JP7829915B2

JP7829915B2 - ワイヤ駆動機構

Info

Publication number: JP7829915B2
Application number: JP2022032385A
Authority: JP
Inventors: 充典植村; 輝宮原
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2026-03-16
Anticipated expiration: 2042-03-03
Also published as: JP2023128204A

Description

特許法第３０条第２項適用令和３年９月８日～１１日に開催された第３９回日本ロボット学会学術講演会（ＲＳＪ２０２１）にて、発表した。

本発明は、ワイヤにより動力を伝達するワイヤ駆動機構に関する。

近年、ロボットは，様々な環境において人間に代わる、あるいは、協働するような利用方法が模索されている。例えば、人の近くで動き、人に対し補助的な作業を行うことで、人の生活を支援するアーム付の各種サービスロボットが開発されている。

ところで、従来、上記のようなロボットアームを構成する際、アームの関節部分にアクチュエータを配置し、このアクチュエータにより関節部分を駆動することが知られている。

しかしながら、これでは、全ての関節部分にアクチュエータが必要となることから、ロボット全体の重量が増大してしまうという問題があった。

そこで、このような問題を解決すべく、アクチュエータを関節部分ではなく、ロボット本体側に配置し、このロボット本体側からワイヤを用いて関節まで動力を伝達するワイヤ駆動機構が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０－２４９７７７号公報

しかしながら、上記のようなワイヤ駆動機構は、股関節における内外転軸や屈伸軸のように、関節経由時に前リンクと後リンクで軸方向が変化する場合、ワイヤの方向を変更するプーリが複数必要となり、もって、機構全体が重量化・大型化するという問題があった。さらには、ワイヤの方向を変更するプーリが複数必要となると、ワイヤに生じる摩擦が増大し、もって、ワイヤの切断・摩耗・弛みが生じる可能性があるという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、小型化・軽量化することができる共に、ワイヤの摩擦を低減させることができるワイヤ駆動機構を提供することを目的としている。

上記本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に係るワイヤ駆動機構は、第１回転軸（Ｚ１）上に配置される単数からなる第１プーリ（第１従動プーリ１１）と、
前記第１回転軸（Ｚ１）と交わる方向に位置する第２回転軸（Ｚ２）上に配置される単数からなる第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）と、
前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）及び前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）に巻き付けられる第１ワイヤ（３）と、
前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）及び前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）に巻き付けられる第２ワイヤ（４）と、
前記第１ワイヤ（３）と前記第２ワイヤ（４）とが、片方のワイヤが引っ張られるともう片方のワイヤが押し出されるよう巻き付けられる駆動プーリ（２）と、
前記駆動プーリ（２）が回転可能に取り付けられ、前記第１ワイヤ（３）と前記第２ワイヤ（４）とを拮抗的に引っ張るアクチュエータ（１）と、
前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）に巻き付けられた前記第１ワイヤ（３）を前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）に巻き付けるにあたり、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）の第１接線（１１ａ）方向から前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の第１接線（１３ａ）方向に沿うよう誘導する単数からなる第１変更プーリ（第１変更用プーリ１４）と、
前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）に巻き付けられた前記第２ワイヤ（４）を前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）に巻き付けるにあたり、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）の第２接線（１１ｂ）方向から前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の第２接線（１３ｂ）方向に沿うよう誘導する単数からなる第２変更プーリ（第２変更用プーリ１５）と、を有し、
前記第１ワイヤ（３）は、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）及び前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の外周面の全てを覆わず一部を覆うように巻き付けられ、
前記第２ワイヤ（４）は、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）及び前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の外周面の全てを覆わず一部を覆うように巻き付けられ、
前記第１変更プーリ（第１変更用プーリ１４）は、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）の第１接線（１１ａ）と前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の第１接線（１３ａ）とが交わる位置に配置されると共に、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）の軸方向と前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の軸方向とが、鉛直上下方向に交わる位置に配置されていた際、前記第１変更プーリ（第１変更用プーリ１４）の軸方向は前記鉛直上下方向に向かって配置され、
前記第２変更プーリ（第２変更用プーリ１５）は、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）の第２接線（１１ｂ）と前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の第２接線（１３ｂ）とが交わる位置に配置されると共に、前記第１プーリ（第１従動プーリ１１）の軸方向と前記第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の軸方向とが、鉛直上下方向に交わる位置に配置されていた際、前記第２変更プーリ（第２変更用プーリ１５）の軸方向は、前記鉛直上下方向に交わる位置に配置されるようになっていることを特徴としている。

次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に係る発明によれば、第１ワイヤ（３）の方向を変更するにあたって、１個の第１変更プーリ（第１変更用プーリ１４）を配置し、第２ワイヤ（４）の方向を変更するにあたって、１個の第２変更プーリ（第２変更用プーリ１５）を配置するようにしているから、従来のように、方向を変更したいワイヤに対し複数の変更用プーリを配置する必要がない。また、変更用プーリの数が単数であるため、第１ワイヤ（３）、第２ワイヤ（４）の摩擦を低減させることができる。

しかして、本発明によれば、小型化・軽量化することができる共に、ワイヤの摩擦を低減させることができる。

このような第１変更プーリ（第１変更用プーリ１４）の配置にあたって、請求項１に記載の、第１プーリ（第１従動プーリ１１）の第１接線（１１ａ）と第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の第１接線（１３ａ）とが交わる位置に配置されると共に、第１プーリ（第１従動プーリ１１）の軸方向と第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の軸方向とが、鉛直上下方向に交わる位置に配置されていた際、第１変更プーリ（第１変更用プーリ１４）の軸方向は鉛直上下方向に向かって配置されるのが好適である。さらに、第２変更プーリ（第２変更用プーリ１５）の配置にあたって、請求項１に記載の、第１プーリ（第１従動プーリ１１）の第２接線（１１ｂ）と第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の第２接線（１３ｂ）とが交わる位置に配置されると共に、第１プーリ（第１従動プーリ１１）の軸方向と第２プーリ（第２回転軸駆動プーリ１３）の軸方向とが、鉛直上下方向に交わる位置に配置されていた際、第２変更プーリ（第２変更用プーリ１５）の軸方向は、鉛直上下方向に交わる位置に配置されるのが好適である。

本発明の一実施形態に係るワイヤ駆動機構をロボットのリンクに設けた状態を説明するための模式図である。同実施形態に係るワイヤ駆動機構を、第１回転軸と第２回転軸が平行でないようなロボットのリンクに適用する場合を説明するための斜視説明図である。図２に示す内容を他の方向から見た場合の斜視説明図である。同実施形態に係るワイヤ駆動機構を、第３回転軸があるような場合にも適用可能であることを説明するための斜視説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係るワイヤ駆動機構を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上下左右の方向を示す場合は、図示正面から見た場合の上下左右をいうものとする。

本実施形態に係るワイヤ駆動機構は、拮抗的にワイヤを引っ張るワイヤ駆動機構であって、例えば、図１に示すような、ロボットのリンクに設けられる。より詳しく説明すると、このロボットのリンクは、第１リンクＲ１と、第２リンクＲ２と、で構成され、この第１リンクＲ１と、第２リンクＲ２とは、関節部Ｋ１を介して互いに相対変位可能に連結されている。

ところで、この第１リンクＲ１には、図１に示すように、左端面Ｒ１ａ側に１個のアクチュエータ１が設けられており、このアクチュエータ１の出力軸１ａには、駆動プーリ２が回転可能に取り付けられている。そして、この駆動プーリ２には、第１ワイヤ３が巻き付けられると共に、第２ワイヤ４が巻き付けられている。これにより、アクチュエータ１によって、駆動プーリ２が回転すると片方のワイヤ（例えば、第１ワイヤ３）が引っ張られ、もう片方のワイヤ（例えば、第２ワイヤ４）が押し出されることとなる。そして、この第１ワイヤ３及び第２ワイヤ４は、関節部Ｋ１に設けられている従動プーリ５に巻き付けられ、さらに、他の関節部に巻き付けられるようになっている。これにより、１個のアクチュエータ１を駆動することによって、複数の関節部を駆動することが可能となっている。

ここで、本発明の特徴とするところは、平行でない回転軸に上記のようなワイヤ駆動機構を設ける点であるため、この点、図２及び図３を参照して具体的に説明する。

図２及び図３に示すように、第１回転軸Ｚ１と第２回転軸Ｚ２とが、平行でない（図示では、直交）ようなロボットのリンクがあった場合、本実施形態に係るワイヤ駆動機構は、以下のように構成される。

図２に示すように、第１回転軸Ｚ１には、第１回転軸Ｚ１上を回転する第１回転軸駆動プーリ１０が配置されている。そして、図２及び図３に示すように、第１回転軸Ｚ１上には、第１回転軸駆動プーリ１０の回転に伴って回転を行う第１従動プーリ１１が配置されている。この第１従動プーリ１１には、図２及び図３に示すように、中継プーリ１２を介して、誘導されてきた第１ワイヤ３及び第２ワイヤ４が巻き付けられている。

一方、図２及び図３に示すように、第２回転軸Ｚ２には、第２回転軸Ｚ２上を回転する第２回転軸駆動プーリ１３が配置されている。そして、この第２回転軸駆動プーリ１３には、図２及び図３に示すように、第１従動プーリ１１に巻き付けられている第１ワイヤ３及び第２ワイヤ４が巻き付けられている。

この点、より詳しく説明すると、第１回転軸Ｚ１と、第２回転軸Ｚ２とは、平行でない（図示では、直交）ようにしているため、第１従動プーリ１１に巻き付けられている第１ワイヤ３及び第２ワイヤ４を、第２回転軸駆動プーリ１３に巻き付けようとすれば、第１ワイヤ３及び第２ワイヤ４の方向を変更しなければならない。この際、従来においては、第１ワイヤ３及び第２ワイヤ４の方向を変更するにあたって、第１ワイヤ３の方向を変更するための変更用プーリを複数配置し、さらに、第２ワイヤ４の方向を変更するための変更用プーリを複数配置しなければならなかった。そのため、ワイヤ駆動機構全体が重量化・大型化するという問題があった。さらには、第１ワイヤ３、第２ワイヤ４の方向を変更するプーリが複数必要となると、第１ワイヤ３、第２ワイヤ４に生じる摩擦が増大し、もって、第１ワイヤ３、第２ワイヤ４の切断・摩耗・弛みが生じる可能性があるという問題があった。

そこで、本実施形態においては、図２及び図３に示すように（特に、図３を参照）、第１ワイヤ３の方向を変更するにあたって、１個の第１変更用プーリ１４を配置し、第２ワイヤ４の方向を変更するにあたって、１個の第２変更用プーリ１５を配置するようにしている。

しかして、このようにすれば、方向を変更したいワイヤに対し複数の変更用プーリを配置する必要がないため、ワイヤ駆動機構全体を小型化・軽量化することができる。さらに、変更用プーリの数が単数であるため、第１ワイヤ３、第２ワイヤ４の摩擦を低減させることができる。

ところで、第１ワイヤ３の方向を変更するにあたって、１個の第１変更用プーリ１４を配置するだけで良いのは、第１変更用プーリ１４を以下の考え方によって配置しているためである。すなわち、図３に示すように、第１ワイヤ３は、第１従動プーリ１１の第１接線１１ａに沿うように巻き付けられ、そして、第２回転軸駆動プーリ１３の第１接線１３ａに沿うように巻き付けられている。そのため、第１ワイヤ３を、第１従動プーリ１１から第２回転軸駆動プーリ１３へスムーズに誘導させるには、第１従動プーリ１１の第１接線１１ａから、第１ワイヤ３を、第２回転軸駆動プーリ１３の第１接線１３ａに沿うように誘導させる必要がある。そこで、これを実現させるために、本実施形態においては、図３に示すように、第１従動プーリ１１の第１接線１１ａと、第２回転軸駆動プーリ１３の第１接線１３ａとが交わる位置に第１変更用プーリ１４を配置するようにしている。このようにすれば、第１変更用プーリ１４は、第１従動プーリ１１の第１接線１１ａ及び第２回転軸駆動プーリ１３の第１接線１３ａ何れにも関わることができることとなる。それゆえ、第１変更用プーリ１４は、第１従動プーリ１１の第１接線１１ａより誘導されてきた第１ワイヤ３を、方向転換することができるばかりか、第２回転軸駆動プーリ１３の第１接線１３ａに誘導することが可能となる。

しかして、上記のような考え方によって第１変更用プーリ１４を配置することにより、１個の第１変更用プーリ１４を配置するだけで、第１ワイヤ３の方向を変更することが可能となる。

一方、第２ワイヤ４の方向を変更するにあたって、１個の第２変更用プーリ１５を配置するだけで良いのは、第２変更用プーリ１５を以下の考え方によって配置しているためである。すなわち、図３に示すように、第２ワイヤ４は、第１従動プーリ１１の第２接線１１ｂに沿うように巻き付けられ、そして、第２回転軸駆動プーリ１３の第２接線１３ｂに沿うように巻き付けられている。そのため、第２ワイヤ４を、第１従動プーリ１１から第２回転軸駆動プーリ１３へスムーズに誘導させるには、第１従動プーリ１１の第２接線１１ｂから、第２ワイヤ４を、第２回転軸駆動プーリ１３の第２接線１３ｂに沿うように誘導させる必要がある。そこで、これを実現させるために、本実施形態においては、図３に示すように、第１従動プーリ１１の第２接線１１ｂと、第２回転軸駆動プーリ１３の第２接線１３ｂとが交わる位置に第２変更用プーリ１５を配置するようにしている。このようにすれば、第２変更用プーリ１５は、第１従動プーリ１１の第２接線１１ｂ及び第２回転軸駆動プーリ１３の第２接線１３ｂ何れにも関わることができることとなる。それゆえ、第２変更用プーリ１５は、第１従動プーリ１１の第２接線１１ｂより誘導されてきた第２ワイヤ４を、方向転換することができるばかりか、第２回転軸駆動プーリ１３の第２接線１３ｂに誘導することが可能となる。

しかして、上記のような考え方によって第２変更用プーリ１５を配置することにより、１個の第２変更用プーリ１５を配置するだけで、第２ワイヤ４の方向を変更することが可能となる。

以上説明した本実施形態によれば、第１ワイヤ３の方向を変更するにあたって、１個の第１変更用プーリ１４を配置し、第２ワイヤ４の方向を変更するにあたって、１個の第２変更用プーリ１５を配置するようにしているから、従来のように、方向を変更したいワイヤに対し複数の変更用プーリを配置する必要がない。また、変更用プーリの数が単数であるため、第１ワイヤ３、第２ワイヤ４の摩擦を低減させることができる。

しかして、本実施形態によれば、小型化・軽量化することができる共に、ワイヤの摩擦を低減させることができる。

なお、本実施形態において示した形状等はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、本実施形態においては、２軸を例に説明したが、それに限らず、同様の考え方で、３軸以上に適用することも可能である。具体的に例示すると、図４に示すようにすることができる。以下、詳しく説明することとする。なお、図２及び図３と同一の構成について同一の符号を付し説明は省略することとする。

図４に示すように、第１回転軸Ｚ１上には、第１回転軸駆動プーリ１０の回転に伴って回転を行う第２従動プーリ２０が配置されている。この第２従動プーリ２０には、図４に示すように、中継プーリ２１を介して、誘導されてきた第３ワイヤ２２及び第４ワイヤ２３が巻き付けられている。

一方、図４に示すように、第２回転軸Ｚ２上には、第２回転軸駆動プーリ１３の回転に伴って回転を行う第３従動プーリ２４が配置されている。そして、この第３従動プーリ２４には、図４に示すように、第２従動プーリ２０に巻き付けられている第３ワイヤ２２及び第４ワイヤ２３が巻き付けられている。より詳しく説明すると、第３ワイヤ２２は、上記説明した考え方と同様に配置された第３変更用プーリ２５によって方向が変更され、第２従動プーリ２０から第３従動プーリ２４へ誘導される。そして、第４ワイヤ２３は、上記説明した考え方と同様に配置された第４変更用プーリ２６によって方向が変更され、第２従動プーリ２０から第３従動プーリ２４へ誘導される。しかして、このようにして、第３従動プーリ２４に第３ワイヤ２２及び第４ワイヤ２３が巻き付けられることとなる。そして、第３従動プーリ２４に巻き付けられた第３ワイヤ２２及び第４ワイヤ２３は、図４に示すように、中継プーリ２７を経由して、図示しない第３回転軸に誘導されることとなる。しかるに、このようにすれば、３軸以上に適用することも可能となる。なお、このように３軸以上に適用することも可能となれば、多脚ロボットや多関節アームロボットなど、より多くの関節を持つロボットに適用することが可能となる。

３第１ワイヤ
４第２ワイヤ
１１第１従動プーリ（第１プーリ）
１１ａ第１接線
１１ｂ第２接線
１３第２回転軸駆動プーリ（第２プーリ）
１３ａ第１接線
１３ｂ第２接線
１４第１変更用プーリ（第１変更プーリ）
１５第２変更用プーリ（第２変更プーリ）
Ｚ１第１回転軸
Ｚ２第２回転軸

Claims

第１回転軸上に配置される単数からなる第１プーリと、
前記第１回転軸と交わる方向に位置する第２回転軸上に配置される単数からなる第２プーリと、
前記第１プーリ及び前記第２プーリに巻き付けられる第１ワイヤと、
前記第１プーリ及び前記第２プーリに巻き付けられる第２ワイヤと、
前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとが、片方のワイヤが引っ張られるともう片方のワイヤが押し出されるよう巻き付けられる駆動プーリと、
前記駆動プーリが回転可能に取り付けられ、前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとを拮抗的に引っ張るアクチュエータと、
前記第１プーリに巻き付けられた前記第１ワイヤを前記第２プーリに巻き付けるにあたり、前記第１プーリの第１接線方向から前記第２プーリの第１接線方向に沿うよう誘導する単数からなる第１変更プーリと、
前記第１プーリに巻き付けられた前記第２ワイヤを前記第２プーリに巻き付けるにあたり、前記第１プーリの第２接線方向から前記第２プーリの第２接線方向に沿うよう誘導する単数からなる第２変更プーリと、を有し、
前記第１ワイヤは、前記第１プーリ及び前記第２プーリの外周面の全てを覆わず一部を覆うように巻き付けられ、
前記第２ワイヤは、前記第１プーリ及び前記第２プーリの外周面の全てを覆わず一部を覆うように巻き付けられ、
前記第１変更プーリは、前記第１プーリの第１接線と前記第２プーリの第１接線とが交わる位置に配置されると共に、前記第１プーリの軸方向と前記第２プーリの軸方向とが、鉛直上下方向に交わる位置に配置されていた際、前記第１変更プーリの軸方向は前記鉛直上下方向に向かって配置され、
前記第２変更プーリは、前記第１プーリの第２接線と前記第２プーリの第２接線とが交わる位置に配置されると共に、前記第１プーリの軸方向と前記第２プーリの軸方向とが、鉛直上下方向に交わる位置に配置されていた際、前記第２変更プーリの軸方向は、前記鉛直上下方向に交わる位置に配置されるようになっているワイヤ駆動機構。