JP2011185328A - 直動アクチュエータ及びこれを備えたロボット - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、軽量化、不感帯領域の削減が可能な直動アクチュエータ、及びこれを備えたロボットを提供する。
【解決手段】直動アクチュエータ１１は、中空電動モータ１３の中空インナロータ１４に固定的に連結されたナット部材１５と、ナット部材１５に保持されるボール１６を介してナット部材１５に螺合するネジ溝１７ａが外周面に形成され、中空インナロータ１４に形成された貫通穴１４ａを挿通する直動出力軸１７と、ナット部材１５の軸線方向に離間して設けられ、ナット部材１５を筐体１８に支持する一対のアンギュラベアリング１９ａ，１９ｂと、アンギュラベアリング１９ａ，１９ｂの外輪間に介設されたアウタカラー２８とを備える。ナット部材１５は、アンギュラベアリング１９ａ，１９ｂの内輪間に介在するインナカラーとして機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直動アクチュエータ、及び直動アクチュエータにより揺動駆動されるリンクを備えたロボットに関する。

第１リンクと第２リンクとが関節部を介して連結され、第１リンクに対して第２リンクを揺動動作させる直動アクチュエータを備えたロボットが知られている。

例えば、特許文献１には、左右対称の脚部と胴体部とを備え、各脚部は胴体部に、股関節部を介して連結される大腿リンク（第１リンクに相当）と、該大腿リンクの下端に膝関節部（関節部に相当）を介して連結される下腿リンク（第２リンクに相当）と、各脚部における、大腿リンクと下腿リンクとを膝関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータとを備えた２足歩行ロボットが開示されている。

この直動アクチュエータは、電動モータと、電動モータによりベルトを介して回転駆動されるナット部材と、ナット部材に保持されるボールを介して該ナット部材に螺合するネジ軸（直動出力軸に相当）とを備え、ナット部材が筒状のナットケース内に一対のアンギュラベアリングを介して軸支されている。そして、ナット部材は、ボールを保持するナット本体部と、ナット本体部より外径が小さい軸方向両端の軸部とを有し、両軸部を一対のアンギュラベアリングにより軸支するように構成されている。両アンギュラベアリングの内輪間には第１カラーが介設され、この第１カラーは、ナット本体部に外挿される円筒部と、円筒部の軸方向両端に設けられ、ナット本体部と各軸部との間の段差と各アンギュラベアリングの内輪との間に入り込んで内輪に当接する一対の環状板部とを有している。

特開２００９−１０３２０４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された直動アクチュエータは、ナット部材とナットケースとの間に第１カラーを設けるので、ナットケースが大型化する。そのため、直動アクチュエータの重量が重くなり、ロボットに搭載した場合、イナーシャが大きくなるという問題がある。

さらに、電動モータの回転がベルトを介してナット部材に伝達されるので、加減速時に、ネジ軸やナット部材等のイナーシャにより、ベルトの伸びや滑りが不可避的に生じる。そのため、直動アクチュエータに不感帯領域が存在し、リンクの揺動動作にガタが生じるという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、小型化、軽量化、不感帯領域の削減が可能な直動アクチュエータ、及びこれを備えたロボットを提供することを目的とする。

本発明の直動アクチュエータは、中空電動モータの中空インナロータに固定的に連結されたナット部材と、該ナット部材に保持されるボールを介して当該ナット部材に螺合するネジ溝が外周面に形成され、前記中空インナロータに形成された貫通穴を挿通する直動出力軸と、前記ナット部材の軸線方向に離間して設けられ、該ナット部材を筐体に支持する一対のアンギュラベアリングと、前記アンギュラベアリングの外輪間に介設されたアウタカラーとを備えた直動アクチュエータであって、前記ナット部材は、前記アンギュラベアリングの内輪間に介在するインナカラーとして機能することを特徴とする。

本発明の直動アクチュエータによれば、ナット部材がアンギュラベアリングの内輪間に介在するインナカラーとして機能するので、上記特許文献１に開示された直動アクチュエータのようにナット部材と筐体との間に第１カラーを設ける必要がない。そのため、直動アクチュエータを小型化、軽量化することが可能となる。

さらに、中空電動モータの中空インナロータにナット部材が固定的に連結されているので、上記特許文献１に開示された直動アクチュエータとは異なり、不感帯領域が存在しない。そのため、加減速時に直動出力軸の軸線方向動作にガタが生じない。

また、本発明の直動アクチュエータにおいて、前記中空インナロータに固定的に連結された中空エンコーダ軸の回転角度を検出する中空エンコーダを備えることが好ましい。

この場合、中空エンコーダ軸が中空インナロータを介してナット部材と一体に回転するので、中空エンコーダによってナット部材の回転角度を精度良く検出することができる。そして、これに伴い、直動出力軸の軸線方向動作を精度良くフィードバック制御することができる。

本発明のロボットは、第１リンクと第２リンクとが関節部を介して連結され、前記本発明の直動アクチュエータを備えたロボットであって、前記直動アクチュエータは、前記第１リンクに対して前記第２リンクを揺動駆動し、前記ナット部材の軸線に交差した軸線を有する軸受部が前記筐体に設けられ、該軸受部を介して前記直動アクチュエータは前記第１リンクに揺動自在に支持されることを特徴とする。

本発明のロボットによれば、前述した利点を有する直動アクチュエータを用いてリンクを揺動駆動する。そのため、ロボットを小型化、軽量化することが可能となるとともに、加減速時にリンクの揺動動作にガタが生じない。

また、本発明のロボットにおいて、前記軸受部は、前記アウタカラーにも設けられていることが好ましい。

この場合、ナット部材の軸線に交差した軸線方向の軸受部の深さを変更することなく、筐体の外形を小型化することが可能となる。そのため、さらに、直動アクチュエータ、ひいてはロボットを小型化、軽量化することが可能となる。

本発明の実施形態に係るロボットの概略構成を示す側面図。 直動アクチュエータの断面図。 本発明の実施形態の変形に係る直動アクチュエータの断面図。

本発明の実施形態に係るロボット１について図面を参照して説明する。

図１に示すように、ロボット１は、２足歩行ロボットであり、胴体部２と左右一対の脚部３を備えている。なお、図面では、一本の脚部３のみが示されている。

各脚部３は、胴体部２の下端に股関節部５を介して連結される大腿リンク（第１リンク）６と、大腿リンク６の下端に膝関節部（関節部）７を介して連結される下腿リンク（第２リンク）８と、下腿リンク８の下端に足首関節部９を介して連結される足平部１０とから構成されている。そして、各脚部３における、大腿リンク６と下腿リンク８とを、膝関節部７から離間した部分で連結する直動アクチュエータ１１を備えている。なお、胴体部２と大腿リンク６、及び下腿リンク８と足平部１０も、図略した直動アクチュエータによって、それぞれ連結されている。

膝関節部７は、横方向のＹ軸回りの回転自由度を有する１軸ジョイントで構成されている。具体的には、詳細は図示しないが、下腿リンク８の上端部に設けられた支軸１２が、Ｙ軸に平行な軸線を有して大腿リンク６の下端部に装着されたベアリング等を介して揺動自在に支持されている。これにより、下腿リンク８は大腿リンク６に対しＹ軸を中心にして前後方向に揺動自在となっている。なお、以下、下腿リンク８が揺動動作するとは、下腿リンク８が大腿リンク６に対して相対的に揺動動作することを意味する。また、股関節部５と足首関節部９は、ともに２軸ジョイントで構成されている。

直動アクチュエータ１１は、図２も参照して、中空電動モータ１３の中空インナロータ１４に固定的に連結されたナット部材１５と、このナット部材１５に保持されるボール１６を介してナット部材１５に螺合するネジ溝１７ａが外周面に形成され、中空インナロータ１４に形成された貫通穴１４ａを挿通する直動出力軸１７と、ナット部材１５の軸線方向に離間して設けられ、ナット部材１５を筐体（ナットケース）１８に支持する一対のアンギュラベアリング１９ａ，１９ｂとを備えている。直動アクチュエータ１１は、さらに、中空インナロータ１４に固定的に連結された中空エンコーダ軸２０の回転角度等を検出する中空エンコーダ２１も備えている。

直動アクチュエータ１１は、大腿リンク６の上部にＹ軸に平行な軸線を有して対向するように設けられた一対の支軸２２によって、大腿リンク６に軸支されている。

そして、直動アクチュエータ１１の直動出力軸１７の先端に連結されたロッド軸２３の先端に設けられた支軸２４が、Ｙ軸に平行な軸線を有して下腿リンク８に設けられたベアリング等を介して揺動自在に支持されている。これにより、中空電動モータ１３の回転に伴う直動出力軸１７の軸方向移動により、支軸２２，２４間の距離が変動して、下腿リンク８の大腿リンク６に対する揺動動作が行われる。

胴体部１には、制御ユニット２５が内蔵されている。制御ユニット２５は、マイクロコンピュータ等を含む電子回路により構成されたものであり、各脚部３の各関節部５，７，９の動作等を制御する。制御ユニット２５は、中空エンコーダ２１が検出した回転角度や回転方向等に基づいて、中空電動モータ１３を通電制御する。

以下、直動アクチュエータ１１の詳細について図２を参照して説明する。

直動出力軸１７の軸心と直交する方向（図２における上下方向）での筐体１８の両側端部に、一対の軸受部材２６，２６が固定されることにより、直動アクチュエータ１１を大腿リンク６に揺動自在に支持する軸受部が構成されている。

ここでは、これら軸受部材２６，２６は、ブッシュであり、軸心が対向するように筐体１８に形成された貫通穴に装着されている。各軸受部材２６には、それぞれ、大腿リンク６の離間する内壁から、膝関節部７（図１参照）の関節軸と平行な軸心を有するようにして突設された支軸２２が嵌挿されている。これにより、直動アクチュエータ１１の筐体１８は、支軸２２の軸心周りに揺動自在に、大腿リンク６に支持される。

筐体１８の内部には、ボールネジ機構の主要部が収容されている。直動出力軸１７がボールネジ機構のネジ軸となっており、その外周面に螺旋状のネジ溝１７ａが形成されている。また、ボールネジ機構は、直動出力軸１７に同軸心に外挿された筒状のナット部材１５と、このナット部材１５の内周面に保持されるとともにネジ溝１７ａに係合された複数のボール１６とを備え、ナット部材１５及びボール１６が筐体１８の内部に収容されている。ナット部材１５の内周面には、ボール１６と係合されたネジ溝１５ａが形成されている。

これにより、ナット部材１５を直動出力軸１７に対してその軸心周りに回転させることによって、ボール１６がネジ溝１５ａ，１７ａに沿って転動しつつ、直動出力軸１７が、ナット部材１５に対して軸心方向に移動するようになっている。

ナット部材１５は、その軸心方向の中央部が、支持軸２２，２２の間に位置するようにして筐体１８の内部に配置されている。そして、ナット部材１５の軸心方向の一端部（股側端部）は、ドグ部を介して、中空電動モータ１３の出力回転軸である中空インナロータ１４が固定されている。中空インナロータ１４は、ナット部材１５と同軸心に、直動出力軸１７との間にクリアランスを有して、直動出力軸１７に外挿されている。

そして、ナット部材１５の他端部（中空インナロータ１４と反対側の端部、膝側端部）の外周面と筐体１８の内周面との間、並びに、中空インナロータ１４のナット部材１５寄りの外周面と筐体１８の内周面との間には、それぞれ、ナット部材１５と同軸心のベアリング１９ａ，１９ｂが介装されている。これにより、ナット部材１５及中空インナロータ１４がそれらの軸心周り（直動出力軸１７の軸心周り）に一体に回転するように、ベアリング１９ａ，１９ｂを介して筐体１８に支持されている。

なお、本実施形態では、ナット部材１５と中空インナロータ１４とは別体構造であるが、ナット部材１５と中空インナロータ１４とを一体化してもよい。

ここで、ナット部材１５の回転時には、直動出力軸１７がその軸心方向に動くことで、ナット部材１５にその軸心方向の力（スラスト力）が作用する。このため、本実施形態では、ベアリング１９ａ，１９ｂはアンギュラベアリングにより構成されている。この場合、ベアリング１９ａの内輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング１９ｂ側の端面には、ナット部材１５の外周面に形成された顎部１５ｂが当接されている。さらに、ベアリング１９ａの外輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング１９ｂと反対側の端面には、筐体１８の膝側端部に装着された環状キャップ部材２７が当接されている。

また、ベアリング１９ｂの内輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング１９ａ側の端面には、ナット部材１５の外周面に形成された顎部１５ｃが当接されている。さらに、ベアリング１９ｂの外輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング１９ａと反対側の端面には、筐体１８の股側端部の内周面に形成された顎部１８ａが当接されている。

これにより、ナット部材１５の回転時にナット部材１５に作用するスラスト力を、ベアリング（アンギュラベアリング）１９ａ，１９ｂを介して筐体１８で受けるようにしている。このように、ナット部材１５は、ベアリング１９ａ，１９ｂの内輪間に介在するインナカラーとして機能する。

なお、ベアリング１９ａの外輪とベアリング１９ｂの外輪との間には、ナット部材１５に外挿された筒状のアウタカラー２８が介装されている。そして、ベアリング１９ａの外輪は、このアウタカラー２８と環状キャップ部材２７との間に挟まれ、ベアリング１９ｂの外輪は、アウタカラー２８と筐体１８の顎部１８ａとの間に挟まれている。

中空電動モータ１３を内部に収容するモータハウジング２９が、筐体１８の股側端部に隣接するように、図示しないボルト等によって筐体１８に固定されている。

中空電動モータ１３は、軸心に沿って貫通穴１４ａが形成され、モータコアを兼用する中空インナロータ１４と、この中空インナロータ１４の外周面に固定される多極着磁されたロータ磁石３０と、これらロータ磁石３０に対向してモータハウジング２９の内部に固定されたステータコイル３１などを備えている。

中空電動モータ１３の中空インナロータ１４の回転時には、直動出力軸１７がその軸心方向に動くことで、中空インナロータ１４にその軸心方向の力（スラスト力）が作用する。そのため、一対のアンギュラベアリングを介して中空インナロータ１４を支持することが好ましい。

しかし、本実施形態では、ベアリング数を削減するとともに直動アクチュエータ１４を短軸化するために、中空インナロータ１４と一体に回転するナット部材１５を支持するベアリング１９ｂを、中空インナロータ１４を支持する一対のアンギュラベアリングのうちの一方として兼用している。そして、他方のアンギュラベアリングであるベアリング３２を、モータハウジング２９の股側端部に隣接する副筐体３３の内部に配置している。副筐体３３は、図示しないボルト等によってモータハウジング２９に固定されている。

ベアリング３２は、より詳細には、モータハウジング２９の股側端部側の側面と副筐体３３の膝側端部側の側面とに、外輪の軸心方向の両端面がそれぞれ当接され、中空インナロータ１４と同軸心に介装されている。これにより、中空インナロータ１４に作用するスラスト力を、ベアリング１９ｂ，３２を介して筐体１８、モータハウジング２９及び副筐体３３で受けるようにしている。

さらに、中空エンコーダ２１を内部に収容するエンコーダハウジング３４が、副筐体３３の股側端部に隣接するように、図示しないボルト等によって副筐体３３に固定されている。中空エンコーダ２１は、中空エンコーダ軸２１の回転角度や回転方向等を検出する磁気式等の検出器である。中空エンコーダ２１の中空エンコーダ軸２０が図示しないピン等によって中空インナロータ１４に固定されている。

これにより、中空エンコーダ２１の検出する中空エンコーダ軸２０の回転角度や回転方向は、中空インナロータ１４、ひいてはナット部材１４の回転角度や回転方向と常に等しい。

以上のように、直動アクチュエータ１１のナット部材１５は、ベアリング１９ａ，１９ｂの内輪間に介在するインナカラーとして機能している。そのため、上記特許文献１に開示された直動アクチュエータにように、ナット部材１５と筐体１８との間に第１カラーを設ける必要がないので、直動アクチュエータ１１を小型化、軽量化することが可能となる。

ところで、例えば、直動出力軸１７に電動モータを並設し、この電動モータの回転駆動力を所謂プーリ・ベルト式回転伝達機構によってナット部材１５を回転させることも可能である。しかし、この場合、電動モータの回転がベルトを介してナット部材１５に伝達されるので、加減速時に、直動出力軸１７やナット部材１５等のイナーシャにより、ベルトの伸びや滑りが不可避的に生じる。そのため、直動アクチュエータの不感帯領域が存在し、下腿リンク８の揺動動作にガタが生じる。

一方、本実施形態では、中空電動モータ１３の中空インナロータ１４は、ナット部材１５に固定的に連結されている。これにより、中空電動モータ１３がその中空インナロータ１４から出力する回転駆動力が、該中空インナロータ１４と一体に回転するナット部材１５に伝達され、これに従い、直動出力軸１７がその軸心方向に移動するように駆動する。このとき、中空インナロータ１４とナット部材１５との間に滑り等が生じ得ないので、直動アクチュエータ１１は不感帯領域を有さず、下腿リンク８の揺動動作にガタが生じない。

さらに、中空インナロータ１４に固定的に連結された中空エンコーダ軸２０の回転角度を中空エンコーダ２１が検出する。中空エンコーダ軸２０は中空インナロータ１４を介してナット部材１５と一体に回転するので、中空エンコーダ２１によってナット部材１５の回転角度を精度良く検出することができる。そして、これに伴い、下腿リンク８の揺動動作を精度良くフィードバック制御することが可能となる。

また、直動出力軸１７に電動モータを並設すると、電動モータの外形状が、直動出力軸１７の軸心に対して一方向に突出するので、外形状に張り出し部分が生じ、大腿リンク６が大型化する。

一方、本実施形態では、中空電動モータ１３は、その内部中心に位置する中空インナロータ１４が直動出力軸１７と同軸心に配置されるので、直動アクチュエータ１４に対する中空電動モータ１３の外側形状の特定方向への突出が抑止され、大腿リンク６をスリム化することが可能となる。

なお、以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、実施形態では、軸受部材２６，２６を筐体１８に装着する場合について説明したが、これに限定されない。

図３に示すように、アウタカラー２８Ａに軸受部材２６Ａ，２６Ａを装着するための穴を形成し、軸受部材２６Ａ，２６Ａを筐体１８とアウタカラー２８Ａとに亘るように装着してもよい。これにより、軸受部材２６Ａ，２６Ａの深さを変更することなく、筐体１８の外形を小型化することが可能となる。

さらに、実施形態では、軸受部材２６，２６をブッシュとしたが、ベアリング等であってもよい。また、軸受部材２６，２６を装着するために、筐体１８に貫通穴を形成したが、窪みやボスを形成してもよい。

さらに、実施形態では、中空電動モータ１３を、筐体１８の股側端部に隣接するように配置したが、筐体１８の膝側端部に隣接するように配置してもよい。

さらに、実施形態では、ロボット１が２足歩行ロボットである場合について説明した。しかし、２つのリンクが関節部を介して連結され、一方のリンクに対して他方のリンクを揺動駆動するアクチュエータを備えたロボットであれば、ロボットの構成や形態については限定されない。本発明を、例えば、人型ロボットの腕部に本発明を適用してもよい。また、ロボットと呼称されるものに限定されず、例えば、特開２００９−２７９１９４号公報等に記載の歩行補助装置に適用してもよい。

１…ロボット、 ３…脚部、 ６…大腿リンク（第１リンク）、 ７…膝関節部（関節部）、 ８…下腿リンク（第２リンク）、 １１，１１Ａ…直動アクチュエータ、 １３…中空電動モータ、 １４…中空インナロータ、 １５…ナット部材（インナカラー）、 １６…ボール、 １７…直動出力軸、 １７ａ…ネジ溝、 １８，１８Ａ…筐体、 １９ａ，１９ｂ…ベアリング（アンギュラベアリング）、 ２０…中空エンコーダ軸、 ２１…中空エンコーダ、 ２２，２２Ａ…支軸、 ２６，２６Ａ…軸受部材（軸受部）、 ２８，２８Ａ…アウタカラー。

Claims (4)

1. 中空電動モータの中空インナロータに固定的に連結されたナット部材と、該ナット部材に保持されるボールを介して当該ナット部材に螺合するネジ溝が外周面に形成され、前記中空インナロータに形成された貫通穴を挿通する直動出力軸と、前記ナット部材の軸線方向に離間して設けられ、該ナット部材を筐体に支持する一対のアンギュラベアリングと、前記アンギュラベアリングの外輪間に介設されたアウタカラーとを備えた直動アクチュエータであって、
   前記ナット部材は、前記アンギュラベアリングの内輪間に介在するインナカラーとして機能することを特徴とする直動アクチュエータ。
2. 前記中空インナロータに固定的に連結された中空エンコーダ軸の回転角度を検出する中空エンコーダを備えることを特徴とする請求項１に記載の直動アクチュエータ。
3. 第１リンクと第２リンクとが関節部を介して連結され、請求項１又は２に記載された直動アクチュエータを備えたロボットであって、
   前記直動アクチュエータは、前記第１リンクに対して前記第２リンクを揺動駆動し、
   前記ナット部材の軸線に交差した軸線を有する軸受部が前記筐体に設けられ、該軸受部を介して前記直動アクチュエータは前記第１リンクに揺動自在に支持されることを特徴とするロボット。
4. 前記軸受部は、前記アウタカラーにも設けられていることを特徴とする請求項３に記載のロボット。
   

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