WO2021075218A1 - 揺動形減速装置 - Google Patents

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WO2021075218A1
WO2021075218A1 PCT/JP2020/035827 JP2020035827W WO2021075218A1 WO 2021075218 A1 WO2021075218 A1 WO 2021075218A1 JP 2020035827 W JP2020035827 W JP 2020035827W WO 2021075218 A1 WO2021075218 A1 WO 2021075218A1
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rocking
support
swing
sphere
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英嗣 寺田
武 永井
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国立大学法人山梨大学
株式会社アドＲｏＢｏ
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    • F16H13/00—Gearing for conveying rotary motion with constant gear ratio by friction between rotary members
    • F16H13/02—Gearing for conveying rotary motion with constant gear ratio by friction between rotary members without members having orbital motion
    • F16H13/04—Gearing for conveying rotary motion with constant gear ratio by friction between rotary members without members having orbital motion with balls or with rollers acting in a similar manner
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • 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
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    • F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/04—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying rotary motion
    • F16H25/06—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying rotary motion with intermediate members guided along tracks on both rotary members
    • 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
    • F16H23/00—Wobble-plate gearings; Oblique-crank gearings
    • F16H23/04—Wobble-plate gearings; Oblique-crank gearings with non-rotary wobble-members
    • F16H23/06—Wobble-plate gearings; Oblique-crank gearings with non-rotary wobble-members with sliding members hinged to reciprocating members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints

Definitions

  • the present invention relates to, for example, a speed reducer that decelerates the drive of an input shaft to an output shaft and transmits the rotation.
  • the intersection angle between the input shaft and the output shaft is increased to eliminate the offset amount of the drive mechanism portion in the robot arm or the like to make the robot compact, and to drive the robot jointly such as humans and animals.
  • the present invention relates to a swing type speed reducer that can be approximated.
  • orthogonal type speed reducers include bevel gears, staggered gears, worms, gear mechanisms such as worm gears, and the like. Further, as these speed reduction devices, there are those that perform deceleration by a single mechanism and those that use a combination of a general coaxial swing type speed reduction mechanism structure. These speed reducers are used in many fields including the joints of robots.
  • gear mechanisms deceleration is performed by the ratio of the number of teeth on the input side and the output side, so a gear with a large ratio is required to obtain a large reduction ratio, and a large space is required. Further, since the gears are meshed at a position away from the shaft, the number of teeth simultaneously meshed is small. Further, there are problems that the rotation accuracy is lowered due to the influence of the play of meshing, the bending of the shaft, the positioning accuracy is lowered, and the noise at the time of rotation is likely to be generated.
  • Patent Documents 1 and 2 can be miniaturized with respect to the bevel gear mechanism and the like, but in recent years, a smaller joint mechanism has been desired for the robot arm and the like.
  • the inventors of the present application tried to produce an original device smaller than the conventional swing type speed reducer, but in the conventional mechanism, the ball member required to drive the precession moving body and the output swing body is required. It turned out to be difficult to form a circulation groove for the orbit for rolling.
  • An object of the present invention is to provide a oscillating speed reducer having a large crossing angle, which can be further miniaturized as compared with a conventional speed reducer.
  • the swing type speed reducer of the present invention includes an input shaft rotatably supported by the main body about an input axis extending in the X-axis direction in the XYZ coordinate system. It has a spherical portion and a pair of precession shaft portions protruding from both sides along a precession axis passing through the center of the spherical portion, and one of the precession shaft portions is capable of precession movement about the X axis.
  • a rocking body that engages with the surface of the precession body opposite to the precession support side and is swung by the precession movement of the precession body, and the main body that engages with the rocking body.
  • a swing support that supports the swing of the swing body and a swing support that is rotatably supported by the main body about the Z-axis direction, engages with the swing body, and is rotated by the swing of the swing body.
  • a locus drawn between the precession body and the precession support during the precession of the precession is formed on the surface of the device.
  • a grooved precession annular groove is provided, and the precession sphere that rolls in the precession annular groove is rotatably held in the precession support, and the precession sway of the precession.
  • the surface on the moving body side is provided with a swinging annular groove that swings the rocking body in the circumferential direction and the Z-axis direction around the Z axis during the precession movement of the precession moving body, and the precession of the rocking body is provided.
  • a swinging sphere that rolls in the swinging annular groove is rotatably held on the surface on the precession side, and the swinging motion of the swinging body is guided on the surface on the swinging support side of the swinging body.
  • a swing guide groove is provided, and a swing guide sphere that rolls the swing guide groove is rotatably held in the swing support, and a surface of the swing body on the output shaft side is formed.
  • a wavy groove in which a plurality of arcuate grooves for one cycle of the swing of the rocking body are continuous is provided over the entire circumference, and an output sphere that rolls the wavy groove is rotatably held on the output shaft. It is characterized by being.
  • the precession moving body is precessed by the rotation of the input shaft, the precession motion of the precession moving body is converted into the swing by the swing body, and the swing of the swing body is changed. It is converted into the rotational motion of the output shaft by the wavy groove and the output sphere.
  • the precession moving body performs one cycle of precession with one rotation of the input shaft, and the precession swings with this one cycle of precession, and the swinging body swings with this one cycle. Since the output shaft rotates by the amount of the arcuate groove of one cycle, a large reduction ratio can be easily obtained.
  • the precession annular groove and the swinging annular groove are provided on the surface of the spherical precession moving body, and the wavy groove is provided on the surface of the rocking body.
  • these grooves are provided on the inner peripheral surface of the member, it is difficult to process the groove, and it is difficult to further reduce the size.
  • the groove can be easily machined as compared with such a conventional device, and it is possible to realize a swing-type speed reducer that is even smaller than the conventional device.
  • the precession support is attached to the main body via an elastic member, and the precession sphere is urged against the precession annular groove.
  • a precession means may be provided. According to this configuration, when the precession movement body makes a precession movement, the precession movement support body precesses the precession movement body by the precession urging means, so that the precession movement can be smoothly performed.
  • the precession support may urge the precession sphere toward the center of the spherical portion with respect to the precession annular groove.
  • the oscillating support is attached to the main body via an elastic member, and the oscillating guide sphere is urged against the oscillating guide groove.
  • Means may be provided.
  • the oscillating support when the oscillating body swings, the oscillating support includes the oscillating urging means for urging the oscillating guide sphere with respect to the oscillating guide groove. Is possible.
  • a partial cross-sectional view showing the swing type speed reducer of this embodiment is an exploded view of the swing type speed reducer of FIG. 1, and (B) is an enlarged sectional view taken along line BB of (A).
  • A) is an explanatory view showing a swinging annular groove provided on the upper surface side of the spherical portion of the precession moving body
  • B) is an explanatory view showing a precession moving annular groove provided on the lower surface side of the spherical portion.
  • Exploded view showing each member located above the precession moving body in the swing type speed reducer of FIG. (A) to (C) are explanatory views which show the structure of the rocking body in this embodiment.
  • the swing-type speed reducer 1 of the present embodiment rotatably holds the main body 10 surrounding the entire device and the main body 10 around the input axis 20A in the XYZ coordinate system.
  • the input shaft 20 is precessed
  • the precession body 30 is precessed by the rotation of the input shaft 20
  • the precession body 30 is engaged with the precession body 30 at an upper position in the Z-axis direction.
  • It includes a rocking body 40 that is swung by a precession, and an output shaft 50 that is rotated about the Z axis by the rocking of the rocking body 40.
  • the main body 10 includes a front plate 11 that rotatably supports the input shaft 20, a rear plate 12 provided on the side opposite to the input shaft 20, and a bottom plate provided on the bottom surface. It has a top plate 13 and a top plate 14 provided on the top surface.
  • the shape of the main body 10 can be appropriately changed according to the applied device such as the joint portion of the robot arm.
  • the input shaft 20 is a precession of one of the shaft portion 21 held by the front plate 11 of the main body 10 via the input bearing 15 and the precession body 30 at a position eccentric from the input shaft center 20A extending in the X-axis direction. It includes an eccentric portion 22 that rotatably holds the shaft portion 32. In the eccentric portion 22, the tip portion of the precession shaft portion 32 is rotatably held by the precession bearing 23. When the input shaft 20 is rotated, the eccentric portion 22 integrated with the shaft portion 21 is also rotated, and the precession shaft portion 32 is eccentrically rotated to cause the precession moving body 30 to precess. it can.
  • the precession moving body 30 includes a spherical portion 31 formed in a spherical shape and a pair of precession shaft portions 32 protruding on both sides along a precession axis 30A passing through the center 31C of the spherical portion 31.
  • the precession axis 30A is an axis extending back and forth at an eccentric angle of an angle ⁇ in the X-axis direction. In the present embodiment, this angle ⁇ is set to 10 °.
  • the precession shaft portion 32 on the left side in FIG. 1 is supported by a precession bearing 23 provided on the eccentric portion 22 of the input shaft 20.
  • the precession shaft portion 32 on the right side in FIG. 1 is eccentrically rotated (precession) freely with respect to the main body 10 by an eccentric bearing 24 having the same configuration as the eccentric portion 22 of the input shaft 20.
  • the surface of the spherical portion 31 has a swinging annular groove 33 formed on the upper surface thereof.
  • the swinging annular groove 33 is a groove that guides the swinging body 40 to swing in the circumferential direction and the Z-axis direction around the output axis 50A in the Z-axis direction during the precession movement of the precession moving body 30. is there.
  • eight swinging annular grooves 33 are formed on the upper surface of the spherical portion 31.
  • a plurality of thin lines are used in a part of the drawing to represent the shape of a groove such as the swinging annular groove 33.
  • a precession annular groove 34 is formed below the spherical portion 31 as shown in FIG. 3 (B).
  • the precession annular groove 34 is a groove formed by forming a locus drawn between the surface of the spherical portion 31 and the precession movement support 16 described later during the precession movement of the precession body 30.
  • the precession annular groove 34 is formed at six positions on the lower surface of the spherical portion 31.
  • a precession movement support 16 that supports the precession movement body 30 is fixed to the bottom plate 13 below the spherical portion 31.
  • the precession support 16 is provided with two in the X-axis direction and two in the left-right (Y direction), for a total of six, according to the position of the precession annular groove 34. (See Fig. 2 (A)).
  • the precession motion support 16 has a shape in which a columnar member is diagonally cut, and a recess 16a is provided on the firing surface thereof.
  • a precession sphere 16b which is a metal ball, is rotatably held in the recess 16a.
  • the precession sphere 16b is rolled while abutting on the precession annular groove 34 during the precession movement of the precession body 30.
  • the precession motion support 16 is attached to the fixing member 16c fixed to the through hole of the bottom plate 13 via a disc spring 16d which is a precession urging means.
  • the precession support 16 is formed so as to urge the precession sphere 16b to the precession annular groove 34 of the precession body 30 by the elastic force of the disc spring 16d which is an elastic member. ing.
  • the outer peripheral surface on the side fixed to the fixing member 16c is processed into a D shape, and the surface of the bottom plate 13 is formed. The rotation is prevented by the guide plate 13a fixed to the.
  • the rocking body 40 is formed in a dome shape as a whole.
  • a hemispherical recess 40a is provided on the inner peripheral surface thereof.
  • the recesses 40a are provided at eight positions, and the swinging sphere 40b is rotatably held in the recesses 40a.
  • a support portion 41 supported by the rocking support 17 and a guide portion 42 in which the output support 51 of the output shaft 50 comes into contact with each other via the output sphere 51b are formed. ..
  • the support portion 41 is formed with a swing guide groove 41a for guiding the swing of the swing body 40.
  • the guide portion 42 is formed with a wavy groove 42a for converting the swing of the rocking body 40 into the rotational motion of the output shaft 50.
  • the rocking guide groove 41a provided in the support portion 41 of the rocking body 40 has a vertically long elliptical shape in the Z-axis direction.
  • the oscillating motion of the oscillating body 40 is guided by abutting the oscillating guide sphere 17b held by the oscillating support 17 on the oscillating guide groove 41a.
  • the rocking support 17 has a shape in which a columnar member is diagonally cut, and a recess 17a is provided on the firing surface thereof.
  • the swing guide sphere 17b is rotatably held in the recess 17a.
  • the swing support 17 is attached to the fixing member 17c fixed to the through hole of the top plate 14 via a disc spring 17d which is a swing urging means. There is. With this configuration, the swing support 17 is in a state where the swing guide sphere 17b is urged into the swing guide groove 41a of the swing body 40 by the elastic force of the disc spring 17d which is an elastic member.
  • the wavy groove 42a provided in the guide portion 42 of the rocking body 40 is an arc-shaped groove that moves the output sphere 51b in the circumferential direction in one cycle of the rocking of the rocking body 40.
  • Nine 42b are continuously formed in the circumferential direction.
  • the wavy groove 42a is brought into contact with the output sphere 51b rotatably held in the recess 51a of the output support 51 provided on the output shaft 50.
  • the guide portion 42 is provided with nine arcuate grooves 42b for one cycle over the entire circumference.
  • eight output supports 51 mounted on the output shaft 50 are in contact with the wavy groove 42a via the output sphere 51b.
  • the output support 51 has a shape in which a columnar member is diagonally cut, and a recess 51a is provided on the firing surface thereof.
  • the output sphere 51b is rotatably held in the recess 51a.
  • the precession annular groove 34 is a fixed point on the surface of the spherical portion 31 of the precession moving body 30 obtained when the precession annular groove 34 is rotated with respect to the input axis 20A of the input shaft 20 at an angle ⁇ with the precession axis 30A. (In this case, it is a locus with respect to the precession sphere 16b).
  • E in the above equations (1) and (2) is a conversion matrix relating to the rotation ⁇ of the input axis 20A of the input axis 20.
  • the swinging annular groove 33 of the spherical portion 31 of the precession moving body 30 has a locus for swinging the swinging body 40 via the swinging sphere 40b rotatably held in the recess 40a of the swinging body 40 by the precession of the precession moving body 30. ing.
  • Eight swinging annular grooves 33 are provided as shown in FIG. 8, but each has a different shape.
  • the position when the input shaft 20 is rotated by an angle ⁇ (°) is calculated with the state shown in FIG. 8 as the initial position, and the position is set to the swing axis 40A of the rocking body 40 (see FIG. 5C). )
  • ⁇ angle
  • This locus is an intermediate virtual locus that does not actually appear as a shape in the product, and is a circular locus.
  • the locus of the swinging annular groove 33 of the precession body 30 is obtained by subtracting the precession movement of the precession body from this virtual locus.
  • the locus is calculated by repeating the calculation of the coordinates using the conversion matrix in the same manner as the calculation procedure of the precession annular groove 34 described above, and the locus for one cycle is calculated. Since the specific method is the same as the method in Patent Document 1, detailed description thereof will be omitted here.
  • the position of the output sphere 51b in FIG. 9 indicates the initial position when the precession moving body 30 is in the state shown in FIG. In this state, of the nine arcuate grooves 42b of the wavy groove 42a, one of the eight output spheres 51b is located at the intersection 42b1 of the two arcuate grooves 42b at the left end of FIG. ing.
  • the number of arcuate grooves 42b in the wavy groove 42a is the reduction ratio of the output shaft 50 to the input shaft 20. Therefore, if it is desired to increase the reduction ratio, the number of arcuate grooves 42b may be increased. Since the method for forming the wavy groove 42a is the same as the method in Patent Document 1, detailed description thereof will be omitted here.
  • the swing type speed reducer 1 of the present embodiment precesses the precession moving body 30 by the rotation of the input shaft 20, and swings the swing body 40 engaged with the precession moving body 30. Then, the oscillating motion of the oscillating body 40 is converted into the rotational motion of the output shaft 50 by the mechanism of the wavy groove 42a, the output sphere 51b, and the output support 51.
  • the swing type speed reducer 1 of the present embodiment does not use a gear or the like when decelerating the input rotation, so that the device can be miniaturized and the backlash can be minimized.
  • both the oscillating annular groove 33 and the precession annular groove 34 which require high processing accuracy, are formed on the surface of the spherical portion 31 of the precession moving body 30. doing. When forming such a groove, if it is the surface of the spherical portion 31, it can be easily machined by a machining tool in an automatic machining machine.
  • machining with a machining tool in an automatic machining machine can be easily performed.
  • the machining is performed within a range in which the tool does not interfere with the rocking body 40, so that the machining area becomes narrow and the machining becomes difficult if the size is reduced. May become.
  • precise processing can be performed even when the size is reduced.
  • the precession body 30 is supported by the precession support 16 attached to the bottom plate 13 via the disc spring 16d and the precession sphere 16b.
  • the rocking body 40 is supported by a rocking support 17 and a rocking guide sphere 17b attached to the top plate 14 via a disc spring 17d.
  • the loads generated on the precession moving body 30 and the swing body 40 are the disc spring 17d and the disc spring, respectively. Since it is absorbed by 16d, the influence on each member can be minimized. Therefore, it is possible to improve the load capacity and durability of the swing type speed reducer 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing a precession motion support 16e of the swing type speed reducer 1a, which is a modified example.
  • the precession support 16e in FIG. 10 is a columnar member extending from the bottom plate 13b of the main body 10a toward the center 31C of the spherical portion 31 of the precession body 30.
  • the members having the same configuration as that of the above embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the basic shape of the precession support 16e in this modified example is cylindrical, and the precession sphere 16b is rotatably held at the tip thereof.
  • the precession motion support 16e is attached to the bottom plate 13b via a disc spring as in the above embodiment, and is attached to the bottom plate 13b so as to be movable in the axial direction.
  • the precession support 16e may be urged against the precession annular groove 34 by another urging means such as a coil spring.
  • the precession support 16e in this modified example has the above configuration, even if a strong load is applied from the output shaft 50 to the precession body 30, each precession support The load on the precession moving body 30 can be evenly distributed and absorbed by the 16e and the urging means.
  • the angle ⁇ between the input axis 20A of the input shaft 20 and the precession axis 30A of the precession moving body 30 is 10 °, but the angle ⁇ is not limited to this, and 0 ° ⁇ Within the range of 20 °, various changes can be made according to the size of the entire device and the reduction ratio.
  • intersection angle between the input axis 20A and the output axis 50A is set to 90 ° in the above embodiment, but is not limited to this, and can be changed within a range of plus or minus 20 °.
  • the number and shape of the swinging annular groove 33 and the precession moving annular groove 34 provided on the surface of the spherical portion 31 of the precession moving body 30 should be appropriately changed according to the size of the spherical portion 31 and the like. Can be done.

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Abstract

【課題】大きな交差角を有する減速装置であって、従来の減速装置に比べてさらに小型化が可能な揺動形減速装置を提供する。 【解決手段】揺動形減速装置１は、本体１０と、本体１０に回転自在に保持された入力軸２０と、歳差運動がなされる歳差運動体３０と、歳差運動体３０に係合して歳差運動によって揺動される揺動体４０と、揺動体４０の揺動によって回転される出力軸５０とを備える。本発明では、歳差運動体３０の歳差運動のための歳差運動環状溝３４、及び揺動体４０の揺動のための揺動環状溝３３を球状部３１の表面に設けた。これにより、従来のようにこれらの溝を部材の内周面に設ける場合に比べて溝の加工可能な領域が増加し、装置のさらなる小型化が可能となった。

Description

揺動形減速装置
　本発明は、例えば、入力軸の駆動を出力軸に減速して回転伝達する減速装置に関する。特に、本発明は、入力軸と出力軸との交差角を大きくして、ロボットのアーム等において、駆動機構部のオフセット量を無くしてコンパクト化を図り、人・動物等の関節的な駆動に近似させることのできる揺動形減速装置に関する。
　一般に直交形減速装置としては、傘歯車、食い違い歯車、ウォーム及びウォーム歯車等の歯車機構等がある。また、これらの減速装置として単独機構で減速を行うものと、一般の同軸の揺動形減速機構構の組合せによるものとがある。これらの減速装置は、ロボットの関節部をはじめ多くの分野で使用されている。
特許第３７９０７１５号公報 特許第３７１１３３８号公報
　これらの中で、直角若しくは交差角をもち軸心が交わるものとして、傘歯車機構を持った減速装置があるが、歯車機構を用いる場合は、歯車同士のバックラッシュが必然的に生じるため、駆動時の精度が低下すると共に、騒音の発生が不可避となる。
　また、これらの歯車機構では、減速は入力側と出力側との歯数の比により行うため、大きな減速比を得るためには大きな比の歯車が必要になり、大きな空間が必要となる。また、歯車の噛合いが軸より離れた位置において行われるため、同時噛み合い歯数も少ない。また、噛合いの遊び、軸のたわみ等の影響による回転精度の低下、或いは位置決め精度の低下、さらには回転時の騒音が発生しやすい等の課題がある。
　本願発明者等は、直角若しくは大きな交差角を持つ揺動形減速装置として、特許文献１及び特許文献２に示すように、入力回転を球状の歳差運動体（各文献における揺動体）を介して歳差運動に変換し、さらに歳差運動体の球状部表面の一部に係合して揺動される出力用揺動体によって軸心を直交させた出力軸の回転運動に変換する装置を提案している。
　これらの揺動形減速装置では、バックラッシュを限りなくゼロにすることが可能であり、構造的に大きな減速比を生じさせることが可能となるため、傘歯車機構等に比べて装置全体を小型化することができる。
　これら特許文献１及び２の揺動形減速装置においては、傘歯車機構等に対して小型化が可能であるが、近年では、ロボットアーム等において、さらに小型の関節機構が望まれている。
　本願発明者等が、従来の揺動型減速装置よりもさらに小型の原作装置を制作しようとしたが、従来の機構では歳差運動体及び出力用揺動体を駆動させるために必要なボール部材が転動するための軌道用の循環溝を形成することが困難であることが判明した。
　本発明は、大きな交差角を有する減速装置であって、従来の減速装置に比べてさらに小型化が可能な揺動形減速装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の揺動形減速装置は、Ｘ－Ｙ－Ｚ座標系において、本体にＸ軸方向に延びる入力軸心を中心に回転自在に支持される入力軸と、球状部と、前記球状部の中心を通る歳差軸に沿って両側から突出する一対の歳差軸部を有し、一方の前記歳差軸部がＸ軸を中心に歳差運動可能に前記入力軸に保持される歳差運動体と、前記歳差運動体を前記本体に対して歳差運動自在に支持するとともに前記本体に固定される歳差運動支持体と、Ｚ軸方向において、前記歳差運動体の前記歳差運動支持体側とは反対側の表面に係合し、前記歳差運動体の歳差運動によって揺動される揺動体と、前記揺動体に係合して前記本体に対して前記揺動体の揺動を支持する揺動支持体と、前記本体にＺ軸方向を軸に回転自在に支持され、前記揺動体に係合して前記揺動体の揺動により回転される出力軸とからなる装置において、前記歳差運動体の前記歳差運動支持体側の面には、前記歳差運動体の歳差運動時に前記歳差運動支持体との間に描かれる軌跡を溝にした歳差運動環状溝が設けられ、前記歳差運動支持体には、前記歳差運動環状溝を転動する歳差運動球体が回転自在に保持され、前記歳差運動体の前記揺動体側の面には、前記歳差運動体の歳差運動時にＺ軸を中心に周方向及びＺ軸方向に前記揺動体を揺動させる揺動環状溝が設けられ、前記揺動体の前記歳差運動体側の面には、前記揺動環状溝を転動する揺動用球体が回転自在に保持され、前記揺動体の前記揺動支持体側の面には、前記揺動体の揺動運動を案内する揺動案内溝が設けられ、前記揺動支持体には、前記揺動案内溝を転動する揺動案内球体が回転自在に保持され、前記揺動体の前記出力軸側の面には、前記揺動体の揺動の１周期分の円弧状溝が複数連続した波状溝が全周に亘って設けられ、前記出力軸には前記波状溝を転動する出力用球体が回転自在に保持されていることを特徴とする。
　本発明の揺動形減速装置は、入力軸の回転によって歳差運動体を歳差運動させ、歳差運動体の歳差運動を揺動体による揺動に変換し、揺動体の揺動を、波状溝と出力用球体によって出力軸の回転運動に変換する。当該構成によれば、入力軸の１回転で歳差運動体が１周期の歳差運動を行い、この１周期の歳差運動で揺動体が１周期揺動し、この１周期の揺動で１周期の円弧状溝分だけ出力軸が回転するので、容易に大きな減速比を得ることができる。
　また、本発明の揺動型減速装置において、円滑な動きを行うためには、歳差運動環状溝、揺動環状溝、及び波状溝の精密な溝加工が必要となる。本発明においては、歳差運動環状溝及び揺動環状溝は、球状の歳差運動体の表面に設けられており、波状溝は揺動体の表面に設けられている。従来は、これらの溝が部材の内周面に設けられていたために、加工が困難であり、さらなる小型化が困難な状況であった。本発明では、このような従来の装置に比べて、溝の加工が容易となり、従来よりもさらに小型化した揺動形減速装置を実現することができる。
　また、本発明の揺動型減速装置において、前記歳差運動支持体は、前記本体に弾性部材を介して取り付けられ、前記歳差運動球体を前記歳差運動環状溝に対して付勢する歳差付勢手段を備えるようにしてもよい。当該構成によれば、歳差運動体が歳差運動する際に、歳差運動支持体が歳差付勢手段によって歳差運動体を付勢するので、円滑な歳差運動が可能となる。
　また、当該構成において、前記歳差運動支持体は、前記球状部の中心に向けて前記歳差運動球体を前記歳差運動環状溝に対して付勢するようにしてもよい。当該構成により、歳差運動球体に荷重がかかった場合に、当該荷重を均等に分散させることができる。
　また、本発明の揺動型減速装置において、揺動支持体は、前記本体に弾性部材を介して取り付けられ、前記揺動案内球体を前記揺動案内溝に対して付勢する揺動付勢手段を備えるようにしてもよい。当該構成によれば、揺動体が揺動する際に、揺動支持体が揺動案内球体を揺動案内溝に対して付勢する揺動付勢手段を備えているため、円滑な揺動が可能となる。
　本発明によれば、大きな交差角を有する減速装置であって、従来の減速装置に比べてさらに小型化が可能な揺動形減速装置を提供することができる。
本実施形態の揺動形減速装置を示す一部断面図。 （Ａ）は図１の揺動形減速装置の分解図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線拡大断面図。 （Ａ）は歳差運動体の球状部の上面側に設けられた揺動環状溝を示す説明図、（Ｂ）は球状部の下面側に設けられた歳差運動環状溝を示す説明図。 図１の揺動形減速装置における歳差運動体の上方に位置する各部材を示す分解図。 （Ａ）～（Ｃ）は、本実施形態における揺動体の構成を示す説明図。 歳差運動体の歳差運動環状溝の構成を説明するための断面図。 球状部の下面側の歳差運動環状溝と歳差運動球体との関係を示す説明図。 球状部の上面側の揺動環状溝と揺動用球体との関係を示す説明図。 揺動部の上面の波状溝と出力用球体との関係を示す説明図。 歳差運動支持体の変形例を示す説明図。
　次に、本発明の実施形態の一例である揺動形減速装置について、図１～図１０を参照して説明する。
　本実施形態の揺動形減速装置１は、図１に示すように、Ｘ－Ｙ－Ｚ座標系において、装置全体を囲む本体１０と、本体１０に入力軸心２０Ａを中心に回転自在に保持された入力軸２０と、入力軸２０の回転によって歳差運動がなされる歳差運動体３０と、歳差運動体３０のＺ軸方向の上方位置で歳差運動体３０に係合して歳差運動によって揺動される揺動体４０と、揺動体４０の揺動によってＺ軸を中心に回転される出力軸５０とを備えている。
　本体１０は、図１及び図２に示すように、入力軸２０を回転自在に支持する前板１１と、入力軸２０とは反対側に設けられた後板１２と、底面に設けられた底板１３と、天面に設けられた天板１４とを有している。この本体１０は、例えばロボットアームの関節部分等の適用される機器に応じて適宜形状を変更することができる。
　入力軸２０は、本体１０の前板１１に入力ベアリング１５を介して保持される軸部２１と、Ｘ軸方向に延びる入力軸心２０Ａから偏心した位置に歳差運動体３０の一方の歳差軸部３２を回転自在に保持する偏心部２２とを備えている。偏心部２２においては、歳差軸部３２の先端部分を歳差ベアリング２３によって回転自在に保持している。この入力軸２０を回転させると、軸部２１と一体となっている偏心部２２も回転し、歳差軸部３２が偏心されて回転することにより歳差運動体３０を歳差運動させることができる。
　歳差運動体３０は、球状に形成された球状部３１と、球状部３１の中心３１Ｃを通る歳差軸心３０Ａに沿って両側に突出する一対の歳差軸部３２を備えている。歳差軸心３０Ａは、Ｘ軸方向に向けて角度αの偏心角度で前後に延びる軸心である。本実施形態では、この角度αを１０°としている。
　図１における左側の歳差軸部３２は、入力軸２０の偏心部２２に設けられた歳差ベアリング２３で支持されている。図１における右側の歳差軸部３２は、入力軸２０の偏心部２２と同様の構成を備える偏心軸受２４によって、本体１０に対して偏心回転（歳差運動）自在に保持されている。
　球状部３１の表面は、図３（Ａ）に示すように、その上方の面に揺動環状溝３３が形成されている。揺動環状溝３３は、歳差運動体３０の歳差運動時に、Ｚ軸方向の出力軸心５０Ａを中心に、揺動体４０を周方向及びＺ軸方向に揺動させるように案内する溝である。本実施形態においては、揺動環状溝３３は、球状部３１の上面に８箇所形成されている。なお、本願においては、図面の一部において、揺動環状溝３３等の溝の形状を表すために複数の細線を用いている。
　また、球状部３１の下方には、図３（Ｂ）に示すように歳差運動環状溝３４が形成されている。歳差運動環状溝３４は、歳差運動体３０の歳差運動時に、球状部３１の表面と後述する歳差運動支持体１６との間に描かれる軌跡を形取って形成した溝である。本実施形態においては、歳差運動環状溝３４は、球状部３１の下面に６箇所形成されている。
　図１及び図２（Ａ）を参照して、球状部３１の下方には、歳差運動体３０を支持する歳差運動支持体１６が底板１３に固定されている。本実施形態では、この歳差運動支持体１６は、歳差運動環状溝３４の位置に合わせて、Ｘ軸方向に２個、左右（Ｙ方向）にそれぞれ２個ずつの合計６個設けられている（図２（Ａ）参照）。
　この歳差運動支持体１６は、円柱状の部材を斜めに切断した形状となっており、その射面には凹部１６ａが設けられている。この凹部１６ａには、金属製のボールである歳差運動球体１６ｂが回転自在に保持されている。歳差運動球体１６ｂは、歳差運動体３０の歳差運動時に、歳差運動環状溝３４に当接しながら転動される。
　また、歳差運動支持体１６は、図１に示すように、底板１３の貫通孔に固定された固定部材１６ｃに、歳差付勢手段である皿バネ１６ｄを介して取り付けられている。当該構成により、歳差運動支持体１６は、弾性部材である皿バネ１６ｄの弾性力によって、歳差運動球体１６ｂを歳差運動体３０の歳差運動環状溝３４に付勢するように形成されている。
　また、歳差運動支持体１６は、後述する揺動支持体１７（図４参照）と同様に、固定部材１６ｃに固定される側の外周面がＤ形状に加工されており、底板１３の表面に固定される案内板１３ａによって回転が防止されている。
　揺動体４０は、図４及び図５に示すように、全体としてドーム状に形成されている。その内周面には、図５（Ｂ）に示すように、半球状の凹部４０ａが設けられている。本実施形態では、凹部４０ａは、８箇所に設けられており、この凹部４０ａに揺動用球体４０ｂが回転自在に保持されている。
　また、揺動体４０の上面側は、揺動支持体１７によって支持される支持部４１と、出力軸５０の出力支持体５１が出力用球体５１ｂを介して当接する案内部４２が形成されている。支持部４１には、揺動体４０の揺動の案内を行う揺動案内溝４１ａが形成されている。案内部４２には、揺動体４０の揺動を出力軸５０の回転運動に変換するための波状溝４２ａが形成されている。
　揺動体４０の支持部４１に設けられた揺動案内溝４１ａは、図５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、Ｚ軸方向に縦長の楕円形となっている。この揺動案内溝４１ａに、揺動支持体１７に保持された揺動案内球体１７ｂが当接されることにより、揺動体４０の揺動運動が案内される。
　揺動支持体１７は、図４に示すように、円柱状の部材を斜めに切断した形状となっており、その射面には凹部１７ａが設けられている。この凹部１７ａには、揺動案内球体１７ｂが回転自在に保持されている。
　また、揺動支持体１７は、図２（Ｂ）に示すように、天板１４の貫通孔に固定された固定部材１７ｃに、揺動付勢手段である皿バネ１７ｄを介して取り付けられている。当該構成により、揺動支持体１７は、弾性部材である皿バネ１７ｄの弾性力によって、揺動案内球体１７ｂを揺動体４０の揺動案内溝４１ａに付勢した状態となる。
　揺動体４０の案内部４２に設けられた波状溝４２ａは、図５（Ａ）に示すように、揺動体４０の揺動の１周期分で出力用球体５１ｂを周方向に移動させる円弧状溝４２ｂを、周方向に９個連続して形成している。この波状溝４２ａには、出力軸５０に設けられた出力支持体５１の凹部５１ａに回転自在に保持された出力用球体５１ｂが当接される。
　本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、案内部４２には１周期分の円弧状溝４２ｂが全周に亘って９個設けられている。この波状溝４２ａには、図４及び図５（Ｃ）に示すように、出力軸５０に装着された８個の出力支持体５１が出力用球体５１ｂを介して当接している。出力支持体５１は、円柱状の部材を斜めに切断した形状となっており、その射面には凹部５１ａが設けられている。この凹部５１ａには、出力用球体５１ｂが回転自在に保持されている。
　次に、図６及び図７を参照して、歳差運動体３０が歳差運動する際の、歳差運動環状溝３４と歳差運動球体１６ｂとの関係について説明する。図６における状態は、左側の歳差軸部３２がＺ軸方向の最下部に位置している。この状態を初期位置とすると、その際の歳差運動環状溝３４と歳差運動球体１６ｂとの位置関係は図７の通りである。
　歳差運動環状溝３４は、入力軸２０の入力軸心２０Ａに対して歳差軸心３０Ａとの角度αで回転させたときに得られる歳差運動体３０の球状部３１表面のある固定点（この場合は歳差運動球体１６ｂ）に対する軌跡である。
　具体的には、球状部３１表面の初期位置から入力軸２０を角度θ（°）回転させたときの座標位置をＰ１、このＰ１を歳差軸心３０Ａに座標変換した位置をＰ２とすると、それぞれの座標は以下の式で表される。
　Ｐ１＝Ｐｏ・Ｅ20Ａ・θ　　　　　（１）
　Ｐ２＝Ｐ１・Ｅ30Ａ（－θ）　　　　（２）
　上記式（１）及び（２）のＥは、入力軸２０の入力軸心２０Ａの回転θに関する変換マトリクスである。当該式で表される軌跡に沿って、歳差運動球体１６ｂと同じ形状の工具で球状部３１の表面に加工を行うと、歳差運動環状溝３４が形成される。
　次に、図８を参照して、歳差運動体３０の球状部３１の揺動環状溝３３について説明する。揺動環状溝３３は、歳差運動体３０の歳差運動によって、揺動体４０の凹部４０ａに回転自在に保持された揺動用球体４０ｂを介して揺動体４０を揺動させるための軌跡を備えている。
　揺動環状溝３３は、図８に示すように８個設けられているが、それぞれ形状が異なっている。まず、図８に示す状態を初期位置として、入力軸２０を角度θ（°）回転させたときの位置を算出し、その位置を揺動体４０の揺動軸心４０Ａ（図５（Ｃ）参照）で座標変換した位置を算出してその軌跡を求める。この軌跡は、実際には製品に形として現れない中間の仮想軌跡であり、円形状の軌跡となる。
　更に、歳差運動体３０の揺動環状溝３３の軌跡は、この仮想軌跡から歳差運動体の歳差運動を差し引くことで求められる。上記軌跡の計算を、前述の歳差運動環状溝３４の算出手順と同様に変換マトリクスを用いて座標の算出を繰り返し、１周期分の軌跡を算出する。具体的な手法は、特許文献１における手法と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
　次に、図９を参照して、揺動体４０の波状溝４２ａと出力用球体５１ｂとの関係について説明する。図９の出力用球体５１ｂの位置は、歳差運動体３０が図１に示す状態のときの初期位置を示している。この状態では、波状溝４２ａの９個ある円弧状溝４２ｂのうち、図９の左端にある２個の円弧状溝４２ｂの交点４２ｂ１に、８個ある出力用球体５１ｂの１個が位置している。
　図９に示すように、出力用球体５１ｂの数は円弧状溝４２ｂの数に比べて１個少ないため、出力用球体５１ｂの位置は、右側に行くにつれてずれた位置となる。ここで、図９の状態から入力軸２０が１回転すると、揺動体４０が１回揺動し、出力用球体５１ｂが円弧状溝４２ｂにより転動され、左端にあった出力用球体５１ｂがその右上の円弧状溝４２ｂの交点４２ｂ２に移動する。入力軸２０をさらに回転させると、順次上記作動が行われ、入力軸２０を円弧状溝４２ｂの数と同じ９回回転させたときに、図９に示す初期位置に戻る。
　以上のように、波状溝４２ａにおける円弧状溝４２ｂの数が入力軸２０に対する出力軸５０の減速比となる。従って、減速比を大きくしたい場合は、円弧状溝４２ｂの数を多くすればよい。なお、この波状溝４２ａを形成する手法については、特許文献１における手法と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
　本実施形態の揺動形減速装置１は、入力軸２０の回転によって歳差運動体３０を歳差運動させ、この歳差運動体３０に係合する揺動体４０を揺動させる。そして、揺動体４０の揺動運動を波状溝４２ａ、出力用球体５１ｂ、及び出力支持体５１の機構により出力軸５０の回転運動に変換する。
　当該構成により、本実施形態の揺動形減速装置１は、入力回転の減速を行う際にギヤ等を用いないため、装置を小型化することができ、バックラッシュを極力小さくすることができる。
　また、本実施形態の揺動形減速装置１では、高い加工精度を必要とする揺動環状溝３３及び歳差運動環状溝３４の双方を、歳差運動体３０の球状部３１の表面に形成している。このような溝を形成する場合、球状部３１の表面であれば、自動加工機における加工工具による加工を容易に行うことができる。
　また、球状部３１の径が小さくなった場合でも、自動加工機における加工工具による加工を容易に行うことができる。このような溝の加工を、例えば揺動体４０の内周面に行う場合は、揺動体４０に工具が干渉しない範囲での加工になるため、加工領域が狭くなり、小型化すると加工が困難になる場合がある。本実施形態では、溝の加工を球状部３１の表面に行うことで、小型化した場合であっても精密な加工ができる。
　一方で、溝を球状部３１の表面に設けることで、これらの溝に当接する揺動用球体４０ｂ及び歳差運動球体１６ｂに、弾性体による不勢力を生じさせることが可能となった。歳差運動体３０は、皿バネ１６ｄを介して底板１３に取り付けられた歳差運動支持体１６及び、歳差運動球体１６ｂによって支持されている。また、揺動体４０は、皿バネ１７ｄを介して天板１４に取り付けられた揺動支持体１７及び揺動案内球体１７ｂによって支持されている。
　このため、揺動形減速装置１に高い負荷がかかり、各部材に高い荷重がかかった場合であっても、歳差運動体３０及び揺動体４０に生じる荷重が、それぞれ皿バネ１７ｄ及び皿バネ１６ｄによって吸収されるので、各部材への影響を最小限のものとすることができる。従って、揺動形減速装置１の耐荷重性及び耐久性の向上を図ることができる。
　次に、図１０を参照して、本実施形態の揺動形減速装置の変形例について説明する。図１０は、変形例である揺動形減速装置１ａの歳差運動支持体１６ｅを示す図である。図１０における歳差運動支持体１６ｅは、本体１０ａの底板１３ｂに、歳差運動体３０の球状部３１の中心３１Ｃに向けて延びる円柱状の部材である。なお、変形例の説明において、上記実施形態と同一の構成を有する部材については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
　この変形例における歳差運動支持体１６ｅは、基本的な形状が円柱状であり、その先端部には歳差運動球体１６ｂが回転自在に保持されている。この歳差運動支持体１６ｅは、上記実施形態と同様に皿バネを介して底板１３ｂに取り付け、底板１３ｂに対して軸方向に移動可能に装着している。或いは、歳差運動支持体１６ｅをコイルスプリング等の他の付勢手段により歳差運動環状溝３４に対して付勢してもよい。
　この変形例における歳差運動支持体１６ｅは、上記構成となっているため、仮に出力軸５０から歳差運動体３０に対して強い荷重が加わった場合であっても、各歳差運動支持体１６ｅ及び付勢手段によって均等に歳差運動体３０に対する荷重を分散させて吸収することができる。
　なお、上記各実施形態においては、入力軸２０の入力軸心２０Ａと歳差運動体３０の歳差軸心３０Ａとの角度αを１０°としているが、これに限らず、０°＜α≦２０°の範囲であれば、装置全体の大きさや減速比に応じて種々変更が可能である。
　また、入力軸心２０Ａと出力軸心５０Ａの交差角は、上記実施形態では９０°に設定しているが、これに限らず、プラスマイナス２０°の範囲で変更が可能である。また、歳差運動体３０の球状部３１の表面に設けられた揺動環状溝３３及び歳差運動環状溝３４の数と形状についても、球状部３１の大きさ等に応じて適宜変更することができる。
１，１ａ…揺動形減速装置、１０，１０ａ…本体、１１…前板、１２…後板、１３，１３ｂ…底板、１４…天板、１５…入力ベアリング、１６…歳差運動支持体、１６ａ…凹部、１６ｂ…歳差運動球体、１６ｄ…皿バネ、１７…揺動支持体、１７ｂ…揺動案内球体、１７ｃ…固定部材、１７ｄ…皿バネ、２０…入力軸、２０Ａ…入力軸心、２１…軸部、２１…歳差軸部、２２…偏心部、２３…歳差ベアリング、２４…偏心軸受、３０…歳差運動体、３０Ａ…歳差軸心、３１…球状部、３１Ｃ…中心、３２…歳差軸部、３３…揺動環状溝、３４…歳差運動環状溝、４０…揺動体、４０ａ…凹部、４０Ａ…揺動軸心、４０ｂ…揺動用球体、４１…支持部、４１ａ…揺動案内溝、４２…案内部、４２ａ…波状溝、４２ｂ…円弧状溝、５０…出力軸、５０Ａ…出力軸心、５１…出力支持体、５１ａ…凹部、５１ｂ…出力用球体。

 

Claims (4)

  1. 　Ｘ－Ｙ－Ｚ座標系において、
    　本体にＸ軸方向に延びる入力軸心を中心に回転自在に支持される入力軸と、
    　球状部と、前記球状部の中心を通る歳差軸に沿って両側から突出する一対の歳差軸部を有し、一方の前記歳差軸部がＸ軸を中心に歳差運動可能に前記入力軸に保持される歳差運動体と、
    　前記歳差運動体を前記本体に対して歳差運動自在に支持するとともに前記本体に固定される歳差運動支持体と、
    　Ｚ軸方向において、前記歳差運動体の前記歳差運動支持体側とは反対側の表面に係合し、前記歳差運動体の歳差運動によって揺動される揺動体と、
    　前記揺動体に係合して前記本体に対して前記揺動体の揺動を支持する揺動支持体と、
    　前記本体にＺ軸方向を軸に回転自在に支持され、前記揺動体に係合して前記揺動体の揺動により回転される出力軸とからなる装置において、
    　前記歳差運動体の前記歳差運動支持体側の面には、前記歳差運動体の歳差運動時に前記歳差運動支持体との間に描かれる軌跡を溝にした歳差運動環状溝が設けられ、前記歳差運動支持体には、前記歳差運動環状溝を転動する歳差運動球体が回転自在に保持され、
    　前記歳差運動体の前記揺動体側の面には、前記歳差運動体の歳差運動時にＺ軸を中心に周方向及びＺ軸方向に前記揺動体を揺動させる揺動環状溝が設けられ、前記揺動体の前記歳差運動体側の面には、前記揺動環状溝を転動する揺動用球体が回転自在に保持され、
    　前記揺動体の前記揺動支持体側の面には、前記揺動体の揺動運動を案内する揺動案内溝が設けられ、前記揺動支持体には、前記揺動案内溝を転動する揺動案内球体が回転自在に保持され、
    　前記揺動体の前記出力軸側の面には、前記揺動体の揺動の１周期分の円弧状溝が複数連続した波状溝が全周に亘って設けられ、前記出力軸には前記波状溝を転動する出力用球体が回転自在に保持されていることを特徴とする揺動形減速装置。
  2. 　請求項１に記載の揺動形減速装置であって、
    　前記歳差運動支持体は、前記本体に弾性部材を介して取り付けられ、前記歳差運動球体を前記歳差運動環状溝に対して付勢する歳差付勢手段を備えていることを特徴とする揺動形減速装置。
  3. 　請求項２に記載の揺動形減速装置であって、
    　前記歳差運動支持体は、前記球状部の中心に向けて前記歳差運動球体を前記歳差運動環状溝に対して付勢することを特徴とする揺動形減速装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の揺動形減速装置であって、
    　揺動支持体は、前記本体に弾性部材を介して取り付けられ、前記揺動案内球体を前記揺動案内溝に対して付勢する揺動付勢手段を備えていることを特徴とする揺動形減速装置。
     

     
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