JP2010533830A - 歯車軸受装置 - Google Patents

Abstract

歯車軸受装置は、トルクを出すアクチュエータとして、また、支持を提供する連結装置として作動するコンパクトな機構を提供する。この装置は、太陽歯車内の外部ロータ式の直流モータを統合している歯車配列を有している。ロック面はこの装置の部品を整列させ、軸方向荷重とモーメントの支持をする。この歯車軸受装置は、ロボットアームの連結部や義肢等としての色々な応用が有る。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照 Ｎ／Ａ
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載 Ｎ／Ａ
発明の分野
本発明は、歯車軸受装置と、義肢とロボットアームを含む様々な応用分野でのその利用に関する。

発明の背景
歯車軸受は、機械的動力構造とベアリング作動制御機能が専用ベアリングの必要性無しで行なわれるような歯車とローラベアリングの両方の面を具備する機械的構造物である。歯車軸受は部品と装置の両形式をとります。歯車軸受部品は多くの形式で構築することができ、また、歯車軸受部品は、歯車軸受装置を形成するモジュールとして、互いに直接接続することができる。歯車軸受装置は転がり摩擦を全面的に使用する。従って、外部ベアリングは必要ではない。遊星歯車軸受減速機は、歯車軸受技術を使用して容易に構築され、また、これらはコンパクトな外観で十分な減速を提供する。

（力の釣り合いに基づいた）「岩固定（Rock Lock）」特性は、遊星歯車軸受減速機に固有であり、また、これらは、(歯車軸受減速比がある値よりも上の場合、90-120:1辺り、に)連結後方駆動を防ぐことにより、格別な安全性を保証する。歯車軸受は、システムを軸方向にロックするローラベアリングに対して対をなす歯車の歯端を使用します。システムをともにロックすることに加えて、この対の一方は、メカニズムに付加的な機能性を加えて、スラスト軸受機能を成すことができる。歯車軸受装置は、コンパクトな外観で格別な軸受強度を提供し、かつユニークな作動制御特性を持つように作ることができ、これでそれらに競争的優位機能を成させることができる。

歯車軸受システムは米国特許番号6,626,792に記載されている。このシステムは、各歯車のピッチ円直径位置に接触面を置くことにより、従来のベアリングを無くした遊星歯車装置を利用する。このシステムは、入出力ピニオン歯車間の１歯違いを利用する。接触面は適切な噛み合いを維持し、歯車セットに最小の振動で作動することを可能にさせる。信頼性も、部品数および全体の複雑さの減少によって増大する。さらに、歯車軸受設計に固有のことは、同じ機構を使用した大きな範囲のギヤ比を成す能力であり、各歯車の歯数を単に変更することにより、例えば、1:1から1:2000までのギヤ比である。この特許中の歯車軸受システムは、歯車の歯端をともに使用しているシステムをロックする歯車について一個のローラを含んでいる。

他の公知の駆動システムは、螺旋形遊星歯車とボールベアリングとを備えた遊星歯車システムを利用し、それでキャリヤから離して出力部を駆動する。ハーモニック駆動装置、これは波発生器を使用して作動するものであるが、も知られている。簡潔な記述は米国特許出願番号2006/0073922で見つけることができる。

人工装具の分野に関して、ボディーを動力とする構成部品は、人工装具術の中で何世紀も使用されており、今日まだ一般に処方されている。これらのシステムの制御は、切断位置から離れ、ボディー全体の動作の調整を含んでおり、また、人口器官に直接付けられたあるタイプのボディー・ハーネスを一般に含んでいる。これらの人口器官が一般に軽量で廉価である一方、それらには著しい損失があります。ボディー・ハーネスは一般に作業範囲を制限し、また、手足を失った者は、適切に端末装置を操作することに同期した方法でボディーの動きを調整することができなければならない。より重度の手足を失った者は、適切に人口器官を活性化するためには、多くの場合十分な動きを生成することができない。満足な握力の達成も、現在利用可能な端末装置および握りパターンの機械的な制限により困難である。

外部的に動力が供給される構成部品は、1970年代の終わり以来使用されており、ボディー動力構成部品に対していくつかの特有の長所がある。電子的肘は約15ポンド／フィートの持ち上げ力を発生でき、また、電子端末装置は、大凡22ポンドの最大握力を発生できる。多くのボディー動力構成部品には性能改善がなされているが、これらの装置は多くの仕事にまだ不適切である。

発明の概要
本発明による歯車軸受装置は、トルクを出すアクチュエータとして、および支持を提供する連結部として作動する能力を備えたコンパクトな機構である。これは、外部ロータのブラシレス直流モータ技術と、歯車軸受技術の組み合わせのために可能である。それは、従来のモータ歯車列アセンブリを、重量とスペースを低減する単一の機構に取り替えることを可能にする。更には、絶対的、又は増分による高い位置精度は、駆動モータへのエンコーダの追加を伴う設計に固有である。そのコンパクトなサイズ、高精度および連結能力は、航空宇宙、宇宙、生産、輸送および他の産業にそれが適用されることを可能にさせる。

歯車軸受装置は、ベアリングの無い連結と、大きな動力密度を有して大出力でコンパクトなアクチュエータを提供する。歯車軸受装置は、外部ロータのモータが入力太陽歯車サブアセンブリ内に統合される遊星歯車列を利用する。モータのコイルは入力リング歯車に接地されている。歯車軸受装置は、ローラベアリング表面を使用して、機構に対して軸方向支持と径方向支持の両方を提供する。ローラベアリング設計は、歯車の歯先端と対を成すその端面と共に単一の転がり面を使用でき、或いは、それは、半径方向支持用のローラベアリング表面と、システムを軸方向にロックするための延長ローラとを使用して、半径方向支持と軸方向支持を分離する２段のローラベアリングを使用可能である。２段のローラサブアセンブリを含む歯車軸受装置は、歯車端の歯先端から全ての荷重を取り除くために、歯車歯先端端部の面取りからも利点を得ることができる。この特徴は、大抵の軸方向荷重を歯車の歯底円の下に移動させて、それによって、装置の連結強度を大幅に高める。

歯車軸受装置は、無関係な支持構造の除去により、機械の連結アセンブリを単純化する。また、連結構造、モータ、そして伝動装置を単一のコンパクトな機構に組み合わせることで、歯車軸受を利用する装置は高い動力密度を達成することができる。これは、歯車軸受装置を、ロボットアーム、人工装具術、動力ウィンチおよび生体工学を含む様々な分野に役立つようにさせる。

図面の説明
本発明は、添付図面と共に成される以下の詳細な説明により充分に理解されるであろう。
図１は、本発明による出力側からの歯車軸受装置の第１実施例の等角図法図である。 図２は、入力側から見た図１の歯車軸受装置の等角図法図である。 図３は、図２の歯車軸受装置について部分的切り取った図である。 図４Ａは、歯車軸受装置の第１実施例の出力側の平面図である。 図４Ｂは、歯車軸受装置の第１実施例の入力側の平面図である。 図５は、ロックリングを除去し、出力側から見た歯車軸受装置の第１の実施例の部分図である。 図６は、ロックリングを除去し、入力側から見た歯車軸受装置の第１実施例の部分図である。 図７は、歯車軸受装置の第１実施例の内部の構成部品の等角図法図である。 図８は、図７の内部の構成部品の側面図である。 図９は、歯車軸受装置の第１実施例の部分の等角図法図である。 図１０Ａは、歯車軸受装置の第１実施例のピニオンのサブアセンブリの側面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａのピニオンのサブアセンブリの断面図です； 図１１Ａは、歯車軸受装置の第１実施例の太陽歯車サブアセンブリの等角図法図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの太陽歯車サブアセンブリの端面図である。 図１１Ｃは、図１１Ａの太陽歯車サブアセンブリの他の等角図法図である。 図１２は、歯車軸受装置の第１実施例の断面図である。 図１３は、歯車軸受装置の第１実施例の太陽歯車サブアセンブリとピニオンサブアセンブリの平面図である。 図１４は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１段階の等角図法図である。 図１５は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第２段階の等角図法図である。 図１６は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第３段階の等角図法図である。 図１７は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第４段階の等角図法図である。 図１８は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第５段階の等角図法図である。 図１９は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第６段階の等角図法図である。 図２０は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第７段階の等角図法図である。 図２１は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第８段階の等角図法図である。 図２２は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第９段階の等角図法図である。 図２３は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１０段階の等角図法図である。 図２４は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１１段階の等角図法図である。 図２５は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１２段階の等角図法図である。 図２６は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１３段階の等角図法図である。 図２７は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１４段階の等角図法図である。 図２７は、歯車軸受装置の第１実施例を組み立てる第１４段階の等角図法図である。 図２８Ａは、完全に組み立てられた歯車軸受装置の第１実施例の等角図法図である。 図２８Ｂは、完全に組み立てられた歯車軸受装置の第１実施例の他の等角図法図である。 図２９は、歯車軸受装置の第２実施例の等角図法図である。 図３０は、歯車軸受装置の第２実施例の断面図である。 図３１は、歯車軸受装置の第２実施例の部分の断面図である。 図３２Ａは、本発明に係る歯車軸受装置を組込んでいるロボットアームの等角図法図である。 図３２Ｂは、図３２Ａのロボットアームの他の等角図法図である。 図３２Ｃは、図３２Ａのロボットアームの更に他の等角図法図である。 図３３Ａは、本発明に係る歯車軸受装置を組み込んでいる人工装具のアームの等角図法図である。 図３３Ｂは、図３３Ａの人工装具のアームの他の等角図法である。 図３４Ａは、図３３Ａの人工装具のアームの肘関節の等角図法図である。 図３４Ｂは、図３４Ａの肘および前腕装置の他の等角図法図である。 図３５Ａは、図３３Ａの人工装具のアームの前腕装置の等角図法図である。 図３５Ｂは、図３５Ｂの人工装具のアームの前腕装置の他の図である。 図３６は、本発明に係る歯車軸受装置を組込んでいるウィンチ・アセンブリについての模式図である。 図３７は、本発明に係る歯車軸受装置の他の実施例の模式図である。 図３８は、本発明に係る歯車軸受装置の更に他の実施例の模式図である。

発明の詳細な説明
本発明の歯車軸受装置10の第１実施例は図1〜13に図示されている。歯車軸受装置は、歯車軸受アセンブリ14へ統合された外部ロータのモータ12を含んでいる。歯車軸受アセンブリは、歯車セットのアラインメント（整列）を維持し、スラスト荷重とラジアル荷重と曲げ荷重を支持するため、各歯車のピッチ円直径位置に転がり面を置くベアリングの無い歯車システムである。更に特定すると、歯車システムは、入力側と出力側のリング歯車18、20に同心状に囲まれた入力側太陽歯車サブアセンブリ16を含んでいる。いくつかの同一サイズのピニオン歯車サブアセンブリ22が、入力太陽歯車サブアセンブリ16とリング歯車18、20の間に介在している。ピニオンサブアセンブリが太陽歯車サブアセンブリを囲んでその回りに回転し、装置の入力ステージを出力ステージへと連結する。モータ12は、入力側の太陽歯車サブアセンブリ内に内部統合されている。モータのコイル24はアセンブリの入力側に接地される。

入力と出力のロックリング26、28は、入力側と出力側に配設されており、これでリング歯車18、20をピニオンサブアセンブリ22に対にし、そして全アセンブリ14を互いに締結させる。組み立てられた時、装置は剛であって、以下に記載のように、スラスト荷重、ラジアル荷重、及び曲げ荷重を支持する能力を有している。ロックリングとリング歯車は、所望の応用分野の必要に応じて形造られる。

太陽歯車サブアセンブリ16は装置の内部中心に位置し、外部ロータのモータのマグネット32およびそれらの取付構造34、入力太陽歯車36、オプションのエンコーダ駆動軸38、太陽歯車ローラベアリング面42、および太陽歯車ロック面43、44を含んでいる。太陽歯車ローラベアリング面42は径方向外に向かっており、また、太陽ロック面44は軸方向に面してピニオンサブアセンブリの突出ローラ46と対を成す。

図示の実施例では、太陽歯車ロックリング48は、入力側において太陽歯車36の端部に同軸で位置している。太陽歯車ロックリング48は、径方向外側に向かっている太陽歯車ローラベアリング面42を含み、これは、ピニオンサブアセンブリ22の対応するローラベアリング面52の上でスリップすることなく転がる。太陽歯車ロックリング48は、さらに太陽歯車36に向かうと共に軸方向に向いている太陽歯車ロック面44を含んでいる。

太陽歯車の歯56は、決められたピッチ半径で太陽歯車36から径方向に延伸している。このピッチ半径は太陽歯車ローラベアリング面42の半径と同じです。従って、そのピッチ半径位置の太陽歯車の歯と太陽歯車ローラベアリング面とは同じ速度で回転する。太陽歯車ロック面43における歯車先端から負荷を除くため、太陽歯車の歯は先端から歯底まで面取りされている(図11B、12)。荷重は、歯車の歯56の根元においてと、ロックリング48の太陽歯車ロック面44とにおいて、対を成すピニオンサブアセンブリ22上のロック面58に伝達される。

有利なことに、太陽歯車と同心状に配設すべきベアリングは必要でない。それは、太陽歯車サブアセンブリがピニオンサブアセンブリのロック面によって径方向と軸方向の両方向に固定されるからである。

さらに、図示の実施例では、出力太陽ローラサブアセンブリ66は、出力側で太陽歯車のもう一つの端部に同軸状に配置されている。出力太陽ローラアセンブリは装置を安定させて、ピニオンサブアセンブリを正確に整列配置させる。出力太陽ローラサブアセンブリは、径方向外に向かっている太陽ローラベアリング面68を含んでいる。それは、ピニオンサブアセンブリ22の対応するローラベアリング面72の上でスリップせずに回転する。

太陽ローラサブアセンブリは、出力側の太陽ローラサブアセンブリの端部に同軸に配置された太陽ローラロックリング74、および太陽ローラベアリング76を含んでいる。太陽ローラサブアセンブリは、太陽歯車に軸方向に向いている太陽ローラロック面78を含んでいる。太陽ローラサブアセンブリは、軸方向外に向かう別のロック面78を含んでいる。太陽ローラロックリングはピニオンサブアセンブリに太陽ローラサブアセンブリをロックさせる。ロック面はピニオンサブアセンブリの突出ローラ82と対を成し、歯車軸受装置の出力側をさらに安定させる。

ピニオンサブアセンブリはそれぞれ、入力ステージピニオン歯車84および、該入力ステージピニオン歯車と同軸の出力ステージピニオン歯車86を含んでいる。入力ステージピニオンの歯は、太陽歯車の歯と噛み合い、さらに入力入力側リング歯車の歯と噛み合う。出力ピニオンの歯は、出力側リング歯車の歯と噛み合う。入力ステージピニオンと出力ステージピニオンの歯数間には１個の歯差がある。３つのピニオンサブアセンブリが例示されているが、遊星歯車ピニオン間隔式の範囲内で荷重をを分配するべく、もし望まれれば４つ以上が使用可能である。

入力ステージピニオンと出力ステージピニオンとは、ピニオン支持部材、即ち中心骨88に同軸で取り付けられている。中心骨はピニオンサブアセンブリの主な支持をする。ピニオンローラキャップ102は、ネジ棒108上で中心骨の一つの端に軸方向に取り付けられ、ピニオンサブアセンブリを共にロックする。当業者で決定され得るように、ピニオンサブアセンブリは別の方法で組み立てることができる。

入力側では、中心骨は一端で径方向外に向かうローラベアリング面52を含む。このローラベアリング面は、太陽ローラベアリング面42の上と入力リング歯車のローラベアリング面92の上でスリップせずに回転する。これで太陽歯車サブアセンブリの径方向位置を固定する。ローラベアリング面に隣接している拡張ローラ46に位置したロック面58は、軸方向の内部方向と外部方向に向かっている。これらは、入力リング歯車と太陽歯車サブアセンブリのロック溝と対をなし、歯車軸受装置機構の入力側をピニオンサブアセンブリにロックさせる。歯車歯の端部の先端部は、荷重負荷を歯車の歯底円の下に移動させるために面取りされている。これは、連結の力取り扱い能力を増加させて、歯車端の先端の摩耗が加速される可能性を減少させる。

出力側で、中心骨は径方向に面するピニオンローラベアリング面72を含める。このローラベアリング面は、太陽ローラベアリング面68の上で滑ることなく回転し、さらに太陽ローラサブアセンブリの径方向位置を固定する。ローラベアリング面に隣接している突出ローラ106に位置したロック面104は、軸方向の内部方向と外部方向とに向いている。これらは、出力リング歯車と太陽歯車サブアセンブリのロック溝と対をなし、歯車軸受装置機構の出力側をピニオンサブアセンブリにロックさせ、太陽ローラアセンブリを軸方向に位置させる。歯車歯の端部の先端部は歯車の歯底円の下に荷重を移すために面取りされている。これは、連結の力取り扱い能力を増加させて、歯車端部の先端の摩耗が加速される可能性を減少させる。

入力側リング歯車18は、入力ピニオン84の歯と噛み合う歯を有する。ロック溝は、入力リング歯車歯の端面と、入力側ロックリング26の軸方向内部側の面とによって形成されている。この溝は、ピニオンサブアセンブリの入力側のロック面58と対を成すロック面118（図9）を規定する。ピニオンサブアセンブリの歯車の歯と太陽歯車の歯に関して、入力側リング歯車の端部の先端部が面取りされている。

出力側リング歯車20は、出力側ピニオン歯車86の歯と噛み合う歯を有している。ロック溝は、出力リング歯車歯の端面と、出力側ロックリング28の軸方向内部の面とによって形成されている。この溝は、ピニオンサブアセンブリの出力側のロック面104と対を成すロック面120（図9）を規定する。ピニオンサブアセンブリの歯車の歯と太陽歯車の歯に関して、出力側リング歯車の端部の先端部が面取りされている。

出力側と入力側のロックリングは、リング歯車をピニオン歯車サブアセンブリと対にさせ、そのアセンブリ体を互いにロックする。ロックリングは、ピニオンローラキャップとピニオン中心骨部とのローラベアリング面の上でスリップせずに回転するローラベアリング面122、124を含んでいる。

モータはコンパクトな外部ロータの直流モータです。このモータでは、コイルは端部が釣鐘状のもの（end bell）(接地されたステータ)に固定されている。また、マグネットはロータに配置されている。標準直流モータ設計と比較した時、このモータ設計はより高いトルク出力、より大きな熱放散、および部品数が少ない。

図11A-Cを参照すれば、太陽歯車の中へモータを組み込んだ一つの実施例が示されている。タブ132は、例えば機械加工によって、太陽歯車の内面に作られます。マグネット32は、例えば接着剤でタブ同士の間に貼り付けられる。外部ロータは、太陽歯車の内部の空洞内に同軸に配置されている。ステータは、ロータ内部に固定される。太陽歯車ロックリング48を所定場所に保持するのを支援するために、小さなねじ穴134がいくつかのタブに含まれていてもよい。

もし適用において必要ならば、エンコーダシャフト38も太陽歯車への取り付けとして含まれていてもよい。このシャフトに取り付けられたエンコーダは歯車軸受装置と同じ比率を掛けた分解能を有し、装置を正確なコントロールによく適合させる。例えば、300:1の歯車減速比を備えたモータに付けられた12ビット（１回転当たり4096回のクリック）のエンコーダは、0.0003度より小さい回転精度能を産む。

装置の組立は、図14から28A、28Bに図示されている。装置は組立治具140の援助によって好ましくは組み立てられます。治具はピニオンを位置させる。図15では、ネジ棒108が治具中のカラー142の取り付け穴144に差し込まれている。ネジ棒は適切な位置状態にピニオンを位置させ、それらを正確に合わせる。図16で見られるように、ピニオン中心骨88がネジ棒に差し込まれる。次に、出力ステージピニオン86が中心骨（図17）に差し込まれる。

出力側太陽ローラロックリング74は、治具の中心位置に保持されて治具の穴に整列される（図18）。その後、出力太陽ローラ76は出力太陽ローラロックリングにボルトで締結される（図19）。入力側ピニオン84は、ピニオンアセンブリ中心骨の上に滑り込ませる（図20）。出力側リング歯車20は、ピニオンに被せるように滑り込ませる（図21）。次に、太陽歯車36が適所に滑り込ませられる。さらに、組立治具が取り除かれる（図22）。

その後、入力側リング歯車18が適所に滑り込ませられる（図23）。ピニオンローラキャップ102がネジ棒を使用してボルトで締められる（図24）。面42を備えた太陽歯車ローラが適所に滑り込ませられてボルト締めされる（図25）。歯車ローラベアリング面が適切に整列することを保証するために、出力ロックリング28が、整列ピン152を使用して出力リング歯車に取り付けられている（図26）。モータ・コイル構造は入力側ロックリング26に取り付けられており、次に、入力側ロックリングは入力側リング歯車18に取り付けられる（図27）。図28Aと図28Bは、完全に組み立てられた歯車軸受駆動装置の２つの方向視図を例示する。

歯車軸受装置の他の形態は可能です。例えば、図29-31で例示するように、歯車軸受装置は機構を互いにロックするために歯車端の歯先と平歯車ベアリングローラだけを使用して提供され得る。この形態では、複数のローラリングは、歯車ベアリングローラとして働く径方向面と、ロック面として内部の軸方向面とを備えた１つの直径のものです。入力、出力のロックリングは省略されている。歯車軸受装置の減速比は、既知式によって決定される。（例えば、米国特許第6,626,792を参照）。外部ロータのモータは上述された太陽歯車内に統合されている。逆回転性（backdrivability）は、「岩固定」が超えるポイントまで歯車減速比が増加するに従って縮小する。このポイントの後に、機構は非逆回転性（non-backdrivability）となる。

歯車軸受装置150の別の実施例では、外部ロータのモータ152は、太陽歯車156にではなく、１個以上のピニオン154に組み入れられる。図37を参照してください。このようにこの組立体はモータを組み入れた単一ステージの歯車減速機である。追加のモータは、組立体のサイズを増加させずに、出力密度を増加させる。中心に位置した無抵抗の太陽歯車156と無抵抗のピニオン158は、ローラ/ロックリングだけになり得る。あるいは、さらに、それらは歯車を含むことができる。リング歯車は、機械を直接駆動することができるか、あるいはそれがラック・ピニオン組体でのピニオン要素として機能することを可能にする追加的特徴を含み得る。モータのステータは、適用に応じて必要とされる際に接地される。

更に別の実施例では、歯車軸受装置160は、内部ロータのブラシレス直流モータ162へ同軸に統合された歯車軸受トランスミッションです。図３８を参照ください。マグネット164が歯車軸受リング歯車166の外へ装着されている。ステータ169内のモータのコイル168はピニオン170の位置と共に接地されている。ピニオンは標準のボールベアリングを使用して回転する。リング歯車は駆動されて、動力がピニオンを介して太陽歯車172に伝達される。太陽歯車には出力軸174がある。リング歯車、ピニオン歯車および太陽歯車はすべてローラベアリング面を有している。これらのローラベアリング面は、コイルに関して太陽歯車とリング歯車の同心性を維持する。ピニオンは内部構造を支持する。歯車軸受装置のこの配置は、駆動されたリング歯車と比較して出力軸の回転速度を増加させる。マグネット／コイルの大きな半径はモータに高いトルク性能を与える。出力軸は、モーメント荷重と共にスラストとラジアルの両方の荷重を支持する能力を持っている。

この外部的に被駆動の歯車軸受装置は、単一の歯差のある惑星と、出力側リング歯車および太陽ローラを持って、２つのステージシステムを使用する。出力側リング歯車はアクチュエータの出力部である。それは、内部ロータモータと外部コイルによる図38の実施例と同じように今は入力側リング歯車が駆動されることを除けば、上記の太陽歯車被駆動実施例と同じ歯車軸受部品を有している。この場合、ピニオンは自由に循環することができる。また、太陽歯車は(接地された)位置に固定されている。それは前に述べたロック溝システムと同じタイプのものを組み込むことができる。このドライブは、出力側リング歯車上のモーメント荷重と共にスラスト荷重とラジアル荷重とを支持できる。

歯車軸受装置は、高レベルのトルクで連結部を駆動する間、モーメント荷重、スラスト荷重、およびラジアル荷重を支持することができて、連結部としての手段が提供され得る。例えば、歯車軸受装置はロボットアームや義肢中の連結部として適する。

歯車軸受装置を組込んでいるロボットアーム200の一つの実施例が図32に示されている。図示のロボットアームは６つの自由度を持っており、軽量、コンパクトな外観で、高強度と特別な精度の両方を呈する。アームは、一連の連結モジュールとエンドエフェクタ（端部作動体）モジュールとを組込んでいるモジュールです。このモジュール化は、エンドエフェクタにおけるいかなるサイズの、また、いかなる数の要求自由度のこうしたアームの設計の迅速化や標準化を可能にさせる。

各連結部（図示された実施例のショルダ202、エルボ204および手首206）は、同様の能力を有する現在の如何なるロボットアームより体積的に小さい空間に組み込んだアクチュエータと連結荷重支持と位置センサとを具備したそれ自体の歯車軸受装置で駆動される。歯車軸受装置の広範囲に亘る機能性は、ロボットアームのモジュール設計構造を促進し、そのアームを様々なタスクに再構築可能で、高度に適応可能にさせる。ロボットは、１自由度当たり１つの歯車軸受装置を利用する。図示の実施例では、ショルダとエルボの連結部は、同一の歯車軸受装置を使用している。また、手首連結部は、より小さな歯車軸受装置を使用する。

各歯車軸受装置連結部アセンブリは、それ自身のコントローラとエンコーダを有している。歯車軸受装置はエンコーダと同期された連結位置を有して構成され、それで、それらはロボットアームの原点を参照する必要性なく設置したり、交換することができる。予め定めた連結部位に挿入された時、ユーザーは単に主制御装置へアーム型コードを入力するだけでよく、システムは使用する準備ができる。ロボットアームの形態は、単にロボットアームから部分を交換するか、加えるか、削除することにより変更することができる。

成されるタスクにとって望まれるように、ロボットアームの荷重に耐える（ペイロード）性能は、アームのサイズおよび強さによって決定される。１つの実施例では、図示されたロボットアームの大凡の重量は、アルミニウムで構成されたアームで約15ポンドです。

歯車軸受装置は、図33Aから図35Bの、3-4自由度の義肢アーム300において図示されている。アームは、屈曲と伸展のためのエルボ302に位置させた歯車軸受装置を含んでいる。エルボに近くて前アームのケース304の中に、歯車軸受装置306は前アームの回転、即ち、回内と回外のために提供されている。さらに、前アームのケース内では、歯車軸受装置308は、手首の屈曲と伸展用に提供されている。オプションの上アーム骨の回転装置310が提供されてもよい。上アームのためのソケット312と手の連結システム314も提供されている。

連結部は120度／秒の回転が可能である。１つの実施例では、アームの見積もり質量又は重量は、図示の部品で、ソケットを除いておよそ1.2kg（2.75ポンド）である。エルボ連結部の歯車軸受装置は、2.3インチの外部直径と長さ2.5インチを持っている。このコンパクトなサイズは、連結部が通常のエルボが占有する空間内に充分に含まれることを可能にする。

アームの中で利用されている外部ロータのモータは、55から210W（ワット）のパワー性能を持った同じ形態要素を共有する。従って、システムは、重量物持ち上げや極めて低い動力消費のような、特定の適用のために最適化することができる。

安全性については、歪みゲージが連結部に組み入れられ得て、過負荷状態が検知された場合に、コントローラが、連結部に作用するトルクと逆回転をチェックすることを可能にする。別の代案では、歯車軸受装置の歯車比は、装置が逆回転させられることはないように構成され得る。従って、例えば、エルボ連結部が静的な荷重負荷の下にある場合、モータにはエネルギー消費がない。

前アームの（下向きにする、上向きになる）回転には、エルボを前アームに接続する連結システムも提供する歯車軸受装置306によって動力が付与される。入力ステージリング歯車が装着されてエルボに接地されている。また、前アームは出力リング歯車に直接装着されている。前アームは軽量の合成物で構成でき、これは必要な強さと剛性を示す。

手首を自在に伸ばす動き用に、歯車軸受装置308は前アームの上部に装着されている。図35Aと図35Bを参照されたし。動力は、このシステムから、非スリップベルト装置316や伝動軸を備えた手首まで転送される。手首用のカップラは、手の要求に基づいて詳述されており、また、過度の衝撃荷重からユーザーを保護するために、さらにスリッパークラッチ318を含むことができる。

他の実施例において、ウィンチで巻き上げる装置で使用するにふさわしくて、歯車軸受装置の入力ステージが接地されており、また、出力ステージがウィンチドラムに連結されている。特に、帆舟ウィンチ402（図36）の場合には、入力ステージ404はボートデッキ406に接地されており、そして出力ステージ408はウィンチドラム410に連結され、それは同軸に装着されている。一方向クラッチやベアリング412は、手動にふさわしい機構414を設けて手動操作を可能にするべく、出力ステージとウィンチドラムの間に提供され得る。歯軸受装置は、ウィンチドラムの内部に存在する。それはウィンチの回転を駆動し、ライン416からの荷重を支持する。ウィンチはセルフテイリング（self-tailing）でも、また非セルフテイリングでもよい。同様に、歯車軸受装置は、乗り物ウィンチ、建設ウィンチなどのような他のウィンチに取り入れることもでき、あるいは代わりに、ウィンチあるいは他の機械を外部から、あるいは遠隔で駆動するパンケーキスタイル歯車モータとして使用することができる。

歯車軸受装置は、様々な他の用途の中で使用することができる。例えば、生産では、それは機械類を運転するためのアクチュエーターおよび（または）連結部として機能することができる。CNC機械において、それはサーボモータおよび（または）精密位置決めステージを置換できる。生体工学では、それは、連結部および（または）メカトロニクスのボディー部品用のアクチュエータとして役立つことができる。それは、窓および触覚型のインターフェースのような種々様々の物体を駆動できる。それは、標準の直流ブラシとブラシレスの歯車モータに代わることができる。航空空間では、歯車軸受装置は、着陸装置、翼コントロール面、ハッチ等々をコントロールするか駆動するのに使用することができる。

本発明は、追記されている請求項によって示された通り以外は、特に図示されて説明されたものによって制限されるべきではない。

Claims (51)

1. 入力ステージと出力ステージを有するアセンブリを具備する歯車軸受装置であって、該アセンブリは、
   太陽歯車と、
   該太陽歯車の内部領域内に配設された外部ロータを有し、該太陽歯車が該外部ロータと共に回転可能であるモータと
   を具備する太陽歯車サブアセンブリと、
   前記太陽歯車サブアセンブリとの境界に配設されて、該太陽歯車サブアセンブリの周りを回転する複数のピニオンサブアセンブリであって、各ピニオンサブアセンブリが、太陽歯車と噛み合う入力ピニオン歯車と、出力ピニオン歯車とを具備する複数のピニオンサブアセンブリと、
   各ピニオンサブアセンブリの前記出力ピニオン歯車と噛み合うように配設された出力リング歯車と
   を具備する。
2. モータの外部ロータは太陽歯車の内面の周りに間隔をおいて固定された複数のマグネットを具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
3. 共に回転するために太陽歯車サブアセンブリに取り付けられたエンコーダ駆動軸を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
4. モータが直流モータを具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
5. ピニオンサブアセンブリと太陽歯車サブアセンブリの上であって、軸方向の力をそれらの間で伝達するために配設され、軸方向に向かって対を成すロック面を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
6. ピニオンサブアセンブリと出力リング歯車の上であって、軸方向の力をそれらの間で伝達するために配設され、軸方向に向かって対を成すロック面を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
7. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリと、ピニオンサブアセンブリと太陽ローラサブアセンブリの上であって、軸方向の力をそれらの間で伝達するために配設され、軸方向に向かって対を成すロック面とを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
8. 各ピニオンサブアセンブリの入力ピニオン歯車と噛み合うよう配設された入力リング歯車と、ピニオンサブアセンブリと入力リング歯車の上であって、軸方向の力をそれらの間で伝達するために配設され、軸方向に向かって対を成すロック面とを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
9. ピニオンサブアセンブリと太陽歯車サブアセンブリの上であって、転がり軸受接触するよう配設され、径方向に向かう軸受面を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
10. 前記アセンブリを互いに固定するために該アセンブリの出力ステージに配設された出力ロックリングと、ピニオンサブアセンブリと出力ロックリングの上であって、転がり軸受接触するよう配設され、径方向に向かう軸受面とを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
11. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリと、ピニオンサブアセンブリと太陽ローラサブアセンブリの上であって、転がり軸受接触するよう配設され、径方向に向かう軸受面とを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
12. 各ピニオンサブアセンブリの入力ピニオン歯車と噛み合うように配設された入力リング歯車と、
    前記アセンブリを互いにロックする該アセンブリの入力ステージに配設された入力ロックリングと、
    ピニオンサブアセンブリと入力ロックリングの上であって、転がり軸受接触するよう配設され、径方向に向かう軸受面と
    を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
13. 太陽歯車サブアセンブリが、歯車軸受装置の入力ステージ上であって、径方向外向きに向かっている太陽歯車ローラベアリング面を更に具備し、かつ、ピニオンサブアセンブリが、径方向内側に向かい、前記径方向外方向の太陽歯車ローラベアリング面と軸受係合して径方向の力を伝達するピニオンローラ面を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
14. 太陽歯車サブアセンブリが、軸方向に向かう太陽歯車ロック面を規定するロック溝を更に具備し、前記ピニオンサブアセンブリの夫々が、前記太陽歯車ロック面と係合して軸方向の力を伝達するための対を成す軸方向ロック面を規定する突出ローラを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
15. 太陽歯車サブアセンブリが、太陽歯車装置の入力ステージ上であって、径方向外向きの太陽歯車ローラベアリング面を更に具備し、かつ、太陽歯車が、前記太陽歯車ローラベアリング面の半径と等しく設定されたピッチ半径で太陽歯車から径方向に延伸している複数の太陽歯車の歯を含む請求項１記載の歯車軸受装置。
16. 太陽歯車が、該太陽歯車から径方向に延伸している複数の太陽歯車歯を含み、該太陽歯車歯の端部は、歯先から荷重を除去すべく歯先から歯底まで面取りされている請求項１記載の歯車軸受装置。
17. 入力ピニオン歯車と出力ピニオン歯車は、径方向に延伸した複数の歯車歯を含み、該歯車歯の端部は、先端から歯底まで面取りされていて先端から荷重負荷を取り除く請求項１記載の歯車軸受装置。
18. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリを更に具備し、該太陽ローラサブアセンブリは、径方向外側に向かっている太陽ローラベアリング面を具備し、更に、ピニオンサブアセンブリは、径方向内側に向かい、前記径方向外側に向かっている太陽ローラベアリング面と軸受係合して径方向の力を伝達するピニオンローラ面を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
19. 前記太陽ローラサブアセンブリが、太陽歯車から軸方向に向いている太陽ローラロック面と、太陽歯車の方向であって軸方向に向いている太陽ローラロック面とを更に含み、
    かつ、前記ピニオンサブアセンブリ夫々が、太陽ローラロック面と係合して軸方向の力を伝達でき、対を成す軸方向ロック面を規定する突出ローラを更に具備する請求項１８記載の歯車軸受装置。
20. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリを更に具備し、該太陽ローラサブアセンブリは、太陽歯車の方向であって軸方向に向いている太陽ローラロック面を具備する太陽ローラロックリングを具備し、かつ、前記ピニオンサブアセンブリ夫々は、太陽ローラロック面と係合して軸方向の力を伝達でき、対を成す軸方向ロック面を規定する突出ローラを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
21. 前記ピニオンサブアセンブリの夫々が、入力ピニオン歯車と出力ピニオン歯車が支持される支持部材を更に具備し、該支持部材は出力リング歯車のローラベアリング面と軸受係合する出力ステージのローラベアリング面を含んでいる請求項１記載の歯車軸受装置。
22. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリを更に具備し、該太陽ローラサブアセンブリは径方向外側に向かっている太陽ローラベアリング面を具備し、前記ピニオンサブアセンブリのピニオンローラベアリング面は前記太陽ローラベアリング面と軸受係合するよう更に配設されている請求項２１記載の歯車軸受装置。
23. ピニオンサブアセンブリと出力リング歯車とを対にさせるように配設された出力ロックリングを更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
24. 各ピニオンサブアセンブリの入力ピニオン歯車と噛み合うよう配設された入力リング歯車を更に具備する請求項１記載の歯車軸受装置。
25. ピニオンサブアセンブリが入力リング歯車と噛み合うように配設された入力ロックリングを更に具備する請求項２４記載の歯車軸受装置。
26. ピニオンサブアセンブリが出力リング歯車及び入力リング歯車と噛み合うように配設された出力ロックリングと入力ロックリングとを更に具備する請求項２４記載の歯車軸受装置。
27. 請求項１記載の歯車軸受装置を組み込んだ義肢アームであって、
    前アーム及び上アームと、上アームの端部におけるショルダと、前アームと上アーム間のエルボと、前アームの端部の手首とを具備する肢と、
    前記ショルダとエルボと手首の内の少なくとも一つに配設されている前記歯車軸受装置とを具備する。
28. 前記ショルダとエルボと手首の内の少なくとも二つ目に配設された他の歯車軸受装置を更に具備する請求項２７記載の義肢アーム。
29. 前記ショルダとエルボと手首の夫々に配設された歯車軸受装置を更に具備する請求項２７記載の義肢アーム。
30. 請求項１記載の歯車軸受装置を組み込んだロボットアームであって、
    少なくとも一つの連結部を有する肢と、少なくとも前記一つの連結部に配設された前記歯車軸受装置とを具備する。
31. 二つ目の連結部と、該二つ目の連結部に配設された二つ目の歯車軸受装置とを更に具備する請求項３０記載のロボットアーム。
32. 請求項１記載の歯車軸受装置を組み込んだウィンチアセンブリであって、
    ウィンチドラムと、該ウィンチドラム内に配設された前記歯車軸受装置と、該ウィンチドラムに連結された歯車軸受装置の出力ステージと、グランドに連結可能な歯車軸受装置の入力ステージとを具備する。
33. 歯車軸受装置の出力ステージとウィンチドラムとの間に配設された一方向クラッチを更に具備する請求項３２記載のウィンチアセンブリ。
34. 入力歯車を具備する入力ステージと、前記入力歯車とインターフェースで連続する出力歯車を具備する出力ステージとを有し、出力の対を成す境界は装置にトルク出力を提供するよう形成されている歯車トランスミッションと、
    外部ロータと内部ステータとを具備し、該外部ロータは入力歯車を駆動するため前記歯車トランスミッションの入力歯車の内部に配設されているモータと
    を具備する動力設備を設けた連結装置。
35. 前記出力の対を成す境界は義肢アームに釣り合うように形成されている請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
36. 前記出力の対を成す境界はロボットアームに釣り合うように形成されている請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
37. 前記歯車トランスミッションが、
    太陽歯車と、
    該太陽歯車の内部領域内に配設された外部ロータを有し、太陽歯車が外部ロータと共に回転可能なモータと
    を具備する太陽歯車サブアセンブリと、
    太陽歯車サブアセンブリと境界を接して該太陽歯車サブアセンブリの周りに回転するよう配設され、各ピニオンサブアセンブリが太陽歯車と噛み合う入力ピニオン歯車と、出力ピニオン歯車とを具備する複数のピニオンサブアセンブリと、
    各ピニオンサブアセンブリの出力ピニオン歯車と噛み合うように配設された出力リング歯車と
    を更に具備する請求項３６記載の動力設備を設けた連結装置。
38. モータの外部ロータが、太陽歯車の内面周りに間隔をおいて固定された複数のマグネットを具備している請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
39. それと共に回転する太陽歯車サブアセンブリに装着されたエンコーダ駆動軸を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
40. モータが直流モータを具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
41. ピニオンサブアセンブリと太陽歯車サブアセンブリの上に設けられ、それらの間に軸方向力を伝達するよう配設されて軸方向に向いて対を成すロック面を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
42. ピニオンサブアセンブリと出力リング歯車の上に設けられ、それらの間に軸方向力を伝達するよう配設されて軸方向に向いて対を成すロック面を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
43. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリと、ピニオンサブアセンブリと太陽ローラサブアセンブリとの上に設けられ、それらの間に軸方向力を伝達するよう配設されて軸方向に向かって対を成すロック面と、を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
44. 各ピニオンサブアセンブリの入力ピニオン歯車と噛み合うよう配設された入力リング歯車と、ピニオンサブアセンブリと入力リング歯車の上であって、それらの間に軸方向力を伝達するよう配設されて軸方向に向かって対を成すロック面と、を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
45. ピニオンサブアセンブリと太陽歯車サブアセンブリの上であって、転がり軸受接触するよう配設された径方向に向かう軸受面を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
46. 前記アセンブリを互いにロックするために該アセンブリの出力ステージに配設された出力ロックリングと、ピニオンサブアセンブリと出力ロックリングの上に設けられ、転がり軸受接触をするように配設された径方向に向かう軸受面と、を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
47. 前記アセンブリの出力ステージに配設された太陽ローラサブアセンブリと、ピニオンサブアセンブリと太陽ローラサブアセンブリの上であって、転がり軸受接触をするように配設された径方向に向かう軸受面と、を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
48. 各ピニオンサブアセンブリの入力ピニオン歯車と噛み合うよう配設された入力リング歯車と、
    前記アセンブリを互いにロックするための該アセンブリの入力ステージに配設された入力ロックリングと、
    ピニオンサブアセンブリと入力リング歯車の上であって、転がり軸受接触をするよう配設されて径方向に向かう軸受面と
    を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
49. 太陽歯車サブアセンブリが、歯車軸受装置の入力ステージの上であって、径方向の外に向かっている太陽歯車ローラベアリング面を更に具備し、かつ、ピニオンサブアセンブリが、径方向の内に向かい、前記径方向外に向かっている太陽歯車ローラベアリング面と軸受係合して径方向の力を伝達するピニオンローラ面を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
50. 歯車トランスミッションが、
    太陽歯車と、
    太陽歯車と境界を接して該太陽歯車の周りに回転するよう配設された複数のピニオン歯車と、
    一つのピニオン歯車の内部領域に配設された外部ロータを有し、このピニオン歯車が外部ロータと共に回転可能であるモータと、
    ピニオン歯車と噛み合うよう配設された出力リング歯車と
    を更に具備する請求項３４記載の動力設備を設けた連結装置。
51. 他のピニオン歯車の内部領域内に配設された外部ロータを有し、このピニオン歯車が外部ロータと共に回転可能な他のモータを更に具備する請求項５０記載の動力設備を設けた連結装置。

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