JP3336383B2 - 単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単一の動力源によ
って回転するスクリューの周辺にスクリューと平行に可
動する爪が押し付けられることによって発生する操作力
を利用するアクチュエータに係り、とくに牽引力を利用
して複数の牽引機能を作為しようとするもので、多数の
機械的制御機能を小さな容積で実現でき、多機能を発揮
するマニピュレータ等へ応用可能な単一動力源による複
数作動部制御用アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、ロボット装置等におけるマニ
ピュレータの一つの作動部（可動部）を動かすことに対
応して、一つのアクチュエータを使用していたため、複
数動作をさせるためには多くの動力源を必要とする問題
点があった。このため、アクチュエータの小型化、高性
能化によって重量、容積の軽減を図る努力がなされてい
るが、その努力にも限界があった。

【０００３】さらに、多機能のマニピュレータが機能を
発揮する場合、複数あるアクチュエータの操作力は、対
応する作動部が必要とする負荷を稼動させる動力源とし
て、それぞれの作動部が必要とする最大値に設計する必
要があった。

【０００４】上記構成のマニピュレータシステムにおい
ては、個々の動力源は動作する機会が間欠的に訪れるた
め、動力源が休止している時間帯は、その休止している
動力源が無効な容積、重量を占める事となっていた。

【０００５】また、上記構成によれば、個々の動力源は
その有効稼働率が低いため、全ての動力源の合計出力を
高く設計する必要があり、多機能のマニピュレータの容
積、重量を一層大きくしている原因ともなっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、多機
能のマニピュレータを構成するためには、複数の動作を
独立的に動かす必要があるが、従来構成では、この複数
の動作機能を独立して稼働させる個々の動力源を必要と
していたため重量、容積を大幅に削減することが困難で
あった。

【０００７】本発明は、上記の点に鑑み、単一の動力源
により複数の作動部をそれぞれ独立的に制御可能で、ひ
いては多機能のマニピュレータ等に適用した場合に容
積、重量の小型化、軽量化を図ることのできる単一動力
源による複数作動部制御用アクチュエータを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る単一動力源による複数作動部制御用ア
クチュエータは、単一の動力源によって回転するスクリ
ューと、紐状又は帯状体に固定されていて前記スクリュ
ーの回転軸方向と平行に移動自在な複数対の爪と、電気
信号により制御されて前記爪を前記スクリューに対して
係合又は係合解除とするソレノイドとを備え、１個の作
動部に対して牽引力を伝える前記紐状又は帯状体が１本
割り当てられ、該１本の紐状又は帯状体は滑車に架けら
れていて、当該紐状又は帯状体の移動方向が互いに反対
方向となる部分に、前記複数対の爪のうちの一対の爪が
それぞれ固定されおり、該一対の爪の一方の爪が前記ス
クリューに係合しているときに他方の爪が係合解除とな
り、前記ソレノイドにより前記スクリューに係合状態と
された爪によって前記作動部に対して牽引力を発生する
ことを特徴としている。

【００１０】

【００１１】

【００１２】前記爪に固定された前記紐状又は帯状体
は、作動部を牽引する方向が順方向となるワンウェイク
ラッチに通されているとよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る単一動力源に
よる複数作動部制御用アクチュエータの実施の形態を図
面に従って説明する。

【００１４】図１乃至図５は本発明に係る単一動力源に
よる複数作動部制御用アクチュエータの実施の形態であ
って、図１は単一動力源による複数作動部制御用アクチ
ュエータの内、１つの作動制御機構の全体概要を、図２
はアクチュエータの主要構成部分である牽引力発生部
を、図３は牽引から解放された瞬間ワイヤーを固定し作
動部（エンドエフェクター）を停止位置に停止させる機
能を持つクラッチ機構を、図４はアクチュエータとして
機能するために牽引力を発生又は停止させるための制御
回路構成例を、図５は複数作動部制御用アクチュエータ
として機能するために動力源として存在するスクリュー
の周囲に作動制御機構を複数配置させる一例をそれぞれ
示したものである。

【００１５】単一動力源による複数作動部制御用アクチ
ュエータは、図１のように、単一動力源としてのモータ
（電動機）１、牽引力を発生させるためにモータ１によ
って回転駆動されるスクリュー（螺旋軸）２を有してお
り、さらに、１つの作動制御機構毎に図２のようにスク
リュー２に噛み合って平行移動する爪３、爪３をスクリ
ュー２に押し付けて係合させたり係合解除とするソレノ
イド４、爪３とソレノイド４の合体部（ソレノイド・爪
アッセンブリー）５をスクリュー２の回転軸方向と平行
方向にのみ移動自在に拘束するリニアレール６、爪３に
固定された紐状体としての牽引ワイヤー１０、ワイヤー
を一方向（順方向）にのみ走向させるワンウェイクラッ
チ１１Ａ，１１Ｂ、必要に応じワンウェイクラッチ１１
Ａ，１１Ｂを開放（解放）するアーム機構（クランク機
構）２０及びワイヤー１０の張力を一定に保持する張力
調整機構３０を具備している。

【００１６】なお、図１中、７は位置固定の支点軸で枢
支（回転自在に支持）された滑車、２１はアーム機構
（クランク機構）２０の先端部に枢着された（回転自在
に取り付けられた）動滑車、２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，
２３Ｂはそれぞれ位置固定の支点軸で枢支された滑車、
３１は張力調整機構３０が有する動滑車である。前記張
力調整機構３０が有する動滑車３１は、ばね３２により
ワイヤー１０に張力を付与する向きに常時付勢されてい
る。４０は作動部（エンドエフェクター）であり、この
場合、牽引ワイヤー１０を介して回転トルクを受けるよ
うになっている。ここで、図１の一対の爪３のうち一方
の爪を便宜上３−１、他方の爪を３−２と表すと、前記
牽引ワイヤー１０は一方の爪３−１が固定されたスクリ
ュー２の一方の側面を通過して動滑車３１に架けられ、
他方の爪３−２が固定されたスクリュー２の他方の側面
を通過して滑車７、動滑車２１、滑車２２Ｂに架けら
れ、ワンウェイクラッチ１１Ｂを通り、滑車２３Ｂを経
て作動部４０に巻掛けられ、滑車２３Ａを経てワンウェ
イクラッチ１１Ａを通り、滑車２２Ａ、動滑車２１、滑
車７に架けられて前記一方の爪３−１側に戻るように各
滑車間にループをなして張架されている。なお、爪３−
１，３−２は、スクリュー２に対して移動方向が互いに
反対方向となるワイヤー１０の部分にそれぞれ固定され
ている。

【００１７】図２のアクチュエータの主要構成部分であ
る牽引力発生部において、スクリュー２は図１のモータ
１によって一定回転数で回転を継続するようになってお
り、一定回転を続けるスクリュー２に対して、スクリュ
ーの回転軸方向と平行に拘束された爪３とソレノイド４
の合体部５において、ソレノイド４が励磁されたときに
はその押す力が爪３を動かし、スクリュー２の歯に噛み
込むと（係合すると）、合体部５はスクリュー２の螺旋
によってワイヤー１０を牽引する向きに移動する。合体
部５に固定されたワイヤー１０はこの合体部５によって
牽引力を発生し、ループになったワイヤー１０は回転す
る。

【００１８】図３は牽引から解放された瞬間ワイヤー１
０を固定し図１の作動部（エンドエフェクター）４０を
停止位置に停止させる機能を持つクラッチ機構であり、
図示の通り、ワンウェイクラッチ１１Ａ，１１Ｂと、必
要なときにこれを開放（解放）するアーム機構（クラン
ク機構）２０とを組み合わせた構成である。

【００１９】前記ワンウェイクラッチ１１Ａ，１１Ｂ
は、クラッチ本体部１５に対して楔１２Ａ，１２Ｂが板
ばね１４により食い込み方向に付勢されている構成であ
り、順方向（牽引方向）に動こうとするワイヤー１０に
は負荷をかけず、ワイヤー１０は円滑に牽引方向に移動
できる。また、逆方向（作動部４０へワイヤー１０を繰
り出す方向）のワイヤー１０の動きは阻止する。但し、
楔１２Ａ，１２Ｂの一方が楔引き抜きピン１３Ａ，１３
Ｂのいずれかの働きにより抜かれた状態となると、楔の
抜かれたワンウェイクラッチは順方向、逆方向を問わず
ワイヤー１０を円滑に通過させるようになっている。

【００２０】アーム機構２０は、一方のワンウェイクラ
ッチ１１Ａから他方のワンウェイクラッチ１１Ｂに達す
るシーソーアーム２４及び該シーソーアーム２４の中点
から直交するように延長一体化された動滑車取付アーム
２５と、該動滑車取付アーム２５の先端部に枢着された
前記動滑車２１とを有し、シーソーアーム２４の中点が
回転支点軸２６にて支持されている。また、シーソーア
ーム２４の両端部にはワンウェイクラッチ１１Ａ，１１
Ｂの楔１２Ａ，１２Ｂをクラッチ本体部１５から引き抜
くための楔引き抜きピン１３Ａ，１３Ｂがそれぞれ連結
されている。図３中に示すように、シーソーアーム２４
の中点から動滑車２１の回転中心までの距離はａ、シー
ソーアーム２４の中点から楔引き抜きピン１３Ａ，１３
Ｂまでの距離はそれぞれｂである。

【００２１】図４はアクチュエータとして機能するため
に、牽引力を発生又は停止させるための制御回路構成例
である。ここでは、切り換えスイッチ（作動部動作方向
制御スイッチ）１６で選択された方のソレノイド４が各
ソレノイド毎に設けられた励磁回路（駆動回路）１７に
よって突出方向に励磁されて図１の爪３−１，３−２の
対応する方をスクリュー（螺旋軸）２に押し付けて係合
させる。例えば、切り換えスイッチ１６で図４の上側の
ソレノイド４が選択的に励磁されたときは、図１の上側
の爪３−１がスクリュー２に噛み合い、下側のソレノイ
ド４が選択的に励磁されたときは、図１の下側の爪３−
２がスクリュー２に噛み合う。なお、図４の制御回路は
図１の対をなす爪３−１，３−２の一方がスクリューに
係合しているときに他方の爪は必ず係合解除となるよう
に動作する。

【００２２】次に、単一動力源による複数作動部制御用
アクチュエータにおける１つの作動制御機構全体の動作
説明を行う。

【００２３】図１に示すスクリュー２はモータ１によっ
て一定回転数で回転を継続する。一定回転を続けるスク
リュー２に対して、スクリュー２の回転軸方向と平行に
拘束された爪３とソレノイド４の合体部５において、図
４の切り換えスイッチ１６の操作による電気信号でソレ
ノイド４が選択的に励磁され、その押す力が爪３−１，
３−２の選択された方を動かし、スクリュー２の歯に噛
み込むと、合体部５はスクリュー外周の螺旋によって移
動を開始する。

【００２４】前記合体部５に固定された牽引ワイヤー１
０はこの合体部５の直線運動によって牽引力を発生し、
各滑車間にループとして張架されたワイヤー１０は回転
を始める。

【００２５】ワイヤー１０が回転を始めると１端に設け
られた作動部（エンドエフェクター）４０に回転力を加
えはじめ、牽引側の爪３と作動部４０の間にあるワイヤ
ー１０に張力を発生する。

【００２６】張力が発生したワイヤー１０の中間にはワ
ンウェイクラッチ１１Ａ，１１Ｂとアーム機構２０が設
けられており、ワンウェイクラッチはこの場合順方向
（牽引方向）に動こうとするワイヤーに負荷をかけな
い。

【００２７】一方、アーム機構２０に動滑車２１が設け
られており、ワイヤー１０の張力によって動滑車２１の
位置が変位することで回転支点軸２６を中心に動滑車取
付アーム２５及びこれと一体のシーソーアーム２４が回
動する。これにより、シーソーアーム２４の端部が、負
荷の掛かっていない側、即ち、逆方向に動くワイヤー１
０を固定する作用を有するワンウェイクラッチを開放
し、ループに構成されたワイヤー１０の負荷として作動
部４０のみが働くようにする。例えば、牽引側が上側の
爪３−１であると、動滑車２１は上側に変位してシーソ
ーアーム２４は左回転し、楔引き抜きピン１３Ｂを介し
てワンウェイクラッチ１１Ｂの楔１２Ｂを引き抜く。従
って、ワンウェイクラッチ１１Ａに対してはワイヤー１
０は牽引方向、つまり順方向であり、ワンウェイクラッ
チ１１Ｂに対してはワイヤー１０は繰り出し方向、つま
拘束方向であるが楔１２Ｂが引き抜かれていることでワ
イヤー１０をフリーとする。

【００２８】作動部４０への作用を終了して、爪３がソ
レノド４の吸引力によってスクリュー２から離れると、
爪３と作動部４０間のワイヤー１０の張力がなくなり、
作動部４０の負荷によってワイヤー１０が引き戻されよ
うとする。しかし、引き戻されようとするワイヤー１０
の間には、先程順方向の動きに対しては無抵抗で通過さ
せたワンウェイクラッチ１１Ａが逆方向の動きになった
ため、このワイヤー１０を固定してしまう事になる。

【００２９】逆方向に配置された爪３とソレノイド４の
合体部５も上記に述べた事と同様の作用をするため、こ
の作動制御機構は作動部４０を電気的な制御によって任
意の位置に動かし、かつ、動力源からのエネルギーを消
費する事無く固定する事が可能となる。

【００３０】これまで記述したのは、スクリューに係合
可能な一対の爪を有する１個の作動制御機構の作用であ
るが、スクリューの周囲に物理的な設計が可能な限り、
図５に示すように立体的に複数対の爪３及びソレノイド
４を含む合体部（ソレノイド・爪アッセンブリー）５を
配置する事によって、単一の動力源によって、複数の作
動制御機構を稼動させる事が可能となる。

【００３１】この実施の形態によれば、次の通りの効果
を得ることができる。

【００３２】(1) 単一の動力源（つまりモータ１）に
より複数（２個以上）の作動部（エンドエフェクター）
４０をそれぞれ独立的に制御可能である。つまり、単一
の動力源としてのモータ１によって回転するスクリュー
２に、スクリューの回転軸方向と平行に移動できる爪３
を、電気信号により制御されたソレノイド４の力によっ
て押し付ける（係合させる）ことにより牽引力を発生さ
せ、あるいはスクリュー２から爪３を開放する（係合解
除とする）ことにより牽引を停止させることができる。

【００３３】(2) 回転するスクリュー２と平行方向に
のみ移動可能で電気信号によりスクリューへの押し付
け、開放（係合、係合解除）が可能な爪３をスクリュー
２の周辺に配置し、爪３を牽引ワイヤー１０に固定する
ことにより、牽引力を発生又は開放することができる。

【００３４】(3) スクリュー２から爪３が開放したこ
とによりワイヤー１０の牽引が停止した場合、作動部４
０の負荷が発生する力によってワイヤー１０に逆方向の
牽引力が働くため作動部４０の固定が必要であるが、そ
の停止位置を保持させるため、牽引ワイヤー１０の両側
を固定する２個のワンウェイクラッチ１１Ａ，１１Ｂを
適用している。２個のワンウェイクラッチ１１Ａ，１１
Ｂのうち一方はワイヤー１０の牽引側、他方は繰り出し
側となるため、必ず一方のワンウェイクラッチ１１Ａ，
１１Ｂでワイヤー１０は停止状態に保持される。

【００３５】(4) ワイヤー１０で牽引力を発生させた
場合、作動部４０から見てワイヤーを繰り出す側（爪か
らみてワイヤーを牽引する側）のワンウェイクラッチは
順方向となり抵抗なくワイヤーを通過させ、ワイヤーを
手繰り寄せる側のワンウェイクラッチは、牽引側に発生
した牽引力によって発生したワイヤーの張力を利用して
アーム機構２０を介して開放するとともに、機械的に負
荷によるバックラッシュの発生を除去することができ
る。つまり、ワイヤー１０の牽引力が十分大きくなって
からアーム機構２０を介しワンウェイクラッチの楔を抜
いてフリーとする構成であるからである。

【００３６】なお、上記実施の形態では、牽引用の紐状
体としてワイヤーを用いたが、動作原理上はワイヤーの
代わりにチェーン等を用いることができ、紐状体の代わ
りに、ベルト等の帯状体を用いることも可能である。こ
の場合、使用する紐状又は帯状体に適合する滑車構造と
すればよい。

【００３７】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る単一
動力源による複数作動部制御用アクチュエータによれ
ば、単一の動力源により複数（２個以上）の作動部（可
動部）をそれぞれ独立的に制御可能である。

【００３９】また、本発明によれば、多数の機械的制御
機能を小さな容積で実現でき、多機能を発揮するマニピ
ュレータ等への利用すれば効果が大きい。例えば、本発
明によれば、従来複数の動力源を必要としていた多機能
マニピュレータに比べ、動力源の容積、重量を大幅に軽
減する事が出来る。

【００４０】さらに、本発明によれば、予想される複数
のアクチュエータ部の同時動作に必要な合計最大出力に
対応した単一の動力源を準備する事によって、従来の方
法に比べ合計出力の小型化を図る事が出来、一層の小型
化が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単一動力源による複数作動部制御
用アクチュエータの実施の形態であって、単一動力源に
よる複数作動部制御用アクチュエータの内、１つの作動
制御機構の全体概要を示す構成図である。

【図２】本発明の実施の形態におけるアクチュエータの
主要構成部分である牽引力発生部を示す一部を拡大した
構成図である。

【図３】本発明の実施の形態において、牽引から解放さ
れた瞬間ワイヤーを固定し作動部（エンドエフェクタ
ー）を停止位置に停止させる機能を持つクラッチ機構を
示す構成図である。

【図４】本発明の実施の形態において、アクチュエータ
として機能するために牽引力を発生又は停止させるため
の制御回路構成例を示す回路図である。

【図５】本発明の実施の形態であって、複数作動部制御
用アクチュエータとして機能するために動力源として存
在するスクリューの周囲に作動制御機構を複数配置させ
る一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ モータ ２ スクリュー ３，３−１，３−２ 爪 ４ ソレノイド ５ 合体部 ６ リニアレール ７，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ 滑車 １０ 牽引ワイヤー １１Ａ，１１Ｂ ワンウエイクラッチ １２Ａ，１２Ｂ 楔 １３Ａ，１３Ｂ 楔引き抜きピン １４ 板ばね １５ クラッチ本体部 １６ 切り換えスイッチ ２０ アーム機構 ２１，３１ 動滑車 ２４ シーソーアーム ２５ 動滑車取付アーム ２６ 回転支点軸 ３０ 張力調整機構 ３２ ばね ４０ 作動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｄ 41/06 Ｆ１６Ｄ 41/06 Ａ // Ｆ１６Ｈ 25/20 Ｆ１６Ｈ 25/20 Ｂ 25/24 25/24 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16H 19/00 - 31/00 B25J 15/08 B25J 19/00 F16D 19/00 F16D 27/02 F16D 41/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一の動力源によって回転するスクリュ
   ーと、紐状又は帯状体に固定されていて前記スクリュー
   の回転軸方向と平行に移動自在な複数対の爪と、電気信
   号により制御されて前記爪を前記スクリューに対して係
   合又は係合解除とするソレノイドとを備え、１個の作動部に対して牽引力を伝える前記紐状又は帯状
   体が１本割り当てられ、該１本の紐状又は帯状体は滑車
   に架けられていて、当該紐状又は帯状体の移動方向が互
   いに反対方向となる部分に、前記複数対の爪のうちの一
   対の爪がそれぞれ固定されおり、該一対の爪の一方の爪
   が前記スクリューに係合しているときに他方の爪が係合
   解除となり、 前記ソレノイドにより前記スクリューに係
   合状態とされた爪によって前記作動部に対して牽引力を
   発生することを特徴とする単一動力源による複数作動部
   制御用アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記爪に固定された前記紐状又は帯状体
   は、前記作動部を牽引する方向が順方向となるワンウェ
   イクラッチに通されている請求項１記載の単一動力源に
   よる複数作動部制御用アクチュエータ。