JP6438386B2 - 直列弾性アクチュエータのための湾曲要素および関連する方法 - Google Patents
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Description
本願は、米国特許出願第13/446,564号(2012年4月13日出願)の利益、および、それに基づく優先権を主張し、それによって、その各々の開示全体が、本明細書中に参照によって援用される。
本発明の実施形態は、概して、直列弾性アクチュエータ(SEA)に関し、特に、低い製造コストを有し、ロボット動作中のエネルギー損失を最小限にするSEAに関する。
ロボットは、物体を操作し、環境と相互作用するように設計される。ロボットアクチュエータがロボット要素および/または環境に印加される力を安全に検出および制御することは、不必要な危険を防止する。従来、硬いアクチュエータが、力センサによって測定され得る大きな力/トルクを生成するために利用されていた。しかしながら、硬いアクチュエータによって及ぼされる力は、正確に測定することが困難である。検出されるセンサたわみにおけるわずかな誤差は、大きな力の誤差をもたらし得る。したがって、高価な高精度力センサが、硬いアクチュエータと協働的に作用することが要求され得る。加えて、硬いアクチュエータは、概して、衝撃負荷を吸収することが不可能であり、それによって、ロボットシステムにおけるその用途を制限する。
種々の実施形態では、本発明は、例えば、ロボット要素(関節部等)間および/またはロボットと環境との間の力を検出するために、ロボット用途に非常に好適な弧状金属湾曲要素に関する。弧状湾曲要素は、印加された力に応じて、均一な応力または変形を生成し得、低エネルギー損失を呈する。本明細書による湾曲要素は、印加された力が湾曲要素上に均質に分散されるように、長さにわたって不均一な断面寸法(典型的には、幅)を有し得る。より具体的には、湾曲要素の2つの終端端部は、より広い断面幅を有し得る一方、湾曲要素の中間部分は、より狭い断面幅を有し得る。2つの端部領域は、回転式ロボット要素(例えば、ギアボックスアームまたは関節部出力)上にしっかりと固定され得る。その結果、湾曲要素の端部領域における摺動運動は存在せず、それによって、運動摩擦は、有意に低減される。加えて、湾曲部上の2つの端部領域のみがロボット要素に取り付けられるため、摩擦は存在せず、したがって、その他の部分におけるエネルギー消費は存在しない。「単一スタンピング」技法が使用されることにより、本明細書に説明されるような湾曲要素を生産してもよく、それによって、製造コストを低減させてもよい。代替として、湾曲要素は、製造効率および経済性を増加させるために、複数の製造プロセス(例えば、穴あけ、圧印、および切断)を組み合わせる「順送り型スタンピング」技法を使用して生産されてもよい。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
(項目1)
ロボットシステム内のアクチュエータであって、前記アクチュエータは、
負荷を駆動するためのモータと、
力を前記モータから前記負荷に伝達するためのギア列と、
前記力を検出し、前記力に応答した変形を被る弧状金属要素と
を備える、アクチュエータ。
(項目2)
関節部を画定する構成要素をさらに備え、前記関節部は、曲げ関節部またはねじり関節部である、項目1に記載のアクチュエータ。
(項目3)
前記弧状金属要素は、180°を上回る角度に対するC形状開放リングを備える、項目1に記載のアクチュエータ。
(項目4)
前記力の印加に応じた前記弧状金属要素の変形は、前記弧状金属要素の長さに沿って均一である、項目1に記載のアクチュエータ。
(項目5)
前記弧状金属要素は、変化する断面寸法を備える、項目1に記載のアクチュエータ。
(項目6)
前記弧状要素は、第1の端部および第2の端部で終端し、前記端部のそれぞれは、前記要素の固定を容易にするための手段を備える、項目1に記載のアクチュエータ。
(項目7)
前記弧状要素は、前記第1の端部および第2の端部の間の区画が、任意の他の構成要素と接触せずに懸架されるように構成されている、項目6に記載のアクチュエータ。
(項目8)
前記力を検出し、前記力に応答した変形を被る第2の弧状金属要素をさらに備え、前記要素は、積層される、項目1に記載のアクチュエータ。
(項目9)
前記第2の要素は、その長さに沿って変化する断面寸法を有し、さらに、前記力に応答して均一な変形を被る、項目8に記載のアクチュエータ。
(項目10)
第1の端部および第2の端部で終端して開放リングを画定する単一平面弧状区画を備える湾曲要素であって、前記端部のうちの少なくとも1つに対して印加される面内回転力に応答した実質的に面内の変位のために構成されている湾曲要素。
(項目11)
前記開放リングは、180°を上回る角度に対する、項目10に記載の湾曲要素。
(項目12)
前記端部のそれぞれは、前記湾曲要素の固定を容易にするための手段を備える、項目10に記載の湾曲要素。
(項目13)
前記弧状区画は、長さを有し、断面寸法は、前記長さにわたって不均一であることにより、変位の間に応力集中を排除する、項目10に記載の湾曲要素。
(項目14)
前記断面寸法は、前記第1の端部および第2の端部からその間の中間部まで単調に減少する、項目13に記載の湾曲要素。
(項目15)
前記単調減少は、60%である、項目14に
記載の湾曲要素。
(項目16)
前記湾曲要素は、本質的に、ばね鋼から成る、項目10に記載の湾曲要素。
(項目17)
ロボットシステム内において、モータから負荷に伝達される力を検出する方法であって、前記方法は、
前記力に応答して、弧状要素上に変形を生成することと、
前記変形に少なくとも部分的に基づいて、前記力を算出することと
を含む、方法。
(項目18)
前記弧状要素の変形は、その長さに沿って均一である、項目17に記載の方法。
(項目19)
前記弧状要素は、長さを有し、断面寸法は、前記長さにわたって不均一であり、それによって、応力集中は、前記力による変位の間、排除される、項目17に記載の方法。
(項目20)
前記断面寸法は、前記弧状要素の第1の端部および第2の端部からその間の中間部まで単調に減少する、項目19に記載の方法。
(項目21)
前記単調減少は、60%である、項目20に記載の方法。
モータ102と、ギアボックス104と、順応な要素(例えば、SEA)106と、出力負荷108とが直列に連結されたロボットアクチュエータ100を図示する図1を再び参照する。ギアボックス104は、関連付けられたモータ102からの運動を、順応な要素106を介して、出力負荷108の運動に伝達するように構成される。負荷108は、ロボットリンクまたは関節部等の任意の好適な負荷であってもよい。順応な要素106の位置のたわみは、位置センサ110によって測定されてもよい。剛性定数(例えば、ばね定数またはヤング率)が既知である場合、モータ102の印加された力/トルクは、決定され得る。フィードバック力/トルクループ112は、所望の力/トルクがモータ102によって生成されて順応な要素106を通して伝達されるように、実施されてもよい。
Claims (24)
- ロボットシステム内のアクチュエータであって、前記アクチュエータは、
負荷を駆動するためのモータと、
第1の端部および第2の端部を有する弧状金属要素であって、前記第1の端部は、前記負荷に結合されている、弧状金属要素と、
前記弧状金属要素の前記第2の端部に結合されたギア列であって、前記ギア列は、前記弧状金属要素を介して力を前記モータから前記負荷に伝達するように構成されている、ギア列と
を備え、
前記弧状金属要素は、前記力を検出し、前記力に応答した変形を被り、前記弧状金属要素が変形するときに前記力が前記モータから前記負荷に伝達され、
前記弧状金属要素は、長さと断面幅と断面厚とを備え、前記弧状金属要素の断面幅は、前記弧状金属要素の前記第1の端部および前記第2の端部から前記弧状金属要素の前記第1の端部と前記第2の端部との間の中間点まで単調に減少する、または、前記弧状金属要素の断面厚は、前記弧状金属要素の長さに沿って前記弧状金属要素の前記第1の端部および前記第2の端部から前記中間点まで単調に減少する、アクチュエータ。 - 関節部を画定する構成要素をさらに備え、前記関節部は、曲げ関節部またはねじり関節部である、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記弧状金属要素は、180°を上回る角度に対するC形状開放リングを備える、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記力の印加に応じた前記弧状金属要素の変形は、前記弧状金属要素の長さに沿って均一である、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記弧状金属要素の断面幅および前記弧状金属要素の断面厚の両方は、前記弧状金属要素の前記第1の端部および前記第2の端部から前記弧状金属要素の前記第1の端部と前記第2の端部との間の中間点まで単調に減少する、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記弧状金属要素は、第1の端部および第2の端部で終端し、前記端部のそれぞれは、前記弧状金属要素の固定を容易にするための手段を備える、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記弧状金属要素は、前記第1の端部および第2の端部の間の区画が、任意の他の構成要素と接触せずに懸架されるように構成されている、請求項6に記載のアクチュエータ。
- 前記弧状金属要素は、第1の弧状金属要素であり、前記アクチュエータは、前記力を検出し、前記力に応答した変形を被る第2の弧状金属要素をさらに備え、前記第1の弧状金属要素および前記第2の弧状金属要素は、積層されている、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記第2の弧状金属要素は、その長さに沿って変化する断面幅またはその長さに沿って変化する断面厚を有し、さらに、前記力に応答して均一な変形を被る、請求項8に記載のアクチュエータ。
- 前記弧状金属要素は、第1の端部および第2の端部で終端して開放リングを画定する単一平面弧状区画を備える湾曲要素であり、前記弧状金属要素は、前記端部のうちの少なくとも1つに対して印加される面内回転力に応答した実質的に面内の変位のために構成されている、請求項1または請求項5に記載のアクチュエータ。
- 前記開放リングは、180°を上回る角度に対する、請求項10に記載のアクチュエータ。
- 前記端部のそれぞれは、前記湾曲要素の固定を容易にするための手段を備える、請求項10に記載のアクチュエータ。
- 前記単一平面弧状区画は、長さを有し、前記単一平面弧状区画の断面幅および前記単一平面弧状区画の断面厚は、前記長さにわたって不均一であることにより、変位の間に応力集中を排除する、請求項10に記載のアクチュエータ。
- 前記単調減少は、60%である、請求項5に記載のアクチュエータ。
- 厚さの前記単調減少は、60%である、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 幅の前記単調減少は、60%である、請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記湾曲要素は、本質的に、ばね鋼から成る、請求項10に記載のアクチュエータ。
- ロボットシステム内において、モータから負荷に伝達される力を検出する方法であって、前記方法は、
前記力に応答して、前記負荷に結合された弧状金属要素上に変形を生成することであって、前記弧状金属要素は、第1の端部および第2の端部を有し、前記弧状金属要素が変形するときに前記力が前記モータから前記負荷に伝達され、前記弧状金属要素は、長さと断面幅と断面厚とを備え、前記弧状金属要素の断面幅は、前記弧状金属要素の前記第1の端部および前記第2の端部から前記弧状金属要素の前記第1の端部と前記第2の端部との間の中間点まで単調に減少する、または、前記弧状金属要素の断面厚は、前記弧状金属要素の長さに沿って前記弧状金属要素の前記第1の端部および前記第2の端部から前記中間点まで単調に減少する、ことと、
前記変形に少なくとも部分的に基づいて、前記力を算出することと
を含む、方法。 - 前記弧状金属要素の変形は、その長さに沿って均一である、請求項18に記載の方法。
- 前記弧状金属要素の断面幅および前記弧状金属要素の断面厚の両方は、前記弧状金属要素の前記第1の端部および前記第2の端部から前記弧状金属要素の前記第1の端部と前記第2の端部との間の中間点まで単調に減少する、請求項18に記載の方法。
- 前記力による変位の間、応力集中が排除される、請求項20に記載の方法。
- 前記単調減少は、60%である、請求項20に記載の方法。
- 厚さの前記単調減少は、60%である、請求項18に記載の方法。
- 幅の前記単調減少は、60%である、請求項18に記載の方法。
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