JP2013136136A

JP2013136136A - ロボットアーム駆動減速装置用変速装置

Info

Publication number: JP2013136136A
Application number: JP2011290724A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Morikawa; 淳夫森川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-11

Abstract

【課題】ロボットアームの動きに対し力がいる場合とスピードが必要な場合の相反する条件に対応できるロボットアーム用変速装置が必要。
【解決手段】ロボットアームの駆動に用いる減速装置の減速比を切替える変速装置を減速装置とモーターの間に具備し、ロボットアームに力が必要な場合は高減速比を選択し、早い速度が必要な場合は低減速比を選択でき、この切換えに電磁クラッチやカムクラッチを用いて電気制御可能としたロボットアーム駆動減速装置用変速装置。
【選択図】図１

Description

本発明は産業用ロボット及びサービスロボット、玩具ロボットに於けるロボットアームを動作させる減速装置に関するものである。

従来より、産業用ロボット、サービスロボット、玩具ロボットなどの関節部には一般的にモーターの回転を減速する減速装置が取り付けられ、モーターの高速回転をロボットアームの角度変化動作に変換している。

これらのモーターにはパルスモーターやサーボモーターなど電気制御で回転速度を変化することができ、その範囲は０から４，０００ｒｐｍ位の広範囲に及ぶものもある。

ロボットアームの関節ではこのモーターの回転速度に比例した速度と回転トルクで動くことが一般的であり、殆どのロボットはこのモーターの回転数を制御して動作している。

発明が解決しようとする課題

しかしながら、産業用ロボットやサービスロボット、玩具ロボットなどでは小さなモーターで大きな力を出すように減速装置のギヤ比を大きく設定するとアームの動作速度が遅すぎることがある。

特に２足歩行ロボットの脚の動作などは歩行動作中、左右の脚のどちらかが接地しながらもう片方の足は次の接地位置まで移動しなければならない。この時ロボットの体のバランスをとるために素早く動かすことが必要になった場合、ロボット自身の重量を支えるために大きな力を出す高い減速比を持つ減速装置では、モーターの最高回転数を越えてモーターを回すことが出来ないため、ロボットが転倒しないために必要な位置まで足を動かすことができないことがある。

また、転倒させないためにこの速度を優先した低い減速比を設定すると、ロボット自身の重量を何とか支えることができても、このロボットは大きな力を出して作業をすることが難しくなる。

このような従来の固定した減速比をもつ減速装置を持ち、モーターの回転速度の制御方法のみに頼ったロボットアームの減速装置では、速度を優先させるとロボットが重い荷物を持って運ぶような作業を行うことが困難であった。

課題を解決するための手段

本発明であるロボットアーム駆動減速装置用変速装置では、ロボットアームを駆動させる減速装置とその減速装置を駆動するモーターの間に減速比の異なった１組以上のベルトプーリーを設置し、減速装置側のプーリーを全て回転軸（従動軸）に固定させ、モーター側の回転軸（駆動軸）に連結したプーリーは全て駆動軸の回転に対して自由に回転できる構造とする。

この駆動軸側のプーリーはこの駆動軸とは電磁クラッチで連結し、この１組以上のプーリーのどれか１つの電磁クラッチを作動させると、この作動したクラッチに連結されたプーリーのみが駆動軸の回転をベルトに伝え、このプーリーの減速比の回転速度が従動軸に伝わる。

図１で、モーターの回転は駆動軸に伝達される。この駆動軸には電磁クラッチａ及び電磁クラッチｂを介して駆動プーリーａ、駆動プーリーｂが連結されている。

この時、例えば駆動プーリーａの電磁クラッチａだけを作動すれば、この駆動軸の回転トルクは電磁クラッチ板ａと駆動プーリーａが密着して駆動プーリーａに伝達され、この回転トルクはタイミングベルトａを介して従動プーリーａに伝達され、この従動プーリーａと一体となっている従動軸を介して減速装置を駆動し、ロボットアームが回転する。

この時の回転トルクと回転数はこの駆動プーリーａと従動プーリーａの減速比で決まる。

また、今度は駆動プーリーｂの電磁クラッチｂを作動すれば駆動プーリーｂと従動プーリーｂの減速比で従動軸が回転し、この時の回転トルクと回転数はこの駆動プーリーｂと従動プーリーｂの減速比でロボットアームは動作する。

発明の効果

本発明であるロボットアーム駆動減速装置用変速装置では、ロボットアームを駆動するモーターの回転数や回転トルクをロボットの状況に応じて減速比の比率を変えることによって適切なスピードとトルクを選択できるものである。

一般的に産業用ロボットは殆ど床に固定され、ロボットの可搬重量と要求される速度に見合った大きな出力のモーターや減速装置を備えている。この場合この可搬重量によってはロボット本体が２トンを越える場合もある。

しかし、サービスロボットなど据付型ではなく独立自走型のロボットでは出来るだけ軽く、しかも電力を外部から供給できずバッテリーなどに蓄えて作動する場合は極力モーターの消費電力を抑えなければならない。

この場合、固定の減速比の減速装置では必要とされる回転数とトルクをそれぞれの場合で選択する事は出来ず、たとえば２足歩行を行いながら重い荷物を持って作業する作業用ロボットは製作が困難であった。

本発明であるロボットアーム駆動減速装置用変速装置を使用することにより、これらの速度と力の相反する事柄を、それぞれのロボットの置かれた状況によって減速比を切り替えることによって達成することが出来る。

また、この減速比の切替を電磁クラッチや電磁ソレノイドを使用したアクチュエーターで電気的に制御すれば、ロボットの状況をコンピューターで判断し、その場合に応じて出された的確な指令に対して瞬時にロボットの動作に反映できる。

本発明の実施の形態１におけるロボットアーム駆動減速装置用変速装置にタイミングベルトを使用した例を模式的に示す斜視図である。

本発明の実施の形態１におけるロボットアーム駆動減速装置用変速装置にタイミングベルトを使用した例の動力伝達状況を表す断面図である。

本発明の実施の形態２におけるロボットアーム駆動減速装置用変速装置で変速装置にカムクラッチを使用した例を示す断面図である。

本発明の実施の形態２におけるロボットアーム駆動減速装置用変速装置で変速装置にカムクラッチを使用した例の動作状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）

図１は、本発明の実施の形態１におけるロボットアーム駆動減速装置用変速装置でタイミングベルトと電磁クラッチを用いた変速装置の例を示す。図２はこの図１の動作を回転トルクの伝達状況を説明する説明図である。

まず図１では１組以上の中の２組のベルトプーリーの組み合わせによる減速装置を持つ変速装置を示す。ここでは、モーター１の回転トルクは駆動軸５に伝わり、この駆動軸の回転トルクはこの駆動軸に固定されている２組の電磁クラッチａ６及び電磁クラッチｂ２０に伝達する。

両方の電磁クラッチが作動しなければそれぞれの電磁クラッチに接続している駆動プーリーａ２及び駆動プーリーｂ１３は回転せず、駆動軸５は空転するのみで、これらの駆動プーリーにタイミングベルトａ４及びタイミングベルトｂ２１で連結されている従動プーリーも回転することは無くロボットアーム１２は動かない。

しかし、この２組のベルトプーリーのうちどちらか片方の電磁クラッチが作動し、例えば電磁クラッチａ６が作動しクラッチ板ａ３が駆動プーリーａ２と接続状態となると、駆動軸５の回転トルクは駆動プーリーａ２に回転力を与え、この回転はタイミングベルトａ４を介して従動プーリーａ８に回転力を伝達し、この従動プーリーａ８と一体となっている従動軸９に回転トルクを与え、減速装置１１の回転入力となり、この減速装置１１の出力軸に接続したロボットアーム１２を回転させる。

この関係は図２の断面図で表し、モーター１の回転は駆動軸５と２つの電磁クラッチａ６及び電磁クラッチｂ２０を含み斜線で塗り潰した部分が一体となっている。

また従動軸９でも従動プーリーａ８と同じく従動プーリーｂ１０とが斜線で塗り潰したように一体となって伝達している。

ここで、上記の例えば図２ではクラッチ板ａ３が電磁石の力で矢印Ａの方向に動きクラッチ板ａ３が駆動プーリーａ２と密着して接続状態となると、駆動軸５の回転トルクを駆動プーリーａ２に伝達し、タイミングベルトａ４を介して従動プーリーａ８に伝達され、従動軸９を介して減速装置１１にモーターの回転力を入力する。

この時、従動プーリーｂ１０の回転トルクは同じくタイミングベルトｂ２１を介して駆動プーリーｂ１３を回転させるが、この駆動プーリーｂ１３は電磁クラッチｂ２０が作動していないため空転するのみである。

同様に、図２でクラッチ板ｂ２２が電磁石の力で矢印Ｂの方向に動き駆動プーリーｂ１３に密着してクラッチ板ｂ２２が駆動プーリーｂ１３と接続状態となると、駆動軸５の回転トルクを駆動プーリーｂ１３に伝達し、タイミングベルトｂ２１を介して従動プーリーｂ１０に伝達され、従動軸９を介して減速装置１１にモーターの回転力を入力する。

この時も、従動プーリーａ８の回転トルクは同じくタイミングベルトａ４を介して駆動プーリーａ２を回転させるが、この駆動プーリーａ２も電磁クラッチａ６が作動していないため空転するのみである。

減速比の組み合わせについて説明すると、この図の駆動プーリーａ２と従動プーリーａ８のプーリー比を例えば３：２とし、もう一組の駆動プーリーｂ１３と従動プーリーｂ１０のプーリー比を例えば２：３とする。

また、減速装置１１の入力軸対出力軸の減速比を１：６０とすると、例えば駆動プーリーａ２と従動プーリーａ８の組み合わせでの全体の減速比は次の（数１）となりモーター４０回転でロボットアームが１回転する。

また、今度は駆動プーリーｂ１３と従動プーリーｂ１０の組み合わせでの全体の減速比は次の（数２）となりモーター９０回転でロボットアームが１回転する。

この減速比の違いで、モーターとロボットアームの速度の関係では、最初の駆動プーリーａ２と従動プーリーａ８の組み合わせに対し、駆動プーリーｂ１３と従動プーリーｂ１０の組み合わせではモーターの回転の速度に対してロボットアームの動きは、後者は前者の半分以下の速度であると言える。

また回転トルクの関係は前者の組み合わせでは（数１）の通りモータートルクの４０倍の回転トルクがロボットアームの回転トルクとなるが、後者では（数２）の通りモータートルクの９０倍の回転トルクがロボットアームに得られる事となる。

これらの特徴とする速度と相反する力の関係をそれぞれのプーリーの組み合わせを電磁クラッチで切り替えることにより、ロボットアームの必要とする状況で的確な特性を作り出すことが出来る。

次に、これら実施の形態１に於けるロボットアーム駆動減速装置用変速装置で１組以上のベルトプーリーの組み合わせの代わりに、同じく１組以上のチェーンとスプロケットの組み合わせや、ギヤ比の異なる歯車の組み合わせでもベルトプーリーの組み合わせと同じ機能を成すことが出来る。

この場合チェーンと歯数の違うスプロケットの組み合わせやギヤ比の異なる歯車で減速比の異なる減速機構が形成でき、それぞれの組み合わせのスプロケットや歯車にそれぞれ電磁クラッチを接続し、状況に応じた組み合わせを電磁クラッチで選択切換えを行うことにより適切な速度やトルクでロボットアームを動かすことが出来る。

（実施の形態２）

前記、実施の形態１では１組以上の組み合わせのベルトプーリーやチェーンとスプロケットの組み合わせ、或いはギヤの組み合わせを電磁クラッチで切換え選択して適切なスピードとトルクをロボットアームに伝達していた。この機能と同じ動作を実施の形態２として、カムクラッチとこれを動かす電磁ソレノイドやエアーシリンダー、油圧シリンダーなどのアクチュエーターを用いた変速装置の例を説明する。

図５を参照しつつ説明すると同図ではアクチュエーターを用いた例を示し、モーター１の回転は駆動軸５に伝わる。この駆動軸にはスプライン溝１７が切ってあり、お互いにかみ合うスプライン形状を有するヨーク１６と連結し一体となって駆動する。

このヨーク１６はスプライン溝１７に沿って軸の前後方向に移動することが出来る。この移動はアクチュエーター１４の伸び縮みで動作するフォーク１５で行う。

図４のＡ図の様に、いま圧縮空気または油圧で作動するアクチュエーター１４で伸び側の方向に動作するとフォーク１５を介してヨーク１６は同図矢印Ｃの様に移動しカムピン１８は駆動プーリーａ２のカム溝１９に嵌まり、駆動軸５の回転はスプライン１７を介してヨーク１６を回転させる。

この時ヨーク１６の回転はカムピン１８とカム溝１９の連結により駆動プーリーａ２を回転させタイミングベルトａ４を介して従動プーリーａ８を回転させ従動軸９を駆動プーリーａと従動プーリーａの減速比で回転させる。

また、同じく図４のＢ図の様にアクチュエーター１４で縮み側の方向に動作するとこのヨーク１６は同図矢印Ｄの様に移動し、今度は駆動プーリーｂ１３を回転させ同様に従動軸９を駆動プーリーｂ１３と従動プーリーｂ１０の減速比で回転させ、実施の形態１と同様に変速することができる。

この実施の形態２でも前記実施の形態１と同様に１組以上のベルトプーリーの組み合わせの代わりに、同じく１組以上のチェーンとスプロケットの組み合わせや、ギヤ比の異なる歯車でもベルトプーリーの組み合わせと同じ機能を成すことが出来る。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１モーター、２駆動プーリーａ、３クラッチ板ａ、４タイミングベルトａ、５駆動軸、６電磁クラッチａ、７ロータリーエンコーダー、８従動プーリーａ、９従動軸、１０従動プーリーｂ、１１減速装置、１２ロボットアーム、１３駆動プーリーｂ、１４アクチュエーター、１５フォーク、１６ヨーク、１７スプライン溝、１８カムピン、１９ピン溝、２０電磁クラッチｂ、２１タイミングベルトｂ、２２クラッチ板ｂ

Claims

ロボットアームを駆動する減速装置とモーターとの間に減速比の異なるベルトとプーリーを１組以上具備し、それぞれのプーリーに電磁クラッチを設置し、ロボットアームの動作の中で力が必要な場合はこの１組以上の変速比の中の高減速比側の電磁クラッチを作動させて高減速比でモーターの回転数を落とすことによりロボットアームを力強く動かし、またロボットアームの動きにスピードが必要な場合は１組以上のベルトプーリーの減速比の少ない方の減速比のプーリーの電磁クラッチを作動させることによりロボットアームを高速に動かすことができ、ロボットの状況に応じて減速比を変えることができるロボットアーム駆動減速装置用変速装置。
請求項１に記載したロボットアーム駆動変速装置に使用したベルトプーリーを１組以上の減速比の異なるギヤで伝達した請求項１に記載のロボットアーム駆動減速装置用変速装置。
請求項１に記載した１組以上の減速比のベルトプーリーの代わりに同じく１組以上の減速比の異なるチェーンスプロケットとチェーンで構成する請求項１に記載のロボットアーム駆動減速装置用変速装置。
請求項１に記載したロボットアーム駆動変速装置であって、１組以上の減速比のベルトプーリーを切り替える機構として使用する電磁クラッチの代りに、１組以上の中のそれぞれ２組間のプーリーの間で中立状態から左右どちらかに移動し、移動した側のプーリーに咬みこむ構造のピンや凹凸で駆動するカム構造のクラッチ機構を有し、このカムの移動を電磁ソレノイドで行ことにより電気制御を可能としたロボットアーム駆動減速装置用変速装置。
請求項４に記載したロボットアーム駆動変速装置であって、１組以上の中の２組のプーリーのどちらかを選択するカム構造のクラッチ機構を作動する電磁ソレノイドの代わりに電磁弁で動作するエアーシリンダーや油圧シリンダーなどのアクチュエーターで駆動するカム機構で動作する変速機構を有するロボットアーム駆動減速装置用変速装置。