(57)【要約】【課題】小型のアクチュエータで充分なトルクと優れた応答性とを両立して、目的とするアーム部材の回動を実現できる、新規な構造のアーム機構とその制御方法を提供すること。【解決手段】アーム機構１０であって、相対回動可能に連結された二つのアーム部材１２，１４と、それらアーム部材１２，１４に対して相対的な回動力を及ぼすアクチュエータ１６と、アクチュエータ１６から二つのアーム部材１２，１４への回動力の伝達経路上に配設された蓄力手段１８と、二つのアーム部材１２，１４の回動を阻止することでアクチュエータ１６から及ぼされる回動力のエネルギーを蓄力手段１８に蓄積させると共に、二つのアーム部材１２，１４の回動を許容することで蓄力手段１８に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材１２，１４に対して回動力として及ぼすロック手段２０と、二つのアーム部材１２，１４の回動の速度を調節する抵抗調節手段２０とを、有する。【選択図】図１
2013255969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対回動可能に連結された二つのアーム部材と、
それらアーム部材に対して相対的な回動力を及ぼすアクチュエータと、
該アクチュエータから前記二つのアーム部材への回動力の伝達経路上に配設された蓄力手段と、
前記二つのアーム部材の回動を阻止することで前記アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させると共に、該二つのアーム部材の回動を許容することで該蓄力手段に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材に対して回動力として及ぼすロック手段と、
前記二つのアーム部材の回動の速度を調節する抵抗調節手段と
を、有することを特徴とするアーム機構。
【請求項２】
前記抵抗調節手段において、前記二つのアーム部材の回動に対して及ぼされる抵抗値が、それら二つのアーム部材の回動を実質的に阻止し得る値にまで設定可能とされている請求項１に記載のアーム機構。
【請求項３】
前記抵抗調節手段において、前記二つのアーム部材の回動に対して及ぼされる抵抗値が、それら二つのアーム部材の回動を完全に阻止し得る値にまで設定可能とされることにより、該抵抗調節手段により前記ロック手段が構成されている請求項２に記載のアーム機構。
【請求項４】
前記抵抗調節手段の抵抗値を、前記二つのアーム部材の相対的な回動速度と回動角度との少なくとも一方に対応して自動的に変更設定する制御装置を有する請求項１〜３の何れか１項に記載のアーム機構。
【請求項５】
前記抵抗調節手段が、前記二つのアーム部材の回動に抵抗を及ぼすダンパの粘性係数を変更設定することで抵抗値を変更設定可能とされていると共に、
前記制御装置が、
前記ロック手段により前記二つのアーム部材の回動が阻止された状態での前記蓄力手段へのエネルギーの蓄積完了後に該ロック手段が解除されて該蓄力手段に蓄積されたエネルギーで前記二つのアーム部材を回動作動させる条件下で、
目標角度をθd(t)、目標外部トルクをτd(t)として、下式に従って粘性係数ｃ(t) を変更制御する請求項４に記載のアーム機構。
【数１】
2013255969.tif 000017
【請求項６】
前記抵抗調節手段が、前記二つのアーム部材の回動に抵抗を及ぼすダンパの粘性係数を変更設定することで抵抗値を変更設定可能とされていると共に、
前記制御装置が、
前記ロック手段が解除された状態下で前記アクチュエータにより前記二つのアーム部材の回動と前記蓄力手段へのエネルギーの蓄積とが同時に行われる条件下で、
目標角度をθd(t)、目標外部トルクをτd(t)として、下式に従って粘性係数ｃ(t) と前記蓄力手段の平衡点θe とを変更制御する請求項４に記載のアーム機構。
【数２】
2013255969.tif 000018
【数３】
2013255969.tif 000019
【請求項７】
相対回動可能に連結された二つのアーム部材と、それらアーム部材に対して相対的な回動力を及ぼすアクチュエータと、該アクチュエータから前記二つのアーム部材の回動力の伝達経路上に配設された蓄力手段と、前記二つのアーム部材の回動を阻止することで前記アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させると共に、該二つのアーム部材の回動を許容することで該蓄力手段に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材に対して回動力として及ぼすロック手段と、前記二つのアーム部材の回動の速度を調節する抵抗調節手段とを有するアーム機構の制御方法であって、
前記ロック手段で前記二つのアーム部材の相対的な回動を阻止しながら前記アクチュエータを作動させて該アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させた後、該ロック手段による二つのアーム部材の拘束を解除して回動を許容することで該蓄力手段に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材に対して回動力として及ぼすと共に、前記抵抗調節手段によって該二つのアーム部材の回動の速度を調節することを特徴とするアーム機構の制御方法。
【請求項８】
前記蓄力手段が、前記アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを蓄積しながら同時に放出するようにした請求項７に記載のアーム機構の制御方法。
【請求項９】
前記ロック手段で前記二つのアーム部材の相対的な回動を制限しながら前記アクチュエータを作動させて該アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させた後、該アクチュエータを作動させながら該ロック手段を解除することで該蓄力手段がエネルギーを蓄積しながら同時に放出するようにした請求項８に記載のアーム機構の制御方法。
【請求項１０】
前記ロック手段の解除状態で前記アクチュエータを作動させながら前記二つのアーム部材の相対的な回動の速度を前記抵抗調節手段によって低減して、該アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段が蓄積しながら同時に放出するようにした請求項９に記載のアーム機構の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの腕部等を構成するアーム機構と、アーム機構の屈伸作動を制御するアーム機構の制御方法とに、関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ロボット等では、物体を持ち上げる等の目的で用いられるアーム機構が採用されている。アーム機構は、一般的に人間の腕部を模しており、二つのアーム部材が相対回動可能に連結されていると共に、それら二つのアーム部材に対して相対的な回動力を及ぼすアクチュエータが設けられている。このようなアーム機構は、例えば特開２００８−８７１４３号公報（特許文献１）や特開２０１０−１３１７０２号公報（特許文献２）等に開示されている。
【０００３】
ところで、二つのアーム部材を相対的に回動させるための動力源であるアクチュエータとしては、例えば電気モータが用いられる。電気モータは、制御に対する応答性に優れると共に、高回転時には大きなトルクを発生することができる。
【０００４】
しかしながら、アーム機構において、二つのアーム部材を比較的に低速且つ充分なトルクをもって傾動させるためには、減速比の大きな減速機を設ける必要があり、電動モータの制御に対するアーム部材の相対回動の遅れが生じ易くなる。しかも、このような減速機を設けると、アクチュエータ以外から二つのアーム部材を相対回転させる外力が作用した場合に、電動モータの回転軸が受動的に回転し難くなって、アーム機構において受動的な柔軟性を確保することが難しくなるという不具合もある。一方、低回転で充分なトルクを得るためには、大型の電気モータが必要となることから、アーム機構全体の大型化が問題となる。
【０００５】
なお、アクチュエータとして、人工筋肉や空気圧式のアクチュエータ等を用いることも考えられるが、このようなアクチュエータでは、一般的に電気モータに比して応答性に劣ることから、要求される動作の特性によっては、目的とするアーム部材の回動を実現することが難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８７１４３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３１７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、小型のアクチュエータによって充分なトルクと優れた応答性とを両立して実現して、二つのアーム部材の相対回動を迅速且つ充分な出力で実現することができる、新規な構造のアーム機構を提供することにある。
【０００８】
また、本発明は、アーム機構において、アーム部材の相対回動を制御するための制御方法を提供することも、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の第１の態様は、アーム機構において、相対回動可能に連結された二つのアーム部材と、それらアーム部材に対して相対的な回動力を及ぼすアクチュエータと、該アクチュエータから前記二つのアーム部材への回動力の伝達経路上に配設された蓄力手段と、前記二つのアーム部材の回動を阻止することで前記アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させると共に、該二つのアーム部材の回動を許容することで該蓄力手段に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材に対して回動力として及ぼすロック手段と、前記二つのアーム部材の回動の速度を調節する抵抗調節手段とを、有することを、特徴とする。
【００１０】
このような第１の態様に従う構造とされたアーム機構によれば、ロック手段によるアーム部材の回動の阻止状態と許容状態の切替えによって、アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーが、予め蓄力手段に蓄積されてから、回動力としてアーム部材に及ぼされる。それ故、ロック手段による二つのアーム部材の回動の阻止が解除されるときに、蓄積されたエネルギーが迅速かつ集中的に二つのアーム部材に対して回動力として作用して、二つのアーム部材が大きなトルクと優れた応答性をもって回動作動される。従って、充分なトルクを発揮する一方で制御に対する応答性に劣るアクチュエータを用いても、二つのアーム部材に大きな回動力を優れた応答性をもって作用させることが可能になって、アクチュエータの小型化等が容易になる。特に、電気モータをアクチュエータとして採用する場合には、アクチュエータの応答性が求められないことから、大きな減速比を有する減速機を介することで、高回転での大トルクを利用することができて、小型の電気モータをアクチュエータとして採用することができる。
【００１１】
しかも、二つのアーム部材の相対的な回動の速度が抵抗調節手段によって調節可能とされていることから、動作に応じて要求される二つのアーム部材の回動速度を任意に実現することができる。また、二つのアーム部材の回動作動において急激な加減速を防ぐことも可能であり、回動作動の開始時と終了時における緩やかな加減速による衝撃の低減と、回動作動の中間における迅速な動作とが、両立して実現され得る。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載されたアーム機構において、前記抵抗調節手段において、前記二つのアーム部材の回動に対して及ぼされる抵抗値が、それら二つのアーム部材の回動を実質的に阻止し得る値にまで設定可能とされているものである。
【００１３】
第２の態様によれば、二つのアーム部材の回動速度をより低速まで調節することが可能となることから、要求されるアーム部材の回動作動をより高度に実現可能となる。しかも、抵抗調節手段によって二つのアーム部材の回動を実質的に阻止してからロック手段による回動の完全な阻止を実行すれば、アーム部材に及ぼされる回動力がロック手段に作用するのを防ぐことができて、ロック手段の損傷が回避される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載されたアーム機構であって、前記抵抗調節手段において、前記二つのアーム部材の回動に対して及ぼされる抵抗値が、それら二つのアーム部材の回動を完全に阻止し得る値にまで設定可能とされることにより、該抵抗調節手段により前記ロック手段が構成されているものである。
【００１５】
第３の態様によれば、抵抗調節手段によってロック手段が構成されていることから、ロック手段を抵抗調節手段とは別に設ける場合に比して、構造の簡略化が図られる。しかも、抵抗調節手段とロック手段をそれぞれ制御する場合に比して、抵抗調節手段を制御するだけで良いことから、容易に制御可能となると共に、構造の更なる簡略化も実現される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか１つの態様に記載されたアーム機構において、前記抵抗調節手段の抵抗値を、前記二つのアーム部材の相対的な回動速度と回動角度との少なくとも一方に対応して自動的に変更設定する制御装置を有するものである。
【００１７】
第４の態様によれば、抵抗調節手段の抵抗値が制御装置で自動的に変更設定されることから、要求される回動作動を高精度に実現することができる。また、制御装置が抵抗調節手段の抵抗値を二つのアーム部材の相対的な回動速度に応じて制御すれば、例えば回動速度の安定化が実現される。一方、制御装置が抵抗調節手段の抵抗値を二つのアーム部材の相対的な傾斜角度に応じて制御すれば、例えば回動作動の開始後と終了前に抵抗値を大きく設定することで、衝撃の小さい緩やかな動作を実現することができる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様に記載されたアーム機構において、前記抵抗調節手段が、前記二つのアーム部材の回動に抵抗を及ぼすダンパの粘性係数を変更設定することで抵抗値を変更設定可能とされていると共に、前記制御装置が、前記ロック手段により前記二つのアーム部材の回動が阻止された状態での前記蓄力手段へのエネルギーの蓄積完了後に該ロック手段が解除されて該蓄力手段に蓄積されたエネルギーで前記二つのアーム部材を回動作動させる条件下で、目標角度をθd(t)、目標外部トルクをτd(t)として、下式に従って粘性係数ｃ(t) を変更制御するものである。
【数１】
2013255969.tif 000003
【００１９】
第５の態様によれば、予め蓄力手段への充分なエネルギーの蓄積がなされることから、大きな回動力を集中して発揮させることが可能となる。また、発揮される回動力が予測し易く、アクチュエータや抵抗調節手段の制御が容易になり得る。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第４の態様に記載されたアーム機構において、前記抵抗調節手段が、前記二つのアーム部材の回動に抵抗を及ぼすダンパの粘性係数を変更設定することで抵抗値を変更設定可能とされていると共に、前記制御装置が、前記ロック手段が解除された状態下で前記アクチュエータにより前記二つのアーム部材の回動と前記蓄力手段へのエネルギーの蓄積とが同時に行われる条件下で、目標角度をθd(t)、目標外部トルクをτd(t)として、下式に従って粘性係数ｃ(t) と前記蓄力手段の平衡点θe とを変更制御するものである。
【数２】
2013255969.tif 000004
【数３】
2013255969.tif 000005
【００２１】
第６の態様によれば、回動作動の開始前に必要なエネルギーの蓄積時間を短くすることができて、回動作動を速やかに開始することができる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、相対回動可能に連結された二つのアーム部材と、それらアーム部材に対して相対的な回動力を及ぼすアクチュエータと、該アクチュエータから前記二つのアーム部材の回動力の伝達経路上に配設された蓄力手段と、前記二つのアーム部材の回動を阻止することで前記アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させると共に、該二つのアーム部材の回動を許容することで該蓄力手段に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材に対して回動力として及ぼすロック手段と、前記二つのアーム部材の回動の速度を調節する抵抗調節手段とを有するアーム機構の制御方法であって、前記ロック手段で前記二つのアーム部材の相対的な回動を阻止しながら前記アクチュエータを作動させて該アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させた後、該ロック手段による二つのアーム部材の拘束を解除して回動を許容することで該蓄力手段に蓄積されたエネルギーをそれら二つのアーム部材に対して回動力として及ぼすと共に、前記抵抗調節手段によって該二つのアーム部材の回動の速度を調節することを、特徴とする。
【００２３】
第７の態様によれば、アクチュエータの応答性を要することなく、アーム部材の回動を大きな回動力で迅速に実現することができる。しかも、抵抗調節手段でアーム部材の回動速度を調節することにより、蓄力手段から及ぼされるエネルギーの調節を要することなく、要求されるアーム部材の動作を高精度に実現することができる。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載されたアーム機構の制御方法において、前記蓄力手段が、前記アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを蓄積しながら同時に放出するようにしたものである。
【００２５】
第８の態様によれば、アーム部材の回動開始前に、アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを蓄力手段に蓄積させる時間を短くすることができる。それ故、アクチュエータの作動開始からアーム部材の回動開始までの時間差を小さくすることができて、即応性に優れた制御が可能になる。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第８の態様に記載されたアーム機構の制御方法において、前記ロック手段で前記二つのアーム部材の相対的な回動を制限しながら前記アクチュエータを作動させて該アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段に蓄積させた後、該アクチュエータを作動させながら該ロック手段を解除することで該蓄力手段がエネルギーを蓄積しながら同時に放出するようにしたものである。
【００２７】
第９の態様によれば、予めある程度のエネルギーを蓄積手段に蓄積させておくことで、アーム部材の回動初期の回動力と回動速度を充分に大きく得ることが可能となる。しかも、アーム部材の回動開始後も蓄力手段によるエネルギーの蓄積が続行されることから、回動開始前に蓄積すべきエネルギー量を小さくすることができて、回動開始前のエネルギー蓄積に要する時間を短縮できる。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載されたアーム機構の制御方法において、前記ロック手段の解除状態で前記アクチュエータを作動させながら前記二つのアーム部材の相対的な回動の速度を前記抵抗調節手段によって低減して、該アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーを前記蓄力手段が蓄積しながら同時に放出するようにしたものである。
【００２９】
第１０の態様によれば、アーム部材の回動に対する抵抗力を抵抗調節手段によって大きく設定することで、アーム部材の回動中にアクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーが蓄力手段に対して効率的に蓄積される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、二つのアーム部材の相対回動がロック手段によって阻止されることで、アクチュエータから及ぼされる回動力のエネルギーが蓄力手段に蓄積されると共に、それらアーム部材の相対回動がロック手段によって許容されることで、蓄力手段に蓄積されたエネルギーがアーム部材に回動力として及ぼされる。このように、アクチュエータの発生エネルギーを予め蓄力手段に蓄積してから放出することで、小型のアクチュエータであっても、大トルクの出力を目的とするタイミングで速やかに得ることができる。しかも、アーム部材の回動速度を調節する抵抗調節手段が設けられていることから、アーム部材において目的とする回動動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態としてのアーム機構を示す左側面図であって、（ａ）が初期状態を、（ｂ）がダンパの粘性抵抗を最大に設定しながらアクチュエータを作動させた状態を、（ｃ）がダンパの粘性抵抗を小さくして前腕部材を上腕部材に対して相対回動させた状態を、それぞれ示す。
【図２】図１に示されたアーム機構を構成するダンパをモデル的に示す断面説明図。
【図３】図１に示されたアーム機構の要部をモデル的に示す図。
【図４】図１に示されたアーム機構における時間に対するばねの平衡点およびダンパの粘性係数の変化を示すグラフであって、（ａ）が予めばねの平衡点を変化させてからダンパの粘性係数を変化させる場合を、（ｂ）がばねの平衡点とダンパの粘性係数を同時に変化させる場合を、それぞれ示す。
【図５】本発明の第２の実施形態としてのアーム機構を示す左側面図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３３】
図１には、本発明の第１の実施形態としてのアーム機構１０が示されている。アーム機構１０は、一方のアーム部材としての上腕部材１２と、他方のアーム部材としての前腕部材１４と、アクチュエータ１６と、蓄力手段としてのばね１８と、ロック手段および抵抗調節手段としてのダンパ２０とを、含んで構成されている。
【００３４】
上腕部材１２と前腕部材１４は、それぞれ細長い柱形状（ロッド形状）とされており、上腕部材１２の一方の端部には軸直角方向に広がる支持部材２２が固定されて、後述するアクチュエータ１６を支持している。一方、上腕部材１２は、他方の端部において前腕部材１４と相互に連結されている。例えば、上腕部材１２の端部が後述するダンパ２０に固定されていると共に、前腕部材１４の端部に固設された回動軸２４が、ダンパ２０に対して相対回動可能な状態で取り付けられることにより、それら上腕部材１２と前腕部材１４が相対回動を許容され得る状態で相互に連結されている。
【００３５】
さらに、上腕部材１２には、一対の連結部材２６，２６が取り付けられている。この連結部材２６は、上腕部材１２の外周面上を軸方向に摺動可能な態様で上腕部材１２に取り付けられている。また、一対の連結部材２６，２６は、ベルト２８によって相互に繋がれており、そのベルト２８が回動軸２４に掛回されることで、一対の連結部材２６，２６の上腕部材１２に対する摺動に伴って回動軸２４が回動されるようになっている。
【００３６】
更にまた、支持部材２２で支持されるアクチュエータ１６は、高減速電動モータ３０の回転駆動力が、図示しないボールねじによって上腕部材１２の軸方向に作用する直動駆動力に変換されて出力軸３２に及ぼされる構造とされており、出力軸３２が電動モータ３０によって軸方向に変位されるようになっている。なお、本実施形態では、図１に示されているように、上下一対の出力軸３２，３２が設けられており、それら出力軸３２，３２が連動して、或いは独立して変位可能とされている。
【００３７】
各出力軸３２は、一対の連結部材２６，２６の各一方に対して、軸方向で所定の距離を隔てて配置されており、それら出力軸３２と連結部材２６がばね１８によって相互に弾性連結されている。ばね１８は、ここではコイルスプリングであって、一端が出力軸３２の端部に取り付けられていると共に、他端が連結部材２６の端部に取り付けられている。そして、アクチュエータ１６の作動による出力軸３２の軸方向変位が、ばね１８を介して連結部材２６に伝達されることで、ベルト２８を掛回された回動軸２４が回動されて、上腕部材１２と前腕部材１４に対して相対的な回動力が及ぼされるようになっている。このことからも明らかなように、ばね１８は、アクチュエータ１６から上腕部材１２および前腕部材１４への回動力の伝達経路上に配設されている。なお、本実施形態では、ばね１８は２組配置し、それぞれを電動モータ３０で引っ張る。ばね１８のばね定数は、適宜に設定可能である。
【００３８】
粘性抵抗を変化する機構（ダンパ２０）は、図２に示すように、２つのシリンダ３４，３４にそれぞれピストン３６が挿入された構造を有しており、２つのピストン３６の各一方に固定された相対する２つのラック３８，３８と回動軸２４に固定されたピニオン４０により実現した。回動軸２４が回転すると２つのラック３８，３８及びピストン３６，３６は互いに反対方向に動作する。ピストン３６が動作するとシリンダ３４内に充填された油に圧力が加わり、流動する。２つのシリンダ３４，３４を管４２でつなぐと、ピストン３６の動作により油は管４２内を流動するが、管４２の途中にバルブ４４を設けることにより、油の流れを制御することができる。バルブ４４を閉じると粘性抵抗は非常に大きくなり、回動軸２４を固定することができる。即ち、バルブ４４を閉じることで、ダンパ２０が、上腕部材１２と前腕部材１４の相対的な回動を阻止するロック手段を構成するようになっている。また、バルブ４４の開閉度により粘性抵抗を制御することが可能となる。そして、バルブ４４の開閉度の調節によって、上腕部材１２と前腕部材１４との相対的な回動速度が調節されるようになっている。
【００３９】
なお、本実施形態では、ダンパ２０のバルブ４４の開閉度は、制御装置４６によって制御されており、後述する前腕部材１４と上腕部材１２との相対的な回動速度と回動角度（傾斜角度）との少なくとも一方に対応して、制御装置４６が粘性抵抗を自動的に変更設定するようになっている。尤も、作業者が手でバルブ４４の開閉度を調節することによって、ダンパ２０の粘性抵抗が手動で変更設定されるようにしても良い。
【００４０】
このような構造とされたアーム機構１０は、以下の如くして制御されることで、前腕部材１４が上腕部材１２に対して相対回動するようになっている。即ち、まず、図１（ａ）に示された初期状態において、ダンパ２０の粘性抵抗を最大に設定して、前腕部材１４の上腕部材１２に対する相対的な回動を阻止した状態で、アクチュエータ１６によって一方のばね１８を引っ張ると共に、他方のばね１８を押し込む。これにより、図１（ｂ）に示されているように、アクチュエータ１６の発生力に基づいたエネルギーを、ばね１８，１８に蓄積する。
【００４１】
そして、ダンパ２０の粘性抵抗を小さく変更設定して、前腕部材１４の上腕部材１２に対する相対的な回動の阻止を解除することにより、ばね１８，１８に蓄積されたエネルギーを、前腕部材１４と上腕部材１２の間に相対的な回動力として及ぼす。これにより、図１（ｃ）に示されているように、前腕部材１４と上腕部材１２が、回動軸２４を中心として相対的に回動するようになっている。
【００４２】
さらに、前腕部材１４が上腕部材１２に対して相対回動する際に、制御装置４６がダンパ２０のバルブ４４の開閉度を自動的に変更設定することで、前腕部材１４の上腕部材１２に対する相対回動の速度を調節する。これにより、前腕部材１４の上腕部材１２に対する回動が目的とする速さで実現される。本実施形態では、ダンパ２０がロック手段を兼ねており、制御装置４６がダンパ２０のバルブ４４の開閉度を制御することで、ばね１８が蓄積されたエネルギーをすべて放出する前に、前腕部材１４の上腕部材１２に対する相対回動を止めることもできる。また、ダンパ２０によるロック手段の解除後に、アクチュエータ１６を作動させ続けると共に、ダンパ２０による抵抗値を前腕部材１４と上腕部材１２の相対回動を阻止しない範囲で制限するように大きく設定すれば、前腕部材１４を上腕部材１２に対して相対的に回動させながら、同時に、ばね１８にアクチュエータ１６からの回動力のエネルギーを蓄積させることができる。
【００４３】
ところで、本実施形態のアーム機構１０のモデルを図３に示す。ここで、Ｉは前腕部材１４の慣性モーメント、θ(t) は前腕部材１４の回転角度、ｃ(t) は粘性係数、ｋはばね定数、θe(t)はアクチュエータ１６によって変更されるばね１８の平衡点、τ(t) は前腕部材１４に加えられる外部トルクである。ただし、・(t) は時間によって変化する関数を示す。
【００４４】
モデルの運動方程式は以下のようになる。
【数４】
2013255969.tif 000006
【００４５】
前腕部材１４の目標回転角度をθd(t)とし、目標外部トルクをτd(t)とすると、上式は、次式となる。
【数５】
2013255969.tif 000007
【００４６】
この式から、目標回転角度θd(t)及び目標外部トルクτd(t)が与えられると、粘性係数ｃ(t) とばね１８の平衡位置θe(t)を決定する問題となる。しかし、解は一意には決まらず、無数に存在する。これを解決する方法として、２つが考えられる。１つは、予めばね１８の平衡点を一定値として決定し（θe ）、ばね１８をアクチュエータ１６により引っ張る。そして、アクチュエータ１６から及ぼされた回動力のエネルギーをばね１８に蓄積した後、ロック手段を解除して、蓄積されたエネルギーによって前腕部材１４を上腕部材１２に対して相対回動させながら、前腕部材１４の回転角度を粘性係数の変化により制御する。もう１つは、ばね１８の平衡点を変化させるとともに粘性係数も変化させる方法である。前者は、ばね１８を引っ張り終わらないと前腕部材１４を動作させることができないが、後者は、アクチュエータ１６でばね１８を前者よりも小さく引っ張ってからロック手段を解除することで、アクチュエータ１６によって、上腕部材１２と前腕部材１４の相対回動と、ばね１８へのエネルギーの蓄積が同時に行われることから、そのような準備時間は少なくなることが予想される。以下、それぞれの手法について説明する。
【００４７】
（ａ）ばね１８の平衡点を変化させてからダンパ２０の粘性係数を変化させる場合
［数５］のθe(t)を定数θe とおき、ｃ(t) について解くと、次式となる。
【数６】
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予め目標角度θd(t)、目標外部トルクτd(t)がわかると、［数６］を満足するｃ(t) において、ｃ(t) ＞ｃmin を満足するばね平衡位置θe の最小値θe * を求めることができる。ここで、ｃmin は、ダンパ２０が実現できる最小の粘性係数である。これにより、［数３］に求めたθe * を代入することにより、変化させるべきｃ *(t) は、
【数１】
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と求めることができる。
【００４８】
（ｂ）ばね１８の平衡点とダンパ２０の粘性係数を同時に変化させる場合
［数５］において、ｃ(t) をｃmin とした以下の式において、
【数７】
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θe(t)について解くと、
【数８】
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電動モータ３０がθe(t)となるようにばね１８の平衡点を動作できればよいが、ここでは、高減速比の減速機を使用しているので、以下の１次遅れによりθe'(t)
として動作すると仮定する。
【数９】
2013255969.tif 000012
このθe'(t) を平衡点として目標を達成するには、［数５］において、θe(t)をθe'(t) に置き換えた以下の式が成立する必要がある。
【数１０】
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この式において、全ての時間においてｃ(t) ＞ｃmin を満足させるように、θe'(t) をθe'(t) ＋θe 0 に変更する。ここで、θe 0 は定数である。これにより、変化させるべきばね１８の平衡点θe * (t) 及びダンパ２０の粘性係数ｃ* (t) は、以下の式で求めることができる。
【数２】
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【数３】
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【００４９】
因みに、本実施形態のアーム機構１０において、特定の目標回転角度θd (t) 及び目標外部トルクτd(t)を与えた場合の達成すべき粘性係数ｃ(t) 及び平衡点θe
(t) を実際に求めて、作動を検証する。
【００５０】
まず、θd(t)及びτd(t)を以下のように与える。
【数１１】
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これは、１０Ｎｍのモーメントを保持しつつ、１秒間で前腕部材１４をπ／６（ｒａｄ）回転させる軌道となっている。これの位置軌道、速度軌道を求める。
まず、予めばね１８の平衡点を変化させてからダンパ２０の粘性係数を変化させる場合について、［数６］，［数１］により求めたθe * 及びｃ* (t) を図４（ａ）に示す。ここで、各パラメータはＩ＝０．１４２（ｋｇｍ2 ／ｒａｄ）、ｋ＝１４．７２（Ｎｍ／ｒａｄ）、ｃmin ＝４（Ｎｍｓ／ｒａｄ）とした。次に、ばね１８の平衡点とダンパ２０の粘性係数を同時に変化させる場合について、［数１］〜［数３］，［数７］〜［数１０］により、求めたθe * (t) 及びｃ* (t) を図４（ｂ）に示す。
図４（ｂ）に示すように、平衡点と粘性係数を同時に変化させる手法では、予め平衡点を変化させる手法に比べて、平衡点の変更量が少なくなり、素早い動作をすることが可能と言える。
【００５１】
このような本実施形態に係るアーム機構１０によれば、上腕部材１２と前腕部材１４の相対回動が、アクチュエータ１６から及ぼされる回動力のエネルギーをばね１８に蓄えてから放出することで実現される。それ故、制御に対する応答性に優れたアクチュエータを要することなく、トルクの大きな回動力を目的とするタイミングで即時に発揮させることができる。従って、例えばアクチュエータ１６として小型の電動モータ３０に高減速比の減速機を組み合わせたものを採用した場合にも、減速機によるアクチュエータ１６の応答性の悪化が問題になることなく、優れた即応性で上腕部材１２と前腕部材１４の相対回動を実現することができる。
【００５２】
さらに、上腕部材１２に対する前腕部材１４の回動速度が、ダンパ２０によって調節可能とされており、蓄積されたエネルギーを略一様に出力する簡単な構造のばね１８を蓄力手段として用いつつ、目的とする任意の回動動作を実現することが可能とされている。
【００５３】
特に、制御装置４６が、上腕部材１２に対する前腕部材１４の回動速度に対応してダンパ２０の粘性抵抗値を自動的に変更設定するようにすれば、例えば前腕部材１４の回動速度の変化を抑えて、安定した動作を実現することができる。一方、制御装置４６が、上腕部材１２に対する前腕部材１４の回動角度（傾斜角度）に対応してダンパ２０の粘性抵抗値を自動的に変更するようにすれば、例えば回動角度に小さい回動開始後と回動角度の大きい回動終了前に、それぞれ抵抗値を大きく設定し且つ徐々に変化させることで、前腕部材１４の上腕部材１２に対する回動方向での急激な加速や制動を防ぐことができる。
【００５４】
また、本実施形態では、抵抗調節手段を構成するダンパ２０が、シリンダ３４に封入された油の粘性に基づく抵抗値を最大に設定することで、上腕部材１２と前腕部材１４の相対回動を完全に阻止し得るようになっており、ロック手段と抵抗調節手段が１つのダンパ２０によって構成されている。これにより、アーム機構１０において、部品点数の削減や構造の簡略化、それらに伴う小型化等が実現される。
【００５５】
図５には、本発明の第２の実施形態としてのアーム機構５０が示されている。なお、以下の説明において、第１の実施形態のアーム機構１０と実質的に同一の部材および部位については、図中に同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００５６】
本実施形態のアーム機構５０では、アクチュエータ１６とばね１８がそれぞれ１つずつ上腕部材１２の軸直角方向一方の側に併設されている。更に、前腕部材１４に固設された回動軸２４に対して、径方向外側に突出する連結突部５２が設けられており、この連結突部５２に対してばね１８の他端が固定されている。
【００５７】
このような本実施形態に係るアーム機構５０においても、前記第１の実施形態のアーム機構１０と同様の効果を有効に得ることができる。しかも、アクチュエータ１６やばね１８が１つだけ設けられていることから、構造の簡略化が図られる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、蓄力手段としては、前記実施形態に示されたばね１８（コイルスプリング）に限定されるものではなく、ゴム弾性体やトーションスプリング（捻りばね）、アキュムレータ等、エネルギーを蓄積し得る各種公知の構造が何れも採用され得る。
【００５９】
また、抵抗調節手段は、前記実施形態に示されたダンパ２０のように流体の流動抵抗を調節することで抵抗値を変更設定するものに限定されず、例えば、摩擦によって運動エネルギーを熱エネルギーに変換して放出することで、エネルギー減衰に基づく抵抗力を発揮する構造や、磁気抵抗を利用したダンパ等も採用され得る。
【００６０】
さらに、抵抗調節手段は必ずしもロック手段を兼ねる必要はなく、物理的な係止等によって二つのアーム部材（上腕部材１２と前腕部材１４）の相対回動を阻止するロック手段が、抵抗調節手段（ダンパ２０）とは別で設けられていても良い。なお、このように抵抗調節手段とは別体のロック手段が設けられている場合には、抵抗調節手段において、二つのアーム部材の回動に対して及ぼされる抵抗値が、二つのアーム部材の相対回動を実質的に阻止し得る値にまで設定可能とされていても良いし、相対回動を阻止し得ない値にだけ設定可能とされていても良い。
【００６１】
また、アクチュエータとしては、電動モータ３０を用いたものの他、電磁力を利用した電磁式アクチュエータや空気圧式アクチュエータ、人工筋肉や電歪素子等が適宜に採用され得る。
【符号の説明】
【００６２】
１０，５０：アーム機構、１２：上腕部材、１４：前腕部材、１６：アクチュエータ、１８：蓄力手段、２０：ダンパ（ロック手段、抵抗調節手段）、４６：制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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