JP2014031851A - Variable impedance servo motor - Google Patents

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Takuya MURAKITA
卓也 村北
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-weight and compact variable impedance servo motor excellent in vibration convergence and shock absorption.SOLUTION: A carrier 27 holds rotation and revolution of a planetary gear 28 and is fixedly connected to a shaft 25a of a motor 25, the planetary gear 28 is engaged with a sun gear 29 and a ring gear 30 to constitute the planetary gear, the ring gear 30 is fixedly connected to a holder 31 together with a super gear 24a, the holder is rotatably held by the sun gear 29 through a bearing 31a, an output shaft 24c is fixedly connected to the sun gear 29, and a base 32 is connected to the motor 25 and becomes a dynamic reference. A buffer 24b includes a blacket 33 for holding a damper 34 and a non-linear spring 35, a rack 36 for connecting a spring seat 36a is movably connected to the bracket 33 through a linear motion bearing 36b, the rack 36 is converted into linear motion while being contact with the super gear 24a, and the bracket 33 is fixed on a seat 32a of the base 32.

Description

動力配分機構ならびに受動緩衝装置を利用することで軸の機械的インピーダンスを可変とする、可変インピーダンスサーボモータに関する。 The present invention relates to a variable impedance servo motor that makes a mechanical impedance of a shaft variable by using a power distribution mechanism and a passive shock absorber.

医療、介護、一般家庭向けの分野において、人と接してはたらくロボットの開発が進んでいる。このような用途では、従来の産業ロボットと異なり、精密な位置決めだけではなく、ロボットが人と衝突して危害を加えることがないよう、機械的インピーダンスを調節する機能を兼ね備える必要がある。 In the fields of medical care, nursing care, and general households, development of robots that work with people is progressing. In such an application, unlike a conventional industrial robot, it is necessary to have not only precise positioning but also a function of adjusting mechanical impedance so that the robot does not collide with a person and cause harm.

機械的インピーダンスを調節するための手段には、受動機械要素を利用するパッシブ方式(文献1、2)、モータを能動的に制御して擬似的に柔軟性を実現するアクティブ方式(例えば文献3)、機械的インピーダンスを調節するモータを個別に設けるダブルアクチュエーション方式(非特許文献1)などが公知である。 As a means for adjusting the mechanical impedance, a passive method using passive mechanical elements (References 1 and 2), and an active method that actively controls a motor to realize pseudo flexibility (for example, Reference 3). A double actuation system (Non-Patent Document 1) or the like in which a motor for adjusting mechanical impedance is individually provided is known.

しかしながら、パッシブ方式は振動やその収束性の制御が難しく、アクティブ方式は高周波入力、特に衝撃力に対する応答性に問題がある。ダブルアクチュエーション方式も、重量、容量、コスト等が嵩み、多自由度ロボットに用いるには難点がある。 However, it is difficult to control vibration and convergence of the passive method, and the active method has a problem in response to high frequency input, particularly impact force. The double actuation method is also difficult to use for a multi-degree-of-freedom robot due to its increased weight, capacity, cost, and the like.

米国特許5650704号公報US Pat. No. 5,650,704 PCT/JP2012/068736PCT / JP2012 / 068736 特開2004−358575号公報JP 2004-358575 A

Byeong-Sang Kim, et al., “Double Actuator Unit with Planetary GearTrain for a Safe Manipulator”, ICRA2007.Byeong-Sang Kim, et al., “Double Actuator Unit with Planetary GearTrain for a Safe Manipulator”, ICRA2007.

そこで本発明は、振動収束性および衝撃吸収性に優れ、軽量かつコンパクトな可変インピーダンスサーボモータを提供することを課題とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a variable impedance servomotor that is excellent in vibration convergence and shock absorption, and is lightweight and compact.

係る問題を解決するため、下記(1)〜(3)のいずれかの動力配分装置を備え、該動力配分装置は、第1回転体と遊星機構とキャリヤと第2回転体とを備え、第1回転体とキャリヤと第2回転体は同軸上を回転し、キャリヤは遊星機構の公転を保持し、遊星機構は第1回転体と第2回転体とを一定の回転数比で回転させ、第1回転体、キャリヤ、第2回転体の機能は、排他的に、動力を入力するI軸、動力を出力するO軸、力学的に接地されるG軸のいずれかであり、G軸が、緩衝装置を介して基体に結合されることを特徴とする可変インピーダンス機構を利用する。
(1) サンギヤと遊星ギヤとキャリヤとリングギヤとを備え、サンギヤとキャリヤとリングギヤは同軸上を回転し、キャリヤは遊星ギヤの公転を保持し、遊星ギヤはサンギヤとリングギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
(2) 第1サイドギヤとピニオンギヤとキャリヤと第2サイドギヤとを備え、第1サイドギヤとキャリヤと第2サイドギヤは同軸上を回転し、キャリヤはピニオンギヤの公転を保持し、ピニオンギヤは第1サイドギヤと第2サイドギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする差動歯車。
(3) 第1スパーギヤと2段ギヤとキャリヤと第2スパーギヤとを備え、第1スパーギヤとキャリヤと第2スパーギヤは同軸上を回転し、キャリヤは2段ギヤの公転を保持し、2段ギヤは第1スパーギヤと第2スパーギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
In order to solve the problem, a power distribution device according to any one of (1) to (3) below is provided, the power distribution device including a first rotating body, a planetary mechanism, a carrier, and a second rotating body, The one rotator, the carrier, and the second rotator rotate on the same axis, the carrier maintains the revolution of the planetary mechanism, the planetary mechanism rotates the first rotator and the second rotator at a constant rotation speed ratio, The functions of the first rotating body, the carrier, and the second rotating body are exclusively an I axis for inputting power, an O axis for outputting power, or a G axis that is dynamically grounded. A variable impedance mechanism is used, which is characterized in that the variable impedance mechanism is coupled to the substrate via a shock absorber.
(1) A sun gear, a planetary gear, a carrier, and a ring gear are provided. The sun gear, the carrier, and the ring gear rotate on the same axis, the carrier holds the revolution of the planetary gear, and the planetary gear connects the sun gear and the ring gear at a constant rotation ratio. A planetary gear characterized by being rotated.
(2) A first side gear, a pinion gear, a carrier, and a second side gear are provided. The first side gear, the carrier, and the second side gear rotate on the same axis, the carrier holds the revolution of the pinion gear, and the pinion gear A differential gear characterized by rotating a two-side gear at a constant rotation speed ratio.
(3) A first spur gear, a two-stage gear, a carrier, and a second spur gear are provided. The first spur gear, the carrier, and the second spur gear rotate on the same axis, and the carrier maintains the revolution of the two-stage gear, and the two-stage gear. Is a planetary gear characterized by rotating the first spur gear and the second spur gear at a constant rotation speed ratio.

この可変インピーダンス機構は、前記I軸を基準とするO軸の機械的インピーダンスを、前記緩衝装置によって調節することを可能とする。ただし、I軸およびO軸との間には増減速が伴う場合があることに注意する必要がある。 This variable impedance mechanism makes it possible to adjust the mechanical impedance of the O-axis with respect to the I-axis by the buffer device. However, it should be noted that acceleration / deceleration may accompany between the I axis and the O axis.

緩衝装置は、I軸およびO軸との間に所望の機械的インピーダンスを与えることを目的とするものであれば、その形態は任意でよい。例えば、前記G軸および基体が同軸上にあって、長手方向に突出した保持体を互いに備え、前記緩衝装置が発揮する反発力によって、該保持体の回転を制限することを特徴とする前記可変インピーダンス機構や、前記緩衝装置は、直動の反発力を発揮する直動型緩衝体、ならびに、前記G軸の回転を直動に変換するラック機構を備え、該ラックの直動運動を、該直動型緩衝体によって制限することを特徴とする前記可変インピーダンス機構を構成する形態でよい。 The buffer device may have any form as long as the purpose is to provide a desired mechanical impedance between the I axis and the O axis. For example, the variable is characterized in that the G-axis and the base body are coaxially provided with holding bodies protruding in the longitudinal direction, and the rotation of the holding body is limited by a repulsive force exerted by the shock absorber. The impedance mechanism and the shock absorber include a direct acting buffer that exerts a repulsive force of direct acting, and a rack mechanism that converts the rotation of the G axis into direct acting, and the direct acting motion of the rack is The variable impedance mechanism may be configured to be limited by a direct acting buffer.

正確な位置決め精度が要求される場合は、前記いずれかの可変インピーダンス機構と、モータと、ロータリーエンコーダとを具備し、モータが前記I軸を駆動し、ロータリーエンコーダが、前記基体と前記O軸との間の回転角を検出し、該回転角に基づいてモータを駆動することを特徴とする可変インピーダンスサーボモータを利用すればよい。 When accurate positioning accuracy is required, the variable impedance mechanism, the motor, and the rotary encoder are provided, the motor drives the I axis, and the rotary encoder includes the base and the O axis. A variable impedance servo motor characterized by detecting a rotation angle between the two and driving the motor based on the rotation angle may be used.

上記原理に基づいて直動型の機構も構成できるため、駆動ラックと基準ラックとピニオンギヤと入力棒と緩衝装置とを備え、駆動ラックと基準ラックは、それぞれ同一の該ピニオンギヤに対してラック・アンド・ピニオン機構を構成し、ピニオンギヤは入力棒に回転自在に保持されるとともに並進させられ、基準ラックは、緩衝装置を介して力学的に接地されることを特徴とする直動型可変インピーダンス機構を利用することもできる。 Since a direct acting mechanism can also be configured based on the above principle, a drive rack, a reference rack, a pinion gear, an input bar, and a shock absorber are provided, and the drive rack and the reference rack are each rack-and-pin with respect to the same pinion gear. -A pinion mechanism is configured, and the pinion gear is rotatably held and translated by the input rod, and the reference rack is a direct-acting variable impedance mechanism characterized by being mechanically grounded via a shock absorber. It can also be used.

上記可変インピーダンス機構を利用すれば、一般的な軸継手と異なり、軸の回転とともに緩衝装置を回転させる必要がなくなるため、慣性モーメントを低減する効果や、緩衝体の大型化や交換性の点で効果が期待できる。 By using the above variable impedance mechanism, unlike a general shaft coupling, it is not necessary to rotate the shock absorber together with the rotation of the shaft. Therefore, in terms of the effect of reducing the moment of inertia, the size of the shock absorber and the interchangeability The effect can be expected.

緩衝装置にラックを利用する方法については、一般的に、回転型の緩衝装置よりも直動型の緩衝装置のほうが設計や製造が容易であり、自動車等のサスペンション等においても実績が豊富であるため、既存の技術を応用しやすくなる利点がある。また、ラックの摺動量(減速比)や摺動方向を選択しやすいため、緩衝装置のレイアウトが容易になる効果が期待できる。 Regarding the method of using a rack for a shock absorber, in general, a direct acting shock absorber is easier to design and manufacture than a rotary shock absorber, and has a wealth of experience in suspensions of automobiles and the like. Therefore, there is an advantage that the existing technology can be easily applied. Further, since it is easy to select the sliding amount (reduction ratio) and sliding direction of the rack, an effect of facilitating the layout of the shock absorber can be expected.

可変インピーダンスサーボモータは、所望の機械的インピーダンスを緩衝装置によって実現するため、従来のサーボモータのアクティブ方式と異なり、制御アルゴリズムが著しく簡単になる利点がある。また、バックドライバビリティに乏しいウォームギヤ、ハイポイドギヤ、高減速比減速機等を利用できるため、保持トルクおよびモータの容量を小さくし、消費電力を低減する効果もある。 Since the variable impedance servo motor realizes a desired mechanical impedance by a buffer device, there is an advantage that the control algorithm is remarkably simplified, unlike the active method of the conventional servo motor. Further, since worm gears, hypoid gears, high reduction ratio reduction gears and the like having poor back drivability can be used, the holding torque and the capacity of the motor can be reduced, and the power consumption can be reduced.

動力配分機構の類型を示した図である。It is the figure which showed the type of the power distribution mechanism. 動力配分機構を一般的に表現した図である。It is the figure which expressed the power distribution mechanism generally. 可変インピーダンス機構を一般的に表現した図である。FIG. 2 is a diagram generally representing a variable impedance mechanism. 緩衝装置の実施例を示した図である。It is the figure which showed the Example of the shock absorber. ラックを用いた緩衝装置の実施例を示した図である。It is the figure which showed the Example of the shock absorber using a rack. 非線形ばねを用いた緩衝装置の実施例を示した図である。It is the figure which showed the Example of the buffer device using a nonlinear spring. 可変インピーダンスサーボモータの実施例である。It is an Example of a variable impedance servomotor. 可変インピーダンスサーボモータの分解図である。It is an exploded view of a variable impedance servomotor. 直動型可変インピーダンス機構の実施例である。る。It is an example of a direct acting variable impedance mechanism. The

図1(i)に示すように、サンギヤ(1)と遊星ギヤ(2)とキャリヤ(3)とリングギヤ(4)とを備え、サンギヤ(1)とキャリヤ(3)とリングギヤ(4)は同軸上を回転し、キャリヤ(3)は遊星ギヤ(2)の公転を保持し、遊星ギヤ(2)はサンギヤ(1)とリングギヤ(4)を一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車は、動力配分装置として利用することができる。 As shown in FIG. 1 (i), a sun gear (1), a planetary gear (2), a carrier (3) and a ring gear (4) are provided, and the sun gear (1), the carrier (3) and the ring gear (4) are coaxial. The carrier (3) holds the revolution of the planetary gear (2), and the planetary gear (2) rotates the sun gear (1) and the ring gear (4) at a constant rotation speed ratio. The planetary gear can be used as a power distribution device.

例えば、内燃機関の過給機において、リングギヤ(4)の回転を、力学的に接地された湿式クラッチによって制限し、サンギヤ(1)に入力された動力をキャリヤ(3)とリングギヤ(4)に配分する技術が公知である(特開平7−269365)。 For example, in a supercharger of an internal combustion engine, the rotation of the ring gear (4) is limited by a mechanically grounded wet clutch, and the power input to the sun gear (1) is transferred to the carrier (3) and the ring gear (4). A technique for distributing is known (Japanese Patent Laid-Open No. 7-269365).

この場合、サンギヤ(1)、キャリヤ(3)、リングギヤ(4)の機能は、排他的に、動力を入力するI軸、動力を出力するO軸、力学的に接地されるG軸のいずれかであればよく、減速比を無視し、動力配分の機能だけに着目した場合、その機能は可換である。 In this case, the functions of the sun gear (1), the carrier (3), and the ring gear (4) are exclusively one of an I axis for inputting power, an O axis for outputting power, and a G axis that is mechanically grounded. If the reduction ratio is neglected and only the power distribution function is focused, that function is interchangeable.

この点、図1(ii)に示すように、第1サイドギヤ(5)とピニオンギヤ(6)とキャリヤ(7)と第2サイドギヤ(8)とを備え、第1サイドギヤ(5)とキャリヤ(7)と第2サイドギヤ(8)は同軸上を回転し、キャリヤ(7)はピニオンギヤ(6)の公転を保持し、ピニオンギヤ(6)は第1サイドギヤ(5)と第2サイドギヤ(8)を一定の回転数比で回転させることを特徴とする差動歯車は、第1サイドギヤ(5)、キャリヤ(7)、第2サイドギヤ(8)を、前記I軸、O軸、G軸とみなすことができる。 In this regard, as shown in FIG. 1 (ii), the first side gear (5), the pinion gear (6), the carrier (7), and the second side gear (8) are provided, and the first side gear (5) and the carrier (7 ) And the second side gear (8) rotate on the same axis, the carrier (7) holds the revolution of the pinion gear (6), and the pinion gear (6) keeps the first side gear (5) and the second side gear (8) constant. In the differential gear characterized in that the first side gear (5), the carrier (7), and the second side gear (8) are regarded as the I axis, the O axis, and the G axis. it can.

同様に、図1(iii)に示すように、第1スパーギヤ(9)と2段ギヤ(10)とキャリヤ(11)と第2スパーギヤ(12)とを備え、第1スパーギヤ(9)とキャリヤ(11)と第2スパーギヤ(12)は同軸上を回転し、キャリヤ(11)は2段ギヤ(10)の公転を保持し、2段ギヤ(10)は第1スパーギヤ(9)と第2スパーギヤ(12)を一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車は、第1スパーギヤ(9)、キャリヤ(11)、第2スパーギヤ(12)を、前記I軸、O軸、G軸とみなすことができる。 Similarly, as shown in FIG. 1 (iii), a first spur gear (9), a two-stage gear (10), a carrier (11), and a second spur gear (12) are provided, and the first spur gear (9) and the carrier are provided. (11) and the second spur gear (12) rotate on the same axis, the carrier (11) holds the revolution of the two-stage gear (10), and the two-stage gear (10) is connected to the first spur gear (9) and the second spur gear (2). A planetary gear characterized by rotating a spur gear (12) at a constant rotation speed ratio includes a first spur gear (9), a carrier (11), and a second spur gear (12) connected to the I axis, O axis, G It can be regarded as an axis.

したがって、これらの機構は、図2に示すように、第1回転体(16)と遊星機構(14)とキャリヤ(15)と第2回転体(17)とを備え、第1回転体(16)とキャリヤ(15)と第2回転体(17)は同軸(13)上を回転し、キャリヤ(15)は遊星機構(14)の公転を保持し、遊星機構(14)は第1回転体(16)と第2回転体(17)とを一定の回転数比で回転させ、第1回転体(16)、キャリヤ(15)、第2回転体(17)の機能は、排他的に、動力を入力するI軸、動力を出力するO軸、力学的に接地されるG軸のいずれかであることを特徴とする動力配分装置(18)として一般化することができる。 Therefore, as shown in FIG. 2, these mechanisms include a first rotating body (16), a planetary mechanism (14), a carrier (15), and a second rotating body (17), and the first rotating body (16 ), The carrier (15) and the second rotating body (17) rotate on the same axis (13), the carrier (15) holds the revolution of the planetary mechanism (14), and the planetary mechanism (14) is the first rotating body. (16) and the second rotating body (17) are rotated at a constant rotation ratio, and the functions of the first rotating body (16), the carrier (15), and the second rotating body (17) are exclusively It can be generalized as a power distribution device (18) characterized by any one of an I axis for inputting power, an O axis for outputting power, and a G axis that is dynamically grounded.

さて、本発明が課題を解決する手段としては、図3のように、前記動力配分装置(18)のG軸が、緩衝装置(19)を介して基体に結合されることを特徴とする可変インピーダンス機構を構成する方法による。 Now, as means for solving the problems of the present invention, as shown in FIG. 3, the G-axis of the power distribution device (18) is coupled to the base body via a shock absorber (19). Depending on the method of constructing the impedance mechanism.

この構成によれば、O軸に加わった衝撃は、I軸およびG軸に分配され、通常、I軸には慣性モーメントの大きい減速機が接続されるため、大部分の衝撃力はG軸に伝達され、緩衝装置(19)によって吸収される。 According to this configuration, the impact applied to the O-axis is distributed to the I-axis and the G-axis. Usually, since a reducer having a large moment of inertia is connected to the I-axis, most of the impact force is applied to the G-axis. Is transmitted and absorbed by the shock absorber (19).

緩衝装置(19)は、入出力軸間に所望の機械的インピーダンスを与えることを目的とするものであれば、その形態は任意でよい。例えば、図4(関連の少ない構成要素の表示は省略)のように、G軸(20)および基体(21)が同軸上にあって、長手方向に突出した保持体を互いに備え(20a、21a)、前記緩衝装置(19)が発揮する反発力によって、該保持体(20a、21a)の回転を制限する形態であってよい。 The buffer device (19) may have any form as long as it aims to provide a desired mechanical impedance between the input and output shafts. For example, as shown in FIG. 4 (representation of components with little relation is omitted), the G-axis (20) and the base (21) are coaxially provided with holding members protruding in the longitudinal direction (20a, 21a). ), The rotation of the holding body (20a, 21a) may be limited by the repulsive force exerted by the shock absorber (19).

この場合は、ゴム等の緩衝体を備えた一般的な軸継手と異なり、緩衝装置(19)自体が回転することがないため(回転するのは表示を省略した部分である)、慣性モーメントを低減する効果や、緩衝体に関する設計性や保守性を高める効果が期待できる。 In this case, unlike a general shaft coupling provided with a shock absorber such as rubber, the shock absorber (19) itself does not rotate (the rotation is a part where the display is omitted), so the moment of inertia is reduced. The effect to reduce and the effect which improves the designability and maintainability regarding a buffer body can be expected.

あるいは、図5(i、ii)(関連の少ない構成要素の表示は省略)のように、前記緩衝装置(19)は、直動の反発力を発揮する直動型緩衝体(19)、ならびに、前記G軸(20)の回転を直動に変換するラック機構(22)を備え、該ラック(22)の直動運動を、該直動型緩衝体(19)によって制限する形態などであってよい。 Alternatively, as shown in FIG. 5 (i, ii) (representation of components with little relation is omitted), the shock absorber (19) includes a direct acting buffer (19) that exhibits a repulsive force of direct acting, and A rack mechanism (22) for converting the rotation of the G axis (20) into a linear motion, and the linear motion of the rack (22) is limited by the linear motion buffer (19). It's okay.

直動型の緩衝体は、設計、製造が比較的容易であり、自動車等のサスペンションで実績も多いため、種々の既存技術を利用できる。また、ラック(22)の摺動量(減速比)や摺動方向を選択しやすいため、緩衝装置の小型化やレイアウトが容易になる効果が期待できる。 The direct acting shock absorber is relatively easy to design and manufacture, and has many achievements in the suspension of automobiles and the like, so that various existing technologies can be used. Moreover, since it is easy to select the sliding amount (reduction ratio) and sliding direction of the rack (22), it is possible to expect the effect that the shock absorber can be reduced in size and layout.

ただし、緩衝装置としてクラッチやドグを用いる場合は、入出力軸間にインピーダンスを与えると言うよりも、トルクの継断や係止を目的とするものであるから、そのようであってはならない。また、緩衝装置は受動要素からのみなるものであって、電動モータ等で直接的にエネルギーを与えるものであってはならない。ただし、磁気粘性流体を利用したダンパなど、散逸エネルギーを制御するための方法や、ばね定数を変化させるためにばねの予圧に用いるアクチュエータ等は、緩衝装置に直接的にエネルギーを与えるものではないからこの限りでない。 However, when a clutch or dog is used as the shock absorber, it is not intended to provide impedance between the input and output shafts, but is intended to interrupt and lock the torque. Further, the shock absorber is composed only of passive elements, and must not directly give energy by an electric motor or the like. However, methods such as dampers that use magnetorheological fluids to control dissipated energy and actuators used for spring preload to change the spring constant do not directly give energy to the shock absorber. This is not the case.

以上のように、緩衝装置は受動要素である必要があるため、変位の増分に対してばね定数が漸増する非線形性を持つばねの利用が適している。例えば図6のように、G軸(20)の突起(20a)を基準として、左右対称に非線形ばね(23)を配置し、基体(21)の突起(21a)との間にこれを保持する構成とすれば、G軸(20)に加わるトルクの方向および大きさによって非線形ばね(23)が適宜圧縮され、その反発力とトルクが釣り合う点において静止する。 As described above, since the shock absorber needs to be a passive element, it is suitable to use a spring having non-linearity in which the spring constant gradually increases with an increase in displacement. For example, as shown in FIG. 6, the non-linear spring (23) is arranged symmetrically with respect to the protrusion (20a) of the G axis (20) and is held between the protrusion (21a) of the base body (21). According to the configuration, the nonlinear spring (23) is appropriately compressed depending on the direction and magnitude of the torque applied to the G axis (20), and stops at a point where the repulsive force and the torque are balanced.

このとき、小さいトルクに対しては柔らかいばね特性を示し、逆に、大きいトルクに対しては硬いばね特性を示すようになる。このような特性は、生物の筋肉と似た性質を持つため、介護ロボットや家庭内サービスロボットなど、人間の労働の代替となる用途に適する。 At this time, a soft spring characteristic is exhibited for a small torque, and conversely, a hard spring characteristic is exhibited for a large torque. Since these characteristics are similar to those of biological muscles, they are suitable for applications that replace human labor such as nursing robots and home service robots.

非線形ばね(23)は、竹の子ばね、円すいばね、テーパーばね、空気ばねなどを適宜選択すれば良く、変位に対して反発力が2次のオーダーで漸増するものが最も望ましい。トルクとばね定数の関係は、非線形ばね(23)の特性により固定的に定まるが、例えば小さいトルクに対して固いばね特性を実現したい場合は、前記I軸を動的に制御する方法により、疑似的に特性を変えることができる。 The non-linear spring (23) may be selected appropriately from bamboo shoot springs, conical springs, taper springs, air springs, and the like, and most preferably has a repulsive force gradually increasing in the second order with respect to displacement. The relationship between the torque and the spring constant is fixedly determined by the characteristic of the nonlinear spring (23). For example, when it is desired to realize a hard spring characteristic with respect to a small torque, a pseudo control is performed by a method of dynamically controlling the I axis. Characteristics can be changed.

正確な位置決め精度が要求される場合は、図7のように、前記可変インピーダンス機構(24)と、モータ(25)と、ロータリーエンコーダ(26)とを具備し、モータ(25)が前記I軸を駆動し、ロータリーエンコーダ(26)が、前記基体と前記O軸(24c)との間の回転角を検出し、該回転角に基づいてモータ(25)を駆動することを特徴とする可変インピーダンスサーボモータを構成することができる。 When accurate positioning accuracy is required, as shown in FIG. 7, the variable impedance mechanism (24), the motor (25), and the rotary encoder (26) are provided, and the motor (25) is connected to the I-axis. And a rotary encoder (26) detects a rotation angle between the base and the O-axis (24c) and drives a motor (25) based on the rotation angle. A servo motor can be configured.

図8は、前記可変インピーダンスサーボモータの分解図を示すものであり、キャリヤ(27)は、遊星ギヤ(28)の自転と公転を保持し、モータ(25)のシャフト(25a)と固定結合し、遊星ギヤ(28)は、サンギヤ(29)とリングギヤ(30)とにかみ合って遊星歯車を構成し、リングギヤ(30)は、スパーギヤ(24a)とともにホルダ(31)に固定結合され、ホルダ(31)は、ベアリング(31a)を介し、サンギヤ(29)によって回転自在に保持され、出力軸(24c)は、サンギヤ(29)と固定結合され、基体(32)は、モータ(25)に結合されて力学的基準となり、ロータリーエンコーダ(26)は、内径が出力軸(24c)に固定され、本体はブラケット(26a)を介して基体(32)に固定され、緩衝装置(24b)は、ダンパ(34)と非線形ばね(35)を保持するブラケット(33)を備え、ばね座(36a)を結合するラック(36)は、直動ベアリング(36b)を介してブラケット(33)に可動結合され、ラック(36)は、スパーギヤ(24a)と接して直動変換し、ブラケット(33)は、基体(32)の台座(32a)に固定される構成となっている。 FIG. 8 is an exploded view of the variable impedance servomotor. The carrier (27) holds the rotation and revolution of the planetary gear (28) and is fixedly coupled to the shaft (25a) of the motor (25). The planetary gear (28) meshes with the sun gear (29) and the ring gear (30) to form a planetary gear. The ring gear (30) is fixedly coupled to the holder (31) together with the spur gear (24a), and the holder (31 ) Is rotatably supported by the sun gear (29) via the bearing (31a), the output shaft (24c) is fixedly coupled to the sun gear (29), and the base (32) is coupled to the motor (25). The rotary encoder (26) has an inner diameter fixed to the output shaft (24c), and the main body is fixed to the base (32) via the bracket (26a). The shock absorber (24b) includes a bracket (33) that holds a damper (34) and a nonlinear spring (35), and a rack (36) that couples the spring seat (36a) is provided via a linear bearing (36b). The rack (36) is in direct contact with the spar gear (24a) and is linearly converted, and the bracket (33) is fixed to the base (32a) of the base body (32). Yes.

このような構成であるとき、衝撃力を受ける出力軸(24c)は、サンギヤ(29)を回転させ、キャリヤ(27)を介してモータ(25)のシャフト(25a)、ならびに、遊星ギヤ(28)を介してリングギヤ(30)に衝撃力を配分する。通常、モータ(25)の減速比は大きく、見かけの慣性モーメントは大きいため、多くの衝撃力はリングギヤ(30)に分配される。リングギヤ(30)は、それと固定結合されたスパーギヤ(24a)を回転させ、その力は、緩衝装置(24b)によって吸収される。該衝撃力による出力軸(24c)の回転角は、ロータリーエンコーダ(26)によって検出されるから、適当な制御アルゴリズムに基づいてモータ(25)を回転させることで、元の位置に出力軸(24c)を保つことができる。 In such a configuration, the output shaft (24c) that receives the impact force rotates the sun gear (29), and the shaft (25a) of the motor (25) and the planetary gear (28) via the carrier (27). ) To distribute the impact force to the ring gear (30). Usually, since the reduction ratio of the motor (25) is large and the apparent moment of inertia is large, a lot of impact force is distributed to the ring gear (30). The ring gear (30) rotates the spur gear (24a) fixedly coupled thereto, and the force is absorbed by the shock absorber (24b). Since the rotation angle of the output shaft (24c) due to the impact force is detected by the rotary encoder (26), the output shaft (24c) is returned to the original position by rotating the motor (25) based on an appropriate control algorithm. ) Can be kept.

機械的インピーダンスを調整する方法は多彩であり、ダンパ(34)や非線形ばね(35)を交換する方法はもちろん、磁気粘性流体等で減衰係数が可変のダンパ(34)を用いる方法、非線形ばね(35)を対向させて予圧し、ばね定数を変換させる方法、ばね座(36a)と非線形ばね(35)との間に設けた力センサのトルク値をフィードバック信号として利用する方法、前述のように、モータ(25)のアクティブ制御を併用して、緩衝装置(24b)の機械的限界を超えた特性を実現する方法など、いずれであってもよい。 There are various methods for adjusting the mechanical impedance, not only the method of replacing the damper (34) and the nonlinear spring (35), but also the method of using a damper (34) whose damping coefficient is variable with a magnetorheological fluid, etc. 35) a method of pre-loading them facing each other and converting the spring constant, a method of using the torque value of the force sensor provided between the spring seat (36a) and the nonlinear spring (35) as a feedback signal, as described above Any method may be used in which the active control of the motor (25) is used in combination to achieve characteristics exceeding the mechanical limit of the shock absorber (24b).

ところで、一般的に、遊星歯車の遊星ギヤの大きさを保ったまま、サンギヤとリングギヤの直径を無限大とすると、遊星ギヤに2つのラックが接する直動機構となるから、この機構についても可変インピーダンス機構を構成することができる。図9は、直動型の可変インピーダンス機構を示す。駆動ラック(37)と基準ラック(38)とピニオンギヤ(39)と入力棒(40)と緩衝装置(41)とを備え、駆動ラック(37)と基準ラック(38)は、それぞれ同一の該ピニオンギヤ(39)に対してラック・アンド・ピニオン機構を構成し、ピニオンギヤ(39)は入力棒(40)に回転自在に保持されるとともに並進させられ、基準ラック(38)は、緩衝装置(41)を介して力学的に接地される構成となっている。 By the way, in general, if the diameter of the sun gear and the ring gear is made infinite while maintaining the size of the planetary gear of the planetary gear, it becomes a linear motion mechanism in which two racks are in contact with the planetary gear. An impedance mechanism can be constructed. FIG. 9 shows a direct acting variable impedance mechanism. A drive rack (37), a reference rack (38), a pinion gear (39), an input bar (40), and a shock absorber (41) are provided, and the drive rack (37) and the reference rack (38) are respectively the same pinion gear. A rack and pinion mechanism is configured with respect to (39), the pinion gear (39) is rotatably held and translated by the input rod (40), and the reference rack (38) is a shock absorber (41). It is configured to be mechanically grounded via

駆動ラック(37)に衝撃が加わるとき、その力は入力棒(40)と基準ラック(38)に分配され、入力棒(40)の見かけの慣性質量が大きい場合は、大部分の衝撃力は基準ラック(38)を介して緩衝装置(41)に吸収される。この構成では、入力棒(40)と同時に緩衝装置(41)を駆動する必要がないため、可動部分の慣性質量を低減することができ、衝突安全性や高速性を向上させる効果が期待できる。



























When an impact is applied to the drive rack (37), the force is distributed to the input rod (40) and the reference rack (38). When the apparent inertial mass of the input rod (40) is large, most of the impact force is It is absorbed by the shock absorber (41) through the reference rack (38). In this configuration, since it is not necessary to drive the shock absorber (41) simultaneously with the input rod (40), the inertial mass of the movable part can be reduced, and the effect of improving collision safety and high speed can be expected.



























Claims (5)

下記(1)〜(3)のいずれかの動力配分装置を備え、該動力配分装置は、第1回転体と遊星機構とキャリヤと第2回転体とを備え、第1回転体とキャリヤと第2回転体は同軸上を回転し、キャリヤは遊星機構の公転を保持し、遊星機構は第1回転体と第2回転体とを一定の回転数比で回転させ、第1回転体、キャリヤ、第2回転体の機能は、排他的に、動力を入力するI軸、動力を出力するO軸、力学的に接地されるG軸のいずれかであり、G軸が、緩衝装置を介して基体に結合されることを特徴とする可変インピーダンス機構。
(4) サンギヤと遊星ギヤとキャリヤとリングギヤとを備え、サンギヤとキャリヤとリングギヤは同軸上を回転し、キャリヤは遊星ギヤの公転を保持し、遊星ギヤはサンギヤとリングギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
(5) 第1サイドギヤとピニオンギヤとキャリヤと第2サイドギヤとを備え、第1サイドギヤとキャリヤと第2サイドギヤは同軸上を回転し、キャリヤはピニオンギヤの公転を保持し、ピニオンギヤは第1サイドギヤと第2サイドギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする差動歯車。
(6) 第1スパーギヤと2段ギヤとキャリヤと第2スパーギヤとを備え、第1スパーギヤとキャリヤと第2スパーギヤは同軸上を回転し、キャリヤは2段ギヤの公転を保持し、2段ギヤは第1スパーギヤと第2スパーギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
The power distribution device according to any one of (1) to (3) below is provided, and the power distribution device includes a first rotating body, a planetary mechanism, a carrier, and a second rotating body, and the first rotating body, the carrier, and the first rotating body. The two rotator rotates on the same axis, the carrier holds the revolution of the planetary mechanism, the planetary mechanism rotates the first rotator and the second rotator at a constant rotation speed ratio, the first rotator, the carrier, The function of the second rotating body is exclusively one of an I-axis for inputting power, an O-axis for outputting power, and a G-axis that is mechanically grounded. A variable impedance mechanism characterized by being coupled to
(4) A sun gear, a planetary gear, a carrier, and a ring gear are provided. The sun gear, the carrier, and the ring gear rotate on the same axis, the carrier holds the revolution of the planetary gear, and the planetary gear connects the sun gear and the ring gear at a constant rotation ratio. A planetary gear characterized by being rotated.
(5) A first side gear, a pinion gear, a carrier, and a second side gear are provided. The first side gear, the carrier, and the second side gear rotate on the same axis, the carrier holds the revolution of the pinion gear, and the pinion gear A differential gear characterized by rotating a two-side gear at a constant rotation speed ratio.
(6) A first spur gear, a two-stage gear, a carrier, and a second spur gear are provided. The first spur gear, the carrier, and the second spur gear rotate on the same axis, and the carrier maintains the revolution of the two-stage gear, and the two-stage gear. Is a planetary gear characterized by rotating the first spur gear and the second spur gear at a constant rotation speed ratio.
前記G軸および基体が同軸上にあって、長手方向に突出した保持体を互いに備え、前記緩衝装置が発揮する反発力によって、該保持体の回転を制限することを特徴とする前記請求項1記載の可変インピーダンス機構。 The G-axis and the base body are coaxially provided with a holding body protruding in a longitudinal direction, and the rotation of the holding body is limited by a repulsive force exerted by the shock absorber. The variable impedance mechanism described. 前記緩衝装置は、直動の反発力を発揮する直動型緩衝体、ならびに、前記G軸の回転を直動に変換するラック機構を備え、該ラックの直動運動を、該直動型緩衝体によって制限することを特徴とする請求項1記載の可変インピーダンス機構。 The shock absorber includes a direct acting buffer body that exerts a repulsive force of direct acting, and a rack mechanism that converts rotation of the G-axis into direct acting, and the direct acting motion of the rack is converted into the direct acting buffer. The variable impedance mechanism according to claim 1, wherein the variable impedance mechanism is limited by a body. 請求項1から3のいずれかに記載の可変インピーダンス機構と、モータと、ロータリーエンコーダとを具備し、モータが前記I軸を駆動し、ロータリーエンコーダが、前記基体と前記O軸との間の回転角を検出し、該回転角に基づいてモータを駆動することを特徴とする可変インピーダンスサーボモータ。 The variable impedance mechanism according to claim 1, a motor, and a rotary encoder are provided, the motor drives the I axis, and the rotary encoder rotates between the base and the O axis. A variable impedance servomotor characterized by detecting an angle and driving a motor based on the rotation angle. 駆動ラックと基準ラックとピニオンギヤと入力棒と緩衝装置とを備え、駆動ラックと基準ラックは、それぞれ同一の該ピニオンギヤに対してラック・アンド・ピニオン機構を構成し、ピニオンギヤは入力棒に回転自在に保持されるとともに並進させられ、基準ラックは、緩衝装置を介して力学的に接地されることを特徴とする直動型可変インピーダンス機構。


A drive rack, a reference rack, a pinion gear, an input bar, and a shock absorber are provided. The drive rack and the reference rack constitute a rack-and-pinion mechanism for the same pinion gear, and the pinion gear is freely rotatable on the input bar. A linear motion variable impedance mechanism characterized in that the reference rack is mechanically grounded via a shock absorber while being held and translated.


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