JP6254271B2 - 被駆動連結器との軸不整合を示す横方向に係合した駆動連結器におけるトルク伝達 - Google Patents

Description

本出願は、駆動連結器及び被駆動連結器が横方向に又は被駆動連結器の被駆動軸に対して実質的に直交するもしくは垂直な方向に沿って係合する機械間のトルク伝達の装置及び方法に関し、更に厳密には、駆動連結器の駆動軸と被駆動連結器の被駆動軸との間に一定量の軸不整合（ａｘｉａｌ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が存在する場合のトルク伝達に関する。

特に機械間でトルクを伝送するために設計された周知のクラッチシステムを含む多数の機構が存在する。これらの機構及びクラッチシステムの多くには、係合及び分離し、トルク伝送を行う部分がある。異なる角速度で確実にトルクを伝送する必要性を含む様々な理由から、従来の機構は機械間の軸整合を固定し維持しようとする。通例、機械はこれを達成するために、トルクを伝送する中心軸に沿って機械間を機械的に係合する。これは、ほとんどの慣例において、クラッチシステム等をパラメータ化するために機械工学分野で用いられるデカルト座標系のＹ軸である。

これらの従来技術のシステムにおいては、２つの連結器の一方すなわち駆動連結器又は被駆動連結器をＹ軸に沿って作動させることにより動作が開始する。通常、このようなＹ軸に沿った軸方向の動きによって、Ｘ−Ｚ面に配置され駆動連結器及び被駆動連結器に備えられた歯車の歯又は他の結合特徴部（ｆｅａｔｕｒｅ）が係合する。このような解決策は自動車の動力取り出し装置で用いられることが多く、その場合はオペレータが第１のカップリングを共通軸に沿って（軸方向に）他のカップリング内に挿入する。

従来技術の手法の一例が、Ｗｉｌｋｅｓに対する米国特許第３，７４７，９６６号に記載されている。Ｗｉｌｋｅｓが教示する農業用トラクタは、後部から長手方向に延出した外側スプライン動力取り出しシャフトを用いる。この外側スプライン動力取り出しシャフトに、中空の内側スプライン部分を前端に有する動力伝達シャフトを接続することができる。これらのシャフト間の係合及び結合は、トルクを伝送する中心軸に沿った作動によって達成される。

ラッチ装置を用いたトルク伝送機構の従来技術の手法の別の例が、Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎに対する米国特許第７，０３６，６４４号に記載されている。この場合、トルク供給部の係合のための機構は、車輪等のトルク出力を用いるモータによって具現化される。この教示は、トルクを伝送する中心軸に沿ってトルク伝送機構を線形に作動させるための多くの機構を特定している。

更に別の例が、米国特許第６，３１８，６５７号におけるＮａｙａｋの教示によって与えられる。これは、容易な係合を可能としながらカップリングからテープリールにトルクを伝送するための機構を開示している。この場合、テープカートリッジに信頼性の高いリールロック及びモータ／リール結合機構が設けられ、これらの機能は双方とも駆動モータに対するカートリッジの単一の動きの間に実現される。これもまた、トルクを伝送する中心軸に沿った作動の良い例である。

実際、従来技術では、トルク伝送装置における軸方向の作動を扱った教示は数多い。このような装置における標準的な結合設計及びいくつかの非標準的な結合設計を教示する引例を選択するために、Ｒｅｃｋｅｒに対する米国特許第４，２８９，４１４号、Ｖｏｌｌｅに対する独国特許出願公開第１９７１４６０５号、Ｓｈｅａに対する米国特許第４，３３６，８７０号、Ｇａｄｅｌｉｕｓに対する米国特許第４，６３５，７７２号、及びＴｅｇｔｍｅｙｅｒに対する国際公開第２００６／０８２１９１号を参照されたい。

静止ユニットとこれに対して横方向に移動する可動ユニットとの間で、又は多くのそのような静止ユニット間でトルク伝送を実行する必要がある用途では、典型的な従来技術の手法は実用的でないことが多い。具体的には、可動ユニットがロボットであり、複数のステーション間を横方向に移動して各ステーションに搭載された機械類にトルクを伝達する場合、従来のトルク伝達方法は充分に適しているわけではない。このような条件では、反復可能で信頼性の高い軸方向の作動を実行することが難しい。

こういった状況でどのように従来のトルク伝達装置及び方法を適合させるかを示す例示的な教示が、Ｔａｄａｙｏｎの米国公開出願第２０１２／０１５２２８７７号に記載されている。この引例は、多くの態様の中でもとりわけ、例えば太陽光追尾装置を支持する静止ユニットのような静止ユニットに対してトルクを伝送する必要があるソーラーファーム用ロボットを教示している。一例では、トルク伝達はラックアンドピニオン機構によって達成される。別の例では、ロボットから追尾装置へのトルク伝送は、トルクを伝送する中心軸に沿った動きを生成する「チルトアーム（ｔｉｌｔ ａｒｍ）」と呼ばれる機構を利用して実行される。

上述の教示を考慮して、例えばドッキングステーションのような静止ユニットに対して横方向に移動するロボット等の可動ユニット間でトルクを伝達するための新しい解決策が求められている。

従来技術における制約を考慮して、本発明の目的は、横方向に又はトルクを伝送する中心軸に対して実質的に直交した係合方向に沿って係合する可動ユニットと静止ユニットとの間でトルク伝達を行うことである。換言すると、本発明の目的は、トルクを伝送する中心軸に沿った平行移動を制御する必要なく、複数の機械間でトルクを伝達するための装置及び方法を提供することである。

本発明の別の目的は、そのような可動ユニット及び静止ユニットに備えられた駆動連結器及び被駆動連結器が横方向に係合された場合に、駆動軸と被駆動軸との間に軸不整合がある状況のもとで、トルク伝達を行うことである。更に厳密には、連結器間の不整合に対応することができるトルク伝達を行うことが目的である。連結器の設計は、トルクが伝送され連結器が不整合である場合に接触力の成分によって連結器が安定した整合状態に押し戻されるようなものとすることができる。

本発明の更に別の目的及び利点は、図面と関連付けて詳細な説明を読むことにより明らかとなろう。

本発明のいくつかの有利な態様は、典型的に可動機械又はロボットである第１のユニットと、典型的に固定又は静止機械である第２のユニットと、の間でトルクを伝達するための装置によって保証される。この装置は、第１のユニット上に搭載され、駆動軸を中心とした回転によってトルクを送出するように設計された駆動連結器を有する。更に、第２のユニット上に被駆動軸を有する被駆動連結器が搭載され、これは、被駆動軸が規定する方向に対して実質的に直交した又は垂直な係合方向に沿って駆動連結器と係合可能であるように配置されている。駆動連結器を単独で又は第１のユニット全体と共に移動させるために横方向変位手段を設ける。いずれの場合も、駆動連結器は係合方向に沿って移動して、駆動軸と被駆動連結器の被駆動軸との間の一次同軸整合を達成する。装置はトルク送出駆動部も有する。これはモータによって具現化することができ、一次同軸整合が達成された後に駆動軸を中心として駆動連結器を回転させて被駆動連結器に結合すると共に被駆動軸を中心としてトルクを伝達するためのものである。このように、装置は、通常は永久的ではないが必要な場合はいつでも、ユニット間で係合してトルクを伝達するように構成されている。

駆動連結器は第１の嵌合部材を有し、被駆動連結器は対応する第２の嵌合部材を有する。これらの部材は適合形態（ｍａｔｃｈｅｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を示すような設計又は形状である。具体的には、それらの適合形態は、第１の部材が物理的に接触することなく第２の部材を通過する通過方位を規定するようなものである。適合形態は更に、第１の部材が第２の部材に結合する相対結合方位を規定する。

装置の好適な実施形態では、一次同軸整合、すなわちトルク伝達中の駆動軸と被駆動軸との不整合のレベル又は高精度軸整合の欠如に適合するため、適合性機構を設ける。適合性機構自体は、多くの物理的な実施形態をとることができ、様々な位置に搭載することができる。例えば適合性機構は第１のユニットに搭載することができ、軸不整合に適合するための駆動側機構により表すことができる。更に厳密には、これは、例えばモータのようなトルク送出駆動部を、モータの動き、好ましくは平行移動の動きをサポートするように第１のユニットに取り付ける１つ以上の可撓性搭載要素によって具現化することができる。適切な搭載要素は、ばね、ダンパ、ピストン、可撓性鳩目、線形スライド等である。これの代わりに又はこれに加えて、不完全な一次同軸整合に適合するための駆動側機構を、駆動軸に沿った方位に配されると共に駆動軸を中心に回転してトルクを送出する駆動シャフトに組み込むことができる。具体的には、駆動シャフトは、可撓性シャフト又はシャフト部分、適合性を有するリンク部、らせん状カップリング、自在継手、ジンバル、磁気カップリング等の１つ以上の可撓性要素を組み込むことができる。

第１のユニット上で動作する１つ以上の適合性機構と組み合わせて又はこれとは別個に、第２のユニット内に１つ以上の適合性機構を搭載することができる。これらも、被駆動軸に沿った方位に配された被駆動シャフトにより具現化される不完全な一次同軸整合に適合するための被駆動側機構を含むことができる。被駆動シャフトは、可撓性シャフト又はシャフト部分、適合性を有するリンク部、らせん状カップリング、自在継手、ジンバル、磁気カップリング等の１つ以上の可撓性シャフト要素を組み込む。

駆動連結器及び被駆動連結器により用いられてトルク伝送プロセスのために結合する第１及び第２の嵌合部材は、ある特定の構造が設けられていることが好ましい。例えば部材は、これらに３次元で制約された相対係合姿勢をとらせるように設計された係合特徴部を有する。好ましくは係合特徴部は、不完全な一次同軸整合による不整合量の結合をサポートするだけでなく、不整合を二次同軸整合へと低減させる。係合特徴部は、一方の部材上の係合突起、ピン、突出部、及び他の幾何学的特徴部により具現化することができる。好ましくは、他方の部材に、くぼみ、スロット、又はリッジにより具現化することができる相補形嵌合特徴部を設けて、これらの部材に３次元で抑制された相対係合姿勢をとらせ、軸不整合を低減する。一次同軸整合が不良であるために所定の公差を超える場合、不整合を二次同軸整合へ改善することは特に重要である。

いくつかの実施形態において、通常動作中に起こり得る被駆動連結器との衝突の衝撃を緩和するため、駆動連結器に１つ以上の衝突緩和特徴部を設けることが有利である。例えば装置が更にレールを備え、この上に第１のユニットが搭載されてこのレールに沿って多数の第２のユニット間を移動する場合、衝突が起こる可能性が高い。第２のユニットはドッキングステーションにより具現化することができ、又は、そのようなドッキングステーションに固定されて、特定動作の実行のために可動の第１のユニットからのトルク送出を必要とする機器をサポートする機械とすることができる。第２のユニットの被駆動シャフト上の嵌合部材は、動作中に予測できない方法で方位付けられるか又は方位を変える可能性がある。この結果、可動の第１のユニットの駆動シャフト上の嵌合部材は、複数のドッキングステーション間で移動する際に多くの衝突を経験し得る。

本発明の方法は、第１及び第２のユニットの間でトルクを伝達するように設計されている。好適な方法は、第１のユニット上に駆動軸を有する駆動連結器を搭載することと、第２のユニット上に被駆動軸を有する被駆動連結器を搭載することと、を必要とする。次いで駆動連結器は、典型的にはそのユニット全体と共に、被駆動連結器と係合するため、被駆動軸の方位に対して実質的に直交した係合方向に沿って移動する。このプロセスでは、許容できる一定量の軸不整合で、駆動軸と被駆動軸との一次同軸整合が達成される。許容できる一次同軸整合が達成された後に駆動軸を中心として駆動連結器を回転させて、被駆動連結器に結合すると共に、第１のユニットから第２のユニットに必要なトルクを伝達する。好適な方法は、適合形態に設計された駆動連結器及び被駆動連結器上の第１及び第２の嵌合部材を導入する。このような設計によって、通過方位及び嵌合部材が結合する相対結合方位が保証される。

本発明の有利な方法において、被駆動連結器は係合前に駆動連結器に対してアイドル方位に位置決めされている。もちろん、被駆動連結器はそれ自体で回転することができないので、駆動連結器が、トルク伝達後であって被駆動連結器から分離する前に被駆動連結器をアイドル方位へと回転させることが好ましい。アイドル方位は、被駆動連結器がある角度位置範囲又は進入禁止ゾーンの外側に留まることを保証するものである。この範囲は、駆動連結器が係合方向に沿った係合のため被駆動連結器に近付く際にこれと望ましくない衝突を生じる被駆動連結器の方位を表す進入禁止角によって定量化される。

この方法は更に、いずれかの適切な手段によって駆動軸と被駆動軸との軸不整合に適合することと、１つ以上の係合特徴部を備えた嵌合部材を連結器に提供することとを実行する。好ましくは、係合特徴部は相補形であり、トルクが加えられた場合に駆動連結器及び被駆動連結器に望ましい３次元で抑制された相対係合姿勢をとらせる。これは、一次同軸整合が不良であり一定の公差レベルを超える場合、特に重要である。

本発明の好適な実施形態を含む詳細は、添付図面を参照した以下の詳細な説明に提示されている。

本発明に従った、駆動連結器及び被駆動連結器を備える第１のユニットの一部及び第２のユニットの一部の部分斜視図である。 図１Ａの第１及び第２のユニットの駆動連結器及び被駆動連結器が結合してユニット間でトルクを伝達している場合のこれらのユニットの部分斜視図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 駆動連結器及び被駆動連結器の嵌合部材間の係合、回転、及び結合を示す平面図である。 本発明に従った、第１のユニットがレールに沿って変位する装置の斜視図である。 駆動連結器及び被駆動連結器が係合位置にある場合の図３の装置の部分等角図である。 図３の装置のモータ、及びトルク伝達中に駆動軸と被駆動軸との一次同軸整合に適合するためのその適合性機構の部分等角図である。 駆動側適合性機構が可撓性シャフトを含む実施形態の部分等角図である。 駆動シャフトに導入された代替的な駆動側適合性機構の部分等角図である。 駆動シャフトに導入された代替的な駆動側適合性機構の部分等角図である。 駆動シャフトに導入された代替的な駆動側適合性機構の部分等角図である。 被駆動シャフトに導入された被駆動側適合性機構の部分等角図である。 衝突回避方法を示す平面図である。 衝突回避方法を示す平面図である。 係合特徴部を用い、３次元で制約された相対係合姿勢及び二次同軸整合補正を達成する嵌合部材間の係合の有利な設計及び方法の等角図である。 係合特徴部を用い、３次元で制約された相対係合姿勢及び二次同軸整合補正を達成する嵌合部材間の係合の有利な設計及び方法の等角図である。 係合特徴部を用い、３次元で制約された相対係合姿勢及び二次同軸整合補正を達成する嵌合部材間の係合の有利な設計及び方法の等角図である。 係合特徴部を用い、３次元で制約された相対係合姿勢及び二次同軸整合補正を達成する嵌合部材間の係合の有利な設計及び方法の等角図である。 係合特徴部を用い、３次元で制約された相対係合姿勢及び二次同軸整合補正を達成する嵌合部材間の係合の有利な設計及び方法の等角図である。 相補形係合特徴部が得られる噛み合い又はドグクラッチ（ｄｏｇ ｃｌｕｔｃｈ）を示す等角図である。 図１０Ａのドグ歯車（ｄｏｇ ｇｅａｒ）の平面図である。 有利な相補形係合特徴部を用いた嵌合部材の等角図である。 図１１Ａの嵌合部材の平面図である。 図１１Ａの嵌合部材の平面図である。 本発明に従った、相補形係合特徴部を導入した別の部材セットの等角図である。 本発明に従った、相補形係合特徴部を用いた別の部材セットの等角図である。 本発明に従った、相補形係合特徴部を用いた更に別の部材セットの等角図である。

図面及び以下の説明は、例示としてのみ本発明の好適な実施形態に関連する。特許請求する本発明の原理から逸脱することなく使用され得る実行可能な選択肢として、本明細書に開示する構造及び方法の代替的な実施形態が容易に認識されることに留意すべきである。本発明のいくつかの実施形態に言及し、その例を添付図面に示す。実施可能な限りいかなる場合でも、同様の又は類似の機能を表すために同様の又は類似の参照番号を用いる。図面は例示の目的のためにのみ本発明の実施形態を示す。

本発明を最良に理解するため、まず、図１Ａの部分斜視図に示すような第１のユニット１０２と第２のユニット１０４との間でトルクを伝達するための装置１００について検討する。第１のユニット１０２は可動機械であり、図には一部のみを示している。第２のユニット１０４も一部のみを図示した機械であるが、機械１０２とは異なり、機械１０４は固定又は静止している。

本発明、特にユニット１０２、１０４間の関係をより良く説明するため、座標系１０６を用いてこの環境をパラメータ化する。当業者により認められるように、適切な座標であればいずれも使用可能であるが、本明細書では右手デカルト座標系を採用する。この場合、座標軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は図示のような方位に配され、Ｘ−Ｙ面は実質的に水平であると共にＺ軸は実質的に垂直である。このような慣例では、可動機械１０２の移動又は変位はＸ軸に沿った正又は負の方向のものである。

可動機械１０２は、そのシャーシ１１０に搭載された駆動連結器１０８を有する。駆動連結器１０８は一点鎖線で示された駆動軸１１２を有する。更に、駆動連結器１０８はトルク送出駆動部１１４も有し、これは本例では駆動軸１１２に沿った方位に配された駆動シャフト１１６を有するモータによって具現化されている。モータ１１４は、駆動軸１１２を中心に駆動シャフト１１６を回転させることによって送出トルクτ_Ｄを発生させるように設計されている。

トルクτ_Ｄの送出を促進するため、駆動連結器１０８は駆動シャフト１１６の遠位端に第１の嵌合部材１１８を有する。嵌合部材１１８は多くの方法で設計することができ、様々な幾何学的形状に一致させることができる。本実施形態では、嵌合部材１１８は単純なＴバーである。

一方、被駆動連結器１２０すなわち駆動連結器１０８によって駆動される連結器は、静止機械１０４に備えられたシャーシ１２２上に搭載されている。被駆動連結器１２０は、二点鎖線で示された被駆動軸１２６に沿って延出する被駆動シャフト１２４を有する。連結器１２０は、駆動連結器１０８が対応する矢印で示す係合方向１２８に沿って移動してくるとこの駆動連結器１０８と係合することができるように配置されている。本明細書に規定する座標系１０６では、方向１２８はＸ軸に沿っている。

係合方向１２８は、被駆動軸１２６が規定する方向にほぼ直交しているか又は垂直であり、これが好ましいことに注意すべきである。従って本発明によれば、駆動連結器１０８及び被駆動連結器１２０は、軸方向（様々なタイプのクラッチ及びトルク伝達機構において典型的である軸１１２又は軸１２６に沿った方向）でなく、係合方向１２８に沿って横方向に係合するように設計されている。

駆動連結器１０８の嵌合部材１１８との係合、適正な回転、及び結合を促進するため、被駆動シャフト１２４は遠位端に第２の嵌合部材１３０を有する。ここで、第２の嵌合部材１３０としては、ピン又は突起１３２Ａ、１３２Ｂの形態の２つの係合特徴部を有するヨークが選択される。最初にヨーク１３０は、突起１３２Ａ、１３２Ｂがほぼ垂直に位置合わせされた方位に配される。突起１３２Ａ、１３２Ｂのこの位置合わせは座標系１０６のＺ軸にも沿っている。Ｚ軸は、係合方向１２８（すなわち座標系１０６の水平なＸ軸）に対してほぼ垂直である。

可動機械１０２は、これを係合方向１２８に沿って推進又は移動させるための横方向変位機構１３４を有する。横方向変位機構１３４は、確実に駆動連結器１０８を係合方向１２８に沿って又は本明細書で規定した座標系１０６のＸ軸に対して平行に信頼性高く変位又は移動させることができるいずれかの適切な機械的構成によって具現化可能であることに留意することは重要である。この場合、また多くの実用的な実施形態において、この目的のために可動機械１０２全体を移動させる。もちろん、当業者に認められるように、常にこれが必要であるわけではない。

本実施形態において、例示的な横方向変位機構１３４は、制御ユニット１３６と、固定レール１４０に沿って移動するように制約を受けるスプロケットホイール又はピニオン１３８と、を含む。実際、この構成がラックアンドピニオン機構と同様であることは当業者には認められよう。レール１４０は一連の機械的リンクから成り、Ｘ軸と平行に延出している。制御ユニット１３６は、ピニオン１３８を回転させることによって、駆動連結器１０８を係合方向１２８に沿って静止機械１０４上に搭載された被駆動連結器１２０まで移動させるために必要な変位を実施する。

制御ユニット１３６は、Ｔバーにより具現化された第１の嵌合部材１１８がヨークにより具現化された第２の嵌合部材１３０と位置合わせされるまでピニオン１３８を回転させるように設計されている。更に厳密には、Ｔバー１１８は、その延出軸である駆動軸１１２がヨーク１３０の延出軸である被駆動軸１２６との一次同軸整合を達成するまで移動する。駆動軸１１２と被駆動軸１２６との一次同軸整合では、軸不整合を一定の公差未満に維持することにより信頼性の高いトルク伝送を可能としなければならない。軸１１２、１２６間の軸不整合の公差及び許容可能な量の更に具体的な測定基準については、以下でもっと詳しく論じる。

一次同軸整合が確立された時のＴバー１１８の位置、及びこの時点でのＴバー１１８の水平方向の（すなわち実質的にＸ軸に沿った）方位を、長い破線で示す。一次同軸整合は、いずれかの適切なセンサ（図示せず）もしくは特徴部によって、又はラック１４０に沿ったピニオン１３８の位置を知ることによって確認可能であることを注記しておく。必要な位置センサの動作及び関連する技法は当業者には既知である。

本実施形態では、静止機械１０４上に永久磁石が固定され、可動機械１０２上に線形位置センサが搭載されている。線形位置センサにより示される変化する磁束を用いて、駆動軸１１２及び被駆動軸１２６を一次同軸整合に位置合わせする。あるいは、位置合わせを促進するため、ピニオン１３８を回転させる駆動モータ上の制御ユニット１３６内にエンコーダを導入することも可能である。エンコーダはピニオン１３８の回転数をカウントする。エンコーダのカウント数に基づいて、制御ユニット１３６はレール１４０に沿った可動機械１０２の近似的な位置を知る。レール１４０に沿った静止機械１０４の位置もわかるので、エンコーダを軸１１２、１２６の一次同軸整合のために用いることができる。どちらの整合の戦略も単独で実施可能であるが、いっそうロバストな手法ではそれら双方を組み合わせる。

軸１１２、１２６間の一次同軸整合を達成した後、矢印Ｒで示すようにＴバー１１８をモータ１１４によって回転させる。具体的には、Ｔバー１１８は駆動軸１１２を中心として、短い破線で示すようなヨーク１３０に対する相対結合方位に達するまで回転させる。

Ｔバー１１８を結合方位でヨーク１３０に結合させた後の装置１００の機械１０２、１０４間でのトルク伝達を理解するため、図１Ｂに提供する装置１００の部分斜視図を参照する。ここでは、駆動軸１１２及び被駆動軸１２６が一次同軸整合の所定の公差内ですでに整合した状態が図示されている。簡単にするため、この状態の軸１１２、１２６は座標系１０６のＹ軸とほぼ同一線上にある。軸不整合の公差及び量は図１Ｂに示すには小さすぎるものであり、以下で更に詳しく述べる。

このようにＴバー１１８とヨーク１３０との結合状態が達成されたら、モータ１１４が生成する送出トルクτ_Ｄの、ヨーク１３０の突起１３２Ａ、１３２Ｂへの伝達を開始することができる。もちろん、トルク伝達プロセスでは、ヨーク１３０はＴバー１１８に作用する逆トルク（ｏｐｐｏｓｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ）τ_Ｏによって反応する。装置１００は、必要な場合はいつでも機械１０２、１０４間で係合してトルクτ_Ｄを伝達するように構成されているが、通常これは永久的でないことに留意すべきである。すなわち、一定の時間量だけトルクτ_Ｄを伝達した後、Ｔバー１１８及びヨーク１３０は分離し、機械１０２は方向１２８に沿って更に変位する。

ここで図２Ａ〜図２Ｇに移り、駆動軸１１２と被駆動軸１２６とが一次同軸整合される状況でのＴバー１１８のヨーク１３０との係合、回転、及び結合について検討する。図２Ａは、係合方向１２８に沿って横方向にヨーク１３０に近付いていくＴバー１１８を示す平面図である。すでに述べたように、ここで採用する座標系１０６の場合、方向１２８はＸ軸に対して平行である。一方、座標系１０６のＹ軸は図示のように図２Ａの紙面内に入っていく方向である。より見やすくするため、Ｔバー１１８の回転中心として構成された駆動軸１１２も紙面内に入る方向である。これに対して、ヨーク１３０の回転中心として構成された被駆動軸１２６は紙面外に出ていく方向である。もちろん、特定のセットアップ及び符号の慣例に応じて他の定義も採用可能であることは当業者には認められよう。

図２Ａに示すように、係合前のヨーク１３０は、突起１３２Ａ、１３２ＢをＺ軸に沿って相互に位置合わせした方位に配されることが好ましい。もしヨーク１３０が、突起１３２Ａ、１３２Ｂを概ねＸ軸に沿って相互に位置合わせした方位に配された場合、係合方向１２８に沿って横方向に近付いていくＴバー１１８はヨーク１３０と衝突する。このような衝突は望ましくないので、これを回避するため又はその影響を軽減するための別の装備について後述する。一方、突起１３２Ａ及び１３２ＢがＺ軸に沿って並び、Ｔバー１１８とヨーク１３０との起こり得る衝突が抑制される好適な方位を、本明細書ではアイドル又は通過方位と称する。しかしながら、アイドル又は通過方位は座標系１０６における絶対的な方位でなく、Ｔバー１１８、ヨーク１３０、及び係合方向１２８間の相対的な方位に関連することに留意すべきである。

更に、本発明によれば、ここではＴバー１１８及びヨーク１３０によって具現化されている駆動連結器及び被駆動連結器にそれぞれ備えられた第１及び第２の部材は、常に適合形態を示さなければならない。本明細書で理解されるような適合形態は、第１及び第２の部材間に少なくとも１つの通過方位の存在を保証する。従って適合形態の意味は、第１及び第２の部材１１８、１３０と、この場合はＴバー１１８自体及び突起１３２Ａ、１３２Ｂの表面であるそれらの全ての係合特徴部とが、この通過方位及びその正確なパラメータを規定するような設計又は形状であるということである。図２Ａの通過方位では、方向１２８に沿って移動するＴバー１１８は、ヨーク１３０と物理的に接触することなくヨーク１３０を通過する、更に具体的にはヨーク１３０の突起１３２Ａ、１３２Ｂ間を通過することができる。

図２Ｂは、Ｔバー１１８が引き続き概ねＸ軸に沿った方位に配されているが、係合方向１２８に沿ってヨーク１３０の突起１３２Ａ、１３２Ｂ間の位置まで移動した状態を示す。ここで、駆動軸１１２と被駆動軸１２６との軸不整合をはっきり見ることができる。具体的には、Ｔバー１１８の駆動軸１１２はヨーク１３０の被駆動軸１２６に対してずれている。このずれによって、ヨーク１３０の被駆動軸１２６の左下に軸不整合εが生じる。軸不整合εの大きさは、軸１１２、１２６間の一次同軸整合の所定の公差δ（図示せず）より小さい。

軸１１２、１２６が一次同軸整合の所定の公差δ内で位置合わせされた状態で、駆動連結器１０８及び被駆動連結器１２０（図１Ｂを参照のこと）は係合していると考えられる。すると、駆動連結器１０８のモータ１１４（図１Ｂを参照のこと）は、矢印Ｒで示すようにＴバー１１８を回転させる。本実施形態では、図２Ｂに示す観点から、この回転は反時計回りであり、結果としてＴバー１１８は駆動軸１１２を中心に回転する。

図２Ｃは、Ｔバー１１８の上面１１８Ａがヨーク１３０の突起１３２Ｂに接触する方位までＴバー１１８が回転した状態を示す。この時点で、駆動軸１１２を中心としてＴバー１１８を更に回転させることで、下面１１８Ｂを突起１３２Ａに接触させる。図２Ｄは、Ｔバー１１８の下面１１８Ｂが突起１３２Ａに接触する方位までＴバー１１８がモータ１１４（図１Ｂを参照のこと）によって回転した状態を示す。上面１１８Ａ及び突起１３２Ｂはすでに接触しているので、このプロセスの間にヨーク１３０がわずかに反時計方向に回転し得ることに注意すべきである。

この実施形態は適合性機構を導入していないので、ヨーク１３０の突起上でＴバー１１８が摺動することの影響を考慮しなければならないことに注意すべきである。図２Ｃ〜図２Ｄに示すプロセス部分の間に突起１３２Ａ、１３２Ｂ上でＴバー１１８が摺動すると摩耗が増大し、ヨーク１３０に不均一な力が加わるので高い曲げ応力が生じ、突起１３２Ａ、１３２ＢがＴバー１１８から外れる恐れもある。これらの悪影響が許容できない状況では（特に突起が外れたために結合解除又は分離が起こった場合）、適合性機構及び適切な係合特徴部を用いてＴバー１１８をできる限りヨーク１３０の中心に位置付けなければならない。適切な適合性機構及び係合特徴部については以下で更に述べる。

図２Ｄに示すＴバー１１８及びヨーク１３０の相対的な方位は相対結合方位である。第１の部材が第２の部材に結合する相対結合方位を規定するのが適合形態である。この結合状態でトルクを伝達することができる。

本実施形態において、Ｔバー１１８により表される第１の部材がヨーク１３０により表される第２の部材に結合されると、結合方位が達成される。更に厳密には、Ｔバー１１８の支持上面１１８Ａ、下面１１８Ｂとヨーク１３０の突起１３２Ｂ、１３２Ａとがそれぞれ結合される。適合性機構が存在しない場合、Ｔバー１１８の支持表面１１８Ａ、１１８Ｂは各回転サイクルの半分だけ各突起１３２Ｂ、１３２Ａと別個に結合可能であり得ることに注意すべきである。これは、上述の悪影響を更に悪化させる可能性があり、本発明に従った適合性機構を導入する必要性を示唆し得る。

図２Ｅは、結合状態において、モータ１１４により与えられる駆動軸１１２を中心とした送出トルクτ_Ｄを、Ｔバー１１８を介してヨーク１３０に与えた結果を示す。この図において、Ｔバー１１８及びヨーク１３０は、図２Ｄに示す結合状態からすでに反時計回りに約１２０度回転している。

送出トルクτ_Ｄに応じて、上面１１８Ａは突起１３２Ｂに垂直力（ｎｏｒｍａｌ ｆｏｒｃｅ）を加え、下面１１８Ｂは突起１３２Ａに垂直力を加える。この結果、ヨーク１３０の突起１３２Ａ、１３２Ｂは図示のように垂直反力Ｆ_ＲＡ及びＦ_ＲＢを発生する。ヨーク１３０の幾何学的形状及び被駆動軸１２６の位置から、これらの力は被駆動連結器１２０（図１Ｂを参照のこと）の逆トルクτ_Ｏを表す。Ｔバー１１８は、反力Ｆ_ＲＡ、Ｆ_ＲＢ又は逆トルクτ_Ｏに抗して回転することで、最初に駆動軸１１２を中心に発生した送出トルクτ_Ｄを、被駆動軸１２６を中心に回転しているヨーク１３０に伝達する。軸１１２、１２６間の軸不整合が小さく、双方がＹ軸と充分に整合している場合、あらゆる実用上の目的においてこのトルク伝達はＹ軸を中心としていると考えることができる。

一般に、図２Ｅに示す結合状態におけるトルク伝達は、静止機械１０４の側の被駆動連結器１２０がいずれかの機能の実行のためにトルクを必要とする限り維持される（図１Ｂを参照のこと）。この機能は機械的である場合もそれ以外の場合もある。例えば、静止機械１０４のシャフト１２４の回転を用いて機械的要素を移動させること、又は電力を発生させることも可能である。用途によるが、当業者は通常、必要な角速度及び他のパラメータに精通している。

図２Ｆは、トルク伝達の完了後に実行される分離の第１のステップを示す。この時点でヨーク１３０は、突起１３２Ａ、１３２Ｂが再びＺ軸に沿って位置合わせされた方位に配されていることが好ましい。これは、すでに規定したヨーク１３０のアイドル又は通過方位である。しかしながら、いくつかの実施形態ではヨーク１３０をそのアイドル方位に戻す必要はないことに注意すべきである。すなわちヨーク１３０は任意の方位に配することができる。

本実施形態では、いったんヨーク１３０がアイドル方位に置かれたら、矢印Ｄに示すようにＴバー１１８を時計回りに回転させる。Ｔバー１１８の時計回りの回転は、先にＴバー１１８について規定したアイドル又は通過方位を表す（Ｘ軸に沿った）水平方位に達するまで行う。水平方位ではＴバー１１８を充分に分離させることができる。

図２Ｇは、分離ステップを完了させるこのステップを示す。これは、Ｔバー１１８が係合方向１２８に沿って移動し続けることによって達成される。Ｔバー１１８の任意の回転を行ってもヨーク１３０と接触し得なくなった時に、充分な分離が達成される。この時、Ｔバー１１８を更に係合方向１２８に沿って移動させて、破線で示すように別のヨーク１３０’と係合させることができる。いったん駆動軸１１２と被駆動軸１２６’との一次同軸整合の達成に基づいて係合が確認されたら、上述のステップを繰り返すことで、異なる静止機械（図示せず）に備えられたヨーク１３０’にトルクを伝達することができる。

実際には軸不整合は、図２Ａ〜図２Ｇの平面図に示すような駆動軸１１２と被駆動軸１２６とのずれだけでなく、もっと多くの要因から生じ得る。駆動軸１１２及び被駆動軸１２６は、相互にずれることに加えて、Ｙ軸と充分に整合されないことがある。換言すると、一般的な例における軸不整合の原因は、駆動軸１１２と被駆動軸１２６とのずれ及び角度整合不一致（ａｎｇｕｌａｒ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）である。

図３は、ずれ及び角度整合不一致の双方によって軸不整合が生じている装置２００を斜視図で示す。便宜上、すでに説明したものと同様の部分に対応した部分は同一の参照番号で示す。

装置２００は、可動ロボットにより表される第１のユニット２０２を有する。可動ロボット２０２は、先の実施形態においてと同様に規定された座標系１０６のＸ軸に概ね平行な方位に配されたレール２０６に沿って変位するように構成されている。複合要素２０８Ａ、２０８Ｂから成る横方向変位構成２０８は、レール２０６に沿って可動ロボット２０２を推進するために設けられている。本例では、要素２０８Ａは側方搭載装備及び変位手段を含み、これは例えば車輪及びモータ又はエンジン（明示的に図示していない）である。要素２０８Ｂは前方搭載案内要素を含み、これは例えばローラ又は他の牽引要素、更に場合によっては別のモータ又はエンジン（明示的に図示していない）も含む。もちろん変位構成２０８は、レール２０６に沿って可動ロボット２０２を推進させるための、当業者に既知であるいかなる適切な手段も含むことができる。

レール２０６に隣接して、固定又は静止ドッキングステーションによって具現化された第２のユニット２０４が搭載されている。もちろん、ドッキングステーション２０４と同様の多くのドッキングステーションをレール２０６に沿って位置付けることができる。ドッキングステーション２０４は、その保護筐体２１０の内部に、周期的なトルク送出を必要とする機構（図示せず）を収容している。コスト及び複雑さの問題点のため、ステーション２０４にトルク発生用の独自の手段を備えることはできない。

レール２０６上には、ドッキングステーション２０４に隣接してマーキング又は位置合わせ基準点２１２が設けられている。位置合わせ基準点２１２は、いつ可動ロボット２０２がドッキングステーション２０４に到達したかを確定するために横方向変位構成２０８によって用いられる。更に、本実施形態の好適なバージョンでは、位置合わせ基準点２１２を用いて、一次同軸整合が達成されるレール２０６上のロボット２０２の位置を示す。もちろん、先に教示した線形位置センサ等の追加のセンサ、又はドッキングステーション２０４に対するロボット２０２の位置を確定する他のいずれかの手段を導入することも可能である。ロバストなシステムでは、位置合わせ基準点２１２に加えてこれらのセンサを用いることでエラー及び不整合の可能性を抑える。

可動ロボット２０２は、上述の駆動連結器１０８を導入するように設計されている。駆動連結器１０８は、先に取り入れた部分、すなわち駆動シャフト１１６上に搭載されモータ１１４によって駆動されて駆動軸１１２を中心に回転するＴバー１１８を用いる。モータ１１４は可動ロボット２０２の保護筐体２１４内に配置されているので、図３で見ることはできない。しかしながら図３には、駆動軸１１２上にあるモータ１１４の中心Ｃが示されている。更に、モータ１１４の物体座標（ｂｏｄｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）（Ｘ_ｂ、Ｙ_ｂ、Ｚ_ｂ）も示されている。それらの原点は中心Ｃにあり、物体Ｙ_ｂ軸は駆動軸１１２と同一線上に設定されている。

ドッキングステーション２０４は上述の被駆動連結器１２０を導入している。被駆動連結器も、先の実施形態におけるものと同一の部分、すなわち被駆動軸１２６に沿った方位に配された被駆動シャフト１２４と突起１３２Ａ、１３２Ｂを有するヨーク１３０とを有する。ヨークは、上述したように係合方向１２８（Ｘ軸に対して平行）に沿って変位するＴバー１１８と結合するためのものである。

図３は、駆動軸１１２と被駆動軸１２６との軸不整合の主な原因をより可視化するため、いくつかの仮想要素を取り入れている。まず、図３は、係合方向を規定するベクトル１２８を含む仮想係合面２１６を示す。原則的に、ここでベクトル１２８により示すような係合方向は被駆動軸１２６に直交するはずなので、ベクトル１２８は仮想係合面２１６内のどの方向からも被駆動軸１２６に近付くことができる。もちろん実際には、面２１６は理想化されたものであり、ここでは補助的に用いる。更に、本実施形態では駆動軸１１２も仮想面２１６に直交していることに注意すべきである。

次に図３は、所定方向すなわちＹ軸に平行な方向からの駆動軸１１２及び被駆動軸１２６の起こり得る角度整合の逸脱を規定する仮想円錐２１８、２２０を示す。具体的には、仮想円錐２１８、２２０の円錐角は軸１１２、１２６のそれぞれの最大許容可能角度逸脱を規定する。

動作の間、可動ロボット２０２は横方向変位構成２０８によりレール２０６に沿って変位する。このように推進されると、ロボット２０２はレール２０６に沿ってドッキングステーション２０４に近付く。同時に、水平又はＸ軸に対して平行な方位に配されたＴバー１１８は、仮想面２１６内で係合方向１２８に沿って移動する。このように、Ｔバーはドッキングステーション２０４に搭載された被駆動連結器１２０のヨーク１３０に近付く。

いったんＴバー１１８がヨーク１３０との係合位置に到達したら、ロボット２０２は停止する。係合位置は位置合わせ基準点２１２から確定され、先に示したようにいずれかの追加のセンサによって更に裏付けを行うことも可能である。ヨーク１３０は、Ｔバー１１８との係合前の好ましい方位であるアイドル又は通過方位である（突起１３２Ａ、１３２ＢがＺ軸に沿って位置合わせされている）ことに注意すべきである。先の実施形態においてと同様、係合位置では、駆動軸１１２と被駆動軸１２６との一次同軸整合は一定の公差δより小さい。

本実施形態における軸不整合の第１の原因は軸１１２と１２６との間のずれである。このずれはちょうど軸１１２、１２６が仮想面２１６と交差するポイント間の距離であるので、仮想面２１６内で直接測定することができる。実際、このずれは、先の実施形態で論じ図２Ａ〜図２Ｇを参照して詳しく検討したずれと同様である。これは任意の数の要因によって生じ得るものであり、その要因には、装置２００全体の構築公差、変位構成２０８に備えられた車輪の摩耗、レール２０６及び装置２００の他の部分の設置公差、並びに他の充分に理解されている機械的要因が含まれる。

本発明における軸不整合の第２の原因は軸１１２と１２６との間の角度整合不一致である。換言すると、軸１１２、１２６の双方はそれぞれが別個に座標系１０６のＹ軸との意図する平行方向の整合から外れる可能性がある。従って、駆動軸１１２は仮想円錐２１８内で何らかの未知の角度に配される。同様に、被駆動軸１２６も仮想円錐２２０内で何らかの未知の角度に配される。

軸不整合の主な原因の双方（すなわち、ずれ及び角度整合不一致）が結び付くと、結果として駆動軸１１２と被駆動軸１２６との一次同軸整合の公差はかなり大きくなる可能性がある。これは図４の部分等角図においてよく見ることができる。図４は、Ｔバー１１８及びヨーク１３０が係合位置にある場合のロボット２０２及びドッキングステーション２０４の一部を示す。実際、この図では保護筐体２１４の大部分が切り取られているのでモータ１１４も見ることができる。

明らかに、物体Ｙ_ｂ軸に沿って延出する駆動軸１１２及び被駆動シャフト１２４に沿って延出する被駆動軸１２６は位置合わせが大きくずれている。また、この解決策において軸１１２、１２６間の一次同軸整合に適合するためには、Ｔバー１１８又はヨーク１３０のいずれか一方の変位又は回転では不充分であることも明白である。軸不整合に適合するためには回転及び平行移動の双方を組み合わせる必要がある。従って本発明の好適な実施形態では、一次同軸整合、すなわち駆動軸１１２と被駆動軸１２６との軸不整合のレベル又は高精度軸整合の欠如に適合するため、１つ以上の適合性機構を設ける。このような適合性は、トルクを伝達している間は特に重要である。

この例では、可動ロボット２０２によって具現化された第１のユニットに適合性機構２２２が搭載されている。適合性機構２２２は、軸１１２、１２６間の軸不整合に適合するための駆動側機構である。適合性機構２２２は、可動ロボット２０２の保護筐体２１４に対してモータ１１４を取り付ける４つの可撓性搭載要素２２４によって具現化されている。また、適合性機構２２２は、筐体２１４の床上にモータ１１４を支持する搭載要素又はステージ２２６も含む。

適合性機構２２２の要素２２４、２２６はモータ１１４の広範囲の動きをサポートする。具体的には、要素２２４、２２６は、筐体２１４内のモータ１１４の平行移動及び一定の回転運動をサポートする。本実施形態では、搭載要素２２４はばねによって具現化され、搭載要素２２６は多数のピストン又はダンパ上に支持されることが好ましいベッド又はステージである。他の適切な搭載要素には、可撓性鳩目、線形スライド等が含まれる。実際、モータ１１４を好ましくは５自由度で平行移動及び回転することが可能であればいかなる搭載装備も適切であることは当業者には認められよう。

図５は、適合性機構２２２を共に構成するばね２２４及びステージ２２６の作用をより詳細に示す部分等角図である。具体的には、図５は、ばね２２４及びステージ２２６が平衡状態である場合の最初の姿勢（位置及び方位）をとっているモータ１１４を示す。この状態は、Ｔバー１１８がヨーク１３０と係合し回転軸１１２を中心に回転する前のものである。しかしながら、図５にはＴバー１１８及びヨーク１３０を示さず、Ｔバー１１８及びヨーク１３０が結合前に配される方位である駆動軸１１２及び被駆動軸１２６を示している。

適合性機構２２２の作用をより可視化するため、係合面２１６における駆動軸１１２と被駆動軸１２６との軸不整合を著しく誇張している。軸１１２、１２６間の平行移動又はずれは先の例と同様にεで示す。一方、軸１１２、１２６間の角度逸脱は角度整合不一致αで示す。ずれε及び角度整合不一致αは共に一次同軸整合（又は軸不整合）を規定する。しかしながら、一次同軸整合は、この場合はずれε及び角度整合不一致αとして規定される公差δよりも小さいことが必要であることに注意すべきである。

適合性機構２２２を用いるので、Ｔバー１１８が回転してヨーク１３０と結合する際に（図２Ｂ〜図２Ｄも参照のこと）、モータ１１４は、ずれε及び不整合角αで規定される軸１１２、１２６間の一次同軸整合に適合することができる。好適な実施形態では、ばね２２４及びステージ２２６はモータ１１４に５自由度で移動する能力を与える。これには、平行移動の３自由度及び剛体に利用可能な回転の３自由度のうち２自由度が含まれる。

より厳密には、ばね２２４及びステージ２２６によって、モータ１１４は座標系１０６の３つ全ての軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に沿って平行移動することが可能となる。実際の平行移動量は、モータ１１４の平行移動を示す３次元ベクトルｄによって記述される。この場合も、図５は駆動軸１１２に沿ったモータ１１４の平行移動及び回転の量を著しく誇張していることに注意すべきである。

ばね２２４及びステージ２２６はモータ１１４の回転も可能とするが、これは２つの軸のみを中心とした回転である。モータ１１４の回転に対する制約をより良く理解するため、従来のように３つのオイラー角（φ、θ、ψ）で記述される剛体の回転について簡単に考察する。具体的には、オイラー角（φ、θ、ψ）は、最初に座標系１０６の軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に整合されていた物体軸（Ｘ_ｂ、Ｙ_ｂ、Ｚ_ｂ）が予め設定された順序で３回回転した後にどのように変換されるかを記述する。図５は、従来の順序すなわちφ、θ、ψの完全な回転セットを示す。可視化の理由のため、回転角は時計回りに規定されている（より一般的な反時計回りではない）。オイラー角（φ、θ、ψ）の大きさは、先に規定した順序での物体軸（Ｘ_ｂ、Ｙ_ｂ、Ｚ_ｂ）の回転を規定する。当業者は回転の慣例及びその代替的な記述に精通しているはずである。

軸１１２、１２６の角度整合に必要なのは２回の回転だけである。慣例に応じて、これらは３回のオイラー回転のうち２回又は極角及び方位角の回転とすることができる。具体的には、２回の回転によって、モータ１１４の物体座標に固定され物体軸Ｙ_ｂと同一線上にある駆動軸１１２を被駆動軸１２６に整合させることができる。これは、図５に示すように物体軸Ｙ_ｂの最初の２つのオイラー角（φ、θ）での回転を調べることで確認される。物体軸Ｙ_ｂを最初のオイラー角φだけ回転させて１回の回転後の物体軸Ｙ’_ｂとした場合、その方位は変わらないが、軸Ｘ_ｂ及びＺ_ｂは最初のオイラー角φだけ回転する。次に、１回の回転後の物体軸Ｙ’_ｂを角度θだけ回転させて２回の回転後の物体軸Ｙ’’_ｂとすると、所望の整合が達成される。（慣例に従って、実行した回転回数を示すためにダッシュ記号を用いている。）従って、回転角（φ、θ）だけ回転した後、駆動軸１１２は１１２’’で示される２回の回転後の状態となり、被駆動軸１２６に整合する。

このように、ベクトルｄの平行移動及びオイラー角（φ、θ）の回転によって、駆動側を一次同軸整合に適合することができる。角度整合不一致αに適合するのに必要な回転よりも多くモータ１１４が回転することは、適合性機構２２２によって不可能としなければならない。特に、駆動軸１１２’’はトルクを伝送する中心軸であるので、これを中心としたモータの回転は不可能としなければならない。ばね２２４とステージ２２６との組み合わせは、この目的を達成するように設計するべきである。必要な場合、ステージ２２６はそのピストン要素上に任意選択のロック機構を含んで、ずれε及び角度整合不一致αによる一次同軸整合への適合後の更なる回転及び／又は平行移動を防止することも可能である。

また、本実施形態では適合プロセス全体を通して被駆動軸１２６が剛性を維持することを強調すべきである。言い換えると、Ｔバー１１８が駆動軸１１２を中心に回転してヨーク１３０と相互作用する際、及び適合性機構２２２が駆動側で応答してモータ１１４をベクトルｄだけ変位させると共に回転角（φ、θ）だけ回転させている間、被駆動軸１２６は固定されたままである。換言すると、本実施形態では、被駆動連結器１２０の側（図３を参照のこと）又は被駆動側に機械的な適合性は与えられない。もちろん、他の実施形態では、駆動側及び被駆動側の双方に又は被駆動側のみに適合性を導入することも可能である。

一次同軸整合又は軸不整合に対する適合によって、Ｔバー１１８とヨーク１３０との結合プロセスが完了する。換言すると、トルク伝達が開始する前に、駆動軸１１２は１１２’’で示すような位置及び方位に配される。トルク伝達及び分離を含む動作の残り部分は前述のように進行する。

図６は、結合状態の駆動連結器１０８及び被駆動連結器１２０の部分等角図である。この図は、駆動軸１１２と被駆動軸１２６との不完全な一次同軸整合に適合するための駆動側の別の適合性機構３００を示している。更に厳密には、適合性機構３００は、ここでは駆動シャフト１１６に直接組み込まれた可撓性シャフト要素によって具現化されている。

好ましくは、可撓性シャフト要素３００の材料は、高度の曲げ変形を示すがねじり変形は低度であるものが選択される。このため要素３００は、ずれεに対してある程度の適合を、角度整合不一致αに対して限られた適合をサポートするはずである（すなわち回転角（φ、θ）の回転に対してある程度の適合性）。しかしながら要素３００は、効率的なトルク伝達をサポートするため、駆動軸１１２を中心としたねじりが加えられた状態では全体的に変形不可能でなければならない。

これらの要件が与えられた場合、適合性要素３００として導入するのに適した例示的な材料には、可撓性シャフト、自在継手、又はらせん状カップリングが含まれることが当業者には認められよう。更に、駆動シャフト１１６全体を、スチール（例えば編み組みスチール）で作製した単一の可撓性駆動シャフトによって置き換え可能であることも当業者には認められよう。可撓性シャフトは、圧着、はんだ付け、又は溶接によって剛性要素に嵌め合わせることができる。更に、適合性機構３００は図６に示すように単独で使用可能であるが、適合性機構２２２と組み合わせて、又は以下で更に説明する他の適合性機構と組み合わせて用いることも可能である。

図７Ａ〜図７Ｃは、駆動シャフト１１６上に導入される代替的な駆動側適合性機構の部分等角図である。図７Ａは、適合性を有するリンク部３０２を備えたシャフト１１６を示す。いくつかの用途では、一次同軸整合に適合するには単一のリンク部３０２で充分であり得る。他の用途では、２つ又はそれ以上のリンク部の使用が必要がある場合がある。

図７Ｂは、駆動シャフト１１６上の駆動側適合性機構としてのらせん状カップリング３０４の使用を示す。当業者には認められるであろうが、らせん状カップリング３０４の長さは公差δに基づいて選択しなければならない。

図７Ｃは、軸不整合に適合するための自在継手３０６の使用を示す。この場合も、公差δに応じて、一次同軸整合に適合するために駆動シャフト１１６上で２つ以上の自在継手が必要となり得る。もちろん、これらの実施形態のいずれにおいても、代替的な又は追加の適合性機構としてジンバル又は磁気カップリング等の他の要素を使用可能である。それらがすでに示した適合性機構と同じように駆動シャフト１１６上に組み込まれることは、当業者には認められよう。

駆動側で動作する１つ以上の適合性機構と組み合わせて又はこれとは別個に、第２のユニット内又は被駆動側に１つ以上の適合性機構を搭載することができる。被駆動側の適合性機構は、不完全な一次同軸整合に適合するため、駆動側で用いたものと類似の機構を含むことができる。

図７Ｄは、被駆動軸１２６に沿った方位に配されて適合性を有するリンク部３０８を組み込んだ被駆動シャフト１２４によって具現化される被駆動側適合性機構の部分等角図である。しかしながら、可撓性シャフト又はシャフト部分、らせん状カップリング、自在継手、ジンバル、磁気カップリング等の代替物を被駆動シャフト１２４において使用可能であることは当業者には理解されよう。実際、駆動側及び被駆動側のシャフトは、すでに列挙したものと同じ要素群又はいずれかの類似の要素群からいかなる適合性機構も導入することができる。

適合性機構自体は、多くの物理的な実施形態をとることができ、様々な位置に搭載することができる。例えばこれは、本実施形態では明示的に示さない被駆動側要素に取り付けたばね式懸架装置及び他の適合性機構によって具現化することができる。モータ等の駆動側要素の懸架の場合と同様に、被駆動側のばね式懸架装置は平行移動の動きを可能としなければならないが、回転に対する適合性は比較的剛性でなければならない。これは被駆動軸を中心とした回転に特に当てはまる。このような選択は効率的なトルク伝達をサポートするために行われる。

先に教示された本発明の基本的な実施形態のいずれにおいても提供可能である多くの有利なステップ及び機械的な適合がある。これらのステップ及び機構は概ね３つのグループに分けられる。第１のグループは衝突回避及び緩和を含む。第２のグループは、駆動連結器及び被駆動連結器にそれぞれ備えられた第１及び第２の嵌合部材の有利な係合及び結合を含む。第２のグループに関連した第３のグループは、一次同軸整合を理想的な同軸整合に近付いた二次同軸整合へと改善するための、第１及び第２の嵌合部材上の特徴部の使用を含む。これらの追加のステップ及び適合は、ほとんどが相互に排他的でないので、様々な組み合わせで使用可能であることは当業者には認められよう。

図８Ａは衝突回避の方法を側面図で示す。この方法は上述の実施形態のいずれにおいても導入可能である。ここでは、すでに説明したＴバー１１８及びヨーク１３０を用いて衝突回避の方法を例示する。

Ｔバー１１８は、係合方向１２８に沿って移動中の状態が示されている。一方、ヨーク１３０は、例えば図２Ａに示したような好適なアイドル又は通過方位ではない。しかしながら好都合なことに、ヨーク１３０は、Ｔバー１１８とヨーク１３０との衝突が起こり得る進入禁止角βで示す方位範囲の外側にある。

ヨーク１３０が進入禁止角β内の方位となることを回避するため、Ｔバー１１８がヨーク１３０を回転させ、トルク伝達後に完全に分離される前にヨークを確実に進入禁止角βの外側に置くと有利である。これは、被駆動連結器がそれ自体でヨーク１３０を回転させることができないので重要である。従って、ヨーク１３０を好適なアイドル方位まで回転させるか、又は少なくともヨーク１３０を進入禁止角βの外側の方位のままにするかは、駆動連結器に任される。

図８Ｂは衝突回避の別の方法を側面図で示す。この場合、Ｔバー１１８は係合方向１２８に対して傾斜している。このため、Ｔバー１１８がヨーク１３０の突起１３２Ｂに近付くと、破線で示すようにＴバー１１８の上面１１８Ａが突起１３２Ｂと係合する。次いでＴバー１１８はそのモータからトルクτ_ＣＡを受け、反時計回りに回転する（図示せず）。その際、Ｔバーは突起１３２Ｂを介してヨーク１３０に力を伝達する。結果としてヨーク１３０は、進入禁止角βにより画定された方位範囲の外に押し出される。対応するヨーク１３０の回転を矢印ＣＡで示し、進入禁止角βの外に押し出された後のヨークの方位を破線で示す。

進入禁止角βで規定された方位範囲の外にヨーク１３０を出した後、Ｔバー１１８は向きを変えてＸ軸と平行になることができる。次いでＴバーは移動して、上述のように係合、結合、その通常の駆動トルクτ_Ｄの伝達を行う。いったん伝達を完了すると、Ｔバー１１８はヨーク１３０を進入禁止角β内の最初の姿勢にするか、又は好適なアイドル又は通過方位に戻して上述の衝突回避プロセスなしでの係合を可能とすることができる。

図９Ａ〜図９Ｃは、駆動連結器及び被駆動連結器上の第１の嵌合部材４００及び第２の嵌合部材４０２の有利な係合及び設計の方法を等角図で示す。部材４００及び４０２には、衝突の影響を軽減すると共に駆動軸４０４と被駆動軸４０６との同軸整合を改善するためにある特定の構造が設けられている。

図９Ａは駆動シャフト４０８に搭載された部材４００を示す。部材４００は、２つの係合パドル４１０Ａ、４１０Ｂ及び中央の空隙又は切り抜き部４１２を有する。パドル４１０Ａ、４１０Ｂは、図９Ａで見ることができる上面上に係合特徴部４１４Ａ、４１４Ｂを有する。特徴部４１４Ａ、４１４Ｂはパドル４１０Ａ、４１０Ｂの上面に生成されたへこみである。更にパドル４１０Ａ、４１０Ｂは、丸めた外縁の形態の衝突緩和特徴部４１６Ａ、４１６Ｂを有する。

部材４０２は、駆動シャフト４１８に搭載され、その係合特徴部の役割を果たす２つの丸いピン４２０Ａ、４２０Ｂを有する。ピン４２０Ａ、４２０Ｂは、装置の被駆動側で追加の衝突緩和を行うように構造的に補強することができる。部材４０２の構成は前述のヨーク１３０に関連していることに注意すべきである。

部材４００、４０２は係合方向１２８に沿って横方向に係合するように設計されている。部材４００は、部材４０２のピン４２０Ａとの最初の接触点において破線で示されている。この接触は一般に衝突を生じることに注意すべきである。このような衝突の悪影響は、前述の適合性機構及び衝突緩和特徴部によって軽減されることを注記しておく。この部材４００の方位では、緩和特徴部４１６Ｂによって部材４００は下方向にピン４２０Ａの下へとそれる。

この実施形態では、部材４００が下方向又は上方向にそれることを更に促進するように、部材４００の駆動シャフト４０８が適合性を有すると好ましいことに注意すべきである。例えば駆動シャフト４０８をスチール網で作製することで、ねじり応力が加えられた時に曲げはサポートするが剛性は維持され、これによって効率的なトルク伝達を促進することができる。

図９Ｂは部材４０２と係合した状態の部材４００を示す。この時点で、駆動軸４０４と被駆動軸４０６との一次同軸整合が確立される。しかしながら、この場合に達成される一次同軸整合は、すでに図２Ｃで示したような駆動連結器及び被駆動連結器に期待される又は望まれる整合ではないことに留意すべきである。ピン４２０Ａ、４２０Ｂはパドル４１０Ａ、４１０Ｂ上に位置し、係合特徴部４１４Ａ、４１４Ｂに押圧されている。

図９Ｃは、矢印Ｒで示す反時計回りの回転を開始した部材４００を示す。部材４００がピン４２０Ｂを中心に枢動すると、この回転がパドル４１０Ａをピン４２０Ａから分離させる。ピン４２０Ｂを中心とした枢動動作は、係合特徴部４１４Ｂ（図９Ｃでは見えない）によって更にサポートされる。枢動が行われる枢動軸Ｐを破線で示す。この時点で、係合特徴部４１４Ｂに加えて、適合性を有する駆動シャフト４０８が枢動動作を更に容易にするので、この選択が有利であることが明らかとなる。

図９Ｄは、ピン４２０Ｂに対する部材４００の回転及び装填を示す。これが生じるのは、ピン４２０Ｂとパドル４１０Ｂの特徴部４１４Ｂとの間の静的摩擦力が、それた駆動シャフト４０８に蓄積された力によって克服される時であり、適合性を有する駆動シャフト４０８の他にも何らかの適合性機構が導入されている（他の適合性機構については上記を参照のこと）。

最後に、図９Ｅに示すように部材４００のパドル４１０Ｂはピン４２０Ｂから外れる。切り抜き部４１２が存在するので、ピン４２０Ｂはこの空隙を通過することができ、部材４００は部材４０２との所望の係合に達することができる。部材４００の係合特徴部４１４Ｂ、４１５Ａ及び部材４０２の係合特徴部４２０Ａ、４２０Ｂによって、部材４００、４０２が図９Ｅに示す３次元で制約された相対係合姿勢をとることに注意すべきである。この姿勢は、部材４００が図示する方位から１８０度回転した場合、パドル４１０Ａ、４１０Ｂの他方側の係合特徴部４１４Ａ、４１５Ｂによってサポートされる。好ましくは、特徴部４１５Ａ、４１５Ｂは、ピン４１０Ａ、４１０Ｂと係合してこれらを保持するような寸法に形成されたくぼみである。

図９Ａ〜図９Ｅに示した実施形態の別の有利な態様は、このように達成される３次元で制約された相対姿勢が駆動軸４０４及び被駆動軸４０６の軸整合を向上させることである。具体的には、図９Ｂの不完全な一次同軸整合と、部材４００によって「裏返し（ｆｌｉｐ）」操作（「裏返し」は図９Ｃ〜図９Ｅに示されている）がされた後の図９Ｅの二次同軸整合とを比較すると、二次同軸整合がほぼ真の同軸であることが明らかとなる。

上記の実施形態を考慮すると、駆動連結器及び被駆動連結器の２つの嵌合部材を３次元で制約された相対係合の状態に促進又は促す相補形係合特徴部を提供することがなぜ有利であるかは明らかである。更に好ましいのは、制約された係合状態となり、更に不整合を軽減してもっと正確な二次同軸整合とする相補形係合特徴部である。後者は、一次同軸整合が不良であることが予想されるか又は所望の公差δを超えることが多い実施形態では、よりいっそう重要である。

すでに示したように、適切な係合特徴部はくぼみ、スロット、リッジ等により具現化することができる。これらは第１の嵌合部材、第２の嵌合部材、又はそれら双方に設けることができる。実際、正確な二次同軸整合を促進すると共に外力の影響を比較的受けにくい充分に制約された係合を与える相補形係合特徴部のいくつかの有利な幾何学的形状がある。

図１０Ａ〜図１０Ｂは、ドグクラッチ５００に基づいた相補形係合特徴部のそのような有利な設計の背景にある原理を示す。図１０Ａは、ドグクラッチ５００及びその２つの嵌合部材５０２、５０４の等角図である。嵌合部材５０２は３つの結合特徴部５０６Ａ、５０６Ｂ、５０６Ｃを有する。部材５０４も３つの結合特徴部５０８Ａ、５０８Ｂ、５０８Ｃを有する。部材５０２は駆動部材であり、従ってその結合特徴部５０６Ａ、５０６Ｂ、５０６Ｃによって結合特徴部５０８Ａ、５０８Ｂ、５０８Ｃに係合してトルクを送出する。

図１０Ｂは、反時計回りの駆動トルクを加えた場合に部材５０２が部材５０４の結合特徴部５０８Ａ、５０８Ｂ、５０８Ｃに与える力を示す平面図である。３つの係合ポイントと、係合トルクを規定する３つの対応した非平行の駆動力ベクトルＦ１、Ｆ２、Ｆ３と、が与えられれば、全体的な係合は極めて安定する。具体的には、係合が安定する理由は、いかなる外力も、その大きさが、この外力に対して共に直接対抗する駆動力ベクトルＦ１、Ｆ２、Ｆ３のベクトル和の大きさを超えない限り、係合を解くことができないからである。この安定性の背景にある原理は当業者には良く知られている。

もちろん、駆動連結器及び被駆動連結器では横方向の係合が必要であるため、図示する実施形態のドグクラッチ５００は本発明に従うものではない。しかしながら、図１０Ｂに示すように３つの力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を用いる原理は、本発明の装置及び方法において使用可能な連結器に直接適用可能である。

図１１Ａは嵌合部材６００及び６０２を等角図で示す。部材６００、６０２は、所望の３つの接触点を確立し、従って３つの駆動力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を確立するため、それぞれ相補形係合特徴部６０４、６０６及び６０８、６１０が設けられている。先の実施形態においてと同様、係合方向はベクトル１２８で示されている。

図１１Ｂは部材６００、６０２の係合を示す平面図である。部材６００の係合前の位置は破線で示されている。

図１１Ｃは、部材６００、６０２間で達成された結合と、係合特徴部６０４、６０６及び６０８、６１０の相補形の設計のためにそれらの間で発生する３つの駆動力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３と、を示す別の平面図である。この場合も、駆動力ベクトルＦ１、Ｆ２、Ｆ３は非平行であり、組み合わされていかなる方位の面内外力にも抵抗可能となるような方位であることに注意すべきである。

図１２は、２つの部材７００、７０２における相補形係合特徴部の別の有り得る設計を等角図で示す。図１３及び図１４に与えられた等角図は、相補形係合特徴部を有する部材８００、８０２及び部材９００、９０２の２つの他の有利な設計を示す。最後の２つの図では、対応する部材はすでに適正に結合されてトルク伝送の準備ができていることに注意すべきである。また、これら最後の２つの設計では、対応する部材を結合すると、前述の設計における３つの接触力でなく４つの接触力が生じることに注意すべきである。

本発明の装置及び方法では、多くの代替的な実施形態が許される。例えば衝突緩和特徴部は、装置の予想される速度及び寸法の関数として駆動側及び被駆動側に導入することができる。装置は屋内及び屋外の環境で導入することができる。可動ロボットがレール上を移動する実施形態の適切な用途は太陽エネルギー産業である。そのような用途においてロボットは、太陽光追尾装置であるドッキングステーション間を移動し、トルクを送出することで、太陽に対する方位を定期的に調節することができる。

上述の教示を考慮して、本発明の装置及び方法は、本発明の精神から逸脱することなく、記載したものの他にも多くの異なる方法で具現化可能であることは当業者には認められよう。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びそれらの法的な均等物を考慮して判断されるものとする。

Claims (22)

1. 第１のユニットと第２のユニットとの間でトルクを伝達するための装置であって、
   ａ）駆動軸を中心とした回転によって前記トルクを送出するための、前記第１のユニット上に搭載された駆動連結器と、
   ｂ）被駆動軸を有し前記第２のユニット上に搭載された被駆動連結器であって、前記被駆動軸に対して実質的に直交した係合方向に沿って前記駆動連結器と係合するように配置された被駆動連結器と、
   ｃ）前記駆動連結器を前記係合方向に沿って移動させて前記駆動軸と前記被駆動軸との間の一次同軸整合を達成するための横方向変位手段と、
   ｄ）前記一次同軸整合が達成された後に前記駆動軸を中心として前記駆動連結器を回転させて前記駆動連結器を前記被駆動連結器に結合させると共に前記被駆動軸を中心として前記トルクを伝達するためのトルク送出駆動部と、
   を備え、これによって前記装置が前記第１のユニットから前記第２のユニットに前記トルクを伝達する、装置。
2. 前記駆動連結器が第１の嵌合部材を備え、前記被駆動連結器が第２の嵌合部材を備え、前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材が、前記第１の嵌合部材が物理的な接触なしに前記第２の嵌合部材を通過する通過方位を規定する適合形態を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記適合形態が、前記第１の嵌合部材が前記第２の嵌合部材に結合する相対結合方位を更に規定する、請求項２に記載の装置。
4. 結合及び前記被駆動軸を中心としたトルクの伝達中に前記駆動軸と前記被駆動軸との間の前記一次同軸整合に適合するための適合性機構を更に備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記適合性機構が、前記第１のユニット内に搭載され、前記駆動軸の方位に適合するための駆動側手段を備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記駆動軸の方位に適合するための前記駆動側手段が、前記駆動軸に沿った方位に配されると共に少なくとも１つの適合性を有する要素を備えた駆動シャフトを備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記適合性機構が、前記第２のユニット内に搭載され、前記被駆動軸の方位に適合するための被駆動側手段を備える、請求項４に記載の装置。
8. 前記被駆動軸の方位に適合するための前記被駆動側手段が、前記被駆動軸に沿った方位に配されると共に少なくとも１つの適合性を有する要素を備えた被駆動シャフトを備える、請求項７に記載の装置。
9. 前記駆動連結器が第１の嵌合部材を備え、前記被駆動連結器が第２の嵌合部材を備え、前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材の少なくとも一方が少なくとも１つの係合特徴部を備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つの係合特徴部が、前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材に、前記一次同軸整合が二次同軸整合に調整される３次元で制約された相対係合姿勢をとらせるための多数の係合表面を備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの係合特徴部が、前記一次同軸整合が所定の公差を超える場合に、前記駆動連結器に３次元で制約された相対係合姿勢をとらせるための、前記第１の嵌合部材上及び前記第２の嵌合部材上の相補形係合特徴部を備える、請求項９に記載の装置。
12. 前記駆動連結器及び前記被駆動連結器の少なくとも一方が、衝突の衝撃を緩和するための少なくとも１つの衝突緩和特徴部を備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記第１のユニットを搭載するためのレールを更に備え、前記第１のユニットが前記レールに沿って移動するようになっている、請求項１に記載の装置。
14. 前記第２のユニットが静止ユニットである、請求項１に記載の装置。
15. 第１のユニットと第２のユニットとの間でトルクを伝達するための方法であって、
    ａ）前記第１のユニット上に駆動軸を有する駆動連結器を搭載するステップと、
    ｂ）前記第２のユニット上に被駆動軸を有する被駆動連結器を搭載するステップと、
    ｃ）前記駆動軸と前記被駆動軸との間の一次同軸整合を達成しながら、前記被駆動軸に対して実質的に直交した係合方向に沿って前記駆動連結器を移動させて前記被駆動連結器と係合させるステップと、
    ｄ）前記一次同軸整合が達成された後に前記駆動軸を中心として前記駆動連結器を回転させて前記駆動連結器を前記被駆動連結器に結合させると共に前記第１のユニットから前記第２のユニットへ前記被駆動軸を中心として前記トルクを伝達するステップと、
    を備える、方法。
16. ａ）前記駆動連結器上に第１の嵌合部材を提供することと、
    ｂ）前記被駆動連結器上に第２の嵌合部材を提供することと、
    ｃ）前記第１の嵌合部材が物理的な接触なしに前記第２の嵌合部材を通過する通過方位を規定するように適合形態を用いて前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材を設計することと、
    を更に備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記適合形態が更に、前記第１の嵌合部材が前記第２の嵌合部材に結合する相対結合方位を規定するように設計されている、請求項１６に記載の方法。
18. 前記被駆動連結器が係合前に前記駆動連結器に対して通過方位に位置決めされている、請求項１５に記載の方法。
19. 前記トルクの伝達後であって前記被駆動連結器から分離する前に、前記駆動連結器が前記被駆動連結器を前記通過方位へと回転させる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記被駆動軸を中心としたトルクの伝達中に前記駆動軸と前記被駆動軸との間の前記一次同軸整合に適合するためのステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
21. ａ）前記駆動連結器に第１の嵌合部材を提供することと、
    ｂ）前記被駆動連結器に第２の嵌合部材を提供することと、
    ｃ）前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材の少なくとも一方上に少なくとも１つの係合特徴部を提供することと、
    を更に備える、請求項１５に記載の方法。
22. 前記少なくとも１つの係合特徴部が、前記第１の嵌合部材上及び前記第２の嵌合部材上の相補形係合特徴部を備え、前記方法が、前記駆動連結器に、前記一次同軸整合が二次同軸整合に調整される３次元で制約された相対係合姿勢をとらせることを更に備える、請求項２１に記載の方法。

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