JPS62218087A - 産業ロボットの関節駆動用減速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は産業ロボット制御系の電動モータの回転数を減
速する減速装置に関する。

（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、アーム等の駆動系（あるいは制御系と
いう）には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：ｌｊｉ速装置とを
用いている。

また、産業ロボットに用いる減速装置は、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。

これらの要求を満たすために、従来の産業ロボットは１
段の減速で大減速比が得られ、また、累積バックラッシ
ュが小さく、さらに、小型軽量として減速装置が使用さ
れている。このような、従来の減速装置としては、例え
ば、特開昭５９−１９０５４１号公報に係る調和歯車装
置および特開昭５９−１０６７４４号公報に係る偏心揺
動型遊星差動歯車装置がある。

従来、ロボットの制御系においては、前記電動モータと
前記減速装置との組合せが用いられているが、例えば、
ロボットの本体の第１アームに前記電動サーボモータが
取付けられ、電動サーボモータの出力が、前記偏心揺動
型遊星差動歯車装置を介してロボットの第２アームに連
結される。

電動サーボモータの回転数は減速装置で大幅に減速され
、得られた低速高トルクの回転力を有する出力が第２ア
ームを回動し、作業する。一般に、ロボットアーム自体
は剛性が高いためその固有振動数は高い。しかしながら
、ロボット全体として見たとき、回動部近辺のロボット
固有振動数は一般に剛性の低い減速装置で決まり、減速
装置と同程度に低い。したがって、制御系全体の固有ね
じり振動数ｆ０は一般に数ヘルツと低くなり減速装置に
人力する電動モータの回転数が低い領域で、減速装置と
ロボットの第２アームとが共振を起こし、第２アームに
よる正確な作業ができない等の問題点が起こる。共振が
生じる理由は、制御系（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ｆ
０と、歯切の加工誤差等に起因して振動する減速装置の
振動周波数とが、電動モータの低回転数域で一致するた
めと考えられていた。

このような問題点に対し、特開昭５８−２１１８８１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
ドハ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、
したがって、充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機を駆動し、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５９−１１５１８９号公報には減速機の主
軸にばねとおもりから成る吸振器を取り付ける方式が提
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
。

（発明の目的） そこで、本発明は、ロボット制御系において、吸振装置
等を設けなくとも、電動モータ等の駆動部の通常の制御
回転数の範囲内で減速装置とロボットとの共振が起きな
い減速装置を提供することを目的とする。

（発明の構成） 発明者らは、ロボットアームの関節装置に用いる減速機
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、中立位置付近（いわゆるコストモーション位置）
の回転ばね定数ＫＥの高い減速機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ｆ。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、減速機の中立位置付近の回転ばね
定数ＫＪは、大きなものでもロボットアーム自体の回転
ばね定数ＫｒのＩ／１０〜１１５であるため、駆動系全
体のばね定数に＝Ｋｌ−Ｋｒ／　（Ｋ！！＋Ｋｒ）は大
して大きくできず、その結果、駆動系の固をねしり振動
数ｆ、＝１／２π・石「−アコ７（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。したがっ
て、減速機の中立位置付近のばね定数Ｋ　ｌ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ｆ。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。

そこで、発明者等は、振動発生の原因である減速機のト
ルク変動を無くすことを試みた。具体的には偏心揺動型
の遊星歯車減速機を用い、トルク変動を阻止ないし減す
るよう、この減速機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出ビン
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、共振が生じる時の電動
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。

このような実験結果から、一定の機構の減速機であれば
、はぼ一定のトルク変動特性、すなわちロボ７）の駆動
系に対する加振周波数特性をを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
用域外に置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。

従来の常識では全く考えられなかった構成、すなわち、
偏心揺動型の遊星歯車減速機は、内歯歯車と外歯歯車の
歯数差が１であって、単独でも１／２００程度の減速比
にてきるが、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（第１段）減速比をわざ
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。

なお、偏心揺動型の遊星歯車減速機に前段減速機を設け
た減速装置は、米国特許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
用する減速機の重量、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。

したがって、単に減速機の縮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
減速機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、減速機の重量、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、減速辻占たり
の重量が調和歯車装置より大きい偏心揺動型の遊星歯車
減速機を用い、さらに重量、バンクラッシュを増大させ
る要素となる前段減速機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。

発明者らはさらに種々研究を重ねた結果、下記の構成を
存する本発明に到達した。

本発明に係る産業ロボットの減速装置は、ロボットの第
１部材に一体的に取り付けられた駆動部の回転数を減速
してロボットの第２部材を回動させる減速装置において
、駆動部の回転数を減速する第１段減速部と、第１段減
速部に連結され、回転数を更に減速して前記第２部材に
出力する第２段減速部と、を備え、前記第２段減速部が
内歯歯車と、内歯歯車に噛み合い内歯歯車の歯数より１
つだけ少ない歯数を有する外歯歯車と、外歯歯車に係合
して外歯歯車を揺動回転させる入力クランク軸と、を有
する偏心揺動型遊星差動歯車装置によって構成し、前記
第１段減速部の減速比が１／２〜１１５および前記第２
段減速部の減速比が１／２５〜１／６０であることを特
徴としている。

（実施例） 以下、本発明に係る産業ロボットの減速装置を図面に基
づいて説明する。第１図ないし第３図は本発明の一実施
例を示す図である。

まず、構成について説明する。第１図は本発明に係る産
業ロボットの減速装置を用いたロボットの制御系の全体
概略説明図である。１は産業ロボットの駆動部、すなわ
ち、電動モータであり、電動モータ１のフランジ２は本
発明に係る減速装置３の筒体４に固定されている。筒体
４はロボットの第１アーム５の先端部５ａに固定されて
いる。

電動モータ１の出力の回転軸７は減速装置３の入力回転
輪８に連結され、減速装置３の出力は軸１０に伝達され
軸１０の先端は円筒体１１の中心を貫通し、ロボットの
被駆動部１２、すなわち、第２アームに固定されている
。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１
５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は駆動部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。

減速装置３は第２図および第３図に示すように、第１段
減速部２０と第２段減速部２１とから構成され、駆動部
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に連結され、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は固定して
いる内歯歯車２２と内歯歯車２２に噛み合う外歯歯車２
３と、外歯歯車２３に嵌合して外歯歯車２３を揺動回転
させる入力クランク軸２４と、を有する偏心揺動型遊星
差動歯車装置によって構成されている。また、内歯歯車
２２はピン歯２６を用いたビン歯車２７で構成され、か
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段減速部は通常の平歯歯車により構成さ
れている。

第１段減速部２０の減速比と第２段減速部２１の減速比
とは電動モータ１の通常制御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、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。

この実施例においては、電動モータｌの通常制御回転数
がＯ〜１１０００ｒｐ、　第１　（前）段減速部２０の
減速比が１／２〜１１５および第２　（後）段減速部２
１の減速比は１／２５〜１／６０であり、減速装置３の
全体の減速比は１／１２０になるよう選択されている。

前段減速機２０の減速比１１が１１５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２
１の減速比１２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１／１２０の終減速比
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１２が１／６０未
満または前段減速機２０の減速比１１が１／２を超えて
１／１２０の終減速比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ａ２０の毎秒光たり回転数が
ロボットの駆動系の固有ねじり振動数ｆｏ近辺あるいは
それ以上となるので、共振を防ぐ効果が少ない。

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３７．５ｋ　ｇ−ｍ／分である（ここに、分とは１
度の１７６０の角度のことである。）次に作用について
説明する。

ただし、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ｆＯ
は、後述する実験例における駆動系の固有ねじり振動数
「０と同様、８．４　Ｈｚであるものとして以下説明す
る。この８．４Ｈｚは共振ピーク点における電動モータ
１の回転数および本発明に係る減速装置について後述す
るトルク変動特性から算出される。電動モータ１をＯ〜
１１０００ｒｐの通常回転数で回転させると、減速比ｉ
、が１／３の前段減速機２０の出力回転数はＯ〜３３３
ｒｐｍとなり、減速比１２がｌ／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
共振現象が生じない。共振は実用域外、すなわち電動モ
ータ１の出力回転数が１５０Ｏｒｐｍ近辺（このときの
前段減速機２０の出力回転数は１５００ｒｐｍ　Ｘ　１
　／　３　＝　５０Ｏｒｐｍ近辺、遊星歯車減速機２１
の出力回転数は１５００ｒｐｍ　Ｘ　１　／　３　Ｘ　
１　／４０＝１２．５ｒｐｍ近辺）で生じる。

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上記
実施例のように内歯歯車と外歯歯車の歯数差が１の遊星
差動歯車装置は入力軸（クランク軸２４）の１回転当た
り１のトルク変動が生じ、したがって、これに減速比ｉ
Ｉが１／３の前段減速機２０を取り付けると電動モータ
１の回転数が実用域外である１５００ｒｐｍを中心とし
た付近で１５００　Ｘ（１／３）　Ｘ　１　＝　５００
程度の毎分光たりトルク変動が生じ、このトルク変動数
が駆動系の固有振動数８．４ヘルツ（５００振動／分）
にほぼ一致して共振を起こすものと考えられる。

これに対し、内歯と外歯の歯数差が２の調和歯車装置の
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のトルク変動が生じ、し
たがって、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
Ｘ　１　／３　ｘ　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ｒＯが上記実施例と同
様８．４ヘルツ（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のときに共振が生じるのであるか
ら、調和歯車減速機に減速比ｔ＋＝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
速比はｉｚ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、１〜１１０００ｒｐ
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。

なお、電動モータ１および前段減速４１２０の振動は駆
動系の発振に影響を及ぼさない。これはこれらの振動は
小さいこと、後段部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。

方駅凱 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。

別表において、比較した減速装置は前述の実施例の減速
装置のほかに比較例１〜３に示す減速装置である。ただ
し、前述の実施例を含めサイクロ減速機は、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１８０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
減速機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１１．１２、ねじりばね定数に、および慣性モー
メンｌ−Ｊは別表に示しである。

実験は第５図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３１ｂ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が定速度で約１回転する範囲で行った。測定結果は
第４図に示す。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の加速度ピンクアップ３４に表
れる円周方向の加速度（すなわち、振動）の大きさく単
位、Ｇ）を示す。

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、
７００ｒｐｍ、５００ｒｐｍおよび２５０ｒｐｍのとき
であり、電動モータ３１の通常制御回転数Ｏ〜１１００
０ｒｐの範囲で共振が起こっている。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、共振時の電動モータ回転数は極めて高＜
　、１５００ｒｐｍとなっている。

したがって、通常制御回転数の範囲では共振は起きない
。

別表の実施例と比較例１において、慣性モーメンＪおよ
びねじりばね定数に１は殆ど同じであるが、負荷が発振
するとき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段減速比と反比例している。この理由は、第
２段減速部の加振周波数と負荷の固有ねじり振動数が一
敗したとき、すなわち、電動モータの回転数が１５０Ｏ
ｒｐｍのとき発振するからである。

なお、このような実験結果から前述のように各減速機の
トルク変動特性が指定され、かかる指定を用いて実験装
置の固有ねじり振動数ｆｏを逆算すると、実験で用いた
減速機のいずれを組込んだ場合も約８．４　ｆｉｚとな
る。これは、共振が駆動系のＩ’Ｊ：１１性が最も低い
時、即ち、負荷状態が減速機のいわゆるロストモーショ
ンの範囲内にある時に生じ、その時のロストモーション
ばね定数Ｋｆが　実験で用いたいずれの減速機の場合も
おおよそ等しいためと考えられる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、ロボット制御系
において、減速装置とロボットとの共振が生ずるときも
、共振が生ずるときの電動モータの回転数が極めて高く
なり、電動モータ駆動部の通常制御回転数の範囲内での
ロボットと減速装置との共振を生じなくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図反型第５図は本発明に係る産業ロボットの減速装
置の１実施例を説明する図であり、第１図はその全体概
略説明図、第２図はその要部断面図、第３図は第２図の
Ｉ−Ｉ［［矢視断面図、第４図は本発明に係る産業ロボ
ットの減速装置の実施例および比較例の性能を説明する
図、第５図は第４図に係る実験例の全体構成図である。 ■・・・・・・駆動部（電動モータ）、３・・・・・・
減速装置、 ５・・・・・・第１アーム、 １２・・・・・・被駆動部（ロボットの第２アーム）、
２０・・・・・・第１段減速部、 ２１・・・・・・第２段減速部、 ２２・・・・・・内歯歯車、 ２３・・・・・・外歯歯車、 ２４・・・・・・人力クランク、 ２７・・・・・・ピン歯車。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロボットの第１部材に一体的に取り付けられた駆動部の
   回転数を減速してロボットの第２部材を回動させる減速
   装置において、駆動部の回転数を減速する第１段減速部
   と、第１段減速部に連結され、回転数を更に減速して前
   記第２部材に出力する第２段減速部と、を備え、前記第
   ２段減速部が内歯歯車と、内歯歯車に噛み合い内歯歯車
   の歯数より１つだけ少ない歯数を有する外歯歯車と、外
   歯歯車に係合して外歯歯車を揺動回転させる入力クラン
   ク軸と、を有する偏心揺動型遊星差動歯車装置によって
   構成し、前記第１段減速部の減速比が１／２〜１／５お
   よび前記第２段減速部の減速比が１／２５〜１／６０で
   あることを特徴とする産業ロボットの減速装置。