JP2008136292A - 球面アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動方向や回転速度の制御が容易で、外形を小型にすることが出来る、球面アクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】人間型ロボットの関節に用いられる球面アクチュエータ１において、所定の間隔を有して、側面位置に複数の孔を有するおわん状の保持部３と、複数の孔に嵌め込まれるようにして保持部３に固定され、保持部３の内側に収納された球形ロータ部４を回転させる複数の駆動部２とからなり、各駆動部２は、内部に電磁石を収納した収納部１０と、収納部１０と弾性体１３を介して接続された磁性可動板１４と、磁性可動板１４に固定された柔軟材部１５とを備え、柔軟材部１５は、電磁石への電流の印加の有無によって、その先端部が球形ロータ部に接触或いは離間する。
【選択図】 図１

Description

本発明は球状のロータをステータの軸心回りに回転駆動させる球面アクチュエータに関する。

近年、高度な制御部や各種センサを搭載したロボット製品が開発され、家庭用ロボットの時代が予感されるに至った。しかしながら、多くの関節に多自由度を必要とする人間型ロボットにおける、手、足、その他の関節部、眼球部などに搭載するアクチュエータの出力と自由度はまだ不十分である。特に、従来から使用されている電磁モータは大型で使いにくく、これを小型化すればする程、単位面積あたりの出力が需要を満たさなくなる。

このため、電磁モータを用いない、球面アクチュエータが特許文献１に記載されている。
図６は、特許文献１に記載されている球面アクチュエータを示す断面図である。
図６に示すように、球面アクチュエータは、中が中空で、かつフレキシブルな正三角形ハウジング１００と、正三角形ハウジング１００の各辺に固定された３つのステータ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと、これらの３つのステータ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃとによって囲まれた領域内にあって、これらの３つのステータ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃに圧接され各ステータの微小振動によって各ステータの軸中心回りに回転する球形ロータ１０２と、から構成される。

この球面アクチュエータは、フレキシブルな正三角形ハウジング１００に外部から伝達される微小振動をフレキシブルな正三角形ハウジング１００の弾性力によって各ステータ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと球形ロータ１０２とが圧接調整され、球形ロータ１０２が各ステータ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの軸心回りに回転する。
特開２００３−１７４７８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている球面アクチュエータは微小振動を駆動力にしているので、回転速度や駆動方向が不安定であり、このため回転速度や方向性を修正しなければならないと言う問題点や、球形ロータ１０２を保持する必要があるために正三角形のハウジング１００の外形が大きくなってしまうので、小型化を要求されるロボットの関節に用いることが困難であると言う問題点があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、回転速度や駆動方向の制御が容易で、外形を小型にすることが出来る球面アクチュエータを提供することを目的とする。

本願発明は、人間型ロボットの関節に用いられる球面アクチュエータにおいて、所定の間隔を有して、側面位置に複数の孔を有するおわん状の保持部と、前記複数の孔に嵌め込まれるようにして前記保持部に固定され、前記保持部の内側に収納された球形ロータ部を回転させる複数の駆動部とからなり、各駆動部は、内部に電磁石を収納した収納部と、前記収納部と弾性体を介して接続された磁性可動板と、前記磁性可動板に固定された柔軟材部とを備え、前記柔軟材部は、前記電磁石への電流の印加の有無によって、その先端部が前記球形ロータ部に接触或いは離間することを特徴とする球面アクチュエータを提供する。

本発明によれば、人間型ロボットの関節に用いられる球面アクチュエータにおいて、所定の間隔を有して、側面位置に複数の孔を有するおわん状の保持部と、複数の孔に嵌め込まれるようにして保持部に固定され、保持部の内側に収納された球形ロータ部を回転させる複数の駆動部とからなり、各駆動部は、内部に電磁石を収納した収納部と、収納部と弾性体を介して接続された磁性可動板と、磁性可動板に固定された柔軟材部とを備え、柔軟材部は、電磁石への電流の印加の有無によって、その先端部が球形ロータ部に接触或いは離間するので、駆動方向や回転速度の制御が容易で、しかも小型形状な球面アクチュエータを得ることが出来る。

以下に本発明の実施形態に係る球面アクチュエータについて図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態における球面アクチュエータの全体の構成を示す図であり、（Ａ）は、組み立てられた球面アクチュエータの断面を示す図であり、（Ｂ）球面アクチュエータの組み立て方を示す斜視図である。
図２は、ロボットの腕と脚の関節部に球面アクチュエータを用いた状態を示す図である。
図３は、球面アクチュエータの押圧部の直流電源を用いた場合の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、電磁石に電流を流して可動板をガイド部に沿って電磁石側に引き寄せた部材の移動開始前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、電磁石に流す電流を停止して可動板をガイド部に沿ってバネ材により電磁石側から引き離して部材を移動させる状態を示す図であり、（Ｃ）は、再び電磁石に電流を流して可動板をガイド部に沿って電磁石側に引き寄せ、次の移動開始前の状態を示す図である。
図４は、球面アクチュエータの押圧部の交流電源を用いた場合の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、電磁石に流す電流を停止して可動板をガイド部に沿ってバネ材により電磁石側から引き離して部材を停止させる状態を示す図であり、（Ｂ）は、電磁石に電流を流して可動板をガイド部に沿って電磁石側に引き寄せたり放したりして部材を移動させる状態を示す図であり、（Ｃ）は、電磁石に流す電流を停止して可動板をガイド部に沿ってバネ材により電磁石側から引き離して部材を移動後の位置に停止させる状態を示す図である。
図５は、可動板に取り付けられたブラシ部と球形ロータ部表面に形成された溝を説明するための図であり、（Ａ）は、ブラシ部が球形ロータ部表面の溝に押接されて球形ロータ部が移動又は保持される状態を示す図であり、（Ｂ）は、ブラシ部の押接が停止されて球形ロータ部が移動後の状態を保つのを示す図であり、（Ｃ）は、ブラシ部と格子状の溝との大きさの関係を示す図である。

図１に示すように、本発明の実施形態における球面アクチュエータ１は、球形ロータ部４と、球形ロータ部４の下半球部分を収納するおわん状の保持部３と、このおわん状の保持部３の中心軸に対して対称な側面位置に複数取り付けられた球形ロータ部４を所定の角度だけ傾ける駆動部２ａ〜２ｄと、球形ロータ部４が保持部３に収納された時に、球形ロータ４に所定の圧力を印加する板状ばね５ａ〜５ｄと、板状ばね５ａ〜５ｄを保持部３に取り付けるねじ６ａ〜６ｄと、から構成される。

そして、駆動部２ａ〜２ｄは、内部が中空な筐体１０と、筐体１０の内部に取り付けられた電磁石１１と、筐体１０の外側に取り付けられ可動板１４を保持すると共に可動板１４が側面に沿って移動するガイド部１２と、筐体１０と可動板１４とに取り付けられたバネ材１３と、電磁石１１に流す電流の有無によって筐体１０に近づいたり離れたりする磁性体からなる可動板１４と、可動板１４に取り付けられ一方向に傾斜を有する繊毛からなるブラシ部１５と、筐体１０を固定する支持部１６と、により構成される。

図２に示すように、本発明の実施形態における球面アクチュエータ１は、ロボット７の関節部１ａ〜１ｄに用いられる。例えば球面アクチュエータ１は、拡大図に示すように上脚８と球形ロータ部４、下脚９と保持部３が固定されて用いられる。

次に、駆動部２の電磁石１１の動作について図３〜図５を用いて詳細に説明する。
まずは、駆動部２の電磁石１１を動作するのに直流電源が用いられる場合について説明する。
＜直流電源が用いられる場合＞
図３（Ａ）に示すように、電磁石１１の両端にスイッチＳＷと直流電源Ｅｄｃを直列に接続する。スイッチＳＷをＯＮさせることにより直流電源Ｅｄｃから電磁石１１に電流を流して磁界を発生させると、この状態で可動板１４はガイド部１２に沿ってバネ材１３を縮めながら電磁石１１に引き寄せられるので、ブラシ部１５は球形ロータ部４を押圧せず、従って球形ロータ部４は位置Ｐに保たれる。

次に、図３（Ｂ）に示すように、スイッチＳＷをＯＦＦにすると、電磁石１１に流されていた電流は切断され磁界が発生しなくなるから、この状態で可動板１４はガイド部１２に沿ってバネ材１３が元の形状になるように伸びることにより電磁石１１から引き離され可動板４に固定されているブラシ部１５は球形ロータ部４を一定方向に傾斜して押圧するので、球形ロータ部４は位置Ｐから位置Ｐ‘まで移動させられる。

そして、図３（Ｃ）に示すように、再びスイッチＳＷをＯＮにすると電磁石１１には電流が流れ磁界が発生するから、この状態で可動板１４はガイド部１２の側面に沿ってバネ材１３を縮めながら電磁石１１に引き寄せられるからブラシ部１５は球形ロータ部４を押圧しないので球形ロータ部４は位置Ｐ‘に保持される。

このように直流電源を用いてスイッチＳＷをＯＮ、ＯＦＦすることにより所定の１単位の距離ずつ位置移動を行う。従って所定の距離の位置移動はスイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦの回数によって設定される。

次に、駆動部２の電磁石１１を動作するのに、交流電源が用いられる場合について説明する。
＜交流電源が用いられる場合＞
図４（Ａ）に示すように電磁石１１のコイルの両端にスイッチＳＷと交流電源Ｅａｃを直列に接続する。
スイッチＳＷがＯＦＦにされた状態では、電磁石１１にかけられる交流電源Ｅａｃとの接続は遮断されているから電磁石１１は磁界を発生しないので、可動板１４はガイド部１２に沿ってバネ材１３は元の形状に戻ろうとして伸びることにより電磁石１１からＰａの位置に離される。
このため、可動板１４に固定されているブラシ部１５は球形ロータ部４を押圧して、球形ロータ部４を位置Ｐに保持する。

そして、図４（Ｂ）に示すようにスイッチＳＷをＯＮにすると交流電源Ｅａｃは電磁石１１に接続されて、電磁石１１には交流電流が流され磁界が発生→停止→発生を繰り返すから、この状態で可動板１４はガイド部１２に沿ってバネ材１３を縮めたり伸ばしたりしながら電磁石１１側のＰｂの位置に引き寄せられたりあるいは電磁石１１側から離れたＰａの位置に引き離されたりして可動板１４は上下運動を繰り返すから、可動板１４に固定されたブラシ部１５は球形ロータ部４の押圧と非押圧を繰り返すことにより球形ロータ部４は位置Ｐから位置Ｐ‘に移動させられる。
このようにスイッチＳＷがＯＮの間は、球形ロータ部４は連続して移動させられるので、移動距離をスイッチＳＷのＯＮ時間で制御する。

そして、図４（Ｃ）に示すように、再度スイッチＳＷをＯＦＦにすると、電磁石１１に流される交流電流は切断され磁界が発生しなくなるから、可動板１４はガイド部１２に沿ってバネ材１３は元の形状に戻ろうとして伸びることにより電磁石１１からＰａの位置に引き離され、ブラシ部１５は球形ロータ部４を押圧して、球形ロータ部４は移動した位置Ｐ‘に保持されている。

このように、交流電源を用いて行う所定の距離の位置移動は、スイッチＳＷをＯＮとする時間によって設定される。交流電源の周波数は、ブラシ部１５の押圧によって球形ロータ部４が移動できる範囲とする。あまり早くすると振動するのみで球形ロータ部４は移動しない。
周波数の設定範囲は略５Ｈｚ〜３０Ｈｚとすれば球形ロータ部４は移動可能となるが、この周波数に限定されるものではない。

次に、図５（Ｃ）に示すように、球形ロータ部４の表面に形成された格子状の溝４ａの間隔Ｐ０及びＰ１は略溝幅Ｗ０，Ｗ１に対しほぼ倍に設定され、ブラシ部１５はプラスチック或いは金属、羽毛等の繊毛で形成されるが、その幅Ｗ３はＷ３＞Ｐ０，Ｐ１とすることにより、前後左右の移動が可能となる。

以上述べてきたように、このように直流電源或いは交流電源の印加の有無によって、電磁石１１に流れる電流に伴う磁界の変化により可動板１４を球形ロータ部４方向に押し付けたり遠ざけたりして可動板１４に固定されたブラシ部１５で球形ロータ部４を傾斜させることにより、駆動方向や回転速度の制御が容易で、しかも小型形状な球面アクチュエータ１を得ることが出来る。

本発明の実施形態における球面アクチュエータの全体の構成を示す図であり、（Ａ）は、組み立てられた球面アクチュエータの断面を示す図であり、（Ｂ）球面アクチュエータの組み立て方を示す斜視図である。 ロボットの腕と脚の関節部に球面アクチュエータを用いた状態を示す図である。 球面アクチュエータの押圧部の直流電源を用いた場合の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、電磁石に電流を流して可動板をガイド部に沿って電磁石側に引き寄せた部材の移動開始前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、電磁石に流す電流を停止して可動板をガイド部に沿ってバネ材により電磁石側から引き離して部材を移動させる状態を示す図であり、（Ｃ）は、再び電磁石に電流を流して可動板をガイド部に沿って電磁石側に引き寄せ、次の移動開始前の状態を示す図である。 球面アクチュエータの押圧部の交流電源を用いた場合の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、電磁石に流す電流を停止して可動板をガイド部に沿ってバネ材により電磁石側から引き離して部材を停止させる状態を示す図であり、（Ｂ）は、電磁石に電流を流して可動板をガイド部に沿って電磁石側に引き寄せたり放したりして部材を移動させる状態を示す図であり、（Ｃ）は、電磁石に流す電流を停止して可動板をガイド部に沿ってバネ材により電磁石側から引き離して部材を移動後の位置に停止させる状態を示す図である。 可動板に取り付けられたブラシ部と球形ロータ部表面に形成された溝を説明するための図であり、（Ａ）は、ブラシ部が球形ロータ部表面の溝に押接されて球形ロータ部が移動又は保持される状態を示す図であり、（Ｂ）は、ブラシ部の押接が停止されて球形ロータ部が移動後の状態を保つのを示す図であり、（Ｃ）は、ブラシ部と格子状の溝との大きさの関係を示す図である。 特許文献１に記載されている球面アクチュエータを示す断面図である。

符号の説明

１・・・球面アクチュエータ、２・・・駆動部、３・・・保持部、４・・・球形ロータ部、５・・・板状ばね、６・・・ねじ、７・・・ロボット、８・・・上脚、９・・・下脚、１０・・・筐体（収納部）、１１・・・電磁石、１２・・・ガイド部、１３・・・バネ材（弾性体）、１４・・・可動板（磁性可動板）、１５・・・ブラシ部（柔軟材部）、１６・・・支持部

Claims (1)

1. 人間型ロボットの関節に用いられる球面アクチュエータにおいて、
   所定の間隔を有して、側面位置に複数の孔を有するおわん状の保持部と、
   前記複数の孔に嵌め込まれるようにして前記保持部に固定され、前記保持部の内側に収納された球形ロータ部を回転させる複数の駆動部とからなり、
   各駆動部は、
   内部に電磁石を収納した収納部と、
   前記収納部と弾性体を介して接続された磁性可動板と、
   前記磁性可動板に固定された柔軟材部とを備え、
   前記柔軟材部は、前記電磁石への電流の印加の有無によって、その先端部が前記球形ロータ部に接触或いは離間することを特徴とする球面アクチュエータ。

Images