JP6621062B2 - 干渉駆動式変速機及びこれを用いた干渉駆動式変速駆動装置 - Google Patents

Description

本発明はロボットの関節等の制御に用いられる干渉駆動式変速機及びこれを用いた干渉駆動式変速駆動装置に関する。

変速駆動装置（ギヤドモータ）において、正転高速低トルク駆動状態、正転低速高トルク駆動状態、逆転高速低トルク駆動状態及び逆転低速高トルク駆動状態の４つの駆動状態を１つのモータで実現する場合には、十分なトルクを発生させる高出力モータと低いギヤ比の減速機の組み合わせを必要とし、この結果、モータ自身が大型化して製造コストが高くなる。さらに、ロボットハンドが物体を把持している間等の高速度を必要としない時にあっても、高出力モータの消費電力は大きくなる。

近年、モータを小型化して製造コストを低くしかつ消費電力を小さくする干渉駆動式変速駆動装置が開発されている（参照：非特許文献１）。つまり、干渉駆動式変速駆動装置においては、２つの小型の低出力モータを設け、干渉駆動によって高速低トルク駆動状態及び低速高トルク駆動状態の両方において、２つの小型低出力モータを同時に駆動させるので、小型化かつ低消費電力を同時に実現できる。

図６は従来の干渉駆動式出力切替装置を示す概略斜視図である。尚、図６の干渉駆動式出力切替装置は２モータ２出力型である。

図６において、干渉駆動式出力切替機１は２つの出力軸ＯＵＴ１、ＯＵＴ２を有し、２つの小型の低出力モータ２、３によって駆動され、モータ２、３は制御ユニット（マイクロコンピュータ）４によって制御される。

干渉駆動式出力切替機１は、ギヤ１１、１２と、ギヤ１１、１２に噛み合わされたギヤ１３と、互いに噛み合わされたギヤ１４、１５と、ギヤ１１に結合された枠（固定部）、モータ２に結合された入力軸、及びギヤ１４に結合された出力軸を有する差動歯車機構１６と、ギヤ１２に結合された枠（固定部）、モータ３に結合された入力軸及びギヤ１５に結合された出力軸を有する差動歯車機構１７とによって構成され、ギヤ１５の回転軸が装置の出力軸ＯＵＴ１として作用し、ギヤ１３の回転軸が装置の出力軸ＯＵＴ２として作用する。制御ユニット４はモータ２、３に４つの駆動状態に応じて駆動電流±Ｉ_ｄを供給する。尚、ギヤ１１、１２とギヤ１３とのギヤ比を大きくすれば、出力軸ＯＵＴ２の回転速度は減速されて出力軸ＯＵＴ１の回転速度より小さくなる。

図７は図６の差動歯車機構１６（１７）の動作を説明する図である。図７に示すように、差動歯車機構１６（１７）は、四角い枠（固定部）７０１内に、入力軸に結合された傘歯車７０２−１、出力軸に結合された傘歯車７０２−２、及び傘歯車７０２−１、７０２−２間に噛み合わされた傘歯車７０２−３、７０２−４を有してなる。この場合、入力軸と出力軸は同軸上に並んでいる。たとえば、図７の（Ａ）に示すように、機構自体つまり枠７０１を固定して入力軸を回転速度νで回転させると、出力軸は入力軸の回転方向と反対方向に同一回転速度νで回転する。他方、図７の（Ｂ）に示すように、出力軸を固定して入力軸を回転速度νで回転させると、機構全体つまり枠７０１が入力軸の回転方向と同一方向に１／２の回転速度ν／２で回転する。同様に、入力軸を固定して枠７０１を回転速度νで回転させると、出力軸が枠７０１と同一方向に２倍の回転速度２νで回転する。尚、差動歯車機構１６（１７）は入力軸と出力軸とが同軸上で並んだ遊星ギヤ、ハーモニックドライブ（登録商標）等のギヤボックスで構成してもよい。

図８は図６の干渉駆動式出力切替装置の駆動状態を説明するための図である。

図８の（Ａ）に示す出力軸ＯＵＴ１駆動状態においては、モータ２、３に駆動電流−Ｉ_ｄ、＋Ｉ_ｄを供給すると、モータ２、３は互いに反対方向に回転する。従って、ギヤ１１、１２が互いに反対方向に回転しようとするが、ギヤ１３を介して干渉して回転できない。この結果、差動歯車機構１６、１７内の傘歯車が回転して、ギヤ１４、１５が互いに反対方向に回転し、これにより、出力軸ＯＵＴ１がモータ２、３の合わせたトルクによって正転駆動状態となる。尚、モータ２、３に駆動電流＋Ｉ_ｄ、−Ｉ_ｄを供給すると、出力軸ＯＵＴ１が逆転駆動状態となる。

図８の（Ｂ）に示す出力軸ＯＵＴ２駆動状態においては、モータ２、３に駆動電流＋Ｉ_ｄ、＋Ｉ_ｄを供給すると、モータ２、３は同一方向に回転する。従って、差動歯車機構１６、１７が互いに同一方向に回転しようとするが、差動歯車機構１６、１７の出力軸に結合されたギヤ１４、１５が干渉して回転できない。この結果、ギヤ１１、１２が同一方向に回転して、ギヤ１３が反対方向に回転し、これにより、出力軸ＯＵＴ２がモータ２、３の合わせたトルクによって正転駆動状態となる。尚、モータ２、３に駆動電流−Ｉ_ｄ、−Ｉ_ｄを供給すると、出力軸ＯＵＴ２が逆転駆動状態となる。

図９は非特許文献１に示された従来の干渉駆動式変速装置を示す概略側面図である。尚、図９の干渉駆動式変速装置は２モータ１出力型である。

図９においては、図６の干渉駆動式出力切替機１の代りに、干渉駆動式変速機１’を設けてある。干渉駆動式変速機１’においては、図６のギヤ１４、１５の代りに、ウォームスクリュー１１’、１２’及びウォームホイール１３’よりなるウォームギヤを設ける。また、図６の出力軸ＯＵＴ２には、ギヤボックス１４’及びピニオンギヤ１５’を設ける。これにより、ギヤ１３の回転速度をギヤボックス１４’によって減速した後９０°方向変化させてピニオンギヤ１５’を回転駆動する。ピニオンギヤ１５’はモータ２、３の外側に設けられた大きな内歯車１６’内を転がり、低速高トルク駆動状態となる。このとき、ウォームギヤのウォームホイール１３’の回転中心とピニオンギヤ１５’の移動中心（内歯車１６’の中心）は同一であるので、図９の干渉駆動式変速装置は１出力型となる。

図１０は図９の干渉駆動式変速装置の駆動状態を説明するための図である。

図１０の（Ａ）に示す正転高速低トルク駆動状態においては、モータ２、３に駆動電流−Ｉ_ｄ、＋Ｉ_ｄを供給すると、モータ２、３は互いに反対方向に回転する。従って、ギヤ１１、１２が互いに反対方向に回転しようとするが、ギヤ１３を介して干渉して回転できない。この結果、差動歯車機構１６、１７内の傘歯車が回転して、ウォームスクリュー１１’、１２’が互いに反対方向に回転し、これにより、ウォームホイール１３’の出力軸ＯＵＴ１がモータ２、３の合わせたトルクによって正転高速回転して低トルク駆動状態となる。尚、モータ２、３に駆動電流＋Ｉ_ｄ、−Ｉ_ｄを供給すると、逆転高速低トルク駆動状態となる。

図１０の（Ｂ）に示す正転低速高トルク駆動状態においては、モータ２、３に駆動電流＋Ｉ_ｄ、＋Ｉ_ｄを供給すると、モータ２、３は同一方向に回転する。従って、差動歯車機構１６、１７が互いに同一方向に回転しようとするが、差動歯車機構１６、１７の出力軸に結合されたウォームスクリュー１１’、１２’がウォームホイール１３’を介して干渉して回転できない。この結果、ギヤ１１、１２が同一方向に回転して、ギヤ１３が反対方向に回転する。ギヤ１３の回転速度はギヤボックス１４’によって減速された後に９０°方向変化してピニオンギヤ１５’を回転駆動する。この結果、モータ２、３の合わせたトルクによってピニオンギヤ１５’が内歯車１６’内を転がりながら、矢印Ａのごとく、移動して低速高トルク駆動状態となる。尚、モータ２、３に駆動電流−Ｉ_ｄ、−Ｉ_ｄを供給すると、逆転低速高トルク駆動状態となる。

高山 俊男、荒川 貴文、小俣 透、 "干渉駆動を用いた変速駆動装置の開発"、 日本機械学会論文集（Ｃ編）、第７８巻第７９４号、ｐｐ．３５４１−３５５１（２０１２−１０）

しかしながら、図６に示す従来の干渉駆動式出力切替装置においては、高速低トルク駆動状態用の出力軸と低速高トルク駆動状態用の出力軸とは異なる２出力型であるので、汎用性に乏しいという課題がある。

また、図９に示す従来の干渉駆動式変速装置においては、たとえば、図１０の（Ｂ）に示す低速高トルク駆動状態では、装置全体が回転してしまうので、モータ２、３用の配線が捻れてしまう。この結果、ロボットの関節等の無限回転しない部位には使用できるが、やはり、汎用性に乏しいという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る干渉駆動式変速機は、第１、第２のギヤと、第１、第２のギヤに噛み合わせられた第３のギヤと、互いに噛み合わされた第４、第５のギヤと、第１のギヤに結合された固定部、入力軸、及び第４のギヤに結合された出力軸を有する第１の差動歯車機構と、第２のギヤに結合された固定部、入力軸、及び第５のギヤに結合された出力軸を有する第２の差動歯車機構と、第３のギヤに結合された入力軸、及び出力軸を有する減速機と、固定部、減速機の出力軸に結合された入力軸、及び出力軸を有する第３の差動歯車機構と、第３の差動歯車機構の固定部に結合されたウォームホイールと、ウォームホイールとウォームギヤを構成するウォームスクリューと、第２の差動歯車機構の出力軸に結合された第１の傘歯車と、第１の傘歯車に噛み合わされ、ウォームスクリューに結合された第２の傘歯車とを具備し、第１、第２の差動歯車機構の各入力軸を変速機の入力とし、第３の差動歯車機構の出力軸を変速機の出力としたものである。

また、本発明に係る干渉駆動式変速駆動装置は、上述の干渉駆動式変速機と、第１の差動歯車機構の入力軸に結合した回転軸を有する第１のモータと、第２の差動歯車機構の入力軸に結合した回転軸を有する第２のモータとを具備するものである。

本発明によれば、装置全体が回転することなく、汎用性が高い２モータ１出力型の干渉駆動式変速駆動装置を実現できる。

本発明に係る干渉駆動式変速駆動装置の実施の形態を示す概略斜視図である。 図１の干渉駆動式変速駆動装置の駆動状態を説明するための図である。 図１の干渉駆動式変速駆動装置の組立内部写真である。 図１の干渉駆動式変速駆動装置の組立外部写真である。 図１の干渉駆動式変速駆動装置の動作タイミング図である。 従来の干渉駆動式出力切替装置を示す概略斜視図である。 図６の差動歯車機構の動作を説明する図である。 図６の干渉駆動式出力切替装置の駆動状態を説明するための図である。 従来の干渉駆動式変速装置を示す概略側面図である。 図９の干渉駆動式変速装置の駆動状態を説明するための図である。

図１は本発明に係る干渉駆動式変速駆動装置の実施の形態を示す概略斜視図である。尚、図１の干渉駆動式変速駆動装置は２モータ１出力型である。

図１の干渉駆動式変速機１”においては、図８の干渉駆動式変速機１の構成要素に、減速機１８、差動歯車機構１９、ウォームホイール２０、ウォームスクリュー２１、及び傘歯車２２、２３を付加したものである。

減速機１８はギヤ１３に結合された入力軸、及び出力軸を有する。

差動歯車機構１９は、枠（固定部）、減速機１８の出力軸に結合された入力軸、及び干渉駆動式変速機１”の出力軸ＯＵＴ１としての出力軸を有する。

ウォームホイール２０は差動歯車機構１９の枠（固定部）に結合され、ウォームスクリュー２１とウォームギヤを構成する。

傘歯車２２、２３は互いに噛み合わされる。また、傘歯車２２は差動歯車機構１７の出力軸に結合され、他方、傘歯車２３はウォームスクリュー２１に結合される。

図２は図１の干渉駆動式変速駆動装置の駆動状態を説明するための図である。

図２の（Ａ）に示す正転高速低トルク駆動状態においては、モータ２、３に駆動電流−Ｉ_ｄ、＋Ｉ_ｄを供給すると、モータ２、３は互いに反対方向に回転する。従って、ギヤ１１、１２が互いに反対方向に回転しようとするが、ギヤ１３を介して干渉して回転できない。この結果、差動歯車機構１６、１７内の傘歯車が回転して、ギヤ１４、１５が互いに反対方向に回転する。従って、傘歯車２２、２３を介してウォームスクリュー２１及びウォームホイール２０よりなるウォームギヤが回転し、差動歯車機構１９の出力軸ＯＵＴ１はウォームホイール２０の回転速度の２倍の回転速度で回転する。これにより、差動歯車機構１９の出力軸ＯＵＴ１がモータ２、３の合わせたトルクによって正転高速回転して低トルク駆動状態となる。尚、モータ２、３に駆動電流＋Ｉ_ｄ、−Ｉ_ｄを供給すると、逆転高速低トルク駆動状態となる。

図２の（Ｂ）に示す正転低速高トルク駆動状態においては、モータ２、３に駆動電流＋Ｉ_ｄ、＋Ｉ_ｄを供給すると、モータ２、３は同一方向に回転する。従って、差動歯車機構１６、１７が互いに同一方向に回転しようとするが、差動歯車機構１６、１７の出力軸に結合されたギヤ１４、１５は干渉して回転できない。この結果、ギヤ１１、１２が同一方向に回転して、ギヤ１３は反対方向に回転する。ギヤ１３の回転速度は減速機１８によって減速され、差動歯車機構１９の入力軸を回転させる。この場合、差動歯車機構１９の枠（固定部）は固定されているので、差動歯車機構１９の入力軸の回転は反転して差動歯車機構１９の出力軸の回転となる。これにより、差動歯車機構１９の出力軸ＯＵＴ１がモータ２、３の合わせたトルクによって正転低速回転して高トルク駆動状態となる。尚、モータ２、３に駆動電流−Ｉ_ｄ、−Ｉ_ｄを供給すると、逆転低速高トルク駆動状態となる。

図３、図４は実際に組立てられた図１の干渉駆動式変速駆動装置の組立内部写真及び組立外部写真である。

図３、図４において、図２の（Ａ）の高速低トルク駆動状態の減速比を１／５とし、図２の（Ｂ）の低速高トルク駆動状態の減速比を１／２５とし、高速低トルク駆動状態と低速高トルク駆動状態との変速比５とする。さらに、図３、図４においては、差動歯車機構１９の出力軸に減速比を１／１５の最終段減速機５を結合する。つまり、減速比が大きい減速機は大型化するので、全体の共通の減速比の減速機を外付けとすることにより、干渉駆動式変速駆動装置を小型化できる。また、モータ２、３を分離して干渉駆動式変速機単体で組立て、モータ２、３を後工程で結合してもよい。

図５は図３、図４の干渉駆動式変速駆動装置を半径１００ｍｍのプーリをワイヤで巻き上げる力（Ｎ）の測定結果を示すグラフである。図５に示すように、高速低トルク駆動状態の力と低速高トルク駆動状態の力との間には明瞭な差が見られた。

尚、上述の実施の形態におけるギヤは、適宜、プーリ及びベルトに置換することにより、干渉駆動式変速駆動装置を小型化できる。たとえば、差動歯車機構１６、１７とモータ２、３との結合において、モータ２、３にプーリを設け、これらのプーリと差動歯車機構１６、１７の入力軸との結合をベルト３１（図３参照）で行う。さらに、ギヤ１１、１２、１３をプーリに置換し、プーリ間の結合をベルトで行う。同様に、減速機１８と差動歯車機構１９の入力軸との結合も、プーリ及びベルトで行うことができる。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用できる。

１：干渉駆動式出力切替機
１’、１”：干渉駆動式変速機
１１、１２、１３、１４、１５：ギヤ
１６：第１の差動歯車機構
１７：第２の差動歯車機構
１８：減速機
１９：第３の差動歯車機構
２０：ウォームホイール
２１：ウォームスクリュー
２２：第１の傘歯車
２３：第２の傘歯車
１１’、１２’：ウォームスクリュー
１３’：ウォームホイール
１４’：ギヤボックス
１５’：ピニオンギヤ
１６’：内歯車
２、３：モータ
４：制御ユニット
５：最終段減速機
７０１：枠（固定部）
７０２−１、７０２−２、７０２−３、７０２−４：傘歯車
ＯＵＴ１、ＯＵＴ２：出力軸

Claims (5)

1. 第１、第２のギヤと、
   前記第１、第２のギヤに噛み合わせられた第３のギヤと、
   互いに噛み合わされた第４、第５のギヤと、
   前記第１のギヤに結合された固定部、入力軸、及び前記第４のギヤに結合された出力軸を有する第１の差動歯車機構と、
   前記第２のギヤに結合された固定部、入力軸、及び前記第５のギヤに結合された出力軸を有する第２の差動歯車機構と、
   前記第３のギヤに結合された入力軸、及び出力軸を有する減速機と、
   固定部、前記減速機の出力軸に結合された入力軸、及び出力軸を有する第３の差動歯車機構と、
   前記第３の差動歯車機構の固定部に結合されたウォームホイールと、
   前記ウォームホイールとウォームギヤを構成するウォームスクリューと、
   前記第２の差動歯車機構の出力軸に結合された第１の傘歯車と、
   前記第１の傘歯車に噛み合わされ、前記ウォームスクリューに結合された第２の傘歯車と
   を具備し、前記第１、第２の差動歯車機構の各入力軸を変速機の入力とし、前記第３の差動歯車機構の出力軸を変速機の出力とした干渉駆動式変速機。
2. 前記各第１、第２、第３のギヤを第１、第２、第３のプーリに置換し、前記第１、第２のプーリと前記第３のプーリとの間をベルトで接続した請求項１に記載の干渉駆動式変速機。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載の干渉駆動式変速機と、
   前記第１の差動歯車機構の入力軸に結合した回転軸を有する第１のモータと、
   前記第２の差動歯車機構の入力軸に結合した回転軸を有する第２のモータと
   を具備する干渉駆動式変速駆動装置。
4. 前記第１のモータの回転軸と前記第１の差動歯車機構の入力軸との結合をベルトによって行い、
   前記第２のモータの回転軸と前記第２の差動歯車機構の入力軸との結合をベルトによって行う請求項３に記載の干渉駆動式変速駆動装置。
   
5. さらに、前記第３の差動歯車機構の出力軸に結合された他の減速機を具備する請求項４に記載の干渉駆動式変速駆動装置。