JP2019047649A - 駆動装置及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】大きな把持力を得ることができると共に把持部の高速駆動と高精度な駆動が可能な小型軽量の駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置１は、振動型アクチュエータ２と、振動型アクチュエータ２駆動により回転するモータ軸部３ａと、モータ軸部３ａの回転駆動力を外部に出力する出力軸部３ｂと、モータ軸部３ａの回転駆動力を出力軸部３ｂへ伝達する第一動力伝達系および第二動力伝達系と、を有し、モータ軸部３ａの回転方向と振動型アクチュエータ２で発生するトルクに応じてモータ軸部３ａの回転駆動力が出力軸部３ｂへ伝達される経路が第一動力伝達系と第二動力伝達系とで切り替わる。【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボット等を構成するハンド装置の駆動装置と、駆動装置を備えるロボットに関する。

産業用ロボット等のエンドエフェクタの１つとして、複数の指部で部品等の把持対象物を把持するハンド装置が用いられている。ここで、ハンド装置には、２指又は３指がスライドして把持対象物を挟み込むようにして把持する比較的単純な動きをするものもあれば、関節のある指で把持対象物を包み込むように把持するものまで、様々な構造のものが知られている。近年では、ハンド装置の多機能化が進んでおり、例えば、柔らかい把持対象物や複雑な形状の把持対象物を確実に把持することができるものが登場している。また、ハンド装置において把持対象物に接触する部位を交換することなく、大きさや重さの異なる把持対象物を器用に把持することができるものも登場している。

このようなハンド装置の多機能化に伴い、ハンド装置の指関節や手首関節には、従来よりも多数の駆動装置を搭載するものが増えている。しかしながら、駆動装置が増えてハンド装置の質量が増大すると、ハンド装置を装着した産業用ロボットの動作性能が低下してしまう。そこで、ハンド装置を駆動する駆動装置については、小型軽量でありながら、大きいトルクを発生することが可能なものが求められている。

その一例として、特許文献１は、モータと複数の小型の波動歯車減速機を組み合わせることにより駆動系の高トルク化と小型化を実現した指関節機構を提案している。具体的には、特許文献１に記載された指関節機構では、２台の小型の波動歯車減速機を用いることで、型番の大きな１台の減速機を用いる場合に比べて、設置スペースの増加割合に対するトルク容量の増加割合を高めている。また、特許文献１には、減速機として構成部品の数が少ない波動歯車減速機を用いることにより、他の形式の減速機を用いる場合よりも小型化が容易になることが記載されている。

特許第４７３７６９５号公報

ハンド装置には、大きな把持力が求められる一方で、工程時間短縮のために動作速度を上げることが望まれている。つまり、低速高トルク駆動と高速低トルク駆動との切り替えが可能な機構が求められている。しかし、上記特許文献１に記載された指関節機構は、低速高トルク駆動に適しているが、高速低トルク駆動には適していない。

低速高トルク駆動と高速低トルク駆動との切り替えが可能な構成として、減速比が比較的小さな新しいギア列を並列に設け、ギア列を切り替え可能な構成が考えられる。しかし、このような構成では、駆動停止時の保持力を得るためのブレーキ装置が必要になり、また、サイズの大きな波動歯車減速機を避けるように新しいギア列を配置する必要がある等の新たな問題が生じてしまい、ハンド装置全体の小型化は容易でない。

また、ハンド装置は、把持部が高い精度で把持対象物に接触した後に把持対象物を把持する性能を備えている必要がある。例えば、リング状の部品を外周側から中心に向かって３指の把持部で把持する場合、各把持部がリング状部品に接触する瞬間に時間のずれが生じると、リング状部品がスライドし又は傾いてしまい、重心位置がずれた状態で把持されてしまうことがある。この場合、後工程の組立て作業で位置合わせができずにエラーが生じ、生産性が低下するおそれがある。そして、上記特許文献１に記載されているような減速機を介した動力伝達系では、把持部の把持対象物への接触が開始された時点での位置精度がバックラッシの発生によって低下しやすいという問題がある。

更に、減速比の大きな減速機を用いた把持機構では、慣性モーメントが大きいため、把持対象物に対する把持部の接触が開始した時点での把持力に慣性力による誤差が生じやすく、よって、把持力の管理が難しくなるという問題がある。また、把持部を駆動するモータのトルク制御における誤差が減速比の分だけ増幅されてしまうという問題もある。

本発明は、大きな把持力を得ることができると共に把持部の高速駆動と高精度な駆動が可能な小型軽量の駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る駆動装置は、振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動により回転するモータ軸部と、前記モータ軸部の回転駆動力を外部に出力する出力軸部と、前記モータ軸部の回転駆動力を前記出力軸部へ伝達する第一動力伝達系および第二動力伝達系と、を有し、前記モータ軸部の回転方向と前記振動型アクチュエータで発生するトルクに応じて前記モータ軸部の回転駆動力が前記出力軸部へ伝達される経路が前記第一動力伝達系と前記第二動力伝達系とで切り替わることを特徴とする。

本発明によれば、大きな把持力を得ることができると共に把持部の高速駆動と高精度な駆動が可能な小型軽量の駆動装置を実現することができる。

本発明の実施形態に係る駆動装置の概略構成を示す斜視図である。 図１の駆動装置の平面図である。 図１の駆動装置の把持部の動作パターンを説明する図である。 図１の駆動装置を備える指ユニットの概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る駆動装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、駆動装置１の平面図である。駆動装置１は、振動型アクチュエータ２、モータ軸部３ａ、出力軸部３ｂ、駆動軸部４ａ、従動軸部４ｂ、トルクリミッタ５、噛み合いクラッチ６、一方向クラッチ７、第一ギア８及び第二ギア９を備える。

モータ軸部３ａ及び出力軸部３ｂは、トルクリミッタ５を介して同軸に配置されている。駆動軸部４ａ及び従動軸部４ｂは同軸に配置されており、モータ軸部３ａ及び出力軸部３ｂと駆動軸部４ａ及び従動軸部４ｂは、実質的に平行となるように配置されている。モータ軸部３ａは、振動型アクチュエータ２を貫通し、振動型アクチュエータ２を駆動することによって回転する。出力軸部３ｂは、モータ軸部３ａの回転を外部に出力する。

振動型アクチュエータ２は、振動体に高周波振動を励起することにより振動体に接触する被駆動体を摩擦駆動することで被駆動体と振動体とを相対的に回転させ、発生させた回転駆動力をモータ軸部３ａを通して外部に取り出す回転式モータの１種である。一般的に、振動型アクチュエータ２は、電磁モータに比べて、低速域でのトルクが大きく、また、高トルク密度である（単位体積あたりのトルクが大きい）という特徴を有する。本実施形態では、振動型アクチュエータ２として、例えば、外径がφ１５、軸方向長さが２０ｍｍの円柱状の形状を有し、０．１Ｎ・ｍ以上のトルクを出すことが可能なものが好適に用いられる。なお、同程度の大きさのブラシレスＤＣモータのトルクは０．００５Ｎ・ｍ程度であるから、トルク密度の観点から、振動型アクチュエータ２を用いた構成には、ブラシレスＤＣモータを用いた構成よりも優位性がある。

トルクリミッタ５は、バネ力を付与して得られる機械的な摩擦によって駆動力を伝達し、トルクが所定の大きさ以上になると摩擦滑りにより駆動力を遮断する。なお、トルクリミッタ５は、静摩擦力でグリップしているトルクレンジでは、滑ることなく回転が伝達されると考えても支障はなく、モータ軸部３ａの回転はダイレクトに出力軸部３ｂへ伝達される。

振動型アクチュエータ２の回転駆動力の出力経路には、第一動力伝達系と第二動力伝達系の２つの経路がある。第一動力伝達系は、モータ軸部３ａからトルクリミッタ５を介して出力軸部３ｂからダイレクトに出力される経路である。第二動力伝達系は、モータ軸部３ａ、第一ギア８、駆動軸部４ａ、噛み合いクラッチ６、従動軸部４ｂ、一方向クラッチ７、第二ギア９及び出力軸部３ｂを通じて出力される経路である。出力軸部３ｂは、第一動力伝達系と第二動力伝達系に共通する部位であり、出力軸部３ｂにハンド装置の把持部（不図示）が取り付けられる。

第一ギア８は、モータ軸部３ａに取り付けられた第一小ギア部８ａと、駆動軸部４ａに取り付けられた第一大ギア部８ｂを有する。第二ギア９は、出力軸部３ｂに取り付けられた第二大ギア部９ａと、従動軸部４ｂに配置された一方向クラッチ７に取り付けられた第二小ギア部９ｂを有する。第一小ギア部８ａと第一大ギア部８ｂとが噛み合い、且つ、第二小ギア部９ｂと第二大ギア部９ａとが噛み合っており、第一ギア８と第二ギア９とを介して第一動力伝達系と第二動力伝達系との間での駆動力の伝達が可能となっている。

噛み合いクラッチ６は、駆動軸部４ａと従動軸部４ｂとを機械的な噛み合いによって連結するクラッチである。本実施形態では図１に示すように、円筒端面の鋸歯状の凹凸がかみ合う移動部材６ａと固定部材６ｂとが噛み合うジョークラッチを用いている。噛み合いクラッチ６では、固定部材６ｂが停止又は実質的に停止しているときに駆動軸部４ａが図１中の矢印ＣＣＷ方向（反時計回り）に回転すると、移動部材６ａが固定部材６ｂ側へスライドし、移動部材６ａと固定部材６ｂとが係合する。駆動軸部４ａが図１中の矢印ＣＷ方向（時計回り）に回転すると、移動部材６ａは第一大ギア部８ｂ側へスライドして固定部材６ｂとの係合が解除された状態となる。

一方向クラッチ７は、同軸に配置される内輪と外輪の間で一方向の駆動力を伝達し、内輪と外輪とが同じ方向に回転している場合であっても、それらの角速度差に応じて、連結と解放とが切り替わる。一方向クラッチ７の内輪は従動軸部４ｂと一体となっており、且つ、一方向クラッチ７の外輪は第二小ギア部９ｂとが一体となっている。一方向クラッチ７の連結と解放は、内輪（従動軸部４ｂ）と外輪（第二小ギア部９ｂ）との角速度差の大きさと正負に応じて定まる。

次に、駆動装置１による把持部の動作パターンを説明する。図３は、把持部の動作パターンごとに各部の動作をまとめた図である。動作パターンＡの「閉」は、把持部が把持対象物を把持するために把持対象物と接触するまで閉じる動作を指す。動作パターンＢの「把持」は、把持部を閉じる動作パターンＡが終了し、把持対象物を把持するトルクを高めて把持対象物を把持した状態を保持する動作を指す。動作パターンＣの「開」は、把持部が把持した把持対象物を離すために開く動作を指す。なお、図３中の「ＣＷ」及び「ＣＣＷ」はそれぞれ、図１中に示す矢印ＣＷ及び矢印ＣＣＷと対応している。つまり、図１において振動型アクチュエータ２からトルクリミッタ５を見たときの時計回りの回転方向がＣＷであり、反時計回りの回転方向がＣＣＷである。

把持部の動作パターンＡ〜Ｃは、トルクリミッタ５、噛み合いクラッチ６及び一方向クラッチ７のそれぞれでの上述した連結／解放の状態の組み合わせによって実現される。つまり、摩擦力の大きさに応じてトルクリミッタ５の連結／解放が、角速度差の大きさと正負に応じて一方向クラッチの連結／解放が、回転方向に応じて噛み合いクラッチの連結／解放がそれぞれ切り替わることで、動作パターンＡ〜Ｃの実現が可能となっている。

先ず、動作パターンＡについて説明する。本実施形態では、把持部を閉じる動作を行うためには、振動型アクチュエータ２はモータ軸部３ａがＣＷ方向に回転するように駆動されるものとする。動作パターンＡでは、振動型アクチュエータ２で発生した回転駆動力は、第一動力伝達系（モータ軸部３ａ及びトルクリミッタ５）を通じて出力軸部３ｂからダイレクトに出力され、第二動力伝達系は空転する。より詳しくは、動作パターンＡの実行時には把持部は把持対象物に接触しておらず、把持部には把持力が発生していないため、トルクリミッタ５では、モータ軸部３ａが静摩擦力によって出力軸部３ｂに連結した状態となっている。その結果、モータ軸部３ａの回転は、出力軸部３ｂへダイレクトに伝達される。

モータ軸部３ａがＣＷ方向に回転すると、モータ軸部３ａに取り付けられた第一ギア８の第一小ギア部８ａがＣＷ方向に回転し、第一小ギア部８ａと噛み合っている第一大ギア部８ｂは、回転速度が減速されてＣＣＷ方向に回転する。噛み合いクラッチ６は、前述の通り、ＣＣＷ方向の回転によって移動部材６ａが固定部材６ｂ側へスライドして固定部材６ｂと係合し、これにより、駆動軸部４ａ、従動軸部４ｂ及び一方向クラッチ７の内輪が一体的にＣＣＷ方向に回転する。ここで、第二ギア９の第二大ギア部９ａは出力軸部３ｂと共にＣＷ方向に回転しており、第二大ギア部９ａと噛み合っている第二小ギア部９ｂは増速されてＣＣＷ方向に回転する。よって、一方向クラッチ７では、内輪と外輪の双方がＣＣＷ方向に回転する。このとき、第二小ギア部９ｂと一体となっている一方向クラッチ７の外輪の角速度は、一方向クラッチ７の内輪の角速度よりも大きい。よって、一方向クラッチ７は、外輪が内輪に対して相対的にＣＣＷ方向に回転する（図３に「外ＣＣＷ」と記す）解除状態となって、第二動力伝達系は空転する。

続いて、動作パターンＢについて説明する。動作パターンＢでは、振動型アクチュエータ２で発生した回転駆動力は、トルクリミッタ５が空転することで第一動力伝達系を通じて出力軸部３ｂへ出力されることなく、第二動力伝達系を通じてトルク増幅された後に出力軸部３ｂから出力される。具体的には、モータ軸部３ａがＣＷ方向に回転するように振動型アクチュエータ２を駆動して動作パターンＡが実行されたことで把持部が把持対象物を把持する（把持部が把持対象物と接触する）と、出力軸部３ｂはそれ以上回転することができなくなる。こうして出力軸部３ｂの回転が抑制されることで、振動型アクチュエータ２の出力トルクが上がり始める。そして、振動型アクチュエータ２の出力トルクがトルクリミッタ５の制限を超えると、それ以上のトルクは伝達されなくなり、トルクリミッタ５が空転する。

一方、モータ軸部３ａに取り付けられた第一小ギア部８ａと噛み合っている第一大ギア部８ｂは、回転速度は遅くなるが、トルクが増幅されてＣＣＷ方向に回転する。また、噛み合いクラッチ６は、動作パターンＡに引き続いてＣＣＷ方向の回転によって移動部材６ａと固定部材６ｂとが係合した状態が維持されるため、駆動軸部４ａ及び従動軸部４ｂと一方向クラッチ７の内輪とが一体的にＣＣＷ方向に回転する。このとき、トルクリミッタ５の空転により、一方向クラッチ７の外輪へは第二ギア９を介した回転駆動力は伝達されていない。そのため、一方向クラッチ７の外輪は内輪に対して相対的にＣＷ方向に回転する（図３に「外ＣＷ」と記す）こととなり、一方向クラッチ７が連結状態に切り替わって、一方向クラッチ７の外輪がＣＣＷ方向に回転する。一方向クラッチ７の外輪がＣＣＷ方向に回転すると、外輪と一体となっている第二小ギア部９ｂがＣＣＷ方向に回転し、第二小ギア部９ｂと係合している第二大ギア部９ａがＣＷ方向、つまり、モータ軸部３ａの回転方向と同じ方向に回転する。厳密には、トルクリミッタ５が解除状態になった後に一方向クラッチ７が解除状態から連結状態に切り替わるまでには、極めて微小な距離（角度）の回転が生じ、その後に第二動力伝達系を通じた出力軸部３ｂへのトルク伝達が開始される。振動型アクチュエータ２で発生したトルクは、第一ギア８における第一小ギア部８ａと第一大ギア部８ｂ及び第二ギア９の第二小ギア部９ｂと第二大ギア部９ａのそれぞれの歯数比で決まる減速比分だけ増幅されて出力軸部３ｂに伝わり、把持部の把持力となる。

続いて、動作パターンＣについて説明する。動作パターンＣでは、振動型アクチュエータ２で発生した回転駆動力は、第一動力伝達系（モータ軸部３ａ及びトルクリミッタ５）を通じて）出力軸部３ｂからダイレクトに出力され、第二動力伝達系は空転する。より詳しくは、本実施形態では、把持部を開く動作を行うためには、モータ軸部３ａがＣＣＷ方向に回転するように振動型アクチュエータ２が駆動される。このとき、把持部は把持対象物から遠ざかるように動くために、トルクリミッタ５にトルクは掛からず、トルクリミッタ５は連結状態となる。つまり、トルクリミッタ５では、モータ軸部３ａが静摩擦力によって出力軸部３ｂに連結した状態となっており、モータ軸部３ａの回転が出力軸部３ｂへダイレクトに伝達され、出力軸部３ｂがＣＣＷ方向に回転する。

これにより、第二ギア９の第二大ギア部９ａは出力軸部３ｂと共にＣＣＷ方向に回転し、第二大ギア部９ａと噛み合っている第二小ギア部９ｂは増速されてＣＷ方向に回転する。こうして、一方向クラッチ７は、外輪が内輪に対して相対的にＣＷ方向に回転する（図３に「外ＣＷ」と記す）連結状態となる。しかし、モータ軸部３ａがＣＣＷ方向に回転すると、モータ軸部３ａに取り付けられた第一ギア８の第一小ギア部８ａがＣＣＷ方向に回転し、第一小ギア部８ａと噛み合っている第一大ギア部８ｂがＣＷ方向に回転する。噛み合いクラッチ６は、前述の通り、ＣＷ方向の回転によって移動部材６ａが固定部材６ｂから離れて解除状態となるため、第二動力伝達系は空転する。

次に、駆動装置１の省スペース性について説明する。振動型アクチュエータ２は、モータ軸部３ａの両端から出力（回転駆動力）を取り出すことができる。そこで、駆動装置１では、モータ軸部３ａにおいて振動型アクチュエータ２を挟んで出力軸部３ｂとは反対側となる位置に第一小ギア部８ａを設け、第一小ギア部８ａを第一大ギア部８ｂと噛み合わせることで、第二動力伝達系へ出力を取り出している。これにより、噛み合いクラッチ６と一方向クラッチ７を振動型アクチュエータ２と並べて配置することができるようになることで、駆動装置１全体の軸方向長さを短くすることが可能となっている。

振動型アクチュエータ２に対する噛み合いクラッチ６と一方向クラッチ７の配置は、トルク密度の高い振動型アクチュエータ２を使用していることによって可能となっており、その理由について以下に説明する。前述の通り、例えば、振動型アクチュエータ２には、外径がφ１５、軸方向長さが２０ｍｍの形状を有し、０．１Ｎ・ｍ以上のトルクを発生することができるものが好適に用いられる。第一小ギア部８ａと第一大ギア部８ｂのそれぞれの歯数が２５と６０、第二大ギア部９ａと第二小ギア部９ｂのそれぞれの歯数が６５と２０であるとすると、減速比は７．８となり、計算上は出力軸部３ｂから０．７８Ｎ・ｍ以上のトルクを取り出すことができる。例えば、３指のハンド装置において各指の各把持部に駆動装置１が配置されている場合には２Ｎ・ｍ以上の把持力（トルク）が得られることから、駆動装置１は把持部を駆動する動力源として十分に使用可能であると判断することができる。したがって、高減速比の波動歯車減速機や遊星歯車減速機等のサイズが比較的大きな減速機を用いる必要がなくなり、コンパクトな構成を実現することができる。

また、振動型アクチュエータ２の内部では、不図示の振動体と被駆動体とが定常的に一定の押圧力で接触しており、この押圧力は振動体と被駆動体との相対的な位置を保持する保持力を生じさせている。そのため、振動型アクチュエータ２の駆動停止前に振動型アクチュエータ２の出力が第一動力伝達系と第二動力伝達系のどちらの経路で伝達されているかに関係なく、振動型アクチュエータ２の停止後の無通電時には保持力がモータ軸部３ａの回転を抑制する。つまり、振動型アクチュエータ２の内部で生じている保持力は、駆動装置１に加わる外力や重力に抗して、駆動装置１を構成する各部品の回転を抑制する。したがって、駆動装置１では、出力軸部３ｂを静止状態に維持するためのブレーキ等を別途設ける必要がないため、小型化と軽量化が可能になる。

次に、駆動装置１を用いたロボットの具体例として、ハンド装置の指ユニットについて説明する。図４は、指ユニット２０の概略構成を示す斜視図である。不図示のハンド装置は、例えば、複数の（例えば、３つの）指ユニット２０を備え、３つの指ユニット２０で把持対象物を把持する。指ユニット２０は、固定部２５、指部２２及び把持部２４を有する。固定部２５と指部２２の間に指部回転軸２１を中心軸とする指関節が設けられており、指部２２と把持部２４の間に把持部回転軸２３を中心軸とする把持関節が設けられている。

固定部２５は、ハンド装置の掌に相当する本体部の一部、或いは、本体部に一体的に装着される部位である。固定部２５には指部駆動装置２７ａが設置され、指部２２には把持部駆動装置２７ｂが設置されている。指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂはそれぞれ、図１に示した駆動装置１と同等である。指部回転軸２１は、指部駆動装置２７ａの出力軸部３ｂである。つまり、指関節において、指部駆動装置２７ａの出力軸部３ｂは、指部２２の連結部２６に設けられた穴部に挿入されて指部回転軸２１として機能し、指部駆動装置２７ａで発生させた駆動力を指部２２にダイレクトに伝達する。一方、把持関節では、把持部駆動装置２７ｂの出力軸部３ｂは、不図示の傘歯車を介して出力軸部３ｂと略直交するように配置された把持部回転軸２３に連結されており、出力軸部３ｂの回転は傘歯車を介して把持部回転軸２３の回転に変換される。

生産現場でのハンド装置による所定の製品の組立工程では、ハンド装置が把持対象物（部品）を高精度に掴むことが重要となる。ここでの把持対象物を掴む動作とは、図３を参照して説明した動作パターンＡ（閉）に該当する。動作パターンＡは、把持動作のスタート位置まで把持部２４を素早く移動させる準備フェーズと、把持部２４の高精度な位置制御を行いながら把持部２４を把持対象物に接近させて接触させる接近フェーズとに分けることができる。準備フェーズでは、把持対象物の形状と位置を所定のセンシング手段により検出し、その検出結果に基づいて把持部２４を把持動作のスタート地点まで素早く（高速で）移動させる。このとき、指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂの両方が駆動されるが、どちらも把持力を発生しない無負荷状態での駆動となる。そのため、指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２の回転駆動力は、第一動力伝達系を通じて出力軸部３ｂから出力される。これにより、指部回転軸２１まわりに指部２２を高速で回転させると共に、把持部回転軸２３まわりに把持部２４を高速で回転させて、把持部２４を把持動作のスタート地点へ移動させることができる。

接近フェーズでは、準備フェーズでスタート地点へ移動させた把持部２４を把持対象物へ向かって準備フェーズよりも遅いスピードで移動させる。このとき、複数の把持部２４を同一の把持対象物へ同時に接近させて、把持対象物への接触を略同時に開始させなければならない。そこで、バックラッシが発生する可能性のある傘歯車を介した把持部駆動装置２７ｂの駆動を停止させ、ダイレクトな駆動が可能な指部駆動装置２７ａのみを駆動する。これにより、把持部２４を準備フェーズよりも高精度に制御しながら移動させて、複数の把持部２４の把持対象物に対する接触を略同時に開始させることができる。これにより、把持対象物の重心位置がずれる等の不都合を生じさせることなく、把持対象物の把持動作を完了させることができる。

動作パターンＡの完了後に、把持部２４の把持力を増大させる動作に入る。ここでの把持力を増大させる動作とは、図３を参照して説明した動作パターンＢ（把持）に該当する。動作パターンＢは、動作パターンＡで把持対象物に対して把持部２４が接触したことにより把持力が発生する時点から始まる。仮に、駆動系が高減速比の減速機を有し、且つ、駆動系全体の慣性モーメントが大きい場合には、把持対象物と把持部との接触初期に、慣性力による把持力の誤差が生じやすくなる。これに対して、指ユニット２０で構成されたハンド装置では、指部駆動装置２７ａの駆動により指部２２を指部回転軸２１まわりにダイレクトに駆動するため、駆動系全体の慣性モーメントが小さくなり、これにより接触初期の把持力誤差を小さくすることができる。そして、複数の指ユニット２０の把持力を制御する際に、接触初期の誤差が小さくなることで、バランスよく把持対象物を把持することができ、その後の把持力の制御を容易且つ高精度に行うことができる。

把持力の増大は、指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２からの出力が第一動力伝達系から第二動力伝達系へ切り替わることによって実行される。駆動装置１（指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂ）は、トルク密度の高い振動型アクチュエータ２を用いているため、減速比が比較的小さな伝達系を備えている。そのため、振動型アクチュエータ２に固有のトルク制御方法によってトルク誤差が減速比の分だけ増幅されたとしても、大きな誤差になることはなく、よって、把持力を高精度に制御することができる。なお、求められる把持力の大きさに応じて、把持力の増大は、指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂのいずれか一方のみを駆動することによって行ってもよい。

ハンド装置は、把持した把持対象物を別の場所へ移動させるように駆動されることが一般的であるが、その間の把持力が一定でよい場合には、指部駆動装置２７ａ及び把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２への給電を停止しても構わない。つまり、指ユニット２０を備えるハンド装置では、指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２の保持力で把持対象物を把持した状態を維持する駆動方法を用いることができる。これは、振動型アクチュエータ２への給電を停止しても、振動型アクチュエータ２の保持力によって指関節と把持関節を固定することができるため、把持対象物を把持した状態を維持することができるからである。

なお、指部駆動装置２７ａと把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２への給電を停止する直前は、動作パターンＢ（把持）により第二動力伝達系を通じて大きなトルクが出力されている状態となっている。よって、振動型アクチュエータ２への給電を停止しても、把持対象物は一定の把持力で把持された状態は維持される。こうして振動型アクチュエータ２への給電を停止して把持対象物を把持した状態を維持する駆動方法を採用した場合、振動型アクチュエータ２への給電は指ユニット２０の開閉時と把持力の調整時にのみ行えばよいため、省電力化が可能となる。

指ユニット２０により把持された把持対象物がハンド装置の本体部の駆動等によって所定の位置へ移動させられる等した後には、移動先の所定の位置において図３の動作パターンＣ（開）の動作により把持対象物が解放される。把持対象物と指ユニット２０とが非接触となった後には、指部駆動装置２７ａ及び把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２への給電を停止し、振動型アクチュエータ２の保持力を利用して指ユニット２０を静止状態に維持することができる。その際、トルクリミッタ５の許容最大トルクを上限とする保持力で、指ユニット２０を静止した状態に維持することができる。

このように、指ユニット２０を用いたハンド装置では、指ユニット２０に発生させる把持力に、指部駆動装置２７ａ及び把持部駆動装置２７ｂのそれぞれの振動型アクチュエータ２の保持力を用いることができる。その際に、振動型アクチュエータ２へ給電しながら必要な把持力を得る駆動方法と、振動型アクチュエータ２へ給電を停止して振動型アクチュエータ２の内部に発生している保持力を利用する駆動方法とを選択的に用いることができる。そして、指ユニット２０が把持対象物を把持している状態では、大きな保持力で指ユニット２０の各間接部を固定することができるため、外力の作用等によって指ユニット２０に衝撃が加わっても、把持した把持対象物を落とし難い。一方、指ユニット２０が把持対象物を把持していない状態では、小さな保持力で指ユニット２０の間接部を固定することができるため、外力が作用しても、その外力を逃がす方向に指ユニット２０が空転する。これにより、ハンド装置の故障を抑制し、ハンド装置の近傍に作業者等がいた場合の作業員等への危害を最小限に抑えることができる。

上記説明の通り、本実施形態に係る駆動装置１はトルク密度の高い振動型アクチュエータ２を用いているため、サイズの大きな高減速比の減速機を用いることなく、大きなトルクを得ることができる。これにより、駆動速度を優先させた動作を行うための第一動力伝達系と、簡易な減速系を用いて大きなトルクを出力させる第二動力伝達系とをコンパクトにまとめることが可能になる。また、振動型アクチュエータ２の無通電保持力を利用することで、ブレーキ等を設ける必要がなくなり、これにより小型化と軽量化が可能になる。

更に、駆動装置１の第一動力伝達系は振動型アクチュエータ２のモータ軸部３ａから出力軸部３ｂまでがダイレクトに連結されているため、出力軸部３ｂに取り付けられる部材の動作を高精度に制御することができる。よって、駆動装置１を用いた指ユニット２０を用いて構成されるハンド装置では、複数の指ユニット２０の動きを高精度に制御して、把持部２４を略同時に把持対象物に接触させて把持することが可能になる。その結果、把持対象物に対して把持部２４が接触を開始するタイミングがずれてしまうことに起因する不具合の発生を抑制することができる。また、第一動力伝達系を通じて把持部２４を把持対象物に接触させることで、把持開始時に生じる慣性力による把持力誤差を小さくすることができるため、第一動力伝達系から第二動力伝達系への減速比に起因するトルク誤差の増幅を最小限に抑えることができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。例えば、駆動装置１を構成するトルクリミッタ５、一方向クラッチ７及び噛み合いクラッチ６のそれぞれには、同様の機能を有する別の部品を用いることができる。また、図４に示した指ユニット２０は、２台の駆動装置１を搭載した構成となっているが、１台又は３台以上の複数の駆動装置１を搭載することによって指ユニットを構成することも可能である。駆動装置１は、多関節ロボットにおいてアーム部が連結される関節部等でのアーム部の回転駆動にも好適に用いられる。

１ 駆動装置
２ 振動型アクチュエータ
３ａ モータ軸部
３ｂ 出力軸部
４ａ 駆動軸部
４ｂ 従動軸部
５ トルクリミッタ
６ 噛み合いクラッチ
７ 一方向クラッチ
８ 第一ギア
９ 第二ギア
２０ 指ユニット
２２ 指部
２４ 把持部
２７ａ 指部駆動装置
２７ｂ 把持部駆動装置

Claims (8)

1. 振動型アクチュエータと、
   前記振動型アクチュエータの駆動により回転するモータ軸部と、
   前記モータ軸部の回転駆動力を外部に出力する出力軸部と、
   前記モータ軸部の回転駆動力を前記出力軸部へ伝達する第一動力伝達系および第二動力伝達系と、を有し、
   前記モータ軸部の回転方向と前記振動型アクチュエータで発生するトルクに応じて前記モータ軸部の回転駆動力が前記出力軸部へ伝達される経路が前記第一動力伝達系と前記第二動力伝達系とで切り替わることを特徴とする駆動装置。
2. 前記第一動力伝達系は、前記モータ軸部の回転をダイレクトに前記出力軸部に伝達する経路であり、
   前記第二動力伝達系は、前記モータ軸部の回転速度を減速すると共にトルクを増大させて前記出力軸部に伝達する経路であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記第一動力伝達系は、前記モータ軸部がトルクリミッタを介して前記出力軸部と連結されることにより構成され、
   前記トルクリミッタは、前記振動型アクチュエータで発生するトルクが所定の大きさよいも小さい場合に前記モータ軸部の回転方向によらずに前記モータ軸部の回転をダイレクトに前記出力軸部に伝達し、前記振動型アクチュエータで発生するトルクが前記所定の大きさ以上の場合に空転し、
   前記トルクリミッタが空転することで前記モータ軸部の回転が前記出力軸部へ伝達される経路が前記第一動力伝達系から前記第二動力伝達系へ切り替わることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記第二動力伝達系は、前記モータ軸部が、第一ギア、噛み合いクラッチ、一方向クラッチ及び第二ギアを介して前記出力軸部と連結されることにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記モータ軸部の回転が前記トルクリミッタを介してダイレクトに前記出力軸部に伝達されるときには、前記噛み合いクラッチの連結が解除されることで前記噛み合いクラッチが空転するか又は前記第二ギアの回転にしたがって前記一方向クラッチが空転することを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記第一ギアは、前記モータ軸部に取り付けられた第一小ギア部と、前記第一小ギア部と噛み合い前記第一小ギア部よりも歯数の多い第一大ギア部とを有し、
   前記第二ギアは、前記出力軸部に取り付けられた第二大ギア部と、前記第二大ギア部と噛み合い前記第二大ギア部よりも歯数の少ない第二小ギア部とを有し、
   前記トルクリミッタが空転するときには、前記噛み合いクラッチと前記一方向クラッチとが連結状態となることを特徴とする請求項４又は５に記載の駆動装置。
7. 前記噛み合いクラッチは、移動部材と固定部材とを有し、前記第一大ギア部の回転方向に応じて前記移動部材と前記固定部材との連結状態と解除状態とが切り替わり、
   前記一方向クラッチは、前記固定部材と同軸に連結された内輪と、前記第二小ギア部と同軸に連結された外輪とを有し、前記内輪と前記外輪の角速度差の大きさと正負に応じて連結状態と解除状態とが切り替わることを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の駆動装置を備えることを特徴とするロボット。
   

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