JP5158710B2

JP5158710B2 - 干渉駆動関節機構

Info

Publication number: JP5158710B2
Application number: JP2008278007A
Authority: JP
Inventors: 敦近野; 文哉西井; 幸勇阿部; 欣姜; 勝内山
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP2010105094A

Description

本発明は、本発明は、多自由度な干渉駆動関節機構に関する。

従来の一般的な関節機構は、一自由度を一つの動力源で駆動させている。これら関節機構のシリアルリンク接続で構成される一般的なマニピュレータは、自由度の増加に伴って、慣性モーメントが増大し、出力できるトルクが大きく取れない問題がある。そのため、高出力なマニピュレータを構成するためには、慣性モーメントが小さく、高出力である関節機構が必要となる。そこで、慣性モーメントの小さい関節機構が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１記載の関節機構では、三自由度を一つの関節で駆動するために動力伝達機構を用いなくてはならないため、機構の複雑化が避けられない。また、得られる出力成分において、姿勢成分の三自由度の他に、動力伝達機構による位置成分が含まれるため、適用用途が限られる。

また、特許文献１記載の関節機構を含む一般的な関節機構は、動力源の数と出力自由度の数とは等しい。しかし、出力軸に発生する負荷をできるだけ多くの動力源に分配し、複数の動力源が協調することでより大きい出力を得るためには、これらのように動力源と出力自由度の数とが等しい必要はなく、むしろ動力源の数が出力自由度数に対して冗長である方がより負荷を分散できる。

特開２００１−１７０８８３号公報

三つの回転軸が一点で交わる球面３自由度関節機構は、従来は回転関節を順に結合していくシリアル型がほとんどであった。このようなシリアル型関節機構は、動力源が関節部に局所的に配置されるため、関節機構先端側に配置された動力源は、根本側に配置された動力源にとって負荷の一部となる。そのため、根本側に配置された動力源は、それより先端側に配置された動力源と出力軸の負荷が一つの動力源に集中しがちで、この点でも無駄が多い。以上の問題は、すべての動力源を関節機構の根本側に固定的に配置し、それぞれの自由度ができるだけ干渉して駆動するような機構により解決することができる。

本発明は、これらの要求を満たすために考案されたものであり、出力軸の負荷を複数の動力源に分担させることによって、一つ一つの動力源にかかる負荷を小さくすることができ、すべての動力源が最大で駆動すれば、シリアル型関節機構に比べてより大きい出力を得ることができる干渉駆動関節機構を提供することを目的としている。また、本発明は、駆動部の慣性モーメントを小さくでき、動力源が発生する駆動力のほとんどを出力軸の負荷を支える力として利用でき、エネルギー効率が良い干渉駆動関節機構を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る干渉駆動関節機構は、四つの動力源から三自由度を出力する干渉駆動関節機構であり、第一の回転軸（Ｓ１１）と、前記第一の回転軸まわりに回転する第一の駆動輪（６）と、前記第一の駆動輪と対向するように配置され、前記第一の回転軸まわりに前記第一の駆動輪とは独立に回転する第二の駆動輪（７）と、ベース固定部（１）に取り付けられ、前記第一の駆動輪を回転駆動する第一の駆動源（２）と、前記ベース固定部に取り付けられ、前記第二の駆動輪を回転駆動する第二の駆動源（３）と、前記第一の回転軸まわりに回転可能に支持された第一の支持部材（１４）と、前記第一の回転軸に直交する第二の回転軸（Ｓ１２）まわりに回転可能に前記第一の支持部材に支持された第一の差動輪（１１）と、前記第一の差動輪に連結支持軸（１２）によって固定され、前記第一の差動輪と共に回転する連結輪（１３）と、第三の回転軸（Ｓ２１）まわりに回転する第三の駆動輪（８）と、前記第三の駆動輪と対向するように配置され、前記第三の回転軸まわりに前記第三の駆動輪とは独立に回転する第四の駆動輪（９）と、前記ベース固定部に取り付けられ、前記第三の駆動輪を回転駆動する第三の駆動源（４）と、前記ベース固定部に取り付けられ、前記第四の駆動輪を駆動する第四の動力源（５）と、前記第三の回転軸にまわりに回転可能に支持された第二の支持部材（１６）と、前記第三の回転軸に直交する第四の回転軸（Ｓ２２）まわりに回転可能に前記第二の支持部材に支持された第二の差動輪（１５）と、前記第四の回転軸まわりに回転可能に前記第二の支持部材に支持され、前記第二の差動輪と固定され共に回転する第三の支持部材（１７）と、前記第二の回転軸まわりに回転可能に前記連結支持軸を支持し、前記第四の回転軸と直交する第五の回転軸（Ｓ３１）まわりに回転可能に配置された支持軸を有し、前記第三の支持部材を回転可能に支持する第四の支持部材（１８）と、前記第五の回転軸まわりに回転可能に前記第四の支持部材に取り付けられた支持軸に支持された第一の従動輪（１９）と、前記第三の回転軸と前記第五の回転軸に直交する第六の回転軸（Ｓ３２）まわりに回転可能に配置された出力軸（１０）と、前記出力軸の一端部に結合された第二の従動輪（２０）と、を有することを特徴とする。

この発明は、以下のような駆動を行う。第一の動力源に結合された第一の駆動輪と第二の動力源に結合された第二の駆動輪とが同一方向に同一速度で回転駆動すると、それらの駆動輪と駆動結合した第一の差動輪は第二の回転軸まわりには回動せず、第一の差動輪と第一の支持部材とは第一の回転軸まわりを同一方向へ同一速度で回動し、また、第一の駆動輪と第二の駆動輪とが逆方向に同一速度で回転駆動すると、第一の差動輪と第一の支持部材とは第一の回転軸まわりには回動せず、第一の差動輪は第二の回転軸まわりを回動する。また、第三の動力源に結合された第三の駆動輪と第四の動力源に結合された第四の駆動輪とが同一方向に同一速度で回転駆動すると、それらの駆動輪と駆動結合した第二の差動輪は第四の回転軸まわりには回動せず、第二の差動輪と第二の支持部材とは第三の回転軸まわりを同一方向へ同一速度で回動し、また、第三の駆動輪と第四の駆動輪とが逆方向に同一速度で回転駆動すると、第二の差動輪と第二の支持部材とは第三の回転軸まわりには回動せず、第二の差動輪は第四の回転軸まわりを回動する。そして、これら第一から第四の回転軸まわりの回動は干渉して出力され、第三の回転軸まわりの回動は、第二の支持部材と第二の支持部材に回転可能に支持された第三の支持部材とを回動させて、出力三自由度の内の一自由度が得られ、また、第二の回転軸まわりの回動は、第二の回転軸および第五の回転軸と第六の回転軸が常に直交しているため、連結輪および第一の従動輪と第二の従動輪とは噛合い、第二の従動輪に結合されている出力軸を第六の回転軸まわりに回動させて、出力三自由度の内の一自由度が得られる。また、第一の回転軸まわりの回動と第四の回転軸まわりの回動とは、第三の支持部材および第四の支持部材と連結支持軸で回転可能に配置されることより、幾何学的拘束を満たしながら駆動する条件が生じ、このことは、第一の回転軸まわりの回動および第四の回転軸まわりの回動のどちらか一方が他方の回動に従属することを意味し、結果として、第四の回転軸まわりに第三の支持部材を回動することによって、出力三自由度の内の最後の一自由度が得られる。

本発明に係る干渉駆動関節機構で、前記第一の駆動輪および前記第二の駆動輪と第一の差動輪とは、互いに噛合する歯車であり、前記第三の駆動輪および前記第四の駆動輪と第二の差動輪とは、互いに噛合する歯車であることが好ましい。また、本発明に係る干渉駆動関節機構で、前記連結輪および前記第一の従動輪と前記第二の従動輪とは、互いに噛合する歯車であることが好ましい。さらに、本発明に係る干渉駆動関節機構は、前記第一から第四の動力源による入力から、前記出力軸に前記第一から第六の回転軸の交点を中心とした姿勢成分三自由度の回転量を与える冗長駆動性を有することが好ましい。

本発明の干渉駆動関節機構においては、ベース固定部に固定配置された第一から第四の動力源のそれぞれの回動を入力とし、互いに直交する第三の回転軸、第四の回転軸および第六の回転軸まわりの三自由度の回動が出力として得られることより、出力軸の負荷を一つの動力源に負担させるのではなく、複数の動力源に分担させることによって、一つ一つの動力源にかかる負荷を小さくすることができる。逆に、すべての動力源が最大で駆動すれば、シリアル型関節機構に比べてより大きい出力を得ることができる。

本発明の干渉駆動関節機構においては、ベース固定部にすべての動力源を固定配置できるため、駆動部の慣性モーメントを小さくでき、動力源が発生する駆動力のほとんどを出力軸の負荷を支える力として利用でき、エネルギー効率が良い。

また、本発明は、三つの出力回転軸が互いに直交し一点で交わるため、姿勢成分の駆動を必要とする器具、例えばジョイスティックなどに適用可能である。

他の用途としては、多自由度を必要とするロボットの関節へ適用することが考えられる。また、本発明を適用することによって、高出力な三自由度の駆動を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の実施の形態の干渉駆動関節機構の簡易構成図を示す。駆動に用いられる電動機などの動力源２〜５は、ベース固定部１に固定される。動力源２，３は、それぞれ傘歯車６および傘歯車７と結合されており、回転軸Ｓ１１まわりの回動を与える。また、動力源４，５は、それぞれ傘歯車８および傘歯車９と結合されており、回転軸Ｓ２１まわりの回動を与える。なお、出力される姿勢三自由度は、回転軸Ｓ３２まわりに回転可能に配置された出力軸１０を用いて、外部に出力される。

図２は、図１におけるベース固定部１の側に配置された歯車列だけを取り出したものである。また、図２は本発明を構成する一部であるが、この部位を差動駆動機構群Ｃと名付ける。差動駆動機構群Ｃは、動力源２，３によって回動させられる傘歯車６，７と、回転軸Ｓ１１まわりに回転可能に支持された支持部材１４と、回転軸Ｓ１１に直交する回転軸Ｓ１２まわりに回転可能に支持部材１４に支持された差動傘歯車１１と、差動傘歯車１１に連結支持軸１２によって結合された連結傘歯車１３とから構成される。傘歯車６および傘歯車７と差動傘歯車１１とは、互いに噛合する歯車であり、動力源２に結合された傘歯車６と動力源３に結合された傘歯車７とが同一方向に同一速度で回転駆動すると、それらの駆動歯車と駆動結合した差動傘歯車１１は回転軸Ｓ１２まわりには回動せず、差動傘歯車１１と支持部材１４とは回転軸Ｓ１１まわりを同一方向へ同一速度で回動する。また、傘歯車６と傘歯車７とが逆方向に同一速度で回転駆動すると、差動傘歯車１１と支持部材１４とは回転軸Ｓ１１まわりには回動せず、差動傘歯車１１は回転軸Ｓ１２まわりを回動する。なお、傘歯車６と傘歯車７とを互いに同一方向または逆方向に回動させつつ、それらの駆動歯車の回動速度が互いに異なる場合は、差動傘歯車１１と支持部材１４とをＳ１１まわりに回動させつつ、差動傘歯車１１をＳ１２まわりに回動することとなる。

図３は、図１における前記差動駆動機構群Ｃより一つ内側に配置された歯車列だけを取り出したものである。なお、この部位を差動駆動機構群Ｂと名付ける。差動駆動機構群Ｂは、動力源４，５によって回動させられる傘歯車８，９と、回転軸Ｓ２１まわりに回転可能に支持された支持部材１６と、回転軸Ｓ２１に直交する回転軸Ｓ２２まわりに回転可能に支持部材１６に支持された差動傘歯車１５とから構成される。傘歯車８および傘歯車９と差動傘歯車１５とは、互いに噛合する歯車であり、動力源４に結合された傘歯車８と動力源５に結合された傘歯車９とが同一方向に同一速度で回転駆動すると、それらの駆動歯車と駆動結合した差動傘歯車１５は回転軸Ｓ２２まわりには回動せず、差動傘歯車１５と支持部材１６とは回転軸Ｓ２１まわりを同一方向へ同一速度で回動する。また、傘歯車８と傘歯車９とが逆方向に同一速度で回転駆動すると、差動傘歯車１５と支持部材１６とは回転軸Ｓ２１まわりには回動せず、差動傘歯車１５は回転軸Ｓ２２まわりを回動する。なお、傘歯車８と傘歯車９とを互いに同一方向または逆方向に回動させつつ、それらの駆動歯車の回動速度が互いに異なる場合は、差動傘歯車１５と支持部材１６とをＳ２１まわりに回動させつつ、差動傘歯車１５をＳ２２まわりに回動することとなる。

図４は、差動駆動機構群Ｃと差動駆動機構群Ｂとを連結するために配置された支持部材および歯車列の構成図である。なお、この部位を連結歯車列群Ａと名付ける。連結歯車列群Ａは、回転軸Ｓ２２まわりに回転可能に支持部材１６に支持され、差動傘歯車１５と固定されて同様に回転する支持部材１７と、回転軸Ｓ１２まわりに回転可能に連結支持軸１４を支持し、回転軸Ｓ２２と直交する回転軸Ｓ３１まわりに回転可能に配置された支持軸を有し、支持部材１７を回転可能に支持する支持部材１８と、回転軸Ｓ３１まわりに回転可能に支持部材１８に取り付けられた支持軸に支持された従動傘歯車１９と、回転軸Ｓ２２と回転軸Ｓ３１とに直交する回転軸Ｓ３２まわりに回転可能に配置された出力軸１０と、出力軸１０の一端部に結合された従動傘歯車２０とから構成される。また、連結歯車列群Ａは、差動駆動機構群Ｃと差動駆動機構群Ｂとから得られる回転軸Ｓ１１、回転軸Ｓ１２、回転軸Ｓ２１および回転軸Ｓ２２まわりの回動を干渉させ、姿勢成分の三自由度を出力する。回転軸Ｓ２１まわりの回動は、支持部材１６と支持部材１６に回転可能に支持された支持部材１７とを回動させて、出力三自由度の内の一自由度が得られ、また、回転軸Ｓ１２まわりの回動は、回転軸Ｓ１２および回転軸Ｓ３１と回転軸Ｓ３２とが常に直交しているため、連結傘歯車１３および従動傘歯車１９と従動傘歯車２０とは噛合い、従動傘歯車２０に結合されている出力軸１０を回転軸Ｓ３２まわりに回動させて、出力三自由度の内の一自由度が得られる。また、回転軸Ｓ１１まわりの回動と回転軸Ｓ２２まわりの回動とは、支持部材１７および支持部材１８と連結支持軸１２で回転可能に配置されることより、幾何学的拘束を満たしながら駆動する条件が生じ、このことは、回転軸Ｓ１１まわりの回動および回転軸Ｓ２２まわりの回動のどちらか一方が他方の回動に従属することを意味し、結果として、回転軸Ｓ２２まわりに支持部材１７を回動することによって、出力三自由度の内の最後の一自由度が得られる。

図１〜図４で示される構成から成る干渉駆動関節機構の場合、単純な構造なので部品点数を少なく製作できる利点があるものの、構成に特別な傘歯車を用いなくてはならず、また、傘歯車同士の幾何学的干渉を考慮すると、出力軸の可動範囲を広く取ることができないという欠点がある。そこで、一般的な傘歯車を用いて、なおかつ出力軸の可動範囲を広くとれるように、図１で示す差動駆動機構群Ｃおよび差動駆動機構群Ｂと同等の機構を別の機構で実現した実施例を図５に示す。

図５で示される差動駆動機構群Ｃは、平歯車に固定された傘歯車２３〜２６を含む歯車列２１〜２７と、それら歯車列２１〜２７の回転を許容する対偶を有する支持部材２８より構成される。これにより、図１の差動駆動機構群Ｃと同様な運動（回転軸Ｓ１１および回転軸Ｓ１２の回動）を行う。また、図５で示される差動駆動機構群Ｂは、平歯車に固定された傘歯車３１，３２を含む歯車列２９〜３３と、それら歯車列２９〜３３の回転を許容する対偶を有する支持部材３４より構成される。これにより、図１の差動駆動機構群Ｂと同様な運動（回転軸Ｓ２１および回転軸Ｓ２２まわりの回動）を行う。

また、図５で示した構成から成る広い可動範囲を有する干渉駆動関節機構を図６に示す。

本発明の実施の形態の干渉駆動関節機構の構成を示す斜視図である。図１に示す干渉駆動関節機構を構成する部位である差動駆動機構群Ｃの詳細を示す斜視図である。図１に示す干渉駆動関節機構を構成する部位である差動駆動機構群Ｂの詳細を示す斜視図である。図１に示す干渉駆動関節機構を構成する部位である連結歯車列群Ａの詳細を示す斜視図である。本発明の実施の形態の干渉駆動関節機構の、広い可動範囲を有する差動駆動機構群Ｃ，Ｂの実施例の歯車配置を示す斜視図である。図５に示す干渉駆動関節機構の実施例の全体を示す斜視図である。

符号の説明

１ベース固定部
２〜５動力源
６〜９傘歯車
１０出力軸
１１，１５差動傘歯車
１２連結支持軸
１３連結傘歯車
１４，１６，１７，１８支持部材
１９，２０従動傘歯車
Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２回転軸

Claims

第一の回転軸（Ｓ１１）と、
前記第一の回転軸まわりに回転する第一の駆動輪（６）と、
前記第一の駆動輪と対向するように配置され、前記第一の回転軸まわりに前記第一の駆動輪とは独立に回転する第二の駆動輪（７）と、
ベース固定部（１）に取り付けられ、前記第一の駆動輪を回転駆動する第一の駆動源（２）と、
前記ベース固定部に取り付けられ、前記第二の駆動輪を回転駆動する第二の駆動源（３）と、
前記第一の回転軸まわりに回転可能に支持された第一の支持部材（１４）と、
前記第一の回転軸に直交する第二の回転軸（Ｓ１２）まわりに回転可能に前記第一の支持部材に支持された第一の差動輪（１１）と、
前記第一の差動輪に連結支持軸（１２）によって固定され、前記第一の差動輪と共に回転する連結輪（１３）と、
第三の回転軸（Ｓ２１）まわりに回転する第三の駆動輪（８）と、
前記第三の駆動輪と対向するように配置され、前記第三の回転軸まわりに前記第三の駆動輪とは独立に回転する第四の駆動輪（９）と、
前記ベース固定部に取り付けられ、前記第三の駆動輪を回転駆動する第三の駆動源（４）と、
前記ベース固定部に取り付けられ、前記第四の駆動輪を駆動する第四の動力源（５）と、
前記第三の回転軸にまわりに回転可能に支持された第二の支持部材（１６）と、
前記第三の回転軸に直交する第四の回転軸（Ｓ２２）まわりに回転可能に前記第二の支持部材に支持された第二の差動輪（１５）と、
前記第四の回転軸まわりに回転可能に前記第二の支持部材に支持され、前記第二の差動輪と固定され共に回転する第三の支持部材（１７）と、
前記第二の回転軸まわりに回転可能に前記連結支持軸を支持し、前記第四の回転軸と直交する第五の回転軸（Ｓ３１）まわりに回転可能に配置された支持軸を有し、前記第三の支持部材を回転可能に支持する第四の支持部材（１８）と、
前記第五の回転軸まわりに回転可能に前記第四の支持部材に取り付けられた支持軸に支持された第一の従動輪（１９）と、
前記第三の回転軸と前記第五の回転軸に直交する第六の回転軸（Ｓ３２）まわりに回転可能に配置された出力軸（１０）と、
前記出力軸の一端部に結合された第二の従動輪（２０）と、
を有することを特徴とする干渉駆動関節機構。
前記第一の駆動輪および前記第二の駆動輪と第一の差動輪とは、互いに噛合する歯車であり、
前記第三の駆動輪および前記第四の駆動輪と第二の差動輪とは、互いに噛合する歯車であることを特徴とする、
請求項１記載の干渉駆動関節機構。
前記連結輪および前記第一の従動輪と前記第二の従動輪とは、互いに噛合する歯車であることを特徴とする、請求項１または２記載の干渉駆動関節機構。
請求項１から３までの何れかに記載の干渉駆動関節機構を用い、前記第一から第四の動力源による入力から、前記出力軸に前記第一から第六の回転軸の交点を中心とした姿勢成分三自由度の回転量を与える冗長駆動性を有することを、特徴とする干渉駆動関節機構。