JP2008196566A - Twisted cord type actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータ駆動義手、ロボットハンド等に応用可能なアクチュエータに関し、詳しくは2本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐とモータとを用いたねじれ紐式アクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator applicable to a motor-driven artificial hand, a robot hand, and the like, and more particularly to a twisted string actuator using a twisted string having a structure in which two strings are twisted together and a motor.
従来、ワイヤとモータを用いたアクチュエータ(以下、ワイヤ式アクチュエータという)として、例えば特許文献1又は2に記載されているようなものが知られている。ワイヤ又は紐(以下、単に紐という)とモータを用いた指関節用の種々のワイヤ式アクチュエータのうち、本発明に近い従来技術と考えられる構成の基本概念を図8に示す。
Conventionally, as an actuator using a wire and a motor (hereinafter referred to as a wire actuator), for example, one described in
図8において、モータ101の回転軸101aに減速機を介してプーリーのような回転体102が接続されている。あるいは、減速機内蔵型モータ101の回転軸101aに回転体102が直接接続されている。回転体102の径方向に対向する2箇所に紐103、104が1本ずつ接続され、それぞれの紐103、104の他端は指関節105に接続されている。
In FIG. 8, a rotating
モータ101の回転軸101aが回転すると、回転体102がゆっくり回転し、2本の紐103、104が互いに逆方向に駆動される。つまり、一方は引っ張られ、他方は緩められる。その結果、指関節105は軸心AXを中心として回転駆動される。
When the rotating
多くの関節を有するモータ駆動義手やロボットハンド等に上記のようなワイヤ式アクチュエータを使用する場合は各関節に1つのモータが必要であり、装置全体の重量を抑えるためには小型モータ又は超小型モータを使用する必要がある。他方、モータ駆動義手やロボットハンド等に要求される一定以上の把持力を確保するためには、モータ及び減速機を含む駆動系に最低限必要な出力トルクが要求される。 When using a wire actuator as described above for a motor-driven prosthetic hand or robot hand having many joints, one motor is required for each joint. It is necessary to use a motor. On the other hand, in order to ensure a certain level of gripping force required for a motor-driven artificial hand, a robot hand, or the like, a minimum output torque is required for a drive system including a motor and a speed reducer.
小さなモータであっても減速機を使用することによって大きなトルクを得ることが可能となるが、減速機それ自体が装置の重量を増加させるので、例えば義手(ハンド)の先端部分が重くなってしまう問題が生ずる。さらに、減速機を組み込むスペースが必要であるので、小形軽量のモータ駆動義手やロボットハンドを実現することが困難になる。 Even with a small motor, it is possible to obtain a large torque by using a speed reducer. However, since the speed reducer itself increases the weight of the device, for example, the tip of the prosthesis (hand) becomes heavy. Problems arise. Furthermore, since a space for incorporating a reduction gear is required, it is difficult to realize a small and lightweight motor-driven artificial hand or robot hand.
また、複数段の減速ギアが組み込まれたギア式の減速機を用いる場合は、その重量及びスペースの問題に加えて、ギアが回転する際にギア同士の噛合部で発生する騒音の問題もある。 In addition, when using a gear type speed reducer incorporating a plurality of speed reduction gears, there is a problem of noise generated at the meshing portion of the gears when the gears rotate in addition to the weight and space problems. .
このような問題を解決し得るワイヤ式アクチュエータとして、本出願人は先に、ねじれ紐式アクチュエータに関する発明の特許出願を行った。このねじれ紐式アクチュエータは、2本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐の一端側を駆動対象物に接続し、ねじれ紐の他端側をモータの回転軸に直接、又は動力伝達機構を介して接続し、モータの回転軸が回転すると、その回転方向に応じてねじれ紐を構成する2本の紐のねじれが強められ、又は緩められることにより、ねじれ紐の長さが短縮され、又は伸張され、その結果、駆動対象物が駆動されるように構成されている。
上記のようなねじれ紐式アクチュエータにおいて、2本の紐のねじれが強められ、ねじれ紐の長さが短縮される方向に駆動されたときに、ねじれ紐に接続されるモータの回転軸又は動力伝達機構の出力軸の軸心方向(即ち、スラスト方向)に掛かる力が大きくなる。つまり、駆動対象物をモータ又は動力伝達機構の方向へ引き寄せる駆動力の反作用として、モータの回転軸又は動力伝達機構の出力軸が駆動対象物の方向へ引っ張られる力が大きくなる。 In the above-described twisted string actuator, when the twist of the two strings is strengthened and the length of the twisted string is driven in the direction of shortening, the rotating shaft or power transmission of the motor connected to the twisted string The force applied to the axial direction of the output shaft of the mechanism (that is, the thrust direction) increases. That is, as a reaction of the driving force that pulls the driving object toward the motor or the power transmission mechanism, a force that pulls the rotating shaft of the motor or the output shaft of the power transmission mechanism toward the driving object increases.
その結果、モータ回転軸又は動力伝達機構出力軸のスラスト軸受部の摩擦による損失が大きくなり、回転駆動出力が本来得られるべき出力より低下することになる。このような現象を回避するために、ボールベアリング(玉軸受)をモータ回転軸又は動力伝達機構出力軸のスラスト軸受部に使用して、スラスト軸受部の摩擦を小さくすることが考えられる。 As a result, the loss due to the friction of the thrust bearing portion of the motor rotation shaft or the power transmission mechanism output shaft increases, and the rotational drive output decreases from the output that should originally be obtained. In order to avoid such a phenomenon, it is conceivable to use a ball bearing (ball bearing) for the thrust bearing portion of the motor rotation shaft or the power transmission mechanism output shaft to reduce the friction of the thrust bearing portion.
しかし、多関節のモータ駆動義手やロボットハンドのように、モータを含むアクチュエータを狭いスペースに多く装着することが必要な用途では、形状、大きさ、コスト等の制限からスラストベアリングとしてボールベアリングを組み込むことが困難な場合が多い。 However, in applications where it is necessary to mount many actuators including motors in a small space, such as articulated motor-driven artificial hands and robot hands, ball bearings are incorporated as thrust bearings due to restrictions on shape, size, cost, etc. It is often difficult.
本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、小型モータを用いて軽量、省スペース、低騒音で、かつ、スラスト方向の引っ張り力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することを目的とする。 In view of the conventional problems as described above, the present invention is a low-cost twist using a small motor that is lightweight, space-saving, low-noise, and less likely to reduce the rotational drive output even if the tensile force in the thrust direction increases. It aims at realizing a string type actuator.
本発明によるねじれ紐式アクチュエータは、2本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐の一端側を駆動対象物に接続し、前記ねじれ紐の他端側を駆動部回転軸に接続し、前記駆動部回転軸の回転方向に応じて前記ねじれ紐を構成する2本の紐のねじれが強められ、又は緩められることにより、前記ねじれ紐の長さが短縮され、又は伸張され、その結果、前記駆動対象物が駆動されるように構成され、前記駆動部回転軸の軸心方向への移動を規制して保持するスラストベアリングとして、含油焼結合金からなる円環状部材が前記駆動部回転軸と同軸状に配置されて駆動部固定側に固定されると共に、前記円環状部材に当接して摺動可能な円環状摺動面が前記駆動部回転軸に固定された駆動部回転側部材に設けられていることを特徴とする(請求項1)。 The twisted string actuator according to the present invention is configured such that one end of a twisted string having a structure in which two strings are twisted together is connected to an object to be driven, the other end of the twisted string is connected to a drive unit rotating shaft, The length of the twisted cord is shortened or extended by strengthening or loosening the twist of the two cords constituting the twisted cord in accordance with the rotation direction of the drive unit rotation shaft. An annular member made of an oil-impregnated sintered alloy is used as a thrust bearing configured to drive a driven object and restricts and holds movement of the drive unit rotation shaft in the axial direction. An annular sliding surface arranged coaxially and fixed to the drive unit fixed side and slidable in contact with the annular member is provided on the drive unit rotation side member fixed to the drive unit rotation shaft. It is characterized by being Claim 1).
このような構成によれば、ねじれ紐は、そのねじれ方向の回転運動(回転力)を長さ方向の直線運動(張力)に変換し、減速機構を含む動力伝達手段として機能する。したがって、多段ギア等を用いた減速機が不要となり、装置全体の小型化及び軽量化に大きく貢献することができる。さらに、多段ギア等を用いた減速機で発生するような騒音の発生が無く、静音アクチュエータを実現することができる。また、ねじれ紐のねじれ方向の回転運動と長さ方向の直線運動との間にある程度の柔軟性(フレキシビリティ)及び弾性が存在するので、バネやエアシリンダ等の弾性付勢手段を用いなくても、いわゆるソフトアクチュエータを実現することが可能である。これにより、例えば人の手のようなコンプライアンス機能を容易に実現することが可能になる。さらに、含油焼結合金を用いた簡単な構造のスラストベアリングによって駆動部回転軸の軸心方向への移動が規制され保持されるので、スラスト方向の引っ張り力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。 According to such a configuration, the twisted string converts rotational motion (rotational force) in the twist direction into linear motion (tension) in the length direction, and functions as power transmission means including a speed reduction mechanism. Therefore, a speed reducer using a multi-stage gear or the like is not necessary, which can greatly contribute to reducing the size and weight of the entire apparatus. Further, there is no noise generated by a reduction gear using a multistage gear or the like, and a silent actuator can be realized. In addition, since there is a certain degree of flexibility and elasticity between the rotational movement in the torsional direction and the linear movement in the longitudinal direction of the twisted string, an elastic biasing means such as a spring or an air cylinder must be used. However, it is possible to realize a so-called soft actuator. Thereby, for example, a compliance function like a human hand can be easily realized. Furthermore, since the thrust bearing with a simple structure using oil-impregnated sintered alloy restricts and holds the drive unit in the axial direction, the rotational drive output decreases even if the tensile force in the thrust direction increases. It is possible to realize an inexpensive twisted string actuator that is difficult to perform.
本発明の好ましい実施形態において、前記駆動部固定側に固定された含油焼結合金からなる前記円環状部材の円環状面のうち、前記駆動部回転側部材に対向する側の面に、3個以上の半球状突起部が周方向に離間して設けられ、当該半球状突起部の先端部が前記駆動部回転側部材の円環状摺動面に当接して摺動可能に構成されている(請求項2)。 In a preferred embodiment of the present invention, among the annular surfaces of the annular member made of an oil-impregnated sintered alloy fixed to the drive unit fixing side, three on the surface facing the drive unit rotation side member The hemispherical protrusions described above are provided apart from each other in the circumferential direction, and the tip of the hemispherical protrusion is configured to be slidable in contact with the annular sliding surface of the drive unit rotation side member ( Claim 2).
このような構成によれば、含油焼結合金からなる円環状部材と駆動部回転側部材の円環状摺動面との接触面積が、互いの対向面が面接触して摺動する場合に比べて小さくなり、両者の摺動摩擦に起因する出力ロスが低減される。これにより、スラスト方向の引っ張り力が大きくなっても回転駆動出力が一層低下しにくい安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。 According to such a configuration, the contact area between the annular member made of the oil-impregnated sintered alloy and the annular sliding surface of the driving unit rotating side member is larger than that in the case where the opposing surfaces slide in surface contact with each other. The output loss due to the sliding friction between them is reduced. As a result, it is possible to realize an inexpensive twisted string actuator in which the rotational drive output is less likely to be lowered even when the tensile force in the thrust direction is increased.
本発明の別の好ましい実施形態において、ねじれ紐式アクチュエータは、1個のモータと、その回転軸に接続された動力伝達機構の互いに異なる2本の出力軸である前記駆動部回転軸と、当該2本の駆動部回転軸に接続される2本の前記ねじれ紐とを備え、前記モータの回転軸が回転すると、2本の前記ねじれ紐の一方の長さが短縮されると共に他方の長さが伸張されるように構成され、
前記2本の前記駆動部回転軸のそれぞれに前記円環状部材を含むスラストベアリングが設けられている(請求項3)。
In another preferred embodiment of the present invention, the twisted string actuator includes one motor and the drive unit rotary shaft that is two different output shafts of the power transmission mechanism connected to the rotary shaft, Two twisted strings connected to two drive unit rotating shafts, and when the rotating shaft of the motor rotates, the length of one of the two twisted strings is shortened and the other length Is configured to be stretched,
A thrust bearing including the annular member is provided on each of the two drive unit rotating shafts.
このような構成によれば、1個のモータの回転によって2本のねじれ紐のうちの一方を短縮させながら他方を伸張させることができる。したがって、例えば軸心を中心として回転可能な指関節を駆動対象物として容易かつ迅速に駆動することができる。つまり、指関節の回転軸を挟んで対向する2箇所のうちの一方を2本のねじれ紐のうちの一方が駆動し、他方を2本のねじれ紐のうちの他方が駆動するように構成すればよい。このような紐式アクチュエータにおいて、2本の駆動部回転軸のそれぞれに上記の円環状部材を含むスラストベアリングが設けられているので、スラスト方向の引っ張り力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい安価でコンパクトなねじれ紐式アクチュエータを提供することができる。 According to such a configuration, one of the two twisted strings can be shortened while the other is extended by the rotation of one motor. Therefore, for example, a finger joint that can rotate around the axis can be easily and quickly driven as a driving object. In other words, one of the two locations facing each other across the rotation axis of the finger joint is driven by one of the two twisted strings, and the other is driven by the other of the two twisted strings. That's fine. In such a string actuator, the thrust bearing including the annular member is provided on each of the two drive unit rotation shafts, so that the rotational drive output is reduced even if the tensile force in the thrust direction is increased. It is possible to provide an inexpensive and compact twisted string actuator that is difficult.
上記のように、本発明のねじれ紐式アクチュエータによれば、小型モータを用いて軽量、省スペース、低騒音で、かつ、スラスト方向の引っ張り力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。 As described above, according to the twisted string actuator of the present invention, a small motor is used for light weight, space saving, low noise, and the rotational drive output is less likely to decrease even when the tensile force in the thrust direction increases. A twisted string actuator can be realized.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において各部材の位置関係や方向を上下左右で説明するときは、あくまで図面における位置関係や方向を意味し、実際の機器に組み込まれたときの位置関係や方向を意味するわけではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, when describing the positional relationship and direction of each member vertically and horizontally, it means the positional relationship and direction in the drawings to the last, and it means the positional relationship and direction when incorporated in an actual device. is not.
図1は、本発明によるねじれ紐式アクチュエータの概念を示す模式図である。図1に示すように、本発明によるねじれ紐式アクチュエータは、2本の紐又はワイヤ(以下、単に紐という)11、12を互いに緩くねじり合わせた構造のねじれ紐1とモータ2とを用いて構成される。図1(a)は2本の紐11、12のねじれ合わせが緩められて2本の平行な紐になった状態を模式的に示しており、図1(b)は2本の紐11、12が互いにねじれ合わされた状態を模式的に示している。ねじれ紐1、すなわち2本の紐11、12の一端側は駆動対象物OBに接続(固定)され、他端側はモータ2の回転軸21に接続(固定)されている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the concept of a twisted string actuator according to the present invention. As shown in FIG. 1, the twisted string actuator according to the present invention uses a
図1(a)に示す状態でのねじれ紐1の長さをLとし、この状態からモータ2の回転軸21が回転して、図1(b)に示すように、ねじれ紐1を構成する2本の紐11、12が互いにねじれ合わされた状態になると、ねじれ紐1の長さはL−ΔLとなる。つまり、2本の紐11、12がねじれ合わされることにより、ねじれ紐1の長さがΔLだけ短縮される。その結果、駆動対象物OBには、ねじれ紐1の張力によってモータ2へ引き寄せられる方向(右方向)の駆動力Fが働く。したがって、ねじれ紐1は、そのねじれ方向の回転運動(モータ2の回転力)を長さ方向の直線運動(張力)に変換する機能を有することになる。
The length of the
また、図1(b)の状態からモータ2の回転軸21が上記と逆方向に回転すると、ねじれ紐1を構成する2本の紐11、12のねじれが緩められる。このとき、図1には示していないが、引っ張りバネのような付勢手段で物体OBが左方向に付勢されていると仮定すると、その付勢力によって物体OBはモータ2から遠ざかる方向(左方向)へ移動し、ねじれ紐1の長さが伸張する。2本の紐11、12のねじれ合わせが緩められて2本の平行な紐になった図1(a)の状態で、ねじれ紐1の長さが最も長い値(L)になることが分かる。
When the
したがって、2本の紐11、12を互いに緩くねじり合わせた構造のねじれ紐1とモータ2とを用いた本発明のねじれ紐式アクチュエータによれば、モータ2の回転軸21の回転方向に応じてねじれ紐1を構成する2本の紐11、12のねじれが強められ、又は緩められることにより、ねじれ紐1の長さが短縮され、又は伸張され、その結果、駆動対象物OBを所定の範囲内で駆動することが可能である。
Therefore, according to the twisted string actuator of the present invention using the twisted
ねじれ紐1は減速機構を含む動力伝達手段として機能するので、多段ギア等を用いた減速機が不要となり、装置全体の小型化、軽量化に大きく貢献することができる。また、多段ギア等を用いた減速機で発生するような騒音の発生が無く、静音アクチュエータを実現することができる。また、一般にねじれ紐は多段ギア等を用いた減速機に比べて安価であるので、アクチュエータのコスト低減が可能になる。
Since the
さらに、ねじれ紐1のねじれ方向の回転運動と長さ方向の直線運動との間にある程度の柔軟性(フレキシビリティ)及び弾性が存在するので、バネやエアシリンダ等の弾性付勢手段を用いなくても、いわゆるソフトアクチュエータを実現することが可能である。これにより、例えば人の手のようなコンプライアンス機能を容易に実現することが可能になる。
Further, since there is a certain degree of flexibility and elasticity between the rotational movement in the twist direction and the linear movement in the length direction of the
図2は、本発明によるねじれ紐式アクチュエータを用いて指関節を駆動する適用例を示す模式図である。この模式図では、軸心AXを中心として回転可能な指関節FJが駆動対象物に相当する。図2に示すように、駆動対象物としての指関節FJの駆動方向及び駆動範囲を規制するために、スライドガイド31に沿って所定範囲内で移動可能なスライド部材32が設けられ、ねじれ紐11の一端側がスライド部材32を介して指関節FJに接続されている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an application example in which a finger joint is driven using a twisted string actuator according to the present invention. In this schematic diagram, a finger joint FJ that can rotate about an axis AX corresponds to a drive object. As shown in FIG. 2, in order to regulate the driving direction and driving range of the finger joint FJ as a driving object, a
また、ねじれ紐1及びスライド部材32を含むアクチュエータキットが2組設けられ、指関節FJの軸心AXを挟んで対向する2箇所P1及びP2に、2組のアクチュエータキットのねじれ紐1の一端側がスライド部材32を介してそれぞれ接続されている。
In addition, two sets of actuator kits including the twisted
図2の構成では、スライドガイド31及びスライド部材32によって、駆動対象物である指関節FJの駆動方向及び駆動範囲を容易に規制することができる。また、モータ2と指関節FJとの距離や方向に関する設計上のフレキシビリティを確保することができるので、アクチュエータが実装されるスペースの制限に対応することが容易になると共に、スペースの有効活用が可能になる。図2では、指関節FJの駆動方向とモータ2の回転軸21の軸心方向とがほぼ一致しているが、例えばプーリー等を用いて柔軟なねじれ紐1を曲げることにより、両者の方向が90度異なるように構成することも可能である。また、指関節FJとモータ2とを互いに近づけたり、離したりすることも可能である。
In the configuration of FIG. 2, the driving direction and driving range of the finger joint FJ that is a driving target can be easily regulated by the
また、2組のアクチュエータキットのねじれ紐1を互いに逆方向に駆動することにより、例えば図2に示すように、上側のねじれ紐1を短縮させる方向に駆動し、かつ、下側のねじれ紐1を伸張させる方向に駆動する。これにより、指関節FJを容易かつ正確に駆動することができる。図2に示す構成では、2個のモータ2を用いて2組のアクチュエータキットのねじれ紐1を個別に駆動している。この構成では、2個のモータ2を同期させて駆動制御することが必要である。また、一方のモータ2のみが動作することを防ぐインターロック回路を設けることが好ましい。そのような制御や回路を簡素化するために、後述するように、1個のモータを用いて2組のアクチュエータキットのねじれ紐1を同時に駆動するように構成してもよい。
Further, by driving the
図3は、図2に示したねじれ紐式アクチュエータの複数指関節への適用例を示す模式図である。2個の指関節FJ1及びFJ2が軸心AX1で枢支連結された状態が示されている。指関節FJ1は軸心AX1を中心として回転可能であり、指関節FJ2は軸心AX2を中心として回転可能である。図3では省略しているが、指関節FJ2についても、指関節FJ1と同様に、ねじれ紐1及びスライド部材32を含むアクチュエータキットが2組設けられ、軸心AX2を挟んで対向する2箇所に、2組のアクチュエータキットのねじれ紐1の一端側がスライド部材32を介してそれぞれ接続されるように構成されている。このように、1関節に対して2本のねじれ紐1が使用され、n関節の場合は2n本のねじれ紐1が使用されることになる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an application example of the twisted string actuator shown in FIG. 2 to a plurality of finger joints. A state in which two finger joints FJ1 and FJ2 are pivotally connected by an axis AX1 is shown. The finger joint FJ1 can rotate about the axis AX1, and the finger joint FJ2 can rotate about the axis AX2. Although omitted in FIG. 3, the finger joint FJ2 is also provided with two sets of actuator kits including the twisted
図4は、1個のモータで2本のねじれ紐を同時に駆動する構成例を示す模式図である。この構成例は、図2又は図3に示した構成において、1個のモータを用いて2組のアクチュエータキットのねじれ紐1を同時に駆動するように構成したものである。すなわち、2組のアクチュエータキットのねじれ紐1の他端側(モータ側)が、モータ2の回転軸21に接続された動力伝達機構4の互いに異なる2本の出力軸(駆動部回転軸に相当)41、42に接続されている。モータ2の回転軸21が回転すると、上側の第1出力軸41はそれに接続されたねじれ紐1のねじれを強める方向に回転し、かつ、下側の第2出力軸42はそれに接続されたねじれ紐のねじれを緩める方向に回転するように構成されている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example in which two twisted strings are simultaneously driven by one motor. This configuration example is configured to drive the
この構成では、1個の指関節FJ1について2組のねじれ紐1を含むアクチュエータキットを使用しながら、1個のモータ2でそれらのねじれ紐1を同時に駆動するので、2個のモータで個別に駆動する場合に比べて、駆動制御が簡単になる。また、指関節FJ1の迅速な駆動が可能になる。
In this configuration, while using an actuator kit including two sets of
図4に示した構成では、動力伝達機構4として、1個のピニオンギア43及び2個の平ギア44、45を用いた減速反転機構が使用されている。ピニオンギア43はモータ2の回転軸21に固定され、上側の平ギア44は上側のねじれ紐1が接続された第1出力軸41に固定され、下側の平ギア45は、下側のねじれ紐1が接続された第2出力軸42に固定されている。上側の平ギア44と下側の平ギア45は同一方向(共にピニオンギア43と反対方向)に回転するので、2組のアクチュエータキットのねじれ紐1のねじれ方向を互いに逆の方向にしておく必要がある。
In the configuration shown in FIG. 4, as the power transmission mechanism 4, a speed reduction / reversal mechanism using one
つまり、モータ2の回転軸21が回転すると、第1出力軸41と第2出力軸42は同一方向(共にモータ2の回転軸21と逆方向)に回転するが、2本のねじれ紐1のねじれ方向が互いに逆の方向であるので、例えば図4に示すように、上側のねじれ紐1はねじれを強める方向(長さが短縮する方向)に駆動され、下側のねじれ紐1はねじれを緩める方向(長さが伸張する方向)に駆動される。
That is, when the rotating
動力伝達機構4を構成するギアの数や組合せを変えることにより、2本の出力軸41、42の回転方向が互いに逆方向になるように動力伝達機構4を構成し、上下2本のねじれ紐1のねじれ方向が互いに同一方向になるようにしてもよい。要するに、モータ2の回転軸21が回転したときに、第1出力軸41及び第2出力軸42の一方はねじれ紐1のねじれを強める方向に回転し、他方はねじれ紐のねじれを緩める方向に回転するように、動力伝達機構4及びねじれ紐1を構成すればよい。但し、第1出力軸41と第2出力軸42の出力トルクが等しくなるように、あるいは両者のバランスがとれるように、動力伝達機構4を構成することが望ましい。
By changing the number and combination of the gears constituting the power transmission mechanism 4, the power transmission mechanism 4 is configured so that the rotation directions of the two
また、ギア同士の噛合部における騒音の発生を回避するために、ギアに代えて、接触面の摩擦力で動力を伝達する複数のローラ、あるいはローラ及びベルトを用いて動力伝達機構4を構成してもよい。また、モータ2として、DCブラシレスモータを使用することにより、モータ2から発生する騒音を低減することも望ましい。
Further, in order to avoid the generation of noise at the meshing portion between the gears, the power transmission mechanism 4 is configured by using a plurality of rollers or rollers and belts that transmit power by the frictional force of the contact surface instead of the gears. May be. It is also desirable to reduce noise generated from the
次に、以上に説明したようなねじれ紐式アクチュエータにおけるスラストベアリングの構造について説明する。 Next, the structure of the thrust bearing in the twisted string actuator as described above will be described.
図5は、本発明の第1実施形態に係るねじれ紐式アクチュエータのモータ及びギアボックスの構造を示す断面図である。図5に示す構造例では、動力伝達機構4に相当するギアボックスとモータ2とが一体に結合している。ギアボックス4は、基端側プレート46、先端側プレート47及び側面プレート48で囲まれた箱形形状を有し、その内部空間に上述のピニオンギア43及び平ギア44、45等が収容されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the motor and gear box of the twisted string actuator according to the first embodiment of the present invention. In the structural example shown in FIG. 5, the gear box corresponding to the power transmission mechanism 4 and the
ギアボックス4の基端側プレート46中央部には、モータ2の回転軸21とそれに固定されたピニオンギア43とが挿通される貫通孔が形成され、その周囲の外側面(下面)にはモータ2のケース先端部を受け入れる段状凹部が形成されている。基端側プレート46の段状凹部とモータ2のケース先端部とが嵌入、接着、ねじ止め等の手段によって互いに固定される。
A through hole through which the
また、基端側プレート46の内側面(上面)には、その中心の貫通孔から所定距離を隔てた両側に、平ギア44、45を回転自在に支持するための固定軸部材49が2本立設されている。平ギア44、45の上下には、筒状部441、451が一体に設けられ、その中心部に固定軸部材49に外嵌するスリーブ軸受が設けられている。これにより、平ギア44、45は、固定軸部材49に支持されて遊転することができる。また、平ギア44、45はピニオンギア43に螺合し、モータ2の回転軸21の回転に伴って回転駆動される。
Further, on the inner side surface (upper surface) of the base
平ギア44、45の上部の中央部から上方(先端側)に向かって突出するように、出力軸41、42がそれぞれ一体に設けられ、ギアボックス4の先端側プレート47には出力軸41、42が挿通される2個の貫通孔が形成されている。なお、出力軸41(42)、筒状部441(451)及び平ギア44(45)は、個別の部材として形成されたそれらが一体に結合していてもよいし、それらの全て又は一部(3個のうちの2個)が初めから一体の部材として形成されていてもよい。
The
また、先端側プレート47の内側面(下面)において、出力軸41、42が挿通される貫通孔の周りに円環状の溝が形成されており、この溝に含油焼結合金からなる円環状部材51が嵌め込まれ接着等の手段で固定されている。また、この円環状部材51に当接して摺動可能な円環状摺動面442、452が筒状部441、451(駆動部回転側部材に相当する)の先端側に形成されている。なお、図5の上部において二点鎖線の長方形で囲んだ部分は、円環状部材51の軸方向から見た平面図を示している。
Further, an annular groove is formed around the through hole through which the
円環状部材51は、出力軸(駆動部回転軸)41、42の軸心方向への移動を規制して保持するスラストベアリングの働きを有する。つまり、出力軸41、42の先端部に接続されるねじれ紐のねじれが強められ、ねじれ紐の長さが短縮されるときに、駆動対象物を引き寄せる駆動力の反作用として、出力軸41、42が駆動対象物の方向へ引っ張られる力(以下、スラスト力という)が大きくなる。このスラスト力は、駆動部回転側部材である筒状部441、451の先端側の円環状摺動面442、452と円環状部材51とが当接することによって受け止められる。
The
円環状部材51は含油焼結合金からなり、回転側の円環状摺動面442、452との円滑な摺動を実現するので、スラスト力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい。しかも、ボールベアリングを使用する場合に比べて、省スペースで安価なスラストベアリングを実現することができる。これにより、小形で安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。
Since the
次に、図6は、本発明の第2実施形態に係るねじれ紐式アクチュエータのモータ及びギアボックスの構造を示す断面図である。この実施形態について、上記の実施形態1と異なる点に絞って説明する。 Next, FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the motor and gear box of the twisted string actuator according to the second embodiment of the present invention. This embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment.
実施形態1では、スラストベアリングを構成する円環状部材51の、回転側の円環状摺動面442、452との接触面は平面であり、両者が面接触して摺動する。これに対して実施形態2では、図6に示すように、円環状部材51の、回転側の円環状摺動面442、452に対向する円環状の面に3個以上(図示の例では12個)の半球状突起部511が周方向に離間して設けられ、この半球状突起部511の先端部が円環状摺動面442、452に当接する。つまり、面接触ではなく、3箇所以上のいわば点接触によってスラストベアリングが構成されている。
In the first embodiment, the contact surface of the
本実施形態の構成によれば、実施形態1のスラストベアリングが面接触で構成されている場合に比べて、接触面(摺動面)の面積が小さくなるので、接触面での摺動摩擦に起因する出力ロスが低減される。これにより、スラスト力が大きくなっても回転駆動出力が一層低下しにくい安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。
According to the configuration of the present embodiment, the area of the contact surface (sliding surface) is smaller than that in the case where the thrust bearing of
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限らず、種々の形態で実施することが可能である。以下に、他のいくつかの実施形態を簡単に説明する。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to said embodiment, It is possible to implement with a various form. Several other embodiments are briefly described below.
実施形態1及び2において、スラストベアリングを形成する円環状部材51の軸方向の寸法(厚み)を大きくすると共に内径を小さくして、その内周面が出力軸41、42に接触可能な構造としてもよい。つまり、円環状部材51が出力軸41、42を径方向に支持するラジアルベアリングと上記のスラストベアリングとを兼ねるように構成することが可能である。
In the first and second embodiments, the axial dimension (thickness) of the
また、実施形態1及び2では、ねじり紐が動力伝達機構であるギアボックス4の出力軸に接続される構成、つまり、図4に示したねじり紐アクチュエータの構成であるが、図3に示すようにモータ2の回転軸21にねじり紐1が直接接続される構成においても本発明を適用することが可能である。この場合の構成例を図7に示す。
In the first and second embodiments, the torsion string is connected to the output shaft of the gear box 4 that is a power transmission mechanism, that is, the torsion string actuator shown in FIG. 4, but as shown in FIG. In addition, the present invention can be applied to a configuration in which the
図7において、モータ2のケース先端側23の中心部に設けられた含油焼結合金かならるスリーブ24が、回転軸21のラジアルベアリングとして機能すると共に、ローター25の先端側面(上面)に当接して摺動可能なスラストベアリングの機能を兼ねている。図示の例では、実施形態2のスラストベアリングと同様に、スリーブ24のローター25に対向する円環状の面に、3個以上の半球状突起部241が周方向に離間して設けられ、この半球状突起部241の先端部がローター25の上面(円環状摺動面)に当接する。半球状突起部241とローター25の上面との摺動抵抗を更に小さくするために、両者の間に潤滑剤等を塗布してもよい。
In FIG. 7, a
以上に説明した本発明によるねじれ紐式アクチュエータは、モータ駆動義手、ロボットハンド等の指関節に限らず、手首関節や他の種々の関節に適用可能である。さらに、関節のような回転運動に限らず、往復運動を行う部材のアクチュエータとして本発明のねじれ紐式アクチュエータを使用することも可能である。 The above-described twisted string actuator according to the present invention is applicable not only to finger joints such as motor-driven artificial hands and robot hands but also to wrist joints and other various joints. Furthermore, the present invention is not limited to a rotational motion such as a joint, and the twisted string actuator of the present invention can be used as an actuator for a member that reciprocates.
1 ねじれ紐
2 モータ
4 動力伝達機構(ギアボックス)
11、12 ねじれ紐を構成する2本の紐
21 モータの回転軸
41、42 出力軸(駆動部回転軸)
51 円環状部材
442、452 駆動部回転側部材の円環状摺動面
511 半球状突起部
1
11, 12 Two strings constituting a
51
Claims (3)
前記駆動部回転軸の軸心方向への移動を規制して保持するスラストベアリングとして、含油焼結合金からなる円環状部材が前記駆動部回転軸と同軸状に配置されて駆動部固定側に固定されると共に、前記円環状部材に当接して摺動可能な円環状摺動面が前記駆動部回転軸に固定された駆動部回転側部材に設けられていることを特徴とするねじれ紐式アクチュエータ。 One end of a twisted string having a structure in which two strings are twisted together is connected to an object to be driven, the other end of the twisted string is connected to a drive unit rotating shaft, and depending on the rotation direction of the drive unit rotating shaft The twisting of the two strings constituting the twisted string is strengthened or loosened so that the length of the twisted string is shortened or extended, and as a result, the driven object is driven. Configured,
An annular member made of an oil-impregnated sintered alloy is disposed coaxially with the drive unit rotation shaft and fixed to the drive unit fixed side as a thrust bearing that regulates and holds the drive unit rotation shaft in the axial direction. The twisted string actuator is characterized in that an annular sliding surface that is slidable in contact with the annular member is provided on the drive portion rotation side member fixed to the drive portion rotation shaft. .
請求項1記載のねじれ紐式アクチュエータ。 Of the annular surface of the annular member made of an oil-impregnated sintered alloy fixed to the drive unit fixing side, three or more hemispherical protrusions are arranged on the surface facing the drive unit rotation side member. 2. The structure according to claim 1, wherein the hemispherical projecting portion is provided so as to be slidable in a direction, and a tip end portion of the hemispherical projecting portion is in contact with an annular sliding surface of the driving portion rotating side member. Twisted string actuator.
前記2本の前記駆動部回転軸のそれぞれに前記円環状部材を含むスラストベアリングが設けられていることを特徴とする
請求項1又は2記載のねじれ紐式アクチュエータ。 One motor, two drive shafts which are two different output shafts of the power transmission mechanism connected to the rotation shaft, and the two twists connected to the two drive portion rotation shafts When the rotation shaft of the motor is rotated, one length of the two twisted strings is shortened and the other length is extended,
The twisted string actuator according to claim 1, wherein a thrust bearing including the annular member is provided on each of the two drive unit rotating shafts.
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