JP2018519482A - 可変有効径ローラを伴う純回転サイクロイド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】装置は、開放環状空間を有する第1のリングであって、第1のリングの内側周囲面上に設けられた一連の可変幅溝を有する第1のリングと、第1のリングの開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、第2のリングの外側周囲面上に設けられた対応する一連の可変幅溝を有する第2のリングと、第1のリングの内側周囲面と第2のリングの外側周囲面との間に設けられ、第1のリングの内側周囲面上で及び第2のリングの外側周囲面上で転がるように、かつそれらの間で回転可能であるように構成された複数のローラとを含む。
【選択図】図2D
Description
本出願は、2015年6月26日に出願され「Pure Rolling Cycloid(純回転サイクロイド)」と題された米国仮特許出願第62/185,502号の優先権を主張する。該出願は、あたかもその全文が本説明に記載されるかのように、参照によって本書に組み込まれる。
本発明は、米国陸軍によって授与された契約第W31P4Q−13−C−0046号下で米国政府支援によってなされた。米国政府は、本発明において特定の権利を保有しえる。
特定の用途のためのトランスミッションの選択又は設計は、複数の要因を検討することを伴う。要因の例として、負荷容量、効率、及びコストが挙げられる。トランスミッションシステムは、もし大負荷容量に合わせて設計されると重くなりえる。他方、小さいトランスミッションシステムは、負荷容量が小さい傾向がある。更に、トランスミッションシステムは、効率や緩みなどのパラメータによって定義される性能の高さが所望される場合に高価になる傾向がある。したがって、所定のサイズに対して負荷容量を増加できる及び製造コストを削減できるトランスミッションシステムが、有益であることができる。
本書で使用される「サイクロイド」という用語は、円形ホイールが直線状の又は円状の経路のいずれかに沿って滑ることなく転がるのに伴って、上記ホイールの縁上の点がたどる曲線を言う。一例では、サイクロイド運動は、円形ホイールが主要な円又はリングの内側で転がるときに生じる。図1Aは、一実装形態例にしたがった、リング102内で転がる円100を例示している。円100がリング102の内表面に沿って移動するのに伴って、円100の縁上の点104がサイクロイド曲線をたどる。
図2A、図2B、図2C、図2D、図2E、及び図2Fは、一実装形態例にしたがった、サイクロイド駆動装置の一例を例示している。具体的には、図2Aは、一実装形態例にしたがった、第1のリング200を例示している。第1のリング200は、開放環状空間202と、第1のリング200の内側周囲面206上に設けられた一連の可変幅切り抜き204A、204B、204C、204D、204E、及び204Fとを有する。
ローラ220Cは、ローラ220Dの切り抜き204Cへの嵌りよりも更に、切り抜き204Dへの嵌りが多い。ローラ220A〜Eは、切り抜き210A〜Dを横断するのに伴って、同様に振る舞い、第2のリング208の切り抜き204A〜Dに多く又は少なく嵌り込む。切り抜き又は切り抜きを画定している溝の可変幅は、ローラが切り抜き又は溝を横断するのに伴ってローラの可変有効径を生じさせる手段である。これらの可変有効径ローラは、装置216における純回転運動の維持を可能にする。
純回転は、剛体の、それらの接触点における直線速度の大きさ及び方向の両方が一致するときに起きる。図2Dは、一実装形態例にしたがった、装置216の簡易図を例示している。以下の解析は、任意のローラ数又は減速比に対して成り立つ。図2Dは、装置216、及びローラ220A〜Eの純回転を実現するパラメータ間の関係の解析を促す。
次に、図2A〜2Fで説明された装置216の幾つかの代替構成の例が説明される。上述された構成では、ローラ220A〜Eは、球形で示されている。図3A〜3Bは、一実装形態にしたがった、非球形ローラの使用を例示している。
図2A〜2C、図3A〜3B、図4A〜4B、図5A〜5B、及び図6A〜6Bに関連して上述された構成は、可変有効径ローラによるサイクロイド駆動の様々な実装形態例を例示している。様々なその他のタイプの溝、切り抜き、又は通路が、対応するローラ構成及び形状とともに使用されえる。更に、ローラの軸対称性を維持するその他のローラ断面が使用されえる。
図8は、一実装形態例にしたがった、差動サイクロイド駆動800の斜視断面図を例示している。差動サイクロイド駆動800は、図8に示されるように差動的に接続された2つのサイクロイド駆動802及び804を含む。サイクロイド駆動802及び804は、上述されたうちの任意の構成を有してよく、互いに異なる減速比を有しえる。
機械システムにおけるバックラッシュを軽減又は排除することが所望される。上述された装置及びシステムにおけるバックラッシュの源は、1つには、ローラと通路、溝、又は切り抜きとの間の製造公差である。
上記のように、サイクロイド駆動の第2の(内部)リング(例えば、第2のリング208、400、500、600、及び806のうちの任意)は、軸受け又は駆動部材を通じて入力シャフトに偏心して装着される。サイクロイド駆動の第2のリングには、サイクロイド駆動の出力シャフトが結合され、したがって、出力シャフトは、偏心運動を有し、第2のリングの回転軸に対して垂直な方向に変位する。同心角回転を伝達するためには、変位が排除できる。
本書で説明される配置は、例示目的に過ぎないことが理解されるべきである。しかるがゆえに、当業者ならば、その他の配置及びその他の要素(例えば、機械、界面、順番、動作群など)が代わりに使用できること、並びに所望の結果にしたがって一部の要素が完全に省略されてよいことがわかる。
本発明は、たとえば、以下のような態様で実現することもできる。
適用例1:
装置であって、
開放環状空間を有する第1のリングであって、前記第1のリングの内側周囲面上に設けられた一連の可変幅切り抜きを有する第1のリングと、
前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、前記第2のリングの外側周囲面上に設けられた対応する一連の可変幅切り抜きを有する第2のリングと、
前記第1のリングの前記内側周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間に設けられ、前記第1のリングの前記内側周囲面上で及び前記第2のリングの前記外側周囲面上で転がるように、かつそれらの間で回転可能であるように構成された複数のローラと、
を備え、
前記第1のリングは、可変幅切り抜きの総数を有し、前記第2のリングは、可変幅切り抜きの総数を有し、前記第2のリングの前記可変幅切り抜きの総数は、前記第1のリングの前記可変幅切り抜きの総数よりも小さく、前記複数のローラの総数は、前記第1のリングの前記可変幅切り抜きの総数よりも小さく、かつ前記第2のリングの前記可変幅切り抜きの総数よりも大きい、装置。
適用例2:
適用例1の装置であって、
前記複数のローラのうちのあらかじめ定められたローラが、前記第1のリングの前記可変幅切り抜き又は前記第2のリングの前記可変幅切り抜きのいずれかの可変幅切り抜きを横断するのに伴って、前記第1のリングの中心と前記あらかじめ定められたローラとの間の半径方向の距離が変化する、装置。
適用例3:
適用例1の装置であって、
前記可変幅切り抜きのうちの少なくとも1つの切り抜きは、前記切り抜きの第1の端において第1の幅から始まり、増加して前記切り抜きの中心において前記第1の幅よりも広い第2の幅になり、狭まって前記切り抜きの第2の端において前記第1の幅に戻る、装置。
適用例4:
適用例1の装置であって、更に、
前記第1のリングと前記第2のリングとの間に設けられ、前記複数のローラを互いに結合するように構成されたローラケージであって、前記複数のローラが前記第1のリングの前記内側周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間で転がるのに伴って、前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能であるローラケージを備える装置。
適用例5:
適用例4の装置であって、
前記ローラケージは、前記複数のローラをそれらが互いから等距離であるように結合する、装置。
適用例6:
適用例1の装置であって、
前記複数のローラは、球形である、装置。
適用例7:
適用例1の装置であって、
前記複数のローラは、それぞれ、前記第2のリングの回転軸に平行な面内においてひし形の断面を及び前記第2のリングの前記回転軸に垂直な面内において円形の断面を有する、装置。
適用例8:
適用例1の装置であって、
前記第1のリングの前記内側周囲面は、その中に設けられた可変幅溝を有し、前記可変幅溝の幅は、第1の幅と、前記第1の幅よりも広い第2の幅との間で変化し、前記可変幅切り抜きは、前記第1の幅から前記第2の幅に増加して前記第1の幅に戻る前記可変幅溝の領域を含み、前記可変幅切り抜きは、前記第1の幅を有する前記可変幅溝の部分によって隔てられる、装置。
適用例9:
適用例1の装置であって、
前記第1のリングは、固定されている、装置。
適用例10:
装置であって、
開放環状空間を有する第1のリングであって、前記第1のリングの内側周囲面に沿って空間的に順次配置された複数の凹みを有し、前記複数の凹みを含む前記内側周囲面内に溝が設けられる第1のリングと、
前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、前記第2のリングの外側周囲面に沿って空間的に順次配置された対応する複数の凹みを有し、前記複数の凹みを含む前記外側周囲面内に対応する溝が設けられる、第2のリングと、
前記第2のリングが前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転するのに伴って、前記内側周囲面内に設けられた前記溝及び前記外側周囲面内に設けられた前記対応する溝に係合してこれらの溝内で転がるように構成された複数のローラと、
を備える装置。
適用例11:
適用例10の装置であって、
前記第1のリングは、凹みの総数を有し、前記第2のリングは、凹みの総数を有し、前記第2のリングの前記凹みの総数は、前記第1のリングの前記凹みの総数よりも小さく、前記複数のローラの総数は、前記第1のリングの前記凹みの総数よりも小さく、かつ前記第2のリングの前記凹みの総数よりも大きい、装置。
適用例12:
適用例10の装置であって、更に、
前記第1のリングと前記第2のリングとの間に設けられ、前記複数のローラを互いに結合するように構成されたローラケージであって、前記複数のローラが前記第1のリングの前記内側周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間で転がるのに伴って、前記開放環状空間内で回転可能であるローラケージを備える装置。
適用例13:
適用例10の装置であって、
前記第1のリング又は前記第2のリングのいずれかは、固定されている、装置。
適用例14:
適用例10の装置であって、
前記複数のローラのうちのあらかじめ定められたローラが、前記第1のリングの前記溝及び前記複数の凹み、並びに第2のリングの前記対応する溝及び前記対応する複数の凹みを横断するのに伴って、前記第1のリングの中心と前記あらかじめ定められたローラとの間の半径方向の距離が変化する、装置。
適用例15:
装置であって、
開放環状空間を有する第1のリングであって、前記第1のリングの内側周囲面上に設けられた可変幅溝を有する第1のリングと、
前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、前記第2のリングの外側周囲面上に設けられた対応する可変幅溝を有する第2のリングと、
前記第1のリングの前記内部周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間に設けられ、前記第1のリングの前記可変幅溝及び前記第2のリングの前記対応する可変幅溝に係合しつつ前記第1のリングの前記内側周囲面上で及び前記第2のリングの前記外側周囲面上で転がるように、かつそれらの間で回転可能であるように構成された複数のローラと、
を備える装置。
適用例16:
適用例15の装置であって、
前記第1のリングの前記可変幅溝は、複数の領域を、前記複数の領域のうちの少なくとも1つの領域が前記領域の第1の端において第1の幅から始まり、増加して前記領域の中心において前記第1の幅よりも広い第2の幅になり、狭まって前記領域の第2の端において前記第1の幅に戻るように、画定し、
前記第2のリングの前記対応する可変幅溝は、対応する複数の領域を、前記対応する複数の領域のうちの少なくとも1つの対応する領域が前記対応する領域の対応する第1の端において前記第1の幅から始まり、増加して前記対応する領域の対応する中心において前記第2の幅になり、狭まって前記対応する領域の対応する第2の端において前記第1の端に戻るように、画定する、装置。
適用例17:
適用例16の装置であって、
前記第1のリングの前記可変幅溝によって画定される領域の総数は、前記第2のリングの前記対応する可変幅溝によって画定される領域の総数よりも小さく、
前記複数のローラの総数は、前記第1のリングの前記可変幅溝によって画定される前記領域の総数よりも小さく、かつ前記第2のリングの前記対応する可変幅溝によって画定される前記領域の総数よりも大きい、装置。
適用例18:
適用例15の装置であって、
前記複数のローラのうちのあらかじめ定められたローラが、前記第1のリングの前記可変幅溝及び前記第2のリングの前記対応する可変幅溝を横断するのに伴って、前記第2のリングの中心と前記あらかじめ定められたローラとの間の半径方向の距離が変化する、装置。
適用例19:
適用例15の装置であって、
前記可変幅溝は、第1の可変幅溝であり、前記対応する可変幅溝は、第1の対応する可変幅溝であり、前記第1のリングは、前記第1の可変幅溝に平行に設けられた第2の可変幅溝を有し、前記第2のリングは、前記第1の対応する可変幅溝に平行に設けられた第2の対応する可変幅溝を有する、装置。
適用例20:
適用例19の装置であって、
前記複数のローラのうちの少なくとも1つのローラは、互いに結合され前記第1のリングの前記第1の及び第2の可変幅溝並びに前記第2のリングの前記第1の及び第2の対応する可変幅溝を横断するように構成された2つの隣り合うローラを含む、装置。
Claims (20)
- 装置であって、
開放環状空間を有する第1のリングであって、前記第1のリングの内側周囲面上に設けられた一連の可変幅切り抜きを有する第1のリングと、
前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、前記第2のリングの外側周囲面上に設けられた対応する一連の可変幅切り抜きを有する第2のリングと、
前記第1のリングの前記内側周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間に設けられ、前記第1のリングの前記内側周囲面上で及び前記第2のリングの前記外側周囲面上で転がるように、かつそれらの間で回転可能であるように構成された複数のローラと、
を備え、
前記第1のリングは、可変幅切り抜きの総数を有し、前記第2のリングは、可変幅切り抜きの総数を有し、前記第2のリングの前記可変幅切り抜きの総数は、前記第1のリングの前記可変幅切り抜きの総数よりも小さく、前記複数のローラの総数は、前記第1のリングの前記可変幅切り抜きの総数よりも小さく、かつ前記第2のリングの前記可変幅切り抜きの総数よりも大きい、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記複数のローラのうちのあらかじめ定められたローラが、前記第1のリングの前記可変幅切り抜き又は前記第2のリングの前記可変幅切り抜きのいずれかの可変幅切り抜きを横断するのに伴って、前記第1のリングの中心と前記あらかじめ定められたローラとの間の半径方向の距離が変化する、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記可変幅切り抜きのうちの少なくとも1つの切り抜きは、前記切り抜きの第1の端において第1の幅から始まり、増加して前記切り抜きの中心において前記第1の幅よりも広い第2の幅になり、狭まって前記切り抜きの第2の端において前記第1の幅に戻る、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、更に、
前記第1のリングと前記第2のリングとの間に設けられ、前記複数のローラを互いに結合するように構成されたローラケージであって、前記複数のローラが前記第1のリングの前記内側周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間で転がるのに伴って、前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能であるローラケージを備える装置。 - 請求項4に記載の装置であって、
前記ローラケージは、前記複数のローラをそれらが互いから等距離であるように結合する、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記複数のローラは、球形である、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記複数のローラは、それぞれ、前記第2のリングの回転軸に平行な面内においてひし形の断面を及び前記第2のリングの前記回転軸に垂直な面内において円形の断面を有する、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記第1のリングの前記内側周囲面は、その中に設けられた可変幅溝を有し、前記可変幅溝の幅は、第1の幅と、前記第1の幅よりも広い第2の幅との間で変化し、前記可変幅切り抜きは、前記第1の幅から前記第2の幅に増加して前記第1の幅に戻る前記可変幅溝の領域を含み、前記可変幅切り抜きは、前記第1の幅を有する前記可変幅溝の部分によって隔てられる、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記第1のリングは、固定されている、装置。 - 装置であって、
開放環状空間を有する第1のリングであって、前記第1のリングの内側周囲面に沿って空間的に順次配置された複数の凹みを有し、前記複数の凹みを含む前記内側周囲面内に溝が設けられる第1のリングと、
前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、前記第2のリングの外側周囲面に沿って空間的に順次配置された対応する複数の凹みを有し、前記複数の凹みを含む前記外側周囲面内に対応する溝が設けられる、第2のリングと、
前記第2のリングが前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転するのに伴って、前記内側周囲面内に設けられた前記溝及び前記外側周囲面内に設けられた前記対応する溝に係合してこれらの溝内で転がるように構成された複数のローラと、
を備える装置。 - 請求項10に記載の装置であって、
前記第1のリングは、凹みの総数を有し、前記第2のリングは、凹みの総数を有し、前記第2のリングの前記凹みの総数は、前記第1のリングの前記凹みの総数よりも小さく、前記複数のローラの総数は、前記第1のリングの前記凹みの総数よりも小さく、かつ前記第2のリングの前記凹みの総数よりも大きい、装置。 - 請求項10に記載の装置であって、更に、
前記第1のリングと前記第2のリングとの間に設けられ、前記複数のローラを互いに結合するように構成されたローラケージであって、前記複数のローラが前記第1のリングの前記内側周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間で転がるのに伴って、前記開放環状空間内で回転可能であるローラケージを備える装置。 - 請求項10に記載の装置であって、
前記第1のリング又は前記第2のリングのいずれかは、固定されている、装置。 - 請求項10に記載の装置であって、
前記複数のローラのうちのあらかじめ定められたローラが、前記第1のリングの前記溝及び前記複数の凹み、並びに第2のリングの前記対応する溝及び前記対応する複数の凹みを横断するのに伴って、前記第1のリングの中心と前記あらかじめ定められたローラとの間の半径方向の距離が変化する、装置。 - 装置であって、
開放環状空間を有する第1のリングであって、前記第1のリングの内側周囲面上に設けられた可変幅溝を有する第1のリングと、
前記第1のリングの前記開放環状空間内で回転可能な第2のリングであって、前記第2のリングの外側周囲面上に設けられた対応する可変幅溝を有する第2のリングと、
前記第1のリングの前記内部周囲面と前記第2のリングの前記外側周囲面との間に設けられ、前記第1のリングの前記可変幅溝及び前記第2のリングの前記対応する可変幅溝に係合しつつ前記第1のリングの前記内側周囲面上で及び前記第2のリングの前記外側周囲面上で転がるように、かつそれらの間で回転可能であるように構成された複数のローラと、
を備える装置。 - 請求項15に記載の装置であって、
前記第1のリングの前記可変幅溝は、複数の領域を、前記複数の領域のうちの少なくとも1つの領域が前記領域の第1の端において第1の幅から始まり、増加して前記領域の中心において前記第1の幅よりも広い第2の幅になり、狭まって前記領域の第2の端において前記第1の幅に戻るように、画定し、
前記第2のリングの前記対応する可変幅溝は、対応する複数の領域を、前記対応する複数の領域のうちの少なくとも1つの対応する領域が前記対応する領域の対応する第1の端において前記第1の幅から始まり、増加して前記対応する領域の対応する中心において前記第2の幅になり、狭まって前記対応する領域の対応する第2の端において前記第1の端に戻るように、画定する、装置。 - 請求項16に記載の装置であって、
前記第1のリングの前記可変幅溝によって画定される領域の総数は、前記第2のリングの前記対応する可変幅溝によって画定される領域の総数よりも小さく、
前記複数のローラの総数は、前記第1のリングの前記可変幅溝によって画定される前記領域の総数よりも小さく、かつ前記第2のリングの前記対応する可変幅溝によって画定される前記領域の総数よりも大きい、装置。 - 請求項15に記載の装置であって、
前記複数のローラのうちのあらかじめ定められたローラが、前記第1のリングの前記可変幅溝及び前記第2のリングの前記対応する可変幅溝を横断するのに伴って、前記第2のリングの中心と前記あらかじめ定められたローラとの間の半径方向の距離が変化する、装置。 - 請求項15に記載の装置であって、
前記可変幅溝は、第1の可変幅溝であり、前記対応する可変幅溝は、第1の対応する可変幅溝であり、前記第1のリングは、前記第1の可変幅溝に平行に設けられた第2の可変幅溝を有し、前記第2のリングは、前記第1の対応する可変幅溝に平行に設けられた第2の対応する可変幅溝を有する、装置。 - 請求項19に記載の装置であって、
前記複数のローラのうちの少なくとも1つのローラは、互いに結合され前記第1のリングの前記第1の及び第2の可変幅溝並びに前記第2のリングの前記第1の及び第2の対応する可変幅溝を横断するように構成された2つの隣り合うローラを含む、装置。
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