專利名稱：側(cè)隙離合器及具有該側(cè)隙離合器的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩傳遞及自由關(guān)節(jié)雙方的側(cè)隙離合器及具有該側(cè)隙離合器的機(jī)器人用關(guān)節(jié)用機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
一般，離合器機(jī)構(gòu)是由利用了摩擦的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的傳遞及切斷的。該機(jī)構(gòu)具有相互摩擦結(jié)合來(lái)傳遞驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和控制離合器的結(jié)合、斷開(kāi)的部件，因?yàn)槭抢媚Σ羵鬟f驅(qū)動(dòng)力，在是大的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，產(chǎn)生打滑，難以傳遞該大的驅(qū)動(dòng)力。
這種現(xiàn)象，在將離合器機(jī)構(gòu)使用到類人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)時(shí)，產(chǎn)生大的問(wèn)題。一般，類人機(jī)器人以生成目標(biāo)軌道方式控制作動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)身體的各關(guān)節(jié)。特別是，在膝關(guān)節(jié)上使用產(chǎn)生高輸出的作動(dòng)器。
在類人機(jī)器人以圖9所示那樣的姿勢(shì)靜止時(shí)，當(dāng)股關(guān)節(jié)上的重量為60(kg)、股關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的偏離為10(cm)時(shí)，在重力加速度9.81(m/s2)之下，驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)的作動(dòng)器需要輸出58.86(Nm)的高轉(zhuǎn)矩。因此，膝的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)也必須具有傳遞該轉(zhuǎn)矩所需的能力。
一般，使用高輸出功率的馬達(dá)和齒輪傳動(dòng)比大的減速器來(lái)構(gòu)成膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。另外，在看人類的步行動(dòng)作時(shí)，在腿成為空閑腿時(shí)，膝關(guān)節(jié)成為自由關(guān)節(jié)，這是為了獲得如下的效果，在可以不使用無(wú)益的力將腿向前投出時(shí)，膝隨著其慣性力自由活動(dòng)，在著地時(shí)，腳以相對(duì)于地面適當(dāng)?shù)慕嵌茸匀坏爻虻孛妫梢跃徍蜎_擊力。但是，在現(xiàn)有的膝機(jī)構(gòu)中，難以實(shí)現(xiàn)遵從其反作用力的自由關(guān)節(jié)，在成為空閑腿時(shí)，一邊控制膝保持某個(gè)角度一邊進(jìn)行步行動(dòng)作。
作為實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)的方法，考慮了在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)用減速機(jī)的輸出軸上設(shè)置離合器機(jī)構(gòu)的方案。但是，通常使用的離合器機(jī)構(gòu)由于是上述那樣的摩擦式離合器機(jī)構(gòu)，在是高轉(zhuǎn)矩時(shí)，產(chǎn)生打滑，難以傳遞高轉(zhuǎn)矩。因此，可以設(shè)置離合器機(jī)構(gòu)的只能是驅(qū)動(dòng)用減速機(jī)的輸出軸側(cè)。在類人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)中，作為實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩的傳遞和自由狀態(tài)雙方的機(jī)構(gòu)，需要可以設(shè)置在驅(qū)動(dòng)用減速機(jī)的輸出軸側(cè)的離合器機(jī)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩的傳遞及自由狀態(tài)的維持的離合器機(jī)構(gòu)，而且其目的是提供一種具有該離合器機(jī)構(gòu)的機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。特別是其目的是，在作為類人機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)使用時(shí)，實(shí)現(xiàn)(1)傳遞大的驅(qū)動(dòng)力。(2)借助自由關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)(a)不使用無(wú)益的力；(b)實(shí)現(xiàn)自由的運(yùn)動(dòng)；(c)吸收著地時(shí)的沖擊這樣的步行動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
有利地實(shí)現(xiàn)上述目的的本發(fā)明的側(cè)隙離合器，具有第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，該第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件分別可轉(zhuǎn)動(dòng)地配置在同一軸線上，通過(guò)相互的半徑方向上的延伸面彼此接觸而在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上相互接合在一起，在上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件與上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的上述半徑方向延伸面彼此之間在轉(zhuǎn)動(dòng)方向空有間隙。
若采用這樣的側(cè)隙離合器，直到上述半徑方向延伸面彼此間沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向空開(kāi)的間隙被堵塞的上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)成為間隙，由其間隙可以獲得如下的效果(a)實(shí)現(xiàn)自由關(guān)節(jié)，(b)在接上了離合器的狀態(tài)下傳遞高轉(zhuǎn)矩。
另外，具有本發(fā)明的側(cè)隙離合器的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，具有權(quán)利要求1所記載的側(cè)隙離合器和驅(qū)動(dòng)裝置；上述側(cè)隙離合器在構(gòu)成機(jī)器人的臂或腿的、相互可轉(zhuǎn)動(dòng)地被結(jié)合的兩構(gòu)件中的任何一方上在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承著上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的任何一方，并且，在上述兩構(gòu)件中的另一方上固定著上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的另一方；上述驅(qū)動(dòng)裝置用于相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的上述一方的上述一方構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的上述一方。
若采用具有這樣的側(cè)隙離合器的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，則可以獲得如下的效果(c)由自由關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)遵從反作用力的從反作用力機(jī)構(gòu)。
(d)由其從反作用力機(jī)構(gòu)的從反作用力運(yùn)動(dòng)吸收沖擊。
(e)防止無(wú)益的能量消耗。


圖1是表示作為本發(fā)明的側(cè)隙離合器的一實(shí)施例及具有其側(cè)隙離合器的本發(fā)明的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的一實(shí)施例的類人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)矩的狀態(tài)表示上述實(shí)施例的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的說(shuō)明圖。
圖3是以自由關(guān)節(jié)的狀態(tài)表示上述實(shí)施例的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的說(shuō)明圖。
圖4是表示使上述實(shí)施例的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)為自由關(guān)節(jié)狀態(tài)的最佳控制例的關(guān)系線圖。
圖5(a)是表示類人機(jī)器人的空閑腿要成為著地狀態(tài)時(shí)的狀態(tài)的說(shuō)明圖，(b)表示擴(kuò)大了(a)的A部的說(shuō)明圖。
圖6(a)是表示類人機(jī)器人的空閑腿要成為著地狀態(tài)時(shí)的上述實(shí)施例的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用的說(shuō)明圖，(b)是放大了(a)的B部的說(shuō)明圖。
圖7是表示類人機(jī)器人的后腳蹬地面抬起后的空閑腿的運(yùn)動(dòng)的說(shuō)明圖。
圖8表示類人機(jī)器人的上述空閑腿的進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)的說(shuō)明圖。
圖9表示類人機(jī)器人的膝的彎曲姿勢(shì)的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
以下，根據(jù)附圖由本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。在此，圖1是表示作為本發(fā)明的側(cè)隙離合器的一實(shí)施例及具有其側(cè)隙離合器的本發(fā)明的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的一實(shí)施例的類人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的正視圖。圖中符號(hào)1是構(gòu)成類人機(jī)器人的腿的兩構(gòu)件中的一方的膝上腿部，2是繞軸線C可轉(zhuǎn)動(dòng)地結(jié)合在其膝上腿部1上的構(gòu)成上述腿的兩構(gòu)件中的另一方的膝下腿部，3是構(gòu)成上述實(shí)施例的側(cè)隙離合器的第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，4是構(gòu)成上述實(shí)施例的側(cè)隙離合器的第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，5是設(shè)在帶減速機(jī)的高輸出功率馬達(dá)輸出軸上的皮帶輪、6是皮帶。
在此，第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)地配置在同一軸線C上，第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3可繞上述軸線C轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在膝上腿部1上，第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4一體地固定在膝下腿部2上。而且，第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3及第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)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，并且在其之間在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上空開(kāi)著間隙(側(cè)隙)。
另外，具有上述皮帶輪5的帶有減速機(jī)的高輸出功率馬達(dá)及使用了其皮帶輪5和上述皮帶6的皮帶式傳遞機(jī)構(gòu)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3及第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4、和帶有減速機(jī)的高輸出功率馬達(dá)及皮帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成上述實(shí)施例的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。在該實(shí)施例中，以用皮帶輪5和皮帶6將帶減速機(jī)的高輸出功率馬達(dá)的輸出旋轉(zhuǎn)傳遞到第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3的方式構(gòu)成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是本發(fā)明的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)裝置不限于此。
在該實(shí)施例的側(cè)隙離合器及機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中，由以下的方法傳遞旋轉(zhuǎn)或?qū)崿F(xiàn)自由狀態(tài)。
(1)驅(qū)動(dòng)力的傳遞在該關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中，如圖2所示，使第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3的半徑方向延伸面3a與第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)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(shuō)明而多少地分離著)而沿圖中的箭頭方向傳遞轉(zhuǎn)矩。這時(shí)，第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4成為由垂直于力的方向的半徑方向延伸面3a、4a彼此接觸而產(chǎn)生的面接觸，可以傳遞大的轉(zhuǎn)矩。在該關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)力的傳遞是單向，在控制旋轉(zhuǎn)角度的伺服機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生具有時(shí)間延遲的響應(yīng)。但是，在像類人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)那樣地經(jīng)常地被作用著一定方向的力(在此是由重力場(chǎng)和身體的實(shí)體產(chǎn)生的力(那樣的機(jī)構(gòu)中)，該關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)可以有效地發(fā)揮作用。該關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)由于可以進(jìn)行高轉(zhuǎn)矩的傳遞，適用于維持圖9所示那樣的彎曲了膝狀態(tài)的姿勢(shì)。
(2)自由狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)在這樣的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中，例如如圖3(a)～(c)所示，通過(guò)控制第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3的旋轉(zhuǎn)角度與由膝下腿部2的搖動(dòng)帶來(lái)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4的轉(zhuǎn)動(dòng)一致地將間隙d保持為某一定量d0，實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)的關(guān)節(jié)。但是，在通常為了輸出高轉(zhuǎn)矩而設(shè)置齒輪傳動(dòng)比大的減速機(jī)的作動(dòng)器中，相對(duì)于膝下腿部2的自由運(yùn)動(dòng)不能產(chǎn)生將d保持為一定間隔的旋轉(zhuǎn)速度。但是，在該關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中，由于設(shè)有側(cè)隙量的富裕，可以實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)。即，當(dāng)將膝上腿1的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為θ、將膝下腿部2的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為φ、將旋轉(zhuǎn)方向的間隙角度設(shè)為φ時(shí)，如果相對(duì)于某角度(側(cè)隙)φ0以滿足θ-φ＝φ＜φ0的方式控制θ，則可實(shí)現(xiàn)自由關(guān)節(jié)。
例如，在圖4所示的控制例中，相對(duì)于φ的旋轉(zhuǎn)角度，θ振幅小、具有相位滯后地進(jìn)行追隨。但是，其差φ由于被收在φ0C＝±0.2[弧度]的范圍中，因此成為實(shí)現(xiàn)了自由關(guān)節(jié)的狀態(tài)。
若采用上述實(shí)施例的側(cè)隙離合器，通過(guò)使類人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)自由關(guān)節(jié)，可以如以下所述地緩和著地時(shí)的沖擊。如圖5(a)所示，考慮為是空閑腿(在圖中是類人機(jī)器人的右腳)要著地時(shí)。這時(shí)，如圖5(b)所示，地面與腳心線接觸。在膝關(guān)節(jié)由高輸出功率作動(dòng)器控制，以某目的旋轉(zhuǎn)角度被控制時(shí)，在接地線上作用大的力，在地面或腳心硬時(shí)，由其反作用力而使腿浮起。另外，在實(shí)現(xiàn)了膝的自由關(guān)節(jié)時(shí)，如圖6(a)所示，膝進(jìn)行服從來(lái)自地面的反作用力的運(yùn)動(dòng)(從反作用力運(yùn)動(dòng))，如圖6(b)所示，腳心與地面面接觸。由此，可以實(shí)現(xiàn)緩和來(lái)自地面的沖擊的效果。
接著，作為后腿從地面上提起的空閑腿(在圖中類人機(jī)器人的右腳)描繪如下的軌跡(1)首先如圖7所示其空閑腳不接觸地面地提起大腿部，隨之使膝彎曲。(2)接著如圖8所示將其空閑腿伸出到前方地伸開(kāi)膝。一般，被控制的膝關(guān)節(jié)該彎曲和伸開(kāi)作為指令回轉(zhuǎn)角度被控制，描繪設(shè)計(jì)者給予的軌道。但是，該運(yùn)動(dòng)由于本來(lái)是由重力和慣性力產(chǎn)生的自然的運(yùn)動(dòng)，因此，通過(guò)使膝關(guān)節(jié)自由化，而自動(dòng)地生成。由此，通過(guò)實(shí)現(xiàn)自由關(guān)節(jié)，不產(chǎn)生無(wú)用的力地實(shí)現(xiàn)高效率的步行動(dòng)作。
這樣，若采用該實(shí)施例的側(cè)隙離合器，利用側(cè)隙可以獲得如下的效果(a)實(shí)現(xiàn)自由關(guān)節(jié)；(b)在連接著離合器的狀態(tài)下傳遞高轉(zhuǎn)矩。
而且，若采用該實(shí)施例的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以獲得如下的效果(c)由自由關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)遵從反作用力的從反作用力機(jī)構(gòu)；(d)由其從反作用力機(jī)構(gòu)的從反作用力運(yùn)動(dòng)吸收沖擊；(e)防止無(wú)益的能量消耗。
以上根據(jù)圖示的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限定于上述的例子，例如，也可以將第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件一體地固定在膝上腿部1上，同時(shí)將第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在膝下腿部2上，由驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。而且，在上述實(shí)施例中，將第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4配置在第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3的內(nèi)側(cè)，在設(shè)在它們的內(nèi)外周面上的半徑方向凸部上形成半徑方向延伸面，但是，也可以沿軸線方向并列設(shè)置第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件3和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件4，在設(shè)置在它們的軸線方向相對(duì)面上的軸線方向凸部上形成半徑方向延伸面。
而且，該發(fā)明的側(cè)隙離合器也可以使用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)以外。而且，該發(fā)明的機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)除了腿以外，還可以用于實(shí)現(xiàn)臂的自由擺動(dòng)等。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)隙離合器，具有第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，該第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件分別可轉(zhuǎn)動(dòng)地配置在同一軸線上，通過(guò)相互的半徑方向上的延伸面彼此接觸而在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上相互接合在一起，在上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件與上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的上述半徑方向延伸面彼此之間在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上空有間隙。
2.機(jī)器人用關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，具有權(quán)利要求1所記載的側(cè)隙離合器和驅(qū)動(dòng)裝置；上述側(cè)隙離合器在構(gòu)成機(jī)器人的臂或腿的、相互可轉(zhuǎn)動(dòng)地被結(jié)合的兩構(gòu)件中的任何一方上在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承著上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的任何一方，并且在上述兩構(gòu)件中的另一方上固定著上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的另一方；上述驅(qū)動(dòng)裝置用于相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的上述一方的上述一方構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和上述第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中的上述一方。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)自由關(guān)節(jié)、同時(shí)在接上離合器的狀態(tài)下傳遞高轉(zhuǎn)矩的離合器。本發(fā)明的離合器，具有第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件(3)和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件(4)，該第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件(3)和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件(4)分別可轉(zhuǎn)動(dòng)地配置在同一軸線上，通過(guò)彼此的半徑方向延伸面(3a、4a)相互接觸而在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上相互接合，在上述第一轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件(3)和第二轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件(4)的上述半徑方向延伸面(3a、4a)彼此之間沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向空開(kāi)間隙(d)。
文檔編號(hào)B25J17/00GK1443949SQ0310382
公開(kāi)日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2003年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月12日
發(fā)明者中村仁彥, 岡田昌史, 后藤達(dá)哉 申請(qǐng)人:東京大學(xué)