JP6803338B2

JP6803338B2 - ２自由度の駆動機構

Info

Publication number: JP6803338B2
Application number: JP2017554218A
Authority: JP
Inventors: 部雅幸掃
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-12-05
Also published as: US20190168400A1; EP3385571A4; KR102458112B1; CN108291618A; KR20210116692A; WO2017094922A1; EP3385571B1; EP3385571A1; US10828787B2; KR20180088448A; JPWO2017094922A1

Description

本発明は、被駆動体に動力を伝達して２自由度の動作にて駆動するための駆動機構にかかわり、特に、ロボットの関節構造に適用可能な駆動機構に関する。

従来、関節構造を有するロボットにおいては、所望の角度範囲において関節部を動作させるために、各種の駆動機構が採用されている。

例えばヒューマノイド型のロボットにおいては、足首関節などの関節部を動作させるための駆動機構が設けられている。ここで、ヒューマノイド型ロボットの関節部は、前後方向に延びる回転軸線周りの傾動動作（ロール動作）と、左右方向に延びる回転軸線周りの傾動動作（ピッチ動作）の両方の動作を実現する必要がある。

そして、ロボットで二足歩行を実現するためには、比較的大きな角度範囲で関節部を動かす必要があり、これを実現するために、遊星歯車増速機構などを適用することが試みられている。

しかしながら、遊星歯車増速機構を用いて、関節部における大きな動作角度範囲を、２自由度にて確保しようとすると、特にピッチ方向のたわみが大きくなり、また、必要な関節トルクを確保するために大きな歯車が必要となる。

なお、ヒューマノイド型ロボットの駆動機構に限らず、他の種類のロボットの駆動機構や、ロボット以外の駆動機構においても、被駆動体における２自由度の動作を、比較的大きな角度範囲にて実現したい場合がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、被駆動体における２自由度の所望の動作角度範囲を、被駆動体が装着された構造体のたわみを抑制しつつ、コンパクトな構成にて確保できる駆動機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、被駆動体に動力を伝達して２自由度の動作にて駆動するための駆動機構であって、中心軸線を有する基部と、前記被駆動体を前記基部に傾動可能に連結するための自在継手と、前記被駆動体に前記動力を伝達するための動力伝達手段と、を備え、前記自在継手は、前記中心軸線に直交する第１回転軸線と、前記第１回転軸線に直交し且つ前記第１回転軸線周りに傾動可能な第２回転軸線とを有し、前記被駆動体は、前記第２回転軸線周りに回転可能となるように前記自在継手に設けられ、前記動力伝達手段は、前記中心軸線および前記第１回転軸線を含む第１仮想平面に関して両側に配置された一対のリンク機構を有し、前記一対のリンク機構の各々は、前記第１仮想平面に垂直な第３回転軸線周りに回転可能に前記基部に設けられた基端部を有する第１リンク部材と、前記第３回転軸線に平行な第４回転軸線周りに回転可能に前記第１リンク部材の先端部に連結された基端部を有する第２リンク部材と、前記第２回転軸線に垂直な第２仮想平面内にある第５回転軸線周りに回転可能に前記被駆動体に設けられ、前記第２リンク部材の先端部が、前記第５回転軸線に直交する第６回転軸線周りに回転可能に設けられた第３リンク部材と、を有する、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第１リンク部材の前記先端部と前記第２リンク部材の前記基端部とが、球状継手によって連結されている、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記第２リンク部材の前記先端部と前記第３リンク部材とが、球状継手によって連結されている、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様において、前記動力を生成するための動力生成手段をさらに有し、前記動力生成手段は、前記第１仮想平面に関して両側に配置された一対の駆動源を有する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記一対の駆動源は、一対のシリンダーを有し、前記一対のシリンダーの各々のロッドの先端が、前記第１リンク部材に連結されている、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記一対のシリンダーは、前記第１仮想平面に垂直な第７回転軸線周りに回転可能に前記基部に設けられている、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第５または第６の態様において、前記シリンダーは、ネジ軸と、前記ネジ軸に螺着されたナットとを有する電動シリンダーであり、前記動力生成手段は、前記ネジ軸が回転駆動されることにより前記ナットが進退駆動されて前記動力が生成されるように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第１乃至第７のいずれかの態様において、前記第３回転軸線と前記第４回転軸線との距離が、前記第２回転軸線と、前記第２回転軸線に平行な状態にあるときの前記第６回転軸線との距離と異なる、ことを特徴とする。

本発明によれば、被駆動体における２自由度の所望の動作角度範囲を、被駆動体が装着された構造体のたわみを抑制しつつ、コンパクトな構成にて確保できる駆動機構を提供することができる。

本発明の一実施形態による駆動機構を示した斜視図。図１に示した駆動機構を示した他の斜視図。図１に示した駆動機構を示した他の斜視図。図１に示した駆動機構を示した他の斜視図。図１に示した駆動機構を示した他の斜視図。図１に示した駆動機構を示した他の斜視図。図１に示した駆動機構を示した他の斜視図。駆動機構の比較例を示した斜視図。図８に示した駆動機構を示した他の斜視図。

以下、本発明の一実施形態による駆動機構について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態による駆動機構は、特にヒューマノイド型ロボットの関節部（例えば足首関節）における駆動機構に適したものである。

ただし、本発明による駆動機構は、ヒューマノイド型ロボットの関節部への適用に限られるものではなく、少なくとも２自由度の動作を必要とする被駆動体における駆動機構に広く適用可能である。

図１に示した本実施形態による駆動機構１は、被駆動体２において２自由度の動作を実現するためのものである。被駆動体２は、例えばヒューマノイド型ロボットの足首関節の構成要素であり、歩行に際して少なくとも２自由度の動作を行うものである。

駆動機構１は、長手方向の中心軸線Ａ０を有する細長のフレーム部材（基部）３を備えている。フレーム部材３の下端部には自在継手４が設けられており、この自在継手４によって、被駆動体２がフレーム部材３に傾動可能に連結されている。

自在継手４は、中心軸線Ａ０に直交する第１回転軸線Ａ１と、第１回転軸線Ａ１に直交し且つ第１回転軸線Ａ１周りに傾動可能な第２回転軸線Ａ２を有する。

自在継手４は、第１回転軸線Ａ１に沿って延在する第１軸部材５と、第２回転軸線Ａ２に沿って延在する第２軸部材６とを備えている。第１軸部材５は、フレーム部材３の下端部の前後に設けられた取付部材７によって支持されている。第２軸部材６は、第１軸部材５の中央部に設けられたブロック片８で支持されている。

被駆動体２は、左右一対のフランジ部９を有し、被駆動体２が第２回転軸線Ａ２周りに回転可能となるように、フランジ部９が自在継手４の第２軸部材６に支持されている。

上記のとおり、自在継手４を介してフレーム部材３の下端に被駆動体２を設けることにより、被駆動体２は、第１回転軸線Ａ１周りの傾動動作（ロール動作）と、第２回転軸線Ａ２周りの傾動動作（ピッチ動作）とを行うことができる。

本実施形態による駆動機構１は、さらに、被駆動体２に動力を伝達するための動力伝達手段として、一対のリンク機構１０を備えている。一対のリンク機構１０は、中心軸線Ａ０および第１回転軸線Ａ１を含む第１仮想平面に関して両側に配置されている。一対のリンク機構１０の各々は、第１リンク部材１１、第２リンク部材１２、および第３リンク部材１３を有する。

第１リンク部材１１は、第１仮想平面に垂直な第３回転軸線Ａ３周りに回転可能にフレーム部材３の左右側面に設けられた基端部を有する。

第２リンク部材１２は、第３回転軸線Ａ３に平行な第４回転軸線Ａ４周りに回転可能に第１リンク部材１１の先端部に連結された基端部を有する。

第３リンク部材１３は、第２回転軸線Ａ２に垂直な第２仮想平面内にある第５回転軸線Ａ５周りに回転可能に被駆動体２のフランジ部９に設けられている。第２リンク部材１２の先端部が、第５回転軸線Ａ５に直交する第６回転軸線Ａ６周りに回転可能に第３リンク部材１３に連結されている。

第１リンク部材１１の先端部と第２リンク部材１２の記基端部とは、球状継手によって連結されている。また、第２リンク部材１２の先端部と第３リンク部材１３とが、球状継手によって連結されている。

駆動機構１のフレーム部材３の左右両側には、動力生成手段としての一対の電動シリンダー（駆動源）１４が、第１仮想平面に関して対象に設けられている。電動シリンダー１４の基端部は、フレーム部材１３に設けられたブロック部材１５に、第２回転軸線Ａ２と平行な第７回転軸線Ａ７周りに回転可能に連結されている。

一対の電動シリンダー１４の各々のロッド１６の先端が、第１リンク部材１１の先端部に、第４回転軸線Ａ４周りに回転可能に連結されている。

一対の電動シリンダー１４の各々は、互いに独立に駆動可能なサーボモータ１７を備えている。電動シリンダー１４は、ボールスクリュー機構を内蔵しており、サーボモータ１７の動力が、ベルト１８を介してボールスクリュー機構に伝達される。

図２乃至図７に示した駆動機構１は、電動シリンダー１４のロッドを複数の細長部材で構成したものであるが、その他の構造は図１に示した駆動機構１と同様である。なお、図３、図５、および図６においては、電動シリンダー１４の内部構造が見えるように、シリンダー本体の一部を切り欠いて示している。

図３、図５、および図６に示したように、本実施形態による駆動機構１においては、電動シリンダー１４のネジ軸１９を回転駆動することにより、ネジ軸１９に螺着されたナット２０がネジ軸１９に沿って進退駆動されるように構成されている。なお、ナット２０にはロッド１６の基端部が連結されており、ナット２０と一体にロッド１６が進退駆動される。

このようにネジ軸１９を回転駆動してナット２０を進退駆動するように構成することで、ナットを回転駆動してネジ軸を進退駆動する構成に比べて、次に述べるような種々のメリットが得られる。

第１に、ナットを回転駆動してネジ軸を進退駆動する場合に比べて、機械効率が高くなる。第２に、ナットを回転駆動してネジ軸を進退駆動する場合に比べて、駆動する構造を形成し易くなる。第３に、ナットを回転駆動すると、ナットを介して前後にネジ軸が出入りするため、デッドスペースができ、スペースファクタが悪くなる。

図１および図２乃至図７に示したように、左右の電動シリンダー１４のロッド１６の伸縮量を、互いに独立に変更することにより、被駆動体２においてロール動作とピッチ動作を行わせることができる。

上記のとおり、本実施形態による駆動機構１においては、遊星歯車増速機構を用いることなく、フレーム部材３に装着した一対の電動シリンダー１４の動力を、一対のリンク機構１０によって被駆動体２に伝達するようにしたので、遊星歯車増速機構を用いた場合のような大きなたわみを生じることなく、被駆動体２において所望の動作角度範囲を確保することができる。

また、駆動機構１においては、第３回転軸線Ａ３と第４回転軸線Ａ４との距離が、第２回転軸線Ａ２と、第２回転軸線Ａ２に平行な状態にあるときの第６回転軸線Ａ６との距離よりも長くなるように設定されている。これにより、電動シリンダー１４のロッド１６を伸縮駆動して被駆動体２に傾動動作を行わせる際の増速比を確保することができる。その結果、電動シリンダー１４において必要となるストロークが短くなり、電動シリンダー１４の短尺化を図ることができる。

図８および図９は、比較例としての駆動機構１００を示したものであり、この例においては、第１リンク部材１１および第２リンク部材１２が省略されており、電動シリンダー１４のロッド１６が、第３リンク部材１３に直接連結されている。なお、図８および図９においては、電動シリンダー１４の内部構造が見えるように、シリンダー本体の一部を切り欠いて示している。

図８および図９から分かるように、この比較例としての駆動機構１００においては、被駆動体２において傾動動作（ロール動作およびピッチ動作）をさせるために電動シリンダー１４のロッド１６を伸縮させると、これに伴って電動シリンダー１４全体が左右方向に揺動してしまう。

このため、電動シリンダー１４の左右方向の揺動動作の範囲内にはロボットの構成部材を配置することができず、例えばロボットの強度を高めるための部材や、内部構造を覆うためのカバー部材の配置が困難であった。

これに対して、本実施形態による駆動機構１においては、図１乃至図７に示したように、被駆動体２において傾動動作（ロール動作およびピッチ動作）をさせるために電動シリンダー１４のロッド１６を伸縮させても、電動シリンダー１４は左右方向に揺動することがなく、フレーム部材３の中心軸線Ａ０と第１回転軸線Ａ１を含む第１仮想平面に平行な方向にのみ揺動する。

このため、ロボットの強度を高めるための部材や、内部構造を覆うためのカバー部材の配置における自由度が大幅に向上する。また、上述したように電動シリンダー１４の短尺化を図ることもできるので、これによっても、ロボットの構成要素における配置の自由度を高めることができる。

なお、上述した実施形態においては、被駆動体２の傾動可能範囲を拡大するために、第２リンク部材１２の両端に玉軸受けを設けているが、第２リンク部材１２の一方の端部のみに玉軸受けを設けるようにしても良い。

また、上述した実施形態においては、サーボモータ１７により駆動される電動シリンダー１４を駆動源として使用しているが、本発明による駆動機構における駆動源（動力生成手段）は、これに限られるものではなく、第３回転軸線Ａ３周りの第１リンク部材１１の回転角度を制御できるものであればよい。

１駆動機構
２被駆動体
３フレーム部材（基部）
４自在継手
５第１軸部材
６第２軸部材
７取付部材
８ブロック片
９フランジ部
１０リンク機構（動力伝達手段）
１１第１リンク部材
１２第２リンク部材
１３第３リンク部材
１４電動シリンダー
１５ブロック部材
１６電動シリンダーのロッド
１７サーボモータ
１８ベルト
１９電動シリンダーのネジ軸
２０電動シリンダーのナット
Ａ０基部の中心軸線
Ａ１第１回転軸線
Ａ２第２回転軸線
Ａ３第３回転軸線
Ａ４第４回転軸線
Ａ５第５回転軸線
Ａ６第６回転軸線
Ａ７第７回転軸線

Claims

被駆動体に動力を伝達して２自由度の動作にて駆動するための駆動機構であって、
中心軸線を有する基部と、
前記被駆動体を前記基部に傾動可能に連結するための自在継手と、
前記被駆動体に前記動力を伝達するための動力伝達手段と、を備え、
前記自在継手は、前記中心軸線に直交する第１回転軸線と、前記第１回転軸線に直交し且つ前記第１回転軸線周りに傾動可能な第２回転軸線とを有し、
前記被駆動体は、前記第２回転軸線周りに回転可能となるように前記自在継手に設けられ、
前記動力伝達手段は、前記中心軸線および前記第１回転軸線を含む第１仮想平面に関して両側に配置された一対のリンク機構を有し、
前記一対のリンク機構の各々は、前記第１仮想平面に垂直な第３回転軸線周りに回転可能に前記基部に設けられた基端部を有する第１リンク部材と、前記第３回転軸線に平行な第４回転軸線周りに回転可能に前記第１リンク部材の先端部に連結された基端部を有する第２リンク部材と、前記第２回転軸線に垂直な第２仮想平面内にある第５回転軸線周りに回転可能に前記被駆動体に設けられ、前記第２リンク部材の先端部が、前記第５回転軸線に直交する第６回転軸線周りに回転可能に設けられた第３リンク部材と、を有し、
前記動力を生成するための動力生成手段をさらに有し、
前記動力生成手段は、前記第１仮想平面に関して両側に配置された一対の駆動源を有し、
前記一対の駆動源は、一対のシリンダーを有し、
前記一対のシリンダーの各々のロッドの先端が、前記第１リンク部材に連結されており、
前記シリンダーは、ネジ軸と、前記ネジ軸に螺着されたナットとを有する電動シリンダーであり、
前記動力生成手段は、前記ネジ軸が回転駆動されることにより前記ナットが進退駆動されて前記動力が生成されるように構成されている、駆動機構。
前記第１リンク部材の前記先端部と前記第２リンク部材の前記基端部とが、球状継手によって連結されている、請求項１記載の駆動機構。
前記第２リンク部材の前記先端部と前記第３リンク部材とが、球状継手によって連結されている、請求項１または２に記載の駆動機構。
前記一対のシリンダーは、前記第１仮想平面に垂直な第７回転軸線周りに回転可能に前記基部に設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の駆動機構。
前記第３回転軸線と前記第４回転軸線との距離が、前記第２回転軸線と、前記第２回転軸線に平行な状態にあるときの前記第６回転軸線との距離と異なる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の駆動機構。