JP5071357B2 - 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円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剛性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、剛性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剛性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、手先（ハンド）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、手先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、アーム先端の手先の停止位置が、動作の度に、微妙に異なる（手先のぶれ）という不具合を生じた。この動作の度に手先の停止位置が微妙に異なるという現象、つまり手先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、手先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、手先停止位置の再現性を高くすることができると共に、その手先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、動作の度に手先の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手先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複数個の係合部のうちの少なくとも１個がウエーブベアリングの可撓性外輪に形成された係合溝と係合しているので、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（請求項２）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。また、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。

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１１が配設されている。このウエーブベアリング１１は、図２にも示すように、可撓性外輪１２と、可撓性内輪１３と、上記可撓性外輪１２と可撓性内輪１３との間に配列された複数個のボール１４とから構成されている。そして、可撓性外輪１２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１１の内側、つまり可撓性内輪１３の内周には、楕円形の剛性カム１５が固着されている。この剛性カム１５の中央部には、入力軸を連結するためのキー溝１６付きの嵌合孔１７が形成されている。

上記剛性カム１５の可撓性内輪１３への固着により、ウエーブベアリング１１の可撓性内輪１３および可撓性外輪１２が楕円形に撓められる。更に、可撓性外輪１２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１５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、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１１の可撓性外輪１２との間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１１の可撓性外輪１２の外表面のうち、可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６の取付部７側の端部外表面には、径方向に延びる２本の係合溝１８，１９が９０度の角度間隔を存して２個形成されている。

一方、可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６の内側には、滑り止め部材２０が配設される。この滑り止め部材２０は、外歯歯車主部６の内側底面である取付部７に重ねた状態で連結される円形の連結部２１を有すると共に、この連結部２１の外周部からほぼ直角に立ち上がる２個の係合脚片２２，２３が形成されている。この滑り止め部材２０の連結部２１の中央部には、円形孔２４が形成されていると共に、取付部７に重ねられる面側に、円形孔２４と同心であって、外歯歯車主部６の取付部７の円形孔９に嵌め込まれる短円筒状の嵌合部２１ａが突設されている。また、連結部２１には、外歯歯車主部６の取付部７に形成された複数個の通し孔１０に合致するように複数個の通し孔２５が形成されている。

上記２個の係合脚片２２，２３は、連結部２１の中心から所定距離隔たった位置に９０度の角度間隔をもって形成されている。そして、係合脚片２２，２３の先端部には、可撓性外輪１２の係合溝１８，１９にそれぞれ係合する矩形突片からなる係合部２２ａ，２３ａが形成されている。なお、係合部２２ａ，２３ａの連結部２１の中心線からの離間距離は、楕円形に変形された可撓性外輪１２の短径部分の半径寸法に定められている。

図５は上記構成の波動歯車減速装置１のロボットへ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２６と、このアーム２６内に設けられた駆動機構２７と、この駆動機構２７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）２８が示されている。駆動機構２７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２７の筒状のベース２９の一端側に、前記回転関節部材２８がベアリング３０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、ベース２９内に収納され、剛性内歯歯車３がベース２９の他端部に、通し孔４に通されたボルト３１によって固定されている。また、可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６の取付部７は、嵌合部２１ａを回転関節部材２８の回転中心部に形成された円形孔３２に嵌合するようにして当該回転関節部材２８上に配置されている。この取付部７に滑り止め部材２０の連結部２１が重ねられた状態で、これら外歯歯車主部６の取付部７が滑り止め部材２０の連結部２１と共に、通し孔２５および１０に通されたボルト３３によって回転関節部材２８に固定されている。

これにより、滑り止め部材２０の連結部２１が可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６の取付部７に一体に連結された状態となる。この状態では、滑り止め部材２０の係合脚片２２，２３の係合部２２ａ，２３ａは、可撓性外輪１２の係合溝１８，１９に係合した状態、または、一方の係合部が一方の係合溝に係合し、他方の係合部が他方の係合溝から外れた状態になっている。

波動歯車減速装置１の滑り止め部材２０の連結部２１の円形孔２４と剛性カム１５の中心部に形成された嵌合孔１７とは同心の状態にある。そして、波動歯車減速装置１の入力軸としての回転軸３４が剛性カム１５の嵌合孔１７に挿通されてキー３５によって剛性カム１５と一体に回転するように結合されている。回転軸３４の一端部は、滑り止め部材２０の連結部２１の円形孔２４にベアリング３６を介して回転自在に支持されている。この回転軸３４の他端には、歯付きプーリ３７が取り付けられ、この歯付きプーリ３７はベルト伝動機構３８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３４に伝達されて剛性カム１５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２８が回転、ひいては当該回転関節部材２８に取り付けられた図示しないアームが旋回する。

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２８に伝達する際、滑り止め部材２０が有する２個の係合部２２ａ，２３ａのうち、少なくとも一方が係合溝に係合して両者が一体的に回転するように、換言すれば可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６がウエーブベアリング１１の可撓性外輪１２に対して滑りを生じないようにする。

つまり、剛性カム１５が回転すると、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１２の長径部分および短径部分が円周方向に移動する。このとき、長径部分と短径部分は９０度隔たった関係にある。このため、図２に示すように、２個の係合部２２ａ，２３ａのうちの一方の係合部２２ａが長径部分に位置している場合には、当該一方の係合部２２ａは一方の係合溝１８から外れ、他方の係合部２３ａは他方の係合溝１９に係合した状態となっている。

そして、長径部分が移動してゆくと、他方の係合部２３ａに係合されていた他方の係合溝１９は、次第に径方向外側に動いて当該他方の係合部２３ａを外すようにする。しかしながら、このときには、一方の係合溝１８が径方向中心側に移動して一方の係合部２２ａを内に入れようとする。このため、長径部分がどこに位置していようが、２個の係合部２２ａ，２３ａのうちの少なくとも一個の係合部が係合溝に係合した状態となるので、可撓性外歯歯車５の外歯歯車主部６が可撓性外輪１２に対して滑りを生ずることが防止される。

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と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１１の可撓性外輪１２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手先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２０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ないし図８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３９は、一端部に外側に延びる環状の取付部４０を有しており、可撓性外歯歯車４１全体としてはシルクハット型をなしている。そして、外歯歯車主部３９の他端部外周に外歯４２が形成されている。
取付部４０の外周寄りの部分は肉厚に形成されて座部４０ａとされ、この座部４０ａに外歯歯車主部３９を回転関節部材２８に固定するためのボルトを通す複数の通し孔４３が形成されている。

一方、滑り止め部材４４は、外歯歯車主部３９の取付部４０に連結される環状の連結部４５を有し、この連結部４５の内周部に、２個の係合脚片４６，４７が立ち上がり形成されている。そして、各係合脚部４６，４７の先端に、係合溝１８，１９に係合可能な係合部４６ａ，４７ａが形成されている。なお、連結部４５には、ボルトの通し孔４８が複数形成されている。
上記滑り止め部材４４は、可撓性外歯歯車４１の取付部４０から外歯歯車主部３９の内側にかけて配置され、取付部４０を回転関節部材２８に固定する際に、連結部４５を取付部４０と回転関節部材２８との間に挟むようにして複数のボルト３３によって固定される。

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は連結部４５部分が外歯歯車主部６から外部に出るが、当該連結部４５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。
係合溝は、可撓性外輪１２に９０度の角度間隔をもって２本形成するものに限られず、９０度の角度間隔をもって３本或いは４本形成しても良い。また、４５度の角度間隔をもって３個、或いは６個、更には８個形成しても良い。或いは、等角度間隔でなくともよく、要は、係合溝の数と同数設ける係合部の少なくとも１個が係合溝に係合する状態が得られるような間隔であればよい。
滑り止め部材は、滑り止め部材２０は、複数分割型のもの、つまり、係合脚片を１個ずつ有するように連結部を複数に分割した形態のものであっても良い。
内輪１３は可撓性を有していなくても良い。
内輪１３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外歯歯車の斜視図 滑り止め部材の斜視図 ロボットへの取り付け構成を示す断面図

符号の説明

図面中、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、１１はウエーブベアリング、１２は可撓性外輪、１５は剛性カム、１８，１９は係合溝、２０は滑り止め部材、２１は連結部，２２ａ，２３ａは係合部、２６はアーム、２８は回転関節部材、３９は外歯歯車主部、４０は取付部、４１は可撓性外歯歯車、４４は滑り止め部材、４５は連結部、４６ａ，４７ａは係合部を示す。

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、可撓性を有する円筒状の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１８０度隔てた２部分で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楕円形の剛性カムと、
   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の外表面のうち、前記外歯歯車主部の前記取付部側の端部外表面に、径方向に延びる係合溝を少なくとも９０度の角度間隔をもって２本形成し、
   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、当該連結部の外周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立ち上がり、前記可撓性外輪側の端部に前記係合溝に係合可能な係合部がそれぞれ設けられた複数の係合脚片とを有した滑り止め部材を配設し、
   前記剛性カムの回転に伴って前記ウエーブベアリングの前記可撓性外輪が径方向に撓むとき、前記滑り止め部材に設けられている複数の前記係合部の少なくとも１個が前記係合溝への係合を維持することによって前記可撓性外歯歯車と前記可撓性外輪との滑り止めがなされる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１８０度隔てた２部分で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楕円形の剛性カムと、
   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の外表面のうち、前記外歯歯車主部の前記取付部側の端部外表面に、径方向に延びる係合溝を少なくとも９０度の角度間隔をもって２本形成し、
   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の座部に固定され、前記外歯歯車主部の内側まで延びる連結部と、当該連結部の内周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立ち上がり、前記可撓性外輪側の端部に前記係合溝に係合可能な係合部がそれぞれ設けられた複数の係合脚片とを有した滑り止め部材を配設し、
   前記剛性カムの回転に伴って前記ウエーブベアリングの前記可撓性外輪が径方向に撓むとき、前記滑り止め部材に設けられている複数の前記係合部の少なくとも一個が前記係合溝への係合を維持することによって前記可撓性外歯歯車と前記可撓性外輪との滑り止めがなされることを特徴とするロボット用波動歯車減速装置。

Images