JP5119394B2

JP5119394B2 - 可変減速機

Info

Publication number: JP5119394B2
Application number: JP2008172365A
Authority: JP
Inventors: 清永井; 洋介池上
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: JP2010014145A

Description

本発明は、摩擦力に頼ることなく駆動力を伝達することができ、且つ、減速比を連続的に変化させることができる可変減速機に関する。

一般的な減速機としては、歯車を利用したものや自動車等の駆動力の伝達に利用されるＣＶＴ（Continuously Variable Transmission：連続可変変速機）等が知られている。

歯車を利用した一般的な減速機としては、例えば、平歯車減速機等がある。平歯車は、回転軸に平行に歯を切った歯車で円筒面上に歯筋が軸と平行になっている。平歯車減速機では、２つの歯車を噛み合わせることにより、駆動力の増加（又は減少）と回転速度の減少（又は増加）を行うことができ、ロボットの関節機構等にも利用されている。

また、ＣＶＴは、減速比を可変にするため、歯車の歯を設ける代わりに回転軸間に大きな押し付け力を加え、摩擦力により駆動力を伝達するものである。ＣＶＴとしては、例えば、図９に示すように２つのテーパ回転軸１０１，１０２を対向させ、その中間にローラ１０３を設けたＣＶＴ１００等がある。このＣＶＴ１００では、ローラ１０３を移動させることにより減速比を連続的に変えることができる。

しかしながら、平歯車等は、歯車の歯数比が減速比（変速比）となるため、減速比は一定の固定減速機となる。そのため、連続的に減速比を変えることはできない。

また、ＣＶＴは、摩擦力によって回転駆動力を伝達するので、小型化するには、駆動力を伝達する回転軸間に作用させる摩擦力を大きくする必要があるため、装置の小型化は困難である。従って、小型化が要求されるようなリハビリロボットや福祉ロボット等にＣＶＴを利用するには、問題があった。

本発明は、上記のような種々の課題を解決することを目的としてなされたものであって、回転軸に入力された駆動力を摩擦力に頼ることなく出力側の回転軸に出力することができ、且つ、減速比を可変にすることが可能な可変減速機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の関節機構は、外部からの駆動力が入力される第１回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第１案内手段を有する第１の揺動リンクと、前記駆動力を出力する第２回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第２案内手段を有する第２の揺動リンクと、前記第１回転軸と前記第２回転軸の間の距離方向に移動可能であり、且つ、前記距離方向と直交する方向に沿って設けられた第３案内手段を有する移動部材と、該移動部材を前記第１回転軸と前記第２回転軸の間の距離方向に移動させる移動手段と、前記第１案内手段、前記第２案内手段、及び前記第３案内手段に沿って移動可能に連結されるポストと、を備え、前記移動手段により前記移動部材の前記第１回転軸と前記第２回転軸との距離比を調節することにより前記第１回転軸に入力された駆動力を前記第２回転軸に可変減速させて伝達する可変減速機と、前記第１回転軸に駆動力を入力する第１の駆動手段と、前記第２回転軸に駆動力を入力する第２の駆動手段と、前記第２の揺動リンクに設けられる一対の棒部材にそれぞれ固定された一対の第１プーリーと、前記第２回転軸に設けられる第２プーリー及び第３プーリーと、該第３プーリーに前記第２回転軸を中心に揺動可能に設けられるリンク部材と、前記一対の第１プーリーの一方から前記第２プーリー、前記一対のプーリーの他方、及び前記第３プーリーを介して前記一対のプーリーの一方へ掛け渡されるワイヤーとを備えることを特徴としている。

請求項２に記載の関節機構では、前記移動手段は、駆動手段により回転駆動されるボールネジに螺合するナット部材を介して前記ボールネジに沿って前記移動部材を移動させることを特徴としている。

請求項１に記載の関節機構によれば、移動手段により移動部材を駆動力が入力される第１回転軸と駆動力を出力する第２回転軸との間を移動させることにより、移動部材の第１回転軸と第２回転軸との距離比を調節することができる。また、第１回転軸を中心に揺動可能な第１の揺動リンクと第２回転軸を中心に揺動可能な第２の揺動リンクは、それぞれ長手方向に沿って設けられた第１案内手段と第２案内手段を有しており、この第１案内手段、第２案内手段及び移動部材に設けられた第３案内手段は、それぞれポストと連結されている。従って、移動部材の第１回転軸と第２回転軸との距離比を調節することにより第１回転軸からポストまでの距離と第２回転軸からポストまでの距離との比が調節される。そして、外部からの駆動力により第１回転軸を中心に揺動運動させることにより、入力された駆動力を第２回転軸に可変減速させて伝達することができる。つまり、移動部材の移動を調節することにより、連続的に減速比に変化させることが可能になる。

また、第１回転軸に入力された駆動力を第２回転軸に伝達するのに摩擦力を必要としない。そのため、減速機を小型化する場合にも、駆動力を伝達する回転軸間に大きな摩擦力を作用させる必要がないので、減速機の小型化を図ることができる。これにより、リハビリロボットや福祉ロボット等のように安全性を確保する必要があるロボット等の関節機構等にも利用を図ることができる。

請求項２に記載の関節機構によれば、駆動手段によりボールネジを回転させることによりナット部材を介して移動部材を移動させることができる。これにより、該移動部材の第１回転軸と第２回転軸との距離比を調節することができるので、減速比を連続的に可変にすることが可能になる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る可変減速機１について、図面に基づき説明する。本発明の第１の実施形態に係る可変減速機１は、図１に示すように、第１の揺動リンク２、第２の揺動リンク３、移動部材４、ポスト５、及び移動手段（ボールネジ機構）６を備えており、第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の間に配置されるクロスリンク構造の揺動運動により、第１回転軸Ｑ１に入力される駆動力を第２回転軸Ｑ２に伝達するものである。

第１の揺動リンク２は、一端側が第１回転軸Ｑ１を中心として揺動可能に軸支されている。図１では、第１回転軸Ｑ１が軸支される台座を省略しているが、実際には、第１回転軸Ｑ１、第２回転軸Ｑ２は、台座に軸支されている。第１の揺動リンク２は、第１回転軸Ｑ１から不図示の駆動手段等により回転駆動力が入力されることにより、第１回転軸Ｑ１を中心として回転（揺動）する。

また、第１の揺動リンク２は、その長手方向に沿って案内溝７が設けられており、該案内溝７に沿ってスライド自在なスライド部材８を備えている。スライド部材８は、ポスト５と連結されるとともに、ポスト５を上下方向に挿通可能に形成されている。そのため、スライド部材８が案内溝７に沿ってスライドするのに伴い、ポスト５も案内溝７に沿って移動することができる。また、第１の揺動リンク２では、案内溝７とともに、図２に示すようにポスト５を通すことが可能な幅を有する空間Ｘが長手方向に沿って形成されている。尚、スライド部材８とポスト５を連結する際は、図３に示すように、上下方向のリニアブッシュ９と球面軸受１０を介してスライド部材８とポスト５が連結されるように構成するのが、好適である。具体的には、ポスト５にリニアブッシュ９を装着し、該リニアブッシュ９を更に球面軸受１０に装着する。そして、球面軸受１０をスライド部材８と連結する。これにより、第１の揺動リンク２の揺動等に伴う角度や上下位置の微小な誤差を許容する構造となる。

第２の揺動リンク３は、第１回転軸Ｑ１から入力された回転駆動力を出力する第２回転軸Ｑ２を中心として揺動可能に設けられている。第２の揺動リンク３も第１の揺動リンク２と同様にその長手方向に沿って案内溝（不図示）が設けられており、該案内溝に沿ってスライド自在なスライド部材８ａを備えている。また、スライド部材８ａは、ポスト５と連結される。そのため、スライド部材８ａが案内溝に沿ってスライドするのに伴い、ポスト５も案内溝に沿って移動することができる。また、このスライド部材８ａもスライド部材８と同様に、リニアブッシュと球面軸受を用いて、ポスト５と連結されるのが好適である。これにより、角度や上下位置の微小な誤差を許容する構造となる。

移動部材４は、ボールネジ機構６により第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の間の距離方向に移動可能に設けられている。ボールネジ機構６は、小型のモータ等からなる駆動手段１１と、該駆動手段１１の回転駆動力を伝達するタイミングベルト１２と、該タイミングベルト１２から伝達される回転駆動力により回転するボールネジ１３と、該ボールネジ１３に螺合されているナット部材１４と、を備えている。ボールネジ１３は、第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の距離方向と同一方向に設けられており、駆動手段１１による回転駆動力がタイミングベルト１２を介して伝達されることにより回転する。そして、ボールネジ１３の回転に伴って、ボールネジ１３に螺合されているナット部材１４は、ボールネジ１３に沿って移動する。尚、ボールネジ機構６自体は、不図示の台座に固定されている。

ナット部材１４は、移動部材４と連結されており、ナット部材１４がボールネジ１３に沿って移動するのに伴って、移動部材４は、第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の距離方向に移動することが可能になる。尚、本実施形態では、移動手段として、駆動手段１１の回転駆動力によりタイミングベルト１２を介してボールネジ１３が回転することによりナット部材１４がボールネジ１３に沿って移動するボールネジ機構６を例にしているが、移動手段は、これに限定されるものではなく、駆動手段１１により直接ボールネジ１３を回転させることによりナット部材１４をボールネジ１３に沿って移動可能に構成したものでも良い。また、ボールネジ機構６以外にも直線移動を可能にするものであれば、適宜利用可能である。

また、移動部材４には、第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の距離方向と直交する方向に沿って案内溝７ａが設けられており、該案内溝７ａに沿ってスライド自在なスライド部材８ｂを備えている。また、スライド部材８ｂは、ポスト５と連結されている。従って、スライド部材８ｂが案内溝７ａに沿ってスライドするのに伴い、ポスト５も案内溝７ａに沿って移動することができる。

ポスト５は、図１に示すように棒状に形成されており、スライド部材８，８ａ，８ｂを介して、第１の揺動リンク２，第２の揺動リンク３、移動部材４と連結されている。尚、本実施形態では、図１に示すように、第１の揺動リンク２の上方に第２の揺動リンク３が位置する例を示しているが、この構成に限定されるものではなく、第１の揺動リンク２と第２の揺動リンク３の位置が夫々入れ替わっても良い。

図１の（ａ）では、可変減速機１の第１の揺動リンク２、第２の揺動リンク３が基準位置にある状態を示している。この基準位置の状態では、第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の距離方向と第１の揺動リンク２の案内溝７，第２の揺動リンク３の案内溝は同一方向を向くことになる。

そして、この状態から図１の（ｂ）に示すように、第１回転軸Ｑ１に回転駆動力が入力されると第１の揺動リンク２は、第１回転軸Ｑ１を中心として回転（揺動）する。この第１の揺動リンクの回転に伴ってポスト５は、スライド部材８ｂを介して案内溝７ａに沿って移動する。また、第２の揺動リンク３も第１の揺動リンク２の回転に伴って第２回転軸Ｑ２を中心として第１揺動リンク２が回転する方向と逆向き方向に回転する。

また、この際、第１の回転軸Ｑ１から入力された回転駆動力を第２の回転軸Ｑ２に可変減速させて出力するために、移動部材４をボールネジ機構６により第１回転軸Ｑ１と第２回転軸Ｑ２の距離方向に移動させることにより減速比を調整することができる。

図１（ａ）に示す状態においては、図２に示すように、第１回転軸Ｑ１からポスト５までの距離Ｒ１と第２回転軸Ｑ２からポスト５までの距離Ｒ２の比が減速比となる。この場合、減速比ｎ＝−Ｒ１／Ｒ２で表され、移動部材４の移動に伴って、第１回転軸Ｑ１からポスト５までの距離Ｒ１と第２回転軸Ｑ２からポスト５までの距離Ｒ２の比を調整することができるので、この減速比ｎを連続的に可変にすることが可能となる。

次に、可変減速機１を用いた駆動力伝達機構としての実施例について説明する。図４，５に示すように、第１の揺動リンク２の両側には、板バネ１５が設けられている。板バネ１５は、その一端が土台１７に固定されており、他端にはローラ１６が備えられている。ローラ１６は、図５（ａ）に示すように、第１の揺動リンク２が基準位置の状態において、第１の揺動リンク２の側面に接するように設けられている。

そして、図５（ｂ）に示すように、第１の揺動リンク２が第１回転軸Ｑ１を中心として回転した場合には、第１の揺動リンク２の回転方向側の側面に接しているローラ１６は、側面に接しながら第１の揺動リンク２の回転に応じて側面上を移動する。この際、例えば、第１の揺動リンク２の側面上にローラ１６を案内するガイドレール等を設けておくことにより、ローラ１６が、第１の揺動リンク２の側面からずれるのを防止することができる。

また、板バネ１５は、図６に模式的に示すように、第１の揺動リンク２の回転に伴って、板バネ１５の力Ｆ１が、第１回転軸Ｑ１からＲ３の距離に作用することになる。従って、第１の揺動リンク２には、第１回転軸Ｑ１から入力される駆動力に加えて、板バネ１５の力Ｆ１も作用することになるので、板バネ１５の効果を第２回転軸Ｑ２に可変な特性として出力することが可能になる。また、第１の揺動リンク２が、基準位置に位置する場合には、板バネ１５の力Ｆ１は、第１の揺動リンク２の長手方向と直交することになる。

一方、第１の揺動リンク２の回転方向と逆側の板バネ１５ａは、図４，５に示すように、第１の揺動リンク２の側面から離れることになる。そのため、この状態においては、板バネ１５ａの力が、作用することはないが、第１の揺動リンク２が板バネ１５ａ側に回転した場合には、上記と同様に板バネ１５ａの力が作用することになる。従って、このように第１の揺動リンク２の両側に板バネ１５，１５ａを設けることにより、第１の揺動リンク２がどちらに回転した場合でも、板バネの効果を得ることができる。尚、図４，５では、第１の揺動リンク２が基準位置にある状態において、板バネ１５，１５ａは、第１の揺動リンク２と平行になるように設けられた例を示しているが、この構成に限定されるものではない。

図７では、粘性特性を付加するために、第1回転軸Ｑ１に平歯車機構１７を介して、ロータリーダンパ１８が取り付けられている例を示している。ロータリーダンパ１８としては、オイルの粘性抵抗により発生する制動力を利用した回転系のダンパー等を用いることができる。

ロータリーダンパ１８の制動トルクは、その回転速度に応じて、発生するトルクの値が変化するものであり、回転速度が上がるとトルクも上がり、回転速度が下がるとトルクも下がる特徴を有している。従って、このように第１回転軸Ｑ１側にロータリーダンパ１８を設けることにより、第２回転軸Ｑ２側に粘性特性を付加した出力をすることができる。尚、ここでは、オイルの粘性抵抗を利用したロータリーダンパ１８を例にしたが、粘性特性を付加する手段は、これに限定されるものではなく、その他にもオイルの圧力を利用した揺動ダンパー等を利用することも可能である。

図８は、可変減速機１を用いた冗長関節機構としての実施例を示している。従来から高減速機を用いた場合には、バックドライバビリティが乏しくなるという問題があった。そこで、図８に示す冗長関節機構では、可変減速機１を利用することにより、バックドライバビリティを改善する。

図８に示す冗長関節機構は、第１回転軸Ｑ１に平歯車１７を介して取り付けられているモータ１９からの駆動力と、台座２０に固定されたモータ２１からの駆動力とを第２回転軸Ｑ２に取り付けられているリンク部材２３に対して、伝達できる２入力１出力の機構である。

第２の揺動リンク３の第２回転軸Ｑ２と異なる側には、棒部材２３に固定されたプーリー２４，２４ａが設けられている。そして、第２回転軸Ｑ２上には、プーリー２５とプーリー２６が設けられており、それぞれのプーリー２４，２４ａ，２５，２６には、ワイヤー２７が介されている。また、第２回転軸Ｑ２上のプーリー２６には、リンク部材２２が揺動可能に取り付けられている。

この関節機構における第２回転軸Ｑ２を中心として回転するリンク部材２２の角速度ω_Ｊは、プーリー２５の半径をＲ_Ｍ、プーリー２６の半径をＲ_Ｊとした場合、下記の数式１のように表される。但し、ω_Ｍはプーリー２５の第２回転軸Ｑ２まわりの角速度、ω_Ａは第２の揺動リンク３の第２回転軸Ｑ２まわりの角速度である。

従って、例えば、プーリー２５の半径Ｒ_Ｍとプーリー２６の半径Ｒ_Ｊが同じ半径である場合には、α_１＝１となる。この場合、数式１において、α_１＝１を代入すると、数式２のように表される。この数式２は、ω_Ｍのある大きさの動きが、ω_Ｊに逆向きの同じ大きさの動きになることを表しており、ω_Ａのある大きさの動きが、ω_Ｊに２倍の大きさの同じ向きの動きになることを表している。

従って、モータ２１が動きにくい場合でも、図９に示すような機構を構成することにより、バックドライバビリティを改善することができる。つまり、リンク部材２２に力を加えた時に、変位や加速度を生じやすくすることができるので、リハビリ等に用いる機構として有効である。

本発明に係る可変減速機の一例を示す概略斜視図であって、（ａ）は第１の揺動リンクが基準位置にある状態を示しており、（ｂ）は第１の揺動リンクが揺動運動している状態を示している。図１に示す可変減速機の概略平面図である。連結の様子を説明するための概略説明図である。本発明に係る可変減速機を用いた実施例を示す概略説明図である。図４に示す実施例の概略平面図であって、（ａ）は第１の揺動リンクが基準位置にある状態を示しており、（ｂ）は第１の揺動リンクが揺動運動した際の状態を示している。板バネの作用を説明するための概略平面説明図である。本発明に係る可変減速機の他の実施例を示す概略説明図である。本発明に係る可変減速機を利用した冗長関節機構としての実施例を示す概略説明図である。従来技術におけるＣＶＴの一例を示す概略正面図である。

符号の説明

１可変減速機
２第１の揺動リンク
３第２の揺動リンク
４移動部材
５ポスト
６移動手段（ボールネジ機構）
７、７ａ案内溝
８、８ａ、８ｂスライド部材
１１駆動手段
１２タイミングベルト
１３ボールネジ
１４ナット部材
Ｑ１第１回転軸
Ｑ２第２回転軸

Claims

外部からの駆動力が入力される第１回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第１案内手段を有する第１の揺動リンクと、前記駆動力を出力する第２回転軸を中心に揺動可能であって、長手方向に沿って設けられた第２案内手段を有する第２の揺動リンクと、前記第１回転軸と前記第２回転軸の間の距離方向に移動可能であり、且つ、前記距離方向と直交する方向に沿って設けられた第３案内手段を有する移動部材と、該移動部材を前記第１回転軸と前記第２回転軸の間の距離方向に移動させる移動手段と、前記第１案内手段、前記第２案内手段、及び前記第３案内手段に沿って移動可能に連結されるポストと、を備え、前記移動手段により前記移動部材の前記第１回転軸と前記第２回転軸との距離比を調節することにより前記第１回転軸に入力された駆動力を前記第２回転軸に可変減速させて伝達する可変減速機と、
前記第１回転軸に駆動力を入力する第１の駆動手段と、
前記第２回転軸に駆動力を入力する第２の駆動手段と、
前記第２の揺動リンクに設けられる一対の棒部材にそれぞれ固定された一対の第１プーリーと、
前記第２回転軸に設けられる第２プーリー及び第３プーリーと、
該第３プーリーに前記第２回転軸を中心に揺動可能に設けられるリンク部材と、
前記一対の第１プーリーの一方から前記第２プーリー、前記一対のプーリーの他方、及び前記第３プーリーを介して前記一対の第１プーリーの一方へ掛け渡されるワイヤーとを備えることを特徴とする関節機構。
前記移動手段は、駆動手段により回転駆動されるボールネジに螺合するナット部材を介して前記ボールネジに沿って前記移動部材を移動させることを特徴とする請求項１に記載の関節機構。