JP5024838B2 - モーターの重力補償器 - Google Patents

Description

本発明は、中心にモーターの回転軸が通過し、モーターの回転運動とは独立して支持台に固定される固定板と、前記固定板に対接して密着する円板であって、中心が前記モーターの回転軸に結合されて回転される回転板と、前記固定板または回転板の対向面の中の一方の面に円周に沿って少なくとも１以上形成されたスロットと、前記スロットが形成されていない対向面に形成されて前記スロットに挿入される弾性板と、前記スロットに挿入され、前記弾性板に接して円周方向に弾性力を発生させるばねと、を備える弾性手段から構成されて、前記回転板に結合される負荷の回転角により重力トルクによる重力負荷が発生すると、これが前記弾性手段において発生される円周方向の弾性力により補償されることを特徴とするモーターの重力補償器に関する。

一般に、ロボットや自動化機械の駆動モーターの回転軸に連結されたリンクに加わる負荷は、回転角によって重力の影響により負荷トルク（以下、「重力トルク」と称する。）が増大する。

すなわち、作業物体やロボット・ア―ムが回転するとき、回転角が大きくなるにつれて重力によるモーメントが大きくなって、駆動モーターには回転角に比例して大きくなる負荷モーメントが発生する。かような負荷モーメントに対抗するために、モーターは、負荷の回転力に前記負荷モーメントを乗り越える出力を加えなければならない。

ところが、一般に、モーターは、回転数は速いものの、駆動トルクが弱いという短所があり、前記重力トルクにより発生される負荷モーメントを乗り越えるためにはモーターのサイズを大きくするか、あるいは、減速ギアなどを用いていたが、このような従来の技術方式は体積や重量が大幅に増大して、ロボットなどの装置に取り付ける場合に小型軽量化した装置を製造することができず、モーター出力の無駄使いが大きくなるという問題点がある。

前記問題点を解消するために、従来技術による方式においては、減速器の体積や重量を減らすために、遊星ギア状のハーモニックドライバーやＲＶ減速器などをモーター軸に直結してトルク性能を改善することも行われているが、ハーモニックドライバーやＲＶ減速器は一般の減速器に比べて相対的に減速器の体積や重量は小さいが、駆動モーターに比べて依然として大きくて、一定の減速比以上においてはトルク性能は制限されるという問題点がある。

上述した問題点を解消するために、本発明は、前記重力トルクにより発生される負荷モーメントを回転角によって自然に補償するモーターの重力補償器を提供することを目的とする。
また、従来の重力補償方法と全く異なり、モーターのサイズ変更や、減速ギアなどを用いることなく重力補償を行うことにより、ロボットなどの装置に取り付けても返って全体の設備を小型軽量化し、モーターの出力の無駄使いを低減するモーターの重力補償器を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、中心にモーターの回転軸が通過し、モーターの回転運動とは独立して支持台に固定される固定板と、前記固定板に対接して密着する円板であって、中心が前記モーターの回転軸に結合されて回転される回転板と、前記固定板または回転板の対向面の中の一方の面に円周に沿って少なくとも１以上形成されたスロットと、前記スロットが形成されていない対向面に形成されて前記スロットに挿入される弾性板と、前記スロットに挿入され、前記弾性板に接して円周方向に弾性力を発生させるばねと、を備える弾性手段から構成されて、前記回転板に結合される負荷の回転角により重力トルクによる重力負荷が発生すると、これが前記弾性手段において発生される円周方向の弾性力により補償されることを特徴とするモーターの重力補償器を技術的な要旨とする。

ここで、前記弾性手段は一つのスロット当たりに一つのばねが前記スロットと弾性板との間において一方は固定端として形成され、他方は自由端として形成されるように挿入されて単方向回転による重力トルクを補償することを特徴とするモーターの重力補償器であることが好ましい。

また、前記弾性手段は一つのスロット当たりに前記弾性板の両側に二つのばねが前記スロットと弾性板との間において一方は固定端として形成され、他方は自由端として形成されるように挿入されて両方向回転による重力トルクを補償することを特徴とするモーターの重力補償器であることが好ましい。

さらに、前記弾性手段は、前記向かい合う固定板または回転板の一方の面に形成されるスロットが直径の異なる２以上の同心円上にそれぞれ円弧状に少なくとも１以上ずつ形成され、他方の面には前記スロットにそれぞれ嵌め込まれる弾性板が形成される同心円弧状の並列型弾性手段であることを特徴とするモーターの重力補償器であることが好ましい。

本発明によれば、前記重力トルクにより発生される負荷モーメントを回転角により自然に補償するモーターの重力補償器が提供されるという利点がある。

また、従来の重力補償方法とは全く異なり、モーターのサイズ変更や、減速ギアなどを用いることなく重力補償を行うことにより、ロボットなどの装置に取り付けても返って全体の設備を小型軽量化させ、モーターの出力の無駄使いを低減するモーターの重力補償器が提供される利点がある。

さらに、モーターに過度な外力や衝撃があるとき、駆動モーターや減速器に衝撃を緩和するさらなる性能を有するメリットがある。

以下、添付図面に基づき、本発明について説明する。なお、本発明を説明するに置いて、関連する公知技術または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を余計に曖昧にすると判断される場合にはその詳細な説明を省く。

そして、後述する用語は本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これはユーザー又は運用者の意図または慣例などにより異なりうるため、その定義は本発明を説明するこの明細書の全般に亘っての内容に基づいて下されるべきである。

以下、説明に供される図１は、本発明によるモーターの重力補償器の固定板の例示的な斜視図であり、図２は、本発明によるモーターの重力補償器の回転板の例示的な斜視図であり、図３は、本発明によるモーターの重力補償器を取り付けた装置の側面図であり、図４から図６は、本発明による重力補償器の実施状態を示す平面構造図であり、図７は、本発明によるモーターの重力補償器において並列式弾性手段を例示する平面図である。

本発明はロボットや自動化機械の駆動モーターの回転軸に連結されたリンク（負荷）に重力の影響により負荷トルク（以下、これを「重力トルク」と称する。）が増大するとき、この重力トルクを減衰させる重力補償装置に関する。より具体的には、図３に示すように、ロボットや自動化機械の駆動モーターの回転軸に重力の影響により増大した重力トルクを減衰させるためにばねの圧縮力や伸展力を用いて重力を補償可能な装置を構成して、これを駆動モーター１００の回転軸に直結したり回転軸に取り付けられているハーモニックドライバーやＲＶ減速器などの減速器１１０の軸に直結して用いる装置に関する。

前記本発明は、大きく、固定板１０と、回転板２０と、前記固定板１０と回転板２０との間に設けられる弾性手段３０と、により構成される。

以下、本発明を詳述すると、ロボットの腕または脚に用いられるモーターのように高速で回転するモーターではない低速モーターの場合には負荷の回転角に応じて重力によるトルクが相違するように発生され、前記トルクに対応するためのモーターの力がさらに必要となる。

このため、このような用途に用いられるモーターの最大出力は最大トルクの量に鑑みて決まるため、モーターのサイズが大きくなる原因となる。

本発明は、図３に示すように、モーター１００と負荷４０との間に取り付けられて上記のように重力により発生されるトルクを補償する装置であって、モーター１００の出力部に結合される２枚の円板と、前記２枚の円板の間に形成される弾性手段と、により構成される。

前記円板の一方はモーターの駆動とは独立して固定された固定板１０であり、他方は前記モーターの駆動力を受けて駆動する回転板２０である。

前記固定板１０と回転板２０との間には上記した弾性手段３０が形成されるが、前記弾性手段３０は、前記固定板１０に支持されて前記回転板２０に前記回転板２０の回動運動方向とは逆となる弾性力を与える。

以下、本発明の構成について詳述すると、前記固定板１０は、中心にモーター１００の回転軸が通過し、そのボディ体は前記モーターの回転軸の回転運動とは独立して支持台などの設備に固定される円板である。

本発明の前記回転板２０は、前記固定板１０に対接して密着する円板であって、中心が前記モーター１００の回転軸（減速器を通過した回転軸を含むことは言うまでもない。）に結合されてモーター１００の回転力により回転される。

前記弾性手段３０は前記回転板２０の回転状態と固定板１０の固定状態を媒介する装置であって、その媒介手段は弾性力による。

前記固定板１０と回転板２０との関係を一般のばねにおいて固定端と自由端との関係として理解してもよい。

前記弾性手段３０は、前記回転板２０と固定板１０との間に形成されるスロット３２と、ばね３１と、弾性板３３と、により構成されるが、詳しくは、前記スロット３２は、前記固定板１０または回転板２０の対向面の一方の面に円周に沿って少なくとも１以上形成された凹溝である。

前記スロット３２はばねが載置可能な程度の長さと幅を有することが好ましく、スロット３２の形状は回転運動が正しく伝達可能になるようにモーター軸を中心とする円弧状になるべきである。

前記弾性板３３は、前記スロット３２が形成されていない前記回転板２０または固定板１０の対向面（前記スロットが固定板に形成されている場合には、回転板の対向面になる。）に形成される。

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前記弾性板３３は前記回転板２０と固定板１０を密着接触されるときに前記スロット３２に挿入される板状の突出構造物であって、前記スロット３２当たりに１枚の弾性板３３が挿入されるように前記スロットの数と同数に形成されることが好ましい。

前記ばね３１は前記スロット３２に挿入され、前記弾性板３３に接して前記回転板２０の回転時に弾性板３３がばね３１を押し付けると、前記ばね３１はスロットの内壁に跳ね返されて回転方向とは逆の方向に弾性力を与える。

このように構成される固定板１０と回転板２０の実施形態を示すと、図１と図２の通りである。

図１は、前記弾性手段のスロット３２とばね３１が形成された固定板の例示図であり、図２は、前記弾性手段の弾性板３３が形成された回転板の例示図であるが、固定板と回転板の概念を変えても本発明の技術的な内容が実現されることは言うまでもない。

前記ばね３１の結合状態に応じて、本発明の跳ね返り力は方向性を有することになるが、１本のスロット３２当たりに１本のばね３１が前記スロット３２と弾性板３３との間において一方は固定端として形成され、他方は自由端として形成されるように挿入されると、本発明は単方向回転による重力トルクを補償するモーターの重力補償器となる。

このとき、前記固定端はスロット３２（正確には、円弧状に長く延びたスロットの一方の端部の壁）または弾性板３３の中の一方であればよく、もし、前記固定端がスロット３２となる場合には、前記自由端は弾性板３３となり、もし、前記固定端が弾性板３３となる場合には、前記自由端はスロット３２となる。

一方、図４に示すように、スロット３２の長さをばね３１に比べて大きく形成させ、前記スロット３２と弾性板３３との両方にばね３１の固定端が形成されるようにしてもよいが、この場合には、図４に示すように、弾性力が０となる点を中心として、図５及び図６に示すように、両方向の弾性力（伸展、圧縮力）が形成されて両方向回転による重力トルクを補償するモーターの重力補償器となるように形成してもよい。

前記両方向補償は１本のスロット３２当たりに２本のばね３１が前記弾性板３３の両側にそれぞれ配置され、前記各ばね３１は前記スロット３２と弾性板３３との間において一方は固定端として形成され、他方は自由端として形成されるように構成される方式であってもよい。

以下、本発明の動作について述べると、駆動モーター１００や駆動モーター１００に連結された減速器１１０の回転軸は前記固定板１０の中心を通過して、負荷（ロボット腕など）が連結された前記回転板２０に結合される。モーター１００や減速器１１０の回転に伴い回転板２０は一緒に回転し、回転板２０に結合された作業物体やロボット腕などの負荷４０が回転するに伴い重力の影響を受けるとき、前記固定板１０と回転板２０との間に形成された弾性手段に内在するばね３１はリンク（負荷）の回転量に比例して伸展または圧縮する。

すなわち、作業物体やロボット腕などのリンク負荷４０が回転するとき、重力により負荷モーメントが大きくなり、回転角θが大きくなるにつれて、重力によるモーメントが増大すると、駆動モーターにはｓｉｎθ値に比例して重力トルクが増大するが、前記弾性手段内のばね３１が伸展ないし圧縮されて反作用トルクが発生する。このときに発生された反作用トルクは駆動モーター１００に加えられる重力による重力トルクの量を補償する。

以上述べたように、本発明によれば、モーター１００の出力端と負荷４０との間に結合される装置であって、負荷４０の種類がロボットの腕のように低速回転制御駆動されるものである場合に、重力により負荷にかかる重力トルクを補償する装置である。

すなわち、従来にはロボットの腕のように一定の長さを有する負荷４０は回転角に応じて重力によるトルクが発生するため、これを克服するためにモーター１００の出力が増大することを余儀なくされていたが、本発明によれば、回転角に比例して増大される弾性力により前記重力トルクを補償することができることから、モーターの出力の無駄使いを低減し、モーターに加重される負荷量を低減することができることから、小型軽量の装置を構成することが可能になる。

一方、以上述べた本発明によるモーターの重力補償器は負荷に働く重力を弾性力により補償する装置であることから、与えられる弾性力の強度によりその性能が決定される。

このため、本発明は、回転板と固定板の限られた対向面積に最大の弾性力を形成するために、前記向かい合う固定板または回転板の一方の面に形成されるスロットを図７に示すように少なくとも１以上の同心円弧状に形成することができる。すなわち、限られた対向面積において最大のスロットを形成するために、前記対向面積を複数の同心円に分割し、前記スロットを前記同心円の上に配置される円弧状に形成する。これにより、前記弾性手段は複数の同心円を形成する複数の並列スロットとして形成され、前記スロット形成面の他方には前記同心円円弧にそれぞれ嵌め込まれる弾性板を形成して限られた面積内において最大の弾性復元力が形成されるようにする。

以上に本発明の説明のために示す実施形態は本発明が具体化される一つの実施の形態に過ぎず、図示の如く、本発明の要旨が実現されるために種々の形態の組み合わせが採用可能であることが明らかである。

よって、本発明は上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲において請求するように、本発明の要旨から逸脱することなく、当該発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも種々の変更実施ができる範囲まで本発明の技術的な精神があると言うべきである。

本発明によるモーターの重力補償器の固定板の例示的な斜視図である。 本発明によるモーターの重力補償器の回転板の例示的な斜視図である。 本発明によるモーターの重力補償器を取り付けた装置の側面図である。 本発明による重力補償器の実施状態を示す平面構造図である。 本発明による重力補償器の実施状態を示す平面構造図である。 本発明による重力補償器の実施状態を示す平面構造図である。 本発明によるモーターの重力補償器において並列式弾性手段を例示する平面図である。

符号の説明

１０：固定板
２０：回転板
３０：弾性手段
３１：ばね
３２：スロット
３３：弾性板
４０：負荷
１００：モーター
１１０：減速器

Claims (5)

1. 中心にモーターの回転軸が通過する円板であって、モーターの回転運動とは独立して支持台に固定される固定板と、
   前記固定板に対接して密着する円板であって、中心が前記モーターの回転軸に結合されて回転される回転板と、
   前記固定板または回転板の対向面の中の一方の対向面に円周に沿って少なくとも１以上形成されたスロットと、前記固定板または回転板の対向面のスロットのない他方の対向面に形成され、前記スロットに挿入される少なくとも１以上の弾性板と、前記スロットに挿入される前記弾性板と接して円周方向で弾力性を発生させる少なくとも１以上のばねと、を備える弾性手段と、
   により構成されて前記回転板に結合される負荷の回転角に応じて重力トルクによる重力負荷が発生されると、これが前記弾性手段において発生される円周方向の弾性力により補償されることを特徴とするモーターの重力補償器。
2. 前記弾性手段は、
   一つのスロット当たりに一つのばねが前記スロット端部の内壁と弾性板との間において一方は固定端として形成され、他方は自由端として形成されるように挿入されて
   単方向回転による重力トルクを補償することを特徴とする請求項１に記載のモーターの重力補償器。
3. 前記ばねは、
   前記スロット端部の内壁と弾性板との両側に固定端が形成されて、両方向回転に対する重力トルクを補償することを特徴とする請求項１に記載のモーターの重力補償器。
4. 前記弾性手段は、
   一つのスロット当たりに前記弾性板の両側に二つのばねが前記スロットと弾性板との間において一方は固定端として形成され、他方は自由端として形成されるように挿入されて、両方向回転による重力トルクを補償することを特徴とする請求項１に記載のモーターの重力補償器。
5. 前記弾性手段は、
   前記向かい合う固定板または回転板の一方の面に形成されるスロットが互いに直径の異なる２以上の同心円の上にそれぞれ円弧状に少なくとも１以上ずつ形成され、他方の面には前記スロットにそれぞれ嵌め込まれる弾性板が形成される同心円弧状の並列型弾性手段であることを特徴とする請求項１に記載のモーターの重力補償器。

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