(57)【要約】  本発明は、アクチュエータに関し、特にロボットアームの制御に用いられる直動式アクチュエータおよび回転式アクチュエータに関する。本発明は、実質的にバックラッシュの無い回転運動および/または直線運動を達成する比較的に低コストの手段を提供するものである。本発明で提供するアクチュエータ（１０）は、第一の駆動プーリ（２８）と、第二の駆動プーリ（２９）と、第一の被駆動プーリ（５２、７０）と、第二の被駆動プーリ（５３、７２）と、第一の駆動プーリ、第二の駆動プーリ、第一の被駆動プーリおよび第二の被駆動プーリと係合する無端駆動ベルト（４０）と、第一の駆動プーリおよび第二の駆動プーリを駆動して無端状駆動ベルトを回転および駆動させるために連結されているモータ（１９）と、被駆動プーリのうちの少なくとも一つを支持している被駆動部材（５０、８８、７１、７３）とを備えており、第一の駆動プーリおよび第二の駆動プーリが、一緒に回転するように相互に接続され、回転時には、第一の駆動プーリの周速度が第二の駆動プーリの周速度と異なるように配設され、無端ベルトが、第一の駆動プーリの周速度と第二の駆動プーリの周速度との間の差が被駆動部材に動きを生じさせるように、駆動プーリおよび被駆動プーリのまわりに巻き付けられている。【選択図】図１１
2008506546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータ（１０）であって、
第一の駆動プーリ（２８）と、
第二の駆動プーリ（２９）と、
第一の被駆動プーリ（５２、７０）と、
第二の被駆動プーリ（５３、７２）と、
前記第一の駆動プーリ、第二の駆動プーリ、前記第一の被駆動プーリおよび第二の被駆動プーリに係合している無端駆動ベルト（４０）と、
前記第一の駆動プーリおよび第二の駆動プーリを回転させ、前記無端駆動ベルトを駆動するために接続されているモータ（１９）と、
前記被駆動プーリのうちの少なくとも一つを支持している被駆動部材（５０、８８、７１、７３）とを備えており、
前記第一の駆動プーリおよび前記第二の駆動プーリが一緒に回転するように相互に接続され、
前記第一の駆動プーリおよび前記第二の駆動プーリが、回転すると、前記第一の駆動プーリの周速度が前記第二の駆動プーリの周速度と異なるように配設され、
前記無端ベルトが、前記第一の駆動プーリの周速度と前記第二の駆動プーリの周速度との差が前記被駆動部材に動きを生じさせるように、前記駆動プーリおよび前記被駆動プーリのまわりに巻き付けられてなる、アクチュエータ。
【請求項２】
前記第一の駆動プーリおよび前記第二の駆動プーリは、
｛ｉ｝前記第一の駆動プーリが前記第二の駆動プーリとは異なる円周長を有しているため、
｛ｉｉ｝前記第一の駆動プーリが前記第二の駆動プーリとは異なる回転速度を有しているため、
｛ｉｉｉ｝前記第一の駆動プーリが、前記第二の駆動プーリとは異なる円周長を有しかつ前記第二の駆動プーリとは異なる回転速度を有しているため
回転すると、周速度が異なるように配設されている、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
二つの被駆動部材（７１、７３）が存在し、該被駆動部材が第二の駆動ベルト（７４）により一緒に相互に接続され、該第二の駆動ベルトがプーリ（８１）に回転可能に係合してなる、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記被駆動部材が、直線運動可能に取り付けられているキャリッジ（５０、８８）である、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記第一の被駆動プーリおよび前記第二の被駆動プーリが前記キャリッジ（５０、８８）上に取り付けられ、前記アクチュエータが、
第一のガイドプーリ（４８）と、
第二のガイドプーリ（４９）とをさらに備え、
前記無端駆動ベルトが前記第一のガイドプーリおよび前記第二のガイドプーリに係合してなる、請求項４記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記被駆動プーリ（５２、５３）が、前記駆動プーリ（２８、２９）と前記ガイドプーリ（４８、４９）との間の位置に設けられてなる、請求項５記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記無端駆動ベルトが、前記第一の駆動プーリ（２８）から前記第一の被駆動プーリ（５２）へ渡り、前記第一の被駆動プーリから前記第二の駆動プーリへ渡り、前記第二の駆動プーリから前記第一のガイドプーリ（４８）へ渡り、前記第一のガイドプーリから前記第二の被駆動プーリ（５３）へ渡り、前記第二の被駆動プーリから前記第二のガイドプーリ（４９）へ渡り、そして、前記第二のガイドプーリから前記第一の駆動プーリへと戻り、前記無端駆動ベルトが、前記第一の被駆動プーリと前記駆動プーリとの間に第一のループを形成し、前記第二の被駆動プーリと前記ガイドプーリとの間に第二のループを形成し、前記駆動プーリが第一の方向へ回転すると、前記第一のループの長さが増大し、これに応じて、前記第二のループの長さが減少するように構成されてなる、請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項８】
第三の被駆動プーリ（８４）と第四の被駆動プーリ（８５）とをさらに備えており、前記駆動プーリ（２８、２９）と前記被駆動プーリ（５２，５３、８４、８５）のうちの４つすべてとが前記被駆動部材（８８）上に取り付けられており、前記無端駆動ベルトが、前記第一の駆動プーリ（２８）から前記第一の被駆動プーリ（５２）へ渡り、前記第一の被駆動プーリから前記第一のガイドプーリ（４８）へ渡り、前記第一のガイドプーリから前記第三の被駆動プーリ（８４）へ渡り、前記第三の被駆動プーリから前記第二の駆動プーリ（２９）へ渡り、前記第二の駆動プーリから前記第四の被駆動プーリ（８５）へ渡り、前記第四の被駆動プーリから前記第二のガイドプーリ（４９）へ渡り、前記第二のガイドプーリから前記第二の被駆動プーリ（５３）へ渡り、そして、前記第二の被駆動プーリから前記第一の駆動プーリへと戻るように構成され、前記無端状駆動ベルトが、前記第一のガイドプーリと前記第一の被駆動プーリおよび該第三の被駆動プーリとの間に第一のループを形成し、前記第二のガイドプーリと前記第二の被駆動プーリおよび該第四の被駆動プーリとの間に第二のループを形成し、前記駆動プーリが第一の方向へ回転すると、前記第一のループの長さが増大し、これに応じて、前記第二のループの長さが減少するように構成されてなる、請求項６記載のアクチュエータ。
【請求項９】
２つの被駆動部材（７１、７３）を備えており、各被駆動部材がそれぞれ対応する被駆動プーリ（７０、７２）を装着しており、前記無端駆動ベルトが、前記第一の駆動プーリ（２８）から前記第一の被駆動プーリ（７０）へ渡り、前記第一の被駆動プーリから前記第二の駆動プーリ（２９）へ渡り、前記第二の駆動プーリから前記第二の被駆動プーリ（７２）へ渡り、そして、前記第二の被駆動プーリから前記第一の駆動プーリへと戻るように構成され、前記無端駆動ベルトが、前記第一の被駆動プーリと前記駆動プーリとの間に第一のループを形成し、前記第二の被駆動プーリと前記駆動プーリとの間に第二のループを形成し、前記駆動プーリが第一の方向へ回転すると、前記第一のループの長さが増大し、これに応じて、前記第二のループの長さが減少するように構成されてなる、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
２つの被駆動部材（７１、７３）を備えており、各被駆動部材が、それぞれ対応する被駆動プーリ（７０、７２）、第一のガイドプーリ（４８）および第二のガイドプーリ（４９）を装着しており、前記無端駆動ベルトが、前記第一の駆動プーリ（２８）から前記第一のガイドプーリ（４８）へ渡り、前記第一のガイドプーリから前記第一の被駆動プーリ（７０）へ渡り、前記第一の被駆動プーリから前記第二の駆動プーリ（２９）へ渡り、前記第二の駆動プーリから前記第二の被駆動プーリ（７２）へ渡り、前記第二の被駆動プーリから前記第二のガイドプーリ（４９）へ渡り、そして、前記第二のガイドプーリから前記第一の駆動プーリへと戻るように構成され、前記無端状駆動ベルトが、前記第一の被駆動プーリと前記第二の駆動プーリおよび前記第一のガイドプーリとの間に第一のループを形成し、前記第二の被駆動プーリと前記第二の駆動プーリおよび前記第二のガイドプーリとの間に第二のループを形成し、前記駆動プーリが第一の方向へ回転すると、前記第一のループの長さが増大し、これに応じて、前記第二のループの長さが減少するように構成されてなる、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
制御線（５５：５５ａ、５５ｂ）が前記被駆動部材に接続され、前記被駆動部材の移動により前記制御線に対応する運動が生じるように構成されてなる、請求項1記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記第一の駆動プーリ（２８）および前記第二の駆動プーリ（２９）が、反対方向に回転するように相互に接続されてなる、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記第一の駆動プーリおよび前記第二の駆動プーリがそれぞれ回転軸を有し、前記第一の駆動プーリの前記回転軸が前記第二の駆動プーリの前記回転軸に対して平行になっており、前記第一の被駆動プーリおよび前記第二の被駆動プーリもそれぞれ回転軸を有し、前記第一の被駆動プーリの前記回転軸および前記第二の被駆動プーリの前記回転軸が、前記第一の駆動プーリの前記回転軸および前記第二の駆動プーリの前記回転軸に対して非平行になっている、請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記駆動プーリおよび前記被駆動プーリは、前記駆動ベルトがこれらのプーリの間の経路上で捩れを受けるものの、横方向の移動を実質的に受けないように、配置されてなる、請求項１３記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関するものであり、特にロボットアームの制御に用いられる直動式アクチュエータおよび回転式アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製造工程においてならびに一般的検査および保守機能の目的でロボットアームの使用が増えるため、各アームに関連する制御機能の数が増加しており、高度に複雑で多機能型のアームに３０以上の別個の制御要素が求められることも稀ではない。これらの要素の各々は別個のアクチュエータにより個別に制御される必要がある。
【０００３】
したがって、比較的小さな空間に数多くの制御機能を集中させることが必要となる。多くのロボットアームは制御ワイヤにより制御または操作されている。これらのアームがより高度になり小型化することによりさらに複雑な作業を行なうことが可能となるにつれて、これらの同一の複雑な作業が、ますます、より多くの制御機能を要求するようになり、より小さな空間により多くの制御機能を求めるようになる。
【０００４】
従来、ロボットアームの制御ワイヤ用のアクチュエータはキャプスタン方式であった。これらのアクチュエータは、制御ワイヤを巻き取る巻上キャプスタンを駆動するモータを備えている。モータの動作により、キャプスタンを駆動し、これに応じてワイヤを移動させるかまたはそれを可能とするようになっている。これらのキャプスタン駆動装置は、比較的かさばっており、その上、キャプスタンまわりにおいてワイヤを引き伸ばしたり滑らしたりする傾向があるため、正確な制御をより困難なものとしている。この問題を解決するために、各制御のための制御機構およびモータドライブは、ロボットアームの基盤または基部から間隔をおいて設けられ、その結果、ロボットアームの制御組立体が比較的に大きくかさばるものになってしまっている場合が多い。
【０００５】
この問題を克服するために、制御ワイヤが装着される可動キャリッジを有する直動式アクチュエータが製作されており、その全体をネジまたはウォーム上に取り付けて、ネジまたはウォームを回転させると、キャリッジが動くようになっている。このような構成の欠点としては、組立体の相対的な重さや、ウォーム装置またはネジ装置において避けることができないバックラッシュが挙げられる。さらに、このような構成は、比較的大きな摩擦力を生ずる傾向があり、機械的な利点として、ネジのピッチにより形成される傾斜面によるものが効果的に達成可能であることが挙げられる。
【０００６】
他の実施形態は、ボールネジ装置を使用することであり、これによりバックラッシュを最小限に抑えることができる場合がある。しかしながら、このような装置は、高価であり、また、短ストローク用の装置にしか適さない。なぜなら、ネジは長さが増すとともに重量が増し、ストロークの長いボールネジは、その慣性力を許容することができないことが一般的であるためである。さらに、制御ワイヤをボールネジ装置に実際に接続することは一般的に困難なことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、ロボットアームなどの制御のために比較的に小さな空間に多くを集合させることができるように、制御ワイヤに対して低い摩擦損失で高い荷重を加えることができるとともに構造が小さい直動式アクチュエータの必要性がある。
【０００８】
一般的な位置決めを行うために産業界において用いられているアクチュエータの多くは（ワイヤを引っ張るために用いられるアクチュエータと比較して）、電気駆動式であり、いくつかの速度区分およびいくつかの精度区分に分類され得る。速度区分は、低速（たとえば毎秒０〜２５ｍｍ）、中速（たとえば毎秒２５〜５００ｍｍ）、および、高速（>毎秒５００ｍｍ）である。精度区分は、ゼロ精度（絶対的な位置決めが不必要であり、バックラッシュが重要でない）、低精度（低精度の位置決めが必要であり、たとえば０．２５〜３ｍｍのバックラッシュは許容される）、および、高精度（正確な位置決めと、バックラッシュがゼロ／少しであることが必要、たとえば０．００１〜０．２５ｍｍ）によって定義され得る。このようなアクチュエータは多くの場合回転式電動モータによって駆動される。ダイレクトドライブの直動式アクチュエータが利用可能であるものの、製造と制御の費用が効果である。直動式アクチュエータが回転式電動モータにより駆動される場合、直線運動を生成するための複数の種類の設計が選択可能である。これらには、ベルトドライブ機構、リードネジ機構、ボールネジ機構およびラック・ピニオン機構が含まれる。低速用途および中速用途の多くの場合、モータの速度（通常３０００〜６０００ｒｐｍ）を必要なプーリ/ピニオン/ボールネジ速度に一致させるために、モータと線形運動コンバータとの間にギアボックスが必要となる。ギアボックスは特にゼロ/少しのバックラッシュ環境における場合のように高精度を必要とする場合、コストを大幅に引き上げることとなる。これは、ギアボックスが、モータおよび線形運動コンバータと少なくとも同程度の精度を有していなければならないからである。
【０００９】
本発明はハーモニック方式を用いて運動を生じさせるための駆動ベルトを有するアクチュエータに関するものであり、このハーモニック方式により、低速用途および中速用途の場合におけるモータと駆動プーリとの間のギアボックスの必要性を削減または排除すものである。さらなる利点として、このような駆動装置にはバックラッシュが実質的に存在しないため、比較的に低コストで高精度の駆動装置が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により提供されるアクチュエータは、
第一の駆動プーリと、
第二の駆動プーリと、
第一の被駆動プーリと、
第二の被駆動プーリと、
第一の駆動プーリおよび第二の駆動プーリと第一の被駆動プーリおよび第二の被駆動プーリとを係合している無端駆動ベルトと、
第一の駆動プーリと第二の駆動プーリを回転させ、無端状駆動ベルトを駆動するために連結されているモータと、
被駆動プーリのうちの少なくとも一つを支持している被駆動部材とを備えており、
第一の駆動プーリと第二の駆動プーリが一緒に回転するように相互に連結されており、
第一の駆動プーリおよび第二の駆動プーリが、回転時の第一の駆動プーリの周速度が第二の駆動プーリの周速度と異なるように配設されており、無端駆動ベルトが、第一の駆動プーリの周速度と第二の駆動プーリの周速度との間の差により被駆動部材に動きを生じさせるように、駆動プーリおよび被駆動プーリをまわるループが形成されている。
【００１１】
以下で具体的に記載される実施形態では、駆動ベルトが用いられている。また、用語「駆動ベルト」は請求項および序文において用いられている。特に他の指定がないかぎり、用語「ベルト」は、チェーン、ケーブル、ワイヤなどの如きいかなる適切な連続したまたは無端状の駆動部材を包含するものとして理解されるべきである。また、同様に、通常駆動ベルトとともにプーリが用いられることが一般的であるため、用語「プーリ」が以下の具体的な説明全般にわたり用いられている。特に他の指定がないかぎり、用語「プーリ」は、歯付きまたは歯無しの車輪、ローラなどに加えてギアおよびスプロケットを包含するものとして理解されるべきである。
【００１２】
周速度は、駆動プーリが異なる円周長さを有しているので、異なる回転速度を有しているので、または、これらの両方を有しているので異なり得る。
【００１３】
駆動ベルトは歯付きであっても良く、このような実施形態では、少なくとも駆動プーリは、駆動ベルトに係合するために歯付きであることが好ましい。
【００１４】
アクチュエータは、２つの被駆動部材を好ましくは有している回転式アクチュエータであっても良い。これらの２つの被駆動部材が、第二の駆動ベルトにより一緒に相互に連結され、この第二の駆動ベルトが（制御された）回転運動のために取り付けられているプーリと係合するようになっている。これに代えて、アクチュエータは、直線移動のために取り付けられているキャリッジを好ましくは有している直動式アクチュエータであっても良い。
【００１５】
また、直動式アクチュエータおよび回転式アクチュエータのある実施形態では、無端駆動ベルトによりさらに係合されている一または複数のガイドプーリが設けられている。これらのガイドプーリは、駆動プーリと被駆動プーリとの間で駆動ベルトを案内および/または方向転換させる機能を有している。これに代えて、第一の駆動プーリおよび第二の駆動プーリを反対方向に回転するように相互に連結することによって、ガイドプーリの必要性を排除することができる。
【００１６】
制御配線を被駆動部材に接続することができ、この被駆動部材の移動により制御配線に対して対応する運動を生じさせるようになっている。この制御配線は、たとえばロッボトアームに接続することができる。
【００１７】
モータは電動モータであっても良い。本発明のある実施形態では、電動モータは、ウォームホイール組立体を通じて駆動プーリを駆動することで、さらなる機械的な利点を提供しうる。これらの実施形態において、ウォームとホイールが、バックドライブを防止するように選択されたピッチを有していることが好ましい場合がある。このことは、ブレーキ機構が必要でなくなるという利点を有している。
【００１８】
駆動ベルトがさまざまなプーリをまわって常に一方の方向、すなわち歯付きベルトの実施形態ではその歯の方向に向かって曲げられるように配置されることが好ましい。これに代えて、駆動ベルトは、さまざまなプーリのまわりを通過するときに、両方向に、すなわち歯に向かう方向と歯から離れる方向との両方向に曲げられても良く、こうすることにより、ベルトの歯が一部のプーリのまわりを通過するときに外方向を向くようになる。ベルトを両方向に曲げることを、本明細書では反曲ドライブ（ｃｏｎｔｒａｆｌｅｘｔｕｒｅ  ｄｒｉｖｅ）として記載しており、この反曲ドライブは、直動式アクチュエータと回転式アクチュエータとの両方に用いられ得る。
【００１９】
駆動ベルトが特に用いられる（すなわち、チェーンやケーブルなどではなく）本発明のすべての実施形態においては、駆動プーリ、被駆動プーリおよびガイドプーリ（存在する場合には）の間にある駆動ベルトの経路は、それぞれ、角度付きプーリ手段によって方向付けされる。駆動ベルト繊維の中心軸が個々のプーリ間で略同軸となるようにプーリのサイズと角度が選択される。これは、駆動ベルトが並進方向にまたは横方向にほとんどまたは全く移動することなくこの軸に沿って捩れることを意味し、このようにして、ベルト繊維全域にわたる圧力変動を最小限に抑えるようになっている。  
【００２０】
本発明にかかる直動式アクチュエータは、国際出願第ＷＯ２００２／０１６９９５号に記載されているタイプのロボットアームの制御において特に有用であることが見出されており、その開示内容は本明細書において参照することにより援用するものとする。
【００２１】
本発明によるアクチュエータの複数の具体的実施形態を、添付図面を参照しながら以下に説明する。
【００２２】
添付の図面を参照して、本発明にかかるアクチュエータのさまざまな例示の実施形態を以下に説明する。
【００２３】
以下の説明では、さまざまな実施形態における同様の構成要素に対して同様の参照番号が用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
ここで、図１を参照すると、包括的に参照番号１０で示されているアクチュエータは、第一の端部１２において包括的に参照番号１４で示されているモータおよび制御組立体を有し、第二の端部１３において制御ワイヤガイド１５（図７参照）を有している細長いチャンネル形状のハウジング１１を備えている。
【００２５】
モータおよび制御組立体１４は、ウォームブロック１６を有し、このウォームブロック１６の基部１７は、第一の端部１２においてチャンネル形状のハウジング１１の基部に固定されている。ウォームブロック１６の後面９には電動モータ１９が装着されており、この電動モータ１９は、連結器７（図５）を通じて駆動シャフト２０を回転させるようになっている。駆動シャフト２０は、後面９を貫通して、駆動ウォーム２１（図５および図１０参照）において終端している。ウォームブロック１６の前面は、前面開口部３１（図１０）を設けるために一部が切り取られている。
【００２６】
ウォームブロック１６の各側壁２３は横孔２４を設けるための円形状の開口部を備えており、各開口部は対応するベアリング２５を収容している。各ベアリング２５はその内部に軸棒２６を回転可能に収容するように構成されており、この軸棒２６は、その上に、ウォームホイール２７と、第一の駆動プーリ２８と、第二の駆動プーリ２９とを一緒に回転可能なように備えている。本実施形態では、ウォームホイール２７、第一の駆動プーリ２８および第二の駆動プーリ２９は一体的に形成されている。いうまでもなく、第一の駆動プーリ２８および第二の駆動プーリ２９は、独立した構成要素として形成され、当該技術分野において公知となっている手段により一緒に回転可能なようにウォームホイール２７にキーを用いて固定されても良いしまたは本実施形態で示されているようにピン８を用いて結合されても良い。ウォームホイールおよびプーリ組立体には、ウォームホイール２７およびそれに関連する第一の駆動プーリ２８および第二の駆動プーリ２９を前面開口部３１に対して適切な位置に配置するためのシムおよびワッシャー３４が設けられている。
【００２７】
第一の駆動プーリ２８および第二の駆動プーリ２９の各々には、歯３２が設けられている。この実施形態では、第二の駆動プーリ２９の半径、すなわち円周長が第一の駆動プーリ２９の円周長よりも長くなっており、したがって、第二の駆動プーリ２９には第一の駆動プーリ２８よりも歯が一つ多く設けられている（他の実施形態では、駆動プーリの円周長の差は歯一つよりも多い場合もある）。駆動プーリ２８、２９の各々は、無端駆動ベルト４０による巻き付けを受けられるように構成されている。
【００２８】
駆動ベルト４０は、端部のないまたは連続したベルトであって、本実施形態では、その内面上に歯を有し、断面が略長方形状になっている。各歯は、プーリ２８、２９上のそれぞれ対応する歯３２と係合するように構成されている。
【００２９】
また、ウォームブロック１６の固定部材は、後方延長部材３５をハウジング１１に固定するようになっている。この延長部材３５は、プリント回路基板３６を支持し、プリント回路基板３６を通じて電動モータ１９が制御される。
【００３０】
また、ハウジング１１の第二の端部１３も、包括的に参照番号４５で示されているプーリ組立体（図３参照）備えている。プーリ組立体４５は、包括的に参照番号１５で示されている制御ワイヤガイド（図７参照）と関連づけされている。プーリ組立体４５はハウジング１１内のスロット４６（図１）により支持され、これらのスロットは横軸棒４７（図１および図７）を支持し、次いで、この軸が、その上に、ガイドプーリ４８、４９を回転可能に支持するようになっている。ガイドプーリ４８、４９の各々はベルト４０の巻き付けを受けるように構成されているとともに、横軸棒４７上で別々に回転可能となっている。横軸棒４７の位置は駆動ベルト４０の張力によってスロット４６内に維持されている。駆動ベルトの張力は、傾斜板６がハウジング１１内のベアリング２５（図４参照）に作用するによって組立中にセットされる。他の実施形態では、軸棒４７の支持部材が、駆動ベルト４０に張力を与える目的のために前記の支持部材をモータおよび制御組立体１４の反対側の方向に付勢するために設けられた手段およびハウジングに解除可能に固定されても良い。
【００３１】
被駆動部材またはキャリッジ５０は、一対の被駆動プーリ５２、５３が長手方向に間隔をおいて配置されている細長部材５１を備えている。被駆動プーリ５２、５３は、細長部材５１に対して回転可能となっている。細長部材５１の前方延長部５４は、制御ワイヤ５５を螺旋５９のまわりに巻き付けクランプ６０で固定することによって制御ワイヤ５５をキャリッジに接続する一般的によく知られた接続手段を支持している（図９参照）。この具体的な実施形態では、制御ワイヤ５５は、キャリッジ５０から延出し、軸棒４７の円柱状の面に設けられた案内孔５６を通り、遊動輪５７を回り、開口部５８を利用してハウジング１１から出ていくようになっている。この構成は、ハウジング１１の長手方向の軸におおむね沿ったキャリッジ５０の移動が制御ワイヤ５５に対応する移動を起こさせるような構成となっている。
【００３２】
駆動ベルト４０は、図１０および図１１に示されているように一般的に配置されている。駆動ベルトは、第一の駆動プーリ２８から第一の被駆動プーリ５２へ渡り、第一の被駆動プーリ５２から第二の駆動プーリ２９へ渡り、第二の駆動プーリ２９から第一のガイドプーリ４８へ渡り、第一のガイドプーリ４８から第二の被駆動プーリ５３へ渡り、第二の被駆動プーリ５３から第二のガイドプーリ４９へ渡り、そして第二のガイドプーリ４９から第一の駆動プーリ２８へと戻る。駆動ベルト４０は第一の被駆動プーリ５２ならびに駆動プーリ２８、２９との間に第一のループを形成し、第二の被駆動プーリ５３とガイドプーリ４８、４９との間に第二のループを形成し、駆動プーリ２８、２９が第一の方向へ回転すると第一のループの長さが増大し、第二のループの長さがそれに応じて減少するようになっている。
【００３３】
図２にさらに分かり易く示されているように、第一の被駆動プーリ５２の回転軸は、駆動プーリ２８、２９の（共通の）回転軸に対してある角度をなしている。これにより、駆動ベルト４０の経路は、ベルトの横方向の移動または変形を起こすことなく、駆動プーリ２８および駆動プーリ２９と一直線上に揃えられることが可能となる。
【００３４】
また、図２から分かるように、被駆動プーリ５２は、駆動ベルトと被駆動プーリ５２とが交わるおよび離れる地点における駆動ベルト４０の中心軸９０、すなわち駆動ベルトの長手方向の繊維の中心軸が、駆動ベルトと駆動プーリ２８、２９とが交わりおよび離れる地点における駆動ベルトの中心軸９０に対して一直線に正確に揃えられるように位置づけされるとともに、そのようなサイズに形成されている。いうまでもなく、ベルト４０は、駆動プーリ２８、２９と被駆動プーリ５２との間を移動するに従って捩れが生じるが、この捩れは、ベルトの繊維の中心軸９０のまわりで生じる。いうまでもなく、このタイプの駆動ベルトは、その中心軸のまわりで捩られた場合は、他の軸のわりで捩られる場合および/または横方向への移動もしくは変形が必要とされる場合よりも損傷または劣化を受けにくい。
【００３５】
被駆動プーリは、駆動ベルトの経路を駆動プーリに一直線に並べる必要もないし、駆動ベルトが被駆動プーリと離れるまたは交わるときの駆動ベルトの中心軸が、駆動ベルトが駆動プーリと交わるまたは離れるときのベルトの中心軸と一直線に正確に並べられる必要もないということは明らかである。しかし、ズレが大きければ大きいほど、ベルトの損傷および劣化の可能性がより高くなるため、実質的に一直線に並べることが望ましく、正確に一直線に並べることが理想的である。
【００３６】
被駆動プーリ５３とガイドプーリ４８、４９との間の関係は図２に示されている関係と同様なので、全移動経路において、駆動ベルト４０は、キャリッジ５０の位置に関わらずその中心軸のまわりのみで捩れ運動を受ける。プーリ間の理想的な関係が、図１〜図１１の実施形態について特に記載されているが、図に示されているその他の実施形態におけるプーリ間の関係も同様に理想的である。ただし、これらの実施形態においても、これらのプーリは、所望ならば、正確に一直線に並べる代わりに実質的に一直線に並べても良い。
【００３７】
駆動ベルト４０の代わりにチェーンまたはケーブルなどを用いる実施形態では、プーリを実質的または正確に一直線に並べることを維持することができるものの、チェーンまたはケーブルなどが理想的に捩れる軸の位置は構成要素の構造によって異なる。
【００３８】
いうまでもなく、駆動ベルト４０に張力を与えることによって、キャリッジ５０はプーリ組立体４５とモータおよび制御組立体１４との間で効率的に停止可能である。このことは、アクチュエータ内の摩擦力を削減するという利点を有している。アクチュエータ内の摩擦力の削減は、キャリッジをトラック（ｔｒａｃｋ）に沿って移動させるこという他の方法により達成されうる。連続的な駆動手段の張力を維持することができないまたはベルトの振動を制御する必要がある本発明にかかる他の実施形態では、キャリッジを案内および/または支持するためのトラック手段が設けられても良い。
【００３９】
モータ１９の動作により駆動ウォームギア２１の回転が引き起こされる。駆動ウォームギア２１は、ウォームホイール２７に係合し、駆動プーリ２８、２９の各々に回転運動を伝達するようになっている。駆動プーリ２９には、駆動プーリ２８よりも歯が１つ多く設けられているので、各プーリが１回の完全な回転運動を行なうと、駆動ベルト４０のうちのプーリ２９に巻着されている部分が、駆動ベルト４０のうちのプーリ２８に巻着されている部分よりも歯１つ分のピッチだけさらに前進することができる。このことにより、ベルトの第一のループの長さ（駆動プーリと被駆動プーリ５２との間）が歯のピッチ分だけ増大し、これに応じて、駆動プーリ２８、２９とキャリッジ５０との間の距離が歯のピッチの半分だけ増大する。これに相応して、ガイドプーリ４８からの駆動ベルト４０の送出しは駆動プーリ２９の巻き取りによってさらに迅速に前進し、その結果、この分だけ、第二のループの長さ（ガイドプーリ４８、４９と被駆動プーリ５３との間）が減少し、その結果、キャリッジ５０がハウジング１１の第二の端部１３の方向に向かって引っ張られ、よって、ハウジング１１の外側の制御ワイヤ５の長さが効果的に延ばされることとなる。
【００４０】
モータ１９の動作方向を逆転させると、上述の２つのループのサイズに対する影響が逆になり、その結果、キャリッジがハウジングに沿ってモータ１９に向かって移動し、それと同時に、制御ワイヤ５５に対して張力が与えられおよび/または制御ワイヤ５５がハウジング内に引き込まれることになる。
【００４１】
たとえば５ｍｍピッチの歯を有するベルトおよび２０枚の歯付き駆動プーリを用いる従来のベルト駆動アクチュエータにおいては、毎秒２５０ｍｍのキャリッジ線速度を達成するためには、駆動プーリの回転速度が１５０ｒｐｍであることが必要となる。モータを一般的な速度である６０００ｒｐｍで動作させてこの回転速度を達成するためには、４０：１のギアボックスが必要となる。このギアボックスに１°のバックラッシュがある場合、０．２８ｍｍの直線のバックラッシュによる直線の空転が引き起こされることになる。さらに、プーリの歯と駆動ベルトとの間に少しでも隙間があると、これも、駆動反転における線形バックラッシュとして現れる。
【００４２】
上述の本発明にかかる実施形態では、第一の駆動プーリ２８が１９の数の歯を有し、第二の駆動プーリ２９が２０の数の歯を有し、これらの歯が５ｍｍのピッチを有している場合、共通の軸棒２６の１回転あたりのキャリッジ５０の直線の変位は２．５ｍｍとなる。必要な線速度が毎秒２５０ｍｍである場合、これは、毎秒１００回転または６０００ｒｐｍで動作するモータから軸棒２６への直結駆動によって（すなわち、ウォームギア２１による減速を必要とせずに）達成されうる。
【００４３】
いうまでもなく、駆動ベルト４０および被駆動プーリ５２、５３の接続形態により、張力は、キャリッジ５０のすべての位置に対して維持される。市販の駆動ベルトおよびプーリに性能が与えられると想定すると、本発明にかかるアクチュエータを、実質的にバックラッシュの無いものとして経済的に生産することができる。
【００４４】
図１２に示されている他の反曲ドライブの実施形態では、駆動プーリ２８、２９（歯１枚の差を有する）は、入力駆動シャフト２６と一緒に回転するように固定されている。これらのプーリ２８、２９および駆動シャフト２６は、被駆動プーリ５２、５３、８４、８５と一緒にキャリッジ８８に取り付けられており、これらの被駆動プーリ５２、５３、８４、８５のうちのすべてが、対応するベアリング上で回転しうる。駆動ベルト４０は、第一の駆動プーリ２８から第一の被駆動プーリ５２へ渡り、第一の被駆動プーリ５２から第一のガイドプーリ４８へ渡り、第一のガイドプーリ４８から第三の被駆動プーリ８４へ渡り、第三の被駆動プーリから第二のプーリ２９へ渡り、第二のプーリから第四の被駆動プーリ８５へ渡り、第四の被駆動プーリ８５から第二のガイドプーリ４９へ渡り、第二のガイドプーリ４９から第二の被駆動プーリ５３へ渡り、そして、第二の被駆動プーリ５３から第一の駆動プーリ２８へと戻るようになっている。
【００４５】
キャリッジ８８は、ベアリングブロック８７により支持されており、このベアリングブロック８７は、トラック８６に取り付けられて、トラック８６に沿った直線運動を可能としている。図１３には、駆動ベルト４０が、第一の駆動ガイドプーリ４８と第一の被駆動プーリ５２および第三の被駆動プーリ８４との間に第一のループを形成し、第二のガイドプーリ４９と第二の被駆動プーリ５３および第四の被駆動プーリ８５との間に第二のループを形成している駆動ベルトの配置が示されている。駆動シャフト２６およびプーリ２８、２９が第一の方向へ回転すると、第一のループの長さが増大し、この分だけ、第二のループの長さが減少し、キャリッジ８８がトラック８６に沿って移動することになる。駆動シャフト２６の回転を逆転させると移動方向が逆転する。
【００４６】
この実施形態は、直動式アクチュエータの第一の実施形態に較べて、一定の駆動ベルトの長さに対して移動距離がより長く、その結果、よりしっかりとしているという利点を有している。
【００４７】
この実施形態では、駆動モータ（図示せず）がキャリッジ８８に取り付けられる必要があるが、このことも、一部の用途において利点となる。
【００４８】
図１２〜図１７の実施形態では、本発明が、キャリッジ８８上の力の方向がいずれの方向であっても良く、また、バックラッシュが実質的に無くなるようにキャリッジの位置を制御可能である直動式アクチュエータに用いるのに適していることが明らかにされている。  
【００４９】
図１８〜図２０に示されている他の実施形態では、駆動プーリ２８、２９は、それに対応する軸棒６１および軸棒６２上で別個に回転可能となっているとともに、同一の数の歯を有している。（他の実施形態では、これらのプーリは歯が一または複数の数違いうる）。軸棒６１および軸棒６２の各々は、それぞれ対応してギアホイール６３およびギアホイール６４を支持している。この構成は、ギアホイール６３およびギアホイール６４の各々の歯の数が１つの差があるようになっている（他の実施形態では、これらのギアホイールは、同一の数の歯を有していても良いし、または、歯が複数の数違っていても良い）。これらのギアは互いに嵌合さっているので、軸棒６１の回転は対向側にある軸棒６２に伝達されるようになっている。このことにより、駆動ベルト４０は駆動ベルトの経路の方向を反転または転向するためのガイドプーリを必要とすることなく、駆動プーリおよび被駆動プーリのまわりに巻き付けられることが可能となっている。
【００５０】
駆動ベルト４０は、第一の駆動プーリ２８から第一の被駆動プーリ７０へ渡り、第一の被駆動プーリ７０から第二の駆動プーリ２９へ渡り、第二の駆動プーリ２９から第二の被駆動プーリ７２へ渡り、そして、第二の被駆動プーリ７２から第一の駆動プーリ２９へと戻っている。駆動ベルト４０は、第一の被駆動プーリ７０と駆動プーリ２８、２９との間に第一のループを形成し、第二の被駆動プーリ７２と駆動プーリ２８、２９との間に第二のループを形成し、これらの駆動プーリが第一の方向へ回転すると、第一のループの長さが増大し、これに応じて、第二のループの長さが減少するようになっている。
【００５１】
先に記載された実施形態とは異なり、プーリ２８およびプーリ２９の円周の長さ（したがって、これらのプーリが歯付きの場合には歯の数）は同一である。しかしながら、ギア６３およびギア６４のギア歯数が異なるため、これに応じて、プーリ２８およびプーリ２９の相対的な回転速度に差が生じ、プーリ２８およびプーリ２９に対して異なる周速度を発生させ、よって、先の実施形態と同様の結果となる。
【００５２】
いうまでもなく、シャフト６１のある入力速度に対してプーリ２８、２９の間の周速度を異ならせること、すなわち被駆動部材またはＵ字形部材７１、７３の間の線速度を異ならせることは、ギア６３およびギア６４の歯数の差を変更することによって、プーリ２８およびプーリ２９の歯数を変更することによって、または、その両方の方法によって達成されうる。
【００５３】
シャフト６１の１回転あたりのＵ字形部材７３の変位は、(ｔ１／ｔ２＊Ｔ２／Ｔ１)／２に等しく、この式で、ｔ１ およびｔ２はそれぞれ対応してギア６３およびギア６４の歯数であり、Ｔ１およびＴ２ はプーリ２８ およびプーリ２９の歯数である。
【００５４】
Ｕ字形部材７１、７３は二次ベルトループ７４の手段により相互に連結されており、このループはプーリ８１のまわりを通っている。本実施形態の動作原理は先に記載の実施形態と同様であるが、本実施形態の場合、被駆動部材は第一のＵ字形部材７１およびＵ字形部材７３である。この構成の二次的な利点は、これら２つの被駆動部材が、異なるが関連のある２つの機能に対して別々の制御手段を提供していることである。というのは、各被駆動部材７１、７３が駆動シャフト６１の適切な運動に応じて反対方向に移動するからである。いうまでもなく、本実施形態を、プーリ８１および二次ベルトループ７４の正確な回転運動を生じさせるために用いても良い。
【００５５】
屈曲部を制御するために制御ワイヤまたは制御ケーブルが用いられているワイヤ駆動式またはケーブル駆動式のロボットアームの場合、組立体に必要な張力を与えるために二次ベルトループ７４および関連するプーリを取り外し二次ベルトループ７４に代えて制御ワイヤを用いることによって、２つの反対方向のケーブルに対して単一のアクチュエータを用いることができる。
【００５６】
したがって、図１８〜図２１で示されている駆動プーリおよび被駆動プーリの構成は、（プーリ８１の回転運動を制御するために、）回転式アクチュエータに用いられても良いし、または（被駆動部材７１、７３または制御ワイヤ５５ａ、５５ｂに接続されている部材の移動を制御するために、）直線式アクチュエータに用いられても良い。
【００５７】
図２２〜図２６に示されている実施形態は、図１８〜図２１に記載されている実施形態の変型例であり、中央駆動シャフト８０が第一の駆動プーリ２８および第二の駆動プーリ２９（本実施形態において、歯数の差は１つ）を駆動するように構成されている。駆動ベルト４０は、第一の駆動プーリ２８から第一のガイドプーリ４８へ渡り、第一のガイドプーリ４８から第一の被駆動プーリ７０へ渡り、第一の被駆動プーリ７０から第二の駆動プーリ２９へ渡り、第二の駆動プーリ２９から第二の被駆動プーリ７２へ渡り、第二の被駆動プーリ７２から第二のガイドプーリ４９へ渡り、そして、第二のガイドプーリ４９から第一の駆動プーリ２８へと戻るようになっている。
【００５８】
駆動ベルト４０は、第一の被駆動プーリ７０と第二の駆動プーリ２９、４８との間に第一のループを形成し、第二の被駆動プーリ７２と第二の駆動プーリ２９、４９との間に第二のループを形成し、駆動プーリ２８、２９が第一の方向へ回転すると、第一のループの長さが増大し、これに応じて、第二のループの長さが減少する。
【００５９】
被駆動部材またはＵ字形部材７１、７３は、プーリ８１の回転の制御を達成できるように、プーリ８１のまわりに張力を与えるために張力付与装置８２、８３を通じてベルト７４に接続されている。本実施形態は、ベルトの捩れを最小限に抑えられることおよび薄型であるという利点を有している。
【００６０】
図１８〜図２０および図２２〜図２６の実施形態では、本発明が、プーリ８１上のトルクの方向がいずれの方向であっても良く、また、このプーリの角度位置を実質的にバックラッシュ無しで制御可能である回転式アクチュエータに用いるのに適していることが明らかにされている。
【００６１】
さらに、上述のアクチュエータは、比較的小さな動力のモータを用いて、制御ワイヤ５５またはキャリッジ８８に対して極めて大きな力を与える可能性を提示し、または、プーリ８１に対して大きなトルクを与える可能性を提示している。好適な本実施形態では、参照番号２１の如きウォームギアを用いると、駆動ウォーム２１およびウォームホイール２７の機械的利点は着目に値する程度のものである。本発明にかかるプーリの配列の機械的な利点は、ウォームホイール２７が完全に１回転するとキャリッジが歯１つのピッチの半分だけ移動するという効果にある。この場合も先と同様に、機械的利点は着目に値する程度のものである。
【００６２】
当業者にとって明らかなように、この機械的利点は、駆動ベルト４０および駆動プーリ２８、２９の歯のピッチを変えることによって変更しうるし、および/または、他の例としては、単に駆動プーリの歯数の差を変えることによって変更しても良い。また、モータ１９と出力シャフト２０との間のドライブトレイン内に追加のギアボックスを設けることによって、さらに変更することができるが、上述のように、このことは、コストを増すこととなり、一般に好ましくない。
【００６３】
いうまでもなく、上述の実施形態のうちの一部においては、駆動ベルト４０は、駆動プーリ、被駆動プーリおよびガイドプーリ（存在する場合）のまわりにおいて同一の方向、すなわち、ベルトの歯の方向に向かってに曲がっている。当業者とって明らかなように、このことにより（適用可能な実施形態において）、反曲ドライブを備えた実施形態に比べてプーリのサイズを減少させることが可能となる。
【００６４】
本出願人は、上述の種類のアクチュエータを用いることによって、たとえば国際特許出願ＷＯ２００２／０１６９９５およびＷＯ２０２／１００６０８に記載のタイプのセグメント化されたロボットアームの制御が良好となることを見出した。これらのアクチュエータは、比較的低出力のモータの使用によってこのようなロボットアームの制御ワイヤに極めて大きな力を加えることを可能とし、また、これらのアクチュエータは比較的小型であるため、制御ワイヤ５５に殆ど付加的配線を設けることなくアクチュエータ群をロボットアームに並置して取り付けることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明にかかる直動式アクチュエータの第一の実施形態を示す斜視図である。
【図２】駆動プーリに対して被駆動プーリがどのように位置付けされるかを示す、端面の概略図である。
【図３】図１のアクチュエータの平面図である。
【図４】図１のアクチュエータの切り取り側面図である。
【図５】図３の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図６】図３のキャリッジの線Ｅ−Ｅに沿った部分断面図である。
【図７】図４の線Ｃ−Ｃに沿った部分断面図である。
【図８】図４の線Ａ−Ａ に沿った被駆動プーリの断面図である。
【図９】図４でＤと表示されている部分の詳細図である。
【図１０】図１のアクチュエータの駆動装置組立体の分解図である。
【図１１】ハウジングを取り外した状態にある、図１のアクチュエータを示す斜視図である。
【図１２】キャリッジの一部を取り外した状態にある、本発明にかかる直動式アクチュエータの第二の実施形態を示す斜視図である。
【図１３】図１２のアクチュエータの駆動ベルトの配置を示す斜視図である。
【図１４】図１５の線Ｇ−Ｇに沿った断面図である。
【図１５】キャリッジが完了した状態にある、図１２のアクチュエータを示す平面図である。
【図１６】図１５のアクチュエータを示す側面図である。
【図１７】図１５の線Ｆ−Ｆに沿った断面図である。
【図１８】本発明にかかる直動式アクチュエータおよび/または回転式アクチュエータの第一の実施形態を示す図である。
【図１９】本発明にかかる直動式アクチュエータおよび/または回転式アクチュエータの第一の実施形態を示す図である。
【図２０】本発明にかかる直動式アクチュエータおよび/または回転式アクチュエータの第一の実施形態を示す図である。
【図２１】図１８〜図２０の実施形態の変型例である。
【図２２】本発明にかかる回転式アクチュエータの実施形態を示す斜視図である。
【図２３】図２５の線Ｈ−Ｈに沿った断面図である。
【図２４】図２２の実施形態の駆動ベルトの配置を示す斜視図である。
【図２５】図２２のアクチュエータの平面図である。
【図２６】図２５の線Ｌ−Ｌに沿った断面図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008506546.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2008506546.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2008506546.tif 000028
【国際調査報告】
2008506546.tif 000029
2008506546.tif 000030
2008506546.tif 000031
2008506546.tif 000032