JP4499608B2 - 多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置 - Google Patents
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Description
Hiroshi Kawano,Hideyuki Ando,Tatsuya Hirahara,"Fast Three−DOF Control for Multi−DOF Ultrasonic Servo Motor by Online Adaptation",2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation,pp.3087−3092,April 2004
大鐘 大介,兵頭 和人,小林 博明「非線形バネ要素を持つ7自由度腱制御アームの機構と制御」日本ロボット学会誌 Vol.14,No.8,pp.1152−1159,1996
即ち、本発明の第1の目的は、付設される多自由度超音波モータの固定子の上端面と回転子とを圧接するための予圧力を発生可能であると共に、その多自由度超音波モータを駆動源とする関節機構の出力剛性をも柔軟に調整可能な多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置を提供せんとするものである。
図1は、本発明の第1の最良形態例に係る予圧装置αと、これが適用される多自由度超音波モータβからなる関節機構Aの側面図であり、中立平衡状態にある予圧装置αを示している。なお、図1においては、予圧装置αの一部のみ断面図で示されている。
予圧装置αは、固定子β1から回転子β2への垂直抗力を、固定子β1の上端面と回転子β2とを圧接するための予圧力として効果的且つ最大限に活用するために、予圧機構α1の構成要素として、固定子β1の上端面と回転子β2に常時圧接習性を付勢する複数の線形弾性体1を具備する。
次いで、関節機構Aの出力剛性調整機構γに用いられる複数の非線形弾性体2を説明する。
また、回転子シャフトβ3が右回転すると、ボールネジシャフト11が追従右回転して、上段弾性体取付材5のネジ穴5bに案内されて降動変位するために、中段及び上段の弾性体取付材4,5間の間隔が狭まって、全ての非線形弾性体2が縮まる一方、回転子シャフトβ3が左回転すると、ボールネジシャフト11が追従左回転して、上段弾性体取付材5のネジ穴5bに案内されて昇動変位するために、中段及び上段の弾性体取付材4,5間の間隔が拡がって、全ての非線形弾性体2が伸びることとなる。
両図から明らかなように、何れの場合であっても、非線形弾性体2が伸びるに伴い、その非線形弾性体2の弾性定数が大きくなることが分かる。
一方、図3(b)には、前述と同様にして選ばれた2つの非線形弾性体2の双方を、図3(a)におけるよりも大きい伸長量だけ予め伸ばした状態から、それぞれの伸長量を変化させた場合のそれぞれの弾性特性変化を示すグラフが描かれている。
図4は、本発明の第2の最良形態例に係る予圧装置α′と、出力剛性調整機構γを含めこれが適用される多自由度超音波モータβからなる関節機構A′の側面図であり、中立平衡状態にある予圧装置α′を示している。なお、図4においては、予圧装置α′の一部のみ断面図で示されている。
以下、図4にて、図1又は図2に図示された部材と同一又は同等な部材に同一の符号を当てることにより、それら構成要素の詳細な説明を省略する。
図5は、本発明の第3の最良形態例に係る出力剛性調整機構γ′と、これが適用される多自由度超音波モータβからなる関節機構A″の一部側面図であり、中立平衡状態にある出力剛性調整機構γ′を示している。なお、図5においては、出力剛性調整機構γ′の一部のみ断面図で示されていると共に、回転子β2′以下に配置される各部材が省略されている。
以下、図5にて、図1、図2又は図4に図示された部材と同一又は同等な部材に同一の符号を当てることにより、それら構成要素の詳細な説明を省略する。
α,α′・・・予圧装置
γ,γ′・・・出力剛性調整機構
1・・・線形弾性体
2・・・非線形弾性体
3・・・下段弾性体取付材
3a,4a,5a,17a・・・梁
4,17・・・中段弾性体取付材
5・・・上段弾性体取付材
5b・・・ネジ穴
5c・・・突設部
6,15・・・固定子固定材
15a・・・外端部
7,8,8″・・・ユニバーサルジョイント
9・・・ユニバーサルジョイント付シャフト
10・・・玉軸受
10a・・・軸受内輪
10b・・・転動体
10c・・・軸受外輪
11・・・ボールネジシャフト
12・・・連結具
13・・・出力軸
14・・・スライド円筒軸受
β・・・多自由度超音波モータ
β1・・・固定子
β11〜β13・・・圧電素子
β2,β2″・・・回転子
β3・・・回転子シャフト
Claims (7)
- 位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する複数の圧電素子によって重層構成される円柱形状の固定子と、前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される球形状又は半球形状の回転子とで構成される多自由度超音波モータに付設して、前記固有振動から任意の方向への前記回転駆動力を発生させるために前記固定子の上端面と前記回転子とを圧接するための予圧力を発生する予圧装置上に傾動自在に冠設した出力剛性調整機構であって、
前記多自由度超音波モータを上下から空転自在に挟架した下段及び中段弾性体取付材中心を貫通する前記固定子の中心軸上下方向延長線下段及び中段に対して各々周方向等間隔放射状に延びかつ中立平衡時に当該下段及び当該中段の弾性体取付材それぞれの相対向する梁相互間に亙り、複数の線形弾性体を予め自然長以上に伸長された状態で、前記多自由度超音波を囲んで並行張架された前記予圧装置を設け、
当該予圧装置上方に空転自在に配架した上段弾性体取付材中心を貫通する前記固定子の中心軸上方向延長線上段に対して周方向等間隔放射状に延びかつ中立平衡時に前記中段及び当該上段の弾性体取付材それぞれの相対向する前記梁相互間に亙り、並行張架され、伸長量の変化に伴い弾性定数が増減する複数の非線形弾性体と、
当該非線形弾性体に囲まれかつ前記中段及び前記上段の弾性体取付材間の間隔を調整する間隔調整手段と、を具備しており、
少なくとも、前記中段及び前記上段の弾性体取付材は、前記固定子の中心軸延長線に対して傾斜動自在に配架される、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。 - 前記上段弾性体取付材は、
その中央部にネジ穴が、又、その上面中央部に円筒形状の突設部がそれぞれ形成されてなり、
前記間隔調整手段は、
前記上段弾性体取付材の前記ネジ穴に調整自在に螺合貫通するボールネジシャフトと、
前記球形回転子に突設された回転子シャフトの先端部に前記ボールネジシャフトの末端部を傾斜動自在に連結するための、全方向に回動自在なユニバーサルジョイントと、
前記ボールネジシャフトの先端部に連結具を介して一体回転自在に突合せ連結される出力軸と、
当該出力軸を前記上段弾性体取付材の前記突設部の内周面に嵌合支持するスライド円筒軸受と、を有する直動アクチュエータである、
ことを特徴とする請求項1に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。 - 前記上段弾性体取付材は、
その中央部にネジ穴が、又、その上面中央部に円筒形状の突設部がそれぞれ形成されてなり、
前記間隔調整手段は、
前記上段弾性体取付材の前記ネジ穴に調整自在に螺合貫通するボールネジシャフトと、
前記半球形回転子に当該ボールネジシャフトの末端部を傾斜動自在に連結するために、軸受内輪を突設して囲繞する当該回転子平坦円面中央に凹着した全方向に回動自在なユニバーサルジョイントと、
前記ボールネジシャフトの先端部に連結具を介して一体回転自在に突合せ連結される出力軸と、
当該出力軸を前記上段弾性体取付材の前記突設部の内周面に嵌合支持するスライド円筒軸受と、を有する直動アクチュエータである、
ことを特徴とする請求項1に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。 - 前記中段弾性体取付材は、
前記回転子シャフトに貫着される軸受内輪と、
当該軸受内輪に転動体群を介して取り付けられると共に、前記中段弾性体取付材に上側から押さえ込まれ、当該転動体群の空転作用によって、前記回転子の回転駆動により発生して前記軸受内輪に伝達された前記回転子シャフトを軸とする回転動力が空転吸収されて、当該回転子シャフトの傾斜動のみ伝達される軸受外輪と、からなる軸受を介して当該回転子シャフトに空転自在に支承される、
ことを特徴とする請求項2に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。 - 前記中段弾性体取付材は、
前記半球形回転子の平坦円面に突設した軸受内輪と相対峙しかつ当該軸受内輪に転動体群を介して取付けられる軸受外輪から周方向等間隔放射状に延びた梁を有し、当該転動体群の空転作用によって、前記回転子の回転駆動により発生して前記軸受内輪に伝達された前記回転子の回転動力が空転吸収されて、当該回転子の傾斜動のみ伝達されるよう構成する、
ことを特徴とする請求項3に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。 - 前記下段弾性体取付材は、
前記固有振動の節位置のような振動の影響が少ない中間位置で、天部中央に前記固定子を構成する前記圧電素子を積層重合して懸架固定するフレーム構造の固定子固定材の外底面中央に突設された、全方向に回動自在なユニバーサルジョイント付のシャフトを用いて傾斜動自在に下支えする、
ことを特徴とする請求項1、2、3、4又は5に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。 - 前記下段弾性体取付材は、
前記固有振動の節位置のような振動の影響が少ない中間位置で、中央部に当該固定子を構成する前記圧電素子を積層重合して懸架固定する固定子固定材である、
ことを特徴とする請求項1、2、3、4又は5に記載の多自由度超音波モータの出力剛性調整機構付予圧装置。
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