(57)【要約】      （修正有）【課題】安価なトルク計測と柔軟制御を同時に実現するアクチュエータを提供する。【解決手段】ケーシング（ケース７およびケース内８）と、同軸型減速機（サンギヤ２、遊星ギヤ３、遊星キャリヤ４、リングギヤ５を含む遊星歯車装置）と、回転型緩衝装置（リングギヤ５ａおよび円弧ばね１１およびケース内８）と、２つの回転角検出手段（光学式エンコーダ１２、ならびに、マグネット１３とホールセンサ１４とを備える磁気式エンコーダ）とを備える柔軟アクチュエータを提供する。【選択図】図１
2014161916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、同軸型減速機と、回転型緩衝装置と、２つの回転角検出手段とを備える柔軟アクチュエータであって、同軸型減速機は、回転軸を同じくする、入力軸と出力軸と基体とを含み、回転型緩衝装置は、同軸型減速機の基体とケーシングとを結合して回転弾性を与え、２つの回転角検出手段は、入力軸の回転角（ケーシングを基準とする。以下同じ。）、出力軸の回転角、基体の回転角のうちいずれか２の回転角を同時に検出することにより、出力軸の回転角、ならびに、回転型緩衝装置のたわみ角から推定されるトルクを同時に検出することを特徴とする柔軟アクチュエータ。
【請求項２】
前記回転型緩衝装置が、外輪と内輪と円弧ばねとを備え、外輪と内輪は回転軸を同じくし、内輪は、円弧ばねの両端をそれぞれ回転自在に係止する２つの爪を含み、円弧ばねは外輪に内接するように外輪に固定され、内輪の回転にともなって円弧ばねと外輪内面との密着長が漸増する作用により、非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置である前記請求項１記載の柔軟アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
柔軟な受動特性を有するアクチュエータに関する。
【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、ロボットが人に危害を加えたり、自損したりすることがないよう、産業用途の高剛性のアクチュエータとは対照的に、柔軟性を備えるアクチュエータが求められる。
【０００３】
上記柔軟性を実現する方法としては、出力軸に弾性体を接続する方法（文献１、２）と、電子制御によって擬似的に柔軟性を実現する方式（文献３）がある。
【０００４】
しかしながら、高精度の柔軟性制御を実現するためには、いずれの方法も高価なトルクセンサを必要とする問題があった。
【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】独国特許ＤＥ１０２００７０１４０２３Ａ１
【特許文献３】特開２００４−３５８５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、安価なトルク計測と柔軟制御を同時に実現するアクチュエ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】
【０００７】
本発明は係る課題を参酌してなされたものであり、その手段は、ケーシングと、同軸型減速機と、回転型緩衝装置と、２つの回転角検出手段とを備える柔軟アクチュエータであって、同軸型減速機は、回転軸を同じくする、入力軸と出力軸と基体とを含み、回転型緩衝装置は、同軸型減速機の基体とケーシングとを結合して回転弾性を与え、２つの回転角検出手段は、入力軸の回転角（ケーシングを基準とする。以下同じ。）、出力軸の回転角、基体の回転角のうちいずれか２の回転角を同時に検出することにより、出力軸の回転角、ならびに、回転型緩衝装置のたわみ角から推定されるトルクを同時に検出することを特徴とする柔軟アクチュエータによる。
【０００８】
上記同軸型減速機を用いる理由は、同軸型減速機が備える動力分割機能により、出力軸に加わるトルクから衝撃トルクを分離し、定常成分のみ入力軸に伝達することが可能となるためである。そのため該同軸型減速機は、同等の機能を備える遊星歯車装置、差動歯車装置、波動歯車装置から適宜選択すればよい。あるいは、円筒型の筐体の内部に平歯車系列を備えたギヤボックスであって、入出力軸と筐体の回転軸がすべて同軸上に整列されることを特徴とするギヤボックスであってもよく、必ずしも歯車の配置が対称性を備える必要はない。
【０００９】
上記同軸型減速機は、回転軸を同じくする入力軸と出力軸と基体とを含む点で一般化することができる。同軸型減速機は一般的には基体を堅固に固定して使用するものであるが、基体と力学的基準（本願ではケーシング）とを回転型緩衝装置によって結合し、基体が回転弾性をもつ構成とすれば、上記動力分割機能の効果が発現して、出力軸に加わる衝撃力を該回転型緩衝装置に配分し、入力軸に加わる衝撃を大幅に軽減することができる。
【００１０】
該回転型緩衝装置は、低負荷から高負荷にわたって効果的に柔軟性を発揮するために、回転トルクの増加に対して回転剛性が漸増する非線形特性を備えることが望ましい。例えば、外輪と内輪と円弧ばねとを備え、外輪と内輪は回転軸を同じくし、内輪は、円弧ばねの両端をそれぞれ回転自在に係止する２つの爪を含み、円弧ばねは外輪に内接するように外輪に固定され、内輪の回転にともなって円弧ばねと外輪内面との密着長が漸増する作用により、非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置が望ましい。
【００１１】
回転角検出手段は、検出精度等を考慮して、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、レゾルバ、ホールセンサなどから適宜選択すればよい。入力軸の回転角、出力軸の回転角、基体の回転角のうちいずれか２の回転角を計測する理由は、いずれか２を計測すれば残りの回転角も減速比から計算できるためである。
【発明の効果】
【００１２】
出力軸に直接回転型緩衝装置を設ける方法では、慣性モーメントが増大して周波数特性が悪化したり、バランス調整が必要であったり、センサ類の配線に注意を要したり、長手方向の寸法が大きくなったりする問題があったが、同軸型減速機の基体に回転型緩衝装置を設ける上記方法によれば、回転型緩衝装置を固定することができるため、これらの問題を解決することができる。
【００１３】
アクチュエータに加わるトルクを計測したい場合、従来は高価なセンサを用いる必要がある上に、センサ自体が衝撃に対して脆弱である点が問題であった。それに対して本発明は、ばねで衝撃を吸収するため、衝撃に対して極めて頑健である、さらに、安価なホールセンサでたわみ角を計測できるため、たわみ角からトルクを推定する処理を加えれば、安価にトルクを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例を示した図である。
【図２】回転型緩衝装置の詳細を示した図である。
【図３】円弧ばねの設置方法と動作例を示した図である。
【図４】円弧ばねの回転角−トルク特性の例を示した図である。
【図５】回転角−トルク特性の例を示した図である（ばね幅ｂ変化）。
【図６】回転角−トルク特性の例を示した図である（ばね厚ｈ変化）。
【図７】回転角−トルク特性の例を示した図である（内輪外径R変化）。
【図８】回転角−トルク特性の例を示した図である（巻数ｎ変化）。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、ケーシング（ケース７およびケース内８）と、同軸型減速機（サンギヤ２、遊星ギヤ３、遊星キャリヤ４、リングギヤ５を含む遊星歯車装置）と、回転型緩衝装置（リングギヤ５ａおよび円弧ばね１１およびケース内８）と、２つの回転角検出手段（光学式エンコーダ１２、ならびに、マグネット１３とホールセンサ１４とを備える磁気式エンコーダ）とを備える柔軟アクチュエータであって、同軸型減速機は、回転軸を同じくする、入力軸（１）と出力軸（６）と基体（リングギヤ５）とを含み、回転型緩衝装置は、同軸型減速機の基体（リングギヤ５）とケーシング（ケース７およびケース内８）とを結合して回転弾性を与え、２つの回転角検出手段は、入力軸（１）の回転角（ケーシングを基準とする。以下同じ。）、出力軸（６）の回転角、基体（リングギヤ５）の回転角のうちいずれか２（出力軸６の回転角ならびに基体５の回転角）の回転角を同時に検出することにより、出力軸（６）の回転角、ならびに、回転型緩衝装置のたわみ角から推定されるトルクを同時に検出することを特徴とする柔軟アクチュエータの実施例を示した図である。
【００１６】
一方、図２は、図１の構成において、同軸型減速機（サンギヤ２、遊星ギヤ３、遊星キャリヤ４、リングギヤ５を含む遊星歯車装置）と、回転型緩衝装置（リングギヤ５ａおよび円弧ばね１１およびケース内８）とからなる部分を抜粋して示した図である。
【００１７】
上記構成（図１参照）において、ケース（７）は力学的基準となる部分であり、ケース内（８）はその一部である。分割構造となっている理由は製造工程上の理由による。スリーブ（９）は、ケース内（８）に固定され、入力軸（１）とリングギヤ（５）とをそれぞれ回転自在に保持するとともに、取付穴を端面に備えることを特徴とする。入力軸（１）はその先端が出力軸（６）に係止され、遊星キャリヤ（４）の一部を回転自在に保持し、サンギヤ（２）にトルクを伝達する。遊星ギヤ（３）は遊星キャリヤ（４）に回転自在に保持され、リングギヤ（５）とサンギヤ（３）との噛み合いにより公転する。遊星キャリヤ（４）の一部は出力軸（６）にトルクを伝達する。リングギヤ（５）は、スリーブ（９）とスリーブ（１０）により回転自在に保持される。リングギヤ（５）は、組立工程上の理由により、テーパー面で分割される構造（５ａ、５ｂ）となっているが、軸力が加わることにより一体化する。スリーブ（１０）は、ケース（７）に固定されると同時に、出力軸（６）とリングギヤ（５）とを回転自在に保持する。光学式エンコーダ（１２）の基板（１２a）はケース（７）に固定され、ディスク（１２ｂ）は出力軸（６）に固定される。カバー（１２ｃ）はケース（７）にねじ止めされる。
【００１８】
図２に示したように、リングギヤ（５）は、円弧ばね（１１）の端部を回転自在に係止する爪（５ｄ）と、磁界を発生するマグネット（１３）を備える。円弧ばね（１１）は固定穴（１１ｂ）を備え、ケース内（８）の内部にある突起（８ａ）と嵌合した上に、溶接、接着剤等の手段によりケース内（８）に固定される。ホールセンサ（１４）は２組のホール素子からなり、リングギヤ（５）の回転に伴う磁界の変化を検出することで回転角を推定する。ケース（７）およびケース内（８）は、ホールセンサ（１４）とマグネット（１３）との間隙を遮らないように、適宜貫通孔を備える。
【００１９】
図３左は、円弧ばね（１１）の設置方法と負荷状態を示した図であり、リングギヤ（５）、円弧ばね（１１）、ケース内（８）からなる部分を示した図である。より一般的には、外輪（８）と内輪（５）と円弧ばね（１１）とを備え、外輪（８）と内輪（５）は回転軸を同じくし、内輪（５）は、円弧ばね（１１）の両端をそれぞれ回転自在に係止する２つの爪（５ｄ）を含み、円弧ばね（１１）は外輪（８）に内接するように外輪に固定（突起と固定穴の嵌合８ａによる）され、内輪（５）の回転にともなって円弧ばね（１１）と外輪内面（８内面）との密着長（外輪８内面において、取付穴部分８ａから密着点１５までの部分）が漸増する作用により、非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置である。
【００２０】
円弧ばね（１１）は、点線で示した自然状態（１１ｃ）においては、その先端（１１ａ）が爪（５ｄ）に係止されない状態であるが、左右対称にばねに荷重を加えて爪（５ｄ）に係止させると、ばねの反発トルクが左右で拮抗し、予圧された状態で安定する。このとき、円弧ばね（１１）が外輪（８）に密着する部分の長さが増加することで有効ばね長が短縮し、これが一因となってばね剛性は増加する。
【００２１】
図３右に示したように、リングギヤ（５）にトルクが加わるとき、固定点（８ａ）を境界として加重側（より歪みエネルギーが蓄えられる側）にある円弧ばねの密着点は（１５ｂ）に移動して、ばねの剛性はさらに大きくなる。抜重側（歪みエネルギーが解放される側）の円弧ばねは、適切な条件可では予圧を保ち、爪（５ｄ）からばね端（１１ａ）が外れることはない。
【００２２】
図４は、このときの回転角―トルク特性の例を示した図である。非線形性を示すことが特徴であり、低負荷では回転剛性が低く、負荷が増すにしたがって回転剛性が高くなる性質がある。ヒステリシスが小さい場合は、回転角から精度よくトルクを推定することができる。
【００２３】
上記非線形性が発現する原理は、定性的には、円弧ばねの非密着部分の長さが漸減することによるたわみ剛性の増加と、上記非密着部分に加わる軸力の割合が増加することによる曲げモーメントの減少とによって説明できる。しかし、求める回転−トルク特性に対して、設計値を解析的に求めることは困難である。そのため、本発明の実施においては、数値計算によって予め得られた特性を適宜比較選択することによって、所望の設計値を求める方法に従えばよい。
【００２４】
例えば図５は円弧ばね（加重側のみ）の幅を変化させたときの回転−トルク特性の例を示す。同一の回転角に対して、ばね幅が大きいほど高い回転剛性（曲線の傾き）を示すことがわかる。同じく図６は、円弧ばねの厚さを変化させたときの例を示す。ばね幅を大きくしたときと同様に、同一の回転角に対してばね厚さが大きいほど高い回転剛性を示すが、その効果はばね幅のものよりも大きいことがわかる。図７は、外輪の半径を一定に保った上で、円弧ばねの半径を変化させたときの例を示す。内外系比が大きいほど、ばねが硬くなる度合いが緩やかになることがわかる。図８は、円弧ばねの巻数（巻回数１は３６０度に等しい）あるいはばね長を変化させたときの例を示す。巻数を増加させると、ばね特性を回転角方向に平行移動する効果があることがわかる。
【００２５】
以上の定性的な特徴がわかれば、ばね特性を適宜選択することは十分に可能である。
【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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