(57)【要約】      （修正有）【課題】ばね定数および減衰係数が可変の軸継手を提供する。【解決手段】回転変位を補償する機構を用いて、軸回転から入出力軸間の相対回転変位を分離し、相対回転変位をラック・アンド・ピニオン機構で直線変位に変換し、バネ−ダンパ系に摺動抵抗を発揮させることで機械的インピーダンスを調節する。既存の可変ばね定数ばね、あるいは可変減衰係数ダンパを利用すれば、部品を交換することなく可変インピーダンス機構が得られる。【選択図】図１
2015096734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側内輪、入力側外輪、摺動体、リテーナ、１以上の入力側転動体、１以上の出力側転動体、出力側内輪、出力側外輪からなり、入力側内輪、入力側外輪、入力側転動体、リテーナが入力側遊星機構をなし、出力側内輪、出力側外輪、出力側転動体、リテーナが出力側遊星機構をなし、摺動体が、入力側外輪と一体なる１以上の保持体に摺動自在に保持されると同時に、出力側外輪と滑ることなく接することを特徴とする機構。
【請求項２】
１以上のばね、または１以上のダンパ、またはその両方からなるバネ−ダンパ系、ならびに、請求項１の機構からなり、入力側外輪と一体なる保持体および摺動体の間に、バネ−ダンパ系を設置した機構。
【請求項３】
入力側内輪、入力側外輪、摺動体、リテーナ、１以上の外側転動体、１以上の内側転動体、出力側内輪、出力側外輪からなり、入力側内輪、出力側内輪、内側転動体、リテーナが内側差動機構をなし、入力側外輪、出力側外輪、外側転動体、リテーナが外側差動機構をなし、摺動体が、入力側外輪と一体なる１以上の保持体に摺動自在に保持されると同時に、出力側外輪と滑ることなく接することを特徴とする機構。
【請求項４】
１以上のばね、または１以上のダンパ、またはその両方からなるバネ−ダンパ系、ならびに、請求項３の機構からなり、入力側外輪と一体なる保持体および摺動体の間に、バネ−ダンパ系を設置した機構。
【請求項５】
入力側内輪、入力側外輪、リテーナ、１以上の入力側転動体、１以上の出力側転動体、出力側内輪、出力側外輪からなり、入力側内輪、入力側外輪、入力側転動体、リテーナが入力側遊星機構をなし、出力側内輪、出力側外輪、出力側転動体、リテーナが出力側遊星機構をなし、入力側外輪が、それと一体なる１以上の保持体を具備し、出力側外輪が、それと一体なる１以上の保持体を具備することを特徴とする機構。
【請求項６】
１以上のばね、または１以上のダンパ、またはその両方からなるバネ−ダンパ系、ならびに、請求項５の機構からなり、入力側外輪と一体なる保持体および出力側外輪と一体なる保持体の間に、バネ−ダンパ系を設置した機構。
【請求項７】
入力側内輪、入力側外輪、リテーナ、１以上の外側転動体、１以上の内側転動体、出力側内輪、出力側外輪からなり、入力側内輪、出力側内輪、内側転動体、リテーナが内側差動機構をなし、入力側外輪、出力側外輪、外側転動体、リテーナが外側差動機構をなし、入力側外輪が、それと一体なる１以上の保持体を具備し、出力側外輪が、それと一体なる１以上の保持体を具備することを特徴とする機構。
【請求項８】
１以上のばね、または１以上のダンパ、またはその両方からなるバネ−ダンパ系、ならびに、請求項７の機構からなり、入力側外輪と一体なる保持体および出力側外輪と一体なる保持体の間に、バネ−ダンパ系を設置した機構。
【請求項９】
筒、入力側内輪、入力側外輪、リテーナ、１以上の入力側転動体、１以上の出力側転動体、出力側内輪、出力側外輪からなり、入力側内輪、入力側外輪、入力側転動体、リテーナが入力側遊星機構をなし、出力側内輪、出力側外輪、出力側転動体、リテーナが出力側遊星機構をなし、入力側外輪および筒が自在に直動し、出力側外輪および筒がヘリコイドをなすことを特徴とする機構。
【請求項１０】
１以上のばね、または１以上のダンパ、またはその両方からなるバネ−ダンパ系、ならびに、請求項９の機構からなり、筒および出力側外輪の間に、バネ−ダンパ系を設置した機構。
【請求項１１】
筒、入力側内輪、入力側外輪、リテーナ、１以上の外側転動体、１以上の内側転動体、出力側内輪、出力側外輪からなり、入力側内輪、出力側内輪、内側転動体、リテーナが内側差動機構をなし、入力側外輪、出力側外輪、外側転動体、リテーナが外側差動機構をなし、入力側外輪および筒が自在に直動し、出力側外輪および筒がヘリコイドをなすことを特徴とする機構。
【請求項１２】
１以上のばね、または１以上のダンパ、またはその両方からなるバネ−ダンパ系、ならびに、請求項１１の機構からなり、筒および出力側外輪の間に、バネ−ダンパ系を設置した機構。
【請求項１３】
入力軸、２つの非線形回転ばね、入力側内輪、入力側外輪、１以上の入力側転動体、リテーナ、出力側内輪、出力側外輪、１以上の出力側転動体、出力軸からなり、２つの非線形回転ばねが入力軸を固定し、入力側内輪および出力側内輪が、それぞれの非線形回転ばねを固定し、入力側内輪、入力側外輪、入力側転動体、リテーナが入力側遊星機構をなし、出力側内輪、出力側外輪、出力側転動体、リテーナが出力側遊星機構をなし、リテーナが出力軸を固定することを特徴とする機構。
【請求項１４】
入力軸、回転ダンパ、減衰力調節弁、出力軸、入力側内輪、入力側外輪、１以上の入力側転動体、リテーナ、出力側内輪、出力側外輪、１以上の出力側転動体からなり、入力軸および出力軸が回転ダンパを回転させ、減衰力調節弁が回転ダンパの減衰力を調節し、入力側内輪が回転ダンパを固定し、出力側内輪が減衰力調節弁を回転し、入力側内輪、入力側転動体、入力側外輪、リテーナが入力側遊星機構をなし、出力側内輪、出力側転動体、出力側外輪、リテーナが出力側遊星機構をなすことを特徴とする機構。
【請求項１５】
入力軸、回転ダンパ、減衰力調節弁、出力軸、入力側内輪、入力側外輪、１以上の外側転動体、リテーナ、出力側内輪、出力側外輪、１以上の内側転動体からなり、入力軸および出力軸が回転ダンパを回転させ、減衰力調節弁が回転ダンパの減衰力を調節し、入力側内輪が回転ダンパを固定し、出力側内輪が減衰力調節弁を回転し、入力側内輪、出力側内輪、内側転動体、リテーナが内側差動機構をなし、入力側外輪、出力側外輪、外側転動体、リテーナが外側差動機構をなすことを特徴とする機構。
【請求項１６】
ばねのばね定数およびダンパの減衰係数が可変なる請求項２の機構において、入力側外輪と一体なる保持体および摺動体の間に加わる直動力に比例するように、ばね定数および減衰係数を制御する方法。
【請求項１７】
ばねのばね定数およびダンパの減衰係数が可変なる請求項６の機構において、入力側外輪と一体なる保持体および出力側外輪と一体なる保持体の間に加わる直動力に比例するように、ばね定数および減衰係数を制御する方法。
【請求項１８】
ばねのばね定数およびダンパの減衰係数が可変なる請求項４の機構において、入力側外輪と一体なる保持体および摺動体の間に加わる直動力に比例するように、ばね定数および減衰係数を制御する方法。
【請求項１９】
ばねのばね定数およびダンパの減衰係数が可変なる請求項８の機構において、入力側外輪と一体なる保持体および出力側外輪と一体なる保持体の間に加わる直動力に比例するように、ばね定数および減衰係数を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ばね定数および減衰係数が可変の軸継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーアシストロボットや介護ロボットなど、人に接して働くロボットは、安全性を確保するために機械的インピーダンスを調節する必要がある。
【０００３】
機械的インピーダンスの制御は、電子制御によるアクティブ方式（例えば文献１）と機械要素によるパッシブ方式に大別できる。
【０００４】
アクティブ方式は、駆動トルクを制御することで、減衰係数とばね定数を擬似的に調節する方式である。機構が単純なため、コストと軽量化の点でメリットがある一方で、センサ入力値に基づいて情報処理を行い、トルクを制御することから、時間遅れが生じ、急な衝撃に対処することが難しい。
【０００５】
一方、パッシブ方式は、ばねやダンパなどの受動機械要素を組み合わせることでインピーダンスを制御する方式である。衝撃には強いが、部品が組み込まれて使用されることが多いため、ばね定数と減衰係数を可変とすることが難しい。
【０００６】
したがって、従来技術では、ばね定数と減衰係数を任意に制御して、望みどおりのインピーダンス特性を得ることが難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許２０１０−０１６３０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ばね定数および減衰係数が可変の軸継手を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
回転変位を補償する機構を用いて、軸回転から入出力軸間の相対回転変位を分離し、その相対回転変位に対して、ばね成分と減衰成分を付加し得るように構成した軸継手を用いる。
【発明の効果】
【００１０】
トーションバーや通常の軸継手と比較して、偏角および回転ばね定数の設定範囲が飛躍的に拡大するため、負荷変動の大きい軸入力、または、衝撃を伴う軸入力に対して、最適なばね定数を選択し、効果的に変動や衝撃を吸収することができる。
【００１１】
トーションバーや通常の軸継手と異なり、自由に減衰係数を設定することができるため、負荷変動の大きい軸入力、または、衝撃を伴う軸入力に対して、最適な減衰係数を選択し、効果的に変動や衝撃を吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】遊星型可変インピーダンス軸継手の実施方法を示した図である（実施例１）。
【図２】バネ−ダンパ系の設置方法を示した図である。
【図３】差動型可変インピーダンス軸継手の実施方法を示した図である（実施例２）。
【図４】入出力外輪に直接抵抗を加えるための機構を示した図である（実施例３）
【図５】入出力外輪にヘリコイドで抵抗を与える方法を示した図である（実施例４）
【図６】回転変位を補償する機構を用いて、２つの非線形ばねを予圧して、ばね定数を可変とする実施方法を示した図である（実施例５）。
【図７】回転変位を補償する機構を用いて、可変ダンパのバルブ開度を調節して、減衰係数を可変とする実施方法を示した図である（実施例６）。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
図１は遊星型の可変インピーダンス軸継手を示す。
【００１４】
入力側内輪１と入力側外輪２は、入力側転動体５と入力側遊星機構をなし、出力側内輪８と出力側外輪７も同様に、出力側転動体５と出力側遊星機構をなす。
【００１５】
リテーナ６は、転動体５の自転と公転を保持する。
【００１６】
入力側外輪２は、その一部である保持体３により摺動体４を摺動自在に案内し、摺動体４は、出力側外輪７と滑ることなく接することで、出力側外輪７の回転運動を直線運動に変換する。
【００１７】
入力側外輪２は、強固な構造物に固定して力学的基準とする。
【００１８】
保持体３は、摺動体４の自由摺動を保持できれば、両持ちでも方持ちでもよく、摺動部は、円形軸と円形穴、角軸と角穴、あり溝とあり型、並列な複数の軸と穴など、摺動を案内できる方式であれば、いずれであってもよい。
【００１９】
保持体３および摺動体４は、摺動抵抗として供するばねおよびダンパの設置を容易にするための座面があってもよく、図２に示すように、（イ）ばね９の内部にダンパ１０を設置する方法、（ロ）ばね９の外部にダンパ１０を並列に設置する方法、（ハ）摺動体４の両端にばね９とダンパ１０を設置する方法、（ニ）（イ）の方法を摺動体４の両端に適用することによってばね９を予圧し、線形性を高める方法、（ホ）ねじ１３を回転させることで、それと一体なるねじ込みコマ１１をばね９にねじ込み、有効ばね長およびばね定数を可変とし、ねじ１４を回転させることで、可変ダンパ１２のバルブ開度を調節し、減衰係数を可変とするように設置する方法、（へ）テーパーばね、円すいばね、竹の子ばね等の非線形ばね１５を、（ホ）と同様にねじ１３、１４で予圧し、ばね定数を可変とする方法など、保持体３および摺動体４の間に摺動抵抗を発揮する方式であれば、いずれであってもよい。
【００２０】
このような構成であるとき、保持体３および摺動体４の間に生じた摺動抵抗は、入力側外輪２および出力側外輪７の間の回転抵抗として働き、入力側遊星機構および出力側遊星機構のしかるべき減速を経て、入力側内輪１および出力側内輪８の間の回転抵抗として働く。
【００２１】
したがって、入力側内輪１および出力側内輪８の間の機械的インピーダンスは、保持体３および摺動体４の間に供するばねやダンパによって調節でき、連続回転時もこれが成り立つ。
【００２２】
人体の筋肉の機械的インピーダンスは、特定の条件下では、負荷と比例するようにばね定数と減衰係数が調節されることが知られており、上記機構の場合は、保持体３および摺動体４の間に加わる力に比例するようにばね定数と減衰係数を調節するだけでよいため、容易にこのような制御が実現できる。
【実施例２】
【００２３】
図３は差動型の可変インピーダンス軸継手を示す。
【００２４】
入力側内輪１６と出力側内輪２３は、内側転動体２０と内側差動機構をなし、入力側外輪１７と出力側外輪２２は、外側転動体２０と外側差動機構をなす。
【００２５】
リテーナ２１は、転動体２０の自転と公転を保持する。
【００２６】
入力側外輪１７は、その一部である保持体１８により摺動体１９を摺動自在に案内し、摺動体１９は、出力側外輪２２と滑ることなく接することで、出力側外輪２２の回転運動を直線運動に変換する。
【００２７】
入力側外輪１７は、強固な構造物に固定して力学的基準とする。
【００２８】
このような構成であるとき、差動型可変インピーダンス軸継手のインピーダンスは、遊星型と同様に、保持体１８および摺動体１９の間に供するばねやダンパによって調節できる。
【００２９】
ただし、機構上の相違から、減速は発生せず、入出力軸は互いに逆転する。
【実施例３】
【００３０】
図１の遊星型の可変インピーダンス軸継手について、図４に示すように、出力側外輪７に、それと一体の保持体２４、入力側外輪２に、それと一体の保持体２５をそれぞれ１以上設けるとき、入力側内輪１および出力側内輪８の間の相対回転変位が十分に小さい場合は、保持体２４および２５の間の直線変位も十分に小さく、線形近似が成り立つ。
【００３１】
したがって、保持体２４および２５の間の変位を、保持体３および摺動体４の間の変位と見立て、図２（イ）から（へ）と同様の方法により、これに回転抵抗を与えることで、入力側内輪１および出力側内輪８の間の機械的インピーダンスを調節することができる。
【００３２】
この関係は、差動型の入力側外輪１７および出力側外輪２２についても成り立つ。
【実施例４】
【００３３】
図５に示すように、入力側外輪２と筒２６が直動案内により摺動し、筒２６と出力側外輪７がヘリコイドとなっているとき、入力側外輪２および出力側外輪７の間の回転運動は、出力側外輪７および筒２６の間の直線運動に変換される。
【００３４】
したがって、回転変位が比較的小さい場合は、出力側外輪７および筒２６の間に、適当なバネ−ダンパ系２７を設置することで、機械的インピーダンスを調節することができる。
【００３５】
この関係は、差動型の入力側外輪１７および出力側外輪２２についても成り立つ。
【実施例５】
【００３６】
図６は、回転変位を補償する機構を利用して、非線形ばねを対向させて予圧することで、ばね定数を可変とする機構である。
【００３７】
回転方向が逆の非線形回転ばね２９および３８は、入力軸２８を同時に固定し、入力側内輪３１および出力側内輪３７は、それぞれ非線形回転ばね２９および３８を固定する。入力側内輪３１および出力側内輪３７が逆向きに回転すると、入力軸２８に与えられる反発力が拮抗しながら増し、ばね定数が変化する。
【００３８】
入力側内輪３１、入力側外輪３０、入力側転動体３５は、入力側遊星機構をなし、出力側内輪３７、出力側外輪３６、出力側転動体３５は、出力側遊星機構をなす。
【００３９】
リテーナ３４は、転動体３５の自転と公転を保持する。
【００４０】
出力軸３９は、リテーナ３４と結合し、入力軸２８が貫通できるように中空構造を備える。
【００４１】
入力側外輪３０および出力側外輪３６は、ケース３２に案内され、ウォーム３３がこれを駆動する。ウォーム３３は、相反する方向に回転し、入力側外輪３０および出力側外輪３６を対称に回転させる。
【００４２】
非線形ばね２９および３８は、回転に対してトルクが漸増する非線形回転ばねであれば、渦巻ばね、トーションばね、アークコイルばね、ガススプリング等であってよい。
【００４３】
ウォーム３３は、入力側外輪３０および出力側外輪３６を回転し、保持することができれば、ベベルギアや揺動シリンダであってもよい。
【００４４】
このような構成であるとき、入力軸２８の回転は、非線形ばね２９および３８を介して入力側内輪３１および出力側内輪３７を回転させ、入力側外輪３０および出力側外輪３６が、ケース３２およびウォーム３３により固定されているため、入力側遊星機構および出力側遊星機構のしかるべき減速を経て、リテーナ３４を回転させる。リテーナ３４の回転はそのまま出力軸３９に伝達される。
【００４５】
このとき、ウォーム３３を回転すると、入力側外輪３０および出力側外輪３６が回転し、入力側内輪３１および出力側内輪３７を回転させ、非線形ばね２９および３８が拮抗しながら反発力を増し、ばね定数が増加する。非線形ばね２９および３８の回転−トルク特性が十分に近い場合は、入力軸２８および出力軸３９に干渉トルクを誘起することなくばね定数を調節することができる。
【実施例６】
【００４６】
図７は回転変位を補償する機構を用いて、可変ダンパのバルブ開度を調節する機構を示す。
【００４７】
入力軸４０の回転は、ダンパ４１による減衰を経て、出力軸４９に伝達され、ダンパ４１の減衰力は、バルブ４２の回転により調節される。
【００４８】
ダンパ４１は入力側内輪４４に固定され、バルブ４２は出力側内輪４８が回転させる。
【００４９】
入力側内輪４４、入力側外輪４３、転動体４６は、入力側遊星機構をなし、出力側内輪４８、出力側外輪４７、転動体４６は、出力側遊星機構をなす。
【００５０】
リテーナ４５は、転動体４６の自転と公転を保持する。
【００５１】
入力側外輪４３は、強固な構造物に固定し、力学的基準とし、出力側外輪４７は、入力側外輪４３と直接、または、リテーナ４５を介して摺動回転する。
【００５２】
このような構成であるとき、入力軸４０の回転は、ダンパ４１で減衰され、出力軸４９に伝達される。
【００５３】
ダンパ４１とバルブ４２に相対的な回転がないとき、入力側内輪４４および出力側内輪４８は同位相で回転する。このとき、入力側外輪４３は固定されているから、リテーナ４５が回転するのみで、出力側外輪４７は回転しない。
【００５４】
逆に、入力側外輪４３に対して出力側外輪４７を回転させると、逆の経路により、出力側内輪４８によってバルブ４２が回転する。この関係はダンパ４１の回転状態に関係なく成立し、減衰力を調節することができる。
【００５５】
図６の可変ばね機構の入力軸２８、出力軸３９を、それぞれ、図７の可変ダンパ機構の入力軸４０、ダンパ４１と固定すれば、可変バネ−ダンパ系を構成できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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