JPH09505384A - 伸縮システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 主要な部材がネジ（５６）及びナット（５７）を有したシステムであるモジュールから形成された伸縮自在なシステム。本発明によれば、機械的伝達機構（５８，６０，６４〜６８）が、ネジ及びナット間のユニットとは異なる一定率の回転を課す。すなわちナットの所与の回転に対してネジの所与の伝達を課す。ネジは次段のナットとリンクされている。その結果、このシステムの全モジュールの伸張が一斉的かつ一様に制御される。さらに、前記ネジ（５６，７４）を同軸とすることができ、従って該システムはさほど重いものにはならない。特に、ロボット工学に応用して有効である。

Description

【発明の詳細な説明】 伸縮システム 本発明は伸縮システムに関する。 この用語は、全長を調整するため、展開／伸張、又は互いの内部への収納、又 は付加的には互いに沿った収納が随意可能とされた複数のモジュールにより構成 された機構を説明するのに用いられるものである。 これら伸縮システムは、距離の変化する目標に届くようにするため、又は該伸 縮システムが組み入れられた各装置に特有なその他の機能のための、例えばクレ ーン，階段，あるいはロボットの付属物といった多くの技術分野で見受けられる 。二組配置された一連の脚でロボットを支えるために、交互に接地し、持ち上げ て前進する歩行ロボットの場合、脚を短縮及び伸張させるための伸縮機構によっ てその動作が簡単になされる。何故なら、一旦脚が地面から立ち上がったならば 、ロボットを前進させるためには単に脚をロボットに沿ってスライドさせること のみ要求されるからである。前記脚は直線状に維持され、それらをさらに、人間 の歩行を再現しようとして、互いにかつ前記ロボットに連接された部分に分ける ことは無意味である。かかる試みは、より複雑な構造を必要とし、バランスの問 題を生ずる原因となる。 第一の特徴は、少なくとも二つのモジュールの使用を課し、短縮状態において 伸張路が該機構の長さよりも長い機構に目を付ければ得られるものである。ここ で、二つのモジュールとは、すなわち、伸張可能な長手部材（例えば、スライド チューブ）と、該長手部材を先行する長手部材又は該機構のベースとして機能す る固定部材に接続してそれら双方の分離距離を変える、すなわちその前記長手部 材の伸張を制御する機構である。このシステムは、前記長手部材の全ての伸張作 動を同時にあるいは連続的に制御するために前記各機構を接続するための機械的 リンクを付加する必要があり、そのため複雑なものとなる。 現在、ある種の液圧式クレーンに用いられている伸縮システムは、直列に配列 されたジャッキによって相互に連結されるとともに流体パイプによって互いに連 通された複数の同軸チューブから成り、単一の圧力源でそれらのチューブを連続 的に伸張させることができる。そってその制御は単一の動作により保証される。 また、多重動作単一のジャッキ、すなちわ互いに固定された複数の摺動シリンダ も用いられ、同様な効果を奏する。しかし、ジャッキは比較的重量が嵩むために 扱いにくい手段であり、また供給用のフレキシブルケーブルや、装着を面倒なも のとする複数のセンサも必要となる。従って、この解決策は、システムの全体重 量、及び制御手段及びモニター手段の全体規模を最大限可能な範囲まで減少すべ きロボット等に応用することができない。 全く異なるシステムとしては、相互に接続されてジクザグに形成された複数の プーリ及びケーブルを備えた伸張部材を備えて成るものがある。一つのケーブル 端を引くだけでそれらの部材を一斉に起こすことができる。このシステムは、あ る種の階段及びエレベータに用いられるが、剛性に欠け、このことが、梯子を建 物に掛けなければならない消防士あるいは引っ越し業者にとっては重大であり、 また、負荷容量の制限、及び超過稼働によるケーブル及びプーリ類の運転上の問 題、等欠点を有しており、他に応用することができない。 図１は、組立は比較的簡単ではあるがより複雑なシステムを説明したものであ る。該システムは比較的軽量で優れた剛性も有している。これはロボットに使用 され、三つの伸張モジュール１ａ，１ｂ，１ｃから成る。そして、各モジュール は、ネジ２と、このネジ２と係合したナット３と、前記ネジ２の後端部に固定さ れた入口プーリ４と、前記ナット３の周囲に同軸的に固定された出口プーリ５と 、前記プーリ４の前方に位置して前記ネジ２の後端に向いたネジベアリング面６ と、ナットベアリング面７と、前記ネジ２における前記ネジベアリング面６の前 方に位置した後方ストッパ８と、前記ネジ２のかなり前方に位置した前方ストッ パ９と、から成っている。これらストッパ８，９の主要部材はネジ２と同軸に設 けられたバネである。 中間モジュール１ｂの前記入口プーリ４は、ベルト１０によって第一のモジュ ール１ａの出口プーリ５に接続されており、また、該モジュール１ｂの出口プー リ５は、別のベルト１１によって第三のモジュール１ｃの前部プーリ４に接続さ れている。そして、第三のベルト１２により、第一のモジュール１ａのプーリ４ が、フレーム１５に固定されたモータ１４の駆動プーリ１３に接続されている。 各モジュール１はチューブ１６を有しており、該チューブ１６は、該モジュー ルのナットベアリング面７のためのベアリング１７と、後段のモジュールのネジ ベアリング面６のためのベアリング１８とを備えている。ただし、第三のモジュ ール１ｃのチューブ１６はその例外であることは明かである。該第三のモジュー ルは該システムの最終段であり、よってベアリング１８を有していない。これら チューブ１６は互いにそれらの内部に、及び外部チューブ１９内に、同軸的に摺 動する。前記外部チューブはフレーム１５から立ち上がっており、そこに前記第 一のモジュール１ａのネジベアリング面のためのベアリング２０が取り付けられ 、荷担されている。図示しない、例えば摺動子、チャンネル、あるいは多角形断 面を有した取り付け具等の基本的機械装置が前記チューブ１６，１９を互いに結 合して、これらチューブの摺動を許容しつつ回転を防止している。 前記モータ１４が始動すると第一のモジュール１ａのネジ２が回転する。ナッ ト３は回転はしないが移動し、第一のモジュール１ａのチューブ１６及び他のモ ジュール１ｂ，１ｃを、これらモジュールがモータ１４の回転方向によって前記 ストップ８，９の一つに達するまで、駆動する。次いで前記ナット３はロックさ れ、ネジ２と一体化され、かつその回転をベルト１０によってモジュール１ｂの ネジ２に伝達する。これにより、前記モジュール１ｂ等のナット３及びチューブ １６が、全モジュール１１の機構がロックされるまで変位する。しかし、経験的 に、該システムは運動学に関して不完全であることが示されている。何故なら、 ネジとナットとの間に予想以上に高い摩擦が生じ、前記ナットは初めから前記ネ ジと一体となっており、その作動は、ネジの完全なロックが摩擦に抗してなんと か前記ナットの移動を回復させるより前に、第一に後段のモジュールに関係して しまうからである。さらに生じ得る深刻なる欠点は、前記ストップ８，９の存在 である。これらストップは、ナット３のショックを防止するための前記バネを有 してなければならない。全体の伸張は知れても、これらストッパが摩擦及び慣性 の動的変化を生ずる原因となり、制御システムに問題をもたらすおそれがある。 従って、該システムの、より規則的でかつ予知可能な動作が要求される。 本発明の目的は、各モジュールの規則的な伸張を保証し、かつ、一実施の形態 においては随意、該システムのより優れた静的均衡並びに小型化された全体サイ ズを得るために該機構の事実上完全な同軸性を保証して、上記のシステムを改良 することにある。 従って、本発明は、複数のモジュールから成り、各モジュールがケースと、該 ケース内で回転自在とされるとともに該ケース内での移動は拘束されたナットと 、該ナットと係合したネジとを備え、かつ前記ケースが回転を拘束された状態で 相互に摺動自在とされ、前記各モジュールが連鎖状に配設されて成る、伸縮シス テムであって、連鎖状に近接するモジュールは、各モジュールの回転部材である ネジ及びナットの一つの間の回転伝達連結機構により互いに連結されており、前 記各モジュールが、前記ネジとナットとの間に、回転伝達リンクを備えているこ とを特徴とする伸縮システムに関する。 以下本発明を、これに限定されることのない実施形態、及び添付の図面により 詳細に説明する。 図１は、既述の従来技術によるシステムである。 図２は、本発明の第一の実施の形態である。 図３は、変形例である。 図４は、本発明の第二の実施の形態によるモジュールである。 図５は、本発明の第二の実施の形態を完全に示したものである。 図２に示す装置は、少なくとも二つの伸張モジュール２５ａ，２５ｂを備えて いる。以下の実施の形態において、これら伸張モジュールは、全体数は任意とさ れた他のモジュールによって伸張される。これらのモジュールは、ネジ２６と、 該ネジ２６と螺合したナット２７と、前記ネジ２６の前方に位置したネジ歯車２ ８と、前記ナット２７に設けられたナット歯車２９と、ネジ２６と平行した伝達 シャフト３０と、この伝達軸３０の前方に位置して前記ネジ歯車２８と噛合した 軸歯車３１と、複数の溝３３によって前記伝達軸の回転を拘束しつつその伝達軸 をスライド可能に保持するブッシング３２と、前記ナット歯車２９と噛合するブ ッシング歯車３４と、を有している。 また、各モジュールはチューブ３５とベアリング４１とを備えている。ここで 、チューブ３５は、前記ネジ２６のネジ部と前記ネジ歯車２８との間に位置した 軸受け面３７を支持するベアリング３６を備えている。ベアリング４１は、前記 軸歯車３１の直ぐ背面にある前記伝達軸３０の軸受け面を支持している。前記ナ ット２７及びブッシング３２は、先行モジュール２５のチューブ３５に設けられ るか、あるいは前記チューブ３５と同軸となるように該システムのフレーム４３ に固定された第一のモジュール２５ａのためのベースチューブ４２に設けられた 、ベアリング３８，３９内にそれぞれ支持されている。 最終モジュールを除き、ネジ歯車２８は次のモジュール２５のブッシング歯車 ３４と噛合していることが重要な点である。これらの条件下で、前記フレーム４ ３に固定されたモータ４０により第一のモジュール２５ａのナット２７が駆動さ れると、その動きは、該モジュール２５ａにおける前記ナット歯車２９、ブッシ ング歯車３４、軸歯車３１、ネジ歯車２８を介して、該モジュール２５ａのネジ ２６へ、そして次のモジュール２５ｂのブッシング歯車３４へ、さらにナット歯 車２９によって該モジュール２５ｂのナット２７へ、さらにナット歯車３１及び ネジ歯車２８により該モジュール２５ｂのネジ２６へ、そしてさらに次のモジュ ール２５ｃのネジ２６及びナット２７へ、…というように伝達される。ナット２ ７とネジ２６の回転は全てギア比により課せられるため、ネジ２６の移動、従っ てチューブ３５の移動もまたこの条件に支配されることとなる。停止時のショッ クや衝撃はない。動作は同時であって、機械的クリアランスの他にはタイミング のずれは生じないから、全チューブ３５の伸張すなわち展開は、同時に行われる 。これらの結果が得られる一方で、単一のモータ４０すなわち単一の制御アクチ ュエータのみを使用できるといった効果を維持することができる。短縮過程ある いは展開過程の如何なるときも該機構の部品の慣性及びその摩擦を、極めて詳細 なレベルで完全に評価することが可能であり、従ってこれらの要因を考慮して動 的制御手段を選択することができ、優れた制御精度が実現できる。そして、この システムは、前記ネジ２６の角度及び伝達の効率レベルを適切なものにすれば、 容易に逆作動させることができる。そのために、約４５°程の大きな螺角を有し たボールネジを選択することも可能である。可逆システムは、原動力を明瞭に規 定された抵抗値に制限することにより、モータの作動中であっても、伸張を自動 停止させることを可能とする。多数の歯車又はギアが、該機構の移動率、例えば ナットの回転に対するネジの螺進率等、を調整し得るかなりの可能性を有してい る。 ただし、上記第一の実施形態は、前述の機構と比べて欠点がある。それは、前 記伝達軸３０により重量が増加し、また、異なるモジュール２５の機構との同軸 化ができてないことである。しかし、図３に示す変形実施形態ではこれらのモジ ュールの機構が全て同軸とされ、より単純にかつより軽量とされ、それらの欠点 が解消されている。図示のシステムは、三つの伸張モジュール４５ａ，４５ｂ， ４５ｃを有したものとして示してある。ただし、第三のモジュール４５ｃは該シ ステムの端部においては不完全であり、ネジ２６ｃが固定されたチューブ３５ｃ で終端している。現実には、これらモジュールの数に理論的な制限はない。 中実にできる第三のネジ２６ｃを除いてこれらネジ２６ａ，２６ｂ，２６ｃは 中空であり、互いに入れ子状に入り込んでおり、先端に向かって細くなっている 。 ここで、ナット２７ｂ，２７ｃは先行モジュールのネジ２６ａ又は２６ｂと統 合されており、明らかに前記ネジと同軸となっている。一方、ブッシング３２ｂ ，３２ｃは先行モジュールの伝達軸３０ａ又は３０ｂと統合されており、該モジ ュールのこれら伝達軸３０ａ，３０ｂも上記同様の構造を有している。すなわち 、これら最初の二つのモジュール３５ａ，３５ｂは同軸的に配され、互いに摺動 するものとなっている。この変形例の作用も、概して先行変形例のものと同様で あり、モータの回転が全部のネジ及び全部のナットに伝達され、該モジュールの 螺進及び移動を生ずるために、ネジ及びナット間では異なる角度が付与されてい る。歯車数が少ないがため、伝達率を自由に選択することが容易ではないことが 唯一の不都合点である。 次に、図４を参照して別のタイプの構造を説明する。伸縮システム伸張モジュ ール５５もまた、ネジ５６、ナット５７及びブッシング５８を備えている。ナッ ト５７及びブッシング５８は、ネジ５６に形成されたネジ溝５９及び複数の溝６ ０によって該ネジ５６と係合している。従って、該ネジ５６は、前記ブッシング ５８を回転はさせるが移動はさせない溝付きネジである。ボールベアリング６１ ，６２によって、前記ナット５７及び前記ブッシング５８はチューブ６３内で、 該チューブ及び前記ネジ５６と同軸的に回転できるものとなっている。そして、 ナット歯車６４、ブッシング歯車６５、及び二つのピニオン６６，６７が設けら れている。ピニオン６６，６７は、それぞれ前記二つの歯車６４，６５と噛合し ており、かつ、該チューブ６３に形成された孔に係合した接続軸６８によって連 結されている。この接続軸６８が前記孔内で回転自在であり、かつ前記ピニオン ６６，６７がそれに一体とされているので、このアッセンブリが減速ギア機構を 構成している。前記ネジ５６は、中心をえぐられた前記歯車６４，６５を貫通し ているが、それら歯車に接触はしていない。 ナット５７の回転によりブッシング５８及びネジ５６が異なった回転をし、従 ってネジ５６の螺進による移動が生ずる。この回転は、該ネジ５６を囲みかつ前 記ギア機構と対向したナット５７と一体的とされた別の溝付きネジによって、あ るいは図示の如く、第二のナツト歯車６９、ネジ歯車７０、及び、前記チューブ ６３に形成された孔内に係合した接続軸７３と共に回転しそれぞれ前記歯車６９ ，７０と噛合する二つのピニオン７１，７２を有した別の同等なギア機構によっ て、ナット５７に付与される。先行モジュールのチャンネルネジ７４が前記ネジ 歯車７０と一体とされている。この作動原理に従うものであればその他の構成も 可能である。また、ブッシング５８がチューブ６３と一体として該モジュールの ネジ５６の回転がロックされるようにして、前記ボールベアリング７２をなくす ことも可能である。さらに、同様な効果を得るべく、ネジを、端部でシールされ たチューブのその端部に溶接することも可能である。その場合にもブッシング５ ８は省略される。 図５は、図４に示したモジュールを組み込んだ伸縮システムの全体構成を示し ている。二つモジュール５５ａ，５５ｂがあって、第一のモジュールのネジ５６ ａが第二のモジュールのナット５７ｂに剛性的に接続されているのが解かる。該 システムの端部を構成する第二のモジュール５５ｂのネジ５６ｂは、支持部材と して機能する連接パッド７９で終端している。このシステムは、伸張可能な歩行 ロボットの脚である。第一のモジュール５５ａのナット５７ａは、チューブ６３ ａ内に設置されたモータ８０により変位可能となっている。このモータは、その えぐり部分によってネジ５６ａを貫通できるようにしたリングモータである。チ ューブ６３ａ内におけるモータ８０の背後には、その他のモータ、センサ、又は その他の手段を設けることのできるスペースが設けられている。ジャッキ８１に よってチューブ６３ａと６３ｂとをつなぐことが可能である。これにより、上述 した各モータの代わりに両チューブの位置を調節する機構が構成される。この場 合、前記モータ８０は省略される。伸張方向と平行とされたこのようなジャッキ は、どのような構成が選択されようとも、前記ネジ／ナットシステムが逆転可能 である場合に用いることができる。 これらのシステムは、本明細書で提案したナット、あるいはネジによって制御 される。通常、端部ネジが、その端部に位置したモータによって駆動される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 複数のモジュール（２５，５５）から成り、各モジュールがケース（３ ５，６３）と、該ケース内で回転自在とされるとともに該ケース（３５，６３） 内での移動は拘束されたナット（２７，５７）と、該ナット（２５，５７）と係 合したネジ（２６，５６）とを備え、かつ前記ケースが回転を拘束された状態で 相互に摺動自在とされ、前記各モジュールが連鎖状に配設されて成る、伸縮シス テムであって、 連鎖状に近接するモジュールは、各モジュールの回転部材であるネジ及びナッ トの一つの間の回転伝達連結機構（２８，３４，２９；６９〜７３）により互い に連結されており、前記各モジュールが、前記ネジとナットとの間に、回転伝達 リンク（３２，３３，３０，２１，２８；６４〜６８）を備えていることを特徴 とする伸縮システム。 ２． 請求項１記載の伸縮システムにおいて、前記近接したモジュールの前記 ネジと前記ナットとの間の前記回転伝達連結機構はギア（２８，３４，２９）で あって、前記ネジは前記ナットと同じケース（３５）内で自由に回転することを 特徴とする伸縮システム。 ３． 請求項２記載の伸縮システムにおいて、前記回転伝達リンクは、ギアか ら成る中間歯車（３４）と；前記ネジ（２６）と平行な軸（３０）、及び前記歯 車（３４）を組み込んで前記軸上を摺動するギア、及び前記ネジ（２６）と係合 したナット（２７）と一体となった歯車（２９）と；を備え、前記軸上を摺動す る前記歯車が前記ナットのケース（３５）内で移動を拘束されつつ該ケース内で 回転自在とされていることを特徴とする伸縮システム。 ４． 請求項１記載の伸縮システムにおいて、前記回転伝達リンクが、複数の 溝（６０）によって前記ネジ（５６）とリンクされたブッシング（５８）を備え ていることを特徴とする伸縮システム。 ５． 請求項５記載の伸縮システムにおいて、前記ブッシングが、前記ネジと 係合した前記ナットのケース内で移動を拘束されるとともに、該ケース（６３） 内で回転自在とされていることを特徴とする伸縮システム。 ６． 請求項４記載の伸縮システムにおいて、前記回転伝達リンクがギアを備 え、そのうちの少なくとも一つの歯車（６６，６７）が前記チューブ（６３）内 に取り付けられた軸（６８）回りを回転することを特徴とする伸縮システム。 ７． 請求項１記載の伸縮システムにおいて、前記ネジ（２６ａ，５６，７４ ）は同軸的であって互いに入り込むものであることを特徴とする伸縮システム。 ８． 請求項４記載の伸縮システムにおいて、前記連結機構は剛性連結機構で あることを特徴とする伸縮システム。