JP2014155996A - リンク機構駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１及び第２リンクに重量部品である駆動源を配置することなく、リンク先端における剛性楕円の設定自由度を向上させる。
【解決手段】リンク機構駆動装置１００は、２つのリンク１０１，１０２を備えている。リンク１０１は、基部に関節Ｊ１を介して旋回可能に連結されている。リンク１０２は、リンク１０１に関節Ｊ２を介して旋回可能に連結されている。リンク機構駆動装置１００は、基部に配置された駆動源１５１と、駆動源１５１の駆動を伝達する伝達機構１５２と、を備えている。更に、リンク機構駆動装置１００は、関節Ｊ２に配置され、伝達機構１５２により伝達された駆動源１５１の駆動に対応した剛性を、関節Ｊ２に付与する剛性付与機構１５３を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、可動するリンクに重量物を配置することなく、リンク先端における剛性楕円の設定範囲を拡大させるリンク機構駆動装置に関する。

近年、産業分野において人との協働作業を行ったり、医療介護分野において人体に直接的に触れたりするような、人との接触を積極的に行うロボットの開発が盛んである。このようなロボットにおいては、ロボットのマニピュレータ部分に人体が突発的に衝突したとしても、柔軟に動作する、受動的弾性を備えた機構設計が要求される。マニピュレータの手先に外力が働いたとき、受動的な柔らかさを実現させる機構の例として、生物を模した筋骨格構造が知られている。

筋と同様に、収縮方向にのみ力を発生させることのできる粘弾性アクチュエータを用いて、１つの関節まわりの駆動トルクと剛性を設定するためには、少なくとも２つの粘弾性アクチュエータを拮抗配置して駆動することが必要である。筋の粘弾性特性と良く似た、収縮力のみを発生させるアクチュエータとして、空気圧式人工筋肉アクチュエータが知られている。

特許文献１には、基部である第１構造体に、２つの関節を介して第２構造体とハンドが回転可能に連結された２リンクアーム機構において、基部に拮抗配置したアクチュエータでハンドを回転駆動するリンク機構駆動装置が開示されている。

このリンク機構駆動装置は、第２構造体を駆動するために拮抗配置された第１直動アクチュエータ、及びハンドを駆動するために拮抗配置された第２直動アクチュエータを有し、これらを基部に配置することで、可動部の質量を軽くしている。

これらアクチュエータは、空気圧式の人工筋肉のような収縮力のみを発生させるものであり、筋骨格構造の単関節駆動源に相当する。つまり、特許文献１に開示されているリンク機構駆動装置は、１対の駆動源の拮抗駆動によって２つの関節まわりにトルクを付与する２対４筋構造と動作原理的上等価とみなすことができる。

特開２００７−２２３０３９号公報

しかし、上記特許文献１に開示されるような２対４筋構造のリンク機構駆動装置では、原理上、剛性の設定方向を２方向しか設定することができないため、手先の剛性楕円の設定範囲に制限があった。

一方、手先の剛性楕円の設定範囲の自由度を上げるために、３対６筋構造としてアクチュエータを可動部に配置した筋骨格構造に関する研究事例も多数報告されている。しかし、可動部の質量が増大し、俊敏な高加速度の動作の際に、リンクの可動部に大きな慣性力が作用するため、高帯域の制御が困難であった。

本発明は、第１及び第２リンクに重量部品である駆動源を配置することなく、リンク先端における剛性楕円の設定自由度を向上させるリンク機構駆動装置を提供する。

本発明のリンク機構駆動装置は、基部と、前記基部に第１関節を介して旋回可能に連結された第１リンクと、前記第１リンクに第２関節を介して旋回可能に連結された第２リンクと、前記基部に対して互いに反対方向に前記第１リンクを駆動する駆動力を発生して、駆動力の差により前記第１関節にトルクを付与する第１駆動機構と、前記基部に対して互いに反対方向に前記第１リンク及び前記第２リンクを同時に駆動する駆動力を発生して、駆動力の差により前記第１関節及び前記第２関節にトルクを付与する第２駆動機構と、前記基部に配置された駆動源と、前記駆動源の駆動を伝達する伝達機構と、前記第２関節に配置され、前記伝達機構により伝達された前記駆動源の駆動に対応した剛性を、前記第２関節に付与する剛性付与機構と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、可動する第１及び第２リンクに重量物である駆動源を配置することなく、剛性の調整軸を１つ増やすことができ、第２リンクの先端における剛性楕円の設定の自由度が向上する。

第１実施形態に係るリンク機構駆動装置の概略構成を示す斜視図である。 リンク機構駆動装置の概略構成を示す三面図である。 リンク機構駆動装置を示す平面図である。 リンク機構駆動装置を示す説明図である。 剛性付与機構を示す平面図である。 第２リンクを示す構成図である。 リンク機構駆動装置を示す平面図である。 弾性アクチュエータのモデルを示す説明図である。 剛性付与機構の一部を示す模式図である。 第２実施形態に係るリンク機構駆動装置の第１関節付近の概略構成を示す説明図である。 比較例の２対４筋の筋骨格構造を表した２リンクモデルを示す模式図である。 シミュレーションにより計算した手先の剛性楕円を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図の直交座標系におけるｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は共通のものである。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るリンク機構駆動装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、リンク機構駆動装置の概略構成を示す三面図である。図２（ａ）はリンク機構駆動装置の平面図、図２（ｂ）はリンク機構駆動装置の正面図、図２（ｃ）はリンク機構駆動装置の左側面図である。

図１及び図２に示すように、リンク機構駆動装置１００は、２つのリンク１０１，１０２を備えた２リンク機構であり、例えばマニピュレータである。

リンク機構駆動装置１００は、基部（例えばロボットの胴部や固定部）である基台１０４を備えている。第１リンクであるリンク１０１は、第１関節である関節Ｊ１で基台１０４に連結されており、第２リンクであるリンク１０２は、第２関節である関節Ｊ２でリンク１０１に連結されている。つまり、リンク１０１は、基台１０４に対して関節Ｊ１を中心に旋回可能に支持されており、リンク１０２は、リンク１０１に対して関節Ｊ２を中心に旋回可能に支持されている。なお、リンク機構の手先であるリンク１０２の先端Ｅには、エンドエフェクタ（不図示）が接続され、所望の作業を実施可能な構成とするが、その構成は任意とし、ここではエンドエフェクタの詳細構成に関する説明を省略する。

リンク機構駆動装置１００は、関節Ｊ１まわりに回転トルクを付与すると共に、関節Ｊ１に剛性を付与する第１駆動機構である駆動機構１４１を備えている。

駆動機構１４１は、拮抗配置された一対の駆動源１０７，１０８を有し、これら駆動源１０７，１０８は、全て基台１０４に配置されている。駆動源１０７，１０８は、例えば電動回転モータである。

また、駆動機構１４１は、駆動源１０７の回転軸に固定され、この回転軸と一体に回転するプーリ１１２と、駆動源１０８の回転軸に固定され、この回転軸と一体に回転するプーリ１１３と、を有している。これにより、駆動源１０７は、プーリ１１２を回転駆動し、駆動源１０８は、プーリ１１３を回転駆動する。本実施形態では、駆動源１０７及びプーリ１１２により一方の第１駆動部である駆動部１３１が構成され、駆動源１０８及びプーリ１１３により他方の第１駆動部である駆動部１３２が構成されている。

また、駆動機構１４１は、リンク１０１の基端部（関節Ｊ１）に固定された第１プーリであるプーリ１１４を有している。このプーリ１１４は、プーリ１１４の回転軸がリンク１０１の旋回軸と一致するようにリンク１０１の側面に固定されている。したがって、プーリ１１４が回転することで、リンク１０１がプーリ１１４と一体に関節Ｊ１まわりに旋回する。

また、駆動機構１４１は、プーリ１１４に巻回され、一端がプーリ１１２に固定され、他端がプーリ１１３に固定された、第１紐状部材であるワイヤ１１９を有している。したがって、駆動源１０７，１０８がプーリ１１２，１１３を回転駆動することにより、ワイヤ１１９が引っ張られ、ワイヤ１１９を介してプーリ１１４が回転駆動され、リンク１０１が関節Ｊ１まわりに回転駆動される。

このように、駆動機構１４１の一対の駆動部１３１，１３２は、ワイヤ１１９の両端に引っ張り力を作用して、プーリ１１４を回転駆動する。つまり、駆動機構１４１は、基台１０４に対して互いに反対方向にリンク１０１を駆動する駆動力を発生する。そして、関節Ｊ１には、駆動力（引っ張り力）の差によりトルクが付与されると共に、駆動力（引っ張り力）の和により剛性が付与される。

また、リンク機構駆動装置１００は、関節Ｊ１，Ｊ２に同時にトルクを付与すると共に、関節Ｊ１，Ｊ２に同時に剛性を付与する第２駆動機構としての駆動機構１４２を備えている。

駆動機構１４２は、拮抗配置された一対の駆動源１０９，１１０を有し、これら駆動源１０９，１１０は、全て基台１０４に配置されている。駆動源１０９，１１０は、例えば電動回転モータである。

また、駆動機構１４２は、駆動源１０９の回転軸に固定され、この回転軸と一体に回転するプーリ１１５と、駆動源１１０の回転軸に固定され、この回転軸と一体に回転するプーリ１１６と、を有している。これにより、駆動源１０９は、プーリ１１５を回転駆動し、駆動源１１０は、プーリ１１６を回転駆動する。本実施形態では、駆動源１０９及びプーリ１１５により一方の第２駆動部である駆動部１３３が構成され、駆動源１１０及びプーリ１１６により他方の第２駆動部である駆動部１３４が構成されている。

また、駆動機構１４２は、リンク１０１の基端部（関節Ｊ１）に回転自在に設けられた２段プーリ１１７を有している。この２段プーリ１１７は、プーリ１１７の回転軸がリンク１０１の旋回軸と一致するようにリンク１０１のプーリ１１４が設けられている側面とは反対側の側面に回転自在に固定されている。２段プーリ１１７は、一方のプーリである上段プーリ１１７Ａと、他方のプーリである下段プーリ１１７Ｂとで構成されている。

また、駆動機構１４２は、リンク１０２の基端部（関節Ｊ２）に固定された第２プーリであるプーリ１１８を有している。このプーリ１１８は、プーリ１１８の回転軸がリンク１０２の旋回軸と一致するようにリンク１０２の側面に固定されている。したがって、プーリ１１８が回転することで、リンク１０２がプーリ１１８と一体に関節Ｊ２まわりに旋回する。

また、駆動機構１４２は、２段プーリ１１７の上段プーリ１１７Ａに巻回され、一端がプーリ１１５に固定され、他端がプーリ１１６に固定された、第２紐状部材であるワイヤ１２０を有している。したがって、駆動源１０９，１１０がプーリ１１５，１１６を回転駆動することにより、ワイヤ１２０が引っ張られ、ワイヤ１２０を介して２段プーリ１１７が回転駆動される。

更に、駆動機構１４２は、２段プーリ１１７の下段プーリ１１７Ｂとプーリ１１８とに巻回された無端状の第３紐状部材であるワイヤ１２１を有している。この無端状のワイヤ１２１は、プーリ１１７Ａ，１１８間に弛むことなく掛けられている。したがって、２段プーリ１１７が回転駆動されることにより、ワイヤ１２１を介してプーリ１１８が回転駆動される。

つまり、駆動源１０９，１１０は、拮抗駆動により関節Ｊ１，Ｊ２まわりに同時にトルクを付与すると共に、関節Ｊ１，Ｊ２に同時に剛性を付与する２関節同時駆動の駆動源の役割を果たす。

このように、駆動機構１４２の一対の駆動部１３３，１３４は、ワイヤ１２０の両端に引っ張り力を作用して、２段プーリ１１７を回転駆動すると共に、ワイヤ１２１を介してプーリ１１８を回転駆動する。つまり、駆動機構１４２は、基台１０４に対して互いに反対方向にリンク１０１，１０２を同時に駆動する駆動力を発生する。そして、関節Ｊ１，Ｊ２には、駆動力（引っ張り力）の差によりトルクが付与されると共に、駆動力（引っ張り力）の和により剛性が付与される。

図３は、基台１０４及び駆動機構１４１，１４２を省略して図示したリンク機構駆動装置１００を示す平面図である。図４は、基台１０４及び駆動機構１４１，１４２を省略して図示したリンク機構駆動装置１００を示す説明図である。図４（ａ）は、基台１０４及び駆動機構１４１，１４２を省略して図示したリンク機構駆動装置１００を示す斜視図、図４（ｂ）は、関節Ｊ１付近を示す拡大斜視図である。

リンク機構駆動装置１００は、基台１０４（図２参照）に配置された駆動源１５１と、駆動源１５１の駆動を伝達する伝達機構１５２と、を備えている。また、リンク機構駆動装置１００は、関節Ｊ２に配置され、伝達機構１５２により伝達された駆動源１５１の駆動に対応した剛性を、関節Ｊ２に付与する剛性付与機構１５３と、を備えている。

剛性付与機構１５３は、リンク１０２の旋回動作に応じた弾性変形量で弾性変形し、弾性変形量に応じた弾性力をリンク１０２に付与して関節Ｊ２に剛性を付与する弾性部１５４を有している。また、剛性付与機構１５３は、リンク１０２の旋回角度と弾性部１５４の弾性変形量との対応関係を、伝達機構１５２により伝達された駆動源１５１の駆動に応じて変更する変更部１５５を有している。

駆動源１５１は、回転駆動源である電動回転モータである。伝達機構１５２は、基台１０４に軸受１２６を介して回転可能に支持され、駆動源１５１の回転軸１２２にカップリング１２５で連結され、駆動源１５１に回転駆動される第１シャフトであるシャフト１２３を有している。また、伝達機構１５２は、リンク１０１に軸受１２７を介して回転可能に支持された第２シャフトであるシャフト１２４を有している。また、伝達機構１５２は、関節Ｊ１に配置され、シャフト１２３とシャフト１２４とを回転伝達可能かつ旋回可能に連結する自在継手１２８を有している。関節Ｊ１においてｘ−ｙ平面内で変位が生じても、剛性付与機構１５３へ剛性指令値である回転変位を伝達できるよう自在継手１２８が用いられている。つまり、この自在継手１２８は、リンク１０２の旋回動作に伴ってシャフト１２４が旋回しても、シャフト１２３の回転をシャフト１２４に伝達することが可能なものであり、例えばカルダンジョイントが用いられる。

以上、剛性付与機構１５３の変更部１５５は、リンク１０２の旋回角度と弾性部１５４の弾性変形量との対応関係を、シャフト１２４の回転位置に対応して変更するよう構成されている。

図５は、剛性付与機構１５３を示す平面図であり、図６は、リンク１０２を示す構成図である。図６（ａ）は、リンク１０２の概略斜視図、図６（ｂ）はリンク１０２の概略側面図である。

図５に示すように、剛性付与機構１５３の変更部１５５は、シャフト１２４の先端に設けられたウォームギア１６１と、リンク１０１に回転可能に支持され、ウォームギア１６１に噛合するピニオンギア１６２と、を有している。

また、変更部１５５は、ピニオンギア１６２に噛合するラックギア１６３を有している。ラックギア１６３は、リンク１０１に、旋回軸Ｑの延びる方向（図５中ｚ軸方向）に直交する方向（図５中ｙ軸方向）にスライド可能に支持されている。そして、ラックギア１６３は、ピニオンギア１６２の回転位置に応じてリンク１０２の旋回軸Ｑに対して接離（接近又は離間）する。

また、変更部１５５は、弾性部１５４が当接し、リンク１０２の旋回動作によりリンク１０２の旋回軸Ｑを中心に旋回して弾性部１５４を弾性変形させるようにリンク１０２に固定された被当接部材としてのリブ１６４を有している。リブ１６４は、本実施形態では、板状の部材であり、一対の被当接面１６４Ａ，１６４Ｂを有する。このリブ１６４は、旋回軸Ｑから半径方向に延びる平板である。したがって、リンク１０１に対してリンク１０２が所定角度θ_２旋回すると、リブ１６４は、旋回軸Ｑを中心に所定角度θ_２旋回する。

また、変更部１５５は、弾性部１５４をリブ１６４に当接させた状態で支持する支持部材１６５を有している。支持部材１６５は、ラックギア１６３に固定され、ラックギア１６３と一体に移動する。これにより、弾性部１５４は、ラックギア１６３の移動によりリンク１０２の旋回軸Ｑの延びる方向（図５中ｚ軸方向）に対して直交する方向（図５中ｙ軸方向、つまりラックギア１６３及び支持部材１６５の移動する方向）に移動する。

なお、支持部材１６５は、ラックギア１６３とは別部材でラックギア１６３に固定されるようにしたが、ラックギア１６３と一体に形成されていてもよい。

弾性部１５４は、リブ１６４を両側から挟み込むように配置された一対の弾性ユニット１７０Ａ，１７０Ｂを有している。

各弾性ユニット１７０Ａ，１７０Ｂは、当接部材であるローラ（回転部材）１７１Ａ，１７１Ｂと、軸部材１７２Ａ，１７２Ｂと、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂとを有している。

軸部材１７２Ａ，１７２Ｂは、リンク１０２の旋回軸Ｑの延びる方向（図５中ｚ軸方向）、及び支持部材１６５の移動する方向（図５中ｙ軸方向）に対して直交する方向（図５中ｘ軸方向）にスライド自在に支持部材１６５に支持されている。

ローラ１７１Ａ，１７１Ｂは、軸部材１７２Ａ，１７２Ｂの先端に回転可能に支持されている。

圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂは、ローラ１７１Ａ，１７１Ｂをリブ１６４に付勢するよう圧縮状態で設けられている。詳述すると、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂが圧縮された状態で、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂの一端が支持部材１６５に固定され、他端が軸部材１７２Ａ，１７２Ｂに固定されている。これにより、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂは、軸部材１７２Ａ，１７２Ｂをリブ１６４側に付勢する。したがって、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂは、軸部材１７２Ａ，１７２Ｂを介してローラ１７１Ａ，１７１Ｂをリブ１６４に付勢している。各圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂの付勢力により、各ローラ１７１Ａ，１７１Ｂは、リブ１６４の各被当接面（平面）１６４Ａ，１６４Ｂに当接する。つまり、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂは予圧されているので、ローラ１７１Ａ，１７１Ｂの側面が、リンク１０２に拘束された厚さｔのリブ１６４に接触している。

以上の構成で、関節Ｊ２まわりのリンク１０２の変位により、リブ１６４が旋回軸Ｑまわりに旋回して、２つの圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂのうちいずれか一方の圧縮コイルばねが圧縮変形（弾性変形）する。これにより、圧縮コイルばねの圧縮量（弾性変形量）に応じた弾性力がリブ１６４に付与され、その結果関節Ｊ２に剛性が付与される。

次に、関節Ｊ２の剛性を変更する動作について説明する。駆動源１５１の駆動により、駆動源１５１の駆動（回転変位）が伝達機構１５２を介して剛性付与機構１５３に伝達され、駆動源１５１の駆動（回転変位）に応じて関節Ｊ２の剛性が変更される。

詳述すると、駆動源１５１から伝達された駆動（回転変位、即ち剛性指令値）は、シャフト１２４の端部に配置されたウォームギア１６１を介して、リンク１０１上に点Ｐを中心に回転可能に支持されたピニオンギア１６２の回転変位として伝達される。ピニオンギア１６２の回転変位は、リンク１０１の長手方向に垂直な方向に可動なラックギア１６３と噛み合うことで、リンク１０１の長手方向に直交する方向の直動変位として伝達される。これにより、ラックギア１６３と一体に支持部材１６５及び弾性ユニット１７０Ａ，１７０Ｂが直動変位する。具体的には、ローラ１７１Ａ，１７１Ｂがリブ１６４の被当接面１６４Ａ，１６４Ｂ上を旋回軸Ｑに接離する方向に転がりながら移動する。

圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂの圧縮量、つまり関節Ｊ２の剛性は、旋回軸Ｑとローラ１７１Ａ，１７１Ｂのリブ１６４上の接触点との距離ｒ_ｓに応じて異なる。したがって、ローラ１７１Ａ，１７１Ｂが被当接面１６４Ａ，１６４Ｂ上を旋回軸Ｑに接離する方向に移動するので、関節Ｊ２の剛性が変更される。

以上を踏まえ、本実施形態におけるリンク機構駆動装置１００の手先（リンク１０２の先端）Ｅの出力、及び手先Ｅの剛性制御方法について説明する。

図７は、第１実施形態に係るリンク機構駆動装置を示す平面図、図８は、弾性アクチュエータのモデルを示す説明図である。図８（ａ）は、弾性アクチュエータのモデルを示す模式図、図８（ｂ）は、弾性アクチュエータの特性を示すグラフである。

各駆動源１０７，１０８，１０９，１１０は、各々、不図示の変位検出手段及び不図示のトルクセンサを内蔵しており、外から働くトルクを検出可能な構成である。そして、各駆動源１０７，１０８，１０９，１１０は、図８（ａ）に示すような弾性アクチュエータのモデルに倣って出力制御されるものとする。

図８（ａ）において、弾性アクチュエータ３５は、一端が基台３６に固定されている。弾性アクチュエータ３５は、収縮要素３７と可変弾性要素３８とからなる。収縮要素３７は収縮要素であり、ｘ方向に収縮力ｕを発生させる。可変弾性要素３８は、収縮要素３７の収縮力ｕと変位ｘとの積に比例した弾性力を、変位方向と逆向きに発生させる。弾性アクチュエータ３５の端部より出力される力Ｆは、比例係数ｋを用いて次式で示される。

式（１）の特性を図示したものが図８（ｂ）である。指令値ｕを変化させることによって、弾性アクチュエータ３５の弾性（グラフの傾き）が変化する。また、指令値ｕに依らず、ｘ＝ｋ^−１で出力Ｆ＝０となる。

ここで各駆動源１０７，１０８，１０９，１１０の出力トルクをそれぞれ、Ｔ_ｆ１，Ｔ_ｅ１，Ｔ_ｆ３，Ｔ_ｅ３とする。また、プーリ１１２〜１１７の半径をｒ_ｐとする。各プーリ１１２，１１３，１１５，１１６の接線方向における接線力Ｆ_ｆ１，Ｆ_ｅ１，Ｆ_ｆ３，Ｆ_ｅ３は、次のように書ける。

ここで、接線力Ｆ_ｆｉ，Ｆ_ｅｉ（ｉ＝１，３）を出力するために、各駆動源へ与える仮想的な指令値をｕ_ｆｉ，ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）とする。

また、図７に示すように、リンク１０１のｘ軸に対する角度をθ_１、リンク１０１に対するリンク１０２の相対角度をθ_２とする。θ_１の初期値に対する変位角をθ_１ ^＊、θ_２に関し第２関節周りの剛性付与機構１５３の釣り合い位置（平衡点）に対する変位角をθ_２ ^＊とする。ここでは、θ_１ ^＊＝０において、駆動源１０７，１０８の指令値をｕ_ｆ１＝ｕ_ｅ１＝０，θ_１ ^＊＝θ_２ ^＊＝０において、駆動源１０９，１１０の指令値をｕ_ｆ３＝ｕ_ｅ３＝０と仮定している。

図７において、関節Ｊ１の旋回軸（回転中心）をＯ、関節Ｊ２の旋回軸（回転中心）をＱとする。各駆動源１０７〜１１０を駆動した際に、点Ｏ、点Ｑまわりのトルクをそれぞれ、Ｔ１，Ｔ２とすると、トルクＴ１，Ｔ２は、点Ｑまわりの関節剛性Ｇ_２を用いて、次のように書ける。

一方、指令値ｕ_ｆｉ、ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）に対するモーメントアームの径をｒ_ｉ（ｉ＝１，３）、駆動源１０７，１０８によりエミュレートされる弾性力の係数をｋ_１、駆動源１０９，１１０によりエミュレートされる弾性力の係数をｋ_３とする。このとき、各駆動源１０７〜１１０の発生トルクは、指令値ｕ_ｆｉ，ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）を用いて次式のように書くことができる。

次に、各駆動源１０７〜１１０を駆動した際の、リンク１０２の先端Ｅの出力Ｆ＝（Ｆ_ｘ Ｆ_ｙ）^Ｔを求める。式（３）及び式（４）より、関節トルクを行列表記する。

ここで、図７中リンク１０１の点Ｏから点Ｑに至る長手方向の寸法をＬ_１、リンク１０２の点Ｑから先端Ｅまでの長手方向の寸法をＬ_２とする。リンク１０２の先端Ｅの変位（ｘ ｙ）^Ｔと、関節Ｊ１，Ｊ２の変位角（θ_１ θ_２）^Ｔとを関係づけるヤコビ行列Ｊは、次式で書ける。

一方、関節トルクと、リンク１０２の先端Ｅの出力（Ｆ_ｘ Ｆ_ｙ）^Ｔの関係は次式で表わされることが知られている。

リンク１０２の先端Ｅの出力（Ｆ_ｘ Ｆ_ｙ）^Ｔについて解くと、

式（１２）において、各駆動源１０７〜１１０の指令値の和をＵ_ｉ＝ｕ_ｆｉ＋ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）、各駆動源１０７〜１１０の指令値の差をＶ_ｉ＝ｕ_ｆｉ−ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）とした。

上式（１２）によると、リンク機構駆動装置１００は、リンク１０２の先端Ｅの出力Ｆ＝（Ｆ_ｘ Ｆ_ｙ）^Ｔを決定するために、駆動源１０７〜１１０の収縮力の和Ｕ_ｉ（ｉ＝１，３）、収縮力の差Ｖ_ｉ（ｉ＝１，３）の計４つのパラメータを入力する系と等価である。また、ｘｙ平面内の出力方向を任意に決定可能な系である。

さらに、関節トルクＴ１，Ｔ２は静力学的に、関節Ｊ１，Ｊ２の変位角（θ_１ ^＊ θ_２ ^＊）^Ｔを用いて、次のように書ける。

これを、（Ｔ１ Ｔ２）^Ｔ＝０となるように、関節Ｊ１，Ｊ２の変位角（θ_１ ^＊ θ_２ ^＊）^Ｔについて解くと、

となり、２リンク機構の平衡点が一意に定まる。

次に本実施形態における、リンク１０２の先端Ｅに外力が作用した際の、リンク機構駆動装置１００の手先剛性について説明する。

まず、剛性付与機構１５３によって、点Ｑまわりに形成される捩り弾性Ｇ_２について図９を用いて説明する。図９は、剛性付与機構１５３の一部を示す模式図である。この図９には、リンク１０２がリンク１０１に対してθ_２ ^＊相対変位した際の、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂ、ローラ１７１Ａ，１７１Ｂ、及びリブ１６４の関係を図示している。

圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂは線形ばねである。圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂのばね定数をｋ_ｓ、自然長をｄ_ｓとする。ローラ１７１Ａ，１７１Ｂとリブ１６４間の接触剛性の急激な変化を防止するために、θ_２ ^＊＝０のときに圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂがδだけ圧縮されてローラ１７１Ａ，１７１Ｂを介してリブ１６４に接触しているものとする。

ここでは、リブ１６４の厚さｔは、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂの弾性変位量に対して、十分小さく無視できるものとして扱う。

駆動源１５１へ入力された剛性指令値は、シャフト１２３の回転変位ｕ_ｇに対応して入力され、自在継手１２８を介して、シャフト１２４及びウォームギア１６１の回転変位ｕ_ｇ’として伝達される。

ウォームギア１６１の回転変位は、縮小率ｃ（＞１）を用いて、ピニオンギア１６２の点Ｐまわりに、ｕ_ｇ’／ｃだけ回転し、ラックギア１６３のリンク１０１の長手方向に直交する方向のリニア変位ｒ_ｓに変換され伝達する。ピニオンギア１６２のピッチ円の半径をｒ_ｐ２とすると、ｒ_ｓは次式で書くことができる。

δ＞ｒ_ｓｓｉｎθ_２のとき、図９のように、θ_２ ^＊が変位した状態では、圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂのばね長は、それぞれ図９中に示す長さとなる。

従って、点Ｑまわりの圧縮コイルばね１７３Ａ，１７３Ｂの復元力により発生するトルクＴ_ｓは次式のようになる。

故に、点Ｑまわりの剛性Ｋ_ｓは、θ_２ ^＊で微分して、次式を得る。θ_２ ^＊に応じて、ラックギア１６３のリニア変位を制御すれば、点Ｑまわりの剛性Ｋ_ｓを任意に設定できる。

一方、手先Ｅに微小な外力Δｆ＝（Δｆ_ｘ Δｆ_ｙ）^Ｔが作用したとき、各関節Ｊ１，Ｊ２の微小回転角を（Δθ_１ Δθ_２）^Ｔとする。各関節Ｊ１，Ｊ２が微小に変位することで、駆動源のエミュレートによる弾性と剛性付与機構１５３の弾性によって、各関節Ｊ１，Ｊ２には微小トルクΔＴ＝（ΔＴ１ ΔＴ２）^Ｔが発生する。微小トルクΔＴ＝（ΔＴ１ ΔＴ２）^Ｔと、微小回転角（Δθ_１ Δθ_２）^Ｔとの関係を、各駆動源１０７〜１１０の指令値の和Ｕ_ｉ＝ｕ_ｆｉ＋ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）を用いて、近似的に次式のように書くことができる。式（１７）において、Ｋは、リンク機構駆動装置１００の手先剛性を表す剛性行列であり、リンク１０２の先端Ｅに外力が作用したときの剛性（スティフネス）を表す。

式（１７）において、ｒ_１＝ｒ_３＝ｒ_ｐ、ｒ_２＝ｒ_ｓとし、式（１６）及び式（１７）より次式のように書ける。

ヤコビ行列を用いて、リンク１０２の先端Ｅの微小変位量（Δｘ Δｙ）^Ｔと、微小な外力ΔＦ＝（ΔＦ_ｘ ΔＦ_ｙ）^Ｔとの関係は次式のように示すことができる。式（１９）において、Ｊｃはリンク機構駆動装置１００のコンプライアンス行列を表す。

各駆動源１０７〜１１０の収縮力の和をＵ_ｉ＝ｕ_ｆｉ＋ｕ_ｅｉ（ｉ＝１，３）を用いて、微小外力ΔＦ＝（ΔＦ_ｘ ΔＦ_ｙ）^Ｔと微小回転角（Δθ_１ Δθ_２）^Ｔの関係は、次式のようになる。

ここからは、リンクの先端の出力方向について簡易に表記するために、Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌのときを考える。

式（２０）において、

とおくと、

故にこのとき、

となり、駆動源１０７，１０８の指令値の和で作られる、リンク１０２の先端Ｅの剛性は、（θ_１＋θ_２）方向に作用することがわかる。

同様に、式（２０）において、

とおくと、

故にこのとき、

となり、剛性付与機構１５３によって作られる、リンク１０２の先端Ｅの剛性は、（θ_１＋θ_２／２）方向に作用することがわかる。

さらに、同様に式（２０）において、

とおくと、

故にこのとき、

となり、駆動源１０９，１１０の指令値の和で作られる、リンク１０２の先端Ｅの剛性は、θ_１方向に作用することがわかる。

以上の３式（２２）、（２４）、（２６）の結果を踏まえると、リンク機構駆動装置１００に外力が作用した場合の手先Ｅの剛性は、３方向に作用する剛性の和と考えることができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。図１１は、比較例の２対４筋の筋骨格構造を表した２リンクモデル５１を示す模式図である。第１リンクであるリンク５６は、第１関節である関節５５（点Ｏ）まわりに旋回可能に基部である基台５４に支持されている。第２リンクであるリンク５７は、第２関節である関節５８（点Ｍ）まわりに旋回可能にリンク５６に支持されている。関節５５まわりにトルクを付与する駆動源は、図１１中の第１単関節筋ｆ１，ｅ１であり、両端が基台５４とリンク５６に固定された腱６０ｆ，６０ｅによって、駆動源の収縮力が伝達される。一方、関節５５と関節５８まわりにトルクを同時に付与する駆動源は、図１１中の２関節筋ｆ３，ｅ３であり、両端が基台５４とリンク５７に固定された腱６１ｆ，６１ｅによって、駆動源の収縮力が伝達される。

本実施形態によれば、４つの駆動源ｆ１，ｅ１，ｆ３，ｅ３で構成される２対４筋構造に対し、手先の剛性楕円の設定範囲を拡張する効果があり、その詳細について以下に説明する。

図１２は、シミュレーションにより計算した手先の剛性楕円を示すグラフである。図１２（ａ）は、図１１に示す２対４筋のリンク機構において、手先Ｅの剛性を二次元で表した剛性楕円の計算結果の一例を示している。図１２（ａ）では、θ_１ ^＊＝θ_１＝π／４［ｒａｄ］、θ_２ ^＊＝θ_２のもとに、π／６［ｒａｄ］から５π／６［ｒａｄ］までπ／６［ｒａｄ］刻みにθ_２ ^＊を変化させた計算結果を示している。この計算においては、図１１の駆動源ｆ１，ｅ１，ｆ３，ｅ３の発生させる収縮力を各々、ｕ_ｆ１，ｕ_ｅ１，ｕ_ｆ３，ｕ_ｅ３とすると、式（１２）中のＵ_１，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を１：１で構成している。このように比較例として挙げた２対４筋機構では、（θ_１ ^＊＋θ_２ ^＊／２）方向の手先剛性をθ_１ ^＊方向、（θ_１ ^＊＋θ_２ ^＊）方向に比べて相対的に大きくすることは、不可能である。言い換えると、比較例の２対４筋構造では、手先の剛性楕円を真円とすることは、

の場合を除いて実現することはできなかった。

本実施形態によれば、剛性付与機構１５３によって、手先の（θ_１ ^＊＋θ_２ ^＊／２）方向にも剛性を持つことが可能であり、Ｕ_１，Ｕ_３，Ｇ_２を制御することにより、

の場合に手先の剛性楕円を円形とすることが可能である。

図１２（ｂ）は、本実施形態におけるリンク機構駆動装置１００の手先Ｅの剛性を二次元で表した剛性楕円である。図１に示すリンク機構駆動装置１００において、θ_１ ^＊＝π／４［ｒａｄ］、θ_２ ^＊＝５π／６［ｒａｄ］としたとき、手先Ｅの剛性を二次元で表した剛性楕円の計算結果の一例を示している。この計算においては、Ｕ_１，Ｇ_２，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を１：１：１で構成している。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中のθ_２ ^＊＝５π／６［ｒａｄ］のときに比べて、手先Ｅの（θ_１ ^＊＋θ_２ ^＊／２）方向の剛性が拡張されていることが分かる。

さらに、θ_１ ^＊＝π／４［ｒａｄ］、θ_２ ^＊＝５π／６［ｒａｄ］のとき、Ｕ_１，Ｇ_２，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を適正となるように、Ｇ_２を制御すれば、手先Ｅの剛性楕円は真円となる。この場合、Ｕ_１，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率に関し、１：１を前提とすると、手先Ｅの剛性楕円を真円となるように、Ｕ_１，Ｇ_２，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を定めると、√３：１：√３という解が存在する。この条件で、手先Ｅの剛性楕円を表した計算結果を図１２（ｃ）に示す。

図１２（ｃ）より、手先Ｅの剛性楕円が真円となっていることがわかる。このように、手先Ｅの剛性楕円を真円とすることで、ｘｙ平面内の任意の方向において、手先Ｅに加えた外力の方向に手先Ｅが変位するため、様々なアプリケーションへの応用展開が期待できる。例えば、産業用、非産業用問わず、マンマシンインターフェースとして、人との協働作業を行うロボットマニピュレータを考える。このようなマニピュレータ装置において、任意の方向より、人から手先Ｅに入力された外力と同じ方向に、手先Ｅが変位する機構であれば、ダイレクトティーチング等のシステムを構築する上で有効であると考えられる。

加えて、本実施形態によれば、比較例の２対４筋構造では不可能であった、剛性楕円の長軸または短軸を、図１２（ａ）に示すｙ軸またはｘ軸と平行にすることが可能な場合が存在し、その詳細について説明する。

本実施形態のリンク機構駆動装置１００において、

のとき、比較例の２対４筋構造では、手先の剛性楕円の長軸または短軸を、ｘ軸またはｙ軸と平行に向けることが不可能であった。具体的に、θ_１ ^＊＝π／４［ｒａｄ］、θ_２ ^＊＝５π／６［ｒａｄ］として、比較例の２対４筋構造における手先の剛性楕円の計算結果の一例を図１２（ｄ）に示す。この計算においては、Ｕ_１，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を２：１で構成している。この条件下において、比較例の２対４筋構造を用いて手先の剛性楕円の長軸または短軸を、ｘ軸またはｙ軸と平行に向けることは不可能である。

これに対し、本実施形態のリンク機構駆動装置１００では、手先Ｅの剛性楕円の長軸または短軸を、ｘ軸またはｙ軸と平行に向けることが可能である。このことを示す計算結果の例を図１２（ｅ）に示す。この結果は、Ｕ_１，Ｇ_２，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を２：√３：１と設定したものである。しかし、このときθ_１ ^＊＋θ_２ ^＊＝πが成立しているため、Ｕ_１によって作られる剛性に依らず、Ｇ_２，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を√３：１と設定することで、剛性楕円の長軸をｘ軸と平行に、短軸をｙ軸と平行に向けることが可能である。このように、手先Ｅの剛性楕円の長軸または短軸を、ｙ軸またはｘ軸と平行に向けることで、第２リンク１０２の先端Ｅにｙ軸またはｘ軸と平行な方向から外力が作用した際に、外力の作用した方向に先端Ｅが変位する機構となり、有効である。具体的なアプリケーションとして、この機構を脚として用いた歩行ロボット等において、重力方向がｙ軸と平行と仮定すると、歩行の際に脚が受ける抗力に対して、脚の先端が重量方向に変位するので、ロボットの姿勢安定化を図る上で効果的である。この場合、さらに、Ｕ_１によって作られる剛性を２分の１とし、Ｕ_１，Ｇ_２，Ｕ_３によって作られる手先剛性の比率を、１：√３：１と設定することで、図１２（ｆ）に示すように手先Ｅの剛性楕円を真円とすることができる。手先Ｅの剛性楕円を真円とすることに対する有効性については、先に述べた通りである。

以上説明したように、比較例の２対４筋構造では、例えばリンク５６，５７の長さが等しい場合、（θ_１ ^＊＋θ_２ ^＊）、（θ_１ ^＊＋θ_２ ^＊／２）、θ_１ ^＊のいずれかの方向の剛性を任意に設定することができない。従って、比較例の構成では、剛性楕円の３つのパラメータを決定することができないが、本実施形態によれば、比較例の２対４筋構造に対し、手先Ｅの剛性楕円の向きと大きさを制御することが可能である。

加えて、本実施形態によれば、基台１０４へ重量物である駆動源１５１を配置しているため、可動するリンク１０１，１０２の質量を軽量化することが可能である。更に、本実施形態では、基台１０４へ全ての駆動源１０７〜１１０，１５１を配置しているため、リンク１０１，１０２の質量を更に軽量化することが可能である。従って、ロボットマニピュレータ等の高加速度を伴う動作において、リンク１０１，１０２の慣性力を軽減することが可能である。

また、本実施形態では、ウォームギア１６１及びピニオンギア１６２は、シャフト１２４の回転数に対するピニオンギア１６２の回転数が小さくなるように形成されている。つまり、本実施形態では、式（１５）により、ウォームギア１６１の変位を縮小して、ラックギア１６３のリニア変位に変換している。

本実施形態では、関節Ｊ２まわりの剛性をラックギア１６３の変位ｒ_ｓの位置制御により決定している。人との接触を伴う動作等にリンク機構駆動装置１００を用いる場合、リンク１０２の手先Ｅに予期しない外乱が加わることが想定され、この外乱に伴って、リンク１０１が点Ｏのまわりに回転することが予想される。自在継手１２８に例えば一般的なカルダンジョイントを用いると、関節Ｊ１まわりの変位に対して、シャフト１２４が回転変位を生じ、その結果ラックギア１６３のリニア変位が生じ、関節Ｊ２まわりの剛性の誤差を生じる。

そこで、本実施形態のようにシャフト１２４の回転変位に対して、ピニオンギア１６２の回転変位が１／ｃに縮小され、ラックギア１６３の直動変位に変換されている。このため、関節Ｊ１まわりに予期しない変位を生じたとしても、ｃを十分大きく設定しておけば、関節Ｊ２まわりの剛性に与える誤差を軽減させる効果がある。

また本実施形態では、剛性付与機構１５３をリンク１０１とリンク１０２との間に配置しているが、その効果について説明する。人との接触を伴うマニピュレータ等においては、可動部の重量を軽くする方が好ましいため、リンク１０１と共に動くシャフト１２４等の外径を細くするなどの軽量化を実施することが予想される。

剛性付与機構１５３を基台１０４上に配置しても、関節Ｊ２まわりの剛性を設定することが原理上可能であるが、軽量化された伝達機構の剛性が低下することにより、関節Ｊ２まわりに設定すべき剛性値に誤差を生じる。従って、本実施形態のように剛性付与機構１５３をリンク１０１と第２リンク１０２との間に配置することで、伝達機構１５２による剛性低下が関節Ｊ２まわりの剛性に与える影響を最小限に抑えることができる。

なお、第１実施形態では、解析的に簡素に説明するために、リンク１０１とリンク１０２の寸法についてＬ_１＝Ｌ_２＝Ｌの場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。リンク１０１とリンク１０２の寸法が異なる場合においても、関節Ｊ２に設けられた剛性付与機構１５３が手先Ｅに作る剛性に合わせて、駆動源１０７，１０８の指令値の和と駆動源１０９，１１０の指令値の和を制御すればよい。具体的には、剛性付与機構１５３が手先Ｅに作る剛性に合わせて、駆動源１０７，１０８の指令値の和と駆動源１０９，１１０の指令値の和を制御することで、手先Ｅの剛性楕円の大きさや向きを、所望の形態に合うように制御すればよい。

また、第１実施形態では、関節Ｊ２に剛性付与機構１５３を用いる例について説明したが、剛性付与機構の構成はこれに限定されるものではない。

また、第１実施形態では、駆動源１０７〜１１０はトルクセンサを内蔵する電動回転モータとし、式（１）に倣ってアクティブにトルク制御を実施する場合について説明したが、これに限定するものではない。これら駆動源１０７，１１０として、センシングを伴わずにパッシブに類似の特性を表現可能な空気圧人工筋肉などの弾性アクチュエータを用いてもよい。このような弾性特性に近い特性を持つアクチュエータとして、例えば空気圧式人工筋肉（マッキベン）が知られている。

また、第１実施形態では、伝達機構１５２の内部に不等速型の自在継手１２８を用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、等速型の自在継手を用いてもよい。

また、第１実施形態では、駆動源１０７，１０８及び駆動源１０９，１１０の拮抗駆動により、関節Ｊ１，Ｊ２を駆動する例を示したが、それぞれ双方向に駆動可能な単数の駆動源を用いてもよく、拮抗駆動に限定されるものではない。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るリンク機構駆動装置について説明する。図１０は、第２実施形態に係るリンク機構駆動装置の第１関節付近の概略構成を示す説明図である。図１０（ａ）はリンク機構駆動装置の概略左側面図、図１０（ｂ）はリンク機構駆動装置の概略平面図、図１０（ｃ）はリンク機構駆動装置の概略右側面図である。本第２実施形態のリンク機構駆動装置は、基部として、上記第１実施形態と同様の基台（図１参照）を備えているが、図１０では図示を省略している。本第２実施形態では、第１紐状部材及び第２紐状部材の構成が、上記第１実施形態と異なるものである。

本第２実施形態の第１紐状部材であるワイヤ１１９は、引っ張り力に応じて非線形に弾性変形する第１非線形弾性部位である非線形ばね３９ｆ，３９ｅを有している。非線形ばね３９ｆ，３９ｅは、第１関節に駆動トルクを付与するものである。非線形ばね３９ｆは、駆動源１０７側に、非線形ばね３９ｅは、駆動源１０８側に直列に挿入されている。各々の非線形ばね３９ｆ，３９ｅの両端には、基台１０４に対するｘ軸方向の変位を検出可能な変位検出装置４０ｆ，４１ｆ，４０ｅ，４１ｅが実装されている。

一方、同様に、本第２実施形態の第２紐状部材であるワイヤ１２０は、引っ張り力に応じて非線形に弾性変形する第２非線形弾性部位である非線形ばね４２ｆ，４２ｅを有している。非線形ばね４２ｆは、駆動源１０９側に、非線形ばね４２ｅは、駆動源１１０側に直列に挿入されている。各々の非線形ばね４２ｆ，４２ｅの両端には、基台１０４に対するｘ軸方向の変位を検出可能な変位検出装置４３ｆ，４４ｆ，４３ｅ，４４ｅが実装されている。変位検出装置４０ｆ，４１ｆ，４０ｅ，４１ｅ，４３ｆ，４４ｆ，４３ｅ，４４ｅは非接触式の位置検出装置であり、基台１０４上の識別可能なマークや目盛等（不図示）を参照することで、基台１０４に対する相対的な変位を計測可能である。

本第２実施形態において、駆動源１０７〜１１０はトルク検出手段を備えている必要はなく、非線形ばね、変位検出装置を実装した箇所以外の構成は、上記第１実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。

変位検出装置４１ｆ，４１ｅ，４４ｆ，４４ｅのｘ座標位置をξ_ｆ１，ξ_ｅ１，ξ_ｆ３，ξ_ｅ３とし、ｘ軸方向の駆動源側の変位検出装置４０ｆ，４０ｅ，４３ｆ，４３ｅのｘ座標位置を各々ｖ_ｆ１，ｖ_ｅ１，ｖ_ｆ３，ｖ_ｅ３とする。本第２実施形態では、非線形ばね３９ｆ，３９ｅ，４２ｆ，４２ｅの出力端におけるばね復元力をＦ_ｆ１，Ｆ_ｅ１，Ｆ_ｆ３，Ｆ_ｅ３とすると、係数Ａ（≠０），Ｂ，Ｃを用いて下記式（２７）で示される２次関数型の非線形特性を持つものと仮定する。

ここで、非線形ばね３９ｆ，３９ｅが拮抗することにより得られる関節トルクをＴ_１とすると、モーメントアームをｒ_１として、Ｔ_１は、ワイヤ１１９が弛まないことを前提とすると、ξ_ｆ１＝−ξ_ｅ１＝Ｘとおけるから、次のように書くことができる。

第１関節の剛性Ｋ_１は、式（２８）をＸで微分して、式（２９）となる。

従って、所望のトルクＴ_ｏと関節剛性Ｋ_ｏを得るためのｖ_１，ｖ_２は次のように書ける。

式（３０）は、ばね端位置Ｘに応じて、非線形ばね３９ｆ，３９ｅの端部の位置ｖ_ｆ１，ｖ_ｅ１を所望のトルクＴ_ｏと関節剛性Ｋ_ｏを得るための指令値として、駆動源１０７，１０８を駆動制御すればよいことを示している。

駆動源１０９，１１０を用いたｖ_ｆ３，ｖ_ｅ３の制御についても同様であり、ｘｙ面内における手先の出力ベクトルと、剛性楕円の長軸、短軸、傾きを、上記第１実施形態と同様に設定することが可能である。

なお、第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様にリンクの長さについて、Ｌ_１＝Ｌ_２の場合に限定されるものではなく、第２関節まわりの剛性付与機構の構成についても、双方向に剛性が可変できるものであれば、本発明の範疇に含まれる。

また、第２実施形態では、駆動源１０７及び非線形ばね３９ｆと、駆動源１０８及び非線形ばね３９ｅとが拮抗配置される場合について説明したが、これに限定するものではない。また、第２実施形態では、駆動源１０９及び非線形ばね４２ｆと、駆動源１１０及び非線形ばね４２ｅとが拮抗配置される場合について説明したが、これに限定するものではない。それぞれ双方向型の駆動源と弾性要素を用いてもよく、拮抗駆動に限定されるものではない。

また、第２実施形態において、非線形ばね３９ｆ，３９ｅ，４２ｆ，４２ｅの特性について、２次関数型の特性を持つ例を示したが、必ずしも２次関数型の特性である必要はなく非線形特性を有していればよい。また非線形ばね３９ｆ，３９ｅ，４２ｆ，４２ｅは、ばね単独で非線形特性を有すると仮定したが、線形ばねを非円形カム等の非線形変換機構を介することによって所望の非線形特性を実現してもよい。

１００…リンク機構駆動装置、１０１…リンク（第１リンク）、１０２…リンク（第２リンク）、１０４…基台（基部）、１４１…駆動機構（第１駆動機構）、１４２…駆動機構（第２駆動機構）、１５１…駆動源、１５２…伝達機構、１５３…剛性付与機構

Claims (11)

1. 基部と、
   前記基部に第１関節を介して旋回可能に連結された第１リンクと、
   前記第１リンクに第２関節を介して旋回可能に連結された第２リンクと、
   前記基部に対して互いに反対方向に前記第１リンクを駆動する駆動力を発生して、駆動力の差により前記第１関節にトルクを付与する第１駆動機構と、
   前記基部に対して互いに反対方向に前記第１リンク及び前記第２リンクを同時に駆動する駆動力を発生して、駆動力の差により前記第１関節及び前記第２関節にトルクを付与する第２駆動機構と、
   前記基部に配置された駆動源と、
   前記駆動源の駆動を伝達する伝達機構と、
   前記第２関節に配置され、前記伝達機構により伝達された前記駆動源の駆動に対応した剛性を、前記第２関節に付与する剛性付与機構と、を備えたことを特徴とするリンク機構駆動装置。
2. 前記剛性付与機構は、
   前記第２リンクの旋回動作に応じた弾性変形量で弾性変形し、弾性変形量に応じた弾性力を前記第２リンクに付与して前記第２関節に剛性を付与する弾性部と、
   前記第２リンクの旋回角度と前記弾性部の弾性変形量との対応関係を、前記伝達機構により伝達された前記駆動源の駆動に応じて変更する変更部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のリンク機構駆動装置。
3. 前記駆動源は回転駆動源であり、
   前記伝達機構は、
   前記基部に回転可能に支持され、前記駆動源に回転駆動される第１シャフトと、
   前記第１リンクに回転可能に支持された第２シャフトと、
   前記第１関節に配置され、前記第１シャフトと前記第２シャフトとを回転伝達可能かつ旋回可能に連結する自在継手と、を有し、
   前記変更部は、前記第２リンクの旋回角度と前記弾性部の弾性変形量との対応関係を、前記第２シャフトの回転位置に対応して変更することを特徴とする請求項２に記載のリンク機構駆動装置。
4. 前記変更部は、
   前記第２シャフトに設けられたウォームギアと、
   前記第１リンクに回転可能に支持され、前記ウォームギアに噛合するピニオンギアと、
   前記第１リンクに支持され、前記ピニオンギアに噛合し、前記ピニオンギアの回転位置に応じて前記第２リンクの旋回軸に対して接離するラックギアと、
   前記弾性部が当接し、前記第２リンクの旋回動作により前記第２リンクの旋回軸を中心に旋回して前記弾性部を弾性変形させるように前記第２リンクに固定された被当接部材と、
   前記弾性部を前記被当接部材に当接させた状態で支持し、前記弾性部が前記ラックギアの移動により前記第２リンクの旋回軸の延びる方向に対して直交する方向に移動するよう、前記ラックギアと一体に移動する支持部材と、を有することを特徴とする請求項３に記載のリンク機構駆動装置。
5. 前記ウォームギア及び前記ピニオンギアは、前記第２シャフトの回転数に対する前記ピニオンギアの回転数が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のリンク機構駆動装置。
6. 前記弾性部が、前記被当接部材を両側から挟み込むように配置された一対の弾性ユニットを有することを特徴とする請求項４又は５に記載のリンク機構駆動装置。
7. 前記各弾性ユニットは、
   前記第２リンクの旋回軸の延びる方向、及び前記支持部材の移動する方向に対して直交する方向にスライド自在に前記支持部材に支持された軸部材と、
   前記軸部材の先端に設けられ、前記被当接部材に当接する当接部材と、
   前記当接部材を前記被当接部材に付勢する圧縮コイルばねと、を有することを特徴とする請求項６に記載のリンク機構駆動装置。
8. 前記第１駆動機構は、前記基部に拮抗配置された一対の第１駆動部と、
   前記第１関節に配置され、前記第１リンクに固定された第１プーリと、
   前記第１プーリに巻回され、前記一対の第１駆動部に両端が引っ張られる第１紐状部材と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のリンク機構駆動装置。
9. 前記第１紐状部材は、引っ張り力に応じて非線形に弾性変形する第１非線形弾性部位を有することを特徴とする請求項８に記載のリンク機構駆動装置。
10. 前記第２駆動機構は、前記基部に拮抗配置された一対の第２駆動部と、
    前記第１関節に回転自在に配置された２段プーリと、
    前記第２関節に配置され、前記第２リンクに固定された第２プーリと、
    前記２段プーリのうち一方のプーリに巻回され、前記一対の第２駆動部に両端が引っ張られる第２紐状部材と、
    前記２段プーリのうち他方のプーリと前記第２プーリとに巻回された無端状の第３紐状部材と、を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のリンク機構駆動装置。
11. 前記第２紐状部材は、引っ張り力に応じて非線形に弾性変形する第２非線形弾性部位を有することを特徴とする請求項１０に記載のリンク機構駆動装置。

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