JP3765393B2

JP3765393B2 - 多関節ロボットの減速装置

Info

Publication number: JP3765393B2
Application number: JP2001068103A
Authority: JP
Inventors: 雅幸掃部; 哲也久保田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-03-12
Also published as: JP2002264068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーム姿勢や搬送物の重量に依らず、ロボットが制御系にとって好ましい負荷となるように設計された二段以上の減速機構を備えた多関節ロボットの減速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動ロボットの関節は、モータ＋減速機＋アームの組み合わせで構成されている。モータ軸の慣性モーメントとモータ軸に固定された減速機の入力側の慣性モーメントの合計値をＪ_M、減速機の減速比をＲ_G、関節軸回りのアームの慣性モーメントをＪ_Aとすると、Ｊ_A／（Ｊ_MＲ_G ²）は慣性比と呼ばれている。
小型のモータであっても、減速比Ｒ_Gが大きな減速機を用いれば、原理的にはいくらでも大型のアームを駆動させることができる。しかし、制御性能の点からは、経験的に慣性比は３〜１０、理論的には４が良いとされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
つまり、ロボットの設計においては、慣性比を３〜１０に抑え、できるだけ４に近くすれば、制御効果を十分に引き上げることができる。しかし、ロボットアームは動作中姿勢を変化するため関節軸に作用する慣性（イナーシャ）が変化し、また、ペイロード等の搬送物の重量や慣性モーメントによっても関節軸に作用する慣性が変化する。近年では、産業用ロボットは、動作範囲の拡大傾向、可搬重量の増大傾向にあり、機械系の設計において慣性比を常に３〜１０に抑えることは、実用上不可能であると言える。
【０００４】
例えば、特開昭５８−１３７５７７号公報には、産業用ロボットの慣性比をある範囲に抑える機構が開示されている。この技術では、慣性比を調整する手段として、リンクの取り付け位置が変更可能な機構を採用し、モータからアームまでの減速比を変化させている。しかし、このように、リンクの付加機構により慣性比を調節するとなると、ロボットが大型化し、コストが増大する。また、この方法では、負荷の重量に応じた慣性比の補償は可能となるが、動作中のアームの姿勢変化による慣性比の補償は、事実上不可能である。
【０００５】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、アーム姿勢、ペイロード等の搬送物の重量に依らず、各関節の慣性比を望ましい範囲に抑えることができる減速機構を備えた多関節ロボットの減速装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の多関節ロボットの減速装置は、多関節ロボットにおけるモータとアームの間に組み付ける減速機が、アームの姿勢及び搬送物の重量に依らず、各関節の慣性比を常に望ましい範囲に収めて、ロボットの制御系にとって好ましい負荷となるように設計された二段減速機構を備えた構成としている。
【０００７】
すなわち、モータとアームの間に組み付ける減速機に、モータ側要素の慣性モーメントをＪ_R1、中間部要素の慣性モーメントをＪ_R2、一段目減速比をＲ_G1、二段目減速比をＲ_G2とする二段減速機構を採用する（図１参照）。ただし、Ｊ_R1、Ｊ_R2、Ｒ_G1、Ｒ_G2には、以下の数１に示す（１）式の関係がある。
【０００８】
【数１】

【０００９】
ここで、Ｊ_Amin、Ｊ_Amaxはアームイナーシャの最小値、最大値、Ｊ_Mはモータ回転軸の慣性モーメント、Ｒ_Gはモータからアームへの全体減速比、Ｎ_minは慣性比で４以下の３近傍の値、Ｎ_maxは慣性比で４以上の１０近傍の値である。一般には、アームイナーシャがＪ_Aminのとき、荷重（図１では、ペイロード）は取り付けられておらず、アームイナーシャがＪ_Amaxのとき、許容最大重量の荷重（ペイロード）が取り付けられている。さらに、一段目の減速機よりも、二段目の減速機の剛性は高くなるようにする。
そのような二段減速機を用いた場合の慣性比は、以下の数２に示す式で求められる。
【００１０】
【数２】

【００１１】
よって、慣性比の変化範囲は、
Ｊ_A＝Ｊ_Aminのとき、Ｎ＝Ｎ_min
Ｊ_A＝Ｊ_Amaxのとき、Ｎ＝Ｎ_max
となり、ペイロードを交換したり、アームが大きく姿勢を変えても、慣性比は望ましい値の範囲に収まることになる。
Ｊ_Amax、Ｊ_Amin、Ｊ_M、Ｒ_Gは、上流工程の設計で決定されるため、それらの値によっては、Ｒ_G1、Ｒ_G2が１以下になることもある。その場合には、二段のうち一段は増速機構になる。
【００１２】
また、モータとアームの間に組み付ける減速機に、上述した二段減速機構と同じ意図に基づく三段減速機構を採用することができ、この場合は、以下の数３に示す（２）式の条件を満たす必要がある。
【００１３】
【数３】

【００１４】
また、モータとアームの間に組み付ける減速機に、上述した二段減速機構と同じ意図に基づく四段以上の多段減速機構を採用することも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
上述した設計法に基づき、図２に示すスカラーロボットのジョイント１の減速機を設計する。設計仕様は以下のように定められている。
ジョイント１回りの慣性モーメントの最大値（アーム最伸、最大負荷）
Ｊ_Amax＝２６．９９ [kg・m²]
ジョイント１回りの慣性モーメントの最小値（アーム最縮、無負荷）
Ｊ_Amin＝２．７３５ [kg・m²]
モータ軸の慣性モーメント
Ｊ_M＝３．２０×１０^-6 [kg・m²]
全体減速比
Ｒ_G＝６００ [-] 程度
【００１６】
この仕様から、単に全体減速比だけを見て、減速機を設計してしまうと、慣性比Ｊ_A／（Ｊ_MＲ_G ²）は最小で２．３、最大で２３程度となり、非常に制御のしにくい機械系となる。そこで、本発明による設計法の流れで、減速機を設計する。
まず、上記の数１に示す（１）式を用いて、二段減速機の設計値の拘束条件を以下のように得る。
Ｊ_R1＝６．４２５×１０^-6，Ｒ_G1 ²＝４．７０００×１０⁴Ｊ_R2，
Ｒ_G1Ｒ_G2＝６００
ここで、アーム全体のサイズを考慮して、Ｊ_R2を以下の範囲で選択し、その際のＲ_G1、Ｒ_G2を得る。
Ｊ_R2＝１．０〜３．０×１０^-4，Ｒ_G1＝２．１６７〜３．７５５，
Ｒ_G2＝２７６．９〜１５９．８
【００１７】
この場合、一段目減速比は小さく、二段目減速比が高いので、一例として、一段目の減速機構には歯車対、二段目の減速機構にはハーモニック減速機を採用する。これらの仕様に当てはまるよう、減速機構の部品として以下のものを選択した。

この結果、全体減速比はＲ_G＝（９６／２５）×１６０＝６１４．４となる。
【００１８】
Ｒ_G＝６１４．４、Ｒ_G1＝３．８４として、もう一度上記の数１に示す（１）式に代入して以下を得る。
Ｊ_R1＝６．４２５×１０^-6，Ｊ_R2＝２．９９２×１０^-4
歯車とハーモニックギアの慣性モーメントを考えると、一段目減速機ではΔＪ_R1＝５．０２×１０^-6、二段目減速機ではΔＪ_R2＝４．１９×１０^-5分慣性モーメントが足りない。この不足分は、例えば、フライホイールを取り付けることで補えばよい。このようにして、減速機を設計した結果、アームの姿勢や負荷の重さがどのように変化しても、このロボットの慣性比は常に３〜１０に収まることになる（図３参照）。よって、制御系の設計が非常に容易なロボットが実現できる。
【００１９】
図４は、上記のようにして設計した二段減速装置１０をモータ１２とアーム１４の間に組み付けた構成の一例を示している。一段目減速機１６は平歯車１８、２０からなり、シャフト２２を介して二段目減速機であるハーモニック減速機２４が取り付けられている。平歯車１８、シャフト２２には、慣性モーメントの不足分を補うためのフライホイール２６、２８が取り付けられている。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１）多関節ロボットの減速機構を、本発明のように、二段、または、それ以上にし、そして、それぞれの減速機の設計値を本発明で示した拘束条件に従い決定すれば、アームの姿勢や負荷の重さがどのように変化しても、各関節の慣性比を常に望ましい範囲に抑えることができる。よって、制御系設計に負担の少ない、高性能なロボットを実現できる。
（２）大型の付帯機構を必要とせず、ロボットの動作中も常に、制御系にとって好ましい負荷となるように慣性比が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多関節ロボットの減速装置における二段減速機構の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の第１形態における多関節ロボットの一例（スカラーロボット）を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施の第１形態における二段減速機における慣性比Ｎを従来の減速機との比較で示したグラフである。
【図４】本発明の実施の第１形態における二段減速装置をモータとアームの間に組み付けた構成の一例を示す断面構成説明図である。
【符号の説明】
１０二段減速装置
１２モータ
１４アーム
１６一段目減速機
１８、２０平歯車
２２シャフト
２４ハーモニック減速機（二段目減速機）
２６、２８フライホイール

Claims

多関節ロボットにおける二段減速装置をモータとアームの間に組み付けた構成とし、一段目減速機が平歯車からなり、シャフトを介して二段目減速機が取り付けられ、平歯車、シャフトに慣性モーメントの不足分を補うためのフライホイールが取り付けられた二段減速装置が、アームの姿勢及び搬送物の重量に依らず、各関節の慣性比を３〜１０の範囲に収めて、ロボットの制御系にとって好ましい負荷となるように、下記の数１に示す（１）式を用いて得た減速機の設計値の拘束条件に従い設計された二段減速機構を備えたことを特徴とする多関節ロボットの減速装置。

（Ｊ _R1 ：モータ側要素の慣性モーメント、Ｊ _R2 ：中間部要素の慣性モーメント、Ｒ _G1 ：一段目減速比、Ｒ _G2 ：二段目減速比、Ｊ _Amin ：アームイナーシャの最小値、Ｊ _Amax ：アームイナーシャの最大値、Ｊ _M ：モータ回転軸の慣性モーメント、Ｒ _G ：モータからアームへの全体減速比、Ｎ _min ：慣性比で４以下の３近傍の値、Ｎ _max ：慣性比で４以上の１０近傍の値）