JP5080207B2 - Actuator device and robot device using the same - Google Patents

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Description

本発明はアクチュエータ装置およびこれを用いるロボット装置に関し、特に、剛性可変型アクチュエータ装置およびこれを用いる人間型や動物型のロボット装置に関する。   The present invention relates to an actuator device and a robot device using the same, and more particularly to a variable stiffness actuator device and a human-type or animal-type robot device using the same.

従来、例えば人間型ロボットの関節駆動において、電気モータと歯車などによる減速装置とを組み合わせた回転型のアクチュエータや、油圧装置等が使用されている。このなかでも、小型化や制御が容易なDCモータ等の電気モータと減速器の組合せが広く用いられている。   2. Description of the Related Art Conventionally, for example, in a joint drive of a humanoid robot, a rotary actuator that combines an electric motor and a reduction gear using a gear, a hydraulic device, and the like are used. Among these, combinations of an electric motor such as a DC motor and a speed reducer that are easy to downsize and control are widely used.

このような人間型や動物型のロボットでは、手で物を掴んだり、重量物を持ち上げた状態を維持するなど、持続的に大きな力を発生することが考えられる。また、力を出すだけではなく、外界の状況に応じて力を加減したり、時には力を抜いて外力を受け流すといった柔軟な対応も重要である。例えばドアを開ける動作を考えると、力を入れてドアを引いた後は、ドアの開く軌道に逆らわずに腕を動かさねばならない。すなわち、ロボットの動作をより人間に近づけるには、連続的に大きな力を発生可能で、素早く動作するとともに、外力に逆らわない力を抜いた弛緩状態を再現できるようにすることが重要となる。   Such human-type and animal-type robots may generate a large force continuously, such as holding an object with a hand or maintaining a state in which a heavy object is lifted. In addition, it is important not only to give power, but also to respond flexibly by adjusting the power according to the conditions of the outside world and sometimes removing the power to receive the external force. For example, when considering the action of opening the door, after pulling the door with great force, the arm must be moved without going against the opening trajectory. That is, in order to bring the robot operation closer to humans, it is important to be able to generate a large force continuously, to operate quickly, and to reproduce a relaxed state in which a force that does not resist external force is removed.

遠心力を用いた駆動機構に関連する技術として、回転速度が過大となった場合に遠心力で軸方向に永久磁石が移動するようにしてブレーキ力を調整する駆動電動機が提案されている(例えば、特許文献1)。また、遠心力によってモータ回転子の位置を調整しモータの特性そのものを変化させる調速機構が提案されている(例えば、特許文献2)。
特開2001−8407(特に図6) 特開2004−215454
As a technology related to a drive mechanism using centrifugal force, a drive motor has been proposed that adjusts the braking force so that the permanent magnet moves in the axial direction by centrifugal force when the rotational speed becomes excessive (for example, Patent Document 1). Further, there has been proposed a speed control mechanism that adjusts the position of the motor rotor by centrifugal force to change the characteristics of the motor itself (for example, Patent Document 2).
JP 2001-8407 (particularly FIG. 6) JP 2004-215454 A

従来の油圧システムでは、持続的に大きな力を発生することは容易であるが、作動速度がその分遅くなる問題がある。また、従来の電気モータと減速器の組合せでは、例えばロボットが荷物を持ち上げたまま維持する動作のような定常的に関節に負荷がかかる動作では、電気モータが停動状態になり効率が悪いという問題がある。すなわち、電気モータは同じ電圧を印加したしたとき回転が停止している停動状態で最大の電流が流れ、電気モータに投入した電力はすべてコイルで熱として消費されるため、非常に効率が悪くなるとともに、電流が大きい場合にこの状態が続くと電気モータの電磁コイルが焼損するおそれもある。この場合に高減速比の減速器を用いて電気モータの負担を減らすことが考えられるが、停動状態では投入電力がすべてコイルで熱として消費されることに変わりはなく、さらに関節の動作速度が遅くなるという不都合が生じる。   In the conventional hydraulic system, it is easy to generate a large force continuously, but there is a problem that the operation speed is reduced accordingly. In addition, in the conventional combination of an electric motor and a speed reducer, for example, in an operation in which a load is constantly applied to a joint, such as an operation in which a robot lifts a load, the electric motor is stopped and the efficiency is low. There's a problem. That is, when the same voltage is applied to the electric motor, the maximum current flows in a stationary state where the rotation is stopped, and all the electric power supplied to the electric motor is consumed as heat in the coil, which is very inefficient. In addition, if this state continues when the current is large, the electromagnetic coil of the electric motor may be burned out. In this case, it is conceivable to reduce the load on the electric motor by using a reduction gear with a high reduction ratio, but in the stationary state, all the input power is consumed as heat in the coil, and the joint operating speed Is disadvantageous.

また、従来の装置では力を抜いたり外力に柔軟に対応する動作がうまくできないという問題がある。すなわち、油圧装置で力を抜く動作を再現するには別個に装置が必要となり、装置の発生力が大きいほど規模が大きく嵩張ることになってしまう。また、電気モータと減速器の組合せでは、減速比の大きな減速器を用いている場合には外部から関節を動かすことが困難である。これを回避すべく高出力電気モータを使用したり変速装置を使うことが考えられるが、著しくエネルギ消費が大きくなったり構造が複雑となり装置が大型化する問題がある。   Further, the conventional apparatus has a problem in that it cannot perform an operation that removes force or flexibly responds to external force. That is, a separate device is required to reproduce the operation of pulling out the force with the hydraulic device, and the larger the generated force of the device, the larger the scale and the bulky. Moreover, in the combination of an electric motor and a speed reducer, it is difficult to move the joint from the outside when a speed reducer with a large reduction ratio is used. In order to avoid this, it is conceivable to use a high-power electric motor or a transmission, but there is a problem that the energy consumption is remarkably increased or the structure becomes complicated and the apparatus is enlarged.

また、例えば人間の肩関節では、関節部に沿って複数の筋肉が湾曲配置されており、この筋肉が個別に湾曲したまた収縮することで肩部の広範な可動機能を実現している。このように湾曲したまた収縮するという筋肉の機能を再現するアクチュエータがあれば、アクチュエータ配置の自由度が大きくなるとともに、人間の筋肉の動きを忠実に再現することが可能となり、人間や動物型のロボットを構成する上での便宜となる。   For example, in a human shoulder joint, a plurality of muscles are curvedly arranged along the joint portion, and the muscles are individually curved and contracted to realize a wide range of movable functions of the shoulder portion. If there is an actuator that reproduces the function of a muscle that is curved and contracted in this way, the degree of freedom of actuator placement will be increased, and it will be possible to faithfully reproduce the movement of human muscles. This is convenient for constructing the robot.

さらに、動力の利用率向上のため、油圧システムのように、電気モータを用いて大きな動力を多軸に分配しようとしても、分配を制御する電磁クラッチは小さなトルクしか伝導できず、また減速機構が必要となるため、重量やスペースの問題において結局は各駆動軸に電気モータを配置するのと変わらなくなってしまう。モータの高速小トルクの動力を簡単な構成で多軸に分配し大きなトルクで利用できるシステムがあれば便宜となる。   Furthermore, in order to improve the power utilization rate, even if an electric motor is used to distribute a large amount of power to multiple axes, as in a hydraulic system, the electromagnetic clutch that controls the distribution can transmit only a small torque, and the reduction mechanism Therefore, in terms of weight and space, eventually, the electric motor is arranged on each drive shaft. It would be convenient if there was a system that could distribute the motor's high-speed, small-torque power to multiple axes with a simple configuration and use it with a large torque.

本発明は上記のような問題を鑑み、動力停止時には外力により関節等を容易に動かすことができ、定常的に大きな負荷が作用した場合にも効率を損なわないアクチュエータ装置およびこれを用いるロボット装置を提供することを目的とする。また、アクチュエータ自体を湾曲設置可能として柔軟に配置できるようにしたアクチュエータおよびロボット装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides an actuator device that can easily move a joint or the like by an external force when power is stopped, and that does not impair efficiency even when a large load is constantly applied, and a robot device using the actuator device. The purpose is to provide. It is another object of the present invention to provide an actuator and a robot apparatus that can be flexibly arranged so that the actuator can be installed in a curved manner.

上記目的を達成すべく、本発明の一態様にかかるアクチュエータ装置は、モータの回転を線方向の動作に変換するアクチュエータ装置であって、モータに直接または間接的に接続されて回転する回転基部(12または15)と、前記回転基部の回転軸上でスライド可能に設けられた摺動基部(15または16)と、前記回転基部とともに回転し遠心力で外側へ移動可能な1以上の錘部材(14)と、前記遠心力を利用して前記回転基部と摺動基部間の距離を変更するリンク機構(13)とを有するユニットを1以上具えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, an actuator device according to an aspect of the present invention is an actuator device that converts rotation of a motor into linear motion, and is a rotation base portion that rotates directly or indirectly connected to the motor. 12 or 15), a sliding base (15 or 16) provided so as to be slidable on the rotation shaft of the rotating base, and one or more weight members (rotating together with the rotating base and movable outward by centrifugal force) 14) and one or more units having a link mechanism (13) for changing the distance between the rotating base and the sliding base using the centrifugal force.

本発明の一実施例では、前記回転軸上に前記ユニットが複数連設されている。   In one embodiment of the present invention, a plurality of the units are connected on the rotating shaft.

ユニットが複数連設された実施例のアクチュエータ装置では、前記リンク機構は、隣接するユニットの反対側の錘部材を連結するレージトング式のリンク機構とすることが望ましい。   In the actuator device according to the embodiment in which a plurality of units are continuously provided, it is preferable that the link mechanism is a ranging tong type link mechanism that connects weight members on the opposite side of adjacent units.

また、本発明の別の態様にかかるアクチュエータ装置は、モータの回転を概略線方向の動作に変換するアクチュエータ装置であって、モータに直接または間接的に接続されて回転する回転基部(51または57)と、当該回転基部との距離が変更可能に設けられた摺動基部(57)と、前記回転基部とともに回転し遠心力で外側へ移動可能な1以上の錘部材(54)と、前記遠心力を利用して前記回転基部と摺動基部間の距離を変更するリンク機構(55)と、前記錘部材およびリンク機構の回転に干渉することなく前記回転基部と摺動基部とを連結するフレキシブルカバー(56)を有するユニットを1以上具え、前記回転基部と摺動基部の回転軸が必ずしも一致しない状態で伸縮することを特徴とする。   An actuator device according to another aspect of the present invention is an actuator device that converts rotation of a motor into an operation in a substantially linear direction, and is a rotation base (51 or 57) that rotates by being directly or indirectly connected to the motor. ) And a sliding base portion (57) provided such that the distance from the rotation base portion can be changed, one or more weight members (54) that rotate together with the rotation base portion and can move outward by centrifugal force, and the centrifugal A link mechanism (55) that changes the distance between the rotating base and the sliding base using force, and a flexible that connects the rotating base and the sliding base without interfering with the rotation of the weight member and the link mechanism. One or more units having a cover (56) are provided, and they are expanded and contracted in a state where the rotation axes of the rotation base and the sliding base do not necessarily coincide with each other.

本発明の別の実施例のアクチュエータ装置は、各ユニットが自在継手で連結されている。   In an actuator device according to another embodiment of the present invention, each unit is connected by a universal joint.

本発明のさらなる実施例は、多軸の駆動を行うアクチュエータ装置であって、単一の回転モータに請求項1乃至5のいずれか1項に記載のアクチュエータ装置を複数接続してこれらに動力を分配してなることを特徴とするアクチュエータ装置に関する。   A further embodiment of the present invention is an actuator device that performs multi-axis driving, and a plurality of actuator devices according to any one of claims 1 to 5 are connected to a single rotary motor for powering them. The present invention relates to an actuator device characterized by being distributed.

さらに本発明は、上記いずれかのアクチュエータ装置を関節駆動に適用したことを特徴とするロボット装置に関する。   Furthermore, the present invention relates to a robot apparatus in which any one of the actuator apparatuses described above is applied to joint driving.

このロボット装置において、1以上の回転自由度を有する関節に請求項1乃至6のいずれか1項に記載のアクチュエータ装置を複数設けてなることが望ましい。   In this robot apparatus, it is preferable that a plurality of actuator apparatuses according to any one of claims 1 to 6 are provided in a joint having one or more degrees of freedom of rotation.

本発明にかかるアクチュエータ装置は、モータの回転により錘部材を回転させ、その遠心力とリンク機構で回転基部と摺動基部の間が狭まり、結果として出力端を軸方向に引っ張る力が生じる。このアクチュエータ装置は、アクチュエータの伸びに比例して収縮力が増大するバネ特性を有し、その剛性は回転速度の二乗に比例する。したがって、小型の電気モータでも簡単な機構で大きな力を得ることができる。また、例えばこのアクチュエータ装置をロボットが物を持ち上げたまま保持する動作に利用した場合、ロボット自体が停動状態でも電気モータは高速回転を維持して張力を発生し続け電気モータは停動状態とならないため、電磁コイルが焼損することなく持続的に大きな力を発生可能である。さらに、このように大きな力を持続的に発生している場合でも消費するエネルギは電気モータの回転を維持するものだけであるためエネルギの損失が少ない。また機構的にバネ特性を有するためその動きが柔軟であり、衝撃などをアクチュエータ自体が吸収することも可能であることから、装置やシステムの耐久性が向上する。さらに、モータの停止時には外力で容易に動かすことができ、例えば人型ロボットにおける力を抜いた状態を再現することができる。また、動力発生中であっても発生力を越える外力を受けた場合にはモータの回転(遠心力)を維持しつつ外力に従順すなわち牽引方向と逆方向に動作させることができるとともに、この場合にもモータが停動または逆回転することがないため機構が損壊することがない。したがって、特に人間型ロボットに求められる動作に適したアクチュエータを得ることができる。   In the actuator device according to the present invention, the weight member is rotated by the rotation of the motor, and the space between the rotating base and the sliding base is narrowed by the centrifugal force and the link mechanism. As a result, a force for pulling the output end in the axial direction is generated. This actuator device has a spring characteristic in which the contraction force increases in proportion to the extension of the actuator, and its rigidity is proportional to the square of the rotational speed. Therefore, even a small electric motor can obtain a large force with a simple mechanism. Further, for example, when this actuator device is used for an operation in which the robot holds an object with the object lifted up, the electric motor maintains high speed rotation and generates tension even when the robot itself is in a stationary state. Therefore, it is possible to generate a large force continuously without burning the electromagnetic coil. Further, even when such a large force is continuously generated, the energy consumed is only for maintaining the rotation of the electric motor, so that there is little energy loss. Further, since it has a spring characteristic mechanically, its movement is flexible, and the actuator itself can absorb an impact or the like, so that the durability of the apparatus or system is improved. Furthermore, when the motor is stopped, it can be easily moved with an external force, and for example, a state in which the force in a humanoid robot is removed can be reproduced. In addition, when an external force exceeding the generated force is received even during power generation, the motor can be operated in accordance with the external force while maintaining the rotation (centrifugal force), that is, in the direction opposite to the traction direction. In addition, since the motor does not stop or reversely rotate, the mechanism is not damaged. Therefore, it is possible to obtain an actuator particularly suitable for the operation required for a humanoid robot.

また、本発明にかかる別のアクチュエータ装置は、回転基部と摺動基部が軸材で連結されておらず、錘部材とリンク機構の回転に干渉することなくその外側から回転基部と摺動基部とを連結するフレキシブルカバーを具えることにより、アクチュエータ装置自体を湾曲させた状態で収縮させることができる。これにより人間や動物の筋肉のように湾曲配置させたまま収縮させることができ、配置の自由度や動作の自然さを向上することが可能となる。   Further, in another actuator device according to the present invention, the rotation base and the sliding base are not connected by the shaft member, and the rotation base and the sliding base are formed from the outside without interfering with the rotation of the weight member and the link mechanism. By providing a flexible cover for connecting the actuators, the actuator device itself can be contracted in a curved state. As a result, it can be contracted while being curvedly arranged like human or animal muscles, and the degree of freedom of arrangement and the naturalness of operation can be improved.

また、1つのアクチュエータユニットで可動範囲を長く取ろうとすると装置が大きくなってしまうが、小さなアクチュエータユニットを複数連設してアクチュエータ装置を構成すると、所望の可動範囲を確保しつつ装置を小さく収めることができる。   In addition, if a single actuator unit takes a long movable range, the device becomes large. However, if an actuator device is configured by connecting a plurality of small actuator units, the device can be kept small while ensuring a desired movable range. Can do.

また、アクチュエータユニットを複数連設してレージトング式のリンク機構で各錘部材を連結すると、ユニット毎の収縮量が一定となり安定した動作および出力を得ることができる。   Further, when a plurality of actuator units are connected in series and the weight members are connected by a ranging tong type link mechanism, the amount of contraction for each unit becomes constant and stable operation and output can be obtained.

一方、複数のアクチュエータユニットを、回転を伝達する自在継手で連結してアクチュエータ装置を構成すると、全体を自在に曲がった状態で配置しその延在方向に沿って収縮させることができるため、例えば腕や足など不規則に曲がる部位にも角度に沿って配置することができ、利便性や省スペース化に寄与する。   On the other hand, when an actuator device is configured by connecting a plurality of actuator units with a universal joint that transmits rotation, the entire actuator unit can be arranged in a freely bent state and contracted along its extending direction. It can be placed along the angle even on irregularly bent parts such as legs and feet, contributing to convenience and space saving.

また、単一のモータで複数のアクチュエータ装置に動力を分配して構成すると、複数の可動部を単一のモータで駆動することが可能となり、省スペースと省電力を達成することができる。   Further, when power is distributed to a plurality of actuator devices by a single motor, a plurality of movable parts can be driven by a single motor, and space saving and power saving can be achieved.

上記アクチュエータを採用する本発明にかかるロボット装置は、上述したようにより人間の動作に近い動作を実現することができ、力を入れつつ外力にも逆らわないような自然な動作が可能となる。また、1以上の回転自由度を有する関節に複数のアクチュエータ装置を設けることにより、力を拮抗させて停動状態としたり一方および/または双方のアクチュエータを制御して細かい動作を実現することが可能となる。これには例えば、1軸の関節における2つの回動方向にそれぞれ1つづつアクチュエータ装置を設けたり、肩や股関節など多軸の関節に3以上のアクチュエータ装置を拮抗させて用いたりすることが含まれる。   As described above, the robot apparatus according to the present invention employing the actuator can realize an operation close to a human operation, and can perform a natural operation that does not oppose an external force while applying a force. Also, by providing a plurality of actuator devices for joints with one or more degrees of freedom of rotation, it is possible to achieve a fine operation by controlling the actuators and / or both actuators by antagonizing forces. It becomes. This includes, for example, providing one actuator device in each of two rotation directions in a single-axis joint, or using three or more actuator devices in an antagonistic manner in a multi-axis joint such as a shoulder or a hip joint. It is.

本発明を実施するための最良の実施形態について図面を参照しながら以下に詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明にかかるアクチュエータ装置の第1実施例を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置100は、電気モータ11の回転出力により生じる遠心力を用いて出力端18の軸方向の収縮動作を得るものである。このアクチュエータ装置100は、3つのアクチュエータユニット100a〜100cを連設して構成されている。上流側のユニット100aは電気モータ11に直接接続され、下流側のユニット100cは出力端18に接続されている。すべてのユニット100a〜100cと出力端18は同軸上に配置されており、これらを主軸17が貫いている。電気モータ11は図示しない制御部により制御され、オン/オフ切り替えの他に回転速度の調整、電磁ブレーキによる停止も可能である。   FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an actuator device according to the present invention. The actuator device 100 according to the present embodiment obtains a contraction operation in the axial direction of the output end 18 using a centrifugal force generated by the rotational output of the electric motor 11. The actuator device 100 is configured by connecting three actuator units 100a to 100c in series. The upstream unit 100 a is directly connected to the electric motor 11, and the downstream unit 100 c is connected to the output end 18. All the units 100a to 100c and the output end 18 are arranged coaxially, and the main shaft 17 passes through them. The electric motor 11 is controlled by a control unit (not shown), and can be adjusted by rotating speed and stopped by an electromagnetic brake in addition to on / off switching.

ユニット100aから説明する。最も上流側の回転基部12は、電気モータ11の出力シャフトと主軸17と連結されており、これらは電気モータ11の回転により一体的に回転する。一方、摺動基部15は主軸17に対しスライド可能に構成されている。ここで、主軸17をスプライン軸としたりキー/溝構造を介するなどして摺動基部15を主軸17に通し、主軸17が摺動基部15に回転を伝達するとともに摺動基部15が主軸17の軸方向に自由にスライドできるようにする。ただし、本実施例ではリンク機構13により回転基部12から摺動基部15に回転が伝達されるためこのスプライン係合は必須ではなく、主軸17は単なる丸棒であってもよい。また主軸17上で摺動基部15がスライド可能であれば他の様々な構成であってもよく、例えば、主軸17の断面を多角形として摺動基部15の貫通口をこれに対応する形状としてもよい。   The unit 100a will be described. The most upstream rotation base 12 is connected to the output shaft of the electric motor 11 and the main shaft 17, and these rotate integrally with the rotation of the electric motor 11. On the other hand, the sliding base 15 is configured to be slidable with respect to the main shaft 17. Here, the main shaft 17 is used as a spline shaft, or the key / groove structure is used to pass the sliding base 15 through the main shaft 17. The main shaft 17 transmits the rotation to the sliding base 15 and the sliding base 15 is connected to the main shaft 17. Be able to slide freely in the axial direction. However, in this embodiment, since the rotation is transmitted from the rotation base 12 to the sliding base 15 by the link mechanism 13, this spline engagement is not essential, and the main shaft 17 may be a simple round bar. Further, as long as the sliding base 15 is slidable on the main shaft 17, various other configurations may be used. For example, the cross-section of the main shaft 17 is a polygonal shape and the through hole of the sliding base 15 has a corresponding shape. Also good.

図1に示すように、回転基部12と摺動基部15は、パンタグラフ型のリンク機構13により連結されており、リンク機構13の屈曲部には錘部材14が設けられている。リンク機構13は回転基部12、摺動基部15、錘部材14のいずれに対しても自由に回動可能であり、主軸17を挟んで対称的に設けられている。本実施例の場合は2セットのリンク機構13が対称的に設けられているが、断面において重心が中央(すなわち回転軸)にある構成であれば断面三菱型、断面十字形、それ以上の構成であってもよい。   As shown in FIG. 1, the rotation base 12 and the sliding base 15 are connected by a pantograph type link mechanism 13, and a weight member 14 is provided at a bent portion of the link mechanism 13. The link mechanism 13 can freely rotate with respect to any of the rotation base 12, the sliding base 15, and the weight member 14, and is provided symmetrically with respect to the main shaft 17. In the case of the present embodiment, two sets of link mechanisms 13 are provided symmetrically. However, if the configuration has a center of gravity in the cross section (that is, the rotation axis), the cross section is a Mitsubishi type cross section, a cross section having a cross section, or more. It may be.

このように構成されたアクチュエータユニット100aの動作を説明する。電気モータ11が回転していない場合、摺動基部15は他の要素との関係で定まる所定範囲内で自由にスライド可能である。次に電気モータ11を作動させると回転基部12が回転し、これに伴いリンク機構13および錘部材14が主軸17の周囲で回転する。このとき錘部材14には回転速度の二乗に比例する遠心力が発生し、主軸17から離れる方向に移動する。これによりリンク機構13a、13bが主軸17と直角をなす方向に引っ張られ、摺動基部15が回転基部12側に移動し、ここに収縮力が発生する。   The operation of the actuator unit 100a configured as described above will be described. When the electric motor 11 is not rotating, the sliding base 15 is freely slidable within a predetermined range determined by the relationship with other elements. Next, when the electric motor 11 is operated, the rotation base 12 rotates, and accordingly, the link mechanism 13 and the weight member 14 rotate around the main shaft 17. At this time, a centrifugal force proportional to the square of the rotational speed is generated in the weight member 14 and moves in a direction away from the main shaft 17. As a result, the link mechanisms 13a and 13b are pulled in a direction perpendicular to the main shaft 17, and the sliding base 15 moves toward the rotating base 12 to generate a contraction force.

次にユニット100bに注目すると、ユニット100aにおける摺動基部15をユニット100bの回転基部として捉えることができる。ユニット100cも同様である。すなわち、モータ11が動作すると上流側の基部15が回転し、リンク機構13が回転して遠心力が発生し、下流側の基部16が上流側に引っ張られる。ユニット100cの摺動基部16は出力端18にベアリングなどの軸受け19を介して回転自在に接続されているとともに、出力端18はアクチュエータ装置のハウジング20とスプライン係合またはキー/溝構造により回転が制限されている。これにより出力端18の回転は防止され、軸方向の収縮力のみを取り出すことができる。本発明のアクチュエータ装置はユニット100を1つのみ設けた構成であってもよいが、このように複数のアクチュエータユニットを連設することにより、最下流の出力端のスライド距離を長くとることができる。この際、一部のユニットだけが伸びるなどして各ユニットの収縮が不均一になると全体の動作が損なわれかねないが、本実施例のアクチュエータ装置はバネ特性を持つため複数個のユニットを連結しても各ユニットの収縮量は均一化されるようになる。   Next, when paying attention to the unit 100b, the sliding base 15 in the unit 100a can be regarded as the rotation base of the unit 100b. The same applies to the unit 100c. That is, when the motor 11 is operated, the upstream base 15 is rotated, the link mechanism 13 is rotated to generate centrifugal force, and the downstream base 16 is pulled upstream. The sliding base 16 of the unit 100c is rotatably connected to an output end 18 via a bearing 19 such as a bearing, and the output end 18 is rotated by a spline engagement or key / groove structure with the housing 20 of the actuator device. Limited. Thereby, the rotation of the output end 18 is prevented, and only the contraction force in the axial direction can be taken out. The actuator device of the present invention may have a configuration in which only one unit 100 is provided, but the slide distance of the most downstream output end can be increased by connecting a plurality of actuator units in this way. . At this time, if the contraction of each unit becomes uneven because only some of the units are stretched, the overall operation may be impaired. However, since the actuator device of this embodiment has a spring characteristic, a plurality of units are connected. Even so, the shrinkage amount of each unit is made uniform.

このアクチュエータ装置の動作時に出力端18が外力により固定あるいは伸張方向に引っ張られていた場合、収縮方向への運動は妨げられるがモータ11や錘部材14は妨げられず回転し、入力電圧に応じた回転速度まで速度を上げて安定する。このとき回転速度に応じて収縮力も上昇し、この収縮力が外力を越えた時点で出力端18は収縮方向に移動を開始する。   When the output end 18 is fixed or stretched in the extension direction by an external force during the operation of the actuator device, the movement in the contraction direction is hindered, but the motor 11 and the weight member 14 rotate without being obstructed and correspond to the input voltage. Increase the speed to the rotational speed and stabilize. At this time, the contraction force also increases according to the rotation speed, and when the contraction force exceeds the external force, the output end 18 starts moving in the contraction direction.

収縮力はリンク機構の幾何学的関係から、アクチュエータの軸方向の長さに比例する。アクチュエータをが長くなるほど収縮力が大きくなる線形バネとして機能する。このバネの剛性は、回転速度の二乗に比例して大きくなる。このバネ特性によってアクチュエータ装置は複数のバネを直列接続した物と同様に、個々のユニットの収縮量がほぼ均一化され極端にばらつくことはない。   The contraction force is proportional to the axial length of the actuator due to the geometric relationship of the link mechanism. It functions as a linear spring in which the contraction force increases as the actuator becomes longer. The rigidity of this spring increases in proportion to the square of the rotational speed. Due to this spring characteristic, the actuator device is almost uniform in the amount of contraction of the individual units as in the case of a plurality of springs connected in series, and does not vary extremely.

また、電気モータ11の回転速度が安定している状態で、外部から出力端18を伸張方向に引っ張ると、リンク機構13の角度が開いて錘部材14の回転半径が小さくなる。このときにも錘部材14の回転運動の接線速度はほぼ変化しないため、錘14の回転が速くなり、遠心力が増加し本来のバネ特性による収縮力とあわせて出力端18に作用する収縮力が増大する。回転速度は時間の経過とともに摩擦と電気モータ11の回転により当初の回転速度に戻るため、出力端18に作用する収縮力は本来のバネ特性による収縮力に戻る。したがって、出力端18を引っ張る外力に対してアクチュエータ装置はオイルダンパの抗力のように作用する。この抗力の特性は電気モータ11の回転速度を制御することで調整することができる。   Further, when the output end 18 is pulled from the outside in a state where the rotation speed of the electric motor 11 is stable, the angle of the link mechanism 13 is opened and the rotation radius of the weight member 14 is reduced. Also at this time, since the tangential speed of the rotational movement of the weight member 14 does not substantially change, the weight 14 rotates faster, the centrifugal force increases, and the contraction force acting on the output end 18 in addition to the contraction force due to the original spring characteristics. Will increase. Since the rotational speed returns to the original rotational speed due to friction and the rotation of the electric motor 11 with the passage of time, the contracting force acting on the output end 18 returns to the contracting force due to the original spring characteristics. Therefore, the actuator device acts like a drag force of the oil damper against the external force pulling the output end 18. This drag characteristic can be adjusted by controlling the rotational speed of the electric motor 11.

なお、図示する実施例のアクチュエータ装置ではリンク機構と錘部材を別部材として構成しているが、このリンク機構が錘部材を兼ねてもよい。すなわち、例えば図1の実施例において別部材としての錘部材14を設けることなく、リンク機構13の材料や寸法、重量等を調整して、回転時に遠心力で外側に引っ張られ回転基部12と摺動基部15の間が狭まるようにすることができる。   In the illustrated actuator device, the link mechanism and the weight member are configured as separate members, but the link mechanism may also serve as the weight member. That is, for example, without providing the weight member 14 as a separate member in the embodiment of FIG. 1, the material, size, weight, etc. of the link mechanism 13 are adjusted and pulled outward by centrifugal force at the time of rotation. The space between the moving bases 15 can be narrowed.

図2は、本発明の第2実施例の構成を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置では、隣接するユニット200a〜cの錘部材24を連結するリンク機構22が、隣接するユニットの反対側の錘部材を連結するレージトング式(所謂マジックハンド様の伸縮やっとこ)のリンク機構となっている。すなわち、各リンク部材22bの中央が摺動基部15に回動可能に取り付けられ、その両端部に錘部材24が設けられている。これにより、各ユニット200a〜cの錘部材24の動きが連動し、ユニット毎の収縮量が一定となり安定した動作および出力を得ることができる。なお、リンク機構以外の要素は基本的に図1に示す第1実施例とほぼ同様である。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention. In the actuator device according to the present embodiment, the link mechanism 22 that connects the weight members 24 of the adjacent units 200a to 200c is a storage tong type (so-called magic hand-like expansion and contraction bark) that connects the weight members on the opposite side of the adjacent units. It is a link mechanism. That is, the center of each link member 22b is rotatably attached to the sliding base 15, and weight members 24 are provided at both ends thereof. Thereby, the movement of the weight member 24 of each unit 200a-c is interlocked, the contraction amount for each unit becomes constant, and a stable operation and output can be obtained. The elements other than the link mechanism are basically the same as those in the first embodiment shown in FIG.

図3は、本発明の第3実施例の構成を示す図である。本実施例のアクチュエータは、各錘部材33の両端部に屈曲可能なヒンジ部材32が設けられており、このヒンジ部材32が回転基部32と摺動基部35とを連結している。なお、図3bに断面図を示すように、断面において錘部材は2方向ではなく4方向に延在している。このようにアクチュエータ装置を構成しても、モータ回転により回転基部31が回転すると錘部材33が軸周りで回転して遠心力が働き、ヒンジ要素32が軸から離れる方向へ引っ張られ、出力端18に収縮動作を生じさせることができる。   FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the third embodiment of the present invention. In the actuator of the present embodiment, a bendable hinge member 32 is provided at each end of each weight member 33, and the hinge member 32 connects the rotating base 32 and the sliding base 35. As shown in the sectional view of FIG. 3b, the weight member extends in four directions instead of two directions in the cross section. Even if the actuator device is configured in this way, when the rotation base 31 is rotated by the rotation of the motor, the weight member 33 is rotated around the axis, the centrifugal force acts, and the hinge element 32 is pulled in the direction away from the axis. The contraction motion can be generated.

図4は、本発明の第4実施例の構成を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置は、個々のアクチュエータユニット300a〜cを自在継手で連結して、柔軟な配置を実現するものである。本図に示すように、個々のユニット300a〜cがほぼ独立した構成となっており、それぞれ回転を伝達する自在継手41で連結されている。電気モータ11を回転させると最も上流側のユニット300aが回転し、自在継手41が設けられた出力端すなわち摺動基部を回転させつつ収縮する。自在継手41は次のアクチュエータユニット300bを引っ張りつつ回転を伝達し、これによりユニット330bの錘部材が回転して収縮動作を行う。このようにアクチュエータ装置を構成すると、例えば人型ロボットの腕や足の曲がったところに装置を配置可能となり、省スペースを図ることができる。なお、湾曲した部分に設置するには、各ユニット300を筐体または後述するフレキシブルカバーで覆い、他の部材にユニットの回転要素が接触しないようにすることが望ましい。   FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the present invention. The actuator device of the present embodiment realizes a flexible arrangement by connecting individual actuator units 300a to 300c with universal joints. As shown in the figure, the individual units 300a to 300c have a substantially independent configuration, and are connected by a universal joint 41 that transmits rotation. When the electric motor 11 is rotated, the most upstream unit 300a rotates and contracts while rotating the output end provided with the universal joint 41, that is, the sliding base. The universal joint 41 transmits the rotation while pulling the next actuator unit 300b, whereby the weight member of the unit 330b rotates and contracts. If the actuator device is configured in this manner, for example, the device can be arranged at a bent arm or leg of a humanoid robot, and space can be saved. In order to install in a curved portion, it is desirable to cover each unit 300 with a casing or a flexible cover described later so that the rotating elements of the unit do not come into contact with other members.

図5は、本発明の第5実施例の構成を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置は、湾曲配置を可能にしつつ保護カバーによる強固な保護を達成するものである。図5(b)に個々のアクチュエータユニット500の部分断面図を示すように、回転基部51と摺動基部57がそれぞれ軸受け52を介して支持板53に保持されている。リンク機構55の一端はボールジョイントを介して回転基部51に取り付けられ、他端は錘部材54と回動可能に連結されている。これにより、このアクチュエータ機構全体として回転軸方向に対し湾曲可能となる。図5(c)に示すように本実施例のリンク機構55は錘部材54を十字形に配置して構成しているが、上述のようにこれは必須の構成ではない。また、本実施例で回転基部51と摺動基部57は部品としては同一であるが、前者が動力に連結され後者が出力端に連結されるという便宜上区別して参照する。   FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the present invention. The actuator device according to the present embodiment achieves strong protection by a protective cover while enabling a curved arrangement. As shown in a partial cross-sectional view of each actuator unit 500 in FIG. 5B, the rotation base 51 and the sliding base 57 are respectively held on the support plate 53 via bearings 52. One end of the link mechanism 55 is attached to the rotation base 51 via a ball joint, and the other end is rotatably connected to the weight member 54. As a result, the entire actuator mechanism can be bent with respect to the rotation axis direction. As shown in FIG. 5C, the link mechanism 55 of the present embodiment is configured by arranging the weight members 54 in a cross shape, but as described above, this is not an essential configuration. Further, in this embodiment, the rotating base 51 and the sliding base 57 are the same as parts, but are distinguished and referred to for convenience in that the former is connected to power and the latter is connected to the output end.

一方、支持板53同士は上記アクチュエータ機構の他、複数の外殻リンク56で連結されている。本実施例の外殻リンク56は、支持板53の円形の外周を8等分した部位同士を連結しており、各外殻リンク56はその中央に回動軸を有し外側に膨らんだくの字型に配置されている。図5(d)に支持板53と外殻リンク56のみを示す。この外殻リンク56は、機構全体の収縮を妨げず、回転軸方向に対する湾曲を可能とするとともに、アクチュエータユニットの回転要素を保護する機能を有する。この外殻リンク56の外側にゴムなどの弾性体のカバーや、高分子繊維などの網状材を被せるようにすれば、より確実に回転体を防護することができる。このように構成したアクチュエータユニット500を複数連結することにより、自在に曲がり収縮するアクチュエータ装置を構築することができる。   On the other hand, the support plates 53 are connected by a plurality of outer shell links 56 in addition to the actuator mechanism. The outer shell link 56 of this embodiment connects the portions of the circular outer periphery of the support plate 53 that are equally divided into eight parts, and each outer shell link 56 has a rotation shaft at the center thereof and swells outward. It is arranged in a letter shape. FIG. 5D shows only the support plate 53 and the outer shell link 56. The outer shell link 56 has a function of protecting the rotating element of the actuator unit while preventing the entire mechanism from contracting, enabling bending in the rotation axis direction. If the outer shell link 56 is covered with a cover made of an elastic body such as rubber or a net-like material such as polymer fiber, the rotating body can be protected more reliably. By connecting a plurality of actuator units 500 configured in this way, an actuator device that can bend and contract freely can be constructed.

図6は、本発明の第6実施例の構成を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置は、図5に示す第5実施例にヒンジ機構を適用した変形例である。図6(b)に断面図を示すように、回転基部61と摺動基部67がそれぞれ軸受け62を介して支持板63に支持されている。回転基部61と摺動基部67間には、図6(c)に示すように十字形に配設されたヒンジ機構64により錘部材65が保持されている。ヒンジ機構64はリンクとしての役割を果たしつつ捻れを許容するため、このアクチュエータユニットは回転軸方向に対して湾曲可能となる。   FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the sixth embodiment of the present invention. The actuator device of the present embodiment is a modification in which a hinge mechanism is applied to the fifth embodiment shown in FIG. As shown in the sectional view of FIG. 6B, the rotation base 61 and the sliding base 67 are supported by the support plate 63 via bearings 62. A weight member 65 is held between the rotation base 61 and the sliding base 67 by a hinge mechanism 64 arranged in a cross shape as shown in FIG. Since the hinge mechanism 64 serves as a link and allows torsion, the actuator unit can be bent with respect to the rotation axis direction.

一方、支持板63同士は上記アクチュエータ機構の他に複数の外殻ヒンジ66で連結されている。本実施例の外殻ヒンジ66は要所で折れ曲がり可能なヒンジ部材を等間隔で配備してなり、アクチュエータユニットの回転要素が外部から妨げられないように保護するとともに、このアクチュエータ装置を湾曲可能とする役割を果たす。本例の外殻ヒンジ66は、図6(b)と(d)に詳細に示すように、回転基部61側の外殻ヒンジ66が平行リンクとして構成されており、この外殻ヒンジ66が常に平行に可動して内部の回転機構内に入らないように工夫されている。この外殻ヒンジ66の外側にゴムなどの弾性体のカバーや高分子繊維などの網材を被せるようにすれば、より確実に回転要素を保護することができる。   On the other hand, the support plates 63 are connected by a plurality of outer shell hinges 66 in addition to the actuator mechanism. The outer shell hinge 66 of the present embodiment is provided with hinge members that can be bent at important points at equal intervals to protect the rotating element of the actuator unit from being obstructed from the outside and to bend the actuator device. To play a role. As shown in detail in FIGS. 6B and 6D, the outer shell hinge 66 of the present example is configured as a parallel link on the rotating base 61 side. It is devised to move in parallel and not to enter the internal rotation mechanism. If the outer shell hinge 66 is covered with an elastic cover such as rubber or a net material such as polymer fiber, the rotating element can be more reliably protected.

図7は、本発明のアクチュエータ装置を適用したロボット用関節の一実施例を示す図である。本図に示すように、1軸の回動軸72を有する関節の2つの回動方向にそれぞれ1つづつアクチュエータ300a、300bを設け、これらを拮抗させて関節を駆動するものである。ここで、アクチュエータ300a、300bはともに上述したアクチュエータ装置のいずれであってもよく、また、各アクチュエータ装置が有するアクチュエータユニット数も設置場所や必要なストロークを勘案して適宜決定することができる。   FIG. 7 is a view showing an embodiment of a robot joint to which the actuator device of the present invention is applied. As shown in this figure, one actuator 300a, 300b is provided in each of two rotational directions of a joint having a single rotational shaft 72, and these are antagonized to drive the joint. Here, both the actuators 300a and 300b may be any of the actuator devices described above, and the number of actuator units included in each actuator device can be appropriately determined in consideration of the installation location and the required stroke.

図8は、本発明のアクチュエータ装置のさらなる好適な実施例を示す図であり、1つの電気モータで複数のアクチュエータ装置を駆動しようとするものである。本図に示すように、単一の電気モータ11の動力を、歯車機構81やユニバーサル伝導ワイヤ83を用いて複数のアクチュエータ装置に分配する。各アクチュエータは速度により力を発生するため、伝達トルクの小さな電磁クラッチ等でも動力の分配が可能である。   FIG. 8 is a diagram showing a further preferred embodiment of the actuator device according to the present invention, which is intended to drive a plurality of actuator devices with one electric motor. As shown in the figure, the power of a single electric motor 11 is distributed to a plurality of actuator devices using a gear mechanism 81 and a universal conductive wire 83. Since each actuator generates force depending on speed, power can be distributed even with an electromagnetic clutch having a small transmission torque.

図9は、本発明にかかるアクチュエータ装置の変形例を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置も、電気モータの回転により錘部材を遠心力で外側へ押しやり、この離れる力を利用して収縮方向の力のみ抽出するというものである。   FIG. 9 is a view showing a modification of the actuator device according to the present invention. The actuator device of the present embodiment also pushes the weight member outward by centrifugal force by the rotation of the electric motor, and extracts only the force in the contraction direction using this separating force.

図9に断面図を示すように、電気モータ11に回転基部(主軸)91が接続されており、これに支柱93が固定されている。錘部材95は支柱93a、93b上をスライド可能であり、通常はバネ94により外側方向へ付勢されている。ワイヤ96の一端は主軸に固定されており、ここから滑車92を介して主軸と錘部材95を通り、最後に出力軸98に連結される。出力軸98は主軸91と勾配キー97で連結するかスプライン係合させることで、主軸91とともに回転し軸方向にスライド可能な構造とする。出力端99は出力軸98に対しボールベアリング等により回転自在に取り付けられ、収縮方向の運動のみを取り出せるようにする。   As shown in a sectional view in FIG. 9, a rotation base (main shaft) 91 is connected to the electric motor 11, and a support column 93 is fixed to the rotation base (main shaft) 91. The weight member 95 is slidable on the pillars 93a and 93b, and is normally urged outward by a spring 94. One end of the wire 96 is fixed to the main shaft, and from here through the main shaft and the weight member 95 via the pulley 92, it is finally connected to the output shaft 98. The output shaft 98 is connected to the main shaft 91 with a gradient key 97 or is spline-engaged so that the output shaft 98 can rotate with the main shaft 91 and slide in the axial direction. The output end 99 is rotatably attached to the output shaft 98 by a ball bearing or the like so that only the movement in the contraction direction can be taken out.

電気モータ11が停止しているときに出力端99を伸張方向に引っ張ると、ワイヤによって錘部材95が主軸91の方向に引っ張られ、機構全体が伸長する。この場合にもバネ94による収縮力が発生している。この状態で電気モータ11を回転させると、主軸91と錘部材94が一体的に回転し、錘部材95が遠心力により外側へ移動しようとするため、ワイヤ96が引っ張られて出力軸98が引き戻され、ボールベアリング等により回転が打ち消され出力端99で収縮力のみが得られる。ワイヤ96と滑車92の配置や個数を変更して、所望のストロークと収縮力発生特性を調整することができる。   When the output end 99 is pulled in the extending direction while the electric motor 11 is stopped, the weight member 95 is pulled in the direction of the main shaft 91 by the wire, and the entire mechanism is extended. Also in this case, the contraction force by the spring 94 is generated. When the electric motor 11 is rotated in this state, the main shaft 91 and the weight member 94 rotate integrally, and the weight member 95 tends to move outward by centrifugal force, so that the wire 96 is pulled and the output shaft 98 is pulled back. Accordingly, the rotation is canceled by a ball bearing or the like, and only the contraction force is obtained at the output end 99. By changing the arrangement and number of the wires 96 and pulleys 92, desired stroke and contraction force generation characteristics can be adjusted.

図10は、本発明にかかるアクチュエータ装置のさらなる変形例を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置は、錘部材103の移動がリンク機構ではなく、ガイドスリットが設けられたスリット板102により規定されるようにしている。スリット板102aは回転基部101に取り付けられており、これと一緒に回転する。他方のスリット板102bは摺動基部105に固定される。出力端107はベアリング等の回転軸受け106を介して摺動基部105に取り付けられており、ここで回転力を捨てて収縮力のみを取り出すよう構成されている。錘部材103はスリット板102のガイドスリットにピン104で係合している。スリット板102のスリットは、図10に示すように、回転軸に近い方が間隔が狭く、回転軸より遠ざかると間隔が広くなるよう形成されている。   FIG. 10 is a view showing a further modification of the actuator device according to the present invention. In the actuator device according to the present embodiment, the movement of the weight member 103 is not defined by the link mechanism but by the slit plate 102 provided with a guide slit. The slit plate 102a is attached to the rotation base 101 and rotates together therewith. The other slit plate 102 b is fixed to the sliding base 105. The output end 107 is attached to the sliding base 105 via a rotary bearing 106 such as a bearing, and is configured to take out the rotational force and extract only the contraction force. The weight member 103 is engaged with the guide slit of the slit plate 102 by a pin 104. As shown in FIG. 10, the slits of the slit plate 102 are formed such that the distance closer to the rotation axis is narrower and the distance is wider when moving away from the rotation axis.

電気モータ11が回転を開始すると、スリット板102およびこれに案内される錘部材103も一緒に回転し、遠心力により錘部材103が外側へ移動する。これに伴いピン104とスリットの相対関係からスリット板102同士の間隔が狭まり、出力端107が収縮方向に移動する。この構成のアクチュエータ装置では、スリット板102のスリットを例えば図10に示すのと逆の配置とすれば、回転時に出力端107を収縮方向ではなく伸張方向に移動させることができる。また、スリットの勾配や湾曲度を変更することで、その出力特性を調整することができる。   When the electric motor 11 starts rotating, the slit plate 102 and the weight member 103 guided thereby also rotate together, and the weight member 103 moves outward by centrifugal force. Accordingly, the interval between the slit plates 102 is narrowed due to the relative relationship between the pin 104 and the slit, and the output end 107 moves in the contraction direction. In the actuator device having this configuration, if the slits of the slit plate 102 are arranged opposite to that shown in FIG. 10, for example, the output end 107 can be moved in the extension direction instead of the contraction direction during rotation. Further, the output characteristics can be adjusted by changing the gradient and curvature of the slit.

図11は、本発明にかかるアクチュエータ装置のさらなる変形例を示す図である。本実施例のアクチュエータ装置は、錘部材を回動軸に連結し、遠心力で錘部材が外側へ移動するのに伴う回動を利用してラックアンドピニオン機構により直線運動を抽出するものである。本図に示すように、電気モータ11が回転基部111(入力軸)に連結されており、その回転軸を挟んで対称的にそれぞれ回動点を有する平板118が連結されている。解同点には歯車114が取り付けられ、この歯車114からシャフト113を介して錘部材112が接続されている。これらの要素は電気モータ11により一緒に回転する。歯車114は回転軸上にスライド可能なラック軸115に歯合している。このラック軸115はベアリング等の軸受け機構を介して出力端117に接続されている。   FIG. 11 is a view showing a further modification of the actuator device according to the present invention. The actuator device according to the present embodiment connects a weight member to a rotation shaft, and extracts linear motion by a rack and pinion mechanism using the rotation associated with the movement of the weight member due to centrifugal force. . As shown in the figure, an electric motor 11 is connected to a rotation base 111 (input shaft), and a flat plate 118 having a rotation point symmetrically with respect to the rotation shaft is connected. A gear 114 is attached to the disengagement point, and a weight member 112 is connected from the gear 114 via the shaft 113. These elements are rotated together by the electric motor 11. The gear 114 meshes with a rack shaft 115 that can slide on the rotation shaft. The rack shaft 115 is connected to the output end 117 via a bearing mechanism such as a bearing.

電気モータ11が回転を始めると錘部材112も回転し、遠心力によって外周方向に広がっていく。これに伴い歯車114が回転し、ラック軸115が回転基部111側に引き込まれ、出力端117が収縮する。このときの収縮長さに対する発生力は放物線状の特性となり、筋肉の発生力特性に近いものとなる。なお、図11において錘部材112の初期位置を反対側にすると、歯車114が逆回転して伸張方向の動作を実現することもできる。   When the electric motor 11 starts to rotate, the weight member 112 also rotates and spreads in the outer peripheral direction by centrifugal force. Along with this, the gear 114 rotates, the rack shaft 115 is drawn to the rotation base 111 side, and the output end 117 contracts. The generated force with respect to the contraction length at this time has a parabolic characteristic, which is close to the generated force characteristic of the muscle. In addition, when the initial position of the weight member 112 in FIG. 11 is set to the opposite side, the gear 114 can be rotated in reverse to realize the operation in the extending direction.

以上に詳細に説明したように、本発明のアクチュエータ機構によれば、モータの回転により錘部材を回転させ、その遠心力とリンク機構で回転基部と摺動基部の間が狭まり、結果として出力端を軸方向に引っ張る力が生じる。遠心力により得られる力は回転速度の二乗に比例するため、小型の電個モータでも簡単な機構で大きな力を得ることができる。また、例えばこのアクチュエータ装置をロボットが物を持ち上げたまま保持する動作に利用した場合、ロボット自体が停動状態でも電気モータは高速回転を維持して張力を発生し続け電気モータは停動状態とならないため、電磁コイルが焼損することなく持続的に大きな力を発生可能である。さらに、このように大きな力を持続的に発生している場合でも消費するエネルギは電気モータの回転を維持するものだけであるためエネルギの損失が少ない。また、回転速度が例えばゼロから上昇に伴いその二乗に比例して発生力が上昇するため、アクチュエータ装置のみならずこれを適用するさまざまな機構各部に対して力が急激に作用することがない。したがって、本質的に動作が柔らかくなり、装置やシステムの耐久性も向上する。さらに、モータの停止時には外力で容易に動かすことができ、例えば人型ロボットにおける力を抜いた状態を再現することができる。また、動力発生中であっても発生力を越える外力を受けた場合にはモータの回転(遠心力)を維持しつつ外力に従順すなわち牽引方向と逆方向に動作させることができるとともに、この場合にもモータが停動または逆回転することがないため機構が損壊することがない。したがって、特に人間型ロボットに求められる動作に適したアクチュエータを得ることができる。   As described in detail above, according to the actuator mechanism of the present invention, the weight member is rotated by the rotation of the motor, and the centrifugal force and the link mechanism narrow the space between the rotating base and the sliding base, resulting in the output end. A force is generated that pulls in the axial direction. Since the force obtained by the centrifugal force is proportional to the square of the rotational speed, even a small electric motor can obtain a large force with a simple mechanism. Further, for example, when this actuator device is used for an operation in which the robot holds an object with the object lifted up, the electric motor maintains high speed rotation and generates tension even when the robot itself is in a stationary state. Therefore, it is possible to generate a large force continuously without burning the electromagnetic coil. Further, even when such a large force is continuously generated, the energy consumed is only for maintaining the rotation of the electric motor, so that there is little energy loss. In addition, as the rotational speed increases from zero, for example, the generated force increases in proportion to the square thereof, so that the force does not act suddenly not only on the actuator device but also on various parts to which the mechanism is applied. Therefore, the operation is essentially soft and the durability of the apparatus and system is improved. Furthermore, when the motor is stopped, it can be easily moved with an external force, and for example, a state in which the force in a humanoid robot is removed can be reproduced. In addition, when an external force exceeding the generated force is received even during power generation, the motor can be operated in accordance with the external force while maintaining the rotation (centrifugal force), that is, in the direction opposite to the traction direction. In addition, since the motor does not stop or reversely rotate, the mechanism is not damaged. Therefore, it is possible to obtain an actuator particularly suitable for the operation required for a humanoid robot.

なお、本発明は上記実施例の形態に限定されるものではなく、当業者であれば本明細書の記載から様々な変形例、変更例を考えることができる。本発明の範囲はこのような変形例、変更例を包含すると理解されるべきであり、その外延は添付の特許請求の範囲によってのみ解釈されたい。   In addition, this invention is not limited to the form of the said Example, Those skilled in the art can consider various modifications and changes from description of this specification. It should be understood that the scope of the present invention encompasses such modifications and changes, and the extension thereof should be interpreted only by the appended claims.

本発明にかかるアクチュエータ装置は、軸方向の収縮あるいは伸張が必要な様々な動力機構に適用することができる。例えば、本発明のもつ電気的にバネ特性を変更することが可能な特徴を活かし、車両の状況や走行面の変化に対応してサスペンションの特性を変化させて車両を安定な状態に保つことが必要な自動車や電車のサスペンションや、多様な振動を速やかに吸収する免震装置に利用することができる。   The actuator device according to the present invention can be applied to various power mechanisms that require axial contraction or expansion. For example, taking advantage of the feature of the present invention that allows the spring characteristics to be changed electrically, the suspension characteristics can be changed in response to changes in the vehicle conditions and the running surface to keep the vehicle stable. It can be used for necessary automobile and train suspensions and seismic isolation devices that absorb various vibrations quickly.

また、大きな力を発生しても消費電力が少なく、発生力が速度の二乗に比例するため比較的小型の電気モータでも連続的に大きな発生力を得られることから、小型・小電力で大きな力が必要なブレーキ装置や、連続的に大きな力を必要とするクランプ装置の動力として好適に利用可能である。   In addition, even if a large force is generated, the power consumption is small and the generated force is proportional to the square of the speed, so even a relatively small electric motor can obtain a large generated force continuously. Can be suitably used as power for a brake device that requires a large amount of force or a clamping device that requires a large force continuously.

また、外力に対して力を逃がすことができるため、自動ドアの動力装置として利用すると、ドアが何か挟んでしまった場合にも過度な力をかけて締めるのが防止され、安全性を向上させることができる。   In addition, since the force can be released from the external force, it can be used as a power device for automatic doors, preventing excessive tightening even if the door gets caught and improving safety. Can be made.

さらに、本発明のアクチュエータ装置を利用したロボット装置は、機械製造業やロボット産業で好適に利用することができる。   Furthermore, the robot apparatus using the actuator device of the present invention can be suitably used in the machine manufacturing industry and the robot industry.

本発明にかかるアクチュエータ装置の第1実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1st Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第2実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 2nd Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第3実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 3rd Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第4実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 4th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第5実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 5th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第6実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 6th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第7実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 7th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第8実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 8th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第9実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 9th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第10実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 10th Example of the actuator apparatus concerning this invention. 本発明にかかるアクチュエータ装置の第11実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 11th Example of the actuator apparatus concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 電気モータ
12 回転基部
13 リンク機構
14 錘部材
15 摺動基部
18 出力端
100、200、300 アクチュエータユニット
56 外殻リンク
84 クラッチ
94 スプリング
96 ワイヤ
102 スリット板
104 ピン
114 歯車
115 ラック軸
11 Electric motor 12 Rotating base 13 Link mechanism 14 Weight member 15 Sliding base 18 Output end 100, 200, 300 Actuator unit 56 Outer shell link 84 Clutch 94 Spring 96 Wire 102 Slit plate 104 Pin 114 Gear 115 Rack shaft

Claims (4)

モータの回転を線方向の動作に変換するアクチュエータ装置であって、
モータに直接または間接的に接続されて回転する回転基部(12または15)と、前記回転基部の回転軸上でスライド可能に設けられた摺動基部(15または16)と、前記回転基部とともに回転し遠心力で外側へ移動可能な1以上の錘部材(14)と、前記遠心力を利用して前記回転基部と摺動基部間の距離を変更するリンク機構(13)とを有するユニットが複数連設されており、前記リンク機構は、隣接するユニットの反対側の錘部材を連結するレージトング式のリンク機構であることを特徴とするアクチュエータ装置。
An actuator device that converts rotation of a motor into linear motion,
A rotating base (12 or 15) that rotates directly or indirectly connected to a motor, a sliding base (15 or 16) that is slidably provided on a rotating shaft of the rotating base, and rotates together with the rotating base. A plurality of units having one or more weight members (14) movable outward by centrifugal force and a link mechanism (13) for changing the distance between the rotating base and the sliding base using the centrifugal force. An actuator device characterized in that the link mechanism is a ledge tong type link mechanism that connects weight members on opposite sides of adjacent units .
多軸の駆動を行うアクチュエータ装置であって、単一の回転モータに請求項1に記載のアクチュエータ装置を複数接続してこれらに動力を分配してなることを特徴とするアクチュエータ装置。 An actuator device for multi-axis driving, wherein a plurality of actuator devices according to claim 1 are connected to a single rotary motor and power is distributed to these actuator devices. 請求項1または2に記載のアクチュエータ装置を関節駆動に適用したことを特徴とするロボット装置。 3. A robot apparatus, wherein the actuator apparatus according to claim 1 is applied to joint driving. 請求項3に記載のロボット装置において、1以上の回転自由度を有する関節に請求項1または2に記載のアクチュエータ装置を複数設けてなることを特徴とするロボット装置。 4. The robot apparatus according to claim 3, wherein a plurality of actuator apparatuses according to claim 1 or 2 are provided at a joint having one or more degrees of freedom of rotation.
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