JP2023037679A - ２方向駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシュを低減して出力精度を高めることができ、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる２方向駆動装置を提供する。【解決手段】回転支持体１２が、第１の軸を中心として回転可能に設けられている。円柱形状の内側回転体１３が、中心軸の第２の軸が第１の軸と直交し、第２の軸を中心として回転可能に回転支持体１２に設けられている。円筒状の外側回転体１４が、内側回転体１３の両側方を覆い、第１の軸を中心として回転可能に設けられている。外側回転体１４は、内側面に、周方向に伸びるトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられた複数の係合部を有している。内側回転体１３は、第２の軸と斜交する方向に突出し、先端部が対応する係合部に係合した複数の突出部を有している。外側回転体１４を回転させたとき、各突出部が各係合部に沿って相対的にスライド移動し、内側回転体１３が第２の軸を中心として回転する。【選択図】図１

Description

本発明は、２方向駆動装置に関する。

従来、ロボットアームの関節などの駆動機構として、１つの関節で複数方向への駆動を可能にするために、コニカルギア（テーパーギア）や、かさ歯車、ウォームギアなどを用いて、所定の軸周りの２つの回転を、それぞれ直交する２つの軸周りの回転に変換可能な駆動装置が開発されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。

このような駆動装置を利用することにより、２方向への駆動に限らず、例えば球状歯車を２方向に回転駆動させることで、回転３自由度（３－ＲＤｏＦ）を実現することもでき（例えば、特許文献２、３、非特許文献１参照）、ロボットアームの関節等の小型化や高機能化を図ることができる。

特開２０１４－２３７２０６号公報 特開２０１８－８０７１７号公報 特開２０１９－９０４９５号公報

Kazuki Abe, Kenjiro Tadakuma, and Riichiro Tadakuma, "ABENICS: Active Ball Joint Mechanism With Three-DoF Based on Spherical Gear Meshings", IEEE Transactions on Robotics, [online], April 2021, ［令和３年８月７日検索］、インターネット〈URL: https://www.researchgate.net/publication/351357682〉、DOI: 10.1109/TRO.2021.3070124

しかしながら、特許文献１乃至３に記載の２方向駆動装置は、回転方向を変換する際に歯車を用いているため、バックラッシュにより出力に誤差が生じてしまうという課題があった。また、歯車の歯の強度により伝達可能なトルクの大きさが決まるため、小型化すると、大きいトルクを伝達するのが困難になるという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができ、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる２方向駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る２方向駆動装置は、支持部と、前記支持部に支持されて、第１の軸を中心として回転可能に設けられた回転支持体と、所定の厚みを有する円柱形状を成し、その中心軸である第２の軸が前記第１の軸と直交し、前記第２の軸を中心として回転可能に回転支持体に設けられた内側回転体と、円筒状を成し、その中心軸が前記第１の軸と一致し、少なくとも前記内側回転体の両側方を覆うよう、内側に前記内側回転体が配置され、前記支持部に支持されて、前記第１の軸を中心として回転可能に設けられた外側回転体と、前記回転支持体を、前記第１の軸を中心として回転させる内側駆動手段と、前記外側回転体を、前記第１の軸を中心として回転させる外側駆動手段とを有し、前記外側回転体は、内側面に、周方向に伸びる所定の整数周期を有する複数のトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられた複数の係合部を有し、前記内側回転体は、各係合部に対応して設けられた複数の突出部を有し、各突出部は、それぞれ前記内側回転体のいずれか一方の側面から、前記第２の軸と斜交する方向に突出しており、先端部が対応する係合部に係合し、その係合部に沿って相対的にスライド可能に設けられ、前記外側駆動手段により前記外側回転体を回転させたとき、各突出部の先端部が各係合部に沿って相対的にスライド移動することにより、前記内側回転体が前記第２の軸を中心として回転するよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係る２方向駆動装置は、外側駆動手段により、第１の軸を中心として外側回転体を回転させることにより、外側回転体の内側面に設けられた各係合部が、周方向に沿って移動すると共に、対応する係合部に係合した各突出部の先端部も、各係合部に沿って相対的にスライド移動する。このとき、各係合部が所定の整数周期を有する複数のトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられ、各突出部が内側回転体のいずれか一方の側面から、第２の軸と斜交する方向に突出しているため、各突出部の先端部が第２の軸を中心とした円を描くように移動する。これにより、内側回転体を、第２の軸を中心として回転させることができる。また、内側駆動手段により、第１の軸を中心として回転支持体を回転させることにより、回転支持体に設けられた内側回転体を、第１の軸を中心として回転させることができる。このように、本発明に係る２方向駆動装置は、第１の軸周りの２つの回転を、互いに直交する第１の軸および第２の軸周りの内側回転体の回転に変換することができる。

本発明に係る２方向駆動装置は、外側駆動手段による第１の軸を中心とした回転を、直交する第２の軸を中心とした回転に変換する際に、歯車ではなく、外側回転体の内側面に設けられた各係合部と、内側回転体のいずれか一方の側面に設けられた各突出部とを利用したカム機構を用いている。これにより、歯車を用いて回転方向を変換する従来の装置と比べて、内蔵する歯車の数を減らすことができ、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができる。また、回転方向の変換に歯車を用いないため、歯の強度により伝達するトルクを制限する必要がなく、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる。

本発明に係る２方向駆動装置で、各係合部は、外側回転体の内側面上で、周方向に伸びる直線に沿って円を転がしたときに、その円の内部または外部の定点が描くトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられていることが好ましい。特に、各係合部は、前記第１の軸に対して直交し前記第２の軸を含む面と前記外側回転体の内側面とが交わる線に対して、半周期毎に左右が入れ替わる各トロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられていることが好ましい。これらのトロコイド曲線は、円の中心が、前記第１の軸に対して直交し前記第２の軸を含む面と前記外側回転体の内側面とが交わる線の上を移動するよう、その円を転がすことにより描くことができる。この場合、内側回転体を第２の軸を中心としてスムーズに回転させることができる。また、この場合、各トロコイド曲線は、前記外側回転体の内側面の周方向での位置に対する位相が互いに異なっていることが好ましい。これにより、外側駆動手段による回転方向と、内側回転体の第２の軸を中心とした回転方向を対応させることができ、第２の軸を中心として所望の方向に内側回転体を回転させることができる。なお、各係合部は、外側回転体の内側面の幅方向での振幅が同じであっても、異なっていてもよい。

本発明に係る２方向駆動装置で、各係合部および各突出部は、各突出部の先端部が、対応する係合部に係合した状態で、その係合部に沿って相対的にスライド可能であれば、いかなる構成であってもよい。また、各係合部および各突出部は、それぞれ２つであっても、３つ以上であってもよい。例えば、各突出部は、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の一方の側面から突出した第１突出部と、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の他方の側面から突出し、前記第１突出部よりも先端部の径が大きく、前記内側回転体からの突出量が小さい前記第２突出部とを有しており、各係合部は、前記第１突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成る第１スライド溝と、前記第２突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成り、前記第１スライド溝より幅が広く浅い第２スライド溝とを有していてもよい。このように、各突出部の大きさや突出量、および、スライド溝から成る各係合部の幅や深さを変えることにより、内側回転体を第２の軸を中心としてスムーズに回転させることができる。

また、本発明に係る２方向駆動装置で、内側駆動手段は、第１の軸に平行な回転軸または第１の軸と同軸の回転軸を有するモータにより、回転支持体を回転させるよう構成され、外側駆動手段は、第１の軸に平行な回転軸または第１の軸と同軸の回転軸を有するモータにより、外側回転体を回転させるよう構成されていてもよい。この場合、より簡単な構造にすることができる。また、内蔵する歯車の数を減らすことができ、バックラッシュをより低減することができる。

本発明に係る２方向駆動装置で、前記内側回転体は、前記第１の軸が厚み方向の中心を通るよう配置されていることが好ましい。この場合、内側回転体を、第１の軸を中心としてスムーズに回転させることができる。

本発明によれば、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができ、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる２方向駆動装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の２方向駆動装置を示す、（ａ）斜視図、（ｂ）支持部と外側回転体を切り欠いた一部断面斜視図である。 本発明の実施の形態の２方向駆動装置を示す、（ａ）右側面図、（ｂ）正面図である。 本発明の実施の形態の２方向駆動装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の２方向駆動装置の、外側回転体を示す（ａ）斜視図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図、（ｄ）Ａ－Ａ線断面図、（ｅ）Ｂ－Ｂ線断面図である。 本発明の実施の形態の２方向駆動装置の、外側回転体を示す（ａ）正面図、（ｂ）内側面の展開図、（ｃ） （ａ）のＣ１～Ｃ１２線での断面図である。 本発明の実施の形態の２方向駆動装置の、（ａ）ロボットアームの関節としての使用状態を示す斜視図、（ｂ）内側回転体を鞍状歯車としたときの使用状態を示す斜視図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図５は、本発明の実施の形態の２方向駆動装置を示している。
図１乃至図３に示すように、２方向駆動装置１０は、支持部１１と回転支持体１２と内側回転体１３と外側回転体１４と内側駆動手段１５と外側駆動手段１６とを有している。

支持部１１は、概ね直方体形状を成す支持部本体２１と、支持部本体２１の上部に設けられ、支持部本体２１の厚みより薄い上部支持体２２とを有している。支持部本体２１は、上部が円弧状に盛り上がった断面形状を成している。上部支持体２２は、上方に向かって幅が狭くなり、上部が円弧状の断面形状を成している。

回転支持体１２は、概ね円柱状を成すロール回転体２３と、円環状に設けられた１対の環状取付部２４とを有している。ロール回転体２３は、中心軸である第１の軸４１を水平にした状態で、後端部が支持部本体２１の上部に埋め込まれるようにして、支持部本体２１に取り付けられている。ロール回転体２３は、第１の軸４１を中心として回転可能に、ベアリング３１を介して支持部本体２１に取り付けられている。各環状取付部２４は、ロール回転体２３の先端面の端部から先端側に突出し、ロール回転体２３の中心軸を挟んで対向するよう設けられている。各環状取付部２４は、同じ大きさの内径を有している。

内側回転体１３は、直径より厚みが小さい円柱形状を成している。内側回転体１３は、その中心軸である第２の軸４２が第１の軸４１と直交し、第１の軸４１が厚み方向の中心を通るよう、各環状取付部２４に挟まれて取り付けられている。内側回転体１３は、第２の軸４２を中心として回転可能に、ベアリング３２を介して各環状取付部２４に取り付けられている。内側回転体１３は、各側面から各環状取付部２４の内側を通って、第２の軸４２と斜交する方向に突出するようそれぞれ設けられた第１突出部２５と第２突出部２６とを有している。第１突出部２５および第２突出部２６は、先端部が円柱形状を成し、先端部の周縁に沿ってベアリング３３が取り付けられている。第２突出部２６は、第１突出部２５よりも先端部の径が大きく、内側回転体１３からの突出量が小さく形成されている。

図４に示すように、外側回転体１４は、幅方向の中央部が円弧状に外側に膨らんだ円筒状を成している。外側回転体１４は、内側面に、周方向に沿って設けられた第１スライド溝２７および第２スライド溝２８から成る２つの係合部を有している。図５に示すように、第１スライド溝２７および第２スライド溝２８は、外側回転体１４の内側面の幅方向の中心線１４ａに対して、半周期毎に左右が入れ替わる２つのトロコイド曲線２７ａ，２８ａに沿って、それぞれ設けられている。第１スライド溝２７は、所定の深さおよび幅を有し、トロコイド曲線２７ａがその幅の中心になるよう形成されている。第２スライド溝２８は、第１スライド溝２７より浅く広い幅を有し、トロコイド曲線２８ａがその幅の中心になるよう形成されている。各トロコイド曲線２７ａ，２８ａは、外側回転体１４の内側面の周方向に沿って１周で１周期となるよう設けられ、周方向での位置に対する位相が互いに異なるよう設けられている。

外側回転体１４は、その中心軸が第１の軸４１と一致し、内側に内側回転体１３が挿入された状態で、内側回転体１３の両側方を覆うよう配置されている。外側回転体１４は、後端面に沿って、後端側に突出した円筒状のフランジ部２９を有している。フランジ部２９は、外側面に歯が形成されており、平歯車を成している。図１乃至図３に示すように、外側回転体１４は、第１の軸４１を中心として回転可能に、ベアリング３４を介して、フランジ部２９がロール回転体２３の先端部の側面に取り付けられている。これにより、外側回転体１４は、支持部１１に支持されている。

図１（ｂ）および図３に示すように、第１スライド溝２７は、第１突出部２５の先端部を挿入して係合可能に設けられ、第２スライド溝２８は、第２突出部２６の先端部を挿入して係合可能に設けられている。また、第１突出部２５は、その先端部が第１スライド溝２７に係合した状態で、第１スライド溝２７に沿って相対的にスライド可能に設けられている。また、第２突出部２６も、その先端部が第２スライド溝２８に係合した状態で、第２スライド溝２８に沿って相対的にスライド可能に設けられている。なお、第１スライド溝２７および第２スライド溝２８は、第１の軸４１に対して直交し第２の軸４２を含む面と、外側回転体１４の内側面とが交わる線（中心線１４ａ）に対して、半周期毎に左右が入れ替わる各トロコイド曲線２７ａ，２８ａに沿って設けられている。

内側駆動手段１５は、モータから成り、その回転軸１５ａが第１の軸４１と同軸となるよう、後端側から支持部本体２１に取り付けられている。内側駆動手段１５は、支持部本体２１を貫通して、その回転軸１５ａの先端がロール回転体２３の後端面に接続され、回転支持体１２を、第１の軸４１を中心として回転可能に設けられている。

外側駆動手段１６は、モータから成り、その回転軸１６ａの先端に平歯車から成る伝導歯車３０が取り付けられている。伝導歯車３０は、フランジ部２９の平歯車と噛み合うよう設けられている。外側駆動手段１６は、その回転軸１６ａが第１の軸４１に平行を成し、伝導歯車３０がフランジ部２９の平歯車と噛み合うよう、後端側から上部支持体２２を貫通するよう取り付けられている。外側駆動手段１６は、伝導歯車３０を介して、外側回転体１４を、第１の軸４１を中心として回転可能に設けられている。

２方向駆動装置１０は、外側駆動手段１６により第１の軸４１を中心として外側回転体１４を回転させたとき、第１スライド溝２７および第２スライド溝２８が外側回転体１４の周方向に沿って移動すると共に、第１突出部２５および第２突出部２６の先端部が、それぞれ第１スライド溝２７および第２スライド溝２８に沿って相対的にスライド移動するよう構成されている。また、これにより、第１突出部２５および第２突出部２６の先端部が第２の軸４２を中心とした円を描くように移動し、内側回転体１３が、第２の軸４２を中心として回転するよう構成されている。

次に、作用について説明する。
２方向駆動装置１０は、外側駆動手段１６により、第１の軸４１を中心として外側回転体１４を回転させることにより、内側回転体１３を、第２の軸４２を中心として回転させることができる。また、内側駆動手段１５により、第１の軸４１を中心として回転支持体１２を回転させることにより、回転支持体１２に設けられた内側回転体１３を、第１の軸４１を中心として回転させることができる。このように、２方向駆動装置１０は、第１の軸４１周りの２つの回転を、互いに直交する第１の軸４１および第２の軸４２周りの内側回転体１３の回転に変換することができる。

２方向駆動装置１０は、外側駆動手段１６による第１の軸４１を中心とした回転を、直交する第２の軸４２を中心とした回転に変換する際に、歯車ではなく、外側回転体１４の内側面に設けられた第１スライド溝２７および第２スライド溝２８と、内側回転体１３の各側面に設けられた第１突出部２５および第２突出部２６とを利用したカム機構を用いている。これにより、歯車を用いて回転方向を変換する従来の装置と比べて、内蔵する歯車の数を減らすことができ、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができる。また、ウォームギアを用いる従来の装置と比べて、ウォームギアによる滑り摩擦が生じないため、伝達効率を高めることができる。また、回転方向の変換に歯車を用いないため、歯の強度により伝達するトルクを制限する必要がなく、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる。また、構成する部品数を減らすことができ、比較的簡単な構造にすることができる。

２方向駆動装置１０は、第１スライド溝２７および第２スライド溝２８の各トロコイド曲線２７ａ，２８ａが、外側回転体１４の内側面の周方向での位置に対する位相が互いに異なるよう設けられているため、外側駆動手段１６による回転方向と、内側回転体１３の第２の軸４２を中心とした回転方向を対応させることができ、第２の軸４２を中心として所望の方向に内側回転体１３を回転させることができる。なお、第１スライド溝２７および第２スライド溝２８の各トロコイド曲線２７ａ，２８ａは、外側回転体１４の内側面の幅方向での振幅が同じであっても、異なっていてもよい。

２方向駆動装置１０は、第１突出部２５および第２突出部２６の大きさや突出量、ならびに、第１スライド溝２７および第２スライド溝２８の幅や深さが異なっているため、内側回転体１３を第２の軸４２を中心としてスムーズに回転させることができる。また、２方向駆動装置１０は、第１の軸４１が内側回転体１３の厚み方向の中心を通るよう設けられているため、内側回転体１３を、第１の軸４１を中心としてスムーズに回転させることができる。

なお、２方向駆動装置１０で、外側回転体１４の係合部および内側回転体１３の突出部は、２つに限らず、３つ以上であってもよい。また、各係合部および各突出部は、各突出部の先端部が、対応する係合部に係合した状態で、その係合部に沿って相対的にスライド可能であれば、各係合部が溝から成る構成に限らず、いかなる構成であってもよい。

２方向駆動装置１０は、外側回転体１４の先端側の開口から、内側回転体１３の動きを出力として取り出すことができる。２方向駆動装置１０は、内側回転体１３を２方向に回転可能であるため、例えば、図６（ａ）に示すように、内側回転体１３にアーム５１を接続することにより、複数方向に駆動可能なロボットアームの関節等を駆動するのに利用することができる。また、例えば、図６（ｂ）に示すように、内側回転体１３の外側面に歯を形成して特許文献２、３、または非特許文献１に記載の鞍状歯車とし、この２方向駆動装置１０を２台使用して、特許文献２、３、または非特許文献１に記載の球状歯車を、それぞれ別の方向から回転駆動させることにより、回転３自由度（３－ＲＤｏＦ）を実現することもできる。また、内側回転体１３自体や、内側回転体１３で駆動する球状歯車などを、全方向移動車輪として使用することもできる。

１０ ２方向駆動装置
１１ 支持部
２１ 支持部本体
２２ 上部支持体
１２ 回転支持体
２３ ロール回転体
２４ 環状取付部
１３ 内側回転体
２５ 第１突出部
２６ 第２突出部
１４ 外側回転体
１４ａ 中心線
２７ 第１スライド溝
２７ａ トロコイド曲線
２８ 第２スライド溝
２８ａ トロコイド曲線
２９ フランジ部
１５ 内側駆動手段
１６ 外側駆動手段
３０ 伝導歯車
３１、３２、３３、３４ ベアリング

５１ アーム

Claims (5)

1. 支持部と、
   前記支持部に支持されて、第１の軸を中心として回転可能に設けられた回転支持体と、
   所定の厚みを有する円柱形状を成し、その中心軸である第２の軸が前記第１の軸と直交し、前記第２の軸を中心として回転可能に回転支持体に設けられた内側回転体と、
   円筒状を成し、その中心軸が前記第１の軸と一致し、少なくとも前記内側回転体の両側方を覆うよう、内側に前記内側回転体が配置され、前記支持部に支持されて、前記第１の軸を中心として回転可能に設けられた外側回転体と、
   前記回転支持体を、前記第１の軸を中心として回転させる内側駆動手段と、
   前記外側回転体を、前記第１の軸を中心として回転させる外側駆動手段とを有し、
   前記外側回転体は、内側面に、周方向に伸びる所定の整数周期を有する複数のトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられた複数の係合部を有し、
   前記内側回転体は、各係合部に対応して設けられた複数の突出部を有し、各突出部は、それぞれ前記内側回転体のいずれか一方の側面から、前記第２の軸と斜交する方向に突出しており、先端部が対応する係合部に係合し、その係合部に沿って相対的にスライド可能に設けられ、
   前記外側駆動手段により前記外側回転体を回転させたとき、各突出部の先端部が各係合部に沿って相対的にスライド移動することにより、前記内側回転体が前記第２の軸を中心として回転するよう構成されていることを
   特徴とする２方向駆動装置。
2. 各係合部は、前記第１の軸に対して直交し前記第２の軸を含む面と前記外側回転体の内側面とが交わる線に対して、半周期毎に左右が入れ替わる各トロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載の２方向駆動装置。
3. 各トロコイド曲線は、前記外側回転体の内側面の周方向での位置に対する位相が互いに異なっていることを特徴とする請求項２記載の２方向駆動装置。
4. 各突出部は、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の一方の側面から突出した第１突出部と、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の他方の側面から突出し、前記第１突出部よりも先端部の径が大きく、前記内側回転体からの突出量が小さい前記第２突出部とを有しており、
   各係合部は、前記第１突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成る第１スライド溝と、前記第２突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成り、前記第１スライド溝より幅が広く浅い第２スライド溝とを有していることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の２方向駆動装置。
5. 前記内側回転体は、前記第１の軸が厚み方向の中心を通るよう配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の２方向駆動装置。
   
   

Images