JP6963310B2 - Actuator and actuator operation control method - Google Patents

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Description

本発明は、アクチュエータ及びアクチュエータの動作制御方法に関する。 The present invention relates to an actuator and a method of controlling the operation of the actuator.

従来、マニピュレータやロボット用に用いることを目的としたアクチュエータの開発が行われている。
このようなアクチュエータには、高速・高トルク・小型軽量・高バックドライバビリティという特性が要求される。
ここで、小型軽量・高トルクを実現するために、減速機を用いたアクチュエータが知られているが、減速機を用いることで、アクチュエータのバックドライバビリティが著しく劣化することとなる。
そこで、ギヤードモータの出力軸にバネやダンパ、クラッチ等の機械部品を連結させた直列弾性アクチュエータが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
この直列弾性アクチュエータは、省エネルギ化及び高バックドライバビリティ化の実現を図るものである。
また、クラッチを連結させたアクチュエータ(例えば、非特許文献2参照)や、バネ及びクラッチを両方利用したアクチュエータ(例えば、非特許文献3参照)等も提案されている。
Conventionally, actuators for use in manipulators and robots have been developed.
Such actuators are required to have characteristics of high speed, high torque, small size, light weight, and high back drivability.
Here, an actuator using a speed reducer is known in order to realize small size, light weight, and high torque, but the use of the speed reducer significantly deteriorates the back drivability of the actuator.
Therefore, a series elastic actuator in which mechanical parts such as a spring, a damper, and a clutch are connected to an output shaft of a geared motor has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
This series elastic actuator aims to realize energy saving and high back drivability.
Further, an actuator in which a clutch is connected (see, for example, Non-Patent Document 2), an actuator using both a spring and a clutch (see, for example, Non-Patent Document 3), and the like have also been proposed.

G.Pratt and M.Williamson, “Series elastic actuators,“ in Proc. 1995 IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, vol.1,Aug.1995,pp.399−406.G. Pratt and M. Williamson, "Series elastic actuators," in Proc. 1995 IEEE / RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, vol. 1, August. 1995, pp. 399-406. N.Lauzier and C.Gosselin, “Series clutch actuators for safe physical human−robot interaction,” in Proc. 2011 IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, May 2011, pp.5401−5406.N. Lauzier and C.I. Gosselin, “Series clutch actuators for safe physical human-robot intervention,” in Proc. 2011 IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, May 20111, pp. 5401-5406. D.F.B. Haeufle, M.D.Taylor, S.Schmitt, and H.Geyer, “A clutched parallel elastic actuator Concept: Towards energy efficient powered legs in prosthetics and robotics,” in Proc. 4th IEEE RAS EMBS Int. Conf. Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2012, Jun. 2012, pp. 1614−1619.D. F. B. Haeufle, M. et al. D. Taylor, S.A. Schmitt, and H. Gayer, "A cluched parallel elastic actuator Concept: Towers energy effective power legs in prosthetics and robotics," in Proc. 4th IEEE RAS EMBS Int. Conf. Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2012, Jun. 2012, pp. 1614-1619.

しかしながら、非特許文献1〜3に記載された技術を含め、従来の技術においては、減速機により劣化したバックドライバビリティの回復や省エネルギ化を主眼として、バネやクラッチの連結が行われている。一方、減速機を備えることにより、バックドライバビリティの低下のみならず、アクチュエータの最高回転数の低下も同時に引き起こされる。
したがって、減速機を備える従来のアクチュエータにおいては、高速な動作の実現が困難であった。
However, in the conventional techniques including the techniques described in Non-Patent Documents 1 to 3, springs and clutches are connected mainly for recovery of back drivability deteriorated by a speed reducer and energy saving. .. On the other hand, by providing the speed reducer, not only the back drivability is lowered, but also the maximum rotation speed of the actuator is lowered at the same time.
Therefore, it has been difficult to realize high-speed operation with a conventional actuator equipped with a speed reducer.

本発明は、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to realize a higher speed operation in an actuator including a speed reducer.

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るアクチュエータは、
第1の減速機構を有し、出力動作を行う出力部に対する駆動力を発生する力/トルク源と、
前記力/トルク源によって発生された前記駆動力の伝達経路に設置され、前記駆動力の前記出力部への伝達を制御する伝達制御機構と、
前記駆動力の伝達経路において、前記伝達制御機構が前記駆動力の前記出力部への伝達を制御する点に対し、前記力/トルク源側の位置に一端を連結され、前記出力部側の位置に他端を連結された第1の弾性部材と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the actuator according to one aspect of the present invention is
A force / torque source that has a first deceleration mechanism and generates a driving force for an output unit that performs output operation.
A transmission control mechanism installed in a transmission path of the driving force generated by the force / torque source and controlling the transmission of the driving force to the output unit.
In the driving force transmission path, one end is connected to the position on the force / torque source side with respect to the point where the transmission control mechanism controls the transmission of the driving force to the output unit, and the position on the output unit side. With the first elastic member whose other end is connected to
It is characterized by having.

本発明によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a higher speed operation in an actuator including a speed reducer.

本発明の基本的原理を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic principle of this invention. バックドライバビリティのボード線図を示す図である。It is a figure which shows the board diagram of the back drivability. 本発明のアクチュエータの機能的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the actuator of this invention. 第1実施形態に係るアクチュエータの装置構成例を示す外観図である。It is an external view which shows the apparatus configuration example of the actuator which concerns on 1st Embodiment. 弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチの出力軸の動きについて、図4のアクチュエータと、ギヤードモータ単体とで評価実験を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the evaluation experiment with the actuator of FIG. 4 and the geared motor alone about the movement of the output shaft of a clutch with respect to the input of an elastic force by an elastic member. 弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチの出力軸の動きについて、図4のアクチュエータと、ギヤードモータ単体とで評価実験を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the evaluation experiment with the actuator of FIG. 4 and the geared motor alone about the movement of the output shaft of a clutch with respect to the input of an elastic force by an elastic member. 弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチの出力軸の動きについて、図4のアクチュエータと、ギヤードモータ単体とで評価実験を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the evaluation experiment with the actuator of FIG. 4 and the geared motor alone about the movement of the output shaft of a clutch with respect to the input of an elastic force by an elastic member. 第2実施形態に係るアクチュエータの装置構成例を示す外観図である。It is an external view which shows the apparatus configuration example of the actuator which concerns on 2nd Embodiment. 図1の構成を有するアクチュエータの出力軸に減速機をさらに備える構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which further includes a reduction gear on the output shaft of the actuator which has the structure of FIG. 図1の構成を有するアクチュエータにおいて、クラッチの入力軸と出力軸とに連結された弾性部材をさらに備える構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which further includes the elastic member connected to the input shaft and output shaft of a clutch in the actuator which has the structure of FIG. アクチュエータが通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止したときにクラッチの締結力を変化させた場合のクラッチの出力軸の動きを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the movement of the output shaft of a clutch when the engaging force of a clutch is changed when the actuator stops a normal operation (rotational drive of an output shaft by a geared motor). アクチュエータが通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止したときにクラッチの締結力を変化させた場合のクラッチの出力軸の動きを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the movement of the output shaft of a clutch when the engaging force of a clutch is changed when the actuator stops a normal operation (rotational drive of an output shaft by a geared motor). アクチュエータの出力として直動動作を行う場合の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the configuration example at the time of performing the linear motion operation as the output of an actuator. アクチュエータによって、多自由度を有するパラレル機構を構成する場合の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the configuration example in the case of constructing a parallel mechanism having a multi-degree of freedom by an actuator. アクチュエータによって、多自由度を有するパラレル機構を構成する場合の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the configuration example in the case of constructing a parallel mechanism having a multi-degree of freedom by an actuator.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
初めに、本発明に係るアクチュエータ及びアクチュエータの動作制御方法に適用される基本的原理について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the basic principle applied to the actuator and the actuator motion control method according to the present invention will be described.

[基本的原理]
図1は、本発明の基本的原理を示すブロック図である。
図1に示すように、本発明に係るアクチュエータ1は、ギヤードモータ10と、クラッチ20と、弾性部材30とを備えている。
[Basic principle]
FIG. 1 is a block diagram showing the basic principle of the present invention.
As shown in FIG. 1, the actuator 1 according to the present invention includes a geared motor 10, a clutch 20, and an elastic member 30.

ギヤードモータ10は、筐体10aを支持部Bに固定され、出力軸10bを回転する駆動力を発生する。また、ギヤードモータ10は、回転速度及び回転トルクを変化させる減速機を内蔵しており、出力軸10bには減速機を介してギヤードモータ10の出力が伝達される。 In the geared motor 10, the housing 10a is fixed to the support portion B, and a driving force for rotating the output shaft 10b is generated. Further, the geared motor 10 has a built-in speed reducer that changes the rotation speed and the rotation torque, and the output of the geared motor 10 is transmitted to the output shaft 10b via the speed reducer.

クラッチ20は、ギヤードモータ10の出力軸10bを入力軸20aとし、この入力軸20aと出力軸20bとの締結の状態を変化させる。具体的には、クラッチ20は、電磁クラッチ、パウダクラッチ、機能性流体クラッチ、ピエゾクラッチ等の動力伝達装置によって構成され、入力軸20aと出力軸20bとの締結力を制御する。なお、以下の説明において、クラッチ20は電磁クラッチによって構成されているものとする。 The clutch 20 uses the output shaft 10b of the geared motor 10 as the input shaft 20a, and changes the engagement state between the input shaft 20a and the output shaft 20b. Specifically, the clutch 20 is composed of a power transmission device such as an electromagnetic clutch, a powder clutch, a functional fluid clutch, and a piezo clutch, and controls the fastening force between the input shaft 20a and the output shaft 20b. In the following description, it is assumed that the clutch 20 is composed of an electromagnetic clutch.

弾性部材30は、コイルばね(引っ張りばね)、トルクばね、圧縮ばね、定荷重ばね等の弾性力を発生させる部材によって構成され、一端をギヤードモータ10の筐体10a側に連結されていると共に、他端をクラッチ20の出力軸20b側に連結されている。ここで、ギヤードモータ10の筐体10a側とは、支持部B等を含む筐体10aと一体に固定されている部分である。また、クラッチ20の出力軸20b側とは、ギヤードモータ10によって発生された駆動力の伝達経路において、クラッチ20の締結力制御点よりも末端側であって、出力軸20bと共に回転する部分である。なお、以下の説明において、弾性部材30は、コイルばねによって構成されているものとする。 The elastic member 30 is composed of a member that generates an elastic force such as a coil spring (tension spring), a torque spring, a compression spring, and a constant load spring, and one end of the elastic member 30 is connected to the housing 10a side of the geared motor 10. The other end is connected to the output shaft 20b side of the clutch 20. Here, the housing 10a side of the geared motor 10 is a portion integrally fixed with the housing 10a including the support portion B and the like. Further, the output shaft 20b side of the clutch 20 is a portion that is on the terminal side of the fastening force control point of the clutch 20 and rotates together with the output shaft 20b in the transmission path of the driving force generated by the geared motor 10. .. In the following description, it is assumed that the elastic member 30 is composed of a coil spring.

このような構成により、本発明に係るアクチュエータ1は、以下のように動作する。
即ち、クラッチ20が入力軸20aと出力軸20bとを連結(固定)した状態でギヤードモータ10が出力軸10bを回転させると、出力軸10b(入力軸20a)及び出力軸20bが一体となって回転する。
このとき、ギヤードモータ10が減速機を備えていることから、高トルクでの駆動が可能である。
With such a configuration, the actuator 1 according to the present invention operates as follows.
That is, when the geared motor 10 rotates the output shaft 10b while the clutch 20 connects (fixes) the input shaft 20a and the output shaft 20b, the output shaft 10b (input shaft 20a) and the output shaft 20b become one. Rotate.
At this time, since the geared motor 10 is provided with a speed reducer, it can be driven with high torque.

また、弾性部材30の一端がギヤードモータ10の筐体10a側に連結され、他端がクラッチ20の出力軸20b側に連結されていることから、ギヤードモータ10による出力軸10bの回転に伴い、弾性部材30は、その回転を妨げる方向の弾性力を発生すると共に、ギヤードモータ10の回転トルクに応じた弾性エネルギが蓄積される。
そして、予め設定された制御条件に応じて、クラッチ20の締結力がゼロとされ、入力軸20aと出力軸20bとの連結が解除されると、出力軸20bには、弾性部材30に蓄積された弾性エネルギによって、ギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転する力が付与される。
Further, since one end of the elastic member 30 is connected to the housing 10a side of the geared motor 10 and the other end is connected to the output shaft 20b side of the clutch 20, as the geared motor 10 rotates, the output shaft 10b is rotated. The elastic member 30 generates an elastic force in a direction that hinders its rotation, and accumulates elastic energy corresponding to the rotational torque of the geared motor 10.
Then, when the engaging force of the clutch 20 is set to zero and the connection between the input shaft 20a and the output shaft 20b is released according to the preset control conditions, the clutch 20 is accumulated in the elastic member 30 on the output shaft 20b. The elastic energy gives a force to rotate in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10.

そのため、クラッチ20の開放時に、出力軸20bをギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に高速に回転させることが可能となる。
また、アクチュエータ1において、クラッチ20の出力軸20bがギヤードモータ10によって回転されているときに、物体との接触等により外力が加わった場合、クラッチ20を開放し、出力軸20bへの駆動力の伝達を解除することができると共に、弾性部材30によって、クラッチ20の出力軸20bに対し、外力が加わった方向に回転する補助力を付与することができる。
そのため、クラッチ20の開放時に、出力軸20bを外力に応じた方向に高速に回転させることが可能となり、アクチュエータ1のバックドライバビリティを向上させることができる。
このように、本発明によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。
Therefore, when the clutch 20 is released, the output shaft 20b can be rotated at high speed in the direction opposite to the rotation direction by the geared motor 10.
Further, in the actuator 1, when the output shaft 20b of the clutch 20 is rotated by the geared motor 10 and an external force is applied due to contact with an object or the like, the clutch 20 is released and the driving force to the output shaft 20b is released. The transmission can be released, and the elastic member 30 can apply an auxiliary force for rotating the output shaft 20b of the clutch 20 in the direction in which an external force is applied.
Therefore, when the clutch 20 is released, the output shaft 20b can be rotated at high speed in a direction corresponding to an external force, and the back drivability of the actuator 1 can be improved.
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a higher speed operation in the actuator provided with the speed reducer.

[物理的特性の解析]
次に、アクチュエータ1に求められる物理的特性について説明する。
減速機構を備えることで、小型かつ高出力のアクチュエーション機構が実現される。このとき、ギヤードモータ10を1慣性系とみなし、かつ、ギアでの効率を1とすれば、運動方程式は、式(1)で表される。
[Analysis of physical characteristics]
Next, the physical characteristics required for the actuator 1 will be described.
By providing a deceleration mechanism, a compact and high-output actuation mechanism is realized. At this time, if the geared motor 10 is regarded as one inertial system and the efficiency in the gear is 1, the equation of motion is expressed by the equation (1).

・dθ=G・K・I+τext−D・dθ−τ fric (1)
ただし、dは微分演算子であり、
=G ・J (2)
=G ・D (3)
τ fric=G・τ fric (4)
θ=1/G・θ (5)
である。
J g · d 2 θ g = G r · K t · I m + τ ext -D g · dθ g -τ g fric (1)
However, d is a differential operator and
J g = Gr 2 · J m (2)
D g = Gr 2 · D m (3)
τ g fric = G r · τ m fric (4)
θ g = 1 / Gr · θ m (5)
Is.

ここで、J、θ、G、K、I、τ、D、g、m、ext、fricは、慣性、角度、ギア比、トルク定数、電流、トルク、粘性定数、ギヤードモータを表す添え字、単体モータを表す添え字、外力を表す添え字、摩擦を表す添え字をそれぞれ表している。また、最高回転数ωmax、モータの最大加速度αmaxは、式(6)、(7)のようにそれぞれ表される。 Here, J, θ, G r, K t, I, τ, D, g, m, ext, fric is served represents inertia, angles, gear ratio, torque constant, current, torque, viscosity constant, the geared motor It represents a character, a subscript representing a single motor, a subscript representing an external force, and a subscript representing friction. Further, the maximum rotation speed ω max and the maximum acceleration α max of the motor are expressed as equations (6) and (7), respectively.

ω max=1/G・ω max (6)
α max=1/G・α max=(G・K・I max+τext−τ fric)/J (7)
ω g max = 1 / Gr · ω m max (6)
α g max = 1 / G r · α m max = (G r · K t · I m max + τ ext -τ g fric) / J g (7)

さらに、外力τextから変位θまでの伝達関数Gbackはシステムのバックドライバビリティを示し、式(8)のように表される。
back=θ/τext=1/(J・s+D・s) (8)
バックドライバビリティを表す伝達関数のゲインが高ければ高いほど、バックドライバビリティは高いものとなる。なお、実際には、静止摩擦τfricの影響を考えると、等価的なバックドライバビリティのゲインは、式(8)よりも小さくなる。
Further, the transfer function G back from the external force τ ext to the displacement θ g indicates the back drivability of the system and is expressed by Eq. (8).
G g back = θ g / τ ext = 1 / (J g · s 2 + D g · s) (8)
The higher the gain of the transfer function representing back drivability, the higher the back drivability. Actually, considering the influence of the static friction τfric , the equivalent back drivability gain is smaller than that in the equation (8).

以上より、ギア比が大きければ大きいほど、バックドライバビリティ、最大加速度及び最高回転数は減少することとなる。
本発明に係るアクチュエータ1では、減速機により低下したバックドライバビリティ、最大加速度及び最高回転数を回復させるため、図1に示すように、クラッチ20と弾性部材30とを連結させた構成としている。
即ち、ギヤードモータ10の出力軸10bにクラッチ20を連結し、クラッチ20の入力軸20aと出力軸20bとの連結を制御し、等価慣性及び摩擦量を低下させた上で、上述のように弾性部材30に蓄えられた弾性エネルギを運動エネルギに変換することで、本発明に係るアクチュエータ1では高速運動を実現する。
From the above, the larger the gear ratio, the lower the back drivability, the maximum acceleration and the maximum rotation speed.
The actuator 1 according to the present invention has a configuration in which the clutch 20 and the elastic member 30 are connected as shown in FIG. 1 in order to recover the back drivability, the maximum acceleration, and the maximum rotation speed lowered by the speed reducer.
That is, the clutch 20 is connected to the output shaft 10b of the geared motor 10, the connection between the input shaft 20a and the output shaft 20b of the clutch 20 is controlled, the equivalent inertia and the amount of friction are reduced, and then the elasticity is as described above. By converting the elastic energy stored in the member 30 into kinetic energy, the actuator 1 according to the present invention realizes high-speed motion.

本発明に係るアクチュエータ1は、クラッチ20の連結あるいは非連結の状態により、2つの動作モードを有している。
(1)連結状態
連結状態では、アクチュエータ1は、ギヤードモータ10の慣性とクラッチ20の慣性とが一体となって動作するシステムとなり、弾性部材30からの弾性力を抵抗として受けるシステムとなる。連結状態に対応するモードでのアクチュエータ1における運動方程式は、式(9)、(10)のように表される。
(J+J)dθ=G・K・I+τext−D・dθ−K・θ−τ fric (9)
θ=dθ (10)
ただし、Kは弾性部材30のばね定数、添え字cはクラッチ20を表す添え字である。
The actuator 1 according to the present invention has two operation modes depending on whether the clutch 20 is engaged or disconnected.
(1) Connected state In the connected state, the actuator 1 is a system in which the inertia of the geared motor 10 and the inertia of the clutch 20 operate integrally, and is a system that receives an elastic force from the elastic member 30 as a resistance. The equations of motion in the actuator 1 in the mode corresponding to the connected state are expressed as equations (9) and (10).
(J g + J c) d 2 θ c = G r · K t · I m + τ ext -D g · dθ c -K · θ c -τ g fric (9)
d 2 θ g = d 2 θ c (10)
However, K is the spring constant of the elastic member 30, and the subscript c is a subscript representing the clutch 20.

(2)非連結状態
非連結状態では、ギヤードモータ10の出力が遮断されるため、外力と弾性部材30によるトルクによってのみ動作するシステムとなる。非連結状態に対応するモードでのアクチュエータ1における運動方程式は、式(11)、(12)で表される。
・dθ=τext−K・θ (11)
・dθ=G・K・I+τext−D・dθ−τ fric (12)
ただし、ここではクラッチ20の摩擦はゼロとみなしている。
(2) Unconnected state In the unconnected state, the output of the geared motor 10 is cut off, so that the system operates only by an external force and torque by the elastic member 30. The equations of motion in the actuator 1 in the mode corresponding to the unconnected state are expressed by equations (11) and (12).
J c · d 2 θ c = τ ext −K · θ c (11)
J g · d 2 θ g = G r · K t · I m + τ ext -D g · dθ g -τ g fric (12)
However, here, the friction of the clutch 20 is regarded as zero.

ここで、連結状態と非連結状態におけるバックドライバビリティGon backとGoff backは、式(9)、(11)より、それぞれ式(13)、(14)で表される。
on back=1/((J+J)・s+D・s+K) (13)
off back=1/(J・s+K) (14)
なお、sはラプラス演算子である。
一般に、クラッチ20の慣性J及びクラッチ20の摩擦トルクは、高いギア比を有するギヤードモータ10の等価慣性J及び摩擦トルクと比較すると十分に小さい。
Here, the back drivability G on back and G off back in the connected state and the unconnected state are represented by the equations (13) and (14) from the equations (9) and (11), respectively.
G on back = 1 / ((J g + J c ) · s 2 + D g · s + K) (13)
G off back = 1 / (J c · s 2 + K) (14)
Note that s is a Laplace operator.
Generally, the inertia Jc of the clutch 20 and the friction torque of the clutch 20 are sufficiently small as compared with the equivalent inertia J g and the friction torque of the geared motor 10 having a high gear ratio.

図2は、バックドライバビリティのボード線図を示す図である。
なお、図2においては、ギヤードモータ10単体のバックドライバビリティ(一点鎖線)、本発明を適用したアクチュエータ1の連結状態におけるバックドライバビリティ(破線)、本発明を適用したアクチュエータ1の非連結状態におけるバックドライバビリティ(実線)をそれぞれ示している。
図2に示すように、本発明を適用したアクチュエータ1の連結状態におけるバックドライバビリティと、ギヤードモータ10単体のバックドライバビリティとを比較すると、高周波領域においては、ほぼ同じ性能を示している。
FIG. 2 is a diagram showing a Bode diagram of back drivability.
In FIG. 2, the back drivability of the geared motor 10 alone (dashed line), the back drivability of the actuator 1 to which the present invention is applied (broken line), and the unconnected state of the actuator 1 to which the present invention is applied. The back drivability (solid line) is shown respectively.
As shown in FIG. 2, when the back drivability of the actuator 1 to which the present invention is applied in the connected state and the back drivability of the geared motor 10 alone are compared, they show almost the same performance in the high frequency region.

これに対し、本発明を適用したアクチュエータ1の非連結状態におけるバックドライバビリティは、高周波領域において、ギヤードモータ10単体のバックドライバビリティよりも増加していることがわかる。
これは、慣性の影響及び摩擦トルクの影響が、クラッチ20単体のシステム(非連結状態)では小さいことに起因している。
このように、本発明を適用したアクチュエータ1は、動作モードを切り替えることで、ギヤードモータ10の特徴を有する小型軽量・高トルクなシステムと、高いバックドライバビリティを有するシステムとを切り替えることができる。
On the other hand, it can be seen that the back drivability of the actuator 1 to which the present invention is applied in the unconnected state is higher than the back drivability of the geared motor 10 alone in the high frequency region.
This is because the influence of inertia and the influence of friction torque are small in the system of the clutch 20 alone (unconnected state).
As described above, the actuator 1 to which the present invention is applied can switch between a compact, lightweight, high torque system having the characteristics of the geared motor 10 and a system having high back drivability by switching the operation mode.

[動作条件の特定]
上述の物理的特性を有するアクチュエータ1において、ギヤードモータ10における最大加速度あるいは最高回転数以上で動作を行う場合、ギヤードモータ10からの出力トルクを弾性部材30に蓄積しておき、動作モードを連結状態から非連結状態に切り替える(即ち、クラッチ20を開放する)。これにより、弾性部材30の弾性エネルギを運動エネルギに変換することで、高速な動作が実現される。
このとき、動作モードが連結状態において、弾性部材30に与えられるトルクをτonとすると、弾性部材30に蓄積される弾性エネルギEは、式(15)で表される。
=(1/2)・K・(τon/K)=(1/2)・τon /K (15)
[Specification of operating conditions]
When the actuator 1 having the above-mentioned physical characteristics operates at the maximum acceleration or the maximum rotation speed of the geared motor 10, the output torque from the geared motor 10 is accumulated in the elastic member 30, and the operation modes are connected. To switch to the unconnected state (that is, release the clutch 20). As a result, high-speed operation is realized by converting the elastic energy of the elastic member 30 into kinetic energy.
At this time, the operation mode is coupled state, when the torque applied to the elastic member 30 and tau on, the elastic energy E k to be stored in the elastic member 30, represented by the formula (15).
E k = (1/2) ・ K ・ (τ on / K) 2 = (1/2) ・ τ on 2 / K (15)

この弾性エネルギが運動エネルギに変換されるため、クラッチ20を開放した時の最高速度ω maxについて、エネルギ保存則より、式(16)が成り立つ。
=(1/2)・J・ω max2 (16)
そのため、クラッチ20を開放した時の最高速度ω maxは、式(17)で表される。
ω max=τon/(J・K)1/2 (17)
したがって、ギヤードモータ10の最高速度ω maxに対して、ω max>ω maxとなるように弾性部材30を選定し、ギヤードモータ10からのトルク入力を決定することで、ギヤードモータ10単体よりも高速な運動を実現することが可能となる。
即ち、本発明を適用したアクチュエータ1における非連結状態と連結状態とを使い分けることで、より高いバックドライバビリティ及びより高速な運動を実現することができる。
Since this elastic energy is converted into kinetic energy, the equation (16) holds for the maximum speed ω c max when the clutch 20 is released from the energy conservation law.
E k = (1/2) ・ J c・ ω c max2 (16)
Therefore, the maximum speed ω c max when the clutch 20 is released is expressed by the equation (17).
ω c max = τ on / (J c · K) 1/2 (17)
Therefore, by selecting the elastic member 30 so that ω c max > ω g max with respect to the maximum speed ω g max of the geared motor 10 and determining the torque input from the geared motor 10, the geared motor 10 alone It is possible to realize faster movement than that.
That is, by properly using the unconnected state and the connected state in the actuator 1 to which the present invention is applied, higher back drivability and higher speed motion can be realized.

[機能的構成]
上述のような基本的原理によってアクチュエータを構成する場合、以下のような機能的構成を備える各種形態の装置として実現することができる。
図3は、本発明のアクチュエータ1の機能的構成を示すブロック図である。
図3に示すように、アクチュエータ1は、支持部110と、力/トルク源120と、伝達機構130と、連結/非連結機構140(伝達制御機構)と、出力軸150と、弾性機構160と、駆動回路170と、計算機180と、電力源190とを備えている。
[Functional configuration]
When the actuator is configured by the above-mentioned basic principle, it can be realized as various types of devices having the following functional configurations.
FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the actuator 1 of the present invention.
As shown in FIG. 3, the actuator 1 includes a support portion 110, a force / torque source 120, a transmission mechanism 130, a connection / non-connection mechanism 140 (transmission control mechanism), an output shaft 150, and an elastic mechanism 160. , A drive circuit 170, a computer 180, and a power source 190.

これらのうち、支持部110は図1における支持部Bに対応し、力/トルク源120は図1におけるギヤードモータ10のモータ部分に対応し、伝達機構130は図1におけるギヤードモータ10の減速機に対応している。また、連結/非連結機構140は図1におけるクラッチ20に対応し、弾性機構160は図1における弾性部材30に対応している。 Of these, the support portion 110 corresponds to the support portion B in FIG. 1, the force / torque source 120 corresponds to the motor portion of the geared motor 10 in FIG. 1, and the transmission mechanism 130 corresponds to the speed reducer of the geared motor 10 in FIG. It corresponds to. Further, the connecting / non-connecting mechanism 140 corresponds to the clutch 20 in FIG. 1, and the elastic mechanism 160 corresponds to the elastic member 30 in FIG.

支持部110は、力/トルク源120本体を支持し、例えば、アクチュエータ1が設置される固定台や台座等によって構成される。なお、支持部110は必ずしも地面に対して固定されている必要はなく、アクチュエータ1が移動可能な装置として構成される場合、アクチュエータ1の本体を支持部110とすること等ができる。 The support portion 110 supports the main body of the force / torque source 120, and is composed of, for example, a fixed base or a pedestal on which the actuator 1 is installed. The support portion 110 does not necessarily have to be fixed to the ground, and when the actuator 1 is configured as a movable device, the main body of the actuator 1 can be the support portion 110 or the like.

力/トルク源120は、本体を支持部110に固定されており、駆動回路170の制御に従って、出力軸150を回転させるための駆動力を発生する。
伝達機構130は、歯車機構を備え、力/トルク源120によって出力される回転を、速度を変化させて出力する。
The force / torque source 120 has a main body fixed to the support portion 110, and generates a driving force for rotating the output shaft 150 under the control of the driving circuit 170.
The transmission mechanism 130 includes a gear mechanism and outputs the rotation output by the force / torque source 120 at different speeds.

連結/非連結機構140は、駆動回路170の制御に従って、入力側と出力側とが連結した状態または連結していない状態を変化させることにより、伝達機構130から入力される回転を出力側に伝達するか否かを切り替える。
出力軸150は、連結/非連結機構140から入力される回転を出力する部材である。出力軸150には、弾性機構160の一端が連結されている。また、出力軸150の具体的な形態は、アクチュエータ1の実装目的に応じて種々の構成とすることができ、例えば円盤状の部材、アーム状の部材あるいはドリル状の部材等を有する構成とできる。
The connection / non-connection mechanism 140 transmits the rotation input from the transmission mechanism 130 to the output side by changing the state in which the input side and the output side are connected or not connected according to the control of the drive circuit 170. Switch whether to do or not.
The output shaft 150 is a member that outputs the rotation input from the connecting / disconnecting mechanism 140. One end of the elastic mechanism 160 is connected to the output shaft 150. Further, the specific form of the output shaft 150 can be variously configured according to the mounting purpose of the actuator 1, and can be configured to include, for example, a disk-shaped member, an arm-shaped member, a drill-shaped member, or the like. ..

弾性機構160は、一端を出力軸150、他端を支持部110に連結された弾性部材を備え、支持部110に対して出力軸150が回転駆動された場合の相対的な位置変化によって弾性エネルギを蓄積すると共に、支持部110に対して出力軸150の固定が開放された場合に、蓄積している弾性エネルギによって、出力軸150を回転駆動された方向と逆方向に回転させる。 The elastic mechanism 160 includes an elastic member having one end connected to the output shaft 150 and the other end connected to the support portion 110, and the elastic energy is generated by a relative position change when the output shaft 150 is rotationally driven with respect to the support portion 110. When the output shaft 150 is released from being fixed to the support portion 110, the stored elastic energy causes the output shaft 150 to rotate in the direction opposite to the direction in which the output shaft 150 is rotationally driven.

駆動回路170は、計算機180における制御則に従って、力/トルク源120及び連結/非連結機構140を制御する。即ち、駆動回路170は、力/トルク源120に対して、電力源190から供給された電力を出力すると共に、力/トルク源120の回転速度及びトルクを制御するための駆動信号を出力する。また、駆動回路170は、連結/非連結機構140に対して、電力源190から供給された電力を出力すると共に、連結/非連結機構140において、入力側と出力側とが連結した状態または連結していない状態を変化させるための駆動信号を出力する。 The drive circuit 170 controls the force / torque source 120 and the coupling / disconnection mechanism 140 according to the control rules in the computer 180. That is, the drive circuit 170 outputs the electric power supplied from the power source 190 to the force / torque source 120, and also outputs a drive signal for controlling the rotation speed and torque of the force / torque source 120. Further, the drive circuit 170 outputs the electric power supplied from the power source 190 to the connected / unconnected mechanism 140, and in the connected / unconnected mechanism 140, the input side and the output side are connected or connected. Outputs a drive signal to change the state in which it is not.

計算機180は、アクチュエータ1の実装目的に応じた制御プログラム等を実行することにより、所定の制御則に従って、アクチュエータ1全体を制御する。
電力源190は、バッテリや商用電源等によって構成され、アクチュエータ1が動作を行うための電力を供給する。
なお、このような機能的構成に加え、アクチュエータ1には、種々の付加的な機能を備えることができる。
例えば、力/トルク源120の回転軸(出力軸)、連結/非連結機構140の入力軸及び出力軸、出力軸150等に、これらの回転角度や回転トルクを検出するセンサを適宜備えることが可能である。
以下、上述の機能的構成を有するアクチュエータ1の具体的な実施形態について説明する。
The computer 180 controls the entire actuator 1 according to a predetermined control rule by executing a control program or the like according to the mounting purpose of the actuator 1.
The power source 190 is composed of a battery, a commercial power source, or the like, and supplies electric power for the actuator 1 to operate.
In addition to such a functional configuration, the actuator 1 can be provided with various additional functions.
For example, the rotating shaft (output shaft) of the force / torque source 120, the input shaft and output shaft of the connecting / non-connecting mechanism 140, the output shaft 150, and the like may be appropriately provided with sensors for detecting these rotation angles and torques. It is possible.
Hereinafter, a specific embodiment of the actuator 1 having the above-mentioned functional configuration will be described.

[第1実施形態]
[構成]
図4は、アクチュエータ1の装置構成例を示す外観図である。
図4に示すように、アクチュエータ1は、ギヤードモータ10と、クラッチ20と、複数の弾性部材30とを備えている。
[First Embodiment]
[composition]
FIG. 4 is an external view showing an example of a device configuration of the actuator 1.
As shown in FIG. 4, the actuator 1 includes a geared motor 10, a clutch 20, and a plurality of elastic members 30.

図4において、ギヤードモータ10、クラッチ20及び各弾性部材30の構成は、図1における説明と同様である。
また、本実施形態において、ギヤードモータ10の筐体10aは、板状の第1の支持部B1に固定されており、ギヤードモータ10の出力軸10bはクラッチ20に繋がっている。
In FIG. 4, the configurations of the geared motor 10, the clutch 20, and each elastic member 30 are the same as those described in FIG.
Further, in the present embodiment, the housing 10a of the geared motor 10 is fixed to the plate-shaped first support portion B1, and the output shaft 10b of the geared motor 10 is connected to the clutch 20.

クラッチ20は、板状の第2の支持部B2に設置され、ギヤードモータ10から繋がる出力軸10bと入力軸20aとは一体の部材として構成されている。なお、第1の支持部B1と第2の支持部B2とは、一体的な部材として構成されている。
また、クラッチ20の出力軸20bは、入力軸20aと連結状態または非連結状態が切り替えられると共に、先端が円盤状に構成されている。そして、出力軸20bの先端を構成する円盤状の部分には、複数の弾性部材30それぞれの一端が連結されている。
本実施形態において、弾性部材30は、2つのコイルばね31,32によって構成され、2つのコイルばね31,32それぞれの一端が、出力軸20bの先端を構成する円盤状の部分において、中心を挟んだ対称の位置x1,x2に連結されている。
The clutch 20 is installed on the plate-shaped second support portion B2, and the output shaft 10b and the input shaft 20a connected from the geared motor 10 are configured as an integral member. The first support portion B1 and the second support portion B2 are configured as an integral member.
Further, the output shaft 20b of the clutch 20 can be switched between a connected state and a non-connected state with the input shaft 20a, and the tip thereof is formed in a disk shape. One end of each of the plurality of elastic members 30 is connected to the disk-shaped portion forming the tip of the output shaft 20b.
In the present embodiment, the elastic member 30 is composed of two coil springs 31 and 32, and one end of each of the two coil springs 31 and 32 sandwiches the center in a disk-shaped portion forming the tip of the output shaft 20b. It is connected to the symmetrical positions x1 and x2.

また、弾性部材30を構成する2つのコイルばね31,32の他端は、板状の第3の支持部B3に連結されている。第3の支持部B3は、第1の支持部B1及び第2の支持部B2と一体の部材として構成されている。また、第3の支持部B3は、出力軸20bの先端を構成する円盤状の部分の円盤面と、板面が平行となるように設置されている。本実施形態においては、第3の支持部B3と出力軸20bの先端を構成する円盤状の部分との距離は、弾性部材30を構成するコイルばね31,32の自然長と同程度となっている。また、出力軸20bの回転位置が基準位置(回転角度0度)となっている場合に、コイルばね31,32の一端が連結されている円盤面の位置x1,x2と、他端が連結されている第3の支持部B3の板面の位置y1,y2とはそれぞれ対向する位置となるように設定されている。そのため、クラッチ20の出力軸20bが回転駆動されると、弾性部材30を構成するコイルばね31,32は、それぞれ自然長から伸長され、伸長の度合いに応じた弾性エネルギが蓄積されることとなる。 Further, the other ends of the two coil springs 31 and 32 constituting the elastic member 30 are connected to the plate-shaped third support portion B3. The third support portion B3 is configured as a member integrated with the first support portion B1 and the second support portion B2. Further, the third support portion B3 is installed so that the disk surface of the disk-shaped portion constituting the tip of the output shaft 20b is parallel to the disk surface. In the present embodiment, the distance between the third support portion B3 and the disk-shaped portion constituting the tip of the output shaft 20b is about the same as the natural length of the coil springs 31 and 32 constituting the elastic member 30. There is. Further, when the rotation position of the output shaft 20b is the reference position (rotation angle 0 degree), the positions x1 and x2 of the disk surface to which one ends of the coil springs 31 and 32 are connected and the other ends are connected. The positions y1 and y2 of the plate surface of the third support portion B3 are set to face each other. Therefore, when the output shaft 20b of the clutch 20 is rotationally driven, the coil springs 31 and 32 constituting the elastic member 30 are respectively extended from their natural lengths, and elastic energy is accumulated according to the degree of extension. ..

[動作]
次に、動作を説明する。
図4に示す装置構成例のアクチュエータ1が動作する場合、初期状態では、クラッチ20の出力軸20bの回転位置が、基準位置(回転角度0度)に合わせられる。
そして、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータ10による出力軸20bの回転駆動)を行う場合、クラッチ20が連結状態とされる。
初期状態からギヤードモータ10がクラッチ20の出力軸20bを回転すると、弾性部材30を構成するコイルばね31,32は、それぞれ自然長から伸長される。このとき、ギヤードモータ10が出力する回転トルクに応じて、コイルばね31,32が伸長する長さが決定される。
[motion]
Next, the operation will be described.
When the actuator 1 of the device configuration example shown in FIG. 4 operates, the rotation position of the output shaft 20b of the clutch 20 is adjusted to the reference position (rotation angle 0 degrees) in the initial state.
Then, when the actuator 1 performs a normal operation (rotational drive of the output shaft 20b by the geared motor 10), the clutch 20 is brought into the engaged state.
When the geared motor 10 rotates the output shaft 20b of the clutch 20 from the initial state, the coil springs 31 and 32 constituting the elastic member 30 are respectively extended from their natural lengths. At this time, the length at which the coil springs 31 and 32 extend is determined according to the rotational torque output by the geared motor 10.

ここで、クラッチ20に対して、ギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に外力が加わること等に応じて、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止したとする。なお、外力が加わったことは、例えば、外乱の入力として検出することができ、ギヤードモータ10の駆動電流と出力軸10bの回転角度の関係から判定したり、クラッチ20の出力軸20bにロータリーエンコーダ等の位置センサやトルクセンサを備えること等によって検出したりすることができる。
すると、クラッチ20が非連結状態に切り替えられ、ギヤードモータ10から出力軸20bへの駆動力の伝達が解除される。これにより、クラッチ20の出力軸20bには、弾性部材30を構成するコイルばね31,32からの弾性力(自然長への復元力)が作用する状態となる。
Here, it is assumed that the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft by the geared motor) in response to an external force being applied to the clutch 20 in a direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10. .. The application of an external force can be detected, for example, as an input of disturbance, and can be determined from the relationship between the drive current of the geared motor 10 and the rotation angle of the output shaft 10b, or a rotary encoder on the output shaft 20b of the clutch 20. It can be detected by providing a position sensor, a torque sensor, or the like.
Then, the clutch 20 is switched to the unconnected state, and the transmission of the driving force from the geared motor 10 to the output shaft 20b is released. As a result, the output shaft 20b of the clutch 20 is in a state in which the elastic force (restoring force to the natural length) from the coil springs 31 and 32 constituting the elastic member 30 acts.

即ち、クラッチ20の出力軸20bに対し、ギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転する補助力が付与される。
これにより、クラッチ20の開放時に、出力軸20bをギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に高速に回転させることができ、アクチュエータ1のバックドライバビリティを向上させることが可能となる。
即ち、減速機を備えるアクチュエータ1において、より高速な動作を実現することが可能となる。
That is, an auxiliary force for rotating the output shaft 20b of the clutch 20 in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10 is applied.
As a result, when the clutch 20 is released, the output shaft 20b can be rotated at high speed in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10, and the back drivability of the actuator 1 can be improved.
That is, it is possible to realize a higher speed operation in the actuator 1 provided with the speed reducer.

[効果]
図5A〜図5Cは、弾性部材による弾性力の入力に対するクラッチ20の出力軸20bの動きについて、図4のアクチュエータ1と、ギヤードモータ10単体とで評価実験を行った結果を示す図である。
なお、図5(A)は角度応答値を示す図、図5(B)は角速度応答値を示す図、図5(C)は移動距離(クラッチ20の出力軸20bの回転角度)と出力する最高回転数との関係を示す図である。
図5A〜図5Cにおいては、0[s]以前までにアクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータ10による出力軸20bの回転駆動)を行い、0[s]〜約0.4[s]においては回転駆動を停止し、弾性部材30にエネルギが蓄えられている状態で保持している。その後、約0.4[s]の時点でクラッチ20を開放した状態を示している。
[effect]
5A to 5C are diagrams showing the results of an evaluation experiment on the movement of the output shaft 20b of the clutch 20 with respect to the input of the elastic force by the elastic member with the actuator 1 of FIG. 4 and the geared motor 10 alone.
Note that FIG. 5 (A) is a diagram showing an angular response value, FIG. 5 (B) is a diagram showing an angular velocity response value, and FIG. 5 (C) is an output as a moving distance (rotation angle of the output shaft 20b of the clutch 20). It is a figure which shows the relationship with the maximum rotation speed.
In FIGS. 5A to 5C, the actuator 1 performs a normal operation (rotational drive of the output shaft 20b by the geared motor 10) before 0 [s], and in 0 [s] to about 0.4 [s]. The rotational drive is stopped, and the elastic member 30 holds the energy stored in the elastic member 30. After that, the clutch 20 is released at about 0.4 [s].

図5A及び図5Bに示すように、ギヤードモータ10の最大動作範囲内において出力軸20bを回転駆動(所定の角度で保持)している際に、出力軸20bへの駆動力の入力が停止されると、ギヤードモータ10単体の場合、減速機による回転速度の低下の影響を受ける。そのため、ギヤードモータ10の最大回転速度(正方向及び負方向)の範囲内において、出力軸20bがギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転される。したがって、出力軸20bが基準位置(回転角度0度)に戻るまでに約0.4[s]を要し、出力軸20bがギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転する速度が低いものとなっている。 As shown in FIGS. 5A and 5B, when the output shaft 20b is rotationally driven (held at a predetermined angle) within the maximum operating range of the geared motor 10, the input of the driving force to the output shaft 20b is stopped. Then, in the case of the geared motor 10 alone, it is affected by the decrease in the rotational speed due to the speed reducer. Therefore, within the range of the maximum rotation speed (positive direction and negative direction) of the geared motor 10, the output shaft 20b is rotated in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10. Therefore, it takes about 0.4 [s] for the output shaft 20b to return to the reference position (rotation angle 0 degrees), and the speed at which the output shaft 20b rotates in the direction opposite to the rotation direction by the geared motor 10 is low. It has become.

これに対し、本発明におけるアクチュエータ1では、クラッチ20が非連結状態に切り替えられ、弾性部材30に蓄積されていた弾性エネルギが、出力軸20bがギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転することを補助する。そのため、ギヤードモータ10の最大回転速度を超えて、出力軸20bがギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転される。したがって、出力軸20bは直ちに基準位置(回転角度0度)に戻り、出力軸20bがギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転する速度がより高いものとなっている。 On the other hand, in the actuator 1 of the present invention, the clutch 20 is switched to the unconnected state, and the elastic energy stored in the elastic member 30 causes the output shaft 20b to rotate in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10. Assist in that. Therefore, the output shaft 20b is rotated in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10 beyond the maximum rotational speed of the geared motor 10. Therefore, the output shaft 20b immediately returns to the reference position (rotation angle 0 degrees), and the speed at which the output shaft 20b rotates in the direction opposite to the rotation direction by the geared motor 10 is higher.

なお、図5Cに示すように、本発明におけるアクチュエータ1では、ギヤードモータ10が出力軸20bを回転駆動する角度が大きくなるほど、弾性部材30に蓄積される弾性エネルギが大きくなることから、クラッチ20が開放された際に、出力軸20bが回転する速度(最大回転速度)がより高いものとなる。
一方、ギヤードモータ10単体では、出力軸20bの回転速度が、ギヤードモータ10の最大回転速度の範囲に制限される。
即ち、ギヤードモータ10が出力軸20bを回転駆動する角度が大きいほど、本発明におけるアクチュエータ1の効果がより顕著に表れることとなる。
As shown in FIG. 5C, in the actuator 1 of the present invention, the greater the angle at which the geared motor 10 rotationally drives the output shaft 20b, the greater the elastic energy stored in the elastic member 30, so that the clutch 20 is engaged. When opened, the speed at which the output shaft 20b rotates (maximum rotation speed) becomes higher.
On the other hand, in the geared motor 10 alone, the rotation speed of the output shaft 20b is limited to the range of the maximum rotation speed of the geared motor 10.
That is, the larger the angle at which the geared motor 10 rotationally drives the output shaft 20b, the more remarkable the effect of the actuator 1 in the present invention will be.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
[構成]
図6は、第2実施形態に係るアクチュエータ1の装置構成例を示す外観図である。
図6に示す装置構成例では、ギヤードモータ10の筐体10a及びクラッチ20の出力軸20bの一部に、ほぼ同径のフランジ部が形成され、これらフランジ部の間に、弾性部材30を構成する複数のコイルばねが連結されている。
以下、具体的に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[composition]
FIG. 6 is an external view showing an example of device configuration of the actuator 1 according to the second embodiment.
In the device configuration example shown in FIG. 6, flange portions having substantially the same diameter are formed in a part of the housing 10a of the geared motor 10 and the output shaft 20b of the clutch 20, and an elastic member 30 is formed between these flange portions. A plurality of coil springs are connected.
Hereinafter, a specific description will be given.

ギヤードモータ10の筐体10aは、不図示の支持部Bに固定されており、ギヤードモータ10の出力軸10bはクラッチ20に繋がっている。また、ギヤードモータ10の筐体10aは、軸方向における一部に、他の部分よりも半径が拡大している外縁が円形のフランジ部11aを備えている。フランジ部11aの直径は、クラッチ20の筐体の直径よりも大きく、フランジ部11aのフランジ面は、後述するクラッチ20の出力軸20bのフランジ部21bと対向している。 The housing 10a of the geared motor 10 is fixed to a support portion B (not shown), and the output shaft 10b of the geared motor 10 is connected to the clutch 20. Further, the housing 10a of the geared motor 10 includes a flange portion 11a having a circular outer edge having a radius larger than that of the other portion in a part in the axial direction. The diameter of the flange portion 11a is larger than the diameter of the housing of the clutch 20, and the flange surface of the flange portion 11a faces the flange portion 21b of the output shaft 20b of the clutch 20, which will be described later.

クラッチ20は、ギヤードモータ10の筐体10aに固定され、ギヤードモータ10から繋がる出力軸10bと入力軸20aとは一体の部材として構成されている。
また、クラッチ20の出力軸20bは、入力軸20aと連結状態または非連結状態が切り替えられると共に、軸方向における一部に、他の部分よりも半径が拡大している外縁が円形のフランジ部21bを備えている。そして、フランジ部21bのフランジ面は、ギヤードモータ10の筐体10aに備えられたフランジ部11aのフランジ面と対向している。
The clutch 20 is fixed to the housing 10a of the geared motor 10, and the output shaft 10b and the input shaft 20a connected from the geared motor 10 are configured as an integral member.
Further, the output shaft 20b of the clutch 20 can be switched between a connected state and a non-connected state with the input shaft 20a, and a flange portion 21b having a circular outer edge having a radius expanded in a part in the axial direction as compared with the other part. It has. The flange surface of the flange portion 21b faces the flange surface of the flange portion 11a provided in the housing 10a of the geared motor 10.

弾性部材30は、複数のコイルばね30−1〜30−n(nは2以上の整数)によって構成される。コイルばね30−1〜30−nそれぞれの一端は、フランジ部11aのフランジ面に連結されていると共に、コイルばね30−1〜30−nそれぞれの他端は、フランジ部21bのフランジ面に連結されている。ここで、フランジ部11a,21bの対向するフランジ面は、平行となるように設置されている。本実施形態においては、フランジ部11a,21bの対向するフランジ面の距離は、弾性部材30を構成するコイルばね30−1〜30−nの自然長と同程度となっている。また、出力軸20bの回転位置が基準位置(回転角度0度)となっている場合に、コイルばね30−1〜30−nの一端が連結されているフランジ部11aのフランジ面の位置X1〜Xnと、他端が連結されているフランジ部21bのフランジ面の位置Y1〜Ynとはそれぞれ対向する位置となるように設定されている。そのため、クラッチ20の出力軸20bが回転駆動されると、弾性部材30を構成するコイルばね30−1〜30−nは、それぞれ自然長から伸長され、伸長の度合いに応じた弾性エネルギが蓄積されることとなる。 The elastic member 30 is composed of a plurality of coil springs 30-1 to 30-n (n is an integer of 2 or more). One end of each of the coil springs 30-1 to 30-n is connected to the flange surface of the flange portion 11a, and the other end of each of the coil springs 30-1 to 30-n is connected to the flange surface of the flange portion 21b. Has been done. Here, the opposing flange surfaces of the flange portions 11a and 21b are installed so as to be parallel to each other. In the present embodiment, the distance between the flange surfaces of the flange portions 11a and 21b facing each other is about the same as the natural length of the coil springs 30-1 to 30-n constituting the elastic member 30. Further, when the rotation position of the output shaft 20b is the reference position (rotation angle 0 degree), the positions X1 to the flange surface of the flange portion 11a to which one end of the coil springs 30-1 to 30-n is connected. Xn and the positions Y1 to Yn of the flange surface of the flange portion 21b to which the other end is connected are set to face each other. Therefore, when the output shaft 20b of the clutch 20 is rotationally driven, the coil springs 30-1 to 30-n constituting the elastic member 30 are each extended from their natural lengths, and elastic energy corresponding to the degree of extension is accumulated. The Rukoto.

[動作]
次に、動作を説明する。
図6に示す装置構成例のアクチュエータ1が動作する場合、初期状態では、クラッチ20の出力軸20bの回転位置が基準位置とされる。
そして、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータ10による出力軸20bの回転駆動)を行う場合、クラッチ20が連結状態とされる。
初期状態からギヤードモータ10がクラッチ20の出力軸20bを回転すると、弾性部材30を構成するコイルばね30−1〜30−nは、それぞれ自然長から伸長される。このとき、ギヤードモータ10が出力する回転トルクに応じて、コイルばね30−1〜30−nが伸長する長さが決定される。
[motion]
Next, the operation will be described.
When the actuator 1 of the device configuration example shown in FIG. 6 operates, the rotation position of the output shaft 20b of the clutch 20 is set as the reference position in the initial state.
Then, when the actuator 1 performs a normal operation (rotational drive of the output shaft 20b by the geared motor 10), the clutch 20 is brought into the engaged state.
When the geared motor 10 rotates the output shaft 20b of the clutch 20 from the initial state, the coil springs 30-1 to 30-n constituting the elastic member 30 are respectively extended from their natural lengths. At this time, the length at which the coil springs 30-1 to 30-n extend is determined according to the rotational torque output by the geared motor 10.

ここで、クラッチ20に対して、ギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に外力が加わること等に応じて、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止したとする。外力が加わったことは、上述のように、ギヤードモータ10の駆動電流と出力軸10bの回転角度の関係から判定したり、クラッチ20の出力軸20bにロータリーエンコーダ等の位置センサやトルクセンサを備えること等によって検出したりすることができる。
すると、クラッチ20が非連結状態に切り替えられ、ギヤードモータ10から出力軸20bへの駆動力の伝達が解除される。これにより、クラッチ20の出力軸20bには、弾性部材30を構成するコイルばね30−1〜30−nからの弾性力(自然長への復元力)が作用する状態となる。
Here, it is assumed that the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft by the geared motor) in response to an external force being applied to the clutch 20 in a direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10. .. As described above, the application of an external force can be determined from the relationship between the drive current of the geared motor 10 and the rotation angle of the output shaft 10b, or the output shaft 20b of the clutch 20 is provided with a position sensor such as a rotary encoder or a torque sensor. It can be detected by such things.
Then, the clutch 20 is switched to the unconnected state, and the transmission of the driving force from the geared motor 10 to the output shaft 20b is released. As a result, the output shaft 20b of the clutch 20 is in a state in which the elastic force (restoring force to the natural length) from the coil springs 30-1 to 30-n constituting the elastic member 30 acts.

即ち、クラッチ20の出力軸20bに対し、ギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に回転する補助力が付与される。
これにより、クラッチ20の開放時に、出力軸20bをギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に高速に回転させることができ、アクチュエータ1のバックドライバビリティを向上させることが可能となる。
That is, an auxiliary force for rotating the output shaft 20b of the clutch 20 in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10 is applied.
As a result, when the clutch 20 is released, the output shaft 20b can be rotated at high speed in the direction opposite to the rotation direction of the geared motor 10, and the back drivability of the actuator 1 can be improved.

即ち、減速機を備えるアクチュエータ1において、より高速な動作を実現することが可能となる。
また、本実施形態におけるアクチュエータ1は、クラッチ20の周囲に弾性部材30を構成するコイルばね30−1〜30−nが配置された構成であるため、アクチュエータ1全体を小型化することができる。
That is, it is possible to realize a higher speed operation in the actuator 1 provided with the speed reducer.
Further, since the actuator 1 in the present embodiment has a configuration in which the coil springs 30-1 to 30-n constituting the elastic member 30 are arranged around the clutch 20, the entire actuator 1 can be miniaturized.

[変形例1]
上述の実施形態において、アクチュエータ1の出力軸20bに減速機を備え、さらに高トルク化を図ることができる。
図7は、図1の構成を有するアクチュエータ1の出力軸20bに減速機40をさらに備える構成を示すブロック図である。
図7に示すように、出力軸20bに減速機40を備え、弾性部材30の他端を減速機40の出力軸に連結することができる。
この場合、減速機40のギア比が大きいと、外力が入力した場合のバックドライバビリティの低下に繋がることから、減速機40のギア比はより小さく、ギヤードモータ10が有する減速機のギア比はより大きくすることが望ましい。
このような構成とすることで、アクチュエータ1の出力トルクをさらに高めることができる。また、このような構成とした場合、ギヤードモータ10が出力する回転数をさらに調整することも可能となる。
[Modification 1]
In the above-described embodiment, the output shaft 20b of the actuator 1 is provided with a speed reducer, so that the torque can be further increased.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration in which a speed reducer 40 is further provided on the output shaft 20b of the actuator 1 having the configuration of FIG.
As shown in FIG. 7, the output shaft 20b is provided with the speed reducer 40, and the other end of the elastic member 30 can be connected to the output shaft of the speed reducer 40.
In this case, if the gear ratio of the reduction gear 40 is large, the back drivability is lowered when an external force is input. Therefore, the gear ratio of the reduction gear 40 is smaller, and the gear ratio of the reduction gear of the geared motor 10 is high. It is desirable to make it larger.
With such a configuration, the output torque of the actuator 1 can be further increased. Further, with such a configuration, it is possible to further adjust the rotation speed output by the geared motor 10.

[変形例2]
上述の実施形態において、クラッチ20の入力軸20aに一端を連結され、クラッチ20の出力軸20bに他端を連結された弾性部材30Aを備えることができる。
図8は、図1の構成を有するアクチュエータ1において、クラッチ20の入力軸20aと出力軸20bとに連結された弾性部材30Aをさらに備える構成を示すブロック図である。
図8に示すように、弾性部材30Aは、クラッチ20の入力軸20aと出力軸20bとに連結されているため、クラッチ20が連結状態の場合、伸長あるいは圧縮されることなく、クラッチ20の入力軸20a及び出力軸20bと共に回転する。
そして、クラッチ20が非連結状態とされた場合、弾性部材30に蓄積された弾性エネルギによって、クラッチ20の入力軸20aに対して出力軸20bが回転される。このとき、弾性部材30Aは、弾性部材30による出力軸20bの回転を妨げる方向の弾性力を発生する。
このような構成とすることで、クラッチ20が非連結状態とされた場合の出力軸20bの平衡点を変化させることができる。
[Modification 2]
In the above-described embodiment, an elastic member 30A having one end connected to the input shaft 20a of the clutch 20 and the other end connected to the output shaft 20b of the clutch 20 can be provided.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration in which the actuator 1 having the configuration of FIG. 1 further includes an elastic member 30A connected to the input shaft 20a and the output shaft 20b of the clutch 20.
As shown in FIG. 8, since the elastic member 30A is connected to the input shaft 20a and the output shaft 20b of the clutch 20, when the clutch 20 is in the connected state, the input of the clutch 20 is not expanded or compressed. It rotates together with the shaft 20a and the output shaft 20b.
When the clutch 20 is disconnected, the elastic energy stored in the elastic member 30 causes the output shaft 20b to rotate with respect to the input shaft 20a of the clutch 20. At this time, the elastic member 30A generates an elastic force in a direction that prevents the elastic member 30 from rotating the output shaft 20b.
With such a configuration, the equilibrium point of the output shaft 20b when the clutch 20 is in the unconnected state can be changed.

[変形例3]
上述の実施形態において、クラッチ20は入力軸20aと出力軸20bとを連結状態または非連結状態に切り替えるものとしたが、クラッチ20の締結力を調整可能な構成とすることが可能である。
例えば、電磁クラッチの場合、駆動電流量を調整することで、開放状態から固定状態まで、締結力を連続的な値に調整することができる。
このように、クラッチ20の締結力を調整することにより、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータ10による出力軸20bの回転駆動)を停止した場合に、ギヤードモータ10による回転方向とは逆方向に出力軸20bが回転する速度を調整することが可能となる。
図9A及び図9Bは、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止したときにクラッチ20の締結力を変化させた場合のクラッチ20の出力軸20bの動きを示す模式図である。
なお、図9Aは角度応答値を示す図、図9Bは角速度応答値を示す図である。
図9A及び図9Bに示すように、クラッチ20の締結力を変化させた場合、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止したときの出力軸20bの動きは、小さい角速度で応答する特性(図9Bにおける特性Q1)から、大きい角速度で応答する特性(図9Bにおける特性Q5)まで、種々の角速度に調整することが可能となる。これにより、速度の応答値について、出力軸20bが最も低い速度で回転する特性(図9Aにおける特性P1)から、高い速度で回転する特性(図9Aにおける特性P5)まで、種々の速度に調整することが可能となる。
[Modification 3]
In the above-described embodiment, the clutch 20 switches the input shaft 20a and the output shaft 20b between the connected state and the unconnected state, but the engaging force of the clutch 20 can be adjusted.
For example, in the case of an electromagnetic clutch, the fastening force can be adjusted to a continuous value from the open state to the fixed state by adjusting the drive current amount.
By adjusting the engaging force of the clutch 20 in this way, when the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft 20b by the geared motor 10), the direction is opposite to the rotational direction by the geared motor 10. The speed at which the output shaft 20b rotates can be adjusted.
9A and 9B are schematics showing the movement of the output shaft 20b of the clutch 20 when the fastening force of the clutch 20 is changed when the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft by the geared motor). It is a figure.
9A is a diagram showing an angular response value, and FIG. 9B is a diagram showing an angular velocity response value.
As shown in FIGS. 9A and 9B, when the engaging force of the clutch 20 is changed, the movement of the output shaft 20b when the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft by the geared motor) is small. It is possible to adjust to various angular velocities, from a characteristic that responds at an angular velocity (characteristic Q1 in FIG. 9B) to a characteristic that responds at a large angular velocity (characteristic Q5 in FIG. 9B). As a result, the response value of the speed is adjusted to various speeds from the characteristic that the output shaft 20b rotates at the lowest speed (characteristic P1 in FIG. 9A) to the characteristic that the output shaft 20b rotates at a high speed (characteristic P5 in FIG. 9A). It becomes possible.

[変形例4]
上述の実施形態において、アクチュエータ1の出力として回転動作を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、アクチュエータ1の出力として直動動作を行う場合にも、本発明を適用することができる。
図10は、アクチュエータ1の出力として直動動作を行う場合の構成例を示すブロック図である。
図10に示すように、アクチュエータ1は、ギヤードモータ10と、弾性部材30と、ボールねじ50と、ベアリング60と、ボールナット70と、連結・非連結機構80と、出力部90とを備えている。
図10に示すアクチュエータ1は、ボールねじ50を用いた直動機構を構成している。
即ち、ギヤードモータ10は、筐体10aを支持部Bに固定され、出力軸10bがボールねじ50となっている。
このボールねじ50は、ベアリング60によって回転自在に支持されていると共に、ボールねじ50の表面には、ねじ溝が形成されている。
また、ボールねじ50には、ボールねじ50のねじ溝に対応するねじ溝が形成されたボールナット70が挿通されており、ボールねじ50のねじ溝とボールナット70のねじ溝との間にはボールベアリングが設置されている。なお、ボールナット70は、ボールねじ50の回転に対して、一体に回転しないよう回転方向の動きが規制されている。
そのため、ギヤードモータ10の出力軸10bであるボールねじ50が回転すると、ボールナット70はボールねじ50の軸方向に直動運動する。
[Modification example 4]
In the above-described embodiment, the case where the rotation operation is performed as the output of the actuator 1 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied even when a linear motion operation is performed as an output of the actuator 1.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example in which a linear motion operation is performed as an output of the actuator 1.
As shown in FIG. 10, the actuator 1 includes a geared motor 10, an elastic member 30, a ball screw 50, a bearing 60, a ball nut 70, a connecting / disconnecting mechanism 80, and an output unit 90. There is.
The actuator 1 shown in FIG. 10 constitutes a linear motion mechanism using a ball screw 50.
That is, in the geared motor 10, the housing 10a is fixed to the support portion B, and the output shaft 10b is a ball screw 50.
The ball screw 50 is rotatably supported by a bearing 60, and a thread groove is formed on the surface of the ball screw 50.
Further, a ball nut 70 having a thread groove corresponding to the thread groove of the ball screw 50 is inserted into the ball screw 50, and between the thread groove of the ball screw 50 and the thread groove of the ball nut 70. A ball bearing is installed. The movement of the ball nut 70 in the rotation direction is restricted so that the ball nut 70 does not rotate integrally with the rotation of the ball screw 50.
Therefore, when the ball screw 50, which is the output shaft 10b of the geared motor 10, rotates, the ball nut 70 moves linearly in the axial direction of the ball screw 50.

ボールナット70には、連結・非連結機構80を介して出力部90が設置されており、出力部90には、弾性部材30の他端が連結されている。なお、弾性部材30の一端は、支持部Bに連結されている。
即ち、ボールナット70がボールねじ50の軸方向において、ギヤードモータ10から離れる方向に直動運動した場合、その移動距離に応じて、弾性部材30が伸長し、弾性エネルギが蓄積される。
連結・非連結機構80は、ボールナット70と出力部90とを係止し、ボールナット70と出力部90とが一体に直動運動する状態(連結状態)と、ボールナット70と出力部90との係止を解除し、ボールナット70に対して出力部90が直動運動の方向に移動(スライド等)する状態(非連結状態)とを切り替える。
このような構成において、ボールナット70に係止された出力部90がボールねじ50の軸方向において、ギヤードモータ10から離れる方向に直動運動すると、その移動距離に応じて、弾性部材30が伸長し、弾性エネルギが蓄積される。
そして、出力部90に、物体との接触等により外力が加わること等に応じて、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止した場合、連結・非連結機構80によって、出力部90のボールナット70に対する係止を解除し、ボールナット70に対して出力部90が直動運動の方向に移動可能な状態とすることができる。このとき、弾性部材30に蓄積された弾性エネルギによって、ギヤードモータ10に近付く方向に移動する補助力を付与することができる。
そのため、連結・非連結機構80によるボールナット70への係止の解除時に、出力部90をギヤードモータ10に近付く方向に高速に移動させることが可能となり、アクチュエータ1のバックドライバビリティを向上させることができる。
即ち、本変形例によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。
An output unit 90 is installed on the ball nut 70 via a connecting / non-connecting mechanism 80, and the other end of the elastic member 30 is connected to the output unit 90. One end of the elastic member 30 is connected to the support portion B.
That is, when the ball nut 70 linearly moves in the axial direction of the ball screw 50 in the direction away from the geared motor 10, the elastic member 30 extends and elastic energy is accumulated according to the moving distance.
The connecting / non-connecting mechanism 80 locks the ball nut 70 and the output unit 90, and the ball nut 70 and the output unit 90 move in a linear motion (connected state), and the ball nut 70 and the output unit 90. The lock with the ball nut 70 is released, and the output unit 90 switches to a state (disconnected state) in which the output unit 90 moves (slides or the like) in the direction of linear motion with respect to the ball nut 70.
In such a configuration, when the output unit 90 locked to the ball nut 70 linearly moves in the axial direction of the ball screw 50 in the direction away from the geared motor 10, the elastic member 30 extends according to the moving distance. And elastic energy is accumulated.
Then, when the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft by the geared motor) in response to an external force being applied to the output unit 90 due to contact with an object or the like, the coupling / non-connection mechanism 80 is used. The lock of the output unit 90 to the ball nut 70 can be released so that the output unit 90 can move in the direction of linear motion with respect to the ball nut 70. At this time, the elastic energy stored in the elastic member 30 can be used to apply an auxiliary force for moving in the direction approaching the geared motor 10.
Therefore, when the lock on the ball nut 70 is released by the connecting / disconnecting mechanism 80, the output unit 90 can be moved at high speed in the direction approaching the geared motor 10, and the back drivability of the actuator 1 is improved. Can be done.
That is, according to this modification, it is possible to realize a higher speed operation in the actuator provided with the speed reducer.

[変形例5]
上述の実施形態において、アクチュエータ1によって、多自由度を有するシステムを実現することができる。
このとき、出力の先端部分に質量が集中することを避けるため、パラレル機構を用いることが有利となる。
図11A及び図11Bは、アクチュエータ1によって、多自由度を有するパラレル機構を構成する場合の構成例を示す模式図である。
図11Aは、1つのアクチュエータ1によって動作するアームを3つ備えるシステム(3モータ/3アームシステム)の構成例を示す図である。
図11Aに示す構成例の場合、互いに直交する3軸の方向に移動可能な3自由度のシステムが実現される。
図11Bは、1つのアクチュエータ1によって動作するアームを6つ備えるシステム(6モータ/6アームシステム)の構成例を示す図である。
図11Bに示す構成例の場合、互いに直交する3軸の方向に移動可能であり、かつ、各軸の周りに回転運動可能な6自由度のシステムが実現される。
なお、図11A及び図11Bに示す構成の他、各種歯車及び各種モータを組み合わせた機構に、上述の原理に基づく本発明を適用することができる。
これらの構成により、出力の先端部分に質量が集中することを避けつつ、多自由度のシステムを実現することができる。また、これらのシステムにおいても、モータの駆動に伴い、弾性部材に弾性エネルギを蓄積しておくと共に、外力が加わること等に応じて、モータの出力の伝達を解除するよう動作させることができる。
これにより、アクチュエータ1が通常の動作(ギヤードモータによる出力軸の回転駆動)を停止した場合に、弾性エネルギによって、モータによる動作とは逆方向に動作させる力を付与することができ、アクチュエータ1のバックドライバビリティを向上させることができる。
即ち、本変形例によれば、減速機を備えるアクチュエータにおいて、より高速な動作を実現することが可能となる。
[Modification 5]
In the above-described embodiment, the actuator 1 can realize a system having a large number of degrees of freedom.
At this time, it is advantageous to use a parallel mechanism in order to prevent the mass from concentrating on the tip portion of the output.
11A and 11B are schematic views showing a configuration example when a parallel mechanism having multiple degrees of freedom is configured by the actuator 1.
FIG. 11A is a diagram showing a configuration example of a system (3 motors / 3 arm system) including three arms operated by one actuator 1.
In the case of the configuration example shown in FIG. 11A, a system with three degrees of freedom that can move in the directions of three axes orthogonal to each other is realized.
FIG. 11B is a diagram showing a configuration example of a system (6 motors / 6 arm system) including 6 arms operated by one actuator 1.
In the case of the configuration example shown in FIG. 11B, a system with 6 degrees of freedom that can move in the directions of three axes orthogonal to each other and can rotate around each axis is realized.
In addition to the configurations shown in FIGS. 11A and 11B, the present invention based on the above principle can be applied to a mechanism in which various gears and various motors are combined.
With these configurations, it is possible to realize a system with multiple degrees of freedom while avoiding the concentration of mass on the tip of the output. Further, also in these systems, it is possible to store elastic energy in the elastic member as the motor is driven, and to cancel the transmission of the output of the motor in response to an external force or the like.
As a result, when the actuator 1 stops the normal operation (rotational drive of the output shaft by the geared motor), the elastic energy can apply a force to operate the actuator 1 in the direction opposite to the operation by the motor. Back drivability can be improved.
That is, according to this modification, it is possible to realize a higher speed operation in the actuator provided with the speed reducer.

なお、上述の実施形態において、弾性部材30の両端を連結する位置は、アクチュエータ1の具体的形態に応じて、種々変更することができる。
例えば、図4に示す第1実施形態の構成では、2つのコイルばね31,32それぞれの一端が、出力軸20bの先端を構成する円盤状の部分において、中心を挟んだ対称の位置x1,x2に連結されているものとしたが、これに限られない。即ち、コイルばね31,32を、出力軸20bの先端を構成する円盤状の部分において、中心から異なる距離の位置に連結したり、中心を挟んだ対称の位置以外に連結したりすることが可能である。また、この場合、コイルばね31,32の長さや弾性係数も連結位置に合わせて選択することができる。
In the above-described embodiment, the position where both ends of the elastic member 30 are connected can be variously changed according to the specific form of the actuator 1.
For example, in the configuration of the first embodiment shown in FIG. 4, one ends of the two coil springs 31 and 32 are symmetrical positions x1 and x2 with the center in the disk-shaped portion forming the tip of the output shaft 20b. It is assumed that it is connected to, but it is not limited to this. That is, the coil springs 31 and 32 can be connected to positions different from the center in the disk-shaped portion constituting the tip of the output shaft 20b, or can be connected to positions other than symmetrical positions with the center in between. Is. Further, in this case, the length and elastic modulus of the coil springs 31 and 32 can also be selected according to the connection position.

また、本発明に係るアクチュエータ1は、駆動力による動作と、その動作とは逆方向の外力による動作とを行うシステムに適用することができる。
例えば、本発明に係るアクチュエータ1は、ヒューマノイドロボットにおける脚の駆動力を発生する装置として設置することができる。この場合、股関節に対して脚を前後に揺動させる軸をアクチュエータ1で駆動する。そして、脚の揺動を高速に行う場合(走行やジャンプ等)には、股関節に対して鉛直下方を回転位置の基準位置として、基準位置から前方に向かう脚の動作及び基準位置から後方に向かう脚の動作を、ギヤードモータ10によって行う。一方、前方または後方に揺動した脚を基準位置に引き戻す動作の際には、クラッチ20を非連結状態とすることにより、弾性部材30の弾性エネルギを用いて、高速な動きを実現する。
これにより、ギヤードモータ10の最大回転速度を超えた回転速度で、脚の揺動を行うことが可能となる。
なお、このような構成とした場合、脚が接地した瞬間に地面からの衝撃を吸収する動作によって、弾性部材30への弾性エネルギの蓄積を行うことができる。
Further, the actuator 1 according to the present invention can be applied to a system that performs an operation by a driving force and an operation by an external force in a direction opposite to the operation.
For example, the actuator 1 according to the present invention can be installed as a device that generates a driving force for a leg in a humanoid robot. In this case, the actuator 1 drives a shaft that swings the leg back and forth with respect to the hip joint. When the leg swings at high speed (running, jumping, etc.), the leg moves forward from the reference position and moves backward from the reference position, with the vertical lower part of the hip joint as the reference position for the rotation position. The operation of the legs is performed by the geared motor 10. On the other hand, when the leg swinging forward or backward is pulled back to the reference position, the clutch 20 is disengaged, and the elastic energy of the elastic member 30 is used to realize a high-speed movement.
This makes it possible to swing the legs at a rotation speed that exceeds the maximum rotation speed of the geared motor 10.
With such a configuration, the elastic energy can be accumulated in the elastic member 30 by the operation of absorbing the impact from the ground at the moment when the leg touches the ground.

また、本発明に係るアクチュエータ1は、工作機械のクランプホルダの締め付け力を発生する装置として設置することができる。例えば、旋盤加工とミーリング加工とを行う復号加工機においては、工具を自動的に交換可能とするため、このようなクランプホルダが設置される。
具体的には、クランプホルダによって工具を保持している場合、クランプホルダをギヤードモータ10によって駆動する。そして、クランプホルダにおいて工具を交換する場合には、クラッチ20を非連結状態とすることにより、弾性部材30に蓄積された弾性エネルギによって、クランプホルダによる工具の保持を解除する動作を補助する。
これにより、クランプホルダを小型化できると共に、クランプホルダの動作を高速化することが可能となる。
Further, the actuator 1 according to the present invention can be installed as a device that generates a tightening force of a clamp holder of a machine tool. For example, in a decoding machine that performs lathe processing and milling processing, such a clamp holder is installed so that the tools can be automatically replaced.
Specifically, when the tool is held by the clamp holder, the clamp holder is driven by the geared motor 10. When the tool is replaced in the clamp holder, the clutch 20 is disengaged to assist the operation of releasing the holding of the tool by the clamp holder by the elastic energy stored in the elastic member 30.
As a result, the clamp holder can be miniaturized and the operation of the clamp holder can be speeded up.

その他、本発明に係るアクチュエータ1は、産業用マニピュレータ、あるいは、移動体マニピュレータに適用することができる。これらのマニピュレータを小型化することで、モータの出力を低下させることが可能となるため、装置の省エネルギ化及び省スペース化を実現することができる。
また、本発明に係るアクチュエータ1は、リハビリテーションロボット(患者のリハビリを補助するロボット)、装着型ロボット(装着した人間の動きを補助するロボット)、義手・義足ロボット(失われた身体の一部を代替するロボット)等に適用することができる。これらのロボットは、人間との接触動作が必要となるため、安全性が高いことが望まれ、即ち、高いバックドライバビリティが要求される。これに対し、本発明に係るアクチュエータ1を用いることで、小型化(ウェアラブル化)を図りつつ、高いバックドライバビリティを併せて実現することができる。
In addition, the actuator 1 according to the present invention can be applied to an industrial manipulator or a mobile manipulator. By downsizing these manipulators, it is possible to reduce the output of the motor, so that energy saving and space saving of the device can be realized.
Further, the actuator 1 according to the present invention includes a rehabilitation robot (a robot that assists the rehabilitation of a patient), a wearable robot (a robot that assists the movement of a wearing human), and a prosthetic hand / leg robot (a part of a lost body). It can be applied to alternative robots) and the like. Since these robots require a contact operation with a human, high safety is desired, that is, high back drivability is required. On the other hand, by using the actuator 1 according to the present invention, it is possible to realize high back drivability while achieving miniaturization (wearable).

なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。即ち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The above embodiment shows an example to which the present invention is applied, and does not limit the technical scope of the present invention. That is, the present invention can be modified in various ways such as omission and substitution without departing from the gist of the present invention, and various embodiments other than the above-described embodiment can be taken. Various embodiments and modifications thereof that can be taken by the present invention are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent range thereof.

1 アクチュエータ、10 ギヤードモータ、10a 筐体、10b,20b,150 出力軸、11a,21b フランジ部、20 クラッチ、20a 入力軸、30,30A 弾性部材、31,32,30−1〜30−n コイルばね、40 減速機、50 ボールねじ、60 ベアリング、70 ボールナット、90 出力部、B,110 支持部、120 力/トルク源、130 伝達機構、80,140 連結/非連結機構、160 弾性機構、170 駆動回路、180 計算機、190 電力源 1 actuator, 10 geared motor, 10a housing, 10b, 20b, 150 output shaft, 11a, 21b flange, 20 clutch, 20a input shaft, 30,30A elastic member, 31,32,30-1 to 30-n coil Spring, 40 speed reducer, 50 ball screw, 60 bearing, 70 ball nut, 90 output part, B, 110 support part, 120 force / torque source, 130 transmission mechanism, 80, 140 connected / unconnected mechanism, 160 elastic mechanism, 170 drive circuit, 180 computer, 190 power source

Claims (8)

第1の減速機構を有し、出力動作を行う出力部に対する駆動力を発生する力/トルク源と、
前記力/トルク源によって発生された前記駆動力の伝達経路に設置され、前記駆動力の前記出力部へのギアを介した伝達を制御する伝達制御機構と、
前記駆動力の伝達経路において、前記伝達制御機構が前記駆動力の前記出力部への伝達を制御する点に対し、前記力/トルク源側の位置に一端を連結され、前記出力部側の位置に他端を連結され、前記力/トルク源の出力により弾性エネルギを蓄積する第1の弾性部材と、
を備え、
前記伝達制御機構は、前記出力部の一方向及び逆方向への動作において、前記力/トルク源の駆動力を前記ギアを介して伝達すると共に、前記出力部に対する前記逆方向への外力が入力された場合に、前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達を抑制
前記出力部は、前記伝達制御機構によって前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達が抑制された場合に、前記第1の弾性部材に蓄積された前記弾性エネルギにより前記逆方向へ動作するバックドライバビリティを有することを特徴とするアクチュエータ。
A force / torque source that has a first deceleration mechanism and generates a driving force for an output unit that performs output operation.
A transmission control mechanism installed in the transmission path of the driving force generated by the force / torque source and controlling the transmission of the driving force to the output unit via a gear.
In the driving force transmission path, one end is connected to the position on the force / torque source side with respect to the point where the transmission control mechanism controls the transmission of the driving force to the output unit, and the position on the output unit side. A first elastic member whose other end is connected to and stores elastic energy by the output of the force / torque source.
With
The transmission control mechanism transmits the driving force of the force / torque source through the gear in the operation in one direction and the reverse direction of the output unit, and inputs the external force in the opposite direction to the output unit. If it is, to suppress the transmission of the driving force through said gear to said output section,
The output unit, when the transmission of the driving force through said gear to said output portion is suppressed by the transmission control mechanism, by the elastic energy stored in the first elastic member to the opposite direction An actuator characterized by having back drivability to operate.
前記出力部は、前記第1の弾性部材に蓄積された前記弾性エネルギにより、前記力/トルク源の最高動作速度以上のバックドライバビリティで動作することを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。 The actuator according to claim 1, wherein the output unit operates with back drivability equal to or higher than the maximum operating speed of the force / torque source by the elastic energy stored in the first elastic member. 前記第1の弾性部材は、前記力/トルク源の筐体または当該筐体が固定された部分に前記一端を連結され、前記出力部と一体に出力動作を行う部分に前記他端を連結されていることを特徴とする請求項1または2に記載のアクチュエータ。 One end of the first elastic member is connected to a housing of the force / torque source or a portion to which the housing is fixed, and the other end is connected to a portion that performs an output operation integrally with the output portion. The actuator according to claim 1 or 2, wherein the actuator is provided. 前記力/トルク源の筐体はフランジ部を有し、
前記出力部は前記フランジ部のフランジ面に対向する対向部を有し、
前記第1の弾性部材は、前記フランジ部のフランジ面に前記一端を連結され、前記対向部に前記他端を連結されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
The force / torque source housing has a flange portion and has a flange portion.
The output portion has a facing portion facing the flange surface of the flange portion.
The first elastic member according to any one of claims 1 to 3, wherein one end is connected to the flange surface of the flange portion and the other end is connected to the facing portion. Actuator.
前記力/トルク源と、前記伝達制御機構と、前記出力部とは、直列に接続され、
前記第1の弾性部材は、前記フランジ部と前記対向部とに挟まれた部分において、前記伝達制御機構の周囲に複数設置されていることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。
The force / torque source, the transmission control mechanism, and the output unit are connected in series.
The actuator according to claim 4, wherein a plurality of the first elastic members are installed around the transmission control mechanism in a portion sandwiched between the flange portion and the facing portion.
前記伝達制御機構と前記出力部との間に、第2の減速機構をさらに備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載のアクチュエータ。 The actuator according to any one of claims 1 to 5, further comprising a second deceleration mechanism between the transmission control mechanism and the output unit. 前記伝達制御機構の入力部側に一端を連結され、前記伝達制御機構の出力部側に他端を連結された第2の弾性部材をさらに備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のアクチュエータ。 Any of claims 1 to 6, further comprising a second elastic member having one end connected to the input portion side of the transmission control mechanism and the other end connected to the output portion side of the transmission control mechanism. The actuator according to item 1. 減速機構を有し、出力動作を行う出力部に対する駆動力を発生する力/トルク源と、前記力/トルク源によって発生された前記駆動力の伝達経路に設置され、前記駆動力の前記出力部へのギアを介した伝達を制御する伝達制御機構と、を備えるアクチュエータの動作制御方法であって、
前記力/トルク源が前記出力部を駆動する動作によって、弾性部材に弾性エネルギを蓄積し、
前記伝達制御機構は、前記出力部の一方向及び逆方向への動作において、前記力/トルク源の駆動力を前記ギアを介して伝達すると共に、前記出力部に対する前記逆方向への外力が入力された場合に、前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達を抑制し、
前記出力部は、前記伝達制御機構によって前記出力部への前記ギアを介した前記駆動力の伝達が抑制された場合に、前記弾性部材に蓄積された前記弾性エネルギにより前記逆方向へ動作するバックドライバビリティを有することを特徴とするアクチュエータの動作制御方法。
A force / torque source that has a deceleration mechanism and generates a driving force for an output unit that performs an output operation, and the output unit of the driving force that is installed in a transmission path of the driving force generated by the force / torque source. It is an operation control method of an actuator including a transmission control mechanism for controlling transmission to and from a gear.
By the action of the force / torque source driving the output unit, elastic energy is accumulated in the elastic member, and the elastic energy is accumulated.
The transmission control mechanism transmits the driving force of the force / torque source through the gear in the operation in one direction and the reverse direction of the output unit, and inputs the external force in the opposite direction to the output unit. When this is done, the transmission of the driving force to the output unit via the gear is suppressed.
When the transmission control mechanism suppresses the transmission of the driving force to the output unit via the gear, the output unit operates in the opposite direction by the elastic energy stored in the elastic member. A method of controlling the operation of an actuator, which is characterized by having drivability.
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