(57)【要約】【課題】  ロボットの駆動系への使用に適した、構造が比較的単純でかつ小型化された多段変速装置を提供する。【解決手段】  ２段変速機１０は、減速比の異なる２つの動力伝達系２０及び４０を有し、各動力伝達系はそれぞれ第１及び第２遊星歯車装置２４及び４４を有する。モータ１２の回転方向切替えと各遊星歯車装置の遊星歯車２４４及び４４４の公転の可否の切替えとにより、２段変速機を正転、逆転、回転制動及び自由回転のいずれかの動作状態にすることができる。【選択図】      図２
2006220272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸と、出力軸と、該入力軸から該出力軸に動力伝達するための、互いに変速比の異なる少なくとも２つの動力伝達系と、を有する多段変速装置であって、
前記少なくとも２つの動力伝達系のいずれか１つのみを動力伝達可能にすることによって第１の変速比での動力伝達を行い、
前記いずれか１つの動力伝達系以外の他の１つの動力伝達系のみを動力伝達可能にすることによって、前記第１の変速比と異なる第２の変速比での動力伝達を行い、
前記少なくとも２つの動力伝達系のうち２つ以上の動力伝達系を同時に動力伝達可能にすることによって、前記入力軸及び前記出力軸を停止させる、
多段変速装置。
【請求項２】
前記少なくとも２つの動力伝達系の各々は、前記入力軸に取付けられる入力ホイールと、前記出力軸に取付けられるとともに前記入力ホイールと間接又は直接に常時係合する出力ホイールと、遊星歯車装置とを有し、前記入力ホイール及び前記出力ホイールの一方は前記遊星歯車装置を介して対応する軸に取付けられ、前記入力ホイール及び前記出力ホイールの他方は対応する他の軸に固定的に取付けられ、前記遊星歯車装置の太陽歯車、遊星歯車及び内歯車の３要素のいずれか１つは選択的に固定可能であり、
前記少なくとも２つの動力伝達系のいずれか１つの遊星歯車装置の前記３要素の１つを固定し、他の動力伝達系の遊星歯車装置の前記３要素は全て自由にし、固定された要素を含む遊星歯車装置を備えた動力伝達系によって前記第１の変速比での動力伝達を行い、
前記３要素の１つが固定される遊星歯車装置を他の遊星歯車装置に変更することにより、前記第２の変速比での動力伝達を行い、
前記少なくとも２つの動力伝達系のうち２つ以上の遊星歯車装置の前記３要素の１つを固定することによって、前記入力軸及び前記出力軸を停止させる、請求項１に記載の多段変速装置。
【請求項３】
前記少なくとも２つの動力伝達系の遊星歯車装置の全ての前記３要素が自由であるときは前記出力軸が自由回転可能になる、請求項２に記載の多段変速装置。
【請求項４】
前記遊星歯車装置の太陽歯車、遊星歯車及び内歯車の３要素のいずれか１つの固定は、前記太陽歯車及び前記内歯車の回転並びに前記遊星歯車の公転のいずれか１つを制動可能なストッパにより行われる、請求項２又は３に記載の多段変速装置。
【請求項５】
前記ストッパはソレノイドにより駆動される、請求項４に記載の多段変速装置。
【請求項６】
前記ストッパはカムにより駆動される、請求項４に記載の多段変速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段変速装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、二足歩行等の歩行運動を行うロボットの駆動系においては、ロボットの脚が自重を支持する状態すなわち支持脚相では大きな力が必要とされるが、高速駆動は必要ない。逆に脚が浮いている状態すなわち遊脚相では大きな力は必要ないが、脚が高速で移動することが好ましい。従って駆動系には２段又はそれ以上の多段変速機が組み込まれることが望ましいが、従来の多段変速機は典型的には自動車のトランスミッションに使用されるものであり、これは大型かつ重いため、ロボットの駆動系への使用は不適当である。そこで小型の多段変速機が望まれるが、例えば非特許文献１には、磁気カップリングを用いた負荷感応型２段変速機が記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】日本機会学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’９７講演論文集、８９１〜８９２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように従来の多段変速機は、大幅な小型化及び軽量化が達成できないと歩行ロボット等への実用は困難である。変速機における速度切替えには、例えば図６に示すように複数のクラッチを使用することもできる。図６が示す２段変速機は２つのクラッチＣを有し、２つのクラッチＣの切替え操作によってモータＭからボールねじＳへの減速比を変えることができる。しかしながら、一般にロボット駆動系に必要とされる十分な伝達トルクを得るにはかなり大型かつ重いクラッチが必要であり、故に変速機全体も大型かつ重いものとなり、やはり実用的でない。従って、ロボットの駆動系には減速比の固定された減速機を使用する場合が多く、その場合は先ず何より自重を支えることが優先されるため、支持脚相優先の大きな減速比の変速機を採用せざるを得ず、遊脚相の動作が鈍重になってしまうのが実情である。また非特許文献１に記載の磁気カップリングを用いた２段変速機は小型化を図るものであるが、負荷感応型とするために磁気カップリングというやや複雑な機構を必要とする。
【０００５】
そこで本発明は、ロボットの駆動系への使用に適した、構造が比較的単純でかつ小型化された多段変速装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、入力軸と、出力軸と、該入力軸から該出力軸に動力伝達するための、互いに変速比の異なる少なくとも２つの動力伝達系と、を有する多段変速装置であって、前記少なくとも２つの動力伝達系のいずれか１つのみを動力伝達可能にすることによって第１の変速比での動力伝達を行い、前記いずれか１つの動力伝達系以外の他の１つの動力伝達系のみを動力伝達可能にすることによって、前記第１の変速比と異なる第２の変速比での動力伝達を行い、前記少なくとも２つの動力伝達系のうち２つ以上の動力伝達系を同時に動力伝達可能にすることによって、前記入力軸及び前記出力軸を停止させる、多段変速装置を提供する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の多段変速装置であって、前記少なくとも２つの動力伝達系の各々は、前記入力軸に取付けられる入力ホイールと、前記出力軸に取付けられるとともに前記入力ホイールと間接又は直接に常時係合する出力ホイールと、遊星歯車装置とを有し、前記入力ホイール及び前記出力ホイールの一方は前記遊星歯車装置を介して対応する軸に取付けられ、前記入力ホイール及び前記出力ホイールの他方は対応する他の軸に固定的に取付けられ、前記遊星歯車装置の太陽歯車、遊星歯車及び内歯車の３要素のいずれか１つは選択的に固定可能であり、前記少なくとも２つの動力伝達系のいずれか１つの遊星歯車装置の前記３要素の１つを固定し、他の動力伝達系の遊星歯車装置の前記３要素は全て自由にし、固定された要素を含む遊星歯車装置を備えた動力伝達系によって前記第１の変速比での動力伝達を行い、前記３要素の１つが固定される遊星歯車装置を他の遊星歯車装置に変更することにより、前記第２の変速比での動力伝達を行い、前記少なくとも２つの動力伝達系のうち２つ以上の遊星歯車装置の前記３要素の１つを固定することによって、前記入力軸及び前記出力軸を停止させる、多段変速装置を提供する。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の多段変速装置であって、前記少なくとも２つの動力伝達系の遊星歯車装置の全ての前記３要素が自由であるときは前記出力軸が自由回転可能になる、多段変速装置を提供する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の多段変速装置において、前記遊星歯車装置の太陽歯車、遊星歯車及び内歯車の３要素のいずれか１つの固定は、前記太陽歯車及び前記内歯車の回転並びに前記遊星歯車の公転のいずれか１つを制動可能なストッパにより行われる、多段変速装置を提供する。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の多段変速装置において、前記ストッパはソレノイドにより駆動される、多段変速装置を提供する。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の多段変速装置において、前記ストッパはカムにより駆動される、多段変速装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、クラッチを有さず遊星歯車装置を使用することにより、全体の小型化かつ軽量化が図られた比較的単純な構造の多段変速装置を提供するとともに、正転、逆転、回転制動及び自由回転の４つの状態の切替えを簡易な方法で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明に係る多段変速装置の好適な実施形態である２段変速機１０を示す上面図及び側断面図である。なお図２は図１の２−２線における断面図であり、図１は図２に示す変速機１０の天板１１を明瞭化のために除去した図である。図２に示すように、２段変速機１０は、モータ又はアクチュエータ１２に連結された入力軸１４と、入力軸１４に平行に配置されたボールねじ等の出力軸１６との間に配置され、モータ１２の回転動力を出力軸１６に伝達する。
【００１４】
２段変速機１０は、図２に示すように、２つの動力伝達系すなわち高速伝達系２０及び低速伝達系４０を備える。高速伝達系２０は、入力軸１４に固定される入力ホイール例えば第１プーリ２２と、出力軸１６に取付けられる第１遊星歯車装置２４と、第１遊星歯車装置２４に取付けられる出力ホイール例えば第２プーリ２６とを有する。第１遊星歯車装置２４は、太陽歯車２４２、遊星歯車２４４及び内歯車（リング歯車）２４６を有し、本実施形態では、太陽歯車２４２が出力軸１６に固定され、内歯車２４６が第２プーリ２６に固定される。第１プーリ２２と第２プーリ２６とは、平ベルト、Ｖベルト又はタイミングベルト等の適当なベルト２８により連結される。もちろんプーリ及びベルトの代わりに歯車及びチェーンを用いてもよい。
【００１５】
遊星歯車２４４はシャフト２９等の適当な連結手段を介して出力軸１６を中心とする遊星歯車キャリヤ（本実施例では平歯車）３０に接続され、図１に示すように、平歯車３０は適所に配置された第１ソレノイド３２に連結された可動の第１ストッパ３４により回転制動可能である。より詳細には、第１ストッパ３４の爪３６が平歯車３０の歯に係合する方向に第１ストッパ３４を付勢する板ばね等の第１付勢手段３８を適所に配設し、第１ソレノイド３２は作動時に第１ストッパ３４を、その爪３６が板ばね３８の付勢力に逆らって平歯車の歯から離れる方向に動かすことができる。このような構成によれば、遊星歯車２４２は、第１ストッパ３４が平歯車３０の回転を制動しているときは公転せず、この状態で内歯車２４６から太陽歯車２４２への動力伝達が可能になる。逆に第１ストッパ３４の爪３６が第１ソレノイド３２によって平歯車３０の歯から離れているときは、遊星歯車２４２は公転自在なので内歯車２４６から太陽歯車２４２への動力伝達がなされず、非動力伝達状態いわゆるニュートラル状態になる。なお本実施形態では、太陽歯車２４２を出力側、内歯車２４６を入力側とし、遊星歯車２４４の公転を固定可能としているが、他の組み合わせでももちろんよい。
【００１６】
低速伝達系４０も、高速伝達系２０と概ね同様の構成を有する。すなわち低速伝達系４０は、入力軸１４に取付けられる第２遊星歯車装置４４と、第２遊星歯車装置４４に取付けられる入力ホイール例えば第３プーリ４２と、出力軸１６に固定される出力ホイール例えば第４プーリ４６とを有する。第２遊星歯車装置４４は、太陽歯車４４２、遊星歯車４４４及び内歯車４４６を有し、本実施形態では、太陽歯車４４２が入力軸１４に固定され、内歯車４４６が第３プーリ４２に固定される。第３プーリ４２と第４プーリ４６とは、平ベルト、Ｖベルト又はタイミングベルト等の適当なベルト４８により連結される。もちろんプーリ及びベルトの代わりに歯車及びチェーンを用いてもよい。
【００１７】
遊星歯車４４４はシャフト４９等の適当な連結手段を介して入力軸１４を中心とする遊星歯車キャリヤ（本実施例では平歯車）５０に接続され、図１に示すように、平歯車５０は適所に配置された第２ソレノイド５２に連結された可動の第２ストッパ５４により回転制動可能である。より詳細には、第２ストッパ５４の爪５６が平歯車５０の歯に係合する方向に第２ストッパ５４を付勢する板ばね等の第２付勢手段５８を適所に配設し、第２ソレノイド５２は作動時に第２ストッパ５４を、その爪５６が板ばね５８の付勢力に逆らって平歯車の歯から離れる方向に動かすことができる。またソレノイドの代わりに、カム及びカムを駆動する小型モータを利用したカム機構を用いてもよい。このような構成によれば、遊星歯車４４２は、第２ストッパ５４が平歯車５０の回転を制動しているときは公転せず、この状態で太陽歯車４４２から内歯車４４６への動力伝達が可能になる。第２ストッパ５４の爪５６が第２ソレノイド５２によって平歯車５０の歯から離れているときは、遊星歯車４４２は公転自在なので太陽歯車４４２から内歯車４４６への動力伝達がなされず、いわゆるニュートラルの状態になる。なお本実施形態では、太陽歯車４４２を入力側、内歯車４４６を出力側とし、遊星歯車４４４を固定しているが、他の組み合わせでももちろんよい。高速伝達系２０及び低速伝達系４０それぞれの減速比は、プーリ径及び遊星歯車装置の各歯車の歯数によって任意に設定可能である。
【００１８】
次に２段変速機１０の作動形態について説明する。２段変速機を第１の変速比すなわち高速で使用する場合は、第１遊星歯車装置２４を動力伝達可能にして第２遊星歯車装置４４をニュートラルにすればよいので、第１ソレノイド３２は作動させず（すなわち第１ストッパ３４が平歯車３０の回転を抑制）、第２ソレノイド５２を作動させ（すなわち第２ストッパ５４が平歯車５０を回転可能にする）ればよい。逆に、２段変速機を第２の変速比すなわち低速で使用する場合は、第２遊星歯車装置４４を動力伝達可能にして第１遊星歯車装置２４をニュートラルにすればよいので、第２ソレノイド５２は作動させず（すなわち第２ストッパ５４が平歯車５０の回転を抑制）、第１ソレノイド３２を作動させ（すなわち第１ストッパ３４が平歯車３０を回転可能にする）ればよい。また高速時及び低速時それぞれについて逆回転動作を行う場合は、モータ１２の回転方向を逆転させればよい。
【００１９】
本発明の２段変速機において回転制動を行う場合は、２つのソレノイド３２及び５２をいずれも作動させず、すなわち２つの平歯車３０及び５０をいずれも回転不能とすればよい。この場合、高速伝達系２０及び低速伝達系４０のいずれも入力軸１４から出力軸１６へ動力伝達しようとするが、両者の減速比は互いに異なるので、結果として入力軸１４及び出力軸１６はいずれも回転できずブレーキがかかった状態となる。従ってこの２段変速機においては、２つの動力伝達系２０及び４０が協働してブレーキ機構を構成することができ、ブレーキ機構を別途必要としないにも関わらず、確実に出力軸の回転すなわち駆動を停止させることができる。これは大きな長所である。
【００２０】
一方、２つのソレノイド３２及び５２をいずれも作動させると、２つの平歯車３０及び５０はいずれも回転可能になり、高速伝達系２０及び低速伝達系４０のいずれも動力伝達せず、結果として２段変速機全体をニュートラル状態とすることができる。ただしロボット制御等においてニュートラル状態（すなわち出力軸が自由に回転できる状態）になることが危険とされる場合は、高速伝達系２０及び低速伝達系４０の双方が同時に非動力伝達状態になることを防止する制御をして、ロボットとして安全な動作を実現することもできる。
【００２１】
なお高速伝達系２０及び低速伝達系４０それぞれの変速比は、プーリ及び遊星歯車装置の各変速比の組み合わせにより任意に選定できる。例えば、高速伝達系２０の場合、第１プーリ２２と第２プーリ２６との変速比を１／３、第１遊星歯車装置２４の変速比を３とすれば全体の変速比は１／３×３＝１となり、低速伝達系４０の場合、第２遊星歯車装置４４の変速比を１／３、第３プーリ４２と第４プーリ４６との変速比を２／３とすれば全体の変速比は１／３×２／３＝２／９となる。
【００２２】
上述の図１及び図２に示す実施形態においては、一方の遊星歯車装置が出力軸側に設けられ、他方の遊星歯車装置が入力軸側に設けられているが、例えば図３に示すように、遊星歯車装置２４及び４４の双方が入力軸１４側及び出力軸１６側のいずれかに設けられてもよい（図３はいずれも入力軸１４側に設けられた形態を図示）。この場合、２つのストッパ３４及び５４はいずれも入力軸１４側に設けられ、これらのストッパの作動状態の組合わせによって上述の４つの作動形態（高速、低速、制動及びニュートラル）を実現することができる。なお図３は、低減速比の状態を示す。
【００２３】
図１及び図２に示す実施形態では、遊星歯車の要素固定のためにストッパ及びソレノイドを使用しているが、例えば図４に示すように、ソレノイドの代わりにカム機構を用いてもよい。図４に示す実施形態では、２つのストッパとして第１及び第２ブレーキシュー１３４及び１５４を設け、各ブレーキシューは第１及び第２アーム１３６及び１５６にそれぞれ取付けられる。各アームはその一端を固定シャフト１３８に枢結され、他端にはロッド１４０及び１６０がそれぞれ取付けられる。各ロッドは、固定プレート１４２に相対移動可能に保持される。第１及び第２スプリング１４４及び１６４はそれぞれ、第１及び第２アーム１３６及び１５６を、第１及び第２ブレーキシュー１３４及び１５４が平歯車１３０及び１５０に当接する方向（すなわち平歯車を制動するように）に付勢する。第１及び第２カム１４６及び１６６は、それぞれ第１及び第２アーム１３６及び１５６に当接して、スプリングの付勢力に逆らって第１及び第２ブレーキシュー１３４及び１５４がそれぞれ平歯車１３０及び１５０から離れさせることができる。第１及び第２カム１４６及び１６６の動作は、例えば図示しない小型モータによって行うことができる。また第１及び第２カム１４６及び１６６の回り過ぎを防止して適切な回転動作範囲を得るために、巻きばね１４８及び１６８をそれぞれ設けることが好ましい。なお図４は、図３に対応した低減速比の状態を示す。
【００２４】
図５は、カム機構を用いた本発明の実施形態の変形例を示す。図４の実施形態と異なる点は、第１及び第２スプリング１４４′及び１６４′がそれぞれ第１及び第２アーム１３６′及び１５６′を、第１及び第２ブレーキシュー１３４′及び１５４′がそれぞれ平歯車１３０′及び１５０′から離れる方向に付勢し、逆に第１及び第２カム１４６′及び１６６′がそれぞれ第１及び第２アーム１３６′及び１５６′に当接したときは、第１及び第２ブレーキシュー１３４′及び１５４′がそれぞれ平歯車１３０′及び１５０′を制動することである。なお図５も、図３に対応した低減速比の状態を示す。
【００２５】
以上説明したように、本発明は、比較的大型のクラッチを必要とせず、主として単純な遊星歯車装置からなる小型かつ軽量の多段変速装置を提供する。このような多段変速装置は例えば、歩行運動を行うロボットに応用することができ、上述の支持脚相では減速比を大きくし、遊脚相では減速比を小さくして、効率的な歩行運動を実現することができる。また複数の遊星歯車装置を動力伝達状態にすることによって、確実なブレーキ効果を得ることもできる。なお説明した実施形態は２段変速機であるが、同様の考え方により３段以上の多段変速装置を実現することが可能であることは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る多段変速装置の好適な実施形態である２段変速機の概略上面図である。
【図２】図１の２−２線における断面図である。
【図３】本発明に係る多段変速装置の他の好適な実施形態の部分断面図である。
【図４】ソレノイドの代わりにカム機構を用いた実施例を示す斜視図である。
【図５】図４の変形例を示す斜視図である。
【図６】クラッチを用いた２段変速機の一例を示す概略の側面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    ２段変速機
１２    モータ
１４    入力軸
１６    出力軸
２２、２６、４２、４６    プーリ
２４、４４    遊星歯車装置
３０、５０    平歯車
３２、５２    ソレノイド
３４、５４    ストッパ
１４６、１６６、１４６′、１６６′    カム
【図１】
2006220272.tif 000003
【図２】
2006220272.tif 000004
【図３】
2006220272.tif 000005
【図４】
2006220272.tif 000006
【図５】
2006220272.tif 000007
【図６】
2006220272.tif 000008