(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が可能である剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構を提供する。【解決手段】剛性可変駆動装置１００は、棒状の弾性部材２と、駆動モータ５と、駆動モータ５に接続された回転軸４と、弾性部材２に嵌合する嵌合穴３２が形成され、回転軸４と一体に回転して弾性部材２に回転軸４の回転力を伝達する伝達部材３と、を備えている。また、剛性可変駆動装置１００は、伝達部材３を軸方向に駆動する超音波モータ６と、弾性部材２の一部分に接触して弾性部材２を拘束し、伝達部材３と一体に移動して、弾性部材２に対する接触位置が軸方向に移動する拘束部材１３と、を備えている。弾性部材２は、軸方向Ｙに直交する方向の断面における断面２次極モーメントが先端部２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて減少する形状である。【選択図】図１
2014097550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びて形成され、軸線を中心に回転自在に支持され、先端部から回転力を出力する弾性部材と、
回転駆動部と、
前記回転駆動部の駆動により回転する回転軸と、
前記軸方向にスライド自在に前記弾性部材に嵌合する嵌合穴が形成され、前記回転軸と一体に回転して前記弾性部材に前記回転軸の回転力を伝達する伝達部材と、
前記伝達部材を前記軸方向に駆動する伝達部材駆動部と、
前記伝達部材に設けられ、前記弾性部材の一部分に接触して前記弾性部材を拘束し、前記伝達部材駆動部の駆動により前記伝達部材と一体に前記軸方向に移動して、前記弾性部材に対する接触位置が前記軸方向に移動する拘束部材と、を備え、
前記弾性部材は、前記軸方向に直交する方向の断面における断面２次極モーメントが前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて減少する形状であることを特徴とする剛性可変駆動装置。
【請求項２】
前記拘束部材は、前記弾性部材を挟むように前記伝達部材に回転自在に支持された第１回転体及び第２回転体を有することを特徴とする請求項１に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項３】
前記弾性部材は、外周に前記軸方向に延びて形成され、前記第１回転体に接触する第１被拘束面及び前記第２回転体に接触する第２被拘束面を有することを特徴とする請求項２に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項４】
前記第１被拘束面及び前記第２被拘束面のうち少なくとも一方には、前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて高さが低くなるリブが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項５】
前記弾性部材は、前記第１被拘束面と前記第２被拘束面との間の部分が、前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて薄肉に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項６】
前記第１回転体は、第１大ローラと、前記第１大ローラの両側に配置された、前記第１大ローラよりも小径の一対の第１小ローラと、を有し、
前記第２回転体は、第２大ローラと、前記第２大ローラの両側に配置された、前記第２大ローラよりも小径の一対の第２小ローラと、を有し、
前記第１被拘束面は、前記軸方向に向かって前記先端部の近傍の第１端から中間部までは、前記一対の第１小ローラに接触し、前記中間部から前記先端部に対して最も遠い第２端までは、前記第１大ローラに接触するように段差を有して形成され、
前記第２被拘束面は、前記軸方向に向かって前記第１端から前記中間部までは、前記一対の第２小ローラに接触し、前記中間部から前記第２端までは、前記第２大ローラに接触するように段差を有して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項７】
前記弾性部材には、前記軸方向に延びる一対の被拘束面を有し、前記軸方向と直交する方向に貫通する貫通穴が形成され、
前記拘束部材は、前記一対の被拘束面に接触するように前記貫通穴に挿通して設けられた円筒体であることを特徴とする請求項１に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項８】
前記円筒体は、小円筒部と、前記小円筒部の両側に配置された、前記小円筒部よりも大径の一対の大円筒部と、を有し、
前記一対の被拘束面は、前記軸方向に向かって前記先端部の近傍の第１端から中間部までは、前記一対の大円筒部に接触し、前記中間部から前記先端部に対して最も遠い第２端までは、前記小円筒部に接触するように段差を有して形成されていることを特徴とする請求項７に記載の剛性可変駆動装置。
【請求項９】
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１乃至８のいずれか１項に記載の剛性可変駆動装置と、を備えた関節駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剛性を調整して駆動する剛性可変駆動装置、及び剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構に関する。
【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、特許文献１に、車体のサスペンションの弾性力を変化させる手段や関節剛性を調整する手段が開示されている。
【０００３】
特許文献１では、トーションバーの支持点を可変する構成であり、トーションバーの有効長を変化させ、サスペンションの弾性力を調整できるとしている。
【０００４】
また、非特許文献１に記載の関節メカニズム設計方法では、ローラによる板ばねの支持点とロッド端面間の距離を変化させて、関節剛性を調整できるとしている。これにより、関節まわりの剛性を高剛性から低剛性まで変化させることができるとしている。
【０００５】
ここで、生物の筋力の一般的な粘弾性モデルとして、筋の収縮力が増加すると、筋の弾性係数も増加することが知られている。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駆動装置をロボットやパワーアシスト装置の関節部に配置し、関節の駆動トルク及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２００８−２３０４６９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｆｏｒｃｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｒｏｂｏｔ  Ａｒｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｄｊｕｓｔｅｒ  Ｔｏｓｈｉｏ  Ｍｏｒｉｔａ，  Ｎｏｂｕｙｏｓｈｉ  Ｔｏｍｉｔａ，  Ｔａｋｅｏ  Ｕｅｄａ  ａｎｄ  Ｓｈｉｇｅｋｉ  Ｓｕｇａｎｏ  日本ロボット学会誌  Ｖｏｌ．１６  Ｎｏ．７、  ｐｐ１００１〜１００６、１９９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ロボットやパワーアシスト装置では、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駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の剛性可変駆動装置は、軸方向に延びて形成され、軸線を中心に回転自在に支持され、先端部から回転力を出力する弾性部材と、回転駆動部と、前記回転駆動部の駆動により回転する回転軸と、前記軸方向にスライド自在に前記弾性部材に嵌合する嵌合穴が形成され、前記回転軸と一体に回転して前記弾性部材に前記回転軸の回転力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材を前記軸方向に駆動する伝達部材駆動部と、前記伝達部材に設けられ、前記弾性部材の一部分に接触して前記弾性部材を拘束し、前記伝達部材駆動部の駆動により前記伝達部材と一体に前記軸方向に移動して、前記弾性部材に対する接触位置が前記軸方向に移動する拘束部材と、を備え、前記弾性部材は、前記軸方向に直交する方向の断面における断面２次極モーメントが前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて減少する形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、弾性部材の有効長を変えることができるので、弾性部材の先端部の捩じれ剛性を変化させることができる。また、弾性部材は、断面２次極モーメントが先端部から離れるに連れて減少するので、拘束する部分の断面２次極モーメントに対応して捩じれ剛性を変化させることができる。したがって、大きな剛性可変を得ることができ、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駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性を説明するための図である。
【図３】第１実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。
【図４】第１実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。
【図５】弾性部材の有効長と捩じれ剛性との関係を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。
【図７】第２実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。
【図８】第３実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。
【図９】第３実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。
【図１０】第４実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。
【図１１】第４実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。
【図１２】第５実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。
【図１３】第６実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。
【図１４】第７実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１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１（ａ）は、捩じれモーメント、即ち捩じれ剛性が最小の状態、図１（ｂ）は、捩じれモーメント、即ち捩じれ剛性が最大の状態を示している。
【００１７】
剛性可変駆動装置１００は、出力端の捩じれ剛性を可変とするものである。剛性可変駆動装置１００は、回転駆動部として電磁モータである駆動モータ５と、剛性可変機構１と、を備えている。
【００１８】
剛性可変機構１は、軸方向Ｙに延びて形成され、先端部２ａから回転力を出力する棒状の弾性部材２と、駆動モータ５から軸方向Ｙに延びる回転軸４と、伝達部材３と、伝達部材駆動部としての剛性可変モータである超音波モータ６とを有している。弾性部材２は、先端部２ａが外部に露出するように筐体１２に収容されており、弾性部材２の先端部２ａには、出力ギア（出力端）１０が接続されている。弾性部材２の先端部２ａは、筐体１２に固定された軸受１１に回転中心線（軸線）Ｇを中心として回転自在に支持され、また、軸受１１により軸方向Ｙへの移動が規制されている。
【００１９】
駆動モータ５は、筐体１２の外部に配置され、駆動モータ５の不図示の回転子に接続された回転軸４が筐体１２の内部に貫通して延びている。回転軸４と弾性部材２とは同軸に配置されている。なお、本第１実施形態では、回転軸４は、駆動モータ５と一体に形成されているが、別体であってもよく、不図示の歯車機構を介して駆動モータ５により駆動されるようにしてもよい。
【００２０】
伝達部材３は、回転軸４と一体に回転して弾性部材２に回転軸４の回転力を伝達する。具体的に説明すると、伝達部材３は、回転軸４が嵌合する嵌合穴３１と、弾性部材２が嵌合する嵌合穴３２とが形成されている。本第１実施形態では、嵌合穴３１と嵌合穴３２とは連通している。伝達部材３は、筐体１２に対して軸方向Ｙにスライド可能に筐体１２に収容されている。
【００２１】
伝達部材３の嵌合穴３１には、軸方向Ｙにスライド自在に回転軸４が挿通され、嵌合穴３２には、軸方向Ｙにスライド自在に弾性部材２が挿通される。
【００２２】
回転軸４及び嵌合穴３１は、断面四角形状に形成され、回転軸４が嵌合穴３１にガタがない状態で嵌められている。これにより、伝達部材３が回転軸４に図１中、区間Ｎで嵌合し、伝達部材３は、回転軸４と一体に回転する。伝達部材３は、弾性部材２と比べて剛性が高く、回転中心線Ｇを中心とする捩じれが発生しない構造になっている。換言すると、弾性部材２は、伝達部材３と比べて剛性が低く、回転中心線Ｇを中心とする捩じれが生じる構造になっている。
【００２３】
伝達部材３には、弾性部材２を拘束する拘束部材１３が設けられている。伝達部材３の嵌合穴３２は、図１中、区間Ｍで弾性部材２に嵌合しており、拘束部材１３を介して回転力が弾性部材２に伝達される。
【００２４】
本第１実施形態では、拘束部材１３は、弾性部材２を挟むように伝達部材３に回転自在に支持された第１回転体として２つのローラ１３１、及び第２回転体として２つのローラ１３２とを有している。ローラ１３１とローラ１３２とは、弾性部材２を挟んで互いに対向して配置されている。なお、図１では、ローラ１３１のみ図示しており、ローラ１３２は、図１には現れていないが図１の紙面上、ローラ１３１に対応する位置に配置されている。各ローラ１３１，１３２は、伝達部材３に形成された嵌合穴３２の開口端近傍に配置されている。このように、伝達部材３は、拘束部材１３を支持する支持部材でもある。
【００２５】
拘束部材１３は、弾性部材２の外周の一部分に接触して弾性部材２を拘束し、超音波モータ６の駆動により伝達部材３と一体に軸方向Ｙに移動する。これにより、拘束部材１３は、弾性部材２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。
【００２６】
伝達部材３は、ローラ１３１，１３２による弾性部材２の接触位置において、回転中心線Ｇを中心とした回転方向の捩じれ動作を拘束しながら、軸方向Ｙにスライドすることができる。
【００２７】
駆動モータ５の駆動力は、回転軸４から伝達部材３、拘束部材１３及び弾性部材２を介して、出力ギア１０へ伝えることができる。
【００２８】
伝達部材３の外周には、周方向に延びる駆動溝３ｂが形成され、駆動溝３ｂには、雄ねじ８に固定された伝達部材駆動リング９が接触して配置されている。この雄ねじ８は、軸線Ｇを中心に回転可能に筐体１２に支持された雌ねじ７に噛合している。
【００２９】
超音波モータ６は、筐体１２に固定された固定部６ｂと、固定部６ｂに対して軸線Ｇを中心に回転する駆動出力部６ａとを有し、駆動出力部６ａが雌ねじ７に固定されている。これにより、雌ねじ７は、超音波モータ６により軸線Ｇを中心に回転する。
【００３０】
雌ねじ７に噛合した雄ねじ８は、筐体１２に対して軸方向Ｙに並進可能に筐体１２に支持されている。従って、雌ねじ７の回転運動は、雄ねじ８の軸方向Ｙへの並進運動に変換される。そして、雄ねじ８が軸方向Ｙに移動することで、伝達部材３が回転中心線Ｇを中心とした回転を許容した状態で軸方向Ｙに移動する。よって、伝達部材３は、超音波モータ６の回転駆動により、軸方向Ｙへ移動することとなる。
【００３１】
弾性部材２の材質は、ばね用の鋼材等である。回転軸４の回転を固定した状態で出力ギア１０に軸線Ｇを回転中心とした外力が働くと、弾性部材２における拘束部材１３と先端部２ａとの間の分、即ち有効長Ｌ１，Ｌ２の部分（図１（ａ），図１（ｂ））が捩じられる。
【００３２】
出力ギア１０に外力が働いたときの、捩じれモーメント（負荷トルク）をＴ、弾性部材２の捩じれ角度をθ、弾性部材２の有効長をＬ、弾性部材２の断面２次極モーメントＩｐ、弾性部材２の横弾性率をＧ、出力ギア１０の捩じれ剛性をＫとする。これらの関係式は、以下の式（１）及び式（２）で表される。
θ＝（Ｔ×Ｌ）／（Ｇ×Ｉｐ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｋ＝Ｔ／θ  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【００３３】
式（１）及び式（２）より、捩じれ剛性Ｋは、以下の式（３）で表される。
Ｋ＝（Ｇ×Ｉｐ）／Ｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
【００３４】
式（３）より、捩じれ剛性Ｋは、弾性部材２の有効長Ｌの大きさの逆数に比例し、弾性部材２の断面２次極モーメントＩｐの大きさに比例する。従って、弾性部材２の有効長Ｌの大きさと、断面２次極モーメントＩｐの大きさの片方または両方の値を調整することで、出力ギア１０の捩じれ剛性を変化させることができる。
【００３５】
図１（ａ）に示すように、出力ギア１０の捩じれ剛性が最も低い状態では、超音波モータ６によって伝達部材３をスライドさせ、弾性部材２の有効長が最も長いＬ１となっている。出力ギア１０に外力が働くと、弾性部材２の有効長Ｌ１の部分の捩じれ剛性は最小となる。
【００３６】
図１（ｂ）に示すように、出力ギア１０の捩じれ剛性が最も高い状態では、超音波モータ６によって伝達部材３をスライドさせ、弾性部材２の有効長が最も短いＬ２となっている。出力ギア１０に外力が働くと、弾性部材２の有効長Ｌ２の部分が捩じれ、捩じれ剛性は最大となる。
【００３７】
駆動モータ５と出力ギア１０との間に設けられた伝達部材３を超音波モータ６により軸方向Ｙに移動させることで、拘束部材１３による弾性部材２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。これにより、弾性部材２の捩じれモーメントが変化するので、出力ギア１０の回転方向の捩じれ剛性が変化する。
【００３８】
図２は、剛性可変駆動装置１００の出力端の捩じれ剛性を説明するための図であり、図２（ａ）は、超音波モータ６による剛性可変範囲を示した図、図２（ｂ）は、駆動モータ５による中立位置の移動範囲を示した図である。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、弾性部材２の有効長がＬ１の状態では、出力ギア１０の捩じれ変位（捩じれ角度）θと捩じれトルクＴとの関係は、Ｋｍｉｎの剛性特性となる。一方、弾性部材２の有効長をＬ２の状態では、捩じれ変位θと捩じれトルクＴの関係はＫｍａｘの剛性特性となる。このＫｍｉｎからＫｍａｘまでの剛性特性を、超音波モータ６によって自由に変化させることができる。
【００４０】
図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）で示した剛性特性の中立位置Ｏ（捩じれ変位θと捩じれトルクＴが０の交点）を、駆動モータ５によって、図２（ｂ）中、θｍからθｎまでの範囲Δθで自由に移動させることができる。これにより、出力ギア１０の捩じれトルクを所望の値に設定することが可能となる。
【００４１】
図３は、本発明の第１実施形態に係る剛性可変駆動装置１００の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図３（ａ）は、弾性部材２および捩じれを拘束する拘束部材１３の斜視図であり、図３（ｂ）は、拘束部分の断面図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る剛性可変駆動装置１００の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図４（ａ）は、弾性部材２および捩じれを拘束する拘束部材１３の詳細図であり、図４（ｂ）は拘束部分の断面図である。
【００４２】
図３及び図４に示すように、弾性部材２は、軸方向Ｙに直交する方向の断面における断面２次極モーメントが、先端部２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材２の断面形状は、出力ギア１０から軸方向Ｙに離れるに伴って断面２次極モーメントＩｐ（断面積）が徐々に小さくなっている。
【００４３】
弾性部材２の断面形状は、出力ギア１０から最も離れた有効長がＬ１の位置では−字型であり、出力ギア１０から最も近い位置の有効長がＬ２の位置では＋字型になっている。
【００４４】
具体的に説明すると、弾性部材２は、外周に軸方向Ｙに延びて形成され、ローラ１３１，１３１に接触する第１被拘束面である被拘束面１２１、及びローラ１３２，１３２に接触する第２被拘束面である被拘束面１２２を有する。被拘束面１２１と被拘束面１２２とは互いに平行な平面である。
【００４５】
そして、被拘束面１２１，１２２のうち少なくとも一方、本第１実施形態では、両方の被拘束面１２１，１２２に、先端部２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて高さが低くなるリブ１２３，１２４が設けられている。
【００４６】
各ローラ１３１，１３２は、伝達部材３に固定されたローラ軸１３１ａ，１３２ａに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ１３１，１３２は、ローラ軸１３１ａ，１３２ａを介して伝達部材３に回転自在に支持されている。
【００４７】
伝達部材３に支持された２つのローラ１３１，１３１は、弾性部材２の被拘束面１２１に接触し、伝達部材３に支持された２つのローラ１３２，１３２は、弾性部材２の被拘束面１２２に接触しており、これらの接触位置で、弾性部材２の捩じれを拘束している。
【００４８】
図３では、弾性部材２を拘束したときの弾性部材２の有効長Ｌ１が最も大きく、さらに弾性部材２を拘束している位置の断面２次極モーメントＩｐが最も小さい。有効長Ｌを大きくする効果と断面２次極モーメントＩｐを小さくする両方の効果で、出力ギア１０の捩じれ剛性を非常に小さくすることができる。
【００４９】
一方、図４では、弾性部材２を拘束したときの弾性部材２の有効長Ｌ２が最も小さく、さらに弾性部材２を拘束している位置の断面２次極モーメントＩｐは最も大きい。有効長Ｌを小さくする効果と断面２次極モーメントＩｐを大きくする両方の効果で、出力ギア１０の捩じれ剛性を非常に大きくすることができる。
【００５０】
図５は、弾性部材２の有効長Ｌと捩じれ剛性Ｋとの関係を示す図である。図５中、曲線４１は、本第１実施形態の弾性部材２の特性を示している。一方、曲点線４２は、比較例として弾性部材に長手位置における断面２次極モーメントＩｐの値が減少している領域が無い構造の特性を示している。
【００５１】
図５に示すように、曲線４１は、有効長Ｌ１と最小の捩じれ剛性Ｋｍｉｎとの交点と、有効長Ｌ２と最大の捩れ剛性Ｋｍａｘとの交点を通る曲線となる。曲線４１は、弾性部材に断面２次極モーメントＩｐの値が減少している領域を持たない構造の曲点線４２と比較すると、図５中ＫＩｐ（Ｉｐ減少分）の捩じれ剛性を小さくすることができる。従って、伝達部材３を有効長Ｌ１からＬ２までをスライドさせることで、出力ギア１０の剛性を低剛性Ｋｍｉｎから高剛性Ｋｍａｘまで連続的に幅広く変化させることが可能となる。
【００５２】
以上、本第１実施形態によれば、弾性部材２の有効長Ｌを変えることができるので、弾性部材２の先端部２ａの捩じれ剛性を変化させることができる。また、弾性部材２は、断面２次極モーメントが先端部２ａから離れるに連れて減少するので、拘束する部分の断面２次極モーメントに対応して捩じれ剛性を変化させることができる。したがって、大きな剛性可変を得ることができ、低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。
【００５３】
また、伝達部材３は、棒状の弾性部材２の捩じれを拘束しながら有効長を変化させるので、出力端である出力ギア１０（つまり先端部２ａ）の捩じれ剛性を連続的に変化させることが可能となる。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図６（ａ）は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図６（ｂ）は、拘束部分の断面図である。図７（ａ）は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図７（ｂ）は、拘束部分の断面図である。
【００５５】
なお、本第２実施形態では、弾性部材及び拘束部材が上記第１実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
本第２実施形態の弾性部材２０２は、軸方向Ｙに延びて形成され、軸線Ｇを中心に回転自在に軸受１１（図１参照）に支持され、先端部２０２ａから回転力を出力する。また、本第２実施形態の拘束部材２１３は、伝達部材３に設けられ、弾性部材２０２の一部分に接触して弾性部材２０２を拘束し、超音波モータ６（図１参照）の駆動により伝達部材３と一体に軸方向Ｙに移動する。これにより、拘束部材２１３は、弾性部材２０２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。
【００５７】
弾性部材２０２は、図６及び図７に示すように、軸方向Ｙに直交する方向の断面における断面２次極モーメントが、先端部２０２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材２０２の断面形状は、出力ギア１０から軸方向Ｙに離れるに伴って断面２次極モーメントＩｐ（断面積）が徐々に小さくなっている。
【００５８】
拘束部材２１３は、弾性部材２０２を挟むように伝達部材３に回転自在に支持された第１回転体としてのローラ２３１、及び第２回転体としてのローラ２３２を有している。各ローラ２３１，２３２は、伝達部材３に形成された嵌合穴３２の開口端近傍に配置されている。そして、ローラ２３１とローラ２３２とは、弾性部材２０２を挟んで互いに対向して配置されている。
【００５９】
各ローラ２３１，２３２は、伝達部材３に固定されたローラ軸２３１ａ，２３２ａに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ２３１，２３２は、ローラ軸２３１ａ，２３２ａを介して伝達部材３に回転自在に支持されている。
【００６０】
弾性部材２０２は、外周に軸方向Ｙに延びて形成され、ローラ２３１に接触する第１被拘束面である被拘束面２２１、及びローラ２３２に接触する第２被拘束面である被拘束面２２２を有する。被拘束面２２１と被拘束面２２２とは互いに平行な平面である。
【００６１】
伝達部材３に支持されたローラ２３１は、弾性部材２０２の被拘束面２２１に接触し、伝達部材３に支持されたローラ２３２は、弾性部材２０２の被拘束面２２２に接触しており、これらの接触位置で、弾性部材２０２の捩じれを拘束している。
【００６２】
本第２実施形態では、弾性部材２０２は、被拘束面２２１と被拘束面２２２との間の部分２２３が、先端部２０２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて薄肉となるように形成されている。このように肉厚を変化させることによっても、断面２次極モーメントを先端部２０２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて減少させることができる。
【００６３】
以上、本第２実施形態によれば、弾性部材２０２の有効長を変えることができるので、弾性部材２０２の先端部２０２ａの捩じれ剛性を変化させることができる。また、弾性部材２０２は、断面２次極モーメントが先端部２０２ａから離れるに連れて減少するので、拘束する部分の断面２次極モーメントに対応して捩じれ剛性を変化させることができる。したがって、大きな剛性可変を得ることができ、低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。
【００６４】
また、伝達部材３は、棒状の弾性部材２０２の捩じれを拘束しながら有効長を変化させるので、出力端である出力ギア１０（つまり先端部２０２ａ）の捩じれ剛性を連続的に変化させることが可能となる。
【００６５】
なお、弾性部材の断面２次極モーメントの値が出力ギア１０から離れるに伴って減少するような構造であれば、弾性部材の外形は変わらず内部が中空である構造等で材料の肉厚が変化している弾性部材であっても同じ効果は得られる。
【００６６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図９は、本発明の第３実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図８（ａ）は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図８（ｂ）は、拘束部分の断面図である。図９（ａ）は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図９（ｂ）は、拘束部分の断面図である。
【００６７】
なお、本第３実施形態では、弾性部材及び拘束部材が上記第１実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００６８】
本第３実施形態の弾性部材３０２は、軸方向Ｙに延びて形成され、軸線Ｇを中心に回転自在に軸受１１（図１参照）に支持され、先端部３０２ａから回転力を出力する。また、本第３実施形態の拘束部材３１３は、伝達部材３に設けられ、弾性部材３０２の一部分に接触して弾性部材３０２を拘束し、超音波モータ６（図１参照）の駆動により伝達部材３と一体に軸方向Ｙに移動する。これにより、拘束部材３１３は、弾性部材３０２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。
【００６９】
弾性部材３０２は、図８及び図９に示すように、軸方向Ｙに直交する方向の断面における断面２次極モーメントが、先端部３０２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材３０２の断面形状は、出力ギア１０から軸方向Ｙに離れるに伴って断面２次極モーメントＩｐ（断面積）が徐々に小さくなっている。
【００７０】
拘束部材３１３は、弾性部材３０２を挟むように伝達部材３に回転自在に支持された第１回転体としてのローラ部３３１、及び第２回転体としてのローラ部３３２を有している。各ローラ部３３１，３３２は、伝達部材３に形成された嵌合穴３２の開口端近傍に配置されている。そして、ローラ部３３１とローラ部３３２とは、弾性部材３０２を挟んで互いに対向して配置されている。
【００７１】
ローラ部３３１は、第１大ローラとしての大ローラ３３１ａと、大ローラ３３１ａの両側に配置された、大ローラ３３１ａよりも小径の一対の第１小ローラとしての一対の小ローラ３３１ｂ，３３１ｂと、からなる。これらローラ３３１ａ，３３１ｂ，３３１ｂは、伝達部材３に固定されたローラ軸３３１ｃに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ３３１ａ，３３１ｂ，３３１ｂは、ローラ軸３３１ｃを介して伝達部材３に回転自在に支持されている。
【００７２】
ローラ部３３２は、第２大ローラとしての大ローラ３３２ａと、大ローラ３３２ａの両側に配置された、大ローラ３３２ａよりも小径の一対の第２小ローラとしての一対の小ローラ３３２ｂ，３３２ｂと、からなる。これらローラ３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｂは、伝達部材３に固定されたローラ軸３３２ｃに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｂは、ローラ軸３３１ｃを介して伝達部材３に回転自在に支持されている。
【００７３】
弾性部材３０２は、外周に軸方向Ｙに延びて形成され、ローラ部３３１に接触する第１被拘束面である被拘束面３２１、及びローラ部３３２に接触する第２被拘束面である被拘束面３２２を有する。
【００７４】
被拘束面３２１は、軸方向Ｙに向かって第１端３２１ａから中間部３２１ｃまでは、一対の小ローラ３３１ｂ，３３１ｂに接触し、中間部３２１ｃから第２端３２１ｂまでは、大ローラ３３１ａに接触するように段差を有して形成されている。第１端３２１ａは、被拘束面３２１において先端部３０２ａの近傍の端である。第２端３２１ｂは、被拘束面３２１において先端部３０２ａに対して最も遠い端である。
【００７５】
被拘束面３２２は、軸方向Ｙに向かって第１端３２２ａから中間部３２２ｃまでは、一対の小ローラ３３２ｂ，３３２ｂに接触し、中間部３２２ｃから第２端３２２ｂまでは、大ローラ３３２ａに接触するように段差を有して形成されている。第１端３２２ａは、被拘束面３２２において先端部３０２ａの近傍の端である。第２端３２２ｂは、被拘束面３２２において先端部３０２ａに対して最も遠い端である。
【００７６】
具体的に説明すると、棒状の弾性部材２は、出力ギア１０に近いＬｓの範囲では両端部が厚く中央部は薄いＨ字型の断面形状であり、この範囲の断面２次極モーメントＩｐの値は大きくなっている。一方、弾性部材２のＬｍの範囲では、−字型の断面形状であり、この範囲の断面２次極モーメントＩｐの値は、Ｌｓの範囲よりも小さくなっている。
【００７７】
つまり、弾性部材３０２は、Ｌｓの範囲で一対の小ローラ３３１ｂ，３３１ｂに接触する、被拘束面３２１の一部である一対の面３５１，３５１を有している。また、弾性部材３０２は、Ｌｓの範囲で一対の小ローラ３３２ｂ，３３２ｂに接触する、被拘束面３２２の一部である一対の面３５２，３５２を有している。また、弾性部材３０２は、Ｌｍの範囲で大ローラ３３１ａに接触する、被拘束面３２１の一部である面３５３と、Ｌｍの範囲で大ローラ３３２ａに接触する、被拘束面３２２の一部である面３５４と、を有している。
【００７８】
合計６つのローラからなる拘束部材３１３のうち、２つの大ローラ３３１ａ，３３２ａは、弾性部材３０２の−字型の断面形状の部分であるＬｍの範囲では弾性部材３０２の被拘束面３２１，３２２にＷｍの幅で接触し、弾性部材３０２の捩じれを拘束している。
【００７９】
また、拘束部材３１３のうち、４つの小ローラ３３１ｂ，３３２ｂは、弾性部材３０２のＨ字型の断面形状の部分であるＬｓの範囲では弾性部材３０２の被拘束面３２１，３２２の両側の部分にＷｓの幅で接触し、弾性部材３０２の捩じれを拘束している。
【００８０】
以上、本第３実施形態では、直径の異なる複数のローラ３３１ａ，３３１ｂ及びローラ３３２ａ，３３２ｂによって弾性部材３０２を拘束する構成である。このように、拘束する各ローラに直径差を持たせることで、弾性部材３０２の先端部３０２ａに近い位置での断面２次極モーメントＩｐの値を、非常に大きくできる効果がある。これにより、最大剛性Ｋｍａｘを、図５で説明した第１実施形態の構成での値よりもさらに高い値に設定することが可能となる。従って、本第３実施形態の構成は、より高い最大剛性Ｋｍａｘの値が要求される仕様において有効である。
【００８１】
また、本第３実施形態では、断面形状が変化した弾性部材３０２にそれぞれのローラ３３１ａ，３３１ｂ，３３２ａ，３３２ｂが接触し捩じれを拘束する構成なので、弾性部材３０２の断面形状の変化に追従し接触させるための特別なローラ変位機構等が不要となる。よって、各ローラ３３１ａ，３３１ｂ，３３２ａ，３３２ｂとローラ軸３３１ｃ，３３２ｃを含めた伝達部材ユニット自体の剛性が低下することもない。
【００８２】
なお、本第３実施形態では、図８及び図９に示したように直径の異なる２種類ローラによって弾性部材３０２の捩じれを拘束する構成であるが、２種類以上の複数の外径の異なるローラを配置しても良い。
【００８３】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図１０は、本発明の第４実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図１１は、本発明の第４実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図１０（ａ）は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図１０（ｂ）は、拘束部分の断面図である。図１１（ａ）は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図１１（ｂ）は、拘束部分の断面図である。
【００８４】
なお、本第４実施形態では、弾性部材及び拘束部材が上記第１実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００８５】
本第４実施形態の弾性部材４０２は、軸方向Ｙに延びて形成され、軸線Ｇを中心に回転自在に軸受１１（図１参照）に支持され、先端部４０２ａから回転力を出力する。この弾性部材４０２は、先端部４０２ａから離れるに連れて細くなる円錐台形状をした棒状に形成されている。また、本第４実施形態の拘束部材４１３は、伝達部材３に設けられ、弾性部材４０２の一部分に接触して弾性部材４０２を拘束し、超音波モータ６（図１参照）の駆動により伝達部材３と一体に軸方向Ｙに移動する。これにより、拘束部材４１３は、弾性部材４０２に対する接触位置（拘束位置）が軸方向Ｙに移動する。
【００８６】
弾性部材４０２は、図１０及び図１１に示すように、軸方向Ｙに直交する方向の断面における断面２次極モーメントが、先端部４０２ａから軸方向Ｙに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材４０２の断面形状は、出力ギア１０から軸方向Ｙに離れるに伴って断面２次極モーメントＩｐ（断面積）が徐々に小さくなっている。
【００８７】
弾性部材４０２には、軸方向Ｙと直交する方向に貫通する貫通穴４２０が形成されている。この貫通穴４２０は、軸方向Ｙに延びる長穴状に形成されている。貫通穴４２０は、軸方向Ｙに延びる、互いに対向する一対の被拘束面４２１，４２２を有している。
【００８８】
拘束部材４１３は、一対の被拘束面４２１，４２２に接触するように貫通穴４２０に挿通して設けられた円筒体としてのローラ部４３１を有している。ローラ部４３１は、伝達部材３に形成された嵌合穴３２の開口端近傍に配置されている。
【００８９】
ローラ部４３１は、小円筒部としての小ローラ４３１ａと、小ローラ４３１ａの両側に配置された、小ローラ４３１ａよりも大径の一対の大円筒部としての一対の大ローラ４３１ｂ，４３１ｂと、からなる。これらローラ４３１ａ，４３１ｂ，４３１ｂは、伝達部材３に固定されたローラ軸４３１ｃに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ４３１ａ，４３１ｂ，４３１ｂは、ローラ軸４３１ｃを介して伝達部材３に回転自在に支持されている。
【００９０】
被拘束面４２１は、軸方向Ｙに向かって第１端４２１ａから中間部４２１ｃまでは、一対の大ローラ４３１ｂ，４３１ｂに接触し、中間部４２１ｃから第２端４２１ｂまでは、小ローラ４３１ａに接触するように段差を有して形成されている。第１端４２１ａは、被拘束面４２１において先端部４０２ａの近傍の端である。第２端４２１ｂは、被拘束面４２１において先端部４０２ａに対して最も遠い端である。
【００９１】
被拘束面４２２は、軸方向Ｙに向かって第１端４２２ａから中間部４２２ｃまでは、一対の大ローラ４３１ｂ，４３１ｂに接触し、中間部４２２ｃから第２端４２２ｂまでは、小ローラ４３１ａに接触するように段差を有して形成されている。第１端４２２ａは、被拘束面４２２において先端部４０２ａの近傍の端である。第２端４２２ｂは、被拘束面４２２において先端部４０２ａに対して最も遠い端である。
【００９２】
つまり、弾性部材４０２は、Ｌｓの範囲で一対の大ローラ４３１ｂ，４３１ｂに接触する、被拘束面４２１の一部である一対の面４５１，４５１と、被拘束面４２２の一部である一対の面４５２，４５２と、を有している。また、弾性部材４０２は、Ｌｍの範囲で小ローラ４３１ａに接触する、被拘束面４２１の一部である面４５３と、被拘束面４２２の一部である面４５４と、を有している。
【００９３】
具体的に説明すると、小ローラ４３１ａは、弾性部材４０２の被拘束面４２１，４２２にＷｍの幅で接触し、弾性部材４０２の捩じれを拘束している。また、大ローラ４３１ｂ，４３１ｂは、弾性部材４０２の被拘束面４２１，４２２にＷｓの幅で接触し、弾性部材４０２の捩じれを拘束している。
【００９４】
以上、本第４実施形態でも上記第３実施形態と同様に、弾性部材４０２の先端部４０２ａに近い位置での断面２次極モーメントＩｐの値を非常に大きくすることができる。従って、出力ギア１０（先端部４０２ａ）の最大剛性を大きく設定することが可能となる。
【００９５】
なお、本第４実施形態では、図１０及び図１１に示したように直径の異なる２種類ローラによって弾性部材４０２の捩じれを拘束する構成であるが、２種類以上の複数の外径の異なるローラを配置しても良い。
【００９６】
［第５実施形態］
次に、第５実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図１２は、第５実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図１２（ａ）は関節駆動機構の上面図、図１２（ｂ）は関節駆動機構の側面図を示している。本第５実施形態の関節駆動機構は、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５３と、を備えている。リンク５１の一端は基体５３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５１の他端には、軸受５４が固定され、リンク５２の一端には、軸受５４に回転可能に支持された軸５５が固定されている。この軸５５の一端には、傘歯車である関節ギア５６が接続されている。
【００９７】
本第５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１実施形態の剛性可変駆動装置１００を備えており、剛性可変駆動装置１００は、基体５３に固定されている。
【００９８】
剛性可変駆動装置１００の出力ギア１０は、傘歯車であり、関節ギア５６に噛合している。よって、出力ギア１０が回転すると、関節ギア５６が軸受５４を中心に回転し、リンク５２が軸受５４を中心に旋回する。剛性可変駆動装置１００の駆動モータ５は、制御回路（不図示）で駆動トルクを制御されている。また、剛性可変駆動装置１００の超音波モータ６も他の制御回路（不図示）で捩れモーメントを制御されている。これらの制御回路でリンク５２を駆動している。
【００９９】
図１２（ｂ）には、リンク５２を駆動モータ５の駆動により関節角度θｐの位置に旋回させた状態である。この関節角度θｐの位置で超音波モータ６を駆動させ、伝達部材３をスライドさせることで、出力ギア１０の捩れモーメントを自由に変えることができる。このように駆動モータ５による関節角度と、超音波モータ６による関節Ｊまわりの捩れ剛性をそれぞれ独立して制御することができる。
【０１００】
本第５実施形態によれば、リンク５２の関節Ｊまわりの捩れ剛性を関節角度に関係なく、低剛性から高剛性まで自由に設定でき、ダイナミックな動作と高い位置決め動作の両立が可能となる。
【０１０１】
［第６実施形態］
次に、第６実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図１３は、第６実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図１３（ａ）は関節駆動機構の上面図、図１３（ｂ）は関節駆動機構の側面図を示している。本第６実施形態の関節駆動機構は、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５３と、を備えている。リンク５１の一端は基体５３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５１の他端には、軸受５４が固定され、リンク５２の一端には、軸受５４に回転可能に支持された軸５５が固定されている。この軸５５の両端には、傘歯車である関節ギア５６１，５６２が接続されている。
【０１０２】
本第６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１実施形態の２つの剛性可変駆動装置１００１，１００２を備えており、剛性可変駆動装置１００１，１００２は、基体５３に固定されている。２つの剛性可変駆動装置１００１，１００２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１００１，１００２は、リンク５１の両側に配置されている。
【０１０３】
剛性可変駆動装置１００１の出力ギア１０１は、傘歯車であり、関節ギア５６１に噛合している。また、剛性可変駆動装置１００２の出力ギア１０２は、傘歯車であり、関節ギア５６２に噛合している。剛性可変駆動装置１００１，１００２の軸受５４まわりの構成は、上記第５実施形態と同様であり、説明を省略する。
【０１０４】
拮抗配置した剛性可変駆動装置１００１，１００２によって、関節ギア５６１，５６２を同じ方向に駆動すると、剛性可変駆動装置１００１，１００２の駆動トルクの和を、リンク５２に与えることができる。
【０１０５】
また、剛性可変駆動装置１００１，１００２によって関節ギア５６１，５６２を互いに逆方向に駆動すると、剛性可変駆動装置１００１，１００２の駆動トルクの差を、リンク５２に与えることができる。
【０１０６】
剛性可変駆動装置１００１，１００２の駆動トルクに差を持たせてリンク５２を駆動すると、出力ギア１０１，１０２と関節ギア５６１，５６２とのバックラッシュ（ギア間のガタ）小さくすることができる。
【０１０７】
これにより目標位置に対する高い位置決めが可能となる。このように本第４実施形態では、２つの剛性可変駆動装置１００１，１００２を拮抗配置することで、大きな関節駆動トルクと更に高い位置決め動作が可能となる。
【０１０８】
［第７実施形態］
次に、第７実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図１４は、第７実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図１４（ａ）は関節駆動機構の側面図、図１４（ｂ）は関節駆動機構の正面図を示している。本第７実施形態の関節駆動機構は、パワーアシスト装置７０００であり、第１リンクであるリンク７０１と、第２リンクであるリンク７０２と、を備えている。リンク７０１の一端とリンク７０２の一端とが関節Ｊで旋回可能に連結されている。
【０１０９】
具体的に説明すると、リンク７０１の一端には、軸受７０４が固定され、リンク７０２の一端には、軸受７０４に回転可能に支持された傘歯車である関節ギア７０３が固定されている。
【０１１０】
本第７実施形態では、パワーアシスト装置３０００は、関節Ｊを駆動する、上記第１実施形態の剛性可変駆動装置１００を備えており、剛性可変駆動装置１００は、リンク７０１に固定されている。
【０１１１】
剛性可変駆動装置１００の出力ギア１０は、傘歯車であり、関節ギア７０３に噛合している。よって、出力ギア１０が回転すると、関節ギア７０３が軸受７０４を中心に回転し、リンク７０２が軸受７０４を中心に旋回する。
【０１１２】
パワーアシスト装置７０００は、人体Ｈの下肢部に装着される。リンク７０１は、人体Ｈの大腿Ｈｃの部分に配置されて、ベルト７０５で大腿Ｈｃに固定される。リンク７０２は、人体Ｈの下腿Ｈａの部分に配置されて、ベルト７０６で下腿Ｈａに固定される。
【０１１３】
剛性可変駆動装置１００の弾性部材２は、大腿Ｈｃと並行して配置されている。弾性部材２の有効長を変えることで関節ギア７０３まわりのトルクおよび剛性を可変する。これにより膝関節Ｈｂまわりの関節トルクを補助する構成となっている。そして、剛性可変駆動装置１００は、リンク７０２を旋回させることで、下腿Ｈａへ駆動力を伝達することができる。
【０１１４】
剛性可変駆動装置１００の駆動モータ５と超音波モータ６も上記第５実施形態で説明した制御回路（不図示）によって駆動される。
【０１１５】
以下、膝関節の屈伸動作を例に説明する。図１４（ａ）のような膝関節Ｈｂが比較的伸びた姿勢から深く折れ曲げるような動作では、超音波モータ６によって出力ギア１０を低剛性にした状態で駆動モータ５の駆動力によって膝関節Ｈｂを折り曲げ運動へ導く。このとき、人体Ｈの重力等で出力ギア１０に外力が働いている。同時に、駆動モータ５の駆動は、回転軸４（図１参照）の回転をロック、または出力ギア１０に働いている外力に対抗する方向のブレーキが働く駆動トルクで回転する。すると、駆動モータ５の駆動トルクと外力による出力ギア１０のトルクとの差で弾性部材２に捩れの変位が発生する。つまり、弾性部材２に捩れのエネルギーが蓄積させるのである。
【０１１６】
次に、膝関節Ｈｂを折曲げた姿勢から超音波モータ６によって弾性部材２の有効長Ｌを短くして捩れ剛性を高めると、さらに蓄積された弾性部材２の捩れエネルギーを増加させることができる。膝関節Ｈｂを伸ばして短い時間に飛び跳ねる瞬発的動作時には、駆動モータ５による駆動と共にこの増加させた捩れ蓄積エネルギーを開放させることで俊敏でダイナミックな動きが可能となる。
【０１１７】
また、比較的ゆっくりした歩行動作では、着地する時、超音波モータ６によって中間程度の捩れ剛性にする。これにより弾性部材２によって着地の衝撃を吸収することができる。駆動モータ５の駆動によって地面を蹴り上げた後には超音波モータ６によって出力ギア１０を最小の剛性にすることで自然で違和感のない歩行動作が得られる。
【０１１８】
また、剛性可変駆動装置１００は出力ギア１０の捩れ剛性と駆動トルクを連動させて自由に変えることができるので、個人差のある人体の脚力および複雑な姿勢に対応した適切なパワーアシストが可能となる。本第７実施形態では、人体の膝関節まわりのパワーアシスト装置の構成であるが、人体および生物の上肢等の他の関節部位にも適用しても良い。
【０１１９】
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。
【０１２０】
上記第５〜第７実施形態では、剛性可変駆動装置が上記第１実施形態の剛性可変駆動装置１００である場合について説明したが、上記第２〜第４実施形態の剛性可変駆動装置であってもよい。
【０１２１】
また、上記第５〜第７実施形態では、剛性可変駆動装置がロボットアームやパワーアシスト装置に適用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く、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。
【０１２２】
また、上記第１〜第４実施形態では、伝達部材駆動部として、リング型の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。
【符号の説明】
【０１２３】
２…弾性部材、２ａ…先端部、３…伝達部材、４…回転軸、５…駆動モータ（回転駆動部）、６…超音波モータ（伝達部材駆動部）、１３…拘束部材、３２…嵌合穴、１００…剛性可変駆動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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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