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JP7681304B2 - Two-way drive - Google Patents
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JP7681304B2 JP2021144398A JP2021144398A JP7681304B2 JP 7681304 B2 JP7681304 B2 JP 7681304B2 JP 2021144398 A JP2021144398 A JP 2021144398A JP 2021144398 A JP2021144398 A JP 2021144398A JP 7681304 B2 JP7681304 B2 JP 7681304B2
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Description

本発明は、2方向駆動装置に関する。 The present invention relates to a two-way drive device.

従来、ロボットアームの関節などの駆動機構として、1つの関節で複数方向への駆動を可能にするために、コニカルギア(テーパーギア)や、かさ歯車、ウォームギアなどを用いて、所定の軸周りの2つの回転を、それぞれ直交する2つの軸周りの回転に変換可能な駆動装置が開発されている(例えば、特許文献1乃至3参照)。 Conventionally, as a driving mechanism for the joints of a robot arm, etc., in order to enable driving in multiple directions with one joint, driving devices have been developed that can convert two rotations around a given axis into rotations around two mutually perpendicular axes using conical gears (tapered gears), bevel gears, worm gears, etc. (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

このような駆動装置を利用することにより、2方向への駆動に限らず、例えば球状歯車を2方向に回転駆動させることで、回転3自由度(3-RDoF)を実現することもでき(例えば、特許文献2、3、非特許文献1参照)、ロボットアームの関節等の小型化や高機能化を図ることができる。 By using such a drive device, it is possible to realize not only two-way drive, but also three rotational degrees of freedom (3-RDoF) by, for example, rotating a spherical gear in two directions (see, for example, Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Document 1), which allows for miniaturization and high functionality of the joints of a robot arm.

特開2014-237206号公報JP 2014-237206 A 特開2018-80717号公報JP 2018-80717 A 特開2019-90495号公報JP 2019-90495 A

Kazuki Abe, Kenjiro Tadakuma, and Riichiro Tadakuma, “ABENICS: Active Ball Joint Mechanism With Three-DoF Based on Spherical Gear Meshings”, IEEE Transactions on Robotics, [online], April 2021, [令和3年8月7日検索]、インターネット〈URL: https://www.researchgate.net/publication/351357682〉、DOI: 10.1109/TRO.2021.3070124Kazuki Abe, Kenjiro Tadakuma, and Riichiro Tadakuma, “ABENICS: Active Ball Joint Mechanism With Three-DoF Based on Spherical Gear Meshings”, IEEE Transactions on Robotics, [online], April 2021, [Retrieved August 7, 2021], Internet〈URL: https://www.researchgate.net/publication/351357682〉, DOI: 10.1109/TRO.2021.3070124

しかしながら、特許文献1乃至3に記載の2方向駆動装置は、回転方向を変換する際に歯車を用いているため、バックラッシュにより出力に誤差が生じてしまうという課題があった。また、歯車の歯の強度により伝達可能なトルクの大きさが決まるため、小型化すると、大きいトルクを伝達するのが困難になるという課題もあった。 However, the bidirectional drive devices described in Patent Documents 1 to 3 use gears when changing the direction of rotation, which causes an output error due to backlash. In addition, because the strength of the gear teeth determines the amount of torque that can be transmitted, there is also the problem that it becomes difficult to transmit a large torque when the device is made smaller.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができ、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる2方向駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention was made with a focus on these issues, and aims to provide a two-way drive device that can reduce backlash and improve output accuracy, and can transmit a relatively large torque even when compact.

上記目的を達成するために、本発明に係る2方向駆動装置は、支持部と、前記支持部に支持されて、第1の軸を中心として回転可能に設けられた回転支持体と、所定の厚みを有する円柱形状を成し、その中心軸である第2の軸が前記第1の軸と直交し、前記第2の軸を中心として回転可能に回転支持体に設けられた内側回転体と、円筒状を成し、その中心軸が前記第1の軸と一致し、少なくとも前記内側回転体の両側方を覆うよう、内側に前記内側回転体が配置され、前記支持部に支持されて、前記第1の軸を中心として回転可能に設けられた外側回転体と、前記回転支持体を、前記第1の軸を中心として回転させる内側駆動手段と、前記外側回転体を、前記第1の軸を中心として回転させる外側駆動手段とを有し、前記外側回転体は、内側面に、周方向に伸びる所定の整数周期を有する複数のトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられた複数の係合部を有し、前記内側回転体は、各係合部に対応して設けられた複数の突出部を有し、各突出部は、それぞれ前記内側回転体のいずれか一方の側面から、前記第2の軸と斜交する方向に突出しており、先端部が対応する係合部に係合し、その係合部に沿って相対的にスライド可能に設けられ、前記外側駆動手段により前記外側回転体を回転させたとき、各突出部の先端部が各係合部に沿って相対的にスライド移動することにより、前記内側回転体が前記第2の軸を中心として回転するよう構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the two-way drive device according to the present invention comprises a support part, a rotating support supported by the support part and rotatable about a first axis, an inner rotating body having a cylindrical shape with a predetermined thickness, a second axis which is the central axis of the inner rotating body being perpendicular to the first axis and mounted on the rotating support so as to be rotatable about the second axis, an outer rotating body having a cylindrical shape whose central axis coincides with the first axis and on which the inner rotating body is disposed so as to cover at least both sides of the inner rotating body, the outer rotating body being supported by the support part and rotatable about the first axis, an inner driving means for rotating the rotating support around the first axis, and a driving means for rotating the outer rotating body around the first axis. The outer rotor has an inner surface provided with a plurality of engagement parts along a plurality of trochoid curves having a predetermined integer period extending in the circumferential direction, and the inner rotor has a plurality of protrusions provided corresponding to the respective engagement parts, and each protrusion protrudes from one of the side surfaces of the inner rotor in a direction oblique to the second axis, and has a tip portion that engages with a corresponding engagement part and is provided so as to be relatively slidable along the engagement part, and when the outer rotor is rotated by the outer driving means, the tip portion of each protrusion slides relatively along each engagement part, causing the inner rotor to rotate about the second axis.

本発明に係る2方向駆動装置は、外側駆動手段により、第1の軸を中心として外側回転体を回転させることにより、外側回転体の内側面に設けられた各係合部が、周方向に沿って移動すると共に、対応する係合部に係合した各突出部の先端部も、各係合部に沿って相対的にスライド移動する。このとき、各係合部が所定の整数周期を有する複数のトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられ、各突出部が内側回転体のいずれか一方の側面から、第2の軸と斜交する方向に突出しているため、各突出部の先端部が第2の軸を中心とした円を描くように移動する。これにより、内側回転体を、第2の軸を中心として回転させることができる。また、内側駆動手段により、第1の軸を中心として回転支持体を回転させることにより、回転支持体に設けられた内側回転体を、第1の軸を中心として回転させることができる。このように、本発明に係る2方向駆動装置は、第1の軸周りの2つの回転を、互いに直交する第1の軸および第2の軸周りの内側回転体の回転に変換することができる。 In the bidirectional drive device according to the present invention, by rotating the outer rotor around the first axis by the outer drive means, each engagement part provided on the inner surface of the outer rotor moves along the circumferential direction, and the tip of each protrusion engaged with the corresponding engagement part also slides relatively along each engagement part. At this time, each engagement part is provided along a plurality of trochoid curves having a predetermined integer period, and each protrusion protrudes from one side surface of the inner rotor in a direction oblique to the second axis, so that the tip of each protrusion moves to draw a circle centered on the second axis. This allows the inner rotor to rotate around the second axis. In addition, by rotating the rotating support around the first axis by the inner drive means, the inner rotor provided on the rotating support can be rotated around the first axis. In this way, the bidirectional drive device according to the present invention can convert two rotations around the first axis into rotations of the inner rotor around the first axis and the second axis that are perpendicular to each other.

本発明に係る2方向駆動装置は、外側駆動手段による第1の軸を中心とした回転を、直交する第2の軸を中心とした回転に変換する際に、歯車ではなく、外側回転体の内側面に設けられた各係合部と、内側回転体のいずれか一方の側面に設けられた各突出部とを利用したカム機構を用いている。これにより、歯車を用いて回転方向を変換する従来の装置と比べて、内蔵する歯車の数を減らすことができ、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができる。また、回転方向の変換に歯車を用いないため、歯の強度により伝達するトルクを制限する必要がなく、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる。 The two-way drive device of the present invention uses a cam mechanism that utilizes each engagement portion provided on the inner surface of the outer rotor and each protrusion provided on one of the sides of the inner rotor, rather than gears, when converting the rotation about a first axis by the outer drive means into rotation about a second axis that is perpendicular to the first axis. This makes it possible to reduce the number of built-in gears compared to conventional devices that use gears to convert the direction of rotation, thereby reducing backlash and improving output accuracy. In addition, because gears are not used to convert the direction of rotation, there is no need to limit the torque transmitted by the strength of the teeth, and a relatively large torque can be transmitted even when the device is compact.

本発明に係る2方向駆動装置で、各係合部は、外側回転体の内側面上で、周方向に伸びる直線に沿って円を転がしたときに、その円の内部または外部の定点が描くトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられていることが好ましい。特に、各係合部は、前記第1の軸に対して直交し前記第2の軸を含む面と前記外側回転体の内側面とが交わる線に対して、半周期毎に左右が入れ替わる各トロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられていることが好ましい。これらのトロコイド曲線は、円の中心が、前記第1の軸に対して直交し前記第2の軸を含む面と前記外側回転体の内側面とが交わる線の上を移動するよう、その円を転がすことにより描くことができる。この場合、内側回転体を第2の軸を中心としてスムーズに回転させることができる。また、この場合、各トロコイド曲線は、前記外側回転体の内側面の周方向での位置に対する位相が互いに異なっていることが好ましい。これにより、外側駆動手段による回転方向と、内側回転体の第2の軸を中心とした回転方向を対応させることができ、第2の軸を中心として所望の方向に内側回転体を回転させることができる。なお、各係合部は、外側回転体の内側面の幅方向での振幅が同じであっても、異なっていてもよい。 In the bidirectional drive device according to the present invention, it is preferable that each engagement portion is provided along a trochoid curve drawn by a fixed point inside or outside the circle when the circle is rolled along a straight line extending in the circumferential direction on the inner surface of the outer rotor. In particular, it is preferable that each engagement portion is provided along a trochoid curve that switches left and right every half cycle with respect to a line where a plane perpendicular to the first axis and including the second axis intersects with the inner surface of the outer rotor. These trochoid curves can be drawn by rolling the circle so that the center of the circle moves on a line where a plane perpendicular to the first axis and including the second axis intersects with the inner surface of the outer rotor. In this case, the inner rotor can be smoothly rotated around the second axis. In addition, in this case, it is preferable that each trochoid curve has a different phase with respect to the position in the circumferential direction of the inner surface of the outer rotor. This makes it possible to correspond the direction of rotation by the outer driving means to the direction of rotation around the second axis of the inner rotor, and to rotate the inner rotor in the desired direction around the second axis. In addition, the amplitude of each engagement portion in the width direction of the inner surface of the outer rotating body may be the same or different.

本発明に係る2方向駆動装置で、各係合部および各突出部は、各突出部の先端部が、対応する係合部に係合した状態で、その係合部に沿って相対的にスライド可能であれば、いかなる構成であってもよい。また、各係合部および各突出部は、それぞれ2つであっても、3つ以上であってもよい。例えば、各突出部は、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の一方の側面から突出した第1突出部と、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の他方の側面から突出し、前記第1突出部よりも先端部の径が大きく、前記内側回転体からの突出量が小さい前記第2突出部とを有しており、各係合部は、前記第1突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成る第1スライド溝と、前記第2突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成り、前記第1スライド溝より幅が広く浅い第2スライド溝とを有していてもよい。このように、各突出部の大きさや突出量、および、スライド溝から成る各係合部の幅や深さを変えることにより、内側回転体を第2の軸を中心としてスムーズに回転させることができる。 In the two-way drive device according to the present invention, each of the engagement parts and each of the protrusions may have any configuration as long as the tip of each protrusion is engaged with the corresponding engagement part and can slide relatively along the engagement part. Also, each of the engagement parts and each of the protrusions may have two or more. For example, each of the protrusions may have a first protrusion having a cylindrical tip and protruding from one side surface of the inner rotor, and a second protrusion having a cylindrical tip and protruding from the other side surface of the inner rotor, with a larger tip diameter than the first protrusion and a smaller protrusion amount from the inner rotor, and each of the engagement parts may have a first slide groove consisting of a groove into which the tip of the first protrusion is inserted and engaged, and a second slide groove consisting of a groove into which the tip of the second protrusion is inserted and engaged, and is wider and shallower than the first slide groove. In this way, by changing the size and protrusion amount of each protrusion and the width and depth of each engagement part consisting of the slide groove, the inner rotor can be smoothly rotated around the second axis.

また、本発明に係る2方向駆動装置で、内側駆動手段は、第1の軸に平行な回転軸または第1の軸と同軸の回転軸を有するモータにより、回転支持体を回転させるよう構成され、外側駆動手段は、第1の軸に平行な回転軸または第1の軸と同軸の回転軸を有するモータにより、外側回転体を回転させるよう構成されていてもよい。この場合、より簡単な構造にすることができる。また、内蔵する歯車の数を減らすことができ、バックラッシュをより低減することができる。 In the bidirectional drive device according to the present invention, the inner drive means may be configured to rotate the rotary support by a motor having a rotation axis parallel to the first axis or a rotation axis coaxial with the first axis, and the outer drive means may be configured to rotate the outer rotor by a motor having a rotation axis parallel to the first axis or a rotation axis coaxial with the first axis. In this case, a simpler structure can be achieved. Also, the number of built-in gears can be reduced, further reducing backlash.

本発明に係る2方向駆動装置で、前記内側回転体は、前記第1の軸が厚み方向の中心を通るよう配置されていることが好ましい。この場合、内側回転体を、第1の軸を中心としてスムーズに回転させることができる。 In the bidirectional drive device according to the present invention, it is preferable that the inner rotor is arranged so that the first axis passes through the center in the thickness direction. In this case, the inner rotor can be smoothly rotated around the first axis.

本発明によれば、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができ、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる2方向駆動装置を提供することができる。 The present invention provides a bidirectional drive device that can reduce backlash and increase output accuracy, and can transmit a relatively large torque even when miniaturized.

本発明の実施の形態の2方向駆動装置を示す、(a)斜視図、(b)支持部と外側回転体を切り欠いた一部断面斜視図である。1A is a perspective view showing a bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a partially cutaway perspective view showing a support portion and an outer rotor. 本発明の実施の形態の2方向駆動装置を示す、(a)右側面図、(b)正面図である。1A and 1B are a right side view and a front view, respectively, showing a bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態の2方向駆動装置を示す縦断面図である。1 is a vertical cross-sectional view showing a bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態の2方向駆動装置の、外側回転体を示す(a)斜視図、(b)正面図、(c)右側面図、(d)A-A線断面図、(e)B-B線断面図である。1A is a perspective view of an outer rotating body of a bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a front view, FIG. 1C is a right side view, FIG. 1D is a cross-sectional view along line A-A, and FIG. 1E is a cross-sectional view along line B-B. 本発明の実施の形態の2方向駆動装置の、外側回転体を示す(a)正面図、(b)内側面の展開図、(c) (a)のC1~C12線での断面図である。1A is a front view showing an outer rotating body of a bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a developed view of an inner surface, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line C1-C12 in FIG. 本発明の実施の形態の2方向駆動装置の、(a)ロボットアームの関節としての使用状態を示す斜視図、(b)内側回転体を鞍状歯車としたときの使用状態を示す斜視図である。1A is a perspective view showing a state in which the bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention is used as a joint of a robot arm, and FIG. 1B is a perspective view showing a state in which the inner rotor is a saddle gear.

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図5は、本発明の実施の形態の2方向駆動装置を示している。
図1乃至図3に示すように、2方向駆動装置10は、支持部11と回転支持体12と内側回転体13と外側回転体14と内側駆動手段15と外側駆動手段16とを有している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 show a bidirectional drive device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 1 to 3, the bidirectional drive device 10 includes a support portion 11, a rotary support body 12, an inner rotor 13, an outer rotor 14, an inner drive means 15, and an outer drive means 16.

支持部11は、概ね直方体形状を成す支持部本体21と、支持部本体21の上部に設けられ、支持部本体21の厚みより薄い上部支持体22とを有している。支持部本体21は、上部が円弧状に盛り上がった断面形状を成している。上部支持体22は、上方に向かって幅が狭くなり、上部が円弧状の断面形状を成している。 The support section 11 has a support section main body 21 that is roughly rectangular in shape, and an upper support body 22 that is provided on top of the support section main body 21 and is thinner than the support section main body 21. The support section main body 21 has a cross-sectional shape with an upper portion that rises in an arc shape. The upper support body 22 narrows in width toward the top, and has an upper portion that has an arc-shaped cross-sectional shape.

回転支持体12は、概ね円柱状を成すロール回転体23と、円環状に設けられた1対の環状取付部24とを有している。ロール回転体23は、中心軸である第1の軸41を水平にした状態で、後端部が支持部本体21の上部に埋め込まれるようにして、支持部本体21に取り付けられている。ロール回転体23は、第1の軸41を中心として回転可能に、ベアリング31を介して支持部本体21に取り付けられている。各環状取付部24は、ロール回転体23の先端面の端部から先端側に突出し、ロール回転体23の中心軸を挟んで対向するよう設けられている。各環状取付部24は、同じ大きさの内径を有している。 The rotary support 12 has a roll rotor 23 having a generally cylindrical shape and a pair of annular mounting parts 24 arranged in an annular shape. The roll rotor 23 is attached to the support body 21 with its rear end embedded in the upper part of the support body 21 with the first shaft 41, which is the central axis, held horizontal. The roll rotor 23 is attached to the support body 21 via a bearing 31 so as to be rotatable around the first shaft 41. Each annular mounting part 24 protrudes from the end of the tip surface of the roll rotor 23 toward the tip side and is arranged to face each other across the central axis of the roll rotor 23. Each annular mounting part 24 has the same inner diameter.

内側回転体13は、直径より厚みが小さい円柱形状を成している。内側回転体13は、その中心軸である第2の軸42が第1の軸41と直交し、第1の軸41が厚み方向の中心を通るよう、各環状取付部24に挟まれて取り付けられている。内側回転体13は、第2の軸42を中心として回転可能に、ベアリング32を介して各環状取付部24に取り付けられている。内側回転体13は、各側面から各環状取付部24の内側を通って、第2の軸42と斜交する方向に突出するようそれぞれ設けられた第1突出部25と第2突出部26とを有している。第1突出部25および第2突出部26は、先端部が円柱形状を成し、先端部の周縁に沿ってベアリング33が取り付けられている。第2突出部26は、第1突出部25よりも先端部の径が大きく、内側回転体13からの突出量が小さく形成されている。 The inner rotor 13 has a cylindrical shape with a thickness smaller than its diameter. The inner rotor 13 is sandwiched between the annular mounting parts 24 so that the second axis 42, which is its central axis, is perpendicular to the first axis 41 and the first axis 41 passes through the center in the thickness direction. The inner rotor 13 is attached to each annular mounting part 24 via a bearing 32 so as to be rotatable around the second axis 42. The inner rotor 13 has a first protrusion 25 and a second protrusion 26 that are provided so as to protrude from each side surface in a direction oblique to the second axis 42 through the inside of each annular mounting part 24. The first protrusion 25 and the second protrusion 26 have a cylindrical tip, and a bearing 33 is attached along the periphery of the tip. The second protrusion 26 has a larger diameter at the tip than the first protrusion 25, and is formed so as to protrude less from the inner rotor 13.

図4に示すように、外側回転体14は、幅方向の中央部が円弧状に外側に膨らんだ円筒状を成している。外側回転体14は、内側面に、周方向に沿って設けられた第1スライド溝27および第2スライド溝28から成る2つの係合部を有している。図5に示すように、第1スライド溝27および第2スライド溝28は、外側回転体14の内側面の幅方向の中心線14aに対して、半周期毎に左右が入れ替わる2つのトロコイド曲線27a,28aに沿って、それぞれ設けられている。第1スライド溝27は、所定の深さおよび幅を有し、トロコイド曲線27aがその幅の中心になるよう形成されている。第2スライド溝28は、第1スライド溝27より浅く広い幅を有し、トロコイド曲線28aがその幅の中心になるよう形成されている。各トロコイド曲線27a,28aは、外側回転体14の内側面の周方向に沿って1周で1周期となるよう設けられ、周方向での位置に対する位相が互いに異なるよう設けられている。 As shown in FIG. 4, the outer rotor 14 has a cylindrical shape with the center in the width direction bulging outward in an arc shape. The outer rotor 14 has two engagement parts consisting of a first slide groove 27 and a second slide groove 28 provided along the circumferential direction on the inner surface. As shown in FIG. 5, the first slide groove 27 and the second slide groove 28 are provided along two trochoid curves 27a, 28a that switch sides every half cycle with respect to the center line 14a in the width direction of the inner surface of the outer rotor 14. The first slide groove 27 has a predetermined depth and width, and is formed so that the trochoid curve 27a is at the center of its width. The second slide groove 28 has a width that is shallower and wider than the first slide groove 27, and is formed so that the trochoid curve 28a is at the center of its width. Each trochoid curve 27a, 28a is provided along the circumferential direction of the inner surface of the outer rotor 14 so that one revolution is one cycle, and is provided so that the phases with respect to the circumferential position are different from each other.

外側回転体14は、その中心軸が第1の軸41と一致し、内側に内側回転体13が挿入された状態で、内側回転体13の両側方を覆うよう配置されている。外側回転体14は、後端面に沿って、後端側に突出した円筒状のフランジ部29を有している。フランジ部29は、外側面に歯が形成されており、平歯車を成している。図1乃至図3に示すように、外側回転体14は、第1の軸41を中心として回転可能に、ベアリング34を介して、フランジ部29がロール回転体23の先端部の側面に取り付けられている。これにより、外側回転体14は、支持部11に支持されている。 The outer rotor 14 is arranged so that its central axis coincides with the first shaft 41 and covers both sides of the inner rotor 13 with the inner rotor 13 inserted inside. The outer rotor 14 has a cylindrical flange portion 29 that protrudes toward the rear end along the rear end surface. The flange portion 29 has teeth formed on the outer surface and forms a spur gear. As shown in Figures 1 to 3, the flange portion 29 of the outer rotor 14 is attached to the side of the tip of the roll rotor 23 via a bearing 34 so that it can rotate around the first shaft 41. In this way, the outer rotor 14 is supported by the support portion 11.

図1(b)および図3に示すように、第1スライド溝27は、第1突出部25の先端部を挿入して係合可能に設けられ、第2スライド溝28は、第2突出部26の先端部を挿入して係合可能に設けられている。また、第1突出部25は、その先端部が第1スライド溝27に係合した状態で、第1スライド溝27に沿って相対的にスライド可能に設けられている。また、第2突出部26も、その先端部が第2スライド溝28に係合した状態で、第2スライド溝28に沿って相対的にスライド可能に設けられている。なお、第1スライド溝27および第2スライド溝28は、第1の軸41に対して直交し第2の軸42を含む面と、外側回転体14の内側面とが交わる線(中心線14a)に対して、半周期毎に左右が入れ替わる各トロコイド曲線27a,28aに沿って設けられている。 1(b) and 3, the first slide groove 27 is provided so that the tip of the first protrusion 25 can be inserted and engaged, and the second slide groove 28 is provided so that the tip of the second protrusion 26 can be inserted and engaged. The first protrusion 25 is provided so that it can slide relatively along the first slide groove 27 when its tip is engaged with the first slide groove 27. The second protrusion 26 is also provided so that it can slide relatively along the second slide groove 28 when its tip is engaged with the second slide groove 28. The first slide groove 27 and the second slide groove 28 are provided along trochoid curves 27a, 28a that switch left and right every half cycle with respect to a line (center line 14a) where a plane that is perpendicular to the first axis 41 and includes the second axis 42 intersects with the inner surface of the outer rotor 14.

内側駆動手段15は、モータから成り、その回転軸15aが第1の軸41と同軸となるよう、後端側から支持部本体21に取り付けられている。内側駆動手段15は、支持部本体21を貫通して、その回転軸15aの先端がロール回転体23の後端面に接続され、回転支持体12を、第1の軸41を中心として回転可能に設けられている。 The inner drive means 15 is made of a motor and is attached to the support body 21 from the rear end side so that its rotating shaft 15a is coaxial with the first shaft 41. The inner drive means 15 penetrates the support body 21, and the tip of its rotating shaft 15a is connected to the rear end surface of the roll rotating body 23, and the rotating support 12 is provided so that it can rotate around the first shaft 41.

外側駆動手段16は、モータから成り、その回転軸16aの先端に平歯車から成る伝導歯車30が取り付けられている。伝導歯車30は、フランジ部29の平歯車と噛み合うよう設けられている。外側駆動手段16は、その回転軸16aが第1の軸41に平行を成し、伝導歯車30がフランジ部29の平歯車と噛み合うよう、後端側から上部支持体22を貫通するよう取り付けられている。外側駆動手段16は、伝導歯車30を介して、外側回転体14を、第1の軸41を中心として回転可能に設けられている。 The outer driving means 16 is made of a motor, and a transmission gear 30 consisting of a spur gear is attached to the tip of its rotating shaft 16a. The transmission gear 30 is arranged to mesh with the spur gear of the flange portion 29. The outer driving means 16 is attached so that its rotating shaft 16a is parallel to the first shaft 41 and penetrates the upper support 22 from the rear end side so that the transmission gear 30 meshes with the spur gear of the flange portion 29. The outer driving means 16 is arranged so that the outer rotating body 14 can rotate around the first shaft 41 via the transmission gear 30.

2方向駆動装置10は、外側駆動手段16により第1の軸41を中心として外側回転体14を回転させたとき、第1スライド溝27および第2スライド溝28が外側回転体14の周方向に沿って移動すると共に、第1突出部25および第2突出部26の先端部が、それぞれ第1スライド溝27および第2スライド溝28に沿って相対的にスライド移動するよう構成されている。また、これにより、第1突出部25および第2突出部26の先端部が第2の軸42を中心とした円を描くように移動し、内側回転体13が、第2の軸42を中心として回転するよう構成されている。 The bidirectional drive device 10 is configured such that, when the outer rotor 14 is rotated around the first shaft 41 by the outer drive means 16, the first slide groove 27 and the second slide groove 28 move along the circumferential direction of the outer rotor 14, and the tips of the first protrusion 25 and the second protrusion 26 slide relatively along the first slide groove 27 and the second slide groove 28, respectively. As a result, the tips of the first protrusion 25 and the second protrusion 26 move in a circle centered on the second shaft 42, and the inner rotor 13 rotates around the second shaft 42.

次に、作用について説明する。
2方向駆動装置10は、外側駆動手段16により、第1の軸41を中心として外側回転体14を回転させることにより、内側回転体13を、第2の軸42を中心として回転させることができる。また、内側駆動手段15により、第1の軸41を中心として回転支持体12を回転させることにより、回転支持体12に設けられた内側回転体13を、第1の軸41を中心として回転させることができる。このように、2方向駆動装置10は、第1の軸41周りの2つの回転を、互いに直交する第1の軸41および第2の軸42周りの内側回転体13の回転に変換することができる。
Next, the operation will be described.
The bidirectional drive device 10 can rotate the inner rotor 13 about the second shaft 42 by rotating the outer rotor 14 about the first shaft 41 by the outer drive means 16. Also, the inner drive means 15 can rotate the inner rotor 13 provided on the rotary support 12 about the first shaft 41 by rotating the rotary support 12 about the first shaft 41. In this way, the bidirectional drive device 10 can convert two rotations about the first shaft 41 into rotations of the inner rotor 13 about the first shaft 41 and the second shaft 42 that are perpendicular to each other.

2方向駆動装置10は、外側駆動手段16による第1の軸41を中心とした回転を、直交する第2の軸42を中心とした回転に変換する際に、歯車ではなく、外側回転体14の内側面に設けられた第1スライド溝27および第2スライド溝28と、内側回転体13の各側面に設けられた第1突出部25および第2突出部26とを利用したカム機構を用いている。これにより、歯車を用いて回転方向を変換する従来の装置と比べて、内蔵する歯車の数を減らすことができ、バックラッシュを低減して出力精度を高めることができる。また、ウォームギアを用いる従来の装置と比べて、ウォームギアによる滑り摩擦が生じないため、伝達効率を高めることができる。また、回転方向の変換に歯車を用いないため、歯の強度により伝達するトルクを制限する必要がなく、小型化しても比較的大きいトルクを伝達することができる。また、構成する部品数を減らすことができ、比較的簡単な構造にすることができる。 When converting the rotation around the first axis 41 by the outer driving means 16 into the rotation around the second axis 42, which is perpendicular to the first axis 41, the two-way drive device 10 uses a cam mechanism that utilizes the first slide groove 27 and the second slide groove 28 provided on the inner surface of the outer rotor 14 and the first protrusion 25 and the second protrusion 26 provided on each side of the inner rotor 13, instead of gears. This allows the number of built-in gears to be reduced compared to conventional devices that use gears to convert the direction of rotation, reducing backlash and improving output accuracy. In addition, compared to conventional devices that use worm gears, the transmission efficiency can be improved because no sliding friction occurs due to the worm gear. In addition, since no gears are used to convert the direction of rotation, there is no need to limit the torque to be transmitted due to the strength of the teeth, and a relatively large torque can be transmitted even when the device is made small. In addition, the number of components can be reduced, allowing for a relatively simple structure.

2方向駆動装置10は、第1スライド溝27および第2スライド溝28の各トロコイド曲線27a,28aが、外側回転体14の内側面の周方向での位置に対する位相が互いに異なるよう設けられているため、外側駆動手段16による回転方向と、内側回転体13の第2の軸42を中心とした回転方向を対応させることができ、第2の軸42を中心として所望の方向に内側回転体13を回転させることができる。なお、第1スライド溝27および第2スライド溝28の各トロコイド曲線27a,28aは、外側回転体14の内側面の幅方向での振幅が同じであっても、異なっていてもよい。 In the bidirectional drive device 10, the trochoid curves 27a, 28a of the first slide groove 27 and the second slide groove 28 are arranged so that their phases with respect to the circumferential position of the inner surface of the outer rotor 14 are different from each other, so that the direction of rotation by the outer drive means 16 can correspond to the direction of rotation about the second shaft 42 of the inner rotor 13, and the inner rotor 13 can be rotated in the desired direction about the second shaft 42. Note that the trochoid curves 27a, 28a of the first slide groove 27 and the second slide groove 28 may have the same amplitude in the width direction of the inner surface of the outer rotor 14 or may have different amplitudes.

2方向駆動装置10は、第1突出部25および第2突出部26の大きさや突出量、ならびに、第1スライド溝27および第2スライド溝28の幅や深さが異なっているため、内側回転体13を第2の軸42を中心としてスムーズに回転させることができる。また、2方向駆動装置10は、第1の軸41が内側回転体13の厚み方向の中心を通るよう設けられているため、内側回転体13を、第1の軸41を中心としてスムーズに回転させることができる。 The bidirectional drive device 10 allows the inner rotor 13 to rotate smoothly around the second shaft 42 because the first protrusion 25 and the second protrusion 26 have different sizes and protrusion amounts, and the first slide groove 27 and the second slide groove 28 have different widths and depths. In addition, the bidirectional drive device 10 allows the inner rotor 13 to rotate smoothly around the first shaft 41 because the first shaft 41 is arranged to pass through the center of the thickness of the inner rotor 13.

なお、2方向駆動装置10で、外側回転体14の係合部および内側回転体13の突出部は、2つに限らず、3つ以上であってもよい。また、各係合部および各突出部は、各突出部の先端部が、対応する係合部に係合した状態で、その係合部に沿って相対的にスライド可能であれば、各係合部が溝から成る構成に限らず、いかなる構成であってもよい。 In the bidirectional drive device 10, the number of engaging portions of the outer rotor 14 and the number of protruding portions of the inner rotor 13 are not limited to two, and may be three or more. Furthermore, as long as the tip of each engaging portion and each protruding portion is engaged with the corresponding engaging portion and can slide relatively along the engaging portion, each engaging portion is not limited to being configured as a groove, and may have any configuration.

2方向駆動装置10は、外側回転体14の先端側の開口から、内側回転体13の動きを出力として取り出すことができる。2方向駆動装置10は、内側回転体13を2方向に回転可能であるため、例えば、図6(a)に示すように、内側回転体13にアーム51を接続することにより、複数方向に駆動可能なロボットアームの関節等を駆動するのに利用することができる。また、例えば、図6(b)に示すように、内側回転体13の外側面に歯を形成して特許文献2、3、または非特許文献1に記載の鞍状歯車とし、この2方向駆動装置10を2台使用して、特許文献2、3、または非特許文献1に記載の球状歯車を、それぞれ別の方向から回転駆動させることにより、回転3自由度(3-RDoF)を実現することもできる。また、内側回転体13自体や、内側回転体13で駆動する球状歯車などを、全方向移動車輪として使用することもできる。 The bidirectional drive device 10 can extract the movement of the inner rotor 13 as an output from the opening at the tip side of the outer rotor 14. Since the bidirectional drive device 10 can rotate the inner rotor 13 in two directions, for example, as shown in FIG. 6(a), it can be used to drive the joints of a robot arm that can be driven in multiple directions by connecting an arm 51 to the inner rotor 13. Also, for example, as shown in FIG. 6(b), teeth can be formed on the outer surface of the inner rotor 13 to form a saddle gear as described in Patent Documents 2 and 3 or Non-Patent Document 1, and two of these bidirectional drive devices 10 can be used to rotate and drive the spherical gears described in Patent Documents 2 and 3 or Non-Patent Document 1 from different directions, thereby realizing three degrees of freedom of rotation (3-RDoF). Also, the inner rotor 13 itself or a spherical gear driven by the inner rotor 13 can be used as an omnidirectional mobile wheel.

10 2方向駆動装置
11 支持部
21 支持部本体
22 上部支持体
12 回転支持体
23 ロール回転体
24 環状取付部
13 内側回転体
25 第1突出部
26 第2突出部
14 外側回転体
14a 中心線
27 第1スライド溝
27a トロコイド曲線
28 第2スライド溝
28a トロコイド曲線
29 フランジ部
15 内側駆動手段
16 外側駆動手段
30 伝導歯車
31、32、33、34 ベアリング

51 アーム

REFERENCE SIGNS LIST 10 Bidirectional drive device 11 Support portion 21 Support portion main body 22 Upper support 12 Rotation support 23 Roll rotor 24 Annular mounting portion 13 Inner rotor 25 First protrusion 26 Second protrusion 14 Outer rotor 14a Center line 27 First slide groove 27a Trochoid curve 28 Second slide groove 28a Trochoid curve 29 Flange portion 15 Inner drive means 16 Outer drive means 30 Transmission gear 31, 32, 33, 34 Bearings

51 Arm

Claims (5)

支持部と、
前記支持部に支持されて、第1の軸を中心として回転可能に設けられた回転支持体と、
所定の厚みを有する円柱形状を成し、その中心軸である第2の軸が前記第1の軸と直交し、前記第2の軸を中心として回転可能に回転支持体に設けられた内側回転体と、
円筒状を成し、その中心軸が前記第1の軸と一致し、少なくとも前記内側回転体の両側方を覆うよう、内側に前記内側回転体が配置され、前記支持部に支持されて、前記第1の軸を中心として回転可能に設けられた外側回転体と、
前記回転支持体を、前記第1の軸を中心として回転させる内側駆動手段と、
前記外側回転体を、前記第1の軸を中心として回転させる外側駆動手段とを有し、
前記外側回転体は、内側面に、周方向に伸びる所定の整数周期を有する複数のトロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられた複数の係合部を有し、
前記内側回転体は、各係合部に対応して設けられた複数の突出部を有し、各突出部は、それぞれ前記内側回転体のいずれか一方の側面から、前記第2の軸と斜交する方向に突出しており、先端部が対応する係合部に係合し、その係合部に沿って相対的にスライド可能に設けられ、
前記外側駆動手段により前記外側回転体を回転させたとき、各突出部の先端部が各係合部に沿って相対的にスライド移動することにより、前記内側回転体が前記第2の軸を中心として回転するよう構成されていることを
特徴とする2方向駆動装置。
A support portion;
a rotation support supported by the support portion and rotatably provided around a first axis;
an inner rotor having a cylindrical shape with a predetermined thickness, a second axis serving as a central axis of the inner rotor being perpendicular to the first axis and being provided on a rotary support so as to be rotatable about the second axis;
an outer rotor having a cylindrical shape, a central axis of which coincides with the first axis, the inner rotor being disposed inside the outer rotor so as to cover at least both sides of the inner rotor, the outer rotor being supported by the support portion, and being rotatable about the first axis;
an inner drive means for rotating the rotary support about the first axis;
an outer driving means for rotating the outer rotor about the first axis;
the outer rotating body has, on an inner surface thereof, a plurality of engagement portions provided along a plurality of trochoid curves having a predetermined integer period extending in a circumferential direction,
the inner rotating body has a plurality of protrusions provided corresponding to the respective engagement portions, each protrusion protruding from one side surface of the inner rotating body in a direction oblique to the second axis, a tip portion of the protrusion engaging with a corresponding engagement portion and being provided relatively slidably along the engagement portion,
a bidirectional drive device configured such that, when the outer rotating body is rotated by the outer driving means, the tip ends of each protrusion move relatively slidingly along each engagement portion, thereby causing the inner rotating body to rotate about the second axis.
各係合部は、前記第1の軸に対して直交し前記第2の軸を含む面と前記外側回転体の内側面とが交わる線に対して、半周期毎に左右が入れ替わる各トロコイド曲線に沿ってそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1記載の2方向駆動装置。 The bidirectional drive device according to claim 1, characterized in that each engagement portion is provided along a trochoid curve that alternates left and right every half cycle with respect to a line that is perpendicular to the first axis and includes the second axis and intersects with the inner surface of the outer rotor. 各トロコイド曲線は、前記外側回転体の内側面の周方向での位置に対する位相が互いに異なっていることを特徴とする請求項2記載の2方向駆動装置。 The bidirectional drive device according to claim 2, characterized in that the phases of the trochoid curves with respect to the circumferential position of the inner surface of the outer rotor are different from each other. 各突出部は、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の一方の側面から突出した第1突出部と、先端部が円柱形状を成し、前記内側回転体の他方の側面から突出し、前記第1突出部よりも先端部の径が大きく、前記内側回転体からの突出量が小さい前記第2突出部とを有しており、
各係合部は、前記第1突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成る第1スライド溝と、前記第2突出部の先端部を挿入して係合可能に設けられた溝から成り、前記第1スライド溝より幅が広く浅い第2スライド溝とを有していることを
特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の2方向駆動装置。
each protruding portion has a first protruding portion having a cylindrical tip portion protruding from one side surface of the inner rotating body, and a second protruding portion has a cylindrical tip portion protruding from the other side surface of the inner rotating body, the tip portion having a larger diameter than the first protruding portion, and a smaller amount of protrusion from the inner rotating body,
The bidirectional drive device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each engagement portion has a first slide groove consisting of a groove into which a tip portion of the first protrusion can be inserted and engaged, and a second slide groove consisting of a groove into which a tip portion of the second protrusion can be inserted and engaged, the second slide groove being wider and shallower than the first slide groove.
前記内側回転体は、前記第1の軸が厚み方向の中心を通るよう配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の2方向駆動装置。

5. The bidirectional drive device according to claim 1, wherein the inner rotor is disposed so that the first axis passes through a center in a thickness direction.

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