JP5760263B2

JP5760263B2 - 無段変速機及びロボット関節構造

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Publication number: JP5760263B2
Application number: JP2010294390A
Authority: JP
Inventors: 清永井
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: JP2012141016A

Description

本発明は、摩擦力に頼ることなく変速比を無段階に変化させることができる無段変速機及びその無段変速機を用いたロボット関節構造に関する。

従来から一般的な減速機や変速機としては、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ている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車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、ロボットの関節構造等にも利用されている。

また、ＣＶＴは変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て、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、円すい状の円板を対向させた２組の伝達軸をベルトで結び、夫々の円板をスラスト方向に移動するとともに駆動力を伝達できるようにスプライン軸などで組み合わせ、円板の間隔を広げたり、狭めたりすることで、円板の間隔にあわせて有効な回転半径をそれぞれ変化させることにより無段階に変速を行うベルト式ＣＶＴや２つのテーパ回転軸を対向させ、その中間にローラを設けてこれらを接触させ、ローラを移動させることにより無段階に変速を行うもの等がある。

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では、摩擦力によって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、装置の小型化が困難である。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。

そこで、本発明者は、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を発明した（特許文献１参照）。この可変減速機１００は、図９に示すように、移動手段（ボールネジ機構）１０１により移動部材１０２を駆動力が入力される第１の揺動リンク１０３の第１回転軸Ｑ１と駆動力が出力される第２の揺動リンク１０４の第２回転軸Ｑ２との間を移動させて、移動部材１０２から第１回転軸Ｑ１までの距離Ｒ１と第２回転軸Ｑ２までの距離Ｒ２との距離比を調節することにより減速比を可変にするものである。

特開２０１０−０１４１４５号公報

しかしながら、特許文献１では、第１回転軸Ｑ１と、第２回転軸Ｑ２と、移動部材１０２、第１の揺動リンク１０３、及び第２の揺動リンク１０４にそれぞれ連結されているポスト１０５と、がそれぞれ同一直線上に並ぶ基準位置においては、移動部材１０２から第１回転軸Ｑ１までの距離Ｒ１と第２回転軸Ｑ２までの距離Ｒ２との距離比が減速比（変速比）になるが、図９に示すように第１回転軸Ｑ１に入力された駆動力により第１の揺動リンク１０３及び第２の揺動リンク１０４が回転して基準位置からずれると、回転半径は、それぞれＲ１、Ｒ２にならなくなるため減速比は正確な一定値にはならないという問題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、摩擦力に頼ることなく変速比を無段階に変化させることができ、且つ、設定した変速比を一定にすることができる無段変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記載の駆動力伝達機構は、外部からの入力により所定の直線方向に移動可能な第１ポスト部材が固定された入力部材と、前記第１ポスト部材が移動可能な直線と平行、且つ、前記第１ポスト部材の移動方向に対して逆向きに移動する第２ポスト部材が固定された出力部材と、前記直線方向に対して垂直な方向に移動可能な移動部材を有する移動手段と、前記移動部材に回転自在に支持され、且つ、前記第１ポスト部材及び前記第２ポスト部材の移動に伴って回転するように前記第１ポスト部材及び前記第２ポスト部材を夫々スライド可能に保持するスライド孔が形成された無段変速リンクと、を備え、前記移動手段は、前記無段変速リンクの回転軸から前記第１ポスト部材が移動可能な直線までの距離と前記第２ポスト部材が移動可能な直線までの距離との距離比を調節することにより前記入力部材と前記出力部材の変速比を無段階に変化させ、前記入力部材は、外部から入力された回転駆動力により入力側回転軸を中心に回転する入力側ピニオンと、前記第１ポスト部材が固定され、前記入力側ピニオンの回転運動を直線運動として伝達する入力側ラックとを有しており、前記出力部材は、前記第２ポスト部材が固定され、前記入力側ピニオンに入力された回転駆動力が前記無段変速リンクを介して伝達されることにより直線運動する出力側ラック、該出力側ラックの直線運動により出力側回転軸を中心に回転する出力側ピニオンとを有している無段変速器を用いた駆動力伝達機構であって、前記入力側ピニオンの回転に伴って回転するように前記入力側回転軸に連結されるピニオンと、プッシュ・プルとなるように、一端がそれぞれ固定された状態で他端がそれぞれ前記ピニオンに繋がれる一対のばねとを備えることを特徴としている。

請求項２記載の駆動力伝達機構は、前記入力側回転軸と前記出力側回転軸が同一直線上に設けられていることを特徴としている。

請求項３記載のロボット関節構造は、請求項１又は２記載の駆動力伝達機構を用いたロボット関節構造であって、駆動手段と、該駆動手段の駆動力により回転する第１歯車と、前記出力側ピニオンから出力された駆動力により回転する第２歯車と、前記第１歯車と噛み合う第３歯車と、前記第２歯車と噛み合う第４歯車１８ｄとを有する動作加算部と、前記第１歯車、前記第２歯車、前記第３歯車、及び前記第４歯車のそれぞれが内部に納まるように構成される出力リンクと、を備え、前記第１歯車は、前記駆動手段及び前記出力リンクと回転軸Ｏ５を介して連結されており、前記駆動手段からの駆動力により、前記出力リンクと共に前記回転軸Ｏ５周りで回転し、前記第２歯車は、前記出力側ピニオン及び前記出力リンクと前記出力側回転軸を介して連結されており、前記出力側ピニオンからの駆動力により、前記出力リンクと共に前記出力側回転軸周りで回転し、前記第３歯車及び前記第４歯車は、それぞれ同じ回転角度で回転するように、それぞれ同一の回転軸Ｏ６で連結されており、前記回転軸Ｏ６は、前記出力リンクに回転自在に支持されていることを特徴としている。

請求項１記載の無段変速機によれば、移動手段により無段変速リンクの回転軸から入力部材に固定された第１ポスト部材が移動可能な直線までの距離と出力部材が固定された第２ポスト部材が移動可能な直線までの距離との距離比を調整することにより、変速比を無段階に変化させることができるとともに、入力部材への入力を前記距離比を調整することにより設定した一定の変速比のまま出力部材に出力することができる。これにより、大きな摩擦力に頼ることなく変速比を無段階に変化させることができ、小型化を図ることができるので、リハビリロボットや福祉ロボット等のロボット関節構造等に有効に利用することができる。また、設定した変速比が一定となるので、変速比が重要な用途にも有効に利用することができる。

請求項２記載の無段変速機によれば、無段階に変速比を変えることができるので、入力部材に入力された回転駆動力を所望の変速比によって出力部材に伝達することができる。

請求項３記載のロボット関節構造によれば、駆動手段による動きと無段変速機側の変位との２つの動きの和を出力リンクに対して出力することができる。また、一方の無段変速機側では、無段変速リンクの大きさ等に応じて動ける範囲は有限であるが、もう一方の駆動手段により無限に回転できるので、ロボット関節の可動範囲を広くすることができる。また、このような構造は、比較的コンパクトに設計することができるので、小型化が要求されるリハビリロボットや福祉ロボット等のロボット関節構造として有効に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無段変速機の一例を示す概略平面図であって、（ａ）は無段変速リンクが基準位置にある状態を示しており、（ｂ）は入力部材への入力により無段変速リンクが回転した場合の状態を示している。本発明の第２の実施形態に係る無段変速機の一例を示す概略平面図であって、図２に示す無段変速機のａ−ａ線断面図である。入力部材にバネの作用を付加する場合の一例について説明するための概略説明図である。本発明の第３の実施形態に係る無段変速機の一例を示す概略平面図である。本発明に係るロボット関節構造の一例を示す概略模式図である。図６のロボット関節構造１５における歯車の構成について説明するための概略説明図である。本発明に係るロボット関節構造の他の一例を示す概略模式図である。従来技術における可変減速機の一例を示す概略平面図である。

以下に本発明の第１の実施形態に係る無段変速機１について、図面を参照しつつ説明する。本発明の第１の実施形態に係る無段変速機１は、図１に示すように、第１ポスト部材Ｐ１が固定された入力部材２と、第２ポスト部材Ｐ２が固定された出力部材３と、移動部材４を左右に直線移動させるための移動手段５と、移動部材４に回転自在に支持されている無段変速リンク６とを備えており、入力部材２への外部からの入力が無段変速リンク６を介して出力部材３へと出力されるものである。尚、この無段変速機１では、入力部材２の並進を変速させて出力部材３の並進として出力する。

入力部材２は、長尺な棒状の部材からなるものであり、上面に上方へと突出するポスト部材Ｐ１が固定されている。この入力部材２は、外部からの入力によりリニアガイド７（７１）によって案内されて所定の直線Ａ上をスライド移動できるように構成されている。また、出力部材３は、入力部材２と同様に長尺な棒状の部材からなるものであり、上面に上方へと突出するポスト部材Ｐ２が固定されている。この出力部材３も入力部材２と同様にリニアガイド７（７２）によって案内されて直線Ａと平行な直線Ｂ上をスライド移動できるように構成されている。

移動手段５は、移動部材４を直線Ａと直線Ｂに対して垂直な方向に移動させるためのものである。図１に示すように、移動手段５は、例えばボールネジ機構により構成されており、駆動力を発生させる小型のモータ８と、該モータ８の駆動力を伝達するタイミングベルト９と、該タイミングベルト９から伝達される駆動力により回転するボールネジ１０と、該ボールネジに螺合可能なナット構造を有する移動部材４とを備えている。ボールネジ１０は、入力部材２と出力部材３の間で直線Ａと直線Ｂに対して垂直な方向に設けられており、モータ８による駆動力がタイミングベルト９を介して伝達されて回転することにより、この回転に伴って、ボールネジ１０に螺合されている移動部材４がボールネジ１０に沿って移動する。尚、このボールネジ機構自体は、不図示の台座等に固定されている。また、本実施形態では、移動手段５として、モータ８の駆動力によりタイミングベル９を介してボールネジ１０が回転することによりナット構造を有する移動部材４がボールネジ１０に沿って移動するボールネジ機構を例にしているが、移動手段は、モータ８により直接ボールネジ１０を回転させることにより移動部材４をボールネジ１０に沿って移動可能に構成するようにしても良く、移動部材４の直線移動を可能にするものであれば特に限定されるものではない。また、モータ８に回転位置等を計測するためのエンコーダ（不図示）を取り付けたり、モータ８とタイミングベルト９の間にギアを組み込んだりするように適宜構成することも可能である。

移動部材４は、ボールネジ１０に螺合され、該ボールネジ１０に沿って移動するものであり、移動部材４の上面には上方に突出するように支柱４１が設けられている。この支柱４１は、無段変速リンク６の中心で該無段変速リンク６を回転自在に支持するように取り付けられている。尚、本実施形態では、説明をし易くするために図１に示すように、支柱４１をボールネジ１０に螺合された位置からずれた位置で上方へと突出する例を図示しているが、支柱４１は、ボールネジ１０に螺合されている位置から上方に突出するように設けられるのが構造上好ましい。

無段変速リンク６は、支柱４１により回転軸Ｏ周りで回転自在に支持されており、移動部材４の移動に伴って、直線Ａと直線Ｂに対して垂直な方向に移動可能である。また、無段変速リンク６の両側には、当該無段変速リンク６の回転に伴って第１ポスト部材Ｐ１及び第２ポスト部材Ｐ２を夫々スライド可能に保持するために無段変速リンク６の長尺方向に長く形成されたスライド孔６１、６２が夫々設けられている。

以下、無段変速機１の動作について図１を参照しつつ説明する。まず、無段変速リンク６が基準位置にある場合は、図１（ａ）に示すように、回転軸Ｏから第１ポスト部材Ｐ１が移動可能な直線Ａまでの距離と第２ポスト部材Ｐ２が移動可能な直線Ｂまでの距離が共に等距離Ｌ０、つまり距離比が１：１で、且つ、第１ポスト部材Ｐ１、回転軸Ｏ、第２ポスト部材Ｐ２を結ぶ直線が直線Ａ及び直線Ｂに対して垂直になっている。

次に、この基準位置の状態から無段変速機１の変速比を変えるために、移動手段５により移動部材４を直線Ａ及び直線Ｂに対して垂直な方向へ所望の距離分移動させることにより、無段変速リンク６の回転軸Ｏを移動する。図１（ｂ）では、回転軸Ｏは、基準位置から直線Ｂ側へｘだけ移動した場合を示している。この状態から入力部材２に対して、例えば、リニアアクチュエータ（不図示）等により外部から入力が行われ、図１（ｂ）に示すように、第１ポスト部材Ｐ１が直線Ａの下側向きにｙ_１移動すると、この第１ポスト部材Ｐ１の直線移動に伴って、無段変速リンク６は回転軸Ｏを中心に回転角θ分だけ反時計回りに回転する。

そして、この無段変速リンク６の回転に伴って、第２ポスト部材Ｐ２がスライド孔６２に保持された状態でスライドしながら、直線Ｂ上を第１ポスト部材Ｐ１の移動方向の逆方向にｙ_２だけ移動する。つまり、図１（ｂ）の状態では、第１ポスト部材Ｐ１がｙ_１移動すると、無段変速リンク６を介して第２ポスト部材Ｐ２は、第１ポスト部材Ｐ１と逆方向にｙ_２移動することになる。この第１ポスト部材Ｐ１の並進変位量ｙ_１及び第２ポスト部材Ｐ２の並進変位量ｙ_２は、夫々回転軸Ｏから第１ポスト部材Ｐ１が移動可能な直線Ａまでの距離Ｌ１、第２ポスト部材Ｐ２が移動可能な直線Ｂまでの距離Ｌ２、及び無段変速リンク６の回転変位量θを用いて、下記の数式（１）、（２）で表わされる。

また、図１（ｂ）に示すように、距離Ｌ１、Ｌ２は、夫々無段変速リンク６の基準位置における回転軸Ｏから第１ポスト部材Ｐ１が移動可能な直線Ａまでの距離と第２ポスト部材Ｐ２が移動可能な直線Ｂまでの距離である距離Ｌ０、及び基準位置からの回転軸Ｏの移動量ｘを用いて、下記の数式（３）、（４）で表わされる。

また、第２ポスト部材Ｐ２の並進変位量ｙ_２は、数式（１）、（２）より下記の数式（５）で表わされる。但し、数式（５）におけるＮ_Ｌは並進減速比を表わすものである。つまり、この数式（５）に示されるように、回転軸Ｏから直線Ａまでの距離Ｌ１と直線Ｂまでの距離Ｌ２との距離比が、そのまま入力部材２（第１ポスト部材Ｐ１）の並進変位量ｙ_１と出力部材３（第２ポスト部材Ｐ２）の並進変位量ｙ_２に現れてくることになり、入力部材２への入力が減速して出力部材３に現れる場合には、Ｎ_Ｌは１より大きくなり、増速して現れる場合には、Ｎ_Ｌは１より小さくなる。従って、図１（ａ）の状態においては、距離Ｌ１、Ｌ２は共に距離Ｌ０であり、並進減速比Ｎ_Ｌは１になるので、外部からの入力により入力部材２が並進した場合には、減速又は増速されることなく出力部材へと出力されることになる。

また、並進減速比Ｎ_Ｌは、数式（３）、（４）を用いて、数式（６）のように表わすことができる。つまり、数式（６）に示されるように並進減速比Ｎ_Ｌは、回転軸Ｏの移動量ｘの関数として表わされるので、並進減速比Ｎ_Ｌは、可変の減速比になっており、移動手段５により無段変速リンク６の回転軸Ｏの位置を移動させることにより、変速比を無段階に変えることができる。また、移動手段５により無段変速リンク６の回転軸Ｏの位置を移動させることによって変速比を設定すれば、その一定の変速比のまま入力部材２の並進を変速させて出力部材３の並進として出力することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る無段変速機１ａについて、図２及び図３を参照しつつ説明する。この無段変速機１ａは、入力部材としてラック・アンド・ピニオン２ａを用いて、例えば、モータ（不図示）等により外部から入力された回転駆動力を無段階に変速させて出力部材であるラック・アンド・ピニオン３ａに伝達するものである。尚、第１の実施形態に係る無段変速機１と同様の構成等については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

入力側のラック・アンド・ピニオン２ａは、図２及び図３に示すようにピニオン２１と該ピニオン２１の回転運動を直線運動として伝達するラック２２からなるものである。ピニオン２１は、モータ等により外部から入力された回転駆動力により回転軸Ｏ１を中心に回転する。ラック２２は、ピニオン２１の回転に伴って直線運動するようにクロスローラーテーブル１１のベースに固定されている。また、ラック２２は、歯が設けられている面と反対側の面の一部が張り出した形状をしており、その下面から下方に向かって突出するように第１ポール部材Ｐ１が固定されており、ラック２２の直線運動に伴って、第１ポール部材Ｐ１が直線Ａ上を移動するようになっている。

出力側のラック・アンド・ピニオン３ａも入力側のラック・アンド・ピニオン２ａと同様にピニオン３１とラック３２からなるものであり、入力側のピニオン２１に入力された回転駆動力が無段変速リンク６を介して第２ポスト部材Ｐ２が固定されているラック３２を直線運動させることにより、回転軸Ｏ２を中心としてピニオン３１を回転させる回転駆動力として伝達される。尚、ピニオン２１及びピニオン３１は、それぞれ回転軸Ｏ１及びＯ２を回転自在に支持する軸受（不図示）を介して土台（不図示）に固定されている。

以下、無段変速機１ａの動作について図２及び図３を参照しつつ説明する。無段変速機１ａも無段変速機１と同様に無段変速リンク６が基準位置にある場合は、図２（ａ）に示すように、回転軸Ｏから第１ポスト部材Ｐ１が移動可能な直線Ａまでの距離と第２ポスト部材Ｐ２が移動可能な直線Ｂまでの距離が共に等距離Ｌ０で、且つ、第１ポスト部材Ｐ１、回転軸Ｏ、第２ポスト部材Ｐ２を結ぶ直線が直線Ａ及び直線Ｂに対して垂直になっている。

次に、この基準位置の状態から無段変速機１ａの変速比を変えるために、移動手段５により移動部材４を図２（ａ）及び図３に示す矢印方向（直線Ａ及び直線Ｂに対して垂直な方向）へ所望の距離分移動させることにより、無段変速リンク６の回転軸Ｏを移動する。図２（ｂ）では、回転軸Ｏは、基準位置から直線Ｂ側へｘだけ移動した場合を示している。この状態から入力側のピニオン２１に対して、モータ等により外部から回転駆動力が入力され、図２（ｂ）に示すように、ピニオン２１が回転軸Ｏ１を中心として時計回りにΔｑ_１だけ回転すると、ラック２２に固定されている第１ポスト部材Ｐ１が直線Ａの下向きにｙ_１移動し、この第１ポスト部材Ｐ１の直線移動に伴って、無段変速リンク６は回転軸Ｏを中心に回転角θだけ反時計回りに回転する。

そして、この無段変速リンク６の回転に伴って、ラック３２に固定されている第２ポスト部材Ｐ２がスライド孔６２に保持された状態でスライドしながら、直線Ｂ上を第１ポスト部材Ｐ１の移動方向の逆方向にｙ_２だけ移動することにより、ピニオン３１が回転軸Ｏ２を中心として時計回りにΔｑ_２だけ回転する。つまり、図２（ｂ）の状態では、ピニオン２１が回転軸Ｏ１を中心として時計回りにΔｑ_１だけ回転すると、無段変速リンク６を介してピニオン３１が回転軸Ｏ２を中心として時計回りにΔｑ_２だけ回転することになる。このピニオン２１の回転変位量Δｑ_１は、ピニオン２１の回転半径Ｒ_１及び第１ポスト部材Ｐ１の並進変位量ｙ_１を用いて、下記の数式（７）で表され、ピニオン３１の回転変位量Δｑ_２は、ピニオン３１の回転半径Ｒ_２及び第２ポスト部材Ｐ２の並進変位量ｙ_２を用いて、下記の数式（８）で表される。

また、数式（５），（７），（８）よりピニオン３１の回転変位量Δｑ_２は、下記の数式（９）で表される。但し、数式（９）におけるＮは、回転減速比を表すものであり、数式（１０）で定義される。この数式（１０）で示されるように、回転減速比Ｎは、回転軸Ｏの移動量ｘの関数として表される可変の並進減速比Ｎ_Ｌに比例するものであるので、回転減速比Ｎも可変の減速比であり、移動手段５により無段変速リンク６の回転軸Ｏの位置を移動させることにより、無段変速機１ａの変速比を無段階に変えることができる。尚、数式（１０）におけるＲ_１、Ｒ_２は、夫々ピニオン２１とピニオン３１の回転半径を表すものであるので、定数である。

次に、無段変速機１ａを用いた駆動力伝達機構としての利用例について図２〜４を参照しつつ説明する。図４に示すように、回転半径Ｒ_ｋのピニオン１３に巻きばね１４ａ，１４ｂをプッシュ・プルとなるように繋ぎ、ピニオン１３を無段変速機１ａの入力側のピニオン２１と同じ回転軸Ｏ１で回転自在になるように連結する。つまり、ピニオン２１が回転軸Ｏ１を中心として回転すると、同軸で連結されているピニオン１３も回転し、それに伴って、巻きばね１４ａ，１４ｂの一方が伸びた状態になり、もう一方が縮んだ状態になることにより、巻きばね１４ａ，１４ｂの力ｆが作用する構成になっている。尚、巻きばね１４ａ，１４ｂの一端は、不図示の土台に固定されている。また、図４では巻きばね１４ａ，１４ｂのばね定数ｋは同一になるように設定されている。

この状態において、図２（ｂ）に示すように、ピニオン２１が時計回りにΔｑ_１回転した際に、ピニオン１３に繋がれている巻きばね１４ａがΔｌ伸び、巻きばね１４ｂがΔｌ縮んだ場合、図４に示す力ｆはフックの法則により下記の数式（１１）で表される。また、ピニオン１３の回転変位量Δｑ_１は、巻きばね１４ａ，１４ｂの並進変位量Δｌと回転半径Ｒ_ｋを用いて、下記の数式（１２）で表される。また、巻きばね１４ａ，１４ｂに作用する力ｆを足し合わせたものが、回転軸Ｏ１に伝わる回転トルクτ_１を回転半径Ｒ_ｋで割ったものとなり、下記の数式（１３）のように表される。

数式（１１）〜（１３）より、回転トルクτ_１は、数式（１４）のように表される。但し、数式（１４）におけるＫ_１は、入力側の回転軸Ｏ１周りの回転剛性であり、数式（１５）で表される。つまり、数式（１５）は、２つの巻きばね１４ａ，１４ｂを入力側に設けることにより、回転軸Ｏ１周りの回転剛性がＫ_１になるということを示している。

また、数式（９）で示されるように、入力側のピニオン２１の回転軸Ｏ１周りの回転と出力側のピニオン３１の回転軸Ｏ２周りの回転には変速の関係があるので、回転トルク同士の関係も変速比の関係で表され、回転軸Ｏ１に働く回転トルクτ_１は、回転減速比Ｎと出力側の回転軸Ｏ２に働く回転トルクτ_２を用いて、下記の数式（１６）で表される。

そして、数式（９），（１６）より、回転トルクτ_２は、数式（１７）で表される。但し、数式（１７）におけるＫ_２は、出力側の回転軸Ｏ２周りの回転剛性であり、数式（１８）で表される。つまり、無段変速機１ａの入力側の回転軸Ｏ１に図４に示すような巻きばね１４ａ，１４ｂを設けることにより、入力側の回転軸Ｏ１周りに所望の回転剛性Ｋ_１を生じさせることができ、更に無段変速機１ａを介することにより、数式（１８）に示すように、出力側の回転軸Ｏ２周りの回転剛性として、回転軸Ｏ１周りの回転剛性Ｋ_１に回転減速比Ｎの２乗倍の回転剛性Ｋ_２を作り出すことが可能になる。また、回転減速比Ｎは、可変であるので、出力に現れる回転剛性Ｋ_２も可変になる。

従って、ばねの剛性を硬い状態と柔らかい状態等を状況に応じて使い分けたいような場合に、ばね自体を取り替えることなく、この無段変速機１ａを組み合わせることにより、出力側の剛性Ｋ_２を所望の値に設定することが可能になる。従って、例えば、数式（６）で示されるＬ２／Ｌ１の値を１／√１０から√１０まで変化させることができるように無段変速機１ａを設計した場合には、巻きばね１４ａ，１４ｂの効果が１／１０から１０まで変わることになる。つまり、ばねの効果を１００倍変えることが可能になるので、力を加えてもほとんど変位がない硬い状態から同等の力で容易に動くような柔らかい状態を同じばねを利用して作り出すことができる。

また、無段変速機１ａを用いた駆動力伝達機構として、図４に示すような巻きばね１４ａ，１４ｂを設ける代わりに、例えば、ピニオン２１と噛み合う歯車（不図示）を介して、粘性特性を付加するためのロータリーダンパ（不図示）等を取付けるように構成しても良い。ロータリーダンパとしては、例えば、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や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が可能である。ロータリーダンパの制動トルクは、回転速度に応じて、発生するトルクの値を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、ロータリーダンパを入力側に設けることにより、回転軸Ｏ２側に粘性特性を付加した出力をすることも可能になる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る無段変速機１ｂについて、図５を参照しつつ説明する。この無段変速機１ｂは、入力側の回転軸Ｏ１と同一直線上に出力側の回転軸を設けたものである。尚、無段変速機１、１ａと同様の構成等については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、無段変速機１ｂの入力部材２ｂは、モータ等により外部から入力される回転駆動力により回転軸Ｏ１を中心として回転するピニオン２３と、該ピニオン２３の回転に伴って、回転軸Ｏ３を中心として回転するピニオン２４と、該ピニオン２４の回転運動を直線運動として伝達するラック２２とからなるものである。また、出力部材３ｂは、無段変速リンク６の回転を介して第２ポスト部材Ｐ２とともに直線Ａと平行な直線Ｂ上を直線移動するラック３２と、該ラック３２の直線移動に伴って回転軸Ｏ４を中心として回転するピニオン３４と、該ピニオン３４の回転に伴って入力側のピニオン２３の回転軸Ｏ１と同一直線上にある回転軸を中心に回転するピニオン３３とからなるものである。尚、図５では、ピニオン２３、２４、３３、３４、及びラック２２、３２の歯は省略して図示している。

このように構成される無段変速機１ｂでは、図５に示すように、入力側のピニオン２３にモータ等により外部から時計回りの回転駆動力が入力され、ピニオン２３が回転軸Ｏ１回りで矢印方向（時計回り）に回転すると、ピニオン２４は、矢印方向（反時計回り）に回転し、ラック２２及びラック２２に固定されている第１ポスト部材Ｐ１が、直線Ａ上を矢印方向（下向き）に移動する。そして、この第１ポスト部材Ｐ１の直線移動に伴って、無段変速リンク６は、回転軸Ｏを中心に矢印方向（反時計回り）に回転する。また、この無段変速リンク６の回転に伴って、ラック３２に固定されている第２ポスト部材Ｐ２がスライド孔６２に保持された状態でスライドしながら、直線Ｂ上を矢印方向（上向き）に移動することにより、ピニオン３４は回転軸Ｏ４を中心として矢印方向（反時計回り）に回転する。そして、このピニオン３４の回転に伴って、入力側の回転軸Ｏ１と同一直線上に設けられている出力軸に連結されているピニオン３３が矢印方向（時計回り）に回転することになる。尚、本実施形態では、入力部材２ｂのピニオン２３とラック２２の間にピニオン２４を設けているが、このピニオン２４を省いて、ピニオン２３とラック２２でラック・アンド・ピニオンを構成するようにしても良い。出力部材３ｂについても、同様にピニオン３４を省いて、ピニオン３３とラック３２でラック・アンド・ピニオンを構成するようにしても良い。また、この無段変速機１ｂも無段変速機１，１ａと同様に移動手段５により回転軸Ｏの位置を移動させることにより、変速比を無段階に変化させることができる。

次に、本発明に係る無段変速機１ａ等を利用した場合のロボット関節構造１５の一例について図６及び図７を参照しつつ説明する。図６に示すロボット関節構造１５は、冗長駆動関節としての実施例を示すものであり、台座Ｄに固定されたモータ１６からの駆動力と、図２に示すような外部からモータ等により入力された駆動力を無段変速機１ａを介して出力部材３ａのピニオン３１から出力する駆動力とを回転軸Ｏ５、Ｏ２周りで回転する出力リンク１７に対して伝達する２入力１出力の機構である。尚、回転軸Ｏ５とＯ２は、それぞれ同一直線上に位置するものである。

このロボット関節構造１５は、図６に示すように、２入力１出力を行うための動作加算部１８と、該動作加算部１８の上側に設けられるモータ１６と、動作加算部１８の下側に上述の無段変速機１ａに図４に示すような巻きばね１４ａ、１４ｂを付加した駆動力伝達機構とを備えるものである。尚、図６では、説明を簡易にするために、無段変速機１ａの出力部材３ａにおけるピニオン３１のみ図示している。

動作加算部１８は、図６、７に示すように、モータ１６の駆動力により回転する第１歯車１８ａと、ピニオン３１から出力された駆動力により回転する第２歯車１８ｂと、第１歯車１８ａと噛み合う第３歯車１８ｃと、第２歯車１８ｂと噛み合う第４歯車１８ｄとを備えており、この夫々の歯車１８ａ〜１８ｄは、出力リンク１７の内部に納まるように構成されている。

第１歯車１８ａは、モータ１６及び出力リンク１７と回転軸Ｏ５を介して連結されており、モータ１６からの駆動力により、第１歯車１８ａ及び出力リンク１７は、回転軸Ｏ５周りで回転する。第２歯車１８ｂは、ピニオン３１及び出力リンク１７と回転軸Ｏ２を介して連結されており、ピニオン３１からの駆動力により、第２歯車１８ｂ及び出力１７は、回転軸Ｏ２周りで回転する。第３歯車１８ｃは、第１歯車１８ａと噛み合っており、第１歯車１８ａの回転に伴って回転する。第４歯車１８ｄは、第２歯車１８ｂと噛み合っており、第２歯車１８ｂの回転に伴って回転する。また、第３歯車１８ｃ及び第４歯車１８ｄは、それぞれ同一回転軸Ｏ６で連結されており、それぞれこの同一回転軸Ｏ６周りを同じ回転角ｑ_Ｉで回転する。尚、回転軸Ｏ６の両端は、出力リンクに設けられた軸受（不図示）により回転自在に支持されている。

このロボット関節構造１５の動作を示す基礎式は、数式（１９）のように表される。尚、Ｒ_１は第１歯車１８ａの半径、ｑ_Ａ１は第１歯車１８ａの回転軸Ｏ５周りの回転角、Ｒ_２は第２歯車１８ｂの半径、ｑ_Ａ２は第２歯車１８ｂの回転軸Ｏ２周りの回転角、ｑは出力リンク１７の回転軸Ｏ２，Ｏ５周りの回転角（関節角）、ｑ_Ｉは第３歯車１８ｃ及び第４歯車１８ｄの回転軸Ｏ６周りの回転角をそれぞれ表している。また、ｒ_１及びｒ_２は、それぞれ数式（２０）で表されるものであり、Ｒ_Ｉ１は第３歯車１８ｃの半径、Ｒ_Ｉ２は第４歯車１８ｄの半径を表している。また、数式（２０）では、第１歯車１８ａの半径Ｒ１と第３歯車１８ｃの半径Ｒ_Ｉ１が同じ値であり、第２歯車１８ｂの半径Ｒ_２が第４歯車１８ｄの半径Ｒ_Ｉ２の２倍の値である場合を示している。

この場合、数式（１９）は、数式（２１）のように表される。この数式（２１）の出力のみについて整理すると、出力リンク１７の回転角変位Δｑに関して、数式（２２）が成り立つ。この数式（２２）は、ピニオン３１が固定された状態で第１歯車１８ａがΔｑ_Ａ１回転すると、出力リンク１７は第１歯車１８ａと逆向きにΔｑ_Ａ１回転し、第１歯車１８ａが固定された状態で、ピニオン３１がΔｑ_Ａ２回転すると、出力リンク１７はピニオン３１と同じ向きにΔｑ_Ａ２の２倍回転することを表している。また、このとき、駆動力に関しても数式（２３）が成立する。尚、τ_Ａ１は第１歯車１８ａの駆動力、τ_Ａ２は第２歯車１８ｂの駆動力、τは出力リンク１７の駆動力をそれぞれ表している。

従って、例えば、第１歯車１８ａの回転変位Δｑ_Ａ１＝−１〔ｒａｄ〕で、第２歯車１８ｂの回転変位Δｑ_Ａ２＝０の場合には、数式（２２）より出力リンク１７の回転変位Δｑ＝１〔ｒａｄ〕となる。また、第１歯車１８ａの回転変位Δｑ_Ａ１＝０で、第２歯車１８ｂの回転変位Δｑ_Ａ２＝０．５〔ｒａｄ〕の場合には、出力リンク１７の回転変位Δｑ＝１〔ｒａｄ〕となる。また、駆動力に関しては、例えば、τ＝２５〔Ｎｍ〕の場合には、数式（２３）よりτ_Ａ１＝−２５〔Ｎｍ〕、τ_Ａ２＝５０〔Ｎｍ〕となる。また、τ_Ａ１＝０又はτ_Ａ２＝０の場合には、τ＝０となる。尚、ここでは数式（２０）に示すように、第１歯車１８ａの半径Ｒ１と第３歯車１８ｃの半径Ｒ_Ｉ１が同じ値であり、第２歯車１８ｂの半径Ｒ_２が第４歯車１８ｄの半径Ｒ_Ｉ２の２倍の値である場合の例に基づいて説明しているが、Ｒ_１，Ｒ_Ｉ１，Ｒ_２，Ｒ_Ｉ２はこのような値に限定されるものではなく、適宜用途に応じて夫々の半径の値を設定しても良い。

次に、本発明に係る無段変速機１ａ等を利用した他のロボット関節構造１５ａ一例について図８を参照しつつ説明する。図８に示すロボット関節構造１５ａは、冗長駆動関節としての実施例を示すものであり、台座Ｄに固定されたモータ１６からの駆動力と、図２に示すような外部からモータ等により入力された駆動力を無段変速機１ａを介して出力部材３ａのピニオン３１から出力する駆動力とを回転軸Ｏ７周りで回転する出力リンク１７に対して伝達できる２入力１出力の機構である。

このロボット関節構造１５ａは、図８に示すように、２入力１出力を行うための動作加算部１９と、該動作加算部１９の上側に設けられるモータ１６と、動作加算部１９の下側に上述の無段変速機１ａに図４に示すような巻きばね１４ａ、１４ｂを付加した駆動力伝達機構とを備えるものである。尚、図８でも、説明を簡易にするために、無段変速機１ａの出力部材３ａにおけるピニオン３１のみ図示している。

動作加算部１９は、図８に示すように、モータ１６の駆動力により回転軸Ｏ８周りを回転する第１プーリ１９ａと、ピニオン３１から出力された駆動力により回転軸Ｏ２周りを揺動する揺動リンク１９ｂと、該揺動リンク１９ｂに固定されている２本の棒部材１９ｃに夫々取り付けられている１対のプーリ１９ｄ、１９ｅと、出力リンク１７の下側で該出力リンク１７と同軸Ｏ７で連結される第２プーリ１９ｆと、夫々のプーリ１９ａ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆに巻回されるワイヤＷとを備えている。この動作加算部１９では、第２プーリ１９ｆが回転駆動することにより、出力リンク１７にその駆動力が伝達されるようになっており、第２プーリ１９ｆは、第１プーリ１９ａの駆動及び／又は揺動リンク１９ｂの揺動運動によって１対のプーリ１９ｄ、１９ｅが駆動することによってワイヤＷを介して駆動することになる。尚、図８では、ピニオン３１から回転軸Ｏ２を介して揺動リンク１９ｂに直接駆動力が伝えられ、該揺動リンク１９ｂは、回転軸Ｏ２を中心として揺動するように構成されているが、ピニオン３１に別途歯車（不図示）を介して揺動リンク１９ｂに駆動力を伝達するように構成しても良い。

また、このロボット関節構造１５ａにおける出力リンク１７の角速度ω_Ｊは、第１プーリ１９ａの半径をＲ_Ｍ、第２プーリ１９ｆの半径をＲ_Ｊとした場合、下記の数式（２４）のように表される。但し、ω_Ｍは第１プーリ１９ａの回転軸Ｏ８周りの角速度、ω_Ａは揺動リンク１９ｂの回転軸Ｏ２周りの角速度である。

従って、例えば、第１プーリ１９ａの半径Ｒ_Ｍと第２プーリ１９ｆ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（２４）において、α_１＝１を代入すると、数式（２５）のように表される。この数式（２５）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１６が動きにくい場合でも、図８に示すような動作加算部１９を組み合わせることにより、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、出力リンク１７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ロボット関節構造として有効である。また、このようなロボット関節構造１５ａにより、無段変速機１ａ側では、無段変速リンク６の大きさ等に応じて動ける範囲は制限されるが、もう一方のモータ１６により制限なく回転できるので、ロボット関節の可動範囲を広くすることができる。尚、ロボット関節構造１５、１５ａにおけるそれぞれの動作加算部１８，１９の構造は、本発明に係る無段変速機１ａ以外の無段変速機等と組み合わせることも当然可能である。

また、本実施形態に係る無段変速機１，１ａ、１ｂでは、入力側の並進運動を変速比を変えて出力側に並進運動として伝達する構造、及び入力側の回転運動を変速比を変えて出力側に回転運動として伝達する例について説明したが、入力側を無段変速機１のような構造にし、出力側を無段変速機１ａ、１ｂのように駆動力を出力するような構造にすることにより、並進運動を回転運動として伝達する構造や、逆に回転運動を並進運動として伝達する構造に設計することは適宜可能である。

また、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

本発明に係る無段変速機は、ロボットの関節構造を構成するための機構として有効に利用することができる。また、本発明に係る無段変速機を利用したロボット関節構造は、小型化を図ることができるので、リハビリロボットや福祉ロボット等のロボット関節構造として有効に利用することができる。

１、１ａ、１ｂ無段変速機
２、２ａ、２ｂ入力部材
３、３ａ、３ｂ出力部材
４移動部材
５移動手段
６無段変速リンク
６１、６２スライド孔
１５、１５ａロボット関節構造
１６モータ（駆動手段）
１７出力リンク
１９ａ第１プーリ
１９ｄ、１９ｅ１対のプーリ
１９ｆ第２プーリ
１９ｂ揺動リンク
Ｏ回転軸
Ｐ１第１ポール部材
Ｐ２第２ポール部材

Claims

外部からの入力により所定の直線方向に移動可能な第１ポスト部材が固定された入力部材と、
前記第１ポスト部材が移動可能な直線と平行、且つ、前記第１ポスト部材の移動方向に対して逆向きに移動する第２ポスト部材が固定された出力部材と、
前記直線方向に対して垂直な方向に移動可能な移動部材を有する移動手段と、
前記移動部材に回転自在に支持され、且つ、前記第１ポスト部材及び前記第２ポスト部材の移動に伴って回転するように前記第１ポスト部材及び前記第２ポスト部材を夫々スライド可能に保持するスライド孔が形成された無段変速リンクと、を備え、
前記移動手段は、前記無段変速リンクの回転軸から前記第１ポスト部材が移動可能な直線までの距離と前記第２ポスト部材が移動可能な直線までの距離との距離比を調節することにより前記入力部材と前記出力部材の変速比を無段階に変化させ、
前記入力部材は、外部から入力された回転駆動力により入力側回転軸を中心に回転する入力側ピニオンと、前記第１ポスト部材が固定され、前記入力側ピニオンの回転運動を直線運動として伝達する入力側ラックとを有しており、
前記出力部材は、前記第２ポスト部材が固定され、前記入力側ピニオンに入力された回転駆動力が前記無段変速リンクを介して伝達されることにより直線運動する出力側ラック、該出力側ラックの直線運動により出力側回転軸を中心に回転する出力側ピニオンとを有している無段変速器を用いた駆動力伝達機構であって、
前記入力側ピニオンの回転に伴って回転するように前記入力側回転軸に連結されるピニオンと、プッシュ・プルとなるように、一端がそれぞれ固定された状態で他端がそれぞれ前記ピニオンに繋がれる一対のばねとを備えることを特徴とする駆動力伝達機構。
前記入力側回転軸と前記出力側回転軸が同一直線上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の駆動力伝達機構。
請求項１又は２記載の駆動力伝達機構を用いたロボット関節構造であって、
駆動手段と、
該駆動手段の駆動力により回転する第１歯車と、前記出力側ピニオンから出力された駆動力により回転する第２歯車と、前記第１歯車と噛み合う第３歯車と、前記第２歯車と噛み合う第４歯車１８ｄとを有する動作加算部と、
前記第１歯車、前記第２歯車、前記第３歯車、及び前記第４歯車のそれぞれが内部に納まるように構成される出力リンクと、を備え、
前記第１歯車は、前記駆動手段及び前記出力リンクと回転軸Ｏ５を介して連結されており、前記駆動手段からの駆動力により、前記出力リンクと共に前記回転軸Ｏ５周りで回転し、
前記第２歯車は、前記出力側ピニオン及び前記出力リンクと前記出力側回転軸を介して連結されており、前記出力側ピニオンからの駆動力により、前記出力リンクと共に前記出力側回転軸周りで回転し、
前記第３歯車及び前記第４歯車は、それぞれ同じ回転角度で回転するように、それぞれ同一の回転軸Ｏ６で連結されており、
前記回転軸Ｏ６は、前記出力リンクに回転自在に支持されていることを特徴とするロボット関節構造。