JP2010014145A - Variable reduction gear - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摩擦力に頼ることなく駆動力を伝達することができ、且つ、減速比を連続的に変化させることができる可変減速機に関する。 The present invention relates to a variable speed reducer that can transmit a driving force without depending on a frictional force and can continuously change a reduction ratio.
一般的な減速機としては、歯車を利用したものや自動車等の駆動力の伝達に利用されるCVT(Continuously Variable Transmission:連続可変変速機)等が知られている。 As a typical speed reducer, a gear using gears, a CVT (Continuously Variable Transmission) used for transmitting a driving force of an automobile, and the like are known.
歯車を利用した一般的な減速機としては、例えば、平歯車減速機等がある。平歯車は、回転軸に平行に歯を切った歯車で円筒面上に歯筋が軸と平行になっている。平歯車減速機では、2つの歯車を噛み合わせることにより、駆動力の増加(又は減少)と回転速度の減少(又は増加)を行うことができ、ロボットの関節機構等にも利用されている。 As a general reduction gear using a gear, for example, there is a spur gear reduction gear. A spur gear is a gear having teeth cut parallel to a rotation axis, and tooth traces are parallel to the axis on a cylindrical surface. Spur gear reducers can increase (or decrease) driving force and decrease (or increase) rotational speed by meshing two gears, and are also used in robot joint mechanisms and the like.
また、CVTは、減速比を可変にするため、歯車の歯を設ける代わりに回転軸間に大きな押し付け力を加え、摩擦力により駆動力を伝達するものである。CVTとしては、例えば、図9に示すように2つのテーパ回転軸101,102を対向させ、その中間にローラ103を設けたCVT100等がある。このCVT100では、ローラ103を移動させることにより減速比を連続的に変えることができる。
In addition, CVT applies a large pressing force between the rotating shafts instead of providing gear teeth to transmit the driving force by a frictional force in order to make the reduction gear ratio variable. As the CVT, for example, as shown in FIG. 9, there is a
しかしながら、平歯車等は、歯車の歯数比が減速比(変速比)となるため、減速比は一定の固定減速機となる。そのため、連続的に減速比を変えることはできない。 However, a spur gear or the like is a fixed speed reducer with a constant reduction gear ratio because the gear ratio is the reduction gear ratio (transmission gear ratio). Therefore, the reduction ratio cannot be changed continuously.
また、CVTは、摩擦力によって回転駆動力を伝達するので、小型化するには、駆動力を伝達する回転軸間に作用させる摩擦力を大きくする必要があるため、装置の小型化は困難である。従って、小型化が要求されるようなリハビリロボットや福祉ロボット等にCVTを利用するには、問題があった。 In addition, since the CVT transmits the rotational driving force by the frictional force, it is necessary to increase the frictional force that acts between the rotating shafts that transmit the driving force in order to reduce the size. is there. Therefore, there is a problem in using CVT for a rehabilitation robot, a welfare robot, or the like that requires a reduction in size.
本発明は、上記のような種々の課題を解決することを目的としてなされたものであって、回転軸に入力された駆動力を摩擦力に頼ることなく出力側の回転軸に出力することができ、且つ、減速比を可変にすることが可能な可変減速機を提供することを目的とする。 The present invention has been made for the purpose of solving various problems as described above, and can output the driving force input to the rotating shaft to the rotating shaft on the output side without depending on the frictional force. An object of the present invention is to provide a variable speed reducer that can change the speed reduction ratio.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の可変減速機は、外部からの駆動力により第1回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第1案内手段を有する第1の揺動リンクと、前記駆動力を出力する第2回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第2案内手段を有する第2の揺動リンクと、前記第1回転軸と前記第2回転軸の間の距離方向に移動可能であり、且つ、前記距離方向と直交する方向に沿って設けられた第3案内手段を有する移動部材と、該移動部材を前記第1回転軸と前記第2回転軸の間の距離方向に移動させる移動手段と、前記第1案内手段、前記第2案内手段、及び前記第3案内手段に沿って移動可能に連結されるポストと、を備え、前記移動手段により前記移動部材の前記第1回転軸と前記第2回転軸との距離比を調節することにより前記第1回転軸に入力された駆動力を前記第2回転軸に可変減速させて伝達することを特徴としている。
In order to achieve the above object, the variable speed reducer according to
請求項2に記載の可変減速機では、前記移動手段は、駆動手段により回転駆動されるボールネジに螺合するナット部材を介して前記ボールネジに沿って前記移動部材を移動させることを特徴としている。 The variable speed reducer according to a second aspect is characterized in that the moving means moves the moving member along the ball screw via a nut member that is screwed to a ball screw that is rotationally driven by the driving means.
請求項1に記載の可変減速機によれば、移動手段により移動部材を駆動力が入力される第1回転軸と駆動力を出力する第2回転軸との間を移動させることにより、移動部材の第1回転軸と第2回転軸との距離比を調節することができる。また、第1回転軸を中心に揺動可能な第1の揺動リンクと第2回転軸を中心に揺動可能な第2の揺動リンクは、それぞれ長手方向に沿って設けられた第1案内手段と第2案内手段を有しており、この第1案内手段、第2案内手段及び移動部材に設けられた第3案内手段は、それぞれポストと連結されている。従って、移動部材の第1回転軸と第2回転軸との距離比を調節することにより第1回転軸からポストまでの距離と第2回転軸からポストまでの距離との比が調節される。そして、外部からの駆動力により第1回転軸を中心に揺動運動させることにより、入力された駆動力を第2回転軸に可変減速させて伝達することができる。つまり、移動部材の移動を調節することにより、連続的に減速比に変化させることが可能になる。
According to the variable speed reducer of
また、第1回転軸に入力された駆動力を第2回転軸に伝達するのに摩擦力を必要としない。そのため、減速機を小型化する場合にも、駆動力を伝達する回転軸間に大きな摩擦力を作用させる必要がないので、減速機の小型化を図ることができる。これにより、リハビリロボットや福祉ロボット等のように安全性を確保する必要があるロボット等の関節機構等にも利用を図ることができる。 Further, no frictional force is required to transmit the driving force input to the first rotating shaft to the second rotating shaft. For this reason, even when the speed reducer is downsized, it is not necessary to apply a large frictional force between the rotating shafts that transmit the driving force, so that the speed reducer can be downsized. As a result, it can also be used for joint mechanisms such as rehabilitation robots and welfare robots that need to ensure safety.
請求項2に記載の可変減速機によれば、駆動手段によりボールネジを回転させることによりナット部材を介して移動部材を移動させることができる。これにより、該移動部材の第1回転軸と第2回転軸との距離比を調節することができるので、減速比を連続的に可変にすることが可能になる。 According to the variable speed reducer of the second aspect, the moving member can be moved via the nut member by rotating the ball screw by the driving means. Thereby, the distance ratio between the first rotating shaft and the second rotating shaft of the moving member can be adjusted, so that the reduction ratio can be made continuously variable.
以下、本発明の第1の実施形態に係る可変減速機1について、図面に基づき説明する。本発明の第1の実施形態に係る可変減速機1は、図1に示すように、第1の揺動リンク2、第2の揺動リンク3、移動部材4、ポスト5、及び移動手段(ボールネジ機構)6を備えており、第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の間に配置されるクロスリンク構造の揺動運動により、第1回転軸Q1に入力される駆動力を第2回転軸Q2に伝達するものである。
Hereinafter, a
第1の揺動リンク2は、一端側が第1回転軸Q1を中心として揺動可能に軸支されている。図1では、第1回転軸Q1が軸支される台座を省略しているが、実際には、第1回転軸Q1、第2回転軸Q2は、台座に軸支されている。第1の揺動リンク2は、第1回転軸Q1から不図示の駆動手段等により回転駆動力が入力されることにより、第1回転軸Q1を中心として回転(揺動)する。
One end of the
また、第1の揺動リンク2は、その長手方向に沿って案内溝7が設けられており、該案内溝7に沿ってスライド自在なスライド部材8を備えている。スライド部材8は、ポスト5と連結されるとともに、ポスト5を上下方向に挿通可能に形成されている。そのため、スライド部材8が案内溝7に沿ってスライドするのに伴い、ポスト5も案内溝7に沿って移動することができる。また、第1の揺動リンク2では、案内溝7とともに、図2に示すようにポスト5を通すことが可能な幅を有する空間Xが長手方向に沿って形成されている。尚、スライド部材8とポスト5を連結する際は、図3に示すように、上下方向のリニアブッシュ9と球面軸受10を介してスライド部材8とポスト5が連結されるように構成するのが、好適である。具体的には、ポスト5にリニアブッシュ9を装着し、該リニアブッシュ9を更に球面軸受10に装着する。そして、球面軸受10をスライド部材8と連結する。これにより、第1の揺動リンク2の揺動等に伴う角度や上下位置の微小な誤差を許容する構造となる。
Further, the
第2の揺動リンク3は、第1回転軸Q1から入力された回転駆動力を出力する第2回転軸Q2を中心として揺動可能に設けられている。第2の揺動リンク3も第1の揺動リンク2と同様にその長手方向に沿って案内溝(不図示)が設けられており、該案内溝に沿ってスライド自在なスライド部材8aを備えている。また、スライド部材8aは、ポスト5と連結される。そのため、スライド部材8aが案内溝に沿ってスライドするのに伴い、ポスト5も案内溝に沿って移動することができる。また、このスライド部材8aもスライド部材8と同様に、リニアブッシュと球面軸受を用いて、ポスト5と連結されるのが好適である。これにより、角度や上下位置の微小な誤差を許容する構造となる。
The
移動部材4は、ボールネジ機構6により第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の間の距離方向に移動可能に設けられている。ボールネジ機構6は、小型のモータ等からなる駆動手段11と、該駆動手段11の回転駆動力を伝達するタイミングベルト12と、該タイミングベルト12から伝達される回転駆動力により回転するボールネジ13と、該ボールネジ13に螺合されているナット部材14と、を備えている。ボールネジ13は、第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の距離方向と同一方向に設けられており、駆動手段11による回転駆動力がタイミングベルト12を介して伝達されることにより回転する。そして、ボールネジ13の回転に伴って、ボールネジ13に螺合されているナット部材14は、ボールネジ13に沿って移動する。尚、ボールネジ機構6自体は、不図示の台座に固定されている。
The moving
ナット部材14は、移動部材4と連結されており、ナット部材14がボールネジ13に沿って移動するのに伴って、移動部材4は、第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の距離方向に移動することが可能になる。尚、本実施形態では、移動手段として、駆動手段11の回転駆動力によりタイミングベルト12を介してボールネジ13が回転することによりナット部材14がボールネジ13に沿って移動するボールネジ機構6を例にしているが、移動手段は、これに限定されるものではなく、駆動手段11により直接ボールネジ13を回転させることによりナット部材14をボールネジ13に沿って移動可能に構成したものでも良い。また、ボールネジ機構6以外にも直線移動を可能にするものであれば、適宜利用可能である。
The
また、移動部材4には、第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の距離方向と直交する方向に沿って案内溝7aが設けられており、該案内溝7aに沿ってスライド自在なスライド部材8bを備えている。また、スライド部材8bは、ポスト5と連結されている。従って、スライド部材8bが案内溝7aに沿ってスライドするのに伴い、ポスト5も案内溝7aに沿って移動することができる。
The moving
ポスト5は、図1に示すように棒状に形成されており、スライド部材8,8a,8bを介して、第1の揺動リンク2,第2の揺動リンク3、移動部材4と連結されている。尚、本実施形態では、図1に示すように、第1の揺動リンク2の上方に第2の揺動リンク3が位置する例を示しているが、この構成に限定されるものではなく、第1の揺動リンク2と第2の揺動リンク3の位置が夫々入れ替わっても良い。
The
図1の(a)では、可変減速機1の第1の揺動リンク2、第2の揺動リンク3が基準位置にある状態を示している。この基準位置の状態では、第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の距離方向と第1の揺動リンク2の案内溝7,第2の揺動リンク3の案内溝は同一方向を向くことになる。
FIG. 1A shows a state in which the
そして、この状態から図1の(b)に示すように、第1回転軸Q1に回転駆動力が入力されると第1の揺動リンク2は、第1回転軸Q1を中心として回転(揺動)する。この第1の揺動リンクの回転に伴ってポスト5は、スライド部材8bを介して案内溝7aに沿って移動する。また、第2の揺動リンク3も第1の揺動リンク2の回転に伴って第2回転軸Q2を中心として第1揺動リンク2が回転する方向と逆向き方向に回転する。
In this state, as shown in FIG. 1B, when a rotational driving force is input to the first rotating shaft Q1, the
また、この際、第1の回転軸Q1から入力された回転駆動力を第2の回転軸Q2に可変減速させて出力するために、移動部材4をボールネジ機構6により第1回転軸Q1と第2回転軸Q2の距離方向に移動させることにより減速比を調整することができる。
At this time, in order to variably decelerate and output the rotational driving force input from the first rotating shaft Q1 to the second rotating shaft Q2, the moving
図1(a)に示す状態においては、図2に示すように、第1回転軸Q1からポスト5までの距離R1と第2回転軸Q2からポスト5までの距離R2の比が減速比となる。この場合、減速比n=−R1/R2で表され、移動部材4の移動に伴って、第1回転軸Q1からポスト5までの距離R1と第2回転軸Q2からポスト5までの距離R2の比を調整することができるので、この減速比nを連続的に可変にすることが可能となる。
In the state shown in FIG. 1A, as shown in FIG. 2, the ratio of the distance R1 from the first rotation axis Q1 to the
次に、可変減速機1を用いた駆動力伝達機構としての実施例について説明する。図4,5に示すように、第1の揺動リンク2の両側には、板バネ15が設けられている。板バネ15は、その一端が土台17に固定されており、他端にはローラ16が備えられている。ローラ16は、図5(a)に示すように、第1の揺動リンク2が基準位置の状態において、第1の揺動リンク2の側面に接するように設けられている。
Next, an embodiment as a driving force transmission mechanism using the
そして、図5(b)に示すように、第1の揺動リンク2が第1回転軸Q1を中心として回転した場合には、第1の揺動リンク2の回転方向側の側面に接しているローラ16は、側面に接しながら第1の揺動リンク2の回転に応じて側面上を移動する。この際、例えば、第1の揺動リンク2の側面上にローラ16を案内するガイドレール等を設けておくことにより、ローラ16が、第1の揺動リンク2の側面からずれるのを防止することができる。
As shown in FIG. 5 (b), when the
また、板バネ15は、図6に模式的に示すように、第1の揺動リンク2の回転に伴って、板バネ15の力F1が、第1回転軸Q1からR3の距離に作用することになる。従って、第1の揺動リンク2には、第1回転軸Q1から入力される駆動力に加えて、板バネ15の力F1も作用することになるので、板バネ15の効果を第2回転軸Q2に可変な特性として出力することが可能になる。また、第1の揺動リンク2が、基準位置に位置する場合には、板バネ15の力F1は、第1の揺動リンク2の長手方向と直交することになる。
Further, as schematically shown in FIG. 6, the
一方、第1の揺動リンク2の回転方向と逆側の板バネ15aは、図4,5に示すように、第1の揺動リンク2の側面から離れることになる。そのため、この状態においては、板バネ15aの力が、作用することはないが、第1の揺動リンク2が板バネ15a側に回転した場合には、上記と同様に板バネ15aの力が作用することになる。従って、このように第1の揺動リンク2の両側に板バネ15,15aを設けることにより、第1の揺動リンク2がどちらに回転した場合でも、板バネの効果を得ることができる。尚、図4,5では、第1の揺動リンク2が基準位置にある状態において、板バネ15,15aは、第1の揺動リンク2と平行になるように設けられた例を示しているが、この構成に限定されるものではない。
On the other hand, the
図7では、粘性特性を付加するために、第1回転軸Q1に平歯車機構17を介して、ロータリーダンパ18が取り付けられている例を示している。ロータリーダンパ18としては、オイルの粘性抵抗により発生する制動力を利用した回転系のダンパー等を用いることができる。
FIG. 7 shows an example in which a
ロータリーダンパ18の制動トルクは、その回転速度に応じて、発生するトルクの値が変化するものであり、回転速度が上がるとトルクも上がり、回転速度が下がるとトルクも下がる特徴を有している。従って、このように第1回転軸Q1側にロータリーダンパ18を設けることにより、第2回転軸Q2側に粘性特性を付加した出力をすることができる。尚、ここでは、オイルの粘性抵抗を利用したロータリーダンパ18を例にしたが、粘性特性を付加する手段は、これに限定されるものではなく、その他にもオイルの圧力を利用した揺動ダンパー等を利用することも可能である。
The braking torque of the
図8は、可変減速機1を用いた冗長関節機構としての実施例を示している。従来から高減速機を用いた場合には、バックドライバビリティが乏しくなるという問題があった。そこで、図8に示す冗長関節機構では、可変減速機1を利用することにより、バックドライバビリティを改善する。
FIG. 8 shows an embodiment as a redundant joint mechanism using the
図8に示す冗長関節機構は、第1回転軸Q1に平歯車17を介して取り付けられているモータ19からの駆動力と、台座20に固定されたモータ21からの駆動力とを第2回転軸Q2に取り付けられているリンク部材23に対して、伝達できる2入力1出力の機構である。
The redundant joint mechanism shown in FIG. 8 rotates the driving force from the
第2の揺動リンク3の第2回転軸Q2と異なる側には、棒部材23に固定されたプーリー24,24aが設けられている。そして、第2回転軸Q2上には、プーリー25とプーリー26が設けられており、それぞれのプーリー24,24a,25,26には、ワイヤー27が介されている。また、第2回転軸Q2上のプーリー26には、リンク部材22が揺動可能に取り付けられている。
この関節機構における第2回転軸Q2を中心として回転するリンク部材22の角速度ωJは、プーリー25の半径をRM、プーリー26の半径をRJとした場合、下記の数式1のように表される。但し、ωMはプーリー25の第2回転軸Q2まわりの角速度、ωAは第2の揺動リンク3の第2回転軸Q2まわりの角速度である。
従って、例えば、プーリー25の半径RMとプーリー26の半径RJが同じ半径である場合には、α1=1となる。この場合、数式1において、α1=1を代入すると、数式2のように表される。この数式2は、ωMのある大きさの動きが、ωJに逆向きの同じ大きさの動きになることを表しており、ωAのある大きさの動きが、ωJに2倍の大きさの同じ向きの動きになることを表している。
従って、モータ21が動きにくい場合でも、図9に示すような機構を構成することにより、バックドライバビリティを改善することができる。つまり、リンク部材22に力を加えた時に、変位や加速度を生じやすくすることができるので、リハビリ等に用いる機構として有効である。
Therefore, even when the
1 可変減速機
2 第1の揺動リンク
3 第2の揺動リンク
4 移動部材
5 ポスト
6 移動手段(ボールネジ機構)
7、7a 案内溝
8、8a、8b スライド部材
11 駆動手段
12 タイミングベルト
13 ボールネジ
14 ナット部材
Q1 第1回転軸
Q2 第2回転軸
1
7,
Claims (2)
前記駆動力を出力する第2回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第2案内手段を有する第2の揺動リンクと、
前記第1回転軸と前記第2回転軸の間の距離方向に移動可能であり、且つ、前記距離方向と直交する方向に沿って設けられた第3案内手段を有する移動部材と、
該移動部材を前記第1回転軸と前記第2回転軸の間の距離方向に移動させる移動手段と、
前記第1案内手段、前記第2案内手段、及び前記第3案内手段に沿って移動可能に連結されるポストと、を備え、
前記移動手段により前記移動部材の前記第1回転軸と前記第2回転軸との距離比を調節することにより前記第1回転軸に入力された駆動力を前記第2回転軸に可変減速させて伝達することを特徴とする可変減速機。 A first swinging link having a first guide means which is swingable about the first rotation axis by an external driving force and is provided along the longitudinal direction;
A second oscillating link that is oscillatable about a second rotating shaft that outputs the driving force and has second guide means provided along the longitudinal direction;
A moving member that is movable in the distance direction between the first rotating shaft and the second rotating shaft and has third guide means provided along a direction orthogonal to the distance direction;
Moving means for moving the moving member in a distance direction between the first rotating shaft and the second rotating shaft;
A post connected to be movable along the first guide means, the second guide means, and the third guide means;
By adjusting the distance ratio between the first rotating shaft and the second rotating shaft of the moving member by the moving means, the driving force input to the first rotating shaft is variably decelerated to the second rotating shaft. A variable speed reducer characterized by transmitting.
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