(57)【要約】  効率よく動作可能な構造を有する直列弾性アクチュエータ装置、回転運動に適した構造を有する直列弾性アクチュエータを制御する方法及びそれを用いた直列弾性アクチュエータシステムを提供する。本発明は、直列弾性アクチュエータ装置、直列弾性アクチュエータの制御方法及びそれを用いたシステムに関するものであり、該装置は、駆動モータと連結されて駆動モータの回転力により回転するモータ側の回転部と、モータ側の回転部と係合して駆動モータの回転力を負荷に伝達するための負荷側の回転部と、モータ側の回転部と負荷側の回転部との間の空間に配備される少なくとも一対の弾性部材と、を備え、モータ側の回転部及び負荷側の回転部のうちのいずれか一方に一対の弾性部材が固定されるための収容空間を有するフレームが形成されていることを特徴とする。
2020511910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータと連結されて、前記駆動モータの回転力により回転するモータ側の回転部と、
前記モータ側の回転部と係合して、前記駆動モータの回転力を負荷に伝達するための負荷側の回転部と、
前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に配備される少なくとも一対の弾性部材と、
を備え、
前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部のうちのいずれか一方に前記一対の弾性部材が固定されるための収容空間を有するフレームが形成されていることを特徴とする直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項２】
前記モータ側の回転部の回転方向に応じて、前記一対の弾性部材のうちのいずれか一方が圧縮される請求項１に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項３】
前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部のうちの残りの一方には、前記一対の弾性部材を内側において支持するためのフレームが形成されている請求項１に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項４】
前記弾性部材は、
シリコーン及びウレタンを含めて複数の弾性物質のうちのいずれか一方又は２以上の混合物により構成される請求項１に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項５】
前記弾性部材は、
円柱状を呈する請求項１に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項６】
前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の相対的な変位を測定するためのセンサー部を更に備える請求項１に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項７】
前記センサー部は、
前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部の互いに対応する位置にそれぞれ形成された磁性体及びホールセンサーを備えてなる請求項６に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項８】
前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部間の係合が解放されるとき、前記弾性部材が自動的に取り外されるようになっている請求項１に記載の直列弾性アクチュエータ装置。
【請求項９】
駆動モータの回転力を負荷に伝達するために互いに係合したモータ側の回転部及び負荷側の回転部と、弾性部材と、を備える直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）を制御する方法において、
前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の相対的な変位を測定するステップと、
前記測定された変位及び前記弾性部材の剛性（Ｋ）に基づいて、前記負荷側に加えられる外力による外部トルクを求めるステップと、
前記求められた外部トルクと臨界値トルクとを比較するステップと、
前記比較結果に基づいて、前記直列弾性アクチュエータの制御モードをトルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に切り換えるステップと、
を含む直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１０】
前記変位は、
前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部の互いに対応する位置にそれぞれ形成された磁性体及びホールセンサーを用いて測定される請求項９に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１１】
前記求められた外部トルクが前記臨界値トルクよりも大きい場合、前記負荷側に伝達されるトルクを制御するためのトルク制御に前記制御モードが切り換えられる請求項９に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１２】
前記求められた外部トルクが前記臨界値トルク以下である場合、前記負荷側の回転角度を制御するための位置制御に前記制御モードが切り換えられる請求項９に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１３】
フィードバックされる前記モータ側の回転角度を用いて、前記負荷側の回転角度が制御される請求項１２に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１４】
前記外部トルクが前記臨界値トルクよりも大きい値に増加される場合、前記制御モードが位置制御からトルク制御に切り換えられ、前記外部トルクが前記臨界値トルクから所定のトルクを差し引いた値以下に減少する場合、前記制御モードがトルク制御から位置制御に切り換えられる請求項９に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１５】
前記弾性部材は、
前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に少なくとも一対で配備される請求項９に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１６】
前記モータ側の回転部の回転方向に応じて、前記一対の弾性部材のうちのいずれか一方が圧縮される請求項１５に記載の直列弾性アクチュエータの制御方法。
【請求項１７】
駆動モータと連結されて、前記駆動モータの回転力により回転するモータ側の回転部と、
前記モータ側の回転部と係合して、前記駆動モータの回転力を負荷に伝達するための負荷側の回転部と、
前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に配備される少なくとも一対の弾性部材と、
前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の相対的な変位を測定するためのセンサー部と、
前記測定された変位を用いて前記負荷側に加えられる外力による外部トルクを求め、前記求められた外部トルクと臨界値トルクとを比較した結果に基づいて、トルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に制御モードを切り換える制御器と、
を備える直列弾性アクチュエータシステム。
【請求項１８】
前記制御器は、
前記外部トルクが前記臨界値トルクよりも大きい値に増加される場合、前記制御モードを位置制御からトルク制御に切り換え、前記外部トルクが前記臨界値トルクから所定のトルクを差し引いた値以下に減少する場合、前記制御モードをトルク制御から位置制御に切り換える請求項１７に記載の直列弾性アクチュエータシステム。
【請求項１９】
前記制御器は、
前記制御モードが位置制御である場合、フィードバックされる前記モータ側の回転角度を用いて前記負荷側の回転角度を制御する請求項１７に記載の制御直列弾性アクチュエータシステム。
【請求項２０】
前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部のうちのいずれか一方に前記一対の弾性部材が固定されるための収容空間を有するフレームが形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の直列弾性アクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ：ＳｅｒｉｅｓＥｌａｓｔｉｃＡｃｔｕａｔｏｒ）の構造及びそれを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のロボット技術の発達には目を見張るものがあり、これに伴い、産業ロボットに加えて、人間の代わりに多種多様な作業が行える知能型ロボットへのニーズが存在し、これについての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
知能型ロボットを開発するためには、機械、電子などの従来技術とともに、新素材、半導体、人工知能、センサーソフトウェアなどの先端技術が求められ、知能型ロボットは、既存の産業用のロボットとは異なり、将来の市場に求められる機能及び性能を有するロボットであると言える。
【０００４】
また、知能型ロボットは、より人間に近い場所において様々な作業を行うことができ、人間との協業過程において生じ得る問題を解消するために、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ：ＳｅｒｉｅｓＥｌａｓｔｉｃＡｃｔｕａｔｏｒ）技術がロボットに適用されることが必要である。
【０００５】
直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）は、弾性を用いて力及び位置を一緒に制御するための技術であり、ロボット関節などの位置のみを制御するわけではなく、人間の筋肉にように位置及び力を一緒に制御できるようにして、ロボットが凸凹な床面のように険しい場所において作動するようにするか、或いは、外圧により適応的に動作するようにする。
直列弾性アクチュエータの種類は非常に多岐に亘るが、一般的に、図１に示すような構造を有するボルト駆動型直列弾性アクチュエータが用いられる。
【０００６】
図１を参照すると、従来のボルト駆動型直列弾性アクチュエータは、駆動モータ１０と連結されて回転するボルトスクリュー２０と、ボルトスクリュー２０の回転方向に応じて左又は右に直線運動をするナット部３０と、ナット部３０を支持するバネ４０を介して左又は右に直線運動をする直線運動部５０及びここに連結されたアーム６０を備える。
【０００７】
ボルト駆動型直列弾性アクチュエータは、駆動モータ１０にボルトスクリュー２０が直結されて回転し、ボルトスクリュー２０に連結されたナット部３０がボルトスクリュー２０の回転方向に応じて左又は右に直線運動をする。
【０００８】
ボルトスクリュー２０の直線運動がある場合、ナット部３０及びナット部を支持するバネ４０を介して直線運動部５０及びアーム６０がナット部３０と同じ方向に直線運動をする。
【０００９】
上述した従来の直列弾性アクチュエータの場合、バネを含めて直線運動部の全体が移動するように設計されなければならないため、その構造は複雑であり、しかも、肥大化を余儀なくされるという欠点があった。
また、回転運動の場合、上述した構造の直列弾性アクチュエータは適用し難く、回転運動に適した直列弾性アクチュエータの制御方法が望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上述した問題を解消するために案出されたものであり、その目的は、効率よく動作可能な構造を有する直列弾性アクチュエータ装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明の目的は、回転運動に適した構造を有する直列弾性アクチュエータを制御する方法及びそれを用いた直列弾性アクチュエータシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置は、駆動モータと連結されて、前記駆動モータの回転力により回転するモータ側の回転部と、前記モータ側の回転部と係合して、前記駆動モータの回転力を負荷に伝達するための負荷側の回転部と、前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に設けられる少なくとも一対の弾性部材と、を備え、前記モータ側の回転部及び前記負荷側の回転部のうちのいずれか一方に前記一対の弾性部材が固定されるための収容空間を有するフレームが形成される。
【００１３】
本発明の他の実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置は、駆動モータと連結されて、前記駆動モータの回転力により回転するモータ側の回転部と、前記モータ側の回転部と係合して、前記駆動モータの回転力を負荷に伝達するための負荷側の回転部と、前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に固定される少なくとも一対の弾性部材と、を備え、前記一対の弾性部材を内側において支持するための第１のフレームが前記モータ側の回転部に形成され、前記一対の弾性部材を外側において支持するための第２のフレームが前記負荷側の回転部に形成される。
【００１４】
本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータの制御方法は、駆動モータの回転力を負荷に伝達するために互いに係合したモータ側の回転部及び負荷側の回転部と、弾性部材と、を備える直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）を制御し、前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の相対的な変位を測定するステップと、前記測定された変位及び前記弾性部材の剛性Ｋを用いて、前記負荷側に加えられる外力による外部トルク（ｔｏｒｑｕｅ）を求めるステップと、前記求められた外部トルクと臨界値トルクとを比較するステップと、前記比較結果に基づいて、前記直列弾性アクチュエータの制御モードをトルク制御及び位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）制御のうちのいずれか一方に切り換えるステップと、を含む。
【００１５】
前記弾性部材は、前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に少なくとも一対で配備され、前記モータ側の回転部の回転方向に応じて、一対の弾性部材のうちのいずれか一方が圧縮される。
【００１６】
一方、前記制御方法に係るステップは、本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータシステムにおいて行われるように、コンピュータプログラムにより構成されてもよく、当該コンピュータプログラムは、コンピュータにより読み取り可能な媒体に保存されてもよい。
【００１７】
本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータシステムは、駆動モータと連結されて、前記駆動モータの回転力により回転するモータ側の回転部と、前記モータ側の回転部と係合して、前記駆動モータの回転力を負荷に伝達するための負荷側の回転部と、前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の空間に配備される少なくとも一対の弾性部材と、前記モータ側の回転部と前記負荷側の回転部との間の相対的な変位を測定するためのセンサー部と、前記測定された変位を用いて前記負荷側に加えられる外力による外部トルクを求め、前記求められた外部トルクと臨界値トルクとを比較した結果に基づいて、トルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に制御モードを切り換える制御器と、を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、駆動モータの回転力により一緒に回転するモータ側の回転部及び負荷側の回転部のうちのいずれか一方に一対の弾性部材が固定されるための収容空間を有するフレームを形成して、モータ側の回転部の相対的な回転方向に応じていずれか一方の弾性部材が圧縮されるようにすることで、回転運動に適するとともに、単純な構造を有する直列弾性アクチュエータ装置を提供することができ、これにより、直列弾性アクチュエータをコンパクトなサイズで実現することができる。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、モータ側の回転部と負荷側の回転部との間の相対的な変位に基づいて負荷側に加えられる外力を検出し、外力を基準値と比較した結果に基づいて、直列弾性アクチュエータの制御モードをトルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に切り換えることにより、直列弾性アクチュエータが状況に応じて力及び位置を一緒に安定的に制御できるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の直列弾性アクチュエータの構成に対する一例を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置の構成を説明するための分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置の構成を説明するための分解斜視図である。
【図４】モータ側の回転部と負荷側の回転部との間の空間に弾性部材が固定される構造に対する一実施形態を説明するための図である。
【図５】本発明に係る直列弾性アクチュエータ装置の動作に対する実施形態を説明するための図である。
【図６】直列弾性アクチュエータ装置に配備されるセンサー部の構成及び動作に対する一実施形態を説明するための図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置の構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置の構成を示す斜視図である。
【図９】本発明に係る直列弾性アクチュエータの制御方法に対する一実施形態を示すフローチャートである。
【図１０】負荷に外力が加えられる場合、直列弾性アクチュエータの動作に対する一実施形態を説明するための図である。
【図１１】トルク制御方法に対する一実施形態を説明するための図である。
【図１２】位置制御方法に対する一実施形態を説明するための図である。
【図１３】トルク制御と位置制御との間の切り換え方法に対する第１の実施形態を説明するためのグラフである。
【図１４】トルク制御と位置制御との間の切り換え方法に対する第２の実施形態を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の内容は、単に本発明の原理を例示するためのものである。このため、当業者は、たとえ本明細書に明確に説明又は図示されていなくても、本発明の原理を実現し、本発明の概念及び範囲に含まれる様々な装置を発明することができる筈である。また、本明細書に列挙された全ての条件付用語及び実施形態は、原則的に、本発明の概念が理解されるようにするための目的にのみ明確に意図され、このように特別に列挙された実施形態及び状態に制限的ではないものと理解されるべきである。
【００２２】
また、本発明の原理、観点及び実施形態だけではなく、特定の実施形態を列挙する全ての詳細な説明は、このような事項の構造的及び機能的な均等物を含むように意図されるものと理解されるべきである。更に、これらの均等物は、現在公知となっている均等物だけではなく、将来開発されるべき均等物、すなわち、構造とは無関係に同じ機能を行うように発明された全ての素子を含むものと理解されるべきである。
【００２３】
したがって、例えば、本明細書のブロック図は、本発明の原理を具体化する例示的な回路の概念的な観点を示すものと理解されるべきである。これと同様に、全てのフローチャート、状態変化図、疑似コードなどは、コンピュータにより読み取り可能な媒体に実質的に示すことができ、コンピュータ又はプロセッサが明確に図示されているか否かを問わず、コンピュータ又はプロセッサにより行われる様々なプロセスを示すものと理解されるべきである。
【００２４】
プロセッサ又はこれと同じ概念により表示された機能ブロックを含む図示の様々な素子の機能は、専用ハードウェアだけではなく、適切なソフトウェアと関連してソフトウェアを起動する能力を有するハードウェアの使用により提供可能である。プロセッサにより提供されるとき、前記機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ又は複数の個別的なプロセッサにより提供可能であり、これらのうちの一部は共有可能である。
【００２５】
上述した目的、特徴及び長所は、添付図面と結び付けて行う次の詳細な説明によりなお一層明らかになり、これにより、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は本発明の技術的な思想を容易に実施することができる筈である。なお、本発明を説明するに当たって、本発明と関連する公知の技術についての具体的な説明が本発明の要旨を余計に曖昧にするおそれがあると認められる場合には、その詳細な説明を省略する。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
図２及び図３は、本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置の構成を説明するための分解斜視図であり、直列弾性アクチュエータ装置は、モータ側の回転部１００と、負荷側の回転部２００及び弾性部材３１０、３２０を備えてなることが好ましい。
【００２７】
図２及び図３を参照すると、モータ側の回転部１００は、駆動モータ（図示せず）と連結されて駆動モータの回転力により回転し、負荷側の回転部２００は、前記駆動モータの回転力を負荷に伝達する役割を果たす。
【００２８】
このため、モータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００は互いに係合して、負荷側の回転部２００は、モータ側の回転部１００の回転につれて一緒に回転するように構成されてもよい。
モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の空間には、少なくとも一対の弾性部材３００が配備される。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、駆動モータの回転力により一緒に回転するモータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００のうちのいずれか一方に、少なくとも一対の弾性部材３００が固定されるための収容空間を有するフレームが形成される。
【００３０】
また、モータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００のうちの残りの一方には、前記一対の弾性部材を内側において支持するためのフレームが形成されてもよい。
【００３１】
この場合、負荷側の回転部２００を基準としたモータ側の回転部１００の相対的な回転方向に応じて、いずれか一方の弾性部材が圧縮されて、回転運動に際して力又はトルク（ｔｏｒｑｕｅ）が制御可能な直列弾性アクチュエータ装置が実現可能である。
【００３２】
本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置は、回転運動に適するとともに、単純な構造を有し、これにより、コンパクトなサイズで実現可能であるというメリットがある。
【００３３】
前記弾性部材３１０、３２０は、シリコーン又はウレタンなどの弾性素材から構成されてもよいが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、シリコーン及びウレタンに加えて、様々な弾性物質又は２以上の弾性物質の混合物により構成されてもよい。
【００３４】
一方、前記弾性部材３１０、３２０は、図２に示すように、円柱状を呈してもよいが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、円柱状に加えて、様々な形状を呈してもよい。
ここで、前記弾性部材３１０、３２０の素材、形状又は大きさは変更可能であり、この変更に伴い、弾性部材の剛性Ｋが可変となる。
【００３５】
図２及び図３に戻ると、モータ側の回転部１００には一対の弾性部材３００を内側において支持するための内側フレーム１５０が形成され、負荷側の回転部２００には一対の弾性部材３００を外側において支持するための外側フレーム２５０が形成されてもよい。
【００３６】
図３に示すように、負荷側の回転部２００に形成された外側フレーム２５０により、一対の弾性部材３００が収容されて固定可能な収容空間Ｓが負荷側の回転部２００に設けられてもよい。
【００３７】
上述したように、モータ側の回転部１００の内側フレーム１５０及び負荷側の回転部２００の外側フレーム２５０により一対の弾性部材３００が内側及び外側において支持されることにより、互いに係合したモータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の空間に弾性部材３１０、３２０が固定されてもよい。
【００３８】
例えば、図２に示すように、弾性部材３１０、３２０がモータ側の回転部１００の内側フレーム１５０に据え置きされた状態でモータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００を係合させる場合、弾性部材３１０、３２０は、負荷側の回転部２００の外側フレーム２５０により形成された収容空間Ｓに圧縮されて固定されてもよい。
【００３９】
上述したように、弾性部材３１０、３２０がモータ側の回転部１００の内側フレーム１５０及び負荷側の回転部２００の外側フレーム２５０により支持されて収容空間Ｓに圧縮されて固定されることにより、弾性部材３１０、３２０は、別途の固定部材を用いてモータ側の回転部１００又は負荷側の回転部２００に固定されることが不要になる。
【００４０】
これにより、モータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００間の係合を解放する場合、弾性部材３１０、３２０が自動的に取り外されるようにして、弾性部材３１０、３２０の取り替えを行い易くしてもよい。
【００４１】
一方、本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置は、モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位を測定するためのセンサー部を更に備えていてもよい。
【００４２】
例えば、前記センサー部は、モータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００の互いに対応する位置にそれぞれ形成される磁性体４００及びホールセンサー（ｈａｌｌｓｅｎｓｏｒ）４１０を備えてなることが好ましい。
【００４３】
図４は、モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の空間に弾性部材３１０、３２０が固定される構造に対する一実施形態を説明するために示すものであり、以下、図示の構成のうち、図２及び図３を参照して説明したものと同じものについての説明は省略する。
【００４４】
図４を参照すると、一対の弾性部材３００は、モータ側の回転部１００の内側フレーム１５０と負荷側の回転部２００の外側フレーム２５０との間の空間に圧縮された状態で固定されてもよい。
【００４５】
一方、直列弾性アクチュエータ装置の外郭領域において、モータ側の回転部１００の内側フレーム１５０と負荷側の回転部２００の外側フレーム２５０との間に離隔された空間Ｄが存在し、前記離隔された空間を介して弾性部材３１０、３２０の一部が外部に露出されてもよい。
【００４６】
弾性部材３１０、３２０が圧縮される場合、圧縮方向と垂直な方向に弾性部材３１０、３２０が膨張可能であるが、前記離隔された空間Ｄは、弾性部材３１０、３２０の垂直方向の膨張のための予備空間として用いられてもよい。
【００４７】
また、図４には、直列弾性アクチュエータ装置に４対の弾性部材（合計８個）が配備される場合が想定されて示されているが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、必要に応じて、３対以下又は５対以上の弾性部材が配備されてもよい。
【００４８】
上述したような構造を有する直列弾性アクチュエータ装置に外力が加えられると、弾性部材が圧縮されてモータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位が発生する。
【００４９】
ここで、前記直列弾性アクチュエータ装置に加えられる外力は、駆動モータの回転力により発生するトルク、負荷側に加えられる力により発生するトルク又はこれらの両者間の加減に伴うトルクなどを意味してもよい。
【００５０】
より具体的には、負荷側の回転部２００を基準としたモータ側の回転部１００の相対的な回転方向（又は、モータ側の回転部１００を基準とした負荷側の回転部２００の相対的な回転方向）に応じて、一対の弾性部材３００のうちのいずれか一方が圧縮され、弾性部材が圧縮された分に見合う分だけ相対的な変位が発生し得る。
【００５１】
以下、図５を参照して、本発明に係る直列弾性アクチュエータ装置の動作に対する実施形態についてより詳細に説明する。モータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００に形成されたフレームは回転するが、図５には、説明を容易にするため、直線と略同じ変位を有する場合を想定して示す。
【００５２】
直列弾性アクチュエータ装置にトルクが加えられていない状態では、図５（ａ）に示すように、基準位置Ｒを中心として弾性部材３１０、３２０が内側フレーム１５０と外側フレーム２５０との間の空間に固定されていてもよい。
【００５３】
負荷側の回転部２００が回転しないように負荷側が固定された状態で、駆動モータの回転力により時計回り方向のトルクが直列弾性アクチュエータに加えられる場合、図５（ｂ）に示すように、一対の弾性部材３１０、３２０のうち左側の弾性部材３１０が圧縮されて、基準位置Ｒに対する左側方向（反時計回り方向）への相対的な変位Δθがモータ側の回転部１００に発生することになる。
この場合、前記駆動モータの回転力によるトルクは、次の数式１を用いて計算されてもよい。
【００５４】
【数１】
2020511910.tif 000003
数式１において、τは、駆動モータの回転力によるトルクであり、Ｋは、弾性部材の剛性を示し、Δθは、基準位置Ｒに対する相対的な変位である。
【００５５】
直列弾性アクチュエータ装置に配備されるセンサー部（例えば、磁性体４００及びホールセンサー４１０）を用いて相対的な変位Δθが検出されれば、前記の数式１により駆動モータの回転力によるトルクτが求められる。
【００５６】
一方、負荷側が固定された状態で駆動モータの回転力により時計回り方向のトルクが直列弾性アクチュエータに加えられる場合、図５（ｃ）に示すように、一対の弾性部材３１０、３２０のうち右側の弾性部材３２０が圧縮されて基準位置Ｒに対する右側方向（時計回り方向）への相対的な変位Δθがモータ側の回転部１００に発生することになる。
この場合にも、前記駆動モータの回転力によるトルクは、センサー部により検出される相対的な変位Δθに基づいて前記数式１を用いて計算されてもよい。
前記図５の（ｂ）及び（ｃ）に示す場合において、前記数式１を用いて計算されるトルクτは、駆動モータの回転力により負荷に伝達されるトルクを示し得る。
【００５７】
以上においては、図５を参照して、負荷側が固定された状態で駆動モータの回転力によりトルクが加えられる場合を例にとって本発明に係る直列弾性アクチュエータ装置の動作について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、負荷側に加えられる力により直列弾性アクチュエータ装置にトルクが加えられる場合であっても、本発明に係る直列弾性アクチュエータ装置は、図５を参照して説明したように動作可能である。
【００５８】
例えば、負荷側において、時計回り方向のトルクが直列弾性アクチュエータに加えられる場合、図５（ｂ）に示すように、一対の弾性部材３１０、３２０のうち左側の弾性部材３１０が圧縮されて、基準位置Ｒに対する右側方向（時計回り方向）への相対的な変位Δθが負荷側の回転部２００に発生することになる。
【００５９】
一方、負荷側において、反時計回り方向のトルクが直列弾性アクチュエータに加えられる場合、図５（ｃ）に示すように、一対の弾性部材３１０、３２０のうち右側の弾性部材３２０が圧縮されて、基準位置Ｒに対する左側方向（反時計回り方向）への相対的な変位Δθが負荷側の回転部２００に発生することになる。
この場合、前記負荷側に加えられるトルクτは、センサー部により検出される相対的な変位Δθに基づいて、前記数式１を用いて計算されてもよい。
【００６０】
但し、負荷側に加えられるトルク及び駆動モータの回転力に伴うトルクが互いに反対方向である場合、前記数式１を用いて計算されるトルクτは、前記負荷側に加えられるトルク値及び前記駆動モータの回転力に伴うトルク値を合計した値を示し得る。
【００６１】
図６を参照すると、上述したようなモータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位Δθを測定するために、モータ側の回転部１００には磁場を発生させる磁性体４００が位置し、磁性体４００と向かい合う負荷側の回転部２００の位置にはホールセンサー４１０が配置されてもよい。
【００６２】
ホールセンサー４１０は、電流が流れる導体に磁場をかけると、電流及び磁場に垂直方向に電圧が発生するホール効果を用いて磁場の方向及び大きさを知ることができる。
【００６３】
これにより、ホールセンサー４１０の出力信号を用いて磁性体４００から発生する磁場の方向及び大きさが測定され、検出結果に基づいて、モータ側の回転部１００の相対的な回転方向及び変位（又は、負荷側の回転部２００の相対的な回転方向及び変位）が検出可能である。
【００６４】
図７及び図８は、本発明の他の実施形態に係る直列弾性アクチュエータ装置の構成を示す斜視図であり、以下、同図に示す直列弾性アクチュエータ装置の構成及び動作のうち図２から図６を参照して説明したものと同じものについての説明は省略する。
【００６５】
図７を参照すると、直列弾性アクチュエータのモータ側の回転部１００には駆動モータ７００が連結され、更に減速器７２０及び減速器固定端７３０が係合してもよい。
【００６６】
また、図７には示していないが、駆動モータ７００の回転力をモータ側の回転部１００に伝達するためのベルト（又は、チェーン）及びプーリーなどが直列弾性アクチュエータ装置に配備されてもよい。
更に、直列弾性アクチュエータの負荷側の回転部２００には軸受け（ｂｅａｒｉｎｇ）７１０が係合してもよい。
図８を参照すると、図７に示すように、係合した直列弾性アクチュエータ装置に軸受け固定端８００及び軸受けカバー８１０が係合してもよい。
【００６７】
図７及び図８は、駆動モータと係合する直列弾性アクチュエータ装置の構成に対する一実施形態を説明するためのものであり、本発明に係る直列弾性アクチュエータ装置は、これに何ら限定されるものではなく、図示の構成要素のうちの一部が省略されてもよく、必要に応じて、更なる構成要素が付加されてもよい。
【００６８】
本発明の他の実施形態によれば、図２から図８を参照して説明したような構造を有する直列弾性アクチュエータ装置を用いてロボットの関節やその他の産業用の機械などの力（又は、トルク）及び位置を一緒に制御することが可能である。
【００６９】
例えば、モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位Δθを用いて求められるトルクτに基づいて、ロボット関節の動きを制御するようにしてもよい。
【００７０】
より具体的には、モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位に基づいて、負荷側に加えられる外力を検出し、外力を基準値と比較した結果に基づいて、直列弾性アクチュエータの制御モードをトルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に切り換えてもよい。
【００７１】
一方、本発明の一実施形態に係る直列弾性アクチュエータシステムは、図２から図８を参照して説明したような構造を有する直列弾性アクチュエータと、直列弾性アクチュエータを制御するための制御器と、を備えてなることが好ましい。
以下、図９から図１４を参照して、直列弾性アクチュエータを制御する方法に対する実施形態についてより詳細に説明する。
【００７２】
図９は、本発明に係る直列弾性アクチュエータの制御方法に対する一実施形態を示すフローチャートであり、本発明に係る直列弾性アクチュエータシステムに設けられる制御器が直列弾性アクチュエータの動作を制御する方法を示すものである。
【００７３】
図９を参照すると、制御器は、直列弾性アクチュエータのモータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位を測定する（ステップＳ９００）。
【００７４】
上述したように、モータ側の回転部１００及び負荷側の回転部２００の互いに対応する位置にそれぞれ形成された磁性体４００及びホールセンサー４１０を用いて、前記ステップＳ９００においてモータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位が測定されてもよい。
【００７５】
制御器は、前記ステップＳ９００において測定された変位及び直列弾性アクチュエータに設けられる弾性部材の剛性Ｋに基づいて、負荷側に加えられる外力による外部トルク（ｔｏｒｑｕｅ）を求める（ステップＳ９１０）。
【００７６】
図１０を参照すると、負荷側の回転部２００に連結された負荷１０００に外部から力Ｆｌが加えられる場合、外力Ｆｌにより負荷１０００を回転させるトルクτｌが発生することになる。
【００７７】
例えば、回転せずに現在の位置を維持している負荷１０００に外力Ｆｌが加えられてトルクτｌが発生するか、或いは、特定の位置に達するまで回転している負荷１０００に回転方向とは反対の方向の外力Ｆｌが加えられてトルクτｌが発生する。
或いは、回転している負荷１０００に回転方向と同じ方向の外力Ｆｌが加えられてトルクτｌが発生してもよい。
【００７８】
上述したように、負荷１０００側に加えられる外力Ｆｌによる外部トルクτｌは、一対の弾性部材３１０、３２０のうちのいずれか一方を圧縮させ、これにより、モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位が発生し得る。
【００７９】
したがって、モータ側の回転部１００と負荷側の回転部２００との間の相対的な変位Δθ及び弾性部材の剛性Ｋに基づいて、前記数式１を用いて、外力Ｆｌにより発生する外部トルクτｌが計算されてもよい。
【００８０】
次いで、制御器は、前記ステップＳ９１０において計算された外部トルクと予め設定された臨界値トルクとを比較して（ステップＳ９２０）、比較結果に基づいて、直列弾性アクチュエータの制御モードをトルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に切り換える（ステップＳ９３０）。
【００８１】
ここで、前記トルク制御は、直列弾性アクチュエータの負荷側の回転部２００に連結された負荷１０００が所定のトルク（又は、力）を出すように駆動モータを制御することであり、図１１に示すように、コントローラ（制御器）が負荷側に伝達されるトルクτｅをフィードバックして基準トルクτｒと比較して駆動モータを制御してもよい。
【００８２】
例えば、コントローラ（制御器）は、次の数式２を用いてパルス幅変調（ＰＷＭ：ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行って、負荷１０００側に基準トルクτｒが伝達され続けるように駆動モータを制御するトルク制御を行ってもよい。
【００８３】
【数２】
2020511910.tif 000004
数式２において、Ｆ（ｓ）は、ＰＩＤコントローラのトルク制御関数を示し、ＫＰ、ＫＤ及びＫＦは、ＰＩＤ制御のためのパラメータを意味する。
【００８４】
以上においては、図１１及び数式２を参照して制御器がトルク制御を行う方法について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、各種公知のトルク制御方法を用いて駆動モータを制御してもよい。
【００８５】
一方、前記位置制御は、直列弾性アクチュエータの負荷側の回転部２００に連結された負荷１０００が所定の回転角度（又は、位置）に見合う分だけ移動するように駆動モータを制御することであり、図１２に示すように、コントローラ（制御器）がモータ側の出力端の回転角度θｍをフィードバックして基準角度θｒと比較して駆動モータを制御してもよい。
【００８６】
例えば、コントローラ（制御器）は、次の数式３を用いてパルス幅変調（ＰＷＭ：ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行って、負荷１０００側が基準角度θｒに見合う分だけ回転するように駆動モータを制御する位置制御を行ってもよい。
【００８７】
【数３】
2020511910.tif 000005
数式３において、Ｐ（ｓ）は、ＰＩＤコントローラの位置制御関数を示し、ＫＰ及びＫＤは、ＰＩＤ制御のためのパラメータを意味する。
【００８８】
以上においては、図１２及び数式３を参照して、制御器が位置制御を行う方法について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、各種公知の位置制御方法を用いて駆動モータを制御してもよい。
【００８９】
次の数式４は、前記ステップＳ９３０において制御器が外部トルクτｌと臨界値トルクτｔｈとを比較した結果に基づいて、トルク制御と位置制御との間を切り換える方法に対する一実施形態を示す。
【００９０】
【数４】
2020511910.tif 000006
数式４を参照すると、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈ以下である場合、制御器は、直列弾性アクチュエータの制御モードを位置制御に切り換えてもよい。
一方、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈよりも大きい場合、制御器は、直列弾性アクチュエータの制御モードをトルク制御に切り換えてもよい。
【００９１】
例えば、負荷１０００が回転しない位置制御中に外力Ｆｌによるトルクτｌが発生する場合、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈに達するまでは、駆動モータが反対方向のトルクを発生させて位置制御が維持され、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈを超える場合には位置制御を諦め、トルク制御に切り換えられてもよい。
【００９２】
次いで、外力Ｆｌが除去されて外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈ以下に減少すると、再び位置制御に切り換えられて、駆動モータの回転により負荷１０００が元の位置に戻ることになる。
【００９３】
一方、負荷１０００が所定の角度だけ回転する位置制御中に外力Ｆｌにより反対方向のトルクτｌが発生する場合、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈに達するまでは、駆動モータが負荷１０００を回転させ続けて位置制御が維持され、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈを超える場合には位置制御を諦め、トルク制御に切り換えられてもよい。
【００９４】
次いで、外力Ｆｌが除去されて外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈ以下に減少すると、再び位置制御に切り換えられて、駆動モータにより負荷１０００が所望の角度だけ回転することになる。
【００９５】
また、負荷１０００が所定の角度だけ回転する位置制御中に外力Ｆｌにより同じ方向のトルクτｌが発生する場合、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈに達するまでは、駆動モータが負荷１０００を回転させ続けて位置制御が維持され、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈを超える場合には位置制御を諦め、トルク制御に切り換えられてもよい。
【００９６】
次いで、外力Ｆｌが除去されて外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈ以下に減少すると、再び位置制御に切り換えられて、駆動モータにより負荷１０００が所望の角度だけ回転することになる。
【００９７】
但し、上述したように、臨界値トルクτｔｈを基準として位置制御とトルク制御との間を切り換える場合、臨界値トルクτｔｈ近くの切り換え領域（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）において振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）が発生するおそれがある。
【００９８】
図１３を参照すると、外部トルクτｌが増加して臨界値トルクτｔｈを超える時点ｔ１で位置制御からトルク制御に切り換えられ、トルク制御に切り換えられた後にはトルクτｌが減少してもよい。
【００９９】
一方、トルクτｌが減少して臨界値トルクτｔｈに達する時点ｔ２では、トルク制御から再び位置制御に切り換えられ、位置制御に切り換えられた後にはトルクτｌが増加してもよい。
【０１００】
上述したように、臨界値トルクτｔｈ近くの切り換え領域（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）において位置制御とトルク制御との間の切り換えが繰り返し行われて、負荷側に振動が発生するおそれがある。
【０１０１】
本発明の他の実施形態によれば、上述したような切り換え領域（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）における振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）を低減させるために、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈから所定のトルクτｈｙｓを差し引いた値以下に減少する場合にトルク制御から位置制御に切り換えられるように制御器が動作してもよい。
【０１０２】
【数５】
2020511910.tif 000007
【０１０３】
数式５を参照すると、外部トルクτｌが臨界値トルクτｔｈに達する場合、位置制御からトルク制御に切り換えられ、外部トルクτｌが臨界値トルクから所定のトルクを差し引いた値（τｔｈ−τｈｙｓ）まで減少する場合、トルク制御から位置制御に切り換えられてもよい。
【０１０４】
図１４を参照すると、外部トルクτｌが増加して臨界値トルクτｔｈを超える時点Ｔ１で位置制御からトルク制御に切り換えられ、トルク制御に切り換えられた後にはトルクτｌが減少してもよい。
【０１０５】
一方、トルクτｌが減少して臨界値トルクτｔｈに達する時点で制御モードが切り換えられずにトルク制御を維持して、負荷１０００側に伝達されるトルクτｌが所望の基準トルク値を維持することができる。
【０１０６】
次いで、外力Ｆｌが除去されて外部トルクτｌが臨界値トルクから所定のトルクを差し引いた値（τｔｈ−τｈｙｓ）に達する時点Ｔ２で、トルク制御から位置制御に切り換えられてもよい。
【０１０７】
上述した本発明の一実施形態に係る方法はコンピュータにおいて起動されるためのプログラムとして作成されてもよく、前記プログラムは、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記憶されてもよい。コンピュータにより読み取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、光データ保存装置などが挙げられ、なお、キャリアウェーブ（例えば、インターネットを介した伝送）の形態で実現されるものも含む。
【０１０８】
コンピュータにより読み取り可能な記録媒体は、ネットワークで結ばれたコンピュータシステムに分散されて、分散方式でコンピュータにより読み取り可能なコードが記憶され且つ起動可能である。なお、前記方法を実現するための機能的な（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）プログラム、コード及びコードセグメントは、本発明が属する技術分野のプログラマーにより容易に推論可能である。
【０１０９】
なお、以上においては、本発明の好適な実施形態について図示し且つ説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲において請求する本発明の趣旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者により様々な変形実施が可能であるということはいうまでもなく、これらの変形実施は、本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。
【図１】
2020511910.tif 000008
【図２】
2020511910.tif 000009
【図３】
2020511910.tif 000010
【図４】
2020511910.tif 000011
【図５】
2020511910.tif 000012
【図６】
2020511910.tif 000013
【図７】
2020511910.tif 000014
【図８】
2020511910.tif 000015
【図９】
2020511910.tif 000016
【図１０】
2020511910.tif 000017
【図１１】
2020511910.tif 000018
【図１２】
2020511910.tif 000019
【図１３】
2020511910.tif 000020
【図１４】
2020511910.tif 000021
【国際調査報告】
2020511910.tif 000022
2020511910.tif 000023
2020511910.tif 000024
2020511910.tif 000025