関節駆動装置
【課題】人工筋肉アクチュエータを動力源とする筋骨格型ロボット等の関節駆動装置において、装置全体を大型化することなく、可動範囲の広範化及び所定の可動範囲での高出力化が可能な関節駆動装置を提供すること。
【解決手段】支持軸３２に回転自在に支持されるプーリ４と、支持軸３２に回動自在に支持されるリンク部６と、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂを有し、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの拮抗筋運動による収縮量の差により、プーリ４を回転させる人工筋肉アクチュエータ２と、を備えた関節駆動装置１において、リンク部６の回転角度を検出する原点センサと、リンク部６をプーリ４に接続させて、回転駆動力を伝達する接続クラッチ７と、を備え、人工筋肉アクチュエータ２により所定の回転角度に回転されたプーリ４と所定の回動位置に位置するリンク部６とを接続して、リンク部６のプーリに対する相対的な回動範囲を切り替える。
【解決手段】支持軸３２に回転自在に支持されるプーリ４と、支持軸３２に回動自在に支持されるリンク部６と、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂを有し、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの拮抗筋運動による収縮量の差により、プーリ４を回転させる人工筋肉アクチュエータ２と、を備えた関節駆動装置１において、リンク部６の回転角度を検出する原点センサと、リンク部６をプーリ４に接続させて、回転駆動力を伝達する接続クラッチ７と、を備え、人工筋肉アクチュエータ２により所定の回転角度に回転されたプーリ４と所定の回動位置に位置するリンク部６とを接続して、リンク部６のプーリに対する相対的な回動範囲を切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋骨格構造を有するロボット等の関節を駆動する関節駆動装置に関し、特に人工筋肉アクチュエータを駆動源とする関節駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットアーム、ロボットハンド、脚式ロボット等の関節部に人工筋肉アクチュエータを駆動源としたロボットが開発されている。人工筋肉アクチュエータには、空気圧式（特許文献１参照）、電圧素子式、形状記憶合金等を用いたものなど様々なタイプがあるが、昨今においては、合成樹脂等の高分子を用いた人工筋肉アクチュエータが注目を集めている（特許文献２参照）。
【０００３】
例えば、モータ等を駆動源とする関節駆動装置では、入力されたエネルギをそのまま物理運動として出力するため、駆動範囲内にある物理的な制限等と接触すると、装置自体や対象物を破壊したり損傷させるおそれがある。一方、合成樹脂等の高分子を用いた人工筋肉アクチュエータは人工筋肉が柔らかいため、上述の制限等と接触した場合においても、人工筋肉が余剰なエネルギを吸収して装置自体や対象物の破壊や損傷を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２１７８３号公報
【特許文献２】特開２００７−１５９２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生体の筋肉及び骨に相当する人工筋肉及びリンクを備えた筋骨格型ロボットは、２つの人工筋肉を拮抗筋運動させて、それぞれの収縮量の差で関節部を駆動させる。例えば、空気圧式の人工筋肉アクチュエータの場合、圧縮した空気を筋形状の弾性体に供給し、一方側の人工筋肉を径方向に膨らませて長手方向に収縮させる。このとき、拮抗する他方側の人工筋肉は、一方側の人工筋肉の空気圧よりも低い状態となり全体として伸ばされた状態となる。つまり、拮抗配置される人工筋肉アクチュエータの場合、一対の人工筋肉の収縮率（収縮量）の差で関節部を駆動させ、関節角度を決定する。
【０００６】
ここで、空気圧式の人工筋肉アクチュエータの収縮率は、通常、１０〜３０％程度であるため、人工筋肉の収縮動作のみでは、関節部の可動範囲が限定される。また、関節部の可動範囲を大きくするためには、可動範囲に比例する大きな人工筋肉の収縮量を必要とするため、人工筋肉アクチュエータが長くなり、装置自体が大型化してしまう。
【０００７】
更に、人工筋肉アクチュエータは、一般的に収縮初期において発生力（収縮力）が最も高く、収縮率が大きくなるに従って発生力が小さくなる特性がある。そのため、物理運動として出力したい関節角度や各姿勢において、出力の伝達効率が高い状態で使用することができない場合がある。つまり、関節の角度によっては必要とする発生力が得られない場合がある。これは、空気圧式の人工筋肉だけでなく、他の方式の人工筋肉アクチュエータにおいても同様である。
【０００８】
そこで、本発明は、人工筋肉アクチュエータを駆動源とする筋骨格型ロボット等の関節駆動装置において、装置全体を大型化することなく、可動範囲の広範化及び所定の可動範囲での高出力化が可能な関節駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、支持軸に回転自在に支持される回転手段と、前記回転手段と同軸上で前記支持軸に回動自在に支持されるリンク部と、第１アクチュエータ及び該第１アクチュエータと拮抗する第２アクチュエータを有し、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの拮抗筋運動による収縮量の差により、前記回転手段を所定の回転範囲内で回転させる人工筋肉アクチュエータと、を備えた関節駆動装置において、前記リンク部の回転角度を検出する検出手段と、前記リンク部を前記回転手段に接続させて、前記リンク部に前記回転手段の回転駆動力を伝達するクラッチ部と、を備え、前記人工筋肉アクチュエータにより所定の回転角度に回転された前記回転手段と所定の回動位置に位置する前記リンクとを接続して、前記リンク部の前記回転手段に対する相対的な回動範囲を切り替える、ことを特徴とする関節駆動装置に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、人工筋肉アクチュエータを駆動源とする関節駆動装置において、装置全体を大型化することなく、可動範囲の広範化及び所定の可動範囲での高出力化が可能な関節駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置の中立状態におけるプーリと原点位置に位置するリンク部とが接続された状態を示す図であり、（ｂ）は、リンク部が原点位置から±４５度回動した状態を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置の＋４５度回転したプーリと原点位置に位置するリンク部とが接続された状態を示す図であり、（ｂ）は、リンク部が原点位置から−９０度回動した状態を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は、人工筋肉アクチュエータが収縮した状態を示す図であり、（ｂ）は、空気圧式の人工筋肉アクチュエータの発生力と収縮率との関係を示す図である。
【図７】（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲を−４５度から＋４５度とした場合における発生トルクを示す図である。（ｂ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲を０度から−９０度とした場合における発生トルクを示す図である。（ｃ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲を０度から＋９０度とした場合における発生トルクを示す図である。
【図８】第１実施形態に係る関節駆動装置の空気供給制御システムを説明するための図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る関節駆動装置を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図１１】第３実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【図１２】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る関節駆動装置は、拮抗した一対の人工筋肉を有する人工筋肉アクチュエータを駆動源とする人工筋肉関節駆動装置（以下、「関節駆動装置」という）である。以下の実施形態においては、空気圧式の人工筋肉アクチュエータを駆動源とする関節駆動装置を用いて説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置１について、図１（ａ）から図８を参照しながら説明する。まず、関節駆動装置１の全体構造について、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置１を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、関節駆動装置１は、人工筋肉アクチュエータ２と、本体部３と、回転手段としてのプーリ４と、リンク部６と、プーリ４とリンク部６とを接続させるクラッチ部としての接続クラッチ７と、を備えて構成されている。
【００１５】
人工筋肉アクチュエータ２は、マッキベン型の１対２筋の人工筋肉アクチュエータであり、第１人工筋肉２ａ及び第１人工筋肉２ａと拮抗する第２人工筋肉２ｂと、第１ワイヤ５ａ及び第２ワイヤ５ｂと、を備える。第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂは、弾性材料により筋形状の袋体に形成されており、長手方向における一方側の端部に圧縮空気を供給するための空気供給部２０ａ，２０ｂが設けられている。第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂは、圧縮空気を空気供給部２０ａ，２０ｂから供給することにより筋の径方向に膨らみ、筋の長手方向に収縮するように形成されている。第１ワイヤ５ａは、一端が第１人工筋肉２ａの他方側の端部に接続されている。第２ワイヤ５ｂは、一端が第２人工筋肉２ｂの他方側の端部に接続されている。なお、第１人工筋肉２ａ及び第１ワイヤ５ａは、第１アクチュエータを構成し、第２人工筋肉２ｂ及び第２ワイヤ５ｂは、第２アクチュエータを構成している。
【００１６】
本体部３は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂを固定する本体ボディ３０と、本体ボディ３０に連結される板状の本体アーム３１と、本体アーム３１に固定される支持軸３２と、を備えて構成されている。
【００１７】
本体ボディ３０は、ヒンジ部３３ａ，３３ｂを備えており、ヒンジ部３３ａ，３３ｂは、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの長手方向における一方側の端部を固定する。本体アーム３１は、第１人工筋肉２ａと第２人工筋肉２ｂとの間に配置されており、長手方向における一方側の端部が本体ボディ３０に連結され、他方側の端部に支持軸３２を固定する固定部が設けられている。支持軸３２は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが収縮する方向と直交する方向に延びるように固定部に固定されている。
【００１８】
プーリ４は、支持軸３２に回転自在に支持されている。また、プーリ４には、第１ワイヤ５ａの他端と第２ワイヤ５ｂの他端とが接続されている。つまり、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂは、一方側の端部がヒンジ部３３ａ，３３ｂにより本体ボディ３０に固定され、他方側の端部同士がプーリ４を介してワイヤ５ａ，５ｂで接続されることにより拮抗筋を構成する。そして、プーリ４は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが拮抗筋運動することにより所定の回転範囲内（収縮量の差の範囲内）で回転するように構成されている。本実施形態においては、プーリ４は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの拮抗筋運動により後述の０度位置（０°位置）を中心に±４５度の範囲内で回転する。
【００１９】
リンク部６は、プーリ４と同軸上で支持軸３２を中心に回動自在に支持されている。また、リンク部６は、不図示の板バネによりプーリ４と一定距離離間するように付勢されており、プーリ４の回転駆動力がリンク部６に伝達されないように構成されている。また、リンク部６は、検出手段としての原点センサ（図示せず）を備えており、本体アーム３１に対する原点位置を検知可能に構成されている。関節駆動装置１は、この原点センサを基準として人工筋肉アクチュエータ２への圧縮空気の供給制御を行ってリンク部６の回動角度を推定する。
【００２０】
接続クラッチ７は、回転部７０と、コイル部７１と、回動摩擦部７２と、固定摩擦部７３と、を備えて構成されている。回転部７０は、プーリ４に固定されており、プーリ４と共に支持軸３２を中心に回転する。コイル部７１は、回転部７０と対向するようにリンク部６に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回動する。また、コイル部７１は、通電時には、コイル部７１と回転部７０との間に磁束を生じさせ、コイル部７１が固定されたリンク部６を回転部７０が固定されたプーリ４に接続させる。つまり、コイル部７１を通電することにより、プーリ４とリンク部６とが接続してプーリ４の回転駆動力がリンク部６に伝達され、リンク部６がプーリ４に従動する構成となっている。
【００２１】
回動摩擦部７２は、リンク部６のコイル部７１が固定される側と反対側に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回転する。固定摩擦部７３は、回動摩擦部７２と対向するように本体アーム３１に固定されている。コイル部７１が励磁されていないときは、回動摩擦部７２が上述の不図示の板バネにより固定摩擦部７３に押し付けられ、リンク部６が本体アーム３１に保持されるように構成されている。
【００２２】
次に、リンク部６の回転動作について、図２（ａ）から図５を参照しながら説明する。まず、０度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させた場合におけるリンク部６の回動範囲について、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しながら説明する。図２（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１の中立状態におけるプーリ４と原点位置に位置するリンク部６とが接続された状態を示す図である。図２（ｂ）は、リンク部６が原点位置から＋４５度回動した状態を示す図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、第１人工筋肉２ａの空気供給部２０ａと第２人工筋肉２ｂの空気供給部２０ｂに同じ量の圧縮空気を供給すると、第１人工筋肉２ａと第２人工筋肉２ｂとが拮抗した状態（以下、この状態を「中立状態」という）となる。第１人工筋肉２ａと第２人工筋肉２ｂとが拮抗した中立状態でのプーリ４の位置を「０度位置」とする。
【００２４】
この状態で、コイル部７１を通電すると、コイル部７１と回転部７０との間に磁束が生じ、コイル部７１が固定されたリンク部６が回転部７０が固定されたプーリ４に引き付けられる。リンク部６がプーリ４に引き付けられると、不図示の板バネにより固定摩擦部７３に押し付けられていた回動摩擦部７２が固定摩擦部７３から離間し、リンク部６がプーリ４に接続される。つまり、リンク部６が所定の角度（プーリ４に対する相対角度が０度の状態）で保持される。リンク部６がプーリ４に接続されると、リンク部６がプーリ４に従動可能となる。
【００２５】
０度位置のプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、図２（ｂ）に示すように、リンク部６の可動範囲は、原点位置を中心に−４５から＋４５度となる。具体的には、第１人工筋肉２ａを最大収縮させ、第２人工筋肉２ｂを弛緩させると、プーリ４が原点位置から＋４５度の位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６が原点位置から＋４５°の位置まで回動する。また、第２人工筋肉２ｂを最大収縮させ、第１人工筋肉２ａを弛緩させると、プーリ４が原点位置から−４５度の位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６が原点位置から−４５度の位置まで回動する。このように、０度位置のプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、原点位置を中心とした±４５度の範囲において、リンク部６が回動可能になる。
【００２６】
次に、０度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させる設定動作について図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【００２７】
図３に示すように、関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定をするには、まず、リンク部６が原点位置にあるか否かを判断する（ステップＳＴ１０）。なお、リンク部６が原点位置にあるか否かは、不図示の原点センサが原点位置を検知するか否かにより判断され、原点センサが原点位置を検知すると原点位置にあると判断される。
【００２８】
リンク部６が原点位置にある場合には、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になるように空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ１１）。第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になると、プーリ４が０度位置に位置する（ステップＳＴ１２）。プーリ４が０度位置に位置すると、次に、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ１３）。これにより、リンク部６は、原点位置を中心に±４５度の範囲において回動可能になる（ステップＳＴ１４）。
【００２９】
一方、原点センサが原点位置を検知しない場合（リンク部６が原点位置にない）には、一旦、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ１５）。リンク部６とプーリ４とが接続すると、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気圧のバランスを制御し、リンク部６を回動させ、原点センサがリンク部６の原点位置を検出するまで連結と解除を繰り返す（ステップＳＴ１６〜ＳＴ１９）。原点センサがリンク部６の原点位置を検出すると、ステップＳＴ１１に進み、リンク部６とプーリ４の接続動作に入る。
【００３０】
次に、＋４５度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させた場合におけるリンク部６の回動範囲について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照しながら説明する。図４（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１の＋４５度回転したプーリ４と原点位置に位置するリンク部６とが接続された状態を示す図である。図４（ｂ）は、プーリ４と従動するリンク部６が原点位置から−９０度回動した状態を示す図である。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、第１人工筋肉２ａの空気供給部２０ａに圧縮空気を供給すると、第１人工筋肉２ａが収縮し、第２人工筋肉２ｂが弛緩する。第１人工筋肉２ａが最大収縮するまで圧縮空気を供給すると、プーリ４が第１ワイヤ５ａに引っ張られ、０度位置から＋４５度位置までプーリ４が回転する（リンク部６に対して相対的に＋４５度回転）。例えば、第１人工筋肉２ａに空気圧０.４（Ｍｐａ）を供給し、第２人工筋肉２ｂに空気圧０.１（Ｍｐａ）を供給して、プーリ４を回転させる。
【００３２】
この状態で、コイル部７１を通電すると、コイル部７１と回転部７０との間に磁束が生じ、コイル部７１が固定されたリンク部６が回転部７０が固定されたプーリ４に引き付けられる。リンク部６がプーリ４に引き付けられると、不図示の板バネにより固定摩擦部７３に押し付けられていた回動摩擦部７２が固定摩擦部７３から離間し、リンク部６がプーリ４に接続される。つまり、リンク部６が所定の角度（プーリ４に対する相対角度が−４５度の状態）で保持されると共に、リンク部６がプーリ４に従動する。
【００３３】
＋４５度位置に位置するプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、図４（ｂ）に示すように、リンク部６の可動範囲は、原点位置から−９０度となる。具体的には、第２人工筋肉２ｂを最大収縮させ、第１人工筋肉２ａを弛緩させると、プーリ４が＋４５度位置から−４５度位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６も原点位置から−９０度の位置まで回動する。次に、第１人工筋肉２ａを最大収縮させ、第２人工筋肉２ｂを弛緩させると、プーリ４が−４５度位置から＋４５度位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６も−９０度位置から原点位置まで回動する。このように、＋４５度位置のプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、原点位置から−９０度位置の範囲内において、リンク部６が回動可能になる。
【００３４】
次に、＋４５度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させる設定動作について図５を参照しながら説明する。図５は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【００３５】
図５に示すように、関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定をするには、まず、リンク部６が原点位置にあるか否かを判断する（ステップＳＴ２０）。なお、リンク部６が原点位置にあるか否かは、不図示の原点センサが原点位置を検知するか否かにより判断され、原点センサが原点位置を検知すると原点位置にあると判断される。
【００３６】
リンク部６が原点位置にある場合には、プーリ４が＋４５度位置に位置するように、空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ２１）。例えば、第１人工筋肉２ａに空気圧０.４（Ｍｐａ）を供給し、第２人工筋肉２ｂに空気圧０.１（Ｍｐａ）を供給する。プーリ４が＋４５度位置に位置する（ステップＳＴ２２）と、次に、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ２３）。これにより、リンク部６は、プーリと相対的に＋４５度ずれた状態で接続され、原点位置から−９０度位置の範囲内において回動可能になる（ステップＳＴ２４）。
【００３７】
一方、原点センサが原点位置を検知しない場合（リンク部６が原点位置にない）には、一旦、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ２５）。リンク部６とプーリ４とが接続すると、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気圧のバランスを制御し、リンク部６を回動させ、原点センサがリンク部６の原点位置を検出するまで連結と解除を繰り返す（ステップＳＴ２６〜ＳＴ２９）。原点センサがリンク部６の原点位置を検出すると、ステップＳＴ２１に進み、リンク部６とプーリ４の連結動作を行う。
【００３８】
ここで、空気圧式の人工筋肉２ａの収縮特性について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、人工筋肉２ａが収縮した状態を示す図である。図６（ｂ）は、空気圧式の人工筋肉２ａの発生力（Ｎ）と収縮率（％）との関係を示す図である。
【００３９】
図６（ａ）に示す人工筋肉２ａは、長さＬ＝３００（ｍｍ）、直径Ｄ＝１０（ｍｍ）のゴムチューブによる筋形状の袋体から形成されており、一方側の端部から圧縮空気を供給することで筋の径方向に膨らみ、筋の長手方向に収縮するように形成されたものである。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように、人工筋肉２ａの収縮の初期段階においては、収縮率ΔＬが小さい方が発生力が大きく、収縮率ΔＬが大きくなるにつれて発生力が小さくなる特性を有している。具体的には、図６（ａ）に示す人工筋肉２ａは、収縮率が０（％）近傍において、収縮力（＝発生力）は、約５０（Ｎ）であるが、収縮率が約３０（％）になると、収縮力は、ほぼ０となる。そのため、この人工筋肉２ａの収縮特性における高出力領域（図６（ｂ）に示す斜線領域）を選択すると、人工筋肉アクチュエータ２の駆動において大きなトルクを得ることが可能となる。結果として、ロボットシステムとしてもエネルギ伝達効率の高いロボット制御が可能となる。
【００４１】
次に、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲と発生トルクの関係について、図７（ａ）から図７（ｃ）を参照しながら説明する。図７（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲を−４５度から＋４５度とした場合における発生トルクを示す図である。図７（ｂ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲を０度から−９０度とした場合における発生トルクを示す図である。図７（ｃ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲を０度から＋９０度とした場合における発生トルクを示す図である。
【００４２】
図７（ａ）に示すように、プーリ４を相対的に０度回転した位置で連結（０度位置で連結）してリンク部６の回動範囲を−４５度から＋４５度とした場合、リンク部６の回転角度が０度（プーリ４の中立状態）において、リンク部６の発生トルクが最大となる。また、発生トルクは、リンク部６が回転するに従い低くなるが、リンク部６の回転角度が±２０度までは人工筋肉アクチュエータ２の発生トルクが高い範囲であることを示している。
【００４３】
図７（ｂ）に示すように、プーリ４を相対的に＋４５度回転した位置で連結して、リンク部６の回動範囲を０度から−９０度とした場合、リンク部６の回転角度が−４５度において、リンク部６の発生トルクが最大となる。また、発生トルクは、リンク部６がさらに回転するに従い低くなるが、リンク部６の回転角度が−４５度の位置を中心とした±２０°までは人工筋肉アクチュエータ２の発生トルクが高い範囲であることを示している。
【００４４】
図７（ｃ）に示すように、プーリ４を相対的に−４５度回転した位置で連結して、リンク部６の回動範囲を０度から＋９０度とした場合、リンク部６の回転角度が＋４５度において、リンク部６の発生トルクが最大となる。また、発生トルクは、リンク部６がさらに回転するに従い低くなるが、リンク部６の回転角度が＋４５度を中心とした±２０度の位置までは人工筋肉アクチュエータ２の発生トルクが高い範囲であることを示している。
【００４５】
このように、プーリ４をリンク部６に対して相対的に０度、＋４５度、−４５度回転させた状態でプーリ４とリンク部６とを連結することで、リンク部６を原点位置から±９０度の範囲内で回動させることができる。また、リンク部６の原点位置から±９０度の回動範囲において、高い発生トルクを好適に発生させることができる。
【００４６】
次に、第１実施形態に係る関節駆動装置１の空気供給制御システムについて、図８を参照しながら説明する。図８は、第１実施形態に係る関節駆動装置１の空気供給制御システムを説明するための図である。なお、本実施形態においては、制御回路１２１は、目標とするリンク部６の回動範囲に応じて連結角度を決定し、決定した連結角度信号をＤ／Ａ変換回路１２２を介して接続クラッチ７へ電圧信号を送り接続させる。
【００４７】
図８に示すように、関節駆動装置１の空気供給制御システム１００は、関節駆動装置１と、高圧空気圧源１１０と、電空レギュレータ１１１，１１２と、２ポート電磁弁１１３，１１４と、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６と、制御部１２０と、を備える。
【００４８】
高圧空気圧源１１０は、コンプレッサ等であり、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂに圧縮空気を供給する。電空レギュレータ１１１，１１２は、高圧空気圧源１１０の下流側に接続されており、高圧空気圧源１１０から供給される圧縮空気の空気圧の調整を行う。２ポート電磁弁１１３，１１４は、電空レギュレータ１１１，１１２の下流側に接続されており、圧縮空気の流量を調整する。３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６は、２ポート電磁弁１１３，１１４の下流側に接続されており、空気の圧縮と吸引の方向の調整行う。また、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６の下流側は、第１人工筋肉２ａの空気供給部１０ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気供給部１０ｂに接続されている。
【００４９】
制御部１２０は、制御回路１２１と、所定の制御信号を変換するＤ／Ａ変換回路１２２と、を備える。制御回路１２１は、Ｄ／Ａ変換回路１２２で変換された制御信号に基づいて、電空レギュレータ１１１，１１２等に流れる空気圧や流量の制御を行う。つまり、電空レギュレータ１１１，１１２の空気圧、２ポート電磁弁１１３，１１４の流量及び３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６の流量方向の制御は、制御回路１２１により、Ｄ／Ａ変換回路１２２を介して電圧制御される。
【００５０】
高圧空気圧源１１０により供給される圧縮空気は、圧縮空気の空気圧の調整を行なう電空レギュレータ１１１，１１２により、例えば、０．１〜０．４（ＭＰａ）の圧力に調整され、圧縮空気の流量を制御する２ポート電磁弁１１３，１１４へ供給される。２ポート電磁弁１１３，１１４へ供給された圧縮空気は、さらに空気の圧縮と吸引の方向制御行う３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６へ供給される。
【００５１】
３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６へ圧縮空気が供給されると、制御回路１２１により、Ｄ／Ａ変換回路１２２から電空レギュレータ１１１へ空気圧０．４（ＭＰａ）、電空レギュレータ１１２へ空気圧０．１（ＭＰａ）が入力される。そして、２ポート電磁弁１１３，１１４で圧縮空気の流量を同じにし、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６を供給側にした場合には、図８に示すように、第１人工筋肉２ａが収縮し、拮抗している第２人工筋肉２ｂが伸長する。これにより、プーリ４は、図８に示すＣＷ方向に回動する。
【００５２】
次に、制御回路１２１により、Ｄ／Ａ変換回路１２２から電空レギュレータ１１２へ空気圧０．４（ＭＰａ）、電空レギュレータ１１１へ空気圧０．１（ＭＰａ）が入力される。そして、２ポート電磁弁１１３，１１４で圧縮空気の流量を同じにし、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６を供給側にした場合には、第２人工筋肉２ｂが収縮し、拮抗している第１人工筋肉２ａが伸長する。これにより、プーリ４は、図８に示すＣＷ方向と反対方向のＣＣＷ方向に回動する。
【００５３】
また、電空レギュレータ１１１，１１２への駆動方法や時間的な遅れ、２ポート電磁弁１１３，１１４の動作タイミングを変化させたり、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６の排気量を制御したりすることにより、精密な安定したリンク動作が可能となる。なお、本実施形態においては、２ポート電磁弁と３ポート方法制御電磁弁を用いた空気供給制御システムを用いて説明したが、例えば、５ポート３ポジション式等の電磁弁を使用してもよい。
【００５４】
以上のような構成を有する第１実施形態に係る関節駆動装置１によれば、以下のような効果を奏する。第１実施形態に係る関節駆動装置１は、所定範囲を回転するプーリ４とリンク部６とを接続させる接続クラッチ７を備える。また、空気供給駆動制御と目標とするリンク部の回動範囲を組み合わせて、リンク部６の回動操作を行う。そのため、人工筋肉とリンク等で構成された筋骨格型のロボットにおいても、人工筋肉アクチュエータの収縮率の限界に影響されず、関節の可動範囲を広げることが可能となる。また、関節の角度、姿勢にかかわらず、人工筋肉アクチュエータの発生力の高い領域を選択することが可能となる。
【００５５】
例えば、ロボットアームに本実施形態に係る関節駆動装置を設けた場合には、関節を曲げた状態でも高いトルクを得ることができる。また、例えば、脚型ロボットに関節駆動装置を設けた場合には、歩行動作のような関節角度が比較的小さくゆっくりした動作においても、人工筋肉を大型化することなく、ダイナミック動作が可能な、小型で軽量な関節駆動装置を提供できる。同様に、跳躍動作等の関節折り曲げ角度が大きく短時間で大きな出力を必要とする動作においても、人工筋肉を大型化することなく、ダイナミック動作が可能な、小型で軽量な関節駆動装置を提供できる。
【００５６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａについて、図１（ａ）を援用すると共に、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照しながら説明する。図９（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダ８を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００５７】
第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａは、プーリ４とリンク部６の回転位置を検出する検出手段としての第１及び第２ロータリエンコーダ８，９を備えることにおいて、第１実施形態に係る関節駆動装置１と相違する。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と相違する点、すなわち、第１及び第２ロータリエンコーダ８，９を中心に説明する。
【００５８】
なお、第２実施形態において、第１実施形態に係る関節駆動装置１と同様の構成のものについては、図１（ａ）を援用すると共に、同じ符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００５９】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、関節駆動装置１Ａは、人工筋肉アクチュエータ２と、本体部３と、プーリ４と、リンク部６と、接続クラッチ７と、第１ロータリエンコーダ８と、第２ロータリエンコーダ９と、を備えて構成されている。
【００６０】
第１ロータリエンコーダ８は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第１スリット板８０と、光を発光する第１発光ダイオード８１と、第１発光ダイオード８１から発光された光を受光する第１受光センサ８２と、を備えて構成されている。第１スリット板８０は、プーリ４に固定されており、プーリ４と共に支持軸３２を中心に回転する。また、第１スリット板８０には、円周部に沿って複数のスリット状の目盛部が形成されており、目盛部は、光を透過可能に形成されている。第１発光ダイオード８１は、第１受光センサ８２に向かって光を照射する。第１受光センサ８２は、第１スリット板８０を介して第１発光ダイオード８１と対向配置されており、第１スリット板８０の目盛部を通過した光を受光する。第１ロータリエンコーダ８は、第１発光ダイオード８１から発光され、第１スリット板８０の目盛部を通過して第１受光センサ８２が受光した光のパルス値からプーリ４の角度位置を検出する。
【００６１】
第２ロータリエンコーダ９は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第２スリット板９０と、光を発光する第２発光ダイオード９１と、第２発光ダイオード９１から発光された光を受光する第２受光センサ９２と、を備えて構成されている。第２スリット板９０は、リンク部６に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回転する。また、第２スリット板９０には、円周部に沿って複数のスリット状の目盛部が形成されており、目盛部は、光を透過可能に形成されている。第２発光ダイオード９１は、第２受光センサ９２に向かって光を照射する。第２受光センサ９２は、第２スリット板９０を介して第２発光ダイオード９１と対向配置されており、第２スリット板９０の目盛部を通過した光を受光する。第２ロータリエンコーダ９は、第２発光ダイオード９１から発光され、第２スリット板９０の目盛部を通過して第２受光センサ９２が受光した光のパルス値からリンク部６の角度位置を検出する。
【００６２】
プーリ４が支持軸３２を中心に回転すると、プーリ４に固定された第１スリット板８０も回転する。ここで、第１発光ダイオード８１から発光され、第１スリット板８０の目盛部を通過した光を第１受光センサ８２が受光すると、受光した光のパルス値からプーリ４の回転角度を検出する。
【００６３】
同様に、リンク部６が支持軸３２を中心に回動すると、リンク部６に固定された第２スリット板９０も回転する。ここで、第２発光ダイオード９１から発光され、第２スリット板９０の目盛部を通過した光を第２受光センサ９２が受光すると、受光した光のパルス値からリンク部６の回転角度を検出する。
【００６４】
以上のような構成を有する第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａによれば、第１実施形態に係る効果に加え、以下のような効果を奏する。第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａは、第１ロータリエンコーダ８及び第２ロータリエンコーダ９を備えることにより、プーリ４とリンク部６の回動位置を正確に検出することができる。
【００６５】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂついて、図１０（ａ）から図１１を参照しながら説明する。図１０（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂを示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すＣ−Ｃ矢視断面図である。
【００６６】
第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂは、第１実施形態に係る人工筋肉アクチュエータ２を２組（２対４筋関節）備えることにおいて、第１実施形態に係る関節駆動装置１と相違する。そのため、第３実施形態においては、第１実施形態と相違する点、すなわち、２組の人工筋肉アクチュエータ２Ａの作用を中心に説明する。
【００６７】
なお、第３実施形態において、第１実施形態に係る関節駆動装置１と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００６８】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、関節駆動装置１Ｂは、人工筋肉アクチュエータ２Ａと、本体部３と、プーリ４，４と、リンク部６と、接続クラッチ７Ａと、を備えて構成されている。
【００６９】
人工筋肉アクチュエータ２Ａは、人工筋肉アクチュエータ２が上下方向に略平行に配置されている。具体的には、人工筋肉アクチュエータ２Ａは、一対の人工筋肉２ａ，２ｂが上下方向に配置されており、いわゆる２対４筋関節を構成している。なお、以下においては、上方側に配置された人工筋肉アクチュエータ２を第１人工筋肉アクチュエータ２００といい、第１人工筋肉アクチュエータ２００の下方側に配置された人工筋肉アクチュエータ２を第２人工筋肉アクチュエータ２１０という。
【００７０】
接続クラッチ７Ａは、一対の回転部７０，７０と、一対のコイル部７１，７１と、を備えて構成されている。一対の回転部７０，７０は、プーリ４，４に固定されており、プーリ４，４と共に支持軸３２を中心に回転する。一対のコイル部７１，７１は、一対の回転部７０，７０と対向するようにリンク部６に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回動する。また、一対のコイル部７１，７１は、通電時には、対向する回転部７０，７０との間に磁束を生じさせ、コイル部７１，７１が固定されたリンク部６を対向する回転部７０，７０が固定されたプーリ４に接続させる。つまり、いずれか一方のコイル部７１，７１を通電することにより、プーリ４とリンク部６とが接続してプーリ４の回転駆動力がリンク部６に伝達され、リンク部６がプーリ４に従動する構成となっている。
【００７１】
次に、０度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを連結させる設定動作について図１１を参照しながら説明する。図１１は、第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂのリンク部６の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【００７２】
図１１に示すように、関節駆動装置１Ｂのリンク部６の回動範囲の設定をするには、まず、リンク部６が原点位置にあるか否かを判断する（ステップＳＴ３０）。なお、リンク部６が原点位置にあるか否かは、不図示の原点センサが原点位置を検知するか否かにより判断され、原点センサが原点位置を検知すると原点位置にあると判断される。
【００７３】
リンク部６が原点位置にある場合には、第１人工筋肉アクチュエータ２００の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になるように空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ３１）。第１人工筋肉アクチュエータ２００の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になると、第１人工筋肉アクチュエータ２００のプーリ４（以下、「第１プーリ」という）が０度位置に位置する（ステップＳＴ３２）。第１プーリ４が０度位置に位置すると、次に、接続クラッチ７Ａの上方側のコイル部７１（以下、「第１コイル部」ともいう）を通電（励磁）してリンク部６と第１プーリ４とを接続させる（ステップＳＴ３３）。これにより、リンク部６は、原点位置を中心に±４５度の範囲において回動可能になる（ステップＳＴ３４）。
【００７４】
ここで、例えば、第１プーリ４が０度位置から＋４５度に位置するように、空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ３５）。例えば、第１人工筋肉２ａに空気圧０.４（Ｍｐａ）を供給し、第２人工筋肉２ｂに空気圧０.１（Ｍｐａ）を供給する。これにより、リンク部６も従動し、原点位置から＋４５度の位置に移動する。
【００７５】
リンク部６が原点位置から＋４５度の位置に移動すると、次に、第２人工筋肉アクチュエータ２１０の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になるように空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ３６）。第２人工筋肉アクチュエータ２１０の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になると、第２人工筋肉アクチュエータ２１０のプーリ４（以下、「第２プーリ」という）が０度位置に位置する。第２プーリ４が０度位置に位置すると、次に、接続クラッチ７Ａの下方側のコイル部７１（以下、「第２コイル部」ともいう）を通電（励磁）してリンク部６と第２プーリ４とを接続させる（ステップＳＴ３７）。つまり、リンク部６と第１プーリ４との接続が解除され、リンク部６と第２プーリ４とが接続される。これにより、リンク部６は、回転角度＋４５度の位置を中心に±４５度の範囲において回動可能になる（ステップＳＴ３８）。つまり、リンク部６は、原点位置から＋９０度の位置まで回動可能になる。なお、リンク部６を、例えば、０度から−９０度の範囲で回動させる場合については、０度から＋９０度間の回動動作の逆の空気供給制御を行えばよいので省略する。
【００７６】
上述において、原点センサが原点位置を検知しない場合には、一旦、接続クラッチ７Ａのコイル部７１，７１のいずれか一方を通電（励磁）してリンク部６と第１又は第２人工筋肉アクチュエータ２００，２１０のプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ３９）。リンク部６とプーリ４とが接続すると、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気圧のバランスを制御し、リンク部６を回動させ、原点センサがリンク部６の原点位置を検出するまで連結と解除を繰り返す（ステップＳＴ４０〜ＳＴ４３）。原点センサがリンク部６の原点位置を検出すると、ステップＳＴ３１に進み、リンク部６とプーリ４の連結動作を行うる。
【００７７】
関節駆動装置１Ｂの空気供給制御システムについては、第１実施形態１に用いられる回路が２対筋分で構成される点のみで構成されるため、ここではその説明は省略する。
【００７８】
以上のような構成を有する第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂによれば、第１実施形態に係る効果に加え、以下のような効果を奏する。第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂは、第１人工筋肉アクチュエータ２００及び第２人工筋肉アクチュエータ２１０を有する、いわゆる２対４筋の人工筋肉を構成している。そのため、例えば、第１人工筋肉アクチュエータ２００と第２人工筋肉アクチュエータ２１０の切り替えを行うことにより、リンク部６の回動範囲を原点位置から±９０度の範囲に容易に切り替え可能になる。
【００７９】
例えば、１対２筋の場合は、リンク部６の回動範囲を切り替える際、プーリ４を中立位置に戻す動作が必要となる。しかし、関節駆動装置１Ｂは、第１及び第２人工筋肉アクチュエータ２００，２１０を交互に動作させることができるので、１対２筋の構成に比べ中立位置に戻す動作が不要になる。そのため、回動範囲の切り替え動作を連続的に行うことが可能になり、より滑らかな速い回動範囲の切り替えが可能となる。
【００８０】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃについて、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を援用すると共に、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダ８を示す図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【００８１】
第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃは、プーリ４，４とリンク部６の回転位置を検出する第１及び第２ロータリエンコーダ８，８，９が設けられたことにおいて、第３実施形態と相違する。そのため、第４実施形態においては、第３実施形態と相違する点、すなわち、第１及び第２ロータリエンコーダ８，８，９を中心に説明する。
【００８２】
なお、第４実施形態において、第１から第３実施形態に係る関節駆動装置１，１Ａ，１Ｂと同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。また、第１から第３実施形態と同様の構成のものについては、第１から第３実施形態と同様の効果を奏する。
【００８３】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、関節駆動装置１Ｃは、人工筋肉アクチュエータ２Ａと、本体部３と、プーリ４と、リンク部６と、接続クラッチ７と、一対の第１ロータリエンコーダ８，８と、第２ロータリエンコーダ９と、を備えて構成されている。
【００８４】
第１ロータリエンコーダ８，８は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第１スリット板８０と、光を発光する第１発光ダイオード８１と、第１発光ダイオード８１から発光された光を受光する第１受光センサ８２と、を備えて構成されている。プーリ４が支持軸３２を中心に回転すると、プーリ４に固定された第１スリット板８０も回転する。ここで、第１発光ダイオード８１から発光され、第１スリット板８０の目盛部を通過した光を第１受光センサ８２が受光すると、受光した光のパルス値からプーリ４の回転角度を検出する。
【００８５】
第２ロータリエンコーダ９は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第２スリット板９０と、光を発光する第２発光ダイオード９１と、第２発光ダイオード９１から発光された光を受光する第２受光センサ９２と、を備えて構成されている。同様に、リンク部６が支持軸３２を中心に回動すると、リンク部６に固定された第２スリット板９０も回転する。ここで、第２発光ダイオード９１から発光され、第２スリット板９０の目盛部を通過した光を第２受光センサ９２が受光すると、受光した光のパルス値からリンク部６の回転角度を検出する。なお、検出したそれぞれの回転角度の情報は、制御回路１２１で目標値との比較を行いリンク部６の位置を決定する。
【００８６】
以上のような構成を有する第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃによれば、第１から第３実施形態に係る効果に加え、以下のような効果を奏する。第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃは、第１ロータリエンコーダ８，８及び第２ロータリエンコーダ９を備える。そのため、より正確な関節角度情報を得ることができ、リンク部６の位置決め精度や応答性をさらに高くすることができる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。
【００８８】
例えば、本実施形態においては、プーリ４の連結角度として、０°、＋４５°、−４５°を用いて説明したが、本発明においてはこれに限定されない。連結角度としては、０°から±９０°間における任意の連結角度を設定してもよい。
【００８９】
また、本実施形態においては、プーリ４の回転位置を検出する第１ロータリエンコーダ８と、リンク部６の回転位置を検出する第２ロータリエンコーダ９を設けたが、本発明においてはこれに限定されない。第１ロータリエンコーダ８及び第２ロータリエンコーダ９は、リンク部６の位置決めの精度レベルに応じて第１ロータリエンコーダ８又は第２ロータリエンコーダ９のいずれか一方のみを用いる構成であってもよい。また、例えば、本実施形態においては、光電方式のロータリエンコーダを用いて説明したが、本発明においてはこれに限定されない。例えば、プーリ４及びリンク部６の回動位置が検出できるものであればよい。例えば、磁気方式や静電容量方式等であってもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 関節駆動装置
２、２Ａ 人工筋肉アクチュエータ
２ａ 第１人工筋肉（第１アクチュエータ）
２ｂ 第２人工筋肉（第２アクチュエータ）
４ プーリ（回転手段）
５ａ 第１連結ワイヤ（第１アクチュエータ）
５ｂ 第２連結ワイヤ（第２アクチュエータ）
６ リンク部
７ 接続クラッチ
８ 第１ロータリエンコーダ（検出手段）
９ 第２ロータリエンコーダ（検出手段）
３２ 支持軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋骨格構造を有するロボット等の関節を駆動する関節駆動装置に関し、特に人工筋肉アクチュエータを駆動源とする関節駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットアーム、ロボットハンド、脚式ロボット等の関節部に人工筋肉アクチュエータを駆動源としたロボットが開発されている。人工筋肉アクチュエータには、空気圧式（特許文献１参照）、電圧素子式、形状記憶合金等を用いたものなど様々なタイプがあるが、昨今においては、合成樹脂等の高分子を用いた人工筋肉アクチュエータが注目を集めている（特許文献２参照）。
【０００３】
例えば、モータ等を駆動源とする関節駆動装置では、入力されたエネルギをそのまま物理運動として出力するため、駆動範囲内にある物理的な制限等と接触すると、装置自体や対象物を破壊したり損傷させるおそれがある。一方、合成樹脂等の高分子を用いた人工筋肉アクチュエータは人工筋肉が柔らかいため、上述の制限等と接触した場合においても、人工筋肉が余剰なエネルギを吸収して装置自体や対象物の破壊や損傷を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２１７８３号公報
【特許文献２】特開２００７−１５９２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生体の筋肉及び骨に相当する人工筋肉及びリンクを備えた筋骨格型ロボットは、２つの人工筋肉を拮抗筋運動させて、それぞれの収縮量の差で関節部を駆動させる。例えば、空気圧式の人工筋肉アクチュエータの場合、圧縮した空気を筋形状の弾性体に供給し、一方側の人工筋肉を径方向に膨らませて長手方向に収縮させる。このとき、拮抗する他方側の人工筋肉は、一方側の人工筋肉の空気圧よりも低い状態となり全体として伸ばされた状態となる。つまり、拮抗配置される人工筋肉アクチュエータの場合、一対の人工筋肉の収縮率（収縮量）の差で関節部を駆動させ、関節角度を決定する。
【０００６】
ここで、空気圧式の人工筋肉アクチュエータの収縮率は、通常、１０〜３０％程度であるため、人工筋肉の収縮動作のみでは、関節部の可動範囲が限定される。また、関節部の可動範囲を大きくするためには、可動範囲に比例する大きな人工筋肉の収縮量を必要とするため、人工筋肉アクチュエータが長くなり、装置自体が大型化してしまう。
【０００７】
更に、人工筋肉アクチュエータは、一般的に収縮初期において発生力（収縮力）が最も高く、収縮率が大きくなるに従って発生力が小さくなる特性がある。そのため、物理運動として出力したい関節角度や各姿勢において、出力の伝達効率が高い状態で使用することができない場合がある。つまり、関節の角度によっては必要とする発生力が得られない場合がある。これは、空気圧式の人工筋肉だけでなく、他の方式の人工筋肉アクチュエータにおいても同様である。
【０００８】
そこで、本発明は、人工筋肉アクチュエータを駆動源とする筋骨格型ロボット等の関節駆動装置において、装置全体を大型化することなく、可動範囲の広範化及び所定の可動範囲での高出力化が可能な関節駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、支持軸に回転自在に支持される回転手段と、前記回転手段と同軸上で前記支持軸に回動自在に支持されるリンク部と、第１アクチュエータ及び該第１アクチュエータと拮抗する第２アクチュエータを有し、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの拮抗筋運動による収縮量の差により、前記回転手段を所定の回転範囲内で回転させる人工筋肉アクチュエータと、を備えた関節駆動装置において、前記リンク部の回転角度を検出する検出手段と、前記リンク部を前記回転手段に接続させて、前記リンク部に前記回転手段の回転駆動力を伝達するクラッチ部と、を備え、前記人工筋肉アクチュエータにより所定の回転角度に回転された前記回転手段と所定の回動位置に位置する前記リンクとを接続して、前記リンク部の前記回転手段に対する相対的な回動範囲を切り替える、ことを特徴とする関節駆動装置に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、人工筋肉アクチュエータを駆動源とする関節駆動装置において、装置全体を大型化することなく、可動範囲の広範化及び所定の可動範囲での高出力化が可能な関節駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置の中立状態におけるプーリと原点位置に位置するリンク部とが接続された状態を示す図であり、（ｂ）は、リンク部が原点位置から±４５度回動した状態を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置の＋４５度回転したプーリと原点位置に位置するリンク部とが接続された状態を示す図であり、（ｂ）は、リンク部が原点位置から−９０度回動した状態を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は、人工筋肉アクチュエータが収縮した状態を示す図であり、（ｂ）は、空気圧式の人工筋肉アクチュエータの発生力と収縮率との関係を示す図である。
【図７】（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲を−４５度から＋４５度とした場合における発生トルクを示す図である。（ｂ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲を０度から−９０度とした場合における発生トルクを示す図である。（ｃ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲を０度から＋９０度とした場合における発生トルクを示す図である。
【図８】第１実施形態に係る関節駆動装置の空気供給制御システムを説明するための図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る関節駆動装置を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図１１】第３実施形態に係る関節駆動装置のリンク部の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【図１２】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る関節駆動装置は、拮抗した一対の人工筋肉を有する人工筋肉アクチュエータを駆動源とする人工筋肉関節駆動装置（以下、「関節駆動装置」という）である。以下の実施形態においては、空気圧式の人工筋肉アクチュエータを駆動源とする関節駆動装置を用いて説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置１について、図１（ａ）から図８を参照しながら説明する。まず、関節駆動装置１の全体構造について、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置１を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、関節駆動装置１は、人工筋肉アクチュエータ２と、本体部３と、回転手段としてのプーリ４と、リンク部６と、プーリ４とリンク部６とを接続させるクラッチ部としての接続クラッチ７と、を備えて構成されている。
【００１５】
人工筋肉アクチュエータ２は、マッキベン型の１対２筋の人工筋肉アクチュエータであり、第１人工筋肉２ａ及び第１人工筋肉２ａと拮抗する第２人工筋肉２ｂと、第１ワイヤ５ａ及び第２ワイヤ５ｂと、を備える。第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂは、弾性材料により筋形状の袋体に形成されており、長手方向における一方側の端部に圧縮空気を供給するための空気供給部２０ａ，２０ｂが設けられている。第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂは、圧縮空気を空気供給部２０ａ，２０ｂから供給することにより筋の径方向に膨らみ、筋の長手方向に収縮するように形成されている。第１ワイヤ５ａは、一端が第１人工筋肉２ａの他方側の端部に接続されている。第２ワイヤ５ｂは、一端が第２人工筋肉２ｂの他方側の端部に接続されている。なお、第１人工筋肉２ａ及び第１ワイヤ５ａは、第１アクチュエータを構成し、第２人工筋肉２ｂ及び第２ワイヤ５ｂは、第２アクチュエータを構成している。
【００１６】
本体部３は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂを固定する本体ボディ３０と、本体ボディ３０に連結される板状の本体アーム３１と、本体アーム３１に固定される支持軸３２と、を備えて構成されている。
【００１７】
本体ボディ３０は、ヒンジ部３３ａ，３３ｂを備えており、ヒンジ部３３ａ，３３ｂは、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの長手方向における一方側の端部を固定する。本体アーム３１は、第１人工筋肉２ａと第２人工筋肉２ｂとの間に配置されており、長手方向における一方側の端部が本体ボディ３０に連結され、他方側の端部に支持軸３２を固定する固定部が設けられている。支持軸３２は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが収縮する方向と直交する方向に延びるように固定部に固定されている。
【００１８】
プーリ４は、支持軸３２に回転自在に支持されている。また、プーリ４には、第１ワイヤ５ａの他端と第２ワイヤ５ｂの他端とが接続されている。つまり、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂは、一方側の端部がヒンジ部３３ａ，３３ｂにより本体ボディ３０に固定され、他方側の端部同士がプーリ４を介してワイヤ５ａ，５ｂで接続されることにより拮抗筋を構成する。そして、プーリ４は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが拮抗筋運動することにより所定の回転範囲内（収縮量の差の範囲内）で回転するように構成されている。本実施形態においては、プーリ４は、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの拮抗筋運動により後述の０度位置（０°位置）を中心に±４５度の範囲内で回転する。
【００１９】
リンク部６は、プーリ４と同軸上で支持軸３２を中心に回動自在に支持されている。また、リンク部６は、不図示の板バネによりプーリ４と一定距離離間するように付勢されており、プーリ４の回転駆動力がリンク部６に伝達されないように構成されている。また、リンク部６は、検出手段としての原点センサ（図示せず）を備えており、本体アーム３１に対する原点位置を検知可能に構成されている。関節駆動装置１は、この原点センサを基準として人工筋肉アクチュエータ２への圧縮空気の供給制御を行ってリンク部６の回動角度を推定する。
【００２０】
接続クラッチ７は、回転部７０と、コイル部７１と、回動摩擦部７２と、固定摩擦部７３と、を備えて構成されている。回転部７０は、プーリ４に固定されており、プーリ４と共に支持軸３２を中心に回転する。コイル部７１は、回転部７０と対向するようにリンク部６に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回動する。また、コイル部７１は、通電時には、コイル部７１と回転部７０との間に磁束を生じさせ、コイル部７１が固定されたリンク部６を回転部７０が固定されたプーリ４に接続させる。つまり、コイル部７１を通電することにより、プーリ４とリンク部６とが接続してプーリ４の回転駆動力がリンク部６に伝達され、リンク部６がプーリ４に従動する構成となっている。
【００２１】
回動摩擦部７２は、リンク部６のコイル部７１が固定される側と反対側に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回転する。固定摩擦部７３は、回動摩擦部７２と対向するように本体アーム３１に固定されている。コイル部７１が励磁されていないときは、回動摩擦部７２が上述の不図示の板バネにより固定摩擦部７３に押し付けられ、リンク部６が本体アーム３１に保持されるように構成されている。
【００２２】
次に、リンク部６の回転動作について、図２（ａ）から図５を参照しながら説明する。まず、０度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させた場合におけるリンク部６の回動範囲について、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しながら説明する。図２（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１の中立状態におけるプーリ４と原点位置に位置するリンク部６とが接続された状態を示す図である。図２（ｂ）は、リンク部６が原点位置から＋４５度回動した状態を示す図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、第１人工筋肉２ａの空気供給部２０ａと第２人工筋肉２ｂの空気供給部２０ｂに同じ量の圧縮空気を供給すると、第１人工筋肉２ａと第２人工筋肉２ｂとが拮抗した状態（以下、この状態を「中立状態」という）となる。第１人工筋肉２ａと第２人工筋肉２ｂとが拮抗した中立状態でのプーリ４の位置を「０度位置」とする。
【００２４】
この状態で、コイル部７１を通電すると、コイル部７１と回転部７０との間に磁束が生じ、コイル部７１が固定されたリンク部６が回転部７０が固定されたプーリ４に引き付けられる。リンク部６がプーリ４に引き付けられると、不図示の板バネにより固定摩擦部７３に押し付けられていた回動摩擦部７２が固定摩擦部７３から離間し、リンク部６がプーリ４に接続される。つまり、リンク部６が所定の角度（プーリ４に対する相対角度が０度の状態）で保持される。リンク部６がプーリ４に接続されると、リンク部６がプーリ４に従動可能となる。
【００２５】
０度位置のプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、図２（ｂ）に示すように、リンク部６の可動範囲は、原点位置を中心に−４５から＋４５度となる。具体的には、第１人工筋肉２ａを最大収縮させ、第２人工筋肉２ｂを弛緩させると、プーリ４が原点位置から＋４５度の位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６が原点位置から＋４５°の位置まで回動する。また、第２人工筋肉２ｂを最大収縮させ、第１人工筋肉２ａを弛緩させると、プーリ４が原点位置から−４５度の位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６が原点位置から−４５度の位置まで回動する。このように、０度位置のプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、原点位置を中心とした±４５度の範囲において、リンク部６が回動可能になる。
【００２６】
次に、０度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させる設定動作について図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【００２７】
図３に示すように、関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定をするには、まず、リンク部６が原点位置にあるか否かを判断する（ステップＳＴ１０）。なお、リンク部６が原点位置にあるか否かは、不図示の原点センサが原点位置を検知するか否かにより判断され、原点センサが原点位置を検知すると原点位置にあると判断される。
【００２８】
リンク部６が原点位置にある場合には、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になるように空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ１１）。第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になると、プーリ４が０度位置に位置する（ステップＳＴ１２）。プーリ４が０度位置に位置すると、次に、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ１３）。これにより、リンク部６は、原点位置を中心に±４５度の範囲において回動可能になる（ステップＳＴ１４）。
【００２９】
一方、原点センサが原点位置を検知しない場合（リンク部６が原点位置にない）には、一旦、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ１５）。リンク部６とプーリ４とが接続すると、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気圧のバランスを制御し、リンク部６を回動させ、原点センサがリンク部６の原点位置を検出するまで連結と解除を繰り返す（ステップＳＴ１６〜ＳＴ１９）。原点センサがリンク部６の原点位置を検出すると、ステップＳＴ１１に進み、リンク部６とプーリ４の接続動作に入る。
【００３０】
次に、＋４５度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させた場合におけるリンク部６の回動範囲について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照しながら説明する。図４（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１の＋４５度回転したプーリ４と原点位置に位置するリンク部６とが接続された状態を示す図である。図４（ｂ）は、プーリ４と従動するリンク部６が原点位置から−９０度回動した状態を示す図である。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、第１人工筋肉２ａの空気供給部２０ａに圧縮空気を供給すると、第１人工筋肉２ａが収縮し、第２人工筋肉２ｂが弛緩する。第１人工筋肉２ａが最大収縮するまで圧縮空気を供給すると、プーリ４が第１ワイヤ５ａに引っ張られ、０度位置から＋４５度位置までプーリ４が回転する（リンク部６に対して相対的に＋４５度回転）。例えば、第１人工筋肉２ａに空気圧０.４（Ｍｐａ）を供給し、第２人工筋肉２ｂに空気圧０.１（Ｍｐａ）を供給して、プーリ４を回転させる。
【００３２】
この状態で、コイル部７１を通電すると、コイル部７１と回転部７０との間に磁束が生じ、コイル部７１が固定されたリンク部６が回転部７０が固定されたプーリ４に引き付けられる。リンク部６がプーリ４に引き付けられると、不図示の板バネにより固定摩擦部７３に押し付けられていた回動摩擦部７２が固定摩擦部７３から離間し、リンク部６がプーリ４に接続される。つまり、リンク部６が所定の角度（プーリ４に対する相対角度が−４５度の状態）で保持されると共に、リンク部６がプーリ４に従動する。
【００３３】
＋４５度位置に位置するプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、図４（ｂ）に示すように、リンク部６の可動範囲は、原点位置から−９０度となる。具体的には、第２人工筋肉２ｂを最大収縮させ、第１人工筋肉２ａを弛緩させると、プーリ４が＋４５度位置から−４５度位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６も原点位置から−９０度の位置まで回動する。次に、第１人工筋肉２ａを最大収縮させ、第２人工筋肉２ｂを弛緩させると、プーリ４が−４５度位置から＋４５度位置まで回動する。すなわち、プーリ４に接続されたリンク部６も−９０度位置から原点位置まで回動する。このように、＋４５度位置のプーリ４と原点位置のリンク部６とを接続した状態においては、原点位置から−９０度位置の範囲内において、リンク部６が回動可能になる。
【００３４】
次に、＋４５度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを接続させる設定動作について図５を参照しながら説明する。図５は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【００３５】
図５に示すように、関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲の設定をするには、まず、リンク部６が原点位置にあるか否かを判断する（ステップＳＴ２０）。なお、リンク部６が原点位置にあるか否かは、不図示の原点センサが原点位置を検知するか否かにより判断され、原点センサが原点位置を検知すると原点位置にあると判断される。
【００３６】
リンク部６が原点位置にある場合には、プーリ４が＋４５度位置に位置するように、空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ２１）。例えば、第１人工筋肉２ａに空気圧０.４（Ｍｐａ）を供給し、第２人工筋肉２ｂに空気圧０.１（Ｍｐａ）を供給する。プーリ４が＋４５度位置に位置する（ステップＳＴ２２）と、次に、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ２３）。これにより、リンク部６は、プーリと相対的に＋４５度ずれた状態で接続され、原点位置から−９０度位置の範囲内において回動可能になる（ステップＳＴ２４）。
【００３７】
一方、原点センサが原点位置を検知しない場合（リンク部６が原点位置にない）には、一旦、接続クラッチ７のコイル部７１を通電（励磁）してリンク部６とプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ２５）。リンク部６とプーリ４とが接続すると、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気圧のバランスを制御し、リンク部６を回動させ、原点センサがリンク部６の原点位置を検出するまで連結と解除を繰り返す（ステップＳＴ２６〜ＳＴ２９）。原点センサがリンク部６の原点位置を検出すると、ステップＳＴ２１に進み、リンク部６とプーリ４の連結動作を行う。
【００３８】
ここで、空気圧式の人工筋肉２ａの収縮特性について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、人工筋肉２ａが収縮した状態を示す図である。図６（ｂ）は、空気圧式の人工筋肉２ａの発生力（Ｎ）と収縮率（％）との関係を示す図である。
【００３９】
図６（ａ）に示す人工筋肉２ａは、長さＬ＝３００（ｍｍ）、直径Ｄ＝１０（ｍｍ）のゴムチューブによる筋形状の袋体から形成されており、一方側の端部から圧縮空気を供給することで筋の径方向に膨らみ、筋の長手方向に収縮するように形成されたものである。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように、人工筋肉２ａの収縮の初期段階においては、収縮率ΔＬが小さい方が発生力が大きく、収縮率ΔＬが大きくなるにつれて発生力が小さくなる特性を有している。具体的には、図６（ａ）に示す人工筋肉２ａは、収縮率が０（％）近傍において、収縮力（＝発生力）は、約５０（Ｎ）であるが、収縮率が約３０（％）になると、収縮力は、ほぼ０となる。そのため、この人工筋肉２ａの収縮特性における高出力領域（図６（ｂ）に示す斜線領域）を選択すると、人工筋肉アクチュエータ２の駆動において大きなトルクを得ることが可能となる。結果として、ロボットシステムとしてもエネルギ伝達効率の高いロボット制御が可能となる。
【００４１】
次に、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲と発生トルクの関係について、図７（ａ）から図７（ｃ）を参照しながら説明する。図７（ａ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲を−４５度から＋４５度とした場合における発生トルクを示す図である。図７（ｂ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲を０度から−９０度とした場合における発生トルクを示す図である。図７（ｃ）は、第１実施形態に係る関節駆動装置１のリンク部６の回動範囲を０度から＋９０度とした場合における発生トルクを示す図である。
【００４２】
図７（ａ）に示すように、プーリ４を相対的に０度回転した位置で連結（０度位置で連結）してリンク部６の回動範囲を−４５度から＋４５度とした場合、リンク部６の回転角度が０度（プーリ４の中立状態）において、リンク部６の発生トルクが最大となる。また、発生トルクは、リンク部６が回転するに従い低くなるが、リンク部６の回転角度が±２０度までは人工筋肉アクチュエータ２の発生トルクが高い範囲であることを示している。
【００４３】
図７（ｂ）に示すように、プーリ４を相対的に＋４５度回転した位置で連結して、リンク部６の回動範囲を０度から−９０度とした場合、リンク部６の回転角度が−４５度において、リンク部６の発生トルクが最大となる。また、発生トルクは、リンク部６がさらに回転するに従い低くなるが、リンク部６の回転角度が−４５度の位置を中心とした±２０°までは人工筋肉アクチュエータ２の発生トルクが高い範囲であることを示している。
【００４４】
図７（ｃ）に示すように、プーリ４を相対的に−４５度回転した位置で連結して、リンク部６の回動範囲を０度から＋９０度とした場合、リンク部６の回転角度が＋４５度において、リンク部６の発生トルクが最大となる。また、発生トルクは、リンク部６がさらに回転するに従い低くなるが、リンク部６の回転角度が＋４５度を中心とした±２０度の位置までは人工筋肉アクチュエータ２の発生トルクが高い範囲であることを示している。
【００４５】
このように、プーリ４をリンク部６に対して相対的に０度、＋４５度、−４５度回転させた状態でプーリ４とリンク部６とを連結することで、リンク部６を原点位置から±９０度の範囲内で回動させることができる。また、リンク部６の原点位置から±９０度の回動範囲において、高い発生トルクを好適に発生させることができる。
【００４６】
次に、第１実施形態に係る関節駆動装置１の空気供給制御システムについて、図８を参照しながら説明する。図８は、第１実施形態に係る関節駆動装置１の空気供給制御システムを説明するための図である。なお、本実施形態においては、制御回路１２１は、目標とするリンク部６の回動範囲に応じて連結角度を決定し、決定した連結角度信号をＤ／Ａ変換回路１２２を介して接続クラッチ７へ電圧信号を送り接続させる。
【００４７】
図８に示すように、関節駆動装置１の空気供給制御システム１００は、関節駆動装置１と、高圧空気圧源１１０と、電空レギュレータ１１１，１１２と、２ポート電磁弁１１３，１１４と、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６と、制御部１２０と、を備える。
【００４８】
高圧空気圧源１１０は、コンプレッサ等であり、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂに圧縮空気を供給する。電空レギュレータ１１１，１１２は、高圧空気圧源１１０の下流側に接続されており、高圧空気圧源１１０から供給される圧縮空気の空気圧の調整を行う。２ポート電磁弁１１３，１１４は、電空レギュレータ１１１，１１２の下流側に接続されており、圧縮空気の流量を調整する。３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６は、２ポート電磁弁１１３，１１４の下流側に接続されており、空気の圧縮と吸引の方向の調整行う。また、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６の下流側は、第１人工筋肉２ａの空気供給部１０ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気供給部１０ｂに接続されている。
【００４９】
制御部１２０は、制御回路１２１と、所定の制御信号を変換するＤ／Ａ変換回路１２２と、を備える。制御回路１２１は、Ｄ／Ａ変換回路１２２で変換された制御信号に基づいて、電空レギュレータ１１１，１１２等に流れる空気圧や流量の制御を行う。つまり、電空レギュレータ１１１，１１２の空気圧、２ポート電磁弁１１３，１１４の流量及び３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６の流量方向の制御は、制御回路１２１により、Ｄ／Ａ変換回路１２２を介して電圧制御される。
【００５０】
高圧空気圧源１１０により供給される圧縮空気は、圧縮空気の空気圧の調整を行なう電空レギュレータ１１１，１１２により、例えば、０．１〜０．４（ＭＰａ）の圧力に調整され、圧縮空気の流量を制御する２ポート電磁弁１１３，１１４へ供給される。２ポート電磁弁１１３，１１４へ供給された圧縮空気は、さらに空気の圧縮と吸引の方向制御行う３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６へ供給される。
【００５１】
３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６へ圧縮空気が供給されると、制御回路１２１により、Ｄ／Ａ変換回路１２２から電空レギュレータ１１１へ空気圧０．４（ＭＰａ）、電空レギュレータ１１２へ空気圧０．１（ＭＰａ）が入力される。そして、２ポート電磁弁１１３，１１４で圧縮空気の流量を同じにし、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６を供給側にした場合には、図８に示すように、第１人工筋肉２ａが収縮し、拮抗している第２人工筋肉２ｂが伸長する。これにより、プーリ４は、図８に示すＣＷ方向に回動する。
【００５２】
次に、制御回路１２１により、Ｄ／Ａ変換回路１２２から電空レギュレータ１１２へ空気圧０．４（ＭＰａ）、電空レギュレータ１１１へ空気圧０．１（ＭＰａ）が入力される。そして、２ポート電磁弁１１３，１１４で圧縮空気の流量を同じにし、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６を供給側にした場合には、第２人工筋肉２ｂが収縮し、拮抗している第１人工筋肉２ａが伸長する。これにより、プーリ４は、図８に示すＣＷ方向と反対方向のＣＣＷ方向に回動する。
【００５３】
また、電空レギュレータ１１１，１１２への駆動方法や時間的な遅れ、２ポート電磁弁１１３，１１４の動作タイミングを変化させたり、３ポート方向制御電磁弁１１５，１１６の排気量を制御したりすることにより、精密な安定したリンク動作が可能となる。なお、本実施形態においては、２ポート電磁弁と３ポート方法制御電磁弁を用いた空気供給制御システムを用いて説明したが、例えば、５ポート３ポジション式等の電磁弁を使用してもよい。
【００５４】
以上のような構成を有する第１実施形態に係る関節駆動装置１によれば、以下のような効果を奏する。第１実施形態に係る関節駆動装置１は、所定範囲を回転するプーリ４とリンク部６とを接続させる接続クラッチ７を備える。また、空気供給駆動制御と目標とするリンク部の回動範囲を組み合わせて、リンク部６の回動操作を行う。そのため、人工筋肉とリンク等で構成された筋骨格型のロボットにおいても、人工筋肉アクチュエータの収縮率の限界に影響されず、関節の可動範囲を広げることが可能となる。また、関節の角度、姿勢にかかわらず、人工筋肉アクチュエータの発生力の高い領域を選択することが可能となる。
【００５５】
例えば、ロボットアームに本実施形態に係る関節駆動装置を設けた場合には、関節を曲げた状態でも高いトルクを得ることができる。また、例えば、脚型ロボットに関節駆動装置を設けた場合には、歩行動作のような関節角度が比較的小さくゆっくりした動作においても、人工筋肉を大型化することなく、ダイナミック動作が可能な、小型で軽量な関節駆動装置を提供できる。同様に、跳躍動作等の関節折り曲げ角度が大きく短時間で大きな出力を必要とする動作においても、人工筋肉を大型化することなく、ダイナミック動作が可能な、小型で軽量な関節駆動装置を提供できる。
【００５６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａについて、図１（ａ）を援用すると共に、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照しながら説明する。図９（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダ８を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００５７】
第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａは、プーリ４とリンク部６の回転位置を検出する検出手段としての第１及び第２ロータリエンコーダ８，９を備えることにおいて、第１実施形態に係る関節駆動装置１と相違する。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と相違する点、すなわち、第１及び第２ロータリエンコーダ８，９を中心に説明する。
【００５８】
なお、第２実施形態において、第１実施形態に係る関節駆動装置１と同様の構成のものについては、図１（ａ）を援用すると共に、同じ符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００５９】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、関節駆動装置１Ａは、人工筋肉アクチュエータ２と、本体部３と、プーリ４と、リンク部６と、接続クラッチ７と、第１ロータリエンコーダ８と、第２ロータリエンコーダ９と、を備えて構成されている。
【００６０】
第１ロータリエンコーダ８は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第１スリット板８０と、光を発光する第１発光ダイオード８１と、第１発光ダイオード８１から発光された光を受光する第１受光センサ８２と、を備えて構成されている。第１スリット板８０は、プーリ４に固定されており、プーリ４と共に支持軸３２を中心に回転する。また、第１スリット板８０には、円周部に沿って複数のスリット状の目盛部が形成されており、目盛部は、光を透過可能に形成されている。第１発光ダイオード８１は、第１受光センサ８２に向かって光を照射する。第１受光センサ８２は、第１スリット板８０を介して第１発光ダイオード８１と対向配置されており、第１スリット板８０の目盛部を通過した光を受光する。第１ロータリエンコーダ８は、第１発光ダイオード８１から発光され、第１スリット板８０の目盛部を通過して第１受光センサ８２が受光した光のパルス値からプーリ４の角度位置を検出する。
【００６１】
第２ロータリエンコーダ９は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第２スリット板９０と、光を発光する第２発光ダイオード９１と、第２発光ダイオード９１から発光された光を受光する第２受光センサ９２と、を備えて構成されている。第２スリット板９０は、リンク部６に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回転する。また、第２スリット板９０には、円周部に沿って複数のスリット状の目盛部が形成されており、目盛部は、光を透過可能に形成されている。第２発光ダイオード９１は、第２受光センサ９２に向かって光を照射する。第２受光センサ９２は、第２スリット板９０を介して第２発光ダイオード９１と対向配置されており、第２スリット板９０の目盛部を通過した光を受光する。第２ロータリエンコーダ９は、第２発光ダイオード９１から発光され、第２スリット板９０の目盛部を通過して第２受光センサ９２が受光した光のパルス値からリンク部６の角度位置を検出する。
【００６２】
プーリ４が支持軸３２を中心に回転すると、プーリ４に固定された第１スリット板８０も回転する。ここで、第１発光ダイオード８１から発光され、第１スリット板８０の目盛部を通過した光を第１受光センサ８２が受光すると、受光した光のパルス値からプーリ４の回転角度を検出する。
【００６３】
同様に、リンク部６が支持軸３２を中心に回動すると、リンク部６に固定された第２スリット板９０も回転する。ここで、第２発光ダイオード９１から発光され、第２スリット板９０の目盛部を通過した光を第２受光センサ９２が受光すると、受光した光のパルス値からリンク部６の回転角度を検出する。
【００６４】
以上のような構成を有する第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａによれば、第１実施形態に係る効果に加え、以下のような効果を奏する。第２実施形態に係る関節駆動装置１Ａは、第１ロータリエンコーダ８及び第２ロータリエンコーダ９を備えることにより、プーリ４とリンク部６の回動位置を正確に検出することができる。
【００６５】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂついて、図１０（ａ）から図１１を参照しながら説明する。図１０（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂを示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すＣ−Ｃ矢視断面図である。
【００６６】
第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂは、第１実施形態に係る人工筋肉アクチュエータ２を２組（２対４筋関節）備えることにおいて、第１実施形態に係る関節駆動装置１と相違する。そのため、第３実施形態においては、第１実施形態と相違する点、すなわち、２組の人工筋肉アクチュエータ２Ａの作用を中心に説明する。
【００６７】
なお、第３実施形態において、第１実施形態に係る関節駆動装置１と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と同様の構成のものについては、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００６８】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、関節駆動装置１Ｂは、人工筋肉アクチュエータ２Ａと、本体部３と、プーリ４，４と、リンク部６と、接続クラッチ７Ａと、を備えて構成されている。
【００６９】
人工筋肉アクチュエータ２Ａは、人工筋肉アクチュエータ２が上下方向に略平行に配置されている。具体的には、人工筋肉アクチュエータ２Ａは、一対の人工筋肉２ａ，２ｂが上下方向に配置されており、いわゆる２対４筋関節を構成している。なお、以下においては、上方側に配置された人工筋肉アクチュエータ２を第１人工筋肉アクチュエータ２００といい、第１人工筋肉アクチュエータ２００の下方側に配置された人工筋肉アクチュエータ２を第２人工筋肉アクチュエータ２１０という。
【００７０】
接続クラッチ７Ａは、一対の回転部７０，７０と、一対のコイル部７１，７１と、を備えて構成されている。一対の回転部７０，７０は、プーリ４，４に固定されており、プーリ４，４と共に支持軸３２を中心に回転する。一対のコイル部７１，７１は、一対の回転部７０，７０と対向するようにリンク部６に固定されており、リンク部６と共に支持軸３２を中心に回動する。また、一対のコイル部７１，７１は、通電時には、対向する回転部７０，７０との間に磁束を生じさせ、コイル部７１，７１が固定されたリンク部６を対向する回転部７０，７０が固定されたプーリ４に接続させる。つまり、いずれか一方のコイル部７１，７１を通電することにより、プーリ４とリンク部６とが接続してプーリ４の回転駆動力がリンク部６に伝達され、リンク部６がプーリ４に従動する構成となっている。
【００７１】
次に、０度位置に位置するプーリ４と、原点位置に位置するリンク部６とを連結させる設定動作について図１１を参照しながら説明する。図１１は、第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂのリンク部６の回動範囲の設定動作を示すフローチャートである。
【００７２】
図１１に示すように、関節駆動装置１Ｂのリンク部６の回動範囲の設定をするには、まず、リンク部６が原点位置にあるか否かを判断する（ステップＳＴ３０）。なお、リンク部６が原点位置にあるか否かは、不図示の原点センサが原点位置を検知するか否かにより判断され、原点センサが原点位置を検知すると原点位置にあると判断される。
【００７３】
リンク部６が原点位置にある場合には、第１人工筋肉アクチュエータ２００の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になるように空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ３１）。第１人工筋肉アクチュエータ２００の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になると、第１人工筋肉アクチュエータ２００のプーリ４（以下、「第１プーリ」という）が０度位置に位置する（ステップＳＴ３２）。第１プーリ４が０度位置に位置すると、次に、接続クラッチ７Ａの上方側のコイル部７１（以下、「第１コイル部」ともいう）を通電（励磁）してリンク部６と第１プーリ４とを接続させる（ステップＳＴ３３）。これにより、リンク部６は、原点位置を中心に±４５度の範囲において回動可能になる（ステップＳＴ３４）。
【００７４】
ここで、例えば、第１プーリ４が０度位置から＋４５度に位置するように、空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ３５）。例えば、第１人工筋肉２ａに空気圧０.４（Ｍｐａ）を供給し、第２人工筋肉２ｂに空気圧０.１（Ｍｐａ）を供給する。これにより、リンク部６も従動し、原点位置から＋４５度の位置に移動する。
【００７５】
リンク部６が原点位置から＋４５度の位置に移動すると、次に、第２人工筋肉アクチュエータ２１０の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になるように空気供給部２０ａ及び空気供給部２０ｂに供給する空気圧の供給制御を行う（ステップＳＴ３６）。第２人工筋肉アクチュエータ２１０の第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂが中立状態になると、第２人工筋肉アクチュエータ２１０のプーリ４（以下、「第２プーリ」という）が０度位置に位置する。第２プーリ４が０度位置に位置すると、次に、接続クラッチ７Ａの下方側のコイル部７１（以下、「第２コイル部」ともいう）を通電（励磁）してリンク部６と第２プーリ４とを接続させる（ステップＳＴ３７）。つまり、リンク部６と第１プーリ４との接続が解除され、リンク部６と第２プーリ４とが接続される。これにより、リンク部６は、回転角度＋４５度の位置を中心に±４５度の範囲において回動可能になる（ステップＳＴ３８）。つまり、リンク部６は、原点位置から＋９０度の位置まで回動可能になる。なお、リンク部６を、例えば、０度から−９０度の範囲で回動させる場合については、０度から＋９０度間の回動動作の逆の空気供給制御を行えばよいので省略する。
【００７６】
上述において、原点センサが原点位置を検知しない場合には、一旦、接続クラッチ７Ａのコイル部７１，７１のいずれか一方を通電（励磁）してリンク部６と第１又は第２人工筋肉アクチュエータ２００，２１０のプーリ４とを接続させる（ステップＳＴ３９）。リンク部６とプーリ４とが接続すると、第１人工筋肉２ａ及び第２人工筋肉２ｂの空気圧のバランスを制御し、リンク部６を回動させ、原点センサがリンク部６の原点位置を検出するまで連結と解除を繰り返す（ステップＳＴ４０〜ＳＴ４３）。原点センサがリンク部６の原点位置を検出すると、ステップＳＴ３１に進み、リンク部６とプーリ４の連結動作を行うる。
【００７７】
関節駆動装置１Ｂの空気供給制御システムについては、第１実施形態１に用いられる回路が２対筋分で構成される点のみで構成されるため、ここではその説明は省略する。
【００７８】
以上のような構成を有する第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂによれば、第１実施形態に係る効果に加え、以下のような効果を奏する。第３実施形態に係る関節駆動装置１Ｂは、第１人工筋肉アクチュエータ２００及び第２人工筋肉アクチュエータ２１０を有する、いわゆる２対４筋の人工筋肉を構成している。そのため、例えば、第１人工筋肉アクチュエータ２００と第２人工筋肉アクチュエータ２１０の切り替えを行うことにより、リンク部６の回動範囲を原点位置から±９０度の範囲に容易に切り替え可能になる。
【００７９】
例えば、１対２筋の場合は、リンク部６の回動範囲を切り替える際、プーリ４を中立位置に戻す動作が必要となる。しかし、関節駆動装置１Ｂは、第１及び第２人工筋肉アクチュエータ２００，２１０を交互に動作させることができるので、１対２筋の構成に比べ中立位置に戻す動作が不要になる。そのため、回動範囲の切り替え動作を連続的に行うことが可能になり、より滑らかな速い回動範囲の切り替えが可能となる。
【００８０】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃについて、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を援用すると共に、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る関節駆動装置のロータリエンコーダ８を示す図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【００８１】
第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃは、プーリ４，４とリンク部６の回転位置を検出する第１及び第２ロータリエンコーダ８，８，９が設けられたことにおいて、第３実施形態と相違する。そのため、第４実施形態においては、第３実施形態と相違する点、すなわち、第１及び第２ロータリエンコーダ８，８，９を中心に説明する。
【００８２】
なお、第４実施形態において、第１から第３実施形態に係る関節駆動装置１，１Ａ，１Ｂと同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。また、第１から第３実施形態と同様の構成のものについては、第１から第３実施形態と同様の効果を奏する。
【００８３】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、関節駆動装置１Ｃは、人工筋肉アクチュエータ２Ａと、本体部３と、プーリ４と、リンク部６と、接続クラッチ７と、一対の第１ロータリエンコーダ８，８と、第２ロータリエンコーダ９と、を備えて構成されている。
【００８４】
第１ロータリエンコーダ８，８は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第１スリット板８０と、光を発光する第１発光ダイオード８１と、第１発光ダイオード８１から発光された光を受光する第１受光センサ８２と、を備えて構成されている。プーリ４が支持軸３２を中心に回転すると、プーリ４に固定された第１スリット板８０も回転する。ここで、第１発光ダイオード８１から発光され、第１スリット板８０の目盛部を通過した光を第１受光センサ８２が受光すると、受光した光のパルス値からプーリ４の回転角度を検出する。
【００８５】
第２ロータリエンコーダ９は、支持軸３２を中心に回転する円盤状の第２スリット板９０と、光を発光する第２発光ダイオード９１と、第２発光ダイオード９１から発光された光を受光する第２受光センサ９２と、を備えて構成されている。同様に、リンク部６が支持軸３２を中心に回動すると、リンク部６に固定された第２スリット板９０も回転する。ここで、第２発光ダイオード９１から発光され、第２スリット板９０の目盛部を通過した光を第２受光センサ９２が受光すると、受光した光のパルス値からリンク部６の回転角度を検出する。なお、検出したそれぞれの回転角度の情報は、制御回路１２１で目標値との比較を行いリンク部６の位置を決定する。
【００８６】
以上のような構成を有する第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃによれば、第１から第３実施形態に係る効果に加え、以下のような効果を奏する。第４実施形態に係る関節駆動装置１Ｃは、第１ロータリエンコーダ８，８及び第２ロータリエンコーダ９を備える。そのため、より正確な関節角度情報を得ることができ、リンク部６の位置決め精度や応答性をさらに高くすることができる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。
【００８８】
例えば、本実施形態においては、プーリ４の連結角度として、０°、＋４５°、−４５°を用いて説明したが、本発明においてはこれに限定されない。連結角度としては、０°から±９０°間における任意の連結角度を設定してもよい。
【００８９】
また、本実施形態においては、プーリ４の回転位置を検出する第１ロータリエンコーダ８と、リンク部６の回転位置を検出する第２ロータリエンコーダ９を設けたが、本発明においてはこれに限定されない。第１ロータリエンコーダ８及び第２ロータリエンコーダ９は、リンク部６の位置決めの精度レベルに応じて第１ロータリエンコーダ８又は第２ロータリエンコーダ９のいずれか一方のみを用いる構成であってもよい。また、例えば、本実施形態においては、光電方式のロータリエンコーダを用いて説明したが、本発明においてはこれに限定されない。例えば、プーリ４及びリンク部６の回動位置が検出できるものであればよい。例えば、磁気方式や静電容量方式等であってもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 関節駆動装置
２、２Ａ 人工筋肉アクチュエータ
２ａ 第１人工筋肉（第１アクチュエータ）
２ｂ 第２人工筋肉（第２アクチュエータ）
４ プーリ（回転手段）
５ａ 第１連結ワイヤ（第１アクチュエータ）
５ｂ 第２連結ワイヤ（第２アクチュエータ）
６ リンク部
７ 接続クラッチ
８ 第１ロータリエンコーダ（検出手段）
９ 第２ロータリエンコーダ（検出手段）
３２ 支持軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持軸に回転自在に支持される回転手段と、
前記回転手段と同軸上で前記支持軸に回動自在に支持されるリンク部と、
第１アクチュエータ及び該第１アクチュエータと拮抗する第２アクチュエータを有し、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの拮抗筋運動による収縮量の差により、前記回転手段を所定の回転範囲内で回転させる人工筋肉アクチュエータと、を備えた関節駆動装置において、
前記リンク部の回転角度を検出する検出手段と、
前記リンク部を前記回転手段に接続させて、前記リンク部に前記回転手段の回転駆動力を伝達するクラッチ部と、を備え、
前記人工筋肉アクチュエータにより所定の回転角度に回転された前記回転手段と所定の回動位置に位置する前記リンクとを接続して、前記リンク部の前記回転手段に対する相対的な回動範囲を切り替える、
ことを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記リンクを回動させる前記所定の回動範囲に基づいて、前記回転手段と前記リンク部とを接続させる、前記回転手段の前記回転角度及び前記リンク部の前記回動位置を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記回転手段の回転角度を検出する検出手段を備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の関節駆動装置。
【請求項１】
支持軸に回転自在に支持される回転手段と、
前記回転手段と同軸上で前記支持軸に回動自在に支持されるリンク部と、
第１アクチュエータ及び該第１アクチュエータと拮抗する第２アクチュエータを有し、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータの拮抗筋運動による収縮量の差により、前記回転手段を所定の回転範囲内で回転させる人工筋肉アクチュエータと、を備えた関節駆動装置において、
前記リンク部の回転角度を検出する検出手段と、
前記リンク部を前記回転手段に接続させて、前記リンク部に前記回転手段の回転駆動力を伝達するクラッチ部と、を備え、
前記人工筋肉アクチュエータにより所定の回転角度に回転された前記回転手段と所定の回動位置に位置する前記リンクとを接続して、前記リンク部の前記回転手段に対する相対的な回動範囲を切り替える、
ことを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記リンクを回動させる前記所定の回動範囲に基づいて、前記回転手段と前記リンク部とを接続させる、前記回転手段の前記回転角度及び前記リンク部の前記回動位置を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記回転手段の回転角度を検出する検出手段を備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の関節駆動装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１２５８４７（Ｐ２０１２−１２５８４７Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７６８５７（Ｐ２０１０−２７６８５７）
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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