JP4632846B2 - 可動軸駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、ロボットの脚や腕等に設けられる可動軸の駆動に用いて好適な可動軸駆動装置に関し、特には、それらの可動軸の駆動モータのエネルギ効率を高めた駆動装置に関するものである。

従来、二足歩行ロボット等の移動ロボットにおいては、その関節としての可動軸を駆動するために、例えば特許文献１に示されているように、各関節に近接する部位（リンク内）に可動軸駆動モータを搭載している。
特許第２５９２３４０号公報

ところで、二足歩行ロボット等、複数本の脚部を持つ脚式歩行ロボットについて歩行中の各部の運動を観察してみると、脚部は歩行の1周期毎に大きな加速・減速を繰り返しており、従って脚部の駆動を担う関節の駆動手段は、その関節から下の部位が有する慣性質量を駆動することとなって大きなトルクと駆動速度とが要求される。かかる脚式歩行ロボットにおいて、駆動トルクや速度が大きくなることは、ロボットの移動に費やされる消費エネルギが増大することを意味する。移動ロボットにとって消費エネルギの増大は、その有用性の点からすれば好ましくない。

脚式歩行ロボットの脚部には進行方向（以下「ピッチ方向」）、左右方向（以下「ロール方向」）乃至は回転方向等の多数の運動を司る関節が設けられているが、このうちピッチ方向の運動を担う膝関節において、上記の要求が一段と強い。これは、図８に示すように、脚部のピッチ方向の運動は遊脚域と立脚域とを含むため動作範囲が広く、従って加減速が大きく、他の関節に比べて遥かに大きなトルク、速度或いは駆動頻度を要求されるからで、結果的に、ピッチ方向駆動用の膝関節及びその駆動用モータは大型で重いものにならざるを得ない。なお、図８の上部は、脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向の動きを模式的に示し、図８の下部は、その脚部の動き（実線で示す動き）に対応するピッチ方向駆動用の膝関節駆動用モータのトルクと回転数（この明細書では単位時間当たり回転数を意味する）との変化状態を示している。

一般に、脚式歩行ロボットにおいては、上述の如き関節が直列に配置されており、そこにおいて高トルク、高速度を出力する駆動手段を採用することは、各関節の中でより上位の関節にとっては、駆動対象の慣性質量が増大することを意味し、その結果、さらに大容量の駆動手段を使用せざるを得なくなり、ロボットの総重量を増加させてしまうという問題があった。

また、上記関節において高出力モータを採用していても、脚式歩行ロボットが関節を駆動する際のサーボモータのエネルギ効率は、一般に50％以下であり、非常に低い。これは、図８に示す遊脚域と立脚域の駆動態様からもわかるように、ロボットの関節が広いレンジのトルクと回転数との組み合わせで作動することに原因がある。

一般に、モータのエネルギ効率が最も高くなるトルクと回転数の組み合わせは一点しか存存せず、発生トルクが大きくなればなるほど効率は低下する。モータのエネルギ効率を改善するためには変速機を用いて負荷に応じて減速比を変え、モータを常に高効率点で運転するという方法が考えられるが、ロボットに搭載できるような小型の変速機は未だ出現していないのが実情であり、複数の電装機器が高密度実装される脚式歩行ロボットの構造内部の限られたスペース内に変速機を搭載することは、実質的に不可能である。

前述したサーボモータのエネルギ効率の低さは、脚式歩行ロボットの稼動効率を低減させる要因となっており、大きな問題である。

この発明は、脚式歩行ロボットに用いた場合にその総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができる可動軸駆動装置を提供することを目的とするものであり、この発明の可動軸駆動装置は、互いに隣接する二つのリンクを１自由度で相対運動させる可動軸を駆動する装置において、各々前記可動軸を駆動する、互いに最高出力の異なる複数のモータと互いに減速比の異なる複数の減速機とを組合せた、互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構と、前記可動軸の必要駆動トルクと回転数とに応じてエネルギ効率が最適になるように、前記複数のモータのそれぞれに対するトルク分配値を演算すると共に、前記複数のモータの一のモータで駆動する場合は、他のモータを抵抗にならない程度に回転させるように、電流分配率を設定するトルク分配値演算手段と、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ式駆動機構のモータを駆動するモータ駆動手段と、を具えてなるものである。

かかる可動軸駆動装置にあっては、互いに最高出力の異なる複数のモータと互いに減速比の異なる複数の減速機とを組合せた、互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構が各々、互いに隣接する二つのリンクを１自由度で相対運動させる可動軸を駆動（対偶素の一方を他方に対し駆動）し、トルク分配値演算手段が、前記可動軸の必要駆動トルクと回転数とに応じてエネルギ効率が最適になるように、前記複数のモータのそれぞれに対するトルク分配値を演算すると共に、前記複数のモータの一のモータで駆動する場合は、他のモータを抵抗にならない程度に回転させるように、電流分配率を設定し、モータ駆動手段が、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ式駆動機構のモータを駆動する。

従って、この発明の可動軸駆動装置によれば、脚式歩行ロボット等のロボットに用いた場合に、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができる。

なお、この発明の可動軸駆動装置においては、前記可動軸は、ロボットの関節であると好ましく、前記ロボットの関節は、脚式歩行ロボットの膝ピッチ方向駆動用関節（膝関節ピッチ軸）または／および股ピッチ方向駆動用関節（股関節ピッチ軸）であると好ましい。脚式歩行ロボットの脚部には膝および股にピッチ方向、ロール方向乃至は回転方向等の多数の運動を司る関節が設けられているが、このうちピッチ方向の運動を担う関節において、特に大きなトルクと駆動速度とが要求され、被揺動部位が脚全体になるため揺動慣性質量が最も大きい股ピッチ方向駆動用関節ではそれが特に顕著だからである。

また、この発明の可動軸駆動装置において、前記複数のモータ式駆動機構は、互いに減速比の異なる減速機を介して前記モータで前記可動軸を駆動するものであり、また前記複数のモータ式駆動機構は、互いに出力特性の異なる前記モータで前記可動軸を駆動するものであるので、互いに減速比の異なる減速機や互いに出力特性の異なるモータを用いれば、トルク分配値演算手段が演算で求め得るトルク分配値の幅が広くなり、よりエネルギ効率を向上させることができる。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の可動軸駆動装置の一実施例の構成を示す説明図、図２は、その実施例の可動軸駆動装置の作動アルゴリズムを示す説明図、図３は、上記実施例における電流分配率αの決め方を示す説明図、図４（ａ），（ｂ）は、従来の可動軸駆動装置および上記実施例の可動軸駆動装置についてそれぞれ作動状態を示す説明図、図５は、上記実施例の可動軸駆動装置を具える脚式歩行ロボットを例示する斜視図、そして図６（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、その歩行ロボットの脚部を透視状態で示す側面側、正面図および斜視図である。

上記実施例の可動軸駆動装置を具える一例としての脚式歩行ロボットは、図５に示すように、胴体１の下に二本の脚部２を具え、それらの脚部２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この脚式歩行ロボットはまた、胴体１のロボット自身から見て左右に腕部３を具えるとともに、胴体１上に頭部４を具えており、ここで、胴体１は、腰部で互いに前後および左右回動可能に連結された上半部１ａと下半部１ｂとからなっている。

上記脚式歩行ロボットは、脚部２、腕部３、頭部４と胴体１間の首および、胴体１の上下半部１ａ，１ｂ間の腰部にそれぞれ関節としての可動軸を具えており、それらの可動軸の一部としての、脚部２のピッチ方向駆動用の膝関節を駆動するこの実施例の可動軸駆動装置のモータ式駆動機構は、図６（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示すように、脚部２の膝関節の上側のリンクである大腿部２ａに設けられている。

この実施例の可動軸駆動装置は、上記モータ式駆動機構として、図１に示すように、第１のモータ１１と、その第１のモータ１１より最高出力の小さい、第１のモータ１１より小型の第２のモータ１２と、第１のモータ１１の出力軸を駆動出力軸１３に常時駆動結合する、二個のプーリおよびそれらに掛け渡したベルトを有する第１のベルト式減速機１４と、第２のモータ１２の出力軸を駆動出力軸１３に第１のベルト式減速機１４より小さい減速比で常時駆動結合する、二個のプーリおよびそれらに掛け渡したベルトを有する第２のベルト式減速機１５と、を具えている。

またこの実施例の可動軸駆動装置は、上記モータ式駆動機構の作動を制御する制御部として、第１のモータ１１の出力軸の回転数を検出するロータリエンコーダ１６と、第１のモータ１１にトルク指令値Ｔ１１に基づく駆動電流を供給する、例えばＨブリッジを持つ第１の電流制御ドライバ１７と、第２のモータ１２にトルク指令値Ｔ１２に基づく駆動電流を供給する、例えばＨブリッジを持つ第２の電流制御ドライバ１８と、ロータリエンコーダ１６の出力信号および図示しない主制御部からの関節トルク指令に基づき第１のモータ１１と第２のモータ１２とのトルク指令値Ｔ１１，Ｔ１２を後述の如く演算で求めてそれらのトルク指令値Ｔ１１，Ｔ１２を電流制御ドライバ１７，１８にそれぞれ出力する通常のマイクロコンピュータ１９と、を具えている。

そして上記機構部の駆動出力軸１３は、図６（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示すように、脚部２のピッチ方向駆動用の膝関節（可動軸）を構成するように大腿部２ａの下端部に設けられた高減速比型減速機２０の入力軸２０ａに、二個のプーリおよびそれらに掛け渡したベルトを有する第３のベルト式減速機２１を介して駆動結合されている。

しかしてこの実施例の可動軸駆動装置におけるマイクロコンピュータ１９は、図２に示すように、ロータリエンコーダ１６の出力信号から求めた第１のモータ１１の回転数と、その第１のモータ１１の回転数と第１，第２のベルト式減速機１４，１５の減速比とから求めた第２のモータ１２の回転数と、胴体１の上半部１ａ内に収納された図示しない主制御部からの関節トルク指令（必要駆動トルク値）とに基づき、第１のモータ１１のエネルギ効率と第２のモータ１２のエネルギ効率との和が最も高くなるように、第１のモータ１１のトルク指令値Ｔ１１と第２のモータ１２のトルク指令値Ｔ１２とを求めて、それらのトルク指令値Ｔ１１，Ｔ１２を第１，第２の電流制御ドライバ１７，１８にそれぞれ出力し、第１，第２の電流制御ドライバ１７，１８は、それらのトルク指令値Ｔ１１，Ｔ１２のトルクを達成するように第１，第２のモータ１１，１２をそれぞれ作動させる。

ここで、第１のモータ１１のエネルギ効率と第２のモータ１２のエネルギ効率との和が最も高くなるようにするために、マイクロコンピュータ１９は、図３に示すように、第１，第２のモータ１１，１２で駆動する第１，第２のベルト式減速機１４，１５の出力トルクの和が関節トルク指令を達成し、かつ第１のモータ１１のパワーロスと第２のモータ１２のパワーロスとの和が最も少なくなるような第１，第２のモータ１１，１２への電流分配率（あるいはトルク分配率）αおよび、その際のトルク指令値Ｔ１１，Ｔ１２を求める。これにより、図３に示すように、モータ１台だけで上記関節トルク値を達成する場合と比較して、第１，第２のモータ１１，１２で駆動する場合は、パワーロスを大幅に減らすことができ、このパワーロスの減少分がこの実施例の装置による利得となる。

図４（ａ）は、脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向駆動用の膝関節を１台のモータで駆動する従来の可動軸駆動装置の作動状態を示し、図中符号Ａで示す領域は、脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向駆動用の膝関節の駆動装置に必要とされるトルクと回転数の組合せを示している。このように、脚部のピッチ方向駆動用の膝関節（可動軸）には、低回転数で高いトルクと、高回転数で低いトルクとが求められるが、１台のモータでこの領域Ａを満たすには、そのモータの出力特性は図中符号Ｂで示すようなものとなり、その場合に領域Ｂ１では、モータは高いエネルギ効率で連続運転可能であるが、領域Ｂ２ではエネルギ効率が悪く、長時間連続運転すると過熱による断線を引き起こす可能性がある。

一方、図４（ｂ）は、脚式歩行ロボットの脚部２のピッチ方向駆動用の膝関節をこの実施例の可動軸駆動装置で駆動する場合の作動状態を示しており、この場合は、第１のモータ１１が特性Ｃで作動するとともに第２のモータ１２が特性Ｄで作動し、それらのうち領域Ｃ１，Ｄ１はモータ１１，１２がそれぞれ高いエネルギ効率で連続運転可能である。それゆえ、この実施例の可動軸駆動装置は、脚式歩行ロボットの脚部２のピッチ方向駆動用の膝関節の駆動装置に必要とされるトルクと回転数の組合せ領域Ａの大部分を、モータ１１，１２の高いエネルギ効率で連続運転可能な状態での単独若しくは同時作動で達成することができる。なお、この実施例では第１，第２のベルト式減速機１４，１５が駆動出力軸１３に常時駆動結合されているので、主に一方のモータで駆動する場合は、他方のモータを抵抗にならない程度に回転させるように、電流分配率αを設定する。

従って、図５に示す如き脚式歩行ロボットに用いた、この実施例の可動軸駆動装置によれば、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配されるモータ１１，１２の全体としてのエネルギ効率を向上させることができる。

しかも、脚式歩行ロボットの脚部２にはピッチ方向、ロール方向乃至は回転方向等の多数の運動を司る関節が設けられているが、この実施例の可動軸駆動装置はこのうち特に大きなトルクと駆動速度とが要求される膝ピッチ方向駆動用関節を駆動するので、この実施例の可動軸駆動装置によれば、特に大きくエネルギ効率を向上させることができる。

さらに、この実施例の可動軸駆動装置によれば、互いに減速比の異なる減速機１４，１５を介して、互いに最高出力の異なるモータ１１，１２で、脚部２のピッチ方向駆動用の膝関節を構成する高減速比型減速機２０の入力軸２０ａを駆動することから、マイクロコンピュータ１９が演算で求め得る電流分配値の幅が広くなり、よりエネルギ効率を向上させることができる。

図７は、この発明の可動軸駆動装置の他の一実施例の構成を示す説明図であり、この実施例の可動軸駆動装置では、第１のモータ１１が第１の歯車式減速機２２を有するとともに、第１のモータ１１より最高出力の小さい第２のモータ１２が第２の歯車式減速機２２より減速比の小さい歯車式減速機２３を有し、それら第１，第２の歯車式減速機２２，２３が差動歯車機構２４を介してそれぞれ駆動出力軸１３に駆動結合され、その駆動出力軸１３にロータリエンコーダ１６が設けられている。また、この実施例の可動軸駆動装置では、先の実施例におけるマイクロコンピュータ１９の代わりにそれと同様の演算を演算回路（ハードウエア）で行うトルク分配率演算器２５が設けられている。

この実施例の可動軸駆動装置によっても、先の実施例と同様の作用効果が得られ、加えてこの実施例によれば、モータ１１，１２の何れかの停止中は、歯車式減速機２２，２３のうちその停止したモータに対応する歯車式減速機の逆駆動時の内部摩擦がその停止中のモータと共に抵抗となってその対応する歯車式減速機の出力軸を止め、もう一方の歯車式減速機の出力回転が差動歯車機構２４を介して駆動出力軸１３に伝動されることから、必要とされるトルクと回転数の組合せ状態に応じてモータ１１，１２の何れか一方のみを作動させて駆動出力軸１３を駆動することができるので、よりエネルギ効率を向上させることができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、上記各実施例では互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構として、互いに最高出力の異なる二つのモータと互いに減速比の異なる二つの減速機とを組合せたが、複数のモータと複数の減速機との何れか一方を互いに同一の特性のものとしても良く、その場合に減速機を同一仕様にするかわりに各モータを減速せずに駆動出力軸に駆動結合しても良く、モータの数も３つ以上としても良い。さらに、モータと駆動出力軸との間にワンウエイクラッチや電磁クラッチ等のクラッチを設けて、モータの総数より少ない数のモータでの駆動時に停止中のモータが抵抗にならないようにしても良い。

さらに、上記各実施例の可動軸駆動装置は脚式歩行ロボットの脚の膝ピッチ軸に適用しているが、この発明の可動軸駆動装置は、例えば股関節ピッチ軸等、膝ピッチ軸以外の脚式歩行ロボットの関節にも適用でき、さらには、脚式歩行ロボット以外の機械の可動軸の駆動にも適用し得て、その駆動用のモータのエネルギ効率を向上させることができる。

かくしてこの発明の可動軸駆動装置によれば、脚式歩行ロボット等のロボットに用いた場合に、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができ、さらに、脚式歩行ロボット以外の機械の可動軸の駆動に適用した場合にも、その駆動用のモータのエネルギ効率を向上させることができる。

この発明の可動軸駆動装置の一実施例の構成を示す説明図である。 上記実施例の可動軸駆動装置の作動アルゴリズムを示す説明図である。 上記実施例における電流分配率αの決め方を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、従来の可動軸駆動装置および上記実施例の可動軸駆動装置についてそれぞれ作動状態を示す説明図である。 上記実施例の可動軸駆動装置を具える脚式歩行ロボットを例示する斜視図である。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）は、その歩行ロボットの脚部を透視状態で示す側面側、正面図および斜視図である。 この発明の可動軸駆動装置の他の一実施例の構成を示す説明図である。 脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向関節における大きなトルク変動および大きな回転数変動を示す説明図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 上半部
１ｂ 下半部
２ 脚部
２ａ 大腿部
３ 腕部
４ 頭部
１１ 第１のモータ
１２ 第２のモータ
１３ 駆動出力軸
１４ 第１のベルト式減速機
１５ 第２のベルト式減速機
１６ ロータリエンコーダ
１７ 第１の電流制御ドライバ
１８ 第２の電流制御ドライバ
１９ マイクロコンピュータ
２０ 高減速比型減速機
２０ａ 入力軸
２１ 第３のベルト式減速機
２２ 第１の歯車式減速機
２３ 第２の歯車式減速機
２４ 差動歯車機構
２５ トルク分配率演算器

Claims (4)

1. 互いに隣接する二つのリンクを１自由度で相対運動させる可動軸を駆動する装置において、
   各々前記可動軸を駆動する、互いに最高出力の異なる複数のモータと互いに減速比の異なる複数の減速機とを組合せた、互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構と、
   前記可動軸の必要駆動トルクと回転数とに応じてエネルギ効率が最適になるように、前記複数のモータのそれぞれに対するトルク分配値を演算すると共に、前記複数のモータの一のモータで駆動する場合は、他のモータを抵抗にならない程度に回転させるように、電流分配率を設定するトルク分配値演算手段と、
   前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ式駆動機構のモータを駆動するモータ駆動手段と、
   を具えてなる、可動軸駆動装置。
2. 前記可動軸は、ロボットの関節であることを特徴とする、請求項１記載の可動軸駆動装置。
3. 前記ロボットの関節は、脚式歩行ロボットの膝ピッチ方向駆動用関節を含むことを特徴とする、請求項２記載の可動軸駆動装置。
4. 前記ロボットの関節は、脚式歩行ロボットの股ピッチ方向駆動用関節を含むことを特徴とする、請求項２または３記載の可動軸駆動装置。

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