JPH06320471A - マニピュレータ用関節 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】減速機によってモータの出力トルクを増倍し従
動側ブームに伝達する関節において、モータの出力軸と
関節の従動側ブーム間にフリクションドライブ機構ある
いはクラッチ機構を直列に配置し、必要に応じてフリク
ションドライブ機構の転がり接触部の接触荷重を変化さ
せる機構あるいはクラッチ機構を必要に応じて連結，切
断する機構を備える。 【効果】モータの出力トルクを従動側ブームに最大限伝
達したい時に、フリクションドライブ機構の転がり接触
部の接触荷重を大きくし、あるいはクラッチ機構を連結
して大きな出力トルクを伝達できる。また過大なバック
ドライブ力が関節の従動側より負荷された時は、フリク
ションドライブ機構の転がり接触部の接触荷重を小さ
く、あるいはクラッチ機構を切断することによって過大
なバックドライブ力を逃がして、関節に過大な回転トル
クが負荷されることを防ぎ、関節の損傷を防ぐことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は貨物を搬送するマニピュ
レータに係り、特に、このマニピュレータ関節部分の構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の地上用マニピュレータは重力の影
響によるマニピュレータ本体の強度限界により、マニピ
ュレータ本体に比べて搬送可能な貨物が非常に小さかっ
た。従って、搬送中の貨物の慣性力はそれほど大きくな
く、加速減速時あるいは緊急停止時にマニピュレータ先
端から入力する搬送反力が小さいため、マニピュレータ
の関節には過大なバックドライブ力がかからなかった。
(例えば「Robot No.７８ｐ３５」その他地上用の一般的
なロボットの仕様では、ロボットの自重当たりの可搬物
重量は大体１０％程度である。それに対して、宇宙用ロ
ボットでは重力の影響がないため、その比率は１００％
以上となる。）しかし、宇宙用マニピュレータでは、無
重力空間で操作あるいは荷物の運搬を行うため、図２に
示すようにマニピュレータ本体に比べて非常に大きな質
量の荷物を運搬できる。そのため搬送中の荷物の慣性力
が非常に大きく、かつ加減速時あるいは緊急停止時にマ
ニピュレータの先端側から侵入する搬送反力（バックド
ライブ力）が非常に大きくなることが新たに心配され
る。このように過大なバックドライブ力がマニピュレー
タに加わると、関節３５あるいは荷物を把持するグリッ
パ３６内部のモータ，減速機，ブレーキあるいはそれら
を支えている軸受等に過大な力が加わり、損傷の原因と
なる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、上記のように宇宙のような無重力空間にお
いて操作されるマニピュレータの関節部に加わる過大な
搬送反力を軽減して、この関節が破壊しないようにする
ことである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明はマニピュレータ先端から侵入するバック
ドライブ力に対して、その力が関節内部の駆動機構に伝
達されないように遮断あるいは減少させる機構を設け
る。

【０００５】

【作用】マニピュレータの先端から侵入するバックドラ
イブ力を遮断する機構としてはクラッチ、あるいは軽減
する機構としてフリクションドライブタイプの動力伝達
機構を関節よりマニピュレータの先端側に配設し、過大
な搬送反力が関節に加わる際に、クラッチを切断して力
の伝達を止めたり、あるいはフリクションドライブ機構
部において滑りを生じさせることによって、関節の駆動
機構部に過大なバックドライブ力が伝わらないようにな
る。

【０００６】

【実施例】以下に本発明の具体的実施例を図を用いて説
明する。

【０００７】図１は本発明の一実施例の構成を示したも
のである。本図では、従動側ブーム６が駆動側ブーム５
に対して同心的に回転する関節の構造を示したものであ
る。駆動側のブーム内に固定されたモータ１の回転軸
は、同じく駆動側ブーム内に固定されたブレーキ３及び
回転角度を検出するためのエンコーダ４に直結してお
り、モータ１の回転をコントロールできるようになって
いる。またモータ１の他側の出力軸は、従動側ブーム６
を減速する減速機２に結合されており、この構成によっ
てモータ１の出力トルクが減速機２を介して増幅されて
従動側ブームを駆動する。この減速機としてフリクショ
ンドライブ機構を内部に有する減速機にすることによっ
て、従動側ブームから駆動力が侵入した場合（バックド
ライブ）に、その回転トルクが非常に大きくても減速機
の内部のフリクションドライブ部において滑りが発生し
て、モータ１やブレーキ３等の関節内要素に過大なトル
クが伝達されず、損傷の問題を回避できる。図中の８は
上記の滑りによって発生する駆動側ブームと従動側ブー
ムの相対位置関係（相対位相差）を検出するためのエン
コーダである。

【０００８】この構成によって、過大なトルクが従動側
から侵入しても減速機２の内部のフリクションドライブ
部に滑りが生じてモータ１やブレーキ３あるいはこれら
の要素を固定している軸受等の関節要素に過負荷が加わ
らないため、関節の損傷を防止できる。

【０００９】図３は図１と同様に、従動ブームが駆動ブ
ームと同心的に回転するタイプの関節機構を示したもの
である。フリクションドライブ機構としては、ハーモニ
ックドライブ型の減速機の噛み合い歯部をなめらかな円
筒状体の接触に変えたタイプのものである。また図４は
図３中のＡ断面を示したものである。この実施例では、
ハーモニックドライブのウエーブジェネレータに相当す
る部署が二つの部品２ａ，２ｂより構成されており、そ
の二つの部品をさらにバネ機構２ｃが拡張する方向に力
を与えている。この部品２ａ，２ｂの外周には転動体が
楕円状に配置されており、ばね機構２ｃの力がフレクス
プライン２ｅを介してサーキュラスプライン２ｄの内壁
に伝達されている。従って、モータ１によって軸が回転
するとウエーブジェネレータ２ａ，２ｂが連動して回転
し、その結果、サーキュラスプライン２ｄの内壁とフレ
クスプライン２ｅの外壁が、逐次、転がり接触する。フ
レクスプライン２ｅはサーキュラスプライン２ｄに内接
した楕円状であり、その周長はサーキュラスプラインの
内壁周長に比べて短い。

【００１０】この周長の差がフレクスプライン２ｅにモ
ータ軸と逆の低速回転を与えるため、減速機としての機
能が実現できる。サーキュラスプライン２ｄとフレクス
プライン２ｅとの接触部に滑りを生じさせないためには
両者の接触面圧を高める必要があり、ばね機構２ｃの荷
重によって減速度や伝達するトルクの値を変化させるこ
とができる。また８′は駆動側ブームと従動側ブームの
相対位置ずれを検知するための回転センサであり、減速
機部の滑りにより生じる位相差を検知する。これによっ
て従動ブーム側の回転角度を検知できるため、関節を精
度よく駆動させる事ができる。

【００１１】図５は図３の実施例において、拡張力を付
加する機構としてウエーブジェネレータ２ａ，２ｂにひ
し形状の切り込みを設け、そのすきまに鋼球３５および
一対のばね機構３６を挿入したものである。図６にＡ′
断面図を示す。この方法によっても、十分な拡張力をサ
ーキュラスプライン２ｄの内側に付加でき、フリクショ
ン機構によってモータ１の回転力を従動側ブームに伝達
できる。

【００１２】図７は図３の実施例と同様にハーモニック
ドライブ方式を採用したフリクションドライブ減速機で
ある。サーキュラスプライン２ｄとフレクスプライン２
ｅの接触部に負荷する面圧をベローズ２ｇに圧力ガスを
導入することで行っている。圧力ボンベ１１からの圧力
ガスを電磁弁１２を操作することによってベローズ２ｇ
内に導入あるいは排出することができる。この構成によ
って、モータの出力トルクを従動側ブームに伝達したい
時にベローズ内の圧力を高め、また従動側からのバック
ドライブトルクを駆動側ブームに伝えたくない時にベロ
ーズ内の圧力を低下させる事ができるため、駆動トルク
の伝達特性を制御できる。この際、図８に示すベローズ
内圧力と関節起動以降の時間経過の関係のように、関節
の駆動時にベローズ内の圧力を多少大き目に、また駆動
後は圧力を多少小さ目にセットすることによって、フリ
クションドライブ減速機の起動時における滑りをなく
し、関節の駆動精度を高くすることができる。

【００１３】またエンコーダ８′によって従動側ブーム
の滑り率が変化したことを確認した場合には、例えばす
べり率が大きくなった時にはベローズ内圧力を大きく、
滑り率が小さくなった場合、ベローズ内圧力を小さくす
ることにより滑り率の変化をなくし、安定した減速機構
を実現できる。

【００１４】図９は図３及び図７におけるウエーブジェ
ネレータの拡張力の与え方を圧電素子１４を用いて行っ
た実施例を示したものである。この実施例では図７の実
施例と同様に拡張力を圧電素子に負荷する電圧によって
コントロールすることができるため、必要に応じたトル
ク伝達特性を得ることができる。即ち、図６に示すよう
に起動時に拡張力を大きく駆動後は小さ目に、またモー
タからの大出力トルクを従動ブームに伝えたいときに拡
張力を大きく、またバックドライブ力が従動側から侵入
したときには拡張力を低減することによって、関節の駆
動精度を高めかつ関節の破損を防止することができる。

【００１５】図１０は、図９の実施例においてウエーブ
ジェネレータの拡張力を検知するための荷重センサ２７
を設けたものである。この構成によってより一層拡張力
の制御性が高まる。

【００１６】図１１はウエーブジェネレータの拡張力を
得るための他の実施例を示したものである。二つに分割
されたウエーブジェネレータの間にくさび状体１７を挿
入して、拡張力を得るようにしている。図１２はこのく
さび状体の斜視図である。このくさび状体１７をスムー
ズに挿入できるように、転動体がくさび状体１７と二つ
に分割されたウエーブジェネレータの間に設けられてい
る。また、くさび状体１７の挿入の程度は圧電素子１
４′の伸縮状態によってコントロールすることができる
ため、拡張力の制御が可能である。この構成によって
も、トルクの伝達特性をコントロールすることができ
る。

【００１７】図１３は図１１の実施例について拡張力を
検出するための荷重センサ２７を設けたものである。こ
の実施例によって拡張力を精度よく制御できるため、よ
り一層信頼度の高い関節駆動特性を実現することができ
る。

【００１８】図１４は、図９，図１０，図１１，図１３
の実施例のようにフリクションドライブ機構の接触力を
得るための拡張力を、関節の起動と同時に制御する方法
を示したものである。フリクションドライブの起動時
は、衝撃的に突然フリクションが働くため大きな滑りが
生じやすい。したがって起動時の瞬間には拡張力を大き
くして滑りを生じにくくし、駆動後は多少小さくして摩
耗量を低減するように拡張力を制御すると、起動時の滑
りが無くなり制御性のよいマニピュレータ用関節を実現
できる。

【００１９】図１５は図１４と同様に、関節の起動時の
滑り現象をなくすための関節駆動速度制御方法を示した
ものである。起動時は上記のように衝撃的な力がフリク
ションドライブ機構に加わるため、滑りが生じ易い。し
たがって起動時は、関節の駆動速度を漸増するように速
度制御すると滑りが生じにくくなり、制御性のよい関節
が実現できる。

【００２０】図１６はモータ１と減速機２との間をフリ
クションドライブ機構１８で連結した場合の構成、即
ち、中間フリクションドライブ構造を示したものであ
る。モータ１の出力トルクを従動側ブーム６に伝達する
ときは、フリクションドライブ機構をつなぐか、あるい
はフリクションドライブの転がり接触による力伝達部の
接触荷重を増加させるのを低減する。フリクションドラ
イブ機構１８の転がり接触部では、摩擦係数に相当する
フリクション係数が一定であるため大きな回転トルクを
伝達するためには、接触荷重を大きくする事が必要であ
る。図１６で示すような構成によって、従動側ブームを
駆動する際にはフリクションドライブ部を接続あるいは
接触回転部の接触荷重を増倍機構によって大きくする
と、駆動力を大きく取れる。

【００２１】また、マニピュレータの先端側より過大な
バックドライブ力が作用する場合には、フリクションド
ライブ部の接触回転部に加わる力を低減することによっ
て滑りを生じさせ、所定以上の力が関節機構部に伝達さ
れるのを防ぐ。この際の滑りによって生じる駆動側ブー
ムと従動側ブームの回転位相の変化分は、例えば、エン
コーダ８のような回転計によって逐次測定し、マニピュ
レータ全体の制御性を損なわないようにする。

【００２２】図１７は図１６に示した中間フリクション
ドライブ構造の具体的実施例を示したものである。減速
機は、例えば、楕円型断面を有するウエーブジェネレー
タ１９、このウエーブジェネレータ１９によって１回転
ごとに変形を受けるフレクスプライン２ｅ、フレクスプ
ライン２ｅの外周に設けられた歯と内接噛み合いを形成
するサーキュラスプライン２ｄからなるハーモニックド
ライブを用いている。モータ１とこのハーモニックドラ
イブ機構の間には、モータ１の軸先端に取付けられたフ
リクションドライブ駆動円盤２１，ウエーブジェネレー
タ１９と一体のフリクションドライブ従動円盤１９ａが
例えばばね機構のような２円盤の押しつけ機構２２によ
って互いに押しつけられている。この構成により、モー
タ１から必要な回転トルクが減速機構側に伝達され、ま
たこの伝達トルク値以上のバックドライブトルクが関節
先端側から負荷された場合は、２円盤２１，１９ａ間で
滑りが生じてモータ１側に伝達されないようになってい
る。これによってモータ１，ブレーキ３等の機構部の破
損を防止できる。

【００２３】図１８は図１６で示した中間フリクション
ドライブ構造型関節の他の実施例を示したものである。
フリクションドライブ部は図１４の実施例と同様にモー
タ１の軸から張り出している円形型あるいは楕円型円盤
２３が、ハーモニックドライブ減速機のウエーブジェネ
レータ１９の円筒部１９ｂに内接している。この接触部
の接触荷重を、この実施例では円筒１９ｂの外周より与
えている。図１８中、Ｂ断面を図１９に示す。一対の転
がり軸受２４が円筒１９ｂに外接しており、この接触力
は、例えば、ばね機構２５によって与える。このばね力
は当然ばね機構を他の実施例のように制御することによ
って、必要に応じて変化させることができる。この構成
によっても、従動側ブームを駆動したいときには大きな
出力トルクを、また過大なバックドライブ力が関節に負
荷されるときには関節のトルク伝達機構部に滑りを発生
させることによって関節の損傷防止をする事ができる。

【００２４】図２０は図１６で示した中間フリクション
ドライブ構造の関節の他実施例を示したものである。図
中のｃ断面の構造は図２１に示すように部品１９ｂ及び
モータ１の軸端部からなる楕円型円盤がハーモニックド
ライブ減速機のウエーブジェネレータ１９の円筒部に内
接している。楕円型部品の長軸方向に拡張力を与える機
構、例えば、圧電素子２６が楕円型部品内に埋設されて
おり、この楕円型部品とウエーブジェネレータ１９の円
筒部との接触面間に接触荷重を与える。

【００２５】この接触荷重は同じく楕円型部品に埋設さ
れた荷重センサ２７により測定できる。この荷重センサ
２７の出力はスリップリング２８を介してコントローラ
３０に伝えられ、コントローラ３０によって制御された
圧電素子用電源より圧電素子２６に所定の電圧が伝えら
れる。この構造によって、モータ１の出力トルクを従動
側ブームに伝達するときには、圧電素子によって接触部
の接触荷重を大きくしてできるだけ大きなトルクを減速
機に伝達し、また過大なバックドライブ力がマニピュレ
ータの先端側から負荷される時は、圧電素子２６を制御
して接触圧力を低減あるいはゼロにすることによって滑
りを発生させる。

【００２６】これによって、従動側ブームを動かす時に
は大きな駆動トルクを関節が出し、またバックドライブ
力のように関節に負荷したくない力が関節にかかったと
きには関節の回転軸系の途中に滑りを与えて力を逃がし
て関節機構部を保護することができる。

【００２７】図２２は、モータ１と減速機２の間にクラ
ッチ機構７を設けた場合の実施例である。クラッチ機構
は、例えば、電磁クラッチが考えられる。この構成によ
って、モータ１の出力トルクを従動ブーム６に伝達した
い時にはクラッチを接続し、また過大なバックドライブ
力が負荷された場合には、クラッチ７を切ることによっ
て、関節の破壊防止を実現できる。またクラッチの設置
場所は上記の例のようにモータ１と減速機２の間ばかり
でなく、減速機２と従動側ブーム間としてもよい。

【００２８】

【発明の効果】モータの出力トルクを従動側ブームに最
大限伝達したい時に、フリクションドライブ機構の転が
り接触部の接触荷重を大きくし、あるいはクラッチ機構
を連結して大きな出力トルクを伝達できる。また過大な
バックドライブ力が関節の従動側より負荷された時は、
フリクションドライブ機構の転がり接触部の接触荷重を
小さく、あるいはクラッチ機構を切断することによって
過大なバックドライブ力を逃がして、関節に過大な回転
トルクが負荷されることを防ぎ、関節の損傷を防ぐこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フリクションドライブ機構を用いた減速機を有
するマニピュレータ用関節の断面図。

【図２】宇宙用マニピュレータ外観の斜視図。

【図３】ハーモニックドライブ型のフリクションドライ
ブ減速機を有する図１に係わる実施例の断面図。

【図４】図３中のＡ断面図。

【図５】ハーモニックドライブ型のフリクションドライ
ブ減速機を有する図１に関わる実施例の断面図。

【図６】図５中のＡ′矢視断面図。

【図７】図１に係わる他の実施例の説明図。

【図８】図５の実施例におけるベローズ内圧力の調整方
法の説明図。

【図９】図１に係わる他の実施例の説明図。

【図１０】接触面圧値の測定機能を有する図７に係わる
実施例の説明図。

【図１１】図１に係わる他の実施例の説明図。

【図１２】図９の１部分の斜視図。

【図１３】接触面圧測定機能を有する図９に係わる実施
例の説明図。

【図１４】拡張力の制御方法の説明図。

【図１５】関節回転速度の制御方法の説明図。

【図１６】中間フリクションドライブ型関節の断面図。

【図１７】図１４に係わる実施例の断面図。

【図１８】図１４に係わる他の実施例の断面図。

【図１９】図１６中のＢ矢視断面図。

【図２０】図１４に係わる他の実施例の説明図。

【図２１】第１８図中のｃ矢視断面図。

【図２２】クラッチを用いたマニピュレータ用関節の断
面図。

【符号の説明】

１…モータ、２…フリクションドライブ機構、２ａ，２
ｂ，２ａ′，２ｂ′…ハーモニックドライブタイプのフ
リクションドライブ機構のウエーブジェネレータの部
品、２ｃ…ばね機構、２ｄ…サーキュラスプライン、２
ｅ…フレクスプライン、２ｆ…ガイド、２ｇ…ベロー
ズ、２ｈ…圧力導入管、３…ブレーキ、４…エンコー
ダ、５…駆動側ブーム、６…従動側ブーム、８，８′…
エンコーダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩本 太郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 木村 秀 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動ブーム側に固定された駆動力を生じる
   モータ，前記モータの出力トルクを増幅するための減速
   機，前記減速機に接続された従動側ブームから成るマニ
   ピュレータ用関節において、前記減速機の全部または一
   部がフリクションドライブ機構で構成されていることを
   特徴とするマニピュレータ用関節。
2. 【請求項２】請求項１において、前記フリクションドラ
   イブ機構として、前記従動側ブームに固定された円筒，
   前記円筒に内接する楕円型円筒，前記楕円型円筒の内側
   に接するように配設された複数の玉，前記複数の玉に内
   接する楕円型円筒，前記楕円型円筒の長軸と直角方向に
   分割され前記楕円円筒内に配設された部材，前記部材間
   に設けられた楕円型円筒の長軸方向に拡張力を与える拡
   張力負荷機構を有し、前記部材の一つが前記モータの出
   力軸に接続されたマニピュレータ用関節。
3. 【請求項３】請求項２において、前記拡張力負荷機構と
   して、拡張力を変化できるようにしたマニピュレータ用
   関節。
4. 【請求項４】請求項２において、拡張力の大きさを検知
   する力センサを前記楕円円筒内に配設された複数の部材
   内に設けたマニピュレータ用関節。
5. 【請求項５】請求項４において、拡張力負荷機構によっ
   て負荷される拡張力を変化する変化機構、この変化可能
   な拡張力を前記の力センサの検知値をもとにして変化さ
   せるコントローラを負荷したマニピュレータ用関節。
6. 【請求項６】駆動ブーム側に固定された駆動力を生じる
   モータ，前記モータの出力トルクを増幅するための減速
   機，前記減速機に接続された従動側ブームから成るマニ
   ピュレータ用関節において、前記のモータと前記減速機
   の間をフリクションドライブ機構で接続したマニピュレ
   ータ用関節。
7. 【請求項７】請求項６において、前記フリクションドラ
   イブ機構の互いに接触回転する部材間の接触力を変化さ
   せる接触力変化機構を設けたマニピュレータ用関節。
8. 【請求項８】請求項７において、前記接触力変化機構に
   よって負荷される接触力を検知するセンサを設けたマニ
   ピュレータ用関節。
9. 【請求項９】駆動ブーム側に固定された駆動力を生じる
   モータ，前記モータの出力トルクを増幅するための減速
   機，前記減速機に接続された従動側ブームから成るマニ
   ピュレータ用関節において、前記のモータの出力を上記
   の従動側のブームに連結あるいは切り放しをするクラッ
   チ機構を設けたマニピュレータ用関節。
10. 【請求項１０】請求項９において、前記切り放し機構の
    駆動用コントローラを設けたマニピュレータ用関節。
11. 【請求項１１】請求項５または請求項７において、関節
    の起動時に上記の拡張力を大きめに、起動後は小さ目に
    変化させるマニピュレータ用関節の駆動制御方法。
12. 【請求項１２】請求項１，２，３，４，５，６，７，
    ８，９または１０において、前記のモータが固定された
    駆動側ブームと前記従動側ブームの相対回転変位を検出
    する回転センサを設けたマニピュレータ用関節。