JPH1029188A - 産業ロボットの関節装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最も大きな振動が産業用ロボットに生じると
きの周波数ポイントを、通常の作業領域外にシフトでき
る産業用ロボットの関節装置を提供する。 【構成】 減速装置が前段減速装置と後段減速装置とか
らなり、後段減速装置は遊星歯車装置により構成され、
前段減速装置は遊星歯車装置とは型式の異なる装置によ
り構成されており、前段減速装置によって後段減速装置
への入力回転数をロボットの固有振動数以下とすること
により、電動モータの通常制御回転数領域において共振
を発生しないようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業ロボットの関節
装置、特にロボットアームの共振振動の発生を防止する
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業ロボットにおいては、一般に、作業
に適した出力トルクを得るため、アーム等の関節部の駆
動系には、高速低トルクの電動サーボモータまたは電動
パルスモータと、この出力を低速高トルクに変換する減
速装置とを用いている。また、そのような減速装置は、
例えば、減速比１／１２０程度の大減速比を有している
こと、また、歯車間のガタ、すなわち、いわゆるバック
ラッシュが小さいこと、さらに、慣性を小さくするため
軽量であること等が要求される。

【０００３】このような要求を満たす従来の減速装置と
しては、例えば、特開昭５９−１７５９８６号公報に開
示されているような調和歯車装置（商品名：ハーモニッ
クドライブ）および特開昭５９−１０６７４４号公報に
開示されているような偏心揺動型の遊星歯車減速機があ
る。前者の減速比は一般に１／８０〜１／３２０程度で
あり、後者の減速比は一般に１／６〜１／２００程度で
ある。また、前者は後者に比し減速比当たりの外径、重
量が小さく、かつ、ほとんどのロボットアームの関節部
の駆動用減速装置として必要な減速比および機械的強度
を満足している。従って、ロボットアームの関節部駆動
用減速機のほとんどは調和歯車装置単体が適用され、ま
れに、調和歯車装置でも得られないほどの大減速比を必
要とするもの、すなわち、小容量高速回転（例えば、出
力が１０００ワット以下で回転数が５０００ｒｐｍ）型
のモータをロボットアームの駆動に用いる場合のように
１／６２５程度の減速比を必要とするもの、については
特開昭５６−１５２５９４号公報に開示されているよう
に調和歯車装置に前段減速装置を結合したものが用いら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各減速装置をロボットの関節装置に用いた場合、減速
装置に入力する電動モータ回転数が低い領域で減速装置
とロボットアーム等がねじり共振を起こすという問題点
があった。共振現象としては、ロボットアームの関節部
近傍にねじり振動が現れることが多く、その結果、ロボ
ットアームの先端位置が定まらなくなる。共振が生じる
理由は、電動モータのトルク伝達機構である上記各減速
装置の剛性が低いため、そのような減速装置を含む駆動
系（電動モータ、減速装置およびロボットアームから構
成される系）の固有ねじり振動数ｆ₀ が低くなり、従っ
て、歯切の加工誤差等に起因して振動する減速装置の振
動周波数が、電動モータの低回転数域で上記固有ねじり
振動数ｆ₀ と一致するためと考えられていた。

【０００５】このような問題点に対し、特開昭５８−２
１１８８１号公報には、発生した振動を打ち消すように
電動モータの速度指令信号を変化させる電気的制御方式
が提案されている。しかしながら、このような方式にお
いてはフィードバックゲインを大きくすると系が不安定
となり、特に剛性の低いロボット駆動系においては、逆
に発振し易くなるという問題を生じるため、ゲインを大
きくできず、従って、十分な振動打ち消し効果を得られ
ない。また、特開昭５９−１７５９８６号公報には高張
力を与えたタイミングベルトで減速機を駆動し、該ベル
トで振動を吸収する方式のものが提案されている。しか
しながら、この方式においてはタイミングベルトが破断
するという危険がある。また、特開昭５９−１１５１８
９号公報には減速機の主軸にばねとおもりから成る吸振
器を取り付ける方式が提案されている。しかし、この方
式においては遠心力により吸振器が破損したり、ロボッ
トの負荷荷重に対応しておもり等を調整しなければなら
ないという問題点がある。

【０００６】そこで、本発明は、共振現象を実用域から
外すことにより振動を防止するロボットアームの関節装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、ロボットア
ームの関節装置に用いる減速機のばね定数、固有ねじり
振動数、トルク変動等と共振現象との関係につき種々研
究を行った。先ず、回転ばね定数の高い減速機をロボッ
トアームの関節装置に用いることによりロボットの駆動
系の固有ねじり振動数ｆ₀ を実用域から外すことが可能
か否かについて試算した。しかし、減速機の回転ばね定
数Ｋ₁ （図９参照）は、大きなものでもロボットアーム
自体の回転ばね定数Ｋ₂ の１／１０〜１／５であるた
め、駆動系全体のばね定数Ｋ＝Ｋ₁・Ｋ₂／（Ｋ₁＋Ｋ₂）
は大して大きくできず、その結果、駆動系の固有ねじり
振動数ｆ₀ ＝１／２・π・（Ｋ／Ｊ）^1/2 （ここに、Ｊ
は駆動系の慣性モーメント）も大して大きくできない。
したがって、減速機のばね定数Ｋ₁ を高めること、すな
わち剛性を高めることによっては、駆動系の固有ねじり
振動数ｆ₀ を実用域から外すことは不可能であるとの結
論に達した。

【０００８】そこで、発明者等は、振動発生の原因であ
る減速機のトルク変動を無くすことを試みた。具体的に
は偏心揺動型の遊星歯車減速機を用い、トルク変動を阻
止ないし減ずるよう、この減速機の内歯歯車と外歯歯車
の歯に高精度の仕上げ加工を施し、かつ、トルク変動が
生じてもこれを吸収するよう、偏心入力軸の軸受部やト
ルク取り出しピンの軸支部等に環状溝を設け、該溝にゴ
ムリングを装着した。しかしながら、このような対策を
施しても実用域での共振を防ぐことはできず、しかも、
共振が生じるときの電動モータ回転数は、そのような対
策を施さない場合とほとんど同じであることがわかっ
た。

【０００９】このような実験結果から、一定の機構の減
速機であれば、ほぼ一定のトルク変動特性、すなわちロ
ボットの駆動系に対する加振周波数特性を有するとの結
論が導かれた。また、斯かる結論から、ロボット駆動系
に組み込む減速装置の機構を変更することによりトルク
変動特性を実用域外におくことができるとの仮説の下に
種々の実験を行った。これらの実験の内容および結果に
ついては後述するが、これらの実験結果から仮説は実証
され、下記の結論に到達した。

【００１０】従来の常識では全く考えられなかった構
成、すなわち、偏心揺動型の遊星歯車減速機は、内歯歯
車と外歯歯車の歯数差が１であって、単独でも１／２０
０程度の減速比にできるが、この減速比を数十分の一程
度とし、これに所定範囲の減速比を有する前段減速比を
わざわざ設けて歯車装置を構成し、これをロボットアー
ムの駆動系に組み込むという構成により共振現象の生じ
る範囲を電動モータの実用域から外すことができる。

【００１１】なお、偏心揺動型の遊星歯車減速機に前段
減速機を設けた減速装置は、米国特許第４，３４８，９
１８号明細書に開示されているようにクローラ車両の走
行装置等に採用されている。しかしながら、そのような
走行装置等は採用する減速機の重量、バックラッシュ等
の問題をほとんど考慮しなくともよい。したがって、単
に減速機の総減速比の変更を容易にするため、あるいは
単に低速大トルクを出力するため、前段減速機を設けて
いるのである。これに対し、高速性、位置精度等を要求
され、且つ、全体構造の剛性が低いロボットにおいて
は、減速機の重量、バックラッシュを小さくすることが
重要であるため、関節部に、減速比当たりの重量が調和
歯車装置より大きい偏心揺動型の遊星歯車減速機を用
い、さらに、重量、バックラッシュを増大させる要素と
なる前段減速機をわざわざ設けることは従来考えられな
かったのである。

【００１２】発明者らはさらに種々研究を重ねた結果、
下記の構成を有する本発明に到達した。本発明に係る産
業ロボットの関節装置は、ロボットの第１部材と、第１
部材に回動自在に支持されたロボットの第２部材と、第
１部材に一体的に取り付けられた電動モータの回転を減
速して第２部材に伝達する歯車減速装置と、を備えた産
業ロボットの関節装置において、前記歯車減速装置が、
前記電動モータの回転数を減速する前段減速機と、前段
減速機の出力の回転数をさらに減速する後段の遊星歯車
減速機と、から構成され、前記電動モータが前記電動モ
ータ、歯車減速装置および第２部材を含んで構成される
駆動系のねじり発振周波数に対応する回転数を通常制御
域内に有し、前記前段減速機が、前記電動モータの通常
制御域における毎秒最高回転数を前記ねじり発振周波数
以下になるように減速する、減速比を有し、前記遊星歯
車減速機が、前記前段減速機の出力が入力される偏心入
力軸、偏心入力軸の回転により偏心揺動させられる外歯
歯車、外歯歯車と噛み合い外歯歯車の歯数より１つ多い
歯数を有する内歯歯車および外歯歯車に係合するキャリ
アを有することを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の態様】以下、本発明に係る産業ロボット
の関節装置を図面に基づいて説明する。

【００１４】

【実施例１】図１ないし図３は本発明の第１実施例を示
す図である。まず、構成について説明する。図１は本発
明に係る産業ロボットの関節装置を用いたロボットの関
節部の全体概略図である。１は電動モータであり、電動
モータ１のフランジ２は減速装置３の筒体４に固定され
ている。筒体４は第１部材としての第１アーム５の先端
部５ａに固定されている。電動モータ一の出力の回転軸
７は減速装置３の入力回転軸８に連結され、減速装置３
の出力は軸１０に伝達され、軸１０は円筒体１１を貫通
して第２部材としての第２アーム１２に固定されてい
る。第２アーム１２の端部の筒状体１３と第１アーム５
の先端部５ａの下面から下方に突出する円筒型の突出体
１５との間には一対のベアリング１６が介装されてい
る。したがって、減速装置３は電動モータ１の回転数を
減速してロボットの被駆動部すなわち第２アーム１２を
回動させる。また、電動モータ１、減速装置３、第２ア
ーム１２および第２アームに接続された負荷は駆動系を
構成する。

【００１５】減速装置３は図２および図３に示すよう
に、電動モータ１の回転数を減速する前段減速機２０
と、前段減速機２０に連結され、回転数をさらに減速す
る後段減速機２１と、から構成されている。前段減速機
２０は平行軸型減速機である。後段減速機２１は固定し
ている内歯歯車２８と内歯歯車２８に噛み合う外歯歯車
２９と、外歯歯車２９に係合して外歯歯車２９を揺動回
転させる偏心入力軸としての入力クランク軸３０と、を
有する偏心揺動型の遊星歯車装置によって構成されてい
る。また、内歯歯車２８はピン歯３１を用いたピン歯車
で構成され、且つ外歯歯車２９の歯数より一つだけ多い
歯数を有している。また、前段減速機２０は通常の平行
軸型減速機であり平歯歯車により構成されている。

【００１６】前段減速機２０の減速比ｉ₁ と後段減速機
２１の減速比ｉ₂ とは電動モータ１の通常制御回転数の
範囲内でロボットすなわち、第１アーム５および第２ア
ーム１２と、後段減速機２１との共振が起きないように
選択している。すなわち、電動モータ１の実用域では、
前段減速機２０の毎秒当たり回転数が電動モータ１、減
速装置３、第２アーム１２および第２アーム１２に接続
された負荷から構成される駆動系のねじり発振周波数
（固有ねじり振動数ｆ₀ 付近の周波数をいう。以下同
じ）以下になるよう、前段減速機２０の減速比ｉ₁ を選
択する。この実施例においては、電動モータ１の通常制
御回転数が０〜１０００ｒｐｍ、前段減速機２０の減速
比ｉ₁ が１／３および後段減速機２１の減速比ｉ₂ は１
／４０であり、減速装置３の全体の減速比ｉは１／１２
０になるよう選択されている。前記駆動系の固有ねじり
振動数ｆ₀ は、共振ピーク点における電動モータ１の回
転数、前段減速機２０の減速比ｉ₁ および減速装置３に
関して後述するトルク変動特性から逆算でき、この実施
例においては約８．４Ｈｚである。

【００１７】前段減速機２０の減速比ｉ₁ が１／５未満
（分母が大きくなることを意味する。以下同じ）または
後段減速機２１の減速比ｉ₂ が１／２５を超える（分母
が小さくなることを意味する。以下同じ）と、前段減速
機２０に構造の簡単な平行軸減速機を採用して１／１２
０の総減速比ｉを得ることは困難となるので、設計的経
済的に不利となる。また、後段減速機２１の減速比ｉ₂
が１／６０未満または前段減速機２０の減速比ｉ₁ が１
／２を超えて１／１２０の総減速比ｉを得る場合は、電
動モータ１の実用域において、前段減速機２０の毎秒当
たり回転数が前記駆動系の固有ねじり振動数ｆ₀ （８．
４Ｈｚ）近辺あるいはそれ以上となるので、共振を防ぐ
効果が少ない。

【００１８】次に、作用について説明する。電動モータ
１を０〜１０００ｒｐｍの通常回転数で回転させると、
減速比ｉ₁が１／３の前段減速機２０の出力回転数は０
〜３３３ｒｐｍとなり、減速比ｉ₂が１／４０の後段減
速機２１の出力回転数は０〜８．３ｒｐｍとなり、この
範囲では共振現象が生じない。共振は実用域外、すなわ
ち電動モータ１の出力回転数が１５００ｒｐｍ近辺（こ
のときの前段減速機２０の出力回転数は１５００ｒｐｍ
×１／３＝５００ｒｐｍ近辺、遊星歯車減速機２１の出
力回転数は１５００ｒｐｍ×１／３×１／４０＝１２．
５ｒｐｍ近辺）で生じる。このように共振現象が電動モ
ータ１の実用域外で生じる理由は明らかではないが、実
験結果から推定すると上記実施例のように内歯歯車と外
歯歯車の歯数差が１の遊星差動歯車装置は入力軸（クラ
ンク軸３０）の１回転当たり１のトルク変動が生じ、し
たがって、これに減速比ｉ₁ が１／３の前段減速機２０
を取り付けると電動モータ１の回転数が実用域外である
１５００ｒｐｍを中心とした付近で１５００×（１／
３）×１＝５００程度の毎分当たりトルク変動が生じ、
このトルク変動数が駆動系の固有振動数８．４ヘルツ
（５００振動／分）にほぼ一致して共振を起こすものと
考えられる。

【００１９】これに対し、内歯と外歯の歯数差が２の調
和歯車装置の場合は、実験結果から推定すると、入力軸
（ウェーブジェネレータ）の１回転当たり２のトルク変
動が生じ、したがって、これに減速比１／３の前段減速
機を取り付けると、電動モータの回転数が７５０ｒｐｍ
付近で７５０×１／３×２＝５００の毎分当たりトルク
変動が生じ、駆動系の固有振動数ｆ₀ が上記実施例と同
様８．４ヘルツ（５００振動／毎分）であるならば電動
モータの回転数が実用域内である７５０ｒｐｍ付近で共
振が生じるものと考えられる。この場合、毎分当たり加
振数がおおよそ５００の時に共振が生じるのであるか
ら、調和歯車減速機に減速比ｉ＝１／６程度の前段減速
機を設けることにより共振時の電動モータの回転数を実
用域外である１５００ｒｐｍを中心とする付近にまで上
げることも考えられる。しかし、調和歯車減速機の減速
比ｉ₂ は最小でも１／４８０となり、１〜１０００ｒｐ
ｍを実用域とする電動モータが一般に必要とする減速比
ｉ（１／１２０程度）を満足できないため、実用できな
いことになる。

【００２０】なお、電動モータ１および前段減速機２０
の振動は駆動系の発振に影響を及ぼさない。これは、こ
れらの振動は小さいこと、後段部２１を介することによ
り吸収されること等によるものと考えられる。

【００２１】（実験例）前述の実施例の減速装置のほか
に次表の比較例１〜３に示す減速装置について実施した
振動測定試験について説明する。前述の実施例および比
較例１、２の偏心揺動型の遊星歯車減速機は、クランク
軸および外歯歯車の揺動によるアンバランスを防いで振
動の振幅を小さくするため、後述する第２〜第３実施例
同様に外歯歯車を２枚としこれらを１８０度の位相差を
もって組み付けたもので、かつ、内歯歯車が外歯歯車の
歯数より１つ多い歯数を有するものを用いた。それぞれ
の減速装置の減速段数、減速比ｉ₁、ｉ₂、回転ばね定数
Ｋ₁ （図９参照）および慣性モーメントＪは次の表１に
示してある。

【００２２】

【表１】 （注１）：遊星歯車減速は偏心揺動型の遊星歯車減速機を、平歯歯車減速は平 行軸型の平歯歯車列減速機を示す。

【００２３】実験は図５に示す全体構成図によって実施
した。すなわち、電動サーボモータ５１の出力軸５１ａ
に減速装置５２を取り付け、減速装置５２の出力軸５２
ａにロボットの被駆動部（第２アーム）の慣性モーメン
トＪに相当する慣性負荷としてフライホイール５３が取
り付けられた。フライホイール側面５３ａの半径上の位
置に、円周方向の加速度および振幅を測定できる圧電素
子を利用した加速度ピックアップ５４を取り付けた。こ
の加速度ピックアップ５４の出力はインジケータ５６に
連結されている。モータ５１、減速装置５２およびフラ
イホイール５３から成る駆動系の固有振動数ｆ₀ は約
８．４ヘルツになるよう調整してある。電動モータの回
転数を変化させて、その時のフライホイールの加速度の
大きさを測定した。測定結果は図４に示す。横軸は電動
サーボモータ５１の回転数であり、縦軸は加速度ピック
アップ５４で検出された円周方向の加速度（単位：Ｇ）
を示す。

【００２４】比較例１、比較例２および比較例３におい
ては、共振のピークはそれぞれ、電動モータ５１の回転
数が、略７５０ｒｐｍ、略５００ｒｐｍおよび略２５０
ｒｐｍのときであり、電動モータ５１の通常制御回転数
０〜１０００ｒｐｍの範囲で共振が起こっている。しか
しながら、本発明に係る減速装置を用いた実施例の場合
には、電動モータの実用域外である１５００ｒｐｍを中
心とする近傍で共振現象が生じる。比較例２と比較例３
の対比から、共振時における電動モータ５１の回転数は
内歯歯車と外歯歯車の歯数差が１の遊星歯車減速機が歯
数差２の調和歯車装置の２倍となることが認められる。
また、実施例、比較例１および比較例２の対比から、共
振時における電動モータ５１の回転数は前段減速機の減
速比ｉに比例していることが認められる。

【００２５】

【実施例２】次に本発明の第２実施例として、前述した
第１実施例の減速装置３を改良した場合について図６、
図７に基づいて説明する。なお、第１実施例と同一構成
については、第１実施例と同一の符号を用いて説明す
る。図６、図７において、４０は図１に示した電動モー
タ１によって駆動される減速装置であり、減速装置４０
は電動モータ１の回転軸７に連結された平行軸型の前段
減速機２０と、この前段減速機２０に連結された後段の
遊星歯車減速機２１と、から構成されている。

【００２６】電動モータ１の回転軸７の先端部７ａはテ
ーパ軸であり、先端にねじ７ｂを有する。ねじ部７ｂに
はモータ出力軸の一部を構成する連絡軸７ｃが螺合され
ている。８は入力回転軸であり、先端部８ａに前段減速
機２０のピニオン２２が設けられると共にモータ回転軸
７を貫通させる孔８ｂを有し、且つ孔８ｂは回転軸７の
テーパ部と係合するテーパ孔部を有する。入力回転軸８
は電動モータ１の回転軸７の先端部７ａにナット２３に
よりねじ止めされている。回転軸７の先端部７ａは入力
回転軸８に半月キー２４により固定されている。このよ
うな構成により入力回転軸８の先端部８ａの軸径はモー
タ回転軸７の軸径より小さくすることができ、したがっ
て、ピニオン２２の歯数はモータ回転軸７に歯数を直接
装着させる場合に比べ、少なくすることができ、容量の
割に回転軸径の大きい市販電動モータ１を用いる場合で
あっても、所定の前段減速比を得ることができる。ピニ
オン２２に噛み合う３個の平歯車２５は、後述する３本
の入力クランク軸３０にそれぞれ結合している。

【００２７】遊星歯車減速機２１は筒体４に固定して設
けられた内歯歯車２８と、内歯歯車２８に噛み合う一対
の外歯歯車２９と、外歯歯車２９に嵌合して外歯歯車２
９を揺動回転させる偏心入力軸としての３本の入力クラ
ンク軸３０と、から構成されている。また、内歯歯車２
８はピン歯３１を用いたピン歯車で構成され、かつ外歯
歯車２９の歯数より１つだけ多い歯数を有している。３
３は円板部であり、円板部３３は遊星歯車減速機２１の
前端部を構成し、かつ、入力クランク軸３０を円周上に
等配しベアリング３４を介して軸支している。３５はブ
ロック体であり、ブロック体３５はその中心部に軸方向
の円筒状孔３６を有し、入力回転軸８が遊嵌されてい
る。同様に外歯歯車２９および円板部３３の中心部にも
孔が設けられている。ブロック体３５はその後端部３５
ａに凹みを有し、軸１０のフランジ部３９に対向してい
る。凹み３６とフランジ部３９とによって形成された空
洞内には、前段減速機２０が収納されている。ブロック
体３５には入力クランク軸３０を円周上に等配しベアリ
ング４１を介して軸支している。入力クランク軸３０の
延在部３０ａは凹み３６内に突出し、平歯車２５に固定
されている。

【００２８】入力クランク軸３０は円板部３３とブロッ
ク体３５の中央部に軸支され、入力クランク軸３０の中
央には１８０度の位相差をもつ一対のクランク部４２を
有し、各クランク部４２はベアリング４３を介して外歯
歯車２９を偏心揺動させるようにしている。ここで、前
述した円板部３３と、ブロック体３５とは支持体４４を
構成する。円板部３３、ブロック体３５およびフランジ
部３９は複数のボルト４６および固定ナット４７により
互いに固定されている。

【００２９】電動モータ１の回転は回転軸７および入力
軸８を介して前段減速機２０のピニオンに伝達され、前
段減速機２０で減速される。前段減速機２０の出力は平
歯車２５により遊星歯車減速機２１のクランク軸３０に
入力される。次いで、クランク軸３０の回転により偏心
揺動させられる外歯歯車２９と、この外歯歯車２９と噛
み合い外歯歯車２９より１つ多い歯数を有する内歯歯車
２８とによりさらに減速され、外歯歯車２９のゆっくり
した自転運動はキャリアとして作用する支持体４４から
軸１０に伝達されアーム１２が回動される。

【００３０】本実施例においては、電動モータ１の通常
制御回転数は（０〜１０００ｒｐｍ、前段減速機２０の
減速比ｉ₁ は１／３、遊星歯車減速機２１の減速比ｉ₂
は１／４０、減速装置３の総減速比ｉは１／１２０、電
動モータ１、減速装置３および第２アーム１２を含んで
構成される駆動系の固有ねじり振動数ｆ₀ は約８．４ヘ
ルツである。したがって、電動モータ１は産業ロボット
の駆動系の固有ねじり振動数に対応する回転数（８．４
ヘルツに相当する５００ｒｐｍ）を通常制御域（０〜１
０００ｒｐｍ）内に有している。また、前段減速機２０
は電動モータ１の通常制御域における毎秒最高回転数
（１０００ｒｐｍに相当する毎秒１６．７回転）を、駆
動系の固有ねじり振動数ｆ₀ 以下になるよう（毎秒５．
６回転）に減速する減速比ｉ₁ （１／３）を有してい
る。減速機４０の回転ばね定数Ｋ₁ は約３７．５ｋｇ・
ｍ／分である。この実施例の場合の作用および振動特性
は、前述の第１実施例と同様になる。

【００３１】

【実施例３】次に本発明の第３実施例を図面に基づいて
説明する。図８において、６０は減速装置である。減速
装置６０は電動モータ１、前段減速機２０および遊星歯
車減速機２１が軸方向に順次配設され、電動モータ１の
出力軸７には入力回転軸８が取着されている。入力回転
軸８のモータ１側端には前段減速機２０の入力歯車２２
が一体に設けられ、その中間には大歯車６１ａと小歯車
６１ｂを有する第１のアイドルギヤ６１が回転自在に支
持されている。遊星歯車減速機２１のクランク軸３０の
一端はモータ１側に突出した延在部３０ａを有する。延
在部３０ａのモータ１側端には第２アイドルギヤ６２が
回転自在に支持され、その中間には前段減速機２０の出
力歯車２５が固着されている。第２のアイドルギヤ６２
は入力歯車２２と噛み合いこれにより歯数の多い大歯車
６２ａおよび第１アイドルギヤ６１の大歯車６１ａと噛
み合いこれにより歯数の少ない小歯車６２ｂを有する。
出力歯車２５は第１アリドルギヤ６１の小歯車６１ｂと
噛み合いこれより多い歯数を有する。入力回転軸８、入
力歯車２２、出力歯車２５、延在部３０ａ、および第
１、第２のアリドルギヤ６１、６２は前段減速機２０と
しての平行軸減速機を構成する。アイドルギヤ６１、６
２を入れることにより、容量の割に回転軸径の大きい市
販電動モータ１を用いる場合であっても、所定の前段減
速比ｉ₁ を得ることができる。他の構成および作用は前
述した第１および第２の実施例と同じであるので、該実
施例の説明に用いた符号を図８に付け、その説明を省略
する。

【００３２】次に、図１０に示す産業ロボット６５に用
いた本発明に係る産業ロボットの関節装置の実施例を図
面を用いて説明する。図１０において、産業ロボット６
５は第１関節６６と、第１関節６６に連結する第２関節
６７と、第２関節６７に連結する第１アーム８３および
第２アーム６８とから構成されている。第１関節６６は
支柱７１の上側の旋回盤７３を矢印Ｐ方向に回動し、第
２関節６７は旋回盤７３に固定されたブラケット８１の
上側の第１アーム８３を矢印Ｑ方向に回動し、第２アー
ム６８の先端部６８ａの３次元的移動を可能にする。

【００３３】

【実施例４】図１１は本発明の第４実施例を示す図であ
り、前述の第３実施例と同一構成については、同一符号
を用いて説明する。

【００３４】図１１において、７０は減速装置であり、
減速装置７０は、図１０に示す産業ロボットの第１関節
６６において、第１部材としての筒状の支柱７１の内側
に内装されている。減速装置７０は電動モータ１に連結
された平行軸型の前段減速機２０と、この前段減速機２
０に連結された後段の遊星歯車減速機２１とから構成さ
れている。電動モータ１のフランジ２は、筒体４を介し
て支柱７１にボルト４ｂを用いて固定されている。電動
モータ１の上側のほぼ垂直な回転軸７は前段減速機２０
のピニオン２２に固定され、ピニオン２２に噛み合う３
個の平歯車２５は、後述する３本の入力クランク軸３０
の延在部３０ａにそれぞれ固定されている。遊星歯車減
速機２１は前段減速機２０の上側に配置され、筒体４に
固定して設けられた内歯歯車２８と、内歯歯車２８に噛
み合う一対の外歯歯車２９ａ、２９ｂ（以下、添字をつ
けない２９で代表する）と、外歯歯車２９に嵌合して外
歯歯車２９を揺動回転させる偏心入力軸としての３本の
入力クランク軸３０と、から構成されている。入力クラ
ンク軸３０は遊星歯車減速機２１の下端部を構成する円
板部３３にベアリング３４を介して軸支され、遊星歯車
減速機の２１の上端部および外歯歯車２９の円周上に等
配して設けられた貫通孔内を挿通したブロック体３５に
ベアリング４１を介して軸支されている。ブロック体３
５と円板部３３とは円周上に等配された３つのボルト４
６により一体的となり、支持体（キャリア）４４を構成
し、支柱７１の上側に設けられた代２部材としての円筒
状体の旋回盤７３の底部７３ａに固定されている。底部
７３ａと支柱７１の上部７１ａとの間にはベアリング７
４が設けられ、支持体（キャリア）４４の自転に伴い、
旋回盤７３は回転する。前述以外の構成、作用および振
動特性は第３実施例と同じであり省略する。

【００３５】

【実施例５】図１２は本発明の第５実施例を示す図であ
り、前述の第３実施例と同一構成については、同一符号
を用いて説明する。

【００３６】図１２において、８０は減速装置であり、
減速装置８０は図１０に示す産業ロボットの第２関節６
７に用いたものである。第１部材としての箱形ブラケッ
ト８１は前述の第１関節６６の旋回盤７３の上側に一体
的に固定されている。減速装置８０は電動モータ１に連
結された平行軸型の前段減速機２０とこの前段減速機２
０に連結された後段の遊星歯車減速機２１とから構成さ
れている。電動モータ１のフランジ２はブラケット８１
にボルト４ｂを用いて固定され、電動モータ１の回転軸
７は前段減速機２０のピニオン２２に固定され、ピニオ
ン２２に噛合う３個の平歯車２５は後述する３本の入力
クランク軸３０の延在部３０ａにそれぞれ固定されてい
る。遊星歯車減速機２１の入力クランク軸３０の前端部
はベアリング４１を介してブロック体３５に軸支され、
その後端部はベアリング３４を介して円板部３３に軸支
されている。ブロック体３５と円板部３３はボルト４６
で一体的に固定されて支持体４４を構成し、さらにボル
ト８２によりブラケット８１に固定されている。遊星歯
車減速機２１の内歯歯車２８は支持体４４の外周部にベ
アリング８４を介して回動自在に支持されている。内歯
歯車２８は、第２部材としての第１アーム８３の端部８
３ａに一体的に固定されている。

【００３７】電動モータ１の回転は回転軸７を介して前
段減速機２０のピニオン２２に伝達され、前段減速機２
０で減速される。前段減速機２０の出力は平歯車２５に
より遊星歯車減速機２１の入力クランク軸３０に入力さ
れる。次いで、入力クランク軸３０の回転により偏心揺
動させられる一対の外歯歯車２９ａ、２９ｂ（以下、２
９で代表する）と、この外歯歯車２９と噛み合い外歯歯
車２９より一つ多い歯数を有する内歯歯車２８とにより
さらに減速され、内歯歯車２８のゆっくりした自転は第
２アーム８３を回動させる。前述以外の構成、作用およ
び振動特性は第３実施例と同じであり、同じ符号をつけ
て説明を省略する。

【００３８】

【実施例６】図１３は本発明の第６実施例を示す図であ
り、これは、前述の第５実施例の構成の一部を変更した
ものであり、第５実施例と同一の構成には同一の符号を
つけて説明する。

【００３９】図１３において、９０は減速装置であり、
減速装置９０は、第５実施例と同様に、図１０に示す、
産業ロボットの第２関節６７に用いたものである。第６
実施例では、減速装置９０は電動モータ１に連結された
前段減速機２０と前段減速機２０に連結された後段の遊
星歯車減速機２１とから構成されている。電動モータ１
の出力軸の回転軸７は前段減速機２０の太陽歯車９１に
連結され、太陽歯車９１に噛合い円周上に等配された３
個の遊星歯車９２は、ブロック体３５の前端部から前方
に連結された円筒部３５ａの内側に設けられた内歯歯車
９３とも噛合い遊星運動する。遊星歯車減速機２１の偏
心入力軸としての入力クランク軸３０は回転軸７の軸線
と同一軸線上でブロック体３５の軸芯上に配置され、入
力クランク軸３０の延在部３０ａはベアリング９４を介
してブロック体３５に軸支されている。延在部３０ａの
前端部にはフランジ部９５が設けられ、フランジ部９５
の周辺に設けられた孔９６に前段減速機２０の遊星歯車
９２の軸９２ａが嵌合する。入力クランク軸３０の後段
部は、円板部３３にベアリング９８を介して軸支されて
いる。ブロック体３５および円板部３３はボルト８２に
よりブラケット８１に一体的に固定されている。

【００４０】電動モータ１の回転は回転軸７を介して太
陽歯車９１に伝達され、太陽歯車９１の自動運動に伴
い、遊星歯車９２は、太陽歯車９１の自転運動に伴い、
遊星歯車９２は、太陽歯車９１と内歯歯車９３との間を
減速されて遊星運動する。遊星歯車９２の遊星運動の中
公転運動はフランジ部９５を介して入力クランク軸３０
に伝達される。前述以外の構成、作用および振動特性は
第５実施例と同じであり、同じ符号をつけて説明を省略
する。

【００４１】なお、本発明においては、前段減速機の減
速比は電動モータの毎秒当たり最高回転数を、共振現象
の生じ始めるときの振動数相当（前述した「ねじり発振
周波数」付近）、すなわち駆動系の固有振動数より若干
小さな振動数相当、に減速する値であればよい。例えば
駆動系の固有ねじり振動数ｆ₀ が５〜９Ｈｚの場合であ
って、電動モータの最高回転数が１０００ｒｐｍ、総減
速比ｉが１／６０〜１／３２０のときは前段最小減速比
ｉ₁ を約１／１．９〜約１／６、後段の減速比ｉ₂ を１
／２５〜１／６０とすることにより共振現象を実用域か
ら外すことができる。また駆動系の固有ねじり振動数ｆ
₀ が５〜９ヘルツの場合であって、電動モータの回転数
が最高２０００ｒｐｍ、総減速比ｉが１／１１０〜１／
３２０のときは、前段最小減速比ｉ₁ を約１／３．７〜
約１／６．７、後段減速比ｉ₂ を約１／２５〜約１／６
０とすることにより共振現象の起きないロボットの関節
装置を得る。同様（ｆ₀ ＝５〜９Ｈｚ）の場合であって
電動モータ回転数が最高４０００ｒｐｍ、総減速比ｉが
１／２１０〜１／６４０のときは、前段最小減速比ｉ₁
を約１／７．４〜約１／１３．３、後段減速比ｉ₂ を約
１／３０〜約１／６０とすればよい。また、駆動系の固
有ねじり振動数ｆ₀ が１０〜１５Ｈｚの場合であって、
電動モータの最高回転数が１０００ｒｐｍ、総減速比ｉ
が１／８０〜１／３００のときは前段最小減速比ｉ₁ を
１／１．５〜１／４、後段の減速比ｉ₂ を１／２５〜１
／６０とすることにより共振現象を実用域から外すこと
ができる。同様（ｆ₀ ＝１０〜１５Ｈｚ）の場合であっ
て、電動モータの最高回転数が４０００ｒｐｍ、総減速
比ｉが１／１２５〜１／６００のときは、前段減速比ｉ
₁ を約１／４．５〜約１／１０、後段の減速比ｉ₂ を約
１／３０〜１／１００とすればよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ロボットの駆動系の共振現象を実用域から外すことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の産業ロボットの関節装置の全体概略
説明図である。

【図２】実施例１の減速装置の一部断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図４】実施例１および比較例の性能を説明する図であ
る。

【図５】図４に係る実験例の全体構成図である。

【図６】第２実施例の要部断面図である。

【図７】図６のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図８】第３実施例の要部断面図である。

【図９】減速装置一般の回転ばね定数の特性図である。

【図１０】本発明に係る産業ロボットの関節装置を用い
た産業ロボットの全体概念図である。

【図１１】図１０の第１関節に用いた本発明の第４実施
例の要部断面図である。

【図１２】図１０の第２関節に用いた本発明の第５実施
例の要部断面図である。

【図１３】図１０の第２関節に用いた本発明の第６実施
例の要部断面図である。

【符号の説明】

１ 電動モータ ３、４０、６０、７０、８０、９０ 減速装置 ５、７１、８１ 第１部材 １２、７３、８３ 第２部材 ２０ 前段減速機 ２１ 後段減速機 ２８ 内歯歯車 ２９ 外歯歯車 ３０ 入力クランク軸

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年４月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 産業ロボットの関節装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業ロボットの関節
装置、特にロボットアームの共振振動の発生を防止する
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業ロボットにおいては、一般に、作業
に適した出力トルクを得るため、アーム等の関節部の駆
動系には、高速低トルクの電動サーボモータまたは電動
パルスモータと、この出力を低速高トルクに変換する減
速装置とを用いている。また、そのような減速装置は、
例えば、減速比１／１２０程度の大減速比を有している
こと、また、歯車間のガタ、すなわち、いわゆるバック
ラッシュが小さいこと、さらに、慣性を小さくするため
軽量であること等が要求される。

【０００３】このような要求を満たす従来の減速装置と
しては、例えば、特開昭５９−１７５９８６号公報に開
示されているような調和歯車装置および特開昭５９−１
０６７４４号公報に開示されているような偏心揺動型遊
星歯車装置がある。前者の減速比は一般に１／８０〜１
／３２０程度であり、後者の減速比は一般に１／６〜１
／２００程度である。また、前者は後者に比し減速比当
たりの外径、重量が小さく、かつ、ほとんどのロボット
アームの関節部の駆動用減速装置として必要な減速比お
よび機械的強度を満足している。従って、ロボットアー
ムの関節部駆動用減速装置のほとんどは調和歯車装置単
体が適用され、まれに、調和歯車装置でも得られないほ
どの大減速比を必要とするもの、すなわち、小容量高速
回転（例えば、出力が１０００ワット以下で回転数が５
０００ｒｐｍ）型のモータをロボットアームの駆動に用
いる場合のように１／６２５程度の減速比を必要とする
もの、については特開昭５６−１５２５９４号公報に開
示されているように調和歯車装置に前段減速装置を結合
したものが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各減速装置をロボットの関節装置に用いた場合、減速
装置に入力する電動モータ回転数が低い領域で減速装置
とロボットアーム等がねじり共振を起こすという問題点
があった。共振現象としては、ロボットアームの関節部
近傍にねじり振動が現れることが多く、その結果、ロボ
ットアームの先端位置が定まらなくなり、ロボットによ
る作業のうち溶接、シーリング、組立等、一般に電動モ
ータの低回転数領域で行われる作業において、正確な作
業軌跡を得られない等の問題が生じる。共振が生じる理
由は、電動モータのトルク伝達機構である上記各減速装
置の剛性が低いため、そのような減速装置を含む駆動系
（電動モータ、減速装置およびロボットアームから構成
される系）の固有ねじり振動数ｆ_０が低くなり、従っ
て、歯切の加工誤差等に起因して振動する減速装置の振
動周波数が、電動モータの低回転数域で上記固有ねじり
振動数ｆ_０と一致するためと考えられていた。

【０００５】このような問題点に対し、特開昭５８−２
１１８８１号公報には、発生した振動を打ち消すように
電動モータの速度指令信号を変化させる電気的制御方式
が提案されている。しかしながら、このような方式にお
いてはフィードバックゲインを大きくすると系が不安定
となり、特に剛性の低いロボット駆動系においては、逆
に発振し易くなるという問題を生じるため、ゲインを大
きくできず、従って、十分な振動打ち消し効果を得られ
ない。また、特開昭５９−１７５９８６号公報には高張
力を与えたタイミングベルトで減速装置を駆動し、該ベ
ルトで振動を吸収する方式のものが提案されている。し
かしながら、この方式においてはタイミングベルトが破
断するという危険がある。また、特開昭５９−１１５１
８９号公報には減速装置の主軸にばねとおもりから成る
吸振器を取り付ける方式か提案されている。しかし、こ
の方式においては遠心力により吸振器が破損したり、ロ
ボットの負荷荷重に対応しておもり等を調整しなければ
ならないという問題点がある。

【０００６】そこで、本発明は、大きな共振現象の生じ
る時の電動モータ回転数を、所望のモータ回転数領域に
シフトさせて、ロボットにその先端部で正確な軌跡を描
くことを必要とする作業を行わせるときにおいて大きな
振動の発生を防ぐことにより、ロボットの作業性が向上
するとともに、ロボット耐久性を向上させることができ
る産業ロボットの関節装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、ロボットア
ームの関節装置に用いる減速装置のばね定数、固有ねじ
り振動数、トルク変動等と共振現象との関係につき種々
研究を行った。先ず、回転ばね定数の高い減速装置をロ
ボットアームの関節装置に用いることによりロボットの
駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０を実用域から外すことが
可能か否かについて試算した。しかし、減速装置の回転
ばね定数Ｋ_１（図９参照）は、大きなものでもロボット
アーム自体の回転ばね定数Ｋ_２の１／１０〜１／５であ
るため、駆動系全体のばね定数Ｋ＝Ｋ_１・Ｋ_２／（Ｋ_１
＋Ｋ_２）は大して大きくできず、その結果、駆動系の固
有ねじり振動数ｆ_０＝１／２・π・（Ｋ／Ｊ）
^１／２（ここに、Ｊは駆動系の慣性モーメント）も大し
て大きくできない。従って、減速装置のばね定数Ｋ_１を
高めること、すなわち剛性を高めることによっては、駆
動系の固有ねじり振動数ｆ_０を実用域から外すことは不
可能であるとの結論に達した。

【０００８】そこで、発明者等は、振動発生の原因であ
る減速装置のトルク変動を無くすことを試みた。具体的
には偏心揺動型遊星歯車減速装置を用い、トルク変動を
阻止ないし減ずるよう、この減速装置の内歯歯車と外歯
歯車の歯に高精度の仕上げ加工を施し、かつ、トルク変
動が生じてもこれを吸収するよう、偏心入力軸の軸受部
やトルク取り出しピンの軸支部等に環状溝を設け、該溝
にゴムリングを装着した。しかしながら、このような対
策を施しても実用域での共振を防ぐことはできず、しか
も、共振が生じるときの電動モータ回転数は、そのよう
な対策を施さない場合とほとんど同じであることがわか
った。

【０００９】このような実験結果から、一定の機構の減
速装置であれば、ほぼ一定のトルク変動特性、すなわち
ロボットの駆動系に対する加振周波数特性を有するとの
結論が導かれた。また、斯かる結論から、ロボット駆動
系に組み込む減速装置の機構を変更することによりトル
ク変動特性を実用域外におくことができるとの仮説の下
に種々の実験を行った。これらの実験の内容および結果
については後述するが、これらの実験結果から仮説は実
証され、下記の結論に到達した。

【００１０】従来の常識では全く考えられなかった構
成、すなわち、偏心揺動型遊星歯車減速装置は、内歯歯
車と外歯歯車の歯数差が１であって、単独でも１／２０
０程度の減速比にできるが、この減速比を数十分の一程
度とし、これに所定範囲の減速比を有する前段減速装置
をわざわざ設けて歯車装置を構成し、これをロボットア
ームの駆動系に組み込むという構成により共振現象の生
じる範囲を電動モータの実用域から外すことができる。

【００１１】なお、偏心揺動型遊星歯車減速装置に前段
減速装置を設けた減速装置は、米国特許第４，３４８，
９１８号明細書に開示されているようにクローラ車両の
走行装置等に採用されている。しかしながら、そのよう
な走行装置等は採用する減速装置の重量、バックラッシ
ュ等の問題をほとんど考慮しなくともよい。従って、単
に減速装置の総減速比の変更を容易にするため、あるい
は単に低速大トルクを出力するため、前段減速装置を設
けているのである。これに対し、高速性、位置精度等を
要求され、且つ、全体構造の剛性が低いロボットにおい
ては、減速装置の重量、バックラッシュを小さくするこ
とが重要であるため、関節部に、減速比当たりの重量が
調和歯車装置より大きい偏心揺動型遊星歯車減速装置を
用い、さらに、重量、バックラッシュを増大させる要素
となる前段減速装置をわざわざ設けることは従来考えら
れなかったのである。

【００１２】発明者らはさらに種々研究を重ねた結果、
下記の構成を有する本発明に到達した。本発明に係る産
業ロボットの関節装置のうち請求項１のものは、第１部
材と、第１部材の先端部に回動自在に支持された第２部
材と、その第１部材の先端部に設置された電動モータの
と、その第１部材の先端部に取り付き、電動モータの回
転数を減速し、その回転を第２部材に伝達する減速装置
と、からなる産業ロボットの関節装置において、 Ａ．前記減速装置が（１）前記電動モーターの回転数を
減速する前段減速機と、（２）該前段減速機の出力回転
数を減速する後段減速機と、を有し、 Ｂ．前記前段減速機が（１）電動モータの出力回転軸に
嵌着するスリーブ部分と該スリーブ部の先端に一体的に
設けられた入力歯車とからなる入力回転軸と、（２）該
入力歯車に噛み合う複数の出力歯車と、を有する平行軸
型歯車装置からなり、 Ｃ．前記後段減速機が（１）前記出力歯車にそれぞれ結
合されるクランク軸と、（２）各クランク軸に係合して
偏心揺動させられ、中心部に貫通孔を有する外歯歯車
と、（３）該外歯歯車に噛み合う内歯歯車を有するとと
もに、第１部材に取り付けられる筒体と、（４）各クラ
ンク軸を軸受を介して回転自在に支持するとともに、中
心部に中央孔、および、第２部材への取付端面を有する
支持体と、を有する偏心揺動型遊星歯車装置からなり、 Ｄ．電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型歯車装置の
筒体または支持体の回転軸線とを同一線上に配し、 Ｅ．入力歯車および出力歯車を外歯歯車よりも反電動モ
ーター側に、支持体の取付端面よりも電動モータ側に配
置し、 Ｆ．（１）前記入力回転軸の入力歯車部の外径をスリー
ブ部の外径より小とし、前記偏心揺動型遊星歯車装置の
支持体の中央孔の内径をスリーブ部の外径より大とし
て、（２）電動モータの出力回転軸に入力回転軸のスリ
ーブ部を嵌着し、締結部材により固定して、（３）入力
歯車を前記外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車と噛み合
わせるとともに、スリーブ部の先端部が筒体の電動モー
タ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入されたことを
特徴とするものである。請求項２記載の発明に係る産業
ロボットの関節装置は、請求項１記載の産業ロボットの
関節装置のうち、前記支持体の取付端面が前記筒体の反
電動モータ側端面より反電動モータ側に位置しているこ
とを特徴とするものである。請求項３記載の発明に係る
産業ロボットの関節装置は、請求項２記載の産業ロボッ
トの関節装置のうち、前記減速装置の総減速比が遊星歯
車装置単体で実在する減速比の範囲内に設定されたこと
を特徴とするものである。請求項４記載の発明に係る産
業ロボットの関節装置は、記載請求３の産業ロボットの
関節装置のうち、前記前段減速機の減速比を１／２〜１
／５、前記後段減速比を１／２５〜１／６０の範囲内で
それぞれ設定することにより、前記総減速比を満足する
ようにしたことを特徴とするものである。そして本発明
によれば、 イ．特に産業ロボットにおいては重量や累積バックラッ
シュを小さくして制御性能を良好にすることを要求され
るのに対して、本来、調和歯車装置等のような単一の遊
星歯車装置により必要な減速比を満足するように、その
減速装置部を構成できる産業ロボットの関節装置におい
て、その減速装置部を偏心揺動型遊星歯車装置（後段減
速機）の入力側にわざわざ平行軸型歯車装置（前段減速
機）を設けて前段減速機と後段減速機とにより必要な減
速比を得るようにしているので、ロボットに共振が生じ
るとしても、大きな共振現象の生じる時の電動モータ回
転数を、所望のモータ回転数領域にシフトさせることが
できる。その結果、ロボットにその先端部（工具把持
等）で正確な軌跡を描くことを必要とする作業を行わせ
る時において大きな振動の発生を防ぐことができるの
で、ロボットの作業性が向上するとともに、ロボットの
耐久性を向上させることができる。 ロ．また、電動モータの出力回転軸に入力軸部材を結合
しているので、電動モータを第１部材（又は、被取付
部）に取り付けることにより、前段減速機を容易に構成
することができる。その結果、産業ロボットの関節装置
を容易に組み立てることができるとともに、メンテナン
ス性をも向上させることができる。さらに、入力歯車を
電動モータの出力回転軸とは別部材の入力軸部材に設け
ているので、市販の電動モータを用いることができ、容
易に前段減速機の減速比の設定ができる。 ハ．さらに、入力回転軸のスリーブ部の先端に一体的に
入力歯車を設け、電動モータの出力回転軸に入力回転軸
のスリーブ部を嵌着し、締結部材により固定しているの
で、電動モータと入力歯車との間のバックラッシュをな
くすことができる。その結果、ロボットの位置決め精度
を向上させることができる。 ニ．さらにまた、入力回転軸の入力歯車部の外径をスリ
ーブ部の外径より小、遊星歯車装置の支持体の中央孔の
内径をスリーブ部の外径より大として、入力歯車を遊星
歯車装置の外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車に噛み合
うようにし、スリーブ部の先端部が遊星歯車装置の筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れるようにしたので、回転軸線方向の取り付け長さを短
縮することができる。その結果、電動モータの出っ張り
が小さくなり産業ロボットをコンパクトにすることがで
きるとともに、電動モータの出っ張りによる干渉を小さ
くすることができ、よって、ロボットの作業動作範囲を
広くすることができる。さらに、減速装置としてみた場
合でも、入力歯車部が自由端となっているため複数の出
力歯車との噛み合いの荷重バランスが良好となり、その
結果、複数のクランク軸支持用軸受に均等に負荷が作用
し、減速装置の寿命の低下を防止することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る産業ロボット
の関節装置を図面に基づいて説明する。

【００１４】

【実施例１】図１ないし図３は本発明を説明するための
概要説明図である。まず、構成について説明する。図１
は本発明に係る産業ロボットの関節装置を用いたロボッ
トの関節部の全体概略図である。１は電動モータであ
り、電動モータ１のフランジ２は減速装置３の筒体４に
固定されている。筒体４は第１部材としての第１アーム
５の先端部５ａに固定されている。電動モーター１の出
力回転軸７は減速装置３の入力回転軸８に連結され、減
速装置３の出力は軸１０に伝達され、軸１０は円筒体１
１を貫通して第２部材としての第２アーム１２に固定さ
れている。第２アーム１２の端部の筒状体１３と第１ア
ーム５の先端部５ａの下面から下方に突出する円筒型の
突出体１５との間には一対のベアリング１６が介装さ
れ、減速装置３は電動モータ１の回転数を減速してロボ
ットの被駆動部すなわち第２アーム１２を回動させる。
また、電動モータ１、減速装置３、第２アーム１２およ
び第２アームに接続された負荷は駆動系を構成する。

【００１５】減速装置３は図２および図３に示すよう
に、電動モータ１の回転数を減速する前段減速機２０
と、前段減速機２０に連結され、回転数をさらに減速す
る後段減速機２１と、から構成されている。前段減速機
２０は平行軸型歯車装置である。後段減速機２１は固定
している内歯歯車２８と内歯歯車２８に噛み合う外歯歯
車２９と、外歯歯車２９に係合して外歯歯車２９を揺動
回転させる偏心入力軸としてのクランク軸３０と、を有
する偏心揺動型の遊星歯車装置によって構成されてい
る。また、内歯歯車２８はピン歯３１を用いたピン歯車
で構成され、例えば、外歯歯車２９の歯数より一つだけ
多い歯数を有している。また、前段減速機２０は通常の
平行軸型減速装置であり平歯車により構成されている。

【００１６】前段減速機２０の減速比ｉ_１と後段減速機
２１の減速比ｉ_２とは電動モータ１の通常制御回転数
（ロボットの通常作業時、例えば溶接ロボットに主たる
溶接作業を行わしめる時、のモータ回転数）の範囲内で
ロボットすなわち、第１アーム５および第２アーム１２
と、後段減速機２１との共振が起きないように選択して
いる。電動モータ１の通常制御回転数あるいはロボット
による正確な作業軌跡を要する領域（溶接作業等を行う
作業領域）では、前段減速機２０の毎秒当たり最高回転
数に前段減速機２０の減速比を乗じた値（その値に更に
後述するクランク軸３０の一回転当たりのトルク変動回
転数である１を乗じた値に相当）が電動モータ１、減速
装置３、第２アーム１２および第２アーム１２に接続さ
れた負荷から構成される駆動系のねじり発振周波数（固
有ねじり振動数ｆ_０付近の周波数をいう。以下同じ）以
下になるよう、前段減速機２０の減速比ｉ_１を選択す
る。この実施例においては、電動モータ１の通常制御回
転数が０〜１０００ｒｐｍ、前段減速機２０の減速比ｉ
_１が１／３および後段減速機２１の減速比ｉ_２は１／４
０であり、減速装置３の全体の減速比ｉは１／１２０に
なるよう選択されている。前記駆動系の固有ねじり振動
数ｆ_０は、共振ピーク点における電動モータ１の回転
数、前段減速機２０の減速比ｉ_１および減速装置３に関
して後述するトルク変動特性から逆算でき、この実施例
においては約８．４Ｈｚである。

【００１７】前段減速機２０の減速比ｉ_１が１／５未満
（分母が大きくなることを意味する。以下同じ）または
後段減速機２１の減速比ｉ_２が１／２５を超える（分母
が小さくなることを意味する。以下同じ）と、前段減速
機２０に構造の簡単な平行軸減速機を採用して１／１２
０の総減速比ｉを得ることは困難となるので、設計的経
済的に不利となる。また、後段減速機２１の減速比ｉ_２
が１／６０未満または前段減速機２０の減速比ｉ_１が１
／２を超えて１／１２０の総減速比ｉを得る場合は、電
動モータ１の実用域において、前段減速機２０の毎秒当
たり回転数が前記駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０（８．
４Ｈｚ）近辺あるいはそれ以上となるので、共振を防止
できる範囲が狭くなる。

【００１８】次に、作用について説明する。電動モータ
１を０〜１０００ｒｐｍの通常回転数で回転させると、
減速比ｉ_１が１／３の前段減速機２０の出力回転数は０
〜３３３ｒｐｍとなり、減速比ｉ_２が１／４０の後段減
速機２１の出力回転数は０〜８．３ｒｐｍとなり、この
範囲では大きな振動は生じない。電動モータ１の出力回
転数が１５００ｒｐｍ近辺（このときの前段減速機２０
の出力回転数は１５００ｒｐｍ×１／３＝５００ｒｐｍ
近辺、後段減速機２１の出力回転数は１５００ｒｐｍ×
１／３×１／４０＝１２．５ｒｐｍ近辺）で生じ、この
時の振動が最も大きい。。このように共振現象が電動モ
ータ１の実用域外で生じる理由は明らかではないが、実
験結果から推定するとそのような共振現象の原因となる
トルク変動が前段減速機２０ではなく後段減速機２１に
生じ、そのトルク変動が実施例のような偏心揺動型歯車
装置では入力軸（クランク軸３０）１回転当たり１回
（一定回数）を生じ、前記駆動系に対する過振作用をな
すためと考えられる。

【００１９】調和歯車装置の場合は、実験結果から推定
すると、入力軸（ウェーブジェネレータ）の１回転当た
り２回（一定回数）のトルク変動が生じ、従って、これ
に減速比１／３の前段減速機を取り付けると、電動モー
タの回転数が７５０ｒｐｍ付近で７５０×１／３×２＝
５００の毎分当たりトルク変動が生じ、駆動系の固有振
動数ｆ_０が上記実施例と同様８．４Ｈｚ（５００振動／
毎分）であるならば電動モータの回転数が実用域内であ
る７５０ｒｐｍ付近で共振が生じるものと考えられる。
この場合、毎分当たり加振数がおおよそ５００の時に共
振が生じるのであるから、調和歯車減速機に減速比ｉ＝
１／６程度の前段減速機を設けることにより共振時の電
動モータの回転数を実用域外である１５００ｒｐｍを中
心とする付近にまで上げることも考えられる。しかし、
調和歯車減速機の減速比ｉ_２は最小でも１／４８０とな
り、１〜１０００ｒｐｍを実用域とする電動モータが一
般に必要とする減速比ｉ（１／１２０程度）を満足でき
ないため、実用できないことになる。

【００２０】なお、電動モータ１および前段減速機２０
の振動は駆動系の発振に影響を及ぼさないのはこれらの
振動は小さいこと、後段減速機２１を介することにより
吸収されること等によるものと考えられる。

【００２１】（実験例）前述の実施例の減速装置のほか
に次表の比較例１〜３に示す減速装置について実施した
振動測定試験について説明する。前述の実施例および比
較例１、２の偏心揺動型の遊星歯車減速機は、クランク
軸および外歯歯車の揺動によるアンバランスを防いで振
動の振幅を小さくするため、後述する第２〜第３実施例
同様に外歯歯車を２枚としこれらを１８０度の位相差を
もって組み付けたもので、かつ、内歯歯車が外歯歯車の
歯数より１つ多い歯数を有するものを用いた。それぞれ
の減速装置の減速段数、減速比ｉ_１、ｉ_２、回転ばね定
数Ｋ_１（図９参照）および慣性モーメントＪは次の表１
に示してある。

【００２２】

【表１】

【００２３】実験は図５に示す全体構成図によって実施
した。すなわち、電動サーボモータ５１の出力軸５１ａ
に減速装置５２を取り付け、減速装置５２の出力軸５２
ａにロボットの被駆動部（第２アーム）の慣性モーメン
トＪに相当する慣性負荷としてフライホイール５３が取
り付けられた。フライホイール側面５３ａの半径上の位
置に、円周方向の加速度および振幅を測定できる圧電素
子を利用した加速度ピックアップ５４を取り付けた。こ
の加速度ピックアップ５４の出力はインジケータ５６に
連結されている。モータ５１、減速装置５２およびフラ
イホイール５３から成る駆動系の固有振動数ｆ_０は約
８．４Ｈｚになるよう調整してある。電動モータの回転
数を変化させて、その時のフライホイールの加速度の大
きさを測定した。測定結果は図４に示す。横軸は電動サ
ーボモータ５１の回転数であり、縦軸は加速度ピックア
ップ５４で検出された円周方向の加速度（単位：Ｇ）を
示す。

【００２４】比較例１、比較例２および比較例３におい
ては、共振のピークはそれぞれ、電動モータ５１の回転
数が、略７５０ｒｐｍ、略５００ｒｐｍおよび略２５０
ｒｐｍのときであり、電動モータ５１の通常制御回転数
０〜１０００ｒｐｍの範囲で最も大きな振動が生じてい
る。しかしながら、本発明に係る減速装置を用いた実施
例の場合には、電動モータの実用域外である１５００ｒ
ｐｍを中心とする近傍で共振ピークが生じ、この時の振
動が最も大きい。また、実施例、比較例１および比較例
２の対比から、共振時における電動モータ５１の回転数
は前段減速機の減速比ｉ１に反比例していることが認め
られる。

【００２５】そこで、本発明における実施例を図６、図
７に基づいて説明する。なお、前述の概略説明において
用いた図２、図３と同一構成においては、同一符号を用
いて説明する。図６、図７において、４０は図１に示し
た電動モータ１によって駆動される減速装置であり、減
速装置４０は電動モータ出力１の出力回転軸７に連結さ
れた平行軸型の前段減速機２０と、この前段減速機２０
に連結された後段の遊星歯車装置２１と、から構成され
ている。

【００２６】電動モータ１の回転軸７の先端部７ａはテ
ーパ軸であり、先端にねじ７ｂを有する。ねじ部７ｂに
は電動モータの出力回転軸の一部を構成する連絡軸７ｃ
が螺合されている。８は入力回転軸であり、先端部８ａ
に前段減速機２０の入力歯車であるピニオン２２が設け
られると共に電動モーターの出力回転軸７を貫通させる
孔８ｂを有し、且つ孔８ｂは回転軸７のテーパ部と係合
するテーパ孔部を有する。入力回転軸８のこのテーパ孔
部は、電動モータの出力回転軸に嵌着するスリーブ部を
構成する。入力回転軸８は電動モータ１の出力回転軸７
の先端部７ａにナット２３によりねじ止めされている。
回転軸７の先端部７ａは入力回転軸８に半月キー２４に
より固定されている。このような構成により入力回転軸
８の先端部８ａの軸径はモータ回転軸７の軸径より小さ
くすることができ、したがって、ピニオン２２の歯数は
モータ回転軸７に歯数を直接装着させる場合に比べ、少
なくすることができ、容量の割に回転軸径の大きい市販
電動モータ１を用いる場合であっても、所定の前段減速
比を得ることができる。ピニオン２２に噛み合う３個の
平歯車２５は、後述する３本のクランク軸３０にそれぞ
れ結合している。

【００２７】遊星歯車減速機２１は筒体４に固定して設
けられた内歯歯車２８と、内歯歯車２８に噛み合う一対
の外歯歯車２９と、外歯歯車２９に嵌合して外歯歯車２
９を揺動回転させる偏心入力軸としての３本のクランク
軸３０と、から構成されている。また、内歯歯車２８は
ピン歯３１を用いたピン歯車で構成され、例えば、外歯
歯車２９の歯数より１つだけ多い歯数を有している。３
３は円板部であり、円板部３３は遊星歯車減速機２１の
前端部を構成し、かつ、クランク軸３０を円周上に等配
しベアリング３４を介して軸支している。３５はブロッ
ク体であり、ブロック体３５はその中心部に軸方向の円
筒状孔３６を有し、入力回転軸８が遊嵌されている。同
様に外歯歯車２９および円板部３３の中心部にも孔が設
けられている。ブロック体３５はその後端部３５ａに凹
みを有し、軸１０のフランジ部３９に対向している。凹
み３６とフランジ部３９とによって形成された空洞内に
は、前段減速機２０が収納されている。ブロック体３５
にはクランク軸３０を円周上に等配しベアリング４１を
介して軸支している。クランク軸３０の延在部３０ａは
凹み３６内に突出し、平歯車２５に固定されている。

【００２８】クランク軸３０は円板部３３とブロック体
３５の中央部に軸支され、クランク軸３０の中央には１
８０度の位相差をもつ一対のクランク部４２を有し、各
クランク部４２はベアリング４３を介して外歯歯車２９
を偏心揺動させるようにしている。ここで、前述した円
板部３３と、ブロック体３５とは支持体４４を構成す
る。円板部３３、ブロック体３５およびフランジ部３９
は複数のボルト４６および固定ナット４７により互いに
固定されている。

【００２９】電動モータ１の回転は出力回転軸７および
入力回転軸８を介して前段減速機２０のピニオンに伝達
され、前段減速機２０で減速される。前段減速機２０の
出力は平歯車２５により偏心揺動星歯車装置２１のクラ
ンク軸３０に入力される。次いで、クランク軸３０の回
転により偏心揺動させられる外歯歯車２９と、この外歯
歯車２９と噛み合い外歯歯車２９より１つ多い歯数を有
する内歯歯車２８とによりさらに減速され、外歯歯車２
９のゆっくりした自転運動はキャリアとして作用する支
持体４４から軸１０に伝達されアーム１２が回動され
る。

【００３０】本実施例においては、電動モータ１の通常
制御回転数は（０〜１０００ｒｐｍ、前段減速機２０の
減速比ｉ_１は１／３、遊星歯車減速機２１の減速比ｉ_２
は１／４０、減速装置３の総減速比ｉは１／１２０、電
動モータ１、減速装置３および第２アーム１２を含んで
構成される駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０は約８．４Ｈ
ｚである。したがって、電動モータ１は産業ロボットの
駆動系の固有ねじり振動数に対応する回転数（８．４Ｈ
ｚに相当する５００ｒｐｍ）を通常制御域（０〜１００
０ｒｐｍ）内に有している。また、前段減速機２０は電
動モータ１の通常制御域における毎秒最高回転数（１０
００ｒｐｍに相当する毎秒１６．７回転）を、駆動系の
固有ねじり振動数ｆ_０以下になるよう（毎秒５．６回
転）に減速する減速比ｉ_１（１／３）を有している。減
速機４０の回転ばね定数Ｋ_１は約３７．５ｋｇ・ｍ／分
である。この実施例の場合の作用および振動特性は、前
述の第１実施例と同様になる。

【００３１】なお、本発明においては、前段減速機の減
速比は電動モータの毎秒当たり最高回転数を、共振現象
の生じ始めるときの振動数相当（前述した「ねじり発振
周波数」付近）、すなわち駆動系の固有振動数より若干
小さな振動数相当、に減速する値であればよい。例えば
駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０が５〜９Ｈｚの場合であ
って、電動モータの最高回転数が１０００ｒｐｍ、総減
速比ｉが１／６０〜１／３２０のときは前段最小減速比
ｉ_１を約１／１．９〜約１／６、後段の減速比ｉ_２を１
／２５〜１／６０とすることにより共振現象を実用域か
ら外すことができる。また駆動系の固有ねじり振動数ｆ
_０が５〜９Ｈｚの場合であって、電動モータの回転数が
最高２０００ｒｐｍ、総減速比ｉが１／１１０〜１／３
２０のときは、前段最小減速比ｉ_１を約１／３．７〜約
１／６．７、後段減速比ｉ_２を約１／２５〜約１／６０
とすることにより共振現象の起きないロボットの関節装
置を得る。同様（ｆ_０＝５〜９Ｈｚ）の場合であって電
動モータ回転数が最高４０００ｒｐｍ、総減速比ｉが１
／２１０〜１／６４０のときは、前段最小減速比ｉ_１を
約１／７．４〜約１／１３．３、後段減速比ｉ_２を約１
／３０〜約１／６０とすればよい。また、駆動系の固有
ねじり振動数ｆ_０が１０〜１５Ｈｚの場合であって、電
動モータの最高回転数が１０００ｒｐｍ、総減速比ｉが
１／８０〜１／３００のときは前段最小減速比ｉ_１を１
／１．５〜１／４、後段の減速比ｉ_２を１／２５〜１／
６０とすることにより共振現象を実用域から外すことが
できる。同様（ｆ_０＝１０〜１５Ｈｚ）の場合であっ
て、電動モータの最高回転数が４０００ｒｐｍ、総減速
比ｉが１／１２５〜１／６００のときは、前段減速比ｉ
_１を約１／４．５〜約１／１０、後段の減速比ｉ_２を約
１／３０〜１／１００とすればよい。

【００３２】

【発明の効果】 イ．本発明によれば、特に産業ロボットにおいては重量
や累積バックラッシュを小さくして制御性能を良好にす
ることを要求されるのに対して、本来、調和歯車装置等
のような単一の遊星歯車装置により必要な減速比を満足
するように、その減速装置部を構成できる産業ロボット
の関節装置において、その減速装置部を偏心揺動型遊星
歯車装置（後段減速機）の入力側にわざわざ平行軸型歯
車装置（前段減速機）を設けて前段減速機と後段減速機
とにより必要な減速比を得るようにしているので、ロボ
ットに共振が生じるとしても、大きな共振現象の生じる
時の電動モータ回転数を、所望のモータ回転数領域にシ
フトさせることができる。その結果、ロボットにその先
端部（工具把持等）で正確な軌跡を描くことを必要とす
る作業を行わせる時において大きな振動の発生を防ぐこ
とができるので、ロボットの作業性が向上するととも
に、ロボットの耐久性を向上させることができる。 ロ．また、電動モータの出力回転軸に入力軸部材を結合
しているので、電動モータを第１部材（又は、被取付
部）に取り付けることにより、前段減速機を容易に構成
することができる。その結果、産業ロボットの関節装置
を容易に組み立てることができるとともに、メンテナン
ス性をも向上させることができる。さらに、入力歯車を
電動モータの出力回転軸とは別部材の入力軸部材に設け
ているので、市販の電動モータを用いることができ、容
易に前段減速機の減速比の設定ができる。 ハ．さらに、入力回転軸のスリーブ部の先端に一体的に
入力歯車を設け、電動モータの出力回転軸に入力回転軸
のスリーブ部を嵌着し、締結部材により固定しているの
で、電動モータと入力歯車との間のバックラッシュをな
くすことができる。その結果、ロボットの位置決め精度
を向上させることができる。 ニ．さらにまた、入力回転軸の入力歯車部の外径をスリ
ーブ部の外径より小、遊星歯車装置の支持体の中央孔の
内径をスリーブ部の外径より大として、入力歯車を遊星
歯車装置の外歯歯車の貫通孔を通して出力歯車に噛み合
うようにし、スリーブ部の先端部が遊星歯車装置の筒体
の電動モータ側端面を通過し、支持体の中央孔に挿入さ
れるようにしたので、回転軸線方向の取り付け長さを短
縮することができる。その結果、電動モータの出っ張り
が小さくなり産業ロボットをコンパクトにすることがで
きるとともに、電動モータの出っ張りによる干渉を小さ
くすることができ、よって、ロボットの作業動作範囲を
広くすることができる。さらに、減速装置としてみた場
合でも、入力歯車部が自由端となっているため複数の出
力歯車との噛み合いの荷重バランスが良好となり、その
結果、複数のクランク軸支持用軸受に均等に負荷が作用
し、減速装置の寿命の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための産業ロボットの関節装
置の全体概略説明図である。

【図２】図１の減速装置の一部断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図４】本発明および比較例の性能を説明する図であ
る。

【図５】図４に係る実験例の全体構成図である。

【図６】実施例の要部断面図である。

【図７】図６のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【符号の説明】 １ 電動モータ ３、４０ 減速装置 ５ 第１部材 １２ 第２部材 ２０ 前段減速機 ２１ 後段減速機 ２８ 内歯歯車 ２９ 外歯歯車 ３０ クランク軸

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】削除

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】削除

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】削除

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】削除

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】削除

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】削除

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットの第１部材と、第１部材に回動
   自在に支持されたロボットの第２部材と、第１部材に一
   体的に取り付けられた電動モータの回転を減速して第２
   部材に伝達する歯車減速装置と、を備えた産業ロボット
   の関節装置において、前記歯車減速装置が、前記電動モ
   ータの回転数を減速する前段減速機と、前段減速機の出
   力の回転数をさらに減速する後段の遊星歯車減速機と、
   から構成され、前記電動モータが前記電動モータ、歯車
   減速装置及び第２部材を含んで構成される駆動系のねじ
   り発振周波数に対応する回転数を通常制御域内に有し、
   前記前段減速機が、前記電動モータの通常制御域におけ
   る毎秒最高回転数を前記ねじり発振周波数以下になるよ
   うに減速する、減速比を有し、前記遊星歯車減速機が、
   前記前段減速機の出力が入力される偏心入力軸、偏心入
   力軸の回転により偏心揺動させられる外歯歯車、外歯歯
   車と噛み合い外歯歯車の歯数より一つ多い歯数を有する
   内歯歯車および外歯歯車に係合するキャリアを有するこ
   とを特徴とする産業ロボットの関節装置。