JP2841060B2 - 産業ロボットの関節装置 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16H—GEARING
- F16H57/00—General details of gearing
- F16H57/02—Gearboxes; Mounting gearing therein
- F16H57/033—Series gearboxes, e.g. gearboxes based on the same design being available in different sizes or gearboxes using a combination of several standardised units
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は産業ロボットの関節
装置、特にロボットアームの共振振動の発生を防止する
ものに関する。 【0002】 【従来の技術】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、高速低トルクの電動サー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。また、そのような減速装置は、
例えば、減速比1/120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。 【0003】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、特開昭59−175986号公報に開
示されているような調和歯車装置および特開昭59−1
06744号公報に開示されているような偏心揺動型遊
星歯車装置がある。前者の減速比は一般に1/80〜1
/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
たりの外径、重量が小さく、かつ、ほとんどのロボット
アームの関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。従って、ロボットアー
ムの関節部駆動用減速装置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ワット以下で回転数が5
000rpm)型のモータをロボットアームの駆動に用
いる場合のように1/625程度の減速比を必要とする
もの、については特開昭56−152594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。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各減速装置をロボット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がねじり共振を起こすという問題点
があった。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
ットアームの先端位置が定まらなくなり、ロボットによ
る作業のうち溶接、シーリング、組立等、一般に電動モ
ータの低回転数領域で行われる作業において、正確な作
業軌跡を得られない等の問題が生じる。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f0が低くなり、従っ
て、歯切の加工誤差等に起因して振動する減速装置の振
動周波数が、電動モータの低回転数域で上記固有ねじり
振動数f0と一致するためと考えられていた。 【0005】このような問題点に対し、特開昭58−2
11881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、従って、十分な振動打ち消し効果を得られ
ない。また、特開昭59−175986号公報には高張
力を与えたタイミングベルトで減速装置を駆動し、該ベ
ルト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、特開昭59−1151
89号公報には減速装置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か提案されている。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
ボット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。 【0006】そこで、本発明は、大きな共振現象の生じ
る時の電動モータ回転数を、所望のモータ回転数領域に
シフトさせて、ロボットにその先端部で正確な軌跡を描
くことを必要とする作業を行わせるときにおいて大きな
振動の発生を防ぐことにより、ロボットの作業性が向上
するとともに、ロボット耐久性を向上させることができ
る産業ロボットの関節装置を提供することを目的とす
る。 【0007】 【課題を解決するための手段】発明者らは、ロボットア
ームの関節装置に用いる減速装置のばね定数、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
研究を行った。先ず、回転ばね定数の高い減速装置をロ
ボットアームの関節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f0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、減速装置の回転
ばね定数K1(図9参照)は、大きなものでもロボット
アーム自体の回転ばね定数K2の1/10〜1/5であ
るため、駆動系全体のばね定数K=K1・K2/(K1
+K2)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f0=1/2・π・(K/J)
1/2(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。従って、減速装置のばね定数K1を
高めること、すなわち剛性を高めることによっては、駆
動系の固有ねじり振動数f0を実用域から外すことは不
可能であるとの結論に達した。 【0008】そこで、発明者等は、振動発生の原因であ
る減速装置のトルク変動を無くすことを試みた。具体的
には偏心揺動型遊星歯車減速装置を用い、トルク変動を
阻止ないし減ずるよう、この減速装置の内歯歯車と外歯
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
やトルク取り出しピンの軸支部等に環状溝を設け、該溝
にゴムリングを装着した。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、共振が生じるときの電動モータ回転数は、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。 【0009】このような実験結果から、一定の機構の減
速装置であれば、ほぼ一定のトルク変動特性、すなわち
ロ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、ロボット駆動
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
ク変動特性を実用域外におくことができるとの仮説の下
に種々の実験を行った。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。 【0010】従来の常識では全く考えられなかった構
成、すなわち、偏心揺動型遊星歯車減速装置は、内歯歯
車と外歯歯車の歯数差が1であって、単独でも1/20
0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装置
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。 【0011】なお、偏心揺動型遊星歯車減速装置に前段
減速装置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装置の重量、バックラッシ
ュ等の問題をほとんど考慮しなくともよい。従って、単
に減速装置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、前段減速装置を設
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トにおい
ては、減速装置の重量、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遊星歯車減速装置を
用い、さらに、重量、バックラッシュを増大させる要素
となる前段減速装置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。 【0012】発明者らはさらに種種研究を重ねた結果、
下記の構成を有する本発明に到達した。本発明に係る産
業ロボットの関節装置のうち請求項第1のものは第1部
材と、第1部材の先端部に回動自在に支持された第2部
材と、第1部材の先端部に配置された電動モータと、第
1部材の先端部に取り付き、電動モータ回転数を減速
し、その回転を第2部材に伝達する減速装置と、からな
る産業ロボットの関節装置において、 A.前記減速装置が (1)前記電動モータの回転数を減速する前段減速機
と、 (2)該前段減速機の出力回転数を減速する後段減速機
と、を有し(3)前記前段減速機の減速比および前記後段減速機の
減速比で前記減速装置の総減速比が与えられ、該総減速
比が遊星歯車装置単体で実在する減速比の範囲内に設定
され、 B.前記前段減速機が (1)電動モータの出力回転軸に嵌着するスリーブ部と
該スリーブ部の先端に一体的に設けられた入力歯車とか
らなる入力回転軸と、 (2)該入力歯車に噛み合う複数の出力歯車と、を有す
る平行軸型歯車装置からなり、 C.前記後段減速機が (1)前記出力歯車にそれぞれ結合されるクランク軸
と、 (2)各クランク軸に係合して偏心揺動させられ、中心
部に貫通孔を有する外歯歯車と、 (3)該外歯歯車に噛み合う内歯歯車を有するととも
に、第1部材に取り付けられる筒体と、 (4)各クランク軸を軸受を介して回転自在に支持する
とともに、中心部に中央孔、および、第2部材への取付
端面を有する支持体と、を有する偏心揺動型遊星歯車装
置からなり、 D.電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型歯車装置の
筒体または支持体の回転軸線とを同一軸線上に配し、 E.入力歯車および出力歯車を外歯歯車よりも反電動モ
ータ側に、支持体の取付端面よりも電動モータ側に配置
し、 F.(1)前記入力回転軸の入力歯車部の外径をスリー
ブ部の外径より小とし、前記偏心揺動型遊星歯車装置の
支持体の中央孔の内径をスリーブ部の外径より大とし
て、 (2)電動モータの出力回転軸に入力回転軸のスリーブ
部を嵌着し、締結部材により固定して、 (3)入力歯車を前記外歯歯車の貫通孔を通して出力歯
車と噛み合わせるとともに、スリーブ部の先端部が筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れたことを特徴とするものである。請求項2記載の発明
に係る産業ロボットの関節装置は、請求項1記載の産業
ロボットの関節装置のうち、前記支持体の取付端面が前
記筒体の反電動モータ側端面より反電動モータ側に位置
していることを特徴とするものである。請求項3記載の
発明に係る産業ロボットの関節装置は、請求項1記載の
産業ロボットの関節装置のうち、前記前段減速機の減速
比を1/2〜1/5、前記後段減速比を1/25〜1/
60の範囲内でそれぞれ設定することにより、前記総減
速比を満足するようにしたことを特徴とするものであ
る。そして本発明によれば、 イ.特に産業ロボットにおいては重量や累積バックラッ
シュを小さくして制御性能を良好にすることを要求され
るのに対して、本来、調和歯車装置等のような単一の遊
星歯車装置により必要な減速比を満足するように、その
減速装置部を構成できる産業ロボットの関節装置におい
て、その減速装置部を偏心揺動型遊星歯車装置(後段減
速機)の入力側にわざわざ平行軸型歯車装置(前段減速
機)を設けて前段減速機と後段減速機とにより必要な減
速比を得るようにしているので、ロボットに共振が生じ
るとしても、大きな共振現象の生じる時の電動モータ回
転数を、所望のモータ回転数領域にシフトさせることが
できる。その結果、ロボットにその先端部(工具把持
等)で正確な軌跡を描くことを必要とする作業を行わせ
る時において大きな振動の発生を防ぐことができるの
で、ロボットの作業性が向上するとともに、ロボットの
耐久性を向上させることができる。 ロ.また、電動モータの出力回転軸に入力軸部材を結合
しているので、電動モータを第1部材(又は、被取付
部)に取り付けることにより、前段減速機を容易に構成
することができる。その結果、産業ロボットの関節装置
を容易に組み立てることができるとともに、メンテナン
ス性をも向上させることができる。さらに、入力歯車を
電動モータの出力回転軸とは別部材の入力軸部材に設け
ているので、市販の電動モータを用いることができ、容
易に前段減速機の減速比の設定ができる。 ハ.さらに、入力回転軸のスリーブ部の先端に一体的に
入力歯車を設け、電動モータの出力回転軸に入力回転軸
のスリーブ部を嵌着し、締結部材により固定しているの
で、電動モータと入力歯車との間のバックラッシュをな
くすことができる。その結果、ロボットの位置決め精度
を向上させることができる。 ニ.さらにまた、入力回転軸の入力歯車部の外径をスリ
ーブ部の外径より小、遊星歯車装置の支持体の中央孔の
内径をスリーブ部の外径より大として、入力歯車を遊星
歯車装置の外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車に噛み合
うようにし、スリーブ部の先端部が遊星歯車装置の筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れるようにしたので、回転軸線方向の取り付け長さを短
縮することができる。その結果、電動モータの出っ張り
が小さくなり産業ロボットをコンパクトにすることがで
きるとともに、電動モータの出っ張りによる干渉を小さ
くすることができ、よって、ロボットの作業動作範囲を
広くすることができる。さらに、減速装置としてみた場
合でも、入力歯車部が自由端となっているため複数の出
力歯車との噛み合いの荷重バランスが良好となり、その
結果、複数のクランク軸支持用軸受に均等に負荷が作用
し、減速装置の寿命の低下を防止することができる。 【0013】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る産業ロボット
の関節装置を図面に基づいて説明する。 【0014】 【実施例1】図1ないし図3は本発明を説明するための
概要説明図である。まず、構成について説明する。図1
は本発明に係る産業ロボットの関節装置を用いたロボッ
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5aに固定されている。電動モーター1の出
力回転軸7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は円筒体1
1を貫通して第2部材としての第2アーム12に固定さ
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5aの下面から下方に突出する円筒型の
突出体15との間には一対のベアリング16が介装さ
れ、減速装置3は電動モータ1の回転数を減速してロボ
ットの被駆動部すなわち第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駆動系を構成する。 【0015】減速装置3は図2および図3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は平行軸型歯車装置である。後段減速機21は固定
している内歯歯車28と内歯歯車28に噛み合う外歯歯
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を用いたピン歯車
で構成され、例えば、外歯歯車29の歯数より一つだけ
多い歯数を有している。また、前段減速機20は通常の
平行軸型減速装置であり平歯車により構成されている。 【0016】前段減速機20の減速比i1と後段減速機
21の減速比i2とは電動モータ1の通常制御回転数
(ロボットの通常作業時、例えば溶接ロボットに主たる
溶接作業を行わしめる時、のモータ回転数)の範囲内で
ロボットすなわち、第1アーム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。電動モータ1の通常制御回転数あるいはロボット
による正確な作業軌跡を要する領域(溶接作業等を行う
作業領域)では、前段減速機20の毎秒当たり最高回転
数に前段減速機20の減速比を乗じた値(その値に更に
後述するクランク軸30の一回転当たりのトルク変動回
転数である1を乗じた値に相当)が電動モータ1、減速
装置3、第2アーム12および第2アーム12に接続さ
れた負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f0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i1を選択す
る。この実施例においては、電動モータ1の通常制御回
転数が0〜1000rpm、前段減速機20の減速比i
1が1/3および後段減速機21の減速比i2は1/4
0であり、減速装置3の全体の減速比iは1/120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f0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i1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。 【0017】前段減速機20の減速比i1が1/5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i2が1/25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1/12
0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i2
が1/60未満または前段減速機20の減速比i1が1
/2を超えて1/120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f0(8.
4Hz)近辺あるいはそれ以上となるので、共振を防止
できる範囲が狭くなる。 【0018】次に、作用について説明する。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i1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i2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
範囲では大きな振動は生じない。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、後段減速機21の出力回転数は1500rpm×
1/3×1/40=12.5rpm近辺)で生じ、この
時の振動が最も大きい。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そのような共振現象の原因となるト
ルク変動が前段減速機20ではなく後段減速機21に生
じ、そのトルク変動が実施例のような偏心揺動型歯車装
置では入力軸(クランク軸30)1回転当たり1回(一
定回数)を生じ、前記駆動系に対する加振作用をなすた
めと考えられる。 【0019】調和歯車装置の場合は、実験結果から推定
すると、入力軸(ウェーブジェネレータ)の1回転当た
り2回(一定回数)のトルク変動が生じ、従って、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750×1/3×2=
500の毎分当たりトルク変動が生じ、駆動系の固有振
動数f0が上記実施例と同様8.4Hz(500振動/
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の時に共
振が生じるのであるから、調和歯車減速機に減速比i=
1/6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i2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〜
1000rpm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(1/120程度)を満足できないた
め、実用できないことになる。 【0020】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のはこれらの
振動は小さいこと、後段減速機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。 【0021】(実験例) 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歯数より1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i1、i2、回転ばね定数K1(図9参照)
および慣性モーメントJは次の表1に示してある。 【0022】 【表1】 【0023】実験は図5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51a
に減速装置52を取り付け、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ール53が取
り付けられた。フライホイール側面53a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ピックアップ54を取り付けた。こ
の加速度ピックアップ54の出力はインジケータ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f0は約
8.4Hz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。測定結果は図4に示す。横軸は電動サ
ーボモータ51の回転数であり、縦軸は加速度ピックア
ップ54で検出された円周方向の加速度(単位:G)を
示す。 【0024】比較例1、比較例2および比較例3におい
ては、共振のピークはそれぞれ、電動モータ51の回転
数が、略750rpm、略500rpmおよび略250
rpmのときであり、電動モータ51の通常制御回転数
0〜1000rpmの範囲で最も大きな振動が生じてい
る。しかしながら、本発明に係る減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1500r
pmを中心とする近傍で共振ピークが生じ、この時の振
動が最も大きい。また、実施例、比較例1および比較例
2の対比から、共振時における電動モータ51の回転数
は前段減速機の減速比i1に反比例していることが認め
られる。 【0025】そこで、本発明における実施例を図6、図
7に基づいて説明する。なお、前述の概略説明において
用いた図2、図3と同一構成においては、同一符号を用
いて説明する。図6、図7において、40は図1に示し
た電動モータ1によって駆動される減速装置であり、減
速装置40は電動モータ出力1の出力回転軸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装置21と、から構成され
ている。 【0026】電動モータ1の回転軸7の先端部7aはテ
ーパ軸であり、先端にねじ7bを有する。ねじ部7bに
は電動モータの出力回転軸の一部を構成する連絡軸7c
が螺合されている。8は入力回転軸であり、先端部8a
に前段減速機20の入力歯車であるピニオン22が設け
られると共に電動モーターの出力回転軸7を貫通させる
孔8bを有し、且つ孔8b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のこのテーパ孔
部は、電動モータの出力回転軸に嵌着するスリーブ部を
構成する。入力回転軸8は電動モータ1の出力回転軸7
の先端部7aにナット23によりねじ止めされている。
回転軸7の先端部7a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8a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、ピニオン22の歯数は
モータ回転軸7に歯数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。ピニオン22に噛み合う3個の
平歯車25は、後述する3本のクランク軸30にそれぞ
れ結合している。 【0027】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に噛み合う一対
の外歯歯車29と、外歯歯車29に嵌合して外歯歯車2
9を揺動回転させる偏心入力軸としての3本のクランク
軸30と、から構成されている。また、内歯歯車28は
ピン歯31を用いたピン歯車で構成され、例えば、外歯
歯車29の歯数より1つだけ多い歯数を有している。3
3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、クランク軸30を円周上に等配
しベアリング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36b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2
9aおよび孔36aが設けられている。ブロック体35
はその後端部35aに凹み36cを有し、軸10のフラ
ンジ部39に対向している。凹み36cとフランジ部3
9とによっ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。ブロック体35にはクランク軸30を
円周上に等配しベアリング41を介して軸支している。
クランク軸30の延在部30aは凹み36c内に突出
し、平歯車25に固定されている。 【0028】クランク軸30は円板部33とブロック体
35の中央部に軸支され、クランク軸30の中央には1
80度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とは支持体44を構成す
る。円板部33、ブロック体35およびフランジ部39
は複数のボルト46および固定ナット47により互いに
固定されている。円板状33の孔36aおよびブロック
体35の円筒状孔36bは支持体44の中央孔36を構
成する。入力回転軸8の入力歯車部22の外径をスリー
ブ部8cの外径より小とし、偏心揺動型遊星歯車装置の
支持体の中央孔36の内径をスリーブ部8cの外径より
大としている。電動モータの出力回転軸7に入力回転軸
8のスリーブ部8cを嵌着し、締結部材としての半月キ
ー24により固定している。入力歯車22を外歯歯車2
9の貫通孔29aを通して出力歯車25と噛み合わせる
とともに、スリーブ部8cの先端部が筒体4の電動モー
タ側端面4aを通過し、支持体44の中央孔36に挿入
されている。 【0029】電動モータ1の回転は出力回転軸7および
入力回転軸8を介して前段減速機20のピニオンに伝達
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により偏心揺動星歯車装置21のクラ
ンク軸30に入力される。次いで、クランク軸30の回
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と噛み合い外歯歯車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2
9のゆっ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。電動モータ1のフランジ部2は、遊星歯車減速機2
1の筒体4の電動モータ1側端面4aに結合されてい
る。電動モータ1の回転軸7の回転軸線と偏心揺動型歯
車装置21の筒体4または支持体44の回転軸線とを同
一軸線上に配している。入力歯車22および出力歯車2
5を外歯歯車29よりも反電動モータ側に、支持体44
の取付端面35bよりも電動モータ側に配置している。
支持体の取付端面35bを筒体4の反電動モータ側端面
4bより反電動モータ側に位置させている。 【0030】本実施例においては、電動モータ1の通常
制御回転数は(0〜1000rpm、前段減速機20の
減速比i1は1/3、遊星歯車減速機21の減速比i2
は1/40、減速装置3の総減速比iは1/120、電
動モータ1、減速装置3および第2アーム12を含んで
構成される駆動系の固有ねじり振動数f0は約8.4H
zである。したがって、電動モータ1は産業ロボットの
駆動系の固有ねじり振動数に対応する回転数(8.4H
zに相当する500rpm)を通常制御域(0〜100
0rpm)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(10
00rpmに相当する毎秒16.7回転)を、駆動系の
固有ねじり振動数f0以下になるよう(毎秒5.6回
転)に減速する減速比i1(1/3)を有している。減
速機40の回転ばね定数K1は約37.5kg・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。 【0031】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(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f0が5〜9Hzの場合であ
って、電動モータの最高回転数が1000rpm、総減
速比iが1/60〜1/320のときは前段最小減速比
i1を約1/1.9〜約1/6、後段の減速比i2を1
/25〜1/60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
0が5〜9Hzの場合であつて、電動モータの回転数が
最高2000rpm、総減速比iが1/110〜1/3
20のときは、前段最小減速比i1を約1/3.7〜約
1/6.7、後段減速比i2を約1/25〜約1/60
とすることにより共振現象の起きないロボットの関節装
置を得る。同様(f0=5〜9Hz)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
/210〜1/640のときは、前段最小減速比i,を
約1/7.4〜約1/13.3、後段減速比i2を約1
/30〜約1/60とすればよい。また、駆動系の固有
ねじり振動数f0が10〜15Hzの場合であって、電
動モータの最高回転数が1000rpm、総減速比iが
1/80〜1/240のときは前段最小減速比i1を1
/1.5〜1/4、後段の減速比i2を1/25〜1/
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(f0=10〜15Hz)の場合であっ
て、電動モータの最高回転数が4000rpm、総減速
比iが1/125〜1/600のときは、前段減速比i
1を約1/4.5〜約1/10、後段の減速比i2を約
1/30〜1/100とすればよい。 【0032】 【発明の効果】イ.本発明によれば、特に産業ロボット
においては重量や累積バックラッシュを小さくして制御
性能を良好にすることを要求されるのに対して、本来、
調和歯車装置等のような単一の遊星歯車装置により必要
な減速比を満足するように、その減速装置部を構成でき
る産業ロボットの関節装置において、その減速装置部を
偏心揺動型遊星歯車装置(後段減速機)の入力側にわざ
わざ平行軸型歯車装置(前段減速機)を設けて前段減速
機と後段減速機とにより必要な減速比を得るようにして
いるので、ロボットに共振が生じるとしても、大きな共
振現象の生じる時の電動モータ回転数を、所望のモータ
回転数領域にシフトさせることができる。その結果、ロ
ボットにその先端部(工具把持等)で正確な軌跡を描く
ことを必要とする作業を行わせる時において大きな振動
の発生を防ぐことができるので、ロボットの作業性が向
上するとともに、ロボットの耐久性を向上させることが
できる。 ロ.また、電動モータの出力回転軸に入力軸部材を結合
しているので、電動モータを第1部材(又は、被取付
部)に取り付けることにより、前段減速機を容易に構成
することができる。その結果、産業ロボットの関節装置
を容易に組み立てることができるとともに、メンテナン
ス性をも向上させることができる。さらに、入力歯車を
電動モータの出力回転軸とは別部材の入力軸部材に設け
ているので、市販の電動モータを用いることができ、容
易に前段減速機の減速比の設定ができる。 ハ.さらに、入力回転軸のスリーブ部の先端に一体的に
入力歯車を設け、電動モータの出力回転軸に入力回転軸
のスリーブ部を嵌着し、締結部材により固定しているの
で、電動モータと入力歯車との間のバックラッシュをな
くすことができる。その結果、ロボットの位置決め精度
を向上させることができる。 ニ.さらにまた、入力回転軸の入力歯車部の外径をスリ
ーブ部の外径より小、遊星歯車装置の支持体の中央孔の
内径をスリーブ部の外径より大として、入力歯車を遊星
歯車装置の外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車に噛み合
うようにし、スリーブ部の先端部が遊星歯車装置の筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れるようにしたので、回転軸線方向の取り付け長さを短
縮することができる。その結果、電動モータの出っ張り
が小さくなり産業ロボットをコンパクトにすることがで
きるとともに、電動モータの出っ張りによる干渉を小さ
くすることができ、よって、ロボットの作業動作範囲を
広くすることができる。さらに、減速装置としてみた場
合でも、入力歯車部が自由端となっているため複数の出
力歯車との噛み合いの荷重バランスが良好となり、その
結果、複数のクランク軸支持用軸受に均等に負荷が作用
し、減速装置の寿命の低下を防止することができる。
装置、特にロボットアームの共振振動の発生を防止する
ものに関する。 【0002】 【従来の技術】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、高速低トルクの電動サー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。また、そのような減速装置は、
例えば、減速比1/120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。 【0003】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、特開昭59−175986号公報に開
示されているような調和歯車装置および特開昭59−1
06744号公報に開示されているような偏心揺動型遊
星歯車装置がある。前者の減速比は一般に1/80〜1
/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
たりの外径、重量が小さく、かつ、ほとんどのロボット
アームの関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。従って、ロボットアー
ムの関節部駆動用減速装置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ワット以下で回転数が5
000rpm)型のモータをロボットアームの駆動に用
いる場合のように1/625程度の減速比を必要とする
もの、については特開昭56−152594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。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各減速装置をロボット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がねじり共振を起こすという問題点
があった。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
ットアームの先端位置が定まらなくなり、ロボットによ
る作業のうち溶接、シーリング、組立等、一般に電動モ
ータの低回転数領域で行われる作業において、正確な作
業軌跡を得られない等の問題が生じる。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f0が低くなり、従っ
て、歯切の加工誤差等に起因して振動する減速装置の振
動周波数が、電動モータの低回転数域で上記固有ねじり
振動数f0と一致するためと考えられていた。 【0005】このような問題点に対し、特開昭58−2
11881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、従って、十分な振動打ち消し効果を得られ
ない。また、特開昭59−175986号公報には高張
力を与えたタイミングベルトで減速装置を駆動し、該ベ
ルト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、特開昭59−1151
89号公報には減速装置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か提案されている。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
ボット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。 【0006】そこで、本発明は、大きな共振現象の生じ
る時の電動モータ回転数を、所望のモータ回転数領域に
シフトさせて、ロボットにその先端部で正確な軌跡を描
くことを必要とする作業を行わせるときにおいて大きな
振動の発生を防ぐことにより、ロボットの作業性が向上
するとともに、ロボット耐久性を向上させることができ
る産業ロボットの関節装置を提供することを目的とす
る。 【0007】 【課題を解決するための手段】発明者らは、ロボットア
ームの関節装置に用いる減速装置のばね定数、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
研究を行った。先ず、回転ばね定数の高い減速装置をロ
ボットアームの関節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f0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、減速装置の回転
ばね定数K1(図9参照)は、大きなものでもロボット
アーム自体の回転ばね定数K2の1/10〜1/5であ
るため、駆動系全体のばね定数K=K1・K2/(K1
+K2)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f0=1/2・π・(K/J)
1/2(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。従って、減速装置のばね定数K1を
高めること、すなわち剛性を高めることによっては、駆
動系の固有ねじり振動数f0を実用域から外すことは不
可能であるとの結論に達した。 【0008】そこで、発明者等は、振動発生の原因であ
る減速装置のトルク変動を無くすことを試みた。具体的
には偏心揺動型遊星歯車減速装置を用い、トルク変動を
阻止ないし減ずるよう、この減速装置の内歯歯車と外歯
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
やトルク取り出しピンの軸支部等に環状溝を設け、該溝
にゴムリングを装着した。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、共振が生じるときの電動モータ回転数は、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。 【0009】このような実験結果から、一定の機構の減
速装置であれば、ほぼ一定のトルク変動特性、すなわち
ロ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、ロボット駆動
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
ク変動特性を実用域外におくことができるとの仮説の下
に種々の実験を行った。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。 【0010】従来の常識では全く考えられなかった構
成、すなわち、偏心揺動型遊星歯車減速装置は、内歯歯
車と外歯歯車の歯数差が1であって、単独でも1/20
0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装置
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。 【0011】なお、偏心揺動型遊星歯車減速装置に前段
減速装置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装置の重量、バックラッシ
ュ等の問題をほとんど考慮しなくともよい。従って、単
に減速装置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、前段減速装置を設
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トにおい
ては、減速装置の重量、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遊星歯車減速装置を
用い、さらに、重量、バックラッシュを増大させる要素
となる前段減速装置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。 【0012】発明者らはさらに種種研究を重ねた結果、
下記の構成を有する本発明に到達した。本発明に係る産
業ロボットの関節装置のうち請求項第1のものは第1部
材と、第1部材の先端部に回動自在に支持された第2部
材と、第1部材の先端部に配置された電動モータと、第
1部材の先端部に取り付き、電動モータ回転数を減速
し、その回転を第2部材に伝達する減速装置と、からな
る産業ロボットの関節装置において、 A.前記減速装置が (1)前記電動モータの回転数を減速する前段減速機
と、 (2)該前段減速機の出力回転数を減速する後段減速機
と、を有し(3)前記前段減速機の減速比および前記後段減速機の
減速比で前記減速装置の総減速比が与えられ、該総減速
比が遊星歯車装置単体で実在する減速比の範囲内に設定
され、 B.前記前段減速機が (1)電動モータの出力回転軸に嵌着するスリーブ部と
該スリーブ部の先端に一体的に設けられた入力歯車とか
らなる入力回転軸と、 (2)該入力歯車に噛み合う複数の出力歯車と、を有す
る平行軸型歯車装置からなり、 C.前記後段減速機が (1)前記出力歯車にそれぞれ結合されるクランク軸
と、 (2)各クランク軸に係合して偏心揺動させられ、中心
部に貫通孔を有する外歯歯車と、 (3)該外歯歯車に噛み合う内歯歯車を有するととも
に、第1部材に取り付けられる筒体と、 (4)各クランク軸を軸受を介して回転自在に支持する
とともに、中心部に中央孔、および、第2部材への取付
端面を有する支持体と、を有する偏心揺動型遊星歯車装
置からなり、 D.電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型歯車装置の
筒体または支持体の回転軸線とを同一軸線上に配し、 E.入力歯車および出力歯車を外歯歯車よりも反電動モ
ータ側に、支持体の取付端面よりも電動モータ側に配置
し、 F.(1)前記入力回転軸の入力歯車部の外径をスリー
ブ部の外径より小とし、前記偏心揺動型遊星歯車装置の
支持体の中央孔の内径をスリーブ部の外径より大とし
て、 (2)電動モータの出力回転軸に入力回転軸のスリーブ
部を嵌着し、締結部材により固定して、 (3)入力歯車を前記外歯歯車の貫通孔を通して出力歯
車と噛み合わせるとともに、スリーブ部の先端部が筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れたことを特徴とするものである。請求項2記載の発明
に係る産業ロボットの関節装置は、請求項1記載の産業
ロボットの関節装置のうち、前記支持体の取付端面が前
記筒体の反電動モータ側端面より反電動モータ側に位置
していることを特徴とするものである。請求項3記載の
発明に係る産業ロボットの関節装置は、請求項1記載の
産業ロボットの関節装置のうち、前記前段減速機の減速
比を1/2〜1/5、前記後段減速比を1/25〜1/
60の範囲内でそれぞれ設定することにより、前記総減
速比を満足するようにしたことを特徴とするものであ
る。そして本発明によれば、 イ.特に産業ロボットにおいては重量や累積バックラッ
シュを小さくして制御性能を良好にすることを要求され
るのに対して、本来、調和歯車装置等のような単一の遊
星歯車装置により必要な減速比を満足するように、その
減速装置部を構成できる産業ロボットの関節装置におい
て、その減速装置部を偏心揺動型遊星歯車装置(後段減
速機)の入力側にわざわざ平行軸型歯車装置(前段減速
機)を設けて前段減速機と後段減速機とにより必要な減
速比を得るようにしているので、ロボットに共振が生じ
るとしても、大きな共振現象の生じる時の電動モータ回
転数を、所望のモータ回転数領域にシフトさせることが
できる。その結果、ロボットにその先端部(工具把持
等)で正確な軌跡を描くことを必要とする作業を行わせ
る時において大きな振動の発生を防ぐことができるの
で、ロボットの作業性が向上するとともに、ロボットの
耐久性を向上させることができる。 ロ.また、電動モータの出力回転軸に入力軸部材を結合
しているので、電動モータを第1部材(又は、被取付
部)に取り付けることにより、前段減速機を容易に構成
することができる。その結果、産業ロボットの関節装置
を容易に組み立てることができるとともに、メンテナン
ス性をも向上させることができる。さらに、入力歯車を
電動モータの出力回転軸とは別部材の入力軸部材に設け
ているので、市販の電動モータを用いることができ、容
易に前段減速機の減速比の設定ができる。 ハ.さらに、入力回転軸のスリーブ部の先端に一体的に
入力歯車を設け、電動モータの出力回転軸に入力回転軸
のスリーブ部を嵌着し、締結部材により固定しているの
で、電動モータと入力歯車との間のバックラッシュをな
くすことができる。その結果、ロボットの位置決め精度
を向上させることができる。 ニ.さらにまた、入力回転軸の入力歯車部の外径をスリ
ーブ部の外径より小、遊星歯車装置の支持体の中央孔の
内径をスリーブ部の外径より大として、入力歯車を遊星
歯車装置の外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車に噛み合
うようにし、スリーブ部の先端部が遊星歯車装置の筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れるようにしたので、回転軸線方向の取り付け長さを短
縮することができる。その結果、電動モータの出っ張り
が小さくなり産業ロボットをコンパクトにすることがで
きるとともに、電動モータの出っ張りによる干渉を小さ
くすることができ、よって、ロボットの作業動作範囲を
広くすることができる。さらに、減速装置としてみた場
合でも、入力歯車部が自由端となっているため複数の出
力歯車との噛み合いの荷重バランスが良好となり、その
結果、複数のクランク軸支持用軸受に均等に負荷が作用
し、減速装置の寿命の低下を防止することができる。 【0013】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る産業ロボット
の関節装置を図面に基づいて説明する。 【0014】 【実施例1】図1ないし図3は本発明を説明するための
概要説明図である。まず、構成について説明する。図1
は本発明に係る産業ロボットの関節装置を用いたロボッ
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5aに固定されている。電動モーター1の出
力回転軸7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は円筒体1
1を貫通して第2部材としての第2アーム12に固定さ
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5aの下面から下方に突出する円筒型の
突出体15との間には一対のベアリング16が介装さ
れ、減速装置3は電動モータ1の回転数を減速してロボ
ットの被駆動部すなわち第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駆動系を構成する。 【0015】減速装置3は図2および図3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は平行軸型歯車装置である。後段減速機21は固定
している内歯歯車28と内歯歯車28に噛み合う外歯歯
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を用いたピン歯車
で構成され、例えば、外歯歯車29の歯数より一つだけ
多い歯数を有している。また、前段減速機20は通常の
平行軸型減速装置であり平歯車により構成されている。 【0016】前段減速機20の減速比i1と後段減速機
21の減速比i2とは電動モータ1の通常制御回転数
(ロボットの通常作業時、例えば溶接ロボットに主たる
溶接作業を行わしめる時、のモータ回転数)の範囲内で
ロボットすなわち、第1アーム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。電動モータ1の通常制御回転数あるいはロボット
による正確な作業軌跡を要する領域(溶接作業等を行う
作業領域)では、前段減速機20の毎秒当たり最高回転
数に前段減速機20の減速比を乗じた値(その値に更に
後述するクランク軸30の一回転当たりのトルク変動回
転数である1を乗じた値に相当)が電動モータ1、減速
装置3、第2アーム12および第2アーム12に接続さ
れた負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f0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i1を選択す
る。この実施例においては、電動モータ1の通常制御回
転数が0〜1000rpm、前段減速機20の減速比i
1が1/3および後段減速機21の減速比i2は1/4
0であり、減速装置3の全体の減速比iは1/120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f0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i1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。 【0017】前段減速機20の減速比i1が1/5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i2が1/25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1/12
0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i2
が1/60未満または前段減速機20の減速比i1が1
/2を超えて1/120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f0(8.
4Hz)近辺あるいはそれ以上となるので、共振を防止
できる範囲が狭くなる。 【0018】次に、作用について説明する。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i1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i2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
範囲では大きな振動は生じない。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、後段減速機21の出力回転数は1500rpm×
1/3×1/40=12.5rpm近辺)で生じ、この
時の振動が最も大きい。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そのような共振現象の原因となるト
ルク変動が前段減速機20ではなく後段減速機21に生
じ、そのトルク変動が実施例のような偏心揺動型歯車装
置では入力軸(クランク軸30)1回転当たり1回(一
定回数)を生じ、前記駆動系に対する加振作用をなすた
めと考えられる。 【0019】調和歯車装置の場合は、実験結果から推定
すると、入力軸(ウェーブジェネレータ)の1回転当た
り2回(一定回数)のトルク変動が生じ、従って、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750×1/3×2=
500の毎分当たりトルク変動が生じ、駆動系の固有振
動数f0が上記実施例と同様8.4Hz(500振動/
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の時に共
振が生じるのであるから、調和歯車減速機に減速比i=
1/6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i2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〜
1000rpm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(1/120程度)を満足できないた
め、実用できないことになる。 【0020】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のはこれらの
振動は小さいこと、後段減速機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。 【0021】(実験例) 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歯数より1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i1、i2、回転ばね定数K1(図9参照)
および慣性モーメントJは次の表1に示してある。 【0022】 【表1】 【0023】実験は図5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51a
に減速装置52を取り付け、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ール53が取
り付けられた。フライホイール側面53a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ピックアップ54を取り付けた。こ
の加速度ピックアップ54の出力はインジケータ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f0は約
8.4Hz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。測定結果は図4に示す。横軸は電動サ
ーボモータ51の回転数であり、縦軸は加速度ピックア
ップ54で検出された円周方向の加速度(単位:G)を
示す。 【0024】比較例1、比較例2および比較例3におい
ては、共振のピークはそれぞれ、電動モータ51の回転
数が、略750rpm、略500rpmおよび略250
rpmのときであり、電動モータ51の通常制御回転数
0〜1000rpmの範囲で最も大きな振動が生じてい
る。しかしながら、本発明に係る減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1500r
pmを中心とする近傍で共振ピークが生じ、この時の振
動が最も大きい。また、実施例、比較例1および比較例
2の対比から、共振時における電動モータ51の回転数
は前段減速機の減速比i1に反比例していることが認め
られる。 【0025】そこで、本発明における実施例を図6、図
7に基づいて説明する。なお、前述の概略説明において
用いた図2、図3と同一構成においては、同一符号を用
いて説明する。図6、図7において、40は図1に示し
た電動モータ1によって駆動される減速装置であり、減
速装置40は電動モータ出力1の出力回転軸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装置21と、から構成され
ている。 【0026】電動モータ1の回転軸7の先端部7aはテ
ーパ軸であり、先端にねじ7bを有する。ねじ部7bに
は電動モータの出力回転軸の一部を構成する連絡軸7c
が螺合されている。8は入力回転軸であり、先端部8a
に前段減速機20の入力歯車であるピニオン22が設け
られると共に電動モーターの出力回転軸7を貫通させる
孔8bを有し、且つ孔8b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のこのテーパ孔
部は、電動モータの出力回転軸に嵌着するスリーブ部を
構成する。入力回転軸8は電動モータ1の出力回転軸7
の先端部7aにナット23によりねじ止めされている。
回転軸7の先端部7a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8a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、ピニオン22の歯数は
モータ回転軸7に歯数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。ピニオン22に噛み合う3個の
平歯車25は、後述する3本のクランク軸30にそれぞ
れ結合している。 【0027】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に噛み合う一対
の外歯歯車29と、外歯歯車29に嵌合して外歯歯車2
9を揺動回転させる偏心入力軸としての3本のクランク
軸30と、から構成されている。また、内歯歯車28は
ピン歯31を用いたピン歯車で構成され、例えば、外歯
歯車29の歯数より1つだけ多い歯数を有している。3
3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、クランク軸30を円周上に等配
しベアリング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36b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2
9aおよび孔36aが設けられている。ブロック体35
はその後端部35aに凹み36cを有し、軸10のフラ
ンジ部39に対向している。凹み36cとフランジ部3
9とによっ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。ブロック体35にはクランク軸30を
円周上に等配しベアリング41を介して軸支している。
クランク軸30の延在部30aは凹み36c内に突出
し、平歯車25に固定されている。 【0028】クランク軸30は円板部33とブロック体
35の中央部に軸支され、クランク軸30の中央には1
80度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とは支持体44を構成す
る。円板部33、ブロック体35およびフランジ部39
は複数のボルト46および固定ナット47により互いに
固定されている。円板状33の孔36aおよびブロック
体35の円筒状孔36bは支持体44の中央孔36を構
成する。入力回転軸8の入力歯車部22の外径をスリー
ブ部8cの外径より小とし、偏心揺動型遊星歯車装置の
支持体の中央孔36の内径をスリーブ部8cの外径より
大としている。電動モータの出力回転軸7に入力回転軸
8のスリーブ部8cを嵌着し、締結部材としての半月キ
ー24により固定している。入力歯車22を外歯歯車2
9の貫通孔29aを通して出力歯車25と噛み合わせる
とともに、スリーブ部8cの先端部が筒体4の電動モー
タ側端面4aを通過し、支持体44の中央孔36に挿入
されている。 【0029】電動モータ1の回転は出力回転軸7および
入力回転軸8を介して前段減速機20のピニオンに伝達
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により偏心揺動星歯車装置21のクラ
ンク軸30に入力される。次いで、クランク軸30の回
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と噛み合い外歯歯車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2
9のゆっ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。電動モータ1のフランジ部2は、遊星歯車減速機2
1の筒体4の電動モータ1側端面4aに結合されてい
る。電動モータ1の回転軸7の回転軸線と偏心揺動型歯
車装置21の筒体4または支持体44の回転軸線とを同
一軸線上に配している。入力歯車22および出力歯車2
5を外歯歯車29よりも反電動モータ側に、支持体44
の取付端面35bよりも電動モータ側に配置している。
支持体の取付端面35bを筒体4の反電動モータ側端面
4bより反電動モータ側に位置させている。 【0030】本実施例においては、電動モータ1の通常
制御回転数は(0〜1000rpm、前段減速機20の
減速比i1は1/3、遊星歯車減速機21の減速比i2
は1/40、減速装置3の総減速比iは1/120、電
動モータ1、減速装置3および第2アーム12を含んで
構成される駆動系の固有ねじり振動数f0は約8.4H
zである。したがって、電動モータ1は産業ロボットの
駆動系の固有ねじり振動数に対応する回転数(8.4H
zに相当する500rpm)を通常制御域(0〜100
0rpm)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(10
00rpmに相当する毎秒16.7回転)を、駆動系の
固有ねじり振動数f0以下になるよう(毎秒5.6回
転)に減速する減速比i1(1/3)を有している。減
速機40の回転ばね定数K1は約37.5kg・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。 【0031】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(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f0が5〜9Hzの場合であ
って、電動モータの最高回転数が1000rpm、総減
速比iが1/60〜1/320のときは前段最小減速比
i1を約1/1.9〜約1/6、後段の減速比i2を1
/25〜1/60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
0が5〜9Hzの場合であつて、電動モータの回転数が
最高2000rpm、総減速比iが1/110〜1/3
20のときは、前段最小減速比i1を約1/3.7〜約
1/6.7、後段減速比i2を約1/25〜約1/60
とすることにより共振現象の起きないロボットの関節装
置を得る。同様(f0=5〜9Hz)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
/210〜1/640のときは、前段最小減速比i,を
約1/7.4〜約1/13.3、後段減速比i2を約1
/30〜約1/60とすればよい。また、駆動系の固有
ねじり振動数f0が10〜15Hzの場合であって、電
動モータの最高回転数が1000rpm、総減速比iが
1/80〜1/240のときは前段最小減速比i1を1
/1.5〜1/4、後段の減速比i2を1/25〜1/
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(f0=10〜15Hz)の場合であっ
て、電動モータの最高回転数が4000rpm、総減速
比iが1/125〜1/600のときは、前段減速比i
1を約1/4.5〜約1/10、後段の減速比i2を約
1/30〜1/100とすればよい。 【0032】 【発明の効果】イ.本発明によれば、特に産業ロボット
においては重量や累積バックラッシュを小さくして制御
性能を良好にすることを要求されるのに対して、本来、
調和歯車装置等のような単一の遊星歯車装置により必要
な減速比を満足するように、その減速装置部を構成でき
る産業ロボットの関節装置において、その減速装置部を
偏心揺動型遊星歯車装置(後段減速機)の入力側にわざ
わざ平行軸型歯車装置(前段減速機)を設けて前段減速
機と後段減速機とにより必要な減速比を得るようにして
いるので、ロボットに共振が生じるとしても、大きな共
振現象の生じる時の電動モータ回転数を、所望のモータ
回転数領域にシフトさせることができる。その結果、ロ
ボットにその先端部(工具把持等)で正確な軌跡を描く
ことを必要とする作業を行わせる時において大きな振動
の発生を防ぐことができるので、ロボットの作業性が向
上するとともに、ロボットの耐久性を向上させることが
できる。 ロ.また、電動モータの出力回転軸に入力軸部材を結合
しているので、電動モータを第1部材(又は、被取付
部)に取り付けることにより、前段減速機を容易に構成
することができる。その結果、産業ロボットの関節装置
を容易に組み立てることができるとともに、メンテナン
ス性をも向上させることができる。さらに、入力歯車を
電動モータの出力回転軸とは別部材の入力軸部材に設け
ているので、市販の電動モータを用いることができ、容
易に前段減速機の減速比の設定ができる。 ハ.さらに、入力回転軸のスリーブ部の先端に一体的に
入力歯車を設け、電動モータの出力回転軸に入力回転軸
のスリーブ部を嵌着し、締結部材により固定しているの
で、電動モータと入力歯車との間のバックラッシュをな
くすことができる。その結果、ロボットの位置決め精度
を向上させることができる。 ニ.さらにまた、入力回転軸の入力歯車部の外径をスリ
ーブ部の外径より小、遊星歯車装置の支持体の中央孔の
内径をスリーブ部の外径より大として、入力歯車を遊星
歯車装置の外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車に噛み合
うようにし、スリーブ部の先端部が遊星歯車装置の筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れるようにしたので、回転軸線方向の取り付け長さを短
縮することができる。その結果、電動モータの出っ張り
が小さくなり産業ロボットをコンパクトにすることがで
きるとともに、電動モータの出っ張りによる干渉を小さ
くすることができ、よって、ロボットの作業動作範囲を
広くすることができる。さらに、減速装置としてみた場
合でも、入力歯車部が自由端となっているため複数の出
力歯車との噛み合いの荷重バランスが良好となり、その
結果、複数のクランク軸支持用軸受に均等に負荷が作用
し、減速装置の寿命の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するための産業ロボットの関節装
置の全体概略説明図である。 【図2】図1の減速装置の一部断面図である。 【図3】図2のA−A矢視断面図である。 【図4】本発明および比較例の性能を説明する図であ
る。 【図5】図4に係る実験例の全体構成図である。 【図6】実施例の要部断面図である。 【図7】図6のB−B矢視断面図である。 【符号の説明】 1 電動モータ 3、40 減速装置 5 第1部材 12 第2部材 20 前段減速機 21 後段減速機 28 内歯歯車 29 外歯歯車 30 クランク軸
置の全体概略説明図である。 【図2】図1の減速装置の一部断面図である。 【図3】図2のA−A矢視断面図である。 【図4】本発明および比較例の性能を説明する図であ
る。 【図5】図4に係る実験例の全体構成図である。 【図6】実施例の要部断面図である。 【図7】図6のB−B矢視断面図である。 【符号の説明】 1 電動モータ 3、40 減速装置 5 第1部材 12 第2部材 20 前段減速機 21 後段減速機 28 内歯歯車 29 外歯歯車 30 クランク軸
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フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名)
B25J 17/00
F16H 1/32
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 1.第1部材と、第1部材の先端部に回動自在に支持さ
れた第2部材と、第1部材の先端部に配置された電動モ
ータと、第1部材の先端部に取り付き、電動モータ回転
数を減速し、その回転を第2部材に伝達する減速装置
と、からなる産業ロボットの関節装置において、 A.前記減速装置が (1)前記電動モータの回転数を減速する前段減速機
と、 (2)該前段減速機の出力回転数を減速する後段減速機
と、を有し(3)前記前段減速機の減速比および前記後段減速機の
減速比で前記減速装置の総減速比が与えられ、該総減速
比が遊星歯車装置単体で実在する減速比の範囲内に設定
され、 B.前記前段減速機が (1)電動モータの出力回転軸に嵌着するスリーブ部と
該スリーブ部の先端に一体的に設けられた入力歯車とか
らなる入力回転軸と、 (2)該入力歯車に噛み合う複数の出力歯車と、 を有する平行軸型歯車装置からなり、 C.前記後段減速機が (1)前記出力歯車にそれぞれ結合されるクランク軸
と、 (2)各クランク軸に係合して偏心揺動させられ、中心
部に貫通孔を有する外歯歯車と、 (3)該外歯歯車に噛み合う内歯歯車を有するととも
に、第1部材に取り付けられる筒体と、 (4)各クランク軸を軸受を介して回転自在に支持する
とともに、中心部に中央孔、および、第2部材への取付
端面を有する支持体と、 を有する偏心揺動型遊星歯車装置からなり、 D.電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型歯車装置の
筒体または支持体の回転軸線とを同一軸線上に配し、 E.入力歯車および出力歯車を外歯歯車よりも反電動モ
ータ側に、支持体の取付端面よりも電動モータ側に配置
し、 F.(1)前記入力回転軸の入力歯車部の外径をスリー
ブ部の外径より小とし、前記偏心揺動型遊星歯車装置の
支持体の中央孔の内径をスリーブ部の外径より大とし
て、 (2)電動モータの出力回転軸に入力回転軸のスリーブ
部を嵌着し、締結部材により固定して、 (3)入力歯車を前記外歯歯車の貫通孔を通して出力歯
車と噛み合わせるとともに、スリーブ部の先端部が筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れたことを特徴とするものである。 2.前記支持体の取付端面が前記筒体の反電動モータ側
端面より反電動モータ側に位置していることを特徴とす
る請求項1記載の産業ロボットの関節装置。 3.前記前段減速機の減速比を1/2〜1/5、前記後
段減速比を1/25〜1/60の範囲内でそれぞれ設定
することにより、前記総減速比を満足するようにしたこ
とを特徴とする請求項1記載の産業ロボットの関節装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9076598A JP2841060B2 (ja) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | 産業ロボットの関節装置 |
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