JP2014097548A - Rigidity variable mechanism, rigidity variable driving device and joint driving device - Google Patents

Rigidity variable mechanism, rigidity variable driving device and joint driving device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To continuously vary rigidity from low rigidity to high rigidity to be capable of performing a dynamic behavior.SOLUTION: A rigidity variable mechanism 100 comprises: an output arm 8; a solid cam 2 including a cam surface 2a; and cam followers 3A, 3B which moves, in accordance with displacement of the output arm 8, relative to the solid cam 2 while contacting with the cam surface 2a. The rigidity variable mechanism 100 includes compression coil springs 4A, 4B which press the cam followers 3A, 3B against the cam surface 2a and supply the output arm 8 with rigidity according to an inclination angle of the cam surface 2a. The rigidity variable mechanism 100 includes an ultrasonic motor 7 which relatively moves the cam followers 3A, 3B on the cam surface 2a in an orthogonal direction orthogonal to a direction along the track of the cam followers 3A, 3B moving on the cam surface 2a in accordance with displacement of the output arm 8. The cam surface 2a is formed so that a curve shape of the cross section on the track becomes different according to a position of the orthogonal direction.

Description

本発明は、剛性を調整する剛性可変機構、剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動装置に関する。   The present invention relates to a stiffness variable mechanism that adjusts stiffness, a stiffness variable drive device that includes the stiffness variable mechanism, and a joint drive device that includes the stiffness variable drive device.

近年、ヒューマノイド型のロボットにおいて、生体に近い動特性を持たせた俊敏で柔軟なロボットの研究が行われている。これら研究分野に関係して、非特許文献1及び特許文献1に、継手の剛性や関節剛性を制御する手段が開示されている。   In recent years, humanoid robots have been researched on agile and flexible robots with dynamic characteristics close to those of living bodies. In relation to these research fields, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 disclose means for controlling the joint stiffness and joint stiffness.

非特許文献1に記載の「VS−JOINT」では、圧縮ばねの力によりカムディスクにカムローラを直接接触させた構成である。カムディスクが回転し、カムディスクとカムローラとの間に位置の差が生じると、カムローラが縦方向(回転方向と垂直方向)に変位する。このとき、圧縮ばねが圧縮され、ばね力がカムローラに力を与えている。この分力を継手の剛性としている。そして、圧縮ばねの固定端を支持しているスプリングベーススライダを移動させてカムローラの力を変化させて継手剛性を調整できるとしている。   In “VS-JOINT” described in Non-Patent Document 1, a cam roller is brought into direct contact with a cam disk by the force of a compression spring. When the cam disk rotates and a position difference is generated between the cam disk and the cam roller, the cam roller is displaced in the vertical direction (the direction perpendicular to the rotation direction). At this time, the compression spring is compressed, and the spring force applies a force to the cam roller. This component force is used as the rigidity of the joint. The joint rigidity can be adjusted by moving the spring base slider supporting the fixed end of the compression spring to change the force of the cam roller.

また、特許文献1に記載の関節機構は、支持部材、アーム及び弾性部材を有し、アームに付勢する弾性部材の角度を変更可能にすることで、回転軸の剛性が非線形に変化するように構成されている。   Further, the joint mechanism described in Patent Document 1 includes a support member, an arm, and an elastic member, and the angle of the elastic member biased to the arm can be changed, so that the rigidity of the rotating shaft changes nonlinearly. It is configured.

ここで、生物の持つ筋力の一般的な粘弾性モデルは、筋の収縮力が増加すると筋の弾性係数も増加する。これは、筋の弾性係数は、一定ではなく、筋の収縮力に比例して変化する非線形特性であることを表している。このような非線形剛性特性を持たせた剛性可変機構やアクチュエータを関節部に配置し、関節の駆動トルクおよび関節の剛性を調整し制御することで生体動作に類似させている。   Here, in a general viscoelastic model of the muscle strength of an organism, the muscle elastic coefficient increases as the muscle contraction force increases. This indicates that the elastic coefficient of the muscle is not constant but is a nonlinear characteristic that changes in proportion to the contractile force of the muscle. A stiffness variable mechanism or actuator having such a nonlinear stiffness characteristic is arranged at the joint portion, and the driving torque of the joint and the stiffness of the joint are adjusted and controlled to resemble the biological operation.

特開2009−34774号公報JP 2009-34774 A

Sebastian Wolf and Gerd Hirzinger DLR − German Aerospace Center Institute of Robotics and Mechatronics D−82234 Wessling, Germany:A New Variable Stiffness Design (VS−JOINT)2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pasadena, CA, USA, May 19−23, 2008Sebastian Wolf and Gerd Hirzinger DLR - German Aerospace Center Institute of Robotics and Mechatronics D-82234 Wessling, Germany: A New Variable Stiffness Design (VS-JOINT) 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pasadena, CA, USA, May 19-23 , 2008

しかし、ヒューマノイド型のロボットでは、柔らかく外力が働いた場合、押し戻される動作(以下、「バックドライバビリティを有する動作」)と、高速に高精度で目標位置に位置決めする動作とを両立させることが困難となっていた。   However, in humanoid robots, it is difficult to achieve both the operation of pushing back when soft external force is applied (hereinafter referred to as “operation with back drivability”) and the operation of positioning at a target position with high accuracy at high speed. It was.

前者のような非常に柔らかいバックドライバビリティを有する動作では、関節剛性を0に近づける必要がある。一方、後者のような高速に高精度で目標位置に位置決めする動作では、関節剛性をできるだけ高くする必要がある。   In the operation having a very soft back drivability like the former, the joint rigidity needs to be close to zero. On the other hand, in the latter operation of positioning at the target position with high accuracy at high speed, it is necessary to make the joint rigidity as high as possible.

このように大きく特性の異なる動作を同一のロボットで実現しようとすると、関節剛性を可変させ、最小の剛性値と最大の剛性値との可変比をより大きくすることが必要であった。   In order to realize such operations with greatly different characteristics with the same robot, it is necessary to vary the joint stiffness and increase the variable ratio between the minimum stiffness value and the maximum stiffness value.

また、滑らかな関節動作を可能にするために関節剛性を低剛性の状態から高剛性まで連続的に変化させることが必要であった。   Further, in order to enable smooth joint operation, it is necessary to continuously change the joint rigidity from a low rigidity state to a high rigidity.

そこで、本発明は、低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作が可能である剛性可変機構、剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動装置を提供することにある。   Accordingly, the present invention provides a variable stiffness mechanism that can be continuously varied from low stiffness to high stiffness, and capable of dynamic operation, a stiffness variable drive device equipped with the stiffness variable mechanism, and a joint drive equipped with the stiffness variable drive device. To provide an apparatus.

本発明の剛性可変機構は、外力により変位可能な変位部材と、カム面を有する立体カムと、前記変位部材の変位に伴って、前記カム面に接触しながら前記立体カムに対して相対的に移動するカムフォロアと、前記カムフォロアを前記カム面に付勢して、前記カム面の傾斜角度に応じた剛性を前記変位部材に付与する弾性部材と、前記カムフォロアを、前記カム面において、前記変位部材の変位に伴って移動する前記カムフォロアの前記カム面上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、前記カム面は、前記軌道における断面の曲線形状が前記直交方向の位置に応じて異なるように形成されていることを特徴とする。   The stiffness variable mechanism according to the present invention includes a displacement member that can be displaced by an external force, a solid cam having a cam surface, and a relative displacement relative to the solid cam while contacting the cam surface as the displacement member is displaced. A cam follower that moves, an elastic member that urges the cam follower to the cam surface and imparts rigidity to the displacement member according to an inclination angle of the cam surface, and the cam follower on the cam surface. Moving means relative to a direction orthogonal to the direction along the track on the cam surface of the cam follower that moves with the displacement of the cam follower, and the cam surface has a cross-section of the track in the track The curved shape is different depending on the position in the orthogonal direction.

本発明によれば、剛性係数を能動的に自由に可変することが可能となるので、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。   According to the present invention, the stiffness coefficient can be changed actively and freely. Therefore, a wide range of stiffness from low stiffness to high stiffness that cannot be realized with a simple passive spring structure is possible.

第1実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the rigidity variable mechanism which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態における立体カムに対するカムフォロアの動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement of the cam follower with respect to the solid cam in 1st Embodiment. 第1実施形態に係る剛性可変機構の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the rigidity variable mechanism which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the rigidity variable mechanism which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態におけるカムフォロアの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the cam follower in 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る剛性可変機構の要部を示す詳細図である。It is detail drawing which shows the principal part of the rigidity variable mechanism which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係る剛性可変機構の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the rigidity variable mechanism which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the rigidity variable drive device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る剛性可変駆動装置の動作の説明図である。It is explanatory drawing of operation | movement of the rigidity variable drive device which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る剛性可変駆動装置の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the variable rigidity drive device which concerns on 5th Embodiment. 第6実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the rigidity variable drive device which concerns on 6th Embodiment. 第7実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the rigidity variable drive device which concerns on 7th Embodiment. 第8実施形態に係る関節駆動装置の説明図である。It is explanatory drawing of the joint drive device which concerns on 8th Embodiment. 第9実施形態に係る関節駆動装置を示す側面図である。It is a side view which shows the joint drive device concerning 9th Embodiment.

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図であり、図1(a)は剛性可変機構の断面図、図1(b)は剛性可変機構の側面図である。
[First Embodiment]
1A and 1B are explanatory views showing a schematic configuration of a variable stiffness mechanism according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a sectional view of the variable stiffness mechanism, and FIG. 1B is a side view of the variable stiffness mechanism. FIG.

並進型の剛性可変機構100は、一対の板部材9a,9b、及び板部材9aと板部材9bとを連結する連結部材9cからなる筐体9を備えている。また、剛性可変機構100は、外力により軸線Gに沿った矢印X方向に直線移動可能にリニア軸受10を介して筐体9の板部材9aに支持された変位部材としての出力アーム8と、カム面2aを有する立体カム2と、を備えている。   The translational variable stiffness mechanism 100 includes a housing 9 including a pair of plate members 9a and 9b and a connecting member 9c that connects the plate member 9a and the plate member 9b. The variable stiffness mechanism 100 includes an output arm 8 as a displacement member supported by a plate member 9a of the housing 9 via a linear bearing 10 so as to be linearly movable in the direction of the arrow X along the axis G by an external force, and a cam A solid cam 2 having a surface 2a.

立体カム2は、軸線Gを中心とした円柱形状をしている。カム面2aは、円柱の側面に周方向に亘って形成されたカム溝の面であり、軸線Gを含む断面に対して面対称に形成されている。そして、カム面2aは、中央部近傍の全周に傾斜角度が徐々に滑らかに変化した(徐変した)形状の曲面に形成されている。   The solid cam 2 has a cylindrical shape centered on the axis G. The cam surface 2 a is a surface of a cam groove formed on the side surface of the cylinder in the circumferential direction, and is formed symmetrically with respect to the cross section including the axis G. The cam surface 2a is formed in a curved surface having a shape in which the inclination angle gradually and smoothly changes (gradually changes) around the entire circumference near the center.

更に詳述すると、カム面2aは、図1(a)のY−Y断面に示すように、円柱の上部の溝線の位置(0°)と対向した下部の溝線の位置(180°)が最大幅になっており、カム面2aの曲面形状は緩やかな傾斜面となっている。そして、図1(b)の側面図に示す上部の溝線の位置(90°)と対向した下部の溝線の位置(270°)は最小幅になっており、カム面2aの曲面形状は急峻な傾斜面となっている。   More specifically, the cam surface 2a has a lower groove line position (180 °) opposite to the upper groove line position (0 °) of the cylinder, as shown in the YY cross section of FIG. Is the maximum width, and the curved shape of the cam surface 2a is a gently inclined surface. The position of the lower groove line (270 °) opposed to the position of the upper groove line (90 °) shown in the side view of FIG. 1B is the minimum width, and the curved surface shape of the cam surface 2a is It has a steep slope.

出力アーム8は、出力端8aから軸線Gに沿った矢印X方向に延びる軸部80と、軸部80から2つに分岐してカム面2aに対向する位置まで延びる2つの分岐部81,82と、を有している。   The output arm 8 includes a shaft portion 80 extending in the direction of the arrow X along the axis G from the output end 8a, and two branch portions 81 and 82 that branch from the shaft portion 80 to a position facing the cam surface 2a. And have.

また、剛性可変機構100は、出力アーム8の矢印X方向への変位に伴って、カム面2aに接触しながら立体カム2に対して相対的に移動する2つのカムフォロア3A,3Bを備えている。カムフォロア3A,3Bは、カム面2aにおける対向したカム溝幅に一致するように2ヶ所に配置されている。   The variable stiffness mechanism 100 includes two cam followers 3A and 3B that move relative to the three-dimensional cam 2 while contacting the cam surface 2a as the output arm 8 is displaced in the arrow X direction. . The cam followers 3A and 3B are arranged at two locations so as to coincide with the opposing cam groove widths on the cam surface 2a.

また、剛性可変機構100は、カムフォロア3A,3Bをカム面2aに付勢する弾性部材としての2つの圧縮コイルばね4A,4Bを備えている。圧縮コイルばね4A,4Bは、カム面2aの傾斜角度に応じた剛性を出力アーム8に付与するものである。また、剛性可変機構100は、立体カム2を、軸線Gを中心に回転駆動する移動手段としての超音波モータ7を備えている。   The variable stiffness mechanism 100 includes two compression coil springs 4A and 4B as elastic members that bias the cam followers 3A and 3B toward the cam surface 2a. The compression coil springs 4A and 4B give the output arm 8 rigidity according to the inclination angle of the cam surface 2a. In addition, the variable stiffness mechanism 100 includes an ultrasonic motor 7 as a moving unit that rotationally drives the solid cam 2 around the axis G.

本第1実施形態では、立体カム2とカムフォロア3A,3Bとの間の相対移動に伴った圧縮コイルばね4A,4Bの弾性変形(圧縮変形)によって生じる反力の相対移動方向の成分力を、出力アーム8の出力端8aの剛性にしている。   In the first embodiment, the component force in the relative movement direction of the reaction force generated by the elastic deformation (compression deformation) of the compression coil springs 4A and 4B accompanying the relative movement between the three-dimensional cam 2 and the cam followers 3A and 3B, The output end 8a of the output arm 8 is made rigid.

ここで、軸線Gを含む立体カム2の断面を複数定義した場合、カム面2aは、各断面において曲線形状となり、各曲線が、出力アーム8を矢印X方向に変位させた際のカムフォロア3A,3Bの軌道となる。換言すると、立体カム2の断面を仮定したときのカム面2aの輪郭線がカムフォロア3A,3Bの軌道となる。   Here, when a plurality of cross sections of the solid cam 2 including the axis G are defined, the cam surface 2a has a curved shape in each cross section, and each curve follows the cam follower 3A when the output arm 8 is displaced in the arrow X direction. It becomes 3B orbit. In other words, the contour line of the cam surface 2a when the cross section of the three-dimensional cam 2 is assumed becomes the track of the cam followers 3A and 3B.

そして、カム面2aは、出力アーム8の変位に伴って移動するカムフォロア3A,3Bのカム面上の軌道に沿った方向と直交する直交方向の位置に応じて、軌道における断面の曲線形状が異なるように形成されている。換言すると、カム面2aは、カム面2a上の輪郭線の延びる方向と直交する直交方向の位置に応じて、輪郭線の曲線形状が異なるように形成されている。つまり、カム面2aは、軌道に沿った方向と直交する直交方向の位置に応じて傾斜角度が変化する部分を有する。このように、各断面で軌道の曲線形状が異なるので、各軌道で曲線の傾斜角度の変化が異なる。   The cam surface 2a has a curved shape of a cross-section in the track depending on the position in the orthogonal direction perpendicular to the direction along the track on the cam surface of the cam followers 3A and 3B that move with the displacement of the output arm 8. It is formed as follows. In other words, the cam surface 2a is formed so that the contour shape of the contour line differs depending on the position in the orthogonal direction perpendicular to the direction in which the contour line extends on the cam surface 2a. That is, the cam surface 2a has a portion whose inclination angle changes according to the position in the orthogonal direction orthogonal to the direction along the track. In this way, since the curve shape of the track is different in each cross section, the change in the inclination angle of the curve is different in each track.

立体カム2及びカムフォロア3A,3Bのうち一方の部材、本第1実施形態ではカムフォロア3A,3Bは、出力アーム8と共に変位するように出力アーム8の分岐部81,82に支持されている。具体的には、カムフォロア3A,3Bは、カムフォロア支持軸6A,6Bに回転自在に支持されており、カムフォロア支持軸6A,6Bがリニア軸受5A,5Bを介して出力アーム8にX方向と直交するZ方向(半径方向、放射方向)に直線移動可能に支持されている。これにより、カムフォロア3A,3Bは、出力アーム8の矢印X方向への変位によって、立体カム2のカム面2aを転がり移動する。   One member of the three-dimensional cam 2 and the cam followers 3A and 3B, in the first embodiment, the cam followers 3A and 3B are supported by the branch portions 81 and 82 of the output arm 8 so as to be displaced together with the output arm 8. Specifically, the cam followers 3A and 3B are rotatably supported by the cam follower support shafts 6A and 6B, and the cam follower support shafts 6A and 6B are orthogonal to the output arm 8 via the linear bearings 5A and 5B. It is supported so as to be linearly movable in the Z direction (radial direction, radial direction). Thereby, the cam followers 3A and 3B roll on the cam surface 2a of the three-dimensional cam 2 by the displacement of the output arm 8 in the arrow X direction.

圧縮コイルばね4A,4Bは、カムフォロア支持軸6A,6Bに嵌められている。そして、圧縮コイルばね4A,4Bは、カムフォロア3A,3Bがカム面2aに接触するようにカムフォロア3A,3BをZ方向に付勢している。   The compression coil springs 4A and 4B are fitted on the cam follower support shafts 6A and 6B. The compression coil springs 4A and 4B bias the cam followers 3A and 3B in the Z direction so that the cam followers 3A and 3B come into contact with the cam surface 2a.

超音波モータ7は、固定部7aと、駆動出力部7bとを有し、固定部7aが筐体9の板部材9bに固定され、駆動出力部7bが立体カム2に固定されている。そして、駆動出力部7bが固定部7aに対して軸線Gを中心に回転する。   The ultrasonic motor 7 has a fixed portion 7 a and a drive output portion 7 b, the fixed portion 7 a is fixed to the plate member 9 b of the housing 9, and the drive output portion 7 b is fixed to the three-dimensional cam 2. And the drive output part 7b rotates centering on the axis line G with respect to the fixing | fixed part 7a.

超音波モータ7は、立体カム2及びカムフォロア3A,3Bのうち他方の部材、本第1実施形態では、立体カム2を駆動する。この回転型の超音波モータ7によって、立体カム2は、軸線Gを中心にカムフォロア3A,3Bの軌道に沿う方向に対して直交する直交方向(軸線Gを中心にした回転方向)に回転する。この超音波モータ7による立体カム2の回転駆動により、カムフォロア3A,3Bは、カム面2aに対して、出力アーム8の変位に伴って移動するカムフォロア3のカム面2a上の軌道に沿った方向と直交する直交方向に相対的に移動する。このように立体カム2を回転させることで、カム溝の幅と傾斜角度を変えることができる。つまり、超音波モータ7により、出力アーム8の出力端8aが矢印X方向に移動する際にカムフォロア3A,3Bが立体カム2のカム面上に沿って転がり移動する軌道を変更することが可能となる。各軌道は、軌道に沿う方向と直交する直交方向では、互いに異なる曲線形状であるので、出力アーム8の出力端8aの剛性を変化させることができる。   The ultrasonic motor 7 drives the other member of the three-dimensional cam 2 and the cam followers 3A and 3B, that is, the three-dimensional cam 2 in the first embodiment. By this rotary ultrasonic motor 7, the three-dimensional cam 2 rotates around the axis G in the orthogonal direction (rotation direction around the axis G) perpendicular to the direction along the track of the cam followers 3A, 3B. By the rotational drive of the three-dimensional cam 2 by the ultrasonic motor 7, the cam followers 3A and 3B move along the track on the cam surface 2a of the cam follower 3 that moves with the displacement of the output arm 8 with respect to the cam surface 2a. It moves relatively in the orthogonal direction orthogonal to. By rotating the three-dimensional cam 2 in this way, the cam groove width and inclination angle can be changed. That is, the ultrasonic motor 7 can change the trajectory in which the cam followers 3A and 3B roll and move along the cam surface of the three-dimensional cam 2 when the output end 8a of the output arm 8 moves in the arrow X direction. Become. Since each track has a different curved shape in the orthogonal direction perpendicular to the direction along the track, the rigidity of the output end 8a of the output arm 8 can be changed.

図2は、剛性可変機構100の立体カム2に対するカムフォロア3(3A,3B)の動作を示す説明図である。カムフォロア3に対する立体カム2のカム面2aの傾斜角度は、立体カム2を回転させることによって設定できる。図2(a)は、立体カム2の回転位置が0°でカムフォロア3が立体カム2のカム溝の最大幅に位置している状態を示している。図2(b)は、立体カム2の回転位置が45°でカムフォロア3が立体カム2のカム溝の中間幅に位置している状態を示している。図2(c)は、立体カム2の回転位置が90°でカムフォロア3が立体カム2のカム溝の最小幅に位置している状態を示している。図2に示すように、カムフォロア3の軌道の曲線形状が直交方向の位置に応じて異なる。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the cam follower 3 (3A, 3B) with respect to the solid cam 2 of the variable stiffness mechanism 100. FIG. The inclination angle of the cam surface 2 a of the three-dimensional cam 2 with respect to the cam follower 3 can be set by rotating the three-dimensional cam 2. FIG. 2A shows a state in which the rotational position of the solid cam 2 is 0 ° and the cam follower 3 is positioned at the maximum width of the cam groove of the solid cam 2. FIG. 2B shows a state in which the rotation position of the three-dimensional cam 2 is 45 ° and the cam follower 3 is positioned at the intermediate width of the cam groove of the three-dimensional cam 2. FIG. 2C shows a state in which the rotational position of the solid cam 2 is 90 ° and the cam follower 3 is positioned at the minimum width of the cam groove of the solid cam 2. As shown in FIG. 2, the curved shape of the trajectory of the cam follower 3 differs depending on the position in the orthogonal direction.

出力アーム8に外力が働き、圧縮コイルばね4(4A,4B)の変位によって生じる反力の水平方向の成分力をF、圧縮コイルばね4の力によってカムフォロア3が立体カム2に対して垂直に働く力をf、立体カム2のカム面2aの傾斜角度をθとする。すると、これらの関係式は、以下の式(1)で表される。
F=f×tanθ・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
An external force acts on the output arm 8, the horizontal component force of the reaction force generated by the displacement of the compression coil spring 4 (4 </ b> A, 4 </ b> B) is F, and the cam follower 3 is perpendicular to the solid cam 2 by the force of the compression coil spring 4. The acting force is f, and the inclination angle of the cam surface 2a of the solid cam 2 is θ. Then, these relational expressions are represented by the following expression (1).
F = f x tanθ (1)

式(1)より水平方向の成分力Fは、立体カム2のカム面2aの傾斜角度θと圧縮コイルばね4の力fで決定される。従って、カム面2aを非線形な曲面にすることで、水平方向の成分力Fは非線形な特性となる。   From the equation (1), the horizontal component force F is determined by the inclination angle θ of the cam surface 2 a of the three-dimensional cam 2 and the force f of the compression coil spring 4. Therefore, by making the cam surface 2a a non-linear curved surface, the horizontal component force F has a non-linear characteristic.

図2(a)では、外力Fが出力アーム8に働き、カムフォロア3が立体カム2の底部である位置Xaから位置Xmへ転がり移動(変位)した状態を表している。カム面2aに沿って転がり移動した図2(a)中、点線のカムフォロア3は、圧縮コイルばね4によるfの付勢力が垂直に働き、カムフォロア3がカム面2aに接触した傾斜角度は角度θとなる。よってカムフォロア3は水平成分力Fを発生する。 In FIG. 2 (a), acts on the external force F a is output arm 8, the cam follower 3 represents a state where the moving rolling from the position Xa is a bottom of the three-dimensional cam 2 to the position Xm (displacement). In FIG. 2 (a), which rolls and moves along the cam surface 2a, the cam follower 3 indicated by a dotted line has a biasing force of fa by the compression coil spring 4 acting vertically, and the inclination angle at which the cam follower 3 contacts the cam surface 2a is an angle. the θ a. Therefore, the cam follower 3 generates a horizontal component force Fa.

図2(b)では、外力Fが出力アーム8に働き、カムフォロア3が立体カム2の底部である位置Xaから位置Xmへ転がり移動した状態を表している。カム面2aに沿って転がり移動した図2(b)中、点線のカムフォロア3は、圧縮コイルばね4の力によるfの付勢力が垂直に働き、カムフォロア3がカム面2aに接触した傾斜角度は角度θとなる。よってカムフォロア3は水平成分力Fを発生する。 In FIG. 2 (b), acts on the external force F b is the output arm 8, the cam follower 3 represents a state where the moving rolling from the position Xa is a bottom of the three-dimensional cam 2 to the position Xm. In FIG. 2 (b), which is rolled along the cam surface 2 a, the dotted cam follower 3 has an inclination angle at which the urging force of f b by the force of the compression coil spring 4 acts vertically, and the cam follower 3 contacts the cam surface 2 a. It is the angle θ b. Thus the cam follower 3 generates a horizontal component force F b.

図2(c)では、外力が出力アーム8に働いても、カムフォロア3は圧縮コイルばね4の付勢力と接触したカム面2aの傾斜角度の釣り合いで、カム面2aに沿って転がる移動量は少ない。圧縮コイルばね4の垂直に働く付勢力も小さい。カム面2aに沿って転がり移動した図2(c)中、点線のカムフォロア3は、圧縮コイルばね4の力によるfの付勢力が垂直に働き、カムフォロア3がカム面2aに接触した傾斜角度は角度θとなる。よってカムフォロア3は水平成分力Fを発生する。 In FIG. 2C, even if an external force acts on the output arm 8, the cam follower 3 is balanced with the inclination angle of the cam surface 2a in contact with the urging force of the compression coil spring 4, and the amount of movement that rolls along the cam surface 2a is as follows. Few. The biasing force acting vertically on the compression coil spring 4 is also small. 2 in (c) which moves rolling along the cam surface 2a, the dotted line of the cam follower 3, the biasing force of f c by the force of the compression coil spring 4 acts vertically, the inclination angle which the cam follower 3 is brought into contact with the cam surface 2a It is the angle θ c. Thus the cam follower 3 generates a horizontal component force F c.

図3は、図2(a)、図2(b)及び図2(c)の各状態の水平成分力と変位との関係を示した、剛性可変機構100の特性を示す図である。縦軸は水平成分力Fで、横軸は出力アーム8(即ちカムフォロア3)の変位(移動量)Xである。   FIG. 3 is a diagram showing the characteristics of the variable stiffness mechanism 100, showing the relationship between the horizontal component force and the displacement in each state of FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c). The vertical axis represents the horizontal component force F, and the horizontal axis represents the displacement (movement amount) X of the output arm 8 (that is, the cam follower 3).

図2(a)の状態Lでは、変位Xの変化があっても水平成分の力は緩やかに変化しており位置Xmでの水平成分力Fは低い。図2(b)の状態でLは、変位Xの変化に伴い剛性も連続的に変化しており位置Xmでの水平成分力Fも比較的大きい。図2(c)の状態Lでは、変位Xは殆ど無くfは小さい値だが、傾斜角度θが急激に大きくなるので水平成分力Fも直線的に非常に大きくなっている。 In state L a in FIG. 2 (a), the horizontal component force F a force even if there is a change in the displacement X horizontal component is slowly has changed position Xm is low. State L b in FIG. 2 (b), the horizontal component force F b is relatively large at the position Xm rigid with the change in the displacement X is also varied continuously. In state L c in FIG. 2 (c), the displacement X is's smaller little f c, has a horizontal component force F c is also linearly very large since the inclination angle theta c increases sharply.

外力が働いたときに元に戻る性質が剛性であるので、本第1実施形態の剛性可変機構100の出力アーム8(出力端8a)の剛性は、圧縮コイルばね4と立体カム2との傾斜角度を直線に設計することで線形特性とすることができる。また、傾斜角度を曲線に設計することで、非線形な剛性特性を得ることができる。   Since the property of returning to the original state when an external force is applied is rigidity, the rigidity of the output arm 8 (output end 8a) of the rigidity variable mechanism 100 of the first embodiment is the inclination between the compression coil spring 4 and the three-dimensional cam 2. A linear characteristic can be obtained by designing the angle to be a straight line. In addition, nonlinear rigidity characteristics can be obtained by designing the inclination angle into a curve.

さらに、立体カム2を、軸線Gを中心に回転駆動することで、カムフォロア3A,3Bに接触するカム面2aの傾斜角度を変化させることができ、剛性特性を可変することができる。   Furthermore, by rotating the solid cam 2 around the axis G, the inclination angle of the cam surface 2a contacting the cam followers 3A and 3B can be changed, and the rigidity characteristics can be varied.

以上、本第1実施形態によれば、剛性係数を能動的に自由に可変することが可能となるので、単純な受動的ばね構造では実現できない低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。   As described above, according to the first embodiment, the stiffness coefficient can be changed actively and freely, so that a wide range of stiffness can be varied from low stiffness to high stiffness that cannot be realized with a simple passive spring structure. Become.

立体カム2は、徐変したカム形状のカム面2aを有しているので、カムフォロア3A,3Bの力を連続的に可変することが可能となる。   Since the solid cam 2 has the cam surface 2a having a gradually changed shape, the forces of the cam followers 3A and 3B can be continuously varied.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る剛性可変機構について説明する。図4は、本発明の第2実施形態に係る剛性可変機構の概略構成を示す説明図である。図4(a)は剛性可変機構の側面図、図4(b)は剛性可変機構の正面図、図4(c)は剛性可変機構のH−H断面図、図4(d)は剛性可変機構のN−N断面図、図4(e)は剛性可変機構のI−I断面図、図4(f)は剛性可変機構のJ−J断面図である。
[Second Embodiment]
Next, a stiffness variable mechanism according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a stiffness variable mechanism according to the second embodiment of the present invention. 4A is a side view of the variable stiffness mechanism, FIG. 4B is a front view of the variable stiffness mechanism, FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line HH of the variable stiffness mechanism, and FIG. FIG. 4E is an II cross-sectional view of the variable stiffness mechanism, and FIG. 4F is a JJ cross-sectional view of the variable stiffness mechanism.

本第2実施形態では、剛性可変機構200は、回転型である。剛性可変機構200は、図4中の軸線Mを中心として回転方向に剛性を発生する構成である。剛性可変機構200は、筐体209と、筐体209に突設された軸210と、外力により軸線Gを中心に矢印R方向に回転移動可能に軸210に支持された変位部材としての出力ギア212と、立体カム202と、を備えている。   In the second embodiment, the variable stiffness mechanism 200 is a rotary type. The stiffness variable mechanism 200 is configured to generate stiffness in the rotational direction about the axis M in FIG. The variable stiffness mechanism 200 includes a housing 209, a shaft 210 projecting from the housing 209, and an output gear as a displacement member supported by the shaft 210 so as to be rotatable in the direction of arrow R about the axis G by an external force. 212 and a three-dimensional cam 202.

筐体209は円筒型に形成されており、軸210は筐体209の底部に突設されている。立体カム202は、円筒型の筐体209に固定された軸210に回転自在に支持されている。   The housing 209 is formed in a cylindrical shape, and the shaft 210 protrudes from the bottom of the housing 209. The three-dimensional cam 202 is rotatably supported by a shaft 210 fixed to a cylindrical casing 209.

立体カム202は、軸線Mを中心とした円柱形状をしており、2つのカム面202a,202bを有している。カム面202a,202bは、軸線Mを含む断面H−H、及び断面H−Hに直交し軸線Mを含む断面に対して面対称に形成されている。そして、カム面202a,202bは、図4(e)に示すI−I断面では、カム溝幅が広く、傾斜面が緩やかな形状をしており、図4(f)に示すJ−J断面では、カム溝幅が狭く、傾斜面が急峻な形状をしている。カム面202a,202bは、I−I断面からJ−J断面まではカム溝幅と傾斜面が徐々に滑らかに変化した(徐変した)形状の曲面に形成されている。   The solid cam 202 has a cylindrical shape centered on the axis M, and has two cam surfaces 202a and 202b. The cam surfaces 202a and 202b are formed in plane symmetry with respect to the cross section HH including the axis M and the cross section orthogonal to the cross section HH and including the axis M. The cam surfaces 202a and 202b have a wide cam groove width and a gentle inclined surface in the II section shown in FIG. 4E, and the JJ section shown in FIG. 4F. Then, the cam groove width is narrow and the inclined surface has a steep shape. The cam surfaces 202a and 202b are formed as curved surfaces having a shape in which the cam groove width and the inclined surface are gradually and smoothly changed (gradually changed) from the II section to the JJ section.

また、剛性可変機構200は、出力ギア212の矢印R方向への変位に伴って、カム面202a,202bに接触しながら立体カム202に対して相対的に移動する2つのカムフォロア203A,203Bを備えている。   The variable stiffness mechanism 200 includes two cam followers 203A and 203B that move relative to the three-dimensional cam 202 while contacting the cam surfaces 202a and 202b as the output gear 212 is displaced in the direction of arrow R. ing.

また、剛性可変機構200は、カムフォロア203A,203Bをカム面202a,202bに付勢する弾性部材としての2つの圧縮コイルばね204A,204Bを備えている。圧縮コイルばね204A,204Bは、カム面202a,202bの傾斜角度に応じた剛性を出力ギア212に付与するものである。また、剛性可変機構200は、カムフォロア203A,203Bを、軸線Mの方向に駆動する移動手段としての超音波モータ207を備えている。   The stiffness variable mechanism 200 includes two compression coil springs 204A and 204B as elastic members that bias the cam followers 203A and 203B to the cam surfaces 202a and 202b. The compression coil springs 204A and 204B give the output gear 212 rigidity according to the inclination angles of the cam surfaces 202a and 202b. The variable stiffness mechanism 200 includes an ultrasonic motor 207 as a moving unit that drives the cam followers 203A and 203B in the direction of the axis M.

立体カム202及びカムフォロア203A,203Bのうち一方の部材、本第2実施形態では、立体カム202が、出力ギア212と共に変位するように出力ギア212に支持(固定)されている。   One member of the three-dimensional cam 202 and the cam followers 203A and 203B, in the second embodiment, the three-dimensional cam 202 is supported (fixed) on the output gear 212 so as to be displaced together with the output gear 212.

並進型と同様に圧縮コイルばね204A,204Bによって立体カム202に付勢されたカムフォロア203A,203Bは、カムフォロア支持軸206A,206Bに回転自在に支持されておりカム面202a,202bを転がり移動できるようになっている。   Similar to the translation type, the cam followers 203A and 203B urged to the three-dimensional cam 202 by the compression coil springs 204A and 204B are rotatably supported by the cam follower support shafts 206A and 206B so that the cam followers 202A and 202b can roll and move. It has become.

カムフォロア支持軸206A,206Bは、カムフォロア駆動リング208に固定されたリニア軸受け205A,205Bに、軸線Mを中心にした放射方向(半径方向)に並進自在に支持されている。そして、図4(d)に示すN−N断面に位置しているカムフォロア203A,203Bは、対向したカム面202a,202bに接触するように2ヶ所に配置されており、中心線Mを中心に回転しながらカム面202a,202bに沿って転がり移動できる。   The cam follower support shafts 206A and 206B are supported by linear bearings 205A and 205B fixed to the cam follower drive ring 208 so as to be able to translate in a radial direction (radial direction) about the axis M. The cam followers 203A and 203B located on the NN cross section shown in FIG. 4 (d) are arranged at two locations so as to contact the opposing cam surfaces 202a and 202b, with the center line M as the center. It can roll and move along the cam surfaces 202a and 202b while rotating.

圧縮コイルばね204A,204Bは、カムフォロア支持軸206A,206Bに嵌められている。そして、圧縮コイルばね204A,204Bは、カムフォロア203A,203Bがカム面202a,202bに接触するようにカムフォロア203A,203Bを放射方向(半径方向)に付勢している。   The compression coil springs 204A and 204B are fitted on the cam follower support shafts 206A and 206B. The compression coil springs 204A and 204B bias the cam followers 203A and 203B in the radial direction (radial direction) so that the cam followers 203A and 203B come into contact with the cam surfaces 202a and 202b.

回転型の剛性可変機構200では、カム面202a,202bの軸線Mに直交する断面における曲線(輪郭線)が、カムフォロア203A,203Bが移動する軌道となる。   In the rotary type variable stiffness mechanism 200, the curve (contour line) in the cross section perpendicular to the axis M of the cam surfaces 202a and 202b becomes the trajectory on which the cam followers 203A and 203B move.

そして、カムフォロア203A,203Bは、出力ギア212の変位に伴って立体カム202が変位することで、カム面202a,202bに対して相対的に移動することになる。この立体カム202のカム面202a,202bは、カムフォロア203A,203Bの軌道における断面の曲線形状が、カム面上の軌道に沿った方向と直交する直交方向(軸線Mの延びる方向)の位置に応じて異なるように形成されている。つまり、カム面202a,202bは、軌道に沿った方向と直交する直交方向の位置に応じて傾斜角度が変化する部分を有する。このように、各断面で軌道の曲線形状が異なるので、各軌道で曲線の傾斜角度の変化が異なる。   The cam followers 203A and 203B move relative to the cam surfaces 202a and 202b when the three-dimensional cam 202 is displaced in accordance with the displacement of the output gear 212. The cam surfaces 202a and 202b of the three-dimensional cam 202 correspond to the positions of the cross-sectional curved shapes of the cam followers 203A and 203B in the orthogonal direction (direction in which the axis M extends) perpendicular to the direction along the track on the cam surface. Are formed differently. That is, the cam surfaces 202a and 202b have a portion where the inclination angle changes according to the position in the orthogonal direction orthogonal to the direction along the track. In this way, since the curve shape of the track is different in each cross section, the change in the inclination angle of the curve is different in each track.

超音波モータ207は、固定部207aと、駆動出力部207bとを有し、固定部207aが筐体209に固定されている。駆動出力部207bには、軸211に固定されている。そして、駆動出力部207bが固定部207aに対して軸線Mを中心に回転する。   The ultrasonic motor 207 includes a fixing unit 207a and a drive output unit 207b, and the fixing unit 207a is fixed to the housing 209. The drive output unit 207b is fixed to the shaft 211. The drive output unit 207b rotates about the axis M with respect to the fixed unit 207a.

カムフォロア駆動リング208の内径には、雌ねじを有し、円筒型の筐体209の外周には、カムフォロア駆動リング208の雌ねじに噛合する雄ねじを有している。カムフォロア駆動リング208は、超音波モータ207により軸211を介して回転駆動され、軸線Mに平行な並進移動が可能となっている。   The cam follower drive ring 208 has an internal thread on the inner diameter, and the cylindrical casing 209 has an external thread that meshes with the internal thread of the cam follower drive ring 208. The cam follower drive ring 208 is rotationally driven by the ultrasonic motor 207 via the shaft 211 and can be translated parallel to the axis M.

つまり、超音波モータ207は、立体カム202及びカムフォロア203A,203Bのうち他方の部材、本第2実施形態では、カムフォロア203A,203Bを軸線Mの方向に駆動する。この超音波モータ207によるカムフォロア203A,203Bの駆動により、カムフォロア203A,203Bは、出力ギア212の変位に伴って移動する立体カム202のカム面上の軌道に沿った方向と直交する直交方向に相対的に移動する。即ち、カムフォロア203A,203Bの軸線Mの方向の位置(N−N断面)を並進方向に滑り移動させることができる。   That is, the ultrasonic motor 207 drives the other member of the three-dimensional cam 202 and the cam followers 203A and 203B, in the second embodiment, the cam followers 203A and 203B in the direction of the axis M. By driving the cam followers 203A and 203B by the ultrasonic motor 207, the cam followers 203A and 203B are relatively relative to each other in the orthogonal direction perpendicular to the direction along the track on the cam surface of the three-dimensional cam 202 that moves in accordance with the displacement of the output gear 212. Move on. That is, the position of the cam followers 203A and 203B in the direction of the axis M (N-N cross section) can be slid in the translation direction.

このようにカムフォロア203A,203Bを並進させることで、カム溝の幅と傾斜角度を変えることができる。つまり、超音波モータ207により、出力ギア212が矢印R方向に変位する際のカムフォロア203A,203Bが立体カム202のカム面202a,202b上に沿って転がり移動する軌道を変更することが可能となる。各軌道は、軌道に沿う方向と直交する直交方向では、互いに異なる曲線形状であるので、出力ギア212の剛性を変化させることができる。   As described above, the cam followers 203A and 203B are translated, so that the width and the inclination angle of the cam groove can be changed. In other words, the ultrasonic motor 207 can change the trajectory along which the cam followers 203A and 203B roll and move along the cam surfaces 202a and 202b of the three-dimensional cam 202 when the output gear 212 is displaced in the arrow R direction. . Since each track has a different curved shape in the orthogonal direction perpendicular to the direction along the track, the rigidity of the output gear 212 can be changed.

出力ギア212に発生する力の方向は、軸線Mを中心とする図4中矢印R方向(回転方向)である。外力が出力ギア212に矢印R方向(回転方向)に働くと、カムフォロア203A,203Aが移動し、圧縮コイルばね204A,204Bの圧縮による付勢力が軸線Mに向かって発生する。このときの矢印R方向(回転方向)の圧縮コイルばね204A,204Bの変位によって生じる反力の相対移動方向の成分力が出力ギア212の剛性となる。   The direction of the force generated in the output gear 212 is an arrow R direction (rotational direction) in FIG. When an external force acts on the output gear 212 in the direction of arrow R (rotation direction), the cam followers 203A and 203A move, and an urging force due to compression of the compression coil springs 204A and 204B is generated toward the axis M. The component force in the relative movement direction of the reaction force generated by the displacement of the compression coil springs 204A and 204B in the arrow R direction (rotation direction) at this time becomes the rigidity of the output gear 212.

本第2実施形態では、出力ギア212の剛性は、上記第1実施形態の並進型と同様、圧縮コイルばね204A,240Bと立体カム202のカム面202a,202bの傾斜角度を直線に設計することで線形特性を得ることができる。また、傾斜角度を曲線に設計することで非線形な剛性特性を得ることができる。さらに、カムフォロア203A,230Bを並進方向に移動させることで剛性特性を可変することができる。   In the second embodiment, the rigidity of the output gear 212 is designed so that the inclination angles of the compression coil springs 204A and 240B and the cam surfaces 202a and 202b of the three-dimensional cam 202 are linear as in the translation type of the first embodiment. To obtain a linear characteristic. In addition, non-linear stiffness characteristics can be obtained by designing the inclination angle into a curve. Furthermore, the rigidity characteristics can be varied by moving the cam followers 203A and 230B in the translation direction.

[第3実施形態]
上記第1及び第2実施形態では、カムフォロアがローラ形状の構成である場合について説明したが、本第3実施形態では、他のカムフォロアの構成について説明する。
[Third Embodiment]
In the first and second embodiments, the case where the cam follower has a roller shape has been described. In the third embodiment, the structure of another cam follower will be described.

図5は、第3実施形態におけるカムフォロアの構成を示す説明図である。図5(a)において、カムフォロア503は、カムフォロア支持軸505の凹部にスライド自在に配置されている。圧縮コイルばね504は、カムフォロア支持軸505の凹部の底面とカムフォロア503との間に配置されている。これにより、圧縮コイルばね504によってカム面2aに付勢されたカムフォロア503は、カム面2aを滑り移動できるようになっている。カムフォロア503は、先端が球形をした円柱形状であり、摩擦係数の少ない硬度の高い金属材料等で形成するのが好ましい。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of the cam follower in the third embodiment. In FIG. 5A, the cam follower 503 is slidably disposed in the recess of the cam follower support shaft 505. The compression coil spring 504 is disposed between the bottom surface of the recess of the cam follower support shaft 505 and the cam follower 503. Thereby, the cam follower 503 urged to the cam surface 2a by the compression coil spring 504 can slide on the cam surface 2a. The cam follower 503 has a cylindrical shape with a spherical tip, and is preferably formed of a metal material having a low friction coefficient and high hardness.

図5(b)において、カムフォロア513は、球形状であり、カムフォロア支持軸515の凹部にスライド自在に配置されている。圧縮コイルばね514は、カムフォロア支持軸515の凹部の底面とカムフォロア513との間に配置されている。これにより、圧縮コイルばね514によってカム面2aに付勢されたカムフォロア513は、カム面2aを転がり移動できるようになっている。   In FIG. 5B, the cam follower 513 has a spherical shape, and is slidably disposed in the recess of the cam follower support shaft 515. The compression coil spring 514 is disposed between the bottom surface of the recess of the cam follower support shaft 515 and the cam follower 513. Thereby, the cam follower 513 urged to the cam surface 2a by the compression coil spring 514 can roll on the cam surface 2a.

図5(c)において、カムフォロア523は、球形状であり、フォロア支持軸525を介して圧縮コイルばね524によってカム面2aに付勢されている。これにより、カムフォロア523は、カム面2aを転がり移動できるようになっている。   In FIG. 5C, the cam follower 523 has a spherical shape and is urged to the cam surface 2 a by the compression coil spring 524 via the follower support shaft 525. Thereby, the cam follower 523 can roll on the cam surface 2a.

このように、カムフォロアは、立体カムのカム面に対して滑る滑り構成、及びカム面に対して転がる転がり構成のいずれの構成であってもよい。   As described above, the cam follower may have any of a sliding configuration that slides with respect to the cam surface of the three-dimensional cam and a rolling configuration that rolls with respect to the cam surface.

[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態に係る剛性可変機構について説明する。本第4実施形態では、立体カムのカム面が圧縮コイルばねの変位を一定とする部分を有する形状である。図6は、本発明の第4実施形態に係る剛性可変機構の要部を示す詳細図である。図6(a)は、並進型の剛性可変機構であり、図6(b)は、回転型の剛性可変機構である。図7は、本発明の第4実施形態に係る剛性可変機構の特性を示す図であり、出力部材の変位Xと、立体カムとカムフォロアとの間の相対移動に伴った圧縮コイルばねの変位によって生じる反力の相対移動方向の成分力Fとの関係を示している。
[Fourth Embodiment]
Next, the stiffness variable mechanism according to the fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the cam surface of the three-dimensional cam has a shape having a portion that makes the displacement of the compression coil spring constant. FIG. 6 is a detailed view showing the main part of the variable stiffness mechanism according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 6A shows a translational rigidity variable mechanism, and FIG. 6B shows a rotation rigidity variable mechanism. FIG. 7 is a view showing the characteristics of the variable stiffness mechanism according to the fourth embodiment of the present invention. The displacement X of the output member and the displacement of the compression coil spring accompanying the relative movement between the solid cam and the cam follower. The relationship between the generated reaction force and the component force F in the relative movement direction is shown.

図6(a)に示すように、圧縮コイルばね4によって立体カム2のカム面2aに付勢されたカムフォロア3は、カムフォロア支持軸6に回転自在に支持されており、カム面2aを転がり移動できるようになっている。   As shown in FIG. 6A, the cam follower 3 urged by the compression coil spring 4 to the cam surface 2a of the three-dimensional cam 2 is rotatably supported by the cam follower support shaft 6, and moves along the cam surface 2a. It can be done.

立体カム2のカム面2aは、図6(a)に示すように、カムフォロア3が圧縮コイルばね4の変位に伴ってカム面2a上を移動したときに、圧縮コイルばね4の(弾性変形量)が一定となる部分である平面領域(直線領域)Sを有している。この平面領域Sでは、カムフォロア3が移動しても圧縮コイルばね4の圧縮量(弾性変形量)に変化が無く、一定である。式(1)によるF=f×tanθから傾斜角度θは0°となり、水平方向の(相対移動方向)成分力Fは0となる。よって平面領域Sでは、図7に示すように剛性変化(弾性係数)が0の特性を有することが出来る。なお、剛性可変機構の他の構成は、上記第1実施形態の図1と同様であるので省略する。   As shown in FIG. 6A, the cam surface 2a of the three-dimensional cam 2 has an elastic deformation amount of the compression coil spring 4 when the cam follower 3 moves on the cam surface 2a as the compression coil spring 4 is displaced. ) Has a flat region (straight region) S, which is a constant part. In the plane region S, even if the cam follower 3 moves, the compression amount (elastic deformation amount) of the compression coil spring 4 does not change and is constant. From F = f × tan θ according to the equation (1), the inclination angle θ is 0 °, and the component force F in the horizontal direction (relative movement direction) is 0. Therefore, in the planar region S, the rigidity change (elastic coefficient) can be zero as shown in FIG. Other configurations of the variable stiffness mechanism are the same as those in the first embodiment shown in FIG.

また、図6(b)に示すように、圧縮コイルばね204によって立体カム202のカム面202aに付勢されたカムフォロア203は、カムフォロア支持軸206に回転自在に支持されており、カム面202aを転がり移動できるようになっている。   Further, as shown in FIG. 6B, the cam follower 203 urged to the cam surface 202a of the three-dimensional cam 202 by the compression coil spring 204 is rotatably supported by the cam follower support shaft 206, and the cam surface 202a is supported. It can be rolled and moved.

カム面202aは、図6(b)に示すように、カムフォロア203が圧縮コイルばね204の変位に伴ってカム面202a上を移動したときに、圧縮コイルばね204の(弾性変形量)が一定となる部分である曲線領域Tを有している。曲線領域Tは、回転中心と同軸の同心円の円弧曲線で形成されている。この曲線領域T内では、カムフォロア203が移動しても圧縮コイルばね204の圧縮量に変化が無く、傾斜角度θの変化もないので、相対移動方向の成分力Fは0となる。従って、図7に示すように、剛性変化が0の領域を有する特性となる。剛性可変機構の構成は、上記第2実施形態の図4と同様であるので省略する。   As shown in FIG. 6B, when the cam follower 203 moves on the cam surface 202a with the displacement of the compression coil spring 204, the cam surface 202a has a constant (elastic deformation amount) of the compression coil spring 204. It has a curved region T which is a portion. The curved region T is formed by a concentric circular arc curve coaxial with the rotation center. Within this curved region T, even if the cam follower 203 moves, the compression amount of the compression coil spring 204 does not change and the inclination angle θ does not change, so the component force F in the relative movement direction becomes zero. Therefore, as shown in FIG. 7, the characteristic has a region in which the stiffness change is zero. The configuration of the stiffness variable mechanism is the same as that of the second embodiment shown in FIG.

以上、本第4実施形態における構成では、剛性変化が0(ゼロ)の領域を有する剛性特性が得られるので、非常に柔らかい動作が可能となる。   As described above, in the configuration according to the fourth embodiment, a rigidity characteristic having an area in which the rigidity change is 0 (zero) can be obtained, so that a very soft operation is possible.

[第5実施形態]
次に、本発明の第5実施形態に係る剛性可変駆動装置について説明する。図8は、本発明の第5実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図であり、図8(a)は剛性可変駆動装置のV−V断面図、図8(b)は剛性可変駆動装置の側面図である。図9は、本発明の第5実施形態に係る剛性可変駆動装置の動作の説明図である。図10は、本発明の第5実施形態に係る剛性可変駆動装置の特性を示す図である。なお、上記第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a variable stiffness drive apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a variable stiffness drive apparatus according to a fifth embodiment of the present invention, in which FIG. 8A is a VV sectional view of the variable stiffness drive apparatus, and FIG. It is a side view of a rigidity variable drive device. FIG. 9 is an explanatory diagram of the operation of the variable stiffness drive apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram illustrating characteristics of the variable stiffness drive apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. In addition, about the structure similar to the said 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図8に示すように、剛性可変駆動装置1000は、並進型の剛性可変機構100と、出力アーム8に伝達する駆動力を発生する駆動源として電磁モータであり回転モータであるモータ850と、を備えている。   As shown in FIG. 8, the variable stiffness drive apparatus 1000 includes a translational stiffness variable mechanism 100 and a motor 850 that is an electromagnetic motor and a rotary motor as a drive source that generates a drive force transmitted to the output arm 8. I have.

剛性可変機構100の立体カム2の内部には、ボールねじ851が固定して配置されている。モータ850の出力軸には、スクリュー852が連結されている。スクリュー852が軸線Gを中心に回転運動することで、ボールねじ851が軸線Gの方向に直線運動する。したがって、他方の部材である立体カム2は、スクリュー852が回転することで、並進する方向(図8中矢印X方向)に駆動される。   A ball screw 851 is fixedly disposed inside the solid cam 2 of the variable stiffness mechanism 100. A screw 852 is connected to the output shaft of the motor 850. As the screw 852 rotates about the axis G, the ball screw 851 moves linearly in the direction of the axis G. Therefore, the three-dimensional cam 2 as the other member is driven in the translational direction (the direction indicated by the arrow X in FIG. 8) as the screw 852 rotates.

超音波モータ7の固定部7aは、リニアガイド板109に固定され、駆動出力部7bは立体カム2に固定されている。立体カム2は、リニアガイド板109に支持された超音波モータ7によって軸線Gを中心に回転駆動される。リニアガイド板109に支持されたリニアガイド軸受110は、リニアガイド軸となる連結部材9cに図8中矢印X方向に並進自在に支持されている。   The fixed portion 7 a of the ultrasonic motor 7 is fixed to the linear guide plate 109, and the drive output portion 7 b is fixed to the solid cam 2. The solid cam 2 is rotationally driven around the axis G by the ultrasonic motor 7 supported by the linear guide plate 109. The linear guide bearing 110 supported by the linear guide plate 109 is supported by a connecting member 9c serving as a linear guide shaft so as to be able to translate in the direction of arrow X in FIG.

つまり、モータ850の駆動力でスクリュー852を回転させ、立体カム2、超音波モータ7、リニアガイド板109を一体にしたユニット(以降、「リニアガイドユニット」という)を、図8中矢印X方向に並進駆動できる構成となっている。このように、モータ850は、立体カム2を出力アーム8の変位可能な矢印X方向に駆動して、圧縮コイルばね4A,4Bで付勢されたカムフォロア3A,3B、及びカムフォロア支持軸6A,6Bを介して出力アーム8から駆動力を出力する。   That is, a unit (hereinafter referred to as “linear guide unit”) in which the solid cam 2, the ultrasonic motor 7, and the linear guide plate 109 are integrated by rotating the screw 852 with the driving force of the motor 850 is indicated by an arrow X direction in FIG. It is the structure which can be driven in translation. Thus, the motor 850 drives the three-dimensional cam 2 in the direction of the arrow X in which the output arm 8 can be displaced, and the cam followers 3A and 3B urged by the compression coil springs 4A and 4B and the cam follower support shafts 6A and 6B. A driving force is output from the output arm 8 via

図9(a)は、リニアガイドユニットを図9中X+方向に十分に伸ばした基準位置L0であり、出力端8aに外力の作用が無い状態F=0を表している。この出力端8aの位置をXaとする。図9(b)は、図9(a)の状態から出力端8aに外力がF1作用した状態を表している。このとき、出力端8aの位置は、XaからXm(図9中矢印+方向)変位している。図9(c)は、図9(a)の状態からリニアガイドユニットが距離Lm、牽引移動した(図9中X−方向)状態である。出力端8aに外力の作用が無い状態F=0を表している。図9(d)は、図9(c)の状態から出力端8aに外力F1が働いた時、カムフォロア3A,3Bが距離Xm移動した状態を表している。   FIG. 9A shows a reference position L0 in which the linear guide unit is sufficiently extended in the X + direction in FIG. 9, and represents a state F = 0 in which no external force is applied to the output end 8a. The position of the output end 8a is assumed to be Xa. FIG. 9B shows a state in which an external force F1 has acted on the output end 8a from the state of FIG. 9A. At this time, the position of the output end 8a is displaced from Xa to Xm (arrow + direction in FIG. 9). FIG. 9C shows a state where the linear guide unit has been pulled and moved from the state of FIG. 9A by a distance Lm (X-direction in FIG. 9). This represents a state F = 0 in which no external force is applied to the output end 8a. FIG. 9D shows a state in which the cam followers 3A and 3B have moved the distance Xm when the external force F1 is applied to the output end 8a from the state of FIG. 9C.

図9(b)に示すように、出力端8aに+F1の外力が作用すると、カムフォロア3A,3Bが立体カム2のカム面2aに沿って移動すると、圧縮コイルばね4A,4Bが圧縮され、ばね力と釣り合うところで停止する。このとき、出力アーム8の出力端8aの剛性はF1となり、基準位置XaからXm変位する。   As shown in FIG. 9B, when an external force of + F1 acts on the output end 8a, when the cam followers 3A and 3B move along the cam surface 2a of the three-dimensional cam 2, the compression coil springs 4A and 4B are compressed, and the spring Stop where it balances with the force. At this time, the rigidity of the output end 8a of the output arm 8 is F1, and is displaced from the reference position Xa by Xm.

図9(c)及び図9(d)は、リニアガイドユニットが距離Lm、牽引移動している状態である。出力アーム8の出力端8aに+F1の外力が作用すると、カムフォロア3A,3Bが立体カム2のカム面2aに沿って移動し、圧縮コイルばね4A,4Bが圧縮され、ばね力と釣り合うところで停止する。よって、図9(b)と同じくXm変位する。   FIG. 9C and FIG. 9D show a state where the linear guide unit is towing and moving by a distance Lm. When an external force of + F1 acts on the output end 8a of the output arm 8, the cam followers 3A and 3B move along the cam surface 2a of the three-dimensional cam 2, and the compression coil springs 4A and 4B are compressed and stop where they balance with the spring force. . Therefore, the displacement is Xm as in FIG.

図10は、本発明の第5実施形態に係る剛性可変駆動装置1000の特性を示す図であり、出力端8aの変位Xに対する水平方向(相対移動方向)の成分力Fの関係を示している。   FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of the variable stiffness drive apparatus 1000 according to the fifth embodiment of the present invention, and shows the relationship of the component force F in the horizontal direction (relative movement direction) with respect to the displacement X of the output end 8a. .

図9の各状態の関係を図10(a)で説明すると、出力端8aは、外力が0の位置Xaから外力が働くと、滑らかに水平成分の力が増加してゆく。そして力の釣り合うところF1で停止する。このときの変位はXmとなり、停止位置はXa+Xmとなる。リニアガイドユニットはモータ850により距離Lm、牽引移動されると変位Xに対する出力Fの特性曲線k1はそのまま距離Lm、横軸に平行移動した特性となる。つまり、剛性可変駆動装置1000の水平成分の力が0の位置を移動できることを示している。   The relationship between the states in FIG. 9 will be described with reference to FIG. 10A. When the external force is applied from the position Xa where the external force is 0, the force of the horizontal component increases smoothly at the output end 8a. And it stops at F1 where the force balances. The displacement at this time is Xm, and the stop position is Xa + Xm. When the linear guide unit is pulled by a distance Lm by the motor 850, the characteristic curve k1 of the output F with respect to the displacement X becomes the distance Lm as it is and the parallel movement along the horizontal axis. That is, it shows that the horizontal component force of the variable stiffness drive apparatus 1000 can be moved to a position of zero.

図10(b)は、出力端8aを位置Xaにおいて剛性を変化させた特性を示した図である。k1は低剛性、点曲線k2は中間剛性、点直線k3は高剛性を表している。k1はカムフォロア3A,3Bが立体カム2のカム溝の最大幅に位置しているときの剛性である。k2はカムフォロア3A,3Bが立体カム2のカム溝の中間幅に位置しているときの剛性である。k3はカムフォロア3A,3Bが立体カム2のカム溝の最小幅に位置しているときの剛性である。   FIG. 10B is a diagram showing characteristics in which the rigidity of the output end 8a is changed at the position Xa. k1 represents low rigidity, point curve k2 represents intermediate rigidity, and point line k3 represents high rigidity. k1 is the rigidity when the cam followers 3A and 3B are positioned at the maximum width of the cam groove of the three-dimensional cam 2. k2 is the rigidity when the cam followers 3A and 3B are positioned at the intermediate width of the cam groove of the three-dimensional cam 2. k3 is the rigidity when the cam followers 3A and 3B are positioned at the minimum width of the cam groove of the three-dimensional cam 2.

超音波モータ7により立体カム2を回転させて、剛性特性をk1からk3まで変化させている。立体カム2のカム面2aは、滑らかに繋がったカム形状であり、立体カム2のカム面2aに付勢されたカムフォロア3A,3Bは連続的な転がり動作ができる。よって連続的に剛性特性が可変である。   The solid cam 2 is rotated by the ultrasonic motor 7 to change the rigidity characteristic from k1 to k3. The cam surface 2a of the three-dimensional cam 2 has a smoothly connected cam shape, and the cam followers 3A and 3B biased by the cam surface 2a of the three-dimensional cam 2 can perform a continuous rolling operation. Therefore, the rigidity characteristic is continuously variable.

このように、本第5実施形態の剛性可変駆動装置1000は、剛性可変機構100を備えているので、水平成分の力が0の位置を移動させることができる。さらに剛性特性も連続的に自由に変更できるので、剛性を非常に幅広く変更することが可能となる。よって非常に柔らかい動作と、高速かつ目標位置に対する高精度の動作とを両立できる。   Thus, since the variable stiffness drive apparatus 1000 of the fifth embodiment includes the stiffness variable mechanism 100, the position where the horizontal component force is zero can be moved. Furthermore, since the rigidity characteristics can be freely changed continuously, the rigidity can be changed very widely. Therefore, it is possible to achieve both a very soft operation and a high-speed and high-precision operation with respect to the target position.

[第6実施形態]
次に、本発明の第6実施形態に係る剛性可変駆動装置について説明する。図11は、本発明の第6実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。なお、上記第2実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a variable stiffness drive apparatus according to a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a sectional view showing a variable stiffness drive apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. In addition, about the structure similar to the said 2nd Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図11に示すように、剛性可変駆動装置2000は、回転型の剛性可変機構200と、出力ギア212に伝達する駆動力を発生する駆動源として電磁モータであり回転モータであるモータ850と、を備えている。   As shown in FIG. 11, the variable stiffness drive device 2000 includes a rotary stiffness variable mechanism 200 and a motor 850 that is an electromagnetic motor and a rotary motor as a drive source that generates a drive force transmitted to the output gear 212. I have.

剛性可変機構200の円筒形状の筐体209は、モータ850の出力軸に固定されている。筐体209は、モータ850により軸線Mを中心に回転駆動される。   A cylindrical casing 209 of the variable stiffness mechanism 200 is fixed to the output shaft of the motor 850. The housing 209 is driven to rotate about the axis M by a motor 850.

モータ850の駆動力は、カムフォロア203A,203Bと立体カム202を介して出力ギア212に伝達される。つまり、他方の部材であるカムフォロア203A,203Bは、筐体209が回転することで、回転方向に駆動される。このように、モータ850は、筐体209、カムフォロア駆動リング208、カムフォロア支持軸206A,206Bを介してカムフォロア203A,203Bを、出力ギア212の変位可能な回転方向に駆動する。そして、モータ850は、立体カム202を介して出力ギア212から駆動力を出力する。   The driving force of the motor 850 is transmitted to the output gear 212 via the cam followers 203A and 203B and the three-dimensional cam 202. That is, the cam followers 203A and 203B, which are the other members, are driven in the rotation direction when the housing 209 rotates. Thus, the motor 850 drives the cam followers 203A and 203B in the rotational direction in which the output gear 212 can be displaced via the housing 209, the cam follower drive ring 208, and the cam follower support shafts 206A and 206B. The motor 850 outputs driving force from the output gear 212 via the three-dimensional cam 202.

以上、本第6実施形態の剛性可変駆動装置2000は、並進型剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置1000の駆動方向が異なるだけで、作用効果は上記第5実施形態と同様である。従って、本第6実施形態では、剛性特性も連続的に自由に変更できるので、剛性を非常に幅広く変更することが可能となる。よって非常に柔らかい動作と、高速かつ目標位置に対する高精度の動作とを両立できる。   As described above, the variable stiffness drive apparatus 2000 according to the sixth embodiment is the same as the fifth embodiment except that the drive direction of the variable stiffness drive apparatus 1000 including the translational stiffness variable mechanism is different. Therefore, in the sixth embodiment, the rigidity characteristic can be freely changed continuously and freely, so that the rigidity can be changed very widely. Therefore, it is possible to achieve both a very soft operation and a high-speed and high-precision operation with respect to the target position.

[第7実施形態]
次に、本発明の第7実施形態に係る剛性可変駆動装置について説明する。図12は、本発明の第7実施形態に係る剛性可変駆動装置を示す断面図である。なお、上記第5実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
[Seventh Embodiment]
Next, a variable stiffness drive apparatus according to a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a sectional view showing a variable stiffness drive apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. In addition, about the structure similar to the said 5th Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図12に示すように、剛性可変駆動装置3000は、並進型の剛性可変機構300と、出力アーム8に伝達する駆動力を発生する駆動源として電磁モータであり回転モータであるモータ850と、を備えている。   As shown in FIG. 12, the stiffness variable drive device 3000 includes a translational stiffness variable mechanism 300 and a motor 850 that is an electromagnetic motor and a rotary motor as a drive source that generates a drive force transmitted to the output arm 8. I have.

剛性可変機構300は、上記第5実施形態の移動手段である超音波モータ7の代わりに、移動手段としてリニアガイドクラッチ900及びスクリューブレーキ901を備えている。つまり、立体カム2の駆動を、リニアガイドクラッチ900及びスクリューブレーキ901による連結と解除の動作で可能にしている。   The stiffness variable mechanism 300 includes a linear guide clutch 900 and a screw brake 901 as moving means instead of the ultrasonic motor 7 that is the moving means of the fifth embodiment. That is, the three-dimensional cam 2 can be driven by the connection and release operations by the linear guide clutch 900 and the screw brake 901.

リニアガイドクラッチ900は、リニアガイド板109に固定されたコイル部900aと、立体カム2の一端に固定された回転部900bとからなる。コイル部900aに通電しコイル部900aを励磁すると、コイル部900aと回転部900bと間に磁束が生じ、回転部900bがコイル部900aに吸引され、回転部900bがコイル部900aと連結し、一体となる。またコイル部900aへの非通電時は、コイル部900aに対して回転部900bは、軸線Gを中心に回転自在となる。これによりコイル部900aへの通電時は、立体カム2がリニアガイド板109と一体となる。   The linear guide clutch 900 includes a coil portion 900 a fixed to the linear guide plate 109 and a rotating portion 900 b fixed to one end of the three-dimensional cam 2. When the coil unit 900a is energized to excite the coil unit 900a, a magnetic flux is generated between the coil unit 900a and the rotating unit 900b, the rotating unit 900b is attracted to the coil unit 900a, and the rotating unit 900b is connected to the coil unit 900a. It becomes. When the coil unit 900a is not energized, the rotating unit 900b is rotatable about the axis G with respect to the coil unit 900a. Thus, the solid cam 2 is integrated with the linear guide plate 109 when the coil portion 900a is energized.

スクリューブレーキ901は、立体カム2の他端に固定されたブレーキコイル部901aと、ブレーキコイル部901aに支持され、スクリュー852に対向して配置されたブレーキ板部901bとからなる。ブレーキコイル部901aに通電しブレーキコイル部901aを励磁すると、磁束が生じ、ブレーキ板部901bがスクリュー852に押し付けられ、摩擦力でスクリュー852と一体になる。これによりブレーキコイル部901aへの通電時は、立体カム2がスクリュー852と一体となる。   The screw brake 901 includes a brake coil portion 901a fixed to the other end of the three-dimensional cam 2, and a brake plate portion 901b supported by the brake coil portion 901a and disposed to face the screw 852. When the brake coil portion 901a is energized to excite the brake coil portion 901a, a magnetic flux is generated, the brake plate portion 901b is pressed against the screw 852, and is integrated with the screw 852 by a frictional force. Thereby, the solid cam 2 is integrated with the screw 852 when the brake coil portion 901a is energized.

したがって、コイル部900aが通電状態であり、ブレーキコイル部901aが非通電状態であるときは、立体カム2とリニアガイド板109とが一体となり、スクリュー852の回転により、立体カム2は、図12中、矢印X方向へ並進移動する。   Therefore, when the coil portion 900a is in an energized state and the brake coil portion 901a is in a non-energized state, the solid cam 2 and the linear guide plate 109 are integrated, and the solid cam 2 is rotated as shown in FIG. Moves in the direction of arrow X.

また、コイル部900aが非通電状態であり、ブレーキコイル部901aが通電状態であるときは、立体カム2とスクリュー852とが一体となり、スクリュー852の回転により、立体カム2は、軸線Gを中心に回転する。   When the coil portion 900a is in a non-energized state and the brake coil portion 901a is in an energized state, the solid cam 2 and the screw 852 are integrated, and the solid cam 2 is centered on the axis G by the rotation of the screw 852. Rotate to.

以上、リニアガイドクラッチ900及びスクリューブレーキ901は、コイル部900aが非通電状態であり、ブレーキコイル部901aが通電状態であるときは、モータ850(外部)からの駆動力を、立体カム2に伝達する。これにより、カムフォロア3A,3Bは、カム面2aにおいて、出力アーム8の変位に伴って移動するカムフォロア3A,3Bのカム面2a上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に、相対的に移動する。   As described above, the linear guide clutch 900 and the screw brake 901 transmit the driving force from the motor 850 (external) to the three-dimensional cam 2 when the coil portion 900a is in the non-energized state and the brake coil portion 901a is in the energized state. To do. As a result, the cam followers 3A and 3B are relative to each other in the orthogonal direction perpendicular to the direction along the track on the cam surface 2a of the cam followers 3A and 3B that move with the displacement of the output arm 8 on the cam surface 2a. Move to.

以上の動作を詳述すると、立体カム2を並進駆動させる場合は、リニアガイドクラッチ900は、コイル部900aが通電状態となることにより、立体カム2とリニアガイド板109を連結する。一方で、スクリューブレーキ901は、ブレーキコイル部901aが非通電状態となることにより、スクリューブレーキ901のブレーキを解除する。この状態でモータ850を回転させることにより、スクリュー852が回転し、ボールねじ851が並進移動するので、立体カム2が並進移動する。   The above operation will be described in detail. When the solid cam 2 is driven in translation, the linear guide clutch 900 connects the solid cam 2 and the linear guide plate 109 when the coil portion 900a is energized. On the other hand, the screw brake 901 releases the brake of the screw brake 901 when the brake coil portion 901a is in a non-energized state. By rotating the motor 850 in this state, the screw 852 rotates and the ball screw 851 moves in translation, so that the three-dimensional cam 2 moves in translation.

立体カム2を回転駆動(法線方向駆動)させる場合は、リニアガイドクラッチ900は、コイル部900aが非通電状態となることにより、立体カム2とリニアガイド板109の連結を解除する。一方でスクリューブレーキ901は、ブレーキコイル部901aが通電状態となることにより、立体カム2とスクリュー852とを連結する。この状態でモータ850を回転させることにより、スクリュー852と立体カム2とが一体に回転する。   When the solid cam 2 is rotationally driven (normal direction drive), the linear guide clutch 900 releases the connection between the solid cam 2 and the linear guide plate 109 when the coil portion 900a is not energized. On the other hand, the screw brake 901 connects the solid cam 2 and the screw 852 when the brake coil portion 901a is energized. By rotating the motor 850 in this state, the screw 852 and the three-dimensional cam 2 rotate integrally.

このように、リニアガイドクラッチ900とスクリューブレーキ901によってモータ850の駆動を切り替えることで、立体カム2を、軸線Gを中心に回転させることができ、カムフォロア3A,3Bの軌道を変更することができる。   Thus, by switching the driving of the motor 850 by the linear guide clutch 900 and the screw brake 901, the solid cam 2 can be rotated around the axis G, and the trajectories of the cam followers 3A and 3B can be changed. .

なお、図11に示す回転型剛性可変機構を備えた剛性可変駆動装置2000も同様に超音波モータ207の代わりにリニアガイドクラッチやスクリューブレーキを用いることが可能である。これにより、カムフォロア203A,203Bを、軸線Mの方向に自由に移動させることができ、カムフォロア203A,203Bの軌道を変更することができる。   Note that the variable stiffness drive apparatus 2000 including the rotary stiffness variable mechanism shown in FIG. 11 can similarly use a linear guide clutch or a screw brake instead of the ultrasonic motor 207. Accordingly, the cam followers 203A and 203B can be freely moved in the direction of the axis M, and the trajectories of the cam followers 203A and 203B can be changed.

よって、超音波モータ7,207のような専用のカムフォロア駆動モータを必要としないので、小型で軽量な剛性可変駆動装置が可能となる。   Therefore, since a dedicated cam follower drive motor such as the ultrasonic motors 7 and 207 is not required, a small and lightweight variable stiffness drive device is possible.

[第8実施形態]
次に、本発明の第8実施形態に係る関節駆動装置について説明する。図13は、本発明の第8実施形態に係る関節駆動装置の説明図である。図13(a)は関節駆動装置の側面図である。図13(b)は、剛性可変駆動装置の発生力と、関節角度との関係を示す図である。
[Eighth Embodiment]
Next, a joint drive device according to an eighth embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is an explanatory diagram of a joint drive device according to an eighth embodiment of the present invention. FIG. 13A is a side view of the joint driving device. FIG. 13B is a diagram showing the relationship between the generated force of the variable stiffness drive device and the joint angle.

図13(a)に示す本第8実施形態の関節駆動装置は、ロボットアーム5000であり、第1リンクであるリンク51と、第2リンクであるリンク52と、基体50と、を備えている。リンク51の一端は基体50に固定されている。リンク51の他端とリンク52の一端とは関節Jで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク52の一端には、リンク51の他端に固定された軸54を中心に回転自在に支持されたプーリ53が固定されている。   The joint drive device according to the eighth embodiment shown in FIG. 13A is a robot arm 5000 and includes a link 51 that is a first link, a link 52 that is a second link, and a base body 50. . One end of the link 51 is fixed to the base body 50. The other end of the link 51 and one end of the link 52 are connected by a joint J so as to be rotatable. More specifically, a pulley 53 is fixed to one end of the link 52 so as to be rotatable about a shaft 54 fixed to the other end of the link 51.

本第8実施形態では、ロボットアーム5000は、関節Jを駆動する、上記第5実施形態の剛性可変駆動装置と同様の構成の2つの剛性可変駆動装置1000,1000を備えている。これら剛性可変駆動装置1000,1000は、リンク51に固定されている。2つの剛性可変駆動装置1000,1000は、同一特性であり、関節Jに拮抗配置されている。つまり、2つの剛性可変駆動装置1000,1000は、リンク51の両側に配置されている。 In the eighth embodiment, the robot arm 5000 includes two variable stiffness drive devices 1000 1 and 1000 2 that drive the joint J and have the same configuration as the variable stiffness drive device of the fifth embodiment. These variable stiffness drive devices 1000 1 and 1000 2 are fixed to the link 51. The two variable stiffness drive apparatuses 1000 1 and 1000 2 have the same characteristics and are antagonistically arranged at the joint J. That is, the two stiffness variable drive devices 1000 1 and 1000 2 are arranged on both sides of the link 51.

剛性可変駆動装置1000,1000の出力端8a,8aは、プーリ53にワイヤー55,55で結合されている。剛性可変駆動装置1000,1000は、それぞれの制御回路(不図示)で収縮力を制御されており、リンク52を駆動する。 Output ends 8a 1 and 8a 2 of the variable stiffness drive apparatuses 1000 1 and 1000 2 are coupled to the pulley 53 by wires 55 1 and 55 2 . The variable stiffness drive devices 1000 1 and 1000 2 are controlled in contraction force by respective control circuits (not shown), and drive the link 52.

図13(b)には、関節Jの関節角度θと、剛性可変駆動装置1000,1000の発生力Fとの関係を示している。ALは剛性可変駆動装置1000のリニアガイドユニットを十分に伸ばした基準位置Lであり、出力端8aに外力の作用が無い状態F=0の特性を示している。AL、ALはこの基準位置からリニアガイドユニット部が距離L、L牽引された状態の特性である。拮抗配置された剛性可変駆動装置1000の特性BL、BL、BLも剛性可変駆動装置1000と同じ状態を表している。 FIG. 13B shows the relationship between the joint angle θ of the joint J and the generated force F of the variable stiffness drive devices 1000 1 and 1000 2 . AL 0 is a reference position L 0 where the linear guide unit of the variable stiffness drive apparatus 1000 1 is sufficiently extended, and shows a characteristic in a state F = 0 in which there is no external force applied to the output end 8a 1 . AL 1 and AL m are characteristics in a state where the linear guide unit portion is pulled by distances L 1 and L m from the reference position. The characteristics BL 0 , BL 1 , BL m of the variable stiffness drive device 1000 2 that are antagonistically arranged also represent the same state as the variable stiffness drive device 1000 1 .

例えば関節Jに作用する力を関節角度θ=0°の位置で矢印+方向、−方向共にfsに制御する場合には、剛性可変駆動装置1000は特性AL、剛性可変駆動装置1000は特性BLを選択すればよい。このとき関節Jに作用する力を±fsに制御できる。 For example, when the force acting on the joint J is controlled to fs in both the arrow + direction and the − direction at the position of the joint angle θ = 0 °, the variable stiffness drive device 1000 1 has the characteristic AL m , and the variable stiffness drive device 1000 2 has The characteristic BL m may be selected. At this time, the force acting on the joint J can be controlled to ± fs.

また、関節Jに作用する力を関節角度θ=0°の位置で矢印+方向にf1で駆動する場合には、剛性可変駆動装置1000は特性AL、剛性可変駆動装置1000は特性BLを選択すればよい。このときの発生力は、剛性可変駆動装置1000はfc、剛性可変駆動装置1000はfsとなるので、その差が駆動トルクf1となる。 Further, when the force acting on the joint J is driven at f1 in the arrow + direction at the position of the joint angle θ = 0 °, the variable stiffness drive device 1000 1 has the characteristic AL 1 and the variable stiffness drive device 1000 2 has the characteristic BL. What is necessary is just to select m . Generation force at this time, the rigid variable drive apparatus 1000 1 fc, the rigidity variable drive apparatus 1000 2 becomes fs, the difference is the driving torque f1.

逆に、関節に作用する力を関節回転角度θ=0度の位置で矢印−方向に−f1で駆動する場合には、剛性可変駆動装置1000は特性AL、剛性可変駆動装置1000は特性BLを選択すればよい。このとき剛性可変駆動装置1000の発生力はfsとなり、剛性可変駆動装置1000の発生力はfcとなるので、その差が駆動トルク−f1となる。 Conversely, when the force acting on the joint is driven at −f1 in the arrow-direction at the position of the joint rotation angle θ = 0 °, the variable stiffness drive device 1000 1 has the characteristic AL m , and the variable stiffness drive device 1000 2 has The characteristic BL 1 may be selected. Force generated at this time rigid variable drive apparatus 1000 1 fs, and the so generated force of the rigid variable drive apparatus 1000 2 becomes fc, the difference is the driving torque -f1.

よって図13(b)の特性から、関節剛性は、2つの剛性可変駆動装置1000,1000の発生力の和であり、駆動力(トルク)は2つの剛性可変駆動装置1000,1000の発生力の差であることがわかる。 Accordingly, from the characteristics of FIG. 13B, the joint stiffness is the sum of the generated forces of the two variable stiffness drive apparatuses 1000 1 and 1000 2 , and the drive force (torque) is the two variable stiffness drive apparatuses 1000 1 and 1000 2. It can be seen that this is the difference in the generation force.

このように拮抗した2つの2つの剛性可変駆動装置1000,1000の特性AL、AL、AL、BL、BL、BLを組み合わせることで、目的の駆動トルクと関節剛性を独立させて制御することができる。 By combining the characteristics AL 0 , AL 1 , AL m , BL 0 , BL 1 , BL m of the two stiffness variable drive devices 1000 1 , 1000 2 antagonized in this way, the desired drive torque and joint stiffness can be obtained. It can be controlled independently.

さらに、剛性可変駆動装置1000,1000は、上記第1実施形態の剛性可変機構100を備えている。従って、拮抗した剛性可変駆動装置1000,1000の片方又は両方の剛性特性をカムフォロア3A,3Bを利用して変化させて大きな駆動トルクが得られ、また小さな関節剛性から大きな関節剛性を得ることが可能となる。 Furthermore, the variable stiffness drive devices 1000 1 and 1000 2 include the stiffness variable mechanism 100 of the first embodiment. Therefore, a large drive torque can be obtained by changing the stiffness characteristics of one or both of the antagonized variable stiffness drive devices 1000 1 and 1000 2 using the cam followers 3A and 3B, and a large joint stiffness can be obtained from a small joint stiffness. Is possible.

[第9実施形態]
次に、本発明の第9実施形態に係る関節駆動装置について説明する。図14は、本発明の第9実施形態に係る関節駆動装置を示す側面図である。
[Ninth Embodiment]
Next, a joint drive device according to a ninth embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a side view showing a joint drive device according to the ninth embodiment of the present invention.

図14に示す本第9実施形態の関節駆動装置は、ロボットアーム6000であり、第1リンクであるリンク51と、第2リンクであるリンク52と、基体50と、を備えている。リンク51の一端は基体50に固定されている。リンク51の他端とリンク52の一端とは関節Jで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク52の一端には、リンク51の他端に固定された軸54を中心に回転自在に支持されたプーリ53が固定されている。   The joint driving apparatus of the ninth embodiment shown in FIG. 14 is a robot arm 6000, and includes a link 51 that is a first link, a link 52 that is a second link, and a base body 50. One end of the link 51 is fixed to the base body 50. The other end of the link 51 and one end of the link 52 are connected by a joint J so as to be rotatable. More specifically, a pulley 53 is fixed to one end of the link 52 so as to be rotatable about a shaft 54 fixed to the other end of the link 51.

本第9実施形態では、ロボットアーム6000は、関節Jを駆動する、上記第5実施形態の剛性可変駆動装置と同様の構成の1つの剛性可変駆動装置1000を備えている。剛性可変駆動装置1000は、リンク51に固定されている。剛性可変駆動装置1000の出力端8aは、プーリ53に回転自在に結合されている。これにより、剛性可変駆動装置1000は、牽引と押し出しとの両方の駆動を可能としている。剛性可変駆動装置1000は、制御回路(不図示)で駆動力が制御されており、リンク52を駆動する。   In the ninth embodiment, the robot arm 6000 includes one variable stiffness driving apparatus 1000 that drives the joint J and has the same configuration as the variable stiffness driving apparatus of the fifth embodiment. The variable stiffness drive device 1000 is fixed to the link 51. The output end 8 a of the variable stiffness drive apparatus 1000 is rotatably coupled to the pulley 53. Thus, the variable stiffness drive device 1000 can drive both towing and pushing. The variable stiffness drive apparatus 1000 has a driving force controlled by a control circuit (not shown) and drives the link 52.

以上の構成でも関節剛性が0の関節角度を任意の位置に移動させ、さらに剛性可変機構の剛性を可変することで、目的の駆動トルクと関節剛性を独立させて制御することができる。したがって、低剛性から高剛性まで関節剛性を関節角度に関わらず自由に設定できるのでダイナミックな動作が可能となる。   Even in the above configuration, the target drive torque and the joint stiffness can be controlled independently by moving the joint angle of 0 joint stiffness to an arbitrary position and further varying the stiffness of the stiffness variable mechanism. Accordingly, since the joint rigidity can be freely set regardless of the joint angle from the low rigidity to the high rigidity, a dynamic operation becomes possible.

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.

上記第8及び第9実施形態では、剛性可変駆動装置が上記第5実施形態の剛性可変駆動装置1000である場合について説明したが、上記第6実施形態の剛性可変駆動装置2000であってもよい。   In the eighth and ninth embodiments, the case where the variable stiffness drive apparatus is the variable stiffness drive apparatus 1000 of the fifth embodiment has been described. However, the variable stiffness drive apparatus 2000 of the sixth embodiment may be used. .

また、上記第8及び第9実施形態では、剛性可変駆動装置がロボットアームである場合について説明したが、これに限定するものではなく、パワーアシスト装置や他のロボット、例えば、脚式ロボットや介護用ロボット等に適用することも可能である。   In the eighth and ninth embodiments, the case where the stiffness variable drive device is a robot arm has been described. However, the present invention is not limited to this, and the power assist device and other robots such as a legged robot and a caregiver are not limited thereto. It can also be applied to industrial robots.

また、上記第1〜9実施形態では、移動手段として、超音波モータを用いた場合について説明したが、電磁式のモータやソレノイドを用いても良い。   Moreover, although the said 1st-9th embodiment demonstrated the case where an ultrasonic motor was used as a moving means, you may use an electromagnetic motor and a solenoid.

また、上記第1〜9実施形態では、立体カムにおいて、凹の溝形状に形成された面をカム面としたが、凸形状に形成された面をカム面としてもよい。   Moreover, in the said 1st-9th embodiment, although the surface formed in the concave groove shape was made into the cam surface in the solid cam, the surface formed in the convex shape is good also as a cam surface.

2…立体カム、2a…カム面、3A,3B…カムフォロア、4A,4B…圧縮コイルばね(弾性部材)、7…超音波モータ(移動手段)、8…出力アーム(変位部材)、100…剛性可変機構、1000…剛性可変駆動装置、5000…ロボットアーム(関節駆動装置) 2 ... Solid cam, 2a ... Cam surface, 3A, 3B ... Cam follower, 4A, 4B ... Compression coil spring (elastic member), 7 ... Ultrasonic motor (moving means), 8 ... Output arm (displacement member), 100 ... Rigidity Variable mechanism, 1000 ... variable stiffness drive, 5000 ... robot arm (joint drive)

Claims (6)

外力により変位可能な変位部材と、
カム面を有する立体カムと、
前記変位部材の変位に伴って、前記カム面に接触しながら前記立体カムに対して相対的に移動するカムフォロアと、
前記カムフォロアを前記カム面に付勢して、前記カム面の傾斜角度に応じた剛性を前記変位部材に付与する弾性部材と、
前記カムフォロアを、前記カム面において、前記変位部材の変位に伴って移動する前記カムフォロアの前記カム面上の軌道に沿った方向に対して直交する直交方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、
前記カム面は、前記軌道における断面の曲線形状が前記直交方向の位置に応じて異なるように形成されていることを特徴とする剛性可変機構。
A displacement member displaceable by an external force;
A three-dimensional cam having a cam surface;
A cam follower that moves relative to the three-dimensional cam while contacting the cam surface in accordance with the displacement of the displacement member;
An elastic member that urges the cam follower to the cam surface and imparts rigidity to the displacement member according to an inclination angle of the cam surface;
Moving means for relatively moving the cam follower on the cam surface in a direction orthogonal to a direction along a track on the cam surface of the cam follower that moves in accordance with the displacement of the displacement member; Prepared,
The variable rigidity mechanism according to claim 1, wherein the cam surface is formed so that a curved shape of a cross section in the track varies depending on a position in the orthogonal direction.
前記カム面は、前記カムフォロアが前記変位部材の変位に伴って前記カム面上を移動したときに、前記弾性部材の弾性変形量が一定となる部分を有することを特徴とする請求項1に記載の剛性可変機構。   The said cam surface has a part in which the amount of elastic deformation of the said elastic member becomes constant when the said cam follower moves on the said cam surface with the displacement of the said displacement member. Variable stiffness mechanism. 前記立体カム及び前記カムフォロアのうち一方の部材が、前記変位部材と共に変位するように前記変位部材に支持されており、
前記移動手段は、前記カムフォロアが前記カム面に対して前記直交方向に相対的に移動するよう前記立体カム及び前記カムフォロアのうち他方の部材を駆動することを特徴とする請求項1又は2に記載の剛性可変機構。
One member of the three-dimensional cam and the cam follower is supported by the displacement member so as to be displaced together with the displacement member,
The said moving means drives the other member among the said solid cam and the said cam follower so that the said cam follower may move relatively to the said orthogonal | vertical direction with respect to the said cam surface. Variable stiffness mechanism.
前記立体カム及び前記カムフォロアのうち一方の部材が、前記変位部材と共に変位するように前記変位部材に支持されており、
前記移動手段は、外部からの駆動力を、前記カムフォロアが前記カム面に対して前記直交方向に相対的に移動するよう前記立体カム及び前記カムフォロアのうち他方の部材に伝達することを特徴とする請求項1又は2に記載の剛性可変機構。
One member of the three-dimensional cam and the cam follower is supported by the displacement member so as to be displaced together with the displacement member,
The moving means transmits an external driving force to the other member of the three-dimensional cam and the cam follower so that the cam follower moves relative to the cam surface in the orthogonal direction. The rigidity variable mechanism according to claim 1 or 2.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の剛性可変機構と、
前記変位部材に伝達する駆動力を発生する駆動源と、を備えた剛性可変駆動装置。
The rigidity variable mechanism according to any one of claims 1 to 4,
And a drive source for generating a drive force to be transmitted to the displacement member.
第1リンクと、
前記第1リンクに関節で連結された第2リンクと、
前記関節を駆動する請求項5に記載の剛性可変駆動装置と、を備えた関節駆動装置。
The first link,
A second link articulated to the first link;
A joint drive device comprising: the variable stiffness drive device according to claim 5 that drives the joint.
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