JP2001009771A - ロボット用動力伝達機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部品コストやメンテナンスの負担の増大を殆
ど生じさせることなく、高い位置決め精度および動作速
度でもってアームを作動させる。 【解決手段】 駆動プーリと従動プーリとを接続するタ
イミングベルトに対してテンション機構１０を押し付け
て張力を付与することによって、駆動プーリの回転駆動
力をタイミングベルトを介して従動プーリに伝達し、従
動プーリに連結されたアームを回動させる。テンション
機構１０は、タイミングベルトに当接されるテンション
プーリ１１と、テンションプーリ１１に付与された振動
エネルギーを吸収するように、粘性と弾性との性質を粘
性部材１５および弾性部材１６により併せ持ちながらテ
ンションプーリ１１を支持する粘弾性支持機構１３およ
び固定台１４とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動プーリの回転
駆動力をベルトを介して従動プーリに伝達してアームを
回動させるロボット用動力伝達機構に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えばクリーンルーム内で半導体ウエハ
を搬送する産業用ロボットは、通常、特開平２−８８５
５０号公報や特開平２−８３１８２号公報等に開示され
ているように、タイミングベルトを備えた動力伝達機構
によりロボットアームをベルト駆動で作動させることに
より半導体ウエハを直線移送する。また、このようなベ
ルト駆動の動力伝達機構は、重量を軽減化したり、モー
タや減速機等の部品の配置上の制約に対応するため、一
般的な産業用ロボットに採用されることも多い。

【０００３】従来、上記の動力伝達機構は、第１アーム
の固定端側の駆動モータにより第１アームの自由端側の
第２アームを作動させるように構成されたスカラー型ロ
ボットの場合、第１アームの固定端側および自由端側に
それぞれ設けられた駆動プーリと従動プーリとをタイミ
ングベルトを介して接続する（図２（ａ）・（ｂ）参
照）。そして、図１０に示すように、固定台５３に剛接
合された回転支持台５１によりテンションプーリ５２を
回転自在に支持した構成のテンション機構５４を準備
し、このテンション機構５４を駆動プーリおよび従動プ
ーリ間におけるタイミングベルトの側方に配置する。こ
の後、テンションプーリ５２によりタイミングベルトを
押圧し、タイミングベルトに所望の張力を付与すること
によって、駆動プーリと従動プーリとをタイミングベル
トを介して強固に接続して駆動力を確実に伝達させるよ
うになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、タイミングベルトが非常に柔軟であるた
め、第１アームに対して第２アームを高速で動作させた
ときに、その加減速時の慣性力によって、タイミングベ
ルトが弾性変形して第２アームに大きな振動が発生す
る。この際、タイミングベルトの減衰特性は、非常に小
さなものである。従って、大きな振動が発生すると、こ
の振動が所定値以下に収束して整定するまでに長時間を
要するため、結果として位置決め精度や動作速度が低下
するという問題がある。

【０００５】そこで、特開平５−３３７８５３号公報に
は、アームの連結部に旋回角を検出する位置センサを設
けると共に、駆動モータに角速度センサを設けることに
よって、タイミングベルトの弾性変形の影響を受けずに
正確な位置制御および安定した速度制御を行う方法が提
案されている。ところが、この場合には、位置センサお
よび角速度センサが比較的に高価であると共に精密部品
であるため、部品コストやメンテナンスの負担が極めて
大きなものになり易いという問題がある。

【０００６】従って、本発明は、部品コストやメンテナ
ンスの負担の増大を殆ど生じさせることなく、高い位置
決め精度および動作速度でもってアームを作動させるこ
とができるロボット用動力伝達機構を提供するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、駆動プーリと従動プーリとを接
続するベルトに対してテンション機構を押し付けて張力
を付与することによって、前記駆動プーリの回転駆動力
をベルトを介して従動プーリに伝達し、該従動プーリに
連結されたアームを回動させるロボット用動力伝達機構
において、前記テンション機構は、前記ベルトに当接さ
れるテンションプーリと、前記テンションプーリに付与
された振動エネルギーを吸収するように粘性と弾性との
性質を併せ持ちながら、該テンションプーリを支持する
粘弾性支持体とを有することを特徴としている。

【０００８】上記の構成によれば、駆動プーリから従動
プーリに回転駆動力をベルトを介して伝達してアームを
回動させる際に、ベルトの柔軟性と加減速時のアームの
慣性力とによって、ベルトが弾性変形して振動する。こ
のベルトの振動は、ベルトに当接されたテンションプー
リに伝達され、続いて粘弾性支持体に伝達される。この
際、粘弾性支持体は、テンションプーリに付与された振
動エネルギーを吸収するように粘性と弾性との性質を併
せ持っている。従って、急激な加減速によりアームの慣
性力が大きなものとなってベルトに大きな振動が生じる
事態になった場合でも、この振動が粘弾性支持体により
短時間で急減に減衰されるため、アームの動作に大きな
振動が含まれることはない。これにより、アームを最小
限の振動で高速に作動させることができるため、産業用
ロボットの位置決め精度や動作速度を向上させることが
できる。

【０００９】さらに、粘弾性支持体は、粘性と弾性との
性質を併せ持った材料や部材により単純な機構で形成す
ることができる。従って、従来のように位置センサや角
速度センサ等の比較的に高価な精密部品を用いて振動を
低減する構成の場合よりも、部品コストやメンテナンス
の負担を低減することができる。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載のロボッ
ト用動力伝達機構であって、前記テンションプーリの質
量と前記粘弾性支持体のバネ定数とから決まる固有振動
数が、前記アームの慣性モーメントと前記ベルトのバネ
定数とから決まる固有振動数に対して等しくなるように
設定されていることを特徴としている。上記の構成によ
れば、粘弾性支持体による振動エネルギーの吸収効率を
極めて高いものにすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１ないし
図９に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係るロ
ボット用動力伝達機構は、例えば図２（ａ）・（ｂ）に
示すように、スカラー型ロボットに採用されている。
尚、他の形式のロボットに適用することもできる。上記
のロボットは、モータや減速機等の第１アーム用駆動機
構１を収容した基台２と、基台２の上面に固定部が位置
するように配置され、この固定部を第１アーム用駆動機
構１により水平方向に回動可能に支持された第１アーム
３と、第１アーム３の固定部側の上面に設けられた第２
アーム用駆動機構４と、第１アーム３の固定部側に内蔵
され、第２アーム用駆動機構４により回転駆動される駆
動プーリ５と、第１アーム３の自由端側に回転自在に内
蔵された従動プーリ６と、従動プーリ６の回転中心に回
転軸７を介して連結された第２アーム８とを有してい
る。

【００１２】上記の駆動プーリ５および従動プーリ６
は、ロボット用動力伝達機構の一部を構成している。ロ
ボット用動力伝達機構は、従動プーリ６および駆動プー
リ５を接続したタイミングベルト９と、タイミングベル
ト９を内側方向に押し付けることによりタイミングベル
ト９に対して所望の張力を付与するテンション機構１０
とを有している。

【００１３】上記のテンション機構１０は、図１に示す
ように、テンションプーリ１１と、テンションプーリ１
１の中心部を回転自在に支持した回転支持台１２と、図
２（ａ）の第１アーム３内の任意の位置に取り付けられ
る固定台１４と、回転支持台１２と固定台１４とを連結
し、回転支持台１２に生じた振動を減衰させる粘弾性支
持機構１３とを有している。粘弾性支持機構１３は、回
転支持台１２の下面中心部を支持した円柱形状の粘性部
材１５と、回転支持台１２の下面両端部を支持した一対
の弾性部材１６・１６とを有している。

【００１４】上記の粘性部材１５は、振動エネルギーを
吸収するように、エポキシ系樹脂（ヤング率１０⁸ 〜１
０⁹ Ｐａ，損失係数０．５〜１．０）やシリコンゲル
（ヤング率１０⁶ 〜１０⁷ Ｐａ，損失係数１．０以上）
等の粘性樹脂からなっている。これらの粘性樹脂は、動
力伝達機構が適正に作動する温度範囲（０〜４０°Ｃ）
において、ヤング率１０⁸ 〜１０⁹ Ｐａ等の物性値を有
している。そして、これらの樹脂のうち、耐久性の点に
おいてはシリコンゲルの粘性樹脂、総合的にも、シリコ
ンゲルの粘性樹脂が好ましい。尚、粘性部材１５は、上
記の各樹脂を組み合わせたものであっても良い。

【００１５】また、弾性部材１６は、スプリングバネか
らなっており、粘性部材１５における振動エネルギーの
吸収効率を高める機能を有している。尚、弾性部材１６
は、粘性部材１５における振動エネルギーの吸収効率を
最大にすることができるように、テンションプーリ１１
の質量と弾性部材１６のバネ定数から決まる固有振動数
が、第２アーム８の慣性モーメントとタイミングベルト
９のバネ定数から決まる固有振動数に対して等しくなる
ように設定されていることが望ましい。

【００１６】上記の構成において、ロボット用動力伝達
機構の動作について説明する。図２（ａ）・（ｂ）に示
すように、第２アーム用駆動機構４により駆動プーリ５
が回転駆動されると、粘弾性支持機構１３により張力を
付与されたタイミングベルト９が駆動プーリ５と従動プ
ーリ６とを強固に接続しているため、駆動プーリ５の回
転に従って従動プーリ６が回転する。そして、従動プー
リ６の中心部（回転中心）に設けられた回転軸７を介し
て第２アーム８が回動を開始し、第２アーム用駆動機構
４により駆動プーリ５が停止されたときに回動を停止す
る。

【００１７】上記の第２アーム８が回動してから停止す
るまでの期間、タイミングベルト９が非常に柔軟な材質
からなっているため、第２アームの加減速時の慣性力に
よりタイミングベルト９が弾性変形して振動する。この
際、タイミングベルト９を押し付けて所定の張力を付与
しているテンション機構１０は、図１に示すように、タ
イミングベルト９に当接するテンションプーリ１１を粘
弾性支持機構１３により支持しており、この粘弾性支持
機構１３は、粘性と弾性との性質を併せ持つことにより
振動エネルギーを吸収するように作用する。従って、タ
イミングベルト９が振動すると、この振動によりテンシ
ョンプーリ１１が押し付け方向に振動することによっ
て、振動エネルギーが回転支持台１２を介して粘弾性支
持機構１３に伝達されて吸収される。尚、粘弾性支持機
構１３が振動エネルギーを吸収することは、後述の運動
方程式に基づいて数値シミュレーションを行った結果か
らも明らかである。

【００１８】即ち、駆動プーリ５および従動プーリ６に
張設されたタイミングベルト９と、タイミングベルト９
に張力を付与するテンション機構１０との関係は、図３
（ａ）・（ｂ）の模式図で等価的に示すことができる。
ここで、タイミングベルト９の単位長さ当たりのバネ定
数をＫｂ、第２アーム８（ロボットアーム）の慣性モー
メントをＪ、テンションプーリ１１の質量をｍ、弾性部
材１６のバネ定数をＫｔ、粘性部材１５の粘性係数をＣ
ｔ、第２アーム８の回動時に有する摩擦等による等価粘
性係数をＣａとする。また、駆動プーリ５と従動プーリ
６との中心間距離を２Ｌ、従動プーリ６の半径をｒ、テ
ンションプーリ１１の無張力状態からの変位をｘ、第２
アーム８の回転角をθとし、固定台１４をｘだけ変位さ
せることにより図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態
となってタイミングベルト９に張力が生じたものとす
る。

【００１９】このとき、系に生じる歪みエネルギーは、

【数１】 となり、運動エネルギーは、

【数２】 となり、散逸関数は、

【数３】 となる。

【００２０】第２アーム８に作用するモーメント外力を
Ｍとすると、Ｌａｇｒａｎｇｅの方程式より運動方程式
は、

【数４】

【数５】 となる。

【００２１】ここで、上式の各項は、

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】 である。

【００２２】これらを代入すると、運動方程式は、次式
で求まる。

【数１０】

【数１１】

【００２３】また、静的釣合い位置（ｘ₀ ，θ₀ ）は、
運動方程式において、▲ｘ^**▼＝▲ｘ ^* ▼＝０、▲θ^**
▼＝▲θ^* ▼＝０、Ｍ＝０とすることにより得られる非
線形連立方程式を解くことにより得られる。ここで、『
^* 』は、時間で微分することを示す。

【００２４】振動問題を扱う場合、通常、静的釣合い位
置まわりの微小変位を考えれば良いので、ｘ＝ｘ₀ ＋Δ
ｘおよびθ＝θ₀ ＋Δθとし、運動方程式に代入し、ｘ
₀ ＞＞Δｘとして線形化すると、

【数１２】

【数１３】 となり、平衡点まわりの線形化された運動法定式が得ら
れる。

【００２５】次に、上記の運動方程式を用いて、テンシ
ョンプーリ１１を固定した場合の第２アーム８の共振曲
線を数値シミュレーションしたところ、図４に示すよう
に、減衰性が非常に小さいことを示す鋭い共振ピークが
確認された。これに対し、テンションプーリ１１を粘弾
性支持し、バネ定数と粘性係数を最適に調整した場合の
第２アーム８の共振曲線を数値シミュレーションしたと
ころ、図５に示すように、テンションプーリ１１を固定
支持した場合よりも明らかに優れた制振性を示す低い共
振ピークが確認された。

【００２６】また、上記の各場合におけるステップ応答
時の数値シミュレーションを行ったところ、テンション
プーリ１１を固定した場合には、図６に示すように、小
さな減衰率で減衰しながら振幅する振動状態が確認され
たのに対し、テンションプーリ１１を粘弾性支持した場
合には、図７に示すように、大きな減衰率で振幅しなが
ら減衰する振動状態が確認された。

【００２７】上記の運動方程式を用いた数値シミュレー
ションの結果からも明らかなように、図２（ａ）・
（ｂ）に示すように、第２アーム８が回動してから停止
するまでの期間、タイミングベルト９が大きく振動した
場合でも、この振動がテンション機構１０により短時間
で十分に吸収される。従って、第２アーム８がテンショ
ンプーリ１１の振動の影響を受けて振動した場合でも、
この第２アーム８の振動は、短時間かつ小さなものにな
る。これにより、第２アーム８を高速で回動させても、
第２アーム８に殆ど振動が発生しないため、結果として
産業用ロボットの位置決め精度や動作速度を向上させる
ことができる。

【００２８】以上のように、本実施形態のロボット用動
力伝達機構は、駆動プーリ５と従動プーリ６とを接続す
るタイミングベルト９に対してテンション機構１０を押
し付けて張力を付与することによって、駆動プーリ５の
回転駆動力をタイミングベルト９を介して従動プーリ６
に確実に伝達し、従動プーリ６に連結された第２アーム
８を回動させるものであり、テンション機構１０が、タ
イミングベルト９に当接されるテンションプーリ１１
と、テンションプーリ１１に付与された振動エネルギー
を吸収するように粘性と弾性との性質を併せ持ちながら
テンションプーリ１１を支持する粘弾性支持体（粘弾性
支持機構１３、固定台１４）とを有した構成にされてい
る。

【００２９】上記の構成によれば、駆動プーリ５から従
動プーリ６に回転駆動力をタイミングベルト９を介して
伝達して第２アーム８を回動させる際に、タイミングベ
ルト９の柔軟性と加減速時の第２アーム８の慣性力とに
よって、タイミングベルト９が弾性変形して振動する。
このタイミングベルト９の振動は、タイミングベルト９
に当接されたテンションプーリ１１に伝達され、続いて
粘弾性支持体である粘弾性支持機構１３に伝達される。
この際、粘弾性支持機構１３は、テンションプーリ１１
に付与された振動エネルギーを吸収するように粘性と弾
性との性質を併せ持っている。従って、急激な加減速に
より第２アーム８の慣性力が大きなものとなってタイミ
ングベルト９に大きな振動が生じる事態になった場合で
も、この振動が粘弾性支持機構１３により短時間で急減
に減衰されるため、第２アーム８の動作に大きな振動が
含まれることはない。これにより、第２アーム８を最小
限の振動で高速に作動させることができるため、産業用
ロボットの位置決め精度や動作速度を向上させることが
できる。

【００３０】さらに、粘弾性支持機構１３は、粘性と弾
性との性質を併せ持った材料や部材により単純な機構で
形成することができる。具体的には、図１に示すよう
に、粘性樹脂からなる粘性部材１５とスプリングバネか
らなる弾性部材１６とで粘弾性支持機構１３を形成する
ことができる。従って、従来のように位置センサや角速
度センサ等の比較的に高価な精密部品を用いて振動を低
減する構成の場合よりも、部品コストやメンテナンスの
負担を低減することができる。

【００３１】尚、本実施形態においては、粘性部材１５
が粘性樹脂により形成されているが、これに限定される
ものではなく、図８に示すように、オイルダンパー等の
シリンダ内に粘性流体を有する機械式のダッシュポット
により粘性部材１５が形成されていても良い。そして、
この場合には、シリンダ径等の変更により容易に振動エ
ネルギーの吸収量を変更することができる。

【００３２】さらに、本実施形態においては、粘弾性支
持機構１３が粘性部材１５と弾性部材１６との２種類の
部材により形成されているが、これに限定されるもので
もない。即ち、粘弾性支持機構１３は、図９に示すよう
に、適切な減衰定数と弾性係数とを併せ持つ粘性弾性樹
脂部材１７により形成されていても良く、この場合に
は、図１や図８の弾性部材１６が不要になるため、弾性
部材１６に要する部品コストや組み立てコストを削減す
ることができる。尚、このような粘性弾性樹脂部材１７
には、ゴムやエポキシ系樹脂等の樹脂が挙げられる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１の発明は、駆動プーリと従動プ
ーリとを接続するベルトに対してテンション機構を押し
付けて張力を付与することによって、前記駆動プーリの
回転駆動力をベルトを介して従動プーリに伝達し、該従
動プーリに連結されたアームを回動させるロボット用動
力伝達機構において、前記テンション機構は、前記ベル
トに当接されるテンションプーリと、前記テンションプ
ーリに付与された振動エネルギーを吸収するように粘性
と弾性との性質を併せ持ちながら、該テンションプーリ
を支持する粘弾性支持体とを有した構成にされている。

【００３４】上記の構成によれば、急激な加減速により
アームの慣性力が大きなものとなってベルトに大きな振
動が生じる事態になった場合でも、この振動が粘弾性支
持体により短時間で急減に減衰されるため、アームの動
作に大きな振動が含まれることはない。これにより、ア
ームを最小限の振動で高速に作動させることができるた
め、産業用ロボットの位置決め精度や動作速度を向上さ
せることができる。さらに、粘弾性支持体を単純な機構
で形成することができるため、従来のように位置センサ
や角速度センサ等の比較的に高価な精密部品を用いて振
動を低減する構成の場合よりも、部品コストやメンテナ
ンスの負担を低減することができるという効果を奏す
る。

【００３５】請求項２の発明は、請求項１記載のロボッ
ト用動力伝達機構であって、前記テンションプーリの質
量と前記粘弾性支持体のバネ定数とから決まる固有振動
数が、前記アームの慣性モーメントと前記ベルトのバネ
定数とから決まる固有振動数に対して等しくなるように
設定されている構成である。上記の構成によれば、粘弾
性支持体による振動エネルギーの吸収効率を極めて高い
ものにすることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】テンション機構の正面図である。

【図２】ロボット用動力伝達機構の概略構成を示すもの
であり、（ａ）は平面視した図、（ｂ）は正面視した図
である。

【図３】ロボット用動力伝達機構の動作状態を示すもの
であり、（ａ）は変位前の状態を示す説明図、（ｂ）は
変位後の状態を示す説明図である。

【図４】テンションプーリを固定支持したときの振幅と
周波数との関係を示すグラフである。

【図５】テンションプーリを粘弾性支持したときの振幅
と周波数との関係を示すグラフである。

【図６】テンションプーリを固定支持したときの振幅と
時間との関係を示すグラフである。

【図７】テンションプーリを粘弾性支持したときの振幅
と時間との関係を示すグラフである。

【図８】テンション機構の正面図である。

【図９】テンション機構の正面図である。

【図１０】従来のロボット用動力伝達機構におけるテン
ション機構の構成を示すものであり、（ａ）は正面図、
（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。

【符号の説明】

１ 第１アーム用駆動機構 ２ 基台 ３ 第１アーム ４ 第２アーム用駆動機構 ５ 駆動プーリ ６ 従動プーリ ７ 回転軸 ８ 第２アーム ９ タイミングベルト １０ テンション機構 １１ テンションプーリ １２ 回転支持台 １３ 粘弾性支持機構 １４ 固定台 １５ 粘性部材 １６ 弾性部材 １７ 粘性弾性樹脂部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動プーリと従動プーリとを接続するベ
   ルトに対してテンション機構を押し付けて張力を付与す
   ることによって、前記駆動プーリの回転駆動力をベルト
   を介して従動プーリに伝達し、該従動プーリに連結され
   たアームを回動させるロボット用動力伝達機構におい
   て、 前記テンション機構は、 前記ベルトに当接されるテンションプーリと、 前記テンションプーリに付与された振動エネルギーを吸
   収するように粘性と弾性との性質を併せ持ちながら、該
   テンションプーリを支持する粘弾性支持体とを有するこ
   とを特徴とするロボット用動力伝達機構。
2. 【請求項２】 前記テンションプーリの質量と前記粘弾
   性支持体のバネ定数とから決まる固有振動数が、前記ア
   ームの慣性モーメントと前記ベルトのバネ定数とから決
   まる固有振動数に対して等しくなるように設定されてい
   ることを特徴とする請求項１記載のロボット用動力伝達
   機構。