JP2534231B2

JP2534231B2 - 産業ロボツトの関節駆動装置

Info

Publication number: JP2534231B2
Application number: JP61162969A
Authority: JP
Inventors: 敏夫吉川; 正孝橋本; 和幸松本
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1996-09-11
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JPS6322289A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は産業ロボットの関節駆動装置、特にロボット
駆動系の共振振動の発生を防止するものに関する。

（従来の技術とその問題点）産業ロボットにおいては、一般に、作業に適した出力
トルクを得るため、アーム等の関節部の駆動系には、高
速低トルクの電動サーボモータまたは電動パルスモータ
と、この出力を低速高トルクに変換する減速装置とを用
いている。

しかしながら、従来の調和歯車装置（商品名：ハーモ
ニックドライブ）や遊星歯車減速装置をロボットの関節
装置に用いた場合、減速装置に入力する電動モータ回転
数が低い領域で減速装置とロボットアーム等とがねじり
共振を起こすという問題点があった。共振現象として
は、ロボットアームの関節部近傍にねじり振動が現れる
ことが多く、その結果、ロボットアームの先端位置が定
まらなくなる。共振が生じる理由は、電動モータのトル
ク伝達機構である上記各減速装置の剛性が低いため、そ
のような減速装置を含む駆動系（電動モータ、減速装置
およびロボットアームから構成される系）の固有ねじり
振動数ｆ₀が一般に数ヘルツ（Hz）と低くなり、したが
って、歯切の加工誤差等に起因して振動する減速装置の
振動周波数が、電動モータの低回転数域で上記固有ねじ
り振動数ｆ₀と一致するためと考えられていた。

このような問題点に対し、特開昭58-211881号公報に
は、発生した振動を打ち消すように電動モータの速度指
令信号を変化させる電気的制御方式が提案されている。
しかしながら、このような方式においてはフィードバッ
クゲインを大きくすると系が不安定となり、特に剛性の
低いロボット駆動系においては、逆に発振し易くなると
いう問題を生じるため、ゲインを大きくできず、したが
って、充分な振動打ち消し効果を得られない。また、特
開昭59-175986号公報には高張力を与えたタイミングベ
ルトで減速機を駆動し、該ベルトで振動を吸収する方式
のものが提案されている。しかしながら、この方式にお
いてはタイミングベルトが破断するという危険がある。
また、特開昭59-115189号公報には減速機の主軸にばね
とおもりから成る吸振器を取り付ける方式が提案されて
いる。しかし、この方式においては遠心力により吸振器
が破損したり、ロボットの負荷荷重に対応しておもり等
調整しなければならないという問題点がある。さらに、
これらのものは、複雑になり、部品数も多くなるという
問題点がある。

また、発明者等は、振動発生の原因である減速機のト
ルク変動を無くすことを試みた。具体的には偏心揺動型
の遊星歯車減速機を用い、トルク変動を阻止ないし減ず
るよう、この減速機の内歯歯車と外歯歯車の歯に高精度
の仕上げ加工を施し、かつトルク変動が生じてもこれを
吸収するよう、偏心入力軸の軸受部やトルク取出ピンの
軸支部等の環状溝を設け、該溝にゴムリングを装着し
た。しかしながら、このような対策を施しても実用域で
の共振を防ぐことはできず、しかも、加工コストが高く
なるという問題点がある。

（発明の目的）そこで、本発明は、その構造が簡単で共振の生じな
い、あるいは共振のレベルの低い産業ロボットの関節駆
動装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置は、ロボッ
トの第１部材と、第１部材に回動自在に支持されたロボ
ットの第２部材と、第１部材に一体的に取り付けられた
電動モータの回転を減速して第２部材に伝達する遊星歯
車減速機と、を備え、前記遊星歯車減速機が円周方向に
ほぼ等角度に配置された複数の偏心軸を第１ベアリング
を介して支持したフランジ、前記各偏心軸と第２ベアリ
ングを介して係合しその回転により偏心揺動させられる
外歯歯車および外歯歯車と噛み合い外歯歯車の歯数より
１つ多い歯数の内歯歯車を有する産業ロボットの関節駆
動装置において、前記第１ベアリングの外径と前記第２
ベアリングの外径とを互に等しくするとともに、前記複
数の第１ベアリングの軸心の相対位置関係が前記複数の
第２ベアリングの軸心の相対位置関係と同じであること
を特徴としている。

ここに、複数の軸心の相対位置とは、各軸心を結んで
形成される多角形の軸心間の距離および軸心間を結ぶ線
のなす角度のことをいい、これらの２つの関係が同じと
は、それぞれの軸心間の距離と角度が互いに同じ関係に
あること、すなわち合同関係にあることをいう。

（作用）本発明の産業ロボットの関節駆動装置は前記遊星歯車
減速機が前記第１ベアリングの外径と前記第２ベアリン
グの外径とを互いに等しくするとともに、前記複数の第
１ベアリングの軸心の相対位置関係が前記複数の第２ベ
アリングの軸心の相対位置関係と同じであるので、加工
時に、第１ベアリングを介して支持するフランジと第２
ベアリングを介して係合する外歯歯車とを重ね合わせて
固定し、一度に孔あけ加工ができる。このために、これ
らの第１および第２ベアリングの軸心が一致し、さらに
これらに軸支される各偏心軸は電動モータの回転を減速
する際、滑らかに回転し、トルク変動を発生しないし、
共振現象の発生がない。

（実施例）以下、本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置を図
面に基づいて説明する。第１図ないし第４図は本発明の
第１実施例を示す図である。

まず、構成について説明する。第１図は本発明に係る
産業ロボットの関節駆動装置を用いたロボットの関節部
の全体概略図である。１は電動モータであり、電動モー
タ１のフランジ２は減速装置３の筒体４に固定されてい
る。筒体４はロボットの第１部材としての第１アーム５
の先端部5aに一体的に取り付けられている。電動モータ
１の出力の回転軸７は減速装置３の入力回転軸８（第２
図）に連結され、減速装置３の出力は軸10に伝達され、
軸10は円筒体11を貫通してロボットの第２部材としての
第２アーム12に固定されている。第２アーム12の端部の
筒状体13と第１アーム５の先端部5aの下面から下方に突
出する円筒型の突出体15との間には一対のベアリング16
が介装され、第２アーム12は第１アーム５に回動自在に
支持されている。突出体15の内周面と円筒体11の中央部
の外周面との間には一対のベアリング17が介装されてい
る。円筒体11の上部および下部の内面と軸10との間には
それぞれ一対のベアリング18が介装されている。したが
って、減速装置３は電動モータ１の回転数を減速してロ
ボットの被駆動部すなわち第２アーム12を回動させる。
また、電動モータ１、減速装置３、第２アーム12および
第２アーム12に接続された負荷は駆動系を構成する。

減速装置３は第２図および第３図に示すように、電動
モータ１の回転数を減速する前段減速機20と、前段減速
機20に連結され、回転数をさらに減速する後段減速機21
と、から構成されている。前段減速機20は通常の平行軸
型減速機であり、平歯歯車により構成されている。電動
モータ１の回転軸７の先端部7aは前段減速機20の入力軸
８と一体的に形成され、入力軸８にはピニオン22が図示
していないキーにより係止されている。ピニオン22には
３個の平歯歯車25がそれぞれ噛み合い、ピニオン22を中
心に円周方向にほぼ等角度に配置されている。平歯歯車
25の歯数はピニオン22の歯数より多く、前段減速機20の
所定の前段減速比を得るよう定められている。３個の平
歯車25は、後述する後段減速機の入力軸としての偏心軸
30に軸支されている。

後段減速機としての遊星歯車減速機21は筒体４に固定
して設けられた内歯歯車28と、内歯歯車28に噛み合う一
対の外歯歯車29と、外歯歯車29に係合して外歯歯車29を
揺動回転させる偏心軸30と、から構成されている。ま
た、内歯歯車28はピン歯31を用いたピン歯車であり、外
歯歯車29の歯数より１つだけ多い歯数を有している。33
は円板状のフランジであり、フランジ33は遊星歯車減速
機21の前端部を構成している。35はブロック体であり、
ブロック体35の後部に形成されたフランジ35aは遊星歯
車減速機21の後端部を構成している。ブロック体35のフ
ランジ35aとフランジ33とは円周方向にほぼ等角度に配
置された３個の偏心軸30を第１ベアリング34（円筒ころ
軸受）を介して軸支している。偏心軸30の中央には180
°の位相差を持つ一対のクランク部42を有し、各クラン
ク部42はそれぞれ３個の第２ベアリング43（ニードル軸
受）を介して一対の外歯歯車29を偏心揺動させるように
している。

ここに、第１ベアリング34の外径Ｄ₃₄と第２ベアリン
グ43の外径Ｄ₄₃とは実質的に等しくするよう、すなわち
フランジ33、35aの第１ベアリング装着孔45aの径と外歯
歯車29、29の第２ベアリング装着孔45bの径とは等しく
するよう、形成されるとともに、３個の第１ベアリング
34の軸心Ｃ_34a〜_34cの相対位置関係は３個の第２ベアリ
ング43の軸心Ｃ_43a〜_43cの相対位置関係と同じである。
このように、これらの軸心の相対位置関係を同じにする
には、第１ベアリング34に係合するフランジ33および35
a並びに第２ベアリング43に係合する一対の外歯歯車を
治具等で重ね合わせて固定し、第１および第２ベアリン
グの外径に対応する孔45a、45bを一度に孔あけ加工をす
ることにより容易に実施できる。孔あけ加工時に加工誤
差の発生等により目標とする加工位置から僅かなずれが
起っても、フランジ33および35a並びに外歯歯車のそれ
ぞれの３個の各ベアリングの軸心の相対位置関係は同じ
となる。

また、前述したフランジ33と、ブロック体35とは支持
体44を構成する。フランジ33、ブロック体35および軸10
のフランジ部10aは３個のボルト46および固定ナット47
により同時に一体的に固定されている。

電動モータ１の回転は回転軸７および入力軸８を介し
て前段減速機20のピニオン22に伝達され、前段減速機20
で減速される。前段減速機20の出力は平歯車25により遊
星歯車減速機21の偏心軸30に入力される。次いで、偏心
軸30の回転により偏心揺動させられる外歯歯車29と、こ
の外歯歯車29と噛み合い外歯歯車29より１つ多い歯数を
有する内歯歯車28とによりさらに減速され、外歯歯車29
のゆっくりした自転運動はキャリアとして作用する支持
体44から軸10に伝達され第２アーム12が回動される。

本実施例においては、電動モータ１の通常制御回転数
は０〜1000rpm、前段減速機20の減速比ｉ₁は1/3、遊星
歯車減速機21の減速比ｉ₂は1/40、減速装置３の総減速
比ｉは1/120、電動モータ１、減速装置３および第２ア
ーム12を含んで構成される駆動系の固有ねじり振動数ｆ
₀は約8.4ヘルツである。

次に作用について説明する。

本発明の産業ロボットの関節駆動装置は、遊星歯車減
速機21におけるフランジ33および35aの支持する第１ベ
アリング34の外径Ｄ₃₄と外歯歯車29に係合する第２ベア
リング43の外径Ｄ₄₃とが互に等しくするとともに、３個
の第１ベアリング34の軸心Ｃ_34a〜_34cの相対位置関係が
３個の第２ベアリング43の軸心Ｃ_43a〜_43cの相対位置関
係と同じであるので、これらの第１および第２ベアリン
グ34および43を介して軸支されている偏心軸30は回転が
滑らかで、出力軸のトルク変動も殆んどなく共振の発生
はない。従来のように、第１および第２ベアリングのそ
れぞれの外径が異なるために、フランジ33および35aと
外歯歯車のそれぞれの第１および第２ベアリングの係合
する孔は別個の加工となるために、これら第１および第
２ベアリング34および43の軸心がずれて偏心軸の回転が
滑らかでなくなり、出力軸に振動が発生するということ
はない。また、第１および第２ベアリング34および43の
それぞれの軸心の相対位置関係を同じに加工するのも容
易である。

次に、前述のように、産業ロボットの減速機に発生す
る振動の原因およびその低減を数学モデルにより理論解
析したのでその結果につき説明する。

このモデルでは減速機の軸受部、歯のかみ合い部を総
てバネで置き換えて減速機の振動をモデル化し、各部材
に作用する力と静的な力との釣り合い式を算出し、各部
の加工誤差および組立誤差をパラメータとして起振力を
出力軸のねじり角値（加工等による寸法誤差分によって
生じるねじり角量を言う）、すなわち振動として数値計
算した。

第４図に示す遊星歯車減速機21の外歯歯車29におい
て、点Ｏは外歯歯車29の外歯29aの中心である。点Ｏ′
は第２ベアリング43の３個の軸心Ｃ_43a〜_43cの中心であ
るとともに前述のベアリングの外径に対応する３個の孔
45bの中心（黒点にて示している）の中心である。孔あ
け加工の加工誤差により点Ｏと点Ｏ′との関係に差異が
あると、出力軸に加工誤差に対応したねじれ角（単位、
角度の分）が生じ、振動が発生する。次表に、数学モデ
ルによる理論解析結果の代表例Ａ〜Ｄを示す。表中の黒
点は第４図に対応し、矢印→は、孔あけ加工時に、５μ
の加工誤差が矢印方向の矢先の位置にあることを示し、
黒点は孔45bの目標とする加工位置、すなわちベアリン
グの軸心を示す。

次表のNo.Aは、前述の第１実施例の場合で、点Ｏと点
Ｏ′が一致し、出力軸のねじれ角の平均が零、すなわち
振動の発生はない。また、No.B〜Ｄはそれぞれ、矢印に
示す加工誤差がある場合であり、ともに出力軸に加工誤
差に対応したねじれ角が発生し第２アームの先端に振動
が発生する。すなわち、減速機の原因による振動の発生
を減少または防止する一つは、前述の加工誤差を極力小
さくすることである。

→矢印は５μの加工誤差が矢印方向の矢先にあること
を示す。

・黒点は孔45の目標とする加工位置すなわちベアリン
グの軸心を示す。

（）内の数値は加工誤差分に対応したねじれ角の最
大と最小（最大と最小は偏心軸30の所定回転位置におい
て生じる）の平均値を示す。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第５図は本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置の
第２実施例を示す図である。第５図に示す第２実施例に
おいては、減速装置50が遊星歯車減速機51のみで電動モ
ータ１の回転を減速して第２部材に伝達する場合であ
る。また、遊星歯車減速機51の入力回転軸８は遊星歯車
減速機51の一対の外歯歯車29の中央部に設けられ電動モ
ータ７側に突出して、電動モータ７の先端部7aと一体的
に固定されている。入力回転軸８の外側には入力クラン
ク軸53が図示していないキーにより固定されている。ク
ランク軸53には、角度180°位相をずらしてクランク部5
3aが設けられ、ベアリング54を介して外歯歯車29を軸支
している。クランク軸53の回転により外歯歯車29が偏心
揺動させられ、公転しながらゆっくり自転運動を行い支
持体44から軸10に伝達され、第２アーム12が回動され
る。前述以外は第１実施例と同じであり、同じ符号をつ
けて説明を省略する。

（効果）以上説明したように、本発明によれば、減速装置の構
造は簡単で、共振の発生もなく、あるいは共振のレベル
を大幅に低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置
の第１実施例を示す図であり、第１図はその応用例を示
す全体概略図、第２図はその断面図、第３図は第２図の
III-III矢視断面図、第４図はその振動の理論解析を説
明するための図、第５図は本発明に係る産業ロボットの
関節駆動装置の第２実施例を示すその断面図である。１……電動モータ、２……フランジ、３……減速装置、
４……筒体、５……第１アーム（第１部材）、5a……先
端部、６……ねじ、７……回転軸、８……入力回転軸
（減速装置）、10……軸、10a……フランジ部、11……
円筒体、12……第２アーム（第２部材）、13……筒状
体、16〜18……ベアリング、20……前段減速機（平行軸
型減速機）、21……後段減速機（遊星歯車減速機）、22
……ピニオン、25、30……偏心軸、28……内歯歯車、29
……外歯歯車、31……ピン歯、33、35a……フランジ、3
4……第１ベアリング、35……ブロック体、42……クラ
ンク部、43……第２ベアリング、44……支持体、45a、4
5b……孔、46……ボルト、47……固定ナット、50……減
速装置、51……遊星歯車減速機、53……入力クランク
軸、54……ベアリング、Ｄ₃₄……第１ベアリング34の外
径、Ｄ₄₃……第２ベアリング43の外径、Ｃ_34a〜_34c、Ｃ
_43a〜Ｃ_43c……軸心。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットの第１部材と、第１部材に回動自
在に支持されたロボットの第２部材と、第１部材に一体
的に取り付けられた電動モータの回転を減速して第２部
材に伝達する遊星歯車減速機と、を備え、前記遊星歯車
減速機が円周方向にほぼ等角度に配置された複数の偏心
軸を第１ベアリングを介して支持したフランジ、前記各
偏心軸と第２ベアリングを介して係合しその回転により
偏心揺動させられる外歯歯車および外歯歯車と噛み合い
外歯歯車の歯数より１つ多い歯数の内歯歯車を有する産
業ロボットの関節駆動装置において、前記第１ベアリン
グの外径と前記第２ベアリングの外径とを互に等しくす
るとともに、前記複数の第１ベアリングの軸心の相対位
置関係が前記複数の第２ベアリングの軸心の相対位置関
係と同じであることを特徴とする産業ロボットの関節駆
動装置。