JP5802191B2 - リンク機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、前記１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構の制御装置に関する。

従来、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた複数の関節機構と、複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構の制御装置が知られている（特許文献１）。このリンク機構の制御装置は、可動部が外部の物体と衝突するときに、可動部より基体に近い側の関節機構の弾性要素の剛性を、他の関節機構の弾性要素の剛性よりも小さくするように制御している。

特開２００８−３０２４９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたようなリンク機構の制御装置では、可動部が物体と衝突することによる各関節機構の運動エネルギー等を考慮せずに、各関節機構の弾性要素の剛性が制御されている。このため、各関節機構において、可動部が物体と衝突したときに、当該関節機構に許容されている負荷よりも大きな負荷が当該関節機構に作用することで、当該関節機構が損傷するおそれがある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構の制御装置において、可動部が外部の物体と衝突した場合であっても、関節機構の損傷を防止できるリンク機構の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、前記１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構の制御装置であって、前記可動部が外部の物体と衝突する場合における前記可動部と前記物体との間の相対的な速度に対応する、前記１つ又は複数の関節機構の各々の相対的な変位速度を決定するように構成された相対的変位速度決定部と、前記可動部が前記物体と衝突する場合における前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性を、前記１つ又は複数の関節機構の各々に対して決定される第１剛性以上且つ第２剛性以下となるように決定するように構成された特性決定部と、前記可動部が前記物体と衝突する場合における前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性を、前記特性決定部によって決定された剛性に制御するように構成された特性制御部とを備え、前記特性決定部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の前記弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーが、前記相対的変位速度決定部によって決定された当該関節機構の変位速度で当該関節機構が変位するときの当該関節機構の運動エネルギー以上となるように、前記第１剛性を決定し、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、前記可動部が前記物体と衝突することによる当該関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間が、前記アクチュエータによって当該関節機構を変位させることで、当該関節機構の変位速度を、前記相対的変位速度決定部によって決定された当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化させる場合に当該関節機構で実現可能な最短時間以上となるように、前記第２剛性を決定することを特徴とする。

ここで、本発明における弾性要素の弾性変形量とは、弾性要素に動力を伝達する側と該動力が当該弾性要素を介して伝達される側との間の相対的な変位量を意味する。

本発明によれば、１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の弾性要素の剛性が第１剛性以上である場合には、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の運動エネルギーが、当該関節機構の弾性要素が弾性変形することによって当該弾性要素に蓄積される弾性エネルギーに全て変換されるので、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の損傷を防止できる。

また、１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の弾性要素の剛性が第２剛性以下である場合には、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の変位が開始されてから、当該衝突による当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点（すなわち、当該弾性エネルギーの放出が開始される時点）までの期間内に（換言すると、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の運動エネルギーが当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーに変換されている間に）、アクチュエータによって当該関節機構を変位させることで、当該関節機構の変位速度を、相対的変位速度決定部によって決定された当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化させることが可能となり、当該関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによって、当該関節機構が強制的に変位されてしまうことを防止できる。これにより、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の損傷を防止できる。

特性決定部が、１つ又は複数の関節機構の各々において、上記のような第１剛性以上且つ第２剛性以下の範囲に当該関節機構の弾性要素の剛性を決定し、特性制御部が、該決定された剛性となるように、可動部が物体と衝突する場合における当該関節機構の弾性要素の剛性を制御することで、可動部が物体と衝突することによる当該関節機構の損傷を防止できる。

本発明において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記特性決定部は、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第１剛性を次式（１）に従って得られる剛性以上に決定することが好ましい。

但し、式（１）において、I_t_iは、前記可動部が前記物体と衝突する場合における、前記第ｉ関節機構を変位させる場合の慣性モーメント又は慣性質量を示す。なお、I_t_iは、第ｉ関節機構が回転関節機構の場合には、慣性モーメントであり、直動関節機構の場合には、慣性質量である。また、Δω_iは、前記相対的変位速度決定部によって決定された前記第ｉ関節機構の相対的な変位速度を示し、x_lim_iは、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の最大変形量を示す。

ここで、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性をk_iと定義したとき、式（１）は、次式（１−１）を満たすk_iである。

式（１−１）において、左辺は、可動部が物体と衝突する場合における第ｉ関節機構の運動エネルギー（以下、関節衝突運動エネルギーという）を示す。また、右辺は、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性がk_iのときにおいて、第ｉ関節機構の弾性要素の弾性変形量が、当該第ｉ関節機構の弾性要素の最大変形量の場合における当該第ｉ関節機構の弾性要素の弾性エネルギー（関節最大弾性エネルギーという）を示す。

第ｉ関節機構の第１剛性が、式（１）に従って得られる剛性以上に設定されることは、式（１−１）において、右辺の関節最大弾性エネルギーが左辺の関節衝突運動エネルギー以上、すなわち、関節衝突運動エネルギーの全てが関節最大弾性エネルギーに変換されることを意味する。このため、第１剛性が、式（１）によって得られる剛性以上に設定されることで、可動部が物体と衝突することによる第ｉ関節機構の損傷を防止できる。

本発明において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記特性決定部は、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第２剛性を次式（２）に従って得られる剛性以下に決定することが好ましい。

但し、式（２）において、I_t_iは、前記可動部が前記物体と衝突する場合における、前記第ｉ関節機構を変位させる場合の慣性モーメント又は慣性質量を示す。なお、I_t_iは、第ｉ関節機構が回転関節機構の場合には、慣性モーメントであり、直動関節機構の場合には、慣性質量である。また、πは、円周率を示し、A_max_iは、前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に当該第ｉ関節機構で実現可能な最大加速度を示し、Δω_iは、前記相対的変位速度決定部によって決定された前記第ｉ関節機構の相対的な変位速度を示す。

ここで、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性をk_iと定義したとき、式（２）は、次式（２−１）を満たすk_iである。

式（２−１）において、左辺は、第ｉ関節機構の弾性要素の剛性がk_iのときにおいて、第ｉ関節機構の弾性要素の固有振動数の逆数が表す周期の４分の１周期を示す。詳細には、左辺は、可動部が物体と衝突することによる第ｉ関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による第ｉ関節機構の変位によって蓄積された第ｉ関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる第ｉ関節機構の変位が開始される時点までの時間を示す。

また、右辺は、第ｉ関節機構で実現可能な最大加速度で、アクチュエータにより第ｉ関節機構を変位させるときに、第ｉ関節機構の変位速度を、相対的変位速度決定部によって決定された第ｉ関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化させるときの時間（第ｉ関節機構で実現可能な最短時間）を示す。

第ｉ関節機構の第２剛性が、式（２）に従って得られる剛性以下に設定されることは、式（２−１）において、右辺の時間が左辺の時間以下、すなわち、可動部が物体と衝突することによる第ｉ関節機構の運動エネルギーが第ｉ関節機構の弾性要素の弾性エネルギーに変換されている間に、第ｉ関節機構の状態を、アクチュエータにより第ｉ関節機構を変位させることで、第ｉ関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる第ｉ関節機構の強制的な変位が防止される状態にできることを意味する。これにより、可動部が物体と衝突することによる第ｉ関節機構の損傷を防止できる。

本発明において、前記特性決定部は、前記可動部により近い関節機構ほど、その前記弾性要素の剛性を小さく決定することが好ましい。これにより、剛性が小さく決定されることで、可動部により近い関節機構が動きやすくなる。可動部が物体と衝突することによる可動部の変位に応じて各関節機構が変位するときに、可動部により近い関節機構が動きやすくなることで、基体により近い関節機構の変位を小さくできる。従って、可動部が物体と衝突したときに基体が受ける影響を小さくできる。

本発明において、前記特性決定部が前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記第１剛性及び前記第２剛性を決定したときに、前記１つ又は複数の関節機構のうち前記第１剛性が前記第２剛性よりも大きくなった関節機構である限界関節機構が存在する場合もあり得る。

この場合には、前記相対的変位速度決定部は、前記限界関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第２剛性と等しいと仮定した場合において、前記可動部が前記物体と衝突することによる前記限界関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による前記限界関節機構の変位によって蓄積された前記限界関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる前記限界関節機構の変位が開始される時点までの期間、前記アクチュエータによって前記限界関節機構を前記限界関節機構で実現可能な最大加速度で変位させたときの前記限界関節機構の変位速度の変化量を、前記限界関節機構の相対的な変位速度として再度決定すると共に、前記１つ又は複数の関節機構のうち前記限界関節機構ではない関節機構の各々において、現時点で決定されている当該関節機構の相対的な変位速度よりも大きくなるように当該関節機構の相対的な変位速度を再度決定し、前記特性決定部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、前記相対的変位速度決定部が再度決定した変位速度に基づいて、前記第１剛性及び前記第２剛性を再度決定することが好ましい。

限界関節機構の弾性要素の剛性が、第１剛性よりも小さい第２剛性であっても、衝突による当該限界関節機構の運動エネルギーの全てを、当該限界関節機構の弾性要素の弾性エネルギーに変換することができるようにするためには、当該限界関節機構の変位速度が小さくなる必要がある。併せて、可動部が物体と衝突する場合の可動部の変位速度が変化しないようにするために、限界関節機構以外の他の関節機構の変位速度を大きくする必要がある。

そこで、相対的変位速度決定部は、限界関節機構の変位速度が小さくなるように、可動部が物体と衝突することによる限界関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による限界関節機構の変位によって蓄積された限界関節機構の弾性要素の弾性エネルギーによる限界関節機構の変位が開始される時点までの期間、限界関節機構で実現可能な最大加速度で、アクチュエータによって限界関節機構を変位させたときの限界関節機構の変位速度の変化量を、限界関節機構の相対的な変位速度として再度決定する。

更に、相対的変位速度決定部は、可動部が物体と衝突する場合の可動部の変位速度が変化しないようにするために、１つ又は複数の関節機構のうち限界関節機構ではない関節機構の各々において、再度決定される前の当該関節機構の相対的な変位速度よりも大きくなるように、当該関節機構の相対的な変位速度を再度決定する。そして、特性決定部は、該再度決定された相対的な変位速度に応じて第１剛性及び第２剛性を再度決定する。

このように、限界関節機構の変位速度が減少した分が、限界関節機構ではない関節機構の変位速度の増加により補償されることで、当該限界関節機構が、当該限界関節機構に許容されない変位速度で変位することが防止され、当該限界関節機構の損傷を防止できる。

本発明において、前記特性決定部は、前記限界関節機構よりも前記可動部に近い前記関節機構の前記弾性要素の剛性が、前記限界関節機構よりも前記基体に近い前記関節機構の前記弾性要素の剛性よりも小さくなるように、前記１つ又は複数の関節機構のうちの前記限界関節機構ではない関節機構の前記弾性要素の剛性を再度決定することが好ましい。これにより、限界関節機構よりも可動部に近い関節機構が動きやすくなることで、可動部が物体に衝突することによる限界関節機構への影響を小さくできる。

本発明において、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、前記弾性要素及び、前記特性制御部により粘性係数を可変的に制御可能に構成された粘性要素を介して動力伝達を行うように構成され、前記特性決定部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の剛性を決定したときに、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように、前記決定された剛性に応じた当該関節機構の前記粘性要素の粘性係数を決定し、前記特性制御部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、前記特性決定部が決定した粘性係数となるように、当該関節機構の前記粘性要素の粘性係数を制御することが好ましい。

これにより、各関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性となり、減衰振動の特性になることが防止される。従って、１つ又は複数の関節機構の各々の減衰振動が防止されることで、該関節機構の減衰振動に応じた可動部の振動の発生が防止され、各関節機構の弾性要素の弾性による可動部と物体との衝突が生じることが防止される。これにより、可動部が物体と衝突することによる各関節機構の損傷を防止できる。

本発明の実施形態の制御装置を備えるリンク機構を示す図。 本実施形態のリンク機構の関節機構を示す図。 図２の関節機構の伝達機構を示す図。 図３の伝達機構の特性可変機構を示す図。 図４のＶ−Ｖ線断面図。 本実施形態のリンク機構の制御装置の機能ブロック図。 本実施形態のリンク機構の制御装置が実行する関節機構の特性制御処理の手順を示すフローチャート。

（１．構成）
（１−１．リンク機構）
図１〜図７を参照して、本発明の実施形態の制御装置及び該制御装置を備えるリンク機構について説明する。図１に示されるように、リンク機構１は、基体２と、先端部３と、複数の関節機構Ｊｉ(i=1,2,...,N)と、複数のリンク部材Ｌｉ(i=0,1,...,N)と、アクチュエータ４（図２参照）と、制御装置３０（図６参照）とを備える。

複数の関節機構Ｊｉの「ｉ」は、基体２から先端部３に向かって１から数えたときの順番を表している。なお、関節機構の順番がｉ番目であることを明示的に指定する場合には、第ｉ関節機構と表す。例えば、ｊ番目の関節機構を「第ｊ関節機構Ｊｊ」と表す場合がある。また、複数のリンク部材Ｌｉの「ｉ」は、基体２から先端部３に向かって０から数えたときの順番を表している。なお、リンク部材の順番がｉ番目であることを明示的に指定する場合には、第ｉリンク部材と表す。例えば、ｊ番目のリンク部材を「第ｊリンク部材Ｌｊ」と表す場合がある。

基体２は、床面上等の所定の位置に固定されている。なお、基体２は、動力装置等を備え、該動力装置の駆動力によって、その位置及び姿勢を変更可能に構成されていてもよい。先端部３は、当該リンク機構１におけるエンドエフェクタとして機能する。先端部３は、複数の関節機構Ｊｉを介して連結されている複数のリンク部材Ｌｉによって基体２に連結されている。

複数の関節機構Ｊｉ(i=1,...,N)の各々には、２つのリンク部材Ｌi-1，Ｌｉが連結されている。

また、複数の関節機構Ｊｉの各々は、当該関節機構Ｊｉに連結されている２つのリンク部材Ｌi-1，Ｌｉの相対的な位置及び姿勢を変化させるように構成されている。

なお、本実施形態では、全ての関節機構Ｊｉが回転関節機構として構成されている。このため、以降の説明では、所定の関節機構Ｊｉに連結された２つのリンク部材Ｌi-1，Ｌｉの相対的な位置及び姿勢を、関節角度ψ_iということもある。なお、本実施形態における「関節角度ψ_iが変化する」ことが、本発明における「関節機構が変位する」ことに相当する。

また、複数の関節機構Ｊｉの各々には、当該関節機構Ｊｉの関節角度ψ_iを検知する角度センサ（図示省略）が設けられている（以下、該角度センサが検知した関節角度ψ_iを実関節角度ψ_act_iという）。

なお、本実施形態では、全ての関節機構Ｊｉが回転関節機構として構成されているが、各関節機構Ｊｉは、回転関節機構及び直動関節機構のいずれで構成されていてもよい。また、関節機構Ｊｉの数は任意の数でよい。

アクチュエータ４は、複数の関節機構Ｊｉの各々に設けられており、各関節機構Ｊｉを変位させる駆動力を出力する。また、各リンク部材Ｌｉには、当該リンク部材Ｌｉが、外部の物体Ｏbjと衝突するときの該リンク部材Ｌｉと該外部の物体Ｏbjとの間の相対的な速度（以下、「衝突相対速度」という）ΔＶを認識する速度センサ（図示省略）が設けられている。

制御装置３０は、図示しないＣＰＵ，メモリ等により構成された電子回路ユニットであり、メモリに保持されたリンク機構１の制御用プログラムを、ＣＰＵで実行する。

（１−２．関節機構）
（１−２−１．関節機構の構成）
次に、複数の関節機構Ｊｉの詳細について図２〜図５を参照して説明する。なお、本実施形態において、各関節機構Ｊｉは、全て同じ構成の回転関節機構である。

図２に示すように、関節機構Ｊｉは、ワイヤ１１と、駆動プーリ１２ａと、被動プーリ１２ｂと、これらのプーリ１２ａ，１２ｂの間に弾性力と粘性力とを発生させる伝達機構８とを備える。

また、駆動プーリ１２ａには、アクチュエータ４のアクチュエータ出力軸４ａに連結された減速機７が連結されている。そして、駆動プーリ１２ａは、アクチュエータ４から減速機７を介して付与される回転駆動力（トルク）によって、アクチュエータ出力軸４ａの回転に連動して回転するようになっている。

なお、減速機７は、任意の構造のものでよく、例えば、ハーモニックドライブ（登録商標）若しくは複数のギヤにより構成される減速機を採用することができる。あるいは、減速機７は、直動を回転運動に変換する機構を備えるものであってもよい。その場合には、アクチュエータとして、例えば、電動モータ及びボールネジにより構成される直動アクチュエータや、電動式のリニアモータ等を採用してもよい。

また、第ｉ関節機構Ｊｉにおいて、第ｉリンク部材Ｌｉは、駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂを回転自在に支持している（図示省略）。また、第ｉ関節機構Ｊｉにおいて、被動プーリ１２ｂに第i-1リンク部材Ｌi-1が固定されている。

被動プーリ１２ｂは、その回転軸心が駆動プーリ１２ａの回転軸心と平行になるようにして、該駆動プーリ１２ａの側方に並設されている。

伝達機構８は、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性及び粘性を変更するための特性可変機構１０と、駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの間に架け渡されたワイヤ１１とを備える。

ワイヤ１１は、図３に示すように、両プーリ１２ａ，１２ｂの間で延在する二条の張設部分１１ａ，１１ｂを有し、該張設部分１１ａ，１１ｂ以外の部分が両プーリ１２ａ，１２ｂの外周のうちの内端側の部分（駆動プーリ１２ａの外周のうちの被動プーリ１２ｂに臨む部分、及び被動プーリ１２ｂの外周のうちの駆動プーリ１２ａに臨む部分）を除く箇所に滑らないように巻き掛けられている。なお、ワイヤ１１は、多少の伸縮性を有する。

特性可変機構１０は、例えば図３〜図５に示すように構成されている。すなわち、特性可変機構１０は、両端部にローラ１３ａ，１３ｂが回転自在に枢着された回転バー１４を備えている。この回転バー１４は、その中央部に固定された回転軸１５の軸心まわりに該回転軸１５と一体に回転可能とされている。回転軸１５は、駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの間の位置で、両プーリ１２ａ，１２ｂの回転軸心と平行な姿勢で配置されている。

回転バー１４の両端部のローラ１３ａ，１３ｂは、各々の回転軸心が駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの回転軸心と平行な方向に向けられている。

そして、ローラ１３ａ，１３ｂのうちの一方のローラ１３ａの内端側（他方のローラ１３ｂに臨む側）の外周部が、ワイヤ１１の二条の張設部分１１ａ，１１ｂのうちの一方の張設部分１１ａに圧接され、他方のローラ１３ｂの内端側（一方のローラ１３ａに臨む側）の外周部が、ワイヤ１１の他方の張設部分１１ｂに圧接されている。この場合、ワイヤ１１の張設部分１１ａ，１１ｂの各々は、ローラ１３ａ，１３ｂの圧接箇所で湾曲されている。

特性可変機構１０は、更に、回転バー１４に回転軸１５を介して連結されて該回転バー１４と一体に回転可能に設けられたギヤ（平歯車）１６と、このギヤ１６に噛合されたスプリングウォーム１７と、このスプリングウォーム１７を回転駆動する電動モータ１８と、粘性オイルが内部に封入されたシリンダ１９とを備えている。

スプリングウォーム１７は、ウォームギヤとして機能可能にコイルスプリング状に形成されたばね部材であり、電動モータ１８の回転駆動軸１８ａに外挿されている。そして、スプリングウォーム１７の電動モータ１８の本体寄りの一端は、回転駆動軸１８ａに固定されたバネ座部材２０ａに固定されている。従って、スプリングウォーム１７は、電動モータ１８の回転駆動軸１８ａと一体に回転し、このスプリングウォーム１７の回転に伴い、ギヤ１６が回転するようになっている。

シリンダ１９は、スプリングウォーム１７の他端側で回転駆動軸１８ａと同軸心に配置された筒部２１を有する。この筒部２１の内部を電動モータ１８の回転駆動軸１８ａが貫通し、該筒部２１が、回転駆動軸１８ａに沿って、その軸心方向に摺動可能とされている。そして、筒部２１のスプリングウォーム１７側の端面に固定されたバネ座部材２０ｂにスプリングウォーム１７の他端が固定されている。従って、スプリングウォーム１７の伸縮に伴い、シリンダ１９の筒部２１が電動モータ１８の回転駆動軸１８ａの軸心方向に摺動するようになっている。

また、筒部２１の内部には、回転駆動軸１８ａに固定されたピストン２２が設けられており、このピストン２２の外周面が筒部２１の内周面に摺接されている。

そして、筒部２１の内部でピストン２２により画成された２つの油室２３ａ，２３ｂに粘性オイルが封入されている。これらの油室２３ａ，２３ｂは、オリフィス部２４を有する連通管２５により連通されている。この場合、オリフィス部２４は、図示しない弁機構等により開口面積を変化させることが可能となっている。

（１−２−２．関節機構の動作）
以上の構成の関節機構Ｊｉの動作を説明しておく。電動モータ１８により、スプリングウォーム１７を回転駆動することで、該スプリングウォーム１７に噛合されたギヤ１６を介して回転バー１４が回転する。従って、電動モータ１８のサーボ制御によって、回転バー１４の回転角度（位相角）を制御することができる。ここで、以降の説明では、回転バー１４の位相角を、図３に示すように、回転バー１４の延在方向（ローラ１３ａ，１３ｂの間隔方向）が駆動プーリ１２ａ及び被動プーリ１２ｂの間隔方向と直交する状態からの該回転バー１４の回転角度φとして定義する。

両プーリ１２ａ，１２ｂ間の動力伝達（回転駆動力の伝達）を行っていない状態で、回転バー１４の位相角φをある既定の角度値（例えば図３のφ0）に制御し、その状態で電動モータ１８の回転駆動軸１８ａの回転（ひいては、スプリングウォーム１７の回転）を停止させた状態（以降、この状態を基準状態という）を想定する。

この基準状態において、前記アクチュエータ４から駆動プーリ１２ａに回転駆動力（トルク）を付与すると、ワイヤ１１の張設部分１１ａ，１１ｂの一方に、当該回転駆動力に比例した張力が発生し、その張力を介して、駆動プーリ１２ａから被動プーリ１２ｂに回転駆動力が伝達される。

同時に、ワイヤ１１の張設部分１１ａ，１１ｂの一方に発生する上記張力に起因して、ローラ１３ａ，１３ｂのうちの該張設部分１１ａ又は１１ｂに接触するローラ１３ａ又は１３ｂに、両プーリ１２ａ，１２ｂの間隔方向とほぼ直交する方向の並進力が作用する。

例えば、図３に示すように、駆動プーリ１２ａに反時計まわり方向のトルクτdを付与すると、ワイヤ１１の張設部分１１ａにトルクτdに比例する張力Ｔe（＝τd／駆動プーリ１２ａの有効回転半径）が発生し、この張力Ｔeによってローラ１３ａに並進力Ｆが作用する。なお、この並進力Ｆの大きさは、トルクτdにほぼ比例する。また、図３中の張力Ｔeは、ローラ１３ａに対して作用する張力を示している。

基準状態での回転バー１４の位相角がゼロでない場合（例えば図３に示す状況）では、ローラ１３ａ又は１３ｂに作用する上記並進力（以降、これをＦと表記する）に起因して、回転バー１４に回転駆動力（トルク）が作用することとなる。これにより、駆動プーリ１２ａが被動プーリ１２ｂに対して相対回転すると共に、回転バー１４が回転する。ひいては、前記スプリングウォーム１７に噛合しているギヤ１６が回転バー１４と一体に回転する。

この場合、ローラ１３ａ又は１３ｂに作用する上記並進力Ｆに起因して回転バー１４に作用するトルク（以降、τaと表記する）は、上記並進力Ｆに対して、次式（１２２−１）の関係を有する。なお、図３に示す如く、φ0は、基準状態での回転バー１４の位相角φの値、Ｒaは、回転軸１５の軸心まわりでのローラ１３ａ，１３ｂの軸心部の回転半径である。

τa＝Ｆ・sin（φ0）・Ｒa …（１２２−１）
このように回転バー１４にトルクτaが作用している状況で、スプリングウォーム１７は回転しないので、ギヤ１６の回転によってスプリングウォーム１７の一部（詳しくは、ギヤ１６の噛合部分と前記電動モータ１８側のバネ座部材２０ａとの間の部分）が伸長又は短縮され、その伸縮量に応じた弾性力をスプリングウォーム１７が発生する。

この場合、スプリングウォーム１７の基準状態からの伸縮量、ひいては、回転バー１４の基準状態からの回転量（位相角の変化量）は、該スプリングウォーム１７の弾性力（並進力）によってギヤ１６に作用するトルクと、ワイヤ１１の張力によってローラ１３ａ又は１３ｂに作用する上記並進力Ｆに起因して回転バー１４に作用するトルク（＝ギヤ１６に作用するトルク）とが釣り合う状態で平衡する。この平衡状態で、駆動プーリ１２ａに付与されるトルクτdが伝達機構８を介して被動プーリ１２ｂに伝達されることとなる。

上記平衡状態での回転バー１４の基準状態からの回転量をΔφ[rad]、ギヤ１６の回転半径をＲb、スプリングウォーム１７の剛性（スプリングウォーム１７の伸縮量の単位変化量あたりに発生する弾性力の変化量）をｋ_sp_wとおくと、上記平衡状態でのスプリングウォーム１７の弾性力によってギヤ１６に作用するトルク（以降、これをτbと表記する）は、次式（１２２−２）により与えられる。

τb＝ｋ_sp_w・sin(Δφ)・Ｒb≒ｋ_sp_w・Δφ・Ｒb …（１２２−２）
この式（１２２−２）と前記式（１２２−１）とから、上記平衡状態における並進力Ｆと、回転バー１４の基準状態からの回転量Δφとの関係は、次式（１２２−３）により与えられる。

Ｆ＝(ｋ_sp_w・Ｒb／(sin(φ0)・Ｒa))・Δφ …（１２２−３）
従って、ワイヤ１１の張力によってローラ１３ａ又は１３ｂに作用する並進力Ｆは、回転バー１４の基準状態からの回転量Δφに比例するものとなる。

ここで、ワイヤ１１の張力によってローラ１３ａ又は１３ｂに作用する並進力Ｆは、駆動プーリ１２ａに付与されるトルク（ひいては被動プーリ１２ｂに伝達されるトルク）が大きいほど、大きくなる。また、被動プーリ１２ｂに対する駆動プーリ１２ａの相対回転量（基準状態からの相対回転量）は、上記平衡状態での回転バー１４の基準状態からの回転量が大きいほど、大きくなる。

従って、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量が一定に維持される定常状態で、駆動プーリ１２ａから被動プーリ１２ｂに伝達されるトルク（被動プーリ１２ｂに付与されるトルク）をτspと表記し、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量をΔθと表記すると、τspとΔθとの間には、近似的に次式（１２２−４）の比例関係が成立する。

τsp＝ｋ・Δθ …（１２２−４）
よって、伝達機構８は、駆動プーリ１２ａと被動プーリ１２ｂとの動力伝達を行うバネ部材として機能する。そして、上記トルクτspは、伝達機構８によって両プーリ１２ａ，１２ｂ間に発生する弾性力によって伝達されるトルク（以下、「弾性力トルク」という）τspに相当する。この場合、式（１２２−４）におけるｋは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量Δθの変化に対する弾性力トルクτspの変化の比率である。

このｋは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性を示しており、ｋの値が大きいほど、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性が高い（両プーリ１２ａ，１２ｂ間の回転量の差が発生しにくくなる）ことを意味する。伝達機構８の剛性ｋの値は、基本的には、基準状態での回転バー１４の位相角φ0に応じたものとなり、φ0が大きいほど、剛性ｋの値が小さくなる。

制御装置３０のメモリには、基準状態での回転バー１４の位相角φ0と剛性ｋとを対応づけたテーブルが記憶保持されている。制御装置３０は、伝達機構８の剛性ｋの値が、目標となる剛性（以下、「目標剛性」という）ｋ_cmdとなるように制御するときには、メモリに記憶保持されたテーブルに従って、目標剛性ｋ_cmdに対する基準状態での回転バー１４の位相角φ0を取得して、回転バー１４の位相角φ0が該位相角φ0となるように電動モータ１８を制御する。

ここで、電動モータ１８、スプリングウォーム１７、ギヤ１６、回転バー１４、及びワイヤ１１をまとめて弾性要素５という。また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の剛性ｋのことを、弾性要素５の剛性ｋという。また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量Δθが、弾性要素５の弾性変位量となる（すなわち、本発明における弾性要素の弾性変形量に相当する）。

また、本実施形態の伝達機構８では、回転バー１４が基準状態から回転するとき、スプリングウォーム１７の伸縮に伴い、シリンダ１９の筒部２１がピストン２２に対して相対的に摺動する。

このとき、油室２３ａ，２３ｂ間で、オリフィス部２４を有する連通管２５を介して粘性オイルが流通することで、筒部２１の摺動に対する抵抗力となる粘性力が発生する。これにより、回転バー１４の基準状態からの回転、ひいては、被動プーリ１２ｂに対する駆動プーリ１２ａの相対回転に対する抵抗力となる粘性力が、両プーリ１２ａ，１２ｂ間で発生することとなる。そして、この粘性力は、オリフィス部２４の開口面積を変化させることで、変化することとなる。

この場合、オリフィス部２４の開口面積を一定に維持した場合にシリンダ１９で発生する粘性力は、ピストン２２に対する筒部２１の移動速度、ひいては、スプリングウォーム１７の伸縮速度に比例する。そして、スプリングウォーム１７の伸縮速度は、回転バー１４の回転速度にほぼ比例する。

また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転量の時間的変化率、すなわち、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度（両プーリ１２ａ，１２ｂの各々の回転角速度の差）は、回転バー１４の回転速度に応じたものとなり、回転バー１４の回転速度が大きいほど、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度が大きいものとなる。

従って、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度をΔω_pulley[rad／s]と表記し、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性力によって被動プーリ１２ｂに付与されるトルク（以降、粘性トルクという）をτdpと表記すると、Δω_pulleyとτdpとの間には、近似的に次式（１２２−５）の関係が成立する。

τdp＝Ｃ・Δω_pulley …（１２２−５）
よって、伝達機構８は、駆動プーリ１２ａと被動プーリ１２ｂとの間に粘性力を発生する機能も有する。この場合、式（１２２−５）におけるＣは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の相対回転速度Δω_pulleyの変化に対する粘性トルクτdpの変化の比率であり、以降、粘性係数Ｃという。

この粘性係数Ｃは、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性の度合を示しており、Ｃの値が大きいほど、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性が高い（両プーリ１２ａ，１２ｂ間に発生する粘性力が大きくなりやすい）ことを意味する。そして、伝達機構８の粘性係数Ｃの値は、基本的には、オリフィス部２４の開口面積に応じたものとなり、該開口面積が大きいほど、Ｃの値が小さくなる。

制御装置３０のメモリには、オリフィス部２４の開口面積と粘性係数Ｃとを対応づけたテーブルが記憶保持されている。制御装置３０は、伝達機構８の粘性係数Ｃの値が、目標となる粘性係数（以下、「目標粘性係数」という）Ｃ_cmdとなるように制御するときには、メモリに記憶保持されたテーブルに従って、目標粘性係数Ｃ_cmdに対するオリフィス部２４の開口面積を取得して、オリフィス部２４の開口面積が該取得された開口面積となるように制御する。

以降、シリンダ１９及びオリフィス部２４を、まとめて粘性要素６という。また、両プーリ１２ａ，１２ｂ間の粘性係数Ｃのことを、粘性要素６の粘性係数Ｃという。

（２．制御装置）
次に、制御装置３０の詳細について図６を参照して説明する。

以降の説明においては、第ｉ関節機構Ｊｉ（但し、ｉは基体２から先端部３に向かって数えたときの関節機構の順番を表す）に関する符号を明示的に表す場合には、符号の末尾に「_i」を付与する。

また、本実施形態の制御装置３０は、特にことわりの無い限り、基体２に対して固定された座標系（以下、「基体座標系」という）を用いて制御をしている。基体座標系におけるｘ軸，ｙ軸，ｚ軸に関連する値を明示的に表す場合には、符号の末尾に「_x」、「_y」、「_z」を付与する。

また、物体Ｏbjに衝突するリンク部材（以下、「衝突リンク部材」という）Ｌcollと基体２との間にある１つ又は複数の関節機構Ｊｉのうち、最も衝突リンク部材Ｌcollに近い関節機構Ｊｉを「Ｊcoll」として表す。また、衝突リンク部材Ｌcollに関する値を表す場合には、符号の末尾に「_coll」を付与する場合がある。このとき、collは、１〜Ｎのいずれかとなる。

なお、本実施形態における衝突リンク部材Ｌcollは、本発明における可動部に相当する。また、基体２との間に１つ又は複数の関節機構Ｊｉを有するリンク部材Ｌｉ(i=1,2,...,N)のいずれもが、物体Ｏbjと衝突する可能性があるので、これらのリンク部材Ｌｉ(i=1,2,...,N)のいずれもが、本発明における可動部となり得る。

制御装置３０は、関節トルク決定部３１と、慣性モーメント算出部３２と、相対的変位速度決定部３３と、特性決定部３４と、特性制御部３５とを備える。また、特性決定部３４は、第１剛性決定部３４１と、第２剛性決定部３４２と、剛性決定部３４３と、粘性係数決定部３４４とを備える。

関節トルク決定部３１は、先端部３に作用する力の目標である目標力Ｆ_cmdに基づいて、各関節機構Ｊｉの目標トルクτ_cmd_iを決定する（「２−１．目標トルク」参照）。そして、関節トルク決定部３１は、当該関節機構Ｊｉの出力トルクが該目標トルクτ_cmd_iとなるようにアクチュエータ４を制御する。

慣性モーメント算出部３２は、基体２と衝突リンク部材Ｌcollの間にある１つ又は複数の関節機構（以降、このような１つ又は複数の関節機構を「対象関節機構」という）Ｊｉ(i=1,2,...,coll)の各々において、当該対象関節機構Ｊｉに設けられた角度センサから出力された当該対象関節機構Ｊｉの関節角度ψ_iに基づいて、当該対象関節機構Ｊｉが変位するときの慣性モーメントＩ_t_iを算出する（「２−２．慣性モーメント」参照）。

相対的変位速度決定部３３は、各リンク部材Ｌｉのうち衝突リンク部材Ｌcollに設けられた速度センサから出力された衝突相対速度ΔＶから相対的関節変位速度Δω_iを決定する（「２−３．相対的関節変位速度」参照）。ここで、相対的関節変位速度Δω_iとは、物体Ｏbjと衝突リンク部材Ｌcollが、当該物体Ｏbjと衝突することによって生じる、各対象関節機構Ｊｉの関節変位の速度（以下、「関節変位速度」という）ω_iの変化量を表す。本実施形態では、関節機構Ｊｉが回転関節機構であるので関節変位速度ω_iは角速度である。

そして、第１剛性決定部３４１が、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉが変位するときの慣性モーメントＩ_t_iと、当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iに基づいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の第１剛性ｋ１_iを決定する（「２−４−１．第１剛性」参照）。このとき、第１剛性決定部３４１は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、関節最大弾性エネルギーが、関節衝突運動エネルギー以上となるように、当該対象関節機構Ｊｉの第１剛性ｋ１_iを決定する。

ここで、関節最大弾性エネルギーとは、「対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性変位量Δθ_iが対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の最大変位量Δθ_lim_iである場合における対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギー」である。また、関節衝突運動エネルギーとは、「相対的変位速度決定部３３によって決定された第ｉ対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iで第ｉ対象関節機構Ｊｉが変位するときの第ｉ対象関節機構Ｊｉの運動エネルギー」である。

これにより、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが第１剛性ｋ１_i以上である場合には、関節衝突運動エネルギーが、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５が弾性変形することによって当該弾性要素５に蓄積される弾性エネルギーに全て変換される。従って、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる当該対象関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。

また、第２剛性決定部３４２が、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉが変位するときの慣性モーメントＩ_t_iと、当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iに基づいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の第２剛性ｋ２_iを決定する（「２−４−２．第２剛性」参照）。このとき、第２剛性決定部３４２は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、第１時間が第２時間以上となるように、当該対象関節機構Ｊｉの第２剛性ｋ２_iを決定する。

ここで、第１時間とは、「衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjに衝突することに起因する第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位が開始された時点から、第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位によって蓄積された第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによる第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位が開始されるまでの時間」である。

また、第２時間とは、「アクチュエータ４によって第ｉ対象関節機構Ｊｉを変位させることで、第ｉ対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを、相対的変位速度決定部３３によって決定された当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させる場合に当該対象関節機構Ｊｉで実現可能な最短時間」である。

これにより、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが第２剛性ｋ２_i以下である場合には、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる当該対象関節機構Ｊｉの変位が開始されてから、当該衝突による当該対象関節機構Ｊｉの変位によって蓄積された当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによる当該対象関節機構Ｊｉの変位が開始される時点（すなわち、当該弾性エネルギーの放出が開始される時点）までの期間内に（換言すると、関節衝突運動エネルギーが当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーに変換されている間に）、アクチュエータ４によって当該対象関節機構Ｊｉを変位させることで、当該対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iを、相対的変位速度決定部３３によって決定された当該対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させることが可能となる。

これにより、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによって、当該対象関節機構Ｊｉが強制的に変位されてしまうことを防止できる。従って、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる当該対象関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。

そして、剛性決定部３４３は、第１剛性ｋ１_i以上且つ第２剛性ｋ２_i以下の範囲内で各対象関節機構Ｊｉの目標剛性ｋ_cmd_iを決定する（「２−４−３．目標剛性」参照）。

また、粘性係数決定部３４４は、各対象関節機構Ｊｉの挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように、該決定された目標剛性ｋ_cmd_iに応じた各対象関節機構Ｊｉの粘性要素６の目標粘性係数Ｃ_cmd_iを決定する（「２−５．目標粘性係数」参照）。

これにより、各対象関節機構Ｊｉの挙動特性が減衰振動の特性となることが防止され、該対象関節機構Ｊｉの減衰振動に応じた衝突リンク部材Ｌcollの振動の発生が防止され、各対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性による衝突リンク部材Ｌcollと物体Ｏbjとの衝突が生じることが防止される。従って、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる各対象関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。

そして、特性制御部３５は、各対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iが目標剛性ｋ_cmd_iとなるように該剛性ｋ_iを制御すると共に、各対象関節機構Ｊｉの粘性要素６の粘性係数Ｃ_iが目標粘性係数Ｃ_cmd_iとなるように該粘性係数Ｃ_iを制御する。剛性ｋ_iの制御は、各対象関節機構Ｊｉに備えられている回転バー１４の位相角を電動モータ１８により制御することを通じてなされる。また、粘性係数Ｃ_iの制御は、各対象関節機構Ｊｉに備えられているオリフィス部２４の開口面積を制御することを通じてなされる。

以下、上記制御の詳細について説明する。

（２−１．目標トルク）
関節トルク決定部３１は、各関節機構Ｊｉの目標トルクτ_cmd（＝（τ_cmd_1,τ_cmd_2,...,τ_cmd_N））を、目標力Ｆ_cmd（＝（Ｆ_cmd_x,Ｆ_cmd_y,Ｆ_cmd_z））に基づいて、次式（２１）に従って決定する。

τ_cmd＝Ｊ^T・Ｆ_cmd …（２１）
但し、Ｊ^Tは、ヤコビ行列Ｊの転置行列である。ヤコビ行列Ｊは、基体座標系における、先端部３の変位速度と、各関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iとの関係を規定するヤコビ行列である。

なお、ここでは、目標力Ｆ_cmdとして、ｘ，ｙ，ｚの並進３方向を表す３要素のベクトルが用いられているが、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の３つの軸周りの回転成分（ロール、ピッチ、ヨー）を表す３つの要素を更に加えて６要素のベクトルが用いられてもよい。この場合には、ヤコビ行列Ｊ等は、目標力Ｆ_cmdの要素に合わせて適宜設定される。

（２−２．慣性モーメント）
慣性モーメント算出部３２は、各関節機構Ｊｉの実関節角度ψ_act_iに応じて、各リンク部材Ｌｉの位置及び姿勢を求める。そして、慣性モーメント算出部３２は、各リンク部材Ｌｉの位置及び姿勢から、各対象関節機構において、当該対象関節機構Ｊｉを変位させる場合の慣性モーメントＩ_t_iを次式（２２）に従って求める。

但し、「×」という記号は、外積を表す。また、I_kは、基体座標系における、第ｋ関節機構Ｊｋのみに着目したときの当該第ｋ関節機構Ｊｋを回転させるときの慣性テンソルである。また、rgc_k（＝(rgc_k_x, rgc_k_y, rgc_k_z)）は、第ｋリンク部材Ｌｋの重心位置を示す位置ベクトルであり、r_i（＝(r_i_x, r_i_y, r_i_z)）は、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転中心の位置を示す位置ベクトルである。m_kは、第ｋリンク部材Ｌｋの質量である。また、a_i（＝(a_i_x, a_i_y, a_i_z)）は、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転方向を表す回転軸ベクトルである。a_iは、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転軸を示すように適宜設定される。

式（２２）の「||I_k・a_i||」は、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にあるリンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)の各々において、当該リンク部材Ｌｋが、第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転中心軸線と平行で、且つ当該リンク部材Ｌｋの重心を通る軸を中心に回転するときの慣性モーメント（以下、「第１慣性モーメント」という）である。従って、式（２２）のI_Aは、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にある各リンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)における第１慣性モーメントの総和である。

また、式（２２）の「||a_i × (rgc_k - r_i)||²・m_k」は、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にあるリンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)の各々において、当該リンク部材Ｌｉを第ｉ対象関節機構Ｊｉの回転軸周りに回転させるときの慣性モーメント（以下、「第２慣性モーメント」という）である。従って、式（２２）のI_Bは、第ｉ対象関節機構Ｊｉと先端部３との間にある各リンク部材Ｌｋ(k=i,i+1,...,N-1,N)における第２慣性モーメントの総和である。

なお、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉを変位させる場合の慣性モーメントＩ_t_iは、式（２２）に従って算出されるものに限らず、他の演算式等によって算出されてもよい。

（２−３．相対的関節変位速度）
相対的変位速度決定部３３は、衝突リンク部材Ｌcollに設けられた速度センサが出力した衝突相対速度ΔＶに対応する、各対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iを決定する。なお、相対的変位速度決定部３３は、後述するように、剛性決定部３４３から再決定要求が出力されている場合には（図６の剛性決定部３４３から相対的変位速度決定部３３への破線矢印を参照）、衝突相対速度ΔＶに加え、後述する相対的関節限界速度Δω_lim_iに基づいて、各対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iを決定する（「２−４−４．第１剛性＞第２剛性の場合」参照）。

相対的変位速度決定部３３は、次式（２３）に従って、衝突相対速度ΔＶ（＝(ΔＶ_x，ΔＶ_y，ΔＶ_z)）に応じて、各対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iを決定する。

Δω＝Ｊcoll⁺・ΔＶ …（２３）
ここで、Ｊcoll⁺は、以下に示されるヤコビ行列Ｊcollの疑似逆行列である。ヤコビ行列Ｊcollは、基体座標系における、衝突リンク部材Ｌcollの変位速度と、対象関節機構Ｊｉの関節変位速度ω_iとの関係を規定するヤコビ行列である。また、Δωは、(Δω_1,Δω_2,...,Δω_coll)で表される。すなわち、Δωは、各対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの全てを要素とするベクトルである。

なお、同一のΔＶに対するΔωは、必ずしも１つに決定されるものではない。例えば、リンク機構１が冗長性を有している場合には、同一のΔＶに対するΔωは、複数存在する。リンク機構１が冗長性を有する場合には、衝突リンク部材Ｌcollに近い対象関節機構Ｊｉほど、相対的関節変位速度Δω_iが大きくなるようにヤコビ行列Ｊcollの疑似逆行列Ｊcoll⁺が設定される。

これにより、衝突リンク部材Ｌcollに近い対象関節機構Ｊｉがより大きく動くことで、基体２により近い対象関節機構Ｊｉの動きを小さくできる。従って、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突したときに基体２が受ける影響を小さくできる。

なお、本明細書において「衝突リンク部材Ｌcollに近い対象関節機構Ｊｉ」とは、対象関節機構Ｊｉとリンク部材Ｌｉとが互いに連結された経路上において、衝突リンク部材Ｌcollに近い対象関節機構Ｊｉである。

（２−４．目標剛性の決定）
（２−４−１．第１剛性）
第１剛性決定部３４１は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、慣性モーメント算出部３２が算出した慣性モーメントＩ_t_i、及び相対的変位速度決定部３３が決定した相対的関節変位速度Δω_iに基づいて、次式（２４１）に従って得られる剛性以上の値に第１剛性ｋ１_iを決定する。

ここで、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の最大変位量Δθ_lim_iは、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの負荷トルク限界（当該第ｉ対象関節機構Ｊｉで伝達し得る最大トルク）がτ_lim_i、及び弾性要素５の剛性がｋ_iのとき、「τ_lim_i＝ｋ_i・Δθ_lim_i」を満たすΔθ_lim_iである。なお、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の最大変位量Δθ_lim_iとは、当該第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性変形可能な変位限界であってもよい。この場合、例えば、スプリングウォーム１７の弾性変形可能な変位限界に応じて決定される。

式（２４１）は、次式（２４１−１）を満たす第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iである。

式（２４１−１）において、左辺は、前述した関節衝突運動エネルギーである（「２．制御装置」参照）。また、右辺は、前述した関節最大弾性エネルギーである（「２．制御装置」参照）。

第ｉ対象関節機構Ｊｉの第１剛性ｋ１_iが、式（２４１）に従って得られる剛性以上に設定されることは、式（２４１−１）において、右辺の関節最大弾性エネルギーが左辺の関節衝突運動エネルギー以上、すなわち、関節衝突運動エネルギーの全てが第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーに変換されることを意味する。このため、第１剛性ｋ１_iが、式（２４１）によって得られる剛性以上に設定されることで、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる各対象関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。

（２−４−２．第２剛性）
第２剛性決定部３４２は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、慣性モーメント算出部３２が算出した慣性モーメントＩ_t_i、及び相対的変位速度決定部３３が決定した相対的関節変位速度Δω_iに基づいて、次式（２４２）に従って得られる剛性以下の値に第２剛性ｋ２_iを決定する。

但し、式（２４２）において、A_max_iは、第ｉ対象関節機構Ｊｉをアクチュエータ４によって変位させる場合に当該第ｉ対象関節機構Ｊｉで実現可能な最大加速度を示す。

式（２４２）は、次式（２４２−１）を満たす第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性ｋ_iである。

式（２４２−１）において、左辺は、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の剛性がｋ_iのときにおいて、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の固有振動数の逆数が表す周期の４分の１周期を示す。すなわち、左辺は、前述した第１時間である（「２．制御装置」参照）。

また、右辺は、第ｉ対象関節機構Ｊｉで実現可能な最大加速度A_max_iで、アクチュエータ４により第ｉ対象関節機構Ｊｉを変位させるときに、第ｉ対象関節機構Ｊｉの変位速度ω_iを、相対的変位速度決定部３３によって決定された第ｉ対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの向きを反転させた速度だけ変化させるときの時間（第ｉ対象関節機構Ｊｉで実現可能な最短時間）を示す。すなわち、右辺は、前述した第２時間である（「２．制御装置」参照）。

第ｉ対象関節機構Ｊｉの第２剛性ｋ２_iが、式（２４２）に従って得られる剛性以下に設定されることは、式（２４２−１）において、右辺の第２時間が左辺の第１時間以下、すなわち、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる第ｉ対象関節機構Ｊｉの運動エネルギーが第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーに変換されている間に、第ｉ対象関節機構Ｊｉの状態を、アクチュエータ４により第ｉ対象関節機構Ｊｉを変位させることで、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによる第ｉ対象関節機構Ｊｉの強制的な変位が防止される状態にできることを意味する。これにより、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる第ｉ対象関節機構Ｊｉの損傷を防止できる。

（２−４−３．目標剛性）
剛性決定部３４３は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の目標剛性ｋ_cmd_iを、上記のようにして決定された第１剛性ｋ１_i以上且つ第２剛性ｋ２_i以下となるように決定する。各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の目標剛性ｋ_cmd_iは、第１剛性ｋ１_i以上且つ第２剛性ｋ２_i以下の範囲内であればいずれの値であってもよい。

本実施形態においては剛性決定部３４３は、衝突リンク部材Ｌcollにより近い対象関節機構Ｊｉほど、その弾性要素５の目標剛性ｋ_cmd_iを小さく決定している。

これにより、衝突リンク部材Ｌcollにより近い対象関節機構Ｊｉが動きやすくなる。衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突することによる衝突リンク部材Ｌcollの変位に応じて各対象関節機構Ｊｉが変位するときに、衝突リンク部材Ｌcollにより近い対象関節機構Ｊｉが動きやすくなることで、基体２により近い対象関節機構Ｊｉの変位を小さくできる。従って、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突したときに基体２が受ける影響を小さくできる。

（２−４−４．第１剛性＞第２剛性の場合）
例えば、衝突相対速度ΔＶが大きい場合等において、相対的関節変位速度Δω_iが大きくなり、ひいては、第１剛性決定部３４１が決定した第１剛性ｋ１_iが、第２剛性決定部３４２が決定した第２剛性ｋ２_iよりも大きくなることもあり得る（以下、このような対象関節機構Ｊｉを限界関節機構Ｊlim_iという）。

この場合において、限界関節機構Ｊlim_iの弾性要素５の剛性ｋ_iが第１剛性ｋ１_iである場合には、関節衝突運動エネルギーが第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーに変換されている間に、第ｉ対象関節機構Ｊｉの状態を、アクチュエータ４により第ｉ対象関節機構Ｊｉを変位させることで、第ｉ対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の弾性エネルギーによる第ｉ対象関節機構Ｊｉの強制的な変位が防止される状態にできない。

従って、制御装置３０は、限界関節機構Ｊlim_iにおいて、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_i以下となるように、第１剛性ｋ１_i及び第２剛性ｋ２_iを再度決定する必要がある。そこで、剛性決定部３４３は、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_iよりも大きくなった対象関節機構Ｊｉ（すなわち、限界関節機構Ｊlim_i）があった場合には、相対的変位速度決定部３３に対して相対的関節変位速度Δω_iを再度決定する要求（以下、「再決定要求」という）を出力する（図６の剛性決定部３４３から相対的変位速度決定部３３への破線矢印を参照）。

これにより、相対的変位速度決定部３３は、以下のようにして、相対的関節変位速度Δω_iを再度決定する。

式（２４１−１）及び式（２４２−１）より、相対的関節変位速度Δω_iの減少に伴い、関節衝突運動エネルギー（式（２４１−１）の左辺）が減少すると共に、第１時間（式（２４２−１）の右辺）が減少することが分かる。また、式（２４１−１）及び式（２４２−１）より、剛性ｋ_iの減少に伴い、関節最大弾性エネルギー（式（２４１−１）の右辺）が減少すると共に、第２時間（式（２４２−１）の左辺）が増加することが分かる。

限界関節機構Ｊlim_iにおいて、「関節衝突運動エネルギー≦関節最大弾性エネルギー」且つ「第１時間≦第２時間」となるように、第１剛性ｋ１_iを第２剛性ｋ２_iまで減少させるためには、限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_iを、以下に示される相対的関節限界速度Δω_lim_iまで減少させる必要がある。これにより、第１時間を減少させることができる。また、限界関節機構Ｊlim_iの第１剛性ｋ１_iの減少によって、第２時間を増加させることができる。

従って、本実施形態において、相対的変位速度決定部３３は、限界関節機構Ｊlim_iの弾性要素５の剛性ｋ_iが現時点で決定されている第２剛性ｋ２_iと等しいと仮定した場合における、限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_iを相対的関節限界速度Δω_lim_iとして決定する。相対的関節限界速度Δω_lim_iは、剛性ｋ_iが第２剛性ｋ２_iのときにおいて、式（２４１−１）を満たす相対的関節変位速度Δω_iを算出することで決定される。

これにより、限界関節機構Ｊlim_iの弾性要素５の目標剛性ｋ_cmd_iが、第１剛性ｋ１_i（この場合、第１剛性ｋ１_iは、第２剛性ｋ２_iと等しい）に設定された場合であっても、相対的関節変位速度Δω_iが減少している。従って、限界関節機構Ｊlim_iにおいて、「関節衝突運動エネルギー≦関節最大弾性エネルギー」且つ「第１時間≦第２時間」を満たすことができる。

更に、相対的変位速度決定部３３は、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjと衝突する場合の衝突リンク部材Ｌcollの衝突相対速度ΔＶが変化しないようにするために、各対象関節機構Ｊｉのうち限界関節機構Ｊlim_iではない対象関節機構（以下、「通常関節機構」ともいう）Ｊｉの各々において、現時点で決定されている当該通常関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iよりも大きくなるように当該通常関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iを再度決定する。

ここで、相対的変位速度決定部３３による相対的関節変位速度Δω_iを再度決定する処理の具体例を以下に説明する。相対的変位速度決定部３３は、各通常関節機構Ｊｉにおいて、次式（２４４−１）に従ってΔω_diff_iを算出する。

Δω_diff_i＝Δω_now_i−Δω_lim_i …（２４４−１）
但し、Δω_now_iは、現時点で決定されている第ｉ対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iを意味する。

そして、相対的変位速度決定部３３は、次式（２４４−２）に従ってΔＶ_diffを算出する。

ΔＶ_diff＝ΔＶ−Ｊcoll・Δω_diff …（２４４−２）
但し、Δω_diffは、各対象関節機構Ｊｉにおいて、「現時点で決定されている相対的関節変位速度Δω_now_iのうち通常関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_now_i」と、「限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_now_iが相対的関節限界速度Δω_lim_iに変更されたもの」との全てを要素として持つベクトルである。例えば、第ｊ対象関節機構Ｊｊ及び第ｋ対象関節機構Ｊｋが限界関節機構Ｊlim_j,Ｊlim_kである場合には、Δω_diffは、「(Δω_now_1,Δω_now_2,...,Δω_lim_j,...,Δω_lim_k,...,Δω_now_N)」で表される。

すなわち、式（２４４−２）の右辺第２項は、限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_iを相対的関節限界速度Δω_lim_iに制限したときにおける、衝突リンク部材Ｌcollの変位速度を表す。従って、ΔＶ_diff（＝(ΔＶ_diff_x，ΔＶ_diff_y，ΔＶ_diff_z)）は、限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_iを相対的関節限界速度Δω_lim_iに制限したことによって変化する衝突リンク部材Ｌcollの変位速度と物体Ｏbjの変位速度との間の相対的な変位速度の、衝突相対速度ΔＶに対する差分を表している。

そして、相対的変位速度決定部３３は、次式（２４４−３）に従ってΔω_diffを算出する。

Δω_diff＝Ｊcoll_norm⁺・ΔＶ_diff …（２４４−３）
但し、Ｊcoll_norm⁺は、以下に示されるヤコビ行列Ｊcoll_normの疑似逆行列である。ヤコビ行列Ｊcoll_normは、基体座標系における、衝突リンク部材Ｌcollの変位速度と、対象関節機構Ｊｉ(i=1,2,...,coll)のうち通常関節機構Ｊｉの各関節変位速度ω_iとの関係を規定するヤコビ行列である。

また、Δω_diffは、対象関節機構Ｊｉ(i=1,2,...,coll)のうち通常関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの全てを要素とするベクトルである。例えば、第ｋ対象関節機構Ｊｋが限界関節機構Ｊlim_kである場合には、Δω_diffは、(Δω_diff_1,Δω_diff_2,...,Δω_diff_k-1,Δω_diff_k+1,...,Δω_diff_coll)で表される。

このため、Δω_diff_iは、限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_iが相対的関節限界速度Δω_lim_iに制限されたことによる衝突リンク部材Ｌcollの変位速度の変化分を、通常関節機構Ｊｉで補償する際において、通常関節機構Ｊｉが現時点で決定されている相対的関節変位速度Δω_now_iに対して更にどの程度大きくする必要があるかを表している。

そして、相対的変位速度決定部３３は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、当該対象関節機構Ｊｉが、通常関節機構Ｊｉの場合には次式（２４４−４）に従って新たな相対的関節変位速度Δω_iを再度決定し、限界関節機構Ｊlim_iの場合には次式（２４４−５）に従って新たな相対的関節変位速度Δω_iを再度決定する。

Δω_i＝Δω_now_i＋Δω_diff_i …（２４４−４）
Δω_i＝Δω_lim_i …（２４４−５）
そして、特性決定部３４は、各対象関節機構Ｊｉにおいて、相対的変位速度決定部３３が上記のように再度決定した相対的関節変位速度Δω_iに基づいて、第１剛性ｋ１_i及び第２剛性ｋ２_iを再度決定する。

以上により、限界関節機構Ｊlim_iの相対的関節変位速度Δω_iが減少した分が、通常関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iの増加により補償されることで、当該限界関節機構Ｊlim_iが、当該限界関節機構Ｊlim_iに許容されない関節変位速度ω_iで変位することが防止され、当該限界関節機構Ｊlim_iの損傷を防止できる。

（２−５．目標粘性係数）
粘性係数決定部３４４は、剛性決定部３４３が決定した目標剛性ｋ_cmd_iに基づいて、次式（２５）に従って目標粘性係数Ｃ_cmd_iを決定する。

但し、式（２５）において、ζは減衰比を示す。減衰比ζは、対象関節機構Ｊｉの挙動特性が、臨界減衰又は過減衰の特性となるように設定される（すなわち、ζが１以上に設定される）。

（２−６．フローチャート）
制御装置３０によって実行される上記制御処理の手順の一例について図７のフローチャートを参照して説明する。本フローチャートで示される制御処理プログラムは、所定時間（例えば、10[msec]）毎に呼び出されて実行される。

制御装置３０は、まず最初のステップＳＴ１において、物体Ｏbjに衝突するリンク部材Ｌｉが存在するか否かを判定する。制御装置３０は、例えば、図示しない外界センサ（カメラ等）等の情報より、各リンク部材Ｌｉのいずれかが物体Ｏbjと衝突する可能性を推定している。そして、制御装置３０は、各リンク部材Ｌｉのいずれかにおいて該可能性が一定以上である場合には、該可能性が一定以上のリンク部材Ｌｉを物体Ｏbjに衝突する可能性があるリンク部材Ｌｉであると推定している。

制御装置３０は、ステップＳＴ１において、各リンク部材Ｌｉにおいて物体Ｏbjに衝突する可能性があると推定されたリンク部材Ｌｉが存在していない場合には、物体Ｏbjに衝突するリンク部材Ｌｉが存在しないと判定し、本フローチャートの処理を終了する。また、制御装置３０は、ステップＳＴ１において、各リンク部材Ｌｉのいずれかにおいて物体Ｏbjに衝突する可能性があると推定されたリンク部材Ｌｉが存在している場合には、物体Ｏbjに衝突するリンク部材Ｌｉが存在すると判定し、ステップＳＴ２に進む。

制御装置３０は、ステップＳＴ２において、衝突リンク部材Ｌcollが物体Ｏbjに衝突するときの、各対象関節機構Ｊｉにおける慣性モーメントＩ_t_iを算出する（慣性モーメント算出部３２の処理に相当）。制御装置３０は、ステップＳＴ２の処理が終了するとステップＳＴ３に進み、衝突相対速度ΔＶに対応する、相対的関節変位速度Δω_iを決定する（相対的変位速度決定部３３の処理に相当）。制御装置３０は、ステップＳＴ３の処理が終了するとステップＳＴ４に進み、第１剛性ｋ１_i及び第２剛性ｋ２_iを決定する（第１剛性決定部３４１及び第２剛性決定部３４２の処理に相当）。

制御装置３０は、ステップＳＴ４の処理が終了するとステップＳＴ５に進み、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_i以下であるか否かを判定する。制御装置３０は、ステップＳＴ５において、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_iより大きいと判定した場合には、ステップＳＴ６に進む。制御装置３０は、ステップＳＴ６において、各対象関節機構Ｊｉの相対的関節変位速度Δω_iを前述したように再度決定した後、ステップＳＴ４に戻る（「２−４−４．第１剛性＞第２剛性の場合」に記載されている相対的変位速度決定部３３の処理に相当）。

制御装置３０は、ステップＳＴ５において、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_i以下と判定した場合には、ステップＳＴ７に進む。制御装置３０は、ステップＳＴ７において、各対象関節機構Ｊｉの目標剛性ｋ_cmd_iを決定する（剛性決定部３４３の処理に相当）。制御装置３０は、ステップＳＴ７の処理が終了するとステップＳＴ８に進み、各対象関節機構Ｊｉの目標剛性ｋ_cmd_iに応じた目標粘性係数Ｃ_cmd_iを決定する（粘性係数決定部３４４の処理に相当）。

制御装置３０は、ステップＳＴ８の処理が終了するとステップＳＴ９に進み、各対象関節機構Ｊｉの剛性ｋ_i及び粘性係数Ｃ_iが、目標剛性ｋ_cmd_i及び目標粘性係数Ｃ_cmd_iとなるように制御する（特性制御部３５の処理に相当）。制御装置３０は、ステップＳＴ９の処理が終了すると本フローチャートの処理を終了する。

（３．変形例）
本実施形態において、第１剛性決定部３４１は、前述した式（２４１）に従って得られる剛性以上の値に第１剛性ｋ１_iを決定しているが、他の演算式等によって算出されてもよい。

また、本実施形態において、第２剛性決定部３４２は、前述した式（２４２）に従って得られる剛性以下の値に第２剛性ｋ２_iを決定しているが、他の演算式等によって算出されてもよい。

また、本実施形態において、剛性決定部３４３は、対象関節機構Ｊｉの弾性要素５の目標剛性ｋ_cmd_iを、衝突リンク部材Ｌcollにより近い対象関節機構Ｊｉほど、その弾性要素５の目標剛性ｋ_cmd_iを小さく決定しているが、第１剛性ｋ１_i以上且つ第２剛性ｋ２_i以下の範囲内であれば、いずれの値に決定してもよい。

また、本実施形態では、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_iよりも大きくなったときに、前述した式（２４４−１）〜（２４４−５）によって相対的関節変位速度Δω_iを再度決定しているが、その他の態様によって、第１剛性ｋ１_iが第２剛性ｋ２_i以下となるように相対的関節変位速度Δω_iを再度決定してもよい。

また、関節機構Ｊｉは、少なくとも弾性要素５を備えている態様であれば、粘性要素６を備えていない態様であってもよい。

また、関節機構Ｊｉは、駆動側のリンクと被動側のリンクとの間で動力伝達をする際に、該動力が弾性力及び粘性力に変換されて伝達される態様であれば、本実施形態の態様以外の態様であってもよい。例えば、駆動側のリンクと被動側のリンクとの間の動力伝達経路上に、剛性及び粘性係数を変更可能に構成された導電性高分子アクチュエータが用いられていてもよい。

１…リンク機構、３０…制御装置、Ｏbj…物体、２…基体、３…先端部、Ｊｉ…関節機構、４…アクチュエータ、５…弾性要素、６…粘性要素、１１…ワイヤ（弾性要素）、１４…回転バー（弾性要素）、１６…ギヤ（弾性要素）、１７…スプリングウォーム（弾性要素）、１８…電動モータ（弾性要素）、１９…シリンダ（粘性要素）、２４…オリフィス部（粘性要素）、Δθ…弾性変位量（弾性変形量）、Δθ_i…弾性変位量（弾性変形量）、Δθ_lim_i…最大変位量（最大変形量）、ｋ_i…剛性、Ｃ_i…粘性係数、ｋ１_i…第１剛性、ｋ２_i…第２剛性、ΔＶ…衝突相対速度（相対的な速度）、ω_i…関節変位速度（変位速度）、Δω_i…相対的関節変位速度（相対的な変位速度）、Ｉ_t_i…慣性モーメント、Ｌcoll…衝突リンク部材（可動部）、３３…相対的変位速度決定部、３４…特性決定部、３５…特性制御部。

Claims (7)

1. 基体と該基体に対して可動な可動部との間に設けられた１つ又は複数の関節機構と、前記１つ又は複数の関節機構を変位させる駆動力を出力するアクチュエータとを備え、前記１つ又は複数の関節機構の各々は、剛性を可変的に制御可能に構成された弾性変形可能な弾性要素を介して動力伝達を行うように構成されているリンク機構の制御装置であって、
   前記可動部が外部の物体と衝突する場合における前記可動部と前記物体との間の相対的な速度に対応する、前記１つ又は複数の関節機構の各々の相対的な変位速度を決定するように構成された相対的変位速度決定部と、
   前記可動部が前記物体と衝突する場合における前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性を、前記１つ又は複数の関節機構の各々に対して決定される第１剛性以上且つ第２剛性以下となるように決定するように構成された特性決定部と、
   前記可動部が前記物体と衝突する場合における前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記弾性要素の剛性を、前記特性決定部によって決定された剛性に制御するように構成された特性制御部とを備え、
   前記特性決定部は、
   前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の弾性変形量が当該関節機構の前記弾性要素の最大変形量である場合における当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーが、前記相対的変位速度決定部によって決定された当該関節機構の変位速度で当該関節機構が変位するときの当該関節機構の運動エネルギー以上となるように、前記第１剛性を決定し、
   前記１つ又は複数の関節機構の各々において、前記可動部が前記物体と衝突することによる当該関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による当該関節機構の変位によって蓄積された当該関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる当該関節機構の変位が開始される時点までの時間が、前記アクチュエータによって当該関節機構を変位させることで、当該関節機構の変位速度を、前記相対的変位速度決定部によって決定された当該関節機構の相対的な変位速度の向きを反転させた速度だけ変化させる場合に当該関節機構で実現可能な最短時間以上となるように、前記第２剛性を決定することを特徴とするリンク機構の制御装置。
2. 請求項１に記載のリンク機構の制御装置において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記特性決定部は、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第１剛性を次式（１）に従って得られる剛性以上に決定することを特徴とするリンク機構の制御装置。
   但し、
   I_t_i：前記可動部が前記物体と衝突する場合における、前記第ｉ関節機構を変位させる場合の慣性モーメント又は慣性質量
   Δω_i：前記相対的変位速度決定部によって決定された前記第ｉ関節機構の相対的な変位速度
   x_lim_i：前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の最大変形量
3. 請求項１又は２に記載のリンク機構の制御装置において、前記１つ又は複数の関節機構のうちの任意の１つの関節機構を第ｉ関節機構と定義したとき、前記特性決定部は、前記第ｉ関節機構の前記弾性要素の前記第２剛性を次式（２）に従って得られる剛性以下に決定することを特徴とするリンク機構の制御装置。
   但し、
   I_t_i：前記可動部が前記物体と衝突する場合における、前記第ｉ関節機構を変位させる場合の慣性モーメント又は慣性質量
   π：円周率
   A_max_i：前記第ｉ関節機構を前記アクチュエータによって変位させる場合に当該第ｉ関節機構で実現可能な最大加速度
   Δω_i：前記相対的変位速度決定部によって決定された前記第ｉ関節機構の相対的な変位速度
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のリンク機構の制御装置において、前記特性決定部は、前記可動部により近い関節機構ほど、その前記弾性要素の剛性を小さく決定することを特徴とするリンク機構の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のリンク機構の制御装置において、
   前記相対的変位速度決定部は、前記特性決定部が前記１つ又は複数の関節機構の各々の前記第１剛性及び前記第２剛性を決定したときに、前記１つ又は複数の関節機構のうち前記第１剛性が前記第２剛性よりも大きくなった関節機構である限界関節機構が存在する場合には、前記限界関節機構の前記弾性要素の剛性が前記第２剛性と等しいと仮定した場合において、前記可動部が前記物体と衝突することによる前記限界関節機構の変位が開始された時点から、当該衝突による前記限界関節機構の変位によって蓄積された前記限界関節機構の前記弾性要素の弾性エネルギーによる前記限界関節機構の変位が開始される時点までの期間、前記アクチュエータによって前記限界関節機構を前記限界関節機構で実現可能な最大加速度で変位させたときの前記限界関節機構の変位速度の変化量を、前記限界関節機構の相対的な変位速度として再度決定すると共に、前記１つ又は複数の関節機構のうち前記限界関節機構ではない関節機構の各々において、現時点で決定されている当該関節機構の相対的な変位速度よりも大きくなるように当該関節機構の相対的な変位速度を再度決定し、
   前記特性決定部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、前記相対的変位速度決定部が再度決定した変位速度に基づいて、前記第１剛性及び前記第２剛性を再度決定することを特徴とするリンク機構の制御装置。
6. 請求項５に記載のリンク機構の制御装置において、前記特性決定部は、前記限界関節機構よりも前記可動部に近い前記関節機構の前記弾性要素の剛性が、前記限界関節機構よりも前記基体に近い前記関節機構の前記弾性要素の剛性よりも小さくなるように、前記１つ又は複数の関節機構のうちの前記限界関節機構ではない関節機構の前記弾性要素の剛性を再度決定することを特徴とするリンク機構の制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のリンク機構の制御装置において、
   前記１つ又は複数の関節機構の各々は、前記弾性要素及び、前記特性制御部により粘性係数を可変的に制御可能に構成された粘性要素を介して動力伝達を行うように構成され、
   前記特性決定部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、当該関節機構の前記弾性要素の剛性を決定したときに、当該関節機構の挙動特性が臨界減衰又は過減衰の特性になるように、前記決定された剛性に応じた当該関節機構の前記粘性要素の粘性係数を決定し、
   前記特性制御部は、前記１つ又は複数の関節機構の各々において、前記特性決定部が決定した粘性係数となるように、当該関節機構の前記粘性要素の粘性係数を制御することを特徴とするリンク機構の制御装置。