JP2005271183A - Articulated drive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は直動式アクチュエータで駆動する多関節駆動装置に関し、特に、人間の手に類似した動きを示すロボットハンド等に利用されるものに係わる。 The present invention relates to a multi-joint drive device that is driven by a linear actuator, and particularly relates to a multi-joint drive device that is used for a robot hand or the like that exhibits a movement similar to a human hand.
近年、人間の手と類似した動きを示すロボットハンドを、多関節機構で構成した複数の指によって実現したものが開発されている。 In recent years, a robot hand having a movement similar to that of a human hand and realized by a plurality of fingers composed of a multi-joint mechanism has been developed.
この多関節機構の関節部を独立して動かす手段としては、リンク機構を使用したものやボールネジ等を使用したものがあるが、これらは機構が複雑で小型化にも問題があるなどの理由から、各関節をワイヤで駆動する方法が採られている。このように、関節部をワイヤにより駆動する方法は、ガイドプーリにより関節と駆動用モータ間にワイヤを引き回し、その駆動モータによってワイヤを所望方向に引きガイドプーリ等を介して関節を駆動させるようにしている(例えば、特許文献1参照)。 As means for moving the joint part of this multi-joint mechanism independently, there are those using a link mechanism and those using a ball screw, etc., because these are complicated and there is a problem in miniaturization. A method of driving each joint with a wire is employed. As described above, in the method of driving the joint portion with the wire, the wire is routed between the joint and the driving motor by the guide pulley, the wire is pulled in the desired direction by the driving motor, and the joint is driven via the guide pulley or the like. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、関節部をワイヤで駆動する方法では、適度な発生力を得るためにある程度の大きさを有したモータが必要となってくる。また、関節の数に対応したモータの数が必要となってくるため、ロボットハンドの小型化には限界があり、人間の大きさと等しくするのは非常に困難となっている。 However, the method of driving the joint portion with a wire requires a motor having a certain size in order to obtain an appropriate generated force. Further, since the number of motors corresponding to the number of joints is required, there is a limit to downsizing the robot hand, and it is very difficult to make it equal to the size of a human.
そこで、近年、人工筋肉の開発が盛んになっている。これは、直動式のアクチュエータであり、形状記憶合金などがその代表例である(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, therefore, the development of artificial muscles has become active. This is a direct acting actuator, and a typical example thereof is a shape memory alloy or the like (for example, see Non-Patent Document 1).
具体的には、直動式のアクチュエータの駆動力を一方向の回転運動に変換する場合には、図4に示すように、支点a回りに回転する回転部bに対しその回転方向(図では上端側)に直動式アクチュエータcの一端を連結する一方、回転部bに対しその回転方向とは反対の逆回転方向(図では下端側)にバネdの一端を連結し、直動式アクチュエータcの他端およびバネdの他端を基体eに連結しておく。そして、直動式アクチュエータcに電流を通電させて収縮させると、バネdを引っ張りながら回転部bが支点a回りに矢印方向に回転する一方、直動式アクチュエータcへの電流の通電を遮断して直動式アクチュエータcが元の長さに戻るときにバネdの収縮力により回転部bが逆回転して元の状態に復帰するようになっている。 Specifically, when converting the driving force of the direct acting actuator into a unidirectional rotational motion, as shown in FIG. 4, the rotational direction (in the figure, relative to the rotating part b rotating around the fulcrum a). One end of the direct acting actuator c is coupled to the upper end side), while one end of the spring d is coupled to the rotating portion b in the reverse rotation direction (the lower end side in the drawing) opposite to the rotation direction. The other end of c and the other end of the spring d are connected to the base body e. When the current is applied to the direct acting actuator c and contracted, the rotating part b rotates in the direction of the arrow around the fulcrum a while pulling the spring d, while the current supply to the direct acting actuator c is cut off. Thus, when the direct acting actuator c returns to its original length, the rotating portion b rotates reversely due to the contraction force of the spring d and returns to its original state.
また、直動式のアクチュエータの駆動力を両方向(正逆回転方向)の回転運動に変換する場合には、図5に示すように、支点a′回りに回転する回転部b′を正逆回転させるように、その回転部b′の正回転方向(図では上端側)に一方の直動式アクチュエータfの一端を連結する一方、回転部b′の逆回転方向(図では下端側)に他方の直動式アクチュエータgの一端を連結し、両直動式アクチュエータf,gの他端を、バネ構造を有する中間操作部hに取り付ける。そして、一方の直動式アクチュエータfに電流を通電させて収縮させると、回転部b′が支点a′回りに一方の直動式アクチュエータf側(図では時計回り)に回転する一方、他方の直動式アクチュエータgに電流を通電させて収縮させると、回転部b′が支点a′回りに他方の直動式アクチュエータg側(図では反時計回り)に回転するようになっている。このとき、片方の直動式アクチュエータf(またはg)の収縮時にもう片方の直動式アクチュエータg(またはf)に作用する負荷は、中間操作部hにより吸収されるようになっている。
ところが、上述の直動式アクチュエータを用いたものでは、以下に述べるような課題を保有している。 However, those using the above-described direct acting actuators have the following problems.
つまり、上記前者のもののように、単一の直動式アクチュエータcを用いたものでは、直動式アクチュエータcの駆動力(収縮力)により回転部bを一方向に回転運動させる際に、回転部bがバネdの付勢力(引っ張り力)によって逆方向に回転しようとするため、直動式アクチュエータcの駆動力(トルク)がバネdの付勢力によって低下することになる。そのため、ロボットハンドの指先などの多関節駆動装置の動きを直動式アクチュエータcによって再現しようとしても、直動式アクチュエータcの駆動力(トルク)が低下していると、多関節駆動装置に大きな力を発生させることができず、多関節駆動装置の性能が著しく低下することになる。 That is, in the case of using the single direct acting actuator c like the former, the rotation is performed when the rotating part b is rotated in one direction by the driving force (contraction force) of the direct acting actuator c. Since the part b tries to rotate in the reverse direction by the biasing force (tensile force) of the spring d, the driving force (torque) of the direct acting actuator c is reduced by the biasing force of the spring d. Therefore, even if the motion of the multi-joint drive device such as the fingertip of the robot hand is to be reproduced by the direct-acting actuator c, if the driving force (torque) of the direct-acting actuator c is reduced, the articulated drive device has a large effect. A force cannot be generated, and the performance of the multi-joint drive device is significantly reduced.
また、上記後者のもののように、2つの直動式アクチュエータf,gを用いたものにおいても、一方の直動式アクチュエータf(またはg)の駆動力により回転部b′を一方向に回転運動させる際に、他方の直動式アクチュエータg(またはf)に作用する負荷が中間操作部hにより吸収されるため、一方の直動式アクチュエータの駆動力(トルク)が中間操作部hによって低下することになる。そのため、多関節駆動装置の動きを直動式アクチュエータf,gによって再現しようとしても、直動式アクチュエータf,gの駆動力(トルク)が低下していると、多関節駆動装置に大きな力を発生させることができず、多関節駆動装置の性能が同様に著しく低下することになる。しかも、各直動式アクチュエータf,gの他端側に中間操作部hのような構造を付設する際に、その中間操作部hを収容するスペースを確保する必要があり、これでは、多関節駆動装置の小型化を阻む要因となってしまう。 Further, in the case of using the two direct acting actuators f and g as in the latter case, the rotating part b ′ is rotated in one direction by the driving force of one of the direct acting actuators f (or g). In this case, since the load acting on the other direct acting actuator g (or f) is absorbed by the intermediate operation portion h, the driving force (torque) of the one direct acting actuator is reduced by the intermediate operation portion h. It will be. Therefore, even if the movement of the multi-joint drive device is to be reproduced by the direct acting actuators f and g, if the driving force (torque) of the direct acting actuators f and g is reduced, a large force is applied to the multi-joint drive device. It cannot be generated and the performance of the multi-joint drive device will be significantly reduced as well. Moreover, when a structure such as the intermediate operation portion h is attached to the other end side of each of the direct acting actuators f and g, it is necessary to secure a space for accommodating the intermediate operation portion h. This is a factor that hinders downsizing of the driving device.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、直動式アクチュエータのトルク損失を招くことなく、小型化を図ることができる多関節駆動装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a multi-joint drive device that can be reduced in size without incurring torque loss of a direct acting actuator. It is aimed.
上記目的を達成するため、本発明では、複数の関節を介して順次連結された複数のフレームを駆動部により各関節を支点にして回転駆動させるようにした多関節駆動装置を前提とし、上記駆動部に、各関節の回転支点回りに各フレームをそれぞれ回動自在に支持する回転部と、この各回転部に対し各フレームを正逆方向に折り曲げるように各一端が連結された一対の直動式アクチュエータと、この各直動式アクチュエータの他端がそれぞれ連結され、回転部に対する各直動式アクチュエータの収縮量を制御して各フレームを正逆方向に折り曲げるコントローラとを備える。そして、上記コントローラによる収縮量制御を行う前の状態にあるときに、上記回転部とコントローラとの間を結ぶ最短距離よりも長い弛みを持たせた状態で回転部とコントローラとの間に上記各直動式アクチュエータを連結する。更に、上記コントローラにより、各フレームを正逆方向のいずれか一方に折り曲げる際に各直動式アクチュエータの収縮量制御を行ってそれぞれ回転部とコントローラとの間で各直動式アクチュエータを張架した状態で、折り曲げ方向の一方の直動式アクチュエータをさらに収縮させる一方、その一方の直動式アクチュエータの収縮量に応じた分だけ他方の直動式アクチュエータの収縮を解除するように制御している。 In order to achieve the above object, the present invention is based on the premise of a multi-joint drive device in which a plurality of frames sequentially connected via a plurality of joints are rotationally driven by a drive unit around each joint as a fulcrum. And a pair of linear motions, each end being connected to bend the frame in the forward / reverse direction with respect to the rotating part. And a controller that bends each frame in the forward and reverse directions by controlling the amount of contraction of each linear actuator relative to the rotating portion. Then, when the controller is in a state before the contraction amount control is performed by the controller, each of the above-described components is provided between the rotating unit and the controller with a slack longer than the shortest distance connecting the rotating unit and the controller. Connect a direct acting actuator. Further, the controller controls the amount of contraction of each linear actuator when the frame is bent in one of the forward and reverse directions, and each linear actuator is stretched between the rotating portion and the controller. In this state, one linear motion actuator in the bending direction is further contracted, while the contraction of the other linear motion actuator is released by an amount corresponding to the contraction amount of the linear motion actuator. .
この特定事項により、各フレームを正逆方向のいずれか一方に折り曲げる場合には、各直動式アクチュエータの収縮量制御を行ってそれぞれ回転部とコントローラとの間で各直動式アクチュエータを張架した状態から、折り曲げ方向となる一方の直動式アクチュエータをさらに収縮させると共に、その一方の直動式アクチュエータの収縮量に応じた分だけ他方の直動式アクチュエータの収縮を解除して伸長させるようにしているので、各フレームの入り曲げ方向一方の直動式アクチュエータを収縮させる際の駆動力(トルク)が他方の直動式アクチュエータによって低下することはなく、ロボットハンドの指先などの動きが直動式アクチュエータによって円滑に再現され、このようなロボットハンドの指先などに適用した際の多関節駆動装置に大きな力を発生させることが可能となって、多関節駆動装置の性能を向上させることが可能となる。 Due to this specific matter, when each frame is bent in one of the forward and reverse directions, the amount of contraction of each linear actuator is controlled, and each linear actuator is stretched between the rotating part and the controller. In this state, one linear motion actuator in the bending direction is further contracted, and the contraction of the other linear motion actuator is canceled and extended by an amount corresponding to the contraction amount of the one linear motion actuator. Therefore, the driving force (torque) when contracting one of the linear actuators in the bending direction of each frame is not reduced by the other linear actuator, and the movement of the fingertip of the robot hand etc. is straightforward. A multi-joint drive device that is reproduced smoothly by a dynamic actuator and applied to the fingertips of such robot hands. It is possible to generate a large force, it is possible to improve the performance of the multi-joint drive.
しかも、一方の直動式アクチュエータの収縮時に他方の直動式アクチュエータに作用する負荷を吸収するバネを備えた中間操作部を各直動式アクチュエータに付設する構造を採るもののように、中間操作部を収容するスペースを確保する必要がなく、中間操作部を不要にして多関節駆動装置の小型化を図ることが可能となる。 In addition, the intermediate operation unit has a structure in which an intermediate operation unit having a spring that absorbs a load acting on the other direct acting actuator when one of the direct acting actuators contracts is attached to each direct acting actuator. Therefore, it is not necessary to secure a space for housing the multi-joint drive device without the need for an intermediate operation portion.
特に、各直動式アクチュエータを特定するものとして、以下の構成が掲げられる。 In particular, the following configurations are listed as specifying the linear motion actuators.
つまり、各直動式アクチュエータを、その少なくとも一部を伸縮可能な材料により構成している。 That is, at least a part of each direct acting actuator is made of a material that can be expanded and contracted.
この特定事項により、各直動式アクチュエータの全体を伸縮可能な材料により構成する必要がなくなり、各直動式アクチュエータの生産コストを低減させることが可能となる。 Due to this specific matter, it is not necessary to configure the whole of each direct acting actuator with a material that can be expanded and contracted, and the production cost of each direct acting actuator can be reduced.
また、伸縮可能な材料として、形状記憶合金を適用している場合には、コントローラによる電流の通電により発生する熱によって形状記憶合金が収縮し、各直動式アクチュエータの収縮制御を円滑に行うことが可能となる。 In addition, when shape memory alloy is applied as a material that can be expanded and contracted, the shape memory alloy contracts due to the heat generated by energization of current by the controller, and the contraction control of each linear actuator is smoothly performed. Is possible.
これに対し、伸縮可能な材料として、導電性ポリマーを適用している場合には、コントローラによる電圧の印加により導電性ポリマーが収縮することになり、周囲の温度による影響を受けることなく各直動式アクチュエータの収縮制御をより円滑に行うことが可能となる。 On the other hand, when a conductive polymer is used as a stretchable material, the conductive polymer contracts when a voltage is applied by the controller, and each linear motion is not affected by the ambient temperature. It becomes possible to perform the contraction control of the type actuator more smoothly.
特に、各直動式アクチュエータの長さを特定するものとして、以下の構成が掲げられる。 In particular, the following configurations are listed as specifying the length of each linear motion actuator.
つまり、回転部とコントローラとの間を結ぶ最短距離H、回転部の半径r、回転部の回転角レンジ2θ(rad)、各直動式アクチュエータの長さLを、
L≧r・θ+H
の関係を満たすように設定している。
That is, the shortest distance H connecting the rotating unit and the controller, the radius r of the rotating unit, the rotation angle range 2θ (rad) of the rotating unit, and the length L of each linear actuator,
L ≧ r · θ + H
It is set to satisfy the relationship.
この特定事項により、各直動式アクチュエータの長さLが、回転部とコントローラとの間を結ぶ最短距離H、回転部の半径r、回転部の回転角レンジ2θ(rad)に基づいて論理的に設定され、多関節駆動装置の性能の向上および多関節駆動装置の小型化を確実に実践させることが可能となる。また、各直動式アクチュエータの長さが適切に設定され、任意の回転角度を有した多関節駆動装置を提供することが可能となる。しかも、多様な直動式アクチュエータに応用することが可能となり、使用用途の多様化を図ることが可能となる。 With this specific matter, the length L of each linear actuator is logically determined based on the shortest distance H between the rotating part and the controller, the radius r of the rotating part, and the rotation angle range 2θ (rad) of the rotating part. Therefore, it is possible to reliably improve the performance of the multi-joint drive device and reduce the size of the multi-joint drive device. In addition, it is possible to provide an articulated drive device in which the length of each linear motion actuator is appropriately set and has an arbitrary rotation angle. In addition, it can be applied to various linear motion actuators, and the usage can be diversified.
更に、回転部の回転角レンジ2θ(rad)、回転部の半径r、各直動式アクチュエータの収縮量mを、
m≧2r・θ
の関係を満たすように設定している場合には、各直動式アクチュエータの収縮量mが、回転部の回転角レンジ2θ、回転部の半径rに基づいて論理的に設定され、コントローラによる各直動式アクチュエータの収縮制御をより確実に行うことが可能となる。
Furthermore, the rotation angle range 2θ (rad) of the rotating part, the radius r of the rotating part, and the contraction amount m of each direct acting actuator,
m ≧ 2r · θ
Is set so as to satisfy the relationship, the contraction amount m of each direct acting actuator is logically set based on the rotation angle range 2θ of the rotating part and the radius r of the rotating part. The contraction control of the direct acting actuator can be performed more reliably.
以上、要するに、各直動式アクチュエータの収縮量制御を行ってそれぞれ回転部とコントローラとの間で各直動式アクチュエータを張架した状態から、一方の直動式アクチュエータをさらに収縮させると共に、その一方の直動式アクチュエータの収縮量に応じた分だけ他方の直動式アクチュエータの収縮を解除して伸長させるようにすることで、一方の直動式アクチュエータを収縮させる際のトルク損失を抑えて多関節駆動装置の性能を向上させることができる上、多関節駆動装置の小型化を図ることができる。 In short, the amount of contraction of each direct acting actuator is controlled and each direct acting actuator is stretched between the rotating part and the controller, and then one of the direct acting actuators is further contracted. By releasing the contraction of the other direct acting actuator and extending it by the amount corresponding to the contraction amount of one direct acting actuator, the torque loss when contracting one of the direct acting actuators is suppressed. The performance of the multi-joint drive device can be improved, and the multi-joint drive device can be downsized.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に係わる多関節駆動装置の概略構成図を示し、この図1において、多関節駆動装置1は、ベース2とその先端に順次連結された複数の第1ないし第3フレーム3,4,5を備えている。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an articulated drive device according to the present invention. In FIG. 1, an articulated
上記ベース2と、このベース2に連設された基端側の第1フレーム3とは、略円板形状の第1回転部6により回動自在に連結されている。また、上記第1フレーム3と、この第1フレーム3に連設された中央の第2フレーム4とは、略円板形状の第2回転部7により回動自在に連結されている。更に、上記第2フレーム4と、この第2フレーム4に連設された先端側の第3フレーム5とは、略円板形状の第3回転部8により回動自在に連結されている。具体的には、第1回転部6は、第1フレーム3の基端(ベース2側端)に回転一体に連結され、ベース2に立設された回転支点としての第1支軸11に回転自在に支持されている。また、第2回転部7は、第2フレーム4の基端(第1フレーム3側端)に回転一体に連結され、第1フレーム3の先端(第2フレーム4側端)に立設された回転支点としての第2支軸12に回転自在に支持されている。更に、第3回転部8は、第3フレーム5の基端(第2フレーム4側端)に回転一体に連結され、第2フレーム4の先端(第3フレーム5側端)に立設された回転支点としての第3支軸13に回転自在に支持されている。
The
上記第1支軸11を通る第1フレーム3の中心軸線上に位置する第1回転部6の外周面上には、紐状の形状記憶合金により全体が構成されてなる一対の第1直動式アクチエータ61a,61bの一端をそれぞれ固定する第1固定部材61cが固設されている。また、上記第2支軸12を通る第2フレーム4の中心軸線上に位置する第2回転部7の外周面上には、紐状の形状記憶合金により全体が構成されてなる一対の第2直動式アクチエータ71a,71bの一端をそれぞれ固定する第2固定部材71cが固設されている。更に、上記第3支軸13を通る第3フレーム5の中心軸線上に位置する第3回転部8の外周面上には、紐状の形状記憶合金により全体が構成されてなる一対の第3直動式アクチエータ81a,81bの一端をそれぞれ固定する第3固定部材81cが固設されている。この場合、第1ないし第3回転部6〜8の外周面上には、その各回転部6〜8の固定部材61c,71c,81cに対し一端が連結される直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bを案内する案内溝(図示せず)が設けられている。
A pair of first linear motions, which are entirely composed of a string-like shape memory alloy, on the outer peripheral surface of the first
一方、上記第1ないし第3直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの各他端は、ベース2内に収容されたコントローラ10にそれぞれ連結されている。このコントローラ10は、上記第1ないし第3直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bに対しそれぞれ個々に電流の通電量をコントロールして該各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bを発熱させることによって収縮量を制御するようになされている。例えば、図2に示すように、第3フレーム5を第2フレーム4に対し矢印B方向(図2では上方)に回転させる場合には、その矢印B方向(図2では上方)となる一方の第3直動式アクチュエータ81aに対し電流を通電してアクチュエータ81aを発熱させることで収縮させ、第3回転部8を第3支軸13回りに回転させることによって行われる。一方、第3フレーム5を第2フレーム4に対し矢印A方向(図2では下方)に回転させる場合には、その矢印A方向(図2では下方)となる他方の第3直動式アクチュエータ81bに対し電流を通電してアクチュエータ81bを発熱させることで収縮させ、第3回転部8を第3支軸13回りに回転させることによって行われる。なお、第1フレーム3をベース2に対し回転させる場合、および第2フレーム4を第1フレーム3に対し回転させる場合も同様の制御が行われる。
On the other hand, the other ends of the first to third
そして、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bは、コントローラ10による電流の通電量のコントロールによって元の長さから収縮させる制御は行えるものの、元の長さ以上には伸長しないため、各回転部6〜8の固定部材61c,71c,81cとコントローラ10との間に連結する際には、各回転部6〜8の固定部材61c,71c,81cとコントローラ10との間で張架された最短距離(図1に示す状態)ではなく、図3に示すように、各回転部6〜8の固定部材61c,71c,81cとコントローラ10との間の最短距離よりも長い弛みを持たせた状態で、各回転部6〜8の固定部材61c,71c,81cとコントローラ10との間に連結されるようになっている。具体的には、第1直動式アクチュエータ61a,61bの長さL1は、第1回転部6の第1固定部材61cとコントローラ10との間を結ぶ最短距離をH1、第1回転部6の半径をr1、第1回転部6の回転角レンジを2θ(rad)とすると、L1≧r1・θ+H1の関係を満たすように設定されている。また、第2直動式アクチュエータ71a,71bの長さL2は、第2回転部7の第2固定部材71cとコントローラ10との間を結ぶ最短距離をH2、第2回転部4の半径をr2、第2回転部7の回転角レンジを2θ(rad)とすると、L2≧r2・θ+H2の関係を満たすように設定されている。更に、第3直動式アクチュエータ81a,81bの長さL3は、第3回転部8の第3固定部材81cとコントローラ10との間を結ぶ最短距離をH3、第3回転部8の半径をr3、第3回転部8の回転角レンジを2θ(rad)とすると、L3≧r3・θ+H3の関係を満たすように設定されている。この場合、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの長さは、それぞれL1,L2,L3よりも長く設定されていればよいが、不必要に長く設定すると、絡んだりしてトラブルの発生となるので、なるべくL1,L2,L3の長さに合わせておくことが望ましい。
Each of the
また、第1直動式アクチュエータ61a,61bの収縮量m1は、第1回転部6の回転角レンジを2θ(rad)、第1回転部6の半径をr1とすると、m1≧2r1・θの関係を満たすように設定されている。そして、第2直動式アクチュエータ71a,71bの収縮量m2は、第2回転部7の回転角レンジを2θ(rad)、第2回転部7の半径をr2とすると、m2≧2r2・θの関係を満たすように設定されている。更に、第3直動式アクチュエータ81a,81bの収縮量m3は、第3回転部8の回転角レンジを2θ(rad)、第3回転部8の半径をr3とすると、m3≧2r3・θの関係を満たすように設定されている。
Further, the contraction amount m1 of the first
ここで、第1ないし第3フレーム3〜5を回転させる場合のコントローラ10による制御を図2および図3に基づいて説明する。なお、第1フレーム3をベース2に対し回転させる場合、および第2フレーム4を第1フレーム3に対し回転させる場合も同様の制御が行われるため、第3フレーム5を第2フレーム4に対し回転させる場合についてのみ説明する。
Here, control by the
まず、第3フレーム5を矢印B方向(図2および図3では上方)に回転させて折り曲げる場合には、図3に示すように、第3直動式アクチュエータ81a,81bの収縮量制御を行って弛みを取り除いてそれぞれ第3回転部8の第3固定部材81cとコントローラ10との間で第3直動式アクチュエータ81a,81bを張架しておく。この状態で、図2に二点鎖線で示すように、折り曲げ方向となる一方(図2および図3では上側)の直動式アクチュエータ81aにさらに電流を通電してさらに収縮させる一方、その一方の直動式アクチュエータ81aの収縮量に応じた分だけ他方(図2および図3では下側)の直動式アクチュエータ81bの収縮を解除するようにコントローラ10で制御する。これにより、第3回転部8の第3固定部材81cとコントローラ10との間で張架された一方の第3直動式アクチュエータ81aがさらに収縮し始め、これに合わせて他方の第3直動式アクチュエータ81bが元の長さへ復帰し始める。このため、第3回転部8は第2フレーム4先端の支軸13回りに矢印B方向に回動し、第3フレーム5を矢印B方向の限界となる回転角レンジθ(rad)まで回動するようになっている。
First, when the
一方、第3フレーム5を矢印A方向(図2および図3では下方)に回転させて折り曲げる場合には、図3に示すように、第3直動式アクチュエータ81a,81bの収縮量制御を行って弛みを取り除いてそれぞれ第3回転部8の第3固定部材81cとコントローラ10との間で第3直動式アクチュエータ81a,81bを張架しておいた状態から、図2に実線で示すように、折り曲げ方向となる他方(図2および図3では下側)の直動式アクチュエータ81bにさらに電流を通電してさらに収縮させる一方、その他方の直動式アクチュエータ81bの収縮量に応じた分だけ一方(図2および図3では上側)の直動式アクチュエータ81aの収縮を解除するようにコントローラ10で制御する。これにより、第3回転部8の第3固定部材81cとコントローラ10との間で張架された他方の第3直動式アクチュエータ81bがさらに収縮し始め、これに合わせて一方の第3直動式アクチュエータ81aが元の長さへ復帰し始める。このため、第3回転部8は第2フレーム4先端の支軸13回りに矢印A方向に回動し、第3フレーム5を矢印A方向の限界となる回転角レンジθ(rad)まで回動するようになっている。
On the other hand, when the
このように、上記実施形態では、第3フレーム5を矢印A方向または矢印B方向のいずれか一方に折り曲げる場合には、第3直動式アクチュエータ81a,81bの収縮量制御を行ってそれぞれ第3回転部8の固定部材13とコントローラ10との間で各第3直動式アクチュエータ81a,81bを張架した状態から、折り曲げ方向となる一方の第3直動式アクチュエータ81a(または81b)をさらに収縮させると共に、その一方の第3直動式アクチュエータ81a(または81b)の収縮量に応じた分だけ他方の第3直動式アクチュエータ81b(または81a)の収縮を解除して元の長さに復帰させるようにしているので、第3フレーム8の折り曲げ方向一方の第3直動式アクチュエータ81a(または81b)を収縮させる際の駆動力(トルク)が他方の第3直動式アクチュエータ81b(または81a)によって低下することはなく、ロボットハンドの指先などの動きが各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bによって円滑に再現され、このようなロボットハンドの指先などに適用した際の多関節駆動装置1に大きな力を発生させることが可能となって、多関節駆動装置1の性能を向上させることができる。
As described above, in the above embodiment, when the
しかも、一方の第3直動式アクチュエータ81a(または81b)の収縮時に他方の第3直動式アクチュエータ81b(または81a)に作用する負荷を吸収するバネを備えた中間操作部を各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bに付設する必要がなく、中間操作部を収容するスペースを確保する必要もなくなって、多関節駆動装置1の小型化を図ることができる。
In addition, each linear operation type is provided with an intermediate operation portion having a spring that absorbs a load acting on the other third
また、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bを縮縮制御可能な材料として、形状記憶合金が適用されているので、コントローラ10による電流の通電により発生する熱によって形状記憶合金が収縮し、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの収縮制御を円滑に行うことができる。
Further, since the shape memory alloy is applied as a material that can control the compression of each of the
そして、第1ないし第3回転部6〜8の各固定部材11〜13とコントローラ10との間を結ぶ最短距離をH1,H2,H3、各回転部6〜8の半径をr1,r2,r3、各回転部6〜8の回転角レンジを2θ(rad)としたときに、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの長さL1,L2,L3が、L1(またはL2もしくはL3)≧r1(またはr2もしくはr3)・θ+H1(またはH2もしくはH3)の関係を満たすように設定されしているので、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの長さL1,L2,L3が、第1ないし第3回転部6〜8の各固定部材11〜13とコントローラ10との間を結ぶ最短距離H1,H2,H3、各回転部6〜8の半径r1,r2,r3、各回転部6〜8の回転角レンジ2θ(rad)に基づいて論理的に設定され、多関節駆動装置1の性能の向上および多関節駆動装置1の小型化を確実に実践させることができる。また、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの長さが適切に設定され、任意の回転角度を有した多関節駆動装置1を提供することができる。しかも、多様な直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bに応用することが可能となり、使用用途の多様化を図ることができる。
And the shortest distance which connects between each fixed member 11-13 of the 1st thru / or the 3rd rotation parts 6-8 and
更に、第1ないし第3回転部6〜8の回転角レンジ2θ(rad)、各回転部6〜8の半径r1,r2,r3、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの収縮量m1,m2,m3が、m1(またはm2もしくはm3)≧2r1(または2r2もしくは2r3)・θの関係を満たすように設定されているので、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの収縮量m1,m2,m3が、各回転部6〜8の回転角レンジ2θ、各回転部6〜8の半径r1,r2,r3に基づいて論理的に設定され、コントローラ10による各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの収縮制御をより確実に行うことができる。
Furthermore, the rotation angle range 2θ (rad) of the first to third
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記実施形態では、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bを紐状の形状記憶合金により構成したが、電圧の印加により収縮する導電性ポリマーにより各直動式アクチュエータが構成されていてもよい。この場合には、コントローラによる電圧の印加により導電性ポリマーが収縮することになり、周囲の温度による影響を受けることなく各直動式アクチュエータの収縮制御をより円滑に行うことが可能となる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, The other various modifications are included. For example, in the above embodiment, each of the
更に、上記実施形態では、各直動式アクチュエータ61a,61b,71a,71b,81a,81bの全体を紐状の形状記憶合金により構成したが、一部のみが形状記憶合金や導電性ポリマーなどの収縮可能な材料により構成され、残る部分が金属ワイヤや曲げ不能な金属ロッドなどの伸縮不能な材料により構成されていてもよい。この場合には、曲げ不能な金属ロッドなどの伸縮不能な材料に対応する部分は回転部の外周面に対し巻き付けられないためにベース内に位置付ける必要があるが、形状記憶合金や導電性ポリマーなどの収縮可能な材料に対応する部分や金属ワイヤなどの伸縮不能な材料に対応する部分は各フレーム内およびベース内を問わず位置付けられ、多様な材料の直動式アクチュエータを構成することが可能となる。
Furthermore, in the above-described embodiment, each of the
1 多関節駆動装置
3 第1フレーム(フレーム)
4 第2フレーム(フレーム)
5 第3フレーム(フレーム)
11 第1支軸(回転支点)
12 第2支軸(回転支点)
13 第3支軸(回転支点)
6 第1回転部(回転部)
61a,61b
第1直動式アクチュエータ(直動式アクチュエータ)
7 第2回転部(回転部)
71a,71b
第2直動式アクチュエータ(直動式アクチュエータ)
8 第3回転部(回転部)
81a,81b
第3直動式アクチュエータ(直動式アクチュエータ)
10 コントローラ
1 Articulated
4 Second frame (frame)
5 Third frame (frame)
11 First spindle (rotating fulcrum)
12 Second spindle (rotating fulcrum)
13 Third spindle (rotating fulcrum)
6 1st rotation part (rotation part)
61a, 61b
First direct acting actuator (direct acting actuator)
7 Second rotating part (rotating part)
71a, 71b
Second direct acting actuator (direct acting actuator)
8 Third rotating part (rotating part)
81a, 81b
Third direct acting actuator (direct acting actuator)
10 Controller
Claims (6)
上記駆動部は、
各関節の回転支点回りに各フレームをそれぞれ回動自在に支持する回転部と、
この各回転部に対し各フレームを正逆方向に折り曲げるように各一端が連結された一対の直動式アクチュエータと、
この各直動式アクチュエータの他端がそれぞれ連結され、回転部に対する各直動式アクチュエータの収縮量を制御して各フレームを正逆方向に折り曲げるコントローラと
を備え、
上記各直動式アクチュエータは、上記コントローラによる収縮量制御を行う前の状態にあるときに、上記回転部とコントローラとの間を結ぶ最短距離よりも長い弛みを持たせた状態で回転部とコントローラとの間に連結されていて、
上記コントローラは、各フレームを正逆方向のいずれか一方に折り曲げる際に各直動式アクチュエータの収縮量制御を行ってそれぞれ回転部とコントローラとの間で各直動式アクチュエータを張架した状態で、折り曲げ方向の一方の直動式アクチュエータをさらに収縮させる一方、その一方の直動式アクチュエータの収縮量に応じた分だけ他方の直動式アクチュエータの収縮を解除するように制御していることを特徴とする多関節駆動装置。 In the multi-joint drive device that is configured to rotationally drive a plurality of frames sequentially connected via a plurality of joints with each joint as a fulcrum by a drive unit,
The drive unit is
A rotating part that rotatably supports each frame around the rotation fulcrum of each joint;
A pair of direct acting actuators, each end of which is connected to bend each frame in the forward and reverse directions with respect to each rotating part;
A controller that bends each frame in the forward / reverse direction by controlling the amount of contraction of each linear actuator relative to the rotating portion, the other end of each linear actuator being connected to each other;
When each of the linear motion actuators is in a state before the contraction amount control by the controller, the rotation unit and the controller are in a state of having a slack longer than the shortest distance connecting the rotation unit and the controller. Is connected between and
The controller controls the amount of contraction of each direct acting actuator when each frame is bent in either the forward or reverse direction, and each direct acting actuator is stretched between the rotating part and the controller. The one direct acting actuator in the bending direction is further contracted while the other direct acting actuator is controlled to release the contraction by an amount corresponding to the contraction amount of the one direct acting actuator. A multi-joint drive device.
各直動式アクチュエータは、その少なくとも一部が伸縮可能な材料により構成されていることを特徴とする多関節駆動装置。 In the multi-joint drive device according to claim 1,
Each of the linear motion actuators is constituted by a material that can be expanded and contracted, at least a part of which is an articulated drive device.
伸縮可能な材料としては、形状記憶合金が適用されていることを特徴とする多関節駆動装置。 In the multi-joint drive device according to claim 2,
An articulated drive device characterized in that a shape memory alloy is applied as the stretchable material.
伸縮可能な材料としては、導電性ポリマーが適用されていることを特徴とする多関節駆動装置。 In the multi-joint drive device according to claim 2,
An articulated drive device characterized in that a conductive polymer is applied as the stretchable material.
回転部とコントローラとの間を結ぶ最短距離H、回転部の半径r、回転部の回転角レンジ2θ(rad)、各直動式アクチュエータの長さLは、
L≧r・θ+H
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする多関節駆動装置。 In the articulated drive device according to any one of claims 1 to 4,
The shortest distance H between the rotating part and the controller, the radius r of the rotating part, the rotation angle range 2θ (rad) of the rotating part, and the length L of each linear actuator are:
L ≧ r · θ + H
An articulated drive device characterized by being set so as to satisfy the above relationship.
回転部の回転角レンジ2θ(rad)、回転部の半径r、各直動式アクチュエータの収縮量mは、
m≧2r・θ
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする多関節駆動装置。
In the articulated drive device according to any one of claims 1 to 5,
The rotation angle range 2θ (rad) of the rotating part, the radius r of the rotating part, and the contraction amount m of each direct acting actuator are:
m ≧ 2r · θ
An articulated drive device characterized by being set so as to satisfy the above relationship.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004092332A JP2005271183A (en) | 2004-03-26 | 2004-03-26 | Articulated drive device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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