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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6238920
(24)【登録日】2017年11月10日
(45)【発行日】2017年11月29日
(54)【発明の名称】アクチュエータ及びリンク構造の駆動方法
(51)【国際特許分類】
F16H 21/02 20060101AFI20171120BHJP
B25J 17/00 20060101ALI20171120BHJP
【ＦＩ】
F16H21/02
B25J17/00 F
【請求項の数】9
【全頁数】31
(21)【出願番号】特願2015-22090(P2015-22090)
(22)【出願日】2015年2月6日
(65)【公開番号】特開2016-1055(P2016-1055A)
(43)【公開日】2016年1月7日
【審査請求日】2016年10月18日
(31)【優先権主張番号】特願2014-106993(P2014-106993)
(32)【優先日】2014年5月23日
(33)【優先権主張国】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第３２回日本ロボット学会学術講演会 予稿集における「可変弾性と可変平衡点を有するロボット関節の運動性能」 一般社団法人 日本ロボット学会
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】593006630
【氏名又は名称】学校法人立命館
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】野田 哲男
(72)【発明者】
【氏名】藤本 堅太
(72)【発明者】
【氏名】松阪 憲人
(72)【発明者】
【氏名】川村 貞夫
(72)【発明者】
【氏名】植村 充典
【審査官】
塚原 一久
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００７−１１９２４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１６１８４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−０６７８０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０３−２２４９１６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ１６Ｈ １９／００−３７／１６、４９／００
Ｂ２５Ｊ １／００−２１／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
リンク構造を駆動させるアクチュエータであり、
第１補助部と、
第２補助部と、
前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部と連結され、かつ、前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部が回転運動する場合の回転中心である回転部とを備え、
前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部は、それぞれ、前記回転部から延び出て形成され、
前記リンク構造が回転運動する面内において、前記第１補助部の前記回転部から延び出た位置と前記第２補助部の前記回転部から延び出た位置とは、前記リンク構造を挟んで配置され、
前記リンク構造は、前記回転部から延び出た位置において少なくとも１つのリンク固定部を備え、
前記第１補助部は、前記回転部から延び出た位置において、前記回転部から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第１移動固定部を備え、
前記第２補助部は、前記回転部から延び出た位置において、前記回転部から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第２移動固定部を備え、
前記リンク固定部と前記第１移動固定部とに跨る、紐状の第１弾性体と、
前記リンク固定部と前記第２移動固定部とに跨る、紐状の第２弾性体とをさらに備え、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、互いの弾性力により引き延ばされた状態で保持され、
前記リンク構造は、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の移動に応じて、前記第１弾性体の弾性力と前記第２弾性体の弾性力とが釣り合う位置に保持される、
アクチュエータ。
第１補助部と、
第２補助部と、
前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部と連結され、かつ、前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部が回転運動する場合の回転中心である回転部とを備え、
前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部は、それぞれ、前記回転部から延び出て形成され、
前記リンク構造が回転運動する面内において、前記第１補助部の前記回転部から延び出た位置と前記第２補助部の前記回転部から延び出た位置とは、前記リンク構造を挟んで配置され、
前記リンク構造は、前記回転部から延び出た位置において少なくとも１つのリンク固定部を備え、
前記第１補助部は、前記回転部から延び出た位置において、前記回転部から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第１移動固定部を備え、
前記第２補助部は、前記回転部から延び出た位置において、前記回転部から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第２移動固定部を備え、
前記リンク固定部と前記第１移動固定部とに跨る、紐状の第１弾性体と、
前記リンク固定部と前記第２移動固定部とに跨る、紐状の第２弾性体とをさらに備え、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、互いの弾性力により引き延ばされた状態で保持され、
前記リンク構造は、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の移動に応じて、前記第１弾性体の弾性力と前記第２弾性体の弾性力とが釣り合う位置に保持される、
アクチュエータ。
【請求項2】
前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部は、滑車として作用するベアリングであり、
前記第１補助部は、前記回転中心において第１中心固定部を備え、
前記第２補助部は、前記回転中心において第２中心固定部を備え、
前記第１弾性体は、前記リンク固定部と前記第１中心固定部との間で、前記第１移動固定部を介して取り付けられ、
前記第２弾性体は、前記リンク固定部と前記第２中心固定部との間で、前記第２移動固定部を介して取り付けられる、
請求項１に記載のアクチュエータ。
前記第１補助部は、前記回転中心において第１中心固定部を備え、
前記第２補助部は、前記回転中心において第２中心固定部を備え、
前記第１弾性体は、前記リンク固定部と前記第１中心固定部との間で、前記第１移動固定部を介して取り付けられ、
前記第２弾性体は、前記リンク固定部と前記第２中心固定部との間で、前記第２移動固定部を介して取り付けられる、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項3】
前記リンク固定部は、１つである、
請求項１に記載のアクチュエータ。
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項4】
前記リンク固定部、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部は、滑車として作用するベアリングであり、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、互いの端部が接続されることで、全体として輪形状の接続弾性体を形成し、
前記接続弾性体は、前記リンク固定部、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の間で、引き延ばされた状態で保持され、
前記リンク構造は、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の移動に応じて、前記接続弾性体の弾性力が釣り合う位置に保持される、
請求項３に記載のアクチュエータ。
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、互いの端部が接続されることで、全体として輪形状の接続弾性体を形成し、
前記接続弾性体は、前記リンク固定部、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の間で、引き延ばされた状態で保持され、
前記リンク構造は、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の移動に応じて、前記接続弾性体の弾性力が釣り合う位置に保持される、
請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項5】
前記第１移動固定部及び第２移動固定部は、ベアリングであり、
前記第１補助部は、ねじが切られた棒構造である第１滑りねじ部を備え、
前記第２補助部は、ねじが切られた棒構造である第２滑りねじ部を備え、
前記第１滑りねじ部は、前記第１補助部における前記回転部から延び出る方向に沿って配置され、かつ、前記第１移動固定部を嵌合させ、
前記第２滑りねじ部は、前記第２補助部における前記回転部から延び出る方向に沿って配置され、かつ、前記第２移動固定部を嵌合させる、
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記第１補助部は、ねじが切られた棒構造である第１滑りねじ部を備え、
前記第２補助部は、ねじが切られた棒構造である第２滑りねじ部を備え、
前記第１滑りねじ部は、前記第１補助部における前記回転部から延び出る方向に沿って配置され、かつ、前記第１移動固定部を嵌合させ、
前記第２滑りねじ部は、前記第２補助部における前記回転部から延び出る方向に沿って配置され、かつ、前記第２移動固定部を嵌合させる、
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項6】
前記第１補助部は、前記第１滑りねじ部を回転させる第１駆動モータを備え、
前記第２補助部は、前記第２滑りねじ部を回転させる第２駆動モータを備える、
請求項５に記載のアクチュエータ。
前記第２補助部は、前記第２滑りねじ部を回転させる第２駆動モータを備える、
請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項7】
前記リンク構造が、多関節ロボットのアーム部であり、
前記回転部が、前記多関節ロボットの関節部である、
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記回転部が、前記多関節ロボットの関節部である、
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項8】
前記リンク構造は、前記回転部から延び出た位置で、かつ、前記リンク固定部よりも前記回転部に近い位置において、ベアリングである第１経由構造及びベアリングである第２経由構造をさらに備え、
前記第１弾性体は、前記リンク固定部と前記第１移動固定部との間で、前記第１経由構造を介して取り付けられ、
前記第２弾性体は、前記リンク固定部と前記第２移動固定部との間で、前記第２経由構造を介して取り付けられる、
請求項１から請求項３及び請求項５から請求項７のうちのいずれかに１項に記載のアクチュエータ。
前記第１弾性体は、前記リンク固定部と前記第１移動固定部との間で、前記第１経由構造を介して取り付けられ、
前記第２弾性体は、前記リンク固定部と前記第２移動固定部との間で、前記第２経由構造を介して取り付けられる、
請求項１から請求項３及び請求項５から請求項７のうちのいずれかに１項に記載のアクチュエータ。
【請求項9】
回転中心を有するリンク構造を、前記リンク構造が回転運動する面内において、前記回転中心から延び出た位置において異なる複数の方向から引っ張り、
前記リンク構造を引っ張る力の大きさ及び力の方向を制御することにより、前記リンク構造を回転運動させ、
前記リンク構造を引っ張る力の大きさが、いずれの方向においても０より大きい、
リンク構造の駆動方法。
前記リンク構造を引っ張る力の大きさ及び力の方向を制御することにより、前記リンク構造を回転運動させ、
前記リンク構造を引っ張る力の大きさが、いずれの方向においても０より大きい、
リンク構造の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リンク構造を駆動させるアクチュエータ及びリンク構造の駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
複数のリンク構造、及び、それらを連接する関節部を有する多関節ロボット（以下、単に「ロボット」ともいう）は、いくつかのリンク構造において、リンク構造を駆動させるアクチュエータ（作動装置）を備えている。ここで、リンク構造とは、他の可動部分により接続されることを前提とする構造体である。
【0003】
アクチュエータの例としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。
【0004】
特許文献１に開示されたアクチュエータは、リンク構造における荷重に対抗して、線形バネを介して主アームを引っ張るモーメントアーム角度を適切に設定する。そのように制御することで自重補償を実現する。
【0005】
特許文献２に開示されたアクチュエータは、リンク構造における荷重が変わっても、手動で、線形バネのモーメントアームへの取り付け位置を変更することで、荷重補償を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１２−１６１８４６号公報
【特許文献2】特開２００７−１１９２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、上記のアクチュエータでは、リンク構造の一方向への駆動が実現されるのみであり、リンク構造の複数の方向への駆動を実現することができない。よって、リンク構造を複数の方向へ駆動させるためのアクチュエータとしては、不十分であるという問題があった。
【0008】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、リンク構造を複数の方向へ駆動させることができるアクチュエータ及びリンク構造の駆動方法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】
本発明の一態様に関するアクチュエータは、リンク構造を駆動させるアクチュエータであり、第１補助部と、第２補助部と、前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部と連結され、かつ、前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部が回転運動する場合の回転中心である回転部とを備え、前記リンク構造、前記第１補助部及び前記第２補助部は、それぞれ、前記回転部から延び出て形成され、前記リンク構造が回転運動する面内において、前記第１補助部の前記回転部から延び出た位置と前記第２補助部の前記回転部から延び出た位置とは、前記リンク構造を挟んで配置され、前記リンク構造は、前記回転部から延び出た位置において少なくとも１つのリンク固定部を備え、前記第１補助部は、前記回転部から延び出た位置において、前記回転部から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第１移動固定部を備え、前記第２補助部は、前記回転部から延び出た位置において、前記回転部から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第２移動固定部を備え、前記リンク固定部と前記第１移動固定部とに跨る、紐状の第１弾性体と、前記リンク固定部と前記第２移動固定部とに跨る、紐状の第２弾性体とをさらに備え、前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、互いの弾性力により引き延ばされた状態で保持され、前記リンク構造は、前記第１移動固定部及び前記第２移動固定部の移動に応じて、前記第１弾性体の弾性力と前記第２弾性体の弾性力とが釣り合う位置に保持される。
【0010】
本発明の一態様に関するリンク構造の駆動方法は、回転中心を有するリンク構造を、前記リンク構造が回転運動する面内において、前記回転中心から延び出た位置において異なる複数の方向から引っ張り、前記リンク構造を引っ張る力の大きさ及び力の方向を制御することにより、前記リンク構造を回転運動させ、前記リンク構造を引っ張る力の大きさが、いずれの方向においても０より大きい。【発明の効果】
【0011】
本発明の上記態様によれば、リンク構造を引っ張る力の大きさ及び力の方向を制御することにより、リンク構造を複数の方向へ駆動させることができる。
【0012】
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。
【図2】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図3】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図4】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図5】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図6】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図7】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図8】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図9】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図10】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図11】実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。
【図12】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図13】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図14】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図15】実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。
【図16】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図17】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図18】実施形態に関する、アクチュエータの出力トルク特性を求めた結果を示す図である。
【図19】実施形態に関する、各要素の寸法を示す図である。
【図20】正の弾性値の場合の実験結果を示す図である。
【図21】負の弾性値の場合の実験結果を示す図である。
【図22】実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。
【図23】リンク構造を駆動させるアクチュエータの１つの補助部のみを有する場合の構造を示す図である。
【図24】実施形態に関するアクチュエータをモデル化した図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。以下の説明では、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」又は「裏」などの特定の位置及び方向を意味する用語が用いられる場合があるが、これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするため便宜上用いられているものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称及び機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
【0015】
＜第１実施形態＞＜構成＞
図１は、本実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。図１に示されるように、アクチュエータは、リンク構造１０と、弾性体２と、一対の補助部３ａ及び補助部３ｂと、回転部５とを備える。補助部３ｂは、リンク構造１０を基準として補助部３ａとは反対側に配置される。リンク構造１０、補助部３ａ及び補助部３ｂは、それぞれ、回転部５から延び出て形成される。
【0016】
リンク構造１０は、ベアリング４を備える。補助部３ａはベアリング４ａを備える。補助部３ｂはベアリング４ｂを備える。
【0017】
回転部５は、リンク構造１０、補助部３ａ及び補助部３ｂと連結され、かつ、リンク構造１０、補助部３ａ及び補助部３ｂが回転運動する場合の回転中心となる。
【0018】
補助部３ａは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ａを備える。ベアリング４ａは、滑りねじ部３０ａに取り付けられ、また、補助部３ａの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ａは、補助部３ａの長手方向に沿う軸を有し、当該軸にベアリング４ａが嵌合する。
【0019】
補助部３ａは、駆動モータ３１ａを備える。駆動モータ３１ａは、滑りねじ部３０ａを軸方向に回転させる。
【0020】
補助部３ｂは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ｂを備える。ベアリング４ｂは、滑りねじ部３０ｂに取り付けられ、また、補助部３ｂの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ｂは、補助部３ｂの長手方向に沿う軸を有し、当該軸にベアリング４ｂが嵌合する。
【0021】
補助部３ｂは、駆動モータ３１ｂを備える。駆動モータ３１ｂは、滑りねじ部３０ｂを軸方向に回転させる。
【0022】
リンク構造１０は、回転部５を介してリンク構造１１と連接され、回転部５を中心に回転可能である。リンク構造１０は、例えば、回転部５を関節部としてリンク構造１１と連接される、ロボットの腕部（アーム部）を構成する部材として想定される。ただし、リンク構造１０は、リンク構造１１と連接されていなくともよい。
【0023】
弾性体２は、紐状の弾性体である。弾性体２は、輪形状である。具体的には、伸び縮みする軽量なゴム紐、又は、弦巻バネを紐で結んだ紐状の部材（一部が弾性体である部材）などが想定される。
【0024】
補助部３ａ及び補助部３ｂは、回転部５を中心に回転可能である。図１においては、補助部３ａ及び補助部３ｂは同じ長さとなっているが、必ずしも同じ長さの構造である必要はない。また、図１においては、回転部５が、補助部３ａ及び補助部３ｂの、長手方向における中間点付近に位置しているが、この位置に限られるものではなく、長手方向におけるいずれかの端部に位置していてもよい。
【0025】
滑車であるベアリング４は、リンク構造１０における回転部５から延び出た位置に１つ取り付けられる。滑車であるベアリング４ａは、補助部３ａにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。滑車であるベアリング４ｂは、補助部３ｂにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂは、それぞれにおいて弾性体２が、引き伸ばされた状態で引っかけられる。よって、弾性体２は、ある特定の張力を有する状態で、ベアリング４、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂによる３点で保持される。また、ベアリング４、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂは、滑車として作用するため、弾性体２は、ベアリング４とベアリング４ａとの間、ベアリング４ａとベアリング４ｂとの間、及び、ベアリング４とベアリング４ｂとの間において、同じ張力を有する。そして、リンク構造１０は、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂの移動に応じて、弾性体２の弾性力が釣り合う位置に保持される。
【0026】
回転部５は、リンク構造１０、リンク構造１１、補助部３ａ及び補助部３ｂの回転中心である。
【0027】
滑りねじ部３０ａは、補助部３ａの長手方向にベアリング４ａを移動させるための構造であるが、当該機能を有する他の構成と交換可能である。例えば、補助部３ａの長手方向に延びて形成されたスライド穴、又は、補助部３ａの長手方向に複数並んで形成された穴などであってもよい。
【0028】
滑りねじ部３０ｂは、補助部３ｂの長手方向にベアリング４ｂを移動させるための構造であるが、当該機能を有する他の構成と交換可能である。例えば、補助部３ｂの長手方向に延びて形成されたスライド穴、又は、補助部３ｂの長手方向に複数並んで形成された穴などであってもよい。
【0029】
なお、図１に示されるように、回転部５の回転中心からベアリング４までの距離をｌ、回転部５の回転中心からベアリング４ａまでの距離をｒ１、回転部５の回転中心からベアリング４ｂまでの距離をｒ２、基準線（図１における点線）からのリンク構造１０の開き角度をｑ、基準線（図１における点線）からの補助部３ａの開き角度をｑｅ１、基準線（図１における点線）からの補助部３ｂの開き角度をｑｅ２、ベアリング４ａからベアリング４までの距離をｘ１、ベアリング４ｂからベアリング４までの距離をｘ２とする。
【0030】
＜作用＞次に、本実施形態に関するアクチュエータの動作について説明する。リンク構造１０は、回転部５を中心に回転する。このとき、補助部３ａ及び補助部３ｂは、ある特定の角度をなして配置される。
【0031】
補助部３ａ及び補助部３ｂにそれぞれ取り付けられたベアリング４ａ及びベアリング４ｂは、滑りねじ部３０ａ及び滑りねじ部３０ｂの回転動作により、それぞれ補助部３ａの長手方向及び補助部３ｂの長手方向に移動する。リンク構造１０に取り付けられたベアリング４は、リンク構造１０においてその位置が固定されている。
【0032】
ベアリング４、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂは、それぞれにおいて弾性体２が、引き伸ばされた状態で引っかけられる。
【0033】
このとき、例えばリンク構造１０に対して外力が加わると、リンク構造１０は回転部５を中心に回転するが、それに応じて弾性体２の各長さ（具体的には、ｘ１又はｘ２などに相当する長さ）が変化するため、弾性体２により発生するトルクが変化する。すなわち、リンク構造１０が、弾性体２の弾性力が釣り合う位置から移動することにより、弾性体２によるトルクが発生する。
【0034】
このトルクは、各ベアリングの位置及び各補助部の開き角度に応じて変化させることができる。すなわち、上記各パラメータと、発生するトルクとの間には、ある種の力学的関係を見出すことができる。
【0035】
よって、上記各パラメータを調整することでアクチュエータとして作用させることができ、リンク構造１０に対し、所望のトルクを生じさせることができる。
【0036】
このアクチュエータの出力特性を考えるために、まずそのポテンシャルエネルギーを考える。
【0037】
弾性体２の変位量を下式に示す。
【0038】
【数1】
【0039】
ここで、ｘは変位量、ｘｉ（ｉ＝１，２）は片側の変位量、ｘ０は初期変位量、ｒ０ｉ（ｉ＝１，２）は回転部５からベアリング４ａ又はベアリング４ｂまでの初期の距離、ｌ０は弾性体２全体の初期長さをそれぞれ示す。
【0040】
これらから、本実施形態に関するアクチュエータのポテンシャルエネルギーは下式で表すことができる。
【0041】
【数2】
【0042】
ただし、Ｕは弾性体２に蓄えられるポテンシャルエネルギーであり、ｋは弾性体２の弾性値（ばね定数）である。
【0043】
ポテンシャルエネルギーをリンク構造１０の開き角度ｑで１階偏微分して出力トルクを計算し、さらに、ポテンシャルエネルギーをリンク構造１０の開き角度ｑで２階偏微分して回転部５周りの弾性値を計算する。
【0044】
【数3】
【0045】
ただし、τは出力トルク、ｋｑは回転部５周りの弾性値、Ｓｅｉ＝ｓｉｎ（ｑｅｉ＋ｑ）、Ｃｅｉ＝ｃｏｓ（ｑｅｉ＋ｑ）である。
【0046】
さて、この機構の平衡点は、本アクチュエータの出力トルクが０になる角度である。このとき、
【0047】
【数4】
【0048】
が成り立つ。これを変形していくと下式が得られる。
【0049】
【数5】
【0050】
ここで、ｑｅは弾性要素の平衡点である。ただし、ｑｅ１とｑｅ２との関係によって解が変わる。また、目標の平衡点（ｑｅ）が決定するとｒ１とｒ２との関係が求まり、設定する弾性値（ｋｑ）を決定するとｒ１とｒ２とが求まる。
【0052】
リンク構造１０に作用する、弾性体２により発生する回転角度あたりの設定される弾性値（設定弾性値）を−２［Ｎｍ／ｒａｄ］から２［Ｎｍ／ｒａｄ］まで０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］刻みで設定する。また、このときのリンクの回転軸周りにトルクが加わらない平衡点（ｑｅ）を−９０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで１０［ｄｅｇ］刻みで設定する。ただし、設定弾性値［Ｎｍ／ｒａｄ］は平衡点付近での値であり、本アクチュエータの出力特性は線形でないため、図に示されたグラフの傾きに相当する弾性値は、図に示されるように一定の幅を有する。
【0053】
図２から図１０においては、複数（１９本）のグラフがプロットされているが、これは、平衡点（ｑｅ）を−９０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで１０［ｄｅｇ］刻みでプロットした結果を反映したものである。ただし、図２では、その１９本すべてが重なっている。
【0054】
各ベアリングの位置を、リンク構造１０が配置される側とは反対側（図１であればリンク構造１１が配置される側）に位置させることで、負の設定弾性値［Ｎｍ／ｒａｄ］をとることも可能である。図４、図６、図８及び図１０がこの場合に相当する。
【0056】
図２は、設定弾性値を０［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。
【0057】
図３は、設定弾性値を０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図３に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−０．５［Ｎｍ］以上０．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0058】
図４は、設定弾性値を−０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図４に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−０．５［Ｎｍ］以上０．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0059】
図５は、設定弾性値を１［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図５に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−１［Ｎｍ］以上１［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0060】
図６は、設定弾性値を−１［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図６に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−１［Ｎｍ］以上１［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0061】
図７は、設定弾性値を１．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図７に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−１．５［Ｎｍ］以上１．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0062】
図８は、設定弾性値を−１．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図８に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−１．５［Ｎｍ］以上１．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0063】
図９は、設定弾性値を２［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図９に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−２［Ｎｍ］以上２［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0064】
図１０は、設定弾性値を−２［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図１０に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−２［Ｎｍ］以上２［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0065】
また、計算条件として用いた各要素の寸法を図１９に示す。
【0066】
ここで、ｌは回転部５の回転中心からベアリング４までの距離、ｑｅ１は基準線（図１における点線）からの補助部３ａの開き角度、ｑｅ２は基準線（図１における点線）からの補助部３ｂの開き角度、ｋは弾性体２の弾性値、ｒ０１は回転部５の回転中心からベアリング４ａまでの初期の距離、ｒ０２は回転部５の回転中心からベアリング４ｂまでの初期の距離、ｌ０は引き伸ばされた状態で引っかけられた弾性体２全体の初期長さ、ｌ０１及びｌ０２は、後述する第２実施形態及び第３実施形態における引き伸ばされた状態で引っかけられた弾性体の各部の初期長さをそれぞれ示す。
【0067】
なお、これらの寸法は後述する各実施形態においても同様に用いる。
【0068】
本実施形態に関するアクチュエータでは、リンク構造１０の駆動に関し従来のような減速機構を有する必要がなく、よって、比較的大きな慣性を有する機構を別途備える必要がない。
【0069】
また、図２に示されるように、全くトルクを発生しない場合においても、伸ばされた状態の弾性体２が内側に収縮しようとするため、軸力が働いた状態の回転部５の回転摩擦力が駆動上の抗力となり、通常は、ボールベアリングなどの摩擦抵抗と同等の値となる。
【0070】
これらのことは、外力により、リンク構造１０の位置を変化させることが必要な応用事例、例えば、産業用ロボットにおける力覚センサのフィードバック制御を実行する場合、あるいは、人の歩行を補助する動力義足のアクチュエータとして使用する場合などにおいて、モデル化しにくい摩擦補償制御を無視できる、又は、摩擦補償制御を無視して制御しても一定の制御効果が得られるというメリットがある。いわゆる、バックドライバビリティを有するアクチュエータが得られる効果がある。なお、バックドライバビリティとは、出力節に適当な力を加えたときに、その節が可動し、かつそれが入力節側に伝わる性質のことをいう。
【0071】
＜効果＞以下に、本実施形態による効果を例示する。
【0072】
本実施形態によれば、リンク固定部としてのベアリング４、第１移動固定部としてのベアリング４ａ及び第２移動固定部としてのベアリング４ｂは、滑車構造である。
【0073】
後述する第１弾性体と後述する第２弾性体とは、互いの端部が接続されることで、全体として輪形状の接続弾性体としての弾性体２を形成する。
【0074】
弾性体２は、ベアリング４、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂの間で、引き延ばされた状態で保持される。
【0075】
リンク構造１０は、ベアリング４ａ及びベアリング４ｂの移動に応じて、弾性体２の弾性力が釣り合う位置に保持される。
【0076】
このような構成によれば、簡易な構成でリンク構造１０を双方向（複数の方向）へ駆動させるアクチュエータを得ることができる。本実施形態に関するアクチュエータでは、リンク構造１０の駆動に関し従来のような減速機構を有する必要がなく、よって、比較的大きな慣性を有する機構を別途備える必要がない。
【0077】
また、本実施形態によれば、第１移動固定部としてのベアリング４ａ及び第２移動固定部としてのベアリング４ｂは、ベアリングである。
【0078】
第１補助部としての補助部３ａは、ねじが切られた棒構造である第１滑りねじ部としての滑りねじ部３０ａを備える。
【0079】
第２補助部としての補助部３ｂは、ねじが切られた棒構造である第２滑りねじ部としての滑りねじ部３０ｂを備える。
【0080】
滑りねじ部３０ａは、補助部３ａにおける回転部５から延び出る方向に沿って配置され、かつ、ベアリング４ａを嵌合させる。
【0081】
滑りねじ部３０ｂは、補助部３ｂにおける回転部５から延び出る方向に沿って配置され、かつ、ベアリング４ｂを嵌合させる。
【0082】
なお、ベアリング４ａは、後述のベアリング４０ａ又はベアリング４００ａと入れ替えることもできる。
【0083】
なお、ベアリング４ｂは、後述のベアリング４０ｂ又はベアリング４００ｂと入れ替えることもできる。
【0084】
このような構成によれば、滑りねじ部３０ａを回転させることによりベアリング４ａの位置を、滑りねじ部３０ｂを回転させることによりベアリング４ｂの位置を、それぞれ変更することができる。よって、弾性体２がベアリング４を介してリンク構造１０を引っ張る力の大きさ及び力の方向を制御することができ、リンク構造１０を双方向（複数の方向）へ駆動させるアクチュエータを得ることができる。すなわち、リンク構造１０に作用する、弾性体２により発生する弾性値を制御することにより、リンク構造１０に対し、任意のトルクを発生させることができる。
【0085】
また、本実施形態によれば、第１補助部としての補助部３ａは、第１滑りねじ部としての滑りねじ部３０ａを回転させる第１駆動モータとしての駆動モータ３１ａを備える。
【0086】
第２補助部としての補助部３ｂは、第２滑りねじ部としての滑りねじ部３０ｂを回転させる第２駆動モータとしての駆動モータ３１ｂを備える。
【0087】
このような構成によれば、駆動モータ３１ａで滑りねじ部３０ａを回転させることによりベアリング４ａの位置を、駆動モータ３１ｂで滑りねじ部３０ｂを回転させることによりベアリング４ｂの位置を、それぞれ変更することができる。よって、弾性体２がベアリング４を介してリンク構造１０を引っ張る力の大きさ及び力の方向をリアルタイムで制御することができる。また、出力トルク特性のシミュレーション結果に基づいて上記の制御を行うことで、リアルタイムで目標とするトルク出力を実現することができる。
【0088】
また、本実施形態によれば、リンク構造の駆動方法において、回転中心を有するリンク構造１０を、回転中心から延び出た位置において異なる複数の方向から引っ張り、リンク構造１０を引っ張る力の大きさ及び力の方向を制御することにより、リンク構造１０を回転運動させる。この場合、リンク構造１０を引っ張る力の大きさが、いずれの方向においても０より大きい。
【0089】
このような構成によれば、リンク構造１０を複数の方向へ駆動させるアクチュエータを得ることができる。
【0090】
＜第２実施形態＞＜構成＞
以下では、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。
【0091】
図１１は、本実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。図１１に示されるように、アクチュエータは、リンク構造１０と、弾性体２ａと、弾性体２ｂと、一対の補助部３ａ及び補助部３ｂと、回転部５とを備える。
【0092】
リンク構造１０は、固定部６を備える。補助部３ａは、固定部６ａ（図示せず）とベアリング４０ａとを備える。補助部３ｂは、固定部６ｂとベアリング４０ｂとを備える。
【0093】
補助部３ａは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ａを備える。ベアリング４０ａは、滑りねじ部３０ａに取り付けられ、また、補助部３ａの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ａは、補助部３ａの長手方向に沿う軸を有する。
【0094】
補助部３ａは、駆動モータ３１ａを備える。駆動モータ３１ａは、滑りねじ部３０ａを軸方向に回転させる。
【0095】
補助部３ｂは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ｂを備える。ベアリング４０ｂは、滑りねじ部３０ｂに取り付けられ、また、補助部３ｂの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ｂは、補助部３ｂの長手方向に沿う軸を有する。
【0096】
補助部３ｂは、駆動モータ３１ｂを備える。駆動モータ３１ｂは、滑りねじ部３０ｂを軸方向に回転させる。
【0097】
リンク構造１０は、回転部５を介してリンク構造１１と連接され、回転部５を中心に回転可能である。
【0098】
弾性体２ａ及び弾性体２ｂは、紐状の弾性体である。具体的には、伸び縮みする軽量なゴム紐、又は、弦巻バネを紐で結んだ紐状の部材（一部が弾性体である部材）などが想定される。
【0099】
補助部３ａ及び補助部３ｂは、回転部５を中心に回転可能である。
【0100】
固定部６は、リンク構造１０における回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４０ａは、補助部３ａにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４０ｂは、補助部３ｂにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。固定部６ａ及び固定部６ｂは、それぞれ、補助部３ａの回転中心及び補助部３ｂの回転中心に取り付けられる。
【0101】
固定部６及び固定部６ａには、それぞれ弾性体２ａの端部が固定され、固定部６及び固定部６ｂには、それぞれ弾性体２ｂの端部が固定される。滑車であるベアリング４０ａには、弾性体２ａが引き伸ばされた状態で引っかけられる。滑車であるベアリング４０ｂには、弾性体２ｂが引き伸ばされた状態で引っかけられる。よって、弾性体２ａ及び弾性体２ｂは、ある特定の張力を有する状態でそれぞれ保持される。また、ベアリング４０ａ及びベアリング４０ｂは、滑車のように作用する。そのため、弾性体２ａは、固定部６とベアリング４０ａとの間、及び、ベアリング４０ａと固定部６ａとの間において、同じ張力を有する。また、弾性体２ｂは、固定部６とベアリング４０ｂとの間、及び、ベアリング４０ｂと固定部６ｂとの間において、同じ張力を有する。
【0102】
弾性体２ａ及び弾性体２ｂは、互いの弾性力により引き伸ばされた状態で保持される。リンク構造１０は、ベアリング４０ａ及びベアリング４０ｂの移動に応じて、弾性体２ａの弾性力と弾性体２ｂの弾性力とが釣り合う位置に保持される。
【0103】
なお、リンク構造１０における弾性体２ａが固定される箇所は、リンク構造１０における弾性体２ｂが固定される箇所と同一でなくてもよい。すなわち、リンク構造１０において弾性体２ａが固定される固定部６とは別の固定部において、弾性体２ｂが固定されていてもよい。
【0104】
＜作用＞次に、本実施形態に関するアクチュエータの動作について説明する。
【0105】
このアクチュエータの出力特性を考えるために、まずそのポテンシャルエネルギーを考える。
【0106】
各弾性体の変位量を下式に示す。
【0107】
【数6】
【0108】
ここで、ｘ０ｉａ（ｉ＝１、２）は初期変位量、ｌ０ｉ（ｉ＝１、２）は弾性体２ａ及び弾性体２ｂの初期長さをそれぞれ示す。
【0109】
これらから、本実施形態に関するアクチュエータのポテンシャルエネルギーは下式で表すことができる。
【0110】
【数7】
【0111】
ただし、ｋｉ（ｉ＝１、２）は弾性値（ばね定数）である。
【0112】
ポテンシャルエネルギーをリンク構造１０の開き角度ｑで１階偏微分して出力トルクを計算し、さらに、ポテンシャルエネルギーをリンク構造１０の開き角度ｑで２階偏微分して回転部５周りの弾性値を計算する。
【0113】
【数8】
【0115】
リンク構造１０に作用する、弾性体２により発生する回転角度あたりの設定弾性値を−２［Ｎｍ／ｒａｄ］から２［Ｎｍ／ｒａｄ］まで０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］刻みで設定する。また、このときのリンクの回転軸周りにトルクが加わらない平衡点（ｑｅ）を−９０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで１０［ｄｅｇ］刻みで設定する。
【0116】
図１２から図１４においては、複数（１９本）のグラフがプロットされているが、これは、平衡点（ｑｅ）を−９０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで１０［ｄｅｇ］刻みでプロットした結果を反映したものである。ただし、図１２では、その１９本すべてが重なっている。
【0117】
各ベアリングの位置を、リンク構造１０が配置される側とは反対側（図１１であればリンク構造１１が配置される側）に位置させることで、負の設定弾性値［Ｎｍ／ｒａｄ］をとることも可能である。図１４がこの場合に相当する。
【0119】
図１２は、設定弾性値を０［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。
【0120】
図１３は、設定弾性値を０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図１３に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−０．５［Ｎｍ］以上０．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0121】
図１４は、設定弾性値を−０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図１４に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−０．５［Ｎｍ］以上０．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0122】
また、計算条件として用いた各要素の寸法を図１９に示す。
【0123】
＜効果＞以下に、本実施形態による効果を例示する。
【0124】
本実施形態によれば、第１移動固定部としてのベアリング４０ａ及び第２移動固定部としてのベアリング４０ｂは、滑車構造である。
【0125】
第１補助部としての補助部３ａは、回転中心において第１中心固定部としての固定部６ａを備える。
【0126】
第２補助部としての補助部３ｂは、回転中心において第２中心固定部としての固定部６ｂを備える。
【0127】
第１弾性体としての弾性体２ａは、リンク固定部としての固定部６と固定部６ａとの間で、ベアリング４０ａを介して取り付けられる。
【0128】
第２弾性体としての弾性体２ｂは、固定部６と固定部６ｂとの間で、ベアリング４０ｂを介して取り付けられる。
【0129】
このような構成によれば、簡易な構成でリンク構造１０を双方向（複数の方向）へ駆動させるアクチュエータを得ることができる。本実施形態に関するアクチュエータでは、リンク構造１０の駆動に関し従来のような減速機構を有する必要がなく、よって、比較的大きな慣性を有する機構を別途備える必要がない。
【0130】
＜第３実施形態＞＜構成＞
以下では、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。
【0131】
図１５は、本実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。図１５に示されるように、アクチュエータは、リンク構造１０と、弾性体２０ａと、弾性体２０ｂと、一対の補助部３ａ及び補助部３ｂと、回転部５とを備える。
【0132】
リンク構造１０は、固定部６を備える。補助部３ａは、ベアリング４００ａを備える。補助部３ｂは、ベアリング４００ｂを備える。
【0133】
補助部３ａは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ａを備える。ベアリング４００ａは、滑りねじ部３０ａに取り付けられ、また、補助部３ａの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ａは、補助部３ａの長手方向に沿う軸を有する。
【0134】
補助部３ａは、駆動モータ３１ａを備える。駆動モータ３１ａは、滑りねじ部３０ａを軸方向に回転させる。
【0135】
補助部３ｂは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ｂを備える。ベアリング４００ｂは、滑りねじ部３０ｂに取り付けられ、また、補助部３ｂの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ｂは、補助部３ｂの長手方向に沿う軸を有する。
【0136】
補助部３ｂは、駆動モータ３１ｂを備える。駆動モータ３１ｂは、滑りねじ部３０ｂを軸方向に回転させる。
【0137】
弾性体２０ａ及び弾性体２０ｂは、紐状の弾性体である。具体的には、伸び縮みする軽量なゴム紐、又は、弦巻バネを紐で結んだ紐状の部材（一部が弾性体である部材）などが想定される。
【0138】
固定部６は、リンク構造１０における回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４００ａは、補助部３ａにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４００ｂは、補助部３ｂにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。
【0139】
固定部６及びベアリング４００ａには、それぞれ弾性体２０ａの端部が固定され、固定部６及びベアリング４００ｂには、それぞれ弾性体２０ｂの端部が固定される。弾性体２０ａ及び弾性体２０ｂは、互いの弾性力により引き伸ばされた状態で保持される。リンク構造１０は、ベアリング４００ａ及びベアリング４００ｂの移動に応じて、弾性体２０ａの弾性力と弾性体２０ｂの弾性力とが釣り合う位置に保持される。
【0140】
なお、リンク構造１０における弾性体２０ａが固定される箇所は、リンク構造１０における弾性体２０ｂが固定される箇所と同一でなくてもよい。すなわち、リンク構造１０において弾性体２０ａが固定される固定部６とは別の固定部において、弾性体２０ｂが固定されていてもよい。
【0141】
＜作用＞次に、本実施形態に関するアクチュエータの動作について説明する。
【0142】
このアクチュエータの出力特性を考えるために、まずそのポテンシャルエネルギーを考える。
【0143】
各弾性体の変位量を下式に示す。
【0144】
【数9】
【0145】
ここで、ｘ０ｉ（ｉ＝１、２）は初期変位量、ｌ０ｉ（ｉ＝１、２）は弾性体２０ａ及び弾性体２０ｂの初期長さをそれぞれ示す。
【0146】
これらから、本実施形態に関するアクチュエータのポテンシャルエネルギーは下式で表すことができる。
【0147】
【数10】
【0148】
ただし、ｋｉ（ｉ＝１、２）は弾性値（ばね定数）である。
【0149】
ポテンシャルエネルギーをリンク構造１０の開き角度ｑで１階偏微分して出力トルクを計算し、さらに、ポテンシャルエネルギーをリンク構造１０の開き角度ｑで２階偏微分して回転部５周りの弾性値を計算する。
【0150】
【数11】
【0151】
ここで、ｘ０ｉｂ（ｉ＝１、２）は初期変位量である。
【0153】
リンク構造１０に作用する、弾性体２により発生する回転角度あたりの設定弾性値を−２［Ｎｍ／ｒａｄ］から２［Ｎｍ／ｒａｄ］まで０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］刻みで設定する。また、このときのリンクの回転軸周りにトルクが加わらない平衡点（ｑｅ）を−９０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで１０［ｄｅｇ］刻みで設定する。
【0154】
図１６から図１８においては、複数（１９本）のグラフがプロットされているが、これは、平衡点（ｑｅ）を−９０［ｄｅｇ］から９０［ｄｅｇ］まで１０［ｄｅｇ］刻みでプロットした結果を反映したものである。ただし、図１６では、その１９本すべてが重なっている。
【0155】
各ベアリングの位置を、リンク構造１０が配置される側とは反対側（図１５であればリンク構造１１が配置される側）に位置させることで、負の設定弾性値［Ｎｍ／ｒａｄ］をとることも可能である。図１８がこの場合に相当する。
【0157】
図１６は、設定弾性値を０［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。
【0158】
図１７は、設定弾性値を０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図１７に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−０．５［Ｎｍ］以上０．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0159】
図１８は、設定弾性値を−０．５［Ｎｍ／ｒａｄ］としたものである。図１８に示されるように、この弾性値に設定された場合には、任意の開き角度ｑにおいて、およそ−０．５［Ｎｍ］以上０．５［Ｎｍ］以下のトルクが出力できる。
【0160】
また、計算条件として用いた各要素の寸法を図１９に示す。
【0161】
＜実験＞次に、図１５に示された構成を用いて、実験を行った結果を以下に示す。当該実験では、目標の平衡点と設定弾性値とが設定された状態で、本実施形態に関するアクチュエータにおける目標となるベアリングの位置を求め、同時にＰフィードバック制御（比例制御）を行う。
【0162】
＜正の弾性値実験＞図２０は、正の弾性値の場合の実験結果を示す図である。図２０において、縦軸が基準線（図１５における点線）からのリンク構造１０の開き角度［ｒａｄ］であり、横軸が時間［ｓ］である。図２０の上段においては、平衡点１．０４［ｒａｄ］の場合の理想値が点線で示され、設定弾性値が０．１［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が実線で示され、設定弾性値が０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値を一点鎖線で示されている。また、図２０の中段においては、平衡点０．５２［ｒａｄ］の場合の理想値が点線で示され、設定弾性値が０．１［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が実線で示され、設定弾性値が０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値を一点鎖線で示されている。また、図２０の下段においては、設定弾性値が０．０［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が点線で示され、設定弾性値が０．１［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が実線で示され、設定弾性値が０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値を一点鎖線で示されている。図２０の上段及び中段に示されるように、目標の平衡点π／６、π／３［ｒａｄ］、設定弾性値０．１、０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］とした場合には、ベアリングの位置の収束性を確認することができる。また、図２０の下段に示されるように、目標の平衡点０［ｒａｄ］、設定弾性値０、０．１、０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］とした場合に、リンク先端から０．２５［ｍ］の箇所に外力１［Ｎ］以上２［Ｎ］以下を加えた場合の、ベアリングの位置変動の減衰を確認することができる。
【0163】
＜負の弾性値実験＞図２１は、負の弾性値の場合の実験結果を示す図である。図２１において、縦軸が基準線（図１５における点線）からのリンク構造１０の開き角度［ｒａｄ］であり、横軸が時間［ｓ］である。図２１の上段においては、設定弾性値が−０．１［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が実線で示され、設定弾性値が−０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値を一点鎖線で示されている。また、図２１の中段においては、設定弾性値が−０．１［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が実線で示され、設定弾性値が−０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値を一点鎖線で示されている。また、図２１の下段においては、設定弾性値が−０．１［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値が実線で示され、設定弾性値が−０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］の場合の実際の測定値を一点鎖線で示されている。本実験では、目標の平衡点０、π／６、π／３［ｒａｄ］、設定弾性値−０．１、−０．２［Ｎｍ／ｒａｄ］とした場合に、リンク先端から０．２５［ｍ］の箇所に外力１［Ｎ］以上２［Ｎ］以下を加え、実際に弾性が負になっていることを確認する。本実験では、図２１に示されるように、外力を与えた時点で大きな角度変化が生じている。
【0164】
＜考察＞正の弾性値実験では、ベアリングの位置の、安定平衡点への収束が確認できる。また、負の弾性値実験では、ベアリングの位置の、不安定平衡点からの発散が確認できる。また、本実験の限りでは、静止摩擦の影響により、定常偏差が残っていることが分かる。
【0165】
＜効果＞以下に、本実施形態による効果を例示する。
【0166】
本実施形態によれば、アクチュエータが、第１補助部としての補助部３ａと、リンク構造１０を基準として補助部３ａとは反対側に配置される第２補助部としての補助部３ｂと、リンク構造１０、補助部３ａ及び補助部３ｂと連結され、かつ、リンク構造１０、補助部３ａ及び補助部３ｂが回転運動する場合の回転中心である回転部５とを備える。
【0167】
リンク構造１０、補助部３ａ及び補助部３ｂは、それぞれ、回転部５から延び出て形成される。
【0168】
リンク構造１０は、回転部５から延び出た位置において少なくとも１つのリンク固定部としての固定部６を備える。
【0169】
補助部３ａは、回転部５から延び出た位置において、回転部５から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第１移動固定部としてのベアリング４００ａを備える。
【0170】
補助部３ｂは、回転部５から延び出た位置において、回転部５から延び出る方向及びその逆方向に移動可能な第２移動固定部としてのベアリング４００ｂを備える。
【0171】
また、アクチュエータが、固定部６とベアリング４００ａとに跨る、紐状の第１弾性体としての弾性体２０ａと、固定部６とベアリング４００ｂとに跨る、紐状の第２弾性体としての弾性体２０ｂとを備える。
【0172】
弾性体２０ａと弾性体２０ｂとは、互いの弾性力により引き延ばされた状態で保持される。
【0173】
リンク構造１０は、ベアリング４００ａ及びベアリング４００ｂの移動に応じて、弾性体２０ａの弾性力と弾性体２０ｂの弾性力とが釣り合う位置に保持される。
【0174】
このような構成によれば、簡易な構成でリンク構造１０を双方向（複数の方向）へ駆動させるアクチュエータを得ることができる。本実施形態に関するアクチュエータでは、リンク構造１０の駆動に関し従来のような減速機構を有する必要がなく、よって、比較的大きな慣性を有する機構を別途備える必要がない。
【0175】
本実施形態に関するアクチュエータでは、弾性体が伸び縮みする反力を駆動対象物の駆動に利用する。第１移動固定部及び第２移動固定部を備えることにより、弾性体からの反力を駆動対象物に伝達させる位置を可変とすることで、弾性による反力の大きさと、２つ以上の弾性体の力の拮抗することにより反力が働かなくなる平衡点とを変更することができる。
【0176】
また、本実施形態に関するアクチュエータでは、出力トルク特性のシミュレーション結果に基づいて、第１移動固定部及び第２移動固定部の位置、さらには、補助部３ａの開き角度及び補助部３ｂの開き角度を設定することにより、目標のトルク出力を得ることができる。
【0177】
なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本明細書に示された任意の構成を適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。
【0178】
＜第４実施形態＞＜構成＞
以下では、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。
【0179】
図２２は、本実施形態に関するアクチュエータの全体構造を示す概略図である。図２２に示されるように、アクチュエータは、リンク構造１０と、弾性体２０ａと、弾性体２０ｂと、一対の補助部３ａ及び補助部３ｂと、回転部５とを備える。
【0180】
リンク構造１０は、固定部６を備える。また、リンク構造１０は、経由構造としてのベアリング４０１ａと経由構造としてのベアリング４０１ｂとを備える。ベアリング４０１ａ及びベアリング４０１ｂは、滑車構造である。補助部３ａは、ベアリング４００ａを備える。補助部３ｂは、ベアリング４００ｂを備える。
【0181】
補助部３ａは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ａを備える。ベアリング４００ａは、滑りねじ部３０ａに取り付けられ、また、補助部３ａの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ａは、補助部３ａの長手方向に沿う軸を有する。
【0182】
補助部３ａは、駆動モータ３１ａを備える。駆動モータ３１ａは、滑りねじ部３０ａを軸まわりに回転させる。
【0183】
補助部３ｂは、ねじが切られた棒状の部材である滑りねじ部３０ｂを備える。ベアリング４００ｂは、滑りねじ部３０ｂに取り付けられ、また、補助部３ｂの長手方向に移動可能である。滑りねじ部３０ｂは、補助部３ｂの長手方向に沿う軸を有する。
【0184】
補助部３ｂは、駆動モータ３１ｂを備える。駆動モータ３１ｂは、滑りねじ部３０ｂを軸まわりに回転させる。
【0185】
弾性体２０ａ及び弾性体２０ｂは、紐状の弾性体である。具体的には、伸び縮みする軽量なゴム紐、又は、弦巻バネを紐で結んだ紐状の部材（一部が弾性体である部材）などが想定される。
【0186】
固定部６は、リンク構造１０における回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４０１ａは、リンク構造１０における回転部５から延び出た位置で、かつ、固定部６よりも回転部５に近い位置に取り付けられる。ベアリング４０１ｂは、リンク構造１０における回転部５から延び出た位置で、かつ、固定部６よりも回転部５に近い位置に取り付けられる。また、本実施形態においては、ベアリング４０１ａは、リンク構造１０におけるベアリング４０１ｂの裏側に取り付けられる。ベアリング４００ａは、補助部３ａにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。ベアリング４００ｂは、補助部３ｂにおける回転部５から延び出た位置に取り付けられる。
【0187】
固定部６、ベアリング４０１ａ及びベアリング４００ａには、それぞれ弾性体２０ａが固定され、固定部６、ベアリング４０１ｂ及びベアリング４００ｂには、それぞれ弾性体２０ｂが固定される。弾性体２０ａ及び弾性体２０ｂは、互いの弾性力により引き伸ばされた状態で保持される。リンク構造１０は、ベアリング４００ａ及びベアリング４００ｂの移動に応じて、弾性体２０ａの弾性力と弾性体２０ｂの弾性力とが釣り合う位置に保持される。
【0188】
なお、リンク構造１０における弾性体２０ａが固定される箇所は、リンク構造１０における弾性体２０ｂが固定される箇所と同一でなくてもよい。すなわち、リンク構造１０において弾性体２０ａが固定される固定部６とは別の固定部において、弾性体２０ｂが固定されていてもよい。
【0189】
また、本実施形態に示される構成は、図１１に示される構成のように、補助部におけるベアリングを介して回転部５の回転中心まで弾性体が張られている場合にも適用可能である。
【0190】
＜作用＞次に、本実施形態に関するアクチュエータの動作について説明する。
【0191】
まず、簡単のため、図２２に示された構造のうちの１つの補助部３ｂのみを有する場合のトルクを求める。図２３は、リンク構造を駆動させるアクチュエータの１つの補助部のみを有する場合の構造を示す図である。図２３に示されるように、アクチュエータは、リンク構造１０と、弾性体２０ｂと、補助部３ｂと、回転部５とを備える。
【0192】
リンク構造１０は、固定部６を備える。また、リンク構造１０は、ベアリング４０１ｂを備える。補助部３ｂは、ベアリング４００ｂを備える。
【0193】
ここで、回転部５の回転中心からベアリング４０１ｂまでの距離をｌ、ベアリング４０１ｂから固定部６までの距離をｌａ、基準線（図２３における点線）からのリンク構造１０の開き角度をｑ、回転部５の回転中心からベアリング４００ｂまでの距離をｒ、ベアリング４００ｂからベアリング４０１ｂまでの距離をｘとする。これらから、本実施形態に図２３に示されるアクチュエータのポテンシャルエネルギーは、下式で表すことができる。
【0194】
【数12】
【0195】
また、ｘは、下式で表すことができる。
【0196】
【数13】
【0197】
また、ｘ０は、下式で表すことができる。
【0198】
【数14】
【0199】
ここで、ｋは、弾性体２０ｂのばね定数であり、ｌ０は、弾性体２０ｂの初期長さである。また、ｒ０は、回転部５からベアリング４００ｂまでの初期の距離であり、ｘ０は、ベアリング４００ｂからベアリング４０１ｂまでの初期の距離である。
【0200】
ここで、ｌ＝ｌ０の場合、
【0201】
【数15】
【0202】
が得られ、このポテンシャルエネルギーを角度で偏微分することでトルクを下式のように導出することができる。
【0203】
【数16】
【0204】
図２４は、本実施形態に関するアクチュエータをモデル化した図である。図２４において、Ｉは、リンク構造１０の慣性モーメントであり、ｑは、基準線（ｑｅ）からのリンク構造１０の開き角度である。また、ｒ１は、弾性体２０ａに関する可変弾性機構のベアリング４００ａの位置であり、ｒ２は、弾性体２０ｂに関する可変弾性機構のベアリング４００ｂの位置である。
【0205】
上記のモデルにおいて、２つの可変弾性機構のトルクを合成した場合のダイナミクスは、下式となる。
【0206】
【数17】
【0207】
【数18】
【0208】
【数19】
【0209】
ここで、ｂは、リンク構造１０の粘性係数であり、ｋｑ（ｑ，ｒ１，ｒ２）は、リンクの回転軸周りの可変弾性値である。また、ｑｅ（ｑ，ｒ１，ｒ２）は、可変弾性値の可変平衡点である。
【0210】
さらに、２つの可変弾性機構のダイナミクスは、以下と仮定する。
【0211】
【数20】
【0212】
【数21】
【0213】
【数22】
【0214】
【数23】
【0215】
ここで、ｍは、各可変弾性機構のベアリング４００ａ又はベアリング４００ｂの質量であり、ｄは、各可変弾性機構の粘性係数である。また、ｆｋｉ（ｑ，ｒｉ）（ｉ＝１，２）は、各可変弾性機構において弾性体からベアリングが受ける力であり、ｆｉ（ｉ＝１，２）は、制御入力である。
【0216】
次に、弾性値が正である場合の設定弾性値と目標の平衡点とを満たすような、ベアリングの目標の位置を算出する。上記の式（３８）と式（３９）とから、
【0217】
【数24】
【0218】
【数25】
【0219】
となる。ここで、ｋｑｄ（ｔ）は、リンクの回転軸周りの設定弾性値の時間関数であり、ｑｅｄ（ｔ）は、リンク構造１０周りの目標の平衡点の時間関数である。また、ｒ１ｄ（ｔ）は、弾性体２０ａに関する可変弾性機構のベアリング４００ａの目標の位置であり、ｒ２ｄ（ｔ）は、弾性体２０ｂに関する可変弾性機構のベアリング４００ｂの目標の位置である。
【0220】
上記の式（４５）から、
【0221】
【数26】
【0222】
となり、式（４６）を式（４４）に代入すると、
【0223】
【数27】
【0224】
となる。式（４７）から、
【0225】
【数28】
【0226】
となり、式（４８）と式（４６）とから
【0227】
【数29】
【0228】
【数30】
【0229】
が得られる。制御入力は、式（４９）及び式（５０）を目標としたＰフィードバック制御で行う。
【0230】
【数31】
【0231】
【数32】
【0232】
ここで、ｋｐ１は、ｒ１に関する位置フィードバックゲインであり、ｋｐ２は、ｒ２に関する位置フィードバックゲインである。また、ｋｖ１は、ｒ１に関する速度フィードバックゲインであり、ｋｖ２は、ｒ２に関する速度フィードバックゲインである。
【0233】
なお、当該制御は、ＰＤ制御であってもよい。
【0234】
＜効果＞以下に、本実施形態による効果を例示する。
【0235】
本実施形態によれば、リンク構造１０は、回転部５から延び出た位置で、かつ、リンク固定部としての固定部６よりも回転部５に近い位置において、滑車構造である第１経由構造としてのベアリング４０１ａ及び滑車構造である第２経由構造としてのベアリング４０１ｂを備える。
【0236】
第１弾性体としての弾性体２０ａは、固定部６と第１移動固定部としてのベアリング４００ａとの間で、ベアリング４０１ａを介して取り付けられる。また、第２弾性体としての弾性体２０ｂは、固定部６と第２移動固定部としてのベアリング４００ｂとの間で、ベアリング４０１ｂを介して取り付けられる。
【0237】
このような構成によれば、弾性体２０ａ及び弾性体２０ｂがリンク構造１０に沿って取り付けられる範囲が増えるため、弾性体を含めた可変弾性機構をリンク構造１０近傍に集約することができる。よって、可変弾性機構を小型化することができる。
【0238】
また、目標のベアリングの位置を時間関数として算出することができ、さらに、制御入力に関しても時間関数として算出することができるため、設定弾性値及び目標の平衡点が決定された場合に、算出された目標のベアリングの位置及び制御入力を用いることができる。
【0239】
なお、上記の各実施形態において、補助部をさらに追加し、補助部が３つさらには４つ備えられる場合でも、リンク構造と新たに追加した補助部との間にもある特定の張力を有する弾性体が張られた場合でも、上記と同様に適用することができる。
【0240】
また、駆動モータ３１ａ及び駆動モータ３１ｂは、各補助部に取り付けられていなくともよく、アクチュエータの外部に備えられるものであってもよい。
【0241】
上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係又は実施の条件などについても記載している場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本発明が記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲内において想定される。例えば、任意の構成要素を変形する場合又は省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれる。
【符号の説明】
【0242】
２，２ａ，２ｂ，２０ａ，２０ｂ 弾性体、３ａ，３ｂ 補助部、４，４ａ，４ｂ，４０ａ，４０ｂ，４００ａ，４００ｂ，４０１ａ，４０１ｂ ベアリング、５ 回転部、６，６ａ，６ｂ 固定部、１０，１１ リンク構造、３０ａ，３０ｂ 滑りねじ部、３１ａ，３１ｂ 駆動モータ。