JPH03228587A - 回転・直動駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は主としてロボットアーム端部に設置される回転
・直動二自由度をもつロボット用手首装置に用いられる
回転・直動駆動装置において、両軸の干渉の影響を受け
ずに直動移動量の検出を可能とする装置に関する。

〔従来の技術〕

従来ボールねじ・スプライン一体軸を用いた回転・直動
駆動装置には、特開昭６３−７７６７５号公報に記載の
ように、ボールねじナツト、スプラインナツトを独立配
置された回転形モータにより駆動し、回転・直動動作の
干渉をソフトウェアで除去する装置が述べられていた。

また、特開昭６４−７１６７８号公報に記載のように、
スプラインナツトを回転駆動するモータの同軸回転子上
にボールねじナツトを回転駆動するモータを設けること
により、回転・直動動作の干渉を機構的に除去する装置
が述べられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

第一の従来技術では、回転・直動駆動装置の機構が簡素
になる利点はあるが、軸間の干渉をソフトウェア演算に
よる非干渉化に依存しているため、演算量が多く、制御
系のサンプリング周期を短くできず十分な高応答性が得
られずまた、直動駆動モータからボールねしナツトまで
の動力伝達部材における移動量伝達誤差を含まない移動
量検出をしているため、移動量伝達誤差の補正を行うこ
とができず、直動方向位置決め精度を高められない問題
があった。

また、第二の従来技術は、回転・直動駆動装置の軸間干
渉を機構的に除去できる利点はあるが、機構か複雑とな
り、また、直動駆動モータからポルねしナツトまでの動
力伝達部材における移動量伝達誤差を補正できない問題
があった。

本発明の目的は、簡略な機構を保ちつつ軸間干渉を除去
し、ソフトウェア演算量を低減し、サンプリング周期の
短縮と制御系の高応答化をはかることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は直動駆動モータと
回転駆動モータを独立配置し、直動駆動モータの移動量
検出器をスプラインナツトとボールねじナツトの相対移
動量を検出するように配置し、直動移動量相当回転量を
検出し、直動駆動モータへ与えられる直動移動量相当回
転量指令と一致するように制御する構成とした。

〔作用〕

前述の目的を達成するための個々の技術的手段の作用に
ついて述べる。

（１）本発明の回転・直動駆動装置の回転・直動動作の
動作原理及び干渉除去原理について従来例と比較して第
８図ないし第１１図を用いて説明する。第８図は本発明
の回転・直動駆動装置の動作原理説明図を示し、第９図
は第８図に示す回転・直動駆動装置の位置制御装置のブ
ロック図を示し、第１０図は従来の回転・直動駆動装置
の動作原理説明図を示し、第１１図は第１０図に示す回
転・直動駆動装置の位置制御装置のブロック図を示す。

まず、往来の回転・直動駆動装置の動作原理について第
一の従来例を例に説明する。ボールねじ・スプライン一
体軸１は、移動量検出器３゜１ｏの同軸連結されている
直動駆動モータ６（回転角θ３十０４）９回転駆動モー
タ８（減速機９．減速比ｎ、出力回転角θ４）よりベル
ト１３．１５を介してボールねじナツト２．スプライン
ナツト４に回転動力が伝達されることにより直動・回転
方向に下記の距離移動する（Ｐ：ボールねじリート、回
転角単位ｒａｄ　）。

回転方向＝０４ 通常のＰＩＤ制御で各軸の位置制御を行う場合のブロッ
ク図を第１１図に示したが、直動駆動モータ６の位置指
令作成時に所望の直動移動転軸モータ位置指令を生成し
なければならず、ソフトウェア演算量が増える欠点があ
る。

本発明は、第８図に示すように、直動駆動モータ位置検
出器３をボールねしナツト２．スプラインナツト４間に
設けることにより、第９図に示すように、各方向の移動
量と移動量検出量を下記に関係にした。

移動量検出量：直動方向　θ３．　回転方向　ｎθ４従
って、直動モータ６の移動量指令作成時に所望の移動量
に対応する回転角移動量を演算するのみで済むため、第
二の従来例にみられるような機構の複雑化なしにモータ
制御時の軸間干渉を除去し、ソフトウェア演算量の低減
をはかることができる。

（２）本発明の回転・直動駆動装置の直動駆動モータか
らボールねしナツトまでの動力伝達部材における移動量
伝達誤差補正の原理について第８図、第１０図を用いて
説明する。直動駆動モータ６、回転駆動モータ８（減速
機９）の出力軸移動量に対して動力伝達部材（ベルト１
３゜１５）における移動量伝達誤差を考えた時のボール
ねじ・スプライン一体軸１の直動方向２回転方向移動量
と同検出量（直動方向については等細口転量）を本発明
と従来例について比較した結果を以下に示す。

ここでΔθ３．Δθ４は動力伝達部材１３における回転
方向移動量伝達誤差を示し、６０番は動力伝達部材１５
における回転方向移動量伝達誤差を示している。

（ｉ）本発明（第８図参照） 移動量：直動方向　θ３＋Δθ３＋Δθ４−Δθ番′回
転方向　θ番十Δθ４′ 検出量：直動方向　θ３＋Δθ３＋Δθ番−Δ０４′回
転方向　０８番 （ｉｉ）従来例（第１０図参照） 移動量：直動方向　θ３＋Δθ３＋Δθ番−Δθ４′回
転方向　θ番＋Δθ番′ 検出量：直動方向　θ３＋θ４ 回転方向　ｎθ４ これから、回転方向については移動量と検出量の差（検
出誤差）が（ｉ）、　（ｉｉ）とも同一であるが、直動
方向については、下記のように示される。

（ｉ）本発明直動方向移動量検出器検出誤差　０（ｉｉ
）従来例直動方向移動量検出器検出誤差Δθ３＋Δθ４
−６０番 従って、本発明の回転・直動駆動装置は従来例の回転・
直動駆動装置に比して直動方向検出誤差を打ち消されて
おり、直動方向位置決め精度を向上させることができる
。

〔実施例〕

以下、本発明の第一の実施例を第１図ないし第３図を用
いて説明する。本実施例は、ボールねじ・スプライン一
体軸を用いた回転・直動駆動装置において、スプライン
ナツトとボールねじナツトの間にその相対移動量を検出
する移動量検出器を設け、その検出値をもとに直動駆動
モータを駆動する構造としたものの具体的構造について
述べる。

第１図は回転駆動モータより減速機、ベルトを介してス
プラインナツトを回転させる構成の回転・直動駆動装置
の縦断面図を示し、第２図は回転駆動モータよりベルト
を介してボールねし・スプライン一体軸と同軸配置され
ている減速機に動力伝達し、その出力軸と結合されてい
るイブラインナツトを回転させる構成の回転・直動駆動
装置の縦断面図を示し、第３図は直接駆動型の回転駆動
モータよりベルトを介してスプラインナツトを回転させ
る回転・直動駆動装置の縦断面図を示す。本実施例の回
転・直動駆動装置の構造及び動作走理を第１図を用いて
説明する。

ボールねじ・スプライン一体軸１は軸表面に一条、もし
くは、多条のねじ溝と、軸方向にスプライン形状の多列
の凸部が設けられており、ボールねじナツト２．スプラ
インナット４内周にもボールねじ・スプライン一体軸１
の軸表面ねじ溝、凸部と対応するねじ溝、凹部が設けら
れており、転勤鋼球が一体軸９両ナツト間の対応するね
じ溝。

凸凹部間に接触設置されており、各ナツトの回転により
転動し、一体軸の昇降動作２回転動作を行わせる。本回
転・直動駆動装置はボールねじナツト２．スプラインナ
ツト４と固定部材１１の間にはラジアル荷重負担と相対
的回転を可能とするための軸動鋼球が設けられている。

この部分はラジアル軸受を用いても同様の機能を実現で
きる。回転駆動モータ８の回転動力は減速機９（減速比
ｎＬプーリ１４ａ、ベルト１５．プーリ１４ｂを介して
スプラインナツト４に伝達される。スプラインナツト４
とスプライン嵌合するボールねし・スプライン一体軸１
はプーリ１４ｂと同一の回転をする。プーリ１４ａ、１
４ｂの速比１とすると、ボールねじ・スプライン一体軸
１は移動量伝達誤差を無視すると回転駆動モータ８の回
転移動量の１／ｎ倍の回転を行う。回転駆動モータ８に
は移動量検出器１０が直結されている。

直動駆動モータ６はブレーキ７を開放することにより回
転可能となり、プーリ１２ａ、ベルト１３、プーリ１２
ｂを介してボールねじナツト２に回転動力を伝達する。

ボールねじナツト２とスプラインナツト４の間には相対
移動量検出器３が設けられている。プーリ１２ａ、１２
ｂの速比を１とすると直動駆動用モータ６の回転移動量
とボールねじナツトの回転移動量は伝達誤差を無視すれ
ば一致する。ブレーキ７は、電源オフ時にボールねし・
スプライン一体軸１の滑落を防止するために設けられて
おり、例えば、無励磁作動作のものが用いられる。

回転・直動駆動装置のボールねし・スプライン一体軸１
には回転方向、直動方向とも移動範囲があるため、移動
範囲を行き過ぎた動作の防止と、移動量検出器３，１０
として通常用いられるインクリメンタル型エンコーダを
用いる場合、必要な原点復帰動作を行うために必要な特
定位置検出センサとその被検出体が設けられる。回転方
向の原点復帰動作は次のように行う。すなわち、プーリ
１４１〕回転時にプーリ１４ｂに設けられた回転方向原
点位置検出用ドグ２６を原点位置検出センサ１８で検出
し、その後、あられれる最初の移動量検出器原点信号検
出位置を真の原点位置として検出し、移動量零の位置と
して記憶する。また、回転方向の移動範囲は３６０°で
あるため、オーバラン検出センサ、ストッパは設けない
が上述の原点位置検出センサからの移動量でソフト的に
オーバランの監視を行う構成としている。また、直動方
向については、ボールねし・スプライン一体軸１に結合
されたドク２７を上・下端オーバラン検出センサ１６）
）、１６ａ、及び原点位置検出センサ１７で検出するこ
とにより、オーバラン検出時のブレーキ作動、原点位置
復帰動作を行うことができる。また、ドク２７と一体と
なった部分を衝突部材として利用することにより、オー
バラン検出後、一定距離行き過ぎ動作時にストッパ１９
ａ。

１９ｂと衝突し、強制的に移動を停止させることができ
る。

直動移動量検出器３は回転するスプラインナツト４上に
設けられるので配線上若干の難はあるが、スプラインナ
ツト４は高々１回転しかしないため、問題とはならない
。

第２図には回転駆動モータ８の回転動作をプーリ、ベル
トを介してボールねじ・スプライン一体軸１と同軸配置
された減速機９．スプラインナツト４を介して伝達する
方式の回転・直動駆動装置の構造を示した。

第３図には回転駆動モータ８として直接駆動型のものを
用い、減速機を介さずにプーリ、ベルトを介してスプラ
インナツトを回転駆動する方式の回転・直動駆動装置の
構造を示した。

第１図ないし第３図ともに直動駆動方式は同一であるが
回転駆動方式が異なっている。各方式の比較を表１に示
す。ここで直動駆動モータ指令０３ｒ＋〇４ｒ＋回転駆
動モータ指令ｎθａｒ（ｎ＝１の場合金む）とし、減速
機９伝達誤差δθ４．ベルト１３伝達誤差Δθ３７．Δ
θ４ｒ、ベルト１５伝達誤差Δθ４ｒ′　とする。

これから、直動方向は動力伝達部材の伝達誤差を打ち消
した量が検出されている。回転方向は各方式で検出誤差
が異なるが、各誤差が同オーダとすると１−２（前段ベ
ルト、後段減速機）方式が最良である。この場合、上述
の検出誤差を有する移動量検出値をもとに回転・直動駆
動モータは１−１方式については第９図を用いた説明と
同様に回転制御される。

次に、本発明の第二の実施例について第４図ないし第６
図を用いて説明する。本実施例は、第一実施例で述べた
回転・直動駆動装置の回転方向検出誤差の低減をはかる
ために、回転方向移動量検出器をボールねじ・スプライ
ン一体軸と同軸配置する構成としたものである。

第４図ないし第６図は各々第一の実施例の第１図ないし
第３図の回転・直動駆動装置において、回転方向移動量
検出器の配置をスプラインナツト４と固定部材１１間と
したものである。この場合、第一の実施例の回転・直動
駆動装置と同等の回転方向の検出精度をうるためには１
回転方向移動量検出器として第一の実施例で述べたもの
の減速比倍相当の高分解能のものを用いる必要がある。

本実施例の各方式の比較を表２に示した。

これから、いずれの方式とも回転方向、直動方向の検出
誤差を打ち消すことができ、この移動量検出値をもとに
位置制御することにより、回転方向、直動方向共に動力
伝達部材による移動量検出誤差の打ち消された位置制御
が可能となり、高精度な位置決めが可能になる。

また、以上の移動量検出誤差算出に当っては、ボールね
じナツト、スプラインナツトとボールねじ・スプライン
一体軸間の移動量伝達誤差を無視したが、与圧方式を採
用することによりバックラッシュ零とでき、その移動量
伝達誤差は前述のベルト、減速機移動量伝達誤差と比し
て著しく小さく１問題とはならないと考えられる。

次に、表１２表２に示した三種類の動力伝達方式におけ
る回転方向の剛性を比較する。（直動方向は同一）モー
タサーボ剛性は無限大とし、減速機ねじり剛性ｋｒ　（
Ｎｍ／ｒａｄ）　、ベルト等価ねじり剛性にθとすると
、ボールねじ・スプライン−体軸に回転トルク印加時の
ねじり剛性は下式のように示される。

（ｉｉｉ）直接駆動モータ＋ベルト方弐　ｋθ（＝Ｋａ
）通常ｋｒ＞ｋθ　であることを考慮すると各剛性の大
小関係はに２＞Ｋ３＞Ｋｌとなる。従って、方式（ｉｉ
）は最も回転方向剛性の高い方式であり、回転方向の位
置決め時間を最も短くできる。

次に、本発明の回転・直動駆動装置の応用例について第
７図を用いて説明する。第７図は本発明の回転・直動駆
動装置をその手首装置に適用した産業用ロボットの構成
を示している。ベースに設けられた一軸用回転駆動装置
２０は第一アーム２１を矢印に示すように（角度θ１）
回転させることができる。第一アーム２１の先端に設け
られた二軸用回転駆動装置２２は第一アーム２２を矢印
に示すように（角度θ２）回転させることができる。第
一アーム２３の先端には、上、下方向に移動可能な手首
軸１が設けられており、先端に取り付けられた工具５に
より作業を行う。手首軸１は、工具５の上、下方向位置
決めと、回転方向姿勢法めの機能が要求され、それを実
現するロボット用手首装置が第一アーム２３に設けられ
る。そのロボット用手首装置として、第７図に破線で示
すように１本発明の回転・直動駆動装置を適用すること
により、直動２回転方向の高精度の位置・姿勢法めを行
うことが可能になる。また、直動・回転駆動装置は互い
の軸間干渉の影響を受けない直動方向相当回転量７回転
方向回転量を検出するため、駆動モータの移動量データ
作成が容易となり、ソフトウェア演算量の少ない、短サ
ンプリング周期の高応答な制御系を実現することが可能
になる。また、機構的にも簡素であるため、第一アーム
２１．第一アーム２３を回転駆動する回転駆動装置２０
．２２の負荷イナーシャの低減をはかることができ、ロ
ボットアームの高速動作実現を可能にする。

〔発明の効果〕

本発明によれば、直動駆動モータと回転駆動モータを独
立配置し、ボールねじ・スプライン一体軸と螺合・嵌合
するボールねじナツト、スプラインナツト間にその相対
移動量検出用の移動量検出器を設け、直動駆動モータの
移動量検出器として利用することにより、軸間干渉の影
響をうけない移動量指令の生成を可能にし、ソフトウェ
ア演算量を少なくでき、モータ制御系のサンプリング周
期の短縮、高応答化が可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第一実施例の回転・直動
駆動装置の縦断面図、第４図ないし第６図は本発明の第
二の実施例の回転・直動駆動装置の縦断面図、第７図は
、本発明の回転・直動駆動装置を手首装置に適用した産
業用ロボットの説明図、第８図は、本発明の回転・直動
駆動装置の動作原理の説明図、第９図は第８図の回転・
直動駆動装置の位置制御装置のブロック図、第１０図は
、従来の回転・直動駆動装置の動作原理の説明図、第１
１図は第１０図の回転・直動駆動装置の位置制御装置の
ブロック図である。 １・・・ボールねじ・スプライン一体軸、２・・・ボー
ルねじナツト、３・・・直動方向移動量検出器、４・・
・スプラインナツト、５・・・工具、５・・・直動駆動
モータ、７・・・ブレーキ、８・・・回転駆動モータ、
９・・・減速機、１０・・・回転方向移動量検出器、１
１・・・固定部材、１２．１４・・・プーリ、１３．１
５・・・ベルト、１６・・直動方向オーバラン検出セン
サ、１７・・・直動方向原点位置検出センサ、１８・・
・回転方向原点位置検出センサ、１９・・・ストッパ、
２０・・・−軸周回転駆動装置、２１・・・第一アーム
、２２・・・二軸用回転駆動装置、２３・・・第二アー
ム、２４・・・位置制御部、第 図 第２図 第 図 第 ６ 図 第７０ 第 図 ４−ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作業用工具が先端に具備された軸を回転・直動動作
   させる回転・直動駆動装置の前記軸をボールねじ・スプ
   ライン一体軸により構成し、それと螺合するボールねじ
   ナット及びスプライン嵌合するスプラインナットに互い
   に独立配置されている回転形モータにより直接、もしく
   は、動力伝達部材を介して、回転動力を伝達するものに
   おいて、 前記スプラインナット、前記ボールねじナット間にその
   相対移動量検出用の移動量検出器を設け、その移動量検
   出値を基にボールねじナット回転駆動モータを回転制御
   することを特徴とする回転・直動駆動装置。