JP6442386B2 - 力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータから伝達される動力により動く被動負荷に作用する力を制御する装置に関する。

アクチュエータからバネ（弾性部材）を含む動力伝達機構を介して被動負荷に動力（並進力又は回転力）を伝達することで、該被動負荷を動かすことができるように構成された動力装置が従来より知られている（例えば特許文献１、２を参照）。

この種の動力装置では、例えば特許文献２に見られる如く、被動負荷に作用する力（並進力又は回転力）の目標値と観測値（検出値又は推定値）との偏差（以下、力偏差ということがある）に応じて、ＰＩＤ制御則等のフィードバック制御則により決定した操作量（制御入力）によりアクチュエータを制御する（ひいては、被動負荷を動かす）ことで、被動負荷に作用する力を制御することが可能である。

特開２０１３−２２０４９６号公報 米国特許第５６５０７０４号明細書

上記動力装置において、被動負荷に作用する力を、特許文献２に見られるように制御する技術は、アクチュエータにより被動負荷の変位量（並進移動量又は回転量）を変化させることで、被動負荷に作用する力を目標値に制御しようとする技術である。

このため、例えば種々様々な環境で移動ロボットの関節の動作用の動力装置として、上記動力装置を使用する場合等、被動負荷の変位量、あるいは、被動負荷に作用する力の変動が生じやすい状況下では、アクチュエータの制御（サーボ制御）を極めて高速で行う必要がある。

しかるに、この場合、アクチュエータの制御がハイゲイン制御となるために、該アクチュエータの制御が、被動負荷に作用する力の観測値、あるいは、被動負荷の変位量の観測値等の観測値の誤差の影響を受けやすい。このため、アクチュエータによる被動負荷の変位量の制御の安定性もしくは正確性が損なわれやすい。ひいては、被動負荷に作用する力の制御の安定性もしくは正確性も損なわれやすいという不都合がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、被動負荷に作用する力の制御を、高速制御の必要性を軽減し得るように適切に行うことができる力制御装置を提供することを目的とする。

本発明の力制御装置は、被動負荷を動かす動力を出力するアクチュエータと、該アクチュエータから被動負荷への動力伝達を行う動力伝達機構とを備える動力装置において、前記被動負荷に作用する力を制御する力制御装置であって、
前記動力伝達機構は、剛性度合と粘性度合とを可変的に制御可能な動力伝達要素を含み、該動力伝達要素を介して前記アクチュエータから被動負荷への動力の伝達を行うように構成されており、
前記被動負荷に作用する力の制御用の操作量として、前記動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値を、前記力の目標値と該力の観測値との偏差と、該偏差の時間的変化率とに応じて逐次決定する第１操作量決定手段と、
該第１操作量決定手段により決定された前記動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値に応じて前記動力伝達要素の実際の剛性度合及び粘性度合を制御する剛性・粘性制御手段とを備えることを特徴とする（第１発明）。

ここで、本発明における用語について補足する。力、変位量等の任意の状態量の「観測値」は、適宜のセンサによる当該状態量の実際の値の検出値、あるいは、当該状態量と一定の相関関係を有する他の１つ以上の状態量の検出値から該相関関係に基づいて推定してなる推定値、あるいは、当該状態量の実際の値に一致もしくはほぼ一致するとみなし得る擬似的な推定値を意味する。

また、「力の目標値」は、被動負荷に作用する力（並進力又は回転力）そのものの目標値、あるいは、当該「力」に対して単調増加又は単調減少となる一定の相関関係を有する任意の状態量の目標値を意味する。このことは、「力の観測値」についても同様である。

また、「剛性度合」は、剛性の高低の度合を意味し、「粘性度合」は粘性の高低の度合を意味する。これらの「剛性度合」及び「粘性度合」は、それぞれ適当な指標値（例えば、ばね定数、粘性係数等）を用いて表すことができるものとする。

上記第１発明によれば、前記被動負荷に作用する力の制御用の操作量として、前記動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値が、前記力の目標値と該力の観測値との偏差と、該偏差の時間的変化率とに応じて逐次決定される。

そして、動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値に応じて該動力伝達要素の実際の剛性度合及び粘性度合が制御される。すなわち、動力伝達要素の実際の剛性度合及び粘性度合がそれぞれの目標値に一致もしくはほぼ一致する状態に制御される。

このように動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合を制御した場合、結果的に、該動力伝達要素の弾性的な振動の減衰特性が、前記偏差及びその時間的変化率をゼロに近づけ得るように設定されることとなる。

このため、アクチュエータの動作状態を一定に維持した状態であっても、上記減衰特性での前記動力伝達要素の挙動（弾性変形等）によって、前記偏差及びその時間的変化率をゼロに近づけていくように、被動負荷の変位量（並進移動量又は回転量）が調整されることとなる。これにより、被動負荷に作用する力が、目標値に近づいていくように制御される。

この場合、アクチュエータの動作状態を一定に維持した状態であっても、前記剛性度合及び粘性度合の目標値に応じて規定される動力伝達要素の連続的な挙動によって被動負荷に作用する力を制御することが可能であるため、当該力の制御のために、アクチュエータの動作を高速で制御したり、あるいは、動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合を高速で制御することの必要性が少ない。このため、アクチュエータの制御と動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合の制御とは、比較的低速な制御で行い得る。その結果、被動負荷に作用する力の制御に対する前記力の観測値の誤差の影響を低減できる。ひいては、被動負荷に作用する力の制御の安定性を高めることが可能となる。

よって、第１発明によれば、被動負荷に作用する力の制御を、高速制御の必要性を軽減し得るように適切に行うことができるできる。

上記第１発明では、前記第１操作量決定手段は、前記動力伝達要素の剛性度合の目標値を、前記偏差と前記偏差の時間的変化率とのうちの少なくとも前記偏差に応じて変化させるように決定すると共に、前記動力伝達要素の粘性度合の目標値を、前記偏差と前記偏差の時間的変化率とのうちの少なくとも前記偏差の時間的変化率に応じて変化させるように決定するように構成されていることが好ましい（第２発明）。

すなわち、前記偏差と前記偏差の時間的変化率とのうちの前記偏差は、前記動力伝達要素の剛性度合に対する依存性が高く、前記偏差の時間的変化率は、前記動力伝達要素の粘性度合に対する依存性が高い。従って、第２発明によれば、前記偏差と前記偏差の時間的変化率とをそれぞれ適切にゼロに近づけ得るように、前記動力伝達要素の剛性度合と粘性度合とを制御できる。

なお、第２発明では、例えば、前記剛性度合の目標値と、粘性度合の目標値とのうちのいずれか一方又は両方を、前記偏差と前記偏差の時間的変化率との両方に応じて決定するようにすることも可能である。

上記第１発明又は第２発明では、前記被動負荷に作用する力の制御用の他の操作量として、前記被動負荷の変位量を調整する操作量である被動負荷変位操作量を前記偏差の積分値に応じて逐次決定する第２操作量決定手段と、該第２操作量決定手段により決定された被動負荷変位操作量に応じて前記被動負荷の実際の変位量を変化させるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段とをさらに備えることが好ましい（第３発明）。

これによれば、前記力の目標値と観測値との間に定常偏差が発生する場合であっても、前記被動負荷変位操作量に応じたアクチュエータの制御によって該定常偏差を解消するようにすることができる。ひいては、被動負荷に作用する力の制御の正確性をより高めることができる。

また、この場合、前記積分値は、一般に急激な変動が生じ難いため、前記被動負荷変位操作量に応じたアクチュエータの制御は、比較的低速な制御でよい。

上記第１〜第３発明では、前記動力伝達要素は、例えば次のような構成を採用し得る。すなわち、前記動力伝達要素は、印加電圧に応じて剛性度合及び粘性度合のうちの少なくとも剛性度合が変化するように構成された誘電エラストマーを、該動力伝達要素の両端間の変位量に応じた弾性変形を生じる弾性部材として含むように構成される（第４発明）。

なお、第４発明において、「動力伝達要素の両端間の変位量」というのは、動力伝達要素のアクチュエータ側の端部（アクチュータから伝達される動力の入力端部）と、該動力電圧要素の被動要素側の端部（アクチュータから伝達される動力の出力端部）との間の相対変位量を意味する。

上記第４発明によれば、動力伝達要素の剛性度合を前記誘電エラストマーの印加電圧の操作によって高い応答性で制御できる。

上記第１〜第４発明では、前記動力伝達要素は、例えば、剛性度合を制御可能な弾性部材（バネ要素）と、粘性度合を制御可能なダンパー要素とにより構成され得る。この場合には、動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合を互いに独立に制御することが可能である。

ただし、前記動力伝達要素が粘性度合を制御可能なダンパー要素を備えていない場合でっても、動力伝達要素の弾性部材の剛性度合を制御することで、動力伝達要素の粘性度合を擬似的に制御することも可能である。

具体的には、前記第１〜第３発明において、前記動力伝達要素が、該動力伝達要素の両端間の変位量に応じた弾性変形を生じ、且つ剛性度合を制御可能に構成された弾性部材を含む場合には、前記剛性・粘性制御手段は、前記動力伝達要素の粘性度合の目標値と、前記弾性部材の弾性変形量の観測値と、該弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じて前記動力伝達要素の剛性度合の目標値を補正する補正手段を含み、当該補正後の剛性度合の目標値に応じて前記弾性部材の実際の剛性度合を制御することによって、前記動力伝達要素の実際の剛性度合を制御し、且つ該動力伝達要素の実際の粘性度合を擬似的に制御するように構成されており、前記補正手段は、前記補正後の剛性度合の目標値に応じて前記弾性部材の剛性度合を制御したときに、前記剛性度合の目標値と前記弾性部材の弾性変形量の観測値とに応じた弾性力と、前記粘性度合の目標値と前記弾性部材の弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じた粘性力とを前記動力伝達要素で発生することとなるように、前記剛性度合の目標値の補正処理を実行するように構成されているという態様を採用し得る（第５発明）。

同様に、前記誘電エラストマーを有する第４発明においては、前記剛性・粘性制御手段は、前記動力伝達要素の粘性度合の目標値と、前記誘電エラストマーの弾性変形量の観測値と、該誘電エラストマーの弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じて前記動力伝達要素の剛性度合の目標値を補正する補正手段を含み、当該補正後の剛性度合の目標値に応じて前記誘電エラストマーの印加電圧を操作することによって、前記動力伝達要素の実際の剛性度合を制御し、且つ該動力伝達要素の実際の粘性度合を擬似的に制御するように構成されており、前記補正手段は、前記補正後の剛性度合の目標値に応じて前記誘電エラストマーの印加電圧を操作したときに、前記剛性度合の目標値と前記誘電エラストマーの弾性変形量の観測値とに応じた弾性力と、前記粘性度合の目標値と前記誘電エラストマーの弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じた粘性力とを前記動力伝達要素で発生することとなるように、前記剛性度合の目標値の補正処理を実行するように構成されているという態様を採用し得る（第６発明）。

上記第５発明又は第６発明によれば、前記剛性度合の目標値を補正する補正手段が前記した如く構成されているので、前記補正後の剛性度合の目標値に応じて前記弾性部材の剛性度合を制御することによって（第５発明）、あるいは、前記補正後の剛性度合の目標値に応じて前記誘電エラストマーの印加電圧を操作する（ひいては、誘電エラストマーの剛性度合を制御する）ことによって（第６発明）、前記動力伝達要素の実際の剛性度合と粘性度合とをそれぞれの目標値に応じて制御することを擬似的に実現できる。

このため、第５発明又は第６発明では、動力伝達要素の構成を簡略なものとすることができる。ひいては、動力装置の軽量化あるいは小型化を実現できる。

本発明の実施形態における動力装置の概略構成を模式的に示す図。 本発明の実施形態における動力装置の具体的な構成を示す図。 図２の動力装置の動作状態の一例を示す図。 図２の動力装置の動作状態の他の例を示す図。 図２の動力装置に備えた動力伝達要素（電歪素子）の構造を示す図。 図２の動力装置の制御に関する構成を示すブロック図。 図７Ａ及び図７Ｂは本発明の効果に関する検証シミュレーションで得られたグラフ。 本発明の効果に関する検証シミュレーションで得られたグラフ。

本発明の一実施形態を図１〜図６を参照して以下に説明する。まず、図１〜図５を参照して、本実施形態における動力装置１の機構的な構成を説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における動力装置１の概略構成と、その動作制御の概要とを説明する。動力装置１は、被動負荷Ｌを動かす動力（並進駆動力又は回転駆動力）を出力するアクチュエータ２と、アクチュエータ２が出力する動力を被動負荷Ｌに伝達し得るようにアクチュエータ２と被動負荷Ｌとを接続する動力伝達機構３とを備える。

動力伝達機構３は、剛性度合（剛性の高低の度合）と粘性度合（粘性の高低の度合）とを可変的に制御可能な動力伝達要素５を含む。なお、動力伝達機構３は、動力伝達要素５以外に、減速機等の動力伝達要素も含み得る。

上記動力伝達要素５は、図１に概念的に示すように、剛性度合を可変的に制御可能なバネ要素５ｘ（弾性部材）と、粘性度合を可変的に制御可能なダンパー要素５ｙとを該動力伝達要素５の両端間（アクチュエータ２側の端部と被動負荷Ｌ側の端部との間）に介装したものと等価な機能を有する。

そして、動力伝達機構３は、その動力伝達要素５を介してアクチュエータ２から被動負荷Ｌへの動力伝達を行い得るように構成されている。この場合、動力伝達要素５は、その両端間の変位量に応じた弾性力（バネ要素５ｘの弾性変形による弾性力）と、両端間の変位速度（変位量の時間的変化率）に応じた粘性力（ダンパー要素５ｙによる粘性力）とを発生する。

補足すると、動力伝達要素５の剛性度合及び粘性度合の制御のための操作量は、該動力伝達要素５の実際の構成に依存する。また、動力伝達要素５は、剛性度合を制御可能な弾性部材だけで構成され得る。この場合であっても、該弾性部材は一般にある程度の粘性を有する。さらに、該弾性部材の粘性度合を、剛性度合とは別に制御することができない場合であっても、弾性部材の剛性度合の調整によって擬似的に粘性力を発生させることもできる。

本実施形態では、上記の如き構成の動力装置１を用いて、アクチュエータ２により適宜、被動負荷Ｌを動かすことと、被動負荷Ｌに作用する力（並進力又は回転力）を所要の目標値に制御することが行われる。

この場合、被動負荷Ｌに作用する力（以降、被動負荷作用力という）の制御のための第１の操作量（制御入力）として、動力伝達要素５の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値が、被動負荷作用力の目標値と、実際の被動負荷作用力の観測値との偏差、及び該偏差の時間的変化率（換言すれば、被動負荷作用力の目標値の時間的変化率と実際の被動負荷作用力の観測値の時間的変化率との偏差）とに応じて決定される。そして、これらの目標値に応じて動力伝達要素５の実際の剛性度合及び粘性度合が制御される。

また、被動負荷作用力の制御のための第２の操作量（制御入力）として、被動負荷Ｌの変位量（並進移動量又は回転量）の調整量が、被動負荷作用力の目標値と実際の被動負荷作用力の観測値との偏差の積分値に応じて決定される。そして、この調整量に応じて被動負荷Ｌの変位量を調整するようにアクチュエータ２が制御される。

以上が本実施形態における動力装置１及びその動作制御の概要である。

次に、図２〜図５を参照して、動力装置１のより具体的な構成の一例を説明する。この動力装置１は、第１部材Ａ１に対する第２部材Ａ２の相対変位を行い得るように該第１部材Ａ１及び第２部材Ａ２に連結された装置である。第２部材Ａ２は、前記被動負荷Ｌに相当する。

この動力装置１は、より詳しくは、第１部材Ａ１との連結部分と、第２部材Ａ２との連結部分とを、それらを結ぶ線分に沿って直線的に接近又は離反させるように、第１部材Ａ１に対する第２部材Ａ２の相対変位を行わせる直動変位機構として機能する動力装置である。

第１部材Ａ１及び第２部材Ａ２は任意のものでよい。一例として、動力装置１は、例えばロボットの二つのリンクを連結する回転型の関節を駆動する機構、あるいは、ロボットの二つのリンクを連結する直動関節機構として利用し得る。この場合、ロボットの二つのリンクのうちの一方が第１部材Ａ１、他方が第２部材Ａ２（被動負荷Ｌ）に相当するものとなる。

ただし、動力装置１の適用対象は、ロボットに限られるものでない。また、第１部材Ａ１又は第２部材Ａ２のいずれか一方は、固定設置物（静止物体）であってもよい。

図２〜図４に示す動力装置１は、第１部材Ａ１に対して相対的に第２部材Ａ２（被動負荷Ｌ）を動かす動力を出力するアクチュエータ２と、アクチュエータ２が出力する動力を第２部材Ａ２に伝達し得るようにアクチュエータ２と第２部材Ａ２とを接続する動力伝達機構３とを備える。

この場合、動力伝達機構３は、剛性度合及び粘性度合を可変的に制御可能な動力伝達要素５を備えると共に、該動力伝達要素５を介して連結された基体フレーム６及び筒状部材７を備える。

動力伝達要素５は、本実施形態では、複数の膜状の弾性変形部１１をそれらの厚み方向に積層した構造の電歪素子である。各弾性変形部１１は、その厚み方向に付与される印加電圧に応じて面沿い方向に弾性的に伸縮可能な膜状部材である。以降、動力伝達要素５を電歪素子５という。

この電歪素子５は、例えば図５に示す如く構成される。具体的には、電歪素子５を構成する各弾性変形部１１は、弾性部材としての膜状の誘電エラストマー１２と、該誘電エラストマー１２の厚み方向の両面に付着された膜状の電極１３とから構成される。

誘電エラストマー１２は、誘電性を有するエラストマーであり、例えばシリコン樹脂、アクリル樹脂等により構成される。この誘電エラストマー１２は、その厚み方向の両面の電極１３，１３を介して電圧を印加すると（厚み方向に電界を作用させると）、マクスウェル応力によって厚み方向に圧縮される。そして、該圧縮に伴い、誘電エラストマー１２が、面沿い方向に弾性的に伸長する。

また、誘電エラストマー１２に対する印加電圧の大きさを変化させることで、該誘電エラストマー１２の厚みが変化する。ひいては、該誘電エラストマー１２が、面沿い方向に弾性的に伸縮する。

これにより、各弾性変形部１１は、印加電圧に応じて面沿い方向に弾性的に伸縮可能なものとなっている。なお、各弾性変形部１１は、外力に応じて弾性変形することはもちろんである。

本実施形態では、各弾性変形部１１の中央部には、該弾性変形部１１の厚み方向に貫通する貫通穴１４が穿設されている。そして、各弾性変形部１１の外周側の周縁部と、内周側の周縁部とにそれぞれ支持枠１５，１６が装着されている。

この場合、弾性変形部１１のうち、外周側の支持枠１５と内周側の支持枠１６との間の部分は、円環形状に形成されている。

また、支持枠１５，１６は、弾性変形部１１の誘電エラストマー１２を面沿い方向に引っ張った状態で該弾性変形部１１に装着されている。従って、誘電エラストマー１２は、面沿い方向の引っ張り力が予め付与されたプレ・ストレイン状態となっている。

このため、弾性変形部１１は、その誘電エラストマー１２に電圧を印加したときに、弾性変形部１１の内周側の周縁部が外周側の周縁部に対して該弾性変形部１１の中心軸線Ｃとほぼ同方向（弾性変形部１１の厚み方向）に相対変位するような形態で撓むようになっている。

このように弾性変形部１１が弾性変形する（撓む）ことで、外周側の支持枠１５に対して、内周側の支持枠１６が、該弾性変形部１１の中心軸線Ｃとほぼ同方向に相対変位することが可能となっている。

以降、各弾性変形部１１とこれに装着された支持枠１５，１６とから構成される構造体を電歪要素素子５ａという。

本実施形態の電歪素子５は、上記の如くそれぞれ構成された複数の電歪要素素子５ａを、それぞれの弾性変形部１１の中心軸線Ｃが、同一の中心軸線Ｃとなるように、該弾性変形部１１の厚み方向に積層して構成されている。

この場合、当該複数の電歪要素素子５ａの外周側の支持枠１５が接着剤等により相互に固着されると共に、内周側の支持枠１６が接着剤等により相互に固着される。これにより、電歪素子５が構成される。

図２〜図４では、上記の如く構成された電歪素子５を簡略的に記載している。この場合、図２〜図４では、図示の便宜上、複数の電歪要素素子５ａの外周側の支持枠１５の積層体と、内周側の支持枠１６の積層体とをそれぞれ、一体構成のものとして記載している。以降の説明では、外周側の支持枠１５の積層体を単に電歪素子５の支持枠１５と称し、内周側の支持枠１６の積層体を、単に電歪素子５の支持枠１６と称する。

また、電歪素子５において、各弾性変形部１１の共通の中心軸線Ｃを、単に、電歪素子５の中心軸線Ｃと称する。

なお、電歪素子５の各電歪要素素子５ａの弾性変形部１１に対する電圧の印加は、例えば、支持枠１５に接続される図示しない配線等を介して行われる。

補足すると、本実施形態では、電歪素子５（動力伝達要素５）の複数の誘電エラストマー１２は、本発明における弾性部材に相当する。また、電歪素子５の支持枠１５，１６は、動力伝達要素５の両端部に相当する。

以上の如く構成された電歪素子５では、印加電圧に応じて各弾性変形部１１が上記の如く弾性変形する。そして、この弾性変形に応じて、電歪素子５の剛性度合及び粘性度合が変化する。

ここで、本実施形態の構成の電歪素子５では、該電歪素子５の複数の誘電エラストマー１２の全体の剛性度合が、該電歪素子５の剛性度合である。該電歪素子５の剛性度合は、より詳しくは、複数の誘電エラストマー１２の全体の弾性変形により中心軸線Ｃの方向で支持枠１５，１６の間に発生する弾性力に関する剛性度合である。

この場合、電歪素子５の剛性度合を表す指標値として、例えば、支持枠１５，１６の一方に対する他方の相対的な変位量（中心軸線Ｃの方向での相対的な変位量）の変化に対する支持枠１５，１６の間の弾性力の変化の感度（当該相対位置の単位変化量当たりの弾性力の変化量）を用いることができる。以降、この指標値を剛性度合指標値という。該剛性度合指標値は、所謂、ばね定数に相当するものであり、電歪素子５の剛性度合が高いほど、剛性度合指標値が大きくなる。

また、本実施形態の構成の電歪素子５では、該電歪素子５の複数の誘電エラストマー１２の全体の粘性度合が、該電歪素子５の粘性度合である。該電歪素子５の粘性度合は、より詳しくは、支持枠１５，１６の一方に対する他方の相対的な変位速度（中心軸線Ｃの方向での相対的な変位速度）に応じて、電歪素子５が支持枠１５，１６の間に中心軸線Ｃの方向で発生する粘性力（当該変位速度に対して制動力となる力）に関する粘性度合である。

この場合、電歪素子５の粘性度合を表す指標値として、例えば、支持枠１５，１６の一方に対する他方の相対的な変位速度の変化に対する支持枠１５，１６の間の粘性力の変化の感度（当該変位速度の単位変化量当たりの粘性力の変化量）を用いることができる。以降、この指標値を粘性度合指標値という。該粘性度合指標値は、所謂、粘性係数に相当するものであり、電歪素子５の粘性度合が高いほど、粘性度合指標値が大きくなる。

そして、本実施形態の電歪素子５は、印加電圧が大きいほど（張力の与圧が小さいほど）、剛性度合が小さくなる（剛性度合指標値が小さくなる）。また、電歪素子５は、印加電圧が大きいほど（張力の与圧が小さいほど）、粘性度合が大きくなる（粘性度合指標値が小さくなる）という特性を有する。

この場合、電歪素子５の印加電圧の変化に応じて、剛性度合と粘性度合との両方が変化するため、電歪素子５の剛性度合と粘性度合とを印加電圧の操作によって各別に（互いに独立に）制御することはできない。ただし、詳細は後述するが、電歪素子５の剛性度合を調整することで、擬似的に、電歪素子５の粘性度合を調整することが可能である。

なお、電歪素子５は、印加電圧の変化に対して、粘性度合がほぼ一定に保たれるような特性を有していてもよい。

補足すると、電歪素子５の剛性度合を表す指標値は、上記剛性度合指標値に限られない。電歪素子５の剛性度合を表す指標値としては、基本的には、該電歪素子５の剛性度合に対して、単調増加もしくは単調減少するという特性を持つ任意の指標値を用いることができる。例えば、上記剛性度合指標値の逆数値を、電歪素子５の剛性度合を表す指標値として用いてもよい。

同様に、電歪素子５の粘性度合を表す指標値は、上記粘性度合指標値に限られない。電歪素子５の粘性度合を表す指標値としては、基本的には、電歪素子５の粘性度合に対して、単調増加もしくは単調減少するという特性を持つ任意の指標値を用いることができる。例えば、上記粘性度合指標値の逆数値を、電歪素子５の粘性度合を表す指標値として用いてもよい。

図２〜図４を参照して、動力伝達機構３の基体フレーム６は、本実施形態では、中心軸線Ｃの方向での電歪素子５の両側に、該電歪素子５と間隔を存して配置された第１プレート２１及び第２プレート２２と、該第１プレート２１及び第２プレート２２を連結する複数の連結ロッド２３とから構成されている。

電歪素子５と第１プレート２１及び第２プレート２２のそれぞれのとの間の間隔は、該間隔内で、電歪素子５の弾性変形部１１の弾性変形（撓み）を行い得るように設定されている。

各連結ロッド２３は、電歪素子５の弾性変形部１１の周囲に、電歪素子５の中心軸線Ｃと同方向に延在するように配設されている。そして、各連結ロッド２３の両端部が、第１プレート２１及び第２プレート２２に各々固定されている。

また、各連結ロッド２３は、電歪素子５の外周側の支持枠１５に挿通されて、該支持枠１５に固定されている。これにより、電歪素子５の弾性変形部１１の外周側の周縁部が、支持枠１５を介して基体フレーム６の連結ロッド２３に支持されている。

動力伝達機構３の筒状部材７は、第１プレート２１の中央部に固定されたガイド部２１ａに形成された穴（図示省略）を摺動自在に貫通して、電歪素子５の中心軸線Ｃと同軸心に配置されている。

該筒状部材７は、その一端部（図２〜図４では左側端部）が第２プレート２２に向かって開口する中空の筒状部材である。そして、該筒状部材７の開口端部が、基体フレーム６の第１プレート２１及び第２プレート２２の間に位置する電歪素子５の中央部の貫通穴１４に挿入されると共に、該筒状部材７の開口端部の外周が、電歪素子５の内周側の支持枠１６に固着されている。

これにより、筒状部材７は、電歪素子５の弾性変形部１１の中央部に位置する支持枠１６から、第１プレート２１側に向かって、電歪素子５の中心軸線Ｃと同方向に延在するように配置されると共に、第１プレート２１を摺動自在に貫通している。

また、筒状部材７の電歪素子５と反対側の端部（図２〜図４では右側端部）は被動負荷としての第２部材Ａ２に連結されている。本実施形態では、筒状部材７の電歪素子５と反対側の端部に固定された環状の連結部材２４が支軸２５を介して第２部材Ａ２に連結されている。これにより、筒状部材７は、第２部材Ａ２に対して支軸２５の軸心周り（図２〜図４のそれぞれの紙面に垂直な方向の軸心周り）に相対回転し得るように、該第２部材Ａ２に軸支されている。

次に、前記アクチュエータ２は、例えば、直動軸としてのネジ軸３２と、該ネジ軸３２にボール（図示省略）を介して嵌合されたナット３３とを有するボールネジ機構３１と、動力源としてのモータ３４とを備える。

モータ３４は、本実施形態では、例えば電動モータである。このモータ３４の筐体３４ａの一端部（図２〜図４では右側端部）には、モータ３４の筐体３４ａ内に回転自在に支持されたロータ（図示省略）の回転角度又は回転速度に応じた検出信号を出力する回転検出器３５が装着されている。該回転検出器３５は、例えばロータリエンコーダ、ポテンショメータ等により構成され得る。この回転検出器３５の検出信号は、モータ３４の動作制御に利用される。

そして、モータ３４の筐体３４ａは、回転検出器３５を介して、前記基体フレーム６の第２プレート２２に固定されている。

なお、モータ３４として、電動モータ以外のモータ、例えば油圧モータを採用することもできる。

ボールネジ機構３１のネジ軸３２（直動軸）は、モータ３４の筐体３４ａ、回転検出器３５及び基体フレーム６の第２プレート２２を貫通して配設されている。この場合、ネジ軸３２は、電歪素子５の中心軸線Ｃと同軸心に配置されている。

そして、ネジ軸３２のうちの、第２プレート２２から突出した部分（図２〜図４では右側部分）が、前記筒状部材７に摺動自在に挿入されている。

なお、本実施形態では、ネジ軸３２は、筒状部材７に挿入される部分にもネジが形成さされているが、該筒状部材７に挿入される部分には、ネジが形成されていなくてもよい。

また、ネジ軸３２のうちの、基体フレーム６と反対側の端部（図２〜図４では左側端部）が第１部材Ａ１に連結されている。本実施形態では、ネジ軸３２のうちの、基体フレーム６と反対側の端部に固定された環状の連結部材３６が支軸３７を介して第１部材Ａ１に連結されている。これにより、ネジ軸３２は、第１部材Ａ１に対して支軸３７の軸心周り（図２〜図４のそれぞれ紙面に垂直な方向の軸心周り）に相対回転し得るように、該第１部材Ａ１に軸支されている。

ボールネジ機構３１のナット３３は、モータ３４から回転駆動力が付与されるように、モータ３４の筐体３４ａの内部において、モータ３４のロータに接続されている。

以上の如き機構的構成を有する動力装置１では、アクチュエータ２のモータ３４によりナット３３を回転駆動することにより、基体フレーム６がモータ３４の筐体３４ａと共に、ネジ軸３２に対して該ネジ軸３２の軸心方向（中心軸線Ｃと同方向）に移動する。このとき、基体フレーム６の移動に伴う並進力が、電歪素子５の弾性変形部１１を介して筒状部材７に作用し、該筒状部材７がネジ軸３２に対して摺動しつつ移動する。

これにより、第２部材Ａ２の筒状部材７との連結部分と、第１部材Ａ１のネジ軸３２との連結部分とが接近又は離反するようにして、第１部材Ａ１に対する第２部材Ａ２（被動負荷）の相対変位が行われることとなる。

例えば、図２に示す状態から、基体フレーム６をネジ軸３２に対して図２の左向きに移動させるようにナット３３を回転駆動することで、図３に示すように、第２部材Ａ２の筒状部材７との連結部分と、第１部材Ａ１のネジ軸３２との連結部分と間の距離（中心軸線Ｃの方向の距離）を短くするように、第１部材Ａ１に対して第２部材Ａ２を相対変位させることができる。

また、第２部材Ａ２の筒状部材７との連結部分と、第１部材Ａ１のネジ軸３２との連結部分と間の任意の距離状態において、該第１部材Ａ１と第２部材Ａ２との間に電歪素子５の中心軸線Ｃの方向の外力（並進力）が作用すると、電歪素子５の内周側の支持枠１６が外周側の支持枠１５に対して中心軸線Ｃの方向に相対変位するように、弾性変形部１１が弾性的に撓む。

例えば、図３に示す状態において、第１部材Ａ１と第２部材Ａ２との間に、これらの部材Ａ１，Ａ２の距離（中心軸線Ｃ上での距離）を縮める方向の外力が作用した場合には、図４に示すように電歪素子５の弾性変形部１１が弾性的に撓む。これにより、第１部材Ａ１と第２部材Ａ２との間に弾性力が発生することとなる。

この場合、電歪素子５の弾性変形部１１に対する印加電圧を変化させることで、該弾性変形部１１がその面沿い方向に伸縮する。ひいては、電歪素子５の弾性変形部１１の剛性度合と粘性度合とを変化させることが可能となる。

次に、動力装置１の制御に係る構成を図６を参照して説明する。図６を参照して、参照符号５１を付したものは、動力装置１の電歪素子５及びアクチュエータ２の作動制御を行う制御装置である。該制御装置５１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を含む電子回路ユニットにより構成される。なお、制御装置５１は、相互に通信可能な複数の電子回路ユニットにより構成されていてもよい。

制御装置５１には、被動負荷Ｌとしての第２部材Ａ２に作用する力（中心軸線Ｃの方向の並進力。以降、被動負荷作用力ということがある）に応じた検出信号を出力する力検出用センサ５２の検出信号と、電歪素子５の支持枠１５，１６の間の変位量（詳しくは、支持枠１５，１６の一方に対する他方の相対変位量（中心軸線Ｃの方向での相対変位量））に応じた検出信号を出力する変位検出用センサ５３の検出信号と、前記回転検出器３５の検出信号とが入力される。

上記力検出用センサ５２は、例えば、電歪素子５の支持枠１６と筒状部材７との間、あるいは、筒状部材７の中間部に介装される力センサ（図示省略）により構成され得る。

また、変位検出用センサ５３は、例えば、基体フレーム６の第１プレート２１又は第２プレート２２から電歪素子５の内側の支持枠１６までの距離を検出する距離センサ（図示省略）等により構成され得る。

なお、電歪素子５の支持枠１５，１６の間の変位量（中心軸線Ｃの方向での変位量）は、本発明における動力伝達要素の両端間の変位量に相当する。以降、支持枠１５，１６の間の変位量を電歪素子５（又は動力伝達要素５）の両端間変位量という。

制御装置５１は、実装されたハードウェア構成又はプログラム（ソフトウェア構成）によって、本発明における力制御装置としての機能が付与されている。

具体的には、制御装置５１は、被動負荷作用力を所要の目標値に制御するための第１の操作量（制御入力）として、電歪素子５の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値を所定の制御処理周期で逐次決定する第１操作量決定部６１と、該剛性度合及び粘性度合の目標値に応じて電歪素子５の実際の剛性度合及び粘性度合を制御する剛性・粘性制御部６２と、被動負荷作用力を所要の目標値に制御するための第２の操作量（制御入力）として、被動負荷位置の調整量（以降、単に被動負荷位置調整量という）を所定の制御処理周期で逐次決定する第２操作量決定部６３と、該被動負荷位置調整量と第１部材Ａ１に対する第２部材Ａ２の相対位置の基準目標値とに応じて第２部材Ａ２を変位させるようにアクチュエータ２のモータ３４を制御するアクチュエータ制御部６４とを備える。

そして、剛性・粘性制御部６２は、電歪素子５の粘性度合を後述する如く擬似的に制御するために、剛性度合の目標値を補正する剛性度合補正部６２ａを含んでいる。

なお、制御装置５１は、前記電歪素子５の弾性変形部１１に電圧を印加する直流電源（図示省略）を介して、電歪素子５の印加電圧を操作し得るように構成されている。

補足すると、上記第１操作量決定部６１、剛性・粘性制御部６２、第２操作量決定部６３、アクチュエータ制御部６４、及び剛性度合補正部６２ａは、それぞれ本発明における第１操作量決定手段、剛性・粘性制御手段、第２操作量決定手段、アクチュエータ制御手段、及び補正手段に相当する。また、前記被動負荷位置調整量は、本発明における被動負荷変位操作量に相当する。

以下に制御装置５１の制御処理をより具体的に説明する。なお、以降の説明では、第１部材Ａ１に対する第２部材Ａ２の相対位置を、単に第２部材Ａ２の位置、又は被動負荷位置という。

制御装置５１は、所定の制御処理周期で、被動負荷作用力の目標値ｆcmdと、被動負荷位置の基準目標値Ｐcmd_baseとを逐次決定し、あるいは、外部のサーバ等から逐次取得する。

これらの目標値ｆcmd，Ｐcmd_baseは、実現可能な範囲で任意に設定され得る。例えば、第１部材Ａ１及び第２部材Ａ２が、ロボットの回転型の関節で連結される２つのリンクである場合には、目標値ｆcmd，Ｐcmd_baseは、ロボットの目標とする動作パターン、外界物との接触状態等に応じて適宜設定される。

また、制御装置５１は、上記所定の制御処理周期で、力検出用センサ５２、変位検出用センサ５３、及び回転検出器３５の出力を逐次取得する。

そして、制御装置５１は、各制御処理周期において、第１操作量決定部６１及び剛性・粘性制御部６２の処理を実行することで、電歪素子５の剛性度合及び粘性度合を制御すると共に、第２操作量決定部６３及びアクチュエータ制御部６４の処理を実行することで、被動負荷位置（第２部材Ａ２の位置）を制御する。

この場合、制御装置５１の第１操作量決定部６１の処理は次のように実行される。すなわち、第１操作量決定部６１は、各制御処理周期において、電歪素子５の弾性部材たる誘電エラストマー１２の全体の基準変形状態からの弾性変形量Ｘactと該弾性変形量Ｘactの時間的変化率としての弾性変形速度ｄＸactとのそれぞれの現在の推定値を求める。

ここで、電歪素子５の誘電エラストマー１２の全体の基準変形状態は、該誘電エラストマー１２の全体が発生する弾性力（中心軸線Ｃの方向の並進力）がゼロとなる状態（バネの自然長状態に相当する状態）である。そして、上記弾性変形量Ｘactは、電歪素子５の両端間変位量（誘電エラストマー１２の全体の基準変形状態での電歪素子５の両端間変位量の値を基準（ゼロ）とする相対的な両端間変位量）により表される。

この場合、電歪素子５の誘電エラストマー１２は、前記したように印加電圧に応じて撓むため、該誘電エラストマー１２の全体の基準変形状態での電歪素子５の両端間変位量の値は、電歪素子５の印加電圧と、該印加電圧の変化に応じて電歪素子５に流れる電流とに応じたものとなる。

そこで、第１操作量決定部６１は、電歪素子５に対する印加電圧の現在の指令値（又は検出値）と、電流の検出値とから、あらかじめ作成された演算式又はマップにより基準変形状態での電歪素子５の両端間変位量の推定値を求める。そして、第１操作量決定部６１は、変位検出用センサ５３の出力により示される電歪素子５の現在の両端間変位量の検出値と、基準変形状態での電歪素子５の両端間変位量の推定値との差（＝検出値−推定値）を、電歪素子５の弾性部材たる誘電エラストマー１２の全体の基準変形状態からの弾性変形量Ｘact（以降、単に電歪素子５の弾性変形量Ｘactという）の推定値として求める。

なお、電歪素子５の弾性変形量Ｘactの推定値を、電歪素子５に対する印加電圧の現在の指令値（又は検出値）と、電流の検出値と、変位検出用センサ５３の出力により示される電歪素子５の現在の両端間変位量の検出値とから、あらかじめ作成された演算式又はマップにより求めるようにしてもよい。

さらに、第１操作量決定部６１は、上記の如く求めた弾性変形量Ｘactの時間的変化率（単位時間当たりの変化量）を、電歪素子５の誘電エラストマー１２の全体の弾性変形速度ｄＸact（以降、単に電歪素子５の弾性変形速度ｄＸactという）の推定値として求める。

この場合、弾性変形量Ｘactの時間的変化率は、弾性変形量Ｘactの推定値の現在値（現在の制御処理周期で求めた推定値）と、前回値（前回の制御処理周期で求めた推定値）との差を制御処理周期の時間で除算することで算出される。

さらに、第１操作量決定部６１は、電歪素子５の現在の実際の剛性度合を表す剛性度合指標値Ｋactの推定値（観測値）と、電歪素子５の現在の実際の粘性度合を表す粘性度合指標値Ｄactの推定値（観測値）とを求める。

この場合、Ｋact，Ｄactのそれぞれの推定値は、例えば次のような手法により求めることができる。すなわち、第１操作量決定部６１は、まず、上記の如く求めた電歪素子５の現在の弾性変形量Ｘactの推定値及び弾性変形速度ｄＸactの推定値と、電歪素子５の印加電圧（指令値又は検出値）とから、あらかじめ作成された演算式又はマップによりＫactの推定値が求められる。

ここで、本実施形態では、後述するように電歪素子５の剛性度合は、電歪素子５が、剛性度合指標値の目標値Ｋcmdに応じた弾性力に加えて、粘性度合指標値の目標値Ｄcmdに応じた擬似的な粘性力を発生するように調整される。そして、上記の如く求められるＫactの推定値は、粘性力の成分を除いたものである。

次いで、第１操作量決定部６１は、電歪素子５の現在のＫact及びＸactの推定値から算出される弾性力（＝Ｋact・Ｘact）を、前記力検出用センサ５２の出力により示される被動負荷作用力ｆact（これは、電歪素子５が発生する弾性力と粘性力との総和に相当する）の現在の検出値から減算することで、電歪素子５が発生している粘性力（＝ｆact−Ｋact・Ｘact）を求める。そして、第１操作量決定部６１は、この粘性力を、電歪素子５の現在のｄＸactの推定値で除算することにより、現在のＤactの推定値を求める。

なお、Ｋact，Ｄactの推定値は、上記の手法以外の手法で求めることもできる。例えば、前回の制御処理周期までに決定された剛性度合指標値及び粘性度合指標値のそれぞれの目標値Ｋcmd，Ｄcmdの時系列に所定の応答遅れ特性（例えば一次遅れ特性）で追従させるように逐次決定した値の最新値を、Ｋact，Ｄactのそれぞれの推定値として求めるようにしてもよい。

第１操作量決定部６１は、以上の如く求めたＫact，Ｄact，Ｘact，ｄＸactの推定値と、前記力検出用センサ５２の出力により示される被動負荷作用力ｆactの現在の検出値と、被動負荷作用力ｆactの検出値の現在の時間的変化率ｄｆactと、被動負荷作用力の現在の目標値ｆcmdと、被動負荷作用力の目標値ｆcmdの現在の時間的変化率ｄｆcmdとから、次式（１），（２）の演算により、剛性度合指標値の目標値Ｋcmdと粘性度合指標値の目標値Ｄcmdとをそれぞれ決定する。

なお、ｆactの検出値の時間的変化率ｄｆactと、ｆcmdの時間的変化率ｄｆcmdとは、それぞれ、前記弾性変形速度ｄＸactの推定値の算出演算と同様の演算（現在値と前回値との差を制御処理周期の時間で除算する演算）により算出される。

Ｋcmd＝ｋfp・((ｆcmd−ｆact)／Ｘact)＋Ｋact ……（１）
Ｄcmd＝ｋfd・((ｄｆcmd−ｄｆact)／ｄＸact)＋Ｄact ……（２）

上記式（１）におけるｋfpと、式（２）におけるｋfdはそれぞれあらかじめ設定された所定値のゲインである。ただし、式（１）の演算では、Ｘactの絶対値が所定値γ1よりも小さい微小値である場合には、Ｘactの値の代わりに、所定の制限値（例えば、sign(Ｘact)・γ1）が使用される。同様に、式（２）の演算では、ｄＸactの絶対値が所定値γ2よりも小さい微小値である場合には、ｄＸactの値の代わりに、所定の制限値（例えば、sign(ｄＸact)・γ2）が使用される。なお、sign( )は符号関数である。

式（１）の演算により、Ｋcmdは、被動負荷作用力の目標値ｆcmdと、被動負荷作用力の実際の値ｆactの推定値（観測値）との偏差（以降、被動負荷作用力偏差という）をゼロに近づける機能を有する操作量として算出される。

また、式（２）により、被動負荷作用力の目標値ｆcmdの時間的変化率ｄｆcmdと、被動負荷作用力の時間的変化率の実際の値ｄｆactの推定値（観測値）との偏差、すなわち、上記被動負荷作用力偏差の時間的変化率をゼロに近づける機能を有する操作量として算出される。

なお、剛性度合指標値の目標値Ｋcmdは、所定の下限値Ｋminと上限値Ｋmaxとの間の許容範囲内の値となるように（Ｋmin＜Ｋcmd＜Ｋmaxとなるように）制限される。例えば、式（１）により算出されるＫcmdがＫmin＋ε1≦Ｋcmd≦Ｋmax−ε2（ε1，ε2は正の微小定数値）という範囲から逸脱する場合には、Ｋcmdは、Ｋmin＋ε1及びＫmax−ε2のうち、式（１）による算出値により近い方の値に強制的に制限される。

同様に、粘性度合指標値の目標値Ｄcmdは、所定の下限値Ｄminと上限値Ｄmaxとの間の許容範囲内の値となるように（Ｄmin＜Ｄcmd＜Ｄmaxとなるように）制限される。例えば、式（２）により算出されるＤcmdがＤmin＋ε3≦Ｄcmd≦Ｄmax−ε4（ε3，ε4は正の微小定数値）という許容範囲を逸脱する場合には、Ｄcmdは、Ｄmin＋ε3及びＤmax−ε4のうち、式（２）による算出値により近い方の値に強制的に制限される。

この場合、Ｋcmdについての上記下限値Ｋmin及び上限値Ｋmaxと、Ｄcmdについての上記下限値Ｄmin及び上限値Ｄmaxは、Ｋcmd及びＤcmdに応じて後述する如く電歪素子５の印加電圧を操作することにより実現される電歪素子５の実際の剛性度合指標値及び粘性度合指標値のそれぞれを、電歪素子５の仕様、あるいは、電歪素子５への電圧の印加装置の仕様、あるいは、電歪素子５の作動特性についての設計的な要求等に応じて規定される許容範囲に収め得るようにあらかじめ設定されるものである。

制御装置５１は、第１操作量決定部６１の処理により上記の如く決定した剛性度合指標値の目標値Ｋcmdと粘性度合指標値の目標値Ｄcmdとを用いて剛性・粘性制御部６２の処理を実行する。

この場合、剛性・粘性制御部６２の処理は次のように実行される。すなわち、剛性・粘性制御部６２は、電歪素子５の粘性度合指標値を擬似的に目標値Ｄcmdに制御するために、まず、剛性度合指標値の目標値Ｋcmdを粘性度合指標値の目標値Ｄcmdに応じて補正する処理を実行する。

ここで、本実施形態の電歪素子５は、印加電圧を変化させることで、剛性度合と粘性度合とが変化するものの、該剛性度合と粘性度合とを互いに独立に制御することができない。そこで、本実施形態では、剛性・粘性制御部６２は、電歪素子５の粘性度合指標値を擬似的に目標値Ｄcmdに制御し得るように、剛性度合補正部６２ａにより剛性度合指標値の目標値Ｋcmdを補正する。そして、その補正後の剛性度合指標値の目標値Ｋcmd2に実際の剛性度合指標値を制御するように、剛性・粘性制御部６２は、電歪素子５に対する印加電圧を操作する。

剛性度合指標値の目標値Ｋcmdの補正は、剛性度合補正部６２ａにより以下に説明する如く行われる。

電歪素子５の剛性度合指標値と、粘性度合指標値とをそれぞれ、Ｋcmd、Ｄcmdに一致させた場合を想定する。この場合に、電歪素子５で発生する弾性力と粘性力との合成力は次式（３）により表される。

合成力＝弾性力＋粘性力＝Ｋcmd・Ｘact＋Ｄcmd・ｄＸact ……（３）

一方、電歪素子５が粘性を持たない弾性体であるとみなし、且つ、該電歪素子５の剛性度合指標値をある目標値Ｋcmd2に一致させた場合を想定する。この場合に、電歪素子５が発生する弾性力は、次式（４）により表される。

弾性力＝Ｋcmd2・Ｘact ……（４）

ここで、基本的には、式（４）により表される弾性力を、式（３）により表される合成力に一致させるように、Ｋcmd2を決定して、このＫcmd2（＝Ｋcmd＋Ｄcmd・ｄＸact／Ｘact）に電歪素子５の実際の剛性度合指標値を制御すれば、電歪素子５は、擬似的に、Ｄcmdに応じた粘性力（＝Ｄcmd・ｄＸact）と、Ｋcmdに応じた弾性力（＝Ｋcmd・Ｘact）との合成力を発生できることとなる。

ただし、電歪素子５の剛性度合指標値の上記目標値Ｋcmd2は、前記した所定の下限値Ｋminと上限値Ｋmaxとの間に許容範囲内に収まる必要がある。すなわち、Ｋmin＜Ｋcmd2＜ＫmaxというＫcmd2の許容範囲条件を満たす必要がある。

そこで、本実施形態では、剛性・粘性制御部６２の剛性度合補正部６２ａは、第１操作量決定部６１で決定された剛性度合指標値の目標値Ｋcmd及び粘性度合指標値の目標値Ｄcmdと、第１操作量決定部６１で前述した如く求められた電歪素子５の現在の弾性変形量Ｘact及びその時間的変化率ｄＸact（弾性変形速度ｄＸact）のそれぞれの推定値とを用いる次式（５）の演算によりＫcmdを補正することで、当該補正後の剛性度合指標値の目標値Ｋcmd2を決定する。

Ｋcmd2＝(Ｄcmd・ｄＸact／(Ｘact＋σ))＋Ｋcmd ……（５）

この場合、式（５）におけるσは、Ｋmin＜Ｋcmd2＜ＫmaxというＫcmd2の許容範囲条件を満たし得る範囲内で極力小さい（ゼロに近い）正の値となるように設定される。

例えば、σの値は、電歪素子５の弾性変形速度ｄＸactの極性に応じて、次式（６ａ）又は（６ｂ）によりσの値が設定される。

ｄＸact≧０のとき
σ＝(ｄＸact・Ｄcmd／(Ｋmax−Ｋcmd))＋α ……（６ａ）
ｄＸact＜０のとき
σ＝(ｄＸact・Ｄcmd／(Ｋmin−Ｋcmd))＋α ……（６ｂ）

式（６ａ），（６ｂ）におけるαは、あらかじめ設定したゼロ以上の定数値（ゼロ又はゼロ近傍の正の定数値）である。これらの式（６ａ），（６ｂ）により設定されるσの値は、電歪素子５の弾性変形速度ｄＸactの大きさが大きいほど、大きな値となる。また、ＫcmdがＫmax又はＫminに近いほど、σの値が大きくなる。

上記の如く剛性度合指標値の目標値Ｋcmdを補正した場合、補正後の剛性度合指標値の目標値Ｋcmd2に応じて後述の如く電歪素子５の印加電圧を操作したときに、剛性度合指標値の目標値Ｋcmdと電歪素子５の弾性変形量Ｘactの推定値とに応じた弾性力と、粘性度合指標値の目標値Ｄcmdと電歪素子５の弾性変形速度ｄＸactの推定値とに応じた粘性力とを電歪素子５で発生させることができるようになる。

剛性・粘性制御部６２は、以上の如く剛性度合指標値の補正後の目標値Ｋcmd2を算出した後、該目標値Ｋcmd2に応じて電歪素子５の印加電圧を操作する。

この場合、剛性・粘性制御部６２は、剛性度合指標値の目標値Ｋcmd2から、あらかじめ作成された演算式又はマップにより実際の剛性度合指標値Ｋactを目標値Ｋcmd2にするための印加電圧の指令値を決定する。そして、剛性・粘性制御部６２は、当該指令値の印加電圧を図示しない直流電源から電歪素子５に印加させるように該直流電源を制御する。

これにより、電歪素子５の実際の剛性度合指標値Ｋactと粘性度合指標値Ｄactとが目標値Ｋcmd、Ｄcmdに応じて制御されることとなる。

制御装置５１の第１操作量決定部６１及び剛性・粘性制御部６２の処理は、以上の如く実行される。

一方、制御装置５１の第２操作量決定部６３及び及びアクチュエータ制御部６４の処理は、次のように実行される。

まず、第２操作量決定部６３は、次式（７）で示す如く、被動負荷作用力の目標値ｆcmdと前記力検出用センサ５２の出力により示される実際の被動負荷作用力ｆactの検出値との偏差（＝ｆcmd−ｆact）を積分する処理を逐次実行し、各制御処理周期での当該積分値を前記被動負荷位置調整量ΔＰとして求める。

ΔＰ＝ｋfi・∫(ｆcmd−ｆact)dt
＝ΔＰの前回値＋ｋfi・(ｆcmd−ｆact)・Δｔ ……（７）

式（７）におけるΔＰの前回値は、前回の制御処理周期で求めたΔＰの値である。また、ｋfi・(ｆcmd−ｆact)・Δｔの項のうちのｋfiはあらかじめ設定された所定値のゲイン、(ｆcmd−ｆact)は、現在の制御処理周期での被動負荷作用力の目標値ｆcmdと実際の被動負荷作用力ｆactの検出値との偏差、Δｔは制御処理周期の時間である。

上記の如く算出される被動負荷位置調整量ΔＰは、被動負荷作用力の目標値ｆcmdに対する実際の被動負荷作用力ｆactの定常偏差を解消するように被動負荷位置を調整する機能を有する操作量である。

次に、アクチュエータ制御部６４は、各制御処理周期において、次式（８）で示す如く、第２操作量決定部６３で上記の如く決定された被動負荷位置調整ΔＰにより、被動負荷位置の前記基準目標値Ｐcmd_base（現在値）を補正することで、被動負荷位置の目標値Ｐcmdを決定する。

Ｐcmd＝Ｐcmd_base＋ΔＰ ……（８）

そして、アクチュエータ制御部６４は、この目標値Ｐcｍdを実現するように、モータ３４を制御する。

例えば、アクチュエータ制御部６４は、回転検出器３５の出力により示されるモータ３４のロータの現在の回転角度の検出値と、変位検出用センサ５３の出力により示される電歪素子５の現在の両端間変位量の検出値とから、あらかじめ作成された演算式又はマップにより実際の被動負荷位置の推定値を求める。そして、アクチュエータ制御部６４は、該被動負荷位置の推定値と目標値Ｐcmdとの偏差に応じてモータ３４のサーボ制御を実行する。これにより、実際の被動負荷位置が目標値Ｐcmdに一致もしくはほぼ一致するように、モータ３４が制御される。

従って、実際の被動負荷作用力ｆactが目標値ｆcmdに定常的にほぼ一致している状態では、実際の被動負荷位置が、基準目標値Ｐcmd_baseに一致もしくはほぼ一致するようにモータ３４が制御される。

そして、実際の被動負荷作用力ｆactが目標値ｆcmdに対して定常偏差を生じる状況になると、実際の被動負荷位置は、基準目標値Ｐcmd_baseから被動負荷位置調整量ΔＰだけずらした目標値Ｐcmdに一致もしくはほぼ一致するようにモータ３４が制御される。これにより、上記定常偏差が解消される。

以上が、制御装置５１の処理の詳細である。以上説明した本実施形態によれば、被動負荷作用力偏差（＝ｆcmd−ｆact）と、その時間的変化率（＝ｄｆcmd−ｄｆact）とをゼロに近づけるように、電歪素子５の剛性度合及び粘性度合が制御される。これにより、電歪素子５の誘電エラストマー１２の弾性的な振動の減衰特性（ひいては、電歪素子５の両端間変位量の振動の減衰特性）が、被動負荷作用力偏差及びその時間的変化率をゼロに近づけ得るように設定されることとなる。

そして、被動負荷作用力の制御のためのアクチュエータ２の作動制御は、被動負荷作用力偏差の積分値に応じて（被動負荷位置調整量ΔＰに応じて）、被動負荷位置を調整するように行われる。これにより実際の被動負荷作用力ｆactが目標値ｆcmdに対して定常偏差を生じても、それを解消できる。

この場合、急激な変動を生じ難い被動負荷作用力偏差の積分値に応じてアクチュエータ２の作動制御を行うので、その作動制御は、比較的低速の制御でよい。

また、電歪素子５の剛性度合及び粘性度合の制御によって、電歪素子５の両端間変位量の振動の連続的な減衰特性が規定されるので、電歪素子５の剛性度合及び粘性度合の制御も、比較的低速の制御でよい。

従って、制御装置５１は、比較的低速の制御処理で、被動負荷作用力の制御を行うことができる。このため、該被動負荷作用力の制御は、被動負荷作用力の検出値、電歪素子５の両端間変位量の推定値、電歪素子５の弾性変形量Ｘactの推定値等の各観測値の誤差の影響を受け難い。ひいては、被動負荷作用力の制御を、高い信頼性で安定に行うことができる。

また、本実施形態では、動力伝達機構３の動力伝達要素５が弾性部材たる誘電エラストマー１２を有する電歪素子により構成されている。そして、該電歪素子５の粘性度合は、剛性度合の調整によって擬似的に制御される。このため、動力伝達要素５を小型で簡略な構成とすることができる。ひいては、動力装置１の小型化あるい軽量化を容易に実現できる。

また、該電歪素子５は、被動負荷作用力の制御を行う上で、十分な応答性で剛性度合及び粘性度合を制御できる。

次に、本発明の効果に関する検証シミュレーションについて図７Ａ及び図７Ｂ、並びに図８を参照して説明する。図７Ａ及び図７Ｂ、並びに図８は、図１に示した構成の動力装置１における被動負荷作用力の制御に関する検証シミュレーションにより得られたグラフを示している。

図７Ａ及び図７Ｂのそれぞれの実施例１のグラフ（太線のグラフ）は、動力伝達要素５の剛性度合（バネ要素５ｘの剛性度合）と粘性度合（ダンパー要素５ｙの粘性度合）とを、各々独立に目標値に制御した場合における被動負荷位置の経時変化と被動負荷作用力の経時変化とをそれぞれ示している。この場合、制御処理周波数（制御処理周期の逆数値）は３３Ｈｚである。

また、図７Ａ及び図７Ｂのそれぞれの比較例１のグラフ（細線のグラフ）は、動力伝達要素５の剛性度合と粘性度合とをそれぞれ一定値として、アクチュエータ２の制御によって、被動負荷作用力を制御した場合における被動負荷位置の経時変化と被動負荷作用力の経時変化とをそれぞれ示している。図７Ａ及び図７Ｂのそれぞれの比較例２のグラフ（細線のグラフ）も同様である。ただし、比較例１での制御処理周波数は３３Ｈｚ、比較例２での制御処理周波数は２００Ｈｚである。

実施例１では、被動負荷作用力が比較的短時間で円滑に目標値ｆcmdに収束する。一方、動力伝達要素５の剛性度合及び粘性度合の制御を行わない比較例１，２のうち、制御処理周波数が実施例１と同じである比較例１では、被動負荷作用力を短時間で目標値ｆcmdに収束させることができない。そして、実施例１よりも十分に制御処理周波数が高い比較例２においては、実施例１と同程度の時間で被動負荷作用力を目標値ｆcmdに収束させることができるようになる。

このことから、被動負荷作用力を制御するために、動力伝達要素５の剛性度合と粘性度合とを制御する実施形態では、高速での制御処理を必要とせずに、比較的低速の制御によって、被動負荷作用力を適切に制御できることが判る。

次に図８の実施例２のグラフ（実線のグラフ）は、動力伝達要素５の粘性度合を、前記実施形態で説明した手法、すなわち前記式（５）による補正後の剛性度合の目標値Ｋcmd2に応じて動力伝達要素５の剛性度合を制御する手法によって、動力伝達要素５の粘性度合を擬似的に制御するようにした場合における被動負荷位置の経時変化を示している。また、図８の実施例１のグラフ（破線のグラフ）は、図７Ａに示したものと同じである。なお、実施例２の制御処理周波数は、実施例１と同じ（３３Ｈｚ）である。

図８の実施例１、２のグラフを比較して判るように、動力伝達要素５の粘性度合を擬似的に制御する場合であっても、該粘性度合を剛性度合と独立に制御する場合と同様に、被動負荷作用力の制御を行うことができることが判る。

次に、前記実施形態の変形態様をいくつか説明しておく。前記実施形態では、動力伝達要素５としての電歪素子５は、複数の誘電エラストマー１２を備えるものであるが、単一の誘電エラストマー１２だけを備えるものであってもよい。

また、例えば電歪素子５とは別にダンパー要素をさらに備え、電歪素子５の剛性度合とダンパー要素の粘性度合とを各別に制御し得るように動力伝達要素を構成してもよい。なお、ダンパー要素は、例えば開口面積を変更可能な油通路を備える流体機構等により構成し得る。

また、動力伝達要素の弾性部材としては、電歪素子に限らず、例えば磁歪素子を使用することもできる。

また、前記実施形態では、被動負荷Ｌに並進力を作用させる動力装置１を例示したが、本発明における動力装置は、被動負荷に回転力を作用させる動力装置であってもよい。

１…動力装置、２…アクチュエータ、３…動力伝達機構、５…動力伝達要素、１２…誘電エラストマー（弾性部材）、５１…制御装置、６１…第１操作量決定部（第１操作量決定手段）、６２…剛性・粘性制御部（剛性・粘性制御手段）、６２ａ…剛性度合補正部（補正手段）、６３…第２操作量決定部（第２操作量決定手段）、６４…アクチュエータ制御部（アクチュエータ制御手段）。

Claims (6)

1. 被動負荷を動かす動力を出力するアクチュエータと、該アクチュエータから被動負荷への動力伝達を行う動力伝達機構とを備える動力装置において、前記被動負荷に作用する力を制御する力制御装置であって、
   前記動力伝達機構は、剛性度合と粘性度合とを可変的に制御可能な動力伝達要素を含み、該動力伝達要素を介して前記アクチュエータから被動負荷への動力の伝達を行うように構成されており、
   前記被動負荷に作用する力の制御用の操作量として、前記動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値を、前記力の目標値と該力の観測値との偏差と、該偏差の時間的変化率とに応じて逐次決定する第１操作量決定手段と、
   該第１操作量決定手段により決定された前記動力伝達要素の剛性度合及び粘性度合のそれぞれの目標値に応じて前記動力伝達要素の実際の剛性度合及び粘性度合を制御する剛性・粘性制御手段とを備えることを特徴とする力制御装置。
2. 請求項１記載の力制御装置において、
   前記第１操作量決定手段は、前記動力伝達要素の剛性度合の目標値を、前記偏差と前記偏差の時間的変化率とのうちの少なくとも前記偏差に応じて変化させるように決定すると共に、前記動力伝達要素の粘性度合の目標値を、前記偏差と前記偏差の時間的変化率とのうちの少なくとも前記偏差の時間的変化率に応じて変化させるように決定するように構成されていることを特徴とする力制御装置。
3. 請求項１又は２記載の力制御装置において、
   前記被動負荷に作用する力の制御用の他の操作量として、前記被動負荷の変位量を調整する操作量である被動負荷変位操作量を前記偏差の積分値に応じて逐次決定する第２操作量決定手段と、
   該第２操作量決定手段により決定された被動負荷変位操作量に応じて前記被動負荷の実際の変位量を変化させるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段とをさらに備えることを特徴とする力制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の力制御装置において、
   前記動力伝達要素は、印加電圧に応じて剛性度合及び粘性度合のうちの少なくとも剛性度合が変化するように構成された誘電エラストマーを、該動力伝達要素の両端間の変位量に応じた弾性変形を生じる弾性部材として含むように構成されていることを特徴とする力制御装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の力制御装置において、
   前記動力伝達要素は、該動力伝達要素の両端間の変位量に応じた弾性変形を生じ、且つ剛性度合を制御可能に構成された弾性部材を含み、
   前記剛性・粘性制御手段は、前記動力伝達要素の粘性度合の目標値と、前記弾性部材の弾性変形量の観測値と、該弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じて前記動力伝達要素の剛性度合の目標値を補正する補正手段を含み、当該補正後の剛性度合の目標値に応じて前記弾性部材の実際の剛性度合を制御することによって、前記動力伝達要素の実際の剛性度合を制御し、且つ該動力伝達要素の実際の粘性度合を擬似的に制御するように構成されており、
   前記補正手段は、前記補正後の剛性度合の目標値に応じて前記弾性部材の剛性度合を制御したときに、前記剛性度合の目標値と前記弾性部材の弾性変形量の観測値とに応じた弾性力と、前記粘性度合の目標値と前記弾性部材の弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じた粘性力とを前記動力伝達要素で発生することとなるように、前記剛性度合の目標値の補正処理を実行するように構成されていることを特徴とする力制御装置。
6. 請求項４記載の力制御装置において、
   前記剛性・粘性制御手段は、前記動力伝達要素の粘性度合の目標値と、前記誘電エラストマーの弾性変形量の観測値と、該誘電エラストマーの弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じて前記動力伝達要素の剛性度合の目標値を補正する補正手段を含み、当該補正後の剛性度合の目標値に応じて前記誘電エラストマーの印加電圧を操作することによって、前記動力伝達要素の実際の剛性度合を制御し、且つ該動力伝達要素の実際の粘性度合を擬似的に制御するように構成されており、
   前記補正手段は、前記補正後の剛性度合の目標値に応じて前記誘電エラストマーの印加電圧を操作したときに、前記剛性度合の目標値と前記誘電エラストマーの弾性変形量の観測値とに応じた弾性力と、前記粘性度合の目標値と前記誘電エラストマーの弾性変形量の時間的変化率の観測値とに応じた粘性力とを前記動力伝達要素で発生することとなるように、前記剛性度合の目標値の補正処理を実行するように構成されていることを特徴とする力制御装置。