(57)【要約】  一部の実施形態において、ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重を支持するように構成されたギヤ接触システムに関するシステムおよび方法が説明される。システムは、第１の曲率半径によって画定される湾曲凸面を有する第１のローラ軸受面を有する第１のローラを備える第１のギヤと、第２の曲率半径によって画定される湾曲凹面を有する第２のローラ軸受面を有する第２のローラを備える第２のギヤとを備え、第２の曲率半径は第１の曲率半径よりも大きく、第２のローラの第２のローラ軸受面は、２つのギヤのピッチ径において第１のローラの第１のローラ軸受面と少なくとも一点で係合し、この点に接する直線は第１のギヤの回転軸に対して所定の角度を成す。【選択図】図２３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重を支持するように構成されたギヤ接触システムであって、
第１の曲率半径によって画定される湾曲凸面を有する第１のローラ軸受面を有する第１のローラを備える第１のギヤと、
前記第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径によって画定される湾曲凹面を有する第２のローラ軸受面を有する第２のローラを備える第２のギヤと
を備え、前記第２のローラの前記第２のローラ軸受面は、前記２つのギヤのピッチ径において前記第１のローラの前記第１のローラ軸受面と少なくとも一点で係合し、前記点に接する直線が前記第１のギヤの回転軸に対して所定の角度を成す、システム。
【請求項２】
前記所定の角度は０度〜９０度の間である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記所定の角度は３０度〜６０度の間である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記所定の角度は４０度〜５０度の間である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記所定の角度は４５度である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ローラ軸受面は、高速接触を支持することができる材料を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記材料は、ＡＭＰＣＯ４５ブロンズ、ステンレス鋼、またはニトロン鋼のうち少なくとも１種を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の曲率半径、前記第２の曲率半径、および前記所定の角度は、前記第１のローラ軸受面および前記第２のローラ軸受面が均等に摩耗するように選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
少なくともサンギヤ、少なくとも２つの遊星ギヤ、および少なくとも１つのリングギヤを有する遊星ギヤシステムに用いられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
入力サンギヤ、少なくとも１つの入力遊星ギヤ、および入力リングギヤを備える入力段アセンブリと、出力遊星ギヤ、前記少なくとも１つの入力ギヤに連結された前記少なくとも１つの出力遊星ギヤ、および出力リングギヤを備える少なくとも１つの出力段アセンブリとを有する遊星ギヤシステムに用いられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの出力段アセンブリは出力サンギヤを更に備え、前記入力段アセンブリは、前記入力サンギヤの内部領域の内側に配置された外付けロータを有するモータを更に備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記モータは前記入力サンギヤを駆動し、前記入力リングギヤは固定され、前記出力サンギヤは動かず、前記出力リングギヤは前記入力サンギヤによって駆動される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記モータは前記入力サンギヤを駆動し、前記入力リングギヤは固定され、前記出力サンギヤは前記入力サンギヤによって駆動され、前記出力リングは動かない、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モータは前記入力リングギヤを駆動し、前記入力サンギヤは固定され、前記出力サンギヤは前記入力リングギヤによって駆動され、前記出力リングは動かない、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記モータは前記入力リングギヤを駆動し、前記入力サンギヤは固定され、前記出力サンギヤは動かず、前記出力リングは前記入力リングギヤによって駆動される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記入力サンギヤと出力サンギヤとの境界面において前記入力段と前記出力段との間に溝が付いた玉軸受軌道を更に備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記入力リングギヤと出力リングギヤとの境界面において前記入力段と前記出力段との間に溝が付いた玉軸受軌道を更に備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの入力遊星ギヤと前記少なくとも１つの出力遊星ギヤとの連結部はプレストレスされる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記遊星ギヤシステムが高い外部負荷を受けると、前記回転軸に対して垂直なラジアル平面において１つの入力遊星ギヤを少なくとも１つの他の入力遊星ギヤと平行に保つように構成されたキャリアを更に備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記遊星ギヤシステムが高い外部負荷を受けると、前記回転軸に対して垂直なラジアル平面において１つの出力遊星ギヤを少なくとも１つの他の出力遊星ギヤと平行に保つように構成されたキャリアを更に備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２１】
ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重が安定している、請求項１〜２０に記載のギヤ接触システムを用いる方法。
【請求項２２】
各々が複数の歯を備える入力サンギヤ、出力サンギヤ、少なくとも１つの入力遊星ギヤ、少なくとも１つの出力遊星ギヤ、入力リングギヤ、および出力リングギヤを有し、トルクおよび速度を出力するように構成された遊星ギヤシステムを製造する方法であって、
ユーザインタフェースにおいて、
入力サンギヤの歯の範囲、所望のギヤ比の範囲、および遊星ギヤの歯の数の範囲と、
最大トルクおよび速度出力と
のうち少なくとも１つを含む入力を受信することと、
コンピュータ読取可能命令を記憶および実行するように構成されたプロセッサにおいて、
前記入力サンギヤの歯の範囲、前記所望のギヤ比の範囲、および前記遊星ギヤの歯の数の範囲と、
前記最大トルクおよび速度出力と
のうち少なくとも１つの組み合わせを用いて少なくとも１つの出力遊星の歯の数と１つの出力リングの歯の数との最大公約数を有する遊星ギヤシステムのパラメータを計算することと、
前記遊星ギヤシステムの画像を生成することができる画像生成器に、前記遊星ギヤシステムの前記パラメータを送信することと、
前記遊星ギヤシステムの前記画像に基づいて前記遊星ギヤシステムの物理的コピーを生成することができる追加の製造装置に、前記遊星ギヤシステムの前記画像を送信することと
を備える方法。
【請求項２３】
各々が複数の歯を備える入力サンギヤ、出力サンギヤ、少なくとも１つの入力遊星ギヤ、少なくとも１つの出力遊星ギヤ、入力リングギヤ、および出力リングギヤを有し、トルクおよび速度を出力するように構成された遊星ギヤシステムを製造するための装置であって、
入力サンギヤの歯の範囲、所望のギヤ比の範囲、および遊星ギヤの歯の数の範囲と、
最大トルクおよび速度出力と
のうち少なくとも１つを含む入力を受信するように構成されたユーザインタフェースと、
実行可能な命令およびデータを記憶するためにプロセッサおよびメモリを備え、前記ユーザインタフェースに動作可能に接続された設計モジュールであって、前記命令は、
前記入力サンギヤの歯の範囲、前記所望のギヤ比の範囲、および前記遊星ギヤの歯の数の範囲と、
前記最大トルクおよび速度出力と
のうち少なくとも１つの組み合わせを用いて少なくとも１つの出力遊星の歯の数と１つの出力リングの歯の数との最大公約数を有する遊星ギヤシステムのパラメータを計算するために実行される、設計モジュールと、
前記設計モジュールに動作可能に接続された送信モジュールであって、
前記遊星ギヤシステムの画像を生成することができる画像生成器に、前記遊星ギヤシステムの前記パラメータを送信し、
前記遊星ギヤシステムの前記画像に基づいて前記遊星ギヤシステムの物理的コピーを生成することができる追加の製造装置に、前記遊星ギヤシステムの前記画像を送信する
ように構成された送信モジュールと
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／８０４，２５６号の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）項に従って主張するものであり、同出願の開示が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
また、本願は、２０１３年１２月９日に出願された米国特許仮出願第６１／９１３，６３５号の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）項に従って主張するものであり、同出願の開示が参照により本明細書に援用される。
【０００３】
本願は、２００７年６月２１日に出願され、米国特許第８，０１６，８９３号として発行された“Ｇｅａｒ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｄｒｉｖｅ”と題された米国特許出願第１１／８２１，０９５号に関連するものであり、同出願の開示が参照により本明細書に援用される。
【０００４】
米国特許出願第１１／８２１，０９５号は、２００６年６月２１日に出願された米国特許仮出願第６０／８１５，３１３号の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）項に従って主張するものであり、同出願の開示が参照により本明細書に援用される。
【０００５】
本明細書に引用される全ての特許、特許出願、および公報は、本明細書に記載する本発明の時点で当業者に対し既知である技術的現状をより詳細に説明するために、その全体が参照によって本願に組み込まれる。
【０００６】
本発明は、湾曲軸受接触システムと、遊星ギヤシステムやギヤ軸受駆動装置などの様々なシステムにおけるその用途とに関する。
【背景技術】
【０００７】
最新式小型アクチュエータの設計では、大きな力を加えることができる小型の装置および機器が必要となる。アクチュエータの要件は、質量、寸法、動力、および費用に関してますます厳しくなりつつある。動力効率および小型実装に関するアクチュエータの頑健性および信頼性の改善は、低価格で大幅に性能および信頼性を増した効率的な装置を導き得る。
【０００８】
高性能かつ効率的なパワートレーン（アクチュエータおよびトランスミッション）の開発は、次世代ロボットシステムの根本的な設計要件を満たすために、特に、重量、効率性、および小型化がアプリケーション機能のために決定的である宇宙ロボット工学（例えば、宇宙マニピュレータ用関節部、動力生体工学、人型マニュピレータ、および宇宙飛行士用の宇宙用運動器具）において、不可欠になり得る。そのようなロボットアプリケーションは、小型の設定可能ハードウェアと、ロボット操作に固有の機械適合性および適応性とを有する新たな種類のアクチュエータを必要とする。
【０００９】
かつて、アクチュエータは、高速減速装置を備えた小型機構を提供するハーモニックドライブが主流であった。過去３０年間、高性能電動モータと併せてハーモニックドライブトランスミッションを使用することがロボットにおける駆動型関節部の最先端技術であった。ハーモニックドライブは主に、小型かつ高いトルク出力のアクチュエータを開発するのに有用である。これらの駆動型関節部は、バックラッシュが無きに等しく、一度の乾式潤滑しか要さないので、広く様々なアプリケーションのために理想的である。ハーモニックドライブの動作原理は、ウェーブジェネレータ、フレクスプライン、およびサーキュラスプラインによって表される３つの同軸部品を備える独特な型のトランスミッション機構に基づく。ウェーブジェネレータは、楕円形状のスチール円盤に圧入され、フレクスプラインに挿入された軸受から成る。フレクスプラインは、ウェーブジェネレータの形状に合うように適合した薄いスチールカップであり、サーキュラスプラインと接する外径に歯を有する。サーキュラスプラインは、内径に歯を有する固いスチールリングから成り、出力を表す。ハーモニックドライブは、フレクスプラインがサーキュラスプラインよりも２少ない歯を有するように設計され、それによってウェーブプラグが１回転するとサーキュラスプラインが２歯ずれ、非常に高いトルク利益を生じる。しかし、ハーモニックドライブの研究は、それが、可撓性ギヤ部品がトランスミッション内に直列に存在することによって、高い動荷重の下では大きく非線形の動きを示すことを示した。この弾性要素は、トランスミッション内部の中間に低い剛性をもたらし、バックラッシュと同様に荷重によって変形する。弾性部品はまた、高ゲインフィードバックループでの不安定性をもたらし、駆動型関節部の制御システム性能を更に低下させる。更に、ハーモニックドライブはトランスミッションシステムにすぎず、アクチュエータとして機能するために特殊モータを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
サイズ、費用、および製造の複雑性を低減しようという試みにおいて、高いギヤ比の遊星ギヤヘッドと高性能ブラシレスモータとの併用を含む他のいくつかのアクチュエータシステムが用いられてきた。概して、それらのアクチュエータの大半は、モータが遊星ギヤボックスに直列連結されておりギヤボックス内に統合されていないという理由から、なお大きすぎる。直列連結されたブラシレス直流モータおよび遊星ギヤのアセンブリのサイズを低減するためにいくつかの研究が行われた。例えば、単段遊星ギヤヘッドに直列連結された小型インナーロータスロットレスブラシレス直流モータが開発された。しかし、得られたアクチュエータは、５分の１の低い減速比しか示すことができず、ロボット工学で多くの場合望まれる高いトルク量を生じる能力が欠如する。別の例は、ロボットアクチュエータとして機能する、遊星ギヤヘッドに統合されたスロットレス型ブラシレス直流モータである。このシステムは、ステータに統合されたギヤ歯の数および歯対磁極比を最適化することによって、ブラシレス直流モータのコギングを低減しようと試みるものである。９０Ｗの出力に対して８０〜８５％の効率が実現され、バックラッシュは５０〜２０分の範囲に及んだ。これらの装置の主な欠点は、ロボット工学において多くの場合望まれる２０Ｎｍを上回る高いトルク量を生じることができないこと、およびハーモニックドライブに比べて比較的高いバックラッシュが示されることであった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一部の実施形態において、ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重を支持するように構成されたギヤ接触システムに関するシステムおよび方法が説明され、システムは、第１の曲率半径によって画定される湾曲凸面を有する第１のローラ軸受面を有する第１のローラを備える第１のギヤと、第２の曲率半径によって画定される湾曲凹面を有する第２のローラ軸受面を有する第２のローラを備える第２のギヤとを備え、第２の曲率半径は第１の曲率半径よりも大きく、第２のローラの第２のローラ軸受面は、２つのギヤのピッチ径において第１のローラの第１のローラ軸受面と少なくとも一点で係合し、その点に接する直線が第１のギヤの回転軸に対して所定の角度を成す。一部の実施形態において、角度は０〜９０度の間である。一部の実施形態において、所定の角度は３０〜６０度の間である。一部の実施形態において、所定の角度は４０〜５０度の間である。一部の実施形態において、所定の角度は３０〜６０度の間である。一部の実施形態において、所定の角度は４５度である。一部の実施形態において、ローラ軸受面は、高速接触を支持することができる材料を備える。一部の実施形態において、材料は、ＡＭＰＣＯ４５ブロンズ、ステンレス鋼、またはニトロン鋼のうち少なくとも１種を含む。一部の実施形態において、第１の曲率半径、第２の曲率半径、および所定の角度は、第１のローラ軸受面および第２のローラ軸受面が均等に摩耗するように選択される。一部の実施形態において、ギヤ接触システムは、少なくともサンギヤ、少なくとも２つの遊星ギヤ、および少なくとも１つのリングギヤを有する遊星ギヤシステムに用いられる。一部の実施形態において、ギヤ接触システムは、入力サンギヤ、少なくとも１つの入力遊星ギヤ、および入力リングギヤを備える入力段アセンブリと、出力遊星ギヤ、少なくとも１つの入力ギヤに連結された少なくとも１つの出力遊星ギヤ、および出力リングギヤを備える少なくとも１つの出力段アセンブリとを有する遊星ギヤシステムに用いられる。一部の実施形態において、ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重が安定しているギヤ接触システムを用いるための方法が説明される。
【００１２】
一部の実施形態において、少なくとも１つの出力段アセンブリは出力サンギヤを更に備え、入力段アセンブリは、入力サンギヤの内部領域の内側に配置された外付けロータを有するモータを更に備える。一部の実施形態において、モータは入力サンギヤを駆動し、入力リングギヤは固定され、出力サンギヤは動かず、出力リングギヤは入力サンギヤによって駆動される。一部の実施形態において、モータは入力サンギヤを駆動し、入力リングギヤは固定され、出力サンギヤは入力サンギヤによって駆動され、出力リングは動かない。一部の実施形態において、モータは入力リングギヤを駆動し、入力サンギヤは固定され、出力サンギヤは入力リングギヤによって駆動され、出力リングは動かない。一部の実施形態において、モータは入力リングギヤを駆動し、入力サンギヤは固定され、出力サンギヤは動かず、出力リングは入力リングギヤによって駆動される。一部の実施形態において、玉軸受軌道は、入力サンギヤと出力サンギヤとの境界面において入力段と出力段との間に設けられた溝を有する。一部の実施形態において、少なくとも１つの入力遊星ギヤと少なくとも１つの出力遊星ギヤとの連結部はプレストレスされる。一部の実施形態において、玉軸受軌道は、入力リングギヤと出力リングギヤとの境界面において入力段と出力段との間に設けられた溝を有する。一部の実施形態において、キャリアは、遊星ギヤシステムが高い外部負荷を受けると、回転軸に対して垂直なラジアル平面において１つの入力遊星ギヤを少なくとも１つの他の入力遊星ギヤと平行に保つように構成される。一部の実施形態において、キャリアは、遊星ギヤシステムが高い外部負荷を受けると、回転軸に垂直なラジアル平面において１つの出力遊星ギヤを少なくとも１つの他の出力遊星ギヤと平行に保つように構成される。
【００１３】
一部の実施形態において、各々が複数の歯を備える入力サンギヤ、出力サンギヤ、少なくとも１つの入力遊星ギヤ、少なくとも１つの出力遊星ギヤ、入力リングギヤ、および出力リングギヤを有し、トルクおよび速度を出力するように構成された遊星ギヤシステムを製造するためのシステムおよび方法が説明される。一部の実施形態において、方法は、入力サンギヤの歯の範囲、所望のギヤ比の範囲、および遊星ギヤの歯の数の範囲と、最大トルクおよび速度出力とのうち少なくとも１つを含む入力をユーザインタフェースで受信することと、コンピュータ読取可能命令を記憶および実行するように構成されたプロセッサにおいて、入力サンギヤの歯の範囲、所望のギヤ比の範囲、および遊星ギヤの歯の数の範囲と、最大トルクおよび速度出力とのうち少なくとも１つの組み合わせを用いて、少なくとも１つの出力遊星の歯の数と１つの出力リングの歯の数との最大公約数を有する遊星ギヤシステムのパラメータを計算することと、遊星ギヤシステムの画像を生成することができる画像生成器に遊星ギヤシステムのパラメータを送信することと、遊星ギヤシステムの画像に基づいて遊星ギヤシステムの物理的コピーを生成することができる追加の製造装置に遊星ギヤシステムの画像を送信することとを備える。
【００１４】
一部の実施形態において、入力サンギヤの歯の範囲、所望のギヤ比の範囲、および遊星ギヤの歯の数の範囲と、最大トルクおよび速度出力とのうち少なくとも１つを含む入力を受信するように構成されたユーザインタフェースと、ユーザインタフェースに動作可能に接続され、実行可能な命令およびデータを記憶するためのメモリおよびプロセッサを備える設計モジュールであって、命令は、入力サンギヤの歯の範囲、所望のギヤ比の範囲、および遊星ギヤの歯の数の範囲と、最大トルクおよび速度出力とのうち少なくとも１つの組み合わせを用いて、少なくとも１つの出力遊星の歯の数と１つの出力リングの歯の数との最大公約数を有する遊星ギヤシステムのパラメータを計算するために実行される、設計モジュールと、設計モジュールに動作可能に接続され、遊星ギヤシステムの画像を生成することができる画像生成器に遊星ギヤシステムのパラメータを送信し、遊星ギヤシステムの画像に基づいて遊星ギヤシステムの物理的コピーを生成することができる追加の製造装置に遊星ギヤシステムの画像を送信するように構成された送信モジュールと、を備える装置が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ面を用いるギヤ軸受駆動装置を示す。
【図２】本開示の一部の実施形態において説明されるようなブラシレス「アウトランナー」モータの構成要素を示す。
【図３】本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ軸受を示す。
【図４Ａ】本開示の一部の実施形態において説明されるような多段遊星サブアセンブリにおける力均衡を示す。
【図４Ｂ】本開示の一部の実施形態において説明されるような単段遊星サブアセンブリにおける力均衡を示す。
【図５】本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ面を見せるＧＢＤの縦方向切断面を示す。
【図６】本開示の一部の実施形態において説明されるようなスラスト軸受および軸方向プレストレス遊星を示す。
【図７Ａ】本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置のインランナー／アウトランナー構成を示す。
【図７Ｂ】本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤアセンブリの運動図を示す。
【図８】本開示の一部の実施形態において説明されるような順方向および逆方向の構成を示す。
【図９】本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤのインランナー／インランナー構成を示す。
【図１０】本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤのアウトランナー／インランナー構成を示す。
【図１１】本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤのアウトランナー／アウトランナー構成を示す。
【図１２】本開示の一部の実施形態において説明されるような４つの異なるインランナーとアウトランナーとの組み合わせにおけるサンギヤおよびリングギヤの状態を表形式で示す。
【図１３】本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置の運動学的関係の概要を示す。
【図１４】本開示の一部の実施形態において説明されるような肘プロテーゼのためのギヤ軸受駆動システムを示す。
【図１５】本開示の一部の実施形態において説明されるような、図１４において説明されるギヤ軸受駆動装置モータに関する線形トルク速度特性を示す。
【図１６】本開示の一部の実施形態において説明されるような、図１４において説明される肘プロテーゼのためのギヤ軸受駆動設計の詳細を示す。
【図１７】本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置を試験するために用いられる動力計を示す。
【図１８】本開示の一部の実施形態において説明されるような、図１７における動力計試験による結果を示す。
【図１９】本開示の一部の実施形態において説明されるような２，５００ｒｐｍの速度基準に対する閉ループステップ応答を示す。
【図２０】本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置を設計するコンピュータ実現方法に関するフローチャートを示す。
【図２１】本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲転がり面を有するＧＢＤの別の図を示す。
【図２２】本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤにおいて実装されるような湾曲ローラ軸受の図を示す。
【図２３】本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ軸受を示す。
【図２４】本開示の一部の実施形態において説明されるようなキャリアを有するＧＢＤを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ロボットアクチュエータおよび他のギヤボックスのサイズ、費用、および製造の複雑性を低減するために、ギヤアセンブリの全体の複雑性を低減し、かつ更なる安定性を提供するアプローチに対するニーズがある。一部の態様において、本明細書に記載するシステムおよび方法は、ファスナ、玉軸受の必要性を排除し、同時にラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重に対する支持を提供する機械部品のためのデュアル機能アプローチを提供する。一部の態様において、本明細書に記載するシステムおよびコンピュータ実現方法は、雑音および早期損傷の排除、試行錯誤の低減、および設計および全体の製造コストの削減に関する。
【００１７】
一部の態様において、本明細書に記載するシステムおよび方法は、その内容が参照により援用される、“Ｇｅａｒ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｄｒｉｖｅ”と題された米国特許第８，０１６，８９３号において説明されるように、ギヤ軸受駆動装置（ＧＢＤ）において実現され得る。一部の態様において、本明細書に記載するシステムおよび方法は、ＧＢＤの様々な動作モードを提供する。
【００１８】
本明細書に記載するシステムおよび方法の他の態様は、１）低減速および高減速を効果的に実行すること、２）従来の玉軸受および遊星キャリアを使用せずギヤセットアライメントを維持すること、３）アクチュエータの総容量を低減するようなギヤボックス内のモータの配置を可能にすること、４）組立工程を簡略化すること、および５）従来の玉軸受、遊星キャリア、外付けファスナ、および複雑な組立てを要さない全体的に低コストのソリューションを提供することを含む。
湾曲接触面
【００１９】
一部の実施形態において、本発明は、ギヤセットアライメントを確立し、縦および横方向にアセンブリを固定するために、ギヤ部品に対し軸方向に平行に設けられた湾曲接触面を用いる。一態様において、ギヤセットアライメントを提供し、縦および横方向にギヤアセンブリを固定するローラアセンブリが設けられる。
【００２０】
いくつかの例において、ローラ面は、より小さい円形面がギヤ面の方に向けられた、例えば傾斜面が正の角で偏る、先端が切断された球面を形成する。いくつかの例において、ローラ面は、より小さい円形面がギヤ面から離れた方向に向かう、例えば傾斜面が負の角で偏る、先端が切断された球面を形成する。傾斜ローラ面は、各ギヤに関連するアンギュラ接触面を提供し、隣り合うギヤのアンギュラ接触面は、正の角で偏る傾斜面を有するローラが、負の角で偏る傾斜面を有するローラと隣接するように選択される。傾斜ローラ面は、接点において関連ギヤのピッチ径と等しい直径を有するアンギュラ接触面を提供する。
【００２１】
図２３は、本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ軸受を示す。図２３は、ピッチ径点接触２３０１で接する２つの湾曲ローラ面を示す。下側ローラ２３０２に対応する湾曲ローラ面は、負の角度で偏る傾斜面を有する。上側ローラ２３０３に対応する湾曲ローラ面は、正の角度で偏る傾斜面を有する。
【００２２】
一部の実施形態において、２つの湾曲ローラ面が接する点は、両方のローラの湾曲に接する点と一致する。ローラ接触面の湾曲は、２つの正接円によって画定され得る。一部の実施形態において、ローラの一方は、第１の円の半径の逆数に比例する湾曲凸面を有し、他方のローラは、第２の円の半径の逆数に比例する湾曲凹面を有する。一部の実施形態において、ローラの一方に対応する半径は、他方のローラに対応する半径よりも大きい。例えば、ＧＢＤの一部の実施形態において、リングローラ半径は遊星ローラ半径よりも大きく、線接触とは対照的に効率を向上させ得る点接触境界面を可能にする。点接触はまた、ローラ半径に沿って変化する速度差によって生じる滑り摩擦を低減する。２つのローラは、第１のローラの湾曲に一致する円が第２のローラの湾曲に一致する円に接するような点で接し得る。一部の実施形態において、２つのローラは、２つのギヤのピッチ径で接する。
【００２３】
一部の実施形態において、ローラ接触面は、２つの正接円の中心を通る直線と、円が接する点とがピッチ径において接触角を成すように曲げられる。本明細書で用いられる「曲げられる」とは、２つのギヤの接点で２つの円に接する直線が、ギヤの回転軸に対して平行な面から角状に逸れる、あるいは面外にあることを意味する。一部の実施形態において、スラストおよびラジアル方向に均等に軸受荷重を分散するために４５度の角度が用いられ得る。一部の実施形態において、ギヤ部品の配置、および平衡を保つ必要がある軸力およびラジアル力に依存して、０度〜９０度の任意の角度が用いられ得る。ローラの湾曲を定める半径は、接触圧および接触応力の関数として選択され得る。
【００２４】
一部の実施形態において、ローラは、高速接触を支持することができる任意の材料（例えば、ＡＭＰＣＯ４５ブロンズ、ステンレス鋼、またはニトロン鋼）を備えてよい。
【００２５】
一部の実施形態において、２つの接点が半径方向にギヤシステムの平衡を保つために用いられ、２つの接点が軸方向にギヤシステムの平衡を保つために用いられる場合、４点接触が生じる。図４Ａは、本開示の一部の実施形態において説明されるような多段遊星サブアセンブリにおける力平衡を示す。４点接触軸受４０１は、入力段４３０および出力段４２０を有する遊星システムにおいて実現される。図４Ｂは、本開示の一部の実施形態において説明されるような、単段遊星サブアセンブリにおける力平衡を示す。４点接触軸受４０１は、単段遊星システム４４０において実現される。ギヤボックスの両側で湾曲ローラが用いられる場合、遊星サブアセンブリは、ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重の全てを同時に支持することができる４点接触軸受４０１として機能する。遊星ローラにおける作動の結果生じる力は、遊星にそれらの縦軸に沿った回転を強い、駆動効率を著しく低下させ得る横ぶれや軸ぶれを防ぐ。
【００２６】
一部の実施形態において、システムにおける高い剛性を保証するために、遊星は、システムにおける高い剛性を保証するため、および外部負荷によって生じ得るたわみに対応するためにプレストレスされる。遊星のプレストレスは、ギヤの噛み合いサイクルを通して接点をピッチ径に維持し得る。摩耗が生じる場合、ローラは一様に摩耗し、遊星サブアセンブリがその剛性の結果縮む原因となるが、サブアセンブリが縮むと、ローラは、摩耗過程にわたりギヤセットのアライメントを維持し続けるように、以前と同じ接触ピッチ点を維持するために内側にずれる。一部の実施形態において、遊星サブアセンブリと接地と出力リングとの４点アンギュラ接触は、ゴシックアーチ軸受と原理的に類似する。遊星ローラにおける作動の結果生じる力は、遊星にそれらの縦軸に沿った回転を強い、駆動効率を著しく低下させ得る横ぶれや軸ぶれを防ぐ。一部の実施形態において、９０度の圧力境界面を形成するピッチ径において接する湾曲ローラを用いて４点軸受が実現される。これは、標準的な平行ローラを用いてギヤ歯に与えられるせん断力を排除し、スラスト力およびラジアル力をローラ間で均等に分散することができる。ローラ間で均等に荷重を分散することによって均等なローラの摩耗がもたらされ、その結果、より長い動作寿命の間ギヤセットアライメントを維持することができる。一部の実施形態において、玉軸受軌道４０２は、遊星プレストレスの平衡を保って相殺し、円滑な出力動作を保証するために、入力サンおよびリングギヤとおよび出力サンおよびリングギヤとの間に設けられた溝を有する。玉軸受軌道は、システム内のスラスト軸受要素として機能し得る。
【００２７】
湾曲ローラアプローチを用いる場合、遊星ギヤシステムは、２つのギヤ段を個々に組み立て、その後、アセンブリの両面からローラを取り付け、締めることによって構成され得る。遊星ローラが締められると、それらは、両方の遊星のギヤ歯がそれらのピッチ径において噛み合い正確に作動することを保証するために、遊星サブアセンブリをそれらの軌道軸に沿って整えるための平頭ねじとして機能し得る。
【００２８】
本発明は、費用、重量、容積、および全体的な製造の複雑さを増す外付け玉軸受およびキャリアの必要性を排除するために他のギヤシステムにも適用され得る。アンギュラコンタクトローラは、玉軸受や遊星キャリアなしで１以上の段においてサン、遊星、およびリングギヤを拘束することによって、典型的な遊星ギヤトレーンの複雑性を低減するために適用され得る。
ギヤ軸受駆動装置に適用されるローラ面
【００２９】
２段遊星ギヤボックスを用いる一実施形態において、サン、遊星、およびリングによる転がり面は遊星を軌道内に位置付けるが、遊星の回転には干渉しない。ギヤはトルクを伝達するように作用し、面（ローラ）は、スラスト方向およびラジアル方向における軸受支持機能を実現する。例えば、遊星構成においてギヤボックスの両側で湾曲ローラが用いられる場合、遊星サブアセンブリは、ラジアル荷重、スラスト荷重、およびモーメント荷重を同時に支持することができる４点接触軸受として機能し得る。
【００３０】
図１は、本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ面を用いるギヤ軸受駆動装置を示す。図１は、モータシャフト１０１、入力サンギヤ１０２、入力段リング１０３、および入力遊星ギヤ１０４を備える入力段１３０を示す。図１はまた、出力サンギヤ１０５、サンローラ１０７、出力遊星ギヤ１０８、遊星ローラ１０９、リングローラ１１０、および出力段リング１１１を備える出力段１２０を示す。軸受軌道輪１１２は、入力段１３０と出力段１２０との間を走行する。
【００３１】
モータシャフト１０１は、入力サンギヤ１０２の一端に作動的に連結される。一部の実施形態において、モータシャフト１０１は、入力サンギヤ１０２内に配置されたモータに作動的に連結され得る。一部の実施形態において、アクチュエータは、模型飛行機において一般的に用いられる直流モータである、「アウトランナー」とも称される外付けロータブラシレスモータを用い得る。
【００３２】
図２は、本開示の一部の実施形態において説明されるような、ブラシレス「アウトランナー」モータの構成要素を示す。モータは、コイル２０１をエンドベル（接地ステータ）２０２に固定し、磁石２０３を回転シェル（ロータ）２１１上に配置し得る。接地ステータ２０２は、ステータスタック２０３、複数のステータ歯２０４、および軸受２０５を更に備えてよい。また、図２は、ロータ２１１内の磁極２１２も示す。アウトランナーモータは、コイル２０１が充電されると動くロータ２１１上の永久磁石２１０を有する。モータは、磁石２１０によって生じる磁界が常にずれ、ロータを回転させるように設計される。モータの磁気シェルが回転するので、一部の実施形態においてそれは、非常に小型かつ効率的なアプローチで機構を駆動させるために第１段サンギヤ内に組み込まれ得る。更にこのモータ設計は標準的な直流モータ設計と比べて、より高いトルク出力、より大きい放熱、およびより少ない部品数を有する。
【００３３】
出力サンギヤ１０５および出力サンローラ１０７は、出力側における入力サンギヤ１０２の他方の端に同軸配置される。一部の実施形態において、入力段リング１０３は固定され、入力段遊星１０４および出力段遊星１０８は、サンギヤ１０２によって駆動される中心軸の周囲を回転する。一部の実施形態において、入力遊星１０４と出力遊星１０８とでは歯の総数に差がある。一部の実施形態において、歯の総数における差が、出力側リング１１１のギヤを回転させる。一部の実施形態において、出力サンローラ１０７は、駆動装置を安定させ、ピニオンサブアセンブリが正しく整列するように保つ。出力サンローラ１０７は、ピニオンまたは遊星サブアセンブリの対応するローラ軸受面で滑ることなく転がる径方向外向きのサンローラ軸受面を含む。一部の実施形態において、遊星ローラ（例えば１０９）は、サンローラ（例えば１０７）およびリングローラ（例えば１１０）の対応するローラ軸受面で滑ることなく転がり得る径方向外向きの軸受面を有する。一部の実施形態において、リングローラ（例えば１１０）は、遊星ローラ（例えば１０９）の対応するローラ軸受面で滑ることなく転がり得る径方向内向きの軸受面を有する。
【００３４】
一部の実施形態において、入力サンギヤ１０２のギヤは、入力遊星ギヤ１０４のギヤと噛み合う。一部の実施形態において、出力サンギヤ１０５のギヤは、出力遊星ギヤ１０８のギヤと噛み合う。遊星ローラ１０９は、出力遊星ギヤ１０８の出力側に同軸配置される。出力遊星ローラ１０９は、出力サンローラ１０７と接し、かつ出力リングローラ１１０と接している。一部の実施形態において、遊星ローラ１０９とサンローラ１０７との接点、および遊星ローラ１０９とリングローラ１１０との接点は、湾曲接触面である。一部の実施形態において、その接触面は湾曲ローラ軸受を形成する。出力段リング１１１および入力段リング１０３は、２つのリングの間に溝がある玉軸受軌道輪１１２を備えてよい。玉軸受軌道輪１１２は、スラスト軸受として機能し得る。
【００３５】
図２１は、本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲転がり面を有するＧＢＤの別の図を示す。図２１は、例えばモータロータシャフト１０１、モータステータおよびコイル２０１、スラスト軸受１１２、遊星ピニオン１０４，１０８、遊星ローラ１０９、およびサンローラ１０７など、図１および２で説明した特定の機構を示す。図２１はまた、取付け台２１０１、エンコーダ台２１０２、出力ベルト駆動装置２１０５、出力シャフト駆動装置２１０６、およびアライメントピン２１０７も示す。
【００３６】
取付け台２１０１は、ＧＢＤの入力段に付けられ、効率的な作動レベルにＧＢＤを位置付けるために用いられ得る。エンコーダ台２０１２もＧＢＤの入力側に付けられ、速度および位置制御に関するフィードバックを提供し得る。出力ベルト駆動装置２１０５は、ギヤ構成要素の全てを含みギヤ構成要素の外周を成し得る可撓性動力伝達部品であってよい。ＧＢＤはまた、ＧＢＤから動力を受け取り、それを出力源へ伝達することができる出力シャフト駆動装置２１０６も備えてよい。出力シャフト駆動装置２１０６および出力ベルト駆動装置２１０５によって、ＧＢＤは、２方向に（例えば、出力シャフトを介して直列に、およびタイミングベルトプーリを介して並列に）動力を伝達することが可能となる。ＧＢＤはまた、ギヤを定位置に保つために用いられ得るアライメントピン２１０７も備えてよい。
【００３７】
図３は、本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ軸受を示す。図３は、リングギヤ３０４、遊星ギヤ１０８、ギヤ噛合３０１、遊星歯上端３０６、ピッチ径境界面３０７、リング歯下端３０８、リングローラ１１０、遊星ローラ１０９、遊星ローラ円錐半径３１１およびリングローラ円錐半径３１０、２つの円錐半径に対応する２つの円の中心と、２つの円に接する点とを結ぶ直線３２０、および２つの円に接する直線３３０を示す。
【００３８】
一部の実施形態において、ピッチ径３０７は、ギヤ噛合３０１の観点から定義され得る。ピッチ径は、各歯の中心を通り、すなわちギヤ噛合３０１の中心を通る。図３において、ギヤ噛合３０１は、遊星歯上端３０６とリング歯下端３０８との間の距離を備える。一部の実施形態において、ピッチ径境界面３０７は、遊星ギヤ歯およびリングギヤ歯が純回転運動中に係合する点を表す。図３において、ローラ１０９、１１０は、２つの正接円３１０、３１１によって、それらの中心と２つの円に接する点とを通る直線３２０がピッチ径境界面３０７と４５度の所定の角度を成すように形成される。この例において、４５度の角度は、ピッチ径３０２に属すために純回転を前提とする点接触を生じ、その結果、軸受の全体効率を向上させる。一部の実施形態において、角度は、ピッチ径境界面３０７に関する２つの円に接する直線３３０によっても画定され得る。
【００３９】
図２２は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤにおいて実現される湾曲ローラ軸受の図を示す。図２２は、第１段遊星ピニオン２２０１、第１段遊星に関連するピッチ径２２０２、第２弾遊星ピニオン２２０４、第２弾遊星ピニオンのピッチ径２２０５、および遊星ピニオンの各々に関するアンギュラ点接触２２０７を示す。図２に示すように、第１段における湾曲ローラの接点２２０７は第１段遊星のピッチ径２２０２において生じ、第２弾における接点２２０７は第２弾遊星のピッチ径２２０５において生じる。
【００４０】
図５は、本開示の一部の実施形態において説明されるような湾曲ローラ面を見せるＧＢＤの縦方向切断面を示す。図５は、例えばアウトランナーモータ５０１、段１遊星５０２、段２遊星５０３、ローラ面キャップ５０４、ピッチ径５０５、および点接触軸受５０６など、図１および２において説明される特定の機構を示す。図５はまた、プレストレスボルト５１０、段１遊星５０２および段２遊星５０３を結ぶ遊星偶力５１１、統合リング軌道５０８、および統合サン軌道５０９も示す。
【００４１】
プレストレスボルト５１０は、ローラ面５０４を遊星５０２、５０３に固定する。また、入力段遊星５０２および出力段遊星５０３は、ボルト５１０およびアライメントピンによっても連結される。入力段遊星５０２が回転すると、対応する出力段遊星５０３も回転する。
【００４２】
統合軌道５０９は、サン境界面において入力段５３０と出力段５２０との間に設けられた溝を有する。一体型軌道５０８はまた、リング境界面において入力段と出力段との間にも設けられた溝を有する。一部の実施形態において、統合軌道はゴシックアーチ軌道の特徴を成す。一部の実施形態において、ゴシックアーチ軌道は、遊星与圧下で玉の各々について４点接触を強いることができる。軌道５０８、５０９は、駆動効率に影響を及ぼすことなく、出力段で作用するモーメントおよび外部負荷を強固に支持することによって、出力段を改善するのに役立つことができる。
【００４３】
図６は、本開示の特定の実施形態において説明されるようなスラスト軸受および軸方向プレストレス遊星を示す。
【００４４】
一部の実施形態において、ＧＢＤ出力の横ぶれを低減し、全体の駆動効率を高めるために、接地リング６０２と出力リング６０４との間にスラスト軸受６０１が導入されてよく、遊星６０３が軸方向にプレストレスされ得る。入力および出力遊星６０３の間の偶力をプレストレスすることによって、出力リング６０４は出力遊星および出力リングローラによって入力リングに押し付けられ得るが、界面スラスト軸受６０１によって接地リング６０１に対して自由に滑走する。出力リング６０４は、カンチレバー荷重（曲げまたはせん断）を受けると、遊星のプレストレスによって接地リング６０２に対して平行な位置を維持することができ、その結果、出力段ローラが入力段ローラと同期し続けるように強いることによって、ローラに加わる応力を低減し、システムの効率を向上させる。
キャリアシステム
【００４５】
一部の実施形態において、ギヤ軸受駆動装置内にキャリアシステムが挿入され得る。高い外部負荷がシステムに加わると、遊星は、回転軸に対して垂直なラジアル平面においてずれが生じ得る。一部の実施形態において、遊星はキャリアに固定され得る。キャリアは、噛合サイクルを通して遊星を互いに平行に保つために用いられ得る。一部の実施形態において、キャリアシステムは、キャリアロック（例えば、保持器や段付きボルト）によって固定され得る。
【００４６】
図２４は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなキャリアを有するＧＢＤを示す。キャリア２４０１は、入力段および出力段の両方で遊星ピニオンに取り付けられる。一部の実施形態において、入力キャリアおよび出力キャリアを取り付けるために保持器２４０２が用いられる。一部の実施形態において、キャリアは段付きボルト２４０３によって連結され得る。
ギヤ軸受駆動装置の構成および運動モデリング
【００４７】
ＧＢＤは、アプリケーションに依存して様々な方法で構成され得る。ギヤの様々な配置およびギヤを駆動する様々な方法の結果、高速および低速の減速装置および加速装置がもたらされ得る。各構成は、独自の運動モデルを生じ得る。一部の実施形態において、ギヤ軸受駆動装置は、１より多い数の出力段を有し得る。ＧＢＤが異なる段において異なるトルク出力を生じるように、異なる段は異なる機械的利点を有し得る。
インランナー／アウトランナー
【００４８】
図７Ａは、本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置のインランナー／アウトランナー構成を示す。
【００４９】
この機構への入力は、第１段サンギヤ７０１のトルクであり、出力は、第２段リングギヤ７０３で感知されるトルクである。第１段リング７０２は固定され、接地として扱われる。遊星に作用する力の均衡が、図７Ａに示すような機構の全体トルク利益を生み出す。
トルクの利益は、回転の瞬間中心（Ｂ点）に関するトルクを合計することによって計算することができる。
Ｆ・（２ｂ）＝ｆp2・（ｂ−ｄ）                                        （１）
【数１】
2016525657.tif 000003
式中、ａ、ｂ、ｄ、およびｅはサンギヤ、入力遊星、出力遊星、および出力リングのピッチ径をそれぞれ表し、Ｔinはモータからの入力トルクを表し、Ｔoutは出力リングにおける増幅トルクである。
【００５０】
この構成において、遊星のピッチ径における僅かな差が、入力サンと出力リングとの間の大きなトルク利益を生じさせる。これは、モータトルクの結果生じる入力接線力Ｆが、感知されるリング力ｆp2が作用し、遊星ピッチ径における差に等しい、モーメントアーム（ｂ−ｄ）よりも遥かに大きい２ｂのモーメントアームに作用するためである。更に、入力に対する出力の動きの方向は、遊星のサイズの差によっても規定される。入力段遊星のピッチ径が出力段遊星のピッチ径よりも大きい場合、式１の分母は正の数となり出力を入力と同じ方向に回転させ、逆もまた然りである。
【００５１】
図８は、本開示の一部の実施形態において説明されるような順方向および逆方向の構成を示す。遊星の直径に小さな変化を含むことは、機構の全体形状因子を変更せずに非常に高いトルク比をもたらす。この構成は、内側駆動入力サンギヤおよび外側駆動出力リングギヤであるためインランナー／アウトランナーモードと称され、非常に高い減速比および入力段サンギヤ内に外付けロータモータを組み込むための適用性を有するギヤ軸受駆動装置を開発するために採用される。
【００５２】
図７Ｂは、本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤアセンブリの運動図を示す。
【００５３】
インランナー／アウトランナーＧＢＤ構成の運動モデルは更に、各ギヤ要素における許容可能な数の歯とトルク比との関連付けに展開され得る。動きの運動方程式は、仮想アーム速度に関して展開され、その後接地に対して反転される。アームは、回転のピニオン軸を通り、かつサンギヤの周りを回転する虚軸を構成する。図７Ｂに示すように、Ｎ１〜Ｎ５は、第１段サンＮ１、第１段遊星Ｎ２、第１段リングＮ３、第２段遊星Ｎ４、および第２段リングＮ５の歯の数をそれぞれ表す。
【００５４】
接地に対する入力（第１段サン）の全体角速度は、
ｗInput＝ｗInput/Arm＋ｗArm                               （３）
と表すことができる。
【００５５】
アームに対する第１段ピニオンの角速度は、
【数２】
2016525657.tif 000004
と表される。
【００５６】
接地に対する第１段リング（すなわち、接地）の角速度はゼロである。よって、
ｗ3＝ｗ3/Arm＋ｗArm＝０  （５）
である。
【００５７】
アームに対する接地の速度は、
【数３】
2016525657.tif 000005
である。
【００５８】
式（４）および（６）から、アーム速度は、以下のように導出することができる。
【数４】
2016525657.tif 000006
【００５９】
式（７）を再び式（３）に代入すると、接地に対する入力速度は、
【数５】
2016525657.tif 000007
となる。
【００６０】
両段のピニオンは強固に連結されるため、それらは等しい角速度を有するので、
ｗ2/Arm＝ｗ4/Arm （９）
である。
【００６１】
アームに対する出力（第２段リング）速度は以下のように決定される。
【数６】
2016525657.tif 000008
【００６２】
接地に対する出力速度は以下のように決定される。
【数７】
2016525657.tif 000009
【００６３】
式（８）を式（１１）で割ると、最終的な角速度比、あるいはトルク比は、以下のように決定される。
【数８】
2016525657.tif 000010
【００６４】
式（１２）は、所与のトルク比に関して各ギヤ要素に課される許容可能な歯の数を定める。式（１３）によると、第１段における追加の幾何条件は、接地リングの歯の数が、サンギヤ歯と入力ピニオン歯の２倍との総数に等しい必要がある。
Ｎ3＝Ｎ1＋２Ｎ2  （１３）
【００６５】
更に、互いに噛み合うギヤは、純転がり接触において係合するために同じ直径ピッチおよび圧力角特性を有さなければならない。式（１４）によると、Ｐによって表される直径ピッチは、インチごとの歯の数の約数であり、歯の数Ｎおよびピッチ径Ｄに関連する。
【数９】
2016525657.tif 000011
【００６６】
圧力角は、例えば歯末の丈、歯元の丈、全歯丈、および基礎円など、スパーギヤのインボリュート歯形を定める。式（１５）によって示すように、両段の遊星はサンから等しい半径距離で周回しなければならないのでピッチ径に別の条件が課される。
【数１０】
2016525657.tif 000012
【００６７】
式（１２）、（１３）、および（１５）は、ＧＢＤの遊星ギヤボックスを開発するために繰り返し解かれた未知数の総数を３にまで低減する。また、式（１２）は、式（１５）を式（２）に代入することによって求められ得ることに注意する。
【００６８】
ギヤ歯は整数でなければならないので、各ギヤにおける許容可能な歯の数には更なる数学的制約が影響する。本説明は、式（１２）に表すようなＧＢＤ方程式に限定されるが、同じ過程が他の構成のいずれかにも当てはまり得る。
【００６９】
式（１２）の項は、以下の形式に並べ替えられ、式中、Ｒは所望のギヤ比である。
【数１１】
2016525657.tif 000013
【００７０】
Ｒが正数値であれば、その結果生じるｐおよびｑも正数値でなければならないので、Ｎ4およびＮ5は、以下のように計算される。
【数１２】
2016525657.tif 000014
2016525657.tif 000015
【００７１】
式中、ＧＣＦ（ｐ，ｑ）はｐおよびｑの最大公約数である。従って、ＧＢＤアセンブリの歯の数に関するその他の値を計算するために、ギヤ比、および入力段サンギヤおよびピニオンギヤの歯の数のみが既知の（Ｒ，Ｎ1，Ｎ2）である必要がある。
インランナー／インランナー
【００７２】
図９は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤのインランナー／インランナー構成を示す。図９は、サンギヤ９０４を出力段に加えてアクチュエータ出力を生じること、および出力段リングギヤ９０３を動かない状態に設定することを示す。この動作モードは、カスタム可能な低トルク比ギヤヘッドを生じることができ、また、例えば加速装置などの速度増大機能を実現する性能を有する。ここで出力ギヤは、第２段リングギヤ９０３とは対照的に、第２段サンギヤ８０４に変わり、式（１０〜１２）は動力経路におけるこの変化を考慮して修正される。
【００７３】
式（１０）は、
【数１３】
2016525657.tif 000016
と書き換えられる。
【００７４】
すると式（１１）は以下のように計算される。
【数１４】
2016525657.tif 000017
【００７５】
式（８）を式（２０）で割ることによって最終的な角速度比が求められる。
【数１５】
2016525657.tif 000018
【００７６】
更に、入力遊星および出力遊星は同じ半径距離で周回しなければならないので、ピッチ径は、式（２２）によって表される以下の関係を満たさなければならない。
【数１６】
2016525657.tif 000019
【００７７】
式（１４）を（２２）に代入することによって、式（２２）は、選択された歯の数および直径ピッチのギヤを用いて変形することができる。
【数１７】
2016525657.tif 000020
アウトランナー／インランナー
【００７８】
図１０は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤのアウトランナー／インランナー構成を示す。
【００７９】
入力段リングギヤ１００２が入力段サンギヤ１００１と対照的に駆動され、この機構の出力が出力段サンギヤ１００４であることを除き、アウトランナー／インランナー構成は上述したインランナー／アウトランナーと機能的に非常に類似している。一部の実施形態において、入力リングギヤ１００２は、リングギヤの内側セグメントに磁石を配置することによって作動することができ、モータコイルは、リングモータと同様、リングの外側セグメントに固定され得る。
【００８０】
接地に対する入力（第１段リング）の全体角速度は、以下のように表され得る。
ｗInput＝ｗ3＝ｗInput/Arm＋ｗArm
【００８１】
アームに対する第１段ピニオンの角速度は、以下のように表され得る。
【数１８】
2016525657.tif 000021
【００８２】
接地に対する第１段サン（すなわち、接地）の角速度はゼロである。よって、
【数１９】
2016525657.tif 000022
となる。
【００８３】
式（２６）を式（２４）に代入すると、入力角速度は以下のように表され得る。
【数２０】
2016525657.tif 000023
【００８４】
出力（第２段サン）の角速度はアームに対して以下のように表され得る。
【数２１】
2016525657.tif 000024
【００８５】
接地に対する出力速度は、式（２８）にアーム速度を足すことによって計算される。
【数２２】
2016525657.tif 000025
【００８６】
角速度比は、式（２７）を式（２９）で割ることによって計算される。
【数２３】
2016525657.tif 000026
【００８７】
インランナー／インランナーモードについて式（２２）および（２３）で説明される運動条件は、第２段の類似したギヤ配置のためにアウトランナー／インランナーモードについても適用される。
アウトランナー／アウトランナー
【００８８】
図１１は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなＧＢＤのアウトランナー／アウトランナー構成を示す。アウトランナー／アウトランナー構成はインランナー／インランナーモードと同じように機能するが、入力段サンギヤ１１０１と対照的に入力段リングギヤ１１０２が作動することを必要とする。
【００８９】
ここで、アウトランナー／インランナーモードにおける第２段サンギヤと対照的に、出力ギヤが第２段リングギヤ１１０３に変わるので、式（２８〜３０）は、動力経路におけるこの変化を考慮して修正される。
【００９０】
式（２８）は以下のように変形することができる。
【数２４】
2016525657.tif 000027
【００９１】
接地に対する出力速度は以下のように表され得る。
【数２５】
2016525657.tif 000028
【００９２】
よって最終的な角速度比は、式（２７）を式（３２）で割ることによって計算される。
【数２６】
2016525657.tif 000029
【００９３】
同様に、インランナー／アウトランナー構成に関して式（１５）において説明される運動条件は、類似した遊星ギヤ配置を両者が有するためにアウトランナー／アウトランナーについても適用される。
【００９４】
図１２は、本開示の一部の実施形態において説明されるような、４つの異なるインランナーとアウトランナーとの組み合わせにおけるサンギヤおよびリングギヤの状態を表形式で示す。図１２はまた、各構成に関するアプリケーションおよび動作モードも示す。所与のアプリケーション（例えば、高速または低速の減速装置や加速装置）に適した作動ジョイントを選択するための予備設計ツールとして様々なモードが用いられ得る。
【００９５】
図１３は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置の運動学的関係の概要を示す。表は、上記で求められた式の結果をまとめている。
概念の実証
【００９６】
図１４は、本開示の一部の実施形態において説明されるような、肘プロテーゼのためのギヤ軸受駆動システムを示す。
【００９７】
ギヤ軸受駆動装置の初期試作品は、頑丈で高性能かつ低価格の肘関節駆動システムとして機能するように開発された。アクチュエータは、図１４に示すような肘プロテーゼアプリケーションのために必要な、２３ｒｐｍの公称速度における２６Ｎｍの最大連続トルクおよび最小５Ｈｚの帯域幅をもたらすために設計された。
【００９８】
アプリケーション要件に関するトルク速度特性に基づいて専用ブラシレスアウトランナーモータ［Ｈａｃｋｅｒ  Ａ２０−３０Ｍ］が選択された。この外付けロータ設計は、標準的な直流モータ設計と比べて、より高いトルク出力、改善された効率（通常９０〜９５％）、より大きい放熱、およびより少ない部品数を有する。１３．８ボルトにおいて、モータは、０．１９Ｎｍのストールトルクを出力することができ、１２，１００ｒｐｍの無負荷速度で走行する。モータのトルク速度曲線を所望の動作点である２６Ｎｍおよび２３ｒｐｍに変えるために２６４：１のギヤ軸受比が合成された。
【００９９】
図１５は、本開示の一部の実施形態において説明されるような、図１４で説明されるギヤ軸受駆動装置モータに関する線形トルク速度特性を示す。
ギヤボックスの設計
【０１００】
必要なギヤ比を１：２６４に決定した後、次のステップは、選択されたモータを伴うギヤ軸受部品を指定し、それらを統合することであった。上記で求められた運動方程式によって画定されるような各ギヤ部品における許容可能なギヤ歯の数を決定するために、パラメトリックスタディが実行された。円滑な動作、低バックラッシュ、および高い荷重伝達の組み合わせを提供するために、業界標準である２０度の圧力角が選択された。歯の数は、パラメトリックスプレッドシート計算を用いて最も小型の設計形状因子を提供するように最適化された。そのため、米国歯車製造業者協会（ＡＧＭＡ）がアンダーカット干渉を回避するために推奨する歯の最小数は、入力ピニオンに関して等しく１９に選択された。入力リング、出力遊星、および出力リングに関する歯の数は、それぞれ式（１３）、（１７）および（１８）によって自動的に計算される。よって、入力段サンギヤの歯の数が残された唯一の変数であった。そのため、入力段サンに関して２０〜１００の範囲の整数についてプログラム（例えば、エクセル）内でパラメトリックスタディが実行され、同時に、残りのギヤの値が求められた。サンギヤの歯の数について５７の値が式（１７）および（１８）の最大公約数をもたらし、その結果、出力段遊星および出力段リングにおける許容可能な歯の最小数をもたらすと決定された。
【０１０１】
全てのギヤについて歯の数が入力されると、次のステップは、伝達の幾何要件および負荷容量要件に依存するギヤの直径のサイズを決めることであった。モータの外径に関連する幾何寸法制約は、入力段サンギヤのピッチ径に低い制限を設け、これは、外付けロータモータの外周に合うように１．４７５インチの最小ピッチ径を要した。従って、入力段サンギヤに関して１．５インチのピッチ径が選択された。入力サンギヤの直径を知ることにより、図１３に示したような式（１４）および（１５）に基づいてその他のギヤのピッチ径が求められた。ギヤ歯の断面曲線は、ＡＧＭＡ規格に準拠するユニバーサル・テクニカル・システムズ社によるインテグレーテッド・ギヤ・ソフトウェアによって標準インボリュート曲線を用いて生成され、設計がトルク容量規格を満たすことを保証するために、有限要素解析ソフトウェアＣｏｓｍｏｓを用いて強度に関して解析された。
【０１０２】
図１６は、本開示の一部の実施形態において説明されるような、図１４で説明される肘プロテーゼのためのギヤ軸受駆動装置設計の詳細を示す。
【０１０３】
図１７は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置を試験するために用いられる動力計を示す。
【０１０４】
一部の実施形態において、動力計は、外付けロータサーボモータ１７０１によって直接駆動される回転ドラム１７０２に摩擦を加える。作動ソレノイド１７０３を介して回転盤に摩擦ブレーキがかけられる。摩擦トルクは、モータの電流、電圧、および回転速度と共に反力トルクセンサ１７０４を用いて測定される。自動ゲインスケジューリング機能を備えたＰＩコントローラを用いてモータに電源投入するために増幅器が用いられ得る。増幅器は、モータロータシャフトに取り付けられた外付けエンコーダによって自動相転流を確立する。
【０１０５】
図１８は、本開示の一部の実施形態において説明されるような動力計試験の結果を示す。３相モータ駆動装置は、２６Ｎｍおよび２３ｒｐｍの公称出力速度を生じるために１１０ワットの電力を消費し、その結果、モータおよびギヤ軸受の８５％の優れた効率をもたらす。
【０１０６】
図１９は、本開示の一部の実施形態において説明されるような２，５００ｒｐｍの速度基準に対する閉ループステップ応答を示す。特定の高周波数トルク／位置追跡を要するアプリケーションのためのシステム頑健性を判定するために、追加の動的試験が行われた。ステップ応答試験を用いて駆動装置の加速および帯域幅が試験された。駆動装置は、１８Ｈｚの全体速度帯域幅を実現する非常に速い応答を示し、これは、低慣性の遊星ギヤ減速装置設計に固有のものである。駆動装置は、約４５，０００ｒｐｍ／秒2で急加速し、０．２３秒にも満たない内に最大出力に達する。ＧＢＤの試作品は僅か１４０グラムしか重さがなく、０．６７ワット／グラムの全体出力密度および０．５０ワット／ｃｍ３の容積出力密度を有する。
設計プログラム
【０１０７】
本明細書に記載するコンピュータ実現方法は、アクチュエータ開発段階における試行錯誤を低減することができる。一部の実施形態において、アクチュエータ設計ステップ全体を通して設計者を導くために設計方法のセットが（例えば、ＭＡＴＬＡＢを用いて）生成および実現され得る。
【０１０８】
一部の実施形態において、プログラムは、アクチュエータの最大直径と所望のトルクおよび出力とを入力として受信することができ、設計要件を満たす最も小型のアセンブリを生成するために可能な全ての構成のギヤパラメータを解くことができる。
【０１０９】
一部の実施形態において、プログラムは、出力を計算するために図１３に示す運動学的関係を用いる。例えば、プログラムは、２段遊星ギヤボックスを制御する式を解くためにパラメータ順列を用い得る。図１３を参照すると、Ｎ１〜Ｎ６はそれぞれ入力サンギヤ、入力遊星ギヤ、入力リングギヤ、出力サンギヤ、出力遊星ギヤ、および出力リングギヤの歯の数を示し、Ｄ１〜Ｄ６はそれら各々のピッチ径を表す。
【０１１０】
図２０は、本開示の一部の実施形態において説明されるようなギヤ軸受駆動装置を
設計するためのコンピュータ実現方法に関するフローチャートを示す。
【０１１１】
一部の実施形態において、設計プログラム２０３０は、入力サンギヤおよび入力遊星ギヤの歯の数であるギヤ比の範囲の関数としてＧＢＤパラメータを解くために図１３に示す式を用いる。例えばプログラム２０３０は、所望のギヤ比の範囲２００２（例えば、２５０〜２８０）、入力遊星の歯の数の範囲２００１（例えば、１５〜３０）、入力サンギヤの歯の数の範囲２００４（例えば、２０〜５０）、および最大トルクおよび速度出力２００３のユーザ入力をユーザインタフェース２０２０で受信し得る。プログラム２０３０は入力を受信し、出力段ギヤの歯の数および歯強度の観点から最も小型の駆動装置を出力し得る。プログラムは、ＧＢＤのパラメータ２００５、ＧＢＤのスケッチ（例えばＣＡＤ）２００６、およびＧＢＤの様々な組み合わせ２００７を出力し得る。一部の実施形態において、プログラム２０３０は、組立て中の干渉を避けるために両方の段について遊星間隔が等しいことを想定する。プログラム２０３０は、コンピュータ読取可能命令を記憶および実行するように構成されたプロセッサおよびメモリを有する設計モジュールに実装され得る。
【０１１２】
一部の実施形態において、全てのパラメータが特定されると、圧力角、歯末の丈、全歯丈、歯底の隙間、外側谷径、および内側フィレット径を決定するために、米国機械学会（ＡＳＭＥ）規格の歯形を用いてギヤプロパティが計算される。対応する値がワークスペースに記憶され、ユーザが定めた最小安全率を備えるギヤ歯のたわみおよび接触強度解析を用いて強度に関して解析され得る。パラメータのセットが強度解析をパスすると、それらは、製造性解析およびＣＡＤモデル構成要素の生成のために画像生成プログラム（例えば、ソリッドワークス２０１３、ＡＮＳＹＳ２０１４、およびインテグレーテッド・ギヤ・ソフトウェア（ＩＧＳ）２０１５）にエクスポートされ得る。一部の実施形態において、設計モジュールに動作可能に接続された送信モジュールが画像生成プログラムへパラメータを送信し得る。
【０１１３】
一部の実施形態において、ＣＡＤモデル構成要素は、画像生成プログラムを用いて設計され、光造形付加製造技術に基づく追加の製造装置２０４０（例えば、３Ｄシステムバイパーマシン）を用いて機能装置（例えば２０５０）内に試作される。一部の実施形態において、送信モジュールが、付加製造システムにＣＡＤモデル構成要素を送信し得る。
【０１１４】
システムの所与の構成要素が個別に説明されてきたが、当業者は、機能のいくつかが所与の実行可能命令、プログラムシーケンス、コード部などにおいて組み合わせられ、または共有され得ることも理解するであろう。
【０１１５】
本明細書に記載する主題は、本明細書に開示される構造や構成要素およびそれらの均等物、またはそれらの組み合わせを含む、デジタル電子回路や、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアによって実現され得る。本明細書に記載する主題は、データ処理装置（例えば、プログラム可能プロセッサ、コンピュータ、または複数のコンピュータ）によって実行するために、あるいはそれらの動作を制御するために、例えば、（例えば機械読取可能記憶装置内で）情報搬送波において有形に具現化され、あるいは伝搬信号において具現化されるような１以上のコンピュータプログラムなど、１以上のコンピュータプログラム製品として実現され得る。（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、またはコードとしても知られる）コンピュータプログラムは、コンパイラ型またはインタープリタ型言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書かれてよく、独立型プログラムとして、あるいはモジュール、構成要素、サブルーチン、またはコンピューティング環境において用いるのに適した他のユニットとしてなど任意の形式で展開され得る。コンピュータプログラムは必ずしもファイルに対応する必要はない。プログラムは、他のプログラムやデータを保持するファイルの一部に、質問内のプログラム専用の単一ファイルに、あるいは複数の組織型ファイル（例えば、１以上のモジュール、サブプログラム、またはコードの一部を記憶するファイル）に記憶され得る。コンピュータプログラムは、１つのサイトにおける１つのコンピュータまたは複数のコンピュータで実行されるように、あるいは複数のサイトに散在し通信ネットワークによって相互接続されるように展開され得る。
【０１１６】
本明細書において説明される主題の方法のステップを含む、本明細書において説明されるプロセスおよびロジックフローは、入力データに作用し出力を生じることによって、本明細書において説明される主題の機能を実行するために、１以上のコンピュータプログラムを実行する１以上のプログラム可能プロセッサによって実行され得る。プロセスおよびロジックフローは、例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）やＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などの専用論理回路によって実行されてもよく、本明細書において説明される主題の装置がそれらとして実装され得る。
【０１１７】
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、一例として、汎用マイクロプロセッサおよび専用マイクロプロセッサの両者や、任意の種類のデジタルコンピュータのいずれか１以上のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、読取専用メモリやランダムアクセスメモリ、またはその両者からの命令およびデータを受信する。コンピュータの基本要素は、命令を実行するためのプロセッサおよび命令やデータを記憶するための１以上のメモリ装置である。一般に、コンピュータは、例えば磁気ディスク、光磁気ディスク、または光ディスクなど、データを記憶するための１以上の大量記憶装置を含むか、あるいはそれらとデータを送受信するために動作可能に接続されるか、あるいはその両方である。コンピュータプログラム命令およびデータを具現化するために適した情報搬送波は、一例として半導体メモリ装置（例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリ装置）、磁気ディスク（例えば、内蔵ハードディスクや消去可能ディスク）、光磁気ディスク、および光ディスク（例えば、ＣＤおよびＤＶＤディスク）を含む、あらゆる形式の不揮発性メモリを含む。プロセッサおよびメモリは、専用論理回路によって補完され、あるいはそれらに組み込まれ得る。
【０１１８】
ユーザとの対話を提供するために、本明細書に記載する主題は、ユーザに情報を表示するための例えばＣＲＴ（ブラウン管）またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）モニタなどのディスプレイ装置、およびユーザがコンピュータに入力を提供することができるキーボードやポインティング装置（例えば、マウスやトラックボール）を有するコンピュータにおいて実現され得る。ユーザとの対話を提供するために他の種類の装置も同様に用いられ得る。例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、任意の形式の知覚フィードバック（例えば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、または触覚フィードバック）であってよく、ユーザからの入力は、音響入力、音声入力、または触覚入力を含む任意の形式で受信され得る。
【０１１９】
本明細書に記載する主題は、バックエンドコンピュータ（例えばデータサーバ）、ミドルウェアコンポーネント（例えばアプリケーションサーバ）、またはフロントエンドコンピュータ（例えば、本明細書で設営される主題の実装とユーザとが対話し得るグラフィカルユーザインタフェースやウェブブラウザを有するクライアントコンピュータ）、あるいはそのようなバックエンド、ミドルウェア、およびフロントエンドコンポーネントの任意の組み合わせを含むコンピューティングシステムにおいて実現され得る。システムの構成要素は、例えば通信ネットワークなど任意の形式または媒体のデジタルデータ通信によって相互接続され得る。通信ネットワークの例は、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）およびインターネットなどの広域ネットワーク（「ＷＡＮ」）を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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