JP4395180B2

JP4395180B2 - 運動変換装置

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Publication number: JP4395180B2
Application number: JP2007196386A
Authority: JP
Inventors: イヴァンゴドレール
Original assignee: イヴァンゴドレール
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: JP2008089175A; US20090249903A1; US8256310B2

Description

本発明は、線・条を用いた、回転駆動源のトルクを引張り力に変換する運動変換装置に関する。本発明の運動変換装置は、ロボット、福祉、医療分野等で必要とされる軽量の引張り力発生源（アクチュエータ）として用いることができる。以下、本明細書において、回転駆動源のトルクを引張り力に変換して関節を回動する場合のように、弧状の軌跡で変位する引張り力（回転運動出力軸の軸方向に沿う運動）の適用の場合も含め直線運動と称する。

たとえばロボットの関節駆動用アクチュエータ或いは手術用鉗子駆動用アクチュエータさらには、義手や義足のアクチュエータ等にあっては小さな駆動源で大きな力を出力できるアクチュエータが望まれている。これらにあっては、回転運動を高い効率下に、高い減速比と力増幅比で直線運動に変換できることを要する。

回転運動を直線運動に変換する機構として、ベルト、チェーン、ボールねじ或いはピニオン・ラック機構が周知である。一方、ロボット等において、アームなどの関節の駆動には電気モータが用いられている。電気モータの出力は高速かつ低トルクであるので、減速機を介して高トルクの回転を出力している。この回転出力を前記ベルト、チェーン、ボールねじ或いはピニオン・ラック機構によって直線運動に変換するときは、減速機におけるエネルギ効率が低くモータの電流をトルクフィードバックに使えない。また、減速機における低エネルギ効率および入力側の高い摩擦トルクのために、バックドライバビリティが得られない問題がある。

他方、ロボット等の関節機構を作動せしめる手段として、図１２に示す機構が既知である。この機構は、回転駆動源（モータ１および減速機２）の回転軸と関節の回転軸が平行であり、モータ１はアーム７の一方の外にはみ出している。而して、動的バランスが悪く、意匠的にも好ましくない。

また、図１３に示すように、モータ１及び減速機２をアーム７対間に挟設し、関節６の軸心とモータ１及び減速機２の軸心が相互に垂直となるように構成した関節作動機構も知られている。この機構にあっては、モータ１による回転運動は減速機２を介して傘歯車３によって垂直な方向の回転運動に変換せしめられ、関節６が回転駆動される。この機構は回転軸心を９０°（垂直に）変換すべく傘歯車３を介挿するので、機構が複雑になるのみならずコスト、重量、バックラッシュの増大を招く。

さらに、図１４に示すように、関節６に離隔せしめてモータ１、減速機２、およびプーリ４のセットを配設し、プーリ４に巻回されその他端が関節６の外周面に固定されているワイヤ５によって関節６を回動するよう構成された関節作動機構も既知である。この機構にあっては、モータ１の回転運動出力は減速機２を介してプーリ４によってワイヤ５の直線運動に変換され、この直線運動が関節６の回転駆動源となっている。この機構にあっても、減速機２を設けることによる上記問題を依然として有する。

一方、ロボットハンドの駆動源として、ワイヤアクチュエータが既知である（たとえば、特許文献１参照）。このワイヤアクチュエータは、ワイヤをその長手方向へ移動させることによって、ロボット等の関節を駆動するようにしている。この先行技術にあっては、振動をワイヤに印加してその長手方向に変位させるようにしており、駆動端子とワイヤ間での摩擦ロスに起因する効率の低下がある。また、前記特許文献１にあっても、回転運動を直線運動に変換するときのエネルギロスの大きいことが指摘されている（特許文献１、第３頁、段落０００６）。
特開２００３−０７０２６７号公報

他方、２本以上のフィラメントの捩りによって回転運動を直線運動に変換することも既知である（特許文献２参照）。この先行技術においては、少なくとも２本のフィラメントの一端を回転支持体に固定的に取り付け、他端を運動体の配向部材に取り付けてモーションユニットを構成している。フィラメントは回転運動を直線運動に変換し、直線運動伝達ユニットとして機能する。
特開昭６１−０８６１９２号公報

特許文献２は、回転運動を直線運動に変換するのに少なくとも２本のフィラメントの捩りを用いることを開示している。この先行技術は、古代、フィラメントの捩りを利用して往復運動を木片の回転運動に変えこの木片の端部を他の木片と接触させて火を起こした手法や、横木を上下させて軸を回転させる錐に見られる手法と軌を一にしている。この既知の手法のみでは、所望の回転数−直線運動速度、回転トルク−直線方向の力の比等の関係の一義的な決定が難しく、たとえばロボットの指関節の駆動ユニットの設計ができない。

本発明は、上記従来技術における問題を解決し、設計プロセスに組み込まれ得る構成要件（設計パラメータ）を確立するとともにシステムの制御をも可能ならしめて、１）小さなスペースで十分なストロークの運動変換装置を提供すること、２）騒音を発生することのない運動変換装置を提供すること、３）小型、軽量の運動変換装置を提供すること、４）安価な運動変換装置を提供すること、５）出力側からの逆駆動も可能な運動変換装置を提供すること、６）運動変換装置にフリーな状態を簡単に得ること、を目的とする。

前記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、該線・条の他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離Ａ離隔する部位に固定し、前記運動体の変位量ｘが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度である。］で示され、前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Ｆが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度、Ｔは回転駆動源のトルクである。］で示され、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。

請求項２に記載の発明は、回転運動出力軸を両端に有する回転駆動源のそれぞれの回転運動出力軸端の軸心部に少なくとも２本の線・条それぞれの一端を固定するとともに、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離Ａ離隔する部位に固定し、前記運動体の変位量ｘが、

請求項３に記載の発明は、それぞれ独立に駆動されるか又は、共通の回転駆動源からトルク伝達手段を介して同時に駆動される複数の回転運動出力軸端各々の軸心部に、少なくとも２本の線・条の一端を固定し、該線・条の他端を前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心方向に沿う運動を行う運動体の、前記複数の回転運動出力軸の各々の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離Ａ離隔する部位に固定し、前記運動体の変位量ｘが、

請求項４に記載の発明は、前記回転駆動源の一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を予め捩り込んでおき、他方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめるとともに前記一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を巻き解き、前記回転駆動源の両側における運動体に同方向、同変位量の変位を生起せしめるよう構成してなる請求項２記載の運動変換装置である。

請求項５に記載の発明は、前記回転運動出力軸に回転角度センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体に変位量センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の位置制御および／または速度制御を行うよう構成してなる請求項１乃至請求項４何れかに記載の運動変換装置である。

請求項６に記載の発明は、前記運動体に張力検出センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の力を制御するよう構成してなる請求項１乃至請求項４何れかに記載の運動変換装置である。

本発明によれば、少なくとも２本の線・条を、モータの回転運動出力によって相互に捩り込むことによって、回転運動をバックラッシュ無く回転運動出力軸方向に沿う運動に変換し得る。また、少なくとも２本の線・条を、モータの回転運動出力によって相互に捩り込むに際しては、摩擦が微小であるので小さなトルクを高い効率で大きな直線方向力に変換できる。また、本発明を用いてロボットの関節駆動を行う場合等において、関節にフリーな状態を簡単に得ることができる顕著な効果を奏する。

その効果として、特にヒューマノイドロボットの関節に必要とされる外部からの駆動（バックドライバビリティ）が可能となる。さらに、回転運動を直線運動に変換するために複数の線・条のみを用いるので、機械加工部品が少なく、低価格の実現とともに装置の小型化、軽量化を図れさらに、金属部品の噛み合いに起因する騒音を発生することがない。而して、本発明は、ロボットの指の関節駆動等に好適に用いることができる。

本発明は、少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から半径方向に所定距離Ａだけ離隔する部位に固定し、また、該所定距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記複数の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。本発明の運動変換装置にあっては、線・条（ワイヤ）の数、直径、長さ、直線運動体における回転運動出力軸の軸心からの線・条の端部固定部位までの距離が、減速比と力増幅比に関係する。即ち、本発明にあっては、適切な設計パラメータ（寸法）の選択によって、他の補助的な伝達機構を用いることなく十分なストローク（変位量）及び引張り力を、線・条と回転駆動源の組み合わせのみで達成できる。而して、従来の回転運動・直線運動変換装置に比し安価な装置になる。

本発明における設計パラメータの選択に関し、図１（ａ）、（ｂ）を参照しながらさらに詳しく説明する。モータ（回転駆動源）１１の回転運動出力軸１２端部の軸心部に少なくとも２本の線・条１３の一端を固定し、他端を直線運動体１４に、回転運動出力軸１２の軸心から半径方向にそれぞれ所定距離Ａだけ離隔せしめて固定する。回転運動出力軸１２が角度αだけ回転すると少なくとも２本の線・条１３は互いに捩り込み、直線運動体１４が回転運動出力軸１２の軸方向に沿ってｘだけ変位する。この変位は、直線方向又は、たとえば関節を回動せしめるときのように弧状の変位である。

ここで、最小のスペースで十分なストロークを得るために、設計パラメータである線・条１３の他端を直線運動体１４に固定するときの回転運動出力軸１２の軸心からの半径方向への所定距離Ａ及び線・条１３の長さＬを適切に選ぶ必要がある。また、モータ１１のトルクＴと線・条１３の捩り込みによる引張り力Ｆの関係は線・条１３の太さ（直径）によって左右されるから、モータ１１のトルクＴを大きな引張り力に変換するためには、細い線・条１３を使うことが望ましい。

２本の線・条１３を使う場合、回転運動出力軸１２の回転角度α（rad）と、直線運動体１４の変位量ｘの関係は、

で与えられる。ここで、Ｌは線・条１３を解いたときの線・条の長さ、Ａは線・条の直線運動体１４における固定部位の回転運動出力軸１２の軸心から半径方向の離隔量、Ｒは線・条１３の実際のまたは等価的な円形断面の半径である。但し、Ｒ＜＜ＬかつＲ＜＜Ａである。

選んだ線・条１３の長さＬと半径Ｒ、回転運動出力軸１２の軸心から半径方向の離隔量Ａとから理論的最大ストロークｘ_maxおよびそのときの最大回転角度α_max（rad）は、

で与えられる。
また、モータ１１のトルクＴと引張り力Ｆの関係は、

で示される。
線・条１３としては、可撓性を有するとともに引張り強度に優れ適切な剛性をもちかつ繰り返し曲げに対する十分な耐久性をもつ高強度繊維たとえば、炭素繊維、Kevlar、ザイロン、ナイロン等を用いることができる。
また、線・条１３の断面形状としては、円、多角形、または長方形（リボン）とすることができる。長方形（リボン）にすると、同じトルク対引張り力変換率でより大きな断面積とすることができ、伝達可能な力容量を増大させ得る。

さらに、線・条１３の耐久性を増すために、四弗化エチレン樹脂（登録商標：テフロン）、ナイロンなど摩擦係数の小さな材料でコーティングを線・条１３に施し、内部摩擦および繊維同士の摩擦を減少させるとよい。また、線・条１３の耐久性（寿命）を向上させる目的で、内部摩擦を減少せしめるべく、適切な潤滑剤（グリース、オイル、粉末材およびこれらの組み合わせ）を線・条１３に適用することができる。たとえば、有機、無機グリース、オイル、四弗化エチレン樹脂（登録商標：テフロン）粉、ナイロン粉、モリコート等およびこれらの組み合わせを用いることができる。

線・条１３の一端の回転運動出力軸１２端部の軸心部への固定、他端の直線運動体１４への固定や交換を行いやすくすべく、線・条１３の両端および／または中間部に適切な形状のフックやループ（輪）等を接着、モールドなどで固定することもできる。

叙上の構成によって、少なくとも２本の線・条１３が互いに捩り込むことで、回転運動をバックラッシュなく直線運動に変換できる。また、少なくとも２本の線・条１３が互いに捩り込むときの内部摩擦が小さいから、高い効率で小さなトルクを大きな引張り力に変換できる。さらに、回転運動を直線又は回転運動出力軸の軸心に沿う運動に変換するために、少なくとも２本の線・条１３のみを用いるので装置は低価格であり、軽量化が図られるとともに金属部品の噛み合いがないため、騒音を生じることがない。

また、線・条１３の他端を、直線運動体１４において回転運動出力軸１２の軸心から半径方向に適切な距離Ａだけ離隔せしめることによって、小さなスペースで十分なストロークを得ることが可能になる。さらに、減速機に起因する低エネルギ効率および入力側の高い摩擦トルクがないから、高いエネルギ効率をもつ回転運動・直線運動変換装置となる。さらに、モータ出力軸の慣性モーメントを殆ど増大せしめることがないから高い応答性が可能となる。

図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の一実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図１（ａ）、（ｂ）において、１１は回転駆動源、この実施例にあってはモータであって電気で駆動する。１２は回転運動出力軸、１３は２本の線・条（ワイヤ）である。線・条の材質としては、炭素繊維或いは炭素繊維を複数本結合させてワイヤとしたもの、高強度樹脂ワイヤなどを用いることができる。２本の線・条（ワイヤ）１３の一端は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、モータ１１の回転運動出力軸１２端の軸心部に固定されている。

１４は直線運動体であって、２本の線・条（ワイヤ）１３の他端が回転運動出力軸１２の軸心に関して対称かつ回転運動出力軸１２の軸心から半径方向に所定距離Ａだけ離隔する部位に固定されている。１５は圧縮ばねであり、モータ１１による直線運動体１４の回転運動出力軸１２方向の直線運動（矢印ｘ方向の運動）に抗して直線運動体１４を所期の位置に保持すべく機能する。モータ１１への動力を遮断してフリーの状態とし、直線運動体１４を矢印ｘとは反対方向（回転運動出力軸１２から遠ざける方向）へ所期の力で変位させれば回転運動出力軸１２は逆方向（図１（ａ）、（ｂ）における回転角度αの方向とは逆方向）へ回転し、バックドライブが可能となる。

図２に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図２において、２１は回転駆動源、この実施例にあってはモータである。２２は回転運動出力軸、２３は全部で４本の線・条（ワイヤ）である。線・条の材質としては、炭素繊維或いは炭素繊維を複数本結合させてワイヤとしたもの、高強度樹脂ワイヤなどを用いることができる。この実施例においては、回転運動出力軸２２はモータ２１の両側に設けられている。それぞれの回転運動出力軸２２の軸心部には、それぞれ２本の線・条（ワイヤ）２３の一端が固定され、該線・条（ワイヤ）２３の他端は、直線運動体２４の、回転運動出力軸２２の軸心に関して対称となるとともに回転運動出力軸心から半径方向に所定距離Ａだけ離隔する部位に固定されている。

この実施例においては、回転運動出力軸２２の回転角αに対して、実施例１における場合の２倍の直線運動（変位）量ｘを得ることができる。

図３に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図３において、５１は回転駆動源、この実施例にあってはモータであって、その両側に回転運動出力軸５２を有している。５３は全部で４本の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力軸５２の軸心部に固定されている。前記線・条（ワイヤ）５３の他端は、それぞれ直線運動体５４の、回転運動出力軸５２の軸心に関して対称となるとともに該軸心から半径方向に所定距離Ａだけ離隔する部位に固定されている。５５は連結部材である。

この実施例においては、図３に示すように、双方の直線運動体５４が剛性を有する連結部材５５によって連結されており、モータ５１は基台に固定されている。モータ５１の一方の回転運動出力軸５２の軸心にその一端が固定されている複数の線・条（ワイヤ）５３は、予め一杯に捩られている（図３でみて右側）。

而して、図３でみて右側の、２本の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図３でみて左側の、２本の線・条（ワイヤ）５３をモータ５１の回転によって捩り始めると、右側の２本の線・条（ワイヤ）５３は巻き解かれ初め、連結部材５５はｘ方向に変位する。一方、図３でみて左側の、２本の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図３でみて右側の、２本の線・条（ワイヤ）５３をモータ５１の回転によって捩り始めると、左側の２本の線・条（ワイヤ）５３は巻き解かれ初め、連結部材５５は−ｘ方向に変位する。このようにして、−ｘ、ｘ双方向の直線運動を得ることができる。

図４に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図４において、６１は回転駆動源、この実施例にあってはモータであって、その両側に回転運動出力軸６２を有している。モータ６１の底部にはころ６６が配設され、モータ６１は回転運動出力軸６２の軸方向に変位自在である。６３は全部で４本の線・条（ワイヤ）であり、それぞれの一端がそれぞれ前記回転運動出力軸６２の軸心部に固定されている。前記線・条（ワイヤ）６３の他端は、それぞれ固定部材６４の、モータ６１の回転運動出力軸の軸心に関して対称となるとともに該軸心から半径方向に所定距離Ａだけ離隔する部位に固定されている。また、固定部材６４は基台に固定されている。

この実施例にあっても、図４に示すように、モータ６１の一方の回転運動出力軸６２の軸心にその一端が固定されている２本の線・条（ワイヤ）６３は予め一杯に捩られている（図４でみて右側）。而して、図４でみて右側の、２本の線・条（ワイヤ）６３が予め一杯に捩られている状態から、図４でみて左側の、２本の線・条（ワイヤ）６３をモータ６１の回転によって捩り始めると、右側の２本の線・条（ワイヤ）６３は巻き解かれ初め、モータ６１は−ｘ方向に変位する。

一方、図４でみて左側の、２本の線・条（ワイヤ）６３が予め一杯に捩られている状態から、図４でみて右側の、２本の線・条（ワイヤ）６３をモータ６１の回転によって捩り始めると、左側の２本の線・条（ワイヤ）６３は巻き解かれ初め、モータ６１はｘ方向に変位する。このようにして、−ｘ、ｘ双方向の直線運動を得ることができる。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置の応用例を模式的に示す。図５（ａ）において、７１は回転駆動源、この実施例にあってはモータであって、その一端に回転運動出力軸７２を有している。７３は２本の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力軸７２の軸心部に固定されている。２本の線・条（ワイヤ）７３の他端は、直線運動体７４の、回転運動出力軸７２の軸心に関して対称となるとともに該軸心から半径方向に所定距離Ａだけ離隔する部位に固定されている。

７５は引張ばね、７６は関節、７７はアームである。７８はワイヤ（可撓性条体）であって、その一端が直線運動体７４に固定され、他端が関節７６の外周面に固定されている。而して、モータ７１を機転させて直線運動体７４を変位させると、関節７６が所定角度回動せしめられる。このようにして、アーム７７を所定角度回動させる。この実施例によれば、軽量、高効率で騒音の少ない、低コストのロボット関節機構が得られる。

この実施例においては、図５（ｂ）に示すように、実施例４に示す装置を用いて関節７６を正逆回動させる形態を採ることもできる。即ち、図５（ｂ）に示すように、モータ６１に可撓性条体７８を固定し、モータ６１の−ｘ、ｘ方向の変位によって関節７６を正逆方向に回動させることができる。７９は可撓性条体７８を巻回するプーリである。

図５（ｃ）に、直線運動体７４を関節７６に固定して、直線運動体７４を弧状に引張り、関節を駆動する実施例を示す。線・条７３の他端は、直線運動体７４に、回転運動出力軸７２の軸心に関し対称かつ半径方向に所定距離Ａだけ離隔して固定されている。

この実施例にあっては、モータ７１が固定されている部材とアーム７７が関節７６によってヒンジ結合されており、モータ７１の回転駆動によって直線運動体７４を介して直接的に関節７６が回動せしめられ、アーム７７が揺動する。

図６に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置の応用例を模式的に示す。
線・条８３の断面寸法を小さくしていくに従って、数式２に示すように、トルクを引張り力に変換する率（増幅率）を高くすることができる処から、線・条８３の断面寸法を小さく（細く）すると、線・条８３の抗張力が低下する。而して、引張り力の大きさが制限されることになり、回転駆動源の最大トルクを引張り力に変換できなくなる虞を生じる。そこで、複数の回転運動出力軸８２を用いて、それぞれの回転運動出力軸８２の端部の軸心部に少なくとも２本の線・条８３の一端を固定し、他端を直線運動体８４に固定するようにして、線・条８３の本数を増大せしめて抗張力を大きくする。

各個独立に駆動する複数の回転運動出力軸８２とするか又は、図６に示すように、回転運動出力軸８２の外周面に歯車を形成し、これらに噛み合うトルク伝達機構たとえば歯車９２によって、図示しないモータ（回転駆動源）の回転運動を前記複数の回転運動出力軸８２に同期して分配伝達する構成とする。而して、少なくとも２本の線・条８３の一端が複数の回転運動出力軸８２それぞれの端部軸心部に固定され、それぞれの少なくとも２本の線・条８３の他端は直線運動体８４に、それぞれの回転運動出力軸８２の軸心に関し対称かつ軸心から半径方向に離隔する部位に固定される。
回転運動出力軸８２は、これをタイミングベルトによって回転駆動源から駆動するように構成することも勿論できる。

図７に、本発明をロボットの指関節の駆動に応用した実施例を示す。図７（ａ）は側面図、図７（ｂ）は掌側から見た正面図、図７（ｃ）は、指を屈曲させた状態を示す側面図である。この実施例にあっては、１本の指に２箇のモータが用いられる。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、１０１，１１１はモータ、１０２，１１２は回転運動出力軸、１０３，１１３は線・条、１０４，１１４は直線運動体、１０５１，１０５２は引張りばね、１０６１は第１関節、１０６２は第２関節、１０６３は第３関節である。１２３は第２関節１０６２と第３関節１０６３を結合する条である。図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、条１２３の一端は第２関節１０６２の上方に固定され、他端は第３関節１０６３の掌側寄りに固定される。人間の指の場合にも、第２関節と第３関節が結合されている。

この実施例において、第１関節１０６１および第２関節１０６２を回動せしめ、指を屈曲させる個々の動作は、図５（ｃ）に示す実施例５におけると同様である。駆動モータ１０１および１１１の回転によって線・条１０３および１１３は捩り込まれ、図７（ｃ）に示す状態となる。駆動モータ１０１、１１１の回転を止めるとともにフリーの状態にすると、引張りばね１０５１、１０５２の引張り力によって、図７（ａ）、（ｂ）に示す状態に復帰する。

この実施例によれば、人間の指と同じような、ロボットの指の操作が可能である。また、この実施例の指屈曲方式は、軽量、安価な構造である。さらに、関節内には歯車などの伝達機構がないため、外部からの指の操作が容易になる。

実施例１に示す運動変換装置を用いて、回転運動・直線運動変換特性、トルク・力変換特性を調べた。用いた運動変換装置の仕様は、以下の通りである。
モータ出力：２．６Ｗモータ直径：１７ｍｍモータ長さ：２５ｍｍ
モータ最大回転数：８０００ｒｐｍモータ定格トルク：４．２ｍＮｍ
線・条の直径：０．２５ｍｍ線・条の材質：カーボンファイバー線・条の本数：２直線運動体における、回転運動出力軸心から半径方向の離隔距離Ａ：７．５ｍｍ

この実施例における回転運動・直線運動変換特性を図８に示す。最小０．６５ｍｍ／回転、最大９．３ｍｍ／回転（平均２．８ｍｍ／回転）であった。また、
トルク・力変換特性を図９に示す。最小０．６５Ｎ／ｍＮｍ、最大９．８Ｎ／ｍＮｍ（平均３．５Ｎ／ｍＮｍ）であった。さらに、直線運動速度は、モータ速度８０００ｒｐｍ時：２８ｍｍ／ｓ〜３０７ｍｍ／ｓ（平均９７ｍｍ／ｓ）、
力（張力）は、モータトルク：４．２ｍＮｍ時：１１．３４Ｎ〜１３０Ｎ（平均５２．５Ｎ）であった。図８および図９示す関係は必ずしも線形性に優れたものではないが、直線運動体の変位を検出しフィードバックしてモータの回転数を制御系で正確なモデルを用いて補正することによって解決できる。

前記運動変換装置を用いて、図５（ｃ）に示す関節機構を作動させた。直線運動体７４の移動範囲：２０ｍｍ、関節７６を１００°回動させたときに、半径が１１．５ｍｍとなる。従って、半径を一定にした図５に示す関節機構を用いると、関節トルクの範囲が１３０ｍＮｍ〜１４９５ｍＮｍ（平均６０４ｍＮｍ）である。関節の回動速度の範囲は、０．３９回転／ｓ〜４．３回転／ｓ（平均１．３回転／ｓ）であった。また、モータの回転速度を関節の回動速度に変換する等価的な減速比は可変であり、その値は３４２：１〜３１：１（平均１０２：１）であった。

本発明の運動変換装置を用いたロボットハンドにおける諸元を、従来技術におけるそれと比較した結果を表１に示す。

表１から明らかなように、本発明の運動変換装置を用いたアクチュエータは、優れた特性を発揮する。

実施例１に示す運動変換装置を用いて、回転運動・直線運動変換特性、トルク・力変換特性を調べた。用いた運動変換装置の仕様は、以下の通りである。
モータ出力：３０Ｗモータ直径：３０ｍｍモータ長さ：１５０ｍｍ
モータ最大回転数：３０００ｒｐｍモータ定格トルク：１００ｍＮｍ
線・条の直径：１ｍｍ線・条の材質：カーボンファイバー線・条の本数：２直線運動体における、回転運動出力軸心から半径方向の離隔距離Ａ：３０ｍｍ

この実施例における回転運動・直線運動変換特性を図１０に示す。最小０．６５ｍｍ／回転、最大９．３ｍｍ／回転（平均２．８ｍｍ／回転）であった。また、
トルク・力変換特性を図１１に示す。最小０．６５Ｎ／ｍＮｍ、最大９．８Ｎ／ｍＮｍ（平均３．５Ｎ／ｍＮｍ）であった。さらに、直線運動速度は、モータ速度３０００ｒｐｍ時：３２．５ｍｍ／ｓ〜４６５ｍｍ／ｓ（平均１４０ｍｍ／ｓ）、
力（張力）は、モータトルク：１００ｍＮｍ時：６５Ｎ〜９８０Ｎ（平均３５０Ｎ）であった。

前記運動変換装置を用いて、図５（ｃ）に示す関節機構を作動させた。直線運動体７４の移動範囲：１００ｍｍ、関節７６を１００°回動させたときに、半径が５７．３ｍｍとなる。従って、半径を一定にした図５に示す関節機構を用いると、関節トルクの範囲が３．７Ｎｍ〜５６Ｎｍ（平均２０Ｎｍ）である。関節の回動速度の範囲は、５．４回転／ｍｉｎ〜７７．５回転／ｍｉｎ（平均２３．３回転／ｍｉｎ）であった。また、モータの回転速度を関節の回動速度に変換する等価的な減速比は可変であり、その値は５５５：１〜３９：１（平均１２９：１）であった。

ディジタル回転計によって回転運動出力軸の回転角度を検出し、一方、直線運動体の変位量を光電素子を用いた変位計によって検出して、所期の変位量となるように、操作量であるモータの所要回転数を制御系から出力して運動変換装置を作動させた。

張力センサとしてロードセルを用い、直線運動体と回転運動出力軸間の張力を検出し、検出結果に基づいて所期の張力となるように制御系によってモータのトルクを変化させる制御を行った。

本発明は、ロボットの関節駆動用のアクチュエータ、わけても手、足、指関節駆動用アクチュエータとして好適に用いることができる。本発明の回転運動・直線運動変換装置は小型化が可能であるので、手術用の鉗子駆動用アクチュエータとしてまた、義手や義足用アクチュエータとしての応用が可能である。

本発明の一実施例に係る運動変換装置を示す模式図本発明の他の実施例に係る運動変換装置を示す模式図本発明の他の実施例に係る運動変換装置を示す模式図本発明の他の実施例に係る運動変換装置を示す模式図本発明の一実施例に係る運動変換装置をロボットの関節駆動機構に応用した実施例を示す模式図（ａ）は関節を一方向に回動させる形態を示す図、（ｂ）は関節を正逆方向に回動させる形態を示す図、（ｃ）は関節を直接に回動させる形態を示す図である。本発明の他の実施例に係る運動変換装置を示す模式図本発明の他の実施例に係る運動変換装置を示す図（ａ）は側面図、（ｂ）は掌側から見た正面図、（ｃ）は指の屈曲状態を示す側面図である。本発明の一実施例に係る運動変換装置における回転運動・直線運動変換特性を示すグラフ本発明の一実施例に係る運動変換装置におけるトルク・力変換特性を示すグラフ本発明の他の実施例に係る運動変換装置における回転運動・直線運動変換特性を示すグラフ本発明の他の実施例に係る運動変換装置におけるトルク・力変換特性を示すグラフ従来技術によるロボットの関節駆動機構の一例を示す模式図従来技術によるロボットの関節駆動機構の他の例を示す模式図従来技術によるロボットの関節駆動機構の他の例を示す模式図

１モータ
２減速機
３傘歯車
４プーリ
５ワイヤ
６関節
７アーム
１１モータ
１２回転運動出力軸
１３線・条（ワイヤ）
１４直線運動体
１５圧縮ばね
Ａモータ出力軸心から線・条の他端固定部位までの距離
２１モータ
２２回転運動出力軸
２３線・条（ワイヤ）
２４直線運動体
２５圧縮ばね
５１モータ
５２回転運動出力軸
５３線・条（ワイヤ）
５４直線運動体
５５連結部材
６１モータ（直線運動体）
６２回転運動出力軸
６３線・条（ワイヤ）
６４固定部材
６６ころ
７１モータ
７２回転運動出力軸
７３線・条（ワイヤ）
７４直線運動体
７５引張ばね
７６関節
７７アーム
７８ワイヤ（可撓性条体）
７９プーリ
８２回転運動出力軸
８３線・条（ワイヤ）
８４直線運動体
９２トルク伝達用歯車
１０１モータ
１０２回転運動出力軸
１０３線・条
１０４直線運動体
１０５１引張りばね
１０５２引張りばね
１０６１第１関節
１０６２第２関節
１０６３第３関節
１１１モータ
１１２回転運動出力軸
１１３線・条
１１４直線運動体
１２３関節結合条

Claims

少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、該線・条の他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離Ａ離隔する部位に固定し、
前記運動体の変位量ｘが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度である。］で示され、前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Ｆが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度、Ｔは回転駆動源のトルクである。］で示され、
前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
回転運動出力軸を両端に有する回転駆動源のそれぞれの回転運動出力軸端の軸心部に少なくとも２本の線・条それぞれの一端を固定するとともに、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離Ａ離隔する部位に固定し、
前記運動体の変位量ｘが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度である。］で示され、前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Ｆが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度、Ｔは回転駆動源のトルクである。］で示され、
前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
それぞれ独立に駆動されるか又は、共通の回転駆動源からトルク伝達手段を介して同時に駆動される複数の回転運動出力軸端各々の軸心部に、少なくとも２本の線・条の一端を固定し、該線・条の他端を前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心方向に沿う運動を行う運動体の、前記複数の回転運動出力軸の各々の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離Ａ離隔する部位に固定し、
前記運動体の変位量ｘが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度である。］で示され、前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Ｆが、

［式中、Ａは前記所定距離、Ｌは線・条の長さ、Ｒは線・条の半径、αは回転運動出力軸の回転角度、Ｔは回転駆動源のトルクである。］で示され、
前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
前記回転駆動源の一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を予め捩り込んでおき、他方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめるとともに前記一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を巻き解き、
前記回転駆動源の両側における運動体に同方向、同変位量の変位を生起せしめるよう構成してなる請求項２記載の運動変換装置。
前記回転運動出力軸に回転角度センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体に変位量センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の位置制御および／または速度制御を行うよう構成してなる請求項１乃至請求項４何れかに記載の運動変換装置。
前記運動体に張力検出センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の力を制御するよう構成してなる請求項１乃至請求項４何れかに記載の運動変換装置。