JP2010065718A - Load-sensitive continuously variable transmission mechanism - Google Patents

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Takeshi Takagi
健 高木
Yuta Igarashi
勇太 五十嵐
Idaku Ishii
抱 石井
Masazumi Okajima
正純 岡島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small load-sensitive continuously variable transmission mechanism having a simple structure. <P>SOLUTION: The mechanism includes a main shaft 11 having a spiral thread with a predetermined pitch, and a vibration transmission body 12 having a screw hole 13 with a spiral screw groove having the same pitch as the screw thread of the main shaft 11, to receive the vibration from a vibration generating device such as a motor 14, etc. The diameter of the screw thread of the main shaft 11 is configured to be smaller than the diameter of the screw groove of the screw hole 13. The main shaft 11 is eccentrically screwed into the screw hole 13 with a clearance. The vibration transmission body 12 is moved in a circle by the vibration supplied from the vibration generating device such as the motor 14, etc., and is linearly moved in the axial direction by rotating the main shaft 11 at a rotational speed corresponding to the load applied to the main shaft 11, and by screwing the screw thread into the screw groove. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、産業用ロボットや医療用ロボット等、種々な分野において利用され得る負荷感応型無段変速機構に関する。   The present invention relates to a load-sensitive continuously variable transmission mechanism that can be used in various fields such as industrial robots and medical robots.

産業界のあらゆる分野において電動モータ等の回転運動を直動運動に変換する変換機構として、ネジあるいはボールネジが広く採用されている。しかし、それらの変速比は固定されていたために、通常は使用条件のうち最大の推力を生成する条件でも作動が可能なように大きな減速比を選択せざるを得なかった。そのため、負荷が軽いときでも低速でしか駆動できないという大きな問題があった。そこで、負荷に応じて変速比を変更できる負荷感応型の変速機能を有する駆動系が必要とされている。   Screws or ball screws are widely used as a conversion mechanism for converting rotational motion of an electric motor or the like into linear motion in all fields of industry. However, since the gear ratios are fixed, it is usually necessary to select a large reduction gear ratio so that the operation is possible even under the conditions that generate the maximum thrust among the usage conditions. Therefore, there is a big problem that even when the load is light, it can be driven only at a low speed. Therefore, there is a need for a drive system having a load-sensitive speed change function that can change the speed ratio according to the load.

このような状況下、特許文献1及び特許文献2では、以下の構成の負荷感応型無段変速機が開示されている。所定ピッチを有する螺旋状のネジ部の螺合により構成されたネジ軸とナットにおいて、ナットにおけるネジ部の直径をこれに螺合するネジ軸のネジ部の直径より若干大きく形成するとともに、ナットを支持部材に対して回動自在に支持し、支持部材をネジ軸直径方向に所定のばね荷重によって付勢してナットをネジ軸に偏心して接触するように構成されている。   Under such circumstances, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 disclose a load-sensitive continuously variable transmission having the following configuration. In the screw shaft and the nut configured by screwing of the helical screw portion having a predetermined pitch, the diameter of the screw portion of the nut is slightly larger than the diameter of the screw portion of the screw shaft screwed into the nut, and the nut The support member is rotatably supported, and the support member is biased by a predetermined spring load in the screw shaft diameter direction so that the nut is eccentrically contacted with the screw shaft.

特開2000−193061号公報JP 2000-193061 A 特開平10−122323号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-122323

上記特許文献1及び2では、ネジ軸を直接回転させており、歯車やプーリー等が必要になる。また、ネジ軸を回転させる動力源を直接接続しなければならない。このため、構造が複雑になり小型化が難しく、遠隔操作ができないという課題を有する。   In Patent Documents 1 and 2, the screw shaft is directly rotated, and a gear, a pulley, and the like are required. In addition, a power source for rotating the screw shaft must be directly connected. For this reason, there is a problem that the structure becomes complicated, miniaturization is difficult, and remote control cannot be performed.

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で小型の負荷感応型無段変速機構を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a small load-sensitive continuously variable transmission mechanism with a simple structure.

上記目的を達成するため、本発明の第1観点に係る負荷感応型無段変速機構は、所定ピッチの螺旋状のネジ山を有する主軸と、前記主軸のネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有し、振動発生装置から振動を受ける振動伝達体と、を備え、前記主軸のネジ山の直径は前記ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく構成され、前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記振動伝達体を円運動させ、前記主軸に掛かる負荷に応じた回転速度で前記主軸を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により軸方向に直動させる、ことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to a first aspect of the present invention includes a main shaft having a helical thread having a predetermined pitch, and a helical screw having the same pitch as the screw thread of the main shaft. A vibration transmission body having a screw hole in which a groove is formed and receiving vibration from a vibration generator, wherein the diameter of the thread of the main shaft is smaller than the diameter of the screw groove of the screw hole, Is screwed with a clearance in the screw hole so that it can be eccentrically moved, and the vibration transmitting body is moved circularly by vibration supplied directly or indirectly from the vibration generating device, and the rotational speed according to the load applied to the main shaft The main shaft is rotated and the shaft is linearly moved by screwing the screw thread and the screw groove.

また、本発明の第2観点に係る負荷感応型無段変速機構は、所定ピッチの螺旋状のネジ山を有し、振動発生装置から振動を受ける主軸と、前記主軸のネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有する可動体と、を備え、前記主軸のネジ山の直径は前記ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく構成され、前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記主軸を円運動させ、前記可動体に掛かる負荷に応じた回転速度で前記可動体を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により前記主軸の軸方向に直動させる、ことを特徴とする。   The load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to the second aspect of the present invention has a helical thread having a predetermined pitch, a main shaft that receives vibration from a vibration generator, and a screw thread having the same pitch as the screw thread of the main shaft. A movable body having a screw hole in which a spiral screw groove is formed, and the diameter of the screw thread of the main shaft is configured to be smaller than the diameter of the screw groove of the screw hole, and the main shaft has a gap in the screw hole. The main shaft is circularly moved by vibration supplied directly or indirectly from the vibration generator, and the movable body is rotated at a rotational speed corresponding to a load applied to the movable body. Then, the screw thread and the screw groove are screwed together to move linearly in the axial direction of the main shaft.

更に、前記振動伝達体或いは前記主軸に直接的或いは間接的に振動を供給する振動発生装置を備えることを特徴とする。   Furthermore, a vibration generating device that supplies vibration directly or indirectly to the vibration transmitting body or the main shaft is provided.

更に、前記振動発生装置がモータであることを特徴とする。   Furthermore, the vibration generating device is a motor.

更に、前記モータの軸に錘が設置されていることを特徴とする。   Furthermore, a weight is provided on the shaft of the motor.

更に、前記振動発生装置が圧電素子であることを特徴とする。
更に、前記圧電素子から構成される第1の圧電板及び第2の圧電板がそれぞれ前記主軸と平行に配置され、且つ、前記第1の圧電板が前記第2の圧電板に対し前記主軸を中心に略垂直に位置することを特徴とする。
Furthermore, the vibration generator is a piezoelectric element.
Furthermore, a first piezoelectric plate and a second piezoelectric plate constituted by the piezoelectric elements are respectively disposed in parallel with the main axis, and the first piezoelectric plate has the main axis with respect to the second piezoelectric plate. It is characterized by being positioned substantially perpendicular to the center.

本発明によれば、振動を供給することで主軸或いは可動体を負荷に応じた回転速度で移動させることができる。このため、回転運動を伝える機構を必要とせず、簡単な構造で小型、軽量の負荷感応型無段変速機構を実現できる。   According to the present invention, the main shaft or the movable body can be moved at a rotational speed corresponding to the load by supplying vibration. For this reason, a mechanism for transmitting rotational motion is not required, and a small and lightweight load-sensitive continuously variable transmission mechanism can be realized with a simple structure.

(実施形態1)
図1〜図4を参照して本発明に係る負荷感応型無段変速機構の実施形態1の構成について説明する。
(Embodiment 1)
The configuration of the first embodiment of the load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1及び図2に示すように、負荷感応型無段変速機構は、主として、主軸11とネジ穴13を有する振動伝達体12と、振動発生装置であるモータ14から構成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the load-sensitive continuously variable transmission mechanism mainly includes a vibration transmission body 12 having a main shaft 11 and a screw hole 13, and a motor 14 that is a vibration generating device.

主軸11は、断面が円形の棒体であり、その外周面に螺旋状のネジ山が形成されている。   The main shaft 11 is a rod having a circular cross section, and a helical thread is formed on the outer peripheral surface thereof.

振動伝達体12には、ネジ溝が形成された貫通するネジ穴13が穿設されており、このネジ穴13に主軸11が挿入されている。振動伝達体12を、支持部材等、他の部材に設置して利用する際には、他の部材に振動を伝えないよう振動吸収部材17を設置してもよい。バネやゴム等の弾性体或いは種々の衝撃吸収材等を適宜設置すればよい。   The vibration transmitting body 12 is formed with a through screw hole 13 having a thread groove formed therein, and the main shaft 11 is inserted into the screw hole 13. When the vibration transmitting body 12 is installed and used on another member such as a support member, the vibration absorbing member 17 may be installed so as not to transmit vibration to the other member. An elastic body such as a spring or rubber or various shock absorbing materials may be appropriately installed.

図3に示すように、主軸11のネジ山と、振動伝達体12のネジ山のピッチPは、同じ幅である。また、主軸11のネジ山の直径rは、振動伝達体12のネジ溝の直径R1よりも小さく構成されている。このため、主軸11は隙間を持ってネジ穴13に螺合した状態である。即ち、主軸11の中心軸はネジ穴13の中心軸に対し、偏心可能である。なお、主軸11のネジ山の直径rは、振動伝達体12のネジ山の直径R2よりも大きく構成されている。即ち、主軸11のネジ山の直径rは、R2<r<R1の関係にある。主軸11の中心軸がネジ穴13の中心軸に対して偏心量が0になったときに、主軸が抜けることを抑えるためである。   As shown in FIG. 3, the pitch P of the thread of the main shaft 11 and the thread of the vibration transmitting body 12 have the same width. Further, the diameter r of the thread of the main shaft 11 is configured to be smaller than the diameter R1 of the thread groove of the vibration transmitting body 12. For this reason, the main shaft 11 is in a state of being screwed into the screw hole 13 with a gap. That is, the central axis of the main shaft 11 can be eccentric with respect to the central axis of the screw hole 13. The diameter r of the thread of the main shaft 11 is configured to be larger than the diameter R2 of the thread of the vibration transmitting body 12. That is, the diameter r of the thread of the main shaft 11 has a relationship of R2 <r <R1. This is to prevent the main shaft from coming off when the central axis of the main shaft 11 becomes zero with respect to the central axis of the screw hole 13.

モータ14は、モータ回転軸16を振動伝達体12に貫通するよう設置されている。そして、モータ回転軸16の先端には錘15が設置されている。モータ14は、不図示の電源からの通電で、モータ回転軸14が回転して振動伝達体12に振動の供給を行う。モータ回転軸14には中心軸のずれた錘15が設置されているので、偏心が起こり、振動伝達体12を円運動させる振動を供給する。なお、錘15は、振動伝達体12をより大きな半径で円運動させるものであり、負荷感応型無段変速機構を利用する用途に応じて設置すればよい。   The motor 14 is installed so as to penetrate the motor rotation shaft 16 through the vibration transmitting body 12. A weight 15 is installed at the tip of the motor rotating shaft 16. When the motor 14 is energized from a power source (not shown), the motor rotating shaft 14 rotates to supply vibration to the vibration transmitting body 12. Since the motor rotating shaft 14 is provided with the weight 15 whose center axis is shifted, eccentricity occurs, and vibration that causes the vibration transmitting body 12 to move circularly is supplied. The weight 15 is for circularly moving the vibration transmitting body 12 with a larger radius, and may be installed according to the application using the load-sensitive continuously variable transmission mechanism.

また、図4に示すように、モータ14の本体を振動伝達体12に直接固定した構成としてもよい。このようにモータ14を設置しても、振動伝達体12を円運動させ得る振動を供給できる。   Further, as shown in FIG. 4, the main body of the motor 14 may be directly fixed to the vibration transmitting body 12. Thus, even if the motor 14 is installed, it is possible to supply vibration that can cause the vibration transmitting body 12 to move circularly.

続いて、図5を参照して、振動伝達体12に円運動させる振動を与え、主軸11を回転させる原理について説明する。なお、ここでは簡易的にネジ穴13及び主軸11のネジ山を考慮せず、正円として説明する。   Next, with reference to FIG. 5, the principle of rotating the main shaft 11 by applying a circular motion to the vibration transmitting body 12 will be described. Here, a simple circle will be described without considering the screw holes 13 and the threads of the main shaft 11.

半径Rのネジ穴13と半径r(<R)の主軸11が接している場合を考える。このとき、ネジ穴13と主軸11の中心はeほど偏心している。振動伝達体12を(A)、(B)、(C)、(D)、(E)の順に反時計回りの円を描くように、振動させる。これを1周期とする。なお、振動伝達体12はモータ14及び主軸11の2点で支持されているため、自転することはない。また、図5(A)〜(E)中に示した黒丸は、最初の状態(図5(A)の状態)における主軸11と振動伝達体12との接触点を示している。   Consider a case where a screw hole 13 having a radius R is in contact with a main shaft 11 having a radius r (<R). At this time, the center of the screw hole 13 and the main shaft 11 is eccentric by e. The vibration transmitting body 12 is vibrated so as to draw a counterclockwise circle in the order of (A), (B), (C), (D), and (E). This is one cycle. In addition, since the vibration transmission body 12 is supported by two points, the motor 14 and the main shaft 11, it does not rotate. Also, the black circles shown in FIGS. 5A to 5E indicate contact points between the main shaft 11 and the vibration transmitting body 12 in the initial state (the state of FIG. 5A).

振動伝達体12が円を描くように振動させると、ネジ穴13の円周L(2πR)より主軸11の円周l(2πr)の方が小さいため、摩擦力等によって主軸11が自転する。即ち、図5(A)における接触点が、1周期後における(E)では、L−lほどずれた位置となるから、主軸11は下式の角度θほど自転することになる。

Figure 2010065718
When the vibration transmitting body 12 is vibrated so as to draw a circle, since the circumference l (2πr) of the main shaft 11 is smaller than the circumference L (2πR) of the screw hole 13, the main shaft 11 rotates due to frictional force or the like. That is, since the contact point in FIG. 5A is shifted by L−1 in (E) after one cycle, the spindle 11 rotates by an angle θ of the following equation.
Figure 2010065718

したがって、偏心量eが大きいほど、主軸11の回転角度θは大きくなり、1周期の振動における回転速度が上昇することになる。一方、偏心量eが小さいと主軸の回転速度は低下する。そして、偏心量eが0の場合には、主軸11は振動伝達体12と一体となって円運動することになり、自転をしないことになる。   Therefore, the greater the amount of eccentricity e, the greater the rotation angle θ of the main shaft 11, and the rotation speed in one cycle of vibration increases. On the other hand, if the amount of eccentricity e is small, the rotational speed of the main shaft decreases. When the amount of eccentricity e is 0, the main shaft 11 moves circularly integrally with the vibration transmitting body 12 and does not rotate.

続いて、ネジの場合について図6〜図9を用いて考える。なお、説明を簡単にするため、主軸11を雄ネジ21、振動伝達体12を雌ネジ22として説明する。図6(A)に示すように、雄ネジ21と雌ネジ22の接触点より、それぞれの中心までの距離をr及びRとし、それぞれの中心はeほど偏心しているとする。   Next, the case of screws will be considered with reference to FIGS. For simplicity of explanation, the main shaft 11 will be described as a male screw 21 and the vibration transmitting body 12 will be described as a female screw 22. As shown in FIG. 6A, it is assumed that the distances from the contact point between the male screw 21 and the female screw 22 to the respective centers are r and R, and the respective centers are decentered by e.

ネジは図6(B)に示すように、回転した際の軌跡は、斜線に展開することができる。そして、ネジが1回転したときの斜線の長さはそれぞれ図6(C)に示されるLとlになる。雌ネジ22を上記同様、円運動するように振動させると、(式1)だけ雄ネジ21が自転する。偏心量eが小さくなると、L−lも小さくなるため、1周期で自転する角度θも小さくなる。従って、減速比が大きくなる。   As shown in FIG. 6B, the trajectory when the screw is rotated can be developed in a hatched line. The lengths of the oblique lines when the screw makes one turn are L and l shown in FIG. 6C, respectively. When the female screw 22 is vibrated so as to make a circular motion, the male screw 21 rotates by (Equation 1). When the amount of eccentricity e decreases, L−1 also decreases, so the angle θ that rotates in one cycle also decreases. Therefore, the reduction ratio is increased.

つまり、負荷Fに応じて偏心量eが小さくなれば、負荷Fに応じて変速できる。ネジの断面図を図7に示す。ネジ山形状は、三角ネジとし、ネジ山角度をφとする。図7のように、雌ネジ22は静止しており雄ネジ21に負荷が加わっている場合を考える。   That is, if the amount of eccentricity e decreases according to the load F, the gear can be shifted according to the load F. A cross-sectional view of the screw is shown in FIG. The thread shape is a triangular screw, and the thread angle is φ. Consider the case where the female screw 22 is stationary and a load is applied to the male screw 21 as shown in FIG.

このとき、ネジ山の傾きにより負荷Fの分力fが働く。一方、雄ネジ21と雌ネジ22との間には摩擦力fμが生じる。摩擦角がφ以下であれば、雄ネジ21が滑り図8の位置に落ち着く。このとき偏心量eは0となる。   At this time, the component force f of the load F works due to the inclination of the thread. On the other hand, a frictional force fμ is generated between the male screw 21 and the female screw 22. If the friction angle is equal to or less than φ, the male screw 21 slides to the position shown in FIG. At this time, the eccentricity e becomes zero.

ここで、図9のように、X軸方向に雌ネジ22を振動させることを考える。このとき、雄ネジ21に働くネジ山の傾き方向の慣性力の分力fmが、摩擦力fμと分力fの和より大きくなると、雄ネジ21が動くことができる。そして、偏心量は|e|>0となる。摩擦力fμと分力fは負荷Fに比例して大きくなるのに対し、慣性力の分力fmの最大値は入力の振動に依存しているため、負荷Fが大きくなると偏心量eは小さくなる。つまり、負荷Fが大きくなると減速比は大きくなることがわかる。   Here, as shown in FIG. 9, it is considered to vibrate the female screw 22 in the X-axis direction. At this time, when the component force fm of the inertial force in the inclination direction of the thread acting on the male screw 21 becomes larger than the sum of the frictional force fμ and the component force f, the male screw 21 can move. The amount of eccentricity is | e |> 0. While the frictional force fμ and the component force f increase in proportion to the load F, the maximum value of the component force fm of the inertial force depends on the input vibration. Therefore, when the load F increases, the eccentricity e decreases. Become. That is, it can be seen that the reduction ratio increases as the load F increases.

上記原理のように、モータ14から振動が供給されると、振動伝達体12が円運動を行う。そして、偏心量に応じた速度で主軸11は自転する。主軸11の外周面に施されたネジ山によってネジ穴13と螺合しているため、主軸11が自転することで、主軸11が軸方向に直動する。そして、主軸11に掛かる負荷に応じて主軸11の自転速度が変化するので、主軸11の軸方向への移動速度が変化することになる。   When the vibration is supplied from the motor 14 as in the above principle, the vibration transmitting body 12 performs a circular motion. The spindle 11 rotates at a speed corresponding to the amount of eccentricity. Since the screw shaft 13 is screwed into the screw hole 13 by the thread applied to the outer peripheral surface of the main shaft 11, the main shaft 11 linearly moves in the axial direction when the main shaft 11 rotates. Since the rotation speed of the main shaft 11 changes according to the load applied to the main shaft 11, the moving speed of the main shaft 11 in the axial direction changes.

モータ14に逆向きの電流を流すと、振動伝達体12が逆方向に円運動する。これにより、主軸11の自転方向が逆向きになるので、主軸11が逆方向に移動する。   When a reverse current is passed through the motor 14, the vibration transmission body 12 performs a circular motion in the reverse direction. Thereby, since the autorotation direction of the main shaft 11 is reversed, the main shaft 11 moves in the reverse direction.

本実施形態の負荷感応型無段変速機構では、主軸11の移動速度を変換するために、シャフトやギヤ等を用いていない。このため、簡単な構造であり、小型、軽量に構成することが可能である。負荷に応じて、主軸11とネジ穴13との偏心量が変わるだけであり、滑らかな変速が行える。このため、負荷が働いている状態でも無理なく変速が可能で、変速過程でも負荷を持続的に支持できる利点がある。   In the load-sensitive continuously variable transmission mechanism of the present embodiment, no shaft or gear is used to convert the moving speed of the main shaft 11. For this reason, it is a simple structure and can be configured to be small and light. Only the amount of eccentricity between the main shaft 11 and the screw hole 13 changes according to the load, and a smooth speed change can be performed. For this reason, there is an advantage that the shift can be performed without difficulty even when the load is working, and the load can be continuously supported even during the shift process.

上記では、振動発生装置としてモータ14を用いた形態について説明したが、これに限定されるものではなく、振動伝達体12を円運動させ得る種々の振動発生装置を用いることができる。一例として、圧電素子を用いた形態を図10に示す。圧電素子とは、圧電効果を利用して圧電体に加えられた力を電圧に変換、或いは、印可された電圧を力に変換する素子である。   In the above description, the motor 14 is used as the vibration generator. However, the present invention is not limited to this, and various vibration generators that can circularly move the vibration transmitting body 12 can be used. As an example, a mode using a piezoelectric element is shown in FIG. A piezoelectric element is an element that converts a force applied to a piezoelectric body using a piezoelectric effect into a voltage, or converts an applied voltage into a force.

圧電板31、32の一端がL字状の支持部33に接続され、他方は振動伝達体12に接続されている。圧電板31、32は、2枚の板状の電極の間に板状の圧電素子を挟んだ構造をしており、電極間へ交流電圧を印可することで、連続的な反りが生じ、振動伝達体12に振動を供給する。   One end of the piezoelectric plates 31 and 32 is connected to the L-shaped support portion 33, and the other is connected to the vibration transmitting body 12. The piezoelectric plates 31 and 32 have a structure in which a plate-like piezoelectric element is sandwiched between two plate-like electrodes. When an AC voltage is applied between the electrodes, continuous warping occurs and vibrations occur. Vibration is supplied to the transmission body 12.

圧電板31、32として、モノモルフ型或いはバイモルフ型の圧電板を用いるとよい。モノモルフ型は、圧電素子と金属板を貼り合わせ、これを2枚の電極で挟んだ構造である。電極間に電圧が印可されると、圧電素子が面内で伸び縮みする。貼り合わせた金属板の寸法はそのままであるため、圧電板31、32に反りが生じる。   As the piezoelectric plates 31 and 32, monomorph type or bimorph type piezoelectric plates may be used. The monomorph type has a structure in which a piezoelectric element and a metal plate are bonded together and sandwiched between two electrodes. When a voltage is applied between the electrodes, the piezoelectric element expands and contracts in the plane. Since the dimensions of the bonded metal plates remain the same, the piezoelectric plates 31 and 32 are warped.

バイモルフ型は、電極間に2枚の圧電素子を貼り合わせた構造をしている。電圧を印可することで、一方の圧電素子が伸長し、他方の圧電体が収縮するよう構成してある。これにより、圧電板31、32に反りが生じる。   The bimorph type has a structure in which two piezoelectric elements are bonded between electrodes. When a voltage is applied, one piezoelectric element expands and the other piezoelectric element contracts. As a result, the piezoelectric plates 31 and 32 are warped.

圧電板31、32は、それぞれ主軸11に平行に配置されている。そして、圧電体31は、圧電体32に対し、主軸11を中心として略垂直の角度で設置されている。この様に配置することで、圧電板31、32は、振動伝達体12を以下のように円運動させる振動を供給する。   The piezoelectric plates 31 and 32 are arranged in parallel to the main shaft 11, respectively. The piezoelectric body 31 is installed at an angle substantially perpendicular to the piezoelectric body 32 with the main shaft 11 as the center. By arranging in this way, the piezoelectric plates 31 and 32 supply vibrations that cause the vibration transmitting body 12 to move circularly as follows.

図11は、圧電板31、32及び振動伝達体12の動きを軸方向から見た様子を示している。図中、破線は最初の状態(図11(A)の状態)における振動伝達板12及びネジ穴13の位置を示し、1点破線はそれぞれの状態における振動伝達板12及びネジ穴13の位置を示している。まず、図11(A)の状態から、不図示のスイッチを入れ、それぞれの圧電板31、32に電圧を印可する。それぞれの圧電板31、32には位相の異なる交流電圧が印可されている。図11(B)に示すように、まず、圧電板32がX軸(+)方向に反り、振動伝達体12がX軸(+)方向に移動する。これにより、振動伝達体12がX軸(+)方向に移動する。   FIG. 11 shows a state in which the movements of the piezoelectric plates 31 and 32 and the vibration transmitting body 12 are viewed from the axial direction. In the figure, the broken lines indicate the positions of the vibration transmission plate 12 and the screw holes 13 in the initial state (the state of FIG. 11A), and the one-dot broken lines indicate the positions of the vibration transmission plate 12 and the screw holes 13 in each state. Show. First, from the state of FIG. 11A, a switch (not shown) is turned on to apply a voltage to each of the piezoelectric plates 31 and 32. AC voltages having different phases are applied to the piezoelectric plates 31 and 32, respectively. As shown in FIG. 11B, first, the piezoelectric plate 32 warps in the X-axis (+) direction, and the vibration transmitting body 12 moves in the X-axis (+) direction. As a result, the vibration transmitting body 12 moves in the X-axis (+) direction.

続いて、図11(C)に示すように、圧電板32がX軸(−)方向に復元するとともに、圧電板31がY軸(−)方向に反を生じる。このため、振動伝達体12はY軸(−)方向に移動する。振動伝達体12は、圧電板31、32双方の作用を受けているので、直線移動ではなく、時計回り方向の円運動をして移動する。   Subsequently, as shown in FIG. 11C, the piezoelectric plate 32 is restored in the X-axis (−) direction, and the piezoelectric plate 31 is warped in the Y-axis (−) direction. For this reason, the vibration transmitting body 12 moves in the Y-axis (−) direction. Since the vibration transmitting body 12 receives the action of both the piezoelectric plates 31 and 32, the vibration transmitting body 12 moves not by linear movement but by circular movement in the clockwise direction.

更に、図11(D)に示すように、圧電板32がX軸(−)方向に反り、圧電板31がY軸(+)方向に復元し、振動伝達体12がX軸(−)方向に移動する。更に、図11(E)に示すように、圧電板32がX軸(+)方向に復元し、圧電板31がY軸(+)方向に反ることで、振動伝達体12がY軸(+)方向に移動する。   Further, as shown in FIG. 11D, the piezoelectric plate 32 is warped in the X-axis (−) direction, the piezoelectric plate 31 is restored in the Y-axis (+) direction, and the vibration transmitting body 12 is in the X-axis (−) direction. Move to. Further, as shown in FIG. 11E, the piezoelectric plate 32 is restored in the X-axis (+) direction, and the piezoelectric plate 31 is warped in the Y-axis (+) direction. Move in the +) direction.

それぞれの過程では、圧電板31、32がそれぞれ反りを繰り返しているため、振動伝達体12は直線移動ではなく、時計回りに曲線を描いて移動する。このように、圧電板32はX軸方向の振動を供給し、一方の圧電板31はY軸方向の振動を供給しているので、振動伝達体12を連続的に円運動させる振動を供給できる。   In each process, since the piezoelectric plates 31 and 32 are repeatedly warped, the vibration transmitting body 12 moves in a clockwise curve instead of linear movement. Thus, since the piezoelectric plate 32 supplies vibration in the X-axis direction and the one piezoelectric plate 31 supplies vibration in the Y-axis direction, it is possible to supply vibration that causes the vibration transmitting body 12 to continuously move circularly. .

また、上記とは逆向きに電圧をかければ、それぞれの圧電板31、32が上述と逆向きの変位を繰り返すので、反時計回りに振動伝達体12を円運動させることができる。この振動伝達体12の円運動によって、主軸11を回転させて、前後動させることができる。   If a voltage is applied in the opposite direction, the piezoelectric plates 31 and 32 repeat displacement in the opposite direction to the above, so that the vibration transmitting body 12 can be moved in a counterclockwise direction. The main shaft 11 can be rotated and moved back and forth by the circular motion of the vibration transmitting body 12.

圧電板31、32は、長いほどより大きな反りを生じ、大きな振動を供給できる。逆に、圧電板31、32が短いほど振動が小さいので、小さな振動を供給できる。また、印可する電圧の周波数を異ならしめることで、振動伝達体12を円運動させる速度も変化できる。圧電板31、32の大きさや、印可する電圧の周波数を変更し、種々の用途に応じて利用すればよい。他の構成については、上記と同様であるため、説明を省略する。   The longer the piezoelectric plates 31 and 32, the larger the warp, and the larger vibration can be supplied. Conversely, the shorter the piezoelectric plates 31 and 32, the smaller the vibration, so that a small vibration can be supplied. In addition, by changing the frequency of the applied voltage, the speed at which the vibration transmitting body 12 moves circularly can be changed. What is necessary is just to change the magnitude | size of the piezoelectric plates 31 and 32, and the frequency of the voltage to apply, and to utilize according to various uses. Other configurations are the same as described above, and thus the description thereof is omitted.

(実施形態2)
上記実施形態1では、主軸11を自転させて主軸11を前後動させていたが、図12に示すように、主軸に振動を供給し、主軸に取り付けた可動体を負荷に応じて前後動させることもできる。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the main shaft 11 is rotated to move the main shaft 11 back and forth. However, as shown in FIG. 12, vibration is supplied to the main shaft and the movable body attached to the main shaft is moved back and forth according to the load. You can also.

主軸11の一端が支持部材41に接続され、他端が支持部材42に接続されている。主軸11は自転しないよう、支持部材41、42に固定されている。この主軸11に可動板44を配置してある。   One end of the main shaft 11 is connected to the support member 41, and the other end is connected to the support member 42. The main shaft 11 is fixed to the support members 41 and 42 so as not to rotate. A movable plate 44 is disposed on the main shaft 11.

支持部材41には、モータ14が取り付けられており、モータ回転軸16には錘15が設置されている。モータ14を駆動すると、錘15によって主軸11が円運動するよう振動を供給する。   A motor 14 is attached to the support member 41, and a weight 15 is installed on the motor rotation shaft 16. When the motor 14 is driven, vibration is supplied by the weight 15 so that the main shaft 11 moves circularly.

可動板44は、主軸11と平行に配置したレール43に摺動自在に接続されている。図13に、可動板44の内部構造を示すように、可動板44には、ナット等、ネジ穴13が形成された可動体47が内蔵されている。可動体47に形成されたネジ溝は、主軸11のネジ山のピッチと同じピッチである。そして、主軸11のネジ山の直径がネジ穴のネジ山の直径よりも大きく、且つ、ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく形成されている。このため、主軸11は、ネジ穴13に対して隙間をもった状態、即ち、偏心可能な状態で螺合されている。また、可動体47と可動板44との間には、ベアリング46が配置されており、可動体47のみが自転可能に構成されている。   The movable plate 44 is slidably connected to a rail 43 disposed in parallel with the main shaft 11. As shown in FIG. 13, the movable plate 44 incorporates a movable body 47 in which the screw hole 13 is formed, such as a nut. The thread grooves formed in the movable body 47 have the same pitch as the thread pitch of the main shaft 11. The diameter of the thread of the main shaft 11 is larger than the diameter of the thread of the screw hole and smaller than the diameter of the thread groove of the screw hole. For this reason, the main shaft 11 is screwed in a state having a gap with respect to the screw hole 13, that is, in a state where it can be eccentric. A bearing 46 is disposed between the movable body 47 and the movable plate 44, and only the movable body 47 is configured to be able to rotate.

モータ14を駆動すると、振動により、主軸11が円運動するので、可動体47が自転する。これにより可動体47が主軸11方向に移動するので、可動体47の移動と一体して可動板44がレール43に沿って移動する。その他の構成、作用については上記と同様であるため、説明を省略する。   When the motor 14 is driven, the main shaft 11 moves circularly due to vibration, so that the movable body 47 rotates. As a result, the movable body 47 moves in the direction of the main shaft 11, so that the movable plate 44 moves along the rail 43 together with the movement of the movable body 47. Since other configurations and operations are the same as described above, the description thereof is omitted.

(実施形態3)
上記実施形態1及び2では、モータや圧電素子等の振動発生装置を取り付け、直接振動を供給しているが、間接的に振動を供給して、負荷に応じた速度で主軸等を前後動させることもできる。その一例について、図14を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, a vibration generator such as a motor or a piezoelectric element is attached and direct vibration is supplied. However, the main shaft and the like are moved back and forth at a speed corresponding to the load by supplying vibration indirectly. You can also. One example thereof will be described with reference to FIG.

筒状の筒体51の内部に円盤状の振動伝達体12が配置されている。この振動伝達体12は、筒体51に固定してある。振動伝達体12にはネジ穴13が設けられており、このネジ穴13にネジ山が形成された主軸11が偏心可能に螺合している。   A disc-shaped vibration transmission body 12 is arranged inside the cylindrical cylinder 51. The vibration transmission body 12 is fixed to the cylinder body 51. The vibration transmitting body 12 is provided with a screw hole 13, and the main shaft 11 formed with a screw thread is screwed into the screw hole 13 so as to be eccentric.

筒体51に振動を供給すると、筒体51と内蔵の振動伝達体12は固定されているので、振動伝達体12に振動が伝達される。振動伝達体12が円運動し得る振動を受けることで、主軸11が自転し、負荷に応じた速度で前後動を行う。例えば、モータ等の振動発生装置を取り付けた狭持可能な器具等で挟んで振動を供給して、使用することができる。   When vibration is supplied to the cylindrical body 51, the cylindrical body 51 and the built-in vibration transmission body 12 are fixed, so that the vibration is transmitted to the vibration transmission body 12. When the vibration transmission body 12 receives vibration that can make a circular motion, the main shaft 11 rotates and moves back and forth at a speed corresponding to the load. For example, it can be used by supplying vibration by sandwiching it with a tool that can be sandwiched with a vibration generator such as a motor.

実施形態3では、円形状の筒体51を用いた例について説明したが、多角形状の筒体を用いてもよい。また、筒体51を必ずしも設ける必要はない。振動伝達体12がむき出しの状態であれば、振動発生装置を取り付けた器具等を接触させることで直接振動を供給できる。その他の構成、作用等は前述と同様であるため、説明を省略する。   In the third embodiment, the example using the circular cylindrical body 51 has been described. However, a polygonal cylindrical body may be used. Further, the cylinder body 51 is not necessarily provided. If the vibration transmitting body 12 is in an exposed state, vibration can be directly supplied by contacting an instrument or the like with a vibration generator attached thereto. Other configurations, operations, and the like are the same as described above, and thus description thereof is omitted.

続いて、上述の負荷感応型無段変速機構を応用した具体例について説明する。   Then, the specific example which applied the above-mentioned load sensitive type continuously variable transmission mechanism is demonstrated.

(実施形態4)
図15〜図18は、上述した負荷感応型無段変速機構をロボットハンドに適用した例である。ベース65にアーム64が接続され、アーム64の端部には振動発生装置収容部63が接続されている。振動発生装置収容部63には、不図示のモータ等が設置してある。
(Embodiment 4)
15 to 18 are examples in which the above-described load-sensitive continuously variable transmission mechanism is applied to a robot hand. An arm 64 is connected to the base 65, and a vibration generator housing portion 63 is connected to an end of the arm 64. The vibration generator housing portion 63 is provided with a motor (not shown) or the like.

固定グリッパ61が振動発生装置収容部63に接続している。そして、固定グリッパ61には可動グリッパ62が摺動可能に配置されている。図15に示すように、固定グリッパ61にはネジ穴13が設けられており、このネジ穴13に偏心可能な状態で主軸11の一端が螺合している。一方、主軸11の他端は可動グリッパ62に、自転できるように接続している。主軸11が軸方向に移動することで、可動グリッパ62が追従して移動し、固定グリッパ61と可動グリッパ62で対象物を把持する構成である。   The fixed gripper 61 is connected to the vibration generator housing portion 63. A movable gripper 62 is slidably disposed on the fixed gripper 61. As shown in FIG. 15, the fixed gripper 61 is provided with a screw hole 13, and one end of the main shaft 11 is screwed into the screw hole 13 so as to be eccentric. On the other hand, the other end of the main shaft 11 is connected to the movable gripper 62 so that it can rotate. When the main shaft 11 moves in the axial direction, the movable gripper 62 follows and moves, and the fixed gripper 61 and the movable gripper 62 hold the object.

固定グリッパ61は、前述した振動伝達体として作用する。不図示の振動発生装置から振動が供給されると、図16(B)に示すように、主軸11が移動する。主軸11の移動に伴い、可動グリッパ62が移動するので、対象物を把持することができる。また、モータ等を逆方向に回転させれば、主軸11の移動に伴って可動グリッパ62は逆方向に移動し、対象物を離すことができる。   The fixed gripper 61 acts as the vibration transmission body described above. When vibration is supplied from a vibration generator (not shown), the main shaft 11 moves as shown in FIG. Since the movable gripper 62 moves as the main shaft 11 moves, the object can be gripped. If the motor or the like is rotated in the reverse direction, the movable gripper 62 moves in the reverse direction along with the movement of the main shaft 11, and the object can be released.

前述のように、負荷が掛かっていない状態、即ち、対象物を把持していない状態では、ネジ穴13と主軸11との偏心量が大きい。このため、主軸11の自転速度が速いので、可動グリッパ62を短時間で移動させることができる。一方で、負荷が掛かった状態、即ち、対象物を把持した状態になると、可動グリッパ62の移動速度が遅くなる。   As described above, when the load is not applied, that is, when the object is not gripped, the eccentric amount between the screw hole 13 and the main shaft 11 is large. For this reason, since the rotation speed of the main shaft 11 is fast, the movable gripper 62 can be moved in a short time. On the other hand, when a load is applied, that is, when the object is gripped, the moving speed of the movable gripper 62 becomes slow.

従来のロボットハンドでは、最大負荷量を考慮した一定の速度に制御されていたため、無負荷状態でも速度が制限され、作業に長時間を要していた。実施形態4のロボットハンドでは、無負荷時には速い速度で可動グリッパ62を駆動させることができるので、作業効率の高いロボットハンドを実現できる。   The conventional robot hand is controlled at a constant speed in consideration of the maximum load, so the speed is limited even in a no-load state, and the work takes a long time. In the robot hand of the fourth embodiment, the movable gripper 62 can be driven at a high speed when there is no load, so that a robot hand with high work efficiency can be realized.

更に、振動発生装置収容部63と、固定グリッパ61は固定式ではなく、脱着式とすることが可能である。図17は、固定グリッパ61に凸部67が形成され、一方、振動発生装置収容部63には、対応する凹部66が形成された、嵌め合い結合による脱着式である。また、図18は、固定グリッパ61及び振動発生装置収容部63にそれぞれ磁石68、69を設置した磁力による脱着式である。異なるグリッパ等を適宜付け替えて使用できる利点がある。   Furthermore, the vibration generator housing part 63 and the fixed gripper 61 can be detachable rather than fixed. FIG. 17 is a detachable type by fitting and coupling, in which a convex portion 67 is formed in the fixed gripper 61, while a corresponding concave portion 66 is formed in the vibration generator housing portion 63. FIG. 18 is a detachable type using a magnetic force in which magnets 68 and 69 are installed in the fixed gripper 61 and the vibration generating device housing 63, respectively. There is an advantage that different grippers and the like can be used by appropriately replacing them.

固定グリッパ61に振動を供給できれば可動グリッパ62を稼働させることができる機構であるため、固定グリッパ61及び可動グリッパ62には配線等を配置する必要がない。配線等が不要なため、液中での使用においても、短絡等による故障が生じることがないので耐久性も高い。   Since the mechanism can operate the movable gripper 62 if vibration can be supplied to the fixed gripper 61, it is not necessary to arrange wiring or the like in the fixed gripper 61 and the movable gripper 62. Since wiring or the like is unnecessary, even when used in a liquid, since a failure due to a short circuit does not occur, durability is high.

また、実施形態4では、主軸11を自転させる場合について説明したが、実施形態2で説明したように、固定グリッパ61内に可動体を内蔵し、可動体を自転させて主軸11を移動させてもよい。   In the fourth embodiment, the case where the main shaft 11 rotates is described. However, as described in the second embodiment, a movable body is built in the fixed gripper 61, and the main shaft 11 is moved by rotating the movable body. Also good.

(実施形態5)
図19は、負荷感応型無段変速機構を義手のアーム部に応用した例である。実施形態1と同様の負荷感応型無段変速機構をケース83等に内包し、上腕部82と前腕部81とを接続した構成である。主軸11と前腕部81とがワイヤ85等を介して接続されている。ケース83と上腕部82とがワイヤ84等を介して接続されている。
(Embodiment 5)
FIG. 19 shows an example in which a load-sensitive continuously variable transmission mechanism is applied to an arm portion of a prosthetic hand. A load-sensitive continuously variable transmission mechanism similar to that of the first embodiment is included in a case 83 or the like, and the upper arm portion 82 and the forearm portion 81 are connected. The main shaft 11 and the forearm 81 are connected via a wire 85 or the like. The case 83 and the upper arm portion 82 are connected via a wire 84 or the like.

実施形態1で説明したように、モータ14を駆動することで、主軸11が前後動を行う。これにより、前腕部81が肘関節を支点として、矢印に示すように、上下に移動する。   As described in the first embodiment, by driving the motor 14, the main shaft 11 moves back and forth. As a result, the forearm 81 moves up and down as indicated by the arrows with the elbow joint as a fulcrum.

負荷が掛かっていない状態、即ち、手に何も持っていない状態では、主軸11の偏心量が大きいため回転速度が速く、主軸11の前後動の直動動作が速やかに行われる。一方で、手に何か持つ等、負荷が大きい場合では、主軸11の偏心量が小さくなるため回転速度が遅くなる。これにより、一定の速度による不自然な動きがなく、負荷に応じた自然な動きが可能となる。   In a state where no load is applied, that is, in a state where nothing is held in the hand, the eccentric amount of the main shaft 11 is large, so that the rotational speed is fast, and the linear motion of the main shaft 11 is quickly performed. On the other hand, when the load is large, such as holding something in the hand, the amount of eccentricity of the main shaft 11 becomes small, so the rotation speed becomes slow. Thereby, there is no unnatural movement at a constant speed, and a natural movement according to the load is possible.

(実施形態6)
実施形態6は、義手の指に応用した例である。図20に示すように、4本の主軸11a、11b、11c、11dと、一つの振動伝達体12を有する。主軸11a、11b、11c、11dは、ワイヤ92を介して、それぞれ対応する指91a、91b、91c、91dに接続している。
(Embodiment 6)
Embodiment 6 is an example applied to the finger of a prosthetic hand. As shown in FIG. 20, it has four main shafts 11a, 11b, 11c, and 11d, and one vibration transmitting body 12. The main shafts 11a, 11b, 11c, and 11d are connected to corresponding fingers 91a, 91b, 91c, and 91d through wires 92, respectively.

振動伝達体12にはモータ14が設置してあり、このモータ14からの振動で、前述のように主軸11a、11b、11c、11dが前後動する。主軸11a、11b、11c、11dの前後動によって、それぞれの指91a、91b、91c、91dが握る、或いは開く動作を行う。   A motor 14 is installed in the vibration transmitting body 12, and the main shafts 11a, 11b, 11c, and 11d are moved back and forth by the vibration from the motor 14 as described above. The fingers 91a, 91b, 91c, 91d are gripped or opened by the longitudinal movement of the main shafts 11a, 11b, 11c, 11d.

図21に示すように、径が一定でない瓶93を握る場合、全ての指91a、91b、91c、91dが一定の速度で駆動すると、瓶93の最も径の大きい箇所に当たる指に力が凝集され、上手く握ることができない。実施形態6では、それぞれの指91a、91b、91c、91dが、それぞれの負荷に応じた速度、及び力で独立した動きとなる。このため、径が一定でない瓶93を握る場合でも、それぞれの指91a、91b、91c、91dに掛かる力は平均化され、上手く握ることが可能となる。このような、いわゆる馴染み機構としても有効に応用することができる。   As shown in FIG. 21, when gripping a bottle 93 with a non-constant diameter, if all fingers 91a, 91b, 91c, 91d are driven at a constant speed, the force is concentrated on the finger that hits the largest diameter part of the bottle 93. I can't hold it well. In the sixth embodiment, the fingers 91a, 91b, 91c, and 91d move independently with speed and force according to their loads. For this reason, even when the bottle 93 having a non-constant diameter is gripped, the forces applied to the fingers 91a, 91b, 91c, 91d are averaged and can be gripped well. Such a so-called familiar mechanism can be effectively applied.

(実施形態7)
医療現場で使用される腫瘍等を切除するエンドエフェクタに応用した例である。図22に、エンドエフェクタ101の構造を示す。内部が中空の筒体102の一方の底面に孔103が設けられている。筒体102の内部には振動伝達体12が固定されている。振動伝達体12には貫通するネジ穴が形成され、このネジ穴に主軸11が隙間を持って螺合している。略菱形状に屈曲させて形成した一本の線条104が、孔103を通過し、主軸11の先端に結合している。線条104は、高強度の金属や樹脂から構成される。
(Embodiment 7)
This is an example applied to an end effector for excising a tumor or the like used in a medical field. FIG. 22 shows the structure of the end effector 101. A hole 103 is provided on one bottom surface of the hollow cylindrical body 102. A vibration transmitting body 12 is fixed inside the cylindrical body 102. The vibration transmitting body 12 is formed with a threaded hole, and the main shaft 11 is screwed into the threaded hole with a gap. A single filament 104 formed by bending in a substantially rhombus shape passes through the hole 103 and is coupled to the tip of the main shaft 11. The filament 104 is made of a high-strength metal or resin.

主軸11が、図22(B)に矢印にて示すように、筒体102の内方に移動(図面では、右方向)すると、図22(C)に示すように、線条104が筒体102内方に引き込まれる構造である。   When the main shaft 11 moves inward of the cylinder 102 as indicated by an arrow in FIG. 22B (to the right in the drawing), the filament 104 becomes a cylinder as shown in FIG. 22C. 102 is a structure that is pulled inward.

エンドエフェクタ101には振動発生装置が直接取り付けられていないので、図23に示すように、振動発生装置を設けた鉗子105等を用いて使用する。鉗子105には、振動発生装置収容部108が設置されており、この中に不図示のモータ等の振動発生装置が収納されている。グリップ110には、振動発生装置を駆動するスイッチ109が設けられている。   Since the end effector 101 is not directly attached with a vibration generating device, as shown in FIG. 23, the end effector 101 is used with a forceps 105 provided with the vibration generating device. The forceps 105 is provided with a vibration generating device accommodating portion 108, in which a vibration generating device such as a motor (not shown) is accommodated. The grip 110 is provided with a switch 109 that drives the vibration generator.

グリップ110、111を操作し、エンドエフェクタ101を挟んだ状態でスイッチ109を入れ、モータ等の振動発生装置を駆動する。発生した振動が、パイプ107及び把持部106を伝わり、エンドエフェクタ101に供給される。   By operating the grips 110 and 111 and sandwiching the end effector 101, the switch 109 is turned on to drive a vibration generator such as a motor. The generated vibration is transmitted through the pipe 107 and the grip 106 and supplied to the end effector 101.

図24は、エンドエフェクタ101を用いて、臓器の腫瘍を摘出する様子を示している。体皮を切開したポートから、或いは、口等の体内に通じる穴から、エンドエフェクタ101を挿入する。図24(A)に示すように、線条104の菱形内に摘出したい腫瘍113が入るよう操作する。位置を定めた後、スイッチ109を入れると、振動伝達体12に伝達された振動で、主軸11が筒体102内方に移動する。主軸11の移動に伴い、図24(B)に示すように、線条104が孔103を通過して筒体102内方へ引き込まれる。線条104が孔103を通過するに従い、線条104の菱形部分の隙間が狭まることで、腫瘍113を摘出することができる。   FIG. 24 shows how the end effector 101 is used to remove an organ tumor. The end effector 101 is inserted from a port in which the body skin is incised or from a hole communicating with the body such as the mouth. As shown in FIG. 24A, the operation is performed so that the tumor 113 to be extracted enters the diamond 104 of the filament 104. When the switch 109 is turned on after the position is determined, the main shaft 11 moves inward of the cylindrical body 102 by the vibration transmitted to the vibration transmitting body 12. As the main shaft 11 moves, the filament 104 passes through the hole 103 and is drawn into the cylinder 102 as shown in FIG. As the line 104 passes through the hole 103, the gap between the rhombus portions of the line 104 is narrowed, so that the tumor 113 can be removed.

上記エンドエフェクタ101の線条104を様々な形態に応用できる。例えば、図25のように、所謂鉗子の先端部分の把持部115に変更したエンドエフェクタ114とすることもできる。振動を供給すると、主軸11が図25(A)の矢印にて示すように、筒体102の内方(紙面上右側)に移動し、把持部115が閉じる仕組みである。   The filament 104 of the end effector 101 can be applied to various forms. For example, as shown in FIG. 25, the end effector 114 can be changed to a gripping portion 115 at a tip portion of a so-called forceps. When the vibration is supplied, the spindle 11 moves inward (on the right side in the drawing) of the cylindrical body 102 as shown by an arrow in FIG.

また、図26に示すように、把持部115を筒体102の両端に設けたエンドエフェクタ116とすることもできる。振動を供給すると、それぞれの主軸11が図26(A)の矢印にて示すように、筒体102の内方に移動し、それぞれの把持部115が閉じる。   In addition, as shown in FIG. 26, the gripper 115 may be an end effector 116 provided at both ends of the cylindrical body 102. When the vibration is supplied, each main shaft 11 moves inward of the cylindrical body 102 as indicated by an arrow in FIG. 26A, and each gripping portion 115 is closed.

このエンドエフェクタ114、116の使用状況を図27に模式的に示す。狭い体腔内で臓器112と体皮等を一時的に固定し、手術スペースを確保する際に有効に利用できる。   FIG. 27 schematically shows how the end effectors 114 and 116 are used. It can be effectively used to secure an operation space by temporarily fixing the organ 112, body skin, etc. in a narrow body cavity.

その他、鉗子、ステープラー、リトラクター等のエンドエフェクタにも応用可能である。   In addition, it can also be applied to end effectors such as forceps, staplers and retractors.

従来では、エンドエフェクタ部のみを切り離して駆動することはできなかった。このため、NOTES(Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery)での応用が困難である。NOTESとは、体皮を切開することなく、口、肛門、膣等の自然な状態で開いている孔に手術器具を挿入し手術する方法である。この場合、患部へのアクセスや手術可能な方向が制限される。また、手術するためのスペース(器具等を操作するためのスペース)の確保が困難である。   Conventionally, only the end effector portion cannot be separated and driven. For this reason, application in NOTES (Natural Office Transluminal Endoscopic Surgical) is difficult. NOTES is a method in which a surgical instrument is inserted into a hole that is open in a natural state such as the mouth, anus, or vagina without incising the body skin. In this case, access to the affected area and directions in which surgery is possible are limited. In addition, it is difficult to secure a space for surgery (a space for operating instruments).

しかし、本実施形態のエンドエフェクタでは、振動が伝わりさえすれば、エンドエフェクタ部のみを切り離して駆動することができるので、これまでの医療器具等では患部へアクセスできない、或いは手術スペースを確保できずに行えなかった場合についても、容易に行える利点がある。   However, in the end effector of the present embodiment, as long as vibration is transmitted, only the end effector part can be separated and driven, so that it is impossible to access the affected part with conventional medical instruments or to secure a surgical space. There is an advantage that it can be easily performed even when it cannot be performed easily.

また、上記医療器具の他、図28に示すように、ネジ等の小さな対象物を拾うことができるエンドエフェクタ117を構成することもできる。3本の湾曲した線条115が孔103を通じて主軸11に結合している。それぞれの線条115の先端は所定のピッチで離間しているが、前記同様に主軸11が図28(B)の矢印に示すように移動することによって、線条115が変形しつつ筒体102に引き込まれる。これにより、それぞれの線条115の先端が近接するので、対象物を掴むことができる。   In addition to the medical instrument, as shown in FIG. 28, an end effector 117 that can pick up a small object such as a screw can be configured. Three curved filaments 115 are coupled to the main shaft 11 through the holes 103. The tips of the respective filaments 115 are spaced apart at a predetermined pitch, but as described above, the main shaft 11 moves as indicated by the arrow in FIG. Be drawn into. Thereby, since the front-end | tip of each filament 115 adjoins, a target object can be grasped.

狭く手が届かない箇所、特に屈曲して直線上の器具では届かない箇所に落ちた対象物でも、容易に拾うことができる。   Objects that are narrow and cannot be reached, especially objects that are bent and cannot be reached by a straight instrument, can be easily picked up.

図29に示す装置を用いて、負荷に応じて主軸の回転速度が変化するか検証を行った。主軸11の先端にフック122を取り付け、このフック122に紐123を介して様々な重量の錘124をぶら下げた。そして、錘124を一定距離引き上げ、引き上げに要した時間を計測し、平均速度を算出した。   Using the apparatus shown in FIG. 29, it was verified whether or not the rotational speed of the main shaft changed according to the load. A hook 122 was attached to the tip of the main shaft 11, and weights 124 of various weights were hung on the hook 122 via a string 123. Then, the weight 124 was lifted by a certain distance, the time required for lifting was measured, and the average speed was calculated.

主軸11としてステンレス製のM4並目を用い、主軸11の最大偏心量eは約0.04mmである。フック122と主軸11とは不図示のベアリングを介して接続しており、フック122が回転しないようにしている。   A stainless steel M4 mesh is used as the main shaft 11, and the maximum eccentricity e of the main shaft 11 is about 0.04 mm. The hook 122 and the main shaft 11 are connected via a bearing (not shown) so that the hook 122 does not rotate.

モータ回転軸16に錘15を取り付け、振動伝達体12を円運動させる振動を与えた。なお、モータ14の回転数は約20000rpmである。   A weight 15 was attached to the motor rotating shaft 16 to give vibration to cause the vibration transmitting body 12 to move circularly. The rotational speed of the motor 14 is about 20000 rpm.

主軸11の中間部に測定目印121を設置し、これをレーザー変位計で監視し、測定目印121が通過する時間を測定した。フック122には、0g〜5kgまで0.5kgおきに錘124を取り付け、それぞれ測定した。   The measurement mark 121 was installed in the middle part of the main shaft 11, and this was monitored with a laser displacement meter, and the time for which the measurement mark 121 passed was measured. A weight 124 was attached to the hook 122 at intervals of 0.5 kg from 0 g to 5 kg, and measurement was performed.

結果を図30に示す。負荷が小さいときは早い速度で錘を引き上げ、負荷が大きくなるにつれて引き上げる速度が遅くなっていることがわかる。負荷が0kgのときと5.0kgのときでモータ14の電流値はともに約3.3Aであり、モータの回転速度はすべて等しい。したがって、振動伝達体12を円運動させる振動は一定である。   The results are shown in FIG. It can be seen that when the load is small, the weight is pulled up at a high speed, and as the load increases, the pulling speed becomes slower. When the load is 0 kg and 5.0 kg, the current value of the motor 14 is about 3.3 A, and the rotational speeds of the motors are all equal. Therefore, the vibration that causes the vibration transmitting body 12 to move circularly is constant.

このことから、負荷が小さいときは主軸11の偏心量eが大きいため、主軸11の回転速度は大きく、一方、負荷が大きくなるにつれ、主軸11の偏心量eが小さくなり主軸11の回転速度が小さくなることを確認した。   From this, when the load is small, the eccentric amount e of the main shaft 11 is large, so the rotational speed of the main shaft 11 is large. On the other hand, as the load increases, the eccentric amount e of the main shaft 11 decreases and the rotational speed of the main shaft 11 increases. It was confirmed that it became smaller.

上述のように、負荷感応型無段変速機構は、振動を供給することで主軸或いは可動体を負荷に応じた回転速度で移動させることができる。簡単な構造で小型、軽量に構成することができ、産業用ロボット、医療ロボット等、様々な分野での利用が期待できる。   As described above, the load-sensitive continuously variable transmission mechanism can move the main shaft or the movable body at a rotational speed corresponding to the load by supplying vibration. It can be configured to be small and lightweight with a simple structure, and can be expected to be used in various fields such as industrial robots and medical robots.

実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to a first embodiment. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の主軸と振動伝達体のネジ穴の径の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the main axis | shaft of the load-sensitive continuously variable transmission mechanism which concerns on Embodiment 1, and the diameter of the screw hole of a vibration transmission body. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to Embodiment 1. FIG. 実施形態に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the load sensitive type continuously variable transmission mechanism which concerns on embodiment. (A)〜(C)は、本発明の実施形態に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。(A)-(C) are figures which show the principle of the load sensitive type continuously variable transmission mechanism which concerns on embodiment of this invention. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the load sensitive type continuously variable transmission mechanism which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the load sensitive type continuously variable transmission mechanism which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the load sensitive type continuously variable transmission mechanism which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る負荷感応型無段変速機構の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the load sensitive type continuously variable transmission mechanism which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to a second embodiment. 実施形態2に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to a second embodiment. 実施形態3に係る負荷感応型無段変速機構の概略構成を示す一部分解斜視図である。FIG. 6 is a partially exploded perspective view showing a schematic configuration of a load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to a third embodiment. 実施形態4に係るロボットハンドの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the robot hand which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施形態4に係るロボットハンドの駆動状況を示す平面図である。It is a top view which shows the drive condition of the robot hand which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施形態4に係るロボットハンドの脱着構造を示す平面図である。It is a top view which shows the attachment or detachment structure of the robot hand which concerns on Embodiment 4. 実施形態4に係るロボットハンドの脱着構造を示す平面図である。It is a top view which shows the attachment or detachment structure of the robot hand which concerns on Embodiment 4. 実施形態5に係る義手の構造を示す平面図である。10 is a plan view showing a structure of a prosthetic hand according to Embodiment 5. FIG. 実施形態6に係る義手の構造を示す斜視図である。10 is a perspective view showing a structure of a prosthetic hand according to Embodiment 6. FIG. 実施形態6に係る義手の動作状況を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the operation | movement condition of the prosthetic hand which concerns on Embodiment 6. FIG. (A)は、実施形態7に係るエンドエフェクタの斜視図、(B)及び(C)は、断面図である。(A) is a perspective view of the end effector based on Embodiment 7, (B) and (C) are sectional drawings. 実施形態7に係るエンドエフェクタの使用状況を示す図である。It is a figure which shows the use condition of the end effector which concerns on Embodiment 7. FIG. (A)及び(B)は、実施形態7に係るエンドエフェクタの使用状況を示す図である。(A) And (B) is a figure which shows the use condition of the end effector which concerns on Embodiment 7. FIG. (A)及び(B)は、実施形態7に係るエンドエフェクタの構造を示す断面図である。(A) And (B) is sectional drawing which shows the structure of the end effector which concerns on Embodiment 7. FIG. (A)及び(B)は、実施形態7に係るエンドエフェクタの構造を示す断面図である。(A) And (B) is sectional drawing which shows the structure of the end effector which concerns on Embodiment 7. FIG. 実施形態7に係るエンドエフェクタの使用状況を示す図である。It is a figure which shows the use condition of the end effector which concerns on Embodiment 7. FIG. (A)は、実施形態7に係るエンドエフェクタの斜視図、(B)及び(C)は、断面図である。(A) is a perspective view of an end effector according to the seventh embodiment, and (B) and (C) are sectional views. 実施例で用いた装置の概略構成を示す側面図である。It is a side view which shows schematic structure of the apparatus used in the Example. 実施例の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of an Example.

符号の説明Explanation of symbols

11 主軸
12 振動伝達体
13 ネジ穴
14 モータ
15 錘
16 モータ回転軸
17 振動吸収部材
21 雄ネジ
22 雌ネジ
31 圧電板
32 圧電板
33 支持部
41 支持部材
42 支持部材
43 レール
44 可動板
45 貫通孔
46 ベアリング
47 可動体
51 筒体
61 固定グリッパ
62 可動グリッパ
63 振動発生装置収容部
64 アーム
65 ベース
66 凹部
67 凸部
68 磁石
69 磁石
81 前腕部
82 上腕部
83 ケース
84 ワイヤ
85 ワイヤ
91 指部
92 ワイヤ
93 瓶
101 エンドエフェクタ
102 筒体
103 孔
104 線条
105 鉗子
106 把持部
107 パイプ
108 振動発生装置収容部
109 スイッチ
110 グリップ
111 グリップ
112 臓器
113 腫瘍
114 エンドエフェクタ
115 線条
116 エンドエフェクタ
117 エンドエフェクタ
121 測定目印
122 フック
123 紐
124 錘
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Main axis | shaft 12 Vibration transmission body 13 Screw hole 14 Motor 15 Weight 16 Motor rotating shaft 17 Vibration absorption member 21 Male screw 22 Female screw 31 Piezoelectric plate 32 Piezoelectric plate 33 Support part 41 Support member 42 Support member 43 Rail 44 Movable plate 45 Through-hole 46 Bearing 47 Movable body 51 Cylindrical body 61 Fixed gripper 62 Movable gripper 63 Vibration generating device accommodating portion 64 Arm 65 Base 66 Recessed portion 67 Protruding portion 68 Magnet 69 Magnet 81 Forearm portion 82 Upper arm portion 83 Case 84 Wire 85 Wire 91 Finger portion 92 Wire 93 bottle 101 end effector 102 cylinder 103 hole 104 filament 105 forceps 106 gripping part 107 pipe 108 vibration generator housing part 109 switch 110 grip 111 grip 112 organ 113 tumor 114 end effector 115 filament 116 End effector 117 End effector 121 Measurement mark 122 Hook 123 String 124 Weight

Claims (7)

所定ピッチの螺旋状のネジ山を有する主軸と、
前記ネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有し、振動発生装置から振動を受ける振動伝達体と、を備え、
前記主軸のネジ山の直径は前記ネジ溝の直径よりも小さく構成され、
前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、
前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記振動伝達体を円運動させ、
前記主軸に掛かる負荷に応じた回転速度で前記主軸を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により軸方向に直動させる、
ことを特徴とする負荷感応型無段変速機構。
A main shaft having a helical thread of a predetermined pitch;
A vibration transmission body having a screw hole in which a helical thread groove having the same pitch as the screw thread is formed, and receiving vibration from a vibration generator;
The diameter of the thread of the main shaft is configured to be smaller than the diameter of the thread groove,
The main shaft is screwed in an eccentric manner with a gap in the screw hole,
Circularly moving the vibration transmitting body by vibrations supplied directly or indirectly from the vibration generator;
Rotating the main shaft at a rotation speed according to a load applied to the main shaft, and linearly moving in an axial direction by screwing the screw thread and the screw groove;
A load-sensitive continuously variable transmission mechanism.
所定ピッチの螺旋状のネジ山を有し、振動発生装置から振動を受ける主軸と、
前記主軸のネジ山と同じピッチの螺旋状のネジ溝が形成されたネジ穴を有する可動体と、を備え、
前記ネジ山の直径は前記ネジ穴のネジ溝の直径よりも小さく構成され、
前記主軸が前記ネジ穴に隙間を持って偏心可能に螺合され、
前記振動発生装置から直接或いは間接的に供給される振動で前記主軸を円運動させ、
前記可動体に掛かる負荷に応じた回転速度で前記可動体を自転させて、前記ネジ山と前記ネジ溝の螺合により前記主軸の軸方向に直動させる、
ことを特徴とする負荷感応型無段変速機構。
A main shaft having a helical thread with a predetermined pitch and receiving vibration from the vibration generator;
A movable body having a screw hole in which a spiral thread groove having the same pitch as the thread of the main shaft is formed,
The diameter of the thread is configured to be smaller than the diameter of the thread groove of the screw hole,
The main shaft is screwed in an eccentric manner with a gap in the screw hole,
Circular movement of the main shaft by vibration supplied directly or indirectly from the vibration generator;
Rotating the movable body at a rotation speed according to a load applied to the movable body, and linearly moving in an axial direction of the main shaft by screwing the screw thread and the screw groove;
A load-sensitive continuously variable transmission mechanism.
前記振動伝達体或いは前記主軸に直接的或いは間接的に振動を供給する振動発生装置を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の負荷感応型無段変速機構。   3. The load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to claim 1, further comprising a vibration generator that supplies vibration directly or indirectly to the vibration transmission body or the main shaft. 前記振動発生装置がモータであることを特徴とする請求項3に記載の負荷感応型無段変速機構。   4. The load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to claim 3, wherein the vibration generating device is a motor. 前記モータの軸に錘が設置されていることを特徴とする請求項4に記載の負荷感応型無段変速機構。   The load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to claim 4, wherein a weight is installed on the shaft of the motor. 前記振動発生装置が圧電素子であることを特徴とする請求項3に記載の負荷感応型無段変速機構。   4. The load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to claim 3, wherein the vibration generating device is a piezoelectric element. 前記圧電素子から構成される第1の圧電板及び第2の圧電板がそれぞれ前記主軸と平行に配置され、且つ、前記第1の圧電板が前記第2の圧電板に対し前記主軸を中心に略垂直に位置することを特徴とする請求項6に記載の負荷感応型無段変速機構。   A first piezoelectric plate and a second piezoelectric plate each composed of the piezoelectric element are arranged in parallel with the main axis, and the first piezoelectric plate is centered on the main axis with respect to the second piezoelectric plate. The load-sensitive continuously variable transmission mechanism according to claim 6, wherein the load-sensitive continuously variable transmission mechanism is positioned substantially vertically.
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