JP6366650B2 - 平面状湾曲部材およびそれらを用いたアクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、弾性湾曲要素、および、例えばロボット用途における使用のためにこれらを採用するアクチュエータに関する。
産業用ロボットは、様々な対象物の移動および操作を含む種々のタスクを実行する。例えば製造環境において用いられるもののような、典型的な産業用ロボットは、ロボットが対象物をピックアップすること、輸送すること、および操作することを可能にする把持部を装備した1つ以上のアームを有し得る。産業のための主要な機械的要件は、全体の制御安定性を維持しながらも、大きいがしかし正確な力およびトルクを生成する能力である。これらのトルクおよび力は、アクチュエータによって生成される。アクチュエータとは、すなわち、制御信号に応答して、指令されたトルクを適用するモータをいい、適用されたトルクは、直接的に(回転的な作動が要求される場合)または線形変換要素(例えば、リードスクリュー)を介して(線形的な力が要求される場合)のいずれかで、負荷へと機械的に伝達される。
剛なアクチュエータは、小さなジョイント変位から大きな力を働かせることができ、高帯域幅の力制御および正確な位置制御が可能である。しかしながら、剛性は、制御を困難にしている。ロボット用途における力制御の重要性により、剛性および付随帯域幅は、典型的には、より良好な力制御を達成するために犠牲にされている。1つのアプローチは、アクチュエータと直列な弾性要素を利用することである。弾性は、剛なアクチュエータロボットに対して所与の力を働かせるためにはより大きな変形が必要とされることから、力制御をより容易にするという効果を有している。事実上、弾性は、直接的にというよりもむしろ位置を介して力が制御されることを可能にし、これは、精度および安定性を向上させ、ノイズを低減させる。
ロボット用途のための一連の弾性要素を設計することは、空間的制約、滑りまたはふらつきなしで大きくかつ繰り返し適用されるトルクに耐えることの必要性、および、再現可能であるが経済的な製造のための必要性に起因して、困難な課題であり得る。例えば、回転弾性要素においては、設計は、所望の弾性を提供するために十分な長さを有する構成要素を組み込む必要がある(なぜなら、剛性は、構成要素の長さの3乗に反比例して変動するため)が、滑りを回避する堅固な搭載フレームを提供する必要もある。フレームは、典型的には、弾性要素の外部エンベロープを規定するので、フレームは、採用され得る内部の長さの量に制限を課している。
(概要)
本発明は、様々な実施形態において、自身の中心軸の周りの回転に抵抗する平面状湾曲部材であって、従来の設計と比べてより大きなコンプライアンスを付与する、平面状湾曲部材を提供する。様々な実施形態において、湾曲部材は、複数の取り付け点を含む中心部分と、平面内で中心部分から反対側にかつ対称的に延在している少なくとも2つの蛇行した湾曲アームであって、アームの各々は、弓形の搭載レールにおいて終結しており、搭載レールの各々は、複数の取り付け点を含み、かつ、互いに対して反対側に配置されていることにより、中心部分から半径方向に変位されているがしかし前記中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠しており、蛇行したアームの一部分は、実質的に、搭載レール間でエンベロープまで延在している、少なくとも2つの蛇行した湾曲アームと、を含む。
いくつかの実施形態において、蛇行したアームは、エンベロープにおいて蛇行したアームの最薄部分を有する可変厚さを有する。アームおよび中心部分は、少なくとも、アームの最狭部分においてアームの幅に等しい統一高さを有し得る。例えば、幅に対する高さの比は、少なくとも2であり得る。その他の実施形態において、アームおよび中心部分は、非統一高さを有する。
湾曲部材は、チタンまたはその他の適切な金属(またはその他の材料)から作製され得る。いくつかの実装において、アーム(またはその部分)は、Iビーム断面を有する。アームは、代替的にまたは追加的に、アームの中立屈曲軸に沿って空隙を含み得る。
別の局面において、本発明は、自身の中心軸の周りの回転に抵抗する平面状湾曲部材に関する。様々な実施形態において、湾曲部材は、複数の取り付け点を含む中心部分と、平面内で中心部分から延在しており、かつ複数の取り付け点を有する弓形の搭載レールにおいて終結している、少なくとも1つの蛇行した湾曲アームと、を含む。
なおも別の実施形態において、本発明は、回転アクチュエータに関する。様々な実施形態において、アクチュエータは、作動軸の周りの回転のために構成されたモータと、負荷に機械的に結合された中心出力部分と、平面内で中心部分から反対側にかつ対称的に延在している少なくとも2つの蛇行した湾曲アームとを有する、平面状湾曲部材であって、アームの各々は、モータに対する搭載のための複数の取り付け点を有する弓形の搭載レールにおいて終結しており、搭載レールは、互いに対して反対側に配置されていることにより、中心部分から半径方向に変位されているが中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠しており、蛇行したアームの一部分は、実質的に、搭載レール間でエンベロープまで延在している、平面状湾曲部材と、を含む。
いくつかの実施形態において、蛇行したアームは、エンベロープにおいて蛇行したアームの最薄部分を有する可変厚さを有する。アームおよび中心部分は、少なくとも、アームの最狭部分においてアームの幅に等しい統一高さを有し得る。例えば、幅に対する高さの比は、少なくとも2であり得る。その他の実施形態において、アームおよび中心部分は、非統一高さを有する。湾曲部材は、チタンまたはその他の適切な金属(またはその他の材料)から作製され得る。いくつかの実装において、アーム(またはその部分)は、Iビーム断面を有する。アームは、代替的にまたは追加的に、アームの中立屈曲軸に沿って空隙を含み得る。
いくつかの実施形態において、アクチュエータは、出力軸と共軸の作動軸を有する。その他の実施形態において、アクチュエータは、出力軸に平行であり、かつそれに対してオフセットされた作動軸、または、出力軸に対して傾斜している作動軸を有する。
用語「実質的に」または「ほぼ」は、±10%(例えば、重量で、または、体積で)を意味し、いくつかの実施形態においては、±5%を意味する。用語「から本質的に構成されている」は、そこで規定されていない限り、機能に貢献するその他の材料を除外することを意味する。しかしながら、そのようなその他の材料は、集合的にまたは個別的に、微量で存在し得る。「一実施例」、「実施例」、「一実施形態」、または「実施形態」に対する本明細書を通しての参照は、実施例に関連して記載されている特定の特徴、構造、または特性が、本技術の少なくとも位置実施例に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通しての様々な場所における「一実施例において」、「実施例において」、「一実施形態」、または「実施形態」というフレーズの出現は、必ずしも、全てが同じ実施例を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、ルーチン、ステップ、または特性は、本技術の1つ以上の実施例において、任意の適切な態様で組み合わされ得る。本明細書中に提供されている見出しは、便宜上のものに過ぎず、クレームされている技術の範囲または意味を限定または解釈することは意図されていない。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
自身の中心軸の周りの回転に抵抗する平面状湾曲部材であって、上記湾曲部材は、
複数の取り付け点を含む中心部分と、
平面内で上記中心部分から反対側にかつ対称的に延在している少なくとも2つの蛇行した湾曲アームであって、上記アームの各々は、弓形の搭載レールにおいて終結しており、上記搭載レールの各々は、複数の取り付け点を含み、かつ、互いに対して反対側に配置されていることにより、上記中心部分から半径方向に変位されているがしかし上記中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠しており、上記蛇行したアームの一部分は、実質的に、上記搭載レール間で上記エンベロープまで延在している、少なくとも2つの蛇行した湾曲アームと
を含む、湾曲部材。
(項目2)
上記蛇行したアームは、上記エンベロープにおいて上記蛇行したアームの最薄部分を有する可変厚さを有する、上記項目に記載の湾曲部材。
(項目3)
上記アームおよび上記中心部分は、統一高さを有し、上記高さは、少なくとも、上記アームの最狭部分において上記アームの幅に等しい、上記項目のいずれかに記載の湾曲部材。
(項目4)
上記幅に対する上記高さの比は、少なくとも2である、上記項目のいずれかに記載の湾曲部材。
(項目5)
上記アームおよび上記中心部分は、非統一高さを有する、上記項目のいずれかに記載の湾曲部材。
(項目6)
上記湾曲部材は、チタンから作製されている、上記項目のいずれかに記載の湾曲部材。
(項目7)
上記アームの少なくとも一部分は、Iビーム断面を有する、上記項目のいずれかに記載の湾曲部材。
(項目8)
上記アームの少なくとも一部分は、上記アームの中立屈曲軸に沿って空隙を有する、上記項目のいずれかに記載の湾曲部材。
(項目9)
自身の中心軸の周りの回転に抵抗する平面状湾曲部材であって、上記湾曲部材は、
複数の取り付け点を含む中心部分と、
平面内で上記中心部分から延在しており、かつ複数の取り付け点を有する弓形の搭載レールにおいて終結している、少なくとも1つの蛇行した湾曲アームと
を含む、湾曲部材。
(項目10)
回転アクチュエータであって、
作動軸の周りの回転のために構成されたモータと、
負荷に機械的に結合された中心出力部分と、平面内で上記中心部分から反対側にかつ対称的に延在している少なくとも2つの蛇行した湾曲アームとを有する、平面状湾曲部材であって、上記アームの各々は、上記モータに対する搭載のための複数の取り付け点を有する弓形の搭載レールにおいて終結しており、上記搭載レールは、互いに対して反対側に配置されていることにより、上記中心部分から半径方向に変位されているがしかし上記中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠しており、上記蛇行したアームの一部分は、実質的に、上記搭載レール間で上記エンベロープまで延在している、平面状湾曲部材と
を含む、回転アクチュエータ。
(項目11)
上記蛇行したアームは、上記エンベロープにおいて上記蛇行したアームの最薄部分を有する可変厚さを有する、上記項目に記載のアクチュエータ。
(項目12)
上記アームおよび上記中心部分は、統一高さを有し、上記高さは、少なくとも、上記アームの最狭部分において上記アームの幅に等しい、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目13)
上記幅に対する上記高さの比は、少なくとも2である、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目14)
上記アームおよび上記中心部分は、非統一高さを有する、項目10に記載のアクチュエータ。
(項目15)
上記湾曲部材は、チタンから作製されている、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目16)
上記アームの少なくとも一部分は、Iビーム断面を有する、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目17)
上記アームの少なくとも一部分は、上記アームの中立屈曲軸に沿って空隙を有する、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目18)
上記湾曲部材は、チタンから作製されている、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目19)
上記アクチュエータは、出力軸と共軸の作動軸を有する、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目20)
上記アクチュエータは、出力軸に対して平行であり、かつそれに対してオフセットされている作動軸を有する、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(項目21)
上記アクチュエータは、出力軸に対して傾斜している作動軸を有する、上記項目のいずれかに記載のアクチュエータ。
(摘要)
自身の中心軸の周りの回転に抵抗する平面状湾曲部材は、様々な実施形態においては、複数の取り付け点を含む中心部分と、平面内で中心部分から延在している少なくとも1つの蛇行した湾曲アームとを含む。アームは、一連の取り付け点を含む弓形の搭載レールにおいて終結している。レールは、互いに対して反対側に配置されていることにより、湾曲部材の中心部分から半径方向に変位されているがしかし前記中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠している。
以上の事項は、図面と併せて解釈したときに、以下における本発明の詳細な説明からより容易に理解され得る。
図1は、本発明の実施形態を採用する代表的なアクチュエータシステムを例証する概略図である。
図2Aおよび図2Bは、それぞれ、本発明の実施形態に従う平面状湾曲部材の透視図および立面図である。
図2Aおよび図2Bは、それぞれ、本発明の実施形態に従う平面状湾曲部材の透視図および立面図である。
図3Aおよび図3Bは、それぞれ、図2Aおよび図2Bに示されている湾曲部材の代表的配備の平面図および断面図である。いくつかの構成要素が図3Aにおいて明確性のために省略されている。
図3Aおよび図3Bは、それぞれ、図2Aおよび図2Bに示されている湾曲部材の代表的配備の平面図および断面図である。
(詳細な説明)
図1は、本発明に従う湾曲要素を組み込んでいるアクチュエータシステム100の基本的構成要素を例証している。システム100は、トルク生成デバイス(すなわち、モータ110)を含み、該トルク生成デバイスは、オプションとして、ギアボックス112を介してギアが入れられ得る(これは、高速で動作する小型モータ110の使用を促進することにより、システムを軽量化する)。ギアボックス112は、モータ110と一体的であり得るか、またはモータ110とは別個であり得る。トーションバネ要素114が、ギアボックス112の出力と直列にリンクされているか、または、ギアボックスが一切採用されない場合においては、モータ110に直接的にリンクされている。アクチュエータシステム100によって作動されるべき負荷116が、バネ要素114の他端部に直列にリンクされている。バネ要素114は、したがって、アクチュエータ100と負荷116との間のインターフェースにおいて、一連の弾性を導入し、該一連の弾性は、負荷に適用される力の正確な制御を付与する。バネ要素114は、必要に応じて、低反発伝達要素(不図示)を通して負荷116にリンクされ得る。
ロボット環境において、アクチュエータシステム100と負荷116との間の軸方向距離は、厳しく制約され得、バネ要素114の厚さを制限し得る。アクチュエータシステム100の半径方向の広がりもまた、非常に制約され得、バネ要素のエンベロープ直径を制限し得る。したがって、所望の剛性の程度を小さな空間領域に詰め込み、その一方で同時に、ギアボックス112および負荷116(またはその他の機械的出力)に対するバネ要素114の十分に堅固な搭載を提供して、滑りおよびふらつきを回避することが本質的である。
これらの相容れない制約を満たす代表的な弾性要素が、図2Aおよび図2Bに示されている。湾曲部材200は、略平坦対向表面を有する平面状構造であり、そのうちの視認可能な1つが、205で示されている。中心部分215は、複数の取り付け点217(すなわち、略円形構成に配列され、かつ、典型的には、均等に間隔を空けて離された搭載穴)を含む。取り付け点217は、上述されたように湾曲部材200をアクチュエータのモータまたはギアボックスに固定するネジまたはその他の締結具を収容する。
中心部分215から発しているのは、一対の蛇行した湾曲アーム220a、220bであり、これらは、平面内で中心部分215から反対側にかつ対称的に延在している。2つのアーム220が示されているが、単一のアーム220を利用する構成ならびに2つよりも多くのアーム220を利用する構成が、本発明の範囲内であることが理解されるべきである。例証された実施形態において、アーム220a、220bの各々は、弓形の搭載レール225a、225bにおいて終結する。搭載レール225の各々は、複数の取り付け点217(やはり例証された実施形態における搭載穴)を含み、該取り付け点は、負荷または駆動部に対する湾曲部材200の取り付けを促進する。図3に最も良く見ることができ、以下においてより詳細に記載されているように、回転力の伝達の安定性および対称性のために、搭載レール225は、反対方向に配置されていることにより、湾曲アーム220の外側湾曲セグメントとともに、実質的に円形の外部エンベロープを規定している。搭載レール225は、円形エンベロープの一部分のみを占拠しているので、湾曲アームは、外側湾曲縁部がエンベロープと合流するかまたは接近するように、外向きに延在し得る。このようにして、湾曲アーム220の長さは、制限された円形エリア内で最大化され得る(すなわち、それらの長さは、完全に円形の搭載カラーの内部にフィットするようには制約されない)。
図2Bを参照すると、湾曲部材200は、高さhを有しており、これは、様々な実施形態においては、アクチュエータのサイズに依存する。さらに、湾曲部材200は平面状であるが、高さhは変動し得る(すなわち、湾曲部材200の異なる領域は、異なる厚さを有し得る)。高さの代表的な範囲は、2.5mm〜9mmである。高さが変動する場合、典型的な構成は、アーム220の最薄(最小のh)部分をそのアームの外側縁部に有する。アーム220、中心部分215、およびレール225が統一高さを有する場合、その高さは、少なくとも、そのアームの最狭部分(代表的に230で示されている)においてアームの幅に等しくあり得、一例証的実装においては、幅に対する高さの比は2:1である。
アーム220は、湾曲部材200の弾性を提供する。すなわち、中心部分215が回転されると、回転力は、アーム220に伝達される。湾曲部材200の外側が、ギアボックス112に取り付けられている(図1を参照)。アーム220は、中心部分215に適用されるトルクおよび負荷の反力に依存する程度まで弾性的に変形する。湾曲部材200の弾性は、湾曲部材が製造される材料係数ならびにアーム220の長さおよび厚さに依存する。特に、アーム220の各々は、片持ち梁としてほぼモデル化され得、剛性kは、次式
Figure 0006366650
によって与えられ、ここに、Eは湾曲部材200のYoung係数であり、hは図2Bに示されているアームの断面の幅(半径方向の寸法)であり、bはアームの高さ(z軸)であり、Lはアームの長さ(中心部分215から搭載レール225まで)である。
この関係により、z軸アーム厚さhは、湾曲部材200のxy平面におけるアーム幅に対してトレードオフされ得る。換言すると、厚さが空間の制限または機械加工性によって制約されている場合、同じ剛性を維持するために、厚さの所与の低減がアーム幅の3乗の増加によって補償され得る。この3乗の関係は、厚さ低減を達成するためのアームの占有面積における大きな面積という観点での増加を示唆するが、実際に、この増加は、蛇行した構成によって容易に適応され、該構成は、湾曲部材200のエンベロープ内に実質的な開放空間(制限された外周の搭載レール225によってさらに増加される空間)を残し、これは、アーム220の外側縁部が中心部分215から最大限に離されることを可能にする。その他の重量低減戦略もまた、採用され得る。例えば、アームは、所与の剛性を達成するために必要な材料の量を低減するためにIビーム断面で成形され得るか、または、材料が屈曲の中立軸に沿って除去され得る(例えば、空隙または穴が、中立軸に沿って形成され得る)。
事実、より幅広のアームは、製造可能性を補助し得る。なぜなら、幅狭の特徴は製造が困難であり得るからである。平面状湾曲部の製造において用いられる典型的なアプローチは、スタンピング、ウォータージェット切断、レーザ切断、および機械加工を含む。スタンピングされた部分は、低い縁部品質ひいては耐久性の限界を呈し、熱処理後に複雑な特徴の形状を保つことが困難であり得、それ故、細く湾曲したアームセグメントは、製造オプションとして、スタンピングと両立しないものであり得る。ウォータージェット切断/レーザ切断は、概して、本明細書中で考慮されているような湾曲部材のために適した材料に対して、約0.005”の低級の寸法制御を有し、小さな動作トルクのために設計された湾曲部に対して、この変動は、非常に大きな剛性の変動につながる。なぜなら、剛性は、寸法誤差の3乗で変動するからである。さらに、ウォータージェット切断/レーザ切断のコストは、押し出し加工およびスライス加工のようなプロセスと比較すると、非常に高く、容易には大量生産につながらない。必要に応じて、湾曲部材200の最終的な機械的特性を調整するために、仕上げ技術が、採用され得る。例えば、ピーニング(例えば、ショットピーニング)が、表面の残留圧縮応力を導入し、これにより、金属部品の耐久性を増大させるために、頻繁に用いられる。
概して、押し出しプロセスに続いてスライス加工を行って平面状湾曲要素にすることが、コスト効率が良く、本発明の実施形態に良く適している。湾曲要素200のための好適な材料は、特に湾曲要素がアルミニウムの負荷および/またはロータに添着される場合には、チタンである。アルミニウムとチタンとの間の摩擦係数は、鉄鋼とアルミニウムとの間のものよりも高く、ボルト接合が滑脱する可能性を低減する。チタンの湾曲部は、より多くの材料を必要とするが、体積のオフセットは、チタンが提供する密度の低減を上回らず、最終結果は、軽量な湾曲部となる。チタンは、鉄鋼がそうであるのと同じような(しかしその他の多くの材料とは異なる)自然な耐久限界を有し、それ故、弾性用途に対して十分に適している。チタンは、鉄鋼の剛性の60%を有しており、これは、湾曲部アームが、鉄鋼に対して僅かに厚くなる必要があり、許容範囲の変動に対するそれらの感度を低減することを意味する。本発明に従う1つよりも多くの湾曲部は、バランスのとられた荷重および必要なトルク変位を達成するための様々な構成でスタックされ得ることが理解されるべきである。
図3Aおよび図3Bは、代表的な機械環境において負荷に結合された湾曲要素200を示している。負荷そのもの(不図示であるが、例えば、ロボットアーム等であり得る)は、湾曲要素200の中心搭載穴を通過するボルト315を介して結合される。円形フレーム320は、クロスローラーベアリングまたは類似のシステムを介して湾曲要素200の中心部分に機械的に結合される。当該技術分野において十分に理解されているように、クロスローラーベアリングは、外側リング、内側リング、および回転要素を含み、これらはまた、金属スペーサであり得る。回転要素の交差配列に起因して、このようなベアリングは、両方向からの軸方向力、ならびに、半径方向力、傾斜モーメント負荷、および、負荷と単一のベアリング位置との組み合わせをサポートし得る。湾曲要素200の外側レール325は、回転動力の供給源(例えば、ハーモニックドライブ(登録商標)330)に固定されている。したがって、湾曲要素200は、駆動部330からシステム出力へトルクを伝達し、それらの間のバネとして機能する。
本明細書中で採用されている用語および表現は、限定ではなく説明のための用語および表現として用いられており、そのような用語および表現の使用において、示され記載されている特徴の任意の均等物またはその部分を排除することは意図されない。さらに、本発明の特定の実施形態を記載してきたが、当業者にとっては、本明細書中に開示されている概念を組み込んでいるその他の実施形態が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなしに用いられ得ることは明白であり得る。特に、本発明の実施形態は、本明細書中に記載されている特徴の全てを含むこと、または、利点の全てを有することを、必ずしも意図されていない。むしろ、それらは、特徴および利点の任意の部分集合または組み合わせを有し得る。したがって、記載されている実施形態は、あらゆる点において、例証的にすぎないと考えられるべきであり、制限的であるとは考えられるべきではない。

Claims (17)

  1. 自身の中心軸の周りの回転に抵抗する平面状湾曲部材であって、前記湾曲部材は、
    複数の取り付け点を含む中心部分と、
    平面内で前記中心部分から反対側にかつ対称的に延在している少なくとも2つの蛇行した湾曲アームであって、前記アームの各々は、弓形の搭載レールにおいて終結しており、前記搭載レールの各々は、複数の取り付け点を含み、かつ、互いに対して反対側に配置されていることにより、前記中心部分から半径方向に変位されているがしかし前記中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠しており、前記蛇行したアームの一部分は、実質的に、前記搭載レールによって占拠されていない前記エンベロープまで延在している、少なくとも2つの蛇行した湾曲アームと
    を含む、湾曲部材。
  2. 前記蛇行したアームは、前記エンベロープにおいて前記蛇行したアームの最薄部分を有する可変厚さを有する、請求項1に記載の湾曲部材。
  3. 前記アームおよび前記中心部分は、統一高さを有する、請求項1に記載の湾曲部材。
  4. 前記高さは、少なくとも、前記アームの最狭部分において前記アームの幅に等しい、請求項3に記載の湾曲部材。
  5. 前記アームの幅に対する前記高さの比は、少なくとも2である、請求項3に記載の湾曲部材。
  6. 前記アームおよび前記中心部分は、非統一高さを有する、請求項1に記載の湾曲部材。
  7. 前記湾曲部材は、チタンから作製されている、請求項1に記載の湾曲部材。
  8. 前記アームの少なくとも一部分は、Iビーム断面を有する、請求項1に記載の湾曲部材。
  9. 前記アームの少なくとも一部分は、前記アームの屈曲の中立軸に沿って空隙を有する、請求項1に記載の湾曲部材。
  10. 回転アクチュエータであって、
    作動軸の周りの回転のために構成されたモータと、
    負荷に機械的に結合された中心部分と、平面内で前記中心部分から反対側にかつ対称的に延在している少なくとも2つの蛇行した湾曲アームとを有する、平面状湾曲部材であって、前記アームの各々は、前記モータに対する搭載のための複数の取り付け点を有する弓形の搭載レールにおいて終結しており、前記搭載レールは、互いに対して反対側に配置されていることにより、前記中心部分から半径方向に変位されているがしかし前記中心部分を包囲している平面状円形エンベロープを部分的に規定し占拠しており、前記蛇行したアームの一部分は、実質的に、前記搭載レールによって占拠されていない前記エンベロープまで延在している、平面状湾曲部材と
    を含む、回転アクチュエータ。
  11. 前記蛇行したアームは、前記エンベロープにおいて前記蛇行したアームの最薄部分を有する可変厚さを有する、請求項10に記載のアクチュエータ。
  12. 前記アームおよび前記中心部分は、統一高さを有し、前記高さは、少なくとも、前記アームの最狭部分において前記アームの幅に等しい、請求項10に記載のアクチュエータ。
  13. 前記アームおよび前記中心部分は、統一高さを有し、前記アームの幅に対する前記高さの比は、少なくとも2である、請求項10に記載のアクチュエータ。
  14. 前記アームおよび前記中心部分は、非統一高さを有する、請求項10に記載のアクチュエータ。
  15. 前記湾曲部材は、チタンから作製されている、請求項10に記載のアクチュエータ。
  16. 前記アームの少なくとも一部分は、Iビーム断面を有する、請求項10に記載のアクチュエータ。
  17. 前記アームの少なくとも一部分は、前記アームの屈曲の中立軸に沿って空隙を有する、請求項10に記載のアクチュエータ。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112041129B (zh) * 2018-03-28 2023-10-10 罗博力坚特有限公司 转动型串联弹性致动器
US10895445B2 (en) 2018-09-14 2021-01-19 Faro Technologies, Inc. Articulated arm coordinate measuring machines with active counterbalance
CN109620652B (zh) * 2019-01-23 2021-07-16 上海理工大学 一种串联弹性髋关节助行器
CN110566614B (zh) * 2019-09-11 2022-03-22 哈尔滨工业大学(深圳) 一种单向平面扭簧
FI12778Y1 (fi) * 2019-11-25 2020-10-15 Labrys Oy Jousielementti
CN112549012A (zh) * 2020-11-30 2021-03-26 武汉大学 一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器及控制方法
WO2022186050A1 (ja) 2021-03-03 2022-09-09 住友重機械工業株式会社 連結装置、ロボット
EP4202251A1 (de) 2021-12-23 2023-06-28 Maxon International AG Ebene drehfeder für einen serienelastischen aktor

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2127688A (en) * 1935-06-01 1938-08-23 Hoerbiger Alfred Annular automatic valve
US2407757A (en) * 1943-12-08 1946-09-17 Bendix Aviat Corp Magnetic clutch
US2947529A (en) * 1957-12-03 1960-08-02 Bell & Howell Co Disc-type suspension spring
US4317339A (en) * 1980-03-05 1982-03-02 Richard Schmidt Flexible torque coupling for parallel, angular and/or axial misalignment
FR2499181B1 (fr) * 1981-02-04 1986-03-28 Valeo Dispositif amortisseur de torsion, en particulier friction d'embrayage, notamment pour vehicule automobile
EP0341133B1 (fr) * 1988-05-06 1993-02-24 Valeo Dispositif amortisseur de torsion à flans élastiques, notamment pour véhicule automobile
FR2631091B1 (fr) * 1988-05-06 1993-01-08 Valeo Dispositif amortisseur de torsion a flans elastiques, notamment pour vehicule automobile
SE515119C2 (sv) * 1995-03-30 2001-06-11 Abb Ab Industrirobot
US5650704A (en) * 1995-06-29 1997-07-22 Massachusetts Institute Of Technology Elastic actuator for precise force control
JP4174896B2 (ja) * 1998-09-22 2008-11-05 株式会社デンソー 電磁クラッチ
JP2008115918A (ja) * 2006-11-02 2008-05-22 Sharp Corp フラットスプリング及びスターリング機関
US8176809B2 (en) * 2008-12-10 2012-05-15 GM Global Technology Operations LLC Planar torsion spring
US8291788B2 (en) * 2009-09-22 2012-10-23 GM Global Technology Operations LLC Rotary series elastic actuator
US8876094B1 (en) * 2011-08-05 2014-11-04 Armorworks Enterprises LLC Multi-axis energy attenuating mount
EP2805081B1 (de) * 2012-01-18 2016-03-30 Burckhardt Compression AG Linearlager und hubmagnet umfassend ein derartiges linearlager
CN102632508B (zh) * 2012-04-17 2015-04-29 浙江大学 一种适用于机器人关节的平面扭簧
ITFI20130156A1 (it) * 2013-07-01 2015-01-02 Scuola Superiore Sant Anna Molla torsionale
US20160102724A1 (en) * 2014-10-09 2016-04-14 Rethink Motion Inc. Concentric Arc Spline Rotational Spring

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