JP2021094612A

JP2021094612A - ロボットの関節構造

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Publication number: JP2021094612A
Application number: JP2019225656A
Authority: JP
Inventors: 敬詞米田; Takashi Yoneda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: DE102020131962A1; US20210178573A1; JP7424816B2; CN112976050A; US11413743B2

Abstract

【課題】モータと減速機の各ベベルギヤ同士の噛み合わせの調整が容易で、モータのアーム内への取付けが容易なロボットの関節構造を提供する。【解決手段】中空の第１部材１３０と第２部材１４０と第１部材と第２部材とを第１軸線Ｃ回りに相対回転させるアクチュエータとを備え、アクチュエータがモータ２０と減速機３０と動力伝達機構４０とを備え、減速機が中空孔３２と第１軸線Ｃ回りに支持され、動力伝達機構の動力用の入力部材３１とを備え、動力伝達機構が第２軸線Ｄ回りに支持された出力部材４２を備え、第１動力伝達部と第３軸線Ｅ回りに支持されたシャフトと出力部材との間で動力を伝達する第２動力伝達部４３、４４とそれらを収容しモータを支持するハウジング４１とを備え、ハウジングが中空孔に対して径方向外方にオフセットした位置において第１部材に着脱可能に取付けられ、動力伝達機構と入力部材とを噛み合わせたロボットの関節構造。【選択図】図２

Description

本開示は、ロボットの関節構造に関するものである。

減速機によって回転軸線回りに相対回転可能に支持された２つのアームを備え、モータの駆動力を減速機に伝達する歯車としてベベルギヤを使用することにより、モータをアーム内に収容したロボットの関節構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この関節構造は、ベベルギヤの使用によりアームの回転軸線に対して直交する方向にモータの軸線を配置している。

特開２００７−１４４５５９号公報

ベベルギヤを使用する場合に、ベベルギヤの噛み合わせを調整する必要がある。しかしながら、モータのアームの内部への取付作業を行いながら、モータに取り付けたベベルギヤと減速機に取り付けたベベルギヤとの噛み合わせ調整を行うことは困難である。したがって、調整を容易にしつつ、モータをアーム内に容易に取り付けることが望まれている。

本開示の一態様は、中空の第１部材と、中空の第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを第１軸線Ｃ回りに相対回転させるアクチュエータとを備え、該アクチュエータが、前記第１部材内に収容状態に固定されるモータと、該モータのシャフトの回転を減速して前記第２部材に伝達する減速機と、前記モータの動力を前記減速機に伝達する動力伝達機構とを備え、前記減速機が、前記第１軸線Ｃに沿って貫通する中空孔と、前記第１軸線Ｃ回りに回転可能に支持され、前記動力伝達機構により伝達されてきた動力を受け入れる入力部材とを備え、
前記動力伝達機構が、前記第１軸線Ｃに平行な第２軸線Ｄ回りに回転可能に支持された出力部材を備え前記入力部材に動力を伝達する第１動力伝達部と、前記第２軸線Ｄに交差する平面内に配置された第３軸線Ｅ回りに回転可能に支持された前記シャフトと前記出力部材との間で動力を伝達する第２動力伝達部と、該第２動力伝達部を収容し前記モータを支持するハウジングとを備え、
該ハウジングが、前記中空孔に対して径方向外方にオフセットした位置において前記第１部材に着脱可能に取り付けられるロボットの関節構造。

本開示の一実施形態に係る関節構造を備えるロボットの一例を示す模式図である。図１の関節構造を示す拡大縦断面図である。図１の関節構造に備えられるユニットを示す分解縦断面図である。図１の関節構造の分解縦断面図である。図１の関節構造から第１アームの第２蓋部材を取り外した状態を示す縦断面図である。

本開示の一実施形態に係るロボットの関節構造１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る関節構造１を搭載するロボット１００は、例えば、図１に示されるように、垂直６軸多関節型ロボットであって、床面Ｆに設置されるベース１１０と、鉛直な軸線Ａ回りにベース１１０に対して回転可能に支持された旋回胴１２０とを備えている。

また、ロボット１００は、水平な軸線Ｂ回りに旋回胴１２０に対して回転可能に支持された第１アーム（第１部材）１３０と、水平な第１軸線Ｃ回りに第１アーム１３０に対して回転可能に支持された第２アーム（第２部材）１４０とを備えている。さらに、ロボット１００は、第２アーム１４０に３軸の手首ユニット１５０を備えている。

本実施形態に係る関節構造１は、図２に示されるように、例えば、第１アーム１３０と第２アーム１４０との間の構造であり、第１アーム１３０と、第２アーム１４０と、第２アーム１４０を第１アーム１３０に対して第１軸線Ｃ回りに回転駆動するアクチュエータとを備えている。
第１アーム１３０および第２アーム１４０はそれぞれ長手軸を有する中空の筒状に構成されている。

アクチュエータは、モータ２０と、減速機３０と、モータ２０の動力を減速機３０に伝達するギヤボックス（動力伝達機構）４０とを備えている。
モータ２０は、後述するギヤボックス４０を構成するハウジング４１に着脱可能に固定される。ギヤボックス４０は、第１アーム１３０に着脱可能に固定される。これにより、モータ２０は、ギヤボックス４０を経由して第１アーム１３０に間接的に固定される。

減速機３０は、第１アーム１３０に固定されるケースと、ケースに対して第１軸線Ｃ回りに回転可能に支持され第２アーム１４０に固定される出力軸とを備えている。減速機３０は、その中央に、第１軸線Ｃを含む領域に、第１軸線Ｃに沿って貫通する中空孔３２を備えている。

中空孔３２には、図示しない線条体が貫通させられた状態に配置される。
また、減速機３０は、第１アーム１３０側に、第１軸線Ｃ回りに回転可能に支持された平歯車またはハス歯歯車からなる入力ギヤ（入力部材）３１を備えている。モータ２０のシャフトの回転が入力ギヤ３１に入力されて、入力ギヤ３１が第１軸線Ｃ回りに回転させられることにより、その回転が減速機３０内において減速されて、出力軸の回転として出力され、第２アーム１４０が回転駆動される。

ギヤボックス４０は、入力ギヤ３１に噛み合う第１ギヤ（出力部材、第１動力伝達部）４２と、第１ギヤ４２に固定された第２ギヤ（第２動力伝達部）４３と、モータ２０のシャフトに固定され第２ギヤ４３に噛み合う第３ギヤ（第２動力伝達部）４４と、ハウジング４１とを備えている。

また、ハウジング４１は、第２ギヤ４３および第３ギヤ４４を収容している。第１ギヤ４２は入力ギヤ３１に噛み合う平歯車またはハス歯歯車によって構成されている。これにより、第１ギヤ４２の第２軸線Ｄは、入力ギヤ３１の第１軸線Ｃと平行に配置されている。

第１ギヤ４２および第２ギヤ４３は、ハウジング４１内に軸受７０によって所定の軸線回りに回転可能に支持されている。軸受７０は、第１ギヤ４２および第２ギヤ４３に作用するラジアル方向の力およびスラスト方向の力の両方を支持するよう、適正な予圧を与えた状態でハウジング４１に取り付けられている。

第２ギヤ４３および第３ギヤ４４はベベルギヤにより構成されている。第３ギヤ４４はモータ２０のシャフトに取り付けられている。第３ギヤ４４をハウジング４１内において第２ギヤ４３に噛み合わせることにより、モータ２０のシャフトの第３軸線Ｅと第１ギヤ４２および第２ギヤ４３の第２軸線Ｄとが直交した位置に配置される。

図３に示されるように、ハウジング４１には、第２ギヤ４３と第３ギヤ４４との噛み合い位置を外部に露出させる第１開口部４５が設けられている。第１開口部４５は、第１蓋部材４６によって開閉可能に閉塞されている。ギヤボックス４０を組み立てるには、第１ギヤ４２および第２ギヤ４３が軸受７０によって回転可能に支持されているハウジング４１内に、モータ２０のシャフトに取り付けた第３ギヤ４４を挿入し、第２ギヤ４３と第３ギヤ４４とを噛み合わせる。

このとき、モータ２０とハウジング４１との間に挟むシムの厚さを変更するなどして、第２ギヤ４３と第３ギヤ４４との噛み合いを調整する。第２ギヤ４３と第３ギヤ４４とを適正に噛み合わせてモータ２０を取り付けた状態で、適量の潤滑材をハウジング４１内に供給して第１開口部４５を第１蓋部材４６によって閉塞する。これにより、ギヤボックス４０にモータ２０を固定したユニット５０が構成される。

第１アーム１３０には、ユニット５０を通過させることができる第２開口部１３１が設けられ、第２開口部１３１を開閉可能に閉塞する第２蓋部材１３２が設けられている。また、ユニット５０は、第１アーム１３０の内部の中空孔に対して径方向にオフセットした位置に、第１ギヤ４２の第２軸線Ｄに平行にし、かつ、モータ２０の長手軸を第１アーム１３０の長手軸に平行にして取り付けられる。

図４に示されるように、第１アーム１３０には第１軸線Ｃに平行な凹部が設けられ、ハウジング４１には凹部に嵌合するインロー部が設けられている。インロー部を凹部に嵌合させて、ユニット５０を第１アーム１３０に取り付けることにより、ギヤボックス４０に備えられている第１ギヤ４２が、減速機３０の入力ギヤ３１に適正に噛み合わせられる。
図中、符号６０は、第２アーム１４０に対して手首ユニット１５０を回転駆動するアクチュエータを示している。

このように構成された本実施形態に係るロボットの関節構造１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１００の関節構造１を組み立てるには、図３に示されるように、まず、ハウジング４１から第１蓋部材４６を取り外して第１開口部４５を開放しておく。そして、第１アーム１３０の外部において、ハウジング４１内に第１ギヤ４２および第２ギヤ４３を軸受７０によって回転可能に支持させておく。そして、シャフトに第３ギヤ４４を取り付けたモータ２０をハウジング４１に装着する。

モータ２０をハウジング４１に装着する際に、モータ２０のシャフトに取り付けたベベルギヤからなる第３ギヤ４４とハウジング４１内に収容されているベベルギヤからなる第２ギヤ４３とを噛み合わせる。このとき、第３ギヤ４４と第２ギヤ４３との噛み合い位置が第１開口部４５を経由して外部に露出するので、噛み合いの調整を適正かつ容易に行うことができる。
このようにして、噛み合い調整されたギヤボックス４０とモータ２０とが組み付けられたユニット５０を第１アーム１３０の外部において容易に組み立てることができる。

次に、図５に示されるように、組み立てられたユニット５０を、第１アーム１３０の第２蓋部材１３２を取り外すことにより解放された第２開口部１３１を経由して第１アーム１３０内に挿入し、減速機３０に設けられた中空孔３２に対してオフセットした位置の第１アーム１３０に取り付ける。このとき、ユニット５０を構成しているギヤボックス４０のハウジング４１のインロー部が第１アーム１３０の凹部に嵌合させられる。

そして、インロー部の凹部への嵌合を進行させていくと、第１ギヤ４２と減速機３０の入力ギヤ３１とが噛み合わせられていく。
第１ギヤ４２および入力ギヤ３１は平歯車により構成されているので、インロー部を凹部に嵌合させた状態でギヤボックス４０を第１軸線Ｃに平行な方向に移動させるだけで、第１ギヤ４２と入力ギヤ３１とを適正に噛み合わせることができる。この後に、第１アーム１３０の第２開口部１３１を第２蓋部材１３２で閉塞することにより、組み立てが完了する。

このように、本実施形態に係るロボットの関節構造１によれば、モータ２０から減速機３０への動力の伝達経路を、ベベルギヤによって直角に折り曲げることにより、モータ２０を第１アーム１３０の長手軸に沿わせることができる。その結果、第１軸線Ｃ方向の、減速機３０からのモータ２０の突出量を小さく抑えて、モータ２０を収容する第１アーム１３０の外形を小さく抑えることができるという利点がある。

また、モータ２０を第１アーム１３０に沿って配置することにより、第１アーム１３０内部の横断面においてモータ２０の占める割合を低減することができる。これにより、線条体およびその他の部品を配置する十分なスペースを確保することができるという利点がある。

また、モータ２０に取り付けたベベルギヤからなる第３ギヤ４４と、ハウジング４１に取り付けたベベルギヤからなる第２ギヤ４３とを、狭隘な第１アーム１３０内部ではなく、第１アーム１３０の外部において噛み合わせるので、組み立て作業が容易である。
さらに、第１アーム１３０の内部においては、ハウジング４１のインロー部と第１アーム１３０の凹部とを嵌合させていくだけで、第１ギヤ４２と入力ギヤ３１とを適正に噛み合わせることができる。したがって、第１ギヤ４２と入力ギヤ３１の噛み合わせ調整が不要であり、容易に組み立てることができる。

また、本実施形態においては、ベベルギヤからなる第２ギヤ４３および第３ギヤ４４は、回転によってスラスト方向の荷重を受けるが、第２ギヤ４３に発生するスラスト方向の荷重は軸受７０によって支持される。また、第３ギヤ４４に発生するスラスト方向の荷重はモータ２０内部に設けた軸受によって支持されればよい。

これに代えて、第３ギヤ４４についても軸受によってハウジング４１内部に支持することにより、ラジアル方向およびスラスト方向の荷重を支持することにしてもよい。この場合には、第３ギヤ４４とモータ２０のシャフトとの連結は、スプライン結合あるいはキー結合等によればよい。

また、本実施形態においては、第１アーム１３０と第２アーム１４０との間の関節構造１を例示したが、これに代えて、旋回胴１２０と第１アーム１３０との間の関節構造あるいは手首ユニット１５０内の関節構造に適用してもよい。

また、入力部材として平歯車またはハス歯歯車、第１動力伝達部として平歯車またはハス歯歯車からなる出力部材を有する場合を例示した。これに代えて、出力部材および入力部材をプーリにより構成し、第１動力伝達部として、これらプーリおよびプーリに掛け渡されるベルトを採用してもよい。
また、第２ギヤ４３および第３ギヤ４４をベベルギヤによって構成したが、これに代えて、交差する軸線間において動力を伝達可能なギヤ、例えば、ハイポイドギヤ等を採用してもよい。

１関節構造
２０モータ（アクチュエータ）
３０減速機（アクチュエータ）
３１入力ギヤ（入力部材）
３２中空孔
４０動力伝達機構（ギヤボックス、アクチュエータ）
４１ハウジング
４２第１ギヤ（出力部材、第１動力伝達部）
４３第２ギヤ（第２動力伝達部）
４４第３ギヤ（第２動力伝達部）
４５第１開口部
４６第１蓋部材
７０軸受
１００ロボット
１３０第１アーム（第１部材）
１３１第２開口部
１３２第２蓋部材
１４０第２アーム（第２部材）
Ｃ第１軸線
Ｄ第２軸線
Ｅ第３軸線

Claims

中空の第１部材と、中空の第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを第１軸線Ｃ回りに相対回転させるアクチュエータとを備え、
該アクチュエータが、前記第１部材内に収容状態に固定されるモータと、該モータのシャフトの回転を減速して前記第２部材に伝達する減速機と、前記モータの動力を前記減速機に伝達する動力伝達機構とを備え、
前記減速機が、前記第１軸線Ｃに沿って貫通する中空孔と、前記第１軸線Ｃ回りに回転可能に支持され、前記動力伝達機構により伝達されてきた動力を受け入れる入力部材とを備え、
前記動力伝達機構が、前記第１軸線Ｃに平行な第２軸線Ｄ回りに回転可能に支持された出力部材を備え前記入力部材に動力を伝達する第１動力伝達部と、前記第２軸線Ｄに交差する平面内に配置された第３軸線Ｅ回りに回転可能に支持された前記シャフトと前記出力部材との間で動力を伝達する第２動力伝達部と、該第２動力伝達部を収容し前記モータを支持するハウジングとを備え、
該ハウジングが、前記中空孔に対して径方向外方にオフセットした位置において前記第１部材に着脱可能に取り付けられるロボットの関節構造。
前記入力部材が、平歯車またはハス歯歯車からなり、
前記第１動力伝達部が、前記入力部材に噛み合う第１ギヤであり、
前記第２動力伝達部が、前記第１ギヤに固定されたベベルギヤからなる第２ギヤと、該第２ギヤに噛み合い前記モータに接続するベベルギヤからなる第３ギヤとを備える請求項１に記載のロボットの関節構造。
前記ハウジングが、前記第２ギヤと前記第３ギヤとの噛み合い位置を露出させる第１開口部と、該第１開口部を開閉可能に閉塞する第１蓋部材とを備える請求項２に記載のロボットの関節構造。
前記ハウジングが、前記第１ギヤおよび前記第２ギヤを回転可能に支持するとともに、ラジアル方向およびスラスト方向の力を支持する軸受を備える請求項２または請求項３に記載のロボットの関節構造。
前記第１部材が、前記モータを装着した状態の前記ハウジングを通過可能な第２開口部と、該第２開口部を開閉可能に閉塞する第２蓋部材とを備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボットの関節構造。