JP6067379B2 - 動力伝達装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットの関節等を駆動するための動力伝達装置に関する。
例えば、産業用ロボット等のロボットでは、関節の変位量を位置制御(サーボ制御)によって目標値に制御することが従来より一般に行われている。そして、この種のロボットの関節の動力伝達機構は、該関節の変位量を精度よく目標値に制御することができるようにするために、多くの場合、外力の変化に対して該関節の変位量の変化が生じ難い高剛性の構造のものが採用されている。
しかるに、このような高剛性の構造の動力伝達機構を有する関節は、外界物の位置や形状、あるいは外乱等を事前に特定もしくは予測しておくことが困難となるような種々様々な外界環境下では柔軟性に乏しい。例えば、関節の被動側部材が、予期しない外界物に接触した場合等に、該被動側部材を適切に動かすことが困難となったり、あるいは、関節を駆動するアクチュエータに過大な外力が作用するような状況が発生しやすい。
このため、近年では、弾性的な変位が可能な関節を有するロボットの研究も本願出願人等より行われている。
一方、従来、産業用ロボット等の関節の動力伝達機構として、該関節の弾性的な変位を行い得るようにするために、2つのプーリ間のワイヤにスプリングを介装して、両プーリ間の動力伝達をスプリングにより発生する弾性力を介して行うようにした構造のものが、例えば特許文献1に提案されている。
特許第4442464号公報
ところで、例えば、種々様々な環境下で、種々様々な作業が要求されるようなロボットでは、各環境条件で、各作業内容に適したロボットの動作を柔軟に行うことができるようにするために、関節の動力伝達機構を、該関節の剛性特性(剛性の高低の度合)を可変的に制御し得るように構成しておくことが望まれる。
さらには、関節で必要に応じて粘性力を発生させたり、その粘性特性(粘性力の発生のし易さの度合)を制御することができるように、該関節の動力伝達機構を構成しておくことが望まれる。
しかしながら、前記特許文献1に見られる如き構造の動力伝達装置は、両プーリ間のワイヤにスプリングが介装されているだけなので、両プーリ間の剛性特性(ひいては関節の剛性特性)を可変的に制御し得るように構成されていないと共に、両プーリ間の粘性特性を可変的に制御し得るように構成されていない。そして、特許文献1に見られる如き構造の動力伝達装置で、両プーリ間の剛性特性(ひいては関節の剛性特性)を可変的に制御し得るようにしたり、あるいは、両プーリ間の粘性特性(ひいては関節の粘性特性)を可変的に制御し得るようにするためには、動力伝達装置の構成が複雑なものとなったり、あるいは、大型化したり、駆動効率が低下する虞があった。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、2つのプーリ部材間で動力伝達を行う動力伝達装置において、簡易で駆動効率が低下し難い構造で、両プーリ部材間の剛性特性あるいは粘性特性を可変的に制御するようにすることができる動力伝達装置を提供することを目的とする。
本発明の動力伝達装置(第1発明の動力伝達装置)は、かかる目的を達成するために、第1プーリ部材と、該第1プーリ部材の回転軸心と平行な回転軸心を有して、該第1プーリ部材の側方に配置された第2プーリ部材との間で動力伝達を行う動力伝達装置であって、
前記第1プーリ部材及び第2プーリ部材の外周部のそれぞれに巻き掛けられて、両プーリ部材の間に張設されたワイヤ部材と、
前記両プーリ部材の間で前記ワイヤ部材を湾曲させるように該ワイヤ部材に外周部が圧接されており、該ワイヤ部材の走行に伴い前記両プーリ部材の回転軸心と平行な自転軸心周りに自転可能に設けられたローラ部材と、
該ローラ部材を回転自在に支持していると共に該ローラ部材の自転軸心から一定間隔を存して偏心された公転軸心周りに回転可能に設けられた支持部材と、
該支持部材と一体に前記公転軸心周りに回転可能に該支持部材に連結された回転ギヤと、
該回転ギヤに噛合されたスプリングウォームと、
該スプリングウォームの回転量を制御し得るように該スプリングウォームに接続された第1アクチュエータとを備えることを基本構成とする。
なお、本発明における用語について補足すると、「プーリ部材」はプーリ又はこれと同等の機能を有する部材を意味する。同様に、「ワイヤ部材」は、ワイヤ又はこれと同等の機能を有する部材を意味し、「ローラ部材」は「ローラ」又はこれと同等の機能を有する部材を意味する。また、「スプリングウォーム」は、スプリングとしての機能とウォームギヤとしての機能とを併せ持つものを意味する。これらのことは、第1発明に限らず、後述の他の発明においても同様である。
上記第1発明によれば、前記第1アクチュエータにより前記スプリングウォームを回転駆動することで、該スプリングウォームに噛合している回転ギヤが、前記支持部材と一体に前記公転軸心周りに回転する。これに伴い、前記ローラ部材が公転軸心周りに公転することとなる。
従って、前記第1アクチュエータにより前記スプリングウォームの回転量(軸心周りの回転量)を適宜の目標値に制御することで、前記ローラ部材の公転軸心周りでの公転の位相角(以降、ローラ公転位相角ということがある)を、スプリングウォームの回転量に対応した位相角に制御できることとなる。
このようにスプリングウォームの回転量(軸心周りの回転量)を適宜の目標値に制御して、該回転量を一定に維持した状態(以降、この状態を基準状態ということがある)で、前記第1プーリ部材(又は第2プーリ部材)に、両プーリ部材間で前記ワイヤ部材を引っ張る方向の回転駆動力を付与すると、該ワイヤ部材がローラ部材の外周部に圧接されている箇所で湾曲しているために、該ワイヤ部材に作用する張力に起因して該ローラ部材に作用する並進力によって、該ローラ部材を公転軸心周りに公転させようとする回転力が該ローラに作用する。
この時、両プーリ部材の一方が他方に対して相対回転しつつ、該ローラ部材が前記基準状態から公転軸心周りに公転する。さらには、該ローラ部材の公転と併せて、前記支持部材及び回転ギヤが公転軸心周りに回転し、それに伴い、該回転ギヤに噛合しているスプリングウォームが伸長又は短縮される。
これにより、前記基準状態からのローラ部材の公転量(公転の回転角)に応じた弾性力がスプリングウォームで発生し、この弾性力による回転力(公転軸心周りの回転力)がスプリングウォームから回転ギヤ及び支持部材を介してローラ部材に付与される。
そして、最終的には、前記基準状態からのローラ部材の公転量と、これに対応する両プーリ部材間の相対回転量とは、前記スプリングウォームで発生する弾性力に起因して、前記ローラ部材に作用する回転力と前記張力に起因して前記ローラ部材に作用する回転力とが釣り合う状態で平衡し、この状態(以降、平衡状態ということがある)で、両プーリ部材間の回転駆動力の伝達が行われることとなる。
従って、前記第1プーリ部材(又は第2プーリ部材)に回転駆動力を付与すると、結果的に、両プーリ部材間の弾性的な相対回転が発生しつつ、その相対回転量に応じた弾性力(ウォームスプリングで発生する弾性力に起因する弾性的な回転力。以降、弾性回転力ということがある)が両プーリ部材間に発生し、この弾性回転力を介して両プーリ部材間の回転駆動力の伝達が行われることとなる。
この場合、前記第1プーリ部材(又は第2プーリ部材)に付与する回転駆動力が一定である場合、前記張力によって前記ローラ部材に作用する並進力のうち、該ローラ部材の前記公転軸心周りの公転半径に直交する方向の成分の大きさが、前記基準状態でのローラ公転位相角に応じて変化する。
このため、前記第1プーリ部材(又は第2プーリ部材)に付与する回転駆動力が一定である場合、前記張力に起因して前記ローラ部材に作用する回転力は、前記基準状態でのローラ公転位相角に応じて変化する。ひいては、前記基準状態でのローラ公転位相角に応じて、該基準状態から前記平衡状態までのローラ部材の公転量と、これに対応する両プーリ部材間の相対回転量とが変化することとなる。
また、基準状態から前記平衡状態までのローラ部材の公転量と両プーリ部材間の相対回転量とは、前記第1プーリ部材(又は第2プーリ部材)に付与する回転駆動力が大きいほど、大きくなる。
従って、両プーリ部材間で弾性回転力により伝達される回転駆動力の変化と、両プーリ部材間の相対回転量の変化との比率(これは両プーリ部材間の剛性の高低の度合を表す)に着目した場合、該比率は、基準状態でのローラ部材の回転位置に応じて変化する。
このため、第1発明によれば、基準状態でのローラ部材の回転位置に応じて、両プーリ部材間の剛性特性を変化させることができることとなる。
よって、第1発明の動力伝達装置によれば、第1プーリ部材及び第2プーリ部材の2つのプーリ部材間の剛性特性を、ワイヤ部材、ローラ部材、回転ギヤ、スプリングウォームにより構成される簡易で駆動効率が低下し難い構造によって変化させることができる
第1発明の動力伝達装置はさらに、次のような構成によって、第1プーリ部材と第2プーリ部材との間に粘性力を発生させるようにすることができる。
すなわち、第1発明は、筒部と、該筒部内に該筒部の軸心方向に摺動自在に設けられたピストンと、該筒部内で前記ピストンにより画成される共にオリフィス部を介して互いに連通された一対の液室と、該一対の液室に封入された粘性液体とを有するシリンダ構造物をさらに備えており、該シリンダ構造物が、前記筒部の軸心方向を前記スプリングウォームの伸縮方向と同方向に向けて配置されており、前記スプリングウォームの一端部及び他端部が、それぞれ前記ピストン、前記筒部に連結されていることを特徴とする。
これによれば、前記基準状態から前記ローラ部材を公転軸心周りに公転させると、前記スプリングウォームの伸縮に伴い、前記シリンダ構造物のピストンが摺動する。この時、前記一対の液室間でオリフィス部を介して粘性液体を流通することで、ピストンの摺動の抵抗、ひいては、前記ローラ部材の公転の抵抗となる粘性力が発生する。
これにより、両プーリ部材間に粘性力(シリンダ構造物で発生する粘性に起因する粘性的な回転力。以降、粘性回転力ということがある)を発生させることができる。
上記第1発明では、前記第1プーリ部材に、正転方向の回転駆動力と逆転方向の回転駆動力とを選択的に付与する第2アクチュエータを備えており、前記ワイヤ部材は、前記両プーリ部材の間の間隔方向と直交する方向での該両プーリ部材の両側で張設されており、前記支持部材には、前記両プーリ部材の両側のうちの一方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第1ローラ部材と、前記両プーリ部材の両側のうちの他方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第2ローラ部材とが前記ローラ部材として支持されており、前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材が、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材の間に挟まれるか、又は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材の間に該第1ローラ部材及び第2ローラ部材が挟まるように配置されており、前記公転軸心は、該公転軸心の方向で前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材を見た場合に、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材のそれぞれの自転の中心を結ぶ線分と交わるように配置されていることが好ましい(第2発明)。
この第2発明によれば、前記スプリングウォームを回転させると、第1ローラ部材及び第2ローラ部材の両方が一体的に前記公転軸心の周りに公転する。このため、前記基準状態において、前記両プーリ部材の両側のうちの一方側で前記ワイヤ部材と、他方側のワイヤ部材とに、それぞれ、第1ローラ部材、第2ローラ部材の外周部が圧接することとなる。また、このような圧接状態は、前記基準状態でのローラ公転位相角(第1ローラ部材及び第2ローラ部材の公転軸心周りでの公転の位相角)が変化しても同様である。
このため、第2発明によれば、第2アクチュエータから前記第1プーリ部材に正転方向及び逆転方向のいずれの方向の回転駆動力を付与した場合であっても、上記第1発明で説明した作動によって、両プーリ部材間で、弾性回転力を介して回転駆動力の伝達を行うことができる。
また、この場合、前記第1プーリ部材に正転方向及び逆転方向のいずれの方向の回転駆動力を付与する場合でも、前記第1アクチュエータによる前記基準状態でのローラ公転位相角を可変的に制御することで、両プーリ部材間の剛性特性を変化させることができる。
上記第1発明又は第2発明では、前記オリフィス部は、その開口面積を可変的に制御可能に構成されていることが好ましい(第発明)。
この第発明によれば、前記ローラ部材の公転の角速度の変化に対する前記粘性回転力の変化の比率、ひいては、前記両プーリ部材間の相対回転角速度の変化に対する前記粘性回転力の変化の比率(これは所謂、粘性係数に相当する)を、可変的に制御することができる。従って、両プーリ部材間の粘性特性を可変的に制御することができる。
また、本発明の動力伝達装置は、次の構成を採用してもよい。すなわち、本発明の動力伝達装置は、第1プーリ部材と、該第1プーリ部材の回転軸心と平行な回転軸心を有して、該第1プーリ部材の側方に配置された第2プーリ部材との間で動力伝達を行う動力伝達装置であって、
前記第1プーリ部材及び第2プーリ部材の外周部のそれぞれに巻き掛けられて、両プーリ部材の間に張設されたワイヤ部材と、
前記両プーリ部材の間で前記ワイヤ部材を湾曲させるように該ワイヤ部材に外周部が圧接されており、該ワイヤ部材の走行に伴い前記両プーリ部材の回転軸心と平行な自転軸心周りに自転可能に設けられたローラ部材と、
該ローラ部材を回転自在に支持していると共に該ローラ部材の自転軸心から一定間隔を存して偏心された公転軸心周りに回転可能に設けられた支持部材と、
該支持部材と一体に前記公転軸心周りに回転可能に該支持部材に連結された回転ギヤと、
該回転ギヤに噛合されたスプリングウォームとを備えると共に、
筒部と、該筒部内に該筒部の軸心方向に摺動自在に設けられたピストンと、該筒部内で前記ピストンにより画成される共に開口面積を可変的に制御可能なオリフィス部を介して互いに連通された一対の液室と、該一対の液室に封入された粘性液体とを有するシリンダ構造物をさらに備えており、
前記スプリングウォームは、その軸心周りに回転しないように設けられていると共に、該スプリングウォームの一端部及び他端部は、それぞれ前記ピストン、前記筒部に連結されていることを特徴とする(第発明)。
かかる第発明によれば、前記スプリングウォームがその軸心周りに回転しないように設けられているので、このスプリングウォームの状態は、前記第1発明に関して説明した前記基準状態に相当する。
従って、前記第1プーリ部材(又は第2プーリ部材)に、両プーリ部材間で前記ワイヤ部材を引っ張る方向の回転駆動力を付与すると、第1実施形態と同様に、両プーリ部材間の弾性的な相対回転が発生しつつ、その相対回転量に応じた弾性回転力(スプリングウォームで発生する弾性力に起因する弾性的な回転力)が両プーリ部材間に発生し、この弾性回転力を介して両プーリ部材間の回転駆動力の伝達が行われることとなる。
また、第発明では、前記第発明と同様にシリンダ構造物を備えると共に、該シリンダ構造物のオリフィス部の開口面積を可変的に制御可能であるので、前記第4発明と同様に、前記ローラ部材の公転の角速度の変化に対する前記粘性回転力の変化の比率、ひいては、前記両プーリ部材間の相対回転角速度の変化に対するに対する前記粘性回転力の変化の比率(これは所謂、粘性係数に相当する)を、可変的に制御することができる。
従って、第発明の動力伝達装置によれば、ワイヤ部材、ローラ部材、回転ギヤ、スプリングウォーム、及びシリンダ構造物により構成される簡易で駆動効率が低下し難い構造によって、第1プーリ部材及び第2プーリ部材の2つのプーリ部材間の弾性的な相対回転を可能としつつ、両プーリ部材間の粘性特性を適宜変化させることができる。
かかる第発明では、前記第1プーリ部材に、正転方向の回転駆動力と逆転方向の回転駆動力とを選択的に付与するアクチュエータを備えており、前記ワイヤ部材は、前記両プーリ部材の間の間隔方向と直交する方向での該両プーリ部材の両側で張設されており、前記支持部材には、前記両プーリ部材の両側のうちの一方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第1ローラ部材と、前記両プーリ部材の両側のうちの他方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第2ローラ部材とが前記ローラ部材として支持されており、前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材が、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材の間に挟まれるか、又は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材の間に該第1ローラ部材及び第2ローラ部材が挟まるように配置されており、前記公転軸心は、該公転軸心の方向で前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材を見た場合に、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材のそれぞれの自転の中心を結ぶ線分と交わるように配置されていることが好ましい(第発明)。
この第発明によれば、前記第2発明と同様に、前記アクチュエータ(これは前記第2発明における第2アクチュエータに相当する)から前記第1プーリ部材に正転方向及び逆転方向のいずれの方向の回転駆動力を付与した場合であっても、両プーリ部材間で、弾性回転力を介して回転駆動力の伝達を行うことができる。
また、この場合、前記第1プーリ部材に正転方向及び逆転方向のいずれの方向の回転駆動力を付与する場合でも、前記シリンダ構造物のオリフィス部の開口面積を可変的に制御することで、両プーリ部材間の粘性特性を変化させることができる。
本発明の一実施形態の動力伝達装置の全体のシステム構成を示す図。 図1に示す動力伝達装置の弾性力発生機構の構成を示す図。 図2に示す弾性力発生機構の要部構成を示す図。 図3のIV−IV線断面図。 変形態様の一例の動力伝達装置の弾性力発生機構の構成を示す図。 変形態様の他の例の動力伝達装置の弾性力発生機構の構成を示す図。
本発明の一実施形態を以下に図1〜図4を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態の動力伝達装置1は、第1プーリ部材としての第1プーリ2と、第2プーリ部材としての第2プーリ3と、これらのプーリ2,3の間に弾性力を発生させる弾性力発生機構4とを備える。なお、弾性力発生機構4は、両プーリ2,3間に弾性力だけでなく、粘性力も発生可能である。
本実施形態では、第1プーリ2及び第2プーリ3のうちの第1プーリ2を駆動側のプーリ、第2プーリを被動側のプーリとして使用する。このため、動力伝達装置1は、第1プーリ2(以降、駆動プーリ2という)に回転駆動力を付与するアクチュエータとしての電動モータ5と、第2プーリ3(以降、被動プーリ3という)と一体に回転するように該被動プーリ3に固定された負荷部材6とを備える。電動モータ5は、本発明における第2アクチュエータに相当するものである。
なお、負荷部材6は、図1では一体の構造物として記載されているが、一体の構造物でなくてもよい。例えば、負荷部材6は、1つ以上の関節を含むリンク機構であってもよい。
また、本実施形態の動力伝達装置1を、ロボットの関節の動力伝達装置として使用する場合には、例えば、該関節を介して連結される2つのリンク部(該関節で相対回転する2つのリンク部)のうちの一方のリンク部が上記負荷部材6となり、他方のリンク部に、両プーリ2,3が回転自在に支持されるように、該関節に動力伝達装置1が搭載される。
駆動プーリ2は、電動モータ5の回転駆動軸5aに減速機7を介して接続されている。そして、駆動プーリ2は、電動モータ5の回転駆動軸5aから減速機7を介して付与される回転駆動力(トルク)によって、電動モータ5の回転駆動軸5aの回転に連動して回転するようになっている。
なお、減速機7は、任意の構造のものでよく、例えば、ハーモニックドライブ(登録商標)もしくは複数のギヤにより構成される減速機を採用することができる。あるいは、減速機7は、直動を回転運動に変換する機構を備えるものであってもよい。その場合には、アクチュエータとして、例えば、電動モータ及びボールネジにより構成される直動アクチュエータ、あるいは、電動式のリニアモータ等を採用してもよい。
また、図1では、電動モータ5と駆動プーリ2とが同軸心に配置されているが、それらの回転軸心は、同軸心でなくてもよい。
被動プーリ3は、その回転軸心が駆動プーリ2の回転軸心と平行になるようにして、該駆動プーリ2の側方に並設されている。
弾性力発生機構4は、駆動プーリ2及び被動プーリ3の間に架け渡されたワイヤ11と、両プーリ2,3間の剛性及び粘性を変更するための剛性/粘性可変機構12とを備える。
ワイヤ11は、駆動プーリ2及び被動プーリ3の外周部のそれぞれに巻き掛けられて、両プーリ2,3間に張設されている。より詳しくは、ワイヤ11は、図2に示すように、両プーリ2,3の間で延在する二条の張設部分11a,11bを有し、該張設部分11a,11b以外の部分が両プーリ2,3の外周のうちの内端側の部分(駆動プーリ2の外周のうちの被動プーリ3に臨む部分、及び被動プーリ3の外周のうちの駆動プーリ2に臨む部分)を除く箇所に滑らないように巻き掛けられている。
そして、張設部分11a,11bは、両プーリ2,3の間隔方向と直交する方向(図2の上下方向)における両プーリ2,3の両側にて、各々張設されている。なお、ワイヤ11は、多少の伸縮性を有する。
補足すると、ワイヤ11は、無端条のものである必要はない。例えば、張設部分11a,11bのそれぞれの両端部が、各々、駆動プーリ2、被動プーリ3に固定されていてもよい。
剛性/粘性可変機構12は、例えば図2〜図4に示すように構成されている。すなわち、剛性/粘性可変機構12は、両端部に2つのローラ部材(第1及び第2ローラ部材)としてのローラ13a,13bが自転自在に枢着された回転バー14を備えている。該回転バー14は、本発明における支持部材に相当する。この回転バー14は、その中央部に固定された回転軸15の軸心まわりに該回転軸15と一体に回転可能とされている。回転軸15は、駆動プーリ2及び被動プーリ3の間で、両プーリ2,3の回転軸心と平行な姿勢で配置されている。
また、回転バー14の両端部のローラ13a,13bは、それぞれの自転軸心が、駆動プーリ2及び被動プーリ3の回転軸心と平行な方向(回転軸15の軸心と平行な方向に向けられている。
従って、ローラ13a,13bは、それぞれの自転軸心から偏心した回転軸15の軸心周りに公転可能とされている。また、回転軸15の軸心(以降、公転軸心ということがある)は、本実施形態では、該公転軸心の方向(図2の紙面に垂直な方向)でローラ13a,13bを見た場合に、ローラ13a,13bの自転の中心を結ぶ線分の中点で、該線分と交わるように配置されている。
そして、ローラ13a,13bのうちの一方のローラ13aの内端側(他方のローラ13bに臨む側)の外周部が、ワイヤ11の二条の張設部分11a,11bのうちの一方の張設部分11aに圧接され、他方のローラ13bの内端側(一方のローラ13aに臨む側)の外周部が、ワイヤ11の他方の張設部分11bに圧接されている。
従って、ローラ13a,13bは、それらの間にワイヤ11の張設部分11a,11bを挟み込むようにして、張設部分11a,11bの各々に圧接されている。この場合、ワイヤ11の張設部分11a,11bは、それぞれ、ローラ13a,13bの圧接箇所で湾曲されている。そして、ワイヤ11の張設部分11a,11bの走行に伴い、ローラ13a,13bがそれぞれ自転するようになっている。
剛性/粘性可変機構12は、さらに、回転バー14に回転軸15を介して連結されて該回転バー14と一体に回転可能に設けられた回転ギヤ(平歯車)16と、この回転ギヤ16に噛合されたスプリングウォーム17と、このスプリングウォーム17を回転駆動する電動モータ18と、シリンダ構造物19とを備えている。電動モータ18は、本発明における第1アクチュエータに相当するものである。
スプリングウォーム17は、ウォームギヤとして機能可能にコイルスプリング状に形成されたばね部材であり、電動モータ18の回転駆動軸18aに外挿されている。そして、スプリングウォーム17の電動モータ18の本体寄りの一端は、回転駆動軸18aに固定されたバネ座部材20aに固定されている。従って、スプリングウォーム17は、電動モータ18の回転駆動軸18aと一体に回転し、このスプリングウォーム17の回転に伴い、回転ギヤ16が回転するようになっている。
シリンダ構造物19は、スプリングウォーム17の他端側で回転駆動軸18aと同軸心に配置された筒部21を有する。この筒部21の内部を電動モータ18の回転駆動軸18aが貫通し、該筒部21が、回転駆動軸18aに沿って、その軸心方向に摺動可能とされている。そして、筒部21のスプリングウォーム17側の端面に固定されたバネ座部材20bにスプリングウォーム17の他端が固定されている。従って、スプリングウォーム17の伸縮に伴い、シリンダ構造物19の筒部21が電動モータ18の回転駆動軸18aの軸心方向に摺動するようになっている。
また、筒部21の内部には、回転駆動軸18aに固定されたピストン22が設けられており、このピストン22の外周面が筒部21の内周面に摺接されている。従って、スプリングウォーム17は、その電動モータ18の本体寄りの一端が、ピストン軸としての回転駆動軸18aを介してピストン22に連結され、他端が、筒部21に連結されている。
そして、筒部21の内部でピストン22により画成された2つの液室としての油室23a,23bに粘性液体としての粘性オイルが封入されている。これらの油室23a,23bは、オリフィス部24を有する連通管25により連通されている。この場合、オリフィス部24は、その開口面積を可変的に制御することが可能なっている。例えば、図3の吹き出し部分に示すように、電動式のピン状の弁体24aの連通管25内への突出量を変化させることにより、オリフィス部24の開口面積を変化させることが可能となっている。なお、連通管25(又はこれに相当する流路)は、筒部21の側壁部等に形成してもよい。
本実施形態の動力伝達装置1は、さらに、該動力伝達装置1の運転制御のために、CPU、RAM、ROM等を含む電子回路ユニットにより構成された制御装置30と、駆動プーリ2の回転角度及び被動プーリ3の回転角度をそれぞれ検出する角度検出器31,32と、剛性/粘性可変機構12の電動モータ18の回転駆動軸18aの回転角度(=スプリングウォーム17の回転角度)を検出する角度検出器33(図2に示す)とを備える。
この場合、制御装置30は、角度検出器31〜33の検出信号等を基に、プログラム処理を実行することで、駆動プーリ2に回転駆動力を付与する電動モータ5(以降、動力源モータ5という)と、スプリングウォーム17を回転駆動する電動モータ18(以降、剛性可変用モータ18という)とを制御すると共に、オリフィス部24の弁体24aの動作を制御することで、該オリフィス部24の開口面積を制御する機能とを有する。
次に、以上の如く構成された動力伝達装置1の作動を説明する。
剛性可変用モータ18により、スプリングウォーム17を回転駆動することで、該スプリングウォーム17に噛合された回転ギヤ16を介して回転バー14が回転する。ひいては、回転バー14に支持されているローラ13a,13bが、それらの公転軸心としての回転軸15の軸心周りに公転する。
従って、剛性可変用モータ18の制御によって、ローラ13a,13bの公転軸心周りでの公転の位相角を制御することができる。以降の説明では、この位相角を、図2に示すように、回転バー14の延在方向(ローラ13a,13bの間隔方向)が駆動プーリ2及び被動プーリ3の間隔方向と直交する状態からのローラ13a,13bの公転角度φ(公転軸心周りの回転角度)として定義する。そして、この位相角φを公転位相角φと呼ぶ。
両プーリ2,3間の動力伝達(回転駆動力の伝達)を行っていない状態で、公転位相角φをある既定の角度値(例えば図2のφ0)に制御し、その状態で剛性可変用モータ18の回転駆動軸18aの回転(ひいては、スプリングウォーム17の回転)を停止させた状態(以降、この状態を基準状態という)を想定する。
この基準状態において、前記動力源モータ5から駆動プーリ2に回転駆動力(トルク)を付与すると、ワイヤ11の張設部分11a,11bの一方に、当該回転駆動力に比例した張力が発生し、その張力を介して、駆動プーリ2から被動プーリ3に回転駆動力が伝達される。
この場合、ワイヤ11の各ローラ13a,13bが圧接されている部分が湾曲しているので、上記の如く、ワイヤ11の張設部分11a,11bの一方に発生する上記張力に起因して、ローラ13a,13bのうちの該張設部分11a又は11bに接触するローラ13a又は13bに、両プーリ2,3の間隔方向とほぼ直交する方向の並進力が作用する。
例えば、図2に示すように、駆動プーリ2に反時計まわり方向(以降、便宜上、この方向を正転方向と定義する)のトルクτdを動力源モータ5から付与すると、ワイヤ11の張設部分11aにトルクτdに比例する張力Te(=τd/駆動プーリ2の有効回転半径)が発生し、この張力Teによってローラ13aに並進力Fが作用する。なお、この並進力Fの大きさは、トルクτdにほぼ比例する。また、図2中の張力Teは、ローラ13aに対して作用する張力を示している。
また、図示は省略するが、駆動プーリ2に逆転方向(時計周り方向)のトルクを動力源モータ5から付与した場合には。ワイヤ11の張設部分11bに該トルクに比例する張力が発生し、この張力によってローラ13bに、両プーリ2,3の間隔方向とほぼ直交する方向の並進力(図2に示した並進力Fとほぼ逆向きの並進力)が作用する。
基準姿勢状態でのローラ13a,13bの公転位相角φがゼロでない場合(例えば図2に示す状況)では、ローラ13a又は13bに作用する上記並進力(以降、これを改めてFと表記する)に起因して、ローラ13a,13b及び回転バー14の全体に回転駆動力(トルク)が作用することとなる。これにより、駆動プーリ2が被動プーリ3に対して相対回転しつつ、ローラ13a,13bが公転軸心周りに公転する。ひいては、前記スプリングウォーム17に噛合している回転ギヤ16が回転バー14と一体に公転軸心周りに回転する。
この場合、ローラ13a又は13bに作用する上記並進力Fに起因してローラ13a,13b及び回転バー14の全体に作用するトルク(以降、τaと表記する)は、上記並進力Fに対して、次式(1)の関係を有する。なお、図2に示す如く、φ0は、基準状態でのローラ13a,13bの公転位相角φの値、Raは、公転軸心(回転軸15の軸心)周りでのローラ13a,13bの軸心部の回転半径である。

τa=F・sin(φ0)・Ra ……(1)

このようにローラ13a,13b及び回転バー14の全体にトルクτaが作用している状況で、スプリングウォーム17は回転しないので、回転ギヤ16の回転によってスプリングウォーム17の一部(詳しくは、回転ギヤ16の噛合部分と前記剛性可変用モータ18側のバネ座部材20aとの間の部分)が伸長又は短縮され、その伸縮量に応じた弾性力をスプリングウォーム17が発生する。
この場合、スプリングウォーム17の基準状態からの伸縮量、ひいては、ローラ13a,13b及び回転バー14の基準状態からの公転回転量(公転位相角φの変化量)は、該スプリングウォーム17の弾性力(並進力)によって回転ギヤ16に作用するトルクと、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する上記並進力Fに起因して回転バー14に作用するトルク(=回転ギヤ16に作用するトルク)とが釣り合う状態で最終的に平衡する。この平衡状態で、駆動プーリ2に動力源モータ5から付与されるトルクτdが弾性力発生機構4を介して被動プーリ3に伝達されることとなる。
上記平衡状態でのローラ13a,13bの基準状態からの公転回転量をΔφ[rad]、回転ギヤ16の回転半径をRb、スプリングウォーム17の剛性(スプリングウォーム17の伸縮量の単位変化量あたりに発生する弾性力の変化量。所謂、ばね定数)をKsp_wとおくと、上記平衡状態でのスプリングウォーム17の弾性力によって回転ギヤ16に作用するトルク(以降、これをτbと表記する)は、次式(2)により与えられる。

τb=Ksp_w・sin(Δφ)・Rb≒Ksp_w・Δφ・Rb ……(2)

この式(2)と前記式(1)とから、上記平衡状態における並進力Fと、ローラ13a,13b及び回転バー14の基準状態からの公転回転量Δφとの間の関係は、次式(3)により与えられる。

F=(Ksp_w・Rb/(sin(φ0)・Ra)・Δφ ……(3)

従って、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する並進力Fは、ローラ13a,13b及び回転バー14の基準状態からの公転回転量Δφに比例するものとなる。
ここで、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する並進力Fは、駆動プーリ2に付与されるトルク(ひいては被動プーリ3に伝達されるトルク)が大きいほど、大きくなる。また、被動プーリ3に対する駆動プーリ2の相対回転量(基準状態からの相対回転量)は、上記平衡状態でのローラ13a,13b及び回転バー14の基準状態からの公転回転量Δφが大きいほど、大きくなる。
従って、両プーリ2,3間の相対回転量が一定に維持される定常状態で、駆動プーリ2から被動プーリ3に伝達されるトルク(被動プーリ3に付与されるトルク)をτspと表記し、両プーリ2,3間の相対回転量をΔθと表記すると、τspとΔθとの間には、近似的に次式(4)の比例関係が成立する。

τsp=Ksp・Δθ ……(4)

よって、弾性力発生機構4は、駆動プーリ2と被動プーリ3との間の動力伝達(回転駆動力の伝達)を行うバネ部材として機能する。そして、上記トルクτspは、弾性力発生機構4によって両プーリ2,3間に発生する弾性力によって伝達されるトルク(以降、弾性力トルクτspという)に相当する。この場合、式(4)におけるKspは、両プーリ2,3間の相対回転量Δθ(以降、プーリ間回転角度差Δθという)の変化に対する弾性力トルクτspの変化の比率であり、以降、剛性特性係数Kspという。
この剛性特性係数Kspは、両プーリ2,3間の剛性を示しており、Kspの値が大きいほど、両プーリ2,3間の剛性が高い(両プーリ2,3間の回転量の差が発生しにくくなる)ことを意味する。そして、本実施形態における弾性力発生機構4の剛性特性係数Kspの値は、基本的には、基準状態でのローラ13a,13bの公転位相角φ0に応じたものとなり、φ0が大きいほど、Kspの値が小さくなる。
従って、基準状態でのローラ13a,13bの公転位相角φ0を剛性可変用モータ18により制御することで、両プーリ2,3間の剛性特性(詳しくは、剛性特性係数Ksp)を可変的に制御することができることとなる。
補足すると、基準状態でのローラ13a,13bの公転位相角φ0がゼロである場合には、ワイヤ11の張力によってローラ13a又は13bに作用する並進力Fは、ローラ13a,13b及び回転バー14を回転させる力とはならないので、ローラ13a,13bの公転位相角φ0はゼロに維持されることとなる。このため、この状態は、両プーリ2,3間の剛性が最も高いものとなる状態である。
また、本実施形態の弾性力発生機構4では、ローラ13a,13b及び回転バー14が基準状態から公転軸心周りに公転するとき、スプリングウォーム17の伸縮に伴い、シリンダ構造物19の筒部21がピストン22に対して相対的に摺動する。
このとき、油室23a,23b間で、オリフィス部24を有する連通管25を介して粘性オイルが流通することで、筒部21の摺動に対する抵抗力となる粘性力が発生する。これにより、ローラ13a,13b及び回転バー14が基準状態からの公転、ひいては、被動プーリ3に対する駆動プーリ2の相対回転に対する抵抗力となる粘性力が、両プーリ2,3間で発生することとなる。そして、この粘性力は、オリフィス部24の開口面積を変化させることで、変化するここととなる。
この場合、オリフィス部24の開口面積を一定に維持した場合にシリンダ構造物19で発生する粘性力は、ピストン22に対する筒部21の移動速度、ひいては、スプリングウォーム17の伸縮速度に比例する。そして、スプリングウォーム17の伸縮速度は、ローラ13a,13b及び回転バー14の公転の回転速度にほぼ比例する。
また、両プーリ2,3間の相対回転量の時間的変化率、すなわち、両プーリ2,3間の相対回転速度(両プーリ2,3のそれぞれの回転角度の差)は、ローラ13a,13b及び回転バー14の公転の回転速度に応じたものとなり、該公転の回転速度が大きいほど、両プーリ2,3間の相対回転速度が大きいものとなる。
従って、両プーリ2,3間の相対回転速度をΔω[rad/s]と表記し、両プーリ2,3間の粘性力によって駆動プーリ2及び被動プーリ3間に付与されるトルク(以降、粘性力トルクという)をτdpと表記すると、Δωとτdpとの間には、近似的に次式(5)の関係が成立する。

τdp=Kdp・Δω ……(5)

よって、弾性力発生機構4は、駆動プーリ2と被動プーリ3との間に粘性力を発生する機能も有する。この場合、式(5)におけるKdpは、両プーリ2,3間の相対回転速度Δω(以降、プーリ間回転速度差Δωという)の変化に対する粘性力トルクτdpの変化の比率であり、以降、粘性特性係数Kdpという。
この粘性特性係数Kdpは、両プーリ2,3間の粘性の度合を示しており、Kdpの値が大きいほど、両プーリ2,3間の粘性が高い(両プーリ2,3間に発生する粘性力が大きくなりやすい)ことを意味する。そして、本実施形態における弾性力発生機構4の粘性特性係数Kdpの値は、基本的には、オリフィス部24の開口面積に応じたものとなり、該開口面積が大きいほど、Kdpの値が小さくなる。
従って、オリフィス部24の開口面積を前記弁体24aを介して制御することで、両プーリ2,3間の粘性特性(詳しくは、粘性特性係数Kdp)を可変的に制御することができることとなる。
以上が、本実施形態における動力伝達装置1の基本的作動である。
かかる動力伝達装置1の動作制御は、例えば次のように行われる。すなわち、制御装置30は、前記剛性特性係数Kspが、適宜、可変的に決定される目標値になるように剛性可変用モータ18を制御する。
具体的には、制御装置30は、前記基準状態でのローラ13a,13bの公転位相角φ0を、剛性特性係数Kspの目標値に対応する角度値にするための剛性可変用モータ18の回転駆動軸18aの回転角度の目標値を、剛性特性係数Kspの目標値から既定のマップ又は演算式により決定する。そして、制御装置30は、剛性可変用モータ18の回転駆動軸18aの実際の回転角度(角度検出器33の出力により示される観測値)を、サーボ制御によって、該回転角度の目標値に制御する。
また、制御装置30は、前記粘性特性係数Kdpが、適宜、可変的に決定される目標値になるようにオリフィス部24の開口面積を制御する。
具体的には、制御装置30は、粘性特性係数Kdpの目標値に対応するオリフィス部24の開口面積の目標値を、該粘性特性係数Kdpの目標値から既定のマップ又は演算式により決定する。そして、制御装置30は、オリフィス部24の実際の開口面積を、決定した目標値に、前記電動式の弁体24aを介して制御する。
そして、制御装置30は、所要の回転駆動力(トルク)を動力源モータ5から駆動プーリ2に付与するように該動力源モータ5を制御する。このとき、駆動プーリ2から弾性力発生機構4及び被動プーリ3を介して負荷部材6に回転駆動力が伝達されて、該負荷部材6が作動する。そして、この場合、両プーリ2,3間で剛性特性係数Kspの目標値により規定される剛性特性で弾性力が発生し、また、粘性特性係数Kdpの目標値により規定される粘性特性で粘性力が発生する。
以上説明した本実施形態の動力伝達装置1によれば、駆動プーリ2を正転方向に回転駆動する場合と逆転方向に回転駆動する場合とのいずれの場合であっても、図2〜図4に示した如き簡易で駆動効率が低下し難い構成の弾性力発生機構4によって、両プーリ2,3間に弾性力と粘性力とを発生させることができる。
そして、剛性可変用モータ18によってスプリングウォーム17の回転量を制御する(ひいては、基準状態でのローラ13a,13bの公転位相角φ0を制御する)だけで、両プーリ2,3間の剛性特性を規定する剛性特性係数Kspを可変的に制御することができる。
さらに、シリンダ構造物19のオリフィス部24の開口面積を制御することで、両プーリ2,3間の粘性特性を規定する粘性特性係数Kdpを可変的に制御することができる。
次に、以上説明した実施形態に関連する変形態様をいくつか説明する。
前記実施形態の動力伝達装置1では、両プーリ2,3間の粘性(詳しくは、粘性特性係数Kdp)を可変的に制御し得るように構成したが、該粘性を可変的に制御するための構成を省略してもよい。
例えば、シリンダ構造物19を省略することで、両プーリ2,3間に粘性力が実質的に発生しない(該粘性力が十分に微小なものとなる場合を含む)ようにしてもよい。あるいは、シリンダ構造物19のオリフィス部24の開口面積を一定に保持するようにして、両プーリ2,3間の粘性特性係数Kdpを一定に維持するようにしてもよい。
また、前記実施形態の動力伝達装置1では、両プーリ2,3間の剛性(詳しくは、剛性特性係数Ksp)を可変的に制御し得るように構成したが、該剛性を可変的に制御するための構成を省略してもよい。
例えば、スプリングウォーム17が回転しないように、該スプリングウォーム17の一端又は両端を固定保持したり、あるいは、図2の電動モータ18によって、スプリングウォーム17を回転停止状態に保持するようにしてもよい。このようにすることで、前記第5発明あるいは第6発明の一実施形態を構築できる。
また、前記実施形態の動力伝達装置1では、駆動プーリ2(第1プーリ部材)及び被動プーリ3(第2プーリ部材)を、図2に示したように互いに同じ回転半径を有するものとしたが、例えば図5に例示するように、駆動プーリ2と被動プーリ3とを互いに異なる回転関係を有するものとしてもよい。このようにした場合には、両プーリ2,3間の弾性力発生機構4に減速機(又は増速機)としての機能を持たせることができる。
また、前記実施形態の動力伝達装置1では、ローラ13a,13bの間にワイヤ11の張設部分11a,11bを挟み込むようにして、張設部分11a,11bの各々にローラ13a,13bを圧接させるようにしたが、例えば、図6に示すように、ワイヤ11の張設部分11a,11bの間にローラ13a,13bを挟み込むようにして、張設部分11a,11bの各々にローラ13a,13bを圧接させるようにしてもよい。
このようにしても、前記実施形態と同様の作動で、両プーリ2,3間の動力伝達を行うことができる。
また、前記実施形態の動力伝達装置1では、ワイヤ11の張設部分11a,11bのそれぞれに圧接させる2つのローラ13a,13bを備えるようにしたが、張設部分11a,11bの一方側、例えば、張設部分11aにだけローラ13aを圧接させるようにして、他方のローラ13bを省略してよい。このようにしても、例えば、駆動プーリ2に正転方向の回転駆動力を付与したり、あるいは、被動プーリ3の逆転方向の回転駆動力を付与した場合に、前記実施形態と同様の作動によって、両プーリ2,3間に弾性力や粘性力を発生させることができる。
また、前記実施形態では、ワイヤ部材として、ワイヤ11を使用したが、ワイヤ部材は、ベルト状の部材であってよい。
1…動力伝達装置、2…駆動プーリ(第1プーリ部材)、3…被動プーリ(第2プーリ部材)、5…電動モータ(第2アクチュエータ)、11…ワイヤ(ワイヤ部材)、13a,13b…ローラ(ローラ部材)、14…回転バー(支持部材)、16…回転ギヤ、17…スプリングウォーム、18…電動モータ(第1アクチュエータ)、19…シリンダ構造物、21…筒部、22…ピストン、23a,23b…油室(液室)、24…オリフィス部。

Claims (5)

  1. 第1プーリ部材と、該第1プーリ部材の回転軸心と平行な回転軸心を有して、該第1プーリ部材の側方に配置された第2プーリ部材との間で動力伝達を行う動力伝達装置であって、
    前記第1プーリ部材及び第2プーリ部材の外周部のそれぞれに巻き掛けられて、両プーリ部材の間に張設されたワイヤ部材と、
    前記両プーリ部材の間で前記ワイヤ部材を湾曲させるように該ワイヤ部材に外周部が圧接されており、該ワイヤ部材の走行に伴い前記両プーリ部材の回転軸心と平行な自転軸心周りに自転可能に設けられたローラ部材と、
    該ローラ部材を回転自在に支持していると共に該ローラ部材の自転軸心から一定間隔を存して偏心された公転軸心周りに回転可能に設けられた支持部材と、
    該支持部材と一体に前記公転軸心周りに回転可能に該支持部材に連結された回転ギヤと、
    該回転ギヤに噛合されたスプリングウォームと、
    該スプリングウォームの回転量を制御し得るように該スプリングウォームに接続された第1アクチュエータとを備えると共に、
    筒部と、該筒部内に該筒部の軸心方向に摺動自在に設けられたピストンと、該筒部内で前記ピストンにより画成される共にオリフィス部を介して互いに連通された一対の液室と、該一対の液室に封入された粘性液体とを有するシリンダ構造物を備えており、
    該シリンダ構造物が、前記筒部の軸心方向を前記スプリングウォームの伸縮方向と同方向に向けて配置されており、
    前記スプリングウォームの一端部及び他端部は、それぞれ前記ピストン、前記筒部に連結されていることを特徴とする動力伝達装置。
  2. 請求項1記載の動力伝達装置において、
    前記第1プーリ部材に、正転方向の回転駆動力と逆転方向の回転駆動力とを選択的に付与する第2アクチュエータを備えており、
    前記ワイヤ部材は、前記両プーリ部材の間の間隔方向と直交する方向での該両プーリ部材の両側で張設されており、
    前記支持部材には、前記両プーリ部材の両側のうちの一方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第1ローラ部材と、前記両プーリ部材の両側のうちの他方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第2ローラ部材とが前記ローラ部材として支持されており、
    前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材が、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材の間に挟まれるか、又は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材の間に該第1ローラ部材及び第2ローラ部材が挟まるように配置されており、
    前記公転軸心は、該公転軸心の方向で前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材を見た場合に、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材のそれぞれの自転の中心を結ぶ線分と交わるように配置されていることを特徴とする動力伝達装置。
  3. 請求項1又は2記載の動力伝達装置において、
    前記オリフィス部は、その開口面積を可変的に制御可能に構成されていることを特徴とする動力伝達装置。
  4. 第1プーリ部材と、該第1プーリ部材の回転軸心と平行な回転軸心を有して、該第1プーリ部材の側方に配置された第2プーリ部材との間で動力伝達を行う動力伝達装置であって、
    前記第1プーリ部材及び第2プーリ部材の外周部のそれぞれに巻き掛けられて、両プーリ部材の間に張設されたワイヤ部材と、
    前記両プーリ部材の間で前記ワイヤ部材を湾曲させるように該ワイヤ部材に外周部が圧接されており、該ワイヤ部材の走行に伴い前記両プーリ部材の回転軸心と平行な自転軸心周りに自転可能に設けられたローラ部材と、
    該ローラ部材を回転自在に支持していると共に該ローラ部材の自転軸心から一定間隔を存して偏心された公転軸心周りに回転可能に設けられた支持部材と、
    該支持部材と一体に前記公転軸心周りに回転可能に該支持部材に連結された回転ギヤと、
    該回転ギヤに噛合されたスプリングウォームとを備えると共に、
    筒部と、該筒部内に該筒部の軸心方向に摺動自在に設けられたピストンと、該筒部内で前記ピストンにより画成される共に開口面積を可変的に制御可能なオリフィス部を介して互いに連通された一対の液室と、該一対の液室に封入された粘性液体とを有するシリンダ構造物をさらに備えており、
    前記スプリングウォームの一端部及び他端部は、それぞれ前記ピストン、前記筒部に連結されていることを特徴とする動力伝達装置。
  5. 請求項記載の動力伝達装置において、
    前記第1プーリ部材に、正転方向の回転駆動力と逆転方向の回転駆動力とを選択的に付与する第2アクチュエータを備えており、
    前記ワイヤ部材は、前記両プーリ部材の間の間隔方向と直交する方向での該両プーリ部材の両側で張設されており、
    前記支持部材には、前記両プーリ部材の両側のうちの一方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第1ローラ部材と、前記両プーリ部材の両側のうちの他方側で前記ワイヤ部材に外周部が圧接された第2ローラ部材とが前記ローラ部材として支持されており、
    前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材が、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材の間に挟まれるか、又は、前記両プーリ部材の両側のワイヤ部材の間に該第1ローラ部材及び第2ローラ部材が挟まるように配置されており、
    前記公転軸心は、該公転軸心の方向で前記第1ローラ部材及び第2ローラ部材を見た場合に、該第1ローラ部材及び第2ローラ部材のそれぞれの自転の中心を結ぶ線分と交わるように配置されていることを特徴とする動力伝達装置。
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