WO2022168432A1 - 差動機構 - Google Patents

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WO2022168432A1
WO2022168432A1 PCT/JP2021/045012 JP2021045012W WO2022168432A1 WO 2022168432 A1 WO2022168432 A1 WO 2022168432A1 JP 2021045012 W JP2021045012 W JP 2021045012W WO 2022168432 A1 WO2022168432 A1 WO 2022168432A1
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gear
axis
saddle
spherical
differential mechanism
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PCT/JP2021/045012
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理一郎 多田隈
一樹 阿部
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国立大学法人山形大学
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    • F16H48/29—Arrangements for suppressing or influencing the differential action, e.g. locking devices using self-locking gears or self-braking gears with self-braking intermeshing gears having perpendicular arranged axes and having worms or helical teeth

Definitions

  • the present invention relates to a two-degree-of-freedom differential mechanism including a worm gear and a worm wheel.
  • robot arms which are representative of multi-joint robots, have a structure in which the motor on the base side bears the load of the motor itself on the hand side and the load due to inertia, so it is not an economical structure.
  • a differential mechanism that can output multiple degrees of freedom while fixing all the motors is a promising alternative.
  • Techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 are known as a drive unit having a differential mechanism that provides two degrees of freedom while fixing all such motors.
  • the drive unit of Patent Document 1 uses a rotatable rotating case, a central worm gear provided in the rotating case, and a differential mechanism composed of a worm wheel that revolves around the worm gear. , a spherical gear provided at the tip of the motor outputs with two degrees of freedom.
  • the power transmission element since the worm gear is placed in the center, the power transmission element must be placed so as to bypass it. is at least the cylindrical diameter of the worm gear + the cylindrical diameter of the worm wheel x 2, and the inertia is large, and miniaturization is difficult. Also, if the worm gear is forced to be made smaller in order to reduce the size, the rigidity of the teeth will decrease, and the transmission force will have to be kept small.
  • the first rotating body and the second rotating body form an annular shape having an outer surface obtained by symmetrically cutting off the left and right sides of a spherical surface, and are inserted inside each other and connected in a chain shape. It is The first rotating body so that the rotation transmitting portion contacts the inner side surface of the first rotating body located inside the second rotating body and the inner side surface of the second rotating body located inside the first rotating body, respectively. and a helical gear disposed inside the second rotor and rotatable around a predetermined axis.
  • the first rotating body and the second rotating body each have a helical internal gear provided along the circumferential direction on the inner surface thereof so as to mesh with the helical gear of the rotation transmitting portion.
  • the inner rotation transmission part and the second rotating body synchronously revolve around a predetermined axis, and are not used as a differential mechanism.
  • a rotating frame is provided rotatably on a body frame, and a rotating frame formed in a cylindrical shape covers the outer periphery of the rotating frame and is rotatably provided coaxially with the rotating frame and inside the cylindrical shape.
  • an inner worm gear having spirally formed teeth; and a worm wheel provided on the rotating frame so as to be rotatable in a direction perpendicular to the axis of the rotating frame and meshing with the inner worm gear,
  • the worm wheel In response to two rotational inputs of the rotating frame and the inner worm gear, the worm wheel produces two rotational outputs of roll axis rotation and pitch axis rotation coaxial with the rotating frame.
  • the differential mechanism is a cylindrical inner worm gear that covers the outer circumference of the rotating frame, is rotatably provided coaxially with the rotating frame, and has spiral teeth formed inside the cylindrical shape. and a worm wheel that is rotatably provided on a rotating frame about an axis perpendicular to the axis of the rotating frame at a twisted position and meshes with the inner worm gear. Since the inner worm gear has spiral teeth formed inside the cylindrical portion and the worm wheel is arranged inside the inner worm gear, the differential mechanism can be miniaturized.
  • Prior Art Document 1 a separate worm gear is provided in the center of the inside of the rotating case. , and a worm wheel that meshes with it is also arranged, so the outer diameter required for the differential mechanism is at least the cylindrical diameter of the worm gear + the cylindrical diameter of the worm wheel x 2, and the outer diameter of the rotary case becomes large.
  • the inner worm gear of the present invention since the teeth are formed in a spiral shape directly inside the cylindrical portion that forms the outer shape, only the worm wheel needs to be arranged inside.
  • the differential mechanism can be miniaturized.
  • the present invention can provide a compact two-degree-of-freedom differential mechanism capable of reducing the differential error.
  • the worm wheel is a spur gear whose tooth flank has a cylindrical tooth flank or a spherical crowning tooth flank.
  • the tooth flanks of the pinions (teeth) of the worm wheel are cylindrical tooth flanks or spherical crowning tooth flanks
  • the teeth of the inner worm gear are inclined with respect to the axis of the worm wheel on the pitch circle. It can smoothly mesh with the surface and also smoothly mesh with the tooth surface of the transmission destination spur gear. Therefore, it not only has a high affinity with conventional transfer elements, but can also exhibit backdrivability.
  • the worm wheel is a helical gear.
  • the worm wheel is a helical gear, and the tooth trace is twisted, so that the tooth trace of the inner worm gear, which is inclined with respect to the axis of the worm wheel on the pitch circle, matches and meshes smoothly.
  • the gear of the transmission destination is also a helical gear, so that the worm wheel can smoothly mesh with the gear of the transmission destination. Therefore, it not only has a high affinity with conventional transfer elements, but can also exhibit backdrivability.
  • the rotating frame includes a worm wheel position adjusting mechanism for adjusting the position of the worm wheel.
  • the position of the worm wheel is adjusted by the worm wheel position adjusting mechanism, so the backlash can be easily adjusted.
  • the inner worm gear has 1 or 2 or more threads.
  • the outer dimension of the rotating frame is smaller than the inner diameter (tip circle diameter) of the inner worm gear when viewed in the axial direction of the rotating frame.
  • the maximum dimension of the differential mechanism when viewed in the axial direction of the rotating frame is the outer diameter of the inner worm gear, so the overall size can be reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a joint device having a differential mechanism according to the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing an articulation device with the differential mechanism of FIG. 1
  • 1 is a perspective view showing a drive unit having a differential mechanism according to the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional perspective view of a main part showing the differential mechanism of FIG. 3; It is an explanatory view showing a worm wheel concerning the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view showing each part of the worm wheel of FIG. 5;
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing an inner worm gear according to the present invention;
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing each part of the inner worm gear of FIG. 7;
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a meshing state between a worm wheel and an inner worm gear according to the present invention
  • FIG. 11 is a perspective view showing a drive unit having a differential mechanism according to another aspect of the invention
  • FIG. 10 is an action diagram of a differential mechanism according to an embodiment and an action diagram of a differential mechanism according to a comparative example
  • Fig. 10 is a perspective view of an articulation device according to another aspect of the present invention
  • FIG. 13 is a perspective view showing the drive unit of FIG. 12; It is an explanatory view showing the basic composition of the spherical gear concerning the present invention.
  • 1 is a perspective view showing a saddle gear according to the present invention
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the basic configuration of a saddle gear according to the present invention
  • FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a basic configuration when teeth are formed around the r-axis and the e-axis orthogonal to the r-axis of the spherical gear according to the present invention
  • FIG. 3 is a perspective view showing a meshing state of a spherical gear, a first saddle gear, and a second saddle gear according to the present invention
  • FIG. 1 An embodiment of the present invention will be described below based on the accompanying drawings.
  • the drawings also include drawings conceptually (schematically) showing the schematic configuration of a joint device provided with a differential mechanism as an example of the use of the differential mechanism according to the present invention.
  • the straight line passing through the center of the spherical gear is called the first axis or the second axis.
  • the two orthogonal axes as one embodiment may be referred to as the "r-axis” and the "e-axis (axis in a direction orthogonal to the r-axis at a twisted position)".
  • the two orthogonal axes as one embodiment may be called "X-axis" and "Y-axis".
  • the joint device 10 having differential mechanisms 50 and 70 includes a first member (hereinafter also referred to as a support member) 11 and a second member (hereinafter referred to as an output member) 12. placed in between.
  • the joint device 10 includes a holder 20 provided on a support member 11 and formed with a spherical support portion 21 capable of supporting a spherical body, a spherical gear 30 rotatably supported by the spherical support portion 21 of the holder 20, and the holder 20.
  • a first drive unit 40 that is provided at the reference position of the X axis of the holder 20 and drives the spherical gear 30, and a second drive unit 60 that is provided at the reference position of the Y axis of the holder 20 and drives the spherical gear 30.
  • the holder 20 is open from the front side to approximately half of the back side.
  • the first drive unit 40 includes a first saddle gear 44 that meshes with the spherical gear 30, and a first drive that rotates the first saddle gear 44 and rotates it about a first axis (hereinafter referred to as the X axis).
  • a mechanism 41 is provided.
  • the first drive mechanism 41 includes a first body frame 41a, a shaft rotation motor 42 for rotating around the X axis, and a first shaft drive gear (not shown) provided on the shaft rotation motor 42.
  • a first shaft driven gear 42b meshing with the first shaft driving gear and rotating the first saddle gear 44; a gear rotating motor 43 for rotating the gear;
  • the second drive unit 60 includes a second saddle gear 64 that meshes with the spherical gear 30, and a second drive that rotates the second saddle gear 64 and rotates it about a second axis (hereinafter referred to as the Y axis).
  • a mechanism 61 is provided.
  • the second drive mechanism 61 includes a second body frame 61a, a shaft rotation motor 62 for rotating around the Y axis, a second shaft drive gear 62a provided in the shaft rotation motor 62, and the A second shaft driven gear 62b that meshes with the second shaft driving gear 62a and rotates the second saddle gear 64, a gear rotating motor 63, and a second worm driving gear 63a provided in the gear rotating motor 63. , a second worm driven gear 63b that meshes with the second worm drive gear 63a and rotates the differential mechanism 70, and a second saddle gear 64 provided between the shaft rotation motor 62 and the gear rotation motor 63.
  • a differential mechanism 70 is provided.
  • the rotating shaft of the shaft rotating motor 42 and the rotating shaft of the gear rotating motor 43 of the first drive mechanism 41 are arranged in a direction orthogonal to the X-axis.
  • the rotating shaft of the shaft rotating motor 62 and the rotating shaft of the gear rotating motor 63 of the second drive mechanism 61 are arranged in a direction perpendicular to the Y-axis.
  • the rotation shaft of the shaft rotation motor 42 of the first drive mechanism 41 and the gear rotation motor 43 are arranged in a direction orthogonal to the X-axis direction, and the rotation shaft and gear of the shaft rotation motor 62 of the second drive mechanism 61 are arranged. Since the rotation motor 63 is arranged in the direction perpendicular to the Y-axis direction, the outward protrusion of the device can be reduced, and the overall size of the joint device 10 can be reduced.
  • the saddle gears 44 and 64 are a kind of spur gears, and are formed to have the same tooth profile as spur gears on the pitch circle passing through the center, so detailed description of the shape is omitted.
  • the joint device 10 has been described, but the application is not limited to the joint, and the gear set including the spherical gear 30, the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 can be used as a non-joint.
  • the first axis is the X-axis and the second axis is the Y-axis perpendicular to the X-axis.
  • the axes may be non-orthogonal angles such as degrees, 60 degrees, 180 degrees, etc., and may not be arranged on the XY plane.
  • the basic configuration of the first drive unit 40 and the differential mechanism 50 is the same as the basic configuration of the second drive unit 60 and the differential mechanism 70, so description thereof will be omitted.
  • the second drive unit 60 includes a second saddle gear 64 and a second drive mechanism 61.
  • the second drive mechanism 61 includes a second body frame 61a, a shaft rotation motor 62, a second shaft drive gear 62a, a second shaft driven gear 62b, a gear rotation motor 63, and a second worm drive gear 63a. , a second worm driven gear 63 b and a differential mechanism 70 .
  • the differential mechanism 70 includes a rotating frame 71 rotatably provided on the second body frame 61a, and a cylindrically formed rotating frame 71 that covers the outer periphery of the rotating frame 71 and rotates coaxially with the rotating frame 71 (on the axis r).
  • An inner worm gear 80 which can be provided and has teeth 81 spirally formed on the inside of a cylindrical shape, and an e-axis (the axis of the rotating frame 71) perpendicular to the axis r of the rotating frame 71 at a torsion position in the rotating frame 71. and a worm wheel 90 that is rotatable in the direction perpendicular to the axis and meshes with the inner worm gear 80 .
  • the worm wheel 90 produces two rotational outputs of roll-axis rotation and pitch-axis rotation coaxially with the rotation frame 71 in response to two rotation inputs of the rotation frame 71 and the inner worm gear 80 .
  • the inner worm gear 80 has a rotating member 82 provided to rotate integrally with the second worm driven gear 63b, and the rotating member 82 is provided with the base end portion of the inner worm gear 80.
  • a through hole 83 is formed in the central portion of the rotating member 82 , and the rotating frame 71 is rotatably inserted through the through hole 83 .
  • the rotating frame 71 is provided so as to rotate integrally with the second shaft driven gear 62b.
  • the rotating frame 71 includes an insertion portion 72 rotatably inserted through the through hole 83 of the rotating member 82 and the second worm driven gear 63b, and an intermediate portion 73 that is continuous with the insertion portion 72 and faces the inner side of the inner worm gear 80. and a worm shaft support portion 74 (see FIG. 9A) provided in the intermediate portion 73 and supporting the wheel shaft 91 of the worm wheel 90 .
  • the rotating frame 71 includes a projecting portion 75 that is continuous with the intermediate portion 73 and projects forward of the inner worm gear 80, and a rotating shaft supporting portion that is provided on the projecting portion 75 and supports the rotating shaft 65 of the second saddle gear 64. 76 and .
  • FIG. 5(A) is a perspective view of the worm wheel 90
  • FIG. 5(B) is a front view of the worm wheel 90
  • FIG. 6(A) is a sectional view taken along line 6A-6A of FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line 6B-6B of FIG. 5B
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along line 6C-6C of FIG. 5B
  • FIG. be is a perspective view of the worm wheel 90
  • FIG. 5(B) is a front view of the worm wheel 90
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along line 6C-6C of FIG. 5B
  • FIG. be is a cross-sectional view taken along line 6C-6C of FIG. 5B
  • the worm wheel 90 is a spur gear in which tooth flanks 93 of its teeth 92 have spherical crowning tooth flanks.
  • the cross-sectional shape of the worm wheel 90 matches the cross-sectional shape of the spur gear. This allows the worm wheel 90 to mesh with the next spur gear.
  • the worm wheel 90 is a spur gear in which the tooth flanks 93 of the teeth 92 have spherical crowning tooth flanks.
  • a helical gear may be used. As a result, the worm wheel 90 can mesh with the next helical gear.
  • the differential mechanism 70 should be composed of only one gear pair of the inner worm gear 80 and the worm wheel 90. , and the size of the differential mechanism 70 as a whole can be reduced.
  • the worm wheel 90 can be directly meshed with the next transmission element.
  • the worm wheel 90 also includes an annular portion 94 rotatably supported by the wheel shaft 91 (see FIG. 4), and eight teeth 92 radially provided on the outer periphery of the annular portion 94. .
  • the tooth flanks 93 of the teeth 92 of the worm wheel 90 are spherical crowning tooth flanks, but the tooth flanks 93 may be cylindrical tooth flanks.
  • the number of teeth of the worm wheel 90 is eight, but the number of teeth of the worm wheel 90 is not limited to this, and may be six, seven, nine, ten, etc., depending on the diameter and number of threads of the inner worm gear 80. may be changed as appropriate. As a result, it is possible to arbitrarily design the expression of the speed reduction ratio and the back drivability.
  • FIG. 7A is a perspective view from the base end side of the inner worm gear 80
  • FIG. 7B is a perspective view from the tip side of the inner worm gear 80
  • FIG. 7C is a front view of the inner worm gear 80
  • 7(D) is a partial cross-sectional view from the base end side
  • FIG. 7(E) is a side view of the inner worm gear 80
  • FIG. 8(A) is a cross-sectional view along line 8A-8A of FIG. 7(E)
  • FIG. B) is a cross-sectional view along the line 8B-8B of FIG. 8(A)
  • FIG. 8(C) is a cross-sectional view along the line 8C-8C of FIG. 7(D)
  • FIG. 8(D) is 8D-8D of FIG. 7(D) It is a line sectional view.
  • the inner worm gear 80 has a cylindrical shape, and spiral teeth 81 are formed inside the cylindrical shape along the r-axis (see FIG. 4).
  • the inner diameter of the inner worm gear 80 is larger than the outer diameter of the intermediate portion 73 of the rotating frame 71 (see FIG. 4).
  • the inner worm gear 80 has two threads. Although the number of threads of the inner worm gear 80 is set to 2 in the embodiment, the number of threads is not limited to this, and the number of threads may be set to 1 or 3 or more, and the number of threads may be changed.
  • the inner worm gear 80 is formed with a fixing groove 84 for fixing to a rotating member 82 (see FIG. 4).
  • the inner worm gear 80 is fixed to the rotating member 82 by inserting a plate-shaped nut into the fixing groove 84 from the outer peripheral side of the inner worm gear 80 and fastening with a fastening member from the rotating member 82 side.
  • the fixing direction is not limited to this.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of the meshing portion of the inner worm gear 80 and the worm wheel 90
  • FIG. 9B is a partially enlarged view of FIG. 8D
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of teeth 92 on the pitch circle of wheel 90;
  • FIG. 9A the inner worm gear 80 and the second saddle gear 64 are in mesh with each other.
  • the cross-sectional shape of is the same as the cross-sectional shape of the spur gear.
  • the thickness of the tooth 92 in the cross section as shown in FIG. 9(A) is determined.
  • m is the tooth module.
  • the cross section is taken on the pitch cylindrical surface of the inner worm gear 80 which is originally cylindrical.
  • the tooth thickness t is the length on the reference pitch circle in FIG. 6(D).
  • the lead angle of the tooth 81 of the inner worm gear 80 and the inclination angle ⁇ [deg] of the spiral line are obtained.
  • This angle is determined by the number n of teeth, the module m [mm] of the teeth 81 and the diameter d [mm] of the pitch cylindrical surface of the inner worm gear 80 .
  • b pi * m
  • the parameters to be determined are the tooth width w [mm], the crowning radius r [mm], and the root width s [mm] of the inner worm gear 80 .
  • crowning is smooth contact with the inner worm tooth surface, and the point of contact P in FIG. 9(C) should be somewhere along the face width w. That is, the following relationship is obtained. h ⁇ w/2
  • the teeth of this worm wheel 90 are conical. Since t is fixed, it is necessary to adjust the width of the tooth spaces of the inner worm gear 80 . In other words, originally, the cross-sectional shape of the inner worm gear 80 shown in FIG. 9(B) should have a negatively shifted tooth shape, unlike a normal rack gear.
  • the summary is as follows.
  • the set values are module m, number of threads n, inner worm gear pitch cylindrical inner diameter d, and face width w.
  • Worm gear tooth groove width s[mm] s 2 r - ( 2 r - t ) cos( ⁇ )
  • y[mm] y ( e / 2 ) / tan( 20°)
  • the shaft rotation motor 62 is directly connected to the rotation frame (inner shaft) 71 .
  • a gear rotation motor 63 drives an inner worm gear 80 .
  • Both the rotating frame (inner shaft) 71 and the inner worm gear 80 rotate about the axis r.
  • the inner worm gear 80 has a shape in which teeth 81 are cut on the inside of a cylindrical shape, and meshes with a worm wheel 90 arranged inside.
  • the worm wheel 90 and the spur gear 66 are installed around the rotation axis r of the rotation frame (inner shaft) 71 via bearings. Worm wheel 90 can transmit power from inner worm gear 80 to spur gear 66 .
  • a differential mechanism 70 according to yet another aspect is a configuration example in which the differential mechanism 70 shown in FIG. 10(A) is further miniaturized. With this configuration, the rotation axis of the worm wheel 90 and the rotation axis of the inner worm gear 80 can be substantially aligned.
  • FIG. 11A is an operation diagram of the joint device 10 including the differential mechanism 70 of the embodiment.
  • a rotating frame 71 rotatably provided on the shaft rotating motor 62, a second saddle gear 64 rotatably provided on the rotating frame 71, a worm wheel 90 meshing with the second saddle gear 64, and a holder.
  • a gear rotating motor 63 fixed to 20 is rotatably provided on the gear rotating motor 63 via a second worm drive gear 63a and has a cylindrical shape with a worm groove cut inside so as to mesh with the worm wheel 90. and a spherical gear 30 rotatably supported by the holder 20 and meshing with the second saddle gear 64 .
  • the differential mechanism 70 rotates, rotates or stops the spherical gear 30 by the saddle gear 64 , and rotates the rotation frame 71 , the worm wheel 90 , the second saddle gear 64 and the spherical gear 30 by the motor 62 for shaft rotation.
  • the worm wheel 90 is rotated integrally as shown by arrow (1)
  • the inner worm gear 80 is rotated by the gear rotation motor 63 through the second worm drive gear 63a as shown by the arrow (2).
  • the two saddle gears 64 and spherical gears 30 are gear-rotated like a typical spur gear train. In order to drive the constrained rotational two degrees of freedom out of the three rotational degrees of freedom of the spherical gear 30, the second saddle gear 64 must have two rotational degrees of freedom.
  • FIG. 11(B) is an operation diagram of the differential mechanism 70 of the embodiment, in which a worm wheel 90 as an output element can be arranged inside a cylindrical inner worm gear 80 as an input element.
  • a worm wheel 90 as an output element can be arranged inside a cylindrical inner worm gear 80 as an input element.
  • both the input element and the output element are close to the A-axis, making it possible to arrange the mechanical elements in a straightforward mechanical design. This realizes miniaturization and high precision.
  • FIG. 11C is an operation diagram of the differential mechanism 100 of the comparative example.
  • the bevel gear 102 cannot mesh with the transmission destination element (spur gear 103).
  • An extra spur gear 104 is required to transmit power from 101 to spur gear 103 .
  • the worm wheel 90 can act as a spur gear, so the extra spur gear 104 for meshing with the transmission destination spur gear 66 is not required. Therefore, it can be constructed with a minimum number of components, and the cost can be reduced. Furthermore, in addition to being able to design a high reduction ratio, it is also possible to design one-way power (self-locking), which is a feature of general worm gears.
  • the differential mechanism 70 is formed in a cylindrical shape, covers the outer periphery of the rotating frame 71, is rotatably provided coaxially with the rotating frame 71, and has spiral teeth on the inner side of the cylindrical shape. and a worm wheel 90 which is rotatably provided on the rotating frame 71 in the direction perpendicular to the axis of the rotating frame 71 and meshes with the inner worm gear 80 . Since the inner worm gear 80 has spiral teeth 81 formed inside the cylindrical portion and the worm wheel 90 is arranged inside the inner worm gear 80, the differential mechanism 70 can be miniaturized.
  • the inner worm gear 80 of the embodiment since the spiral teeth 81 are formed directly inside the cylindrical portion that forms the outer shape, only the worm wheel 90 needs to be arranged inside. Even in comparison, the differential mechanism 70 can be made smaller.
  • the present invention can provide a two-degree-of-freedom differential mechanism 70 that is compact and capable of reducing the differential error.
  • the tooth flanks 93 of the pinions (teeth) 92 of the worm wheel 90 are cylindrical tooth flanks or spherical crowning tooth flanks
  • the inner worm gear 80 is inclined with respect to the axis of the worm wheel 90 on the pitch circle. It can be smoothly meshed with the tooth flanks, and can also be smoothly meshed with the tooth flanks of the gear of the transmission destination. Therefore, it is highly compatible with conventional transfer elements in terms of design, and can also exhibit backdrivability.
  • the worm wheel 90 is a helical gear and has twisted tooth traces, it matches and smoothly meshes with the tooth traces of the inner worm gear 80 that are inclined with respect to the axis of the worm wheel 90 on the pitch circle.
  • the worm wheel 90 can smoothly mesh with the gear of the transmission destination by also using a helical gear as the gear of the transmission destination. Therefore, it is highly compatible with conventional transfer elements in terms of design, and can also exhibit backdrivability.
  • the rotating frame 71 has a worm wheel position adjusting mechanism (not shown) that adjusts the position of the rotating shaft e of the worm wheel 90 .
  • This adjusting mechanism is provided with an elongated hole and a slider structure so that it can slide finely in the radial direction and the axial direction with respect to the axis r of the rotating frame 71 . Therefore, since the position of the rotation axis e of the worm wheel 90 is adjusted by the worm wheel position adjusting mechanism, the backlash between the inner worm gear 80 and the saddle gear 64 can be easily adjusted.
  • the configuration of the worm wheel position adjusting mechanism is only an example, and is not limited to this. Any other configuration may be used as long as it can slide finely in the radial and axial directions with respect to the axis r of the rotating frame 71. .
  • the outer dimension of the rotating frame 71 is smaller than the inner diameter (tip circle diameter) of the inner worm gear 80 when viewed in the axial direction of the rotating frame 71 . Therefore, the maximum dimension of the differential mechanism 70 when viewed in the axial direction of the rotating frame 71 is the outer diameter of the inner worm gear 80, so that the overall size can be reduced.
  • the present invention is not limited to the number of gear teeth shown in the drawings of the embodiments.
  • the transmission destination of the worm wheel 90 is the saddle gear 64, but it is not limited to this, and the transmission destination of the worm wheel 90 may be a general spur gear, helical gear, or the like. Well, as long as power can be transmitted, the type of gear does not matter.
  • the present invention is not limited to the examples.
  • the present invention also relates to a gear set and a joint device using the gear set, particularly to a joint device having three rotational degrees of freedom provided between a support member and an output member.
  • Wires and link devices exist as joint devices that give one such joint multiple degrees of freedom in rotation.
  • the wire and link mechanism limit the rotatable angle of the sphere due to their structure.
  • a joint device disclosed in a patent document (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-088987) that uses a vibrator to rotate a sphere without limiting its rotation angle.
  • a spherical rotor is accommodated in a cavity of a casing having a substantially circular opening, and is supported only by four stators.
  • the stator consists of a rotary surface vibrator, and contact pieces protrude at a constant pitch on the surface of a substantially dish-shaped outer peripheral portion and are arranged in a ring.
  • the rotor is supported so that the contact pieces are brought into contact with the rotor.
  • a three-degree-of-freedom joint device provided between a first member and a second member, a holder provided on the first member and formed with a spherical support capable of supporting a spherical body;
  • the outline of a spur gear rotatably supported by the spherical support portion of the holder and formed on the entire surface of the sphere on a virtual plane including a first earth axis and a second earth axis passing through the center of the sphere is formed on the first earth axis.
  • a spherical gear having tooth structures respectively cut about and about said second earth axis and provided with said second member; a first drive unit provided on the holder for driving the spherical gear; a second drive unit provided on the holder and driving the spherical gear;
  • the first drive unit includes a first saddle gear that meshes with the spherical gear, and a first saddle gear that rotates the first saddle gear around a first axis that passes through the center of the spherical gear and the center of the first saddle gear.
  • the first saddle gear has a gear rotation that transmits a force for moving the meshing portion in the meridional direction with respect to the first earth axis of the spherical gear, an axial rotation that transmits a force about the first axis, and a latitudinal direction.
  • the second drive unit includes a second saddle gear that meshes with the spherical gear, and a second saddle gear that rotates the second saddle gear around a second axis that passes through the center of the spherical gear and the center of the second saddle gear.
  • the second saddle gear has a gear rotation that transmits a force for moving the meshing portion in the meridional direction with respect to the second earth axis of the spherical gear, an axial rotation that transmits a force about the second axis, and a latitudinal direction.
  • a joint device comprising driving pole teeth having a conical shape, a truncated conical shape, or an annular ring shape, and curved teeth having a predetermined tooth width and curved tooth flanks.
  • the holder is provided with the first drive unit and the second drive unit that drive the spherical gear. Since the first drive unit and the second drive unit are fixed to the holder, it is advantageous for increasing the output of the power source. In addition, since each of the first drive unit 40 and the second drive unit 60 transmits a driving force to the spherical gear 30, a so-called parallel mechanism that can combine forces can be realized. Also, in the prior art, there has been a technique in which teeth are provided on a portion of the sphere, but this limits the movable range to a narrow range in which the teeth are provided.
  • the outline of the spur gear formed on the entire surface of the sphere on the imaginary plane containing the first and second earth axes passing through the center of the sphere is cut around the first and second earth axes, respectively.
  • the range of motion can be increased without limitation.
  • each tooth structure cut around the first earth axis or around the second earth axis of the spherical surface has the property of being distorted closer to the pole, just like the latitude and longitude lines of a globe.
  • transmission is established only at the equator.
  • the present invention solves this problem by providing the first saddle gear and the second saddle gear that can mesh with the spherical gear.
  • the first saddle gear and the second saddle gear have a special tooth structure not found in the prior art, corresponding to the distortion of the tooth structure in the spherical gear.
  • the first saddle gear and the second saddle gear have a predetermined face width and have a conical shape or a truncated conical shape that can mesh with the driven pole on the first earth axis or the second earth axis of the spherical gear.
  • it has an annular drive pole tooth and a curved tooth that can be meshed with other than the driven pole point.
  • These teeth mesh with a tooth structure of a spherical gear cut about the first earth axis or the second earth axis to transmit the force that the mesh moves longitudinally with respect to the axis forming the tooth structure.
  • Gear rotation force-transmitting axial rotation about the first or second axis by having a predetermined face width, and lateral sliding that does not transmit force, in which the meshing part moves by sliding in the latitudinal direction.
  • two interactions are obtained.
  • the saddle gear meshed with the tooth structure of the spherical gear cut around the first earth axis can always constrain two of the three rotational degrees of freedom of the spherical gear other than the first rotational degree of freedom around the first earth axis.
  • a saddle gear meshed with a tooth structure about the second earth axis can always constrain two of the three rotational degrees of freedom of the spherical gear other than about the second earth axis.
  • the saddle gears do not break in engagement not only at the equatorial portion of the spherical gears but also at the driven poles, enabling continuous power transmission with an unlimited rotation angle just like a pair of ordinary spur gears.
  • two saddle-shaped gears having two rotational degrees of freedom are appropriately arranged with respect to the two tooth structures of the spherical gear. Achieved driving speed.
  • a first saddle gear and a second saddle gear are provided for one spherical gear, and the first saddle gear and the second saddle gear rotate around the first and second earth axes of the spherical gear. It was decided to correspond to each of the two tooth structures of
  • the first saddle gear and the second saddle gear are respectively incorporated into the first drive mechanism of the first drive unit or the second drive mechanism of the second drive unit to provide rotational two-degree-of-freedom drive capability.
  • the two degrees of freedom that are respectively constrained are driven.
  • the two tooth structures of the spherical gear have a phase difference, so that a total of four degrees of freedom driven by the first saddle gear and the second saddle gear are properly arranged on the spherical gear, and three rotational degrees of freedom for the spherical gear. It becomes possible to constrain (drive) all the degrees at all times. In this way, the present invention can provide a joint device with three rotational degrees of freedom based on the meshing of gears capable of transmitting large torque.
  • the tooth structure of the spherical gear meshes with the spur gear at an intermediate portion between two driven poles on the first earth axis, and the curvature increases as it approaches the driven poles on the first earth axis. It is a shape that grows, In the first saddle gear and the second saddle gear, the curvature of the tooth surface of the curved tooth decreases as the distance from the drive pole tooth in the circumferential direction of the first saddle gear and the second saddle gear increases.
  • a joint device is provided.
  • the first drive mechanism and the second drive mechanism include a gear rotation motor for rotating the first saddle gear or the second saddle gear, and a gear rotation motor for rotating the first saddle gear or the second saddle gear.
  • a shaft rotating motor for rotationally driving or rotating about the second shaft; provided between the first saddle gear or the second saddle gear and the gear rotating motor and the shaft rotating motor; and a differential mechanism.
  • the differential mechanism is provided between the saddle gear and the gear rotating motor and the shaft rotating motor, the gear rotating motor and the shaft rotating motor are all fixed to the first member. All three rotational degrees of freedom of the spherical gear can be constrained or driven.
  • the rotation shaft of the gear rotation motor and the rotation shaft of the shaft rotation motor of the first drive mechanism are arranged in a direction orthogonal to the first shaft
  • the rotation shaft of the gear rotation motor and the rotation shaft of the shaft rotation motor of the second drive mechanism are arranged in a direction orthogonal to the second shaft.
  • the direction of arrangement of the first drive mechanism is orthogonal to the direction of the first axis
  • the direction of arrangement of the second drive mechanism is orthogonal to the direction of the second axis. It is possible to reduce the protrusion to the joint device and reduce the size of the entire joint device.
  • the number of teeth of the spherical gear meshing with the first saddle gear or the second saddle gear is 1 or 2 times the number of teeth of the first saddle gear and the second saddle gear.
  • the driving poles of the first saddle gear and the second saddle gear can be aligned with the driven pole of the spherical gear.
  • the joint device provides a joint device applied to a general-purpose robot.
  • one joint of the general-purpose robot can have three degrees of freedom, reducing the number of joints and transmitting a large torque.
  • the present invention also provides a spherical gear having a tooth structure in which the outline of a spur gear formed on the entire surface of a sphere on a virtual plane containing a first earth axis passing through the center of the sphere is cut around the first earth axis.
  • a first saddle gear meshing with the spherical gear Gear rotation that transmits force for moving the meshing portion of the spherical gear in the meridional direction with respect to the first earth axis, transmission of force about a first axis that passes through the center of the spherical gear and the center of the first saddle gear and lateral slide, which slides in the latitudinal direction and does not transmit the force that moves the meshing portion.
  • the first saddle-shaped tooth having a conical, truncated conical or toroidal drive pole point tooth, and a curved tooth having a predetermined tooth width and a curved tooth surface.
  • the first saddle gear does not break meshing even at the driven pole of the spherical gear, and enables continuous power transmission with an unlimited rotation angle just like a normal pair of spur gears.
  • the present invention provides the contour of a spur gear formed on the entire surface of a sphere on a virtual plane including a first earth axis and a second earth axis passing through the center of the sphere.
  • spherical gears having respective cut tooth structures around them;
  • a first saddle gear that meshes with the spherical gear, the gear rotation transmitting a force that the meshing portion moves in the longitudinal direction with respect to the first earth axis of the spherical gear, the center of the spherical gear, and the first saddle
  • the three degrees of freedom of rotation of the spherical gear are the three interactions of the axial rotation that transmits the force around the first axis passing through the center of the spherical gear, and the lateral slide that slides in the latitudinal direction and does not transmit the force that moves the meshing part.
  • two degrees of freedom other than the rotational degree of freedom about the first earth axis can always be constrained, and have a conical shape, a truncated cone shape, or an annular shape drive pole tooth, and a predetermined face width, and a curved tooth surface said first saddle gear comprising curved teeth having a shape;
  • the three degrees of freedom of rotation of the spherical gear are the three interactions of the axial rotation that transmits the force around the second axis passing through the center of the spherical gear, and the lateral slide that slides in the latitudinal direction and does not transmit the force that moves the meshing part.
  • the drive pole tooth having a conical shape, a truncated conical shape, or an annular ring shape, and a predetermined face width, and the tooth surface is the second saddle gear comprising curved teeth having a curved shape;
  • the first saddle gear and the second saddle gear do not lose mesh even at the driven pole point of the spherical gear, and can continuously transmit power with an unlimited rotation angle just like a normal spur gear pair. It becomes possible.
  • FIG. 1 An embodiment of the present invention will be described below based on the accompanying drawings.
  • the drawings also include drawings conceptually (schematically) showing the schematic configuration of the joint device.
  • a straight line passing through the center of the sphere is referred to as the (first or second) "earth axis”
  • a straight line passing through the center of the spherical gear and the center of the (first or second) saddle gear is referred to as the (first or second) "axis”.
  • the two perpendicular earth axes as an embodiment may be called “r-axis” and "e-axis”.
  • the two orthogonal axes as one embodiment may be called "X-axis" and "Y-axis”.
  • the arrangement direction of the first drive mechanism 41 is along the X-axis direction.
  • the arrangement direction of the second drive mechanism 61 is along the Y-axis direction.
  • the holder 20 has a large opening only on the front side.
  • an arbitrary first earth axis (r-axis) passing through the center of the sphere 31 is arranged.
  • a spur gear contour 33 is formed on the entire surface 32 of the sphere 31 in an imaginary plane containing the r-axis.
  • the contour 33 of the spur gear is cut around the r-axis to form teeth 34.
  • a temporary spherical gear 30a having a tooth structure as shown in FIG. 14(c) is obtained.
  • This spherical gear 30a is a driven gear, and a driven pole 34a is formed on the r-axis.
  • the spherical gear 30a is likened to a globe, the tooth shape near the equator 35 is uniform, and the tooth shape becomes distorted closer to the driven pole 34a. Therefore, the general spur gear 36 cannot mesh with the provisional spherical gear 30a over the entire circumference.
  • first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 will be explained.
  • first saddle gear 44 will be described below, and the configuration of the second saddle gear 64 will be omitted assuming that it is the same as the e-axis of the spherical gear 30 .
  • the first saddle gear 44 is a gear rotation that transmits force to move the meshing portion in the longitudinal direction with respect to the r-axis of the spherical gear 30a (30).
  • the r-axis of the three rotational degrees of freedom of the spherical gear 30a (30) is controlled by the three interactions of the axial rotation that transmits the force around the X-axis and the lateral slide that slides in the latitudinal direction and does not transmit the force that moves the meshing portion.
  • the drive pole tooth 51 having a conical shape, a truncated conical shape, or an annular ring shape, and the tooth surface having a curved shape (along the circumferential direction of the first saddle gear 44 , and a predetermined tooth width W.
  • the curvature of the curved shape of the plurality of curved teeth 52 is the smallest at the position rotated 180° from the drive pole tooth 51 (the pole on the side opposite to the drive pole tooth 51), and the curved tooth at the position close to the drive pole tooth 51 It's getting bigger.
  • the direction of gear rotation and the direction of lateral slide when the driven pole 34a is viewed as the north pole of the earth, the direction of gear rotation is the meridian direction, and the direction of lateral slide is the latitude direction.
  • the first saddle gear 44 has a unique gear structure that can mesh with the spherical gear 30a (30). Only one of the first saddle gears 44 can constrain two degrees of freedom among the three rotational degrees of freedom of the spherical gear 30a (30).
  • a clay-like sphere 53 is assumed virtually, and the shape of the tooth flank of the first saddle gear 44 is explained by explaining the process of forming teeth on this clay-like sphere 53. are clarified below.
  • a clay-like sphere 53 having a diameter about half that of the spherical gear 30a (30) is prepared and pressed against the spherical gear 30a as shown in FIG. , move while rolling on the spherical surface. Then, as shown in (c), the shape of the teeth 34 of the spherical gear 30a is transferred, and as shown in (d), the tooth structure of the drive pole teeth 51 and curved teeth 52 of the first saddle gear 44 is obtained. be done.
  • a spur gear contour 33 is formed on an imaginary plane containing the first earth axis (r-axis) and the second earth axis (e-axis) of the sphere 31, and the spur gear contour 33 is formed by r
  • a tooth structure as shown in (b) is obtained.
  • the contour 33 of the spur gear is turned around the e axis and cut.
  • the outline 33 of the spur gear formed on a virtual plane containing the first and second earth axes in this embodiment, the r-axis and the e-axis which are perpendicular to each other
  • a spherical gear 30 having teeth 34 cut about the r-axis and the e-axis is obtained as shown in (c).
  • the circumferential contour 54 of the first saddle gear 44 corresponds to half the circumference of the spur gear contour 33, and the teeth of the spherical gear 30 described above. mesh with 34.
  • a spherical gear 30 is obtained by superimposing teeth 34 orthogonal to each other and having a phase shift of 90 degrees.
  • the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 are meshed with each other.
  • the first and second earth axes are the r-axis and e-axis that are out of phase with each other by 90 degrees, but the phase difference between the first and second earth axes is not limited to 90 degrees. , 30 degrees, 45 degrees, and 60 degrees.
  • a tooth structure can be formed by cutting the outline of a spur gear formed on a virtual plane containing the first and second earth axes having these phase differences around the first and second earth axes.
  • the driven pole point 34 a of the spherical gear 30 can coincide with the drive pole point (drive pole tooth 51 ) of the first saddle gear 44 .
  • the shaft rotating motor 42 and the gear rotating motor 43 of the first drive unit 40 are driven to rotate the first saddle gear 44, thereby rotating the spherical gear 30. .
  • the first saddle gear 44 constrains the rotational two degrees of freedom of the spherical gear 30.
  • the second drive unit 60 is driven, the remaining spherical gear 30 is rotated.
  • One degree of freedom can be driven.
  • all three rotational degrees of freedom of the spherical gear 30 can be restrained and fixed.
  • the joint device 10 is provided with a first drive unit 40 and a second drive unit 60 for driving the spherical gear 30 on the holder 20 . Since the first drive unit 40 and the second drive unit 60 are fixed to the holder 20, it is advantageous to increase the output of the power source. In addition, since each of the first drive unit 40 and the second drive unit 60 transmits a driving force to the spherical gear 30, a so-called parallel mechanism that can combine forces can be realized. Also, in the prior art, there has been a technique in which teeth are provided on a portion of the sphere, but this limits the movable range to a narrow range in which the teeth are provided.
  • a contour 33 of a spur gear formed on an imaginary plane including a first earth axis and a second earth axis passing through the center of the sphere 31 is formed on the entire surface 32 of the sphere 31 around the first earth axis and the second earth axis. Since it has two tooth structures each cut in two, the range of motion can be increased without limitation.
  • the embodiment of the present invention includes a first saddle gear 44 and a second saddle gear 64 that can mesh with the spherical gear 30 .
  • the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 have a special tooth structure not found in the prior art that accommodates the inevitable distortion of the tooth structure in the spherical gear 30 .
  • the first saddle gear 44 transmits the force around the first axis, the rotation of the gear that transmits the force that moves the meshing portion in the meridional direction with respect to the first earth axis of the spherical gear 30a (30).
  • the degree of freedom other than the first degree of freedom of rotation around the earth axis is reduced.
  • the two can always be constrained, and the driving pole tooth 51 having a conical shape, a truncated cone shape or an annular shape and the tooth surface having a curved shape (along the circumferential direction of the first saddle gear 44 toward the driving pole tooth 51) and a predetermined tooth width W.
  • the second saddle gear 64 is also the same. For this reason, the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 do not break in engagement not only at the equatorial portion of the spherical gear but also at the driven pole 34a. power transmission is possible.
  • two saddle-shaped gears having two rotational degrees of freedom are appropriately arranged with respect to the two tooth structures of the spherical gear 30.
  • 3-degree-of-freedom rotation was realized.
  • a first saddle gear 44 and a second saddle gear 64 are installed for one spherical gear 30
  • the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 are the first gears of the spherical gear 30 . It was decided to correspond to two tooth structures around the earth axis and the second earth axis, respectively.
  • first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 are respectively incorporated into the first drive mechanism 41 of the first drive unit 40 or the second drive mechanism 61 of the second drive unit 60 to provide rotational two degrees of freedom.
  • the two degrees of freedom that are respectively constrained are driven. Since the two tooth structures of the spherical gear 30 have a phase difference, a total of four driven degrees of freedom by the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 are properly arranged on the spherical gear 30. , all three degrees of freedom of rotation of the spherical gear 30 can be constrained (driven) at all times. In this manner, the present invention can provide a joint device 10 with three rotational degrees of freedom based on gear meshing capable of transmitting large torque.
  • the shape of the teeth of the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 can be matched to correspond to the shape of the teeth of each portion of the spherical gear 30, and the spherical gear 30 can be It can mesh continuously.
  • the differential mechanisms 50 and 70 are provided between the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 and the shaft rotation motors 42 and 62 and the gear rotation motors 43 and 63, While the motors 42 and 62 and the gear rotating motors 43 and 63 are all fixed to the first member 11, all of the three rotational degrees of freedom of the spherical gear 30 can be restrained or driven.
  • a motor control algorithm for realizing three degrees of freedom of the spherical gear 30 is adopted as the control algorithm.
  • An embodiment of the present invention uses four motors as input actuators, whose rotation angles can be obtained with simple inverse kinematic calculations. Also, unlike the spherical motor of the prior art, a large number of electromagnets are not driven, so a motor control system similar to that of the prior art can be used.
  • the joint device 10 is suitable for general-purpose robots.
  • one joint of the general-purpose robot can have three degrees of freedom, reducing the number of joints and transmitting a large torque.
  • the conventional three-joint serial link mechanism can be reduced to one joint. Invention is more effective.
  • a first saddle gear 44 and a second saddle gear 64 are installed for one spherical gear 30
  • the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 are the second gears of the spherical gear 30 . It was decided to correspond to two tooth structures formed around the first earth axis and the second earth axis, respectively.
  • the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 are respectively incorporated into the first drive mechanism 41 of the first drive unit 40 or the second drive mechanism 61 of the second drive unit 60 to provide rotational two degrees of freedom. of the rotational three degrees of freedom of the spherical gear 30, the two degrees of freedom that are respectively constrained are driven.
  • the present invention provides a rotational three degree of freedom gearset based on gear meshing capable of transmitting high torque.
  • the present invention is not limited to the number of gear teeth shown in the drawings of the embodiments.
  • the number of teeth of the spherical gear 30 and the number of teeth of the first saddle gear 44 and the second saddle gear 64 may be the same.
  • the first member 11 is a supporting member, but the present invention is not limited to this, and the first member 11 may be a wall, a ceiling, or the like.
  • the second member 12 is a shaft-shaped output member, but it is not limited to this, and a camera, sensor, or the like may be provided instead of the output member. For example, by attaching a camera instead of the second member 12 in FIGS. 1 and 2 and mounting a gear set including these cameras on a surveillance camera or drone, a photographing apparatus capable of controlling the photographing angle in all directions can be obtained. can be done.
  • the present invention is not limited to the examples.
  • the present invention is suitable for industrial general-purpose robots.
  • the present invention is suitable for the differential mechanism of industrial general-purpose robots.

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Abstract

差動機構（７０）は、本体フレームに回転可能に設けられた回転フレーム（７１）と、円筒状に形成されて回転フレーム（７１）の外周を覆い且つ回転フレーム（７１）の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギア（８０）と、回転フレーム（７１）にこの回転フレーム（７１）の軸直交方向に回転可能に設けられ内ウォームギア（８０）に噛み合うウォームホイール（９０）と、を備えている。

Description

差動機構
　本発明は、ウォームギアと、ウォームホイールとを備えた２自由度の差動機構に関する。
　近年、ロボットに対する自動化が推進され、カメラ、ロボットアーム等の位置及び向きを複数の自由度で調整することが求められている。
　一般的に、多関節ロボットの代表であるロボットアームなどは、手先側のモータそのものの荷重・慣性による負荷などを根元側のモータが負担する構造であり、経済的な構造ではない。その点、モータを全て固定しながら、多自由度を出力できる差動機構は代替として有望である。このような全てのモータを固定しながら２自由度を与える差動機構を備えた駆動ユニットとして、特許文献１、２に開示される技術が知られている。
　特許文献１の駆動ユニットは、回転可能に設けられた回転ケースと、この回転ケース内に設けられた中央のウォームギアと、その周りを公転するウォームホイールとで構成された差動機構とを用いて、先端部に設けられた球体状の歯車が２自由度で出力している。しかし、この構成では中央にウォームギアが配置されるため、それを迂回するように動力伝達要素を配置せざるを得ず、伝達要素の増加による誤差の増加や、差動機構が要する外形（直径）が最低でも、ウォームギアの円筒直径＋ウォームホイールの円筒直径×２、となり、イナーシャが大きく、また小型化が難しい。また小型化するために無理にウォームギアを小さくすると歯の剛性が下がり、伝達力を小さく抑えざるを得ない。
　また、特許文献２の駆動ユニットは、第１回転体および第２回転体が、球面の左右を対称に切り落とした外面を有する円環形状を成し、互いの内側に挿入して鎖状に連結されている。回転伝達部が、第２回転体の内側に位置する第１回転体の内側面、及び、第１回転体の内側に位置する第２回転体の内側面にそれぞれ接触するよう、第１回転体及び第２回転体の内側に配置され、所定の軸を中心として回転可能に設けられたはすば歯車を有している。第１回転体及び第２回転体は、回転伝達部のはすば歯車と噛み合うよう、それぞれ内側面に円周方向に沿って設けられたはすば内歯車を有している。しかし、内側の回転伝達部及び第２回転体は同期して共に所定の軸回りに公転するものであり、差動機構として用いていない。
特開２０１９－９０４９５号公報 特開２０１８－１７２０１５号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することを課題とする。
　本発明によれば、本体フレームに回転可能に設けられた回転フレームと、円筒状に形成されて前記回転フレームの外周を覆い且つ前記回転フレームの同軸上に回転可能に設けられ前記円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、前記回転フレームにこの回転フレームの軸直交方向に回転可能に設けられ前記内ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、を備え、
　前記回転フレーム及び前記内ウォームギアの２つの回転入力に対して、前記ウォームホイールが前記回転フレームと同軸のロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。
　かかる構成によれば、差動機構は、円筒状に形成されて回転フレームの外周を覆い且つ回転フレームの同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、回転フレームにこの回転フレームの軸に対してねじれの位置で直交する軸まわりに回転可能に設けられ内ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、を備えている。内ウォームギアは円筒状部分の内側にらせん状の歯が形成され、内ウォームギアの内側にウォームホイールが配置されているので、差動機構を小型化することができる。
　仮に先行技術文献１のウォームギア及びウォームホイールの歯の大きさと、本件の内ウォームギア及びウォームホイールの歯の大きさを等しくした場合、先行技術文献１では回転ケースの内方の中央に別体のウォームギアを配置してこれに噛み合うウォームホイールも配置するので、差動機構が要する外形（直径）が最低でも、ウォームギアの円筒直径＋ウォームホイールの円筒直径×２、となり回転ケースの外径が大きくなる。この点、本発明の内ウォームギアでは外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯を形成するため、その内方にはウォームホイールのみの配置で済むので、先行技術文献１に比較しても差動機構を小型化することができる。
　さらに、本発明では、内ウォームギアの外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯を形成するので、伝達要素（部品点数）を少なくして差動誤差を減少させることができる。このように、本発明では、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することができる。
　好ましくは、ウォームホイールは、その歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である。
　かかる構成によれば、ウォームホイールのピニオン（歯）の歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面であるので、ピッチ円上においてウォームホイールの軸に対して傾斜する内ウォームギアの歯面に滑らかに噛み合うことができ、且つ、伝達先の平歯車の歯面にも滑らかに噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素との親和性が高いだけでなく、バックドライバビリティを発現させることもできる。
　好ましくは、ウォームホイールは、はすば歯車である。
　かかる構成によれば、ウォームホイールは、はすば歯車であり、歯筋がねじれているので、ピッチ円上においてウォームホイールの軸に対して傾斜する内ウォームギアの歯筋に一致して円滑に噛み合う。この場合、伝達先の歯車もはすば歯車とすることで、ウォームホイールは伝達先の歯車とも円滑に噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素との親和性が高いだけでなく、バックドライバビリティを発現させることもできる。
　好ましくは、回転フレームは、ウォームホイールの位置を調整するウォームホイール位置調整機構を備えている。
　かかる構成によれば、ウォームホイール位置調整機構によってウォームホイールの位置が調整されるので、バックラッシの調整を容易に行うことができる。
　好ましくは、内ウォームギアは、条数が１又は２以上である。
　かかる構成によれば、内ウォームギアの条数を１にするなど、進み角を小さくすることで、一般的なウォームギア同様に、セルフロックができる。内ウォームギアの条数を２以上にすることで、内ウォームギアの大きさを抑えつつ進み角を大きくすることができる。このように、内ウォームギアの条数に範囲を持たせることで、条数と内ウォームギアの直径に応じてバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。
　好ましくは、回転フレームの外形の寸法は、回転フレームの軸方向視で、内ウォームギアの内径（歯先円直径）よりも小さい。
　かかる構成によれば、回転フレームの軸方向視での、差動機構の最大寸法が、内ウォームギアの外径となるので、全体として小型化を図ることができる。
　小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することができる。
本発明に係る差動機構を備えた関節装置の一例を示す斜視図である。 図１の差動機構を備えた関節装置を示す部分断面図である。 本発明に係る差動機構を備えた駆動ユニットを示す斜視図である。 図３の差動機構を示す要部断面斜視図である。 本発明に係るウォームホイールを示す説明図である。 図５のウォームホイールの各部を示す断面図である。 本発明に係る内ウォームギアを示す説明図である。 図７の内ウォームギアの各部を示す断面図である。 本発明に係るウォームホイールと内ウォームギアの噛み合い状態を示す説明図である。 本発明の別態様に係る差動機構を備えた駆動ユニットを示す斜視図である。 実施例に係る差動機構の作用図と比較例に係る差動機構の作用図である。 本発明に別態様に係る関節装置を示す斜視図である。 図１２の駆動ユニットを示す斜視図である。 本発明に係る球状歯車の基本構成を示す説明図である。 本発明に係る鞍状歯車を示す斜視図である。 本発明に係る鞍状歯車の基本構成を示す説明図である。 本発明に係る球状歯車のｒ軸及びｒ軸に直交するｅ軸まわりに歯を形成した場合の基本構成を示す説明図である。 本発明に係る球状歯車と第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車との噛み合い状態を示す斜視図である。
　本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は、本発明に係る差動機構の使用の一例として、差動機構を備えた関節装置の概略構成を概念的（模式的）に示す図面も含むものとする。本明細書において、球状歯車の中心を貫通する直線を第１軸もしくは第２軸という。また、一実施形態としての直交する２つの軸を「ｒ軸」及び「ｅ軸（ｒ軸に対してねじれの位置で直交する方向の軸）」と呼ぶことがある。また、第１軸及び第２軸のうち、一実施形態としての直交する２つの軸を「Ｘ軸」及び「Ｙ軸」と呼ぶことがある。
　図１、図２に示すように、差動機構５０、７０を備えた関節装置１０は、第１部材（以下、支持部材ともいう）１１と第２部材（以下、出力部材という）１２との間に設けられている。関節装置１０は、支持部材１１に設けられ、球体を支持可能な球状支持部２１が形成されたホルダー２０と、ホルダー２０の球状支持部２１に回転可能に支持された球状歯車３０と、ホルダー２０のＸ軸の基準位置に設けられ、球状歯車３０を駆動する第１駆動ユニット４０と、ホルダー２０のＹ軸の基準位置に設けられ、球状歯車３０を駆動する第２駆動ユニット６０と、を備えている。ホルダー２０は、正面側から背面の略半分まで開口している。
　第１駆動ユニット４０は、球状歯車３０に噛み合う第１鞍状歯車４４と、この第１鞍状歯車４４を歯車回転させると共に第１軸（以下、Ｘ軸という）まわりに回転駆動させる第１駆動機構４１と、を備えている。
　第１駆動機構４１は、第１本体フレーム４１ａと、Ｘ軸まわりの回転駆動を行うための軸回転用モータ４２と、この軸回転用モータ４２に設けられた第１軸駆動歯車（不図示）と、この第１軸駆動歯車に噛み合い第１鞍状歯車４４を軸回転させる第１軸従動歯車４２ｂと、歯車回転させるための歯車回転用モータ４３と、この歯車回転用モータ４３に設けられた第１ウォーム駆動歯車（不図示）と、この第１ウォーム駆動歯車に噛み合い差動機構５０を回転させる第１ウォーム従動歯車４３ｂと、第１鞍状歯車４４と軸回転用モータ４２及び歯車回転用モータ４３との間に設けられた差動機構５０と、を備えている。
　第２駆動ユニット６０は、球状歯車３０に噛み合う第２鞍状歯車６４と、この第２鞍状歯車６４を歯車回転させる共に第２軸（以下、Ｙ軸という）まわりに回転駆動させる第２駆動機構６１と、を備えている。
　第２駆動機構６１は、第２本体フレーム６１ａと、Ｙ軸まわりに回転駆動を行うための軸回転用モータ６２と、この軸回転用モータ６２に設けられた第２軸駆動歯車６２ａと、この第２軸駆動歯車６２ａに噛み合い第２鞍状歯車６４を軸回転させる第２軸従動歯車６２ｂと、歯車回転用モータ６３と、この歯車回転用モータ６３に設けられた第２ウォーム駆動歯車６３ａと、この第２ウォーム駆動歯車６３ａに噛み合い差動機構７０を回転させる第２ウォーム従動歯車６３ｂと、第２鞍状歯車６４と軸回転用モータ６２及び歯車回転用モータ６３との間に設けられた差動機構７０と、を備えている。
　第１駆動機構４１の軸回転用モータ４２の回転軸及び歯車回転用モータ４３の回転軸は、Ｘ軸と直交方向に配置されている。第２駆動機構６１の軸回転用モータ６２の回転軸及び歯車回転用モータ６３の回転軸は、Ｙ軸と直交方向に配置されている。
　第１駆動機構４１の軸回転用モータ４２の回転軸及び歯車回転用モータ４３の配置方向をＸ軸方向に対して直交方向とし、第２駆動機構６１の軸回転用モータ６２の回転軸及び歯車回転用モータ６３の配置方向をＹ軸方向に対して直交方向としたので、装置の外方への出っ張りを小さくし、関節装置１０全体を小型化することができる。また、鞍状歯車４４、６４は、平歯車の一種であり、中心を通るピッチ円上では平歯車と同様の歯形に形成されており、詳細形状の説明は省略する。
　なお、本実施例では、関節装置１０として説明したが、用途は関節に限定されるものではなく、球状歯車３０、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４を含む歯車セットを関節以外の用途に使用してよい。また、本実施例では、第１軸をＸ軸とし、第２軸を前記Ｘ軸と直交するＹ軸としたが、これに限定されず、第１軸と第２軸は、なす角度が４５度、６０度、１８０度等、直交しない角度の軸としてもよく、ＸＹ平面上に配置しなくてもよい。
　次に第２駆動ユニット６０及び差動機構７０について説明する。なお、第１駆動ユニット４０及び差動機構５０は、第２駆動ユニット６０及び差動機構７０の基本構成と同じであるので説明を省略する。
　図３、図４に示すように、第２駆動ユニット６０は、第２鞍状歯車６４と、第２駆動機構６１と、を備えている。第２駆動機構６１は、第２本体フレーム６１ａと、軸回転用モータ６２と、第２軸駆動歯車６２ａと、第２軸従動歯車６２ｂと、歯車回転用モータ６３と、第２ウォーム駆動歯車６３ａと、第２ウォーム従動歯車６３ｂと、差動機構７０と、を備えている。
　差動機構７０は、第２本体フレーム６１ａに回転可能に設けられた回転フレーム７１と、円筒状に形成されて回転フレーム７１の外周を覆い且つ回転フレーム７１の同軸上（軸ｒ上）に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯８１が形成された内ウォームギア８０と、回転フレーム７１にこの回転フレーム７１の軸ｒに対してねじれの位置で直交するｅ軸（回転フレーム７１の軸直交方向）に回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合うウォームホイール９０と、を備えている。
　この構成により、回転フレーム７１及び内ウォームギア８０の２つの回転入力に対して、ウォームホイール９０が回転フレーム７１と同軸ｒのロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。
　内ウォームギア８０は、第２ウォーム従動歯車６３ｂと一体に回転するように設けられた回転部材８２を備え、この回転部材８２に内ウォームギア８０の基端部分が設けられている。回転部材８２の中央部分に貫通孔８３が形成されており、この貫通孔８３に回転フレーム７１が回転可能に挿通されている。
　回転フレーム７１は、第２軸従動歯車６２ｂと一体に回転するように設けられている。回転フレーム７１は、回転部材８２の貫通孔８３及び第２ウォーム従動歯車６３ｂに回転可能に挿通される挿通部７２と、この挿通部７２に連続して内ウォームギア８０の内側に対向する中間部７３と、この中間部７３に設けられウォームホイール９０のホイール軸９１を支持するウォーム軸支持部７４（図９（ａ）参照）と、を備えている。さらに回転フレーム７１は、中間部７３に連続して内ウォームギア８０の前方に突出する突出部７５と、この突出部７５に設けられ第２鞍状歯車６４の回転軸６５を支持する回転軸支持部７６と、を備えている。
　次にウォームホイール９０について説明する。なお、図５（Ａ）はウォームホイール９０の斜視図、図５（Ｂ）はウォームホイール９０の正面図、図６（Ａ）は図５（Ｂ）の６Ａ－６Ａ線断面図、図６（Ｂ）は図５（Ｂ）の６Ｂ－６Ｂ線断面図、図６（Ｃ）は図５（Ｂ）の６Ｃ－６Ｃ線断面図、図６（Ｄ）はウォームホイール９０の要部断面図である。
　図５（Ａ）～図６（Ｄ）に示すように、ウォームホイール９０は、その歯９２の歯面９３が球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である。ウォームホイール９０の断面形状は平歯車の断面形状と一致している。これにより、ウォームホイール９０は、その次の伝達先にある平歯車と噛み合うことができる。
　なお、実施例では、ウォームホイール９０は、その歯９２の歯面９３が球面状のクラウニング歯面を有した平歯車としたが、これに限定されず、ウォームギアの進み角に一致したねじれ角を有するはすば歯車としてもよい。これにより、ウォームホイール９０は、その次の伝達先にある、はすば歯車と噛み合うことができる。
　ここで、一般的な入力軸と出力軸が直交する差動機構では、入力軸及び出力軸のそれぞれに傘歯車が使用されているところ、傘歯車は平歯車と噛み合うことができない。このため、出力軸に設けられた傘歯車から次の平歯車へ伝えるためには、同じ出力軸に別途、平歯車を追加しなければならない。しかも、別途追加する平歯車は入力軸と衝突しないように配置する必要があり、傘歯車を使用した差動機構では大型になる。
　この点、本発明のウォームホイール９０は、平歯車、又は、はすば歯車に直接噛み合えるため、差動機構７０は内ウォームギア８０とウォームホイール９０との１対の歯車ペアのみで構成することができ、差動機構７０全体として小型化することができる。さらに、ウォームホイール９０から、次の伝達要素に直接噛み合わせることができる。
　また、ウォームホイール９０は、ホイール軸９１（図４参照）に回転可能に支持される環状部９４と、この環状部９４の外周に放射状に設けられた８個の歯９２と、を備えている。
　なお、実施例では、ウォームホイール９０の歯９２の歯面９３は球面状のクラウニング歯面としたが、これに限定されず、歯面９３は円筒状の円筒歯面としてもよい。また、実施例では、ウォームホイール９０の歯数を８個としたが、これに限定されず、６個、７個、９個、１０個などでもよく、内ウォームギア８０の直径と条数に応じて適宜変更してよい。これにより、減速比やバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。
　また、一般的に傘歯車が使用される差動機構では、その配置と減速比の間に強い制約がある。すなわち、ある減速比を得ようとすると、必然的に歯車と軸の配置が決定される。この点、本発明では、内ウォームギア８０の条数を変えたり、ウォームホイール９０の歯数を変えたりしても、内ウォームギア８０の内側にウォームホイール９０が入りさえすれば、配置の制約がないので、配置の自由性が高く、しかも減速比を幅広く決定できる。
　次に内ウォームギア８０について説明する。なお、図７（Ａ）は内ウォームギア８０の基端側からの斜視図、図７（Ｂ）は内ウォームギア８０の先端側からの斜視図、図７（Ｃ）は内ウォームギア８０の正面図、図７（Ｄ）は基端側からの部分断面図、図７（Ｅ）は内ウォームギア８０の側面図、図８（Ａ）は図７（Ｅ）の８Ａ－８Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ－８Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｄ）の８Ｃ－８Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｄ）の８Ｄ－８Ｄ線断面図である。
　内ウォームギア８０は、円筒状を呈し、この円筒状の内側にｒ軸（図４参照）に沿ってらせん状に歯８１が形成されている。内ウォームギア８０の内径は、回転フレーム７１（図４参照）の中間部７３の外径よりも大きい。内ウォームギア８０は、条数が２である。なお、実施例では、内ウォームギア８０の条数を２としたが、これに限定されず、条数を１や３以上としてもよく、条数を変更してもよい。
　内ウォームギア８０の条数を１にするなど、進み角を小さくすることで、一般的なウォームギア同様に、セルフロックができる。内ウォームギア８０の条数を２以上とすることで、内ウォームギア８０の大きさを抑えつつ進み角を大きくすることができる。このように、内ウォームギア８０の条数に範囲を持たせることで、条数と内ウォームギア８０の直径に応じてバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。
　また、内ウォームギア８０は、回転部材８２（図４参照）に固定するための固定溝８４が形成されている。例えば、内ウォームギア８０の外周側から板状のナットを固定溝８４に入れて、回転部材８２側から締結部材で締結することで、回転部材８２に内ウォームギア８０が固定される。なお、固定方向はこれに限定されない。
　次にウォームホイール９０の歯９２のクラウニング量について説明する。なお、図９（Ａ）は、内ウォームギア８０とウォームホイール９０の噛み合い部分の断面図であり、図９（Ｂ）は図８（Ｄ）の部分拡大図であり、図９（Ｃ）はウォームホイール９０のピッチ円上の歯９２の断面図である。
　図６（Ｄ）、図９（Ａ）～図９（Ｃ）を参照する。例えば図９（Ａ）では、内ウォームギア８０と第２鞍状歯車６４とは噛み合っているが、この第２鞍状歯車６４を通常の平歯車に置き換えたときは、それと噛み合うためにウォームホイール９０の断面形状が平歯車の断面形状と一致することが１つの設計条件となる。
　すると、図９（Ａ）のような断面における、歯９２の厚みが決定される。この場合、ウォームホイール９０の基準ピッチ円上の歯９２の厚み t [mm]は、
 t = m *π / 2
と決定される。ここで、mは歯のモジュールである。これは一般的な歯車の式である。ただし、図９（Ａ）の断面図の位置は正確ではなく、説明上、理解するためのものである。本来は円筒状の内ウォームギア８０のピッチ円筒面で断面をとるものとする。さらに、歯の厚み t は、図６（Ｄ）の基準ピッチ円上における長さとなる。
　次に、内ウォームギア８０の歯８１の進み角つるまき線の傾き角度α[deg]を求める。この角度は歯の条数 n 、歯８１のモジュールm [mm]、内ウォームギア８０のピッチ円筒面の直径 d [mm]で決定される。m はウォームホイール９０と同一のものである。例えば、n=1の場合、内ウォームギア８０が一周したときの、ウォームホイール９０の円周方向の移動量b[mm]は１ピッチ移動する。すなわち、次のようになる。
 b = π* m
　もしn=2であれば２ピッチ、n=3であれば３ピッチ移動するので、一周したときの移動量は、次のようになる。
 b = π* m * n
　すると、ピッチ円筒面上のウォーム歯８１の歯すじの傾き角（進み角）αは次式として得られる。
α = arctan( b / (π* d) ) = arctan(π* m * n / (π* d) ) = arctan( m * n / d )
　これは、一周するときの横方向のスライド移動量π* d [mm]と、縦方向の送り量b [mm]によって形成される三角形の角度を意味する。
　次に、幾何学的に設計パラメータを算出する。決定したいパラメータは、歯幅w [mm]、クラウニング半径 r [mm]、及び内ウォームギア８０の谷の幅 s [mm]である。
　クラウニングの目的は、内ウォーム歯面とのなめらかな接触であり、図９（Ｃ）の接点Pは、歯幅w のいずれかの場所に有るべきである。つまり、次の関係になる。
h < w/2
　ここで、設計上限を求めるとすると、
 h = w / 2
となる。するとクラウニング量r との関係は、
 h = r sin(α) = w / 2
従って、
 r = w / ( 2 * sin(α) )
ただし、r の最小値はt の半分であるので、次の条件を満たすものとする。
 r >= t / 2
　もしr = t/2 であるならば、このウォームホイール９０の歯は円錐となる。t が固定のため、内ウォームギア８０の歯溝の幅を調整する必要がある。つまり、本来は、図９（Ｂ）の内ウォームギア８０の断面形状は、通常のラックギヤとは異なり、マイナスに転位された歯形状を持つべきであることを意味する。
　理論上の歯の溝の幅 u [mm]は、
 u = π* m / 2
となり、ピッチ幅の半分を意味する。通常の歯車の場合、s = u が理論値となる。一方、本発明の内ウォームギア８０の歯の溝の幅s [mm]は、これまでの幾何学的な検討にもとづいて、
 s = 2 r － ( 2 r － t ) cos(α) 
となる。例えば、α=0、つまり進み角度が存在しない内ラックギヤの回転体の場合、s = t = π* m / 2 となり、s = u が得られる（これは歯を送ることができないことを意味する）。
　一方、通常の平歯車とラックギヤの距離を離すと、相対的にラックの歯溝の幅を広げたことと等価になる。従って、本発明の内ウォームギア８０とウォームホイール９０の場合も同様に距離を離すことで、わざわざ s に基づいた特殊な内ウォーム歯面を削らなくとも、噛み合いを可能にすることができる。このときの広げるべき幅 e [mm]は、
 e = s － u
で得られ、片側の歯面のみを考えれば、e / 2 の歯溝の拡張が必要となる。
　ラックギヤの歯の角度、歯圧角は20°であるので、内ウォームギア８０とウォームホイール９０との距離の増分 y [mm]は、以下のように表現される。
 y = ( e / 2 ) / tan( 20°)
　まとめると次のようになる。
　設定値は、モジュールm、条数n、内ウォームギアピッチ円筒内径 d、歯幅 wである。
　歯の厚みt [mm]                           t = m *π / 2
　傾き角度α[rad]                            α = arctan( m * n / d )
　クラウニング量r [mm]               r < w / ( 2 * sin(α) )
　ウォームギア歯溝幅 s[mm]       s = 2 r － ( 2 r － t ) cos(α)
　軸間距離の増分 y[mm]              y = ( e / 2 ) / tan( 20°)
　ただし、内ウォームギアの歯先内径da = d － 2 * m、内ウォームホイールのピッチ円直径 Dp = z * mは、Dp < da である。
　次に別態様に係る差動機構７０を備えた駆動ユニット６０について説明する。なお、図３、図４と基本構成は同じであるので同様の部品については符号を振って説明を省略する。
　図１０（Ａ）に示すように、別態様に係る差動機構７０は、軸回転用モータ６２は回転フレーム（内軸）７１と直結している。歯車回転用モータ６３は内ウォームギア８０を駆動する。回転フレーム（内軸）７１と内ウォームギア８０はどちらも軸ｒまわりに回転する。内ウォームギア８０は円筒状の内側に歯８１が刻まれた形状をしており、内側に配置されたウォームホイール９０と噛み合う。ウォームホイール９０と平歯車６６は回転フレーム（内軸）７１の回転軸ｒまわりにベアリングを介して設置されている。ウォームホイール９０は、内ウォームギア８０から平歯車６６へ動力を伝達することができる。
　図１０（Ｂ）に示すように、更なる別態様に係る差動機構７０は、図１０（Ａ）に示した差動機構７０を、さらに小型化した構成例である。この構成では、ウォームホイール９０の回転軸と、内ウォームギア８０の回転軸をほぼ一致させることができる。
　次に実施例に係る差動機構７０の作用と比較例に係る差動機構１００の作用について説明する。
　図１１（Ａ）は実施例の差動機構７０を含んだ関節装置１０の作用図であり、関節装置１０は、ホルダー２０と一体になった部分に固定された軸回転用モータ６２と、この軸回転用モータ６２に回転可能に設けられた回転フレーム７１と、この回転フレーム７１に回転可能に設けられた第２鞍状歯車６４及びこの第２鞍状歯車６４と噛み合うウォームホイール９０と、ホルダー２０に固定された歯車回転用モータ６３と、この歯車回転用モータ６３に第２ウォーム駆動歯車６３ａを介して回転可能に設けられ内側にウォームホイール９０と噛み合うようにウォーム溝が切られた円筒状の内ウォームギア８０と、ホルダー２０に回転可能に支持され第２鞍状歯車６４に噛み合う球状歯車３０と、を備えている。
　差動機構７０は、鞍状歯車６４によって球状歯車３０を歯車回転、軸回転又は停止させ、軸回転用モータ６２によって、回転フレーム７１、ウォームホイール９０、第２鞍状歯車６４及び球状歯車３０を一体的に矢印（１）のように軸回転させ、歯車回転用モータ６３によって、第２ウォーム駆動歯車６３ａを介して内ウォームギア８０を矢印（２）のように回転させつつ、ウォームホイール９０、第２鞍状歯車６４及び球状歯車３０を一般的な平歯車列のように歯車回転させる。球状歯車３０の回転３自由度のうち拘束されている回転２自由度を駆動するためには、第２鞍状歯車６４に回転２自由度が必要になる。
　図１１（Ｂ）は実施例の差動機構７０の作用図であり、入力要素としての円筒状の内ウォームギア８０の内部に、出力要素としてのウォームホイール９０を配置できる。すなわち、この一対の歯車のペアのみで、入力要素と出力要素が双方ともＡ軸に近いという、機械設計上素直な機構要素の配置を可能とした。これは、小型化と高精度化を実現する。
　図１１（Ｃ）は比較例の差動機構１００の作用図であり、比較例の差動機構１００では、傘歯車１０２では伝達先の要素（平歯車１０３）と噛み合うことができないため、傘歯車１０１から平歯車１０３へ動力を伝えるための平歯車１０４が余分に必要となる。
　この点、実施例の差動機構７０では、ウォームホイール９０が平歯車として振る舞うことができるため、伝達先の平歯車６６と噛み合うための余分な平歯車１０４が不要となる。従って、最小構成の部品点数で構成することができ、低コスト化が可能となる。さらに、高い減速比を設計できるほか、一般のウォームギアの特徴である、動力の一方通行性（セルフロック）も設計できる。
　次に、以上に述べた差動機構７０の作用、効果について説明する。
　本発明の実施例の構成において、差動機構７０は、円筒状に形成されて回転フレーム７１の外周を覆い且つ回転フレーム７１の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギア８０と、回転フレーム７１にこの回転フレーム７１の軸直交方向に回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合うウォームホイール９０と、を備えている。内ウォームギア８０は円筒状部分の内側にらせん状の歯８１が形成され、内ウォームギア８０の内側にウォームホイール９０が配置されているので、差動機構７０を小型化することができる。
　さらに、実施例の内ウォームギア８０では外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯８１を形成するため、その内方にはウォームホイール９０のみの配置で済むので、先行技術文献１に比較しても差動機構７０を小型化することができる。
　さらに、本発明では、内ウォームギア８０の外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯８１を形成するので、伝達要素（部品点数）を少なくして差動誤差を減少させることができる。このように、本発明では、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構７０を提供することができる。
　さらに、ウォームホイール９０のピニオン（歯）９２の歯面９３が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面であるので、ピッチ円上においてウォームホイール９０の軸に対して傾斜する内ウォームギア８０の歯面に滑らかに噛み合うことでき、且つ、伝達先の歯車の歯面にも滑らかに噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素と設計上の親和性が高く、またバックドライバビリティを発現させることもできる。
　さらに、ウォームホイール９０は、はすば歯車であり、歯筋がねじれているので、ピッチ円上においてウォームホイール９０の軸に対して傾斜する内ウォームギア８０の歯筋に一致して円滑に噛み合う。この場合、伝達先の歯車もはすば歯車とすることで、ウォームホイール９０は伝達先の歯車とも円滑に噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素と設計上の親和性が高く、またバックドライバビリティを発現させることもできる。
　さらに、回転フレーム７１は、ウォームホイール９０の回転軸ｅの位置を調整するウォームホイール位置調整機構（不図示）を備えている。この調整機構は、回転フレーム７１の軸ｒに対して径方向および軸方向に微動にスライドできるよう、長穴やスライダ構造が設けられている。このため、ウォームホイール位置調整機構によってウォームホイール９０の回転軸ｅの位置が調整されるので、内ウォームギア８０との間、および鞍状歯車６４との間のバックラッシの調整を容易に行うことができる。なお、上記ウォームホイール位置調整機構の構成は一例であり、これに限定されず、回転フレーム７１の軸ｒに対して径方向および軸方向に微動にスライドできれば、他の構成であっても差し支えない。
　さらに、回転フレーム７１の外形の寸法は、回転フレーム７１の軸方向視で、内ウォームギア８０の内径（歯先円直径）よりも小さい。このため、回転フレーム７１の軸方向視での、差動機構７０の最大寸法が、内ウォームギア８０の外径となるので、全体として小型化を図ることができる。
　尚、本発明は、実施例の図に示した歯車の歯数に限定されない。また、実施例では、ウォームホイール９０の伝達先を、鞍状歯車６４としたが、これに限定されず、ウォームホイール９０の伝達先を、一般的な平歯車、はすば歯車などにしてもよく、動力が伝達できれば歯車の種類は問わない。
　即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。
　また、本発明は、歯車セット及びそれを用いた関節装置、特に、支持部材と出力部材との間に設けられる回転３自由度を有する関節装置に関する。
　近年、ロボットに対する自動化が推進され、ロボットの関節の自由度は増加する傾向にある。これに伴い、一つの関節装置に多くの自由度を持たせる試みが多数なされてきている。
　このような一つの関節に回転多自由度を与える関節装置として、ワイヤ、リンク装置が存在する。しかし、ワイヤとリンク機構は、その構造上、球体の回転可能な角度が制限される。この対策として、振動子を利用して球体の回転角度を制限せずに回転させる特許文献（特開平８－０８８９８７号公報）に開示される関節装置が知られている。
　特許文献（特開平８－０８８９８７号公報）の関節装置は、略円形の開口が形成されたケーシングの空洞内に、球体状のロータが収納され、４つのステータのみによって支持されている。ステータは回転型表面振動子からなり、略皿状の外周部表面には一定ピッチで接触片が突設されると共に環状に配列されている。接触片をロータに接触させるようにしてロータが支持されており、ステータを超音波モータの原理によって振動させることで、ロータの表面がステータの円周方向に沿って移動する。この結果、ロータはステータの軸心まわりに回転し、３自由度を有する関節装置とすることができる。
　ところで、関節装置をロボットに使用した場合、ロボットには大きな負荷が掛かることがあり、この負荷は関節装置に伝達される。しかし、上記特許文献の関節装置では、ロータはステータとの間の摩擦力によって保持されているので、大きな負荷が掛かると、ステータに対してロータが滑り、力の伝達の確度が低くなることがあった。また、この対策として、歯車を使った関節装置が考えられるが、現状では単体で回転１自由度ないしは回転２自由度の歯車による関節装置しか存在せず、複数関節を組み合わせる必要性からロボットの小型化が困難であった。このため、大きなトルクを伝えることができる歯車を用いた、単体で回転３自由度を有する関節装置が求められる。
　本発明は、以上の点に鑑み、大きなトルクを伝えることができる回転３自由度の関節装置と、それに用いられる歯車セットを提供することを課題とすることもできる。
　［１］第１部材と第２部材との間に設けられる３自由度の関節装置であって、
　前記第１部材に設けられ、球体を支持可能な球状支持部が形成されたホルダーと、
　前記ホルダーの前記球状支持部に回転可能に支持され、前記球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を有すると共に前記第２部材が設けられた球状歯車と、
　前記ホルダーに設けられ、前記球状歯車を駆動する第１駆動ユニットと、
　前記ホルダーに設けられ、前記球状歯車を駆動する第２駆動ユニットと、を備え、
　前記第１駆動ユニットは、前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車と、前記第１鞍状歯車を歯車回転させると共に前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりに回転駆動させる第１駆動機構と、を備え、
　前記第１鞍状歯車は、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯と、を備え、
　前記第２駆動ユニットは、前記球状歯車に噛み合う第２鞍状歯車と、前記第２鞍状歯車を歯車回転させると共に前記球状歯車の中心及び前記第２鞍状歯車の中心を通る第２軸まわりに回転駆動させる第２駆動機構と、を備え、
　前記第２鞍状歯車は、前記球状歯車の前記第２地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記第２軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯と、を備えていることを特徴とする関節装置を提供する。
　かかる構成によれば、ホルダーに、球状歯車を駆動する第１駆動ユニット及び第２駆動ユニットが設けられている。第１駆動ユニット及び第２駆動ユニットがホルダーに固定されるので、動力源の大出力化に有利である。加えて、第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０のそれぞれが球状歯車３０に駆動力を伝えるので、力を合成できる、いわゆるパラレル機構とすることができる。また、従来技術では、球体の一部分に歯を設ける技術は見られたが、これでは可動範囲が歯を設けた狭い範囲に制限される。この点、本発明では、球体の全表面に球体の中心を通る第１地軸と第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を第１地軸まわり及び第２地軸まわりにそれぞれ切った、重ね合わさる２つの歯構造を有するので、可動範囲を制限なく大きくすることができる。
　一方、球体面の第１地軸まわり又は第２地軸まわりに切ったそれぞれの歯構造は、さながら地球儀の緯線と経線のように極点に近いほど歪む性質を持つ。つまり、一般的な平歯車との組み合わせでは、赤道部分でしか伝達が成立しない。この点、本発明では、球状歯車と噛み合い可能な第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車によってこの問題を解決した。第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は、球状歯車における歯構造の歪みに対応した、従来技術にない特殊な歯構造を有する。具体的には、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は、所定の歯幅を有しつつ、球状歯車の第１地軸又は第２地軸上の従動極点と噛み合える円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、従動極点以外で噛み合える湾曲形状の湾曲歯と、を備えている。これらの歯が、第１地軸又は第２地軸まわりに切られた球状歯車の歯構造と噛み合うことで、その歯構造を形成する軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する、力を伝達する歯車回転と、所定の歯幅を有することによる第１軸又は第２軸まわりの、力を伝達する軸回転と、緯線方向に滑って噛み合い部が移動する、力を伝達しない横スライド、という３つの相互作用が得られる。つまり、第１地軸まわりに切られた球状歯車の歯構造と噛み合わさった鞍状歯車は、球状歯車の回転３自由度のうち第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束することができ、同様にして第２地軸まわりの歯構造と噛み合わさった鞍状歯車は、球状歯車の回転３自由度のうち第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束することができる。このため、鞍状歯車は、球状歯車の赤道部分だけでなく従動極点においても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。
　さらに、本発明では、適切な自由度設計方法として、球状歯車が有する２つの歯構造に対して回転２自由度を有する２つの鞍状歯車を適切に配置したことで、球状歯車の回転３自由度の駆動を実現した。具体的には、１つの球状歯車に対して第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車を設置し、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は球状歯車の第１地軸及び第２地軸まわりの２つの歯構造にそれぞれ対応することとした。加えて、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車はそれぞれ、第１駆動ユニットの第１駆動機構又は第２駆動ユニットの第２駆動機構に組み込まれて回転２自由度の駆動能力を与えられることによって、球状歯車が有する回転３自由度のうちそれぞれが拘束している２自由度を駆動する。球状歯車の２つの歯構造は位相差を有することにより、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車による合計４つの駆動される自由度が球状歯車に適切に配置され、球状歯車の回転３自由度を常に全て拘束（駆動）することが可能となる。このように、本発明では、大きなトルクを伝えることができる歯車の噛み合いに基づいた回転３自由度の関節装置とすることができる。
　［２］好ましくは、前記球状歯車の前記歯構造は、前記第１地軸上の２つの従動極点の間の中間部分で平歯車と噛み合い、前記第１地軸上の前記従動極点に近づくにつれて曲率が大きくなる形状であり、
　前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車は、前記駆動極点歯から前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車の周方向へ離れるにつれて前記湾曲歯の歯面の曲率が小さくなる関節装置を提供する。
　かかる構成によれば、球状歯車のそれぞれの部分の歯の形状に対応させて、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車の歯の形状を合わせることができ、球状歯車の全周に亘って連続的に噛み合うことができる。
　［３］好ましくは、前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、前記第１鞍状歯車又は前記第２鞍状歯車を歯車回転させるための歯車回転用モータと、前記第１軸まわりの回転駆動又は前記第２軸まわりの回転駆動を行うための軸回転用モータと、前記第１鞍状歯車又は第２鞍状歯車と前記歯車回転用モータ及び前記軸回転用モータとの間に設けられた差動機構と、をそれぞれ備えている関節装置を提供する。
　かかる構成によれば、鞍状歯車と、歯車回転用モータ及び軸回転用モータとの間に差動機構を設けたので、歯車回転用モータ及び軸回転用モータを全て前記第１部材に固定しつつ球状歯車の回転３自由度を全て拘束又は駆動することができる。
　［４］好ましくは、前記第１駆動機構の前記歯車回転用モータの回転軸及び前記軸回転用モータの回転軸は、前記第１軸と直交方向に配置され、
　前記第２駆動機構の前記歯車回転用モータの回転軸及び前記軸回転用モータの回転軸は、前記第２軸と直交方向に配置されている関節装置を提供する。
　かかる構成によれば、第１駆動機構の配置方向を第１軸方向に対して直交方向とし、第２駆動機構の配置方向を第２軸方向に対して直交方向としたので、装置の外方への出っ張りを小さくし、関節装置全体を小型化することができる。
　［５］好ましくは、前記第１鞍状歯車又は前記第２鞍状歯車と噛み合う前記球状歯車の歯数は、前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車の歯数の１倍又は２倍である関節装置を提供する。
　かかる構成によれば、球状歯車の従動極点に第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車の駆動極点を一致させることができる。
　［６］好ましくは、前記関節装置は、汎用ロボットに適用されている関節装置を提供する。
　かかる構成によれば、関節装置を汎用ロボットに適用することで、汎用ロボットの一つの関節において３自由度とし、関節の数を減らした上で大きなトルクも伝達することができる。
　［７］また、本発明は、球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわりに切った歯構造を有する球状歯車と、
　前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車であって、
　前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第１鞍状歯車と、から構成される歯車セットを提供する。
　かかる構成によれば、第１鞍状歯車は、球状歯車の従動極点においても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。
　［８］また、本発明は、球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を有する球状歯車と、
　前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第１鞍状歯車と、
　前記球状歯車に噛み合う第２鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第２地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第２鞍状歯車の中心を通る第２軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の前記駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第２鞍状歯車と、
から構成される歯車セットを提供する。
　かかる構成によれば、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は、球状歯車の従動極点においても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。
　また、発明の効果としては次の事が言える。
　大きなトルクを伝えることができる回転３自由度の歯車セット、及びそれを用いた関節装置を提供することができる。
　本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は、関節装置の概略構成を概念的（模式的）に示す図面も含むものとする。本明細書において、球体の中心を貫通する直線を（第１もしくは第２）「地軸」といい、球状歯車の中心及び（第１もしくは第２）鞍状歯車の中心を通る直線を（第１もしくは第２）「軸」という。第１及び第２地軸のうち、一実施形態としての直交する２つの地軸を「ｒ軸」及び「ｅ軸」と呼ぶことがある。また、第１及び第２軸のうち、一実施形態としての直交する２つの軸を「Ｘ軸」及び「Ｙ軸」と呼ぶことがある。
　次に、別態様に係る関節装置１０及び第１駆動ユニット４０、第２駆動ユニット６０について説明する。なお、図１、図２と基本構成は同じであるので同様の部品については符号を振って説明を省略する。
　図１２、図１３に示すように、第１駆動ユニット４０は、第１駆動機構４１の配置方向がＸ軸方向に沿っている。第２駆動ユニット６０は、第２駆動機構６１の配置方向がＹ軸方向に沿っている。ホルダー２０は、正面側のみが大きく開口している。このように第１駆動機構４１及び第２駆動機構６１をＸ軸及びＹ軸にそれぞれ沿って配置したり、ホルダー２０の開口の位置、大きさを変更したりすることで、設計の自由度を広げてロボットの用途に応じた態様にすることができる。
　次に本発明に係る球状歯車３０の基本構成を説明する。
　図１４の（ａ）に示すように、球体３１に中心を通る任意の第１地軸（ｒ軸）が配置されている。球体３１の全表面３２に、ｒ軸を含む仮想平面に平歯車の輪郭３３を形成する。
　図１４の（ｂ）に示すように、平歯車の輪郭３３を、ｒ軸まわりに切った歯３４を形成する。そうすると、図１４の（ｃ）に示すような歯構造を有する、仮の球状歯車３０ａが得られる。この球状歯車３０ａは従動歯車であり、ｒ軸上に従動極点３４ａが形成されている。この球状歯車３０ａを地球儀に見立てると、赤道３５付近の歯形状は整っており、従動極点３４ａに近いほど歯形状が歪む。このため、一般的な平歯車３６では仮の球状歯車３０ａに対し全周にわたって噛み合うことができない。
　次に、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４について説明する。なお、以降では便宜上第１鞍状歯車４４のみを説明し、第２鞍状歯車６４の構成は球状歯車３０のｅ軸に対して同様のものとして説明を省略する。
　図１５の（ａ）、（ｂ）に示すように、第１鞍状歯車４４は、球状歯車３０ａ（３０）のｒ軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、Ｘ軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、球状歯車３０ａ（３０）の回転３自由度のうちｒ軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯５１と、歯面が湾曲形状（第１鞍状歯車４４の周方向に沿って、駆動極点歯５１に向かって凹になるような湾曲形状）の湾曲歯５２と、所定の歯幅Ｗと、を備えている。これら複数の湾曲歯５２の湾曲形状の曲率は、駆動極点歯５１から１８０°回転した位置（駆動極点歯５１とは反対側の極）で最も小さく、駆動極点歯５１に近い位置の湾曲歯であるほど大きくなっている。なお、歯車回転の方向と横スライドの方向は、従動極点３４ａを地球の北極として見たとき、歯車回転の方向が経線方向となり、横スライドの方向が緯線方向となる。
　第１鞍状歯車４４は、球状歯車３０ａ（３０）と噛み合うことのできる独特な歯車構造を有している。第１鞍状歯車４４の１つだけで、球状歯車３０ａ（３０）が有する回転３自由度のうち２自由度を拘束することができる。
　次に、第１鞍状歯車４４の歯面の形状を説明する。
　図１６の（ａ）に示すように、仮想的に粘土状の球体５３を考え、この粘土状の球体５３に歯を形成する過程を説明することで第１鞍状歯車４４の歯面の形状を以下明らかにする。球状歯車３０ａ（３０）の半分程度の直径である粘土状の球体５３を用意し、（ｂ）に示すように、球状歯車３０ａに押し付け、球状歯車３０ａの中心を中心とする円の円周に沿って、球面上を転がしながら移動させる。すると、（ｃ）に示すように、球状歯車３０ａの歯３４の形状が転写され、（ｄ）に示すように、第１鞍状歯車４４における駆動極点歯５１及び湾曲歯５２の歯構造が得られる。
　次に、球状歯車３０のｒ軸及び前記ｒ軸に直交するｅ軸まわりに歯を形成した場合の基本構成を説明する。
　図１７の（ａ）に示すように、球体３１の第１地軸（ｒ軸）及び第２地軸（ｅ軸）を含む仮想平面に平歯車の輪郭３３を形成し、平歯車の輪郭３３をｒ軸まわりに回して切ることで、（ｂ）に示すような歯構造を得る。さらに、平歯車の輪郭３３をｅ軸まわりに回して切る。このようにして、位相差を有して交差する第１地軸と第２地軸（本実施例では直交するｒ軸とｅ軸）を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭３３をｒ軸まわり及びｅ軸まわりにそれぞれ切ると、（ｃ）に示すように、ｒ軸まわり及びｅ軸まわりにそれぞれ切られた歯３４を有する球状歯車３０が得られる。
　図１７の（ｄ）に示すように、第１鞍状歯車４４の周方向に沿った輪郭５４は、平歯車の輪郭３３の１／２周に対応し、上記に説明した球状歯車３０の歯３４と噛み合う。
　図１８の（ａ）に示すように、直交して９０度だけ位相のずれを持つ歯３４を重ね合わせた球状歯車３０が得られ、（ｂ）に示すように、９０度だけずれた各位相に対して、第１鞍状歯車４４と第２鞍状歯車６４をそれぞれ噛み合わせる。なお、本実施例では、第１地軸及び第２地軸を、位相が９０度ずれたｒ軸及びｅ軸としているが、第１地軸及び第２地軸の位相差は９０度に限定されず、例えば、３０度、４５度、６０度等の任意の位相差を有していても良い。これらの位相差を有する第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を形成することができる。球状歯車３０に対し第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４を噛み合わせることで、球状歯車３０が有する回転３自由度を全て拘束又は駆動することができる。また、球状歯車３０の、第１鞍状歯車４４と噛み合う歯数は、第１鞍状歯車４４の歯数の１倍又は２倍である。これにより、球状歯車３０の従動極点３４ａに第１鞍状歯車４４の駆動極点（駆動極点歯５１）を一致させることができる。
　次に、以上に述べた基本構成に係る関節装置１０の作用を説明する。
　図１、図２に示すように、第１駆動ユニット４０の軸回転用モータ４２及び歯車回転用モータ４３を駆動させて第１鞍状歯車４４を回動させることで、球状歯車３０を回転させる。第１駆動ユニット４０の可動を停止させることで第１鞍状歯車４４により球状歯車３０の回転２自由度を拘束し、この状態で第２駆動ユニット６０を駆動させると、球状歯車３０の残りの１自由度を駆動することができる。さらに、第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０の可動を停止させることで、球状歯車３０の回転３自由度全てを拘束し、固定した状態にすることができる。
　次に、以上に述べた関節装置１０の作用、効果について説明する。
　本発明の実施例の構成において、関節装置１０は、ホルダー２０に、球状歯車３０を駆動する第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０が設けられている。第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０がホルダー２０に固定されるので、動力源の大出力化に有利である。加えて、第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０のそれぞれが球状歯車３０に駆動力を伝えるので、力を合成できる、いわゆるパラレル機構とすることができる。また、従来技術では、球体の一部分に歯を設ける技術は見られたが、これでは可動範囲が歯を設けた狭い範囲に制限される。この点、本発明では、球体３１の全表面３２に球体３１の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭３３を第１地軸まわり及び第２地軸まわりにそれぞれ切った２つの歯構造を有するので、可動範囲を制限なく大きくすることができる。
　さらに、本発明の実施例では、球状歯車３０と噛み合い可能な第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４を備える。第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４は、球状歯車３０における歯構造の不可避の歪みに対応した、従来技術にない特殊な歯構造を有する。具体的には、第１鞍状歯車４４は、球状歯車３０ａ（３０）の第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、球状歯車３０ａ（３０）の回転３自由度のうち第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯５１と、歯面が湾曲形状（第１鞍状歯車４４の周方向に沿って、駆動極点歯５１に向かって凹になるような湾曲形状）の湾曲歯５２と、所定の歯幅Ｗと、を備えている。第２鞍状歯車６４も同様である。このため、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４は、球状歯車の赤道部分だけでなく従動極点３４ａにおいても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。
　さらに、本発明の実施例では、適切な自由度設計方法として、球状歯車３０が有する２つの歯構造に対して回転２自由度を有する２つの鞍状歯車を適切に配置したことで、球状歯車の回転３自由度の駆動を実現した。具体的には、１つの球状歯車３０に対して第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４を設置し、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４は球状歯車３０の第１地軸及び第２地軸まわりの２つの歯構造にそれぞれ対応することとした。加えて、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４はそれぞれ、第１駆動ユニット４０の第１駆動機構４１又は第２駆動ユニット６０の第２駆動機構６１に組み込まれて回転２自由度の駆動能力を与えられることによって、球状歯車３０が有する回転３自由度のうち、それぞれが拘束している２自由度を駆動する。球状歯車３０の２つの歯構造は位相差を有しているために、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４による合計４つの駆動される自由度が球状歯車３０に適切に配置され、球状歯車３０の回転３自由度を常に全て拘束（駆動）することが可能となる。このように、本発明では、大きなトルクを伝えることができる歯車の噛み合いに基づいた回転３自由度の関節装置１０とすることができる。
　さらに、球状歯車３０のそれぞれの部分の歯の形状に対応させて、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４の歯の形状を合わせることができ、球状歯車３０の全周に亘って連続的に噛み合うことができる。
　さらに、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４と、軸回転用モータ４２、６２及び歯車回転用モータ４３、６３との間に差動機構５０、７０を設けたので、軸回転用モータ４２、６２及び歯車回転用モータ４３、６３を全て第１部材１１に固定しつつ球状歯車３０の回転３自由度を全て拘束又は駆動することができる。
　このとき、制御アルゴリズムとして、球状歯車３０の３自由度を実現させるためのモータ制御アルゴリズムを採用する。本発明の実施例では入力アクチュエータとして４つのモータを使用するが、それらの回転角度は簡潔な逆運動学的計算で得ることが可能である。また、従来技術の球面モータのように多数の電磁石を駆動することもないため、従来技術と同様のモータ制御システムを使用可能である。
　さらに、関節装置１０は、汎用ロボットに適している。関節装置１０を汎用ロボットに適用することで、汎用ロボットの一つの関節で３自由度として関節の数を減らした上で大きなトルクも伝達することができる。従来技術においては、モータを全て固定しつつ回転３自由度を有する、滑りがなく大出力を伝達可能、そして回転角度の範囲が広い、という特徴を全て満たす技術は存在しない。従って、本発明に特有の効果のひとつに、ロボットアームのような大出力・多自由度・大作業域システムの関節部の小型軽量化、それに伴う剛性の低減によるコスト削減や運用時のエネルギー効率の向上が挙げられる。加えて、人形ロボットのような審美性を重視するロボットや、ソフトロボットのように剛体部分を極力減らしたいロボットであれば、従来の３関節のシリアルリンク機構を１関節にできるという点で、本発明はより効果的である。
　さらに、球状歯車３０、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車から構成される歯車セットは、組み合わせた際に、従動極点３４ａにおいても第１鞍状歯車４４と球状歯車３０との噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。
　さらに、歯車セットでは、１つの球状歯車３０に対して第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４を設置し、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４は球状歯車３０の第１地軸及び第２地軸まわりに形成した２つの歯構造にそれぞれ対応することとした。加えて、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４はそれぞれ、第１駆動ユニット４０の第１駆動機構４１又は第２駆動ユニット６０の第２駆動機構６１に組み込まれて回転２自由度の駆動能力を与えられることによって、球状歯車３０が有する回転３自由度のうち、それぞれが拘束している２自由度を駆動する。球状歯車３０の２つの歯構造は位相差を有するために、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４による合計４つの駆動される自由度が球状歯車３０に適切に配置され、球状歯車３０の回転３自由度を常に全て拘束（駆動）することが可能となる。このように、本発明では、大きなトルクを伝えることができる歯車の噛み合いに基づいた回転３自由度の歯車セットとすることができる。
　尚、本発明は、実施例の図に示した歯車の歯数に限定されない。球状歯車３０の歯数と第１鞍状歯車４４、第２鞍状歯車６４の歯数を同一にしても差し支えない。また、実施例では、第１部材１１を支持部材としたが、これに限定されず、第１部材１１を壁や天井等としてもよい。また、実施例では、第２部材１２を軸状の出力部材としたが、これに限定されず、出力部材に代えてカメラやセンサー等を備えてもよい。例えば、図１及び２における第２部材１２に代えてカメラを取り付け、これらのカメラを含む歯車セットを監視カメラやドローンに搭載することにより、撮影角度を全方向に制御可能な撮影装置を得ることができる。
　即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。本発明は、産業用の汎用ロボットに好適である。
　本発明は、産業用の汎用ロボットの差動機構に好適である。
　４１ａ、６１ａ…本体フレーム、４４、６４…鞍状歯車、５０、７０…差動機構、６６…平歯車（はすば歯車）、７１…回転フレーム、８０…内ウォームギア、８１…内ウォームギアの歯、９０…ウォームホイール９０（はすば歯車）、９２…ウォームホイールの歯、９３…歯面（クラウニング歯面）。

Claims (6)

  1. 　本体フレームに回転可能に設けられた回転フレームと、円筒状に形成されて前記回転フレームの外周を覆い且つ前記回転フレームの同軸上に回転可能に設けられ前記円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、前記回転フレームにこの回転フレームの軸直交方向に回転可能に設けられ前記内ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、を備え、
    　前記回転フレーム及び前記内ウォームギアの２つの回転入力に対して、前記ウォームホイールが前記回転フレームと同軸のロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行うことを特徴とする差動機構。
  2. 　請求項１記載の差動機構であって、
    　前記ウォームホイールは、その歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である差動機構。
  3. 　請求項１記載の差動機構であって、
    　前記ウォームホイールは、はすば歯車である差動機構。
  4. 　請求項１記載の差動機構であって、
    　前記回転フレームは、前記ウォームホイールの位置を調整するウォームホイール位置調整機構を備えている差動機構。
  5. 　請求項１記載の差動機構であって、
    　前記内ウォームギアは、条数が１又は２以上である差動機構。
  6. 　請求項１記載の差動機構であって、
    　前記回転フレームの外形の寸法は、前記回転フレームの軸方向視で、前記内ウォームギアの内径よりも小さい差動機構。

     
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