(122−2)と前記式(122−1)とから、上記平衡状態における並進力Fと、回転バー14の基準状態からの回転量Δφとの関係は、次式(122−3)により与えられる。
τb = k_sp_w · sin (Δφ) · Rb≈k_sp_w · Δφ · Rb (122-2)
From this equation (122-2) and the equation (122-1), the relationship between the translational force F in the equilibrium state and the rotation amount Δφ from the reference state of the rotating bar 14 is expressed by the following equation (122-3) Given by.

F=(k_sp_w・Rb/(sin(φ0)・Ra))・Δφ …(122−3)
従って、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する並進力Fは、回転バー14の基準状態からの回転量Δφに比例するものとなる。
F = (k_sp_w · Rb / (sin (φ0) · Ra)) · Δφ (122-3)
Therefore, the translational force F acting on the roller 13a or 13b by the tension of the wire 11 is proportional to the rotation amount Δφ of the rotating bar 14 from the reference state.

ここで、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する並進力Fは、駆動プーリ12aに付与されるトルク(ひいては被動プーリ12bに伝達されるトルク)が大きいほど、大きくなる。また、被動プーリ12bに対する駆動プーリ12aの相対回転量(基準状態からの相対回転量)は、上記平衡状態での回転バー14の基準状態からの回転量が大きいほど、大きくなる。   Here, the translational force F acting on the roller 13a or 13b by the tension of the wire 11 increases as the torque applied to the drive pulley 12a (and thus the torque transmitted to the driven pulley 12b) increases. Further, the relative rotation amount of the drive pulley 12a with respect to the driven pulley 12b (relative rotation amount from the reference state) increases as the rotation amount of the rotation bar 14 from the reference state in the equilibrium state increases.

従って、両プーリ12a,12b間の相対回転量が一定に維持される定常状態で、駆動プーリ12aから被動プーリ12bに伝達されるトルク(被動プーリ12bに付与されるトルク)をτspと表記し、両プーリ12a,12b間の相対回転量をΔθと表記すると、τspとΔθとの間には、近似的に次式(122−4)の比例関係が成立する。   Therefore, in a steady state where the relative rotation amount between the pulleys 12a and 12b is kept constant, torque transmitted from the driving pulley 12a to the driven pulley 12b (torque applied to the driven pulley 12b) is expressed as τsp, When the relative rotation amount between the pulleys 12a and 12b is expressed as Δθ, a proportional relationship of the following equation (122-4) is approximately established between τsp and Δθ.

τsp=k・Δθ …(122−4)
よって、伝達機構8は、駆動プーリ12aと被動プーリ12bとの動力伝達を行うバネ部材として機能する。そして、上記トルクτspは、伝達機構8によって両プーリ12a,12b間に発生する弾性力によって伝達されるトルク(以下、「弾性力トルク」という)τspに相当する。この場合、式(122−4)におけるkは、両プーリ12a,12b間の相対回転量Δθの変化に対する弾性力トルクτspの変化の比率である。
τsp = k · Δθ (122-4)
Therefore, the transmission mechanism 8 functions as a spring member that transmits power between the driving pulley 12a and the driven pulley 12b. The torque τsp corresponds to torque (hereinafter referred to as “elastic force torque”) τsp transmitted by the elastic force generated between the pulleys 12a and 12b by the transmission mechanism 8. In this case, k in the equation (122-4) is the ratio of the change in the elastic force torque τsp to the change in the relative rotation amount Δθ between the pulleys 12a and 12b.

このkは、両プーリ12a,12b間の剛性を示しており、kの値が大きいほど、両プーリ12a,12b間の剛性が高い(両プーリ12a,12b間の回転量の差が発生しにくくなる)ことを意味する。伝達機構8の剛性kの値は、基本的には、基準状態での回転バー14の位相角φ0に応じたものとなり、φ0が大きいほど、剛性kの値が小さくなる。   This k indicates the rigidity between the pulleys 12a and 12b. The larger the value of k, the higher the rigidity between the pulleys 12a and 12b (the difference in the amount of rotation between the pulleys 12a and 12b is less likely to occur. Means). The value of the rigidity k of the transmission mechanism 8 basically corresponds to the phase angle φ0 of the rotating bar 14 in the reference state, and the value of the rigidity k decreases as φ0 increases.

CPU等で構成された制御装置(図示省略)が、伝達機構8の剛性k_iを所望の剛性(目標剛性)となるように制御するためには、例えば、以下のようにする。まず、制御装置のメモリ等の記憶装置に、基準状態での回転バー14の位相角φ0と剛性kとを対応づけたテーブルを記憶保持しておく。そして、制御装置は、該記憶保持されたテーブルに従って、目標剛性に対する基準状態での回転バー14の位相角φ0を取得して、回転バー14の位相角φ0が該位相角φ0となるように電動モータ18を制御する。これにより、伝達機構8の剛性k_iが目標剛性となるように制御される。   In order to control the rigidity k_i of the transmission mechanism 8 to a desired rigidity (target rigidity) by a control device (not shown) configured by a CPU or the like, for example, the following is performed. First, a table in which the phase angle φ0 of the rotating bar 14 in the reference state is associated with the stiffness k is stored and held in a storage device such as a memory of the control device. Then, the control device acquires the phase angle φ0 of the rotating bar 14 in the reference state with respect to the target rigidity according to the stored table, and performs the electric operation so that the phase angle φ0 of the rotating bar 14 becomes the phase angle φ0. The motor 18 is controlled. Thereby, the rigidity k_i of the transmission mechanism 8 is controlled to be the target rigidity.

ここで、電動モータ18、スプリングウォーム17、ギヤ16、回転バー14、及びワイヤ11をまとめて弾性要素5という。また、両プーリ12a,12b間の剛性kのことを、弾性要素5の剛性kという。また、両プーリ12a,12b間の相対回転量Δθが、弾性要素5の弾性変位量となる(すなわち、本発明における弾性要素の弾性変形量に相当する)。   Here, the electric motor 18, the spring worm 17, the gear 16, the rotating bar 14, and the wire 11 are collectively referred to as the elastic element 5. The rigidity k between the pulleys 12a and 12b is referred to as the rigidity k of the elastic element 5. Further, the relative rotation amount Δθ between the pulleys 12a and 12b becomes the elastic displacement amount of the elastic element 5 (that is, corresponds to the elastic deformation amount of the elastic element in the present invention).

また、本実施形態の伝達機構8では、回転バー14が基準状態から回転するとき、スプリングウォーム17の伸縮に伴い、シリンダ19の筒部21がピストン22に対して相対的に摺動する。   Further, in the transmission mechanism 8 of the present embodiment, when the rotary bar 14 rotates from the reference state, the cylinder portion 21 of the cylinder 19 slides relative to the piston 22 as the spring worm 17 expands and contracts.

このとき、油室23a,23b間で、オリフィス部24を有する連通管25を介して粘性オイルが流通することで、筒部21の摺動に対する抵抗力となる粘性力が発生する。これにより、回転バー14の基準状態からの回転、ひいては、被動プーリ12bに対する駆動プーリ12aの相対回転に対する抵抗力となる粘性力が、両プーリ12a,12b間で発生することとなる。そして、この粘性力は、オリフィス部24の開口面積を変化させることで、変化することとなる。   At this time, when viscous oil flows between the oil chambers 23a and 23b through the communication pipe 25 having the orifice portion 24, a viscous force serving as a resistance force against the sliding of the cylindrical portion 21 is generated. As a result, the rotation of the rotating bar 14 from the reference state, and consequently, a viscous force that is a resistance force to the relative rotation of the driving pulley 12a with respect to the driven pulley 12b is generated between the pulleys 12a and 12b. And this viscous force will change by changing the opening area of the orifice part 24. FIG.

この場合、オリフィス部24の開口面積を一定に維持した場合にシリンダ19で発生する粘性力は、ピストン22に対する筒部21の移動速度、ひいては、スプリングウォーム17の伸縮速度に比例する。そして、スプリングウォーム17の伸縮速度は、回転バー14の回転速度にほぼ比例する。   In this case, the viscous force generated in the cylinder 19 when the opening area of the orifice portion 24 is kept constant is proportional to the moving speed of the cylinder portion 21 with respect to the piston 22, and consequently the expansion / contraction speed of the spring worm 17. The expansion / contraction speed of the spring worm 17 is substantially proportional to the rotation speed of the rotary bar 14.

また、両プーリ12a,12b間の相対回転量の時間的変化率、すなわち、両プーリ12a,12b間の相対回転速度(両プーリ12a,12bの各々の回転角速度の差)は、回転バー14の回転速度に応じたものとなり、回転バー14の回転速度が大きいほど、両プーリ12a,12b間の相対回転速度が大きいものとなる。   Further, the temporal change rate of the relative rotation amount between the pulleys 12a and 12b, that is, the relative rotation speed between the pulleys 12a and 12b (difference between the rotation angular velocities of the pulleys 12a and 12b) Depending on the rotational speed, the greater the rotational speed of the rotating bar 14, the greater the relative rotational speed between the pulleys 12a, 12b.

従って、両プーリ12a,12b間の相対回転速度をΔω_pulley[rad/s]と表記し、両プーリ12a,12b間の粘性力によって被動プーリ12bに付与されるトルク(以降、粘性トルクという)をτdpと表記すると、Δω_pulleyとτdpとの間には、近似的に次式(122−5)の関係が成立する。   Accordingly, the relative rotational speed between the pulleys 12a and 12b is expressed as Δω_pulley [rad / s], and the torque (hereinafter referred to as viscous torque) applied to the driven pulley 12b by the viscous force between the pulleys 12a and 12b is τdp. When expressed as follows, a relationship of the following equation (122-5) is approximately established between Δω_pulley and τdp.

τdp=C・Δω_pulley …(122−5)
よって、伝達機構8は、駆動プーリ12aと被動プーリ12bとの間に粘性力を発生する機能も有する。この場合、式(122−5)におけるCは、両プーリ12a,12b間の相対回転速度Δω_pulleyの変化に対する粘性トルクτdpの変化の比率であり、以降、粘性係数Cという。
τdp = C · Δω_pulley (122-5)
Therefore, the transmission mechanism 8 also has a function of generating a viscous force between the driving pulley 12a and the driven pulley 12b. In this case, C in the equation (122-5) is a ratio of the change in the viscous torque τdp with respect to the change in the relative rotational speed Δω_pulley between the pulleys 12a and 12b, and is hereinafter referred to as a viscosity coefficient C.

この粘性係数Cは、両プーリ12a,12b間の粘性の度合を示しており、Cの値が大きいほど、両プーリ12a,12b間の粘性が高い(両プーリ12a,12b間に発生する粘性力が大きくなりやすい)ことを意味する。そして、伝達機構8の粘性係数Cの値は、基本的には、オリフィス部24の開口面積に応じたものとなり、該開口面積が大きいほど、Cの値が小さくなる。   The viscosity coefficient C indicates the degree of viscosity between the pulleys 12a and 12b. The larger the value of C, the higher the viscosity between the pulleys 12a and 12b (viscosity generated between the pulleys 12a and 12b). Is likely to grow). The value of the viscosity coefficient C of the transmission mechanism 8 basically corresponds to the opening area of the orifice portion 24, and the value of C decreases as the opening area increases.

CPU等で構成された制御装置(図示省略)が、伝達機構8の粘性係数C_iを所望の粘性係数(目標粘性係数)となるように制御するためには、例えば、以下のようにする。まず、制御装置のメモリ等の記憶装置に、オリフィス部24の開口面積と粘性係数Cとを対応づけたテーブルを記憶保持しておく。そして、制御装置は、該記憶保持されたテーブルに従って、目標粘性係数に対するオリフィス部24の開口面積を取得して、オリフィス部24の開口面積が該取得された開口面積となるように制御する。これにより、伝達機構8の粘性係数C_iが目標粘性係数となるように制御される。   In order to control the viscosity coefficient C_i of the transmission mechanism 8 to a desired viscosity coefficient (target viscosity coefficient) by a control device (not shown) configured by a CPU or the like, for example, the following is performed. First, a table in which the opening area of the orifice portion 24 is associated with the viscosity coefficient C is stored and held in a storage device such as a memory of the control device. Then, the control device acquires the opening area of the orifice portion 24 with respect to the target viscosity coefficient according to the stored table, and controls the opening area of the orifice portion 24 to be the acquired opening area. Thereby, the viscosity coefficient C_i of the transmission mechanism 8 is controlled to become the target viscosity coefficient.

以降、シリンダ19及びオリフィス部24を、まとめて粘性要素6という。また、両プーリ12a,12b間の粘性係数Cのことを、粘性要素6の粘性係数Cという。   Hereinafter, the cylinder 19 and the orifice portion 24 are collectively referred to as the viscous element 6. The viscosity coefficient C between the pulleys 12a and 12b is referred to as the viscosity coefficient C of the viscous element 6.

(2.特性可変範囲)
以降の説明においては、第i関節機構Ji(但し、iは基体2から先端部3に向かって数えたときの関節機構の順番を表す)に関する符号を明示的に表す場合には、符号の末尾に「_i」を付与する。
(2. Characteristic variable range)
In the following description, in the case of explicitly representing a code regarding the i-th joint mechanism Ji (where i represents the order of the joint mechanisms when counted from the base body 2 toward the distal end portion 3), Add "_i" to

また、本実施形態において、特にことわりの無い限り、基体2に対して固定された座標系(以下、「基体座標系」という)を用いている。基体座標系におけるx軸,y軸,z軸に関連する値を明示的に表す場合には、符号の末尾に「_x」、「_y」、「_z」を付与する。   In the present embodiment, a coordinate system fixed to the base 2 (hereinafter referred to as “base coordinate system”) is used unless otherwise specified. When explicitly expressing values related to the x-axis, y-axis, and z-axis in the base body coordinate system, “_x”, “_y”, and “_z” are added to the end of the code.

また、物体Objに衝突するリンク部材を衝突リンク部材Lcollと定義する。また、基体2と衝突リンク部材Lcollとの間にある1つ又は複数の関節機構Jiを、対象関節機構Jiと定義する。   A link member that collides with the object Obj is defined as a collision link member Lcoll. One or more joint mechanisms Ji between the base 2 and the collision link member Lcoll are defined as target joint mechanisms Ji.

なお、本実施形態における衝突リンク部材Lcollは、本発明における可動部に相当する。また、基体2との間に1つ又は複数の関節機構Jiを有するリンク部材Li(i=1,2,...,N)のいずれもが、物体Objと衝突する可能性があるので、これらのリンク部材Li(i=1,2,...,N)のいずれもが、本発明における可動部となり得る。   Note that the collision link member Lcoll in the present embodiment corresponds to a movable portion in the present invention. Further, any of the link members Li (i = 1, 2,..., N) having one or a plurality of joint mechanisms Ji between the base body 2 and the object Obj may collide, Any of these link members Li (i = 1, 2,..., N) can be a movable part in the present invention.

(2−1.剛性可変範囲)
本願発明者の各種検討によれば、衝突リンク部材Lcollが物体Objに衝突する場合、全関節機構Jiが損傷することを防止するためには、次の2つの条件を満たすように、各対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを制御できることが必要である。
(2-1. Rigidity variable range)
According to various studies by the inventors of the present application, when the collision link member Lcoll collides with the object Obj, in order to prevent the entire joint mechanism Ji from being damaged, each target joint is satisfied so as to satisfy the following two conditions. It is necessary to be able to control the rigidity k_i of the elastic element 5 of the mechanism Ji.

(条件1)
各対象関節機構Jiにおいて、衝突リンク部材Lcollが物体Objに衝突することに起因する当該対象関節機構Jiの変位による運動エネルギー(以下、「衝突運動エネルギー」という)を、当該対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性エネルギーに全て変換できるという条件。
(Condition 1)
In each target joint mechanism Ji, the kinetic energy (hereinafter referred to as “collision kinetic energy”) due to the displacement of the target joint mechanism Ji caused by the collision link member Lcoll colliding with the object Obj is used as the elasticity of the target joint mechanism Ji. The condition that all the elastic energy of element 5 can be converted.

(条件2)
各対象関節機構Jiにおいて、第1時間が、第2時間以上であるという条件。
(Condition 2)
The condition that the first time is equal to or longer than the second time in each target joint mechanism Ji.

ここで、第1時間とは、「衝突リンク部材Lcollが物体Objに衝突することに起因する当該対象関節機構Jiの変位が開始された時点」から、「当該対象関節機構Jiの変位によって蓄積された当該対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性エネルギーによる当該対象関節機構Jiの変位が開始されるまで」の時間である。換言すると、第1時間とは、衝突運動エネルギーを当該対象関節機構Jiの弾性要素5が吸収している時間である。   Here, the first time is “accumulated by the displacement of the target joint mechanism Ji” from “the time when the displacement of the target joint mechanism Ji caused by the collision link member Lcoll colliding with the object Obj”. The time until the displacement of the target joint mechanism Ji by the elastic energy of the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji is started. In other words, the first time is a time during which the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji absorbs the collision kinetic energy.

また、第2時間とは、アクチュエータ4によって当該対象関節機構Jiが実現可能な最大加速度A_max_iで当該対象関節機構Jiを変位する場合に、当該対象関節機構Jiの関節変位の速度(以下、「関節変位速度」という)ω_iを、衝突リンク部材Lcollが物体Objに衝突することによる当該対象関節機構Jiの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させるために必要な時間である。   The second time refers to the speed of joint displacement of the target joint mechanism Ji (hereinafter referred to as “joint” when the target joint mechanism Ji is displaced by the actuator 4 at the maximum acceleration A_max_i that the target joint mechanism Ji can achieve. This is the time required to change ω_i (referred to as “displacement speed”) by a speed obtained by reversing the direction of the relative joint displacement speed Δω_i of the target joint mechanism Ji caused by the collision link member Lcoll colliding with the object Obj.

ここで、相対的関節変位速度Δω_iとは、物体Objと衝突リンク部材Lcollが、当該物体Objと衝突することによって生じる、各対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iの変化量を表す。本実施形態では、関節機構Jiが回転関節機構であるので関節変位速度ω_iは角速度である。   Here, the relative joint displacement speed Δω_i represents the amount of change in the joint displacement speed ω_i of each target joint mechanism Ji that is generated when the object Obj and the collision link member Lcoll collide with the object Obj. In the present embodiment, since the joint mechanism Ji is a rotary joint mechanism, the joint displacement speed ω_i is an angular speed.

各対象関節機構Jiにおいて、上記2つの条件が満たされている場合には、次の2つの効果が得られる。これにより、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突することによる各対象関節機構Jiの損傷を防止できる。   In each target joint mechanism Ji, when the above two conditions are satisfied, the following two effects are obtained. Thereby, damage to each target joint mechanism Ji due to the collision link member Lcoll colliding with the object Obj can be prevented.

(効果1:条件1による効果)
各対象関節機構Jiにおいて、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突することによる当該対象関節機構Jiへの衝撃を、当該対象関節機構Jiの弾性要素5によって吸収できるという効果。
(Effect 1: Effect of Condition 1)
The effect that in each target joint mechanism Ji, the impact on the target joint mechanism Ji caused by the collision link member Lcoll colliding with the object Obj can be absorbed by the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji.

(効果2:条件2による効果)
各対象関節機構Jiにおいて、衝突運動エネルギーを当該対象関節機構Jiの弾性要素5が吸収している間に、当該対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを、当該衝突による当該対象関節機構Jiの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させることが可能となり、当該対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性エネルギーによって、当該対象関節機構Jiが強制的に変位されてしまうことを防止できるという効果。
(Effect 2: Effect of Condition 2)
While the collision kinetic energy is absorbed by the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji in each target joint mechanism Ji, the joint displacement speed ω_i of the target joint mechanism Ji is set to be relative to the target joint mechanism Ji due to the collision. The target joint mechanism Ji can be prevented from being forcibly displaced by the elastic energy of the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji. The effect of being able to do it.

例えば、CPU等を備える制御装置(図示省略)は、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突することを検知したとき、当該衝突により各対象関節機構Jiが損傷することを防止するために、上記の条件1及び条件2を満たすように、各対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを制御する。このため、各対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iの変更範囲(以下、当該範囲の最小値を第1剛性k1_iといい、最大値を第2剛性k2_iという)は、上記の条件1及び条件2を満たすように設定されている。以下、この弾性要素5の剛性k_iの変更範囲の設定方法について説明する。   For example, when detecting that the collision link member Lcoll collides with the object Obj, a control device (not shown) including a CPU or the like is configured to prevent the target joint mechanism Ji from being damaged by the collision. The rigidity k_i of the elastic element 5 of each target joint mechanism Ji is controlled so as to satisfy the conditions 1 and 2. Therefore, the change range of the stiffness k_i of the elastic element 5 of each target joint mechanism Ji (hereinafter, the minimum value of the range is referred to as the first stiffness k1_i and the maximum value is referred to as the second stiffness k2_i) It is set to satisfy the condition 2. Hereinafter, a method for setting the change range of the rigidity k_i of the elastic element 5 will be described.

(2−1−1.第1剛性)
条件1を満たすために、各対象関節機構Jiにおいて、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の第1剛性k1_iは、関節最大弾性エネルギーが、関節最小慣性衝突運動エネルギー以上となるように設定される。
(2-1-1. First rigidity)
In order to satisfy the condition 1, in each target joint mechanism Ji, the first stiffness k1_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is set such that the joint maximum elastic energy is equal to or greater than the joint minimum inertial collision kinetic energy. The

ここで、関節最大弾性エネルギーは、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性変位量Δθ_iが当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の最大変位量Δθ_lim_iである場合における当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性エネルギーである。   Here, the joint maximum elastic energy is the i-th target joint when the elastic displacement Δθ_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is the maximum displacement Δθ_lim_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji. This is the elastic energy of the elastic element 5 of the mechanism Ji.

また、関節最小慣性衝突運動エネルギーは、当該第i対象関節機構Jiが変位する場合の当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが、当該第i対象関節機構Jiの取り得る最小値(以下、当該第i対象関節機構Jiにおいて、この最小値を「第i最小慣性モーメント」という)I_min_iとなり、且つアクチュエータ4によって変位される場合の当該第i対象関節機構Jiが実現可能な最大の変位速度ω_max_iで当該第i対象関節機構Jiが変位すると仮定した場合の当該第i対象関節機構Jiの運動エネルギーである。   Further, the minimum joint inertial kinetic energy of the joint is the minimum value (hereinafter referred to as the following) that the inertia moment I_t_i of the i-th target joint mechanism Ji when the i-th target joint mechanism Ji is displaced can be taken. In the i-th target joint mechanism Ji, this minimum value becomes I_min_i (referred to as “i-th minimum moment of inertia”), and the maximum displacement speed ω_max_i that can be realized by the i-th target joint mechanism Ji when displaced by the actuator 4 Is the kinetic energy of the i-th target joint mechanism Ji when the i-th target joint mechanism Ji is assumed to be displaced.

ここで、各対象関節機構Jiにおいて、当該対象関節機構Jiが変位する場合の慣性モーメントI_t_iは、例えば、各関節機構Jiの関節角度ψ_iに応じて求められる各リンク部材Liの位置及び姿勢から次式(211−1)に従って求められる。   Here, in each target joint mechanism Ji, the moment of inertia I_t_i when the target joint mechanism Ji is displaced is, for example, from the position and posture of each link member Li obtained according to the joint angle ψ_i of each joint mechanism Ji. It calculates | requires according to Formula (211-1).

但し、「×」という記号は、外積を表す。また、I_kは、基体座標系における、第k関節機構Jkのみに着目したときの当該第k関節機構Jkを回転させるときの慣性テンソルである。また、rgc_k(=(rgc_k_x, rgc_k_y, rgc_k_z))は、第kリンク部材Lkの重心位置を示す位置ベクトルであり、r_i(=(r_i_x, r_i_y, r_i_z))は、第i対象関節機構Jiの回転中心の位置を示す位置ベクトルである。m_kは、第kリンク部材Lkの質量である。また、a_i(=(a_i_x, a_i_y, a_i_z))は、第i対象関節機構Jiの回転方向を表す回転軸ベクトルである。a_iは、第i対象関節機構Jiの回転軸を示すように適宜設定される。   However, the symbol “x” represents an outer product. I_k is an inertia tensor for rotating the k-th joint mechanism Jk when focusing only on the k-th joint mechanism Jk in the base coordinate system. Further, rgc_k (= (rgc_k_x, rgc_k_y, rgc_k_z)) is a position vector indicating the gravity center position of the k-th link member Lk, and r_i (= (r_i_x, r_i_y, r_i_z)) is the i-th target joint mechanism Ji It is a position vector indicating the position of the center of rotation. m_k is the mass of the k-th link member Lk. Further, a_i (= (a_i_x, a_i_y, a_i_z)) is a rotation axis vector representing the rotation direction of the i-th target joint mechanism Ji. a_i is appropriately set to indicate the rotation axis of the i-th target joint mechanism Ji.

式(211−1)の「||I_k・a_i||」は、第i対象関節機構Jiと先端部3との間にあるリンク部材Lk(k=i,i+1,...,N-1,N)の各々において、当該リンク部材Lkが、第i対象関節機構Jiの回転中心軸線と平行で、且つ当該リンク部材Lkの重心を通る軸を中心に回転するときの慣性モーメント(以下、「第1慣性モーメント」という)である。従って、式(211−1)のI_Aは、第i対象関節機構Jiと先端部3との間にある各リンク部材Lk(k=i,i+1,...,N-1,N)における第1慣性モーメントの総和である。   “|| I_k · a_i ||” in the expression (211-1) represents the link member Lk (k = i, i + 1,..., N between the i-th target joint mechanism Ji and the tip 3. −1, N), the moment of inertia when the link member Lk rotates around an axis parallel to the rotation center axis of the i-th target joint mechanism Ji and passing through the center of gravity of the link member Lk , Referred to as “first moment of inertia”). Therefore, I_A in the expression (211-1) represents each link member Lk (k = i, i + 1,..., N-1, N) between the i-th target joint mechanism Ji and the tip 3. Is the sum of the first moments of inertia at.

また、式(211−1)の「||a_i × (rgc_k - r_i)||2・m_k」は、第i対象関節機構Jiと先端部3との間にあるリンク部材Lk(k=i,i+1,...,N-1,N)の各々において、当該リンク部材Liを第i対象関節機構Jiの回転軸周りに回転させるときの慣性モーメント(以下、「第2慣性モーメント」という)である。従って、式(211−1)のI_Bは、第i対象関節機構Jiと先端部3との間にある各リンク部材Lk(k=i,i+1,...,N-1,N)における第2慣性モーメントの総和である。 In addition, “|| a_i × (rgc_k−r_i) || 2 · m_k” in Expression (211-1) is the link member Lk (k = i, k) between the i-th target joint mechanism Ji and the distal end portion 3. i + 1,..., N−1, N), the moment of inertia when the link member Li is rotated around the rotation axis of the i-th target joint mechanism Ji (hereinafter referred to as “second moment of inertia”). ). Therefore, I_B in the equation (211-1) is the link member Lk (k = i, i + 1,..., N-1, N) between the i-th target joint mechanism Ji and the tip 3. Is the sum of the second moments of inertia at.

なお、各対象関節機構Jiにおいて、当該対象関節機構Jiが変位する場合の慣性モーメントI_t_iは、式(211−1)に従って算出されるものに限らず、他の演算式等によって算出されてもよい。   Note that, in each target joint mechanism Ji, the inertia moment I_t_i when the target joint mechanism Ji is displaced is not limited to that calculated according to the equation (211-1), but may be calculated using another arithmetic equation or the like. .

なお、rgc_kは、第1関節機構J1〜第k−1関節機構Jk−1の各々の関節角度ψに応じて変化する。また、r_i及びa_iは、第1関節機構J1〜第i−1関節機構Ji−1の各々の関節角度ψに応じて変化する。また、I_k及びm_kは、リンク機構1の構造が決定した段階で一意に決定される。以上より、慣性モーメントI_t_iは、各関節機構Jiの関節角度ψ_iに応じて変化することが分かる。   Note that rgc_k changes according to the joint angle ψ of each of the first joint mechanism J1 to the k-1th joint mechanism Jk-1. Moreover, r_i and a_i change according to each joint angle (psi) of 1st joint mechanism J1-i-1th joint mechanism Ji-1. In addition, I_k and m_k are uniquely determined when the structure of the link mechanism 1 is determined. From the above, it can be seen that the moment of inertia I_t_i changes according to the joint angle ψ_i of each joint mechanism Ji.

そこで、第i対象関節機構Jiが変位するときの第i最小慣性モーメントI_min_iは、「各関節機構Jiが取り得る関節角度ψ_i」の予め想定される全ての組み合わせの各々における当該第i対象関節機構Jiが変位するときの慣性モーメントI_t_iのうち、最も小さな慣性モーメントI_t_iとして決定される。   Therefore, the i-th minimum inertia moment I_min_i when the i-th target joint mechanism Ji is displaced is the i-th target joint mechanism in each of all the possible combinations of “joint angles ψ_i that each joint mechanism Ji can take”. Of the moments of inertia I_t_i when Ji is displaced, the smallest moment of inertia I_t_i is determined.

関節最小慣性衝突運動エネルギーは、第i対象関節機構Jiが変位する場合における当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが大きくなる程大きくなる。関節最小慣性衝突運動エネルギーは、第i対象関節機構Jiが変位する場合の当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが第i最小慣性モーメントI_min_iである場合における衝突運動エネルギーである。従って、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_i及び当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iが一定という条件下において、関節最小慣性衝突運動エネルギーは、衝突運動エネルギーが取り得る値のなかの最小値となる。   The joint minimum inertial collision kinetic energy increases as the inertia moment I_t_i of the i-th target joint mechanism Ji when the i-th target joint mechanism Ji is displaced increases. The joint minimum inertial collision kinetic energy is the collision kinetic energy in a case where the inertia moment I_t_i of the i-th target joint mechanism Ji when the i-th target joint mechanism Ji is displaced is the i-th minimum inertia moment I_min_i. Therefore, under the condition that the stiffness k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji and the joint displacement speed ω_i of the i-th target joint mechanism Ji are constant, the joint minimum inertial collision kinetic energy is a value that the collision kinetic energy can take. It is the minimum value of.

第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが第1剛性k1_i以上に設定されることにより、当該第i対象関節機構Jiが変位する場合に当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントが当該第i対象関節機構Jiの取り得るいずれの値であっても、及び当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを変化させる量が当該第i対象関節機構Jiを変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件1を満たすように(衝突運動エネルギーを、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性エネルギーに全て変換できるように)、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを設定できる。   By setting the stiffness k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji to be equal to or higher than the first stiffness k1_i, the moment of inertia of the i-th target joint mechanism Ji is changed when the i-th target joint mechanism Ji is displaced. Any value that can be taken by the i-th target joint mechanism Ji and any amount that can change the joint displacement speed ω_i of the i-th target joint mechanism Ji can be taken when the i-th target joint mechanism Ji is changed. Even if the value of is the elasticity of the i-th target joint mechanism Ji so that the condition 1 is satisfied (so that the collision kinetic energy can be completely converted into the elastic energy of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji) The rigidity k_i of the element 5 can be set.

より詳細には、各対象関節機構Jiにおいて、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の第1剛性k1_iは、次式(211−2)によって得られる値以上に設定される。   More specifically, in each target joint mechanism Ji, the first stiffness k1_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is set to be equal to or greater than the value obtained by the following equation (211-2).

ここで、式(211−2)は、次式(211−3)を満たす、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを示している。   Here, Formula (211-2) indicates the stiffness k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji that satisfies the following Formula (211-3).

式(211−3)において、左辺は、前述した関節最小慣性衝突運動エネルギーを示す。また、右辺は、前述した関節最大弾性エネルギーを示す。   In Expression (211-3), the left side represents the joint minimum inertial collision kinetic energy described above. The right side indicates the joint maximum elastic energy described above.

(2−1−2.第2剛性)
条件2を満たすために、各対象関節機構Jiにおいて、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の第2剛性k2_iは、第3時間が第4時間以上となるように設定されている。
(2-1-2. Second rigidity)
In order to satisfy the condition 2, in each target joint mechanism Ji, the second stiffness k2_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is set so that the third time is equal to or longer than the fourth time.

ここで、第3時間とは、第i対象関節機構Jiが変位する場合に当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが当該第i対象関節機構Jiの取り得る最大値(以下、当該第i対象関節機構Jiにおいて、この最大値を「第i最大慣性モーメント」という)I_max_iとなり、且つ当該第i対象関節機構Jiの変位が開始された時点から、当該第i対象関節機構Jiの変位によって蓄積された当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の弾性エネルギーによる当該第i対象関節機構Jiの変位が開始される時点までの時間である。   Here, the third time is the maximum value (hereinafter referred to as the i th target joint mechanism Ji) that the moment of inertia I_t_i of the i th target joint mechanism Ji can take when the i th target joint mechanism Ji is displaced. In the target joint mechanism Ji, this maximum value becomes “I_max_i” (referred to as “i-th maximum moment of inertia”), and from the time when the displacement of the i-th target joint mechanism Ji is started, accumulation is performed by the displacement of the i-th target joint mechanism Ji The time until the start of displacement of the i-th target joint mechanism Ji by the elastic energy of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji.

なお、第i対象関節機構Jiが変位するときの第i最大慣性モーメントI_max_iは、「各関節機構Jiが取り得る関節角度ψ_i」の予め想定される全ての組み合わせの各々における当該第i対象関節機構Jiが変位するときの慣性モーメントI_t_iのうち、最も大きな慣性モーメントI_t_iとして決定される。   Note that the i-th maximum moment of inertia I_max_i when the i-th target joint mechanism Ji is displaced is the i-th target joint mechanism in each of all possible combinations of “joint angles ψ_i that each joint mechanism Ji can take”. Of the moments of inertia I_t_i when Ji is displaced, the largest moment of inertia I_t_i is determined.

また、第4時間とは、アクチュエータ4によって第i対象関節機構Jiが実現可能な最大加速度A_max_iで当該第i対象関節機構Jiが変位すると仮定した場合に、当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを、当該第i対象関節機構Jiの最大の関節変位速度ω_max_iだけ変化させる場合の時間である。   The fourth time is the joint displacement of the i-th target joint mechanism Ji when it is assumed that the i-th target joint mechanism Ji is displaced at the maximum acceleration A_max_i at which the i-th target joint mechanism Ji can be realized by the actuator 4. This is the time when the speed ω_i is changed by the maximum joint displacement speed ω_max_i of the i-th target joint mechanism Ji.

ここで、第1時間は、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが一定という条件下において、当該第i対象関節機構Jiが変位する場合の当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが大きい程大きくなる。第3時間は、当該第i対象関節機構Jiが変位する場合に当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが第i最大慣性モーメントI_max_iである場合における第1時間である。従って、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが一定という条件下において、第3時間は、第1時間が取り得る長さのなかの最大長となる。   Here, during the first time, the inertia of the i-th target joint mechanism Ji when the i-th target joint mechanism Ji is displaced under the condition that the rigidity k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is constant. The larger the moment I_t_i, the larger the moment. The third time is a first time when the inertia moment I_t_i of the i-th target joint mechanism Ji is the i-th maximum inertia moment I_max_i when the i-th target joint mechanism Ji is displaced. Therefore, under the condition that the rigidity k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is constant, the third time is the maximum length that can be taken by the first time.

また、第2時間は、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが一定という条件下において、当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを、変化させる量が大きい程大きくなる。第4時間は、当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを、当該第i対象関節機構Jiの最大の関節変位速度ω_max_iだけ変化させる場合における第2時間である。従って、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが一定という条件下において、第4時間は、第2時間が取り得る長さのなかの最大長となる。   The second time increases as the amount of change in the joint displacement speed ω_i of the i-th target joint mechanism Ji increases under the condition that the rigidity k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is constant. . The fourth time is a second time when the joint displacement speed ω_i of the i-th target joint mechanism Ji is changed by the maximum joint displacement speed ω_max_i of the i-th target joint mechanism Ji. Therefore, under the condition that the stiffness k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is constant, the fourth time is the maximum length that can be taken by the second time.

このように、第1時間の最大長である第3時間が、第2時間の最大長である第4時間以上となるように、第2剛性k2_iが設定されている。従って、第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが当該第i対象関節機構Jiの取り得るいずれの値であっても、及び当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを変化させる量が当該第i対象関節機構Jiを変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件2を満たすように(第1時間が第2時間以上となるように)当該第i対象関節機構Jiの剛性k_iを設定できる。   Thus, the second stiffness k2_i is set so that the third time, which is the maximum length of the first time, is equal to or greater than the fourth time, which is the maximum length of the second time. Therefore, even if the inertia moment I_t_i of the i-th target joint mechanism Ji is any value that the i-th target joint mechanism Ji can take, the amount by which the joint displacement speed ω_i of the i-th target joint mechanism Ji is changed is Any value that can be taken when the i-th target joint mechanism Ji is changed, so that the condition 2 is satisfied (so that the first time is equal to or longer than the second time), the rigidity of the i-th target joint mechanism Ji k_i can be set.

より詳細には、各対象関節機構Jiにおいて、第i対象関節機構Jiの弾性要素5の第2剛性k2_iは、次式(212−1)によって得られる値以上に設定される。   More specifically, in each target joint mechanism Ji, the second stiffness k2_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji is set to be equal to or greater than the value obtained by the following equation (212-1).

但し、πは、円周率を示す。   However, (pi) shows a circumference ratio.

ここで、式(212−1)は、次式(212−2)を満たす第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iである。   Here, the equation (212-1) is the rigidity k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji that satisfies the following equation (212-2).

式(212−2)において、左辺は、前述した第3時間である。また、右辺は、前述した第4時間である。   In the expression (212-2), the left side is the third time described above. The right side is the fourth time described above.

以上のように、各対象関節機構Jiにおいて、第i対象関節機構Jiが変位する場合に当該第i対象関節機構Jiの慣性モーメントI_t_iが当該第i対象関節機構Jiの取り得るいずれの値であっても、及び当該第i対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iを変化させる量が当該第i対象関節機構Jiを変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件1及び条件2を満たすように、当該第i対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを設定できる。従って、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突することにより各関節機構Jiが損傷することを防止するために、各対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを適切な範囲に設定できる。   As described above, in each target joint mechanism Ji, when the i-th target joint mechanism Ji is displaced, the inertia moment I_t_i of the i-th target joint mechanism Ji is any value that the i-th target joint mechanism Ji can take. However, the condition 1 and the condition 2 are satisfied, even if the amount of change in the joint displacement speed ω_i of the i-th target joint mechanism Ji is any value that can be taken when the i-th target joint mechanism Ji is changed. In this way, the rigidity k_i of the elastic element 5 of the i-th target joint mechanism Ji can be set. Therefore, in order to prevent each joint mechanism Ji from being damaged by the collision link member Lcoll colliding with the object Obj, the rigidity k_i of the elastic element 5 of each target joint mechanism Ji can be set to an appropriate range.

(2−2.粘性係数可変範囲)
各関節機構Jiにおいて、粘性要素6の粘性係数C_iは、第1粘性係数C1_i以上且つ第2粘性係数C2_i以下の範囲で変更可能に構成される。ここで、第1粘性係数C1_iは、第i関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが第1剛性k1_iと等しいと仮定した場合に、当該第i関節機構Jiの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定される。また、第2粘性係数C2_iは、第i関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが第2剛性k2_iと等しいと仮定した場合に、当該第i関節機構Jiの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定される。
(2-2. Viscosity coefficient variable range)
In each joint mechanism Ji, the viscosity coefficient C_i of the viscous element 6 is configured to be changeable within the range of the first viscosity coefficient C1_i and the second viscosity coefficient C2_i. Here, when it is assumed that the stiffness k_i of the elastic element 5 of the i-th joint mechanism Ji is equal to the first stiffness k1_i, the first viscosity coefficient C1_i indicates that the behavior characteristic of the i-th joint mechanism Ji is critical or overdamped. It is set to become the characteristic of. Further, the second viscosity coefficient C2_i is such that when the stiffness k_i of the elastic element 5 of the i-th joint mechanism Ji is equal to the second stiffness k2_i, the behavior characteristic of the i-th joint mechanism Ji is critical or overdamped. Set to be characteristic.

これにより、各関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iが、第1剛性k1_i以上且つ第2剛性k2_i以下の範囲のいずれの剛性k_iに変更された場合であっても、当該変更された剛性k_iに対して、当該第i関節機構Jiの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となる粘性係数C_iが、第1粘性係数C1_i以上且つ第2粘性係数C2_i以下の範囲に含まれる。   Thereby, even if the rigidity k_i of the elastic element 5 of each joint mechanism Ji is changed to any rigidity k_i in the range of the first rigidity k1_i and the second rigidity k2_i, the changed rigidity k_i. On the other hand, the viscosity coefficient C_i in which the behavior characteristic of the i-th joint mechanism Ji is a critical damping characteristic or an excessive damping characteristic is included in the range of the first viscosity coefficient C1_i and the second viscosity coefficient C2_i.

従って、例えば、制御装置の制御によって、各関節機構Jiの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となるように、各関節機構Jiの粘性要素6の粘性係数C_iを変更することが可能となり、各関節機構Jiの挙動特性が減衰振動の特性となることが防止される。そして、各関節機構Jiの減衰振動に応じた衝突リンク部材Lcollの振動の発生が防止され、各関節機構Jiの弾性要素5の弾性による衝突リンク部材Lcollと物体との衝突が再度生じることが防止される。これにより、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突することによる各関節機構Jiの損傷を防止できる。   Therefore, for example, by controlling the control device, the viscosity coefficient C_i of the viscous element 6 of each joint mechanism Ji can be changed so that the behavior characteristic of each joint mechanism Ji becomes a critical damping characteristic or an overdamping characteristic. It is possible to prevent the behavioral characteristics of each joint mechanism Ji from becoming a damped vibration characteristic. Then, the occurrence of the vibration of the collision link member Lcoll corresponding to the damped vibration of each joint mechanism Ji is prevented, and the collision between the collision link member Lcoll and the object due to the elasticity of the elastic element 5 of each joint mechanism Ji is prevented. Is done. Thereby, damage to each joint mechanism Ji due to the collision link member Lcoll colliding with the object Obj can be prevented.

具体的には、第1粘性係数C1_iは次式(22−1)に従って決定され、第2粘性係数C2_iは次式(22−2)に従って決定される。   Specifically, the first viscosity coefficient C1_i is determined according to the following expression (22-1), and the second viscosity coefficient C2_i is determined according to the following expression (22-2).

但し、式(22−1)及び式(22−2)において、ζは減衰比を示す。減衰比ζは、対象関節機構Jiの挙動特性が、臨界減衰又は過減衰の特性となるように設定される(すなわち、ζが1以上に設定される)。   However, in Expressions (22-1) and (22-2), ζ represents an attenuation ratio. The damping ratio ζ is set so that the behavior characteristic of the target joint mechanism Ji becomes a critical damping characteristic or an excessive damping characteristic (that is, ζ is set to 1 or more).

(3.制御)
次に、上記のように構成されたリンク機構1において、制御装置(図示省略)が、各リンク部材Liのうちいずれかが物体Objと衝突する可能性があることを検知した場合に、各関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_i及び粘性要素6の粘性係数C_iを制御する方法の一例について説明する。
(3. Control)
Next, in the link mechanism 1 configured as described above, when the control device (not shown) detects that any of the link members Li may collide with the object Obj, each joint An example of a method for controlling the rigidity k_i of the elastic element 5 and the viscosity coefficient C_i of the viscous element 6 of the mechanism Ji will be described.

なお、制御装置は、例えば、図示しない外界センサ等(カメラ等)の情報より、各リンク部材Liのいずれかが物体Objと衝突する可能性があることを検知している。そして、制御装置30は、各リンク部材Liのいずれかにおいて該可能性が一定以上である場合には、該可能性が一定以上のリンク部材Liを物体Objに衝突する可能性があるリンク部材Liであると推定している。   Note that the control device detects that there is a possibility that any of the link members Li may collide with the object Obj based on information from an external sensor (such as a camera) (not shown). Then, when the possibility is higher than a certain value in any of the link members Li, the control device 30 may cause the link member Li that has a certain possibility or more to collide with the object Obj. It is estimated that.

(3−1.剛性)
この場合、制御装置は、各対象関節機構Jiにおいて、当該対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを変更可能な範囲内において、次式(31−1)を満たす剛性k_i以上(条件1を満たすように)、且つ次式(31−2)を満たす剛性k_i以下(条件2を満たすように)となるように、当該対象関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iの目標値となる目標剛性k_cmd_iを決定する。なお、式(31−1)において、左辺は前述した衝突運動エネルギーを示し、右辺は前述した関節最大弾性エネルギーを示す。また、式(31−2)において、左辺は前述した第1時間を示し、右辺は前述した第2時間を示す。
(3-1. Rigidity)
In this case, in each target joint mechanism Ji, the control device has a rigidity k_i that satisfies the following expression (31-1) within a range in which the rigidity k_i of the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji can be changed (condition 1). The target stiffness that is the target value of the stiffness k_i of the elastic element 5 of the target joint mechanism Ji so that the stiffness k_i that satisfies the following expression (31-2) or less (so that the condition 2 is satisfied) is satisfied. k_cmd_i is determined. In equation (31-1), the left side represents the above-described collision kinetic energy, and the right side represents the above-described joint maximum elastic energy. In the formula (31-2), the left side indicates the first time described above, and the right side indicates the second time described above.

ここで、当該対象関節機構Jiの相対的関節変位速度Δω_iは、衝突リンク部材Lcollに設けられた速度センサ(図示省略)が出力した衝突相対速度(衝突リンク部材Lcollと物体Objとの間の相対的な速度)ΔV(=(ΔV_x,ΔV_y,ΔV_z))に応じて、次式(31−3)に従って決定される。   Here, the relative joint displacement speed Δω_i of the target joint mechanism Ji is the collision relative speed (relative between the collision link member Lcoll and the object Obj) output by the speed sensor (not shown) provided in the collision link member Lcoll. Is determined according to the following equation (31-3) according to ΔV (= (ΔV_x, ΔV_y, ΔV_z)).

Δω=Jcoll+・ΔV …(31−3)
ここで、Jcoll+は、以下に示されるヤコビ行列Jcollの疑似逆行列である。ヤコビ行列Jcollは、基体座標系における、衝突リンク部材Lcollの変位速度と、対象関節機構Jiの関節変位速度ω_iとの関係を規定するヤコビ行列である。また、対象関節機構Jiのうち最も衝突リンク部材Lcollに近い関節機構Jcollの相対的関節変位速度Δω_iをΔω_collと表す場合、Δωは、(Δω_1,Δω_2,...,Δω_coll)で表される。すなわち、Δωは、各対象関節機構Jiの相対的関節変位速度Δω_iの全てを要素とするベクトルである。
Δω = Jcoll + · ΔV (31-3)
Here, Jcoll + is a pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix Jcoll shown below. The Jacobian matrix Jcoll is a Jacobian matrix that defines the relationship between the displacement speed of the collision link member Lcoll and the joint displacement speed ω_i of the target joint mechanism Ji in the base coordinate system. When the relative joint displacement speed Δω_i of the joint mechanism Jcoll closest to the collision link member Lcoll among the target joint mechanisms Ji is represented as Δω_coll, Δω is represented by (Δω_1, Δω_2,..., Δω_coll). That is, Δω is a vector having all the relative joint displacement speeds Δω_i of the target joint mechanisms Ji as elements.

そして、制御装置は、各関節機構Jiの弾性要素5の剛性k_iを、決定された目標剛性k_cmd_iになるように制御する。これにより、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突した場合であっても、各関節機構Jiの損傷を防止できる。   Then, the control device controls the rigidity k_i of the elastic element 5 of each joint mechanism Ji so as to become the determined target rigidity k_cmd_i. Thereby, even if it is a case where the collision link member Lcoll collides with the object Obj, damage to each joint mechanism Ji can be prevented.

(3−2.粘性係数)
制御装置は、各関節機構Jiにおいて、当該関節機構Jiの粘性要素6の粘性係数の目標値となる目標粘性係数C_cmd_iを、上記のように設定された目標剛性k_cmd_iに応じて、次式(32)に従って決定する。
(3-2. Viscosity coefficient)
In each joint mechanism Ji, the control device sets the target viscosity coefficient C_cmd_i, which is the target value of the viscosity coefficient of the viscous element 6 of the joint mechanism Ji, to the following equation (32) according to the target stiffness k_cmd_i set as described above. )

但し、式(32)において、ζは、式(22−1)及び式(22−2)と同様に、減衰比を示す。減衰比ζは、対象関節機構Jiの挙動特性が、臨界減衰又は過減衰の特性となるように設定される(すなわち、ζが1以上に設定される)。   However, in Expression (32), ζ represents an attenuation ratio as in Expression (22-1) and Expression (22-2). The damping ratio ζ is set so that the behavior characteristic of the target joint mechanism Ji becomes a critical damping characteristic or an excessive damping characteristic (that is, ζ is set to 1 or more).

そして、制御装置は、各関節機構Jiの粘性要素6の粘性係数C_iを、決定された目標粘性係数C_cmd_iになるように制御する。   Then, the control device controls the viscosity coefficient C_i of the viscosity element 6 of each joint mechanism Ji to be the determined target viscosity coefficient C_cmd_i.

これにより、各関節機構Jiの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となり、減衰振動の特性になることが防止される。従って、該関節機構Jiの減衰振動に応じた衝突リンク部材Lcollの振動の発生が防止され、各関節機構Jiの弾性要素5の弾性による衝突リンク部材Lcollと物体Objとの衝突が生じることが防止される。これにより、衝突リンク部材Lcollが物体Objと衝突することによる各関節機構Jiの損傷を防止できる。   Thereby, the behavior characteristic of each joint mechanism Ji becomes a critical damping characteristic or an over-damping characteristic, and is prevented from becoming a damping vibration characteristic. Therefore, the vibration of the collision link member Lcoll according to the damped vibration of the joint mechanism Ji is prevented, and the collision between the collision link member Lcoll and the object Obj due to the elasticity of the elastic element 5 of each joint mechanism Ji is prevented. Is done. Thereby, damage to each joint mechanism Ji due to the collision link member Lcoll colliding with the object Obj can be prevented.

(4.変形例)
本実施形態において、第1剛性k1_iは、前述した式(211−2)に従って得られる剛性k_i以上の値に決定されているが、他の演算式等によって、その値が決定されてもよい。
(4. Modifications)
In the present embodiment, the first stiffness k1_i is determined to be a value equal to or greater than the stiffness k_i obtained according to the equation (211-2) described above, but the value may be determined by another arithmetic equation or the like.

また、本実施形態において、第2剛性k2_iは、前述した式(212−1)に従って得られる剛性以下の値に決定されているが、他の演算式等によって、その値が決定されてもよい。   Further, in the present embodiment, the second stiffness k2_i is determined to be a value equal to or less than the stiffness obtained according to the equation (212-1) described above, but the value may be determined by another arithmetic equation or the like. .

また、関節機構Jiは、少なくとも弾性要素5を備えている態様であれば、粘性要素6を備えていない態様であってもよい。   Further, the joint mechanism Ji may be in an aspect not including the viscous element 6 as long as the joint mechanism Ji includes at least the elastic element 5.

また、関節機構Jiは、駆動側のリンクと被動側のリンクとの間で動力伝達をする際に、該動力が弾性力及び粘性力に変換されて伝達される態様であれば、本実施形態の態様以外の態様であってもよい。例えば、駆動側のリンクと被動側のリンクとの間の動力伝達経路上に、剛性及び粘性係数を変更可能に構成された導電性高分子アクチュエータが用いられていてもよい。   Further, when the joint mechanism Ji transmits power between the drive side link and the driven side link as long as the power is converted into an elastic force and a viscous force and transmitted, this embodiment It may be an aspect other than the aspect. For example, a conductive polymer actuator configured to be able to change the stiffness and viscosity coefficient may be used on a power transmission path between the drive side link and the driven side link.

1…リンク機構、Obj…物体、2…基体、3…先端部、Ji…関節機構、4…アクチュエータ、5…弾性要素、6…粘性要素、11…ワイヤ(弾性要素)、14…回転バー(弾性要素)、16…ギヤ(弾性要素)、17…スプリングウォーム(弾性要素)、18…電動モータ(弾性要素)、19…シリンダ(粘性要素)、24…オリフィス部(粘性要素)、Δθ…弾性変位量(弾性変形量)、Δθ_i…弾性変位量(弾性変形量)、Δθ_lim_i…最大変位量(最大変形量)、k_i…剛性、C_i…粘性係数、k1_i…第1剛性、k2_i…第2剛性、C1_i…第1粘性係数、C2_i…第2粘性係数、ω_i…関節変位速度(変位速度)、I_t_i…慣性モーメント、Lcoll…衝突リンク部材(可動部)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Link mechanism, Obj ... Object, 2 ... Base | substrate, 3 ... Tip part, Ji ... Joint mechanism, 4 ... Actuator, 5 ... Elastic element, 6 ... Viscous element, 11 ... Wire (elastic element), 14 ... Rotation bar ( Elastic element), 16 Gear (elastic element), 17 Spring worm (elastic element), 18 Electric motor (elastic element), 19 Cylinder (viscous element), 24 Orifice (viscous element), Δθ Elastic Displacement (elastic deformation), Δθ_i: Elastic displacement (elastic deformation), Δθ_lim_i: Maximum displacement (maximum deformation), k_i: Rigidity, C_i: Viscosity coefficient, k1_i: First stiffness, k2_i: Second stiffness , C1_i: first viscosity coefficient, C2_i: second viscosity coefficient, ω_i: joint displacement speed (displacement speed), I_t_i: moment of inertia, Lcoll: collision link member (movable part).

Claims (4)

基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた1つ又は複数の関節機構と、前記1つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記1つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構であって、
前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性は、前記1つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第1剛性以上且つ第2剛性以下の範囲で変更可能に構成されており、
前記1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第1剛性は、当該関節機構の前記弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の前記弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーが、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値となり、且つ前記アクチュエータによって変位される場合の当該関節機構が実現可能な最大の変位速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合の当該関節機構の運動エネルギー以上となるように設定され、
前記1つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第2剛性は、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値となり、且つ当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合に、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合の時間以上となるように設定されていることを特徴とするリンク機構。
One or a plurality of joint mechanisms provided between a base and a movable part movable with respect to the base; and an actuator for outputting a driving force for displacing the one or the plurality of joint mechanisms, Each of the one or more joint mechanisms is a link mechanism configured to transmit power via an elastically deformable elastic element configured to be variably controllable in rigidity.
The rigidity of the elastic element of each of the one or more joint mechanisms can be changed within a range of a first rigidity or more and a second rigidity or less set for each of the one or more joint mechanisms. Has been
In each of the one or more joint mechanisms, the first rigidity of the elastic element of the joint mechanism is that the elastic deformation amount of the elastic element of the joint mechanism is the maximum deformation amount of the elastic element of the joint mechanism. The elastic energy of the elastic element of the joint mechanism in a certain case is such that when the joint mechanism is displaced, the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism becomes the minimum value that the joint mechanism can take and is displaced by the actuator. Is set to be equal to or greater than the kinetic energy of the joint mechanism when the joint mechanism is assumed to be displaced at the maximum displacement speed that can be achieved by the joint mechanism,
In each of the one or more joint mechanisms, the second stiffness of the elastic element of the joint mechanism can be determined by the moment of inertia or the inertial mass of the joint mechanism when the joint mechanism is displaced. Time from the time when the displacement of the joint mechanism is started to the time when the displacement of the joint mechanism is started by the elastic energy of the elastic element of the joint mechanism accumulated by the displacement of the joint mechanism. However, when it is assumed that the joint mechanism is displaced at the maximum acceleration that can be realized by the actuator, the displacement speed of the joint mechanism is more than the time when the maximum displacement speed of the joint mechanism is changed. A link mechanism characterized by being set to be.
請求項1に記載のリンク機構において、前記1つ又は複数の関節機構のうちの任意の1つの関節機構を第i関節機構と定義したとき、前記第i関節機構の前記弾性要素の前記第1剛性は、次式(1)に従って得られる剛性以上に設定されていることを特徴とするリンク機構。
但し、
I_min_i:前記第i関節機構が変位する場合に当該第i関節機構が取り得る当該第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最小値
ω_max_i:前記第i関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度
x_lim_i:前記第i関節機構の前記弾性要素の最大変形量
2. The link mechanism according to claim 1, wherein when any one of the one or more joint mechanisms is defined as an i-th joint mechanism, the first of the elastic elements of the i-th joint mechanism. The link mechanism characterized in that the rigidity is set to be higher than the rigidity obtained according to the following equation (1).
However,
I_min_i: Minimum value of inertia moment or inertia mass of the i-th joint mechanism that can be taken by the i-th joint mechanism when the i-th joint mechanism is displaced ω_max_i: Realized when the i-th joint mechanism is displaced by the actuator Maximum possible displacement speed
x_lim_i: maximum deformation amount of the elastic element of the i-th joint mechanism
請求項1又は2に記載のリンク機構において、前記1つ又は複数の関節機構のうちの任意の1つの関節機構を第i関節機構と定義したとき、前記第i関節機構の前記弾性要素の前記第2剛性は、次式(2)に従って得られる剛性以下に設定されていることを特徴とするリンク機構。
但し、
I_max_i:前記第i関節機構が変位する場合に当該第i関節機構が取り得る当該第i関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最大値
π:円周率
A_max_i:前記第i関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大加速度
ω_max_i:前記第i関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度
The link mechanism according to claim 1 or 2, wherein any one of the one or more joint mechanisms is defined as an i-th joint mechanism, and the elastic element of the i-th joint mechanism is the link mechanism. The link mechanism characterized in that the second rigidity is set to be equal to or less than the rigidity obtained according to the following equation (2).
However,
I_max_i: Maximum moment of inertia or mass of the i-th joint mechanism that can be taken by the i-th joint mechanism when the i-th joint mechanism is displaced π: Circumferential ratio
A_max_i: Maximum acceleration that can be realized when the i-th joint mechanism is displaced by the actuator ω_max_i: Maximum displacement speed that can be realized when the i-th joint mechanism is displaced by the actuator
請求項1〜3のいずれか1項に記載のリンク機構において、
前記1つ又は複数の関節機構の各々は、前記弾性要素及び、粘性係数を可変的に制御可能に構成された粘性要素を介して動力伝達を行うように構成され、
前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の粘性係数は、前記1つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第1粘性係数以上且つ第2粘性係数以下の範囲で変更可能に構成されており、
前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第1粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第1剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定され、
前記1つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第2粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第2剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定されていることを特徴とするリンク機構。
In the link mechanism according to any one of claims 1 to 3,
Each of the one or more joint mechanisms is configured to transmit power via the elastic element and a viscous element configured to variably control the viscosity coefficient,
The viscosity coefficient of the viscous element of each of the one or more joint mechanisms is changed within a range of the first viscosity coefficient or more and the second viscosity coefficient or less set for each of the one or more joint mechanisms. Configured to be possible,
The first viscosity coefficient of the viscous element of each of the one or more joint mechanisms is a behavior characteristic of the joint mechanism assuming that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is equal to the first rigidity. Is set to be critically damped or overdamped,
The second viscosity coefficient of the viscous element of each of the one or more joint mechanisms is a behavior characteristic of the joint mechanism assuming that the rigidity of the elastic element of the joint mechanism is equal to the second rigidity. Is set to have a characteristic of critical damping or overdamping.
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