JP2010065718A - Load-sensitive continuously variable transmission mechanism - Google Patents
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Abstract
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
(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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (7)
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.
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.
Priority Applications (1)
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