WO2017110251A1 - 差動装置 - Google Patents

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pulley
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differential device
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ヨッヘン ダメラウ
ベンジャミン ルウクス
真崇 鈴木
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ボッシュ株式会社
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/02—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/02—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion
    • F16H19/06—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising flexible members, e.g. an endless flexible member

Definitions

  • the present invention relates to a differential device.
  • the present invention relates to a differential device that causes two movable elements to move straight forward.
  • Another differential gear includes a sun gear, a ball gear, and a plurality of planetary gears.
  • the reduction gears using these gear mechanisms have a problem that it is necessary to use a material having high rigidity so as not to cause tooth chipping, which is relatively expensive.
  • a mechanism of a differential pulley For example, a rotating body including two pulleys having different diameters that can rotate integrally, and a load that is suspended below the rotating body to support a load 1. Two pulleys and an endless rope or an endless chain disposed across these three pulleys.
  • the differential pulley device can be configured at a relatively low cost, and even a heavy object such as a mining bucket or boat can be easily moved up and down by the operator's force.
  • the cable transmission device described in Patent Document 1 prevents the cables wound by using many pulleys from interfering with each other, and there is a problem that the entire device is enlarged. Increasing the size of the apparatus makes it difficult to apply to a relatively small system such as a human-mounted robot.
  • the first rotating body, the second rotating body, and the third rotating body that are provided with the endless transmission member that is wound over all the rotating bodies and that are rotationally driven by the driving unit.
  • the body and the endless transmission member extending from the fourth rotating body are arranged so as to extend on four planes orthogonal to the rotation axis. Therefore, it is possible to prevent interference between the endless transmission members without increasing the size of the differential device.
  • the diameter of the first rotating body is different from the diameter of the third rotating body
  • the diameter of the second rotating body is different from the diameter of the fourth rotating body
  • the sending amount of the endless transmission member by the rotating body is different from the sending amount of the endless transmission member by the third rotating body
  • the sending amount of the endless transmission member by the second rotating body is different by the fourth rotating body.
  • the delivery amount of the endless transmission member may be different.
  • the second rotating body to the eighth rotating body When the length of the endless transmission member extending from the first rotating body to the third rotating body via the seventh rotating body is increased by driving the driving unit, the second rotating body to the eighth rotating body.
  • the length of the endless transmission member that reaches the fourth rotating body via the rotating body is shortened, while the endless transmission member that reaches the third rotating body via the seventh rotating body from the first rotating body
  • the length of the endless transmission member from the second rotating body to the fourth rotating body via the eighth rotating body may be increased.
  • FIG. 1 is a schematic view of the main part of the differential device 10 as viewed from a direction orthogonal to the rotation shaft 22 of the motor 20.
  • FIG. 2 shows the differential device 10 shown in FIG. 3 is a view of the differential device 10 shown in FIG.
  • the differential device 10 includes a motor 20 as a driving unit that rotates the first pulley 32, the second pulley 34, the third pulley 36, and the fourth pulley 38, the first pulley 32, The second pulley 34, the third pulley 36, the fourth pulley 38, the fifth pulley 42, the sixth pulley 44, the seventh pulley 52, and the eighth pulley 54 are disposed.
  • An endless cable 26 is provided as an endless transmission member.
  • the sending length of the endless cable 26 by the first pulley 32 and the second pulley 34 when the motor 20 is driven to rotate is larger than the sending length of the endless cable 26 by the third pulley 36 and the fourth pulley 38. Is also shortened.
  • the fifth pulley 42 is disposed between the first plane P1 and the second plane P2, and is supported by a fixed portion (not shown) in a rotatable state.
  • the fifth pulley 42 is arranged such that the endless cable 26 extends toward the first pulley 32 and the second pulley 34 on the first plane P1 and the second plane P2, respectively. That is, the endless cable 26 disposed between the first pulley 32 and the fifth pulley 42 is disposed on the first plane P1. Further, the endless cable 26 disposed between the second pulley 34 and the fifth pulley 42 is disposed on the second plane P2.
  • the width of the fifth pulley 42 (length in the left-right direction shown in FIG. 3) viewed along the axial direction of the rotary shaft 22 is the same as that of the first pulley 32 and the second pulley.
  • the diameter of the pulley 34 is substantially the same.
  • the sixth pulley 44 is disposed between the third plane P3 and the fourth plane P5, and is supported by a fixed portion (not shown) in a rotatable state.
  • the sixth pulley 44 is arranged such that the endless cable 26 extends toward the third pulley 36 and the fourth pulley 38 on the third plane P3 and the fourth plane P4, respectively. That is, the endless cable 26 disposed between the third pulley 36 and the sixth pulley 44 is disposed on the third plane P3. Further, the endless cable 26 disposed between the fourth pulley 38 and the sixth pulley 44 is disposed on the fourth plane P4.
  • the width of the sixth pulley 44 (length in the left-right direction in FIG. 3) viewed along the axial direction of the rotary shaft 22 is the same as that of the third pulley 36 and the fourth pulley.
  • the diameter of the pulley 38 is substantially the same.
  • the diameter of the first pulley 32 is smaller than the diameter of the third pulley 36, when the motor 20 is driven to rotate, the length of the endless cable 26 wound around the seventh pulley 52 and the seventh pulley 52 are sent out. It differs from the length of the endless cable 26 to be made. As a result, the seventh pulley 52 moves straight while rotating. Note that the direction of the straight movement of the seventh pulley 52 is determined by a guide portion (not shown).
  • the eighth pulley 54 is disposed between the second plane P2 and the fourth plane P4, and is supported in a rotatable state and capable of linear movement.
  • the eighth pulley 54 is loaded toward the lower side in the depth direction shown in FIG. 1 (left side in the left-right direction shown in FIG. 3), and one end of the eighth pulley 54 is attached to a fixing portion (not shown).
  • the fixed coil spring may be biased in the direction opposite to the direction of the load.
  • the eighth pulley 54 is arranged such that the endless cable 26 extends toward the second pulley 34 and the fourth pulley 38 on the second plane P2 and the fourth plane P4, respectively. That is, the endless cable 26 disposed between the second pulley 34 and the eighth pulley 54 is disposed on the second plane P2. Further, the endless cable 26 disposed between the fourth pulley 38 and the eighth pulley 54 is disposed on the fourth plane P4.
  • the distance (interval) between the pulleys and the diameter, or the direction of the rectilinear movement of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54, so that the endless cables 26 do not interfere with each other. Can be set. Thereby, the endless cable 26 is wound over each pulley without interfering with each other.
  • the differential device 10 can convert the rotational motion of the motor 20 into the linear motion of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54.
  • variables are defined as follows.
  • ⁇ rotation angle of motor 20 (radian) r1: Radius of the first pulley 32 r2: Radius of the second pulley 34 r3: Radius of the third pulley 36 r4: Radius of the fourth pulley 38 ⁇ 1: Rotation angle (radian) of the first pulley 32 ⁇ 2: rotation angle (radian) of the second pulley 34 ⁇ 3: rotation angle (radian) of the third pulley 36 ⁇ 4: rotation angle (radian) of the fourth pulley 38 l1: length of the endless cable 26 sent out by the first pulley 32 l2: length of the endless cable 26 sent out by the second pulley 34 l3: length of the endless cable 26 sent out by the third pulley 36 L4: length of the endless cable 26 sent out by the fourth pulley 38 d
  • the difference between the lengths 11 and 12 of the endless cable 26 and the lengths 13 and 14 of the endless cable 26 delivered by the third pulley 36 and the fourth pulley 38 is reduced.
  • the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54 advance straight. The moving distances d7 and d8 are reduced.
  • each of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54 is connected to the other end of a coil spring that is fixed to a fixing portion (not shown), and is attached substantially toward the rotating shaft 22. It is energized.
  • the coil springs are fixed to the rotation shafts of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54 and do not hinder the shaft rotation of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54.
  • the ends of the cables 132 and 134 fixed to the joint portion 120 of the human body wearing robot 100 are connected to the rotation shafts of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54, and the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54 are connected.
  • the pulley 54 is loaded on the side opposite to the biasing direction of the coil spring.
  • a control device detects that the user is trying to raise his / her foot by using a myoelectric potential sensor or a sensor for detecting the movement of the user's foot, as shown in FIG.
  • the rotating shaft 22 of the motor 20 is driven to rotate clockwise.
  • the eighth pulley 54 moves upward and pulls the cable 134. If it does so, the joint part 120 will rotate clockwise and the cable 132 will be pulled to the joint part 120 side.
  • the seventh pulley 52 moves downward, the cable 132 moves to the joint 120 side.
  • the second arm portion 114 rotates clockwise around the joint portion 120 to generate a force that assists the user in raising the foot.
  • the control device rotates the rotation shaft 22 of the motor 20 counterclockwise.
  • the seventh pulley 52 pulls the cable 132 this time, the cable 134 also moves following this, and the joint part 120 rotates counterclockwise.
  • a force (torque) that assists the user to lower the foot is generated.
  • the torque for rotating the joint 120 can be calculated based on the torque generated by the motor 20 and the radius of each pulley.
  • T Torque generated by the motor 20
  • ⁇ Torque for rotating the joint 120
  • rj Radius of the joint 120
  • F1 Tension applied to the endless cable 26 by the rotation of the first pulley 32
  • F2 Rotation of the second pulley 34
  • F3 Tension applied to the endless cable 26 by rotation of the third pulley 36
  • F4 Tension applied to the endless cable 26 by rotation of the fourth pulley 38
  • F7 Tension applied to the cable 132 by the seventh pulley 52
  • Such tension F8 Tension applied to the cable 134 by the eighth pulley 54
  • a Bowden cable can be used as the cables 132 and 134 for connecting the differential device 10 and the joint portion 120 and rotating the joint portion 120.
  • a Bowden cable can be used.
  • one end side of the protective covers 131 and 133 outside the cables 132 and 134 of the Bowden cable is fixed to the fixing unit 113 at a position different from the joint unit 120 in the human body wearing robot 100.
  • one end side of the protective covers 131 and 133 is fixed to the fixing portion 113 provided on the first arm portion 112, but may be fixed to the fixing portion of the mounting belt 102.
  • the other ends of the protective covers 131 and 133 are fixed to the fixing portions 90 a and 90 b on the extension lines of the linear movements of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54 of the differential device 10.
  • the Bowden cable By using the Bowden cable, the movement of the cables 132 and 134 passing through the inside of the protective covers 131 and 133 is restricted, and there is no direct contact with clothes or the body. Few.
  • the rotation operation unit 120A rotates and is connected to the descending seventh pulley 52 or the eighth pulley 54.
  • the long diameter portion pushes the cables 132 and 134, it is possible to prevent the cables 132 and 134 from being slackened.
  • the endless cable 26 is disposed between the pulleys except for the portions wound on the fifth pulley 42, the sixth pulley 44, the seventh pulley 52, and the eighth pulley 54. All of the portions are located on the first plane P1, the second plane P2, the third plane P3, or the fourth plane P4. Therefore, the endless cables 26 do not interfere with each other by appropriately setting the distance (interval) between each pulley, the diameter, or the direction of straight movement of the seventh pulley 52 and the eighth pulley 54. To be done.
  • the endless cable 26 is less likely to be twisted, and friction due to twisting is less likely to occur between each pulley and the endless cable 26. As a result, the transmission efficiency of the driving force can be improved, and the service life of the endless cable 26 can be improved.
  • the differential device 10 can be mainly configured by eight pulleys and an endless cable 26 in addition to the motor 20. Therefore, since a gear that requires high machining accuracy is not required, the manufacturing cost can be reduced. In addition, since there is no meshing of gears, there is no backlash, responsiveness can be improved, and operating noise and impact can be reduced.
  • the differential gear 10 concerning this embodiment connects the 7th pulley 52 and the 8th pulley 54 to rotation operation parts, such as the joint part 120 of the human body mounting robot 100, via the cables 132 and 134.
  • the differential device is applied as an actuator of a human body-mounted robot.
  • the differential device can be applied to various mechanical devices as an actuator of an operating body that transmits forces directed in opposite directions.

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Abstract

差動装置の大型化を抑制しつつ、無端伝動部材同士の干渉を防止する。　差動装置は、回転軸を回転駆動する駆動部と、所定の間隔を空けてこの順に回転軸に固定された第１の回転体、第２の回転体、第３の回転体及び第４の回転体と、それぞれ回動自在な状態で固定部に支持された第５の回転体及び第６の回転体と、所定の第１の方向に沿って直進運動可能に支持された第７の回転体と、所定の第２の方向に沿って直進運動可能に支持された第８の回転体と、第１の回転体、第５の回転体、第２の回転体、第８の回転体、第４の回転体、第６の回転体、第３の回転体、第７の回転体に渡ってこの順に捲回されて再び第１の回転体に捲回された無端伝動部材と、を備え、それぞれ第１の回転体、第２の回転体、第３の回転体及び第４の回転体から、第５の回転体、第６の回転体、第７の回転体、第８の回転体に向けて延出する無端伝動部材は、回転軸に直交する平面上に延在する。

Description

差動装置
　本発明は、差動装置に関する。特に、２つの可動要素にそれぞれ直進運動をさせる差動装置に関する。
　近年、人の動作を支援あるいは補助する人体装着ロボットが知られている。人体装着ロボットは、例えば、ユーザに装着される関節部と、ユーザの意図又は状態あるいは周囲の状況を検知するためのセンサと、関節部に対して駆動トルクを付与するアクチュエータと、制御装置とを備えて構成される。一般的に、アクチュエータは、モータと、モータの高速回転を人体の動作に適した低速回転に変換する変速機とを備える。変速機は、例えば、１／５０～１／２００の変速比で、モータの回転を関節部に伝達する。アクチュエータは、例えば、ハーモニックドライブ（登録商標）又はウォームギヤとＤＣモータとを組み合わせて構成される。また、別の差動ギヤとして、サンギヤ、ボールギヤ、及び、複数のプラネタリギヤにより構成されたものもある。これらのギヤ機構を用いた減速ギヤは、歯欠けが起こらないように剛性の高い材料を使用する必要があり、比較的コストがかかるという問題がある。
　これに対して、古くから、ギヤの代わりに、ケーブル、ベルト又はチェーン等を用いて、ギヤ機構と同等の減速比を達成し得る代替の装置も存在する。これらの装置は、差動プーリのメカニズムを利用するものであり、例えば、一体的に回転可能な直径の異なる２つのプーリを含む回転体と、当該回転体の下方に懸架されて負荷を支える１つのプーリと、これらの３つのプーリに渡って配設される無端ロープ又は無端チェーンとを備える。差動プーリ装置は、比較的低コストで構成でき、かつ、採掘用のバケットやボート等の重量物であっても、操作者の力によって容易に上下動させることができる。さらに、特許文献１には、従来の差動プーリ装置に対してモータを追加したケーブル差動装置を備えるケーブル伝動装置が開示されている。かかるケーブル伝動装置は、操作者の力ではなく、モータの駆動力によって、比較的小さい力で負荷を進退動させることができる。
国際公開第１９８９／０１０２４２号
　しかしながら、特許文献１に記載のケーブル伝動装置は、多くのプーリを用いることによって捲回されたケーブル同士が干渉することを防ぐものであり、装置全体が大型化するという問題がある。装置の大型化は、例えば、人体装着ロボット等の比較的小型のシステムへの適用を困難にする。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、装置の大型化を抑制しつつ、無端伝動部材同士の干渉を防止可能な、新規かつ改良された差動装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、回転軸を回転駆動する駆動部と、所定の間隔を空けてこの順に回転軸に固定された第１の回転体、第２の回転体、第３の回転体及び第４の回転体と、それぞれ回動自在な状態で固定部に支持された第５の回転体及び第６の回転体と、所定の第１の方向に沿って直進運動可能に支持された第７の回転体と、所定の第２の方向に沿って直進運動可能に支持された第８の回転体と、第１の回転体、第５の回転体、第２の回転体、第８の回転体、第４の回転体、第６の回転体、第３の回転体、第７の回転体に渡ってこの順に捲回されて再び第１の回転体に捲回された無端伝動部材と、を備え、それぞれ第１の回転体、第２の回転体、第３の回転体及び第４の回転体から、第５の回転体、第６の回転体、第７の回転体、第８の回転体に向けて延出する無端伝動部材は、回転軸に直交する平面上に延在する、差動装置が提供される。
　本発明の差動装置によれば、すべての回転体に渡って捲回される無端伝動部材を備え、駆動部により回転駆動される第１の回転体、第２の回転体、第３の回転体、及び第４の回転体から延出する無端伝動部材が、それぞれ回転軸に直交する４つの平面上に延在するように配設される。したがって、差動装置を大型化することなく、無端伝動部材同士の干渉を防ぐことができる。
　第１の回転体の直径と第３の回転体の直径とが異なり、第２の回転体の直径と第４の回転体の直径とが異なり、駆動部を駆動させた際に、第１の回転体による無端伝動部材の送出量と、第３の回転体による無端伝動部材の送出量と、が異なり、かつ、第２の回転体による無端伝動部材の送出量と、第４の回転体による無端伝動部材の送出量と、が異なってもよい。
　駆動部を駆動することにより、第１の回転体から第７の回転体を経由して第３の回転体に至る無端伝動部材の長さが長くなる場合には第２の回転体から第８の回転体を経由して第４の回転体に至る無端伝動部材の長さが短くなる一方、第１の回転体から第７の回転体を経由して第３の回転体に至る無端伝動部材の長さが短くなる場合には第２の回転体から第８の回転体を経由して第４の回転体に至る無端伝動部材の長さが長くなってもよい。
　第７の回転体及び第８の回転体が、それぞれ、回転動作部に固定又は捲回されたケーブルに接続され、差動装置が、回転動作部を回転駆動させてもよい。
　回転動作部が、人体装着ロボットの関節部であってもよい。
　回転動作部は、長径部及び短径部を有し、回転動作部が回転したときに、長径部が第７の回転体に接続されたケーブル又は第８の回転体に接続されたケーブルに張力を付与してもよい。
　以上説明したように本発明によれば、２つの可動要素の直進運動が行われる差動装置の大型化を抑制しつつ、無端伝動部材同士の干渉を防止することができる。
本発明の実施の形態にかかる差動装置を示す模式図である。 図１に示す差動装置を矢印Ａの方向から見た図である。 図１に示す差動装置を矢印Ｂの方向から見た図である。 同実施形態にかかる差動装置を適用した人体装着ロボットを示す説明図である。 差動装置の変形例を示す模式図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　（１．差動装置の構成）
　まず、図１～図３を参照して、本実施形態にかかる差動装置１０の構成例について説明する。図１は、差動装置１０の主要部を、モータ２０の回転軸２２に対して直交する方向から見た模式図であり、図２は、図１に示す差動装置１０を矢印Ａの方向から見た図であり、図３は、図１に示す差動装置１０を矢印Ｂの方向から見た図である。
　差動装置１０は、第１のプーリ３２と、第２のプーリ３４と、第３のプーリ３６と、第４のプーリ３８と、第５のプーリ４２、第６のプーリ４４と、第７のプーリ５２と、第８のプーリ５４とを備える。プーリは、本発明における回転体の一例である。また、差動装置１０は、第１のプーリ３２、第２のプーリ３４、第３のプーリ３６、及び第４のプーリ３８を軸回転させる駆動部としてのモータ２０と、第１のプーリ３２、第２のプーリ３４、第３のプーリ３６、第４のプーリ３８、第５のプーリ４２、第６のプーリ４４、第７のプーリ５２、及び、第８のプーリ５４に渡って配設された無端伝動部材として無端ケーブル２６とを備える。
　各プーリの外周面には、無端ケーブル２６が捲回される溝部が設けられる。無端ケーブル２６は、第１のプーリ３２、第５のプーリ４２、第２のプーリ３４、第８のプーリ５４、第４のプーリ３８、第６のプーリ４４、第３のプーリ３６、及び、第７のプーリ５２にこの順に捲回され、再び第１のプーリ３２に捲回される。無端ケーブル２６は、例えば、金属製のワイヤであってもよい。
　モータ２０は、図示しない制御装置により駆動される。モータ２０としては、例えば、サーボモータやステッピングモータが用いられるが、この例に限定されない。モータ２０は回転トルクを出力する回転軸２２を有する。第１のプーリ３２、第２のプーリ３４、第３のプーリ３６、及び第４のプーリ３８は、所定の間隔を空けて回転軸２２に固定されている。回転軸２２は、第１のプーリ３２、第２のプーリ３４、第３のプーリ３６、及び第４のプーリ３８の中心を通る。
　第１のプーリ３２は、回転軸２２に直交する第１の平面Ｐ１上で軸回転する。第２のプーリ３４は、回転軸２２に直交する第２の平面Ｐ２上で軸回転する。第３のプーリ３６は、回転軸２２に直交する第３の平面Ｐ３上で軸回転する。第４のプーリ３８は、回転軸２２に直交する第４の平面Ｐ４上で軸回転する。第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４は、同一の直径を有する。第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８は、同一の直径を有する。第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８の直径は、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４の直径よりも大きい。そのため、モータ２０を回転駆動したときの第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４による無端ケーブル２６の送出長さは、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８による無端ケーブル２６の送出長さよりも短くなる。
　第５のプーリ４２は、第１の平面Ｐ１及び第２の平面Ｐ２の間に配置され、回動自在な状態で、図示しない固定部に支持される。第５のプーリ４２は、第１の平面Ｐ１及び第２の平面Ｐ２上においてそれぞれ無端ケーブル２６が第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４に向けて延出するように配置される。すなわち、第１のプーリ３２と第５のプーリ４２との間に配設される無端ケーブル２６は、第１の平面Ｐ１上に配設される。また、第２のプーリ３４と第５のプーリ４２との間に配設される無端ケーブル２６は、第２の平面Ｐ２上に配設される。このとき、図３に示すように、回転軸２２の軸方向に沿って見た第５のプーリ４２の幅（図３の図示の左右方向の長さ）は、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４の直径と略同一になっている。
　図１の図示の奥行きの方向の手前側（図３の図示の左右方向の右側）で、第１のプーリ３２及び第５のプーリ４２の間に無端ケーブル２６が配設され、図１の図示の奥行きの方向の奥側（図３の図示の左右方向の左側）で、第２のプーリ３４及び第５のプーリ４２の間に無端ケーブル２６が配設される。第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４の直径が同一であるため、モータ２０の回転駆動時に、回動自在な状態で固定部に支持されている第５のプーリ４２に巻き付く無端ケーブル２６の長さと、第５のプーリ４２から送出される無端ケーブル２６の長さは等しい。したがって、第１のプーリ３２から第５のプーリ４２を介して第２のプーリ３４に至る無端ケーブル２６には、弛みが生じない。
　第６のプーリ４４は、第３の平面Ｐ３及び第４の平面Ｐ５の間に配置され、回動自在な状態で、図示しない固定部に支持される。第６のプーリ４４は、第３の平面Ｐ３及び第４の平面Ｐ４上においてそれぞれ無端ケーブル２６が第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８に向けて延出するように配置される。すなわち、第３のプーリ３６と第６のプーリ４４との間に配設される無端ケーブル２６は、第３の平面Ｐ３上に配設される。また、第４のプーリ３８と第６のプーリ４４との間に配設される無端ケーブル２６は、第４の平面Ｐ４上に配設される。このとき、図３に示すように、回転軸２２の軸方向に沿って見た第６のプーリ４４の幅（図３の図示の左右方向の長さ）は、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８の直径と略同一になっている。
　図１の図示の奥行きの方向の奥側（図３の図示の左右方向の左側）で、第３のプーリ３６及び第６のプーリ４４の間に無端ケーブル２６が配設され、図１の図示の奥行きの方向の手前側（図３の図示の左右方向の右側）で、第４のプーリ３８及び第６のプーリ４４の間に無端ケーブル２６が配設される。第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８の直径が同一であるため、モータ２０の回転駆動時に、回動自在な状態で固定部に支持されている第６のプーリ４４に巻き付く無端ケーブル２６の長さと、第６のプーリ４４から送出される無端ケーブル２６の長さは等しい。したがって、第３のプーリ３６から第６のプーリ４４を介して第４のプーリ３８に至る無端ケーブル２６には、弛みが生じない。
　第７のプーリ５２は、第１の平面Ｐ１及び第３の平面Ｐ３の間に配置され、回動自在な状態で、かつ、直進運動可能に支持される。例えば、第７のプーリ５２は、図１の図示の奥行きの方向の手前側（図３の図示の左右方向の右側）の下方に向かって負荷がかけられ、かつ、図示しない固定部に一端が固定されたコイルばねによって、負荷の方向とは逆方向に向かって付勢されていてもよい。第７のプーリ５２は、第１の平面Ｐ１及び第３の平面Ｐ３上においてそれぞれ無端ケーブル２６が第１のプーリ３２及び第３のプーリ３６に向けて延出するように配置される。すなわち、第１のプーリ３２と第７のプーリ５２との間に配設される無端ケーブル２６は、第１の平面Ｐ１上に配設される。また、第３のプーリ３６と第７のプーリ５２との間に配設される無端ケーブル２６は、第３の平面Ｐ３上に配設される。
　第１のプーリ３２の直径は、第３のプーリ３６の直径よりも小さいため、モータ２０の回転駆動時に、第７のプーリ５２に巻き付く無端ケーブル２６の長さと、第７のプーリ５２から送出される無端ケーブル２６の長さとは異なる。これにより、第７のプーリ５２は、回動しつつ、直進運動する。なお、第７のプーリ５２は、図示しないガイド部によって、直進運動の向きが決められている。
　第８のプーリ５４は、第２の平面Ｐ２及び第４の平面Ｐ４の間に配置され、回動自在な状態で、かつ、直進運動可能に支持される。例えば、第８のプーリ５４は、図１の図示の奥行きの方向の奥側（図３の図示の左右方向の左側）の下方に向かって負荷がかけられ、かつ、図示しない固定部に一端が固定されたコイルばねによって、負荷の方向とは逆方向に向かって付勢されていてもよい。第８のプーリ５４は、第２の平面Ｐ２及び第４の平面Ｐ４上においてそれぞれ無端ケーブル２６が第２のプーリ３４及び第４のプーリ３８に向けて延出するように配置される。すなわち、第２のプーリ３４と第８のプーリ５４との間に配設される無端ケーブル２６は、第２の平面Ｐ２上に配設される。また、第４のプーリ３８と第８のプーリ５４との間に配設される無端ケーブル２６は、第４の平面Ｐ４上に配設される。
　第２のプーリ３４の直径は、第４のプーリ３８の直径よりも小さいため、モータ２０の回転駆動時に、第８のプーリ５４に巻き付く無端ケーブル２６の長さと、第８のプーリ５４から送出される無端ケーブル２６の長さとは異なる。これにより、第８のプーリ５４は、回動しつつ、直進運動する。なお、第８のプーリ５４は、図示しないガイド部によって、直進運動の向きが決められている。
　本実施形態にかかる差動装置１０では、無端ケーブル２６における、各プーリ間に配設されている部分が、すべて各プーリの回転軸に直交する平面上にある。したがって、無端ケーブル２６の各部位は、各プーリにおいて無端ケーブル２６が配設される溝部の縁に擦れにくく、滑らかに各プーリに出入りすることができる。そのため、各プーリと無端ケーブル２６との間で、摩擦が生じにくくなっている。これにより、駆動力の伝達効率が向上し、かつ、無端ケーブル２６の耐用年数を向上させることができる。
　差動装置１０において、各プーリ間の距離（間隔）や直径、あるいは、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進運動の方向は、無端ケーブル２６が互いに干渉し合うことのないように設定することができる。これにより、無端ケーブル２６が互いに干渉し合うことなく、各プーリに渡って捲回されている。
　（２．差動装置の動作）
　次に、本実施形態にかかる差動装置１０の動作について説明する。上述のとおり、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４の直径が、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８の直径よりも小さいため、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４によって送出される無端ケーブル２６の長さよりも、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８によって送出される無端ケーブル２６の長さの方が長くなる。
　図３において、回転軸２２を反時計回り（実線の方向）に回転させた場合、第１のプーリ３２から第７のプーリ５２を経由して第３のプーリ３６に至る無端ケーブル２６の長さが短くなり、第７のプーリ５２は、図中の上方（実線の方向）に直進移動する。また、回転軸２２を反時計回り（実線の方向）に回転させた場合、第４のプーリ３８から第８のプーリ５４を経由して第２のプーリ３４に至る無端ケーブル２６の長さが長くなり、第８のプーリ５４が、図中の下方（実線の方向）に直進移動する。
　一方、図３において、回転軸２２を時計回り（破線の方向）に回転させた場合、第３のプーリ３６から第７のプーリ５２を経由して第１のプーリ３２に至る無端ケーブル２６の長さが長くなり、第７のプーリ５２は、図中の下方（破線の方向）に直進移動する。また、回転軸２２を時計回り（破線の方向）に回転させた場合、第２のプーリ３４から第８のプーリ５４を経由して第４のプーリ３８に至る無端ケーブル２６の長さが短くなり、第８のプーリ５４が、図中の上方（破線の方向）に直進移動する。
　このように、差動装置１０は、モータ２０の回転運動を、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進運動に変換することができる。ここで、以下のように変数を定義する。
　ρ：モータ２０の回転角度（ラジアン）
　ｒ１：第１のプーリ３２の半径
　ｒ２：第２のプーリ３４の半径
　ｒ３：第３のプーリ３６の半径
　ｒ４：第４のプーリ３８の半径
　θ１：第１のプーリ３２の回転角度（ラジアン）
　θ２：第２のプーリ３４の回転角度（ラジアン）
　θ３：第３のプーリ３６の回転角度（ラジアン）
　θ４：第４のプーリ３８の回転角度（ラジアン）
　ｌ１：第１のプーリ３２によって送出される無端ケーブル２６の長さ
　ｌ２：第２のプーリ３４によって送出される無端ケーブル２６の長さ
　ｌ３：第３のプーリ３６によって送出される無端ケーブル２６の長さ
　ｌ４：第４のプーリ３８によって送出される無端ケーブル２６の長さ
　ｄ７：第７のプーリ５２の直進移動距離
　ｄ８：第８のプーリ５４の直進移動距離
　この場合、モータ２０を角度ρだけ回転駆動させると、各プーリによって送出される無端ケーブル２６の長さは、以下のとおりとなる。
　ｌ１＝ρｒ１
　ｌ２＝ρｒ２
　ｌ３＝ρｒ３
　ｌ４＝ρｒ４
　このとき、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進移動距離は、以下のとおりとなる。
　ｄ７＝ｌ３－ｌ１＝ρ（ｒ３－ｒ１）
　ｄ８＝ｌ２－ｌ４＝ρ（ｒ２－ｒ４）
　したがって、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４の直径と、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８の直径との差が小さいほど、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４によって送出される無端ケーブル２６の長さｌ１，ｌ２と、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８によって送出される無端ケーブル２６の長さｌ３，ｌ４との差が小さくなる。したがって、第１のプーリ３２及び第２のプーリ３４の直径と、第３のプーリ３６及び第４のプーリ３８の直径との差が小さいほど、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進移動距離ｄ７，ｄ８は小さくなる。
　（３．人体装着ロボットへの適用例）
　次に、図４を参照して、本実施形態にかかる差動装置１０を、人体装着ロボット１００のアクチュエータとして用いる例について説明する。図４は、差動装置１０により動作が行われる人体装着ロボット１００の一例を示す説明図である。
　図４に示す例において、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４は、それぞれ一端が図示しない固定部に固定されたコイルばねの他端に接続され、ほぼ回転軸２２の方向に向かって付勢されている。コイルばねは、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の回転軸に固定されており、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の軸回転を妨げることがない。また、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の回転軸には、人体装着ロボット１００の関節部１２０に固定されたケーブル１３２，１３４の端部が接続され、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４は、コイルばねの付勢方向とは反対側に負荷が与えられる。
　図示した人体装着ロボット１００は、関節部１２０と、関節部１２０を中心に回動可能に連結された第１のアーム部１１２及び第２のアーム部１１４とを有する。第１のアーム部１１２の上部は、人体の腰に巻き付けられる装着ベルト１０２に固定されている。また、第２のアーム部１１４の下部は、人体の大腿部に巻き付けられる装着ベルト１０４に固定されている。例えば、ユーザが歩行する際に、関節部１２０が図示の時計回りに回動することにより、第２のアーム部１１４が関節部１２０を中心に時計回りに回動し、ユーザによる足を上げる動作が補助される。関節部１２０は、差動装置１０により回転駆動される回転操作部の一例である。
　具体的に、図示しない制御装置が、筋電位センサやユーザの足の動きを検出するセンサ等により、ユーザが足を上げようとしていることを検出すると、図４に示すように、制御装置は、モータ２０の回転軸２２を時計回りに回転駆動する。これにより、第８のプーリ５４は上方側に移動し、ケーブル１３４を引っ張る。そうすると、関節部１２０が時計回りに回転し、ケーブル１３２が関節部１２０側に引っ張られる。このとき、第７のプーリ５２は下方側に移動するため、ケーブル１３２が関節部１２０側に移動する。これにより、第２のアーム部１１４が関節部１２０を中心に時計回りに回動し、ユーザによる足を上げる動作を補助する力が発生する。
　逆に、ユーザが足を下ろそうとしている場合には、制御装置は、モータ２０の回転軸２２を反時計回りに回転駆動する。これにより、今度は、第７のプーリ５２がケーブル１３２を引っ張り、これに追従してケーブル１３４も移動して、関節部１２０が反時計回りに回動する。これにより、ユーザによる足を下ろす動作を補助する力（トルク）が発生する。
　関節部１２０を回動させるトルクは、モータ２０により生成されるトルクと、各プーリの半径とに基づき算出することができる。ここで、以下のように変数を定義する。
　Ｔ：モータ２０が生成するトルク
　τ：関節部１２０を回動させるトルク
　ｒｊ：関節部１２０の半径
　Ｆ１：第１のプーリ３２の回転により無端ケーブル２６にかかる張力
　Ｆ２：第２のプーリ３４の回転により無端ケーブル２６にかかる張力
　Ｆ３：第３のプーリ３６の回転により無端ケーブル２６にかかる張力
　Ｆ４：第４のプーリ３８の回転により無端ケーブル２６にかかる張力
　Ｆ７：第７のプーリ５２によりケーブル１３２にかかる張力
　Ｆ８：第８のプーリ５４によりケーブル１３４にかかる張力
　この場合、各ケーブル１３２，１３４にかかる張力は、以下のとおりとなる。
　Ｆ７＝Ｆ３－Ｆ１＝Ｔ／ｒ３－Ｔ／ｒ１
　Ｆ８＝Ｆ２－Ｆ４＝Ｔ／ｒ２－Ｔ／ｒ４
　これらの張力Ｆ７，Ｆ８により、関節部１２０を回動させるトルクτが生成される。ただし、２つの張力Ｆ７，Ｆ８は、互いに反対方向の力であり、ケーブル１３２，１３４が緩む方向にかかる張力（図１の下方向への成分を含む張力）については、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４に接続された図示しないコイルばねの張力によってキャンセルされ、関節部１２０を回動させるトルクには寄与しない。したがって、実質的には、張力Ｆ７又は張力Ｆ８のいずれか一方によって、関節部１２０を回動させるトルクτが生成されることになる。張力Ｆ７によってトルクτが生成される場合、トルクτ＝Ｆ７・ｒｊとなり、張力Ｆ８によってトルクτが生成される場合、トルウτ＝Ｆ８・ｒｊとなる。
　差動装置１０と関節部１２０とを接続し、関節部１２０を回動させるケーブル１３２，１３４としては、例えばボーデンケーブルを使用することができる。この場合、ボーデンケーブルのうち、ケーブル１３２，１３４の外側の防護カバー１３１，１３３の一端側は、人体装着ロボット１００における、関節部１２０とは異なる位置で固定部１１３に固定される。図３に示す例では、防護カバー１３１，１３３の一端側が、第１のアーム部１１２に設けられた固定部１１３に固定されているが、装着ベルト１０２の固定部に固定されてもよい。また、防護カバー１３１，１３３の他端側は、差動装置１０の第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進運動の延長線上で、固定部９０ａ，９０ｂに固定されている。ボーデンケーブルを使用することにより、防護カバー１３１，１３３の内側を通るケーブル１３２，１３４の動きが拘束され、衣服や身体等に直接接触することがないため、ケーブル１３２，１３４の配設に対する制限が少ない。
　また、かかる人体装着ロボット１００の例において、差動装置１０は、関節部１２０から離れた位置に配置することができる。例えば、差動装置１０は、ユーザが背中に背負うバックパック等の形式で備えられてもよいし、手押式あるいは自走式の荷車等の形式で備えられてもよい。
　（４．変形例）
　次に、図５を参照して、差動装置１０の変形例について説明する。
　本実施形態にかかる差動装置１０では、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進移動距離は、モータ２０の回転角度に対して比例的に変化しない。そこで、変形例では、ケーブル１３２，１３４を介して第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４に接続される回転操作部１２０Ａが、長径部及び短径部を有する形状とされている。回転操作部１２０Ａは、相対的に長い径ＲＬの長径部と、相対的に短い径ＲＳの短径部とを有し、長径部が、２本のケーブル１３２，１３４に挟まれるように配置される。これにより、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４が互いに逆方向に直進運動する際に、回転操作部１２０Ａが回転し、下降する第７のプーリ５２又は第８のプーリ５４に接続されたケーブル１３２，１３４を長径部が押すことで、ケーブル１３２，１３４に弛みが生じることを防ぐことができる。
　（１－５．まとめ）
　以上説明したように、本実施形態にかかる差動装置１０は、８つのプーリ全てに渡って無端ケーブル２６を捲回させ、第１のプーリ３２、第２のプーリ３４、第３のプーリ３６、第４のプーリ３８が固定された回転軸２２をモータ２０により回転駆動することで、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の互いに逆方向への直進運動を実現する。これにより、差動装置１０の大型化が抑制されている。
　また、無端ケーブル２６のうち、第５のプーリ４２、第６のプーリ４４、第７のプーリ５２、及び第８のプーリ５４上に捲回されている部分を除いて、各プーリ間に配設されている部分が、すべて第１の平面Ｐ１、第２の平面Ｐ２、第３の平面Ｐ３、又は第４の平面Ｐ４上に位置する。したがって、各プーリ間の距離（間隔）や直径、あるいは、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４の直進運動の方向を適切に設定することにより、無端ケーブル２６が互いに干渉し合うことのないようにされる。また、無端ケーブル２６に捻じれが生じにくくなり、各プーリと無端ケーブル２６との間で、捻じれによる摩擦が生じにくくなっている。これにより、駆動力の伝達効率が向上し、かつ、無端ケーブル２６の耐用年数も向上し得る。
　また、本実施形態にかかる差動装置１０は、モータ２０以外に、主として、８つのプーリと、無端ケーブル２６とにより構成することができる。したがって、高い加工精度が要求されるギヤを必要としないため、製造コストを低減することができる。また、ギヤの噛み合わせがないため、バックラッシュがなく、応答性を向上することができ、また、動作音や衝撃を低減することができる。
　また、本実施形態にかかる差動装置１０は、第７のプーリ５２及び第８のプーリ５４を、ケーブル１３２，１３４を介して人体装着ロボット１００の関節部１２０等の回転動作部に接続することができる。したがって、動作対象から離れた位置に差動装置１０を設置又は配置することができ、差動装置１０の配置位置の自由度が高められる。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記の各実施の形態においては、差動装置を人体装着ロボットのアクチュエータとして適用した例を説明したが、本発明の差動装置を適用可能な装置は、かかる例に限定されない。差動装置は、互いに逆方向に向かう力を伝達する操作体のアクチュエータとして、種々の機械装置に適用することができる。
 

Claims (6)

  1. 　回転軸を回転駆動する駆動部と、
    　所定の間隔を空けてこの順に前記回転軸に固定された第１の回転体、第２の回転体、第３の回転体及び第４の回転体と、
    　それぞれ回動自在な状態で固定部に支持された第５の回転体及び第６の回転体と、
    　所定の第１の方向に沿って直進運動可能に支持された第７の回転体と、
    　所定の第２の方向に沿って直進運動可能に支持された第８の回転体と、
    　前記第１の回転体、前記第５の回転体、前記第２の回転体、前記第８の回転体、前記第４の回転体、前記第６の回転体、前記第３の回転体、前記第７の回転体に渡ってこの順に捲回されて再び前記第１の回転体に捲回された無端伝動部材と、を備え、
    　それぞれ前記第１の回転体、前記第２の回転体、前記第３の回転体及び前記第４の回転体から、前記第５の回転体、前記第６の回転体、前記第７の回転体、前記第８の回転体に向けて延出する前記無端伝動部材は、前記回転軸に直交する平面上に延在する、差動装置。
  2. 　前記第１の回転体の直径と前記第３の回転体の直径とが異なり、
    　前記第２の回転体の直径と前記第４の回転体の直径とが異なり、
    　前記駆動部を駆動させた際に、
    　前記第１の回転体による前記無端伝動部材の送出量と、前記第３の回転体による前記無端伝動部材の送出量と、が異なり、かつ、
    　前記第２の回転体による前記無端伝動部材の送出量と、前記第４の回転体による前記無端伝動部材の送出量と、が異なる、請求項１に記載の差動装置。
  3. 　前記駆動部を駆動することにより、前記第１の回転体から前記第７の回転体を経由して前記第３の回転体に至る前記無端伝動部材の長さが長くなる場合には前記第２の回転体から前記第８の回転体を経由して前記第４の回転体に至る前記無端伝動部材の長さが短くなる一方、
    　前記第１の回転体から前記第７の回転体を経由して前記第３の回転体に至る前記無端伝動部材の長さが短くなる場合には前記第２の回転体から前記第８の回転体を経由して前記第４の回転体に至る前記無端伝動部材の長さが長くなる、請求項１又は２に記載の差動装置。
  4. 　前記第７の回転体及び前記第８の回転体が、それぞれ、回転動作部に固定又は捲回されたケーブルに接続され、前記差動装置が、前記回転動作部を回転駆動させる、請求項１～３のいずれか１項に記載の差動装置。
  5. 　前記回転動作部が、人体装着ロボットの関節部である、請求項４に記載の差動装置。
  6. 　前記回転動作部は、長径部及び短径部を有し、前記回転動作部が回転したときに、前記長径部が前記第７の回転体に接続されたケーブル又は前記第８の回転体に接続されたケーブルに張力を付与する、請求項４又は５に記載の差動装置。
     
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