JP2016510864A - トルク伝達装置、アクチュエータ、ロボット - Google Patents

Abstract

本発明は、可変に調整可能な剛性を有しているトルク伝達装置、トルク伝達装置を備えているアクチュエータ及びロボットに関する。本発明によるトルク伝達装置には、内側リングと、ニュートラルポジションから、内側リングに対して正の回動方向又は負の回動方向に回動可能に配置されている外側リングと、正の吸収ベローズ及び負の吸収ベローズを含む少なくとも一組の吸収ベローズと、少なくとも一つのガススプリングと、当該少なくとも一つのガススプリングに接続されている調整ユニットとが設けられている。吸収ベローズは、外側リングと内側リングとの間において、正の吸収ベローズが内側リングの正の回動方向への回動時に圧縮されるように、また負の吸収ベローズが内側リングの負の回動方向への回動時に圧縮されるように配置されている。更に、吸収ベローズは、少なくとも一つのガススプリングと流体が案内されるように接続されている。

Description

本発明は、可変に調整可能な剛性を有しているトルク伝達装置、当該トルク伝達装置を備えているアクチュエータ及びロボットに関する。

患者の介護や工業など分野を問わずに、ロボットと人間が直接的に接する機会が増えている。それらの用途が意味するところは、ロボットの安全性に対して高い要求が課されるということである。つまり、動いているロボットのパーツに人間が誤って接触した場合に、人間が負傷することは回避されなければならない。また、特にウェアラブルロボット（wearable robotics）の分野において障害が発生した際には、人間の関節に大きい力が加えられること、またそれによって負傷を被ることも排除されるべきである。この問題を解決するための公知のアプローチでは、可変の剛性を有しているアクチュエータが使用されている。

高い位置決め精度を達成するために、高い機械的剛性が所望される。しかしながらロボットのパーツが高速に移動する場合、又は、その移動に連動して人間の関節も運動する場合、高い安全性を達成するために、フレキシブルな機構、従って、低い剛性が所望される。可変剛性アクチュエータ（略してＶＳＡ：variable stiffness actuator）を実現するために、二つのアプローチが公知である。

第１のアプローチでは、高い剛性を有しているアクチュエータが、力センサ又はトルクセンサによって補完される。このアプローチは、適切なコントローラを用いることによって、機械的な剛性を下回る剛性をシミュレートすることができる。その際に、力センサはアクチュエータに加えられる力又は作用するトルクを測定する。トルクに依存して、機械的なばねがシミュレートされるように可動域が調整される。この可動域は作用するトルクに比例して調整される。その際、比例係数は仮想のばね定数に相当する。このアプローチの欠点は、障害が発生すると、例えば力センサ又はコントローラが故障すると、アクチュエータの固有の高い剛性が作用することから、固有安全性が欠けていることである。

第２のアプローチでは、アクチュエータの剛性を純粋に機械的に変更することができるようにアクチュエータが構成される。この場合、可変の力取り出し部を備えているレバーシステムが使用される。このために、アクチュエータは例えば付加的な機械的エレメントを介して接続されており、この機械的エレメントは中心を成す機構としてばねを有している。ばねの剛性を変更するために、力取り出し部の力レバーアームを例えば電気モータを介して調整することができる。このアプローチの欠点は、この構造の所要スペースが比較的大きいことである。

従って、本発明の課題は、これらの欠点を克服し、可変の剛性を有しているアクチュエータを提供することである。

この課題は、請求項１に記載のトルク伝達装置によって、請求項１０に記載のアクチュエータによって、また請求項１１に記載のロボットによって解決される。本発明の有利な構成は従属請求項に記載されており、下記において説明する。

本発明によるトルク伝達装置には、内側リングと、ニュートラルポジションから正の回動方向又は負の回動方向において、内側リングに対して回動可能に配置されている外側リングと、正の吸収ベローズ及び負の吸収ベローズを含む少なくとも一組の吸収ベローズと、少なくとも一つのガススプリングと、その少なくとも一つのガススプリングに接続されている調整ユニットと、が設けられている。吸収ベローズは外側リングと内側リングとの間において、正の吸収ベローズが内側リングの正の回動方向への回動時に圧縮されるように、また負の吸収ベローズが内側リングの負の回動方向への回動時に圧縮されるように配置されている。吸収ベローズは、更に、少なくとも一つのガススプリングと流体が案内されるように接続されている。流体として、有利には作動液が使用されている。

本発明によるトルク伝達装置は、有利には、非常に小さい寸法を有しており、また殆ど圧縮されない作動液を用いることによって、非常に高い剛性を表すことができる。液圧式の力伝達部は、有利なことに高い自己減衰も示し、系の固有振動は強く過減衰されており、高周波数においてしか生じない。これによって、系の周波数応答は高い周波数まで線形であり、これによってトルク伝達装置を良好に制御することができる。

本発明によるトルク伝達装置の一つの有利な実施の形態においては、少なくとも一つのガススプリングが気密に閉じられたガス圧室と、ガス圧室内に突出した伝達ベローズと、ガス圧室内に突出した調整ベローズとを有している。吸収ベローズは、伝達ベローズと流体が案内されるように接続されており、また調整ユニットは調整ベローズと流体が案内されるように接続されている。

これによって、簡単なやり方で、小型且つ長寿命の調整可能なガススプリングが実現されている。

本発明によるトルク伝達装置の一つの別の有利な実施の形態においては、調整ユニットがリザーバ及びポンプを有している。ポンプは、特にピエゾポンプである。更に、ピエゾポンプに逆止弁を設けることができ、この逆止弁は障害時に自己開放式に構成されている（ノーマルオープン）。

リザーバ及びポンプを用いることによって、簡単且つ廉価なコンポーネントを備えているハイドロリック調整ユニットが提供される。有利には、ピエゾポンプは所要スペースが小さく且つ動作効率がよい。障害時、例えば給電部又は制御信号の障害時には、逆止弁を用いることによってトルク伝達装置の剛性が自動的に最小に低減される。このことは、系の安全な状態を表す。つまり、系は固有安全性を有している。

本発明によるトルク伝達装置の一つの別の有利な実施の形態においては、トルク伝達装置が、調整ユニットと接続されている二つのガススプリングを有している。この場合、少なくとも一つの正の吸収ベローズは、二つのガススプリングのうちの一方と流体が案内されるように接続されており、少なくとも一つの負の吸収ベローズは二つのガススプリングのうちの他方と流体が案内されるように接続されている。

従って、吸収ベローズには圧縮運動及び伸長運動の各運動に対して、一つのガススプリングが提供される。有利には、吸収ベローズの加圧フェーズにも張引フェーズにも影響を及ぼすことができる。

本発明によるトルク伝達装置の一つの別の有利な実施の形態においては、調整ユニットはガススプリング毎に別個のポンプを有している。

これによって、ガススプリングを相互に独立して調整することができる。従って有利には、トルク伝達装置の剛性を方向に依存して種々に設計及び変更することができる。加圧フェーズを、張引フェーズとは異なるように設計することもできる。

本発明によるトルク伝達装置の一つの別の有利な実施の形態においては、トルク伝達装置が、二組の吸収ベローズを有している。

これによって、力の導入をより良好に分散させることができる。従って、個々の吸収ベローズに掛かる負荷は比較的小さい。更には、付加的な支持エレメントを設けることなく、内側リングのガイドが改善されている。

本発明によるトルク伝達装置の一つの別の有利な実施の形態においては、ベローズのうちの少なくとも一つが金属ベローズである。

金属ベローズは、高温下においても、また侵襲性の環境条件下でも、非常にロバストである。これによってトルク伝達装置に長寿命と安全性がもたらされる。

本発明によるトルク伝達装置の一つの別の有利な実施の形態においては、トルク伝達装置が実質的に、円形の基底面を備えている円筒の形状を有している。

これによって、トルク伝達装置には、一般のサーボモータの構造に合わせることができる構造が与えられている。サーボモータ及びトルク伝達装置は二つ合わせても、サーボモータ単独の場合よりも僅かに大きいスペースしか必要としない。

つまり本発明によるトルク伝達装置は、有利には、トルク伝達装置の他にサーボモータも有している一つのアクチュエータにその全ての構造が組み込まれている。サーボモータは、ロータ及びステータを有している。本発明によれば、サーボモータのステータは、トルク伝達装置の外側リング又は内側リングと相対回動不能に接続されている。

従って有利には、可変の剛性を有しているアクチュエータが提供される。本発明によるトルク伝達装置の利点は、モジュールとしてのアクチュエータにとって有用である。

本発明によるアクチュエータは、有利にはロボットに組み込まれている。この場合、アクチュエータはロボットの機械ユニットと力伝達式又はトルク伝達式に接続されている。

ロボットの機械ユニットを、本発明によるアクチュエータに基づき、種々の剛性で運転させることができる。それによって、ロボットは高い安全性で、人間と直接的に接触することができる。

本発明の複数の実施例を、添付の図面に基づき下記において詳細に説明する。

本発明によるロボットを示す。 本発明によるアクチュエータを示す。 本発明によるアクチュエータのトルク伝達装置の実施の形態の一つを示す。 本発明によるアクチュエータのトルク伝達装置の実施の形態の一つを示す。 本発明によるアクチュエータのトルク伝達装置の実施の形態の一つを示す。

図１には、本発明によるロボット２６が例示的に示されている。本発明によるロボット２６はアクチュエータ１を有しており、このアクチュエータ１は力伝達式又はトルク伝達式に機械ユニット２７に接続されている。アクチュエータ１の運転によって、機械ユニット２７の位置を変更することができる。機械ユニット２７は、アクチュエータ１によって形成された運動を変換するように構成されている。機械ユニット２７は例えば、回動運動、並進運動又はそれら二つを組み合わせた運動を実行することができる。

図２には、本発明によるアクチュエータ１が例示的に示されている。アクチュエータ１は、サーボモータ２及びトルク伝達装置３を有している。サーボモータ２は、ロータ２１及びステータ２２を有している。ロータ２１は、回動軸２３に、ステータ２２に対して回動可能に支持されている。ステータ２２は、ロータ２１を包囲するように配置することができ、図１にはこの方式が示されている。ステータ２２を包囲するようにロータ２１を配置することも可能である。本発明においては、ステータ２２は支持エレメントであり、ロータ２１は可動エレメントである。本発明によれば、ステータ２２は相対回動不能にトルク伝達装置３に接続されている。

本発明によれば、トルク伝達装置３は、内側リング５と、その内側リング４を包囲するように配置されている外側リング４とを有している。外側リング４及び内側リング５は、回動軸２３と同心配置されている。外側リング４は内側リング５に対して、所定の回動角度分だけ回動軸２３において回動可能である。図１に図示されている実施例においては、トルク伝達装置３の内側リング５は不動に緊締されており、サーボモータ２のステータ２２は、トルクが伝達されるようにトルク伝達装置３の外側リング４に取り付けられている。従って、ロータ２１においてトルクの取り出し２０を行うことができる。トルク伝達装置３の外側リング４を不動に緊締し、サーボモータ２のステータ２２を相対回動不能にトルク伝達装置３の内側リング５に接続することも可能である。

トルク伝達装置３の実施の形態の種々のヴァリエーションが図２から図４に図示されている。本発明によるトルク伝達装置３は、外側リング４及び内側リング５の他に、少なくとも一組の吸収ベローズ９，１０、ガススプリング１３、調整ユニット及び流体管路１６を有している。

図２から図４において、本発明によるトルク伝達装置３の内側リング５はそれぞれニュートラルポジション２５に位置している。内側リング５は外側リング４に対して、正の回動方向１７又は負の回動方向１８に回動することができる。

外側リング４は少なくとも二つの成形部２４を有している。各成形部２４は内側リング５の凹部７内に突入している。成形部２４にはそれぞれ少なくとも一つの接合部６が設けられている。内側リング５は、各凹部７の接合部６に対向する位置にある領域において、支持部８を有している。内側リング５の支持部８と外側リング４の接合部６との間には、吸収ベローズ９，１０のうちの一方がそれぞれ配置されている。各吸収ベローズ９，１０は少なくとも支持部８に取り付けられている。本発明において、ベローズは液圧式シリンダ等であっても良く、特にベローズは金属製である。

少なくとも一組の吸収ベローズ９，１０は、正の吸収ベローズ９及び負の吸収ベローズ１０を有している。本発明において、正の吸収ベローズ９は、内側リング５がニュートラルポジション２５から正の回動方向１７に変化した際に圧縮されるように配置されている。本発明によれば、負の吸収ベローズ１０は、内側リング５がニュートラルポジション２５から負の回動方向１８に変化した際に圧縮されるように配置されている。

吸収ベローズ９，１０は、本発明によれば、流体、特に作動液、例えばシリコンオイル又はグリセリン等で充填されている。流体管路１６を介して、吸収ベローズ９，１０は流体が案内されるように少なくとも一つのガススプリング１３と接続されている。

少なくとも一つのガススプリング１３は、本発明によれば、密閉された、流体で満たされているガス圧室２８を有している。流体は特にガスであり、また２ｂａｒから１０ｂａｒまでの正圧下にあってよい。ガス圧室２８内に突入するように、相互に対向して位置決めされている二つのベローズ１４，１５が配置されている。それら二つのベローズは伝達ベローズ１４及び調整ベローズ１５である。伝達ベローズ１４は流体管路１６を介して、少なくとも一つの吸収ベローズ９，１０と流体が案内されるように接続されている。調整ベローズ１５は流体管路１６を介して、流体が案内されるように調整ユニットと接続されている。

本発明によれば、調整ユニットは少なくとも一つのポンプ１２、特にピエゾポンプ１２と、流体、特に作動液を貯蔵することができるリザーバ１１とを有している。

外側リング４に対して内側リング５が正の回動方向１７に回動運動した際に、正の吸収ベローズ９内の圧力が高められ、正の吸収ベローズ９内の作動液は、流体管路１６を流れて、少なくとも一つのガススプリング１３の伝達ベローズ１４へと供給される。伝達ベローズ１４は伸長しようとする。本発明によれば、正の回動方向１７への回動運動のために必要とされるトルクを、ガス圧室２８内の圧力によって可変に調整することができる。

外側リング４に対して内側リング５が負の回動方向１８に回動運動した際に、負の吸収ベローズ１０内の圧力が高められ、負の吸収ベローズ１０内の作動液は、流体管路１６を流れて、少なくとも一つのガススプリング１３の伝達ベローズ１４へと供給される。伝達ベローズ１４は伸長しようとする。本発明によれば、負の回動方向１８への回動運動のために必要とされるトルクを、ガス圧室２８内の圧力によって可変に調整することができる。

ガススプリング１３のガス圧室２８内の圧力は、伝達ベローズ１４及び調整ベローズ１５に作用する。調整ベローズ１５は、ガススプリング１３における気体体積を圧縮できるように構成されている。調整ユニットのポンプ１２を用いることによって、流体、特に作動液を、リザーバ１１から調整ベローズ１５にポンピングすることができるか、又は調整ベローズ１５からリザーバにポンピングすることができる。このようにして、ガススプリング１３の剛性を広範な範囲において調整することができる。

調整ベローズ１５が完全に空である場合、ガスはガス圧室２８内で低圧で大きい体積を占めることができる。従って伝達ベローズ１４は、ガス圧室２８内の圧力が顕著に上昇することなく伸長することができる。つまり、ガススプリング１３はこの位置では剛性が低い。

これに対して、調整ベローズ１５がその終端位置まで充填されている場合、これは図３から図５に示されているが、伝達ベローズ１５が僅かに伸長するだけで既に、ガス圧室２８内の圧力が大きく上昇し、従って、伝達ベローズに対して高い反力が生じる。ガススプリング１３はこの位置では剛性が高い。

伝達ベローズ１４はガススプリング１３のガス圧室２８の圧力を吸収ベローズ９，１０に伝達し、またそこにおいてトルクが形成されるので、従って、ガススプリング１３の可変の剛性は直接的に可変のねじりばね特性に変換される。つまり本発明によれば、ポンプ１２を用いることによって、調整ベローズ１５の容積を変更することができ、それによって、本発明によるトルク伝達装置３の回動剛性を調整することができる。このことは、ポンプ１２の出力の設計に依存して、数秒内又は一秒以下の時間で行われる。

調整ユニットが接続されている、ここでは詳細には図示していないコントロールユニットによって、調整ユニットが閉ループ制御又は開ループ制御される。更に、トルク伝達装置３内に複数のセンサを配置することができ、それらのセンサによって、種々の状態、例えば複数あるベローズのうちの少なくとも一つの圧力を検出することができる。

トルク伝達装置３は付加的に支持エレメントを有することができる。例えば、外側リング４と内側リング４との間に転動体を配置することができる。

図３に例示されている、本発明によるトルク伝達装置３の実施の形態の一つのヴァリエーションは、吸収ベローズ９，１０を一組だけ有しており、またガススプリング１３を一つだけ有している。調整ユニットはポンプ１２を一つだけ有している。

ここでは、各吸収ベローズ９，１９が支持部８に取り付けられており、接合部６に緩く接触している。吸収ベローズ９，１０はそれぞれストッパ１９を有しており、このストッパ１９は、内側リング５がニュートラルポジション２５に位置する間に利用できる範囲以上に吸収ベローズ９，１０が伸長することを阻止する。ニュートラルポジション２５においては、二つの吸収ベローズ９，１０の容積が最大である。外側リング４に対して、内側リング５がニュートラルポジション２５から回動すると、吸収ベローズ９，１０のうちの一方が圧縮され、他方の吸収ベローズ１０，９の容積は維持される。この圧縮時に、上述の減衰がばねスプリング１３によって行われる。その回動された位置からニュートラルポジション２５へと反対方向に回動する際、トルク伝達装置３は剛性を有していない。ニュートラルポジションに再び達するまで、トルクは自由に作用する。

図４に例示されている、本発明によるトルク伝達装置３の実施の形態の一つのヴァリエーションは、図３に示したヴァリエーションとは異なり、二つのガススプリング１３を有している。各ガススプリングは、ここでは一組だけ設けられている吸収ベローズ組の各吸収ベローズ９，１０の一方と流体が案内されるように、流体管路１６を介して接続されている。

二つのガススプリング１３を用いることによって、ガススプリング１３の個数は、考えられる回動方向１７，１８の数に一致する。二つのガススプリング１３を個別に制御することができる。このために、調整ユニットは二つのポンプ１２を有している。従って、各吸収ベローズ９，１０は、加圧フェーズだけでなく、張引フェーズにおいても作用することができる。ガススプリング１３のうちの一方が、吸収ベローズ９，１０のうちの一方の加圧フェーズを生じさせると、それと同時に、他方のガススプリング１３は他方の吸収ベローズ１０，９の張引フェーズに作用する。

吸収ベローズ９，１０はここではストッパ１９を有していない。各吸収ベローズ９，１０は、内側リング５の支持部８と外側リング４の接合部６とに取り付けられている。負の吸収ベローズ１０が最小の容積を有している内側リング５の位置において、正の吸収ベローズ９は最大の容積を有しており、それとは逆に、正の吸収ベローズ９が最小の容積を有している内側リング５の位置において、負の吸収ベローズ１０は最大の容積を有している。特に、二つのポンプ１２は、ガススプリング１３がそれぞれ同一の内部剛性を有するように並行して動作することができる。

図４に図示されている実施の形態のヴァリエーションに付加的に、図５に例示的に示されている、本発明によるトルク伝達装置３の実施の形態の一つのヴァリエーションは、二組の吸収ベローズ９，１０を有している。この場合、二つの正の吸収ベローズ９が並列に接続されており、且つ、二つの負の吸収ベローズ１０が並列に接続されている。

本発明の有利な実施例を細部まで詳細に図示及び説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の権利範囲から逸脱することなく、他のヴァリエーションにも容易に想到することができる。

Claims (11)

1. トルク伝達装置（３）において、
   前記トルク伝達装置（３）は、
   内側リング（５）と、
   ニュートラルポジション（２５）から正の回動方向（１７）又は負の回動方向（１８）において、前記内側リング（５）に対して回動可能に配置されている、外側リング（４）と、
   正の吸収ベローズ（９）及び負の吸収ベローズ（１０）を含む少なくとも一組の吸収ベローズ（９，１０）と、
   少なくとも一つのガススプリング（１３）と、
   前記少なくとも一つのガススプリング（１３）と接続されている調整ユニットと、を備えており、
   前記吸収ベローズ（９，１０）は、前記外側リング（４）と前記内側リング（５）との間において、前記正の吸収ベローズ（９）が前記内側リング（５）の前記正の回動方向（１７）への回動時に圧縮されるように、且つ、前記負の吸収ベローズ（１０）が前記内側リング（５）の前記負の回動方向（１８）への回動時に圧縮されるように配置されており、
   前記吸収ベローズ（９，１０）は、前記少なくとも一つのガススプリング（１３）と流体が案内されるように接続されていることを特徴とする、トルク伝達装置（３）。
2. 前記少なくとも一つのガススプリング（１３）は、気密に閉じられたガス圧室（２８）と、前記ガス圧室（２８）内に突出した伝達ベローズ（１４）と、前記ガス圧室（２８）に突出した調整ベローズ（１５）とを有しており、
   前記吸収ベローズ（９，１０）は、前記伝達ベローズ（１４）と流体が案内されるように接続されており、
   前記調整ユニットは、前記調整ベローズ（１５）と流体が案内されるように接続されている、請求項１に記載のトルク伝達装置（３）。
3. 前記調整ユニットは、リザーバ（１１）及びポンプ（１２）を有している、請求項２に記載のトルク伝達装置（３）。
4. 前記ポンプ（１２）は、ピエゾポンプ（１２）である、請求項３に記載のトルク伝達装置（３）。
5. 前記トルク伝達装置（３）は、前記調整ユニットと接続されている二つのガススプリング（１３）を有しており、
   少なくとも一つの前記正の吸収ベローズ（９）は、前記二つのガススプリング（１３）のうちの一方と流体が案内されるように接続されており、且つ、少なくとも一つの前記負の吸収ベローズ（１０）は、前記二つのガススプリング（１３）のうちの他方と流体が案内されるように接続されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトルク伝達装置（３）。
6. 前記調整ユニットは、ガススプリング（１３）毎に別個のポンプ（１２）を有している、請求項５に記載のトルク伝達装置（３）。
7. 前記トルク伝達装置（３）は、二組の吸収ベローズ（９，１０）を有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のトルク伝達装置（３）。
8. 前記トルク伝達装置（３）は、実質的に、円形の基底面を備えている円筒の形状を有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のトルク伝達装置（３）。
9. 前記ベローズ（９，１０，１４，１５）のうちの少なくとも一つは金属ベローズである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のトルク伝達装置（３）。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のトルク伝達装置（３）と、ロータ（２１）及びステータ（２２）を有しているサーボモータ（２）とを備えており、前記サーボモータ（２）の前記ステータ（２２）は、前記トルク伝達装置（３）の前記外側リング（４）又は前記内側リング（５）と相対回動不能に接続されていることを特徴とする、アクチュエータ（１）。
11. 請求項１０に記載のアクチュエータ（１）及び機械ユニット（２７）を備えており、前記アクチュエータ（１）は、前記機械ユニット（２７）と力伝達式又はトルク伝達式に接続されていることを特徴とする、ロボット（２６）。

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