JP3046958B2 - 偏心揺動型遊星歯車減速装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、偏心揺動型遊星歯
車減速装置、特に産業ロボットの関節駆動用として好適
な偏心揺動型遊星歯車減速装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】内歯歯車を有する筒体、該内歯歯車に噛
み合うと共に複数の貫通孔が形成された外歯歯車、該外
歯歯車に係合してこれを偏心揺動させるカム軸、及び該
カム軸を回転自在に支持する支持体を備え、該支持体が
前記外歯歯車の前記複数の貫通孔に遊嵌された複数の柱
部、並びに該柱部の両端部を一体的に結合する一対の端
板を有する偏心揺動型遊星歯車減速装置は、例えば特開
昭５７−１６３７５２号公報にあるように公知である。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の偏心揺動型遊星歯車減速装置は、固定部材お
よび被駆動部材（例えば産業ロボットの関節装置で言え
ば、固定部材としての第１アームおよび被駆動部材とし
ての第２アーム）へのコンパクトで簡便な取付けが配慮
されていなかった。また、偏心揺動型遊星歯車装置を固
定部材および被駆動部材に取付けるに当たって、一方向
側と、それとは反対の他方向側との両方向からボルトで
固定することしかできなかった。従って、偏心揺動型遊
星歯車減速装置、特に伝達トルクの大きい大外径の偏心
揺動型遊星歯車減速装置を固定部材および被駆動部材に
取付けるに当たり、特にそれら部材が接近して配置され
た個所に取付ける場合、手数がかかり面倒であるという
問題があった。 【０００４】本発明は、上記のような問題に鑑み、固定
部材および被駆動部材に一方向側から容易に取付けられ
る偏心揺動型遊星歯車減速装置を提供することを目的と
する。 【０００５】 【課題を解決するための手段】このような目的は、「外
歯歯車を偏心揺動させるカム軸を支持する支持体を、内
歯歯車を有する筒体により囲周し、支持体を構成する一
対の端板の一方の端板に部材取付用平端面を設け、か
つ、該部材取付用平坦面より第１のボルトのねじ部が突
出できるよう、上記一対の端板を結合する柱部の軸線上
で支持体に設けられた第１ボルト取付孔と、内歯歯車を
有する筒体における上記部材取付用平坦面の側にボルト
のねじ部が突出できるよう、筒体に設けられた第２のボ
ルト取付孔と、を有する偏心揺動型遊星歯車減速装置」
により達成することができる。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る偏心揺動型遊
星歯車減速装置の一実施例を、産業ロボットの関節駆動
用減速装置として適用した場合について、図１、図２お
よび図３により説明する。まず、構成について説明す
る。図１は本発明に係る偏心揺動型遊星歯車減速装置を
関節駆動減速装置として用いた産業ロボットの制御系の
全体概略図である。１は産業ロボットの関節装置の駆動
源である電動モータであり、電動モータ１のフランジ２
は本発明に係る偏心揺動型遊星歯車減速装置を含む減速
装置３の筒体４の一端側開口面に固定されている。該一
端側開口面と平行で且つ筒体４の軸線とほぼ直交する筒
体４の他端側開口面は、ロボットの基幹側第１部材（固
定部材）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１の出力回転軸７は減速装置３の入
力回転軸（入力軸部材）８に連結され、減速装置３の出
力は被駆動部材としての軸１０に伝達され軸１０の先端
は円筒体１１の中心を貫通し、第２アーム１２に固定さ
れている。第２アーム１２の基部の筒状体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
ている。突出体１５の内周面と円筒体１１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１１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
してロボットの被駆動部すなわち第２アームを回動させ
る。 【０００７】減速装置３は図２及び図３に示すように、
前段減速手段としての第１段減速部２０と後段減速手段
としての第２段減速部２１（本発明の偏心揺動型遊星歯
車減速装置）とから構成され、ロボットの関節を駆動す
る電動モータ１の回転数を減速する第１段減速部２０
と、第１段減速部２０の出力軸に結合した第２段減速部
の入力軸であるカム軸２４を有し、第１段減速部の出力
回転数をさらに減速する第２段減速部２１と、を備えて
いる。第２段減速部２１は、内歯歯車２２を有する筒体
４、該内歯歯車２２に噛み合うと共に複数の貫通孔２５
が形成された外歯歯車２３、該外歯歯車２３に係合して
外歯歯車２３を偏心揺動させるカム軸２４、及び該カム
軸２４を軸受けを介して回転自在に支持する支持体２８
を備えた偏心揺動型遊星歯車減速装置である。上記支持
体２８は上記外歯歯車２３の複数の貫通孔２５に遊嵌さ
れた複数の柱部２９、並びに該柱部２９の両端部を一体
的に結合する一対の端板３０、４０を有している。 【０００８】上記支持体２８は、その外周のほとんどが
前記筒体４に囲われている。また、上記支持体２８に
は、上記一対の端板３０、４０の一方の端板３０に部材
取付用平坦面４１が設けられていると共に、該平坦面４
１より第１のボルト４４のねじ部が突出できるよう、上
記柱部２９の軸線上で第１のボルト取付孔３５が設けら
れている。上記筒体４には、該筒体４における上記平坦
面４１の側に位置した端面４２より第２のボルト４５の
ねじ部が突出できるよう、第２のボルト取付孔４３が設
けられている。上記支持体２８の部材取付用平坦面４１
は、被駆動部材としての軸１０への取付面となってい
る。また、上記筒体４における上記部材取付用平坦面４
１の側に位置した面４２は、固定部材としての第１アー
ム５への取付面となっている。さらに、上記筒体４にお
ける上記部材取付用端面４２と反対側に位置する面３７
は、駆動源としてのモータへの取付面となっている。内
歯歯車２２はピン歯２６を用いたピン歯車で構成され、
且つ外歯歯車２３の歯数より１つだけ多い歯数を有して
いる。また、第１段減速部２０は第２段減速部２１の入
力側に設けられ、第２段減速部２１の形式とはわざわざ
異なる形式の平行軸歯車装置である通常の平歯歯車３
８、３９により構成され、駆動源としての電動モータ１
の回転出力が入力回転軸８に入力されている。 【０００９】第１段減速部２０の減速比と第２段減速部
２１の減速比は電動モータ１の通常制御回転数範囲、こ
の実施例においては、ロボットの通常作業時、例えば溶
接ロボットに主作業たる溶接作業を行わしめる時のモー
タ回転数の範囲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、第２段減速部２１との共振が起き
ないように選択している。共振が起きないようにすると
いうことは、かかるモータ回転数範囲においては、ロボ
ットに振動のない正確な軌跡を要する所定作業を行わし
めることができるようにするということである。この実
施例においては、図４に示すように電動モータ１は０〜
２０００rpmの回転能力範囲を有するが、その範囲のう
ち、通常制御回転数範囲を０〜１０００ｒｐｍとし、そ
の回転数範囲において駆動系に共振が起きないように
（具体的には、後述する実験例から理解できる通り、毎
秒当たりの上記モータ回転数範囲において、第２段（後
段）減速部２１の加振周波数が上記固有振動数を超えな
いように）第１段（前段）減速部２０の減速比が１／２
〜１／５の範囲で選択される。また、そのように選択し
た減速比と、第２段（後段）減速部２１の減速比１／２
５〜１／６０とにより、減速比（総減速比）１／５０〜
１／３００を満足することができる。この総減速比１／
５０〜１／３００は遊星歯車装置単体の実在する減速比
範囲内であり、本実施例では、その総減速比が１／１２
０になるように選択している。遊星歯車装置が単体で取
りうる減速比は、実在物としての上限が１／３２０程
度、下限が１／１０程度である。本実施例における総減
速比１／１２０はそのような遊星歯車装置単体の実在す
る減速比の範囲内にある。 【００１０】ここに、総減速比を本実施例のように１／
１２０程度に設定する場合、前段減速機２０の減速比ｉ
１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、構造の簡単な平行軸減速機を前段減速機２０に
採用することによっては総減速比を１／１２０程度より
も大きくす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、同様の場合、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を超えると、共振を防止できるロボットの作業
速度範囲が狭くなる。第２アーム１２の軸１０を中心と
したねじりのバネ定数は約３７．５ｋｇ・ｍ／分である
（ここに分とは１度の１／６０の角度のことである。） 【００１１】次に、作用について説明する。上記のよう
に構成した減速装置３においては、偏心揺動型遊星歯車
減速装置（第２段減速部２１）の支持体２８の一方の端
板３０に部材取付用平坦面４１を設け、かつ、該平坦面
４１より第1のボルト４４のねじ部が突出できるよう支
持体２８の柱部２９の軸線上で支持体２８に設けられた
第１のボルト取付孔３５と、筒体４における上記平坦面
４１の側に位置した端面４２より第２のボルト４５のね
じ部が突出できるよう筒体４に設けられた第２のボルト
取付孔４３と、を有している。 したがって、支持体２
８と筒体４をこれらに対向する取付部材（被駆動部材と
しての軸１０と固定部材としての第１アーム５）に取付
けるに際し、支持体２８と筒体４を第１および第２のボ
ルト４４、４５により、同じ側から（支持体側および筒
体側から）、上記取付部材（軸１０と第１アーム５）に
それぞれねじ締め結合することができる。したがって、
偏心揺動型遊星歯車減速装置を、同じ方向から第１アー
ム５および軸１０に容易に取付けたり取外したりするこ
とができる。しかも、かかる偏心揺動型遊星歯車減速装
置は、支持体２８のほとんどが筒体４に囲われているの
で、全体の外形がほぼ円盤形状でコンパクトになるた
め、軽量で取扱いが容易となるだけでなく、狭い場所で
の取付けや取外しが容易となる。また、支持体２８の一
方の端板３０の部材取付用平坦面４１は半径の大きな取
付面とすることができるため、該取付面におけるトルク
伝達能力（摩擦力と半径との積の積分値）を大きくする
ことができる。つまり、第１のボルト４４による支持体
２８と軸１０との締結を強力なものとすることができ
る。 【００１２】実施例において、ロボットの第２アーム１
２を回動する場合、電動モータ１の回転数は減速装置３
でほぼ１／１２０に減速され、出力軸１０は第２アーム
１２の出力軸１０を中心軸として回動を始める。減速装
置３は、図２に示すように、第１段（前段）減速部２０
と第２段（後段）減速部２１とを構成しており、かつ、
第１段減速部（平行軸歯車装置）２０の減速比は１／３
および第２段減速部２１（遊星歯車装置）の減速比は１
／４０として、第１段減速部２０を設けることにより、
第２段減速部２１自体による加振周波数と第２アーム１
２の回動部近辺の固有振動数が一致するときの電動モー
タ回転数を高くし、かつ、電動モータ１の通常制御回転
数の範囲外としている。したがって、第２段減速部２１
と第２アームとの間で実質的に有害となるような共振は
通常回転数の範囲（０〜１０００ｒｐｍ）では起きな
い。第１段減速部２０を設けることにより、減速装置３
は部品数および重量は増加すると考えられるが、第１段
減速部２０を設けることにより、第２段減速部２１が小
型となり、また、第１段減速部２０は減速比は小さく、
簡単でよい。したがって、減速装置３の全体の部品数お
よび重量はそれほど増加しない。また、第１段減速部２
０を設けることによりバックラッシュが大きくなるが、
部品数は少なく、バックラッシュの増加量は最小限に留
めることができる。また、第１段減速部２０のバックラ
ッシュは第２段減速部２１によって第２段減速部２１の
減速比と同じ比率で縮小され実用上は殆ど問題とならな
い。 【００１３】（実験例）次に、減速装置の種類を変えた
場合、減速装置とロボットとの共振の発生状態について
実験した。表１において、比較した減速装置は前述の実
施例の減速装置の他に比較例１〜３に示す減速装置であ
る。ただし、前述の実施例を含め偏心揺動型の遊星歯車
装置は、クランク軸および外歯歯車の揺動によるアンバ
ランスを防ぐため、実開昭５９−１２７９５１号公報に
開示されているように外歯歯車を２枚とし、これらを１
８０度の位相差をもって組付けたもので、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。また、調和歯車装置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ｉ１ 、ｉ２ 、ねじりばね
定数Ｋ１ 、および慣性モーメントＪは表に示してあ
る。 【００１４】 実施例 比較例１ 比較例２ 比較例３ （注１） 平歯歯車減 平歯歯車減 遊星歯車 調和歯車 減速装置の種類 速および遊 速および遊 減速 減速 星歯車減速 星歯車減速 減速段数 ２段 ２段 １段 １段 減速比 前段ｉ１ １／３ １／１．５ １／１２０ １／１２０ 後段ｉ２ １／４０ １／８０ − − 総減速比 ｉ １／１２０ １／１２０ １／１２０ １／１２０ ねじりばね定数 Ｋ１（ｋｇ・ｍ／分） ３７．５ ３７．５ ２２ １７．４ 慣性モーメント Ｊ(ｋｇｆ・ｃｍ・Ｓ²) ２０００ ２０００ ２０００ ２０００ 共振ピーク点の電動モ ータの回転数(ｒｐｍ) １５００ ７５０ ５００ ２５０ 図４における表示 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ （注１）：遊星歯車減速は偏心揺動型の遊星歯車減速装置を、平歯歯車減速 は平行軸型の平歯歯車列装置を表す。 【００１５】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３１の出力軸３１ａ
に減速装置３２を取付け、減速装置３２の出力軸３２ａ
にロボットの被駆動部（第２アーム）の慣性モーメント
に相当する慣性負荷としてフライホイール３３が取付け
られた。ロボットの第２アームの長さに相当するフライ
ホイール側面３３ａ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３４を取り付ける。この加速度ピックアップ
３４の出力はインジケータ３６に連結されている。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、および振幅を測定した。測定はフラ
イホイール３３が低速度で約１回転する範囲で行った。
測定結果は図４に示す。横軸は電動サーボモータ３１の
回転数（すなわち、減速装置３２の入力軸の回転数）で
あり、縦軸はフライホイール３３の加速度ピックアップ
３４に現れる円周方向の加速度（すなわち、振動）の大
きさ（単位、Ｇ）を示す。 【００１６】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３１の回転
数において、７５０ｒｐｍ、５００ｒｐｍおよび２５０
ｒｐｍのときであり、電動モータ３１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、前述の説明のように、共振ピークが生じ
る時の電動モータ回転数は極めて高く、１５００ｒｐｍ
となっており、このポイントで最も大きな振動が生じ
る。表の実施例と比較例１において、慣性モーメントＪ
およびねじりばね定数Ｋ１は殆ど同じであるが、負荷に
共振現象が生じる時の電動モータの回転数に大きな差異
があり、その差は第１段減速比に反比例している。この
理由は、そのような共振現象の主因となる加振力が第１
段減速部ではなく第２段減速部に生じ、その加振周波数
と負荷の固有ねじり振動数が一致したときに共振が起き
るためと考えられる。以上より、振動を起こさせたくな
い所定作業を行うときのモータ回転数の範囲で共振を防
ぐためには、該所定作業時における毎秒当たりモータ回
転数範囲において、偏心揺動型遊星歯車装置の加振周波
数が、上記モータ回転数範囲に含まれる当該関節駆動系
固有振動数を超えないように、平行軸歯車装置の減速比
を設定することであることが分かる。 【００１７】上述した実施例によれば、減速装置３は、
固定部材（第１アーム５）および被駆動部材（軸１０）
への取付けや取外しが容易となる等だけでなく次の効果
を奏する。つまり、上述した実施例の減速装置３によれ
ば、総減速比が遊星歯車装置の実在する減速比の範囲内
の１／５０〜１／３００であり、かつ、ロボットに所定
作業を行なわしめるときの毎秒当たりのモータ回転数範
囲に当該駆動系の固有振動数を含む産業ロボットの関節
駆動用減速装置において、偏心揺動型遊星歯車装置の入
力側にわざわざ前段減速手段としての平行軸歯車装置を
設け、該偏心揺動型遊星歯車装置の減速比を１／２５〜
１／６０とし、上記平行軸歯車装置の減速比の値を、上
記モータ回転数範囲において上記偏心揺動型遊星歯車装
置の加振周波数が上記固有振動数を超えない値とすると
共に上記減速比１／２５〜１／６０とにより上記総減速
比１／５０〜１／３００を満足する値としているので、
この減速装置３をロボットの関節駆動に用いた場合に、
上記モータ回転数範囲での共振を防止することができ
る。また、産業ロボット用減速装置として多用される総
減速比１／５０〜１／３００を満足する場合の平行軸歯
車装置の減速比を１／５より大きくならない値としてい
るので、前段減速手段である平行軸減速機を簡単な構造
のものとすることができ、平行軸歯車装置の減速比を１
／２より小さくならない値としているので、共振を防止
できる範囲を広く確保することができる。 【００１８】 【発明の効果】本発明によれば、支持体の一方の端板に
部材取付用平端面を設け、かつ、該部材取付用平坦面よ
り第１のボルトのねじ部が突出できるよう支持体の柱部
の軸線上で支持体に設けられた第１のボルト取付孔と、
筒体における上記部材取付用平坦面の側に第２のボルト
のねじ部が突出できるよう筒体に設けられた第２のボル
ト取付孔と、を有している。したがって、支持体と筒体
をこれらに対向する取付部材（固定部材と被駆動部材）
に取付けるに際し、支持体と筒体を第１および第２のボ
ルトにより、同じ側から（支持体側および筒体側か
ら）、上記取付部材（固定部材と被駆動部材）にそれぞ
れねじ締め結合することができる。したがって、偏心揺
動型遊星歯車減速装置を、同じ方向から固定部材および
被駆動部に容易に取付けたり取外したりすることができ
る。しかも、かかる偏心揺動型遊星歯車減速装置は、支
持体のほとんどが筒体に囲われているので、全体の外形
がほぼ円盤形状でコンパクトになるため、軽量で取扱い
が容易となるだけでなく、狭い場所での取付けや取外し
が容易となる。また、支持体の一方の端板の部材取付用
平端面は半径の大きな取付面とすることができるため、
該取付面におけるトルク伝達能力（摩擦力と半径との積
の積分値）を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る偏心揺動型遊星歯車減速装置を適
用した産業ロボットの関節駆動用減速装置の一実施例の
全体概略説明図である。 【図２】図１の要部断面図である。 【図３】図２のＡ−Ａ矢視断面図である。 【図４】本発明に係る偏心揺動型遊星歯車減速装置を適
用した産業ロボットの関節駆動用減速装置の実施例およ
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。 【符号の説明】 １ 電動モータ ３ 減速装置 ４ 筒体 ２０ 第１段減速部（前段減速手段） ２１ 第２段減速部（後段減速手段、偏心揺動型遊星歯
車減速装置） ２２ 内歯歯車 ２３ 外歯歯車 ２４ カム軸 ２５ 貫通孔 ２８ 支持体 ２９ 柱部 ３０、４０ 一対の端板 ３５ 第１のボルト取付孔 ４１ 部材取付用平端面 ４３ 第２のボルト取付孔 ４４ 第１のボルト ４５ 第２のボルト

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16H 1/32 B25J 17/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．内歯歯車を有する筒体、前記内歯歯車に噛み合うと
   共に複数の貫通孔が形成された外歯歯車、該外歯歯車に
   係合してこれを偏心揺動させるカム軸、及び該カム軸を
   回転自在に支持する支持体を備え、該支持体が前記外歯
   歯車の前記複数の貫通孔に遊嵌された複数の柱部、並び
   に該柱部の両端部を一体的に結合する一対の端板を有す
   る偏心揺動型遊星歯車減速装置において、 前記支持体を前記筒体により囲周し、前記一対の端板の
   一方の端板に部材取付用平端面を設け、かつ、該部材取
   付用平坦面より第１のボルトのねじ部が突出できるよう
   前記柱部の軸線上で前記支持体に設けられた第１のボル
   ト取付孔と、前記筒体における前記部材取付用平坦面の
   側に第２のボルトのねじ部が突出できるよう前記筒体に
   設けられた第２のボルト取付孔と、を有することを特徴
   とする偏心揺動型遊星歯車減速装置。