JP2017137881A - ロボット及び可撓性歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの構成要素である可撓性歯車の寿命を長くする。【解決手段】ロボットは、第１部材と、アームを含んで構成され、前記第１部材に対して回動可能に設けられた第２部材と、前記第１部材に対して回動する駆動力を前記第２部材に伝達する歯車装置と、を有し、前記歯車装置は、可撓性歯車と前記可撓性歯車と噛み合う噛合い歯車とを備える。前記可撓性歯車を構成する材料において、粒径が５μ以上２０μｍ未満の範囲内にある非金属介在物の数量が前記可撓性歯車の断面の１ｍｍ２あたり１０個以下である。【選択図】図７

Description

本発明は、ロボット及び可撓性歯車装置に関する。

変速機の一種として、波動歯車装置（可撓性歯車装置）が知られている（例えば特許文献１）。この波動歯車装置に用いられる可撓性歯車は鉄合金で形成されており、鉄合金の結晶粒の平均粒径を１〜１０μｍに調整することが記載されている。

特開２００６−８３９０５号公報

可撓性歯車の寿命を長くすること、更には可能性歯車を用いたロボットの寿命を長くすることが求められている。本願の発明者は、可撓性歯車の鉄合金の粒径ではなく、可撓性歯車に含まれる不可避不純物の粒径及び個数と、可撓性歯車の寿命との間には関係があり、可撓性歯車の寿命を長くできる条件を見出した。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、第１部材と、アームを含んで構成され、前記第１部材に対して回動可能に設けられた第２部材と、前記第１部材に対して回動する駆動力を前記第２部材に伝達する歯車装置と、を有し、前記歯車装置は、可撓性歯車と前記可撓性歯車と噛み合う噛合い歯車とを備える。前記可撓性歯車を構成する材料において、粒径が５μ以上２０μｍ未満の範囲内にある非金属介在物の数量が前記可撓性歯車の断面の１ｍｍ^２あたり１０個以下である。
この形態によれば、可撓性歯車を構成する材料が含んでいる非金属介在物について、粒径が５μ以上２０μｍ未満の範囲内にある非金属介在物の数量が前記可撓性歯車の断面の１ｍｍ^２あたり１０個以下であるので、可撓性歯車の寿命を長くでき、ロボットの寿命を長くできる。

（２）上記形態において、可撓性歯車を構成する材料の引張強度が１１００ＭＰａ以上２１００ＭＰａ以下の範囲内にあってもよい。
この形態によれば、可撓性歯車を構成する材料の引張強度が１１００ＭＰａ以上２１００ＭＰａ以下の範囲内にあるので、可撓性歯車の寿命をさらに長くできる。

（３）上記形態において、前記可撓性歯車は、外歯を有し、前記噛合い歯車は、前記外歯と噛み合う内歯を有してもよい。

（４）上記形態において、前記可撓性歯車は、円筒形状の筒部と、前記筒部の一方の端部に配置されている円形の底部と、前記筒部の他方の端部に開口している開口部と、を有してもよい。
この形態によれば、可撓性歯車は、円筒形状の筒部と、筒部の一方の端部に配置されている円形の底部と、筒部の他方の端部に開口している開口部と、を有しているので、プレスにより容易に製造できる。

（５）上記形態において、可撓性歯車の材料は、炭素鋼を含んでいてもよい。この形態によれば、可撓性歯車の材料は、炭素鋼を含んでいるので可撓性歯車の硬度を増すことができる。

（６）上記形態において、可撓性歯車の材料は、合金鋼を含んでいてもよい。この形態によれば、可撓性歯車の材料は、合金鋼を含んでいるので可撓性歯車を強靭にできる。

（７）上記形態において、可撓性歯車の材料は、ステンレス鋼を含んでいてもよい。この形態によれば、可撓性歯車の材料は、ステンレス鋼を含んでいるので、可撓性歯車を錆にくくできる。

（８）上記形態において、前記歯車装置は、減速機であってもよい。この形態によれば、可撓性歯車装置によって、ロボットのトルクを増大できる。

（９）本発明の一形態によれば、歯車装置が提供される。この歯車装置は、可撓性歯車と、前記可撓性歯車と噛み合う噛合い歯車と、前記可撓性歯車の内周に内接する回転伝達部と、を備える。前記可撓性歯車を構成する材料において、粒径が５μ以上２０μｍ未満の範囲内にある非金属介在物の数量が前記可撓性歯車の断面の１ｍｍ^２あたり１０個以下である。
この形態によれば、可撓性歯車を構成する材料について、粒径が５μ以上２０μｍ未満の非金属介在物の数量が１ｍｍ^２あたり１０個以下であるので、可撓性歯車の寿命を長くできる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ロボット、可撓性歯車装置の他、変速機、増速機、加速機等の様々な形態で実現することができる。

ロボットの一例を示す説明図。 ロボットの第１部材と第２部材とその構成を示す説明図。 第１の実施形態の減速機の構成を示す説明図。 可撓性歯車の製造工程を示すフローチャート。 図４のステップＳ１３０の工程を示す説明図。 非金属介在物数のカウントする工程を示すフローチャート。 各サンプルの非金属介在物数と可撓性歯車の寿命を示す説明図。 寿命と非鉄介在物の数との関係を示すグラフ。 寿命と引張強度との関係を示すグラフ。

・第１の実施形態：
図１は、ロボット１０の一例を示す説明図である。ロボット１０は、第１部材３０１と、第２部材３０２と、第３部材３０３と、第４部材３０４と、第５部材３０５と、第６部材３０６と、第７部材３０７と、第８部材３０８と、第９部材３０９と、第１０部材３１０と、把持部３１１と、を備える。第１部材３０１は、他の部材を支える基部である。第２部材３０２は、第１部材３０１の上に、鉛直方向の軸を回転軸として、回転可能に配置されている。第３部材３０３は、第２部材３０２と接続され、第２部材３０２を通る水平方向の軸を回転軸として、回転可能に配置されている。以下、同様に、第ｎ部材（ｎは、２〜１０のいずれかの自然数）は、第（ｎ−１）部材を通る所定の軸周りに回転可能に接続されている。なお、第ｎ部材（ｎは、２〜１０のいずれかの自然数）は、アームを備えていても良い。把持部３１１は、一対の指３１１ａ、３１１ｂを備えている。把持部３１１は、一対の指３１１ａ、３１１ｂの間隔を狭め、あるいは広げることにより、他の物を掴む動作や離す動作を実行することができる。

図２は、ロボット１０の第１部材３０１と第２部材３０２とその構成を示す説明図である。第１部材３０１は、駆動部２００と変速機１００と、を備える。駆動部２００と変速機１００とは、第１回転軸１５０により接続されている。変速機１００は、第２回転軸１６０と接続されており、第２回転軸１６０は、第２部材３０２と接続されている。駆動部２００としては、特に限定は無く、電動モーターや、超音波モーターが使用可能である。駆動部２００が第１回転軸１５０を回転させると、変速機１００が回転数を減速し、第２回転軸１６０を回転させる。第２回転軸１６０が回転すると、第２部材３０２が、回転する。すなわち、第１部材３０１に対して、第２部材３０２を回転させることができる。図２では、ロボット１０の第１部材３０１と第２部材３０２を用いて説明したが、ロボット１０は、第２部材３０２と第３部材３０３についても同様の関係を有する構成を有しており、第２部材３０２に対して、第３部材３０３を回転させることができる。すなわち、ロボット１０は、第（ｎ−１）部材（ｎは、２〜１０のいずれかの自然数）と第ｎ部材についても同様の関係を有する構成を有しており、第ｎ部材は、第（ｎ−１）部材に対して回転可能である。なお、本実施形態では、変速機１００を減速機として使用しているが、変速機１００の入力と出力の接続を逆にすれば、変速機１００は、増速機としても使用できる。

図３は、第１の実施形態の変速機１００の構成を示す説明図である。変速機１００は、可撓性歯車１１０と、回転伝達部１２０と、剛性歯車１３０と、を備える可撓性歯車装置である。

可撓性歯車１１０は、外歯１１２を有する円筒形状の筒部１１４と、筒部１１４の一方の端部に配置されている円形の底部１１６と、筒部１１４の他方（底部１１６と反対側）の端部に開口している開口部１１８とを有する。可撓性歯車１１０の底部１１６は、第２回転軸１６０（出力軸）に接続されている。

回転伝達部１２０は、筒部１１４の軸Ｏを中心として回転する楕円状カム１２２と、楕円状カム１２２の外周に設けられ筒部１１４の内周に内接する軸受け１２４とを有する楕円形の部材である。軸受け１２４は、回転伝達部１２０と可撓性歯車１１０との間の摩擦を低減し、滑らかに動作させることができる。なお、軸受け１２４は、省略しても良い。なお、可撓性歯車１１０の開口部１１８の内周と、回転伝達部１２０の外周とは、同じ長さであることが好ましい。可撓性歯車１１０と、回転伝達部１２０とが、隙間無く接触する。楕円状カム１２２は、第１回転軸１５０（入力軸）に接続されている。

剛性歯車１３０は、可撓性歯車１１０の外歯１１２と噛み合う内歯１３２を備える筒部１３４を備える部材であり、噛合い歯車と言える。筒部１３４は、円形である。回転伝達部１２０が可撓性歯車１１０の開口部１１８に挿入されると、可撓性歯車１１０の筒部１１４の開口部１１８は、楕円形に変形する。このとき、可撓性歯車１１０の開口部１１８の楕円の長径方向で、可撓性歯車１１０の外歯１１２と剛性歯車１３０の内歯１３２とが噛み合う。なお、可撓性歯車１１０の開口部１１８の楕円の短径方向では、可撓性歯車１１０の外歯１１２と剛性歯車１３０の内歯１３２とは、離間し、噛み合わない。可撓性歯車１１０の外歯１１２と剛性歯車１３０の内歯１３２とが噛み合う位置は、回転伝達部１２０の回転と同期して回転する。なお、剛性歯車（噛合い歯車）は可撓性歯車よりも剛性が高い。ここで「剛性」とは物体が曲げ・捻じれなどによる破壊に耐える能力のことを意味する。言い換えれば剛性歯車は可撓性歯車のように撓まない歯車である。

可撓性歯車１１０の外歯１１２の歯数よりも、剛性歯車１３０の内歯１３２の歯数の方が多いため、可撓性歯車１１０は、回転伝達部１２０の回転数よりも小さい回転数で回転する。具体的には、可撓性歯車１１０の外歯１１２の歯数をｎ１、剛性歯車１３０の内歯１３２の歯数をｎ２とすると、この変速機１００の入力回転数に対する出力回転数は、回転数は、ｎ１／（ｎ２−ｎ１）となる。また、この時のｎ１とｎ２の歯数差は２ｍ（ｍ：正の整数）枚とされ、一般には２枚とされている。例えばｎ１＝１００、ｎ２＝１０２とすれば、回転伝達部１２０が５０回回転すると、可撓性歯車１１０は１回回転する。すなわち、減速比として、非常に大きな減速比５０を得ることができる。また、可撓性歯車１１０の開口部１１８は、楕円であるが、ほぼ真円に近い楕円であり、可撓性歯車１１０の開口部１１８は弾性変形の領域で変形する。

図４は、可撓性歯車の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、原材料を、真空中または低圧のアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で真空溶解して鋳造する。原材料としては、鉄系材料として、炭素鋼、合金鋼（低合金鋼、合金工具鋼等、高張力鋼、マルエージング鋼）、ステンレス鋼（析出硬化型ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼）等が使用できるが、強度と加工性のバランスが良いクロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼、析出硬化型ステンレス鋼が望ましい。炭素鋼であれば可撓性歯車１１０の硬度を増すことができる。また、合金鋼であれば、可撓性歯車１１０を強靭にできる。さらに、ステンレス鋼であれば、可撓性歯車１１０を錆にくくできる。真空溶解すると、空気（酸素）と接触しないので、酸化物系の非金属介在物を減らす（少なく、あるいは粒径を小さくする）ことができる。また、硫化物系の非金属介在物は、融点が低く、蒸気圧が高いので、真空溶解あるいは低圧（減圧下）で溶解すると、蒸発して抜けやすい。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で製造した鋳造物をエレクトロスラグ再溶解して、鋳造する。エレクトロスラグ再溶解により、非金属介在物は、溶融した鋼からスラグに取り込まれるので、鋳造物中の非金属介在物を減少させることができる。ステップＳ１００の真空溶解の温度と時間、及びステップＳ１１０のエレクトロスラグ再溶解の温度と時間によって、非金属介在物の大きさと量を制御できる。

ステップＳ１２０では、鋳造物を圧延して円形の板に加工する。ステップＳ１３０では、円形の板をプレスにてカップ型に成型する。

図５は、図４のステップＳ１３０の工程を示す説明図である。先ず、ステップＳ１２０で製造した円形の板１１０ａを準備する。これを、２つのプレス用の金型４００、４１０の間に挟んでプレスすることで、円形の板１１０ａを塑性変形させて、可撓性歯車１１０を形成する。すなわち、可撓性歯車１１０の筒部１１４と底部１１６は、同一の円形の板１１０ａから形成された一体の部材である。ここで、金型４００は、先端４０１が細くなっており、根元４０２が先端４０１よりも太くなっている。一方、金型４１０は、底４１１が狭くなっており、開口側４１２が底４１１よりも広くなっている。したがって、形成される可撓性歯車１１０は、開口部１１８側が広いため、プレスにより可撓性歯車１１０を形成した後、プレス用の金型４００、４１０から可撓性歯車１１０を容易に取り外すことが可能となっている。

図４のステップＳ１４０では、ステップＳ１３０により製造された可撓性歯車１１０を焼き入れする。焼き入れをすることで、鋼の組織をオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変えることができる。これにより、硬さを増加させることができる。ステップＳ１５０では、可撓性歯車１１０に焼き戻しを行う。焼き入れされた鋼は、硬いが、脆くなる。そこで、焼き戻しを行うことで、可撓性歯車１１０に粘りを与える。ステップＳ１４０の焼き入れ温度と時間、ステップＳ１５０の焼き戻しの温度と時間を制御することで、可撓性歯車１１０を構成する鋼の引っ張り強度を制御することができる。

図６は、非金属介在物数のカウントする工程を示すフローチャートである。ステップＳ２００では、可撓性歯車１１０の回転軸Ｏと垂直な断面で可撓性歯車１１０の外歯１１２を切断する。断面の面積が小さい場合には、複数箇所で切断しても良い。断面の合計面積としては、数十〜２００ｍｍ^２程度の大きさがあれば良い。ステップＳ２１０では、断面を金属顕微鏡で観察し、非金属介在物の個々の面積を測定する。個々の面積の平方根をその非金属介在物の粒径とする。観察にはＳＥＭ−ＥＤＸ（走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線）などを用いてもよい。

図７は、各サンプルの非金属介在物数と可撓性歯車１１０の寿命を示す説明図である。可撓性歯車１１０の寿命は、以下のように、同一材料で複数のサンプルを製造して耐久性試験を行い、５０％のサンプルが故障したときの寿命とした。
剛性歯車１３０の外径：６０ｍｍ、内径：４５ｍｍ
可撓性歯車１１０の外径：４５ｍｍ
減速比：５０
回転伝達部１２０の回転数：２０００ｒｐｍ
負荷トルク：１００Ｎｍ

図８は、寿命と非鉄介在物の数との関係を示すグラフである。図中に示した１〜１１の数字は、図７のサンプル番号である。粒径が５μｍ以上２０μｍ未満の非金属介在物の数が１０個／ｍｍ^２以下で１×１０^５回転以上の寿命が得られることが分かる。また、１×１０^６回転未満の寿命の領域では、介在物数と、寿命の対数と、がほぼ比例していることがわかる。したがって、粒径が５μｍ以上２０μｍ未満の非金属介在物の数を１０個／ｍｍ^２以下とすれば、１×１０^５回転以上の十分に長い寿命が得られる。また図７、図８においてサンプル１１とその他のサンプルとを比較してみれば、粒径が２０μｍ以上の非金属介在物の数量がゼロであることが、可撓性歯車の寿命を長くする効果があることがわかる。

図９は、寿命と引張強度との関係を示すグラフである。さらに、引張強度が、１１００ＭＰａ以上、２１００ＭＰａ以下であれば、８×１０^６回転以上の寿命が得られることがわかる。鋼は、上述したように、焼き入れにより引張強度を増加させると、脆くなるため、引張強度を増加しすぎても、寿命は延びないと思われる。したがって、引張強度は、２１００ＭＰａ以下とすることが好ましい。

以上、本実施形態によれば、可撓性歯車１１０を構成する材料が含んでいる非金属介在物について、粒径が５μ以上かつ２０μｍ未満の非金属介在物の数量が可撓性歯車１１０の断面の１ｍｍ^２あたり１０個以下とすることで、可撓性歯車１１０の寿命を長くすることが可能となる。さらに、可撓性歯車１１０を構成する材料の引張強度を１１００ＭＰａ以上２１００ＭＰａ以下とすることで、さらに寿命を延ばすことができる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…ロボット、１００…減速機、１１０…可撓性歯車、１１０ａ…板、１１２…外歯、１１４…筒部、１１６…底部、１１８…開口部、１２０…回転伝達部、１２２…楕円状カム、１２４…軸受け、１３０…剛性歯車（噛合い歯車）、１３２…内歯、１３４…筒部、１５０…第１回転軸、１６０…第２回転軸、２００…駆動部、４００…金型、４０１…先端、４０２…根元、４１０…金型、４１１…底、４１２…開口側、３０１…第１部材、３０２…第２部材、３０３…第３部材、３０４…第４部材、３０５…第５部材、３０６…第６部材、３０７…第７部材、３０８…第８部材、３０９…第９部材、３１０…第１０部材、３１１…把持部、３１１ａ…指、３１１ｂ…指

Claims (9)

1. 第１部材と、
   アームを含んで構成され、前記第１部材に対して回動可能に設けられた第２部材と、
   前記第１部材に対して回動する駆動力を前記第２部材に伝達する歯車装置と、を有し、
   前記歯車装置は、可撓性歯車と前記可撓性歯車と噛み合う噛合い歯車とを備え、
   前記可撓性歯車を構成する材料において、
   粒径が５μ以上２０μｍ未満の範囲内にある非金属介在物の数量が前記可撓性歯車の断面の１ｍｍ^２あたり１０個以下である、
   ロボット。
2. 前記可撓性歯車を構成する材料の引張強度が１１００ＭＰａ以上２１００ＭＰａ以下の範囲内にある、請求項１に記載のロボット。
3. 前記可撓性歯車は、外歯を有し、
   前記噛合い歯車は、前記外歯と噛み合う内歯を有する、
   請求項１または２に記載のロボット。
4. 前記可撓性歯車は、
   円筒形状の筒部と、
   前記筒部の一方の端部に配置されている円形の底部と、
   前記筒部の他方の端部に開口している開口部と、
   を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロボット。
5. 前記可撓性歯車の材料は、炭素鋼を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット。
6. 前記可撓性歯車の材料は、合金鋼を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット。
7. 前記可撓性歯車の材料は、ステンレス鋼を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット。
8. 前記歯車装置は、減速機である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロボット。
9. 可撓性歯車と、
   前記可撓性歯車と噛み合う噛合い歯車と、
   前記可撓性歯車に回転を伝達する回転伝達部と、
   を備え、
   前記可撓性歯車を構成する材料において、
   粒径が５μ以上２０μｍ未満の範囲内にある非金属介在物の数量が前記可撓性歯車の断面の１ｍｍ^２あたり１０個以下である、
   可撓性歯車装置。

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