(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに相対変位可能な第１部材及び第２部材と、該第１部材及び第２部材の相対変位に応じて弾性力を発生するように該第１部材及び第２部材の間に並列に介装された複数の誘電性エラストマーとを有し、各誘電性エラストマーに印加する電圧を可変的に操作することによって、各誘電性エラストマーの剛性を変化させ得るように構成された可変剛性機構の制御装置であって、
前記複数の誘電性エラストマーのうちのｍ個（ｍ：１以上の整数）の誘電性エラストマーのそれぞれの剛性の制御用の電圧を該ｍ個の誘電性エラストマーのそれぞれに可変的に出力する第１電源と、
前記複数の誘電性エラストマーのうちの前記ｍ個の誘電性エラストマーを除くｎ個（ｎ：１以上の整数）の誘電性エラストマーの静電容量の推定用の所定周期の電圧信号であって、該ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量と相関性を有する電流を該ｎ個の誘電性エラストマーに通電させる電圧信号を該ｎ個の誘電性エラストマーのそれぞれに出力する第２電源と、
前記第２電源から前記電圧信号が出力されている状態で、該第２電源と前記ｎ個の誘電性エラストマーとの間で流れる通電電流の検出値を取得し、該通電電流の検出値を用いて、前記ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量を推定する静電容量推定部とを備えることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の可変剛性機構の制御装置において、
前記静電容量推定部による前記静電容量の推定値から、前記第１部材及び第２部材の間の相対変位量を推定する変位量推定部をさらに備えることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の可変剛性機構の制御装置において、
前記第２電源が出力する電圧信号は、その電圧値が所定周期でステップ状に変化する電圧信号であり、
前記静電容量推定部は、
前記電圧信号の電圧値のステップ状の変化に応じて、前記通電電流が増加した後に減衰していく期間である電流減衰期間における複数のサンプリング時刻での前記通電電流の検出値を取得する通電電流サンプリング処理と、
前記電流減衰期間における前記通電電流の経時変化と前記ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量との相関関係を表すモデルと、前記複数のサンプリング時刻での前記通電電流の検出値とから、前記ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量の推定値を決定する静電容量推定処理とを実行するように構成されていることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【請求項４】
請求項３記載の可変剛性機構の制御装置において、
前記ｎ個の誘電性エラストマーの個数ｎは、複数であることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変剛性機構の制御装置において、
前記ｍ個の誘電性エラストマーの個数ｍ又は組み合わせを選択的に変更し得るように、前記第１電源と前記複数の誘電性エラストマーとの間の電流路が構成されていることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変剛性機構の制御装置において、
前記ｎ個の誘電性エラストマーの個数ｎ又は組み合わせを選択的に変更し得るように、前記第２電源と前記複数の誘電性エラストマーとの間の電流路が構成されていることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変剛性機構の制御装置において、
前記可変剛性機構の各誘電性エラストマーは、シート状に形成されており、且つ、その厚み方向に前記第１電源又は第２電源の出力電圧を印加し得るように構成されており、さらに、各誘電性エラストマーの周縁部と中央部とが、該誘電性エラストマーの厚み方向に相対移動可能な前記第１部材と第２部材とに各々固定され、且つ、各誘電性エラストマーが、前記第１電源又は第２電源の出力電圧が印加されていない状態で、該第１部材及び第２部材の間で張力を付与された状態となるように張設されていることを特徴とする可変剛性機構の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加電圧に応じて弾性変形を生じる誘電性エラストマーを有する可変剛性機構の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電性エラストマーは、電圧を印加すると、該印加電圧による電界の方向に、マクスウェル応力によって圧縮されるという特性を有している。そして、誘電性エラストマー（以下、単にエラストマーということがある）の印加電圧を可変的に操作することで、該誘電性エラストマーの剛性等を所要の目標状態に制御することが可能である。このようなことから、エラストマーは、近年、様々な技術分野での利用が図られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、相互に相対変位可能な２つの部材間にシート状のエラストマーを介装し、該エラストマーの印加電圧を操作することで、２つの部材の間の剛性を変化させ得る装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２つの部材間にエラストマーを介装した構成の可変剛性機構では、該２つの部材間に複数のエラストマーを介装し、該複数のエラストマーのそれぞれの印加電圧を操作することによって、２つの部材間の剛性を幅広い範囲で変化させることが可能である。
【０００６】
一方、この種の可変剛性機構の剛性の制御を適切に行うために、前記２つの部材の間の相対変位量、あるいは、これに密接に関連した状態量を取得し得ることが望まれる場合が多々ある。
【０００７】
この場合、例えば、２つの部材の間の相対変位量、あるいは、該相対変位量に対応するエラストマーの弾性変形量を、距離センサ等の変位センサを用いて直接に計測することが考えられる。しかるに、該変位センサを、エラストマー又は２つの部材の近辺に配置する必要があることから、構造的な制約を受けやすい。また、エラストマーが外力に応じて柔軟に形状変形が生じ得るものであるから、該エラストマーの弾性変形量を、変位センサを用いて高い信頼性で計測することは一般には困難である。
【０００８】
他方、エラストマーは、電気的な絶縁体であるから、容量素子として機能する。そして、容量素子としてのエラストマーの静電容量は、該エラストマーの厚み（電界の作用方向の厚み）、あるいは面積等の形状的な寸法値との相関性が高い。また、エラストマーの静電容量は、電流値等の電気的な検出値から推定可能であることから、該静電容量の計測システムが構造的な制約を受けにくい。
【０００９】
そこで、前記２つの部材の間の相対変位量に密接に関連した状態量として、エラストマーの静電容量を計測（推定）することが考えられる。
【００１０】
この場合、２つの部材間のエラストマーの剛性の可変的な制御処理と、静電容量の推定処理とを、相互に干渉することがないように並行して行い得ることが望まれる。
【００１１】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、相対変位可能な２つの部材間に複数の誘電性エラストマーが介装された可変剛性機構において、該２つの部材間の誘電性エラストマーの全体の剛性を可変的に制御することと、該誘電性エラストマーの静電容量を推定することとを、相互に干渉することがないように並行して的確に行うことを可能とする制御装置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】
【００１２】
本発明の可変剛性機構の制御装置は、かかる目的を達成するために、互いに相対変位可能な第１部材及び第２部材と、該第１部材及び第２部材の相対変位に応じて弾性力を発生するように該第１部材及び第２部材の間に並列に介装された複数の誘電性エラストマーとを有し、各誘電性エラストマーに印加する電圧を可変的に操作することによって、各誘電性エラストマーの剛性を変化させ得るように構成された可変剛性機構の制御装置であって、
前記複数の誘電性エラストマーのうちのｍ個（ｍ：１以上の整数）の誘電性エラストマーのそれぞれの剛性の制御用の電圧を該ｍ個の誘電性エラストマーのそれぞれに可変的に出力する第１電源と、
前記複数の誘電性エラストマーのうちの前記ｍ個の誘電性エラストマーを除くｎ個（ｎ：１以上の整数）の誘電性エラストマーの静電容量の推定用の所定周期の電圧信号であって、該ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量と相関性を有する電流を該ｎ個の誘電性エラストマーに通電させる電圧信号を該ｎ個の誘電性エラストマーのそれぞれに出力する第２電源と、
前記第２電源から前記電圧信号が出力されている状態で、該第２電源と前記ｎ個の誘電性エラストマーとの間で流れる通電電流の検出値を取得し、該通電電流の検出値を用いて、前記ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量を推定する静電容量推定部とを備えることを特徴とする（第１発明）。
【００１３】
なお、本発明において、「ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量」というのは、ｎ個の誘電性エラストマーの全体の静電容量（合成静電容量）または１個当たりの静電容量を意味する。
【００１４】
上記第１発明によれば、前記第１部材及び第２部材の間に介装された前記複数の誘電性エラストマー（以降、単にエラストマーということがある）のうち、ｍ個のエラストマーが剛性の制御用のエラストマーとして使用され、該ｍ個のエラストマーに、剛性の制御用の電圧（目標とする剛性に応じて可変的に操作される電圧）が前記第１電源から印加される。
【００１５】
併せて、上記ｍ個のエラストマーを除くｎ個のエラストマーが静電容量の推定用のエラストマーとして使用され、該ｎ個のエラストマーに、静電容量の推定用の所定周期の電圧信号が前記第２電源から印加される。
【００１６】
この場合、上記電圧信号は、前記ｎ個のエラストマーの剛性を制御することを目的とするものではないため、該電圧信号の振幅値は、前記第１電源から前記ｍ個のエラストマーに付与される電圧（剛性の制御用の電圧）の可変幅に比して、十分に微小なものでよい。
【００１７】
このため、前記ｎ個のエラストマーの剛性が概ね一定に保たれるように（ひいては、、前記第１部材及び第２部材の間の全体の剛性にほとんど影響を及ぼさないように）、該ｎ個のエラストマーに、第２電源から静電容量の推定用の電圧信号を印加することが可能となる。
【００１８】
また、前記ｎ個のエラストマーの静電容量は、前記第１電源から前記ｍ個のエラストマーに印加される電圧の影響を受けない。
【００１９】
よって、第１発明によれば、第１部材及び第２部材の間の複数のエラストマーの全体の剛性を可変的に制御することと、該エラストマーの静電容量を推定することとを、相互に干渉することがないように並行して的確に行うことが可能となる。
【００２０】
上記第１発明では、前記静電容量推定部による前記静電容量の推定値から、前記第１部材及び第２部材の間の相対変位量を推定する変位量推定部をさらに備えることが好ましい（第２発明）。
【００２１】
ここで、前記ｎ個のエラストマーの静電容量は、前記第１電源から前記ｍ個のエラストマーに印加される電圧（剛性制御用の電圧）の影響を受けないため、前記第１部材及び第２部材の間の相対変位量との相関性が高い。従って、第２発明によれば、前記静電容量の推定値から、高い信頼性で記第１部材及び第２部材の間の相対変位量を推定することができる。
【００２２】
上記第１発明又は第２発明では、前記第２電源が出力する電圧信号は、その電圧値が所定周期でステップ状に変化する電圧信号であり、前記静電容量推定部は、前記電圧信号の電圧値のステップ状の変化に応じて、前記通電電流が増加した後に減衰していく期間である電流減衰期間における複数のサンプリング時刻での前記通電電流の検出値を取得する通電電流サンプリング処理と、前記電流減衰期間における前記通電電流の経時変化と前記ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量との相関関係を表すモデルと、前記複数のサンプリング時刻での前記通電電流の検出値とから、前記ｎ個の誘電性エラストマーの静電容量の推定値を決定する静電容量推定処理とを実行するように構成されているという態様を採用し得る（第３発明）。
【００２３】
ここで、前記ｎ個のエラストマーに印加する電圧信号の電圧値がステップ状に（急激に）変化した場合には、過渡応答現象によって、該ｎ個のエラストマーの全体の通電電流が急激にピーク値まで増加した後に減衰していく。そして、このとき、該通電電流が減衰していく期間（電流減衰期間）では、前記ｎ個のエラストマーの静電容量の値と、該通電電流の電流路の抵抗値（ｎ個のエラストマーの全体に直列接続されているとみなし得る抵抗素子の全体の抵抗値）とに応じて規定される時定数で、該通電電流が減衰していく。
【００２４】
従って、前記電流減衰期間での、前記ｎ個のエラストマーの実際の通電電流の経時変化は、該ｎ個のエラストマーの静電容量と高い相関性を有する。
【００２５】
そこで、第３発明では、前記静電容量推定部は、上記過渡応答現象に基づく前記電流減衰期間において、前記通電電流サンプリング処理を実行する。これにより、電流減衰期間における複数のサンプリング時刻での通電電流の検出値が取得される。
【００２６】
そして、静電容量推定部は、前記モデルと、電流減衰期間における複数のサンプリング時刻での通電電流の検出値とから、前記静電容量推定処理により、前記ｎ個のエラストマーの静電容量の推定値を決定する。
【００２７】
この場合、前記複数のサンプリング時刻での通電電流の検出値の時系列は、前記ｎ個のエラストマーの静電容量と高い相関性を有しているため、前記静電容量推定処理により、エラストマーの静電容量の推定値を適切に決定できることとなる。
【００２８】
なお、第３発明における前記電圧信号としては、典型的には、矩形波信号を採用し得る。
【００２９】
上記第３発明では、前記ｎ個の誘電性エラストマーの個数ｎは、複数であることが好適である（第４発明）。
【００３０】
すなわち、前記ｎ個の誘電性エラストマーの個数ｎが多いほど、前記過渡応答現象に基づいて前記ｎ個の誘電性エラストマーの全体に流れる通電電流のピーク値が大きくなる。このため、前記個数ｎが複数である場合には、１個である場合に比べて、前記電流減衰期間における電流の減衰が顕著に発生する（単位時間当たりの電流の減衰量が大きくなる）。
【００３１】
このため、電流減衰期間における複数のサンプリング時刻での通電電流の検出値の相互の差が顕著となる。その結果、通電電流の検出値と前記モデルとを用いて、前記静電容量を、より高い信頼性で推定できることとなる。
【００３２】
上記第１〜第４発明では、前記ｍ個の誘電性エラストマーの個数ｍ又は組み合わせを選択的に変更し得るように、前記第１電源と前記複数の誘電性エラストマーとの間の電流路が構成されていることが好ましい（第５発明）。
【００３３】
これによれば、前記個数ｍを変更し得る場合には、該個数ｍの変更（増減）によって、によって、第１部材及び第２部材の間の全体の剛性の可変幅を適宜変更することができる。また、前記ｍ個のエラストマーの組み合わせを変更し得る場合には、可変剛性機構の複数のエラストマーのうち、前記ｍ個のエラストマーとして使用するエラストマーを、各エラストマーの劣化の進行度合い等を勘案して、適宜変更できる。このため、例えば、いずれかのエラストマーの劣化の進行度合いが、他のエラストマーに比して突出してしまうようなことを防止することが可能となる。
【００３４】
また、上記第１〜第５発明では、前記ｎ個の誘電性エラストマーの個数ｎ又は組み合わせを選択的に変更し得るように、前記第２電源と前記複数の誘電性エラストマーとの間の電流路が構成されていることが好ましい（第６発明）。
【００３５】
これによれば、前記個数ｎを変更し得る場合には、該個数ｎの変更（増減）によって、前記ｎ個のエラストマーに流れる電流の大きさ等を変更することができるため、前記静電容量の推定精度を適宜変化させることができる。また、前記ｎ個のエラストマーの組み合わせを変更し得る場合には、可変剛性機構の複数のエラストマーのうち、前記ｎ個のエラストマーとして使用するエラストマーを、各エラストマーの劣化の進行度合い等を勘案して、適宜変更できる。このため、例えば、いずれかのエラストマーの劣化の進行度合いが、他のエラストマーに比して突出してしまうようなことを防止することが可能となる。
【００３６】
補足すると、上記第５発明又は第６発明では、より具体的には、例えば、前記第１電源及び第２電源の一方又は両方と前記複数のエラストマーとの間の電流路に、制御可能なスイッチ（半導体スイッチ素子等により構成されるスイッチ）を介装するという態様を採用し得る。これにより、前記ｍ個の誘電性エラストマーの個数ｍ又は組み合わせを変更すること、あるいは、前記ｎ個の誘電性エラストマーの個数ｎ又は組み合わせを変更すること、前記スイッチの制御によって実現し得る。
【００３７】
上記第１〜第６発明では、前記可変剛性機構の各誘電性エラストマーは、シート状に形成されており、且つ、その厚み方向に前記第１電源又は第２電源の出力電圧を印加し得るように構成されており、さらに、各誘電性エラストマーの周縁部と中央部とが、該誘電性エラストマーの厚み方向に相対移動可能な前記第１部材と第２部材とに各々固定され、且つ、各誘電性エラストマーが、前記第１電源又は第２電源の出力電圧が印加されていない状態で、該第１部材及び第２部材の間で張力を付与された状態となるように張設されているという態様を採用し得る（第７発明）。
【００３８】
これによれば、可変剛性機構の各エラストマーは、前記第１電源又は第２電源の出力電圧が印加されていない状態で、前記第１部材及び第２部材の間で張力を付与された状態となっているので、可変剛性機構の複数のエラストマーのうちの前記ｍ個のエラストマーへの前記第１電源の出力電圧の操作によって、該ｍ個のエラストマーのそれぞれの剛性を幅広い範囲で変化させることが可能となる。
【００３９】
さらに、各エラストマーがシート状に形成されているので、多数の誘電性エラストマーを有する可変剛性機構を小型な構成で実現できる。
【００４０】
ひいては、前記第１部材及び第２部材の間の剛性を幅広い範囲で可変的に制御し得ると共に、該剛性の制御と並行して、第１部材及び第２部材の間の相対変位量との相関性が高い前記静電容量を適切に推定し得る可変剛性機構を小型な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態における可変剛性機構を示す図。
【図２】誘電性エラストマーの印加電圧と厚みとの関係を例示するグラフ。
【図３】実施形態の可変剛性機構の制御装置の全体のシステム構成を示す図。
【図４】図３に示す矩形波電源から出力する矩形波信号を示す図。
【図５】矩形波信号を付与したｎ個の誘電性エラストマーに流れる通電電流の経時変化を例示するグラフ。
【図６】矩形波電源とｎ個の誘電性エラストマーとからなる回路系の近似的な回路構成を示す図。
【図７】矩形波信号を付与したｎ個の誘電性エラストマの静電容量と、枠体（第１部材）に対する可動部材（第２部材）の相対変位量との関係を例示するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の一実施形態を図１〜図７を参照して以下に説明する。図１を参照して、本実施形態の可変剛性機構１００は、誘電性エラストマー１をそれぞれ有する複数（Ｎ個）の可変剛性要素部材１０１により構成されている。
【００４３】
これらの複数の可変剛性要素部材１０１は、いずれも同一構成の部材である。各可変剛性要素部材１０１は、シート状に形成された誘電性エラストマー１（以降、単にエラストマー１という）と、該エラストマー１の周縁部に装着された枠体３ａと、枠体３ａに対して相対移動し得るようにエラストマー１の中心部に装着された可動部材４ａとを備える。
【００４４】
各可変剛性要素部材１０１のエラストマー１は、例えばシリコン樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂等により構成され得る。そして、エラストマー１の厚み方向の両面には、各面を被覆するようにして膜状の電極２，２が固着されている。
【００４５】
枠体３ａは、エラストマー１の周縁部を挟み込むようにして該エラストマー１に固着されている。この場合、エラストマー１の周縁部は、該エラストマー１を面沿い方向に引っ張った状態（プリテンションの付与状態）にて、枠体３ａに保持されている。
【００４６】
可動部材４ａは、エラストマー１の中心部に穿設された穴１ａに装着されている。そして、可動部材４ａは、枠体３ａに対する相対移動方向が適宜のガイド機構（図示省略）によりエラストマー１の中心軸線Ｃの方向に案内されるようになっている。
【００４７】
本実施形態の可変剛性機構１００は、上記の如く構成された複数の可変剛性要素部材１０１を、図１に示す如く同軸心に積層して構成されている。この場合、複数の可変剛性要素部材１０１のそれぞれの枠体３ａは、接着剤もしくは適宜の締結機構等により相互に一体に連結されている。同様に、複数の可変剛性要素部材１０１のそれぞれの可動部材４ａが、接着剤もしくは適宜の締結機構等により相互に一体に連結されている。
【００４８】
以降、複数の可変剛性要素部材１０１のそれぞれの枠体３ａの連結体と、可動部材４ａの連結体とをそれぞれ、単に、枠体３、可動部材４と称する。枠体３及び可動部材４は、それぞれ、本発明における第１部材、第２部材に相当するものである。
【００４９】
上記の如く構成された可変剛性機構１００は、換言すれば、枠体３と可動部材４との間に、弾性部材としての複数のシート状のエラストマー１が並列に介装された構造の機構である。
【００５０】
この可変剛性機構１００では、可動部材４を枠体３に対して中心軸線Ｃの方向で変位させることで、図１に二点鎖線で例示する如く、各エラストマー１が、互いに同じように撓む（弾性変形する）と共に、可動部材４を元の平衡位置（可動部材４を枠体３に対して相対変位させる外力が作用していない無負荷状態での位置）に戻す方向の弾性力を発生する。この場合、可動部材４には、各エラストマー１が発生する弾性力（中心軸線Ｃの方向の並進弾性力）の合力が、枠体３との間で作用する。
【００５１】
また、各エラストマー１に電極２，２を介して電圧を印加する（該エラストマー１の厚み方向に電界を発生させる）ことで、マクスウェル応力により、該エラストマー１が厚み方向に圧縮される。これに伴い、該エラストマー１は、外力が作用していない状態（自然長状態）では、面沿い方向に伸長する（厚み方向で見た面積が拡大する）。
【００５２】
このため、本実施形態の可変剛性機構１００においては、各エラストマー１に電極２，２を介して電圧を印加した状態では、可動部材４と枠体３との間での該エラストマー１の張力（プリテンション）が減少すると共に、該エラストマー１の剛性（枠体３に対して可動部材４を中心軸線Ｃの方向に相対変位させる場合の剛性）が低下する。
【００５３】
この場合、各エラストマー１の厚みは、図２に例示するように、印加電圧の増加に伴い減少する。ひいては、可動部材４と枠体３との間の相対変位に関する各エラストマー１の剛性は、該エラストマー１の印加電圧が大きいほど、小さくなる。従って、各エラストマー１に印加する電圧を操作することで、該エラストマー１の剛性を可変的に制御することが可能である。
【００５４】
そして、本実施形態の可変剛性機構１００では、全てのエラストマー１に許容範囲内の最大の電圧を印加した状態で、可動部材４と枠体３との間の全体の剛性（全てのエラストマー１の総和の剛性）が最小となり、全てのエラストマー１に電圧を印加していない状態（換言すれば、全てのエラストマー１の印加電圧をゼロに維持した状態）で、可動部材４と枠体３との間の全体の剛性が最大となる。以降の説明では、可動部材４と枠体３との間の全体の剛性を、単に、可変剛性機構１００の全体剛性という。
【００５５】
さらに、電圧を印加するエラストマー１の個数を変化させたり、あるいは、１つ以上のエラストマー１の印加電圧の大きさを変化させることによって、可変剛性機構１００の全体剛性を上記の最大の剛性と最小の剛性との間で変化させることが可能である。
【００５６】
かかる可変剛性機構１００は、種々様々な装置に搭載し得る。例えば、関節機構で連結される２つのリンクの相対回転に連動して、可動部材４と枠体３との間の相対変位が行われるように、当該２つのリンクのそれぞれに可動部材４と枠体３とを連結することで、当該２つのリンクの間の関節機構の剛性を変化させることが可能となる。
【００５７】
一方、各エラストマー１は電気的な絶縁体であるため、容量素子としての機能を有する（静電容量を有する）。この場合、シート状の各エラストマー１の静電容量は、基本的には、該エラストマー１の面積（厚み方向で見た面積）に比例し、且つ、該エラストマー１の厚みに反比例する。そして、外力が作用していない状態（自然長状態）の各エラストマー１の厚みと面積との関係は、基本的には、反比例関係となる。従って、各エラストマー１の静電容量は、基本的には、該エラストマー１の厚みの二乗に反比例する。
【００５８】
このように、各エラストマー１の静電容量は、該エラストマー１の厚みと密接に関連する（厚みとの相関性が高い）。
【００５９】
また、各エラストマー１の印加電圧を一定もしくはほぼ一定に維持した場合（該印加電圧をゼロもしくはほぼゼロに維持する場合を含む）、該エラストマー１の厚みは、基本的には、枠体３と可動部材４との間の相対変位量（中心軸線Ｃの方向での相対変位量）に応じて変化する。この場合、枠体３に対する可動部材４の相対変位量が大きいほど、各エラストマー１の撓み量が大きくなるため、各エラストマー１の厚みが減少する。
【００６０】
これらのことから、枠体３と可動部材４との間の相対変位量は、印加電圧を一定もしくはほぼ一定に維持したエラストマー１の静電容量と高い相関性を有することとなる。従って、該エラストマー１の実際の静電容量を推定すれば、その推定値から、枠体３と可動部材４との間の実際の相対変位量を適正に推定することが可能である。
【００６１】
図３は、可変剛性機構１００の全体剛性の可変的な制御と、エラストマー１の静電容量の推定と、該静電容量の推定値に基づく枠体３と可動部材４との間の相対変位量の推定とを行い得るシステムの全体構成を示している。このシステムは、本発明の可変剛性機構の制御装置の一例のシステムである。
【００６２】
このシステムでは、１つ以上のエラストマー１が、可変剛性機構１００の全体剛性の制御用のエラストマー１（以降、剛性制御用エラストマー１ということがある）として利用される。そして、該剛性制御用エラストマー１に印加する電圧の操作によって可変剛性機構１００の全体剛性を逐次可変的に制御することが行われる。
【００６３】
さらに、剛性制御用エラストマー１を除く１つ以上のエラストマー１が、静電容量の推定用のエラストマー１（以降、静電容量推定用エラストマー１という）として利用される。そして、該静電容量推定用エラストマー１の静電容量を逐次推定することと、該静電容量の推定値に基づいて枠体３と可動部材４との間の相対変位量を逐次推定することとが行われる。
【００６４】
この場合、静電容量推定用エラストマー１の静電容量の推定処理では、静電容量推定用エラストマー１に所定の電圧信号を印加することで、静電容量推定用エラストマー１に、その静電容量と相関性を有する電流を通電することが逐次実行される。そして、その通電電流の検出値に基づいて、静電容量推定用エラストマー１の静電容量が推定される。
【００６５】
なお、本実施形態で推定する静電容量は、詳しくは、静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの静電容量である。該静電容量は、静電容量推定用エラストマー１として利用するエラストマー１が１個である場合には、その１個のエラストマー１の静電容量であり、静電容量推定用エラストマー１として利用するエラストマー１が複数個である場合には、当該複数個のエラストマー１の平均の静電容量に相当するものとなる。
【００６６】
また、本実施形態のシステムでは、可変剛性機構１００の全てのエラストマー１のうち、剛性制御用エラストマー１として利用するエラストマー１の個数又は組み合わせと、静電容量推定用エラストマー１として利用するエラストマー１の個数又は組み合わせとを、適宜、変更可能である。
【００６７】
図３に示すシステムは、上記の機能を実現するために、剛性制御用エラストマー１に剛性制御用の直流電圧を出力する直流電源１０と、静電容量推定用エラストマー１に静電容量推定用の所定周期（所定周波数）の電圧信号としての矩形波信号を出力する矩形波電源１１と、各エラストマー１を直流電源１０及び矩形波電源１１に選択的に接続し得るように各エラストマー１毎に備えられた切替えスイッチ１２と、矩形波電源１１から静電容量推定用エラストマー１への通電電流を検出する電流検出器１３と、制御処理装置１４とを備える。なお、直流電源１０及び矩形波電源１１は、それぞれ本発明における第１電源、第２電源に相当する。
【００６８】
切替えスイッチ１２は、直流電源１０及び矩形波電源１１と、各エラストマー１との間の電流路に介装されている。各切替えスイッチ１２は、それに対応するエラストマー１を、直流電源１０に電気的に接続する状態と、矩形波電源１１に電気的に接続する状態とに選択的に制御し得るように、半導体スイッチ素子等により構成されている。
【００６９】
各エラストマー１は、それに対応する切替えスイッチ１２により直流電源１０に電気的に接続された状態で、剛性制御用エラストマー１として利用され、矩形波電源１１に電気的に接続された状態で、静電容量推定用エラストマー１として利用される。
【００７０】
直流電源１０は、剛性制御用エラストマー１としての１つ以上のエラストマー１のそれぞれに、切替えスイッチ１２を介して並列に直流電圧を印加し得る電源である。そして、該直流電源１０は、各剛性制御用エラストマー１への出力電圧（印加電圧）の大きさを、所定の許容範囲内で所要の目標値に可変的に制御し得るように構成されている。
【００７１】
矩形波電源１１は、静電容量推定用エラストマー１としての１つ以上のエラストマー１のそれぞれに、切替えスイッチ１２を介して並列に矩形波信号を印加し得る電源である。該矩形波信号は、静電容量推定用エラストマー１の静電容量を推定するための電流（該静電容量と相関性を有する電流）を該静電容量推定用エラストマー１に周期的に通電させる機能を有する電圧信号である。
【００７２】
より詳しくは、該矩形波信号は、静電容量推定用エラストマー１の印加電圧のステップ状の変化（急激な変化）に起因する過渡応答現象によって、図５に例示する如く、急激に増加した後に減衰していくという経時変化を生じる電流（以降、過渡応答電流という）を、静電容量推定用エラストマー１に周期的に通電させるための電圧信号である。この場合、過渡応答電流が減衰していく期間（以降、電流減衰期間という）では、静電容量推定用エラストマー１の全体の静電容量と、静電容量推定用エラストマー１と矩形波電源１１との間の電流路の抵抗成分（電極２，２、切替えスイッチ１２等）の抵抗値とに応じた時定数で過渡応答電流が減衰していく。
【００７３】
このように静電容量推定用エラストマー１に過渡応答電流を周期的に通電させる矩形波信号は、本実施形態では、図４に例示する如く、直流電源１０の出力電圧（剛性制御用エラストマー１の印加電圧）の可変幅に比して十分に微小な一定の振幅値ΔＶを有し、且つ、その１周期あたりの平均電圧値がゼロ、もしくはゼロに近い値となる所定周期の電圧信号である。
【００７４】
この場合、矩形波信号の振幅値ΔＶは、その振幅値ΔＶの電圧変化に応じた静電容量推定用エラストマー１の厚みの変化が、該静電容量推定用エラストマー１の剛性に実質的に影響を及ぼさない程度（該剛性がほぼ一定に保たれるとみなし得る程度）に十分に微小なものとなると共に、ΔＶの電圧変化に応じて静電容量推定用エラストマー１に流れる過渡応答電流のピーク値が、矩形波電源１１の過電流保護機能による上限電流（リミット電流）に達することがないように、あらかじめ実験等に基づき設定されている。なお、矩形波電源１１の過電流保護機能は、矩形波電源１１を流れる電流（出力電流又は入力電流）が所定の上限電流（リミット電流）を超えると、該電流を強制的に上限電流に制限する機能である。
【００７５】
また、矩形波信号の立ち上がりタイミング（電圧増加タイミング）から次の立下りタイミング（電圧減少タイミング）までの間のパルス幅Ｔw1と、立ち下がりタイミングから次の立ち上がりタイミングまでの間のパルス幅Ｔw2とは、それぞれの時間内で、前記過渡応答電流が十分に減衰していくように、あらかじめ実験等に基づき設定されている。
【００７６】
例えば、静電容量推定用エラストマー１の変形により実現し得る静電容量の最大値と、エラストマー１と矩形波電源１１との間の電流路の抵抗成分（電極２，２、切替えスイッチ１２等）の抵抗値とから算出される時定数の値に基づきＴw1、Ｔw2を設定したり、あるいは、可動部材４の変位量を最大にした状態で、静電容量推定用エラストマー１に矩形波信号を印加した場合の過渡応答電流の実測値に基づいてＴw1、Ｔw2を設定することが可能とである。なお、Ｔw1、Ｔw2は、互いに同一の時間幅であってもよい。
【００７７】
補足すると、本実施形態では、矩形波信号は、図４に示した如く、その電圧値がゼロと、ΔＶ（＞０）との間で変化する矩形波信号である。ただし、矩形波信号は、その電圧値が、例えば、ゼロと、−ΔＶ（＜０）との間で変化する矩形波信号、あるいは、−（ΔＶ／２）と、＋（ΔＶ／２）との間で変化する矩形波信号等であってもよい。
【００７８】
制御処理装置１４は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を含む１つ又は複数の電子回路ユニットにより構成されている。この制御処理装置１４は、実装されるハードウェア構成又はプログラムにより実現される機能として、直流電源１０、矩形波電源１１及び切替えスイッチ１２を制御することで、各エラストマー１の印加電圧を制御する電源制御部２１と、エラストマー１の静電容量を推定する静電容量推定部２２と、枠体３と可動部材４との間の相対変位量を推定する変位量推定部２３とを含む。
【００７９】
なお、以降の説明では、枠体３と可動部材４との間の相対変位量は、便宜上、枠体３に対する可動部材４の相対変位量であるとし、以降、該相対変位量を、可動部材４の変位量という。
【００８０】
以下に電源制御部２１、静電容量推定部２２及び変位量推定部２３の処理を詳細に説明する。
【００８１】
電源制御部２１は、剛性制御用エラストマー１として利用するエラストマー１と静電容量推定用エラストマー１として利用するエラストマー１とを選定すると共に、選定した各剛性制御用エラストマー１に対する直流電源１０の出力電圧（各剛性制御用エラストマー１の印加電圧）の目標値を逐次決定する。
【００８２】
この場合、本実施形態では、剛性制御用エラストマー１として利用するエラストマー１の個数ｍと静電容量推定用エラストマー１として利用するエラストマー１の個数ｎとが、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値（詳しくは、枠体３と可動部材４との間のエラストマー１の全体の剛性度合を表す指標値の目標値）に応じて決定される。
【００８３】
そして、電源制御部２１は、選定したｍ個の剛性制御用エラストマー１のそれぞれを、直流電源１０に電気的に接続するように各剛性制御用エラストマー１に対応する切替えスイッチ１２を制御すると共に、直流電源１０から各剛性制御用エラストマー１に目標値の直流電圧を出力させるように、該直流電源１０を制御する。
【００８４】
さらに電源制御部２１は、選定したｎ個の静電容量推定用エラストマー１のそれぞれを矩形波電源１１に電気的に接続するように各静電容量推定用エラストマー１に対応する切替えスイッチ１２を制御すると共に、矩形波電源１１から各静電容量推定用エラストマー１に矩形波信号を出力させるように、該矩形波電源１１を制御する。
【００８５】
ここで、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値は、可変剛性機構１００が搭載された任意の装置（例えばロボットの関節機構等）の作動要求等に応じて、制御処理装置１４が適宜決定し、あるいは、外部の他の装置から制御処理装置１４に適宜与えられる目標値である。
【００８６】
かかる目標値としては、例えば、可動部材４の変位量の変化に対するエラストマー１の全体の弾性力（可動部材４を枠体３に対して中心軸線Ｃの方向に動かす並進弾性力）の変化の感度（所謂、ばね定数）の目標値、あるいは、該感度の逆数値の目標値を使用し得る。
【００８７】
そして、本実施形態では、電源制御部２１は、剛性制御用エラストマー１及び静電容量推定用エラストマー１の選定を、例えば次のように行う。
【００８８】
すなわち、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値に応じて、電源制御部２１の作動モードが決定され、その作動モードに応じて剛性制御用エラストマー１及び静電容量推定用エラストマー１のそれぞれの個数ｍ，ｎが決定される。
【００８９】
上記作動モードは、本実施形態では、例えば、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値により表される剛性度合が、所定値以上の常用域の剛性度合となる常用剛性モードと、該常用域の剛性度合よりも低く、且つ、最小の剛性度合よりも高い剛性度合となる低剛性モードと、最小の剛性度合となる最小剛性モードとがある。
【００９０】
なお、低剛性モード及び最小剛性モードは、常用剛性モードよりも使用頻度が低いモードである。そして、最小剛性モードは、本実施形態では、可動部材４に連結される部材（例えば、ロボットのアームの先端部等）が外界物と衝突することなどによって該部材に加わる衝撃を極力緩和するために、一時的に、使用する非常用モードである。
【００９１】
常用剛性モードでは、電源制御部２１は、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎをあらかじめ定められた複数個ｎ0（≧２）とすると共に、剛性制御用エラストマー１の個数ｍを、可変剛性機構１００のエラストマー１の総数Ｎから静電容量推定用エラストマー１の個数ｎ0を差し引いた残余の個数ｍ0（＝Ｎ−ｎ0）とする。
【００９２】
なお、ｎ0は、可変剛性機構１００のエラストマー１の総数Ｎよりも小さい個数である。
【００９３】
ここで、各エラストマー１の最小の剛性度合を表すばね定数をｋmin、最大の剛性度合を表すばね定数をｋmaxと表記すると、図４に示す如き矩形波信号を印加する各静電容量推定用エラストマー１のばね定数は、該静電容量推定用エラストマー１の印加電圧を０[Ｖ]に維持した場合のばね定数、すなわち、ｋmaxに近似的に一致する。なお、各エラストマー１のばね定数は、詳しくは、可動部材４の変位量の変化に対する各エラストマー１の弾性力（前記中心軸線Ｃの方向の並進弾性力）の変化の感度を意味する。
【００９４】
このため、常用剛性モードで実現可能な全体剛性を表すばね定数の範囲は、(ｎ0・ｋmax＋ｍ0・ｋmin)と(Ｎ・ｋmax)との間の範囲である。そして、本実施形態では、この範囲が、可変剛性機構１００の全体剛性の常用域の範囲となるように、個数ｎ0，ｍ0，Ｎの値と、ｋmin及びｋmaxの値が設計的に設定されている。
【００９５】
本実施形態では、電源制御部２１は、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値により示されるばね定数が、(ｎ0・ｋmax＋ｍ0・ｋmin)以上である場合に、作動モードを常用剛性モードとして、剛性制御用エラストマー１及び静電容量推定用エラストマー１のそれぞれの個数ｍ，ｎを上記の如く設定する。
【００９６】
そして、電源制御部２１は、可変剛性機構１００の総数Ｎのエラストマー１から、ｎ0個のエラストマー１を静電容量推定用エラストマー１として選定すると共に、ｍ0個のエラストマー１を剛性制御用エラストマー１として選定する。
【００９７】
この場合、総数Ｎ個のエラストマー１のうちのどのエラストマー１を静電容量推定用エラストマー１又は剛性制御用エラストマー１として選定するかの手法については、例えば、静電容量推定用エラストマー１として選定するｎ0個のエラストマー１と、剛性制御用エラストマー１として選定するｍ0個のエラストマー１とをあらかじめ固定的に決めておくという手法を採用し得る。
【００９８】
ただし、剛性制御用エラストマー１として使用するエラストマー１は、一般に、静電容量推定用エラストマー１として使用するエラストマー１より劣化が進行しやすい。
【００９９】
そこで、本実施形態では、常用剛性モードでは、電源制御部２１は、剛性制御用エラストマー１として選定するｍ0個のエラストマー１を（又は、静電容量推定用エラストマー１として選定するｎ0個のエラストマー１を）、あらかじめ定めたローテーション・スケジュールに従って定期的に変更する。このローテーション・スケジュールとしては、例えば、ｍ0個の剛性制御用エラストマー１の累積的な使用時間が所定値に達する毎に、剛性制御用エラストマー１として選定するエラストマー１の組み合わせを変更する等のスケジュールを採用し得る。
【０１００】
これにより、可変剛性機構１００のエラストマー１のうちの一部のエラストマー１が他のエラストマー１に比して過剰に早期に劣化してしまうのを防止するように、各エラストマー１毎の劣化の進行度合いのばらつきを抑制することが可能となる。
【０１０１】
また、低剛性モードでは、電源制御部２１は、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値が低いほど、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎを減少させるように、全体剛性の目標値に応じて静電容量推定用エラストマー１の個数ｎを決定する（ただし、ｎ0＞ｎ≧１）と共に、エラストマー１の総数Ｎから静電容量推定用エラストマー１の個数ｎを差し引いた残余の個数（＝Ｎ−ｎ）を剛性制御用エラストマー１の個数ｍとして決定する。
【０１０２】
この場合、例えば、低剛性モードでの可変剛性機構１００の全体剛性の目標値が示すばね定数に対して、ばね定数≧(ｎ・ｋmax＋(Ｎ−ｎ)・ｋmin)という関係を満たす整数ｎのうちの最大値が、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎとして決定される。すなわち、低剛性モードでの静電容量推定用エラストマー１の個数ｎは、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値を実現し得る範囲で、極力大きい値になるように決定される。
【０１０３】
これは、後述するように、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎが多いほど、該静電容量推定用エラストマー１の静電容量の推定値の信頼性を高める上で有利であるからである。
【０１０４】
そして、電源制御部２１は、総数Ｎのエラストマー１からｎ個のエラストマー１を静電容量推定用エラストマー１として選定すると共に、ｍ個のエラストマー１を剛性制御用エラストマー１として選定する。
【０１０５】
この場合、本実施形態では、電源制御部２１は、常用剛性モードの場合と同様に、各エラストマー１毎の劣化の進行度合いのばらつきを抑制するために、剛性制御用エラストマー１として選定するｍ個のエラストマー１の組み合わせを（又は、静電容量推定用エラストマー１として選定するｎ個のエラストマー１の組み合わせを）、適宜のローテーション・スケジュールに基づいて定期的に変更する。
【０１０６】
ただし、剛性制御用エラストマー１として選定し得るエラストマー１をあらかじめ限定しておくことも可能である。
【０１０７】
また、最低剛性モードでは、電源制御部２１は、静電容量推定用のエラストマー１の個数ｎをゼロとし、Ｎ個の全てのエラストマー１を剛性制御用エラストマー１として決定する。
【０１０８】
電源制御部２１は、以上の如く、最低剛性モード以外の各作動モード（常用剛性モード又は低剛性モード）において、静電容量推定用エラストマー１及び剛性制御用エラストマー１を選定する。
【０１０９】
さらに、電源制御部２１は、いずれの作動モードでも、選定した剛性制御用エラストマー１に対する直流電源１０の出力電圧の目標値（各剛性制御用エラストマー１の印加電圧の目標値）を、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値と、剛性制御用エラストマー１の個数ｍとに応じて決定する。
【０１１０】
この場合、直流電源１０の出力電圧の目標値は、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値が低いほど、大きくなり、また、剛性制御用エラストマー１の個数ｍが小さいほど、大きくなるように、あらかじめ作成されたマップ、あるいは、演算式に基づいて決定される。。
【０１１１】
なお、最低剛性モードでの直流電源１０の出力電圧の目標値は、許容範囲内の最大電圧である。
【０１１２】
そして、電源制御部２１は、いずれの作動モードでも、選定したｍ個（最低剛性モードではＮ個）の剛性制御用エラストマー１を直流電源１０に接続するように、それぞれに対応する切替えスイッチ１２を制御すると共に、該直流電源１０からｍ個の剛性制御用エラストマー１に目標値の出力電圧を出力させるように該直流電源１０を制御する。
【０１１３】
さらに、電源制御部２１は、常用剛性モード又は低剛性モードでは、選定したｎ個の静電容量推定用エラストマー１を矩形波電源１１に接続するように、それぞれに対応する切替えスイッチ１２を制御すると共に、該矩形波電源１１からｎ個の静電容量推定用エラストマー１に矩形波信号を出力させるように該矩形波電源１１を制御する。
【０１１４】
以上の電源制御部２１の処理により、いずれの作動モードでも、各作動モードに対応する態様で選定されたｍ個の剛性制御用エラストマー１がそれぞれに対応する切替えスイッチ１２を介して直流電源１０に接続されると共に、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値を実現するように、直流電源１０の出力電圧が可変的に操作される。これにより、可変剛性機構１００の全体剛性が可変的に制御される。
【０１１５】
また、常用剛性モード又は低剛性モードでは、選定されたｎ個の静電容量推定用エラストマー１がそれぞれに対応する切替えスイッチ１２を介して矩形波電源１１に接続されると共に、該静電容量推定用エラストマー１に矩形波電源１１から矩形波信号が印加される。これにより、静電容量推定用エラストマー１には、矩形波信号の電圧値のステップ状の変化に起因する過渡応答電流が矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間毎に通電される。
【０１１６】
次に、静電容量推定部２２の処理を説明する。静電容量推定部２２は、常用剛性モード及び低剛性モードにおいて、矩形波電源１１から静電容量推定用エラストマー１に矩形波信号が出力されている状態にて、該矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間毎に、静電容量推定用エラストマー１の静電容量を推定する処理を実行する。
【０１１７】
この場合、静電容量推定部２２は、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間のうちの電流減衰期間において、前記電流検出器１３の出力により示される静電容量推定用エラストマー１の全体の通電電流の検出値（以降、単に電流検出値という）を取得して記憶保持する処理（以降、通電電流サンプリング処理という）を実行する。
【０１１８】
ここで、矩形波電源１１とｎ個の静電容量推定用エラストマー１とから成る回路系は、近似的に、図６に示す如く、静電容量値がＣｘであるｎ個の容量素子２７を並列接続したものと、抵抗値がＲｘであるｎ個の抵抗素子２８を並列接続したものとを、矩形波電源１１に直列に接続した回路系としてモデル化することができる。
【０１１９】
各容量素子２７の静電容量Ｃｘは、各静電容量推定用エラストマー１の静電容量に相当し、抵抗素子２８の抵抗値Ｒｘは、各静電容量推定用エラストマー１の電極２，２の抵抗値と、各静電容量推定用エラストマー１に対応する切替えスイッチ１２の抵抗値とを含む各静電容量推定用エラストマー１毎の抵抗成分の合成抵抗値に相当する。
【０１２０】
なお、並列接続されたｎ個の容量素子２７のトータルの静電容量Ｃｔは、ｎ・Ｃｘであり、並列接続されたｎ個の抵抗素子２８のトータルの抵抗値Ｒｔは、Ｒｘ／ｎである。
【０１２１】
この場合、静電容量推定用エラストマー１に印加される矩形波信号のステップ状の変化に起因する過渡応答現象によって、ｎ個の静電容量推定用エラストマー１の全体に流れるトータルの過渡応答電流は、ピーク値まで急激に増加した後、上記トータルの静電容量Ｃｔとトータルの抵抗値Ｒｔとに応じて規定される時定数（＝１／(Ｒｔ・Ｃｔ)）で減衰していく。
【０１２２】
ここで、Ｒｔ・Ｃｔ＝（Ｒｘ／ｎ）・（ｎ・Ｃｘ）＝Ｒｘ・Ｃｘであるから、過渡応答電流の減衰の時定数は、換言すれば、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎによらずに、各静電容量推定用エラストマー１毎の（静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの）静電容量Ｃｘと抵抗値Ｒｘとに応じて規定される時定数（＝１／(Ｒｘ・Ｃｘ)）である。
【０１２３】
また、過渡応答電流のピーク値は、ΔＶ／Ｒｔ（＝ｎ・ΔＶ／Ｒｘ。ΔＶは矩形波信号の振幅値）に一致もしくはほぼ一致する電流値となる。従って、過渡応答電流のピーク値は、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎが多いほど、大きくなる。
【０１２４】
なお、該過渡応答電流は、矩形波信号の電圧値がステップ状に増加する場合には、ｎ個の静電容量推定用エラストマー１に蓄えられる電荷を増加させる方向の電流となり、矩形波信号の電圧値がステップ状に減少する場合には、エラストマー１に蓄えられる電荷を減少させる方向の電流となる。
【０１２５】
図５は上記過渡応答電流の経時変化を例示している。ここで、図５の二点鎖線のグラフは、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎが例えば１個である場合の過渡応答電流の経時変化を例示し、実線のグラフは静電容量推定用エラストマー１の個数ｎが複数個（例えば３個）である場合の過渡応答電流の経時変化を例示している。
【０１２６】
同図に見られるように、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎが多いほど、過渡応答電流のピーク値が大きくなるため、過渡応答電流の電流値が、時間の経過に伴い比較的顕著に減衰していくこととなる。
【０１２７】
上記の如く矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間のうちの電流減衰期間における過渡応答電流の減衰の時定数は、各静電容量推定用エラストマー１毎の（静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの）静電容量Ｃｘと抵抗値Ｒｘとに応じたものとなる。従って、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間のうちの電流減衰期間における過渡応答電流の経時変化は静電容量Ｃｘと相関性を有するものとなる。
【０１２８】
そこで、前記通電電流サンプリング処理では、静電容量推定部２２は、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間毎に、電流減衰期間の複数のサンプリング時刻での電流検出値を時系列的に取得する。
【０１２９】
具体的には、図５を参照して、静電容量推定部２２は、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間が開始した後、電流検出器１３の出力により示される電流検出値を監視し、該電流検出値がピーク値に達したことが検知された時刻ｔ0（あるいは、ピーク値に達した直後とみなし得る時刻ｔ0）から所定のサンプリング周期ｄｔで電流検出値を逐次取得する。
【０１３０】
この場合、静電容量推定部２２は、上記時刻ｔ0から、所定数ｐのサンプリング周期ｄｔが経過するまでの所定期間（ｐ・ｄｔの期間）の各サンプリング時刻ｔ0，ｔ1，…，ｔrでの電流検出値Ｉr(t0)，Ｉr(t1)，…，Ｉr(tp)をメモリに時系列的に記憶保持していく。これにより、静電容量推定部２２は、各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間のうちの電流減衰期間において、過渡応答電流の（ｐ＋１）個の電流検出値Ｉr(t0)，Ｉr(t1)，…，Ｉr(tp)の時系列を取得する。
【０１３１】
なお、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間の開始タイミングは、電源制御部２１から静電容量推定部２２に与えられる。また、サンプリング周期ｄｔは、振動成分の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2よりも十分に短い時間幅であらかじめ設定された値である。
【０１３２】
また、上記所定数ｐとサンプリング周期ｄｔとは、過渡応答電流の電流値の減衰の時定数の値として想定され得る最小値τ_minと最大値τ_maxとに対して、τ_min≦ｐ・ｄｔ≦τ_maxとなるように（すなわち、電流検出値を記憶保持することを開始するサンプリング時刻ｔ0から終了するサンプリング時刻ｔpまでの時間幅（＝ｐ・ｄｔ）が、τ_minと、τ_maxとの間の範囲内の時間幅となるように）、設定しておくことが望ましい。
【０１３３】
静電容量推定部２２は、振動成分の各パルス幅Ｔw1又はＴw2の期間毎に、以上の如く取得した（ｐ＋１）個の電流検出値Ｉr(t0)，Ｉr(t1)，…，Ｉr(tp)と、電流減衰期間での過渡応答電流の経時変化と各静電容量推定用エラストマー１の静電容量Ｃｘの経時変化との相関関係を表すモデルとを用いて、静電容量Ｃｘの値を推定する静電容量推定処理を実行する。
【０１３４】
この場合、上記モデルは例えば次のように構築されている。電流減衰期間における過渡応答電流の電流値の経時変化、特に、時刻ｔ0以後の任意の時刻での電流値Ｉ(t)は、次式（１）で示す如く、多項式関数（次数ｓの多項式関数）により近似することができる。
【０１３５】
Ｉ(t)＝θ0＋θ1・(ｔ−ｔ0)＋θ2・(ｔ−ｔ0)2＋……＋θs・(ｔ−ｔ0)s    ……（１）
また、時刻ｔ0以後の任意の時刻での電流値Ｉ(t)は、各静電容量推定用エラストマー１毎の抵抗値Ｒｘと、エラストマー１の静電容量Ｃｘとにより規定される時定数（＝１／(Ｒｘ・Ｃｘ)）で指数関数状に変化するものとなる。この場合、当該指数関数状の変化を、式（１）と同様に次数ｓの多項式関数で近似すると、電流値Ｉ(t)は、次式（２）により表される。
【０１３６】
【数１】
0006572158.tif 000002
【０１３７】
なお、式（２）の右辺のΣの各項の「ｊ！」は、整数値ｊ（ｊ＝０，１，…，ｓ）の階乗を意味する。また、ｎは静電容量推定用エラストマー１の個数、ΔＶは矩形波信号の振幅値である。
【０１３８】
従って、式（１）の右辺の係数θ0，θ1，……，θsは、静電容量Ｃｘ及び抵抗値Ｒｘに対して次式（３）の関係を有することとなる。
【０１３９】
【数２】
0006572158.tif 000003
【０１４０】
一方、過渡応答電流の電流減衰期間における電流値の、時刻ｔ0での電流値Ｉ(t0)からの変化量に着目すると、（ｐ＋１）個の電流値Ｉ(t0)，Ｉ(t1)，…，Ｉ(tp)に関して、次式（４）が得られる。なお、式（４）における↑ΔＩp、↑Θは、それぞれ、式（４ａ），（４ｂ）により定義されるベクトル（縦ベクトル）、Ｍtpは、電流減衰期間における電流検出値のサンプリング周期ｄｔを用いて式（４ｃ）により定義される行列である。
【０１４１】
【数３】
0006572158.tif 000004
【０１４２】
従って、式（４）から、（ｐ＋１）個の電流値Ｉ(t0)，Ｉ(t1)，…，Ｉ(tp)から、↑Θを算出するための次式（５）が得られる。
【０１４３】
↑Θ＝(Ｍtp)-1・↑ΔＩp    ……（５）
なお、ｐ＝ｓの場合には、(Ｍtp)-1は通常の意味での逆行列であり、ｐ＞ｓである場合には、(Ｍtp)-1は擬似逆行列である。
【０１４４】
また、前記式（３）から、↑Θと、静電容量Ｃｘ及び抵抗値Ｒｘとの関係は、次式（６）となる。なお、↑ΔＲＣは、式（６ａ）により定義されるベクトル（縦ベクトル）である。
【０１４５】
【数４】
0006572158.tif 000005
【０１４６】
従って、式（５）、（６）から、静電容量Ｃｘ及び抵抗値Ｒｘの値を同定することができることとなる。
【０１４７】
そこで、本実施形態では、静電容量推定部２２は、振動成分の各パルス幅Ｔw1又はＴw2の期間毎の静電容量推定処理において、上記式（５），（６）を、電流減衰期間での過渡応答電流の経時変化と各静電容量推定用エラストマー１の静電容量Ｃｘとの相関関係を表すモデルとして用いて、静電容量Ｃｘを推定する。
【０１４８】
より具体的には、静電容量推定部２２は、振動成分の各パルス幅Ｔw1又はＴw2の期間で前記通電電流サンプリング処理及び補正処理により取得した（ｐ＋１）個の電流検出値Ｉr(t0)，Ｉr(t1)，…，Ｉr(tp)を、それぞれ、前記式（５）における電流値Ｉ(t0)，Ｉ(t1)，…，Ｉ(tp)として用いて、該式（５）により、式（１）の多項式関数の係数θ1，θ2，…，θsを成分とするベクトル↑Θを算出する。この場合、サンプリング周期ｄｔの値は、あらかじめ設定された固定値である。
【０１４９】
そして、静電容量推定部２２は、算出したベクトル↑Θに対して、式（６）の関係を満たす（又はほぼ満たす）静電容量Ｃｘを、抵抗値Ｒｘと共に算出する。この場合、式（１）の多項式関数の次数ｓの設定値がｓ＝２である場合には、式（６）により与えられる２つの式を連立方程式として、静電容量Ｃｘ及び抵抗値Ｒｘを算出することができる。
【０１５０】
また、次数ｓの設定値がｓ＞２である場合には、ベクトル（↑Θ−↑ΔＲＣ）の二乗値（＝|↑Θ−↑ΔＲＣ|2）を最小化するように、静電容量Ｃｘ及び抵抗値Ｒｘの値を適宜の探索処理手法等より決定することができる。
【０１５１】
この場合、↑ΔＲＣに係るΔＶの値（矩形化信号の振幅値）は、あらかじめ定められた所定値であり、ｎの値は、電源制御部２１で選定された静電容量推定用エラストマー１の個数である。
【０１５２】
静電容量推定部２２の処理は、以上説明した如く実行される。これにより、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1又はＴw2の期間毎に（矩形波信号の電圧値がステップ状に変化する毎に）、過渡応答電流の電流減衰期間における電流検出値Ｉr(t0)，Ｉr(t1)，…，Ｉr(tp)を基に、静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの静電容量Ｃｘの推定値が求められることとなる。
【０１５３】
補足すると、式（６）における（ｎ・ΔＶ／Ｒｘ）を（ΔＶ／Ｒｔ）に置き換えると共に、（Ｒｘ・Ｃｘ）を（Ｒｔ・Ｃｔ）に置き換えた式を式（６）の代わりに用いて、ｎ個の静電容量推定用エラストマー１のトータルの静電容量Ｃｔの推定値を求め、この推定値を個数ｎで除算してなる値を、静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの静電容量Ｃｘの推定値として求めるようにしてもよい。
【０１５４】
次に、変位量推定部２３の処理を説明する。静電容量推定用エラストマー１に矩形波電源１１から印加される矩形波信号は、小さい振幅値ΔＶの周期的な電圧信号であるので、各静電容量推定用エラストマー１の印加電圧は、近似的にほぼ一定の電圧（本実施形態では、約０［Ｖ］）に維持されるとみなし得る。ひいては、矩形波信号の印加による各静電容量推定用エラストマー１の厚みの変動は実質的に発生しないとみなし得る。
【０１５５】
この場合、各静電容量推定用エラストマー１の静電容量は、主に、前記可動部材４の変位量に依存するものとなり、該変位量と一定の相関性を有する。そこで、変位量推定部２３は、静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの静電容量Ｃｘと可動部材４の変位量との相関関係を表すものとしてあらかじめ作成されたデータテーブル又は演算式に基づいて、静電容量推定部２２による静電容量Ｃｘの推定値から、可動部材４の変位量の推定値を決定する。この場合、上記データテーブル又は演算式により表される相関関係では、図７に例示する如く、静電容量Ｃｘが大きいほど、可動部材４の変位量が大きくなる。
【０１５６】
以上説明した実施形態によれば、常用剛性モード及び低剛性モードでは、可変剛性機構１００のＮ個のエラストマー１のうちのｎ個（ｎ≧１）のエラストマー１が静電容量推定用エラストマー１として使用されると共に、残りのｍ個のエラストマー１が剛性制御用エラストマー１として使用される。
【０１５７】
そして、低剛性モードでは、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎ及び剛性制御用エラストマー１の個数ｍが可変的に設定される。
【０１５８】
このため、可変剛性機構１００の全体剛性を幅広い範囲で可変的に制御できると共に、該全体剛性の制御と並行して、静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの静電容量Ｃｘを推定し、さらには、該静電容量Ｃｘの推定値から、可動部材４の変位量（枠体３及び可動部材４の間の相対変位量）を推定することができる。
【０１５９】
この場合、可変剛性機構１００の全体剛性の制御処理と、静電容量Ｃｘの推定処理及び可動部材４の変位量の推定処理とは、相互に干渉しないように（相互に悪影響を及びことがないように）実行できる。
【０１６０】
また、静電容量推定用エラストマー１には、比較的小さい一定の振幅値ΔＶの矩形波信号だけが矩形波電源１１から定常的に印加されるので、該矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間で静電容量推定用エラストマー１に流れる過渡応答電流の電流減衰期間での経時変化（減衰パターン）は、静電容量Ｃｘとの相関性が高い。さらに、該静電容量Ｃｘは、可動部材４の変位量との相関性も高い。
【０１６１】
従って、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間で電流検出値の時系列に基づいて、静電容量推定用エラストマー１の１個当たりの静電容量Ｃｘを高い信頼性で推定することができる。さらには、可動部材４の変位量を高い信頼性で推定することができる。
【０１６２】
特に、常用剛性モードでは、複数個ｎ0のエラストマー１を静電容量推定用エラストマー１として使用するので、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間での過渡応答電流のピーク値を、矩形波電源１１の過電流防止機能に基づくリミット電流以下の範囲で極力大きくすることができる。
【０１６３】
その結果、前記電流減衰期間での過渡応答電流の経時変化を高い分解能で検出することが可能となる。その結果、静電容量Ｃｘの推定処理におけるＳ／Ｎ比を高めることができ、ひいては、静電容量Ｃｘの推定値の信頼性と可動部材４の変位量の推定値の信頼性とを好適に高めることができる。
【０１６４】
また、低剛性モードでは、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値に応じて静電容量推定用エラストマー１の個数ｎを可変的に設定することで、全体剛性の目標値を実現し得る範囲で、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎを極力多くすることができる。ひいては、静電容量Ｃｘの推定値の信頼性と可動部材４の変位量の推定値の信頼性とを極力高めることができる。
【０１６５】
また、最低剛性モードでは、Ｎ個の全てのエラストマー１を剛性制御用エラストマー１として使用して、各剛性制御用エラストマー１に、直流電源１０から最大電圧を印加することによって、可変剛性機構１００の全体剛性を最も低い剛性にすることができる。そのため、例えば、可動部材４に連結される部材（例えば、ロボットのアームの先端部等）が外界物と衝突した場合等において、該部材に加わる衝撃を効果的に緩和することが可能となる。
【０１６６】
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いことはもちろんである。以下にいくつかの変形態様を説明する。
【０１６７】
前記実施形態では、常用剛性モードにおける静電容量推定用エラストマー１の個数ｎ及び剛性制御用エラストマー１の個数ｍをそれぞれ固定値ｎ0，ｍ0とした。ただし、常用剛性モードにおける静電容量推定用エラストマー１の個数ｎ及び剛性制御用エラストマー１の個数ｍを、低剛性モードと同様に、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値に応じて可変的に設定してもよい。
【０１６８】
あるいは、常用剛性モード又は低剛性モードにおける静電容量推定用エラストマー１の個数ｎ及び剛性制御用エラストマー１の個数ｍを、可変剛性機構１００の全体剛性の目標値の代わりに、もしくは該目標値に加えて、例えば、静電容量Ｃｘの推定値の要求精度に応じて可変的に設定してもよい。この場合、静電容量Ｃｘの推定値の要求精度が高いほど、静電容量推定用エラストマー１の個数ｎを大きくすることが望ましい。
【０１６９】
また、前記実施形態では、静電容量推定用エラストマー１に印加する矩形波信号として、ゼロ［Ｖ］近辺の電圧値の矩形波信号を採用した。ただし、該矩形波信号は、その１周期の期間の平均電圧値（中心電圧値）をより高い電圧値（振幅値ΔＶよりも大きい電圧値）にオフセットさせた矩形波信号であってもよい。
【０１７０】
このようにした場合には、各静電容量推定用エラストマー１の剛性を、前記実施形態での剛性（最大のばね定数ｋmaxに相当する剛性）よりも小さくすることができる。
【０１７１】
例えば、矩形波信号の中心電圧値を、直流電源１０の出力電圧の許容範囲の最大電圧に近い値にした場合には、各静電容量推定用エラストマー１の剛性を、前記実施形態での最小の剛性（最小のばね定数ｋminに相当する剛性）にすることができる。そして、この場合には、前記最低剛性モードで、Ｎ個の全てのエラストマー１を剛性制御用エラストマー１として使用する代わりに、静電容量推定用エラストマー１として使用することが可能となる。ひいては、可変剛性機構１００の最小の全体剛性を実現しつつ、静電容量Ｃｘの推定と、可動部材４の変位量の推定とを行うこともできる。
【０１７２】
さらに、矩形波信号の中心電圧値を適宜、変化させ得るように矩形波電源１１を構成してもよい。このようにした場合には、各静電容量推定用エラストマー１の剛性を適宜変更できる。なお、この場合、前記静電容量推定部２２の処理による静電容量Ｃｘの推定値の信頼性を極力高める上では、矩形波信号の中心電圧値の変更を緩やかに行うか、もしくは、該変更の頻度を極力少なくすることが望ましい。
【０１７３】
また、前記実施形態では、矩形波信号の各パルス幅Ｔw1，Ｔw2の期間毎に、静電容量Ｃｘを推定する処理を実行した。ただし、例えば、パルス幅Ｔw1，Ｔw2のうちのいずれか一方のパルス幅の期間でのみ、静電容量Ｃｘを推定する処理を実行することも可能である。なお、この場合は、他方のパルス幅は微小なパルス幅であってもよい。
【０１７４】
また、前記実施形態では、静電容量推定用エラストマー１に前記過渡応答電流を通電させるための電圧信号として矩形波信号を採用した。ただし、静電容量推定用エラストマー１の静電容量に応じた電流の減衰を生じる過渡応答電流を静電容量推定用エラストマー１に通電させる電圧信号は、矩形波信号以外の電圧信号であってもよい。例えば、該電圧信号として、鋸波状の電圧信号、あるいは、曲線状の電圧信号等も採用し得る。
【０１７５】
また、前記実施形態では、シート状のエラストマー１を備える可変剛性機構１００に関して説明した。ただし、本発明における可変剛性機構のエラストマーは、２つの部材間の剛性を変化させ得るものであれば、シート状以外の形状のものであってもよい。
【符号の説明】
【０１７６】
１…誘電性エラストマー、３…枠体（第１部材）、４…可動部材（第２部材）、１０…直流電源（第１電源）、１１…矩形波電源（第２電源）、２２…静電容量推定部、２３…変位量推定部、１００…可変剛性機構。
【図１】
0006572158.tif 000006
【図２】
0006572158.tif 000007
【図３】
0006572158.tif 000008
【図４】
0006572158.tif 000009
【図５】
0006572158.tif 000010
【図６】
0006572158.tif 000011
【図７】
0006572158.tif 000012