JP2014050926A - トルク制限機構、駆動装置及びロボット装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より安定したトルク制御が可能なトルク制限機構、駆動装置及びロボット装置を提供すること。
【解決手段】回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達可能なトルク制限機構であって、回転駆動軸と被駆動軸とのうち少なくとも一方の回転軸の第一面の少なくとも一部に対して接触する第二面を有し、回転軸の軸方向とは異なる方向に力が加えられた状態で第二面が第一面の少なくとも一部に接触することによって回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達する伝達部と、第一面及び第二面のうち少なくとも一方の接触面の状態の変化を抑制する抑制部とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達可能なトルク制限機構であって、回転駆動軸と被駆動軸とのうち少なくとも一方の回転軸の第一面の少なくとも一部に対して接触する第二面を有し、回転軸の軸方向とは異なる方向に力が加えられた状態で第二面が第一面の少なくとも一部に接触することによって回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達する伝達部と、第一面及び第二面のうち少なくとも一方の接触面の状態の変化を抑制する抑制部とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、トルク制限機構、駆動装置及びロボット装置に関する。
近年、例えば工業分野に限られず、医療や福祉などの広い産業分野において、作業者の負担軽減等を目的として、ロボット装置が用いられている。このようなロボット装置は、例えば、関節部を介して複数の腕部が接続される構成になっている(例えば、特許文献1参照)。このようなロボット装置において、ロボット装置周囲の人や物が腕部に挟み込まれた場合に駆動トルクを低減して、挟み込まれた人や物及びロボット装置の損傷を低減する構成が知られている。
しかしながら、上述のようなロボット装置においては、トルク制限機構によるトルク制御の安定性が求められている。
以上のような事情に鑑み、本発明は、安定したトルク制御が可能なトルク制限機構、駆動装置及びロボット装置を提供することにある。
本発明の第一の態様に従えば、回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達可能なトルク制限機構であって、回転駆動軸と被駆動軸とのうち少なくとも一方の回転軸の第一面の少なくとも一部に対して接触する第二面を有し、回転軸の軸方向とは異なる方向に力が加えられた状態で第二面が第一面の少なくとも一部に接触することによって回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達する伝達部と、第一面及び第二面のうち少なくとも一方の接触面の状態の変化を抑制する抑制部とを備えるトルク制限機構が提供される。
本発明の第二の態様に従えば、駆動軸と、当該駆動軸に回転力を作用させる回転駆動部と、駆動軸の前記回転力が伝達される被駆動軸と、駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達可能なトルク制限機構とを備え、トルク制限機構として、本発明の第一の態様に従う制限機構が用いられている駆動装置が提供される。
本発明の第三の態様に従えば、アームと、当該アームを駆動する駆動装置とを備え、駆動装置として、本発明の第二の態様に従う駆動装置が用いられているロボット装置が提供される。
本発明の第四の態様に従えば、本発明の第一の態様に従うトルク制限機構を備えるロボット装置が提供される。
本発明によれば、より安定したトルク制御が可能となる。
[第一実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の第一の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第一の実施形態に係るトルク制限機構120及び駆動装置100を備えるロボット装置200の構成の一例を示す構成図である。
以下、図面を参照して、本発明の第一の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第一の実施形態に係るトルク制限機構120及び駆動装置100を備えるロボット装置200の構成の一例を示す構成図である。
本実施形態のロボット装置200は、固定部10と、可動部20(被駆動部)と、駆動装置100と、上位装置80とを備えている。
固定部10は、駆動装置100及び可動部20を支持する支持部材であり、例えば、床に固定されている。
固定部10は、駆動装置100及び可動部20を支持する支持部材であり、例えば、床に固定されている。
可動部20(被駆動部)は、例えば、ロボット装置200の腕(アーム)部分であり、例えば、固定部10に対して移動(例えば、回転移動)される。固定部10と可動部20とは、連結部30において、移動可能(例えば、回転可能)に連結されている。
連結部30は、固定部10と可動部20とを連結しており、この駆動装置100を備えている。
駆動装置100は、駆動部150と、トルク制限機構120とを備えており、固定部10に固定され、可動部20(被駆動部)を移動(例えば、回転移動)させる。
連結部30は、固定部10と可動部20とを連結しており、この駆動装置100を備えている。
駆動装置100は、駆動部150と、トルク制限機構120とを備えており、固定部10に固定され、可動部20(被駆動部)を移動(例えば、回転移動)させる。
本実施形態において上位装置80は、例えば、ロボット装置200の制御用コンピュータである。この上位装置80は、駆動ドライバを備えており、駆動装置100の駆動部150に対して、可動部20(被駆動部)を移動(例えば、回転移動)させる回転力の指令値に応じた、駆動部150を駆動する駆動電流(例えば、駆動電流IT)を出力する。
駆動部150は、上位装置80が出力する駆動電流ITに応じた回転力によって回転駆動軸11を回転させる。本実施形態の駆動部150は、例えば、固定部10の第3軸受部12cに取り付けられ、上位装置80から供給される駆動電流ITに応じた回転力によって回転駆動軸11を回転させる。
回転駆動軸11は、例えば、駆動部150によって発生された回転力を出力する駆動部150の回転出力軸である。また、回転駆動軸11は、拡径部11aを備えており、固定部10の第一軸受部12a及び第二軸受部12bと、可動部20の第4軸受部22a及び第5軸受部22bと、被駆動軸21とを貫通している。
トルク制限機構120は、調整部121と、検出部122とを備えており、回転駆動軸11の回転力を被駆動軸21に伝達可能である。
検出部122は、例えば、トルクセンサを備えており、回転駆動軸11と被駆動軸21との間に伝達される回転力を検出する。
検出部122は、例えば、トルクセンサを備えており、回転駆動軸11と被駆動軸21との間に伝達される回転力を検出する。
被駆動軸21は、回転駆動軸11から伝達された回転力によって回転する回転軸である。本実施形態の被駆動軸21は、例えば、可動部20の第5軸受部22bに接続されており、第5軸受部22bとともに回転する。つまり、可動部20は、被駆動軸21が回転することによって、被駆動軸21を中心にして回転する。
調整部121は、駆動素子131と、ベルト部材を有する伝達部130とを備えており、回転駆動軸11と被駆動軸21との間に伝達される回転力の上限値(許容値)を調整する。
駆動素子131は、一端が可動部20に接続され、他端が伝達部130の一端に接続されており、制御部123から出力される制御信号に基づき変形することによって伝達部130の張力を変化させて、回転駆動軸11及び被駆動軸21に対する伝達部130のグリップ力を変化させる。
駆動素子131は、一端が可動部20に接続され、他端が伝達部130の一端に接続されており、制御部123から出力される制御信号に基づき変形することによって伝達部130の張力を変化させて、回転駆動軸11及び被駆動軸21に対する伝達部130のグリップ力を変化させる。
伝達部130は、回転駆動軸11の拡径部11aと被駆動軸21とに対して接触可能にされて(例えば、巻きかけられて)おり、例えば張力(すなわち、伝達部130のグリップ力)に対応する許容値によって回転駆動軸11の回転力を被駆動軸21に伝達する。つまり、回転駆動軸11の拡径部11aから被駆動軸21に伝達されるトルクの許容値は、トルク制限機構120が備える伝達部130のグリップ力によって設定される。
制御部123は、後述する上位装置80から供給される回転力指令値を駆動部150に出力する。また、制御部123は、調整部121が調整する上限値を可動部20の負荷及び加速度に応じて設定するとともに、検出部122が検出する回転力と設定されている上限値とに基づいて、上限値の設定を変更する。制御部123は、上記の上限値に基づく制御信号を調整部121に出力する。
次に、図2を参照して、トルク制限機構120が備える調整部121としての駆動素子131と伝達部130との詳細な構成について説明する。
図2は、トルク制限機構120の構成を示す断面図である。
伝達部130は、その端部(第一端部130a、第二端部130b)が、拡径部11a及び被駆動軸21の周方向の基準位置Pを挟むように所定の隙間を空けて対向して配置されている。また、伝達部130の形状は、例えば、帯状又は線状などである。
図2は、トルク制限機構120の構成を示す断面図である。
伝達部130は、その端部(第一端部130a、第二端部130b)が、拡径部11a及び被駆動軸21の周方向の基準位置Pを挟むように所定の隙間を空けて対向して配置されている。また、伝達部130の形状は、例えば、帯状又は線状などである。
拡径部11aと被駆動軸21とは、例えば、同一の径を有しているため、拡径部11aの外周面と被駆動軸21の外周面との間では段差が発生することが無い。このため、伝達部130と拡径部11aとの間、及び、伝達部130と被駆動軸21との間には、ほぼ同一のグリップ力が発生することになる。
駆動素子131(本実施形態においては、第一駆動素子131a及び第二駆動素子131b)は、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間の接触状態を調整する。第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bとしては、例えば電歪素子(例、ピエゾ素子)や磁歪素子などの電気機械変換素子が用いられている。例えば、第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bは、駆動電圧が供給されることにより、一方向に伸縮する構成である。
第一駆動素子131aは、伸縮方向の一方の端部が伝達部130の第一端部130aに接続されている。また、第一駆動素子131aの他方の端部は、可動部20の端面から突出した支持部134に固定されている。したがって、第一駆動素子131aは、第一端部130aと支持部134とで挟まれた構成となっている。第一駆動素子131aのうち第一端部130aとの接続部分には、フレクシャ機構132aが形成されている。
第二駆動素子131bは、伸縮方向の一方の端部が伝達部130の第二端部130bに接続されている。また、第二駆動素子131bの他方の端部は、可動部20の端面から突出した支持部134に固定されている。したがって、第二駆動素子131bは、第二端部130bと支持部134とで挟まれた構成となっている。第二駆動素子131bのうち第二端部130bとの接続部分には、フレクシャ機構132bが形成されている。
上述したように、制御部123は第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bに接続されており、当該第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bに対して駆動電圧を供給可能になっている。制御部123は、第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bに印加する駆動電圧の電圧値を変化させることにより、第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bの伸縮量を調整する。
例えば、第一駆動素子131aが伸びると、伝達部130の第一端部130aが第二端部130bに近づく方向に移動する。また、第二駆動素子131bが伸びると、伝達部130の第二端部130bが第一端部130aに近づく方向に移動する。このため、伝達部130が拡径部11aの周面(例、外周面や内周面)及び被駆動軸21の周面(例、外周面や内周面)に巻きつき、当該伝達部130に張力が加わる。第一駆動素子131aが縮むと、第一端部130aが第二端部130bから離れる方向に移動する。また、第二駆動素子131bが縮むと、第二端部130bが第一端部130aから離れる方向に移動する。このため、伝達部130が拡径部11a及び被駆動軸21から離れて、伝達部130が弛緩する。このように、例えば、伝達部130は、駆動素子131の駆動(例、伸縮)によって回転駆動軸11の径方向及び被駆動軸21の径方向に力(例、伝達部130のグリップ力や張力、押圧力)が加えられる。これによって、伝達部130と拡径部11aとの間、及び伝達部130と被駆動軸21との間で、それぞれ摩擦力が生じる。なお、本実施形態は、例えば、駆動素子131を縮ませることによって、伝達部130が拡径部11a及び被駆動軸21に巻きついて、当該伝達部130にグリップ力が加わる構成にしてもよい。そして、本実施形態は、駆動素子131が伸びることによって、伝達部130が拡径部11a及び被駆動軸21から離れて弛緩する構成にしてもよい。
次に、図3を参照して、駆動部150によって発生される回転力が被駆動軸21に伝達される回転力の伝達経路の一例を説明する。
図3は、本実施形態における回転力の伝達経路の一例を示す断面図である。
まず、駆動部150は、所定の回転力を発生させて、発生させた回転力によって回転駆動軸11を回転させる。この回転駆動軸11の回転力は、拡径部11aと、トルク制限機構120の伝達部130との間に生じる摩擦力によって、伝達部130に伝達される(図3のTq1)。次に、伝達部130の回転力は、伝達部130と、被駆動軸21との間に生じる摩擦力によって、被駆動軸21に伝達される(図3のTq2)。このようにして、駆動部150によって発生された回転力は、被駆動軸21に伝達される。上述したように、駆動部150は、固定部10の第3軸受部12cに固定されており、被駆動軸21は、可動部20の第5軸受部22bに固定されている。この回転力によって、可動部20は、固定部10を基準にして回転される。
図3は、本実施形態における回転力の伝達経路の一例を示す断面図である。
まず、駆動部150は、所定の回転力を発生させて、発生させた回転力によって回転駆動軸11を回転させる。この回転駆動軸11の回転力は、拡径部11aと、トルク制限機構120の伝達部130との間に生じる摩擦力によって、伝達部130に伝達される(図3のTq1)。次に、伝達部130の回転力は、伝達部130と、被駆動軸21との間に生じる摩擦力によって、被駆動軸21に伝達される(図3のTq2)。このようにして、駆動部150によって発生された回転力は、被駆動軸21に伝達される。上述したように、駆動部150は、固定部10の第3軸受部12cに固定されており、被駆動軸21は、可動部20の第5軸受部22bに固定されている。この回転力によって、可動部20は、固定部10を基準にして回転される。
次に、本実施形態に係るトルク制限機構120において、回転駆動軸11(拡径部11a)から被駆動軸21へ回転力を伝達し、当該被駆動軸21に回転力を作用させる原理の一例を説明する。被駆動軸21を駆動させる際には、拡径部11a及び被駆動軸21に巻き付いた伝達部130に張力を生じさせて、当該張力によって生じるグリップ力によって拡径部11aと被駆動軸21とを連結する。拡径部11aと被駆動軸21とが伝達部130によって連結されることで、回転駆動軸11から被駆動軸21へと回転力が伝達可能となる。
オイラーの摩擦ベルト理論により、回転駆動軸11(拡径部11a)及び被駆動軸21に巻き付いた伝達部130の第一端部130a側の張力(T1)及び第二端部130b側の張力(T2)が下記(式1)を満たすとき、伝達部130と拡径部11aとの間、伝達部130と被駆動軸21との間で、それぞれ摩擦力が生じ、伝達部130が拡径部11aの外周面及び被駆動軸21の外周面に対して滑りを生じることの無い状態(接触状態)となる。なお、本実施形態では、伝達部130が短手方向に等しい寸法ずつ拡径部11a及び被駆動軸21に掛けられているため、生じる摩擦力の大きさは、伝達部130と拡径部11aとの間、及び、伝達部130と被駆動軸21との間で、ほぼ等しくなる。
伝達部130は、拡径部11a及び被駆動軸21に対して接触状態となったときに、摩擦力によって回転駆動軸11及び被駆動軸21と共に移動する。この移動により、回転駆動軸11から被駆動軸21に回転力が伝達される。ただし、(式1)において、μは伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦係数であり、θは伝達部130の有効巻き付き角(接触角度)である。有効巻き付け角θについては、拡径部11aの外周面及び被駆動軸21の外周面のうち伝達部130に対して接触状態となりうる部分の範囲である。
このとき、回転力の伝達に寄与する張力は、(T1−T2)によって表される。上記(式1)に基づいて張力(T1−T2)を求めると、(式2)のようになる。
上記(式2)より、回転駆動軸11から被駆動軸21に伝達される回転力は、例えば第一駆動素子131aの伸縮によって伝達部130に生じる張力T1によって一意に決定されることがわかる。(式2)の右辺の張力T1の係数部分は、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間における摩擦係数μ、及び、伝達部130の有効巻き付き角θにそれぞれ依存する。
図4は、オイラーの原理に基づく摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θと係数部分の値との関係を示すグラフである。グラフの横軸は有効巻き付き角θを示しており、グラフの縦軸は係数部分の値を示している。図4に示すように、例えば摩擦係数μが0.3の場合には、有効巻き付き角θが300°以上のときに係数部分の値が0.8以上となっている。
このことから、摩擦係数μが0.3の場合には、有効巻き付き角θを300°以上とすることにより、第一駆動素子131aによる張力T1の80%以上の力が被駆動軸21の回転力に寄与することがわかる。この巻き付き角の他(例、180°、270°、360°、360°以上)、図4のグラフから、例えば伝達部130と、拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦係数を大きくするほど、係数部分の値が大きくなることが推定される。このように、回転駆動軸11から被駆動軸21に伝達される回転力の上限値(許容値)の大きさは第一駆動素子131aによる張力T1によって一意に決定されることになる。したがって、本実施形態におけるトルク制限機構又は制御部は、回転駆動軸11(拡径部11a)及び被駆動軸21に対する伝達部130のグリップ力を緩めること及び締め付けることによって上記回転力の上限値を変更可能である。また、本実施形態におけるトルク制限機構又は制御部は、オイラーの摩擦ベルト理論によって伝達部130の摩擦力の平均化効果が大きく、安定した摩擦力を得ることができる。また、本実施形態のトルク制限機構又は制御部は、オイラーの摩擦ベルト理論に基づいて伝達部130のグリップ力を制御することよって、小さな力で伝達されるトルクを可変にすることができ、軸の滑り出しの許容値(回転力の上限値)の可変レンジを大きくすることができる。
次に、本実施形態の制御部123が駆動装置100を制御する構成について説明する。図5は、本実施形態の制御部123が駆動装置100を制御する構成の一例を示す構成図である。
本実施形態において上位装置80は、例えば、ロボット装置200の制御用コンピュータであり、制御部123に対して、回転駆動軸11を回転させる駆動部150の回転力の指令値である回転力指令値(例えば、回転力指令値CT)を出力する。なお、この指令値は、回転駆動軸11の回転位置の指令値や、回転駆動軸11の回転速度の指令値であってもよい。
制御部123は、上位装置80に接続されており、上位装置80が出力する、回転力指令値CTを取得する。また、制御部123は、上位装置80から取得した駆動部150の回転力指令値CTに応じた、駆動部150を駆動する駆動電流(例えば、駆動電流IT)を駆動部150に出力する。また、制御部123は、回転駆動軸11の回転力を被駆動軸21に伝達可能なトルク制限機構120が有する調整部121が調整する回転力の上限値を設定する。また、制御部123は、検出部122が検出する被駆動軸21の回転力(例えば、回転駆動軸11から被駆動軸21に伝達された回転力)と設定されている上限値とに基づいて、上限値の設定を変更する。
本実施形態の制御部123は、例えば、モータドライバ123aと、クラッチ制御部123bと、回転力検出部123cとを備えている。この、モータドライバ123aは、上位装置80から取得した駆動部150の回転力指令値CTに応じて、駆動部150を駆動する駆動電流ITを生成し、生成した駆動電流ITを駆動部150に出力する。また、クラッチ制御部123bは、トルク制限機構120が有する調整部121に接続されており、回転力の上限値を、第一駆動素子131a及び第二駆動素子131bに印加して設定する設定電圧(例えば、設定電圧VS)を調整部121に出力する。また、回転力検出部123cは、検出部122に接続されており、検出部122が検出する被駆動軸21の回転力を示す回転力情報(例えば、回転力情報DT)を取得する。
制御部123は、通常動作において、回転力の上限値を設定して、設定した上限値に応じた設定電圧VSを、クラッチ制御部123bを介して調整部121に出力する。
図6は、トルク制限機構120の一部を拡大して示す断面図である。
図6に示すように、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cには、硬化処理層135が形成されている。硬化処理層135は、伝達部130の内周面130cに対する耐磨耗性が向上するように硬化処理が施された領域である。伝達部130の内周面130cに接触する接触面である外周面11c及び外周面21cの耐磨耗性を向上させることにより、内周面130cによる摩擦を受けても外周面11c及び外周面21cの面粗さが変化しにくくなる。このため、外周面11c及び外周面21cと内周面130cとの間に作用する摩擦力が安定化される。
図6に示すように、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cには、硬化処理層135が形成されている。硬化処理層135は、伝達部130の内周面130cに対する耐磨耗性が向上するように硬化処理が施された領域である。伝達部130の内周面130cに接触する接触面である外周面11c及び外周面21cの耐磨耗性を向上させることにより、内周面130cによる摩擦を受けても外周面11c及び外周面21cの面粗さが変化しにくくなる。このため、外周面11c及び外周面21cと内周面130cとの間に作用する摩擦力が安定化される。
このような硬化処理層135としては、例えば窒素と炭素との化合物層を用いることができる。例えば鋼の変態点以下の温度(例、510℃〜580℃程度)のソルトバスに拡径部11a及び被駆動軸21を短時間浸漬させる(タフトライド処理)ことにより、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに窒素と炭素との化合物層を形成することができる。この場合、硬化処理層135の硬度は、例えばヴィッカース硬度で400〜1200程度となる。
また、硬化処理層135として、例えばダイヤモンドライクカーボン層などを用いても良い。ダイヤモンドライクカーボン層は、拡径部11a及び被駆動軸21に対して例えばプラズマCVD法やPVD法などの手法を施すことにより形成することができる。この場合、硬化処理層135の硬度は、例えばヴィッカース硬度で1500〜7000程度となる。
図7は、本実施形態における相対的な滑りの上限値の変化の一例を示すグラフである。通常動作において、回転駆動軸11と被駆動軸21との間に伝達される回転力の上限値は、例えば、図7に示す波形WSのように設定されている。例えば、上限値は被駆動軸21が駆動される状態(例えば、被駆動軸21に加わる負荷トルクの変化)に応じて設定されている。一例として、上限値は、図7の時刻t0からt1において波形WS1に示すに設定されている。図7の時刻t1からt8においても同様に、上限値は波形WS2からWS8に示すように、それぞれ設定されている。
これに対して、トルク制限機構120は、伝達部130、拡径部11a及び被駆動軸21などの接触面状態の変化により、上述した摩擦力が変化することがある。例えば、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間で摩擦を繰り返すことにより、伝達部130の内周面130cや拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cが次第に粗くなっていく場合がある。このような場合、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦力が徐々に変化(増加又は低減)する。
この結果、例えば、トルク制限機構120が伝達する回転力の上限値が、設定した上限値よりも増加することがある。ここで、設定されている上限値(例えば、波形WSによって示される上限値)に対して摩擦力が増加した場合、例えば、図7に示す波形WSは、波形WUに変化する。この場合、伝達する回転力の大きさが設定された上限値を超えても、滑りが発生しないことがある。
また、例えば、トルク制限機構120が伝達する回転力が設定した上限値に達しないことがある。つまり、トルク制限機構120が伝達する回転力の上限値が、設定した上限値よりも減少することがある。ここで、設定されている上限値(WS)に対して摩擦力が減少した場合、例えば、図7に示す波形WSは、波形WLに変化する。この場合、被駆動軸21の負荷(例えば、可動部20及び可動部20が移動させる負荷)を移動させるために必要な回転力を回転駆動軸11から被駆動軸21に伝達することができないことがある。
つまり、トルク制限機構120において、上記のように摩擦力が変化すると、滑りが発生すべき状況において滑りが発生しなかったり、滑りが発生すべきでない状況において滑りが発生したりする、といった誤作動が発生する場合がある。
これに対して、本実施形態では、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに硬化処理層135が形成されているので、当該外周面11c及び外周面21cの硬度が高められることになる。したがって、外周面11c及び外周面21cが内周面130cとの間で摩擦を繰り返した場合でも、面粗さが変化しにくくなる。これにより、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦力が安定化されるので、より安定したトルク制御が可能となる。
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態を説明する。
本実施形態では、上記実施形態と共通の構成については、共通の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
次に、本発明の第二実施形態を説明する。
本実施形態では、上記実施形態と共通の構成については、共通の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
図8は、本実施形態に係るトルク制限機構220の一部の構成を示す図である。
図8に示すように、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cには、溝部140a及び溝部140bが設けられている。溝部140aは、例えば拡径部11a及び被駆動軸21の周方向に沿って設けられている。溝部140bは、例えば拡径部11a及び被駆動軸21の軸線方向に沿って設けられている。
図8に示すように、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cには、溝部140a及び溝部140bが設けられている。溝部140aは、例えば拡径部11a及び被駆動軸21の周方向に沿って設けられている。溝部140bは、例えば拡径部11a及び被駆動軸21の軸線方向に沿って設けられている。
溝部140a及び溝部140bは、例えばトルク制限機構120の周囲の雰囲気から伝達部130の内周面130c、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに付着する付着物や、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との摩擦によって生じた磨耗粉などの異物を収容する。溝部140a及び溝部140bに収容された異物は、例えば溝部140a及び溝部140bに沿って拡径部11a及び被駆動軸21の外部へ逃がされる。
図9は、本実施形態に係るトルク制限機構220の他の構成を示す図である。
図9に示すように、伝達部130のZ方向の両端部には、トラップ部141が設けられている。トラップ部141は、伝達部130の周方向に沿って環状に形成されている。トラップ部141は、伝達部130の内周面130cと拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの間に混入された異物を吸着する。トラップ部141として、例えば異物を吸着可能な程度の粘性を有する物質などを用いても良い。これにより、伝達部130の内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との間に付着する異物を吸着することができる。
図9に示すように、伝達部130のZ方向の両端部には、トラップ部141が設けられている。トラップ部141は、伝達部130の周方向に沿って環状に形成されている。トラップ部141は、伝達部130の内周面130cと拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの間に混入された異物を吸着する。トラップ部141として、例えば異物を吸着可能な程度の粘性を有する物質などを用いても良い。これにより、伝達部130の内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との間に付着する異物を吸着することができる。
また、トラップ部141が拡径部11aの外周面11cや被駆動軸21の外周面21cに設けられた構成であっても良い。この場合、例えば、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに多孔質層141aが設けられた構成であっても良い。当該多孔質層141aには、異物が入り込む程度の孔径を有する多孔質材料が用いられている。したがって、伝達部130の内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との間に付着する異物を多孔質層141aにおいて吸着することができる。
図10は、本実施形態に係るトルク制限機構220の他の構成を示す図である。
図10に示すように、伝達部130の第一端部130aと第二端部130bとの間には、払拭部142が設けられている。払拭部142は、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに付着した異物を払拭する。払拭部142としては、例えばブラシやスキージなどを用いることができる。払拭部142は、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに接触した状態で移動することで、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに付着した異物を除去することができる。
図10に示すように、伝達部130の第一端部130aと第二端部130bとの間には、払拭部142が設けられている。払拭部142は、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに付着した異物を払拭する。払拭部142としては、例えばブラシやスキージなどを用いることができる。払拭部142は、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに接触した状態で移動することで、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに付着した異物を除去することができる。
なお、払拭部142と、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの間は、相対的に移動する構成であれば良い。したがって、例えば、払拭部142の位置を固定させたまま拡径部11a及び被駆動軸21を回転させる構成であっても良い。この場合、払拭部142が拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに接触した状態で拡径部11a及び被駆動軸21が移動することで、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに付着した異物が払拭部142によって除去される。
ここで、内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との接触部分に異物が存在する状態で伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦を繰り返す場合、伝達部130の内周面130c、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cの粗さなどの表面状態が変化し、摩擦力が変化(増加又は低減)することがある。この結果、滑りが発生すべき状況において滑りが発生しなかったり、滑りが発生すべきでない状況において滑りが発生したりする、といった誤作動が発生する場合がある。
これに対して、本実施形態では、内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との接触部分の異物を除去することが可能となるため、異物が残ったまま伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間で摩擦が行われるのを防ぐことができる。これにより、内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦力が安定化されるので、より安定したトルク制御が可能となる。
[第三実施形態]
次に、本発明の第二実施形態を説明する。
本実施形態では、上記実施形態と共通の構成については、共通の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
次に、本発明の第二実施形態を説明する。
本実施形態では、上記実施形態と共通の構成については、共通の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
図11は、本実施形態に係るトルク制限機構320の構成を示す図である。
図11に示すように、伝達部130の内周面130cと、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの間には、液状体膜144が設けられている。液状体膜144は、内周面130cと拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの接触部分のほぼ全体に亘って設けられている。液状体膜144としては、例えば油膜や磁性流体膜などが挙げられる。液状体膜144を設けることにより、伝達部130の内周面130cや、拡径部11aの外周面11c、被駆動軸21の外周面21cの膜状態が変化(例、酸化)するのを防ぐことができる。
図11に示すように、伝達部130の内周面130cと、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの間には、液状体膜144が設けられている。液状体膜144は、内周面130cと拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cとの接触部分のほぼ全体に亘って設けられている。液状体膜144としては、例えば油膜や磁性流体膜などが挙げられる。液状体膜144を設けることにより、伝達部130の内周面130cや、拡径部11aの外周面11c、被駆動軸21の外周面21cの膜状態が変化(例、酸化)するのを防ぐことができる。
図12は、図11に示すトルク制限機構320の一部を拡大して示す図である。
図12に示すように、伝達部130の内周面130cのうちZ方向の端部には、複数の凹部130dが設けられている。各凹部130dは、内周面130cの周方向に沿って環状に形成されている。また、拡径部11a及び被駆動軸21の外周面21cには、当該凹部130dに挿入される凸部145が設けられている。
図12に示すように、伝達部130の内周面130cのうちZ方向の端部には、複数の凹部130dが設けられている。各凹部130dは、内周面130cの周方向に沿って環状に形成されている。また、拡径部11a及び被駆動軸21の外周面21cには、当該凹部130dに挿入される凸部145が設けられている。
凸部145が凹部130dに挿入された状態において、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間に隙間が形成される。この隙間には、上記の液状体膜144が封入される。このように、伝達部130のZ方向の両端部において、凹部130dと凸部145とが入り組んだ構成となっているため、外部から侵入する異物をトラップすることができる。
ここで、内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との接触部分において表面の化学的性質が変化(例、酸化)し、摩擦力が変化(増加又は低減)することがある。この結果、滑りが発生すべき状況において滑りが発生しなかったり、滑りが発生すべきでない状況において滑りが発生したりする、といった誤作動が発生する場合がある。
これに対して、本実施形態では、内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との接触部分に液状体膜144が設けられるため、当該液状体膜144が保護膜となって内周面130cや拡径部11aの外周面11c、被駆動軸21の外周面21cの化学的変化を抑制することが可能となる。これにより、内周面130cと拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦力が安定化されるので、より安定したトルク制御が可能となる。
なお、液状体膜144として、磁性流体膜が用いられる場合、例えば油膜に鉄粉などの磁性体を分散させることで容易に作成することができる。また、液状体膜144として磁性流体膜を用いる場合、伝達部130のZ方向の両端部を磁化させておくことにより、凹部130dと凸部145との間を液状体膜144で満たすことができる。
[第四実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の第四実施形態を説明する。
図13は、本実施形態におけるロボット装置の構成の一例を示す構成図である。
図13に示すように、本実施形態のロボット装置200は、台座部50と、固定部10と、手先部40と、複数の可動部20(例えば、可動部20a及び可動部20b)と、複数の駆動装置100(例えば、駆動装置100a及び駆動装置100b)を備えている。
以下、図面を参照して、本発明の第四実施形態を説明する。
図13は、本実施形態におけるロボット装置の構成の一例を示す構成図である。
図13に示すように、本実施形態のロボット装置200は、台座部50と、固定部10と、手先部40と、複数の可動部20(例えば、可動部20a及び可動部20b)と、複数の駆動装置100(例えば、駆動装置100a及び駆動装置100b)を備えている。
台座部50は、ロボット装置200が設置されている床に固定されている。
固定部10は、第1端部が台座部に固定されており、第2端部が連結部30aを介して可動部20aの第1端部と連結されている。
固定部10は、第1端部が台座部に固定されており、第2端部が連結部30aを介して可動部20aの第1端部と連結されている。
可動部20aは、第1端部が連結部30aを介して固定部10の第2端部と連結されており、第2端部が連結部30bを介して可動部20bの第1端部と連結されている。例えば、可動部20aは、ロボット装置200が備えるロボットアームのうちの上腕部である。
可動部20bは、第1端部が連結部30bを介して可動部20aの第2端部と連結されており、第2端部に手先部40が接続されている。例えば、可動部20bは、ロボット装置200が備えるロボットアームのうちの下腕部である。
手先部40は、可動部20bの第2端部に接続されており、被移動物体WKを保持する(例えば、把持する)。
手先部40は、可動部20bの第2端部に接続されており、被移動物体WKを保持する(例えば、把持する)。
駆動装置100aは、連結部30aに備えられており、上位装置80の指令値に基づいて固定部10に対して可動部20aが回転移動するように可動部20aを駆動する。同様に、駆動装置100bは、連結部30bに備えられており、上位装置80の指令値に基づいて可動部20aに対して可動部20bが回転移動するように可動部20bを駆動する。また、これらの駆動装置100は、上述した実施形態において説明したトルク制限機構120をそれぞれ備えている。例えば、駆動装置100aは、トルク制限機構120としてのトルク制限機構120aを備えており、駆動装置100bは、トルク制限機構120としてのトルク制限機構120bを備えている。
以上説明したように、本実施形態の駆動装置100(駆動装置100a、駆動装置100b)は、上述した実施形態において説明したトルク制限機構120、トルク制限機構220又はトルク制限機構320を備えている。これにより、本実施形態の駆動装置100は、例えば衝突時や挟み込み発生時の損傷を低減することができる。
また、本実施形態のロボット装置200は、上述した実施形態において説明したトルク制限機構120(本実施形態においては、トルク制限機構120a及びトルク制限機構120b)を備えている。これにより、本実施形態のロボット装置200は、例えば衝突時や挟み込み発生時の損傷を低減することができる。
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、硬化処理層135が拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、硬化処理層135が伝達部130の内周面130cに設けられた構成であっても良い。また、硬化処理層135が外周面11c及び外周面21cと内周面130cとの両方に設けられた構成であっても良い。この場合、外周面11c及び外周面21cと内周面130cとの間において、硬度が等しくなるようにしても良いし、硬度が異なるようにしても良い。
例えば、上記実施形態では、硬化処理層135が拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面21cに設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、硬化処理層135が伝達部130の内周面130cに設けられた構成であっても良い。また、硬化処理層135が外周面11c及び外周面21cと内周面130cとの両方に設けられた構成であっても良い。この場合、外周面11c及び外周面21cと内周面130cとの間において、硬度が等しくなるようにしても良いし、硬度が異なるようにしても良い。
また、上記実施形態では、拡径部11aの外周面11c及び被駆動軸21の外周面11cに伝達部130の内周面130cが接する構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、回転駆動軸11及び被駆動軸21が中空部を有し、回転駆動軸11の内周面及び被駆動軸21の内周面に伝達部130の外周面が接する構成であっても良い。
また、上記実施形態に記載のトルク制限機構は、例えば伝達部130の経年劣化や使用による塑性変形などによって伝達部130の張力が変化し、伝達部130と拡径部11a及び被駆動軸21との間の摩擦力が変化する場合がある。これに対して、例えば伝達部130の張力を維持するため、伝達部130にバネなどの弾性機構を取り付ける構成や、伝達部130に振動を減衰するダンパーなどの減衰機構を取り付ける構成としても良い。
また、上記の実施形態における制御部123又はこの制御部123が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
なお、この制御部123が備える各部はメモリおよびCPU(中央演算装置)により構成され、制御部123が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
また、制御部123が備える各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御部123が備える各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
11…回転駆動軸 11a…拡径部 11c…外周面 21…被駆動軸 21c…外周面 30…連結部 100…駆動装置 120、220、320…トルク制限機構 130…伝達部 130c…内周面 130d…凹部 131…駆動素子 135…硬化処理層 140a、140b…溝部 141…トラップ部 141a…多孔質層 142…払拭部 144…液状体膜 145…凸部 200…ロボット装置
Claims (20)
- 回転駆動軸の回転力を被駆動軸に伝達可能なトルク制限機構であって、
前記回転駆動軸と前記被駆動軸とのうち少なくとも一方の回転軸の第一面の少なくとも一部に対して接触する第二面を有し、前記回転軸の軸方向とは異なる方向に力が加えられた状態で前記第二面が前記第一面の少なくとも一部に接触することによって前記回転駆動軸の回転力を前記被駆動軸に伝達する伝達部と、
前記第一面及び前記第二面のうち少なくとも一方の接触面の状態の変化を抑制する抑制部と
を備えるトルク制限機構。 - 前記回転駆動軸と前記被駆動軸とに対して相対的な変位を生じさせる許容値が可変となるように、前記回転軸に対する前記伝達部の接触状態を調整可能な調整部を備える
請求項1に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記接触面における摩擦力を一定にする
請求項1又は請求項2に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記接触面に形成された硬化処理層を有する
請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構。 - 前記硬化処理層は、前記第一面及び前記第二面の一方に形成されている
請求項4に記載のトルク制限機構。 - 前記硬化処理層は、前記第一面に形成されている
請求項4又は請求項5に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記接触面に形成された溝部を有する
請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記接触面を払拭する払拭部を有する
請求項1から請求項7のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記接触面に付着する異物を吸着させるトラップ部を有する
請求項1から請求項8のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構。 - 前記伝達部は、前記第一面に巻かれるベルト部材を有し、
前記トラップ部は、前記ベルト部材の側部に設けられた粘性体を有する
請求項9に記載のトルク制限機構。 - 前記トラップ部は、前記接触面に形成された多孔質層を有する
請求項9又は請求項10に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記接触面を覆う被覆部を有する
請求項1から請求項11のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構。 - 前記被覆部は、液状体を用いて形成されている
請求項12に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、異物の侵入を規制する第二トラップ部を有する
請求項11に記載のトルク制限機構。 - 前記被覆部は、磁性流体を用いて形成されている
請求項12から請求項14のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構。 - 前記抑制部は、前記磁性流体を保持する磁場発生部を有する
請求項15に記載のトルク制限機構。 - 前記磁場発生部は、前記伝達部の一部に設けられている
請求項16に記載のトルク制限機構。 - 駆動軸と、
前記駆動軸に回転力を作用させる回転駆動部と、
前記駆動軸の前記回転力が伝達される被駆動軸と、
前記駆動軸の前記回転力を前記被駆動軸に伝達可能なトルク制限機構と
を備え、
前記トルク制限機構として、請求項1から請求項17のうちいずれか一項に記載のトルク制限機構が用いられている
駆動装置。 - アームと、
前記アームを駆動する駆動装置と
を備え、
前記駆動装置として、請求項18に記載の駆動装置が用いられている
ロボット装置。 - 請求項1から請求項17のいずれか一項に記載のトルク制限機構を備える
ロボット装置。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10828224B2 (en) | 2015-11-05 | 2020-11-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Power transmitting device and motion assistance apparatus including the same |
-
2012
- 2012-09-07 JP JP2012197393A patent/JP2014050926A/ja active Pending
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