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明細書 :単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3336383号 (P3336383)
公開番号 特開2001-304368 (P2001-304368A)
登録日 平成14年8月9日(2002.8.9)
発行日 平成14年10月21日(2002.10.21)
公開日 平成13年10月31日(2001.10.31)
発明の名称または考案の名称 単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータ
国際特許分類 F16H 25/12      
B25J 15/08      
B25J 19/00      
F16D 19/00      
F16D 27/02      
F16D 41/06      
F16H 25/20      
F16H 25/24      
FI F16H 25/12 B
B25J 15/08
B25J 19/00
F16D 19/00
F16D 27/02
F16D 41/06
F16H 25/20
F16H 25/24
請求項の数または発明の数 2
全頁数 8
出願番号 特願2000-116202 (P2000-116202)
出願日 平成12年4月18日(2000.4.18)
審査請求日 平成12年4月18日(2000.4.18)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】390014306
【氏名又は名称】防衛庁技術研究本部長
発明者または考案者 【氏名】篠田 芳明
【氏名】金子 学
【氏名】丹羽 雄一郎
個別代理人の代理人 【識別番号】100079290、【弁理士】、【氏名又は名称】村井 隆
審査官 【審査官】田々井 正吾
参考文献・文献 特開 昭62-118155(JP,A)
調査した分野 F16H 19/00 - 31/00
B25J 15/08
B25J 19/00
F16D 19/00
F16D 27/02
F16D 41/06
特許請求の範囲 【請求項1】
単一の動力源によって回転するスクリューと、紐状又は帯状体に固定されていて前記スクリューの回転軸方向と平行に移動自在な複数対の爪と、電気信号により制御されて前記爪を前記スクリューに対して係合又は係合解除とするソレノイドとを備え、
1個の作動部に対して牽引力を伝える前記紐状又は帯状体が1本割り当てられ、該1本の紐状又は帯状体は滑車に架けられていて、当該紐状又は帯状体の移動方向が互いに反対方向となる部分に、前記複数対の爪のうちの一対の爪がそれぞれ固定されおり、該一対の爪の一方の爪が前記スクリューに係合しているときに他方の爪が係合解除となり、前記ソレノイドにより前記スクリューに係合状態とされた爪によって前記作動部に対して牽引力を発生することを特徴とする単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータ。

【請求項2】
前記爪に固定された前記紐状又は帯状体は、前記作動部を牽引する方向が順方向となるワンウェイクラッチに通されている請求項記載の単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータ。
発明の詳細な説明 【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、単一の動力源によって回転するスクリューの周辺にスクリューと平行に可動する爪が押し付けられることによって発生する操作力を利用するアクチュエータに係り、とくに牽引力を利用して複数の牽引機能を作為しようとするもので、多数の機械的制御機能を小さな容積で実現でき、多機能を発揮するマニピュレータ等へ応用可能な単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータに関するものである。

【0002】

【従来の技術】これまで、ロボット装置等におけるマニピュレータの一つの作動部(可動部)を動かすことに対応して、一つのアクチュエータを使用していたため、複数動作をさせるためには多くの動力源を必要とする問題点があった。このため、アクチュエータの小型化、高性能化によって重量、容積の軽減を図る努力がなされているが、その努力にも限界があった。

【0003】
さらに、多機能のマニピュレータが機能を発揮する場合、複数あるアクチュエータの操作力は、対応する作動部が必要とする負荷を稼動させる動力源として、それぞれの作動部が必要とする最大値に設計する必要があった。

【0004】
上記構成のマニピュレータシステムにおいては、個々の動力源は動作する機会が間欠的に訪れるため、動力源が休止している時間帯は、その休止している動力源が無効な容積、重量を占める事となっていた。

【0005】
また、上記構成によれば、個々の動力源はその有効稼働率が低いため、全ての動力源の合計出力を高く設計する必要があり、多機能のマニピュレータの容積、重量を一層大きくしている原因ともなっていた。

【0006】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、多機能のマニピュレータを構成するためには、複数の動作を独立的に動かす必要があるが、従来構成では、この複数の動作機能を独立して稼働させる個々の動力源を必要としていたため重量、容積を大幅に削減することが困難であった。

【0007】
本発明は、上記の点に鑑み、単一の動力源により複数の作動部をそれぞれ独立的に制御可能で、ひいては多機能のマニピュレータ等に適用した場合に容積、重量の小型化、軽量化を図ることのできる単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータを提供することを目的とする。

【0008】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

【0009】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータは、単一の動力源によって回転するスクリューと、紐状又は帯状体に固定されていて前記スクリューの回転軸方向と平行に移動自在な複数対の爪と、電気信号により制御されて前記爪を前記スクリューに対して係合又は係合解除とするソレノイドとを備え、1個の作動部に対して牽引力を伝える前記紐状又は帯状体が1本割り当てられ、該1本の紐状又は帯状体は滑車に架けられていて、当該紐状又は帯状体の移動方向が互いに反対方向となる部分に、前記複数対の爪のうちの一対の爪がそれぞれ固定されおり、該一対の爪の一方の爪が前記スクリューに係合しているときに他方の爪が係合解除となり、前記ソレノイドにより前記スクリューに係合状態とされた爪によって前記作動部に対して牽引力を発生することを特徴としている。

【0010】


【0011】


【0012】
前記爪に固定された前記紐状又は帯状体は、作動部を牽引する方向が順方向となるワンウェイクラッチに通されているとよい。

【0013】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータの実施の形態を図面に従って説明する。

【0014】
図1乃至図5は本発明に係る単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータの実施の形態であって、図1は単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータの内、1つの作動制御機構の全体概要を、図2はアクチュエータの主要構成部分である牽引力発生部を、図3は牽引から解放された瞬間ワイヤーを固定し作動部(エンドエフェクター)を停止位置に停止させる機能を持つクラッチ機構を、図4はアクチュエータとして機能するために牽引力を発生又は停止させるための制御回路構成例を、図5は複数作動部制御用アクチュエータとして機能するために動力源として存在するスクリューの周囲に作動制御機構を複数配置させる一例をそれぞれ示したものである。

【0015】
単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータは、図1のように、単一動力源としてのモータ(電動機)1、牽引力を発生させるためにモータ1によって回転駆動されるスクリュー(螺旋軸)2を有しており、さらに、1つの作動制御機構毎に図2のようにスクリュー2に噛み合って平行移動する爪3、爪3をスクリュー2に押し付けて係合させたり係合解除とするソレノイド4、爪3とソレノイド4の合体部(ソレノイド・爪アッセンブリー)5をスクリュー2の回転軸方向と平行方向にのみ移動自在に拘束するリニアレール6、爪3に固定された紐状体としての牽引ワイヤー10、ワイヤーを一方向(順方向)にのみ走向させるワンウェイクラッチ11A,11B、必要に応じワンウェイクラッチ11A,11Bを開放(解放)するアーム機構(クランク機構)20及びワイヤー10の張力を一定に保持する張力調整機構30を具備している。

【0016】
なお、図1中、7は位置固定の支点軸で枢支(回転自在に支持)された滑車、21はアーム機構(クランク機構)20の先端部に枢着された(回転自在に取り付けられた)動滑車、22A,22B,23A,23Bはそれぞれ位置固定の支点軸で枢支された滑車、31は張力調整機構30が有する動滑車である。前記張力調整機構30が有する動滑車31は、ばね32によりワイヤー10に張力を付与する向きに常時付勢されている。40は作動部(エンドエフェクター)であり、この場合、牽引ワイヤー10を介して回転トルクを受けるようになっている。ここで、図1の一対の爪3のうち一方の爪を便宜上3-1、他方の爪を3-2と表すと、前記牽引ワイヤー10は一方の爪3-1が固定されたスクリュー2の一方の側面を通過して動滑車31に架けられ、他方の爪3-2が固定されたスクリュー2の他方の側面を通過して滑車7、動滑車21、滑車22Bに架けられ、ワンウェイクラッチ11Bを通り、滑車23Bを経て作動部40に巻掛けられ、滑車23Aを経てワンウェイクラッチ11Aを通り、滑車22A、動滑車21、滑車7に架けられて前記一方の爪3-1側に戻るように各滑車間にループをなして張架されている。なお、爪3-1,3-2は、スクリュー2に対して移動方向が互いに反対方向となるワイヤー10の部分にそれぞれ固定されている。

【0017】
図2のアクチュエータの主要構成部分である牽引力発生部において、スクリュー2は図1のモータ1によって一定回転数で回転を継続するようになっており、一定回転を続けるスクリュー2に対して、スクリューの回転軸方向と平行に拘束された爪3とソレノイド4の合体部5において、ソレノイド4が励磁されたときにはその押す力が爪3を動かし、スクリュー2の歯に噛み込むと(係合すると)、合体部5はスクリュー2の螺旋によってワイヤー10を牽引する向きに移動する。合体部5に固定されたワイヤー10はこの合体部5によって牽引力を発生し、ループになったワイヤー10は回転する。

【0018】
図3は牽引から解放された瞬間ワイヤー10を固定し図1の作動部(エンドエフェクター)40を停止位置に停止させる機能を持つクラッチ機構であり、図示の通り、ワンウェイクラッチ11A,11Bと、必要なときにこれを開放(解放)するアーム機構(クランク機構)20とを組み合わせた構成である。

【0019】
前記ワンウェイクラッチ11A,11Bは、クラッチ本体部15に対して楔12A,12Bが板ばね14により食い込み方向に付勢されている構成であり、順方向(牽引方向)に動こうとするワイヤー10には負荷をかけず、ワイヤー10は円滑に牽引方向に移動できる。また、逆方向(作動部40へワイヤー10を繰り出す方向)のワイヤー10の動きは阻止する。但し、楔12A,12Bの一方が楔引き抜きピン13A,13Bのいずれかの働きにより抜かれた状態となると、楔の抜かれたワンウェイクラッチは順方向、逆方向を問わずワイヤー10を円滑に通過させるようになっている。

【0020】
アーム機構20は、一方のワンウェイクラッチ11Aから他方のワンウェイクラッチ11Bに達するシーソーアーム24及び該シーソーアーム24の中点から直交するように延長一体化された動滑車取付アーム25と、該動滑車取付アーム25の先端部に枢着された前記動滑車21とを有し、シーソーアーム24の中点が回転支点軸26にて支持されている。また、シーソーアーム24の両端部にはワンウェイクラッチ11A,11Bの楔12A,12Bをクラッチ本体部15から引き抜くための楔引き抜きピン13A,13Bがそれぞれ連結されている。図3中に示すように、シーソーアーム24の中点から動滑車21の回転中心までの距離はa、シーソーアーム24の中点から楔引き抜きピン13A,13Bまでの距離はそれぞれbである。

【0021】
図4はアクチュエータとして機能するために、牽引力を発生又は停止させるための制御回路構成例である。ここでは、切り換えスイッチ(作動部動作方向制御スイッチ)16で選択された方のソレノイド4が各ソレノイド毎に設けられた励磁回路(駆動回路)17によって突出方向に励磁されて図1の爪3-1,3-2の対応する方をスクリュー(螺旋軸)2に押し付けて係合させる。例えば、切り換えスイッチ16で図4の上側のソレノイド4が選択的に励磁されたときは、図1の上側の爪3-1がスクリュー2に噛み合い、下側のソレノイド4が選択的に励磁されたときは、図1の下側の爪3-2がスクリュー2に噛み合う。なお、図4の制御回路は図1の対をなす爪3-1,3-2の一方がスクリューに係合しているときに他方の爪は必ず係合解除となるように動作する。

【0022】
次に、単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータにおける1つの作動制御機構全体の動作説明を行う。

【0023】
図1に示すスクリュー2はモータ1によって一定回転数で回転を継続する。一定回転を続けるスクリュー2に対して、スクリュー2の回転軸方向と平行に拘束された爪3とソレノイド4の合体部5において、図4の切り換えスイッチ16の操作による電気信号でソレノイド4が選択的に励磁され、その押す力が爪3-1,3-2の選択された方を動かし、スクリュー2の歯に噛み込むと、合体部5はスクリュー外周の螺旋によって移動を開始する。

【0024】
前記合体部5に固定された牽引ワイヤー10はこの合体部5の直線運動によって牽引力を発生し、各滑車間にループとして張架されたワイヤー10は回転を始める。

【0025】
ワイヤー10が回転を始めると1端に設けられた作動部(エンドエフェクター)40に回転力を加えはじめ、牽引側の爪3と作動部40の間にあるワイヤー10に張力を発生する。

【0026】
張力が発生したワイヤー10の中間にはワンウェイクラッチ11A,11Bとアーム機構20が設けられており、ワンウェイクラッチはこの場合順方向(牽引方向)に動こうとするワイヤーに負荷をかけない。

【0027】
一方、アーム機構20に動滑車21が設けられており、ワイヤー10の張力によって動滑車21の位置が変位することで回転支点軸26を中心に動滑車取付アーム25及びこれと一体のシーソーアーム24が回動する。これにより、シーソーアーム24の端部が、負荷の掛かっていない側、即ち、逆方向に動くワイヤー10を固定する作用を有するワンウェイクラッチを開放し、ループに構成されたワイヤー10の負荷として作動部40のみが働くようにする。例えば、牽引側が上側の爪3-1であると、動滑車21は上側に変位してシーソーアーム24は左回転し、楔引き抜きピン13Bを介してワンウェイクラッチ11Bの楔12Bを引き抜く。従って、ワンウェイクラッチ11Aに対してはワイヤー10は牽引方向、つまり順方向であり、ワンウェイクラッチ11Bに対してはワイヤー10は繰り出し方向、つま拘束方向であるが楔12Bが引き抜かれていることでワイヤー10をフリーとする。

【0028】
作動部40への作用を終了して、爪3がソレノド4の吸引力によってスクリュー2から離れると、爪3と作動部40間のワイヤー10の張力がなくなり、作動部40の負荷によってワイヤー10が引き戻されようとする。しかし、引き戻されようとするワイヤー10の間には、先程順方向の動きに対しては無抵抗で通過させたワンウェイクラッチ11Aが逆方向の動きになったため、このワイヤー10を固定してしまう事になる。

【0029】
逆方向に配置された爪3とソレノイド4の合体部5も上記に述べた事と同様の作用をするため、この作動制御機構は作動部40を電気的な制御によって任意の位置に動かし、かつ、動力源からのエネルギーを消費する事無く固定する事が可能となる。

【0030】
これまで記述したのは、スクリューに係合可能な一対の爪を有する1個の作動制御機構の作用であるが、スクリューの周囲に物理的な設計が可能な限り、図5に示すように立体的に複数対の爪3及びソレノイド4を含む合体部(ソレノイド・爪アッセンブリー)5を配置する事によって、単一の動力源によって、複数の作動制御機構を稼動させる事が可能となる。

【0031】
この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

【0032】
(1) 単一の動力源(つまりモータ1)により複数(2個以上)の作動部(エンドエフェクター)40をそれぞれ独立的に制御可能である。つまり、単一の動力源としてのモータ1によって回転するスクリュー2に、スクリューの回転軸方向と平行に移動できる爪3を、電気信号により制御されたソレノイド4の力によって押し付ける(係合させる)ことにより牽引力を発生させ、あるいはスクリュー2から爪3を開放する(係合解除とする)ことにより牽引を停止させることができる。

【0033】
(2) 回転するスクリュー2と平行方向にのみ移動可能で電気信号によりスクリューへの押し付け、開放(係合、係合解除)が可能な爪3をスクリュー2の周辺に配置し、爪3を牽引ワイヤー10に固定することにより、牽引力を発生又は開放することができる。

【0034】
(3) スクリュー2から爪3が開放したことによりワイヤー10の牽引が停止した場合、作動部40の負荷が発生する力によってワイヤー10に逆方向の牽引力が働くため作動部40の固定が必要であるが、その停止位置を保持させるため、牽引ワイヤー10の両側を固定する2個のワンウェイクラッチ11A,11Bを適用している。2個のワンウェイクラッチ11A,11Bのうち一方はワイヤー10の牽引側、他方は繰り出し側となるため、必ず一方のワンウェイクラッチ11A,11Bでワイヤー10は停止状態に保持される。

【0035】
(4) ワイヤー10で牽引力を発生させた場合、作動部40から見てワイヤーを繰り出す側(爪からみてワイヤーを牽引する側)のワンウェイクラッチは順方向となり抵抗なくワイヤーを通過させ、ワイヤーを手繰り寄せる側のワンウェイクラッチは、牽引側に発生した牽引力によって発生したワイヤーの張力を利用してアーム機構20を介して開放するとともに、機械的に負荷によるバックラッシュの発生を除去することができる。つまり、ワイヤー10の牽引力が十分大きくなってからアーム機構20を介しワンウェイクラッチの楔を抜いてフリーとする構成であるからである。

【0036】
なお、上記実施の形態では、牽引用の紐状体としてワイヤーを用いたが、動作原理上はワイヤーの代わりにチェーン等を用いることができ、紐状体の代わりに、ベルト等の帯状体を用いることも可能である。この場合、使用する紐状又は帯状体に適合する滑車構造とすればよい。

【0037】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

【0038】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る単一動力源による複数作動部制御用アクチュエータによれば、単一の動力源により複数(2個以上)の作動部(可動部)をそれぞれ独立的に制御可能である。

【0039】
また、本発明によれば、多数の機械的制御機能を小さな容積で実現でき、多機能を発揮するマニピュレータ等への利用すれば効果が大きい。例えば、本発明によれば、従来複数の動力源を必要としていた多機能マニピュレータに比べ、動力源の容積、重量を大幅に軽減する事が出来る。

【0040】
さらに、本発明によれば、予想される複数のアクチュエータ部の同時動作に必要な合計最大出力に対応した単一の動力源を準備する事によって、従来の方法に比べ合計出力の小型化を図る事が出来、一層の小型化が期待できる。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図5】
2
【図3】
3
【図4】
4