WO2012127532A1 - 関節装置の駆動方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a robot joint device and a drive control method for a joint portion of a robot. Specifically, the present invention relates to a robot joint apparatus having flexibility (back drivability) with respect to external force and a drive control method for the robot joint section.
- service robots are required to be lightweight, capable of producing torque, and capable of high-precision operation control.
- a combination of a servo motor and a differential speed reducer is employed for the joint portion of almost all service robots.
- the differential reducer is compact, lightweight, highly accurate, and capable of a high reduction ratio, and is an indispensable element for joint drive of a service robot.
- Such differential reduction gears can realize high-precision driving without backlash in a compact space, but on the other hand, the back drivability is very low.
- a large static friction acts on the meshing of the gears in the differential reduction gear. Therefore, unless a considerably large torque is applied from the output side, the joint cannot be turned from the output side against the static friction in the differential reduction gear.
- Non-Patent Document 1 there is a technique called dithering.
- dithering This means that the static friction does not work in a pseudo manner by causing the motor to vibrate at a high frequency with a small amplitude when the joint is stationary.
- the friction model is disclosed in Non-Patent Document 1, for example. This is shown in FIG.
- FIG. 1 There are other friction models, but the basic trends are generally the same. As can be seen from this friction model, large friction (static friction) works in the low-speed region, and once the friction is reduced to a certain speed, the friction force (viscous friction) increases as the speed increases. It is.
- Non-Patent Document 2 it is examined how much the friction at the start of operation is reduced by dithering. This Non-Patent Document 2 demonstrates that dithering requires less external force at the start of operation and reports that dithering may improve back drivability. Yes.
- a technique for reducing friction by such dithering is applied in Patent Document 1, for example.
- An object of the present invention is to provide a joint device suitable for a robot joint and having improved back drivability, and a driving method thereof.
- the driving method of the joint device of the present invention is: A driving method for a joint device that includes a drive unit and a differential reducer between a first link and a second link, and controls driving of the first link and the second link as a joint,
- the differential reducer has an inner gear, an intermediate gear and an outer gear;
- the drive unit has a first motor and a second motor, The first motor and the second motor are fixedly provided on the first link, Connecting the output shaft of the first motor to any one of the internal gear, the intermediate gear and the external gear of the differential reducer; Connecting the output shaft of the second motor to any one of the gears connected to the output shaft of the first motor among the internal gear, the intermediate gear and the external gear of the differential reducer; Of the internal gear, intermediate gear, and external gear of the differential reducer, the gear connected to the output shaft of the first motor is different from the gear connected to the output shaft of the second motor.
- the differential speed reducer is preferably a wave gear mechanism or a planetary gear mechanism.
- the relationship between the relative speed difference between the inner gear, the intermediate gear and the outer gear and the friction force is specified as a friction model, It is preferable to determine the respective rotation speeds of the first motor and the second motor so that the rotation speed ratio is such that the joint can be stationary and the friction is close to the minimum speed difference.
- the joint device of the present invention is A joint device comprising a differential speed reducer between the first link and the second link, wherein the first link and the second link are joint-driven, A first motor fixedly connected to the first link and an output shaft connected to any one of the inner gear, the intermediate gear and the outer gear of the differential reducer; A gear which is fixedly connected to the first link and whose output shaft is different from the gear connected to the output shaft of the first motor among the inner gear, the intermediate gear and the outer gear of the differential reduction gear. A second motor coupled to any one of Of the internal gear, intermediate gear, and external gear of the differential reducer, the gear connected to the output shaft of the first motor is different from the gear connected to the output shaft of the second motor. One of these is connected to the second link.
- the joint is stationary, but the gear in the differential reducer is in a relatively moving state. That is, it is possible to prevent static friction from acting in the differential reduction gear even though the joint is stationary. Thereby, since the friction in a differential reduction gear becomes small, high back drivability is securable.
- the figure which shows the structure of a wave gear apparatus The figure for demonstrating operation
- the figure which showed the differential reduction gear typically.
- the robot joint device of the present invention will be described. Before describing the configuration of the present invention, the configuration and operation of the differential reduction gear used in the robot joint device will be described. Although the configuration of the differential reduction gear is known per se, it will be briefly described because it is a premise for understanding the present invention. As an example of the differential reduction gear, a wave gear device known as Harmonic Drive (registered trademark) is taken as an example.
- Harmonic Drive registered trademark
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a wave gear device.
- 2A to 2D are diagrams for explaining the operation of the wave gear device.
- the wave gear device 10 is a mechanism that reduces the rotation of the input shaft with a very large reduction ratio (a very large reduction ratio such as several tens to hundreds) and transmits it to the output shaft.
- the wave gear device 10 includes a circular spline 11 as an outer gear, a flex spline 12 as an intermediate gear, and a wave generator 13 as an inner gear.
- Inner teeth are formed inside a storage case provided to store the wave gear device 10, thereby forming a circular spline 11 as an outer gear.
- a wave generator (internal gear) 13 is configured by arranging a plurality of pressing balls at equal intervals along the outer periphery of the elliptical cam.
- the flexspline (intermediate gear) 12 is formed of an elastic material, and a wave generator 13 is provided inside the flexspline 12 along an inner peripheral surface thereof.
- External teeth are formed on the outer periphery of the flexspline (intermediate gear) 12 so as to mesh with the circular spline 11 which is an external gear.
- the flex spline (inner gear) 12 is elastically deformed into an elliptical shape. Then, two portions corresponding to the long axis of the ellipse are pushed out to the outermost side and mesh with the circular spline 12. However, the number of teeth of the circular spline 11 is two more than the number of teeth of the flexspline 12.
- the circular spline 11 that is an outer gear is fixed, the input shaft is connected to the wave generator 13, and the output shaft is connected to the flex spline 12.
- the elliptical cam of the wave generator 13 also rotates, and the meshing position between the flexspline 12 and the circular spline 11 also rotates.
- 2A to 2D are diagrams showing a case where the circular spline 11 is fixed and the wave generator 13 is rotated once.
- the number of teeth of the flexspline 12 is two less than the number of teeth of the circular spline 11.
- the wave gear device 10 realizes a very large reduction ratio.
- the wave generator 13 is rotated with the circular spline 11 fixed.
- the circular spline 11 is connected to the driving means (motor) and rotated without fixing the circular spline 11.
- the flexspline 12 does not rotate at all from the initial position. That is, by rotating the inner gear (wave generator 13) and the outer gear (circular spline 11) at a certain speed difference, it is possible to create a state where the intermediate gear (flex spline 12) does not rotate at all.
- the differential reducer is schematically represented as shown in FIG. That is, the differential speed reducer 20 is represented by a triple box, the outermost box being the outer gear 21, the innermost box being the inner gear 23, and the box between them being the intermediate gear 22.
- the differential reduction gear is a wave gear device
- the outer gear 21 corresponds to the circular spline 11
- the intermediate gear 22 corresponds to the flex spline 12
- the inner gear 23 corresponds to the wave generator 13.
- FIG. 5 is a diagram showing a conventional robot joint 100 as a comparative example.
- the motor 110 is fixed to the first link 101, and the output shaft 111 of the motor 110 is connected to the internal gear (wave generator) 23.
- An outer gear (circular spline) 21 is fixed to the first link 101.
- the intermediate gear (flex spline) 22 is connected to the second link 102. In this state, when a current is applied to the motor 110 from a predetermined motor drive circuit (not shown), the motor 110 is rotationally driven.
- the internal gear (wave generator) 22 rotates integrally with the output shaft 111.
- the intermediate gear (flex spline) 22 rotates at a reduced speed by the meshing of the outer gear (circular spline) 21 and the intermediate gear (flex spline) 22.
- the rotation of the intermediate gear (flex spline) 22 is transmitted as an output to the second link 102, and the second link 102 is driven.
- two motors are used, and two of the three elements of the differential speed reducer 20 are continuously rotated at a predetermined speed difference. This prevents static friction from acting even when the output shaft remains stationary.
- the first pattern is shown in FIG.
- the first pattern has two motors, a first motor 210 and a second motor 220.
- the first motor 210 is fixed to the first link 101, and the output shaft 211 of the first motor 210 is connected to an internal gear (wave generator) 23 of the differential reduction gear 20.
- the second motor 220 is also fixed to the first link 101, but the output shaft 221 of the second motor 220 is connected to the outer gear (circular spline) 21 of the differential reduction gear 20.
- the second link 102 is connected to an intermediate gear (flex spline) 22 of the differential reduction gear 20.
- the intermediate gear (flex spline) 22 can be stationary by rotating the inner gear (wave generator) 23 and the outer gear (circular spline) 21 with a certain speed difference in the same direction.
- the differential reduction gear 20 can be brought into a state where static friction does not act.
- the case where the differential reduction gear 20 is the wave gear device 10 will be specifically described as an example.
- the number of teeth of the circular spline (outer gear) 11 is Zc
- the number of teeth of the flexspline (intermediate gear) 12 is Zf.
- the rotation speed of the wave generator (inner gear) 13 is Vw
- the rotation speed of the flex spline (intermediate gear) 12 is Vf
- the rotation speed of the circular spline (outer gear) 11 is Vc.
- the friction in the differential reduction gear is minimized when the joint is stationary. It is only necessary to rotate the wave generator (internal gear) 13 and the circular spline (outer gear) 11 so that a rotational speed ratio at which the joint can be stopped and a speed difference that minimizes friction is generated. For example, if a friction model is obtained as shown in FIG. 7, the rotational speed at which the joint can be kept still is obtained near the speed difference ⁇ V 1 or ⁇ V 2 at which the friction is minimized.
- the speed difference means a rotational speed difference between the wave generator (internal gear) 13 and the flexspline (intermediate gear) 12.
- a command current may be applied to each of the first motor 210 and the second motor 220 so as to realize the obtained rotation speed.
- the second motor 220 When it is desired to perform the joint operation by driving the second link 102 relative to the first link 101, the second motor 220 is simply stopped and only the first motor 210 is driven. That is, the outer gear (circular spline) 21 may be fixed and the inner gear (wave generator) 23 may be rotated. Thereby, it becomes the same joint operation as the past.
- the rotation of the intermediate gear (flex spline) 22 is generated by the relative rotation of the internal gear (wave generator) 23 and the external gear (circular spline) 21, so the internal gear (wave generator) 23 and the external gear (circular spline) 21 may be rotated in the opposite direction.
- the rotational power of the intermediate gear (flex spline) 22 can be shared between the first motor 210 and the second motor 220, so the load on the first motor 210 is reduced. Can be reduced.
- the friction in the differential reduction gear is reduced even when the joint is stationary, high back drivability can be ensured.
- the force applied to the second link 102 is easily transmitted from the output shaft of the differential reducer 20 to the input shaft.
- the joint is easily bent by the force, so that an effect of reducing the force at the time of contact is achieved. That is, a so-called soft joint can be realized.
- a person teaches by moving the robot's limbs, there is an effect that a large force is not required.
- the second pattern is shown in FIG.
- the first motor 310 is fixed to the first link 101, and the output shaft 311 of the first motor 310 is connected to the internal gear (wave generator) 23 of the differential reduction gear 20.
- the second motor 320 is also fixed to the first link 101, but the output shaft 321 of the second motor 320 is connected to the intermediate gear (flex spline) 22 of the differential reduction gear 20.
- the second link is connected to the outer gear of the differential reducer.
- the outer gear (circular spline) 21 can be stationary by rotating the inner gear (wave generator) 23 and the intermediate gear (flexspline) 22 in the opposite directions at a predetermined relative speed.
- Differential speed reducer 20 and a wave gear device 10 in the number of teeth Z f of the flexspline 12 is 200, when 202 the number of teeth Z c of the circular spline 11, the above formula becomes as follows.
- the flex spline (intermediate gear) 12 is rotated in the opposite direction by two teeth while the wave generator (internal gear) 13 rotates once, the circular spline (outer gear) 11 will not rotate.
- the flex spline (intermediate gear) 12 is rotated at 0.2 rpm in the reverse direction while the wave generator (inner gear) 13 is rotated at 20 rpm, the circular spline (outer gear) 11 is stationary without rotating. .
- the rotational speeds of the wave generator (inner gear) 13 and the flexspline (intermediate gear) 12 are set based on the friction model so that the friction in the differential reducer is minimized when the joint is stationary.
- Ask. A command current may be applied to each of the first motor 310 and the second motor 320 so as to realize the obtained rotation speed.
- the second motor 320 When it is desired to drive the second link 102 relative to the first link 101 to perform a joint operation, the second motor 320 is simply stopped and only the first motor 310 is driven. That is, the intermediate gear (flex spline) 22 may be fixed and the internal gear (wave generator) 23 may be rotated. As a result, the outer gear (circular spline) 21 rotates, so that the second link 102 is driven to perform the joint operation. Alternatively, the inner gear (wave generator) 23 and the intermediate gear (flex spline) 22 may be rotated in the same direction.
- the rotational power of the outer gear (circular spline) 21 can be shared by the first motor 310 and the second motor 320, so the load on the first motor 310 is reduced. Can be reduced.
- the differential reduction gear is a wave gear device (harmonic drive (registered trademark))
- the planetary gear apparatus is used as a differential reduction gear
- the planetary gear device 30 includes an outer gear 31, a plurality of planetary gears 32, a planetary carrier 33 that picks up the revolution of the planetary gear 32, and a planetary gear 33.
- a sun gear 34 The planetary gear 32 meshes with the sun gear 34 and the outer ring gear 31, and performs rotation and revolution.
- the outer ring gear 31 corresponds to the outer gear 21, the planetary gear 32 and the planet carrier 33 correspond to the intermediate gear 22, and the sun gear 34 corresponds to the inner gear 23.
- the first pattern and the second pattern are also possible in the planetary gear unit 30.
- the first pattern and the second pattern are also possible with the planetary gear mechanism, the case where the planetary gear device 30 is applied to the second pattern will be described. That is, the first motor 310 is fixed to the first link 101, and the output shaft 311 of the first motor 310 is connected to the internal gear (sun gear) 23 of the differential reduction gear 20.
- the second motor 320 is fixed to the first link 101, and the output shaft 321 of the second motor 320 is connected to the intermediate gear (planetary gear, planetary carrier) 22 of the differential reduction gear 20.
- the second link 102 is connected to the outer gear (outer ring gear) 21 of the differential reduction gear 20.
- the outer gear (outer ring gear) 21 can be stationary by rotating the inner gear (sun gear) 23 and the intermediate gear (planetary gear, planet carrier) 22 in the same direction at a predetermined relative speed.
- the differential reduction gear 20 can be brought into a state where static friction does not act.
- the number of teeth of the sun gear 34 is Zs
- the number of teeth of the planetary gear 32 is Zp
- the number of teeth of the outer ring gear 31 is Zo
- the rotational speed of the sun gear 34 is Vs
- the rotational speed of the planetary carrier 33 (revolution speed of the planetary gear)
- the rotational speed of the outer ring gear 31 is Vo.
- the outer ring gear 31 is not rotated.
- the planetary gear 32 is rotated (revolved) at 1 rpm in the same direction while the sun gear 34 is rotated at 3 rpm, the outer ring gear 31 is not rotated but is stationary. In this way, the friction in the differential reduction gear (planetary gear mechanism) can be reduced while the joint operation is stationary.
- the third pattern is shown in FIG.
- the first motor 410 is fixed to the first link 101, and the output shaft 411 of the first motor 410 is connected to the intermediate gear (planetary gear, planetary carrier) 22 of the differential speed reducer 20.
- the second motor 420 is also fixed to the first link 101, but the output shaft 421 of the second motor 420 is connected to the outer gear (outer ring gear) 21 of the differential reduction gear 20.
- the second link 102 is connected to an internal gear (sun gear) 23 of the differential reduction gear 20.
- the inner gear (sun gear) 23 can be stationary by rotating the intermediate gear (planetary gear, planet carrier) 22 and the outer gear (outer ring gear) 21 in the same direction at a predetermined relative speed.
- the differential reduction gear 20 can be prevented from undergoing static friction.
- the sun gear (inner gear) 34 Will not rotate.
- the sun gear 34 is stationary without rotating. In this way, the friction in the differential reduction gear (planetary gear mechanism) can be reduced while the joint operation is stationary.
- the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
- a wave gear device and a planetary gear device are exemplified, but other differential reducers can be applied. Further, all of the first pattern, the second pattern, and the third pattern can be applied to the wave gear device, and further, all of the first pattern, the second pattern, and the third pattern can be applied to the planetary gear device. is there.
Abstract
Description
例えば、ロボットと人とが接触するような場合には、接触時に働く力を緩和させる必要がある。
このためには、ロボットの関節にいわゆる柔らかさを与える必要がある。
これは、関節静止状態において、モータを小さい振幅で高周波振動させておくことにより、疑似的に静摩擦が働かない状態にすることをいう。
摩擦モデルは、例えば非特許文献1に開示されている。これを図11に示す。摩擦モデルは他にもあるが、基本的な傾向は概ね同じである。
この摩擦モデルからわかるように、低速領域では大きな摩擦(静摩擦)が働き、ある速度まで一旦摩擦が低減した後、速度の増加に伴って摩擦力(粘性摩擦)が大きくなっていくのが一般的である。そして、非特許文献2では、動作開始時の摩擦がディザリングによってどの程度低減するか調べられている。この非特許文献2では、ディザリングを用いた方が動作開始時に要した外力が小さいことが実証されており、ディザリングを用いることによりバックドライバビリティを改善できる可能性があることが報告されている。このようなディザリングによって摩擦を低減させる手法は例えば特許文献1で応用されている。
これらは、ロボット関節としては大きな欠点であり、特にサービスロボットを考えた場合には無視できない問題である。
第1リンクと第2リンクとの間に駆動部と差動減速機とを備え、前記第1リンクと前記第2リンクとを関節として駆動制御する関節装置の駆動方法であって、
前記差動減速機は内ギア、中間ギアおよび外ギアを有し、
前記駆動部は第1モータと第2モータとを有し、
前記第1モータと第2モータとを前記第1リンクに固定的に設け、
前記第1モータの出力軸を前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのいずれか一つに連結し、
前記第2モータの出力軸を前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結されたギアと異なるギアのいずれか一つに連結し、
前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結された前記ギアと前記第2モータの前記出力軸に連結された前記ギアとは異なるギアの一つを前記第2リンクに連結し、
前記第1リンクと前記第2リンクとを相対的に静止させて関節角を一定に保つ場合に、
前記第1モータと前記第2モータとを共にゼロより大きい回転速度で回転させ、かつ、前記第1モータと前記第2モータとの回転速度を異ならせて第2リンクを静止させる
ことを特徴とする。
前記差動減速機は、波動歯車機構または遊星歯車機構である
ことが好ましい。
前記差動減速機において、内ギア、中間ギアおよび外ギア間の相対速度差と摩擦力との関係を摩擦モデルとして特定し、
関節静止が実現できる回転速度比であって、かつ、摩擦が最も小さくなる速度差に近くなるように、前記第1モータと第2モータとのそれぞれの回転速度を決定する
ことが好ましい。
第1リンクと第2リンクとの間に差動減速機を備え、前記第1リンクと前記第2リンクとを関節駆動させる関節装置であって、
第1リンクに固定的に連結されているとともに、出力軸が前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのいずれか一つに連結された第1モータと、
第1リンクに固定的に連結されているとともに、出力軸が前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結された前記ギアと異なるギアのいずれか一つに連結された第2モータと、を備え、
前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結された前記ギアと前記第2モータの前記出力軸に連結された前記ギアとは異なるギアの一つが前記第2リンクに連結されている
ことを特徴とする。
差動減速機の構成自体は既知であるが、本発明の理解の前提となるので簡単に説明しておく。
差動減速機の一例としてハーモニックドライブ(登録商標)で知られる波動歯車装置を例にする。
波動歯車装置10は、入力軸の回転を非常に大きな減速比(数十から百数十といった非常に大きな減速比)で減速して出力軸に伝達する機構である。波動歯車装置10は、外ギアとしてのサーキュラスプライン11と、中間ギアとしてのフレクスプライン12と、内ギアとしてのウェーブジェネレータ13と、を備える。
差動減速機が波動歯車装置の場合、外ギア21はサーキュラスプライン11に対応し、中間ギア22はフレクスプライン12に対応し、内ギア23はウェーブジェネレータ13に対応する。
ロボットの関節構造は、第1リンクと第2リンクとの間にモータと差動減速機とを介在させ、モータの駆動力によって第2リンクを第1リンクに対して相対駆動させるものである。
図5は、比較例として、従来のロボット関節部100を示す図である。
モータ110は第1リンク101に固定されているとともに、モータ110の出力軸111が内ギア(ウェーブジェネレータ)23に連結されている。また、外ギア(サーキュラスプライン)21が第1リンク101に固定されている。そして、中間ギア(フレクスプライン)22は第2リンク102に連結されている。
この状態で、図示しない所定のモータ駆動回路から電流がモータ110に印加されると、モータ110が回転駆動する。モータ駆動によってモータ出力軸111が回転するので、出力軸111と一体的に内ギア(ウェーブジェネレータ)22が回転する。内ギア(ウェーブジェネレータ)22が回転すると、外ギア(サーキュラスプライン)21と中間ギア(フレクスプライン)22との噛み合いによって中間ギア(フレクスプライン)22が減速回転する。中間ギア(フレクスプライン)22の回転が出力として第2リンク102に伝達され、第2リンク102が駆動する。
これにより、出力軸が静止状態を保つ場合でも静摩擦が働かないようにする。
本発明の実施形態としては以下に説明するようなパターンが考えられる。
(第1パターン)
第1パターンを図6に示す。
第1パターンでは、第1モータ210と第2モータ220との二つのモータを有する。第1モータ210は、第1リンク101に固定されているとともに、第1モータ210の出力軸211は差動減速機20の内ギア(ウェーブジェネレータ)23に連結されている。第2モータ220も第1リンク101に固定されているが、第2モータ220の出力軸221は、差動減速機20の外ギア(サーキュラスプライン)21に連結されている。そして、第2リンク102は、差動減速機20の中間ギア(フレクスプライン)22に連結されている。
サーキュラスプライン(外ギア)11の歯数をZcとし、フレクスプライン(中間ギア)12の歯数をZfとする。また、ウェーブジェネレータ(内ギア)13の回転速度をVwとし、フレクスプライン(中間ギア)12の回転速度をVfとし、サーキュラスプライン(外ギア)11の回転速度をVcとする。
このとき、フレクスプライン(中間ギア)12の回転速度を0とするためには次の式を満たせばよい。
例えば、図7に示すように摩擦モデルが求められていれば、摩擦が最も小さくなる速度差ΔV1、ΔV2に近いところで、関節静止状態を保てる回転速度を求める。
なお、ここでいう速度差は、ウェーブジェネレータ(内ギア)13とフレクスプライン(中間ギア)12との回転速度差を意味する。
求められた回転速度を実現するように第1モータ210と第2モータ220とにそれぞれ指令電流を印加すればよい。
これにより、従来と同じ関節動作になる。
あるいは、中間ギア(フレクスプライン)22の回転は内ギア(ウェーブジェネレータ)23と外ギア(サーキュラスプライン)21との相対回転で生み出されるので、内ギア(ウェーブジェネレータ)23と外ギア(サーキュラスプライン)21とを反対方向に回転させてもよい。単純に外ギア(サーキュラスプライン)21を固定してしまう場合よりも、中間ギア(フレクスプライン)22の回転動力を第1モータ210と第2モータ220とで分担できるので第1モータ210の負荷を軽減できる。
例えば、人がロボットに接触した場合でも、第2リンク102に掛かった力が差動減速機20の出力軸から入力軸に伝達されやすくなる。
これにより、人が接触したときでも、その力によって関節が屈曲しやすくなるので、接触時の力を緩和する効果を奏する。つまり、いわゆる柔らかい関節を実現することができる。
また、人がロボットの手足を動かしてティーチングする場合であっても、大きな力を必要としなくなるという効果を奏する。
第2パターンを図8に示す。
第2パターンでは、第1モータ310は、第1リンク101に固定されているとともに、第1モータ310の出力軸311は差動減速機20の内ギア(ウェーブジェネレータ)23に連結されている。第2モータ320も第1リンク101に固定されているが、第2モータ320の出力軸321は、差動減速機20の中間ギア(フレクスプライン)22に連結されている。そして、第2リンクは、差動減速機の外ギアに連結されている。
さらに言い換えると、ウェーブジェネレータ(内ギア)13を20rpmで回転させつつ、フレクスプライン(中間ギア)12を逆方向に0.2rpmで回転させると、サーキュラスプライン(外ギア)11は回転せずに静止する。
求められた回転速度を実現するように第1モータ310と第2モータ320とにそれぞれ指令電流を印加すればよい。
これにより、外ギア(サーキュラスプライン)21が回転するので第2リンク102が駆動して関節動作を行う。
あるいは、内ギア(ウェーブジェネレータ)23と中間ギア(フレクスプライン)22とを同方向に回転させてもよい。
単純に中間ギア(フレクスプライン)22を固定してしまう場合よりも、外ギア(サーキュラスプライン)21の回転動力を第1モータ310と第2モータ320とで分担できるので第1モータ310の負荷を軽減できる。
上記第1実施形態の説明では、主として、差動減速機が波動歯車装置(ハーモニックドライブ(登録商標))である場合を例に説明したが、差動減速機としては他のものでもよいのはもちろんである。
差動減速機として遊星歯車装置を使用した場合を例示する。
なお、遊星歯車装置30は、図9のように、外輪歯車(outer gear)31と、複数の遊星歯車(planertary gear)32と、遊星歯車32の公転を拾う遊星キャリア(planertary carrier)33と、太陽歯車(sun gear)34と、を有する。
遊星歯車32は、太陽歯車34と外輪歯車31とに噛合し、自転と公転を行う。
外輪歯車31が外ギア21に対応し、遊星歯車32と遊星キャリア33とが中間ギア22に対応し、太陽歯車34が内ギア23に対応する。
遊星歯車機構でも上記第1パターンおよび第2パターンが可能であるところ、遊星歯車装置30を第2パターンに適用した場合を説明する。すなわち、第1モータ310を第1リンク101に固定するとともに、第1モータ310の出力軸311を差動減速機20の内ギア(太陽歯車)23に連結する。
第2モータ320を第1リンク101に固定するとともに、第2モータ320の出力軸321を、差動減速機20の中間ギア(遊星歯車、遊星キャリア)22に連結する。そして、第2リンク102は、差動減速機20の外ギア(外輪歯車)21に連結する。
これにより、第1リンク101と第2リンク102とは互いに静止状態を保っていても、差動減速機20には静摩擦が働かない状態にすることができる。
また、太陽歯車34の回転速度をVsとし、遊星キャリア33の回転速度(遊星歯車の公転速度)をVpとし、外輪歯車31の回転速度をVoとする。
このとき、外輪歯車31の回転速度Voを0とするためには次の式を満たせばよい。
さらに言い換えると、太陽歯車34を3rpmで回転させつつ、遊星歯車32を同方向に1rpmで回転(公転)させると、外輪歯車31は回転せずに静止する。
このようにして、関節動作は静止させつつも、差動減速機(遊星歯車機構)内の摩擦を小さくすることができる。
次に第3パターンについて説明する。
第3パターンを図10に示す。
第3パターンでは、第1モータ410は、第1リンク101に固定されているとともに、第1モータ410の出力軸411は差動減速機20の中間ギア(遊星歯車、遊星キャリア)22に連結されている。
第2モータ420も第1リンク101に固定されているが、第2モータ420の出力軸421は、差動減速機20の外ギア(外輪歯車)21に連結されている。そして、第2リンク102は、差動減速機20の内ギア(太陽歯車)23に連結されている。
さらに言い換えると、外輪歯車31を3rpmで回転させつつ、遊星歯車32を同方向に2rpmで回転(公転)させると、太陽歯車34は回転せずに静止する。
このようにして、関節動作は静止させつつも、差動減速機(遊星歯車機構)内の摩擦を小さくすることができる。
差動減速機としては、波動歯車装置と遊星歯車装置とを例示したが、差動減速機としてはこれら以外でも適用可能である。
また、前記第1パターン、第2パターン、第3パターンのすべてが波動歯車装置に適用でき、さらに、前記第1パターン、第2パターン、第3パターンのすべてが遊星歯車装置に適用できることはもちろんである。
Claims (4)
- 第1リンクと第2リンクとの間に駆動部と差動減速機とを備え、前記第1リンクと前記第2リンクとを関節として駆動制御する関節装置の駆動方法であって、
前記差動減速機は内ギア、中間ギアおよび外ギアを有し、
前記駆動部は第1モータと第2モータとを有し、
前記第1モータと第2モータとを前記第1リンクに固定的に設け、
前記第1モータの出力軸を前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのいずれか一つに連結し、
前記第2モータの出力軸を前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結されたギアと異なるギアのいずれか一つに連結し、
前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結された前記ギアと前記第2モータの前記出力軸に連結された前記ギアとは異なるギアの一つを前記第2リンクに連結し、
前記第1リンクと前記第2リンクとを相対的に静止させて関節角を一定に保つ場合に、
前記第1モータと前記第2モータとを共にゼロより大きい回転速度で回転させ、かつ、前記第1モータと前記第2モータとの回転速度を異ならせて第2リンクを静止させる
ことを特徴とする関節装置の駆動方法。 - 請求項1に記載の関節装置の駆動方法において、
前記差動減速機は、波動歯車機構または遊星歯車機構である
ことを特徴とする関節装置の駆動方法。 - 請求項1または請求項2に記載の関節装置の駆動方法において、
前記差動減速機において、内ギア、中間ギアおよび外ギア間の相対速度差と摩擦力との関係を摩擦モデルとして特定し、
関節静止が実現できる回転速度比であって、かつ、摩擦が最も小さくなる速度差に近くなるように、前記第1モータと第2モータとのそれぞれの回転速度を決定する
ことを特徴とする関節装置の駆動方法。 - 第1リンクと第2リンクとの間に差動減速機を備え、前記第1リンクと前記第2リンクとを関節駆動させる関節装置であって、
第1リンクに固定的に連結されているとともに、出力軸が前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのいずれか一つに連結された第1モータと、
第1リンクに固定的に連結されているとともに、出力軸が前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結された前記ギアと異なるギアのいずれか一つに連結された第2モータと、を備え、
前記差動減速機の内ギア、中間ギアおよび外ギアのうちで前記第1モータの前記出力軸に連結された前記ギアと前記第2モータの前記出力軸に連結された前記ギアとは異なるギアの一つが前記第2リンクに連結されている
ことを特徴とする関節装置。
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