(57)【要約】【課題】アクチュエータの負荷耐性を高めるとともに、外部環境に対する安全性を確保する。【解決手段】ハウジング１２に設置された第１中空モータ１３及び第２中空モータ１４を有する関節アクチュエータ１１において、第１中空モータ１３の出力側に接続され、当該第１中空モータ１３からの駆動力を減速するハーモニック減速機１６と、ハーモニック減速機１６により減速された駆動力を出力するサーキュラスプライン２２と、ハーモニック減速機１６のフレクスプライン２３とハウジング１２との間に接続されたねじりバネ１５とを有し、第２中空モータ１４は、その出力側が、ねじりバネ１５と並列にハーモニック減速機１６のフレクスプライン２３に接続され、当該ハーモニック減速機１６のフレクスプライン２３を駆動する。【選択図】図２
2011220380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータ固定部に設置された第１駆動部及び第２駆動部を有するアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部の出力側に接続され、当該第１駆動部からの駆動力を減速する減速機と、
前記減速機により減速された駆動力を出力する減速機出力部と、
前記アクチュエータの駆動力を出力するアクチュエータ出力部と、
前記減速機の支持部と前記アクチュエータ固定部との間に接続された弾性要素とを有し、
前記アクチュエータ出力部を前記減速機出力部により構成するとともに、
前記第２駆動部は、
出力側が、前記弾性要素と並列に前記減速機の支持部に接続され、当該減速機の支持部を駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
前記減速機は、ハーモニック減速機であり、
前記第１駆動部は、
前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、
前記弾性要素は、
前記支持部としての前記ハーモニック減速機のフレクスプラインと前記第１駆動部の固定子側とを接続し、
前記減速機出力部は、
前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインであり、
前記第２駆動部は、
固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記支持部としての前記フレクスプラインに接続することにより、当該フレクスプラインを駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載のアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部は、中空モータであり、
前記第２駆動部は、前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項３記載のアクチュエータにおいて、
前記第２駆動部は中空モータであり、
前記弾性要素は、
前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
前記減速機は、ハーモニック減速機であり、
前記第１駆動部は、
前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、
前記弾性要素は、
前記支持部としての前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインと前記第２駆動部の固定子側とを接続し、
前記減速機出力部は、
前記ハーモニック減速機のフレクスプラインであり、
前記第２駆動部は、
固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記支持部としての前記サーキュラスプラインに接続することにより、当該サーキュラスプラインを駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項５記載のアクチュエータにおいて、
前記第２駆動部は、中空モータであり、
前記第１駆動部は、
前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
請求項６記載のアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部は、中空モータである
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
アクチュエータ固定部に設置された第１駆動部及び第２駆動部を有するアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部の出力側に接続され、当該第１駆動部からの駆動力を減速する減速機と、
前記減速機により減速された駆動力を出力する減速機出力部と、
前記アクチュエータの駆動力を出力するアクチュエータ出力部と、
前記減速機の支持部と前記アクチュエータ固定部との間に接続された弾性要素とを有し、
前記アクチュエータ出力部を前記減速機出力部により構成するとともに、
前記第２駆動部は、
出力側が、前記アクチュエータ出力部に接続され、当該アクチュエータ出力部を駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項９】
請求項８記載のアクチュエータにおいて、
前記減速機は、ハーモニック減速機であり、
第１駆動部は、
前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、
前記弾性要素は、
前記支持部としての前記ハーモニック減速機のフレクスプラインと前記第１駆動部の固定子側とを接続し、
前記減速機出力部は、
前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインであり、
前記第２駆動部は、
固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部としての前記サーキュラスプラインに接続することにより、当該サーキュラスプラインを駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９記載のアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部は、中空モータであり、
前記弾性要素は、
前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１０記載のアクチュエータにおいて、
前記第２駆動部は、中空モータであり、
前記第１駆動部は、前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１２】
請求項８記載のアクチュエータにおいて、
前記減速機は、ハーモニック減速機であり、
前記第１駆動部は、
前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、
前記弾性要素は、
前記支持部としての前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインと前記第１駆動部の固定子側とを接続し、
前記減速機出力部は、
前記ハーモニック減速機のフレクスプラインであり、
前記第２駆動部は、
固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部としての前記フレクスプラインに接続することにより、当該フレクスプラインを駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１３】
請求項１２記載のアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部は、中空モータであり、
前記第２駆動部は、
前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１３記載のアクチュエータにおいて、
前記第２駆動部は、中空モータである
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１５】
アクチュエータ固定部に設置された第１駆動部及び第２駆動部を有するアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部の出力側に接続され当該第１駆動部からの駆動力を減速するとともに、支持部において前記アクチュエータ固定部に固定された減速機と、
前記減速機により減速された駆動力を出力する減速機出力部と、
前記アクチュエータの駆動力を出力するアクチュエータ出力部と、
一端側が前記アクチュエータ出力部を構成するとともに他端側が前記減速機出力部に接続された弾性要素とを有し、
前記第２駆動部は、
出力側が前記アクチュエータ出力部に接続され、前記アクチュエータ出力部を直接駆動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１６】
請求項１５記載のアクチュエータにおいて、
前記減速機は、ハーモニック減速機であるとともに、前記支持部としてのサーキュラスプラインにおいて前記アクチュエータ固定部に固定されており、
前記第１駆動部は、
前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、
前記減速機出力部は、
前記ハーモニック減速機のフレクスプラインであり、
前記弾性要素は、
一端側が前記減速機出力部としての前記フレクスプラインに接続され、他端側が前記アクチュエータ出力部に接続され、
前記第２駆動部は、
固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部に固定し、前記アクチュエータ出力部を駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１６記載のアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部は、中空モータであり、
前記第２駆動部は、前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１８】
請求項１７記載のアクチュエータにおいて、
前記第２駆動部は、中空モータであり、
前記弾性要素は、
前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１９】
請求項１５記載のアクチュエータにおいて、
前記減速機は、ハーモニック減速機であるとともに、前記支持部としてのフレクスプラインにおいて前記アクチュエータ固定部に固定されており、
前記第1駆動部は、
前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、
前記減速機出力部は、
前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインであり、
前記弾性要素は、
一端側が前記減速機出力部としての前記サーキュラスプラインに接続され、他端側が前記アクチュエータ出力部に接続され、
前記第２駆動部は、
固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部に固定し、前記アクチュエータ出力部を駆動する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２０】
請求項１９記載のアクチュエータにおいて、
前記第２駆動部は、中空モータであり、
前記第１駆動部は、
前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２１】
請求項２０記載のアクチュエータにおいて、
前記第１駆動部は、中空モータである
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２２】
設置箇所に固定される固定部から可動側の先端部に向かって順番に配列される、第１リンク、第２リンク、を含む、複数のリンクと、
前記固定部と前記第１リンクとを屈曲可能に連結し駆動する第１関節アクチュエータ、及び、前記第１リンクと前記第２リンクとを屈曲可能に連結し駆動する第２関節アクチュエータを含む、複数の関節アクチュエータと、
を有するロボットにおいて、
前記複数の関節アクチュエータのそれぞれを、請求項１乃至請求項２１のいずれか１項記載のアクチュエータとした
ことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットや工作機などの機械システムを駆動するためのアクチュエータ及びこれを備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータは、機械システムを高速・高精度で駆動するため、より大きな力やトルクを発生することを求められている。電動モータを用いたアクチュエータで大きな力やトルクを得るには、モータを大型化する、減速機を備える、といった手段がとられることが多い。特に減速機は、小型の電動モータで大きな力やトルクを得るために不可欠であり、遊星歯車減速機やハーモニック減速機を電動モータに直結したアクチュエータが広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１５８９６号公報（段落［００２２］〜［００２５］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術のように、減速機を備えたアクチュエータには次のような一般的な問題がある。まず第１に、減速機は、衝撃などの大きな負荷により破壊しやすく、このことがアクチュエータの負荷耐性を制限する大きな要因となっている。
【０００５】
第２に、アクチュエータの出力側からみた電動モータの可動子質量は減速比の２乗倍となるが、この結果、仮にアクチュエータで駆動される機械システムが他の物体に衝突した場合を想定すると、物体への衝撃力が非常に大きくなる可能性がある。特に、不特定環境で作業をするロボットのような機械システムに使用されるアクチュエータでは、予期せぬ外界との衝突が起こる可能性を完全には排除できない。外部環境の安全性確保のためには、アクチュエータから加わる衝撃力の大きさを少しでも小さくする必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、アクチュエータの負荷耐性を高めるとともに、外部環境に対する安全性を確保することができる、アクチュエータ、及びこれを備えたロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本願第１発明は、アクチュエータ固定部に設置された第１駆動部及び第２駆動部を有するアクチュエータにおいて、前記第１駆動部の出力側に接続され、当該第１駆動部からの駆動力を減速する減速機と、前記減速機により減速された駆動力を出力する減速機出力部と、前記アクチュエータの駆動力を出力するアクチュエータ出力部と、前記減速機の支持部と前記アクチュエータ固定部との間に接続された弾性要素とを有し、前記アクチュエータ出力部を前記減速機出力部により構成するとともに、前記第２駆動部は、出力側が、前記弾性要素と並列に前記減速機の支持部に接続され、当該減速機の支持部を駆動する。
【０００８】
本願第１発明においては、減速機の支持部とアクチュエータ固定部との間に弾性要素を設けることにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減できる。この結果、減速機の支持部が弾性要素なしでアクチュエータ固定部に接続される場合のように出力インピーダンスが減速比とともに無限に大きくなることはなく、減速比が大きくなった場合でも出力インピーダンスの値を有限値にとどめることができる。
【０００９】
これにより、本願第１発明のアクチュエータによって駆動される負荷が仮に外部環境に衝突した場合でも衝撃力が軽減されるので、外部環境に対する高い安全性を確保することができる。さらに、アクチュエータに対し大きな力が印加されなくなるため、減速機の破損などの可能性が極めて低くなる。すなわち、アクチュエータの負荷耐性を高めることができる。弾性要素の剛性を変えることで、出力インピーダンスを調整することもできる。
【００１０】
なお、上記のように弾性要素を組み込むと第１駆動部による高周波領域での制御応答性が低下するが、本願第１発明においては、弾性要素と並列に第２駆動部を接続することにより上記応答性の低下を補償することができる。
【００１１】
好ましくは、第２発明は、上記第１発明において、前記減速機は、ハーモニック減速機であり、前記第１駆動部は、前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、前記弾性要素は、前記支持部としての前記ハーモニック減速機のフレクスプラインと前記第１駆動部の固定子側とを接続し、前記減速機出力部は、前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインであり、前記第２駆動部は、固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記支持部としての前記フレクスプラインに接続することにより、当該フレクスプラインを駆動する。
【００１２】
これにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減する構成を、実現することができる。
【００１３】
また好ましくは、第３発明は、上記第２発明において、前記第１駆動部は、中空モータであり、前記第２駆動部は、前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００１４】
これにより、第１駆動部と第２駆動部とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【００１５】
また好ましくは、第４発明は、上記第３発明において、前記第２駆動部は中空モータであり、前記弾性要素は、前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００１６】
これにより、第１駆動部、第２駆動部、及び弾性要素を径方向に重畳させて配置できるので、さらに確実にアクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。この結果、アクチュエータユニットとして被駆動装置（ロボットや工作機械など）に組み込みやすくなる。
【００１７】
また好ましくは、第５発明は、上記第１発明において、前記減速機は、ハーモニック減速機であり、前記第１駆動部は、前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、前記弾性要素は、前記支持部としての前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインと前記第２駆動部の固定子側とを接続し、前記減速機出力部は、前記ハーモニック減速機のフレクスプラインであり、前記第２駆動部は、固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記支持部としての前記サーキュラスプラインに接続することにより、当該サーキュラスプラインを駆動する。
【００１８】
これにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減する構成を、実現することができる。
【００１９】
また好ましくは、第６発明は、上記第５発明において、前記第２駆動部は、中空モータであり、前記第１駆動部は、前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００２０】
これにより、第２駆動部と第１駆動部とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。また、第１駆動部の外周側に位置する第２駆動部の径を比較的大きくすることができるので、高周波域でも高出力なアクチュエータとすることができる。
【００２１】
また好ましくは、第７発明は、上記第６発明において、前記第１駆動部は、中空モータである。
【００２２】
これにより、アクチュエータを完全に中空化できるので、当該中空部に負荷側で使用する配線などを通すことができる。この結果、アクチュエータを用いた機構の設計自由度を高めることができる。
【００２３】
また上記目的を達成するために、本願第８発明は、アクチュエータ固定部に設置された第１駆動部及び第２駆動部を有するアクチュエータにおいて、前記第１駆動部の出力側に接続され、当該第１駆動部からの駆動力を減速する減速機と、前記減速機により減速された駆動力を出力する減速機出力部と、前記アクチュエータの駆動力を出力するアクチュエータ出力部と、前記減速機の支持部と前記アクチュエータ固定部との間に接続された弾性要素とを有し、前記アクチュエータ出力部を前記減速機出力部により構成するとともに、前記第２駆動部は、出力側が、前記アクチュエータ出力部に接続され、当該アクチュエータ出力部を駆動する。
【００２４】
本願第８発明においては、上記第１発明と同様、減速機の支持部とアクチュエータ固定部との間に弾性要素を設けることにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減できる。これにより、上記同様、本願第８発明のアクチュエータによって駆動される負荷が仮に外部環境に衝突した場合でも衝撃力が軽減され、外部環境に対する高い安全性を確保することができるとともに、アクチュエータの負荷耐性を高めることができる。
【００２５】
なお、上記のように弾性要素を組み込むと第１駆動部による高周波領域での制御応答性が低下するが、本願第８発明においては、アクチュエータ出力部に第２駆動部が接続されて負荷に対し直接駆動力を発生できるので、全周波数領域にわたり高い駆動力伝達特性を得ることができる。これにより、上記応答性の低下を補償することができる。
【００２６】
好ましくは、第９発明は、上記第８発明において、前記減速機は、ハーモニック減速機であり、第１駆動部は、前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、前記弾性要素は、前記支持部としての前記ハーモニック減速機のフレクスプラインと前記第１駆動部の固定子側とを接続し、前記減速機出力部は、前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインであり、前記第２駆動部は、固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部としての前記サーキュラスプラインに接続することにより、当該サーキュラスプラインを駆動する。
【００２７】
これにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らして出力インピーダンスの値を低減する構成を、実現することができる。
【００２８】
また好ましくは、第１０発明は、上記第９発明において、前記第１駆動部は、中空モータであり、前記弾性要素は、前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００２９】
これにより、第１駆動部と弾性要素とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【００３０】
また好ましくは、第１１発明は、上記第１０発明において、前記第２駆動部は、中空モータであり、前記第１駆動部は、前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００３１】
これにより、第１駆動部、第２駆動部、及び弾性要素を径方向に重畳させて配置可能となるので、さらに確実にアクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。この結果、アクチュエータユニットとして被駆動装置（ロボットや工作機械など）に組み込みやすくなる。
【００３２】
また好ましくは、第１２発明は、上記第８発明において、前記減速機は、ハーモニック減速機であり、前記第１駆動部は、前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、前記弾性要素は、前記支持部としての前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインと前記第１駆動部の固定子側とを接続し、前記減速機出力部は、前記ハーモニック減速機のフレクスプラインであり、前記第２駆動部は、固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部としての前記フレクスプラインに接続することにより、当該フレクスプラインを駆動する。
【００３３】
これにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減する構成を、実現することができる。
【００３４】
また好ましくは、第１３発明は、上記第１２発明において、前記第１駆動部は、中空モータであり、前記第２駆動部は、前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００３５】
これにより、第１駆動部と第２駆動部とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【００３６】
また好ましくは、第１４発明は、上記第１３発明において、前記第２駆動部は、中空モータである。
【００３７】
これにより、アクチュエータを完全に中空化できるので、当該中空部に負荷側で使用する配線などを通すことができる。この結果、アクチュエータを用いた機構の設計自由度を高めることができる。
【００３８】
また上記目的を達成するために、本願第１５発明は、アクチュエータ固定部に設置された第１駆動部及び第２駆動部を有するアクチュエータにおいて、前記第１駆動部の出力側に接続され当該第１駆動部からの駆動力を減速するとともに、支持部において前記アクチュエータ固定部に固定された減速機と、前記減速機により減速された駆動力を出力する減速機出力部と、前記アクチュエータの駆動力を出力するアクチュエータ出力部と、一端側が前記アクチュエータ出力部を構成するとともに他端側が前記減速機出力部に接続された弾性要素とを有し、前記第２駆動部は、出力側が前記アクチュエータ出力部に接続され、前記アクチュエータ出力部を駆動する。
【００３９】
本願第１５発明においては、減速機の支持部はアクチュエータ固定部に固定する一方、減速機出力部とアクチュエータ出力部との間に弾性要素を設けている。これにより、上記第１発明及び上記第８発明と同様、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減できる。この結果、上記同様、本願第１５発明のアクチュエータによって駆動される負荷が仮に外部環境に衝突した場合でも衝撃力が軽減され、外部環境に対する高い安全性を確保することができるとともに、アクチュエータの負荷耐性を高めることができる。
【００４０】
なお、上記のように弾性要素を組み込むと第１駆動部による高周波領域での制御応答性が低下するが、本願第１５発明においては、第２駆動部がアクチュエータ出力部に接続されており、負荷に対し直接駆動力を発生できるので、上記第８発明と同様、全周波数領域にわたり高い駆動力伝達特性を得ることができる。これにより、上記応答性の低下を補償することができる。
【００４１】
好ましくは、第１６発明は、上記第１５発明において、前記減速機は、ハーモニック減速機であるとともに、前記支持部としてのサーキュラスプラインにおいて前記アクチュエータ固定部に固定されており、前記第１駆動部は、前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、前記減速機出力部は、前記ハーモニック減速機のフレクスプラインであり、前記弾性要素は、一端側が前記フレクスプラインに接続され他端側が前記アクチュエータ出力部に接続され、前記第２駆動部は、固定子を前記第１駆動部の固定子側に固定するとともに、可動子を前記アクチュエータ出力部に固定し、前記アクチュエータ出力部を駆動する。
【００４２】
これにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減する構成を、実現することができる。
【００４３】
また好ましくは、第１７発明は、上記第１６発明において、前記第１駆動部は、中空モータであり、前記第２駆動部は、前記第１駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００４４】
これにより、第１駆動部と第２駆動部とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【００４５】
また好ましくは、第１８発明は、上記第１７発明において、前記第２駆動部は、中空モータであり、前記弾性要素は、前記第２駆動部に備えられた中空部に配置されている。
【００４６】
これにより、第１駆動部、第２駆動部、及び弾性要素を径方向に重畳させて配置できるので、さらに確実にアクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。この結果、アクチュエータユニットとして被駆動装置（ロボットや工作機械など）に組み込みやすくなる。
【００４７】
また好ましくは、第１９発明は、上記第１５発明において、前記減速機は、ハーモニック減速機であるとともに、前記支持部としてのフレクスプラインにおいて前記アクチュエータ固定部に固定されており、前記第1駆動部は、前記ハーモニック減速機のウェーブジェネレータを駆動し、前記減速機出力部は、前記ハーモニック減速機のサーキュラスプラインであり、前記弾性要素は、一端側が前記減速機出力部としての前記サーキュラスプラインに接続され、他端側が前記アクチュエータ出力部に接続され、前記第２駆動部は、固定子をアクチュエータ出力部に固定し、前記アクチュエータ出力部を駆動する。
【００４８】
本願第１９発明においては、減速機としてハーモニック減速機を用い、減速機出力部であるサーキュラスプラインとアクチュエータ出力部との間を弾性要素で接続する。これにより、第１駆動部に備えられる可動子質量がアクチュエータ出力側に及ぼす影響を減らし、前記アクチュエータの出力インピーダンスの値を低減する構成を、実現することができる。
【００４９】
また好ましくは、第２０発明は、上記第１９発明において、前記第２駆動部は、中空モータであり、前記第１駆動部は、前記第２駆動部に備えられた中空部に配置する。
【００５０】
これにより、第１駆動部と第２駆動部とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【００５１】
また好ましくは、第２１発明は、上記第２０発明において、前記第１駆動部は、中空モータである。
【００５２】
これにより、アクチュエータを完全に中空化できるので、当該中空部に負荷側で使用する配線などを通すことができる。この結果、アクチュエータを用いた機構の設計自由度を高めることができる。
【００５３】
また上記目的を達成するために、本願第２２発明は、設置箇所に固定される固定部から可動側の先端部に向かって順番に配列される、第１リンク、第２リンク、を含む、複数のリンクと、前記固定部と前記第１リンクとを屈曲可能に連結し駆動する第１関節アクチュエータ、及び、前記第１リンクと前記第２リンクとを屈曲可能に連結し駆動する第２関節アクチュエータを含む、複数の関節アクチュエータと、を有するロボットにおいて、前記複数の関節アクチュエータのそれぞれを、上記アクチュエータとする。
【００５４】
本願第２２発明においては、上記第１発明〜第２１発明のいずれかのアクチュエータを使用する。これにより、仮に、動作時において周囲物や作業者等に対し可動側先端部が衝突した場合であっても、アクチュエータに備えられる上記弾性要素の効果によって、複数のアクチュエータのうち最も先端側にあるアクチュエータより先端側の部分、すなわち、複数のリンクのうち最も先端側のリンクの質量のみが衝突したのとほぼ等価であるとみなすことができる。この結果、すべてのリンク及びアクチュエータの総質量が衝突したのと等価となる、弾性要素のないアクチュエータを使用する場合に比べ、衝撃を大きく低減することができ、安全性を高めることができる。さらに、上記接触においてアクチュエータにかかるトルクも低減できるので、アクチュエータ自体に損傷や破壊が生じる可能性も低くできる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、アクチュエータの負荷耐性を高めるとともに、外部環境に対する安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係るアクチュエータを備えたロボット装置全体の簡略図である。
【図２】ロボット本体が備える関節アクチュエータの構成を表す、部分破断縦断面図である。
【図３】関節アクチュエータにおける制御原理を説明するための直動アクチュエータのモデル図である。
【図４】直動アクチュエータモデルにおける力の伝達関数についての周波数−ゲイン特性図である。
【図５】関節アクチュエータとその制御装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【図６】ロボット装置における関節アクチュエータとその制御装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【図７】サーキュラスプラインを支持部としフレクスプラインを出力部とする関節アクチュエータの構成を示す部分破断縦断面図である。
【図８】第２駆動部をアクチュエータ出力部に接続する変形例において、制御原理を説明するための直動アクチュエータのモデル図である。
【図９】第２駆動部をアクチュエータ出力部に接続する変形例において、関節アクチュエータの構成を示す部分破断縦断面図である。
【図１０】第２駆動部をアクチュエータ出力部に接続する変形例において、サーキュラスプラインを支持部としフレクスプラインを出力部とする関節アクチュエータの構成を示す部分破断縦断面図である。
【図１１】第２駆動部と弾性要素をアクチュエータ出力部に直列に接続する変形例において、制御原理を説明するための直動アクチュエータのモデル図である。
【図１２】第２駆動部と弾性要素をアクチュエータ出力部に直列に接続する変形例において、関節アクチュエータの構成を示す部分破断縦断面図である。
【図１３】第２駆動部と弾性要素をアクチュエータ出力部に直列に接続する変形例において、フレクスプラインを支持部としサーキュラスプラインを出力部とする関節アクチュエータの構成を示す部分破断縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００５８】
図１は、本発明の一実施形態によるアクチュエータを備えたロボット装置の全体を簡略化して示した図である。
【００５９】
図１において、ロボット装置１は、ロボット本体２と、当該ロボット本体２の動作を制御する制御装置、例えばパーソナルコンピュータ３で構成されている。図示する例のロボット本体２は、２関節アーム型ロボットであり、床部に固定された第１関節アクチュエータ４と、この第１関節アクチュエータ４により揺動制御される第１アーム５と、この第１アーム５の先端に固定された第２関節アクチュエータ６と、この第２関節アクチュエータ６により揺動制御される第２アーム７と、この第２アーム７の先端に固定されたグリッパー８とを備えている。なお、第１アーム５が請求項２２記載の第１リンクを構成し、第２アーム７が第２リンクを構成する。
【００６０】
各関節アクチュエータ４，６がそれぞれ対応するアーム５，７を揺動させることで、グリッパー８を作業対象物９に近づけることができる。そして、グリッパー８が作業対象物９を把持し、さらに各アーム５，７を揺動させることで、作業対象物９を移動させることができる。なお、図示する例では２つの関節アクチュエータ４，６の回転動作だけでグリッパー８を移動させているが、この他にも各アーム５，７に長手方向を回転軸としたねじり動作を行わせるアクチュエータ（特に図示せず）などを設けることにより、グリッパー８の移動自由度を増加させてもよい。
【００６１】
パーソナルコンピュータ３は、このロボット本体２が備える各関節アクチュエータ４，６にそれぞれ対応した制御指令を生成・送信することで、各関節アクチュエータ４，６を協調動作させ、ロボット本体２全体を円滑に動作させるよう制御する。なお、例えば、作業対象物９の位置は、図示しない外界センサ(例えば画像センサなど)によって計測する。
【００６２】
そしてこのロボット装置１は、例えば安全柵などで周囲を囲みロボット本体２のアーム移動のための占有空間を確保するのではなく、当該ロボット本体２の可動範囲中に他の干渉物が侵入する可能性のある作業環境において作業可能となっている。特に、図１に示すように、近い位置に立つ人間Ｈと協調して同じ作業対象物９を取り扱う場合にも、適用されるものである。
【００６３】
図２は、上記ロボット本体２が備える関節アクチュエータ４，６として使用される、本実施形態の関節アクチュエータ１１の構成を示す図である。なお、図示する例の関節アクチュエータ１１は回転駆動型のものであり、図中ではその回転軸中心を境に、下半分を外観図、上半分を縦断面図で示している（後述する図７、図９、図１０、図１２、図１３についても同様）。
【００６４】
図２において、関節アクチュエータ１１は、アクチュエータ固定部としてのハウジング１２と、第１駆動部としての第１中空モータ１３と、第２駆動部としての第２中空モータ１４と、ねじりバネ１５と、ハーモニック減速機１６とを備えている。
【００６５】
ハウジング１２は、全体が略円筒形状に形成されており、一方側（図中の左側）の端面や内部において適宜の壁部を備え、内部に配置される各構成部品を一体に固定し収容している。その内部で最も外周側には、軸中心が中空構造である上記第１中空モータ１３が配置され、この第１中空モータ１３の中空部の内周側には、同じく中空構造の上記第２中空モータ１４が配置されている。さらに、当該第２中空モータ１４の中空部の内周側に弾性要素としてのねじりバネ１５が配置されており、これら第１中空モータ１３、第２中空モータ１４、及びねじりバネ１５の同じ側（図中の右側）の端部をそれぞれ接続するように上記ハーモニック減速機１６が設けられている。これらのうち、少なくとも第１中空モータ１３、第２中空モータ１４、ねじりバネ１５、及びハーモニック減速機１６は、それぞれの中心軸を一致させるよう配置されている。以下に各部の構成について説明する。
【００６６】
（Ａ）各中空モータの構成
第１中空モータ１３は、外周側に配置され上記ハウジング１２に固定されている第１モータ固定子１３ａと、内周側近傍に配置され回転可能に支持されている第１モータ回転子１３ｂで構成されている。その際、第１モータ回転子１３ｂの出力軸は中空構造であり、第１中空モータ１３全体は上述したようにいわゆる中空モータの構成となっている。特に詳細に説明しないが、この例では第１モータ固定子１３ａに備えられた複数のコイルにそれぞれ適宜の複相交流電力を供給することで、第１モータ回転子１３ｂが回転駆動される。
【００６７】
第２中空モータ１４も、上記第１中空モータ１３と比較して小径の同様の構成であり、外周側に配置され上記ハウジング１２に固定された第２モータ固定子１４ａに適宜の複相交流電力を供給することで、その内周側の可動子としての第２モータ回転子１４ｂが回転駆動される。なお、第１中空モータ１３及び第２中空モータ１４は、それぞれ例えばロータリエンコーダで構成する第１回転量検出器１７、第２回転量検出器１８を備えている。
【００６８】
（Ｂ）ハーモニック減速機の構成
ハーモニック減速機１６は、ウェーブジェネレータ２１と、各請求項記載のアクチュエータ出力部として機能するサーキュラスプライン２２と、各請求項記載の減速機の支持部として機能するフレクスプライン２３とを備えている。
【００６９】
ウェーブジェネレータ２１は、第１中空モータ１３の第１モータ回転子１３ｂに一体的に形成されており、例えば、楕円形のカム板の外周に可撓性ベアリング２４を取り付けたものである。フレクスプライン２３は、例えば、外周に歯溝が刻まれた薄肉円筒形の金属弾性体であり、その内部に上記ウェーブジェネレータ２１がはめ込まれ、楕円形に撓んでいる。サーキュラスプライン２２は、例えば、歯溝が刻まれた真円形の内周を持つ圧肉円環状の剛体であり、ベアリングを介してハウジング１２のハーモニック減速機１６側に回転可能に支持されている。そして、サーキュラスプライン２２の内周の歯溝は、フレクスプライン２３の外周の歯溝と噛み合っている。
【００７０】
上記構成のハーモニック減速機１６において、フレクスプライン２３は楕円形に撓んでいるので、その歯溝は楕円の長軸にあたるところでサーキュラスプライン２２の歯溝と噛み合い、短軸にあたるところでは両者は離れている。したがって第１モータ回転子１３ｂとともにウェーブジェネレータ２１が回転すると、ウェーブジェネレータ２１によって内周側から駆動されるフレクスプライン２３の歯溝とその外周側にあるサーキュラスプライン２２との歯溝が順次噛み合いつつ、フレクスプライン２３とサーキュラスプライン２２は歯数の差に応じて互いに相対回転する。
【００７１】
本実施形態の例では、フレクスプライン２３に第２モータ回転子１４ｂが固定的に接続されており、サーキュラスプライン２２自体がこの関節アクチュエータ１１の出力軸を構成している。この結果、第２モータ回転子１４ｂが全く回転しない場合には、第１モータ回転子１３ｂの回転が、フレクスプライン２３とサーキュラスプライン２２の歯数差に応じた減速比で減速され、出力軸であるサーキュラスプライン２２から取り出される。
【００７２】
また、ねじりバネ１５は、例えばゴムなどの弾性材料からなる軸形状部材であり、その一端がハウジング１２の端面の軸中心に固定され、他端がフレクスプライン２３の回転中心に固定されている。これにより、上記ハーモニック減速機１６のフレクスプライン２３は、第２モータ回転子１４ｂによる回転駆動力と、ねじりバネ１５による軸周りの弾性力の両方を同時に（並列に）受ける。
【００７３】
ここで、以上の構成の本実施形態の関節アクチュエータ１１における制御原理について、以下に説明する。
【００７４】
図３は、本実施形態の関節アクチュエータ１１における制御原理を説明するためのモデル図である。なお、上述した本実施形態の関節アクチュエータ１１は回転駆動型の構成であるが、ここでは制御原理の説明・理解を容易とするために、図３に示すような直動駆動型アクチュエータの模式的なモデルを参照して説明する。
【００７５】
この図３において、上記アクチュエータ１１に対応する直動アクチュエータ３１は、アクチュエータ固定部３２と、直動減速機３３と、第１直動モータ３４と、第２直動モータ３５と、線形バネ３６と、入力側可動子質量Ｍｍと、支持側可動子質量Ｍｔと、出力側可動子質量Ｍｌとを有している。
【００７６】
アクチュエータ固定部３２は、この例では第１直動モータ３４と、第２直動モータ３５と、線形バネ３６の一端とを一体に固定する部分であり、上記図２に示した本実施形態の関節アクチュエータ１１におけるハウジング１２に対応する。
【００７７】
直動減速機３３は、図示する例においてテコで構成されており、その力点に相当する減速機入力部３７と、支点に相当する減速機支持部３８と、作用点に相当する減速機出力部３９とを有している。ここで、減速機支持部３８が、各請求項に記載の減速機の支持部を構成し（すなわち上記関節アクチュエータ１１のフレクスプライン２３と同等の機能）、減速機出力部３９が、アクチュエータ出力部（すなわち上記関節アクチュエータ１１のサーキュラスプライン２２と同等の機能）を構成する。そして、減速機支持部３８に変位が生じない限りにおいては、減速機入力部３７の変位に対する一定の比率（つまり減速比）で減速機出力部３９を変位させることができる。この点に着目して対比すると、当該直動減速機３３の全体が本実施形態の関節アクチュエータ１１における上記ハーモニック減速機１６に相当し、そのうちの減速機入力部３７がウェーブジェネレータ２１に相当し、減速機支持部３８がフレクスプライン２３に対応し、減速機出力部３９がサーキュラスプライン２２に相当する。
【００７８】
第１直動モータ３４は、固定子である第１モータ固定部３４ａがアクチュエータ固定部３２に固定され、第１モータ出力部３４ｂが直動駆動力ｆａ１で直動減速機３３の減速機入力部３７を直線的（図中の上下方向）に変位させるよう出力する。また、特に図示していないが、この第１直動モータ３４には減速機入力部３７の変位量を計測可能な変位センサが設けられている。この第１直動モータ３４は、本実施形態の関節アクチュエータ１１における上記第１中空モータ１３に相当する。
【００７９】
第２直動モータ３５は、固定子である第２モータ固定部３５ａがアクチュエータ固定部３２に固定され、可動子である第２モータ出力部３５ｂが直動駆動力ｆａ２で直動減速機３３の減速機支持部３８を直線的（図中の上下方向；上記第１直動モータ３４と同じ方向）に変位させるよう出力する。また、特に図示していないが、この第２直動モータ３５にも減速機支持部３８の変位量を計測可能な変位センサが設けられている。この第２直動モータ３５は、本実施形態の関節アクチュエータ１１における上記第２中空モータ１４に相当する。
【００８０】
線形バネ３６は、直線的な圧縮・引っ張りに対してばね剛性Ｋｔを発揮するものであり、その一端がアクチュエータ固定部３２に接続され、他端が直動減速機３３の減速機支持部３８（つまりテコの支点）に接続される。これは、本実施形態の関節アクチュエータ１１におけるねじりバネ１５に相当する。
【００８１】
そして、直動減速機３３の減速機入力部３７、減速機支持部３８、及び減速機出力部３９のそれぞれは可動子質量に接続されている。減速機入力部３７に接続されている入力側可動子質量Ｍｍは、減速機入力部３７の質量と第１直動モータ３４の可動子（第１モータ出力部３４ｂ）の質量の和であり、すなわち本実施形態の関節アクチュエータ１１におけるウェーブジェネレータ２１の質量と第１モータ回転子１３ｂの質量の和に相当する。減速機支持部３８に備えられている支持側可動子質量Ｍｔは、減速機支持部３８の質量と第２直動モータ３５の可動子（第２モータ出力部３５ｂ）の質量の和であり、すなわち本実施形態の関節アクチュエータ１１におけるフレクスプライン２３の質量と第２モータ回転子１４ｂの質量の和に相当する。減速機出力部３９に備えられている出力側可動子質量Ｍｌは、アクチュエータ出力部としての減速機出力部３９の特に図示していない質量Ｍｏと当該アクチュエータ出力部に取り付けられた特に図示していない負荷質量との和であり、すなわち本実施形態の関節アクチュエータ１１におけるサーキュラスプライン２２の質量と特に図示していない関節アクチュエータ１１の出力に対する負荷質量の和に相当する。なお、上記３つの可動子質量Ｍｍ，Ｍｔ，Ｍｌにおいては、重力系によるそれらの自重は考慮せず、あくまで慣性系によるそれぞれの質量だけを考慮する。
【００８２】
以上により、上記図２に示した本実施形態の関節アクチュエータ１１と、図３に示す直動アクチュエータ３１のモデルとは、回転駆動型と直動型の違いはあるものの、それぞれ対応する構成部品どうしの接続構成と力の伝達構成については同等とみなせる。
【００８３】
この直動アクチュエータ３１において、まず、直動減速機３３の働きについて説明する。直動減速機３３のテコは、力点−支点間距離と支点−作用点間距離の比がＲ：１である。ここでＲは１より大きな定数である。このとき、直動減速機３３のテコの減速比(入力／出力)はＲに等しい。第１直動モータ３４の変位量をｘｍ、減速機支持部３８の変位量をｘｔ、減速機出力部３９の変位量をｘｌとすると、以下の関係式が成り立つ。
（ｘｍ−ｘｔ）：（ｘｌ−ｘｔ）＝Ｒ：１
すなわち、直動減速機３３の速度・変位に関する拘束条件として、
ｘｍ＋（Ｒ−１）ｘｔ＝Ｒｘｌ
2011220380.tif 000003
・・・（１）
が成り立つ。
【００８４】
変位量ｘｍ及びｘｔはそれぞれ変位センサにより計測可能なので、計測結果と式（１）を用いれば減速機出力部３９の変位量ｘｌも計算で求めることができる。すなわち、
ｘｌ＝−ｘｍ/Ｒ＋（１−１/Ｒｘｔ）
である。また、減速機入力部３７に印加される力をｆ１、減速機支持部３８に印加される力をｆ２、減速機出力部３９が出力する力をｆ０とすると、以下の関係式が成り立つ。つまり、直動減速機３３の力増幅に関する拘束条件として
ｆ０＝Ｒｆ１      ・・・（２）
と、直動減速機３３の力作用反作用に関する拘束条件として
ｆ０＝ｆ１＋ｆ２      ・・・（３）
とが成り立つ。
【００８５】
続いて系の動特性について説明する。可動子質量Ｍｍ，Ｍｔ，Ｍｌについての運動方程式は以下のようになる。
2011220380.tif 000004
2011220380.tif 000005
2011220380.tif 000006
以上の運動方程式は式（２）及び式（３）により次のように書き直せる。つまり、上記図３に示した直動アクチュエータ３１の運動方程式として、
2011220380.tif 000007
2011220380.tif 000008
2011220380.tif 000009
・・・（４）
となる。式（４）の両辺をＬａｐｌａｃｅ変換し、式（１）とあわせてｆ０とｘｌについて解くことで、直動アクチュエータ３１の出力インピーダンスＺｏｕｔ：＝ｆ０/（ｓｘｌ）が次のように得られる。つまり、上記図３に示した直動アクチュエータ３１の出力インピーダンスとして、
2011220380.tif 000010
・・・（５）
が得られる。
【００８６】
弾性要素の効果を明らかにするため、線形バネ３６を用いない場合(減速機支持部３８をアクチュエータ固定部３２に直接接続し、バネ剛性Ｋｔが無限大の場合)の出力インピーダンスを計算すると以下のようになる。つまり、上記図３に示した直動アクチュエータ３１において、弾性要素がない場合の出力インピーダンスとして、
2011220380.tif 000011
・・・（６）
が得られる。
【００８７】
この式（６）は、弾性要素を備えない直動アクチュエータ３１の出力インピーダンスが第１直動モータ３４側の可動子質量ＭｍのＲ２倍の質量と等価であることを示している。すなわち、減速比Ｒを大きくすると、出力インピーダンスはＲ２に比例して急激に大きくなる。このような直動アクチュエータ３１によって駆動された負荷が外部環境に衝突すると、負荷質量に加えて第１直動モータ３４側の可動子質量ＭｍのＲ２倍の質量を有する物体が衝突したのと同様に、大きな衝撃力が発生し得る。これに対し、弾性要素である線形バネ３６を備えた直動アクチュエータ３１は、減速比Ｒを大きくしても、出力インピーダンスは次の極限に収束する。つまり、上記図３に示した直動アクチュエータ３１において、減速比無限大の場合の出力インピーダンスは、
2011220380.tif 000012
・・・（７）
に収束する。
【００８８】
この式（７）は、バネ剛性Ｋｔで接続された支持側可動子質量Ｍｔの出力インピーダンスに相当する。したがって、減速比Ｒを大きくしても出力インピーダンスは、式（６）のように無限に大きくなることはない。弾性要素である線形バネ３６を設けることによって第１直動モータ３４側の可動子質量Ｍｍがアクチュエータ出力側に及ぼす影響が低減されるためである。結果として、直動アクチュエータ３１によって駆動される負荷が外部環境に衝突したとしても、衝突時の衝撃力は軽減され、高い安全性が確保される。さらに、直動アクチュエータ３１に大きな力が印加されないため、直動減速機３３の破損などの可能性は極めて低くなる。すなわち、直動アクチュエータ３１の負荷耐性が高くなるのである。線形バネ３６のバネ剛性Ｋｔを変えれば、出力インピーダンスを調整することもできる。
【００８９】
続いて、第１直動モータ３４に加えて第２直動モータ３５を備える利点について説明する。各直動モータが発生する力ｆａ１，ｆａ２から直動アクチュエータ３１の発生する力ｆ０までの伝達関数Ｇｆ１：＝ｆ０/ｆａ１，Ｇｆ２：＝ｆ０/ｆａ２は、式（４）の両辺をＬａｐｌａｃｅ変換した結果と式（１）とをあわせて変形することで次のように計算できる。つまり、つまり、上記図３に示した直動アクチュエータ３１における力の伝達関数として、
2011220380.tif 000013
2011220380.tif 000014
・・・（８）
が得られる。
【００９０】
これらのゲインを縦軸とし、周波数を横軸として描いたのが図４である。図において実線がＧｆ１のゲイン線図、破線がＧｆ２のゲイン線図である。高い制御応答性を得るには、全周波数領域で一定のゲインが得られることが望ましい。しかし、Ｇｆ１のゲインは高周波域で低下してしまうので、第１直動モータ３４だけでは直動アクチュエータ３１の発生力ｆａを高速に制御することができない。一方、Ｇｆ２のゲインはＧｆ１のゲインが低下する高周波領域でもほぼ一定に保たれるので、第１直動モータ３４で制御しきれない高周波成分を補うことができるのである。なお、図４のゲイン線図は固有振動数付近で伝達関数のゲインが非常に大きくなることを示している。実際には、直動アクチュエータ３１の粘性摩擦などの影響でゲインの増大はある程度抑制されるのに加え、固有振動を励起しないように制御入力を調整できるため、振動の発散は防止できる。
【００９１】
このように、上記図３に示した直動アクチュエータ３１は、線形バネ３６で構成する弾性要素の効果により衝撃力を軽減するとともに直動アクチュエータ３１の負荷耐性を高めることができ、一方で問題となる弾性要素による制御応答性の低下を補う第２直動モータ３５を備えることによって高い制御応答性を確保できる。なお、減速機出力部３９に図示しない力センサを備え、アクチュエータ発生力の計測値をアクチュエータ制御に利用できるようにしてもよい。
【００９２】
そして、以上に説明した直動アクチュエータ３１のモデルに基づく制御特性については、対応する構成部品どうしの接続構成と力の伝達構成が同等である上記図２の本実施形態の関節アクチュエータ１１においても同等に適用することができる。つまり、これら２つのアクチュエータ１１，３１は、共通する基本構成として、フレクスプライン２３（減速機支持部３８）とハウジング１２（アクチュエータ固定部３２）との間に弾性要素であるねじりバネ１５（線形バネ３６）を備え、このねじりバネ１５（線形バネ３６）と並列に第２中空モータ１４（第２直動モータ３５）を接続して応答性を補償していることから、いずれのアクチュエータ１１，３１も衝撃力軽減及び負荷耐性向上と、制御応答性の確保の両立が可能となっている。
【００９３】
しかし、本実施形態の関節アクチュエータ１１の場合には、さらにユニットとして機構に組み込みやすい構造を実現できるというもう一つの主要な効果を備えている。つまり、第１中空モータ１３を軸中心が中空構造である中空モータで構成し、その軸中心の内部に同じく中空モータで構成した第２中空モータ１４を第１中空モータ１３と軸中心が一致するように配置し、さらにその軸中心の内部にねじりバネ１５を配置した構造としたことにより、関節アクチュエータ１１は、全体が小型化された単体のアクチュエータユニットとして機構に組み込みやすい構成となっている。この関節アクチュエータ１１を備えることで、駆動力伝達のためのワイヤーなどの複雑な構造は必要なくなる。
【００９４】
なお、本実施形態の関節アクチュエータ１１では、減速機支持部３８に相当するフレクスプライン２３を駆動する駆動部として回転駆動型の第２中空モータ１４を備え、これを第１中空モータ１３と回転軸中心が一致するように配置しているが、本発明はこれに限られない。第２中空モータ１４の実際の回転量はねじりバネ１５の平衡角度まわりに限定されるため、回転駆動型の第２中空モータ１４の代わりに、小回転に特化した様々な構造のモータを適用できる。
【００９５】
なお、直動アクチュエータ３１における２つの変位センサは、関節アクチュエータ１１における２つの回転量検出器１７，１８に対応しており、減速機出力部３９の変位量に対応するサーキュラスプライン２２の回転量は、２つの回転量検出器１７，１８でそれぞれ計測した回転量から、上記式（１）の関係式を用いて計算で求めることができる。また、減速機支持部３８に対応するフレクスプライン２３の回転量に対しては、第１回転量検出器１７の代わりにねじりバネ１５に歪ゲージを貼り付け、ねじりバネ１５のひずみ量からフレクスプライン２３の回転量を求めるようにしてもよい。あるいは、この歪みゲージと第１回転量検出器１７の両方を備えてもよい。また、関節アクチュエータ１１の出力部であるサーキュラスプライン２２に図示しないトルクセンサを備え、関節アクチュエータ１１が発生したトルクの実測値を後述のアクチュエータ制御に利用できるようにしてもよい。
【００９６】
次に、本実施形態の関節アクチュエータ１１を駆動制御するための制御装置の構成を説明する。図５は、関節アクチュエータ１１とその制御装置の構成を模式的に示したブロック図である。この図５において、制御装置４１は、目標トルク算出部４２と、目標トルク分解部４３と、トルク制御部４４とを備え、関節アクチュエータ１１との間に各種の計測値信号や駆動電力の授受を行う。
【００９７】
この制御装置４１が備える各構成要素について、以下に説明する。
【００９８】
目標トルク算出部４２は、関節アクチュエータ１１の負荷に目的の動作をさせるために必要なアクチュエータの目標トルクｆ０ｄを算出する。本実施形態の例では、関節アクチュエータ１１の出力部であるサーキュラスプライン２２の回転量制御(すなわち、サーキュラスプライン２２に直接接続した負荷の回転量制御)を目的として目標トルクｆ０ｄを算出する。また、この算出には、関節アクチュエータ１１の固有振動を励起しないことも求められる。制御装置４１の外部から入力されるサーキュラスプライン２２の目標回転量ｘｌｄと、関節アクチュエータ１１の２つの回転量検出器１７，１８でそれぞれ実測される２つの回転量xm，ｘｔ又は実測回転量ｘｍ及び算出回転量ｘｌ（上述したように２つの回転量xm，ｘｔから算出）と、に基づいて関節アクチュエータ１１の目標トルクｆ０ｄを算出するが、そのための制御アルゴリズムはＰＩＤ制御をはじめ様々な方式を利用可能である。また固有振動の励起防止には、ノッチフィルタなどの適用が効果的であることが知られている。これら適用可能な具体的なアルゴリズムについては、既に公知であるため説明を省略する。なお、本実施形態の関節アクチュエータ１１では回転量制御を目的としたが、本発明はこれに限られず、例えば回転速度制御や回転トルク制御などであっても制御アルゴリズムの変更によって対応することができる。
【００９９】
目標トルク分解部４３は、目標トルクｆ０ｄ、実測回転量ｘｔ，ｘｍ、及び関節アクチュエータ１１が発生したトルクの実測値ｆ０をもとに、第１中空モータ１３における目標トルクｆａ１ｄと、第２中空モータ１４における目標トルクｆａ２ｄを計算し出力する。上記式（８）の伝達関数を考慮しつつ、目標トルクｆ０ｄの低周波成分を第１中空モータ１３で、高周波成分を第２中空モータ１４で、それぞれ担うように決めればよい。なお、上記のトルク実測値ｆ０は、上述したように関節アクチュエータ１１の出力部に設置したトルクセンサ（特に図示せず）の実測値か、ねじりバネ１５の変位量と力の関係に基づいて算出した値を用いる。
【０１００】
トルク制御部４４は、第１中空モータ１３及び第２中空モータ１４が実際に発生したトルクｆａ１，ｆａ２が、目標トルク分解部４３から出力される目標トルクｆａ１ｄ，ｆａ２ｄに追従するように第１中空モータ１３及び第２中空モータ１４へそれぞれ出力する駆動電力ｗ１，ｗ２を制御する。各中空モータ１３，１４への具体的な供給電流値のフィードバック制御については、公知の電流制御アルゴリズムによって行えばよく、ここでの詳細な説明は省略する。実際には、電流制御アルゴリズムに基づいて作動する市販の電流制御装置を用いることで、実際に発生するトルクｆａ１，ｆａ２を少ない誤差で目標トルクｆａ１ｄ，ｆａ２ｄに追従させることができる。
【０１０１】
以上のように関節アクチュエータ１１の制御装置４１を構成することで、関節アクチュエータ１１が発生するトルクｆ０をその目標値ｆ０ｄにほとんど遅れなく追従させることができるため、関節アクチュエータ１１は理想的なトルク発生源として扱うことができる。この結果、目標トルク算出部４２の位置制御アルゴリズムが有効に働き、高速・高精度な位置決めが可能となる。目標トルク算出部４２に速度制御やトルク制御アルゴリズムを組み込んだ場合も同様に、理想に近い制御結果を得ることができる。
【０１０２】
なお、上述した説明は、回転駆動型の関節アクチュエータ１１に適用する制御装置についてのものであるが、そのうちの回転方向のトルクを直線的な力に置き換えるなどにより、上記図３に示したような直動駆動型の直動アクチュエータ３１にも適用できる。
【０１０３】
また、この制御装置を上記図１に示したロボット装置１に適用する場合には、上記図５に対応する図６に示すような構成とすることができる。この図６に示す制御装置５１は、上記図５に示した制御装置４１が備える上記目標トルク演算部４２、目標トルク分解部４３、及びトルク制御部４４と同等の機能の目標トルク演算部５３、目標トルク分解部５４、及びトルク制御部５５に加えて、逆運動学演算部５２を追加している。また、関節アクチュエータ１１との間で授受する情報信号の内容も異なっている。なお、図６に示す制御装置５１は、上記ロボット装置１の例におけるパーソナルコンピュータ３上で処理されるソフトウェアで構成される。
【０１０４】
ロボット装置１における制御装置５１の構成要素について、以下に説明する。
【０１０５】
関節アクチュエータ１１は、ハーモニック減速機１６におけるフレクスプライン２３のアクチュエータ固定部３２に対する回転量を成分とするフレクスプライン２３の回転量ベクトルｑｔと、第１中空モータ１３における第１モータ回転子１３ｂのアクチュエータ固定部３２に対する回転量を成分とする第１中空モータ１３の回転量ベクトルｑｍとを、それぞれ目標トルク算出部５３と目標トルク分解部５４にフィードバック入力している。
【０１０６】
逆運動学演算部５２は、逆運動学演算によりグリッパー目標位置ベクトルｘｄに対応する目標関節位置ベクトルｑｌｄを求める。ここでグリッパー目標位置ベクトルｘｄは作業空間に固定した直交座標系上での位置を表すベクトルであり、本実施形態では（ｘ１ｄ，ｘ２ｄ）Ｔの２次元ベクトルであって、図示しない外界センサによる作業対象物９の位置の計測結果に基づいて生成される。目標関節位置ベクトルｑｌｄは関節角座標系上での位置を表すベクトルであり、本実施形態では（ｑｌ，１ｄ，ｑｌ，２ｄ）Ｔの２次元ベクトルであって、関節アクチュエータ１１の出力部の各固定部に対する回転量ベクトルｑｌ＝（ｑｌ，１，ｑｌ，２）Ｔの目標値である。
【０１０７】
この例の目標トルク算出部５３は、関節アクチュエータ１１の出力部の各固定部に対する回転量ベクトルｑｌ＝（ｑｌ，１，ｑｌ，２）Ｔを目標関節位置ベクトルｑｌｄ＝（ｑｌ，１ｄ，ｑｌ，１ｄ）Ｔに追従させるような目標トルクベクトルτ０ｄ＝（τ０，１ｄ，τ０，２ｄ）Ｔを算出する。この算出には、ＰＩＤ制御など様々な制御アルゴリズムを利用できるが、本実施形態では以下のような演算式を用いる。
2011220380.tif 000015
・・・（９）
ここでＭ（ｑｌ）はロボット本体２の慣性行列、
2011220380.tif 000016
はＣｏｒｉｏｌｉｓ力及び求心力ベクトル、ｇ（ｑｌ）は重力ベクトル、ＫｖとＫｐは適当な正定行列である。式（９）の制御アルゴリズムは、目標関節位置ベクトルｑｌｄが時間変化する場合でも回転量ベクトルｑｌが目標関節位置ベクトルｑｌｄに漸近収束することが保証される追従制御アルゴリズムである。本アルゴリズムは従来の弾性要素を備えていないアクチュエータによって駆動されるロボットには適用されてきたが、弾性要素を備えたアクチュエータで駆動されるロボットにはアクチュエータの応答速度が不十分なため安定性が保てず、適用できていなかった。本実施形態の関節アクチュエータ１１は、弾性要素を備えていながら発生トルクに対する高い制御応答性を確保しているため、式（９）のような高速・高精度な追従制御アルゴリズムも適用可能である。
【０１０８】
目標トルク分解部５４は、関節アクチュエータ１１の目標トルクベクトルτ０ｄを、アクチュエータ１２０１、１２０２それぞれの第１中空モータ１３及び第２中空モータ１４で発生する目標トルクベクトルτａ１ｄ＝（τａ１，１ｄ，τａ１，２ｄ）Ｔ，τａ２ｄ＝（τａ２，１ｄ，τａ２，２ｄ）Ｔに分解する。目標トルクベクトルは、目標トルクベクトルτ０ｄの低周波成分を第１中空モータ１３で、高周波成分を第２中空モータ１４で、それぞれ担うように決めればよい。
【０１０９】
トルク制御部５５は、関節アクチュエータ１１の第１中空モータ１３及び第２中空モータ１４がそれぞれ実際に発生したトルクベクトルτａ１＝（τａ１，１，τａ１，２）Ｔ，τａ２＝（τａ２，１，τａ２，２）Ｔが目標トルクベクトルτａ１ｄ，τａ２ｄに追従するように各中空モータ１３，１４への駆動電力ｗ１，ｗ２を制御する。トルク制御アルゴリズムの説明については省略する。
【０１１０】
以上のようにロボット装置１の制御装置を構成することで、ロボット本体２のグリッパー８の位置は目標位置ベクトルｘｄに正確に追従するため、精密な作業が遂行可能である。
【０１１１】
以上説明したように、本実施形態においては、減速機の支持部としてのフレクスプライン２３とハウジング１２との間にねじりバネ１５を設けることにより、第１中空モータ１３に備えられる入力側可動子質量Ｍｍがアクチュエータ出力側に及ぼす影響を低減できる。この結果、ハーモニック減速機１６のフレクスプライン２３がねじりバネ１５なしでハウジング１２に接続される場合のように出力インピーダンスが減速比とともに無限に大きくなることはなく、減速比が大きくなった場合でも出力インピーダンスの値を有限値にとどめることができる。
【０１１２】
これにより、本実施形態の関節アクチュエータ１１によって駆動される負荷が仮に外部環境に衝突した場合でも衝撃力が軽減されるので、外部環境に対する高い安全性を確保することができる。さらに、関節アクチュエータ１１に対し大きな力が印加されなくなるため、ハーモニック減速機１６の破損などの可能性が極めて低くなる。すなわち、関節アクチュエータ１１の負荷耐性を高めることができる。ねじりバネ１５の剛性を変えることで、出力インピーダンスを調整することもできる。
【０１１３】
そして、特にロボット装置１に適用した場合には、以下のような技術的意義がある。すなわち、図１に示したような作業環境では、作業対象物９や人間Ｈの状態を完全にセンサで把握することは困難であり、万が一、ロボット本体２が作業中に作業対象物９や人間Ｈと予期せず接触する可能性がある。このときアクチュエータ４，６に従来の弾性要素を有しないアクチュエータを使用していた場合、リンク５，７およびアクチュエータ４，６およびグリッパー８の総質量が作業対象物９あるいは人間Ｈに衝突したのと等価となり、接触力が非常に大きくなる。さらに、接触に伴って各アクチュエータ４，６に印加されるトルクも非常に大きくなり、減速機等のアクチュエータの各部機構が破壊される可能性が高い。
【０１１４】
本実施形態では、アクチュエータ４，６として、上記アクチュエータ１１を使用することにより、上述した効果によってリンク７及びグリッパー８の質量のみが衝突したのとほぼ等価であるとみなすことができ、接触力低減効果を得ることができる。また、上述したようにしてアクチュエータ１１本体にかかるトルクは小さく抑えられるので、アクチュエータ１１が破壊される可能性も低くすることができる。
【０１１５】
なお、上記のようにねじりバネ１５を組み込むと第１中空モータ１３による高周波領域での制御応答性が低下するが、本実施形態においては、ねじりバネ１５と並列に第２中空モータ１４を接続することにより上記応答性の低下を補償することができる。
【０１１６】
また、この実施形態では特に、第１中空モータ１３を中空モータで構成し、その内部に第２中空モータ１４を配置することにより、第１中空モータ１３と第２中空モータ１４とを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、関節アクチュエータ１１全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【０１１７】
また、この実施形態では特に、第２中空モータ１４を中空モータで構成し、その内部にねじりバネ１５を配置する。これにより、第１中空モータ１３、第２中空モータ１４、及びねじりバネ１５を径方向に重畳させて配置できるので、さらに確実に関節アクチュエータ１１全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。この結果、アクチュエータユニットとして被駆動装置（ロボットや工作機械など）に組み込みやすくなる。
【０１１８】
なお、本実施形態の関節アクチュエータ１１においては、各請求項記載の減速機の支持部をハーモニック減速機１６のフレクスプライン２３により構成して第２中空モータ１４の第２モータ回転子１４ｂとねじりバネ１５を並列に接続し、各請求項記載のアクチュエータ出力部をサーキュラスプライン２２により構成してここからアクチュエータ回転出力を取り出す構成としていたが、本発明はこれに限られない。例えば、上記図２に対応する図７に示す関節アクチュエータ１１Ａのように、各請求項記載の減速機の支持部をハーモニック減速機１６Ａのサーキュラスプライン２２Ａにより構成して第２中空モータ１４Ａの第２モータ回転子１４ＡｂとねじりバネＡ１５を並列に接続するとともに、各請求項記載のアクチュエータ出力部をフレクスプラインＡ２３により構成してここからアクチュエータ回転出力を取り出す構成としてもよい。
【０１１９】
ここで、ハーモニック減速機１６Ａにおいては、サーキュラスプライン２２Ａが最も外周に配置され、その内周側にフレクスプライン２３Ａが配置され、さらにその内周側にウェーブジェネレータ２１Ａが配置される配置構成は変えることができない。したがって図７に示す関節アクチュエータ１１Ａの場合には、ハウジング１２Ａの内部で最も外周側に第２中空モータ１４Ａを配置してその第２モータ回転子１４Ａｂをサーキュラスプライン２２Ａに接続し、その内周側に第１中空モータ１３Ａを配置してその第１モータ回転子１３Ａｂをウェーブジェネレータ２１Ａに接続する構成となる。
【０１２０】
また、この例では、中軸形状のねじりバネ１５の代わりに、弾性材料からなる円環形状のリングバネ６１を、ハウジング１２の内周とサーキュラスプライン２２の外周との間に接続させ、これを弾性要素とする。このリングバネ６１は、ハウジング１２に対するサーキュラスプライン２２の相対回転に対して、所定のバネ剛性で弾性力を付加することができる。
【０１２１】
このような構成の関節アクチュエータ１１Ａにおいても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【０１２２】
また、この図７の構成の場合では特に、第１中空モータ１３Ａの外周側に位置する第２中空モータ１４Ａの径を比較的大きくすることができるので、高周波域でも高出力なアクチュエータとすることができる。
【０１２３】
また、この図７の構成の場合では特に、第１中空モータ１３Ａを中空モータで構成していることにより、関節アクチュエータ１１Ａ全体を完全に中空化できるので、当該中空部に負荷側で使用する配線などを通すことができる。この結果、関節アクチュエータ１１Ａを用いた機構の設計自由度を高めることができる。
【０１２４】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
【０１２５】
（１）第２駆動部をアクチュエータ出力部に接続する場合
上記実施形態では、第２駆動部である第２中空モータ１４と、弾性要素であるねじりバネ１５とを、減速機の支持部としてのフレクスプライン２３又はサーキュラスプライン２２のいずれか一方に並列に接続した構成としていたが、本発明はこれに限られない。例えば、第２駆動部をアクチュエータ出力部に接続し、弾性要素を減速機の支持部に接続する構成としてもよい。
【０１２６】
図８は、本変形例のアクチュエータにおける制御原理を説明するためのモデル図であり、上記実施形態の図３に対応する図である。本変形例でも、上記実施形態と同様に直動駆動型アクチュエータの模式的なモデルを参照して制御原理を説明する。なお、図３に示した構成部分と同等のものには同じ符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。
【０１２７】
図８に示す構成が図３に示す構成と異なる点は、第２直動モータ３５をアクチュエータ固定部３２と直動減速機３３の減速機出力部３９との間に接続している点である。また、特に図示していないが、この第２直動モータ３５にもアクチュエータ固定部３２に対する減速機出力部３９の変位量を計測可能な変位センサが設けられている。
【０１２８】
一方、線形バネ３６がアクチュエータ固定部３２と直動減速機３３の減速機支持部３８との間に接続している点では上記実施形態と同じであるため、同様に衝撃力軽減や負荷耐性向上といった特性が得られる。
【０１２９】
そして図８に示す構成における第２直動モータ３５は、アクチュエータ全体の負荷も含めた出力側可動子質量Ｍｌに対して直接駆動力を発生できるため、全周波数領域にわたって減速機出力部３９に対し高い駆動力伝達特性を得ることができる。したがって図示する構成でも、第１直動モータ３４の応答が低下する高周波域で、上記実施形態と同等な補償が可能である。なお、線形バネ３６の変位量は上記式（１）を用いて算出することができる。
【０１３０】
そして、以上に説明した本変形例での直動アクチュエータ３１Ｆのモデルに基づく制御特性は、対応する構成部品どうしの接続構成と力の伝達構成が同等である、図９に示す本変形例の関節アクチュエータ１１Ｂにおいても、同様に得ることができる。
【０１３１】
図９に示すように、この第１変形例の関節アクチュエータ１１Ｂは、ハウジング１２Ｂの内部で最も外周側に第２中空モータ１４Ｂを配置してその第２モータ回転子１４Ｂｂをサーキュラスプライン２２Ｂに接続し、その内周側に第１中空モータ１３Ｂを配置してその第１モータ回転子１３Ｂｂをウェーブジェネレータ２１Ｂに接続し、さらにその内周側にねじりバネ１５Ｂを配置しその一端をフレクスプライン２３Ｂに接続している。なお、第２モータ固定子１４Ｂａ、第１モータ固定子１３Ｂａ、及びねじりバネ１５Ｂの他端は共通のハウジング１２Ｂに接続されている。この構成において、ウェーブジェネレータ２１Ｂが図８の減速機入力部３７に相当している。また、フレクスプライン２３Ｂが図８の減速機支持部３８に相当し、各請求項記載の減速機の支持部に相当している。また、サーキュラスプライン２２Ｂが図８の減速機出力部３９に相当し、各請求項記載のアクチュエータ出力部に相当する。
【０１３２】
以上説明したように、本変形例においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。なお、上記のようにねじりバネ１５Ｂを組み込むと第１中空モータ１３Ｂによる高周波領域での制御応答性が低下するが、本変形例においては、アクチュエータ出力部としてのサーキュラスプライン２２Ｂに第２中空モータ１４Ｂが接続されて負荷に対し直接駆動力を発生できるので、全周波数領域にわたり高い駆動力伝達特性を得ることができる。これにより、上記応答性の低下を補償することができる。
【０１３３】
また、この変形例では特に、第２中空モータ１４Ｂを中空モータで構成し、その内部に第１中空モータ１３Ｂを配置する。これにより、第１中空モータ１３Ｂ、第２中空モータ１４Ｂ、及びねじりバネ１５Ｂを径方向に重畳させて配置可能となるので、さらに確実に関節アクチュエータ１１Ｂ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。この結果、アクチュエータユニットとして被駆動装置（ロボットや工作機械など）に組み込みやすくなる。
【０１３４】
また、この変形例では特に、第１中空モータ１３Ｂを中空モータで構成し、その内部にねじりバネ１５Ｂを配置することにより、第１中空モータ１３Ｂとねじりバネ１５Ｂとを径方向に重畳させて配置することができる。この結果、アクチュエータ全体の軸方向寸法の低減を図り、小型化することができる。
【０１３５】
なお、本変形例においても、例えば上記図７に対応する図１０に示す関節アクチュエータ１１Ｃのように、各請求項記載の減速機の支持部をハーモニック減速機１６Ｃのサーキュラスプライン２２Ｃにより構成して弾性要素を接続するとともに、各請求項記載のアクチュエータ出力部をフレクスプライン２３Ｃにより構成して第２中空モータ１４Ｃの第２モータ回転子１４Ｃｂを接続しここからアクチュエータ回転出力を取り出す構成としてもよい。
【０１３６】
この図１０に示す関節アクチュエータ１１Ｃの場合には、ハウジング１２Ｃの内部で最も外周側に第１中空モータ１３Ｃを配置してその第１モータ回転子１３Ｃｂをウェーブジェネレータ２１Ｃに接続し、その内周側に第２中空モータ１４Ｃを配置してその第２モータ回転子１４Ｃｂをフレクスプライン２３Ｃに接続する構成となる。なお、第２モータ固定子１４Ｃａと第１モータ固定子１３Ｃａは共通のハウジング１２Ｃに接続されている。
【０１３７】
また、リングバネ６１Ｃを、互いに対向しあうハウジング１２Ｃの内壁６４とサーキュラスプライン２２Ｃの端面との間に接続させる。このリングバネ６１Ｃは、ハウジング１２Ｃに対するサーキュラスプライン２２Ｃの相対回転に対して、所定のバネ剛性で弾性力を付加することができる。なお、ウェーブジェネレータ２１Ｃが図８の減速機入力部３７に相当し、サーキュラスプライン２２Ｃが図８の減速機支持部３８に相当し、フレクスプライン２３Ｃが図８の減速機出力部３９に相当している。
【０１３８】
このような構成の関節アクチュエータ１１Ｃにおいても、上記第１変形例と同様の効果が得られる。
【０１３９】
また、この図１０の構成の場合では特に、第２中空モータ１４Ｃを中空モータで構成していることにより、関節アクチュエータ１１Ｃを完全に中空化できるので、当該中空部に負荷側で使用する配線などを通すことができる。この結果、アクチュエータを用いた機構の設計自由度を高めることができる。
【０１４０】
（２）第２駆動部と弾性要素をアクチュエータ出力部に接続する場合
上記第１変形例では、第２駆動部だけをアクチュエータ出力部に接続した構成としていたが、これに限られず、例えば第２駆動部及び弾性要素の両方をアクチュエータ出力部に直列に接続する構成としてもよい。
【０１４１】
図１１は、本変形例のアクチュエータにおける制御原理を説明するためのモデル図であり、上記実施形態の図３に対応する図である。本変形例でも、上記実施形態と同様に直動駆動型アクチュエータの模式的なモデルを参照して制御原理を説明する。なお、図３に示した構成部分と同等のものには同じ符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。図中Ｍｏは減速機出力部３９の質量、ｘｏはアクチュエータ固定部３２に対する第２直動モータ３５の第２モータ出力部の変位量である。また、Ｍｌ−Ｍｏはアクチュエータによって駆動される負荷質量であって、線形バネ３６と負荷質量Ｍｌ−Ｍｏの接続点がアクチュエータ３１Ｇのアクチュエータ出力部を構成している。
【０１４２】
図１１に示す構成が図３に示す構成と異なる点は、直動減速機３３の減速機支持部３８をアクチュエータ固定部３２に直接接続し、第２直動モータ３５と線形バネ３６とをアクチュエータ固定部３２と直動減速機３３の減速機出力部３９との間に直列に接続している点である。また、特に図示していないが、この第２直動モータ３５にもアクチュエータ固定部３２に対する第２直動モータ３５の第２モータ出力部の変位量ｘｏを計測可能な変位センサが設けられている。なお、線形バネ３６の変位量は次のように算出できる。すなわち、計測した減速機入力部３７の変位量ｘｍと減速機支持部３８の変位量ｘｔ＝０を上記式（１）に代入し、減速機出力部３９の変位量ｘｌの値を求め、計測した第２モータ出力部の変位量ｘｏとの差ｘｏ−ｘｌを線形バネ３６の変位量とする。
【０１４３】
図１１の構成においては、線形バネ３６によって直動減速機３３の減速機出力部３９とアクチュエータ出力部とを接続しているため、上記実施形態と同様の衝撃力軽減や負荷耐性向上といった特性が得られる。
【０１４４】
図１１に示す構成における第２直動モータ３５は、負荷質量Ｍｌ−Ｍｏに対して直接駆動力を発生できるため、全周波数領域にわたって負荷質量Ｍｌ−Ｍｏに対する高い駆動力伝達特性を有する。したがって図示する構成でも、第１直動モータ３４の応答が低下する高周波域で、上記実施形態と同等な補償が可能である。
【０１４５】
そして、以上に説明した本変形例での直動アクチュエータ３１Ｇのモデルに基づく制御特性は、対応する構成部品どうしの接続構成と力の伝達構成が同等である、図１２に示す本変形例の関節アクチュエータ１１Ｄにおいても、同様に得ることができる。
【０１４６】
図１２に示すように、この第２変形例の関節アクチュエータ１１Ｄは、ハウジング１２Ｄの内部で最も外周側に第１中空モータ１３Ｄを配置してその第１モータ回転子１３Ｄｂをウェーブジェネレータ２１Ｄに接続し、その内周側に第２中空モータ１４Ｄを配置してその第２モータ回転子１４Ｄｂをアクチュエータ出力軸６２に接続し、さらに第２中空モータ１４Ｄの内周側にねじりバネ１５Ｄを配置してその一端をアクチュエータ出力軸６２に接続して他端をフレクスプライン２３Ｄに接続している。なお、第１モータ固定子１３Ｄａ、第２モータ固定子１４Ｄａ、及びサーキュラスプライン２２Ｄは共通のハウジング１２Ｄに接続されている。この構成において、ウェーブジェネレータ２１Ｄが図１１の減速機入力部３７に相当している。また、サーキュラスプライン２２Ｄが図１１の減速機支持部３８に相当し、各請求項記載の減速機の支持部に相当している。フレクスプライン２３Ｄが図１１の減速機出力部３９に相当し、各請求項記載の減速機出力部に相当している。アクチュエータ出力軸６２が、図１１には特に図示していない各請求項記載のアクチュエータ出力部に相当している。そして、フレクスプライン２３Ｄの質量Ｍｏを除く、第２モータ回転子１４ｂの質量とアクチュエータ出力軸６２の質量と当該アクチュエータ出力軸６２に取り付けられた負荷質量の和が、図１１のＭｌ−Ｍｏに相当している。
【０１４７】
以上説明したように、本変形例においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。なお、上記のようにねじりバネ１５Ｄを組み込むと第１中空モータ１３Ｄによる高周波領域での制御応答性が低下するが、本変形例においては、第２中空モータ１４Ｄがアクチュエータ出力部としてのアクチュエータ出力軸６２に接続されており、負荷に対し直接駆動力を発生できるので、上記第１変形例と同様、全周波数領域にわたり高い駆動力伝達特性を得ることができる。これにより、上記応答性の低下を補償することができる。
【０１４８】
なお、本変形例の関節アクチュエータ１１Ｄにおいては、各請求項記載の減速機の支持部をハーモニック減速機１６Ｄのサーキュラスプライン２２Ｄにより構成し、各請求項記載の減速機出力部をフレクスプライン２３Ｄにより構成して、フレクスプライン２３Ｄ、ねじりバネ１５Ｄ、及びアクチュエータ出力軸６２を直列に接続するとともに、第２モータ回転子１４Ｄｂをアクチュエータ出力軸６２に接続したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１３に示す関節アクチュエータ１１Ｅのように、各請求項記載の減速機の支持部をハーモニック減速機１６Ｅのフレクスプライン２３Ｅにより構成し、各請求項記載の減速機出力部をサーキュラスプライン２２Ｅにより構成し、各請求項記載のアクチュエータ出力部をアクチュエータ出力リング６３により構成して、サーキュラスプライン２２Ｅ、リングバネ６１Ｅ、及びアクチュエータ出力リング６３を直列に接続するとともに、第２中空モータ１４Ｅの第２モータ回転子１４Ｅｂをアクチュエータ出力リング６３に接続してもよい。
【０１４９】
この図１３に示す関節アクチュエータ１１Ｅの場合には、ハウジング１２Ｅの内部で最も外周側に第２中空モータ１４Ｅを配置してその第２モータ回転子１４Ｅｂをアクチュエータ出力リング６３に接続し、その内周側に第１中空モータ１３Ｅを配置してその第１モータ回転子１３Ｅｂをウェーブジェネレータ２１Ｅに接続する構成となる。なお、第２中空モータ１４Ｅにおいては外周側に第２モータ回転子１４Ｅｂが配置され、その内周側に第２モータ固定子１４Ｅａが配置される。そして、第２モータ固定子１４Ｅａ、第１モータ固定子１３Ｅａ、及びフレクスプライン２３Ｅは共通のハウジング１２Ｅに接続されている。
【０１５０】
また、リングバネ６１Ｅを、アクチュエータ出力リング６３とサーキュラスプライン２２Ｅのそれぞれ対応しあう端面どうしの間に接続させる。このリングバネ６１Ｅは、アクチュエータ出力リング６３とサーキュラスプライン２２Ｅとの間の相対回転に対して、所定のバネ剛性で弾性力を付加することができる。この構成で、ウェーブジェネレータ２１Ｅが図１１の減速機入力部３７に相当し、フレクスプライン２３Ｅが図１１の減速機支持部３８に対応し、サーキュラスプライン２２Ｅが図１１の減速機出力部３９に相当する。
【０１５１】
このような構成の関節アクチュエータ１１Ｅにおいても、上記第２変形例と同様の効果が得られる。
【０１５２】
また、この図１３の構成の場合では特に、第１中空モータ１３Ｅを中空モータで構成していることにより、関節アクチュエータ１１Ｅを完全に中空化できるので、当該中空部に負荷側で使用する配線などを通すことができる。この結果、アクチュエータを用いた機構の設計自由度を高めることができる。
【０１５３】
以上に説明した本発明は、衝突時の衝撃力緩和及び負荷耐性の向上による安全性を両立し、なおかつユニットとして機構に組み込みやすいアクチュエータ及びアクチュエータの制御装置を提供するものであって、従来のアクチュエータによって駆動されるあらゆる機械システムに広く適用可能なものである。特に、人間を含む環境と予期せずして接触する可能性があるサービスロボットを駆動する高性能アクチュエータとして利用することができる。
【０１５４】
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
【０１５５】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【０１５６】
１                ロボット装置
２                ロボット本体
３                パーソナルコンピュータ
４                第１関節アクチュエータ
５                第１アーム（第１リンク）
６                第２関節アクチュエータ
７                第２アーム（第２リンク）
１１              関節アクチュエータ（アクチュエータ）
１２              ハウジング（アクチュエータ固定部）
１３              第１中空モータ（第１駆動部）
１３ａ            第１モータ固定子（第１駆動部の固定子）
１３ｂ            第１モータ回転子（第１駆動部の可動子）
１４              第２中空モータ（第２駆動部）
１４ａ            第２モータ固定子（第２駆動部の固定子）
１４ｂ            第２モータ回転子（第２駆動部の可動子）
１５              ねじりバネ（弾性要素）
１６              ハーモニック減速機（減速機）
２１              ウェーブジェネレータ
２２              サーキュラスプライン
２３              フレクスプライン
３１              直動アクチュエータ（アクチュエータ）
３２              アクチュエータ固定部
３３              直動減速機（減速機）
３４              第１直動モータ（第１駆動部）
３４ａ            第１モータ固定部（第１駆動部の固定子）
３４ｂ            第１モータ出力部（第１駆動部の回転子）
３５              第２直動モータ（第２駆動部）
３５ａ            第２モータ固定部（第２駆動部の固定子）
３５ｂ            第２モータ出力部（第２駆動部の回転子）
３６              線形バネ（弾性要素）
３７              減速機入力部
３８              減速機支持部（支持部）
３９              減速機出力部
６１              リングバネ（弾性要素）
６２              アクチュエータ出力軸 (アクチュエータ出力部)
６３              アクチュエータ出力リング(アクチュエータ出力部)
Ｍｍ               入力側可動子質量
Ｍｔ               支持側可動子質量
Ｍｌ               出力側可動子質量
Ｍｏ               減速機出力部質量
Ｈ                人間
【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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