JP4730670B2

JP4730670B2 - バックラッシュ調整機構を備えたロボット

Info

Publication number: JP4730670B2
Application number: JP2007059590A
Authority: JP
Inventors: 義光中原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008223812A

Description

本発明は、バックラッシュを調整するバックラッシュ調整機構に関し、特にそれをロボットに適用するものに関する。

例えば、ロボット腕駆動用アクチュエータなどにおいては、腕の位置決め精度がとりわけ高く要求されるため、アクチュエータのロータリーエンコーダなどにより得られる軸の回転角を用いて、位置制御を行うことが多い。
一方、駆動電動機を小型化するため、一般にアクチュエータは歯車減速機を備えているが、反負荷歯面側のすきまであるバックラッシュは、誤差や変形を吸収するため歯車装置には不可欠な反面、これによるすきまの分、軸の回転角が不定となる。これは制御により解消困難なため、バックラッシュの存在はアクチュエータの位置決め精度悪化要因の一つとなっている。

こういったバックラッシュを低減するために、既存技術として円錐歯車を使用した構成が提案されている。円錐歯車は、円筒歯車の転位係数を軸方向に直線的に変化させた歯車であり、円錐歯車、コニカルギヤとも呼ばれる。転位係数の変化に応じて歯圧も軸方向に変化するため、歯車を軸方向に移動させることにより、バックラッシュを調整することが可能となる。ところが、このような歯車位置調整機構は、一般に調整手順が煩雑であるため、小型、かつ複数の軸構造が集積された場合に適用が困難である。また、長期間使用した結果、歯面が磨耗するとバックラッシュが増加してしまうと言う問題もある。

この問題に対して、例えば特許文献１のような構造が提案されている。すなわち、円錐歯車の一方を軸方向に可動とし、この可動円錐歯車を軸方向に付勢するばねを設けることにより、円錐歯車同どうしの両歯面を密着させてバックラッシュを０とする構造である。
また、特許文献２のように、モータと歯車箱との間に弾性体のスペーサを挟みこむことで円錐歯車どうしの両歯面を密着させてバックラッシュを０とする構造も開示されている。

また、多関節ロボットの腕構造においてバックラッシュを調整する機構には、偏芯フランジ及びシザーズギヤを用いていた。

特開平６−２５７６６０特開２００６−１０１６０５

一般的な多関節ロボットの腕構造では、図１に示すように、複数の軸駆動部を集め、その駆動部より伝達シャフト等にて動作箇所まで動力を伝達する方法が取られていることが多い。これは、ロボットの腕先端部に重量の大きな駆動部を配置すると、ロボットの基幹部により大きな動力が必要となることや、駆動元であるモータの配線を短くすることに基づいている。
従来のロボット腕構造では、上記のように偏芯フランジ、及び、シザーズギヤを用いたバックラッシュ機構を用いていたが、偏芯フランジを用いた構造では伝達シャフトに倒れが生じるため、カップリング等により倒れに対応する手段を備えるか、伝達シャフト自体の強度を高めるか、もしくは伝達シャフトを長くして応力を分散させることにより、伝達シャフトの破損を防ぐ必要があった。
また、２枚の平行歯車によってバックラッシュを調整するシザーズギヤ構造では、部品点数の増加が生じる問題があった。
また、弾性体を使用した円錐歯車によるバックラッシュ調整方法では、駆動軸間の剛性が低下してしまうため、大きな負荷が掛かる場合にはロボットの手先位置精度の悪化が生じ、早く動作させる際にはロボットの応答性や制御性が悪化してしまうという問題がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、円錐歯車を利用した高剛性なバックラッシュ低減機構を有するとともに、駆動軸を分解することなくバックラッシュの調整が可能な機構を有する、バックラッシュ調整機構とこれを用いたロボット装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、アームの先端に設けられ、第１乃至第３の可動部を有する手首部と、前記第１乃至第３の可動部の各々を駆動する駆動源の回転を、前記アームの後方から前記可動部の各々へ伝達する伝達機構と、前記伝達機構の各々においてバックラッシュを調整するバックラッシュ調整機構と、を備えたロボットにおいて、前記アームの先端部にあって、前記第１乃至第３の可動部に各々連結され、前記アームの延在方向と同一の回転軸上で各々回転するとともに、前記回転軸上に並んで配置された第１乃至第３の大円錐歯車と、前記第１乃至第３の大円錐歯車に各々噛合する小円錐歯車と、前記小円錐歯車の各々に形成された穴部に先端部が挿入され、前記アームの延在方向に沿って各々設けられた動力軸と、前記動力軸の各々の周囲に形成されたネジ部に各々設けられ、前記小円錐歯車と当接して前記動力軸の軸方向における前記小円錐歯車の位置を調整可能なナットと、前記動力軸の各々の先端部に形成されたネジ穴に各々挿入され、前記ナットとの間で前記小円錐歯車を前記動力軸に固定するネジと、前記アームに設けられ、前記ネジの各々と前記小円錐歯車の各々と前記ナットの各々とを前記アームの外部から回転できる位置に設けられた開口部と、を備えたことを特徴とするロボットとするものである。
請求項２に記載の発明は、前記開口部に、前記開口部を閉塞するカバーが備えられたことを特徴とする請求項１記載のロボットとするものである。

本発明によると、円錐歯車を動力軸に対して所望の位置に簡単に調整することができ、それによりバックラッシュの調整が可能である。
本発明によると、ロボットのように複雑な機構を備えたものでも簡単にバックラッシュの調整ができて、ロボットの位置決め精度を向上させることができる。
本発明によると、アームのような部材に収容されている箇所でも、アームや歯車部分を分解を伴うことなく開口部を介してバックラッシュの調整ができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のバックラッシュ調整機構とこれを用いたロボットアームの内部構造図である。
図１において、１は多関節ロボットのアームを示しており、その一部が断面図で示されている。アーム１は略円筒状であってその内部に、以下で説明する機構を収納している。アーム１の端部にはギヤケース２が設けられているが、ギヤケース２はアーム１から延在する円筒状部材であるから実質的にアーム１と同等である。そのギヤケース２の端部には、手首部１９が備えられている。手首部１９は後述する第１乃至第３の大円錐歯車の回転によって回転する。

アーム１の延在方向に沿ってその内部に装架される動力軸（動力伝達軸）３はアーム１に固定されたベアリング４によって軸支され、図示しないがアーム１の後方（図の右側）に設けられたモータ及び減速機からの回転動力によって回転駆動する。位置決め用ナット６は、動力軸３の周囲に施されたネジ部５によって動力軸３と噛み合う。動力軸３の先端には円錐歯車７が装着されている。円錐歯車７には動力軸３の先端部が挿入される穴部が形成されていて、この穴部に動力軸３の先端が挿入される。また、円錐歯車７の端部にはネジ挿入穴が形成されており、一方、動力軸３の先端にはネジ穴が形成されていて、この部分に固定用ボルト８が挿入される。上記で説明した位置決めナット６は、円錐歯車７の後端と当接する位置に存在するよう上記ネジ部５が施されている。したがって、円錐歯車７は、位置決めナット６に後端が当接した状態で、固定用ボルト８によって動力軸３に対して固定される。すなわち、固定用ボルト８を緩め、位置決めナット６をネジ部５によって位置調整することで、円錐歯車７は、動力軸３及び円錐歯車７自身の軸方向に沿って摺動可能である。

円錐歯車７の歯面と係合する位置に第１の大円錐歯車９が設けられている。第１の大円錐歯車９は円錐歯車７と円錐角が等しく、ベアリング１０に軸支されたシャフト１１に固定され、動力軸３の回転軸と平行な回転軸１２回りに回転駆動する。
また、図示しないが、上記で説明した動力軸３らと同等の機構がアーム１内にさらに別に備えられており、この別の動力軸の円錐歯車と係合する位置であって、第１の大円錐歯車９と同軸で回転可能となるように第２の大円錐歯車１３が設けられている。第２の大円錐歯車１３はベアリング１５に軸支され、シャフト１４を回転軸１２周りに回転駆動する。
また、同じく、第３の大円錐歯車１６はギヤケース２に固定されたベアリング１８に軸支され、シャフト１７を回転軸１２周りに回転駆動する。
上記の構成によって、手首部１９は回転する。

ギヤケース２の周囲には、外部からその内部へ貫通する開口部２０と、開口部２０を閉塞するカバー２１とが設けられている。開口部２０は、少なくともユーザが、固定用ボルト８を緩めたり締めたりすることが可能で、位置決めナット６の位置調整が可能で、円錐歯車７を摺動させることが可能であるだけの開口を有する。

そして、開口部２０より治具等を用いて固定用ボルト８を緩め、位置決めナット６を回転させることによって、動力軸３の回転軸方向に対して円錐歯車７を摺動させてその位置を調整する。その位置は、当然ながら第１の大円錐歯車９と円錐歯車７とのバックラッシュを所望の量にする位置である。そして、固定用ボルト８を締めることによって円錐歯車７を動力軸３に固定し、カバー２１で開口部２０を閉塞する。

本発明のバックラッシュ調整機構を備えた産業用ロボットのアーム側断面図

符号の説明

１アーム
２ギヤケース
３動力軸
４、１０、１５、１８ベアリング
５ネジ部
６位置決め用ナット
７円錐歯車
８固定用ボルト
９、１３、１６大円錐歯車
１１、１４、１７シャフト
１２回転軸
１９手首部
２０開口部
２１カバー

Claims

アームの先端に設けられ、第１乃至第３の可動部を有する手首部と、
前記第１乃至第３の可動部の各々を駆動する駆動源の回転を、前記アームの後方から前記可動部の各々へ伝達する伝達機構と、
前記伝達機構の各々においてバックラッシュを調整するバックラッシュ調整機構と、を備えたロボットにおいて、
前記アームの先端部にあって、前記第１乃至第３の可動部に各々連結され、前記アームの延在方向と同一の回転軸上で各々回転するとともに、前記回転軸上に並んで配置された第１乃至第３の大円錐歯車と、
前記第１乃至第３の大円錐歯車に各々噛合する小円錐歯車と、
前記小円錐歯車の各々に形成された穴部に先端部が挿入され、前記アームの延在方向に沿って各々設けられた動力軸と、
前記動力軸の各々の周囲に形成されたネジ部に各々設けられ、前記小円錐歯車と当接して前記動力軸の軸方向における前記小円錐歯車の位置を調整可能なナットと、
前記動力軸の各々の先端部に形成されたネジ穴に各々挿入され、前記ナットとの間で前記小円錐歯車を前記動力軸に固定するネジと、
前記アームに設けられ、前記ネジの各々と前記小円錐歯車の各々と前記ナットの各々とを前記アームの外部から回転できる位置に設けられた開口部と、
を備えたことを特徴とするロボット。
前記開口部に、前記開口部を閉塞するカバーが備えられたことを特徴とする請求項１記載のロボット。