(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピボットシャフト（４１）を備える基部（４）と、
第１端部（１１）において上記ピボットシャフト（４１）に取り付けられた揺動アーム（１）と、
駆動源から駆動力を受け取るよう上記ピボットシャフト（４１）に取り付けられ、個々に磁気レオロジー流体を介して上記揺動アーム（１）と相互作用する第１の駆動部材（２）および第２の駆動部材（３）と、
上記磁気レオロジー流体の相状態を変化させるよう構成され、これにより上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）が揺動アーム（１）を選択的に駆動して、互いに逆向きである第１の方向又は第２の方向に沿って回転させることが可能となる第１の電磁部品（２２）および第２の電磁部品（３２）と、を有し、
上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）はそれぞれ上記揺動アーム（１）とともに、閉鎖された第１の液体キャビティ（２１）および閉鎖された第２の液体キャビティ（３１）を画定し、上記第１の液体キャビティ（２１）および上記第２の液体キャビティ（３１）は磁気レオロジー流体で満たされており、
上記揺動アーム（１）の上記第１端部（１１）はスリーブとして形成され、径方向に沿って延在する隔壁（１２）によって２つの凹部（１３、１４）に分割されており、
上記２つの凹部（１３、１４）の開放端はそれぞれ上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）によって閉鎖され、上記第１の液体キャビティ（２１）および上記第２の液体キャビティ（３１）を形成する、関節機構（１００）。
【請求項２】
上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）は、それぞれ開放端および閉鎖端を有する中空のシャフトとして形成されており、
上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）の開放端は、ピボットシャフトを取り付けられるよう構成され、上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）の閉鎖端は、それぞれ上記凹部（１３、１４）内に延在しており、
各中空シャフトはその外周に環状段部（２５、３５）を備え、該環状段部（２５、３５）は上記第１の液体キャビティ（２１）或いは上記第２の液体キャビティ（３１）を閉鎖するよう、軸受け（２６、３６）を介して対応する上記凹部（１３、１４）と密封連結している、請求項１に記載の関節機構。
【請求項３】
上記第１の電磁部品（２２）および上記第２の電磁部品（３２）は環状部材として構成され、それぞれ上記第１の液体キャビティ（２１）および上記第２の液体キャビティ（３１）内に配置されて、それぞれ上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）の閉鎖端上にスリーブを形成している、請求項２に記載の関節機構。
【請求項４】
上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）における凹部内へ延在する部分は軟磁性材料で形成される、請求項２に記載の関節機構。
【請求項５】
上記第１の電磁部品（２２）および上記第２の電磁部品（３２）は、それぞれ上記第１の液体キャビティ（２１）および上記第２の液体キャビティ（３１）の横に配置される、請求項１又は２に記載の関節機構。
【請求項６】
上記駆動源は、上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）を、それぞれがプーリー、ギア、スプロケット或いはベルトからなる群より選択される伝達機構を介して第１の方向および第２の方向に回転するよう駆動する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の関節機構。
【請求項７】
上記駆動源は、第１のベルトおよび第１のプーリーを介して上記第１の駆動部材（２）を駆動し、第２のベルトおよび第２のプーリーを介して上記第２の駆動部材（３）を駆動し、
上記第１のベルトはクロスベルト駆動モードとオープンベルト駆動モードのいずれか一方を採用し、その一方で上記第２のベルトは上記クロスベルト駆動モードと上記オープンベルト駆動モードの他方を採用する、請求項６に記載の関節機構。
【請求項８】
上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）はそれぞれ、上記揺動アーム（１）の回転角を検知するセンサを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の関節機構。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の第１の関節機構と、
上記第１の関節機構の上記揺動アーム（１）の第２端部（１９）に配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の第２の関節機構と、を有し、
上記第２の関節機構の基部は、上記第１の関節機構の上記揺動アーム（１）の上記第２端部（１９）により形成され、上記第２の関節機構の駆動源は上記第１の関節機構における上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）により形成されるマルチアーム装置（２００）。
【請求項１０】
上記第１の電磁部品（２２）および／又は上記第２の電磁部品（２３）に電流を流すことによって上記磁気レオロジー流体の相状態を変化させ、これにより上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）の少なくとも１つが上記揺動アーム（１）を選択的に駆動して上記第１の方向又は上記第２の方向に沿って回転させることを可能とする工程を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の関節機構の制御方法。
【請求項１１】
第１の電流のみが上記第１の電磁部品（２２）に流され、上記第１の液体キャビティ内の磁気レオロジー流体がその相状態を変化させ、上記第１の駆動部材（２）が上記揺動アーム（１）を第１の方向に回転するよう駆動することを可能にする第１の動作モードと、
第２の電流のみが上記第２の電磁部品（３２）に流され、上記第２の液体キャビティ内の磁気レオロジー流体がその相状態を変化させ、上記第２の駆動部材（３）が上記揺動アーム（１）を第２の方向に回転するよう駆動することを可能にする第２の動作モードと、
第３の電流および第４の電流が、上記第１の電磁部品（２２）および上記第２の電磁部品（３２）にそれぞれ継続的に流され、上記第１の液体キャビティ（２１）および上記第２の液体キャビティ（３１）内の磁気レオロジー流体がその相状態を変化させ、上記第１の駆動部材（２）が上記揺動アーム（１）に及ぼす駆動力と、上記第２の駆動部材（３）が上記揺動アーム（１）に及ぼす駆動力とを等しくして、上記揺動アーム（１）を自然に静止状態にする第３の動作モードと、
パルス電流である第５の電流および第６の電流が、それぞれ上記第１の電磁部品（２２）および／又は上記第２の電磁部品（３２）に継続的に流され、上記第１の液体キャビティ（２１）および／又は上記第２の液体キャビティ（３１）内の磁気レオロジー流体がその相状態を変化させ、上記第１の駆動部材（２）および／又は上記第２の駆動部材（３）が上記揺動アーム（１）に及ぼす駆動力が上記揺動アーム（１）の重力を打ち消して、上記揺動アーム（１）を自然に静止状態にする第４の動作モードと、
第７の電流および第８の電流が、上記第１の電磁部品（２２）および上記第２の電磁部品（３２）に交互に流され、上記第１の液体キャビティ（２１）および上記第２の液体キャビティ（３１）内の磁気レオロジー流体がその相状態を交互に変化させ、上記第１の駆動部材（２）および上記第２の駆動部材（３）が交互に上記揺動アーム（１）を駆動して、上記揺動アーム（１）を往復揺動運動させる第５の動作モードと、
のうち一つ以上の上記動作モードを含む、請求項１０に記載の関節機構の制御方法。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの上記関節機構（１００）又は請求項９に記載の少なくとも１つの上記マルチアーム装置（２００）を有するロボット。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【０００１】
本願は、「関節機構およびその制御方法、並びにマルチアーム装置およびロボット」と題し、２０１７年１０月２０日に出願された中国特許出願番号２０１７１０９８３０８５．３に基づく優先権を主張し、この参照により、当該出願の記載内容を全て援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、関節機構、特にロボット用関節機構に関し、また上記関節機構の制御方法に関する。本発明は、さらに上記関節機構を含むマルチアーム装置、および上記関節機構或いは上記マルチアーム装置を含むロボットに関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボットは、産業分野において多岐にわたり使用されてきた。中でも、関節型ロボットは、広い動作範囲、柔軟な動き、コンパクトな構造等、多くの利点があるため、とりわけ普及が著しい。ロボットの関節は通常、回転可能な揺動アームと揺動アームを駆動し回転させる駆動機構とを備えている。
【０００４】
一般に知られている関節型ロボットにおいて、ロボットの各関節は、例えば、ステッパモーター、ＤＣサーボモーター、ＡＣサーボモーター、油圧サーボモーターなどのモーターによって直接駆動される。しかしながら、これらのモーターに固有の特性上、この設計ではロボットの各関節の揺動アームの慣性が大きくなり、高速往復揺動運動を実現することは難しい。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、磁気レオロジー流体を用いて関節機構の動作状態の迅速な変更を実現できる関節機構を提供することを目的とする。本発明は、さらに上記関節機構の制御方法、上記の関節機構を備えるマルチアーム装置、および上記の関節機構或いは上記のマルチアーム装置を含むロボットを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の第１の態様においては、ピボットシャフトを備える基部と、第１端部において上記ピボットシャフトに取り付けられた揺動アームと、駆動源から駆動力を受け取るよう上記ピボットシャフトに取り付けられ、個々に磁気レオロジー流体を介して上記揺動アームと相互作用する第１の駆動部材および第２の駆動部材と、上記磁気レオロジー流体の相状態を変化させるよう構成され、これにより、上記第１の駆動部材および上記第２の駆動部材が揺動アームを選択的に駆動して、互いに逆向きである第１の方向又は第２の方向に沿って回転させることが可能となる第１の電磁部品および第２の電磁部品と、を有する関節機構が提案される。
【０００７】
磁気レオロジー流体は、非磁性の液体（例えば、鉱物油、シリコーン油など）にミクロン範囲の大きさの磁気分極された粒子を分散させることにより生成される一種の懸濁液である。無磁界では、磁気レオロジー流体は流動性の良好な液体として作用し、見かけ粘度は極めて小さい。しかしながら、強磁界下では、磁気レオロジー流体の見かけ粘度は短時間で（例えば、ミリ秒単位で）１００倍を超えて増加し、このため、磁気レオロジー流体は固体様の特性を呈する。また、相状態の変化は連続的であって可逆である。すなわち、磁気レオロジー流体は、磁界が除かれた後には元の相状態に戻る。磁界下の磁気レオロジー流体のレオロジーは即時的かつ可逆であり、レオロジー後の磁気レオロジー流体の剪断耐力は磁界の強さと安定した対応関係を維持するので、磁気レオロジー流体は優れた性能を有する高性能材料として幅広く用いられてきた。磁界の強さが変化するにつれて磁気レオロジー流体の粘度が変化するプロセスは、多くの場合、磁気レオロジー流体の相状態変化と称される。
【０００８】
本発明によれば、関節機構、特にロボット用関節機構において、駆動部材は磁気レオロジー流体を介して揺動アームと相互作用し（すなわち、駆動連結関係を形成し）、磁気レオロジー流体が電磁部品によって発生した磁界によって相状態変化することを可能にする。電磁部品が磁界を発生させない場合には、磁気レオロジー流体は良好な流動性を有する液体として作用する。この場合、駆動部材と揺動アーム間に駆動連結は形成されない。言い換えれば、駆動部材は揺動アームを駆動して回転させることはできない。電磁部品のいずれかが磁界を発生させれば、磁気レオロジー流体は相変化をおこして半固体のように作用する。この場合、対応する駆動部材と揺動アーム間に駆動連結が形成される。すなわち、この対応駆動部材は、揺動アームを駆動して回転させることができる。電磁部品は短時間でオン／オフを切り替えることができるため、また、磁気レオロジー流体の感応時間も極めて速いため、駆動部材と揺動アーム間に短時間で駆動連結を構築し、また消失させることができる。したがって、異なる回転方向を有する２つの駆動部材を設けること、そして、１つまたは２つの駆動部材と揺動アーム間に必要に応じて駆動連結を構築すること或いは構築しないことで、揺動アームは必要に応じた様々な動作を行い、また、迅速な方向転換を実現することができる。
【０００９】
上記第１の態様において、第１の駆動部材および第２の駆動部材はそれぞれ揺動アームとともに、閉鎖された第１の液体キャビティおよび閉鎖された第２の液体キャビティを画定し、両キャビティは磁気レオロジー流体で満たされている。
【００１０】
上記第１の態様において、揺動アームの第１端部はスリーブとして形成され、径方向に沿って延在する隔壁により２つの凹部に分割される。この２つの凹部の開放端はそれぞれ第１の駆動部材と第２の駆動部材によって閉鎖され、第１の液体キャビティと第２の液体キャビティを形成する。
【００１１】
特定の実施例として、第１の駆動部材と第２の駆動部材は、それぞれ開放端および閉鎖端を有する中空のシャフトとして形成される。第１の駆動部材と第２の駆動部材の開放端は、ピボットシャフトを取り付けられるよう構成され、閉鎖端はそれぞれ凹部内に延在する。各中空シャフトはその外周に環状段部を備え、環状段部は第１の液体キャビティ或いは第２の液体キャビティを閉鎖するよう、軸受けを介して対応する凹部の開放端と密封連結している。
【００１２】
一実施例において、第１の電磁部品および第２の電磁部品は環状部材として構成され、それぞれ第１の液体キャビティおよび第２の液体キャビティ内に配置されて、それぞれ第１の駆動部材と第２の駆動部材の閉鎖端上にスリーブを形成している。
【００１３】
特定の実施例として、第１の駆動部材と第２の駆動部材における凹部内へ延在する部分は軟磁性材料で形成される。
【００１４】
特定の実施例として、第１の電磁部品および第２の電磁部品は、それぞれ第１の液体キャビティの横および第２の液体キャビティの横に配置される。
【００１５】
一実施例において、駆動源は、第１の駆動部材および第２の駆動部材を、それぞれがプーリー、ギア、スプロケット或いはベルトからなる群より選択される伝達機構を介して第１の方向および第２の方向に回転するよう駆動する。
【００１６】
特定の実施例として、駆動源は、第１のベルトおよび第１のプーリーを介して第１の駆動部材を駆動し、第２のベルトおよび第２のプーリーを介して第２の駆動部材を駆動する。第１のベルトはクロスベルト駆動モードとオープンベルト駆動モードのいずれか一方を採用し、その一方で第２のベルトはクロスベルト駆動モードとオープンベルト駆動モードの他方を採用する。或いは第１のベルト、第２のベルト両者ともにセミクロスベルト駆動モードを採用する。
【００１７】
一実施例において、第１の駆動部材および第２の駆動部材は各々、揺動アームの回転角を検知するセンサを備える。
【００１８】
本発明の第２の態様においては、前述のごとき第１の関節機構と、該第１の関節機構の揺動アームの第２端部に配置される、前述のごとき第２の関節機構とを有するマルチアーム装置が提案される。上記第２の関節機構の基部は、上記第１の関節機構の揺動アームの第２端部で形成され、上記第２の関節機構の駆動源は上記第１の関節機構における第１の駆動部材および第２の駆動部材で形成される。
【００１９】
本発明の第３の態様においては、上記第１の電磁部品および／又は上記第２の電磁部品に電流を流すことによって上記磁気レオロジー流体の相状態を変化させ、これにより上記第１の駆動部材および上記第２の駆動部材の少なくとも１つが上記揺動アームを選択的に駆動し上記第１の方向又は上記第２の方向に沿って回転させることを可能とする工程を含む、前述の関節機構の制御方法を提案する。
【００２０】
上記方法の１つの動作モードにおいては、第１の電流のみが第１の電磁部品に流され、その結果、第１の液体キャビティにおける磁気レオロジー流体はその相状態を変化させる。これにより、第１の駆動部材は、第１の方向に回転するよう揺動アームを駆動することができる。
【００２１】
上記方法の別の動作モードにおいては、第２の電流のみが第２の電磁部品に流され、その結果、第２の液体キャビティにおける磁気レオロジー流体はその相状態を変化させる。これにより、第２の駆動部材は、第２の方向に回転するよう揺動アームを駆動することができる。
【００２２】
上記方法のさらに別の動作モードにおいては、第３の電流および第４の電流が、それぞれ第１の電磁部品および第２の電磁部品に継続的に流され、その結果、第１の液体キャビティおよび第２の液体キャビティにおける磁気レオロジー流体は両者ともその相状態を変化させる。これにより、第１の駆動部材が揺動アームに及ぼす駆動力は、第２の駆動部材が揺動アームに及ぼす駆動力と等しくなって、揺動アームを自然に静止状態にする
【００２３】
上記方法のさらに別の動作モードにおいては、第５の電流および第６の電流が、それぞれ第１の電磁部品および／又は第２の電磁部品に継続的に流され、その結果、第１の液体キャビティおよび／又は第２の液体キャビティにおける磁気レオロジー流体はその相状態を変化させる。これにより、第１の駆動部材および／又は第２の駆動部材が揺動アームに及ぼす駆動力は、揺動アームの重力を打ち消して、揺動アームを自然に静止状態にする。第５の電流および第６の電流は両者ともパルス電流である。
【００２４】
上記方法のさらに別の動作モードにおいては、第７の電流および第８の電流が、第１の電磁部品および第２の電磁部品に交互に流され、その結果、第１の液体キャビティおよび第２の液体キャビティにおける磁気レオロジー流体はその相状態を交互に変化させる。これにより、第１の駆動部材および第２の駆動部材が交互に揺動アームを駆動して、揺動アームを往復揺動運動させる。
【００２５】
本発明の第４の態様においては、上記の関節機構或いは上記のマルチアーム装置を備えるロボットをも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本発明の好適な実施例を下記の図面を参照した非限定的な例により、以下の通り説明する。
【図１】本発明による２つの関節機構を備える、本発明によるマルチアーム装置の斜視図。
【図２】本発明による関節機構の断面図。
【００２７】
本発明について図面を参照し、以下詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明のマルチアーム装置２００の斜視図を示す。図１に示されるように、マルチアーム装置２００は、互いに連結した、本発明の２つの関節機構１００を備える。マルチアーム装置２００が、互いに連結したより数の多い関節機構１００を備えてよいことは容易に理解される。
【００２９】
図１に示されるように、関節機構１００はピボットシャフト４１を備える基部４と、ピボットシャフト４１にとりつけられた揺動アーム１を有する。揺動アーム１は、その第１端部１１（図２参照）を介してピボットシャフト４１に取り付けられる。図２に示されるように、揺動アーム１の第１端部１１は、スリーブ状構造として形成され、その中央には径方向に延在する隔壁１２が設けられている。スリーブ形状の第１端部１１は、隔壁１２によって軸方向において互いに隣接する２つの凹部、すなわち第１の凹部１３と第２の凹部１４に分割される。本発明において、用語の「軸」および「径」はピボットシャフト４１に対して定義される。本例では、ピボットシャフト４１は実際に２つのピボット部分を備え、これらのピボット部分はそれぞれ凹部１３と凹部１４に取り付けられる。
【００３０】
本発明によれば、関節機構１００はさらに第１の駆動部材２と第２の駆動部材３を備え、第１の駆動部材２と第２の駆動部材３はピボットシャフト４１に並列して取り付けられている。第１の駆動部材２と第２の駆動部材３は両者とも、駆動源（図示せず）の駆動力を受けて回転することができる。しかしながら、第１の駆動部材２と第２の駆動部材３の回転方向は互いに異なるよう設定されている。図１に示される実施例においては、第１の駆動部材２は時計回りの方向に回転することができ、一方第２の駆動部材３は反時計回りの方向に回転することができる。駆動源は、例えばモーターであってよい。
【００３１】
図２に示されるように、第１の駆動部材２は中空のシャフトとして形成され、その一端は開放されており、他端は閉鎖されている。これにより、ピボットシャフト４１は第１の駆動部材２の開放端への延在が可能であるため、第１の駆動部材２はピボットシャフト４１に取り付けられて、ピボットシャフト４１の周りを回転することができる。さらに、第１の駆動部材２の閉鎖端が揺動アーム１の第１端部１１の第１の凹部１３内に延在することにより、第１の駆動部材２と揺動アーム１とで閉鎖された第１の液体キャビティ２１を画定し、閉鎖された第１の液体キャビティ２１は磁気レオロジー流体で満たされている。図２に示される実施例において、第１の駆動部材２はその外周に径方向外方に延在する環状段部２５をさらに備える。環状段部２５は、軸受け２６を介して揺動アーム１の第１端部１１と連結される。このために、軸受け２６を取り付けるためのベアリングストップ１５が、揺動アーム１の第１端部１１の凹部１３の自由端に設けられる。これにより、揺動アーム１は第１の駆動部材２の駆動力を受けて回転することができる。密封のため、シーリングエレメント（図示せず）が軸受け２６に設けられる。
【００３２】
第１の駆動部材２と揺動アーム１が、第１の液体キャビティ２１内の磁気レオロジー流体を介して相互作用し、駆動連結関係を構築し得ることは前記からわかることである。
【００３３】
本発明の図示された実施例によれば、第１の電磁部品２２が第１の液体キャビティ２１に設けられる。第１の電磁部品２２は、例えば、リング形状の部材として構成することができ、第１の駆動部材２における凹部１３内へ延在する部分２８にスリーブを形成する。図示のない実施例において、第１の電磁部品２２は第１の液体キャビティ２１内ではなく、第１の液体キャビティ２１の外側、例えば、第１の液体キャビティ２１の横に配置される。第１の電磁部品２２が第１の液体キャビティ２１内の磁気レオロジー流体に、その相状態を変化させるよう作用することさえできれば、その位置は特定構造のニーズにしたがって当業者が任意に選択できると容易に理解できる。しかしながら、第１の液体キャビティ２１内に第１の電磁部品２２を配置すれば、関節機構１００全体の構造をよりコンパクトにでき、第１の電磁部品２２の磁気レオロジー流体に対する効力は一層直接的である。ゆえにこの配置が好ましい。
【００３４】
一実施例において、第１の電磁部品２１は、モーターのステータで形成してよく、モーターのステータは、第１の駆動部材２における凹部１３内へ延在する部分２８に直接スリーブとして形成することができるため、組み立ては極めて簡単である。さらに、既製の高品質なモーターのステータは、市販品として直接入手することができる。それゆえ、ステータを別途設計する必要がなく、コストを大幅に削減することになる。いうまでもなく、シャフトレスモーターステータも使用できる。
【００３５】
第１の駆動部材２と第２の駆動部材３は同様の構造を有する。このため、第１の駆動部材２の構造についての記載が第２の駆動部材３に同様に適用できると理解するのは容易である。すなわち、第２の駆動部材３も開放端および閉鎖端を備える中空のシャフトとして形成される。ピボットシャフト４１は、第２の駆動部材３の開放端に延在するため、第２の駆動部材３はピボットシャフト４１に取り付けられて、ピボットシャフト４１の周りを回転することができる。さらに、第２の駆動部材３の閉鎖端が第２の凹部１４内に延在することにより、第２の駆動部材３と揺動アーム１とで閉鎖された第２の液体キャビティ３１を画定し、閉鎖された第２の液体キャビティ３１は磁気レオロジー流体で満たされている。図２に示される実施例において、第２の駆動部材３はその外周に径方向外方に延在する環状段部３５をさらに備える。環状段部３５は、軸受け３６を介して揺動アーム１の第１端部１１と連結される。このために、軸受け３６を取り付けるためのベアリングストップが、揺動アーム１の第１端部１１の第２の凹部１４の自由端に設けられる。これにより、揺動アーム１は第２の駆動部材３の駆動力を受けて回転することができる。封止のため、シーリングエレメント（図示せず）が軸受け３６に設けられる。これにより、第２の駆動部材３と揺動アーム１は第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体を介して相互に作用することができ、その結果、駆動連結関係を構築することができる。
【００３６】
本発明の図示された実施例によれば、第２の電磁部品３２が閉鎖された第２の液体キャビティ３１に設けられる。第２の電磁部品３２は、リング形状の部材として構成することができ、第２の駆動部材３における第２の凹部１４内へ延在する部分にスリーブを形成する。第２の電磁部品３２が第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体に、その相状態を変化させるよう作用することさえできれば、第２の電磁部品３２は別の位置に配置してもよい。同様に、第２の液体キャビティ３１は、モーターのステータで形成してよい。
【００３７】
本発明によれば、第１の電磁部品３１或いは第２の電磁部品３２が磁界を生じないよう励磁されない場合には、第１の液体キャビティ２１或いは第２の液体キャビティ３１における磁気レオロジー流体は良好な流動性を有する液体として作用する。この場合、第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３と揺動アーム１との間に駆動連結は構築されない。つまり、たとえ第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３が回転したとしても、揺動アーム１を駆動して回転させることはない。しかしながら、第１の電磁部品３１或いは第２の電磁部品３が励磁されて磁界を生じると、第１の液体キャビティ２１或いは閉鎖された第２の液体キャビティ３１の磁気レオロジー流体は、磁界の影響下で固体として作用する。この場合、駆動連結が第１の駆動部材２と第２の駆動部材３の間で構築される。つまり、第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３が回転すると、揺動アーム１は駆動されて回転する。
【００３８】
図１に示されるように、第１の駆動部材２と揺動アーム１との間に駆動連結が構築される場合、揺動アーム１は第１の駆動部材２が時計回りに回転すれば時計回りに回転する。第２の駆動部材３と揺動アーム１との間に駆動連結が構築される場合、揺動アーム１は第２の駆動部材３が反時計回りに回転すれば反時計回りに回転する。磁気レオロジー流体は感応速度が極めて速いので、揺動アーム１は第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３に極めて敏速に追随し異なる２方向に回転することができる。それゆえ、第１の駆動部材２および第２の駆動部材３の回転方向と、第１の電磁部品２２と第２の電磁部品３２のオン／オフ状態を適切に制御することにより、本発明の関節機構１００は、異なる２つの回転方向の速やかな切り替えと同時に揺動アーム１の順回転と逆回転を実現することができる。本発明の関節機構１００の特定の動作モードを以下に詳細に説明する。
【００３９】
好適な実施例において、第１の駆動部材２および第２の駆動部材３におけるそれぞれ第１の凹部１３内および第１の凹部１４内へ延在する部分は、磁力の伝達を促進するよう軟磁性材料で形成してよい。
【００４０】
別の好適な実施例において、揺動アームの回転角度を読み取り、制御できるよう、第１の駆動部材２および第２の駆動部材３にはエンコーダおよびコードリーダーを設けてよい。
【００４１】
本発明によれば、駆動源は第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３に伝達機構を介して連結され、これにより、駆動力が第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３に伝達されて第１の駆動部材２或いは第２の駆動部材３を駆動し回転させることができる。伝達機構はプーリー、ギア、スプロケット或いはタイミングベルト等であることが好ましい。その結果、駆動構造全体としての慣性が極めて小さくなり、揺動アーム１がその動作方向を迅速に切り替えるのに有利である。
【００４２】
図示された実施例において、伝達機構はプーリーおよびトランスミッションベルトである。具体的には、駆動源は、協働する第１の駆動ベルト２４および第１の駆動プーリー２７を介して第１の駆動部材２を駆動し、協働する第２の駆動ベルト３４および第２の駆動プーリー３７を介して第２の駆動部材３を駆動する。一実施例として、図１に示されるように、第１の駆動部材２と第２の駆動部材３の回転方向が逆になるよう、第１の駆動ベルト２４にクロスベルト駆動を採用し、第２の駆動ベルト３４にオープンベルト駆動を採用する。この設計では２つの並列するプーリーを動力源の回転軸上に配置できるため、第１の駆動部材２の回転方向が第２の駆動部材３の回転方向と確実に逆であるよう図る付加的な操舵機構は不要である。この設計によれば、構造が簡単でコストが安く、設置面積が小さい。
【００４３】
第１の駆動ベルト２４にオープンベルト駆動を採用し、第２の駆動ベルト３４にクロスベルト駆動を採用しても上記効果を達成できることは容易に理解される。
【００４４】
別の実施例においては、第１の駆動ベルト２４にセミクロスベルト駆動を採用し、第２の駆動ベルト３４にもセミクロスベルト駆動を採用して、第１の駆動部材２の回転方向が第２の駆動部材３の回転方向と確実に逆であるよう図る。この構成では、駆動源の回転軸はいかなる方向にも設定することができ、駆動ベルトのクロスベルト駆動に起因する自己摩擦の問題を回避することもできる。
【００４５】
別の実施例において、駆動機構はギアセットである。ギアセットのギアの数を適宜選択することによって、第１の駆動部材２の回転方向が第２の駆動部材３の回転方向と逆になり得ることを当業者は容易に理解することができる。この設計は駆動源の回転軸の配置に大いなる自由度を与えもする。
【００４６】
以下に、関節機構１００の制御方法について説明する。
【００４７】
上記のように、第１の電磁部品２２および／又は第２の電磁部品３２に電流を流すことによって、第１の液体キャビティ２１および／又は第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体はその相状態を変化させ、これにより、第１の駆動部材２および／又は第２の駆動部材３はそれぞれ揺動アーム１を選択的に駆動し、第１の方向および第２の方向で回転させることができる。本発明の関節機構１００は特に、下記のさまざまな動作モードで動作することが可能である。
【００４８】
第１の動作モードにおいて、第１の電流のみが第１の電磁部品２２に流され、その結果、第１の液体キャビティ２１内の磁気レオロジー流体が高粘度の相状態となる。こうして、第１の駆動部材２と揺動アーム１の間にのみ駆動連結が構築される。これにより、第１の駆動部材２は、揺動アーム１を第１の方向、すなわち、図示した実施例における時計回りの方向に回転するよう駆動することができる。
【００４９】
第２の動作モードにおいて、第２の電流のみが第２の電磁部品３２に流され、その結果、第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体が高粘度の相状態となる。こうして、第２の駆動部材３と揺動アーム１の間にのみ駆動連結が構築される。これにより、第２の駆動部材３は、揺動アーム１を第２の方向、すなわち、図示した実施例における反時計回りの方向に回転するよう駆動することができる。
【００５０】
第３の動作モードにおいて、第３の電流および第４の電流が、第１の電磁部品２２および第２の電磁部品３２にそれぞれ継続的に流される。こうして、第１の液体キャビティ２１および第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体は、それぞれ高粘度の相状態となり、その結果、第１の駆動部材２と揺動アーム１の間、また第２の駆動部材３と揺動アーム１の間にも駆動連結が構築される。第３の電流および第４の電流の大きさを適宜選択することにより、第１の駆動部材２が揺動アーム１に及ぼす駆動力と、第２の駆動部材３が揺動アーム１に及ぼす駆動力とを等しくして、揺動アームを自然に静止状態にすることが可能となる。第３の電流は第１の電流以下であって、第４の電流は第２の電流以下であることが好ましい。
【００５１】
第４の動作モードにおいて、第５の電流および第６の電流が、第１の電磁部品２２および／又は第２の電磁部品３２にそれぞれ継続的に流される。こうして、第１の液体キャビティ２１および第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体は、それぞれ高粘度の相状態となり、その結果、第１の駆動部材２と揺動アーム１の間、また第２の駆動部材３と揺動アーム１の間にも駆動連結が構築される。第５の電流および第６の電流の大きさを適宜選択することにより、第１の駆動部材２および／又は第２の駆動部材３が揺動アーム１に及ぼす駆動力は、揺動アームの重力を打ち消して、揺動アームを自然に静止状態にすることが可能となる。第５の電流および第６の電流は両者ともパルス電流であることが好ましい。
【００５２】
第５の動作モードにおいて、第７の電流および第８の電流が、第１の電磁部品２２および第２の電磁部品３２に交互に流される。こうして、第１の液体キャビティ２１および第２の液体キャビティ３１内の磁気レオロジー流体は、高粘度状態を交互に呈し、その結果、第１の駆動部材２と揺動アーム１の間、および第２の駆動部材３と揺動アーム１の間に駆動連結が構築される。このため、第１の駆動部材２および第２の駆動部材３が交互に揺動アーム１を駆動し、異なる方向に回転させる。すなわち、揺動アーム１の往復揺動運動が実現する。
【００５３】
１以上の上記動作モードが実際のニーズに応じた順に選択され、揺動アーム１に求められる様々な機能を実現できる。
【００５４】
本発明のマルチアーム装置２００は、互いに連結した複数の関節機構１００を備えてよい。図１に示される実施例においては、２つの関節機構１００が互いに連結されている。構造をシンプルにするため、上流側の関節機構１００の揺動アーム１の第２端部１９が下流側の関節機構１００の基部とされる。さらに、下流側の関節機構１００の伝達機構は、上流側の関節機構１００の第１の駆動部材２および第２の駆動部材３に連結されている。すなわち、上流側の関節機構１００の第１の駆動部材２および第２の駆動部材３は、下流側の関節機構１００の駆動源として作動する。マルチアーム装置２００が複数の関節機構１００を備える場合、これらの関節機構１００は、上記したように一つずつ順に連結される。エンドエフェクタとして機能するアーム１１０は最後の関節機構１００（図１における上方の関節機構）に配置してよい。
【００５５】
この設計によれば、マルチアーム装置２００は極めてコンパクトな構造を有しながらより複雑な動きを実現できる。さらに、すべての関節機構を駆動するため必要とされるのは、第１の関節機構１００に駆動力を供給する１つの駆動源だけである。このため、このマルチアーム装置２００ではコストが削減され、電力消費量も大いに減少する。
【００５６】
本発明の別の態様により、本発明による関節機構１００或いは本発明によるマルチアーム装置２００を備えるロボットをも提供する。上記ロボットは単関節ロボットであっても多関節ロボットであってもよい。
【００５７】
最後に、上記記載は本発明の好適な実施例にすぎず、本発明をどのようにも限定するものでない。本発明を上述の実施例を参照して詳細に説明したが、当業者は上記実施例に記載された技術的解決法をさらに変更すること、或いは上記実施例における同等の技術的特徴に置き換えることができる。変更、均等物の置き換え、或いは本発明の主旨および本質の範囲内でなされる改良は本発明の保護範囲にあるとすべきである。
【図１】
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【図２】
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