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    公开号:WO1986005470A1
    申请号:PCT/JP1986/000128
    申请日:1986-03-13
    公开日:1986-09-25
    发明作者:Kazuyuki Matsumoto；Masataka Hashimoto；Michiyoshi Iwata
    申请人:Teijin Seiki Co., Ltd.；
    IPC主号:B25J9-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 産業ロボッ トの閬節駆動装置
    [0002] 技 術 分 野
    [0003] 本発明は産業ロボッ トの関節駆動装置、 特にロボッ ト駆動系の共 振振動の発生を防止するものに関する。
    [0004] 背 景 技 術
    [0005] 産業ロボッ トにおいては、 一般に、 作業に適した出力 トルクを得 るため、 アーム等の関節部の駆動系には、 高速低トルクの電勖サ一 ボモータまたは電動パルスモータと、 この出力を低速高 トルクに変 換する減速装置とを用いている。
    [0006] また、 そのような減速装置は、 例えば、 減速比 1 ノ 120程度の大 減速比を有していること、 また、 歯車間のガタ、 すなわち、 いわゆ るバック ラ ッ シュが小さいこと、 さ らに、 慣性を小さ く するため軽 量であること等が要求される。
    [0007] このよう な要求を満たす従来の減速装置としては、 例えば、 曰本 国特開昭 5 9 — 1 7 5 9 8 6号公報に開示されているような調和歯 車装置 （商品名 ： ハーモニッ ク ドライ ブ） および日本国特開昭 5 9 一 1 0 6 7 4 4号公報に開示されているような偏心揺動型の遊星歯 車減速機がある。 前者の減速比は一般に 1 Z 80〜 1 ノ 320程度であ り、 後者の減速比は一般に 1 6 〜 1 200程度である。 また、 前 者は後者に比し減速比当りの外径、 重量が小さ く 、 かつ、 ほとんど の口ボッ トアームの閩節部の駆動用減速装置として必要な減速比お よび機械的強度を満足している。 したがって、 ロボッ トアームの関 節部駆動用減速機のほとんどは調和歯車装置単体が適用され、 まれ に、 調和歯車装置でも得られないほどの大減速比を必要とするもの- すなわち、 小容量高速回転 （例えば、 出力が 1000ヮ ッ ト以下で回転 数が 5000rpm)型のモータをロボッ トァームの駆動に用いる場合のよ うに 1ノ 625程度の減速比を必要とするもの、 については日本国特 開昭 5 6 - 1 5 2 5 9 4号公報に開示されているように調和歯車装 置に前段減速装置を結合したものが用いられている。
    [0008] しかしながら、 上述した各減速装置をロボッ 卜の関節装置に用い た場合、 減速装置に入力する電動モータ回転数が低い領域で減速装 置とロボッ トアーム等とがねじり共振を起こすという問題点があつ た。 共振現象としては、 ロボッ トアームの関節部近傍にねじり振動 が現れるこ とが多く、 その結果、 ロボッ トァームの先端位置が定ま らなく なる。 共振が生じる理由は、 電動モータの トルク伝達機構で ある上記各減速装置の剛性が低いため、 そのような減速装置を含む 駆動系 （電動モータ、 減速装置およびロボッ トアームから構成され る系） の固有ねじり振動数 ί 。 が低く なり、 したがって、 歯切の加 ェ誤差等に起因して振動する減速装置の振動周波数が、 電動モータ の低面転数域で上記固有ねじり振動数 f 。 と一致するためと考えら れていた。
    [0009] このような問題点に対し、 日本国特開昭 5 8 — 2 1 1 8 8 1号公 報には、 発生した振動を打ち消すように電動モータの速度指令信号 を変化させる電気的制御方式が提案されている。 しかしながら、 こ のような方式においてはフィ ー ドバックゲイ ンを大き く すると系が 不安定となり、 特に剛性の低いロボッ ト駆動系においては、 逆に発 振し易く なるという問題を生じるため、 ゲイ ンを大き くできず、 し たがって、 充分な振動打ち消し効果を得られない。 また、 日本国特 開昭 5 9 — 1 7 5 9 8 6号公報には高張力を与えたタイ ミ ングベル トで滅速機を駆動し、 該ベル 卜で振動を吸収する方式のものが提案 されている。 しかしながら、 この方式においてはタイ ミ ングベル ト が破断するという危険がある。 また、 日本国特開昭 5 9 — 1 1 5 1 8 9号公報には減速機の主軸にばねとおもりから成る吸振器を取り 付ける方式が提案されている。 しかし、 この方式においては遠心力 により吸振器が破損したり、 ロボッ 卜の負荷荷重に対応しておもり 等を調整しなければならないという問題点がある。 さらに、 これら のものは、 構造が複雑になり、 部品数も多 く なるという問題点があ る。
    [0010] そこで、 本発明は、 共振現象を実用域から外す共振防止構造にす る とともに、 その構造を簡単にしたロボッ 卜の関節躯動装置を提供 する こ とを目的とする。
    [0011] 発明者らは、 ロボッ トアームの閩節駆動装置に用いる減速機のば ね定数、 固有ねじり振動数、 トルク変動等と共振現象との関係、につ き種々研究を行つた。
    [0012] 先ず、 中立位置付近 （いわゆるロス トモーショ ン位置） の回転ば ね定数 Κ ώ (第 8図参照） の高い減速機をロボッ トアームの関節駆 動装置に用いるこ とにより ロボッ トの駆動系の固有ねじり振動数 f 0 を実用域から外すことが可能か否かについて試算した。 しかし、 減速機の中立位置付近の回転ばね定数 K £ は、 大きなものでもロボ ッ トアーム自体の回転ばね定数 K r の Ι Ζ ΙΟ Ι Ζ δであるため、 駆動系全体のばね定数 K = K · K r / ( K & + Κ τ ) は大して大 き く できず、 その結果、 駆動系の固有ねじり振動数 f 。 = 1 / 2 •J 7 (ここに、 Jは駆動系の慣性モーメ ン ト） も大して大き く できない。 したがって、 減速機の中立位置付近のばね定数 K iを高 めること、 すなわち剛性を高めることによっては、 驩動系の固有ね じり振動数 f 。 を実用域から外すことは不可能であるとの ¾論に達 し /こ o
    [0013] そこで、 発明者等は、 振動発生の原因である減速機の トルク変動 を無く すことを試みた。 具体的には偏心揺動型の遊星歯車減速機を 用い、 トルク変動を驵止ないし減ずるよう、 この減速機の内歯歯車 と外歯歯車の歯に高精度の仕上げ加工を施し、 かつ、 トルク変動が 生じてもこれを吸収するよう、 偏心入力軸の軸受部ゃ トルク取出ピ ンの軸支部等に環状溝を設け、 該溝にゴムリ ングを装 した。 しか しながら、 このような対策を施しても実用域での共振を防ぐことは できず、 しかも、 共振が生じる時の電勳モータ回転数は、 そのよう な対策を施さない場合とほとんど同じであることがわかった。
    [0014] このような実験結果から、 一定の機構の減速機であれば、 ほぼ一 定の トルク変動特性、 すなわち口ボッ トの駆動系に対する加振周波 数特性を有するとの結論が導かれた。 また、 斯かる結論から、 ロボ ッ ト駆勳系に組み込む減速装置の機構を変更することにより トルク 変勤特性を実用域外に置く ことができるとの仮説の下に種々の実験 行った。
    [0015] これらの実験の内容および結果については後述するが、 これらの 実験結果から仮説は実証され、 下記の結論に到達した。 従来の常識では全く考えられなかった構成、 すなわち、 偏心揺動 型の遊星歯車減速機は、 内歯歯車と外歯歯車の歯数差が 1 であって、 単独でも 1 / 200 程度の減速比にできるが、 この減速比を数十分の 一程度とし、 これに所定範囲の減速比を有する前段減速比をわざわ ざ設けて歯車装置を構成し、 これをロボッ トアームの駆動系に組み 込むという構成により共振現象の生じる範囲を電動モータの実用域 から外すことができる。
    [0016] なお、 偏心揺動型の遊星歯車減速機に前段減速機を設けた減速装 置は、 米国特許第 4. 348 . 918 号明細書に開示されているよう にク ロ ーラ車両の走行装置等に採用されている。 しかしながら、 そのよう な走行装置等は採用する減速機の重量、 バック ラ ッ シ等の問題をほ とんど考慮しな く ともよい。 したがって、 単に減速機の総減速比の 変更を容易にするため、 あるいは単に低速大 トルクを出力するため- 前段減速機を設けているのである。 これに対し、 高速性、 位置精度 等を要求され、 且つ、 全体構造の剛性が低いロボッ 卜においては、 減速機の重量、 バック ラ ッ シュを小さ く することが重要であるため. 関節部に、 減速比当たりの重量が調和歯車装置より大きい偏心揺動 型の遊星歯車減速機を用い、 さらに重量、 バック ラ ッ シュを増大さ せる要素となる前段減速機をわざわざ設けることは従来考えられな かったのである。
    [0017] 発明者らはさ らに種々研究を重ねた結果、 前記目的を達成するた め、 下記の構成を有する本発明に到達した。
    [0018] 発 明 の 開 示
    [0019] 本発明に係る産業ロボッ トの関節駆動装置は、 ロボッ トの第 1部 材と、 第 1部材に回動自在に支持されたロボッ 卜の第 2部材と、 第 1部材に一体的に取り付けられた電動モータの回転を減速して第 2 部材に伝達する歯車減速装置と、 を備え、 前記歯車減速装置が、 前 記電動モータの回転数を減速する前段減速機と、 前段減速機の出力 の回転数を更に減速する後段の遊星歯車減速機と、 から構成され、 前記遊星歯車減速機が、 前記前段減速機の出力が入力される偏心入 力軸、 偏心入力軸と係合しその回転により偏心揺動させられる外歯 歯車、 外歯歯車と嚙み合い外歯歯車の歯数より 1つ多い歯数を有す る内歯歯車および外歯歯車の両側に設けられ前記偏心入力轴を支持 する一対のフラ ンジを有する産業ロボッ 卜の関節駆動装置に.おいて 前記第 1部材および第 2部材のいずれかと前記一対のフラ ンジとを 外歯歯車に設けた孔から通す棒状体で結合したことを特徴とする構 成を有している。
    [0020] 上記構成の産業ロボッ トの関節駆動装置では、 その歯車減速装置 が所定範囲の減速比を有する前段減速機と、 その出力を入力し、 内 歯歯車と外歯歯車の歯数差が 1 で減速比が数十分の一程度を有する 後段の偏心揺動型遊星歯車減速機と、 を備えた構成からなり、 ロボ ッ トの駆動系に組み込まれているので、 駆動系の共振現象を実用域 から外すことができる。
    [0021] また、 減速装置内の一対のフラ ンジとロボッ ト側とを外齒歯車に 設けた孔から通す棒状体で同時に一体的に結合固定できるので、 構 造が簡単で組立分解が容易にできる。 減速装置の内部の空間が有効 に活用できるので、 減速装置が小型化、 軽量化できる。 また、 棒状 体による一体的結合固定により減速機のねじり剛性が大き く なるの で、 大きな負荷にも耐えることができる。
    [0022] 図面の簡単な説明
    [0023] 第 1図乃至第 5図は本発明に係る産業ロボッ トの関節駆動装置の 第 1実施例を説明する図であり、
    [0024] 第 1図はその全体概略説明図、
    [0025] 第 2図はその減速装置 （ 3 ) の一部断面図、
    [0026] 第 3図 )は第 2図の m a - l a 矢視断面図、
    [0027] 第 3図 (b)は第 3図 (a)の in b - 1„ 矢視断面図、
    [0028] 第 3図 (c)は第 3図 (a)の IE e - I c 矢視断面図、
    [0029] 第 4図は本発明に係る産業ロボツ 卜の関節駆動装置の実施例およ び比較例の性能を説明する図、
    [0030] 第 5図は第 4図に係る実験例の全体構成図、
    [0031] 第 6図は本発明の第 2実施例を示すその要部断面図、
    [0032] 第 7図は第 6図の W - VII矢視断面図、
    [0033] 第 8図は減速装置一般の回転ばね定数を示す特性図である。
    [0034] 第 9図は本発.明に係る産業ロボッ 卜の関節駆動装置を用いた産業 口ボッ トの全体概念図、
    [0035] 第 10図は第 9図の第 1関節 （66 ) に用いた本発明の第 3実施例の 要部断面図、
    [0036] 第 11図は第 9図の第 2関節 （67 ) に用いた本発明の第 4実施例の 要部断面図、
    [0037] 第 12図は本発明の第 5実施例の要部断面図である。
    [0038] 発明を実施するための最良の形態
    [0039] 以下、 本発明に係る産業ロボッ トの関節駆動装置を図面に基づい て説明する。 第 1図ないし第 3図は本発明の第 1実施例を示す図で ある。
    [0040] まず、 構成について説明する。 第 1図は本発明に係る産業ロボッ トの関節駆動装置を用いた口ボッ トの関節部の全体概略図である。 1 は電動モータであり、 電動モータ 1 のフラ ンジ 2 は減速装置 3 の 筒体 4 に固定されている。 筒体 4は第 1部材としての第 1 アーム 5 の先端部 5 aに固定されている。 電動モータ 1 の出力の回転軸 Ί は 減速装置 3の入力回転軸 8 に連結され、 減速装置 3 の出力は軸 10に 伝達され、 軸 10は巧筒体 11を貫通して第 2部材としての第 2 アーム 12に囿定されている。 第 2 アーム 12の端部の筒状体 13と第 1 アーム 5 の先端部 5 a の下面から下方に突出する R筒型の突出体 15との間 には一対のベアリ ング 16が介装され、 第 2 ァーム 12は第 1 アーム 5 に回動自在に支持されている。 突出体 15の内周面と円筒体 1 1の中央 部の外周面との間には一対のベアリ ング 17が介装されている。 円筒 体 1 1の上部および下部の内面と軸 10との間にはそれぞれ一対のベア リ ング 18が介装されている。 したがって、 減速装置 3 は電動モータ 1 の回転数を減速してロボッ トの被躯動部すなわち第 2 アーム .12を 回動させる。 また、 電動モータ 1 、 減速装置 3、 第 2 アーム 12およ び第 2 アームに接続された負荷は躯動系を構成する。
    [0041] 減速装置 3 は第 2図および第 3図に示すように、 電動モータ 1 の 回転数を減速する前段減速機 20と、 前段減速機 20に連結され、 回転 数をさ らに減速する後段減速機 21と、 から構成されている。 前段減 速機 20は通常の平行軸型減速機であり、 平歯歯車により構成されて いる。 後段減速機 21は固定している内歯歯車 28と内歯歯車 28に嚙み 合う外歯歯車 29と、 外歯歯車 29に係合して外歯歯車 29を揺動回転さ せる偏心入力軸としての入力ク ラ ンク軸 30と、 を有する偏心揺動型 の遊星歯車装置によって構成されている。 また、 内歯歯車 28はピ ン 歯 31を用いたビン歯車で構成され、 かつ外歯歯車 29の歯数より 1 つ だけ多い歯数を有している。 外歯歯車 29の軸方向両側には入カクラ ンク軸 30を支持する一対のフラ ンジ 32が設けられている。 すなわち、 一対のフ ラ ンジ 32は後段減速機 21の前端部を形成する円板部 33と、 その後端部を形成するフラ ンジ部 35 a とから構成されている。 フラ ンジ部 35 a は外歯歯車 29の円周上に等配して設けた貫通孔 29 eを遊 挿して設けられたブロ ック体 35の後端部を形成し、 かつ軸 10のフ ラ ンジ部 10 a に接している。 一対のフラ ンジ 32は、 その円周上に入力 ク ラ ンク軸 30を複数個 （この実施例では 3個） 等配支持している。 また、 外歯歯車 29は、 第 3図 (a)に示すように、 複数 （この実施例で は 3個） の入力ク ラ ンク軸 30との係合部 29 dを有し、 かつこれらの 係合部 29 d.間に貫通孔 29 eを設けている。
    [0042] ロボッ 卜 の第 1 アーム 5および第 2 アーム 12のいずれか （この実 施例では第 2 アーム 12に固定された軸 10のフ ラ ンジ部 10 a ) と一対 のフ ラ ンジ 32とは、 第 3図 ）〜（c)に示すように、 外歯歯車 29に設け た貫通孔 29 eから通す少な く とも 2本 （この実施例では 2本のボル ト 46および 48と 2本のピ ン 61および 63の 4本） の棒状体 60で結合し ている。 すなわち、 棒状体 60はプロ ック体 35の中に円周方向に並び そのう ち一つはボル ト 46であり、 ボル ト 46は、 第 2 アーム 12に固定 されたフ ラ ンジ部 10 a と一対のフ ラ ンジ 32とを締め付け結合してい る。 こ のボル ト 46の締め付けによ る摩擦力は減速装置 3 の定格 トル クの 150 〜200 %の過負荷に耐えるようなされている。 他の 1つの 小ボル ト 48は、 円板部 33とプロ ック体 35を固定するための組立固定 用のものである。
    [0043] また、 第 1 テーパビン 61は円板部 33からプロ ック体 35の前端部 35 bまで設けたピン孔 62に嵌合し、 円板部 33と前端部 35 b との位置決 めをしている。 また、 第 2テーパビン 63は、 円板部 33からブロ ック 体 35のフラ ンジ部 35 a まで設けた加工、 組立の時の工具通しのため の遊嵌孔 64 aに連続し、 ブロ ック体 35からフラ ンジ部 10 a まで設け られたピン孔 64 bに嵌合してプロ フク体 35とフランジ部 10 a との位 置決めをしている。 これらテーパ一ビン 61および 63のせん断応力は- 減速装置 3 の定格 トルクの 300 〜400 %の過負荷に耐えるよう にな されている。
    [0044] 前段減速機 20の減速比 i i と後段減速機 21の減速比 i 2 とは電動 モータ 1 の通常制御回転数の範囲内で口ボッ トすなわち、 第 1 ァー ム 5および第 2 アーム 12と、 後段減速機 21との共振が起きないよう に選択している。 すなわち、 電動モータ 1 の実用域では、 前段減速 機 20の毎秒当たり回転数が電動モータ 1、 減速装置 3、 第 2 アーム 12および第 2ァーム 12に接続された食荷から構成される駆動系のね じり発振周波数 （固有ねじり振動数 ί 。 付近の周波数をいう。 以下 同じ） 以下になるよう、 前段減速機 20の減速比 i , を選択する。 こ の実施例においては、 電勳モ一タ 1 の通常制御回転数が 0 〜： LOOOrp ra 、 前段減速機 20の減速比 i L が 1 / 3および後段減速機 21の減速 比 i 2 は 1 ノ 40であり、 減速装置 3 の全体の減速比 i は 1 Z 120に なるよう選択されている。 前記駆動系の固有ねじり振動数 f 。 は、 共振ピーク点における電動モータ 1 の回転数、 前段減速機 20の減速 比 i , および減速装置 3 に関して後述する トルク変動特性から逆算 でき、 この実施例においては約 8.4Hzである。
    [0045] 前段减速機 20の減速比 i , が 1 ノ 5未満 （分母が大き く なる こ と を意味する。 以下同じ） または後段減速機 21の減速比 i 2 が 1 ノ25 を超える （分母が小さ く なることを意味する。 以下同じ） と、 前段 減速機 20に構造の簡単な平行軸減速機を採用して 1 / 120の総減速 比 i を得ることは困難となるので、 設計的経済的に不利となる。 ま た、 後段減速機 21の減速比 i 2 が 1 /60未満または前段減速機 20の 減速比 が 1 Z 2を超えて 1 ノ 120の総減速比 i を得る場合は、 電動モータ 1 の実用域において、 前段減速機 20の毎秒当たり回転数 が前記駆動系の固有ねじり振動数 f 。 （8.4Hz) 近辺あるいはそれ以 上となるので、 共振を防ぐ効果が少ない。
    [0046] 次に、 作用について説明する。
    [0047] 電動モータ 1 を 0 〜 1000rpm の通常回転数で回転させると、 減速 比 i , が 1 / 3 の前段減速機 20の出力回転数は 0 〜333rpmとなり、 減速比 i 2 が 1 40の後段減速機 21の出力回転数は 0 〜8.3rPmとな り.、 この範囲では共振現象が生じない。 共振は実用域外、 すなわち 電動モータ 1 の出力回転数が 1500rpm 近辺 （このときの前段減速機 20の出力回転数は 1500rpm 1 / 3 = 500rPm近辺、 遊星歯車減速機 21の出力回転数は 1500rpm x 1 / 3 1 /40 = 12.5rpm 近辺） で生 じる。 このように共振現象が電動モータ 1 の実用域外で生じる理由 は明らかではないが、 実験結果から推定すると上記実施例のように 内歯歯車と外歯歯車の歯数差が 1 の遊星差動歯車装置は入力軸 （ク ランク軸 30 ) の 1 回転当たり 1 の トルク変勳が生じ、 したがって、 これに減速比 i , が 1 3 の前段減速機 20を取り付けると電動モー タ 1 の回転数が実用域外である 1500rpm を中心とした付近で 1500 x
    [0048] ( 1ノ 3 ) 1 = 500程度の毎分当たり トルク変動が生じ、 この ト ルク変動数が駆動系の固有振動数 8. 4ヘルツ（500振勖ノ分） にほぼ 一致して共振を起こすものと考えられる。
    [0049] これに対し、 内歯と外歯の歯数差が 2 の調和歯車装置の場合は、 実験結果から推定すると、 入力軸 （ウェーブジュネレータ） の 1 回 転当たり 2 の トルク変動が生じ、 したがって、 これに減速比 1 / 3 の前段減速機を取り付けると、 電動モータの回転数が 750rpm付近で
    [0050] 750 x 1 / 3 X 2 = 500の毎分当たり トルク変動が生じ、 駆動系の 固有振動数 f 。 が上記実施例と同様 8 . 4ヘルツ（500振動ノ毎分） で あるならば電動モータの回転数が実用域内である 750rpm付近で共振 が生じるものと考えられる。 この場合、 毎分当たり加振数がおおよ そ 500のときに共振が生じるのであるから、 調和歯車減速機に減速 比 i , = 1 ノ 6程度の前段減速機を設けることにより共振時の電動 モータの回転数を実用域外である 1500rpm を中心とする付近にまで 上げることも考えられる。 しかし、 調和歯車減速機の減速比 i z は 最小でも 1 80程であるから、 総減速比 i は最小でも 1 / 480とな り、 1 〜： L OOOrpm を実用域とする電動モータが一般に必要とする減 速比 i ( 1 Z 120 程度） を満足できないため、 実用できないことに なる。
    [0051] また、 本発明の減速装置 3 においては、 2 つのテーパーピン 61お よび 63によって、 一対のフラ ンジ 32と第 2 ァーム 12に固定されたフ ラ ンジ部 10 a との相対的配置を位置決めし、 かつ、 第 2 アーム 12側 と一対のフラ ンジ 32とは 1本のボル ト 46によって同時に一体的に結 合している。 したがって、 構造が簡単となり、 組立、 分解が容易と なる。 また、 外歯歯車 29の貫通孔 29 e の径は十分に大き く取れるの で、 貫通孔 29 e内を遊貫するプロ ック体 35内のボル ト孔の内径が大 き く でき、 ボル ト 46の本数を少く できる。 また、 減速装置 3 とロボ ッ ト側との連結が減速装置 3の内部のスペースを有効に活用したボ ル ト 46によっているので、 減速装置 3 の外側にフラ ンジ等を設けて 連結する必要がな く 、 小型軽量化ができる。 また、 棒扰体 60は、 減 速装置 3 とロボッ ト側とを連結する作用をするのみでな く 、 減速装 置 3 の駆動時に生ずるねじり剛性を支持するので、 大きなねじり剛 性の負荷にも耐えられる。
    [0052] なお、 電動モータ 1 および前段減速機 20の振動は駆動系の発振に 影響を及ぼさない。 これは、 これらの振動は小さいこと、 後段部 21 を介することにより吸収されること等によるものと考えられる。
    [0053] (実験例）
    [0054] 前述の実施例の減速装置のほかに次表の比較例 1 〜 3 に示す減速 装置について実施した振動測定試験について説明する。 前述の実施 例および比較例 1、 2 の偏心揺動型の遊星歯車減速機は、 ク ラ ンク 軸および外歯歯車の揺動によるア ンバラ ンスを防いで振動の振幅を 小さ くするため、 後述する第 2〜第 3実施例同様に外歯歯車を 2枚 としこれらを 180 度の位相差をもって組み付けたもので、 かつ、 内 歯歯車が外歯歯車の齒数より 1 つ多い歯数を有するものを用いた。 また、 調和歯車減速機は内歯歯車が外歯歯車の歯数より 2つ多い歯 数を有するものを用いた。 それぞれの減速装置の減速段数、 減速比 i , 、 i z 、 回転ばね定数 K , (第 8図参照） および慣性モーメ ン ト Jは次表に示してある。
    [0055] (本頁、 以下余白）
    [0056]
    [0057] (注 1 ) ： 遊星歯車減速は偏心揺動型の遊星歯車減速機を、 平歯歯 車減速は平行軸型の平歯歯車列減速機を示す。
    [0058] 実験は第 5図に示す全体構成図によって実施した。 すなわち、 電 動サーボモータ 51の出力軸 51 a に減速装置 52を取付け、 減速装置 52 の出力軸 52 a にロボッ トの被駆動部 （第 2 アーム） の慣性モーメ ン ト Jに相当する慣性負荷と してフライ ホイ一ル 53が取付けられた。 フライ ホイ ール側面 53 a の半径上の位置に、 円周方向の加速度およ. び振幅を測定できる圧電素子を利用した加速度ビツクア ツプ 54を取 り付けた。 この加速度ピッ クア ップ 54の出力はィ ンジケータ 56に連 結されている。 モータ 51、 減速装置 52およびフライ ホイ ール 53から 成る駆動系の固有振動数 f 。 は約 8. 4ヘルツになるよう調整してあ る。 電動モータの回転数を変化させて、 その時のフライ ホイ ールの 加速度の大きさを測定した。 測定結果は第 4図に示す。 横軸は電動 サーボモータ 51の回転数であり、 縦軸は加速度ビックアツプ 54で検 出された円周方向の加速度 （単位 ： G ) を示す。
    [0059] 比較例 1、 比較例 2および比較例 3においては、 共振のビークは それぞれ、 電動モータ 51の回転数が、 略 750rpm、 略 500rpmおよび略 250rpmのときであり、 電動モータ 51の通常制御回転数 0〜 1000rPm の範囲で共振が起こっている。 しかしながら、 本発明に係る滅速装 置を用いた実施例の場合には、 電動モータの実用域外である 1500rp m を中心とする近傍で共振現象が生じる。
    [0060] 比較例 2 と比較例 3 の対比から、 共振時における電動モータ 51の 回転数は内歯歯車と外歯歯車の歯数差が 1 の遊星歯車減速機が歯数 差 2 の調和歯車装置の 2倍となることが認められる。 また、 実施例 比較例 1および比較例 2 の対比から、 共振時における電勤モータ 51 の回転数は前段減速機の減速比 i , に比例していることが認め^れ る。
    [0061] なお、 このような実験結果から前述のように各減速機の トルク変 動特性が推定され、 かかる推定を用いて実験装置の固有ねじり振動 数 。 を逆算すると、 実験で用いた減速機のいずれを組込んだ場合 も約 8 . 4 Hzとなる。 これは、 共振が駆動系の剛性が最も低い時、 即 ち、 負荷状態が減速機のいわゆるロス トモーショ ンの範囲内にある 時に生じ、 その時のロス トモーショ ンばね定数 Κ £が実験で用いた いずれの減速機の場合もおおよそ等しいためと考えられる。
    [0062] 次に本発明の第 2実施例として、 前述した第 1実施例の減速装置 3を改良した場合について第 6図、 第 7図に基づいて説明する。 な お、 第 1実施例と同一構成については、 第 1実施例と同一の符号を 用いて説明する。
    [0063] 第 6図、 第 7図において、 40は第 1図に示した電動モータ 1 によ つて駆動される減速装置であり、 減速装置 40は電動モータ 1 の回転 軸 7 に連結された平行軸型の前段減速機 20と、 この前段減速機 20に 連結された後段の遊星歯車減速機 21と、 から構成されている。
    [0064] 電動モータ 1 の回転軸 7 の先端部 7 a はテーバ軸であり、 先端に ねじ部 7 bを有する。 ねじ部 7 bにはモータ出力铀の一部を構成す る連絡軸 7 cが螺合されている。 8 は入力回転軸であり、 先端部 8 aに前段減速機 20のビニォン 22が設けられると共にモータ回転軸 7 を貫通させる孔 8 bを有し、 且つ孔 8 bは回転軸 7 のテーパ部と係 合するテーパ孔部を有する。 入力回転軸 8 は電動モータ 1 の回転軸 7の先端部 7 a にナ ツ ト 23によりねじ止めされる。 回転軸 7 の先端 部 7 a は入力回転軸 8 に半月キー 24により固定されている。 このよ うな構成により入力回転軸 8 の先端部 8 aの軸径はモータ回転軸 7 の軸径より小さ く することができ、 したがって、 ビニオン 22の歯数 はモータ回転軸 7に歯車を直接装着させる場合に比べ、 少なく する ことができ、 容量の割に回転軸径の大きい市販電動モータ 1を用い る場合であっても、 所定の前段減速比を得ることができる。 ビニォ ン 22に嚙み合う 3個の平歯車 25は、 後述する 3本の入力クランク軸 30にそれぞれ結合している。 遊星歯車減速機 21は筒体 4に固定して設けられた内歯歯車 28と、 内歯歯車 28に嚙み合う一対の外歯歯車 29と、 外歯歯車 29に係合して 外歯歯車 29を揺動回転させる偏心入力軸としての 3本の入力ク ラ ン ク軸 30と、 から構成されている。 また、 内歯歯車 28はビン歯 31を用 いたピン歯車で構成され、 かつ外歯歯車 29の歯数より 1 つだけ多い 歯数を有している。 33は円板部であり、 円板部 33は遊星歯車減速機 21の前端部を構成し、 かつ、 入力ク ランク軸 30を円周上に等配しベ ァリ ング 34を介して軸支している。 35はブロ ック体であり、 ブロ ッ ク体 35はその中心部に軸方向の円筒状孔 37を有し、 入力回転軸 8が 遊嵌されている。 同様に外歯歯車 29および円板部 33の中心部にも孔 が設けられている プロ ック体 35はその後端部 35 cに凹み 36を有し 軸 10のフラ ンジ部 10 a に対向している。 凹み 36とフラ ンジ部 10 a と によつて形成された空洞内には、 前段減速機 20が収納されている。 プロ ック体 35には入カク ラ ンク軸 30を円周上に等配しべァリ ング 41 を介して軸支している。 入力ク ラ ンク軸 30の延在部 30 a は凹み 36内 に突出し、 平歯車 25に固定されている。
    [0065] 入力ク ランク軸 30は円板部 33とプロ ック体 35の中央部に軸支され 入カクラ ング軸 30の中央には 180 · の位相差をもつ一対のク ラ ンク 部 42を有し、 各ク ランク部 42はベアリ ング 43を介して外歯歯車 29を 偏心揺動させるようにしている。 ここで、 前述した円板部 33と、 ブ ロ ック体 35とば支持体 44を構成する。 円扳部 33、 ブロ ック体 35およ びフラ ンジ部 10 a は複数のボル ト 46および固定ナ ツ ト 47により同時 に一体的に固定されている。
    [0066] また、 棒状体 60は前述のボル小 46、 第 1 テーパーピン 61および第 2 テーバービン 63から構成され、 一対のフラ ンジ 32を第 2 フ レーム 12のフラ ンジ部 10 aに同時に一体的に結合している。 前述以外の構 成は第 1実施例と同じである。
    [0067] 電動モータ 1 の回転は回転軸 7および入力軸 8を介して前段減速 機 20のビニオ ン 22に伝達され、 前段減速機 20で減速される。 前段減 速機 20の出力は平歯車 25により遊星歯車減速機 21のク ランク軸 30に 入力される。 次いで、 ク ラ ンク軸 30の面転により偏心揺動させられ る外歯歯車 29と、 この外歯歯車 29と嚙み合い外歯歯車 29より 1 つ多 い歯数を有する内歯歯車 28とによりさらに減速され、 外歯歯車 29の ゆつ く り した自転運動はキャ リ アと して作用する支持体 44から軸 10 に伝達されアーム 12が回動される。
    [0068] 本実施例においては、 電動モータ 1 の通常制御回転数は 0 〜1000 rpn, 、 前段減速機 20の減速比 i , は 1 ノ 3、 遊星歯車減速機 21の減 速比 i 2 は 1 ノ40、 減速装置 3 の総減速比 i は 1 ノ 120 、 電動モー タ 1、 減速装置 3および第 2 ァーム 12を含んで構成される駆動系の 固有ねじり振動数 f 。 は約 8. 4ヘルツである。 したがって、 電動モ ータ 1 は産業ロボツ トの駆動系の固有ねじり振動数に対応する回転 数 （ 8 . 4へルッに相当する500 1« ) を通常制御域 （ 0 〜： L OOOrpm)内 に有している。 また、 前段減速機 20は電動モータ 1 の通常制御域に おける毎秒最高回転数 （l OOOrpm に相当する毎秒 16 . 7回転） を、 躯 動系の固有ねじり振動数 ί 。 以下になるよう （ 毎秒 5 . 6 回転） に減 速する減速比 i t ( 1ノ 3 ) を有している。
    [0069] 減速機 40の回転ばね定数 K , は約 37 . 5 kg · m /分である。 この実 施例の場合の作用および振動特性は、 前述の第 1実施例と同様にな る。
    [0070] 次に、 第 9図に示す産業ロボッ ト 65に用いた本発明に係る産業口 ボッ トの関節駆動装置の実施例を図面を用いて説明する。
    [0071] 第 9図において、 産業ロボッ ト 65は第 1関節 66と、 第 1関節 66に 連結する第 2関節 67と、 第 2関節 67に連結する第 1 アーム 83および 第 2 アーム 68とから構成されている。 第 1関節 66は支柱 71の上側の 旋回盤 73を矢印 P方向に回動し、 第 2関節 67は旋回盤 73に固定され たブラケ ッ ト 81の上側の第 1 アーム 83を矢印 Q方向に回動し、 第 2 ァーム 68の先端部 68 a の 3次元的移動を可能にする。
    [0072] 第 10図は本発明の第 3実施例を示す図であり、 前述の第 1実施例 と同一構成については、 同一符号を用いて説明する。
    [0073] 第 10図において、 70は減速装置であり、 減速装置 70は、 第 9図に 示す産業ロボッ 卜の第 1関節 66において、 第 1部材と しての筒状の 支柱 Πの内側に内装されている。 減速装置 70は電動モータ 1 に連結 された平行軸型の前段減速機 20と、 この前 "¾減速機 20に連結された 後段の遊星歯車減速機 21とから構成され、 遊星歯車減速機 21に回転 の位相を 180 度ずらした 2 つの外歯歯車 （29 aおよび 29 b ) を設け ている。
    [0074] 電動モータ 1 のフラ ンジ 2 は、 筒体 4を介して支柱 Πにボル ト 4 bを用いて固定されている。 電動モータ 1 の上側のほぼ垂直な回転 軸 7 は前段減速機 20のピニオ ン 22に固定され、 ピニオ ン 22に嚙み合 う 3偭の平歯車 25は、 後述する 3本の入力ク ラ ンク軸 30の延在部 30 aにそれぞれ固定されている。 遊星歯車減速機 21は前段減速機 20の 上側に配置され、 筒体 4に固定して設けられた内歯歯車 28と、 内歯 歯車 28に嚙み合う一対の外歯歯車 29 a 、 29 b (以下、 添字をつけな い 29で代表する） と、 外歯歯車 29に嵌合して外歯歯車 29を揺動回転 させる偏心入力軸としての 3本の入カクラ ンク軸 30と、 から構成さ れている。 入力ク ラ ンク軸 30は遊星歯車減速機 21の下端部を構成す る円板部 33にベアリ ング 34を介して軸支され、 遊星歯車減速機 21の 上端部および外歯歯車 29の円周上に等配して設けられた貫通孔内を 挿通したプロ ック体 35にベアリ ング 41を介して軸支されている。 ブ ロ ック体 35と円板部 33とは支持体 （キャ リ ア） 44を構成し、 ブロ ッ ク体 35のフラ ンジ部 35 aおよび H板部 33とからなる一対のフラ ンジ 32と、 支柱 71の上側に設けられた第 2部材としての円筒状体の旋回 盤 73の底部 73 a とは棒状体 60 (図にはボル ト 46のみを示す） により 同時に一体的に結合固定されている。 底部 73 a と支柱 Πの上部 71 a との間にはベアリ ング 74が設けられ、 支持体 （キャリ ア） 44の自転 に伴い、 旋回盤 73は回転する。 前述以外の構成、 作用および振動特 性は第 1実施例と同じであり省略する。
    [0075] 第 11図は本発明の第 4実施例を示す図であり、 前述の第 1実施例 と同一構成については、 同一符号を用いて説明する。
    [0076] 第 1 1図において、 80は減速装置であり、 減速装置 80は第 9図に示 す産業ロボッ 卜の第 2関節 67に用いたものである。 窠 1部材として の箱型のブラケ ッ ト 81は前述の第 1関節 66の旋回盤 73の上側に一体 的に固定されている。 減速装置 80は電動モータ 1 に連結された平行 軸型の前段減速機 20とこの前段減速機 20に連結された後段の遊星歯 車減速機 21とから構成されている。 電動モータ 1 のフラ ンジ 2 はブ ラケ ッ ト 81にボル ト 4 bを用いて固定され、 電動モータ 1 の回転軸 7 は前段滅速機 20のピニオ ン 22に固定され、 ピニオ ン 22 に嚙合う 3個の平歯車 25は後述する 3本の入力ク ラ ンク軸 30の延在部 30 a に それぞれ固定されている。 遊星歯車減速機 21の入カク ラ ンク軸 30の 前端部はべァリ ング 41を介して板状のブ口 ック体 35 cに軸支され、 その後端部はベアリ ング 34を介して円板部 33に軸支されている。 板 状のブロ ック体 35 cおよび円板部 33は一対のフランジ 32を構成して いる。 これらのフラ ンジ 32の対向する内側部において、 それぞれの R周上等配に設けられた凹部 35 dおよび 33 a間にはスリ ーブ 85が貫 通孔 29 e に遊嵌して設けられている。 スリ ーブ 85は一対のフラ ンジ 32の軸方向および円周方向の位置決め作用をなすとともに、 ビンの 作用もなしている ; > ブロ ック体 35 c 、 ス リ ーブ 85および円扳部 33は 支持体 44を構成し、 これらは棒状体 60からなるボル ト 46によりブラ ケ ッ ト 81に結合固定されている。 ブ α ック体 35 c の円周上の孔 86は 円板部 33の円周上のピン孔 87の加工および組立を行うための工具通 し孔である。 ピン 88はピン孔 87に嵌合し、 円板部 33とブラケ ッ ト 81 との配置を位置決めする。 遊星歯車減速機 21の内歯歯車 28は支持体 44の外周にベアリ ング 84を介して回動自在に支持されている。 内歯 歯車 28は、 第 2部材としての第 1 ァーム 83の端部 83 aに一体的に固 定されている。
    [0077] 電動モータ 1 の回転は回転軸 7を介して前段減速機 20のピニォン 22に伝達され、 前段減速機 20で減速される。 前段減速機 20の出力は 平歯車 25により遊星歯車減速機 21の入カク ラ ンク軸 30に入力される 次いで、 入力クランク軸 30の回転により偏心揺動させられる一対の 外歯歯車 29 a、 29 b (以下、 29で代表する） と、 この外歯歯車 29と 嚙み合い外歯歯車 29より一つ多い歯数を有する内歯歯車 28とにより さらに減速され、 内歯歯車 28のゆつ く り した自転は第 2アーム 83を 回動させる。 前述以外の構成、 作用および振動特性は第 1実施例と 同じであり、 同じ符号をつけて説明を省略する。
    [0078] 第 12図は本発明の第 5実施例を示す図であり、 これは、 前述の第 1実施例の構成の一部を変更したものであり、 第 1実施例と同一の 構成には同一の符号をつけて説明する。
    [0079] 第 5実施例においては、 後段の遊星歯車減速機 21に 2本の入カク ランク軸 30を用い、 図に示されていない一対のフラ ンジ 32およびフ ラ ンジ部 10 aが外歯歯車 29の円周上に設けた長繭形状の貫通孔 29 e を通る 5本の棒状体 60によつて、 同時に一体的に結合固定した場合 である。 2本の第 1 ボル ト 46 aおよび 46 bは一対のフラ ンジ 32をフ ラ ンジ部 10 a にねじ止め固定し、 小ボル ト 48は図示してない円板部 33とブロ ック体 35を固定するための組立固定用のものである。 第 1 テーパー ピン 61は、 円板部 33と前端部 35 b との位置決めをし、 第 2 テーパーピン 63はブロ ック体 35とフラ ンジ部 10 a との位置決めをす る。 前述以外は第 1実施例と同じである。 、 なお、 本発明においては、 前段減速機の減速比は電動モータの毎 秒当たり最高回転数を、 共振現象の生じ始めるときの振動数相当
    [0080] (前述した 「ねじり発振周波数」 付近） 、 すなわち駆動系の固有振 動数より若干小さな振動数相当、 に減速する値であればよい。 例え ば駆動系の固有ねじり振動数 f 。 が 5 〜 9 Hzの場合であって、 電動 モータの最高回転数が 1000r P m、 総減速比 i が 1 ノ 60〜 ： L ノ 320 の ときは前段の最小減速比 i i を約 9 〜約 1 6、 後段の減 速比 i 2 を 1 ノ 25〜 1 ノ 60とすることにより共振現象を実用域から 外すこ とができる。 また駆動系の固有ねじり振動数 f 。 が 5 〜 9 Hz の場合であって、 電動モータの回転数が最高 2000rpm 、 総減速比 i が 1 ノ110 〜 1ノ320 のときは、 前段の最小減速比 i t を約 1 /3. 7 〜約 1 /6.7 、 後段減速比 i 2 を約 1ノ 25〜約 1 /60とすること により共振現象の起きないロボッ 卜の関節装置を得る。 同様 （ f 。
    [0081] = 5 〜 9 Hz) の場合であって電動モータ回転数が最高 4000rpm 、 総 減速比 i が 1 ノ 210 〜 1 ノ640 のときは、 前段の最小減速比 i ！ を 約 1 /7.4 〜約 1 /13.3、 後段減速比 i 2 を約 1ノ30〜約 1 ノ60と すればよい。 また、 駆動系の固有ねじり振動数 f 。 が 10〜： L5Hzの場 合であって、 電動モータの最高回転数が lOOOrpm 、 減速比 i が 1 ノ 80〜 1 ノ 300 のときは前段の最小減速比 を 1 /1.5 〜 ： 1 ノ 4 後段の減速比 i z を 1ノ 25〜 1 ノ 60とする こ とにより共振現象を実 用域から外すことができる。 同様 （ f 。 =10〜： L5Hz) の場合であつ て、 電動モ一タの最高回転数が 4000rpm 、 総減速比が 1 ノ125 〜 1 /600 のときは、 前段の減速比 i , を約 1 ノ 4.5 〜約 I 10、 後段 の減速比 i 2 を約 1 ノ 30〜約 1 ノ100 とすればよい。
    [0082] 以上説明したように、 本発明によれば、 ロボッ 卜の駆動系の共振 現象を実用域から外すこ とができ、 減速装置は構造が簡単で、 小型 化、 軽量化でき、 大きな負荷に耐えるようにできる。
    [0083] 産業上の利用可能性
    [0084] 本発明の産業ロボッ トの関節駆動装置は工業用、 鉱業用、 医療用 原子力用等各種用途に用いるロボッ トの関節駆動、 特に小型軽量で 共振振動のない駆動系を有するロボツ トを提供できるので、 生産ェ 程用、 精密検査用、 高信頼操作用のロボッ トの関節駆動装置に適用 できる。
    权利要求:
    Claims

    26 請 求 の 範 囲
    1 . ロボッ トの第 1部材と、 第 1部材に回動自在に支持されたロボ ッ トの第 2部材と、 第 1部材に一体的に取り付けられた電動モー タの回転を減速して第 2部材に伝達する歯車減速装置と、 を備え た産業ロボッ 卜の関節駆動装置において、 前記歯車減速装置 （ 3 ) 力 前記電動モータ （ 1 ) の回転数を減速する前段減速機
    (20) と、 前段減速機の出力の回転数を更に減速する後段の遊星 歯車減速機 （21) と、 から構成され、 前記遊星歯車減速機が、 前 記前段減速機の出力が入力される偏心入力軸 （30) 、 偏心入力軸 と係合しその回転により偏心揺動させられる外歯歯車 （29、 29 a 29 b ) 、 外歯歯車と嚙み合い外歯歯車の歯数より 1 つ多い歯数を 有する内歯歯車 （28) および外歯歯車の両側に設けられ前記偏心 入力軸を支持する'一対のフラ ンジ （32) を有し、 前記第 1部材
    ( 5 ) および第 2部材 （12) のいずれかと前記一対のフラ ンジと を外齒歯車に設けた孔 （29 e ) から通す棒状体 （60) で結合した こ と耷特徵とする産業ロボ 'ン トの関節駆動装置。
    2. 請求の範囲第 1 項記載の産業ロボッ 卜の閔節躯動装置において 前記偏心入力軸 （30) を前記一対のフラ ンジ （32) の円周上に複 数個等配支持し、 前記孔 （29 e ) を前記外齒歯車 （29、 29 a 、 29 b ) における前記複数の偏心入力軸との係合部間のそれぞれに設 け、 前記棒状体 （60) を前記孔のそれぞれから少な く とも 2本通 したことを特徴とする産業ロボッ 卜の関節駆動装置。
    3. 請求の範囲第 2項記載の産業ロボッ トの関節躯動装置において 27 少な く とも 2本の前記棒状体 （60) を円周方向に並べ、 そのう ち 一つはボル ト （46、 46 a、 46 b、 48) であり、 他の一つは位置決 めピ ン （61、 63) であることを特徴とする産業ロボッ 卜の関節駆
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP5386685||1985-03-18||
    JP60/53866||1985-03-18||DE19863685478| DE3685478D1|1985-03-18|1986-03-13|Gelenkantrieb fuer industrielle roboter.|
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