JP2011255493A - 多様な関節の形に適用可能なアクチュエータモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】多関節ロボットの関節部に利用されるアクチュエータにおいて、減速機とアクチュエータ本体を多様に配置することが出来て多様な関節の形に適用可能なモジュール構造を提供する。
【解決手段】アクチュエータモジュールは、電子部と駆動部が含まれ構成されたアクチュエータ本体１００と分離・結合された減速機２００が具備され、アクチュエータモジュール本体の１次減速によって得られた速度とトルクを２次減速機を通して変更することが容易であり、減速機がアクチュエータ本体と分離・結合されるため、多様な形の減速機を適用することが出来、減速機とアクチュエータ本体を多様に配置することが出来て多様な関節の形に適用可能であり、前記アクチュエータモジュールを利用して多様な関節構造を形成することが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は多様な関節の形に適用可能なアクチュエータモジュールに関するものとして、特に前記アクチュエータモジュールは、電子部と駆動部が含まれ構成されたアクチュエータ本体から分離・結合された減速機を具備し、アクチュエータモジュール本体の一次減速により得られた速度とトルクを２次減速機を通して変更することが容易であり、減速機がアクチュエータ本体から分離・結合されるため、多様な形の減速機を適用することが出来るし、減速機とアクチュエータ本体を多様に配置することが出来て多様な関節の形に適用可能である。

また、本発明によるアクチュエータモジュールは、前記アクチュエータ本体又は減速機の駆動軸又は回転軸上にロードバランサーを装着し、不足したトルクを補うことが出来、スリップリングも具備するため、配線の耐久性が増大し、配線の整理が容易になり多関節ロボットの組み立てと分解の際、アクチュエータモジュールの分解なしにも結線が可能となる。

また、本発明によるアクチュエータモジュールはアクチュエータ本体部分、減速機部分、アクチュエータ本体や減速機の駆動軸に結合可能な多様な形のフレーム部分、及びアクチュエータ本体や減速機の駆動軸に結合可能な形のスリップリング、ロードバランサーのようなアクセサリー部分など大きく４つの部分に分かれて構成され、本体、減速機、フレーム、アクセサリー部分を利用した多関節ロボットの設計が容易になり、多様な構造の関節の形への拡張性が高い。

ロボット技術又はロボット産業は産業用のロボット、エンタテインメント用のロボット、教育用のロボットなど、非常に多様な分野に分けられ、殆ど全ての分野で多関節ロボットが適用されている。

多関節ロボットは回転軸を共有する複数の関節部材が相互に結合した形で構成されたロボットの一種類として、関節部材は駆動力を提供するアクチュエータとアクチュエータ同士を連結する多様な形の連結部材として構成される。

本出願人は２００５年５月２８日付けで出願された特許出願第１０−２００５−００４５３１６号の“万能結合構造を持つ多関節ロボット”を通してアクチュエータモジュールと連結部材の反復結合によって、多様な形の多関節ロボットを組み立てられる構造を提案したことがあり、基本的な関節部の構造を図１に図示した。

図１において、上記の多関節ロボットの駆動力は小型アクチュエータモジュール（１０）によってのみ提供され、アクチュエータモジュールの駆動軸（２０）に直接連結された連結部材（３０）を通してのみ伝達されるので、各関節部の速度とトルクを調節するためには各アクチュエータモジュールの駆動部がそれぞれ違った速度とトルクを発生させるように個々に制御しなければならないため、制御プログラミングが難しくなるだけでなく、一つのアクチュエータモジュールから発生された速度とトルクを変更することが困難になり、全ての関節にはアクチュエータモジュールが一個以上含まれなくてはいけないため、アクチュエータモジュールが多量に消費される反面、多様な形の関節構造を形成するのが難しいという短所があった。

また、上記の出願においての多関節ロボットの場合、例えば重力のような外力の作用方向に関節部が回転する場合に比べ、外力の反対方向に関節部が回転する場合に、より多くのトルクが必要であるが、追加で必要なトルクを補う手段がなく、大きいトルクを得るためには駆動力が高まるようにアクチュエータモジュールを大型化することしかないため、多関節ロボットの構造を小型化させるのに妨げとなる。

従って、本発明はアクチュエータ本体から分離・結合された減速機を具備し、アクチュエータモジュール本体の１次減速により得られた速度とトルクを前期の減速機を通して２次に変更するのが容易なアクチュエータモジュールを提供することを目的とする。

また、本発明は減速機がアクチュエータ本体から分離・結合されるため、多様な形の減速機を適用することが出来ることから、減速機とアクチュエータ本体を多様に配置することが出来、多様な関節の形に適用可能なアクチュエータモジュールを提供することを目的とする。

また、本発明はアクチュエータ本体又は減速機の駆動軸又は回転軸上にロードバランサーを装着し、不足したトルクを補い、荷重の均を保つことが出来る。また、スリップリングが具備され、耐久性が増大し配線整理が容易で、多関節ロボットの組み立てと分解の際、アクチュエータモジュールの分解なしに、結線が可能となるアクチュエータモジュールを提供することを目的とする。

また、本発明はアクチュエータ本体部分、減速機部分、アクチュエータ本体や減速機の駆動軸に結合可能な多様な形のフレーム部分、及びアクチュエータ本体や減速機の駆動軸に結合可能な形のスリップリング、ロードバランサーのようなアクセサリー部分など大きく４つの部分で構成され、本体、減速機、フレーム、アクセサリー部分を利用した多関節ロボットの設計が容易になり、形の拡張性が高いアクチュエータモジュールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明によるアクチュエータモジュールは、多関節ロボットの関節部に利用されるアクチュエータモジュールにおいて、
電子部と駆動部が含まれ構成されるアクチュエータの本体と、
前記アクチュエータ本体と結合し、前記アクチュエータ本体から発生される速度とトルクを変更する減速機と、を含むことを特徴とする。

また、前記減速機は、前記アクチュエータ本体と分離・結合され、前記アクチュエータ本体と前記減速機はフレームにより結合されることを特徴とする。

また、前記減速機は、前記アクチュエータ本体と同軸結合されることを特徴とする。

また、前記アクチュエータ本体又は前記減速機の回転軸には駆動トルクの補償のためのロードバランサーが装着されることを特徴とする。

また、前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動軸にはスリップリングが装着されることを特徴とする。

また、前記減速機は、ベルト、プーリー構造体、ハーモニックドライブ、又はギア構造体の内の何れか一つであることを特徴とする。

また、前記アクチュエータ本体と前記減速機の内の何れか一つには駆動軸の回転角度を含む動作状態をフィードバックするためのエンコーダーが含まれることを特徴とする。

また、前記アクチュエータ本体は、外部のセンサーとの結線のための外部ポートを一側に備えることを特徴とする。

また、前記フレームは、前記アクチュエータ本体又は前記減速機のうち少なくとも一端部に結合可能なヒンジ構造を有することを特徴とする。

また、前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動軸に連結され、前記アクチュエータ本体又は前記減速機で発生される駆動トルクを変更する追加減速機をもっと含むことを特徴とする。

上記の目的を達成するための本発明の他の特徴によるアクチュエータモジュールは、駆動力を発生させるアクチュエータ本体と、
前記アクチュエータ本体と結合され、前記アクチュエータ本体から発生される速度とトルクを変更する減速機と、
前記アクチュエータ本体と前記減速機を相互結合させるフレームと、
前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動トルクの補償のため、前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動軸上に装着されるロードバランサーと、
前記駆動軸を経由して電源を供給するため、前記駆動軸上に装着されるスリップリングを含んで構成されることを特徴とする。

また、前記ロードバランサーは、固定部材と、回転部材と、前記固定部材と回転部材の間に具備され、前記回転部材の回転方向と反対方向に補償トルクを発生させる弾性手段と、を含み構成されるのを特徴とする。

また、前記弾性手段は、トーションスプリングであり、前記固定部材は、内側面に前記トーションスプリングの固定端部を固定するための固定部を具備し、前記回転部材は、前記トーションスプリングの移動端部に掛けられ、前記回転部材の回転の際に前記トーションスプリングの前記移動端部を移動させる固定突起を具備することを特徴とする。

また、前記固定部材は、前記トーションスプリングで発生する補償トルクを調節できるように、前記移動端部の初期の位置を設定するための基準突起と、前記基準突起が挿入されるように、複数で一列に並べられ形成された第１挿入ホールと、を前記内側面に具備し、前記回転部材は、前記基準突起が挿入されるように、前記第１挿入ホールに対応され複数で一列に並べられ形成された第２挿入ホールを前記内側面に具備することを特徴とする。

本発明によると、アクチュエータ本体から分離・結合された減速機を具備し、アクチュエータモジュール本体の１次減速により得られた速度とトルクを前記減速機を通して２次に変更することが容易なアクチュエータモジュールが提供される。

また、本発明によると、減速機がアクチュエータ本体から分離・結合されるため、多様な形の減速機を適用することが出来ることにより、減速機とアクチュエータ本体を多様に配置することが出来、多様な関節の形に適用可能なアクチュエータモジュールが提供される。

また、本発明によると、アクチュエータ本体又は減速機の駆動軸又は回転軸上にロードバランサーを装着して不足したトルクを補い、荷重の均衡を保つことができる。また、スリップリングが具備されているので配線の耐久性が増大し、配線整理が容易になるため多関節ロボットの組み立てと分解の際にアクチュエータモジュールの分解なしに結線が可能になるアクチュエータモジュールが提供される。

また、本発明によると、アクチュエータ本体部分、減速機部分、アクチュエータ本体や減速機の駆動軸に結合可能な多様な形のフレーム部分、及びアクチュエータ本体や減速機の駆動軸に結合可能な形のスリップリング、ロードバランサーのようなアクセサリー部分など、大きく４つの部分で構成され、本体、減速機、フレーム、アクセサリー部分を利用した多関節ロボットの設計が容易になり、形の拡張性の高いアクチュエータモジュールが提供される。

従来の技術による多関節ロボットの関節部の構造図である。 本発明によるアクチュエータモジュールの概念図である。 本発明の第１実施例によるアクチュエータモジュールの構成図である。 は、本発明の第２実施例によるアクチュエータモジュールの構成図である。 は、本発明の第３実施例によるアクチュエータモジュールの構成図である。 本発明の第１実施例によるアクチュエータモジュールを利用した多関節ロボットの関節構成図である。 本発明の第１実施例によるアクチュエータモジュールを利用した多関節ロボットの関節構成図である。 本発明の第１実施例によるアクチュエータモジュールを利用した多関節ロボットの関節構成図である。 本発明の第１実施例及び第３実施例によるアクチュエータモジュールを利用した多関節ロボットの関節構成図である。 本発明の第１実施例及び第３実施例によるアクチュエータモジュールを利用した多関節ロボットの関節構成図である。 本発明の一実施例によるアクチュエータモジュールに装着されるスリップリングの構成図である。 本発明の一実施例によるアクチュエータモジュールに装着されるロードバランサーの構成図である。 本発明の一実施例によるアクチュエータモジュールに装着されるロードバランサーの構成図である。 本発明の一実施例によるアクチュエータモジュールに装着されるロードバランサーの構成図である。 本発明の一実施例によるアクチュエータモジュールに装着されるロードバランサーの構成図である。 本発明の多様な実施例が適用されたロボットアームの概念図である。

以下では図面を参考に、本発明の多様な実施例を通してみた本発明をより詳細に説明する。

図２は本発明によるアクチュエータモジュールの概念図である。

本発明によるアクチュエータモジュールは、基本的に本体（１００）及びこれに結合されアクチュエータ本体から発生する速度とトルクを変更する減速機（２００）を含んで構成され、減速機（２００）はアクチュエータ本体（１００）の駆動軸上に結合されるか又はアクチュエータ本体（１００）と分離し結合される。アクチュエータ本体（１００）と減速機（２００）が分離・結合される場合には両方を機械的に結合するためのフレームが選択的に提供される。またアクチュエータ本体（１００）の駆動軸や減速機（２００）の駆動軸上にはロードバランス（７００）やスリップリング（６００）のような機能性アクセサリー（３００）が選択的に装着できる。

本発明のアクチュエータモジュールは上記した通り、大きく４つの部分に分けて概念的に分離し構成されるため、各部を相互に結合する方式及び各部の形状を多様化することにより非常に多様な形の多関節ロボットを構成することが出来る。

先ず、アクチュエータ本体（１００）は、モーター（１２０）とギア部（１３０）及び駆動プーリー（１４０）を含む駆動部と電子回路（１５０）及びこれに連結された各種のセンサーを含む電子部として構成される。選択的に、駆動部の回転角度など動作状態を測定して電子部の電子回路（１５０）にフィードバックするためのエンコーダー（１６０）が内蔵され、外部のセンサーのような外部機器との電気的な連結のための外部ポート（１７０）を内蔵することが出来る。

減速機（２００）は、ベルトとプーリー構造体、ハーモニックドライブ、ギア構造体などの多様な形を持つことが出来、図２には例示的に連結軸（２１０）と駆動プーリー（２２０）を含むベルトとプーリー構造体（注：ベルトの動力伝達を矢印で図示した）で図示されている。図２に図示されたように、減速機（２００）がアクチュエータ本体（１００）と分離されるように構成される場合には、アクチュエータ本体（１００）と減速機（１００）を物理的又は機械的に結合するためのフレーム（４００）が具備され、減速機（２００）の駆動軸の回転角度など動作状態を感知してアクチュエータ本体（１００）の電子回路（１５０）にフィードバックするための減速機エンコーダー（２３０）が具備されることが望ましい。前記のフレーム（４００）は、アクチュエータ本体（１００）と一体型で製造されるか分離型に製造され、アクチュエータ本体（１００）に公知の結合手段を使って結合される方式など、多様に提供することが出来る。

図２に図示された減速機以外にも多様な構造の減速機が本発明に適用できるし、以下多様な実施例を通してそれを説明していくことにする。

図３は、本発明の第１実施例によるアクチュエータモジュールの構成図である。

図３のアクチュエータモジュールは駆動プーリー（１４０）を具備したアクチュエータ本体（１００）、ベルト（２４０）と従動プーリー（２２０）及び連結軸（２１０）として構成される減速機、アクチュエータ本体と減速機を機械的に連結するヒンジ構造体を形成するコ字型フレーム（４１０）を含んで構成される。

アクチュエータ本体（１００）にはモーター（１２０）と駆動プーリー（１４０）を相互に連結し、モーター（１２０）の駆動速度を１次に減速する多数のギアで構成されたギア部（１３０）が具備される。駆動プーリー（１４０）は、減速機の従動プーリー（２２０）とベルト（２４０）で連結され、アクチュエータ本体（１００）のギア部（１３０）で１次に減速された駆動力を減速機の従動プーリー（２２０）に伝達し、減速機の従動プーリー（２２０）は駆動速度を２次に減速する同時に、駆動トルクを増加させ、従動プーリー（２２０）の挿入ホール（２５０）を通して連結される外部の連結部材（未図示）に駆動力を伝達する。

その時、コ字型フレーム（４１０）は、図３に図示されたものより長いか短い側面フレームを持つことが出来、側面フレームの長さによりアクチュエータ本体（１００）の駆動力が伝達される距離及び減速機（２２０）及び連結軸（２１０）の空間上の位置が決められる。

コ字型フレーム（４１０）の構成をより詳しく説明すると、アクチュエータ本体（１００）に結合されるベース部（注：コ字型フレーム（４１０）がアクチュエータ本体（１００）に垂直で一体型に具備される場合には、ベース部が必要ではない）と前記のベース部に直角で提供される一組みの側面フレーム（注：単一側面フレームとしても構成可能であり、フレームの形には事実上制限がない）で構成され、各側面のフレームには連結軸（２１０）が挿入できる軸の挿入ホールが具備される。

連結軸（１２０）は、一組みの側面フレームの間で軸挿入ホールに固定した状態で結合されるか、ベアリングを通して回転可能な状態で挿入され、連結軸（１２０）の一端は従動プーリー（２２０）に結合され、他の端は外部の連結部材（未図示）に結合されアクチュエータ本体（１００）とコ字型フレーム（４１０）及び減速機として構成されたアクチュエータモジュールを外部の連結部材（未図示）と回転可能に結合させる。

図４は、本発明の第２実施例によるアクチュエータモジュールの構成図である。

図４は、第１実施例の構造に追加減速機としてハーモニックドライブ（２６０）が追加された構造として、従動プーリー（未図示）とハーモニックドライブ（２６０）が共に連結軸（２１０）に動軸結合し駆動される。ハーモニックドライブ（２６０）は、従動プーリー（未図示）で２次に減速及びトルク増加された駆動力を３次に減速させ、追加的なトルクを発生させる。ハーモニックドライブ（２６０）の外側面にも外部の連結部材との結合のための挿入ホール（２７０）が具備される。

このように、複数の減速機が具備されることにより、多様な減速比の設定による駆動速度の調節が容易になり、大きなトルクを必要とする場合にも小型アクチュエータモジュールを利用して無理なく、十分なトルクを発生することが出来る。本発明の主な特徴の一つは、このようにアクチュエータ本体（１００）内での減速機能以外に、追加の減速機能を遂行する減速機を一個以上多数、本体の外部に具備することができ、駆動速度と駆動トルクを簡単で多様に制御することができるし、駆動力の伝達位置を多様に構成することが出来るということにある。

図５は、本発明の第３実施例によるアクチュエータモジュールの構成図である。

図５のアクチュエータモジュールは、アクチュエータ本体（１００）の駆動軸がハーモニックドライブ（２６０）で構成される減速機との連結軸となり、駆動力が動軸に直接伝達される構成を持つ。ハーモニックドライブの以外にもプラネットギア、スパーギア、その他物理的に結合可能な公知の多様なギア構造体が追加減速機として提供できることはもちろんである。図５のハーモニックドライブ（２６０）にも挿入ホール（２７０）が具備され、外部の連結部材との連結が容易になる。

以上の第１，２，３実施例において、従動プーリーやハーモニックドライブのような２次又は３次減速機にそれぞれエンコーダー（１２１）が具備され、減速機内部の駆動部の回転角度など、減速機の動作状態を感知し、アクチュエータ本体（１００）の電子回路（１５０）（つまり、制御部）にフィードバックすると、より正確な駆動力の制御が可能となる。

図６ないし図８は、本発明の第１実施例によるアクチュエータモジュールを利用した多関節ロボットの構成図である。

先ず図６の場合、図３のアクチュエータモジュールに連結部材（５００）が結合され、連結部材（５００）に連結された連結軸の挿入ホール（５１０）に外輪部（６１０）と内輪部（６２０）及び連結線（未図示）を含んで構成されるスリップリング（６００）が挿入された形の関節部を図示している。

連結部材（５００）は、コ字型フレームとして構成され、一組みの側面フレームにそれぞれ連結軸の挿入ホール（５１０）が形成されていて、連結軸（２１０）の左側端部は従動プーリー（２２０）を通して左側面のフレームに結合され、連結軸（２１０）の右側端部は、スリップリング（６１０，６２０）の構造を通して右側面のフレームに結合される。連結軸（２１０）が回転可能な軸ある場合はもちろん、固定軸である場合にも連結部材（５００）の回転が保障される。従動プーリー（２２０）とスリップリング（６００）が両方とも回転可能な構造であるため、連結軸（２１０）が固定軸であっても連結軸の両端部に結合された外部の連結部材（５００）は、連結軸（２１０）を駆動軸とするヒンジ構造の形で回転又はスウィングすることが出来るのである。

図６のスリップリングは、回転部に電源を供給する電気部品として、基本構造は図１１に例示的に図示されたように、外輪（６１０）と内輪（６２０）及び内輪（６２０）と外輪（６１０）にそれぞれ連結された配線（６３０）を含む。スリップリング（６００）の外輪（６１０）と内輪（６２０）は、片方が固定された状態でもう一方の方が電気的な接続を維持しながら回転する構造を持っているため、電線の縒り防止となり、関節の構造及び配線の耐久性が増加し、連結部材（５００）やアクチュエータモジュールのような器具部の電線同士の干渉問題が発生しないため、配線整理が非常に容易になり、スリップリングの内輪（６２０）に配線（６３０）連結用の外部コネクトが装着されるため、アクチュエータ本体（１００）ないしモジュールの分解なしにも結線が容易になる。

次の図７の場合、図３のアクチュエータモジュールに連結部材（５００）が結合され、連結部材（５００）に連結された連結軸（２１０）の一端部に固定部材（７１０）と回転部材（７２０）として構成されるロードバランサー（７００）が装着された形の関節部を図示している。

連結部材（５００）とアクチュエータモジュールの結合関係は、図６と類似している。

図７を参考にすると多関節ロボットの場合、関節部の回転軸に負荷される荷重は、関節の回転方向によってそれぞれ違うのが一般的である。例えば、ヒューマノイド型の多関節ロボットの膝関節の場合、ロボット自体の重さと重力により、膝を曲げる時より膝を伸ばす時にはるかに多い荷重が関節部に掛けられ、ロボットアームの場合にも重力方向に関節の回転軸が回転する時よりも重力の反対方向へと関節の回転軸が回転する時、より多い荷重が関節部に掛けられる。

しかし、従来の通常的な多関節ロボットの場合、関節部の回転動作がアクチュエータの駆動力に全的に依存する形であるため、重力の反対方向に関節を回転させる時、アクチュエータにはより多いトルクが必要となり、結局、それによってより多いトルクを発生させるためには容量の大きいアクチュエータを使用しなければならないし、また、関節に回転方向によるアクチュエータの駆動部のトルク調節を非常に精密に行わなければならないため、多関節ロボットの小型化及びアクチュエータ駆動部の制御のための制御プログラミングが容易に行われなくなる。同時に、比較的に大きいトルクを必要とする関節部位では、アクチュエータの駆動部の過負荷及びそれに従う電力の無駄使い、誤作動ないし故障の恐れが大きくなる。

図７のロードバランサー（７００）は、ロボットの関節部を構成する回転軸上に装着され、関節部の駆動に相対的に大きいトルクが必要な場合に、不足したトルクを補い、関節部に掛けられる荷重の均衡を保つ構成要素として、基本構造は図１２ないし図１５に例示的に図示されている。

ロードバランサー（７００）は、アクチュエータモジュール（又はフレーム（４００））のような固定した第１関節部材の一端に装着される固定部材（７１０）と、外部の連結部材（５００）のような回転可能な第２の関節部材の一端に装着される回転部材（７２０）、そして、固定部材（７１０）と回転部材（７２０）の間に設置され、回転部材（７２０）の方向と反対方向にトルクを形成する弾性手段（７３０）を含んで形成される。固定部材（７１０）と回転部材（７２０）は、それぞれ上記の第１、第２関節部材に装着され、関節部材の回転移動に合わせて相互反対方向へと回転される。従って、‘固定’と‘回転’という用語は説明の便宜上の理由で設定された用語に過ぎないことを理解しなければならない。

上記のロードバランサー（７００）は、関節部の回転の際、一方向のみ補償トルクを生成するが、大体重力方向と反対方向（または、荷重がより多く掛かる方向）に補償トルクを発生させる。図７をヒューマノイドの膝関節とすると、ロボット自体の重さ及び重力の影響などのため、膝の関節が曲げられる過程（つまり、重力方向）より膝の関節が伸ばされる過程（つまり、重力の反対方向）でより多くのトルクが要求されるため、ロードバランサー（７００）は、膝の関節を伸ばす過程で必要な全体のトルクの量の内、相当の部分を補う構造で形成される。

固定部材（７１０）と回転部材（７２０）は、平たい板型部材（注：円板が望ましいが必ずしも円板型に限る必要はない）に形成され、中心部に連結軸（２１０）との結合のための軸挿入ホール（７２３）が形成されている。固定部材（７１０）と回転部材（７２０）の間にはトーションスプリング形の弾性手段（７３０）とベアリング形の回転結合手段（７１４）が装着され、固定部材（７１０）の内側面には回転結合手段（７１４）を支えて固定部材（７１０）と回転部材（７２０）を相互に結合するための支持部（７１３）が形成される。固定部材（７１０）の外周には段差（７１５）があり、弾性手段（７３０）と回転結合手段（７１４）などを受け入れる内部空間が作られる。その時、当メーカーの設計により支持部と段差などの構成要素は、回転部材（７２０）に形成されるか固定部材（７１０）と回転部材（７２０）の両側に形成することが出来る。

固定部材（７１０）と回転部材（７２０）の内、少なくとも一方の内側面には仮想の同心円に従い複数の挿入ホール（７１１，７２１）が開けられ基準突起（７１２）が挿入される。

固定部材（７１０）の内側面には弾性手段（７３０）の固定端部（７３２）を固定するための固定部（７３３）が形成され、弾性手段の移動端部（７３１）は基準突起（７１２）に掛けられる。ロードバランサー（７００）の初期位置又は基準位置での弾性手段（７３０）の両端部間の距離は挿入基準突起（７１２）が挿入された挿入ホール（７１１，７２１）の位置に従い決定される。基準突起（７１２）の挿入位置は使用者が任意で調節可能であり、基準突起（７１２）の挿入位置及び弾性手段（７３０）の弾性力によってロードバランサー（７００）により補償されるトルクの量が決められる。

回転部材（７２０）の内側面には、回転部材（７２０）の回転の際に弾性手段の移動端部（７３１）を共に移動させるための固定突起（７２２）が形成されている。

図１４ないし図１５を参考にロードバランサー（７００）の動作を説明する前に、多関節のロボットの関節部が曲げられる方向（または荷重が少ない方向又は重力の方向）を正方向にして、関節部が伸ばされる方向（又は荷重が多い方向又は重力の反対方向）を逆方向と決める。

図１５において、回転部材（７２０）が図示された矢印方向へ正方向回転すると、回転部材（７２０）に装着された回転突起（７２２）が同時に正方向に回転しながら弾性手段（７３０）であるトーションスプリングの移動端部（７３１）を正方向に押すようになる。これに従い、弾性手段（７３０）の移動端部（７３１）は、逆方向へトルクを発生しながら移動される。これは例えば関節部が重力方向に曲げられる場合に該当することで、アクチュエータ本体（１００）又は減速機（２００）の駆動力により発生する正方向トルク以外に、重力のような外力により追加で発生される正方向トルクがロードバランサー（７００）による逆方向のトルクと適切な均衡を保つため、自然な関節部の回転動作が可能となる。

一方、例えば関節部が重力の方向に広がる場合には回転部材（７２０）が図示された矢印の反対方向へと逆方向回転を始めるが、アクチュエータ本体（１００）または減速機（２００）の駆動力により発生する逆方向トルク以外にロードバランサー（７００）により発生された逆方向補償トルクが相互結合されるため、重力のような外力により発生された正方向トルクが存在する状況でも十分な逆方向トルクを得ることが出来る。

関節部に駆動トルクが多く必要な場合は、上記した方式でロードバランサー（７００）を利用して補償トルクを得ると、小型アクチュエータを利用しても関節部を構成することが出来、関節部の駆動方向による駆動トルクの差が減少されるため、アクチュエータ駆動部の過負荷及びこれに従う電力の無駄使い、誤作動ないし故障の恐れを防止又は最小化する。また、基準突起（７１２）が挿入される挿入ホール（７１１，７２１）の位置によって、補償トルク量が予測可能になるため、アクチュエータ駆動部の制御のためのプログラミングが容易になる。

また再び図８に戻り、図８はスリップリング（６００）とロードバランサー（７００）を一つの関節部に全部装着した構造のアクチュエータモジュール達が連結部材（５００）を通して複数個結合された多関節ロボットの関節構造を図示している。

図８に図示された関節部は、アクチュエータ本体（１００）の駆動プーリー（未図示）の直径と従動プーリー（２２０）の直径の比率が例えば１：ｎの場合、減速比が１：ｎ又は１／ｎになり、従動プーリー（２２０）の駆動トルクはこれに反比例して増加するようになる。従って連結部材（５００）及びそれに結合された上部のアクチュエータモジュールが大きなトルクを使ってゆっくり回転するようになる。

図９と図１０は、図３の第１実施例及び図５の第３実施例によるアクチュエータモジュール達を相互結合した多関節ロボットの関節構造を互いに他の方向で図示しているが、２つのアクチュエータモジュールが結合され、自由度を持つ関節構造を形成している。

第１実施例により分離・結合された減速機（例えば、従動プーリー（２２０））を具備した第１アクチュエータモジュールのフレームが第１連結部材（５００）の形で、第１アクチュエータ本体（１００）は囲まれる形で提供され、第１連結部材（５００）の側面のフレームの間で第２の実施例により動軸結合された減速機（例えば、ハーモニックドライブ（２６０））を具備した第２のアクチュエータモジュールが挿入された構造である。第２のアクチュエータ本体（１０００）の駆動軸の両端は第２連結部材（５０００）に連結されていて、前記の駆動軸に直角方向に本体の外側に突起型の連結部（未図示）が提供され、第２のアクチュエータ本体（１０００）が第１連結部材（５００）の側面のフレームの間に挟まれた構造である。

第２連結部材（５０００）は、第２アクチュエータモジュールのハーモニックドライブ（２６０）によって駆動トルクの認可を受け回転することになり、第１連結部材は、第１アクチュエータモジュールの従動プーリー（２２０）によって駆動トルクの認可を受け回転することになる。その時、第２アクチュエータモジュールの本体が固定された状態であれば、第１アクチュエータモジュールは、従動プーリー（２２０）が結合された軸を中心にスウィングするようになる。

図１６は、上記した多様な実施例による様々な形のアクチュエータモジュールを相互結合して作り上げたロボットアームの概念図である。図１６の概念図を通して上記した本発明の効果を全て確認することが出来る。

以上で説明したことは、本発明による一実施例に過ぎないもので、本発明の上記した実施例に限定されず、以下の特許請求の範囲において請求するとおりの本発明の技術的な範囲を超えなくても、当該の発明が属する分野で通常の知識を持った者なら誰でも多様な変更が可能になるだろう。

１００ アクチュエータ本体、２００ 減速機、３００ アクセサリー、
４００ フレーム、５００ 連結部材、６００ スリップリング、
７００ ロードバランサー

Claims (14)

1. 多関節ロボットの関節部に利用されるアクチュエータモジュールにおいて、
   電子部と駆動部が含まれ構成されたアクチュエータ本体と、
   前記アクチュエータ本体と結合され、前記アクチュエータ本体から発生する速度とトルクを変更する減速機と、
   を含むことを特徴とするアクチュエータモジュール。
2. 請求項１に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記減速機は、前記アクチュエータ本体から分離・結合され、
   前記アクチュエータ本体と前記減速機は、フレームにより結合されることを特徴とするアクチュエータモジュール。
3. 請求項１に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記減速機は、前記アクチュエータ本体と同軸結合されることを特徴とするアクチュエータモジュール。
4. 請求項３又は４に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記アクチュエータ本体又は前記減速機の回転軸には駆動トルクの補償のためのロードバランサーが装着されることを特徴とするアクチュエータモジュール。
5. 請求項３又は４に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動軸にはスリップリングが装着されることを特徴とするアクチュエータモジュール。
6. 請求項１又は２に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記減速機は、ベルト、プーリー構造体、ハーモニックドライブ、又はギア構造体の内の何れか一つであることを特徴とするアクチュエータモジュール。
7. 請求項１又は２に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記アクチュエータ本体と前記減速機の内の何れか一つには駆動軸の回転角度を含む動作状態をフィードバックするためのエンコーダーが含まれることを特徴とするアクチュエータモジュール。
8. 請求項１又は２に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記アクチュエータ本体は、外部のセンサーとの結線のための外部ポートを一側に備えることを特徴とするアクチュエータモジュール。
9. 請求項２に記載のアクチュエータモジュールであって、
   前記フレームは、前記アクチュエータ本体又は前記減速機のうち少なくとも一端部に結合可能なヒンジ構造を有することを特徴とするアクチュエータモジュール。
10. 請求項１又は２に記載のアクチュエータモジュールであって、
    前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動軸に連結され、前記アクチュエータ本体又は前記減速機で発生される駆動トルクを変更する追加減速機を含むことを特徴とするアクチュエータモジュール。
11. 駆動力を発生させるアクチュエータ本体と、
    前記アクチュエータ本体と結合され、前記アクチュエータ本体から発生される速度とトルクを変更する減速機と、
    前記アクチュエータ本体と前記減速機を相互結合させるフレームと、
    前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動トルクの補償のため、前記アクチュエータ本体又は前記減速機の駆動軸上に装着されるロードバランサーと、
    前記駆動軸を経由して電源を供給するため、前記駆動軸上に装着されるスリップリングを含んで構成されることを特徴とするアクチュエータモジュール。
12. 請求項４に記載のアクチュエータモジュールであって、
    前記ロードバランサーは、固定部材と、回転部材と、前記固定部材と回転部材との間に具備され、前記回転部材の回転方向と反対方向に補償トルクを発生させる弾性手段と、を含み構成されることを特徴とするアクチュエータモジュール。
13. 請求項１２に記載のアクチュエータモジュールであって、
    前記弾性手段は、トーションスプリングであり、
    前記固定部材は、内側面に前記トーションスプリングの固定端部を固定するための固定部を具備し、
    前記回転部材は、前記トーションスプリングの移動端部に掛けられ、前記回転部材の回転の際に前記トーションスプリングの前記移動端部を移動させる固定突起を具備することを特徴とするアクチュエータモジュール。
14. 請求項１３に記載のアクチュエータモジュールであって、
    前記固定部材は、前記トーションスプリングで発生する補償トルクを調節できるように、前記移動端部の初期の位置を設定するための基準突起と、前記基準突起が挿入されるように、複数で一列に並べられ形成された第１挿入ホールと、を前記内側面に具備し、
    前記回転部材は、前記基準突起が挿入されるように、前記第１挿入ホールに対応され複数で一列に並べられ形成された第２挿入ホールを前記内側面に具備することを特徴とするアクチュエータモジュール。