JP5973657B2 - フレキシブルトランスミッションを使用する、オフセットしたモーターを備えるシリンダー、及びこのようなシリンダーを使用するロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、フレキシブルトランスミッションを使用する、オフセットしたモーターを備えるケーブルシリンダー、及びこのようなシリンダーを使用するロボットアームに関する。

フレキシブルトランスミッションは、一般的に、フレキシブルな外装を通して延伸するフレキシブルトランスミッションシャフトを備えている。フレキシブルシャフトの端部は、一方では、シャフトを回転させることができるモーター構成要素に取り付けられ、他方では、フレキシブルシャフトの回転を利用する受動構成要素に取り付けられている。このようなトランスミッションは、通常、モーター構成要素と受動構成要素との間の相対的な動きが想定されるときに使用される。シャフトと外装との間の摺動接触は、潤滑剤を使用しても大きな摺動摩擦を引き起こし、更に、この摺動摩擦は曲率半径と共に変化する。

フレキシブルな外装を通して延伸するフレキシブルシャフトを備えるフレキシブルトランスミッションが知られており、このシャフトは、末端部品に接続されている端部を有し、各末端部品と外装との間に介在するボール軸受により、回転状態で案内される。端部を案内するためのボール軸受を使用すると、アセンブリの効率は改善されるが、シャフトと外装との間の摩擦の影響は依然として受ける。

更に、特許文献１は、互いに対して向きを変えることが可能な、連続する湾曲セグメントから構成されている、剛体の外装トランスミッションを開示している。外装は、フレキシブルシャフトを受け入れ、フレキシブルシャフトは、プラスチック材料製の、例えば、ポリイミド樹脂製の、軸受により案内され、これらの軸受は、連続する２つのセグメント間の各接続部に配置されている。剛体の外装は、モーター構成要素と受動構成要素との間の動きを妨げ、受動構成要素の動きが追従するのを妨げる。更に、摺動摩擦が軸受とシャフトとの間に作用し、これも効率を低下させる。

特許文献２は、回転運動を与えるモーター構成要素と、フレキシブルトランスミッションを介して回転運動を受け入れる受動構成要素と、の間に配置されるように意図されている、フレキシブルトランスミッションを開示しており、このトランスミッションは、フレキシブルシャフトを受け入れるフレキシブルな外装を備えており、転がり軸受が、外装においてフレキシブルシャフトを回転案内するために、フレキシブルな外装とフレキシブルシャフトとの間に規則的に挿入されている。

もちろん外装は、モーター構成要素と受動構成要素との間の相対的な動きに追従するために十分な可撓性があるが、それにも拘わらず、それ自体の湾曲を、軸受を介してフレキシブルシャフトに対して強要するのに十分な、剛性も有している。

本発明のトランスミッションは、可撓性と、小さく（従って高効率）且つ一定な摩擦との、両者を組み合わせたものであり、曲率半径にほとんど影響されないので、トランスミッションに取り付けられたアクチュエータの制御によって補償することが、可能である。当然、配置は、フレキシブルシャフトに加えられる回転速度を考慮して、２つの連続する軸受間のフレキシブルシャフト部分が静的不安定（例えば、捩れにより）又は不安定モードにならないように、軸受間に間隔を置くように行われる。逆に、軸受の間隔が決まっている場合には、フレキシブルシャフト部分が不安定モードにならないような臨界トルク及び最大回転速度が、決定される。この２つの現象は、接触点を生じる可能性があり、従って、フレキシブルシャフトとフレキシブルな外装との間の摩擦を急激に増大する可能性があるからである。

米国特許第４４２４０４５号 仏国特許第５５１９４４号

本発明の目的は、オフセットしたモーターを備えるケーブルシリンダーと、効率が改善されたフレキシブルトランスミッションと、ロボットアームと、を提供することである。

本発明は、張力が加えられたケーブルと、ねじとナットのアセンブリと、を備えるケーブルシリンダーに関し、アセンブリ要素であるねじとナットの一方はケーブルに取り付けられ、他方の要素はモーター構成要素により回転駆動され、モーターは、少なくとも１つのフレキシブルトランスミッションによって、駆動される要素に接続され、フレキシブルトランスミッションは、フレキシブルシャフトが延伸しているフレキシブルな外装を備え、シャフトと外装との間の接触を回避しながらフレキシブルシャフトをフレキシブルな外装において回転案内するために、転がり要素を備える軸受が、フレキシブルな外装とフレキシブルシャフトとの間に規則的に挿入されている。

本発明はまた、互いに関節接続されている少なくとも第１の、第２の、及び第３の部分を備えているロボットアームにも関し、第２の部分に対する第３の部分の動きは、第２の部分の上に配置されているケーブルシリンダーにより引き起こされ、ケーブルシリンダーは、第１の部分の上に配置され、本発明に係る少なくとも１つのフレキシブルトランスミッションによってケーブルシリンダーに接続されている、モーター構成要素を備えている。

本発明は、付随する図面の図を参照して下記の記述を読むことにより、更に良好に理解されよう。

本発明の範囲において使用可能なフレキシブルトランスミッションの説明図で、断面図である。 ロボットアームのセグメントの作動に対する、図１のフレキシブルトランスミッションの適用の、説明図である。 図２のロボットアームの上にモーター構成要素を搭載する１つの可能な方法の、詳細図である。 ロボットアームのセグメントの作動に対する、図１のフレキシブルトランスミッションの、他の適用の説明図である。 ロボットアームのセグメントの作動に対する、本発明のトランスミッションの、別の使用法の説明図であり、２つのトランスミッションが直列に結合されている図である。

図１を参照すると、本発明の範囲において使用可能なフレキシブルトランスミッション１はフレキシブルな外装２を備えており、フレキシブルな外装２において、フレキシブルシャフト３は回転するために延伸する。ここではボール軸受４である転がり軸受は、フレキシブルシャフト３とフレキシブルな外装２との間に挿入されて、フレキシブルシャフト３を回転案内し、フレキシブルシャフト３がフレキシブルな外装２に接触することを防止する。

軸受の間隔は、フレキシブルシャフト３の剛性と、伝達されるトルクと、フレキシブルシャフト３に加えられる最大回転速度を考慮して選択されて、２つの軸受４の間で延伸しているフレキシブルシャフト部分３が捩れたり、不安定モードに入らないようにしている。必要であれば、フレキシブルシャフトの端部をフレキシブルな外装から出て延伸して、モーター構成要素と受動構成要素に直接結合されるようにすることができる。フレキシブルシャフト３の端部は更に、転がり軸受の支援によりフレキシブルな外装の端部において回転するように搭載されている末端部に回転接続してもよい。

図２は、ロボットアームのセグメントの作動に対する、本発明の適用を示している。図示されているロボットアーム１０はベース１１を備えており、ベース１１の上には第１のセグメント１２が、回転接続部１３の周りに関節接続されている。第２のセグメント１４は、別の回転接続部１５により、第１のセグメント１２の端部に関節接続されている。第１のセグメント１２に対する第２のセグメント１４の動きはケーブルシリンダー１６により引き起こされ、ケーブルシリンダー１６は、第２のセグメント１４に接続されながら回転接続部１５の軸の周りで回転するプーリー１８と、第１のセグメント１２の上で回転するように搭載されているリターンプーリー１９との間で、張力が加えられた状態でエンドレス式に搭載されているケーブル１７を備えている。ケーブル１７の一端はねじ２０に接続され、結び付けられているナット２１の回転効果により軸方向に変位可能である。ナット２１には、歯車２２により回転駆動されるために歯が設けられており、それ自体は、ベース１１の上に配置されているモーター構成要素２３により駆動される。本発明に係るフレキシブルトランスミッションは、モーター構成要素２３と歯車２２との間に設置され、これにより歯車２２が、モーター構成要素２３により回転駆動されることが可能になる。モーター構成要素２３と、この場合は歯車２２である受動構成要素との間の、回転の動きは、回転接続部１３により可能にされていることが分かるであろう。

モーター構成要素２３は、ベース１１の上に固定的に搭載されていることが分かるであろう。図２−２は、モーター２３が、止め具２４に向ける弾性的復元力に対抗して、軸Ｘに沿って自由に動けるように搭載されている搭載変形例を示している。このタイプの搭載は、ベース１１に対する第１のセグメント１２の動きのためにトランスミッションに加わる可能性のある張力を受け入れることを可能にする。

もちろん、モーター構成要素を支えるアームの部分と受動構成要素を支えるアームの部分とは、図３に示されている例のように、２関節以上互いから離れていてもよく、この例においては、中間セグメント２６が、ベース１１と第１のセグメント１２との間に介在している。

本発明のフレキシブルトランスミッションは、モーターを支えているロボットアームの部分に沿う縦方向の向きを維持しながら、モーターをオフセットする（モーターの位置をずらす）ことを可能にする。更に、このようなトランスミッションは、動作の遊びがないように設計でき、これにより、トランスミッションの動きの再現性が改善される。更に、このようなトランスミッションにより生じる慣性は、シャフトと角度の変化とを有するトランスミッションにより生じる慣性に比べて非常に小さい。更に、このようなトランスミッションは、全体が剛体のトランスミッションと比較して低コストである。

ロボット工学におけるこのようなフレキシブルトランスミッションの種々の適用例としては、例えば、手のひらに配置されているケーブルシリンダーによる、ロボットハンドの指の指骨の作動が挙げられ、ケーブルシリンダー自体は、本発明に係るフレキシブルトランスミッションにより前腕に配置されているモーター構成要素に接続されている。太腿の上に配置されているケーブルシリンダーによる下部外骨格の脚部の作動もまた例として挙げることができ、この場合、ケーブルシリンダー自体は、本発明に係るフレキシブルトランスミッションにより外骨格の骨盤に配置されているモーター構成要素に接続されている。

モーター構成要素と受動構成要素との間の距離が、フレキシブルトランスミッションを、その自重効果により不安定にする可能性があるような状況、又はフレキシブルトランスミッションが、ロボットアームの動きの間に、ロボットアームのセグメントの周りの所定のパターンから逸脱されてしまう可能性があるという状況もあり得る。この場合、ロボットアームの種々のセグメントに接続されている支持体は、フレキシブルトランスミッションを案内して、フレキシブルトランスミッションを、フレキシブルトランスミッションがそれに沿って延伸するロボットアームセグメントの動きに追従させるようにうまく利用できる。しかしこの配置は、フレキシブルな外装の稼働部分に応力を与えるので、フレキシブルシャフトとフレキシブルな外装との間の望ましくない接触を引き起こす危険性がある。

好適な実施の形態によれば、この場合は複数のフレキシブルトランスミッションが使用され、これらのフレキシブルトランスミッションは直列に設置されて、ロボットアームに固定されている結合要素により互いに接続されている。このため、図４に示されている例においては、２つのフレキシブルトランスミッション１と１’が、ケーブルシリンダーの歯車をモーター構成要素に接続するために使用されている。２つのフレキシブルトランスミッションは、一方では、ロボットアームに接続されている支持体３２の上で回転するように搭載されている溝付きシャフト３１と、他方では、溝付きシャフトに回転接続されながら溝付きシャフトの上で摺動可能なように溝付きシャフトの上に搭載されている溝付きブッシング３３と、を備えている結合要素３０に接続されている。ここで、フレキシブルトランスミッション１のフレキシブルシャフトの端部はブッシング３３に結合され、一方、フレキシブルトランスミッション１’のフレキシブルシャフトの端部は、溝付きシャフト３１に結合されている。このため、この結合により、フレキシブルトランスミッション１に影響を与える可能性のある張力を受け入れるための軸方向の自由度を残しながら、使用される各フレキシブルトランスミッションの長さを制限することが可能となる。更に、各フレキシブルトランスミッションのフレキシブルな外装の稼働部分は、如何なる応力にも晒されない。

本発明は、上述したものに制限されず、請求項で定義される範囲内に入る如何なる変形例も含む。特に、ここで記述したフレキシブルトランスミッションの軸受はすべてボール軸受であるが、他の転がり軸受もまた使用可能であり、例えば、針状ころ軸受も、フレキシブルシャフトの湾曲に追従できる限り使用可能である。

この場合、本発明のフレキシブルな接続部を使用するケーブルシリンダーは、２つのプーリーの間に張力が加えられた状態でエンドレス式に搭載されているケーブルを備えているが、本発明を、ケーブルが１つのプーリーの周りを通り、これにより、アセンブリ要素であるねじとナットの一方に接続されている第１のケーブル部分と、戻りばねに結び付けられ、これにより、戻りばねにより張力が加えられている第２のケーブル部分と、を形成している、一方向に作用するシリンダーと共に使用することも勿論可能である。

Claims (4)

1. 互いに関節接続されている少なくとも第１の部分、第２の部分、及び第３の部分（１１、１２、１４）を備えているロボットアームであって、前記第２の部分（１２）に対する前記第３の部分（１４）の動きが、ケーブルシリンダー（１６）により引き起こされ、
   前記ケーブルシリンダーが、
   ケーブルと、ねじとナットのアセンブリ（２０、２１）と、を備え、要素である前記ねじ及びナットの一方が、前記ケーブル（１７）に取り付けられ、前記要素の他方が、モーター構成要素（２３）により回転駆動されて、これにより回転要素の回転が前記ケーブルの動きを引き起こし、
   前記モーター構成要素が、フレキシブルシャフト（３）が延伸するフレキシブルな外装（２）を備えている少なくとも１つのフレキシブルトランスミッションによって、駆動される前記要素に接続されており、転がり軸受（４）が、前記フレキシブルシャフトと前記外装との間の如何なる接触をも回避しながら、前記フレキシブルシャフトを前記フレキシブルな外装内で回転案内するために、前記フレキシブルな外装と前記フレキシブルシャフトとの間に規則的に挿入されており、
   前記ケーブルシリンダーが、
   前記第２の部分の上に配置され、
   前記ケーブルシリンダーの前記モーター構成要素（２３）が、前記第１の部分（１１）の上に配置され、前記フレキシブルトランスミッション（１）によって、前記ケーブルシリンダーに接続されている、
   ロボットアーム。
2. 少なくとも２つのフレキシブルトランスミッション（１、１’）が、前記モーター構成要素（２３）と受動構成要素との間に直列に配置され、前記２つのフレキシブルトランスミッションは、支持体の上で回転するように搭載されている溝付きシャフト（３１）と、前記溝付きシャフトに回転接続されながら、前記溝付きシャフトにおいて摺動するために前記溝付きシャフトの上に搭載されている溝付きブッシング（３３）と、を備えている結合要素（３０）により結合されており、前記フレキシブルトランスミッションの一方の前記フレキシブルシャフトは、前記溝付きシャフトに取り付けられており、他方のフレキシブルトランスミッションの前記フレキシブルシャフトは、前記ブッシングに取り付けられている、請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記ケーブルシリンダー（１６）の前記ケーブルが、２つのプーリー（１８、１９）の間でエンドレス式に張力が加えられている、請求項１又は２に記載のロボットアーム。
4. 前記ケーブルが、プーリーの周りを通り、これにより、前記ねじとナットのアセンブリの前記要素の一方に取り付けられている前記ケーブルの第１の部分と、戻りばねに結び付けられ、前記戻りばねにより張力が加えられている前記ケーブルの第２の部分と、を形成している、請求項１又は２に記載のロボットアーム。

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