CN1221743C - 侧隙离合器及具有该侧隙离合器的机器人用关节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现自由关节、同时在接上离合器的状态下传递高转矩的离合器。本发明的离合器，具有第一转动构件(3)和第二转动构件(4)，该第一转动构件(3)和第二转动构件(4)分别可转动地配置在同一轴线上，通过彼此的半径方向延伸面(3a、4a)相互接触而在转动方向上相互接合，在上述第一转动构件(3)和第二转动构件(4)的上述半径方向延伸面(3a、4a)彼此之间沿转动方向空开间隙(d)。

Description

侧隙离合器及具有该侧隙离合器的机器人用关节机构
技术领域
本发明涉及一种实现高转矩传递及自由关节双方的侧隙离合器及具有该侧隙离合器的机器人用关节用机构。
背景技术
一般，离合器机构是由利用了摩擦的机构实现驱动的传递及切断的。该机构具有相互摩擦结合来传递驱动力的转动部件和控制离合器的结合、断开的部件，因为是利用摩擦传递驱动力，在是大的驱动力时，产生打滑，难以传递该大的驱动力。
这种现象，在将离合器机构使用到类人机器人的膝关节时，产生大的问题。一般，类人机器人以生成目标轨道方式控制作动器来驱动身体的各关节。特别是，在膝关节上使用产生高输出的作动器。
在类人机器人以图9所示那样的姿势静止时，当股关节上的重量为60(kg)、股关节与膝关节的偏离为10(cm)时，在重力加速度9.81(m/s2)之下，驱动膝关节的作动器需要输出58.86(Nm)的高转矩。因此，膝的关节机构也必须具有传递该转矩所需的能力。
一般，使用高输出功率的马达和齿轮传动比大的减速器来构成膝关节机构。另外，在看人类的步行动作时，在腿成为空闲腿时，膝关节成为自由关节，这是为了获得如下的效果，在可以不使用无益的力将腿向前投出时，膝随着其惯性力自由活动，在着地时，脚以相对于地面适当的角度自然地朝向地面，可以缓和冲击力。但是，在现有的膝机构中，难以实现遵从其反作用力的自由关节，在成为空闲腿时，一边控制膝保持某个角度一边进行步行动作。
作为实现自由状态的方法，考虑了在关节驱动用减速机的输出轴上设置离合器机构的方案。但是，通常使用的离合器机构由于是上述那样的摩擦式离合器机构，在是高转矩时，产生打滑，难以传递高转矩。因此，可以设置离合器机构的只能是驱动用减速机的输出轴侧。在类人机器人的膝关节中，作为实现高转矩的传递和自由状态双方的机构，需要可以设置在驱动用减速机的输出轴侧的离合器机构。
因此，本发明的目的是提供一种可以同时实现高转矩的传递及自由状态的维持的离合器机构，而且其目的是提供一种具有该离合器机构的机器人的关节机构。特别是其目的是，在作为类人机器人的关节机构使用时，实现(1)传递大的驱动力。(2)借助自由关节的实现来实现：(a)不使用无益的力；(b)实现自由的运动；(c)吸收着地时的冲击这样的步行动作。
发明内容
有利地实现上述目的的本发明的侧隙离合器，具有第一转动构件和第二转动构件，该第一转动构件和第二转动构件分别可转动地配置在同一轴线上，通过相互的半径方向上的延伸面彼此接触而在转动方向上相互接合在一起，在上述第一转动构件与上述第二转动构件的上述半径方向延伸面彼此之间在转动方向空有间隙。
若采用这样的侧隙离合器，直到上述半径方向延伸面彼此间沿转动方向空开的间隙被堵塞的上述第一转动构件和第二转动构件的相对转动成为间隙，由其间隙可以获得如下的效果：(a)实现自由关节，(b)在接上了离合器的状态下传递高转矩。
另外，具有本发明的侧隙离合器的机器人用关节机构，具有权利要求1所记载的侧隙离合器和驱动装置；上述侧隙离合器在构成机器人的臂或腿的、相互可转动地被结合的两构件中的任何一方上在其转动轴线上可转动地支承着上述第一转动构件和第二转动构件中的任何一方，并且，在上述两构件中的另一方上固定着上述第一转动构件和上述第二转动构件中的另一方；上述驱动装置用于相对于可转动地支承上述第一转动构件和上述第二转动构件中的上述一方的上述一方构件转动地驱动上述第一转动构件和上述第二转动构件中的上述一方。
若采用具有这样的侧隙离合器的机器人用关节机构，则可以获得如下的效果：
(c)由自由关节实现遵从反作用力的从反作用力机构。
(d)由其从反作用力机构的从反作用力运动吸收冲击。
(e)防止无益的能量消耗。
附图说明
图1是表示作为本发明的侧隙离合器的一实施例及具有其侧隙离合器的本发明的机器人用关节机构的一实施例的类人机器人的膝关节机构的正视图。
图2是以将半径方向延伸面彼此间的周向间隔为零传递转矩的状态表示上述实施例的膝关节机构的说明图。
图3是以自由关节的状态表示上述实施例的膝关节机构的说明图。
图4是表示使上述实施例的膝关节机构为自由关节状态的最佳控制例的关系线图。
图5(a)是表示类人机器人的空闲腿要成为着地状态时的状态的说明图，(b)表示扩大了(a)的A部的说明图。
图6(a)是表示类人机器人的空闲腿要成为着地状态时的上述实施例的膝关节机构的作用的说明图，(b)是放大了(a)的B部的说明图。
图7是表示类人机器人的后脚蹬地面抬起后的空闲腿的运动的说明图。
图8表示类人机器人的上述空闲腿的进一步的运动的说明图。
图9表示类人机器人的膝的弯曲姿势的说明图。
具体实施方式
以下，根据附图由本发明的实施例详细说明本发明的实施方式。在此，图1是表示作为本发明的侧隙离合器的一实施例及具有其侧隙离合器的本发明的机器人用关节机构的一实施例的类人机器人的膝关节机构的正视图。图中符号1是构成类人机器人的腿的两构件中的一方的膝上腿部，2是绕轴线C可转动地结合在其膝上腿部1上的构成上述腿的两构件中的另一方的膝下腿部，3是构成上述实施例的侧隙离合器的第一转动构件，4是构成上述实施例的侧隙离合器的第二转动构件，5是设在带减速机的高输出功率马达输出轴上的皮带轮、6是皮带。
在此，第一转动构件3和第二转动构件4可相对转动地配置在同一轴线C上，第一转动构件3可绕上述轴线C转动地支承在膝上腿部1上，第二转动构件4一体地固定在膝下腿部2上。而且，第一转动构件3及第二转动构件4具有半径方向延伸面3a、4a，该半径方向延伸面3a、4a可相互接触，并且在其之间在转动方向上空开着间隙(侧隙)。
另外，具有上述皮带轮5的带有减速机的高输出功率马达及使用了其皮带轮5和上述皮带6的皮带式传递机构构成驱动机构，其第一转动构件3及第二转动构件4、和带有减速机的高输出功率马达及皮带式传动机构构成上述实施例的膝关节机构。在该实施例中，以用皮带轮5和皮带6将带减速机的高输出功率马达的输出旋转传递到第一转动构件3的方式构成驱动机构，但是本发明的机器人用关节机构中的驱动装置不限于此。
在该实施例的侧隙离合器及机器人用关节机构中，由以下的方法传递旋转或实现自由状态。
(1)驱动力的传递
在该关节机构中，如图2所示，使第一转动构件3的半径方向延伸面3a与第二转动构件4的半径方向延伸面4a之间的周方向间隔d为零(在图中为了方便说明而多少地分离着)而沿图中的箭头方向传递转矩。这时，第一转动构件3和第二转动构件4成为由垂直于力的方向的半径方向延伸面3a、4a彼此接触而产生的面接触，可以传递大的转矩。在该关节机构中，驱动力的传递是单向，在控制旋转角度的伺服机构中产生具有时间延迟的响应。但是，在像类人机器人的膝关节那样地经常地被作用着一定方向的力(在此是由重力场和身体的实体产生的力(那样的机构中)，该关节机构可以有效地发挥作用。该关节机构由于可以进行高转矩的传递，适用于维持图9所示那样的弯曲了膝状态的姿势。
(2)自由状态的实现
在这样的关节机构中，例如如图3(a)～(c)所示，通过控制第一转动构件3的旋转角度与由膝下腿部2的摇动带来的第二转动构件4的转动一致地将间隙d保持为某一定量d0，实现自由状态的关节。但是，在通常为了输出高转矩而设置齿轮传动比大的减速机的作动器中，相对于膝下腿部2的自由运动不能产生将d保持为一定间隔的旋转速度。但是，在该关节机构中，由于设有侧隙量的富裕，可以实现自由状态。即，当将膝上腿1的旋转角度设为θ、将膝下腿部2的旋转角度设为φ、将旋转方向的间隙角度设为ψ时，如果相对于某角度(侧隙)ψ0以满足θ-φ＝ψ＜ψ0的方式控制θ，则可实现自由关节。
例如，在图4所示的控制例中，相对于φ的旋转角度，θ振幅小、具有相位滞后地进行追随。但是，其差ψ由于被收在ψ0C＝±0.2[弧度]的范围中，因此成为实现了自由关节的状态。
若采用上述实施例的侧隙离合器，通过使类人机器人的膝关节实现自由关节，可以如以下所述地缓和着地时的冲击。如图5(a)所示，考虑为是空闲腿(在图中是类人机器人的右脚)要着地时。这时，如图5(b)所示，地面与脚心线接触。在膝关节由高输出功率作动器控制，以某目的旋转角度被控制时，在接地线上作用大的力，在地面或脚心硬时，由其反作用力而使腿浮起。另外，在实现了膝的自由关节时，如图6(a)所示，膝进行服从来自地面的反作用力的运动(从反作用力运动)，如图6(b)所示，脚心与地面面接触。由此，可以实现缓和来自地面的冲击的效果。
接着，作为后腿从地面上提起的空闲腿(在图中类人机器人的右脚)描绘如下的轨迹(1)首先如图7所示其空闲脚不接触地面地提起大腿部，随之使膝弯曲。(2)接着如图8所示将其空闲腿伸出到前方地伸开膝。一般，被控制的膝关节该弯曲和伸开作为指令回转角度被控制，描绘设计者给予的轨道。但是，该运动由于本来是由重力和惯性力产生的自然的运动，因此，通过使膝关节自由化，而自动地生成。由此，通过实现自由关节，不产生无用的力地实现高效率的步行动作。
这样，若采用该实施例的侧隙离合器，利用侧隙可以获得如下的效果：(a)实现自由关节；(b)在连接着离合器的状态下传递高转矩。
而且，若采用该实施例的机器人用关节机构，可以获得如下的效果：(c)由自由关节实现遵从反作用力的从反作用力机构；(d)由其从反作用力机构的从反作用力运动吸收冲击；(e)防止无益的能量消耗。
以上根据图示的例子进行了说明，但本发明不限定于上述的例子，例如，也可以将第一转动构件一体地固定在膝上腿部1上，同时将第二转动构件4可转动地支承在膝下腿部2上，由驱动装置进行转动驱动。而且，在上述实施例中，将第二转动构件4配置在第一转动构件3的内侧，在设在它们的内外周面上的半径方向凸部上形成半径方向延伸面，但是，也可以沿轴线方向并列设置第一转动构件3和第二转动构件4，在设置在它们的轴线方向相对面上的轴线方向凸部上形成半径方向延伸面。
而且，该发明的侧隙离合器也可以使用于机器人的关节机构以外。而且，该发明的机器人用关节机构除了腿以外，还可以用于实现臂的自由摆动等。

Claims (2)

1.一种侧隙离合器，具有第一转动构件和第二转动构件，该第一转动构件和第二转动构件分别可转动地配置在同一轴线上，通过相互的半径方向上的延伸面彼此接触而在转动方向上相互接合在一起，在上述第一转动构件与上述第二转动构件的上述半径方向延伸面彼此之间在转动方向上空有间隙。
2.机器人用关节机构，具有权利要求1所记载的侧隙离合器和驱动装置；上述侧隙离合器在构成机器人的臂或腿的、相互可转动地被结合的两构件中的任何一方上在其转动轴线上可转动地支承着上述第一转动构件和第二转动构件中的任何一方，并且在上述两构件中的另一方上固定着上述第一转动构件和上述第二转动构件中的另一方；上述驱动装置用于相对于可转动地支承上述第一转动构件和上述第二转动构件中的上述一方的上述一方构件转动地驱动上述第一转动构件和上述第二转动构件中的上述一方。
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