CN110027008B - 齿轮马达及协作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适于驱动协作机器人的关节部的齿轮马达。一种齿轮马达(1)具备马达(10)和减速机(40)，且其驱动与人合作进行作业的协作机器人的关节部。而且，齿轮马达(1)的运行率为20％ED以下，减速机(40)的减速比为30以下，马达(10)的输出转数为1000rpm以下。

Description

齿轮马达及协作机器人

本申请主张基于2017年11月28日申请的日本专利申请第2017-227364号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种驱动协作机器人的关节部的齿轮马达及协作机器人。

背景技术

以往，在工业领域中，广泛使用在与人隔离的环境中动作的工业用机器人。另一方面，近年来，与人合作进行作业的协作机器人的需求逐渐增加。专利文献1中公开了协作机器人。

专利文献1：日本专利第6034895号公报

在工业用机器人和协作机器人中，关节部均被齿轮马达驱动。然而，两者存在如下问题：对齿轮马达的要求不同，即使将工业用机器人的齿轮马达直接应用到协作机器人的关节部，也无法作为协作机器人的齿轮马达而充分满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于驱动协作机器人的关节部的齿轮马达。并且，本发明的目的在于提供一种组装了上述齿轮马达的协作机器人。

本发明提供一种齿轮马达，其具备马达和减速机，且其驱动与人合作进行作业的协作机器人的关节部，且在该协作机器人中其运行率为20％ED以下，其中，

所述减速机的减速比为30以下，

所述马达的输出转数为1000rpm以下。

本发明所涉及的协作机器人具备：

关节部；及

上述齿轮马达，其组装与所述关节部以驱动所述关节部。

根据本发明，能够提供一种适于驱动协作机器人的关节部的齿轮马达。并且，能够提供一种组装了上述齿轮马达的协作机器人。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的用于驱动协作机器人的关节的齿轮马达的剖视图。

图2是表示图1的马达的定子铁心及转子的主视图。

图3是表示实施方式的协作机器人的图。

图4是用于说明空转的说明图。

图中：1-齿轮马达，10-马达，12-转子，12a-轴部，12b-转子磁铁，13-线圈，13a-线圈端部，14-定子铁心，15-定子，17-马达框架，40-减速机，41-输入轴，41a-起振体，43-起振体轴承，44、45-内齿轮，O1-中心轴，100-协作机器人，101-关节部。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图1是表示本发明的实施方式所涉及的用于驱动协作机器人的关节的齿轮马达的剖视图。图2是表示图1的马达的定子铁心及转子的主视图。图3是表示实施方式的协作机器人的图。在本说明书中，将沿着输入轴41的中心轴O1的方向定义为轴向、将与中心轴O1正交的方向定义为径向、将以中心轴O1为中心旋转的方向定义为周向。

本实施方式的齿轮马达1例如组装于如图3所示那样的协作机器人100的关节部101以驱动关节部101。与工业用机器人不同，协作机器人100配置于未与人类隔离的作业空间，其与人类合作进行规定的作业。协作机器人100进行检测与人接触的情况的传感控制或确保与人安全接触的速度控制、或者这两个控制，以允许与人类接触。协作机器人也可以称作人机合作机器人。

本实施方式的齿轮马达1是马达10和减速机40被单元化而构成。

＜马达＞

马达10具备转子12及定子15，所述转子12具有轴部12a及转子磁铁(永久磁铁)12b，所述定子15具有线圈13及定子铁心14。而且，马达10还具备覆盖定子15的外周侧的马达框架17及覆盖定子15的轴向上的一侧(负载相反侧：与减速机40相反的一侧)的马达罩19。并且，减速机40的内齿轮44的一部分作为覆盖马达10的定子15的轴向上的另一侧(负载侧：减速机40侧)的罩部44b而发挥功能。

轴部12a由铁类金属制成。构成线圈13的线材为铝线。定子铁心14由磁性体制成。马达框架17由树脂制成。罩部44b及马达罩19由树脂制成。另外，树脂制成的配件可以使用CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics：碳纤维增强塑料)及FRP(Fiber ReinforcedPlastics：纤维增强塑料)等复合材料、树脂与另一材料的复合材料、酚醛树脂(纸酚醛树脂或布酚醛树脂等)等。并且，金属配件可以使用铝等比重比铁的比重低的金属、铝合金或镁合金等比重比铁的比重低的合金。并且，轴部12a、马达框架17、罩部44b及马达罩19的材料并不只限定于上述例子，只要是其中一个或多个配件由比重比铁的比重低的材料制成即可。由此，能够实现马达10的轻型化。若从马达10的转矩特性考虑，则优选由铁或电磁钢板之类的磁性材料制成马达10的构成部件。因此，可以从轻型化和转矩特性这两个方面考虑来确定马达10的各构成部件的材料。

如图2所示，定子铁心14具有多个铁心扇形片14a及多个槽14b。多个铁心扇形片14a以其内周面与转子12对置的方式沿周向排列配置。多个槽14b设置于多个铁心扇形片14a之间。

线圈13穿过多个槽14b而卷绕于铁心扇形片14a上。线圈13的一部分比定子铁心14的轴向上的端部更向外侧突出。从该槽14b沿轴向突出的部分就是线圈端部13a。

转子12的轴部12a具有中空结构，且其与减速机40的输入轴41形成为一体而成为单一的部件。另外，也可以采用将输入轴41与转子12的轴部12a分体形成并将其彼此连结在一起的结构。

马达框架17与定子铁心14的外周部接触从而固定定子铁心14。

罩部44b主要覆盖定子铁心14的轴向上的一端(减速机40侧、负载侧)。罩部44b构成为环状，且在其中央具有供输入轴41通过的贯穿孔。在罩部44b的内周部嵌入有输入轴承51，罩部44b经由输入轴承51将输入轴41支承为能够旋转。罩部44b并不受特别限制，但是，例如，罩部44b通过螺栓21而与马达罩19连结在一起，马达框架17夹持并固定在罩部44b与马达罩19之间。

从线圈端部13a到罩部44b的最短爬电距离短于6.3mm。在以往的马达中，罩由导电性材料制成。并且，将该爬电距离设为6.3mm以上来确保绝缘性。因此存在如下问题：齿轮马达的体积增大、轴向上的长度增加、输入轴变长，使得装置整体的重量增加。然而，在本实施方式中，通过使罩部44b具有绝缘性(由非导电性材料制成)并将爬电距离设为短于6.3mm，从而减轻了上述课题。另外，罩部44b与线圈端部13a之间的爬电距离更优选为3mm以下，进一步优选为1mm以下。

更具体而言，本实施方式的罩部44b配置成，与定子15的线圈端部13a的一部分接触。由于罩部44b具有绝缘性，因此，即使与线圈端部13接触，也能够在线圈13与罩部44b之间确保足够的绝缘性，进而能够在马达10与减速机40之间确保足够的绝缘性。罩部44b与线圈端部13a的接触面积优选为减速机40侧的线圈端部13a的表面积的50％以下，更优选为该表面积的10％以下。假设罩部44b与整个线圈端部13a接触，则线圈端部13a的热膨胀系数与罩部44b的热膨胀系数的不同会给罩部44b及线圈端部13a的耐久性带来不良影响。然而，通过设为上述接触面积，即使热膨胀系数不同也能够抑制耐久性的降低。

马达罩19主要覆盖定子15的轴向上的另一端(与减速机40相反的一侧、负载相反侧)。马达罩19构成为环状，且其具有覆盖位于与减速机40相反的一侧的线圈端部13a的内周侧的内周壁部19a及覆盖定子15的与减速机40相反一侧的一端侧的背面壁部19b。内周壁部19a具有使其中空部与轴部12a的空心结构连通的筒状形状，内周壁部19a的负载侧端面与转子12的转子磁铁12b对置。在内周壁部19a的负载侧端面，经由环状的托架23设置有用于检测旋转位置的磁传感器22。

马达罩19可以以距线圈端部13a的最短爬电距离短于6.3mm的方式靠近线圈端部13a而配置。马达罩19可以配置为其一部分与线圈端部13a接触。

＜减速机＞

减速机40例如为挠曲啮合式齿轮装置，其具备：具有起振体41a的输入轴41、被起振体41a挠曲变形的外齿轮42、与外齿轮42啮合的两个内齿轮44、45。并且，减速机40还具备覆盖减速机40的外周部的外周壳体47及轴承壳体48。而且，减速机40还具备配置于起振体41a与外齿轮42之间的起振体轴承43、及限制外齿轮42及起振体轴承43沿轴向移动的限制部件61、62。并且，减速机40还具备将输入轴41支承为能够旋转的输入轴承51、52及将一侧的内齿轮45支承为相对于外周壳体47能够旋转的主轴承54。

输入轴41由铁类金属制成。外齿轮42由树脂或金属制成。内齿轮44、45由树脂制成。外周壳体47及轴承壳体48由金属构成。另外，树脂制成的配件可以使用CFRP及FRP等复合材料、树脂与另一材料的复合材料、酚醛树脂(纸酚醛树脂或布酚醛树脂等)等。并且，金属配件可以使用铝等比重比铁的比重低的金属、铝合金或镁合金等比重比铁的比重低的合金。并且，输入轴41、外齿轮42、内齿轮44、45、外周壳体47及轴承壳体48的材料并不限定于上述例子，只要是其中一个或多个配件由比重比铁的比重低的材料制成即可。由此，能够实现减速机40的轻型化。可以从轻型化和确保强度这两个方面考虑来确定减速机40的各构成部件的材料。

输入轴41具有空心结构，且其具有向马达侧突出的突出部41b。突出部41b的一部分构成转子12的轴部12a。输入轴41的一部分构成起振体41a，该起振体41a的与中心轴O1正交的截面外形为非圆形(例如椭圆)。输入轴41的除了起振体41a以外的部位的与中心轴O1正交的截面外形为圆形。

外齿轮42以相对于起振体41a能够旋转的方式经由起振体轴承43支承于起振体41a。外齿轮42以顺应起振体41a的外周面的方式经由起振体轴承43而嵌合于起振体41a。

两个内齿轮44、45的齿数互不相同(例如，内齿轮44的齿数多于外齿轮42的齿数为62个，内齿轮45齿数与外齿轮42的齿数相等为60个)。一侧的内齿轮44与覆盖减速机40的外周部的外周壳体47连结，另一侧的内齿轮45与覆盖减速机40的轴向上的一端侧的轴承壳体48连结。内齿轮44的齿部44a具有筒状形状，其与罩部44b由相同的材料形成为一体而成为单一的部件。罩部44b兼作减速机40的输入侧罩。即，罩部44b覆盖外齿轮42及起振体轴承43的轴向上的马达10侧，从而例如防止润滑油从减速机40流出。

输入轴承51、52分别在起振体41a的轴向上的两侧支承输入轴41。一侧的输入轴承51嵌入于内齿轮44的罩部44b的内周并将输入轴41支承为能够旋转，另一侧的输入轴承52嵌入于轴承壳体48的内周并将输入轴41支承为能够旋转。主轴承54嵌入于彼此连结在一起的外周壳体47及罩部44b的内周，并且嵌入于另一侧的内齿轮45的外周，从而将内齿轮45及轴承壳体48支承为能够旋转。

＜动作说明＞

若线圈13通电而在转子12产生转矩，则与转子12一体化的输入轴41以中心轴O1为中心进行旋转。伴随输入轴41的旋转，起振体41a的运动传递至外齿轮42。外齿轮42的一部分与固定状态的第一内齿轮44啮合，因此外齿轮42并不会追从起振体41a的旋转而进行旋转，起振体41a在外齿轮42的内侧相对旋转。而且，由于外齿轮42被限制成顺应起振体41a的外周面，因此，外齿轮42伴随起振体41a的旋转而被挠曲变形。该变形的周期与起振体41a的旋转周期成比例。

若外齿轮42随着起振体41a的旋转而变形，则起振体41a的直径大的部分(长轴部分)沿周向移动，由此外齿轮42与一侧的内齿轮44的啮合位置沿周向变化。由于外齿轮42的齿数与内齿轮44的齿数不同，因此啮合位置每旋转一周，外齿轮42与内齿轮44的啮合齿会偏移，由此外齿轮42进行旋转(自转)。例如，若内齿轮44的齿数为62且外齿轮42的齿数为60，则起振体41a的旋转运动以30(＝60:2)的减速比进行减速后传递至外齿轮42。

另一方面，外齿轮42也同样与内齿轮45啮合，因此，通过起振体41a的旋转，外齿轮42与内齿轮45的啮合位置也沿旋转方向变化。由于内齿轮45的齿数与外齿轮42的齿数相同，因此外齿轮42与内齿轮45不会进行相对旋转，外齿轮42的旋转运动以1:1的减速比传递至内齿轮45。由此，起振体41a的旋转运动以30的减速比进行减速后输出至成为输出轴的内齿轮45及轴承壳体48。

在齿轮马达1的驱动中，线圈13处于通电状态。然而，由于覆盖线圈端部13a的轴向上的一端侧的罩部44b为非导电性材料，因此，即使罩部44b与线圈端部13a之间的距离短，也能够在线圈13与装置外部之间或者在线圈13与减速机40之间确保高绝缘性。并且，虽然罩部44b与线圈13接触，但是，接触面可以彼此滑动而能够相对移动。因此，即使线圈13通电导致线圈13发热甚至热膨胀，在罩部44b及线圈13的接触部分仅产生非常小的变形力，几乎不会对罩部44b及定子15的耐久性带来影响。

＜齿轮马达的规格＞

实施方式的齿轮马达1具有如下规格。

·(组装到协作机器人100的关节部101的情况下的)运行率为20％ED以下；

·效率为70％以上；

·减速机40的空转为3min以上(例如3min以上且30min以下)；

·减速比为30以下；

·马达10的输出转数为1000rpm以下；

·马达10的额定转矩中的投入电流密度为8A/mm²以上。

在此，运行率是指：齿轮马达1的运行时间TJ在组装有齿轮马达1的协作机器人100的运行时间TR中所占比例，其表示为(TJ/TR)×100[％ED]。另外，可以将协作机器人100本身的运行时间TR定义为，协作机器人100的电源接通中时间或者驱动各关节的驱动源(伺服马达)的电源接通中时间。因此，协作机器人100对某个工件进行作业之后等待下一个工件的待机时间也包含在协作机器人100本身的运行时间TR中。并且，可以将齿轮马达1(减速机40)的运行时间TJ定义为，作为运行率计算对象的减速机40被驱动的时间或者驱动该减速机40的驱动源(伺服马达)的旋转(被旋转控制的)时间。效率是指：齿轮马达1的机械输出与输入电力之比。空转是与减速机40的齿隙有关的量，其定义为如下。图4是用于说明空转的图。若在固定减速机40的输入轴41(高速轴)的状态下从轴承壳体48(低速轴)侧缓慢地施加负载直至额定转矩并测定去载为止的负载及低速轴的位移(扭转角)，并示出其关系，则可获得如图4所示的刚性的磁滞曲线。空转定义为，在额定转矩±3％点上的扭转角。输出转数为正常驱动时的马达的旋转速度，额定转矩中的投入电流密度是指产生额定转矩时流向线圈13的电流密度。

上述齿轮马达1的规格设定成符合协作机器人的特征及要求。以下，对其进行说明。

协作机器人的驱动部具有如下特征及要求。首先，由于协作机器人与人合作进行动作，因此，相比与人隔离而进行一定作业的工业用机器人，各关节部的运行率降低，并且，动作的精度要求较低。另一方面，由于协作机器人有可能与人接触虑，或者，为了提高相对于协作机器人自重的可搬运重量，要求协作机器人的各配件轻型化。而且，由于协作机器人有时采用电池驱动，因而要求协作机器人的驱动部高效率化，并且，由于其与人配置于相同的空间，因此要求低发热化。并且，由于协作机器人可能会投入到灵活变化的生产线上会导致更新周期的短期化，因此长寿命化的要求较低。

对驱动与人隔离而高速反复进行一定的作业的工业用机器人的关节部的齿轮马达而言，为了获得高耐久性，各配件通常使用具有高刚性的重金属(铁等)。因此，若将这样的齿轮马达应用到协作机器人中，则极难满足协作机器人所要求的轻型化的要求。

因此，本发明人等综合考虑协作机器人的多个特征而想到了在齿轮马达1中对减速机40的一部分或马达10的一部分、或它们两者使用比重比铁的比重小的材料。作为具体的一例，本发明人等想到了内齿轮44、45、马达框架17及马达罩19的材料使用树脂。通过使用这样的材料，与使用钢材的情况相比，动作的位置精度及耐久性会降低。然而，协作机器人的驱动部具有对长寿命化的要求较低的特征和动作的精度要求较低的特征。例如，工业用机器人的要求寿命为10年左右，相对于此，协作机器人的要求寿命则为3年左右。并且，工业用机器人的动作的要求精度为空转1min左右，相对于此，协作机器人的动作的要求精度可以为空转3min以上，通常为5min左右。因此，即使使用这样的材料，也能够满足作为协作机器人的驱动部的要求寿命及动作的要求精度。而且，在此基础上，还能够实现协作机器人的驱动部所要求的齿轮马达1显著的轻型化。考虑到以上的情况，本实施方式的减速机40的空转应设定为3min以上，但从抑制发热的观点出发，优选设为5min以上。并且，考虑到协作机器人的控制性(控制精度)，空转应设定为30min以下，但优选设为10min以下。

并且，驱动与人隔离而高速反复进行一定的作业的工业用机器人的关节部的齿轮马达为了能够获得大转矩及高运行率(例如50％ED左右)，通常使马达的输出高速化且使减速机高减速比化。通过使减速机高减速比化，能够利用减速机将马达转矩大幅增大后输出，并且，由于能够抑制马达转矩，因而能够实现马达的高运行率。然而，若将这样的齿轮马达应用于协作机器人中，则难以实现对协作机器人的齿轮马达要求的高效率。这种齿轮马达的效率最好也只有例如60％左右。原理上，已知越使马达的输出高速化、加大减速机的减速比，则齿轮马达的效率会越降低。

因此，本发明人等综合考虑协作机器人的多个特征而想到了使马达10的输出低速化至1000rpm以下，使减速机40低减速比化至减速比30(＝30:1)以下。由此，齿轮马达1的效率实现了70％以上(实质上80％～90％)等高效率。然而，一般情况下，要想使马达的输出低速化且大转矩化必须使马达大型化，由此产生马达的重量增加的问题。另一方面，协作机器人的驱动部具有对运行率的要求较低(20％ED以下即可，比较多为10％ED左右)的特征。因此，本发明人等将低运行率作为控制设计的条件，将马达10的额定转矩中的投入电流密度设为8A/mm²以上，从而加大了马达10的瞬时转矩。而且，由于运行率低，因而大电流连续流过线圈13的时间不会变长，由此抑制马达10的大型化及重量的增加，并且实现了低速且大转矩的马达输出。即，针对协作机器人的驱动部利用运行率的要求低的特征而适用上述设定，由此，无需增加齿轮马达1的重量即可实现齿轮马达1的高效率化。

如上所述，根据本实施方式的齿轮马达1，运行率设定为20％ED以下，减速机40的减速比设定为30以下，马达10的输出转数设定为1000rpm以下。并且，本实施方式的齿轮马达1的效率为70％以上，减速机40的空转为3min以上，减速机40的一部分或马达10的一部分、或它们两者由比重比铁的比重小的材料制成。由此，符合协作机器人100的驱动部的特征及要求，并且实现了轻型且高效率的结构。

并且，根据将齿轮马达1组装到关节部的本实施方式的协作机器人100，可发挥能够实现协作机器人100的轻型化及高效率化的效果。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。然而，本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，示出了使用挠曲啮合式减速机作为减速机的例子，但是，作为减速机，也可以使用偏心摆动式减速机、行星齿轮减速机等各种减速机。并且，上述实施方式所涉及的协作机器人只要是能够与人在相同的作业空间内进行协同作业的机器人均可，例如，保持及输送工件的装置、加工工件的装置、固定式机器人以及自行式机器人等。除此之外，对实施方式中示出的细节而言，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行适当改变。

Claims (3)

1.一种齿轮马达，其具备马达和减速机，且其驱动与人合作进行作业的协作机器人的关节部，且在该协作机器人中其运行率为20％ED以下，所述齿轮马达的特征在于，

所述减速机的减速比为30以下，

所述马达的输出转数为1000rpm以下。

2.根据权利要求1所述的齿轮马达，其特征在于，

所述齿轮马达的效率为70％以上，

所述减速机的空转大于3min，

所述减速机及所述马达中的至少一部分由比重比铁的比重小的材料制成，

所述马达的额定转矩中的投入电流密度为8A/mm²以上。

3.根据权利要求2所述的齿轮马达，其特征在于，

所述马达的马达框架由树脂制成。

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