(57)【要約】【課題】  可動部が外部の物体と衝突することにより関節機構が損傷することを防止するために、関節機構の弾性要素の剛性を適切な範囲に設定できるリンク機構を提供する。【解決手段】  リンク機構１は、各関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが、第１剛性ｋ１_i以上且つ第２剛性ｋ２_i以下の範囲で変更可能に構成されている。第１剛性ｋ１_iは、関節最大弾性エネルギーが、関節最小慣性衝突運動エネルギー以上となるように設定されている。第２剛性ｋ２_iは、第３時間が第４時間以上となるように設定されている。【選択図】  図３
2014121761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、前記１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構であって、
前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性は、前記１つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第１剛性以上且つ第２剛性以下の範囲で変更可能に構成されており、
前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第１剛性は、当該関節機構の前記弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の前記弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーが、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値となり、且つ前記アクチュエータによって変位される場合の当該関節機構が実現可能な最大の変位速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合の当該関節機構の運動エネルギー以上となるように設定され、
前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第２剛性は、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値となり、且つ当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合に、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合の時間以上となるように設定されていることを特徴とするリンク機構。
【請求項２】
請求項１に記載のリンク機構において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第１剛性は、次式（１）に従って得られる剛性以上に設定されていることを特徴とするリンク機構。
【数１】
2014121761.tif 000016
但し、
I_min_i：前記第ｉ関節機構が変位する場合に当該第ｉ関節機構が取り得る当該第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最小値
ω_max_i：前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度
x_lim_i：前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の最大変形量
【請求項３】
請求項１又は２に記載のリンク機構において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第２剛性は、次式（２）に従って得られる剛性以下に設定されていることを特徴とするリンク機構。
【数２】
2014121761.tif 000017
但し、
I_max_i：前記第ｉ関節機構が変位する場合に当該第ｉ関節機構が取り得る当該第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最大値
π：円周率
A_max_i：前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大加速度
ω_max_i：前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のリンク機構において、
前記１つ又は複数の関節機構の各々は、前記弾性要素及び、粘性係数を可変的に制御可能に構成された粘性要素を介して動力伝達を行うように構成され、
前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の粘性係数は、前記１つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第１粘性係数以上且つ第２粘性係数以下の範囲で変更可能に構成されており、
前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第１粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第１剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定され、
前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第２粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第２剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定されていることを特徴とするリンク機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、前記１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた複数の関節機構と、複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構が知られている（特許文献１）。このリンク機構では、可動部が外部の物体と衝突するときに、関節機構の弾性要素の剛性が、所定の剛性となるように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０２４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたようなリンク機構では、可動部が物体と衝突したときに当該関節機構が損傷することを防止するために、当該関節機構の弾性要素の剛性を変更することも考えられる。
【０００５】
しかしながら、従来においては、関節機構の損傷を防止するために適切な当該関節機構の弾性要素の剛性の設定範囲について充分に検討されていない。そのため、関節機構の弾性要素の剛性の適切な設定範囲を、試行錯誤をした上で設定するか、又は、充分な余裕がある範囲すなわち過剰に広い範囲に設定する必要があった。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構において、可動部が外部の物体と衝突することにより関節機構が損傷することを防止するために、関節機構の弾性要素の剛性を適切な範囲に設定できるリンク機構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】
【０００７】
本発明は、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、前記１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構であって、前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性は、前記１つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第１剛性以上且つ第２剛性以下の範囲で変更可能に構成されており、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第１剛性は、当該関節機構の前記弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の前記弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーが、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値となり、且つ前記アクチュエータによって変位される場合の当該関節機構が実現可能な最大の変位速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合の当該関節機構の運動エネルギー以上となるように設定され、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の前記第２剛性は、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値となり、且つ当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合に、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合の時間以上となるように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
ここで、本発明における弾性要素の弾性変形量とは、弾性要素に動力を伝達する側と該動力が当該弾性要素を介して伝達される側との間の相対的な変位量を意味する。また、関節機構が変位する場合の当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量において、関節機構が回転関節機構の場合には、慣性モーメントであり、直動関節機構の場合には、慣性質量である。
【０００９】
また、関節機構が変位する場合における当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量は、１つ又は複数の関節機構の各々の変位（以下、「リンク機構の姿勢」という）に応じて変化する。当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最大値又は最小値は、リンク機構で実現可能な姿勢の範囲内で取り得る最大値又は最小値である。
【００１０】
本願発明者の各種検討によれば、可動部が外部の物体に衝突する場合、各関節機構が損傷することを防止するためには、次の２つの条件を満たすように、各関節機構の弾性要素の剛性を制御できることが必要である。
【００１１】
（条件１）
１つ又は複数の関節機構の各々において、可動部が物体に衝突することに起因する当該関節機構の変位による運動エネルギー（以下、「衝突運動エネルギー」という）を、当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーに全て変換できるという条件。
【００１２】
（条件２）
１つ又は複数の関節機構の各々において、可動部が物体に衝突することに起因する当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始されるまでの時間、換言すると、当該衝撃を当該関節機構の弾性要素が吸収している時間（以下、「第１時間」という）が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構を変位する場合に、当該関節機構の変位速度を、当該衝突による当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化できる時間（以下、「第２時間」という）以上であるという条件。
【００１３】
１つ又は複数の関節機構の各々において、上記２つの条件が満たされている場合には、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構への衝撃が、当該関節機構の弾性要素によって吸収されると共に（条件１による効果）、当該衝撃を当該関節機構の弾性要素が吸収している間に、当該関節機構の変位速度を、当該衝突による当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化させることが可能となり、当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによって、当該関節機構が強制的に変位されてしまうことを防止できる（条件２による効果）。上記２つの条件が満たされることで、上記効果が得られるので、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の損傷を防止できる。
【００１４】
本発明においては、上記条件１及び条件２を満たすために、以下に示される構成が採用される。
【００１５】
まず、上記条件１を満たすために、次の構成が採用される。すなわち、１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーが、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値となり、且つアクチュエータによって変位される場合の当該関節機構が実現可能な最大の変位速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合の当該関節機構の運動エネルギー（以下、「関節最小慣性衝突運動エネルギー」という）以上となるように、第１剛性が設定されている。
【００１６】
衝突運動エネルギーは、当該関節機構が変位する場合における当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が大きくなる程大きくなる。関節最小慣性衝突運動エネルギーは、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最小値である場合における衝突運動エネルギーである。従って、当該関節機構の弾性要素の剛性及び当該関節機構の変位速度が一定という条件下において、関節最小慣性衝突運動エネルギーは、衝突運動エネルギーが取り得る値のなかの最小値となる。
【００１７】
当該関節機構の弾性要素の剛性が第１剛性以上に設定されることにより、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び当該関節機構の変位速度を変化させる量が当該関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件１を満たすように、当該関節機構の弾性要素の剛性を設定できる。
【００１８】
また、上記条件２を満たすために、次の構成が採用される。すなわち、１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値となり、且つ当該関節機構の変位が開始された時点から、当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間（以下、「第３時間」という）が、前記アクチュエータによって当該関節機構が実現可能な最大加速度で当該関節機構が変位すると仮定した場合に、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合の時間（以下、「第４時間」という）以上となるように、第２剛性が設定されている。
【００１９】
ここで、第１時間は、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、当該関節機構が変位する場合の当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が大きい程大きくなる。第３時間は、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得る最大値である場合における第１時間である。従って、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、第３時間は、第１時間が取り得る長さのなかの最大長となる。
【００２０】
また、第２時間は、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、当該関節機構の変位速度を、変化させる量が大きい程大きくなる。第４時間は、当該関節機構の変位速度を、当該関節機構の最大の変位速度だけ変化させる場合における第２時間である。従って、当該関節機構の弾性要素の剛性が一定という条件下において、第４時間は、第２時間が取り得る長さのなかの最大長となる。
【００２１】
このように、第１時間の最大長である第３時間が、第２時間の最大長である第４時間以上となるように、第２剛性が設定されているので、当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び当該関節機構の変位速度を変化させる量が当該関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、当該関節機構の弾性要素の剛性を、第１時間が第２時間以上となるような（条件２を満たすような）剛性に設定することができる。
【００２２】
以上のように、１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構が変位する場合に当該関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び当該関節機構の変位速度を変化させる量が当該関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件１及び条件２を満たすように、当該関節機構の弾性要素の剛性を設定できるので、可動部が外部の物体と衝突することにより当該関節機構が損傷することを防止するために、当該関節機構の弾性要素の剛性を適切な範囲に設定できる。
【００２３】
本発明において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第１剛性は、次式（１）に従って得られる剛性以上に設定されていることが好ましい。
【００２４】
【数１】
2014121761.tif 000003
【００２５】
但し、I_min_iは、前記第ｉ関節機構が変位する場合に当該第ｉ関節機構が取り得る当該第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最小値を示し、ω_max_iは、前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度を示し、x_lim_iは、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の最大変形量を示す。
【００２６】
ここで、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性をk_iと定義したとき、式（１）は、次式（１−１）を満たすk_iである。
【００２７】
【数２】
2014121761.tif 000004
【００２８】
式（１−１）において、左辺は、第ｉ関節機構が変位する場合に当該第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が当該第ｉ関節機構の取り得る最小値のときに、可動部が物体と衝突する場合における第ｉ関節機構の運動エネルギー（すなわち、関節最小慣性衝突運動エネルギー）を示す。また、右辺は、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性がk_iのときにおいて、第ｉ関節機構の弾性要素の弾性変形量が、当該第ｉ関節機構の弾性要素の最大変形量の場合における当該第ｉ関節機構の弾性要素の弾性エネルギーを示す。
【００２９】
従って、第ｉ関節機構が変位する場合に第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が第ｉ関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び第ｉ関節機構の変位速度を変化させる量が第ｉ関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、前述した条件１を満たすように、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性を設定できる。
【００３０】
本発明において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第２剛性は、次式（２）に従って得られる剛性以下に設定されていることが好ましい。
【００３１】
【数３】
2014121761.tif 000005
【００３２】
但し、I_max_iは、前記第ｉ関節機構が変位する場合に当該第ｉ関節機構が取り得る当該第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量の最大値を示し、πは、円周率を示し、A_max_iは、前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大加速度を示し、ω_max_iは、前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度を示す。
【００３３】
ここで、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性をk_iと定義したとき、式（２）は、次式（２−１）を満たすk_iである。
【００３４】
【数４】
2014121761.tif 000006
【００３５】
式（２−１）において、左辺は、第ｉ関節機構の状態が、第ｉ関節機構が変位する場合に第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が第ｉ関節機構の取り得る最大値となる状態、且つ第ｉ関節機構の弾性要素の剛性がk_iの場合において、第ｉ関節機構の弾性要素の固有振動数の逆数が表す周期の４分の１周期を示す。詳細には、左辺は、可動部が物体と衝突することによる第ｉ関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による第ｉ関節機構の変位によって蓄積された第ｉ関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる第ｉ関節機構の変位が開始される時点までの時間を示す。
【００３６】
また、右辺は、第ｉ関節機構で実現可能な最大加速度で、アクチュエータにより第ｉ関節機構を変位させるときに、第ｉ関節機構の変位速度を、第ｉ関節機構をアクチュエータによって変位させる場合に実現可能な最大の変位速度だけ変化させるときの時間（第ｉ関節機構で実現可能な最短時間）を示す。
【００３７】
左辺で示される時間は、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性が小さい程長くなるので、第２剛性が、式（２）によって得られる剛性以下に設定されることで、第ｉ関節機構が変位する場合に第ｉ関節機構の慣性モーメント又は慣性質量が第ｉ関節機構の取り得るいずれの値であっても、及び第ｉ関節機構の変位速度を変化させる量が第ｉ関節機構を変化させるときに取り得るいずれの値であっても、前述した条件２を満たすように、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性を設定できる。
【００３８】
本発明において、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、前記弾性要素及び、粘性係数を可変的に制御可能に構成された粘性要素を介して動力伝達を行うように構成され、前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の粘性係数は、前記１つ又は複数の関節機構の各々に対して設定される第１粘性係数以上且つ第２粘性係数以下の範囲で変更可能に構成されており、前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第１粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第１剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定され、前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記粘性要素の前記第２粘性係数は、当該関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第２剛性と等しいと仮定した場合に、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定されていることが好ましい。
【００３９】
これにより、１つ又は複数の関節機構の弾性要素の剛性が、第１剛性以上且つ第２剛性以下の範囲のいずれの剛性に変更された場合であっても、当該変更された剛性に対して、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となる粘性係数が、第１粘性係数以上且つ第２粘性係数以下の範囲に含まれる。
【００４０】
従って、１つ又は複数の関節機構の各々の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となるように、各関節機構の粘性要素の粘性係数を変更することが可能となり、各関節機構の挙動特性が減衰振動の特性となることが防止される。そして、各関節機構の減衰振動に応じた可動部の振動の発生が防止され、各関節機構の弾性要素の弾性による可動部と物体との衝突が生じることが防止される。これにより、可動部が物体と衝突することによる各関節機構の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態のリンク機構を示す図。
【図２】図１のリンク機構の関節機構を示す図。
【図３】図２の関節機構の伝達機構を示す図。
【図４】図３の伝達機構の特性可変機構を示す図。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
（１．構成）
（１−１．リンク機構）
図１〜図５を参照して、本発明の実施形態のリンク機構について説明する。図１に示されるように、リンク機構１は、基体２と、先端部３と、複数の関節機構Ｊｉ(i=1,2,...,N)と、複数のリンク部材Ｌｉ(i=0,1,...,N)と、アクチュエータ４（図２参照）とを備える。
【００４３】
複数の関節機構Ｊｉの「ｉ」は、基体２から先端部３に向かって１から数えたときの順番を表している。なお、関節機構の順番がｉ番目であることを明示的に指定する場合には、第ｉ関節機構と表す。例えば、ｊ番目の関節機構を「第ｊ関節機構Ｊｊ」と表す場合がある。また、複数のリンク部材Ｌｉの「ｉ」は、基体２から先端部３に向かって０から数えたときの順番を表している。なお、リンク部材の順番がｉ番目であることを明示的に指定する場合には、第ｉリンク部材と表す。例えば、ｊ番目のリンク部材を「第ｊリンク部材Ｌｊ」と表す場合がある。
【００４４】
基体２は、床面上等の所定の位置に固定されている。なお、基体２は、動力装置等を備え、該動力装置の駆動力によって、その位置及び姿勢を変更可能に構成されていてもよい。先端部３は、当該リンク機構１におけるエンドエフェクタとして機能する。先端部３は、複数の関節機構Ｊｉを介して連結されている複数のリンク部材Ｌｉによって基体２に連結されている。
【００４５】
複数の関節機構Ｊｉ(i=1,...,N)の各々には、２つのリンク部材Ｌi-1，Ｌｉが連結されている。
【００４６】
また、複数の関節機構Ｊｉの各々は、当該関節機構Ｊｉに連結されている２つのリンク部材Ｌi-1，Ｌｉの相対的な位置及び姿勢を変化させるように構成されている。
【００４７】
なお、本実施形態では、全ての関節機構Ｊｉが回転関節機構として構成されている。このため、以降の説明では、所定の関節機構Ｊｉに連結された２つのリンク部材Ｌi-1，Ｌｉの相対的な位置及び姿勢を、関節角度ψ_iということもある。なお、本実施形態における「関節角度ψ_iが変化する」ことが、本発明における「関節機構が変位する」ことに相当する。
【００４８】
なお、本実施形態では、全ての関節機構Ｊｉが回転関節機構として構成されているが、各関節機構Ｊｉは、回転関節機構及び直動関節機構のいずれで構成されていてもよい。また、関節機構Ｊｉの数は任意の数でよい。
【００４９】
アクチュエータ４は、複数の関節機構Ｊｉの各々に設けられており、各関節機構Ｊｉを変位させる駆動力を出力する。
【００５０】
（１−２．関節機構）
（１−２−１．関節機構の構成）
次に、複数の関節機構Ｊｉの詳細について図２〜図５を参照して説明する。なお、本実施形態において、各関節機構Ｊｉは、全て同じ構成の回転関節機構である。
【００５１】
図２に示すように、関節機構Ｊｉは、ワイヤ１１と、駆動プーリ１２ａと、被動プーリ１２ｂと、これらのプーリ１２ａ，１２ｂの間に弾性力と粘性力とを発生させる伝達機構８とを備える。
【００５２】
また、駆動プーリ１２ａには、アクチュエータ４のアクチュエータ出力軸４ａに連結された減速機７が連結されている。そして、駆動プーリ１２ａは、アクチュエータ４から減速機７を介して付与される回転駆動力（トルク）によって、アクチュエータ出力軸４ａの回転に連動して回転するようになっている。
【００５３】
なお、減速機７は、任意の構造のものでよく、例えば、ハーモニックドライブ（登録商標）若しくは複数のギヤにより構成される減速機を採用することができる。あるいは、減速機７は、直動を回転運動に変換する機構を備えるものであってもよい。その場合には、アクチュエータとして、例えば、電動モータ及びボールネジにより構成される直動アクチュエータや、電動式のリニアモータ等を採用してもよい。
【００５４】
また、第ｉ関節機構Ｊｉにおいて、第ｉリンク部材Ｌｉは、駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂを回転自在に支持している（図示省略）。また、第ｉ関節機構Ｊｉにおいて、被動プーリ１２ｂに第i-1リンク部材Ｌi-1が固定されている。
【００５５】
被動プーリ１２ｂは、その回転軸心が駆動プーリ１２ａの回転軸心と平行になるようにして、該駆動プーリ１２ａの側方に並設されている。
【００５６】
伝達機構８は、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性及び粘性を変更するための特性可変機構１０と、駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの間に架け渡されたワイヤ１１とを備える。
【００５７】
ワイヤ１１は、図３に示すように、両プーリ１２ａ，１２ｂの間で延在する二条の張設部分１１ａ，１１ｂを有し、該張設部分１１ａ，１１ｂ以外の部分が両プーリ１２ａ，１２ｂの外周のうちの内端側の部分（駆動プーリ１２ａの外周のうちの被動プーリ１２ｂに臨む部分、及び被動プーリ１２ｂの外周のうちの駆動プーリ１２ａに臨む部分）を除く箇所に滑らないように巻き掛けられている。なお、ワイヤ１１は、多少の伸縮性を有する。
【００５８】
特性可変機構１０は、例えば図３〜図５に示すように構成されている。すなわち、特性可変機構１０は、両端部にローラ１３ａ，１３ｂが回転自在に枢着された回転バー１４を備えている。この回転バー１４は、その中央部に固定された回転軸１５の軸心まわりに該回転軸１５と一体に回転可能とされている。回転軸１５は、駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの間の位置で、両プーリ１２ａ，１２ｂの回転軸心と平行な姿勢で配置されている。
【００５９】
回転バー１４の両端部のローラ１３ａ，１３ｂは、各々の回転軸心が駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの回転軸心と平行な方向に向けられている。
【００６０】
そして、ローラ１３ａ，１３ｂのうちの一方のローラ１３ａの内端側（他方のローラ１３ｂに臨む側）の外周部が、ワイヤ１１の二条の張設部分１１ａ，１１ｂのうちの一方の張設部分１１ａに圧接され、他方のローラ１３ｂの内端側（一方のローラ１３ａに臨む側）の外周部が、ワイヤ１１の他方の張設部分１１ｂに圧接されている。この場合、ワイヤ１１の張設部分１１ａ，１１ｂの各々は、ローラ１３ａ，１３ｂの圧接箇所で湾曲されている。
【００６１】
特性可変機構１０は、更に、回転バー１４に回転軸１５を介して連結されて該回転バー１４と一体に回転可能に設けられたギヤ（平歯車）１６と、このギヤ１６に噛合されたスプリングウォーム１７と、このスプリングウォーム１７を回転駆動する電動モータ１８と、粘性オイルが内部に封入されたシリンダ１９とを備えている。
【００６２】
スプリングウォーム１７は、ウォームギヤとして機能可能にコイルスプリング状に形成されたばね部材であり、電動モータ１８の回転駆動軸１８ａに外挿されている。そして、スプリングウォーム１７の電動モータ１８の本体寄りの一端は、回転駆動軸１８ａに固定されたバネ座部材２０ａに固定されている。従って、スプリングウォーム１７は、電動モータ１８の回転駆動軸１８ａと一体に回転し、このスプリングウォーム１７の回転に伴い、ギヤ１６が回転するようになっている。
【００６３】
シリンダ１９は、スプリングウォーム１７の他端側で回転駆動軸１８ａと同軸心に配置された筒部２１を有する。この筒部２１の内部を電動モータ１８の回転駆動軸１８ａが貫通し、該筒部２１が、回転駆動軸１８ａに沿って、その軸心方向に摺動可能とされている。そして、筒部２１のスプリングウォーム１７側の端面に固定されたバネ座部材２０ｂにスプリングウォーム１７の他端が固定されている。従って、スプリングウォーム１７の伸縮に伴い、シリンダ１９の筒部２１が電動モータ１８の回転駆動軸１８ａの軸心方向に摺動するようになっている。
【００６４】
また、筒部２１の内部には、回転駆動軸１８ａに固定されたピストン２２が設けられており、このピストン２２の外周面が筒部２１の内周面に摺接されている。
【００６５】
そして、筒部２１の内部でピストン２２により画成された２つの油室２３ａ，２３ｂに粘性オイルが封入されている。これらの油室２３ａ，２３ｂは、オリフィス部２４を有する連通管２５により連通されている。この場合、オリフィス部２４は、図示しない弁機構等により開口面積を変化させることが可能となっている。
【００６６】
（１−２−２．関節機構の動作）
以上の構成の関節機構Ｊｉの動作を説明しておく。電動モータ１８により、スプリングウォーム１７を回転駆動することで、該スプリングウォーム１７に噛合されたギヤ１６を介して回転バー１４が回転する。従って、電動モータ１８のサーボ制御によって、回転バー１４の回転角度（位相角）を制御することができる。ここで、以降の説明では、回転バー１４の位相角を、図３に示すように、回転バー１４の延在方向（ローラ１３ａ，１３ｂの間隔方向）が駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの間隔方向と直交する状態からの該回転バー１４の回転角度φとして定義する。
【００６７】
両プーリ１２ａ，１２ｂ間の動力伝達（回転駆動力の伝達）を行っていない状態で、回転バー１４の位相角φをある既定の角度値（例えば図３のφ0）に制御し、その状態で電動モータ１８の回転駆動軸１８ａの回転（ひいては、スプリングウォーム１７の回転）を停止させた状態（以降、この状態を基準状態という）を想定する。
【００６８】
この基準状態において、前記アクチュエータ４から駆動プーリ１２ａに回転駆動力（トルク）を付与すると、ワイヤ１１の張設部分１１ａ，１１ｂの一方に、当該回転駆動力に比例した張力が発生し、その張力を介して、駆動プーリ１２ａから被動プーリ１２ｂに回転駆動力が伝達される。
【００６９】
同時に、ワイヤ１１の張設部分１１ａ，１１ｂの一方に発生する上記張力に起因して、ローラ１３ａ，１３ｂのうちの該張設部分１１ａ又は１１ｂに接触するローラ１３ａ又は１３ｂに、両プーリ１２ａ，１２ｂの間隔方向とほぼ直交する方向の並進力が作用する。
【００７０】
例えば、図３に示すように、駆動プーリ１２ａに反時計まわり方向のトルクτdを付与すると、ワイヤ１１の張設部分１１ａにトルクτdに比例する張力Ｔe（＝τd／駆動プーリ１２ａの有効回転半径）が発生し、この張力Ｔeによってローラ１３ａに並進力Ｆが作用する。なお、この並進力Ｆの大きさは、トルクτdにほぼ比例する。また、図３中の張力Ｔeは、ローラ１３ａに対して作用する張力を示している。
【００７１】
基準状態での回転バー１４の位相角がゼロでない場合（例えば図３に示す状況）では、ローラ１３ａ又は１３ｂに作用する上記並進力（以降、これをＦと表記する）に起因して、回転バー１４に回転駆動力（トルク）が作用することとなる。これにより、駆動プーリ１２ａが被動プーリ１２ｂに対して相対回転すると共に、回転バー１４が回転する。ひいては、前記スプリングウォーム１７に噛合しているギヤ１６が回転バー１４と一体に回転する。
【００７２】
この場合、ローラ１３ａ又は１３ｂに作用する上記並進力Ｆに起因して回転バー１４に作用するトルク（以降、τaと表記する）は、上記並進力Ｆに対して、次式（１２２−１）の関係を有する。なお、図３に示す如く、φ0は、基準状態での回転バー１４の位相角φの値、Ｒaは、回転軸１５の軸心まわりでのローラ１３ａ，１３ｂの軸心部の回転半径である。
【００７３】
τa＝Ｆ・sin（φ0）・Ｒa    …（１２２−１）
このように回転バー１４にトルクτaが作用している状況で、スプリングウォーム１７は回転しないので、ギヤ１６の回転によってスプリングウォーム１７の一部（詳しくは、ギヤ１６の噛合部分と前記電動モータ１８側のバネ座部材２０ａとの間の部分）が伸長又は短縮され、その伸縮量に応じた弾性力をスプリングウォーム１７が発生する。
【００７４】
この場合、スプリングウォーム１７の基準状態からの伸縮量、ひいては、回転バー１４の基準状態からの回転量（位相角の変化量）は、該スプリングウォーム１７の弾性力（並進力）によってギヤ１６に作用するトルクと、ワイヤ１１の張力によってローラ１３ａ又は１３ｂに作用する上記並進力Ｆに起因して回転バー１４に作用するトルク（＝ギヤ１６に作用するトルク）とが釣り合う状態で平衡する。この平衡状態で、駆動プーリ１２ａに付与されるトルクτdが伝達機構８を介して被動プーリ１２ｂに伝達されることとなる。
【００７５】
上記平衡状態での回転バー１４の基準状態からの回転量をΔφ[rad]、ギヤ１６の回転半径をＲb、スプリングウォーム１７の剛性（スプリングウォーム１７の伸縮量の単位変化量あたりに発生する弾性力の変化量）をｋ_sp_wとおくと、上記平衡状態でのスプリングウォーム１７の弾性力によってギヤ１６に作用するトルク（以降、これをτbと表記する）は、次式（１２２−２）により与えられる。
【００７６】
τb＝ｋ_sp_w・sin(Δφ)・Ｒb≒ｋ_sp_w・Δφ・Ｒb    …（１２２−２）
この式（１２２−２）と前記式（１２２−１）とから、上記平衡状態における並進力Ｆと、回転バー１４の基準状態からの回転量Δφとの関係は、次式（１２２−３）により与えられる。
【００７７】
Ｆ＝(ｋ_sp_w・Ｒb／(sin(φ0)・Ｒa))・Δφ    …（１２２−３）
従って、ワイヤ１１の張力によってローラ１３ａ又は１３ｂに作用する並進力Ｆは、回転バー１４の基準状態からの回転量Δφに比例するものとなる。
【００７８】
ここで、ワイヤ１１の張力によってローラ１３ａ又は１３ｂに作用する並進力Ｆは、駆動プーリ１２ａに付与されるトルク（ひいては被動プーリ１２ｂに伝達されるトルク）が大きいほど、大きくなる。また、被動プーリ１２ｂに対する駆動プーリ１２ａの相対回転量（基準状態からの相対回転量）は、上記平衡状態での回転バー１４の基準状態からの回転量が大きいほど、大きくなる。
【００７９】
従って、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量が一定に維持される定常状態で、駆動プーリ１２ａから被動プーリ１２ｂに伝達されるトルク（被動プーリ１２ｂに付与されるトルク）をτspと表記し、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量をΔθと表記すると、τspとΔθとの間には、近似的に次式（１２２−４）の比例関係が成立する。
【００８０】
τsp＝ｋ・Δθ    …（１２２−４）
よって、伝達機構８は、駆動プーリ１２ａと被動プーリ１２ｂとの動力伝達を行うバネ部材として機能する。そして、上記トルクτspは、伝達機構８によって両プーリ１２ａ，１２ｂ間に発生する弾性力によって伝達されるトルク（以下、「弾性力トルク」という）τspに相当する。この場合、式（１２２−４）におけるｋは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量Δθの変化に対する弾性力トルクτspの変化の比率である。
【００８１】
このｋは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性を示しており、ｋの値が大きいほど、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性が高い（両プーリ１２ａ，１２ｂ間の回転量の差が発生しにくくなる）ことを意味する。伝達機構８の剛性ｋの値は、基本的には、基準状態での回転バー１４の位相角φ0に応じたものとなり、φ0が大きいほど、剛性ｋの値が小さくなる。
【００８２】
ＣＰＵ等で構成された制御装置（図示省略）が、伝達機構８の剛性ｋ_iを所望の剛性（目標剛性）となるように制御するためには、例えば、以下のようにする。まず、制御装置のメモリ等の記憶装置に、基準状態での回転バー１４の位相角φ0と剛性ｋとを対応づけたテーブルを記憶保持しておく。そして、制御装置は、該記憶保持されたテーブルに従って、目標剛性に対する基準状態での回転バー１４の位相角φ0を取得して、回転バー１４の位相角φ0が該位相角φ0となるように電動モータ１８を制御する。これにより、伝達機構８の剛性ｋ_iが目標剛性となるように制御される。
【００８３】
ここで、電動モータ１８、スプリングウォーム１７、ギヤ１６、回転バー１４、及びワイヤ１１をまとめて弾性要素５という。また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性ｋのことを、弾性要素５の剛性ｋという。また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量Δθが、弾性要素５の弾性変位量となる（すなわち、本発明における弾性要素の弾性変形量に相当する）。
【００８４】
また、本実施形態の伝達機構８では、回転バー１４が基準状態から回転するとき、スプリングウォーム１７の伸縮に伴い、シリンダ１９の筒部２１がピストン２２に対して相対的に摺動する。
【００８５】
このとき、油室２３ａ，２３ｂ間で、オリフィス部２４を有する連通管２５を介して粘性オイルが流通することで、筒部２１の摺動に対する抵抗力となる粘性力が発生する。これにより、回転バー１４の基準状態からの回転、ひいては、被動プーリ１２ｂに対する駆動プーリ１２ａの相対回転に対する抵抗力となる粘性力が、両プーリ１２ａ，１２ｂ間で発生することとなる。そして、この粘性力は、オリフィス部２４の開口面積を変化させることで、変化することとなる。
【００８６】
この場合、オリフィス部２４の開口面積を一定に維持した場合にシリンダ１９で発生する粘性力は、ピストン２２に対する筒部２１の移動速度、ひいては、スプリングウォーム１７の伸縮速度に比例する。そして、スプリングウォーム１７の伸縮速度は、回転バー１４の回転速度にほぼ比例する。
【００８７】
また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量の時間的変化率、すなわち、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度（両プーリ１２ａ，１２ｂの各々の回転角速度の差）は、回転バー１４の回転速度に応じたものとなり、回転バー１４の回転速度が大きいほど、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度が大きいものとなる。
【００８８】
従って、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度をΔω_pulley[rad／s]と表記し、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性力によって被動プーリ１２ｂに付与されるトルク（以降、粘性トルクという）をτdpと表記すると、Δω_pulleyとτdpとの間には、近似的に次式（１２２−５）の関係が成立する。
【００８９】
τdp＝Ｃ・Δω_pulley    …（１２２−５）
よって、伝達機構８は、駆動プーリ１２ａと被動プーリ１２ｂとの間に粘性力を発生する機能も有する。この場合、式（１２２−５）におけるＣは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度Δω_pulleyの変化に対する粘性トルクτdpの変化の比率であり、以降、粘性係数Ｃという。
【００９０】
この粘性係数Ｃは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性の度合を示しており、Ｃの値が大きいほど、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性が高い（両プーリ１２ａ，１２ｂ間に発生する粘性力が大きくなりやすい）ことを意味する。そして、伝達機構８の粘性係数Ｃの値は、基本的には、オリフィス部２４の開口面積に応じたものとなり、該開口面積が大きいほど、Ｃの値が小さくなる。
【００９１】
ＣＰＵ等で構成された制御装置（図示省略）が、伝達機構８の粘性係数Ｃ_iを所望の粘性係数（目標粘性係数）となるように制御するためには、例えば、以下のようにする。まず、制御装置のメモリ等の記憶装置に、オリフィス部２４の開口面積と粘性係数Ｃとを対応づけたテーブルを記憶保持しておく。そして、制御装置は、該記憶保持されたテーブルに従って、目標粘性係数に対するオリフィス部２４の開口面積を取得して、オリフィス部２４の開口面積が該取得された開口面積となるように制御する。これにより、伝達機構８の粘性係数Ｃ_iが目標粘性係数となるように制御される。
【００９２】
以降、シリンダ１９及びオリフィス部２４を、まとめて粘性要素６という。また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性係数Ｃのことを、粘性要素６の粘性係数Ｃという。
【００９３】
（２．特性可変範囲）
以降の説明においては、第ｉ関節機構Ｊｉ（但し、ｉは基体２から先端部３に向かって数えたときの関節機構の順番を表す）に関する符号を明示的に表す場合には、符号の末尾に「_i」を付与する。
【００９４】
また、本実施形態において、特にことわりの無い限り、基体２に対して固定された座標系（以下、「基体座標系」という）を用いている。基体座標系におけるｘ軸，ｙ軸，ｚ軸に関連する値を明示的に表す場合には、符号の末尾に「_x」、「_y」、「_z」を付与する。
【００９５】
また、物体Ｏbjに衝突するリンク部材を衝突リンク部材Ｌcollと定義する。また、基体２と衝突リンク部材Ｌcollとの間にある１つ又は複数の関節機構Ｊｉを、対象関節機構Ｊｉと定義する。
【００９６】
なお、本実施形態における衝突リンク部材Ｌcollは、本発明における可動部に相当する。また、基体２との間に１つ又は複数の関節機構Ｊｉを有するリンク部材Ｌｉ(i=1,2,...,N)のいずれもが、物体Ｏbjと衝突する可能性があるので、これらのリンク部材Ｌｉ(i=1,2,...,N)のいずれもが、本発明における可動部となり得る。
【００９７】
（２−１．剛性可変範囲）
本願発明者の各種検討によれば、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjに衝突する場合、全関節機構Ｊｉが損傷することを防止するためには、次の２つの条件を満たすように、各対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを制御できることが必要である。
【００９８】
（条件１）
各対象関節機構Ｊｉにおいて、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjに衝突することに起因する当該対象関節機構Ｊｉの変位による運動エネルギー（以下、「衝突運動エネルギー」という）を、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーに全て変換できるという条件。
【００９９】
（条件２）
各対象関節機構Ｊｉにおいて、第１時間が、第２時間以上であるという条件。
【０１００】
ここで、第１時間とは、「衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjに衝突することに起因する当該対象関節機構Ｊｉの変位が開始された時点」から、「当該対象関節機構Ｊｉの変位によって蓄積された当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによる当該対象関節機構Ｊｉの変位が開始されるまで」の時間である。換言すると、第１時間とは、衝突運動エネルギーを当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５が吸収している時間である。
【０１０１】
また、第２時間とは、アクチュエータ４によって当該対象関節機構Ｊｉが実現可能な最大加速度A_max_iで当該対象関節機構Ｊｉを変位する場合に、当該対象関節機構Ｊｉの関節変位の速度（以下、「関節変位速度」という）ω_iを、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjに衝突することによる当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させるために必要な時間である。
【０１０２】
ここで、相対的関節変位速度Δω_iとは、物体Ｏbjと衝突リンク部材Ｌcollが、当該物体Ｏbjと衝突することによって生じる、各対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iの変化量を表す。本実施形態では、関節機構Ｊｉが回転関節機構であるので関節変位速度ω_iは角速度である。
【０１０３】
各対象関節機構Ｊｉにおいて、上記２つの条件が満たされている場合には、次の２つの効果が得られる。これにより、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる各対象関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。
【０１０４】
（効果１：条件１による効果）
各対象関節機構Ｊｉにおいて、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる当該対象関節機構Ｊｉへの衝撃を、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５によって吸収できるという効果。
【０１０５】
（効果２：条件２による効果）
各対象関節機構Ｊｉにおいて、衝突運動エネルギーを当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５が吸収している間に、当該対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを、当該衝突による当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させることが可能となり、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによって、当該対象関節機構Ｊｉが強制的に変位されてしまうことを防止できるという効果。
【０１０６】
例えば、ＣＰＵ等を備える制御装置（図示省略）は、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することを検知したとき、当該衝突により各対象関節機構Ｊｉが損傷することを防止するために、上記の条件１及び条件２を満たすように、各対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを制御する。このため、各対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iの変更範囲（以下、当該範囲の最小値を第１剛性ｋ１_iといい、最大値を第２剛性ｋ２_iという）は、上記の条件１及び条件２を満たすように設定されている。以下、この弾性要素５の剛性ｋ_iの変更範囲の設定方法について説明する。
【０１０７】
（２−１−１．第１剛性）
条件１を満たすために、各対象関節機構Ｊｉにおいて、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の第１剛性ｋ１_iは、関節最大弾性エネルギーが、関節最小慣性衝突運動エネルギー以上となるように設定される。
【０１０８】
ここで、関節最大弾性エネルギーは、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性変位量Δθ_iが当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の最大変位量Δθ_lim_iである場合における当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーである。
【０１０９】
また、関節最小慣性衝突運動エネルギーは、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合の当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの取り得る最小値（以下、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉにおいて、この最小値を「第ｉ最小慣性モーメント」という）Ｉ_min_iとなり、且つアクチュエータ４によって変位される場合の当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが実現可能な最大の変位速度ω_max_iで当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位すると仮定した場合の当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの運動エネルギーである。
【０１１０】
ここで、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉが変位する場合の慣性モーメントＩ_t_iは、例えば、各関節機構Ｊｉの関節角度ψ_iに応じて求められる各リンク部材Ｌｉの位置及び姿勢から次式（２１１−１）に従って求められる。
【０１１１】
【数５】
2014121761.tif 000007
【０１１２】
但し、「×」という記号は、外積を表す。また、I_kは、基体座標系における、第ｋ関節機構Ｊｋのみに着目したときの当該第ｋ関節機構Ｊｋを回転させるときの慣性テンソルである。また、rgc_k（＝(rgc_k_x, rgc_k_y, rgc_k_z)）は、第ｋリンク部材Ｌｋの重心位置を示す位置ベクトルであり、r_i（＝(r_i_x, r_i_y, r_i_z)）は、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転中心の位置を示す位置ベクトルである。m_kは、第ｋリンク部材Ｌｋの質量である。また、a_i（＝(a_i_x, a_i_y, a_i_z)）は、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転方向を表す回転軸ベクトルである。a_iは、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転軸を示すように適宜設定される。
【０１１３】
式（２１１−１）の「||I_k・a_i||」は、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にあるリンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)の各々において、当該リンク部材Ｌｋが、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転中心軸線と平行で、且つ当該リンク部材Ｌｋの重心を通る軸を中心に回転するときの慣性モーメント（以下、「第１慣性モーメント」という）である。従って、式（２１１−１）のI_Aは、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にある各リンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)における第１慣性モーメントの総和である。
【０１１４】
また、式（２１１−１）の「||a_i × (rgc_k - r_i)||2・m_k」は、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にあるリンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)の各々において、当該リンク部材Ｌｉを第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転軸周りに回転させるときの慣性モーメント（以下、「第２慣性モーメント」という）である。従って、式（２１１−１）のI_Bは、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にある各リンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)における第２慣性モーメントの総和である。
【０１１５】
なお、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉが変位する場合の慣性モーメントＩ_t_iは、式（２１１−１）に従って算出されるものに限らず、他の演算式等によって算出されてもよい。
【０１１６】
なお、rgc_kは、第１関節機構Ｊ１〜第ｋ−１関節機構Ｊｋ−１の各々の関節角度ψに応じて変化する。また、r_i及びa_iは、第１関節機構Ｊ１〜第ｉ−１関節機構Ｊｉ−１の各々の関節角度ψに応じて変化する。また、I_k及びm_kは、リンク機構１の構造が決定した段階で一意に決定される。以上より、慣性モーメントＩ_t_iは、各関節機構Ｊｉの関節角度ψ_iに応じて変化することが分かる。
【０１１７】
そこで、第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位するときの第ｉ最小慣性モーメントＩ_min_iは、「各関節機構Ｊｉが取り得る関節角度ψ_i」の予め想定される全ての組み合わせの各々における当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位するときの慣性モーメントＩ_t_iのうち、最も小さな慣性モーメントＩ_t_iとして決定される。
【０１１８】
関節最小慣性衝突運動エネルギーは、第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合における当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが大きくなる程大きくなる。関節最小慣性衝突運動エネルギーは、第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合の当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが第ｉ最小慣性モーメントＩ_min_iである場合における衝突運動エネルギーである。従って、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_i及び当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iが一定という条件下において、関節最小慣性衝突運動エネルギーは、衝突運動エネルギーが取り得る値のなかの最小値となる。
【０１１９】
第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが第１剛性ｋ１_i以上に設定されることにより、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合に当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントが当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの取り得るいずれの値であっても、及び当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを変化させる量が当該第ｉ対象関節機構Ｊｉを変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件１を満たすように（衝突運動エネルギーを、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーに全て変換できるように）、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを設定できる。
【０１２０】
より詳細には、各対象関節機構Ｊｉにおいて、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の第１剛性ｋ１_iは、次式（２１１−２）によって得られる値以上に設定される。
【０１２１】
【数６】
2014121761.tif 000008
【０１２２】
ここで、式（２１１−２）は、次式（２１１−３）を満たす、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを示している。
【０１２３】
【数７】
2014121761.tif 000009
【０１２４】
式（２１１−３）において、左辺は、前述した関節最小慣性衝突運動エネルギーを示す。また、右辺は、前述した関節最大弾性エネルギーを示す。
【０１２５】
（２−１−２．第２剛性）
条件２を満たすために、各対象関節機構Ｊｉにおいて、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の第２剛性ｋ２_iは、第３時間が第４時間以上となるように設定されている。
【０１２６】
ここで、第３時間とは、第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合に当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの取り得る最大値（以下、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉにおいて、この最大値を「第ｉ最大慣性モーメント」という）Ｉ_max_iとなり、且つ当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位が開始された時点から、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位によって蓄積された当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによる当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位が開始される時点までの時間である。
【０１２７】
なお、第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位するときの第ｉ最大慣性モーメントＩ_max_iは、「各関節機構Ｊｉが取り得る関節角度ψ_i」の予め想定される全ての組み合わせの各々における当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位するときの慣性モーメントＩ_t_iのうち、最も大きな慣性モーメントＩ_t_iとして決定される。
【０１２８】
また、第４時間とは、アクチュエータ４によって第ｉ対象関節機構Ｊｉが実現可能な最大加速度A_max_iで当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位すると仮定した場合に、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの最大の関節変位速度ω_max_iだけ変化させる場合の時間である。
【０１２９】
ここで、第１時間は、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが一定という条件下において、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合の当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが大きい程大きくなる。第３時間は、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合に当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが第ｉ最大慣性モーメントＩ_max_iである場合における第１時間である。従って、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが一定という条件下において、第３時間は、第１時間が取り得る長さのなかの最大長となる。
【０１３０】
また、第２時間は、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが一定という条件下において、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを、変化させる量が大きい程大きくなる。第４時間は、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの最大の関節変位速度ω_max_iだけ変化させる場合における第２時間である。従って、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが一定という条件下において、第４時間は、第２時間が取り得る長さのなかの最大長となる。
【０１３１】
このように、第１時間の最大長である第３時間が、第２時間の最大長である第４時間以上となるように、第２剛性ｋ２_iが設定されている。従って、第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの取り得るいずれの値であっても、及び当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを変化させる量が当該第ｉ対象関節機構Ｊｉを変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件２を満たすように（第１時間が第２時間以上となるように）当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの剛性ｋ_iを設定できる。
【０１３２】
より詳細には、各対象関節機構Ｊｉにおいて、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の第２剛性ｋ２_iは、次式（２１２−１）によって得られる値以上に設定される。
【０１３３】
【数８】
2014121761.tif 000010
【０１３４】
但し、πは、円周率を示す。
【０１３５】
ここで、式（２１２−１）は、次式（２１２−２）を満たす第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性k_iである。
【０１３６】
【数９】
2014121761.tif 000011
【０１３７】
式（２１２−２）において、左辺は、前述した第３時間である。また、右辺は、前述した第４時間である。
【０１３８】
以上のように、各対象関節機構Ｊｉにおいて、第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位する場合に当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの慣性モーメントＩ_t_iが当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの取り得るいずれの値であっても、及び当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを変化させる量が当該第ｉ対象関節機構Ｊｉを変化させるときに取り得るいずれの値であっても、条件１及び条件２を満たすように、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを設定できる。従って、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することにより各関節機構Ｊｉが損傷することを防止するために、各対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを適切な範囲に設定できる。
【０１３９】
（２−２．粘性係数可変範囲）
各関節機構Ｊｉにおいて、粘性要素６の粘性係数Ｃ_iは、第１粘性係数Ｃ１_i以上且つ第２粘性係数Ｃ２_i以下の範囲で変更可能に構成される。ここで、第１粘性係数Ｃ１_iは、第ｉ関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが第１剛性ｋ１_iと等しいと仮定した場合に、当該第ｉ関節機構Ｊｉの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定される。また、第２粘性係数Ｃ２_iは、第ｉ関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが第２剛性ｋ２_iと等しいと仮定した場合に、当該第ｉ関節機構Ｊｉの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように設定される。
【０１４０】
これにより、各関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが、第１剛性ｋ１_i以上且つ第２剛性ｋ２_i以下の範囲のいずれの剛性ｋ_iに変更された場合であっても、当該変更された剛性ｋ_iに対して、当該第ｉ関節機構Ｊｉの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となる粘性係数Ｃ_iが、第１粘性係数Ｃ１_i以上且つ第２粘性係数Ｃ２_i以下の範囲に含まれる。
【０１４１】
従って、例えば、制御装置の制御によって、各関節機構Ｊｉの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となるように、各関節機構Ｊｉの粘性要素６の粘性係数Ｃ_iを変更することが可能となり、各関節機構Ｊｉの挙動特性が減衰振動の特性となることが防止される。そして、各関節機構Ｊｉの減衰振動に応じた衝突リンク部材Ｌcollの振動の発生が防止され、各関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性による衝突リンク部材Ｌcollと物体との衝突が再度生じることが防止される。これにより、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる各関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。
【０１４２】
具体的には、第１粘性係数Ｃ１_iは次式（２２−１）に従って決定され、第２粘性係数Ｃ２_iは次式（２２−２）に従って決定される。
【０１４３】
【数１０】
2014121761.tif 000012
【０１４４】
但し、式（２２−１）及び式（２２−２）において、ζは減衰比を示す。減衰比ζは、対象関節機構Ｊｉの挙動特性が、臨界減衰又は過減衰の特性となるように設定される（すなわち、ζが１以上に設定される）。
【０１４５】
（３．制御）
次に、上記のように構成されたリンク機構１において、制御装置（図示省略）が、各リンク部材Ｌｉのうちいずれかが物体Ｏbjと衝突する可能性があることを検知した場合に、各関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_i及び粘性要素６の粘性係数Ｃ_iを制御する方法の一例について説明する。
【０１４６】
なお、制御装置は、例えば、図示しない外界センサ等（カメラ等）の情報より、各リンク部材Ｌｉのいずれかが物体Ｏbjと衝突する可能性があることを検知している。そして、制御装置３０は、各リンク部材Ｌｉのいずれかにおいて該可能性が一定以上である場合には、該可能性が一定以上のリンク部材Ｌｉを物体Ｏbjに衝突する可能性があるリンク部材Ｌｉであると推定している。
【０１４７】
（３−１．剛性）
この場合、制御装置は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを変更可能な範囲内において、次式（３１−１）を満たす剛性ｋ_i以上（条件１を満たすように）、且つ次式（３１−２）を満たす剛性ｋ_i以下（条件２を満たすように）となるように、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iの目標値となる目標剛性ｋ_cmd_iを決定する。なお、式（３１−１）において、左辺は前述した衝突運動エネルギーを示し、右辺は前述した関節最大弾性エネルギーを示す。また、式（３１−２）において、左辺は前述した第１時間を示し、右辺は前述した第２時間を示す。
【０１４８】
【数１１】
2014121761.tif 000013
【０１４９】
【数１２】
2014121761.tif 000014
【０１５０】
ここで、当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iは、衝突リンク部材Ｌcollに設けられた速度センサ（図示省略）が出力した衝突相対速度（衝突リンク部材Ｌcollと物体Ｏbjとの間の相対的な速度）ΔＶ（＝(ΔＶ_x，ΔＶ_y，ΔＶ_z)）に応じて、次式（３１−３）に従って決定される。
【０１５１】
Δω＝Ｊcoll+・ΔＶ    …（３１−３）
ここで、Ｊcoll+は、以下に示されるヤコビ行列Ｊcollの疑似逆行列である。ヤコビ行列Ｊcollは、基体座標系における、衝突リンク部材Ｌcollの変位速度と、対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iとの関係を規定するヤコビ行列である。また、対象関節機構Ｊｉのうち最も衝突リンク部材Ｌcollに近い関節機構Ｊcollの相対的関節変位速度Δω_iをΔω_collと表す場合、Δωは、(Δω_1,Δω_2,...,Δω_coll)で表される。すなわち、Δωは、各対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの全てを要素とするベクトルである。
【０１５２】
そして、制御装置は、各関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iを、決定された目標剛性ｋ_cmd_iになるように制御する。これにより、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突した場合であっても、各関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。
【０１５３】
（３−２．粘性係数）
制御装置は、各関節機構Ｊｉにおいて、当該関節機構Ｊｉの粘性要素６の粘性係数の目標値となる目標粘性係数Ｃ_cmd_iを、上記のように設定された目標剛性ｋ_cmd_iに応じて、次式（３２）に従って決定する。
【０１５４】
【数１３】
2014121761.tif 000015
【０１５５】
但し、式（３２）において、ζは、式（２２−１）及び式（２２−２）と同様に、減衰比を示す。減衰比ζは、対象関節機構Ｊｉの挙動特性が、臨界減衰又は過減衰の特性となるように設定される（すなわち、ζが１以上に設定される）。
【０１５６】
そして、制御装置は、各関節機構Ｊｉの粘性要素６の粘性係数Ｃ_iを、決定された目標粘性係数Ｃ_cmd_iになるように制御する。
【０１５７】
これにより、各関節機構Ｊｉの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となり、減衰振動の特性になることが防止される。従って、該関節機構Ｊｉの減衰振動に応じた衝突リンク部材Ｌcollの振動の発生が防止され、各関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性による衝突リンク部材Ｌcollと物体Ｏbjとの衝突が生じることが防止される。これにより、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる各関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。
【０１５８】
（４．変形例）
本実施形態において、第１剛性ｋ１_iは、前述した式（２１１−２）に従って得られる剛性ｋ_i以上の値に決定されているが、他の演算式等によって、その値が決定されてもよい。
【０１５９】
また、本実施形態において、第２剛性ｋ２_iは、前述した式（２１２−１）に従って得られる剛性以下の値に決定されているが、他の演算式等によって、その値が決定されてもよい。
【０１６０】
また、関節機構Ｊｉは、少なくとも弾性要素５を備えている態様であれば、粘性要素６を備えていない態様であってもよい。
【０１６１】
また、関節機構Ｊｉは、駆動側のリンクと被動側のリンクとの間で動力伝達をする際に、該動力が弾性力及び粘性力に変換されて伝達される態様であれば、本実施形態の態様以外の態様であってもよい。例えば、駆動側のリンクと被動側のリンクとの間の動力伝達経路上に、剛性及び粘性係数を変更可能に構成された導電性高分子アクチュエータが用いられていてもよい。
【符号の説明】
【０１６２】
１…リンク機構、Ｏbj…物体、２…基体、３…先端部、Ｊｉ…関節機構、４…アクチュエータ、５…弾性要素、６…粘性要素、１１…ワイヤ（弾性要素）、１４…回転バー（弾性要素）、１６…ギヤ（弾性要素）、１７…スプリングウォーム（弾性要素）、１８…電動モータ（弾性要素）、１９…シリンダ（粘性要素）、２４…オリフィス部（粘性要素）、Δθ…弾性変位量（弾性変形量）、Δθ_i…弾性変位量（弾性変形量）、Δθ_lim_i…最大変位量（最大変形量）、ｋ_i…剛性、Ｃ_i…粘性係数、ｋ１_i…第１剛性、ｋ２_i…第２剛性、Ｃ１_i…第１粘性係数、Ｃ２_i…第２粘性係数、ω_i…関節変位速度（変位速度）、Ｉ_t_i…慣性モーメント、Ｌcoll…衝突リンク部材（可動部）。
【図１】
2014121761.tif 000018
【図２】
2014121761.tif 000019
【図５】
2014121761.tif 000020
【図３】
2014121761.tif 000021
【図４】
2014121761.tif 000022