JP6018520B2 - ロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機に関する。

特許文献１にロボットの関節を駆動するために用いられる偏心揺動型の減速機が開示されている。この減速機は、内歯歯車と、該内歯歯車と僅少の歯数差（例えば１〜５程度）を有し、当該内歯歯車に揺動しながら内接噛合する外歯歯車とを備える。内歯歯車または外歯歯車は、いずれか一方の自転が拘束され、他方の側から、該内歯歯車と外歯歯車との相対回転が出力として取り出され、ロボットの関節が駆動される。

偏心揺動型の減速機には、外歯歯車を揺動させるための偏心体を、外歯歯車の軸心位置を貫通する偏心体軸に備えるタイプと、該偏心体を外歯歯車の軸心位置からオフセットした位置に複数設けられた偏心体軸に備えるタイプとが知られている。

偏心揺動型の減速機は、１段で高減速比が得られることから、コンパクト性の要求されるロボットの関節駆動用として広く活用されている。

特開２００６−２６３８７８号公報

ロボットの生産性を高めるためには、当該ロボットの作業速度（出力軸の回転速度）をより速め、また、作業時間（稼働率）をより増大させる必要がある。一方、より高精度な位置決め作業を行うためには、減速機のバックラッシやロストモーションをより小さく設定する必要がある。

これらの傾向は、いずれも減速機にとっては発熱上、より過酷な状態に近づくため、近年、ロボットの関節を駆動する減速機の発熱に対する対策が、大きな問題となって来ている。

本発明は、ロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機において、このような発熱に関する問題をより緩和するためになされたものであって、ロボットの作業精度の低下を抑制しつつ、発熱の問題をより効果的に緩和することのできるロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機を提供することをその課題としている。

本発明は、内歯歯車と、該内歯歯車と僅少の歯数差を有し、当該内歯歯車に揺動しながら内接噛合する外歯歯車と、前記内歯歯車と前記外歯歯車との相対回転を出力として取り出す出力軸と、を備え、ロボットの関節を駆動するロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機であって、当該減速機は、前記出力軸の回転速度が５０ｒｐｍ以上であり、稼働率が２０％ＥＤ以上であり、ロストモーションが１ｍｉｎより大きく、３ｍｉｎ以下の範囲に収められている構成とすることにより、上記目的を解決するものである。

発明者らは、ロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機について、その発熱の状況と減速機の諸条件との関係に関して詳細な試験を行った。

この結果、後に詳述するように、作業精度（ロボットの位置決め精度）を維持するために、従来、当然のように小さく抑えられてきたロストモーションに関し、当該ロストモーションの縮小と発熱の増大は、条件により、必ずしも単純な「トレードオフ」の関係にあるのではない（ロストモーションが小さくなると発熱が増大し、ロストモーションが大きくなると発熱も低減する、というような単純な関係のみが常に成立しているわけではない）という知見が得られた。

本発明は、この知見に基づいてなされたものであって、ロボットの作業精度の低下を抑制しつつ、発熱の問題をより効果的に緩和し得る構成を提案する。

本発明によれば、ロボットの作業精度の低下を抑制しつつ、発熱の問題をより効果的に緩和することの可能なロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機を得ることができる。

本発明の実施形態に係る偏心揺動型の減速機が組み込まれた産業用ロボットの手首部分の断面図 図１の手首部分に組み込まれている偏心揺動型の減速機の全体図 図１の手首部分を備えた産業用ロボットの全体概略を示す模式図 ロストモーション−無負荷ランニングトルクの試験結果の一例を示すグラフ ロストモーション−無負荷ランニングトルクの試験結果の他の一例を示すグラフ ロストモーションを説明するための説明図

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例に係る偏心揺動型の減速機が組み込まれた産業用ロボットの手首部分の断面図、図２は、図１の手首部分に組み込まれている当該偏心揺動型の減速機の全体図、図３は、前記産業用ロボットの全体概略を示す模式図である。

始めに、産業用ロボットＲ１の全体概略から説明する。

この産業用ロボットＲ１は、床面１９上に基台１０を有し、この基台１０から第１〜第６関節Ｊ１〜Ｊ６と第１〜第６アーム１１〜１６が交互に連結されている。第１〜第６アーム１１〜１６は、第１〜第６関節Ｊ１〜Ｊ６を介して駆動モータおよび減速機（図３では図示略）によって駆動される。

すなわち、本実施形態の産業用ロボットＲ１の第１アーム１１は、第１関節Ｊ１を介して基台１０上において鉛直な軸心ＣＬ１の周りで自転可能であり、産業用ロボットＲ１全体の軸心ＣＬ１周りの旋回を担う。第２アーム１２は、第２関節Ｊ２を介して、該第２関節Ｊ２を支点として第１アーム１１の軸心ＣＬ１を含む面内（鉛直面内）で揺動可能であり、主に第６アーム１６の被作業体に対する前後動を担う。第３アーム１３は、第３関節Ｊ３を介して、該第３関節Ｊ３を支点として第２アーム１２の軸心ＣＬ２を含む面内（鉛直面内）で揺動可能であり、主に第６アーム１６の上下動を担う。

一方、第４アーム１４は、第４関節Ｊ４を介して、第３アーム１３の軸心ＣＬ３と同軸の軸心ＣＬ４の周りで自転可能である。第５アーム１５は、第５関節Ｊ５を介して、該第５関節Ｊ５を支点として第４アーム１４の軸心ＣＬ４を含む面内で揺動可能である。第６アーム１６は、第６関節Ｊ６を介して、第５アーム１５の軸心ＣＬ５と同軸の軸心ＣＬ６の周りで自転可能である。

第６アーム１６の先端には、所定の作業を行うための溶接ツール、保持ツール、塗装ツール等のさまざまなツール１８が取付けられる。以上の構成から、ツール１８が取付けられた第６アーム１６は、６つの自由度を有し、３次元方向に自由に移動しつつ、被作業物に対して任意の位置、姿勢で接触、吸着、あるいは吹き付け等の作業をすることができる。

一般に、第１〜第３アーム１１〜１３までは、基本３軸と称され、第４〜第６アーム１４〜１６は、手首３軸と称されている。基本３軸を構成する第１〜第３アーム１１〜１３は、主に、手首３軸を構成する第４〜第６アーム１４〜１６の空間的な位置決めを行い、手首３軸を構成する第４〜第６アーム１４〜１６は、より具体的に第６アーム１６の被作業物に対する位置と角度を確定する。

基本３軸（第１〜第３アーム１１〜１３）の方が、手首３軸（第４〜第６アーム１４〜１６）よりも大きな駆動トルクを必要とする。そのため、一般に、基本３軸（第１〜第３アーム１１〜１３）の第１〜第３関節Ｊ１〜Ｊ３に組み込まれる減速機の方が、手首３軸（第４〜第６アーム１４〜１６）の第４〜第６関節Ｊ４〜Ｊ６に組み込まれる減速機よりも大きさ（内歯歯車の内径）が大きい。また、基本３軸の方が、よりゆっくり動くため、手首３軸よりも減速機の出力軸の回転速度が遅い。また、基本３軸は、例えば、一度動いて止まっていることも多いため、減速機の稼働率はそう高くはないが、手首３軸は、基本３軸よりも頻繁に動いていることが多いため、減速機の稼働率が高い。

ここで、減速機の稼働率は、各関節の減速機ごとに算出される。具体的には、ロボット自体の稼働時間ＴＲに対する、稼働率の算出対象とする減速機の稼働時間ＴＪの割合のことであり、（稼働率）＝（ＴＪ／ＴＲ）×１００（％ＥＤ）で算出される。なお、ロボット自体の稼働時間ＴＲとは、ロボットの電源がＯＮされている時間、あるいは各関節を駆動する駆動源（サーボモータ）の電源がＯＮされている時間と定義することができる。したがって、ロボットがあるワークに対して作業を行い、次のワークがセットされるのを待っている待機時間もロボット自体の稼働時間ＴＲに含まれる。また、減速機の稼働時間ＴＪは、稼働率の算出対象とする減速機が駆動されている時間、あるいは当該減速機を駆動する駆動源（サーボモータ）が回転している（回転制御されている）時間と定義することができる。この稼働率が高いほど、発熱時間に比べて放熱時間が短くなるため、減速機は、熱的に過酷な状況となり易い。

図１は、図３の産業用ロボットＲ１の手首（３軸）部分の断面図、図２は該手首部分に組み込まれている（本実施形態の一例に係る）偏心揺動型の減速機の全体図である。

図１を参照して、前述したように、手首を構成する第４〜第６アーム１４〜１６は、第４〜第６関節Ｊ４〜Ｊ６を介して連結されている。なお、本実施形態で手首における関節は３つであるが、これに限られず４以上、或いは２以下の関節から構成されていてもよい。これらの第４〜第６関節Ｊ４〜Ｊ６には、それぞれ減速機Ｇ４〜Ｇ６が備わっている。第４関節Ｊ４には減速機Ｇ４、第５関節Ｊ５には減速機Ｇ５（外観のみ図示）、第６関節Ｊ６には、減速機Ｇ６がそれぞれ設けられている。

手首の他の減速機Ｇ５、Ｇ６、および図１には図示されていない第１〜第３関節Ｊ１〜Ｊ３の減速機Ｇ１〜Ｇ３も、細部は異なるものの基本的には略同様の構成である。そのため、減速機Ｇ４を代表例として説明し、他の減速機Ｇ１〜Ｇ３、Ｇ５、Ｇ６は、実質的に同一又は機能的に類似する主要部材について同一の符号を付すに留め、減速機毎の重複説明は省略する。

第４アーム１４内には、図示せぬモータのモータ軸と連結された駆動軸２１が配置されており、該駆動軸２１と溶接された入力リング２１Ａが、スプライン１７Ａを介して減速機Ｇ４の入力軸１７と連結されている。

図２を参照して、減速機Ｇ４は、偏心揺動型と称される減速機である。減速機Ｇ４の入力軸１７は、内歯歯車２２の軸心（＝第３、第４アーム１３、１４の軸心ＣＬ３、ＣＬ４）と同軸に配置されている。入力軸１７には３個の偏心体２６が一体的に形成されている。偏心体２６の外周には、ころ２８を介して３枚の外歯歯車２０がそれぞれ組み込まれている。３枚の外歯歯車２０の偏心位相差は１２度である。各外歯歯車２０は、内歯歯車２２に内接噛合している。内歯歯車２２はケーシング２４と一体化されている。外歯歯車２０の歯数は、内歯歯車２２の歯数よりも僅かだけ少ない（僅少の歯数差とされている）。この例では歯数差は１に設定されている。

減速機Ｇ４のケーシング２４は、第４アーム１４と継カバー２３およびボルト２５を介して連結されている。内歯歯車２２は、この実施形態では、このケーシング２４と一体化された内歯歯車本体２２Ａと、該内歯歯車本体２２Ａに回転自在に組み込まれ、内歯歯車２２の内歯を構成する円柱状の外ピン２２Ｂとで構成されている。この実施形態では、内歯（外ピン２２Ｂ）のピッチ円径（ＰＣＤ）ｄ１、より具体的には各外ピン２２Ｂの中心（軸心）を結んだ円の直径ｄ１を、内歯歯車２２の内径と称す。

ピン状部材３２および摺動促進部材としての内ローラ３３が各外歯歯車２０を貫通している。外歯歯車２０の軸方向両側には一対の第１、第２キャリヤ３４、３６が軸受３８、４０を介してケーシング２４に回転自在に支持されている。ピン状部材３２は、第１キャリヤ３４と一体化され、第１、第２キャリヤ３４、３６は、該ピン状部材３２およびボルト４２を介して連結されている。第１キャリヤ３４には、ボルト４４（図１参照）を介して第５アーム１５が連結される。

この減速機Ｇ４の動力伝達系の作用を簡単に説明しておく。

入力軸１７が回転すると、該入力軸１７と一体化されている３個の偏心体２６が回転し、ころ２８を介して３枚の外歯歯車２０が揺動する。この結果、内歯歯車２２に対する外歯歯車２０の噛合位置が順次ずれていく現象が発生する。外歯歯車２０の歯数は、内歯歯車２２の歯数よりも１だけ少ないため、外歯歯車２０は入力軸１７が１回回転する毎に、一歯分だけ内歯歯車２２に対して周方向の位相がずれ、該内歯歯車２２に対して相対回転する（自転する）。この自転成分が、ピン状部材３２および内ローラ３３を介して第１、第２キャリヤ３４、３６に伝達され、該第１キャリヤ３４とボルト４４を介して連結されている第５アーム１５が、ケーシング２４（第４アーム１４）に対して相対回転する。

このように、偏心揺動型の減速機Ｇ４は、入力軸１７の１回転毎に外歯歯車２０が揺動しながら動力を伝達する構造であるため、通常の一対の歯車が噛合する構造と比較して熱が発生し易くなっている。特に、偏心体２６と外歯歯車２０との間のころ２８の近傍や、該外歯歯車２０とピン状部材３２および内ローラ３３との摺動部分などで熱が発生し易く、この熱は、例えば内歯歯車２２と外歯歯車２０の噛合にバックラッシが少ないほど発生し易い傾向となる。減速機Ｇ４の熱の上昇が過大となると、歯面や摺動面、転動面の油膜が形成されにくくなり、耐久性は著しく低下する。

図４および図５は、発明者らが、ロストモーションと無負荷ランニングトルクとの関係について行った試験結果を示している。図４は、内歯歯車２２の内径ｄ１が９５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の減速機に関する試験結果を示し、図５は、内歯歯車２２の内径ｄ１が５０ｍｍ以上９５ｍｍ未満の減速機に関する試験結果を示す。図４および図５において、横軸がロストモーション、縦軸が無負荷ランニングトルクである。

まず、ロストモーションと無負荷ランニングトルクについて説明する。高速軸（入力軸１７）を固定して低速軸（第１キャリヤ３４）側より定格トルクまで、ゆっくり負荷を掛けて除荷するまでの負荷と低速軸の変位（ねじれ角）を測定して、その関係を示すと、図６に示すような剛性のヒステリシスカーブが得られる。そして、定格トルクの±3％点におけるねじれ角のことをロストモーションという。

一方、無負荷ランニングトルクは、減速機Ｇ４を無負荷の状態で回転させるために必要な入力軸側でのトルクをいう。具体的には、ケーシング２４を固定し、第１キャリヤ３４はフリーの状態で、入力軸１７をモータ等によって回転させ、このときの入力軸１７のトルクを測定することにより得られる。無負荷ランニングトルクは、減速機Ｇ４内での摩擦により発生するトルクであるため、減速機Ｇ４の「発熱量」に相当する概念と捉えることができる。

具体的な試験に際しては、多数の減速機を用意し、各減速機に組み込む外歯歯車２０は歯面の外径が数μｍずつ異なるものとしておく。そして、各減速機についてロストモーションと無負荷ランニングトルクを測定し、プロットしたものが図４および図５である。なお、本試験においては、減速比が４１の減速機を使用した。また、多数の減速機を使用するのではなく、１つの減速機と、歯面の外径が異なる多数の外歯歯車２０を用意し、外歯歯車を順次入れ替えて試験を行うようにしてもよい。

図４に示されるように、内歯歯車２２の内径ｄ１が９５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の減速機の場合、ロストモーションが１ｍｉｎ以下の領域においては、ロストモーションが小さくなるに従って無負荷ランニングトルクが大きくなるという相関関係が見られる。一方、ロストモーションが１ｍｉｎより大きい領域においては、ロストモーションの大きさに関わらず、無負荷ランニングトルクはほぼ一定の幅内に収まっている。つまり、ロストモーションの大きさと無負荷ランニングトルクとの間に相関がない。以上のことから、ロストモーションが１ｍｉｎ以下の領域においては、ロストモーションが小さくなるに従って発熱量が増大するが、ロストモーションが１ｍｉｎより大きい領域においては、ロストモーションの大きさに関わらず発熱量はほぼ一定である。また、ロストモーション１．２ｍｉｎ以上の領域においては、無負荷ランニングトルクの収まる幅がより狭くなり、ばらつきが少なくなることが見られる。

図５に示されるように、内歯歯車２２の内径ｄ１が５０ｍｍ以上９５ｍｍ未満の減速機の場合、ロストモーションが１．５ｍｉｎ以下の領域においては、ロストモーションが小さくなるに従って無負荷ランニングトルクが大きくなるという相関関係が見られる。一方、ロストモーションが１．５ｍｉｎより大きい領域においては、ロストモーションの大きさに関わらず、無負荷ランニングトルクはほぼ一定の幅内に収まっている。つまり、ロストモーションの大きさと無負荷ランニングトルクとの間に相関がない。以上のことから、ロストモーションが１．５ｍｉｎ以下の領域においては、ロストモーションが小さくなるに従って発熱量が増大するが、ロストモーションが１．５ｍｉｎより大きい領域においては、ロストモーションの大きさに関わらず発熱量はほぼ一定である。また、ロストモーション１．７ｍｉｎ以上の領域においては、無負荷ランニングトルクの収まる幅がより狭くなり、ばらつきが少なくなることが見られる。

通常、手首３軸に使用される減速機は、内歯歯車２２の内径が５０ｍｍ〜２５０ｍｍ程度とされ、基本３軸に使用される減速機よりも内歯歯車の内径が小さい。そのため、減速機内に封入される潤滑剤の量も少なく、放熱表面積も少ないため、温度が上昇しやすい。しかしながら、従来のロボットにおいては、出力軸の回転速度が速くても３０〜４０ｒｐｍ程度とそれ程速くなく、各減速機の稼働率も１５％ＥＤに満たないような低いものであった。そのため、発熱が大きな問題となることはなく、制御性を重視し、ロストモーションを小さく（１ｍｉｎ以下）設定するのが常識であった。

しかし、近年、産業用ロボットの作業速度（出力軸の回転速度）の高速化、稼働率の向上に対する要請がある。具体的には、出力軸の回転速度で、５０ｒｐｍ以上の要請がある。多くの場合は、６０〜１２０ｒｐｍ程度の要請であるが、２００ｒｐｍ程度までの要請がある。また、稼働率については、２０％ＥＤ以上、最大で６０％ＥＤ程度までの要請がある。発明者らは、このような要請に対応した場合、減速機の発熱が大きな問題になることに着想し、ロストモーションと無負荷ランニングトルクとの関係に着目して、図４および図５に示す試験結果を得た。

そして、出力軸の回転速度が速く（５０ｒｐｍ以上）、稼働率が高い（２０％ＥＤ以上）場合であっても、内歯歯車２２の内径ｄ１が９５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の減速機においては、ロストモーションを１ｍｉｎより大きく、より好ましくは１．２ｍｉｎ以上とすることにより、発熱を抑制できることを見出した。また、発明者らの検証によれば、ロストモーションを３ｍｉｎ以下としておけば、位置決め精度にも大きな不具合が生じなかった。

また、出力軸の回転速度が速く（５０ｒｐｍ以上）、稼働率が高い（２０％ＥＤ以上）場合であっても、内歯歯車２２の内径ｄ１が９５ｍｍ未満の減速機においては、ロストモーションを１．５ｍｉｎより大きく、より好ましくは１．７ｍｉｎ以上とすることにより、発熱を抑制できることを見出した。この場合も同様に、ロストモーションを３ｍｉｎ以下としておけば、位置決め精度にも大きな不具合が生じなかった。

以上のように、本発明は、従来、できるだけ小さく（１ｍｉｎ以下）設定するのが常識であったロストモーションを、あえて大きく（１ｍｉｎよりも大きく）設定することにより（つまり、従来と逆方向の設計をすることにより）、出力軸の回転速度が速く、稼働率が高い場合であっても、必要な位置決め精度を確保しつつ、発熱を抑制したものである。

上記実施形態においては、外歯歯車を揺動させるための偏心体を、外歯歯車の軸心位置を貫通する偏心体軸に備えるタイプの偏心揺動型の減速機が示されていたが、偏心揺動型の減速機としては、偏心体を外歯歯車の軸心位置からオフセットした位置に複数設けられた偏心体軸に備えるタイプの減速機も知られており、同様の定性的傾向を有することが確認されている。したがって、本発明は、このタイプの偏心揺動型の減速機にも適用可能であり、相応の効果が得られる。

また、本実施形態においては、産業用ロボットの手首軸の関節に使用される減速機を例に取り説明した。手首軸の関節に使用される減速機は、ロストモーションを大きくしたときの位置決め精度への影響が、基本３軸の関節に使用される減速機に比べて小さいため、本発明に特に適しているが、本発明は、基本３軸の関節に使用される減速機にも適用可能である。

Ｒ１…産業用ロボット
Ｇ１〜Ｇ６…第１〜第６減速機
Ｊ１〜Ｊ６…第１〜第６関節
１１〜１６…第１〜第６アーム
１７…入力軸（入力側）
２０…外歯歯車
２２…内歯歯車
２４…ケーシング
２６…偏心体
３２…ピン状部材
３４…第１キャリヤ（出力側）

Claims (5)

1. 内歯歯車と、該内歯歯車と僅少の歯数差を有し、当該内歯歯車に揺動しながら内接噛合する外歯歯車と、前記内歯歯車と前記外歯歯車との相対回転を出力として取り出す出力軸と、を備え、ロボットの関節を駆動するロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機であって、
   当該減速機は、
   前記出力軸の回転速度が５０ｒｐｍ以上であり、
   稼働率が２０％ＥＤ以上であり、
   ロストモーションが１ｍｉｎより大きく、３ｍｉｎ以下の範囲に収められている
   ことを特徴とするロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機。
2. 請求項１において、
   前記減速機は、ロボットの手首の関節に使用される
   ことを特徴とするロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機。
3. 請求項１または２において、
   前記出力軸の回転速度が、２００ｒｐｍ以下である
   ことを特徴とするロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記内歯歯車の内歯のピッチ円径が９５ｍｍ以上である
   ことを特徴とするロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機。
5. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記内歯歯車の内歯のピッチ円径が９５ｍｍ未満であり、かつ
   ロストモーションが１．５ｍｉｎより大きく、３ｍｉｎ以下である
   ことを特徴とするロボットの関節駆動用の偏心揺動型の減速機。

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