JP2005030421A

JP2005030421A - 揺動回転形減速機構

Info

Publication number: JP2005030421A
Application number: JP2003192823A
Authority: JP
Inventors: Rinzo Irie; 禀三入江; Ryoji Kase; 良二加瀬; Minoru Suzuki; 実鈴木; Atsushi Morita; 厚志森田
Original assignee: Sankyo Oilless Industries Inc
Current assignee: Sankyo Oilless Industries Inc
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】本発明は、例えば、入力軸の駆動を直角方向に出力軸に減速して回転伝達する揺動回転形減速機構であって、例えば、ロボットアーム等の先端駆動において、振動・騒音の低い、且つ、軽量化・コンパクト化を図り、人・動物等の間接等に近似させることができるようにすることが課題である。
【解決手段】装置本体に入力軸と出力軸とが略直角にその軸心を交差させて回転自在に支持され、前記入力軸の一端部に係合し当該入力軸の回転が方向変換されて前記出力軸の軸心と平行な軸心の回りに回転されるアウターロータが設けられ、前記アウターロータ３の内部空間に回転自在に内包され当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータ６が設けられ、前記インナーロータ６が前記揺動軸心５とアウターロータ３の軸心３ａとの交点４を対称点にして揺動され、当該インナーロータの片側端部と係合する出力軸が減速される揺動回転形減速機構１とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揺動回転形減速機構に係り、詳しくは、入力軸の駆動を直角方向に出力軸に減速して回転伝達する揺動回転形減速機構であって、例えば、ロボットアーム等の先端駆動において、振動・騒音の低い、且つ、軽量化・コンパクト化を図り、人・動物等の間接等に近似させることができる揺動回転形減速機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に直交形減速装置としては、傘歯車、食い違い歯車、ウォーム及びウォーム歯車等の歯車機構、並びにピン，ボールカム機構がある。また、これらの減速装置として単独機構で減速を行うものと、一般の同軸形揺動回転形減速機構構の組合せによるものとがある。これらの減速装置は、ロボットの関節部をはじめ多くの分野で使用されている。また、揺動運動により減速させる揺動回転形揺動回転形減速機構が提案され知られている（例えば、特許文献１参照。）。更に、直交若しくは交差角を持つ揺動回転形減速機構として揺動回転形揺動回転形減速機構構を提案しているが、。まだ、実用に供していない。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３４９３８７号公報（第２−４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記回転伝達を直交若しくは交差角をもって減速させる揺動回転形揺動回転形減速機構構においては、揺動中心に対して揺動体及び出力揺動体が回転軸に対して、対称構造になっていなかったことにより、重量的にアンバランスとなり、比較的大きな振動が発生する。また、減速比が、構造上により出力軸に刻む溝数によって制限されるので、減速比を大きくできない。ボールと溝との係合部位が多く、摺動箇所が多くて機械的効率が良くない、という課題がある。本発明に係る揺動回転形減速機構はこのような課題を解決するために提案されたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る揺動回転形減速機構の要旨は、装置本体に入力軸と出力軸とが略直角にその軸心を交差させて回転自在に支持され、前記入力軸の一端部に係合し当該入力軸の回転が方向変換されて前記出力軸の軸心と平行な軸心の回りに回転されるアウターロータが設けられ、前記アウターロータの内部空間に回転自在に内包され当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータが設けられ、前記インナーロータが前記揺動軸心とアウターロータの軸心との交点を対称点にして揺動され、当該インナーロータの片側端部と係合する出力軸が減速されることである。
【０００６】
また、前記揺動回転形減速機構は、本体に回転自在に支持される入力軸と、前記本体に回転自在に支持されて内包されるとともに前記入力軸の回転によって当該入力軸の軸心と直角方向の軸心周りに回転されるアウターロータと、前記アウターロータに回転自在に支持されて内包されると共に当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータと、該インナーロータの揺動軸心方向における一端部側の外周面に係合して前記揺動軸心の揺動回転を誘導するとともに本体に固定される固定案内盤と、前記アウターロータの軸心を中心に前記本体に回転自在に支持されるとともに前記インナーロータの他端部側に一端部が係合して当該インナーロータの揺動回転により前記軸心を中心に回転駆動される出力軸とからなり、前記入力軸の回転が前記アウターロータ及び前記インナーロータにより減速されて出力軸に回転伝達されることである。
【０００７】
前記減速箇所が、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ又はインナーロータと出力軸との２箇所であること、若しくは、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ及びインナーロータと出力軸との３箇所であること、；
減速比は、減速箇所における片側の係合面に刻設された波溝の溝数と、他側の係合面に配設されて前記波溝に係合する転動自在なボールの数によって、設定されること、
前記減速箇所におけるボールを収容するボールポケット中心と、波溝のボール中心軌跡位置とは、入力軸の軸心と出力軸の軸心との交点である揺動中心を中心として同一球面上にあることを含むものである。
【０００８】
本発明に係る揺動回転形減速機構によれば、アウターロータに内包されたインナーロータは、前記揺動軸心とアウターロータの軸心との交点を対称点にして揺動され、重量バランス良く揺動することになり、振動が抑制される。よって、この揺動回転形減速機構の振動が減少し、騒音も減少する。
【０００９】
また、減速箇所が、入力軸とアウターロータとの間でも設定することができて、大きな減速比を設定することができるようになる。
更に、減速箇所におけるボールを収容するボールポケット中心と、波溝のボール中心軌跡位置とは、入力軸の軸心と出力軸の軸心との交点である揺動中心を中心として同一球面上にあるので、回転部若しくは揺動回転部の重量バランスが良くなるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る揺動回転形減速機構１について、図面を参照して説明する。なお、発明の理解を容易にするため、従来例に対応する部分には従来例と同一の符号を付けて説明する。
【００１１】
揺動回転形減速機構１は、図１に示すように、装置本体１ａに回転自在に支持される、例えば、水平な入力軸２と、前記本体１ａの略中央空間部において、回転自在に支持されて内包されるとともに前記入力軸２の回転によって当該入力軸２の軸心２ａと直角（上下）方向の軸心３ａ周りに回転される、外形が太鼓状で筒状のアウターロータ３がある。
【００１２】
そして、前記アウターロータ３に回転自在に支持されて内包されると共に当該アウターロータ３の軸心３ａに対して、前記入力軸２の軸心２ａと前記軸心３ａとの交点４を中心にして、傾斜（角度α＝５゜）した揺動軸心５の回りに回転されるインナーロータ６と、該インナーロータ６の揺動軸心方向における一端部６ａ側の外周面に係合して前記揺動軸心５の揺動回転を誘導するとともに本体１ａに固定される固定案内盤７と、前記アウターロータ３の軸心３ａを中心に前記本体１ａに回転自在に支持されるとともに前記インナーロータ６の他端部側６ｂに一端部８ａが係合して当該インナーロータ６の揺動回転により前記軸心３ａを中心に回転駆動される出力軸８とからなる。前記軸心３ａは、図示するように、出力軸８の軸心でもある。
【００１３】
前記入力軸２とアウターロータ３との係合関係と減速について説明する。図２（Ｂ）に示すように、入力軸２の先端面における凹球面２ｂには、ボール９の一部を嵌合させる略半球状のボールポケット２ｃが、一例として、１０箇所で周方向に均等配置にして、設けられている。このボールポケット２ｃの深さは各々同じである。
【００１４】
一方、アウターロータ３は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、半径ｒの球体を、その両側面を太鼓落としにして形成した太鼓状の外形をしており、中央部に揺動軸心５を中心とした大きな貫通孔３ｂが設けられた筒体である。また、その太鼓状の外周面３ｃには、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、軸心３ａを回転中心とする回転ガイド溝３ｄが設けられている。前記揺動軸心５と軸心３ａとは、交点４を中心にして、角度αで傾斜している。この回転ガイド溝３ｄに、本体１ａに装着されるベアリング１０，１１が装着され、このアウターロータ３が本体１ａに、宙に浮くようにして軸心３ａを中心にして回転自在に支持される。
【００１５】
更に、前記外周面３ｃに、図２（Ａ）及び図３（Ｃ）に示すように、前記ボール９（図２（Ｂ）参照）の一部が嵌装される凹部による波溝３ｅが複数条で設けられている。この波溝３ｅは、一例として、山数を５にし、その条数を５にし、前記ボール９の数は、図４に示すように、１０個である。図２（Ａ）に示すように、太鼓状の外形の回りを、入力軸２が２．５回転すると、アウターロータ３の外周を回って一周するようになっている。
【００１６】
よって、回転比は、入力軸２とアウターロタ３との減速比を１／Ｒとすると、
【式１】１／Ｒ＝１／（入力軸２の回転数／アウターロータ３の回転数）
で、１／２．５である。
【００１７】
この段階で減速させることで、前記アウターロータ３の回転数を低くすることができる。これにより、回転数に起因する振動を抑制できる。
なお、減速比は、前記アウターロータ３の球直径、及び、入力軸のボール配置直径、並びに、揺動するインナーロータ６が安定して回転するためのボールと溝との関係により、概ね、１／２〜１／３の範囲が好適である。また、入力軸２に配設するボール数、位置及び大きさは、アウターロータ３に波溝３ｅが成形できる範囲で任意に採ることができる。
【００１８】
前記波溝３ｅと入力軸２のボールポケット２ｃとの間で、転動するボール９の中心軌跡１２は、図２（Ａ）に示すように、初期位置としてＰ_０を決め、軸心２ａ（図中でｉと表記）の回りにθ回転した時の位置をＰ_１、該Ｐ_１を出力軸８の軸心（軸心３ａと同じ）（図中でｋと表記）に、減速比Ｒに対応しΦ回転座標変換した位置をＰ_２とすると、
【式２】Ｐ_１＝Ｐ_０・Ｅ^ｉ・ ^θ
【式３】Ｐ_２＝Ｐ_１・Ｅ^ｋ・ ^Φ
となる。ただし、Ｅは、前記入力軸２の軸心２ａ（図中でｉと表記）の回転θに関する変換マトリクスである。このときの回転θと回転Φとの関係は、
【式４】Φ＝θ・１／Ｒ
となる。複数のボール９に対応する中心軌跡１２は、初期位置をずらすことにより求めることができる。
【００１９】
次に、前記アウターロータ３によって揺動回転されるインナーロータ６と固定案内盤７との関係を説明する。前記アウターロータ３は、図１に示すように、本体のベアリング１０，１１によって回転自在に支持され、軸心３ａを中心にして回転する。そして、アウターロータ３の揺動軸心５を中心にして両方の開口端部に刻設されたベアリング用の嵌合凹部３ｆ（図３（Ａ）参照）にベアリング１３，１４が、図１に示すように、装着され、インナーロータ６が回転自在に支持される。
【００２０】
前記インナーロータ６は、交点４を中心にして、軸心３ａに対して角度αだけ傾斜している揺動軸心５の回りに回転する。アウターロータ３は軸心３ａを中心にして回転するので、前記インナーロータ６が軸心３ａに対して揺動しながら回転する。
【００２１】
前記インナーロータ６の一端部６ａは、図１に示すように、リング状の盤体で別体物あり、ボルトにて一体に固定されている。その一端部６ａの下側の外周面には、ボールポケット６ｃが、軸心５を中心にして周方向に均等配置で、所要数配設される。
【００２２】
一方、固定案内盤７の内面側には、図１に示すように、連続した循環溝７ａが刻設されている。この循環溝７ａは、図５乃至図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、連続したループである。前記ボールポケット６ｃと前記循環溝７ａとの間に転動自在なボール１５が介装される。これにより、アウターロータ３が回転すると、インナーロータ６が傾斜角αで固定案内盤７の循環溝７ａに誘導され、揺動しながら自転する。
【００２３】
そして、前記ボール１５の数と、循環溝７ａの山数の差分で差動回転して、減速される。前記循環溝７ａとボールポケット６ｃとの位置関係は、前記ボール１５に係合する固定案内盤７の循環溝７ａにおける、ボール球心軌跡ｂと、ボール１５の球心の初期設定値Ｐ_０の位置を、図７に示す。図中において、中央部の軌跡ａは、揺動軸心５におけるある一点の、アウターロータ３を回転させた時の軌跡を示す。各軌跡上の黒点は、初期設定位置を示す。
【００２４】
このボール球心軌跡ｂは、アウターロータ３の軸心３ａ（ｋ）に対して、揺動角となる交差角α（略０゜＜ α ≦１０゜）をもって回転させたときに得られる、一端部６ａに設けた各ボール１５の球心軌跡であって、次式によって算出される。θは、アウターロータ３の回転角である。図７に示すように、任意の一点（初期位置）Ｐ_０として、軸心３ａ（ｋ）周りのθ回転後の座標位置をＰ_１、該Ｐ_１を揺動軸心５（ｗ＿ｉｎ）に座標変換した位置がＰ_２とすると、
【式１】Ｐ_１＝Ｐ_ｏ・Ｅ^ｉ・ ^θ
【式２】Ｐ_２＝Ｐ_１・Ｅ^{ｗ＿ｉｎ（−} ^φ ^）
となる。但し、Ｅは、前記アウターロータ３の軸心３ａ（ｋ）の回転θに関する変換マトリクスである。
【００２５】
この軌跡ｂにより、前記ボール１５と同じ形状の工具で加工生成すると、必要な循環溝７ａとボールポケット６ｃが得られる。前記交差角αについては、機構的制約により、概ね、０゜＜α≦１０゜の範囲である。
【００２６】
次に、出力側にある、インナロータ６の他方側６ｂもリング状の盤体で別体物あり、ボルトにて一体に固定され、図１に示すように、ボールポケット６ｄが外周面に設けられている。そこに、ボール１６が嵌装され、出力軸８の開口端部側の内周壁面に、図９に示すように、前記ボール１６の一部が嵌装して移動する連続した循環溝８ａが設けられている。
【００２７】
前記揺動し自転するインナーロータ６により、前記ボールポケット６ｄのボール１６を介して揺動回転が伝達され、これに係合する前記循環溝８ａにより、出力軸８が減速回転する。前記ボール１６の中心軌跡と循環溝８ａとの関係は、前記一端部６ａでのボール１５と循環溝７ａ場合と同様の計算式で導かれる。
【００２８】
このようにして、上記実施例では、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ及びインナーロータと出力軸との３箇所で減速が行われている。具体的に減速比を示すと、第１段目の入力軸２とアウターロータ３との減速比は、１／Ｒ＝１／（入力軸２の回転数／アウターロータ３の回転数）であって、実施例では１／２．５である。
インナーロータ６と固定案内盤７との減速比は、ボール１５の数をＮ２、循環溝７ａにおける波溝の山数をＮ１として、更に、インナーロータ６のボール１６の数をＮ３、出力軸８の循環溝８ｂの山の数をＮ４とすると、
インナーロータ部における減速比は、
１／Ｒ１＝１−（Ｎ１・Ｎ３／Ｎ２・Ｎ４）となる。
そこで、上記の各数値を、Ｎ１＝２３、Ｎ２＝２４、Ｎ３＝３１、Ｎ４＝３０とすると、
１／Ｒ１＝１−（２３・３１／２４・３０）＝７／７２０
となる。
【００２９】
そこで、機構全体としては、
全減速比＝（１／Ｒ）・（１／Ｒ１）＝（１／２．５）×（７／７２０）≒１／２５７．１５となる。
なお、循環溝７ａを、円形状の円還溝にした場合には、ボール１５の数は円還溝の数と同じで、インナーロータ６は、その場で揺動のみして、減速しないことになる。この場合には、出力側での減速となり、
全減速比＝１／２．５ ×（１−３１／３０）＝（−）１／７５となる。この場合、数値がマイナスとなり、回転方向が逆向きとなる。
この揺動回転形減速装置１について、構造上からの減速比の限界は、概ね、１５〜１０，０００まで可能である。
【００３０】
前記減速箇所におけるボール１５，１６を収容するボールポケット６ｃ，６ｄの中心と、波溝のボール中心軌跡位置とは、入力軸２の軸心２ａと出力軸８の軸心３ａとの交点である揺動中心４を中心として同一球面上にある。これにより、揺動回転するインアーロータ６が、揺動中心４を中心に対称に配置され、重量バランスが良くなり、揺動回転に伴う振動が抑制される。
【００３１】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明に係る揺動回転形減速機構は、装置本体に入力軸と出力軸とが略直角にその軸心を交差させて回転自在に支持され、前記入力軸の一端部に係合し当該入力軸の回転が方向変換されて前記出力軸の軸心と平行な軸心の回りに回転されるアウターロータが設けられ、前記アウターロータの内部空間に回転自在に内包され当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータが設けられ、前記インナーロータが前記揺動軸心とアウターロータの軸心との交点を対称点にして揺動され、当該インナーロータの片側端部と係合する出力軸が減速されるので、インナーロータを揺動させることによる減速機構において、高速回転で揺動しても重量バランスが良いので振動が少なく、騒音が減少すると言う優れた効果を奏するものである。
【００３２】
また、本発明は、本体に回転自在に支持される入力軸と、前記本体に回転自在に支持されて内包されるとともに前記入力軸の回転によって当該入力軸の軸心と略直角方向の軸心周りに回転されるアウターロータと、前記アウターロータに回転自在に支持されて内包されると共に当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータと、該インナーロータの揺動軸心方向における一端部側の外周面に係合して前記揺動軸心の揺動回転を誘導するとともに本体に固定される固定案内盤と、前記アウターロータの軸心を中心に前記本体に回転自在に支持されるとともに前記インナーロータの他端部側に一端部が係合して当該インナーロータの揺動回転により前記軸心を中心に回転駆動される出力軸とからなり、前記入力軸の回転が前記アウターロータ及び前記インナーロータにより減速されて出力軸に回転伝達されるので、直交配置の減速装置として、全体をコンパクトにおさめることができると言う優れた効果を奏するものである。
【００３３】
前記減速箇所が、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ又はインナーロータと出力軸との２箇所であること、若しくは、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ及びインナーロータと出力軸との３箇所であるので、減速比の幅が大きく取れるようになる。
前記減速比は、減速箇所における片側の係合面に刻設された波溝の溝数と、他側の係合面に配設されて前記波溝に係合する転動自在なボールの数によって、設定されるので、設定が容易となる。更に、減速箇所におけるボールを収容するボールポケットと、ボール中心軌跡位置とは、入力軸の軸心と出力軸の軸心との交点である揺動中心を中心として同一球面上にあるので、重量バランスが良くなって、揺動運動に伴う振動が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る揺動回転形減速機構１の断面図である。
【図２】同本発明に係る揺動回転形減速機構１における、入力軸２とアウターロータ３の波溝３ｅとの間のボール９の中心軌跡１２を示す説明図（Ａ）と、入力軸２の一部斜視図（Ｂ）である。
【図３】同本発明に係る揺動回転形減速機構１のアウターロータ３の断面図（Ａ）、同平面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）である。
【図４】同アウターロータ３の波溝３ｅと、これに係合する入力軸２との間の１０個のボール９の位置関係を示す説明図である。
【図５】同固定案内盤７の循環溝７ａの説明図（Ａ）と、循環溝７ａにおける波溝の山数とボール１５との位置関係を示す説明図（Ｂ）である。
【図６】同固定案内盤７の断面図（Ａ）と、平面図（Ｂ）である。
【図７】同ボール１５の軌跡が、円還溝の場合の軌跡である。
【図８】同ボール初期位置Ｐ０を軸心Ｗ＿ｉｎで回転させた場合の軌跡を示す説明図である。
【図９】同出力軸８側の循環溝８ａを示す説明図（Ａ）と、循環溝８ａにおける波溝の山数とボール１６との位置関係を示す説明図（Ｂ）である。
【符号の説明】
１揺動回転形減速機構、２入力軸、
２ａ軸心、２ｂ凹球面、
２ｃボールポケット、３アウターロータ、
３ａ軸心、３ｂ貫通孔、
３ｃ外周面、３ｄ回転ガイド溝、
３ｅ波溝、３ｆ嵌合凹部、
４交点、５揺動軸心、
６インナーロータ、６ａ一端部、
６ｂ他端部、６ｃボールポケット、
７固定案内盤、７ａ循環溝、
８出力軸、８ａ循環溝、
９ボール、１０，１１ベアリング、
１２中心軌跡、１３，１４ベアリング、
１５，１６ボール。

Claims

装置本体に入力軸と出力軸とが略直角にその軸心を交差させて回転自在に支持され、
前記入力軸の一端部に係合し当該入力軸の回転が方向変換されて前記出力軸の軸心と平行な軸心の回りに回転されるアウターロータが設けられ、
前記アウターロータの内部空間に回転自在に内包され当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータが設けられ、
前記インナーロータが前記揺動軸心とアウターロータの軸心との交点を対称点にして揺動され、当該インナーロータの片側端部と係合する出力軸が減速されること、
を特徴とする揺動回転形減速機構。
本体に回転自在に支持される入力軸と、
前記本体に回転自在に支持されて内包されるとともに前記入力軸の回転によって当該入力軸の軸心と略直角方向の軸心周りに回転されるアウターロータと、
前記アウターロータに回転自在に支持されて内包されると共に当該アウターロータの軸心に対して傾斜した揺動軸心の回りに回転されるインナーロータと、
該インナーロータの揺動軸心方向における一端部側の外周面に係合して前記揺動軸心の揺動回転を誘導するとともに本体に固定される固定案内盤と、
前記アウターロータの軸心を中心に前記本体に回転自在に支持されるとともに前記インナーロータの他端部側に一端部が係合して当該インナーロータの揺動回転により前記軸心を中心に回転駆動される出力軸とからなり、
前記入力軸の回転が前記アウターロータ及び前記インナーロータにより減速されて出力軸に回転伝達されること、
を特徴とする揺動回転形減速機構。
減速箇所が、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ又はインナーロータと出力軸との２箇所であること、若しくは、入力軸とアウターロータと、固定案内盤とインナーロータ及びインナーロータと出力軸との３箇所であること、
を特徴とする請求項２に記載の揺動回転形減速機構。
減速比は、減速箇所における片側の係合面に刻設された波溝の溝数と、他側の係合面に配設されて前記波溝に係合する転動自在なボールの数によって、設定されること、
を特徴とする請求項３に記載の揺動回転形減速機構。
減速箇所におけるボールを収容するボールポケット中心と、波溝のボール中心軌跡位置とは、入力軸の軸心と出力軸の軸心との交点である揺動中心を中心として同一球面上にあること、
を特徴とする請求項４に記載の揺動回転形減速機構。