JPWO2020110482A1

JPWO2020110482A1 - 弾性ユニット

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Publication number: JPWO2020110482A1
Application number: JP2020558153A
Authority: JP
Inventors: 康久神川; 弘樹西條; 智子永仮
Original assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
Current assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-10-07
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Abstract

外力が作用する力点と接続し、一方向に延伸する軸状部材と、内部に空間を有し、前記軸状部材が貫通する外装部材と、前記外装部材に対して前記軸状部材が可動となるように、前記軸状部材と前記外装部材との接触箇所に設けられた軸受と、前記外装部材の内部空間内にて前記軸状部材から突出して設けられたプレート部材と、前記外装部材及び前記プレート部材の間に挟持された少なくとも１つ以上の弾性部材と、を備える、弾性ユニット。

Description

本開示は、弾性ユニットに関する。

近年、ロボット装置の開発の進展に伴って、ロボット装置の各部を駆動させるアクチュエータの開発も進展している。このようなアクチュエータとして、例えば、直動方向に駆動する直動アクチュエータが知られている。

直動アクチュエータは、回転運動をするモータ等に対して、ギア等の機械的な変換機構を用いずとも推力を発生させることができるため、制御性に優れるアクチュエータとして期待されている。

例えば、下記の特許文献１には、直動アクチュエータの力制御を安定化させるために、力点と直動駆動部との間に弾性ユニットをさらに設ける直列弾性アクチュエータ（ＳｅｒｉｅｓＥｌａｓｔｉｃＡｃｔｕａｔｏｒｓ）が記載されている。

米国特許第５６５０７０４号明細書

しかし、上記の特許文献１では、力点と直動駆動部との間に設けられる弾性ユニットの構造については、十分な検討がなされていなかった。そこで、直列弾性アクチュエータに用いられる弾性ユニットの具体的な構造をより検討することによって、より軽量かつメンテナンス性に優れた弾性ユニットを実現することができる可能性がある。

本開示によれば、外力が作用する力点と接続し、一方向に延伸する軸状部材と、内部に空間を有し、前記軸状部材が貫通する外装部材と、前記外装部材に対して前記軸状部材が可動となるように、前記軸状部材と前記外装部材との接触箇所に設けられた軸受と、前記外装部材の内部空間内にて前記軸状部材から突出して設けられたプレート部材と、前記外装部材及び前記プレート部材の間に挟持された少なくとも１つ以上の弾性部材と、を備える、弾性ユニットが提供される。

直列弾性アクチュエータの概略を模式的に示す説明図である。本開示の一実施形態に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。力点に外力が加えられた場合の弾性ユニットの動作を示す模式図である。比較例に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。第１の変形例に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。第２の変形例に係る弾性ユニットの弾性率を変化させるための機能構成を示すブロック図である。第３の変形例に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。第４の変形例に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。第５の変形例に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。第６の変形例に係る弾性ユニットの構造を示す模式図である。本開示の一実施形態に係る弾性ユニット又は直列弾性アクチュエータが適用されるロボット装置を示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．直列弾性アクチュエータの概略
２．弾性ユニットの構造
３．変形例
４．適用例

＜１．直列弾性アクチュエータの概略＞
まず、図１を参照して、本開示の一実施形態に係る弾性ユニットが適用される直列弾性アクチュエータの概略について説明する。図１は、直列弾性アクチュエータの概略を模式的に示す説明図である。

図１に示すように、直列弾性アクチュエータ１０は、例えば、力点２００と、弾性ユニット１００と、直動部３００と、直動駆動部４００と、を備える。

直動駆動部４００は、直動部３００を一方向に運動させる動力を発生させる駆動装置である。直動駆動部４００は、直動部３００を一方向に運動させることができれば、公知のいかなる駆動装置であってもよいが、例えば、電磁力を直動運動に変換するソレノイド、油圧、空圧又は水圧等の圧力を直動運動に変換する動力シリンダ、又はリニアモータを用いたリニアアクチュエータ等であってもよい。または、直動駆動部４００は、モータ等にて発生させた回転運動をギア又はボールねじ等の機械的機構によって直動運動に変換させた駆動装置であってもよい。

直動部３００は、直動駆動部４００からの動力によって一方向に運動する部材であり、直動駆動部４００に接続されて設けられる。具体的には、直動部３００は、直動駆動部４００からの動力によって一方向に伸長する伸長部３１０と、収縮時に伸長部３１０を格納する格納部３２０と、によって構成され得る。なお、直動部３００は、直動駆動部４００と一体化されていてもよい。

弾性ユニット１００は、直動部３００と力点２００との間に設けられ、力点２００に加えられた外力を弾性力によって吸収する部材である。弾性ユニット１００は、力点２００に加えられた外力（すなわち、衝撃等）が直動部３００に直接伝達することを防止することができるため、力点２００に加えられた衝撃等から直動部３００を保護することができる。

また、弾性ユニット１００は、力点２００に加えられた外力のエネルギーを弾性変形のエネルギーに変換することができるため、変換された弾性変形の大きさを測定することで、力点２００に加えられた外力の大きさを測定することも可能である。このような場合、弾性ユニット１００は、力検出センサとして機能することができる。

力点２００は、直列弾性アクチュエータ１０の駆動によって外部に力を作用させる部材である。このため、力点２００には、外部に作用させた力の反作用として外力が働く。直列弾性アクチュエータ１０では、力点２００に加えられた外力を弾性ユニット１００によって吸収することによって、外力による直動部３００又は直動駆動部４００へのダメージを緩和することができる。

力点２００の構造は、特に限定されないが、例えば、力点２００を回動中心として回動する部材が接続可能な回転軸受であってもよい。このような場合、直列弾性アクチュエータ１０は、力点２００の直動運動を回動運動に変換することができるため、ロボット装置の腕部又は脚部の関節を回転させるアクチュエータとして機能することができる。

本開示に係る技術は、上記のような力点２００及び直動駆動部４００との間に弾性ユニット１００が設けられる直列弾性アクチュエータ１０に対して適用される。本開示に係る技術によれば、より軽量かつ頑強な構造の弾性ユニット１００を提供することができる。以下では、本開示の一実施形態に係る弾性ユニット１００について、より具体的に説明する。

＜２．弾性ユニットの構造＞
続いて、図２を参照して、本実施形態に係る弾性ユニット１００の構造について説明する。図２は、本実施形態に係る弾性ユニット１００の構造を示す模式図である。

図２に示すように、弾性ユニット１００は、軸状部材１１１と、外装部材１４０と、軸受１２１、１２２と、プレート部材１１２と、弾性部材１３１、１３２と、エンコーダ検出部１５１と、エンコーダ部１５２と、接続部１６０と、を備える。

軸状部材１１１は、力点２００と接続して一方向に軸状に延伸する部材である。軸状部材１１１は、後述する外装部材１４０を貫通して設けられており、軸受１２１、１２２によって外装部材１４０に対して可動となるように設けられる。これにより、軸状部材１１１は、力点２００に加えられた外力によって、外装部材１４０とは独立して可動することができる。したがって、軸状部材１１１の延伸方向が力点２００に加えられた外力の検出方向となる。

なお、軸状部材１１１の力点２００が設けられた一端と反対側の他端には、ストッパ（図示せず）が設けられていてもよい。ストッパは、力点２００に加えられた外力によって軸状部材１１１が過剰に移動した場合に軸受１２２又は外装部材１４０と接触することで、軸状部材１１１のさらなる移動を防止する。これにより、ストッパは、力点２００に加えられた外力による弾性ユニット１００への過負荷を防止することができる。

外装部材１４０は、内部に空間を有し、弾性ユニット１００の主要な部材を内部空間に格納する部材である。外装部材１４０の形状は、例えば、軸状部材１１１の延伸方向を高さ方向とする円柱形状又は角柱形状であってもよく、球形状又は多面体形状等の等方的な形状であってもよい。上述したように、外装部材１４０には、軸受１２１、１２２を介して、軸状部材１１１が貫通して設けられている。

軸受１２１、１２２は、軸状部材１１１と、外装部材１４０との接触箇所にそれぞれ設けられ、外装部材１４０に対して可動となるように軸状部材１１１を支持する。具体的には、軸受１２１は、外装部材１４０の力点２００が設けられた側の面に設けられ、軸受１２２は、外装部材１４０の力点２００が設けられた側と反対側の面に設けられる。

軸受１２１、１２２は、力点２００に加えられた外力によって一方向に往復運動する軸状部材１１１の荷重を支持するラジアル軸受として機能する。軸受１２１、１２２の構造は、外装部材１４０に対して軸状部材１１１を可動とすることができれば、どのような構造であってもよく、転がり軸受、すべり軸受、磁気軸受又は流体軸受のいずれの構造であってもよい。

本実施形態に係る弾性ユニット１００は、外力の作用方向と直交する方向の弾性ユニット１００の大きさ（すなわち、弾性ユニット１００の幅）を大きくすることなく、軸受１２１、１２２の間の距離を長くすることができる。これよれば、本実施形態に係る弾性ユニット１００は、力点２００に加えられた外力によるモーメント負荷に対して、より頑強な構造を実現することができる。

プレート部材１１２は、外装部材１４０の内部空間内にて軸状部材１１１から突出して設けられる部材である。具体的には、プレート部材１１２は、軸状部材１１１の延伸方向と直交する円板形状又は角板形状の部材であってもよい。プレート部材１１２は、力点２００に加えられた外力によって軸状部材１１１と連動して移動し、プレート部材１１２と外装部材１４０との間に挟持された弾性部材１３１、１３２を伸縮させる。これにより、弾性ユニット１００は、力点２００に加えられた外力のエネルギーを弾性部材１３１、１３２の弾性変形のエネルギーに変換することができる。

弾性部材１３１、１３２は、軸状部材１１１の延伸方向に弾性変形可能な部材であり、プレート部材１１２と外装部材１４０との間に挟持されることで設けられる。具体的には、弾性部材１３１、１３２は、プレート部材１１２の両主面にそれぞれ設けられる。例えば、弾性部材１３１は、プレート部材１１２の力点２００が設けられた側の主面に設けられてもよく、弾性部材１３２は、プレート部材１１２の力点２００が設けられた側と反対側の主面に設けられてもよい。なお、弾性部材１３１、１３２の弾性率（コイルばねの場合は、ばね定数）は、互いに同じであってもよく、互いに異なっていてもよい。

ここで、弾性部材１３１、１３２は、軸状部材１１１の周囲を囲むような中空形状であってもよい。これによれば、弾性部材１３１、１３２は、内部の空間に軸状部材１１１を配置することができるため、軸状部材１１１との間で空間をより有効に活用することで、弾性ユニット１００をより小型化することができる。例えば、弾性部材１３１、１３２は、コイルばねであり、軸状部材１１１は、コイルばねの螺旋形状の中心を貫通するように設けられてもよい。これよれば、弾性部材１３１、１３２は、軸状部材１１１との間で空間をより有効に活用することができるため、弾性ユニット１００をさらに小型化することができる。

なお、弾性部材１３１、１３２は、軸状部材１１１の延伸方向に弾性変形可能な部材であれば、コイルばね以外の部材であってもよいことはいうまでもない。例えば、弾性部材１３１、１３２は、複数枚重ねられたウェーブリング、ゴム若しくはエラストマー材料、又はジャミング構造体などであってもよい。弾性部材１３１、１３２がこれらの部材である場合でも、弾性部材１３１、１３２は、軸状部材１１１の周囲を囲むように配置されることによって、弾性ユニット１００をより小型化することができる。

エンコーダ検出部１５１及びエンコーダ部１５２は、外装部材１４０に対する軸状部材１１１及びプレート部材１１２の移動量を検出する。具体的には、エンコーダ検出部１５１及びエンコーダ部１５２は、いわゆる光学式のリニアエンコーダであり、外装部材１４０に対するプレート部材１１２の移動量を検出する。例えば、エンコーダ部１５２は、等間隔で格子目盛が形成されたガラス基板であり、プレート部材１１２の側端に設けられてもよい。また、エンコーダ検出部１５１は、所定の位置からエンコーダ部１５２に光を照射し、エンコーダ部１５２からの反射光を検出する光検出装置であり、エンコーダ部１５２と対向するように外装部材１４０の内部空間側に設けられてもよい。

これによれば、エンコーダ部１５２の格子目盛によって反射光の光量が変化するため、エンコーダ検出部１５１は、エンコーダ部１５２からの反射光の光量変化を検出することで、光照射位置をエンコーダ部１５２の格子目盛がいくつ通過したかを検出することができる。したがって、エンコーダ検出部１５１及びエンコーダ部１５２は、外装部材１４０に対するプレート部材１１２の移動量を検出することができる。エンコーダ検出部１５１及びエンコーダ部１５２によって測定された外装部材１４０に対するプレート部材１１２の移動量は、例えば、力点２００に加えられた外力の大きさの導出に用いられ得る。

接続部１６０は、外装部材１４０の力点２００が設けられた側とは反対側に設けられ、弾性ユニット１００を直動部３００又は直動駆動部４００と接続する部材である。接続部１６０は、弾性ユニット１００を直動部３００又は直動駆動部４００と接続することができれば、形状又は設置位置については特に限定されない。

本実施形態に係る弾性ユニット１００は、接続部１６０によって直動部３００と直接接続された構造となっている。これによれば、弾性ユニット１００は、直動部３００又は直動駆動部４００との接続又は取り外しを容易に行うことができるため、直列弾性アクチュエータ１０の量産性及びメンテナンス性を向上させることができる。

次に、図３を参照して、力点２００に外力が加えられた場合の弾性ユニット１００の動作について説明する。図３は、力点２００に外力が加えられた場合の弾性ユニット１００の動作を示す模式図である。

図３に示すように、力点２００に外力Ｆが加えられた場合、力点２００に接続された軸状部材１１１、及び軸状部材１１１から突出するプレート部材１１２は、軸状部材１１１の延伸方向に押し込まれる。これにより、押し込まれたプレート部材１１２と、固定された外装部材１４０との間の弾性部材１３１、１３２では、一方が伸長され、他方が圧縮される。

ここで、弾性部材１３１、１３２がコイルばねであり、それぞれのばね定数がｋ１、ｋ２であるとする。外力Ｆの作用方向が軸状部材１１１の延伸方向と同一である場合、外力Ｆのすべては弾性部材１３１、１３２を弾性変形させるために消費され、弾性部材１３１、１３２は、自然長の状態からそれぞれ伸長又は圧縮された状態となる。弾性部材１３１、１３２が無負荷状態である場合からのプレート部材１１２の移動量をΔｘｆとすると、外力Ｆと、プレート部材１１２の移動量Δｘｆとの間には、以下の式１の関係が成立する。

Ｆ＝（ｋ１＋ｋ２）・Δｘｆ・・・式１

したがって、エンコーダ検出部１５１及びエンコーダ部１５２によって、プレート部材１１２の移動量Δｘｆを測定し、設計時に設定された弾性部材１３１、１３２のばね定数ｋ１、ｋ２を用いて演算することで、力点２００に加えられた外力Ｆの大きさを算出することができる。これによれば、弾性ユニット１００は、算出された外力Ｆ及び移動量Δｘｆを直動駆動部４００等にフィードバックすることで、より精度が高い力制御又は制振制御を直列弾性アクチュエータ１０に実行させることができる。

続いて、図４に示す比較例に係る弾性ユニット９００の構造を参照することによって、本実施形態に係る弾性ユニット１００の優位性について説明する。図４は、比較例に係る弾性ユニット９００の構造を示す模式図である。

図４に示すように、比較例に係る弾性ユニット９００は、例えば、力点２００と、軸受プレート９７１と、直動軸９１１と、ボトムプレート９７２と、軸受９２１と、プレート部材９１２と、弾性部材９３１、９３２と、接続部９６１、９６１と、を備える。

直動軸９１１は、力点２００からの外力の作用方向に延伸してそれぞれ設けられ、力点２００と接続する軸受プレート９７１、及びボトムプレート９７２によって互いに結合されている。直動軸９１１は、後述するプレート部材９１２を貫通して設けられており、軸受９２１によってプレート部材９１２に対して可動となるように設けられる。これにより、直動軸９１１、軸受プレート９７１及びボトムプレート９７２は、力点２００に加えられた外力によって、プレート部材９１２とは独立して可動することができる。

軸受９２１は、直動軸９１１と、プレート部材９１２との接触箇所にそれぞれ設けられ、プレート部材９１２に対して可動となるように直動軸９１１を支持する。すなわち、軸受９２１は、力点２００に加えられた外力によって一方向に往復運動する直動軸９１１の荷重を支持するラジアル軸受として機能する。

プレート部材９１２は、軸受９２１を介して直動軸９１１が貫通しており、軸受プレート９７１及びプレート部材９１２と平行に設けられる。また、プレート部材９１２と、軸受プレート９７１及びプレート部材９１２との間には、直動軸９１１の延伸方向に弾性変形可能な弾性部材９３１、９３２がそれぞれ挟持されて設けられる。

接続部９６１、９６２は、プレート部材９１２を挟持するようにプレート部材９１２の両側面にそれぞれ設けられ、弾性ユニット９００を直動部３００又は直動駆動部４００と接続する。弾性ユニット９００では、力点２００に外力が加えられることで、直動軸９１１、軸受プレート９７１、及びボトムプレート９７２が可動する。そのため、弾性ユニット９００を直動部３００又は直動駆動部４００に接続する接続部９６１、９６２は、力点２００に外力が加えられた場合でも可動しないプレート部材９１２に接続される。

比較例に係る弾性ユニット９００では、力点２００に外力が加えられた場合、力点２００に接続された軸受プレート９７１、直動軸９１１及びボトムプレート９７２は、直動軸９１１の延伸方向に押し込まれる。これにより、押し込まれた軸受プレート９７１及びボトムプレート９７２と、固定されたプレート部材９１２との間の弾性部材９３１、９３２は、一方が圧縮され、他方が伸長される。これにより、比較例に係る弾性ユニット９００は、力点２００に加えられた外力のエネルギーを弾性部材９３１、９３２の弾性変形のエネルギーに変換することができる。また、比較例に係る弾性ユニット９００は、プレート部材９１２に対する軸受プレート９７１及びボトムプレート９７２の移動量を検出することで、力点２００に加えられた外力の大きさを算出することができる。

しかしながら、比較例に係る弾性ユニット９００は、直動軸９１１を可動に支持する軸受９２１が外力の作用方向と直交する方向に配列される。そのため、力点２００に加えられた外力によるモーメント負荷に対する頑強性を向上させるために、軸受９２１の間の距離を長くした場合、外力の作用方向と直交する方向の弾性ユニット９００の大きさ（すなわち、弾性ユニット９００の幅）が大きくなってしまう。

加えて、比較例に係る弾性ユニット９００では、接続部９６１、９６２がプレート部材９１２の側面に接続されるため、接続部９６１、９６２によって弾性ユニット９００の幅がさらに大きくなってしまう。さらに、弾性ユニット９００では、接続部９６１、９６２にてプレート部材９１２を挟持することで、弾性ユニット９００と、直動部３００又は直動駆動部４００との接続を形成しているため、該接続を容易に取り外しすることができない。そのため、比較例に係る弾性ユニット９００を用いた直列弾性アクチュエータ１０は、量産性及びメンテナンス性が低くなってしまう。

比較例に係る弾性ユニット９００を参照するとわかるように、本実施形態に係る弾性ユニット１００は、弾性ユニット１００の幅がより小さく、より小型であっても、力点２００へのモーメント負荷に対する頑強性を向上させることができる。また、本実施形態に係る弾性ユニット１００は、より簡易な構造によって直動部３００又は直動駆動部４００との接続を形成することが可能である。これによれば、本実施形態に係る弾性ユニット１００は、直列弾性アクチュエータ１０の量産性及びメンテナンス性を向上させることができる。

＜３．変形例＞
以下では、図５〜図１０を参照して、本実施形態に係る弾性ユニット１００の変形例について説明する。

（第１の変形例）
まず、図５を参照して、第１の変形例に係る弾性ユニット１００Ａの構造について説明する。図５は、第１の変形例に係る弾性ユニット１００Ａの構造を示す模式図である。

図５に示すように、弾性ユニット１００Ａは、軸状部材１１１Ａと、外装部材１４０Ａと、軸受１２２と、プレート部材１１２と、弾性部材１３１Ａ、１３２と、エンコーダ検出部１５１と、エンコーダ部１５２と、接続部１６０と、を備える。図２と同一の符号を付した構成は、実質的に図２を参照して説明した構成と同一であるため、ここでの説明は省略する。

第１の変形例に係る弾性ユニット１００Ａでは、外装部材１４０Ａの内部空間に力点２００が存在する点が図２で示した弾性ユニット１００と異なる。

具体的には、力点２００は、プレート部材１１２に接続して設けられており、軸状部材１１１Ａは、プレート部材１１２を介して力点２００と接続している。また、力点２００への外力の作用を可能とするために、外装部材１４０Ａの一面には開口が設けられており、弾性部材１３１Ａは、複数のコイルばねにて構成され、力点２００の周囲にそれぞれ配置されている。

第１の変形例に係る弾性ユニット１００Ａでは、力点２００に接続された軸状部材１１１Ａの長さをより短くすることができるため、力点２００から軸状部材１１１Ａに及ぼされるモーメント負荷をより低減することができる。

なお、図５では、弾性部材１３１Ａ、１３２としてコイルばねを例示したが、弾性部材１３１Ａ、１３２は、かかる例示に限定されない。弾性部材１３１Ａ、１３２は、上述したように、複数枚重ねたウェーブリング又はゴム若しくはエラストマー材料等の弾性部材であってもよいことは言うまでもない。

（第２の変形例）
次に、図６を参照して、第２の変形例に係る弾性ユニット１００Ｂについて説明する。図６は、第２の変形例に係る弾性ユニット１００Ｂの弾性率を変化させるための機能構成を示すブロック図である。

第２の変形例に係る弾性ユニット１００Ｂでは、弾性部材１３１、１３２は、ジャミング構造体にて設けられる。ジャミング構造体は、粉粒体のジャミング転移を用いることで、粉粒体の詰まり具合に応じて弾性率を制御することができる構造体である。したがって、弾性ユニット１００Ｂは、外装部材１４０の内部空間の内圧を制御し、ジャミング構造体である弾性部材１３１、１３２の粉粒体の詰まり具合を変化させることで、弾性部材１３１、１３２の弾性率を変化させることができる。

具体的には、レギュレータ２０は、圧力調整用のバルブであり、コンプレッサ３０は、気体を圧送する圧縮機である。第２の変形例に係る弾性ユニット１００Ｂは、レギュレータ２０を介して、コンプレッサ３０にて圧縮した気体を外装部材１４０の内部に送り込むことで、外装部材１４０の内部空間の内圧を制御し、弾性部材１３１、１３２の弾性率を制御することができる。

（第３の変形例）
続いて、図７を参照して、第３の変形例に係る弾性ユニット１００Ｃの構造について説明する。図７は、第３の変形例に係る弾性ユニット１００Ｃの構造を示す模式図である。

図７に示すように、弾性ユニット１００Ｃは、軸状部材１１１と、外装部材１４０Ｃと、軸受１２１、１２２と、プレート部材１１２と、弾性部材１３１、１３２と、反射板１５３Ｃと、測距センサ１５４Ｃと、接続部１６０と、を備える。図２と同一の符号を付した構成は、実質的に図２を参照して説明した構成と同一であるため、ここでの説明は省略する。

第３の変形例に係る弾性ユニット１００Ｃは、外装部材１４０Ｃに対する軸状部材１１１及びプレート部材１１２の移動量を反射板１５３Ｃ及び測距センサ１５４Ｃによって検出する点が図２で示した弾性ユニット１００と異なる。

具体的には、外装部材１４０Ｃは、軸状部材１１１、プレート部材１１２及び弾性部材１３１、１３２が内部に設けられる内部空間１４１Ｃの他に、測距センサ１５４Ｃが内部に設けられる内部空間１４２Ｃを軸状部材１１１の他端側に備える。測距センサ１５４Ｃは、軸状部材１１１の他端との距離を測定するセンサである。例えば、測距センサ１５４Ｃは、軸状部材１１１の他端に設けられた反射板１５３Ｃに光を照射し、照射した光が反射板１５３Ｃにて反射して戻って来るまでの時間に基づいて、軸状部材１１１の他端との距離を測定してもよい。

第３の変形例に係る弾性ユニット１００Ｃでは、光学式のリニアエンコーダよりも測定精度は低いものの、より安価な測距センサ１５４Ｃにて軸状部材１１１及びプレート部材１１２の移動量を検出することができる。したがって、第３の変形例に係る弾性ユニット１００Ｃは、直列弾性アクチュエータ１０の製造コストを低減することが可能である。

（第４の変形例）
次に、図８を参照して、第４の変形例に係る弾性ユニット１００Ｄの構造について説明する。図８は、第４の変形例に係る弾性ユニット１００Ｄの構造を示す模式図である。

図８に示すように、弾性ユニット１００Ｄは、軸状部材１１１と、外装部材１４０と、軸受１２１、１２２と、プレート部材１１２と、弾性部材１３１、１３２と、力検出センサ５００Ｄと、接続部１６０と、を備える。図２と同一の符号を付した構成は、実質的に図２を参照して説明した構成と同一であるため、ここでの説明は省略する。

第４の変形例に係る弾性ユニット１００Ｄは、力点２００に加えられた外力の大きさを検出する力検出センサ５００Ｄを軸状部材１１１に設ける点が図２で示した弾性ユニット１００と異なる。力検出センサ５００Ｄは、例えば、歪みゲージを用いた力センサであり、力点２００に加えられた外力の大きさを直接測定することができる。

第４の変形例に係る弾性ユニット１００Ｄは、弾性部材１３１、１３２を介さずに、力点２００に加えられた外力の大きさを直接測定することができる。これによれば、弾性ユニット１００Ｄは、摩擦等による損失なく、力点２００に加えられた外力の大きさを測定することができるため、力検出の精度を向上させることができる。また、第４の変形例に係る弾性ユニット１００Ｄは、力点２００に加えられた衝撃を弾性部材１３１、１３２によって吸収することができるため、衝撃に対して脆弱な力検出センサ５００Ｄの破損の可能性を低減することができる。

（第５の変形例）
続いて、図９を参照して、第５の変形例に係る弾性ユニット１００Ｅの構造について説明する。図９は、第５の変形例に係る弾性ユニット１００Ｅの構造を示す模式図である。

図９に示すように、弾性ユニット１００Ｅは、軸状部材１１１と、外装部材１４０と、軸受１２１、１２２と、プレート部材１１２Ｅと、弾性部材１３１Ｅ、１３２Ｅと、歪みセンサ１１３Ｅと、接続部１６０と、を備える。図２と同一の符号を付した構成は、実質的に図２を参照して説明した構成と同一であるため、ここでの説明は省略する。

第５の変形例に係る弾性ユニット１００Ｅは、プレート部材１１２Ｅが可撓性を有しており、プレート部材１１２Ｅの撓み量を歪みセンサ１１３Ｅで検出することによって、力点２００に加えられた外力の大きさを算出する点が異なる。

具体的には、プレート部材１１２Ｅは、薄肉構造にて形成されることで、又はプラスチック等の可撓性材料で形成されることで可撓性を有する。これにより、力点２００に外力が加えられた場合、プレート部材１１２Ｅは、弾性部材１３１Ｅ、１３２Ｅを弾性変形させずに、軸状部材１１１の移動に伴って撓むようになる。したがって、歪みゲージ等の歪みセンサ１１３Ｅによってプレート部材１１２Ｅの撓み量を検出することで、力点２００に加えられた外力の大きさを算出することができる。なお、第５の変形例に係る弾性ユニット１００Ｅでは、弾性部材１３１Ｅ、１３２Ｅは、外力の大きさを検出するために設けられるのではなく、力点２００に加えられた衝撃を吸収するために設けられる。

第５の変形例に係る弾性ユニット１００Ｅでは、可撓性を有するプレート部材１１２Ｅ及び歪みセンサ１１３Ｅを用いることによって、より小型の構成でも力点２００に加えられた外力の大きさを検出することができる。また、第５の変形例に係る弾性ユニット１００Ｅでは、プレート部材１１２Ｅの撓みを用いることで、弾性部材１３１Ｅ、１３２Ｅのヒステリシスを考慮することなく、力点２００に加えられた外力の大きさを検出することができる。

（第６の変形例）
次に、図１０を参照して、第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆの構造について説明する。図１０は、第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆの構造を示す模式図である。

図１０に示すように、弾性ユニット１００Ｆは、軸状部材１１１と、外装部材１４０Ｆと、軸受１２１、１２２と、プレート部材１１２と、弾性部材１３１Ｆ、１３２Ｆと、反射板１５３Ｆと、測距センサ１５４Ｆと、接続部１６０と、を備える。図２と同一の符号を付した構成は、実質的に図２を参照して説明した構成と同一であるため、ここでの説明は省略する。

第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆは、弾性部材１３１Ｆ、１３２Ｆの大きさが互いに異なり、弾性部材１３１Ｆ、１３２Ｆの大きさの差分となる空間に反射板１５３Ｆ及び測距センサ１５４Ｆが設けられる点が図２で示した弾性ユニット１００と異なる。

具体的には、弾性部材１３１Ｆ、１３２Ｆは、互いに弾性率が異なるため、互いに大きさが異なる。そのため、弾性部材１３２Ｆよりも大きさが小さい弾性部材１３１Ｆの周囲には、弾性部材１３１Ｆの小型化に伴う空きスペースが形成される。第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆでは、かかる空きスペースの外装部材１４０Ｆ側に測距センサ１５４Ｆを設け、プレート部材１１２側に反射板１５３Ｆを設けることによって、軸状部材１１１及びプレート部材１１２の移動量を検出する。例えば、測距センサ１５４Ｆは、プレート部材１１２の一主面に設けられた反射板１５３Ｆに光を照射し、照射した光が反射板１５３Ｆにて反射して戻って来るまでの時間に基づいて、プレート部材１１２との距離を測定することができる。

第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆでは、弾性部材１３１Ｆ、１３２Ｆのいずれかの大きさを小型化することができるため、弾性ユニット１００Ｆをより小型化することができる。また、第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆでは、光学式のリニアエンコーダよりも測定精度は低いものの、より安価な測距センサ１５４Ｆにて軸状部材１１１及びプレート部材１１２の移動量を検出することができる。したがって、第６の変形例に係る弾性ユニット１００Ｆは、直列弾性アクチュエータ１０の製造コストを低減することが可能である。

＜４．適用例＞
続いて、図１１を参照して、本実施形態に係る弾性ユニット１００又は直列弾性アクチュエータ１０の適用例について説明する。図１１は、本実施形態に係る弾性ユニット１００又は直列弾性アクチュエータ１０が適用されるロボット装置１を示す模式図である。

本実施形態に係る弾性ユニット１００又は直列弾性アクチュエータ１０は、例えば、図１１に示すようなロボット装置における多関節アーム機構の多節リンク機構に適用することが可能である。

具体的には、直列弾性アクチュエータ１０は、多節リンク機構の関節を駆動させる駆動部に適用することが可能である。また、弾性ユニット１００は、多節リンク機構のリンク内に設けられる衝撃吸収部又は力検出部に適用することが可能である。

さらには、本実施形態に係る弾性ユニット１００又は直列弾性アクチュエータ１０は、脚式ロボット装置の脚部の多節リンク機構に適用することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
外力が作用する力点と接続し、一方向に延伸する軸状部材と、
内部に空間を有し、前記軸状部材が貫通する外装部材と、
前記外装部材に対して前記軸状部材が可動となるように、前記軸状部材と前記外装部材との接触箇所に設けられた軸受と、
前記外装部材の内部空間内にて前記軸状部材から突出して設けられたプレート部材と、
前記外装部材及び前記プレート部材の間に挟持された少なくとも１つ以上の弾性部材と、
を備える、弾性ユニット。
（２）
前記弾性部材は、前記軸状部材の周囲を囲むように設けられる、前記（１）に記載の弾性ユニット。
（３）
前記弾性部材は、コイルばねであり、
前記軸状部材は、前記コイルばねの螺旋形状の中心を貫通して設けられる、前記（２）に記載の弾性ユニット。
（４）
前記弾性部材は、前記外装部材の内部空間の内圧によって弾性率を変動可能なジャミング構造体である、前記（２）に記載の弾性ユニット。
（５）
前記弾性部材は、前記プレート部材の両主面側にそれぞれ設けられる、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。
（６）
前記両主面側にそれぞれ設けられた前記弾性部材は、互いに弾性率が異なる、前記（５）に記載の弾性ユニット。
（７）
前記プレート部材及び前記軸状部材の前記外装部材に対する移動量を測定する移動量センサをさらに備える、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。
（８）
前記移動量センサは、光学式又は磁気式のリニアエンコーダである、前記（７）に記載の弾性ユニット。
（９）
前記移動量センサは、前記プレート部材又は前記軸状部材と、前記外装部材との距離を測定する測距センサである、前記（７）に記載の弾性ユニット。
（１０）
前記弾性ユニットは、前記移動量センサにて測定された前記移動量に基づいて、前記力点に加えられた前記外力の大きさを算出する、前記（７）に記載の弾性ユニット。
（１１）
前記プレート部材は、可撓性を有し、
前記プレート部材の撓みを検出する歪みセンサをさらに備える、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。
（１２）
前記軸状部材に設けられ、前記力点に作用する前記外力を検出する力検出センサをさらに備える、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。
（１３）
前記軸状部材の前記力点が設けられた一端と反対側の他端には、前記軸状部材の前記外装部材に対する可動量を制限するストッパが設けられる、前記（１）〜（１２）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。
（１４）
前記力点は、前記力点を回動中心として回動する部材が接続される回転軸受である、前記（１）〜（１３）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。
（１５）
前記外装部材には、前記外装部材を前記軸状部材の延伸方向に直動運動させる直動駆動ユニットがさらに設けられる、前記（１）〜（１４）のいずれか一項に記載の弾性ユニット。

１ロボット装置
１０直列弾性アクチュエータ
２０レギュレータ
３０コンプレッサ
１００弾性ユニット
１１１軸状部材
１１２プレート部材
１２１、１２２軸受
１３１、１３２弾性部材
１４０外装部材
１５１エンコーダ検出部
１５２エンコーダ部
１６０接続部
２００力点
３００直動部
３１０伸長部
３２０格納部
４００直動駆動部

Claims

外力が作用する力点と接続し、一方向に延伸する軸状部材と、
内部に空間を有し、前記軸状部材が貫通する外装部材と、
前記外装部材に対して前記軸状部材が可動となるように、前記軸状部材と前記外装部材との接触箇所に設けられた軸受と、
前記外装部材の内部空間内にて前記軸状部材から突出して設けられたプレート部材と、
前記外装部材及び前記プレート部材の間に挟持された少なくとも１つ以上の弾性部材と、
を備える、弾性ユニット。
前記弾性部材は、前記軸状部材の周囲を囲むように設けられる、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記弾性部材は、コイルばねであり、
前記軸状部材は、前記コイルばねの螺旋形状の中心を貫通して設けられる、請求項２に記載の弾性ユニット。
前記弾性部材は、前記外装部材の内部空間の内圧によって弾性率を変動可能なジャミング構造体である、請求項２に記載の弾性ユニット。
前記弾性部材は、前記プレート部材の両主面側にそれぞれ設けられる、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記両主面側にそれぞれ設けられた前記弾性部材は、互いに弾性率が異なる、請求項５に記載の弾性ユニット。
前記プレート部材及び前記軸状部材の前記外装部材に対する移動量を測定する移動量センサをさらに備える、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記移動量センサは、光学式又は磁気式のリニアエンコーダである、請求項７に記載の弾性ユニット。
前記移動量センサは、前記プレート部材又は前記軸状部材と、前記外装部材との距離を測定する測距センサである、請求項７に記載の弾性ユニット。
前記弾性ユニットは、前記移動量センサにて測定された前記移動量に基づいて、前記力点に加えられた前記外力の大きさを算出する、請求項７に記載の弾性ユニット。
前記プレート部材は、可撓性を有し、
前記プレート部材の撓みを検出する歪みセンサをさらに備える、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記軸状部材に設けられ、前記力点に作用する前記外力を検出する力検出センサをさらに備える、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記軸状部材の前記力点が設けられた一端と反対側の他端には、前記軸状部材の前記外装部材に対する可動量を制限するストッパが設けられる、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記力点は、前記力点を回動中心として回動する部材が接続される回転軸受である、請求項１に記載の弾性ユニット。
前記外装部材には、前記外装部材を前記軸状部材の延伸方向に直動運動させる直動駆動ユニットがさらに設けられる、請求項１に記載の弾性ユニット。