JP2004346959A

JP2004346959A - カム式動力伝達機構

Info

Publication number: JP2004346959A
Application number: JP2003141683A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kanayama; 尚樹金山
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】歯車式やワイヤー式に比べて簡単な構造でコンパクトに構成可能なカム式動力伝達機構を提案する。
【解決手段】回転中心線２ａ、３ａが所定の角度で交叉するように配列された第１および第２の回転軸２、３の間で回転力を伝達するカム式動力伝達機構１は、第１の回転軸２に取り付けたカム４と、第２の回転軸３に取り付けたカムフォロワ５とを有し、カム４は、球体を曲面あるいは平面で切断することにより得られる切断面をカム面４ａとし、第１の回転軸の回転中心線２ａが球体の中心を通るように、当該第１の回転軸２に連結されている。カムフォロワ５は、第２の回転軸３の回転中心線３ａを中心とする所定半径の円周軌道を描くように、当該第２の回転軸３に取り付けたローラ５ｅを備えている。一方の回転軸が回転すると、カム４のカム面４ａに沿ってカムフォロワ５のローラ５ｅが相対的に摺動して、他方の回転軸が有限回転する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物模倣ロボット（Ｂｉｏ−ｍｉｍｅｔｉｃＲｏｂｏｔ）等の関節機構に用いるのに適したカム式動力伝達機構に関するものである。さらに詳しくは、シンプルな構造のカムとカムフォロワの組合せにより、ねじれ関係にある２つの回転軸間のトルク伝達を可能としたカム式動力伝達機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および解決しようとする課題】
従来において、ねじれ関係にある２つの回転軸間での回転力を伝達するロボットなどの関節機構においては、一般に、歯車機構やワイヤ機構を用いて回転方向を変換するようにしている。
【０００３】
しかしながら、歯車機構では精密な加工が必要であり、バックラッシを無くすことが困難であるという問題点がある。一方、ワイヤ機構では張力を掛けるための調整しろが不可欠であり、ワイヤの取り回しに制約があるという問題点がある。
【０００４】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、カム機構を用いて、簡単な構成により、ねじれ関係にある２つの回転軸間のトルク伝達を可能としたカム式動力伝達機構を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、回転中心線が所定の角度で交叉するように配列された第１および第２の回転軸の間で回転力を伝達するカム式動力伝達機構において、
前記第１の回転軸に取り付けたカムと、
前記第２の回転軸に取り付けたカムフォロワとを有し、
前記カムは、球体を曲面あるいは平面で切断することにより得られる切断面をカム面とし、前記第１の回転軸の回転中心線が前記球体の中心を通るように、当該第１の回転軸に連結されており、
前記カムフォロワは、前記第２の回転軸の回転中心線を中心とする所定半径の円周軌道を描くように、当該第２の回転軸に連結されており、
前記第１あるいは第２の回転軸が回転すると、前記カムの前記カム面に沿って前記カムフォロワが相対的に摺動して、前記第２あるいは第１の回転軸が有限回転することを特徴としている。
【０００６】
本発明のカム式動力伝達機構によれば、簡単な構造でねじれ関係にある２つの回転軸の間でトルク伝達を行うことのできる機構を実現できる。また、カム面の形状を変えることにより、様々な入出力関係の伝達機構を簡単に構築できる。
【０００７】
ここで、カム面の取り方によってはカムフォロワを１本しか用いることができず、一方向のトルク伝達しか行えない場合がある。この場合には、前記カムフォロワを前記カム面に付勢するばねなどの付勢部材を用いて、逆方向（カム面をカムフォロワに押し付ける方向）にトルクを掛けておくことで、双方向のトルク伝達が可能である。また、このようにすると、付勢部材による押し付けによってカムとカムフォロワとの間のがたつきが吸収されるので、原理上バックラッシが発生しないという利点も得られる。
【０００８】
２本のカムフォロワを配置した場合には、双方向のトルク伝達が可能である。
【０００９】
次に、前記第１の回転軸は中空回転軸とし、前記カムに、前記第１の回転軸の中空部に連続している貫通穴を形成してもよい。同様に、前記第２の回転軸を中空回転軸とし、前記カムフォロワに、前記第２の回転軸の中空部に連続している貫通穴を形成してもよい。
【００１０】
このような中空構造を採用することにより、中空部分を利用して配線の引き回しなどが容易になるなどの利点がある。
【００１１】
次に、本発明のカム式動力伝達機構はロボットの関節機構として用いることができる。例えば、生物模倣ロボットの関節（ヒューマノイドロボットの指、肘関節など）では、サイズの制限のために関節回転軸の延長上にアクチュエータを置くことが困難な場合がある。本発明のカム式動力伝達機構を採用して、そのカムフォロワ側を入力軸とし、そのカム側を出力軸として用いれば、関節の内部にアクチュエータを配置することが可能になるという利点がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したカム式動力伝達機構の実施の形態を説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、１本のカムフォロワを用いて構成されたカム式動力伝達機構を示す正面図、側面図および斜視図である。カム式動力伝達機構１は、回転中心線２ａ、３ａが直交するように配列された第１および第２の回転軸２、３の間でトルクを伝達するものであり、第１の回転軸２に取り付けたカム４と、第２の回転軸３に取り付けたカムフォロワ５とを有している。
【００１４】
カム４は、球体を曲面あるいは平面で切断することにより得られる切断面をカム面４ａとし、第１の回転軸２の回転中心線２ａが当該球体の中心を通るように、当該第１の回転軸２の先端に連結されている。本例のカム４では、球体をその中心を通る平面で切断した半球形状をしており、そのカム面４ａは円形平面である。
【００１５】
カムフォロワ５は、第２の回転軸３の回転中心線３ａを中心とする所定半径の円周軌道を描くように、当該第２の回転軸３の先端に連結されている。本例のカムフォロワ５は、第２の回転軸３の先端に同軸状態に連結した連結用円盤５ａと、この連結用円盤５ａの円形端面５ｂの外周縁から回転中心線３ａに平行な方向に延びる支持腕５ｃと、この支持腕５ｃの先端において回転中心線３ａに直交する回転中心線５ｄを中心として回転自在の状態で支持されているローラ５ｅとを備えている。
【００１６】
なお、図示を省略してあるが、カム４のカム面４ａは、回転ばねを用いて、常にカムフォロワ５、すなわちローラ５ｅに押付けられた状態に保持されている。
【００１７】
この構成のカム式動力伝達機構１において、第１あるいは第２の回転軸２、３が回転すると、カム４のカム面４ａに沿ってカムフォロワ５のローラ５ｅが相対的に摺動して、第２あるいは第１の回転軸３、２にトルクが伝達され有限回転する。
【００１８】
（実施の形態２）
図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、２本のカムフォロワを備えたカム式動力伝達機構を示す正面図、側面図および斜視図である。本例のカム式動力伝達機構１０は、２本のカムフォロワ５Ａ、５Ｂを備えている点以外は、基本的に図１の機構１と同様であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明を省略するものとする。
【００１９】
カムフォロワ５Ａ、５Ｂは、共通の連結用円盤５ａの円形端面５ｂにおける直径方向の両端に配置されている。この構成によれば、回転ばねを用いることなく、カム面４ａにカムフォロワ５Ａ、５Ｂが当接した状態を保持でき、双方向のトルク伝達が可能である。
【００２０】
（実施の形態３）
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１のカム式動力伝達機構の変形例を示す正面図、側面図および斜視図である。このカム式動力伝達機構２０は、第１および第２の回転軸２、３がそれらの回転中心線２ａ、３ａが４５度の角度で交叉するように配置されている以外は図１の機構と同様である。
【００２１】
（実施の形態４）
図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１のカム式動力伝達機構の別の例を示す正面図、側面図および斜視図である。このカム式動力伝達機構３０では、第１および第２の回転軸２Ｃ、３Ｃが中空回転軸であり、第１の回転軸２Ｃの中空部２ｂに連続するように、カム４Ｃには貫通穴４１が形成されている。貫通穴４１はカム面４ａに開口している。また、第２の回転軸３Ｃの中空部３ｂに連続するように、カムフォロワ５Ｃの連結用円盤５ａにも貫通穴５１が形成され、この貫通穴５１は連結用円盤５ａの円形端面５ｂに開口している。これ以外の構成は図１の機構１と同様であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。
【００２２】
本例では、中空部が形成されているので、ここを配線引き回し用のスペースなどとして利用できるので、設置スペースに制限があるロボットの関節機構などに用いる場合に適している。
【００２３】
（実施の形態５）
図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明を適用したカム式動力伝達機構を備えたロボットの関節機構の例を示す斜視図、その上面図および正面図である。これらの図に示すように、ロボットの関節機構６０は、関節入力軸６１と関節出力軸６２を有している。関節入力軸６１の軸線である回転中心線６１ａに対して、関節出力軸６２の回転中心線６２ａが直交するように、関節入力軸６１と関節出力軸６２の間にカム式動力伝達機構７０が組み込まれている。
【００２４】
カム式動力伝達機構７０は、関節出力軸６２の先端に連結されているカム７１と、関節入力軸６１の先端に連結されているカムフォロワ７２とを備えている。カム７１は、図４に示すカムと同様に、中空型のものである。カムフォロワ７２も中空型のものであり、図２に示すカムフォロワと同様に２本の支持腕の先端に、カム面７１ａを摺動可能な２個のローラ７２ａ、７２ｂが回転自在に支持された構造となっている。カムフォロワ７２が取り付けられている関節入力軸６１の後方には同軸状態でモータおよび減速機から構成されるアクチュエータ７３が連結されている。
【００２５】
アクチュエータ７３を駆動して関節入力軸６１を回転中心線６１ａ回りに回転させると、関節出力軸６２は回転中心線６２ａを中心として回転する。図においては、関節入力軸６１の回転によって関節出力軸６２が回転中心線６２ａの周りを所定角度だけ旋回した状態を示してある。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のカム式動力伝達機構によれば、ねじれ関係にある回転軸間の動力伝達機構を、歯車式やワイヤー式の動力伝達機構に比べて、簡単な構造でコンパクトに構成できる。また、カム面の形状を変えることにより、様々な入出力関係の伝達機構を実現できる。さらに、本発明のカム式動力伝達機構をロボットなどの関節機構に採用した場合には、関節の内部にアクチュエータを配置できるなど、設置スペースが制約されている部分に組み込むことができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、１本のカムフォロワを用いて構成されたカム式動力伝達機構を示す正面図、側面図および斜視図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、２本のカムフォロワを備えたカム式動力伝達機構を示す正面図、側面図および斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１のカム式動力伝達機構の変形例を示す正面図、側面図および斜視図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１のカム式動力伝達機構の別の例を示す正面図、側面図および斜視図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明を適用したカム式動力伝達機構を備えたロボットの関節機構の例を示す斜視図、上面図および正面図である。
【符号の説明】
１、１０、２０、３０、７０カム式動力伝達機構
２、３回転軸
２ａ、３ａ回転中心線
４、４Ｃ、７１カム
４ａカム面
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、７２カムフォロワ
５ｅローラ
６０ロボットの関節機構
６１関節入力軸
６２関節出力軸
６１ａ、６２ａ回転中心線
７３アクチュエータ

Claims

回転中心線が所定の角度で交叉するように配列された第１および第２の回転軸の間で回転力を伝達するカム式動力伝達機構において、
前記第１の回転軸に取り付けたカムと、
前記第２の回転軸に取り付けたカムフォロワとを有し、
前記カムは、球体を曲面あるいは平面で切断することにより得られる切断面をカム面とし、前記第１の回転軸の回転中心線が前記球体の中心を通るように、当該第１の回転軸に連結されており、
前記カムフォロワは、前記第２の回転軸の回転中心線を中心とする所定半径の円周軌道を描くように、当該第２の回転軸に連結されており、
前記第１あるいは第２の回転軸が回転すると、前記カムの前記カム面に沿って前記カムフォロワが相対的に摺動して、前記第２あるいは第１の回転軸が有限回転することを特徴とするカム式動力伝達機構。
請求項１において、
前記カムフォロワを前記カム面に付勢する付勢部材を有していることを特徴とする動力伝達機構。
請求項１において、
前記カムフォロワは第１および第２のカムフォロワを含むことを特徴とするカム式動力伝達機構。
請求項１、２または３において、
前記第１の回転軸は中空回転軸であり、
前記カムには、前記第１の回転軸の中空部に連続している貫通穴が形成されていることを特徴とするカム式動力伝達機構。
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記第２の回転軸は中空回転軸であり、
前記カムフォロワには、前記第２の回転軸の中空部に連続している貫通穴が形成されていることを特徴とするカム式動力伝達機構。
請求項１ないし５のうちのいずれかの項に記載のカム式動力伝達機構を備えたロボットの関節機構。