(57)【要約】【課題】低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作を可能とする。【解決手段】剛性可変機構１００は、出力アーム８と、カム面２ａを有する立体カム２と、出力アーム８の変位に伴って、カム面２ａに接触しながら立体カム２に対して相対的に移動するカムフォロア３Ａ，３Ｂと、を備えている。また、剛性可変機構１００は、カムフォロア３Ａ，３Ｂをカム面２ａに付勢して、カム面２ａの傾斜角度に応じた剛性を出力アーム８に付与する圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂを備えている。また、剛性可変機構１００は、カムフォロア３Ａ，３Ｂを、カム面２ａにおいて、出力アーム８の変位に伴って移動するカムフォロア３Ａ，３Ｂのカム面２ａ上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に相対的に移動させる超音波モータ７を備えている。カム面２ａは、軌道における断面の曲線形状が直交方向の位置に応じて異なるように形成されている。【選択図】図１
2014097548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力により変位可能な変位部材と、
カム面を有する立体カムと、
前記変位部材の変位に伴って、前記カム面に接触しながら前記立体カムに対して相対的に移動するカムフォロアと、
前記カムフォロアを前記カム面に付勢して、前記カム面の傾斜角度に応じた剛性を前記変位部材に付与する弾性部材と、
前記カムフォロアを、前記カム面において、前記変位部材の変位に伴って移動する前記カムフォロアの前記カム面上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、
前記カム面は、前記軌道における断面の曲線形状が前記直交方向の位置に応じて異なるように形成されていることを特徴とする剛性可変機構。
【請求項２】
前記カム面は、前記カムフォロアが前記変位部材の変位に伴って前記カム面上を移動したときに、前記弾性部材の弾性変形量が一定となる部分を有することを特徴とする請求項１に記載の剛性可変機構。
【請求項３】
前記立体カム及び前記カムフォロアのうち一方の部材が、前記変位部材と共に変位するように前記変位部材に支持されており、
前記移動手段は、前記カムフォロアが前記カム面に対して前記直交方向に相対的に移動するよう前記立体カム及び前記カムフォロアのうち他方の部材を駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の剛性可変機構。
【請求項４】
前記立体カム及び前記カムフォロアのうち一方の部材が、前記変位部材と共に変位するように前記変位部材に支持されており、
前記移動手段は、外部からの駆動力を、前記カムフォロアが前記カム面に対して前記直交方向に相対的に移動するよう前記立体カム及び前記カムフォロアのうち他方の部材に伝達することを特徴とする請求項１又は２に記載の剛性可変機構。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の剛性可変機構と、
前記変位部材に伝達する駆動力を発生する駆動源と、を備えた剛性可変駆動装置。
【請求項６】
第１リンクと、
前記第１リンクに関節で連結された第２リンクと、
前記関節を駆動する請求項５に記載の剛性可変駆動装置と、を備えた関節駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剛性を調整する剛性可変機構、剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヒューマノイド型のロボットにおいて、生体に近い動特性を持たせた俊敏で柔軟なロボットの研究が行われている。これら研究分野に関係して、非特許文献１及び特許文献１に、継手の剛性や関節剛性を制御する手段が開示されている。
【０００３】
非特許文献１に記載の「ＶＳ−ＪＯＩＮＴ」では、圧縮ばねの力によりカムディスクにカムローラを直接接触させた構成である。カムディスクが回転し、カムディスクとカムローラとの間に位置の差が生じると、カムローラが縦方向（回転方向と垂直方向）に変位する。このとき、圧縮ばねが圧縮され、ばね力がカムローラに力を与えている。この分力を継手の剛性としている。そして、圧縮ばねの固定端を支持しているスプリングベーススライダを移動させてカムローラの力を変化させて継手剛性を調整できるとしている。
【０００４】
また、特許文献１に記載の関節機構は、支持部材、アーム及び弾性部材を有し、アームに付勢する弾性部材の角度を変更可能にすることで、回転軸の剛性が非線形に変化するように構成されている。
【０００５】
ここで、生物の持つ筋力の一般的な粘弾性モデルは、筋の収縮力が増加すると筋の弾性係数も増加する。これは、筋の弾性係数は、一定ではなく、筋の収縮力に比例して変化する非線形特性であることを表している。このような非線形剛性特性を持たせた剛性可変機構やアクチュエータを関節部に配置し、関節の駆動トルクおよび関節の剛性を調整し制御することで生体動作に類似させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３４７７４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓｅｂａｓｔｉａｎ  Ｗｏｌｆ  ａｎｄ  Ｇｅｒｄ  Ｈｉｒｚｉｎｇｅｒ  ＤＬＲ  −  Ｇｅｒｍａｎ  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ｃｅｎｔｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ  Ｄ−８２２３４  Ｗｅｓｓｌｉｎｇ，  Ｇｅｒｍａｎｙ：Ａ  Ｎｅｗ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  Ｄｅｓｉｇｎ  （ＶＳ−ＪＯＩＮＴ）２００８  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  Ｐａｓａｄｅｎａ，  ＣＡ，  ＵＳＡ，  Ｍａｙ  １９−２３，  ２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ヒューマノイド型のロボットでは、柔らかく外力が働いた場合、押し戻される動作（以下、「バックドライバビリティを有する動作」）と、高速に高精度で目標位置に位置決めする動作とを両立させることが困難となっていた。
【０００９】
前者のような非常に柔らかいバックドライバビリティを有する動作では、関節剛性を０に近づける必要がある。一方、後者のような高速に高精度で目標位置に位置決めする動作では、関節剛性をできるだけ高くする必要がある。
【００１０】
このように大きく特性の異なる動作を同一のロボットで実現しようとすると、関節剛性を可変させ、最小の剛性値と最大の剛性値との可変比をより大きくすることが必要であった。
【００１１】
また、滑らかな関節動作を可能にするために関節剛性を低剛性の状態から高剛性まで連続的に変化させることが必要であった。
【００１２】
そこで、本発明は、低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作が可能である剛性可変機構、剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の剛性可変機構は、外力により変位可能な変位部材と、カム面を有する立体カムと、前記変位部材の変位に伴って、前記カム面に接触しながら前記立体カムに対して相対的に移動するカムフォロアと、前記カムフォロアを前記カム面に付勢して、前記カム面の傾斜角度に応じた剛性を前記変位部材に付与する弾性部材と、前記カムフォロアを、前記カム面において、前記変位部材の変位に伴って移動する前記カムフォロアの前記カム面上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、前記カム面は、前記軌道における断面の曲線形状が前記直交方向の位置に応じて異なるように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、剛性係数を能動的に自由に可変することが可能となるので、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態における立体カムに対するカムフォロアの動作を示す説明図である。
【図３】第１実施形態に係る剛性可変機構の特性を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図である。
【図５】第３実施形態におけるカムフォロアの構成を示す説明図である。
【図６】第４実施形態に係る剛性可変機構の要部を示す詳細図である。
【図７】第４実施形態に係る剛性可変機構の特性を示す図である。
【図８】第５実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図９】第５実施形態に係る剛性可変駆動装置の動作の説明図である。
【図１０】第５実施形態に係る剛性可変駆動装置の特性を示す図である。
【図１１】第６実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。
【図１２】第７実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。
【図１３】第８実施形態に係る関節駆動装置の説明図である。
【図１４】第９実施形態に係る関節駆動装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図であり、図１（ａ）は剛性可変機構の断面図、図１（ｂ）は剛性可変機構の側面図である。
【００１８】
並進型の剛性可変機構１００は、一対の板部材９ａ，９ｂ、及び板部材９ａと板部材９ｂとを連結する連結部材９ｃからなる筐体９を備えている。また、剛性可変機構１００は、外力により軸線Ｇに沿った矢印Ｘ方向に直線移動可能にリニア軸受１０を介して筐体９の板部材９ａに支持された変位部材としての出力アーム８と、カム面２ａを有する立体カム２と、を備えている。
【００１９】
立体カム２は、軸線Ｇを中心とした円柱形状をしている。カム面２ａは、円柱の側面に周方向に亘って形成されたカム溝の面であり、軸線Ｇを含む断面に対して面対称に形成されている。そして、カム面２ａは、中央部近傍の全周に傾斜角度が徐々に滑らかに変化した（徐変した）形状の曲面に形成されている。
【００２０】
更に詳述すると、カム面２ａは、図１（ａ）のＹ−Ｙ断面に示すように、円柱の上部の溝線の位置（０°）と対向した下部の溝線の位置（１８０°）が最大幅になっており、カム面２ａの曲面形状は緩やかな傾斜面となっている。そして、図１（ｂ）の側面図に示す上部の溝線の位置（９０°）と対向した下部の溝線の位置（２７０°）は最小幅になっており、カム面２ａの曲面形状は急峻な傾斜面となっている。
【００２１】
出力アーム８は、出力端８ａから軸線Ｇに沿った矢印Ｘ方向に延びる軸部８０と、軸部８０から２つに分岐してカム面２ａに対向する位置まで延びる２つの分岐部８１，８２と、を有している。
【００２２】
また、剛性可変機構１００は、出力アーム８の矢印Ｘ方向への変位に伴って、カム面２ａに接触しながら立体カム２に対して相対的に移動する２つのカムフォロア３Ａ，３Ｂを備えている。カムフォロア３Ａ，３Ｂは、カム面２ａにおける対向したカム溝幅に一致するように２ヶ所に配置されている。
【００２３】
また、剛性可変機構１００は、カムフォロア３Ａ，３Ｂをカム面２ａに付勢する弾性部材としての２つの圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂを備えている。圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂは、カム面２ａの傾斜角度に応じた剛性を出力アーム８に付与するものである。また、剛性可変機構１００は、立体カム２を、軸線Ｇを中心に回転駆動する移動手段としての超音波モータ７を備えている。
【００２４】
本第１実施形態では、立体カム２とカムフォロア３Ａ，３Ｂとの間の相対移動に伴った圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂの弾性変形（圧縮変形）によって生じる反力の相対移動方向の成分力を、出力アーム８の出力端８ａの剛性にしている。
【００２５】
ここで、軸線Ｇを含む立体カム２の断面を複数定義した場合、カム面２ａは、各断面において曲線形状となり、各曲線が、出力アーム８を矢印Ｘ方向に変位させた際のカムフォロア３Ａ，３Ｂの軌道となる。換言すると、立体カム２の断面を仮定したときのカム面２ａの輪郭線がカムフォロア３Ａ，３Ｂの軌道となる。
【００２６】
そして、カム面２ａは、出力アーム８の変位に伴って移動するカムフォロア３Ａ，３Ｂのカム面上の軌道に沿った方向と直交する直交方向の位置に応じて、軌道における断面の曲線形状が異なるように形成されている。換言すると、カム面２ａは、カム面２ａ上の輪郭線の延びる方向と直交する直交方向の位置に応じて、輪郭線の曲線形状が異なるように形成されている。つまり、カム面２ａは、軌道に沿った方向と直交する直交方向の位置に応じて傾斜角度が変化する部分を有する。このように、各断面で軌道の曲線形状が異なるので、各軌道で曲線の傾斜角度の変化が異なる。
【００２７】
立体カム２及びカムフォロア３Ａ，３Ｂのうち一方の部材、本第１実施形態ではカムフォロア３Ａ，３Ｂは、出力アーム８と共に変位するように出力アーム８の分岐部８１，８２に支持されている。具体的には、カムフォロア３Ａ，３Ｂは、カムフォロア支持軸６Ａ，６Ｂに回転自在に支持されており、カムフォロア支持軸６Ａ，６Ｂがリニア軸受５Ａ，５Ｂを介して出力アーム８にＸ方向と直交するＺ方向（半径方向、放射方向）に直線移動可能に支持されている。これにより、カムフォロア３Ａ，３Ｂは、出力アーム８の矢印Ｘ方向への変位によって、立体カム２のカム面２ａを転がり移動する。
【００２８】
圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂは、カムフォロア支持軸６Ａ，６Ｂに嵌められている。そして、圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂは、カムフォロア３Ａ，３Ｂがカム面２ａに接触するようにカムフォロア３Ａ，３ＢをＺ方向に付勢している。
【００２９】
超音波モータ７は、固定部７ａと、駆動出力部７ｂとを有し、固定部７ａが筐体９の板部材９ｂに固定され、駆動出力部７ｂが立体カム２に固定されている。そして、駆動出力部７ｂが固定部７ａに対して軸線Ｇを中心に回転する。
【００３０】
超音波モータ７は、立体カム２及びカムフォロア３Ａ，３Ｂのうち他方の部材、本第１実施形態では、立体カム２を駆動する。この回転型の超音波モータ７によって、立体カム２は、軸線Ｇを中心にカムフォロア３Ａ，３Ｂの軌道に沿う方向に対して直交する直交方向（軸線Ｇを中心にした回転方向）に回転する。この超音波モータ７による立体カム２の回転駆動により、カムフォロア３Ａ，３Ｂは、カム面２ａに対して、出力アーム８の変位に伴って移動するカムフォロア３のカム面２ａ上の軌道に沿った方向と直交する直交方向に相対的に移動する。このように立体カム２を回転させることで、カム溝の幅と傾斜角度を変えることができる。つまり、超音波モータ７により、出力アーム８の出力端８ａが矢印Ｘ方向に移動する際にカムフォロア３Ａ，３Ｂが立体カム２のカム面上に沿って転がり移動する軌道を変更することが可能となる。各軌道は、軌道に沿う方向と直交する直交方向では、互いに異なる曲線形状であるので、出力アーム８の出力端８ａの剛性を変化させることができる。
【００３１】
図２は、剛性可変機構１００の立体カム２に対するカムフォロア３（３Ａ，３Ｂ）の動作を示す説明図である。カムフォロア３に対する立体カム２のカム面２ａの傾斜角度は、立体カム２を回転させることによって設定できる。図２（ａ）は、立体カム２の回転位置が０°でカムフォロア３が立体カム２のカム溝の最大幅に位置している状態を示している。図２（ｂ）は、立体カム２の回転位置が４５°でカムフォロア３が立体カム２のカム溝の中間幅に位置している状態を示している。図２（ｃ）は、立体カム２の回転位置が９０°でカムフォロア３が立体カム２のカム溝の最小幅に位置している状態を示している。図２に示すように、カムフォロア３の軌道の曲線形状が直交方向の位置に応じて異なる。
【００３２】
出力アーム８に外力が働き、圧縮コイルばね４（４Ａ，４Ｂ）の変位によって生じる反力の水平方向の成分力をＦ、圧縮コイルばね４の力によってカムフォロア３が立体カム２に対して垂直に働く力をｆ、立体カム２のカム面２ａの傾斜角度をθとする。すると、これらの関係式は、以下の式（１）で表される。
Ｆ＝ｆ×ｔａｎθ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
【００３３】
式（１）より水平方向の成分力Ｆは、立体カム２のカム面２ａの傾斜角度θと圧縮コイルばね４の力ｆで決定される。従って、カム面２ａを非線形な曲面にすることで、水平方向の成分力Ｆは非線形な特性となる。
【００３４】
図２（ａ）では、外力Ｆａが出力アーム８に働き、カムフォロア３が立体カム２の底部である位置Ｘａから位置Ｘｍへ転がり移動（変位）した状態を表している。カム面２ａに沿って転がり移動した図２（ａ）中、点線のカムフォロア３は、圧縮コイルばね４によるｆａの付勢力が垂直に働き、カムフォロア３がカム面２ａに接触した傾斜角度は角度θａとなる。よってカムフォロア３は水平成分力Ｆａを発生する。
【００３５】
図２（ｂ）では、外力Ｆｂが出力アーム８に働き、カムフォロア３が立体カム２の底部である位置Ｘａから位置Ｘｍへ転がり移動した状態を表している。カム面２ａに沿って転がり移動した図２（ｂ）中、点線のカムフォロア３は、圧縮コイルばね４の力によるｆｂの付勢力が垂直に働き、カムフォロア３がカム面２ａに接触した傾斜角度は角度θｂとなる。よってカムフォロア３は水平成分力Ｆｂを発生する。
【００３６】
図２（ｃ）では、外力が出力アーム８に働いても、カムフォロア３は圧縮コイルばね４の付勢力と接触したカム面２ａの傾斜角度の釣り合いで、カム面２ａに沿って転がる移動量は少ない。圧縮コイルばね４の垂直に働く付勢力も小さい。カム面２ａに沿って転がり移動した図２（ｃ）中、点線のカムフォロア３は、圧縮コイルばね４の力によるｆｃの付勢力が垂直に働き、カムフォロア３がカム面２ａに接触した傾斜角度は角度θｃとなる。よってカムフォロア３は水平成分力Ｆｃを発生する。
【００３７】
図３は、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）の各状態の水平成分力と変位との関係を示した、剛性可変機構１００の特性を示す図である。縦軸は水平成分力Ｆで、横軸は出力アーム８（即ちカムフォロア３）の変位（移動量）Ｘである。
【００３８】
図２（ａ）の状態Ｌａでは、変位Ｘの変化があっても水平成分の力は緩やかに変化しており位置Ｘｍでの水平成分力Ｆａは低い。図２（ｂ）の状態でＬｂは、変位Ｘの変化に伴い剛性も連続的に変化しており位置Ｘｍでの水平成分力Ｆｂも比較的大きい。図２（ｃ）の状態Ｌｃでは、変位Ｘは殆ど無くｆｃは小さい値だが、傾斜角度θｃが急激に大きくなるので水平成分力Ｆｃも直線的に非常に大きくなっている。
【００３９】
外力が働いたときに元に戻る性質が剛性であるので、本第１実施形態の剛性可変機構１００の出力アーム８（出力端８ａ）の剛性は、圧縮コイルばね４と立体カム２との傾斜角度を直線に設計することで線形特性とすることができる。また、傾斜角度を曲線に設計することで、非線形な剛性特性を得ることができる。
【００４０】
さらに、立体カム２を、軸線Ｇを中心に回転駆動することで、カムフォロア３Ａ，３Ｂに接触するカム面２ａの傾斜角度を変化させることができ、剛性特性を可変することができる。
【００４１】
以上、本第１実施形態によれば、剛性係数を能動的に自由に可変することが可能となるので、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。
【００４２】
立体カム２は、徐変したカム形状のカム面２ａを有しているので、カムフォロア３Ａ，３Ｂの力を連続的に可変することが可能となる。
【００４３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る剛性可変機構について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図である。図４（ａ）は剛性可変機構の側面図、図４（ｂ）は剛性可変機構の正面図、図４（ｃ）は剛性可変機構のＨ−Ｈ断面図、図４（ｄ）は剛性可変機構のＮ−Ｎ断面図、図４（ｅ）は剛性可変機構のＩ−Ｉ断面図、図４（ｆ）は剛性可変機構のＪ−Ｊ断面図である。
【００４４】
本第２実施形態では、剛性可変機構２００は、回転型である。剛性可変機構２００は、図４中の軸線Ｍを中心として回転方向に剛性を発生する構成である。剛性可変機構２００は、筐体２０９と、筐体２０９に突設された軸２１０と、外力により軸線Ｇを中心に矢印Ｒ方向に回転移動可能に軸２１０に支持された変位部材としての出力ギア２１２と、立体カム２０２と、を備えている。
【００４５】
筐体２０９は円筒型に形成されており、軸２１０は筐体２０９の底部に突設されている。立体カム２０２は、円筒型の筐体２０９に固定された軸２１０に回転自在に支持されている。
【００４６】
立体カム２０２は、軸線Ｍを中心とした円柱形状をしており、２つのカム面２０２ａ，２０２ｂを有している。カム面２０２ａ，２０２ｂは、軸線Ｍを含む断面Ｈ−Ｈ、及び断面Ｈ−Ｈに直交し軸線Ｍを含む断面に対して面対称に形成されている。そして、カム面２０２ａ，２０２ｂは、図４（ｅ）に示すＩ−Ｉ断面では、カム溝幅が広く、傾斜面が緩やかな形状をしており、図４（ｆ）に示すＪ−Ｊ断面では、カム溝幅が狭く、傾斜面が急峻な形状をしている。カム面２０２ａ，２０２ｂは、Ｉ−Ｉ断面からＪ−Ｊ断面まではカム溝幅と傾斜面が徐々に滑らかに変化した（徐変した）形状の曲面に形成されている。
【００４７】
また、剛性可変機構２００は、出力ギア２１２の矢印Ｒ方向への変位に伴って、カム面２０２ａ，２０２ｂに接触しながら立体カム２０２に対して相対的に移動する２つのカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを備えている。
【００４８】
また、剛性可変機構２００は、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂをカム面２０２ａ，２０２ｂに付勢する弾性部材としての２つの圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂを備えている。圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂは、カム面２０２ａ，２０２ｂの傾斜角度に応じた剛性を出力ギア２１２に付与するものである。また、剛性可変機構２００は、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを、軸線Ｍの方向に駆動する移動手段としての超音波モータ２０７を備えている。
【００４９】
立体カム２０２及びカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂのうち一方の部材、本第２実施形態では、立体カム２０２が、出力ギア２１２と共に変位するように出力ギア２１２に支持（固定）されている。
【００５０】
並進型と同様に圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂによって立体カム２０２に付勢されたカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂは、カムフォロア支持軸２０６Ａ，２０６Ｂに回転自在に支持されておりカム面２０２ａ，２０２ｂを転がり移動できるようになっている。
【００５１】
カムフォロア支持軸２０６Ａ，２０６Ｂは、カムフォロア駆動リング２０８に固定されたリニア軸受け２０５Ａ，２０５Ｂに、軸線Ｍを中心にした放射方向（半径方向）に並進自在に支持されている。そして、図４（ｄ）に示すＮ−Ｎ断面に位置しているカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂは、対向したカム面２０２ａ，２０２ｂに接触するように２ヶ所に配置されており、中心線Ｍを中心に回転しながらカム面２０２ａ，２０２ｂに沿って転がり移動できる。
【００５２】
圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂは、カムフォロア支持軸２０６Ａ，２０６Ｂに嵌められている。そして、圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂは、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂがカム面２０２ａ，２０２ｂに接触するようにカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを放射方向（半径方向）に付勢している。
【００５３】
回転型の剛性可変機構２００では、カム面２０２ａ，２０２ｂの軸線Ｍに直交する断面における曲線（輪郭線）が、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂが移動する軌道となる。
【００５４】
そして、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂは、出力ギア２１２の変位に伴って立体カム２０２が変位することで、カム面２０２ａ，２０２ｂに対して相対的に移動することになる。この立体カム２０２のカム面２０２ａ，２０２ｂは、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂの軌道における断面の曲線形状が、カム面上の軌道に沿った方向と直交する直交方向（軸線Ｍの延びる方向）の位置に応じて異なるように形成されている。つまり、カム面２０２ａ，２０２ｂは、軌道に沿った方向と直交する直交方向の位置に応じて傾斜角度が変化する部分を有する。このように、各断面で軌道の曲線形状が異なるので、各軌道で曲線の傾斜角度の変化が異なる。
【００５５】
超音波モータ２０７は、固定部２０７ａと、駆動出力部２０７ｂとを有し、固定部２０７ａが筐体２０９に固定されている。駆動出力部２０７ｂには、軸２１１に固定されている。そして、駆動出力部２０７ｂが固定部２０７ａに対して軸線Ｍを中心に回転する。
【００５６】
カムフォロア駆動リング２０８の内径には、雌ねじを有し、円筒型の筐体２０９の外周には、カムフォロア駆動リング２０８の雌ねじに噛合する雄ねじを有している。カムフォロア駆動リング２０８は、超音波モータ２０７により軸２１１を介して回転駆動され、軸線Ｍに平行な並進移動が可能となっている。
【００５７】
つまり、超音波モータ２０７は、立体カム２０２及びカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂのうち他方の部材、本第２実施形態では、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを軸線Ｍの方向に駆動する。この超音波モータ２０７によるカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂの駆動により、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂは、出力ギア２１２の変位に伴って移動する立体カム２０２のカム面上の軌道に沿った方向と直交する直交方向に相対的に移動する。即ち、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂの軸線Ｍの方向の位置（Ｎ−Ｎ断面）を並進方向に滑り移動させることができる。
【００５８】
このようにカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを並進させることで、カム溝の幅と傾斜角度を変えることができる。つまり、超音波モータ２０７により、出力ギア２１２が矢印Ｒ方向に変位する際のカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂが立体カム２０２のカム面２０２ａ，２０２ｂ上に沿って転がり移動する軌道を変更することが可能となる。各軌道は、軌道に沿う方向と直交する直交方向では、互いに異なる曲線形状であるので、出力ギア２１２の剛性を変化させることができる。
【００５９】
出力ギア２１２に発生する力の方向は、軸線Ｍを中心とする図４中矢印Ｒ方向（回転方向）である。外力が出力ギア２１２に矢印Ｒ方向（回転方向）に働くと、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ａが移動し、圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂの圧縮による付勢力が軸線Ｍに向かって発生する。このときの矢印Ｒ方向（回転方向）の圧縮コイルばね２０４Ａ，２０４Ｂの変位によって生じる反力の相対移動方向の成分力が出力ギア２１２の剛性となる。
【００６０】
本第２実施形態では、出力ギア２１２の剛性は、上記第１実施形態の並進型と同様、圧縮コイルばね２０４Ａ，２４０Ｂと立体カム２０２のカム面２０２ａ，２０２ｂの傾斜角度を直線に設計することで線形特性を得ることができる。また、傾斜角度を曲線に設計することで非線形な剛性特性を得ることができる。さらに、カムフォロア２０３Ａ，２３０Ｂを並進方向に移動させることで剛性特性を可変することができる。
【００６１】
［第３実施形態］
上記第１及び第２実施形態では、カムフォロアがローラ形状の構成である場合について説明したが、本第３実施形態では、他のカムフォロアの構成について説明する。
【００６２】
図５は、第３実施形態におけるカムフォロアの構成を示す説明図である。図５（ａ）において、カムフォロア５０３は、カムフォロア支持軸５０５の凹部にスライド自在に配置されている。圧縮コイルばね５０４は、カムフォロア支持軸５０５の凹部の底面とカムフォロア５０３との間に配置されている。これにより、圧縮コイルばね５０４によってカム面２ａに付勢されたカムフォロア５０３は、カム面２ａを滑り移動できるようになっている。カムフォロア５０３は、先端が球形をした円柱形状であり、摩擦係数の少ない硬度の高い金属材料等で形成するのが好ましい。
【００６３】
図５（ｂ）において、カムフォロア５１３は、球形状であり、カムフォロア支持軸５１５の凹部にスライド自在に配置されている。圧縮コイルばね５１４は、カムフォロア支持軸５１５の凹部の底面とカムフォロア５１３との間に配置されている。これにより、圧縮コイルばね５１４によってカム面２ａに付勢されたカムフォロア５１３は、カム面２ａを転がり移動できるようになっている。
【００６４】
図５（ｃ）において、カムフォロア５２３は、球形状であり、フォロア支持軸５２５を介して圧縮コイルばね５２４によってカム面２ａに付勢されている。これにより、カムフォロア５２３は、カム面２ａを転がり移動できるようになっている。
【００６５】
このように、カムフォロアは、立体カムのカム面に対して滑る滑り構成、及びカム面に対して転がる転がり構成のいずれの構成であってもよい。
【００６６】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る剛性可変機構について説明する。本第４実施形態では、立体カムのカム面が圧縮コイルばねの変位を一定とする部分を有する形状である。図６は、本発明の第４実施形態に係る剛性可変機構の要部を示す詳細図である。図６（ａ）は、並進型の剛性可変機構であり、図６（ｂ）は、回転型の剛性可変機構である。図７は、本発明の第４実施形態に係る剛性可変機構の特性を示す図であり、出力部材の変位Ｘと、立体カムとカムフォロアとの間の相対移動に伴った圧縮コイルばねの変位によって生じる反力の相対移動方向の成分力Ｆとの関係を示している。
【００６７】
図６（ａ）に示すように、圧縮コイルばね４によって立体カム２のカム面２ａに付勢されたカムフォロア３は、カムフォロア支持軸６に回転自在に支持されており、カム面２ａを転がり移動できるようになっている。
【００６８】
立体カム２のカム面２ａは、図６（ａ）に示すように、カムフォロア３が圧縮コイルばね４の変位に伴ってカム面２ａ上を移動したときに、圧縮コイルばね４の（弾性変形量）が一定となる部分である平面領域（直線領域）Ｓを有している。この平面領域Ｓでは、カムフォロア３が移動しても圧縮コイルばね４の圧縮量（弾性変形量）に変化が無く、一定である。式（１）によるＦ＝ｆ×ｔａｎθから傾斜角度θは０°となり、水平方向の（相対移動方向）成分力Ｆは０となる。よって平面領域Ｓでは、図７に示すように剛性変化（弾性係数）が０の特性を有することが出来る。なお、剛性可変機構の他の構成は、上記第１実施形態の図１と同様であるので省略する。
【００６９】
また、図６（ｂ）に示すように、圧縮コイルばね２０４によって立体カム２０２のカム面２０２ａに付勢されたカムフォロア２０３は、カムフォロア支持軸２０６に回転自在に支持されており、カム面２０２ａを転がり移動できるようになっている。
【００７０】
カム面２０２ａは、図６（ｂ）に示すように、カムフォロア２０３が圧縮コイルばね２０４の変位に伴ってカム面２０２ａ上を移動したときに、圧縮コイルばね２０４の（弾性変形量）が一定となる部分である曲線領域Ｔを有している。曲線領域Ｔは、回転中心と同軸の同心円の円弧曲線で形成されている。この曲線領域Ｔ内では、カムフォロア２０３が移動しても圧縮コイルばね２０４の圧縮量に変化が無く、傾斜角度θの変化もないので、相対移動方向の成分力Ｆは０となる。従って、図７に示すように、剛性変化が０の領域を有する特性となる。剛性可変機構の構成は、上記第２実施形態の図４と同様であるので省略する。
【００７１】
以上、本第４実施形態における構成では、剛性変化が０（ゼロ）の領域を有する剛性特性が得られるので、非常に柔らかい動作が可能となる。
【００７２】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る剛性可変駆動装置について説明する。図８は、本発明の第５実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図であり、図８（ａ）は剛性可変駆動装置のＶ−Ｖ断面図、図８（ｂ）は剛性可変駆動装置の側面図である。図９は、本発明の第５実施形態に係る剛性可変駆動装置の動作の説明図である。図１０は、本発明の第５実施形態に係る剛性可変駆動装置の特性を示す図である。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００７３】
図８に示すように、剛性可変駆動装置１０００は、並進型の剛性可変機構１００と、出力アーム８に伝達する駆動力を発生する駆動源として電磁モータであり回転モータであるモータ８５０と、を備えている。
【００７４】
剛性可変機構１００の立体カム２の内部には、ボールねじ８５１が固定して配置されている。モータ８５０の出力軸には、スクリュー８５２が連結されている。スクリュー８５２が軸線Ｇを中心に回転運動することで、ボールねじ８５１が軸線Ｇの方向に直線運動する。したがって、他方の部材である立体カム２は、スクリュー８５２が回転することで、並進する方向（図８中矢印Ｘ方向）に駆動される。
【００７５】
超音波モータ７の固定部７ａは、リニアガイド板１０９に固定され、駆動出力部７ｂは立体カム２に固定されている。立体カム２は、リニアガイド板１０９に支持された超音波モータ７によって軸線Ｇを中心に回転駆動される。リニアガイド板１０９に支持されたリニアガイド軸受１１０は、リニアガイド軸となる連結部材９ｃに図８中矢印Ｘ方向に並進自在に支持されている。
【００７６】
つまり、モータ８５０の駆動力でスクリュー８５２を回転させ、立体カム２、超音波モータ７、リニアガイド板１０９を一体にしたユニット（以降、「リニアガイドユニット」という）を、図８中矢印Ｘ方向に並進駆動できる構成となっている。このように、モータ８５０は、立体カム２を出力アーム８の変位可能な矢印Ｘ方向に駆動して、圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂで付勢されたカムフォロア３Ａ，３Ｂ、及びカムフォロア支持軸６Ａ，６Ｂを介して出力アーム８から駆動力を出力する。
【００７７】
図９（ａ）は、リニアガイドユニットを図９中Ｘ＋方向に十分に伸ばした基準位置Ｌ０であり、出力端８ａに外力の作用が無い状態Ｆ＝０を表している。この出力端８ａの位置をＸａとする。図９（ｂ）は、図９（ａ）の状態から出力端８ａに外力がＦ１作用した状態を表している。このとき、出力端８ａの位置は、ＸａからＸｍ（図９中矢印＋方向）変位している。図９（ｃ）は、図９（ａ）の状態からリニアガイドユニットが距離Ｌｍ、牽引移動した（図９中Ｘ−方向）状態である。出力端８ａに外力の作用が無い状態Ｆ＝０を表している。図９（ｄ）は、図９（ｃ）の状態から出力端８ａに外力Ｆ１が働いた時、カムフォロア３Ａ，３Ｂが距離Ｘｍ移動した状態を表している。
【００７８】
図９（ｂ）に示すように、出力端８ａに＋Ｆ１の外力が作用すると、カムフォロア３Ａ，３Ｂが立体カム２のカム面２ａに沿って移動すると、圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂが圧縮され、ばね力と釣り合うところで停止する。このとき、出力アーム８の出力端８ａの剛性はＦ１となり、基準位置ＸａからＸｍ変位する。
【００７９】
図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、リニアガイドユニットが距離Ｌｍ、牽引移動している状態である。出力アーム８の出力端８ａに＋Ｆ１の外力が作用すると、カムフォロア３Ａ，３Ｂが立体カム２のカム面２ａに沿って移動し、圧縮コイルばね４Ａ，４Ｂが圧縮され、ばね力と釣り合うところで停止する。よって、図９（ｂ）と同じくＸｍ変位する。
【００８０】
図１０は、本発明の第５実施形態に係る剛性可変駆動装置１０００の特性を示す図であり、出力端８ａの変位Ｘに対する水平方向（相対移動方向）の成分力Ｆの関係を示している。
【００８１】
図９の各状態の関係を図１０（ａ）で説明すると、出力端８ａは、外力が０の位置Ｘａから外力が働くと、滑らかに水平成分の力が増加してゆく。そして力の釣り合うところＦ１で停止する。このときの変位はＸｍとなり、停止位置はＸａ＋Ｘｍとなる。リニアガイドユニットはモータ８５０により距離Ｌｍ、牽引移動されると変位Ｘに対する出力Ｆの特性曲線ｋ１はそのまま距離Ｌｍ、横軸に平行移動した特性となる。つまり、剛性可変駆動装置１０００の水平成分の力が０の位置を移動できることを示している。
【００８２】
図１０（ｂ）は、出力端８ａを位置Ｘａにおいて剛性を変化させた特性を示した図である。ｋ１は低剛性、点曲線ｋ２は中間剛性、点直線ｋ３は高剛性を表している。ｋ１はカムフォロア３Ａ，３Ｂが立体カム２のカム溝の最大幅に位置しているときの剛性である。ｋ２はカムフォロア３Ａ，３Ｂが立体カム２のカム溝の中間幅に位置しているときの剛性である。ｋ３はカムフォロア３Ａ，３Ｂが立体カム２のカム溝の最小幅に位置しているときの剛性である。
【００８３】
超音波モータ７により立体カム２を回転させて、剛性特性をｋ１からｋ３まで変化させている。立体カム２のカム面２ａは、滑らかに繋がったカム形状であり、立体カム２のカム面２ａに付勢されたカムフォロア３Ａ，３Ｂは連続的な転がり動作ができる。よって連続的に剛性特性が可変である。
【００８４】
このように、本第５実施形態の剛性可変駆動装置１０００は、剛性可変機構１００を備えているので、水平成分の力が０の位置を移動させることができる。さらに剛性特性も連続的に自由に変更できるので、剛性を非常に幅広く変更することが可能となる。よって非常に柔らかい動作と、高速かつ目標位置に対する高精度の動作とを両立できる。
【００８５】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態に係る剛性可変駆動装置について説明する。図１１は、本発明の第６実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。なお、上記第２実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００８６】
図１１に示すように、剛性可変駆動装置２０００は、回転型の剛性可変機構２００と、出力ギア２１２に伝達する駆動力を発生する駆動源として電磁モータであり回転モータであるモータ８５０と、を備えている。
【００８７】
剛性可変機構２００の円筒形状の筐体２０９は、モータ８５０の出力軸に固定されている。筐体２０９は、モータ８５０により軸線Ｍを中心に回転駆動される。
【００８８】
モータ８５０の駆動力は、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂと立体カム２０２を介して出力ギア２１２に伝達される。つまり、他方の部材であるカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂは、筐体２０９が回転することで、回転方向に駆動される。このように、モータ８５０は、筐体２０９、カムフォロア駆動リング２０８、カムフォロア支持軸２０６Ａ，２０６Ｂを介してカムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを、出力ギア２１２の変位可能な回転方向に駆動する。そして、モータ８５０は、立体カム２０２を介して出力ギア２１２から駆動力を出力する。
【００８９】
以上、本第６実施形態の剛性可変駆動装置２０００は、並進型剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置１０００の駆動方向が異なるだけで、作用効果は上記第５実施形態と同様である。従って、本第６実施形態では、剛性特性も連続的に自由に変更できるので、剛性を非常に幅広く変更することが可能となる。よって非常に柔らかい動作と、高速かつ目標位置に対する高精度の動作とを両立できる。
【００９０】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態に係る剛性可変駆動装置について説明する。図１２は、本発明の第７実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。なお、上記第５実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００９１】
図１２に示すように、剛性可変駆動装置３０００は、並進型の剛性可変機構３００と、出力アーム８に伝達する駆動力を発生する駆動源として電磁モータであり回転モータであるモータ８５０と、を備えている。
【００９２】
剛性可変機構３００は、上記第５実施形態の移動手段である超音波モータ７の代わりに、移動手段としてリニアガイドクラッチ９００及びスクリューブレーキ９０１を備えている。つまり、立体カム２の駆動を、リニアガイドクラッチ９００及びスクリューブレーキ９０１による連結と解除の動作で可能にしている。
【００９３】
リニアガイドクラッチ９００は、リニアガイド板１０９に固定されたコイル部９００ａと、立体カム２の一端に固定された回転部９００ｂとからなる。コイル部９００ａに通電しコイル部９００ａを励磁すると、コイル部９００ａと回転部９００ｂと間に磁束が生じ、回転部９００ｂがコイル部９００ａに吸引され、回転部９００ｂがコイル部９００ａと連結し、一体となる。またコイル部９００ａへの非通電時は、コイル部９００ａに対して回転部９００ｂは、軸線Ｇを中心に回転自在となる。これによりコイル部９００ａへの通電時は、立体カム２がリニアガイド板１０９と一体となる。
【００９４】
スクリューブレーキ９０１は、立体カム２の他端に固定されたブレーキコイル部９０１ａと、ブレーキコイル部９０１ａに支持され、スクリュー８５２に対向して配置されたブレーキ板部９０１ｂとからなる。ブレーキコイル部９０１ａに通電しブレーキコイル部９０１ａを励磁すると、磁束が生じ、ブレーキ板部９０１ｂがスクリュー８５２に押し付けられ、摩擦力でスクリュー８５２と一体になる。これによりブレーキコイル部９０１ａへの通電時は、立体カム２がスクリュー８５２と一体となる。
【００９５】
したがって、コイル部９００ａが通電状態であり、ブレーキコイル部９０１ａが非通電状態であるときは、立体カム２とリニアガイド板１０９とが一体となり、スクリュー８５２の回転により、立体カム２は、図１２中、矢印Ｘ方向へ並進移動する。
【００９６】
また、コイル部９００ａが非通電状態であり、ブレーキコイル部９０１ａが通電状態であるときは、立体カム２とスクリュー８５２とが一体となり、スクリュー８５２の回転により、立体カム２は、軸線Ｇを中心に回転する。
【００９７】
以上、リニアガイドクラッチ９００及びスクリューブレーキ９０１は、コイル部９００ａが非通電状態であり、ブレーキコイル部９０１ａが通電状態であるときは、モータ８５０（外部）からの駆動力を、立体カム２に伝達する。これにより、カムフォロア３Ａ，３Ｂは、カム面２ａにおいて、出力アーム８の変位に伴って移動するカムフォロア３Ａ，３Ｂのカム面２ａ上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に、相対的に移動する。
【００９８】
以上の動作を詳述すると、立体カム２を並進駆動させる場合は、リニアガイドクラッチ９００は、コイル部９００ａが通電状態となることにより、立体カム２とリニアガイド板１０９を連結する。一方で、スクリューブレーキ９０１は、ブレーキコイル部９０１ａが非通電状態となることにより、スクリューブレーキ９０１のブレーキを解除する。この状態でモータ８５０を回転させることにより、スクリュー８５２が回転し、ボールねじ８５１が並進移動するので、立体カム２が並進移動する。
【００９９】
立体カム２を回転駆動（法線方向駆動）させる場合は、リニアガイドクラッチ９００は、コイル部９００ａが非通電状態となることにより、立体カム２とリニアガイド板１０９の連結を解除する。一方でスクリューブレーキ９０１は、ブレーキコイル部９０１ａが通電状態となることにより、立体カム２とスクリュー８５２とを連結する。この状態でモータ８５０を回転させることにより、スクリュー８５２と立体カム２とが一体に回転する。
【０１００】
このように、リニアガイドクラッチ９００とスクリューブレーキ９０１によってモータ８５０の駆動を切り替えることで、立体カム２を、軸線Ｇを中心に回転させることができ、カムフォロア３Ａ，３Ｂの軌道を変更することができる。
【０１０１】
なお、図１１に示す回転型剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置２０００も同様に超音波モータ２０７の代わりにリニアガイドクラッチやスクリューブレーキを用いることが可能である。これにより、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂを、軸線Ｍの方向に自由に移動させることができ、カムフォロア２０３Ａ，２０３Ｂの軌道を変更することができる。
【０１０２】
よって、超音波モータ７，２０７のような専用のカムフォロア駆動モータを必要としないので、小型で軽量な剛性可変駆動装置が可能となる。
【０１０３】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態に係る関節駆動装置について説明する。図１３は、本発明の第８実施形態に係る関節駆動装置の説明図である。図１３（ａ）は関節駆動装置の側面図である。図１３（ｂ）は、剛性可変駆動装置の発生力と、関節角度との関係を示す図である。
【０１０４】
図１３（ａ）に示す本第８実施形態の関節駆動装置は、ロボットアーム５０００であり、第１リンクであるリンク５１と、第２リンクであるリンク５２と、基体５０と、を備えている。リンク５１の一端は基体５０に固定されている。リンク５１の他端とリンク５２の一端とは関節Ｊで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク５２の一端には、リンク５１の他端に固定された軸５４を中心に回転自在に支持されたプーリ５３が固定されている。
【０１０５】
本第８実施形態では、ロボットアーム５０００は、関節Ｊを駆動する、上記第５実施形態の剛性可変駆動装置と同様の構成の２つの剛性可変駆動装置１０００１，１０００２を備えている。これら剛性可変駆動装置１０００１，１０００２は、リンク５１に固定されている。２つの剛性可変駆動装置１０００１，１０００２は、同一特性であり、関節Ｊに拮抗配置されている。つまり、２つの剛性可変駆動装置１０００１，１０００２は、リンク５１の両側に配置されている。
【０１０６】
剛性可変駆動装置１０００１，１０００２の出力端８ａ１，８ａ２は、プーリ５３にワイヤー５５１，５５２で結合されている。剛性可変駆動装置１０００１，１０００２は、それぞれの制御回路（不図示）で収縮力を制御されており、リンク５２を駆動する。
【０１０７】
図１３（ｂ）には、関節Ｊの関節角度θと、剛性可変駆動装置１０００１，１０００２の発生力Ｆとの関係を示している。ＡＬ０は剛性可変駆動装置１０００１のリニアガイドユニットを十分に伸ばした基準位置Ｌ０であり、出力端８ａ１に外力の作用が無い状態Ｆ＝０の特性を示している。ＡＬ１、ＡＬｍはこの基準位置からリニアガイドユニット部が距離Ｌ１、Ｌｍ牽引された状態の特性である。拮抗配置された剛性可変駆動装置１０００２の特性ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬｍも剛性可変駆動装置１０００１と同じ状態を表している。
【０１０８】
例えば関節Ｊに作用する力を関節角度θ＝０°の位置で矢印＋方向、−方向共にｆｓに制御する場合には、剛性可変駆動装置１０００１は特性ＡＬｍ、剛性可変駆動装置１０００２は特性ＢＬｍを選択すればよい。このとき関節Ｊに作用する力を±ｆｓに制御できる。
【０１０９】
また、関節Ｊに作用する力を関節角度θ＝０°の位置で矢印＋方向にｆ１で駆動する場合には、剛性可変駆動装置１０００１は特性ＡＬ１、剛性可変駆動装置１０００２は特性ＢＬｍを選択すればよい。このときの発生力は、剛性可変駆動装置１０００１はｆｃ、剛性可変駆動装置１０００２はｆｓとなるので、その差が駆動トルクｆ１となる。
【０１１０】
逆に、関節に作用する力を関節回転角度θ＝０度の位置で矢印−方向に−ｆ１で駆動する場合には、剛性可変駆動装置１０００１は特性ＡＬｍ、剛性可変駆動装置１０００２は特性ＢＬ１を選択すればよい。このとき剛性可変駆動装置１０００１の発生力はｆｓとなり、剛性可変駆動装置１０００２の発生力はｆｃとなるので、その差が駆動トルク−ｆ１となる。
【０１１１】
よって図１３（ｂ）の特性から、関節剛性は、２つの剛性可変駆動装置１０００１，１０００２の発生力の和であり、駆動力（トルク）は２つの剛性可変駆動装置１０００１，１０００２の発生力の差であることがわかる。
【０１１２】
このように拮抗した２つの２つの剛性可変駆動装置１０００１，１０００２の特性ＡＬ０、ＡＬ１、ＡＬｍ、ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬｍを組み合わせることで、目的の駆動トルクと関節剛性を独立させて制御することができる。
【０１１３】
さらに、剛性可変駆動装置１０００１，１０００２は、上記第１実施形態の剛性可変機構１００を備えている。従って、拮抗した剛性可変駆動装置１０００１，１０００２の片方又は両方の剛性特性をカムフォロア３Ａ，３Ｂを利用して変化させて大きな駆動トルクが得られ、また小さな関節剛性から大きな関節剛性を得ることが可能となる。
【０１１４】
［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態に係る関節駆動装置について説明する。図１４は、本発明の第９実施形態に係る関節駆動装置を示す側面図である。
【０１１５】
図１４に示す本第９実施形態の関節駆動装置は、ロボットアーム６０００であり、第１リンクであるリンク５１と、第２リンクであるリンク５２と、基体５０と、を備えている。リンク５１の一端は基体５０に固定されている。リンク５１の他端とリンク５２の一端とは関節Ｊで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク５２の一端には、リンク５１の他端に固定された軸５４を中心に回転自在に支持されたプーリ５３が固定されている。
【０１１６】
本第９実施形態では、ロボットアーム６０００は、関節Ｊを駆動する、上記第５実施形態の剛性可変駆動装置と同様の構成の１つの剛性可変駆動装置１０００を備えている。剛性可変駆動装置１０００は、リンク５１に固定されている。剛性可変駆動装置１０００の出力端８ａは、プーリ５３に回転自在に結合されている。これにより、剛性可変駆動装置１０００は、牽引と押し出しとの両方の駆動を可能としている。剛性可変駆動装置１０００は、制御回路（不図示）で駆動力が制御されており、リンク５２を駆動する。
【０１１７】
以上の構成でも関節剛性が０の関節角度を任意の位置に移動させ、さらに剛性可変機構の剛性を可変することで、目的の駆動トルクと関節剛性を独立させて制御することができる。したがって、低剛性から高剛性まで関節剛性を関節角度に関わらず自由に設定できるのでダイナミックな動作が可能となる。
【０１１８】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【０１１９】
上記第８及び第９実施形態では、剛性可変駆動装置が上記第５実施形態の剛性可変駆動装置１０００である場合について説明したが、上記第６実施形態の剛性可変駆動装置２０００であってもよい。
【０１２０】
また、上記第８及び第９実施形態では、剛性可変駆動装置がロボットアームである場合について説明したが、これに限定するものではなく、パワーアシスト装置や他のロボット、例えば、脚式ロボットや介護用ロボット等に適用することも可能である。
【０１２１】
また、上記第１〜９実施形態では、移動手段として、超音波モータを用いた場合について説明したが、電磁式のモータやソレノイドを用いても良い。
【０１２２】
また、上記第１〜９実施形態では、立体カムにおいて、凹の溝形状に形成された面をカム面としたが、凸形状に形成された面をカム面としてもよい。
【符号の説明】
【０１２３】
２…立体カム、２ａ…カム面、３Ａ，３Ｂ…カムフォロア、４Ａ，４Ｂ…圧縮コイルばね（弾性部材）、７…超音波モータ（移動手段）、８…出力アーム（変位部材）、１００…剛性可変機構、１０００…剛性可変駆動装置、５０００…ロボットアーム（関節駆動装置）
【図１】
2014097548.tif 000003
【図２】
2014097548.tif 000004
【図３】
2014097548.tif 000005
【図４】
2014097548.tif 000006
【図５】
2014097548.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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