JP2009047299A

JP2009047299A - 関節の変速駆動機構

Info

Publication number: JP2009047299A
Application number: JP2007241549A
Authority: JP
Inventors: Koji Kanamaru; 孝二金丸
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】駆動源の負荷を軽減させつつ、高トルク駆動，高速駆動を両立する関節を実現する。
【解決手段】駆動側クランク１と作動側クランク２をロッド３で接続して非平行四辺形リンクを構成し、一方のクランクが死点付近にあるとき、他方のクランクとロッド３のなす角が９０°付近になるようにし、力の伝達関数を非線形にする。これにより高負荷となる姿勢では高トルクで、低負荷となる姿勢では高速で関節４を駆動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、姿勢によって負荷が変化する機械の関節の駆動機構に関する。

近年、ロボット等の開発を進める上で、高トルク駆動と高速駆動を両立する関節機構が求められている。

従来の関節機構は、図６のようにフレームに取り付けられたサーボモーターが、関節を直接駆動するものである。歩行ロボットの膝関節に使用した場合、図６（ａ）の状態は膝を曲げて、しゃがみこんだ姿勢であり、機体重量が大きなモーメントとなってサーボモーターにかかるため、大きな駆動トルクが必要となる。また、図６（ｂ）の状態は直立姿勢でありモーメントは殆どかからないが、サーボモーターの駆動速度の限界が歩行速度を決定付けていた。
このため高トルク駆動と高速駆動に対応できるよう、モーターの出力に大きく余裕を設けたり、広い負荷変動に合わせた駆動制御が必要であった。

本発明では、簡素な構成で高トルク駆動と高速駆動を両立する関節機構を実現する。
図１に本発明の構成をしめす。関節を駆動する機構は駆動側クランク１と作動側クランク２と、それらをつなぐロッド３によるリンクによって構成される。駆動側クランク１と作動側クランク２の動作範囲は９０°を基準にしているが、膝関節のようにフレーム６がフレーム５に対して１８０°動作する場合のために、各フレームに固定された歯車７，８による倍角駆動をおこなっている。
図２に本発明の動作について説明する。
図２（ａ）は関節を曲げた状態であり、膝関節の場合、機体重量が大きなモーメントとなって加わり、荷重負荷は最大となる。図２（ｂ）は関節を伸ばした状態であり、膝関節の場合、機体重量はモーメントとしてかからなくなり荷重負荷は０になる。
このときの負荷の変化を図２（ｃ）にしめす。比較のため、従来の機構のように関節の角度をサーボモーターで直接駆動する場合の駆動負荷曲線を一点鎖線でしめす。出力角＝９０°−駆動角であるため、駆動負荷＝荷重負荷＝機体重量×ｃｏｓ（駆動角）で表わされ、駆動負荷の最大値は大きい。本発明の場合は、駆動角に対して出力角の進行が遅れる分、どの駆動角においても荷重負荷が従来の場合より高くなるが、変速効果により駆動負荷が最大となる角度が、荷重負荷が最大となる角度からずれるため、最大駆動負荷が軽減される。駆動角０°側が高トルク駆動領域、９０°側が高速駆動領域となる。

図３に具体的な数値例をしめす。
図３（ａ）のように駆動側クランク１と作動側クランク２の長さを３、ロッド３の長さを６、クランク回転軸間の距離を２としたとき、図３（ｂ）のように駆動角９０°に対して、出力角の変化は８２°と動作範囲は狭くなるが、駆動負荷の最大値は荷重負荷の最大値の７０％程度になり、駆動角０°付近と９０°付近とでは２倍を越える変速効果が現れる。

このように本発明によって、関節の高トルク駆動と高速駆動を簡素な機構で実現し、比較的小型のモーターでスムーズな駆動をおこなうことができる。また、モーターの駆動負荷の範囲が圧縮され、モーターの効率の高い領域での駆動となるため、省エネルギー化が図れる。

本発明は機構が簡単なため、いろいろな形態の関節に応用できる。以下にその応用例を説明する。

図４（ａ），（ｂ）に、鳥や獣の脚を模して関節を逆方向に曲げる場合の構成と動作をしめす。図４（ａ）は関節を曲げた状態であり高トルク駆動を、図４（ｂ）は関節を伸ばした状態であり高速駆動をおこなう。
図４（ｃ）は足首への応用である。倍角駆動の歯車はないが、変速効果は同様である。
図５は変速比の変更に重点をおいた場合の構成をしめす。両クランクの揺動範囲を制限し、一方の移相モーターと遊星歯車の組によってリンクの基準角を変化させ、他方の移相モーターと遊星歯車の組で干渉作動量を吸収することにより、姿勢を変えることなく、リンクの変速特性の一部を抜粋した形で変速比を変えることができる。連続した屈伸動作内での変速比の範囲は狭くなるが、状況に合った任意の変速比を得ることができる。

本発明の構成図である。本発明の動作図である。本発明の動作図である。本発明の実施例の構成図である。本発明の実施例の構成図である。従来の方式の構成図である。

符号の説明

１．駆動側クランク
２．作動側クランク
３．ロッド
４．関節
５，６．フレーム
７，８．歯車

Claims

駆動側クランクと作動側クランクをロッドで接続して非平行四辺形リンクを構成し、一方のクランクが死点付近にあるとき、他方のクランクとロッドのなす角が９０°付近になるようにし、力の伝達関数を非線形にすることで、高負荷となる姿勢では高トルク駆動になり、低負荷となる姿勢では高速駆動になることを特徴とする、関節の変速駆動機構。