(57)【要約】【課題】柔軟な回転動作が可能で、かつ多回転させることのできる回転駆動装置を提供する。【解決手段】回転駆動装置１は、回転軸３を偏心させて配置させた偏心カム２と、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３と、制御部１０と、を備える。並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３は、放射状に実質的に均等な角度で配置され、偏心カム２の外周部に巻き付けられたワイヤー５_１，５_２，５_３を介して偏心カム２に駆動力を伝達する。制御部１０は、偏心カム２が偏心回転運動するように並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３の駆動を制御する。【選択図】図１
2017044269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を偏心させて配置させた偏心カムと、
前記回転軸を中心として放射状に実質的に均等な角度で配置され、前記偏心カムの外周部に巻き付けられたワイヤーを介して前記偏心カムに駆動力を伝達する３つ以上の並進駆動アクチュエータと、
前記並進駆動アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記偏心カムが偏心回転運動するように前記並進駆動アクチュエータの駆動を制御する回転駆動装置。
【請求項２】
前記偏心カムの外周部には、前記偏心カムとは独立して回転可能な外輪が取り付けられた請求項１に記載の回転駆動装置。
【請求項３】
前記並進駆動アクチュエータは、空気圧人工筋である請求項１または２のいずれかに記載の回転駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転駆動装置に関し、特に、ロボットアームの関節部の駆動に好適な回転駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧人工筋などの並進駆動アクチュエータを用いた回転駆動装置が知られている。特許文献１には、一対の空気圧人工筋をそれぞれプーリに接続し、空気圧人工筋に供給するエアーの量を調節することでプーリの回転位置を制御する回転駆動装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１２５８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ロボットアームの関節部などにおいて、柔軟な回転動作が可能で、かつ多回転させることのできる回転駆動装置が求められている。ここで、柔軟な回転動作とは、回転駆動装置の出力側に力を加えたときに逆駆動（「バックドライブ」と呼ぶ）しやすいことを意味する。しかしながら、特許文献１の回転駆動装置では、多回転させることが困難であるという問題があった。
【０００５】
以上の背景に鑑み、本発明は、柔軟な回転動作が可能で、かつ多回転させることのできる回転駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、回転駆動装置であって、回転軸を偏心させて配置させた偏心カムと、前記回転軸を中心として放射状に実質的に均等な角度で配置され、前記偏心カムの外周部に巻き付けられたワイヤーを介して前記偏心カムに駆動力を伝達する３つ以上の並進駆動アクチュエータと、前記並進駆動アクチュエータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記偏心カムが偏心回転運動するように前記並進駆動アクチュエータの駆動を制御するものである。
【０００７】
さらに、前記偏心カムの外周部には、前記偏心カムとは独立して回転可能な外輪が取り付けられたものである。
【０００８】
さらに、前記並進駆動アクチュエータは、空気圧人工筋であるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、柔軟な回転動作が可能で、かつ多回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかる回転駆動装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３Ａ】実施の形態１にかかる回転駆動装置のワイヤーの巻き付け方法について説明する図である。
【図３Ｂ】実施の形態１にかかる回転駆動装置のワイヤーの巻き付け方法について説明する図である。
【図３Ｃ】実施の形態１にかかる回転駆動装置のワイヤーの巻き付け方法について説明する図である。
【図３Ｄ】実施の形態１にかかる回転駆動装置のワイヤーの巻き付け方法について説明する図である。
【図３Ｅ】実施の形態１にかかる回転駆動装置のワイヤーの巻き付け方法について説明する図である。
【図４Ａ】実施の形態１にかかる回転駆動装置の動作を説明する図である。
【図４Ｂ】実施の形態１にかかる回転駆動装置の動作を説明する図である。
【図４Ｃ】実施の形態１にかかる回転駆動装置の動作を説明する図である。
【図４Ｄ】実施の形態１にかかる回転駆動装置の動作を説明する図である。
【図５】実施の形態１にかかる回転駆動装置に対して行った、偏心カムの回転位置の調節精度を確認する実験における偏心カムの回転位置について説明する図である。
【図６Ａ】実施の形態１にかかる回転駆動装置に対して行った、偏心カムの回転位置の調節精度を確認する実験における実験結果を示す図である。
【図６Ｂ】実施の形態１にかかる回転駆動装置に対して行った、偏心カムの回転位置の調節精度を確認する実験における実験結果を示す図である。
【図７】実施の形態１にかかる回転駆動装置における、アクチュエータの配置の他の例についての概略構成を示す平面図である。
【図８】実施の形態２にかかる回転駆動装置における概略構成を示す平面図である。
【図９】実施の形態３にかかる回転駆動装置における概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[実施の形態１]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる回転駆動装置１の概略構成について示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、回転駆動装置１は、偏心カム２と、回転軸３と、３つの並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３と、３つのワイヤー５_１，５_２，５_３と、土台９と、制御部１０と、を備えている。偏心カム２は、回転軸３と一体に構成されている。回転軸３は、ベアリングを介して土台９に取り付けられている。偏心カム２の外周部にはベアリング７を介して外輪６が取り付けられている。偏心カム２を偏心回転運動させることで回転軸３を回転させることができる。
【００１２】
外輪６には、ワイヤー５_１，５_２，５_３が巻き付けられている。ワイヤー５_１，５_２，５_３には、ステンレス製のワイヤーを用いることができる。また、ワイヤー５_１，５_２，５_３の端部は、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３にそれぞれ接続されている。
【００１３】
並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３は、偏心カム２を偏心回転運動させるための駆動源である。並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３は、ワイヤーを介して偏心カム２に駆動力を伝達し偏心カム２を偏心回転運動させる。並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３は、回転軸３を中心として放射状に実質的に均等な角度で配置される。つまり、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３は、回転軸３を中心として１２０度毎の角度で配置されている。また、ワイヤー５_１，５_２，５_３は偏心カム２を中心として放射状に実質的に均等な角度で配置される。このように配置することで、回転軸３を均一に回転させることができる。並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３として、マッキベン（ＭｃＫｉｂｂｅｎ）型の空気圧人工筋や空気圧シリンダなどを用いることができる。
【００１４】
空気圧シリンダは、内部に封入されたエアーの漏れを防止するためにパッキンを用いているので、シリンダが駆動する際にパッキンとシリンダ内壁との摺動部に摩擦が発生する。この摩擦は並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３が低速で並進運動するとき特に大きくなる。これに対し、マッキベン型の空気圧人工筋は、空気圧シリンダなどの並進機構と違い摺動部がないため、空気圧シリンダに対して駆動の際の摩擦抵抗が小さい。このため、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３として、マッキベン式の人工筋を用いると、回転速度がゼロ付近での回転軸の回転をスムーズにすることができる。よって、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３として、マッキベン（ＭｃＫｉｂｂｅｎ）型の空気圧人工筋を用いるのが好ましい。
【００１５】
制御部１０は、偏心カム２が偏心回転運動するように並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３の駆動を制御する。偏心カム２を偏心回転運動させる動作の詳細については後述する。
【００１６】
図３は、ワイヤー５_１，５_２，５_３を外輪６に巻きつける方法について説明する図である。なお、３つのワイヤーを外輪６に巻きつける方法はいずれも同じなので、ワイヤー５_１を例に説明する。まず、図３Ａに示すように、ワイヤー５_１を外輪６に巻き付ける。次に、図３Ｂに示すように、投げ縄状にワイヤー５_１の端部を束ねる。そして、図３Ｃに示すようにワイヤー５_１を徐々に締め、図３Ｄに示す状態にする。なお、ワイヤー５_１を図３Ｄに示す状態まで締めずに、図３Ｅに示すように、ワイヤー５_１が外輪６の接線方向に張った状態にしてもよい。
【００１７】
次に、回転駆動装置１における回転軸３を回転させる動作について説明する。
図４は、回転駆動装置１における回転軸３を回転させる動作について説明する図である。図４Ａに示すポジションから、並進駆動アクチュエータ４_２が収縮することで偏心カム２が並進駆動アクチュエータ４_２の方に回転し、図４Ｂに示すポジションへと移行する。そして、図４Ｂに示すポジションから、並進駆動アクチュエータ４_３が収縮することで偏心カム２が並進駆動アクチュエータ４_３の方に回転し、偏心カム２が回転し、図４Ｃに示すポジションへと移行する。さらに、図４Ｃに示すポジションから、並進駆動アクチュエータ４_１が収縮することで偏心カム２が並進駆動アクチュエータ４_１の方に回転し、図４Ｄに示すポジション（図４Ａに示すポジションと同じ）へと移行し、偏心カム２は元のポジションに戻る。
【００１８】
このように、特定の並進駆動アクチュエータを収縮させ偏心カム２に対して引っ張り力を及ぼすことで、並進駆動アクチュエータを配置した方向に偏心カム２を移動させることができる。上述した動作を繰り返すことによって、回転軸３を多回転させることができる。
【００１９】
なお、偏心カム２と外輪６との間にベアリング７が挟んであるので、外輪６は偏心カム２に対し独立に回転可能である。このため、偏心カム２が偏心回転運動する際に、偏心カム２の外周部がワイヤーに擦られることで摩耗するのを抑えることができる。
【００２０】
以上の動作により、偏心カム２の回転位置（角度変位）を精度良く調整できる。また、並進駆動アクチュエータとして空気圧人工筋を用いることにより、柔軟な回転動作が実現できる。なお、複数の並進駆動アクチュエータに同時に引っ張り力を生じさせることで、偏心カム２の回転位置（角度変位）と柔軟性を調整することも可能である。
【００２１】
本実施の形態にかかる回転駆動装置１により偏心カム２の回転位置（角度変位）を精度良く調節できることを確認する評価試験を行った。本評価試験について以下で説明する。
本評価試験で用いた回転駆動装置の概略構成は、図１に示した回転駆動装置１の概略構成と同じである。並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３として、ＳＱＵＳＥ製の空気圧人工筋であるＰＭ１０Ｒを用いた。また、制御部１０として、ＳＱＵＳＥ製の圧力制御ユニットであるＰＣＭ−２００を用いた。ＰＭ１０Ｒの定格圧力は０．２ＭＰａ、ＰＣＭ−２００の最大供給圧力は０．５ＭＰａである。ＰＭ１０Ｒは、最大長が４０ｍｍであり、加圧すると３３ｍｍまで収縮する。つまり、ＰＭ−１０Ｒにより、最大７ｍｍ程度の変位を得ることができる。よって、本評価試験では、偏心カム２と回転軸３との軸間距離を３ｍｍに設定した。
【００２２】
図５は、本評価試験における偏心カム２の回転位置について説明する図である。図５に示すように、偏心カム２の回転位置を６段階（Ｐ１〜Ｐ６）に設定した。つまり、回転軸３を中心に１周を６つ（６０度間隔）に等分した。偏心カム２が回転位置Ｐ１にある状態とは、図４Ａに示す状態である。偏心カム２が回転位置Ｐ３にある状態とは、図４Ｂに示す状態である。偏心カム２が回転位置Ｐ５にある状態とは、図４Ｃに示す状態である。偏心カム２が回転位置Ｐ２にある状態とは、図４Ａ及び図４Ｂに示す状態の中間の状態である。偏心カム２が回転位置Ｐ４にある状態とは、図４Ｂ及び図４Ｃに示す状態の中間の状態である。偏心カム２が回転位置Ｐ６にある状態とは、図４Ｃ及び図４Ｄに示す状態の中間の状態である。
【００２３】
並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３の加圧パターンを、表１及び表２に示す。表１に示す加圧パターンを加圧パターンＡ、表２に示す加圧パターンを加圧パターンＢとする。表中の数値は、各並進駆動アクチュエータに供給するエアーの圧力の指令値で、単位はｋＰａである。表中における数値０は、並進駆動アクチュエータが大気解放状態であることを表す。
【００２４】
制御部１０としての圧力制御ユニットは、設定された加圧パターンに基づいて各並進駆動アクチュエータに供給するエアーの圧力を制御する。圧力制御ユニットが圧力の指令値を変更するタイミングは、偏心カム２の各回転位置に対応させた。具体的には、加圧パターンＡでは、回転位置１，３，５で圧力の指令値を変更する。加圧パターンＢでは、回転位置１〜６のそれぞれにおいて圧力の指令値を変更する。また、回転軸３が１０ｒｐｍの回転速度で動作するよう、各並進駆動アクチュエータは一定時間加圧されるようにした。
【００２５】
【表１】
2017044269.tif 000003
【００２６】
【表２】
2017044269.tif 000004
【００２７】
表１に示すように、加圧パターンＡでは、偏心カム２が、回転位置１にあるときは並進駆動アクチュエータ４_１が１５０ｋＰａで加圧される。そして、偏心カム２が、回転位置３にあるときは並進駆動アクチュエータ４_２が１５０ｋＰａで加圧される。そして、偏心カム２が、回転位置５にあるときは並進駆動アクチュエータ４_３が１５０ｋＰａで加圧される。
【００２８】
表２に示すように、加圧パターンＢでは、偏心カム２が、回転位置１にあるときは並進駆動アクチュエータ４_１が１５０ｋＰａで加圧され、回転位置２にあるときは並進駆動アクチュエータ４_１，４_２が８０ｋＰａで加圧される。そして、偏心カム２が、回転位置３にあるときは並進駆動アクチュエータ４_２が１５０ｋＰａで加圧され、回転位置４にあるときは並進駆動アクチュエータ４_２，４_３が８０ｋＰａで加圧される。そして、偏心カム２が、回転位置５にあるときは並進駆動アクチュエータ４_３が１５０ｋＰａで加圧され、回転位置６にあるときは並進駆動アクチュエータ４_１，４_３が８０ｋＰａで加圧される。
【００２９】
各加圧パターンにおける偏心カム２の角度変位の変化をエンコーダによって測定した。エンコーダは、ＣＯＰＡＬ製のＲＥ１２Ｄを用いた。図６は、評価結果を示すグラフである。図中において、理論値を破線で、測定値を実線でそれぞれ示す。また、横軸は時刻（単位はｓｅｃ）を、縦軸は角度変位（単位はｒａｄ）を、それぞれ表す。図６Ａ、図６Ｂに示すように、加圧パターンＡ及び加圧パターンＢのいずれにおいても、測定値は理論値とほぼ一致した。つまり、本実施の形態にかかる回転駆動装置１によって偏心カム２の回転位置（角度変位）を精度良く調節できることが確認できた。以上より、本実施の形態にかかる回転駆動装置１により柔軟な回転動作を実現できる。
【００３０】
[変形例]
図７は、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３の配置の変形例について説明する平面図である。図７に示すように、ワイヤー５_２，５_３の途中にプーリ８を配置させ、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３が互いに平行に並ぶように配置する。このように、ワイヤー５_２，５_３の途中にプーリ８を配置させることで、並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３の配置の自由度が高め、装置サイズの縮小が可能になる。
【００３１】
[実施の形態２]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態２について説明する。なお、実施の形態１と共通の部分には共通の符号を付してその説明を省略する。
図８は、本実施の形態にかかる回転駆動装置１００の概略構成を示す平面図である。図８に示すように、偏心カム１０２に直接ワイヤー５_１，５_２，５_３を巻き付けている。偏心カム１０２の外周部表面でワイヤー５_１，５_２，５_３が滑ることによって、実施の形態１の図４において説明したのと同様に偏心カム１０２を偏心回転運動させることができる。このようにすることで、部品点数を減らすことができる。ただし、偏心カム１０２が偏心回転運動するたびに偏心カム１０２の外周部がワイヤー５_１，５_２，５_３によって擦られるので、偏心カム１０２の外周部を摩耗しにくい材料で構成するか、または偏心カム１０２の外周部とワイヤー５_１，５_２，５_３との間に十分な潤滑剤を塗布する必要がある。
【００３２】
[実施の形態３]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態３について説明する。なお、実施の形態１と共通の部分には共通の符号を付してその説明を省略する。
図９は、本実施の形態にかかる回転駆動装置２００の概略構成を示す平面図である。図９に示すように、偏心カム２を偏心動作させる駆動源として４つの並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３，４_４を用いている。ワイヤー５_１，５_２，５_３，５_４は、一端が並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３，４_４にそれぞれ取り付けられ、他端は外輪６に巻き付けられている。４つの並進駆動アクチュエータ４_１，４_２，４_３，４_４は、回転軸３を中心として９０度の角度で配置されている。
【００３３】
各並進駆動アクチュエータを収縮させ、偏心カム２に対し引っ張り力を及ぼすことで偏心カム２を偏心回転運動させる点は、実施の形態１の並進駆動アクチュエータが３つの場合と同じである（図４参照）。並進駆動アクチュエータを４つにすることで、並進駆動アクチュエータが３つの場合に対して、回転の滑らかさと位置決め精度をより向上させることができる。なお、並進駆動アクチュエータの数を４つ以上に増やしてもよい。並進駆動アクチュエータの数を増やせば増やすほど、回転の滑らかさと位置精度をより向上させることができる。ただし、装置コストの上昇や並進駆動アクチュエータの制御の複雑化といった点についても考慮して最適な並進駆動アクチュエータの数を決める必要がある。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、各並進駆動アクチュエータは、隣り合う並進駆動アクチュエータが互いに回転軸を中心に１８０度以内の角度で配置されていれば、均等な角度で配置されていなくてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  回転駆動装置
２  偏心カム
３  回転軸
４_１，４_２，４_３  並進駆動アクチュエータ
５_１，５_２，５_３  ワイヤー
６  外輪
７  ベアリング
１０  制御部
【図１】
2017044269.tif 000005
【図２】
2017044269.tif 000006
【図３Ａ】
2017044269.tif 000007
【図３Ｂ】
2017044269.tif 000008
【図３Ｃ】
2017044269.tif 000009
【図３Ｄ】
2017044269.tif 000010
【図３Ｅ】
2017044269.tif 000011
【図４Ａ】
2017044269.tif 000012
【図４Ｂ】
2017044269.tif 000013
【図４Ｃ】
2017044269.tif 000014
【図４Ｄ】
2017044269.tif 000015
【図５】
2017044269.tif 000016
【図６Ａ】
2017044269.tif 000017
【図６Ｂ】
2017044269.tif 000018
【図７】
2017044269.tif 000019
【図８】
2017044269.tif 000020
【図９】
2017044269.tif 000021