側隙離合器及具有該側隙離合器的機器人用關節機構的製作方法
2023-10-05 06:44:29
專利名稱：側隙離合器及具有該側隙離合器的機器人用關節機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實現高轉矩傳遞及自由關節雙方的側隙離合器及具有該側隙離合器的機器人用關節用機構。
背景技術：
一般，離合器機構是由利用了摩擦的機構實現驅動的傳遞及切斷的。該機構具有相互摩擦結合來傳遞驅動力的轉動部件和控制離合器的結合、斷開的部件，因為是利用摩擦傳遞驅動力，在是大的驅動力時，產生打滑，難以傳遞該大的驅動力。
這種現象，在將離合器機構使用到類人機器人的膝關節時，產生大的問題。一般，類人機器人以生成目標軌道方式控制作動器來驅動身體的各關節。特別是，在膝關節上使用產生高輸出的作動器。
在類人機器人以圖9所示那樣的姿勢靜止時，當股關節上的重量為60(kg)、股關節與膝關節的偏離為10(cm)時，在重力加速度9.81(m/s2)之下，驅動膝關節的作動器需要輸出58.86(Nm)的高轉矩。因此，膝的關節機構也必須具有傳遞該轉矩所需的能力。
一般，使用高輸出功率的馬達和齒輪傳動比大的減速器來構成膝關節機構。另外，在看人類的步行動作時，在腿成為空閒腿時，膝關節成為自由關節，這是為了獲得如下的效果，在可以不使用無益的力將腿向前投出時，膝隨著其慣性力自由活動，在著地時，腳以相對於地面適當的角度自然地朝向地面，可以緩和衝擊力。但是，在現有的膝機構中，難以實現遵從其反作用力的自由關節，在成為空閒腿時，一邊控制膝保持某個角度一邊進行步行動作。
作為實現自由狀態的方法，考慮了在關節驅動用減速機的輸出軸上設置離合器機構的方案。但是，通常使用的離合器機構由於是上述那樣的摩擦式離合器機構，在是高轉矩時，產生打滑，難以傳遞高轉矩。因此，可以設置離合器機構的只能是驅動用減速機的輸出軸側。在類人機器人的膝關節中，作為實現高轉矩的傳遞和自由狀態雙方的機構，需要可以設置在驅動用減速機的輸出軸側的離合器機構。
因此，本發明的目的是提供一種可以同時實現高轉矩的傳遞及自由狀態的維持的離合器機構，而且其目的是提供一種具有該離合器機構的機器人的關節機構。特別是其目的是，在作為類人機器人的關節機構使用時，實現(1)傳遞大的驅動力。(2)藉助自由關節的實現來實現(a)不使用無益的力；(b)實現自由的運動；(c)吸收著地時的衝擊這樣的步行動作。
發明內容
有利地實現上述目的的本發明的側隙離合器，具有第一轉動構件和第二轉動構件，該第一轉動構件和第二轉動構件分別可轉動地配置在同一軸線上，通過相互的半徑方向上的延伸面彼此接觸而在轉動方向上相互接合在一起，在上述第一轉動構件與上述第二轉動構件的上述半徑方向延伸面彼此之間在轉動方向空有間隙。
若採用這樣的側隙離合器，直到上述半徑方向延伸面彼此間沿轉動方向空開的間隙被堵塞的上述第一轉動構件和第二轉動構件的相對轉動成為間隙，由其間隙可以獲得如下的效果(a)實現自由關節，(b)在接上了離合器的狀態下傳遞高轉矩。
另外，具有本發明的側隙離合器的機器人用關節機構，具有權利要求1所記載的側隙離合器和驅動裝置；上述側隙離合器在構成機器人的臂或腿的、相互可轉動地被結合的兩構件中的任何一方上在其轉動軸線上可轉動地支承著上述第一轉動構件和第二轉動構件中的任何一方，並且，在上述兩構件中的另一方上固定著上述第一轉動構件和上述第二轉動構件中的另一方；上述驅動裝置用於相對於可轉動地支承上述第一轉動構件和上述第二轉動構件中的上述一方的上述一方構件轉動地驅動上述第一轉動構件和上述第二轉動構件中的上述一方。
若採用具有這樣的側隙離合器的機器人用關節機構，則可以獲得如下的效果(c)由自由關節實現遵從反作用力的從反作用力機構。
(d)由其從反作用力機構的從反作用力運動吸收衝擊。
(e)防止無益的能量消耗。
圖1是表示作為本發明的側隙離合器的一實施例及具有其側隙離合器的本發明的機器人用關節機構的一實施例的類人機器人的膝關節機構的正視圖。
圖2是以將半徑方向延伸面彼此間的周向間隔為零傳遞轉矩的狀態表示上述實施例的膝關節機構的說明圖。
圖3是以自由關節的狀態表示上述實施例的膝關節機構的說明圖。
圖4是表示使上述實施例的膝關節機構為自由關節狀態的最佳控制例的關係線圖。
圖5(a)是表示類人機器人的空閒腿要成為著地狀態時的狀態的說明圖，(b)表示擴大了(a)的A部的說明圖。
圖6(a)是表示類人機器人的空閒腿要成為著地狀態時的上述實施例的膝關節機構的作用的說明圖，(b)是放大了(a)的B部的說明圖。
圖7是表示類人機器人的後腳蹬地面抬起後的空閒腿的運動的說明圖。
圖8表示類人機器人的上述空閒腿的進一步的運動的說明圖。
圖9表示類人機器人的膝的彎曲姿勢的說明圖。
具體實施例方式
以下，根據附圖由本發明的實施例詳細說明本發明的實施方式。在此，圖1是表示作為本發明的側隙離合器的一實施例及具有其側隙離合器的本發明的機器人用關節機構的一實施例的類人機器人的膝關節機構的正視圖。圖中符號1是構成類人機器人的腿的兩構件中的一方的膝上腿部，2是繞軸線C可轉動地結合在其膝上腿部1上的構成上述腿的兩構件中的另一方的膝下腿部，3是構成上述實施例的側隙離合器的第一轉動構件，4是構成上述實施例的側隙離合器的第二轉動構件，5是設在帶減速機的高輸出功率馬達輸出軸上的皮帶輪、6是皮帶。
在此，第一轉動構件3和第二轉動構件4可相對轉動地配置在同一軸線C上，第一轉動構件3可繞上述軸線C轉動地支承在膝上腿部1上，第二轉動構件4一體地固定在膝下腿部2上。而且，第一轉動構件3及第二轉動構件4具有半徑方向延伸面3a、4a，該半徑方向延伸面3a、4a可相互接觸，並且在其之間在轉動方向上空開著間隙(側隙)。
另外，具有上述皮帶輪5的帶有減速機的高輸出功率馬達及使用了其皮帶輪5和上述皮帶6的皮帶式傳遞機構構成驅動機構，其第一轉動構件3及第二轉動構件4、和帶有減速機的高輸出功率馬達及皮帶式傳動機構構成上述實施例的膝關節機構。在該實施例中，以用皮帶輪5和皮帶6將帶減速機的高輸出功率馬達的輸出旋轉傳遞到第一轉動構件3的方式構成驅動機構，但是本發明的機器人用關節機構中的驅動裝置不限於此。
在該實施例的側隙離合器及機器人用關節機構中，由以下的方法傳遞旋轉或實現自由狀態。
(1)驅動力的傳遞在該關節機構中，如圖2所示，使第一轉動構件3的半徑方向延伸面3a與第二轉動構件4的半徑方向延伸面4a之間的周方向間隔d為零(在圖中為了方便說明而多少地分離著)而沿圖中的箭頭方向傳遞轉矩。這時，第一轉動構件3和第二轉動構件4成為由垂直於力的方向的半徑方向延伸面3a、4a彼此接觸而產生的面接觸，可以傳遞大的轉矩。在該關節機構中，驅動力的傳遞是單向，在控制旋轉角度的伺服機構中產生具有時間延遲的響應。但是，在像類人機器人的膝關節那樣地經常地被作用著一定方向的力(在此是由重力場和身體的實體產生的力(那樣的機構中)，該關節機構可以有效地發揮作用。該關節機構由於可以進行高轉矩的傳遞，適用於維持圖9所示那樣的彎曲了膝狀態的姿勢。
(2)自由狀態的實現在這樣的關節機構中，例如如圖3(a)～(c)所示，通過控制第一轉動構件3的旋轉角度與由膝下腿部2的搖動帶來的第二轉動構件4的轉動一致地將間隙d保持為某一定量d0，實現自由狀態的關節。但是，在通常為了輸出高轉矩而設置齒輪傳動比大的減速機的作動器中，相對於膝下腿部2的自由運動不能產生將d保持為一定間隔的旋轉速度。但是，在該關節機構中，由於設有側隙量的富裕，可以實現自由狀態。即，當將膝上腿1的旋轉角度設為θ、將膝下腿部2的旋轉角度設為φ、將旋轉方向的間隙角度設為φ時，如果相對於某角度(側隙)φ0以滿足θ-φ＝φ＜φ0的方式控制θ，則可實現自由關節。
例如，在圖4所示的控制例中，相對於φ的旋轉角度，θ振幅小、具有相位滯後地進行追隨。但是，其差φ由於被收在φ0C＝±0.2[弧度]的範圍中，因此成為實現了自由關節的狀態。
若採用上述實施例的側隙離合器，通過使類人機器人的膝關節實現自由關節，可以如以下所述地緩和著地時的衝擊。如圖5(a)所示，考慮為是空閒腿(在圖中是類人機器人的右腳)要著地時。這時，如圖5(b)所示，地面與腳心線接觸。在膝關節由高輸出功率作動器控制，以某目的旋轉角度被控制時，在接地線上作用大的力，在地面或腳心硬時，由其反作用力而使腿浮起。另外，在實現了膝的自由關節時，如圖6(a)所示，膝進行服從來自地面的反作用力的運動(從反作用力運動)，如圖6(b)所示，腳心與地面面接觸。由此，可以實現緩和來自地面的衝擊的效果。
接著，作為後腿從地面上提起的空閒腿(在圖中類人機器人的右腳)描繪如下的軌跡(1)首先如圖7所示其空閒腳不接觸地面地提起大腿部，隨之使膝彎曲。(2)接著如圖8所示將其空閒腿伸出到前方地伸開膝。一般，被控制的膝關節該彎曲和伸開作為指令迴轉角度被控制，描繪設計者給予的軌道。但是，該運動由於本來是由重力和慣性力產生的自然的運動，因此，通過使膝關節自由化，而自動地生成。由此，通過實現自由關節，不產生無用的力地實現高效率的步行動作。
這樣，若採用該實施例的側隙離合器，利用側隙可以獲得如下的效果(a)實現自由關節；(b)在連接著離合器的狀態下傳遞高轉矩。
而且，若採用該實施例的機器人用關節機構，可以獲得如下的效果(c)由自由關節實現遵從反作用力的從反作用力機構；(d)由其從反作用力機構的從反作用力運動吸收衝擊；(e)防止無益的能量消耗。
以上根據圖示的例子進行了說明，但本發明不限定於上述的例子，例如，也可以將第一轉動構件一體地固定在膝上腿部1上，同時將第二轉動構件4可轉動地支承在膝下腿部2上，由驅動裝置進行轉動驅動。而且，在上述實施例中，將第二轉動構件4配置在第一轉動構件3的內側，在設在它們的內外周面上的半徑方向凸部上形成半徑方向延伸面，但是，也可以沿軸線方向並列設置第一轉動構件3和第二轉動構件4，在設置在它們的軸線方向相對面上的軸線方向凸部上形成半徑方向延伸面。
而且，該發明的側隙離合器也可以使用於機器人的關節機構以外。而且，該發明的機器人用關節機構除了腿以外，還可以用於實現臂的自由擺動等。
權利要求
1.一種側隙離合器，具有第一轉動構件和第二轉動構件，該第一轉動構件和第二轉動構件分別可轉動地配置在同一軸線上，通過相互的半徑方向上的延伸面彼此接觸而在轉動方向上相互接合在一起，在上述第一轉動構件與上述第二轉動構件的上述半徑方向延伸面彼此之間在轉動方向上空有間隙。
2.機器人用關節機構，具有權利要求1所記載的側隙離合器和驅動裝置；上述側隙離合器在構成機器人的臂或腿的、相互可轉動地被結合的兩構件中的任何一方上在其轉動軸線上可轉動地支承著上述第一轉動構件和第二轉動構件中的任何一方，並且在上述兩構件中的另一方上固定著上述第一轉動構件和上述第二轉動構件中的另一方；上述驅動裝置用於相對於可轉動地支承上述第一轉動構件和上述第二轉動構件中的上述一方的上述一方構件轉動地驅動上述第一轉動構件和上述第二轉動構件中的上述一方。
全文摘要
本發明提供一種實現自由關節、同時在接上離合器的狀態下傳遞高轉矩的離合器。本發明的離合器，具有第一轉動構件(3)和第二轉動構件(4)，該第一轉動構件(3)和第二轉動構件(4)分別可轉動地配置在同一軸線上，通過彼此的半徑方向延伸面(3a、4a)相互接觸而在轉動方向上相互接合，在上述第一轉動構件(3)和第二轉動構件(4)的上述半徑方向延伸面(3a、4a)彼此之間沿轉動方向空開間隙(d)。
文檔編號B25J17/00GK1443949SQ0310382
公開日2003年9月24日 申請日期2003年2月12日 優先權日2002年2月12日
發明者中村仁彥, 岡田昌史, 後藤達哉 申請人:東京大學