(57)【要約】【課題】筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができ、また力の検出手段や、検出した力のフィードバック制御系を用いずに、応答を高速化する。【解決手段】関節駆動機構１００は、関節部Ｊで旋回するリンク１を拮抗して駆動することにより、関節部Ｊに駆動力による駆動トルクを作用させるモータ７ａ，７ｂを備えている。また、関節駆動機構１００は、関節部Ｊに作用させる弾性力を発生するバネ２５と、駆動力を発生するモータ８ａと、モータ８ａの駆動量に応じてバネ２５の弾性力を設定する弾性力設定機構２０と、を備えている。また、関節駆動機構１００は、弾性力設定機構２０に設定されたバネ２５の弾性力を関節部Ｊに伝達する弾性力伝達機構２１を備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節部で旋回するリンクを拮抗して駆動することにより、前記関節部に駆動力による駆動トルクを作用させる第１駆動源及び第２駆動源を備えた関節駆動機構において、
前記関節部に作用させる弾性力を発生する弾性部材と、
駆動力を発生する第３駆動源と、
前記第３駆動源の駆動量に応じて前記弾性部材の弾性力を設定する弾性力設定機構と、
前記弾性部材の弾性力を前記関節部に伝達する弾性力伝達機構と、を備えたことを特徴とする関節駆動機構。
【請求項２】
前記弾性力設定機構は、前記弾性部材の弾性力として、前記弾性部材の伸縮長を設定することを特徴とする請求項１に記載の関節駆動機構。
【請求項３】
前記弾性力設定機構は、
互いに間隔をあけて対向して配置された第１レール及び第２レールと、
前記弾性部材の第１端が接続され、前記第１レールに沿って移動する第１スライダと、
前記弾性部材の第２端が接続され、前記第２レールに沿って移動する第２スライダと、
前記第３駆動源の駆動により前記第１レール及び前記第２レールのうち少なくとも１つのレールを揺動させて、前記第１レールと前記第２レールとの間の角度を設定する揺動機構と、を有することを特徴とする請求項２に記載の関節駆動機構。
【請求項４】
前記弾性力伝達機構の出力端の接続を前記第１駆動源の出力端又は前記第２駆動源の出力端に切り替えるスイッチング機構を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の関節駆動機構。
【請求項５】
基台と、
前記基台より直列に複数の関節部を介して直列に連結された複数のリンクと、
前記複数の関節部のうちいずれかの関節部を駆動する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の関節駆動機構と、を備えたことを特徴とするロボットアーム。
【請求項６】
前記第１駆動源、前記第２駆動源及び前記第３駆動源が、前記基台に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節のロボットアームに使用される関節駆動機構及び関節駆動機構を備えたロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な工業製品の組み立て等の作業に利用される多関節のロボットアームにおいて、ワークのピッキングや搬送の高速化による作業効率改善に対する要求が高まっている。また一方では多関節のロボットアームにおいて、生体に類似した筋（アクチュエータ）と骨格構造により柔軟かつ俊敏な動作を実現し、これを上記のような作業に応用することが検討されている。さらには同様の構造を、人との接触を想定した作業における柔軟性の向上に適用することも検討されている。これらの多関節のロボットアームにおいては、関節の回りの弾性を、作業内容や周囲の状況に応じて変化させる機能が必要となる。
【０００３】
ここで、弾性を有するとともに収縮力の発生が可能なアクチュエータである空気圧駆動ゴム人工筋（ＭｃＫｉｂｂｅｎ型アクチュエータ）を使用した関節駆動機構が開示されている（特許文献１参照）。この例においては２つのＭｃＫｉｂｂｅｎ型アクチュエータを、それぞれに発生する収縮力が関節の両側に拮抗して作用するように配置し、各々のアクチュエータに供給する空気の圧力を調整することにより、関節の角度及び関節の剛性（弾性）の制御を行っている。
【０００４】
特許文献１に開示されている空気圧駆動ゴム人工筋は、ゴムチューブとその周囲を覆う網状チューブからなり、ゴムチューブ内に圧縮空気を供給することによって収縮力を発生させるアクチュエータである。ここで圧縮空気、およびゴムチューブと網状スリーブの構造が持つ非線形な弾性により、収縮力の発生と同時に弾性も変化する特性を有している。
【０００５】
しかしながら、空気圧駆動ゴム人工筋の収縮力特性および弾性は、構造や材料に関わるさまざまな要因に依存し、任意に所望の収縮力特性と、所望の弾性とを実現することは容易にはできない。また動作時にゴムチューブと網状スリーブが擦れ合うので、この摩擦力が出力特性におけるヒステリシスの原因になるという大きな問題がある。さらには、空気の圧力制御はバルブの開閉動作を伴うので、リンクを高速で動作させることが困難である。
【０００６】
これに対し、空気圧駆動ゴム人工筋と同等の機能を果たすアクチュエータとして、出力ｕを発生する収縮要素、および出力−ｋ（ｕ）ｘを発生する弾性要素を並列に接続したアクチュエータが示されている（特許文献２参照）。ｘは収縮量、ｋ（ｕ）は弾性要素の弾性率であり、弾性率が収縮力ｕに依存して変化する（ｕの関数である）ことを表している。
【０００７】
この特許文献２には、弾性率が収縮力ｕと一定の比例係数ｋの積（ｋｕ）である場合の特性曲線が示されている。さらに特許文献２には、このような特性を備えたアクチュエータの具体的な実施例として、弾性要素と駆動源を直列に接続した構成のアクチュエータが開示されている。即ち、駆動源であるモータは歯車機構を介して弾性要素であるバネの一端を駆動し、バネの他端より梃子を介して出力を取り出す構成となっている。さらにバネの変位量（バネに作用する力）と、バネの一端の位置とを計測する２つのポテンショメータを備え、計測された結果に基づいてモータによりバネの一端を駆動するように制御すれば、みかけ上、上述のモデルと等価な出力特性が得られるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１２１７８３号公報
【特許文献２】特開２００５−９６０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２では、ポテンショメータ等バネの変位の検出器（力の検出器）を必要とすることに加え、その検出信号によりモータを駆動しバネを変位させるフィードバック制御系を必要とする。フィードバック制御系を用いた場合、フィードバック制御系の周波数特性により応答速度が制限され、リンクを高速で動作させることが困難である。
【００１０】
そこで、本発明は、筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができ、また力の検出手段や、検出した力のフィードバック制御系を用いずに、応答を高速化することができる関節駆動機構及びロボットアームを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の関節駆動機構は、関節部で旋回するリンクを拮抗して駆動することにより、前記関節部に駆動力による駆動トルクを作用させる第１駆動源及び第２駆動源を備えた関節駆動機構において、前記関節部に作用させる弾性力を発生する弾性部材と、駆動力を発生する第３駆動源と、前記第３駆動源の駆動量に応じて前記弾性部材の弾性力を設定する弾性力設定機構と、前記弾性部材の弾性力を前記関節部に伝達する弾性力伝達機構と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のロボットアームは、基台と、前記基台より直列に複数の関節部を介して直列に連結された複数のリンクと、前記複数の関節部のうちいずれかの関節部を駆動する上記関節駆動機構と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができ、また力の検出手段や、検出した力のフィードバック制御を用いないので応答を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す側面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す側面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す側面図である。
【図１３】本発明の各第１〜第４実施形態におけるリンクの旋回角度に対するトルクの変化を示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る関節駆動機構を備えたロボットアームの概略構成及び動作を示す説明図である。
【図１５】本発明の第５実施形態におけるロボットアームの第１関節部周辺の斜視図である。
【図１６】本発明の第６実施形態に係る関節駆動機構を備えたロボットアームの概略構成及び動作を示す説明図である。
【図１７】本発明の第６実施形態におけるロボットアームの第１関節部周辺の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。リンク１の関節部Ｊとなる長手方向の第１端には、関節プーリ１０が取り付けられており、リンク１は、関節部Ｊで関節プーリ１０と一体に旋回可能に支持されている。関節駆動機構１００は、アクチュエータ２と、第１駆動力伝達機構としてのワイヤ３ａと、第２駆動力伝達機構としてのワイヤ３ｂと、を備えている。コントローラ６は、アクチュエータ２を駆動制御するものである。
【００１７】
図１（ａ）はリンク１の旋回角度を基準角度（θ＝０）とした状態、図１（ｂ）は反時計回り（θ＞０）に旋回した状態、図１（ｃ）は時計回り（θ＜０）に旋回した状態を示す。図１においては、アクチュエータ２の構成は簡略化して示し、具体的な構成については後述する。
【００１８】
アクチュエータ２は、第１駆動源として電磁モータであるモータ７ａと、第２駆動源として電磁モータであるモータ７ｂと、第１弾性可変機構としての弾性可変機構９ａと、第２弾性可変機構としての弾性可変機構９ｂとを有している。また、アクチュエータ２は、第３駆動源として電磁モータであるモータ８ａと、第４駆動源としての電磁モータであるモータ８ｂとを有している。これらモータ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂは、回転モータである。
【００１９】
またアクチュエータ２は、第１出力端Ｃ１と第２出力端Ｃ２とを有している。第１出力端Ｃ１には、モータ７ａと弾性可変機構９ａとが並列に接続され、第２出力端Ｃ２には、モータ７ｂと弾性可変機構９ｂとが並列に接続される。
【００２０】
また、第１出力端Ｃ１には、関節プーリ１０の一方の側に巻き付けられたワイヤ３ａが接続され、また第２出力端Ｃ２には、関節プーリ１０の他方の側に逆方向に巻き付けられたワイヤ３ｂが接続される。なお、ワイヤ３ａとワイヤ３ｂとは、連続した１本のワイヤで構成してもよい。
【００２１】
第１出力端Ｃ１より出力されたワイヤ３ａを引く力と、第２出力端Ｃ２より出力されたワイヤ３ｂを引く力とは、それぞれ関節プーリ１０に伝達されて、関節プーリ１０、即ち関節部Ｊに対して互いに拮抗するトルクとして作用する。つまり、モータ７ａ及びモータ７ｂは、関節部Ｊで旋回するリンク１を拮抗して駆動することにより、関節部Ｊに駆動力による駆動トルクを作用させる。
【００２２】
次にアクチュエータ２の具体的な構成について説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。モータ７ａはプーリ２２ａを回転駆動し、モータ７ｂはプーリ２２ｂを回転駆動する。プーリ２２ａには第１出力端Ｃ１が設けられ、プーリ２２ｂには第２出力端Ｃ２が設けられている。ワイヤ３ａは、プーリ２２ａに巻き付けられて第１出力端Ｃ１に接続され、ワイヤ３ｂは、プーリ２２ｂに巻き付けられて第２出力端Ｃ２に接続される。モータ８ａ，８ｂには、駆動軸としての回転軸３５が接続されている。
【００２３】
図３及び図４は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す側面図である。なお、弾性可変機構９ａと弾性可変機構９ｂとは、形状が対称である点を除いて構成が同一であり、図２、図３及び図４において各弾性可変機構９ａ，９ｂを構成する同一部分については、同一の符号で示す。
【００２４】
図２（ａ）、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すリンク１の回動角を中心（θ＝０）とし、図２（ｂ）、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は反時計回り（θ＞０）、図２（ｃ）、図３（ｃ）及び図４（ｃ）は時計回り（θ＜０）にリンク１が旋回した状態を示す。
【００２５】
図２及び図３に示すように、弾性可変機構９ａ（９ｂ）は、弾性部材としての引っ張りコイルバネ（以下、単に「バネ」という）２５と、モータ８ａの駆動量（回転量）に応じてバネ２５の弾性力を設定する弾性力設定機構２０と、を備えている。また、弾性可変機構９ａ（９ｂ）は、バネ２５の弾性力を関節部Ｊに伝達する弾性力伝達機構２１を備えている。
【００２６】
弾性力設定機構２０は、第１スライダであるスライダ２３ａと、第２スライダであるスライダ２３ｂとを有している。また、弾性力設定機構２０は、直動ガイド機構であるガイド機構２４と、第１レールであるレール２７１Ａ及びレール２７２Ａと、第２レールであるレール２７１Ｂ及びレール２７２Ｂと、ローラ２６ａ，２６ｂとを有している。また、弾性力設定機構２０は、第１レール支持部材であるレール支持部材２９１Ａ及びレール支持部材２９２Ａと、第２レール支持部材であるレール支持部材２９１Ｂ及びレール支持部材２９２Ｂとを有している。また、弾性力設定機構２０は、第１揺動機構部である揺動機構部１６ａ及び第２揺動機構部である揺動機構部１６ｂからなる揺動機構１６を有している。揺動機構部１６ａは、回転軸３５に設けられたウォーム歯車部３６ａと、ウォーム歯車部３６ａに噛合する歯車３４ａとを有している。また、揺動機構部１６ｂは、回転軸３５に設けられたウォーム歯車部３６ｂと、ウォーム歯車部３６ｂに噛合する歯車３４ｂとを有している。
【００２７】
また、弾性力伝達機構２１は、ラック２８と、ラック２８の歯に噛合する歯車３３と、第１端に歯車３３が固定された支持軸３２と、支持軸３２の第１端に対して反対側の第２端に固定された傘歯歯車３１と、を有している。また、弾性力伝達機構２１は、プーリ２２ａ（２２ｂ）に取り付けられ、傘歯歯車３１に噛合する傘歯歯車３０を有している。
【００２８】
レール２７１Ａ，２７２Ａと、レール２７１Ｂ，２７２Ｂとは、互いに間隔をあけて対向して配置されている。そして、スライダ２３ａは、レール２７１Ａ，２７２Ａに摺動自在に設けられ、スライダ２３ｂは、レール２７１Ｂ，２７２Ｂに摺動自在に設けられている。
【００２９】
スライダ２３ａ，２３ｂは、ガイド機構２４によって、同一直線上を直動可能に支持されている。バネ２５の第１端は、スライダ２３ａに接続され、第１端に対して反対側の第２端は、スライダ２３ｂに接続されている。
【００３０】
スライダ２３ａには、ローラ２６ａが取り付けられ、スライダ２３ｂには、ローラ２６ｂが取り付けられている。そして、スライダ２３ａは、ローラ２６ａがレール２７１Ａ又はレール２７２Ａ上を回転することにより、レール２７１Ａ又はレール２７２Ａに沿って移動する。また、スライダ２３ｂは、ローラ２６ｂがレール２７１Ｂ又はレール２７２Ｂ上を回転することにより、レール２７１Ｂ又はレール２７２Ｂに沿って移動する。
【００３１】
ローラ２６ａは、バネ２５の引っ張り力（付勢力、即ち弾性力）により、レール２７１Ａ又はレール２７２Ａに対して付勢されている。また、ローラ２６ｂは、バネ２５の引っ張り力（付勢力、即ち弾性力）により、レール２７１Ｂ又はレール２７２Ｂに対して付勢されている。
【００３２】
また、ガイド機構２４には、直動方向（図３及び図４中、矢印Ｙ方向）に対して垂直な垂直方向（図２〜図４中、矢印Ｘ方向）に延びるラック２８が取り付けられている。そして、スライダ２３ａ，２３ｂがレール２７１Ａ，２７２Ａ，２７１Ｂ，２７２Ｂに沿ってスライドすることにより、スライダ２３ａ，２３ｂを支持したガイド機構２４、バネ２５及びラック２８が一体となって矢印Ｘ方向に移動する。
【００３３】
レール支持部材２９１Ａとレール支持部材２９２Ａとは、一端が不図示の同一の回動軸により回動可能に支持されている。同様に、レール支持部材２９１Ｂとレール支持部材２９２Ｂとは、一端が不図示の同一の回動軸により回動可能に支持される。
【００３４】
また、レール２７１Ａとレール２７２Ａとは、それぞれレール支持部材２９１Ａとレール支持部材２９２Ａとに取り付けられ、それぞれの一端が連結点Ｊａにおいて回動可能に連結される。レール支持部材２９１Ａとレール支持部材２９２Ａの回動に伴い、レール２７１Ａとレール２７２Ａも連結点Ｊａの回りに回動する。
【００３５】
同様にレール２７１Ｂとレール２７２Ｂとは、それぞれレール支持部材２９１Ｂとレール支持部材２９２Ｂとに取り付けられ、それぞれの一端が連結点Ｊｂにおいて回動可能に連結される。レール支持部材２９１Ｂとレール支持部材２９２Ｂの回動に伴い、レール２７１Ｂとレール２７２Ｂも連結点Ｊｂの回りに回動する。レール２７１Ａとレール２７２Ａは連結点Ｊａにおいて、またレール２７１Ｂとレール２７２Ｂは連結点Ｊｂにおいて、不図示の軸と軸受手段によって支持されているものとする。
【００３６】
なおローラ２６ａは、連結点Ｊａ上を越えて、レール２７１Ａとレール２７２Ａとの間の行き来が可能であり、ローラ２６ｂも、連結点Ｊｂ上を越えて、レール２７１Ｂとレール２７２Ｂとの間の行き来が可能である。
【００３７】
本第１実施形態では、ラック２８がバネ２５の長さの変化を伴って矢印Ｘ方向に移動する場合、ラック２８にバネ２５の弾性力が発生し、この弾性力が歯車３３、支持軸３２、傘歯歯車３１、傘歯歯車３０へと順次伝達される。弾性可変機構９ａの傘歯歯車３０に伝達された弾性力は、弾性可変機構９ａの傘歯歯車３０からプーリ２２ａへと伝達され、第１出力端Ｃ１より出力される。同様に、弾性可変機構９ｂの傘歯歯車３０に伝達された弾性力は、弾性可変機構９ｂの傘歯歯車３０からプーリ２２ｂへと伝達され、第２出力端Ｃ２より出力される。
【００３８】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、回転軸３５には、互いに間隔をあけてウォーム歯車部３６ａ及びウォーム歯車部３６ｂが設けられている。そして、ウォーム歯車部３６ａとウォーム歯車部３６ｂとは、互いに逆進する形状、即ちねじ山が互いに逆方向に形成される。
【００３９】
ウォーム歯車部３６ａは歯車３４ａに噛合し、ウォーム歯車部３６ｂは歯車３４ｂに噛合している。レール支持部材２９１Ａの回動中心には、歯車３４ａが取り付けられ、レール支持部材２９１Ｂの回動中心には、歯車３４ｂが取り付けられている。これにより、レール２７１Ａは、レール支持部材２９１Ａと一体に歯車３４ａの回動に伴って揺動し、レール２７１Ｂは、レール支持部材２９１Ｂと一体に歯車３４ｂの回動に伴って揺動する。
【００４０】
また、レール支持部材２９２Ａとレール支持部材２９１Ｂとの間には、不図示の歯車による連動機構が設けられ、これによりレール支持部材２９２Ａは、レール支持部材２９１Ｂの回動に連動して、同一方向に同一角度回動する。同様に、レール支持部材２９２Ｂとレール支持部材２９１Ａとの間には、不図示の歯車による連動機構が設けられ、これによりレール支持部材２９２Ｂは、レール支持部材２９１Ａの回動に連動して、同一方向に同一角度回動する。
【００４１】
モータ８ａ（８ｂ）の駆動により回転軸３５が回転すると、ウォーム歯車部３６ａに噛み合う歯車３４ａと、ウォーム歯車部３６ｂに噛み合う歯車３４ｂとが互いに逆方向に回転する。その結果、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、レール２７１Ａとレール２７１Ｂとは、レール支持部材２９１Ａとレール支持部材２９１Ｂとが互いに逆方向に揺動することにより、互いに逆方向に揺動する。さらに、レール支持部材２９１Ａに連動してレール支持部材２９２Ｂが揺動し、レール支持部材２９１Ｂに連動してレール支持部材２９２Ａが揺動する。
【００４２】
即ち、モータ８ａの駆動量（回転軸３５の回転量）に対応して、弾性可変機構９ａにおけるレール２７１Ａ、２７２Ａ、２７１Ｂ、２７２Ｂの揺動角度を設定することができる。また、モータ８ｂの駆動量（回転軸３５の回転量）に対応して、弾性可変機構９ｂにおけるレール２７１Ａ、２７２Ａ、２７１Ｂ、２７２Ｂの揺動角度を設定することができる。
【００４３】
つまり、揺動機構１６は、モータ８ａ（８ｂ）の駆動によりレール２７１Ａとレール２７１Ｂとを互いに逆方向に揺動させると共に、レール２７２Ａとレール２７２Ｂとを互いに逆方向に揺動させる。これにより、レール２７１Ａとレール２７１Ｂとの間の角度及びレール２７２Ａとレール２７２Ｂとの間の角度を設定する。
【００４４】
次に弾性可変機構９ａ及び弾性可変機構９ｂの動作について説明する。なお、図３は、コントローラ６（図１）から弾性可変機構９ａ及び弾性可変機構９ｂへ出力される指令値が、共に低弾性率（弾性率＝０）に対応する場合を示している。
【００４５】
指令値に基づきモータ８ａとモータ８ｂは回転軸３５を回転駆動し、レール２７１Ａとレール２７１Ｂ、レール２７２Ａとレール２７２Ｂが互いに平行になるように設定する。
【００４６】
ガイド機構２４が図３（ａ）に示す初期位置（リンク１の旋回角度θ＝０に対応する位置）から図３（ｂ）に示す位置（リンク１の旋回角度θ＞０に対応する位置）に移動したとしても、スライダ２３ａとスライダ２３ｂとの間隔が一定である。また、ガイド機構２４が図３（ａ）に示す初期位置（リンク１の旋回角度θ＝０に対応する位置）から図３（ｃ）に示す位置（リンク１の旋回角度θ＜０に対応する位置）に移動したとしても、スライダ２３ａとスライダ２３ｂとの間隔が一定である。したがって、バネ２５の長さは変化せず、ラック２８には図３（ｂ）または図３（ｃ）に示す位置から図３（ａ）に示す位置に戻そうとする力、即ち弾性力は発生しない。
【００４７】
図４は、弾性可変機構９ａ及び弾性可変機構９ｂへ出力される指令値が、共に高弾性率に対応する場合を示している。指令値に基づきモータ８ａとモータ８ｂは回転軸３５を回転駆動し、レール２７１Ａとレール２７１Ｂ、レール２７２Ａとレール２７２Ｂが所望の角度を成すように設定する。
【００４８】
ただし、レール２７１Ａとレール２７１Ｂの揺動角度は等しく互いに逆方向に回動し、レール２７２Ａはレール２７１Ｂと同一方向に同一角度揺動し、レール２７２Ｂはレール２７１Ａと同一方向に同一角度揺動する。その結果、レール２７１Ａとレール２７２Ａ、およびレール２７１Ｂとレール２７２Ｂは、図４に図示するようなＶ字形状を成す。
【００４９】
ガイド機構２４が図４（ａ）に示す初期位置（リンク１の揺動角度θ＝０に対応する位置）から図４（ｂ）に示す位置（リンク１の揺動角度θ＞０に対応する位置）に移動すると、スライダ２３ａとスライダ２３ｂとの間隔が広がり、バネ２５が伸長する。また、ガイド機構２４が図４（ａ）に示す初期位置（リンク１の揺動角度θ＝０に対応する位置）から図４（ｃ）に示す位置（リンク１の揺動角度θ＜０に対応する位置）に移動すると、スライダ２３ａとスライダ２３ｂとの間隔が広がり、バネ２５が伸長する。従ってラック２８には図４（ｂ）または図４（ｃ）に示す位置から図４（ａ）に示す位置に戻そうとする力、即ち弾性力が発生する。
【００５０】
弾性可変機構９ａから出力された弾性力は、プーリ２２ａに伝達され、モータ７ａが発生する駆動力とともに、第１出力端Ｃ１より出力される。また、弾性可変機構９ｂから出力された弾性力は、プーリ２２ｂに伝達され、モータ７ｂが発生する駆動力とともに、第２出力端Ｃ２より出力される。
【００５１】
なお上記の例は一例であって、コントローラ６から弾性可変機構９ａへの指令値と弾性可変機構９ｂへの指令値は、必ずしも同一ではなく、一方は低弾性率で他方は高弾性率の場合もある。
【００５２】
以上説明したように、弾性力設定機構２０は、モータ８ａの駆動量に対応する弾性率（つまり弾性力）に設定することができる。弾性率とは、出力する力を−Ｆ１、第１出力端Ｃ１の変位をｘ１としたとき、Ｆ１／ｘ１に相当する。
【００５３】
モータ８ａは、弾性可変機構９ａを駆動し、その駆動量ｄ１によって弾性可変機構９ａの弾性率を所望の値とするように調整する。また弾性可変機構９ｂも同様であり、弾性可変機構９ｂがモータ８ｂによって駆動される。出力する力を−Ｆ２、第２出力端Ｃ２の変位をｘ２としたとき、弾性率はＦ２／ｘ２に相当し、これが弾性可変機構９ｂの駆動量ｄ２によって所望の値となるように調整される。
【００５４】
ここでコントローラ６が、関節部Ｊに作用させるべき駆動トルクと弾性率に基づいて、モータ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂのそれぞれに対する指令値を生成し出力する。モータ７ａは、指令値に基づき力ｕ１を出力し、モータ７ｂは指令値に基づき力ｕ２を出力する。
【００５５】
また弾性可変機構９ａは、モータ８ａにより弾性力設定機構２０が駆動され、弾性率はｋｕ１となるように調整される。即ち弾性力として−Ｆ１＝−ｋｕ１ｘ１を出力する。ただしｋは長さの逆数の次元を持つ定数で、その値はあらかじめ設定されているものとする。その結果、第１出力端Ｃ１は、モータ７ａと弾性可変機構９ａの出力の和であるｕ１−ｋｕ１ｘ１を出力し、ワイヤ３ａを介して関節部ＪにトルクＴ１として作用させる。なおこの出力は常にｕ１≧０かつｕ１−ｋｕ１ｘ１≧０であるように制限されているものとする。
【００５６】
同様に弾性可変機構９ｂは、モータ８ｂにより弾性力設定機構２０が駆動され、弾性率はｋｕ２となるように調整される。即ち弾性力として−Ｆ２＝−ｋｕ２ｘ２を出力する。その結果、第２出力端Ｃ２は、モータ７ｂと弾性可変機構９ｂの出力の和であるｕ２−ｋｕ２ｘ２を出力し、ワイヤ３ｂを介して関節部ＪにトルクＴ２として作用させる。なおこの出力は常にｕ２≧０かつｕ２−ｋｕ２ｘ２≧０であるように制限されているものとする。
【００５７】
ここで力ｕ１，ｕ２、変位ｘ１，ｘ２は、図１において左方向（第１出力端Ｃ１、第２出力端Ｃ２が、ワイヤ３ａ，３ｂを引く方向）の符号を＋とする。関節プーリ１０の半径をｒとすると、ｘ１＝ｒθ、ｘ２＝−ｒθであるから、各トルクＴ１，Ｔ２は以下の式のようになる。ただし、旋回角度θ、トルクＴ１，Ｔ２は図１において反時計回りの方向の符号を＋とする。
Ｔ１＝ｕ１ｒ−ｋｕ１ｒ２θ  （１）
Ｔ２＝−ｕ２ｒ−ｋｕ２ｒ２θ  （２）
【００５８】
また関節部Ｊに作用する全トルクＴは以下の式のようになる。
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
＝（ｕ１−ｕ２）ｒ−ｋ（ｕ１＋ｕ２）ｒ２θ  （３）
【００５９】
ここで式（３）の第１項（ｕ１−ｕ２）ｒは、関節部Ｊに作用する駆動トルクに相当し、第２項−ｋ（ｕ１＋ｕ２）ｒ２θは、弾性トルクに相当する。また第２項におけるθの係数ｋ（ｕ１＋ｕ２）ｒ２は弾性率に相当する。このように関節部Ｊに作用する駆動トルクと弾性率は、共に２つの変数、即ち力ｕ１，ｕ２で決まるので、力ｕ１，ｕ２によって、所望の駆動トルクと弾性率が関節部Ｊに作用するように調整することができる。
【００６０】
図１３（ａ）にリンク１の旋回角度θに対するトルクの各成分の変化を示す。図１３（ａ）において太線は駆動トルクを示し、細線は弾性トルクを示す。また実線は第１出力端Ｃ１の出力によるトルク、破線は第２出力端Ｃ２の出力によるトルクを示す。
【００６１】
第１出力端Ｃ１の出力による駆動トルクｕ１ｒと弾性トルク−ｋｕ１ｒ２θ（２つの実線）の和であるＴ１は常に０以上であり、逆に第２出力端Ｃ２の出力による駆動トルク−ｕ２ｒと弾性トルク−ｋｕ２ｒ２θ（２つの破線）の和であるＴ２は常に０以下である。即ち第１駆動力伝達機構であるワイヤ３ａと第２駆動力伝達機構であるワイヤ３ｂには常に引く方向の力が作用する。従って、第１駆動力伝達機構および第２駆動力伝達機構は、必ずしも押し引き双方向の力の伝達が可能な機構である必要はなく、少なくとも引く方向の力の伝達が可能な機構であればよい。
【００６２】
以上、モータ７ａ，７ｂを駆動することにより、リンク１が旋回すると共に弾性可変機構９ａのラック２８が矢印Ｘ方向に移動し、このラック２８の移動に伴ってガイド機構２４が矢印Ｘ方向に移動する。
【００６３】
本第１実施形態では、弾性可変機構９ａの弾性力設定機構２０は、レール２７１Ａとレール２７１Ｂとの間の角度及びレール２７２Ａとレール２７２Ｂとの間の角度を設定することにより、バネ２５の伸縮長を設定している。より詳細にはバネ２５の基準長（対向するレール同士が平行な状態の長さ）に対する伸長を設定している。
【００６４】
つまり、弾性可変機構９ａの揺動機構１６は、レール２７１Ａとレール２７１Ｂとの間の角度及びレール２７２Ａとレール２７２Ｂとの間の角度を、モータ８ａの駆動量（回転量）に比例する角度に設定するものである。レール２７１Ａとレール２７１Ｂとの間の角度及びレール２７２Ａとレール２７２Ｂとの間の角度が広がるほど、バネ２５の伸長が長く設定され、バネ２５の弾性力が大きく設定される。
【００６５】
したがって、ガイド機構２４の矢印Ｘ方向の移動に伴ってバネ２５が伸長され、バネ２５にモータ８ａの駆動量（レール間の角度）に応じた弾性力が発生する。このバネ２５の弾性力は、ガイド機構２４からラック２８、歯車３３、支持軸３２、傘歯歯車３１、傘歯歯車３０に順次伝達され、プーリ２２ａ及びワイヤ３ａを介して、関節部Ｊに伝達される。
【００６６】
弾性可変機構９ｂについても弾性可変機構９ａと同様に動作し、関節部Ｊには、モータ８ｂの駆動量に応じたバネ２５の弾性力が伝達される。つまり、関節部Ｊには、モータ７ａ，７ｂによる駆動トルクが作用すると共に、モータ８ａ，８ｂに駆動されたバネ２５による弾性トルクが作用することとなる。
【００６７】
本第１実施形態によれば、弾性力設定機構２０をモータ８ａで駆動することにより、弾性率を変化させることができる。同様に、弾性力設定機構２０をモータ８ｂで駆動することによって、弾性率を変化させることができる。したがって、筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができる。
【００６８】
またアクチュエータ２を構成するローラ２６ａ，２６ｂや、すべての歯車の軸受部、およびスライダ２３ａ，２３ｂとガイド機構２４との摺動部には、低摩擦係数の摺動部材や、ボールベアリング等の低摩擦の軸受手段を用いることができる。これにより動作時の摩擦が低減し、出力特性におけるヒステリシスの発生を抑えることが可能である。
【００６９】
また、従来における空気圧駆動ゴム人工筋のように空気の圧力制御を必要としないので、動作を高速化することができる。特に駆動トルクを発生するための第１駆動源及び第２駆動源にダイレクトドライブの電磁モータであるモータ７ａ，７ｂを用いたことで、モータ７ａ，７ｂの電流制御によりトルクを調整することができる。その際、従来のように発生する力の検出器や、力のフィードバック制御は不要であるから、応答を高速化することができる。
【００７０】
また、本第１実施形態では、駆動力伝達機構が少なくとも引く方向の力の伝達が可能な機構でよいので、駆動力伝達機構をワイヤやベルトなどの柔軟性のある線状部材或いは帯状部材で構成でき、関節駆動機構１００が軽量なものとなる。
【００７１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る関節駆動機構について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００７２】
リンク１の関節部Ｊとなる長手方向の第１端には、歯車１１が取り付けられており、リンク１は、関節部Ｊで歯車１１と一体に旋回可能に支持されている。関節駆動機構２００は、アクチュエータ２０２と、第１駆動力伝達機構としてのラック４ａと、第２駆動力伝達機構としてのラック４ｂと、を備えている。コントローラ６は、アクチュエータ２０２を駆動制御するものである。
【００７３】
図５（ａ）はリンク１の旋回角度を基準角度（θ＝０）とした状態、図５（ｂ）は反時計回り（θ＞０）に旋回した状態、図５（ｃ）は時計回り（θ＜０）に旋回した状態を示す。図５においては、アクチュエータ２０２の構成は簡略化して示している。
【００７４】
アクチュエータ２０２は、第１駆動源として電磁モータであるモータ７ａと、第２駆動源として電磁モータであるモータ７ｂと、弾性可変機構９と、第３駆動源として電磁モータであるモータ８とを有している。これらモータ７ａ，７ｂ，８は、回転モータである。
【００７５】
またアクチュエータ２０２は、第１出力端Ｃ１と第２出力端Ｃ２とを有している。第１出力端Ｃ１には、モータ７ａと弾性可変機構９とが並列に接続され、第２出力端Ｃ２には、モータ７ｂが接続されている。
【００７６】
また、第１出力端Ｃ１には、歯車１１の一方の側に噛み合うラック４ａが接続され、また第２出力端Ｃ２は、歯車１１の他方の側に噛み合うラック４ｂが接続される。
【００７７】
第１出力端Ｃ１より出力されラック４ａを押し引きする力と、第２出力端Ｃ２より出力されラック４ｂを押し引きする力とは、それぞれ歯車１１に伝達されて、歯車１１に対して逆方向に拮抗するトルク、または同方向に協働するトルクとして作用する。
【００７８】
次にアクチュエータ２０２の具体的な構成について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。モータ７ａは歯車４０ａを回転駆動し、モータ７ｂは歯車４０ｂを回転駆動する。ラック４ａ及びラック４ｂには、それぞれ歯車１１と噛み合う側と反対の側にも歯が形成されており、歯車４０ａと歯車４０ｂに噛み合う。歯車４０ａがラック４ａと噛み合って駆動力を伝達する位置が、第１出力端Ｃ１であり、歯車４０ｂがラック４ｂと噛み合って駆動力を伝達する点が、第２出力端Ｃ２である。モータ８には、駆動軸としての回転軸３５が接続されている。
【００７９】
次に弾性可変機構９について説明する。弾性可変機構９は、上記第１実施形態と同様、弾性部材としての引っ張りコイルバネであるバネ２５、弾性力設定機構２０及び弾性力伝達機構２１を有している。
【００８０】
コントローラ６（図５）からの指令値に基づき、モータ８は回転軸３５を回転駆動し、弾性力設定機構２０のレール２７１Ａ、２７１Ｂとレール２７２Ａ、２７２Ｂ（図３）とが所望の傾斜を成すように調整する。
【００８１】
ガイド機構２４には、直動方向に対して垂直な矢印Ｘ方向に延びるラック２８が取り付けられている。また支持軸３２にはラック２８に噛み合う歯車３３と、傘歯歯車３１が取り付けられている。モータ７ａが駆動する歯車４０ａには、一体的に傘歯歯車３０が取り付けられており、傘歯歯車３１と噛み合っている。バネ２５（図３）の長さの変化を伴ってラック２８が移動する場合、ラック２８に弾性力が発生し、これが歯車３３、支持軸３２、傘歯歯車３１へと順次伝達される。さらにこの弾性力は、傘歯歯車３０から歯車４０ａへと伝達され、ここでモータ７ａが発生する駆動力とともに、第１出力端Ｃ１より出力される。
【００８２】
以上説明したように、弾性可変機構９は、弾性力設定機構２０を有しており、この弾性力設定機構２０をモータ８で駆動することによって弾性率を変えることができる。弾性率とは、出力する力を−Ｆ、第１出力端Ｃ１の変位をｘ１としたとき、Ｆ／ｘ１に相当する。モータ８は、弾性可変機構９の弾性力設定機構２０を駆動し、その駆動量ｄによって弾性可変機構９の弾性率を所望の値とするように調整する。
【００８３】
ここでコントローラ６が、関節部Ｊに作用させるべき駆動トルクと弾性率に基づいて、モータ７ａ，７ｂ，８のそれぞれに対する指令値を生成し出力する。モータ７ａは、指令値に基づき力ｕ１を出力し、モータ７ｂは、指令値に基づき力ｕ２を出力する。なおこれらの力ｕ１，ｕ２の方向は特に制限されておらず、押す方向および引く方向の出力が可能であるものとする。
【００８４】
また弾性可変機構９は、モータ８により弾性力設定機構２０が駆動され、弾性率はｋＵ（ただしＵ＝ｕ１＋ｕ２）となるように調整される。即ち弾性力として−Ｆ＝−ｋＵｘ１を出力する。ただしｋは長さの逆数の次元を持つ定数で、その値はあらかじめ設定されているものとする。その結果、第１出力端Ｃ１は、モータ７ａと弾性可変機構９の出力の和であるｕ１−ｋＵｘ１を出力し、ラック４ａを介して関節部ＪにトルクＴ１として作用させる。また第２出力端Ｃ２は力ｕ２を出力し、ラック４ｂを介して関節部ＪにトルクＴ２として作用させる。
【００８５】
ここで力ｕ１，ｕ２、変位ｘ１は、図５において左方向（第１出力端Ｃ１、第２出力端Ｃ２が、ラック４ａ，４ｂを引く方向）の符号を＋とする。歯車１１の半径をｒとすると、ｘ１＝ｒθであるから、各トルクＴ１，Ｔ２は以下の式のようになる。ただし、旋回角度θ、トルクＴ１，Ｔ２は図５において反時計回りの方向の符号を＋とする。
Ｔ１＝ｕ１ｒ−ｋＵｒ２θ  （４）
Ｔ２＝−ｕ２ｒ  （５）
【００８６】
また関節部Ｊに作用する全トルクＴは以下の式のようになる。
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
＝（ｕ１−ｕ２）ｒ−ｋＵｒ２θ  （６）
【００８７】
ここで式（６）の第１項（ｕ１−ｕ２）ｒは、関節部Ｊに作用する駆動トルクに相当し、第２項−ｋＵｒ２θは、弾性トルクに相当する。また第２項におけるθの係数ｋＵｒ２は弾性率に相当する。このように関節部Ｊに作用する駆動トルクと弾性率は、共に２つの変数、即ち力ｕ１と力ｕ２とで決まるので、力ｕ１と力ｕ２によって、所望の駆動トルクと弾性率が関節部Ｊに作用するように調整することができる。
【００８８】
図１３（ｂ）にリンク１の旋回角度θに対するトルクの各成分の変化を示す。図１３（ｂ）において太線は駆動トルクを示し、細線は弾性トルクを示す。また実線は第１出力端Ｃ１の出力によるトルク、破線は第２出力端Ｃ２の出力によるトルクを示す。
【００８９】
第１出力端Ｃ１の出力による駆動トルクｕ１ｒと弾性トルク−ｋＵｒ２θ（２つの実線）の和であるＴ１は正にも負にもなる。また第２出力端Ｃ２の出力による駆動トルクＴ２は、図１３（ｂ）においてはｕ２＞０の場合を示したので常に０以下であるが、本第２実施形態においては力ｕ２の出力方向に制限を設けていないので正にも負にもなる。従って第１駆動力伝達機構、および第２駆動力伝達機構は押し引き双方向の力の伝達が可能な機構とする必要がある。
【００９０】
以上、本第２実施形態によれば、弾性力設定機構２０をモータ８で駆動することにより、弾性率を変化させることができる。したがって、筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができる。
【００９１】
またアクチュエータ２０２を構成するローラ２６ａ，２６ｂや、すべての歯車の軸受部、およびスライダ２３ａ，２３ｂとガイド機構２４との摺動部には、低摩擦係数の摺動部材や、ボールベアリング等の低摩擦の軸受手段を用いることができる。これにより動作時の摩擦が低減し、出力特性におけるヒステリシスの発生を抑えることが可能である。
【００９２】
また、従来における空気圧駆動ゴム人工筋のように空気の圧力制御を必要としないので、動作を高速化することができる。特に駆動トルクを発生するための第１駆動源及び第２駆動源にダイレクトドライブの電磁モータであるモータ７ａ，７ｂを用いたことで、モータ７ａ，７ｂの電流制御によりトルクを調整することができる。その際、従来のように発生する力の検出器や、力のフィードバック制御は不要であるから、応答を高速化することができる。
【００９３】
また、本第２実施形態によれば、上記第１実施形態に示したような第２弾性可変機構及び第４駆動源を省略することが可能であり、関節駆動機構２００を小型化することができる。
【００９４】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る関節駆動機構について説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。図８は、本発明の第３実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００９５】
リンク１の関節部Ｊとなる長手方向の第１端には、関節プーリ１０が取り付けられており、リンク１は、関節部Ｊで関節プーリ１０と一体に旋回可能に支持されている。関節駆動機構３００は、アクチュエータ３０２と、第１駆動力伝達機構としてのワイヤ３ａと、第２駆動力伝達機構としてのワイヤ３ｂと、を備えている。コントローラ６は、アクチュエータ３０２を駆動制御するものである。
【００９６】
図７（ａ）はリンク１の旋回角度を基準角度（θ＝０）とした状態、図７（ｂ）は反時計回り（θ＞０）に旋回した状態、図７（ｃ）は時計回り（θ＜０）に旋回した状態を示す。図７においては、アクチュエータ３０２の構成は簡略化して示している。
【００９７】
アクチュエータ３０２は、第１駆動源として電磁モータであるモータ７ａと、第２駆動源として電磁モータであるモータ７ｂと、弾性可変機構３０９と、第３駆動源として電磁モータであるモータ８とを有している。これらモータ７ａ，７ｂ，８は、回転モータである。また、アクチュエータ３０２は、第１出力端Ｃ１と、第２出力端Ｃ２と、第３出力端Ｃ３とを有している。第１出力端Ｃ１にはモータ７ａが、第２出力端Ｃ２にはモータ７ｂが、第３出力端Ｃ３には弾性可変機構３０９がそれぞれ接続される。
【００９８】
モータ７ａは、プーリ５０ａを回転駆動し、モータ７ｂはプーリ５０ｂを回転駆動する。プーリ５０ａには第１出力端Ｃ１が設けられ、プーリ５０ｂには第２出力端Ｃ２が設けられている。ワイヤ３ａは、一端がプーリ５０ａに巻き付けられて第１出力端Ｃ１に接続され、他端が関節プーリ１０の一方の側に巻き付けられている。ワイヤ３ｂは、一端がプーリ５０ｂに巻き付けられて第２出力端Ｃ２に接続され、他端が関節プーリ１０の他方の側に逆方向に巻き付けられている。なお、ワイヤ３ａとワイヤ３ｂとは、連続した１本のワイヤで構成してもよい。
【００９９】
第１出力端Ｃ１より出力されたワイヤ３ａを引く力と、第２出力端Ｃ２より出力されたワイヤ３ｂを引く力とは、それぞれ伝達されて関節プーリ１０に対して互いに拮抗するトルクとして作用する。
【０１００】
弾性可変機構３０９は、上記第１実施形態と同様、弾性部材としての引っ張りコイルバネであるバネ２５（図３）と、弾性力設定機構２０とを備えている。また、弾性可変機構３０９は、バネ２５（図３）の弾性力を関節部Ｊに伝達する弾性力伝達機構３２１を備えている。
【０１０１】
弾性力伝達機構３２１は、弾性力設定機構２０のガイド機構２４に取り付けられたラック３０５と、関節プーリ１０に取り付けられ、ラック３０５に噛合する扇形の歯車１２とを有している。ラック３０５は、ガイド機構２４の直動方向に対して垂直な垂直方向（矢印Ｘ方向）に延びて形成されている。
【０１０２】
第３出力端Ｃ３には、歯車１２に噛み合うラック３０５が接続される。モータ８は、コントローラ６からの指令値に基づき、回転軸３５を回転駆動し、レール２７１Ａ，２７１Ｂ、及びレール２７２Ａ、２７２Ｂ（図３）が所望の傾斜を成すように調整する。そして、バネ２５の長さの変化を伴ってガイド機構２４が移動する場合に発生する弾性力は、第３出力端Ｃ３から出力される。第３出力端Ｃ３より出力される弾性力は、ラック３０５及び歯車１２により関節プーリ１０に伝達されて、歯車１２に対するトルクとして作用する。本第３実施形態においては、弾性可変機構３０９が接続される第３出力端Ｃ３は、第１出力端Ｃ１および第２出力端Ｃ２とは異なっているが、関節部Ｊに対しては、弾性可変機構３０９とモータ７ａとは並列に接続されている。
【０１０３】
以上説明したように、弾性可変機構３０９は、弾性力設定機構２０を有しており、この弾性力設定機構２０をモータ８で駆動することによって弾性率を変えることができる。弾性率とは、出力する力を−Ｆ、第３出力端Ｃ３の変位をｘ３としたとき、Ｆ／ｘ３に相当する。モータ８は、弾性可変機構３０９の弾性力設定機構２０を駆動し、その駆動量ｄによって弾性可変機構３０９の弾性率を所望の値とするように調整する。
【０１０４】
ここでコントローラ６が、関節部Ｊに作用させるべき駆動トルクと弾性率に基づいて、モータ７ａ，７ｂ，８のそれぞれに対する指令値を生成し出力する。モータ７ａは、指令値に基づき力ｕ１を出力し、モータ７ｂは、指令値に基づき力ｕ２を出力する。その結果、第１出力端Ｃ１は力ｕ１を出力し、ワイヤ３ａを介して関節部ＪにトルクＴ１として作用させ、第２出力端Ｃ２は力ｕ２を出力し、ワイヤ３ｂを介して関節部ＪにトルクＴ２として作用させる。なおこれらの出力は常にｕ１≧０、ｕ２≧０であるように制限されているものとする。
【０１０５】
また弾性可変機構３０９は、モータ８により弾性力設定機構２０が駆動され、弾性率はｋＵ（ただしＵ＝ｕ１＋ｕ２）となるように調整される。即ち弾性力として−Ｆ＝−ｋＵｘ３を出力する。ただしｋは長さの逆数の次元を持つ定数で、その値はあらかじめ設定されているものとする。第３出力端Ｃ３はこの弾性力を出力し、ラック３０５及び歯車１２を介して関節部ＪにトルクＴ３として作用させる。
【０１０６】
ここで力ｕ１、ｕ２、変位ｘ３は、図７において左方向（第１出力端Ｃ１、第２出力端Ｃ２が、ワイヤ３ａ，３ｂを引く方向）の符号を＋とする。関節プーリ１０および歯車１２の半径をともにｒ（図においては便宜上歯車１２の半径がｒよりも大きく描かれている）とすると、ｘ３＝ｒθであるから、各トルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３は以下の式のようになる。ただし、旋回角度θ、トルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３は図７において反時計回りの方向の符号を＋とする。
Ｔ１＝ｕ１ｒ  （７）
Ｔ２＝−ｕ２ｒ  （８）
Ｔ３＝−ｋＵｒ２θ  （９）
【０１０７】
また関節部Ｊに作用する全トルクＴは以下の式のようになる。
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３
＝（ｕ１−ｕ２）ｒ−ｋＵｒ２θ  （１０）
【０１０８】
ここで式（１０）の第１項（ｕ１−ｕ２）ｒは関節部Ｊに作用する駆動トルクに相当し、第２項−ｋＵｒ２θは弾性トルクに相当する。また第２項におけるθの係数ｋＵｒ２は弾性率に相当する。このように関節部Ｊに作用する駆動トルクと弾性率は、共に２つの変数、即ち力ｕ１と力ｕ２とで決まるので、力ｕ１と力ｕ２によって、所望の駆動トルクと弾性率が関節部Ｊに作用するように調整することができる。
【０１０９】
図１３（ｃ）にリンク１の旋回角度θに対するトルクの各成分の変化を示す。図１３（ｃ）において太線は駆動トルクを示し、実線は第１出力端Ｃ１の出力によるトルク、破線は第２出力端Ｃ２の出力によるトルクを示す。また一点鎖線は第３出力端Ｃ３の出力による弾性トルクを示す。
【０１１０】
第１出力端Ｃ１の出力による駆動トルクＴ１（＝ｕ１ｒ）は常に０以上であり、第２出力端Ｃ２の出力による駆動トルクＴ２（＝−ｕ２ｒ）は常に０以下である。即ち第１駆動力伝達機構であるワイヤ３ａと第２駆動力伝達機構であるワイヤ３ｂには常に引く方向の力が作用する。従って本第３実施形態においては、第１駆動力伝達機構および第２駆動力伝達機構は、必ずしも押し引き双方向の力の伝達が可能な機構である必要はなく、少なくとも引く方向の力の伝達が可能な機構であればよい。また第３出力端Ｃ３の出力による弾性トルクＴ３（＝−ｋＵｒ２θ）は、正にも負にもなる。従って弾性力伝達機構３２１は押し引き双方向の力の伝達が可能な機構とする必要がある。
【０１１１】
以上、本第３実施形態によれば、弾性力設定機構２０をモータ８で駆動することにより、弾性率を変化させることができる。したがって、筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができる。
【０１１２】
またアクチュエータ３０２を構成するローラ２６ａ，２６ｂや、すべての歯車の軸受部、およびスライダ２３ａ，２３ｂとガイド機構２４との摺動部には、低摩擦係数の摺動部材や、ボールベアリング等の低摩擦の軸受手段を用いることができる。これにより動作時の摩擦が低減し、出力特性におけるヒステリシスの発生を抑えることが可能である。
【０１１３】
また、従来における空気圧駆動ゴム人工筋のように空気の圧力制御を必要としないので、動作を高速化することができる。特に駆動トルクを発生するための第１駆動源及び第２駆動源にダイレクトドライブの電磁モータであるモータ７ａ，７ｂを用いたことで、モータ７ａ，７ｂの電流制御によりトルクを調整することができる。その際、従来のように発生する力の検出器や、力のフィードバック制御は不要であるから、応答を高速化することができる。
【０１１４】
また、本第３実施形態では、駆動力伝達機構が少なくとも引く方向の力の伝達が可能な機構でよいので、駆動力伝達機構をワイヤやベルトなどの柔軟性のある線状部材或いは帯状部材で構成でき、関節駆動機構３００が軽量なものとなる。
【０１１５】
また、本第３実施形態によれば、上記第１実施形態に示したような第２弾性可変機構及び第４駆動源を省略することが可能であり、関節駆動機構３００を小型化することができる。
【０１１６】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構について説明する。図９は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の概略構成及び動作を示す説明図である。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【０１１７】
リンク１の関節部Ｊとなる長手方向の第１端には、関節プーリ１０が取り付けられており、リンク１は、関節部Ｊで関節プーリ１０と一体に旋回可能に支持されている。関節駆動機構４００は、アクチュエータ４０２と、第１駆動力伝達機構としてのワイヤ３ａと、第２駆動力伝達機構としてのワイヤ３ｂと、を備えている。コントローラ６は、アクチュエータ４０２を駆動制御するものである。
【０１１８】
図９（ａ）はリンク１の旋回角度を基準角度（θ＝０）とした状態、図９（ｂ）は反時計回り（θ＞０）に旋回した状態、図９（ｃ）は時計回り（θ＜０）に旋回した状態を示す。図９においては、アクチュエータ４０２の構成は簡略化して示し、具体的な構成については後述する。
【０１１９】
アクチュエータ４０２は、第１駆動源として電磁モータであるモータ７ａと、第２駆動源として電磁モータであるモータ７ｂと、弾性可変機構４０９と、第３駆動源として電磁モータであるモータ８と、スイッチング機構１３とを有している。これらモータ７ａ，７ｂ，８は、回転モータである。
【０１２０】
スイッチング機構１３は、係合部１４ａ，１４ｂと、被係合部１５と、を有している。係合部１４ａはモータ７ａに接続され、第１出力端Ｃ１が一体的に設けられている。係合部１４ｂはモータ７ｂに接続され、第２出力端Ｃ２が一体的に設けられている。さらに被係合部１５は弾性可変機構４０９に接続されている。
【０１２１】
また第１出力端Ｃ１には、関節プーリ１０の一方の側に巻き付けられたワイヤ３ａが接続され、また第２出力端Ｃ２には、関節プーリ１０の他方の側に逆方向に巻き付けられたワイヤ３ｂが接続される。ワイヤ３ａとワイヤ３ｂとは、連続した１本のワイヤで構成してもよい。第１出力端Ｃ１より出力されたワイヤ３ａを引く力と、第２出力端Ｃ２より出力されたワイヤ３ｂを引く力とは、それぞれ関節プーリ１０に伝達されて、関節プーリ１０、即ち関節部Ｊに対して互いに拮抗するトルクとして作用する。
【０１２２】
ここでスイッチング機構１３は以下のように動作する。図９（ａ）に示すθ＝０の旋回角度において、係合部１４ａ及び係合部１４ｂの両方が、被係合部１５に対して係合する。このときの被係合部１５の変位をｘ３＝０とする。図９（ｂ）に示すθ＞０の旋回角度においては、係合部１４ｂと被係合部１５とが係合して一体となって変位し、係合部１４ａは、被係合部１５から離間する。従って第２出力端Ｃ２の変位をｘ２とすると、ｘ３＝ｘ２となる。また図９（ｃ）に示すθ＜０の旋回角度においては、被係合部１５と係合部１４ａとが係合して一体となって変位し、係合部１４ｂは被係合部１５から離間する。従って第１出力端Ｃ１の変位をｘ１とすると、ｘ３＝ｘ１となる。
【０１２３】
このようにスイッチング機構１３を介することによって、弾性可変機構４０９の接続状態はθ＝０を境に切り替わり、θ＞０のときには第２出力端Ｃ２に接続され、θ＜０のときには第１出力端Ｃ１に接続される。
【０１２４】
なお図９に示したアクチュエータ４０２においては、スイッチング機構１３の動作を理解しやすくするため、その構成を簡略化し、係合部１４ａ，１４ｂ及び被係合部１５は単純な形状の部材として示した。
【０１２５】
次にアクチュエータ４０２の具体的な構成について説明する。図１０は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す上面図である。なお、図１０（ａ）に示すリンク１の旋回角度を中心（θ＝０）とし、図１０（ｂ）は反時計回り（θ＞０）、図１０（ｃ）は時計回り（θ＜０）にリンク１が旋回した状態を示す。
【０１２６】
モータ７ａはプーリ６０ａを回転駆動し、モータ７ｂはプーリ６０ｂを回転駆動する。またプーリ６０ａには第１出力端Ｃ１が設けられ、プーリ６０ｂには第２出力端Ｃ２が設けられる。ワイヤ３ａはプーリ６０ａに巻き付けられ、第１出力端Ｃ１に接続され、ワイヤ３ｂはプーリ６０ｂに巻き付けられ、第２出力端Ｃ２に接続されている。
【０１２７】
図１１及び図１２は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動機構の詳細構成及び動作を示す側面図である。なお、図１１（ａ）及び図１２（ａ）は反時計回り（θ＞０）、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）は時計回り（θ＜０）にリンク１が旋回した状態を示す。
【０１２８】
図１０及び図１１に示すように、弾性可変機構４０９は、弾性部材としての引っ張りコイルバネであるバネ２５と、モータ８の駆動量（回転量）に応じてバネ２５の弾性力を設定する弾性力設定機構４２０と、を備えている。また、弾性可変機構４０９は、バネ２５の弾性力を関節部Ｊに伝達する弾性力伝達機構４２１を備えている。
【０１２９】
弾性力設定機構４２０は、第１スライダであるスライダ２３ａと、第２スライダであるスライダ２３ｂとを有している。また、弾性力設定機構４２０は、直動ガイドであるガイド機構２４と、第１レールであるレール２７ａと、第２レールであるレール２７ｂと、ローラ２６ａ，２６ｂとを有している。また、弾性力設定機構４２０は、第１レール支持部材であるレール支持部材２９ａと、第２レール支持部材であるレール支持部材２９ｂとを有している。また、弾性力設定機構４２０は、第１揺動機構部である揺動機構部４１６ａ及び第２揺動機構部である揺動機構部４１６ｂからなる揺動機構４１６を有している。揺動機構部４１６ａは、回転軸３５に設けられたウォーム歯車部３６ａと、ウォーム歯車部３６ａに噛合する扇形の歯車６２ａとを有している。また、揺動機構部４１６ｂは、回転軸３５に設けられたウォーム歯車部３６ｂと、ウォーム歯車部３６ｂに噛合する扇形の歯車６２ｂとを有している。
【０１３０】
弾性力伝達機構４２１は、ラック２８と、ラック２８の歯に噛合する歯車３３と、を有している。
【０１３１】
スイッチング機構１３の被係合部１５は、中央部が歯車３３の中心を貫通して歯車３３に取り付けられた支持軸３２と、支持軸３２の第１端に固定された傘歯歯車３１ａと、支持軸３２の第２端に固定された傘歯歯車３１ｂと、を有している。また、被係合部１５は、モータ７ａの回転軸に対して回転自在にモータ７ａの回転軸に支持され、傘歯歯車３１ａに噛合する傘歯歯車６１ａを有している。また、被係合部１５は、モータ７ｂの回転軸に対して回転自在にモータ７ｂの回転軸に支持され、傘歯歯車３１ｂに噛合する傘歯歯車６１ｂを有している。また、被係合部１５は、傘歯歯車６１ａの側面に突出して設けた被係合ピン６４ａ及び傘歯歯車６１ａの側面に突出して設けた被係合ピン６４ｂを有している。
【０１３２】
スイッチング機構１３の係合部１４ａは、モータ７ａの回転軸に固定されたプーリ６０ａと、プーリ６０ａに突出して設けた係合ピン６３ａとを有して構成されている。また、係合部１４ｂは、モータ７ｂの回転軸に固定されたプーリ６０ｂと、プーリ６０ｂに突出して設けた係合ピン６３ｂとを有して構成されている。
【０１３３】
レール２７ａとレール２７ｂとは、互いに間隔をあけて対向して配置されている。そして、スライダ２３ａは、レール２７ａに摺動自在に設けられ、スライダ２３ｂは、レール２７ｂに摺動自在に設けられている。スライダ２３ａ，２３ｂは、ガイド機構２４によって、同一直線上を直動可能に支持されている。バネ２５の第１端は、スライダ２３ａに接続され、第１端に対して反対側の第２端は、スライダ２３ｂに接続されている。
【０１３４】
スライダ２３ａには、ローラ２６ａが取り付けられ、スライダ２３ｂには、ローラ２６ｂが取り付けられている。そして、スライダ２３ａは、ローラ２６ａが回転することにより、レール２７ａに沿って移動する。また、スライダ２３ｂは、ローラ２６ｂが回転することにより、レール２７ｂに沿って移動する。
【０１３５】
ローラ２６ａは、バネ２５の引っ張り力（付勢力、即ち弾性力）により、レール２７ａに対して付勢されている。また、ローラ２６ｂは、バネ２５の引っ張り力（付勢力、即ち弾性力）により、レール２７ｂに対して付勢されている。ガイド機構２４には、直動方向（矢印Ｙ方向）に対して垂直な垂直方向（矢印Ｘ方向）に延びるラック２８が取り付けられている。そして、スライダ２３ａ，２３ｂがレール２７ａ，２７ｂに沿ってスライドすることにより、スライダ２３ａ，２３ｂを支持したガイド機構２４、バネ２５及びラック２８が一体となって矢印Ｘ方向に移動する。
【０１３６】
レール２７ａは、レール支持部材２９ａに取り付けられ、レール支持部材２９ａの揺動に伴い、レール２７ａも揺動する。同様に、レール２７ｂは、レール支持部材２９ｂに取り付けられ、レール支持部材２９ｂの揺動に伴い、レール２７ｂも揺動する。
【０１３７】
回転軸３５には、互いに間隔をあけてウォーム歯車部３６ａ及びウォーム歯車部３６ｂが設けられている。そして、ウォーム歯車部３６ａとウォーム歯車部３６ｂとは、互いに逆進する形状、即ちねじ山が互いに逆方向に形成される。ウォーム歯車部３６ａは歯車６２ａに噛合し、ウォーム歯車部３６ｂは歯車６２ｂに噛合している。
【０１３８】
歯車６２ａは、不図示の軸及び軸受手段により回動可能に支持され、レール支持部材２９ａの一端は、歯車６２ａに固定されている。また、歯車６２ｂは、不図示の軸及び軸受手段により回動可能に支持され、レール支持部材２９ｂの一端は、歯車６２ｂに固定されている。これにより、レール２７ａは、レール支持部材２９ａと一体に歯車６２ａの回動に伴って揺動し、レール２７ｂは、レール支持部材２９ｂと一体に歯車６２ｂの回動に伴って揺動する。
【０１３９】
モータ８の駆動により回転軸３５が回転すると、ウォーム歯車部３６ａに噛み合う歯車６２ａと、ウォーム歯車部３６ｂに噛み合う歯車６２ｂとが互いに逆方向に回転する。その結果、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、レール２７ａとレール２７ｂとは、レール支持部材２９ａとレール支持部材２９ｂとが互いに逆方向に揺動することにより、互いに逆方向に揺動する。即ち、モータ８の駆動量（回転軸３５の回転量）に対応して、弾性可変機構４０９におけるレール２７ａ，２７ｂの揺動角度を設定することができる。
【０１４０】
つまり、揺動機構４１６は、モータ８の駆動によりレール２７ａとレール２７ｂとを互いに逆方向に揺動させる。これにより、レール２７ａとレール２７ｂとの間の角度を設定する。
【０１４１】
次に弾性可変機構４０９の動作について説明する。なお、図１１は、コントローラ６（図９）から弾性可変機構４０９へ出力される指令値が、低弾性率（弾性率＝０）に対応する場合を示している。
【０１４２】
指令値に基づきモータ８は、回転軸３５を回転駆動し、レール２７ａとレール２７ｂが互いに平行になるように設定する。このとき、ガイド機構２４が図１１（ａ）に示す初期位置（リンク１の旋回角度θ＝０に対応する位置）から図１１（ｂ）に示す位置（リンク１の旋回角度θ＞０またはθ＜０に対応する位置）に移動しても、スライダ２３ａとスライダ２３ｂとの間隔が一定である。したがって、バネ２５の長さは変化せず、ラック２８には図１１（ｂ）に示す位置から図１１（ａ）に示す位置に戻そうとする力、即ち弾性力は発生しない。
【０１４３】
図１２は、コントローラ６から弾性可変機構４０９へ出力される指令値が、高弾性率に対応する場合を示している。指令値に基づきモータ８は回転軸３５を回転駆動し、レール２７ａとレール２７ｂとの間の角度が所望の角度を成すように設定する。
【０１４４】
このとき、ガイド機構２４が図１２（ａ）に示す初期位置（リンク１の旋回角度θ＝０に対応する位置）から図１２（ｂ）に示す位置（リンク１の旋回角度θ＞０またはθ＜０に対応する位置）に移動すると、スライダ２３ａとスライダ２３ｂとの間隔が広がる。したがって、バネ２５が伸長し、ラック２８には図１２（ｂ）に示す位置から図１２（ａ）に示す位置に戻そうとする力、即ち弾性力が発生する。この弾性力は、歯車３３、支持軸３２、傘歯歯車３１ａ，３１ｂにより伝達され、傘歯歯車６１ａ，６１ｂより出力される。
【０１４５】
一方、図１０（ａ）に示す旋回角度θ＝０において、係合ピン６３ａは被係合ピン６４ａに係合し、係合ピン６３ｂは被係合ピン６４ｂに係合する。このときのガイド機構２４の変位ｘ３を０とする。
【０１４６】
次に図１０（ｂ）に示す旋回角度θ＞０の状態においては、プーリ６０ａとプーリ６０ｂは、共に図１０（ｂ）において時計回りに回転する。このとき、プーリ６０ｂから突出する係合ピン６３ｂが、傘歯歯車６１ｂから突出する被係合ピン６４ｂに係合し、被係合ピン６４ｂを押圧することによって、傘歯歯車６１ｂも一体となって時計回りに回転する。
【０１４７】
さらに傘歯歯車６１ｂに噛み合う傘歯歯車３１ｂ、並びに同一の支持軸３２に取り付けられた歯車３３及び傘歯歯車３１ａも同一方向に回転する。歯車３３は噛み合うラック２８を図１０（ｂ）において右方向に駆動し、ガイド機構２４の変位はｘ３＜０となる。一方、傘歯歯車６１ａは、傘歯歯車３１ａにより駆動され、反時計回りに回転する。その結果、プーリ６０ａの係合ピン６３ａと傘歯歯車６１ａの被係合ピン６４ａとは離間する。
【０１４８】
このとき、弾性可変機構４０９が高弾性率に対応した状態（図１２（ａ）又は図１２（ｂ）に示した状態）であるとする。ガイド機構２４の変位により発生する弾性力は、ラック２８より傘歯歯車６１ｂ、プーリ６０ｂを介して第２出力端Ｃ２より出力され、ワイヤ３ｂにより伝達されて、関節部Ｊに対してトルクとして作用する。
【０１４９】
次に図１０（ｃ）に示す旋回角度θ＜０の状態においては、プーリ６０ａとプーリ６０ｂは、共に図１０（ｃ）において反時計回りに回転する。このとき、プーリ６０ａから突出する係合ピン６３ａが、傘歯歯車６１ａから突出する被係合ピン６４ａに係合し、被係合ピン６４ａを押圧することによって、傘歯歯車６１ａも一体となって反時計回りに回転する。
【０１５０】
さらに傘歯歯車６１ａに噛み合う傘歯歯車３１ａ、並びに同一の支持軸３２に取り付けられた歯車３３及び傘歯歯車３１ｂも同一方向に回転する。歯車３３は噛み合うラック２８を図１０（ｃ）において右方向に駆動し、ガイド機構２４の変位はｘ３＜０となる。一方、傘歯歯車６１ｂは、傘歯歯車３１ｂにより駆動され、時計回りに回転する。その結果、プーリ６０ｂの係合ピン６３ｂと傘歯歯車６１ｂの被係合ピン６４ｂとは離間する。
【０１５１】
このとき、弾性可変機構４０９が高弾性率に対応した状態（図１２（ａ）又は図１２（ｂ）に示した状態）であるとする。ガイド機構２４の変位により発生する弾性力は、ラック２８より傘歯歯車６１ａ、プーリ６０ａを介して第１出力端Ｃ１より出力され、ワイヤ３ａにより伝達されて、関節部Ｊに対してトルクとして作用する。
【０１５２】
このようにスイッチング機構１３を介することによって、弾性力伝達機構４２１の出力端の接続状態はθ＝０を境に切り替わり、θ＞０のときには、第２出力端Ｃ２に接続され、θ＜０のときには第１出力端Ｃ１に接続される。
【０１５３】
以上説明したように、弾性可変機構４０９は、弾性力設定機構４２０を有しており、この弾性力設定機構４２０をモータ８で駆動することによって弾性率を変えることができる。弾性率とは、出力する力を−Ｆとしたとき、Ｆ／ｘ３に相当する。モータ８は、弾性可変機構４０９の弾性力設定機構４２０を駆動し、その駆動量ｄによって弾性可変機構４０９の弾性率を所望の値とするように調整する。
【０１５４】
ここでコントローラ６が、関節部Ｊに作用させるべき駆動トルクと弾性率に基づいて、モータ７ａ，７ｂ，８のそれぞれに対する指令値を生成し出力する。モータ７ａは、指令値に基づき力ｕ１を出力し、モータ７ｂは、指令値に基づき力ｕ２を出力する。なおこれらの出力は常にｕ１≧０、ｕ２≧０であるように制限されているものとする。
【０１５５】
また弾性可変機構４０９は、モータ８により弾性力設定機構４２０が駆動され、弾性率はｋＵ（ただしＵ＝ｕ１＋ｕ２）となるように調整される。即ち弾性力として−Ｆ＝−ｋＵｘ３を出力する。ただしｋは長さの逆数の次元を持つ定数で、その値はあらかじめ設定されているものとする。この弾性力は、スイッチング機構１３によって旋回角度θに応じて接続が切り替わる第１出力端Ｃ１又は第２出力端Ｃ２より出力され、ワイヤ３ａ又はワイヤ３ｂを介して関節プーリ１０にトルクとして作用する。
【０１５６】
ここで図９（ａ）に示すθ＝０の状態においては、ｘ３＝０、即ち弾性可変機構４０９からの出力は−Ｆ＝０である。その結果、第１出力端Ｃ１は力ｕ１を出力し、ワイヤ３ａを介して関節部ＪにトルクＴ１として作用させ、第２出力端Ｃ２は力ｕ２を出力し、ワイヤ３ｂを介して関節部ＪにトルクＴ２として作用させる。
【０１５７】
ここで力ｕ１，ｕ２、変位ｘ１，ｘ２，ｘ３は、図９において左方向（第１出力端Ｃ１、第２出力端Ｃ２が、ワイヤ３ａ，３ｂを引く方向）の符号を＋とする。関節プーリ１０の半径をｒとすると、各トルクＴ１，Ｔ２は以下の式のようになる。ただし、旋回角度θ、トルクＴ１，Ｔ２は図９において反時計回りの方向の符号を＋とする。
Ｔ１＝ｕ１ｒ  （１１）
Ｔ２＝−ｕ２ｒ  （１２）
【０１５８】
また関節部Ｊに作用する全トルクＴは以下の式のようになる。
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
＝（ｕ１−ｕ２）ｒ  （１３）
【０１５９】
次に図９（ｂ）に示すθ＞０の状態においては、スイッチング機構１３により弾性可変機構４０９の弾性力伝達機構４２１の出力端は第２出力端Ｃ２に接続され、変位はｘ３＝ｘ２となるので、弾性力として−Ｆ＝−ｋＵｘ２を出力する。その結果、第２出力端Ｃ２はモータ７ｂと弾性可変機構４０９の出力の和であるｕ２−ｋＵｘ２を出力し、ワイヤ３ｂを介して関節部ＪにトルクＴ２として作用させる。また第１出力端Ｃ１は力ｕ１を出力し、ワイヤ３ａを介して関節部ＪにトルクＴ１として作用させる。
【０１６０】
ここでｘ２＝−ｒθであるから、各トルクＴ１，Ｔ２は以下の式のようになる。
Ｔ１＝ｕ１ｒ  （１４）
Ｔ２＝−ｕ２ｒ−ｋＵｒ２θ  （１５）
【０１６１】
また関節部Ｊに作用する全トルクＴは以下の式のようになる。
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
＝（ｕ１−ｕ２）ｒ−ｋＵｒ２θ  （１６）
【０１６２】
次に図９（ｃ）に示すθ＜０の状態においては、スイッチング機構１３により弾性可変機構４０９の弾性力伝達機構４２１の出力端は第１出力端Ｃ１に接続され、変位はｘ３＝ｘ１となるので、弾性力として−Ｆ＝−ｋＵｘ１を出力する。その結果、第１出力端Ｃ１はモータ７ａと弾性可変機構４０９の出力の和であるｕ１−ｋＵｘ１を出力し、ワイヤ３ａを介して関節部ＪにトルクＴ１として作用させる。また第２出力端Ｃ２は力ｕ２を出力し、ワイヤ３ｂを介して関節部ＪにトルクＴ２として作用させる。
【０１６３】
ここでｘ１＝ｒθであるから、各トルクＴ１，Ｔ２は以下の式のようになる。
Ｔ１＝ｕ１ｒ−ｋＵｒ２θ  （１７）
Ｔ２＝−ｕ２ｒ  （１８）
【０１６４】
また関節部Ｊに作用する全トルクＴは以下の式のようになる。
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２
＝（ｕ１−ｕ２）ｒ−ｋＵｒ２θ  （１９）
【０１６５】
ここで式（１３）、式（１６）、式（１９）の第１項（ｕ１−ｕ２）ｒは、関節部Ｊに作用する駆動トルクに相当し、第２項−ｋＵｒ２θは、弾性トルクに相当する。また、第２項におけるθの係数ｋＵｒ２は、弾性率に相当する。このように関節部Ｊに作用する駆動トルクと弾性率は、共に２つの変数、即ち力ｕ１と力ｕ２とで決まるので、力ｕ１と力ｕ２とによって、所望の駆動トルクと弾性率が関節部Ｊに作用するように調整することができる。
【０１６６】
図１３（ｄ）にリンク１の回動角θに対するトルクの各成分の変化を示す。図１３（ｄ）において太線は駆動トルクを示し、細線は弾性トルクを示す。また実線は第１出力端Ｃ１の出力によるトルク、破線は第２出力端Ｃ２の出力によるトルクを示す。
【０１６７】
第１出力端Ｃ１の出力による駆動トルクｕ１ｒと弾性トルク−ｋｕ１ｒ２θ（２つの実線）の和であるＴ１は常に０以上であり、逆に第２出力端Ｃ２の出力による駆動トルク−ｕ２ｒと弾性トルク−ｋｕ２ｒ２θ（２つの破線）の和であるＴ２は常に０以下である。即ち第１駆動力伝達機構であるワイヤ３ａと第２駆動力伝達機構であるワイヤ３ｂには常に引く方向の力が作用する。従って本第４実施形態においては、第１駆動力伝達機構および第２駆動力伝達機構は、必ずしも押し引き双方向の力の伝達が可能な機構である必要はなく、少なくとも引く方向の力の伝達が可能な機構であればよい。
【０１６８】
以上、本第４実施形態によれば、弾性力設定機構４２０をモータ８で駆動することにより、弾性率を変化させることができる。したがって、筋のモデルに一致する特性を含め、任意の特性を容易に得ることができる。
【０１６９】
またアクチュエータ４０２を構成するローラ２６ａ，２６ｂや、すべての歯車の軸受部、およびスライダ２３ａ，２３ｂとガイド機構２４との摺動部には、低摩擦係数の摺動部材や、ボールベアリング等の低摩擦の軸受手段を用いることができる。これにより動作時の摩擦が低減し、出力特性におけるヒステリシスの発生を抑えることが可能である。
【０１７０】
また、従来における空気圧駆動ゴム人工筋のように空気の圧力制御を必要としないので、動作を高速化することができる。特に駆動トルクを発生するための第１駆動源及び第２駆動源にダイレクトドライブの電磁モータであるモータ７ａ，７ｂを用いたことで、モータ７ａ，７ｂの電流制御によりトルクを調整することができる。その際、従来のように発生する力の検出器や、力のフィードバック制御は不要であるから、応答を高速化することができる。
【０１７１】
また、本第４実施形態では、駆動力伝達機構が少なくとも引く方向の力の伝達が可能な機構でよいので、駆動力伝達機構をワイヤやベルトなどの柔軟性のある線状部材或いは帯状部材で構成でき、関節駆動機構４００が軽量なものとなる。
【０１７２】
また、本第４実施形態によれば、上記第１実施形態に示したような第２弾性可変機構及び第４駆動源を省略することが可能であり、関節駆動機構４００を小型化することができる。
【０１７３】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る多関節のロボットアームについて説明する。図１４は、本発明の第５実施形態に係る関節駆動機構を備えたロボットアームの概略構成及び動作を示す説明図である。
【０１７４】
ロボットアーム５００は、基台７０と、基台７０より直列に複数の関節部Ｊ１，Ｊ２を介して直列に連結された複数のリンク７１，７２と、を備えている。また、ロボットアーム５００は、第１関節部である関節部Ｊ１を駆動する、上記第３実施形態で示した関節駆動機構に相当する第１関節駆動機構である関節駆動機構３００１を備えている。また、ロボットアーム５００は、第２関節部である関節部Ｊ２を駆動する、上記第４実施形態で示した関節駆動機構に相当する第２関節駆動機構である関節駆動機構４００２を備えている。なお、本第５実施形態では、２関節のロボットアームについて説明するが、１関節以上のロボットアームであれば、本発明の関節駆動機構は適用可能である。
【０１７５】
関節駆動機構３００１は、上記第３実施形態で示したアクチュエータに相当する第１アクチュエータであるアクチュエータ３０２１を有している。関節駆動機構４００２は、上記第４実施形態で示したアクチュエータに相当する第２アクチュエータであるアクチュエータ４０２２を有している。従って、アクチュエータ自体の詳細な構成および動作の説明は省略する。なお、リンク７１は第１リンク、リンク７２は第２リンクである。
【０１７６】
リンク７１はその基端が関節部Ｊ１を介して基台７０に回動可能に支持されている。またリンク７２はその基端が関節部Ｊ２を介してリンク７１の先端に回動可能に支持されている。またリンク７２の先端には、目的とする作業に応じて不図示のエンドエフェクタが取り付けられる。
【０１７７】
ここでアクチュエータ３０２１は、第１コントローラであるコントローラ７５からの指令値に基づき、リンク７１に対してのみ駆動トルクと弾性トルクを作用させる。アクチュエータ４０２２は、第２コントローラであるコントローラ７６からの指令値に基づき、リンク７２に対して、リンク７１との間の相対的な駆動トルクと弾性トルクを作用させる。
【０１７８】
リンク７１には、関節部Ｊ１と同一の回転軸上に第１関節プーリである関節プーリ７７及び扇形の歯車８１が取り付けられている。さらに関節プーリ７７の上方には、同一回転軸上に４つのアイドラプーリ８０ａ，７９ａ，８０ｂ，７９ｂが下から順に重ねて載置されている。これらのアイドラプーリ８０ａ，７９ａ，８０ｂ，７９ｂはすべて直径が同一で、それぞれが自由回転可能である。またリンク７２には、関節部Ｊ２と同一の回転軸上に第２関節プーリである関節プーリ７８が取り付けられている。
【０１７９】
基台７０上には、不図示の２つのガイド機構と、各ガイド機構に沿って移動可能な２つのスライダ８２ａ，８２ｂが搭載される。各スライダ８２ａ，８２ｂにはアイドラプーリ８３ａ，８３ｂが取り付けられるとともに、ワイヤの接続部が設けられる。さらに基台７０上には不図示のガイド機構と、ガイド機構に沿って移動可能で、歯車８１に噛み合うラック８５が搭載される。
【０１８０】
またリンク７１上には、不図示の２つのガイド機構と、各ガイド機構に沿って移動可能な２つのワイヤ接続部材８６ａ，８６ｂが搭載される。ワイヤ接続部材８６ａ，８６ｂは三角形で、各頂点にはワイヤの接続部が設けられている。
【０１８１】
アクチュエータ３０２１の第１出力端Ｃ１には、関節プーリ７７の一方の側に巻き付けられたワイヤ８７ａが接続され、また第２出力端Ｃ２には、関節プーリ７７の他方の側に逆方向に巻き付けられたワイヤ８７ｂが接続される。ワイヤ８７ａとワイヤ８７ｂは連続した１本のワイヤで構成してもよい。また第３出力端Ｃ３にはラック８５が接続される。
【０１８２】
次にアクチュエータ４０２２の出力をリンク７２に伝達する伝達機構について説明する。関節部Ｊ１の周辺の斜視図を図１５に示す。第１駆動力伝達機構は、ワイヤ８８ａ、ワイヤ接続部材８６ａ、ワイヤ８９ａ、ワイヤ９０ａ、アイドラプーリ８３ａ、スライダ８２ａ、ワイヤ９１ａで構成される。また第２駆動力伝達機構は、ワイヤ８８ｂ、ワイヤ接続部材８６ｂ、ワイヤ９０ｂ、ワイヤ８９ｂ、アイドラプーリ８３ｂ、スライダ８２ｂ、ワイヤ９１ｂで構成される。
【０１８３】
第１駆動力伝達機構において、ワイヤ接続部材８６ａとアイドラプーリ８３ａは、２本の平行なワイヤ８９ａとワイヤ９０ａによって接続される。ワイヤ８９ａは途中でアイドラプーリ７９ａに対して一方向に一周以上巻き付けられ、またワイヤ９０ａは途中でアイドラプーリ８０ａに対して逆方向に一周以上巻き付けられている。またワイヤ８９ａとワイヤ９０ａは、アイドラプーリ８３ａに互いに逆方向に巻き付けられている。
【０１８４】
第２駆動力伝達機構も同様であり、ワイヤ接続部材８６ｂとアイドラプーリ８３ｂは、２本の平行なワイヤ８９ｂとワイヤ９０ｂによって接続される。ワイヤ８９ｂは途中でアイドラプーリ７９ｂに対して一方向に一周以上巻き付けられ、またワイヤ９０ｂは途中でアイドラプーリ８０ｂに対して逆方向に一周以上巻き付けられている。またワイヤ８９ｂとワイヤ９０ｂは、アイドラプーリ８３ｂに互いに逆方向に巻き付けられている。ワイヤ８９ａとワイヤ９０ａ、およびワイヤ８９ｂとワイヤ９０ｂは、それぞれ連続した１本のワイヤで構成してもよい。
【０１８５】
さらにワイヤ接続部材８６ａの一端にはワイヤ８８ａが接続され、ワイヤ接続部材８６ｂの一端にはワイヤ８８ｂが接続される。ワイヤ８８ａとワイヤ８８ｂは、図１４に示すように関節プーリ７８に対して互いに逆方向に巻き付けられている。ワイヤ８８ａとワイヤ８８ｂは、連続した１本のワイヤで構成してもよい。
【０１８６】
またスライダ８２ａとアクチュエータ４０２２の第１出力端Ｃ１の間は、アイドラプーリ８４ａを経て、ワイヤ９１ａにより接続されている。スライダ８２ｂとアクチュエータ４０２２の第２出力端Ｃ２の間は、アイドラプーリ８４ｂを経て、ワイヤ９１ｂにより接続されている。アクチュエータ４０２２の第１出力端Ｃ１の出力により、スライダ８２ａと共に２本のワイヤ８９ａ，９０ａが同時に駆動され、第２出力端Ｃ２の出力により、スライダ８２ｂと共に２本のワイヤ８９ｂ，９０ｂが同時に駆動される。
【０１８７】
次にアクチュエータ３０２１により、リンク７１に対して駆動トルクと弾性トルクを作用させて駆動する場合の動作について、図１４（ｂ）により説明する。アクチュエータ３０２１の第１出力端Ｃ１及び第２出力端Ｃ２のどちらか一方、例えば第１出力端Ｃ１に、第２出力端Ｃ２よりも大きい駆動力を発生させ、図１４（ｂ）中に矢印で示す方向にワイヤ８７ａを牽引する。これによりワイヤ８７ａが巻き付けられた関節プーリ７７に駆動トルクを作用させ、リンク７１を矢印で示す方向に駆動する。またリンク７１の回動に伴い、第３出力端Ｃ３は弾性力を出力し、ラック８５を介して歯車８１に弾性トルクとして作用させる。ただしこのとき、アクチュエータ４０２２は駆動トルクも弾性トルクも発生していないものとする。
【０１８８】
この動作に伴って、アクチュエータ４０２２の第１出力端Ｃ１に接続されたワイヤ８９ａのアイドラプーリ７９ａへの巻き付き角は増加し、一方ワイヤ９０ａのアイドラプーリ８０ａへの巻き付き角は減少する。ここでアイドラプーリ７９ａとアイドラプーリ８０ａの直径は同一であるので、各ワイヤの巻き付き長の増加量と減少量は等しくなる。この巻き付き長の変化に対応して、ワイヤ８９ａとワイヤ９０ａは、それぞれ矢印で示すように逆方向に変位する。その結果、アイドラプーリ８３ａは回転するが、その回転中心位置は変化しない。
【０１８９】
同様にアクチュエータ４０２２の第２出力端Ｃ２に接続されたワイヤ８９ｂのアイドラプーリ７９ｂへの巻き付き角は増加し、ワイヤ９０ｂのアイドラプーリ８０ｂへの巻き付き角は減少する。ワイヤ８９ｂとワイヤ９０ｂは、それぞれ矢印で示すように逆方向に変位するが、アイドラプーリ８３ｂは回転するのみで、その回転中心位置は変化しない。
【０１９０】
このようにアクチュエータ３０２１によりリンク７１を駆動しても、アイドラプーリ８３ａ，８３ｂの回転中心、およびそれを取り付けたスライダ８２ａ，８２ｂの位置は変化しない。従ってワイヤ９１ａ，９１ｂを介してスライダ８２ａ，８２ｂに接続されたアクチュエータ４０２２は、アクチュエータ３０２１の動作による干渉を受けることはない。
【０１９１】
次にアクチュエータ４０２２により、リンク７２に対して駆動トルクと弾性トルクを作用させて駆動する場合の動作について、図１４（ｃ）により説明する。アクチュエータ４０２２の第１出力端Ｃ１と第２出力端Ｃ２のどちらか一方、例えば第１出力端Ｃ１に、第２出力端Ｃ２よりも大きい駆動力を発生させる。これにより図１４（ｃ）中に矢印で示す方向にスライダ８２ａが駆動され、アイドラプーリ８３ａに巻き付けられたワイヤ８９ａとワイヤ９０ａの両方を同時に牽引する。
【０１９２】
ワイヤ８９ａとワイヤ９０ａは、それらが巻き付けられたアイドラプーリ７９ａとアイドラプーリ８０ａを互いに逆回転させつつ、ワイヤ接続部材８６ａを駆動する。さらにワイヤ接続部材８６ａはワイヤ８８ａを牽引し、これによりワイヤ８８ａが巻き付けられた関節プーリ７８に駆動トルクを作用させ、リンク７２を矢印で示す方向に駆動する。
【０１９３】
このとき、第２出力端Ｃ２、およびそれに接続されたスライダ８２ｂ、ワイヤ８９ｂ，９０ｂ、ワイヤ接続部材８６ｂは図中１４（ｃ）に矢印で示すようにすべて逆方向に動作する。またリンク７２の回動に伴い、アクチュエータ４０２２は弾性力を出力する。弾性力が出力される出力端は、上記第４実施形態において説明したように、リンク７２の回動角に応じて第１出力端Ｃ１または第２出力端Ｃ２に切り替わる。この弾性力は駆動力とともに第１駆動力伝達機構または第２駆動力伝達機構を介して伝達され、関節プーリ７８に弾性トルクとして作用する。ただしこのとき、アクチュエータ３０２１は駆動トルクも弾性トルクも発生していないものとする。
【０１９４】
なおアイドラプーリ７９ａとアイドラプーリ８０ａの直径は同一であり、アイドラプーリ７９ｂとアイドラプーリ８０ｂの直径も同一である。したがって、これらに作用するモーメントが相殺され、その結果この動作において、リンク７１の関節部Ｊ１の回りには駆動トルクは作用することはない。即ち、上記の駆動力伝達機構を設けたことによって、アクチュエータ４０２２の動作が、アクチュエータ３０２１の動作に干渉することを防止できる。また、基台７０上に配置したアクチュエータ４０２２により、リンク７２に対して、リンク７１との間の相対的な駆動トルクと弾性トルクを作用させることができる。
【０１９５】
以上、アクチュエータ３０２１のみが動作する場合と、アクチュエータ４０２２のみが動作する場合について説明したが、アクチュエータ３０２１とアクチュエータ４０２２は同時に動作することも可能である。
【０１９６】
なお本第５実施形態において、第１アクチュエータを上記第３実施形態に示したアクチュエータに相当するアクチュエータ３０２１としたが、関節駆動機構の上記第１〜第４実施形態において示したいずれのアクチュエータを用いてもよい。同様に、第２アクチュエータを上記第４実施形態に示したアクチュエータに相当するアクチュエータ４０２２としたが、関節駆動機構の上記第１〜第４実施形態において示したいずれのアクチュエータを用いてもよい。
【０１９７】
ただし、上記第１実施形態に示したアクチュエータは、４つの駆動源と２つの弾性可変機構で構成されるのに対して、上記第２〜第４実施形態に示したアクチュエータは、３つの駆動源と１つの弾性可変機構で構成されるので、装置の小型化には適している。
【０１９８】
また上記第２及び第３実施形態に示したアクチュエータが、押し引き双方向の力の伝達が可能な駆動力伝達機構を必要とするのに対して、上記第１及び第４実施形態に示したアクチュエータは、少なくとも引く方向の力の伝達が可能な駆動力伝達機構を用いればよい。そのため、上記第１及び第４実施形態のアクチュエータを用いた場合には、ワイヤやベルトなどの柔軟性のある線状部材又は帯状部材で構成でき、駆動力伝達機構、ひいてはロボットアームを軽量化することができる。
【０１９９】
また上記第３実施形態に示したアクチュエータでは、第１駆動力伝達機構と第２駆動力伝達機構を介さずに、弾性力伝達機構３２１で直接関節部に弾性力を伝達する構成である。これに対して、上記第１、第２及び第４実施形態では弾性力伝達機構が弾性力を第１駆動力伝達機構と第２駆動力伝達機構を介して関節部に伝達する構成である。したがって、上記第１、第２又は第４実施形態のアクチュエータを用いた場合には、機構が複雑化することが無い。
【０２００】
特に本第５実施形態におけるアクチュエータ４０２２のように、基台７０上に配置し、しかもリンク７２に対して、リンク７１との間の相対的な駆動トルクと弾性トルクを作用させる場合がある。この場合には、アクチュエータ３０２１との干渉を防ぐための伝達機構は特殊であり、複雑化するが、上記第１、第２又は第４実施形態に示すアクチュエータを用いれば、このような複雑な伝達機構は２つのみで実現することができるので望ましい。
【０２０１】
本第５実施形態においては、第２アクチュエータとして上記第４実施形態に示したアクチュエータに相当するアクチュエータ４０２２が最も適しており、２つの駆動力伝達機構の使用により装置の小型化、駆動力伝達機構の軽量化が実現できる。
【０２０２】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態に係る多関節のロボットアームについて説明する。図１６は、本発明の第６実施形態に係る関節駆動機構を備えたロボットアームの概略構成及び動作を示す説明図である。
【０２０３】
ロボットアーム６００は、基台７０と、基台７０より直列に複数の関節部Ｊ１，Ｊ２を介して直列に連結された複数のリンク７１，７２と、を備えている。また、ロボットアーム６００は、第１関節部である関節部Ｊ１を駆動する、上記第３実施形態で示した関節駆動機構に相当する第１関節駆動機構である関節駆動機構３００１を備えている。また、ロボットアーム６００は、第２関節部である関節部Ｊ２を駆動する、上記第３実施形態で示した関節駆動機構に相当する第２関節駆動機構である関節駆動機構３００２を備えている。なお、本第６実施形態では、２関節のロボットアームについて説明するが、１関節以上のロボットアームであれば、本発明の関節駆動機構は適用可能である。
【０２０４】
関節駆動機構３００１は、上記第３実施形態で示したアクチュエータに相当する第１アクチュエータであるアクチュエータ３０２１を有している。関節駆動機構３００２は、上記第３実施形態で示したアクチュエータに相当する第２アクチュエータであるアクチュエータ３０２２を有している。従って、アクチュエータ自体の詳細な構成および動作の説明は省略する。なお、リンク７１は第１リンク、リンク７２は第２リンクである。
【０２０５】
リンク７１はその基端が関節部Ｊ１を介して基台７０に回動可能に支持されている。またリンク７２はその基端が関節部Ｊ２を介してリンク７１の先端に回動可能に支持されている。またリンク７２の先端には、目的とする作業に応じて不図示のエンドエフェクタが取り付けられる。
【０２０６】
ここでアクチュエータ３０２１は、第１コントローラであるコントローラ７５からの指令値に基づき、リンク７１に対してのみ駆動トルクと弾性トルクを作用させる。アクチュエータ３０２２は、第２コントローラであるコントローラ７６からの指令値に基づき、リンク７１とリンク７２の両方に駆動トルクを作用させ、またリンク７１とリンク７２の回動角の和に対して弾性トルクを作用させる。アクチュエータ３０２１及びアクチュエータ３０２２は、共に基台７０上に配置されている。
【０２０７】
関節部Ｊ１の周辺の斜視図を図１７に示す。リンク７１には、関節部Ｊ１と同一の回転軸上に第１関節プーリである関節プーリ１０２と、扇形の歯車１０５とが取り付けられている。また関節プーリ１０２の上方には、アイドラプーリ１０４が載置され、さらにアイドラプーリ１０４には扇形の歯車１０６が取り付けられている。アイドラプーリ１０４と歯車１０６は、一体となって自由回転が可能である。また図１６に示すように、リンク７２には、関節部Ｊ２と同一の回転軸上に、第２関節プーリである関節プーリ１０３が取り付けられている。
【０２０８】
基台７０上には、不図示の２つのガイド機構と、各ガイド機構に沿って移動可能なラック１０７，１０８が搭載される。ラック１０７は歯車１０５に噛み合い、ラック１０８は歯車１０６に噛み合う。
【０２０９】
アクチュエータ３０２１の第１出力端Ｃ１には、関節プーリ１０２の一方の側に巻き付けられたワイヤ１０９ａが接続され、また第２出力端Ｃ２には、関節プーリ１０２の他方の側に逆方向に巻き付けられたワイヤ１０９ｂが接続される。ワイヤ１０９ａとワイヤ１０９ｂは連続した１本のワイヤで構成してもよい。また第３出力端Ｃ３にはラック１０７が接続される。
【０２１０】
アクチュエータ３０２２の第１出力端Ｃ１には、関節プーリ１０３の一方の側に巻き付けられたワイヤ１１０ａが接続され、また第２出力端Ｃ２には、関節プーリ１０３の他方の側に逆方向に巻き付けられたワイヤ１１０ｂが接続される。ワイヤ１１０ａは途中でアイドラプーリ１０４に対して一方向に一周以上巻き付けられ、ワイヤ１１０ｂは途中でアイドラプーリ１０４に対して逆方向に一周以上巻き付けられる。ワイヤ１１０ａとワイヤ１１０ｂは連続した１本のワイヤで構成してもよい。また第３出力端Ｃ３にはラック１０８が接続される。
【０２１１】
次にアクチュエータ３０２１により、リンク７１に対して駆動トルクと弾性トルクを作用させて駆動する場合の動作について、図１６（ｂ）により説明する。アクチュエータ３０２１の第１出力端Ｃ１と第２出力端Ｃ２のうちどちらか一方、例えば第１出力端Ｃ１に、第２出力端Ｃ２よりも大きい駆動力を発生させ、図１６（ｂ）中に矢印で示す方向にワイヤ１０９ａを牽引する。これによりワイヤ１０９ａが巻き付けられた関節プーリ１０２に駆動トルクを作用させ、リンク７１を矢印で示す方向に駆動する。またリンク７１の回動に伴い、第３出力端Ｃ３は弾性力を出力し、ラック１０７を介して歯車１０５に弾性トルクとして作用させる。ただしこのとき、アクチュエータ３０２２は駆動トルクも弾性トルクも発生していないものとする。
【０２１２】
この動作に伴って、アクチュエータ３０２２に接続されたワイヤ１１０ａのアイドラプーリ１０４への巻き付き角は減少し、ワイヤ１１０ｂのアイドラプーリ１０４への巻き付き角は増加する。この巻き付き長の変化に対応して、ワイヤ１１０ａ，１１０ｂ、およびアクチュエータ３０２２の第１出力端Ｃ１と第２出力端Ｃ２は、それぞれ矢印で示すように逆方向に変位する。即ち、アクチュエータ３０２２は、アクチュエータ３０２１の動作から干渉を受けて逆駆動される。
【０２１３】
次にアクチュエータ３０２２によりリンク７１とリンク７２に対して駆動トルクを作用させて駆動する場合の動作について、図１６（ｃ）により説明する。アクチュエータ３０２２の第１出力端Ｃ１と第２出力端Ｃ２のどちらか一方、例えば第１出力端Ｃ１に、第２出力端Ｃ２よりも大きい駆動力を発生させ、図１６（ｃ）中に矢印で示す方向にワイヤ１１０ａを牽引する。これによりワイヤ１１０ａが巻き付けられた関節プーリ１０３に駆動トルクを作用させ、リンク７２を矢印で示す方向に駆動する。またリンク７１の関節部Ｊ１においても駆動トルクが作用するので、リンク７１も矢印で示す方向に駆動される。リンク７１とリンク７２の回動に伴い、第３出力端Ｃ３は弾性力を出力し、ラック１０８、歯車１０６、ワイヤ１１０ａ，１１０ｂを介して、関節プーリ１０３に弾性トルクとして作用させる。ただしこのとき、アクチュエータ３０２１は駆動トルクを発生していないものとする。
【０２１４】
この動作に伴って、アクチュエータ３０２１に接続されたワイヤ１０９ａと１０９ｂは、それぞれ矢印で示すように変位する。即ち、アクチュエータ３０２１は、アクチュエータ３０２２の動作から干渉を受けて逆駆動される。
【０２１５】
以上、アクチュエータ３０２１のみが動作する場合と、アクチュエータ３０２２のみが動作する場合について説明したが、アクチュエータ３０２１とアクチュエータ３０２２は同時に動作することも可能である。
【０２１６】
なお本第５実施形態において、第１アクチュエータを上記第３実施形態に示したアクチュエータに相当するアクチュエータ３０２１としたが、関節駆動機構の上記第１〜第４実施形態において示したいずれのアクチュエータを用いてもよい。同様に、第２アクチュエータを上記第３実施形態に示したアクチュエータに相当するアクチュエータ３０２２としたが、関節駆動機構の上記第１〜第４実施形態において示したいずれのアクチュエータを用いてもよい。
【０２１７】
ただし、上記第１実施形態に示したアクチュエータは、４つの駆動源と２つの弾性可変機構で構成されるのに対して、上記第２〜第４実施形態に示したアクチュエータは、３つの駆動源と１つの弾性可変機構で構成されるので、装置の小型化には適している。
【０２１８】
また上記第２及び第３実施形態に示したアクチュエータが、押し引き双方向の力の伝達が可能な駆動力伝達機構を必要とするのに対して、上記第１及び第４実施形態に示したアクチュエータは、少なくとも引く方向の力の伝達が可能な駆動力伝達機構を用いればよい。そのため、上記第１及び第４実施形態のアクチュエータを用いた場合には、ワイヤやベルトなどの柔軟性のある線状部材又は帯状部材で構成でき、駆動力伝達機構、ひいてはロボットアームを軽量化することができる。
【０２１９】
また上記第３実施形態に示したアクチュエータでは、第１駆動力伝達機構と第２駆動力伝達機構を介さずに、弾性力伝達機構３２１で直接関節部に弾性力を伝達する構成である。これに対して、上記第１、第２及び第４実施形態では弾性力伝達機構が弾性力を第１駆動力伝達機構と第２駆動力伝達機構を介して関節部に伝達する構成である。したがって、上記第１、第２又は第４実施形態のアクチュエータを用いた場合には、機構が複雑化することが無い。
【０２２０】
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。
【０２２１】
上記第１実施形態においては、筋のモデルに一致する特性を得るため、弾性可変機構９ａ，９ｂの弾性率は比例係数ｋを一定値とし、それぞれモータ７ａの出力ｕ１及びモータ７ｂの出力ｕ２に単純比例するものとした。ただし本発明はこれに限定されるものではなく、弾性可変機構９ａ，９ｂの弾性率の、モータ７ａ，７ｂの出力ｕ１，ｕ２に対する変化の特性（関数形）はこれ以外にも適宜設定することができる。例えば、指令値に基づきモータ７ａが力ｕ１を出力する場合、同時にレール２７１Ａ，２７２Ａ，２７１Ｂ，２７２Ｂの傾斜が力ｕ１に比例するように、コントローラ６におけるモータ８ａへの指令値を設定すればよい。このように設定しておけば、弾性可変機構９ａの弾性率は力ｕ１に比例する。またレール２７１Ａ，２７２Ａ，２７１Ｂ，２７２Ｂの傾斜が、力ｕ１についてそれ以外の任意の関数形となるように指令値の生成手段を設定することもできる。
【０２２２】
また、上記第２、第３及び第４実施形態においては、先行技術において開示された筋のモデルに一致する特性を得るため、弾性可変機構の弾性率は比例係数ｋを一定値とし、Ｕ（モータ７ａの出力ｕ１とモータ７ｂの出力ｕ２の和）に単純比例するものとした。ただし本発明はこれに限定されるものではなく、弾性可変機構の弾性率の、モータ７ａの出力ｕ１及びモータ７ｂの出力ｕ２に対する変化の特性（関数形）はこれ以外にも適宜設定することができる。例えば第４実施形態において、指令値に基づくモータ７ａの出力ｕ１とモータ７ｂの出力ｕ２の和がＵである場合、同時にレール２７ａ，２７ｂの傾斜がＵに比例するように、コントローラ６におけるモータ８への指令値を設定すればよい。このように設定しておけば、弾性可変機構の弾性率はＵに比例する。またレール２７ａ，２７ｂの傾斜が、Ｕについてそれ以外の任意の関数形となるように指令値の生成手段を設定することもできる。
【０２２３】
また、上記第１〜第４実施形態では、弾性力設定機構の揺動機構が、第１レールと第２レールの両方を揺動させ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、第１レール及び第２レールのうちいずれか一方を揺動させるようにしてもよい。つまり、揺動機構が第１レール及び第２レールのうち少なくとも一方のレールを揺動させるようにしてもよい。
【０２２４】
また、揺動機構を省略し、両方のレールを互いに間隔をあけて互いに傾斜するように固定部材に固定し、固定部材を、第３駆動源でスライダの直動方向に対して直交する直交方向に移動するように駆動してもよい。
【０２２５】
また、第１駆動源としてのモータ７ａ、第２駆動源としてのモータ７ｂ、第３駆動源としてのモータ８，８ａ、第４駆動源としてのモータ８ｂが電磁モータである場合について説明したが、超音波モータその他の電動モータを使用してもよい。そして、各駆動源としては、回転モータのほか、電動リニアアクチュエータを使用してもよい。
【０２２６】
また、弾性部材が引っ張りコイルバネ１４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、圧縮コイルバネであってもよい。この場合、弾性力設定機構は、弾性力として、圧縮コイルバネの伸縮長（即ち圧縮長）を設定すればよい。また、弾性部材として、コイルバネ以外のバネであってもよい。
【符号の説明】
【０２２７】
１…リンク、７ａ…モータ（第１駆動源）、７ｂ…モータ（第２駆動源）、８ａ…モータ（第３駆動源）、２０…弾性力設定機構、２１…弾性力伝達機構、２５…バネ（弾性部材）、７０…基台、７１…リンク、７２…リンク、１００…関節駆動機構、５００…ロボットアーム
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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