JP2004156735A - ロボットのベルト伝動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、ベルトの緩みによる歯飛びを効果的に防止する。
【解決手段】Ｔ軸用サーボモータの回転が伝達される中間小プーリ２７と、Ｔ軸回転伝達機構を駆動するＴ軸用プーリ２０との間に第２のタイミングベルト２９を掛渡して回転力を伝達する。第２のタイミングベルト２９部分に、可動テンショナ３０を設ける。可動テンショナ３０を、ほぼＶ字型をなしピン３３を中心に揺動する揺動アーム３１の両端部に、タイミングベルト２９の両側の外側に接触する２個のテンションローラ３２，３２を備えて構成する。このとき、一方のテンションローラ３２がタイミングベルト２９の張り側により外側に押されることによって、可動テンショナ３０が揺動し、他方のテンションローラ３２がタイミングベルト２９の緩み側に押付けられて内側に比較的大きく押込むようになっている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットに組込まれ、駆動プーリと従動プーリとの間にベルトを掛渡して構成されて駆動プーリの回転力を従動プーリに伝達するロボットのベルト伝動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば多関節型ロボットにおいては、モータの駆動力をアーム等に伝達するための機構として、ベルト伝動機構が広く採用されている。このベルト伝動機構は、例えば共に歯付きプーリからなる駆動プーリと従動プーリとの間に、タイミングベルトを掛渡して構成される。
【０００３】
この場合、特に小型化，高速化を図るようにしたロボットにあっては、駆動プーリと従動プーリとの間隔（軸間距離）が狭く、且つ、速度比（プーリ径の比）も大きいものとなり、そのため、小径側のプーリにおいてベルトの接触角が小さくなり、特に減速時などにおいてベルトが緩んで膨らみ、いわゆる歯飛びが起こりやすく伝動が不確実になる事情があった。また、両プーリを正逆回転させるため、ベルトの張り側、緩み側が、回転方向や、通常回転時と減速時との間で変動する（入替わる）事情もあり、そのため、ベルトの両側に対して適度なテンションを付与する必要が生ずる。
【０００４】
そこで、従来では、例えば特開昭６１−２８４３８０号公報、特開平１０−９４９８６号公報、特開平１０−２７７９８４号公報などに示されるように、ベルトの両側を外側から押圧するように２個（一対）のテンションローラ（アイドラ）を、固定的に設ける構成や、あるいは、例えば特開平１０−２１７１６７号公報、特開平１１−３３９７１号公報に見られるように、ベルトの両側に接触する２個（一対）のテンションローラ（アイドラ）を変位可能に配置し、それらテンションローラをばねにより付勢してベルトに張力を付与するようにした構成が考えられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のもののうち、前者のテンションローラを固定的に設けたものでは、テンションローラによるベルトの内側への押付け量が大きくなると、ベルトが張り側となった時の張力が大きくなり過ぎ、ベルトに過大な力が加わって寿命が短くなったり、損失が大きくなる不具合がある。そうかといって、テンションローラによるベルトの内側への押付け量を比較的小さくすると、今度は、ベルトが緩み側となったときの効果が十分に得られず、伝動が不確実になる問題が解決できないものとなる。一方、後者のテンションローラをばねにより付勢するようにしたものにあっては、部品数が多くなり、構成が複雑となってしまう不具合がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、ベルトの緩みによる歯飛び等を効果的に防止することができるロボットのベルト伝動機構を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のロボットのベルト伝動機構は、ベルトの両側の外側に接触すると共に、軸間方向に交差する方向に所定間隔を保持して一体的に移動自在な２個のテンションローラを備えた可動テンショナを設け、一方のテンションローラがベルトの張り側により外側に押されることによって、他方のテンションローラがベルトの緩み側に押付けられるように構成したものである（請求項１の発明）。
【０００８】
これによれば、ベルトの両側の外側に夫々接触する２個のテンションローラを所定間隔で備えた可動テンショナを、移動可能に設けたことによって、ばね等の別部材を用いて付勢することなく、ベルトの張り側では、テンションローラがベルトをあまり内側に押込まない外側に位置し、ベルトの緩み側では、テンションローラが内側に位置してベルトを比較的大きく押込むようになる。この状態は、ベルトの張り側、緩み側が変動した（入替わった）場合でも維持されるようになる。
【０００９】
従って、常に、ベルトの張り側においては、ベルトに過大な力が作用したり，損失が大きくなったりすることがなくなり、ベルトの緩み側においては、ベルトが膨らむこと抑えられる。この結果、請求項１の発明によれば、簡単な構成で、ベルトの緩みによる歯飛びを効果的に防止することができ、ひいては伝動の確実性を高めることができるものである。
【００１０】
このとき、可動テンショナを、ほぼＶ字型をなしその中心部にて回動自在に支持された揺動アームの両端部に、テンションローラを備えて構成すれば（請求項２の発明）、例えば可動テンショナを直線的にスライド移動させる構成とした場合と比べて、簡単な構成で済むと共に、可動テンショナを小さいスペースで配設することが可能となり、より効果的となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を小型の水平多関節（４軸）型ロボットに適用した一実施例について、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施例における水平多関節型ロボットの本体１の外観構成を示しており、まず、このロボット本体１の全体構成について簡単に述べる。
【００１２】
即ち、設備の設置面に固定的に設けられるベース２上には、図で左方に延びる第１アーム３の基端部（図で右端部）が垂直軸Ｊ１を中心に回動（旋回）可能に連結されている。前記第１アーム３の先端上面部には、図で左方に延びる第２アーム４の基端部（図で右端部）が垂直軸Ｊ２を中心に回動（旋回）可能に連結されている。そして、この第２アーム４の先端部には、上下に延びるシャフト状をなす上下アーム５が、上下動及び同軸回転可能に設けられている。前記上下アーム５の先端（下端）部には、図示しないハンド等のツールが着脱可能に取付けられるようになっている。
【００１３】
また、前記ベース２内には、前記第１アーム３をベース２に対して回転駆動するための図示しない１軸用サーボモータが配設されている。これと共に、図３及び図４に示すように、前記第２アーム４内には、該第２アーム４を前記第１アーム３に対して回転駆動するための２軸用サーボモータ６、前記上下アーム５をＺ軸方向に上下動するための上下軸サーボモータ７（図４にのみ図示）、上下アーム５を正逆方向に同軸回転駆動するためのＴ軸用サーボモータ８等が設けられる。尚、このロボット本体１には、図示しないロボットコントローラが接続され、前記各モータが制御されるようになっている。
【００１４】
図３及び図４は、前記第２アーム４の内部の構成を概略的に示しており、この第２アーム４は、ほぼ箱状をなす金属（鋳物）製のフレーム９からその外殻が構成され、その上面は取外し可能なカバー１０により覆われている。このフレーム９内の図で右側部位（第１アーム３との連結部位）に、減速機ユニット１１及び前記２軸用サーボモータ６が組込まれている。
【００１５】
詳しい説明は省略するが、前記減速機ユニット１１は、例えばクロスローラベアリングからなる軸受１２と、例えば周知のハーモニックドライブ（登録商標）からなる減速機１３とを一体化したものから構成され、これにて、２軸用サーボモータ６が回転駆動されると、その回転が減速機ユニット１１により減速されて、第２アーム４が第１アーム３に対して垂直軸Ｊ１を中心に回転されるようになるのである。
【００１６】
一方、第２アーム４（フレーム９）の先端側（図で左側）には、前記上下アーム５が上下に貫通するように設けられる。この上下アーム５は、ボールねじスプラインシャフトからなり、その表面にはボールねじ用のねじ溝５ａ及びスプライン溝５ｂが形成されている。前記フレーム９には、前記ねじ溝５ａに螺合するボールねじナット１４が、上下方向の位置が規制された状態で、回転自在に設けられており、また、そのボールねじナット１４は、同軸に設けられた上下動用プーリ１５により回転駆動されるようになっている。
【００１７】
図４に示すように、前記上下軸サーボモータ７は、前記フレーム９内の、前記２軸用サーボモータ６の左奥側に位置して下向きに設けられており、その回転軸に取付けられた駆動プーリ１６と、前記上下動用プーリ１５との間に、タイミングベルト１７が掛渡されている。また、このとき、前記タイミングベルト１７の一方側（図で手前側）は、後述する中間軸２４の回りに回転自在に設けられた固定テンションローラ１８（図３参照）により内側に押し込まれるように設けられている。
【００１８】
これにて、上下軸サーボモータ７が正逆回転駆動されると、駆動プーリ１６、タイミングベルト１７、上下動用プーリ１５を介してボールねじナット１４が回転し、回り止め状態とされた上下アーム５が上下動するようになっているのである。尚、図示はしないが、前記上下軸サーボモータ７の回転軸部分には、上下アーム５を停止位置に保持するための電磁ブレーキが設けられている。
【００１９】
そして、図３に示すように、前記フレーム９内には、前記上下動用プーリ１５の下方（上下アーム５の外周部）に位置して、Ｔ軸回転伝達機構１９が設けられている。このＴ軸回転伝達機構１９は、図４にも示すように、従動プーリとしてのＴ軸用プーリ２０を上下アーム５と同軸に有して構成されており、このＴ軸用プーリ２０には、前記Ｔ軸用サーボモータ８の回転力が、後述する本実施例に係るベルト伝動機構２１を介して伝達されるようになっている。この場合、ベルト伝動機構２１は、減速比を大きくするために２段減速方式が採用されている。
【００２０】
詳しい説明は省略するが、前記Ｔ軸回転伝達機構１９は、前記上下アーム５のスプライン溝５ｂに係合し、前記Ｔ軸用サーボモータ８の非駆動時（Ｔ軸用プーリ２０の停止時）には、該上下アーム５の上下動を許容しつつ回り止め状態とするようになっており、これと共に、前記Ｔ軸用サーボモータ８（Ｔ軸用プーリ２０）の正逆回転駆動により、上下アーム５を前記ボールねじナット１４と一体的に正逆方向に同軸回転させるように構成されている。
【００２１】
ここで、前記ベルト伝動機構２１について述べる。図３及び図４に示すように、前記Ｔ軸用サーボモータ８は、前記フレーム９内の、前記上下軸サーボモータ７の手前側に位置して下向きに設けられており、その回転軸８ａには、径小な駆動プーリ２２が取付けられている。尚、このＴ軸用サーボモータ８の回転軸８ａ部分には、電磁ブレーキ２３が設けられている。
【００２２】
また、フレーム９内の、前記Ｔ軸用サーボモータ８（駆動プーリ２２）と前記上下アーム５（Ｔ軸用プーリ２０）との中間部位には、軸支持部９ａが設けられ、この軸支持部９ａに、上下方向に延びる中間軸２４が軸受２５を介して回転自在に設けられている。この中間軸２４の上部側に、比較的径大な中間大プーリ２６が取付けられていると共に、下部側に、駆動プーリとしての比較的径小な中間小プーリ２７が取付けられている。尚、前記固定テンションローラ１８は、図３に示すように、前記軸支持部９ａの外周に、前記中間大プーリ２６と中間小プーリ２７との中間の高さに位置して設けられている。
【００２３】
そして、前記駆動プーリ２２と中間大プーリ２６との間には、第１のタイミングベルト２８が掛渡されていると共に、前記中間小プーリ２７とＴ軸用プーリ２０との間には、第２のタイミングベルト２９が掛渡されている。これにて、Ｔ軸用サーボモータ８が正逆回転駆動されると、駆動プーリ２２、第１のタイミングベルト２８、中間大プーリ２６を介して中間軸２４が回転され、さらに、中間小プーリ２７、第２のタイミングベルト２９、Ｔ軸用プーリ２０を介して、前記Ｔ軸回転伝達機構１９にその回転力が伝達されるようになっているのである。
【００２４】
さて、上記したベルト伝動機構２１にあっては、小さい配設スペースで減速比を大きくとるため、特に、中間小プーリ２７とＴ軸用プーリ２０との間隔（軸間距離）が狭く且つプーリ径の比も大きいものとなっており、また高速で動作する事情もある。そのため、そのままでは、タイミングベルト２９の接触角が小さい中間小プーリ２７側において、減速時等においてタイミングベルト２９が緩んで膨らみ、いわゆる歯飛びが起こりやすくなり、伝動が不確実になる虞がある。
【００２５】
そこで、本実施例では、前記第２のタイミングベルト２９部分に、可動テンショナ３０が設けられるようになっている。以下、この可動テンショナ３０について、図１及び図２も参照して述べる。この可動テンショナ３０は、図１に示すように、ほぼＶ字型（く字型）をなす揺動アーム３１の両端部に、前記第２のタイミングベルト２９の両側の外側に接触する２個のテンションローラ３２，３２を備えて構成される。
【００２６】
前記揺動アーム３１は、図２にも示すように、その中心部（Ｖ字の基端部）にて、ピン３３により前記フレーム９に対して回転自在に取付けられ、該ピン３３を中心に図１の矢印Ａ及びＢ方向に揺動可能とされている。そして、この揺動アーム３１の両端部（Ｖ字の両先端部）には、夫々上方に延びるシャフト３１ａ（図２に１個のみ図示）が設けられ、これらシャフト３１ａに、円筒（カラー）状をなすテンションローラ３２が、夫々軸受３４を介して回転自在に取付けられている。
【００２７】
これにて、２個のテンションローラ３２，３２は、軸間方向に交差する方向（直交に近い方向）に所定間隔を保持して一体的に矢印Ａ及びＢ方向に移動（揺動）自在に設けられている。この場合、テンションローラ３２，３２間の所定間隔は、図１に示すように、中間小プーリ２７とＴ軸用プーリ２０との間に第２のタイミングベルト２９が緩みなく掛渡された状態での、第２のタイミングベルト２９の両側の間隔よりも小さくなっている。
【００２８】
これにより、Ｔ軸用サーボモータ８（ベルト伝動機構２１）が駆動されていないときには、図４に示すように、可動テンショナ３０が中間的な位置にあって、両テンションローラ３２，３２が、第２のタイミングベルト２９の両側を共に少量ずつ内側に押込み、第２のタイミングベルト２９に適度なテンションを付与するようになっている。
【００２９】
そして、次の作用説明でも述べるように、Ｔ軸用サーボモータ８（ベルト伝動機構２１）の駆動時には、第２のタイミングベルト２９の両側は、一方が張り側となり他方が緩み側となるが、その際、図１（ａ）又は（ｂ）に示すように、一方のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の張り側により外側に押されることによって、可動テンショナ３０が矢印Ａ又はＢ方向に揺動し、他方のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の緩み側に押付けられて内側に比較的大きく押込むようになっているのである。
【００３０】
次に、上記構成の作用について述べる。上記した可動テンショナ３０を有するベルト伝動機構２１にあっては、今、図１（ａ）に示すように、中間小プーリ２７が正回転方向（例えば矢印Ｃ方向）に回転駆動されると、その回転力が第２のタイミングベルト２９を介してＴ軸用プーリ２０に伝達され、Ｔ軸用プーリ２０も同方向（矢印Ｃ方向）に回転する。
【００３１】
このときには、第２のタイミングベルト２９のうち図で奥側が張り側、手前側が緩み側となり、可動テンショナ３０が矢印Ａ方向に揺動変位して、手前側のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の緩み側（手前側）を比較的大きく押込むように位置される。これにより、第２のタイミングベルト２９の緩み側において適度なテンションが付与され、膨らむことが防止される。また、第２のタイミングベルト２９の張り側においては、テンションローラ３２により過大な力が作用したり、損失が大きくなったりすることはない。
【００３２】
一方、図１（ｂ）に示すように、中間小プーリ２７が逆回転方向（例えば矢印Ｄ方向）に回転駆動されると、Ｔ軸用プーリ２０も同方向（矢印Ｄ方向）に回転する。このときには、第２のタイミングベルト２９のうち図で手前側が張り側、奥側が緩み側となり、可動テンショナ３０が矢印Ｂ方向に揺動変位して、奥側のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の緩み側（奥側）を比較的大きく押込むように位置される。
【００３３】
これにより、やはり、第２のタイミングベルト２９の緩み側において適度なテンションが付与されて膨らみが防止され、張り側においては、大な力が作用したり損失が大きくなったりすることはない。このように、中間小プーリ２７が正逆いずれの方向に回転する場合でも、確実に安定して回転伝達が行われるようになるのである。
【００３４】
しかして、例えば、図１（ａ）に示すように、中間小プーリ２７が矢印Ｃ方向に回転駆動している状態から、停止のために減速が行われると、Ｔ軸用プーリ２０の慣性力（矢印Ｃ方向に回り続けようとする力）により、逆に、第２のタイミングベルト２９のうち図で奥側が緩み、手前側が張るような状態なる。このとき、第２のタイミングベルト２９の奥側が緩んで膨らむようなことがあると、中間小プーリ２７と第２のタイミングベルト２９との間でいわゆる歯飛びが発生する虞がある。
【００３５】
ところが、そのような減速時には、可動テンショナ３０が、第２のタイミングベルト２９の緩み、張りに追従して矢印Ｂ方向に揺動し、奥側のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の緩み側（奥側）を比較的大きく押込むようになり、もって第２のタイミングベルト２９の緩み側における膨らみが抑えられ、歯飛びが未然に防止されるのである。尚、中間小プーリ２７が矢印Ｄ方向に回転駆動している状態から減速する際にも、同様にして歯飛びが未然に防止されることは言うまでもない。
【００３６】
このように本実施例によれば、ベルト伝動機構２１に、一方のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の張り側により外側に押されることによって他方のテンションローラ３２が第２のタイミングベルト２９の緩み側に押付けられて内側に比較的大きく押込む構成の可動テンショナ３０を設けるようにしたので、中間小プーリ２７とＴ軸用プーリ２０との間隔（軸間距離）が狭く且つプーリ径の比も大きく、また高速で動作する事情があっても、タイミングベルト２９の緩みによる歯飛びを効果的に防止することができ、ひいては伝動の確実性を高めることができるものである。
【００３７】
また、従来のようなテンションローラを固定的に設けるものと異なって、第２のタイミングベルト２９に過大な力が加わって寿命が短くなることはなく、しかも、テンションローラをばねにより付勢するものと異なり、部品数が少なく、簡単な構成で済ませることができる。特に本実施例では、可動テンショナ３０を、ほぼＶ字型をなす揺動アーム３１の両端部に、２個のテンションローラ３２を設けて構成したので、例えば可動テンショナを直線的にスライド移動させる構成とした場合と比べて、より簡単な構成で済むと共に、可動テンショナ３０を小さいスペースに配設することができる等の利点を得ることができるものである。
【００３８】
尚、上記実施例では、可動テンショナ３０を揺動可能に設けるようにしたが、例えば、可動テンショナを、スライド板に２個のテンションローラを設けて構成し、軸間方向にほぼ直交する方向に直線的にスライド移動自在に設けるといった構成としても良い。また、上記実施例では、第２のタイミングベルト２９部分に可動テンショナ３０を設けるようにしたが、第１のタイミングベルト２８部分や、タイミングベルト１７部分にも、同様の可動テンショナを設けるようにしても良い。
【００３９】
その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば、本発明は、小型の水平多関節型ロボットに限らず、垂直多関節型ロボットはもとよりベルト伝動機構を有する各種構造のロボットに適用することができ、また、ロボットのアームの形状やサーボモータの配置などの細部の構成についても様々な変形が可能であるなど、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、可動テンショナ部分の概略的な平面図
【図２】可動テンショナ部分の拡大縦断面図
【図３】第２アームの構成を示す縦断面図
【図４】第２アームの構成を示す横断平面図
【図５】ロボット本体の外観構成を示す図
【符号の説明】
図面中、１はロボット本体、４は第２アーム、５は上下アーム、８はＴ軸用サーボモータ、８ａは回転軸、９はフレーム、１９はＴ軸回転伝達機構、２０はＴ軸用プーリ（従動プーリ）、２１はベルト伝動機構、２２は駆動プーリ、２４は中間軸、２６は中間大プーリ、２７は中間小プーリ（駆動プーリ）、２８は第１のタイミングベルト、２９は第２のタイミングベルト、３０は可動テンショナ、３１は揺動アーム、３２はテンションローラを示す。

Claims (2)

1. ロボットに組込まれ、駆動プーリと従動プーリとの間にベルトを掛渡して構成されて駆動プーリの回転力を従動プーリに伝達するロボットのベルト伝動機構であって、
   前記ベルトの両側の外側に接触すると共に、軸間方向に交差する方向に所定間隔を保持して一体的に移動自在な２個のテンションローラを備え、一方のテンションローラがベルトの張り側により外側に押されることによって、他方のテンションローラがベルトの緩み側に押付けられるように構成された可動テンショナを設けたことを特徴とするロボットのベルト伝動機構。
2. 前記可動テンショナは、ほぼＶ字型をなしその中心部にて回動自在に支持された揺動アームの両端部に、前記テンションローラを備えて構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボットのベルト伝動機構。

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