JP2517624B2 - 多自由度アクチユエ―タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多自由度アクチュエータに関し、特にマニピ
ュレータなどの多自由度機構に係わり、フレキシブルす
なわち柔軟な動作および機能を必要とするフレキシブル
機構を有するマニピュレーターやロボットハンドなどに
好適な多自由度アクチュエータに関する。

［発明の概要］ 本発明は、マニピュレータやロボットハンドなどのよ
うな多自由度機構のアクチュエータに関するもので、超
音波モータ（圧電セラミックスを超音波振動させてステ
ータに進行波を形成し、これとロータとの摩擦によって
回転するモータ）のロータおよびステータのうちいずれ
か一方を任意に固定し、他方を相対的に回転可能とする
ことによって、１つのモータに２つの自由度の回転機能
を持たせ、１方の自由度により関節駆動用の形状記憶合
金（一定の形を記憶させると変形しても適当な温度に加
熱するともとの形に復元する性質をもつ金属）を屈曲さ
せたい任意の位置まで回転させ、他方の１自由度によ
り、ねじれ方向の回転動作をさせることによって、１つ
のアクチュエータで360゜どちらの方向にも屈曲でき、
さらに回転作業が可能である多自由度機能を保持させた
ものである。

〔従来の技術〕

従来、フレキシブルな多自由度アクチュエータについ
てはそれほど多くの例がないが、スプリングをフランジ
を介して連絡し、１節について３本のワイヤを張設し、
これらのワイヤを後部で３個のワイヤ巻取／送出用モー
タで制御することでアームを任意の方向に任意の曲率を
もって屈曲できるようにしたものがある。（東工大 広
瀬研 「ゾウの鼻」）また、同研究室ではワイヤを形状
記憶合金Shape Memory Alloy（以下でSMAという）で置
換したアクチュエータについても検討を行なっている。

更に類似技術としては、多関節マニピュレータなどが
あり、これらは各関節に１自由度アクチュエータを１つ
ないし２つ装着し、並列制御することによって多自由度
を有する操作を可能としている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、東工大の「ゾウの鼻」のようなアクチ
ュエータの場合、ワイヤ駆動あるいはSMA駆動ともに１
節に対して３チャンネル以上の制御を行なわなければな
らず、アクチュエータを多段にしてマニピュレータとす
る場合、全体で制御しなければならないチャンネル数が
非常に多く、複雑になり、また、アームがそれぞれ長尺
になることから各節に大きな駆動トルクが必要になる。

また、多関節マニピュレータのように１自由度アクチ
ュエータの積みかさねによって多自由度を確保する場合
は、個々の関節に取りつけたモータの自重によって後段
ほど大きい駆動トルクが必要となり、大出力のモーター
を装着しなければならない。従って、産業用マニピュレ
ーターに多く見受けられるような先細り型の大型の機構
になってしまう場合が多い。

本発明の目的は、上述従来の問題点に鑑み、少チャン
ネル制御で多自由度が得られ、しかも高駆動トルクが得
られて、軽量、高剛性化を図ることができる多自由度ア
クチュエータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、ロータおよ
びステータを互いに相対的に回転可能とする２自由度を
有する超音波モータ部と、ロータおよびステータのうち
いずれか一方を任意に制止し、他方を回転可能とする自
由度選択手段と、超音波モータ部をその回転軸心の周り
に揺動自在に支持する支持体と、支持体の周りに設けた
回転体とロータの周囲部とを連結する形状記憶合金製の
伸縮部材とを具え、自由度選択手段を介して選択した第
１の自由度で伸縮部材を支持体の周りに回転させて伸縮
部材を駆動することにより超音波モータ部をその方向に
揺動可能とし、自由度選択手段を介して選択した第２の
自由度で、超音波モータ部を回転可能としたことを特徴
とする。

〔作用〕

本発明によれば、超音波モータ部のロータおよびステ
ータのうち、いずれか一方を固定して、他方を相対的に
回動させることによりねじれ方向の動作をさせることが
でき、更に回転した側をSMAを介してモータの軸方向に
伸縮させることにより関節屈伸動作に利用することがで
きるので、少ない制御チャンネルで高精度の制御を実施
することが可能となった。

〔実施例〕

以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具
体的に説明する。

以下に述べるように、本アクチュエーターは、超音波
モーターと予め熱を加えると収縮力が働くように設定さ
れたSMAとを組み合わせて構成したハイブリッドアクチ
ュエーターであり、その基本的構成の一例を第1A図〜第
1C図に示す。

第1A図において、１は超音波モータ部であり、２は円
環状に形成され、不図示の圧電素子が接着されているそ
のステータ、３は同じく円環状に形成され、ステータ２
の対向位置に配置されたロータ、4Aおよび4Bはステータ
２およびロータ３を回転可能に保持する上部フランジお
よび下部フランジ、５は上部フランジ4Aと下部フランジ
4Bとを固定している固定ねじである。

しかして、上部フランジ4Aおよび4Bにはそれぞれ、半
径方向の孔6Aおよび6Bが穿設されていて、これらの孔6A
および6Bには、移動自在に嵌合されたスライダ7Aおよび
7Bと所定の温度で延伸するSMA製のブレーキ用ばね8Aお
よび8Bとがそれぞれ第1B図に示すようにして嵌め込まれ
ている。

９はこのアクチュエータにおける関節の一端となる下
部リング、10は下部リング９と超音波モータ部１の下部
フランジ4Bとを連結しているコイルばね、11は下部リン
グ９に取付けられたベアリングであり、このベアリング
11を介してロータ３が回転自在なようにベアリング11の
回転輪11Aとロータ３とは関節駆動用SMA12によって連結
される。

このように構成したアクチュエータにおいては、上部
フランジ4Aに組み込んだステータのブレーキ用ばね8Aに
通電して加熱し、ばね8Aを延伸させることによりスライ
バ7Aをステータ２に圧着させて、ブレーキをかけ、この
状態で超音波モータ部１に通電し、下部リング９に取付
けたベアリング11を介してロータ３を任意の方向に回転
させることができる。そこで、アクチュエータを屈曲さ
せたい任意の方向にまで回転させたならば、次に関節駆
動用SMA12に通電加熱し、SMA12を例えば延伸させること
によりコイルばね10を骨格として必要な角度に屈曲させ
ることができる。また、この状態において軸周りの回転
作業（動作）を行ないたい場合は、ステータブレータ用
SMA製のばね8Aへの通電をやめ、ステータ２を自由な状
態にして下部フランジ4Bに組み込んだロータブレーキ用
SMA製のばね8Bに通電加熱してスライダ7Bをロータ３に
圧着させ、ブレーキをかけた上、超音波モータ部１に通
電し、ステータ２を回転させればよい。

なお、上記の例では、ロータ３を介して関節駆動用SM
A12を移動させた上、ステータ２によって回転作業を行
なうようにしたが、反対にステータ２を介して関節駆動
用SMA12を移動させ、ロータ３によって回転作業をする
ことも可能である。また、上記の例では、ロータ３およ
びステータ２のブレーキとしてSMA製のばね8Aおよび8B
を用いたが、摩擦ブレーキや電磁ブレーキなどを利用す
ることもでき、骨格としているコイルばねもエアークッ
ション等で置換することも可能である。

第２図は、本多自由度アクチュエータをアンテナの駆
動に適用した例である。14は第1A図〜第1C図に示したよ
うにして構成したアクチュエータであり、アクチュエー
タ14にパラボラアンテナ15を直接に装着してアンテナ15
にパンやチルトなど必要な動作を行わせることができ
る。

第３図および第４図は、産業用ロボットのアームに応
用した例である。本多自由度アクチュエータ14は接手部
14Aを介してその先端部を任意の位置へ動作させるだけ
でなく、その状態を保持して回転作業を行なうことがで
き、ドライバ16などの回転工具（第３図参照）やロボッ
トハンド17（第４図参照）を装着して能率を良い作業が
可能となる。

第５図に、本アクチュエータを多段化した構成例を示
す。本図に示すように、１節、２節、…の各節に本アク
チュエータ14を使用しフレキシブルマニピュレータ化す
ることで従来のマニピュレータにない多自由度動作が実
現できる。

第６図および第７図は、このようなフレキシブルマニ
ピュレータ14Aをカメラに適用した例である。すなわ
ち、第６図において、18は超小型カメラ、18Aはその先
端レンズ、また第７図において、19はフレキシブルマニ
ピュレータ14Aの先端部に取付けられたハンディカメラ
であり、このようにハンディカメラ19を装着することに
よって周囲の環境について撮像範囲が広がり、また、特
撮などの際の複雑なカメラワークが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、超音波モ
ータ部のロータおよびステータのうち、任意の一方を固
定可能となし、他方を相対的に回転可能とすることによ
って超音波モータに２自由度の選択を可能とし、その１
つの自由度を関節駆動用SMAを屈曲させない任意の位置
へ回転させることに用いるため、従来の「ゾウの鼻」の
機構のように屈曲動作をさせる際に制御しなければなら
ないチャンネル数が多く、複雑になってしまうことがな
く、また、精度の高い制御が可能である。また、他の１
つの自由度のねじれ回転動作に用いるので、「ゾウの
鼻」方式では不可能であった自由度を実現することがで
きた。

更にまた、その駆動源には発生トルクが大きく、軽量
な超音波モータとSMAとを組合せて使用するので、長尺
になっても十分に剛性を保つことができるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

第1A図は、本発明の多自由度アクチュエータの構造の一
例を示す断面図、 第1B図はその超音波モータ部の部分断面図、 第1C図は、その多自由度アクチュエータの外観を示す斜
視図、 第２図は、本発明多自由度アクチュエータのアンテナ駆
動機構への適用例を示す斜視図、 第３図は、本発明多自由度アクチュエータの、産業用ロ
ボットハンドへの適用例を示す斜視図、 第４図は、別形態の産業用ロボットハンドへの適用例を
示す側面図、 第５図は、本発明多自由度アクチュエータを多段化した
フレキシブルマニピュレータの構成を示す断面図、 第６図は、そのフレキシブルマニピュレータの超小型カ
メラへの一適用例を示す模式図、 第７図は、同じくそのフレキシブルマニピュレータのス
タジオカメラへの適用例を模式的に示す斜視図である。 １……超音波モータ部、 ２……ステータ、 ３……ロータ、 4A,4B……フランジ、 ５……固定ねじ、 6A,6B……孔、 7A,7B……スライダ、 8A,8B……ブレーキ用（SMA）ばね、 ９……下部リング、 10……コイルばね、 11……ベアリング、 11A……回転輪、 12……関節駆動用SMA、 14……アクチュエータ、 14A……フレキシブルマニピュレータ、 15……パラボラアンテナ、 16……ドライバ、 17……ハンド、 18……カメラ、 19……ハンディカメラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関口 卓司 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本 放送協会放送技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−65796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−172488（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−228392（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータおよびステータを互いに相対的に回
   転可能とする２自由度を有する超音波モータ部と、 前記ロータおよびステータのうちいずれか一方を任意に
   制止し、他方を回転可能とする自由度選択手段と、 前記超音波モータ部をその回転軸心の周りに揺動自在に
   支持する支持体と、 該支持体の周りに設けた回転体と前記ロータの周囲部と
   を連結する形状記憶合金製の伸縮部材と を具え、前記自由度選択手段を介して選択した第１の自
   由度で前記伸縮部材を前記支持体の周りに回転させて前
   記伸縮部材を駆動することにより前記超音波モータ部を
   その方向に揺動可能とし、前記自由度選択手段を介して
   選択した第２の自由度で、前記超音波モータ部を回転可
   能としたことを特徴とする多自由度アクチュエータ。