JP4628345B2 - 産業用ロボットの関節構造 - Google Patents

Description

この発明は、入力された回転を減速機により減速して先端側部材に伝達することで、先端側部材を水平な軸線回りに揺動させるようにした産業用ロボットの関節構造に関する。

従来の産業用ロボットの関節構造としては、例えば以下の特許文献１、２に記載されているようなものが知られている。
実開平３−１４８号公報 特開平１１−２６２８８９号公報

前記特許文献１に記載の産業用ロボットの関節構造は、固定部と該固定部の外側に嵌合され固定部に対して回転可能な回転部との間に軸方向に離れた一対の単列玉軸受が介装された減速機と、前記固定部に固定された産業用ロボットの基端側部材と、前記回転部に固定された産業用ロボットの先端側部材とを備え、入力された回転を減速機により減速して回転部から先端側部材に伝達することで、該先端側部材を水平な軸線回りに揺動させるようにしたものである。

ここで、近年、産業用ロボットにより重搬送物を搬送させようとする要求が高まってきたが、このような要求を満たすには、先端側部材に作用する大きなトルクに対抗して大トルク出力のモータ、高強度の減速機が必要となり、装置全体が大型化し、高価になるという課題が生じた。このような課題を解決するため、前記引用文献２に記載のような負荷補償機構を、減速機の回転部に連結し、該負荷補償機構により、重搬送物から先端側部材に付与されるトルクとは逆方向のトルクを先端側部材に与えることで、重搬送物に基づくトルクをある程度相殺し、モータ、減速機の出力トルク、強度、大きさを元の程度に抑えるようにしたものが提案された。

しかしながら、前記負荷補償機構は、周囲の機器の配置状況や減速機の固定部における撓み低減等の理由から、前記回転部に軸方向片側にずれた状態で連結されることが多く、このため、軸方向に離れた一対の単列玉軸受のうち、前記連結部近傍に配置されている単列玉軸受には、連結部から離隔した位置に配置されている単列玉軸受に比較して、負荷補償機構により該負荷補償機構に向かう大きなラジアル荷重（引張力）が作用し、変形やボール割れ等が生じることがあるという課題があった。

そして、このような課題は、前記先端側部材が水平方向に近付くよう傾斜するに従い、負荷補償機構から回転部に対して大きな引張力が作用するため、顕著になるのである。また、前述のような単列玉軸受の変形、ボール割れ等を抑制するために一対の単列玉軸受を共に大径化することも考えられるが、このようにすると、産業用ロボットの関節構造が大型化するとともに、製作費が高価となってしまうという課題が生じる。

この発明は、重搬送物を搬送しても軸受体の変形等を効果的に抑制することができる産業用ロボットの関節構造を提供することを目的とする。

このような目的は、固定部と該固定部の外側に嵌合され固定部に対して回転可能な回転部との間に軸方向に離れた一対の軸受体が介装された減速機と、前記固定部に固定された産業用ロボットの基端側部材と、前記回転部に固定された産業用ロボットの先端側部材とを備え、入力された回転を減速機により減速して回転部から先端側部材に伝達することで、該先端側部材を水平な軸線回りに揺動させるようにした産業用ロボットの関節構造において、前記軸受体のうちの一方の軸受体と半径方向に重なり合う位置において回転部に連結され、負荷により先端側部材に対して付与されるトルクと逆方向のトルクを該先端側部材に与える負荷補償機構を設けるとともに、前記一方の軸受体は軸方向に並べて近接配置された複数列の転動体群を有することにより、達成することができる。

この発明においては、負荷補償機構を一方の軸受体と半径方向に重なり合う位置において回転部に連結するとともに、前記一方の軸受体を軸方向に並べて近接配置された複数列の転動体群から構成したので、負荷補償機構によって前記一方の軸受体に付与される大きなラジアル荷重（引張力）は、軸方向に複数列だけ並べられた転動体群が分担して受けることとなり、各転動体群が負担する荷重（力）が小さくなる。この結果、産業用ロボットにより重搬送物を搬送する場合にも、一方の軸受体を大径化することなくその変形等を効果的に抑制することができ、これにより、負荷補償機構が設けられた産業用ロボットの関節構造を小型としながら安価に製作することができる。

また、請求項２に記載のように構成すれば、複数列の転動体群が負担するラジアル荷重をほぼ同一とすることができるため、いずれかの転動体群のみが早期に摩耗する等の事態を防止することができ、この結果、軸受体の長寿命化を図ることができる。さらに、請求項３に記載のように構成すれば、簡単な構造でありながらも荷重の負荷能力を向上させることができる。

以下、この発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１、２において、11は産業用ロボット12の基台であり、この基台11の上面には減速機13の固定部が取り付けられており、また、前記減速機13の回転部の上面には産業用ロボット12の基端側部材としての旋回台14が取り付けられている。そして、前記減速機13が図示していない駆動モータから回転駆動力を受けると、減速機13は入力された回転を減速して回転部から旋回台14に伝達し、該旋回台14を垂直な第１旋回軸線Ａ回りに回転させる。

前記旋回台14のフランジ部15の他側面には偏心揺動型減速機16の固定部、ここではキャリア17の一側面が複数のボルト18によって固定され、また、この偏心揺動型減速機16の回転部、ここではケース19の他側面には略上下方向（鉛直方向）に延びる産業用ロボット12の先端側部材としての第１アーム20の基端部（下端部）が複数のボルト21により固定されている。この結果、前記第１アーム20は旋回台14に偏心揺動型減速機16を介して回転（揺動）可能に支持される。そして、この第１アーム20には、産業用ロボット12が重搬送物（負荷）を保持して搬送しようとする際、大きなトルク、図１において時計回りのトルクが付与される。

ここで、前記ケース19は略円筒状を呈するとともに、その軸方向中央部内周には周方向に等距離離れた多数の内歯としてのピン歯25が設けられている。また、前記ケース19内には複数（２個）のピニオン26が軸方向に並べられて収納され、これらピニオン26の外周には多数の外歯27がそれぞれ形成されている。ここで、前記ピニオン26の外歯27の歯数は前記ピン歯25の歯数より若干、ここでは１個だけ少なく、また、これらピニオン26とケース19とは内接した状態で外歯27とピン歯25とが噛み合っているが、２つのピニオン26の最大噛み合い部（噛み合いの最も深い部位）は 180度だけ位相がずれている。

そして、これらピニオン26の中心軸上には貫通した中心孔28が、また、その内、外周間の中間部には軸方向に貫通した複数（３個）の貫通孔29が周方向に等距離離れて形成されている。また、前記キャリア17はケース19内に挿入されているが、このキャリア17はピニオン26の軸方向両外側に配置された一対の端板部30、31と、一端が端板部30に一体形成され、他端が端板部31に締結された複数（貫通孔29と同数）の柱部32とから構成され、これら柱部32は前記貫通孔29内にそれぞれ遊嵌されている。また、前記キャリア17、詳しくは端板部30、31の中心軸上には前記中心孔28とほぼ同径の中心孔33、34がそれぞれ形成されている。

38は軸方向に離れて配置された一対の軸受体であり、これら軸受体38のうちの一方の軸受体38ａは、前記キャリア17とケース19、詳しくは端板部30の外周とケース19の軸方向一側端部内周との間に介装されており、また、前記軸受体38のうちの他方の軸受体38ｂは、前記キャリア17とケース19、詳しくは端板部31の外周とケース19の軸方向他側端部内周との間に介装されている。この結果、前記キャリア17の外側に嵌合支持されたケース19はキャリア17に対して回転可能となる。

42は各ピニオン26に成形された軸方向に延びる複数（３個）のクランク軸孔であり、これらのクランク軸孔42は周方向に等距離離れるとともに、貫通孔29と交互に配置されている。43は複数本（クランク軸孔42と同数）のクランク軸であり、これらのクランク軸43は周方向に等角度離れて配置されている。これらクランク軸43の軸方向両端部とキャリア17、詳しくは両端板部30、31との間には軸受44がそれぞれ介装され、これにより、前記クランク軸43の軸方向両端部はキャリア17に回転可能に支持される。

前記クランク軸43は軸方向中央部にクランク軸43の中心軸から等距離だけ偏心したピニオン26と同数（２個）のクランク部45を有し、これらクランク部45は軸方向に若干距離だけ離れるとともに、互いに 180度だけ位相がずれている。そして、前記クランク軸43のクランク部45はピニオン26のクランク軸孔42内にそれぞれ針状ころ軸受46を介して挿入されており、この結果、前記ピニオン26とクランク軸43とは相対回転が許容されている。

51は前記フランジ部15（旋回台14）の一側面に取り付けられた駆動モータであり、この駆動モータ51の出力軸52に連結された伝達軸53は偏心揺動型減速機16の中心軸と同軸であるとともに、その先端（他側端）に第１外歯車54が設けられている。55は少なくともいずれか１本、ここでは全てのクランク軸43の軸方向他側端にそれぞれ取り付けられ、前記第１外歯車54より大径である第２外歯車であり、これらの第２外歯車55は前記第１外歯車54の周囲に配置されるとともに、該第１外歯車54に噛み合っている。

そして、前記駆動モータ51の回転が第１、第２外歯車54、55により減速されて全てのクランク軸43に同時に伝達されると、これらのクランク軸43は自身の中心軸回りに回転し、これにより、クランク軸43のクランク部45がピニオン26のクランク軸孔42内において偏心回転してピニオン26が偏心揺動回転をする。このとき、前記ピニオン26の外歯27の歯数がケース19のピン歯25の歯数（ピン数）より若干少ないので、クランク軸43の回転は大幅に減速されケース19に伝達され、該ケース19を低速で回転させる。前述したピン歯25、ピニオン26、クランク軸43は全体として、入力回転を大幅に減速してケース19に出力し、該ケース19を低速回転させる減速部56を構成する。

また、このように駆動モータ51が作動してケース19が低速回転すると、前記第１アーム20はその基端部を中心として水平な第２旋回軸線Ｂ回りに回転（揺動）する。ここで、前述したキャリア17、ケース19、減速部56は全体として、前記旋回台14と第１アーム20との間に配置されるとともに、駆動モータ51から入力された回転を減速しケース19を通じて第１アーム20に伝達することで、該第１アーム20を旋回台14に対して低速回転（揺動）させる前記偏心揺動型減速機16を構成する。なお、前述した駆動モータ51は、第１アーム20の基端部に取り付けられていてもよい。

60は基端部が旋回台14に回動可能に連結され軸方向両端が閉止されている円筒状のケーシングであり、このケーシング60の内部には該ケーシング60の軸方向に移動可能なピストン61が収納されている。62は前記ケース19の軸方向片側、ここでは軸方向一側で一方の軸受体38ａ近傍に前記ボルト21によって第１アーム20と共に固定された円筒状の連結部材であり、この連結部材62はその周上一箇所において半径方向外側に突出した連結部62ａを有する。

63は前記ピストン61から偏心揺動型減速機16に向かって該偏心揺動型減速機16の略半径方向に延びるピストンロッドであり、このピストンロッド63はその途中が前記ケーシング60の先端壁60ａに形成された貫通孔64を挿通しているとともに、その先端部が前記連結部62ａの先端に一対の軸受65を介して回転可能に連結されている。これにより、このピストンロッド63は、前記ケース19および第１アーム20が回転すると、突出したり引っ込んだりする。

66は前記ケーシング60の内部に収納されたコイルバネであり、このコイルバネ66は、ピストン61と先端壁60ａとの間に配置され、該ピストン61を基端側に向かって付勢する。この結果、第１アーム20には、前記重搬送物に基づくトルクと逆方向のトルクが、コイルバネ66から付与され、これにより、重搬送物に基づくトルクがある程度相殺され、駆動モータ51、偏心揺動型減速機16の出力トルク、強度、大きさを元の程度に抑えることができる。

そして、前記ケース19が回転することで第１アーム20が直立状態から水平方向に近付くよう傾斜（揺動）すると、重搬送物から第１アーム20に付与されるトルクが増大するが、このとき、前記ピストンロッド63が突出しピストン61が偏心揺動型減速機16に向かって移動することでコイルバネ66が圧縮されるため、コイルバネ66から第１アーム20に付与されるトルクも増大し、この結果、相殺後の第１アーム20に付与されるトルクは第１アーム20が傾斜してもあまり変動はない。

前述したケーシング60、ピストン61、ピストンロッド63、コイルバネ66は全体として、重搬送物等の負荷により第１アーム20に対して付与されるトルクと逆方向のトルクを該第１アーム20に与える負荷補償機構67を構成する。なお、この実施例では、コイルバネ66を有するいわゆるスプリング方式の負荷補償機構67を用いたが、この発明においては、負荷補償機構として、第１アーム20にカウンタバランス（重錘）を設けたいわゆるカウンタバランス方式、あるいは、シリンダの内部にピストンが収納されるとともに、流体によってピストンが作動するいわゆるシリンダ方式を用いてもよい。

ここで、前述のように負荷補償機構67がケース19に軸方向一側にずれた状態で連結されていると、軸方向に離れた一対の軸受体38のうち、前記連結部近傍に配置されている一方の軸受体38ａには、連結部から離隔した位置に配置されている軸受体38ｂに比較して、負荷補償機構67のコイルバネ66により該負荷補償機構67に向かう大きなラジアル荷重（引張力）が作用し、変形やボール割れ等が生じるおそれがある。

このため、この実施例においては、前記一方の軸受体38ａを、接触角が同一方向に傾斜している複数個（２個）の単列アンギュラ玉軸受を軸方向に並列に近接配置することで構成している。この結果、一方の軸受体38ａは周方向に並べられた複数個の転動体（ボール）70からなる転動体群71を複数列（２列）だけ有するとともに、これらの転動体群71は軸方向に並べられ互いに近接した状態で配置されることになる。

このように、前記一方の軸受体38ａが軸方向に並べて配置された２列の転動体群71を有するとともに、該一方の軸受体38ａと半径方向に重なり合う位置においてケース19に負荷補償機構67を連結するようにしたので、負荷補償機構67によって前記一方の軸受体38ａに付与される大きなラジアル荷重（引張力）は、軸方向に複数列（２列）だけ並べられた転動体群71が分担して受けることとなり、各転動体群71が負担する荷重（力）が小さくなる。

この結果、産業用ロボット12により重搬送物を搬送する場合にも、一方の軸受体38ａを大径化することなくその変形等を効果的に抑制することができ、これにより、負荷補償機構67が設けられた産業用ロボット12の関節構造を小型としながら安価に製作することができる。さらに、前述のように一方の軸受体38ａを、複数個の単列アンギュラ玉軸受を軸方向に並列配置することで構成しているため、簡単な構造でありながら荷重の負荷能力を向上させることもできる。なお、前記他方の軸受体38ｂは、接触角が前記一方の軸受体38ａの接触角とは逆方向に傾斜している１個の単列アンギュラ玉軸受から構成されており、この結果、他方の軸受体38ｂの転動体群71は１列となる。

ここで、この実施例においては、前記負荷補償機構67による力の作用線を含み偏心揺動型減速機16の中心軸線に垂直な面内に、前記一方の軸受体38ａの軸方向中央部、ここでは並列配置された２列の転動体群71の軸方向中央を位置させている。このようにすれば、複数列（２列）の転動体群71が負担する前記ラジアル荷重をほぼ同一とすることができるため、いずれかの転動体群71のみが早期に摩耗する等の事態を防止することができ、この結果、軸受体38の長寿命化を図ることができる。

次に、前記実施例１の作用について説明する。
前述のような産業用ロボット12において第１アーム20を旋回台14に対して回転（揺動）させる場合には、駆動モータ51を作動して出力軸52、伝達軸53を回転させる。この出力軸52、伝達軸53の回転は、第１外歯車54および第２外歯車55により減速されながら全てのクランク軸43に伝達され、これらクランク軸43を自身の中心軸回りに同一方向に同一回転速度で回転させる。

このとき、クランク軸43のクランク部45がピニオン26のクランク軸孔42内において偏心回転してピニオン26を偏心揺動回転させるが、前記ピニオン26の外歯27の歯数がケース19のピン歯25の数より若干数だけ少ないので、ケース19はピニオン26の偏心揺動回転により大幅に減速されて低速回転し、第１アーム20を基端部を中心として回転（揺動）させる。

そして、前述のように第１アーム20が回転することで、例えば、第１アーム20が直立状態から水平方向に近付くよう傾斜（揺動）すると、重搬送物から第１アーム20に付与されるトルクが増大するが、このとき、負荷補償機構67から第１アーム20に付与されるトルクも増大するため、相殺後のトルクにあまり変動はない。

このように第１アーム20が水平方向に近付くよう傾斜するに従い、負荷補償機構67から偏心揺動型減速機16のケース19の軸方向一側部に対して大きな引張力が作用するが、前述のように２列の転動体群71を有する一方の軸受体38ａと半径方向に重なり合う位置においてケース19に負荷補償機構67を連結しているため、前述の大きなラジアル荷重（引張力）は、軸方向に２列だけ並べられた一方の軸受体38ａの転動体群71が分担して受けることとなり、各転動体群71が負担する力を小さくすることができる。この結果、産業用ロボット12により重搬送物を搬送する場合にも、一方の軸受体38ａを大径化することなくその変形等を効果的に抑制することができ、負荷補償機構67が設けられた産業用ロボット12の関節構造を小型としながら安価に製作することができる。

なお、前述の実施例においては、基端側部材を垂直な第１旋回軸線Ａ回りに回転する旋回台14から構成するとともに、先端側部材を水平な第２旋回軸線Ｂ回りに回転する第１アーム20から構成したが、この発明においては、基端側部材として前記第１アームを用いるとともに、先端側部材を第１アームに水平な軸線回りに回動可能に連結されたアームから構成するようにしてもよく、要するに、産業用ロボットの先端側部材が水平な軸線回りに回動可能であればよい。

また、前述の実施例においては、負荷補償機構67を一方の軸受体38ａ近傍におけるケース19に連結したが、この発明においては、負荷補償機構を他方の軸受体近傍におけるケースに連結してもよく、この場合には、他方の軸受体を軸方向に並べて近接配置された複数列の転動体群から構成する。また、前述の実施例においては、一方の軸受体38ａは２列の転動体群71を有していたが、この発明においては、一方の軸受体は３列以上の転動体群を有してもよく、この場合、他方の軸受体は３列未満、即ち一方の軸受体の転動体群の列数は他方の軸受体の転動体群の列数より多くする。

さらに、前述の実施例においては、一方の軸受体を単列アンギュラ玉軸受を軸方向に複数個並べることで構成したが、この発明においては、一方の軸受体を複列アンギュラ玉軸受から構成することで、転動体群を複数列としてもよい。また、前述の実施例においては、軸受体としてアンギュラ玉軸受を用いたが、この発明においては、深みぞ玉軸受、ラジアルころ軸受等を用いることができる。
さらに、前述の実施例においては、偏心揺動型減速機16のピン歯25の歯数と外歯27との歯数差が１であったが、この発明においては２以上であってもよい。

この発明は、減速機により減速された回転を先端側部材に伝達することで、先端側部材を水平な軸線回りに揺動させるようにした産業用ロボットの関節構造に適用できる。

この発明の実施例１を示す正面断面図である。 図１のＩ−Ｉ矢視図である。

12…産業用ロボット 14…基端側部材
16…減速機 17…固定部
19…回転部 20…先端側部材
38…軸受体 67…負荷補償機構
71…転動体群 Ｂ…軸線

Claims (3)

1. 固定部と該固定部の外側に嵌合され固定部に対して回転可能な回転部との間に軸方向に離れた一対の軸受体が介装された減速機と、前記固定部に固定された産業用ロボットの基端側部材と、前記回転部に固定された産業用ロボットの先端側部材とを備え、入力された回転を減速機により減速して回転部から先端側部材に伝達することで、該先端側部材を水平な軸線回りに揺動させるようにした産業用ロボットの関節構造において、前記軸受体のうちの一方の軸受体と半径方向に重なり合う位置において回転部に連結され、負荷により先端側部材に対して付与されるトルクと逆方向のトルクを該先端側部材に与える負荷補償機構を設けるとともに、前記一方の軸受体は軸方向に並べて近接配置された複数列の転動体群を有することを特徴とする産業用ロボットの関節構造。
2. 前記負荷補償機構による力の作用線を含み減速機の軸線に垂直な面内に、前記一方の軸受体の軸方向中央部を位置させた請求項１記載の産業用ロボットの関節構造。
3. 前記一方の軸受体を、複数個の単列アンギュラ玉軸受を軸方向に並列配置することで構成した請求項１または２記載の産業用ロボットの関節構造。

Images