JP5697356B2 - 波動歯車装置及びロボットアーム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る波動歯車装置の概略構成を示す模式図である。また、図2は、図1に示すII−II線に沿う概略断面図である。以下、波動歯車減速機の構成について説明する。図1に示すように、波動歯車装置50は、1つの電動モータ51と、波動歯車減速機52と、からなり、波動歯車減速機52に電動モータ51が組み込まれて一体に構成されている。この電動モータ51は、ブラシレスDCモータである。
T:減速機にかかるトルク、R:可撓性歯車の半径、F:可撓性歯車の外歯にかかる力(F=T/R)、G:可撓性歯車の横弾性係数、E:可撓性歯車の縦弾性係数、ν:可撓性歯車のポワソン比、a:可撓性歯車の薄肉円筒部の厚さ。また、b:可撓性歯車の歯幅、c:可撓性歯車の歯高、L:可撓性歯車の幅(外歯の長さ)、n:噛み合う歯の数。
まず、外径2(R+a)、内径2R、長さ3L/8の円管のねじり剛性を考え、両側にあるのでその2倍が薄肉円筒部の剛性Knew1となる。
可撓性歯車1の外歯は、間隔3L/4の単純支持梁の曲げの問題なので、外力をF、変位をxとすると、次式の関係がある。
外径2(R+a)、内径2R、長さL/2の円管のねじり角度は材料力学から計算でき、剛性Kold1は次のように書ける。
フレクスプライン113の外歯は接触している2つのサーキュラスプライン111,112の内歯から力を受ける。フレクスプライン113の外歯を単純支持された長さL/2の梁と考えると、フレクスプライン113にかかる2つの力は異なる作用線上なので、この力に対する抗力は発生しない。従って減速機の剛性に寄与しない。
次に、第2実施形態に係る波動歯車装置について説明する。本第2実施形態では、上記第1実施形態と波動歯車減速機の構成が異なるものである。図5は、本発明の第2実施形態に係る波動歯車装置の概略構成を示す模式図である。なお、本第2実施形態において、上記第1実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図5に示すように、波動歯車装置50Aは、所謂サーキュラスプラインとなる外輪部材3Aを備えている。この外輪部材3Aは、筒状(本実施形態では円筒状)の外輪部30aと、外輪部30aの内側に突設され、内周に内歯が形成された環状(本実施形態では円環状)の内歯車30bとを有する。外輪部材3Aは、剛体で形成されている。この外輪部材3Aは、回転軸心(図5中、二点鎖線zであるz軸)を中心に回転する回転出力用のものであり、入力、即ち電動モータ51の回転を減速して出力する。
次に、第3実施形態に係る波動歯車装置について説明する。本第3実施形態では、上記第2実施形態における可撓性歯車の変形部の構成が異なるものであり、その他の構成は上記第2実施形態と同じである。図7は、本発明の第3実施形態に係る波動歯車装置の可撓性歯車の説明図であり、図7(a)は、可撓性歯車の部分模式図、図7(b)は、可撓性歯車の展開図である。この図7に示すように、可撓性歯車1Bの変形部16a,16bは、外歯車1aとフランジ部15a,15bとを繋ぐ薄肉の板状部材であり、この板状部分に可撓性歯車1Bの周方向(矢印C方向)に延びる複数のスリット22a〜22eが形成されている。これら複数のスリット22a〜22eは、貫通孔である。各スリット22a〜22eは、各変形部16a,16bにおいて、周方向C及び半径方向rに直交する方向(外歯車1aの外歯の長さ方向と平行な方向)に千鳥状に配置して形成されている。
次に、第4実施形態に係る波動歯車装置について説明する。本第4実施形態では、上記第1〜第3実施形態における波動歯車装置の電動モータの組み込み構造が異なるものである。すなわち、上記第1〜第3実施形態では、電動モータを一対の固定用プレートの間に配置しているが、本第4実施形態では、電動モータを、一対の固定用プレート外側に配置している。図9は、本発明の第4実施形態に係る波動歯車装置の概略構成を示す模式図である。なお、上記第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
次に、第5実施形態に係る波動歯車装置について説明する。本第5実施形態では、電動モータの回転力をカム部材に伝達する伝達機構が上記第1〜第4(特に第4)実施形態と異なるものである。つまり、上記第4実施形態では、電動モータの回転軸に取り付けた歯車の回転力を直接カム部材の内歯車に伝達する機構について説明したが、本第5実施形態では、遊星歯車機構を用いた場合について説明する。図10は、本発明の第5実施形態に係る波動歯車装置の概略構成を示す模式図である。なお、上記第4実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
各遊星歯車24は、回転軸20に固定されている。そして、遊星歯車24が固定された回転軸20が固定用プレート40a,40bに太陽歯車25に対して公転不能に支持され、且つ、固定用プレート40a,40bに自転可能に軸受け21a,21bを介して支持されている。つまり、電動モータ53の回転力が太陽歯車25及び遊星歯車24を介してカム部材10Bに伝達され、カム部材10Bが回転することとなる。
次に、第6実施形態に係る波動歯車装置を備えたロボットアームについて説明する。本第6実施形態のロボットアームは、上記第1〜第5実施形態のいずれかの波動歯車装置を備えている。図11に、ロボットアーム80の概略構成を示す。ロボットアーム80は、複数のリンク81〜87を備え、隣接する一対リンク同士を連結する関節部91〜96に上記第1〜第5実施形態で説明したいずれかの波動歯車装置が配置される。つまり、関節部の構成に応じて上記第1〜第5実施形態のいずれかの波動歯車装置を適用すればよい。このロボットアーム80は、産業用途として多用されているロボットの例である。なお、図11中、J1〜J6は、各関節部91〜96におけるリンク81〜87の回転方向であり、リンク81〜87は、直列につながっている。従って各関節部の波動歯車装置の波動歯車減速機の剛性も直列に繋がるため、ロボット先端での剛性は低くなりやすい。特にロボットの根元に近い関節部91,92には高い剛性が必要である。ロボット先端部からの距離が長いため、同じ大きさの外乱力でも根元の関節部91,92、特に関節部91にとっては大きな外乱トルクになるからである。
2a,2b 第2の内歯車
3,3A 外輪部材
3a 外輪部
3b 第1の内歯車
4a,4b,40a,40b 固定用プレート
5 シャフト(連結部材)
10,10B カム部材
15a,15b フランジ部
16a,16b 変形部
22a〜22e スリット
24 遊星歯車
25 太陽歯車
30a 外輪部
30b 内歯車
40c 連結部材
50,50A,50B,50C 波動歯車装置
51 電動モータ
51a 固定子
51b 回転子
53 電動モータ
54 回転軸
55 歯車
80 ロボットアーム
81〜87 リンク
91〜96 関節部
Claims (8)
- 電動モータと、
筒状の外輪部、及び前記外輪部の内側に突設され、内周に内歯が形成された内歯車を有する回転出力用の外輪部材と、
前記内歯車と異なる歯数の外歯が外周に形成され、前記内歯車の内側に配置された筒状の外歯車、及び前記外歯車の両端側に配置された一対の筒状のフランジ部を有する可撓性部材で形成された可撓性歯車と、
前記可撓性歯車の内側に配置され、前記可撓性歯車を半径方向の外側に撓ませて、前記外歯車を前記内歯車に部分的に噛合させ、前記電動モータの回転力が伝達されて回転することにより、噛合位置を周方向に移動させて、前記内歯車と前記外歯車との間に相対回転を生じさせる筒状のカム部材と、
前記一対のフランジ部のうち対応するフランジ部がそれぞれ固定された一対の固定用プレートと、
前記カム部材を貫通して前記一対の固定用プレートを連結した連結部材と、を備え、
前記可撓性歯車は、前記外歯車と前記各フランジ部との間に形成され、前記カム部材の押圧により前記外歯車が半径方向の外側に突出するよう変形する一対の変形部を有することを特徴とする波動歯車装置。 - 前記可撓性歯車は、前記可撓性歯車の前記一対の変形部が前記外歯に対して面対称に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の波動歯車装置。
- 前記変形部は、前記外歯車と前記フランジ部とを繋ぐ板状部分に形成された前記可撓性歯車の周方向に延びる少なくとも1条のスリットにより形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の波動歯車装置。
- 前記変形部は、前記外歯車と前記フランジ部とを繋ぐ板状部分に形成された前記可撓性歯車の周方向に旋回して軸方向に延びる少なくとも1条の螺旋状のスリットにより形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の波動歯車装置。
- 前記電動モータは、前記一対の固定用プレートの間に配置されて前記連結部材に固定された固定子と、前記一対の固定用プレートの間に配置されて前記カム部材の内周に固定され、前記カム部材と一体に回転する回転子と、を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の波動歯車装置。
- 前記電動モータは、前記一対の固定用プレートの外側に配置されて前記一対の固定用プレートのうち一方の固定用プレートに固定され、
前記電動モータの回転軸が、前記一方の固定用プレートを貫通して前記一対の固定用プレートの間に突出し、
前記カム部材の内周には、内歯が形成され、
前記回転軸には前記カム部材の内歯に噛合する歯車が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の波動歯車装置。 - 前記電動モータは、前記一対の固定用プレートの外側に配置されて前記一対の固定用プレートのうち一方の固定用プレートに固定され、
前記電動モータの回転軸が、前記一方の固定用プレートを貫通して前記一対の固定用プレートの間に突出し、
前記カム部材の内周には、内歯が形成され、
前記回転軸には、太陽歯車が設けられ、前記太陽歯車及び前記カム部材の内歯の間には、前記太陽歯車及び前記カム部材の内歯に噛合する複数の遊星歯車が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の波動歯車装置。 - 複数のリンクと、
前記複数のリンクのうち一対のリンクを連結する関節部に設けられ、前記一対のリンクのうち、一方のリンクに対して他方のリンクを回転させる請求項1乃至7のいずれか1項に記載の波動歯車装置と、を備えたことを特徴とするロボットアーム。
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