JPH01103286A - 多自由度アクチユエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多自由度アクチュエータに関し、特にマニピュ
レータなどの多自由度機構に係わり、フレキシブルすな
わち柔軟な動作および機能を必要とするフレキシブル機
構を有するマニピュレーターやロボットハンドなどに好
適な多自由度アクチエエータに関する。

［発明の概要］ 本発明は、マニピュレータやロボットハンドなどのよう
な多自由度機構のアクチュエータに関するもので、超音
波モータ（圧電セラミックスを超音波振動させてステー
タに進行波を形成し、これとロータとの摩擦によって回
転するモータ）のロータおよびステータのうちいずれか
一方を任意に固定し、他方を相対的に回転可能とするこ
とによって、１つのモータに２つの自由度の回転機能を
持たせ、１方の自由度により関節駆動用の形状記憶合金
（一定の形を記憶させると変形しても適当な温度に加熱
するともとの形に復元する性質をもつ金層）を屈曲させ
たい任意の位置まで回転させ、他方のｌ自由度により、
ねじれ方向の回転動作をさせることによって、１つのア
クチュエータで３６０°どちらの方向にも屈曲でき、さ
らに回転作業が可能である多自由度機能を係持させたも
のである。

（従来の技術） 従来、フレキシブルな多自由度アクチエエータについて
はそれほど多くの例がないが、スプリングをフランジを
介して連絡し、１節について３木のワイヤを張設し、こ
れらのワイヤを後部で３個のワイヤ巻取／送出用モータ
で制御することでアームを任意の方向に任意の曲率をも
つて屈曲できるよ、うにしたものがある。（東工大　広
瀬研「ゾウの鼻」）また、同研究室ではワイヤを形状記
憶合金５ｈａｐｅ　Ｍｅｓ＋ｏｒｙ　Ａ１１ｏｙ　（以
下でＳＭ＾という）で置換したアクチエエータについて
も検討を行なっている。

更に類似技術としては、多関節マニピュレータなどがあ
り、これらは各関節に１自由度アクチュ二一夕を１つな
いし２つ装着し、並列制御することによって多自由度を
有する操作を可能としている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、東工大の「ゾウの鼻」のようなアクチエ
エータの場合、ワイヤ駆動あるいはＳＭＡ駆動ともに１
節に対して３チャンネル以上の制御を行なわなければな
らず、アクチエエータを多段にしてマニピュレータとす
る場合、全体で制御しなければならないチャンネル数が
非常に多く、複、雑になり、また、アームがそれぞれ長
尺になることから各節に大きな駆動トルクが必要になる
。

また、多関節マニピュレータのように１自由度アクチエ
エータの積みかさねによって多自由度を確保する場合は
、個々の関節に取りつけたモータの自重によって後段は
ど大きい駆動トルクが必要となり、大出力のモーターを
装着しなければならない、従って、産業用マニピュレー
ターに多く見受けられるような先細り型の大型の機構に
なってしまう場合が多い。

本発明の目的は、上述従来の問題点に鑑み、少チャンネ
ル制御で多自由度が得られ、しかも高駆動トルクが得ら
れて、軽量、高剛性化を図ることができる多自由度アク
チュエータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、ロータおよび
ステータを互いに相対的に回転可能とする２自由度を有
する超音波モータ部と、ロータおよびステータのうちい
ずれか一方を任意に制止し、他方を回転可能とする自由
度選択手段と、超音波モータ部をその回転軸心の周りに
揺動自在に支持する支持体と、支持体の周りに設けた回
転体とロータの周囲部とを連結する形状記憶合金製の伸
縮部材とを具え、自由度選択手段を介して選択した第１
の自由度で伸縮部材を支持体の周りに回転させて伸縮部
材を駆動することにより超音波モータ部をその方向に揺
動可能とし、自由度選択手段を介して選択した第２の自
由度で、超音波モータ部を回転可能としたことを特徴と
する特許〔作用〕 本発明によれば、超音波モータ部のロータおよびステー
タのうち、いずれか一方を固定して、他方を相対的に回
動させることによりねじれ方向の動作をさせることがで
き、更に固定した側をＳＭＡを介してモータの軸方向に
伸縮させることにより関節屈伸動作に利用することがで
きるので、少ない制御チャンネルで高精度の制御を実施
することが可能となった。

（実施例） 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

以下に述べるように、本アクチエエータ−は、超音波モ
ーターと予め熱を加えると収縮力が働くように設定され
たＳＭＡとを組み合わせて構成したハイブリッドアクチ
ュエーターであり、その基本的構成の一例を第１Ａ図〜
第１Ｃ図に示す。

第１Ａ図において、１は超音波モータ部であり、２は円
環状に形成され、不図示の圧電素子が接着されているそ
のステータ、３は同じく円環状に形成され、ステータ２
の対向位置に配置されたロータ、４＾および４Ｂはステ
ータ２およびロータ３を回転可能に保持する上部フラン
ジおよび下部フランジ、５は上部フランジ４Ａと下部フ
ランジ４Ｂとを固定している固定ねじである。

しかして、上部フランジ４Ａおよび４Ｂにはそれぞれ、
半径方向の孔６＾および６Ｂが穿設されていて、これら
の孔６＾および６Ｂには、移動自在に嵌合されたスライ
ダ７Ａおよび７Ｂと所定の温度で延伸するＳＭＡ製のブ
レーキ用ばね８＾および８Ｂとがそれぞれ第１Ｂ図に示
すようにして嵌め込まれている。

９はこのアクチュエータにおける関節の一端となる下部
リング、１０は下部リング９と超音波モータ部１の下部
フランジ４Ｂとを連結しているコイルばね、１１は下部
リング９に取付けられたベアリン；・；１゜ グであり、このベアリング１１を弄してロータ３が回転
自在なようにベアリング１１の回転輪１１＾とロータ３
とは関節駆動用５ＭＡｌ２によって連結される。

このように構成したアクチエエータにおいては、上部フ
ランジ４＾に組み込んだステータのブレーキ用ばね８＾
に通電して加熱し、ばね８Ａを延伸させることによりス
ライダ７Ａをステータ２に圧着させて、ブレーキをかけ
、この状態で超音波モータ部１に通電し、下部リング９
に取付けたベアリング１１を介してロータ３を任意の方
向に回転させることができる。そこで、アクチュエータ
を屈曲させたい任意の方向にまで回転させたならば、次
に関節駆動用５ＭＡｌ２に通電加熱し、５ＭＡｌ２を例
えば延伸させることによりコイルばねｌＯを骨格として
必要な角度に屈曲させることができる。また、この状態
において軸周りの回転作業（動作）を行ないたい場合は
、ステータブレーキ用ＳＭＡ製のばね８Ａへの通電をや
め、ステータ２を自由な状態にして下部フランジ４Ｂに
組み込んだロータブレーキ用ＳＭＡ製のばね８Ｂに通電
加熱してスライダ７Ｂをロータ３に圧着させ、ブレーキ
をかけた上、超音波モータ部１に通電し、ステータ２を
回転させればよい。

なお、上記の例では、ロータ３を介して関節駆動用５Ｍ
Ａｌ２を移動させた上、ステータ２によって回転作業を
行なうようにしたが、反対にステータ２を介して関節駆
動用５ＭＡｌ２を移動させ、ロータ３によって回転作業
をすることも可能である。また、上記の例では、ロータ
３およびステータ２のブレーキとしてＳＭＡ製のばねδ
＾および８Ｂを用いたが、摩擦ブレーキや電磁ブレーキ
などを利用することもでき、骨格としているコイルばね
もエアークツション等で置換することも可能である。

第２図は、本多自由度アクチュエータをアンテナの駆動
に適用した例である。１４は第１Ａ図〜第１Ｃ図に示し
たようにして構成したアクチュエータであり、アクチエ
エタ１４にパラボラアンテナ１５を直接に装着してアン
テナ１５にパンやチルトなど必要な動作を行わせること
ができる。

第３図および第４図は、産業用ロボットのアームに応用
した例である。木多自由度アクチエエータ１４は接手部
１４＾を介してその先端部を任意の位置へ動作させるだ
けでなく、その状態を保持して回転作業を行なうことが
でき、ドライバ１６などの回転工具（第３図参照）やロ
ボットハンド１７（第４図参照）を装着して能率の良い
作業が可能となる。

第５図に、本アクチュエータを多段化した構成例を示す
。本図に示すように、１節、２節、・・・の各節に本ア
クチュエータ１４を使用しフレキシブルマニピュレータ
化することで従来のマニピュレータにない多自由度動作
が実現できる。

第６図および第７図は、このようなフレキシブルマニピ
ュレータ１４＾をカメラに適用した例である。すなわち
、第６図において、１８は超小型カメラ、１８＾はその
先端レンズ、また第７図において、１９はフレキシブル
マニピュレータ１４Ａの先端部に取付けられたハンディ
カメラであり、このようにハンディカメラ１９を装着す
ることによって周囲の環境について撮像範囲が広がり、
また、特撮などの際の複雑なカメラワークが可能となる
。

（発明の効果） 以上説明してきたように、本発明によれば、超音波モー
タ部のロータおよびステータのうち、任意の一方を固定
可能となし、他方を相対的に回転可能とすることによっ
て超音波モータに２自由度の選択を可能とし、その１つ
の自由度を関節駆動用ＳＭ＾を屈曲させたい任意の位置
へ回転させることに用いるため、従来の「ゾウの鼻」の
機構のように屈曲動作をさせる際に制御しなければなら
ないチャンネル数が多く、複雑になってしまうことがな
く、また、精度の高い制御が可能である。また、他の１
つの自由度をねじれ回転動作に用いるので、「ゾウの鼻
」方式では不可能であった自由度を実現することができ
た。

更にまた、その駆動源には発生トルクが大きく、軽量な
超音波モータとＳＭＡとを組合せて使用するので、長尺
になっても十分に剛性を保つことができるようになった
。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、本発明の多自由度アクチエエータの構造の
一例を示す断面図、 第ｔａ図はその超音波モータ部の部分断面図、第１ｃ図
は、その多自由度アクチュエータの外観を示す斜視図、 第２図は、本発明多自由度アクチエエータのアンテナ駆
動機構への適用例を示す斜視図、第３図は、本発明多自
由度アクチエエータの、産業用ロボットハンドへの適用
例を示す斜視図、 第４図は、別形態の産業用ロボットハンドへの適用例を
示す側面図、 第５図は、本発明多自由度アクチエエータを多段化した
フレキシブルマニピュレータの構成を示す断面図、 第６図は、そのフレキシブルマニピュレータの超小型カ
メラへの一適用例を示す模式図、第７図は、同じくその
フレキシブルマニピュレータのスタジオカメラへの適用
例を模式的に示す斜視図である。 １　・・・超音波モータ部、 ２　・・・ステータ、 ３　・・・ロータ、 ４Ａ、　４Ｂ−・・フランジ、 ５　・・・固定ねじ、 ６＾、　６Ｂ　　・・・孔、 ７＾、７ト・・スライダ、 ８＾、　８Ｂ’−・・ブレーキ用（ＳＭＡ）ばね、９　
・・・下部リング、 １０　−・・コイルばね、 １１　　・・・ベアリング、 １１Ａ−・・回転輪、 １２・・・関節駆動用ＳＭ＾、 １４　　・・・アクチエエータ、 １４Ｍ　−・・フレキシブルマニピュレータ、１’ｌ　
　−・・パラボラアンテナ、 １６　　・・・ドライバ、 １７　　・・・ハンド、 １８　　・・・カメラ、 １９　　・・・ハンディカメラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ロータおよびステータを互いに相対的に回転可能とする
   ２自由度を有する超音波モータ部と、前記ロータおよび
   ステータのうちいずれか一方を任意に制止し、他方を回
   転可能とする自由度選択手段と、 前記超音波モータ部をその回転軸心の周りに揺動自在に
   支持する支持体と、 該支持体の周りに設けた回転体と前記ロータの周囲部と
   を連結する形状記憶合金製の伸縮部材と を具え、前記自由度選択手段を介して選択した第１の自
   由度で前記伸縮部材を前記支持体の周りに回転させて前
   記伸縮部材を駆動することにより前記超音波モータ部を
   その方向に揺動可能とし、前記自由度選択手段を介して
   選択した第２の自由度で、前記超音波モータ部を回転可
   能としたことを特徴とする多自由度アクチュエータ。