JP5071356B2 - ロボット用波動歯車減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームの駆動機構に使用される波動歯車減速装置に係り、特に、可撓性外歯歯車とウエーブベアリングとの間の滑りを防止するようにしたものに関する。

ロボット用波動歯車減速装置は、例えば特許文献１に開示されている。これは、環状の剛性内歯歯車と、この剛性内歯歯車の内側に配置され剛性内歯歯車の内歯と噛み合い可能な外歯を有した筒状の可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車の内側にウエーブベアリングを介して嵌め込まれた楕円形のカム板とから構成されており、剛性内歯歯車の内歯の歯数は可撓性外歯歯車の外歯の歯数よりも２ｎ（ｎは正の整数）だけ多く（通常は２枚だけ多く）設定されている。

この波動歯車減速装置では、カム板が楕円形であることにより、ウエーブベアリングの可撓性外輪および可撓性外歯歯車が楕円形に撓み、そのため、可撓性外歯歯車は、外歯を１８０度隔てた２部分で剛性内歯歯車の内歯に噛み合わせている。そして、例えば、剛性内歯歯車を回転しないように固定した状態でカム板をモータによって回転駆動すると、ウエーブベアリングの可撓性外輪および可撓性外歯歯車が半径方向に撓んで可撓性外歯歯車の外歯の噛み合わせ位置が円周方向に移動する。その結果、内歯と外歯の歯数差に応じた相対回転が可撓性外歯歯車に発生するので、歯数差に応じた減速比で減速された回転出力が可撓性外歯歯車から得られ、この可撓性外歯歯車の回転出力によってアームを旋回させる。
ロボットは、上述のような波動歯車減速装置によって旋回駆動されるアームを複数本連結、つまり一のアームの先端に別のアームを連結する形態で、複数のアームを順に連結して構成されている。
特開平１０−３１８３３８号公報

ロボット、特に産業用のロボットでは、教示された動作を何度も繰り返すので、その教示動作を繰り返す限り、アームは常に教示された位置に正確に停止することが要求される。
ところが、ロボットに目標位置を教示し、アームを教示された目標位置に移動させる試験を繰り返し行うと、アームの駆動機構の減速装置に波動歯車減速装置を用いたロボットでは、アーム先端に取り付けられたハンドの停止位置が、動作の度に、微妙に異なるという不具合を生じた。この動作の度にハンドの停止位置が微妙に異なるという現象、つまりハンド停止位置の再現性が低いという問題は、波動歯車減速装置を用いたロボットに特有の問題であり、このような問題を生じない波動歯車減速装置の出現が切に望まれる。この場合、産業用のロボットでは、大型化が組立ラインの拡張に繋がるので、ハンド停止位置の再現性を高くするために、部品を波動歯車減速装置に追加する場合、その追加部品によって波動歯車減速装置が大型化すると、ロボット全体が大型化するので、これは極力避けなければならない。

そこで、本発明の目的は、ロボットアームの駆動機構に使用される波動歯車減速装置にあって、ハンド停止位置の再現性を高くすることができると共に、そのハンド停止位置の再現性を高くするための追加部品による大型化を極力避けることができるロボット用波動歯車減速装置を提供することにある。

本発明者は、ロボットアームの駆動機構の減速装置に波動歯車減速装置を用いると、動作の度に停止位置が微妙に異なるという不具合を生ずる原因が、波動歯車減速装置の可撓性外歯歯車がウエーブベアリングの可撓性外輪に対して滑るところにあることを見出した。つまり、可撓性外輪は高精度に加工されているが、その肉厚が円周方向の各位置で数μｍという微小な値ではあるが変動している。この可撓性外輪が可撓性外歯歯車に対して相対的に滑ると、アームが目標位置で停止したとき、その都度、剛性内歯歯車の内歯に対する可撓性外歯歯車の外歯の噛み合い高さ位置が変化することになる。この内歯に対する外歯の噛み合い高さ位置の変化が可撓性外歯歯車の回転角度の変化（アームの旋回角度の変化）となって現れる。

この内歯に対する外歯の噛み合い高さ位置の変化による可撓性外歯歯車の角度変化が微小であっても、アームは比較的長いので、角度変化による誤差が増幅されてアームの先端では無視できない旋回距離の誤差となって現れると共に、ロボットが複数のアームを連結して構成されているため、複数のアームの旋回距離の誤差が更に増幅されてハンドの停止位置の誤差となって現れるのである。

請求項１，２では、可撓性外歯歯車に固定した滑り止め部材の係合部がウエーブベアリングの可撓性外輪に形成された被係合部に係合しているので、この滑り止め部材によって可撓性外輪に対する可撓性外歯歯車の滑りが防止される。このため、アームが目標位置で停止したときの内歯に対する外歯の噛み合い高さ位置が一定となり、停止位置の再現性が高くなる。しかも、滑り止め部材は可撓性外歯歯車の外歯歯車主部の内側に配設され（請求項１）、或いは、外歯歯車主部の内側から取付部にかけて配設されるので、大型化を極力避けることができる。

以下、本発明を実施形態により具体的に説明する。
図１〜図５は第１の実施形態を示す。図１は波動歯車減速装置の全体構成を示す断面図であり、この図１に示すように、波動歯車減速装置１は、内周面に内歯２が形成された円環状の剛性内歯歯車３を備えている。この剛性内歯歯車３には、相手部材への固定用のボルトを通すための通し孔４が複数個形成されている。

上記剛性内歯歯車３の内側には、同心状に可撓性外歯歯車５が配置されている。可撓性外歯歯車５は、例えばばね鋼製から円筒状に形成された可撓性ある外歯歯車主部６と、この外歯歯車主部６の一端部に内側に向かって直角に延びるように一体に形成された環状の取付部７からなる。外歯歯車主部６の他端は開口されており、可撓性外歯歯車５の全体形状としてはカップ型となっている。そして、外歯歯車主部６の開口された他端部の外周面には、剛性内歯歯車３の内歯２に噛み合い可能な外歯８が形成されている。この外歯８の枚数は、内歯２の枚数よりも例えば２枚少なく設定されている。

一方、取付部７の中央部は円形孔９を有した厚肉な座部７ａとされており、この座部７ａには、相手部材への固定用のボルトを通すための通し孔１０が複数個形成されている。取付部７には、外歯歯車主部６の内側に配設された円形の座板１１が重ねられている。この座板１１は、中央部に取付部７の円形孔９と同心の円形孔１２を有していると共に、取付部７に重ねられる面側に、円形孔１２と同心で取付部７の円形孔９に嵌め込まれる短円筒状の嵌合部１１ａが突設されている。また、座板１１には、取付部７の複数個の通し孔１０に合致する複数個の通し孔１３が形成されている。

上記の外歯歯車主部６において、外歯８の形成部分の内側にはウエーブベアリング１４が配設されている。このウエーブベアリング１４は、図２にも示すように、可撓性外輪１５と、可撓性内輪１６と、上記可撓性外輪１５と可撓性内輪１６との間に配列された複数個のボール１７とから構成されている。そして、可撓性外輪１５が外歯歯車主部６の内周に嵌め込まれている。

ウエーブベアリング１４の内側、つまり可撓性内輪１６の内周には、楕円形の剛性カム１８が固着されている。この剛性カム１８には、入力軸を連結するためのキー溝１９付きの嵌合孔２０が形成されている。なお、この嵌合孔２０は、可撓性外歯歯車５の取付部７上に配設された座板１１の円形孔１２と同心になっている。
上記剛性カム１８の可撓性内輪１６への固着により、ウエーブベアリング１４の可撓性内輪１６および可撓性外輪１５が楕円形に撓められる。更に、可撓性外輪１５が楕円形に撓むことによって、外歯歯車主部６の外歯８形成部分が楕円形に撓められる。この結果、図２に示すように、外歯歯車主部６の楕円形撓み部分の長径方向両端部の２箇所において外歯８が部分的に剛性内歯歯車３の内歯２に噛み合うようになる。

この構成において、剛性カム１８が回転されると、可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６の楕円形に撓んだ部分の長径部分が円周方向に移動する。このため、外歯８の内歯２に対する噛み合い部分が円周方向に移動する。このとき、外歯８が内歯２よりも２枚少なく設定されているので、噛み合い位置の移動に伴って、剛性内歯歯車３と可撓性外歯歯車５との間で相対的な回転が発生する。このため、例えば、剛性内歯歯車３を固定しておけば、可撓性外歯歯車５が出力部となって当該可撓性外歯歯車５から減速回転を取り出すことができる。

さて、波動歯車減速装置１には、ウエーブベアリング１４の可撓性外輪１５に対する可撓性外歯歯車５の滑りを防止するための滑り止め手段が設けられる。この滑り止め手段につき、図３および図４を参照しながら説明する。即ち、ウエーブベアリング１４の可撓性外輪１５の外周表面に、可撓性外歯歯車５の取付部７側に向かって開放する被係合部としての溝２１が形成されている。この溝２１は、可撓性外輪１５を外歯歯車主部６の内側に嵌め込むことにより、可撓性外輪１５の取付部７側に向かって開放する差し込み孔となる。

この溝２１に対し、外歯歯車主部６の内側には、滑り止め部材２２が配設される。この滑り止め部材２２は、通し孔２３が形成された連結片（連結部）２２ａと、この連結片２２ａに対して直角に折り曲げられた可撓片（可撓部）２２ｂを有し、全体としてＬ字状をなしている。この滑り止め部材２２は、例えば板ばねから形成されていて、可撓性を有している。そして、可撓片２２ｂの先端部に係合片（係合部）２２ｃが形成されている。
このような滑り止め部材２２は、外歯歯車主部６内の座板１１上に、通し孔２３を座板１１の１個の通し孔１３に合わせるようにして配設される。このとき、可撓片２２ｂの先端の係合片２２ｃは、可撓性外輪１５の溝（差し込み孔）２１内に挿入されて当該溝２１に係合した状態になされる。

図５は上記構成の波動歯車減速装置１をロボット内に組み込んだ場合の一例を示す。この図５には、一つのアーム２４と、このアーム２４内に設けられた駆動機構２５と、この駆動機構２５によって旋回されるアーム（図示せず）を取り付けるための回転関節部材（相手部材）２６が示されている。駆動機構２５は、波動歯車減速装置１を主体とするもので、この駆動機構２５の筒状の取り付けベース２７の一端側に、上記の回転関節部材２６がベアリング２８を介して回転可能に支持されている。

波動歯車減速装置１は、取り付けベース２７内に収納され、剛性内歯歯車３が相手部材としての取り付けベース２７の他端部に、通し孔４に通された複数本のボルト２９によって固定されている。また、外歯歯車主部６においては、取付部７の座部７ａおよび座板１１が通し孔１３および１０に通された複数本のボルト３１によって回転関節部材２６に固定されている。このとき、座板１１の嵌合部１１ａが取付部７の円形孔９に嵌合され、円形孔９から突出した嵌合部１１ａの先端部分が回転関節部材２６に形成された円形孔３０に嵌合されることにより、回転関節部材２６の回転中心に対する可撓性外歯歯車５の同心性が高精度に確保される。

一方、滑り止め部材２２は、係合片２２ｃが可撓性外輪１５の溝２１内に差し込まれ、且つ連結片２２ａが通し孔２３を座板１１の１個の通し孔１３に合わせるように配設され、取付部７および座板１１を回転関節部材２６に固定する際、その固定用のボルト３１によって座板１１上に固定される。これにより、滑り止め部材２２が外歯歯車主部６の取付部７に連結された状態となる。

上述のように波動歯車減速装置１を取り付けベース２７に取り付けた状態において、座板１１の円形孔１２と剛性カム１８の嵌合孔２０とは同心の状態にある。そして、入力軸としての回転軸３２が剛性カム１８の嵌合孔２０に挿通されてキー３３によって剛性カム１８と一体に回転するように結合されている。回転軸３２の一端部は、座板１１の円形孔１２にベアリング３４を介して回転自在に支持されている。この回転軸３２の他端には、歯付きプーリ３５が取り付けられ、この歯付きプーリ３５はベルト伝動機構３６によって図示しないモータに連結されている。

したがって、モータが起動すると、そのモータの回転が回転軸３２に伝達されて剛性カム１８が回転する。これにより、上述したように、外歯８の内歯２に対する噛み合い部分が円周方向に移動するため、モータの回転が減速されて可撓性外歯歯車５に伝達され、回転関節部材２６が回転、ひいては当該回転関節部材２６に取り付けられたアームが旋回する。
このようにして波動歯車減速装置１によってモータの回転を減速して回転関節部材２６に伝達する際、滑り止め部材２２の係合片２２ｃの先端部が外歯歯車主部６の溝２１に係合しているので、外歯歯車主部６がウエーブベアリング１４の可撓性外輪１５に対して滑りを生ずることが防止される。

ところで、剛性カム１８が回転するとき、楕円形に撓んだ状態にある外歯歯車主部６と可撓性外輪１５の長径部分および短径部分は円周方向に移動する。このため、可撓性外輪１５の溝２１形成部分は、楕円の長径と短径との差分だけ径方向に移動する。しかしながら、滑り止め部材２２の可撓片２２ｂは、その可撓性により、溝２１の形成部分が径方向に移動しても、この移動に追従して撓み、係合部２２ｃの溝２１に対する係合を維持する。したがって、剛性カム１８の回転位置に関係なく、滑り止め部材２２の滑り止め効果が発揮される。

一方、アームを旋回動作させるとき、モータの回転位置はロータリエンコーダ（回転センサ）によって検出され、その回転位置検出信号を制御装置にフィードバック信号してフィードバックする。このため、アームを原点位置から目標位置まで動作させるとき、モータの原点位置からの回転数は常に同一の回転数となる。そして、本実施形態では、可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６とウエーブベアリング１４の可撓性外輪１５との間の滑りが防止されているのであるから、アームを目標位置で停止させるべくモータが停止したときの外歯８の内歯２との噛み合う歯どうしは常に同じで、噛み合い高さ位置も常に同じとなる。

このため、アームの旋回角度が動作の都度異なるといった不具合の発生を極力防止でき、その結果、アームが長く、また、ロボットが複数のアームを連結して構成されるという事情があっても、アーム先端に取り付けられたハンドの停止位置が動作の度に異なるといった不具合を極力防止でき、また停止位置が動作の度に異なったとしてもその誤差を程微小な誤差に抑えることができ、停止位置の再現性が高くすることができる。

しかも、滑り止め部材２２はカップ型の外歯歯車主部６内に全部が収容可能であるから、波動歯車減速装置１全体の大型化を回避できる。特に、ロボットでは、内部に余剰の空間がないため、滑り止め手段を付加することによって波動歯車減速装置１が大型化することは極力避けたいという要求があるが、本実施形態によれば、この要求に対処することができるものである。

図６は本発明の他の実施形態を示すもので、上記一実施形態との相違は、可撓性外歯歯車の外歯歯車主部および滑り止め部材の形状にある。ここで、可撓性外歯歯車および滑り止め部材以外の各部材については、上記一実施形態で使用した符号と同一符号を用いることとして詳細な説明は省略する。
本実施形態の外歯歯車主部３７は、一端部に外側に延びる環状の取付部３８を有しており、可撓性外歯歯車３９全体としてシルクハット型をなしている。そして、外歯歯車主部３７の他端部外周に外歯４０が形成されている。
取付部３８の外周寄りの部分は肉厚な座部３８ａに形成され、この座部３８ａに回転関節部材２６に固定するボルト３１を通すための複数の通し孔４１が形成されている。この取付部３８上には、リング状の座板４２が載置されるようになっており、この座板４２にはボルト３１を通すための複数の通し孔４３が形成されている。

一方、滑り止め部材４４は、例えば板ばね製で、外歯歯車主部３７の取付部３８に連結される連結片４４ａと、この連結片４４ａに対して直角に折り曲げられた可撓片４４ｂと、この可撓片４４ｂの先端部に形成された係合片４４ｃを有したほぼＬ字状をなす。そして、連結片４４ａには、ボルトを通すための通し孔４５が形成されている。
上記滑り止め部材４４は、取付部３８から外歯歯車主部３７の内側にかけて配置され、取付部３８を回転関節部材２６に固定する際に、連結片４４ａを取付部３８と回転関節部材２６との間に挟み込んで通し孔４５を取付部３８の通し孔４１に合わせ、且つ係合片４４ｃの先端を溝２１内に差し込んだ状態に配置され、この状態で、ボルト３１によって締め付け固定される。なお、取付部３８の座部３８ａには、回り止め部材４４の連結片４４ａを嵌め込むための溝４６が形成されている。

このように構成しても上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。ただ、本実施形態の場合には、滑り止め部材４４は連結片４４ａ部分が外歯歯車主部６から外部に出て取付部３８に重ねられるが、連結片４４ａの厚さはそれ程厚くはないので、波動歯車減速装置１の大型化を極力回避することができる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような拡張ないし変更が可能である。
可撓性外輪１５に形成される被係合部は溝２１に限られない。突起でも良く、この場合には、滑り止め部材の可撓部に形成する係合部は、突起に係合する孔或いは凹部とすれば良い。その他、被係合部と係合部の形状は種々考えられる。
内輪１６は可撓性を有しなくとも良い。
内輪１６はなくとも良い。

本発明の一実施形態における波動歯車減速装置の断面図 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図 ウエーブベアリングの部分斜視図 滑り止め部材の斜視図 ロボットへの波動歯車減速装置の組み付け状態を示す断面図 本発明の他の実施形態を示す図５相当図

符号の説明

図面中、１は波動歯車減速装置、２は内歯、３は剛性内歯歯車、５は可撓性外歯歯車、６は外歯歯車主部、７は取付部、８は外歯、１４はウエーブベアリング、１５は可撓性外輪、１６は可撓性内輪、１８は剛性カム、２１は溝（被係合部）、２２は滑り止め部材、２２ａは連結片（連結部）、２２ｂは可撓片（可撓部）、２２ｃは係合片（係合部）、３７は外歯歯車主部、３８は取付部、４４は滑り止め部材、４４ａは連結片（連結部）、４４ｂは可撓片（可撓部）、４４ｃは係合片（係合部）を示す。

Claims (2)

1. ロボットアームの駆動機構に使用されるロボット用波動歯車減速装置であって、
   内周面に内歯が形成された環状の剛性内歯歯車と、
   前記剛性内歯歯車の内側に配置され、可撓性を有する外歯歯車主部の外周面に前記内歯に噛み合い可能な外歯が形成されると共に、前記外歯歯車主部の一端部に内側に延びる取付部が形成された可撓性外歯歯車と、
   前記可撓性外歯歯車の内側に設けられ、少なくとも、前記可撓性外歯歯車の内周に嵌め込まれた可撓性外輪および前記可撓性外輪の内側に配設された複数個のボールを有したウエーブベアリングと、
   前記ウエーブベアリングの内側に嵌め込まれ、前記可撓性外歯歯車を前記ウエーブベアリングを介して半径方向に撓ませることにより前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させる剛性カムと、
   を備えたロボット用波動歯車減速装置において、
   前記ウエーブベアリングの前記可撓性外輪に被係合部を形成し、
   前記可撓性外歯歯車の前記外歯歯車主部の内側に、前記可撓性外歯歯車の前記外歯歯車主部の前記取付部の中央部に設けられている座部に対して固定され、当該座部から前記外歯歯車主部側に延びる連結部と、当該連結部から前記ウエーブベアリングの前記可撓性外輪側に向かって折り曲げられ、前記可撓性外輪側の端部に前記被係合部に係合する係合部が形成された可撓部とにより全体としてＬ字状に形成され、前記可撓部が前記可撓性外輪の撓みに追従して撓む滑り止め部材を配設し、
   前記剛性カムの回転に伴う前記可撓性外輪の径方向への撓みに追従して前記可撓部が撓むことにより、前記剛性カムの回転中、前記滑り止め部材が前記被係合部に対する前記係合部の係合を維持して前記可撓性外輪に対する前記可撓性外歯歯車の滑り止めを行うことを特徴とするロボット用波動歯車減速装置。
2. ロボットアームの駆動機構に使用されるロボット用波動歯車減速装置であって、
   内周面に内歯が形成された環状の剛性内歯歯車と、
   前記剛性内歯歯車の内側に配置され、可撓性を有する外歯歯車主部の外周面に前記内歯に噛み合い可能な外歯が形成されると共に、前記外歯歯車主部の一端部に外側に延びる取付部が形成された可撓性外歯歯車と、
   前記可撓性外歯歯車の内側に設けられ、少なくとも、前記可撓性外歯歯車の内周に嵌め込まれた可撓性外輪および前記可撓性外輪の内側に配設された複数個のボールを有したウエーブベアリングと、
   前記ウエーブベアリングの内側に嵌め込まれ、前記可撓性外歯歯車を前記ウエーブベアリングを介して半径方向に撓ませることにより前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させる剛性カムと、
   を備えたロボット用波動歯車減速装置において、
   前記ウエーブベアリングの前記可撓性外輪に被係合部を形成し、
   前記可撓性外歯歯車の前記取付部から前記外歯歯車主部の内側にかけて、前記可撓性外歯歯車の前記外歯歯車主部の前記取付部に設けられている座部に対して固定され、前記座部から前記外歯歯車主部の内側まで延びる連結部と、当該連結部から前記ウエーブベアリングの前記可撓性外輪側に向かって折り曲げられ、前記可撓性外輪側の端部に前記被係合部に係合する係合部が形成された可撓部とにより全体としてＬ字状に形成され、前記可撓部が前記可撓性外輪の撓みに追従して撓む滑り止め部材を配設し、
   前記剛性カムの回転に伴う前記可撓性外輪の径方向への撓みに追従して前記可撓部が撓むことにより、前記剛性カムの回転中、前記滑り止め部材が前記被係合部に対する前記係合部の係合を維持して前記可撓性外輪に対する前記可撓性外歯歯車の滑り止めを行うことを特徴とするロボット用波動歯車減速装置。
   

Images