JP2009034774A - Joint mechanism with variable stiffness - Google Patents

Joint mechanism with variable stiffness Download PDF

Info

Publication number
JP2009034774A
JP2009034774A JP2007201464A JP2007201464A JP2009034774A JP 2009034774 A JP2009034774 A JP 2009034774A JP 2007201464 A JP2007201464 A JP 2007201464A JP 2007201464 A JP2007201464 A JP 2007201464A JP 2009034774 A JP2009034774 A JP 2009034774A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
joint
arm
slider
elastic member
shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007201464A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5062675B2 (en
Inventor
Atsushi Konno
敦 近野
Yukihiro Funakawa
幸寛 船川
Yukio Abe
幸勇 阿部
Masaru Uchiyama
勝 内山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC filed Critical Tohoku University NUC
Priority to JP2007201464A priority Critical patent/JP5062675B2/en
Publication of JP2009034774A publication Critical patent/JP2009034774A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5062675B2 publication Critical patent/JP5062675B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Manipulator (AREA)
  • Springs (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint mechanism with variable stiffness capable of being mounted on a robot arm, highly durable and capable of reducing influence by deterioration of an elastic member. <P>SOLUTION: An arm comprises a forearm transmission mechanism 42 and a forearm model 3 and is provided on an upper arm 2 to be rotatable around a joint shaft 41a. The forearm transmission mechanism 42 has a center rail groove 42d and a side rail groove 42e extending in a longitudinal direction. The respective grooves 42d and 42e are provided at a predetermined distance in a vertical direction to the longitudinal direction of a model pipe 31 from the joint shaft 41a. Elastic members 43f have linearity and are provided on the upper arm 2 to be rotatable around the joint shaft 41a so that urging force is always directed to the shaft 41a. Each elastic member 43f is structured so that one end on the side of the joint shaft 41a slides along the respective grooves 42d and 42e to keep a distance between the other end and the shaft 41a constant when rotating around the shaft 41a. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、可変剛性を有する関節機構に関する。   The present invention relates to a joint mechanism having variable rigidity.

従来のロボットアームでは、アクチュエータが直接アームに取り付いていたため、能動的あるいは受動的な衝撃力をアームが受けた場合、アクチュエータにもその衝撃力が伝播してしまい、アクチュエータの劣化や破損を引き起こすという問題があった。この問題を解決するため、アクチュエータとアームとの間に弾性要素を組み込んで、その衝撃力を弾性要素によって吸収させ、緩和させることが考えられる。しかしながら、ただ単に弾性要素を組み込んだのでは柔らかい関節になってしまい、荷物を運ぶというような力を強く入れる作業ができなくなる。また、柔らかい関節ゆえに、手先が振動的になり、細かい作業もできなくなる。   In the conventional robot arm, the actuator is directly attached to the arm, so that when the arm receives an active or passive impact force, the impact force propagates to the actuator, causing deterioration or damage to the actuator. There was a problem. In order to solve this problem, it is conceivable to incorporate an elastic element between the actuator and the arm so that the impact force is absorbed by the elastic element and relaxed. However, simply incorporating an elastic element results in a soft joint, which makes it difficult to apply a force such as carrying a load. In addition, because of the soft joint, the hand becomes vibrating and fine work cannot be performed.

また、ロボットは、力作業を行う場合には、高剛性であることが要求される。一方で、福祉や介護の現場では、人間との物理的な接触を伴うため、できるだけ低剛性であることが望ましい。このように、関節の剛性を任意に可変できることは、人間と物理的接触を伴う可能性のある福祉分野や介護分野のロボットにとって、必要性が大きい。このため、その実現により、ロボットが人間と円滑なコミュニケーションを取れるようになることが期待できる。また、ロボットが外界から衝撃力を受けるような作業において、その時に剛性を低くして発生する衝撃を緩和させ、ロボットを保護することもできる。   Further, the robot is required to have high rigidity when performing force work. On the other hand, in the field of welfare and nursing care, physical contact with humans is involved, so it is desirable that the rigidity be as low as possible. Thus, the ability to arbitrarily change the joint stiffness is highly necessary for robots in the welfare field and the nursing field that may involve physical contact with humans. Therefore, it can be expected that the robot will be able to communicate smoothly with humans. Further, in an operation in which the robot receives an impact force from the outside, it is possible to protect the robot by reducing the rigidity and reducing the generated impact.

そこで、ロボットの関節の剛性を変化させる方法として、ソフトウェア制御によるものや、機械要素の組み合わせや材料の特性を利用した機構によるものが提案されている。しかし、ソフトウェアによって剛性を変化させる場合、関節部に高減速比の減速器を持つ一般的なロボットでは、減速器内の高い摩擦力によって低剛性を実現することができない。また、力センサで外力を検出し、検出される力に応じて見かけ上の剛性を変化させる手法も一般的に行われているが、力センサで力を検出してからロボットを動作させるため時間遅れが生じ、瞬間的な衝撃力を緩和することはできない。   Therefore, as a method for changing the rigidity of the joint of the robot, a method using software control or a mechanism using a combination of mechanical elements or material characteristics has been proposed. However, when the rigidity is changed by software, a general robot having a reduction gear with a high reduction ratio at the joint cannot realize low rigidity due to a high frictional force in the reduction gear. In addition, it is common practice to detect external force with a force sensor and change the apparent rigidity according to the detected force. However, it takes time to operate the robot after detecting the force with the force sensor. There is a delay and the momentary impact force cannot be mitigated.

そこで、減速器の出力側に可変剛性機構を設けることにより、ソフトウェア制御によらずとも、急激な衝撃に対処することができ、高剛性および低剛性の両方を実現することもできる。このようなものとして、剛性可変機構を有し、医療補助器具の一環として用いられる駆動装置(例えば、特許文献1参照)や、網目状外装チューブ部材内に棒状の弾性部材が内装され、引張りに対する剛性の調整が容易なばね装置(例えば、特許文献2参照)がある。   Therefore, by providing a variable rigidity mechanism on the output side of the speed reducer, it is possible to cope with a sudden impact without using software control, and it is possible to realize both high rigidity and low rigidity. As such, a rod-like elastic member is incorporated in a drive device (see, for example, Patent Document 1) that has a variable stiffness mechanism and is used as a part of a medical auxiliary instrument, and a mesh-like exterior tube member, There is a spring device (for example, refer to Patent Document 2) that allows easy adjustment of rigidity.

特開2004−105609号公報JP 2004-105609 A 特開2004−169795号公報JP 2004-169795 A

しかしながら、特許文献1に記載の駆動装置は、膝関節リハビリ用であり、地面に設置して用いるため、機構の重量やサイズの制限を受けずに設計することができる。このため、ロボットアーム等の重量やサイズの制限を受ける機構に搭載することはできないという課題があった。また、特許文献2に記載のばね装置は、軽量化の面では優れているが、素材が柔軟体であるため、使用時間に対する劣化が著しく、耐久性に劣るという課題があった。特許文献1に記載の駆動装置および特許文献2に記載のばね装置は、非線形ばねを用いて剛性を可変にする機構となっているため、ばねの疲労による劣化が直接、非線形特性に影響し、結果として可変剛性の特性劣化として影響を及ぼすという課題もあった。   However, since the drive device described in Patent Document 1 is for knee joint rehabilitation and is used by being installed on the ground, it can be designed without being limited by the weight or size of the mechanism. For this reason, there has been a problem that it cannot be mounted on a mechanism such as a robot arm that is limited in weight or size. Moreover, although the spring device described in Patent Document 2 is excellent in terms of weight reduction, since the material is a flexible body, there is a problem that deterioration with respect to use time is remarkable and durability is inferior. Since the drive device described in Patent Document 1 and the spring device described in Patent Document 2 have a mechanism that makes the rigidity variable using a non-linear spring, deterioration due to fatigue of the spring directly affects the non-linear characteristics, As a result, there is also a problem that it affects the characteristic deterioration of the variable stiffness.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such problems, and provides a joint mechanism having variable rigidity that can be mounted on a robot arm, has high durability, and can suppress the influence of deterioration of an elastic member. For the purpose.

上記目的を達成するために、本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、支持部材とアームと弾性部材とを有し、前記アームは長さ方向に対して垂直な回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記弾性部材は線形性を有し、前記回転軸に向かう付勢力を前記アームに作用させるとともに、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度を変更可能に前記支持部材に設けられ、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度に応じて、前記付勢力の大きさが変化して前記回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されていることを、特徴とする。   In order to achieve the above object, a joint mechanism having variable rigidity according to the present invention includes a support member, an arm, and an elastic member, and the arm is rotatable about a rotation axis perpendicular to the length direction. The elastic member has linearity, and exerts an urging force toward the rotating shaft on the arm, and the angle between the direction of the urging force and the arm can be changed. It is provided in a support member, and is configured such that the magnitude of the biasing force changes and the rigidity of the rotating shaft changes nonlinearly according to the angle formed by the direction of the biasing force and the arm. Features.

本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、支持部材とアームと弾性部材とによる簡単な構成を有しているため、重量やサイズを小さくして、重量やサイズの制限を受けるロボットアーム等の関節機構として搭載することができる。弾性部材による回転軸に向かう付勢力の向きとアームとの成す角度に応じて、アームに作用する付勢力の大きさが変化して、回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されているため、回転軸すなわち関節の剛性を、高剛性から低剛性まで変化させることができる。   Since the joint mechanism having variable rigidity according to the present invention has a simple configuration including a support member, an arm, and an elastic member, the weight and size of the joint mechanism can be reduced, and a robot arm or the like subject to weight or size restrictions can be used. It can be mounted as a joint mechanism. Since the magnitude of the biasing force acting on the arm changes according to the direction of the biasing force toward the rotating shaft by the elastic member and the angle formed with the arm, the rigidity of the rotating shaft changes nonlinearly. The rigidity of the rotating shaft, that is, the joint can be changed from high rigidity to low rigidity.

ゴムのような非線形弾性部材では、入力に対する出力が非線形となるため、わずかな入力誤差や特性変化で、出力が大きく変化してしまう。これに対し、本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、弾性部材が線形性を有しているため、入力誤差や特性変化に対して出力が線形に変化し、誤差の推定が容易である。また、弾性部材による付勢力のアームに作用する方向が変化することにより、回転軸すなわち関節の剛性を変化させるため、弾性部材の劣化による影響を抑えることができ、かつその影響の推定が容易である。弾性部材として、耐久性を有するコイルスプリングなどを使用することにより、耐久性を高めることができる。   In the case of a non-linear elastic member such as rubber, the output with respect to the input becomes non-linear, so that the output greatly changes with a slight input error or characteristic change. On the other hand, in the joint mechanism having variable rigidity according to the present invention, since the elastic member has linearity, the output changes linearly with respect to the input error or characteristic change, and the error can be easily estimated. . Further, since the direction of the biasing force acting on the arm by the elastic member changes, the rigidity of the rotating shaft, that is, the joint is changed, so that the influence of deterioration of the elastic member can be suppressed and the influence can be easily estimated. is there. The durability can be enhanced by using a durable coil spring or the like as the elastic member.

本発明に係る可変剛性を有する関節機構で、前記アームは長さ方向に沿ったガイド部を有し、前記ガイド部は前記回転軸から前記アームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられ、前記弾性部材は圧縮バネから成り、圧縮方向が常に前記回転軸に向くよう前記回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記回転軸を中心として回転するとき、前記回転軸側の一端が前記ガイド部に沿ってスライドし、他端と前記回転軸との距離が一定に保持されるよう構成されていることが好ましい。この場合、弾性部材がアームに対して回転軸を中心として回転するとき、弾性部材の回転軸側の一端が、回転軸からアームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられたガイド部に沿ってスライドして、弾性部材が伸縮する。これにより、アームに作用する付勢力の大きさが変化し、回転軸の剛性を非線形に変化させることができる。   In the joint mechanism having variable rigidity according to the present invention, the arm has a guide portion along a length direction, and the guide portion has a predetermined distance in a direction perpendicular to the length direction of the arm from the rotation shaft. The elastic member is formed of a compression spring, and is provided on the support member so as to be rotatable about the rotation axis so that the compression direction always faces the rotation axis, and when the rotation member rotates about the rotation axis. It is preferable that one end on the rotating shaft side slides along the guide portion, and the distance between the other end and the rotating shaft is kept constant. In this case, when the elastic member rotates about the rotation axis with respect to the arm, one end on the rotation axis side of the elastic member is provided at a predetermined distance from the rotation axis in a direction perpendicular to the length direction of the arm. The elastic member expands and contracts by sliding along the guide portion. Thereby, the magnitude | size of the urging | biasing force which acts on an arm changes, and the rigidity of a rotating shaft can be changed nonlinearly.

この場合の本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を、図1を用いて説明する。
図1(a)に示すように、関節機構は、アームaと、線形性を有する圧縮バネから成る弾性部材cと、弾性部材cの変位を回転軸oを通る直線t上のみに限定する機構bと、弾性部材cの付勢力でアームaを押すスライダdとから成る。アームaおよび弾性部材cは、回転軸oを中心に回転することができる。弾性部材cは、機構bにより、圧縮方向が常に回転軸oに向いている。弾性部材cの回転軸o側の一端に設けられたスライダdは、機構bにより、アームaの長さ方向に沿ったガイド部に沿って、直線u上をスライドする。ガイド部は、アームa上の直線uに沿って、回転軸oからアームaの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。弾性部材cの他端は、機構bにより、回転軸oとの距離が一定に保持されている。
The principle of the joint mechanism having variable rigidity according to the present invention in this case will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1A, the joint mechanism includes an arm a, an elastic member c made of a compression spring having linearity, and a mechanism that limits displacement of the elastic member c only to a straight line t passing through the rotation axis o. b and a slider d that pushes the arm a by the urging force of the elastic member c. The arm a and the elastic member c can rotate around the rotation axis o. The elastic member c is always directed to the rotation axis o by the mechanism b. The slider d provided at one end of the elastic member c on the rotating shaft o side slides on the straight line u along the guide portion along the length direction of the arm a by the mechanism b. The guide portion is provided along a straight line u on the arm a with a predetermined distance from the rotation axis o in a direction perpendicular to the length direction of the arm a. The other end of the elastic member c is held at a constant distance from the rotation axis o by the mechanism b.

機構b、弾性部材c、スライダdからなる機構を、以下ではスライダ式加圧機構と呼ぶ。スライダ式加圧機構にはアクチュエータが取り付けられており、そのアクチュエータは、スライダ式加圧機構を、回転軸oを中心に回転させることができる。このとき、機構bと回転軸oとの距離は、常に一定の長さLである。スライダ式加圧機構は、図1(a)に示すように、アームaと弾性部材cの変位方向である直線tとが直交する状態で、弾性部材cは自然長lになるように調整されている。   Hereinafter, a mechanism including the mechanism b, the elastic member c, and the slider d is referred to as a slider type pressurizing mechanism. An actuator is attached to the slider-type pressurizing mechanism, and the actuator can rotate the slider-type pressurizing mechanism about the rotation axis o. At this time, the distance between the mechanism b and the rotation axis o is always a constant length L. As shown in FIG. 1A, the slider-type pressurizing mechanism is adjusted so that the elastic member c has a natural length l in a state where the arm a and the straight line t that is the displacement direction of the elastic member c are orthogonal to each other. ing.

ここで、Δθを、アームaにごく微小な力を受けたときの、回転軸oまわりのアームaの微小回転角、Δτを、その時のトルク変化分とする。図1(a)のように、アームaと弾性部材cの変位方向である直線tとが直交する状態では、アームaの回転軸oまわりの剛性(Δτ/Δθ)は0となる。ところが、図1(b)に示すように、アクチュエータによってスライダ式加圧機構に点oを中心としてφの回転変位を与えると、スライダdはガイド部に沿ってスライドして直線u上を移動し,弾性部材cをl−l’の長さだけ押し縮める。弾性部材cに変位が生じたことで、スライダdはアームaに対して力を加えることになる。よって、図1(c)に示すように、アームaの回転軸oまわりの剛性(Δτ/Δθ)は、スライダ式加圧機構の回転変位φに対して、理論上、0から無限大まで非線形に変化する。   Here, Δθ is a minute rotation angle of the arm a around the rotation axis o when the arm a receives a very small force, and Δτ is a torque change at that time. As shown in FIG. 1A, in the state where the arm a and the straight line t which is the displacement direction of the elastic member c are orthogonal to each other, the rigidity (Δτ / Δθ) around the rotation axis o of the arm a is zero. However, as shown in FIG. 1B, when the actuator is given a rotational displacement of φ around the point o by the actuator, the slider d slides along the guide portion and moves on the straight line u. , The elastic member c is compressed by the length of l−l ′. Due to the displacement of the elastic member c, the slider d applies a force to the arm a. Therefore, as shown in FIG. 1 (c), the rigidity (Δτ / Δθ) around the rotation axis o of the arm a is theoretically non-linear from 0 to infinity with respect to the rotational displacement φ of the slider type pressurizing mechanism. To change.

本発明に係る可変剛性を有する関節機構で、前記アームは前記ガイド部を1対有し、前記弾性部材は1対から成り、前記回転軸を中心としてそれぞれ独立に回転可能であり、前記回転軸を中心として回転するとき、それぞれ前記一端が各ガイド部に沿ってスライドするよう構成されていることが好ましい。この場合、支持部材に対する各弾性部材の回転角度を調整することにより、回転軸の剛性および支持部材に対するアームの位置を調整することができる。   In the joint mechanism having variable rigidity according to the present invention, the arm includes a pair of the guide portions, the elastic member includes a pair, and each of the elastic members can rotate independently about the rotation axis. It is preferable that the one end is configured to slide along each guide portion when rotating around the center. In this case, the rigidity of the rotating shaft and the position of the arm with respect to the support member can be adjusted by adjusting the rotation angle of each elastic member with respect to the support member.

この場合の本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を、図2を用いて説明する。
図1に示すように、スライダ式加圧機構を一つ用いただけでは、アクチュエータによってスライダ式加圧機構に回転変位−φを与えると、スライダdがアームaを加圧するため、アームaも−φだけ回転してしまう。したがって、アームaを所定の位置に固定するために、図2に示すように、もう一つスライダ式加圧機構を用いる。これらを、スライダ式加圧機構I、スライダ式加圧機構IIと呼ぶ。図2(a)に示すように、スライダ式加圧機構Iに回転変位φを、スライダ式加圧機構IIに回転変位−φを与えると、アームaは回転しない。図2(b)に示すように、アームaを回転軸oまわりに角度θだけ回転させたい場合は、スライダ式加圧機構Iに回転変位θ−φを、スライダ式加圧機構IIに回転変位θ+φを与えることができる。また、φの値を調整することで、アームaの回転軸oまわりの剛性を変化させることもできる。
The principle of the joint mechanism having variable rigidity according to the present invention in this case will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, when only one slider type pressurizing mechanism is used, when the actuator is subjected to a rotational displacement −φ by the actuator, the slider d pressurizes the arm a. Will only rotate. Therefore, in order to fix the arm a at a predetermined position, another slider type pressurizing mechanism is used as shown in FIG. These are called a slider type pressurizing mechanism I and a slider type pressurizing mechanism II. As shown in FIG. 2A, when the rotational displacement φ is applied to the slider pressure mechanism I and the rotational displacement −φ is applied to the slider pressure mechanism II, the arm a does not rotate. As shown in FIG. 2B, when it is desired to rotate the arm a about the rotation axis o by an angle θ, the rotational displacement θ−φ is applied to the slider type pressurizing mechanism I, and the rotational displacement is applied to the slider type pressurizing mechanism II. θ + φ can be given. Further, by adjusting the value of φ, the rigidity around the rotation axis o of the arm a can be changed.

本発明によれば、ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the joint mechanism which has the variable rigidity which can be mounted in a robot arm, has high durability, and can suppress the influence by deterioration of an elastic member can be provided.

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図3乃至図8は、本発明の実施の形態の可変剛性を有する関節機構を示している。
図3乃至図8に示すように、可変剛性を有する関節機構1は、ロボットアームの肘関節として製作されており、上腕2と前腕モデル3とスライダ式加圧機構4とアクチュエータ5とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
3 to 8 show a joint mechanism having variable rigidity according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 3 to 8, the joint mechanism 1 having variable rigidity is manufactured as an elbow joint of a robot arm, and includes an upper arm 2, a forearm model 3, a slider-type pressure mechanism 4, and an actuator 5. ing.

図3および図4に示すように、上腕2は、底板21と1対の側板22,23と上板24と関節板25とを有している。底板21は、矩形状に形成されている。各側板22,23は、それぞれ底板21の両側縁に、底板21に対して垂直に立ち上がるよう設けられている。上板24は、各側板22,23の前腕とは反対側の上端を連結するよう設けられている。関節板25は、各側板22,23の上板24より前腕側の上部を連結するよう設けられている。関節板25は、人間と同じ様に、腕を屈曲した際に上腕2に対して前腕が約135度曲げられるよう、前腕側で底板21向かって傾斜するよう取り付けられている。上腕2は、支持部材を成している。   As shown in FIGS. 3 and 4, the upper arm 2 has a bottom plate 21, a pair of side plates 22 and 23, an upper plate 24, and a joint plate 25. The bottom plate 21 is formed in a rectangular shape. The side plates 22 and 23 are provided on both side edges of the bottom plate 21 so as to rise perpendicularly to the bottom plate 21. The upper plate 24 is provided so as to connect the upper ends of the side plates 22 and 23 opposite to the forearms. The joint plate 25 is provided so as to connect the upper portions on the forearm side with respect to the upper plates 24 of the side plates 22 and 23. The joint plate 25 is attached to be inclined toward the bottom plate 21 on the forearm side so that when the arm is bent, the forearm is bent about 135 degrees with respect to the upper arm 2 in the same manner as a human being. The upper arm 2 forms a support member.

図3および図4に示すように、前腕モデル3は、円筒状のモデルパイプ31と、モデルパイプ31の一端に取り付けられた前腕用フランジ32と、前腕用フランジ32のモデルパイプ31とは反対側に設けられたフランジ固定具33とを有している。   As shown in FIGS. 3 and 4, the forearm model 3 includes a cylindrical model pipe 31, a forearm flange 32 attached to one end of the model pipe 31, and the forearm flange 32 opposite to the model pipe 31. And a flange fixing member 33 provided on the head.

図5乃至図7に示すように、スライダ式加圧機構4は、スライダガイド機構41と前腕伝達機構42と2対のスライダ機構43とを有している。図6に示すように、スライダガイド機構41は、関節軸41aと1対のベアリング41bと1対の大プーリ41cと1対のスライダガイド41dと1対のジョイントブロック41eと2対のスプリングガイド41fとを有している。関節軸41aは、細長いシャフトから成っている。関節軸41aは、両端に、関節角度検出用のエンコーダを取り付けるためのカラー(図示せず)が取り付けられている。   As shown in FIGS. 5 to 7, the slider pressure mechanism 4 includes a slider guide mechanism 41, a forearm transmission mechanism 42, and two pairs of slider mechanisms 43. As shown in FIG. 6, the slider guide mechanism 41 includes a joint shaft 41a, a pair of bearings 41b, a pair of large pulleys 41c, a pair of slider guides 41d, a pair of joint blocks 41e, and two pairs of spring guides 41f. And have. The joint shaft 41a is composed of an elongated shaft. The joint shaft 41a is provided with a collar (not shown) for attaching joint angle detection encoders at both ends.

各ベアリング41bは、円筒状で、内部に関節軸41aが挿入されて、それぞれ関節軸41aの両端部に設けられている。各ベアリング41bは、関節軸41aの周りをスムーズに回転するようになっている。各大プーリ41cは、円盤状で、中心に関節軸41aが貫通している。各大プーリ41cは、それぞれ各ベアリング41bの内側に配置され、関節軸41aの周りをそれぞれ独立に回転可能になっている。各スライダガイド41dは、細長い矩形板状の側方部41gと、側方部41gの両端に、側方部41gに対して同じ側に垂直に伸びるよう設けられた1対の固定部41hとを有している。各スライダガイド41dは、側方部41gの中心に関節軸41aが貫通している。各スライダガイド41dは、各固定部41hを内側に向けて、それぞれ各大プーリ41cの内側に配置されている。各スライダガイド41dは、六角ボルトにより各大プーリ41cに固定されており、それぞれ各大プーリ41cと共に回転するようになっている。   Each bearing 41b is cylindrical and has a joint shaft 41a inserted therein, and is provided at both ends of the joint shaft 41a. Each bearing 41b rotates smoothly around the joint shaft 41a. Each large pulley 41c is disk-shaped, and the joint shaft 41a passes through the center. Each large pulley 41c is arranged inside each bearing 41b, and can rotate independently around the joint shaft 41a. Each slider guide 41d includes an elongated rectangular plate-shaped side portion 41g and a pair of fixing portions 41h provided at both ends of the side portion 41g so as to extend perpendicularly to the same side with respect to the side portion 41g. Have. Each slider guide 41d has a joint shaft 41a passing through the center of the side portion 41g. Each slider guide 41d is arranged inside each large pulley 41c with each fixed portion 41h facing inward. Each slider guide 41d is fixed to each large pulley 41c by a hexagonal bolt, and rotates together with each large pulley 41c.

各ジョイントブロック41eは、直方体形状を成し、1対の対面に各スプリングガイド41fを挿入するための挿入孔(図示せず)を有している。各ジョイントブロック41eは、他の1対の対面の中心に関節軸41aが貫通している。各ジョイントブロック41eは、それぞれ各スライダガイド41dの内側に、各スライダガイド41dから所定の距離をあけて設けられている。各スプリングガイド41fは、細長い円柱状で、一端にフランジ部41iを有している。各スプリングガイド41fは、他端が各ジョイントブロック41eの挿入孔に挿入され、フランジ部41iが各スライダガイド41dの各固定部41hに固定されている。各スプリングガイド41fは、各ジョイントブロック41eの挿入孔に対し変位可能に、各ジョイントブロック41eに対して、ねじ等による固定は施されていない。各ジョイントブロック41eおよび各スプリングガイド41fは、それぞれ各スライダガイド41dと共に回転するようになっている。   Each joint block 41e has a rectangular parallelepiped shape and has an insertion hole (not shown) for inserting each spring guide 41f into a pair of facing surfaces. Each joint block 41e has a joint shaft 41a passing through the center of another pair of facing surfaces. Each joint block 41e is provided inside each slider guide 41d at a predetermined distance from each slider guide 41d. Each spring guide 41f has an elongated cylindrical shape and has a flange portion 41i at one end. The other end of each spring guide 41f is inserted into the insertion hole of each joint block 41e, and the flange portion 41i is fixed to each fixing portion 41h of each slider guide 41d. Each spring guide 41f is not fixed to each joint block 41e with a screw or the like so as to be displaceable with respect to the insertion hole of each joint block 41e. Each joint block 41e and each spring guide 41f rotate together with each slider guide 41d.

なお、各ジョイントブロック41eは、上下対のスプリングガイド41fが片持ちになるため、それを防ぐために設けられている。各ジョイントブロック41eは、あたかも上下のスプリングガイド41fが一つの軸で構成されているかのような、ポストとしての役割を果たしている。各ジョイントブロック41eは、関節軸41aが貫通しているため、各スプリングガイド41fが関節軸41aに干渉しないよう構成されている。   Each joint block 41e is provided to prevent the upper and lower spring guides 41f from being cantilevered. Each joint block 41e plays a role as a post as if the upper and lower spring guides 41f are formed of a single shaft. Each joint block 41e is configured such that each spring guide 41f does not interfere with the joint shaft 41a because the joint shaft 41a passes therethrough.

図6に示すように、前腕伝達機構42は、中央伝達部42aと1対のサイド伝達部42b,42cとを有している。中央伝達部42aは、細長い立方体形状を成している。中央伝達部42aは、1対の側面の両側縁に沿って、長さ方向の中央部から一端部にかけて設けられた2対の中央レール溝42dを有している。各サイド伝達部42b,42cは、矩形枠状を成している。各サイド伝達部42b,42cは、中央伝達部42aの他の1対の側面の幅と同じ側面の幅を有している。各サイド伝達部42b,42cは、1つの側面が、それぞれ中央伝達部42aの他の1対の側面に固定されている。各サイド伝達部42b,42cは、中央伝達部42aの長さ方向の他端部が突出するよう、中央伝達部42aの各中央レール溝42dに対応する位置に固定されている。各サイド伝達部42b,42cは、両端面の外側の側縁に沿って、それぞれ1対のサイドレール溝42eを有している。   As shown in FIG. 6, the forearm transmission mechanism 42 includes a central transmission part 42 a and a pair of side transmission parts 42 b and 42 c. The central transmission part 42a has an elongated cubic shape. The central transmission part 42a has two pairs of central rail grooves 42d provided from the central part in the length direction to one end part along both side edges of the pair of side surfaces. Each side transmission part 42b, 42c comprises the rectangular frame shape. Each side transmission part 42b, 42c has the same side width as the width of the other pair of side faces of the central transmission part 42a. Each side transmission part 42b, 42c has one side surface fixed to the other pair of side surfaces, respectively. Each side transmission part 42b, 42c is being fixed to the position corresponding to each center rail groove | channel 42d of the center transmission part 42a so that the other end part of the length direction of the center transmission part 42a may protrude. Each of the side transmission portions 42b and 42c has a pair of side rail grooves 42e along the outer side edges of both end faces.

前腕伝達機構42は、各サイド伝達部42b,42cの内部に、各ジョイントブロック41eが位置するよう配置されている。前腕伝達機構42は、中央伝達部42aおよび各サイド伝達部42b,42cに関節軸41aが貫通しており、各ジョイントブロック41eや各スプリングガイド41f等とは独立して回転可能になっている。図3および図4に示すように、前腕伝達機構42は、中央伝達部42aの長さ方向の他端部に、前腕モデル3のフランジ固定具33が固定されている。これにより、前腕伝達機構42は、前腕モデル3とともに回転するようになっている。   The forearm transmission mechanism 42 is arranged inside each side transmission part 42b, 42c so that each joint block 41e is located. In the forearm transmission mechanism 42, the joint shaft 41a passes through the central transmission portion 42a and the side transmission portions 42b and 42c, and is rotatable independently of the joint blocks 41e and the spring guides 41f. As shown in FIGS. 3 and 4, in the forearm transmission mechanism 42, the flange fixing tool 33 of the forearm model 3 is fixed to the other end portion of the central transmission portion 42 a in the length direction. As a result, the forearm transmission mechanism 42 rotates together with the forearm model 3.

図7に示すように、各スライダ機構43は、スライダ本体43aとスライダシャフト43bと1対のスライダサイド43cと1対のローラ43dと1対の止め輪43eと弾性部材43fとを有している。スライダ本体43aは、横方向に内部を貫通してスライダシャフト43bが取り付けられており、内部にスライダシャフト43bのためのベアリング(図示せず)が封入されている。スライダ本体43aは、スライダシャフト43bに平行なバネ設置面43gと、バネ設置面43gの中心を貫通するよう設けられたガイド貫通孔(図示せず)とを有している。各スライダサイド43cは、スライダシャフト43bが貫通しており、スライダ本体43a内部のベアリングのストッパーとして、スライダ本体43aの両側面に固定されている。   As shown in FIG. 7, each slider mechanism 43 has a slider body 43a, a slider shaft 43b, a pair of slider sides 43c, a pair of rollers 43d, a pair of retaining rings 43e, and an elastic member 43f. . The slider main body 43a penetrates the inside in the horizontal direction and is attached with a slider shaft 43b. A bearing (not shown) for the slider shaft 43b is enclosed inside. The slider main body 43a has a spring installation surface 43g parallel to the slider shaft 43b and a guide through hole (not shown) provided so as to penetrate the center of the spring installation surface 43g. Each slider side 43c penetrates the slider shaft 43b, and is fixed to both side surfaces of the slider body 43a as a bearing stopper inside the slider body 43a.

各ローラ43dは、円柱状で、中心にスライダシャフト43bが貫通しており、スライダシャフト43bを回転軸として回転可能に、各スライダサイド43cの外側に設けられている。各ローラ43dは、弾性部材43fによる圧縮荷重に耐性のあるベアリング(図示せず)を有している。各止め輪43eは、円盤状で、中心にスライダシャフト43bが貫通している。各止め輪43eは、各ローラ43dがスライダシャフト43bから外れないよう押さえるために、各ローラ43dの外側に取り付けられている。   Each roller 43d has a cylindrical shape, and a slider shaft 43b passes through the center thereof. The rollers 43d are provided outside the slider side 43c so as to be rotatable about the slider shaft 43b as a rotation axis. Each roller 43d has a bearing (not shown) that is resistant to the compressive load applied by the elastic member 43f. Each retaining ring 43e has a disk shape, and a slider shaft 43b passes through the center. Each retaining ring 43e is attached to the outside of each roller 43d so as to prevent each roller 43d from being detached from the slider shaft 43b.

弾性部材43fは、線形バネのコイルスプリングから成っている。弾性部材43fは、内部がガイド貫通孔に連通するよう、スライダ本体43aのバネ設置面43gに配置されている。図5および図7に示すように、各スライダ機構43は、弾性部材43fの内部およびガイド貫通孔にスプリングガイド41fが貫通するよう、スライダガイド機構41に取り付けられている。このとき、各スライダ機構43は、各ローラ43dがそれぞれ中央レール溝42dおよびサイドレール溝42eに位置し、各溝42d,42eに沿って直線移動可能になっている。各スライダ機構43は、各ジョイントブロック41eや各スプリングガイド41f等とともに回転するようになっている。   The elastic member 43f is composed of a coil spring of a linear spring. The elastic member 43f is disposed on the spring installation surface 43g of the slider body 43a so that the inside communicates with the guide through hole. As shown in FIGS. 5 and 7, each slider mechanism 43 is attached to the slider guide mechanism 41 so that the spring guide 41f penetrates the inside of the elastic member 43f and the guide through hole. At this time, in each slider mechanism 43, each roller 43d is positioned in the central rail groove 42d and the side rail groove 42e, respectively, and can move linearly along each of the grooves 42d and 42e. Each slider mechanism 43 rotates together with each joint block 41e, each spring guide 41f, and the like.

これにより、スライダ式加圧機構4は、スライダガイド41dが、その回転運動のトルクをスライダ機構43に伝達するようになっている。スプリングガイド41fは、弾性部材43fの圧縮変形を直線的に行えるように補助するものである。スプリングガイド41fがない場合、弾性部材43fは直線的に変形圧縮せず、圧縮力に偏りが生じ、弾性部材43fの破損原因となるため、スプリングガイド41fの取り付けは必須である。   Thus, in the slider-type pressurizing mechanism 4, the slider guide 41 d transmits the torque of the rotational motion to the slider mechanism 43. The spring guide 41f assists the linear deformation of the elastic member 43f. When the spring guide 41f is not provided, the elastic member 43f is not deformed and compressed linearly, and the compressive force is biased to cause damage to the elastic member 43f. Therefore, the spring guide 41f must be attached.

図3に示すように、前腕モデル3およびスライダ式加圧機構4は、上腕2の関節板25より前腕側に、モデルパイプ31を前腕側に向けるようにして取り付けられている。スライダ式加圧機構4は、上腕2の各側板22,23の間に、関節軸41aの両端が各側板22,23から貫通するよう設けられている。スライダ式加圧機構4は、スライダガイド機構41の各ベアリング41bが転がり軸受として上腕2の各側板22,23に固定され、前腕伝達機構42、前腕モデル3、各ジョイントブロック41e、各スプリングガイド41f等が、関節軸41aを回転軸として、上腕2に対して回転可能になっている。   As shown in FIG. 3, the forearm model 3 and the slider-type pressurizing mechanism 4 are attached to the forearm side of the joint plate 25 of the upper arm 2 so that the model pipe 31 faces the forearm side. The slider type pressurizing mechanism 4 is provided between the side plates 22 and 23 of the upper arm 2 so that both ends of the joint shaft 41 a penetrate from the side plates 22 and 23. In the slider type pressurizing mechanism 4, each bearing 41b of the slider guide mechanism 41 is fixed to each side plate 22, 23 of the upper arm 2 as a rolling bearing, and the forearm transmission mechanism 42, the forearm model 3, each joint block 41e, each spring guide 41f. Are rotatable with respect to the upper arm 2 using the joint shaft 41a as a rotation axis.

図4に示すように、アクチュエータ5は、二基から成り、それぞれDCモータ51と減速機52と小プーリ53とを有している。小プーリ53は、減速機52の出力軸に取り付けられている。各アクチュエータ5は、上腕2の上板24と底板21との間に、小プーリ53がスライダ式加圧機構4の各大プーリ41cに対応する位置になるよう配置されている。各アクチュエータ5は、互いに反対向きで平行になるよう、上腕2の上板24と底板21に固定板54で固定されたアクチュエータマウント55に取り付けられている。   As shown in FIG. 4, the actuator 5 includes two units, and each includes a DC motor 51, a speed reducer 52, and a small pulley 53. The small pulley 53 is attached to the output shaft of the speed reducer 52. Each actuator 5 is disposed between the upper plate 24 and the bottom plate 21 of the upper arm 2 such that the small pulley 53 is in a position corresponding to each large pulley 41 c of the slider type pressurizing mechanism 4. Each actuator 5 is attached to an actuator mount 55 fixed to the upper plate 24 and the bottom plate 21 of the upper arm 2 by a fixing plate 54 so as to be parallel to each other in opposite directions.

アクチュエータ5は、小プーリ53と大プーリ41cとに巻き付けられたベルト(図示せず)により、その動力をスライダ式加圧機構4に伝達するようになっている。なお、大プーリ41cと小プーリ53とのプーリ比は2:1であり、アクチュエータ5からのトルクが、スライダ式加圧機構4で二倍になるよう構成されている。また、図3に示すように、ベルトによる動力の伝達のロスを防ぐため、テンションプーリとしての役割を持つアイドラ56が、上腕2の側板22,23にスライド可能に取り付けられている。アイドラ56は、ベルトが弛まない程度の張力を掛けるよう構成されている。   The actuator 5 transmits its power to the slider-type pressurizing mechanism 4 by a belt (not shown) wound around the small pulley 53 and the large pulley 41c. The pulley ratio between the large pulley 41 c and the small pulley 53 is 2: 1, and the torque from the actuator 5 is configured to be doubled by the slider type pressurizing mechanism 4. Further, as shown in FIG. 3, an idler 56 serving as a tension pulley is slidably attached to the side plates 22 and 23 of the upper arm 2 in order to prevent loss of power transmission by the belt. The idler 56 is configured to apply a tension that prevents the belt from slackening.

図5に示すように、可変剛性を有する関節機構1では、アクチュエータ5からの動力がスライダガイド機構41に回転運動を与える。このとき、スライダ機構43は垂直状態の初期姿勢からスライダガイド機構41の回転力により前腕伝達機構42に対して傾斜した姿勢になる。さらに傾斜角が増大するにつれて、スライダ機構43の弾性部材43fのばね長が自然長より圧縮されていく。これにより、スライダ機構43が前腕伝達機構42に対して作用する力が大きくなる。つまり、スライダガイド機構41の回転角に対して、弾性部材43fに掛かる力が増大し、結果として前腕伝達機構42に作用する力が増大する。   As shown in FIG. 5, in the joint mechanism 1 having variable rigidity, the power from the actuator 5 gives a rotational motion to the slider guide mechanism 41. At this time, the slider mechanism 43 is inclined from the initial posture in the vertical state with respect to the forearm transmission mechanism 42 by the rotational force of the slider guide mechanism 41. As the inclination angle further increases, the spring length of the elastic member 43f of the slider mechanism 43 is compressed from the natural length. As a result, the force that the slider mechanism 43 acts on the forearm transmission mechanism 42 increases. That is, the force applied to the elastic member 43f increases with respect to the rotation angle of the slider guide mechanism 41, and as a result, the force acting on the forearm transmission mechanism 42 increases.

可変剛性を有する関節機構1では、各スライダ機構43が、スライダガイド機構41の回転運動を各ローラ43dにより直線運動に変換し、弾性部材43fによる圧縮荷重を各ローラ43dから前腕伝達機構42に伝達させる役割を担っている。各ローラ43dによる直線運動は、各ローラ43dがそれぞれ中央レール溝42dおよびサイドレール溝42eに沿って直線移動することにより、常に定常的である。前腕伝達機構42は、スライダ機構43から受ける力を中央レール溝42dおよびサイドレール溝42eにより伝達し、結果として前腕モデル3にその力を影響させる剛性の伝達部となっている。   In the joint mechanism 1 having variable rigidity, each slider mechanism 43 converts the rotational motion of the slider guide mechanism 41 into linear motion by each roller 43d, and transmits the compression load by the elastic member 43f from each roller 43d to the forearm transmission mechanism 42. I have a role to let you. The linear motion by each roller 43d is always steady as each roller 43d moves linearly along the central rail groove 42d and the side rail groove 42e. The forearm transmission mechanism 42 transmits a force received from the slider mechanism 43 through the central rail groove 42d and the side rail groove 42e, and as a result, is a rigid transmission unit that affects the forearm model 3 with the force.

可変剛性を有する関節機構1では、前腕伝達機構42および前腕モデル3が、アームを成している。アームは、長さ方向に対して垂直な回転軸、すなわち関節軸41aを中心として回転可能に、支持部材である上腕2に設けられている。アームは、長さ方向に沿ったガイド部として、中央レール溝42dおよびサイドレール溝42eを有している。ガイド部は、関節軸41aからモデルパイプ31の長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。   In the joint mechanism 1 having variable rigidity, the forearm transmission mechanism 42 and the forearm model 3 form an arm. The arm is provided on the upper arm 2 that is a support member so as to be rotatable about a rotation axis perpendicular to the length direction, that is, the joint axis 41a. The arm has a central rail groove 42d and a side rail groove 42e as guide portions along the length direction. The guide portion is provided at a predetermined distance from the joint shaft 41a in a direction perpendicular to the length direction of the model pipe 31.

弾性部材43fは、圧縮方向が常に関節軸41aに向くよう、関節軸41aを中心として回転可能に上腕2に設けられている。弾性部材43fは、関節軸41aを中心として回転するとき、各ローラ43dにより関節軸41a側の一端が中央レール溝42dおよびサイドレール溝42eに沿ってスライドし、スプリングガイド41fのフランジ部41iにより他端と関節軸41aとの距離が一定に保持されるよう構成されている。これにより、弾性部材43fは、関節軸41aに向かう付勢力を前腕伝達機構42に作用させるとともに、その付勢力の向きとモデルパイプ31との成す角度を変更可能になっている。また、付勢力の向きとモデルパイプ31との成す角度に応じて、その付勢力の大きさが変化して関節軸41aの剛性が非線形に変化するようになっている。   The elastic member 43f is provided on the upper arm 2 so as to be rotatable about the joint shaft 41a so that the compression direction always faces the joint shaft 41a. When the elastic member 43f rotates around the joint shaft 41a, one end on the joint shaft 41a side is slid along the central rail groove 42d and the side rail groove 42e by each roller 43d, and the other is formed by the flange portion 41i of the spring guide 41f. The distance between the end and the joint shaft 41a is held constant. As a result, the elastic member 43f allows the forearm transmission mechanism 42 to exert an urging force directed toward the joint shaft 41a, and can change the angle between the direction of the urging force and the model pipe 31. Further, the magnitude of the urging force changes according to the direction of the urging force and the angle formed by the model pipe 31, and the rigidity of the joint shaft 41a changes non-linearly.

次に、作用について説明する。
可変剛性を有する関節機構1は、比較的簡単な構成を有しているため、重量やサイズを小さくすることができ、重量やサイズの制限を受けるロボットアームの関節機構1として搭載することができる。弾性部材43fによる関節軸41aに向かう付勢力の向きとモデルパイプ31との成す角度に応じて、前腕伝達機構42に作用する付勢力の大きさが変化して、関節軸41aの剛性が非線形に変化するため、関節軸41aすなわち関節の剛性を、高剛性から低剛性まで変化させることができる。
Next, the operation will be described.
Since the joint mechanism 1 having variable rigidity has a relatively simple configuration, the weight and size can be reduced, and the joint mechanism 1 can be mounted as a joint mechanism 1 of a robot arm subject to restrictions on the weight and size. . The magnitude of the urging force acting on the forearm transmission mechanism 42 changes in accordance with the direction of the urging force toward the joint shaft 41a by the elastic member 43f and the angle formed with the model pipe 31, and the stiffness of the joint shaft 41a becomes nonlinear. Therefore, the joint shaft 41a, that is, the joint rigidity can be changed from high rigidity to low rigidity.

ゴムのような非線形弾性部材では、入力に対する出力が非線形となるため、わずかな入力誤差や特性変化で、出力が大きく変化してしまう。これに対し、可変剛性を有する関節機構1は、弾性部材43fが線形性を有しているため、入力誤差や特性変化に対して出力が線形に変化し、誤差の推定が容易である。また、弾性部材43fによる付勢力の前腕伝達機構42に作用する方向が変化することにより、関節軸41aすなわち関節の剛性を変化させるため、弾性部材43fの劣化による影響を抑えることができ、かつその影響の推定が容易である。弾性部材43fがコイルスプリングから成るため、耐久性が高い。   In the case of a non-linear elastic member such as rubber, the output with respect to the input becomes non-linear, so that the output greatly changes with a slight input error or characteristic change. On the other hand, in the joint mechanism 1 having variable rigidity, since the elastic member 43f has linearity, the output changes linearly with respect to the input error or characteristic change, and the error can be easily estimated. Further, since the direction in which the urging force of the elastic member 43f acts on the forearm transmission mechanism 42 changes, the joint shaft 41a, that is, the stiffness of the joint is changed, so that the influence of the deterioration of the elastic member 43f can be suppressed, and It is easy to estimate the impact. Since the elastic member 43f is made of a coil spring, the durability is high.

可変剛性を有する関節機構1は、上腕2に対する各弾性部材43fの回転角度をアクチュエータ5で調整することにより、関節軸41aの剛性および上腕2に対するモデルパイプ31の位置(関節角度)の二出力を調整することができる。すなわち、可変剛性を有する関節機構1は、二基のアクチュエータ5を稼働させることにより、以下の三つの挙動を成すことができる。   The joint mechanism 1 having variable rigidity adjusts the rotation angle of each elastic member 43 f with respect to the upper arm 2 by the actuator 5, thereby providing two outputs of the rigidity of the joint shaft 41 a and the position (joint angle) of the model pipe 31 with respect to the upper arm 2. Can be adjusted. That is, the joint mechanism 1 having variable rigidity can perform the following three behaviors by operating the two actuators 5.

低剛性状態:二つの対向するスライダガイド41dが互いに同位相(同じ回転方向で同じ回転角度)の状態では関節軸41aの角度を変化させる、つまり前腕を動かす動作となり、関節剛性は低い状態である。   Low rigidity state: When two opposing slider guides 41d are in the same phase (same rotation direction and same rotation angle), the angle of the joint shaft 41a is changed, that is, the forearm is moved, and the joint rigidity is low. .

高剛性状態:低剛性状態とは反対に、逆位相(互いの回転方向が逆で同じ回転角度)の状態では、関節軸41aの角度は変化しないが、スライダガイド41dの回転角が増大するにつれ、前腕伝達機構42に対してスライダ機構43の支持力が増大する。さらに、逆位相に差(回転角度の絶対値の差)が出るにつれて、前腕伝達機構42への付勢力が増大し、関節剛性が高剛性へと変化する。図8は、この時の状況を示している。しかし、この状態では、剛性を変化させるだけであり、関節角度は変化できない。   High rigidity state: Contrary to the low rigidity state, the joint shaft 41a does not change in the opposite phase state (the rotation directions are opposite and the same rotation angle), but as the rotation angle of the slider guide 41d increases. Further, the support force of the slider mechanism 43 with respect to the forearm transmission mechanism 42 increases. Further, as the difference in the reverse phase (the difference in absolute value of the rotation angle) occurs, the urging force to the forearm transmission mechanism 42 increases and the joint rigidity changes to high rigidity. FIG. 8 shows the situation at this time. However, in this state, only the stiffness is changed, and the joint angle cannot be changed.

剛性と関節角度とを変化させる状態:低剛性状態と高剛性状態とを組み合わせた場合、つまりある程度の剛性を有しながら、なおかつ関節角度を変化させて前腕(モデルパイプ31)を動かす場合、互いのスライダガイド41dの回転角度に差があれば実現できる。例として、前腕を水平状態(関節角度が0度)の時から90度だけ屈曲させ、なおかつ剛性も変化させるには、各スライダガイド41dの回転角を同じ方向に105度と75度とに設定する。この時、上腕2に対して前腕(モデルパイプ31)を90度曲げることができる。更に、各スライダガイド41dの角度差分は30度であるため、この角度差分が関節剛性として現れる。同様に、各スライダガイド41dが同じ回転方向で角度120度、60度だとすると、前腕は90度屈曲し、角度差分が60度であるため、先ほどの30度の時よりも剛性が高い状態になる。   A state in which the stiffness and the joint angle are changed: When the low stiffness state and the high stiffness state are combined, that is, when the forearm (model pipe 31) is moved while changing the joint angle while having a certain degree of stiffness, This can be realized if there is a difference in the rotation angle of the slider guide 41d. As an example, in order to bend the forearm by 90 degrees from the horizontal state (joint angle is 0 degree) and also change the rigidity, the rotation angle of each slider guide 41d is set to 105 degrees and 75 degrees in the same direction. To do. At this time, the forearm (model pipe 31) can be bent 90 degrees with respect to the upper arm 2. Furthermore, since the angle difference of each slider guide 41d is 30 degrees, this angle difference appears as joint rigidity. Similarly, if each slider guide 41d has an angle of 120 degrees and 60 degrees in the same rotational direction, the forearm bends 90 degrees and the angle difference is 60 degrees, so that the rigidity is higher than the previous 30 degrees. .

可変剛性を有する関節機構1は、ロボットの関節のみならず義足、義腕といった医療補助具への応用が期待される。医療補助具のユーザ側にとって、柔剛性を有する関節は、人間の関節に近いため親和性があり、実生活において利便性の向上が期待できる。   The joint mechanism 1 having variable rigidity is expected to be applied not only to robot joints but also to medical aids such as artificial legs and artificial arms. For the user side of the medical aid, a joint having flexibility is close to a human joint and thus has an affinity, and an improvement in convenience in real life can be expected.

本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を示す原理図である。It is a principle figure which shows the principle of the joint mechanism which has variable rigidity based on this invention. 本発明に係る可変剛性を有する関節機構の、スライダ式加圧機構を二つ用いたときの原理を示す原理図である。It is a principle figure which shows the principle when two slider type pressurization mechanisms of the joint mechanism which has the variable rigidity based on this invention are used. 本発明の実施の形態の可変剛性を有する関節機構を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the joint mechanism which has the variable rigidity of embodiment of this invention. 図3に示す可変剛性を有する関節機構の、外装の一方の側板および上板を取り外した斜視図である。It is the perspective view which removed one side board and upper board of the exterior of the joint mechanism which has variable rigidity shown in FIG. 図3に示す可変剛性を有する関節機構のスライダ式加圧機構を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the slider type pressurization mechanism of the joint mechanism which has the variable rigidity shown in FIG. 図3に示す可変剛性を有する関節機構のスライダガイド機構および前腕伝達機構を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a slider guide mechanism and a forearm transmission mechanism of the joint mechanism having variable rigidity shown in FIG. 3. 図3に示す可変剛性を有する関節機構のスライダ機構を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the slider mechanism of the joint mechanism which has the variable rigidity shown in FIG. 図3に示す可変剛性を有する関節機構の、高剛性状態のスライダ式加圧機構を示す側面図である。It is a side view which shows the slider type pressurization mechanism of the highly rigid state of the joint mechanism which has the variable rigidity shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 可変剛性を有する関節機構
2 上腕
21 底板
22,23 側板
24 上板
25 関節板
3 前腕モデル
31 モデルパイプ
32 前腕用フランジ
33 フランジ固定具
4 スライダ式加圧機構
41 スライダガイド機構
41a 関節軸
41b ベアリング
41c 大プーリ
41d スライダガイド
41e ジョイントブロック
41f スプリングガイド
42 前腕伝達機構
42a 中央伝達部
42b,42c サイド伝達部
42d 中央レール溝
42e サイドレール溝
43 スライダ機構
43a スライダ本体
43b スライダシャフト
43c スライダサイド
43d ローラ
43e 止め輪
43f 弾性部材
5 アクチュエータ
51 DCモータ
52 減速機
53 小プーリ
54 固定板
55 アクチュエータマウント
56 アイドラ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Joint mechanism with variable rigidity 2 Upper arm 21 Bottom plate 22, 23 Side plate 24 Upper plate 25 Joint plate 3 Forearm model 31 Model pipe 32 Forearm flange 33 Flange fixture 4 Slider type pressurization mechanism 41 Slider guide mechanism 41a Joint shaft 41b Bearing 41c Large pulley 41d Slider guide 41e Joint block 41f Spring guide 42 Forearm transmission mechanism 42a Central transmission part 42b, 42c Side transmission part 42d Central rail groove 42e Side rail groove 43 Slider mechanism 43a Slider body 43b Slider shaft 43c Slider side 43d Roller 43e Stop Wheel 43f Elastic member 5 Actuator 51 DC motor 52 Reduction gear 53 Small pulley 54 Fixed plate 55 Actuator mount 56 Idler

Claims (3)

支持部材とアームと弾性部材とを有し、
前記アームは長さ方向に対して垂直な回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、
前記弾性部材は線形性を有し、前記回転軸に向かう付勢力を前記アームに作用させるとともに、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度を変更可能に前記支持部材に設けられ、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度に応じて、前記付勢力の大きさが変化して前記回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されていることを、
特徴とする可変剛性を有する関節機構。
A support member, an arm, and an elastic member;
The arm is provided on the support member so as to be rotatable about a rotation axis perpendicular to the length direction,
The elastic member has linearity, and is provided on the support member so that an urging force directed to the rotation shaft is applied to the arm, and an angle formed by the direction of the urging force and the arm is changeable. In accordance with the direction of the force and the angle formed by the arm, the magnitude of the biasing force is changed, and the rigidity of the rotating shaft is configured to change nonlinearly.
A joint mechanism having variable rigidity.
前記アームは長さ方向に沿ったガイド部を有し、前記ガイド部は前記回転軸から前記アームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられ、
前記弾性部材は圧縮バネから成り、圧縮方向が常に前記回転軸に向くよう前記回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記回転軸を中心として回転するとき、前記回転軸側の一端が前記ガイド部に沿ってスライドし、他端と前記回転軸との距離が一定に保持されるよう構成されていることを、
特徴とする請求項1記載の可変剛性を有する関節機構。
The arm has a guide portion along a length direction, and the guide portion is provided at a predetermined distance from the rotation axis in a direction perpendicular to the length direction of the arm,
The elastic member is formed of a compression spring, and is provided on the support member so as to be rotatable about the rotation axis so that the compression direction is always directed to the rotation axis, and when rotating about the rotation axis, One end slides along the guide portion, and the distance between the other end and the rotation shaft is held constant.
The joint mechanism having variable rigidity according to claim 1.
前記アームは前記ガイド部を1対有し、
前記弾性部材は1対から成り、前記回転軸を中心としてそれぞれ独立に回転可能であり、前記回転軸を中心として回転するとき、それぞれ前記一端が各ガイド部に沿ってスライドするよう構成されていることを、
特徴とする請求項2記載の可変剛性を有する関節機構。
The arm has a pair of the guide portions,
The elastic member is formed of a pair, and can be independently rotated about the rotation axis, and is configured such that, when rotating about the rotation axis, the one end slides along each guide portion. That
The joint mechanism having variable rigidity according to claim 2.
JP2007201464A 2007-08-02 2007-08-02 Joint mechanism with variable stiffness Expired - Fee Related JP5062675B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007201464A JP5062675B2 (en) 2007-08-02 2007-08-02 Joint mechanism with variable stiffness

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007201464A JP5062675B2 (en) 2007-08-02 2007-08-02 Joint mechanism with variable stiffness

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009034774A true JP2009034774A (en) 2009-02-19
JP5062675B2 JP5062675B2 (en) 2012-10-31

Family

ID=40437176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007201464A Expired - Fee Related JP5062675B2 (en) 2007-08-02 2007-08-02 Joint mechanism with variable stiffness

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5062675B2 (en)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011083884A (en) * 2009-10-19 2011-04-28 Yaskawa Electric Corp Variable rigidity mechanism and robot
JP2012066314A (en) * 2010-09-21 2012-04-05 Makoto Uchiumi Actuator device and robot device using the same
KR101379810B1 (en) * 2012-12-21 2014-04-01 한국과학기술연구원 Device for regulating stiffness
JP2014121761A (en) * 2012-12-21 2014-07-03 Honda Motor Co Ltd Linkage
GB2519323A (en) * 2013-10-16 2015-04-22 Christopher Harper-Mears A self-contained spring to mass support arm
CN104669261A (en) * 2015-02-11 2015-06-03 北京航空航天大学 Synchronous displacement adjustment type variable-stiffness joint driver and adjustment method for robot joint stiffness
CN105313117A (en) * 2015-11-30 2016-02-10 华南理工大学 Adjustable-stiffness driver based on non-linear elastic element and driving method thereof
WO2016080786A1 (en) * 2014-11-19 2016-05-26 국립암센터 Apparatus for controlling stiffness of output member during rotational and translational movements
WO2016111436A1 (en) * 2015-01-05 2016-07-14 고려대학교 산학협력단 Variable rigidity robot joint system
CN106182067A (en) * 2016-07-11 2016-12-07 中国矿业大学 A kind of stiffness variable flexible rotational joint
JP2017522509A (en) * 2014-11-19 2017-08-10 ナショナル キャンサー センター Device for controlling the stiffness of the output link during rotation and translation
CN108453721A (en) * 2018-03-13 2018-08-28 南京工程学院 Controllable variation rigidity flexible actuator
CN109676600A (en) * 2019-01-21 2019-04-26 合肥工业大学 A kind of variation rigidity flexible actuator and its motion control method based on reed-type
JP2019177426A (en) * 2018-03-30 2019-10-17 本田技研工業株式会社 Link mechanism
CN110640784A (en) * 2019-11-05 2020-01-03 哈尔滨工业大学(深圳) Variable-rigidity joint device based on lever mechanism
CN114193505A (en) * 2021-12-20 2022-03-18 杭州电子科技大学 Rotating shaft rigidity adjusting device and application thereof

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105328711B (en) * 2015-11-10 2017-03-29 哈尔滨工业大学 A kind of modularity variation rigidity joint
CN105538337B (en) * 2016-02-02 2017-06-06 哈尔滨工业大学 A kind of high accuracy steel wire rope vertical-transmission joint

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60172489A (en) * 1984-02-14 1985-09-05 株式会社東芝 Actuator
JP2003340770A (en) * 2002-05-21 2003-12-02 Toyota Motor Corp Robot
JP2006231454A (en) * 2005-02-24 2006-09-07 Oki Electric Ind Co Ltd Articulated arm mechanism
JP2006250296A (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Tokai Univ Nonlinear elasticity mechanism and articulation mechanism for robot

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60172489A (en) * 1984-02-14 1985-09-05 株式会社東芝 Actuator
JP2003340770A (en) * 2002-05-21 2003-12-02 Toyota Motor Corp Robot
JP2006231454A (en) * 2005-02-24 2006-09-07 Oki Electric Ind Co Ltd Articulated arm mechanism
JP2006250296A (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Tokai Univ Nonlinear elasticity mechanism and articulation mechanism for robot

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011083884A (en) * 2009-10-19 2011-04-28 Yaskawa Electric Corp Variable rigidity mechanism and robot
JP2012066314A (en) * 2010-09-21 2012-04-05 Makoto Uchiumi Actuator device and robot device using the same
JP2014121761A (en) * 2012-12-21 2014-07-03 Honda Motor Co Ltd Linkage
KR101379810B1 (en) * 2012-12-21 2014-04-01 한국과학기술연구원 Device for regulating stiffness
GB2519323A (en) * 2013-10-16 2015-04-22 Christopher Harper-Mears A self-contained spring to mass support arm
GB2519323B (en) * 2013-10-16 2016-06-08 Harper-Mears Christopher A self-contained spring to mass support arm
US9902064B2 (en) 2014-11-19 2018-02-27 National Cancer Center Apparatus for controlling stiffness of output link in moving mechanism
WO2016080786A1 (en) * 2014-11-19 2016-05-26 국립암센터 Apparatus for controlling stiffness of output member during rotational and translational movements
EP3235610A4 (en) * 2014-11-19 2019-01-16 National Cancer Center Apparatus for controlling stiffness of output member during rotational and translational movements
JP2017522509A (en) * 2014-11-19 2017-08-10 ナショナル キャンサー センター Device for controlling the stiffness of the output link during rotation and translation
KR101793338B1 (en) * 2014-11-19 2017-11-02 국립암센터 Apparatus for controlling Stiffness of output member for rotary motion and translational motion
KR101807365B1 (en) * 2014-11-19 2017-12-08 국립암센터 Apparatus for controlling Stiffness of output member for rotary motion and translational motion
WO2016111436A1 (en) * 2015-01-05 2016-07-14 고려대학교 산학협력단 Variable rigidity robot joint system
CN104669261A (en) * 2015-02-11 2015-06-03 北京航空航天大学 Synchronous displacement adjustment type variable-stiffness joint driver and adjustment method for robot joint stiffness
CN105313117A (en) * 2015-11-30 2016-02-10 华南理工大学 Adjustable-stiffness driver based on non-linear elastic element and driving method thereof
CN106182067A (en) * 2016-07-11 2016-12-07 中国矿业大学 A kind of stiffness variable flexible rotational joint
CN108453721A (en) * 2018-03-13 2018-08-28 南京工程学院 Controllable variation rigidity flexible actuator
JP2019177426A (en) * 2018-03-30 2019-10-17 本田技研工業株式会社 Link mechanism
CN109676600A (en) * 2019-01-21 2019-04-26 合肥工业大学 A kind of variation rigidity flexible actuator and its motion control method based on reed-type
CN109676600B (en) * 2019-01-21 2021-12-14 合肥工业大学 Reed type variable-rigidity flexible driver and motion control method thereof
CN110640784A (en) * 2019-11-05 2020-01-03 哈尔滨工业大学(深圳) Variable-rigidity joint device based on lever mechanism
CN110640784B (en) * 2019-11-05 2020-12-25 哈尔滨工业大学(深圳) Variable-rigidity joint device based on lever mechanism
CN114193505A (en) * 2021-12-20 2022-03-18 杭州电子科技大学 Rotating shaft rigidity adjusting device and application thereof
CN114193505B (en) * 2021-12-20 2024-01-30 杭州电子科技大学 Rotating shaft rigidity adjusting device and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP5062675B2 (en) 2012-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5062675B2 (en) Joint mechanism with variable stiffness
Kim et al. Quaternion joint: Dexterous 3-dof joint representing quaternion motion for high-speed safe interaction
US10371128B2 (en) Compliant actuator
JP2022104963A (en) Positioning device
JP2006123149A (en) Joint driving mechanism and robot hand
JP5369091B2 (en) Strength assist device
US10174818B2 (en) Roller drive
KR101790863B1 (en) Robot arm with gravity compensation mechanism
WO2006119033A3 (en) Harmonic drive linear actuator
JP2014097548A (en) Rigidity variable mechanism, rigidity variable driving device and joint driving device
Chaichaowarat et al. Design and modeling of a variable-stiffness spring mechanism for impedance modulation in physical human–robot interaction
JP6694521B2 (en) Bending mechanism and medical manipulator
JP2011121163A (en) Robot
Tadakuma et al. Omnidirectional driving gears and their input mechanism with passive rollers
Kobayashi et al. Development of simplified wearable wrist rehabilitation device using low-friction type flexible pneumatic cylinders
JP6333024B2 (en) Motor, control system and control method
JP6166853B1 (en) Device for controlling the stiffness of the output link during rotation and translation
JP3706848B2 (en) Drive device
JP2008232197A (en) Guide rail stopper mechanism of three-degree-of-freedom rotation system and application
JP6453123B2 (en) Actuator
US11469688B2 (en) Vibration actuator, and drive device, multi-axis stage unit, and articulated robot that use vibration actuator
JP5426897B2 (en) Drive device
JP7117760B2 (en) 6 DOF joint
Zhang et al. Design and analysis of a novel variable stiffness joint for robot
Tamaki et al. Development of flexible electro-hydraulic cylinder for flexible spherical actuator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100603

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20100604

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111209

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120117

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120314

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20120315

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120731

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120801

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150817

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees