関節を通るワイヤーと関節の非干渉駆動機構
【課題】 関節を持つ機械の軽量化と、慣性モーメントの軽減による動作の高速化を、ワイヤーを使った、制御のしやすい非干渉機構によって実現する。
【解決手段】 一定の屈曲角比で２段に渡って同一方向に屈曲する関節３に、ワイヤー６の巻き付き弧長の変化が等しくなるよう、屈曲角比の逆比の径を持つ滑車１，２を２つの屈曲軸に配置し、ワイヤー６をたすき掛け状に通すことにより、関節の屈曲時、一方の滑車からほどけたワイヤー６の長さ分が、他方の滑車に巻き付くため、ワイヤー６の繰り出し長に変化がなく、駆動力および変位において、関節３の駆動とワイヤー６の駆動が非干渉となる。
【解決手段】 一定の屈曲角比で２段に渡って同一方向に屈曲する関節３に、ワイヤー６の巻き付き弧長の変化が等しくなるよう、屈曲角比の逆比の径を持つ滑車１，２を２つの屈曲軸に配置し、ワイヤー６をたすき掛け状に通すことにより、関節の屈曲時、一方の滑車からほどけたワイヤー６の長さ分が、他方の滑車に巻き付くため、ワイヤー６の繰り出し長に変化がなく、駆動力および変位において、関節３の駆動とワイヤー６の駆動が非干渉となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節を持つ機械における軽量化および動作の高速化に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の関節により複雑な動作をする機械では、各関節の自由度に対応して駆動するモーターが増加するため、慣性モーメントが大きくなり、制御や動作の高速化が難しくなる。特にロボットハンドのように、先端部に多くの自由度を持つ機械では、慣性モーメントの増大の影響が著しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
慣性モーメントを低減するには、モーターを基盤部に近い位置に配置し、軽量なワイヤーを用いて力を伝達するのが有効である。しかし、関節の先にある部分をワイヤーで駆動しようとすると、関節の屈曲角を変えるとき、ワイヤーの張力や繰り出し長に変化が生じるため、保持していたものに余計な力が加わったり、落としたりする可能性があった。
また逆に、ワイヤーの張力が関節の屈曲角を変えるように働いてしまい、制御が困難になっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では、関節の屈曲によるワイヤーの繰り出し長への影響を相殺することにより、関節の駆動とワイヤーの駆動が非干渉な機構を実現する。
図１に本発明の構成をしめす。関節３は２段になって屈曲し、その角度比は歯車４，５によって保たれる。この２つの屈曲軸に滑車１，２を配置し、たすき掛け状にワイヤー６を通して、モーター１０に接続されたリール７でワイヤー６を巻き取ることにより、関節３の先にある指８を閉じるように駆動し、ワイヤー６を繰り出すことにより、バネ１３によって指８を開く。関節３の屈曲はモーター９からのリンク１１により、結合フレーム１２を駆動しておこなう。
図２に本発明の動作について説明する。図２（ａ）は腕が一直線に伸びている状態である。網掛け部はワイヤーが巻き付いている滑車の弧長をしめす。図２（ｂ）は関節３が屈曲した状態である。屈曲比は１：１であるため、滑車１ではθ分だけほどけ、滑車２でもθ分だけほどけるが、指８側で２θ分だけ巻き付くので、リール７からのワイヤー６の繰り出し長に変化はない。同様に関節３の屈曲角比が１：２のとき、滑車１，２の径はその逆比、すなわち、歯車４，５の歯数比と同じにしておくことにより、滑車１では２θ分ほどけ、滑車２ではθ分ほどけ、指８側で３θ分巻き付くので繰り出し長に変化はない。
なお、変位が非干渉のとき、駆動力も非干渉となることは明示である。
【発明の効果】
【０００５】
このように本発明によれば、お互いの駆動力や変位が干渉することなく、制御が容易な機構を実現でき、機械の軽量化，慣性モーメントの低減による動作の高速化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、複数の自由度を持つ関節の駆動にも有効である。
【実施例】
【０００７】
図３に本発明の実施例をしめす。結合フレーム１２を駆動する１自由度目のワイヤー６ａと、出力フレーム１４を駆動する２自由度目のワイヤー６ｂによって動作する。出力フレーム１４部も２段屈曲にして滑車を追加すれば、さらに先の部分をワイヤーを通すことで駆動することができる。
非干渉の効果は滑車にワイヤーが巻き付いている状態でのみ発生するので、関節の可動角を大きくするときには、ワイヤーが滑車から外れないよう、屈曲軸の間隔に対して滑車の径を大きくとる、または関節を一直線にせず、あらかじめ巻き付き角を大きくとっておく、などの配慮をおこなう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】 本発明の構成図である。
【図２】 本発明の動作図である。
【図３】 本発明の実施例の構成図である。
【符号の説明】
【０００９】
１，２． 滑車
３． 関節
４，５． 歯車
６，６ａ，６ｂ． ワイヤー
７． リール
８． 指
９，１０． モーター
１１． リンク
１２． 結合フレーム
１３． バネ
１４． 出力フレーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節を持つ機械における軽量化および動作の高速化に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の関節により複雑な動作をする機械では、各関節の自由度に対応して駆動するモーターが増加するため、慣性モーメントが大きくなり、制御や動作の高速化が難しくなる。特にロボットハンドのように、先端部に多くの自由度を持つ機械では、慣性モーメントの増大の影響が著しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
慣性モーメントを低減するには、モーターを基盤部に近い位置に配置し、軽量なワイヤーを用いて力を伝達するのが有効である。しかし、関節の先にある部分をワイヤーで駆動しようとすると、関節の屈曲角を変えるとき、ワイヤーの張力や繰り出し長に変化が生じるため、保持していたものに余計な力が加わったり、落としたりする可能性があった。
また逆に、ワイヤーの張力が関節の屈曲角を変えるように働いてしまい、制御が困難になっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では、関節の屈曲によるワイヤーの繰り出し長への影響を相殺することにより、関節の駆動とワイヤーの駆動が非干渉な機構を実現する。
図１に本発明の構成をしめす。関節３は２段になって屈曲し、その角度比は歯車４，５によって保たれる。この２つの屈曲軸に滑車１，２を配置し、たすき掛け状にワイヤー６を通して、モーター１０に接続されたリール７でワイヤー６を巻き取ることにより、関節３の先にある指８を閉じるように駆動し、ワイヤー６を繰り出すことにより、バネ１３によって指８を開く。関節３の屈曲はモーター９からのリンク１１により、結合フレーム１２を駆動しておこなう。
図２に本発明の動作について説明する。図２（ａ）は腕が一直線に伸びている状態である。網掛け部はワイヤーが巻き付いている滑車の弧長をしめす。図２（ｂ）は関節３が屈曲した状態である。屈曲比は１：１であるため、滑車１ではθ分だけほどけ、滑車２でもθ分だけほどけるが、指８側で２θ分だけ巻き付くので、リール７からのワイヤー６の繰り出し長に変化はない。同様に関節３の屈曲角比が１：２のとき、滑車１，２の径はその逆比、すなわち、歯車４，５の歯数比と同じにしておくことにより、滑車１では２θ分ほどけ、滑車２ではθ分ほどけ、指８側で３θ分巻き付くので繰り出し長に変化はない。
なお、変位が非干渉のとき、駆動力も非干渉となることは明示である。
【発明の効果】
【０００５】
このように本発明によれば、お互いの駆動力や変位が干渉することなく、制御が容易な機構を実現でき、機械の軽量化，慣性モーメントの低減による動作の高速化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、複数の自由度を持つ関節の駆動にも有効である。
【実施例】
【０００７】
図３に本発明の実施例をしめす。結合フレーム１２を駆動する１自由度目のワイヤー６ａと、出力フレーム１４を駆動する２自由度目のワイヤー６ｂによって動作する。出力フレーム１４部も２段屈曲にして滑車を追加すれば、さらに先の部分をワイヤーを通すことで駆動することができる。
非干渉の効果は滑車にワイヤーが巻き付いている状態でのみ発生するので、関節の可動角を大きくするときには、ワイヤーが滑車から外れないよう、屈曲軸の間隔に対して滑車の径を大きくとる、または関節を一直線にせず、あらかじめ巻き付き角を大きくとっておく、などの配慮をおこなう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】 本発明の構成図である。
【図２】 本発明の動作図である。
【図３】 本発明の実施例の構成図である。
【符号の説明】
【０００９】
１，２． 滑車
３． 関節
４，５． 歯車
６，６ａ，６ｂ． ワイヤー
７． リール
８． 指
９，１０． モーター
１１． リンク
１２． 結合フレーム
１３． バネ
１４． 出力フレーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の屈曲角比で２段に渡って同一方向に屈曲する関節において、ワイヤーの巻き付き弧長の変化が等しくなるよう、屈曲角比の逆比の径を持つ滑車を２つの屈曲軸に配置し、ワイヤーをたすき掛け状に通すことにより、関節の屈曲時、一方の滑車からほどけたワイヤーの長さ分が、他方の滑車に巻き付くため、ワイヤーの繰り出し長に変化がなく、駆動力および変位において、関節の駆動とワイヤーの駆動が干渉しないことを特徴とする非干渉駆動機構。
【請求項１】
一定の屈曲角比で２段に渡って同一方向に屈曲する関節において、ワイヤーの巻き付き弧長の変化が等しくなるよう、屈曲角比の逆比の径を持つ滑車を２つの屈曲軸に配置し、ワイヤーをたすき掛け状に通すことにより、関節の屈曲時、一方の滑車からほどけたワイヤーの長さ分が、他方の滑車に巻き付くため、ワイヤーの繰り出し長に変化がなく、駆動力および変位において、関節の駆動とワイヤーの駆動が干渉しないことを特徴とする非干渉駆動機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１９７９９２（Ｐ２００９−１９７９９２Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７０３３３（Ｐ２００８−７０３３３）
【出願日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（５９２２５５８１１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（５９２２５５８１１）
【Ｆターム（参考）】
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