JP3545995B2

JP3545995B2 - ロボットの関節構造

Info

Publication number: JP3545995B2
Application number: JP2000174696A
Authority: JP
Inventors: 亮二瓶; 毅岡田; 康弘海老原
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001353684A; EP1163984A1; US20020066331A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットの旋回胴、アーム等のロボット移動部材間の関節部における動力を伝達する関節構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ロボットにおいては、ロボットベースに対して旋回する胴部、該胴部上で揺動するアーム、さらにはアーム上でさらに揺動する第２のアーム等、ロボットベースと胴部の間、胴部とアーム間、アーム間等の相対移動が生じる各部材間の関節部には各種のタイプの減速装置が使用されている。このうち、ロボットの各アームや手首を駆動するためのモータや、ロボット手首先端に取り付けるエンドエフェクタの駆動源に電力や油圧や空気圧等のエネルギーを供給するケーブルやホースの通路を確保するために、中空タイプの減速装置が用いられている。且つ、ケーブルやホース等の通路のための貫通孔を回転中心部に設けることから、モータをこの減速装置の軸芯からオフセットして配置した構造のものが一般的に用いられている。
【０００３】
図３は、このようなロボットの各関節部に一般的に用いられている偏心揺動型の遊星歯車減速装置の断面図であり、図４はこの偏心揺動型の遊星歯車減速装置の歯車の噛み合い関係の説明図である。
センターギヤ５３は、大歯車５３ａと小歯車５３ｂを有し、モータ５１の出力シャフトに直結されているインプットギヤ５２は、このセンターギヤ５３の大歯車５３ａと噛み合っている。又、センターギヤ５３の小歯車５３ｂには、図４に示すように、等角度間隔に配置された３つのスパーギヤ５４が噛み合っている。スパーギヤ５４にはクランクシャフト５５が結合されている。このクランクシャフト５５は、軸受け５６により回転部材５７に回転自在に取り付けられている。クランクシャフト５５の偏心部には外歯歯車５８が軸受けを介して揺動回転自在に取り付けられ、ケース５９の内側に設けられた内歯歯車６０と噛み合うようになっている。なお、回転部材５７はケース５９に軸受けによって相対的に回転可能に取り付けられている。
【０００４】
そこで、モータ５１が駆動されインプットギヤ５２が回転すると、このインプットギヤ５２と噛み合う大歯車５３ａが駆動されセンターギヤ５３が回転し、歯数比分の減速が行われる。このインプットギヤ５２とセンターギヤ５３の大歯車５３ａで第１の減速部を構成している。センターギヤ５３が回転すると、このギヤ５３の小歯車５３ｂと噛み合う３つのスパーギヤ５４が回転する。このスパーギヤ５４は第２減速部の入力部を構成している。３つのスパーギヤ５４が回転すると、各スパーギヤ５４にそれぞれ連結されているクランクシャフト５５の偏心運動により、外歯歯車５８が偏心運動を行う。この外歯歯車５８と噛み合うケース５９の内側に形成されている内歯歯車６０は、外歯歯車５８より歯数が１つ多く形成されており、クランクシャフト５５が１回転すると外歯歯車５８は、クランクシャフト５５と反対方向に１歯だけ回転し、ケース５９を固定しておれば、クランクシャフト５５を介して回転部材５７は、上記１歯分だけ回転することになる。スパーギヤ５４の回転により最終的に回転部材５７を減速回転させる部分が第２の減速部となる。
【０００５】
なお、この減速装置は中心部は貫通孔が設けられている。すなわち、回転部材５７，スパーギヤ５３の中心部には貫通孔がもうけられ、この貫通孔が配線や配管の通路となっている。又そのために、この減速装置に接続されるモータはこの中心部の貫通孔部から外れた偏心した位置に取り付けられるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、偏心揺動型の遊星歯車減速装置を用いた産業用ロボットの関節構造は、モータに直結されるインプットギヤ５２と減速装置のスパーギヤ５４間にセンターギヤ５３を必要とする。このセンターギヤ５３は、インプットギヤ５２と噛み合う大歯車５３ａとスパーギヤ５４と噛み合う小歯車５３ｂを必要とし、２段歯車構造となっている。そのため、その形状が複雑になることから製作費が高くなるという欠点がある。又、センターギヤ５３を支持するためにベアリングが２個必要となる。このセンターギヤ、２個のベアリングはこの中空減速装置のコストを押し上げる原因となっており、ロボット関節構造の製造コスト低減の課題となっている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、上述した従来技術の課題を解決するために、本発明は、減速装置を介して相対的に回転可能に接続されるアーム等の第１部材と第２部材間のロボットの関節構造において、この減速装置を第１段減速機構と第２段減速機構を備えるものとし、第１段減速機構は、前記モータの出力シャフトに直結したインプットギヤと、該インプットギヤと噛み合う単一のスパーギヤで構成し、第２段減速機構は、前記スパーギヤに直結したクランクシャフトと、該クランクシャフトに係合して偏心揺動させられる外歯歯車と、前記減速装置のケースと、該ケースの内側に設けられ前記外歯歯車に噛み合う内歯歯車と、前記クランクシャフトを回転可能に支持し前記ケースに対して前記内歯歯車の中心軸回りに回転する回転部材とで構成する。そして、前記ケースに前記第１部材が取り付けられ、前記回転部材に前記第２部材が取り付けられ、さらに、前記インプットギヤが前記スパーギヤと噛み合うように前記モータが前記第２部材に取り付けられることによって関節を構成する。
さらに、第２部材の所定の位置にモータを取り付けるための取り付け部を設け、第２部材の軸心と減速装置の出力の軸心とを一致させるために、第２部材の回転部材への取付を嵌め合い構造とし、かつ、取付の際の回転位相を決めるために、位置決めピンを使う構造として、インプットギヤとスパーギヤの噛み合いを確保する。又、第１部材と第２部材の内部を空洞構造とし、且つケースと回転部材それぞれに軸心を含む貫通孔を設けることにより、関節内部に配線及び／又は配管のための空間を確保した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態のロボット関節構造を示す断面図である。
符号１１で示す第１部材と符号１２で示す第２部材は、ロボットを構成する部材で、ロボットのベース、旋回胴、アーム等の相対的に回転する部材である。この第１部材と第２部材間には、従来技術で説明した中空の偏心揺動型の遊星歯車減速装置と同様な減速装置が配置されている。ただし、本発明の減速装置は、従来の中空偏心揺動型の遊星歯車減速装置と比べ、センターギヤがない点等において相違する。
【０００９】
この第１の実施形態では、第１部材１１に減速装置のケース１８が固着されている。又、この減速装置を介して第１部材に対して第２部材を相対的に回動させるモータ１３は、第２部材１２の所定の位置に設けられた取り付け部２２に固着されている。第２部材１２は、減速装置の回転部材２１に取り付けられている。この第２部材１２の回転部材２１への取り付け部２３を嵌め合い構造とすることにより、第２部材１２の軸芯と減速装置の出力の軸芯を一致させるようにしている。さらに、第２部材１２の回転部材２１に対する回転位相を決めるため、位置決めピン２４を用いて回転位置が決められ、固定されるようになっている。これにより、後述するインプットギヤ１４と減速装置のスパーギヤ１５の所定の軸間距離が得られ、該インプットギヤ１４とスパーギヤ１５が噛み合うように連結される。又、回転部材２１は、減速装置のケース１８に対して軸受け２５で回転自在に軸支されている。
【００１０】
モータ１３の出力シャフトにはインプットギヤ１４が直結されており、このインプットギヤ１４は、前述したように減速装置のスパーギヤ１５と噛み合い、減速装置の第１段減速機構を構成している。
本発明は、このインプットギヤ１４が、直接、減速装置のスパーギヤ１５と噛み合う点に特徴を有するもので、図３に示したように従来の偏心揺動型の遊星歯車減速装置では、インプットギヤはセンターギヤの大歯車と噛み合い、センターギヤの小歯車がスパーギヤと噛み合い、モータの動力をインプットギヤからセンターギヤを介してスパーギヤに伝達したが、本発明では、インプットギヤ１４から、直接スパーギヤ１５に伝達するようにしている。又、従来はスパーギヤ１５は３個設けられていたが、本発明では１個のみスパーギヤ１５が設けられている。
【００１１】
スパーギヤ１５にはクランクシャフト１６が固定されており、該クランクシャフト１６は、軸受け２０を介して回転自在に回転部材２１に取り付けられている。クランクシャフト１６の偏心部には、外歯歯車１７が従来の偏心揺動型の遊星歯車減速装置と同様に軸受けを介して揺動回転自在に取り付けられており、クランクシャフト１６の回転により該外歯歯車１７は偏心揺動する。この構成は、従来のように偏心揺動型の遊星歯車減速装置と同一である。
【００１２】
ケース１８の内周面には、外歯歯車１７と噛み合う内歯歯車１９が設けられている。この内歯歯車１９は外歯歯車１７より歯数が１つだけ多く、クランクシャフト１６の１回転により外歯歯車１７はクランクシャフト１６と反対方向に１歯だけ回転し、回転部材２１はクランクシャフト１６を介してケース１８に対して相対的に回転し、第２部材１２を第１部材１１に対して相対的に回転させる。このクランクシャフト１６，外歯歯車１７，内歯歯車１９によってこの減速装置の第２段減速機構を構成している。
【００１３】
ロボットのアーム等を構成する第１部材１１、第２部材１２等は空洞構造とし、さらに、この関節機構の減速装置には、その中心部に貫通孔５０が設けられ、且つ、モータ１３が第２部材１２に対して偏心して取り付けていることによって、この貫通孔５０を配線／配管のためのケーブルやホース等の通路としている。
【００１４】
モータ１３が駆動され、インプットギヤ１４が回転すると、第１段減速機構であるインプットギヤ１４とスパーギヤ１５により、モータ１３の回転動力は減速してクランクシャフト１６に伝達される。クランクシャフト１６の回転により、外歯歯車１７が偏心揺動し、該外歯歯車１７と噛み合うケース１８に設けられた内歯歯車１９に対して１歯分回転し、回転部材２１はケース１８に対して回転する。その結果、ケース１８が固定されている第１部材１１に対して、回転部材２１に固定されている第２部材１２は回転することになる。
【００１５】
第２部材１２に固定されたモータ１３も、第２部材１２及びこれと一体的に回転する回転部材２１と共に回転する。一方、クランクシャフト１６を介して回転部材２１に取り付けられたスパーギヤ１５も回転部材２１と共に回転するので、モータ１３の出力シャフトに直結されたインプットギヤ１４とスパーギヤ１５の噛み合いは、第２部材１２の第１部材に対する相対回転によっても外れることはない。
【００１６】
図２は、本発明の第２の実施形態のロボット関節構造を示す断面図である。この第２の実施形態と前述した第１の実施形態とでは、実質的な差異はない。ロボットのアームや胴等を構成する第１部材、第２部材が一方に対して他方が相対的に回転するものであり、一方をベースとし、他方をこのベースとした部材に対して回転する部材としても良いものである。第１の実施形態では、ベースとなる第１部材に減速装置のケースを固定し、ベースの第１部材に対して回転する第２部材を減速装置の回転部材に固定した例を示している。
【００１７】
これに対してこの第２の実施形態は、ベースとしての第１部材に減速装置の回転部材を固定し、このベースとしての第１部材に対して回転する第２の部材を減速装置のケースに固定している。そして、モータは第１の実施形態では第２部材に取り付けたが、この第２実施形態では第１の部材に取り付けている。すなわち、モータは減速装置の回転部材と一体的に回転する部材に取り付けることによって、インプットギヤとスパーギヤの噛み合いを保持するようにしている。
以下、この第２の実施形態を簡単に説明する。なお、各部材に付する符号は、第１の実施形態と同一の符号を用いる。
【００１８】
この第２の実施形態において、ベースとして構成されている第１部材１１には、モータ取り付け部２２が設けられ、該取り付け部２２にモータ１３が取り付けられる。又、第１部材１１には減速装置の回転部材２１への嵌め合い構造での取り付け部２３が設けられ、且つ、位置決めピン２４によって回転方向への位相合わせができるように構成されている。減速装置の回転部材２１を第１部材１１に取り付けた際、モータ１３の出力シャフトに直結されたインプットギヤ１４と減速装置のスパーギヤ１５との軸間が決められ、このインプットギヤ１４とスパーギヤ１５が噛み合うように位置決めされる。又、減速装置のケース１８には、ベースとしての第１部材１１に対して相対回転する第２部材１２が固着されている。
【００１９】
他の構成は第１の実施形態と同一である。すなわち、スパーギヤ１５にはクランクシャフト１６が取り付けられ、該クランクシャフト１６は回転部材２１に軸受け２０により回転自在に取り付けられている。クランクシャフト１６の偏心部には、外歯歯車１７が軸受けを介して揺動回転自在に取り付けられ、ケース１８の内側に設けられた内歯歯車１９と噛み合う構造となっている。
【００２０】
モータ１３が駆動され、インプットギヤ１４の回転は、スパーギヤ１５を介して減速されてクランクシャフト１６に伝達され、クランクシャフト１６が１回転すると、外歯歯車１７は偏心揺動して１歯分だけ内歯歯車１９に対して回転し、この回転分、回転部材２１はケース１８に対して回転する。その結果、回転部材２１が第１部材１１に固定されているから、ケース１８に取り付けられている第２部材１２は、第１部材１１に対して相対的に回転することになる。
【００２１】
以上の通り、本発明においては、モータの出力シャフトに直結したインプットギヤを、直接減速装置のスパーギヤと噛み合わせることによって、従来の減速装置で必要であったセンターギヤをなくした。そのために、スパーギヤが取り付けられた減速装置の回転部材と一体的にモータが回転し、その位置関係を保持するように、回転部材に取り付けるロボットの部材にモータを取り付けて、スパーギヤとインプットギヤの噛み合いが外れることがないようにしている。しかも、回転部材とモータを取り付けるロボットの部材の連結を嵌め合い構造とし、且つ位置決めピン等で回転位相をも決めることにより、スパーギヤとインプットギヤの軸間距離を決め、噛み合いを保証している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明においては、従来の減速装置を使用した関節構造と比較して、センターギヤを必要としないことから、このセンターギヤを支持するベアリングも必要なく、部品点数が削減される。特にセンターギヤは形状が複雑なことから、その製造コストが高く、このセンターギヤ及びその支持ベアリングを必要としない分、ロボット関節部の駆動系のコストを下げることができる。又、部品点数が削減されることからこの関節駆動系の信頼性を向上させることができ、かつ、駆動系の効率を向上させることができる。さらに、センターギヤを設けない分、ギヤの噛み合い部の箇所がすくなくなり、騒音が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のロボットの関節構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態のロボットの関節構造を示す断面図である。
【図３】ロボットの関節機構に使用されている従来の偏心揺動型の遊星歯車減速装置の断面図である。
【図４】同、従来の偏心揺動型の遊星歯車減速装置の歯車の噛み合い関係の説明図である。
【符号の説明】
１１第１部材
１２第２部材
１３モータ
１４インプットギヤ
１５スパーギヤ
１６クランクシャフト
１７外歯歯車
１８ケース
１９内歯歯車
２０軸受け
２１回転部材
２２取り付け部
２３取り付け部
２４位置決めピン

Claims

減速装置を介して相対的に回転可能に接続されたロボットの第１部材と第２部材、及びこの回転を駆動するモータを備えたロボットの関節構造において、
前記減速装置は第１段減速機構と第２段減速機構を有し、
前記第１減速機構は、前記モータのシャフトに直結したインプットギヤと、該インプットギヤと噛み合う単一のスパーギヤとを備え、
前記第２段減速機構は、前記スパーギヤに直結したクランクシャフトと、該クランクシャフトに係合して偏心揺動させられる外歯歯車と、前記減速装置のケースと、該ケースの内側に設けられ前記外歯歯車に噛み合う内歯歯車と、前記クランクシャフトを回転可能に支持し前記ケースに対して前記内歯歯車の中心軸回りに回転する回転部材とを備え、
前記ケースが前記第１部材に取り付けられ、
前記第２部材が前記回転部材に取り付けられ、
前記インプットギヤが前記スパーギヤと噛み合うように前記モータが前記第２部材に取り付けられることを特徴とするロボットの関節構造。
前記第２部材は、所定の位置に前記モータを取り付けるための取り付け部が設けられ、前記第２部材の軸心と前記減速装置の出力の軸心とを一致させるために、前記第２部材の前記回転部材への取付を嵌め合い構造とし、さらに取付の際の回転位相を決めるために、位置決めピンを使う構造を前記第２部材と前記回転部材に設けた請求項１に記載のロボットの関節構造。
前記ロボットの第１部材と第２部材の内部を空洞構造とし、且つ前記ケースと前記回転部材それぞれに軸心を含む貫通孔を設けることにより、関節内部に配線及び／又は配管のための空間を確保した、請求項１又は請求項２記載のロボットの関節構造。