JP2020116677A - バックラッシ削減機構を備えたロボット関節構造及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット関節軸のモータに補助軸受を用いた場合であっても、モータ側歯車と相手側歯車との間のバックラッシを削減してロボットの軌跡精度を向上させる。【解決手段】ロボット関節構造２０は、鉛直軸回りに旋回可能なロボット関節軸に用いるモータ２１と、モータ２１のシャフト２７に取付けられるモータ側歯車２２と、シャフト２７を補助的に軸支する補助軸受２３と、モータ２１、モータ側歯車２２、及び補助軸受２３を一体化するアダプタ２４と、モータ側歯車２２と噛合する相手側歯車３７に対してモータ側歯車２２が近づくように、アダプタ２４によって一体化したユニット構造２９をモータ２１の径方向Ｂへ移動する移動機構２５と、を備える。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、ロボットに関し、特にバックラッシ削減機構を備えたロボット関節構造及びロボットに関する。

ロボットが動作しながら加工を行うレーザアプリケーション、シーリングアプリケーション等では、ロボットの軌跡精度がそのまま製品精度に転写されるため、ロボットに高い軌跡精度が要求される。

垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット等の産業用ロボットでは多くの場合、サーボモータから出力されるトルクを減速機構で増幅する駆動方式が採用されるが、減速機構に存在するバックラッシによってモータシャフトと出力軸との間の回転に誤差が生じ、ロボットの軌跡精度が悪化する。斯かるバックラッシを除去、削減、又は調整する先行技術としては、例えば特許文献１−１０が公知である。

特許文献１には、調節ねじを調節して食違い歯車装置の小歯車を軸方向に移動させ、小歯車と大歯車との間のバックラッシを調節する機構が開示されている。

特許文献２には、位置決めナットを位置調整して円錐歯車を軸方向に移動させ、円錐歯車と大円錐歯車との間のバックラッシを調整する機構が開示されている。

特許文献３には、第１歯車軸の両端に固定したボスが夫々バネに押し付けられることにより、第１歯車軸が平行移動して第１歯車軸に設けた歯車と出力軸歯車との間のバックラッシを低減する機構が開示されている。

特許文献４には、皿ばねによって大傘歯車を軸方向に移動させ、大傘歯車と小傘歯車との間のバックラッシを調整する電動パワーステアリング装置が開示されている。

特許文献５には、遊星歯車の付勢軸を支持する支持部材が第一弾性部材によって可動内歯歯車及び固定内歯歯車に向け付勢され、遊星歯車と可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間のバックラッシが除去、低減されるロボットの関節構造及びロボットアームが開示されている。

特許文献６には、被動ギヤの回転に従動してアイドラギヤが回転し始めると、被動ギヤからの噛み合い反力を受けたアイドラギヤが駆動ギヤ及び被動ギヤの回転中心を結ぶ線と平行な所定方向に沿って駆動ギヤ側へ移動し、アイドラギヤと駆動ギヤとの間のバックラッシ量が殆ど無い状態になる電動パワーステアリング装置が開示されている。

特許文献７には、ハーモニックドライブ（登録商標）によってモータから第３アームへの動力の伝達経路におけるバックラッシを低減した水平多関節ロボットが開示されている。

特許文献８には、コイルばねによってウォームシャフトの軸受を付勢してウォームギヤの噛合状態を維持し、バックラッシを低減したパワーステアリング装置が開示されている。

特許文献９には、２つのモータの出力軸に夫々連結された２つのドライブギアと、２つのドライブギアで駆動されるドリブンギアと、を有し、夫々の出力軸が平行であり、且つ、夫々の出力軸の軸間距離がドリブンギアの外径より小さくなるように配置したハイポイド減速機構が開示されている。

特公平０３−７３４３６号公報 特開２００８−２２３８１２号公報 特開２００５−７６７４８号公報 特開平９−１９３８１５号公報 特開２００９−７４６１１号公報 特開２０１０−１４３２８４号公報 特開２０１５−３６１８６号公報 特開２０１６−１９９１７７号公報 特開２０１７−１０６５３３号公報

特にロボット先端からの距離が遠い関節軸、例えば垂直多関節ロボットの第１軸に存在するバックラッシはロボット軌跡精度への影響が大きいため、バックラッシを削減することが重要となる。また、鉛直軸回りに旋回し得る他の関節軸、例えば垂直多関節ロボットの第４軸から第６軸は、関節軸の歯車に重力が作用しない場合があるため、これら関節軸に存在するバックラッシもロボット軌跡精度に影響することがある。これは水平多関節ロボットの関節軸についても当てはまる。

他方、モータから減速機構までの距離が遠く、モータシャフトを延長する場合には、モータシャフトへの負荷軽減、剛性確保等のために補助軸受を装着することがあるが、モータシャフトに取付ける歯車の回転軸位置が補助軸受によって固定されるため、モータ側歯車と相手側歯車との間のバックラッシを調整するのは困難であった。

そこで、ロボット関節軸のモータに補助軸受を用いた場合であっても、モータ側歯車と相手側歯車との間のバックラッシを削減してロボットの軌跡精度を向上させる技術が求められている。

本開示の一態様は、鉛直軸回りに旋回可能なロボット関節軸に用いるモータと、モータのシャフトに取付けられるモータ側歯車と、シャフトを補助的に軸支する補助軸受と、モータ、モータ側歯車、及び補助軸受を一体化するアダプタと、モータ側歯車と噛合する相手側歯車に対してモータ側歯車が近づくように、アダプタによって一体化したユニット構造をモータの径方向へ移動する移動機構と、を備える、ロボット関節構造を提供する。

本開示の一態様によれば、ロボット関節軸のモータに補助軸受を用いた場合であっても、ユニット構造をモータの径方向へ移動できるため、モータ側歯車と相手側歯車との間のバックラッシが削減され、ロボットの軌跡精度が向上する。ひいては、レーザアプリケーション、シーリングアプリケーション等におけるロボットの加工精度が向上する。

一実施形態におけるロボットを示す斜視図である。 ロボット関節構造を示すＡ−Ａ’断面図である。 バックラッシ削減前のロボット関節構造を示す拡大断面図である。 バックラッシ削減後のロボット関節構造を示す拡大断面図である。 ロボット関節構造の変形例を示す拡大断面図である。 ロボット関節構造の他の変形例を示す拡大断面図である。 比較例のロボット関節構造を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

図１は、本実施形態におけるロボット１の斜視図である。本例のロボット１は、産業用ロボット、特に垂直多関節ロボットであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば水平多関節ロボット等にも適用可能であることに留意されたい。ロボット１は、例えばレーザアプリケーション、シーリングアプリケーション等に利用され、ロボット先端１０には、種々のエンドエフェクタ（図示せず）が取付けられる。符号Ｊ１からＪ６で示すように、ロボット１は６つの関節軸を備えている。第１軸Ｊ１はロボット先端１０から最も距離が遠く且つ鉛直軸回りに旋回する関節軸であるため、第１軸Ｊ１に存在するバックラッシはロボット軌跡精度に対する影響が最も大きい。他方、第２軸Ｊ２及び第３軸Ｊ３は水平軸回りに旋回する関節軸であり、これら関節軸の歯車には重力が作用するため、これら関節軸に存在するバックラッシはロボット軌跡精度に影響し難い。第４軸Ｊ４から第６軸Ｊ６はロボット姿勢に依存して鉛直軸回りに旋回可能な関節軸であり、これら関節軸の歯車には重力が作用しない場合があるため、バックラッシがロボット軌跡精度に影響することがある。なお、水平多関節ロボットの関節軸も鉛直軸回りに旋回するため、これら関節軸のバックラッシもロボット軌跡精度に影響する。

図２は、ロボット関節構造２０を示すＡ−Ａ’断面図である。本例では、第１軸Ｊ１のロボット関節構造２０に基づき説明するが、本発明はこれに限定されないことに留意されたい。ロボット関節構造２０は、モータ２１、モータ側歯車２２、補助軸受２３、アダプタ２４、及び移動機構２５を備えている。モータ２１は第１軸Ｊ１の駆動に用いられるが、モータ２１から減速機構２６までの距離が遠いため、モータ２１のシャフト２７には細長いモータ側歯車２２がボルト２８によって取付けられ、シャフト２７が延長されている。補助軸受２３は、シャフト２７の負荷軽減、剛性確保等のため、シャフト２７を補助的に軸支している。アダプタ２４は、中空の筒状部分３０と、筒状部分３０の開放端の一方に周方向へ形成したフランジ３１と、を備えている。モータ２１はフランジ３１に取付けられ、補助軸受２３は筒状部分３０の内周面に装着されている。モータ２１、モータ側歯車２２、及び補助軸受２３はアダプタ２４によって一体化され、破線で示すようなユニット構造２９が形成されている。ユニット構造２９は、後述の移動機構２５によってモータ２１の径方向Ｂへ移動可能である。

図３Ａはバックラッシ削減前のロボット関節構造２０を示す拡大断面図であり、図３Ｂはバックラッシ削減後のロボット関節構造２０を示す拡大断面図である。本例の移動機構２５は、貫通穴３２、締結ねじ３３、及びロボットアーム部材３４を備えている。貫通穴３２はアダプタ２４のフランジ３１に形成され、締結ねじ３３が貫通穴３２の内径Ｃより小さい外径Ｄを有している。これにより、ユニット構造２９がロボットアーム部材３４に対して移動可能となる。ロボットアーム部材３４は、ユニット構造２９が摺動可能に配置される旋回ベースであり、アダプタ２４を受入れる受入溝３５を備えていてもよい。ユニット構造２９を移動可能にするため、受入溝３５の内径Ｅは、ユニット構造２９の移動量Ｆをアダプタ２４の受入部分３０（即ち、筒状部分）の外径Ｇに加算したサイズより大きく設計される。さらに、ロボットアーム部材３４は、モータ側歯車２２を挿通する挿通孔３６を備えていてもよい。ユニット構造２９を移動可能にするため、挿通孔３６の内径Ｈも、ユニット構造２９の移動量Ｆをモータ側歯車２２の外径Ｉに加算したサイズより大きく設計される。

斯かる移動機構２５によれば、作業者がユニット構造２９をモータ２１の径方向Ｂへ移動することが可能となる。これにより、モータ側歯車２２がモータ側歯車２２と噛合する相手側歯車３７に近づくことになる（図３Ａ参照）。相手側歯車３７はロボットアーム部材３４に連結する減速機構２６の歯車であるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではないことに留意されたい。作業者がユニット構造２９をモータ２１の径方向Ｂへ移動したときにモータ側歯車２２が相手側歯車３７に確実に近づくように、モータ側歯車２２が相手側歯車３７に近づく方向に受入溝３５が延びていてもよい。ユニット構造２９をモータ２１の径方向Ｂへ移動した後、作業者は締結ねじ３３によってユニット構造２９をロボットアーム部材３４に対して位置決めする（図３Ｂ参照）。これにより、モータ側歯車２２と相手側歯車３７との間のバックラッシが削減され、ロボット１の軌跡精度が向上する。

図４は、ロボット関節構造２０の変形例を示す拡大断面図である。本例のロボット関節構造４０では、ロボットアーム部材４１が受入溝を備えておらず、アダプタ４２がフランジを備えていない点で、前述のロボット関節構造２０とは異なる。移動機構４３は、前述の貫通穴３２及び締結ねじ３３に加えて、ユニット構造２９が摺動する摺動面４４を備えたロボットアーム部材４１を有している。摺動面４４には、ユニット構造２９の移動方向を指示する矢印等（図示せず）が描かれていることが好ましい。これにより、作業者がユニット構造２９を移動する際にモータ側歯車２２を相手側歯車３７に容易に近づけることができる。

図５は、ロボット関節構造４０の他の変形例を示す拡大断面図である。本例のロボット関節構造５０では、移動機構５１が貫通穴及び締結ねじを備えていない点で、前述のロボット関節構造４０とは異なる。代わりに移動機構５１は、レール５２と、レール５２上を移動可能な可動部材５３と、レール５２及び可動部材５３によってユニット構造２９が摺動可能に配置されるロボットアーム部材４１と、ユニット構造２９をロボットアーム部材に位置決めする位置決め部材５４と、を備えている。レール５２は、モータ側歯車２２が相手側歯車３７に近づく方向に向けられている。これにより、作業者がユニット構造２９を移動する際にモータ側歯車２２を相手側歯車３７に容易に近づけることができる。位置決め部材５４は、可動部材５３がレール５２上で移動しないようにロックするロック部材である。移動機構５１はボールねじの構成を採用してもよく、この場合には、レール５２をねじ軸として構成し、可動部材５３をねじ軸上で移動可能なナットとして構成できる。移動機構５１は、ユニット構造２９の位置を指示する目盛り５５をさらに備えていてもよい。これにより、モータ側歯車２２と相手側歯車３７との間のバックラッシの影響を把握することが可能になる。目盛り５５は、レール５２等に印字又は刻印されたものではなく、ダイヤルゲージ等を採用してもよい。

図６は、比較例のロボット関節構造６０を示す断面図である。本例のロボット関節構造６０は、モータ２１、モータ側歯車２２、及び補助軸受２３を一体化するアダプタ２４を備えていない点で、前述のロボット関節構造２０、４０、５０とは異なる。ロボット関節構造６０では、補助軸受２３がロボットアーム部材６１に装着されているため、モータ２１のシャフト２７に取付けるモータ側歯車２２の回転軸位置を調整できない。このため、モータ側歯車２２と相手側歯車３７との間のバックラッシを削減できず、斯かるバックラッシに起因してロボット軌跡精度が低下してしまう。

対照的に、前述のロボット関節構造２０、４０、５０によれば、ロボット関節軸のモータ２１に補助軸受２３を用いた場合であっても、ユニット構造２９をモータの径方向Ｂへ移動できるため、モータ側歯車２２と相手側歯車３７との間のバックラッシが削減され、ロボット１の軌跡精度が向上する。ひいては、レーザアプリケーション、シーリングアプリケーション等におけるロボットの加工精度が向上する。

本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１ ロボット
１０ ロボット先端
２０、４０、５０ ロボット関節構造
２１ モータ
２２ モータ側歯車
２３ 補助軸受
２４、４２ アダプタ
２５、４３、５１ 移動機構
２６ 減速機構
２７ シャフト
２８ ボルト
２９ ユニット構造
３０ 筒状部分
３１ フランジ
３２ 貫通穴
３３ 締結ねじ
３４、４１ ロボットアーム部材
３５ 受入溝
３６ 挿通孔
３７ 相手側歯車
４４ 摺動面
５２ レール
５３ 可動部材
５４ 位置決め部材
Ｊ１−Ｊ６ ロボット関節軸
Ｂ 径方向
Ｃ 貫通穴の内径
Ｄ 締結ねじの外径
Ｅ 受入溝の内径
Ｆ ユニット構造の移動量
Ｇ 受入部分の外径
Ｈ 挿通孔の内径
Ｉ モータ側歯車の外径

Claims (12)

1. 鉛直軸回りに旋回可能なロボット関節軸に用いるモータと、
   前記モータのシャフトに取付けられるモータ側歯車と、
   前記シャフトを補助的に軸支する補助軸受と、
   前記モータ、前記モータ側歯車、及び前記補助軸受を一体化するアダプタと、
   前記モータ側歯車と噛合する相手側歯車に対して前記モータ側歯車が近づくように、前記アダプタによって一体化したユニット構造を前記モータの径方向へ移動する移動機構と、
   を備えることを特徴とするロボット関節構造。
2. 前記ロボット関節軸は、垂直多関節ロボットの第１軸、第４軸から第６軸のうち少なくとも１つの関節軸である、又は、水平多関節ロボットの関節軸である、請求項１に記載のロボット関節構造。
3. 前記移動機構は、前記アダプタに形成した貫通穴と、前記貫通穴の内径より小さい外径を有する締結ねじと、前記ユニット構造が摺動可能に配置されて前記締結ねじによって前記ユニット構造を位置決めするロボットアーム部材と、を備える、請求項１又は２に記載のロボット関節構造。
4. 前記ロボットアーム部材は前記アダプタを受入れる受入溝を備え、前記受入溝の内径が前記ユニット構造の移動量を前記アダプタの受入部分の外径に加算したサイズより大きい、請求項３に記載のロボット関節構造。
5. 前記ロボットアーム部材は前記ユニット構造が摺動する摺動面を備える、請求項３に記載のロボット関節構造。
6. 前記ロボットアーム部材は前記モータ側歯車を挿通する挿通孔を備え、前記挿通孔の内径が前記ユニット構造の移動量を前記モータ側歯車の外径に加算したサイズより大きい、請求項３から５のいずれか一項に記載のロボット関節構造。
7. 前記アダプタは、中空の筒状部分と、前記筒状部分の開放端の一方に周方向へ形成したフランジと、を備え、前記受入部分が前記筒状部分であり、前記貫通穴が前記フランジに形成される、請求項４に記載のロボット関節構造。
8. 前記モータは前記フランジに取付けられ、前記補助軸受が前記筒状部分の内周面に取付けられる、請求項７に記載のロボット関節構造。
9. 前記ロボットアーム部材に連結する減速機構をさらに備え、前記相手側歯車が前記減速機構の歯車である、請求項３から８のいずれか一項に記載のロボット関節構造。
10. 前記ロボットアーム部材は旋回ベースである、請求項３から９のいずれか一項に記載のロボット関節構造。
11. 前記移動機構は、レールと、前記レール上を移動可能な可動部材と、前記レール及び前記可動部材によって前記ユニット構造が摺動可能に配置されるロボットアーム部材と、前記ユニット構造を前記ロボットアーム部材に位置決めする位置決め部材と、を備える、請求項１又は２に記載のロボット関節構造。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のロボット関節構造を備えるロボット。

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