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技術 可動軸駆動装置

出願人 川田工業株式会社
発明者 金平徳之
出願日 2005年4月21日 (15年8ヶ月経過) 出願番号 2005-123955
公開日 2006年11月2日 (14年1ヶ月経過) 公開番号 2006-297553
状態 特許登録済
技術分野 玩具 マニプレータ・ロボット マニプレータ
主要キーワード 単位時間当たり回転数 電流制御ドライバ 揺動部位 電流分配率 組合せ状態 高出力モータ 透視状態 駆動トルク値
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年11月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

脚式歩行ロボット等のロボットに用いた場合に、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータエネルギ効率を向上させることにある。

解決手段

互いに隣接する二つのリンクを1自由度で相対運動させる可動軸を駆動する装置において、互いに異なる最高出力の二台のモータ11,12およびそれらのモータで駆動されて各々前記可動軸を駆動する互いに異なる減速比の二台の減速機14,15と、前記可動軸の必要駆動トルク回転数とに応じてエネルギ効率が最高になるようにトルク分配値を演算するマイクロコンピュータ19と、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ11,12を駆動する電流制御ドライバ17,18とを具えてなる、可動軸駆動装置である。

概要

背景

従来、二足歩行ロボット等の移動ロボットにおいては、その関節としての可動軸を駆動するために、例えば特許文献1に示されているように、各関節に近接する部位(リンク内)に可動軸駆動モータを搭載している。
特許第2592340号公報

概要

脚式歩行ロボット等のロボットに用いた場合に、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることにある。互いに隣接する二つのリンクを1自由度で相対運動させる可動軸を駆動する装置において、互いに異なる最高出力の二台のモータ11,12およびそれらのモータで駆動されて各々前記可動軸を駆動する互いに異なる減速比の二台の減速機14,15と、前記可動軸の必要駆動トルク回転数とに応じてエネルギ効率が最高になるようにトルク分配値を演算するマイクロコンピュータ19と、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ11,12を駆動する電流制御ドライバ17,18とを具えてなる、可動軸駆動装置である。

目的

この発明は、脚式歩行ロボットに用いた場合にその総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができる可動軸駆動装置を提供する

効果

実績

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請求項1

互いに隣接する二つのリンクを1自由度で相対運動させる可動軸を駆動する装置において、各々前記可動軸を駆動する互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構と、前記可動軸の必要駆動トルク回転数とに応じてエネルギ効率が最適になるようにトルク分配値を演算するトルク分配値演算手段と、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ式駆動機構のモータを駆動するモータ駆動手段と、を具えてなる、可動軸駆動装置

請求項2

前記可動軸は、ロボットの関節であることを特徴とする、請求項1記載の可動軸駆動装置。

請求項3

前記ロボットの関節は、脚式歩行ロボットピッチ方向駆動用関節を含むことを特徴とする、請求項2記載の可動軸駆動装置。

請求項4

前記ロボットの関節は、脚式歩行ロボットの股ピッチ方向駆動用関節を含むことを特徴とする、請求項2または3記載の可動軸駆動装置。

請求項5

前記複数のモータ式駆動機構は、互いに減速比の異なる減速機を介して前記モータで前記可動軸を駆動することを特徴とする、請求項1から4までの何れか記載の可動軸駆動装置。

請求項6

前記複数のモータ式駆動機構は、互いに出力特性の異なる前記モータで前記可動軸を駆動することを特徴とする、請求項1から5までの何れか記載の可動軸駆動装置。

技術分野

0001

この発明は、ロボットの脚や腕等に設けられる可動軸の駆動に用いて好適な可動軸駆動装置に関し、特には、それらの可動軸の駆動モータエネルギ効率を高めた駆動装置に関するものである。

背景技術

0002

従来、二足歩行ロボット等の移動ロボットにおいては、その関節としての可動軸を駆動するために、例えば特許文献1に示されているように、各関節に近接する部位(リンク内)に可動軸駆動モータを搭載している。
特許第2592340号公報

発明が解決しようとする課題

0003

ところで、二足歩行ロボット等、複数本の脚部を持つ脚式歩行ロボットについて歩行中の各部の運動を観察してみると、脚部は歩行の1周期毎に大きな加速減速を繰り返しており、従って脚部の駆動を担う関節の駆動手段は、その関節から下の部位が有する慣性質量を駆動することとなって大きなトルクと駆動速度とが要求される。かかる脚式歩行ロボットにおいて、駆動トルクや速度が大きくなることは、ロボットの移動に費やされる消費エネルギが増大することを意味する。移動ロボットにとって消費エネルギの増大は、その有用性の点からすれば好ましくない。

0004

脚式歩行ロボットの脚部には進行方向(以下「ピッチ方向」)、左右方向(以下「ロール方向」)乃至は回転方向等の多数の運動を司る関節が設けられているが、このうちピッチ方向の運動を担う膝関節において、上記の要求が一段と強い。これは、図8に示すように、脚部のピッチ方向の運動は遊脚域と立脚域とを含むため動作範囲が広く、従って加減速が大きく、他の関節に比べて遥かに大きなトルク、速度或いは駆動頻度を要求されるからで、結果的に、ピッチ方向駆動用の膝関節及びその駆動用モータは大型で重いものにならざるを得ない。なお、図8の上部は、脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向の動きを模式的に示し、図8の下部は、その脚部の動き(実線で示す動き)に対応するピッチ方向駆動用の膝関節駆動用モータのトルクと回転数(この明細書では単位時間当たり回転数を意味する)との変化状態を示している。

0005

一般に、脚式歩行ロボットにおいては、上述の如き関節が直列に配置されており、そこにおいて高トルク高速度を出力する駆動手段を採用することは、各関節の中でより上位の関節にとっては、駆動対象の慣性質量が増大することを意味し、その結果、さらに大容量の駆動手段を使用せざるを得なくなり、ロボットの総重量を増加させてしまうという問題があった。

0006

また、上記関節において高出力モータを採用していても、脚式歩行ロボットが関節を駆動する際のサーボモータのエネルギ効率は、一般に50%以下であり、非常に低い。これは、図8に示す遊脚域と立脚域の駆動態様からもわかるように、ロボットの関節が広いレンジのトルクと回転数との組み合わせで作動することに原因がある。

0007

一般に、モータのエネルギ効率が最も高くなるトルクと回転数の組み合わせは一点しか存存せず、発生トルクが大きくなればなるほど効率は低下する。モータのエネルギ効率を改善するためには変速機を用いて負荷に応じて減速比を変え、モータを常に高効率点運転するという方法が考えられるが、ロボットに搭載できるような小型の変速機は未だ出現していないのが実情であり、複数の電装機器が高密度実装される脚式歩行ロボットの構造内部の限られたスペース内に変速機を搭載することは、実質的に不可能である。

0008

前述したサーボモータのエネルギ効率の低さは、脚式歩行ロボットの稼動効率を低減させる要因となっており、大きな問題である。

課題を解決するための手段

0009

この発明は、脚式歩行ロボットに用いた場合にその総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができる可動軸駆動装置を提供することを目的とするものであり、この発明の可動軸駆動装置は、互いに隣接する二つのリンクを1自由度で相対運動させる可動軸を駆動する装置において、各々前記可動軸を駆動する互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構と、前記可動軸の必要駆動トルクと回転数とに応じてエネルギ効率が最適になるようにトルク分配値を演算するトルク分配値演算手段と、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ式駆動機構のモータを駆動するモータ駆動手段と、を具えてなるものである。

発明の効果

0010

かかる可動軸駆動装置にあっては、互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構が各々、互いに隣接する二つのリンクを1自由度で相対運動させる可動軸を駆動(対偶素の一方を他方に対し駆動)し、トルク分配値演算手段が、前記可動軸の必要駆動トルクと回転数とに応じてエネルギ効率が最適になるようにトルク分配値を演算し、モータ駆動手段が、前記演算したトルク分配値に応じて前記各モータ式駆動機構のモータを駆動する。

0011

従って、この発明の可動軸駆動装置によれば、脚式歩行ロボット等のロボットに用いた場合に、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができる。

0012

なお、この発明の可動軸駆動装置においては、前記可動軸は、ロボットの関節であると好ましく、前記ロボットの関節は、脚式歩行ロボットのピッチ方向駆動用関節(膝関節ピッチ軸)または/および股ピッチ方向駆動用関節(股関節ピッチ軸)であると好ましい。脚式歩行ロボットの脚部には膝および股にピッチ方向、ロール方向乃至は回転方向等の多数の運動を司る関節が設けられているが、このうちピッチ方向の運動を担う関節において、特に大きなトルクと駆動速度とが要求され、被揺動部位が脚全体になるため揺動慣性質量が最も大きい股ピッチ方向駆動用関節ではそれが特に顕著だからである。

0013

さらに、この発明の可動軸駆動装置においては、前記複数のモータ式駆動機構は、互いに減速比の異なる減速機を介して前記モータで前記可動軸を駆動するものであると好ましく、また前記複数のモータ式駆動機構は、互いに出力特性の異なる前記モータで前記可動軸を駆動するものであると好ましい。互いに減速比の異なる減速機や互いに出力特性の異なるモータを用いれば、トルク分配値演算手段が演算で求め得るトルク分配値の幅が広くなり、よりエネルギ効率を向上させることができるからである。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図1は、この発明の可動軸駆動装置の一実施例の構成を示す説明図、図2は、その実施例の可動軸駆動装置の作動アルゴリズムを示す説明図、図3は、上記実施例における電流分配率αの決め方を示す説明図、図4(a),(b)は、従来の可動軸駆動装置および上記実施例の可動軸駆動装置についてそれぞれ作動状態を示す説明図、図5は、上記実施例の可動軸駆動装置を具える脚式歩行ロボットを例示する斜視図、そして図6(a),(b)および(c)は、その歩行ロボットの脚部を透視状態で示す側面側、正面図および斜視図である。

0015

上記実施例の可動軸駆動装置を具える一例としての脚式歩行ロボットは、図5に示すように、胴体1の下に二本の脚部2を具え、それらの脚部2で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この脚式歩行ロボットはまた、胴体1のロボット自身から見て左右に腕部3を具えるとともに、胴体1上に頭部4を具えており、ここで、胴体1は、腰部で互いに前後および左右回動可能に連結された上半部1aと下半部1bとからなっている。

0016

上記脚式歩行ロボットは、脚部2、腕部3、頭部4と胴体1間の首および、胴体1の上下半部1a,1b間の腰部にそれぞれ関節としての可動軸を具えており、それらの可動軸の一部としての、脚部2のピッチ方向駆動用の膝関節を駆動するこの実施例の可動軸駆動装置のモータ式駆動機構は、図6(a),(b)および(c)に示すように、脚部2の膝関節の上側のリンクである大腿部2aに設けられている。

0017

この実施例の可動軸駆動装置は、上記モータ式駆動機構として、図1に示すように、第1のモータ11と、その第1のモータ11より最高出力の小さい、第1のモータ11より小型の第2のモータ12と、第1のモータ11の出力軸駆動出力軸13に常時駆動結合する、二個のプーリおよびそれらに掛け渡したベルトを有する第1のベルト式減速機14と、第2のモータ12の出力軸を駆動出力軸13に第1のベルト式減速機14より小さい減速比で常時駆動結合する、二個のプーリおよびそれらに掛け渡したベルトを有する第2のベルト式減速機15と、を具えている。

0018

またこの実施例の可動軸駆動装置は、上記モータ式駆動機構の作動を制御する制御部として、第1のモータ11の出力軸の回転数を検出するロータリエンコーダ16と、第1のモータ11にトルク指令値T11に基づく駆動電流を供給する、例えばHブリッジを持つ第1の電流制御ドライバ17と、第2のモータ12にトルク指令値T12に基づく駆動電流を供給する、例えばHブリッジを持つ第2の電流制御ドライバ18と、ロータリエンコーダ16の出力信号および図示しない主制御部からの関節トルク指令に基づき第1のモータ11と第2のモータ12とのトルク指令値T11,T12を後述の如く演算で求めてそれらのトルク指令値T11,T12を電流制御ドライバ17,18にそれぞれ出力する通常のマイクロコンピュータ19と、を具えている。

0019

そして上記機構部の駆動出力軸13は、図6(a),(b)および(c)に示すように、脚部2のピッチ方向駆動用の膝関節(可動軸)を構成するように大腿部2aの下端部に設けられた高減速比型減速機20の入力軸20aに、二個のプーリおよびそれらに掛け渡したベルトを有する第3のベルト式減速機21を介して駆動結合されている。

0020

しかしてこの実施例の可動軸駆動装置におけるマイクロコンピュータ19は、図2に示すように、ロータリエンコーダ16の出力信号から求めた第1のモータ11の回転数と、その第1のモータ11の回転数と第1,第2のベルト式減速機14,15の減速比とから求めた第2のモータ12の回転数と、胴体1の上半部1a内に収納された図示しない主制御部からの関節トルク指令(必要駆動トルク値)とに基づき、第1のモータ11のエネルギ効率と第2のモータ12のエネルギ効率との和が最も高くなるように、第1のモータ11のトルク指令値T11と第2のモータ12のトルク指令値T12とを求めて、それらのトルク指令値T11,T12を第1,第2の電流制御ドライバ17,18にそれぞれ出力し、第1,第2の電流制御ドライバ17,18は、それらのトルク指令値T11,T12のトルクを達成するように第1,第2のモータ11,12をそれぞれ作動させる。

0021

ここで、第1のモータ11のエネルギ効率と第2のモータ12のエネルギ効率との和が最も高くなるようにするために、マイクロコンピュータ19は、図3に示すように、第1,第2のモータ11,12で駆動する第1,第2のベルト式減速機14,15の出力トルクの和が関節トルク指令を達成し、かつ第1のモータ11のパワーロスと第2のモータ12のパワーロスとの和が最も少なくなるような第1,第2のモータ11,12への電流分配率(あるいはトルク分配率)αおよび、その際のトルク指令値T11,T12を求める。これにより、図3に示すように、モータ1台だけで上記関節トルク値を達成する場合と比較して、第1,第2のモータ11,12で駆動する場合は、パワーロスを大幅に減らすことができ、このパワーロスの減少分がこの実施例の装置による利得となる。

0022

図4(a)は、脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向駆動用の膝関節を1台のモータで駆動する従来の可動軸駆動装置の作動状態を示し、図中符号Aで示す領域は、脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向駆動用の膝関節の駆動装置に必要とされるトルクと回転数の組合せを示している。このように、脚部のピッチ方向駆動用の膝関節(可動軸)には、低回転数で高いトルクと、高回転数で低いトルクとが求められるが、1台のモータでこの領域Aを満たすには、そのモータの出力特性は図中符号Bで示すようなものとなり、その場合に領域B1では、モータは高いエネルギ効率で連続運転可能であるが、領域B2ではエネルギ効率が悪く、長時間連続運転すると過熱による断線を引き起こす可能性がある。

0023

一方、図4(b)は、脚式歩行ロボットの脚部2のピッチ方向駆動用の膝関節をこの実施例の可動軸駆動装置で駆動する場合の作動状態を示しており、この場合は、第1のモータ11が特性Cで作動するとともに第2のモータ12が特性Dで作動し、それらのうち領域C1,D1はモータ11,12がそれぞれ高いエネルギ効率で連続運転可能である。それゆえ、この実施例の可動軸駆動装置は、脚式歩行ロボットの脚部2のピッチ方向駆動用の膝関節の駆動装置に必要とされるトルクと回転数の組合せ領域Aの大部分を、モータ11,12の高いエネルギ効率で連続運転可能な状態での単独若しくは同時作動で達成することができる。なお、この実施例では第1,第2のベルト式減速機14,15が駆動出力軸13に常時駆動結合されているので、主に一方のモータで駆動する場合は、他方のモータを抵抗にならない程度に回転させるように、電流分配率αを設定する。

0024

従って、図5に示す如き脚式歩行ロボットに用いた、この実施例の可動軸駆動装置によれば、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配されるモータ11,12の全体としてのエネルギ効率を向上させることができる。

0025

しかも、脚式歩行ロボットの脚部2にはピッチ方向、ロール方向乃至は回転方向等の多数の運動を司る関節が設けられているが、この実施例の可動軸駆動装置はこのうち特に大きなトルクと駆動速度とが要求される膝ピッチ方向駆動用関節を駆動するので、この実施例の可動軸駆動装置によれば、特に大きくエネルギ効率を向上させることができる。

0026

さらに、この実施例の可動軸駆動装置によれば、互いに減速比の異なる減速機14,15を介して、互いに最高出力の異なるモータ11,12で、脚部2のピッチ方向駆動用の膝関節を構成する高減速比型減速機20の入力軸20aを駆動することから、マイクロコンピュータ19が演算で求め得る電流分配値の幅が広くなり、よりエネルギ効率を向上させることができる。

0027

図7は、この発明の可動軸駆動装置の他の一実施例の構成を示す説明図であり、この実施例の可動軸駆動装置では、第1のモータ11が第1の歯車式減速機22を有するとともに、第1のモータ11より最高出力の小さい第2のモータ12が第2の歯車式減速機22より減速比の小さい歯車式減速機23を有し、それら第1,第2の歯車式減速機22,23が差動歯車機構24を介してそれぞれ駆動出力軸13に駆動結合され、その駆動出力軸13にロータリエンコーダ16が設けられている。また、この実施例の可動軸駆動装置では、先の実施例におけるマイクロコンピュータ19の代わりにそれと同様の演算を演算回路ハードウエア)で行うトルク分配率演算器25が設けられている。

0028

この実施例の可動軸駆動装置によっても、先の実施例と同様の作用効果が得られ、加えてこの実施例によれば、モータ11,12の何れかの停止中は、歯車式減速機22,23のうちその停止したモータに対応する歯車式減速機の逆駆動時内部摩擦がその停止中のモータと共に抵抗となってその対応する歯車式減速機の出力軸を止め、もう一方の歯車式減速機の出力回転が差動歯車機構24を介して駆動出力軸13に伝動されることから、必要とされるトルクと回転数の組合せ状態に応じてモータ11,12の何れか一方のみを作動させて駆動出力軸13を駆動することができるので、よりエネルギ効率を向上させることができる。

0029

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、上記各実施例では互いに異なる特性の複数のモータ式駆動機構として、互いに最高出力の異なる二つのモータと互いに減速比の異なる二つの減速機とを組合せたが、複数のモータと複数の減速機との何れか一方を互いに同一の特性のものとしても良く、その場合に減速機を同一仕様にするかわりに各モータを減速せずに駆動出力軸に駆動結合しても良く、モータの数も3つ以上としても良い。さらに、モータと駆動出力軸との間にワンウエイクラッチ電磁クラッチ等のクラッチを設けて、モータの総数より少ない数のモータでの駆動時に停止中のモータが抵抗にならないようにしても良い。

0030

さらに、上記各実施例の可動軸駆動装置は脚式歩行ロボットの脚の膝ピッチ軸に適用しているが、この発明の可動軸駆動装置は、例えば股関節ピッチ軸等、膝ピッチ軸以外の脚式歩行ロボットの関節にも適用でき、さらには、脚式歩行ロボット以外の機械の可動軸の駆動にも適用し得て、その駆動用のモータのエネルギ効率を向上させることができる。

0031

かくしてこの発明の可動軸駆動装置によれば、脚式歩行ロボット等のロボットに用いた場合に、そのロボットの総重量や大きさを増加させることなく、関節としての可動軸に配される駆動モータのエネルギ効率を向上させることができ、さらに、脚式歩行ロボット以外の機械の可動軸の駆動に適用した場合にも、その駆動用のモータのエネルギ効率を向上させることができる。

図面の簡単な説明

0032

この発明の可動軸駆動装置の一実施例の構成を示す説明図である。
上記実施例の可動軸駆動装置の作動アルゴリズムを示す説明図である。
上記実施例における電流分配率αの決め方を示す説明図である。
(a),(b)は、従来の可動軸駆動装置および上記実施例の可動軸駆動装置についてそれぞれ作動状態を示す説明図である。
上記実施例の可動軸駆動装置を具える脚式歩行ロボットを例示する斜視図である。
(a),(b)および(c)は、その歩行ロボットの脚部を透視状態で示す側面側、正面図および斜視図である。
この発明の可動軸駆動装置の他の一実施例の構成を示す説明図である。
脚式歩行ロボットの脚部のピッチ方向関節における大きなトルク変動および大きな回転数変動を示す説明図である。

符号の説明

0033

1胴体
1a 上半部
1b 下半部
2 脚部
2a大腿部
3 腕部
4 頭部
11 第1のモータ
12 第2のモータ
13駆動出力軸
14 第1のベルト式減速機
15 第2のベルト式減速機
16ロータリエンコーダ
17 第1の電流制御ドライバ
18 第2の電流制御ドライバ
19マイクロコンピュータ
20高減速比型減速機
20a入力軸
21 第3のベルト式減速機
22 第1の歯車式減速機
23 第2の歯車式減速機
24差動歯車機構
25トルク分配率演算器

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