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JP2014097550A - Rigidity variable driving device and joint driving mechanism - Google Patents

Rigidity variable driving device and joint driving mechanism Download PDF

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JP2014097550A
JP2014097550A JP2012250797A JP2012250797A JP2014097550A JP 2014097550 A JP2014097550 A JP 2014097550A JP 2012250797 A JP2012250797 A JP 2012250797A JP 2012250797 A JP2012250797 A JP 2012250797A JP 2014097550 A JP2014097550 A JP 2014097550A
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Japan
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elastic member
axial direction
drive device
variable
rigidity
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JP2012250797A
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Akihiro Sakai
昭弘 酒井
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Canon Inc
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Abstract

【課題】低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作が可能である剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構を提供する。
【解決手段】剛性可変駆動装置100は、棒状の弾性部材2と、駆動モータ5と、駆動モータ5に接続された回転軸4と、弾性部材2に嵌合する嵌合穴32が形成され、回転軸4と一体に回転して弾性部材2に回転軸4の回転力を伝達する伝達部材3と、を備えている。また、剛性可変駆動装置100は、伝達部材3を軸方向に駆動する超音波モータ6と、弾性部材2の一部分に接触して弾性部材2を拘束し、伝達部材3と一体に移動して、弾性部材2に対する接触位置が軸方向に移動する拘束部材13と、を備えている。弾性部材2は、軸方向Yに直交する方向の断面における断面2次極モーメントが先端部2aから軸方向Yに離れるに連れて減少する形状である。
【選択図】図1
[PROBLEMS] To provide a variable stiffness drive device that can be continuously and widely changed from low stiffness to high stiffness and capable of dynamic operation, and a joint drive mechanism including the variable stiffness drive device.
A variable stiffness drive device (100) is provided with a rod-shaped elastic member (2), a drive motor (5), a rotating shaft (4) connected to the drive motor (5), and a fitting hole (32) for fitting into the elastic member (2). And a transmission member 3 that rotates integrally with the rotation shaft 4 and transmits the rotational force of the rotation shaft 4 to the elastic member 2. In addition, the variable stiffness drive device 100 contacts the ultrasonic motor 6 that drives the transmission member 3 in the axial direction and a part of the elastic member 2 to restrain the elastic member 2 and moves integrally with the transmission member 3. And a restraining member 13 whose contact position with respect to the elastic member 2 moves in the axial direction. The elastic member 2 has a shape in which a cross-sectional secondary pole moment in a cross-section in a direction orthogonal to the axial direction Y decreases as the tip part 2a moves away from the axial direction Y.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、剛性を調整して駆動する剛性可変駆動装置、及び剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構に関する。   The present invention relates to a variable stiffness drive device that drives by adjusting stiffness, and a joint drive mechanism that includes the variable stiffness drive device.

近年、ヒューマノイド型のロボットにおいて、生体に近い動特性を持たせた俊敏で柔軟なロボットの研究が行われている。これら研究分野に関係して、非特許文献1、特許文献1に、車体のサスペンションの弾性力を変化させる手段や関節剛性を調整する手段が開示されている。   In recent years, humanoid robots have been researched on agile and flexible robots with dynamic characteristics close to those of living bodies. In relation to these research fields, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 disclose means for changing the elastic force of the suspension of the vehicle body and means for adjusting the joint rigidity.

特許文献1では、トーションバーの支持点を可変する構成であり、トーションバーの有効長を変化させ、サスペンションの弾性力を調整できるとしている。   In Patent Document 1, the support point of the torsion bar is variable, and the effective length of the torsion bar can be changed to adjust the elastic force of the suspension.

また、非特許文献1に記載の関節メカニズム設計方法では、ローラによる板ばねの支持点とロッド端面間の距離を変化させて、関節剛性を調整できるとしている。これにより、関節まわりの剛性を高剛性から低剛性まで変化させることができるとしている。   Further, in the joint mechanism design method described in Non-Patent Document 1, the joint rigidity can be adjusted by changing the distance between the support point of the leaf spring by the roller and the rod end surface. Thereby, the rigidity around the joint can be changed from high rigidity to low rigidity.

ここで、生物の筋力の一般的な粘弾性モデルとして、筋の収縮力が増加すると、筋の弾性係数も増加することが知られている。これは、筋の弾性係数は一定ではなく、筋の収縮力に比例して変化する非線形特性であることを表している。このような非線形剛性特性を持たせた剛性可変駆動装置をロボットやパワーアシスト装置の関節部に配置し、関節の駆動トルク及び関節の剛性を調整し制御することで生体動作に類似させている。   Here, as a general viscoelastic model of biological muscle strength, it is known that when the muscle contraction force increases, the muscle elastic coefficient also increases. This indicates that the elastic coefficient of the muscle is not constant but is a non-linear characteristic that changes in proportion to the contractile force of the muscle. A variable stiffness drive device having such nonlinear stiffness characteristics is arranged at a joint portion of a robot or a power assist device, and the drive torque of the joint and the stiffness of the joint are adjusted and controlled to resemble a biological operation.

特開2008−230469号公報JP 2008-230469 A

Development of Force−Controlled Robot Arm Using Mechanical Impedance Adjuster Toshio Morita, Nobuyoshi Tomita, Takeo Ueda and Shigeki Sugano 日本ロボット学会誌 Vol.16 No.7、 pp1001〜1006、1998Development of Force-Controlled Robot Arm Using Mechanical Impedance Adjustor Toshio Morita, Nobuyoshi Shimita, Takeo USogak 16 No. 7, pp1001-1006, 1998

しかしながら、ロボットやパワーアシスト装置では、柔らかく外力が働いた場合、押し戻される動作(以下、「バックドライバビリティを有する動作」)と、高速に高精度で目標位置に位置決めする動作とを両立させることが困難となっていた。   However, in robots and power assist devices, when an external force is applied softly, the operation of pushing back (hereinafter referred to as “operation with back drivability”) and the operation of positioning at a target position with high accuracy at high speed can be made compatible. It was difficult.

前者のような非常に柔らかいバックドライバビリティを有する動作では、関節剛性を0に近づける必要がある。一方、後者のような高速に高精度で目標位置に位置決めする動作では、関節剛性をできるだけ高くする必要がある。   In the operation having a very soft back drivability like the former, the joint rigidity needs to be close to zero. On the other hand, in the latter operation of positioning at the target position with high accuracy at high speed, it is necessary to make the joint rigidity as high as possible.

このように大きく特性の異なる動作を同一のロボットで実現しようとすると、関節剛性を可変させ、最小の剛性値と最大の剛性値との可変比をより大きくすることが必要であった。   In order to realize such operations with greatly different characteristics with the same robot, it is necessary to vary the joint stiffness and increase the variable ratio between the minimum stiffness value and the maximum stiffness value.

また、滑らかな関節動作を可能にするために関節剛性を低剛性の状態から高剛性まで連続的に変化させることが必要であった。   Further, in order to enable smooth joint operation, it is necessary to continuously change the joint rigidity from a low rigidity state to a high rigidity.

そこで、本発明は、低剛性から高剛性まで幅広く連続的に可変でき、ダイナミックな動作が可能である剛性可変駆動装置、剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention provides a variable stiffness drive device that can be continuously and widely varied from low stiffness to high stiffness and capable of dynamic operation, and a joint drive mechanism including the stiffness variable drive device.

本発明の剛性可変駆動装置は、軸方向に延びて形成され、軸線を中心に回転自在に支持され、先端部から回転力を出力する弾性部材と、回転駆動部と、前記回転駆動部の駆動により回転する回転軸と、前記軸方向にスライド自在に前記弾性部材に嵌合する嵌合穴が形成され、前記回転軸と一体に回転して前記弾性部材に前記回転軸の回転力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材を前記軸方向に駆動する伝達部材駆動部と、前記伝達部材に設けられ、前記弾性部材の一部分に接触して前記弾性部材を拘束し、前記伝達部材駆動部の駆動により前記伝達部材と一体に前記軸方向に移動して、前記弾性部材に対する接触位置が前記軸方向に移動する拘束部材と、を備え、前記弾性部材は、前記軸方向に直交する方向の断面における断面2次極モーメントが前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて減少する形状であることを特徴とする。   The variable stiffness drive device of the present invention is formed to extend in the axial direction, is supported rotatably about an axis, and outputs a rotational force from the tip, a rotation drive unit, and drive of the rotation drive unit And a fitting hole that fits into the elastic member so as to be slidable in the axial direction, and rotates together with the rotating shaft to transmit the rotational force of the rotating shaft to the elastic member. A transmission member, a transmission member drive unit that drives the transmission member in the axial direction, and a drive member that is provided on the transmission member and contacts the part of the elastic member to restrain the elastic member. And a restraining member that moves in the axial direction integrally with the transmission member, and a contact position with respect to the elastic member moves in the axial direction, wherein the elastic member is in a cross section in a direction orthogonal to the axial direction. Sectional secondary pole maume Doo is characterized in that it is a reduced form with distance in the axial direction from the tip.

本発明によれば、弾性部材の有効長を変えることができるので、弾性部材の先端部の捩じれ剛性を変化させることができる。また、弾性部材は、断面2次極モーメントが先端部から離れるに連れて減少するので、拘束する部分の断面2次極モーメントに対応して捩じれ剛性を変化させることができる。したがって、大きな剛性可変を得ることができ、低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。   According to the present invention, since the effective length of the elastic member can be changed, the torsional rigidity of the distal end portion of the elastic member can be changed. In addition, since the elastic member decreases as the cross-sectional secondary pole moment increases from the tip, the torsional rigidity can be changed in accordance with the cross-sectional secondary pole moment of the portion to be constrained. Accordingly, a large variable rigidity can be obtained, and a wide range of rigidity can be varied from low rigidity to high rigidity.

第1実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the rigidity variable drive device which concerns on 1st Embodiment. 剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the torsional rigidity of the output end of a rigidity variable drive device. 第1実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the variable rigidity drive device which concerns on 1st Embodiment becomes the minimum. 第1実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the rigidity variable drive device which concerns on 1st Embodiment becomes the maximum. 弾性部材の有効長と捩じれ剛性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the effective length of an elastic member, and torsional rigidity. 第2実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the variable rigidity drive device which concerns on 2nd Embodiment becomes the minimum. 第2実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the variable rigidity drive device which concerns on 2nd Embodiment becomes the maximum. 第3実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the rigidity variable drive device which concerns on 3rd Embodiment becomes the minimum. 第3実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the rigidity variable drive device which concerns on 3rd Embodiment becomes the maximum. 第4実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the rigidity variable drive device which concerns on 4th Embodiment becomes the minimum. 第4実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state from which the torsional rigidity of the output end of the rigidity variable drive device which concerns on 4th Embodiment becomes the maximum. 第5実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the joint drive mechanism provided with the rigidity variable drive device in 5th Embodiment. 第6実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the joint drive mechanism provided with the rigidity variable drive device in 6th Embodiment. 第7実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the joint drive mechanism provided with the rigidity variable drive device in 7th Embodiment.

図1は、本発明の第1実施形態に係る剛性可変駆動装置の概略構成を示す説明図である。図1(a)は、捩じれモーメント、即ち捩じれ剛性が最小の状態、図1(b)は、捩じれモーメント、即ち捩じれ剛性が最大の状態を示している。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a variable stiffness drive apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a torsional moment, ie, a state where the torsional rigidity is minimum, and FIG. 1B shows a torsional moment, ie, a state where the torsional rigidity is maximum.

剛性可変駆動装置100は、出力端の捩じれ剛性を可変とするものである。剛性可変駆動装置100は、回転駆動部として電磁モータである駆動モータ5と、剛性可変機構1と、を備えている。   The stiffness variable drive device 100 makes the torsional stiffness of the output end variable. The variable stiffness drive apparatus 100 includes a drive motor 5 that is an electromagnetic motor and a variable stiffness mechanism 1 as a rotational drive unit.

剛性可変機構1は、軸方向Yに延びて形成され、先端部2aから回転力を出力する棒状の弾性部材2と、駆動モータ5から軸方向Yに延びる回転軸4と、伝達部材3と、伝達部材駆動部としての剛性可変モータである超音波モータ6とを有している。弾性部材2は、先端部2aが外部に露出するように筐体12に収容されており、弾性部材2の先端部2aには、出力ギア(出力端)10が接続されている。弾性部材2の先端部2aは、筐体12に固定された軸受11に回転中心線(軸線)Gを中心として回転自在に支持され、また、軸受11により軸方向Yへの移動が規制されている。   The variable stiffness mechanism 1 is formed to extend in the axial direction Y, and is a rod-shaped elastic member 2 that outputs a rotational force from the tip 2a, a rotary shaft 4 that extends from the drive motor 5 in the axial direction Y, a transmission member 3, And an ultrasonic motor 6 which is a stiffness variable motor as a transmission member driving unit. The elastic member 2 is accommodated in the housing 12 so that the tip end portion 2a is exposed to the outside, and an output gear (output end) 10 is connected to the tip end portion 2a of the elastic member 2. The distal end portion 2a of the elastic member 2 is supported by a bearing 11 fixed to the housing 12 so as to be rotatable about a rotation center line (axis line) G, and movement in the axial direction Y is restricted by the bearing 11. Yes.

駆動モータ5は、筐体12の外部に配置され、駆動モータ5の不図示の回転子に接続された回転軸4が筐体12の内部に貫通して延びている。回転軸4と弾性部材2とは同軸に配置されている。なお、本第1実施形態では、回転軸4は、駆動モータ5と一体に形成されているが、別体であってもよく、不図示の歯車機構を介して駆動モータ5により駆動されるようにしてもよい。   The drive motor 5 is disposed outside the housing 12, and a rotating shaft 4 connected to a rotor (not shown) of the drive motor 5 extends through the inside of the housing 12. The rotating shaft 4 and the elastic member 2 are arranged coaxially. In the first embodiment, the rotary shaft 4 is formed integrally with the drive motor 5, but may be a separate body and is driven by the drive motor 5 via a gear mechanism (not shown). It may be.

伝達部材3は、回転軸4と一体に回転して弾性部材2に回転軸4の回転力を伝達する。具体的に説明すると、伝達部材3は、回転軸4が嵌合する嵌合穴31と、弾性部材2が嵌合する嵌合穴32とが形成されている。本第1実施形態では、嵌合穴31と嵌合穴32とは連通している。伝達部材3は、筐体12に対して軸方向Yにスライド可能に筐体12に収容されている。   The transmission member 3 rotates integrally with the rotation shaft 4 and transmits the rotational force of the rotation shaft 4 to the elastic member 2. More specifically, the transmission member 3 is formed with a fitting hole 31 into which the rotary shaft 4 is fitted and a fitting hole 32 into which the elastic member 2 is fitted. In the first embodiment, the fitting hole 31 and the fitting hole 32 communicate with each other. The transmission member 3 is accommodated in the housing 12 so as to be slidable in the axial direction Y with respect to the housing 12.

伝達部材3の嵌合穴31には、軸方向Yにスライド自在に回転軸4が挿通され、嵌合穴32には、軸方向Yにスライド自在に弾性部材2が挿通される。   The rotating shaft 4 is inserted into the fitting hole 31 of the transmission member 3 so as to be slidable in the axial direction Y, and the elastic member 2 is inserted into the fitting hole 32 so as to be slidable in the axial direction Y.

回転軸4及び嵌合穴31は、断面四角形状に形成され、回転軸4が嵌合穴31にガタがない状態で嵌められている。これにより、伝達部材3が回転軸4に図1中、区間Nで嵌合し、伝達部材3は、回転軸4と一体に回転する。伝達部材3は、弾性部材2と比べて剛性が高く、回転中心線Gを中心とする捩じれが発生しない構造になっている。換言すると、弾性部材2は、伝達部材3と比べて剛性が低く、回転中心線Gを中心とする捩じれが生じる構造になっている。   The rotating shaft 4 and the fitting hole 31 are formed in a quadrangular cross section, and the rotating shaft 4 is fitted in the fitting hole 31 with no backlash. Thereby, the transmission member 3 is fitted to the rotating shaft 4 in the section N in FIG. 1, and the transmitting member 3 rotates integrally with the rotating shaft 4. The transmission member 3 is higher in rigidity than the elastic member 2 and has a structure in which twisting about the rotation center line G does not occur. In other words, the elastic member 2 has a structure that is less rigid than the transmission member 3 and is twisted about the rotation center line G.

伝達部材3には、弾性部材2を拘束する拘束部材13が設けられている。伝達部材3の嵌合穴32は、図1中、区間Mで弾性部材2に嵌合しており、拘束部材13を介して回転力が弾性部材2に伝達される。   The transmission member 3 is provided with a restraining member 13 that restrains the elastic member 2. The fitting hole 32 of the transmission member 3 is fitted to the elastic member 2 in the section M in FIG. 1, and the rotational force is transmitted to the elastic member 2 via the restraining member 13.

本第1実施形態では、拘束部材13は、弾性部材2を挟むように伝達部材3に回転自在に支持された第1回転体として2つのローラ131、及び第2回転体として2つのローラ132とを有している。ローラ131とローラ132とは、弾性部材2を挟んで互いに対向して配置されている。なお、図1では、ローラ131のみ図示しており、ローラ132は、図1には現れていないが図1の紙面上、ローラ131に対応する位置に配置されている。各ローラ131,132は、伝達部材3に形成された嵌合穴32の開口端近傍に配置されている。このように、伝達部材3は、拘束部材13を支持する支持部材でもある。   In the first embodiment, the restraining member 13 includes two rollers 131 as a first rotating body and two rollers 132 as a second rotating body that are rotatably supported by the transmission member 3 so as to sandwich the elastic member 2. have. The roller 131 and the roller 132 are disposed to face each other with the elastic member 2 interposed therebetween. In FIG. 1, only the roller 131 is shown, and the roller 132 is not shown in FIG. 1, but is disposed at a position corresponding to the roller 131 on the paper surface of FIG. 1. Each of the rollers 131 and 132 is disposed in the vicinity of the opening end of the fitting hole 32 formed in the transmission member 3. Thus, the transmission member 3 is also a support member that supports the restraining member 13.

拘束部材13は、弾性部材2の外周の一部分に接触して弾性部材2を拘束し、超音波モータ6の駆動により伝達部材3と一体に軸方向Yに移動する。これにより、拘束部材13は、弾性部材2に対する接触位置(拘束位置)が軸方向Yに移動する。   The restraining member 13 comes into contact with a part of the outer periphery of the elastic member 2 to restrain the elastic member 2 and moves in the axial direction Y integrally with the transmission member 3 by driving the ultrasonic motor 6. As a result, the contact position (restraint position) of the restraining member 13 with respect to the elastic member 2 moves in the axial direction Y.

伝達部材3は、ローラ131,132による弾性部材2の接触位置において、回転中心線Gを中心とした回転方向の捩じれ動作を拘束しながら、軸方向Yにスライドすることができる。   The transmission member 3 can slide in the axial direction Y while restraining the twisting operation in the rotational direction around the rotation center line G at the contact position of the elastic member 2 by the rollers 131 and 132.

駆動モータ5の駆動力は、回転軸4から伝達部材3、拘束部材13及び弾性部材2を介して、出力ギア10へ伝えることができる。   The driving force of the drive motor 5 can be transmitted from the rotary shaft 4 to the output gear 10 via the transmission member 3, the restraining member 13 and the elastic member 2.

伝達部材3の外周には、周方向に延びる駆動溝3bが形成され、駆動溝3bには、雄ねじ8に固定された伝達部材駆動リング9が接触して配置されている。この雄ねじ8は、軸線Gを中心に回転可能に筐体12に支持された雌ねじ7に噛合している。   A drive groove 3b extending in the circumferential direction is formed on the outer periphery of the transmission member 3, and a transmission member drive ring 9 fixed to the male screw 8 is disposed in contact with the drive groove 3b. The male screw 8 meshes with a female screw 7 supported by the housing 12 so as to be rotatable about the axis G.

超音波モータ6は、筐体12に固定された固定部6bと、固定部6bに対して軸線Gを中心に回転する駆動出力部6aとを有し、駆動出力部6aが雌ねじ7に固定されている。これにより、雌ねじ7は、超音波モータ6により軸線Gを中心に回転する。   The ultrasonic motor 6 has a fixed portion 6b fixed to the housing 12, and a drive output portion 6a that rotates about the axis G with respect to the fixed portion 6b. The drive output portion 6a is fixed to the female screw 7. ing. Thereby, the internal thread 7 is rotated around the axis G by the ultrasonic motor 6.

雌ねじ7に噛合した雄ねじ8は、筐体12に対して軸方向Yに並進可能に筐体12に支持されている。従って、雌ねじ7の回転運動は、雄ねじ8の軸方向Yへの並進運動に変換される。そして、雄ねじ8が軸方向Yに移動することで、伝達部材3が回転中心線Gを中心とした回転を許容した状態で軸方向Yに移動する。よって、伝達部材3は、超音波モータ6の回転駆動により、軸方向Yへ移動することとなる。   The male screw 8 meshed with the female screw 7 is supported by the housing 12 so as to be able to translate in the axial direction Y with respect to the housing 12. Therefore, the rotational movement of the female screw 7 is converted into a translational movement of the male screw 8 in the axial direction Y. When the male screw 8 moves in the axial direction Y, the transmission member 3 moves in the axial direction Y in a state where the transmission member 3 is allowed to rotate around the rotation center line G. Therefore, the transmission member 3 moves in the axial direction Y by the rotational drive of the ultrasonic motor 6.

弾性部材2の材質は、ばね用の鋼材等である。回転軸4の回転を固定した状態で出力ギア10に軸線Gを回転中心とした外力が働くと、弾性部材2における拘束部材13と先端部2aとの間の分、即ち有効長L1,L2の部分(図1(a),図1(b))が捩じられる。   The material of the elastic member 2 is a spring steel or the like. When an external force about the axis G is applied to the output gear 10 with the rotation of the rotation shaft 4 fixed, the portion between the restraining member 13 and the tip 2a of the elastic member 2, that is, the effective lengths L1 and L2 The part (FIGS. 1 (a) and 1 (b)) is twisted.

出力ギア10に外力が働いたときの、捩じれモーメント(負荷トルク)をT、弾性部材2の捩じれ角度をθ、弾性部材2の有効長をL、弾性部材2の断面2次極モーメントIp、弾性部材2の横弾性率をG、出力ギア10の捩じれ剛性をKとする。これらの関係式は、以下の式(1)及び式(2)で表される。
θ=(T×L)/(G×Ip)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
K=T/θ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
When an external force is applied to the output gear 10, the torsional moment (load torque) is T, the torsional angle of the elastic member 2 is θ, the effective length of the elastic member 2 is L, the cross-sectional secondary pole moment Ip of the elastic member 2, the elasticity The lateral elastic modulus of the member 2 is G, and the torsional rigidity of the output gear 10 is K. These relational expressions are represented by the following expressions (1) and (2).
θ = (T × L) / (G × Ip) (1)
K = T / θ (2)

式(1)及び式(2)より、捩じれ剛性Kは、以下の式(3)で表される。
K=(G×Ip)/L・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
From the equations (1) and (2), the torsional rigidity K is expressed by the following equation (3).
K = (G × Ip) / L (3)

式(3)より、捩じれ剛性Kは、弾性部材2の有効長Lの大きさの逆数に比例し、弾性部材2の断面2次極モーメントIpの大きさに比例する。従って、弾性部材2の有効長Lの大きさと、断面2次極モーメントIpの大きさの片方または両方の値を調整することで、出力ギア10の捩じれ剛性を変化させることができる。   From equation (3), the torsional rigidity K is proportional to the inverse of the size of the effective length L of the elastic member 2 and is proportional to the size of the cross-sectional secondary pole moment Ip of the elastic member 2. Therefore, the torsional rigidity of the output gear 10 can be changed by adjusting the value of one or both of the effective length L of the elastic member 2 and the cross-sectional secondary pole moment Ip.

図1(a)に示すように、出力ギア10の捩じれ剛性が最も低い状態では、超音波モータ6によって伝達部材3をスライドさせ、弾性部材2の有効長が最も長いL1となっている。出力ギア10に外力が働くと、弾性部材2の有効長L1の部分の捩じれ剛性は最小となる。   As shown in FIG. 1A, in the state where the torsional rigidity of the output gear 10 is the lowest, the transmission member 3 is slid by the ultrasonic motor 6, and the effective length of the elastic member 2 is L1, which is the longest. When an external force acts on the output gear 10, the torsional rigidity of the effective length L1 portion of the elastic member 2 is minimized.

図1(b)に示すように、出力ギア10の捩じれ剛性が最も高い状態では、超音波モータ6によって伝達部材3をスライドさせ、弾性部材2の有効長が最も短いL2となっている。出力ギア10に外力が働くと、弾性部材2の有効長L2の部分が捩じれ、捩じれ剛性は最大となる。   As shown in FIG. 1B, when the torsional rigidity of the output gear 10 is the highest, the transmission member 3 is slid by the ultrasonic motor 6, and the effective length of the elastic member 2 is L2, which is the shortest. When an external force acts on the output gear 10, the effective length L2 portion of the elastic member 2 is twisted, and the torsional rigidity is maximized.

駆動モータ5と出力ギア10との間に設けられた伝達部材3を超音波モータ6により軸方向Yに移動させることで、拘束部材13による弾性部材2に対する接触位置(拘束位置)が軸方向Yに移動する。これにより、弾性部材2の捩じれモーメントが変化するので、出力ギア10の回転方向の捩じれ剛性が変化する。   By moving the transmission member 3 provided between the drive motor 5 and the output gear 10 in the axial direction Y by the ultrasonic motor 6, the contact position (restraint position) of the restraining member 13 with respect to the elastic member 2 becomes the axial direction Y. Move to. Thereby, since the torsional moment of the elastic member 2 changes, the torsional rigidity in the rotation direction of the output gear 10 changes.

図2は、剛性可変駆動装置100の出力端の捩じれ剛性を説明するための図であり、図2(a)は、超音波モータ6による剛性可変範囲を示した図、図2(b)は、駆動モータ5による中立位置の移動範囲を示した図である。   2A and 2B are diagrams for explaining the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus 100. FIG. 2A is a diagram showing a variable stiffness range by the ultrasonic motor 6, and FIG. FIG. 5 is a diagram showing a range of movement of a neutral position by the drive motor 5

図2(a)に示すように、弾性部材2の有効長がL1の状態では、出力ギア10の捩じれ変位(捩じれ角度)θと捩じれトルクTとの関係は、Kminの剛性特性となる。一方、弾性部材2の有効長をL2の状態では、捩じれ変位θと捩じれトルクTの関係はKmaxの剛性特性となる。このKminからKmaxまでの剛性特性を、超音波モータ6によって自由に変化させることができる。   As shown in FIG. 2A, in the state where the effective length of the elastic member 2 is L1, the relationship between the torsional displacement (twisting angle) θ of the output gear 10 and the torsional torque T is a stiffness characteristic of Kmin. On the other hand, in the state where the effective length of the elastic member 2 is L2, the relationship between the torsional displacement θ and the torsional torque T becomes a stiffness characteristic of Kmax. The rigidity characteristics from Kmin to Kmax can be freely changed by the ultrasonic motor 6.

図2(b)に示すように、図2(a)で示した剛性特性の中立位置O(捩じれ変位θと捩じれトルクTが0の交点)を、駆動モータ5によって、図2(b)中、θmからθnまでの範囲Δθで自由に移動させることができる。これにより、出力ギア10の捩じれトルクを所望の値に設定することが可能となる。   As shown in FIG. 2B, the neutral position O (intersection where the torsional displacement θ and the torsional torque T are 0) of the rigidity characteristic shown in FIG. , Θm to θn can be freely moved in the range Δθ. Thereby, the torsional torque of the output gear 10 can be set to a desired value.

図3は、本発明の第1実施形態に係る剛性可変駆動装置100の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図3(a)は、弾性部材2および捩じれを拘束する拘束部材13の斜視図であり、図3(b)は、拘束部分の断面図である。図4は、本発明の第1実施形態に係る剛性可変駆動装置100の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図4(a)は、弾性部材2および捩じれを拘束する拘束部材13の詳細図であり、図4(b)は拘束部分の断面図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention is minimized. FIG. 3A is a perspective view of the elastic member 2 and the restraining member 13 that restrains torsion, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the restraining portion. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention is maximized. 4A is a detailed view of the elastic member 2 and the restraining member 13 that restrains twisting, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the restraining portion.

図3及び図4に示すように、弾性部材2は、軸方向Yに直交する方向の断面における断面2次極モーメントが、先端部2aから軸方向Yに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材2の断面形状は、出力ギア10から軸方向Yに離れるに伴って断面2次極モーメントIp(断面積)が徐々に小さくなっている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the elastic member 2 has a shape in which a cross-sectional secondary pole moment in a cross section in a direction orthogonal to the axial direction Y decreases as the tip part 2 a moves away from the axial direction Y. That is, the cross-sectional secondary pole moment Ip (cross-sectional area) of the cross-sectional shape of the rod-shaped elastic member 2 gradually decreases as the bar-shaped elastic member 2 moves away from the output gear 10 in the axial direction Y.

弾性部材2の断面形状は、出力ギア10から最も離れた有効長がL1の位置では−字型であり、出力ギア10から最も近い位置の有効長がL2の位置では+字型になっている。   The cross-sectional shape of the elastic member 2 is negative when the effective length farthest from the output gear 10 is L1, and is positive when the effective length closest to the output gear 10 is L2. .

具体的に説明すると、弾性部材2は、外周に軸方向Yに延びて形成され、ローラ131,131に接触する第1被拘束面である被拘束面121、及びローラ132,132に接触する第2被拘束面である被拘束面122を有する。被拘束面121と被拘束面122とは互いに平行な平面である。   More specifically, the elastic member 2 is formed on the outer periphery so as to extend in the axial direction Y, and is a first constrained surface 121 that is in contact with the rollers 131 and 131 and a first surface that is in contact with the rollers 132 and 132. It has a constrained surface 122 that is two constrained surfaces. The restricted surface 121 and the restricted surface 122 are planes parallel to each other.

そして、被拘束面121,122のうち少なくとも一方、本第1実施形態では、両方の被拘束面121,122に、先端部2aから軸方向Yに離れるに連れて高さが低くなるリブ123,124が設けられている。   In the first embodiment, at least one of the restrained surfaces 121 and 122, both the restrained surfaces 121 and 122 are provided with ribs 123, the height of which decreases with increasing distance from the distal end portion 2a in the axial direction Y. 124 is provided.

各ローラ131,132は、伝達部材3に固定されたローラ軸131a,132aに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ131,132は、ローラ軸131a,132aを介して伝達部材3に回転自在に支持されている。   The rollers 131 and 132 are rotatably fitted to roller shafts 131a and 132a fixed to the transmission member 3. Accordingly, the rollers 131 and 132 are rotatably supported by the transmission member 3 via the roller shafts 131a and 132a.

伝達部材3に支持された2つのローラ131,131は、弾性部材2の被拘束面121に接触し、伝達部材3に支持された2つのローラ132,132は、弾性部材2の被拘束面122に接触しており、これらの接触位置で、弾性部材2の捩じれを拘束している。   The two rollers 131 and 131 supported by the transmission member 3 are in contact with the constrained surface 121 of the elastic member 2, and the two rollers 132 and 132 supported by the transmission member 3 are constrained by the constrained surface 122 of the elastic member 2. The elastic member 2 is restrained from being twisted at these contact positions.

図3では、弾性部材2を拘束したときの弾性部材2の有効長L1が最も大きく、さらに弾性部材2を拘束している位置の断面2次極モーメントIpが最も小さい。有効長Lを大きくする効果と断面2次極モーメントIpを小さくする両方の効果で、出力ギア10の捩じれ剛性を非常に小さくすることができる。   In FIG. 3, the effective length L1 of the elastic member 2 when the elastic member 2 is constrained is the largest, and the cross-sectional secondary pole moment Ip at the position where the elastic member 2 is constrained is the smallest. The torsional rigidity of the output gear 10 can be greatly reduced by both the effect of increasing the effective length L and the effect of reducing the cross-sectional secondary pole moment Ip.

一方、図4では、弾性部材2を拘束したときの弾性部材2の有効長L2が最も小さく、さらに弾性部材2を拘束している位置の断面2次極モーメントIpは最も大きい。有効長Lを小さくする効果と断面2次極モーメントIpを大きくする両方の効果で、出力ギア10の捩じれ剛性を非常に大きくすることができる。   On the other hand, in FIG. 4, the effective length L2 of the elastic member 2 when the elastic member 2 is constrained is the smallest, and the cross-sectional secondary pole moment Ip at the position where the elastic member 2 is constrained is the largest. The torsional rigidity of the output gear 10 can be greatly increased by both the effect of reducing the effective length L and the effect of increasing the sectional secondary pole moment Ip.

図5は、弾性部材2の有効長Lと捩じれ剛性Kとの関係を示す図である。図5中、曲線41は、本第1実施形態の弾性部材2の特性を示している。一方、曲点線42は、比較例として弾性部材に長手位置における断面2次極モーメントIpの値が減少している領域が無い構造の特性を示している。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the effective length L of the elastic member 2 and the torsional rigidity K. As shown in FIG. In FIG. 5, a curve 41 indicates the characteristic of the elastic member 2 of the first embodiment. On the other hand, the curved dotted line 42 shows a characteristic of a structure in which the elastic member does not have a region where the value of the cross-sectional secondary pole moment Ip in the longitudinal position is reduced as a comparative example.

図5に示すように、曲線41は、有効長L1と最小の捩じれ剛性Kminとの交点と、有効長L2と最大の捩れ剛性Kmaxとの交点を通る曲線となる。曲線41は、弾性部材に断面2次極モーメントIpの値が減少している領域を持たない構造の曲点線42と比較すると、図5中KIp(Ip減少分)の捩じれ剛性を小さくすることができる。従って、伝達部材3を有効長L1からL2までをスライドさせることで、出力ギア10の剛性を低剛性Kminから高剛性Kmaxまで連続的に幅広く変化させることが可能となる。 As shown in FIG. 5, the curve 41 is a curve that passes through the intersection of the effective length L1 and the minimum torsional rigidity Kmin and the intersection of the effective length L2 and the maximum torsional rigidity Kmax. Curve 41 reduces the torsional rigidity of K Ip (Ip decrease) in FIG. 5 when compared with a curved dotted line 42 having a structure in which the elastic member does not have a region where the value of the second-order secondary moment Ip is reduced. Can do. Therefore, by sliding the transmission member 3 from the effective length L1 to L2, it is possible to continuously and widely change the rigidity of the output gear 10 from the low rigidity Kmin to the high rigidity Kmax.

以上、本第1実施形態によれば、弾性部材2の有効長Lを変えることができるので、弾性部材2の先端部2aの捩じれ剛性を変化させることができる。また、弾性部材2は、断面2次極モーメントが先端部2aから離れるに連れて減少するので、拘束する部分の断面2次極モーメントに対応して捩じれ剛性を変化させることができる。したがって、大きな剛性可変を得ることができ、低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。   As described above, according to the first embodiment, since the effective length L of the elastic member 2 can be changed, the torsional rigidity of the distal end portion 2a of the elastic member 2 can be changed. Further, the elastic member 2 can change the torsional rigidity corresponding to the cross-sectional secondary pole moment of the portion to be constrained because the secondary cross-pole moment decreases with distance from the tip 2a. Accordingly, a large variable rigidity can be obtained, and a wide range of rigidity can be varied from low rigidity to high rigidity.

また、伝達部材3は、棒状の弾性部材2の捩じれを拘束しながら有効長を変化させるので、出力端である出力ギア10(つまり先端部2a)の捩じれ剛性を連続的に変化させることが可能となる。   Further, since the transmission member 3 changes the effective length while restraining the torsion of the rod-like elastic member 2, it is possible to continuously change the torsional rigidity of the output gear 10 (that is, the distal end portion 2 a) that is the output end. It becomes.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図6は、本発明の第2実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図7は、本発明の第2実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図6(a)は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図6(b)は、拘束部分の断面図である。図7(a)は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図7(b)は、拘束部分の断面図である。
[Second Embodiment]
Next, a variable stiffness drive apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus according to the second embodiment of the present invention is minimized. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus according to the second embodiment of the present invention is maximized. 6A is a perspective view of the elastic member and the restraining member, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the restraining portion. Fig.7 (a) is a perspective view of an elastic member and a restraint member, FIG.7 (b) is sectional drawing of a restraint part.

なお、本第2実施形態では、弾性部材及び拘束部材が上記第1実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第1実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。   In the second embodiment, the elastic member and the restraining member are different from those in the first embodiment, and other configurations are the same as those in the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations. The description is omitted.

本第2実施形態の弾性部材202は、軸方向Yに延びて形成され、軸線Gを中心に回転自在に軸受11(図1参照)に支持され、先端部202aから回転力を出力する。また、本第2実施形態の拘束部材213は、伝達部材3に設けられ、弾性部材202の一部分に接触して弾性部材202を拘束し、超音波モータ6(図1参照)の駆動により伝達部材3と一体に軸方向Yに移動する。これにより、拘束部材213は、弾性部材202に対する接触位置(拘束位置)が軸方向Yに移動する。   The elastic member 202 of the second embodiment is formed to extend in the axial direction Y, is supported by the bearing 11 (see FIG. 1) so as to be rotatable about the axis G, and outputs a rotational force from the distal end portion 202a. Further, the restraining member 213 of the second embodiment is provided on the transmission member 3, comes into contact with a part of the elastic member 202 to restrain the elastic member 202, and the transmission member is driven by driving the ultrasonic motor 6 (see FIG. 1). 3 in the axial direction Y. As a result, the contact position (restraint position) of the restraining member 213 with respect to the elastic member 202 moves in the axial direction Y.

弾性部材202は、図6及び図7に示すように、軸方向Yに直交する方向の断面における断面2次極モーメントが、先端部202aから軸方向Yに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材202の断面形状は、出力ギア10から軸方向Yに離れるに伴って断面2次極モーメントIp(断面積)が徐々に小さくなっている。   As shown in FIGS. 6 and 7, the elastic member 202 has a shape in which the cross-sectional secondary moment in a cross section perpendicular to the axial direction Y decreases as the tip part 202 a moves away in the axial direction Y. In other words, the cross-sectional secondary pole moment Ip (cross-sectional area) of the bar-shaped elastic member 202 gradually decreases as it moves away from the output gear 10 in the axial direction Y.

拘束部材213は、弾性部材202を挟むように伝達部材3に回転自在に支持された第1回転体としてのローラ231、及び第2回転体としてのローラ232を有している。各ローラ231,232は、伝達部材3に形成された嵌合穴32の開口端近傍に配置されている。そして、ローラ231とローラ232とは、弾性部材202を挟んで互いに対向して配置されている。   The restraining member 213 includes a roller 231 as a first rotating body and a roller 232 as a second rotating body that are rotatably supported by the transmission member 3 so as to sandwich the elastic member 202. Each of the rollers 231 and 232 is disposed in the vicinity of the opening end of the fitting hole 32 formed in the transmission member 3. The roller 231 and the roller 232 are disposed to face each other with the elastic member 202 interposed therebetween.

各ローラ231,232は、伝達部材3に固定されたローラ軸231a,232aに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ231,232は、ローラ軸231a,232aを介して伝達部材3に回転自在に支持されている。   The rollers 231 and 232 are rotatably fitted to roller shafts 231 a and 232 a fixed to the transmission member 3. Accordingly, the rollers 231 and 232 are rotatably supported by the transmission member 3 via the roller shafts 231a and 232a.

弾性部材202は、外周に軸方向Yに延びて形成され、ローラ231に接触する第1被拘束面である被拘束面221、及びローラ232に接触する第2被拘束面である被拘束面222を有する。被拘束面221と被拘束面222とは互いに平行な平面である。   The elastic member 202 is formed on the outer periphery so as to extend in the axial direction Y. The elastic member 202 is a restricted surface 221 that is a first restricted surface that contacts the roller 231 and a restricted surface 222 that is a second restricted surface that contacts the roller 232. Have The restrained surface 221 and the restrained surface 222 are planes parallel to each other.

伝達部材3に支持されたローラ231は、弾性部材202の被拘束面221に接触し、伝達部材3に支持されたローラ232は、弾性部材202の被拘束面222に接触しており、これらの接触位置で、弾性部材202の捩じれを拘束している。   The roller 231 supported by the transmission member 3 contacts the restrained surface 221 of the elastic member 202, and the roller 232 supported by the transmission member 3 contacts the restrained surface 222 of the elastic member 202. The twist of the elastic member 202 is restrained at the contact position.

本第2実施形態では、弾性部材202は、被拘束面221と被拘束面222との間の部分223が、先端部202aから軸方向Yに離れるに連れて薄肉となるように形成されている。このように肉厚を変化させることによっても、断面2次極モーメントを先端部202aから軸方向Yに離れるに連れて減少させることができる。   In the second embodiment, the elastic member 202 is formed such that the portion 223 between the constrained surface 221 and the constrained surface 222 becomes thinner as it moves away from the distal end portion 202a in the axial direction Y. . By changing the wall thickness in this way, the cross-sectional secondary pole moment can be reduced as the distance from the tip 202a in the axial direction Y increases.

以上、本第2実施形態によれば、弾性部材202の有効長を変えることができるので、弾性部材202の先端部202aの捩じれ剛性を変化させることができる。また、弾性部材202は、断面2次極モーメントが先端部202aから離れるに連れて減少するので、拘束する部分の断面2次極モーメントに対応して捩じれ剛性を変化させることができる。したがって、大きな剛性可変を得ることができ、低剛性から高剛性までの幅広い剛性可変が可能となる。   As described above, according to the second embodiment, since the effective length of the elastic member 202 can be changed, the torsional rigidity of the distal end portion 202a of the elastic member 202 can be changed. Further, since the elastic member 202 decreases as the cross-sectional secondary pole moment moves away from the tip end portion 202a, the torsional rigidity can be changed in accordance with the cross-sectional secondary pole moment of the portion to be constrained. Accordingly, a large variable rigidity can be obtained, and a wide range of rigidity can be varied from low rigidity to high rigidity.

また、伝達部材3は、棒状の弾性部材202の捩じれを拘束しながら有効長を変化させるので、出力端である出力ギア10(つまり先端部202a)の捩じれ剛性を連続的に変化させることが可能となる。   Further, since the transmission member 3 changes the effective length while restraining the torsion of the rod-like elastic member 202, it is possible to continuously change the torsional rigidity of the output gear 10 (that is, the distal end portion 202a) that is the output end. It becomes.

なお、弾性部材の断面2次極モーメントの値が出力ギア10から離れるに伴って減少するような構造であれば、弾性部材の外形は変わらず内部が中空である構造等で材料の肉厚が変化している弾性部材であっても同じ効果は得られる。   In addition, if the structure is such that the value of the cross-sectional secondary pole moment of the elastic member decreases as it moves away from the output gear 10, the outer shape of the elastic member does not change and the thickness of the material is such that the inside is hollow. The same effect can be obtained even with a changing elastic member.

[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図8は、本発明の第3実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図9は、本発明の第3実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図8(a)は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図8(b)は、拘束部分の断面図である。図9(a)は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図9(b)は、拘束部分の断面図である。
[Third Embodiment]
Next, a variable stiffness drive apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus according to the third embodiment of the present invention is minimized. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus according to the third embodiment of the present invention is maximized. FIG. 8A is a perspective view of the elastic member and the restraining member, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the restraining portion. FIG. 9A is a perspective view of the elastic member and the restraining member, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the restraining portion.

なお、本第3実施形態では、弾性部材及び拘束部材が上記第1実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第1実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。   In the third embodiment, the elastic member and the restraining member are different from those in the first embodiment, and other configurations are the same as those in the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations. The description is omitted.

本第3実施形態の弾性部材302は、軸方向Yに延びて形成され、軸線Gを中心に回転自在に軸受11(図1参照)に支持され、先端部302aから回転力を出力する。また、本第3実施形態の拘束部材313は、伝達部材3に設けられ、弾性部材302の一部分に接触して弾性部材302を拘束し、超音波モータ6(図1参照)の駆動により伝達部材3と一体に軸方向Yに移動する。これにより、拘束部材313は、弾性部材302に対する接触位置(拘束位置)が軸方向Yに移動する。   The elastic member 302 of the third embodiment is formed to extend in the axial direction Y, is supported by the bearing 11 (see FIG. 1) so as to be rotatable about the axis G, and outputs a rotational force from the distal end portion 302a. In addition, the restraining member 313 of the third embodiment is provided on the transmission member 3, comes into contact with a part of the elastic member 302 to restrain the elastic member 302, and the transmission member is driven by driving the ultrasonic motor 6 (see FIG. 1). 3 in the axial direction Y. Accordingly, the contact position (restraint position) of the restraining member 313 with respect to the elastic member 302 moves in the axial direction Y.

弾性部材302は、図8及び図9に示すように、軸方向Yに直交する方向の断面における断面2次極モーメントが、先端部302aから軸方向Yに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材302の断面形状は、出力ギア10から軸方向Yに離れるに伴って断面2次極モーメントIp(断面積)が徐々に小さくなっている。   As shown in FIGS. 8 and 9, the elastic member 302 has a shape in which a cross-sectional secondary pole moment in a cross section perpendicular to the axial direction Y decreases as the tip part 302 a moves away in the axial direction Y. In other words, the cross-sectional secondary pole moment Ip (cross-sectional area) of the bar-shaped elastic member 302 gradually decreases as the bar-shaped elastic member 302 moves away from the output gear 10 in the axial direction Y.

拘束部材313は、弾性部材302を挟むように伝達部材3に回転自在に支持された第1回転体としてのローラ部331、及び第2回転体としてのローラ部332を有している。各ローラ部331,332は、伝達部材3に形成された嵌合穴32の開口端近傍に配置されている。そして、ローラ部331とローラ部332とは、弾性部材302を挟んで互いに対向して配置されている。   The restraining member 313 includes a roller portion 331 as a first rotating body and a roller portion 332 as a second rotating body that are rotatably supported by the transmission member 3 so as to sandwich the elastic member 302. Each of the roller portions 331 and 332 is disposed in the vicinity of the opening end of the fitting hole 32 formed in the transmission member 3. The roller portion 331 and the roller portion 332 are disposed to face each other with the elastic member 302 interposed therebetween.

ローラ部331は、第1大ローラとしての大ローラ331aと、大ローラ331aの両側に配置された、大ローラ331aよりも小径の一対の第1小ローラとしての一対の小ローラ331b,331bと、からなる。これらローラ331a,331b,331bは、伝達部材3に固定されたローラ軸331cに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ331a,331b,331bは、ローラ軸331cを介して伝達部材3に回転自在に支持されている。   The roller portion 331 includes a large roller 331a as a first large roller, a pair of small rollers 331b and 331b as a pair of first small rollers having a smaller diameter than the large roller 331a, disposed on both sides of the large roller 331a, Consists of. These rollers 331a, 331b, and 331b are rotatably fitted to a roller shaft 331c fixed to the transmission member 3. Therefore, each roller 331a, 331b, 331b is rotatably supported by the transmission member 3 via the roller shaft 331c.

ローラ部332は、第2大ローラとしての大ローラ332aと、大ローラ332aの両側に配置された、大ローラ332aよりも小径の一対の第2小ローラとしての一対の小ローラ332b,332bと、からなる。これらローラ332a,332b,332bは、伝達部材3に固定されたローラ軸332cに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ332a,332b,332bは、ローラ軸331cを介して伝達部材3に回転自在に支持されている。   The roller section 332 includes a large roller 332a as a second large roller, a pair of small rollers 332b and 332b as a pair of second small rollers having a smaller diameter than the large roller 332a, disposed on both sides of the large roller 332a, Consists of. These rollers 332a, 332b, and 332b are rotatably fitted to a roller shaft 332c fixed to the transmission member 3. Accordingly, the rollers 332a, 332b, and 332b are rotatably supported by the transmission member 3 via the roller shaft 331c.

弾性部材302は、外周に軸方向Yに延びて形成され、ローラ部331に接触する第1被拘束面である被拘束面321、及びローラ部332に接触する第2被拘束面である被拘束面322を有する。   The elastic member 302 is formed to extend in the axial direction Y on the outer periphery, and is a restrained surface 321 that is a first restrained surface that contacts the roller portion 331 and a restrained surface that is a second restrained surface that contacts the roller portion 332. It has a surface 322.

被拘束面321は、軸方向Yに向かって第1端321aから中間部321cまでは、一対の小ローラ331b,331bに接触し、中間部321cから第2端321bまでは、大ローラ331aに接触するように段差を有して形成されている。第1端321aは、被拘束面321において先端部302aの近傍の端である。第2端321bは、被拘束面321において先端部302aに対して最も遠い端である。   The constrained surface 321 contacts the pair of small rollers 331b and 331b from the first end 321a to the intermediate portion 321c in the axial direction Y, and contacts the large roller 331a from the intermediate portion 321c to the second end 321b. As shown in FIG. The first end 321a is an end in the vicinity of the distal end portion 302a on the constrained surface 321. The second end 321b is the end farthest from the tip end portion 302a in the constrained surface 321.

被拘束面322は、軸方向Yに向かって第1端322aから中間部322cまでは、一対の小ローラ332b,332bに接触し、中間部322cから第2端322bまでは、大ローラ332aに接触するように段差を有して形成されている。第1端322aは、被拘束面322において先端部302aの近傍の端である。第2端322bは、被拘束面322において先端部302aに対して最も遠い端である。   The constrained surface 322 contacts the pair of small rollers 332b and 332b from the first end 322a to the intermediate portion 322c in the axial direction Y, and contacts the large roller 332a from the intermediate portion 322c to the second end 322b. As shown in FIG. The first end 322a is an end in the vicinity of the distal end portion 302a on the constrained surface 322. The second end 322b is the end farthest from the tip end portion 302a in the constrained surface 322.

具体的に説明すると、棒状の弾性部材2は、出力ギア10に近いLsの範囲では両端部が厚く中央部は薄いH字型の断面形状であり、この範囲の断面2次極モーメントIpの値は大きくなっている。一方、弾性部材2のLmの範囲では、−字型の断面形状であり、この範囲の断面2次極モーメントIpの値は、Lsの範囲よりも小さくなっている。   More specifically, the rod-like elastic member 2 has an H-shaped cross-sectional shape with a thick end portion and a thin central portion in the range of Ls close to the output gear 10, and the value of the cross-sectional secondary pole moment Ip in this range. Is getting bigger. On the other hand, in the range of Lm of the elastic member 2, the cross-sectional shape has a “−” shape, and the value of the cross-sectional secondary pole moment Ip in this range is smaller than the range of Ls.

つまり、弾性部材302は、Lsの範囲で一対の小ローラ331b,331bに接触する、被拘束面321の一部である一対の面351,351を有している。また、弾性部材302は、Lsの範囲で一対の小ローラ332b,332bに接触する、被拘束面322の一部である一対の面352,352を有している。また、弾性部材302は、Lmの範囲で大ローラ331aに接触する、被拘束面321の一部である面353と、Lmの範囲で大ローラ332aに接触する、被拘束面322の一部である面354と、を有している。   That is, the elastic member 302 has a pair of surfaces 351 and 351 that are part of the constrained surface 321 that contacts the pair of small rollers 331b and 331b in the range of Ls. The elastic member 302 has a pair of surfaces 352 and 352 that are part of the constrained surface 322 that contacts the pair of small rollers 332b and 332b in the range of Ls. The elastic member 302 includes a surface 353 that is a part of the constrained surface 321 that contacts the large roller 331a in the range of Lm and a part of the constrained surface 322 that contacts the large roller 332a in the range of Lm. And a certain surface 354.

合計6つのローラからなる拘束部材313のうち、2つの大ローラ331a,332aは、弾性部材302の−字型の断面形状の部分であるLmの範囲では弾性部材302の被拘束面321,322にWmの幅で接触し、弾性部材302の捩じれを拘束している。   The two large rollers 331a and 332a among the restraining members 313 composed of a total of six rollers are arranged on the restrained surfaces 321 and 322 of the elastic member 302 in the range of Lm, which is a negative cross-sectional portion of the elastic member 302. The contact is made with a width of Wm, and the twist of the elastic member 302 is restrained.

また、拘束部材313のうち、4つの小ローラ331b,332bは、弾性部材302のH字型の断面形状の部分であるLsの範囲では弾性部材302の被拘束面321,322の両側の部分にWsの幅で接触し、弾性部材302の捩じれを拘束している。   Of the restraining member 313, the four small rollers 331 b and 332 b are disposed on both sides of the restrained surfaces 321 and 322 of the elastic member 302 in the range of Ls, which is the H-shaped cross-sectional portion of the elastic member 302. The contact is made with the width of Ws, and the twist of the elastic member 302 is restrained.

以上、本第3実施形態では、直径の異なる複数のローラ331a,331b及びローラ332a,332bによって弾性部材302を拘束する構成である。このように、拘束する各ローラに直径差を持たせることで、弾性部材302の先端部302aに近い位置での断面2次極モーメントIpの値を、非常に大きくできる効果がある。これにより、最大剛性Kmaxを、図5で説明した第1実施形態の構成での値よりもさらに高い値に設定することが可能となる。従って、本第3実施形態の構成は、より高い最大剛性Kmaxの値が要求される仕様において有効である。   As described above, in the third embodiment, the elastic member 302 is constrained by the plurality of rollers 331a and 331b and the rollers 332a and 332b having different diameters. In this way, by providing each roller to be constrained with a diameter difference, there is an effect that the value of the cross-sectional secondary pole moment Ip at a position close to the distal end portion 302a of the elastic member 302 can be greatly increased. Thereby, the maximum stiffness Kmax can be set to a value higher than the value in the configuration of the first embodiment described with reference to FIG. Therefore, the configuration of the third embodiment is effective in specifications that require a higher value of the maximum stiffness Kmax.

また、本第3実施形態では、断面形状が変化した弾性部材302にそれぞれのローラ331a,331b,332a,332bが接触し捩じれを拘束する構成なので、弾性部材302の断面形状の変化に追従し接触させるための特別なローラ変位機構等が不要となる。よって、各ローラ331a,331b,332a,332bとローラ軸331c,332cを含めた伝達部材ユニット自体の剛性が低下することもない。   In the third embodiment, the rollers 331a, 331b, 332a, and 332b come into contact with the elastic member 302 whose cross-sectional shape has changed to restrain torsion, and therefore follow the change in the cross-sectional shape of the elastic member 302 to make contact. No special roller displacement mechanism or the like is required. Therefore, the rigidity of the transmission member unit itself including the rollers 331a, 331b, 332a, 332b and the roller shafts 331c, 332c is not lowered.

なお、本第3実施形態では、図8及び図9に示したように直径の異なる2種類ローラによって弾性部材302の捩じれを拘束する構成であるが、2種類以上の複数の外径の異なるローラを配置しても良い。   In the third embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the twist of the elastic member 302 is constrained by two types of rollers having different diameters. However, two or more types of rollers having different outer diameters are used. May be arranged.

[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態の剛性可変駆動装置について説明する。図10は、本発明の第4実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最小となる状態を示す説明図である。図11は、本発明の第4実施形態に係る剛性可変駆動装置の出力端の捩じれ剛性が最大となる状態を示す説明図である。図10(a)は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図10(b)は、拘束部分の断面図である。図11(a)は、弾性部材および拘束部材の斜視図であり、図11(b)は、拘束部分の断面図である。
[Fourth Embodiment]
Next, a variable stiffness drive apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus according to the fourth embodiment of the present invention is minimized. FIG. 11 is an explanatory diagram showing a state in which the torsional rigidity of the output end of the variable stiffness drive apparatus according to the fourth embodiment of the present invention is maximized. FIG. 10A is a perspective view of the elastic member and the restraining member, and FIG. 10B is a cross-sectional view of the restraining portion. FIG. 11A is a perspective view of the elastic member and the restraining member, and FIG. 11B is a cross-sectional view of the restraining portion.

なお、本第4実施形態では、弾性部材及び拘束部材が上記第1実施形態と異なり、それら以外の構成は、上記第1実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。   In the fourth embodiment, the elastic member and the restraining member are different from those in the first embodiment, and other configurations are the same as those in the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations. The description is omitted.

本第4実施形態の弾性部材402は、軸方向Yに延びて形成され、軸線Gを中心に回転自在に軸受11(図1参照)に支持され、先端部402aから回転力を出力する。この弾性部材402は、先端部402aから離れるに連れて細くなる円錐台形状をした棒状に形成されている。また、本第4実施形態の拘束部材413は、伝達部材3に設けられ、弾性部材402の一部分に接触して弾性部材402を拘束し、超音波モータ6(図1参照)の駆動により伝達部材3と一体に軸方向Yに移動する。これにより、拘束部材413は、弾性部材402に対する接触位置(拘束位置)が軸方向Yに移動する。   The elastic member 402 of the fourth embodiment is formed to extend in the axial direction Y, is supported by the bearing 11 (see FIG. 1) so as to be rotatable about the axis G, and outputs a rotational force from the distal end portion 402a. The elastic member 402 is formed in the shape of a rod having a truncated cone shape that becomes thinner as it moves away from the tip end portion 402a. Further, the restraining member 413 of the fourth embodiment is provided on the transmission member 3, comes into contact with a part of the elastic member 402 to restrain the elastic member 402, and the transmission member is driven by driving the ultrasonic motor 6 (see FIG. 1). 3 in the axial direction Y. Accordingly, the contact position (restraint position) of the restraining member 413 with respect to the elastic member 402 moves in the axial direction Y.

弾性部材402は、図10及び図11に示すように、軸方向Yに直交する方向の断面における断面2次極モーメントが、先端部402aから軸方向Yに離れるに連れて減少する形状である。つまり、棒状の弾性部材402の断面形状は、出力ギア10から軸方向Yに離れるに伴って断面2次極モーメントIp(断面積)が徐々に小さくなっている。   As shown in FIGS. 10 and 11, the elastic member 402 has a shape in which the secondary secondary moment in a cross section in the direction orthogonal to the axial direction Y decreases as it moves away from the distal end portion 402 a in the axial direction Y. In other words, the cross-sectional secondary pole moment Ip (cross-sectional area) of the bar-shaped elastic member 402 gradually decreases as it moves away from the output gear 10 in the axial direction Y.

弾性部材402には、軸方向Yと直交する方向に貫通する貫通穴420が形成されている。この貫通穴420は、軸方向Yに延びる長穴状に形成されている。貫通穴420は、軸方向Yに延びる、互いに対向する一対の被拘束面421,422を有している。   A through hole 420 is formed in the elastic member 402 so as to penetrate in a direction orthogonal to the axial direction Y. The through hole 420 is formed in a long hole shape extending in the axial direction Y. The through-hole 420 has a pair of constrained surfaces 421 and 422 that extend in the axial direction Y and face each other.

拘束部材413は、一対の被拘束面421,422に接触するように貫通穴420に挿通して設けられた円筒体としてのローラ部431を有している。ローラ部431は、伝達部材3に形成された嵌合穴32の開口端近傍に配置されている。   The restraining member 413 has a roller portion 431 as a cylindrical body that is provided by being inserted through the through hole 420 so as to contact the pair of restrained surfaces 421 and 422. The roller portion 431 is disposed in the vicinity of the opening end of the fitting hole 32 formed in the transmission member 3.

ローラ部431は、小円筒部としての小ローラ431aと、小ローラ431aの両側に配置された、小ローラ431aよりも大径の一対の大円筒部としての一対の大ローラ431b,431bと、からなる。これらローラ431a,431b,431bは、伝達部材3に固定されたローラ軸431cに回転自在に嵌合している。したがって、各ローラ431a,431b,431bは、ローラ軸431cを介して伝達部材3に回転自在に支持されている。   The roller portion 431 includes a small roller 431a serving as a small cylindrical portion, and a pair of large rollers 431b and 431b serving as a pair of large cylindrical portions having a larger diameter than the small roller 431a disposed on both sides of the small roller 431a. Become. These rollers 431a, 431b, and 431b are rotatably fitted to a roller shaft 431c fixed to the transmission member 3. Therefore, each roller 431a, 431b, 431b is rotatably supported by the transmission member 3 via the roller shaft 431c.

被拘束面421は、軸方向Yに向かって第1端421aから中間部421cまでは、一対の大ローラ431b,431bに接触し、中間部421cから第2端421bまでは、小ローラ431aに接触するように段差を有して形成されている。第1端421aは、被拘束面421において先端部402aの近傍の端である。第2端421bは、被拘束面421において先端部402aに対して最も遠い端である。   In the axial direction Y, the constrained surface 421 contacts the pair of large rollers 431b and 431b from the first end 421a to the intermediate portion 421c, and contacts the small roller 431a from the intermediate portion 421c to the second end 421b. As shown in FIG. The first end 421a is an end in the vicinity of the distal end portion 402a on the constrained surface 421. The second end 421b is the end farthest from the tip end portion 402a in the constrained surface 421.

被拘束面422は、軸方向Yに向かって第1端422aから中間部422cまでは、一対の大ローラ431b,431bに接触し、中間部422cから第2端422bまでは、小ローラ431aに接触するように段差を有して形成されている。第1端422aは、被拘束面422において先端部402aの近傍の端である。第2端422bは、被拘束面422において先端部402aに対して最も遠い端である。   In the axial direction Y, the constrained surface 422 contacts the pair of large rollers 431b and 431b from the first end 422a to the intermediate portion 422c, and contacts the small roller 431a from the intermediate portion 422c to the second end 422b. As shown in FIG. The first end 422a is an end in the vicinity of the distal end portion 402a on the constrained surface 422. The second end 422b is the end farthest from the tip end portion 402a in the constrained surface 422.

つまり、弾性部材402は、Lsの範囲で一対の大ローラ431b,431bに接触する、被拘束面421の一部である一対の面451,451と、被拘束面422の一部である一対の面452,452と、を有している。また、弾性部材402は、Lmの範囲で小ローラ431aに接触する、被拘束面421の一部である面453と、被拘束面422の一部である面454と、を有している。   That is, the elastic member 402 is in contact with the pair of large rollers 431b and 431b in the range of Ls, and a pair of surfaces 451 and 451 that are a part of the constrained surface 421 and a pair of the constrained surface 422. And surfaces 452 and 452. In addition, the elastic member 402 has a surface 453 that is a part of the constrained surface 421 and a surface 454 that is a part of the constrained surface 422 that are in contact with the small roller 431a within a range of Lm.

具体的に説明すると、小ローラ431aは、弾性部材402の被拘束面421,422にWmの幅で接触し、弾性部材402の捩じれを拘束している。また、大ローラ431b,431bは、弾性部材402の被拘束面421,422にWsの幅で接触し、弾性部材402の捩じれを拘束している。   Specifically, the small roller 431a contacts the restrained surfaces 421 and 422 of the elastic member 402 with a width of Wm, and restrains the twisting of the elastic member 402. Further, the large rollers 431b and 431b are in contact with the restrained surfaces 421 and 422 of the elastic member 402 with a width of Ws to restrain the twisting of the elastic member 402.

以上、本第4実施形態でも上記第3実施形態と同様に、弾性部材402の先端部402aに近い位置での断面2次極モーメントIpの値を非常に大きくすることができる。従って、出力ギア10(先端部402a)の最大剛性を大きく設定することが可能となる。   As described above, also in the fourth embodiment, similarly to the third embodiment, the value of the cross-sectional secondary pole moment Ip at a position close to the distal end portion 402a of the elastic member 402 can be extremely increased. Accordingly, the maximum rigidity of the output gear 10 (tip portion 402a) can be set large.

なお、本第4実施形態では、図10及び図11に示したように直径の異なる2種類ローラによって弾性部材402の捩じれを拘束する構成であるが、2種類以上の複数の外径の異なるローラを配置しても良い。   In the fourth embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, the twisting of the elastic member 402 is constrained by two types of rollers having different diameters. However, two or more types of rollers having different outer diameters are used. May be arranged.

[第5実施形態]
次に、第5実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図12は、第5実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図12(a)は関節駆動機構の上面図、図12(b)は関節駆動機構の側面図を示している。本第5実施形態の関節駆動機構は、ロボットアーム5000であり、第1リンクであるリンク51と、第2リンクであるリンク52と、基体53と、を備えている。リンク51の一端は基体53に固定されている。リンク51の他端とリンク52の一端とは関節Jで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク51の他端には、軸受54が固定され、リンク52の一端には、軸受54に回転可能に支持された軸55が固定されている。この軸55の一端には、傘歯車である関節ギア56が接続されている。
[Fifth Embodiment]
Next, the joint drive mechanism provided with the variable stiffness drive apparatus according to the fifth embodiment will be described. FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a joint drive mechanism including the variable stiffness drive device according to the fifth embodiment. 12A is a top view of the joint drive mechanism, and FIG. 12B is a side view of the joint drive mechanism. The joint drive mechanism of the fifth embodiment is a robot arm 5000, and includes a link 51 that is a first link, a link 52 that is a second link, and a base 53. One end of the link 51 is fixed to the base 53. The other end of the link 51 and one end of the link 52 are connected by a joint J so as to be rotatable. Specifically, a bearing 54 is fixed to the other end of the link 51, and a shaft 55 rotatably supported by the bearing 54 is fixed to one end of the link 52. A joint gear 56 that is a bevel gear is connected to one end of the shaft 55.

本第5実施形態では、ロボットアーム5000は、関節Jを駆動する、上記第1実施形態の剛性可変駆動装置100を備えており、剛性可変駆動装置100は、基体53に固定されている。   In the fifth embodiment, the robot arm 5000 includes the variable stiffness drive apparatus 100 of the first embodiment that drives the joint J, and the variable stiffness drive apparatus 100 is fixed to the base 53.

剛性可変駆動装置100の出力ギア10は、傘歯車であり、関節ギア56に噛合している。よって、出力ギア10が回転すると、関節ギア56が軸受54を中心に回転し、リンク52が軸受54を中心に旋回する。剛性可変駆動装置100の駆動モータ5は、制御回路(不図示)で駆動トルクを制御されている。また、剛性可変駆動装置100の超音波モータ6も他の制御回路(不図示)で捩れモーメントを制御されている。これらの制御回路でリンク52を駆動している。   The output gear 10 of the variable stiffness drive apparatus 100 is a bevel gear and meshes with the joint gear 56. Therefore, when the output gear 10 rotates, the joint gear 56 rotates around the bearing 54 and the link 52 turns around the bearing 54. The drive torque of the drive motor 5 of the variable stiffness drive apparatus 100 is controlled by a control circuit (not shown). Also, the torsional moment of the ultrasonic motor 6 of the variable stiffness drive apparatus 100 is controlled by another control circuit (not shown). The link 52 is driven by these control circuits.

図12(b)には、リンク52を駆動モータ5の駆動により関節角度θpの位置に旋回させた状態である。この関節角度θpの位置で超音波モータ6を駆動させ、伝達部材3をスライドさせることで、出力ギア10の捩れモーメントを自由に変えることができる。このように駆動モータ5による関節角度と、超音波モータ6による関節Jまわりの捩れ剛性をそれぞれ独立して制御することができる。   FIG. 12B shows a state in which the link 52 is turned to the position of the joint angle θp by driving the drive motor 5. The torsional moment of the output gear 10 can be freely changed by driving the ultrasonic motor 6 at the position of the joint angle θp and sliding the transmission member 3. In this way, the joint angle by the drive motor 5 and the torsional rigidity around the joint J by the ultrasonic motor 6 can be controlled independently.

本第5実施形態によれば、リンク52の関節Jまわりの捩れ剛性を関節角度に関係なく、低剛性から高剛性まで自由に設定でき、ダイナミックな動作と高い位置決め動作の両立が可能となる。   According to the fifth embodiment, the torsional rigidity of the link 52 around the joint J can be freely set from low rigidity to high rigidity regardless of the joint angle, and both dynamic operation and high positioning operation can be achieved.

[第6実施形態]
次に、第6実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図13は、第6実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図13(a)は関節駆動機構の上面図、図13(b)は関節駆動機構の側面図を示している。本第6実施形態の関節駆動機構は、ロボットアーム6000であり、第1リンクであるリンク51と、第2リンクであるリンク52と、基体53と、を備えている。リンク51の一端は基体53に固定されている。リンク51の他端とリンク52の一端とは関節Jで旋回可能に連結されている。具体的に説明すると、リンク51の他端には、軸受54が固定され、リンク52の一端には、軸受54に回転可能に支持された軸55が固定されている。この軸55の両端には、傘歯車である関節ギア56,56が接続されている。
[Sixth Embodiment]
Next, the joint drive mechanism provided with the variable stiffness drive apparatus according to the sixth embodiment will be described. FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a joint drive mechanism including the variable stiffness drive device according to the sixth embodiment. FIG. 13A shows a top view of the joint drive mechanism, and FIG. 13B shows a side view of the joint drive mechanism. The joint drive mechanism of the sixth embodiment is a robot arm 6000, and includes a link 51 that is a first link, a link 52 that is a second link, and a base 53. One end of the link 51 is fixed to the base 53. The other end of the link 51 and one end of the link 52 are connected by a joint J so as to be rotatable. Specifically, a bearing 54 is fixed to the other end of the link 51, and a shaft 55 rotatably supported by the bearing 54 is fixed to one end of the link 52. At both ends of the shaft 55, joint gear 56 1, 56 2 are connected a bevel gear.

本第6実施形態では、ロボットアーム6000は、関節Jを駆動する、上記第1実施形態の2つの剛性可変駆動装置100,100を備えており、剛性可変駆動装置100,100は、基体53に固定されている。2つの剛性可変駆動装置100,100は、同一特性であり、関節Jに拮抗配置されている。つまり、2つの剛性可変駆動装置100,100は、リンク51の両側に配置されている。 In the sixth embodiment, the robot arm 6000 includes the two variable stiffness drive devices 100 1 and 100 2 of the first embodiment that drive the joint J. The variable stiffness drive devices 100 1 and 100 2 are The base 53 is fixed. The two variable stiffness drive devices 100 1 , 100 2 have the same characteristics and are antagonistically arranged at the joint J. That is, the two variable stiffness drive devices 100 1 and 100 2 are disposed on both sides of the link 51.

剛性可変駆動装置100の出力ギア10は、傘歯車であり、関節ギア56に噛合している。また、剛性可変駆動装置100の出力ギア10は、傘歯車であり、関節ギア56に噛合している。剛性可変駆動装置100,100の軸受54まわりの構成は、上記第5実施形態と同様であり、説明を省略する。 Output gear 10 1 of a rigid variable drive apparatus 100 1 is a bevel gear meshes with the joint gear 56 1. Further, the output gear 10 and second rigid variable drive device 100 2 is a bevel gear meshes with the joint gear 56 2. The configuration around the bearing 54 of the stiffness variable driving devices 100 1 and 100 2 is the same as that of the fifth embodiment, and the description thereof is omitted.

拮抗配置した剛性可変駆動装置100,100によって、関節ギア56,56を同じ方向に駆動すると、剛性可変駆動装置100,100の駆動トルクの和を、リンク52に与えることができる。 By a rigid variable drive apparatus 100 1, 100 2 antagonized arrangement, when driving the joint gear 56 1, 56 2 in the same direction, the rigidity changing drive device 100 1, 100 2 sum of the driving torque, is possible to give to the link 52 it can.

また、剛性可変駆動装置100,100によって関節ギア56,56を互いに逆方向に駆動すると、剛性可変駆動装置100,100の駆動トルクの差を、リンク52に与えることができる。 Further, when the rigidity changing drive device 100 1, 100 2 drives the joint gear 56 1, 56 2 in opposite directions, the difference in the driving torque of the rigid variable drive apparatus 100 1, 100 2, may be provided to link 52 .

剛性可変駆動装置100,100の駆動トルクに差を持たせてリンク52を駆動すると、出力ギア10,10と関節ギア56,56とのバックラッシュ(ギア間のガタ)小さくすることができる。 The rigidity variable drive apparatus 100 1, 100 2 made to have a difference in driving torque for driving the link 52, backlash (play between the gears) and the output gear 10 1, 10 2 and the joint gear 56 1, 56 2 small can do.

これにより目標位置に対する高い位置決めが可能となる。このように本第4実施形態では、2つの剛性可変駆動装置100,100を拮抗配置することで、大きな関節駆動トルクと更に高い位置決め動作が可能となる。 Thereby, high positioning with respect to the target position becomes possible. As described above, in the fourth embodiment, by arranging the two stiffness variable drive devices 100 1 and 100 2 in an antagonistic manner, a large joint drive torque and a higher positioning operation can be performed.

[第7実施形態]
次に、第7実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構について説明する。図14は、第7実施形態における剛性可変駆動装置を備えた関節駆動機構の概略構成を示す説明図である。図14(a)は関節駆動機構の側面図、図14(b)は関節駆動機構の正面図を示している。本第7実施形態の関節駆動機構は、パワーアシスト装置7000であり、第1リンクであるリンク701と、第2リンクであるリンク702と、を備えている。リンク701の一端とリンク702の一端とが関節Jで旋回可能に連結されている。
[Seventh Embodiment]
Next, the joint drive mechanism provided with the variable stiffness drive apparatus according to the seventh embodiment will be described. FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a joint drive mechanism including the variable stiffness drive device according to the seventh embodiment. FIG. 14A is a side view of the joint drive mechanism, and FIG. 14B is a front view of the joint drive mechanism. The joint drive mechanism according to the seventh embodiment is a power assist device 7000, and includes a link 701 that is a first link and a link 702 that is a second link. One end of the link 701 and one end of the link 702 are connected by a joint J so as to be able to turn.

具体的に説明すると、リンク701の一端には、軸受704が固定され、リンク702の一端には、軸受704に回転可能に支持された傘歯車である関節ギア703が固定されている。   More specifically, a bearing 704 is fixed to one end of the link 701, and a joint gear 703 that is a bevel gear rotatably supported by the bearing 704 is fixed to one end of the link 702.

本第7実施形態では、パワーアシスト装置3000は、関節Jを駆動する、上記第1実施形態の剛性可変駆動装置100を備えており、剛性可変駆動装置100は、リンク701に固定されている。   In the seventh embodiment, the power assist device 3000 includes the variable stiffness drive device 100 of the first embodiment that drives the joint J, and the variable stiffness drive device 100 is fixed to the link 701.

剛性可変駆動装置100の出力ギア10は、傘歯車であり、関節ギア703に噛合している。よって、出力ギア10が回転すると、関節ギア703が軸受704を中心に回転し、リンク702が軸受704を中心に旋回する。   The output gear 10 of the variable stiffness drive apparatus 100 is a bevel gear and meshes with the joint gear 703. Therefore, when the output gear 10 rotates, the joint gear 703 rotates around the bearing 704 and the link 702 turns around the bearing 704.

パワーアシスト装置7000は、人体Hの下肢部に装着される。リンク701は、人体Hの大腿Hcの部分に配置されて、ベルト705で大腿Hcに固定される。リンク702は、人体Hの下腿Haの部分に配置されて、ベルト706で下腿Haに固定される。   The power assist device 7000 is attached to the lower limb of the human body H. The link 701 is disposed on the thigh Hc portion of the human body H, and is fixed to the thigh Hc with a belt 705. The link 702 is disposed on the lower leg Ha of the human body H and is fixed to the lower leg Ha with a belt 706.

剛性可変駆動装置100の弾性部材2は、大腿Hcと並行して配置されている。弾性部材2の有効長を変えることで関節ギア703まわりのトルクおよび剛性を可変する。これにより膝関節Hbまわりの関節トルクを補助する構成となっている。そして、剛性可変駆動装置100は、リンク702を旋回させることで、下腿Haへ駆動力を伝達することができる。   The elastic member 2 of the variable stiffness drive apparatus 100 is disposed in parallel with the thigh Hc. By changing the effective length of the elastic member 2, the torque and rigidity around the joint gear 703 are varied. Accordingly, the joint torque around the knee joint Hb is assisted. The variable stiffness drive device 100 can transmit the driving force to the lower leg Ha by turning the link 702.

剛性可変駆動装置100の駆動モータ5と超音波モータ6も上記第5実施形態で説明した制御回路(不図示)によって駆動される。   The drive motor 5 and the ultrasonic motor 6 of the variable stiffness drive apparatus 100 are also driven by the control circuit (not shown) described in the fifth embodiment.

以下、膝関節の屈伸動作を例に説明する。図14(a)のような膝関節Hbが比較的伸びた姿勢から深く折れ曲げるような動作では、超音波モータ6によって出力ギア10を低剛性にした状態で駆動モータ5の駆動力によって膝関節Hbを折り曲げ運動へ導く。このとき、人体Hの重力等で出力ギア10に外力が働いている。同時に、駆動モータ5の駆動は、回転軸4(図1参照)の回転をロック、または出力ギア10に働いている外力に対抗する方向のブレーキが働く駆動トルクで回転する。すると、駆動モータ5の駆動トルクと外力による出力ギア10のトルクとの差で弾性部材2に捩れの変位が発生する。つまり、弾性部材2に捩れのエネルギーが蓄積させるのである。   Hereinafter, an explanation will be given by taking the knee joint flexion and extension as an example. In the operation in which the knee joint Hb is bent deeply from the relatively extended posture as shown in FIG. 14A, the knee joint is driven by the driving force of the drive motor 5 while the output gear 10 is made to have low rigidity by the ultrasonic motor 6. Lead Hb to the bending motion. At this time, an external force is acting on the output gear 10 due to the gravity of the human body H or the like. At the same time, the drive motor 5 is driven by a drive torque that works to lock the rotation of the rotating shaft 4 (see FIG. 1) or to act as a brake against the external force acting on the output gear 10. Then, torsional displacement occurs in the elastic member 2 due to the difference between the drive torque of the drive motor 5 and the torque of the output gear 10 due to external force. That is, torsional energy is accumulated in the elastic member 2.

次に、膝関節Hbを折曲げた姿勢から超音波モータ6によって弾性部材2の有効長Lを短くして捩れ剛性を高めると、さらに蓄積された弾性部材2の捩れエネルギーを増加させることができる。膝関節Hbを伸ばして短い時間に飛び跳ねる瞬発的動作時には、駆動モータ5による駆動と共にこの増加させた捩れ蓄積エネルギーを開放させることで俊敏でダイナミックな動きが可能となる。   Next, when the effective length L of the elastic member 2 is shortened by the ultrasonic motor 6 from the posture in which the knee joint Hb is bent and the torsional rigidity is increased, the accumulated twisting energy of the elastic member 2 can be increased. . When the knee joint Hb is stretched and jumps in a short time, an agile and dynamic movement is possible by releasing the increased torsional accumulated energy while being driven by the drive motor 5.

また、比較的ゆっくりした歩行動作では、着地する時、超音波モータ6によって中間程度の捩れ剛性にする。これにより弾性部材2によって着地の衝撃を吸収することができる。駆動モータ5の駆動によって地面を蹴り上げた後には超音波モータ6によって出力ギア10を最小の剛性にすることで自然で違和感のない歩行動作が得られる。   Further, in a relatively slow walking motion, the torsional rigidity is set to an intermediate level by the ultrasonic motor 6 when landing. Thereby, the impact of landing can be absorbed by the elastic member 2. After kicking up the ground by driving the drive motor 5, the ultrasonic motor 6 makes the output gear 10 the minimum rigidity so that a natural and uncomfortable walking motion can be obtained.

また、剛性可変駆動装置100は出力ギア10の捩れ剛性と駆動トルクを連動させて自由に変えることができるので、個人差のある人体の脚力および複雑な姿勢に対応した適切なパワーアシストが可能となる。本第7実施形態では、人体の膝関節まわりのパワーアシスト装置の構成であるが、人体および生物の上肢等の他の関節部位にも適用しても良い。   In addition, since the variable stiffness drive apparatus 100 can freely change the torsional rigidity and the drive torque of the output gear 10 in conjunction with each other, it is possible to perform appropriate power assist corresponding to the human body's leg strength and complicated posture. Become. In the seventh embodiment, the power assist device is configured around the knee joint of the human body, but may be applied to other joint parts such as the upper limbs of the human body and the living body.

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.

上記第5〜第7実施形態では、剛性可変駆動装置が上記第1実施形態の剛性可変駆動装置100である場合について説明したが、上記第2〜第4実施形態の剛性可変駆動装置であってもよい。   In the fifth to seventh embodiments, the case where the variable stiffness drive apparatus is the variable stiffness drive apparatus 100 of the first embodiment has been described. However, the variable stiffness drive apparatus of the second to fourth embodiments is described. Also good.

また、上記第5〜第7実施形態では、剛性可変駆動装置がロボットアームやパワーアシスト装置に適用される場合について説明したが、これに限定するものではなく、他のロボット、例えば、脚式ロボットや介護用ロボット等に適用することも可能である。   In the fifth to seventh embodiments, the case where the variable stiffness drive device is applied to a robot arm or a power assist device has been described. However, the present invention is not limited to this, and other robots such as legged robots are used. It can also be applied to nursing robots.

また、上記第1〜第4実施形態では、伝達部材駆動部として、リング型の超音波モータを用いた場合について説明したが、電磁式のモータやソレノイドを用いても良い。   In the first to fourth embodiments, the case where a ring type ultrasonic motor is used as the transmission member drive unit has been described. However, an electromagnetic motor or a solenoid may be used.

2…弾性部材、2a…先端部、3…伝達部材、4…回転軸、5…駆動モータ(回転駆動部)、6…超音波モータ(伝達部材駆動部)、13…拘束部材、32…嵌合穴、100…剛性可変駆動装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Elastic member, 2a ... Tip part, 3 ... Transmission member, 4 ... Rotary shaft, 5 ... Drive motor (rotation drive part), 6 ... Ultrasonic motor (transmission member drive part), 13 ... Restraint member, 32 ... Fitting Joint hole, 100 ... variable stiffness drive

Claims (9)

軸方向に延びて形成され、軸線を中心に回転自在に支持され、先端部から回転力を出力する弾性部材と、
回転駆動部と、
前記回転駆動部の駆動により回転する回転軸と、
前記軸方向にスライド自在に前記弾性部材に嵌合する嵌合穴が形成され、前記回転軸と一体に回転して前記弾性部材に前記回転軸の回転力を伝達する伝達部材と、
前記伝達部材を前記軸方向に駆動する伝達部材駆動部と、
前記伝達部材に設けられ、前記弾性部材の一部分に接触して前記弾性部材を拘束し、前記伝達部材駆動部の駆動により前記伝達部材と一体に前記軸方向に移動して、前記弾性部材に対する接触位置が前記軸方向に移動する拘束部材と、を備え、
前記弾性部材は、前記軸方向に直交する方向の断面における断面2次極モーメントが前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて減少する形状であることを特徴とする剛性可変駆動装置。
An elastic member that extends in the axial direction, is supported rotatably about the axis, and outputs a rotational force from the tip;
A rotation drive unit;
A rotating shaft that rotates by driving the rotation driving unit;
A fitting member that is formed to be fitted into the elastic member so as to be slidable in the axial direction, and that rotates integrally with the rotating shaft to transmit the rotational force of the rotating shaft to the elastic member;
A transmission member driving section for driving the transmission member in the axial direction;
The elastic member is provided on the transmission member, contacts the elastic member and restrains the elastic member, and moves in the axial direction integrally with the transmission member by driving the transmission member driving unit to contact the elastic member. A restraining member whose position moves in the axial direction,
The elastic variable drive device according to claim 1, wherein the elastic member has a shape in which a secondary secondary moment in a cross section in a direction orthogonal to the axial direction decreases with increasing distance from the distal end in the axial direction.
前記拘束部材は、前記弾性部材を挟むように前記伝達部材に回転自在に支持された第1回転体及び第2回転体を有することを特徴とする請求項1に記載の剛性可変駆動装置。   2. The variable stiffness drive apparatus according to claim 1, wherein the restraining member includes a first rotating body and a second rotating body that are rotatably supported by the transmission member so as to sandwich the elastic member. 前記弾性部材は、外周に前記軸方向に延びて形成され、前記第1回転体に接触する第1被拘束面及び前記第2回転体に接触する第2被拘束面を有することを特徴とする請求項2に記載の剛性可変駆動装置。   The elastic member has a first constrained surface that contacts the first rotating body and a second constrained surface that contacts the second rotating body. The rigidity variable drive device according to claim 2. 前記第1被拘束面及び前記第2被拘束面のうち少なくとも一方には、前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて高さが低くなるリブが形成されていることを特徴とする請求項3に記載の剛性可変駆動装置。   The rib which becomes low as it leaves | separates from the said front-end | tip part to the said axial direction is formed in at least one of the said 1st to-be-restrained surface and the said 2nd to-be-restrained surface. 4. The variable stiffness drive device according to 3. 前記弾性部材は、前記第1被拘束面と前記第2被拘束面との間の部分が、前記先端部から前記軸方向に離れるに連れて薄肉に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の剛性可変駆動装置。   The elastic member is characterized in that a portion between the first constrained surface and the second constrained surface is formed thin as the distance from the tip portion in the axial direction increases. 4. The variable stiffness drive device according to 3. 前記第1回転体は、第1大ローラと、前記第1大ローラの両側に配置された、前記第1大ローラよりも小径の一対の第1小ローラと、を有し、
前記第2回転体は、第2大ローラと、前記第2大ローラの両側に配置された、前記第2大ローラよりも小径の一対の第2小ローラと、を有し、
前記第1被拘束面は、前記軸方向に向かって前記先端部の近傍の第1端から中間部までは、前記一対の第1小ローラに接触し、前記中間部から前記先端部に対して最も遠い第2端までは、前記第1大ローラに接触するように段差を有して形成され、
前記第2被拘束面は、前記軸方向に向かって前記第1端から前記中間部までは、前記一対の第2小ローラに接触し、前記中間部から前記第2端までは、前記第2大ローラに接触するように段差を有して形成されていることを特徴とする請求項3に記載の剛性可変駆動装置。
The first rotating body includes a first large roller and a pair of first small rollers disposed on both sides of the first large roller and having a smaller diameter than the first large roller,
The second rotating body includes a second large roller and a pair of second small rollers disposed on both sides of the second large roller and having a smaller diameter than the second large roller,
The first constrained surface is in contact with the pair of first small rollers from the first end to the intermediate portion in the vicinity of the tip portion in the axial direction, and from the intermediate portion to the tip portion. The farthest second end is formed with a step so as to contact the first large roller,
The second constrained surface is in contact with the pair of second small rollers from the first end to the intermediate portion in the axial direction, and from the intermediate portion to the second end, the second 4. The variable stiffness drive device according to claim 3, wherein the rigidity variable drive device is formed with a step so as to contact the large roller.
前記弾性部材には、前記軸方向に延びる一対の被拘束面を有し、前記軸方向と直交する方向に貫通する貫通穴が形成され、
前記拘束部材は、前記一対の被拘束面に接触するように前記貫通穴に挿通して設けられた円筒体であることを特徴とする請求項1に記載の剛性可変駆動装置。
The elastic member has a pair of constrained surfaces extending in the axial direction, and a through hole penetrating in a direction orthogonal to the axial direction is formed.
2. The variable stiffness drive device according to claim 1, wherein the restraining member is a cylindrical body provided to be inserted through the through hole so as to contact the pair of restrained surfaces.
前記円筒体は、小円筒部と、前記小円筒部の両側に配置された、前記小円筒部よりも大径の一対の大円筒部と、を有し、
前記一対の被拘束面は、前記軸方向に向かって前記先端部の近傍の第1端から中間部までは、前記一対の大円筒部に接触し、前記中間部から前記先端部に対して最も遠い第2端までは、前記小円筒部に接触するように段差を有して形成されていることを特徴とする請求項7に記載の剛性可変駆動装置。
The cylindrical body has a small cylindrical portion and a pair of large cylindrical portions disposed on both sides of the small cylindrical portion and having a larger diameter than the small cylindrical portion,
The pair of constrained surfaces are in contact with the pair of large cylindrical portions from the first end to the middle portion in the vicinity of the tip portion in the axial direction, and are the most from the middle portion to the tip portion. The variable rigidity drive device according to claim 7, wherein a step is formed so as to come into contact with the small cylindrical portion up to the far second end.
第1リンクと、
前記第1リンクに関節で連結された第2リンクと、
前記関節を駆動する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の剛性可変駆動装置と、を備えた関節駆動機構。
The first link,
A second link articulated to the first link;
A joint drive mechanism comprising: the variable stiffness drive device according to claim 1 that drives the joint.
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