(57)【要約】      （修正有）【課題】振動収束性および衝撃吸収性に優れ、軽量かつコンパクトな可変インピーダンスサーボモータを提供する。【解決手段】キャリヤ２７は、遊星ギヤ２８の自転と公転を保持し、モータ２５のシャフト２５ａと固定結合し、遊星ギヤ２８は、サンギヤ２９とリングギヤ３０とにかみ合って遊星歯車を構成し、リングギヤ３０は、スパーギヤ２４ａとともにホルダ３１に固定結合され、ホルダは、ベアリング３１ａを介し、サンギヤ２９によって回転自在に保持され、出力軸２４ｃは、サンギヤ２９と固定結合され、基体３２は、モータ２５に結合されて力学的基準となる。緩衝装置２４ｂは、ダンパ３４と非線形ばね３５を保持するブラケット３３を備え、ばね座３６ａを結合するラック３６は、直動ベアリング３６ｂを介してブラケット３３に可動結合され、ラック３６は、スパーギヤ２４ａと接して直動変換し、ブラケット３３は、基体３２の台座３２ａに固定される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記（１）〜（３）のいずれかの動力配分装置を備え、該動力配分装置は、第１回転体と遊星機構とキャリヤと第２回転体とを備え、第１回転体とキャリヤと第２回転体は同軸上を回転し、キャリヤは遊星機構の公転を保持し、遊星機構は第１回転体と第２回転体とを一定の回転数比で回転させ、第１回転体、キャリヤ、第２回転体の機能は、排他的に、動力を入力するＩ軸、動力を出力するＯ軸、力学的に接地されるＧ軸のいずれかであり、Ｇ軸が、緩衝装置を介して基体に結合されることを特徴とする可変インピーダンス機構。
（４）  サンギヤと遊星ギヤとキャリヤとリングギヤとを備え、サンギヤとキャリヤとリングギヤは同軸上を回転し、キャリヤは遊星ギヤの公転を保持し、遊星ギヤはサンギヤとリングギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
（５）  第１サイドギヤとピニオンギヤとキャリヤと第２サイドギヤとを備え、第１サイドギヤとキャリヤと第２サイドギヤは同軸上を回転し、キャリヤはピニオンギヤの公転を保持し、ピニオンギヤは第１サイドギヤと第２サイドギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする差動歯車。
（６）  第１スパーギヤと２段ギヤとキャリヤと第２スパーギヤとを備え、第１スパーギヤとキャリヤと第２スパーギヤは同軸上を回転し、キャリヤは２段ギヤの公転を保持し、２段ギヤは第１スパーギヤと第２スパーギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
【請求項２】
前記Ｇ軸および基体が同軸上にあって、長手方向に突出した保持体を互いに備え、前記緩衝装置が発揮する反発力によって、該保持体の回転を制限することを特徴とする前記請求項１記載の可変インピーダンス機構。
【請求項３】
前記緩衝装置は、直動の反発力を発揮する直動型緩衝体、ならびに、前記Ｇ軸の回転を直動に変換するラック機構を備え、該ラックの直動運動を、該直動型緩衝体によって制限することを特徴とする請求項１記載の可変インピーダンス機構。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の可変インピーダンス機構と、モータと、ロータリーエンコーダとを具備し、モータが前記Ｉ軸を駆動し、ロータリーエンコーダが、前記基体と前記Ｏ軸との間の回転角を検出し、該回転角に基づいてモータを駆動することを特徴とする可変インピーダンスサーボモータ。
【請求項５】
駆動ラックと基準ラックとピニオンギヤと入力棒と緩衝装置とを備え、駆動ラックと基準ラックは、それぞれ同一の該ピニオンギヤに対してラック・アンド・ピニオン機構を構成し、ピニオンギヤは入力棒に回転自在に保持されるとともに並進させられ、基準ラックは、緩衝装置を介して力学的に接地されることを特徴とする直動型可変インピーダンス機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
動力配分機構ならびに受動緩衝装置を利用することで軸の機械的インピーダンスを可変とする、可変インピーダンスサーボモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療、介護、一般家庭向けの分野において、人と接してはたらくロボットの開発が進んでいる。このような用途では、従来の産業ロボットと異なり、精密な位置決めだけではなく、ロボットが人と衝突して危害を加えることがないよう、機械的インピーダンスを調節する機能を兼ね備える必要がある。
【０００３】
機械的インピーダンスを調節するための手段には、受動機械要素を利用するパッシブ方式（文献１、２）、モータを能動的に制御して擬似的に柔軟性を実現するアクティブ方式（例えば文献３）、機械的インピーダンスを調節するモータを個別に設けるダブルアクチュエーション方式（非特許文献１）などが公知である。
【０００４】
しかしながら、パッシブ方式は振動やその収束性の制御が難しく、アクティブ方式は高周波入力、特に衝撃力に対する応答性に問題がある。ダブルアクチュエーション方式も、重量、容量、コスト等が嵩み、多自由度ロボットに用いるには難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許５６５０７０４号公報
【特許文献２】ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０６８７３６
【特許文献３】特開２００４−３５８５７５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Byeong-Sang Kim, et al., “Double Actuator Unit with Planetary GearTrain for a Safe Manipulator”, ICRA2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、振動収束性および衝撃吸収性に優れ、軽量かつコンパクトな可変インピーダンスサーボモータを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
係る問題を解決するため、下記（１）〜（３）のいずれかの動力配分装置を備え、該動力配分装置は、第１回転体と遊星機構とキャリヤと第２回転体とを備え、第１回転体とキャリヤと第２回転体は同軸上を回転し、キャリヤは遊星機構の公転を保持し、遊星機構は第１回転体と第２回転体とを一定の回転数比で回転させ、第１回転体、キャリヤ、第２回転体の機能は、排他的に、動力を入力するＩ軸、動力を出力するＯ軸、力学的に接地されるＧ軸のいずれかであり、Ｇ軸が、緩衝装置を介して基体に結合されることを特徴とする可変インピーダンス機構を利用する。
（１）  サンギヤと遊星ギヤとキャリヤとリングギヤとを備え、サンギヤとキャリヤとリングギヤは同軸上を回転し、キャリヤは遊星ギヤの公転を保持し、遊星ギヤはサンギヤとリングギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
（２）  第１サイドギヤとピニオンギヤとキャリヤと第２サイドギヤとを備え、第１サイドギヤとキャリヤと第２サイドギヤは同軸上を回転し、キャリヤはピニオンギヤの公転を保持し、ピニオンギヤは第１サイドギヤと第２サイドギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする差動歯車。
（３）  第１スパーギヤと２段ギヤとキャリヤと第２スパーギヤとを備え、第１スパーギヤとキャリヤと第２スパーギヤは同軸上を回転し、キャリヤは２段ギヤの公転を保持し、２段ギヤは第１スパーギヤと第２スパーギヤを一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車。
【０００９】
この可変インピーダンス機構は、前記Ｉ軸を基準とするＯ軸の機械的インピーダンスを、前記緩衝装置によって調節することを可能とする。ただし、Ｉ軸およびＯ軸との間には増減速が伴う場合があることに注意する必要がある。
【００１０】
緩衝装置は、Ｉ軸およびＯ軸との間に所望の機械的インピーダンスを与えることを目的とするものであれば、その形態は任意でよい。例えば、前記Ｇ軸および基体が同軸上にあって、長手方向に突出した保持体を互いに備え、前記緩衝装置が発揮する反発力によって、該保持体の回転を制限することを特徴とする前記可変インピーダンス機構や、前記緩衝装置は、直動の反発力を発揮する直動型緩衝体、ならびに、前記Ｇ軸の回転を直動に変換するラック機構を備え、該ラックの直動運動を、該直動型緩衝体によって制限することを特徴とする前記可変インピーダンス機構を構成する形態でよい。
【００１１】
正確な位置決め精度が要求される場合は、前記いずれかの可変インピーダンス機構と、モータと、ロータリーエンコーダとを具備し、モータが前記Ｉ軸を駆動し、ロータリーエンコーダが、前記基体と前記Ｏ軸との間の回転角を検出し、該回転角に基づいてモータを駆動することを特徴とする可変インピーダンスサーボモータを利用すればよい。
【００１２】
上記原理に基づいて直動型の機構も構成できるため、駆動ラックと基準ラックとピニオンギヤと入力棒と緩衝装置とを備え、駆動ラックと基準ラックは、それぞれ同一の該ピニオンギヤに対してラック・アンド・ピニオン機構を構成し、ピニオンギヤは入力棒に回転自在に保持されるとともに並進させられ、基準ラックは、緩衝装置を介して力学的に接地されることを特徴とする直動型可変インピーダンス機構を利用することもできる。
【発明の効果】
【００１３】
上記可変インピーダンス機構を利用すれば、一般的な軸継手と異なり、軸の回転とともに緩衝装置を回転させる必要がなくなるため、慣性モーメントを低減する効果や、緩衝体の大型化や交換性の点で効果が期待できる。
【００１４】
緩衝装置にラックを利用する方法については、一般的に、回転型の緩衝装置よりも直動型の緩衝装置のほうが設計や製造が容易であり、自動車等のサスペンション等においても実績が豊富であるため、既存の技術を応用しやすくなる利点がある。また、ラックの摺動量（減速比）や摺動方向を選択しやすいため、緩衝装置のレイアウトが容易になる効果が期待できる。
【００１５】
可変インピーダンスサーボモータは、所望の機械的インピーダンスを緩衝装置によって実現するため、従来のサーボモータのアクティブ方式と異なり、制御アルゴリズムが著しく簡単になる利点がある。また、バックドライバビリティに乏しいウォームギヤ、ハイポイドギヤ、高減速比減速機等を利用できるため、保持トルクおよびモータの容量を小さくし、消費電力を低減する効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】動力配分機構の類型を示した図である。
【図２】動力配分機構を一般的に表現した図である。
【図３】可変インピーダンス機構を一般的に表現した図である。
【図４】緩衝装置の実施例を示した図である。
【図５】ラックを用いた緩衝装置の実施例を示した図である。
【図６】非線形ばねを用いた緩衝装置の実施例を示した図である。
【図７】可変インピーダンスサーボモータの実施例である。
【図８】可変インピーダンスサーボモータの分解図である。
【図９】直動型可変インピーダンス機構の実施例である。る。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１（i）に示すように、サンギヤ（１）と遊星ギヤ（２）とキャリヤ（３）とリングギヤ（４）とを備え、サンギヤ（１）とキャリヤ（３）とリングギヤ（４）は同軸上を回転し、キャリヤ（３）は遊星ギヤ（２）の公転を保持し、遊星ギヤ（２）はサンギヤ（１）とリングギヤ（４）を一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車は、動力配分装置として利用することができる。
【００１８】
例えば、内燃機関の過給機において、リングギヤ（４）の回転を、力学的に接地された湿式クラッチによって制限し、サンギヤ（１）に入力された動力をキャリヤ（３）とリングギヤ（４）に配分する技術が公知である（特開平７−２６９３６５）。
【００１９】
この場合、サンギヤ（１）、キャリヤ（３）、リングギヤ（４）の機能は、排他的に、動力を入力するＩ軸、動力を出力するＯ軸、力学的に接地されるＧ軸のいずれかであればよく、減速比を無視し、動力配分の機能だけに着目した場合、その機能は可換である。
【００２０】
この点、図１（ii）に示すように、第１サイドギヤ（５）とピニオンギヤ（６）とキャリヤ（７）と第２サイドギヤ（８）とを備え、第１サイドギヤ（５）とキャリヤ（７）と第２サイドギヤ（８）は同軸上を回転し、キャリヤ（７）はピニオンギヤ（６）の公転を保持し、ピニオンギヤ（６）は第１サイドギヤ（５）と第２サイドギヤ（８）を一定の回転数比で回転させることを特徴とする差動歯車は、第１サイドギヤ（５）、キャリヤ（７）、第２サイドギヤ（８）を、前記Ｉ軸、Ｏ軸、Ｇ軸とみなすことができる。
【００２１】
同様に、図１（iii）に示すように、第１スパーギヤ（９）と２段ギヤ（１０）とキャリヤ（１１）と第２スパーギヤ（１２）とを備え、第１スパーギヤ（９）とキャリヤ（１１）と第２スパーギヤ（１２）は同軸上を回転し、キャリヤ（１１）は２段ギヤ（１０）の公転を保持し、２段ギヤ（１０）は第１スパーギヤ（９）と第２スパーギヤ（１２）を一定の回転数比で回転させることを特徴とする遊星歯車は、第１スパーギヤ（９）、キャリヤ（１１）、第２スパーギヤ（１２）を、前記Ｉ軸、Ｏ軸、Ｇ軸とみなすことができる。
【００２２】
したがって、これらの機構は、図２に示すように、第１回転体（１６）と遊星機構（１４）とキャリヤ（１５）と第２回転体（１７）とを備え、第１回転体（１６）とキャリヤ（１５）と第２回転体（１７）は同軸（１３）上を回転し、キャリヤ（１５）は遊星機構（１４）の公転を保持し、遊星機構（１４）は第１回転体（１６）と第２回転体（１７）とを一定の回転数比で回転させ、第１回転体（１６）、キャリヤ（１５）、第２回転体（１７）の機能は、排他的に、動力を入力するＩ軸、動力を出力するＯ軸、力学的に接地されるＧ軸のいずれかであることを特徴とする動力配分装置（１８）として一般化することができる。
【００２３】
さて、本発明が課題を解決する手段としては、図３のように、前記動力配分装置（１８）のＧ軸が、緩衝装置（１９）を介して基体に結合されることを特徴とする可変インピーダンス機構を構成する方法による。
【００２４】
この構成によれば、Ｏ軸に加わった衝撃は、Ｉ軸およびＧ軸に分配され、通常、Ｉ軸には慣性モーメントの大きい減速機が接続されるため、大部分の衝撃力はＧ軸に伝達され、緩衝装置（１９）によって吸収される。
【００２５】
緩衝装置（１９）は、入出力軸間に所望の機械的インピーダンスを与えることを目的とするものであれば、その形態は任意でよい。例えば、図４（関連の少ない構成要素の表示は省略）のように、Ｇ軸（２０）および基体（２１）が同軸上にあって、長手方向に突出した保持体を互いに備え（２０ａ、２１ａ）、前記緩衝装置（１９）が発揮する反発力によって、該保持体（２０ａ、２１ａ）の回転を制限する形態であってよい。
【００２６】
この場合は、ゴム等の緩衝体を備えた一般的な軸継手と異なり、緩衝装置（１９）自体が回転することがないため（回転するのは表示を省略した部分である）、慣性モーメントを低減する効果や、緩衝体に関する設計性や保守性を高める効果が期待できる。
【００２７】
あるいは、図５（i、ii）（関連の少ない構成要素の表示は省略）のように、前記緩衝装置（１９）は、直動の反発力を発揮する直動型緩衝体（１９）、ならびに、前記Ｇ軸（２０）の回転を直動に変換するラック機構（２２）を備え、該ラック（２２）の直動運動を、該直動型緩衝体（１９）によって制限する形態などであってよい。
【００２８】
直動型の緩衝体は、設計、製造が比較的容易であり、自動車等のサスペンションで実績も多いため、種々の既存技術を利用できる。また、ラック（２２）の摺動量（減速比）や摺動方向を選択しやすいため、緩衝装置の小型化やレイアウトが容易になる効果が期待できる。
【００２９】
ただし、緩衝装置としてクラッチやドグを用いる場合は、入出力軸間にインピーダンスを与えると言うよりも、トルクの継断や係止を目的とするものであるから、そのようであってはならない。また、緩衝装置は受動要素からのみなるものであって、電動モータ等で直接的にエネルギーを与えるものであってはならない。ただし、磁気粘性流体を利用したダンパなど、散逸エネルギーを制御するための方法や、ばね定数を変化させるためにばねの予圧に用いるアクチュエータ等は、緩衝装置に直接的にエネルギーを与えるものではないからこの限りでない。
【００３０】
以上のように、緩衝装置は受動要素である必要があるため、変位の増分に対してばね定数が漸増する非線形性を持つばねの利用が適している。例えば図６のように、Ｇ軸（２０）の突起（２０ａ）を基準として、左右対称に非線形ばね（２３）を配置し、基体（２１）の突起（２１ａ）との間にこれを保持する構成とすれば、Ｇ軸（２０）に加わるトルクの方向および大きさによって非線形ばね（２３）が適宜圧縮され、その反発力とトルクが釣り合う点において静止する。
【００３１】
このとき、小さいトルクに対しては柔らかいばね特性を示し、逆に、大きいトルクに対しては硬いばね特性を示すようになる。このような特性は、生物の筋肉と似た性質を持つため、介護ロボットや家庭内サービスロボットなど、人間の労働の代替となる用途に適する。
【００３２】
非線形ばね（２３）は、竹の子ばね、円すいばね、テーパーばね、空気ばねなどを適宜選択すれば良く、変位に対して反発力が２次のオーダーで漸増するものが最も望ましい。トルクとばね定数の関係は、非線形ばね（２３）の特性により固定的に定まるが、例えば小さいトルクに対して固いばね特性を実現したい場合は、前記Ｉ軸を動的に制御する方法により、疑似的に特性を変えることができる。
【００３３】
正確な位置決め精度が要求される場合は、図７のように、前記可変インピーダンス機構（２４）と、モータ（２５）と、ロータリーエンコーダ（２６）とを具備し、モータ（２５）が前記Ｉ軸を駆動し、ロータリーエンコーダ（２６）が、前記基体と前記Ｏ軸（２４ｃ）との間の回転角を検出し、該回転角に基づいてモータ（２５）を駆動することを特徴とする可変インピーダンスサーボモータを構成することができる。
【００３４】
図８は、前記可変インピーダンスサーボモータの分解図を示すものであり、キャリヤ（２７）は、遊星ギヤ（２８）の自転と公転を保持し、モータ（２５）のシャフト（２５ａ）と固定結合し、遊星ギヤ（２８）は、サンギヤ（２９）とリングギヤ（３０）とにかみ合って遊星歯車を構成し、リングギヤ（３０）は、スパーギヤ（２４ａ）とともにホルダ（３１）に固定結合され、ホルダ（３１）は、ベアリング（３１ａ）を介し、サンギヤ（２９）によって回転自在に保持され、出力軸（２４ｃ）は、サンギヤ（２９）と固定結合され、基体（３２）は、モータ（２５）に結合されて力学的基準となり、ロータリーエンコーダ（２６）は、内径が出力軸（２４ｃ）に固定され、本体はブラケット（２６ａ）を介して基体（３２）に固定され、緩衝装置（２４ｂ）は、ダンパ（３４）と非線形ばね（３５）を保持するブラケット（３３）を備え、ばね座（３６ａ）を結合するラック（３６）は、直動ベアリング（３６ｂ）を介してブラケット（３３）に可動結合され、ラック（３６）は、スパーギヤ（２４ａ）と接して直動変換し、ブラケット（３３）は、基体（３２）の台座（３２ａ）に固定される構成となっている。
【００３５】
このような構成であるとき、衝撃力を受ける出力軸（２４ｃ）は、サンギヤ（２９）を回転させ、キャリヤ（２７）を介してモータ（２５）のシャフト（２５ａ）、ならびに、遊星ギヤ（２８）を介してリングギヤ（３０）に衝撃力を配分する。通常、モータ（２５）の減速比は大きく、見かけの慣性モーメントは大きいため、多くの衝撃力はリングギヤ（３０）に分配される。リングギヤ（３０）は、それと固定結合されたスパーギヤ（２４ａ）を回転させ、その力は、緩衝装置（２４ｂ）によって吸収される。該衝撃力による出力軸（２４ｃ）の回転角は、ロータリーエンコーダ（２６）によって検出されるから、適当な制御アルゴリズムに基づいてモータ（２５）を回転させることで、元の位置に出力軸（２４ｃ）を保つことができる。
【００３６】
機械的インピーダンスを調整する方法は多彩であり、ダンパ（３４）や非線形ばね（３５）を交換する方法はもちろん、磁気粘性流体等で減衰係数が可変のダンパ（３４）を用いる方法、非線形ばね（３５）を対向させて予圧し、ばね定数を変換させる方法、ばね座（３６ａ）と非線形ばね（３５）との間に設けた力センサのトルク値をフィードバック信号として利用する方法、前述のように、モータ（２５）のアクティブ制御を併用して、緩衝装置（２４ｂ）の機械的限界を超えた特性を実現する方法など、いずれであってもよい。
【００３７】
ところで、一般的に、遊星歯車の遊星ギヤの大きさを保ったまま、サンギヤとリングギヤの直径を無限大とすると、遊星ギヤに２つのラックが接する直動機構となるから、この機構についても可変インピーダンス機構を構成することができる。図９は、直動型の可変インピーダンス機構を示す。駆動ラック（３７）と基準ラック（３８）とピニオンギヤ（３９）と入力棒（４０）と緩衝装置（４１）とを備え、駆動ラック（３７）と基準ラック（３８）は、それぞれ同一の該ピニオンギヤ（３９）に対してラック・アンド・ピニオン機構を構成し、ピニオンギヤ（３９）は入力棒（４０）に回転自在に保持されるとともに並進させられ、基準ラック（３８）は、緩衝装置（４１）を介して力学的に接地される構成となっている。
【００３８】
駆動ラック（３７）に衝撃が加わるとき、その力は入力棒（４０）と基準ラック（３８）に分配され、入力棒（４０）の見かけの慣性質量が大きい場合は、大部分の衝撃力は基準ラック（３８）を介して緩衝装置（４１）に吸収される。この構成では、入力棒（４０）と同時に緩衝装置（４１）を駆動する必要がないため、可動部分の慣性質量を低減することができ、衝突安全性や高速性を向上させる効果が期待できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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