駆動装置及び駆動システム
【課題】 連結が自在で小型化を図ることができるとともに、十分な伸縮が行うことができ、その際十分な力を発生させることができる駆動装置を提供する。
【解決手段】 一方が他方に対して挿抜されて、その挿抜方向に対して長さを可変とし、対をなす第１の筐体２及び第２の筐体３と、第１の筐体２に固定されるモータ４と、モータ４の回転軸４ａと接続され、回転軸４ａからの回転運動を挿抜方向の直線運動に変換する運動変換機構５とを備え、第２の筐体３は、運動変換機構５と接続され、第１の筐体２及び／又は第２の筐体３は、モータ４及び運動変換機構５を内包することを特徴とする。
【解決手段】 一方が他方に対して挿抜されて、その挿抜方向に対して長さを可変とし、対をなす第１の筐体２及び第２の筐体３と、第１の筐体２に固定されるモータ４と、モータ４の回転軸４ａと接続され、回転軸４ａからの回転運動を挿抜方向の直線運動に変換する運動変換機構５とを備え、第２の筐体３は、運動変換機構５と接続され、第１の筐体２及び／又は第２の筐体３は、モータ４及び運動変換機構５を内包することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置に関し、特に、伸縮する筐体内に駆動源を備え、空間を有効に使うことができる駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボット等に用いられるアームの駆動装置は、関節アクチュエータといわれるもので、関節の回転を直接減速機をつけた回転式のモータで駆動する方式が用いられていた。
【０００３】
また、人間の筋肉に類似した構造として、直線的に伸縮するアクチュエータが考えられている。具体的には、形状記憶合金のワイヤコイルの伸縮を利用したアクチュエータ、空気圧により細長い風船状のバルーンを膨張収縮させるアクチュエータ、超磁歪素子による伸縮を利用したアクチュエータなどが考えられているが、いずれも学術研究のレベルであり、実用化には程遠いものである。
【０００４】
また、直線的な伸縮をするアクチュエータとしては、古くから様々な機械に使われているものとして、油圧・空圧シリンダがある。しかし、油圧・空圧シリンダは、コンプレッサ、タンク等の補助機器が必ず必要となっており、そのために小型化が難しいものとなっていた。また、油圧・空圧シリンダは、制御性に限界があり、騒音の点も含め、ロボットに用いられるアームの駆動装置としては、不向きであった。
【０００５】
形状記憶合金や超磁歪素子を用いるものとしては、いずれも要素の伸縮量が小さく人間の筋肉に匹敵する２０％程度の伸縮量と、必要な力を発生するにはエネルギ供給方法や変換効率などの面で課題が多い。
【０００６】
さらに、現状のロボット機器用の関節アクチュエータは、工業用ロボット構造の転用で円筒型の大きなモータブロックが関節部に外付けされる構造のため、集中質量による重心のアンバランスや、デザイン的に制約されてしまうことがあった。また、この関節アクチュエータは、回転１自由度が関節部位を占領するため、人間の複雑な筋肉の動きを再現するには無理があった。
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−３３２４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の従来の問題点に鑑みて提案されたものであり、小型化を図ることができるとともに、十分な伸縮が行うことができ、その際十分な力を発生させることができる駆動装置、並びに、この駆動装置を複数用いた駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明に係る駆動装置は、一方が他方に対して挿抜されて、その挿抜方向に対して長さを可変とし、対をなす第１の筐体及び第２の筐体と、上記第１の筐体に固定されるモータと、上記モータの回転軸と接続され、上記回転軸からの回転運動を上記挿抜方向の直線運動に変換する運動変換機構とを備える。そして、上記第２の筐体は、上記運動変換機構と接続され、上記第１の筐体及び／又は第２の筐体は、上記モータ及び上記運動変換機構を内包することを特徴とする。
【００１０】
また、上記モータと上記運動変換機構との間に設けられ、上記モータの回転軸の回転を減速又は増速するギア機構を備えるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記第１の筐体及び上記第２の筐体は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿抜される略筒状体からなり、上記モータの回転軸と上記第１の筐体及び上記第２の筐体の挿抜方向とが略一致するようにしてもよい。
【００１２】
さらに、上記ギア機構は、上記モータの回転軸に固定される入力側ブラケットと、上記モータの筐体と固定された第１のリングと、その回転軸が上記第１のリングの中心軸と略一致するように上記第１のリングに対して回転自在に配置された第２のリングと、上記モータの回転軸を中心とする円周上に略等しい角度間隔で上記入力側ブラケットに配置された複数のシャフト及び該シャフトにそれぞれ回転自在に取り付けられた複数の遊星車と、上記第２のリング及び出力軸に固定される出力側ブラケットとを有し、上記各遊星車の一部が上記第１のリングの内周面に沿って回転されるとともに上記遊星車の他の部分が上記第２のリングの内周面に沿って回転されるようにしてもよい。
【００１３】
また、上記運動変換機構は、上記モータの回転軸又は上記ギア機構の出力軸に固定され、外周面に雄ネジ部が形成された第１の環状部材と、上記第２の筐体の内周面に固定され、内周面に雌ネジ部が形成された第２の環状部材とを有し、上記第１の環状部材の雄ネジ部と上記第２の環状部材の雌ネジ部とが噛合されるようにしてもよい。
【００１４】
また、上記運動変換機構は、上記ギア機構の出力側ブラケットに固定され、その中心軸と略一致する位置に設けられ内周面に雌ネジ部が形成された第３の環状部材と、上記第２の筐体の内面で、上記出力側ブラケットの中心軸と略一致する位置に立設され、外周面に雄ネジ部が形成された棒状部材とを有し、上記第３の環状部材の雌ネジ部と上記棒状部材の雄ネジ部とが噛合されるようにしてもよい。
【００１５】
また、上記モータの回転軸は、その回転軸の軸心に亘って中空部が設けられ、上記棒状部材は、上記第１の筐体及び上記第２の筐体とによって形成される回転軸方向の長さと略等しい長さを有し、上記棒状部材は、上記中空部内を移動するようにしてもよい。
【００１６】
また、上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿入される略筒形状からなり、上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面のいずれか一方に、上記第１の筐体及び上記第２の筐体が上記挿抜方向に対して回転する方向と上記挿抜方向への相対移動を規制するための規制片が設けられ、他方に上記規制片が摺動できる規制溝を備えるようにしてもよい。また、上記第１の筐体及び上記第２の筐体の上記挿抜方向における端部に、取付部材が設けられるようにしてもよく、上記モータは、動力供給用の配線を有し、該配線は、上記第１の筐体に設けられた挿通孔に挿通されるようにしてもよい。
【００１７】
さらに、本発明に係る駆動システムは、上述の駆動装置を並列及び／又は直列に連結したことを特徴とする。
【００１８】
また、２つの本発明に係る駆動装置を、上記各モータの回転方向を逆にすることにより起動及び／又は変速時の回転モーメントを相殺できるように反対向きに正対称に配置するようにしてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る駆動装置を、捻り運動を可能とするために、その挿抜方向が被駆動物の駆動方向に対して非平行となるように取り付けるようにしてもよく、また、上記各駆動装置をそれぞれ独立して制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る駆動装置は、第１の筐体及び第２の筐体の内部に駆動源であるモータや、運動変換機構が設けられており、第１の筐体及び第２の筐体とが挿抜方向に対して長さが可変とされ、伸縮する。そのため、第１の筐体や第２の筐体の内部の空間を無駄なく使うことができ、小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る駆動装置を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１〜図３に示すように、駆動装置１は、円筒状の筐体２と、筐体２に挿入される円筒状の筐体３と、筐体２内部に固定されたモータ４と、モータ４の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構５とから構成される。駆動装置１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、筐体２に挿入された筐体３が挿抜され、全体長を可変とするように駆動する。駆動装置１は、運動変換機構５において、モータ４の回転運動を直線運動に変換し、筐体２と筐体３とを相対的に移動させ、全体の長さを可変とする。また、駆動装置１は、それぞれの筐体２、３の端部に、例えば、別の駆動装置１を連結させるための取付片６が設けられている。
【００２３】
筐体２及び筐体３は、金属材料から形成され、一方の端部が開口された略円筒形状を有し、筐体２と筐体３とで、内部に空間を形成するように、それぞれの開口された端部同士を対向させて、筐体２に筐体３が挿抜される。具体的には、筐体２は、円筒部分の外径が、例えば直径１０ｍｍであり、筐体３の円筒部分の外径はそれよりも小さい。なお、筐体２及び筐体３は、上述に限らず一方が他方に対して挿抜される一対の筐体であればよく、例えばその断面が矩形となるものであってもよい。また、筐体２及び筐体３は、上述のように金属材料からなるものに限らず、十分な強度を有するものであればいかなる材料から形成されてもよい。
【００２４】
モータ４は、駆動装置１の駆動源であり、外部から供給される電源によって駆動する小型の回転式のモータである。モータ４は、その回転軸４ａが筐体２の中心軸と略一致するように、筐体２内の底部２ａに固定されている。なお、モータ４は、上述のように筐体２の底部２ａに固定されることに限らず、筐体２と筐体３との伸縮に影響を与えない位置であれば、いかなる場所において固定されてもよい。
【００２５】
運動変換機構５は、図２及び図３に示すように、モータ４の回転軸４ａに固定され、外周面に雄ネジ部７ａが形成された環状部材７と、筐体３の内周面に固定される環状部材８とから構成されており、モータ４からの回転運動を筐体２と筐体３とが挿抜される方向、つまりモータ４の回転軸４ａ方向の直線運動に変換する。
【００２６】
取付片６は、筐体２及び筐体３のそれぞれの端部に設けられ、例えば、複数の駆動装置１を連結する際に連結部材を掛けることができるように、貫通孔６ａが形成されている。
【００２７】
環状部材７は、金属材料からなり、その内径がモータ４よりも大きく、外径が筐体３よりも小さい大きさに形成され、モータ４の回転軸４ａに回転軸ブラケット４ｂを介して接続される。環状部材７は、外周面に雄ネジ部７ａが形成され、その中心軸はモータ４の回転軸４ａと略一致する位置に取り付けられ、モータ４の回転軸４ａの回転と一体になって回転する。環状部材８は、金属材料からなり、筐体３の内周面に取り付けられる。また、環状部材８は、その内周面に雌ネジ部８ａが形成され、環状部材７の外周面に設けられた雄ネジ部７ａと噛合される。なお、環状部材７は、上述のように、回転軸ブラケット４ｂを介して回転軸４ａと接続されているが、これに限らず、回転軸ブラケット４ｂと一体に形成されるようなものであってもよい。また、同様に、環状部材８においても、筐体３と一体に形成し、その内周面に雌ネジ部８ａを設けるようにしたものであってもよい。
【００２８】
このように構成された運動変換機構５は、モータ４が回転駆動すると、モータ４の回転軸４ａと一体に回転する環状部材７も回転し、その外周面に設けられた雄ネジ部７ａと噛合された環状部材８の雌ネジ部８ａが送り出され、結果として筐体３がその中心軸方向、すなわち、筐体２、３が挿抜される方向に移動する。
【００２９】
なお、環状部材７の雄ネジ部７ａ及び環状部材８の雌ネジ部８ａは、それぞれ環状部材７の外周面全体や環状部材８の内周面全体に亘って設けられることに限らず、互いに噛合される所定の位置で、移動する所定の長さだけ設けるようにしてもよい。
【００３０】
なお、運動変換機構５は、環状部材８、すなわち筐体３が環状部材７と一緒に回転しないために、筐体２と筐体３との間に回転防止の規制手段９を設けるようにしてもよい。具体的には、規制手段９は、図３及び図４に示すように、筐体３の外周面の所定箇所に設けられた規制片１１と、規制片１１が摺動する筐体２の中心軸方向に所定の長さに形成された規制溝１２とから構成される。この規制手段９により、筐体３は、筐体２と一緒に回転することがない。つまり、規制手段９は、規制溝１２が延伸される方向にのみ、移動することになる。さらに、規制手段９は、規制溝１２を延伸させる方向の長さを規制することにより、伸縮量までも規制することができる。なお、規制手段９は、上述に限らず、規制片１１を筐体２の内周面に設け、規制溝１２を筐体３に設けるようにしてもよい。また、規制溝１２は、説明上、図４に示すように、貫通孔を形成しているが、これに限ったものではない。
【００３１】
以上のように構成された駆動装置１は、筐体２及び筐体３の内部に駆動源であるモータ４や、運動変換機構５が設けられており、２つの筐体２、３とが挿抜方向に対して長さが可変とされ、伸縮する。そのため、筐体２や筐体３の内部の空間を無駄なく使うことができ、小型化を実現することができる。
【００３２】
また、駆動装置１は、モータ４への電源の配線を筐体２の底部２ａに設けた挿通孔を介して行うようにすると、配線のための煩わしさがなく、設計上優位なものとなる。
【００３３】
なお、筐体２及び筐体３は、上述のように金属材料からなるものに限らず、十分な強度を有するものであればいかなる材料から形成されてもよい。
【００３４】
次に、本発明に係る駆動装置の第２の実施の形態について説明をする。なお、本説明において、駆動装置１と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
駆動装置２０は、図５及び図６に示すように、円筒状の筐体２と、筐体２に挿入される円筒状の筐体３と、筐体２内部に固定されたモータ４と、モータ４の回転軸４ａの回転を減速又は増速するギア機構２１と、ギア機構２１と接続され、ギア機構２１の出力軸からの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構２２とから構成される。駆動装置２０は、筐体２及び筐体３の中空部内にモータ４、ギア機構２１、運動変換機構２２が設けられ、モータ４と運動変換機構２２との間にギア機構２１を設けることにより、モータ４の回転軸４ａの回転を減速又は増速することができる。
【００３６】
ギア機構２１は、モータ４の回転軸４ａに固定される入力側ブラケット２８と、モータ４に固定された固定リング２３と、固定リング２３に対して回転自在に配置された回転リング２４と、モータ４の回転軸４ａを中心とする円周上に等しい角度間隔で入力側ブラケット２８に配置された遊星車２５、２６、２７と、回転リング２４及び出力軸２９ａに固定される出力側ブラケット２９とから構成されている。
【００３７】
固定リング２３は、金属材料から形成され、モータ４と固定されたフレーム２３ｂによりモータ４と固定されている。固定リング２３は、その内周面にゴム系材料等の摩擦係数の高い材料によって形成された帯状の部材が全周に亘って貼り付けられており、ガイド部２３ａが形成されている。
【００３８】
回転リング２４は、金属材料から形成され、固定リング２３に対して回転自在に設けられている。回転リング２４は、その外径及び内径が固定リング２３より小さく形成されている。回転リング２４は、固定リング２３と同様に、その内周面にゴム系材料等の摩擦係数の高い材料によって形成された帯状の部材が全周に亘って貼り付けられており、ガイド部２４ａが形成されている。
【００３９】
なお、固定リング２３及び回転リング２４は、上述に限らず、それぞれの内周面に摩擦部材を設ける代わりに、内周面にローレット加工等の摩擦面加工や、従来から用いられている内歯車加工を施すようにしても良い。
【００４０】
入力側ブラケット２８は、ギア機構２１に入力される入力軸であるモータ４の回転軸４ａに固定される。入力側ブラケット２８は、金属材料によって形成され、略円柱形状を有し、その中心軸がモータ４の中心軸と略同一となるように配置される。入力側ブラケット２８は、円周上近傍に等間隔で、中心軸方向が入力側ブラケット２８の中心軸と平行となるように、３本のシャフトが立設され、それぞれのシャフトに遊星車２５、２６、２７が取り付けられている。
【００４１】
遊星車２５は、入力側ブラケット２８から立設されたシャフト３０に対し回転自在に設けられている。遊星車２５は、金属によって形成され、その外周面には固定リング２３、回転リング２４に沿ってそれぞれ案内される２つの被ガイド面が形成されている。
【００４２】
遊星車２５は、その外周面に固定リング２３のガイド部２３ａに沿うように被ガイド面であるローラ部２５ａが形成されており、このローラ部２５ａとガイド部２３ａとが当接された状態で案内される。また、遊星車２５は、その外周面に回転リング２４のガイド部２４ａに沿うように被ガイド面であるローラ部２５ｂが形成されており、このローラ部２５ａとガイド部２４ａとが当接された状態で案内され一体となって回転する。なお、本説明においては、遊星車２５のローラ部２５ａは、ローラ部２５ｂより径が大径に形成されているが、これに限らず、所望とする減速比を得るために、適宜変更するようにしてもよい。なお、ローラ部２５ａ、２５ｂは、上述に限らず、固定リング２３、回転リング２４に対応した外歯車であってもよい。
【００４３】
また、遊星車２５の内部には、複数のベアリング３０ａ、３０ａが設けられており、これらベアリング３０ａ、３０ａを介してシャフト３０に回転自在に軸支されている。
【００４４】
なお、駆動装置２０においては、図５に示すように、シャフト３０は、入力側ブラケット２８に３本設けられていることについて記載したが、中心軸周りに等間隔に配置されるものであればこれに限定されない。また、遊星車２６、２７については、遊星車２５と同様の構成を有しており、その説明は省略する。
【００４５】
出力側ブラケット２９は、中心部が中空に形成された出力軸２９ａと、回転リング２４が固定され回転リング２４と一体に回転されるようにする円盤上のフレーム２９ｂとから構成されている。出力軸２９ａは、後述する筐体３に設けられた棒状部材３３が螺合されるように中心部に貫通孔３２に形成されている。フレーム２９ｂは、略円盤上の部材からなり、出力軸２９ａと一体に形成され、回転リング２４からの力を出力軸２９ａに伝達するため、円周部近傍において回転リング２４が固定されている。また、出力側ブラケット２９の出力軸２９ｂの外周面には、固定部材３１ａを介して筐体２と固定されたベアリング３１が設けられている。
【００４６】
以上のように構成されたギア機構２１は、入力軸であるモータ４の回転軸４ａ、固定リング２３、回転リング２４、出力軸２９ａの中心軸が全て同軸となるように配置されており、モータ４の回転軸４ａの回転力が遊星車２５、２６、２７を介して回転リング２４及びこれに接続された出力側ブラケット２９、出力軸２９ａに伝達されることによって減速又は増速される。つまり、回転軸４ａの回転によって入力側ブラケット２８が回転すると、遊星車２５、２６、２７のローラ部２５ａが固定リング２３のガイド部２３ａに沿って自転しながら公転するとともに遊星車２５、２６、２７のローラ部２５ｂがローラ部２５ａとそれぞれ一体に自転しながら公転し、これによって遊星車２５、２６、２７のローラ部２５ｂに当接されている回転リング２４が回転されるため、減速又は増速された出力が出力側ブラケット２９に伝達され出力軸２９ａから取り出されることになる。なお、この場合の減速比は、遊星車のローラ部の外径、歯数比等によって規定される。
【００４７】
次に、駆動装置２０における運動変換機構２２について説明する。運動変換機構２２は、ギア機構２１の出力軸２９ａから出力される回転運動を、中心軸方向への直線運動に変換する機構であり、出力側ブラケット２９に形成された貫通孔３２の内周面に設けられた雌ネジ部３２ａと、この貫通孔３２に螺合される筐体３に形成された棒状部材３３とによって構成される。
【００４８】
出力側ブラケット２９の中心軸に沿って形成された貫通孔３２は、その内周面に亘って雌ネジ部３２ａが形成されている。貫通孔３２は、その中心軸がモータ４の回転軸４ａと略同一となるような位置に設けられている。
【００４９】
棒状部材３３は、筐体３内の底部３ａに立設され、その外周面に雄ネジ部３３ａが形成され、雌ネジ部３２ａと螺合されるような大きさに形成されている。
【００５０】
このように構成された運動変換機構２２は、出力軸２９ａが回転することにより、貫通孔３２の雌ネジ部３２ａに螺合される棒状部材３３を中心軸方向に移動させる。これにより、棒状部材３３に接続された筐体３が移動し、駆動装置２０として、直線運動をすることができる。
【００５１】
また、運動変換機構２２は、棒状部材３３がモータ４の回転軸４ａ等と同様の中心軸に沿って移動することになり、全体長を短くする場合は、出力側ブラケット２９を貫通し遊星車が設けられたギア機構２１の内部まで移動することになる。ギア機構２１は、遊星車２５、２６、２７が中心軸に対して公転するので、中心軸付近は中空状態となっている。したがって、棒状部材３３は、ギア機構２１の中心軸に沿って移動しても、ギア機構２１に何の影響も与えず、中空部を移動することとなり、スペースを有効に使用でき、装置全体の小型化を実現することができる。
【００５２】
以上のように構成された駆動装置２０は、駆動装置１と同様に、筐体２及び筐体３の内部に駆動源であるモータ４、ギア機構２１、運動変換機構２２が設けられており、２つの筐体２、３とが挿抜方向に対して長さが可変とされ、伸縮する。そのため、筐体２や筐体３の内部の空間を無駄なく使うことができ、小型化を実現することができる。さらに、駆動装置２０においては、運動変換機構２２の送りネジ機能を有する棒状部材３３は、筐体３内に形成され、ギア機構２１の遊星車２５、２６、２７が公転する中心軸に沿って移動でき、筐体２及び筐体３の伸縮量を十分確保できるとともに、小型化を実現することができる。
【００５３】
なお、駆動装置１は、上述に限らず、駆動装置２０と同様のギア機構を設け、減速又は増速を行うようにしてもよい。
【００５４】
また、駆動装置２０は、上述のように遊星車を用いた中空部を有するギア機構２１を用いることに限らず、例えば、回転軸に中空部を有するモータも用い、さらに、伸縮量を大きくすることができる。具体的には、図７に示すような駆動装置４０を用いることができる。
【００５５】
図７及び図８に示すように、駆動装置４０は、駆動装置１のモータ４の代わりに、モータ４１が用いられる。モータ４１は、モータの回転軸の軸心に亘って中空部が設けられたモータである。モータ４１を用いることにより駆動装置４０は、棒状部材３３を筐体２と筐体３とによって形成される全体長の最小長さと略等しい長さにすることができ、全体長を２倍近くまで伸縮させることができるようになる。具体的には、駆動装置４０のモータ４１は、中心軸が中空となっているドーナツ状の２種類のステータヨーク４２、４３を交互に並べ、その周囲を囲むように、永久磁石からなるロータヨーク４４が設けられ、このロータヨーク４４が回転することにより、出力を得るものである。このモータ４１は、ステータヨーク４２、４３が中空に形成されており、この中空部に運動変換機構２２の棒状部材３３を挿抜させることができ、駆動装置４０の伸縮量を多く取ることができる。なお、モータ４１は、上述のように２種類のステータヨーク４２、４３を設けた２相駆動の場合について説明したが、これに限らず、３種類のステータヨークを設けて３相駆動させるようなものであってもよい。
【００５６】
次に、本発明に係る駆動装置の利用例について説明する。
【００５７】
図９に示すように、駆動システム６０は、例えば本発明に係る駆動装置１を２個連結させるようにしたものである。また、このとき、一の駆動装置のモータは、他の駆動装置のモータの回転方向が逆回転となるようにする。このようにすることにより、駆動システム６０は、動作開始時、動作終了時、変速時など、一方の駆動装置を駆動させ、他方の駆動装置に対し逆回転させることにより、発生する余分な回転モーメントを打ち消すようにすることができ、スムーズな駆動を行うことができる。
【００５８】
また、本発明に係る駆動装置は、図１０に示すように、駆動装置を複数個並列、直列に繋ぐ駆動システム７０に適用することができる。駆動システム７０は、小型で円筒状の駆動装置１を用いることにより、より筋肉組織に近い運動を実現することができる。例えば、駆動システム７０は、３箇所の関節７１、７２、７３に適用され、本発明に係る駆動装置が関節７１、７２間においては、それぞれの関節の駆動方向に設けられ、関節７２、７３間においては、２つ並列に接続されている。これにより、関節７１、７２間においては、あらゆる駆動方向に対応することができ、また、関節７２、７３間においては、２倍の駆動力を得ることができる。
【００５９】
また、複数の駆動装置が設けられる駆動システム７０は、その制御を、電流、電圧を制御するのみで、容易に力、速度を制御することができ、センサを設け、応答を確認しながらの制御と比べて、設計が容易となる。
【００６０】
さらに、本発明に係る駆動装置は、図１１〜図１４に示すように、様々な駆動システムに用いることができる。具体的には、図１１に示すように、駆動システム８０は、可変テンショナとして用いられ、例えば、トランポリンやテントのテンションを制御することができる。駆動システム８０は、例えばテントに適用する場合、駆動装置を伸縮させることで、組み立てを容易に行なうようにできる。また、図１１に示すように、駆動システム８０は、トランポリンのテンションを維持するテンショナとして利用でき、身体が不自由な方の補助装置としても利用できる。
【００６１】
また、本発明に係る駆動装置は、図１２に示すような配管用ロボットの駆動システムとして利用したり、図１３に示すように、複数の駆動装置を接続し、駆動させることにより、立体造形の一部としての駆動システムとして利用したり、図１４に示すような室内装飾用として利用することができる。
【００６２】
また、本発明に係る駆動装置は、図１５及び図１６に示すように、ロボット用アームの関節として、具体的には、可動方向に対し、斜め、らせん状に架け渡すことにより、伸縮及び捻り運動を実現することができる。
【００６３】
駆動システム９０は、図１５に示すように、２つの駆動装置１が直列に接続され、その端部が被駆動物９１の駆動方向に対して非平行となるように取り付ける。つまり、駆動システム９０は、駆動装置１が連結された被駆動物９１の伸縮方向である中心軸９２方向に対して、捻れた状態で固定されている。これにより、駆動システム９０は、被駆動物９１に対し、伸縮と捻りが合わさった複雑な動作をさせることができる。
【００６４】
駆動システム１００は、図１６に示すように、複合関節１０１に用いられ、駆動システム９０と同様に、回転軸方向に対して非平行である捻れの状態となるように駆動装置を斜めに連結させる。これにより、複合関節１０１に対して容易に捻り運動を行なわせることができる。
【００６５】
以上のように、本発明に係る駆動装置は、ロボット用のアームのアクチュエータのみならず、災害救助ロボット、リハビリテーション用器具、人工筋肉として様々な分野での利用が想定できる。また、本発明に係る駆動装置は、直列並列多数配置することができ、多自由度の動作を容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（Ａ）は、本発明に係る駆動装置の全体長が最も短い状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は、駆動装置の全体長が最も長い状態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る駆動装置の運動変換機構の構成を示した斜視図である。
【図３】本発明に係る駆動装置の図１（Ａ）のｘ−ｘ´線における断面図である。
【図４】本発明に係る駆動装置の規制手段を説明するための図である。
【図５】本発明に係る駆動装置の第２の実施の形態について説明するための分解斜視図である。
【図６】図５のｙ−ｙ´線における断面図である。
【図７】本発明に係る駆動装置の第３の実施の形態について説明するための模式図である。
【図８】本発明に係る駆動装置の中空部を有するモータについて説明するための図である。
【図９】本発明に係る駆動装置の第４の実施の形態について説明するための斜視図である。
【図１０】本発明に係る駆動装置をロボットアームとして利用した場合を示した図である。
【図１１】本発明に係る駆動装置の一利用例を示した図である。
【図１２】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１３】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１４】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１５】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１６】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【符号の説明】
【００６７】
１、２０、４０、５０ 駆動装置、２、３ 筐体、２ａ、３ａ 底部、４ モータ、４ａ 回転軸、４ｂ 回転軸ブラケット、５ 運動変換機構、６ 取付片、７、８ 環状部材、７ａ 雄ネジ部、８ａ 雌ネジ部、９ 規制手段、１１ 規制片、１２ 規制溝、２１ ギア機構、２２ 運動変換機構、２３ 固定リング、２３ａ、２４ａ ガイド部、２３ｂ フレーム、２４ 回転リング、２５、２６、２７ 遊星車、２５ａ、２５ｂ ローラ部、２８ 入力側ブラケット、２９ 出力側ブラケット、２９ａ 出力軸、３０ シャフト、３０ａ ベアリング、３１ ベアリング、３１ａ 固定部材、３２ 貫通孔、３２ａ 雌ネジ部、３３ 棒状部材、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置に関し、特に、伸縮する筐体内に駆動源を備え、空間を有効に使うことができる駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボット等に用いられるアームの駆動装置は、関節アクチュエータといわれるもので、関節の回転を直接減速機をつけた回転式のモータで駆動する方式が用いられていた。
【０００３】
また、人間の筋肉に類似した構造として、直線的に伸縮するアクチュエータが考えられている。具体的には、形状記憶合金のワイヤコイルの伸縮を利用したアクチュエータ、空気圧により細長い風船状のバルーンを膨張収縮させるアクチュエータ、超磁歪素子による伸縮を利用したアクチュエータなどが考えられているが、いずれも学術研究のレベルであり、実用化には程遠いものである。
【０００４】
また、直線的な伸縮をするアクチュエータとしては、古くから様々な機械に使われているものとして、油圧・空圧シリンダがある。しかし、油圧・空圧シリンダは、コンプレッサ、タンク等の補助機器が必ず必要となっており、そのために小型化が難しいものとなっていた。また、油圧・空圧シリンダは、制御性に限界があり、騒音の点も含め、ロボットに用いられるアームの駆動装置としては、不向きであった。
【０００５】
形状記憶合金や超磁歪素子を用いるものとしては、いずれも要素の伸縮量が小さく人間の筋肉に匹敵する２０％程度の伸縮量と、必要な力を発生するにはエネルギ供給方法や変換効率などの面で課題が多い。
【０００６】
さらに、現状のロボット機器用の関節アクチュエータは、工業用ロボット構造の転用で円筒型の大きなモータブロックが関節部に外付けされる構造のため、集中質量による重心のアンバランスや、デザイン的に制約されてしまうことがあった。また、この関節アクチュエータは、回転１自由度が関節部位を占領するため、人間の複雑な筋肉の動きを再現するには無理があった。
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−３３２４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の従来の問題点に鑑みて提案されたものであり、小型化を図ることができるとともに、十分な伸縮が行うことができ、その際十分な力を発生させることができる駆動装置、並びに、この駆動装置を複数用いた駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明に係る駆動装置は、一方が他方に対して挿抜されて、その挿抜方向に対して長さを可変とし、対をなす第１の筐体及び第２の筐体と、上記第１の筐体に固定されるモータと、上記モータの回転軸と接続され、上記回転軸からの回転運動を上記挿抜方向の直線運動に変換する運動変換機構とを備える。そして、上記第２の筐体は、上記運動変換機構と接続され、上記第１の筐体及び／又は第２の筐体は、上記モータ及び上記運動変換機構を内包することを特徴とする。
【００１０】
また、上記モータと上記運動変換機構との間に設けられ、上記モータの回転軸の回転を減速又は増速するギア機構を備えるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記第１の筐体及び上記第２の筐体は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿抜される略筒状体からなり、上記モータの回転軸と上記第１の筐体及び上記第２の筐体の挿抜方向とが略一致するようにしてもよい。
【００１２】
さらに、上記ギア機構は、上記モータの回転軸に固定される入力側ブラケットと、上記モータの筐体と固定された第１のリングと、その回転軸が上記第１のリングの中心軸と略一致するように上記第１のリングに対して回転自在に配置された第２のリングと、上記モータの回転軸を中心とする円周上に略等しい角度間隔で上記入力側ブラケットに配置された複数のシャフト及び該シャフトにそれぞれ回転自在に取り付けられた複数の遊星車と、上記第２のリング及び出力軸に固定される出力側ブラケットとを有し、上記各遊星車の一部が上記第１のリングの内周面に沿って回転されるとともに上記遊星車の他の部分が上記第２のリングの内周面に沿って回転されるようにしてもよい。
【００１３】
また、上記運動変換機構は、上記モータの回転軸又は上記ギア機構の出力軸に固定され、外周面に雄ネジ部が形成された第１の環状部材と、上記第２の筐体の内周面に固定され、内周面に雌ネジ部が形成された第２の環状部材とを有し、上記第１の環状部材の雄ネジ部と上記第２の環状部材の雌ネジ部とが噛合されるようにしてもよい。
【００１４】
また、上記運動変換機構は、上記ギア機構の出力側ブラケットに固定され、その中心軸と略一致する位置に設けられ内周面に雌ネジ部が形成された第３の環状部材と、上記第２の筐体の内面で、上記出力側ブラケットの中心軸と略一致する位置に立設され、外周面に雄ネジ部が形成された棒状部材とを有し、上記第３の環状部材の雌ネジ部と上記棒状部材の雄ネジ部とが噛合されるようにしてもよい。
【００１５】
また、上記モータの回転軸は、その回転軸の軸心に亘って中空部が設けられ、上記棒状部材は、上記第１の筐体及び上記第２の筐体とによって形成される回転軸方向の長さと略等しい長さを有し、上記棒状部材は、上記中空部内を移動するようにしてもよい。
【００１６】
また、上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿入される略筒形状からなり、上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面のいずれか一方に、上記第１の筐体及び上記第２の筐体が上記挿抜方向に対して回転する方向と上記挿抜方向への相対移動を規制するための規制片が設けられ、他方に上記規制片が摺動できる規制溝を備えるようにしてもよい。また、上記第１の筐体及び上記第２の筐体の上記挿抜方向における端部に、取付部材が設けられるようにしてもよく、上記モータは、動力供給用の配線を有し、該配線は、上記第１の筐体に設けられた挿通孔に挿通されるようにしてもよい。
【００１７】
さらに、本発明に係る駆動システムは、上述の駆動装置を並列及び／又は直列に連結したことを特徴とする。
【００１８】
また、２つの本発明に係る駆動装置を、上記各モータの回転方向を逆にすることにより起動及び／又は変速時の回転モーメントを相殺できるように反対向きに正対称に配置するようにしてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る駆動装置を、捻り運動を可能とするために、その挿抜方向が被駆動物の駆動方向に対して非平行となるように取り付けるようにしてもよく、また、上記各駆動装置をそれぞれ独立して制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る駆動装置は、第１の筐体及び第２の筐体の内部に駆動源であるモータや、運動変換機構が設けられており、第１の筐体及び第２の筐体とが挿抜方向に対して長さが可変とされ、伸縮する。そのため、第１の筐体や第２の筐体の内部の空間を無駄なく使うことができ、小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る駆動装置を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１〜図３に示すように、駆動装置１は、円筒状の筐体２と、筐体２に挿入される円筒状の筐体３と、筐体２内部に固定されたモータ４と、モータ４の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構５とから構成される。駆動装置１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、筐体２に挿入された筐体３が挿抜され、全体長を可変とするように駆動する。駆動装置１は、運動変換機構５において、モータ４の回転運動を直線運動に変換し、筐体２と筐体３とを相対的に移動させ、全体の長さを可変とする。また、駆動装置１は、それぞれの筐体２、３の端部に、例えば、別の駆動装置１を連結させるための取付片６が設けられている。
【００２３】
筐体２及び筐体３は、金属材料から形成され、一方の端部が開口された略円筒形状を有し、筐体２と筐体３とで、内部に空間を形成するように、それぞれの開口された端部同士を対向させて、筐体２に筐体３が挿抜される。具体的には、筐体２は、円筒部分の外径が、例えば直径１０ｍｍであり、筐体３の円筒部分の外径はそれよりも小さい。なお、筐体２及び筐体３は、上述に限らず一方が他方に対して挿抜される一対の筐体であればよく、例えばその断面が矩形となるものであってもよい。また、筐体２及び筐体３は、上述のように金属材料からなるものに限らず、十分な強度を有するものであればいかなる材料から形成されてもよい。
【００２４】
モータ４は、駆動装置１の駆動源であり、外部から供給される電源によって駆動する小型の回転式のモータである。モータ４は、その回転軸４ａが筐体２の中心軸と略一致するように、筐体２内の底部２ａに固定されている。なお、モータ４は、上述のように筐体２の底部２ａに固定されることに限らず、筐体２と筐体３との伸縮に影響を与えない位置であれば、いかなる場所において固定されてもよい。
【００２５】
運動変換機構５は、図２及び図３に示すように、モータ４の回転軸４ａに固定され、外周面に雄ネジ部７ａが形成された環状部材７と、筐体３の内周面に固定される環状部材８とから構成されており、モータ４からの回転運動を筐体２と筐体３とが挿抜される方向、つまりモータ４の回転軸４ａ方向の直線運動に変換する。
【００２６】
取付片６は、筐体２及び筐体３のそれぞれの端部に設けられ、例えば、複数の駆動装置１を連結する際に連結部材を掛けることができるように、貫通孔６ａが形成されている。
【００２７】
環状部材７は、金属材料からなり、その内径がモータ４よりも大きく、外径が筐体３よりも小さい大きさに形成され、モータ４の回転軸４ａに回転軸ブラケット４ｂを介して接続される。環状部材７は、外周面に雄ネジ部７ａが形成され、その中心軸はモータ４の回転軸４ａと略一致する位置に取り付けられ、モータ４の回転軸４ａの回転と一体になって回転する。環状部材８は、金属材料からなり、筐体３の内周面に取り付けられる。また、環状部材８は、その内周面に雌ネジ部８ａが形成され、環状部材７の外周面に設けられた雄ネジ部７ａと噛合される。なお、環状部材７は、上述のように、回転軸ブラケット４ｂを介して回転軸４ａと接続されているが、これに限らず、回転軸ブラケット４ｂと一体に形成されるようなものであってもよい。また、同様に、環状部材８においても、筐体３と一体に形成し、その内周面に雌ネジ部８ａを設けるようにしたものであってもよい。
【００２８】
このように構成された運動変換機構５は、モータ４が回転駆動すると、モータ４の回転軸４ａと一体に回転する環状部材７も回転し、その外周面に設けられた雄ネジ部７ａと噛合された環状部材８の雌ネジ部８ａが送り出され、結果として筐体３がその中心軸方向、すなわち、筐体２、３が挿抜される方向に移動する。
【００２９】
なお、環状部材７の雄ネジ部７ａ及び環状部材８の雌ネジ部８ａは、それぞれ環状部材７の外周面全体や環状部材８の内周面全体に亘って設けられることに限らず、互いに噛合される所定の位置で、移動する所定の長さだけ設けるようにしてもよい。
【００３０】
なお、運動変換機構５は、環状部材８、すなわち筐体３が環状部材７と一緒に回転しないために、筐体２と筐体３との間に回転防止の規制手段９を設けるようにしてもよい。具体的には、規制手段９は、図３及び図４に示すように、筐体３の外周面の所定箇所に設けられた規制片１１と、規制片１１が摺動する筐体２の中心軸方向に所定の長さに形成された規制溝１２とから構成される。この規制手段９により、筐体３は、筐体２と一緒に回転することがない。つまり、規制手段９は、規制溝１２が延伸される方向にのみ、移動することになる。さらに、規制手段９は、規制溝１２を延伸させる方向の長さを規制することにより、伸縮量までも規制することができる。なお、規制手段９は、上述に限らず、規制片１１を筐体２の内周面に設け、規制溝１２を筐体３に設けるようにしてもよい。また、規制溝１２は、説明上、図４に示すように、貫通孔を形成しているが、これに限ったものではない。
【００３１】
以上のように構成された駆動装置１は、筐体２及び筐体３の内部に駆動源であるモータ４や、運動変換機構５が設けられており、２つの筐体２、３とが挿抜方向に対して長さが可変とされ、伸縮する。そのため、筐体２や筐体３の内部の空間を無駄なく使うことができ、小型化を実現することができる。
【００３２】
また、駆動装置１は、モータ４への電源の配線を筐体２の底部２ａに設けた挿通孔を介して行うようにすると、配線のための煩わしさがなく、設計上優位なものとなる。
【００３３】
なお、筐体２及び筐体３は、上述のように金属材料からなるものに限らず、十分な強度を有するものであればいかなる材料から形成されてもよい。
【００３４】
次に、本発明に係る駆動装置の第２の実施の形態について説明をする。なお、本説明において、駆動装置１と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
駆動装置２０は、図５及び図６に示すように、円筒状の筐体２と、筐体２に挿入される円筒状の筐体３と、筐体２内部に固定されたモータ４と、モータ４の回転軸４ａの回転を減速又は増速するギア機構２１と、ギア機構２１と接続され、ギア機構２１の出力軸からの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構２２とから構成される。駆動装置２０は、筐体２及び筐体３の中空部内にモータ４、ギア機構２１、運動変換機構２２が設けられ、モータ４と運動変換機構２２との間にギア機構２１を設けることにより、モータ４の回転軸４ａの回転を減速又は増速することができる。
【００３６】
ギア機構２１は、モータ４の回転軸４ａに固定される入力側ブラケット２８と、モータ４に固定された固定リング２３と、固定リング２３に対して回転自在に配置された回転リング２４と、モータ４の回転軸４ａを中心とする円周上に等しい角度間隔で入力側ブラケット２８に配置された遊星車２５、２６、２７と、回転リング２４及び出力軸２９ａに固定される出力側ブラケット２９とから構成されている。
【００３７】
固定リング２３は、金属材料から形成され、モータ４と固定されたフレーム２３ｂによりモータ４と固定されている。固定リング２３は、その内周面にゴム系材料等の摩擦係数の高い材料によって形成された帯状の部材が全周に亘って貼り付けられており、ガイド部２３ａが形成されている。
【００３８】
回転リング２４は、金属材料から形成され、固定リング２３に対して回転自在に設けられている。回転リング２４は、その外径及び内径が固定リング２３より小さく形成されている。回転リング２４は、固定リング２３と同様に、その内周面にゴム系材料等の摩擦係数の高い材料によって形成された帯状の部材が全周に亘って貼り付けられており、ガイド部２４ａが形成されている。
【００３９】
なお、固定リング２３及び回転リング２４は、上述に限らず、それぞれの内周面に摩擦部材を設ける代わりに、内周面にローレット加工等の摩擦面加工や、従来から用いられている内歯車加工を施すようにしても良い。
【００４０】
入力側ブラケット２８は、ギア機構２１に入力される入力軸であるモータ４の回転軸４ａに固定される。入力側ブラケット２８は、金属材料によって形成され、略円柱形状を有し、その中心軸がモータ４の中心軸と略同一となるように配置される。入力側ブラケット２８は、円周上近傍に等間隔で、中心軸方向が入力側ブラケット２８の中心軸と平行となるように、３本のシャフトが立設され、それぞれのシャフトに遊星車２５、２６、２７が取り付けられている。
【００４１】
遊星車２５は、入力側ブラケット２８から立設されたシャフト３０に対し回転自在に設けられている。遊星車２５は、金属によって形成され、その外周面には固定リング２３、回転リング２４に沿ってそれぞれ案内される２つの被ガイド面が形成されている。
【００４２】
遊星車２５は、その外周面に固定リング２３のガイド部２３ａに沿うように被ガイド面であるローラ部２５ａが形成されており、このローラ部２５ａとガイド部２３ａとが当接された状態で案内される。また、遊星車２５は、その外周面に回転リング２４のガイド部２４ａに沿うように被ガイド面であるローラ部２５ｂが形成されており、このローラ部２５ａとガイド部２４ａとが当接された状態で案内され一体となって回転する。なお、本説明においては、遊星車２５のローラ部２５ａは、ローラ部２５ｂより径が大径に形成されているが、これに限らず、所望とする減速比を得るために、適宜変更するようにしてもよい。なお、ローラ部２５ａ、２５ｂは、上述に限らず、固定リング２３、回転リング２４に対応した外歯車であってもよい。
【００４３】
また、遊星車２５の内部には、複数のベアリング３０ａ、３０ａが設けられており、これらベアリング３０ａ、３０ａを介してシャフト３０に回転自在に軸支されている。
【００４４】
なお、駆動装置２０においては、図５に示すように、シャフト３０は、入力側ブラケット２８に３本設けられていることについて記載したが、中心軸周りに等間隔に配置されるものであればこれに限定されない。また、遊星車２６、２７については、遊星車２５と同様の構成を有しており、その説明は省略する。
【００４５】
出力側ブラケット２９は、中心部が中空に形成された出力軸２９ａと、回転リング２４が固定され回転リング２４と一体に回転されるようにする円盤上のフレーム２９ｂとから構成されている。出力軸２９ａは、後述する筐体３に設けられた棒状部材３３が螺合されるように中心部に貫通孔３２に形成されている。フレーム２９ｂは、略円盤上の部材からなり、出力軸２９ａと一体に形成され、回転リング２４からの力を出力軸２９ａに伝達するため、円周部近傍において回転リング２４が固定されている。また、出力側ブラケット２９の出力軸２９ｂの外周面には、固定部材３１ａを介して筐体２と固定されたベアリング３１が設けられている。
【００４６】
以上のように構成されたギア機構２１は、入力軸であるモータ４の回転軸４ａ、固定リング２３、回転リング２４、出力軸２９ａの中心軸が全て同軸となるように配置されており、モータ４の回転軸４ａの回転力が遊星車２５、２６、２７を介して回転リング２４及びこれに接続された出力側ブラケット２９、出力軸２９ａに伝達されることによって減速又は増速される。つまり、回転軸４ａの回転によって入力側ブラケット２８が回転すると、遊星車２５、２６、２７のローラ部２５ａが固定リング２３のガイド部２３ａに沿って自転しながら公転するとともに遊星車２５、２６、２７のローラ部２５ｂがローラ部２５ａとそれぞれ一体に自転しながら公転し、これによって遊星車２５、２６、２７のローラ部２５ｂに当接されている回転リング２４が回転されるため、減速又は増速された出力が出力側ブラケット２９に伝達され出力軸２９ａから取り出されることになる。なお、この場合の減速比は、遊星車のローラ部の外径、歯数比等によって規定される。
【００４７】
次に、駆動装置２０における運動変換機構２２について説明する。運動変換機構２２は、ギア機構２１の出力軸２９ａから出力される回転運動を、中心軸方向への直線運動に変換する機構であり、出力側ブラケット２９に形成された貫通孔３２の内周面に設けられた雌ネジ部３２ａと、この貫通孔３２に螺合される筐体３に形成された棒状部材３３とによって構成される。
【００４８】
出力側ブラケット２９の中心軸に沿って形成された貫通孔３２は、その内周面に亘って雌ネジ部３２ａが形成されている。貫通孔３２は、その中心軸がモータ４の回転軸４ａと略同一となるような位置に設けられている。
【００４９】
棒状部材３３は、筐体３内の底部３ａに立設され、その外周面に雄ネジ部３３ａが形成され、雌ネジ部３２ａと螺合されるような大きさに形成されている。
【００５０】
このように構成された運動変換機構２２は、出力軸２９ａが回転することにより、貫通孔３２の雌ネジ部３２ａに螺合される棒状部材３３を中心軸方向に移動させる。これにより、棒状部材３３に接続された筐体３が移動し、駆動装置２０として、直線運動をすることができる。
【００５１】
また、運動変換機構２２は、棒状部材３３がモータ４の回転軸４ａ等と同様の中心軸に沿って移動することになり、全体長を短くする場合は、出力側ブラケット２９を貫通し遊星車が設けられたギア機構２１の内部まで移動することになる。ギア機構２１は、遊星車２５、２６、２７が中心軸に対して公転するので、中心軸付近は中空状態となっている。したがって、棒状部材３３は、ギア機構２１の中心軸に沿って移動しても、ギア機構２１に何の影響も与えず、中空部を移動することとなり、スペースを有効に使用でき、装置全体の小型化を実現することができる。
【００５２】
以上のように構成された駆動装置２０は、駆動装置１と同様に、筐体２及び筐体３の内部に駆動源であるモータ４、ギア機構２１、運動変換機構２２が設けられており、２つの筐体２、３とが挿抜方向に対して長さが可変とされ、伸縮する。そのため、筐体２や筐体３の内部の空間を無駄なく使うことができ、小型化を実現することができる。さらに、駆動装置２０においては、運動変換機構２２の送りネジ機能を有する棒状部材３３は、筐体３内に形成され、ギア機構２１の遊星車２５、２６、２７が公転する中心軸に沿って移動でき、筐体２及び筐体３の伸縮量を十分確保できるとともに、小型化を実現することができる。
【００５３】
なお、駆動装置１は、上述に限らず、駆動装置２０と同様のギア機構を設け、減速又は増速を行うようにしてもよい。
【００５４】
また、駆動装置２０は、上述のように遊星車を用いた中空部を有するギア機構２１を用いることに限らず、例えば、回転軸に中空部を有するモータも用い、さらに、伸縮量を大きくすることができる。具体的には、図７に示すような駆動装置４０を用いることができる。
【００５５】
図７及び図８に示すように、駆動装置４０は、駆動装置１のモータ４の代わりに、モータ４１が用いられる。モータ４１は、モータの回転軸の軸心に亘って中空部が設けられたモータである。モータ４１を用いることにより駆動装置４０は、棒状部材３３を筐体２と筐体３とによって形成される全体長の最小長さと略等しい長さにすることができ、全体長を２倍近くまで伸縮させることができるようになる。具体的には、駆動装置４０のモータ４１は、中心軸が中空となっているドーナツ状の２種類のステータヨーク４２、４３を交互に並べ、その周囲を囲むように、永久磁石からなるロータヨーク４４が設けられ、このロータヨーク４４が回転することにより、出力を得るものである。このモータ４１は、ステータヨーク４２、４３が中空に形成されており、この中空部に運動変換機構２２の棒状部材３３を挿抜させることができ、駆動装置４０の伸縮量を多く取ることができる。なお、モータ４１は、上述のように２種類のステータヨーク４２、４３を設けた２相駆動の場合について説明したが、これに限らず、３種類のステータヨークを設けて３相駆動させるようなものであってもよい。
【００５６】
次に、本発明に係る駆動装置の利用例について説明する。
【００５７】
図９に示すように、駆動システム６０は、例えば本発明に係る駆動装置１を２個連結させるようにしたものである。また、このとき、一の駆動装置のモータは、他の駆動装置のモータの回転方向が逆回転となるようにする。このようにすることにより、駆動システム６０は、動作開始時、動作終了時、変速時など、一方の駆動装置を駆動させ、他方の駆動装置に対し逆回転させることにより、発生する余分な回転モーメントを打ち消すようにすることができ、スムーズな駆動を行うことができる。
【００５８】
また、本発明に係る駆動装置は、図１０に示すように、駆動装置を複数個並列、直列に繋ぐ駆動システム７０に適用することができる。駆動システム７０は、小型で円筒状の駆動装置１を用いることにより、より筋肉組織に近い運動を実現することができる。例えば、駆動システム７０は、３箇所の関節７１、７２、７３に適用され、本発明に係る駆動装置が関節７１、７２間においては、それぞれの関節の駆動方向に設けられ、関節７２、７３間においては、２つ並列に接続されている。これにより、関節７１、７２間においては、あらゆる駆動方向に対応することができ、また、関節７２、７３間においては、２倍の駆動力を得ることができる。
【００５９】
また、複数の駆動装置が設けられる駆動システム７０は、その制御を、電流、電圧を制御するのみで、容易に力、速度を制御することができ、センサを設け、応答を確認しながらの制御と比べて、設計が容易となる。
【００６０】
さらに、本発明に係る駆動装置は、図１１〜図１４に示すように、様々な駆動システムに用いることができる。具体的には、図１１に示すように、駆動システム８０は、可変テンショナとして用いられ、例えば、トランポリンやテントのテンションを制御することができる。駆動システム８０は、例えばテントに適用する場合、駆動装置を伸縮させることで、組み立てを容易に行なうようにできる。また、図１１に示すように、駆動システム８０は、トランポリンのテンションを維持するテンショナとして利用でき、身体が不自由な方の補助装置としても利用できる。
【００６１】
また、本発明に係る駆動装置は、図１２に示すような配管用ロボットの駆動システムとして利用したり、図１３に示すように、複数の駆動装置を接続し、駆動させることにより、立体造形の一部としての駆動システムとして利用したり、図１４に示すような室内装飾用として利用することができる。
【００６２】
また、本発明に係る駆動装置は、図１５及び図１６に示すように、ロボット用アームの関節として、具体的には、可動方向に対し、斜め、らせん状に架け渡すことにより、伸縮及び捻り運動を実現することができる。
【００６３】
駆動システム９０は、図１５に示すように、２つの駆動装置１が直列に接続され、その端部が被駆動物９１の駆動方向に対して非平行となるように取り付ける。つまり、駆動システム９０は、駆動装置１が連結された被駆動物９１の伸縮方向である中心軸９２方向に対して、捻れた状態で固定されている。これにより、駆動システム９０は、被駆動物９１に対し、伸縮と捻りが合わさった複雑な動作をさせることができる。
【００６４】
駆動システム１００は、図１６に示すように、複合関節１０１に用いられ、駆動システム９０と同様に、回転軸方向に対して非平行である捻れの状態となるように駆動装置を斜めに連結させる。これにより、複合関節１０１に対して容易に捻り運動を行なわせることができる。
【００６５】
以上のように、本発明に係る駆動装置は、ロボット用のアームのアクチュエータのみならず、災害救助ロボット、リハビリテーション用器具、人工筋肉として様々な分野での利用が想定できる。また、本発明に係る駆動装置は、直列並列多数配置することができ、多自由度の動作を容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（Ａ）は、本発明に係る駆動装置の全体長が最も短い状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は、駆動装置の全体長が最も長い状態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る駆動装置の運動変換機構の構成を示した斜視図である。
【図３】本発明に係る駆動装置の図１（Ａ）のｘ−ｘ´線における断面図である。
【図４】本発明に係る駆動装置の規制手段を説明するための図である。
【図５】本発明に係る駆動装置の第２の実施の形態について説明するための分解斜視図である。
【図６】図５のｙ−ｙ´線における断面図である。
【図７】本発明に係る駆動装置の第３の実施の形態について説明するための模式図である。
【図８】本発明に係る駆動装置の中空部を有するモータについて説明するための図である。
【図９】本発明に係る駆動装置の第４の実施の形態について説明するための斜視図である。
【図１０】本発明に係る駆動装置をロボットアームとして利用した場合を示した図である。
【図１１】本発明に係る駆動装置の一利用例を示した図である。
【図１２】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１３】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１４】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１５】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【図１６】本発明に係る駆動装置の他の利用例を示した図である。
【符号の説明】
【００６７】
１、２０、４０、５０ 駆動装置、２、３ 筐体、２ａ、３ａ 底部、４ モータ、４ａ 回転軸、４ｂ 回転軸ブラケット、５ 運動変換機構、６ 取付片、７、８ 環状部材、７ａ 雄ネジ部、８ａ 雌ネジ部、９ 規制手段、１１ 規制片、１２ 規制溝、２１ ギア機構、２２ 運動変換機構、２３ 固定リング、２３ａ、２４ａ ガイド部、２３ｂ フレーム、２４ 回転リング、２５、２６、２７ 遊星車、２５ａ、２５ｂ ローラ部、２８ 入力側ブラケット、２９ 出力側ブラケット、２９ａ 出力軸、３０ シャフト、３０ａ ベアリング、３１ ベアリング、３１ａ 固定部材、３２ 貫通孔、３２ａ 雌ネジ部、３３ 棒状部材、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方が他方に対して挿抜されて、その挿抜方向に対して長さを可変とし、対をなす第１の筐体及び第２の筐体と、
上記第１の筐体に固定されるモータと、
上記モータの回転軸と接続され、上記回転軸からの回転運動を上記挿抜方向の直線運動に変換する運動変換機構とを備え、
上記第２の筐体は、上記運動変換機構と接続され、
上記第１の筐体及び／又は第２の筐体は、上記モータ及び上記運動変換機構を内包すること
を特徴とする駆動装置。
【請求項２】
上記モータと上記運動変換機構との間に設けられ、上記モータの回転軸の回転を減速又は増速するギア機構を備えることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
上記第１の筐体及び上記第２の筐体は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿抜される略筒状体からなり、上記モータの回転軸と上記第１の筐体及び上記第２の筐体の挿抜方向とが略一致することを特徴とする請求項１又は２記載の駆動装置。
【請求項４】
上記ギア機構は、
上記モータの回転軸に固定される入力側ブラケットと、
上記モータの筐体と固定された第１のリングと、
その回転軸が上記第１のリングの中心軸と略一致するように上記第１のリングに対して回転自在に配置された第２のリングと、
上記モータの回転軸を中心とする円周上に略等しい角度間隔で上記入力側ブラケットに配置された複数のシャフト及び該シャフトにそれぞれ回転自在に取り付けられた複数の遊星車と、
上記第２のリング及び出力軸に固定される出力側ブラケットとを有し、
上記各遊星車の一部が上記第１のリングの内周面に沿って回転されるとともに上記遊星車の他の部分が上記第２のリングの内周面に沿って回転されるようにしたこと
を特徴とする請求項２記載の駆動装置。
【請求項５】
上記運動変換機構は、
上記モータの回転軸又は上記ギア機構の出力軸に固定され、外周面に雄ネジ部が形成された第１の環状部材と、
上記第２の筐体の内周面に固定され、内周面に雌ネジ部が形成された第２の環状部材とを有し、
上記第１の環状部材の雄ネジ部と上記第２の環状部材の雌ネジ部とが噛合されること
を特徴とする請求項１又は４記載の駆動装置。
【請求項６】
上記運動変換機構は、
上記ギア機構の出力側ブラケットに固定され、その中心軸と略一致する位置に設けられ内周面に雌ネジ部が形成された第３の環状部材と、
上記第２の筐体の内面で、上記出力側ブラケットの中心軸と略一致する位置に立設され、外周面に雄ネジ部が形成された棒状部材とを有し、
上記第３の環状部材の雌ネジ部と上記棒状部材の雄ネジ部とが噛合されること
を特徴とする請求項４記載の駆動装置。
【請求項７】
上記モータの回転軸は、その回転軸の軸心に亘って中空部が設けられ、
上記棒状部材は、上記第１の筐体及び上記第２の筐体とによって形成される回転軸方向の長さと略等しい長さを有し、
上記棒状部材は、上記中空部内を移動すること
を特徴とする請求項６記載の駆動装置。
【請求項８】
上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿入される略筒形状からなり、上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面のいずれか一方に、上記第１の筐体及び上記第２の筐体が上記挿抜方向に対して回転する方向と上記挿抜方向への相対移動を規制するための規制片が設けられ、他方に上記規制片が摺動できる規制溝を備えることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項９】
上記第１の筐体及び上記第２の筐体の上記挿抜方向における端部に、取付部材が設けられることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項１０】
上記モータは、動力供給用の配線を有し、該配線は、上記第１の筐体に設けられた挿通孔に挿通されることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項１１】
請求項１乃至９記載の駆動装置を複数用い、並列及び／又は直列に連結したことを特徴とする駆動システム。
【請求項１２】
請求項１乃至９記載の駆動装置を２つ用い、上記各モータの回転方向を逆にすることにより起動及び／又は変速時の回転モーメントを相殺できるように反対向きに正対称に配置することを特徴とする駆動システム。
【請求項１３】
請求項１乃至９記載の駆動装置を用い、捻り運動を可能とするために、その挿抜方向が被駆動物の駆動方向に対して非平行となるように取り付けることを特徴とする駆動システム。
【請求項１４】
上記各駆動装置をそれぞれ独立して制御することを特徴とする請求項１１記載の駆動システム。
【請求項１】
一方が他方に対して挿抜されて、その挿抜方向に対して長さを可変とし、対をなす第１の筐体及び第２の筐体と、
上記第１の筐体に固定されるモータと、
上記モータの回転軸と接続され、上記回転軸からの回転運動を上記挿抜方向の直線運動に変換する運動変換機構とを備え、
上記第２の筐体は、上記運動変換機構と接続され、
上記第１の筐体及び／又は第２の筐体は、上記モータ及び上記運動変換機構を内包すること
を特徴とする駆動装置。
【請求項２】
上記モータと上記運動変換機構との間に設けられ、上記モータの回転軸の回転を減速又は増速するギア機構を備えることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
上記第１の筐体及び上記第２の筐体は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿抜される略筒状体からなり、上記モータの回転軸と上記第１の筐体及び上記第２の筐体の挿抜方向とが略一致することを特徴とする請求項１又は２記載の駆動装置。
【請求項４】
上記ギア機構は、
上記モータの回転軸に固定される入力側ブラケットと、
上記モータの筐体と固定された第１のリングと、
その回転軸が上記第１のリングの中心軸と略一致するように上記第１のリングに対して回転自在に配置された第２のリングと、
上記モータの回転軸を中心とする円周上に略等しい角度間隔で上記入力側ブラケットに配置された複数のシャフト及び該シャフトにそれぞれ回転自在に取り付けられた複数の遊星車と、
上記第２のリング及び出力軸に固定される出力側ブラケットとを有し、
上記各遊星車の一部が上記第１のリングの内周面に沿って回転されるとともに上記遊星車の他の部分が上記第２のリングの内周面に沿って回転されるようにしたこと
を特徴とする請求項２記載の駆動装置。
【請求項５】
上記運動変換機構は、
上記モータの回転軸又は上記ギア機構の出力軸に固定され、外周面に雄ネジ部が形成された第１の環状部材と、
上記第２の筐体の内周面に固定され、内周面に雌ネジ部が形成された第２の環状部材とを有し、
上記第１の環状部材の雄ネジ部と上記第２の環状部材の雌ネジ部とが噛合されること
を特徴とする請求項１又は４記載の駆動装置。
【請求項６】
上記運動変換機構は、
上記ギア機構の出力側ブラケットに固定され、その中心軸と略一致する位置に設けられ内周面に雌ネジ部が形成された第３の環状部材と、
上記第２の筐体の内面で、上記出力側ブラケットの中心軸と略一致する位置に立設され、外周面に雄ネジ部が形成された棒状部材とを有し、
上記第３の環状部材の雌ネジ部と上記棒状部材の雄ネジ部とが噛合されること
を特徴とする請求項４記載の駆動装置。
【請求項７】
上記モータの回転軸は、その回転軸の軸心に亘って中空部が設けられ、
上記棒状部材は、上記第１の筐体及び上記第２の筐体とによって形成される回転軸方向の長さと略等しい長さを有し、
上記棒状部材は、上記中空部内を移動すること
を特徴とする請求項６記載の駆動装置。
【請求項８】
上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面は、上記第１の筐体内に上記第２の筐体が挿入される略筒形状からなり、上記第１の筐体の内周面及び上記第２の筐体の外周面のいずれか一方に、上記第１の筐体及び上記第２の筐体が上記挿抜方向に対して回転する方向と上記挿抜方向への相対移動を規制するための規制片が設けられ、他方に上記規制片が摺動できる規制溝を備えることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項９】
上記第１の筐体及び上記第２の筐体の上記挿抜方向における端部に、取付部材が設けられることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項１０】
上記モータは、動力供給用の配線を有し、該配線は、上記第１の筐体に設けられた挿通孔に挿通されることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項１１】
請求項１乃至９記載の駆動装置を複数用い、並列及び／又は直列に連結したことを特徴とする駆動システム。
【請求項１２】
請求項１乃至９記載の駆動装置を２つ用い、上記各モータの回転方向を逆にすることにより起動及び／又は変速時の回転モーメントを相殺できるように反対向きに正対称に配置することを特徴とする駆動システム。
【請求項１３】
請求項１乃至９記載の駆動装置を用い、捻り運動を可能とするために、その挿抜方向が被駆動物の駆動方向に対して非平行となるように取り付けることを特徴とする駆動システム。
【請求項１４】
上記各駆動装置をそれぞれ独立して制御することを特徴とする請求項１１記載の駆動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−２８７１２（Ｐ２００７−２８７１２Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０３５５４（Ｐ２００５−２０３５５４）
【出願日】平成１７年７月１２日（２００５．７．１２）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１２日（２００５．７．１２）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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