(57)【要約】  ３つの駆動部を用いて２つの駆動軸を駆動し、静止摩擦の影響を除去することができる駆動装置を提供する。  駆動装置は、第１の駆動部と、第２の駆動部と、第３の駆動部と、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部を具備する。前記制御部は、前記第２の駆動部を一定速度に制御するとともに、前記第１の駆動部及び前記第３の駆動部の各々の前記第２の駆動部に対する相対速度を制御する。
2019150812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の駆動部と、
第２の駆動部と、
第３の駆動部と、
前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、
前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、
前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部と、
を具備する駆動装置。
【請求項２】
前記第１の差動部は、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部の動作の差分に基づいて駆動し、
前記第２の差動部は、前記第２の駆動部と前記第３の駆動部の動作の差分に基づいて駆動する、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部の動作の差分に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御し、前記第２の駆動部と前記第３の駆動部の動作の差分に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御する、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第２の駆動部を一定速度に制御するとともに、前記第１の駆動部及び前記第３の駆動部の各々の前記第２の駆動部に対する相対速度を制御する、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記第１の駆動部の前記第２の駆動部に対する相対速度と、前記第３の駆動部の前記第３の駆動部に対する相対速度との差分又は比率が所定の範囲内となるように制御する、
請求項４に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記第１の駆動部の故障時において、前記第２の駆動部の速度に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御するとともに、前記第３の駆動部の前記第２の駆動部に対する相対速度に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御し、
又は、前記第３の駆動部の故障時において、前記第２の駆動部の速度に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御するとともに、前記第１の駆動部の前記第２の駆動部に対する相対速度に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御し、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記第２の駆動部の故障時において、前記第１の駆動部の速度に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御するとともに、前記第３の駆動部の速度に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御する、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記第２の駆動部と前記第２の差動部を連結し、又は前記第２の駆動部と前記１の差動部を連結する連結部をさらに備える、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記第１の差動部及び前記第２の差動部は差動歯車機構からなる、
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項１０】
第１の駆動部と、
第２の駆動部と、
第３の駆動部と、
前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、
前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、
前記第１の差動部に取り付けられた第１のアーム部と、
前記第２の差動部に取り付けられた第２のアーム部と、
前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部と、
を具備するロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、ロボットなどの多リンク構造体の駆動に適用される駆動装置並びにロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットなどの多リンク構造体の駆動軸を、モータなどのアクチュエータを用いて駆動するのが一般的である。ところが、アクチュエータには、摩擦を始めとするモデル化や同定が困難な要因を含むため、位置制御及び力制御の精度向上を難しくしている。例えば微速で駆動させる際に、静止摩擦や動摩擦の影響により、滑らかに動かず、スティックスリップ動作するといった問題が発生する。【０００３】
例えば、外乱オブザーバを用いて摩擦などのモデル化が困難な外乱の影響を除去するアクチュエータ制御装置について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。また、１つの駆動軸を常時回転する２つのモータ間の相対速度に基づいて駆動するツインドライブシステムについても提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。【０００４】
後者のツインドライブシステムによれば、各モータは常に回転していることから静止摩擦の影響がなく、且つ、常時回転する２つのモータの差を差動機構により出力するので動摩擦の影響も除去することができる。但し、ロボットのすべての駆動軸にツインドライブシステムを導入すると、使用するモータの台数が倍になることから、製造コストも大幅に増大し、各軸の慣性や機構の寸法も増大するという問題がある。また、１つの駆動軸には基本的に２つの同一のモータを使用する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６９１０２号公報
【特許文献２】特開２００１−２６３４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本明細書で開示する技術の目的は、例えばロボットなどの多リンク構造体の駆動に適用することができ、摩擦の影響を軽減する駆動装置並びにロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示する技術は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
第１の駆動部と、
第２の駆動部と、
第３の駆動部と、
前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、
前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、
前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部と、
を具備する駆動装置である。【０００８】
前記第１の差動部は、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部の動作の差分に基づいて駆動し、前記第２の差動部は、前記第２の駆動部と前記第３の駆動部の動作の差分に基づいて駆動する。【０００９】
また、前記制御部は、前記第２の駆動部を一定速度に制御するとともに、前記第１の駆動部及び前記第３の駆動部の各々の前記第２の駆動部に対する相対速度を制御して、前記第１の差動部並びに前記第２の差動部の駆動を制御する。【００１０】
また、本明細書で開示する技術の第２の側面は、
第１の駆動部と、
第２の駆動部と、
第３の駆動部と、
前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、
前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、
前記第１の差動部に取り付けられた第１のアーム部と、
前記第２の差動部に取り付けられた第２のアーム部と、
前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部と、
を具備するロボット装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書で開示する技術によれば、３つの駆動部を用いて２つの駆動軸を駆動し、静止摩擦の影響を除去することができる駆動装置並びにロボット装置を提供することができる。【００１２】
なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、本発明が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。【００１３】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、駆動装置１００の構成例を模式的に示した図である。
【図２】図２は、差動歯車機構を用いた第１の差動部１１１の構成例を示した図である。
【図３】図３は、第１の差動部１１１の動作例を示した図である。
【図４】図４は、第１の差動部１１１の動作例を示した図である。
【図５】図５は、第１の差動部１１１の動作例を示した図である。
【図６】図６は、差動歯車機構を用いた第２の差動部１１２の構成例を示した図である。
【図７】図７は、第２の差動部１１２の動作例を示した図である。
【図８】図８は、第２の差動部１１２の動作例を示した図である。
【図９】図９は、第２の差動部１１２の動作例を示した図である。
【図１０】図１０は、駆動装置１００の構成例を示した図である。
【図１１】図１１は、駆動装置１００の制御システム１１００の構成例を模式的に示した図である。
【図１２】図１２は、故障時における制御システム１１００の動作例を示した図である。
【図１３】図１３は、故障時における制御システム１１００の動作例を示した図である。
【図１４】図１４は、故障時における制御システム１１００の動作例を示した図である。
【図１５】図１５は、パラレルリンク装置１５００の構成例を示した図である。
【図１６】図１６は、図１５に示したパラレルリンク装置１５００の自由度構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１には、本明細書で開示する技術を適用した駆動装置１００の構成例を模式的に示している。図示の駆動装置１００は、２軸のアームを同時に駆動することができ、例えばロボットを始めとする多リンク構造体に適用することができる。
【００１７】
駆動装置１００は、第１の駆動部１０１と、第２の駆動部１０２と、第３の駆動部１０３と、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２の間に配設された第１の差動部１１１と、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３の間に配設された第２の差動部１１２とを備えている。また、駆動装置１００は、第１の駆動部１０１と、第２の駆動部１０２と、第３の駆動部１０３の各駆動を制御する制御部（図示しない）を備えているものとする。なお、制御部は、各駆動部１０１〜１０３を制御するための処理をプログラムにより実行する処理回路であり、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）がバスにより相互接続されたコンピュータで構成される。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）により処理回路を実現してもよい。
【００１８】
第１の駆動部１０１と、第２の駆動部１０２と、第３の駆動部１０３は、例えばモータなどのアクチュエータで構成され、それぞれ独立して駆動する。第１の駆動部１０１、第２の駆動部１０２、第３の駆動部１０３を構成するモータは、出力軸の回転位置を検出するエンコーダや、出力軸に作用する外トルクを検出するトルクセンサなどを装備していてもよい。但し、第１の駆動部１０１、第２の駆動部１０２、第３の駆動部１０３を構成する各モータは、同一である必要はない。モータは、ステッピングモータやサーボモータ、直流モータなどである。直線運動を回転運動に変換する機構が備えていれば、直動モータが用いられてもよい。
【００１９】
第１の差動部１１１は、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２がそれぞれ独立して動作する際の、動作差分により駆動する。第１の差動部１１１は差動機構（後述）を有し、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２は第１の差動部１１１の差動機構を介して接続される、ということもできる。そして、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２がともにモータで構成され、それぞれ独立して回転動作する際、第１の差動部１１１の駆動軸は、これら２つのモータの回転速度の差に基づいて回転する。但し、第２の駆動部１０２は、基本的には一定速度に固定されるように制御され（前述）、第１の駆動部１０１は一定速度制御される第２の駆動部１０２に対する相対速度が制御されるものとする。また、第１の差動部１１１に取り付けられた第１のアーム部１２１は、これら２つのモータの回転速度の差に基づいて、第１の差動部１１１の駆動軸回りに回転する。
【００２０】
同様に、第２の差動部１１２は、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３がそれぞれ独立して動作する際の、動作差分により駆動する。第２の差動部１１２は差動機構（後述）を有し、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３は第２の差動部１１２の差動機構を介して接続される、ということもできる。そして、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３がともにモータで構成され、それぞれ独立して回転動作する際、第２の差動部１１２の駆動軸は、これら２つのモータの回転速度の差に基づいて回転する。但し、第２の駆動部１０２は、基本的には一定速度に固定されるように制御され、第３の駆動部１０３は一定速度制御される第２の駆動部１０２に対する相対速度が制御されるものとする。また、第２の差動部１１２に取り付けられた第２のアーム部１２２は、これら２つのモータの回転速度の差に基づいて、第２の差動部１１２の駆動軸回りに回転する。
【００２１】
第１の差動部１１１を差動歯車機構により構成することで、両端に接続された第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２の回転速度の差分に基づく、第１の差動部１１１の駆動軸回りの回転運動を得ることができる。同様に、第２の差動部１１２を差動歯車機構により構成することで、両端に接続された第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３の回転速度の差分に基づく、第２の差動部１１２の駆動軸回りの回転運動を得ることができる。
【００２２】
そして、制御部は、第２の駆動部１０２の回転速度が一定となるように定速制御しながら、第１の駆動部１０１及び第３の駆動部１０３の各々の第２の駆動部１０２に対する相対的な回転速度を制御することで、第１の差動部１１１の駆動軸、及び、第２の差動部１１２の駆動軸を独立して駆動させて、第１のアーム部１２１及び第２のアーム部１２２を任意に動作させることができる。
【００２３】
図２には、差動歯車機構を用いた第１の差動部１１１の構成例を示している。図示の第１の差動部１１１は、第１の駆動部１０１の出力軸の先端に取り付けられた第１のサイドギア２０１と、第２の駆動部１０２の出力軸の先端に取り付けられた第２のサイドギア２０２と、第１のアーム部１２１と一体であるピニオンギア２０３を備えている。第１の駆動部１０１の出力軸と第１のサイドギア２０１の回転軸は一致し、第２の駆動部１０２の出力軸と第２のサイドギア２０２の回転軸は一致する。そして、第１のサイドギア２０１と第２のサイドギア２０２が対向するように配置され、これらの共通の回転軸が第１の差動部１１１の駆動軸２００となる。また、各ギア２０１〜２０３は傘歯車で構成され、ピニオンギア２０３は、第１のサイドギア２０１及び第２のサイドギア２０２の両方と噛合している。したがって、ピニオンギア２０３と一体の第１のアーム部１２１は、駆動軸２００回りに回転する。ここでは、説明の簡素化のため、第１のサイドギア２０１と第２のサイドギア２０２のギア比は１対１とする。なお、図２では説明の便宜上、図示を省略したが、各ギア２０１〜２０３はケーシングにより覆われているものとする。
【００２４】
第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２が等速で反対方向に回転しているときには、図３に示すように、第１の差動部１１１の駆動軸２００は回転せず、したがって、第１のアーム部１２１を静止させることができる。そして、定速で回転する第２の駆動部１０２に対して、第１の駆動部１０１の相対速度を制御することで、第１のアーム部１２１の駆動軸２００回りの回転方向及び回転速度を制御することができる。例えば、第１の駆動部１０１の回転速度の方が第２の駆動部１０２の回転速度よりも大きいと、図４中の矢印４０１で示すように、第１のアーム部１２１は駆動軸２００回りに第１の駆動部１０１と同じ回転方向に回転し、第１の駆動部１０１の相対速度をさらに上げることで第１のアーム部１２１の矢印４０１方向の駆動速度が速くなる。逆に、第１の駆動部１０１の回転速度の方が第２の駆動部１０２の回転速度よりも小さいと、図５中の矢印５０１で示すように、第１のアーム部１２１は駆動軸２００回りに第２の駆動部１０２と同じ回転方向に回転し、第１の駆動部１０１の相対速度をさらに低下させることで第１のアーム部１２１の矢印５０１方向の駆動速度が速くなる。
【００２５】
通常、静止している第１のサイドギア２０１とピニオンギア２０３の間、並びに、静止している第２のサイドギア２０２とピニオンギア２０３の間には、モデル化が困難な静止摩擦が生じる。本実施形態では、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２を等速で反対方向に回転させることによって、アーム部１２１を静止状態に保つようにしている。すなわち、第１のサイドギア２０１とピニオンギア２０３、並びに第２のサイドギア２０２とピニオンギア２０３とを常に動作させることによって、静止摩擦の影響をキャンセルすることができる。
【００２６】
また、図６には、差動歯車機構を用いた第２の差動部１１２の構成例を示している。図示の第２の差動部１１２は、第２の駆動部１０２の出力軸の先端に取り付けられた第１のサイドギア６０１と、第３の駆動部１０３の出力軸の先端に取り付けられた第２のサイドギア６０２と、第２のアーム部１２２と一体であるピニオンギア６０３を備えている。第２の駆動部１０２の出力軸と第１のサイドギア６０１の回転軸は一致し、第３の駆動部１０３の出力軸と第２のサイドギア６０２の回転軸は一致する。そして、第１のサイドギア６０１と第２のサイドギア６０２が対向するように配置され、これらの共通の回転軸が第２の差動部１１２の駆動軸６００となる。また、各ギア６０１〜６０３は傘歯車で構成され、ピニオンギア６０３は、第１のサイドギア６０１及び第２のサイドギア６０２の両方と噛合している。したがって、ピニオンギア６０３と一体の第２のアーム部１２２は、駆動軸６００回りに回転する。ここでは、説明の簡素化のため、第１のサイドギア６０１と第２のサイドギア６０２のギア比は１対１とする。なお、図６では説明の便宜上、図示を省略したが、各ギア６０１〜６０３はケーシングにより覆われているものとする。
【００２７】
第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３が等速で反対方向に回転しているときには、図７に示すように、第２の差動部１１２の駆動軸６００は回転せず、したがって、第２のアーム部１２２を静止させることができる。そして、定速で回転する第２の駆動部１０２に対して、第３の駆動部１０３の相対速度を制御することで、第２のアーム部１２２の駆動軸６００回りの回転方向及び回転速度を制御することができる。例えば、第３の駆動部１０３の回転速度の方が第２の駆動部１０２の回転速度よりも大きいと、図８中の矢印８０１で示すように、第２のアーム部１２２は駆動軸６００回りに第３の駆動部１０３と同じ回転方向に回転し、第３の駆動部１０３の相対速度をさらに上げることで第２のアーム部１２２の矢印８０１方向の駆動速度が速くなる。逆に、第３の駆動部１０３の回転速度の方が第２の駆動部１０２の回転速度よりも小さいと、図９中の矢印９０１で示すように、第２のアーム部１２２は駆動軸６００回りに第２の駆動部１０２と同じ回転方向に回転し、第３の駆動部１０３の相対速度をさらに低下させることで第２のアーム部１２２の矢印９０１方向の駆動速度が速くなる。
【００２８】
通常、静止している第１のサイドギア６０１とピニオンギア６０３の間、並びに、静止している第２のサイドギア６０２とピニオンギア６０３の間には、モデル化が困難な静止摩擦が生じる。本実施形態では、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３を等速で反対方向に回転させることによって、アーム部１２２を静止状態に保つようにしている。すなわち、第１のサイドギア６０１とピニオンギア６０３、並びに第２のサイドギア６０２とピニオンギア６０３とを常に動作させることによって、静止摩擦の影響をキャンセルすることができる。
【００２９】
なお、図２〜図５、並びに図６〜図９には、それぞれ歯車を組み合わせた差動機構を用いた第１の差動部１１１並びに第２の差動部１１２を示したが、他の差動機構を用いて各差動部１１１及び１１２を構成することもできる。例えば、摩擦力によって生じる制御力によって回転を伝える差動機構を用いて第１の差動部１１１並びに第２の差動部１１２を構成することもできる。
【００３０】
以上をまとめると、一定速度に制御される第２の駆動部１０２と、第２の駆動部１０２の両端に配置され、第２の駆動部１０２に対する相対速度が制御される第１の駆動部１０１及び第３の駆動部は、それぞれ差動歯車機構で構成される第１の差動部１１１及び第２の差動部１１２を介して連結される。このとき、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２の減速比と、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３の減速比は同一でなくてもよい。すなわち、定速に制御される第２の駆動部１０２の左右いずれか一方の出力端には減速機を設けず、他方の出力端には減速機を設けるようにしてもよい。
【００３１】
ちなみに、減速比を異ならせると、２軸（すなわち、２本のアーム部１２１及び１２２）の動きを変えられるので、設計の自由度が増すという効果がある。また、対となるサイドギア２０１と２０２、及びサイドギア６０１と６０２に同一のギアを用いる必要はなく、片方のギアやモータの大きさを変えてもよい。
【００３２】
図１に示す駆動装置１００は、各アーム部１２１及び１２２を動作させているか静止させているかどうかに拘わらず、３つの駆動部１０１〜１０３を構成する各モータは常に回転動作しているので、静止摩擦の影響を、モデルレスすなわち特別な機構や補償モデルを用いることなくキャンセルすることができる。
【００３３】
また、図１からも分かるように、駆動装置１００は、３つのモータを用いて２つの駆動軸を駆動する（言い換えれば、１．５個のモータを用いて１つの駆動軸を駆動する）構成となっているので、１つの駆動軸に２つのモータを使用するツインドライブシステム（前述）と比較すれば、より少ないモータの台数により同じ自由度構成の多リンク構造体を構成することができるので、製造コストを削減するとともに、各軸の慣性や機構の寸法を抑制することができる、といった利点がある。付言すれば、駆動装置１００は、３つの駆動部１０１〜１０３に対して３つの同一のモータを使用する必要もない。
【００３４】
なお、図１に示した駆動装置１００は、３つの駆動部１０１〜１０３を同一直線上に配置されているが、このような構成に限定されるものではない。例えばベルトなどの伝達機構を用いて一部の駆動部を同一直線から外れた位置に配置することができる。
【００３５】
図１０には、第２の駆動部１０２の出力軸と、第２の差動部１１２の駆動軸とをベルト１００１からなる動力伝達機構を介して連結して、第１の駆動部１０１及び第２の駆動部１０２の駆動軸１００２とは離間した場所に、第３の駆動部１０３の駆動軸１００３を配置して構成される、駆動装置１０００の構成例を示している。
【００３６】
また、図示を省略するが、第２の駆動部１０２の他方の出力軸と、第１の差動部１１１の駆動軸をベルトなどの動力伝達機構を介して連結して、第２の駆動部１０２の駆動軸１００２とは離間した場所に、第１の駆動部１０１の駆動軸を配置するように構成することもできる。
【００３７】
図１０に示す駆動装置１０００の場合、第１の駆動部１０１及び第２の駆動部１０２の駆動軸１００２と、離間して配置された第３の駆動部１０３の駆動軸１００３は互いに平行となっている。但し、第２の駆動部１０２の出力軸と、第２の差動部１１２の駆動軸とを、方向変換機能を備えた動力伝達機構を用いて連結することで、第１の駆動部１０１及び第２の駆動部１０２の駆動軸１００２と、離間して配置された第３の駆動部１０３とが任意の角度となるように構成することも可能である。
【００３８】
一般には、動力を伝達する方向を変換するために１以上のギアを使用し、ギア数が増える度に摩擦の原因が増える。本実施形態に係る駆動装置１０００によれば、３つの駆動部１０１〜１０３を構成する各モータは常に回転動作しているので、使用するギア数に拘わらず、静止摩擦の影響をキャンセルすることができる。
【００３９】
図１１には、図１に示した駆動装置１００の制御システム１１００の構成例を模式的に示している。なお、図示及び説明を省略するが図１０に示した駆動装置１０００の制御システムも同様に構成されるものと理解されたい。
【００４０】
駆動装置１００は、第１の駆動部１０１と、第２の駆動部１０２と、第３の駆動部１０３と、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２の間に配設された第１の差動部１１１と、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３の間に配設された第２の差動部１１２を備えている（同上）。
【００４１】
第１の駆動部１０１と、第２の駆動部１０２と、第３の駆動部１０３は、例えばモータなどのアクチュエータで構成される。そして、制御部１１０１は、第１の駆動部１０１と、第２の駆動部１０２と、第３の駆動部１０３とを、それぞれ独立して駆動制御することができる。
【００４２】
したがって、制御部１１０１は、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２がそれぞれ独立して動作する際の動作差分により、第１の差動部１１１を駆動することができる。そして、第１の差動部１１１には第１のアーム部１２１が取り付けられており、制御部１１０１は、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２の動作差分により、第１のアーム部１２１を駆動することができる。
【００４３】
また、制御部１１０１は、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３がそれぞれ独立して動作する際の動作差分により、第２の差動部１１２を駆動することができる。そして、第２の差動部１１２には第２のアーム部１２２が取り付けられており、制御部１１０１は、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３の動作差分により、第２のアーム部１２２を駆動することができる。
【００４４】
また、制御部１１０１は、中央に配置された第２の駆動部１０２を一定速度制御して、その速度を固定する。そして、制御部１１０１は、第２の駆動部１０２の左右に配置された第１の駆動部１０１及び第３の駆動部１０３の各々について、一定速度制御される第２の駆動部１０２に対する相対速度を制御する。第１の駆動部１０１の相対速度を制御することによって、第１の差動部１１１における動作差分を調整して、第１のアーム部１２１に所望の動作を行わせることができる。また、第３の駆動部１０３の相対速度を制御することによって、第２の差動部１１２における動作差分を調整して、第２のアーム部１２２に所望の動作を行わせることができる。この結果、制御部１１０１は、２本のアーム部１２１及び１２２に任意の動作を行わせることができる。
【００４５】
第１のアーム部１２１又は第２のアーム部１２２の少なくとも一方が静止していても、第１乃至第３の駆動部１０１〜１０３は常に動作している。したがって、静止摩擦の影響を、モデルレスすなわち特別な機構や補償モデルを用いることなくキャンセルすることができる。
【００４６】
また、制御部１１０１は、第１の駆動部１０１の第２の駆動部１０２に対する相対速度と、第３の駆動部１０３の第２の駆動部１０２に対する相対速度との差分又は比率が所定の値の範囲内となるように制限するようにしてもよい。これによって、第１のアーム部１２１と第２のアーム部１２２のうち一方が高速で移動した方が低速で移動するといった動作が発生するのを抑制することができる。
【００４７】
また、１．５個のモータを用いて１つの駆動軸を駆動するという構成を活用して、第１乃至第３の駆動部１０１〜１０３のうち一部が故障しても、所望の動作を続行するフォルトトレラントな制御を実現することもできる。
【００４８】
例えば、第１の駆動部１０１が故障したときには、制御部１１０１は、第２の駆動部１０２のみを用いて第１の差動部１１１の駆動を制御する。そして、その際にも、第３の駆動部１０３の第２の駆動部に対する相対速度に基づいて第２の差動部１１２の駆動を制御する（図１２を参照のこと）。この場合、第１のアーム部１２１は第２の駆動部１０２の駆動速度に追従して動作し、第２のアーム部１２２は第３の駆動部１０３の第２の駆動部１０２に対する相対速度に基づいて動作する。
【００４９】
同様に、第３の駆動部１０３が故障したときには、制御部１１０１は、第２の駆動部１０２のみを用いて第２の差動部１１２の駆動を制御する。そして、その際にも、第１の駆動部１０１の第２の駆動部に対する相対速度に基づいて第１の差動部１１１の駆動を制御する（図１３を参照のこと）。この場合、第２のアーム部１２２は第２の駆動部１０２の駆動速度に追従して動作し、第１のアーム部１２１は第１の駆動部１０１の第２の駆動部１０２に対する相対速度に基づいて動作する。
【００５０】
他方、中央の第２の駆動部１０２が故障したときには、制御部１１０１は、正常に動作しない第２の駆動部１０２を切り離して、第１の駆動部１０１で第１の差動部１１１を駆動制御するとともに、第３の駆動部１０３で第２の差動部を駆動制御する（図１４を参照のこと）。この場合、第１のアーム部１２１は第２の駆動部１０２の駆動速度に追従して動作し、第２のアーム部１２２は第２の駆動部１０２の駆動速度に追従して動作する。
【００５１】
なお、制御部１１０１は、各駆動部１０１〜１３０に使用されるモータに組み込まれたエンコーダやトルクセンサ、あるいはその他のセンサ素子からの検出信号に基づいて故障を検出して、検出結果に応じて上記の動作を実施するようにしてもよい。あるいは、制御部１１０１は、ユーザなどの外部からの指示に応じて、上記の動作を実施するようにしてもよい。
【００５２】
本実施形態に係る駆動装置１００は、２軸のアームを同時に駆動することができ、例えばロボットを始めとする多リンク構造体に適用することができる。
【００５３】
図１５には、駆動装置１００を適用可能なパラレルリンク装置１５００の構成例を概略的に示している。また、図１６には、図１５に示したパラレルリンク装置１５００の自由度構成を示している。なお、本明細書において、パラレルリンク装置におけるベース部及び可動部材のうちのベース部側を前方あるいは先端側とも言い、可動部材側を後方あるいは基端側とも言う。
【００５４】
パラレルリンク装置１５００は、ベース部としてのベースプレート３０と、可動部材としての可動プレート４０と、並列に配置される複数のリンク部としての第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ及び第３のリンク部５０ｃを備える。第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃは、ベースプレート３０と可動プレート４０との間にそれぞれ連結されている。
【００５５】
ベースプレート３０は、例えば台車や支持台、支持壁、支持柱、支持梁、天井、床面など（いずれも図示しない）に固定して使用される。ベースプレート３０の形状は特に限定されない。第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃの各基端側は、ベースプレート３０に対して、回転中心点Ｐ回りに１２０度毎に等間隔で設けられた固定部３１ａ、３１ｂ、３１ｃにそれぞれ連結されている。回転中心点Ｐは、ベースプレート３０と第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃとの連結位置の回転中心点である。
【００５６】
また、第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃの各先端側は、可動プレート４０に対して、回転中心点Ｑ回りに１２０度毎に等間隔で設けられた固定部４１ａ、４１ｂ、４１ｃにそれぞれ連結されている。可動プレート４０の形状は特に限定されない。回転中心点Ｑは、可動プレート４０と第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃとの連結位置の回転中心点である。
【００５７】
第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ及び第３のリンク部５０ｃは、同一の構成を有している。このうち第１のリンク部５０ａを例にとって、図１６を参照しながらリンク部の構成について説明する。第１のリンク部５０ａは、ベースプレート３０の固定部３１ａに連結された４節リンク機構ＦＬと、基端側が４節リンク機構ＦＬに連結され、先端側が可動プレート４０に連結された直列リンク機構ＳＬとを備えている。
【００５８】
直列リンク機構ＳＬは、第１のリンク５９と、第２のリンク６３と、第３のリンク６１と、第４のリンク１５７で構成される。第１のリンク５９は、１軸回転関節である第１の能動関節部Ｊ8を介してベースプレート３０の固定部３１ａに連結されている。また、第２のリンク６３は、１軸能動関節である第２の能動関節部Ｊ9を介してベースプレート３０の固定部３１ａに連結されている。
【００５９】
第１のリンク５９と第４のリンク５７とは、１軸回転関節である第１の回転関節部Ｊ1により連結されている。また、第２のリンク６３と第３のリンク６１とは、１軸回転関節である第２の回転関節部Ｊ2により連結され、第３のリンク６１と第４のリンク５７とは、１軸回転関節である第３の回転関節部Ｊ3により連結されている。第１の回転関節部Ｊ1、第２の回転関節部Ｊ2、第３の回転関節部Ｊ3、及び第１の能動関節部Ｊ8は、互いに平行な回転軸線を有する。これにより、第１のリンク５９、第２のリンク６３、第３のリンク６１、及び第４のリンク５７は４節リンク機構ＦＬを構成し得る。
【００６０】
図１５及び図１６に示す例では、第１の能動関節部Ｊ8と第２の能動関節部Ｊ9は、同軸上に配置されている。第１の能動関節部Ｊ8及び第２の能動関節部Ｊ9の駆動に、図１に示した駆動装置１００を適用することができる。具体的には、第１の能動関節部Ｊ8を第１の差動部１１１で構成するとともに、第２の能動関節部Ｊ9を第２の差動部１１２で構成して、さらに、第１の能動関節部Ｊ8を挟むように第１の駆動部１０１及び第２の駆動部１０２を配置するとともに、第２の能動関節部Ｊ9を挟むように第２の駆動部１０２及び第３の駆動部１０３を配置する。なお、第２の能動関節部Ｊ9は、第１の能動関節部Ｊ8と平行に配置されていれば、同軸上でなくてもよい。
【００６１】
ここで、３つの駆動部１０１〜１０３を構成する各モータを常に回転動作させながら、第１の駆動部１０１と第２の駆動部１０２間の動作差分によって第１の能動関節部Ｊ8を駆動するとともに、第２の駆動部１０２と第３の駆動部１０３間の動作差分によって第２の能動関節部Ｊ9を駆動することができる。
【００６２】
第１のリンク５９並びに第２のリンク６３を動作させているか静止させているかどうかに拘わらず、３つの駆動部１０１〜１０３を構成する各モータは常に回転動作しているので、静止摩擦の影響を、モデルレスすなわち特別な機構や補償モデルを用いることなくキャンセルすることができる。
【００６３】
また、３つのモータを用いて２つの駆動軸を駆動する（言い換えれば、１．５個のモータを用いて１つの駆動軸を駆動する）構成となっているので、より少ないモータの台数によりパラレルリンク装置１５００を構成して、製造コストを削減するとともに、各軸の慣性や機構の寸法を抑制することができる。
【００６４】
また、図１５及び図１６に示すパラレルリンク装置１５００では、第１の能動関節部Ｊ8の回転軸と第１の回転関節部Ｊ1の回転軸との距離Ｌ１が、第２の回転関節部Ｊ2の回転軸と第３の回転関節部Ｊ3の回転軸との距離Ｌ２に等しくなっている。また、第２の能動関節部Ｊ9の回転軸と第２の回転関節部Ｊ2の回転軸との距離Ｌ３が、第１の回転関節部Ｊ1の回転軸と第３の回転関節部Ｊ3の回転軸との距離Ｌ４に等しくなっている。つまり、第１のアーム部５０ａの４節リンク機構ＦＬは、平行リンク機構として構成されている。ここで言う「平行リンク機構」は、複数のリンクによって平行四辺形あるいはひし形が形成されるリンク機構である。なお、４節リンク機構ＦＬは、平行リンク機構でなくてもよいが、平行リンク機構であれば、パラレルリンク装置１５００の構造設計及び可動プレート４０の位置や姿勢の制御が容易になる。そして、４節リンク機構ＦＬの第４のリンク５７は、上述したように本実施形態に係る駆動装置１００を適用して、２自由度に制御される。
【００６５】
４節リンク機構ＦＬの第４のリンク５７は、Ｌ字状の直角リンクとなっている。第４のリンク５７の形状は、Ｌ字状に限られず、例えば、Ｔ字状であってもよい。Ｌ字状の第４のリンク５７のうち、４節リンク機構ＦＬの第１の回転関節部Ｊ1と第３の回転関節部Ｊ3との間に位置する部分５７ａから、４節リンク機構ＦＬの成す平面に対して直交する方向に延びる部分５７ｂに、１軸回転関節である第４の回転関節部Ｊ4が設けられている。第４の回転関節部Ｊ4の回転軸線は、４節リンク機構ＦＬの各関節部の回転軸線に対して直交する。第４の回転関節部Ｊ4は、４節リンク機構ＦＬと直列リンク機構ＳＬとを連結する。
【００６６】
直列リンク機構ＳＬは、４節リンク機構ＦＬと可動プレート４０との間を４自由度で連結する。図示のパラレルリンク装置１５００において、直列リンク機構ＳＬは、第４の回転関節部Ｊ4を介して第４のリンク５７の部分５７ｂに連結される第５のリンク５５と、第５のリンク５５の先端側に接続された３自由度の回転関節とを有する。３自由度の回転関節は、ともに１軸回転関節である第５の回転関節部Ｊ5、第６の回転関節部Ｊ6、及び第７の回転関節部Ｊ7により構成されている。第４の回転関節部Ｊ4、第５の回転関節部Ｊ5、第６の回転関節部Ｊ6、及び第７の回転関節部Ｊ7のそれぞれの回転軸線は、それぞれ互いに直交している。このうち、第４の回転関節部Ｊ4、第５の回転関節部Ｊ5、及び第６の回転関節部Ｊ6それぞれの回転軸線は必ずしも直交していなくてもよいが、構造設計あるいは制御演算上は、直交している方が望ましい。
【００６７】
第５のリンク５５は、第５の回転関節部Ｊ5により第６のリンク５３に連結され、第６のリンク５３は、第６の回転関節部Ｊ6により第７のリンク５１に連結されている。第６のリンク５３及び第７のリンク５１は、それぞれＬ字状の直角リンクであってもよい。第６のリンク５３及び第７のリンク５１は直交する２つの面を有していてもよく、その形状はＬ字状に限られず、例えば、Ｔ字状であってもよい。第７のリンク５１は、１軸回転関節である第７の回転関節部Ｊ7により可動プレート４０の固定部４１ａに連結されている。
【００６８】
第７の回転関節部Ｊ7は、その回転軸線が可動プレート４０の中心点Ｑの方向に向けられている。第７の回転関節部Ｊ7は、４節リンク機構ＦＬの回転関節部の回転軸線（例えば回転軸線Ｏ8）と、第７の回転関節部Ｊ7の回転軸線Ｏ7とが平行な状態で、ベースプレート３０及び複数のリンク部５０ａ、５０ｂ、５０ｃの連結位置の回転中心点Ｐと、可動プレート４０及び複数のリンク部５０ａ、５０ｂ、５０ｃの連結位置の回転中心点Ｑとを結ぶ軸線Ａｘ0に沿って見たときに、軸線Ａｘ0に交差するように構成されている。
【００６９】
図示のパラレルリンク装置１５００において、直列リンク機構ＳＬは、可動プレート４０が連結される先端側において３自由度の回転関節を有しており、装置全体の大型化が抑制され、且つ、各リンクや可動プレート４０などの干渉が生じ難くされている。なお、第５の回転関節部Ｊ5と第６の回転関節部Ｊ6とは、２軸回転関節を用いて構成されてもよい。あるいは、第６の回転関節部Ｊ6と第７の回転関節部Ｊ7とは、２軸回転関節を用いて構成されてもよい。
【００７０】
４節リンク機構ＦＬと可動プレート４０とは、直列リンク機構ＳＬにより４自由度で連結される。また、上述したように、直列リンク機構ＳＬが連結される４節リンク機構ＦＬの第４のリンク５７は、本実施形態に係る駆動装置１００を用いて２自由度に制御され得る。このため、第１のアーム部５０ａは６自由度を有するアーム構造となっている。
【００７１】
また、第２のアーム部５０ｂ及び第３のアーム部５０ｃは、それぞれ第１〜第４のリンク５７、５９、６１、６３が連結された４節リンク機構ＦＬ、及び第５〜第７のリンク５１、５３、５５が連結された直列リンク機構ＳＬを備え、第１のアーム部５０ａと同一の構成を有する。第２のアーム部５０ｂ及び第３のアーム部５０ｃも、本実施形態に係る駆動装置１００を用いて６自由度に制御され得る。
【００７２】
つまり、可動プレート４０は、それぞれ６自由度を有する第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃにより支持され、３自由度の並進運動及び３自由度の回転運動が可能になっている。したがって、空間内において可動プレート４０の３次元位置及び３次元姿勢を自由に変化させることができる。かかる構成を有するパラレルリンク装置１５００では、４節リンク機構ＦＬの回転関節部の回転軸線（例えば回転軸線Ｏ8）と、第７の回転関節部Ｊ7の回転軸線Ｏ7とが平行な状態で、ベースプレート３０及び複数のリンク部５０ａ、５０ｂ、５０ｃの連結位置の回転中心点Ｐと、可動プレート４０及び複数のリンク部５０ａ、５０ｂ、５０ｃの連結位置の回転中心点Ｑとを結ぶ軸線Ａｘ0に沿って見たときに、第７の回転関節部Ｊ7が軸線Ａｘ0に交差するように構成されている。本実施形態に係るパラレルリンク装置１５００では、３つのリンク部５０ａ、５０ｂ、５０ｃの第７の回転関節部Ｊ7の回転軸線Ｏ7は、可動プレート４０の回転中心点Ｑで交わっている。
【００７３】
このため、３自由度の並進運動の可動域だけでなく、３自由度の回転運動の可動域も大きくなり、可動プレート４０の可動域が従来のパラレルリンク装置に比べて拡大される。例えば、パラレルリンク装置１５００は、それぞれプラスマイナス９０度近くの可動域の３自由度の回転運動を達成し得る。プラスマイナス９０度の回転可動域は、人間の手首の可動域に相当する。
【００７４】
また、図示のパラレルリンク装置１５００では、第１のリンク部５０ａ、第２のリンク部５０ｂ、及び第３のリンク部５０ｃの姿勢を制御する計６つのモータがベースプレート３０に設けられ得る。したがって、パラレルリンク装置１５００は、それぞれのモータの質量を、各モータで駆動することのないように構成され得る。
【００７５】
また、パラレルリンク装置１１０は、ベースプレート１３０にモータが設けられ、さらに、ベースプレート１３０に４節リンク機構ＦＬが連結され、４節リンク機構ＦＬの先端側に直列リンク機構ＳＬが連結されている。このため、パラレルリンク装置１１０は、先端側のイナーシャが小さくなっており、可動プレート１４０の３次元位置の制御あるいは３次元姿勢の制御に有利となっている。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。【００７７】
本明細書では、本明細書で開示する駆動装置は、２軸のアームを同時に駆動することができ、例えばロボットを始めとする多リンク構造体に適用することができる。【００７８】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。【００７９】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）第１の駆動部と、
第２の駆動部と、
第３の駆動部と、
前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、
前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、
前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部と、
を具備する駆動装置。
（２）前記第１の差動部は、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部の動作の差分に基づいて駆動し、
前記第２の差動部は、前記第２の駆動部と前記第３の駆動部の動作の差分に基づいて駆動する、
上記（１）に記載の駆動装置。
（３）前記制御部は、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部の動作の差分に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御し、前記第２の駆動部と前記第３の駆動部の動作の差分に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御する、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の駆動装置。
（４）前記制御部は、前記第２の駆動部を一定速度に制御するとともに、前記第１の駆動部及び前記第３の駆動部の各々の前記第２の駆動部に対する相対速度を制御する、
上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の駆動装置。
（５）前記制御部は、前記第１の駆動部の前記第２の駆動部に対する相対速度と、前記第３の駆動部の前記第３の駆動部に対する相対速度との差分又は比率が所定の範囲内となるように制御する、
上記（４）に記載の駆動装置。
（６）前記制御部は、
前記第１の駆動部の故障時において、前記第２の駆動部の速度に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御するとともに、前記第３の駆動部の前記第２の駆動部に対する相対速度に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御し、
又は、前記第３の駆動部の故障時において、前記第２の駆動部の速度に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御するとともに、前記第１の駆動部の前記第２の駆動部に対する相対速度に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御し、
上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の駆動装置。
（７）前記制御部は、前記第２の駆動部の故障時において、前記第１の駆動部の速度に基づいて前記第１の差動部の駆動を制御するとともに、前記第３の駆動部の速度に基づいて前記第２の差動部の駆動を制御する、
上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の駆動装置。
（８）前記第２の駆動部と前記第２の差動部を連結し、又は前記第２の駆動部と前記１の差動部を連結する連結部をさらに備える、
上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の駆動装置。
（９）前記第１の差動部及び前記第２の差動部は差動歯車機構からなる、
上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の駆動装置。
（１０）第１の駆動部と、
第２の駆動部と、
第３の駆動部と、
前記第１の駆動部と前記第２の駆動部に接続された第１の差動部と、
前記第２の駆動部と前記第３の駆動部に接続された第２の差動部と、
前記第１の差動部に取り付けられた第１のアーム部と、
前記第２の差動部に取り付けられた第２のアーム部と、
前記第１乃至第３の駆動部を制御する制御部と、
を具備するロボット装置。
【符号の説明】
【００８０】
１００…駆動装置
１０１…第１の駆動部、１０２…第２の駆動部、１０３…第３の駆動部
１１１…第１の差動部、１１２…第２の差動部
１２１…第１のアーム部、１２２…第２のアーム部
２０１…サイドギア、２０２…サイドギア、２０３…ピニオンギア
６０１…サイドギア、６０２…サイドギア、６０３…ピニオンギア
１０００…駆動装置、１００１…ベルト
１１００…制御システム、１１０１…制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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