JP2010076024A - スカラロボットの手首軸回転駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】アームの質量及び慣性を低減可能として、アームとしての応答性能や位置決め精度を高く維持することのできるスカラロボットの手首軸回転駆動機構を提供する。
【解決手段】手首軸１６にはそれを回転させるためのスプライン溝１６ｓが形成されている。手首軸１６の挿通されるスプラインナット２２は、固定筒２２ａと回転筒２２ｂからなり回転筒２２ｂが回転されると、スプライン溝１６ｓに嵌合されるベアリングを介して手首軸１６が回転される。回転筒２２ｂには第３モータＭ３の駆動力が回転動力の伝達機構により伝達される。すなわち第３モータＭ３からの回転動力が、基端側プーリ２３からタイミングベルト２６を介して先端側プーリ２５に伝達され、同プーリ２５に連動するピニオンギア２７に噛合されるシザーズギア２８から回転筒２２ｂに伝達される。これにより、第３モータＭ３の正逆回転により手首軸１６が正逆回転されるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、スカラロボットのアーム先端において軸心を中心に回転駆動される手首軸の回転駆動機構であるスカラロボットの手首軸回転駆動機構に関する。

産業用ロボットとしては、それを構成する複数のアームが水平関節を介して順番に連結されるスカラロボット（水平多関節型ロボット）が知られている。また、スカラロボットのアームの先端には回転駆動及び上下駆動される手首軸が設けられており、この手首軸に取り付けられる各種ハンドにより被対象物の組み立てや搬送作業が行なわれることもよく知られている。

ここで一般に、スカラロボットにおいては、特にアーム先端の質量増大は駆動時の慣性を増大させてその応答性能や位置決め精度を低下させる要因となることから、手首軸やそれを回転駆動させる駆動機構などはいずれも軽量であることとともに、アームにおいても質量の大きい部品などは基端側に配置されることが望まれている。その一方、作業効率の向上のためには、一度の作業において複数の部品を組み込むような作業なども求められており、そのような作業に対応することができるハンドとなるとその質量の増大も避けられない。その他、質量の大きい被対象物の搬送要求も高い。すなわち、アームの手首軸やその駆動機構としては、それら自身は軽量でありながら、アーム先端に質量の大きいハンドや質量の大きい被対象物を把持したハンド等が取着される場合であっても、これを高い応答性能と高い位置決め精度にて駆動可能であることが求められている。

そして、このような要求に応じてアームの手首軸などを軽量化する構造として、モータによる手首軸への回転動力の伝達に金属製ギアよりも軽量でかつ伝達距離を長くできるベルトを用いるとともに、この駆動モータをアームの基端側に配置させてアーム自身の慣性を低減させるようにした構造が知られている。すなわちこの場合、上記駆動モータとしては通常、減速機付きの駆動モータが用いられ、このモータから出力される低速度高トルクの回転動力が上記ベルトを介して手首軸に伝達されることとなる。ところが、一般にゴム製などからなるベルトでは、回転方向への負荷による撓み（伸縮）が生じやすく、例えばハンドや被搬送物の質量が大きい場合、あるいは回転速度が高くなる場合などのように、手首軸の慣性が高くなるときにこうした撓みの発生も顕著となる。そして、ベルトに撓みが生じるようなことがあれば、手首軸の応答性能や位置決め精度が低下するようになるため、手首軸に保持されるハンドや被搬送物の質量、並びに搬送（移動）速度などにも自ずと制約が生じるようになる。

そこで従来は、例えば特許文献１などにも見られるように、ベルトを用いつつも手首軸の応答性能や位置決め精度を維持向上させることのできる構造なども提案されている。すなわち、この特許文献１に記載のスカラロボットでは、アーム（外筒体）に結合されたハーモニックドライブ（登録商標）と称される減速機構に手首軸（作動軸）を回動可能に挿通保持させ、減速機構に接続されたプーリにベルトを介して駆動モータからの回転動力が入力されることにより、これを減速機構によって減速させて作動軸に伝達する。これにより、アームとしては減速機がその先端（手首軸近傍）に配置されるものの、駆動モータがその基端側に配置されることから、モータの質量に起因する慣性の増大は抑制される。また、手首軸としてもこれに生じる負荷は減速機構により機械的に吸収されるようになるため、ベルトへの負荷が軽減され、同ベルトに生じる撓みを要因とする応答性能や位置決め精度の低下が抑制されるようにもなる。
特開平７−１１６９７４号公報

しかしながら、この特許文献１に記載のスカラロボットは、上記減速機構が複数の金属製ギアの組合せにより構成されているためにその質量が十分に小さくならず、それが設置されるアーム先端の質量及び慣性の低減も十分には図られない。また、同減速機構を構成するそれら複数のギアは特殊な構造からなるギアであるがゆえに、その価格も自ずと高価なものとなっている。さらにこの減速機構は、自身の機構のみで高速な回転動力を作業軸の回転に適した速度にまで減速させるものであることから、摩擦力を低減させてこうした減速動作を円滑に実行させるためには、潤滑油の安定した供給も必須であり、その構造の複雑さに加えて、メンテナンス等の煩雑化も避けられない。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、アームの質量及び慣性を低減可能として、アームとしての応答性能や位置決め精度を高く維持することのできるスカラロボットの手首軸回転駆動機構を提供することにある。

本発明のスカラロボットの手首軸回転駆動機構は、水平関節で連結されたアームの先端に水平関節の回転軸方向と平行に延びるかたちで設けられた手首軸と、前記アームに設けられた手首軸回動駆動用のモータと、同アームに設けられて前記手首軸を支持しつつ前記モータから伝達される回転動力に基づいて手首軸をその軸心を回転の中心として回転させるスプラインナットと、これらモータ及びスプラインナットの間で回転動力を相互に伝達させる伝達機構とを備え、前記伝達機構には、前記モータと前記スプラインナットとの間に配置されて、前記モータからベルトを介して伝達される回転動力に基づいて回転する第１の歯車と、前記スプラインナットに連結されるとともに前記第１の歯車に噛合されて、該第１の歯車の回転数よりも少ない回転数の回転動力を前記スプラインナットに伝達する第２の歯車とが設けられてなることを要旨とする。

このような構成によれば、モータからの回転動力はベルトを介して第１の歯車に伝達される。このように動力伝達距離の選択の容易なベルトを用いることにより、モータの配置位置の自由度が高められ、同モータをアームの基端側に配置させることでアームとしての慣性を低減させることができるようなる。

また、第１の歯車に伝達された回転動力は、それと噛合される第２の歯車との２枚の歯車のみからなる組合せに基づき減速されてスプラインナットに伝達される。これにより、極めて簡素な減速機構が構成されることとなり、アーム先端の質量も自ずと軽減され、これによってもアームとしての慣性が低減されるようになる。

さらに、歯車よりも高速回転に対する耐性の高いベルトにてモータからの高速の回転動力を歯車に伝達させ、他方ではベルトよりも負荷（トルク）に対する耐性の高い歯車にてスプラインナットに低速高トルクの回転動力を伝達させるといった態様にて、ベルトと歯車それぞれの特性に適したかたちで動力伝達系を構成している。その結果、スカラロボットとしての応答性能や位置決め精度の向上が併せて図られるようにもなる。

また、スプラインナットへの手首軸側からの負荷、例えば手首軸の加減速に伴う負荷や、手首軸への上下方向への荷重が斜めに刻まれたボールねじ溝により回転方向へ変換されて加えられる負荷などが第１及び第２の歯車からなる一対の歯車により機械的に吸収されることから上記ベルトに高い負荷のかかることも抑制される。これにより、このような手首軸回転駆動機構を有するスカラロボットとしての信頼性も高められるようになる。

また本発明のスカラロボットの手首軸回転駆動機構は、前記第２の歯車は、前記手首軸が貫通されるとともに、該手首軸の軸心と同一の回転の中心を有するかたちで前記スプラインナットに連結されてなることを要旨とする。

このような構成によれば、第２の歯車とスプラインナットとの連結が極めて簡素に実現されるようになってアーム先端の軽量化が促進されるとともに、当該手首軸回転駆動機構を有するスカラロボットの実現も容易となる。

また本発明のスカラロボットの手首軸回転駆動機構は、前記第１の歯車がピニオンギアからなり、前記第２の歯車がシザーズギアからなることを要旨とする。
このような構成によれば、第１の歯車と第２の歯車との間におけるバックラッシュの発生が抑制され、手首軸の位置決め精度が向上されるようになる。

また本発明のスカラロボットの手首軸回転駆動機構は、前記伝達機構は、前記モータに連結された第１のプーリと前記第１の歯車に連結された第１のプーリよりも径の大きい第２のプーリとの間に掛け渡されたベルトを介して前記モータからの回転動力を前記第１の歯車に伝達するものであることを要旨とする。

このような構成によれば、第１の歯車には第１及び第２のプーリの径に応じてモータからの回転数が小さくされた回転動力が伝達される。これにより第１の歯車と第２の歯車との間に必要とされる減速比を小さくとることができて両歯車の小型化が促進されるとともに、高速回転する歯車に必要とされる潤滑油の塗布や供給にかかる複雑な機構が割愛可能となり、例えば潤滑油としてグリースを塗布する程度に簡略される。その結果、手首軸回転駆動機構としての小型化や構造の簡単化による軽量化が図られ、ひいてはスカラロボットとしての応答性能や位置決め精度の更なる向上が図られるようになる。

また本発明のスカラロボットの手首軸回転駆動機構は、前記ベルトは、弾性部材により形成されたものであることを要旨とする。
このような構成によれば、手首軸からの負荷が第１及び第２の歯車からなる一対の歯車により吸収し切れずにベルトに加わるような場合であれ、そのような負荷はベルトの弾性により吸収される。また、ベルトが負荷を吸収しきれずに損傷するような場合であれ、第１の歯車や第２の歯車は損傷から保護され、保守の容易なベルトの補修だけで済むようにもなる。これによりスカラロボットの手首軸回転駆動機構としての耐久性や保守性も向上されるようになる。

以下、本発明にかかるスカラロボットの手首軸回転駆動機構を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１はスカラロボット（水平多関節型ロボット）についてその側面構造を示したものである。

図１に示すように、スカラロボットは、床面等に設置された支持体としての基台１１を有して、その上端部に第１のアーム１３の基端部を回転体としてこれを回動可能に支持する連結軸１２が設けられている。連結軸１２は、軸心Ｃ１を有する円柱形状に形成されており、基台１１において同軸心Ｃ１を中心に回転可能に設けられ、基台１１内に設けられた第１モータＭ１により正逆回転されるようになっている。すなわちこれにより、第１のアーム１３は、第１モータＭ１により回動される連結軸１２の軸心Ｃ１を回動中心として基台１１に対して水平方向に回動するようになっている。

第１のアーム１３の先端部には、第２のアーム１５の基端部を回転体としてこれを回動
可能に支持させる支持軸１４が連結されている。支持軸１４は、第２のアーム１５に対して軸心Ｃ２を中心に回動可能に設けられており、第２のアーム１５の基端部に配設された第２モータＭ２に駆動連結され同第２モータＭ２により正逆回転されるようになっている。これにより、第２のアーム１５は、第２モータＭ２の反力により軸心Ｃ２を回動中心として第１のアーム１３に対して水平方向に回動するようになっている。

第２のアーム１５の先端部には、手首軸１６が上下方向に移動可能に、かつ、回転体として回転可能に支持されている。また同第２のアーム１５先端部の内部には、ボールねじナット２１とスプラインナット２２とが設けられている。ボールねじナット２１は、その中央に手首軸１６が挿通されるとともに同第２のアーム１５内に備えられている昇降モータＭ４から伝達される回転動力に基づいて手首軸１６を上下方向へ移動させる。スプラインナット２２は、その中央に手首軸１６が挿通されるとともに同第２のアーム１５内に備えられている第３モータＭ３から伝達される回転動力に基づいて手首軸１６を回転させる。すなわち手首軸１６は、これらボールねじナット２１とスプラインナット２２とにより第２のアーム１５に回動及び上下動可能に支持されるようになっている。

手首軸１６は、その下端部１７に被搬送物を把持するハンドなどのツールが取付けられるようになっており、その回動及び上下動によって移動されるツールを通じて被対象物に対する各種の作業が行なわれるようになっている。

第２のアーム１５内に設けられている各モータＭ２〜Ｍ４の制御信号あるいはモニタ信号の各信号線はフレキシブルな配線ダクト１９を介して基台１１内にてまとめられ、上記第１モータＭ１の信号線と共に、制御装置（図示略）の各対応する端子に接続されている。

図２は、第２のアーム１５先端部の内部について具体的な断面構成を示している。
図２において、手首軸１６には、その外周面に螺旋状のボールねじ溝１６ｂと、軸心Ｃ３と平行なスプライン溝１６ｓとがそれぞれ刻まれるかたちで形成されている。ボールねじ溝１６ｂはボールねじナット２１に対するめねじとして構成されており、スプライン溝１６ｓはスプラインナット２２に対するめねじとして構成されている。

すなわちボールねじナット２１は、第２のアーム１５に固定される外筒２１ａとその外筒２１ａの内側に回転可能に嵌め込まれつつ手首軸１６が挿通される内筒２１ｂとを有し構成され、その内筒２１ｂが昇降モータＭ４からベルト（図示略）等を介して伝達される回転動力によって回転駆動される。内筒２１ｂは、その内周に周面から一部を突出するベアリングが複数設けられ、それら複数のベアリングがそこに挿通される手首軸１６のボールねじ溝１６ｂに嵌合されるようになっている。すなわち、内筒２１ｂの内面は、そこに設けられている複数のベアリングがねじ山としてボールねじ溝１６ｂに嵌合されることで、内筒２１ｂがボールねじ溝１６ｂに対するおねじを構成するようになっている。手首軸１６は、そのボールねじ溝１６ｂに内筒２１ｂの回転動力が複数のベアリングを介して伝達され、その力が回転方向に対して斜めに刻まれているボールねじ溝１６ｂによって上下方向への力としても作用されるようになっている。手首軸１６がその回転方向への回転を規制されているようなときには、内筒２１ｂの回転動力がボールねじ溝１６ｂを同内筒２１ｂに対して上下方向に移動する力に変換されて同手首軸１６を上下方向に移動させるようになっている。

また、スプラインナット２２は、第２のアーム１５に固定される固定筒２２ａとその固定筒２２ａの内側に回動可能に嵌め込まれつつ手首軸１６が挿通される回転筒２２ｂとを有し構成され、その回転筒２２ｂが第３モータＭ３から次に説明する回転動力の伝達機構を介して伝達される回転動力によって回転駆動される。回転筒２２ｂは、その内周に周面
から一部を突出するベアリングが複数設けられ、それら複数のベアリングがそこに挿通される手首軸１６のスプライン溝１６ｓに嵌合されるようになっている。すなわち、回転筒２２ｂの内面は、そこに設けられている複数のベアリングがねじ山としてスプライン溝１６ｓに嵌合されることで、回転筒２２ｂがスプライン溝１６ｓに対するおねじを構成するようになっている。手首軸１６は、そのスプライン溝１６ｓに回転筒２２ｂの回転動力が複数のベアリングを介して伝達され、その力を回転方向に対して鉛直に刻まれているスプライン溝１６ｓによって回転方向への力として作用させるようになっている。すなわち回転筒２２ｂが回転されると、手首軸１６が同回転の回転方向に回転されるようになっている。

次に、第３モータＭ３の回転動力をスプラインナット２２に伝達させる前記伝達機構について説明する。
回転動力の伝達機構には、第３モータＭ３の出力軸ＤＳ３に連結される円盤形状の歯付きの基端側プーリ２３と、手首軸１６の近くに同手首軸１６に平行して設置される柱状の中間軸２４に回転可能に支持される円盤形状の歯付きの先端側プーリ２５と、それらプーリ２３，２５の間に掛け渡される歯付きのタイミングベルト２６とが設けられている。また回転動力の伝達機構には、中間軸２４に支持されつつ先端側プーリ２５に連結される円盤形状の平歯車としてのピニオンギア２７と、軸心Ｃ３を回転の中心として回転筒２２ｂに固定連結されるとともにピニオンギア２７に噛合されるシザーズギア２８とが設けられており、それらギア２７，２８により一対の歯車が構成されている。これにより第３モータＭ３から出力される回転動力が、出力軸ＤＳ３に連結される基端側プーリ２３からタイミングベルト２６を介して先端側プーリ２５に伝達され、先端側プーリ２５からそれに連動するピニオンギア２７に噛合されるシザーズギア２８に伝達されるようになっている。これにより、第３モータＭ３の正逆回転が伝達機構により伝達される手首軸１６が正逆回転されるようになっている。

本実施形態では、先端側プーリ２５の径は基端側プーリ２３の径よりも大きくされており、基端側プーリ２３の回転動力が先端側プーリ２５にて低速度かつ高トルクとされるようになっている。例えば、先端側プーリ２５の径が基端側プーリ２３の径の４倍とされる場合、基端側プーリ２３の回転動力は先端側プーリ２５にて速度が４分の１に、トルクが４倍にされる。なお、先端側プーリ２５の径と基端側プーリ２３の径との比については手首軸１６などの構成に適合するように任意の値に設定することができる。

タイミングベルト２６は、主にゴムなどから形成されその長さの自由度が高く、基端側プーリ２３と先端側プーリ２５との間の長さの自由度をも高くして、基端側プーリ２３を回動させる第３モータＭ３の第２のアーム１５における配置位置を基端側にさせることができるようにさせる。質量の大きい第３モータＭ３が基端側に配置される第２のアーム１５においてはその慣性が小さくされようになる。また、タイミングベルト２６はゴムなどその質量が金属などと比較して小さい材料から形成されていることからも第２のアーム１５の軽量化が図られる。このような第２のアーム１５の慣性の低減や軽量化により、手首軸１６やそれが備えられた第２のアーム１５の応答性能や位置決め精度が向上されるようになる。

ピニオンギア２７は、剛性の高い金属などから形成されており、第３モータＭ３から先端側プーリ２５を介して伝達された回転動力を、それに噛合するシザーズギア２８に伝達させる。

シザーズギア２８について図３及び図４を参照して説明する。図３はシザーズギア２８の分解斜視図、図４は同シザーズギア２８の底面の部分断面図である。
図３において、シザーズギア２８は、大きくは主ギア３０、副ギア４０及びばね装置４
５とを有し構成されている。

主ギア３０は、外周面に歯３２が形成された円盤形状の平歯車であり、その円盤形状の中心には中心孔３３が貫通形成されており、その中心孔３３の周囲には貫通孔３４が複数貫通形成されている。主ギア３０の円盤下面３１ｂ側において複数の貫通孔３４の周囲には中心孔３３と同心円状となる円筒部３５が突設されており、円筒部３５の先端部（図において下側）にはその外周を一周するかたちに環状溝３７が形成されている。円盤下面３１ｂにおいて円筒部３５よりも外周には、略長方形状のばね収納孔３６が長辺を外周の周方向に伸ばすかたちに２つ形成されている。２つのばね収納孔３６は、主ギア３０において同主ギア３０の中心を基準点とする点対称の位置に配置されている。

副ギア４０は、主ギア３０と同径の円盤形状の平歯車であり、外周面には主ギアと同数且つ同一規格の歯４２が形成されている。副ギア４０の円盤形状の中心には主ギア３０の円筒部３５の外周面と摺動可能な摺動孔４３が貫通形成されている。また、副ギア４０にあって主ギア３０のばね収納孔３６に対応するそれぞれの位置には、ばね支持孔４４がそれぞれ貫通形成されている。そして、副ギア４０にはそのばね支持孔４４を介してばね装置４５が取り付けられるようになっている。

ばね装置４５は、円柱状の主軸部４６と、筒状に形成され主軸部４６の外周を摺動可能な外筒部４７と、外筒部４７から主軸部４６に対して鉛直方向に突設されるばね部４８とを有し構成されている。主軸部４６は、その上部（図において下側）を副ギア４０のばね支持孔４４に嵌合可能になっている。外筒部４７には、その一側面にばね部４８の基端部が固定されている。ばね部４８は、押圧により長さが圧縮されるとその圧縮に応じた反力としてのばね付勢力を生じさせるばねを有し構成されており、ばね装置４５において主軸部４６側の基端部への押圧と先端部への押圧とを受けて圧縮される場合にはその圧縮に応じた反力としてのばね付勢力が発生される。そして、副ギア４０に取り付けられたばね装置４５は、副ギア４０が主ギア３０に取り付けられることによりばね収納孔３６に収納されるようになっている。なお、ばね装置４５は、その外筒部４７の外径とばね部４８の長さとが加えられた長さがばね収納孔３６の長さよりも長くなっており、ばね収納孔３６に収納されるときには、ばね部４８が予圧縮状態にてばね収納孔３６に収納されるようになっている。

主ギア３０に副ギア４０が組みつけられたとき、主ギア３０の円筒部３５の環状溝３７に止め輪５０がはめ込まれる。止め輪５０は、一部が欠けた円環形状に形成され、その径を小さくする方向への弾性力を有しており、その弾性力による環状溝３７への保持力により、副ギア４０の主ギア３０への組み付け状態を維持する。

すなわち図４において、副ギア４０の摺動孔４３に主ギア３０の円筒部３５を挿入することにより、シザーズギア２８は、主ギア３０と副ギア４０とが軸心に沿って相対回転可能に重なった一枚の歯車として組みつけられる。また、ばね装置４５はその予圧縮状態のばね部４８がばね収納孔３６の長手方向にばね付勢力を付勢するようになっている。この付勢によりばね装置４５の外筒部４７は主軸部４６とともにばね収納孔３６の長手方向の一端部（図４において時計方向）に押し付けられる位置である初期位置に配置される。主軸部４６が初期位置のとき、主軸部４６に嵌合された副ギア４０は主ギア３０に対して時計回り方向に所定角度だけ回転された状態となっており、副ギア４０の歯４２の位相が主ギア３０の歯３２の位相に対して時計周り方向にずれるようになっている。

このずれにより、ばね装置４５のばね部４８が圧縮されるように副ギア４０を回転させる（図４において反時計回り）と、同ばね部４８にはそれを戻すようなばね付勢力が生じることにより、副ギア４０にはその回動方向に対して回転戻り方向に作用するばね付勢力
が加わるようになる。こうした副ギア４０に対するばね付勢力によって、当該シザーズギア２８に噛み合う相手の歯車の歯、すなわちピニオンギア２７の歯は、主ギア３０及び副ギア４０にて前後より挟み込まれるようになる。

本実施形態では、シザーズギア２８の歯数はピニオンギア２７の歯数より多くされており、ピニオンギア２７の回転動力はシザーズギア２８にて低速度かつ高トルクとされ、逆にシザーズギア２８からの回転動力はピニオンギア２７にて高速度かつ低トルクとされる。例えばシザーズギア２８の歯数がピニオンギア２７の歯数の４倍とされる場合、ピニオンギア２７の回転動力はシザーズギア２８にて速度が４分の１に、トルクが４倍にされる。逆に、シザーズギア２８からの回転動力はピニオンギア２７にて速度が４倍に、トルクが４分の１にされる。なお、ピニオンギア２７の歯数とシザーズギア２８の歯数との比については手首軸１６などの構成に適合するように任意の値に設定することができる。

そしてこのシザーズギア２８は、その中心孔３３に手首軸１６を挿通させつつ主ギア３０の円盤下面３１ｂが固定筒２２ａの上方に延出されている回転筒２２ｂの上側面に接触されて、その上側面に貫通孔３４を挿通されるねじなどにより連結固定されるようになっている。すなわち、スプラインナット２２はシザーズギア２８からの回転動力を受けて回転させられるようになっているとともに、シザーズギア２８にはスプラインナット２２が手首軸１６などから受ける回転動力が伝達されるようにもなっている。

例えばこのような伝達機構において、基端側プーリ２３と先端側プーリ２５の径の比が１対４であり、ピニオンギア２７とシザーズギア２８の歯数の比が１対４である場合には、基端側プーリ２３の回転動力は、中間軸２４では速度は４分の１倍に、トルクは４倍になる。このとき、耐負荷性は低いものの高速回転への耐性が高く潤滑も不要であるタイミングベルト２６により高速度かつ低トルクの回転動力が伝達され、耐負荷性が高いものの高速回転には安定的な潤滑油の供給が必要な一対の歯車により低速度かつ高トルクの回転動力が伝達されるようになる。また、基端側プーリ２３と先端側プーリ２５により回転動力の速度が減少される分だけ一対の歯車の減速比を小さくとることができて両歯車の小型化が促進されるようにもなる。

すなわちこうした各プーリ２３，２５と各ギア２７，２８の配置により、本実施形態における回転動力の伝達機構では、タイミングベルト２６の特性と各ギア２７，２８からなる一対の歯車の特性とに適したかたちで回転動力が第３モータＭ３から手首軸１６に伝達される動力伝達系が構成されるようになっている。また、このような構成により、上記とは逆に、手首軸１６からタイミングベルト２６に回転動力が伝達されるようなときであれ、その負荷（トルク）の大きさが一対の歯車により４分の１まで小さくされてからタイミングベルト２６に伝達される。このことにより手首軸１６からタイミングベルト２６にその最大負荷を超えるような負荷が伝達されるようなことが少なくされるとともに、その最大負荷の範囲においては当該負荷を吸収して負荷吸収の困難な一対の歯車に対する保護が行なわれるようにもなり、スカラロボットの信頼性も高められる。

次に、図５及び図６を参照して、スプラインナット２２に設けられたシザーズギア２８と中間軸２４に設けられたピニオンギア２７との噛み合いの状態について説明する。図５と図６はシザーズギア２８とピニオンギア２７との噛み合い部分の上面構造の態様を拡大して示したものである。

図５において、ピニオンギア２７から時計回り方向ＣＷへ回転する回転動力がシザーズギア２８に伝達されるときには、ピニオンギア２７が駆動歯車となり、シザーズギア２８が被動歯車となる。すなわちスプラインナット２２に直接連結された主ギア３０の歯３２の後面３２ｒに、ピニオンギア２７の歯２７ｂの前面２７ｂｆから回転動力が伝達されて
スプラインナット２２が回転駆動される。このとき同図５に示すように、副ギア４０に付与されるばね付勢力によって、駆動歯車であるピニオンギア２７の歯２７ｂは、シザーズギア２８の主ギア３０及び副ギア４０で挟み込まれる。より具体的には、ピニオンギア２７の回転方向にあって歯２７ｂの前面２７ｂｆには主ギア３０の歯３２の後面３２ｒが当接し、またピニオンギア２７の歯２７ｂの後面２７ｂｒには副ギア４０の歯４２の前面４２ｆが当接される。このようにピニオンギア２７の歯２７ｂは、その前後面を主ギア３０及び副ギア４０によって挟持されることにより、シザーズギア２８やピニオンギア２７のバックラッシュが低減される。

逆に、図６において、ピニオンギア２７から反時計回り方向ＣＣＷへ回転する回転動力がシザーズギア２８に伝達されるときには、ピニオンギア２７が駆動歯車となり、シザーズギア２８が被動歯車となる。このとき、ピニオンギア２７からばね付勢力以上の回転動力の加えられる副ギア４０は主ギア３０に対して図において時計回り方向ＣＷに回転し、ピニオンギア２７の歯２７ｂの後面２７ｂｒが主ギア３０の歯３２の前面３２ｆと副ギア４０の歯４２の前面４２ｆとを押圧する。ところでバックラッシュが問題となる停止時や停止直前などのようにピニオンギア２７からばね付勢力よりも小さい回転動力が加えられる副ギア４０は、図５に示すように、ばね付勢力により主ギア３０に対してずれた位置に配置され、駆動歯車であるピニオンギア２７の歯２７ｂは、シザーズギア２８の主ギア３０及び副ギア４０で挟み込まれる。このときもピニオンギア２７の歯２７ｂは、その前後面を主ギア３０及び副ギア４０によって挟持されることにより、シザーズギア２８やピニオンギア２７のバックラッシュが低減される。

一方、図５において、シザーズギア２８から時計回り方向ＣＷへの回転動力がピニオンギア２７に伝達されるときには、シザーズギア２８が駆動歯車となり、ピニオンギア２７が被動歯車となる。すなわち図５に示すように、副ギア４０に付与されるばね付勢力によって、被動歯車であるピニオンギア２７の歯２７ｂは、シザーズギア２８の主ギア３０及び副ギア４０で挟み込まれ、その前後面を主ギア３０及び副ギア４０によって挟持されることにより、シザーズギア２８やピニオンギア２７のバックラッシュが低減される。

逆に、図６において、シザーズギア２８から反時計回りの方向ＣＣＷへの回転動力がピニオンギア２７に伝達されるときには、シザーズギア２８が駆動歯車となり、ピニオンギア２７が被動歯車となる。このとき、シザーズギア２８がばね付勢力以上の回転動力をピニオンギア２７に加えることで副ギア４０が主ギア３０に対して時計回りＣＷに回転される。しかし、バックラッシュが問題となる停止時や停止直前などのようにピニオンギア２７からばね付勢力よりも小さい回転動力が加えられる副ギア４０は、図５に示すように、ばね付勢力により主ギア３０に対してずれた位置に配置され、被動歯車であるピニオンギア２７の歯２７ｂは、シザーズギア２８の主ギア３０及び副ギア４０で挟み込まれる。このときもピニオンギア２７の歯２７ｂは、その前後面を主ギア３０及び副ギア４０によって挟持されることにより、シザーズギア２８やピニオンギア２７のバックラッシュが低減される。

こうしたシザーズギア２８の作用により、本実施形態における回転動力の伝達機構では、手首軸１６のスプラインナット２２に設けられたシザーズギア２８及び中間軸２４に設けられたピニオンギア２７のバックラッシュが低減さる。また、歯車として構造の簡単な平歯車からなるピニオンギア２７と、平歯車のようなシザーズギア２８を用いることにより極めて簡素な減速機構が構成され、手首軸１６を駆動させるための一対の歯車としての軽量化も図られるようになる。このようなバックラッシュの低減や一対の歯車の軽量化により手首軸１６及び第３モータＭ３の間における伝達トルクの変動が抑えられるようになることにより、手首軸１６やそれを備える第２のアーム１５の応答性能や位置決め精度が向上されるようになる。

以上説明したように、本実施形態のスカラロボットの手首軸回転駆動機構によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）第３モータＭ３からの回転動力がタイミングベルト２６を介してピニオンギア２７に伝達されるようにした。このように動力を伝達させる距離の選択の容易なタイミングベルト２６を用いることにより、第３モータＭ３の配置位置の自由度が高められ、同第３モータＭ３を第２のアーム１５の基端側に配置させることで第２のアーム１５としての慣性を低減させることができるようなる。

（２）ピニオンギア２７に伝達された回転動力をそれと噛合されるシザーズギア２８との２枚の歯車のみからなる組合せに基づき減速させてスプラインナット２２に伝達させた。これにより、極めて簡素な減速機構が構成されることとなり、第２のアーム１５先端の質量も自ずと軽減され、これによっても第２のアーム１５としての慣性が低減されるようになる。

（３）一対の歯車よりも高速回転に対する耐性の高いタイミングベルト２６にて第３モータＭ３からの高速の回転動力をピニオンギア２７に伝達させ、他方ではタイミングベルト２６よりも負荷（トルク）に対する耐性の高い一対の歯車にてスプラインナット２２に低速度かつ高トルクの回転動力を伝達させた。このような態様により、タイミングベルト２６と一対の歯車それぞれの特性に適したかたちで動力伝達系が構成されるようにした。その結果、スカラロボットとしての応答性能や位置決め精度の向上が併せて図られるようにもなる。

（４）スプラインナット２２への手首軸１６側からの負荷、例えば手首軸１６の加減速に伴う負荷や、手首軸への上下方向への荷重が斜めに刻まれたボールねじ溝１６ｂにより回転方向へ変換されて加えられる負荷などが一対の歯車により機械的に吸収されるようにしてタイミングベルト２６に高い負荷のかかることを抑制した。これにより、タイミングベルト２６にその耐性を超える負荷が加わるおそれが低減され、このような手首軸回転駆動機構を有するスカラロボットとしての信頼性も高められるようになる。

（５）シザーズギア２８とスプラインナット２２とを同心となるように配置してねじなどで連結させた。これにより、シザーズギア２８とスプラインナット２２の連結が極めて簡素に実現されるようになって第２のアーム１５先端の軽量化が促進されるとともに、当該手首軸回転駆動機構を有するスカラロボットの実現も容易となる。

（６）シザーズギア２８を用いたことにより、ピニオンギア２７とシザーズギア２８との間におけるバックラッシュの発生が抑制され、手首軸１６の位置決め精度が向上されるようになる。

（７）ピニオンギア２７には基端側プーリ２３及び先端側プーリ２５の径に応じて第３モータＭ３からの回転数が小さくされた回転動力が伝達されるようにした。これによりピニオンギア２７とシザーズギア２８との間に必要とされる減速比を小さくとることができて両歯車の小型化が促進されるとともに、高速回転する歯車に必要とされる潤滑油の塗布や供給にかかる複雑な機構が割愛可能となり、例えば潤滑油としてグリースを塗布する程度に簡略される。その結果、手首軸回転駆動機構としての小型化や構造の簡単化による軽量化が図られ、ひいてはスカラロボットとしての応答性能や位置決め精度の更なる向上が図られるようになる。

（８）手首軸１６からの負荷が一対の歯車により吸収し切れずにタイミングベルト２６に加わるような場合であれ、そのような負荷はタイミングベルト２６の弾性により吸収さ
れるようにした。また、タイミングベルト２６が負荷を吸収しきれずに損傷するような場合であれ、ピニオンギア２７やシザーズギア２８は損傷から保護され、保守の容易なタイミングベルト２６の補修だけで済むようにもなる。これによりスカラロボットの手首軸回転駆動機構としての耐久性や保守性も向上されるようになる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のような態様にて実施することもできる。
・上記実施形態では、タイミングベルト２６が主にゴムなどの弾性部材から形成されることとしたが、これに限らず、タイミングベルトとしては弾性を有するものであればそれを構成する材料としてはどのような部材を用いるものでもよい。これにより、タイミングベルトの構成の自由度が高められ、このような手首軸回転駆動機構の実現が容易にされる。

・上記実施形態では、出力軸ＤＳ３と中間軸２４との間の回転動力の伝達に基端側プーリ２３と先端側プーリ２５とそれに掛け渡されるタイミングベルト２６とを用いた。しかしこれに限らず、出力軸と中間軸との間の回転動力の伝達には、出力軸と中間軸との間の距離を離すことができるような伝達手段であれば、チェーンとスプロケットからなる構成などのような構成であってもよい。すなわち、手首軸を回転させるモータがアームの基端側に配置されるようになればアームの慣性が低減されることとなりアームの応答性能や位置決め精度が向上されるようになる。

・上記実施形態では、先端側プーリ２５の径を基端側プーリ２３の径よりも大きくした。しかしこれに限らず、先端側プーリ２５の径が基端側プーリ２３の径と同じであるか、小さくてもよい。先端側プーリ２５と基端側プーリ２３との間を離間させることができるようにすれば、手首軸を回転させるモータがアームの基端部に配置されるようになり、アームの慣性が低減されることとなりアームの応答性能や位置決め精度が向上されるようになる。

・上記実施形態では、一対の歯車は、ピニオンギア２７とシザーズギア２８とから構成されたが、これに限らず、一対の歯車として用いられるギアは相互に動力の伝達が可能な歯車であればよく、例えば２つのピニオンギアから構成されるものでもよい。これにより、一対の歯車を構成するギアの設計自由度が高められ、このようなスカラロボットの手首軸回転駆動機構の実現が容易にされる。

・上記実施形態では、シザーズギア２８がスプラインナット２２の回転筒２２ｂに連結固定された。しかしこれに限らず、ギアとスプラインナットとの間の動力伝達構成は動力が伝達されるのであればどのような構成でもよく、例えばスプラインナットにギアやベルトを介して伝達させたりしてもよい。これにより、ギアとスプラインナットとの間の動力伝達構成の自由度が高められ、このようなスカラロボットの手首軸回転駆動機構の実現が容易にされる。

・上記実施形態では、スカラロボットは第１のアーム１３と第２のアーム１５との２つの水平アームを有したが、スカラロボットの有する水平アームの数はそれには限られず、１つ以上であればよい。これにより、このようなスカラロボットの手首軸回転駆動機構の適用することのできるスカラロボットの自由度が高められるようになる。

本実施形態のスカラロボットの側面構造を示す側面図。 同実施形態のアーム内の手首軸回転駆動機構の断面構造を示す部分断面図。 同実施形態のシザーズギアの分解状態における斜視構造を示す分解斜視図。 同実施形態のシザーズギアの底面構造の部分断面を示す部分断面図。 同実施形態のピニオンギアとシザーズギアとの噛み合い状態について示す状態図。 同実施形態のピニオンギアとシザーズギアとの噛み合い状態について示す状態図。

符号の説明

１１…基台、１２…連結軸、１３…第１のアーム、１４…支持軸、１５…第２のアーム、１６…手首軸、１６ｂ…ボールねじ溝、１６ｓ…スプライン溝、１７…下端部、１９…配線ダクト、２１…ボールねじナット、２１ａ…外筒、２１ｂ…内筒、２２…スプラインナット、２２ａ…固定筒、２２ｂ…回転筒、２３…第１のプーリとしての基端側プーリ、２４…中間軸、２５…第２のプーリとしての先端側プーリ、２６…タイミングベルト、２７…第１の歯車としてのピニオンギア、２７ｂ…歯、２７ｂｆ…前面、２７ｂｒ…後面、２８…第２の歯車としてのシザーズギア、３０…主ギア、３１ｂ…円盤下面、３２…歯、３２ｆ…前面、３２ｒ…後面、３３…中心孔、３４…貫通孔、３５…円筒部、３６…ばね収納孔、３７…環状溝、４０…副ギア、４２…歯、４２ｆ…前面、４３…摺動孔、４４…ばね支持孔、４５…ばね装置、４６…主軸部、４７…外筒部、４８…ばね部、５０…止め輪、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…軸心、ＤＳ３…出力軸、Ｍ１…第１モータ、Ｍ２…第２モータ、Ｍ３…第３モータ、Ｍ４…昇降モータ。

Claims (5)

1. 水平関節で連結されたアームの先端に水平関節の回転軸方向と平行に延びるかたちで設けられた手首軸と、前記アームに設けられた手首軸回動駆動用のモータと、同アームに設けられて前記手首軸を支持しつつ前記モータから伝達される回転動力に基づいて手首軸をその軸心を回転の中心として回転させるスプラインナットと、これらモータ及びスプラインナットの間で回転動力を相互に伝達させる伝達機構とを備え、
   前記伝達機構には、前記モータと前記スプラインナットとの間に配置されて、前記モータからベルトを介して伝達される回転動力に基づいて回転する第１の歯車と、前記スプラインナットに連結されるとともに前記第１の歯車に噛合されて、該第１の歯車の回転数よりも少ない回転数の回転動力を前記スプラインナットに伝達する第２の歯車と
   が設けられてなるスカラロボットの手首軸回転駆動機構。
2. 前記第２の歯車は、前記手首軸が貫通されるとともに、該手首軸の軸心と同一の回転の中心を有するかたちで前記スプラインナットに連結されてなる
   請求項１に記載のスカラロボットの手首軸回転駆動機構。
3. 前記第１の歯車がピニオンギアからなり、
   前記第２の歯車がシザーズギアからなる
   請求項１または２に記載のスカラロボットの手首軸回転駆動機構。
4. 前記伝達機構は、前記モータに連結された第１のプーリと前記第１の歯車に連結された第１のプーリよりも径の大きい第２のプーリとの間に掛け渡されたベルトを介して前記モータからの回転動力を前記第１の歯車に伝達するものである
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のスカラロボットの手首軸回転駆動機構。
5. 前記ベルトは、弾性部材により形成されたものである
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のスカラロボットの手首軸回転駆動機構。

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