JPH10586A6

JPH10586A6 - 産業ロボットの関節装置

Info

Publication number: JPH10586A6
Application number: JP1997039764A
Authority: JP
Inventors: 和幸松本; 正孝橋本; 満善岩田
Original assignee: 帝人製機株式会社
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2017-02-10

Abstract

【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。
【選択図】図２

Description

【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５８−２１１８８１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５９−１１５１８９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１／２００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４，３４８，９１８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１／１２０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１／１２０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、１〜１０００ｒｐｍ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。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５２ａ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２５０ｒｐｍ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。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、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。３３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（０〜１０００ｒｐｍ）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、６２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６５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３５と円板部３３とは円周上に等配された３つのボルト４６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７４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６７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８３ａ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、２９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ｆ₀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１／６０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（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ｉ₁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

【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】
【請求項１】第１部材と、第１部材に取り付けられ、電動モータの回転を減速する減速装置と、減速装置の出力部材に結合された第２部材とを備えた産業ロボットの関節装置において、
Ａ．前記減速装置が（１）前記電動モータの回転を減速する前段減速機と、（２）前段減速機の出力回転を減速する後段減速機と、を有し、
Ｂ．前記前段減速機が（１）前記電動モータの回転軸線と同一軸線上で、電動モータの出力回転軸に結合された入力歯車と（２）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、前記電動モータの回転軸線と平行な回転軸線を有するクランク軸と、（２）各クランク軸に係合してして偏心揺動させられる外歯歯車、（３）外歯歯車に噛み合う内歯歯車を有すると共に前記電動モータの回転軸線とほぼ直交する、前記第１部材への取付面を有する筒体と、（４）各クランク軸を回転自在に支持するとともに、前記電動モータの回転軸線とほぼ直交する端面を有し、外歯歯車の公転運動を被駆動部に伝達する出力部材としての支持体と、を有する偏心揺動型遊星歯車装置からなり、
Ｄ．前記電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型遊星歯車装置の支持体の回転軸線とを同一軸線上に配し、
Ｅ．前記第１部材の延在する方向に対して前記支持体の回転軸線がほぼ直角になるように、前記筒体の前記取付面を第１部材の一端部に取り付け、
Ｆ．前記支持体の回転軸線に対して前記第２部材の延在する方向がほぼ直角になるように、第２部材の一端部を前記支持体の前記端面に取り付けたことを特徴とする産業ロボットの関節装置。
【請求項２】前記入力歯車および出力歯車を前記外歯歯車よりも反電動モータ側に配置し、電動モータの回転数を前記外歯歯車に設けた貫通孔を通して前記入力歯車に伝達し、前記支持体の前記端面を入力歯車および出力歯車よりも反電動モータ側に設けたことを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
【請求項３】前記筒体の反電動モータ側端面を筒体の前記取付面となし、前記支持体の前記端面が筒体の前記取付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請求項２記載の産業ロボットの関節装置。
【請求項４】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請求項１または２記載の産業ロボットの関節装置。
【請求項５】前記前段減速機の減速比を１／２〜１／５、前記後段減速機の減速比を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請求項４記載の産業ロボットの関節装置。
【請求項６】前記前段減速機の減速比に前記電動モータの通常制御回転数領域における毎秒当たりの最高回転数と前記クランク軸の一回転当たりにおける前記後段減速機の実質トルク変動数とを乗じた値が電動モータ、減速装置および第２部材を含んで構成される駆動系の固有ねじり振動数より小さくなるように、前段減速機の減速比が設定されていることを特徴とする請求項５記載の産業ロボットの関節装置。
【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５９−１０６７４４号公報に開示されているような偏心揺動型遊星歯車減速装置がある。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、歯切の加工誤差など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。特に、第２アームが電動モータの出力回転軸の延長方向に対して直角方向に延在している産業ロボットの関節装置においては、電動モータの回転時、第２アームの先端部が電動モータの出力回転軸線で中心に振れ回るので、その振れ回りによる振動が起因し、ロボットによる作業のうち容接作業のように正確な作業軌跡を要する作業には問題となっていた。
【０００５】
このような問題点に対し、特開昭５８−２１１８８１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５９−１１５１８９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、大きな共振現象の生じる時の電動モータ回数を、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時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共に、ロボットの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。したがって、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、偏心揺動型の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１／２００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、偏心揺動型遊星歯車装置に前段減速機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。したがって、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のうち請求項１記載のものは、第１部材と、第１部材に取り付けられ、電動モータの回転を減速する減速装置と、減速装置の出力部材に結合された第２部材とを備えた産業ロボットの関節装置において、前記減速機が前記電動モータの回転を減速する前段減速機と、前段減速機の出力回転を減速する後段減速機とを有し、前記前段減速機が前記電動モータの回転軸線と同一軸線上で、電動モータの出力回転軸に結合された入力歯車と、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、前記後段減速機が前記出力歯車にそれぞれ結合され、前記電動モータの回転軸線と平行な回転軸線を有するクランク軸と、各クランク軸に係合してして偏心揺動させられる外歯歯車、外歯歯車に噛み合う内歯歯車を有すると共に前記電動モータの回転軸線とほぼ直交する、前記第１部材への取付面を有する筒体と、各クランク軸を回転自在に支持するとともに、前記電動モータの回転軸線とほぼ直交する端面を有し、外歯歯車の公転運動を被駆動部に伝達する出力部材としての支持体とを有する偏心揺動型遊星歯車装置からなり、前記電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型遊星歯車装置の支持体の回転軸線とを同一軸上に配し、前記第１部材の延在する方向に対して前記支持体の回転軸線がほぼ直角になるように、前記筒体の前記取付面を第１部材の一端部に取り付け、前記支持体の回転軸線に対して前記第２部材の延在する方向がほぼ直角になるように、第２部材の一端部を前記支持体の前記端面に取り付け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、前記入力歯車および出力歯車を前記外歯歯車よりも反電動モータ側に配置し、電動モータの回転を前記外歯歯車に設けた貫通孔を通して前記入力歯車に伝達し、前記支持体の前記端面を入力歯車および出力歯車よりも反電動モータ側に設けた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、前記筒体の反電動モータ側端面を筒体の前記取付面となし、前記支持体の前記端面が筒体の前記取付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４記載の発明に係る産業ロボットの関節装置は、請求項１または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５記載の発明に係る産業ロボットの関節装置は、請求項４記載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、前記後段減速機の減速比を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。請求項６記載の発明に係る産業ロボットの関節装置は、請求項５記載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に前記電動モータの通常制御領域における毎秒当たりの最高回転数と前記クランク軸の一回転当たりにおける前記後段減速機の実質トルク変動数とを乗じた値が電動モータ、減速装置および第２部材を含んで構成される駆動系の固有振動数より小さくなるように、前段減速機の減速比が設定されていることを特徴とするものである。そして本発明によれば、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上記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（工具把持部等）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共に、ロボットの耐久性を向上させることができる。また、電動モータ、前段減速機、後段減速機の各軸線が同一軸線上に配置され、かつ、それら軸線が第１部材と第２部材の連結部で、第１、第２部材の軸線と直角になるよう構成されているので、第１、第２、第３アームといったように連続したアーム関節装置とすることができ、ロボットの作業領域を大きくすることができる。更に、電動モータから第２部材までの間に設ける伝動部材が増える構造になると、ばね要素が増えることになり、その結果、駆動系の固有ねじり振動数が低下すると考えられるのが通常であるが、本発明によれば、電動モータ、前段減速機、後段減速機の各軸線が同一軸線上に配置され、かつ、それら軸線が第１部材と第２部材の連結部で、第１、第２部材の軸線（延在方向）と直角になるよう構成されているので、電動モータから第２部材までの動力伝達経路を短くでき、ばね定数が大きく低下することもない。その結果、駆動系の固有ねじり振動数が大きく低下することもなく、上述した大きな共振の生じる時の電動モータ回転数をシフトさせるための前段減速装置の減速比は平行軸型歯車装置で得られる程度の大きさでよいことになる。つまり、本発明によれば、構造が簡単な平行軸型歯車装置で得られる減速比により、電動モータの通常制御回転数領域が広くても共振が生じる時の電動モータ回転数をその領域から外すことができる。
【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の一端部（先端部）５ａに固定されている。電動モータ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の一端部の筒状体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、第２アーム１２は第１アーム５に回動自在に支持されている。突出体１５の内周面と円筒体１１の中央部の外周面との間には一対のベアリング１７が介装されている。円筒体１１の上部および下部の内面と軸１０との間にはそれぞれ一対のベアリング１８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入力クランク軸３０と、を有する偏心揺動型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は通常の平行軸型歯車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の通常制御回転数領域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数である１を乗じた値に相当する）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）より小さくなるよう、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１／４０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。すなわち、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、前段減速機の減速比を１／２〜１／５、後段減速機の減速比を１／２５〜１／６０の範囲内でそれぞれ設定することにより、総減速比を満足するようにし、前段減速機の減速比に電動モータの通常制御回転数領域における毎秒当たりの最高回転数とクランク軸の一回転当たりにおける後段減速機の実質トルク変動数とを乗じた値が電動モータ、減速装置および第２部材を含んで構成される駆動系の固有振動数より小さくなるように、前段減速機の減速比が設定されているのである。
【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型歯車装置を採用して１／１２０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）近づき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の通常制御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）で最大共振現象が生じ、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主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遊星歯車装置では入力軸（クランク軸３０）１回転当たりに１回（一定回数）を生じ、前記駆動系に対する加振作用をなすためと考えられる。
【００１９】
調和歯車装置（撓み噛み合い式遊星歯車装置）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、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、駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０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のときに共振が生じるのであるから、調和歯車装置に減速比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ができる。
【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の偏心揺動型遊星歯車装置は、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。また、調和歯車装置は内歯歯車が外歯歯車の歯数より２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５２ａ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からなる駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０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２５０ｒｐｍ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１５００ｒｐｍ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ｉ_１に反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減速装置２１と、から構成されている。
【００２６】
電動モータ１の出力回転軸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は電動モータの出力回転軸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。電動モータの出力回転軸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の軸径は電動モータの出力回転軸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】
偏心揺動型遊星歯車装置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。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。３３は円板部であり、円板部３３は遊星歯車減速装置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。すなわち、前段減速機は、電動モータの回転軸線と同一軸線上で、該電動モータの出力回転軸に結合された入力歯車８、２２と該入力歯車に噛み合う出力歯車２５とを有する平行軸型歯車装置からなっており、後段減速機は、各出力歯車２５にそれぞれ結合され、前記電動モータの回転軸線と平行な回転軸線を有するクランク軸３０と、各クランク軸に係合して偏心揺動させられる外歯歯車２９と、該外歯歯車に噛み合う内歯歯車２８を有すると共に、該電動モータの回転軸線とほぼ直交する、第１部材への取付面を有する筒体４と、各クランク軸を回転自在に支持するとともに、該電動モータの回転軸線とほぼ直交する端面を有し、外歯歯車の公転運動を被駆動部に伝達する出力部材としての支持体４４とを有する偏心揺動型遊星歯車装置２１からなっている。電動モータの回転軸線と前記偏心揺動型遊星歯車装置の支持体の回転軸線とは同一軸線上に配設され、第１部材の延在する方向に対して支持体の回転軸線がほぼ直角になるように、筒体の取付面が第１部材の一端部５ａに取り付けられ、支持体の回転軸線に対して第２部材の延在する方向がほぼ直角になるように、該第２部材の一端部３９が支持体の端面に取り付けられている。入力歯車２２および出力歯車２５を外歯歯車２９よりも反電動モータ側に配置し、支持体の端面は入力歯車および出力歯車よりも反電動モータに設けられている。筒体の反電動モータ側端面を筒体の取付面となし、支持体の端面は筒体の取付面より反電動モータ側に位置させている。
【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により偏心揺動型遊星歯車装置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２９のゆっくりした公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（０〜１０００ｒｐｍ、前段減速機２０の減速比ｉ_１は１／３、偏心揺動型遊星歯車装置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８．４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）を通常制御回転数領域（０〜１０００ｒｐｍ）内に有している。また、前段減速機２０は電動モータ１の通常制御回転数領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。減速装置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】
【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および偏心揺動型遊星歯車装置２１が軸方向に順次配設され、電動モータ１の出力回転軸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。遊星歯車減速装置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アイドルギヤ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のアイドルギヤ６１、６２は前段減速機２０としての平行軸型歯車装置を構成する。アイドルギヤ６１、６２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ｉ_１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６５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に連結された前段減速機としての平行軸型歯車装置２０と、この前段減速機２０に連結された後段の偏心揺動型遊星歯車装置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出力回転軸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。偏心揺動型遊星歯車装置２１は平行軸型歯車装置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は偏心揺動型遊星歯車装置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、偏心揺動型遊星歯車装置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にべアリング４１を介して軸支されている。ブロック体３５と円板部３３とは円周上に等配された３つのボルト４６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第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７４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６７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に連結された前段減速機としての平行軸型歯車装置２０とこの前段減速機２０に連結された後段の偏心揺動型遊星歯車装置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。偏心揺動型遊星歯車装置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。偏心揺動型遊星歯車装置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８３ａに一体的に固定されている。
【００３７】
電動モータ１の回転は出力回転軸７を介して平行軸型歯車装置２０のピニオン２２に伝達され、平行軸型歯車装置２０で減速される。平行軸型歯車装置２０の出力は平歯車２５により偏心揺動型遊星歯車装置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、２９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としての平行軸型歯車装置２０と平行軸型歯車装置２０に連結された後段の偏心揺動型遊星歯車装置２１とから構成されている。電動モータ１の出力回転軸７は平行軸型歯車装置２０の太陽歯車９１に連結され、太陽歯車９１に噛み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とも噛み合い遊星運動する。偏心揺動型遊星歯車装置２１の偏心入力軸としての入力クランク軸３０は電動モータの出力回転軸７の回転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に平行軸型歯車装置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の回転は出力回転軸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、後段に偏心揺動型遊星歯車装置を用いた場合においては、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駆動系の固有振動数より若干小さな値に減じる減速比であることが好ましい。例えば駆動系の固有ねじり振動数ｆ_０が５〜９Ｈｚ（ヘルツ）の場合であって、電動モータの通常制御回転数領域での最高回転数が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、後段減速比ｉ_２を１／２５〜１／６０とするのが好ましい。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、電動モータの通常制御回転数領域での最高回転数２０００ｒｐｍ、総減速比ｉが１／１１０〜１／３２０のときは、前段の最小減速比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とするのが好ましい。同様（ｆ_０＝５〜９Ｈｚ）の場合であって電動モータの通常制御回転数領域での最高回転数が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とするのが好ましい。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とするのが好ましい。同様（ｆ_０＝１０〜１５Ｈｚ）の場合であって、電動モータの通常制御回転数領域での最高回転数が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、後段減速比ｉ_２を約１／３０〜１／１００とするのが好ましい。
【００４２】
【発明の効果】
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共に、ロボットの耐久性を向上させることができる。また、電動モータ、前段減速機、後段減速機の各軸線が同一軸線上に配置され、かつ、それら軸線が第１部材と第２部材の連結部で、第１、第２部材の軸線と直角になるよう構成されているので、第１、第２、第３アームといったように連続したアーム関節装置とすることができ、ロボットの作業領域を大きくすることができる。更に、電動モータから第２部材までの間に設ける伝動部材が増える構造になると、ばね要素が増えることになり、その結果、駆動系の固有ねじり振動数が低下すると考えられるのが通常であるが、本発明によれば、電動モータ、前段減速機、後段減速機の各軸線が同一軸線上に配置され、かつ、それら軸線が第１部材と第２部材の連結部で、第１、第２部材の軸線（延在方向）と直角になるよう構成されているので、電動モータから第２部材までの動力伝達経路を短くでき、ばね常数が大きく低下することもない。その結果、駆動系の固有ねじり振動数が大きく低下することもなく、上述した大きな共振の生じる時の電動モータ回転数をシフトさせるための前段減速装置の減速比は平行軸型歯車装置で得られる程度の大きさでよいことになる。つまり、本発明によれば、構造が簡単な平行軸型歯車装置で得られる減速比により、電動モータの通常制御回転数領域が広くても共振が生じる時の電動モータ回転数をその領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アーム（第１部材）
１２、７３、８３第２アーム（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（カム軸）

Claims

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。
前記偏心入力軸が前記キャリアの円周上に複数個等配支持され、前記前段減速機が前記電動モータの出力軸に連結された入力歯車および各偏心入力軸に連結されると共に入力歯車に噛み合う出力歯車を有する平行軸減速機であることを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記電動モータ、遊星歯車減速機および前段減速機が軸方向に順次配設され、電動モータの出力軸を前記外歯歯車およびキャリアの中央にそれぞれ穿った孔に貫通させ前段減速機の入力軸に連結したことを特徴とする請求項２記載の産業ロボットの関節装置。
前記電動モータ、前段減速機および遊星歯車減速機が軸方向に順次配設され、前段減速機の入力歯車と出力歯車の間でこれらに噛み合うアイドルギヤを有することを特徴とする請求項２記載の産業ロボットの関節装置。
前記偏心入力軸が前記キャリアの軸芯上で支持され、前記前段減速機が前記電動モータの出力軸に連結された太陽歯車、太陽歯車に噛み合う遊星歯車および遊星歯車の公転を取り出して前記偏心入力軸に出力する出力アームを有することを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記内歯歯車を前記第１部材に連結し、前記キャリアを前記第２部材に連結したことを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記内歯歯車を前記第２部材に連結し、前記キャリアを前記第１部材に連結したことを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記前段減速機の減速比が前記駆動系の固有ねじり振動数と前記電動モータの前記最高回転数との比より大きいことを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記駆動系の固有ねじり振動数が５〜９ヘルツ、前記電動モータの通常制御域が０〜１０００ｒｐｍ、前記前段減速機の最小減速比が１／１．９〜１／６、前記遊星歯車減速機の減速比が１／２５〜１／６０および総減速比が１／６０〜１／３２０であることを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記駆動系の固有ねじり振動数が５〜９ヘルツ、前記電動モータの通常制御域が０〜２０００ｒｐｍ、前記前段減速機の最小減速比が１／３．７〜１／６．７、前記遊星歯車減速機の減速比が１／２５〜１／６０および総減速比が１／１１０〜１／３２０であることを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。
前記駆動系の固有ねじり振動数が５〜９ヘルツ、前記電動モータの通常制御域が０〜４０００ｒｐｍ、前記前段減速機の最小減速比が１／７．４〜１／１３．３、前記遊星歯車減速機の減速比が１／３０〜１／６０および総減速比が１／２１０〜１／６４０であることを特徴とする請求項１記載の産業ロボットの関節装置。