多関節アーム機構
【課題】自由端に大きな負荷が与えられた場合に、正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができなかった。
【解決手段】ベース部１０４と第１のアーム１１０とを接続する第１の関節部１２０は、ベース部に固定された第１の弾性力伝達部１２６を備え、第１のアームと第２のアーム１４０とを接続する第２の関節部１５０は、第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部１５６を備え、第１の弾性力伝達部と第２の弾性力伝達部は、第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部２１０と弾性を有する第２の係止部２２０とによって係止されている。
【解決手段】ベース部１０４と第１のアーム１１０とを接続する第１の関節部１２０は、ベース部に固定された第１の弾性力伝達部１２６を備え、第１のアームと第２のアーム１４０とを接続する第２の関節部１５０は、第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部１５６を備え、第１の弾性力伝達部と第２の弾性力伝達部は、第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部２１０と弾性を有する第２の係止部２２０とによって係止されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、種々の負荷を支持した姿勢でアーム先端の剛性制御を必要とする多関節アーム機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に「多関節アーム機構」と称される、長尺状に形成された第１のアームの後端を動作の基点となるベース部に回転可能に接続し、さらに、第１のアームの先端を長尺状に形成された第２のアームの後端に回転可能に接続した機構がある（例えば、特許文献１参照）。このような機構は、例えば、ロボットやマニュピレータ、パワーショベルなどの装置に用いられている。
【０００３】
図１２は、従来の多関節アーム機構の第１の構成例を示す図である。なお、関節の数は、図１２に示す例では、２つだけであるが、３つ以上の場合もある。また、図中、白丸は、回転可能な部位を示している。
【０００４】
図１２に示すように、第１の構成例の多関節アーム機構１は、第１のアーム１０の後端が関節部２０を介してベース５に回転可能に接続され、また、第１のアーム１０の略中央が油圧シリンダなどの伸縮するアクチュエータ３０の先端に回転可能に接続され、さらに、第１のアーム１０の先端が関節部５０を介して第２のアーム４０の後端に回転可能に接続されている。このような多関節アーム機構１は、アクチュエータ３０が伸縮することによって、第１のアーム１０が関節部２０を中心にして回転する。なお、アクチュエータ３０の後端は、ベース５に回転可能に接続されている。
【０００５】
また、多関節アーム機構１は、第２のアーム４０の後端が関節部５０を介して第１のアーム１０に回転可能に接続され、また、第２のアーム４０の略中央が油圧シリンダなどの伸縮するアクチュエータ６０の先端に回転可能に接続されている。このような多関節アーム機構１は、アクチュエータ６０が伸縮することによって、第２のアーム４０が関節部５０を中心にして回転する。なお、第２のアーム４０の先端は、自由端となっており、アクチュエータ３０または６０が伸縮することによって、位置が移動する、または、外部に対して力を与える、または、外部から力（負荷）が与えられているときには外部から与えられた力に対する復元力（剛性）が発生する。また、アクチュエータ６０の後端は、関節部５０に回転可能に接続されている。
【０００６】
ところで、図１２に示す多関節アーム機構１は、第１のアーム１０の後端に対する第２のアーム４０の先端の位置と力と剛性の独立した制御が制御理論的にきわめて困難なため、第２のアーム４０の先端に対して近似的に位置と力と剛性の制御を行っている。しかしながら、多関節アーム機構１は、自由端である第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合に、正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、多関節アーム機構１は、第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行えるように、アクチュエータ３０，６０が負荷に比べて過大な出力および制動力を持つとともに、そのアクチュエータ３０，６０を駆動する電源（図示せず）が過大な容量を持つように構成されていた。これにより、多関節アーム機構１は、自由端である第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行えるようにはなった。しかしながら、このように構成された多関節アーム機構１は、アクチュエータ３０，６０が過大な出力および制動力を持つとともに、電源が過大な容量を持つため、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題が生じていた。
【０００８】
そこで、第１の構成例の問題を解決する多関節アーム機構として、図１３に示す、第２の構成例が提供された。
【０００９】
図１３は、従来の多関節アーム機構の第２の構成例を示す図である。なお、図中、白丸は、回転可能な部位を示している。
【００１０】
図１３に示すように、第２の構成例の多関節アーム機構２は、第１の構成例の多関節アーム機構１の構成要素に、アクチュエータ７０が追加されている。このアクチュエータ７０は、先端が第２のアーム４０に回転可能に接続され、かつ、後端がベース５に回転可能に接続されており、アクチュエータ３０とアクチュエータ６０とが協同的に行う回転動作に拮抗する回転動作を行う。このような多関節アーム機構２は、３つのアクチュエータ３０，６０，７０を同時に作動させることによって、第２のアーム４０の先端の位置と力と剛性を別個に制御することができる。そのため、多関節アーム機構２は、アクチュエータ３０，６０の出力および制動力や電源の容量を必要量だけにとどめることができる。その結果、多関節アーム２は、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題を解決しつつ、第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行える。
【００１１】
しかしながら、多関節アーム２は、追加のアクチュエータ７０が必要である。また、追加のアクチュエータ７０を駆動させるために、電源の容量を増大させる必要もある。そのため、多関節アーム機構２は、重量が増大するとともに、コストが高騰するという問題があった。
【特許文献１】特開平８−１９９７３号公報（段落１〜段落３１、図１〜図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の第１の構成例には、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題があり、これを解決しようとすると、新たに、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題が生じていた。
【００１３】
また、第１の構成例の問題を解決したとされる第２の構成例には、重量が増大するとともに、コストが高騰するという問題があった。
【００１４】
したがって、従来は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述の課題を解決するために、第１の発明に係る多関節アーム機構は、動作の基点となるベース部と、ベース部に回転可能に接続される第１のアームと、ベース部と第１のアームとを接続する第１の関節部と、第１の関節部を中心にして第１のアームを回転させる第１のアクチュエータと、第１のアームに回転可能に接続される第２のアームと、第１のアームと第２のアームとを接続する第２の関節部と、第２の関節部を中心にして第２のアームを回転させる第２のアクチュエータとを有する。そして、第１の関節部は、ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、第２の関節部は、第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部を備え、第１の弾性力伝達部と第２の弾性力伝達部は、第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止されている。
【００１６】
第１の発明に係る多関節アーム機構は、２つの係止部が２つの関節部の弾性力伝達部に対して同時に弾性力を作用する。
【００１７】
第１の発明に係る多関節アーム機構は、従来の第２の構成例と比較すると、アクチュエータの一つが弾性を有する係止部に置き換えられているため、アクチュエータの数を従来の第２の構成例よりも減らしながら（すなわち、従来の第１の構成例と同じにしながら）、自由端である第２のアームの先端の位置と力と剛性を容易に制御することができる。
【００１８】
そのため、第１の発明に係る多関節アーム機構は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決している。
【００１９】
しかも、第１の発明に係る多関節アーム機構は、２つの係止部の弾性力が、２つの関節部の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように、同時に作用する。そのため、第１の発明に係る多関節アーム機構は、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い入力に対しても、２つの係止部の弾性力によって一定の力と剛性を保つことができ、特に、落下物や飛来物を柔軟に捕獲するなどの素早い動作を容易に実現することができる。
【００２０】
その上、第１の発明に係る多関節アーム機構は、２つの係止部を、例えば引張りコイルスプリングや、トーションバー、ねじりコイルスプリングなどの、動力を必要としない簡素でかつ安価な部材で構成することができる。そのため、第１の発明に係る多関節アーム機構は、動力を必要としない簡素な部材で安価に構成することができる。
【００２１】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、第１の発明に係る多関節アーム機構の構成要素に加え、さらに、第２のアームに回転可能に接続される第３のアームと、第２のアームと第３のアームとを接続する第３の関節部と、第３の関節部を中心にして第３のアームを回転させる第３のアクチュエータとを有する。そして、第２の関節部は、第２の弾性力伝達部に加え、さらに、第１のアームに固定された第３の弾性力伝達部を備え、第３の関節部は、第３のアームに固定された第４の弾性力伝達部を備え、第３の弾性力伝達部と第４の弾性力伝達部は、第２のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第３の係止部と弾性を有する第４の係止部とによって係止されている。
【００２２】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、４つの係止部が３つの関節部の弾性力伝達部に対して同時に弾性力を作用する。
【００２３】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、例えば、２足歩行型のロボットの脚部に用いることができる。この場合、第２の発明に係る多関節アーム機構の各構成要素は、ベース部が胴体として機能し、第１のアームが大腿として機能し、第１の関節部が股関節として機能し、第２のアームがすねとして機能し、第２の関節部がひざ関節として機能し、第３のアームが足として機能し、第３の関節部が足首関節として機能する。
【００２４】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、第３と第４の弾性力伝達部が、第１の発明に係る多関節アーム機構における第１と第２の弾性力伝達部と同様に作用する。そのため、第２の発明に係る多関節アーム機構は、３つの関節部を有する構成で、２つの関節部を有する第１の発明に係る多関節アーム機構と同様の動作を実現することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明に係る多関節アーム機構は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
この発明は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決する多関節アーム機構を提供することを目的とする。このような目的を達成するために、この発明では、多関節アーム機構を以下のように構成する。すなわち、ベース部と第１のアームとを接続する第１の関節部が、ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、第１のアームと第２のアームとを接続する第２の関節部が、第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部を備え、第１の弾性力伝達部と第２の弾性力伝達部は、第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止されているように、多関節アーム機構を構成する。
【００２７】
以下に、図を参照してこの発明の実施の形態を説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさおよび配置関係を、この発明を理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、この発明は図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００２８】
＜実施例１に係る多関節アーム機構の構成＞
以下に、実施例１に係る多関節アーム機構の構成について説明する。なお、ここでは、関節部の数が２つとなっている２関節アーム機構を例にして説明する。
【００２９】
図１は、実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図であり、図２は、実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す上面図である。なお、図１と図２は、各構成要素を模式的に示したものであり、特に、後述のベースアーム１０６や第１と第２のアーム１１０，１４０は、その中心線のみを示している。また、図１では、後述のギア１２４，１３２，１５４，１６２の歯の内径を一点鎖線の円で示し、歯の外径を実線の円で示している。
【００３０】
図１と図２に示すように、実施例１に係る多関節アーム機構（以下、２関節アーム機構と称する場合もある）１００は、動作の基点となるベース部１０４と、ベース部１０４に回転可能に接続される第１のアーム１１０と、ベース部１０４と第１のアーム１１０とを接続する第１の関節部１２０と、第１のアーム１１０を回転させる第１のモータ１３０と、第１のアーム１１０に回転可能に接続される第２のアーム１４０と、第１のアーム１１０と第２のアーム１４０とを接続する第２の関節部１５０と、第２のアーム１４０を回転させる第２のモータ１６０とを有する。
【００３１】
ベース部１０４は、例えばロボットやマニュピレータ、パワーショベルなどの装置本体、または、壁や床などの固定対象であるベース１０５と、ベース１０５から張り出した長尺部材であるベースアーム１０６とを備える。なお、ここでは、ベース１０５が、第１と第２のモータ１３０，１６０の駆動を制御する制御部１０９を有しているものとする。この制御部１０９は、各関節部の平衡点からの回転角度（以下、関節角度と称する）に応じて各関節部を回転させる第１と第２のモータ１３０，１６０の剛性を変更するプログラムが格納されたＣＰＵである。また、ベース部１０４は、任意の点を空間座標における原点として第１と第２のアームを回転動作させる。ここでは、第１と第２のアーム１１０，１４０の回転動作の空間座標における原点を、ベースアーム１０６の先端（すなわち、第１関節部１２０の回転の中心位置）とする。
【００３２】
第１のアーム１１０は、長尺な部材であり、後端が後述の第１のプーリ１２６に固定されている。第１のアーム１１０は、第１のモータ１３０が回転することにより、後述の第１の関節軸１２２を中心にして回転する。なお、第１のアーム１１０は、後端に、回転角度を規制するための突起１１２が設けられている。
【００３３】
第１の関節部１２０は、第１の関節軸１２２と、ギア１２４と、ベース部１０４のベースアーム１０６に固定された第１のプーリ１２６と、第１の関節部１２０（具体的には、ギア１２４）の関節角度（すなわち、第１のアーム１１０の回転角度）を測定する第１の測定手段１２８とを備える。第１の関節軸１２２とギア１２４と第１のプーリ１２６は、それぞれ、ベースアーム１０６の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第１の関節軸１２２と第１のプーリ１２６は、ベースアーム１０６の先端に固定されており、第１のモータ１３０が回転しても、ベースアーム１０６に対して回転しない。他方、ギア１２４は、ベースアーム１０６の先端に回転可能に配置されており、第１のモータ１３０が回転すると、ベースアーム１０６に対して回転する。なお、ギア１２４は、第１のアーム１１０に固定され、第１の関節軸１２２を中心にして第１のモータ１３０によって第１のアーム１１０とともに回転する第１の動力伝達部となっている。第１の測定手段１２８は、例えば、ベースアーム１０６に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第１の測定手段１２８は、例えば、ギア１２４に固定されたスリット板とベースアーム１０６に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第１の測定手段１２８は、測定した第１の関節部１２０の関節角度（すなわち、第１のアーム１１０の回転角度）を、図示しない配線を介して制御部１０９に出力する。
【００３４】
第１のモータ１３０は、第１のアーム１１０を回転させる第１のアクチュエータである。第１のモータ１３０は、ベース部１０４のベースアーム１０６に固定され、かつ、第１の関節部１２０のギア１２４と噛み合うギア１３２が取り付けられている。第１のモータ１３０は、制御部１０９の制御により回転力を発生して、ギア１３２を介して、ギア１２４に固定された第１のアーム１１０を回転させる。なお、第１のモータ１３０をベースアーム１０６に固定する位置は、図１に直角記号として示すように、第１のモータ１３０のギア１３２の外周がベースアーム１０６の中心線と接するとともに、ギア１３２が第１の関節部１２０のギア１２４と噛み合う位置である。
【００３５】
第２のアーム１４０は、長尺な部材であり、後端が後述の第２のプーリ１５６に固定されている。第２のアーム１４０は、第２のモータ１６０が回転することにより、後述の第２の関節軸１５２を中心にして第２のプーリ１５６とともに回転する。なお、第２のアーム１４０は、後端に、回転角度を規制するための突起１４２が設けられている。実施例１では、この第２のアーム１４０の先端が、自由端となる。
【００３６】
第２の関節部１５０は、第２の関節軸１５２と、ギア１５４と、第２のアーム１４０に固定された第２のプーリ１５６と、第２の関節部１５０（具体的には、ギア１５４）の関節角度（すなわち、第２のアーム１４０の回転角度）を測定する第２の測定手段１５８とを備える。第２の関節軸１５２とギア１５４と第２のプーリ１５６は、それぞれ、第１のアーム１１０の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第２の関節軸１５２は、第１のアーム１１０の先端に固定され、ギア１５４と第２のプーリ１５６は、第１のアーム１１０の先端に回転可能に配置されている。なお、ギア１５４は、第２のアーム１４０に固定され、第２の関節軸１５２を中心にして第２のモータ１６０によって第２のアーム１４０とともに回転する第２の動力伝達部となっている。また、第２のプーリ１５６は、ギア１５４とともに第２のアーム１４０に固定され、第２のモータ１６０によってギア１５４が回転すると、第２の関節軸１５２を中心にして第２のアーム１４０とともに回転する。第２の測定手段１５８は、例えば、第１のアーム１１０に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第２の測定手段１５８は、例えば、ギア１５４に固定されたスリット板と第１のアーム１１０に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第２の測定手段１５８は、測定した第２の関節部１５０の関節角度（すなわち、第２のアーム１４０の回転角度）を、図示しない配線を介して制御部１０９に出力する。制御部１０９は、第１と第２の測定手段１２８，１５８から出力された第１と第２の関節部１２０，１５０の関節角度に基づいて、第１と第２のモータ１３０，１６０の剛性を変更する。
【００３７】
第２のモータ１６０は、第２のアーム１４０を回転させる第２のアクチュエータである。第２のモータ１６０は、第１のアーム１１０に固定され、かつ、第２の関節部１５０のギア１５４と噛み合うギア１６２が取り付けられている。第２のモータ１６０は、制御部１０９の制御により回転力を発生して、ギア１６２を介して、ギア１５４に固定された第２のプーリ１５６と第２のアーム１４０とを回転させる。なお、第２のモータ１６０を第１のアーム１１０に固定する位置は、図１に直角記号として示すように、第２のモータ１６０のギア１６２の外周が第１のアーム１１０の中心線と接するとともに、ギア１６２が第２の関節部１５０のギア１５４と噛み合う位置である。
【００３８】
第１の関節部１２０の第１のプーリ１２６と第２の関節部１５０の第２のプーリ１５６は、第１のアーム１１０の両側で、弾性を有する第１の係止部２１０と弾性を有する第２の係止部２２０によって係止されている。なお、第１のプーリ１２６は、第１の係止部２１０の弾性力と第２の係止部２２０の弾性力を第１の関節軸１２２に伝達する第１の弾性力伝達部となっている。また、第２のプーリ１５６は、第１の係止部２１０の弾性力と第２の係止部２２０の弾性力を第２の関節軸１５２に伝達する第２の弾性力伝達部となっている。
【００３９】
第１の係止部２１０は、例えば、弾性体である第１の引張りコイルスプリング２１２と２本のワイヤ２１４，２１６を備える構成として形成されている。第１の係止部２１０のワイヤ２１４は、先端が第１の引張りコイルスプリング２１２の後端のフックに固定され、後端が第１のプーリ１２６の外周に巻きつけられて固定されている。第１の引張りコイルスプリング２１２は、先端のフックがワイヤ２１６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２１４の先端に固定されている。ワイヤ２１６は、先端が第２のプーリ１５６の外周に巻きつけられて固定され、後端が第１の引張りコイルスプリング２１２の先端のフックに固定されている。
【００４０】
また、第２の係止部２２０は、例えば、弾性体である第２の引張りコイルスプリング２２２と２本のワイヤ２２４，２２６を備える構成として形成されている。第２の係止部２２０のワイヤ２２４は、先端が第２の引張りコイルスプリング２２２の後端のフックに固定され、後端が第１のプーリ１２６の外周にワイヤ２１４の後端とは逆向きに巻きつけられて固定されている。第２の引張りコイルスプリング２２２は、先端のフックがワイヤ２２６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２２４の先端に固定されている。ワイヤ２２６は、先端が第２のプーリ１５６の外周にワイヤ２１６の先端とは逆向きに巻きつけられて固定され、後端が第２の引張りコイルスプリング２２２の先端のフックに固定されている。
【００４１】
なお、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２は、ここでは、ともに同じ弾性係数となっている。また、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２は、第１と第２のアーム１１０，１４０が回転していない状態（すなわち、第１と第２のアーム１１０，１４０の各先端が同一方向を向いている状態）で、釣り合いがとれた状態となっている。このとき、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２は、ともに同じ長さだけ伸びた状態となっている。以下、この状態における第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の長さを、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の自然長と称する。
【００４２】
各ワイヤ２１４，２１６，２２４，２２６は、弾性体である第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の弾性力によって常に引っ張られる。そのため、各ワイヤ２１４，２１６，２２４，２２６の軸線は、第１と第２のアーム１１０，１４０の動作範囲内において、常に、第１または第２のプーリ１２６，１５６の接線方向に存在する。
【００４３】
また、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の弾性力（トルク）は、第１のプーリ１２６の半径または第２のプーリ１５６の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第１と第２の関節部１２０，１５０に作用する。
【００４４】
さらに、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２のたわみ量は、第１の関節部１２０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第２の関節部１５０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
【００４５】
なお、ここでは、第１と第２の係止部２１０，２２０の弾性体として、引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを用いても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段として、第１と第２のプーリ１２６，１５６を用いたが、これ以外の構成であってもよい。
【００４６】
なお、図１と図２は、第１と第２の関節部１２０，１５０がホームポジションに停止している状態（すなわち、第１と第２のモータ１３０，１６０が駆動していない状態）を示している。
【００４７】
＜実施例１に係る多関節アーム機構の動作＞
以下に、実施例１に係る多関節アーム機構の動作について説明する。
【００４８】
図３〜図５は、それぞれ、実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図である。
【００４９】
図３は、２関節アーム機構１００の第１と第２の関節部１２０，１５０がホームポジション（図１と図２参照）から任意の角度だけ回転した状態（すなわち、第１と第２のモータ１３０，１６０が駆動した状態）を示している。
【００５０】
図４は、図３に、Ｘ軸とＹ軸からなる２次元の空間座標を加えたものである。なお、図４は、空間座標の原点（すなわち、ベース部１０４のベースアーム１０６の先端）から正方向にＸ軸とＹ軸が描かれるように、図３を１８０度回転して示している。
【００５１】
図４中、ｒ1は、第１のプーリ１２６の半径を示し、ｒ2は、第２のプーリ１５６の半径を示している。また、Ｌ1は、第１のアーム１１０のアーム長を示し、Ｌ2は、第２のアーム１４０のアーム長を示している。また、θ1は、第１の関節部１２０の関節角度を示し、θ2は、第２の関節部１５０の関節角度を示している。また、座標（ｘ、ｙ）は、自由端（すなわち、第２のアーム１４０の先端）の位置を示している。
【００５２】
図５は、自由端である第２のアーム１４０の先端の位置の座標およびベクトルを示している。
【００５３】
一般に、多関節アーム機構の自由端（ここでは、２関節アーム機構１００の第２のアーム１４０の先端）の速度と関節角度の速度、あるいは、第１と第２の関節軸１２２，１５２に働くトルク（以下、関節軸トルクと称する）と自由端の力は、ヤコビ行列で関連付けられることが知られている。関節軸トルクと自由端の力は、以下に説明するいくつかの数式に基づいて、求めることができる。
【００５４】
２関節アーム機構１００では、自由端の座標（ｘ，ｙ）は、以下の式１となる。
【００５５】
【数２】
【００５６】
ここで、θ1とθ2が独立変数であることに着目すれば、自由端の微小変位（Δｘ，Δｙ）Tと関節角度の微小変位（Δθ1，Δθ2）Tとの関係は、以下の式２として表現できる。なお、「Ｔ」は、転置行列（ｔｒａｎｓｐｏｓｅｄ ｍａｔｒｉｘ）を示す記号である。転置行列は、ａｉｊを（ｉ，ｊ）成分とする（ｍ，ｎ）型の行列Ａ＝（ａｉｊ）に対して、ａｊｉを（ｉ，ｊ）成分とする（ｎ，ｍ）型に変換した行列である。ここでは、自由端の微小変位（Δｘ，Δｙ）Tと関節角度の微小変位（Δθ1，Δθ2）Tは、２行１列の成分であることを表している。
【００５７】
【数３】
【００５８】
ここで、以下の式３は、ヤコビ行列である。
【００５９】
【数４】
【００６０】
一方、エネルギー保存則により、関節角度の微小変位と関節軸トルクでなす仕事量は、自由端の微小変位と自由端の力でなす仕事量に等しいので、任意の（Δθ1，Δθ2）Tに対して、以下の式４が成り立つ。
【００６１】
【数５】
【００６２】
ここで、ヤコビ行列をＪと表せば、式４は、以下の式５となる。したがって、以下の式６が成り立つ。なお、２関節アーム機構１００では、ヤコビ行列Ｊは、第２の関節部１５０の座標を（ｘ1，ｙ1）Tとして以下の式７とも表現できる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
ここで、上記の式６に基づいて、関節軸トルクから自由端の力を求めると、自由端の力は、以下の式８となり、さらに、以下の式９となる。
【００６５】
【数７】
【００６６】
ここで、自由端の位置をベクトルで表せば、図５のようになるので、自由端の位置ベクトルは、以下の式１０として表現できる。なお、図５中、ベクトルａは、自由端（すなわち、第２のアーム１４０の先端）の原点（すなわち、第１の回転軸１２２）からのベクトルを示し、ベクトルｂは、第２のアーム１４０の先端の第２の関節軸１５２からのベクトルを示し、ベクトルｃは、第１のアーム１１０の先端の原点からのベクトルを示している。
【００６７】
【数８】
【００６８】
また、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の弾性力（トルク）は、前述の通り、第１のプーリ１２６の半径または第２のプーリ１５６の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第１と第２の関節部１２０，１５０に作用する。
【００６９】
さらに、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２のたわみ量は、前述の通り、第１の関節部１２０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第２の関節部１５０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
【００７０】
そこで、２関節アーム機構１００において、２つのアクチュエータ（第１と第２のモータ１３０，１６０）が発生するトルクをそれぞれτa1，τa2とし、第１と第２の係止部２１０，２２０の２つの弾性体（第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２）のバネ定数をともにκとし、２つの弾性体が接続されている２つの弾性力伝達部（第１と第２のプーリ１２６，１５６）のモーメントアームをそれぞれγ1，γ2とし、弾性体が自然長となる関節角度をそれぞれθ10，θ20とし、その関節角度θ10，θ20からの変位角度をそれぞれδ1，δ2とする。すると、関節軸トルクτ1，τ2は、以下の式１１として表現でき、また、自由端の出力は、以下の式１２として表現できる。
【００７１】
【数９】
【００７２】
ここで、以下の式１３の成分は、姿勢変化（すなわち、関節角度の変化）に依存しない成分であり、以下の式１４の成分は、姿勢変化に依存する成分である。
【００７３】
【数１０】
【００７４】
これら姿勢変化に依存しない成分と姿勢変化に依存する成分とを区別することにより、自由端の力は、アクチュエータが関節軸に作用するトルクによって、制御することができる。また、関節角度の変位に対する応答（すなわち、自由端の剛性）は、モーメントアームによって、制御することができる。
【００７５】
したがって、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、従来の第２の構成例と比較すると、アクチュエータの一つが弾性を有する係止部に置き換えられているため、アクチュエータの数を従来の第２の構成例よりも減らしながら（すなわち、従来の第１の構成例と同じにしながら）、自由端である第２のアーム１４０の先端の位置と力と剛性を容易に制御することができる。
【００７６】
そのため、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決している。
【００７７】
＜実施例１に係る多関節アーム機構の制御＞
以下に、実施例１に係る多関節アーム機構の制御について説明する。
【００７８】
多関節アーム機構１００の制御部１０９は、第１と第２の測定手段１２８，１５８によって測定された関節角度を用いて、以下の式１５に基づいて、第１と第２の関節部１２０，１５０の関節軸トルクが変化するように、第１と第２のアクチュエータである第１と第２のモータ１３０，１６０を制御する。
【００７９】
【数１１】
【００８０】
ここで、（τa1，τa2）Tは、第１と第２のアクチュエータである第１と第２のモータ１３０，１６０の制御量として算出する関節軸トルクである。また、（τu1，τu2）Tは、任意の関節軸トルクであり、姿勢変化（すなわち、関節角度の変化）に依存しない成分である。また、以下の式１６は、任意の弾性係数である。また、（δ1，δ2）Tは、関節角度である。そして、以下の式１７は、姿勢変化に依存する成分である。
【００８１】
【数１２】
【００８２】
自由端での出力は、以下の式１８となり、自由端に、以下の式１９の力と以下の式２０の剛性が発生する。
【００８３】
【数１３】
【００８４】
力と剛性は、ともに、任意に設定できる係数を有している。そのため、自由端の力と剛性は、それぞれ、図６に示すブロックに基づいて制御することができる。なお、図６は、実施例１に係る多関節アーム機構の制御ブロックを示す図である。図６中、Ｇ2（ｓ）はアクチュエータのオープンループ特性である。なお、オープンループ特性とは、例えば、モータの慣性モーメントを負荷と角度でステップ的に変化させる場合の、モータの回転速度の立ち上がり具合などを意味する。また、Ｇ（ｓ）は、制御器特性であり、Ｈ（ｓ）は、遅れ補償器特性である。
【００８５】
このような実施例１に係る多関節アーム機構１００は、２つの関節部に同時に作用する弾性体があるため、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い角度変位入力に対しても一定の弾性を有する特徴がある。
【００８６】
実施例１に係る多関節アーム機構１００は、関節軸に作用するアクチュエータのトルクを関節角度変位に応じて変化させることにより、自由端の剛性を任意に制御することができる。そのため、例えば、アーム式ロボットなどの装置の動作に最適な剛性を実現することができる。
【００８７】
また、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、２つの係止部の弾性力が、２つの関節部の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように、同時に作用する。そのため、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い入力に対しても、２つの係止部の弾性力によって一定の力と剛性を保つことができ、特に、落下物や飛来物を柔軟に捕獲するなどの素早い動作を容易に実現することができる。
【００８８】
その上、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、２つの係止部を、例えば引張りコイルスプリングや、トーションバー、ねじりコイルスプリングなどの、動力を必要としない簡素でかつ安価な部材で構成することができる。そのため、実施例１に係る多関節アーム機構は、動力を必要としない簡素な部材で安価に構成することができる。
【実施例２】
【００８９】
＜実施例２に係る多関節アーム機構の構成＞
以下に、実施例２に係る多関節アーム機構の構成について説明する。
【００９０】
実施例２に係る多関節アーム機構は、実施例１に係る多関節アーム機構１００に、さらに１対のアームと関節部を追加して、３つの関節部を有する構成となっている。なお、ここでは、このような構成の多関節アーム機構を、ロボットの脚に適用する場合を例にして説明する。
【００９１】
図７は、実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図であり、図８は、実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す正面図である。なお、図７と図８は、各構成要素を模式的に示したものであり、特に、ベースアーム１０６や第１と第２のアーム１１０，１４０、後述の第３のアーム１７０は、その中心線のみを示している。また、図７では、ギア１２４，１３２，１５４，１６２や後述のギア１８４，１９２の歯の内径を一点鎖線の円で示し、歯の外径を実線の円で示している。
【００９２】
図７と図８に示すように、実施例２に係る多関節アーム機構（以下、３関節アーム機構と称する場合もある）６００は、実施例１に係る多関節アーム機構１００と同様の構成要素に加え、第２の関節部１５０を第３のプーリ１５７が設けられた２重構造（図８参照）にするとともに、第３のアーム１７０と、第３の関節部１８０と、第３のモータ１９０と、第３と第４の係止部２３０，２４０とを有する。
【００９３】
第２の関節部１５０は、第２の関節軸１５２と、ギア１５４と、第２のプーリ１５６と、第２の測定手段１５８とに加え、第１のアーム１１０に固定された第３のプーリ１５７を備える。第３のプーリ１５７は、第２の関節軸１５２やギア１５４、第２のプーリ１５６とともに、第１のアーム１１０の先端を共通の軸にして配置されている。なお、第３のプーリ１５７の半径は、制御部１０９が制御し易いように、第２のプーリ１５６と同じ半径であることが好ましい。
【００９４】
第３のアーム１７０は、Ｌ字状に形成された長尺な部材であり、後端が後述の第４のプーリ１８６に固定されている。第３のアーム１７０は、第３のモータ１９０が回転することにより、後述の第３の関節軸１８２を中心にして第４のプーリ１８６とともに回転する。なお、第３のアーム１７０は、後端に、回転角度を規制するための突起１７２が設けられている。実施例２では、この第３のアーム１７０の先端が、自由端となる。
【００９５】
第３の関節部１８０は、第３の関節軸１８２と、ギア１８４と、第３のアーム１７０に固定された第４のプーリ１８６と、第３の関節部１８０（具体的には、ギア１８４）の関節角度（すなわち、第３のアーム１７０の回転角度）を測定する第３の測定手段１８８とを備える。第３の関節軸１８２とギア１８４と第４のプーリ１８６は、それぞれ、第２のアーム１４０の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第３の関節軸１８２は、第２のアーム１４０の先端に固定され、ギア１８４と第４のプーリ１８６は、第２のアーム１４０の先端に回転可能に配置されている。なお、ギア１８４は、第３のアーム１７０に固定され、第３の関節軸１８２を中心にして第３のモータ１９０によって第３のアーム１７０とともに回転する第３の動力伝達部となっている。また、第４のプーリ１８６は、ギア１８４とともに第３のアーム１７０に固定され、第３のモータ１９０によってギア１８４が回転すると、第３の関節軸１８２を中心にして第３のアーム１７０とともに回転する。第３の測定手段１８８は、例えば、第２のアーム１４０に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第３の測定手段１８８は、例えば、ギア１８４に固定されたスリット板と第２のアーム１４０に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第３の測定手段１８８は、測定した第３の関節部１８０の関節角度（すなわち、第３のアーム１７０の回転角度）を、図示しない配線を介して制御部１０９に出力する。制御部１０９は、第１と第２と第３の測定手段１２８，１５８，１８８から出力された第１と第２と第３の関節部１２０，１５０，１８０の関節角度に基づいて、第１と第２と第３のモータ１３０，１６０，１９０の剛性を変更する。
【００９６】
第３のモータ１９０は、第３のアーム１７０を回転させる第３のアクチュエータである。第３のモータ１９０は、第２のアーム１４０に固定され、かつ、第３の関節部１８０のギア１８４と噛み合うギア１９２が取り付けられている。第３のモータ１９０は、制御部１０９の制御により回転力を発生して、ギア１９２を介して、ギア１８４に固定された第４のプーリ１８６と第３のアーム１７０とを回転させる。なお、第３のモータ１９０を第２のアーム１４０に固定する位置は、図７に直角記号として示すように、第３のモータ１９０のギア１９２の外周が第２のアーム１４０の中心線と接するとともに、ギア１９２が第３の関節部１８０のギア１８４と噛み合う位置である。
【００９７】
第２の関節部１５０の第３のプーリ１５７と第３の関節部１８０の第４のプーリ１８６は、第２のアーム１４０の両側で、弾性を有する第３の係止部２３０と弾性を有する第４の係止部２４０によって係止されている。なお、第３のプーリ１５７は、第３の係止部２３０の弾性力と第４の係止部２４０の弾性力を第２の関節軸１５２に伝達する第３の弾性力伝達部となっている。また、第４のプーリ１８６は、第３の係止部２３０の弾性力と第４の係止部２４０の弾性力を第３の関節軸１８２に伝達する第４の弾性力伝達部となっている。
【００９８】
第３の係止部２３０は、例えば、弾性体である第３の引張りコイルスプリング２３２と２本のワイヤ２３４，２３６を備える構成として形成されている。第３の係止部２３０のワイヤ２３４は、先端が第３の引張りコイルスプリング２３２の後端のフックに固定され、後端が第３のプーリ１５７の外周に巻きつけられて固定されている。第３の引張りコイルスプリング２３２は、先端のフックがワイヤ２３６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２３４の先端に固定されている。ワイヤ２３６は、先端が第４のプーリ１８６の外周に巻きつけられて固定され、後端が第３の引張りコイルスプリング２３２の先端のフックに固定されている。
【００９９】
また、第４の係止部２４０は、例えば、弾性体である第４の引張りコイルスプリング２４２と２本のワイヤ２４４，２４６を備える構成として形成されている。第４の係止部２４０のワイヤ２４４は、先端が第４の引張りコイルスプリング２４２の後端のフックに固定され、後端が第３のプーリ１５７の外周にワイヤ２３４の後端とは逆向きに巻きつけられて固定されている。第４の引張りコイルスプリング２４２は、先端のフックがワイヤ２４６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２４４の先端に固定されている。ワイヤ２４６は、先端が第４のプーリ１８６の外周にワイヤ２３６の先端とは逆向きに巻きつけられて固定され、後端が第４の引張りコイルスプリング２４２の先端のフックに固定されている。
【０１００】
なお、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２は、ここでは、ともに同じ弾性係数となっている。また、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２は、第２と第３のアーム１４０，１７０が回転していない状態（すなわち、第２と第３のアーム１４０，１７０の各先端が同一方向を向いている状態）で、釣り合いがとれた状態となっている。このとき、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２は、ともに同じ長さだけ伸びた状態となっている。以下、この状態における第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の長さを、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の自然長と称する。
【０１０１】
各ワイヤ２３４，２３６，２４４，２４６は、弾性体である第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の弾性力によって常に引っ張られる。そのため、各ワイヤ２３４，２３６，２４４，２４６の軸線は、第２と第３のアーム１４０，１７０の動作範囲内において、常に、第３または第４のプーリ１５７，１８６の接線方向に存在する。
【０１０２】
また、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の弾性力（トルク）は、第３のプーリ１５７の半径または第４のプーリ１８６の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第２と第３の関節部１５０，１８０に作用する。
【０１０３】
さらに、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２のたわみ量は、第２の関節部１５０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第４の関節部１８０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
【０１０４】
なお、ここでは、第３と第４の係止部２３０，２４０の弾性体として、引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを用いても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段として、第３と第４のプーリ１５７，１８６を用いたが、これ以外の構成であってもよい。
【０１０５】
なお、図７と図８は、第１と第２と第３の関節部１２０，１５０，１８０がホームポジションに停止している状態（すなわち、第１と第２と第３のモータ１３０，１６０，１９０が駆動していない状態）を示している。
【０１０６】
このような多関節アーム機構６００は、前述の通り、ロボットの脚に用いることができる。この場合、ベース部１０４が胴体（Ｂｏｄｙ）として機能し、第１のアーム１１０が大腿（Ｔｈｉｇｈ）として機能し、第１の関節部１２０が股関節（Ｈｉｐ ｊｏｉｎｔ）として機能し、第２のアーム１４０がすね（Ｌｅｇ）として機能し、第２の関節部１５０がひざ関節（Ｋｎｅｅ）として機能し、第３のアーム１７０が足（ｆｏｏｔ）として機能し、第３の関節部１８０が足首関節（Ａｎｋｌｅ）として機能する。
【０１０７】
このような多関節アーム機構６００は、第３と第４の弾性力伝達部である第３と第４のプーリ１５７，１８６が、実施例１に係る多関節アーム機構１００における第１と第２の弾性力伝達部である第１と第２のプーリ１２６，１５６と同様に作用する。そのため、多関節アーム機構６００は、３つの関節部を有する構成で、２つの関節部を有する実施例１に係る多関節アーム機構１００と同様の動作を実現することができる。
【０１０８】
＜実施例２に係る多関節アーム機構の動作＞
以下に、実施例２に係る多関節アーム機構の動作について説明する。
【０１０９】
図９と図１０は、それぞれ、実施例２に係る多関節アーム機構の動作例を示す図である。なお、ここでは、図９と図１０の、図４または図５に共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【０１１０】
図９は、３関節アーム機構６００の第１と第２と第３の関節部１２０，１５０，１８０がホームポジション（図７と図８参照）から任意の角度だけ回転した状態（すなわち、第１と第２と第３のモータ１３０，１６０，１９０が駆動した状態）を示している。
【０１１１】
図９中、ｒ3は、第４のプーリ１８６の半径を示している。なお、第３のプーリ１５７の半径は、ここでは、第２のプーリ１５６の半径と同じｒ2となっている。また、Ｌ3は、第３のアーム１７０のアーム長を示している。
【０１１２】
図１０は、自由端である第３のアーム１７０の先端の位置の座標を示している。
【０１１３】
図１０中、θ3は、第３の関節部１８０の関節角度を示している。また、座標（ｘ、ｙ）は、自由端（すなわち、第３のアーム１７０の先端）の位置を示している。
【０１１４】
３関節アーム機構６００において、第１と第２と第３の関節軸１２２，１５２，１８２に働くトルク（以下、関節軸トルクと称する）と自由端の力は、実施例１に係る２関節アーム機構１００と同様に、ヤコビ行列で関連付けられる。３関節アーム機構６００では、関節軸トルクと自由端の力は、以下の式２１の通りである。
【０１１５】
【数１４】
【０１１６】
ここで、θは、θ＝θ1＋θ2＋θ3である。
【０１１７】
また、ヤコビ行列Ｊは、図１０中の記号を用いると、以下の式２２として表される。
【０１１８】
【数１５】
【０１１９】
また、自由端の出力は、以下の式２３として表すことができる
【０１２０】
【数１６】
【０１２１】
したがって、３関節アーム機構６００は、２次元平面内の力をすべて規定することができるので、自由端の位置と力と剛性を制御することができる。
【０１２２】
なお、３関節アーム機構６００は、ロボットの脚に用いた場合に、外部から負荷が与えられたときでも、以下の原理により、ロボットの姿勢が平衡な状態になるように、ポテンシャルエネルギーが変化する。そのため、ロボットは、立位の安定性を容易に獲得できる。
【０１２３】
ロボットの姿勢が平衡点から変化することによるポテンシャルエネルギーの変化を、図１１に示す。なお、図１１は、ロボットの姿勢の変化とポテンシャルエネルギーの変化の関係を示すグラフ図である。図１１は、股関節（第１の関節部１２０）の位置が平衡点からｘ方向とｙ方向に変位したときのポテンシャルエネルギーを曲面で示している。ポテンシャルエネルギーは、ここでは、股関節とひざ関節（第１と第２の関節部１２０，１５０）およびひざ関節と足首関節（第２と第３の関節部１５０，１８０）に跨って配置された第１〜第４の係止部２１０，２２０，２３０，２４０に蓄積される弾性エネルギーと、ロボット全体の位置エネルギーとの和となる。
【０１２４】
図１１中、曲線は、等しいポテンシャルエネルギーの領域を示す、等ポテンシャル曲線である。ポテンシャルエネルギーは、平衡点（０，０）で極小値を有している。そのため、外部から与えられた負荷によってロボットの姿勢が変化し、これによってポテンシャルエネルギーが平衡点から変位すると、ロボットの姿勢を平衡点の姿勢に戻すような復元力が常に働く。そのため、ロボットは、立位の安定性を容易に獲得できる。
【０１２５】
また、摩擦力、粘性抵抗などの、エネルギーを消費する要素は、実用上必ず存在するので、リアプノフの安定性（Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；公知のリアプノフ関数の正・負定値性を調べることによって決定されるシステムの安定性）が成り立つ。そのため、ロボットは、これによっても、立位の安定性を容易に獲得できる。
【０１２６】
このような３関節アーム機構６００を用いたロボットは、平衡点において漸近安定性を有することになり、一定範囲の外乱（外部から与えられた負荷）に対して、上体の傾斜角度や、足裏の荷重分布を制御部１０９にフィードバックして制御しなくても、立位姿勢を保持することができる。
【０１２７】
このように、３関節アーム機構６００をロボットの脚に適用すれば、立位の安定性を容易に獲得できるので、脚式移動ロボットの制御を簡易にできる。
【０１２８】
また、３関節アーム機構６００は、実施例１に係る２関節アーム機構１００と同様に、アクチュエータが応答しきれないような速い動きに対しても、一定の弾性を保つことができる。そのため、跳躍動作や着地動作の安定性を向上することができる。
【０１２９】
なお、実施例２では、多関節軸に同時に作用する弾性体に、拮抗する２本の引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを使用しても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段は、前述の実施例に制限されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
この発明は、例えば、マニュピレータやパワーショベルのアームなどにも適用することができる。
【０１３１】
また、この発明は、前述の実施例１と２に限定されることなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の応用や変形が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図である。
【図２】実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す上面図である。
【図３】実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（１）である。
【図４】実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（２）である。
【図５】実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（３）である。
【図６】実施例１に係る多関節アーム機構の制御ブロックを示す図である。
【図７】実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図である。
【図８】実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す正面図である。
【図９】実施例２に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（１）である。
【図１０】実施例２に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（２）である。
【図１１】ロボットの姿勢の変化とポテンシャルエネルギーの変化の関係を示すグラフ図である。
【図１２】従来の多関節アーム機構の第１の構成例を示す図である。
【図１３】従来の多関節アーム機構の第２の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１００ …多関節アーム機構（２関節アーム機構）
１０４ …ベース部
１０５ …ベース
１０６ …ベースアーム
１０９ …制御部
１１０ …第１のアーム
１２０ …第１の関節部
１２２ …第１の関節軸
１２４，１３２，１５４，１６２ …ギア（動力伝達部）
１２６ …第１のプーリ（第１の弾性力伝達部）
１２８，１５８ …測定手段
１３０ …第１のモータ（第１のアクチュエータ）
１４０ …第２のアーム
１５０ …第２の関節部
１５２ …第２の関節軸
１５６ …第２のプーリ（第２の弾性力伝達部）
１６０ …第２のモータ（第２のアクチュエータ）
２１０ …第１の係止部
２１２ …第１の引張りコイルスプリング（弾性体）
２１４，２１６，２２４，２２６ …ワイヤ
２２０ …第２の係止部
２２２ …第２の引張りコイルスプリング（弾性体）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、種々の負荷を支持した姿勢でアーム先端の剛性制御を必要とする多関節アーム機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に「多関節アーム機構」と称される、長尺状に形成された第１のアームの後端を動作の基点となるベース部に回転可能に接続し、さらに、第１のアームの先端を長尺状に形成された第２のアームの後端に回転可能に接続した機構がある（例えば、特許文献１参照）。このような機構は、例えば、ロボットやマニュピレータ、パワーショベルなどの装置に用いられている。
【０００３】
図１２は、従来の多関節アーム機構の第１の構成例を示す図である。なお、関節の数は、図１２に示す例では、２つだけであるが、３つ以上の場合もある。また、図中、白丸は、回転可能な部位を示している。
【０００４】
図１２に示すように、第１の構成例の多関節アーム機構１は、第１のアーム１０の後端が関節部２０を介してベース５に回転可能に接続され、また、第１のアーム１０の略中央が油圧シリンダなどの伸縮するアクチュエータ３０の先端に回転可能に接続され、さらに、第１のアーム１０の先端が関節部５０を介して第２のアーム４０の後端に回転可能に接続されている。このような多関節アーム機構１は、アクチュエータ３０が伸縮することによって、第１のアーム１０が関節部２０を中心にして回転する。なお、アクチュエータ３０の後端は、ベース５に回転可能に接続されている。
【０００５】
また、多関節アーム機構１は、第２のアーム４０の後端が関節部５０を介して第１のアーム１０に回転可能に接続され、また、第２のアーム４０の略中央が油圧シリンダなどの伸縮するアクチュエータ６０の先端に回転可能に接続されている。このような多関節アーム機構１は、アクチュエータ６０が伸縮することによって、第２のアーム４０が関節部５０を中心にして回転する。なお、第２のアーム４０の先端は、自由端となっており、アクチュエータ３０または６０が伸縮することによって、位置が移動する、または、外部に対して力を与える、または、外部から力（負荷）が与えられているときには外部から与えられた力に対する復元力（剛性）が発生する。また、アクチュエータ６０の後端は、関節部５０に回転可能に接続されている。
【０００６】
ところで、図１２に示す多関節アーム機構１は、第１のアーム１０の後端に対する第２のアーム４０の先端の位置と力と剛性の独立した制御が制御理論的にきわめて困難なため、第２のアーム４０の先端に対して近似的に位置と力と剛性の制御を行っている。しかしながら、多関節アーム機構１は、自由端である第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合に、正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、多関節アーム機構１は、第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行えるように、アクチュエータ３０，６０が負荷に比べて過大な出力および制動力を持つとともに、そのアクチュエータ３０，６０を駆動する電源（図示せず）が過大な容量を持つように構成されていた。これにより、多関節アーム機構１は、自由端である第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行えるようにはなった。しかしながら、このように構成された多関節アーム機構１は、アクチュエータ３０，６０が過大な出力および制動力を持つとともに、電源が過大な容量を持つため、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題が生じていた。
【０００８】
そこで、第１の構成例の問題を解決する多関節アーム機構として、図１３に示す、第２の構成例が提供された。
【０００９】
図１３は、従来の多関節アーム機構の第２の構成例を示す図である。なお、図中、白丸は、回転可能な部位を示している。
【００１０】
図１３に示すように、第２の構成例の多関節アーム機構２は、第１の構成例の多関節アーム機構１の構成要素に、アクチュエータ７０が追加されている。このアクチュエータ７０は、先端が第２のアーム４０に回転可能に接続され、かつ、後端がベース５に回転可能に接続されており、アクチュエータ３０とアクチュエータ６０とが協同的に行う回転動作に拮抗する回転動作を行う。このような多関節アーム機構２は、３つのアクチュエータ３０，６０，７０を同時に作動させることによって、第２のアーム４０の先端の位置と力と剛性を別個に制御することができる。そのため、多関節アーム機構２は、アクチュエータ３０，６０の出力および制動力や電源の容量を必要量だけにとどめることができる。その結果、多関節アーム２は、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題を解決しつつ、第２のアーム４０の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行える。
【００１１】
しかしながら、多関節アーム２は、追加のアクチュエータ７０が必要である。また、追加のアクチュエータ７０を駆動させるために、電源の容量を増大させる必要もある。そのため、多関節アーム機構２は、重量が増大するとともに、コストが高騰するという問題があった。
【特許文献１】特開平８−１９９７３号公報（段落１〜段落３１、図１〜図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の第１の構成例には、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題があり、これを解決しようとすると、新たに、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題が生じていた。
【００１３】
また、第１の構成例の問題を解決したとされる第２の構成例には、重量が増大するとともに、コストが高騰するという問題があった。
【００１４】
したがって、従来は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述の課題を解決するために、第１の発明に係る多関節アーム機構は、動作の基点となるベース部と、ベース部に回転可能に接続される第１のアームと、ベース部と第１のアームとを接続する第１の関節部と、第１の関節部を中心にして第１のアームを回転させる第１のアクチュエータと、第１のアームに回転可能に接続される第２のアームと、第１のアームと第２のアームとを接続する第２の関節部と、第２の関節部を中心にして第２のアームを回転させる第２のアクチュエータとを有する。そして、第１の関節部は、ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、第２の関節部は、第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部を備え、第１の弾性力伝達部と第２の弾性力伝達部は、第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止されている。
【００１６】
第１の発明に係る多関節アーム機構は、２つの係止部が２つの関節部の弾性力伝達部に対して同時に弾性力を作用する。
【００１７】
第１の発明に係る多関節アーム機構は、従来の第２の構成例と比較すると、アクチュエータの一つが弾性を有する係止部に置き換えられているため、アクチュエータの数を従来の第２の構成例よりも減らしながら（すなわち、従来の第１の構成例と同じにしながら）、自由端である第２のアームの先端の位置と力と剛性を容易に制御することができる。
【００１８】
そのため、第１の発明に係る多関節アーム機構は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決している。
【００１９】
しかも、第１の発明に係る多関節アーム機構は、２つの係止部の弾性力が、２つの関節部の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように、同時に作用する。そのため、第１の発明に係る多関節アーム機構は、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い入力に対しても、２つの係止部の弾性力によって一定の力と剛性を保つことができ、特に、落下物や飛来物を柔軟に捕獲するなどの素早い動作を容易に実現することができる。
【００２０】
その上、第１の発明に係る多関節アーム機構は、２つの係止部を、例えば引張りコイルスプリングや、トーションバー、ねじりコイルスプリングなどの、動力を必要としない簡素でかつ安価な部材で構成することができる。そのため、第１の発明に係る多関節アーム機構は、動力を必要としない簡素な部材で安価に構成することができる。
【００２１】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、第１の発明に係る多関節アーム機構の構成要素に加え、さらに、第２のアームに回転可能に接続される第３のアームと、第２のアームと第３のアームとを接続する第３の関節部と、第３の関節部を中心にして第３のアームを回転させる第３のアクチュエータとを有する。そして、第２の関節部は、第２の弾性力伝達部に加え、さらに、第１のアームに固定された第３の弾性力伝達部を備え、第３の関節部は、第３のアームに固定された第４の弾性力伝達部を備え、第３の弾性力伝達部と第４の弾性力伝達部は、第２のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第３の係止部と弾性を有する第４の係止部とによって係止されている。
【００２２】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、４つの係止部が３つの関節部の弾性力伝達部に対して同時に弾性力を作用する。
【００２３】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、例えば、２足歩行型のロボットの脚部に用いることができる。この場合、第２の発明に係る多関節アーム機構の各構成要素は、ベース部が胴体として機能し、第１のアームが大腿として機能し、第１の関節部が股関節として機能し、第２のアームがすねとして機能し、第２の関節部がひざ関節として機能し、第３のアームが足として機能し、第３の関節部が足首関節として機能する。
【００２４】
第２の発明に係る多関節アーム機構は、第３と第４の弾性力伝達部が、第１の発明に係る多関節アーム機構における第１と第２の弾性力伝達部と同様に作用する。そのため、第２の発明に係る多関節アーム機構は、３つの関節部を有する構成で、２つの関節部を有する第１の発明に係る多関節アーム機構と同様の動作を実現することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明に係る多関節アーム機構は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
この発明は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決する多関節アーム機構を提供することを目的とする。このような目的を達成するために、この発明では、多関節アーム機構を以下のように構成する。すなわち、ベース部と第１のアームとを接続する第１の関節部が、ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、第１のアームと第２のアームとを接続する第２の関節部が、第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部を備え、第１の弾性力伝達部と第２の弾性力伝達部は、第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止されているように、多関節アーム機構を構成する。
【００２７】
以下に、図を参照してこの発明の実施の形態を説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさおよび配置関係を、この発明を理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、この発明は図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００２８】
＜実施例１に係る多関節アーム機構の構成＞
以下に、実施例１に係る多関節アーム機構の構成について説明する。なお、ここでは、関節部の数が２つとなっている２関節アーム機構を例にして説明する。
【００２９】
図１は、実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図であり、図２は、実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す上面図である。なお、図１と図２は、各構成要素を模式的に示したものであり、特に、後述のベースアーム１０６や第１と第２のアーム１１０，１４０は、その中心線のみを示している。また、図１では、後述のギア１２４，１３２，１５４，１６２の歯の内径を一点鎖線の円で示し、歯の外径を実線の円で示している。
【００３０】
図１と図２に示すように、実施例１に係る多関節アーム機構（以下、２関節アーム機構と称する場合もある）１００は、動作の基点となるベース部１０４と、ベース部１０４に回転可能に接続される第１のアーム１１０と、ベース部１０４と第１のアーム１１０とを接続する第１の関節部１２０と、第１のアーム１１０を回転させる第１のモータ１３０と、第１のアーム１１０に回転可能に接続される第２のアーム１４０と、第１のアーム１１０と第２のアーム１４０とを接続する第２の関節部１５０と、第２のアーム１４０を回転させる第２のモータ１６０とを有する。
【００３１】
ベース部１０４は、例えばロボットやマニュピレータ、パワーショベルなどの装置本体、または、壁や床などの固定対象であるベース１０５と、ベース１０５から張り出した長尺部材であるベースアーム１０６とを備える。なお、ここでは、ベース１０５が、第１と第２のモータ１３０，１６０の駆動を制御する制御部１０９を有しているものとする。この制御部１０９は、各関節部の平衡点からの回転角度（以下、関節角度と称する）に応じて各関節部を回転させる第１と第２のモータ１３０，１６０の剛性を変更するプログラムが格納されたＣＰＵである。また、ベース部１０４は、任意の点を空間座標における原点として第１と第２のアームを回転動作させる。ここでは、第１と第２のアーム１１０，１４０の回転動作の空間座標における原点を、ベースアーム１０６の先端（すなわち、第１関節部１２０の回転の中心位置）とする。
【００３２】
第１のアーム１１０は、長尺な部材であり、後端が後述の第１のプーリ１２６に固定されている。第１のアーム１１０は、第１のモータ１３０が回転することにより、後述の第１の関節軸１２２を中心にして回転する。なお、第１のアーム１１０は、後端に、回転角度を規制するための突起１１２が設けられている。
【００３３】
第１の関節部１２０は、第１の関節軸１２２と、ギア１２４と、ベース部１０４のベースアーム１０６に固定された第１のプーリ１２６と、第１の関節部１２０（具体的には、ギア１２４）の関節角度（すなわち、第１のアーム１１０の回転角度）を測定する第１の測定手段１２８とを備える。第１の関節軸１２２とギア１２４と第１のプーリ１２６は、それぞれ、ベースアーム１０６の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第１の関節軸１２２と第１のプーリ１２６は、ベースアーム１０６の先端に固定されており、第１のモータ１３０が回転しても、ベースアーム１０６に対して回転しない。他方、ギア１２４は、ベースアーム１０６の先端に回転可能に配置されており、第１のモータ１３０が回転すると、ベースアーム１０６に対して回転する。なお、ギア１２４は、第１のアーム１１０に固定され、第１の関節軸１２２を中心にして第１のモータ１３０によって第１のアーム１１０とともに回転する第１の動力伝達部となっている。第１の測定手段１２８は、例えば、ベースアーム１０６に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第１の測定手段１２８は、例えば、ギア１２４に固定されたスリット板とベースアーム１０６に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第１の測定手段１２８は、測定した第１の関節部１２０の関節角度（すなわち、第１のアーム１１０の回転角度）を、図示しない配線を介して制御部１０９に出力する。
【００３４】
第１のモータ１３０は、第１のアーム１１０を回転させる第１のアクチュエータである。第１のモータ１３０は、ベース部１０４のベースアーム１０６に固定され、かつ、第１の関節部１２０のギア１２４と噛み合うギア１３２が取り付けられている。第１のモータ１３０は、制御部１０９の制御により回転力を発生して、ギア１３２を介して、ギア１２４に固定された第１のアーム１１０を回転させる。なお、第１のモータ１３０をベースアーム１０６に固定する位置は、図１に直角記号として示すように、第１のモータ１３０のギア１３２の外周がベースアーム１０６の中心線と接するとともに、ギア１３２が第１の関節部１２０のギア１２４と噛み合う位置である。
【００３５】
第２のアーム１４０は、長尺な部材であり、後端が後述の第２のプーリ１５６に固定されている。第２のアーム１４０は、第２のモータ１６０が回転することにより、後述の第２の関節軸１５２を中心にして第２のプーリ１５６とともに回転する。なお、第２のアーム１４０は、後端に、回転角度を規制するための突起１４２が設けられている。実施例１では、この第２のアーム１４０の先端が、自由端となる。
【００３６】
第２の関節部１５０は、第２の関節軸１５２と、ギア１５４と、第２のアーム１４０に固定された第２のプーリ１５６と、第２の関節部１５０（具体的には、ギア１５４）の関節角度（すなわち、第２のアーム１４０の回転角度）を測定する第２の測定手段１５８とを備える。第２の関節軸１５２とギア１５４と第２のプーリ１５６は、それぞれ、第１のアーム１１０の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第２の関節軸１５２は、第１のアーム１１０の先端に固定され、ギア１５４と第２のプーリ１５６は、第１のアーム１１０の先端に回転可能に配置されている。なお、ギア１５４は、第２のアーム１４０に固定され、第２の関節軸１５２を中心にして第２のモータ１６０によって第２のアーム１４０とともに回転する第２の動力伝達部となっている。また、第２のプーリ１５６は、ギア１５４とともに第２のアーム１４０に固定され、第２のモータ１６０によってギア１５４が回転すると、第２の関節軸１５２を中心にして第２のアーム１４０とともに回転する。第２の測定手段１５８は、例えば、第１のアーム１１０に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第２の測定手段１５８は、例えば、ギア１５４に固定されたスリット板と第１のアーム１１０に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第２の測定手段１５８は、測定した第２の関節部１５０の関節角度（すなわち、第２のアーム１４０の回転角度）を、図示しない配線を介して制御部１０９に出力する。制御部１０９は、第１と第２の測定手段１２８，１５８から出力された第１と第２の関節部１２０，１５０の関節角度に基づいて、第１と第２のモータ１３０，１６０の剛性を変更する。
【００３７】
第２のモータ１６０は、第２のアーム１４０を回転させる第２のアクチュエータである。第２のモータ１６０は、第１のアーム１１０に固定され、かつ、第２の関節部１５０のギア１５４と噛み合うギア１６２が取り付けられている。第２のモータ１６０は、制御部１０９の制御により回転力を発生して、ギア１６２を介して、ギア１５４に固定された第２のプーリ１５６と第２のアーム１４０とを回転させる。なお、第２のモータ１６０を第１のアーム１１０に固定する位置は、図１に直角記号として示すように、第２のモータ１６０のギア１６２の外周が第１のアーム１１０の中心線と接するとともに、ギア１６２が第２の関節部１５０のギア１５４と噛み合う位置である。
【００３８】
第１の関節部１２０の第１のプーリ１２６と第２の関節部１５０の第２のプーリ１５６は、第１のアーム１１０の両側で、弾性を有する第１の係止部２１０と弾性を有する第２の係止部２２０によって係止されている。なお、第１のプーリ１２６は、第１の係止部２１０の弾性力と第２の係止部２２０の弾性力を第１の関節軸１２２に伝達する第１の弾性力伝達部となっている。また、第２のプーリ１５６は、第１の係止部２１０の弾性力と第２の係止部２２０の弾性力を第２の関節軸１５２に伝達する第２の弾性力伝達部となっている。
【００３９】
第１の係止部２１０は、例えば、弾性体である第１の引張りコイルスプリング２１２と２本のワイヤ２１４，２１６を備える構成として形成されている。第１の係止部２１０のワイヤ２１４は、先端が第１の引張りコイルスプリング２１２の後端のフックに固定され、後端が第１のプーリ１２６の外周に巻きつけられて固定されている。第１の引張りコイルスプリング２１２は、先端のフックがワイヤ２１６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２１４の先端に固定されている。ワイヤ２１６は、先端が第２のプーリ１５６の外周に巻きつけられて固定され、後端が第１の引張りコイルスプリング２１２の先端のフックに固定されている。
【００４０】
また、第２の係止部２２０は、例えば、弾性体である第２の引張りコイルスプリング２２２と２本のワイヤ２２４，２２６を備える構成として形成されている。第２の係止部２２０のワイヤ２２４は、先端が第２の引張りコイルスプリング２２２の後端のフックに固定され、後端が第１のプーリ１２６の外周にワイヤ２１４の後端とは逆向きに巻きつけられて固定されている。第２の引張りコイルスプリング２２２は、先端のフックがワイヤ２２６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２２４の先端に固定されている。ワイヤ２２６は、先端が第２のプーリ１５６の外周にワイヤ２１６の先端とは逆向きに巻きつけられて固定され、後端が第２の引張りコイルスプリング２２２の先端のフックに固定されている。
【００４１】
なお、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２は、ここでは、ともに同じ弾性係数となっている。また、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２は、第１と第２のアーム１１０，１４０が回転していない状態（すなわち、第１と第２のアーム１１０，１４０の各先端が同一方向を向いている状態）で、釣り合いがとれた状態となっている。このとき、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２は、ともに同じ長さだけ伸びた状態となっている。以下、この状態における第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の長さを、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の自然長と称する。
【００４２】
各ワイヤ２１４，２１６，２２４，２２６は、弾性体である第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の弾性力によって常に引っ張られる。そのため、各ワイヤ２１４，２１６，２２４，２２６の軸線は、第１と第２のアーム１１０，１４０の動作範囲内において、常に、第１または第２のプーリ１２６，１５６の接線方向に存在する。
【００４３】
また、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の弾性力（トルク）は、第１のプーリ１２６の半径または第２のプーリ１５６の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第１と第２の関節部１２０，１５０に作用する。
【００４４】
さらに、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２のたわみ量は、第１の関節部１２０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第２の関節部１５０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
【００４５】
なお、ここでは、第１と第２の係止部２１０，２２０の弾性体として、引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを用いても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段として、第１と第２のプーリ１２６，１５６を用いたが、これ以外の構成であってもよい。
【００４６】
なお、図１と図２は、第１と第２の関節部１２０，１５０がホームポジションに停止している状態（すなわち、第１と第２のモータ１３０，１６０が駆動していない状態）を示している。
【００４７】
＜実施例１に係る多関節アーム機構の動作＞
以下に、実施例１に係る多関節アーム機構の動作について説明する。
【００４８】
図３〜図５は、それぞれ、実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図である。
【００４９】
図３は、２関節アーム機構１００の第１と第２の関節部１２０，１５０がホームポジション（図１と図２参照）から任意の角度だけ回転した状態（すなわち、第１と第２のモータ１３０，１６０が駆動した状態）を示している。
【００５０】
図４は、図３に、Ｘ軸とＹ軸からなる２次元の空間座標を加えたものである。なお、図４は、空間座標の原点（すなわち、ベース部１０４のベースアーム１０６の先端）から正方向にＸ軸とＹ軸が描かれるように、図３を１８０度回転して示している。
【００５１】
図４中、ｒ1は、第１のプーリ１２６の半径を示し、ｒ2は、第２のプーリ１５６の半径を示している。また、Ｌ1は、第１のアーム１１０のアーム長を示し、Ｌ2は、第２のアーム１４０のアーム長を示している。また、θ1は、第１の関節部１２０の関節角度を示し、θ2は、第２の関節部１５０の関節角度を示している。また、座標（ｘ、ｙ）は、自由端（すなわち、第２のアーム１４０の先端）の位置を示している。
【００５２】
図５は、自由端である第２のアーム１４０の先端の位置の座標およびベクトルを示している。
【００５３】
一般に、多関節アーム機構の自由端（ここでは、２関節アーム機構１００の第２のアーム１４０の先端）の速度と関節角度の速度、あるいは、第１と第２の関節軸１２２，１５２に働くトルク（以下、関節軸トルクと称する）と自由端の力は、ヤコビ行列で関連付けられることが知られている。関節軸トルクと自由端の力は、以下に説明するいくつかの数式に基づいて、求めることができる。
【００５４】
２関節アーム機構１００では、自由端の座標（ｘ，ｙ）は、以下の式１となる。
【００５５】
【数２】
【００５６】
ここで、θ1とθ2が独立変数であることに着目すれば、自由端の微小変位（Δｘ，Δｙ）Tと関節角度の微小変位（Δθ1，Δθ2）Tとの関係は、以下の式２として表現できる。なお、「Ｔ」は、転置行列（ｔｒａｎｓｐｏｓｅｄ ｍａｔｒｉｘ）を示す記号である。転置行列は、ａｉｊを（ｉ，ｊ）成分とする（ｍ，ｎ）型の行列Ａ＝（ａｉｊ）に対して、ａｊｉを（ｉ，ｊ）成分とする（ｎ，ｍ）型に変換した行列である。ここでは、自由端の微小変位（Δｘ，Δｙ）Tと関節角度の微小変位（Δθ1，Δθ2）Tは、２行１列の成分であることを表している。
【００５７】
【数３】
【００５８】
ここで、以下の式３は、ヤコビ行列である。
【００５９】
【数４】
【００６０】
一方、エネルギー保存則により、関節角度の微小変位と関節軸トルクでなす仕事量は、自由端の微小変位と自由端の力でなす仕事量に等しいので、任意の（Δθ1，Δθ2）Tに対して、以下の式４が成り立つ。
【００６１】
【数５】
【００６２】
ここで、ヤコビ行列をＪと表せば、式４は、以下の式５となる。したがって、以下の式６が成り立つ。なお、２関節アーム機構１００では、ヤコビ行列Ｊは、第２の関節部１５０の座標を（ｘ1，ｙ1）Tとして以下の式７とも表現できる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
ここで、上記の式６に基づいて、関節軸トルクから自由端の力を求めると、自由端の力は、以下の式８となり、さらに、以下の式９となる。
【００６５】
【数７】
【００６６】
ここで、自由端の位置をベクトルで表せば、図５のようになるので、自由端の位置ベクトルは、以下の式１０として表現できる。なお、図５中、ベクトルａは、自由端（すなわち、第２のアーム１４０の先端）の原点（すなわち、第１の回転軸１２２）からのベクトルを示し、ベクトルｂは、第２のアーム１４０の先端の第２の関節軸１５２からのベクトルを示し、ベクトルｃは、第１のアーム１１０の先端の原点からのベクトルを示している。
【００６７】
【数８】
【００６８】
また、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２の弾性力（トルク）は、前述の通り、第１のプーリ１２６の半径または第２のプーリ１５６の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第１と第２の関節部１２０，１５０に作用する。
【００６９】
さらに、第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２のたわみ量は、前述の通り、第１の関節部１２０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第２の関節部１５０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
【００７０】
そこで、２関節アーム機構１００において、２つのアクチュエータ（第１と第２のモータ１３０，１６０）が発生するトルクをそれぞれτa1，τa2とし、第１と第２の係止部２１０，２２０の２つの弾性体（第１と第２の引張りコイルスプリング２１２，２２２）のバネ定数をともにκとし、２つの弾性体が接続されている２つの弾性力伝達部（第１と第２のプーリ１２６，１５６）のモーメントアームをそれぞれγ1，γ2とし、弾性体が自然長となる関節角度をそれぞれθ10，θ20とし、その関節角度θ10，θ20からの変位角度をそれぞれδ1，δ2とする。すると、関節軸トルクτ1，τ2は、以下の式１１として表現でき、また、自由端の出力は、以下の式１２として表現できる。
【００７１】
【数９】
【００７２】
ここで、以下の式１３の成分は、姿勢変化（すなわち、関節角度の変化）に依存しない成分であり、以下の式１４の成分は、姿勢変化に依存する成分である。
【００７３】
【数１０】
【００７４】
これら姿勢変化に依存しない成分と姿勢変化に依存する成分とを区別することにより、自由端の力は、アクチュエータが関節軸に作用するトルクによって、制御することができる。また、関節角度の変位に対する応答（すなわち、自由端の剛性）は、モーメントアームによって、制御することができる。
【００７５】
したがって、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、従来の第２の構成例と比較すると、アクチュエータの一つが弾性を有する係止部に置き換えられているため、アクチュエータの数を従来の第２の構成例よりも減らしながら（すなわち、従来の第１の構成例と同じにしながら）、自由端である第２のアーム１４０の先端の位置と力と剛性を容易に制御することができる。
【００７６】
そのため、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決している。
【００７７】
＜実施例１に係る多関節アーム機構の制御＞
以下に、実施例１に係る多関節アーム機構の制御について説明する。
【００７８】
多関節アーム機構１００の制御部１０９は、第１と第２の測定手段１２８，１５８によって測定された関節角度を用いて、以下の式１５に基づいて、第１と第２の関節部１２０，１５０の関節軸トルクが変化するように、第１と第２のアクチュエータである第１と第２のモータ１３０，１６０を制御する。
【００７９】
【数１１】
【００８０】
ここで、（τa1，τa2）Tは、第１と第２のアクチュエータである第１と第２のモータ１３０，１６０の制御量として算出する関節軸トルクである。また、（τu1，τu2）Tは、任意の関節軸トルクであり、姿勢変化（すなわち、関節角度の変化）に依存しない成分である。また、以下の式１６は、任意の弾性係数である。また、（δ1，δ2）Tは、関節角度である。そして、以下の式１７は、姿勢変化に依存する成分である。
【００８１】
【数１２】
【００８２】
自由端での出力は、以下の式１８となり、自由端に、以下の式１９の力と以下の式２０の剛性が発生する。
【００８３】
【数１３】
【００８４】
力と剛性は、ともに、任意に設定できる係数を有している。そのため、自由端の力と剛性は、それぞれ、図６に示すブロックに基づいて制御することができる。なお、図６は、実施例１に係る多関節アーム機構の制御ブロックを示す図である。図６中、Ｇ2（ｓ）はアクチュエータのオープンループ特性である。なお、オープンループ特性とは、例えば、モータの慣性モーメントを負荷と角度でステップ的に変化させる場合の、モータの回転速度の立ち上がり具合などを意味する。また、Ｇ（ｓ）は、制御器特性であり、Ｈ（ｓ）は、遅れ補償器特性である。
【００８５】
このような実施例１に係る多関節アーム機構１００は、２つの関節部に同時に作用する弾性体があるため、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い角度変位入力に対しても一定の弾性を有する特徴がある。
【００８６】
実施例１に係る多関節アーム機構１００は、関節軸に作用するアクチュエータのトルクを関節角度変位に応じて変化させることにより、自由端の剛性を任意に制御することができる。そのため、例えば、アーム式ロボットなどの装置の動作に最適な剛性を実現することができる。
【００８７】
また、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、２つの係止部の弾性力が、２つの関節部の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように、同時に作用する。そのため、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い入力に対しても、２つの係止部の弾性力によって一定の力と剛性を保つことができ、特に、落下物や飛来物を柔軟に捕獲するなどの素早い動作を容易に実現することができる。
【００８８】
その上、実施例１に係る多関節アーム機構１００は、２つの係止部を、例えば引張りコイルスプリングや、トーションバー、ねじりコイルスプリングなどの、動力を必要としない簡素でかつ安価な部材で構成することができる。そのため、実施例１に係る多関節アーム機構は、動力を必要としない簡素な部材で安価に構成することができる。
【実施例２】
【００８９】
＜実施例２に係る多関節アーム機構の構成＞
以下に、実施例２に係る多関節アーム機構の構成について説明する。
【００９０】
実施例２に係る多関節アーム機構は、実施例１に係る多関節アーム機構１００に、さらに１対のアームと関節部を追加して、３つの関節部を有する構成となっている。なお、ここでは、このような構成の多関節アーム機構を、ロボットの脚に適用する場合を例にして説明する。
【００９１】
図７は、実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図であり、図８は、実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す正面図である。なお、図７と図８は、各構成要素を模式的に示したものであり、特に、ベースアーム１０６や第１と第２のアーム１１０，１４０、後述の第３のアーム１７０は、その中心線のみを示している。また、図７では、ギア１２４，１３２，１５４，１６２や後述のギア１８４，１９２の歯の内径を一点鎖線の円で示し、歯の外径を実線の円で示している。
【００９２】
図７と図８に示すように、実施例２に係る多関節アーム機構（以下、３関節アーム機構と称する場合もある）６００は、実施例１に係る多関節アーム機構１００と同様の構成要素に加え、第２の関節部１５０を第３のプーリ１５７が設けられた２重構造（図８参照）にするとともに、第３のアーム１７０と、第３の関節部１８０と、第３のモータ１９０と、第３と第４の係止部２３０，２４０とを有する。
【００９３】
第２の関節部１５０は、第２の関節軸１５２と、ギア１５４と、第２のプーリ１５６と、第２の測定手段１５８とに加え、第１のアーム１１０に固定された第３のプーリ１５７を備える。第３のプーリ１５７は、第２の関節軸１５２やギア１５４、第２のプーリ１５６とともに、第１のアーム１１０の先端を共通の軸にして配置されている。なお、第３のプーリ１５７の半径は、制御部１０９が制御し易いように、第２のプーリ１５６と同じ半径であることが好ましい。
【００９４】
第３のアーム１７０は、Ｌ字状に形成された長尺な部材であり、後端が後述の第４のプーリ１８６に固定されている。第３のアーム１７０は、第３のモータ１９０が回転することにより、後述の第３の関節軸１８２を中心にして第４のプーリ１８６とともに回転する。なお、第３のアーム１７０は、後端に、回転角度を規制するための突起１７２が設けられている。実施例２では、この第３のアーム１７０の先端が、自由端となる。
【００９５】
第３の関節部１８０は、第３の関節軸１８２と、ギア１８４と、第３のアーム１７０に固定された第４のプーリ１８６と、第３の関節部１８０（具体的には、ギア１８４）の関節角度（すなわち、第３のアーム１７０の回転角度）を測定する第３の測定手段１８８とを備える。第３の関節軸１８２とギア１８４と第４のプーリ１８６は、それぞれ、第２のアーム１４０の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第３の関節軸１８２は、第２のアーム１４０の先端に固定され、ギア１８４と第４のプーリ１８６は、第２のアーム１４０の先端に回転可能に配置されている。なお、ギア１８４は、第３のアーム１７０に固定され、第３の関節軸１８２を中心にして第３のモータ１９０によって第３のアーム１７０とともに回転する第３の動力伝達部となっている。また、第４のプーリ１８６は、ギア１８４とともに第３のアーム１７０に固定され、第３のモータ１９０によってギア１８４が回転すると、第３の関節軸１８２を中心にして第３のアーム１７０とともに回転する。第３の測定手段１８８は、例えば、第２のアーム１４０に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第３の測定手段１８８は、例えば、ギア１８４に固定されたスリット板と第２のアーム１４０に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第３の測定手段１８８は、測定した第３の関節部１８０の関節角度（すなわち、第３のアーム１７０の回転角度）を、図示しない配線を介して制御部１０９に出力する。制御部１０９は、第１と第２と第３の測定手段１２８，１５８，１８８から出力された第１と第２と第３の関節部１２０，１５０，１８０の関節角度に基づいて、第１と第２と第３のモータ１３０，１６０，１９０の剛性を変更する。
【００９６】
第３のモータ１９０は、第３のアーム１７０を回転させる第３のアクチュエータである。第３のモータ１９０は、第２のアーム１４０に固定され、かつ、第３の関節部１８０のギア１８４と噛み合うギア１９２が取り付けられている。第３のモータ１９０は、制御部１０９の制御により回転力を発生して、ギア１９２を介して、ギア１８４に固定された第４のプーリ１８６と第３のアーム１７０とを回転させる。なお、第３のモータ１９０を第２のアーム１４０に固定する位置は、図７に直角記号として示すように、第３のモータ１９０のギア１９２の外周が第２のアーム１４０の中心線と接するとともに、ギア１９２が第３の関節部１８０のギア１８４と噛み合う位置である。
【００９７】
第２の関節部１５０の第３のプーリ１５７と第３の関節部１８０の第４のプーリ１８６は、第２のアーム１４０の両側で、弾性を有する第３の係止部２３０と弾性を有する第４の係止部２４０によって係止されている。なお、第３のプーリ１５７は、第３の係止部２３０の弾性力と第４の係止部２４０の弾性力を第２の関節軸１５２に伝達する第３の弾性力伝達部となっている。また、第４のプーリ１８６は、第３の係止部２３０の弾性力と第４の係止部２４０の弾性力を第３の関節軸１８２に伝達する第４の弾性力伝達部となっている。
【００９８】
第３の係止部２３０は、例えば、弾性体である第３の引張りコイルスプリング２３２と２本のワイヤ２３４，２３６を備える構成として形成されている。第３の係止部２３０のワイヤ２３４は、先端が第３の引張りコイルスプリング２３２の後端のフックに固定され、後端が第３のプーリ１５７の外周に巻きつけられて固定されている。第３の引張りコイルスプリング２３２は、先端のフックがワイヤ２３６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２３４の先端に固定されている。ワイヤ２３６は、先端が第４のプーリ１８６の外周に巻きつけられて固定され、後端が第３の引張りコイルスプリング２３２の先端のフックに固定されている。
【００９９】
また、第４の係止部２４０は、例えば、弾性体である第４の引張りコイルスプリング２４２と２本のワイヤ２４４，２４６を備える構成として形成されている。第４の係止部２４０のワイヤ２４４は、先端が第４の引張りコイルスプリング２４２の後端のフックに固定され、後端が第３のプーリ１５７の外周にワイヤ２３４の後端とは逆向きに巻きつけられて固定されている。第４の引張りコイルスプリング２４２は、先端のフックがワイヤ２４６の後端に固定され、後端のフックがワイヤ２４４の先端に固定されている。ワイヤ２４６は、先端が第４のプーリ１８６の外周にワイヤ２３６の先端とは逆向きに巻きつけられて固定され、後端が第４の引張りコイルスプリング２４２の先端のフックに固定されている。
【０１００】
なお、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２は、ここでは、ともに同じ弾性係数となっている。また、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２は、第２と第３のアーム１４０，１７０が回転していない状態（すなわち、第２と第３のアーム１４０，１７０の各先端が同一方向を向いている状態）で、釣り合いがとれた状態となっている。このとき、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２は、ともに同じ長さだけ伸びた状態となっている。以下、この状態における第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の長さを、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の自然長と称する。
【０１０１】
各ワイヤ２３４，２３６，２４４，２４６は、弾性体である第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の弾性力によって常に引っ張られる。そのため、各ワイヤ２３４，２３６，２４４，２４６の軸線は、第２と第３のアーム１４０，１７０の動作範囲内において、常に、第３または第４のプーリ１５７，１８６の接線方向に存在する。
【０１０２】
また、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２の弾性力（トルク）は、第３のプーリ１５７の半径または第４のプーリ１８６の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第２と第３の関節部１５０，１８０に作用する。
【０１０３】
さらに、第３と第４の引張りコイルスプリング２３２，２４２のたわみ量は、第２の関節部１５０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第４の関節部１８０の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
【０１０４】
なお、ここでは、第３と第４の係止部２３０，２４０の弾性体として、引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを用いても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段として、第３と第４のプーリ１５７，１８６を用いたが、これ以外の構成であってもよい。
【０１０５】
なお、図７と図８は、第１と第２と第３の関節部１２０，１５０，１８０がホームポジションに停止している状態（すなわち、第１と第２と第３のモータ１３０，１６０，１９０が駆動していない状態）を示している。
【０１０６】
このような多関節アーム機構６００は、前述の通り、ロボットの脚に用いることができる。この場合、ベース部１０４が胴体（Ｂｏｄｙ）として機能し、第１のアーム１１０が大腿（Ｔｈｉｇｈ）として機能し、第１の関節部１２０が股関節（Ｈｉｐ ｊｏｉｎｔ）として機能し、第２のアーム１４０がすね（Ｌｅｇ）として機能し、第２の関節部１５０がひざ関節（Ｋｎｅｅ）として機能し、第３のアーム１７０が足（ｆｏｏｔ）として機能し、第３の関節部１８０が足首関節（Ａｎｋｌｅ）として機能する。
【０１０７】
このような多関節アーム機構６００は、第３と第４の弾性力伝達部である第３と第４のプーリ１５７，１８６が、実施例１に係る多関節アーム機構１００における第１と第２の弾性力伝達部である第１と第２のプーリ１２６，１５６と同様に作用する。そのため、多関節アーム機構６００は、３つの関節部を有する構成で、２つの関節部を有する実施例１に係る多関節アーム機構１００と同様の動作を実現することができる。
【０１０８】
＜実施例２に係る多関節アーム機構の動作＞
以下に、実施例２に係る多関節アーム機構の動作について説明する。
【０１０９】
図９と図１０は、それぞれ、実施例２に係る多関節アーム機構の動作例を示す図である。なお、ここでは、図９と図１０の、図４または図５に共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【０１１０】
図９は、３関節アーム機構６００の第１と第２と第３の関節部１２０，１５０，１８０がホームポジション（図７と図８参照）から任意の角度だけ回転した状態（すなわち、第１と第２と第３のモータ１３０，１６０，１９０が駆動した状態）を示している。
【０１１１】
図９中、ｒ3は、第４のプーリ１８６の半径を示している。なお、第３のプーリ１５７の半径は、ここでは、第２のプーリ１５６の半径と同じｒ2となっている。また、Ｌ3は、第３のアーム１７０のアーム長を示している。
【０１１２】
図１０は、自由端である第３のアーム１７０の先端の位置の座標を示している。
【０１１３】
図１０中、θ3は、第３の関節部１８０の関節角度を示している。また、座標（ｘ、ｙ）は、自由端（すなわち、第３のアーム１７０の先端）の位置を示している。
【０１１４】
３関節アーム機構６００において、第１と第２と第３の関節軸１２２，１５２，１８２に働くトルク（以下、関節軸トルクと称する）と自由端の力は、実施例１に係る２関節アーム機構１００と同様に、ヤコビ行列で関連付けられる。３関節アーム機構６００では、関節軸トルクと自由端の力は、以下の式２１の通りである。
【０１１５】
【数１４】
【０１１６】
ここで、θは、θ＝θ1＋θ2＋θ3である。
【０１１７】
また、ヤコビ行列Ｊは、図１０中の記号を用いると、以下の式２２として表される。
【０１１８】
【数１５】
【０１１９】
また、自由端の出力は、以下の式２３として表すことができる
【０１２０】
【数１６】
【０１２１】
したがって、３関節アーム機構６００は、２次元平面内の力をすべて規定することができるので、自由端の位置と力と剛性を制御することができる。
【０１２２】
なお、３関節アーム機構６００は、ロボットの脚に用いた場合に、外部から負荷が与えられたときでも、以下の原理により、ロボットの姿勢が平衡な状態になるように、ポテンシャルエネルギーが変化する。そのため、ロボットは、立位の安定性を容易に獲得できる。
【０１２３】
ロボットの姿勢が平衡点から変化することによるポテンシャルエネルギーの変化を、図１１に示す。なお、図１１は、ロボットの姿勢の変化とポテンシャルエネルギーの変化の関係を示すグラフ図である。図１１は、股関節（第１の関節部１２０）の位置が平衡点からｘ方向とｙ方向に変位したときのポテンシャルエネルギーを曲面で示している。ポテンシャルエネルギーは、ここでは、股関節とひざ関節（第１と第２の関節部１２０，１５０）およびひざ関節と足首関節（第２と第３の関節部１５０，１８０）に跨って配置された第１〜第４の係止部２１０，２２０，２３０，２４０に蓄積される弾性エネルギーと、ロボット全体の位置エネルギーとの和となる。
【０１２４】
図１１中、曲線は、等しいポテンシャルエネルギーの領域を示す、等ポテンシャル曲線である。ポテンシャルエネルギーは、平衡点（０，０）で極小値を有している。そのため、外部から与えられた負荷によってロボットの姿勢が変化し、これによってポテンシャルエネルギーが平衡点から変位すると、ロボットの姿勢を平衡点の姿勢に戻すような復元力が常に働く。そのため、ロボットは、立位の安定性を容易に獲得できる。
【０１２５】
また、摩擦力、粘性抵抗などの、エネルギーを消費する要素は、実用上必ず存在するので、リアプノフの安定性（Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；公知のリアプノフ関数の正・負定値性を調べることによって決定されるシステムの安定性）が成り立つ。そのため、ロボットは、これによっても、立位の安定性を容易に獲得できる。
【０１２６】
このような３関節アーム機構６００を用いたロボットは、平衡点において漸近安定性を有することになり、一定範囲の外乱（外部から与えられた負荷）に対して、上体の傾斜角度や、足裏の荷重分布を制御部１０９にフィードバックして制御しなくても、立位姿勢を保持することができる。
【０１２７】
このように、３関節アーム機構６００をロボットの脚に適用すれば、立位の安定性を容易に獲得できるので、脚式移動ロボットの制御を簡易にできる。
【０１２８】
また、３関節アーム機構６００は、実施例１に係る２関節アーム機構１００と同様に、アクチュエータが応答しきれないような速い動きに対しても、一定の弾性を保つことができる。そのため、跳躍動作や着地動作の安定性を向上することができる。
【０１２９】
なお、実施例２では、多関節軸に同時に作用する弾性体に、拮抗する２本の引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを使用しても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段は、前述の実施例に制限されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
この発明は、例えば、マニュピレータやパワーショベルのアームなどにも適用することができる。
【０１３１】
また、この発明は、前述の実施例１と２に限定されることなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の応用や変形が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図である。
【図２】実施例１に係る多関節アーム機構の構成を示す上面図である。
【図３】実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（１）である。
【図４】実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（２）である。
【図５】実施例１に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（３）である。
【図６】実施例１に係る多関節アーム機構の制御ブロックを示す図である。
【図７】実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図である。
【図８】実施例２に係る多関節アーム機構の構成を示す正面図である。
【図９】実施例２に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（１）である。
【図１０】実施例２に係る多関節アーム機構の動作例を示す図（２）である。
【図１１】ロボットの姿勢の変化とポテンシャルエネルギーの変化の関係を示すグラフ図である。
【図１２】従来の多関節アーム機構の第１の構成例を示す図である。
【図１３】従来の多関節アーム機構の第２の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１００ …多関節アーム機構（２関節アーム機構）
１０４ …ベース部
１０５ …ベース
１０６ …ベースアーム
１０９ …制御部
１１０ …第１のアーム
１２０ …第１の関節部
１２２ …第１の関節軸
１２４，１３２，１５４，１６２ …ギア（動力伝達部）
１２６ …第１のプーリ（第１の弾性力伝達部）
１２８，１５８ …測定手段
１３０ …第１のモータ（第１のアクチュエータ）
１４０ …第２のアーム
１５０ …第２の関節部
１５２ …第２の関節軸
１５６ …第２のプーリ（第２の弾性力伝達部）
１６０ …第２のモータ（第２のアクチュエータ）
２１０ …第１の係止部
２１２ …第１の引張りコイルスプリング（弾性体）
２１４，２１６，２２４，２２６ …ワイヤ
２２０ …第２の係止部
２２２ …第２の引張りコイルスプリング（弾性体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作の基点となるベース部と、
前記ベース部に回転可能に接続される第１のアームと、
前記ベース部と前記第１のアームとを接続する第１の関節部と、
前記第１の関節部を中心にして前記第１のアームを回転させる第１のアクチュエータと、
前記第１のアームに回転可能に接続される第２のアームと、
前記第１のアームと前記第２のアームとを接続する第２の関節部と、
前記第２の関節部を中心にして前記第２のアームを回転させる第２のアクチュエータとを有し、
前記第１の関節部は、前記ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、
前記第２の関節部は、前記第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部を備え、
前記第１の弾性力伝達部と前記第２の弾性力伝達部は、前記第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項２】
請求項１に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第１と第２のワイヤとによって構成され、
前記第２の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第３と第４のワイヤとによって構成され、
前記第１の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第１のワイヤと前記第２の係止部の第３のワイヤが逆向きに巻きつけられた第１のプーリによって構成され、
前記第２の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第２のワイヤと前記第２の係止部の第４のワイヤが逆向きに巻きつけられた第２のプーリによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項３】
請求項２に記載の多関節アーム機構において、
前記第１と第２の係止部を構成する弾性体は、それぞれ、引張りコイルスプリングであることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項４】
請求項１に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の関節部は、回転の中心となる第１の関節軸と、前記ベース部に固定された前記第１の弾性力伝達部と、前記第１のアームに固定され、当該第１の関節軸を中心にして前記第１のアクチュエータによって前記第１のアームとともに回転する第１の動力伝達部とを備え、
前記第２の関節部は、回転の中心となる第２の関節軸と、前記第２のアームに固定された前記第２の弾性力伝達部と、前記第２のアームに固定され、当該第２の関節軸を中心にして前記第２のアクチュエータによって前記第２のアームとともに回転する第２の動力伝達部とを備えていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項５】
請求項４に記載の多関節アーム機構において、
前記第１と第２のアクチュエータは、それぞれ、ギアが取り付けられた第１と第２のモータによって構成され、
前記第１の動力伝達部は、前記第１のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第２の動力伝達部は、前記第２のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項６】
請求項１に記載の多関節アーム機構において、
さらに、前記第１の関節部の関節角度を測定する第１の関節角度測定手段と、前記第２の関節部の関節角度を測定する第２の関節角度測定手段と、前記第１と第２のアクチュエータを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、下式に基づいて、前記第１または第２の関節角度測定手段によって測定された関節角度に応じて、前記第１と第２のアクチュエータの、前記第１または第２の関節軸を回転させる関節軸トルクτa1とτa2を変化させることを特徴とする多関節アーム機構。
【数１】
【請求項７】
動作の基点となるベース部と、
前記ベース部に回転可能に接続される第１のアームと、
前記ベース部と前記第１のアームとを接続する第１の関節部と、
前記第１の関節部を中心にして前記第１のアームを回転させる第１のアクチュエータと、
前記第１のアームに回転可能に接続される第２のアームと、
前記第１のアームと前記第２のアームとを接続する第２の関節部と、
前記第２の関節部を中心にして前記第２のアームを回転させる第２のアクチュエータと、
前記第２のアームに回転可能に接続される第３のアームと、
前記第２のアームと前記第３のアームとを接続する第３の関節部と、
前記第３の関節部を中心にして前記第３のアームを回転させる第３のアクチュエータとを有し、
前記第１の関節部は、前記ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、
前記第２の関節部は、前記第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部と、前記第１のアームに固定された第３の弾性力伝達部とを備え、
前記第３の関節部は、前記第３のアームに固定された第４の弾性力伝達部を備え、
前記第１の弾性力伝達部と前記第２の弾性力伝達部は、前記第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止され、
前記第３の弾性力伝達部と前記第４の弾性力伝達部は、前記第２のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第３の係止部と弾性を有する第４の係止部とによって係止されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項８】
請求項７に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第１と第２のワイヤとによって構成され、
前記第２の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第３と第４のワイヤとによって構成され、
前記第３の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第５と第６のワイヤとによって構成され、
前記第４の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第７と第８のワイヤとによって構成され、
前記第１の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第１のワイヤと前記第２の係止部の第３のワイヤが逆向きに巻きつけられた第１のプーリによって構成され、
前記第２の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第２のワイヤと前記第２の係止部の第４のワイヤが逆向きに巻きつけられた第２のプーリによって構成され、
前記第３の弾性力伝達部は、前記第２のプーリと同じ軸を中心に回転し、かつ、前記第３の係止部の第５のワイヤと前記第４の係止部の第７のワイヤが逆向きに巻きつけられた第３のプーリによって構成され、
前記第４の弾性力伝達部は、前記第３の係止部の第６のワイヤと前記第４の係止部の第８のワイヤが逆向きに巻きつけられた第４のプーリによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項９】
請求項８に記載の多関節アーム機構において、
前記第１〜第４の係止部を構成する弾性体は、それぞれ、引張りコイルスプリングであることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項１０】
請求項７に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の関節部は、回転の中心となる第１の関節軸と、前記ベース部に固定された前記第１の弾性力伝達部と、前記第１のアームに固定され、当該第１の関節軸を中心にして前記第１のアクチュエータによって前記第１のアームとともに回転する第１の動力伝達部とを備え、
前記第２の関節部は、回転の中心となる第２の関節軸と、前記第２のアームに固定された前記第２の弾性力伝達部と、前記第２のアームに固定され、当該第２の関節軸を中心にして前記第２のアクチュエータによって前記第２のアームとともに回転する第２の動力伝達部と、前記第１のアームに固定された前記第３の弾性力伝達部とを備え、
前記第３の関節部は、回転の中心となる第３の関節軸と、前記第３のアームに固定された前記第４の弾性力伝達部と、前記第３のアームに固定され、当該第３の関節軸を中心にして前記第３のアクチュエータによって前記第３のアームとともに回転する第３の動力伝達部とを備えていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項１１】
請求項１０に記載の多関節アーム機構において、
前記第１と第２と第３のアクチュエータは、それぞれ、ギアが取り付けられた第１と第２と第３のモータによって構成され、
前記第１の動力伝達部は、前記第１のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第２の動力伝達部は、前記第２のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第３の動力伝達部は、前記第３のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項１】
動作の基点となるベース部と、
前記ベース部に回転可能に接続される第１のアームと、
前記ベース部と前記第１のアームとを接続する第１の関節部と、
前記第１の関節部を中心にして前記第１のアームを回転させる第１のアクチュエータと、
前記第１のアームに回転可能に接続される第２のアームと、
前記第１のアームと前記第２のアームとを接続する第２の関節部と、
前記第２の関節部を中心にして前記第２のアームを回転させる第２のアクチュエータとを有し、
前記第１の関節部は、前記ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、
前記第２の関節部は、前記第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部を備え、
前記第１の弾性力伝達部と前記第２の弾性力伝達部は、前記第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項２】
請求項１に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第１と第２のワイヤとによって構成され、
前記第２の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第３と第４のワイヤとによって構成され、
前記第１の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第１のワイヤと前記第２の係止部の第３のワイヤが逆向きに巻きつけられた第１のプーリによって構成され、
前記第２の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第２のワイヤと前記第２の係止部の第４のワイヤが逆向きに巻きつけられた第２のプーリによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項３】
請求項２に記載の多関節アーム機構において、
前記第１と第２の係止部を構成する弾性体は、それぞれ、引張りコイルスプリングであることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項４】
請求項１に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の関節部は、回転の中心となる第１の関節軸と、前記ベース部に固定された前記第１の弾性力伝達部と、前記第１のアームに固定され、当該第１の関節軸を中心にして前記第１のアクチュエータによって前記第１のアームとともに回転する第１の動力伝達部とを備え、
前記第２の関節部は、回転の中心となる第２の関節軸と、前記第２のアームに固定された前記第２の弾性力伝達部と、前記第２のアームに固定され、当該第２の関節軸を中心にして前記第２のアクチュエータによって前記第２のアームとともに回転する第２の動力伝達部とを備えていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項５】
請求項４に記載の多関節アーム機構において、
前記第１と第２のアクチュエータは、それぞれ、ギアが取り付けられた第１と第２のモータによって構成され、
前記第１の動力伝達部は、前記第１のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第２の動力伝達部は、前記第２のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項６】
請求項１に記載の多関節アーム機構において、
さらに、前記第１の関節部の関節角度を測定する第１の関節角度測定手段と、前記第２の関節部の関節角度を測定する第２の関節角度測定手段と、前記第１と第２のアクチュエータを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、下式に基づいて、前記第１または第２の関節角度測定手段によって測定された関節角度に応じて、前記第１と第２のアクチュエータの、前記第１または第２の関節軸を回転させる関節軸トルクτa1とτa2を変化させることを特徴とする多関節アーム機構。
【数１】
【請求項７】
動作の基点となるベース部と、
前記ベース部に回転可能に接続される第１のアームと、
前記ベース部と前記第１のアームとを接続する第１の関節部と、
前記第１の関節部を中心にして前記第１のアームを回転させる第１のアクチュエータと、
前記第１のアームに回転可能に接続される第２のアームと、
前記第１のアームと前記第２のアームとを接続する第２の関節部と、
前記第２の関節部を中心にして前記第２のアームを回転させる第２のアクチュエータと、
前記第２のアームに回転可能に接続される第３のアームと、
前記第２のアームと前記第３のアームとを接続する第３の関節部と、
前記第３の関節部を中心にして前記第３のアームを回転させる第３のアクチュエータとを有し、
前記第１の関節部は、前記ベース部に固定された第１の弾性力伝達部を備え、
前記第２の関節部は、前記第２のアームに固定された第２の弾性力伝達部と、前記第１のアームに固定された第３の弾性力伝達部とを備え、
前記第３の関節部は、前記第３のアームに固定された第４の弾性力伝達部を備え、
前記第１の弾性力伝達部と前記第２の弾性力伝達部は、前記第１のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第１の係止部と弾性を有する第２の係止部とによって係止され、
前記第３の弾性力伝達部と前記第４の弾性力伝達部は、前記第２のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第３の係止部と弾性を有する第４の係止部とによって係止されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項８】
請求項７に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第１と第２のワイヤとによって構成され、
前記第２の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第３と第４のワイヤとによって構成され、
前記第３の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第５と第６のワイヤとによって構成され、
前記第４の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第７と第８のワイヤとによって構成され、
前記第１の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第１のワイヤと前記第２の係止部の第３のワイヤが逆向きに巻きつけられた第１のプーリによって構成され、
前記第２の弾性力伝達部は、前記第１の係止部の第２のワイヤと前記第２の係止部の第４のワイヤが逆向きに巻きつけられた第２のプーリによって構成され、
前記第３の弾性力伝達部は、前記第２のプーリと同じ軸を中心に回転し、かつ、前記第３の係止部の第５のワイヤと前記第４の係止部の第７のワイヤが逆向きに巻きつけられた第３のプーリによって構成され、
前記第４の弾性力伝達部は、前記第３の係止部の第６のワイヤと前記第４の係止部の第８のワイヤが逆向きに巻きつけられた第４のプーリによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項９】
請求項８に記載の多関節アーム機構において、
前記第１〜第４の係止部を構成する弾性体は、それぞれ、引張りコイルスプリングであることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項１０】
請求項７に記載の多関節アーム機構において、
前記第１の関節部は、回転の中心となる第１の関節軸と、前記ベース部に固定された前記第１の弾性力伝達部と、前記第１のアームに固定され、当該第１の関節軸を中心にして前記第１のアクチュエータによって前記第１のアームとともに回転する第１の動力伝達部とを備え、
前記第２の関節部は、回転の中心となる第２の関節軸と、前記第２のアームに固定された前記第２の弾性力伝達部と、前記第２のアームに固定され、当該第２の関節軸を中心にして前記第２のアクチュエータによって前記第２のアームとともに回転する第２の動力伝達部と、前記第１のアームに固定された前記第３の弾性力伝達部とを備え、
前記第３の関節部は、回転の中心となる第３の関節軸と、前記第３のアームに固定された前記第４の弾性力伝達部と、前記第３のアームに固定され、当該第３の関節軸を中心にして前記第３のアクチュエータによって前記第３のアームとともに回転する第３の動力伝達部とを備えていることを特徴とする多関節アーム機構。
【請求項１１】
請求項１０に記載の多関節アーム機構において、
前記第１と第２と第３のアクチュエータは、それぞれ、ギアが取り付けられた第１と第２と第３のモータによって構成され、
前記第１の動力伝達部は、前記第１のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第２の動力伝達部は、前記第２のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第３の動力伝達部は、前記第３のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２３１４５４（Ｐ２００６−２３１４５４Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４８５６３（Ｐ２００５−４８５６３）
【出願日】平成１７年２月２４日（２００５．２．２４）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２４日（２００５．２．２４）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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