JP2002144274A - 関節駆動装置 - Google Patents
関節駆動装置Info
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- JP2002144274A JP2002144274A JP2000342379A JP2000342379A JP2002144274A JP 2002144274 A JP2002144274 A JP 2002144274A JP 2000342379 A JP2000342379 A JP 2000342379A JP 2000342379 A JP2000342379 A JP 2000342379A JP 2002144274 A JP2002144274 A JP 2002144274A
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- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J17/00—Joints
- B25J17/02—Wrist joints
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
- H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
- H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
- H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
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- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Linear Motors (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Control Of Linear Motors (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】リニアモータで関節駆動装置のような高出力，
高効率を必要とする用途を実用化すること。 【解決手段】リニアモータは電機子の一方の磁極に磁気
的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に
第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、
可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移
動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配
列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配
列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段
の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置さ
れ、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方
に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方
向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段
の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯
列の間に該可動子が配列されたリニアモータを用いる。
高効率を必要とする用途を実用化すること。 【解決手段】リニアモータは電機子の一方の磁極に磁気
的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に
第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、
可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移
動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配
列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配
列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段
の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置さ
れ、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方
に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方
向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段
の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯
列の間に該可動子が配列されたリニアモータを用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、関節駆動装置に関
し、特に、ロボット，介護補助装置，健康器具等の関節
駆動部を有する関節駆動装置に関するものである。
し、特に、ロボット，介護補助装置，健康器具等の関節
駆動部を有する関節駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の関節駆動装置においては、関節駆
動を行う場合に関節部に回転モータを組込み、モータ回
転子の回転運動により対応しており、前記モータは様々
な構造のモータが考えられている。モータの一つである
回転モータでは無いリニアモータを用いた場合でも、従
来のリニアモータは回転機を切り開いて直線駆動する構
造のものが用いられている。
動を行う場合に関節部に回転モータを組込み、モータ回
転子の回転運動により対応しており、前記モータは様々
な構造のモータが考えられている。モータの一つである
回転モータでは無いリニアモータを用いた場合でも、従
来のリニアモータは回転機を切り開いて直線駆動する構
造のものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の関節部にモータ
を組込んだ関節駆動装置においては、関節部分の重量が
重くなり自重によるロスが増加する、また関節の駆動方
向がモータの回転方向に限定されるため、１つの関節部
において複数方向に駆動させる場合、関節部にモータを
複数個搭載することになり、重量がさらに重くなるとい
う課題がある。一方、従来のリニアモータを有する関節
駆動装置においては、従来のリニアモータは、回転機を
切り開いて直線駆動する構造のものであるため、電機子
と可動子間の漏れ磁束が多くモータ効率が悪く、高出力
を必要する用途には実用化が困難であるという課題があ
る。さらに、電機子と可動子の間に磁気吸引力が一方向
に働くため、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、
構造に歪みが生じて様々な弊害を生じ実用化が困難であ
るという課題がある。
を組込んだ関節駆動装置においては、関節部分の重量が
重くなり自重によるロスが増加する、また関節の駆動方
向がモータの回転方向に限定されるため、１つの関節部
において複数方向に駆動させる場合、関節部にモータを
複数個搭載することになり、重量がさらに重くなるとい
う課題がある。一方、従来のリニアモータを有する関節
駆動装置においては、従来のリニアモータは、回転機を
切り開いて直線駆動する構造のものであるため、電機子
と可動子間の漏れ磁束が多くモータ効率が悪く、高出力
を必要する用途には実用化が困難であるという課題があ
る。さらに、電機子と可動子の間に磁気吸引力が一方向
に働くため、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、
構造に歪みが生じて様々な弊害を生じ実用化が困難であ
るという課題がある。
【０００４】本発明では、例えば関節駆動装置の高効率
化を狙い、電機子と可動子間を通る磁束の漏れを少なく
して、電機子と可動子間に生ずる磁気吸引力を小さくし
ている。本発明の一つの目的は、モータ効率を良くし高
出力化を可能にしたリニアモータを用いて、従来の回転
モータによる関節駆動装置に対して、関節部分の重量を
軽減した関節駆動装置を提供することにある。
化を狙い、電機子と可動子間を通る磁束の漏れを少なく
して、電機子と可動子間に生ずる磁気吸引力を小さくし
ている。本発明の一つの目的は、モータ効率を良くし高
出力化を可能にしたリニアモータを用いて、従来の回転
モータによる関節駆動装置に対して、関節部分の重量を
軽減した関節駆動装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の一つの特徴は、
関節駆動を行う装置において、前記駆動装置のモータと
して、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を
有し、先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいは
ゴム等の素材が装着される可動子と、可動子の移動方向
に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するよう
に可動子の上下に設けられた磁極歯と、これら磁極歯の
隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように
励磁するコイルとを備え、可動子，磁極歯，コイルによ
りリニアモータを構成し、前記コイルを所定の制御回路
に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、
この往復移動の過程で先端に取り付けられた素材を伸縮
させ、関節駆動を行うリニアモータを用いることであ
る。
関節駆動を行う装置において、前記駆動装置のモータと
して、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を
有し、先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あるいは
ゴム等の素材が装着される可動子と、可動子の移動方向
に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するよう
に可動子の上下に設けられた磁極歯と、これら磁極歯の
隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように
励磁するコイルとを備え、可動子，磁極歯，コイルによ
りリニアモータを構成し、前記コイルを所定の制御回路
に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、
この往復移動の過程で先端に取り付けられた素材を伸縮
させ、関節駆動を行うリニアモータを用いることであ
る。
【０００６】また、該リニアモータは電機子と相対的に
移動可能な可動子からなるリニアモータであって、該リ
ニアモータは更に前記電機子の一方の磁極に磁気的に結
合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段
及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、前記可
動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動
方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列
した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列
の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の
磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、
該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設
けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に
対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁
極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の
間に該可動子が配列されたリニアモータを構成すること
が望ましい。
移動可能な可動子からなるリニアモータであって、該リ
ニアモータは更に前記電機子の一方の磁極に磁気的に結
合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段
及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、前記可
動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動
方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列
した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列
の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の
磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、
該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設
けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に
対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁
極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の
間に該可動子が配列されたリニアモータを構成すること
が望ましい。
【０００７】また、１つの関節部位において複数方向に
関節駆動を行う場合には、筋肉の伸縮動作を模擬するバ
ネ、あるいはゴム等の素材を先端に取り付けたリニアモ
ータ付関節駆動装置を複数個用意するか、または、筋肉
の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材のみ
を関節の駆動方向に対応する数だけ用意し、リニアモー
タの先端に接続する素材を駆動方向に対応して切替える
ことが望ましい。
関節駆動を行う場合には、筋肉の伸縮動作を模擬するバ
ネ、あるいはゴム等の素材を先端に取り付けたリニアモ
ータ付関節駆動装置を複数個用意するか、または、筋肉
の伸縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材のみ
を関節の駆動方向に対応する数だけ用意し、リニアモー
タの先端に接続する素材を駆動方向に対応して切替える
ことが望ましい。
【０００８】本発明の上記特徴及びその他の特徴は以下
で説明される。
で説明される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用いて説明する。また、図中において、同一符号
でしめす構成要素は、同一物又は相当物である。
図面を用いて説明する。また、図中において、同一符号
でしめす構成要素は、同一物又は相当物である。
【００１０】図１は、リニアモータを有する関節駆動装
置の基本構成ブロック図である。１０１は後述する電機
子と可動子からなるリニアモータであり、１０２はコン
トローラ、１０３はドライバー、１０４はバッテリ、１
０５は電源コード、１０６は結合部、１０７は結合部１
０６を介して可動子の先端に装着される筋肉の伸縮動作
を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材である。１０８
は関節装置であり、１０９，１１０は関節装置１０８を
介して結合されたアーム部材である。そして結合部１０
６に接続された伸縮素材１０７の他方は、アーム部材１
１０に接続されている。１１１は別の筋肉の伸縮動作を
模擬するバネ、あるいはゴム等の素材であり、関節装置
１０８を介して結合されたアーム部材１０９，１１０に
接続される構造である。
置の基本構成ブロック図である。１０１は後述する電機
子と可動子からなるリニアモータであり、１０２はコン
トローラ、１０３はドライバー、１０４はバッテリ、１
０５は電源コード、１０６は結合部、１０７は結合部１
０６を介して可動子の先端に装着される筋肉の伸縮動作
を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材である。１０８
は関節装置であり、１０９，１１０は関節装置１０８を
介して結合されたアーム部材である。そして結合部１０
６に接続された伸縮素材１０７の他方は、アーム部材１
１０に接続されている。１１１は別の筋肉の伸縮動作を
模擬するバネ、あるいはゴム等の素材であり、関節装置
１０８を介して結合されたアーム部材１０９，１１０に
接続される構造である。
【００１１】また、前記リニアモータ付関節駆動装置の
電源としてはバッテリ、または外部電源どちらでも駆動
可能にした切替え機能（図示せず）を備える。また、バ
ッテリ１０４，電源コード１０５は必要に応じて脱着が
可能で有る。
電源としてはバッテリ、または外部電源どちらでも駆動
可能にした切替え機能（図示せず）を備える。また、バ
ッテリ１０４，電源コード１０５は必要に応じて脱着が
可能で有る。
【００１２】前記リニアモータの筋肉の伸縮動作を模擬
するバネ、あるいはゴム等の素材が接続された先端部の
他方の可動子先端にはバネ１２０を備えて、ダンパーの
機能を用いる。
するバネ、あるいはゴム等の素材が接続された先端部の
他方の可動子先端にはバネ１２０を備えて、ダンパーの
機能を用いる。
【００１３】図１７は、図１の基本構成図に冷却装置１
２１，防塵機構１２２を備えたことを示す本発明の他の
ブロック図である。
２１，防塵機構１２２を備えたことを示す本発明の他の
ブロック図である。
【００１４】図１７において、冷却装置１２１は電動機
による強制空冷式や、リニアモータ１０１の表面に冷却
ピン（図示せず）等を備える。可動子６の往復移動範囲
には防塵機構１２２を備えて、埃等が前記リニアモータ
に吸着するのを防止する。
による強制空冷式や、リニアモータ１０１の表面に冷却
ピン（図示せず）等を備える。可動子６の往復移動範囲
には防塵機構１２２を備えて、埃等が前記リニアモータ
に吸着するのを防止する。
【００１５】図２，図３は本実施形態のリニアモータを
用いた制御ブロック図を示す。
用いた制御ブロック図を示す。
【００１６】図２（ａ）はリニアモータ１０１の電機子
と可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサ（図示
せず）とその信号をフィードバックする制御部１０２と
パワードライブ部１０３からなるクローズループ制御シ
ステムを構成するブロック図を示す。
と可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサ（図示
せず）とその信号をフィードバックする制御部１０２と
パワードライブ部１０３からなるクローズループ制御シ
ステムを構成するブロック図を示す。
【００１７】図２（ｂ）はリニアモータ１０１と制御部
１０２とパワードライブ部１０３からなるオープンルー
プ制御システムを構成するブロック図を示す。
１０２とパワードライブ部１０３からなるオープンルー
プ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００１８】図３（ａ）は、リニアモータ１０１と、電
圧センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３
からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロッ
ク図を示す。本実施形態においては、電圧センサを用い
てリニアモータが発生する誘起電圧Ｅ０を制御器１０２
内に読み込んでいる。制御器１０２内では、誘起電圧の
大きさから磁極位置を推定し、リニアモータを駆動する
信号をパワードライブ部１０３へ出力する。本構成の制
御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０
１に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動で
きるようになる。
圧センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３
からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロッ
ク図を示す。本実施形態においては、電圧センサを用い
てリニアモータが発生する誘起電圧Ｅ０を制御器１０２
内に読み込んでいる。制御器１０２内では、誘起電圧の
大きさから磁極位置を推定し、リニアモータを駆動する
信号をパワードライブ部１０３へ出力する。本構成の制
御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０
１に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動で
きるようになる。
【００１９】図３（ｂ）は、リニアモータ１０１と、電
流センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３
からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロッ
ク図を示す。本実施例においては、電流センサを用いて
リニアモータに流れる電流Ｉを制御器１０２内に読み込
んでいる。制御器１０２内では、リニアモータに印加し
ている電圧と検出電流値から、リニアモータの誘起電圧
を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御シス
テムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０１に取
り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるよ
うになる。
流センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３
からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロッ
ク図を示す。本実施例においては、電流センサを用いて
リニアモータに流れる電流Ｉを制御器１０２内に読み込
んでいる。制御器１０２内では、リニアモータに印加し
ている電圧と検出電流値から、リニアモータの誘起電圧
を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御シス
テムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０１に取
り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるよ
うになる。
【００２０】図４はリニアモータを２個用意した関節駆
動装置の本発明の他の実施例である。これにより、図１
の１個のリニアモータで駆動する場合より、折曲げ，伸
ばし，逆側への折曲げ時のアーム角度，速度等を高精度
に制御可能とすることができる効果がある。
動装置の本発明の他の実施例である。これにより、図１
の１個のリニアモータで駆動する場合より、折曲げ，伸
ばし，逆側への折曲げ時のアーム角度，速度等を高精度
に制御可能とすることができる効果がある。
【００２１】図５はリニアモータを２個用意できない場
合でも同等の効果が得られる関節駆動装置の本発明の他
の実施例である。図５のように駆動方向を（ａ）の状態
から（ｂ）の状態に変化させる場合、リニアモータ１０
１の接続を結合部１０６ａから１０６ｂに切替えること
で同様の制御を行うことが可能となる。従って、軽量化
できる効果が得られる。
合でも同等の効果が得られる関節駆動装置の本発明の他
の実施例である。図５のように駆動方向を（ａ）の状態
から（ｂ）の状態に変化させる場合、リニアモータ１０
１の接続を結合部１０６ａから１０６ｂに切替えること
で同様の制御を行うことが可能となる。従って、軽量化
できる効果が得られる。
【００２２】上記は、１つの関節部に対して複数方向に
駆動する場合にも拡張できる。即ち、筋肉を模擬した素
材が接合されたリニアモータを複数用意する、あるいは
筋肉を模擬した素材を複数用意し、駆動方向に従いリニ
アモータとの接続を切替えることにより、関節部に回転
モータを複数個組込む場合に対して、関節部の軽量化が
可能とできる効果がある。
駆動する場合にも拡張できる。即ち、筋肉を模擬した素
材が接合されたリニアモータを複数用意する、あるいは
筋肉を模擬した素材を複数用意し、駆動方向に従いリニ
アモータとの接続を切替えることにより、関節部に回転
モータを複数個組込む場合に対して、関節部の軽量化が
可能とできる効果がある。
【００２３】図６は本発明の関節駆動装置に用いるリニ
アモータの概略構成を示す。図６（ａ）は、本発明の一
実施形態によるリニアモータの基本構成図であり、図６
（ｂ）は、それらの基本構成を多極化にした概略の一例
を示す。
アモータの概略構成を示す。図６（ａ）は、本発明の一
実施形態によるリニアモータの基本構成図であり、図６
（ｂ）は、それらの基本構成を多極化にした概略の一例
を示す。
【００２４】図６（ａ）において、５１は第一の対向部
を有する鉄心であり、５２は第二の対向部を有する鉄心
である。前記鉄心５１と前記鉄心５２には上部と下部の
磁極が互い違いになるように構成されている。ここで、
前記鉄心５１の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを
第一の対向部と定義し、前記鉄心５２の下部磁極歯１２
ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よっ
て、（２ｎ−１）番目の鉄心は第一の対向部、（２ｎ）
番目の鉄心は第二の対向部になるように電機子を構成す
る（但し、ｎ＝１，２，３，……）。また、図６（ａ）
に示すように、前記鉄心５１と前記鉄心５２には一つの
巻線４が巻回される。可動子６は前記鉄心５１の第一の
対向部に挟持され、かつ、可動子が前記鉄心５２の第二
の対向部に挟持され、電機子とは相対移動することを特
徴とするリニアモータである。ここに、電機子は鉄心と
巻線４からなり、可動子は永久磁石，磁性体，非磁性体
からなる。また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の
間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に前記可動子
を通すと、可動子が第一の対向部に挟持され、かつ、可
動子が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。
上記により、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部
磁極歯と下部磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部
の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギ
ャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
を有する鉄心であり、５２は第二の対向部を有する鉄心
である。前記鉄心５１と前記鉄心５２には上部と下部の
磁極が互い違いになるように構成されている。ここで、
前記鉄心５１の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを
第一の対向部と定義し、前記鉄心５２の下部磁極歯１２
ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よっ
て、（２ｎ−１）番目の鉄心は第一の対向部、（２ｎ）
番目の鉄心は第二の対向部になるように電機子を構成す
る（但し、ｎ＝１，２，３，……）。また、図６（ａ）
に示すように、前記鉄心５１と前記鉄心５２には一つの
巻線４が巻回される。可動子６は前記鉄心５１の第一の
対向部に挟持され、かつ、可動子が前記鉄心５２の第二
の対向部に挟持され、電機子とは相対移動することを特
徴とするリニアモータである。ここに、電機子は鉄心と
巻線４からなり、可動子は永久磁石，磁性体，非磁性体
からなる。また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の
間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に前記可動子
を通すと、可動子が第一の対向部に挟持され、かつ、可
動子が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。
上記により、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部
磁極歯と下部磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部
の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギ
ャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
【００２５】図７に、本実施形態のリニアモータの磁束
が流れる概念と積層鋼板により組立てられた概略図を示
す。
が流れる概念と積層鋼板により組立てられた概略図を示
す。
【００２６】上記のような構成にすれば、図７（ａ）に
示すように電機子３の各対向部の上部磁極歯（１１ａ，
２２ａ）と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）の間のギャッ
プには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流
れる電機子３を形成し、ギャップを通して可動子６が相
対移動する構造になる。
示すように電機子３の各対向部の上部磁極歯（１１ａ，
２２ａ）と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）の間のギャッ
プには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流
れる電機子３を形成し、ギャップを通して可動子６が相
対移動する構造になる。
【００２７】また、本実施形態のリニアモータでは、可
動子６と上部磁極歯(１１ａ，22ａ)に働く吸引力と可動
子６と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）に働く吸引力の大
きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対
であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可
動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすること
ができ、支持機構の負担を小さくできる。
動子６と上部磁極歯(１１ａ，22ａ)に働く吸引力と可動
子６と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）に働く吸引力の大
きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対
であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可
動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすること
ができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００２８】図６（ｂ）において、電機子３は積層鋼板
からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複
数個配置された構造である。また、電機子３の巻線４が
配置される鉄心部と可動子６が挟持される対向部を有す
る磁極部を積層鋼板により分割製作して組立てることを
示す。
からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複
数個配置された構造である。また、電機子３の巻線４が
配置される鉄心部と可動子６が挟持される対向部を有す
る磁極部を積層鋼板により分割製作して組立てることを
示す。
【００２９】図８は、図７（ｂ）で示した積層鋼板で構
成された電機子をモールドしたイメージを示す。電機子
３は積層鋼板，巻線，支持機構（図示せず）を含めてモ
ールドしたものである。また、電機子３は図９に示すよ
うに電機子を直列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別
にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても
良い。図１０に示すように電機子を並列に配置して、Ａ
相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を
纏めてモールドしても良い。
成された電機子をモールドしたイメージを示す。電機子
３は積層鋼板，巻線，支持機構（図示せず）を含めてモ
ールドしたものである。また、電機子３は図９に示すよ
うに電機子を直列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別
にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても
良い。図１０に示すように電機子を並列に配置して、Ａ
相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を
纏めてモールドしても良い。
【００３０】電機子３の形状は関節駆動システムの形状
に合わせて、角材状，円筒状等が可能であり、可動子６
も同じく角材状、図１２に示すような円筒状等が可能で
ある。
に合わせて、角材状，円筒状等が可能であり、可動子６
も同じく角材状、図１２に示すような円筒状等が可能で
ある。
【００３１】図９は本実施形態のリニアモータを用いた
配置の実施形態を示す。
配置の実施形態を示す。
【００３２】ここで、図９では、電機子３を２個直列に
並べることを示す。Ａ相，Ｂ相間には電気角９０°の位
相差を持たせて励磁を切替えることで進行磁界が発生
し、可動子６が相対移動する。図１４に２相リニアモー
タの励磁シーケンスを示す。前進後進の移動量および移
動速度は関節駆動システムに合った条件により設定され
る。
並べることを示す。Ａ相，Ｂ相間には電気角９０°の位
相差を持たせて励磁を切替えることで進行磁界が発生
し、可動子６が相対移動する。図１４に２相リニアモー
タの励磁シーケンスを示す。前進後進の移動量および移
動速度は関節駆動システムに合った条件により設定され
る。
【００３３】図１５，図１６に２相リニアモータの他の
励磁シーケンスを示す。
励磁シーケンスを示す。
【００３４】図１５に示すようにモータ電流を疑似正弦
波にコントロールして、モータのステップ角をより細か
なステップ角で駆動する方法で、騒音，振動が小さくな
る効果がある。
波にコントロールして、モータのステップ角をより細か
なステップ角で駆動する方法で、騒音，振動が小さくな
る効果がある。
【００３５】図１６はインバータ部で周波数制御と出力
電圧制御を同時に行うため、出力電圧波形はパルス幅変
調（ＰＷＭ）され正弦波状とすることにより、低次高調
波を除去できモータの推力リップルを低減させることが
でき、騒音，振動が小さくなる効果がある。
電圧制御を同時に行うため、出力電圧波形はパルス幅変
調（ＰＷＭ）され正弦波状とすることにより、低次高調
波を除去できモータの推力リップルを低減させることが
でき、騒音，振動が小さくなる効果がある。
【００３６】図１０はリニアモータ配置の他の実施形態
例を示す。図１０では、電機子３，可動子６を２個並列
に並べることを示す。電機子３を２個並列に並べ、２個
の可動子６を一体化したり、電機子３を複数個並列に並
べ、複数個の可動子６を一体化しても同様である。
例を示す。図１０では、電機子３，可動子６を２個並列
に並べることを示す。電機子３を２個並列に並べ、２個
の可動子６を一体化したり、電機子３を複数個並列に並
べ、複数個の可動子６を一体化しても同様である。
【００３７】なお、本発明の実施形態として、１相，２
相リニアモータについて説明したが、３相，４相，５相
等の多相リニアモータとして利用することができる。
相リニアモータについて説明したが、３相，４相，５相
等の多相リニアモータとして利用することができる。
【００３８】リニアモータの電機子３を複数個並べ、極
ピッチをＰとするとき、隣り合う電機子３の磁極歯との
ピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，
…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合
う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモー
タの相数｝とする。
ピッチをＰとするとき、隣り合う電機子３の磁極歯との
ピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，
…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合
う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモー
タの相数｝とする。
【００３９】図１１は、本発明の平板状の可動子につい
ての他の実施形態を示したものである。
ての他の実施形態を示したものである。
【００４０】また、図１２は、前記平板状の可動子を円
筒型可動子にした例を示したものである。
筒型可動子にした例を示したものである。
【００４１】図１１において、平板状の強磁性体の両面
に凸の磁極歯１３を設けると、電機子３の対向部の磁極
との間で進行方向に対して磁気抵抗が変化する。すなわ
ち、凸の磁極歯１３と電機子３の対向部の磁極との間の
磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の対向部の
磁極との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化
を利用すると、移動自在な可動子６となる。ここで、凸
の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を
設けることにより、複合型可動子にすることも可能であ
る。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６
を非磁性体とする組合わせにしても良い。
に凸の磁極歯１３を設けると、電機子３の対向部の磁極
との間で進行方向に対して磁気抵抗が変化する。すなわ
ち、凸の磁極歯１３と電機子３の対向部の磁極との間の
磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の対向部の
磁極との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化
を利用すると、移動自在な可動子６となる。ここで、凸
の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を
設けることにより、複合型可動子にすることも可能であ
る。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６
を非磁性体とする組合わせにしても良い。
【００４２】図１２において、動作原理は図１１の説明
と同じであり、軸３５に強磁性体３６と非磁性体３７を
交互に取り付けた組合わせとする。また、永久磁石を使
用しても良い。この場合、図１２の右側に示すように、
対向する磁極歯も軸３５の形状に沿って曲面形状を有し
ている。
と同じであり、軸３５に強磁性体３６と非磁性体３７を
交互に取り付けた組合わせとする。また、永久磁石を使
用しても良い。この場合、図１２の右側に示すように、
対向する磁極歯も軸３５の形状に沿って曲面形状を有し
ている。
【００４３】図１３は、本発明の実施形態によるリニア
モータの断面図を示す。図１３において、支持機構１４
は電機子３側に、支持機構１５は可動子６側に設けられ
相対移動する可動子６を支持する機構である。よって、
可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネル
を通るようにギャップ８を通して相対移動する。
モータの断面図を示す。図１３において、支持機構１４
は電機子３側に、支持機構１５は可動子６側に設けられ
相対移動する可動子６を支持する機構である。よって、
可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネル
を通るようにギャップ８を通して相対移動する。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、リニアモータは有
効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束
を少なくすることにより、モータ効率を良くし高出力化
を可能にした。
効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束
を少なくすることにより、モータ効率を良くし高出力化
を可能にした。
【００４５】また、本実施形態のリニアモータでは、可
動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極
歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が
働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくな
る。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力
を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくでき
る。
動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極
歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が
働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくな
る。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力
を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくでき
る。
【００４６】また、本実施形態の関節駆動装置では、関
節部に駆動装置を必要としないため、駆動装置先端の重
量の軽量化ができ、駆動パワーの節約ができる。
節部に駆動装置を必要としないため、駆動装置先端の重
量の軽量化ができ、駆動パワーの節約ができる。
【００４７】よって、本発明によればモータの効率が良
く高出力可能でコンパクトな関節駆動装置を提供でき
る。
く高出力可能でコンパクトな関節駆動装置を提供でき
る。
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアモータ付関
節駆動装置の基本構成を示すブロック図。
節駆動装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態の制御ブロック図。
【図３】本発明の実施形態における他の制御ブロック
図。
図。
【図４】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ付
関節駆動装置のブロック図。
関節駆動装置のブロック図。
【図５】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ付
関節駆動装置のブロック図。
関節駆動装置のブロック図。
【図６】本発明の関節駆動装置に用いるリニアモータの
概略。
概略。
【図７】リニアモータの磁束流れの概念図と積層鋼板に
より構成した組立て概略図。
より構成した組立て概略図。
【図８】電機子をモールドしたリニアモータの概略構成
例を示す斜視図。
例を示す斜視図。
【図９】２個直列に並べたリニアモータを示す模式図。
【図１０】２個並列に並べたリニアモータ。
【図１１】可動子における他の実施形態のその１。
【図１２】可動子における他の実施形態のその２。
【図１３】本発明の実施形態によるリニアモータの断面
図。
図。
【図１４】２相リニアモータの励磁シーケンスを示すタ
イムチャート。
イムチャート。
【図１５】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示
すタイムチャート。
すタイムチャート。
【図１６】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示
すタイムチャート。
すタイムチャート。
【図１７】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ
付関節駆動装置のブロック図。
付関節駆動装置のブロック図。
１，２…磁極、３…電機子、４…巻線（電機子側）、５
…鉄心、６…可動子、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１
２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２１ｂ…磁極２の下部磁極
歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯、５１…リニアモー
タ、１０２…コントローラ、１０３…ドライバー、１０
４…バッテリ、１０５…電源コード、106…結合部、１
０７，１１１…伸縮素材、１０８…関節装置、１０９，
１１０…アーム部材。
…鉄心、６…可動子、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１
２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２１ｂ…磁極２の下部磁極
歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯、５１…リニアモー
タ、１０２…コントローラ、１０３…ドライバー、１０
４…バッテリ、１０５…電源コード、106…結合部、１
０７，１１１…伸縮素材、１０８…関節装置、１０９，
１１０…アーム部材。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 3F060 AA10 EB02 EB06 GA01 GA11 GD12 GD14 5H540 AA10 BB04 BB09 EE05 FA02 FA06 FC03 5H607 AA00 BB01 BB11 CC01 CC03 CC05 CC09 DD17 FF01 5H641 BB06 BB11 BB14 BB19 GG17 GG26 HH03 HH07 HH09 HH12 HH13 HH14 JB03 JB04
Claims (13)
- 【請求項１】移動方向に沿って所定ピッチで設けられた
磁極を有し、先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバネ、あ
るいはゴム等の素材が装着される可動子と、可動子の移
動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向す
るように可動子の上下に設けられた磁極歯と、これら磁
極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となる
ように励磁するコイルとを備え、可動子，磁極歯，コイ
ルによりリニアモータを構成し、前記コイルを所定の制
御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動
させ、この往復移動の過程で先端に取り付けられた素材
を伸縮させ、関節駆動を行う関節駆動装置。 - 【請求項２】請求項１において、前記リニアモータと前
記電機子と前記可動子の相対的な変位と磁極を検出する
センサとその信号をフィードバックする制御部とパワー
ドライブ部からなるクローズループ制御システムを構成
する関節駆動装置。 - 【請求項３】請求項１において、前記リニアモータと制
御部とパワードライブ部からなるオープンループ制御シ
ステムを構成する関節駆動装置。 - 【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれかにおい
て、リニアモータと、パワードライブ部と、前記リニア
モータの誘起電圧を検出し、該電圧検出値に基づいて、
前記電機子と可動子の相対的な磁極位置を推定する手段
を含む制御部からなる制御システムを構成する関節駆動
装置。 - 【請求項５】請求項１乃至請求項３のいずれかにおい
て、リニアモータと、パワードライブ部と、前記リニア
モータに流れる電流を検出し、該電流検出値に基づい
て、前記電機子と可動子の相対的な磁極位置を推定する
手段を含む制御部からなる制御システムを構成する関節
駆動装置。 - 【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれかにおい
て、リニアモータの電機子を複数個並べ、極ピッチをＰ
とするとき、隣り合う相異なる電機子の磁極歯とのピッ
チを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛(ｋ＝０，１，２，…），(Ｍ
＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子の
配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝と
することを特徴とする関節駆動装置。 - 【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれかにおい
て、リニアモータの可動子の先端に筋肉の伸縮動作を模
擬するバネ、あるいはゴム等の素材を接続させたリニア
モータ付き関節駆動装置を、関節の駆動方向に対応する
数だけ用意し、１つの関節部で複数方向へ駆動すること
が出来ることを特徴とする関節駆動装置。 - 【請求項８】請求項１乃至請求項６のいずれかにおい
て、リニアモータの可動子の先端に取り付ける筋肉の伸
縮動作を模擬するバネ、あるいはゴム等の素材を、関節
の駆動方向に対応する数だけ用意し、先端に接続する素
材を駆動方向に対応して切替えることが出来る結合部を
構成することを特徴とする関節駆動装置。 - 【請求項９】請求項１乃至請求項８のいずれかにおい
て、リニアモータの可動子の往復移動範囲には防塵機構
を備えたことを特徴とする関節駆動装置。 - 【請求項１０】請求項１乃至請求項９のいずれかにおい
て、リニアモータの冷却装置を備えたことを特徴とする
関節駆動装置。 - 【請求項１１】請求項１乃至請求項１０のいずれかにお
いて、前記関節駆動装置の電源としてはバッテリ、また
は外部電源どちらでも駆動可能にした切替え機能を備え
たことを特徴とする関節駆動装置。 - 【請求項１２】請求項１乃至請求項１１のいずれかにお
いて、リニアモータの先端に筋肉の伸縮動作を模擬する
バネ、あるいはゴム等の素材が装着されない他方の可動
子先端にはバネを備えたことを特徴とする関節駆動装
置。 - 【請求項１３】請求項１において、該リニアモータは、
磁性体で形成された電機子と、該電機子に巻回されたコ
イルと、該電機子が生ずる磁場に作用することにより、
該電機子と相対的に移動可能な可動子とからなるリニア
モータであって、該リニアモータは更に電機子の一方の
磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略
垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁
極歯列と、可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該
可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段
に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設
けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯
列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互
に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯
と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子
の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方
の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段
の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを
用いて、該可動子の先端に筋肉の伸縮動作を模擬するバ
ネ、あるいはゴム等の素材が装着され、該可動子の往復
移動の過程で先端に取り付けられた素材を伸縮させ、関
節駆動を行う関節駆動装置。
Priority Applications (7)
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|---|---|---|---|
| JP2000342379A JP3758496B2 (ja) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | 関節駆動装置 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| KR (1) | KR20020035420A (ja) |
| CN (1) | CN1353495A (ja) |
| CA (1) | CA2342962A1 (ja) |
| TW (1) | TW517435B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6876108B2 (en) | 2003-02-04 | 2005-04-05 | Hitachi, Ltd. | Linear motor, its controlling method, and XY table |
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| WO2010114488A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-07 | Agency For Science, Technology And Research | Active manipulator |
| KR200458256Y1 (ko) * | 2009-05-21 | 2012-01-31 | 한갑수 | 낚싯대 받침대용 주걱 |
| US9409298B2 (en) * | 2012-04-13 | 2016-08-09 | Rethink Robotics, Inc. | Flexure elements for series elastic actuators and related methods |
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| CN107225599A (zh) * | 2017-04-24 | 2017-10-03 | 广西柳州中嘉知识产权服务有限公司 | 关节臂测量仪 |
| CN109528362B (zh) * | 2018-12-27 | 2024-03-15 | 天衍医疗器材有限公司 | 膝关节假体 |
| CN109483588B (zh) * | 2018-12-31 | 2024-05-31 | 浙江元邦智能装备有限公司 | 一种注塑用关节机器人 |
| CN113103276B (zh) * | 2021-03-16 | 2022-12-06 | 广东省科学院智能制造研究所 | 一种柔性驱动的协作机器臂关节模块 |
| CN114940224B (zh) * | 2022-06-30 | 2023-03-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人 |
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