JP6456463B1 - 直列弾性式リニアアクチュエーター - Google Patents

Abstract

【課題】特に人型ロボット、リハビリテーション支援機構などの領域に適用できる直列弾性式リニアアクチュエーターを提供する。
【解決手段】直列弾性式リニアアクチュエーターＡは、リニア駆動機構１Ａと、動力出力部材２Ａと、弾性部材３Ａを有する。リニア駆動機構１Ａは、ステッピングモータ１０Ａと、ねじ棒部材１２Ａと、直動部材１３Ａを備え、該ねじ棒部材は、ステッピングモータに連接され、該直動部材は、ねじ棒部材と連結するようにステッピングモータの一側に設置され、該ねじ棒部材の駆動により動力入力方向に沿って直線往復運動を行う。動力出力部材２Ａは、直動部材における軸方向の一側に設置され、該動力入力方向と一致する動力出力方向に沿って直線往復運動を行う。弾性部材３Ａは、直動部材と動力出力部材との間に設けられ、該動力入力方向に付勢力を備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に人型ロボット、リハビリテーション支援機構などの領域に用いる直列弾性式リニアアクチュエーターに関するものである。

既存の工業用ロボットは、稼動において適度な速度及び剛性を求めるために、駆動源としてモータを用いることから、サイズが大きい駆動装置を使う必要があるが、リハビリテーション支援ロボットや、人型ロボット、ロボット義肢などの領域に使用するには、移動機能及び、親しみやすいデザインを具備する必要があることから、モータを軽量化するために、高トルク密度のモータを利用することとなった。

台湾実用新案第Ｍ５１１３５１号

しかしながら、既存のリハビリテーション支援ロボットは、工業用ロボットの設計において、ＤＣブラシモーターまたはＤＣブラシレスモータを用いることから、トルク密度が足りないので、リハビリテーション支援ロボットや、人型ロボット、ロボット義肢に適用可能な駆動装置ではない。また、既存のモータは、ベルトや、歯車、ギアなどの部材を用いて動力をねじ棒体に伝達することができるが、入力動力と出力動力とを同軸に設置することはないため、モータのトルクを伝達すると、そのトルクの消耗を増大してしまう。

本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターは、
ステッピングモータと、ねじ棒部材と、直動部材を備え、該ねじ棒部材は、ステッピングモータに連接され、該直動部材は、ねじ棒部材と連結するようにステッピングモータの一側に設置され、該ねじ棒部材の駆動により動力入力方向に沿って直線往復運動を行う、リニア駆動機構と、
前記直動部材における軸方向の一側に設置され、前記動力入力方向と一致する動力出力方向に沿って直線往復運動を行う、動力出力部材と、
前記直動部材と動力出力部材との間に設けられ、前記動力入力方向に付勢力を備える、弾性部材と、
移動検知センサと、
を有しており、前記移動検知センサは、前記弾性部材の変形量を検知して出力を計算するものであり、前記弾性部材の一側に設置されていることを特徴とする。

かかる直列弾性式リニアアクチュエーターにおいて、
前記ステッピングモータは、回転子を備え、
前記動力出力部材は、直動部材とステッピングモータとの間に配置され、該動力出力部材に貫通穴が形成され、
前記ねじ棒部材は、ねじ棒体及びねじ筒部を備え、該ねじ棒体は、回転子と同軸に連接されると共に、前記動力入力方向に沿って動力出力部材の貫通穴に貫設され、該ねじ筒部は、ねじ棒体に螺合されると共に、直動部材に取り付けられ、
前記弾性部材は、一端が直動部材に当接しながら他端が動力出力部材に当接するように、ねじ棒体の周囲に環装されるばねを備えることが好ましい。

かかる直列弾性式リニアアクチュエーターにおいて、
前記ねじ棒体と平行する少なくとも１つのレールを有し、
前記直動部材及び動力出力部材はそれぞれ、レールに設置され、
前記ねじ棒体における、ステッピングモータと反対する端が回動可能に軸受座に取り付けられることが好ましい。

かかる直列弾性式リニアアクチュエーターにおいて、
前記ねじ棒体と平行する少なくとも１つのレールを有し、
前記直動部材及び動力出力部材はそれぞれ、レールに設置され、
前記ねじ棒体は、カップリングを介してステッピングモータの駆動軸に連接され、該カップリングの周囲に支持ケースが設置され、該支持ケースに支持軸受座を備え、また、該ねじ棒体における、ステッピングモータと反対する端は、回動可能にねじ棒支持台に取り付けられ、該ねじ棒体におけるステッピングモータ端が回動可能に支持ケースの支持軸受座に取り付けられることが好ましい。

かかる直列弾性式リニアアクチュエーターにおいて、
前記ステッピングモータは、軸方向に貫設される回転子を備え、
前記動力出力部材は、スペースと、第一側板と、第二側板を備え、該第一側板は、スペースにおける軸方向の一側に設けられると共に、スペースと連通する貫通穴が形成され、該第二側板は、スペースの軸方向の他側に設けられ、
前記ねじ棒部材は、ねじ棒体及びねじ筒部を備え、該ねじ筒部は、回転子の軸方向の一端に連接され、該ねじ棒体は、直線運動可能に回転子を通ってねじ筒部に螺合され、該ねじ棒体は、第一側板の貫通穴を通ってスペースに挿入され、
前記直動部材は、直線運動可能にスペースに配置されるようにねじ棒体に取り付けられ、
前記弾性部材は、ばねを備え、該ばねは、一端が直動部材に連接されると共に、他端が動力出力部材の第一側板に連接されるように、ねじ棒部材の周囲に環装されることが好ましい。

本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターは、前記の構造により、以下に示すような効果を提供することができる。
１．正逆回動可能及び高トルク密度という利点：本発明のリニア駆動機構は、ステッピングモータを動力源として、正逆回動可能な機能を備えると共に、高トルク密度、低コスト、高信頼性の利点も備える。

２．出力の精確な制御：本発明における直動部材と動力出力部材との間に設置される弾性部材の剛性は低いことから、ステッピングモータが弾性部材の変形量の範囲内で出力を適切且つ精確に制御することができる。

３．同軸で入力／出力するため、構造をシンプルにして伝動による消耗を減少させる：リニア駆動機構１Ａの直動部材が、ねじ棒部材の駆動により動力入力方向に沿って直線往復運動すると共に、動力出力部材が該動力入力方向と一致する動力出力方向に沿って直線往復運動する。すなわち、該動力入力方向と動力出力方向とは同一の方向であり、また、直動部材と動力出力部材との間にある弾性部材も該動力入力方向と同様の付勢力を備えることから、直動部材と動力出力部材の動力を伝達することができ、すなわち、動力入力方向と、動力出力方向と、付勢力方向とが同一の軸方向であるため、それぞれの部材が同一の軸方向に沿って次々に配置されてもよいことから、部材の数を減らすことができるので、構成を簡素化することができる。さらに、ステッピングモータが直接にねじ棒体を駆動することから、同軸の直動部材及び弾性部材を介して動力出力部材に動力が伝わり、動力出力部材を直線運動させるので、ステッピングモータからのトルクの消耗を減少させることができる。

４．サイズを縮小により軽量化が可能：入力の動力と出力の動力とが同一の軸方向であることから、それらの部材が次々と密接して配置されるので、直列弾性式リニアアクチュエーター全体のサイズが小さくなり、部材の数も減少する。故に、構成を簡素化でき、軽量化を達成できる。

５．人間とのコミュニケーションまたは環境に対応可能なインタラクティブロボットの領域に適用可能：本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターは、弾性部材により直動部材と動力出力部材との間に動力伝達可能に連接されると共に、動力入力方向と同一の軸方向の付勢力を持たせるために、動力を弾性力として蓄えると共に、衝撃から守る効果も備えることから、移動性、人間とのコミュニケーション、環境に対応可能となり、例えば、リハビリテーション支援ロボット、人型ロボット、ロボット義肢などの領域に対して、優れた駆動源を提供すると共に、作動上の安全性も確保することができる。

本発明の移動検知センサは、弾性部材の一側に設置され、直動部材と動力出力部材との間に連接される弾性部材の変形量を検知して出力を計算することができることから、この移動検知センサを用いれば、低コストで正／逆回転の力を精確に制御することができると共に、トルク密度を高くして出力を精確に制御できる。

本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの第一実施例の斜視図である。 本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの第一実施例の他の斜視図である。 本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの第一実施例の平面図である。 本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの第二実施例の斜視図である。 本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの第二実施例の他の斜視図である。 本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの第二実施例の平面図である。

図１及び図４は、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターの実施例であり、この直列弾性式リニアアクチュエーターＡ、Ｂは、リニア駆動機構１Ａ、１Ｂと、動力出力部材２Ａ、２Ｂと、弾性部材３Ａ、３Ｂを有する。

図１乃至図４に示すように、前記リニア駆動機構１Ａ、１Ｂは、ステッピングモータ１０Ａ、１０Ｂと、ねじ棒部材１２Ａ、１２Ｂと、直動部材１３Ａ、１３Ｂとを備え、該ねじ棒部材１２Ａ、１２Ｂは、ステッピングモータ１０Ａ、１０Ｂに連接され、該直動部材１３Ａ、１３Ｂは、ねじ棒部材１２Ａ、１２Ｂと連接するようにステッピングモータ１０Ａ、１０Ｂの一側に設置され、該ねじ棒部材１２Ａ、１２Ｂの駆動により動力入力方向に沿って直線往復運動をするものである。

図１乃至図４に示すように、前記動力出力部材２Ａ、２Ｂは、直動部材１３Ａ、１３Ｂにおける軸方向の一側に設置され、前記動力入力方向と一致する動力出力方向に沿って直線往復運動を行うものである。

図１乃至図４に示すように、前記弾性部材３Ａ、３Ｂは、直動部材１３Ａ、１３Ｂと動力出力部材２Ａ、２Ｂとの間に動力伝達可能に連接され、前記動力入力方向と一致する付勢力を備える。

図１乃至図３に示すように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターＡの第一実施例におけるステッピングモータ１０Ａは駆動軸を備え、前記動力出力部材２Ａは、直動部材１３Ａとステッピングモータ１０Ａとの間に配置され、該動力出力部材２Ａに貫通穴２１Ａが形成され、該ねじ棒部材１２Ａは、ねじ棒体１２１Ａ及び、直動部材１３Ａの内部に配置されるねじ筒部を備え、該ねじ棒体１２１Ａは、動力出力部材２Ａの貫通穴２１Ａを通って、カップリング１２３Ａを介してステッピングモータ１０Ａの駆動軸に連接され、また、該カップリング１２３Ａの周囲に、ステッピングモータ１０Ａに固定される支持ケース１７Ａを有し、該支持ケース１７Ａに支持軸受座１７１Ａを備えることから、該ねじ棒体１２１Ａにおけるステッピングモータ１０Ａの近傍の一端は、回動可能に支持ケース１７Ａの支持軸受座１７１Ａに取り付けられ、該ねじ棒体１２１Ａは、直動部材１３Ａの内部にあるねじ筒部に螺合されると共に、該ねじ棒体１２１Ａにおけるステッピングモータ１０Ａと反対する端は、回動可能にねじ棒支持台１８Ａに取り付けられる。

図１乃至図３に示すように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターＡはさらに、少なくとも１つのレール１６Ａを有する。尚、本実施例においては２つのレール１６Ａを有し、該レール１６Ａは、ねじ棒体１２１Ａと平行に設置され、前記直動部材１３Ａ及び動力出力部材２Ａはそれぞれ、レール１６Ａに沿って移動可能にレール１６Ａに設置される。また、本実施例において、直列弾性式リニアアクチュエーターＡは、ベース１５Ａに設置され、ステッピングモータ１０Ａは、支持ケース１７Ａを介してベース１５Ａに取り付けられ、レール１６Ａ及び軸受座１４Ａはベース１５Ａに取り付けられる。

図１乃至図３に示すように、本実施例において、弾性部材３Ａはばね３０Ａを有し、該ばね３０Ａは、一端が直動部材１３Ａに当接しながら他端が動力出力部材２Ａに当接するようにねじ棒体１２１Ａの周囲に環装される。

図１乃至図３に示すように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターＡの第一実施例では、さらに移動検知センサ５Ａを有し、該移動検知センサ５Ａは、直動部材１３Ａと動力出力部材２Ａとの間に連接される弾性部材３Ａの変形量を検知して出力を計算するものであり、弾性部材３Ａの一側に設置され、これによれば、直列弾性式リニアアクチュエーターＡの出力量を精確に制御することができる。

図４乃至図６に示すように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターＢの第二実施例では、ステッピングモータ１０Ｂが軸方向に貫設される回転子１１Ｂを備え、前記直動部材１３Ｂは、動力出力部材２Ｂの内部に設置され、該ねじ棒部材１２Ｂは、ねじ棒体１２１Ｂ及び、該ねじ棒体１２１Ｂに螺合されるねじ筒部１２２Ｂを備え、該ねじ棒体１２１Ｂは、回転子１１Ｂと同軸に連接され、且つ動力入力方向に沿って動力出力部材２Ｂに貫設され、末端は回動可能に直動部材１３Ｂに連接される。また、弾性部材３Ｂはばね３０Ｂを備え、該ばね３０Ｂの一端が直動部材１３Ｂに連接されると共に、他端が動力出力部材２Ｂに連接される。

図４乃至図６に示すように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターＢの第二実施例では、ステッピングモータ１０Ｂが軸方向に貫設される回転子１１Ｂを備え、動力出力部材２Ｂは、スペース２２Ｂと、第一側板２３Ｂと、第二側板２４Ｂを備え、そのうち、第一側板２３Ｂは、スペース２２Ｂの軸方向の一側に設けられ、該第一側板２３Ｂにスペース２２Ｂと連通する貫通穴２１Ｂが形成され、該第二側板２４Ｂは、スペース２２Ｂの軸方向の他側に設けられ、ねじ棒部材１２Ｂは、ねじ棒体１２１Ｂ及びねじ筒部１２２Ｂを備え、そのうち、ねじ筒部１２２Ｂは、回転子１１Ｂの軸方向の一端に連接され、該ねじ棒体１２１Ｂは、直線運動可能に回転子１１Ｂを通ってねじ筒部１２２Ｂに螺合され、また、該ねじ棒体１２１Ｂは、第一側板２３Ｂの貫通穴２１Ｂを通ってスペース２２Ｂに挿入するように回動可能に直動部材１３Ｂに取り付けられ、弾性部材３Ｂは、ばね３０Ｂを備え、該ばね３０Ｂの一端が直動部材１３Ｂに連接されると共に、他端が動力出力部材２Ｂの第一側板２３Ｂに連接されるように、ねじ棒部材１２Ｂの周囲に環装される。

図４乃至図６に示すように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターＢの第二実施例では、さらに移動検知センサ５Ｂを備え、該移動検知センサ５Ｂは、弾性部材３Ｂの変形量を検知して出力を計算するように弾性部材３Ｂの一側に設置される。
本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターは、リハビリテーション支援ロボット、人型ロボット、ロボット義肢として利用したり、人間とのコミュニケーションまたは環境に対応可能となるインタラクティブロボットなどの領域にも適用でき、駆動するための動力源としてロボットの作動部材と連結して用いる。

図１乃至図３に示すように、本発明の直列弾性式リニアアクチュエーターの第一実施例では、リニア駆動機構１Ａが、ステッピングモータ１０Ａを動力源として正逆回動可能な機能を備えることから、ステッピングモータ１０Ａからのトルクによりねじ棒部材１２Ａを駆動して直動部材１３Ａ、１３Ｂを直線運動させ、これによれば、弾性部材３Ａが負荷と連接する動力出力部材２Ａを軸方向に沿って直線運動させ、ロボットを作動させることができる。上述したように、直動部材１３Ａ、１３Ｂと動力出力部材２Ａとの間にある弾性部材３Ａの剛性は低いので、ステッピングモータ１０Ａが弾性部材３Ａの変形量の範囲内で適切且つ精確に出力を制御することができる。

上述したように、本発明の直列弾性式リニアアクチュエーターは、弾性部材３Ａの一側に設置された移動検知センサ５Ａを用いて、弾性部材３Ａの変形量を検知して出力を算出するものであり、これによれば、低コストの移動検知センサ５Ａを用いて正／逆回転の力を精確に制御することができると共に、高トルク密度を実現して動力を精確に制御することができる。

本発明の直列弾性式リニアアクチュエーターにおけるリニア駆動機構１Ａは、ステッピングモータ１０Ａを動力源として、正逆回動可能なものであることから、高トルク密度、低コスト、高信頼性などのメリットを達成でき、また、直動部材１３Ａと動力出力部材２Ａとの間にある弾性部材３Ａの剛性が低いため、ステッピングモータ１０Ａが弾性部材３Ａの変形量の範囲内で適切且つ精確に出力を制御することができる。

更に、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターにおける、入力部材と出力部材とは同軸に設置されることから、それらの部材が次々と密接するように配置されるので、部材数の減少により構造を簡素化できる。故に、サイズの小型化により軽量化を達成できる。

また、前記ステッピングモータ１０Ａは、直接にねじ棒体１２１Ａを駆動すると共に、同軸の直動部材１３Ａ、弾性部材３Ａにより動力を動力出力部材２Ａに伝達することから、動力出力部材２Ａを直線運動させることにより、ステッピングモータ１０Ａからのトルクの消耗を減らすことができる。

上述したように、本発明に係る直列弾性式リニアアクチュエーターは、弾性部材３Ａにより直動部材１３Ａと動力出力部材２Ａとの間に動力伝達可能に連接されることから、動力を弾性力として蓄えると共に、衝撃から守ることがきるので、移動性、人間とのコミュニケーション、環境に対応可能となり、例えば、リハビリテーション支援ロボット、人型ロボット、ロボット義肢などの領域に対して、優れた駆動源を提供すると共に、作動上の安全性も確保することができる。

Ａ、Ｂ 直列弾性式リニアアクチュエーター
１Ａ、１Ｂ リニア駆動機構
１０Ａ、１０Ｂ ステッピングモータ
１１Ｂ 回転子
１２Ａ、１２Ｂ ねじ棒部材
１２１Ａ、１２１Ｂ ねじ棒体
１２２Ｂ ねじ筒部
１２３Ａ カップリング
１３Ａ、１３Ｂ 直動部材
１４Ａ 軸受座
１５Ａ ベース
１６Ａ レール
１７Ａ 支持ケース
１７１Ａ 支持軸受座
１８Ａ ねじ棒支持台
２Ａ、２Ｂ 動力出力部材
２１Ａ、２１Ｂ 貫通穴
２２Ｂ スペース
２３Ｂ 第一側板
２４Ｂ 第二側板
３Ａ、３Ｂ 弾性部材
３０Ａ、３０Ｂ ばね
５Ａ、５Ｂ 移動検知センサ

Claims (5)

1. ステッピングモータと、ねじ棒部材と、直動部材を備え、該ねじ棒部材は、ステッピングモータに連接され、該直動部材は、ねじ棒部材と連結するようにステッピングモータの一側に設置され、該ねじ棒部材の駆動により動力入力方向に沿って直線往復運動を行う、リニア駆動機構と、
   前記直動部材における軸方向の一側に設置され、前記動力入力方向と一致する動力出力方向に沿って直線往復運動を行う、動力出力部材と、
   前記直動部材と動力出力部材との間に設けられ、前記動力入力方向に付勢力を備える、弾性部材と、
   移動検知センサと、
   を有しており、前記移動検知センサは、前記弾性部材の変形量を検知して出力を計算するものであり、前記弾性部材の一側に設置されていることを特徴とする直列弾性式リニアアクチュエーター。
2. 前記ステッピングモータは、回転子を備え、
   前記動力出力部材は、直動部材とステッピングモータとの間に配置され、該動力出力部材に貫通穴が形成され、
   前記ねじ棒部材は、ねじ棒体及びねじ筒部を備え、該ねじ棒体は、回転子と同軸に連接されると共に、前記動力入力方向に沿って動力出力部材の貫通穴に貫設され、該ねじ筒部は、ねじ棒体に螺合されると共に、直動部材に取り付けられ、
   前記弾性部材は、一端が直動部材に当接しながら他端が動力出力部材に当接するように、ねじ棒体の周囲に環装されるばねを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の直列弾性式リニアアクチュエーター。
3. 前記ねじ棒体と平行する少なくとも１つのレールを有し、
   前記直動部材及び動力出力部材はそれぞれ、レールに設置され、
   前記ねじ棒体における、ステッピングモータと反対する端が回動可能に軸受座に取り付けられる、ことを特徴とする請求項２に記載の直列弾性式リニアアクチュエーター。
4. 前記ねじ棒体と平行する少なくとも１つのレールを有し、
   前記直動部材及び動力出力部材はそれぞれ、レールに設置され、
   前記ねじ棒体は、カップリングを介してステッピングモータの駆動軸に連接され、該カップリングの周囲に支持ケースが設置され、該支持ケースに支持軸受座を備え、また、該ねじ棒体における、ステッピングモータと反対する端は、回動可能にねじ棒支持台に取り付けられ、該ねじ棒体におけるステッピングモータ端が回動可能に支持ケースの支持軸受座に取り付けられる、ことを特徴とする請求項２に記載の直列弾性式リニアアクチュエーター。
5. 前記ステッピングモータは、軸方向に貫設される回転子を備え、
   前記動力出力部材は、スペースと、第一側板と、第二側板を備え、該第一側板は、スペースにおける軸方向の一側に設けられると共に、スペースと連通する貫通穴が形成され、該第二側板は、スペースの軸方向の他側に設けられ、
   前記ねじ棒部材は、ねじ棒体及びねじ筒部を備え、該ねじ筒部は、回転子の軸方向の一端に連接され、該ねじ棒体は、直線運動可能に回転子を通ってねじ筒部に螺合され、該ねじ棒体は、第一側板の貫通穴を通ってスペースに挿入され、
   前記直動部材は、直線運動可能にスペースに配置されるようにねじ棒体に取り付けられ、
   前記弾性部材は、ばねを備え、該ばねは、一端が直動部材に連接されると共に、他端が動力出力部材の第一側板に連接されるように、ねじ棒部材の周囲に環装される、ことを特徴とする請求項１に記載の直列弾性式リニアアクチュエーター。

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