ロボット及びロボットシステム
【課題】ロボットの制御性と安全性とを両立させる。
【解決手段】ロボットは、固定子３１及び回転子を有するモータを関節機構Ｓ１に備えている。このロボットは、モータの固定子３１が連結される第１リンク部材Ｌ１と、モータの回転子が連結される第２リンク部材と、モータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けられた弾性部材３０とを有している。そして、この弾性部材３０は、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成されている。
【解決手段】ロボットは、固定子３１及び回転子を有するモータを関節機構Ｓ１に備えている。このロボットは、モータの固定子３１が連結される第１リンク部材Ｌ１と、モータの回転子が連結される第２リンク部材と、モータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けられた弾性部材３０とを有している。そして、この弾性部材３０は、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子及び固定子を有するモータを関節機構に備えたロボット、及び、このロボットとこのロボットを制御するロボットコントローラとを備えたロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの分野では、ロボットが人間と同じ環境に共存して作業を行うことが求められている。ロボットが人間や周囲の構造物と衝突した場合には、その衝突時の衝撃力が大きいため、ロボットが人間と同じ環境に共存して作業を行うためには、ロボットを防護柵で囲んだり、人間がロボットの可動範囲内に進入しないようにする等して、安全性を高める必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ロボットの関節機構（ロボット関節機構）に弾性部材（環状ばね）を設け、この弾性部材によって関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高める技術が開示されている。
【０００４】
この従来技術における弾性部材は、ねじれ方向に弾性を有する軸線視円形の部材であり、その中心に設けられた中心部と、その周方向に設けられた周辺部と、これら中心部及び周辺部に連結され、弾性変形を行う可撓部とを備えている。中心部は、波動歯車装置の出力端であるフレクスプラインに固定されている。周辺部は、出力アームに固定されている。可撓部は、連結部の１箇所で周辺部と連結され、中心部又は周辺部から入力されたトルクに応じて、ねじれ方向に弾性変形を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術では、ロボットの関節機構に弾性部材を設けているので、この弾性部材によって関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。しかしながら、関節機構が常時柔軟性を有するために、弾性部材の変形によって動作後のアーム先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、制御性と安全性とを両立できるロボット及びロボットシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明は、界磁と電機子のいずれか一方を回転子、他方を固定子とするモータを関節機構に備えたロボットであって、前記固定子が連結される第１リンク部材と、前記回転子が連結される第２リンク部材と、前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記回転子と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられた弾性部材と、を有し、前記弾性部材は、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本願発明のロボットは、回転子及び固定子を有するモータを関節機構に備えている。モータの固定子は第１リンク部材に連結されており、モータの回転子は第２リンク部材に連結されている。また、固定子と第１リンク部材との間、及び、回転子と第２リンク部材との間の少なくとも一方には、弾性部材が設けられている。この弾性部材によってロボットの関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。一方、関節機構が常時柔軟性を有する場合、弾性部材の変形によって動作後のアーム先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。
【００１０】
そこで本願発明では、弾性部材を、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成する。これにより、ロボットの加減速時には弾性部材の弾性率を大きくすることで、位置ずれや動作遅れを抑制し、ロボットの等速動作時や停止時には弾性部材の弾性率を小さくすることで、衝突時の衝撃力を緩衝することが可能となる。このように、状況に応じて関節機構の剛性を変化させることができるので、ロボットの制御性と安全性を両立させることができる。
【００１１】
また、本願発明では可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を設けることで関節機構の剛性を変化させることができるので、例えば加圧型可変剛性機構のように、加圧部材や高トルクの剛性調節モータなどを設ける必要がない。したがって、小型且つ軽量の機構で関節機構の剛性を変化させることができる。
【００１２】
第２の発明は、上記第１発明において、前記モータのトルクを増幅する減速機をさらに備え、前記弾性部材は、前記減速機の固定部又は前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記減速機の出力軸と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、関節機構にモータと減速機を備えたロボットにおいて、制御性と安全性を両立させることができる。
【００１４】
第３の発明は、上記第１又は第２発明において、第１磁路鉄芯と、前記第１磁路鉄芯に巻かれた第１コイルと、をさらに備え、前記第１磁路鉄芯は、前記第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
本願発明においては、第１磁路鉄芯の第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が、可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を通過するように構成されている。これにより、第１コイルの電流量に応じて弾性部材の弾性率を制御できるので、関節機構の剛性を高速かつ連続的に変化させることができる。
【００１６】
また、例えばＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構では、ＭＲ流体自体の剛性を連続的に変化させることができないため、関節機構の剛性を連続的に変化させるには選択できる剛性値の数（分解能）を増やす必要がある。この場合、ばねやコイル、電気回路等をその分だけ増加させる必要があり、機構の大型化を招くことになる。これに対し、本願発明ではそのような部品の追加をすることなく関節機構の剛性を連続的に変化させることができるため、小型で軽量な可変剛性の関節機構を実現できる。
【００１７】
第４の発明は、上記第１又は第２発明において、第２磁路鉄芯と、永久磁石と、をさらに備え、前記第２磁路鉄芯は、前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
本願発明においては、永久磁石により発生する磁束が、第２磁路鉄芯を介して可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を通過するように構成されている。これにより、例えば永久磁石の位置や向き等を変化させ、第２磁路鉄芯を通過する磁束の有無を制御することで、弾性部材の弾性率を制御することが可能となる。
【００１９】
また、永久磁石を用いることで、コイルのような銅損によるエネルギー損失や、発熱の問題をなくすことができる。また、コイルに比べ漏れ磁束を小さくすることができるので、高剛性時と低剛性時の磁束密度の差を大きくすることができ、取りうる剛性の範囲を拡大することができる。
【００２０】
第５の発明は、上記第４発明において、前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯をさらに備え、前記永久磁石は、前記磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置と、前記磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置との間を、移動可能に構成されていることを特徴とする。
【００２１】
本願発明においては、永久磁石が高剛性位置と低剛性位置との間を移動可能に構成されている。永久磁石が高剛性位置に移動した際には、磁束が第２磁路鉄芯を介して弾性部材を通過するので、弾性部材の弾性率は大きくなる。一方、永久磁石が低剛性位置に移動した際には、磁束が第３磁路鉄芯を通過して弾性部材を通過しないため、弾性部材の弾性率は小さくなる。
【００２２】
このようにして、永久磁石の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御することで、関節機構の剛性を確実に変化させることができる。
【００２３】
第６の発明は、上記第５発明において、前記永久磁石は、着磁方向と垂直な軸まわりに回転可能に支持されており、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を回転移動することを特徴とする。
【００２４】
本願発明においては、永久磁石が着磁方向と垂直な軸まわりに回転可能に支持されており、高剛性位置と低剛性位置との間を回転移動可能に構成されている。これにより、永久磁石の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御可能な構成を、簡易な構成で実現することができる。また、永久磁石は軸方向へ移動しないため、関節機構の特に軸方向の厚みを小型化できる効果もある。
【００２５】
第７の発明は、上記第５発明において、少なくとも１つの前記永久磁石が固定され、前記永久磁石の着磁方向と平行な軸まわりに回転可能に支持された磁石固定板をさらに備え、前記永久磁石は、前記磁石固定板の回転により、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を移動することを特徴とする。
【００２６】
本願発明においては、少なくとも１つの永久磁石が固定された磁石固定板が、着磁方向と平行な軸まわりに回転可能に支持されており、永久磁石は磁石固定板の回転により高剛性位置と低剛性位置との間を移動可能に構成されている。これにより、磁石固定板に複数の永久磁石を固定することで、複数の永久磁石の位置を一度に高剛性位置又は低剛性位置に切替可能な構成を実現することができる。また、複数の永久磁石を集約配置できるので、関節機構の体積を小型化できる効果もある。
【００２７】
第８の発明は、上記第６又は第７発明において、前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動する剛性調節モータをさらに備えることを特徴とする。
【００２８】
本願発明においては、剛性調節モータが永久磁石又は磁石固定板を回転駆動することにより、永久磁石を高剛性位置と低剛性位置とに移動させる。このような構成とすることで、既存のモータを用いて容易に可変剛性の関節機構を実現することができる。
【００２９】
第９の発明は、上記第６又は第７発明において、前記第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイルと、前記第３磁路鉄芯に巻かれた第３コイルと、をさらに備え、前記第２コイル及び前記第３コイルは、前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動させることを特徴とする。
【００３０】
本願発明においては、第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイル及び第３磁路鉄芯に巻かれた第３コイルが、永久磁石又は磁石固定板を回転駆動することにより、永久磁石を高剛性位置と低剛性位置とに移動させる。このような構成とすることで、永久磁石又は磁石固定板を回転駆動するためのモータを別途設ける必要がなくなり、且つ、鉄芯部を共通化できるので、関節機構を小型化することができる。また、第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイルにより生じた磁束は弾性部材を通過するため、これを関節機構の剛性の制御に利用することにより、応答を高速化できる効果もある。
【００３１】
上記目的を達成するために、第１０の発明は、上記第１乃至第９発明のいずれかのロボットと、前記ロボットを制御するロボットコントローラと、を備えたロボットシステムであって、前記ロボットコントローラは、前記関節機構の剛性を指令する剛性指令値を出力する剛性指令器と、前記剛性指令値に基づき前記弾性部材の弾性率を制御する剛性制御器と、を有していることを特徴とする。
【００３２】
本願発明のロボットシステムは、回転子及び固定子を有するモータを関節機構に備えたロボットと、このロボットを制御するロボットコントローラとを備えている。ロボットにおいては、モータの固定子は第１リンク部材に連結されており、モータの回転子は第２リンク部材に連結されている。また、固定子と第１リンク部材との間、及び、回転子と第２リンク部材との間の少なくとも一方には、弾性部材が設けられている。この弾性部材によってロボットの関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。一方、関節機構が常時柔軟性を有する場合、弾性部材の変形によって動作後のアーム先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。
【００３３】
そこで本願発明では、弾性部材を、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成し、ロボットコントローラの剛性制御器で、剛性指令器の剛性指令値に基づき弾性部材の弾性率を制御する。これにより、ロボットの加減速時には弾性部材の弾性率を大きくすることで、位置ずれや動作遅れを抑制し、ロボットの等速動作時や停止時には弾性部材の弾性率を小さくすることで、衝突時の衝撃力を緩衝することが可能となる。このように、状況に応じて関節機構の剛性を変化させることができるので、ロボットの制御性と安全性を両立させることができる。
【００３４】
第１１の発明は、上記第１０発明において、前記ロボットは、第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第１磁路鉄芯を有し、前記剛性制御器は、前記第１コイルに流す電流量を制御することを特徴とする。
【００３５】
本願発明においては、第１磁路鉄芯の第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が、可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を通過するようにロボットが構成されている。そして、ロボットコントローラの剛性制御器は、第１コイルに流す電流量を制御する。これにより、第１コイルの電流量に応じて弾性部材の弾性率を制御できるので、関節機構の剛性を高速かつ連続的に変化させることができる。
【００３６】
第１２の発明は、上記第１０又は第１１発明において、前記ロボットは、移動可能に構成された永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第２磁路鉄芯と、前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯と、をさらに備え、前記剛性制御器は、前記剛性指令器からの剛性指令値を、前記永久磁石の磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置、及び、前記永久磁石の磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、前記永久磁石の位置を制御することを特徴とする。
【００３７】
本願発明においては、ロボットが第２磁路鉄芯と第３磁路鉄芯とを備えており、永久磁石が、その磁束が第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置と、磁束が第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置との間を移動可能に構成されている。そして、ロボットコントローラの剛性制御器は、剛性指令器からの剛性指令値を、高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、永久磁石の位置を制御する。このように、剛性指令器からの剛性指令値に基づいて永久磁石の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御することで、関節機構の剛性を確実に変化させることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、ロボットの制御性と安全性とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態のロボットシステムを表すシステム構成図である。
【図２】関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【図３】ロボットコントローラの機能的構成を説明する説明図である。
【図４】関節機構の概念的な断面図である。
【図５】比較例（その１）における可変剛性機構の概念的な正面図である。
【図６】比較例（その２）における可変剛性機構の概念的な正面図及び断面図である。
【図７】永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する変形例（その１）において、永久磁石が高剛性位置に位置する状態での関節機構の概念的な断面図である。
【図８】永久磁石が低剛性位置に位置する状態での関節機構の概念的な断面図である。
【図９】永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する変形例（その２）における関節機構に備えられた各部材を表す分解斜視図である。
【図１０】関節機構の背面斜視図、正面斜視図、正面図、側面図、及び、図１０（ｄ）中ＸＥ−ＸＥ断面による断面図である。
【図１１】永久磁石が高剛性位置に位置する状態での関節機構の正面図、及び、図１１（ａ）中ＸＩＢ−ＸＩＢ断面による断面図である。
【図１２】永久磁石が低剛性位置に位置する状態での関節機構の正面図、図１２（ａ）中ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ断面による断面図、及び、図１２（ａ）中ＸＩＩＣ−ＸＩＩＣ断面による断面図である。
【図１３】弾性部材を減速機の出力軸と第２リンク部材との間に設ける変形例における関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【図１４】弾性部材をモータの固定子と第２リンク部材との間に設ける変形例における関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【図１５】弾性部材を減速機の出力軸と第１リンク部材との間に設ける変形例における関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態のロボットシステムを表す（一部透視）システム構成図である。
【００４２】
図１において、本実施形態のロボットシステム１は、アーム１００を備えたロボット１０と、このロボット１０を制御するロボットコントローラ２０とを有している。これらロボット１０及びロボットコントローラ２０は、ケーブルを介して相互通信可能に接続されている。なお、ロボットコントローラ２０を、例えばロボット１０のアーム１００部分に設置する等、ロボット１０側に設けてもよい。
【００４３】
ロボット１０のアーム１００は、固定部１０１と、複数（この例では５個）のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５と、これら５個のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５のうちアーム１００の最も基端側に位置するリンク部材Ｌ１と固定部１０１、及び、これら５個のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５のうち隣接するリンク部材同士、を屈折可能に連結する複数（この例では６個）の関節機構Ｓ１〜Ｓ６と、これら６個の関節機構Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ設けられ、駆動対象のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５への駆動力を発生するアクチュエータＡ１〜Ａ６と、上記６個の関節機構Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ設けられた弾性部材３０（後述の図２参照）とを有している。
【００４４】
アクチュエータＡ１〜Ａ６は、この例では一般産業用機械の動力源として用いられる、いわゆるＡＣサーボモータであり、固定子３１（後述の図２参照）及び回転子を有し、回転力を出力するモータと、モータの出力（回転速度）を所定の減速比で減速することにより、モータのトルクを増幅する減速機と、モータの回転軸等の回転体の回転位置を検出するエンコーダとを備えている。モータの固定子３１は、固定子コア、固定子コアに設けられたボビン、ボビンに巻かれたコイル等を有しており、特許請求の範囲に記載の電機子を構成する。モータの回転子は、回転子ヨーク、モータの回転軸にトルクを発生させるための永久磁石等を有しており、特許請求の範囲に記載の界磁を構成する。
【００４５】
ここで、固定部１０１及びリンク部材Ｌ１の関係では、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１が連結される固定部１０１が、特許請求の範囲に記載の第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ１に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ１が、特許請求の範囲に記載の第２リンク部材に相当する。また、隣接するリンク部材Ｌ１，Ｌ２の関係では、アーム１００の基端側に位置し、アクチュエータＡ２に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ１が、第１リンク部材に相当し、アーム１００の先端側に位置し、アクチュエータＡ２に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ２が、第２リンク部材に相当する。同様に、隣接するリンク部材Ｌ２，Ｌ３の関係では、アクチュエータＡ３に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ２が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ３に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ３が、第２リンク部材に相当する。隣接するリンク部材Ｌ３，Ｌ４の関係では、アクチュエータＡ４に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ３が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ４に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ４が、第２リンク部材に相当する。隣接するリンク部材Ｌ４，Ｌ５の関係では、アクチュエータＡ５に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ４が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ５に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ５が、第２リンク部材に相当する。隣接するリンク部材Ｌ５，Ｌ６の関係では、アクチュエータＡ６に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ５が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ６に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ６が、第２リンク部材に相当する。なお、以下適宜、第１リンク部材に相当するリンク部材又は固定部を「第１リンク部材」と称し、第２リンク部材に相当するリンク部材を「第２リンク部材」と称する。
【００４６】
以下、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の構成及びロボットコントローラ２０の構成を説明する。但し、以下では、関節機構Ｓ１〜Ｓ６のうち、関節機構Ｓ１を例にとってその構成を説明し、他の関節機構Ｓ２〜Ｓ６についての説明を省略するが、他の関節機構Ｓ２〜Ｓ６についても関節機構Ｓ１とほぼ同様の構成となっている。
【００４７】
図２は、上記関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【００４８】
図２において、関節機構Ｓ１は、上述したように、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）及びリンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）を連結する関節機構であり、リンク部材Ｌ１への駆動力を発生するアクチュエータＡ１と、弾性部材３０とを備えている。アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部も含む）は、モータ支持部材４０（後述の図４も参照）に固定されている。なお、減速機の固定部を、モータ支持部材４０に固定してもよい。あるいは、モータ支持部材４０が、モータの固定子又は減速機の固定部そのものであってもよい。また、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２は、リンク部材Ｌ１に固定されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、モータの回転軸（モータの回転子）が、リンク部材Ｌ１に固定される。
【００４９】
関節機構Ｓ１の弾性部材３０は、上記モータの固定子３１と、固定部１０１との間に配設されている。なお、上述したように、モータの固定子３１には、減速機の固定部も含まれているので、弾性部材３０は、上記減速機の固定部と、固定部１０１との間に配設されているとも言える。このような構成とすると、弾性部材３０の変形量を検出するエンコーダ等を備えて固定部１０１とリンク部材Ｌ１との角度を検出してモータを制御した場合、仮にモータの固定子３１の慣性モーメントが十分に大きいとすると、弾性部材３０の剛性に関係なくリンク部材Ｌ１の位置を高帯域で制御できることになる。アーム１００の先端等に外力が加わったときには、リンク部材Ｌ１に加えてモータ全体が回転するため、若干重くなるものの、減速比によってモータの回転子の慣性モーメントが２乗倍されることがなくなるため、弾性部材３０を入れない場合に比べると衝突時の安全性は大幅に高められる。この構成は、モータの固定子３１が弾性部材３０の変形量分だけ回転するものの、回転量が小さいため、電力線の引き回しも容易である。そして、この弾性部材３０は、磁場によって弾性率が変化する材料である可変弾性ソフトマテリアルで構成されている。詳細には、弾性部材３０は、例えば、高分子ゲルに磁性微粒子を分散させたゲルや、力学強度に優れ水分の蒸発がないポリウレタンエラストマー等の可変弾性ソフトマテリアルを可撓性のケース内に入れて封止した部材である。
【００５０】
図３は、上記ロボットコントローラ２０の機能的構成を説明する説明図である。
【００５１】
図３において、ロボットコントローラ２０は、図示しない演算器、記憶装置、入力装置等を備えたコンピュータにより構成されており、剛性指令器２１及び剛性制御器２２を有している。剛性指令器２１は、上記関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を指令する剛性指令値を、剛性制御器２２に対して出力する。剛性制御器２２は、状況に応じて関節機構Ｓ１〜Ｓ６に備えられた弾性部材３０の弾性率を変化させて、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させるため、剛性指令器２１から入力された剛性指令値に基づき、弾性部材３０の弾性率を制御する。具体的には、アーム１００の加減速時には、位置ずれや動作遅れを抑制するため、弾性部材３０の弾性率を大きくすることで、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を高くする。一方、アーム１００の等速動作時や停止時には、衝突時の衝撃力を緩衝するため、弾性部材３０の弾性率を小さくすることで、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を低くする。本実施形態では、剛性制御器２２は、関節機構Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ備えられたコイル４２（後述の図４参照）に流す電流量を制御することにより、弾性部材３０の弾性率を制御するようになっている。
【００５２】
図４は、上記関節機構Ｓ１の概念的な断面図である。
【００５３】
図４において、関節機構Ｓ１は、上記アクチュエータＡ１と、上記弾性部材３０と、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成された磁路鉄芯４１（第１磁路鉄芯）と、この磁路鉄芯４１に巻かれたコイル４２（第１コイル）とを備えている。
【００５４】
上記アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１は、モータ支持部材４０に固定されており、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２は、図４中紙面奥行き方向の回転軸であり、上記リンク部材Ｌ１に固定されている。モータは、上記出力軸３２まわりにトルクを発生する。したがって、上記出力軸３２を中心に回転可能に支持されたモータ支持部材４０は、その反力を受ける。
【００５５】
関節機構Ｓ１の弾性部材３０は、上記モータ支持部材４０の突起部４０ａを挟み込むようにして、上記モータの固定子３１と、上記固定部１０１との間に配設されている。すなわち、弾性部材３０は、突起部４０ａを挟み込むことによりモータ支持部材４０を支持している。したがって、この弾性部材３０の剛性を変化させることにより、当該弾性部材３０に支持されたモータ支持部材４０の支持剛性も変化させることができる。
【００５６】
関節機構Ｓ１の磁路鉄芯４１は、関節機構Ｓ１のコイル４２に電流を流したときに発生する磁束が当該磁路鉄芯４１を介して弾性部材３０を通過するように構成されている。この例では、磁路鉄芯４１は、断面視略コの字形状に形成されており、弾性部材３０の外側を挟み込むようにして、上記固定部１０１に固定されている。そして、上記ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、上記剛性指令器２１から入力される剛性指令値に基づき、コイル４２に流す電流量を制御することにより、弾性部材３０に印加される磁場の強さを制御し、当該弾性部材３０の弾性率を制御している。したがって、コイル４２に電流を流すと、磁路鉄芯４１に磁束が発生し、その発生した磁束が当該磁路鉄芯４１を介して弾性部材３０を通過するように、図４中破線で示すような磁路を形成する。
【００５７】
なお、図４に示す例では、上記突起部４０ａ、弾性部材３０、磁路鉄芯４１、及びコイル４２をモータ支持部材４０の周囲に１組だけ設けているが、これに限られず、これらをモータ支持部材４０の周囲に複数組設けてもよい。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態のロボットシステム１は、回転子及び固定子３１を有するモータを関節機構Ｓ１〜Ｓ６に備えたアーム１００を有するロボット１０と、このロボット１０を制御するロボットコントローラ２０とを備えている。ロボット１０のアーム１００においては、モータの固定子３１は第１リンク部材に連結されており、モータの回転子は第２リンク部材に連結されている。また、関節機構Ｓ１〜Ｓ６に備えられたモータの固定子３１と第１リンク部材との間には、弾性部材３０が設けられている。この弾性部材３０によって関節機構Ｓ１〜Ｓ６に柔軟性を与え、ロボット１０のアーム１００が人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。
【００５９】
ここで、例えば関節機構Ｓ１〜Ｓ６が常時柔軟性を有する場合、弾性部材の変形によって動作後のアーム１００先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。そこで本実施形態では、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の弾性部材３０を、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成し、ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２で、剛性指令器２１の剛性指令値に基づき弾性部材３０の弾性率を制御する。これにより、ロボット１０のアーム１００の加減速時には弾性部材３０の弾性率を大きくすることで、位置ずれや動作遅れを抑制し、ロボット１０のアーム１００の等速動作時や停止時には弾性部材３０の弾性率を小さくすることで、衝突時の衝撃力を緩衝することができる。このように、状況に応じて関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させることができるので、ロボット１０の制御性と安全性を両立させることができる。
【００６０】
またここで、本実施形態の効果を説明するために、関節機構の剛性を変化させる機構（以下適宜、「可変剛性機構」と称する）をロボットの関節機構に用いた比較例を説明する。
【００６１】
図５は、比較例（その１）における可変剛性機構の概念的な正面図である。
【００６２】
図５において、本比較例における可変剛性機構は、非線形弾性機構を複数個拮抗配置することにより関節機構の剛性を変化させる機構、すなわち拮抗型可変剛性機構である。本比較例における拮抗型可変剛性機構は、非線形弾性機構２００を複数個（この例では２個）拮抗配置したパラレル機構となっている。各非線形弾性機構２００は、モータ２０１、ボールねじ２０２、ボールねじナット２０３、ねじりコイルばね２０４、及び、テーパー形状のガイドシャフト２０５を備えている。ボールねじナット２０３には、ねじりコイルばね２０４の一端が固定されており、ボールねじナット２０３が直動動作を行うか回転動作を行うかは、外力や摩擦力により決定されるようになっている。ねじりコイルばね２０４の内部には、ガイドシャフト２０５が挿入されており、ボールねじナット２０３が回転動作を行うと、ねじりコイルばね２０４が端から順にガイドシャフト２０５に巻き付いていく。この結果、その巻き付いた部分が収縮しなくなり、ばね長が短くなるため、ねじりコイルばね２０４の剛性が高くなる。本比較例における拮抗型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合には、ボールねじナット２０３の直動動作及び回転動作を任意に操作することにより、関節機構の剛性及び関節角度を任意に変化させることができる。
【００６３】
図６は、比較例（その２）における可変剛性機構を説明する説明図である。なお、図６（ａ）は、本比較例における可変剛性機構の概念的な正面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中ＶＩＢ−ＶＩＢ断面による概念的な断面図である。
【００６４】
図６において、本比較例における可変剛性機構は、非線形ばねを加圧部材により加圧することにより関節機構の剛性を変化させる機構、すなわち加圧型可変剛性機構である。本比較例における加圧型可変剛性機構は、突起部３０１ｂを備え、モータを支持するモータ支持部材３０１、突起部３０１ｂを挟み込むように配置された非線形ばね３０２、及び、非線形ばね３０２を加圧する加圧部材３０５等を備えている。本比較例における加圧型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合には、加圧部材３０５で非線形ばね３０２を加圧することによって、非線形ばね３０２の収縮量を変化させることにより、関節機構の剛性を変化させることができる。
【００６５】
上記比較例（その１）における拮抗型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合では、次のような課題が生じる場合がある。すなわち、関節機構の剛性の高い状態を維持する場合、複数のモータ２０１が拮抗するトルクを発生し続ける必要があり、エネルギーを無駄に浪費するおそれがある。また、上記比較例（その１）における拮抗型可変剛性機構は、パラレル機構となっているため、関節機構の可動範囲が小さくなるおそれがある。
【００６６】
一方、上記比較例（その２）における加圧型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合では、次のような課題が生じる場合がある。すなわち、非線形ばね３０２を加圧する加圧部材３０５、及び、加圧部材３０５を駆動する高トルクの剛性調節モータを必要とする。また、剛性調節モータが高トルクを必要とするため、その分だけ関節機構が大型化するおそれがある。さらに、関節機構の剛性を変化させる際に、加圧部材３０５の位置決め時間分の遅れが生じるおそれがある。
【００６７】
これに対し、本実施形態のロボットシステム１では、上記可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材３０を設けることで関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させることができるので、上記比較例（その１）における拮抗型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合のように、エネルギーを無駄に浪費したり、関節機構の可動範囲が小さくなるのを防止することができる。また、上記比較例（その２）における加圧型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合のように、加圧部材３０５や高トルクの剛性調節モータなどを設ける必要がない。したがって、小型且つ軽量の機構で関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させることができる。
【００６８】
また、本実施形態では特に、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、モータのトルクを増幅する減速機を備えている。そして、弾性部材３０は、モータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けられている。これにより、関節機構Ｓ１〜Ｓ６にモータ及び減速機を備えたロボット１０において、制御性と安全性を両立させることができる。
【００６９】
また、本実施形態では特に、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、磁路鉄芯４１と、この磁路鉄芯４１に巻かれたコイル４２と備えている。そして、磁路鉄芯４１は、コイル４２に電流を流したときに発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成されている。そして、ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、コイル４２に流す電流量を制御する。これにより、コイル４２の電流量に応じて弾性部材３０の弾性率を制御できるので、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を高速かつ連続的に変化させることができる。
【００７０】
またここで、上記可変剛性機構の中には、線形ばねの一部をロックすることにより関節機構の剛性を変化させる機構、すなわちロック型可変剛性機構がある。そして、このロック型可変剛性機構の中には、線形ばねを直列につなぎ、その一部を収縮できない状態とするロック機構として、ＭＲ流体を用いる機構がある。ＭＲ流体は、磁性を帯びた機能性流体であり、磁場を印加すると粘性が高くなり、剛体に近い状態となる性質がある。ＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構では、上記のようなＭＲ流体の性質を利用して、線形ばねが収縮できないようにロックする。しかしながら、ＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構では、ＭＲ流体自体の剛性を連続的に変化させることができない。このため、ＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合に関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を連続的に変化させるには、選択できる剛性値の数（分解能）を増やす必要がある。この場合、ばねやコイル、電気回路等をその分だけ増加させる必要があり、機構の大型化を招くことになる。これに対し、本実施形態のロボットシステム１では、そのような部品の追加をすることなく関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を連続的に変化させることができるため、小型で軽量な可変剛性の関節機構Ｓ１〜Ｓ６を実現できる。
【００７１】
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次説明する。
【００７２】
（１）永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する場合（その１）
上記実施形態においては、コイル４２に電流を流したときに磁路鉄芯４１に発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成していたが、これに限られない。すなわち、永久磁石を設け、この永久磁石により発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成してもよい。
【００７３】
図７及び図８は、本変形例における関節機構Ｓ１を説明する説明図であり、前述の図４に対応する図である。なお、図７は、永久磁石が高剛性位置に位置する状態での関節機構Ｓ１の概念的な断面図であり、図８は、永久磁石が低剛性位置に位置する状態での関節機構Ｓ１の概念的な断面図である。図４と同等の部分には同符号を付し説明を適宜省略する。
【００７４】
図７及び図８において、本変形例における関節機構Ｓ１は、前述のアクチュエータＡ１（図１参照）と、前述の弾性部材３０と、着磁方向（図７中左右方向、図８中上下方向）と垂直な軸４３ａまわりに回転可能に支持され、磁束を発生する永久磁石４３と、この永久磁石４３の周囲に配置され、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成された磁路鉄芯４４，４６，４８と、磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５（第２コイル）と、磁路鉄芯４６に巻かれたコイル４７（第３コイル）とを備えている。なお、磁路鉄芯４４が、特許請求の範囲に記載の第２磁路鉄芯を構成し、磁路鉄芯４６，４８が、特許請求の範囲に記載の第３磁路鉄芯を構成する。
【００７５】
本変形例においても、上記実施形態と同様、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（図２参照）は、前述のモータ支持部材４０に固定されており、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２は、前述のリンク部材Ｌ１（図１参照）に固定されている。
【００７６】
関節機構Ｓ１の弾性部材３０は、上記実施形態と同様、可変弾性ソフトマテリアルで構成されており、モータ支持部材４０の突起部４０ａを挟み込むようにして、上記モータの固定子３１と、前述の固定部１０１（図１参照）との間に配設されている。
【００７７】
関節機構Ｓ１の磁路鉄芯４４は、関節機構Ｓ１の永久磁石４３により発生する磁束が当該磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するように（言い換えれば、後述の高剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。関節機構Ｓ１の磁路鉄芯４６，４８は、永久磁石４３により発生する磁束が当該磁路鉄芯４６，４８を通過して弾性部材３０を通過しないように（言い換えれば、後述の低剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。
【００７８】
関節機構Ｓ１のコイル４５，４７は、当該コイル４５，４７に電流を流したときに発生する磁束により、永久磁石４３を上記軸４３ａまわりに回転駆動させる。すなわち、コイル４５に電流を流すと、磁路鉄芯４４に図７中破線で示すような磁路を形成する磁束が発生し、その発生した磁束によって永久磁石４３が引きつけられ、当該永久磁石４３を図８に示す回転位置（後述の低剛性位置）の方向へ回転駆動することができる。なお、このとき、コイル４７にも反発力を生じるように電流を流して、上記永久磁石４３の回転駆動を補佐するようにしてもよい。一方、コイル４７に電流を流すと、磁路鉄芯４６に図８中破線で示すような磁路を形成する磁束が発生し、その発生した磁束によって永久磁石４３が引きつけられ、当該永久磁石４３を図７に示す回転位置（後述の高剛性位置）の方向へ回転駆動することができる。なお、このとき、コイル４５にも反発力を生じるように電流を流して、上記永久磁石４３の回転駆動を補佐するようにしてもよい。
【００７９】
関節機構Ｓ１の永久磁石４３は、コイル４５，４７により発生する磁束によって回転駆動されることによって、高剛性位置（図７に示す位置）と低剛性位置（図８に示す位置）との間を回転移動可能に構成されている。本変形例における高剛性位置は、永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４４を通過する回転位置である。本変形例における低剛性位置は、永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４６，４８を通過する回転位置である。なお、永久磁石４３自体が図７及び図８に示すような形状である必要はなく、鉄芯の表面に永久磁石を貼付したり、鉄芯の内部に永久磁石を埋め込んでもよい。そして、本変形例では、前述のロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、前述の剛性指令器２１から入力される剛性指令値を、上記高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、これに応じてコイル４５，４７に流す電流量を制御して永久磁石４３の位置を制御することにより、弾性部材３０の弾性率を制御している。
【００８０】
永久磁石４３が図７に示す高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束は、図７中破線で示すように、磁路鉄芯４４、弾性部材３０、モータ支持部材４０の突起部４０ａ、弾性部材３０、磁路鉄芯４４をこの順に通過して永久磁石４３に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石４３が高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するので、弾性部材３０の弾性率は大きくなり、モータ支持部材４０の支持剛性も高くなる。また、コイル４５に電流を流したときに発生する磁束は、磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するので、当該磁束によっても弾性部材３０の弾性率は大きくなり、モータ支持部材４０の支持剛性も高くなる。すなわち、このような機能に関しては、磁路鉄芯４４は、特許請求の範囲に記載の第１磁路鉄芯として機能し、この磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５は、特許請求の範囲に記載の第１コイルとして機能する。つまり、永久磁石４３による磁束は永久磁石４３が回転移動する時間分遅れるが、コイル４５による磁束を利用することにより、その遅れる時間分を当該コイル４５による磁束により補うことができるので、応答を高速化できる。
【００８１】
一方、永久磁石４３が図８に示す低剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束は、図８中破線で示すように、磁路鉄芯４８、モータ支持部材４０の突起部４０ａ、モータ支持部材４０の本体部、磁路鉄芯４６をこの順に通過して永久磁石４３に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石４３が低剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４６，４８を通過して弾性部材３０を通過しないので、弾性部材３０の弾性率は小さくなり、モータ支持部材４０の支持剛性も低くなる。なお、図８に示す例では、磁路鉄芯４６は、略左右対称に２本の磁路を形成しているが、これに限られず、どちらか一方でもよい。また、上記軸４３ａに沿った方向（紙面奥行き方向）に磁路を形成してもよい。この場合には、磁路を短くでき、関節機構Ｓ１を軽量化できる。但し、この場合には、上記軸４３ａに沿った方向の厚みは大型化する。
【００８２】
また、永久磁石４３が上記高剛性位置及び低剛性位置の中間位置に存在するときには、弾性部材３０を通過する磁束は上記高剛性位置及び低剛性位置の場合の中間となるので、弾性部材３０の弾性率も中間となり、モータ支持部材４０の支持剛性も中間となる。
【００８３】
なお、本変形例では、コイル４５，４７により永久磁石４３を回転駆動することによって、永久磁石４３を高剛性位置と低剛性位置とに回転移動させているが、これに限られず、ロボット１０が上記コイル４５，４７に代えて永久磁石４３を回転駆動する剛性調節モータを備えるような構成とし、この剛性調節モータが永久磁石４３を回転駆動することによって、永久磁石４３を高剛性位置と低剛性位置とに回転移動させてもよい。このような構成とした場合には、既存のモータを用いて容易に可変剛性の関節機構Ｓ１〜Ｓ６を実現することができる。
【００８４】
以上説明した本変形例においては、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、磁路鉄芯４４と、永久磁石４３とを備えており、磁路鉄芯４４は、永久磁石４３により発生する磁束が当該磁路鉄芯４４を介して可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材３０を通過するように構成されている。これにより、永久磁石４３の位置や向き等を変化させ、磁路鉄芯４４を通過する磁束の有無を制御することで、弾性部材３０の弾性率を制御することができる。また、永久磁石４３を用いることで、コイルのような銅損によるエネルギー損失や、発熱の問題をなくすことができる。また、コイルに比べ漏れ磁束を小さくすることができるので、高剛性時と低剛性時の磁束密度の差を大きくすることができ、取りうる剛性の範囲を拡大することができる。
【００８５】
また、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、永久磁石４３により発生する磁束が弾性部材３０を通過しないように構成された磁路鉄芯４６，４８を備えており、永久磁石４３は、上記高剛性位置と上記低剛性位置との間を移動可能に構成されている。永久磁石４３が高剛性位置に移動した際には、磁束が磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するので、弾性部材３０の弾性率は大きくなる。一方、永久磁石４３が低剛性位置に移動した際には、磁束が磁路鉄芯４６，４８を通過して弾性部材３０を通過しないため、弾性部材３０の弾性率は小さくなる。そして、ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、剛性指令器２１からの剛性指令値を、高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、永久磁石４３の位置を制御する。このように、剛性制御器２２が剛性指令器２１からの剛性指令値に基づいて永久磁石４３の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御することで、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を確実に変化させることができる。また特に、永久磁石４３は、上記軸４３ａまわりに回転可能に支持されており、高剛性位置と低剛性位置との間を回転移動可能に構成されている。これにより、永久磁石４３の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御可能な構成を、簡易な構成で実現することができる。また、永久磁石４３は軸方向へ移動しないため、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の特に軸方向の厚みを小型化できる効果もある。
【００８６】
また、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５と、磁路鉄芯４６に巻かれたコイル４７とを備えている。そして、コイル４５，４７が永久磁石４３を回転駆動することにより、永久磁石４３を高剛性位置と低剛性位置とに移動させる。このような構成とすることで、永久磁石４３を回転駆動するためのモータを別途設ける必要がなくなり、且つ、鉄芯部を共通化できるので、関節機構Ｓ１〜Ｓ６を小型化することができる。また、磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５により生じた磁束は弾性部材３０を通過するため、これを関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性の制御に利用することにより、応答を高速化できる効果もある。
【００８７】
（２）永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する場合（その２）
上記実施形態においては、コイル４２に電流を流したときに磁路鉄芯４１に発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成していたが、これに限られない。すなわち、少なくとも１つの永久磁石が固定された磁石固定板を設け、その磁石固定板に固定された永久磁石により発生する磁束が弾性部材を通過するように構成してもよい。
【００８８】
図９及び図１０は、本変形例における関節機構Ｓ１を説明する説明図である。なお、図９は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材を表す分解斜視図であり、図１０（ａ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の背面斜視図であり、図１０（ｂ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の正面斜視図であり、図１０（ｃ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の正面図であり、図１０（ｄ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の側面図であり、図１０（ｅ）は、図１０（ｄ）中ＸＥ−ＸＥ断面による断面図である。
【００８９】
図９及び図１０（ａ）〜（ｅ）において、本変形例における関節機構Ｓ１は、前述のアクチュエータＡ１（図１参照）と、少なくとも１つ（この例では８つ）の弾性部材５１と、固定部材５０と、この固定部材５０の本体部５０ｃと一体的に設けられた少なくとも１つ（この例では８つ）の磁路鉄芯５０ａ（第２磁路鉄芯）と、モータ支持部材６０と、磁束を発生する少なくとも１つ（この例では８つ）の永久磁石７１と、これら８つの永久磁石７１が固定され、上記モータ支持部材６０の本体部６０ｂの外側に配置されると共に、永久磁石７１の着磁方向と平行な軸ＡＸまわりに回転可能に支持された磁石固定板７０とを備えている。
【００９０】
関節機構Ｓ１の固定部材５０は、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成され、本体部５０ｃから開口部５０ｄの内側に向かって突出した４つの突起部５０ｂを備えており、前述の固定部１０１（図１参照）に固定されている。突起部５０ｂは、上記磁石固定板７０に固定された永久磁石７１により発生する磁界が当該突起部５０ｂを通過して弾性部材５１を通過しないように（言い換えれば、後述の図１２（ｂ）（ｃ）に示すような低剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。すなわち、突起部５０ｂは、特許請求の範囲に記載の第３磁路鉄芯を構成する。なお、固定部１０１の一部を図９に示す固定部材５０のような形状としてもよい。
【００９１】
関節機構Ｓ１のモータ支持部材６０は、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成され、本体部６０ｂからその外側に向かって突出した４つの突起部６０ａを備えており、これら４つの突起部６０ａが固定部材５０の４つ突起部５０ｂの間に配置されるように、固定部材５０の開口部５０ｄに挿通されている。なお、この例では、固定部材５０の突起部５０ｂ及びモータ支持部材６０の突起部６０ａをそれぞれ４つずつとしているが、これに限られず、これら突起部５０ｂ，６０ａのうち、一方の突起部が２つ以上、他方の突起部が１つ以上あればよい。このモータ支持部材６０は、上記突起部６０ａを除き、透磁率の低い材料で構成されている。また、このモータ支持部材６０には、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（図２参照。減速機の固定部も含む）が固定されている。なお、減速機の固定部を、モータ支持部材６０に固定してもよい。あるいは、モータ支持部材６０が、モータの固定子又は減速機の固定部そのものであってもよい。また、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２（図２参照）は、前述のリンク部材Ｌ１（図１参照）に固定されている。モータは、上記出力軸３２まわりにトルクを発生する。したがって、上記出力軸３２を中心に回転可能に支持されたモータ支持部材６０は、その反力を受ける。
【００９２】
関節機構Ｓ１の弾性部材５１は、図１０（ｅ）に示すように固定部材５０の突起部５０ｂ及びモータ支持部材６０の突起部６０ａを挟み込むようにして、上記モータ固定子３１と、上記固定子１０１との間に配設されている。なお、上述したように、モータの固定子３１には、減速機の固定部も含まれているので、弾性部材５１は、上記減速機の固定部と、固定部１０１との間に配設されているとも言える。そして、この弾性部材５１は、上記実施形態の弾性部材３０と同様、可変弾性ソフトマテリアルで構成されている。すなわち、弾性部材５１は、突起部５０ｂ，６０ａを挟み込むことにより固定部材５０及びモータ支持部材６０を支持している。例えば、モータ支持部材６０が上記モータが駆動した際の反力を受けたときには、弾性部材５１が収縮して固定部材５０に伝わる力を和らげることができる。また例えば、衝突等によりアーム１００の先端に外力を受けたときには、モータや減速機の逆伝達率が低いために生じる摩擦力は、モータ支持部材６０に直接伝わるが、モータ支持部材６０を介してモータの固定子３１及び減速機が柔軟支持されているため、上記衝突時の衝撃力を緩和できる。すなわち、モータの固定子３１及び減速機の柔軟支持の剛性は、弾性部材５１の剛性によって決まる。したがって、この弾性部材５１の剛性を変化させることにより、当該弾性部材５１に支持された固定部材５０及びモータ支持部材６０の支持剛性も変化させることができる。なお、弾性部材５１の剛性は、後述のように、磁石固定板７０の回転方向位置によって変化する。
【００９３】
また、弾性部材５１の上記開口部５０ｄの径方向外側には、当該弾性部材５１が上記開口部５０ｄの周方向に収縮した際に当該弾性部材５１が上記径方向に膨張するためのスペースとなる空隙８０が形成されている。
【００９４】
関節機構Ｓ１の磁路鉄芯５０ａは、上記磁石固定板７０に固定された永久磁石７１により発生する磁界が当該磁路鉄芯５０ａを介して弾性部材５１を通過するように（言い換えれば、後述の図１１（ｂ）に示すような高剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。この例では、磁路鉄芯５０ａは、磁石固定板７０に固定された永久磁石７１に対して弾性部材５１及び空隙８０を介して対向できるように、固定部材５０の本体部５０ｃと一体的に設けられている。
【００９５】
関節機構Ｓ１の永久磁石７１は、上記磁石固定板７０の回転により、高剛性位置（後述の図１１（ｂ）に示す位置）と低剛性位置（後述の図１２（ｂ）（ｃ）に示す位置）との間を移動可能に構成されている。本変形例における高剛性位置は、永久磁石７１により発生する磁束が上記固定部材５０の磁路鉄芯５０ａを通過する位置である。本変形例における低剛性位置は、永久磁石７１により発生する磁束が上記固定部材５０の突起部５０ｂを通過する位置である。そして、本変形例では、前述のロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、前述の剛性指令器２１から入力される剛性指令値を、上記高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、これに応じて磁石固定板７０の回転方向位置を制御して永久磁石７１の位置を制御することにより、弾性部材５１の弾性率を制御している。
【００９６】
なお、ロボット１０に磁石固定板７０を回転駆動する剛性調整モータを備えさせ、この剛性調整モータが磁石固定板７０を回転駆動することにより、永久磁石７１を高剛性位置と低剛性位置とに移動させてもよい。あるいは、上記（１）の変形例と同様に、関節機構Ｓ１にコイルを備えさせることにより、永久磁石７１を高剛性位置と低剛性位置とに移動させてもよい。この場合、固定部材５０の磁路鉄芯５０ａにコイル（第２コイル）を巻き付け、固定部材５０の突起部５０ｂに別のコイル（第３コイル）を巻き付けておく。そして、磁路鉄芯５０ａのコイルに電流を流せば、磁石固定板７０を高剛性位置に回転駆動させることができ、突起部５０ｂのコイルに電流を流せば、磁石固定板７０を低剛性位置に回転駆動させることができる。
【００９７】
図１１（ａ）は、永久磁石７１が高剛性位置に位置する状態での本変形例における関節機構Ｓ１の正面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中ＸＩＢ−ＸＩＢ断面による断面図である。
【００９８】
図１１（ａ）（ｂ）において、磁石固定板７０が図１１（ａ）に示す回転位置に存在するときには、当該磁石固定板７０に固定された永久磁石７１は、図１１（ｂ）に示す高剛性位置に存在している。永久磁石７１が高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石７１により発生する磁束は、図１１（ｂ）中破線で示すように、弾性部材５１、固定部材５０の磁路鉄芯５０ａ、固定部材５０の本体部５０ｃ、磁石固定板７０をこの順に通過して永久磁石７１に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石７１が高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石７１により発生する磁束が磁路鉄芯５０ａを介して弾性部材５１を通過するので、弾性部材５１の弾性率は大きくなり、固定部材５０及びモータ支持部材６０の支持剛性も高くなる。
【００９９】
なお、弾性部材５１を通過する磁束を増加させるには、できるだけ図１１（ｂ）中破線で示すような磁路以外の磁路を生じないように配慮する必要がある。上記空隙８０が存在すると、永久磁石７１が高剛性位置に存在するときに、図１１（ｂ）中破線で示す領域の外側方向に磁路が形成されないため、弾性部材５１を通過する磁束を増加させる効果がある。また、本変形例では、モータ支持部材６０は、上記突起部６０ａを除き、透磁率の低い材料で構成されているが、そうでない場合には、モータ支持部材６０の本体部６０ｂを通過する磁路が生じてしまうので、弾性部材５１とモータ支持部材６０の本体部６０ｂとの間にも空隙を設けてもよい。また、弾性部材５１から固定部材５０の突起部５０ｂ及びモータ支持部材６０の突起部６０ａへすぐに抜けてしまう周方向の磁路を生じないようにするために、弾性部材５１と突起部５０ｂ，６０ａとの間に透磁率の低い材料を設けてもよい。
【０１００】
図１２（ａ）は、永久磁石７１が低剛性位置に位置する状態での本変形例における関節機構Ｓ１の正面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ断面による断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）中ＸＩＩＣ−ＸＩＩＣ断面による断面図である。
【０１０１】
図１２（ａ）〜（ｃ）において、磁石固定板７０が図１２（ａ）に示す回転位置に存在するときには、当該磁石固定板７０に固定された永久磁石７１は、図１２（ｂ）（ｃ）に示す高剛性位置に存在している。永久磁石７１が低剛性位置に存在するときには、モータ支持部材６０の突起部６０ａと対向する永久磁石７１により発生する磁束は、図１２（ｂ）中破線で示すように、モータ支持部材６０の突起部６０ａ、固定部材５０の本体部５０ｃ、磁石固定板７０をこの順に通過して永久磁石７１に戻るような磁路を形成する。また、固定部材５０の突起部５０ｂと対向する永久磁石７１により発生する磁束は、図１２（ｃ）中破線で示すように、固定部材５０の突起部５０ｂ、固定部材５０の本体部５０ｃ、磁石固定板７０をこの順に通過して永久磁石７１に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石７１が低剛性位置に存在するときには、当該永久磁石７１により発生する磁束がモータ支持部材６０の突起部６０ａ又は固定部材５０の突起部５０ｂを通過して弾性部材５１をほとんど通過しないので、弾性部材５１の弾性率は小さくなり、固定部材５０及びモータ支持部材６０の支持剛性も低くなる。
【０１０２】
以上説明した本変形例によれば、上記実施形態や上記（１）の変形例と同様の効果を得ることができる。また、本変形例においては、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、８つの永久磁石７１が固定され、永久磁石７１の着磁方向と平行な軸ＡＸまわりに回転可能に支持された磁石固定板７０を備えている。そして、永久磁石７１が、磁石固定板７０の回転により高剛性位置と低剛性位置との間を移動可能に構成されている。これにより、磁石固定板７０に複数の永久磁石７１を固定することで、複数の永久磁石７１の位置を一度に高剛性位置又は低剛性位置に切替可能な構成を実現することができる。また、複数の永久磁石７１を集約配置できるので、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の体積を小型化できる効果もある。
【０１０３】
（３）弾性部材を減速機の出力軸と第２リンク部材との間に設ける場合
上記実施形態においては、弾性部材３０をモータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けていたが、これに限られず、弾性部材３０を減速機の出力軸３２と第２リンク部材との間に設けてもよい。
【０１０４】
図１３は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図であり、前述の図２に対応する図である。
【０１０５】
図１３に示すように、本変形例における関節機構Ｓ１においては、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部も含む）が、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）に固定されている。そして、弾性部材３０が、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２と、リンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）との間に配設されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、弾性部材３０は、モータの回転子と、リンク部材Ｌ１との間に配設される。アーム１００の先端などに外力が加わったときには、弾性部材３０が収縮して緩衝される。このような構成とした場合、弾性部材３０よりもアーム１００の先端側が第２リンク部材だけとなり、軽量で安全性が高くなるので、直列弾性駆動のロボットではこの構成が最も一般的に用いられる。このような構成とした場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、モータに減速機などを用いて摩擦など予測しにくい外乱があったとしても、弾性部材３０の収縮量を検出するセンサを備えることで、第２リンク部材にかかっている外力を正しく知ることができるため、これを用いてインピーダンス制御をすることもできる。このような構成は、モータの固定子３１に電力を供給する電力線が第１リンク部材側にあるので引き回しが容易というメリットもある。また、特に図示はしていないが、弾性部材３０を、減速機の出力軸３２（モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合はモータの回転子）とリンク部材Ｌ１との間、及び、モータの固定子３１と固定部１０１との間の両方に配設してもよい。
【０１０６】
（４）弾性部材をモータの固定子と第２リンク部材との間に設ける場合
上記実施形態においては、弾性部材３０をモータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けていたが、これに限られず、弾性部材３０をモータの固定子３１と第２リンク部材との間に設けてもよい。
【０１０７】
図１４は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図であり、前述の図２及び図１３に対応する図である。
【０１０８】
図１４に示すように、本変形例における関節機構Ｓ１においては、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２が、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）に固定されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、モータの回転子が、固定部１０１に固定される。そして、弾性部材３０が、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部を含む）と、リンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）との間に配設されている。なお、モータの固定子３１には、減速機の固定部も含まれているので、弾性部材３０は、減速機の固定部と、リンク部材Ｌ１との間に配設されているとも言える。このような構成とした場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、このような構成とした場合、上記（３）の変形例と同様、弾性部材３０よりもアーム１００の先端側が第２リンク部材だけとなり、軽量で安全性を高くすることができる。また、特に図示はしていないが、弾性部材３０を、モータの固定子３１とリンク部材Ｌ１との間、及び、減速機の出力軸３２（モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合はモータの回転子）と固定部１０１との間の両方に配設してもよい。
【０１０９】
（５）弾性部材を減速機の出力軸と第１リンク部材との間に設ける場合
上記実施形態においては、弾性部材３０をモータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けていたが、これに限られず、弾性部材３０を減速機の出力軸３２と第１リンク部材との間に設けてもよい。
【０１１０】
図１５は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図であり、前述の図２、図１３、及び図１４に対応する図である。
【０１１１】
図１５に示すように、本変形例における関節機構Ｓ１においては、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部を含む）が、リンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）に固定されている。そして、弾性部材３０が、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２と、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）との間に配設されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、弾性部材３０は、モータの回転子と、固定部１０１との間に配設される。このような構成とした場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、特に図示はしていないが、弾性部材３０を、減速機の出力軸３２（モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合はモータの回転子）と固定部１０１との間、及び、モータの固定子３１とリンク部材Ｌ１との間の両方に配設してもよい。
【０１１２】
（６）その他
以上においては、固定子３１が電機子、回転子が界磁であるモータを例にとって説明したが、反対に、固定子が界磁、回転子が電機子であるモータに本発明を適用してもよい。
【０１１３】
また、以上においては、減速機を搭載したモータに本発明を適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、減速機を搭載しないモータ単体に対しても適用可能であり、この場合も同様の効果を得る。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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】
【０１１６】
１ ロボットシステム
１０ ロボット
２０ ロボットコントローラ
２１ 剛性指令器
２２ 剛性制御器
３０ 弾性部材
３１ 固定子
３２ 減速機の出力軸
４１ 磁路鉄芯（第１磁路鉄芯）
４２ コイル（第１コイル）
４３ 永久磁石
４３ａ 軸（着磁方向と垂直な軸）
４４ 磁路鉄芯（第２磁路鉄芯）
４５ コイル（第２コイル）
４６ 磁路鉄芯（第３磁路鉄芯）
４７ コイル（第３コイル）
４８ 磁路鉄芯（第３磁路鉄芯）
５０ａ 磁路鉄芯（第２磁路鉄芯）
５０ｂ 突起部（第３磁路鉄芯）
７０ 磁石固定板
７１ 永久磁石
１００ アーム
１０１ 固定部
ＡＸ 軸（着磁方向と平行な軸）
Ｌ１〜６ リンク部材
Ｓ１〜６ 関節機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子及び固定子を有するモータを関節機構に備えたロボット、及び、このロボットとこのロボットを制御するロボットコントローラとを備えたロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの分野では、ロボットが人間と同じ環境に共存して作業を行うことが求められている。ロボットが人間や周囲の構造物と衝突した場合には、その衝突時の衝撃力が大きいため、ロボットが人間と同じ環境に共存して作業を行うためには、ロボットを防護柵で囲んだり、人間がロボットの可動範囲内に進入しないようにする等して、安全性を高める必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ロボットの関節機構（ロボット関節機構）に弾性部材（環状ばね）を設け、この弾性部材によって関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高める技術が開示されている。
【０００４】
この従来技術における弾性部材は、ねじれ方向に弾性を有する軸線視円形の部材であり、その中心に設けられた中心部と、その周方向に設けられた周辺部と、これら中心部及び周辺部に連結され、弾性変形を行う可撓部とを備えている。中心部は、波動歯車装置の出力端であるフレクスプラインに固定されている。周辺部は、出力アームに固定されている。可撓部は、連結部の１箇所で周辺部と連結され、中心部又は周辺部から入力されたトルクに応じて、ねじれ方向に弾性変形を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術では、ロボットの関節機構に弾性部材を設けているので、この弾性部材によって関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。しかしながら、関節機構が常時柔軟性を有するために、弾性部材の変形によって動作後のアーム先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、制御性と安全性とを両立できるロボット及びロボットシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明は、界磁と電機子のいずれか一方を回転子、他方を固定子とするモータを関節機構に備えたロボットであって、前記固定子が連結される第１リンク部材と、前記回転子が連結される第２リンク部材と、前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記回転子と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられた弾性部材と、を有し、前記弾性部材は、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本願発明のロボットは、回転子及び固定子を有するモータを関節機構に備えている。モータの固定子は第１リンク部材に連結されており、モータの回転子は第２リンク部材に連結されている。また、固定子と第１リンク部材との間、及び、回転子と第２リンク部材との間の少なくとも一方には、弾性部材が設けられている。この弾性部材によってロボットの関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。一方、関節機構が常時柔軟性を有する場合、弾性部材の変形によって動作後のアーム先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。
【００１０】
そこで本願発明では、弾性部材を、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成する。これにより、ロボットの加減速時には弾性部材の弾性率を大きくすることで、位置ずれや動作遅れを抑制し、ロボットの等速動作時や停止時には弾性部材の弾性率を小さくすることで、衝突時の衝撃力を緩衝することが可能となる。このように、状況に応じて関節機構の剛性を変化させることができるので、ロボットの制御性と安全性を両立させることができる。
【００１１】
また、本願発明では可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を設けることで関節機構の剛性を変化させることができるので、例えば加圧型可変剛性機構のように、加圧部材や高トルクの剛性調節モータなどを設ける必要がない。したがって、小型且つ軽量の機構で関節機構の剛性を変化させることができる。
【００１２】
第２の発明は、上記第１発明において、前記モータのトルクを増幅する減速機をさらに備え、前記弾性部材は、前記減速機の固定部又は前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記減速機の出力軸と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、関節機構にモータと減速機を備えたロボットにおいて、制御性と安全性を両立させることができる。
【００１４】
第３の発明は、上記第１又は第２発明において、第１磁路鉄芯と、前記第１磁路鉄芯に巻かれた第１コイルと、をさらに備え、前記第１磁路鉄芯は、前記第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
本願発明においては、第１磁路鉄芯の第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が、可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を通過するように構成されている。これにより、第１コイルの電流量に応じて弾性部材の弾性率を制御できるので、関節機構の剛性を高速かつ連続的に変化させることができる。
【００１６】
また、例えばＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構では、ＭＲ流体自体の剛性を連続的に変化させることができないため、関節機構の剛性を連続的に変化させるには選択できる剛性値の数（分解能）を増やす必要がある。この場合、ばねやコイル、電気回路等をその分だけ増加させる必要があり、機構の大型化を招くことになる。これに対し、本願発明ではそのような部品の追加をすることなく関節機構の剛性を連続的に変化させることができるため、小型で軽量な可変剛性の関節機構を実現できる。
【００１７】
第４の発明は、上記第１又は第２発明において、第２磁路鉄芯と、永久磁石と、をさらに備え、前記第２磁路鉄芯は、前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
本願発明においては、永久磁石により発生する磁束が、第２磁路鉄芯を介して可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を通過するように構成されている。これにより、例えば永久磁石の位置や向き等を変化させ、第２磁路鉄芯を通過する磁束の有無を制御することで、弾性部材の弾性率を制御することが可能となる。
【００１９】
また、永久磁石を用いることで、コイルのような銅損によるエネルギー損失や、発熱の問題をなくすことができる。また、コイルに比べ漏れ磁束を小さくすることができるので、高剛性時と低剛性時の磁束密度の差を大きくすることができ、取りうる剛性の範囲を拡大することができる。
【００２０】
第５の発明は、上記第４発明において、前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯をさらに備え、前記永久磁石は、前記磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置と、前記磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置との間を、移動可能に構成されていることを特徴とする。
【００２１】
本願発明においては、永久磁石が高剛性位置と低剛性位置との間を移動可能に構成されている。永久磁石が高剛性位置に移動した際には、磁束が第２磁路鉄芯を介して弾性部材を通過するので、弾性部材の弾性率は大きくなる。一方、永久磁石が低剛性位置に移動した際には、磁束が第３磁路鉄芯を通過して弾性部材を通過しないため、弾性部材の弾性率は小さくなる。
【００２２】
このようにして、永久磁石の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御することで、関節機構の剛性を確実に変化させることができる。
【００２３】
第６の発明は、上記第５発明において、前記永久磁石は、着磁方向と垂直な軸まわりに回転可能に支持されており、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を回転移動することを特徴とする。
【００２４】
本願発明においては、永久磁石が着磁方向と垂直な軸まわりに回転可能に支持されており、高剛性位置と低剛性位置との間を回転移動可能に構成されている。これにより、永久磁石の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御可能な構成を、簡易な構成で実現することができる。また、永久磁石は軸方向へ移動しないため、関節機構の特に軸方向の厚みを小型化できる効果もある。
【００２５】
第７の発明は、上記第５発明において、少なくとも１つの前記永久磁石が固定され、前記永久磁石の着磁方向と平行な軸まわりに回転可能に支持された磁石固定板をさらに備え、前記永久磁石は、前記磁石固定板の回転により、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を移動することを特徴とする。
【００２６】
本願発明においては、少なくとも１つの永久磁石が固定された磁石固定板が、着磁方向と平行な軸まわりに回転可能に支持されており、永久磁石は磁石固定板の回転により高剛性位置と低剛性位置との間を移動可能に構成されている。これにより、磁石固定板に複数の永久磁石を固定することで、複数の永久磁石の位置を一度に高剛性位置又は低剛性位置に切替可能な構成を実現することができる。また、複数の永久磁石を集約配置できるので、関節機構の体積を小型化できる効果もある。
【００２７】
第８の発明は、上記第６又は第７発明において、前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動する剛性調節モータをさらに備えることを特徴とする。
【００２８】
本願発明においては、剛性調節モータが永久磁石又は磁石固定板を回転駆動することにより、永久磁石を高剛性位置と低剛性位置とに移動させる。このような構成とすることで、既存のモータを用いて容易に可変剛性の関節機構を実現することができる。
【００２９】
第９の発明は、上記第６又は第７発明において、前記第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイルと、前記第３磁路鉄芯に巻かれた第３コイルと、をさらに備え、前記第２コイル及び前記第３コイルは、前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動させることを特徴とする。
【００３０】
本願発明においては、第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイル及び第３磁路鉄芯に巻かれた第３コイルが、永久磁石又は磁石固定板を回転駆動することにより、永久磁石を高剛性位置と低剛性位置とに移動させる。このような構成とすることで、永久磁石又は磁石固定板を回転駆動するためのモータを別途設ける必要がなくなり、且つ、鉄芯部を共通化できるので、関節機構を小型化することができる。また、第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイルにより生じた磁束は弾性部材を通過するため、これを関節機構の剛性の制御に利用することにより、応答を高速化できる効果もある。
【００３１】
上記目的を達成するために、第１０の発明は、上記第１乃至第９発明のいずれかのロボットと、前記ロボットを制御するロボットコントローラと、を備えたロボットシステムであって、前記ロボットコントローラは、前記関節機構の剛性を指令する剛性指令値を出力する剛性指令器と、前記剛性指令値に基づき前記弾性部材の弾性率を制御する剛性制御器と、を有していることを特徴とする。
【００３２】
本願発明のロボットシステムは、回転子及び固定子を有するモータを関節機構に備えたロボットと、このロボットを制御するロボットコントローラとを備えている。ロボットにおいては、モータの固定子は第１リンク部材に連結されており、モータの回転子は第２リンク部材に連結されている。また、固定子と第１リンク部材との間、及び、回転子と第２リンク部材との間の少なくとも一方には、弾性部材が設けられている。この弾性部材によってロボットの関節機構に柔軟性を与え、ロボットが人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。一方、関節機構が常時柔軟性を有する場合、弾性部材の変形によって動作後のアーム先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。
【００３３】
そこで本願発明では、弾性部材を、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成し、ロボットコントローラの剛性制御器で、剛性指令器の剛性指令値に基づき弾性部材の弾性率を制御する。これにより、ロボットの加減速時には弾性部材の弾性率を大きくすることで、位置ずれや動作遅れを抑制し、ロボットの等速動作時や停止時には弾性部材の弾性率を小さくすることで、衝突時の衝撃力を緩衝することが可能となる。このように、状況に応じて関節機構の剛性を変化させることができるので、ロボットの制御性と安全性を両立させることができる。
【００３４】
第１１の発明は、上記第１０発明において、前記ロボットは、第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第１磁路鉄芯を有し、前記剛性制御器は、前記第１コイルに流す電流量を制御することを特徴とする。
【００３５】
本願発明においては、第１磁路鉄芯の第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が、可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材を通過するようにロボットが構成されている。そして、ロボットコントローラの剛性制御器は、第１コイルに流す電流量を制御する。これにより、第１コイルの電流量に応じて弾性部材の弾性率を制御できるので、関節機構の剛性を高速かつ連続的に変化させることができる。
【００３６】
第１２の発明は、上記第１０又は第１１発明において、前記ロボットは、移動可能に構成された永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第２磁路鉄芯と、前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯と、をさらに備え、前記剛性制御器は、前記剛性指令器からの剛性指令値を、前記永久磁石の磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置、及び、前記永久磁石の磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、前記永久磁石の位置を制御することを特徴とする。
【００３７】
本願発明においては、ロボットが第２磁路鉄芯と第３磁路鉄芯とを備えており、永久磁石が、その磁束が第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置と、磁束が第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置との間を移動可能に構成されている。そして、ロボットコントローラの剛性制御器は、剛性指令器からの剛性指令値を、高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、永久磁石の位置を制御する。このように、剛性指令器からの剛性指令値に基づいて永久磁石の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御することで、関節機構の剛性を確実に変化させることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、ロボットの制御性と安全性とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態のロボットシステムを表すシステム構成図である。
【図２】関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【図３】ロボットコントローラの機能的構成を説明する説明図である。
【図４】関節機構の概念的な断面図である。
【図５】比較例（その１）における可変剛性機構の概念的な正面図である。
【図６】比較例（その２）における可変剛性機構の概念的な正面図及び断面図である。
【図７】永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する変形例（その１）において、永久磁石が高剛性位置に位置する状態での関節機構の概念的な断面図である。
【図８】永久磁石が低剛性位置に位置する状態での関節機構の概念的な断面図である。
【図９】永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する変形例（その２）における関節機構に備えられた各部材を表す分解斜視図である。
【図１０】関節機構の背面斜視図、正面斜視図、正面図、側面図、及び、図１０（ｄ）中ＸＥ−ＸＥ断面による断面図である。
【図１１】永久磁石が高剛性位置に位置する状態での関節機構の正面図、及び、図１１（ａ）中ＸＩＢ−ＸＩＢ断面による断面図である。
【図１２】永久磁石が低剛性位置に位置する状態での関節機構の正面図、図１２（ａ）中ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ断面による断面図、及び、図１２（ａ）中ＸＩＩＣ−ＸＩＩＣ断面による断面図である。
【図１３】弾性部材を減速機の出力軸と第２リンク部材との間に設ける変形例における関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【図１４】弾性部材をモータの固定子と第２リンク部材との間に設ける変形例における関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【図１５】弾性部材を減速機の出力軸と第１リンク部材との間に設ける変形例における関節機構に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態のロボットシステムを表す（一部透視）システム構成図である。
【００４２】
図１において、本実施形態のロボットシステム１は、アーム１００を備えたロボット１０と、このロボット１０を制御するロボットコントローラ２０とを有している。これらロボット１０及びロボットコントローラ２０は、ケーブルを介して相互通信可能に接続されている。なお、ロボットコントローラ２０を、例えばロボット１０のアーム１００部分に設置する等、ロボット１０側に設けてもよい。
【００４３】
ロボット１０のアーム１００は、固定部１０１と、複数（この例では５個）のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５と、これら５個のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５のうちアーム１００の最も基端側に位置するリンク部材Ｌ１と固定部１０１、及び、これら５個のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５のうち隣接するリンク部材同士、を屈折可能に連結する複数（この例では６個）の関節機構Ｓ１〜Ｓ６と、これら６個の関節機構Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ設けられ、駆動対象のリンク部材Ｌ１〜Ｌ５への駆動力を発生するアクチュエータＡ１〜Ａ６と、上記６個の関節機構Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ設けられた弾性部材３０（後述の図２参照）とを有している。
【００４４】
アクチュエータＡ１〜Ａ６は、この例では一般産業用機械の動力源として用いられる、いわゆるＡＣサーボモータであり、固定子３１（後述の図２参照）及び回転子を有し、回転力を出力するモータと、モータの出力（回転速度）を所定の減速比で減速することにより、モータのトルクを増幅する減速機と、モータの回転軸等の回転体の回転位置を検出するエンコーダとを備えている。モータの固定子３１は、固定子コア、固定子コアに設けられたボビン、ボビンに巻かれたコイル等を有しており、特許請求の範囲に記載の電機子を構成する。モータの回転子は、回転子ヨーク、モータの回転軸にトルクを発生させるための永久磁石等を有しており、特許請求の範囲に記載の界磁を構成する。
【００４５】
ここで、固定部１０１及びリンク部材Ｌ１の関係では、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１が連結される固定部１０１が、特許請求の範囲に記載の第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ１に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ１が、特許請求の範囲に記載の第２リンク部材に相当する。また、隣接するリンク部材Ｌ１，Ｌ２の関係では、アーム１００の基端側に位置し、アクチュエータＡ２に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ１が、第１リンク部材に相当し、アーム１００の先端側に位置し、アクチュエータＡ２に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ２が、第２リンク部材に相当する。同様に、隣接するリンク部材Ｌ２，Ｌ３の関係では、アクチュエータＡ３に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ２が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ３に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ３が、第２リンク部材に相当する。隣接するリンク部材Ｌ３，Ｌ４の関係では、アクチュエータＡ４に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ３が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ４に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ４が、第２リンク部材に相当する。隣接するリンク部材Ｌ４，Ｌ５の関係では、アクチュエータＡ５に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ４が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ５に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ５が、第２リンク部材に相当する。隣接するリンク部材Ｌ５，Ｌ６の関係では、アクチュエータＡ６に備えられたモータの固定子３１が連結されるリンク部材Ｌ５が、第１リンク部材に相当し、アクチュエータＡ６に備えられたモータの回転子が連結されるリンク部材Ｌ６が、第２リンク部材に相当する。なお、以下適宜、第１リンク部材に相当するリンク部材又は固定部を「第１リンク部材」と称し、第２リンク部材に相当するリンク部材を「第２リンク部材」と称する。
【００４６】
以下、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の構成及びロボットコントローラ２０の構成を説明する。但し、以下では、関節機構Ｓ１〜Ｓ６のうち、関節機構Ｓ１を例にとってその構成を説明し、他の関節機構Ｓ２〜Ｓ６についての説明を省略するが、他の関節機構Ｓ２〜Ｓ６についても関節機構Ｓ１とほぼ同様の構成となっている。
【００４７】
図２は、上記関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図である。
【００４８】
図２において、関節機構Ｓ１は、上述したように、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）及びリンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）を連結する関節機構であり、リンク部材Ｌ１への駆動力を発生するアクチュエータＡ１と、弾性部材３０とを備えている。アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部も含む）は、モータ支持部材４０（後述の図４も参照）に固定されている。なお、減速機の固定部を、モータ支持部材４０に固定してもよい。あるいは、モータ支持部材４０が、モータの固定子又は減速機の固定部そのものであってもよい。また、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２は、リンク部材Ｌ１に固定されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、モータの回転軸（モータの回転子）が、リンク部材Ｌ１に固定される。
【００４９】
関節機構Ｓ１の弾性部材３０は、上記モータの固定子３１と、固定部１０１との間に配設されている。なお、上述したように、モータの固定子３１には、減速機の固定部も含まれているので、弾性部材３０は、上記減速機の固定部と、固定部１０１との間に配設されているとも言える。このような構成とすると、弾性部材３０の変形量を検出するエンコーダ等を備えて固定部１０１とリンク部材Ｌ１との角度を検出してモータを制御した場合、仮にモータの固定子３１の慣性モーメントが十分に大きいとすると、弾性部材３０の剛性に関係なくリンク部材Ｌ１の位置を高帯域で制御できることになる。アーム１００の先端等に外力が加わったときには、リンク部材Ｌ１に加えてモータ全体が回転するため、若干重くなるものの、減速比によってモータの回転子の慣性モーメントが２乗倍されることがなくなるため、弾性部材３０を入れない場合に比べると衝突時の安全性は大幅に高められる。この構成は、モータの固定子３１が弾性部材３０の変形量分だけ回転するものの、回転量が小さいため、電力線の引き回しも容易である。そして、この弾性部材３０は、磁場によって弾性率が変化する材料である可変弾性ソフトマテリアルで構成されている。詳細には、弾性部材３０は、例えば、高分子ゲルに磁性微粒子を分散させたゲルや、力学強度に優れ水分の蒸発がないポリウレタンエラストマー等の可変弾性ソフトマテリアルを可撓性のケース内に入れて封止した部材である。
【００５０】
図３は、上記ロボットコントローラ２０の機能的構成を説明する説明図である。
【００５１】
図３において、ロボットコントローラ２０は、図示しない演算器、記憶装置、入力装置等を備えたコンピュータにより構成されており、剛性指令器２１及び剛性制御器２２を有している。剛性指令器２１は、上記関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を指令する剛性指令値を、剛性制御器２２に対して出力する。剛性制御器２２は、状況に応じて関節機構Ｓ１〜Ｓ６に備えられた弾性部材３０の弾性率を変化させて、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させるため、剛性指令器２１から入力された剛性指令値に基づき、弾性部材３０の弾性率を制御する。具体的には、アーム１００の加減速時には、位置ずれや動作遅れを抑制するため、弾性部材３０の弾性率を大きくすることで、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を高くする。一方、アーム１００の等速動作時や停止時には、衝突時の衝撃力を緩衝するため、弾性部材３０の弾性率を小さくすることで、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を低くする。本実施形態では、剛性制御器２２は、関節機構Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ備えられたコイル４２（後述の図４参照）に流す電流量を制御することにより、弾性部材３０の弾性率を制御するようになっている。
【００５２】
図４は、上記関節機構Ｓ１の概念的な断面図である。
【００５３】
図４において、関節機構Ｓ１は、上記アクチュエータＡ１と、上記弾性部材３０と、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成された磁路鉄芯４１（第１磁路鉄芯）と、この磁路鉄芯４１に巻かれたコイル４２（第１コイル）とを備えている。
【００５４】
上記アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１は、モータ支持部材４０に固定されており、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２は、図４中紙面奥行き方向の回転軸であり、上記リンク部材Ｌ１に固定されている。モータは、上記出力軸３２まわりにトルクを発生する。したがって、上記出力軸３２を中心に回転可能に支持されたモータ支持部材４０は、その反力を受ける。
【００５５】
関節機構Ｓ１の弾性部材３０は、上記モータ支持部材４０の突起部４０ａを挟み込むようにして、上記モータの固定子３１と、上記固定部１０１との間に配設されている。すなわち、弾性部材３０は、突起部４０ａを挟み込むことによりモータ支持部材４０を支持している。したがって、この弾性部材３０の剛性を変化させることにより、当該弾性部材３０に支持されたモータ支持部材４０の支持剛性も変化させることができる。
【００５６】
関節機構Ｓ１の磁路鉄芯４１は、関節機構Ｓ１のコイル４２に電流を流したときに発生する磁束が当該磁路鉄芯４１を介して弾性部材３０を通過するように構成されている。この例では、磁路鉄芯４１は、断面視略コの字形状に形成されており、弾性部材３０の外側を挟み込むようにして、上記固定部１０１に固定されている。そして、上記ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、上記剛性指令器２１から入力される剛性指令値に基づき、コイル４２に流す電流量を制御することにより、弾性部材３０に印加される磁場の強さを制御し、当該弾性部材３０の弾性率を制御している。したがって、コイル４２に電流を流すと、磁路鉄芯４１に磁束が発生し、その発生した磁束が当該磁路鉄芯４１を介して弾性部材３０を通過するように、図４中破線で示すような磁路を形成する。
【００５７】
なお、図４に示す例では、上記突起部４０ａ、弾性部材３０、磁路鉄芯４１、及びコイル４２をモータ支持部材４０の周囲に１組だけ設けているが、これに限られず、これらをモータ支持部材４０の周囲に複数組設けてもよい。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態のロボットシステム１は、回転子及び固定子３１を有するモータを関節機構Ｓ１〜Ｓ６に備えたアーム１００を有するロボット１０と、このロボット１０を制御するロボットコントローラ２０とを備えている。ロボット１０のアーム１００においては、モータの固定子３１は第１リンク部材に連結されており、モータの回転子は第２リンク部材に連結されている。また、関節機構Ｓ１〜Ｓ６に備えられたモータの固定子３１と第１リンク部材との間には、弾性部材３０が設けられている。この弾性部材３０によって関節機構Ｓ１〜Ｓ６に柔軟性を与え、ロボット１０のアーム１００が人間や周辺の構造物と衝突した際の衝撃力を緩衝し、安全性を高めることができる。
【００５９】
ここで、例えば関節機構Ｓ１〜Ｓ６が常時柔軟性を有する場合、弾性部材の変形によって動作後のアーム１００先端の位置が設定位置とずれたり、動作に遅れを生じる等、制御性能が低下するという問題がある。そこで本実施形態では、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の弾性部材３０を、磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成し、ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２で、剛性指令器２１の剛性指令値に基づき弾性部材３０の弾性率を制御する。これにより、ロボット１０のアーム１００の加減速時には弾性部材３０の弾性率を大きくすることで、位置ずれや動作遅れを抑制し、ロボット１０のアーム１００の等速動作時や停止時には弾性部材３０の弾性率を小さくすることで、衝突時の衝撃力を緩衝することができる。このように、状況に応じて関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させることができるので、ロボット１０の制御性と安全性を両立させることができる。
【００６０】
またここで、本実施形態の効果を説明するために、関節機構の剛性を変化させる機構（以下適宜、「可変剛性機構」と称する）をロボットの関節機構に用いた比較例を説明する。
【００６１】
図５は、比較例（その１）における可変剛性機構の概念的な正面図である。
【００６２】
図５において、本比較例における可変剛性機構は、非線形弾性機構を複数個拮抗配置することにより関節機構の剛性を変化させる機構、すなわち拮抗型可変剛性機構である。本比較例における拮抗型可変剛性機構は、非線形弾性機構２００を複数個（この例では２個）拮抗配置したパラレル機構となっている。各非線形弾性機構２００は、モータ２０１、ボールねじ２０２、ボールねじナット２０３、ねじりコイルばね２０４、及び、テーパー形状のガイドシャフト２０５を備えている。ボールねじナット２０３には、ねじりコイルばね２０４の一端が固定されており、ボールねじナット２０３が直動動作を行うか回転動作を行うかは、外力や摩擦力により決定されるようになっている。ねじりコイルばね２０４の内部には、ガイドシャフト２０５が挿入されており、ボールねじナット２０３が回転動作を行うと、ねじりコイルばね２０４が端から順にガイドシャフト２０５に巻き付いていく。この結果、その巻き付いた部分が収縮しなくなり、ばね長が短くなるため、ねじりコイルばね２０４の剛性が高くなる。本比較例における拮抗型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合には、ボールねじナット２０３の直動動作及び回転動作を任意に操作することにより、関節機構の剛性及び関節角度を任意に変化させることができる。
【００６３】
図６は、比較例（その２）における可変剛性機構を説明する説明図である。なお、図６（ａ）は、本比較例における可変剛性機構の概念的な正面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中ＶＩＢ−ＶＩＢ断面による概念的な断面図である。
【００６４】
図６において、本比較例における可変剛性機構は、非線形ばねを加圧部材により加圧することにより関節機構の剛性を変化させる機構、すなわち加圧型可変剛性機構である。本比較例における加圧型可変剛性機構は、突起部３０１ｂを備え、モータを支持するモータ支持部材３０１、突起部３０１ｂを挟み込むように配置された非線形ばね３０２、及び、非線形ばね３０２を加圧する加圧部材３０５等を備えている。本比較例における加圧型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合には、加圧部材３０５で非線形ばね３０２を加圧することによって、非線形ばね３０２の収縮量を変化させることにより、関節機構の剛性を変化させることができる。
【００６５】
上記比較例（その１）における拮抗型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合では、次のような課題が生じる場合がある。すなわち、関節機構の剛性の高い状態を維持する場合、複数のモータ２０１が拮抗するトルクを発生し続ける必要があり、エネルギーを無駄に浪費するおそれがある。また、上記比較例（その１）における拮抗型可変剛性機構は、パラレル機構となっているため、関節機構の可動範囲が小さくなるおそれがある。
【００６６】
一方、上記比較例（その２）における加圧型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合では、次のような課題が生じる場合がある。すなわち、非線形ばね３０２を加圧する加圧部材３０５、及び、加圧部材３０５を駆動する高トルクの剛性調節モータを必要とする。また、剛性調節モータが高トルクを必要とするため、その分だけ関節機構が大型化するおそれがある。さらに、関節機構の剛性を変化させる際に、加圧部材３０５の位置決め時間分の遅れが生じるおそれがある。
【００６７】
これに対し、本実施形態のロボットシステム１では、上記可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材３０を設けることで関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させることができるので、上記比較例（その１）における拮抗型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合のように、エネルギーを無駄に浪費したり、関節機構の可動範囲が小さくなるのを防止することができる。また、上記比較例（その２）における加圧型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合のように、加圧部材３０５や高トルクの剛性調節モータなどを設ける必要がない。したがって、小型且つ軽量の機構で関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を変化させることができる。
【００６８】
また、本実施形態では特に、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、モータのトルクを増幅する減速機を備えている。そして、弾性部材３０は、モータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けられている。これにより、関節機構Ｓ１〜Ｓ６にモータ及び減速機を備えたロボット１０において、制御性と安全性を両立させることができる。
【００６９】
また、本実施形態では特に、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、磁路鉄芯４１と、この磁路鉄芯４１に巻かれたコイル４２と備えている。そして、磁路鉄芯４１は、コイル４２に電流を流したときに発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成されている。そして、ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、コイル４２に流す電流量を制御する。これにより、コイル４２の電流量に応じて弾性部材３０の弾性率を制御できるので、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を高速かつ連続的に変化させることができる。
【００７０】
またここで、上記可変剛性機構の中には、線形ばねの一部をロックすることにより関節機構の剛性を変化させる機構、すなわちロック型可変剛性機構がある。そして、このロック型可変剛性機構の中には、線形ばねを直列につなぎ、その一部を収縮できない状態とするロック機構として、ＭＲ流体を用いる機構がある。ＭＲ流体は、磁性を帯びた機能性流体であり、磁場を印加すると粘性が高くなり、剛体に近い状態となる性質がある。ＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構では、上記のようなＭＲ流体の性質を利用して、線形ばねが収縮できないようにロックする。しかしながら、ＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構では、ＭＲ流体自体の剛性を連続的に変化させることができない。このため、ＭＲ流体を用いるロック型可変剛性機構をロボットの関節機構に用いた場合に関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を連続的に変化させるには、選択できる剛性値の数（分解能）を増やす必要がある。この場合、ばねやコイル、電気回路等をその分だけ増加させる必要があり、機構の大型化を招くことになる。これに対し、本実施形態のロボットシステム１では、そのような部品の追加をすることなく関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を連続的に変化させることができるため、小型で軽量な可変剛性の関節機構Ｓ１〜Ｓ６を実現できる。
【００７１】
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次説明する。
【００７２】
（１）永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する場合（その１）
上記実施形態においては、コイル４２に電流を流したときに磁路鉄芯４１に発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成していたが、これに限られない。すなわち、永久磁石を設け、この永久磁石により発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成してもよい。
【００７３】
図７及び図８は、本変形例における関節機構Ｓ１を説明する説明図であり、前述の図４に対応する図である。なお、図７は、永久磁石が高剛性位置に位置する状態での関節機構Ｓ１の概念的な断面図であり、図８は、永久磁石が低剛性位置に位置する状態での関節機構Ｓ１の概念的な断面図である。図４と同等の部分には同符号を付し説明を適宜省略する。
【００７４】
図７及び図８において、本変形例における関節機構Ｓ１は、前述のアクチュエータＡ１（図１参照）と、前述の弾性部材３０と、着磁方向（図７中左右方向、図８中上下方向）と垂直な軸４３ａまわりに回転可能に支持され、磁束を発生する永久磁石４３と、この永久磁石４３の周囲に配置され、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成された磁路鉄芯４４，４６，４８と、磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５（第２コイル）と、磁路鉄芯４６に巻かれたコイル４７（第３コイル）とを備えている。なお、磁路鉄芯４４が、特許請求の範囲に記載の第２磁路鉄芯を構成し、磁路鉄芯４６，４８が、特許請求の範囲に記載の第３磁路鉄芯を構成する。
【００７５】
本変形例においても、上記実施形態と同様、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（図２参照）は、前述のモータ支持部材４０に固定されており、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２は、前述のリンク部材Ｌ１（図１参照）に固定されている。
【００７６】
関節機構Ｓ１の弾性部材３０は、上記実施形態と同様、可変弾性ソフトマテリアルで構成されており、モータ支持部材４０の突起部４０ａを挟み込むようにして、上記モータの固定子３１と、前述の固定部１０１（図１参照）との間に配設されている。
【００７７】
関節機構Ｓ１の磁路鉄芯４４は、関節機構Ｓ１の永久磁石４３により発生する磁束が当該磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するように（言い換えれば、後述の高剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。関節機構Ｓ１の磁路鉄芯４６，４８は、永久磁石４３により発生する磁束が当該磁路鉄芯４６，４８を通過して弾性部材３０を通過しないように（言い換えれば、後述の低剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。
【００７８】
関節機構Ｓ１のコイル４５，４７は、当該コイル４５，４７に電流を流したときに発生する磁束により、永久磁石４３を上記軸４３ａまわりに回転駆動させる。すなわち、コイル４５に電流を流すと、磁路鉄芯４４に図７中破線で示すような磁路を形成する磁束が発生し、その発生した磁束によって永久磁石４３が引きつけられ、当該永久磁石４３を図８に示す回転位置（後述の低剛性位置）の方向へ回転駆動することができる。なお、このとき、コイル４７にも反発力を生じるように電流を流して、上記永久磁石４３の回転駆動を補佐するようにしてもよい。一方、コイル４７に電流を流すと、磁路鉄芯４６に図８中破線で示すような磁路を形成する磁束が発生し、その発生した磁束によって永久磁石４３が引きつけられ、当該永久磁石４３を図７に示す回転位置（後述の高剛性位置）の方向へ回転駆動することができる。なお、このとき、コイル４５にも反発力を生じるように電流を流して、上記永久磁石４３の回転駆動を補佐するようにしてもよい。
【００７９】
関節機構Ｓ１の永久磁石４３は、コイル４５，４７により発生する磁束によって回転駆動されることによって、高剛性位置（図７に示す位置）と低剛性位置（図８に示す位置）との間を回転移動可能に構成されている。本変形例における高剛性位置は、永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４４を通過する回転位置である。本変形例における低剛性位置は、永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４６，４８を通過する回転位置である。なお、永久磁石４３自体が図７及び図８に示すような形状である必要はなく、鉄芯の表面に永久磁石を貼付したり、鉄芯の内部に永久磁石を埋め込んでもよい。そして、本変形例では、前述のロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、前述の剛性指令器２１から入力される剛性指令値を、上記高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、これに応じてコイル４５，４７に流す電流量を制御して永久磁石４３の位置を制御することにより、弾性部材３０の弾性率を制御している。
【００８０】
永久磁石４３が図７に示す高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束は、図７中破線で示すように、磁路鉄芯４４、弾性部材３０、モータ支持部材４０の突起部４０ａ、弾性部材３０、磁路鉄芯４４をこの順に通過して永久磁石４３に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石４３が高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するので、弾性部材３０の弾性率は大きくなり、モータ支持部材４０の支持剛性も高くなる。また、コイル４５に電流を流したときに発生する磁束は、磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するので、当該磁束によっても弾性部材３０の弾性率は大きくなり、モータ支持部材４０の支持剛性も高くなる。すなわち、このような機能に関しては、磁路鉄芯４４は、特許請求の範囲に記載の第１磁路鉄芯として機能し、この磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５は、特許請求の範囲に記載の第１コイルとして機能する。つまり、永久磁石４３による磁束は永久磁石４３が回転移動する時間分遅れるが、コイル４５による磁束を利用することにより、その遅れる時間分を当該コイル４５による磁束により補うことができるので、応答を高速化できる。
【００８１】
一方、永久磁石４３が図８に示す低剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束は、図８中破線で示すように、磁路鉄芯４８、モータ支持部材４０の突起部４０ａ、モータ支持部材４０の本体部、磁路鉄芯４６をこの順に通過して永久磁石４３に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石４３が低剛性位置に存在するときには、当該永久磁石４３により発生する磁束が磁路鉄芯４６，４８を通過して弾性部材３０を通過しないので、弾性部材３０の弾性率は小さくなり、モータ支持部材４０の支持剛性も低くなる。なお、図８に示す例では、磁路鉄芯４６は、略左右対称に２本の磁路を形成しているが、これに限られず、どちらか一方でもよい。また、上記軸４３ａに沿った方向（紙面奥行き方向）に磁路を形成してもよい。この場合には、磁路を短くでき、関節機構Ｓ１を軽量化できる。但し、この場合には、上記軸４３ａに沿った方向の厚みは大型化する。
【００８２】
また、永久磁石４３が上記高剛性位置及び低剛性位置の中間位置に存在するときには、弾性部材３０を通過する磁束は上記高剛性位置及び低剛性位置の場合の中間となるので、弾性部材３０の弾性率も中間となり、モータ支持部材４０の支持剛性も中間となる。
【００８３】
なお、本変形例では、コイル４５，４７により永久磁石４３を回転駆動することによって、永久磁石４３を高剛性位置と低剛性位置とに回転移動させているが、これに限られず、ロボット１０が上記コイル４５，４７に代えて永久磁石４３を回転駆動する剛性調節モータを備えるような構成とし、この剛性調節モータが永久磁石４３を回転駆動することによって、永久磁石４３を高剛性位置と低剛性位置とに回転移動させてもよい。このような構成とした場合には、既存のモータを用いて容易に可変剛性の関節機構Ｓ１〜Ｓ６を実現することができる。
【００８４】
以上説明した本変形例においては、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、磁路鉄芯４４と、永久磁石４３とを備えており、磁路鉄芯４４は、永久磁石４３により発生する磁束が当該磁路鉄芯４４を介して可変弾性ソフトマテリアルで構成された弾性部材３０を通過するように構成されている。これにより、永久磁石４３の位置や向き等を変化させ、磁路鉄芯４４を通過する磁束の有無を制御することで、弾性部材３０の弾性率を制御することができる。また、永久磁石４３を用いることで、コイルのような銅損によるエネルギー損失や、発熱の問題をなくすことができる。また、コイルに比べ漏れ磁束を小さくすることができるので、高剛性時と低剛性時の磁束密度の差を大きくすることができ、取りうる剛性の範囲を拡大することができる。
【００８５】
また、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、永久磁石４３により発生する磁束が弾性部材３０を通過しないように構成された磁路鉄芯４６，４８を備えており、永久磁石４３は、上記高剛性位置と上記低剛性位置との間を移動可能に構成されている。永久磁石４３が高剛性位置に移動した際には、磁束が磁路鉄芯４４を介して弾性部材３０を通過するので、弾性部材３０の弾性率は大きくなる。一方、永久磁石４３が低剛性位置に移動した際には、磁束が磁路鉄芯４６，４８を通過して弾性部材３０を通過しないため、弾性部材３０の弾性率は小さくなる。そして、ロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、剛性指令器２１からの剛性指令値を、高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、永久磁石４３の位置を制御する。このように、剛性制御器２２が剛性指令器２１からの剛性指令値に基づいて永久磁石４３の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御することで、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性を確実に変化させることができる。また特に、永久磁石４３は、上記軸４３ａまわりに回転可能に支持されており、高剛性位置と低剛性位置との間を回転移動可能に構成されている。これにより、永久磁石４３の位置を高剛性位置又は低剛性位置に切替制御可能な構成を、簡易な構成で実現することができる。また、永久磁石４３は軸方向へ移動しないため、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の特に軸方向の厚みを小型化できる効果もある。
【００８６】
また、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５と、磁路鉄芯４６に巻かれたコイル４７とを備えている。そして、コイル４５，４７が永久磁石４３を回転駆動することにより、永久磁石４３を高剛性位置と低剛性位置とに移動させる。このような構成とすることで、永久磁石４３を回転駆動するためのモータを別途設ける必要がなくなり、且つ、鉄芯部を共通化できるので、関節機構Ｓ１〜Ｓ６を小型化することができる。また、磁路鉄芯４４に巻かれたコイル４５により生じた磁束は弾性部材３０を通過するため、これを関節機構Ｓ１〜Ｓ６の剛性の制御に利用することにより、応答を高速化できる効果もある。
【００８７】
（２）永久磁石の磁束が弾性部材を通過するように構成する場合（その２）
上記実施形態においては、コイル４２に電流を流したときに磁路鉄芯４１に発生する磁束が弾性部材３０を通過するように構成していたが、これに限られない。すなわち、少なくとも１つの永久磁石が固定された磁石固定板を設け、その磁石固定板に固定された永久磁石により発生する磁束が弾性部材を通過するように構成してもよい。
【００８８】
図９及び図１０は、本変形例における関節機構Ｓ１を説明する説明図である。なお、図９は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材を表す分解斜視図であり、図１０（ａ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の背面斜視図であり、図１０（ｂ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の正面斜視図であり、図１０（ｃ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の正面図であり、図１０（ｄ）は、本変形例における関節機構Ｓ１の側面図であり、図１０（ｅ）は、図１０（ｄ）中ＸＥ−ＸＥ断面による断面図である。
【００８９】
図９及び図１０（ａ）〜（ｅ）において、本変形例における関節機構Ｓ１は、前述のアクチュエータＡ１（図１参照）と、少なくとも１つ（この例では８つ）の弾性部材５１と、固定部材５０と、この固定部材５０の本体部５０ｃと一体的に設けられた少なくとも１つ（この例では８つ）の磁路鉄芯５０ａ（第２磁路鉄芯）と、モータ支持部材６０と、磁束を発生する少なくとも１つ（この例では８つ）の永久磁石７１と、これら８つの永久磁石７１が固定され、上記モータ支持部材６０の本体部６０ｂの外側に配置されると共に、永久磁石７１の着磁方向と平行な軸ＡＸまわりに回転可能に支持された磁石固定板７０とを備えている。
【００９０】
関節機構Ｓ１の固定部材５０は、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成され、本体部５０ｃから開口部５０ｄの内側に向かって突出した４つの突起部５０ｂを備えており、前述の固定部１０１（図１参照）に固定されている。突起部５０ｂは、上記磁石固定板７０に固定された永久磁石７１により発生する磁界が当該突起部５０ｂを通過して弾性部材５１を通過しないように（言い換えれば、後述の図１２（ｂ）（ｃ）に示すような低剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。すなわち、突起部５０ｂは、特許請求の範囲に記載の第３磁路鉄芯を構成する。なお、固定部１０１の一部を図９に示す固定部材５０のような形状としてもよい。
【００９１】
関節機構Ｓ１のモータ支持部材６０は、透磁率の高いケイ素鋼等の磁性材料で構成され、本体部６０ｂからその外側に向かって突出した４つの突起部６０ａを備えており、これら４つの突起部６０ａが固定部材５０の４つ突起部５０ｂの間に配置されるように、固定部材５０の開口部５０ｄに挿通されている。なお、この例では、固定部材５０の突起部５０ｂ及びモータ支持部材６０の突起部６０ａをそれぞれ４つずつとしているが、これに限られず、これら突起部５０ｂ，６０ａのうち、一方の突起部が２つ以上、他方の突起部が１つ以上あればよい。このモータ支持部材６０は、上記突起部６０ａを除き、透磁率の低い材料で構成されている。また、このモータ支持部材６０には、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（図２参照。減速機の固定部も含む）が固定されている。なお、減速機の固定部を、モータ支持部材６０に固定してもよい。あるいは、モータ支持部材６０が、モータの固定子又は減速機の固定部そのものであってもよい。また、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２（図２参照）は、前述のリンク部材Ｌ１（図１参照）に固定されている。モータは、上記出力軸３２まわりにトルクを発生する。したがって、上記出力軸３２を中心に回転可能に支持されたモータ支持部材６０は、その反力を受ける。
【００９２】
関節機構Ｓ１の弾性部材５１は、図１０（ｅ）に示すように固定部材５０の突起部５０ｂ及びモータ支持部材６０の突起部６０ａを挟み込むようにして、上記モータ固定子３１と、上記固定子１０１との間に配設されている。なお、上述したように、モータの固定子３１には、減速機の固定部も含まれているので、弾性部材５１は、上記減速機の固定部と、固定部１０１との間に配設されているとも言える。そして、この弾性部材５１は、上記実施形態の弾性部材３０と同様、可変弾性ソフトマテリアルで構成されている。すなわち、弾性部材５１は、突起部５０ｂ，６０ａを挟み込むことにより固定部材５０及びモータ支持部材６０を支持している。例えば、モータ支持部材６０が上記モータが駆動した際の反力を受けたときには、弾性部材５１が収縮して固定部材５０に伝わる力を和らげることができる。また例えば、衝突等によりアーム１００の先端に外力を受けたときには、モータや減速機の逆伝達率が低いために生じる摩擦力は、モータ支持部材６０に直接伝わるが、モータ支持部材６０を介してモータの固定子３１及び減速機が柔軟支持されているため、上記衝突時の衝撃力を緩和できる。すなわち、モータの固定子３１及び減速機の柔軟支持の剛性は、弾性部材５１の剛性によって決まる。したがって、この弾性部材５１の剛性を変化させることにより、当該弾性部材５１に支持された固定部材５０及びモータ支持部材６０の支持剛性も変化させることができる。なお、弾性部材５１の剛性は、後述のように、磁石固定板７０の回転方向位置によって変化する。
【００９３】
また、弾性部材５１の上記開口部５０ｄの径方向外側には、当該弾性部材５１が上記開口部５０ｄの周方向に収縮した際に当該弾性部材５１が上記径方向に膨張するためのスペースとなる空隙８０が形成されている。
【００９４】
関節機構Ｓ１の磁路鉄芯５０ａは、上記磁石固定板７０に固定された永久磁石７１により発生する磁界が当該磁路鉄芯５０ａを介して弾性部材５１を通過するように（言い換えれば、後述の図１１（ｂ）に示すような高剛性位置での磁路を形成するように）構成されている。この例では、磁路鉄芯５０ａは、磁石固定板７０に固定された永久磁石７１に対して弾性部材５１及び空隙８０を介して対向できるように、固定部材５０の本体部５０ｃと一体的に設けられている。
【００９５】
関節機構Ｓ１の永久磁石７１は、上記磁石固定板７０の回転により、高剛性位置（後述の図１１（ｂ）に示す位置）と低剛性位置（後述の図１２（ｂ）（ｃ）に示す位置）との間を移動可能に構成されている。本変形例における高剛性位置は、永久磁石７１により発生する磁束が上記固定部材５０の磁路鉄芯５０ａを通過する位置である。本変形例における低剛性位置は、永久磁石７１により発生する磁束が上記固定部材５０の突起部５０ｂを通過する位置である。そして、本変形例では、前述のロボットコントローラ２０の剛性制御器２２は、前述の剛性指令器２１から入力される剛性指令値を、上記高剛性位置及び低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、これに応じて磁石固定板７０の回転方向位置を制御して永久磁石７１の位置を制御することにより、弾性部材５１の弾性率を制御している。
【００９６】
なお、ロボット１０に磁石固定板７０を回転駆動する剛性調整モータを備えさせ、この剛性調整モータが磁石固定板７０を回転駆動することにより、永久磁石７１を高剛性位置と低剛性位置とに移動させてもよい。あるいは、上記（１）の変形例と同様に、関節機構Ｓ１にコイルを備えさせることにより、永久磁石７１を高剛性位置と低剛性位置とに移動させてもよい。この場合、固定部材５０の磁路鉄芯５０ａにコイル（第２コイル）を巻き付け、固定部材５０の突起部５０ｂに別のコイル（第３コイル）を巻き付けておく。そして、磁路鉄芯５０ａのコイルに電流を流せば、磁石固定板７０を高剛性位置に回転駆動させることができ、突起部５０ｂのコイルに電流を流せば、磁石固定板７０を低剛性位置に回転駆動させることができる。
【００９７】
図１１（ａ）は、永久磁石７１が高剛性位置に位置する状態での本変形例における関節機構Ｓ１の正面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中ＸＩＢ−ＸＩＢ断面による断面図である。
【００９８】
図１１（ａ）（ｂ）において、磁石固定板７０が図１１（ａ）に示す回転位置に存在するときには、当該磁石固定板７０に固定された永久磁石７１は、図１１（ｂ）に示す高剛性位置に存在している。永久磁石７１が高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石７１により発生する磁束は、図１１（ｂ）中破線で示すように、弾性部材５１、固定部材５０の磁路鉄芯５０ａ、固定部材５０の本体部５０ｃ、磁石固定板７０をこの順に通過して永久磁石７１に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石７１が高剛性位置に存在するときには、当該永久磁石７１により発生する磁束が磁路鉄芯５０ａを介して弾性部材５１を通過するので、弾性部材５１の弾性率は大きくなり、固定部材５０及びモータ支持部材６０の支持剛性も高くなる。
【００９９】
なお、弾性部材５１を通過する磁束を増加させるには、できるだけ図１１（ｂ）中破線で示すような磁路以外の磁路を生じないように配慮する必要がある。上記空隙８０が存在すると、永久磁石７１が高剛性位置に存在するときに、図１１（ｂ）中破線で示す領域の外側方向に磁路が形成されないため、弾性部材５１を通過する磁束を増加させる効果がある。また、本変形例では、モータ支持部材６０は、上記突起部６０ａを除き、透磁率の低い材料で構成されているが、そうでない場合には、モータ支持部材６０の本体部６０ｂを通過する磁路が生じてしまうので、弾性部材５１とモータ支持部材６０の本体部６０ｂとの間にも空隙を設けてもよい。また、弾性部材５１から固定部材５０の突起部５０ｂ及びモータ支持部材６０の突起部６０ａへすぐに抜けてしまう周方向の磁路を生じないようにするために、弾性部材５１と突起部５０ｂ，６０ａとの間に透磁率の低い材料を設けてもよい。
【０１００】
図１２（ａ）は、永久磁石７１が低剛性位置に位置する状態での本変形例における関節機構Ｓ１の正面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ断面による断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）中ＸＩＩＣ−ＸＩＩＣ断面による断面図である。
【０１０１】
図１２（ａ）〜（ｃ）において、磁石固定板７０が図１２（ａ）に示す回転位置に存在するときには、当該磁石固定板７０に固定された永久磁石７１は、図１２（ｂ）（ｃ）に示す高剛性位置に存在している。永久磁石７１が低剛性位置に存在するときには、モータ支持部材６０の突起部６０ａと対向する永久磁石７１により発生する磁束は、図１２（ｂ）中破線で示すように、モータ支持部材６０の突起部６０ａ、固定部材５０の本体部５０ｃ、磁石固定板７０をこの順に通過して永久磁石７１に戻るような磁路を形成する。また、固定部材５０の突起部５０ｂと対向する永久磁石７１により発生する磁束は、図１２（ｃ）中破線で示すように、固定部材５０の突起部５０ｂ、固定部材５０の本体部５０ｃ、磁石固定板７０をこの順に通過して永久磁石７１に戻るような磁路を形成する。すなわち、永久磁石７１が低剛性位置に存在するときには、当該永久磁石７１により発生する磁束がモータ支持部材６０の突起部６０ａ又は固定部材５０の突起部５０ｂを通過して弾性部材５１をほとんど通過しないので、弾性部材５１の弾性率は小さくなり、固定部材５０及びモータ支持部材６０の支持剛性も低くなる。
【０１０２】
以上説明した本変形例によれば、上記実施形態や上記（１）の変形例と同様の効果を得ることができる。また、本変形例においては、関節機構Ｓ１〜Ｓ６は、８つの永久磁石７１が固定され、永久磁石７１の着磁方向と平行な軸ＡＸまわりに回転可能に支持された磁石固定板７０を備えている。そして、永久磁石７１が、磁石固定板７０の回転により高剛性位置と低剛性位置との間を移動可能に構成されている。これにより、磁石固定板７０に複数の永久磁石７１を固定することで、複数の永久磁石７１の位置を一度に高剛性位置又は低剛性位置に切替可能な構成を実現することができる。また、複数の永久磁石７１を集約配置できるので、関節機構Ｓ１〜Ｓ６の体積を小型化できる効果もある。
【０１０３】
（３）弾性部材を減速機の出力軸と第２リンク部材との間に設ける場合
上記実施形態においては、弾性部材３０をモータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けていたが、これに限られず、弾性部材３０を減速機の出力軸３２と第２リンク部材との間に設けてもよい。
【０１０４】
図１３は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図であり、前述の図２に対応する図である。
【０１０５】
図１３に示すように、本変形例における関節機構Ｓ１においては、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部も含む）が、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）に固定されている。そして、弾性部材３０が、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２と、リンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）との間に配設されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、弾性部材３０は、モータの回転子と、リンク部材Ｌ１との間に配設される。アーム１００の先端などに外力が加わったときには、弾性部材３０が収縮して緩衝される。このような構成とした場合、弾性部材３０よりもアーム１００の先端側が第２リンク部材だけとなり、軽量で安全性が高くなるので、直列弾性駆動のロボットではこの構成が最も一般的に用いられる。このような構成とした場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、モータに減速機などを用いて摩擦など予測しにくい外乱があったとしても、弾性部材３０の収縮量を検出するセンサを備えることで、第２リンク部材にかかっている外力を正しく知ることができるため、これを用いてインピーダンス制御をすることもできる。このような構成は、モータの固定子３１に電力を供給する電力線が第１リンク部材側にあるので引き回しが容易というメリットもある。また、特に図示はしていないが、弾性部材３０を、減速機の出力軸３２（モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合はモータの回転子）とリンク部材Ｌ１との間、及び、モータの固定子３１と固定部１０１との間の両方に配設してもよい。
【０１０６】
（４）弾性部材をモータの固定子と第２リンク部材との間に設ける場合
上記実施形態においては、弾性部材３０をモータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けていたが、これに限られず、弾性部材３０をモータの固定子３１と第２リンク部材との間に設けてもよい。
【０１０７】
図１４は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図であり、前述の図２及び図１３に対応する図である。
【０１０８】
図１４に示すように、本変形例における関節機構Ｓ１においては、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２が、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）に固定されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、モータの回転子が、固定部１０１に固定される。そして、弾性部材３０が、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部を含む）と、リンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）との間に配設されている。なお、モータの固定子３１には、減速機の固定部も含まれているので、弾性部材３０は、減速機の固定部と、リンク部材Ｌ１との間に配設されているとも言える。このような構成とした場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、このような構成とした場合、上記（３）の変形例と同様、弾性部材３０よりもアーム１００の先端側が第２リンク部材だけとなり、軽量で安全性を高くすることができる。また、特に図示はしていないが、弾性部材３０を、モータの固定子３１とリンク部材Ｌ１との間、及び、減速機の出力軸３２（モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合はモータの回転子）と固定部１０１との間の両方に配設してもよい。
【０１０９】
（５）弾性部材を減速機の出力軸と第１リンク部材との間に設ける場合
上記実施形態においては、弾性部材３０をモータの固定子３１と第１リンク部材との間に設けていたが、これに限られず、弾性部材３０を減速機の出力軸３２と第１リンク部材との間に設けてもよい。
【０１１０】
図１５は、本変形例における関節機構Ｓ１に備えられた各部材の位置関係を説明する説明図であり、前述の図２、図１３、及び図１４に対応する図である。
【０１１１】
図１５に示すように、本変形例における関節機構Ｓ１においては、アクチュエータＡ１に備えられたモータの固定子３１（減速機の固定部を含む）が、リンク部材Ｌ１（ここでは第２リンク部材に相当）に固定されている。そして、弾性部材３０が、アクチュエータＡ１に備えられた減速機の出力軸３２と、固定部１０１（ここでは第１リンク部材に相当）との間に配設されている。なお、モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合は、弾性部材３０は、モータの回転子と、固定部１０１との間に配設される。このような構成とした場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、特に図示はしていないが、弾性部材３０を、減速機の出力軸３２（モータ及び減速機を組み合わせて使用しない場合はモータの回転子）と固定部１０１との間、及び、モータの固定子３１とリンク部材Ｌ１との間の両方に配設してもよい。
【０１１２】
（６）その他
以上においては、固定子３１が電機子、回転子が界磁であるモータを例にとって説明したが、反対に、固定子が界磁、回転子が電機子であるモータに本発明を適用してもよい。
【０１１３】
また、以上においては、減速機を搭載したモータに本発明を適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、減速機を搭載しないモータ単体に対しても適用可能であり、この場合も同様の効果を得る。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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】
【０１１６】
１ ロボットシステム
１０ ロボット
２０ ロボットコントローラ
２１ 剛性指令器
２２ 剛性制御器
３０ 弾性部材
３１ 固定子
３２ 減速機の出力軸
４１ 磁路鉄芯（第１磁路鉄芯）
４２ コイル（第１コイル）
４３ 永久磁石
４３ａ 軸（着磁方向と垂直な軸）
４４ 磁路鉄芯（第２磁路鉄芯）
４５ コイル（第２コイル）
４６ 磁路鉄芯（第３磁路鉄芯）
４７ コイル（第３コイル）
４８ 磁路鉄芯（第３磁路鉄芯）
５０ａ 磁路鉄芯（第２磁路鉄芯）
５０ｂ 突起部（第３磁路鉄芯）
７０ 磁石固定板
７１ 永久磁石
１００ アーム
１０１ 固定部
ＡＸ 軸（着磁方向と平行な軸）
Ｌ１〜６ リンク部材
Ｓ１〜６ 関節機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁と電機子のいずれか一方を回転子、他方を固定子とするモータを関節機構に備えたロボットであって、
前記固定子が連結される第１リンク部材と、
前記回転子が連結される第２リンク部材と、
前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記回転子と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられた弾性部材と、を有し、
前記弾性部材は、
磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成されている
ことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記モータのトルクを増幅する減速機をさらに備え、
前記弾性部材は、
前記減速機の固定部又は前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記減速機の出力軸と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
第１磁路鉄芯と、前記第１磁路鉄芯に巻かれた第１コイルと、をさらに備え、
前記第１磁路鉄芯は、
前記第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
【請求項４】
第２磁路鉄芯と、永久磁石と、をさらに備え、
前記第２磁路鉄芯は、
前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
【請求項５】
前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯をさらに備え、
前記永久磁石は、
前記磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置と、前記磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置との間を、移動可能に構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
前記永久磁石は、
着磁方向と垂直な軸まわりに回転可能に支持されており、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を回転移動する
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
少なくとも１つの前記永久磁石が固定され、前記永久磁石の着磁方向と平行な軸まわりに回転可能に支持された磁石固定板をさらに備え、
前記永久磁石は、
前記磁石固定板の回転により、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を移動する
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット。
【請求項８】
前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動する剛性調節モータをさらに備える
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のロボット。
【請求項９】
前記第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイルと、
前記第３磁路鉄芯に巻かれた第３コイルと、をさらに備え、
前記第２コイル及び前記第３コイルは、
前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動させる
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のロボット。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のロボットと、
前記ロボットを制御するロボットコントローラと、を備えたロボットシステムであって、
前記ロボットコントローラは、
前記関節機構の剛性を指令する剛性指令値を出力する剛性指令器と、
前記剛性指令値に基づき前記弾性部材の弾性率を制御する剛性制御器と、を有している
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１１】
前記ロボットは、
第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第１磁路鉄芯を有し、
前記剛性制御器は、
前記第１コイルに流す電流量を制御する
ことを特徴とする請求項１０に記載のロボットシステム。
【請求項１２】
前記ロボットは、
移動可能に構成された永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第２磁路鉄芯と、
前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯と、をさらに備え、
前記剛性制御器は、
前記剛性指令器からの剛性指令値を、前記永久磁石の磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置、及び、前記永久磁石の磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、前記永久磁石の位置を制御する
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のロボットシステム。
【請求項１】
界磁と電機子のいずれか一方を回転子、他方を固定子とするモータを関節機構に備えたロボットであって、
前記固定子が連結される第１リンク部材と、
前記回転子が連結される第２リンク部材と、
前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記回転子と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられた弾性部材と、を有し、
前記弾性部材は、
磁場によって弾性率が変化する可変弾性ソフトマテリアルで構成されている
ことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記モータのトルクを増幅する減速機をさらに備え、
前記弾性部材は、
前記減速機の固定部又は前記固定子と前記第１リンク部材との間、及び、前記減速機の出力軸と前記第２リンク部材との間の少なくとも一方に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
第１磁路鉄芯と、前記第１磁路鉄芯に巻かれた第１コイルと、をさらに備え、
前記第１磁路鉄芯は、
前記第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
【請求項４】
第２磁路鉄芯と、永久磁石と、をさらに備え、
前記第２磁路鉄芯は、
前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
【請求項５】
前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯をさらに備え、
前記永久磁石は、
前記磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置と、前記磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置との間を、移動可能に構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
前記永久磁石は、
着磁方向と垂直な軸まわりに回転可能に支持されており、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を回転移動する
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
少なくとも１つの前記永久磁石が固定され、前記永久磁石の着磁方向と平行な軸まわりに回転可能に支持された磁石固定板をさらに備え、
前記永久磁石は、
前記磁石固定板の回転により、前記高剛性位置と前記低剛性位置との間を移動する
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット。
【請求項８】
前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動する剛性調節モータをさらに備える
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のロボット。
【請求項９】
前記第２磁路鉄芯に巻かれた第２コイルと、
前記第３磁路鉄芯に巻かれた第３コイルと、をさらに備え、
前記第２コイル及び前記第３コイルは、
前記永久磁石又は前記磁石固定板を回転駆動させる
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のロボット。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のロボットと、
前記ロボットを制御するロボットコントローラと、を備えたロボットシステムであって、
前記ロボットコントローラは、
前記関節機構の剛性を指令する剛性指令値を出力する剛性指令器と、
前記剛性指令値に基づき前記弾性部材の弾性率を制御する剛性制御器と、を有している
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１１】
前記ロボットは、
第１コイルに電流を流したときに発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第１磁路鉄芯を有し、
前記剛性制御器は、
前記第１コイルに流す電流量を制御する
ことを特徴とする請求項１０に記載のロボットシステム。
【請求項１２】
前記ロボットは、
移動可能に構成された永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過するように構成された第２磁路鉄芯と、
前記永久磁石により発生する磁束が前記弾性部材を通過しないように構成された第３磁路鉄芯と、をさらに備え、
前記剛性制御器は、
前記剛性指令器からの剛性指令値を、前記永久磁石の磁束が前記第２磁路鉄芯を通過する位置である高剛性位置、及び、前記永久磁石の磁束が前記第３磁路鉄芯を通過する位置である低剛性位置のいずれかの位置指令に換算し、前記永久磁石の位置を制御する
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のロボットシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１５２８６５（Ｐ２０１２−１５２８６５Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５０５８（Ｐ２０１１−１５０５８）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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