JPH033654A - 関節運動アクチュエータ - 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〕 この発明は、工作機械、産業用ロボット等の装置におけ
る関節部の運動を駆動す関節運動アクチュエータに関す
る。

〔従来の技術〕

従来、工作機械、ロボット等の関節部の運動を達成する
関節運動アクチュエータでは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３
軸方向の各駆動機構を用いて、各軸方向の運動をそれぞ
れの駆動機構を作動させる電動機で駆動することによっ
て、各軸方向の運動を行わせて組み合わせた複合運動を
得て全体として所定の関節運動を達成しているのが現状
である。

また、エビサイクモータに使用されている関節運動軸受
装置として、第３図、第４図及び第５図に示されたもの
が開示されている。該関節運動軸受装置は、球面継ぎ手
を枢支軸として磁力によって揺動運動と回転運動即ち枢
動できるように転動体を支持するものであり、第３図に
示すように、基台となる固定子即ちステータ３０は、６
極の固定電磁石３１が円周上に配置されている。このス
テータ３０に対しては、第４図に示すように、転動体で
あるロータ３３が対向して配置されている。

ステータ３０における電磁石３１は、鉄心３８にステー
タコイル３２を巻き上げて構成されている。

ロータ３３は、中央部を中心に球面継ぎ手３５によって
枢動可能に支持されている。ロータ３３の外周部には、
円錐形転勤面３７が形成されている。

ロータ３３の円錐形転勤面３７は、軸方向に固定状態に
取付けられたフレーム３４の円錐形軌道面３６に対向し
て位置決めされている。この関節運動軸受装置において
、第４図に示す状態は、各電磁石３１の無励磁の状態で
あり、フレーム３４の円錐形軌道面３６の円錐頂角αは
ロータ３３の円錐形転勤面３７の円錐頂角βより僅かに
大きく設定されている。また、第５図には、この関節運
動軸受装置における各電磁石３１が励磁された状態が示
されている。この状態では、ロータ３３は転勤するので
、ロータ３３の軸からは単に低速回転が取り出されるの
みである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のようなＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸
方向の各駆動機構を用いて所定の関節運動を行わせる関
節運動アクチュエータでは、各駆動機構の運動を行わせ
るため、部品点数は多くなり、機構自体が複雑化し、動
力伝達系は間接的伝動であり、伝動装置に伴う摩擦損失
が大きく、しかも各駆動機構の各運動のための情報が多
くなり、該多数の情報に基づいての計算で誤差等が生じ
て精度に悪影響を及ぼし、また、多数の電動機を使うた
め、コストが高くなるという問題があった。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
工作機砿、産業用ロボット等の種々の装置における動力
伝達系の出力部に適用するものであり、１つの駆動装置
によって出力部に円錐運動、揺動運動、回転運動等の関
節運動即ち枢動運動を直接的に発生させ、該運動状態を
正確に且つ迅速に出力部に行わせて、該出力部に取付け
られた作動部材、工作物等の被伝動体に所定の運動を伝
達し、コントローラへ入力する情報を少なくしてレスポ
ンス、精度を向上させ、制御及び構造が簡単で且つコス
トを低減でき、しかも利用目的によって極めて簡易で有
効な所定の関節運動を得ることができる関節運動アクチ
ュエータを提供することである。

（課題を解決するための手段〕 この発明は、上記の目的を達成するため、次のように構
成されている。即ち、この発明は、円周上の複数箇所に
配置された電磁石によって磁気回路を形成する固定子、
該固定子の中央に固定され且つ先端に第１継ぎ平部を備
えた固定軸、前記第１継ぎ平部に関節運動可能に連結す
る第２４１１ぎ平部を備え且つ前記各電磁石に対向して
円周上に配置した鉄心を備えた可動子、及び該可動子に
取付けられ可動子軸心方向に伸長する関節運動出力部材
から成る関節運動アクチュエータに関する。

ここで、関節運動は、コニカル等の揺動運動及び回転運
動を同時に或いは単独に行う枢動運動、並びに相対的に
静止状態を維持する運動を指すものとする。

また、この関節運動アクチュエータは、前記固定子の前
記各１１磁石に供給する電流の大きさを変えて前記可動
子の前記各鉄心との間に与えられる磁力を変化させるも
ので、ある。

更に、この関節運動アクチュエータは、前記固定軸に対
する前記可動子の傾斜角度及び傾斜方向を検出する角度
センサーと、前記角度センサーの検出信号に応答して前
記各電磁石と前記各鉄心間の磁力を制御して前記関節運
動出力部材の運動及び姿勢を所定の設定条件に制御する
コントローラとを有するものである。

〔作用〕

この発明による関節運動アクチュエータは、上記のよう
に構成されているので、次のように作用する。即ち、こ
の関節運動アクチュエータは、円周上の複数箇所に各々
配置された電磁石によって磁気回路を形成する固定子と
前記ｔｔａ石に対向して円周上に配置した鉄心を備えた
可動子とを、両者にそれぞれ設けた継ぎ半部によって相
対的に関節運動可能に連結し、前記可動子に該軸心方向
に伸長する関節運動出力部材を取付けたので、前記各電
磁石に流す電流の強さを種々に変化させることによって
前記可動子の前記鉄心が吸引される力が円周上で異なり
、それによって前記可動子が所定の関節運動を行うこと
ができ、前記可動子の運動に応じて前記関節運動出力部
材が所定の円錐運動、回転運動、揺動運動等の関節運動
即ち枢動運動、或いは前記関節運動出力部材に対して所
定の姿勢制御を行うことができる。また、鉄心としては
、前記各を磁石に対向して複数箇所に配置された複数個
の鉄心、或いは環状の巻鉄心でもよく、同等の機能を果
たすことができる。

Ｃ実施例〕 以下、図面を参照して、この発明による関節運動アクチ
ュエータの実施例を説明する。

第１図はこの発明による関節運動アクチュエータの一実
施例を示し且つ第２図の線１−１における部位を示す平
面図である。第２図はこの発明による関節連動アクチュ
エータの一実施例を示す断面図である。

第２図に示すように、この発明による関節運動アクチュ
エータは、主として、！［石ｌによって磁気回路を形成
する固定子１５、固定子１５に対して揺動回動運動可能
に対向して配置された可動子１４、及び可動子１４に取
付けた関節運動出力部材９から構成されている。固定子
Ｌ５は、支持部を構成するヨーク部１３、及びヨーク部
１３の円周上に等間隔で複数個配置された電磁石ｌがら
成る。電磁石１は、固定子鉄心１６の外周に励磁コイル
２を巻き上げることによって構成される。

また、コーク部１３の中央部位即ち各電磁石１の位置す
る円周上の中心部には、固定軸６が各電磁石ｌと平行に
軸心方向に伸長してヨーク部１３に固定されている。こ
の固定軸６の先端には、第１継ぎ半部である軸受球面部
５が一体的に形成されている。固定子Ｉ５に対向して配
置された可動子１４は、転動体となる可動部材４、及び
該可動部材４の円周上に対向して配置した鉄心である環
状の巻鉄心３から成る。鉄心としては、図示のように、
巻鉄心３から構成してもよく、また、図示していないが
、可動部材４の円周上に等間隔で複数個配置された鉄心
から構成してもよい。

第１図において、この発明による関節運動アクチュエー
タにおける固定子１５の電磁石１の配置関係が右側に示
され、また、可動子１４の巻鉄心３の配置関係が左側に
示されている。即ち、第１図では、固定子１５の電磁石
１は左右側に示す配置関係より、−例として６個配置さ
れている。

また、可動部材４の中央部位即ち巻鉄心３の位置する円
周上の中心部には、固定軸６０軸受球面部５に揺動回動
可能に嵌合する第２継ぎ半部である軸受球面嵌合部１７
が形成されている。この軸受球面嵌合部１７には内周面
に環状溝１８が形成され、該環状溝１８にはブシュ１２
が嵌入されている。また、固定軸６の軸受球面部５の外
周には多数の嵌合穴１９が形成され、咳嵌合穴１９には
ボール７が嵌入している。更に、この可動子１４を構成
する可動部材４には、連結部材８を介して可動子軸心方
向に伸長する関節運動出力部材９が固定されている。こ
の関節運動出力部材９は、例えば、作業出力部材、チャ
ック等の支持出力部材等の機能を果たすものである。従
って、この関節運動アクチュエータは、固定軸６の軸受
球面部５と可動部材４の軸受球面嵌合部１７との間で、
相対的な揺動回動運動、例えば、円錐運動、回転運動、
揺動運動等の相対的な運動、或いは相対的に所定の角度
に傾斜した状態、軸心的に整合した状態に保持する機能
を果たすことができる構造に構成される。なお、図示し
ていないが、第１継ぎ半部が軸受球面嵌合部に構成され
且つ第２継ぎ半部が軸受球面部に構成されても良いこと
は勿論である。

更に、この発明による関節運動アクチュエータにおいて
、固定子１５に固定した固定軸６の軸受球面部５の端部
中央部位には、固定軸６に対する可動子１４の傾斜角度
及び傾斜方向を検出する角度センサー１１が設けられて
いる。この角度センサー１１によって逐次に検出された
検出信号は、コントローラｌＯに入力される。コントロ
ーラｌＯに入力された検出信号値は、予め設定された傾
斜角度、傾斜方向、逐次の変位角度、変位速度等の設定
値と比較し且つ演算され、該演算値に応じてコントロー
ラ１ｏから各ｔＭ１石ｌの励磁コイル２へ電流を供給す
る指令が出される。このようにして、角度センサー１１
がらの傾斜角度、言い換えれば、固定子１５と可動子１
４との空隙の状態の検出信号は、逐次に自動的にフィー
ドバックしてコントローラ１０に入力され、演算されて
、それによって、各電磁石１の励磁コイル２へ供給され
る電流の強さが増加或いは減少するように制御され、そ
れに応じて各電磁石１と各巻鉄心３と間のそれぞれの磁
力即ち磁界の励磁状態が自動的に制御され、可動部材４
が所定の姿勢を維持するように、或いは可動部材４の運
動が所定の運動状態に制御される。可動部材４のトルク
及び傾斜運動は、作業出力棒である関節運動出力部材９
に伝動される。従って、関節運動出力部材９に取付けら
れた負荷は、所定の設定条件の運動に制御され且つその
姿勢が所定の設定条件の姿勢に調整制御され、即ち、姿
勢制御される。

この発明による関節運動アクチュエータの作動について
説明する。今、固定子１５の６個の励磁コイル２により
３相交流で回転磁界を作れば、可動子１４の巻鉄心３は
渦電流による回転トルクで軸受球面部５を中心に回転し
、関節運動出力部材９はその回転トルクを該関節運動出
力部材９に取付けた負荷に伝える。ここで、例えば、固
定子１５における一つの電磁石１の励磁コイル５だけを
励磁すると、可動子１４は励磁されたｉ磁石１が位置す
る方向に引き寄せられて傾斜する。また、可動子１４を
左右の方向に傾斜動作をさせるには、対象の位置にある
２個の電磁石１の励磁コイル２を同時に励磁して、互い
に綱引き即ち引っ張り合う状態に作動し、励磁された電
流の強さの相違によって発生する磁力の差によって、可
動子１４の姿勢を目的とする所定の傾斜姿勢に維持する
ように制御する。それによって、可動子１４に固定され
ている関節運動出力部材９が、可動子１４の傾斜姿勢に
より必要な空間位置即ち姿勢を保持して、該関節運動出
力部材９に取付けた負荷が必要な作業を実現できるよう
になる。また、固定子１５の有限個の電磁石１の中間の
位置に、可動子１４の可動部材４を傾斜させる場合には
、その左右の電磁石１を併用して、電磁石ｌの中間の位
置を保つように、電磁石１の励磁コイル２へ電流を供給
して、その間の磁力を制御することによって達成できる
。それ故に、上記のように、２個以上の電磁石１の励磁
コイル２の励磁を制御することにより、可動子１４は、
任意のコニカルな傾斜姿勢、垂直な姿勢等の種々の姿勢
を保ったり、或いは関節運動出力部材９の先端が任意の
曲線運動、傾斜姿勢での回転運動等の種々の運動を行う
ことができる。

この発明による関節運動アクチュエータは、上記のよう
に構成され且つ作動されるので、工作機械、産業用ロボ
ット等の種々の装置に適用できる。

例えば、ワイヤカット放電加工機において、工作物にテ
ーバ加工を行う場合に、テーブル、往復台のＸ軸、７輪
及びＺ軸の駆動装置即ちアクチュエータに加えて、従来
、Ｕ軸とＶ軸のアクチュエータを使用しているが、この
発明による関節運動アクチュエータを使用すれば、１個
のアクチュエータで実現できる。

また、産業用ロボットの手首部分即ち関節運動部は、従
来、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸のアクチュエータによっ
て揺動運動及び回転運動の関節運動を行っているが、こ
の発明による関節運動アクチュエータを使用すれば、あ
る角度の範囲のコニカル運動と完全な回転運動が実現で
きるので、同様に１個のアクチュエータで実現できる。

〔発明の効果〕

この発明による関節運動アクチュエータは、上記のよう
に構成されているので、次のような効果を有する。即ち
、この関節運動アクチュエータは、円周上の複数箇所に
配置された電磁石によって磁気回路を形成する固定子、
該固定子の中央に固定され且つ先端に第１継ぎ手部を備
えた固定軸、前記第１継ぎ手部に関節運動可能に連結す
る第２継ぎ半部を備え且つ前記各電磁石に対向して円周
上に配置した鉄心を備えた可動子、及び該可動子に取付
けられ可動子軸心方向に伸長する関節運動出力部材から
構成したので、前記各電磁石に流す電流の強さを種々に
変化させることによって、前記可動子が所定の関節運動
を行うことができ、前記可動子の運動に応じて前記関節
運動出力部材が所定の円錐運動、回転運動、揺動運動等
の関節運動、或いは所定の姿勢制御を行うことができ、
前記関節運動出力部材に取付けた負荷に所定の作業を行
わせることができる。

例えば、工作物にテーパ加工等の加工を行う場合に、こ
の関節運動アクチュエータを１個使用することで、該工
作物に所定の姿勢及び運動を与えることができる。また
、産業用ロボットの手首部分即ち関節運動部に適用した
場合に、この関節運動アクチュエータを１個に使用する
ことで、所定の角度の範囲のコニカル運動等の揺動運動
及び回動運動である関節運動、即ち枢動運動を実現でき
る。また、前記関節運動出力部材に前記電磁石の磁力を
直接的に伝達し、１個のアクチュエータを作動する情報
のみで目的の姿勢制御を行うことができ、関節運動のレ
スポンスを向上できる。

また、この関節運動アクチュエータは、前記固定子の前
記各ｉ磁石に供給する電流の大きさを変えて前記可動子
の前記各鉄心との間に与えられる磁力を変化させるので
、磁界の増加又は減少を簡単に自動制御を行うことがで
き、アクチュエータ自体の制御が簡単な手段で達成でき
る０例えば、前記関節運動出力部材を左右に傾斜させる
時、該左右方向に位置する前記各電磁石を互いに引っ張
り合うように励磁して、一定方向の傾斜を維持できるよ
うに制御できる。また、存限個の前記各電磁石の中間の
位置に傾斜させる時には、該方向に位置する両方の電磁
石を付勢して前記関節運動出力部材が中間位置に傾斜し
た姿勢を維持するように制御する。

更に、この関節運動アクチュエータは、前記固定軸に対
する前記可動子の傾斜角度及び傾斜方向を検出する角度
センサーと、前記角度センサーの検出信号に応答して前
記各電磁石と前記各鉄心間の磁力を制御して前記関節運
動出力部材の運動及び姿勢を所定の設定条件に制御する
コントローラとから構成したので、前記角度センサーに
よって前記関節運動出力部材の運動及び姿勢を逐次に検
出して該検出信号を前記コントローラにフィードバック
し、該逐次の検出信号に応答して迅速に且つ正確に前記
関節運動出力部材の運動及び姿勢を常に所望の条件に制
御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による関節運動アクチュエータの一実
施例を示す平面図、第２図は第１図の関節運動アクチュ
エータの断面図、第３図は揺動回動可能な軸受継ぎ手を
構成するステータを示す平面図、第４図は揺動回動可能
な無励磁状態の軸受継ぎ手の一例を示す概略図、及び第
５図は揺動回動可能な励磁状態の軸受継ぎ手の一例を示
す概略図である。 １−・−・・・・電磁石、２−・・−動磁コイル、３−
−−−一巻鉄心、４・−・−・−可動部材、５−−一・
−軸受球面部（第１継ぎ半部）、６−・・−・・固定軸
、９・・・−・−・関節運動出力部材、１０・・−−−
〜−コントローラ、１１−・−・角度センサ、１４・−
・−可動子、１５−・・−固定子、１６・−・・・−・
固定子鉄心、１７−−−−軸受球面嵌合部（第２継ぎ半
部）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）円周上の複数箇所に配置された電磁石によって磁
   気回路を形成する固定子、該固定子の中央に固定され且
   つ先端に第１継ぎ手部を備えた固定軸、前記第１継ぎ手
   部に関節運動可能に連結する第２継ぎ手部を備え且つ前
   記各電磁石に対向して円周上に配置した鉄心を備えた可
   動子、及び該可動子に取付けられ可動子軸心方向に伸長
   する関節運動出力部材から成る関節運動アクチュエータ
   。
2. （２）前記固定子の前記各電磁石に供給する電流の大き
   さを変えて前記可動子の前記各鉄心との間に与えられる
   磁力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の関
   節運動アクチュエータ。
3. （３）前記固定軸に対する前記可動子の傾斜角度及び傾
   斜方向を検出する角度センサーと、前記角度センサーの
   検出信号に応答して前記各電磁石と前記各鉄心間の磁力
   を制御して前記関節運動出力部材の運動及び姿勢を所定
   の設定条件に制御するコントローラと、を有することを
   特徴とする請求項１に記載の関節運動アクチュエータ。