JP4405589B2

JP4405589B2 - 柔軟アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニット

Info

Publication number: JP4405589B2
Application number: JP2009516764A
Authority: JP
Inventors: 勝彦浅井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: WO2009096159A1; JPWO2009096159A1; US8256321B2; CN101678553B; US20100101342A1; US20110072919A1; US7870808B2; CN101678553A

Description

本発明は、力制御が容易で、動作効率に優れた柔軟アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットに関する。

近年、医療用ロボット、家庭用サービスロボット、工場内での作業支援ロボット等、人と近い領域で動作するロボットへの期待が高まっている。このようなロボットでは、産業用ロボットとは異なり、人と接触した時の安全性確保が重要となる。接触時における衝撃を和らげるためには、接触点に作用する力を小さくする必要があることから、関節におけるトルクを制御し、ロボットアーム側から見て柔軟な関節とすることが必要となる。しかし、関節を駆動するアクチュエータを用いた力（トルク）制御では、応答周波数を無限に高めることはできず、ロボットアームが人に衝突する場合のように高周波数領域の力が作用する場合には対応することができない。通常、関節駆動にはモータと減速機の組み合わせが用いられており、ロボットアーム側から見た慣性は、モータ本来の慣性を減速比の自乗倍したものとなる。そのため、力制御が有効に作用しない状態では、極めて大きな力が接触点に作用することになるので、力制御のみに頼っていては十分な安全性を確保することができないことになる。

このような課題に対して、Ｓｅｒｉｅｓｅｌａｓｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓ（ＳＥＡ）と呼ばれる弾性体を介して、アクチュエータと負荷を接続する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記ＳＥＡは、アクチュエータによる制御ができない高周波数領域の力も弾性体の柔軟性により抑制されるので、常にアーム側から見て柔軟な関節が実現できる柔軟アクチュエータであり、より高い安全性が確保されるようになる。一方で、ＳＥＡでは弾性体を介して負荷と接続しているので、制御可能な周波数帯域は従来より低下することになる。このような欠点を補うために、高周波数用のアクチュエータを追加で備えるＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍａｃｒｏ−ｍｉｎｉａｃｔｕａｔｉｏｎ（ＤＭ２）という方式（例えば、非特許文献１参照）、又は、弾性体の剛性を可変とするＶａｒｉａｂｌｅＳｔｉｆｆｎｅｓｓＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＶＳＴ）という方式（例えば、非特許文献２参照）なども提案されている。

米国特許５６５０７０４号公報

ＩＥＥＥＲｏｂｏｔｉｃｓ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭａｇａｚｉｎｅ，Ｖｏｌｕｍｅ１１，Ｉｓｓｕｅ２の１２〜２１ページＩＥＥＥＲｏｂｏｔｉｃｓ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭａｇａｚｉｎｅ，Ｖｏｌｕｍｅ１１，Ｉｓｓｕｅ２の２２〜３３ページ

前記ＳＥＡ、ＤＭ２、ＶＳＴ等の柔軟アクチュエータでは、弾性体を介してロボットアームとモータを接続することで、モータ側の慣性の影響を、ロボットアーム側からの入力に対して大幅に低減することを目指している。このことを逆に考えると、ロボットアーム側から入力されたエネルギーは、ダイレクトにモータ側には伝わらない構成ということになり、電気的にエネルギーの回生を行うのは困難ということになる。人と近い領域で動作するロボットでは、人との協調作業又は物を下ろす動作等、柔軟アクチュエータの外部から仕事が為される機会も多くなる。しかし、従来のエネルギーの回生を行えない柔軟アクチュエータでは、柔軟アクチュエータの外部から仕事が為される状態でも、アクチュエータ側はエネルギーを消費することになり、動作全体における効率が大きく悪化するという課題を有することになる。

従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、力制御が容易で、動作効率に優れた柔軟アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニット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。

本発明の第１態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対して直線的に往復移動可能に保持される直動部材と、
前記直動部材の移動方向と略垂直な方向に変位可能な変位部材と、
前記ベース部材に固定されかつ前記変位部材との距離に応じて弾性エネルギーを蓄えたり放出したりする弾性機構と、
前記変位部材との間の距離が２以上の連結機構により調整可能に前記変位部材と接続された変速部材と、
前記直動部材に突出して設けられ、前記弾性機構のエネルギーの放出により発生した力により前記変速部材に押圧される突起部材と、
前記連結機構の前記距離の調整動作を制御することで、前記変位部材と前記変速部材との相対位置及び相対角度を変化させる制御装置を備えることを特徴とする直動動作可能な柔軟アクチュエータを提供する。

本発明の第２態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対して回転自由に保持される回転部材と、
前記回転部材の回転軸方向と略同方向に変位可能な変位部材と、
前記ベース部材に固定され前記変位部材との距離に応じて弾性エネルギーを蓄えたり放出したりする弾性機構と、
前記変位部材との間の距離が３以上の連結機構により調整可能に前記変位部材と接続された変速部材と、
前記回転部材の回転中心からずれた位置に突出して設けられ、前記弾性機構のエネルギーの放出により発生した力により前記変速部材に押圧される突起部材と、
前記連結機構の前記距離の調整動作を制御することで、前記変位部材と前記変速部材との相対位置及び相対角度を変化させる制御装置とを備えることを特徴とする揺動及び回転動作可能な柔軟アクチュエータを提供する。

本発明の第９態様によれば、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを提供する。

よって、本発明によれば、動作効率の優れた柔軟アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、本発明によれば、直動部材には、弾性機構のエネルギーの放出により発生した力が変速部材の傾きの大きさに応じて変速された状態で出力されるので、力制御が変速部材の傾きの大きさの制御で容易に行えるようになるとともに、高周波数領域の力が作用する場合にも、弾性機構の弾性により発生力が抑制される柔軟アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットが得られることになる。また、直動部材の変位は弾性機構の変位と連動しているので、アクチュエータの外部から仕事が為される場合にアクチュエータに入力されるエネルギーは、弾性機構において蓄積されることになるので、動作効率の向上も図れるようになる。

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１Ａは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータの概略を示す斜視図である。図１Ｂは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータの概略を示す、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。図１Ｃは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータの概略を示す、図１ＢのＹ−Ｙ線断面図である。図１Ｄは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータの駆動時の概略を示す、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。図１Ｅは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータの概略を示す、図１ＢのＡ−Ａ線断面図である。図２Ａは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータの概略を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータの概略を示す上面図である。図２Ｃは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータの概略を示す、図２ＡのＡ−Ａ線断面図である。図２Ｄは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータの駆動時の概略を示す断面図である。図２Ｅは、本発明の第２実施形態の変形例として、回転アクチュエータの異なる構成例における概略を示す断面図である。図２Ｆは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータにおいて、図２Ａの変速板付近の拡大図である。図３Ａは、本発明の第３実施形態による回転アクチュエータの概略を示す断面図である。図３Ｂは、本発明の第３実施形態による回転アクチュエータの概略を示す、図３ＡのＡ−Ａ線断面図である。図３Ｃは、本発明の第３実施形態による回転アクチュエータの駆動時の概略を示す断面図である。図４は、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す斜視図である。図５Ａは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す正面図である。図５Ｂは、本発明の第１実施形態による直動アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す正面図である。図６は、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す斜視図である。図７Ａは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。図７Ｂは、本発明の第２実施形態による回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。

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。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を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。

このような構成によれば、直動部材には弾性機構の発生力が変速部材の傾きの大きさに応じて変速された状態で出力されるので、力制御が変速部材の傾きの大きさの制御で容易に行えるようになるとともに、高周波数領域の力が作用する場合にも弾性機構の弾性により発生力が抑制される柔軟アクチュエータが得られることになる。また、直動部材の変位は弾性機構の変位と連動しているので、柔軟アクチュエータの外部から仕事が為される場合にアクチュエータに入力されるエネルギーは、弾性機構において蓄積されることになるので、動作効率の向上も図れるようになる。従って、動作効率の優れた柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第２態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対して回転自由に保持される回転部材と、
前記回転部材の回転軸方向と略同方向に変位可能な変位部材と、
前記ベース部材に固定され前記変位部材との距離に応じて弾性エネルギーを蓄えたり放出したりする弾性機構と、
前記変位部材との間の距離が３以上の連結機構により調整可能に前記変位部材と接続された変速部材と、
前記回転部材の回転中心からずれた位置に突出して設けられ、前記弾性機構のエネルギーの放出により発生した力により前記変速部材に押圧される突起部材と、
前記連結機構の前記距離の調整動作を制御することで、前記変位部材と前記変速部材との相対位置及び相対角度を変化させる制御装置を備えることを特徴とする揺動及び回転動作可能な柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、回転部材には、弾性機構の発生力が変速部材の傾きの大きさに応じて変速された状態で出力されるので、トルク制御が変速部材の傾きの大きさの制御で容易に行えるようになるとともに、高周波数領域の力が作用する場合にも弾性機構の弾性により発生力が抑制される柔軟アクチュエータが得られることになる。また、回転部材の回転は弾性機構の変位と連動しているので、柔軟アクチュエータの外部から仕事が為される場合にアクチュエータに入力されるエネルギーは、弾性機構において蓄積されることになるので、動作効率の向上も図れるようになる。従って、動作効率の優れた柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第３態様によれば、前記連結機構が、円周状に等間隔で配置されていることを特徴とする第２の態様に記載の柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、回転部材の角度による制御性のばらつきが最も少なくなり、より制御性に優れた柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第４態様によれば、前記突起部材と前記変速部材の接触点が、前記連結機構と前記変速部材との接触点若しくは連結部における回転中心を含み、前記変位部材の変位方向への高さを持つ楕円柱の側面と略同一面上にあることを特徴とする第２〜３のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、突起部材と変速部材の接触点を中心に、回転部材の半径方向へ変速部材を傾かせるために必要な連結機構の仕事量が小さくすることができる。従って、動作効率のより高い柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第５態様によれば、前記突起部材と前記変速部材の接触点が、前記連結機構と前記変速部材との接触点若しくは連結部における回転中心を含む平面と略同一面上にあることを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、突起部材と変速部材の接触点を中心に、突起部材の移動方向へ変速部材を傾かせるために必要な連結機構の仕事量が小さくすることができる。従って、動作効率のより高い柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第６態様によれば、前記弾性機構がラム形シリンダ若しくはピストン両側の圧力室間で流体移動が可能な片ロッドシリンダであることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、変位部材との距離が変化することによる弾性機構の発生力変化が小さくなるので、より力制御が容易な柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第７態様によれば、前記連結機構が、前記変位部材より前記変位部材の変位方向と略平行に、前記変位部材と前記変速部材との間の距離を調整可能であり、前記変速部材に対して前記弾性機構の発生力により押圧される機構であることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、連結機構の保持は一自由度の動きのみを考慮すれば良くなるので、高剛性な保持が容易になる。従って、制御性に悪影響を及ぼす不必要な動きが減少するので、力制御のより容易な柔軟アクチュエータを得ることができる。

本発明の第８態様によれば、前記連結機構が、前記変位部材と前記変速部材のそれぞれと回転自在に連結されるとともに、両接続点間の距離が可変調整できる機構であることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、連結機構が変速部材に対して伸張方向の力だけでなく収縮方向の力も発生することができるようになるので、連結機構の伸縮を用いた変速部材の位置及び角度の制御が容易になる。従って、より力制御の容易な柔軟アクチュエータを得ることができる。

このような構成によれば、前記第１〜８のいずれか１つの態様に記載の柔軟アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを構成することができて、前記柔軟アクチュエータの作用効果を奏することができる関節駆動ユニットを得ることができる。

以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明にかかる第１実施形態の柔軟アクチュエータの一例としての直動アクチュエータ１の概要を示した斜視図であり、図１Ｂは図１ＡのＸ−Ｘ線の断面図、図１Ｃは図１ＢのＹ−Ｙ線の断面図をそれぞれ示している。また、図１Ｅには図１ＢにおけるＡ−Ａ線の断面図を示している。図１Ａ〜図１Ｃにおける、上下方向沿いに長尺な直方体箱形状のフレーム１２ａはベース部材の一例である。フレーム１２ａの上面の内側には、前記上下方向とは直交する横方向沿いに延びるように一対の互いに平行なガイドレール１３ａ、１３ｂが固定されている。板状の直動部材１１は、ガイドレール１３ａ、１３ｂに、図１Ｂの横方向に往復移動自由（左右方向に移動自由）となるように接続されている。直線的なガイドレール１３ａ、１３ｂは、直動部材１１の上面の一対の互いに平行なガイド溝部１１ｇ，１１ｇに摺動自在にはめ込まれて、前記横方向沿いに直線的に往復移動可能に案内されている。フレーム１２ａの上部の前後側面には、直動部材１１が出入り自在な貫通口１２ｐが形成されている。また、直動部材１１には、その下面に、幅方向中心に対して対称となる位置に、下向きに延びた突起部材の一例としての棒状突起１４ａ、１４ｂの上端が固定されており、棒状突起１４ａ、１４ｂの下端の半球面部が、変速部材の一例である四角形板状（例えば正方形）の変速板１５ａの上面に対して転がり接触するようになっている。変速板１５ａは、上下方向と交差する方向に板面が配置され、直動部材１１の移動方向と直交する幅方向において、中央部１５ｐが両端部１５ｑに対してくぼんだ形状の段付き形状をしており、中央部１５ｐの上面に対して棒状突起１４ａ、１４ｂの下端の半球面部が転がり接触するようにしている。後述するように、変速板１５ａの中央部１５ｐの上面と両端部１５ｑの下面は同一平面上（略同一平面上）に位置するように形成されている。この変速板１５ａは、揺動板又は揺動部材の一例としても機能するものである。

なお、直動部材１１の中央には、直動部材１１の移動方向沿いに細長い貫通口１１ｐが形成されており、下記の支持棒１６により、直動部材１１の移動が邪魔されないようにしている。

フレーム１２ａの上面の内面中央には、支持棒１６の上端が固定されており、フレーム１２ａの上面から支持棒１６が下向きに延びて配置され、直動部材１１の中央の貫通口１１ｐを貫通している。この支持棒１６の中間部の外周面には、外筒２６ａが、図１Ｂの上下方向の移動のみが自由となるように保持されている。この外筒２６ａに対して、変速板１５ａが、図１Ｂの紙面垂直軸回りの回転が自由となるように軸により保持されている。

一方で、フレーム１２ａの底面には、弾性機構の一例であるガスシリンダ１７が上下方向沿いに固定されている。ガスシリンダ１７は、内部に高圧ガスを蓄え、ラム形のピストン１８を図１Ｂの上下方向に移動可能なように保持する構造となっている。ピストン１８に対しては、ピストン１８の断面積と高圧ガスの圧力の積に相当する力（以後、「発生力」と称する。）が、図１Ｂの上方向に加わるようになっている。また、ピストン１８の先端には、直動部材１１の移動方向と略垂直な方向に変位可能な変位部材の一例である四角形状（例えば長方形）の板状部材１９ａが上下方向と交差する方向にその板面が配置されるように接続されている。板状部材１９ａには、１０個のボールねじナット２０ａ〜２０ｊが２列になって固定されている。具体的には、ボールねじナット２０ａ〜２０ｅ、ボールねじナット２０ｆ〜２０ｊのそれぞれが等間隔で１列をなし、それぞれの列は板状部材１９ａの中心線に対して線対称の位置に配置されている。ボールねじナット２０ａ〜２０ｊは、それぞれ連結機構の一例である１０個のボールねじ機構２１ａ〜２１ｊと連結されている。ところで、図１Ｂには、ボールねじナット２０ａ〜２０ｅ及びボールねじ機構２１ａ〜２１ｅのみが示されている。図１Ｂでは、ボールねじナット２０ｆ〜２０ｊ及びボールねじ機構２１ｆ〜２１ｊは、それぞれ、ボールねじナット２０ａ〜２０ｅ及びボールねじ機構２１ａ〜２１ｅと向かい合う位置にある要素を表している。また、ボールねじ機構２１ａ〜２１ｊは、それぞれ、モータ２２ａ〜２２ｊと、上下方向沿いに配置されたねじ軸２３ａ〜２３ｊと、上下方向沿いに配置された保持部材２４ａ〜２４ｊとより構成されている。そして、モータ２２ａ〜２２ｊは保持部材２４ａ〜２４ｊにそれぞれ固定されるとともに、モータ２２ａ〜２２ｊの回転軸はねじ軸２３ａ〜２３ｊの下端とそれぞれ連結されている。また、ねじ軸２３ａ〜２３ｊは、保持部材２４ａ〜２４ｊに軸受け部などを介して回転自由にそれぞれ保持される。また、ボールねじナット２０ａ〜２０ｊにそれぞれねじ込まれて貫通している。よって、このような構成によれば、モータ２２ａ〜２２ｊの回転軸が正逆回転することで、モータ２２ａ〜２２ｊの回転軸に連結されたねじ軸２３ａ〜２３ｊがそれぞれ正逆回転する。すると、ねじ軸２３ａ〜２３ｊがねじ込まれたボールねじナット２０ａ〜２０ｊの位置がねじ軸２３ａ〜２３ｊ上を、それぞれ、ねじ軸２３ａ〜２３ｊの軸方向沿いに（言い換えれば、前記下方向沿いに）往復移動することになる。ねじ軸２３ａ〜２３ｊの上端の半球面部は、変速板１５ａの両端部１５ｑの下面と転がり接触するようになっている。

制御装置の一例としての制御コンピュータ１０１がモータ２２ａ〜２２ｊにそれぞれ接続されている。制御コンピュータ１０１によりモータ２２ａ〜２２ｊの駆動がそれぞれ制御されることで、板状部材１９ａと変速板１５ａとの相対位置及び相対角度が変化するようになる。

さらに、保持部材２４ａ〜２４ｊは、フレーム１２ａに上下方向沿いに固定されたガイドレール２５ａ〜２５ｊに、図１Ｂの上下方向沿いに移動自由となるように接続されている。このようにすることで、ボールねじ機構２１ａ〜２１ｊの伸縮方向（言い換えれば、ボールねじナット２０ａ〜２０ｊの上下方向沿いの移動方向における板状部材１９ａと、変速板１５ａとの距離を調整可能（長短可能）な方向）以外の自由度に関して、高剛性に保持することが可能になる。

次に、制御コンピュータ１０１の制御の下で行われる、この直動アクチュエータ１の作用を説明する。

直動アクチュエータ１の直動部材１１に作用する力は、ガスシリンダ１７の発生力と変速板１５ａの傾きの大きさによって決定される。すなわち、ガスシリンダ１７が発生する力（発生力）が図１Ｂの上方向に向かって作用するとき、その力は、ピストン１８、板状部材１９ａ、ボールねじナット２０ａ〜２０ｊ、ボールねじ機構２１ａ〜２１ｊのねじ軸２３ａ〜２３ｊ、変速板１５ａと伝わる。その結果、変速板１５ａを棒状突起１４ａ、１４ｂに向けて押圧することになる。このとき、図１Ｂのように変速板１５ａが水平状態（上下方向と直交する方向沿いの状態）にある場合には、ガスシリンダ１７の発生力は、棒状突起１４ａ、１４ｂ、直動部材１１、ガイドレール１３ａ、１３ｂを経てフレーム１２ａに伝わり、釣り合うことになる。一方、図１Ｄのように変速板１５ａが前記水平状態から傾いている傾斜状態（図１Ｄでは、変速板１５ａの左端が下方にかつ右端が上方になるように右上方向に傾斜した状態）になった場合には、変速板１５ａと棒状突起１４ａ、１４ｂの接触点において横方向（図１Ｄでは左方向）への力が働くことになる。変速板１５ａに作用する右方向への力については、支持棒１６によって支えられることになるが、直動部材１１に作用する左方向への力については、そのまま出力されることになる。摺動等による損失を無視した静的な場合だと、この左方向への力は、ガスシリンダ１７の発生力と、変速板１５ａの水平状態からの角度変化に対する正接との積で表される。このことから、制御コンピュータ１０１が出力したい力に対応した傾き角度に、変速板１５ａがなるように、モータ２２ａ〜２２ｊを駆動させることで、直動アクチュエータ１の力制御が可能となる。

また、制御コンピュータ１０１の制御が及ばない高周波数帯域の外乱に対しても、ガスシリンダ１７の弾性によって柔軟性が保たれるので、直動アクチュエータ１は接触に対して安全な柔軟アクチュエータとなる。

ところで、ガスシリンダ１７の発生力は、ピストン１８の断面積と高圧ガスの圧力の積で表され、高圧ガスの圧力はピストン１８がシリンダ１７に挿入される量により変化するものの、シリンダ１７の内径をピストン１８の直径より大きくすることで、その変化量は小さくすることができる。すなわち、この第１実施形態のようなガスシリンダ１７は、ピストン１８の変位に対する発生力の変化を小さくすることができる。さらに、ピストン１８に貫通穴を設けてピストン１８の両側の圧力室間の圧力差を無くした片ロッドシリンダ１８のようにこの第１実施形態のガスシリンダ１７と同等の効果が得られる弾性機構も、ピストン１８の変位に対する発生力の変化を小さくすることができる点で望ましい。

また、図１Ｄにおいて、直動部材１１が左方向に移動するような状況に直動アクチュエータ１がある場合、直動アクチュエータ１は、柔軟アクチュエータの外部に対して仕事を行っていることになる。すなわち、制御コンピュータ１０１がモータ２２ａ〜２２ｊの駆動を静止させている場合、直動部材１１が左方向に移動するに従って、ガイドレール２５ａ〜２５ｊに沿って保持部材２４ａ〜２４ｊがフレーム１２ａに対して図１Ｄの上方向に移動する。すると、保持部材２４ａ〜２４ｊに支持されたボールねじ機構２１ａ〜２１ｊのねじ軸２３ａ〜２３ｊと連結されたボールねじナット２０ａ〜２０ｊを介して、板状部材１９ａは図１Ｄの上方向に移動することになる。このとき、ガスシリンダ１７が失うポテンシャルエネルギーによって、直動アクチュエータ１は、直動アクチュエータ１の外部に対して仕事を行うことになる。

逆に、直動部材１１が右方向に移動するような状況に直動アクチュエータ１がある場合、直動アクチュエータ１は、直動アクチュエータ１の外部から仕事をされることになる。すなわち、制御コンピュータ１０１がモータ２２ａ〜２２ｊの駆動を静止させている場合、直動部材１１が右方向に移動するに従って、ガイドレール２５ａ〜２５ｊに沿って保持部材２４ａ〜２４ｊがフレーム１２ａに対して図１Ｄの下方向に移動する。すると、保持部材２４ａ〜２４ｊに支持されたボールねじ機構２１ａ〜２１ｊのねじ軸２３ａ〜２３ｊと連結されたボールねじナット２０ａ〜２０ｊを介して、板状部材１９ａは図１Ｄの下方向に移動することになる。このとき、直動アクチュエータ１の外部が直動アクチュエータ１にした仕事により、ガスシリンダ１７にポテンシャルエネルギーが蓄えられることになる。

このように、直動アクチュエータ１は、直動アクチュエータ１の外部に対して仕事をするだけでなく、直動アクチュエータ１の外部からの仕事により直動アクチュエータ１の内部にエネルギーを蓄える回生動作が行えることになる。よって、回生の行えないアクチュエータに比べて、前記第１実施形態の直動アクチュエータ１は、動作効率の向上を図ることができるようになる。

さらに、直動アクチュエータ１の駆動力は変速板１５ａの傾きの大きさにより制御されるので、ガスシリンダ１７のポテンシャルエネルギーを短時間に放出することで、大きな出力を得ることもできる。ガスシリンダ１７のポテンシャルエネルギーを補充する場合には、制御コンピュータ１０１によりボールねじ機構２１ａ〜２１ｊを動作させ、板状部材１９ａを押し下げてやればよい。直動アクチュエータ１の出力に要求されるピークパワーと平均パワーに大きな差がある場合には、短時間に放出したポテンシャルエネルギーの補充は時間をかけて行えばよいことになるので、モータ２２ａ〜２２ｊに要求されるパワーはピークパワーに比べて小さくて良いことになる。また、板状部材１９ａの押し下げを複数のボールねじ機構２１ａ〜２１ｊが制御コンピュータ１０１の制御の下に協力して行うことで、さらに、モータ２２ａ〜２２ｊの１つあたりに要求されるパワーを下げることができる。

次に、直動アクチュエータ１の駆動力を変化させる場合について説明する。この第１実施形態ではボールねじ機構として、参照符号２１ａ〜２１ｊで示す１０個のボールねじ機構を用いている。変速板１５ａは、長さが不変の棒状突起１４ａ、１４ｂに押圧されていることから、支持棒１６に対して上下位置と角度の２自由度の動きを行うことになる。そのため、最小限必要となるボールねじ機構は２個ということになる。しかし、図１Ｃのように、棒状突起１４ａ、１４ｂと同じ位置、すなわち、支持棒１６に対して左右方向の位置にねじ軸２３ｂ、２３ｇがあるような場合には、ガスシリンダ１７の発生力を、前記ねじ軸２３ｂ、２３ｇを有するボールねじ機構２１ｂ、２１ｇで支えることができる。このため、他のボールねじ機構はガスシリンダ１７の発生力による影響を受けずに、ボールねじ機構２１ｂ、２１ｇによってのみ、変速板１５ａの角度を変化させることが可能になり、直動アクチュエータ１の駆動力を容易に変化させることができる。

また、変速板１５ａの角度変化のみを行う場合には、ボールねじ機構２１ｂ、２１ｇは変位しなくて良いので、変速板１５ａを保持さえできればよいことになる。ボールねじ機構を冗長的に配置することは、このような状態が、より多くの地点で得られることになるので、望ましい。

また、この第１実施形態では、変速板１５ａを、その中央部１５ｐがその両端部１５ｑに対してくぼんだ形状の段付き形状とし、棒状突起１４ａ、１４ｂが接触する面（中央部１５ｐの上面）と、ねじ軸２３ａ〜２３ｊが接触する面（両端部１５ｑの下面）が同一平面上（略同一平面上）となるようにしている。これに対して、段を持たない変速板の場合、例えば、図１Ｂの状態から変速板１５ａの傾きの大きさを変化させた場合に、変速板１５ａと棒状突起１４ａ、１４ｂとの接触点と変速板１５ａとねじ軸２３ｂ、２３ｇとの接触点との上下方向距離が変速板の厚みの影響により変化することになる。このため、その分、板状部材１９ａを下降させる必要が生じ、傾きの大きさを変化させるのにポテンシャルエネルギー増加分のエネルギーが必要となってしまう。従って、変速板１５ａを第１実施形態のように段付き形状として、変速板１５ａと棒状突起１４ａ、１４ｂとの接触点と変速板１５ａとねじ軸２３ｂ、２３ｇとの接触点が同一平面（略同一平面上）上に位置することは、変速板１５ａの厚みによる影響を排除することができるので、望ましい。

なお、この第１実施形態では、連結機構の一例としてボールねじ機構２１ａ〜２１ｊを用いているが、連結機構の構成としてはこれに限るものではなく、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。

さらに、第１実施形態における直動アクチュエータ１を用いた関節駆動ユニットの構成例を図４に示す。直動アクチュエータ１の直動部材１１には、Ｃ字形状の側面を有する出力伝達部材５１が連結されるとともに、出力伝達部材５１上にはラック５２が固定されている。一方、フレーム１２ｄの上方に配置された腕５４ａの下端にはピニオン５３が固定されており、ラック５２とかみ合っている。また、腕５４ａの下端とフレーム１２ｄの上端は軸５５を介して回転自在に連結されている。

このような構成とすることで、図５Ａの状態から直動アクチュエータ１を動作させ、直動部材１１を右方向に移動させると、ラック５２及びピニオン５３を介して腕５４ａがフレーム１２ｄに対して軸５５回りに時計回りに回転動作を行うようになり、図５Ｂの状態となる。同様に、直動部材１１を左方向に移動させることで、フレーム１２ｄに対して腕５４ａを逆方向へ（すなわち、軸５５回りに反時計回りに）回転させることも可能となる。

よって、このような構成とすることで、直動アクチュエータ１の有する動作効率に優れ、柔軟であるという特徴をそのまま引き継ぐ関節駆動ユニットが得られ、特に家庭用途に適したロボットアームにおける関節駆動ユニットを実現することができる。

なお、関節駆動ユニットの構成方法としては、ラック・アンド・ピニオン機構を用いたものに限るものではなく、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。

（第２実施形態）
図２Ａは、本発明にかかる第２実施形態の柔軟アクチュエータの一例としての回転アクチュエータ２ａの概略を示した断面図である。また図２Ｂには回転アクチュエータ２ａの上面図を示し、図２Ｃには図２ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図を示している。図２Ｆは、図２Ａの変速板１５ｂ付近の拡大図である。なお、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。この第２実施形態の柔軟アクチュエータでは、座標軸のＺ軸は上下方向の上向きと定義している。Ｘ軸はＺ軸と直交する方向沿いでかつベース部材の一例である直方体箱形状のフレーム１２ｂの１つの側面を厚さ方向に貫通する方向と定義している。また、Ｙ軸はＺ軸及びＸ軸とそれぞれ直交する方向沿いでかつ直方体箱形状のフレーム１２ｂの前記側面に直交して隣接する側面を厚さ方向に貫通する方向と定義している。

この第２実施形態では、第１実施形態における変速板１５ａに相当するものとして、変速部材の一例である円板状の変速板１５ｂを用いて回転運動を出力している。変速板１５ｂは、Ｘ軸方向に突出した軸部を備えたリング状部材３３に対してＸ軸回りの回転が自由となるように軸受けなどを介して保持されている。同時に、リング状部材３３は、フレーム１２ａの上面の内面中央に下向きに固定されたスプライン軸である支持棒１６に対してＺ軸方向（支持棒１６の軸方向）の往復移動のみが自由となるように保持されておりかつＹ軸方向に突出した軸部を備えた外筒２６ｂに対して、Ｙ軸回りの回転が自由となるように軸受けなどを介して保持されている。さらに、支持棒１６に対しては、回転部材の一例である傘歯車３１がＺ軸回りに軸受けなどを介して回転自由となるように保持されている。また、傘歯車３１の下面には、突起部材の一例としての１本の棒状突起１４ｃが回転中心より離れた位置に下向きに延びて設けられており、下端の半球面部が変速板１５ｂの円形中央部１５ｒの上面に対して転がり接触するようになっている。また、変速板１５ｂの円形中央部１５ｒ周りの円環状の外周部１５ｓの下面には、ねじ軸２３ａ〜２３ｊの上端の半球面部が転がり接触するようになっている。先の第１実施形態と同様な理由で、変速板１５ｂの円形中央部１５ｒの上面と円環状の外周部１５ｓの下面は同一平面上（略同一平面上）に位置するように形成されている。

なお、変速板１５ｂは、揺動板又は揺動部材の一例としても機能するものである。

傘歯車３１の回転出力は、ベース部材の一例であるフレーム１２ｂの上面の開口部１２ｑに形成された一対の軸受け部１２ｒに対して軸受け部などを介して回転自由に保持された傘歯車付きの回転軸（傘歯車３１が固定された回転軸）３２を介して、Ｙ軸回りの正逆回転出力として回転アクチュエータ２ａの外部に取り出さるようになっている。なお、傘歯車付きの回転軸３２の傘歯車３２ａは回転軸３２に固定されかつ傘歯車３１とかみ合っており、傘歯車３１の正逆回転により傘歯車３２ａが回転軸３２と共に正逆回転するようにしている。
次に、制御コンピュータ１０１の制御の下で行われる、この回転アクチュエータ２ａの作用を説明する。

回転アクチュエータ２ａの傘歯車３１に作用する力は、ガスシリンダ１７の発生力の大きさと変速板１５ｂの傾きの大きさによって決定される。すなわち、ガスシリンダ１７が発生する力（発生力）が図２Ａの上方向に向かって作用するとき、その力（発生力）は、ピストン１８、円板状の板状部材１９ｂ、板状部材１９ｂの中心に対して回転対称となる位置（具体的には板状部材１９ｂの中心周りの同一円周上の９０度毎の位置に）に固定されたボールねじナット２０ａ〜２０ｄ、ボールねじナット２０ａ〜２０ｄに対応して配置されたボールねじ機構２１ａ〜２１ｄのねじ軸２３ａ〜２３ｄ、変速板１５ｂと伝わり、変速板１５ｂを棒状突起１４ｃに押圧することになる。このとき、図２Ａのように変速板１５ｂが水平状態にある場合には、ガスシリンダ１７の発生力は棒状突起１４ｃ、傘歯車３１、支持棒１６を経てフレーム１２ｂに伝わり、釣り合うことになる。一方、図２Ｄのように変速板１５ｂが水平状態から傾いた傾斜状態（一例として、斜め左下がりの傾斜状態）となっている場合には、変速板１５ｂから棒状突起１４ｃへの力の伝達時に変速板１５ｂと棒状突起１４ｃの接触点において円周方向への力、すなわち、傘歯車３１へのＺ軸回りの時計回りのトルクが働くことになる。反作用として変速板１５ｂに作用するＺ軸回りの反時計回りのトルクについては、支持棒１６によって支えられることになる。また、図２Ｄとは逆方向に傾いた傾斜状態（斜め右下がりの傾斜状態）の場合には、傘歯車３１にはＺ軸回りの反時計回りのトルクが作用することになり、反作用として変速板１５ｂに作用するＺ軸回りの時計回りのトルクについては、支持棒１６によって支えられることになる。摺動等による損失を無視した静的な場合においては、図２Ｄにおいて傘歯車３１に作用する時計回りのトルクは、ガスシリンダ１７の発生力と、変速板１５ｂの水平状態から傾斜状態への角度変化に対する正接との積で表される。ただし、ここでいう角度変化とは、変速板１５ｂと棒状突起１４ｃとの接触点から傘歯車３１の回転軸への垂線回りの角度変化のことである。このことから、制御コンピュータ１０１が出力したい力の大きさに対応した傾きの大きさ（傾き角度）に変速板１５ｂがなるように、モータ２２ａ〜２２ｄを駆動させることで、回転アクチュエータ２ａの力制御が可能となる。

また、制御コンピュータ１０１の制御が及ばない高周波数帯域の外乱に対しても、ガスシリンダ１７の弾性によって柔軟性が保たれるので、回転アクチュエータ２ａは接触に対して安全な柔軟アクチュエータとなる。

図２Ｄにおいて、傘歯車３１がＺ軸回りの時計回りに回転するような状況に回転アクチュエータ２ａがある場合、回転アクチュエータ２ａは、回転アクチュエータ２ａの外部に対して仕事を行っていることになる。すなわち、制御コンピュータ１０１がモータ２２ａ〜２２ｄの駆動を静止させている場合、傘歯車３１がＺ軸回りの時計回りに回転するに従って、板状部材１９ｂは図２Ｄの上方向に移動することになる。このとき、ガスシリンダ１７が失うポテンシャルエネルギーによって、回転アクチュエータ２ａは、回転アクチュエータ２ａの外部に対して仕事を行うことになる。

逆に、傘歯車３１がＺ軸回りの反時計回りに回転するような状況に回転アクチュエータ２ａがある場合、回転アクチュエータ２ａは、回転アクチュエータ２ａの外部から仕事をされることになる。すなわち、制御コンピュータ１０１がモータ２２ａ〜２２ｄの駆動を静止させている場合、傘歯車３１がＺ軸回りの反時計回りに回転するに従って、板状部材１９ｂは図２Ｄの下方向に移動することになり、回転アクチュエータ２ａの外部が回転アクチュエータ２ａにした仕事により、ガスシリンダ１７にポテンシャルエネルギーが蓄えられることになる。

このように、回転アクチュエータ２ａは、回転アクチュエータ２ａの外部に対して仕事をするだけでなく、回転アクチュエータ２ａの外部からの仕事により回転アクチュエータ２ａの内部にエネルギーを蓄える回生動作が行えることになる。よって、回生の行えないアクチュエータに比べて、前記第２実施形態の回転アクチュエータ２ａは、動作効率の向上を図ることができるようになる。

さらに、回転アクチュエータ２ａの駆動力は変速板１５ｂの傾きの大きさにより制御されるので、ガスシリンダ１７のポテンシャルエネルギーを短時間に放出することで、大きな出力を得ることもできる。ガスシリンダ１７のポテンシャルエネルギーを補充する場合には、制御コンピュータ１０１によりボールねじ機構２１ａ〜２１ｄを動作させ、板状部材１９ｂを押し下げてやればよい。回転アクチュエータ２ａの出力に要求されるピークパワーと平均パワーに大きな差がある場合には、短時間に放出したポテンシャルエネルギーの補充は時間をかけて行えばよいことになるので、モータ２２ａ〜２２ｄに要求されるパワーはピークパワーに比べて小さくて良いことになる。また、板状部材１９ｂの押し下げを複数のボールねじ機構２１ａ〜２１ｄが制御コンピュータ１０１の制御の下に協力して行うことで、さらに、モータ２２ａ〜２２ｄの１つあたりに要求されるパワーを下げることができる。

次に、回転アクチュエータ２ａの駆動トルクを変化させる場合について説明する。この第２実施形態では、ボールねじ機構として、参照符号２１ａ〜２１ｄで示す４個のボールねじ機構を用いている。変速板１５ｂは、長さが不変の棒状突起１４ｃに押圧されていることから、支持棒１６に対してＺ軸方向の変位とＸ軸回りの回転とＹ軸回りの回転の３自由度の動きを行うことになる。そのため、最小限必要となるボールねじ機構は３個ということになる。しかし、図２Ｄのように棒状突起１４ｃと同じＹ方向位置にねじ軸２３ｂ、２３ｄがあるような場合には、ガスシリンダ１７の発生力をボールねじ機構２１ｂ、２１ｄで支えることができる。このため、ボールねじ機構２１ａ、２１ｃはガスシリンダ１７の発生力による影響を受けずに、ボールねじ機構２１ｂ、２１ｄによってのみ、変速板１５ｂの角度をＸ軸回りに変化させることが可能になり、回転アクチュエータ２ａの駆動トルクを容易に変化させることができる。また、変速板１５ｂの角度変化のみを行う場合には、ボールねじ機構２１ｂ、２１ｄは変位しなくて良い。このため、変速板１５ｂを保持さえできればよいことになる。ボールねじ機構を円周状に冗長的に配置することは、このような状態が、より多くの地点で得られることになるので、望ましい。さらに、ボールねじ機構を円周状に等間隔に配置することは、このような状態が傘歯車３１の回転角によるばらつき無く周期的に分布することになる。このため、目標とする各ボールねじ機構の伸縮量（言い換えれば、ボールねじナット２０ａ〜２０ｊの上下方向沿いの移動方向における板状部材１９ａと変速板１５ａとの距離の調整量）を計算するのが容易になり、特定のボールねじ機構に負担がかかることもなくなることから、全体の制御性向上につながるので望ましい。

また、この第２実施形態では、図２Ｆに拡大して示すように、変速板１５ｂを、その中央部１５ｒがその外周部１５ｓに対してくぼんだ形状の段付き形状とし、棒状突起１４ｃが接触する面（中央部１５ｒの上面）と、ねじ軸２３ａ〜２３ｄが接触する面（外周部１５ｓの下面）が同一平面上（略同一平面上）となるようにしている。これに対して、段を持たない変速板の場合、例えば、図２Ａの状態から変速板１５ｂの傾きの大きさを変化させた場合に、変速板１５ｂと棒状突起１４ｃとの接触点と変速板１５ｂとねじ軸２３ｂ、２３ｄとの接触点との上下方向距離が変速板の厚みの影響により変化することになる。このため、その分、板状部材１９ｂを下降させる必要が生じ、傾きの大きさを変化させるのにポテンシャルエネルギー増加分のエネルギーが必要となってしまう。従って、変速板１５ｂを第２実施形態のように段付き形状として、変速板１５ｂと棒状突起１４ｃとの接触点と変速板１５ｂとねじ軸２３ｂ、２３ｄとの接触点が同一平面上（略同一平面上）に位置することは、変速板１５ｂの厚みによる影響を排除することができるので、望ましい。

一方で、図２Ｅに本発明の第２実施形態の変形例として示すように、変速板１５ｂを、段の無い平板の変速板１５ｃとし、棒状突起１４ｃと変速板１５ｃとの接触点が取りうる円周と、ねじ軸２３ａ〜２３ｄと変速板１５ｃとの接触点が含まれる円周とが、Ｚ軸方向に往復移動しただけの同一の円周となるように配置しても良い。すなわち、図２Ｅに示すように、前記突起部材の一例としての棒状突起１４ｃと前記変速部材の一例である変速板１５ｃの接触点が、前記連結機構の一例であるボールねじ機構と前記変速板１５ｃとの接触点若しくは連結部における回転中心を含み、前記変位部材の一例である板状部材１９ｂの変位方向への高さを持つ楕円柱の側面と略同一面上にあることを特徴としている。このようにすることで、例えば図２Ｅにおいて変速板１５ｃをＸ軸回りに回転させる際に、ガスシリンダ１７の発生力はボールねじ機構２１ｃが支えることになる。このため、変速板１５ｃの厚みによる影響はあるものの、ボールねじ機構２１ａが行う仕事を小さくすることが可能になる。なお、変速板１５ｃは、揺動板又は揺動部材の一例としても機能するものである。

なお、この第２実施形態でも、連結機構としてボールねじ機構を用いているが、連結機構の構成としてはこれに限るものではなく、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。

さらに、第２実施形態における回転アクチュエータ２ａを用いた関節駆動ユニットの構成例を図６に示す。回転アクチュエータ２ａの上方に腕５４ｂが配置され、かつ、回転アクチュエータ２ａの回転軸３２に腕５４ｂが直接固定されている。

このような構成とすることで、図７Ａの状態から回転アクチュエータ２ａを動作させ、回転軸３２を反時計回りに回転させることで腕５４ｂが反時計回りに回転動作を行うようになり、図７Ｂの状態となる。同様に、回転軸３２を時計回りに回転させることで、腕５４ｂを逆方向へ（すなわち、時計回りに）回転させることも可能となる。

よって、このような構成とすることで、回転アクチュエータ２ａの有する動作効率に優れ、柔軟であるという特徴をそのまま引き継ぐ関節駆動ユニットが得られ、特に家庭用途に適したロボットアームにおける関節駆動ユニットを実現することができる。

（第３実施形態）
図３Ａは、本発明にかかる第３実施形態の柔軟アクチュエータの一例としての回転アクチュエータ２ｂの概略を示した断面図である。また、図３Ｂには図３ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図を示している。なお、前述した第２実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。この第３実施形態の柔軟アクチュエータでも、座標軸のＺ軸は上下方向の上向きと定義している。Ｘ軸はＺ軸と直交する方向沿いでかつベース部材の一例である直方体箱形状のフレーム１２ｃの１つの側面を厚さ方向に貫通する方向と定義している。また、Ｙ軸はＺ軸及びＸ軸とそれぞれ直交する方向沿いでかつ直方体箱形状のフレーム１２ｃの前記側面に直交して隣接する側面を厚さ方向に貫通する方向と定義している。

この第３実施形態では、ガスシリンダ１７の発生力を、押圧では無く、連結機構の一例である４個のワイヤ機構４２ａ〜４２ｄによる引っ張りによって伝達している。図３Ａにおいて、ガスシリンダ１７は、４本の支持部材（例えば、支柱）４１ａ〜４１ｄによってフレーム１２ｃの中間部に固定されている。また、フレーム１２ｃ内のガスシリンダ１７の下方に配置されてピストン１８の下端が固定された円板状の板状部材１９ｄには、ガスシリンダ１７の発生力が伝達される。この円板状の板状部材１９ｄには、板状部材１９ｄの中心回りに９０度間隔にかつそれぞれの直径方向がＸ軸又はＹ軸方向沿いとなるように板状部材１９ｄに、４個のワイヤリール４３ａ〜４３ｄが配置されている。４個のワイヤリール４３ａ〜４３ｄはそれぞれ軸受け部などを介して板状部材１９ｄに回転自由に保持されており、それぞれのワイヤリール４３ａ〜４３ｄの回転角度は、制御コンピュータ１０１により駆動制御されるモータ４４ａ〜４４ｄの回転軸の正逆回転によって変化するようになっている。ワイヤリール４３ａ〜４３ｄには、それぞれ、ワイヤ４５ａ〜４５ｄの一端が連結され、球面軸受けで板状部材１９ｄに揺動自在に保持された下側の球状部材４６ａ〜４６ｄをワイヤ４５ａ〜４５ｄがそれぞれ貫通し、ワイヤ４５ａ〜４５ｄの他端が、球面軸受けで円板状の変速板１５ｄに保持された上側の球状部材４７ａ〜４７ｄにそれぞれ連結されている。すなわち、制御コンピュータ１０１の指示によりモータ４４ａ〜４４ｄの回転軸がそれぞれ回転すると、同時にワイヤリール４３ａ〜４３ｄもそれぞれ回転し、ワイヤ４５ａ〜４５ｄの長さ（言い換えれば、上側の球状部材４７ａ〜４７ｄと下側の球状部材４６ａ〜４６ｄとの間の長さ、すなわち、変速板１５ｄと板状部材１９ｄとの間の長さ）がそれぞれ変化するようになる。また、変速板１５ｄは、ワイヤ４５ａ〜４５ｄを介して伝達されるガスシリンダ１７の発生力によって、後述する棒状突起１４ｃの上端の半球面部に押圧されることになる。なお、変速板１５ｄは、揺動板又は揺動部材の一例としても機能するものである。

一方で、変速板１５ｄは、Ｘ軸方向に突出した軸部を備えたリング状部材３３に対してＸ軸回りの回転が自由となるように軸受けなどを介して保持されており、同時にリング状部材３３は、Ｙ軸方向に突出した軸部を備えた外筒２６ｂに対してＹ軸回りの回転が自由となるように軸受けなどを介して保持されている。また、外筒２６ｂは、フレーム１２ｃの上面の内面中央に下向きに固定された円筒状のスプライン軸である支持棒１６に対してＺ軸方向（支持棒１６の軸方向）の往復移動のみが自由となるように保持されている。さらに、支持棒１６に対して、回転部材の一例である回転円板４８に回転軸部４９ａの下端が固定された回転軸４９が、円筒状の支持棒１６の中心部及びフレーム１２ｃの上面の貫通穴１２ｚを回転軸部４９ａが貫通した状態でそれぞれＺ軸回りに軸受け部などを介して回転自由となるように保持されている。また、棒状突起１４ｃにより回転円板４８に与えられる回転出力は、回転軸部４９ａ及びその上端に固定された円板部４９ｂを介してＺ軸回りの回転出力として回転アクチュエータ２ｂの外部に取り出さるようになっている。なお、回転軸部４９ａは、フレーム１２ｃの貫通穴１２ｚで小径部となっており、貫通穴１２ｚの外部には、小径部よりも直径が大きい大径部を配置している。よって、回転軸部４９ａが下向きに力を受けたときには、回転軸部４９ａの大径部がフレーム１２ｃの貫通穴１２ｚの周囲に当接して、力をフレーム１２ｃで受けることができるようにしている。
次に、制御コンピュータ１０１の制御の下で行われる、この回転アクチュエータ２ｂの作用を説明する。

回転アクチュエータ２ｂの回転軸４９に作用する力は、ガスシリンダ１７の発生力の大きさと変速板１５ｄの傾きの大きさによって決定される。すなわち、ガスシリンダ１７が発生する力（発生力）が図３Ａの下方向に向かって作用するとき、その力（発生力）は、ピストン１８、板状部材１９ｄ、板状部材１９ｄの中心に対して回転対称となる位置（具体的には板状部材１９ｄの中心周りの同一円周上の９０度毎の位置に）に固定されたワイヤリール４３ａ〜４３ｄ、ワイヤ４５ａ〜４５ｄ、上側の球状部材４７ａ〜４７ｄ、変速板１５ｄと伝わり、変速板１５ｄを棒状突起１４ｃに押圧することになる。このとき、図３Ａのように変速板１５ｄが水平状態にある場合には、ガスシリンダ１７の発生力は、棒状突起１４ｃと、回転円板４８と、回転軸４９とを経てフレーム１２ｃに伝わり、釣り合うことになる。一方、図３Ｃのように変速板１５ｄが水平状態から傾いた傾斜状態（一例として、斜め左下がりの傾斜状態）となっている場合には、変速板１５ｄから棒状突起１４ｃへの力の伝達時に変速板１５ｄと棒状突起１４ｃの接触点において円周方向への力、すなわち回転円板４８へのＺ軸回りの反時計回りのトルクが働くことになる。反作用として、変速板１５ｄに作用するＺ軸回りの時計回りのトルクについては、支持棒１６によって支えられることになる。また、図３Ｃとは逆方向に傾いた傾斜状態（斜め右下がりの傾斜状態）の場合には、回転円板４８にはＺ軸回りの時計回りのトルクが作用することになり、反作用として変速板１５ｄに作用するＺ軸回りの反時計回りのトルクについては、支持棒１６によって支えられることになる。摺動等による損失を無視した静的な場合においては、この時計回りのトルクは、ガスシリンダ１７の発生力と、変速板１５ｄの水平状態から傾斜状態への角度変化に対する正接との積で表される。ただし、ここでいう角度変化とは、変速板１５ｄと棒状突起１４ｃとの接触点から回転軸４９の回転軸部４９ａへの垂線回りの角度変化のことである。このことから、制御コンピュータ１０１が出力したい力の大きさに対応した傾きの大きさ（傾き角度）に変速板１５ｄがなるように、モータ４４ａ〜４４ｄを駆動させることで、回転アクチュエータ２ｂの力制御が可能となる。

また、制御コンピュータ１０１の制御が及ばない高周波数帯域の外乱に対しても、ガスシリンダ１７の弾性によって柔軟性が保たれるので、回転アクチュエータ２ｂは接触に対して安全な柔軟アクチュエータとなる。また、第２実施形態と同様に、回転アクチュエータ２ｂの外部から仕事がなされる場合にはガスシリンダ１７に対してエネルギーが回生されることになる。

次に、回転アクチュエータ２ｂの駆動トルクを変化させる場合について説明する。この第３実施形態では、ワイヤ機構として、参照符号４２ａ〜４２ｄで示す４個のワイヤ機構を用いているが、変速板１５ｄは、長さが不変の棒状突起１４ｃに押圧されていることから、支持棒１６に対してＺ軸方向の変位とＸ軸回りの回転とＹ軸回りの回転の３自由度の動きを行うことになる。そのため、最小限必要となるワイヤ機構は３個ということになる。しかし、図３Ａのように棒状突起１４ｃと同じＸ方向位置にワイヤ４５ａ、４５ｃがあるような場合には、ガスシリンダ１７の発生力をワイヤ機構４２ａ、４２ｃで支えることができる。このため、ワイヤ機構４２ｂ、４２ｄはガスシリンダ１７の発生力による影響を受けずに、ワイヤ機構４２ａ、４２ｃのみで、変速板１５ｄの角度をＹ軸回りに変化させることが可能になり、回転アクチュエータ２ｂの駆動トルクを容易に変化させることができる。また、変速板１５ｄの角度変化のみを行う場合には、ワイヤ機構４２ａ、４２ｃは変位しなくて良いので、変速板１５ｄを保持さえできればよいことになる。ワイヤ機構を円周状に冗長的に配置することは、このような状態が、より多くの地点で得られることになるので、望ましい。さらに、ワイヤ機構を円周状に等間隔に配置することは、このような状態が回転軸４９の回転角によるばらつき無く周期的に分布することになる。このため、目標とする各ワイヤ機構の伸縮量（言い換えれば、ワイヤ機構４２ａ〜４２ｄの上下方向沿いの移動方向における板状部材１９ｄと変速板１５ｄとの距離の調整量）を計算するのが容易になり、特定のワイヤ機構に負担がかかることもなくなることから、全体の制御性向上につながるので望ましい。

また、この第３実施形態では、上側の球状部材４７ａ〜４７ｄの回転中心（連結部の回転中心の一例）が、変速板１５ｄと棒状突起１４ｃが接触する面と同一平面上（略同一平面上）に位置するように配置している。このようにすることは、変速板１５ｄの厚みによる影響を排除することができるので、望ましい。

なお、この第３実施形態では、連結機構としてワイヤ機構を用いているが、連結機構の構成としてはこれに限るものではなく、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。

なお、前記弾性機構の一例としてガスシリンダ１７を挙げて説明したが、これに限られるものではなく、同様な作用を奏することができるものならば、バネで構成するようにしてもよい。

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。

本発明にかかる柔軟アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットは、力制御が容易で、動作効率に優れたものであり、ロボットの関節駆動用アクチュエータ等及びそれを用いた関節駆動ユニット等として有用である。

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又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、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。

Claims

ベース部材と、
前記ベース部材に対して直線的に往復移動可能に保持される直動部材と、
前記直動部材の移動方向と略垂直な方向に変位可能な変位部材と、
前記ベース部材に固定されかつ前記変位部材との距離に応じて弾性エネルギーを蓄えたり放出したりする弾性機構と、
前記変位部材との間の距離が２以上の連結機構により調整可能に前記変位部材と接続された変速部材と、
前記直動部材に突出して設けられ、前記弾性機構のエネルギーの放出により発生した力により前記変速部材に押圧される突起部材と、
前記連結機構の前記距離の調整動作を制御することで、前記変位部材と前記変速部材との相対位置及び相対角度を変化させる制御装置とを備える直動動作可能な柔軟アクチュエータ。
ベース部材と、
前記ベース部材に対して回転自由に保持される回転部材と、
前記回転部材の回転軸方向と略同方向に変位可能な変位部材と、
前記ベース部材に固定され前記変位部材との距離に応じて弾性エネルギーを蓄えたり放出したりする弾性機構と、
前記変位部材との間の距離が３以上の連結機構により調整可能に前記変位部材と接続された変速部材と、
前記回転部材の回転中心からずれた位置に突出して設けられ、前記弾性機構のエネルギーの放出により発生した力により前記変速部材に押圧される突起部材と、
前記連結機構の前記距離の調整動作を制御することで、前記変位部材と前記変速部材との相対位置及び相対角度を変化させる制御装置とを備える揺動及び回転動作可能な柔軟アクチュエータ。
前記連結機構が、円周状に等間隔で配置されている請求項２に記載の柔軟アクチュエータ。
前記突起部材と前記変速部材の接触点が、前記連結機構と前記変速部材との接触点若しくは連結部における回転中心を含む平面と略同一面上にある請求項１に記載の柔軟アクチュエータ。
前記突起部材と前記変速部材の接触点が、前記連結機構と前記変速部材との接触点若しくは連結部における回転中心を含む平面と略同一面上にある請求項２に記載の柔軟アクチュエータ。
前記弾性機構がラム形シリンダ若しくはピストン両側の圧力室間で流体移動が可能な片ロッドシリンダである請求項１に記載の柔軟アクチュエータ。
前記弾性機構がラム形シリンダ若しくはピストン両側の圧力室間で流体移動が可能な片ロッドシリンダである請求項２に記載の柔軟アクチュエータ。
前記連結機構が、前記変位部材の変位方向と略平行に、前記変位部材と前記変速部材との間の距離を調整可能であり、前記変速部材に対して前記弾性機構の発生力により押圧される機構である請求項１に記載の柔軟アクチュエータ。
前記連結機構が、前記変位部材の変位方向と略平行に、前記変位部材と前記変速部材との間の距離を調整可能であり、前記変速部材に対して前記弾性機構の発生力により押圧される機構である請求項２に記載の柔軟アクチュエータ。
前記連結機構が、前記変位部材と前記変速部材のそれぞれと回転自在に連結されるとともに、両接続点間の距離が可変調整できる機構である請求項１に記載の柔軟アクチュエータ。
前記連結機構が、前記変位部材と前記変速部材のそれぞれと回転自在に連結されるとともに、両接続点間の距離が可変調整できる機構である請求項２に記載の柔軟アクチュエータ。
請求項１に記載の柔軟アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニット。
請求項２に記載の柔軟アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニット。