JP3984641B2 - 関節駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム等の機械装置の関節機構に応用可能な関節駆動装置及び該関節駆動装置を有するロボットアームに関する。

空気圧人工筋等の弾性体アクチュエータは直動の変位が得られるが、収縮方向のみ力を発生することが可能であるため、ロボットアーム等の可動機械装置の回転関節機構に応用する場合、図１４Ａ，図１４Ｂに示すような拮抗駆動機構により回転運動を実現する。

図１４Ａ，図１４Ｂにおいて５７は第１構造体、５８は第２構造体である。第１構造体５７と第２構造体５８は、回転関節５９により結合されており、相対的に回動可能である。第１構造体５７には対向するようにアクチュエータ支持部材６０ａ及び６０ｂが配設されており、第２構造体５８にはアクチュエータ駆動力伝達部材６１が配設されている。

６２ａ及び６２ｂは弾性体アクチュエータであり、第１構造体５７と略平行、かつ、挟むように配設されている。弾性体アクチュエータ６２ａ及び６２ｂは、回転ジョイント６３ａ及び６３ｂによりアクチュエータ支持部材６０ａ及び６０ｂと、それぞれ接続されている。また、弾性体アクチュエータ６２ａ及び６２ｂは、回転ジョイント６３ｃ及び６３ｄによりアクチュエータ駆動力伝達部材６１と、それぞれ接続されており、弾性体アクチュエータ６２ａ及び６２ｂの収縮により回転関節５９まわりの回転運動が実現される。

図１４Ａ，図１４Ｂの拮抗駆動機構では、回転軸が回転すると、例えば図１４Ａと図１４Ｂの場合のように、弾性体アクチュエータ６２ａと連結支柱であるアクチュエータ駆動力伝達部材６１のなす角度αが、回転角度θが小さい場合と大きい場合で異なることになり、弾性体アクチュエータがある並進力を発生しても、回転角度θによって回転軸に発生する回転トルクは異なり、また、弾性体アクチュエータがある直動変位を発生しても、回転角度θによって回転軸の回転変位は異なることになる。具体的には、回転角度θが大きいときには、回転角度θが小さいときと比べて、発生する回転トルクは小さく、回転変位量も小さくなる。

また、図１４Ｂにおいて記号Ａとして矢印で示す箇所のように、回転角度θが大きいときには弾性体アクチュエータ間の間隔が小さくなり、弾性体アクチュエータ６２ａ又は６２ｂの端部と第１構造体５７との接触が発生することから回転角度θの可動範囲が小さくなるという課題もある。

こうした課題に対し、従来技術としては、特許文献１（特開平０７−２４７７２号公報）において、ワイヤーとプーリにより駆動する構造により、弾性体アクチュエータが発生するある並進力に対し、回転角θに関係なく一定の回転トルクを発生することができ、また、弾性体アクチュエータのある直動変位に対し、回転角θに関係なく一定の回転変位を発生することができる構造が提供されている。

また、特許文献１の構造では、中間プーリを配設することにより、プーリ径を小型にしても弾性体アクチュエータを平行に配設することができ、弾性体アクチュエータ同士が接触し、可動範囲が制限されることもない。

しかしながら、前記特許文献１の構成では、ワイヤーの緩みやプーリからの脱落等が発生する可能性があり、制御精度が低下したり、動作不能になる可能性がある。

また、弾性体アクチュエータが発生するある並進力に対し、一定の回転トルクしか発生することができず、ロボット等に応用した場合に、重い物を把持するために大きな力が必要とされる状況や、広い範囲で作業させるために大きな可動範囲が必要とされる状況等、状況に応じて、ある並進力に対する回転トルクを可変にすることはできない。

本発明の目的は、前記従来の関節機構の課題を解決し、ワイヤーの緩みやプーリからの脱落等といった課題が無く、また、弾性体アクチュエータが発生するある並進力に対し、状況に応じて回転トルクを可変にすることができる、信頼性及び柔軟性の高い関節駆動装置及び該関節駆動装置を有するロボットアームを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の１つの態様によれば、第１構造体と、前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、
前記第１構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第２構造体に固定された第１弾性体アクチュエータと、
前記第１構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第２構造体の前記第１構造体の端部が固定された位置と関節に関して略対称の場所に固定された第２弾性体アクチュエータと、
前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置の間隔を可変にする固定位置可変機構とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

本発明の別の態様によれば、第１構造体と、
前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、
前記第１構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体アクチュエータと、
前記弾性体アクチュエータの固定端と反対側の可動端と前記第１構造体とを連結するように配設され前記弾性体アクチュエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有する運動規制部と、
前記弾性体アクチュエータの前記可動端と前記第２構造体を結合する結合部とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

本発明によれば、固定位置可変機構を有することにより、弾性体アクチュエータ間の間隔を制御できるため、回転トルクを優先した動作や回転変位量を優先した動作等を、状況に応じて柔軟かつ連続的に切り替えることができる。したがって、本発明の関節駆動装置によりロボットアームを構成することで、大きなトルクを発生することができ、より重量の重い物体を把持・運搬することが可能であり、かつ、関節の可動範囲を大きくとることができ、作業範囲をより広くとることが可能なロボットアームが実現する等、状況に応じて高出力あるいは広作業範囲といったように特性を柔軟に可変にすることができ、かつ、信頼性も高いロボットアームを実現することができる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、第１構造体と、前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、前記第１構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第２構造体に固定された第１弾性体アクチュエータと、前記第１構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第２構造体の前記第１構造体の端部が固定された位置と関節に関して略対称の場所に固定された第２弾性体アクチュエータと、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置の間隔を可変にする固定位置可変機構とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転トルクを変化させることを特徴とする第１の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転角を変化させることを特徴とする第１の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転トルクを変化させる制御装置をさらに備えることを特徴とする第２の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転角を変化させる制御装置をさらに備えることを特徴とする第３の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置とをそれぞれ前記第１構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置とをそれぞれ進退駆動することにより前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置駆動アクチュエータとを備えることを特徴とする第１〜５のいずか１つの態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置とをそれぞれ前記第１構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置とがそれぞれ移動されて前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置移動カム機構とを備えることを特徴とする第１〜５のいずか１つの態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、前記固定位置移動カム機構は、カムと、前記カムに常時接触可能でかつ前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置とがそれぞれ回転可能に支持される一対のカムフォロワーと、前記カムフォロワーを前記カムにそれぞれ常時接触するように付勢する接触保持バネとを備えて、前記一対のカムフォロワーが前記カムに常時接触して移動することにより、前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置との前記間隔を変化させることを特徴とする第７態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第９態様によれば、前記固定位置移動カム機構は、前記カムを回転駆動するカム駆動アクチュエータをさらに備えて、前記カムの回転駆動により、前記カムに常時接触する前記一対のカムフォロワーを移動させることにより、前記第１弾性体アクチュエータの前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記固定位置との前記間隔を変化させることを特徴とする第８態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、第１構造体と、前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、前記第１構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体アクチュエータと、前記弾性体アクチュエータの固定端と反対側の可動端と前記第１構造体とを連結するように配設され前記弾性体アクチュエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有する運動規制部と、前記弾性体アクチュエータの前記可動端と前記第２構造体を結合する結合部とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

本発明の第１１態様によれば、前記運動規制部は、並進１自由度のみを有するリニアガイドであることを特徴とする第１０態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第１２態様によれば、前記運動規制部は、並進１自由度及び前記並進１自由度まわりの回転１自由度を有するリニアブッシュ機構であることを特徴とする第１０態様に記載の関節駆動装置を提供する。

本発明の第１３態様によれば、第１又は１０の態様に記載の関節駆動装置を有するロボットアームを提供する。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態にかかる関節駆動装置の構造を示す全体図である。図１において、１は棒状の第１構造体、２は棒状の第２構造体である。第１構造体１の一端と第２構造体２の一端は、回転関節３により結合されており、相対的に回動可能である。第１構造体１の他端には、第１構造体１の軸方向と直交する方向沿いにかつ互いに対向するように一対の板状のアクチュエータ支持部材４ａ及び４ｂが配設されており、第２構造体２の一端の近傍には、第２構造体２の軸方向と直交する方向沿いに一本の板状のアクチュエータ駆動力伝達部材５が配設されている。

６ａ及び６ｂは弾性体アクチュエータであり、第１構造体１の長手方向と略平行、かつ、第１構造体１を挟むように略対称に配設されている。弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂのそれぞれの一端は、回転ジョイント７ａ及び７ｂによりアクチュエータ支持部材４ａ及び４ｂと、それぞれ接続されている。また、弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂのそれぞれの他端は、回転ジョイント７ｃ及び７ｄによりアクチュエータ駆動力伝達部材５と、それぞれ接続されている。回転ジョイント７ｃ及び７ｄとアクチュエータ駆動力伝達部材５の接続部は、回転関節３の中心軸近傍から外側の方向に延びる長溝穴８ａ，８ｂに沿うように摺動可能な構造となっている。

９は第１構造体１の一端の近傍に第１構造体１の長手方向と直交する方向沿いに配置された間隔制御アクチュエータであり、間隔制御アクチュエータ９の両側にそれぞれ突出した進退可能なピストンロッド９ａ，９ｂの先端が、回転ジョイント１０ａ，１０ｂにより、弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂに、それぞれ接続されている。間隔制御アクチュエータ９が動作することにより、図２Ａの状態から図２Ｂの状態に示すようにピストンロッド９ａ，９ｂが伸びて、長溝穴８ａ，８ｂ内を回転ジョイント７ｃ及び７ｄがそれぞれ外側に移動して弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの間隔ｒ（詳しくは、アクチュエータ駆動力伝達部材５に連結された弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの回転ジョイント７ｃ及び７ｄの回転軸芯間の間隔ｒ）が変化する。

図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃは弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの一例である空気圧人工筋の構造を示す図である。空気圧人工筋は、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃに示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体１２の外表面に繊維コードで構成された拘束部材１３が配設され、管状弾性体１２の両端部を封止部材１４でそれぞれ気密封止する構造となっている。図３Ｂ，図３Ｃに示すように、流体注入出部材１５を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体１２内に供給することにより内圧を管状弾性体１２の内部空間に与えると、管状弾性体１２が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材１３の作用により、管状弾性体１２の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。逆に、図３Ａに示すように、流体注入出部材１５を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体１２内から排出することにより管状弾性体１２の内部空間の内圧を下げると、管状弾性体１２が半径方向に収縮するとともに、管状弾性体１２自体の弾性力により、管状弾性体１２の中心軸方向に全長が伸長する。この空気圧人工筋は主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。

図４は間隔制御アクチュエータ９の構造を示す断面図である。図４において、１６はシリンダ、１７ａ及び１７ｂはシリンダ１６内で摺動するピストンであり、ピストン１７ａ、１７ｂのそれぞれのロッド１７ｃ，１７ｄのシリンダ１６の外側に位置する端面部はそれぞれ回転ジョイント１０ａ，１０ｂのハウジングとなっている。また、シリンダ１６とピストン１７ａ、１７ｂのロッド１７ｃ，１７ｄとの間にはＯリング１８ａ及び１８ｂがそれぞれ配設され、Ｏリング１８ａ及び１８ｂによりシリンダ１６とピストン１７ａ、１７ｂは相対的に摺動可能な状態で気密封止されている。シリンダ１６の図４の上端部、中間部、下端部には、流体注入出部材１９ａ、１９ｂ及び１９ｃが配設されており、流体注入出部材１９ａを通してピストン１７ａとシリンダ１６の図４の上端部との間のシリンダ室２０ａに、流体注入出部材１９ｂを通してピストン１７ａとピストン１７ｂ間のシリンダ室２０ｂに、及び流体注入出部材１９ｃを通してピストン１７ｂとシリンダ１６の図４の下端部との間のシリンダ室２０ｃに、それぞれ空気等の流体を供給することができる構造となっている。このような構造の間隔制御アクチュエータ９では、シリンダ室２０ａ、２０ｂ及び２０ｃ内の圧力をすべて同じにすると、ピストン１７ａ、１７ｂは静止する。一方、シリンダ室２０ａと２０ｃの圧力を同じにし、シリンダ室２０ｂの圧力をそれらよりも小さくすると、回転ジョイント１０ａ，１０ｂ間の間隔が小さくなる方向（言い換えれば、ピストン１７ａ、１７ｂが互いに接近する方向）にピストン１７ａ、１７ｂは移動する。逆に、シリンダ室２０ａと２０ｃの圧力を同じにし、シリンダ室２０ｂの圧力をそれらよりも大きくすると、回転ジョイント１０ａ，１０ｂ間の間隔が大きくなる方向（言い換えれば、ピストン１７ａ、１７ｂが互いに離れる方向）にピストン１７ａ、１７ｂは移動する。このようにシリンダ室２０ａ、２０ｂ及び２０ｃ内の圧力を制御することにより、間隔制御アクチュエータ９が動作し、弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの間隔ｒを変化させることができる。

よって、この第１実施形態では、一例として間隔制御アクチュエータ９と回転ジョイント１０ａ，１０ｂなどを有する固定位置駆動アクチュエータ機構と、一例として長溝穴８ａ，８ｂと回転ジョイント７ｃ及び７ｄなどを有する固定位置ガイド機構とより、固定位置可変機構の一例を構成している。

図５は空気圧人工筋６ａ，６ｂ及び間隔制御アクチュエータ９を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図５において、２１は例えばコンプレッサー等の空気圧源、２２は空気圧源２１の空気圧フィルタ２２ａ、空気圧減圧弁２２ｂ、及び空気圧用ルブリケータ２２ｃが１組になった空気圧調整ユニットである。２３ａ及び２３ｂは例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する５ポート流量制御電磁弁である。２４は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御装置の一例としての制御コンピュータであり、Ｄ／Ａボード２４ａが搭載されており、５ポート流量制御電磁弁２３ａ及び２３ｂに電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材１５及び１９ａ，１９ｂ，１９ｃを流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。

図５に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源２２により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット２２により減圧され、例えば６００ｋＰａといった一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁２３ａ及び２３ｂに供給される。５ポート流量制御電磁弁２３ａ及び２３ｂの開度は、制御コンピュータ２４よりＤ／Ａボード２４ａを介して出力される電圧指令値に比例して制御される。５ポート流量制御電磁弁２３ａには、一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの管状弾性体１２の流体注入出部材１５がそれぞれ接続されている。

前記したように、一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂは第１構造体１の長手方向沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体１２の流体注入出部材１５側の端部が、第１構造体１の端部に固定されたアクチュエータ支持部材４ａ，４ｂに固定されている。一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂの管状弾性体１２の他方の端部側には、第１構造体１に回転関節３で回転自在に支持されたアクチュエータ駆動力伝達部材５が支持され、このアクチュエータ駆動力伝達部材５に一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂの管状弾性体１２の他方の端部が回転自在に支持されている。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの管状弾性体１２が伸縮することにより、アクチュエータ駆動力伝達部材５が回転関節３回りに正逆回転駆動され、第２構造体２が回転関節３回りに正逆回転駆動される。なお、図５中に矢印で示した右回転を正方向、矢印とは逆の左回転を逆方向とする。

制御コンピュータ２４より正の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３ａに入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２３ａが切り替えられて図５に示すように空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源２１側から空気圧人工筋６ａの管状弾性体１２の流体注入出部材１５側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ａを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋６ａ側に供給される。また、空気圧人工筋６ｂ側は、管状弾性体１２の流体注入出部材１５から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ａを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋６ｂ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋６ａの全長が縮み（図３Ｂ参照）、空気圧人工筋６ｂの全長が伸びる（図３Ａ参照）ことにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で回転関節３は図５に矢印で示されるように右回転運動を行う。

一方、制御コンピュータ２４より負の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３ａに入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２３ａが切り替えられて、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、空気圧人工筋６ａの動作は逆となり、回転関節３は左回転運動を行う。すなわち、空気圧源２１側から空気圧人工筋６ｂの管状弾性体１２の流体注入出部材１５側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ａを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋６ｂ側に供給される。また、空気圧人工筋６ａ側は、管状弾性体１２の流体注入出部材１５から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ａを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋６ａ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋６ｂの全長が縮み（図３Ｂ参照）、空気圧人工筋６ａの全長が伸びる（図３Ａ参照）ことにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で関節軸回転関節３は矢印とは逆方向で示される左回転運動を行う。

５ポート流量制御電磁弁２３ｂには、間隔制御アクチュエータ９の流体注入出部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃが接続されている。５ポート流量制御電磁弁２３ｂのポート１と流体注入出部材１９ｂが接続され、ポート２と、そこから分岐して流体注入出部材１９ａと１９ｃが接続されている。

制御コンピュータ２４より正の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３ｂに入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２３ｂが切り替えられて図５に示すように空気圧回路記号のＣで示した状態になり、空気圧源２１側から流体注入出部材１９ｂ側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ｂを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気がシリンダ室２０ｂに供給される。また、シリンダ室２０ａ及びシリンダ室２０ｃ側は、流体注入出部材１９ａ及び１９ｃから大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ｂを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がシリンダ室２０ａ及びシリンダ室２０ｃ側から大気中へ排気される。したがって、図６Ａに示すように、間隔制御アクチュエータ９の回転ジョイント１１ａ及び１１ｂ間の間隔ｒが拡張し、電圧指令値の絶対値に比例した速度で弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの間隔ｒは矢印で示されるように拡張方向へ運動を行う。

一方、制御コンピュータ２４より負の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３ｂに入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２３ｂが切り替えられて、空気圧回路記号のＤで示した状態になり、間隔制御アクチュエータ９の動作は逆となる。すなわち、空気圧源２１側から間隔制御アクチュエータ９の流体注入出部材１９ａ及び１９ｃ側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ｂを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気がシリンダ室２０ａ及びシリンダ室２０ｃ側に供給される。また、シリンダ室２０ｂ側は、流体注入出部材１９ｂから大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３ｂを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がシリンダ室２０ｂ側から大気中へ排気される。したがって、図６Ｂに示すように、間隔制御アクチュエータ９の回転ジョイント１１ａ及び１１ｂ間の間隔ｒが縮小し、電圧指令値の絶対値に比例した速度で弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの間隔ｒは矢印で示されるように縮小方向へ運動を行う。

以上の構成の関節駆動装置の動作について説明する。

前記したように、第１構造体１を挟んでアクチュエータ駆動力伝達部材５に関して対向するように回転ジョイント７ｃ及び７ｄにより、一対の弾性体アクチュエータ６ａ，６ｂが接続されている。したがって、図１の上側の弾性体アクチュエータ６ａが収縮し、図１の下側の別の弾性体アクチュエータ６ｂが伸張すれば、回転関節３の回転軸回りの時計方向の回転運動が発生する。逆に、図１の上側の弾性体アクチュエータ６ａが伸張し、図１の下側の別の弾性体アクチュエータ６ｂが収縮すれば、図２Ｂに示されるように、回転運動は逆回転すなわち反時計方向の回転となる。

以上のように、弾性体アクチュエータ６により、第１構造体１とアクチュエータ駆動力伝達部材５の正逆回転運動が駆動されることにより、第１構造体１と第２構造体２の揺動運動すなわち角度θの運動が駆動される。

ここで、本発明の第１実施形態の特徴は、間隔制御アクチュエータ９が配設され、弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂのアクチュエータ駆動力伝達部材５における接続点間の間隔ｒ（詳しくは、アクチュエータ駆動力伝達部材５に連結された弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの回転ジョイント７ｃ及び７ｄの回転軸芯間の間隔ｒ）を制御できる点にある。

例えば、図６Ａのように接続点間の間隔ｒを大きくした場合（間隔ｒ＝２ｒ_Ｌとなる場合）と、図６Ｂのように接続点間の間隔ｒを小さくした場合（間隔ｒ＝２ｒ_Ｓとなる場合）とでは、弾性体アクチュエータ６ａの収縮力をＦ_ａ、弾性体アクチュエータ６ｂの収縮力をＦ_ｂとすると、図６Ａの場合の駆動トルクτ_Ｌは、 τ_Ｌ＝（Ｆ_ａ−Ｆ_ｂ）ｒ_Ｌ となり、図６Ｂの場合の駆動トルクτ_Ｓは、 τ_Ｓ＝（Ｆ_ａ−Ｆ_ｂ）ｒ_Ｓ となり、ｒ_Ｌ＞ｒ_Ｓであることから、τ_Ｌ＞τ_Ｓとなる。すなわち、同じ収縮力の場合でも図６Ａの場合の方が大きなトルクを発生することができることになる。このように、間隔制御アクチュエータ９を配設し、弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂのアクチュエータ駆動力伝達部材５における接続点間の間隔ｒを制御することにより、同じ収縮力の場合に対する駆動トルクを可変にすることが可能となる。

一方、回転変位量という観点から考えると、弾性体アクチュエータ６ａ又は６ｂの変位量をΔｘとすると、第２構造体２の揺動角度θの回転変位Δθは、図６Ａの場合の揺動角度θ_Ｌは、 θ_Ｌ＝ａｒｃｓｉｎ（Δｘ／ｒ_Ｌ）、図６Ｂの場合の揺動角度θ_ｒは、 θ_Ｓ＝ａｒｃｓｉｎ（Δｘ／ｒ_Ｓ）と近似でき、ｒ_Ｌ＞ｒ_Ｓであることから、θ_Ｌ＜θ_Ｓとなる（図１９Ａ，図１９Ｂ参照）。すなわち、同じ弾性体アクチュエータ６ａ又は６ｂの変位量Δｘの場合でも、図６Ｂの場合の方が大きな回転変位Δθとすることができ、揺動角度θの最大変位も大きくすることができる。

以上のように、本発明の第１実施形態では間隔制御アクチュエータ９が配設されることにより、間隔制御アクチュエータ９を制御装置２４で動作制御するようにすれば、回転トルクを優先した動作と回転変位量を優先した動作を、状況に応じて柔軟かつ連続的に切り替えることができる。

また、回転関節３の回転軸芯から回転ジョイント７ｃの回転軸芯までの距離をｒ_ｊ、回転関節３の揺動角度をθ、弾性体アクチュエータ６ａの収縮力をＦ_ａ、弾性体アクチュエータ６ｂの収縮力をＦ_ｂとすると、発生する回転トルクτは、 τ＝（Ｆ_ａ−Ｆ_ｂ）ｒ_ｊｃｏｓθ で近似できるので、ｒ_ｊ＝τ_ｃ／ｃｏｓθ、ただし、τ_ｃは定数となるように間隔制御アクチュエータ９を制御すれば回転トルクτは、 τ＝τ_ｃ（Ｆ_ａ−Ｆ_ｂ） となり、弾性体アクチュエータの同じ収縮力に対応する回転トルクτを、揺動角度θに関係なく、略一定に制御することができる（図２０参照）。

また、回転関節３の回転軸芯から回転ジョイント７ｃの回転軸芯までの距離をｒ_ｊ、回転関節３の揺動角度をθとし、揺動角度がθの状態から、図２１に示すように、さらにΔθだけ回転する場合を考える。Δθだけさらに回転するための弾性体アクチュエータ６の変位をΔｘとすると（図２１中に点線で描いた２０１はΔｘ変位後の回転ジョイント７ｃを表している）、揺動角度θの回転変位Δθは Δθ＝Δｘｃｏｓθ／ｒ_ｊ で近似できるので、ｒ_ｊ＝ｃｏｓθ／Δθ_ｃ、ただし、Δθ_ｃは定数となるように間隔制御アクチュエータ９を制御すれば回転変位Δθ＝ΔｘΔθ_ｃとなり、弾性体アクチュエータの同じ変位Δｘに対応する回転変位Δθを、揺動角度θに関係なく、略一定に制御することができる（図２１参照）。

次に、図７は本関節駆動装置をロボットアームに応用した場合の例である。図７に示すロボットアームは、第１関節２５、第２関節２６、第３関節２７、第４関節２８を有する４自由度アームであり、第２関節２６、第３関節２７、及び第４関節２８の部分が本発明の第１実施形態の関節駆動装置となっている。

具体的には、弾性体アクチュエータ２９−１ａと弾性体アクチュエータ２９−１ｂの拮抗駆動により第１関節軸２５を正逆回転駆動し、弾性体アクチュエータ２９−２ａと弾弾性体アクチュエータ２９−２ｂの拮抗駆動により第２関節軸２６を正逆回転駆動し、弾性体アクチュエータ２９−３ａと弾性体アクチュエータ２９−３ｂの拮抗駆動により第３関節軸２７を正逆回転駆動し、弾性体アクチュエータ２９−４ａと弾性体アクチュエータ２９−４ｂの拮抗駆動により第４関節軸２８を正逆回転駆動する構造となっている。

また、間隔制御アクチュエータ３０−２により、弾性体アクチュエータ２９−２ａと弾性体アクチュエータ２９−２ｂによる拮抗駆動の支点間距離（前述のアクチュエータ駆動力伝達部材５に連結された弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂ（ここでは、弾性体アクチュエータ２９−２ａと弾性体アクチュエータ２９−２ｂ）の回転ジョイント７ｃ及び７ｄの回転軸芯間の間隔ｒに相当。）を伸縮駆動し、間隔制御アクチュエータ３０−３により、弾性体アクチュエータ２９−３ａと弾性体アクチュエータ２９−３ｂによる拮抗駆動の支点間距離（前述のアクチュエータ駆動力伝達部材５に連結された弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂ（ここでは、弾性体アクチュエータ２９−３ａと弾性体アクチュエータ２９−３ｂ）の回転ジョイント７ｃ及び７ｄの回転軸芯間の間隔ｒに相当。）を伸縮駆動し、間隔制御アクチュエータ３０−４により、弾性体アクチュエータ２９−４ａと弾性体アクチュエータ２９−４ｂによる拮抗駆動の支点間距離（前述のアクチュエータ駆動力伝達部材５に連結された弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂ（ここでは、弾性体アクチュエータ２９−４ａと弾性体アクチュエータ２９−４ｂ）の回転ジョイント７ｃ及び７ｄの回転軸芯間の間隔ｒに相当。）を伸縮駆動する構造となっている。

詳しくは、前記ロボットアームは、固定壁３１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節軸２５と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節軸２６と、第１腕３２と第２腕３３との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第３関節軸２７と、第２腕３３と手３４との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第４関節軸２８とより構成されている。

第１関節軸２５では、上下端部が軸受け３５ａと３５ｂで回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３６に円形支持体３７が回転自在に連結され、かつ、弾性体アクチュエータ２９−１ａと弾性体アクチュエータ２９−１ｂの各一端部が固定壁３１に連結されるとともに各他端部が前記各円形支持体３７の支持軸３８に連結されている。よって、弾性体アクチュエータ２９−１ａと弾性体アクチュエータ２９−１ｂの拮抗駆動により、第１関節軸２５の上下軸Ｚ回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３２と第２腕３３と手３４とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３５ａは支持棒３９で固定壁３１に支持されている。

第２関節軸２６では、回転軸３６（前述の一対の弾性体アクチュエータの第１構造体１に相当。）に固定された円形支持体３７（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ駆動力伝達部材５に相当。）と、回転軸３６の固定壁３１側に回転軸３６の長手方向と直交して固定された支持体４０（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ支持部材４ａ及び４ｂに相当。）との間には、弾性体アクチュエータ２９−２ａ及び２９−２ｂが連結されて、弾性体アクチュエータ２９−２ａ及び２９−２ｂの拮抗駆動により、第２関節軸２６の支持軸の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３２と第２腕３３と手３４とを一体的に正逆回転運動させる。また、円形支持体３７には第２関節軸２６から放射状に伸びる長穴溝５６−２ａ、５６−２ｂ（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ駆動力伝達部材５の長溝穴８ａ，８ｂに相当。）が配設されており、間隔制御アクチュエータ３０−２により、弾性体アクチュエータ２９−２ａ及び２９−２ｂの円形支持体３７への接続点が長穴溝５６−２ａ、５６−２ｂに沿って駆動され、拮抗駆動の支点間距離を伸縮運動させる。

第３関節軸２７では、円形支持体３７に一端が固定された第１腕３２（前述の一対の弾性体アクチュエータ間の第１構造体１に相当。）の円形支持体３７側には、支持体４１（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ支持部材４ａ及び４ｂに相当。）が第１腕３２の長手方向と直交して固定されるとともに、第１腕３２の先端側には、第２腕３３の一端に第２腕３３の長手方向に直交して固定された支持体４２（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ駆動力伝達部材５に相当。）が回転可能に連結されている。第１腕３２の支持体４２と、第２腕３３の一端に固定された支持体４２との間には、弾性体アクチュエータ２９−３ａ及び２９−３ｂが連結されて、弾性体アクチュエータ２９−３ａ及び２９−３ｂの拮抗駆動により、第３関節軸２７の支持軸の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３２と第２腕３３とを相対的に正逆回転させる。また、支持体４２には第３関節軸２７から放射状に伸びる長穴溝５６−３ａ、５６−３ｂ（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ駆動力伝達部材５の長溝穴８ａ，８ｂに相当。）が配設されており、間隔制御アクチュエータ３０−３により、弾性体アクチュエータ２９−３ａ及び２９−３ｂの支持体４２への接続点が長穴溝５６−３ａ、５６−３ｂに沿って駆動され、拮抗駆動の支点間距離を伸縮運動させる。

第４関節軸２８では、第２腕３３（前述の一対の弾性体アクチュエータの第１構造体１に相当。）の支持体４２（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ支持部材４ａ及び４ｂに相当。）と、手３４の一端に固定されかつ第２腕３３に回転可能に連結された支持体４３（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ駆動力伝達部材５に相当。）との間には、弾性体アクチュエータ２９−４ａ及び２９−４ｂが連結されて、弾性体アクチュエータ２９−４ａ及び２９−４ｂの拮抗駆動により、第４関節軸２８の支持軸の横軸回りに上下方向沿い面内で手３４を第２腕３３に対して正逆回転させる。また、支持体４３には第４関節軸２８から放射状に伸びる長穴溝５６−４ａ、５６−４ｂ（一対の弾性体アクチュエータのアクチュエータ駆動力伝達部材５の長溝穴８ａ，８ｂに相当。）が配設されており、間隔制御アクチュエータ３０−４により、弾性体アクチュエータ２９−４ａ及び２９−４ｂの支持体４３への接続点が長穴溝５６−４ａ、５６−４ｂに沿って駆動され、拮抗駆動の支点間距離を伸縮運動させる。

図８は図７に示すロボットアームを駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。図８に示す空気圧供給系では、７つの５ポート流量制御電磁弁４４−１、４４−２、４４−３、４４−４、及び４４−１２、４４−１３、４４−１４が配設されている。その他の構成及び動作原理は図５の場合と同様であるので詳細な説明は省略する。

５ポート流量制御電磁弁４４−１からは弾性体アクチュエータ２９−１ａ及び２９−１ｂに空気圧が供給され、第１関節軸２５周りの正逆回転運動が駆動され、５ポート流量制御電磁弁４４−２からは弾性体アクチュエータ２９−２ａ及び２９−２ｂに空気圧が供給され、第２関節軸２６周りの正逆回転運動が駆動され、５ポート流量制御電磁弁４４−３からは弾性体アクチュエータ２９−３ａ及び２９−３ｂに空気圧が供給され、第３関節軸２７周りの正逆回転運動が駆動され、５ポート流量制御電磁弁４４−４からは弾性体アクチュエータ２９−４ａ及び２９−４ｂに空気圧が供給され、第４関節２８軸周りの正逆回転運動が駆動される。

また、５ポート流量制御電磁弁４４−１２からは間隔制御アクチュエータ３０−２に空気圧が供給され、弾性体アクチュエータ２９−２ａ及び２９−２ｂの円形支持体３７への接続点間の距離の伸縮運動が駆動され、５ポート流量制御電磁弁４４−１３からは間隔制御アクチュエータ３０−３に空気圧が供給され、弾性体アクチュエータ２９−３ａ及び２９−３ｂの支持体４２への接続点間の距離の伸縮運動が駆動され、５ポート流量制御電磁弁４４−１４からは間隔制御アクチュエータ３０−４に空気圧が供給され、弾性体アクチュエータ２９−４ａ及び２９−４ｂの支持体４３への接続点間の距離の伸縮運動が駆動される。

以上のような構造とすれば、多自由度を生かし、物体の把持・運搬など、ロボットアーム１０として基本的な機能を実現することができる。また、弾性体アクチュエータ２９−１ａ〜２９−４ｂの駆動力は回転ジョイントによる剛結合に伝達されるため、ワイヤ・プーリによる駆動と比べ緩みや脱落等の心配が無く、信頼性の高い機構となっている。さらに、間隔制御アクチュエータ３０−２，３０−３，３０−４により弾性体アクチュエータ２９−２ａ，２９−２ｂ，２９−３ａ，２９−３ｂ，２９−４ａ，２９−４ｂの支持体３７，４２，４３への接続点間の距離の伸縮運動を駆動することにより、間隔を大きくしたときには、大きなトルクを発生することができるので、より重量の重い物体を把持・運搬することが可能となる。一方、間隔を小さくしたときには、関節の可動範囲を大きくとることができるので、ロボットアームの作業範囲をより広くとることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる関節駆動装置によれば、間隔制御アクチュエータの駆動制御により、前記第１弾性体アクチュエータ６ａの前記第２構造体２に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータ６ｂの前記第２構造体２に対する固定位置との間隔ｒを可変にすることができるため、状況に応じて高出力あるいは広作業範囲といったように特性を柔軟に可変にすることができ、かつ、信頼性も高いロボットアームを実現することができる。

（第２実施形態）
図９Ａ，図９Ｂは本発明の第２実施形態における関節駆動装置の構造を示す図である。図９Ａ，図９Ｂの関節駆動装置は以下に記述する構成部分が第１実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態と同様であり、共通の構成部分に関しては第１実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

図９Ａ，図９Ｂ及び図１０において、４５は楕円板状のカムであり、中心軸と回転関節３の回転軸とが合致するように第１構造体１と相対的に回動不可の状態で配設されている。４６はバネであり、回転ジョイント４７ａ、４７ｂにより、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの回転関節３側の端部に接続されている。また、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの回転関節３側の端部は、回転ジョイント４８ａ、４８ｂにより、アクチュエータ駆動力伝達部材５の長穴溝部８ａ，８ｂに接続されている。さらに、回転ジョイント４８ａ、４８ｂと同一軸上には円板ローラ状のカムフォロワー４９ａ、４９ｂが配設されており、バネ４６の弾性力により、カムフォロワー４９ａ、４９ｂの円周側面部とカム４５の外周端面が常時接触するようになっている。

よって、この第２実施形態では、一例として楕円板状のカム４５とカムフォロワー４９ａ、４９ｂとバネ４６と回転ジョイント４７ａ及び４７ｂなどを有する固定位置移動カム機構と、一例として回転ジョイント４８ａ，４８ｂと長溝穴８ａ，８ｂなどを有する固定位置ガイド機構とより、固定位置可変機構の別の例を構成している。

以上の構成の関節駆動装置の動作について説明する。弾性体アクチュエータの動作等は前記第１実施形態と同様であるので、共通構成部分の動作に関しては省略する。

まず、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの伸縮前の初期状態では、図９Ａに示すように、楕円板状のカム４５の長軸側の両端部にカムフォロワー４９ａ、４９ｂが接触している状態となり、カムフォロワー４９ａ、４９ｂの回転軸芯間の間隔、従って、アクチュエータ駆動力伝達部材５に連結された弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂの回転ジョイント４８ａ及び４８ｂの回転軸芯間の間隔ｒが最も大きくなっている。次いで、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの伸縮により回転関節３を中心とした第１構造体１と第２構造体２の相対的な揺動運動が励起されると、カムフォロワー４９ａ、４９ｂはカム４５の外周端面を、バネ４６の作用により離れることなく常に接触しながら転動する。したがって、カムフォロワー４９ａ、４９ｂと同一軸上に配設された回転ジョイント４８ａ、４８ｂにより接続された弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの端部間の間隔は、カム４５の外周端面の形状に応じて、拡張・縮小される。

以上のカム４５による動作によれば、例えば、カム４５の外周端面の形状として、ｒ_ｃ＝τ_ｃ／ｃｏｓα とすれば、回転関節３の揺動角度がθ、弾性体アクチュエータ６ａの収縮力がＦ_ａ、弾性体アクチュエータ６ｂの収縮力がＦ_ｂの時に発生する回転トルクτは、 τ＝（Ｆ_ａ−Ｆ_ｂ）ｒ_ｃｃｏｓθ で近似できるので、τ＝τ_ｃ（Ｆ_ａ−Ｆ_ｂ） となり、弾性体アクチュエータの同じ収縮力に対応するトルクを、揺動角度θに関係なく、略一定に制御することができる。

また、例えば、カム４５の外周端面の形状として、ｒ_ｃ＝ｃｏｓα／Δθ_ｃ、ただしΔθ_ｃは定数とすれば、回転関節３の揺動角度がθ、弾性体アクチュエータ６の変位がΔｘの時、揺動角度θの回転変位Δθは、 Δθ＝Δｘｃｏｓθ／ｒ_ｃ で近似できるので、回転変位Δθは、 Δθ＝ΔｘΔθ_ｃ となり、弾性体アクチュエータの同じ変位に対応する回転変位を、揺動角度θに関係なく、略一定に制御することができる。

以上のように、第２実施形態では、カム４５、カムフォロワー４９ａ、４９ｂ、及びバネ４６を配設することにより、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの端部間の間隔を動かすためのアクチュエータ等を付加することなく、簡潔な構造で、状況に応じて高出力トルクあるいは広動作範囲といったように特性を柔軟に可変にすることができる関節駆動装置を実現することができる。

（第３実施形態）
図１１は本発明の第３実施形態における関節駆動装置の構造を示す斜視図である。図１１において、５０は制御コンピュータ２４により動作制御されるカム駆動アクチュエータであり、例えば、ＤＣサーボモータ、回転型の空気圧アクチュエータ等の回転モータである。カム駆動アクチュエータ５０はアクチュエータ駆動力伝達部材５に固定されており、カム駆動アクチュエータ５０の出力回転軸にはカム４５が固定されており、カム駆動アクチュエータ５０により、制御コンピュータ２４の制御の下に、アクチュエータ駆動力伝達部材５に対するカム４５の相対的な回転角度の制御が可能となっている。その他の構造は前記第２実施形態と同様であるので、共通構造部分には同じ番号を付し、説明は省略する。

第３実施形態における関節駆動装置では、カム駆動アクチュエータ５０により、カム４５の位置が回転停止保持される場合には、第２実施形態の場合と同様に、カム４５の外周端面をカムフォロワー４９ａ、４９ｂが転動することにより、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの端部間の間隔が制御される。

さらに、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、カム駆動アクチュエータ５０により、カム４５のアクチュエータ駆動力伝達部材５に対する回転運動させれば、能動的に弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの端部間の間隔ｒを制御することができ、ロボット等に応用した場合に、重い物を把持するために大きな力が必要とされる状況や、広い範囲で作業させるために大きな可動範囲が必要とされる状況等、さらに柔軟に状況に対応することが可能となる。

なお、この第３実施形態では、一例としてカム駆動アクチュエータ５０と楕円板状のカム４５とカムフォロワー４９ａ、４９ｂとバネ４６と回転ジョイント４７ａ及び４７ｂとなどを有する固定位置移動カム機構と、一例として回転ジョイント４８ａ，４８ｂと長溝穴８ａ，８ｂなどを有する固定位置ガイド機構とより、固定位置可変機構の別の例を構成している。

（第４実施形態）
図１３Ａ及び図１３Ｂ及び図１６は本発明の第４実施形態における関節駆動装置の構造を示す図である。図１３Ａ及び図１３Ｂの関節駆動装置は以下に記述する構成部分が第１実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態と同様であり、共通の構成部分に関しては第１実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

図１３Ａ及び図１３Ｂ及び図１６において、５１ａ、５１ｂは前記運動規制部の一例であるリニアガイドである。リニアガイド５１ａ、５１ｂは、第１構造体１の側面に固定されたレール５２ａ、５２ｂと、レール５２ａ、５２ｂに摺動可能に係合したスライダ５３ａ、５３ｂと、断面略長方形状のレール５２ａ、５２ｂと断面コ字状のスライダ５３ａ、５３ｂとの間に回転自在に一直線上に配置された多数のガイドボール５４とから構成され、スライダ５３ａ、５３ｂはレール５２ａ、５２ｂに沿って相対的に並進運動可能となっている（言い換えれば、並進１自由度のみを有するようになっている）。また、レール５２ａ、５２ｂは、その中心軸が第１構造体１の中心軸と平行になるように第１構造体１の側面に固定され、スライダ５３ａ、５３ｂは弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの封止部材１４ａ、１４ｂに、それぞれ固定されている。

したがって、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの収縮運動による封止部材１４ａ、１４ｂの並進運動は、リニアガイド５１ａ、５１ｂの相対的に並進運動可能な方向と一致するため規制されない。一方、その他の方向の並進運動は、リニアガイド５１ａ、５１ｂに自由度が無いため、規制される。

また、５４ａ、５４ｂは連結リンクであり、回転ジョイント５５ａ、５５ｂにより、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの封止部材１４ａ、１４ｂに接続され、回転ジョイント５５ｃ、５５ｄにより、アクチュエータ駆動力伝達部材５に接続されている。

よって、この第４実施形態では、リニアガイド５１ａ、５１ｂなどより、運動規制部の一例を構成している。また、アクチュエータ駆動力伝達部材５と回転ジョイント５５ｃ、５５ｄなどより、結合部の一例を構成している。

以上の構成の関節駆動装置の動作について説明する。弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの動作等は前記第１実施形態と同様であるので、共通構成部分の動作に関しては省略する。

弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの収縮運動は、連結リンク５４ａ、５４ｂを介してアクチュエータ駆動力伝達部材５に伝わり、その結果、回転関節３を中心とした第１構造体１と第２構造体２の相対的な揺動運動が発生する。

ここで、本発明の第４実施形態における関節駆動装置の特徴は、リニアガイド５１ａ、５１ｂにより弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの運動方向を規制し、かつ、連結リンク５４ａ、５４ｂにより駆動力を伝達している点にある。このような構成とすることにより、図１３Ｂに示すように揺動角度θが大きい場合でも、図１４Ｂに示すように、弾性体アクチュエータ６ａ、６ｂの間隔が狭まり、第１構造体１に接触することから揺動角度θを大きくすることできないという従来の関節駆動装置の問題を解決することが可能となる。

なお、前記第４実施形態では、前記運動規制部を一例としてリニアガイドとしたが、これに限られるわけではなく、図１７Ａ，図１７Ｂ及び図１８Ａ，図１８Ｂに示すように、弾性体アクチュエータ６ａ及び６ｂに連結された円形断面の棒状体１０４ａ，１０４ｂをレールとし、前記棒状体１０４ａ，１０４ｂの外側面を、ボール保持器１０２で回転自在かつ抜け出し不自在に保持された多数のガイドボール１０３が転動することによりスライドする円筒状のスライダ１０１から構成され、棒状体１０４ａ，１０４ｂの中心軸方向の並進運動と中心軸周りの回転自由度を有するリニアブッシュ１００ａ，１００ｂ等の機構でも同様の効果を発揮することができる。なお、リニアブッシュ１００ａ，１００ｂの各スライダ１０１は、固定ブラケット１０５ａ，１０５ｂにより第１構造体１に固定されている。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。例えば、図１５に示すように、第１実施形態と第４実施形態とを組み合わせることにより、第１実施形態の作用効果を奏するときに、第４実施形態のリニアガイドにより、より円滑に、前記第１弾性体アクチュエータ６ａの前記第２構造体２に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータ６ｂの前記第２構造体２に対する固定位置とを移動させることができて、第１実施形態と第４実施形態の両方の作用効果を奏することができる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の度関節駆動装置は、多関節ロボットアームの関節駆動装置として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における回転機構のための関節駆動機構等、機械装置の関節駆動装置として適用が可能である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
図１は、本発明の第１実施形態における関節駆動装置の構造を示す図である。 図２Ａは、本発明の第１実施形態における関節駆動装置の動作を示す図である。 図２Ｂは、本発明の第１実施形態における関節駆動装置の動作を示す図である。 図３Ａは、管状弾性体の一例である空気圧人工筋の内部空間が減圧時の空気圧人工筋の構造を示す側面図である。 図３Ｂは、管状弾性体の一例である前記空気圧人工筋の内部空間が加圧時の空気圧人工筋の構造を示す側面図である。 図３Ｃは、管状弾性体の一例である前記空気圧人工筋の内部空間が加圧時の空気圧人工筋の構造を示し、かつ、図３Ｂの点線部分での断面図である。 図４は、間隔制御アクチュエータの構造を示す断面図である。 図５は、前記空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。 図６Ａは、本発明の第１実施形態における関節駆動装置の間隔制御アクチュエータによる動作を示す図である。 図６Ｂは、本発明の第１実施形態における関節駆動装置の間隔制御アクチュエータによる動作を示す図である。 図７は、本発明の第１実施形態における関節駆動装置を応用したロボットアームの構造を示す図である。 図８は、本発明の第１実施形態における関節駆動装置を応用したロボットアームを駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。 図９Ａは、本発明の第２実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図９Ｂは、本発明の第２実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１０は、本発明の第２実施形態における関節駆動装置の構造を示す部分斜視図である。 図１１は、本発明の第３実施形態における関節駆動装置の構造を示す部分斜視図である。 図１２Ａは、本発明の第３実施形態における関節駆動装置の動作を示す図である。 図１２Ｂは、本発明の第３実施形態における関節駆動装置の動作を示す図である。 図１３Ａは、本発明の第４実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１３Ｂは、本発明の第４実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１４Ａは、従来の関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１４Ｂは、従来の関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１５は、第１実施形態と第４実施形態とを組み合わせた関節駆動装置の構造を示す図である。 図１６は、本発明の第４実施形態における関節駆動装置のリニアガイドの断面図である。 図１７Ａは、本発明の第４実施形態の変形例における関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１７Ｂは、本発明の第４実施形態の変形例における関節駆動装置の構造及び動作を示す図である。 図１８Ａは、本発明の第４実施形態の前記変形例における関節駆動装置のリニアブッシュの断面側面図である。 図１８Ｂは、本発明の第４実施形態の前記変形例における関節駆動装置のリニアブッシュの断面正面図である。 図１９Ａは、本発明の第１実施形態における関節駆動装置においてθ_Ｌ＜θ_Ｓとなる状態を示す説明図である。 図１９Ｂは、本発明の第１実施形態における関節駆動装置においてθ_Ｌ＜θ_Ｓとなる状態を示す説明図である。 図２０は、本発明の第１実施形態における関節駆動装置において回転トルクを一定にする場合の説明図である。 図２１は、本発明の第１実施形態における関節駆動装置において回転変位を一定にする場合の説明図である。

Claims (14)

1. 第１構造体と、
   前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、
   前記第１構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第２構造体に固定された第１弾性体アクチュエータと、
   前記第１構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が、前記第２構造体の前記第１弾性体アクチュエータの前記他方の端部が固定された位置と前記回転関節に関して略対称の場所に固定された第２弾性体アクチュエータと、
   前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を可変にする固定位置可変機構とを有する関節駆動装置。
2. 前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転トルクを変化させる請求項１に記載の関節駆動装置。
3. 前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転角を変化させる請求項１に記載の関節駆動装置。
4. 前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転トルクを変化させる制御装置をさらに備える請求項２に記載の関節駆動装置。
5. 前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第１構造体と前記第２構造体との間に発生する回転角を変化させる制御装置をさらに備える請求項３に記載の関節駆動装置。
6. 前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置とをそれぞれ前記第１構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置とをそれぞれ進退駆動することにより前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置駆動アクチュエータとを備える請求項１〜５のいずか１つに記載の関節駆動装置。
7. 前記固定位置可変機構は、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置とをそれぞれ前記第１構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置とがそれぞれ移動されて前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置移動カム機構とを備える請求項１〜５のいずか１つに記載の関節駆動装置。
8. 前記固定位置移動カム機構は、カムと、前記カムに常時接触可能でかつ前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置とがそれぞれ回転可能に支持される一対のカムフォロワーと、前記カムフォロワーを前記カムにそれぞれ常時接触するように付勢する接触保持バネとを備えて、前記一対のカムフォロワーが前記カムに常時接触して移動することにより、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置との前記間隔を変化させる請求項７に記載の関節駆動装置。
9. 前記固定位置移動カム機構は、前記カムを回転駆動するカム駆動アクチュエータをさらに備えて、前記カムの回転駆動により、前記カムに常時接触する前記一対のカムフォロワーを移動させることにより、前記第１弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置と前記第２弾性体アクチュエータの前記第２構造体に対する前記固定位置との前記間隔を変化させる請求項８に記載の関節駆動装置。
10. 第１構造体と、
    前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、
    前記第１構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体アクチュエータと、
    前記弾性体アクチュエータの固定端と反対側の可動端において前記可動端と前記第１構造体とを連結するように配設され前記弾性体アクチュエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有しかつ前記伸縮方向以外の方向の並進運動を規制する運動規制部と、
    前記弾性体アクチュエータの前記可動端と前記第２構造体を結合する結合部と、
    を有する関節駆動装置。
11. 第１構造体と、
    前記第１構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第２構造体と、
    前記第１構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体アクチュエータと、
    前記弾性体アクチュエータの固定端と反対側の可動端に連結された棒状体と、
    前記棒状体と前記第１構造体とを連結するように配設され前記弾性体アクチュエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有しかつ前記伸縮方向以外の方向の並進運動を規制する運動規制部と、
    前記弾性体アクチュエータの前記可動端と前記第２構造体を結合する結合部と、
    を有する関節駆動装置。
12. 前記運動規制部は、並進１自由度のみを有するリニアガイドである請求項１０に記載の関節駆動装置。
13. 前記運動規制部は、並進１自由度及び前記並進１自由度まわりの回転１自由度を有するリニアブッシュ機構である請求項１１に記載の関節駆動装置。
14. 請求項１又は１０又は１１に記載の関節駆動装置を有するロボットアーム。

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