JPS6322289A - 産業ロボツトの関節駆動装置 - 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） 本発明は産業ロボットの関節駆動装置、特にロボット駆
動系の共振振動の発生を防止するものに関する。

（従来の技術とその問題点） 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。

しかしながら、従来の調和歯車装置（商品名：ハーモニ
ックドライブ）や遊星歯車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とがねじり共
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が一般に数ヘルツ（ｌｌｚ）と低くなり、したが
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。

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、
したがって、充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
。さらに、これらのものは、複雑になり、部品数も多く
なるという問題点がる。

また、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する
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出ピンの軸
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、加工コストが高くなる
という問題点がある。

（発明の目的） そこで、本発明は、その構造が簡単で共振の生じない、
あるいは共振のレベルの低い産業ロボットの関節駆動装
置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置は、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部材に伝達する遊星歯車
減速機と、を備え、前記遊星歯車減速機が円周方向にほ
ぼ等角度に配置された複数の偏心軸を第１ベアリングを
介して支持したフランジ、前記各偏心軸と第２ベアリン
グを介して係合しその回転により偏心揺動させられる外
歯歯車および外歯歯車と噛み合い外歯歯車の歯数より１
つ多い歯数の内歯歯車を有する産業ロボットの関節駆動
装置において、前記第１ベアリングの外径と前記第２ベ
アリングの外径とを互に等しくするとともに、前記複数
の第１ベアリングの軸心の相対位置関係が前記複数の第
２ベアリングの軸心の相対位置関係と同じであることを
特徴としている。

ここに、複数の軸心の相対位置とは、各軸心を結んで形
成される多角形の軸心間の距離および軸心間を結ぶ線の
なす角度のことをいい、これらの２つの関係が同じとは
、それぞれの軸心間の距離と角度が互いに同じ関係にあ
ること、すなわち合同関係にあることをいう。

（作用） 本発明の産業ロボットの関節駆動装置は前記遊星歯車減
速機が前記第１ベアリングの外径と前記第２ベアリング
の外径とを互いに等しくするとともに、前記複数の第１
ベアリングの軸心の相対位置関係が前記複数の第２ベア
リングの軸心の相対位置関係と同じであるので、加工時
に、第１ベアリングを介して支持するフランジと第２ベ
アリングを介して係合する外歯歯車とを重ね合わせて固
定し、−度に孔あけ加工ができる。このために、これら
の第１および第２ベアリングの軸心が−敗し、さらにこ
れらに軸支される各偏心軸は電動モータの回転を減速す
る際、滑らかに回転し、トルク変動を発生しないし、共
振現象の発生がない。

（実施例） 以下、本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置を図面
に基づいて説明する。第１図ないし第４図は本発明の第
１実施例を示す図である。

まず、構成について説明する。第１図は本発明に係る産
業ロボットの関節駆動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
ｌ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はロボットの第１部材としての第１アーム５の
先端部５ａに一体的に取り付けられている。電動モータ
１の出力の回転軸７は減速装置３の入力回転軸８　（第
２図）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を貫通してロボットの第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、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１
２に接続された負荷は駆動系を構成する。

減速装置３は第２図および第３図に示すように、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
。電動モータ１の回転軸７の先端部７ａは前段減速機２
０の人力軸８と一体的に形成され、入力軸８にはピニオ
ン２２が図示していないキーにより係止されている。ビ
ニオン２２には３個の平歯歯車２５がそれぞれ噛み合い
、ビニオン２２を中心に円周方向にほぼ等角度に配置さ
れている。平歯歯車２５の歯数はピニオン２２の歯数よ
り多く、前段減速機２０の所定の前段減速比を得るよう
定められている。３個の平歯車２５は、後述する後段減
速機２０の入力軸としての偏心軸３ｏに軸支されている
。

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２
９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を用いたビン歯車であ
り、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は円板状のフランジであり、フランジ３３は
遊星歯車減速機２１の前端部を構成している。３５はブ
ロック体であり、ブロック体３５の後部に形成されたフ
ランジ３５ａは遊星歯車減速機２１の後端部を構成して
いる。ブロック体３５のフランジ３５ａとフランジ３３
とは円周方向にほぼ等角度に配置された３個の偏心軸３
０を第１ベアリング３４（円筒ころ軸受）を介して軸支
している。偏心軸３ｏの中央には１８０°の位相差を持
つ一対のクランク部４２を有し、各クランク部４２はそ
れぞれ３個の第２ベアリング４３に一ドル軸受）を介し
て一対の外歯歯車２９を偏心揺動させるようにしている
。

ここに、第１ベアリング３４の外径り、４と第２ベアリ
ング４３の外径Ｄ４３とは実質的に等しくするよう、す
なわちフランジ３３．３５ａの第１ベアリング・装着孔
４５ａの径と外歯歯車２９．２９の第２ベアリング装着
孔４５ｂの径とは等しくするよう、形成されるとともに
、３個の第１ベアリング３４の軸心０３４１〜，４．の
相対位置関係は３個の第２ベアリング４３の軸心Ｃ４：
ｌ　Ｂ　−４２（の相対位置関係と同じである。

このように、これらの軸心の相対位置関係を同じにする
には、第４１ベアリング３４に係合するフランジ３３お
よび３５ａ並びに第２ベアリング４３に係合する一対の
外歯歯車を治具等で重ね合わせて固定し、第１および第
２ベアリングの外径に対応する孔４５ａ、４５ｂを一度
に孔あけ加工をすることにより容易に実施できる。孔あ
け加工時に加工誤差の発生等により目標とする加工位置
から僅かなずれが起っても、フランジ３３および３５ａ
並びに外歯歯車のそれぞれの３個の各ヘアリングの軸心
の相対位置関係は同じとなる。

また、前述したフランジ３３と、ブロック体３５とは支
持体４４を構成する。フランジ３３、ブロック体３５お
よび軸ｌＯのフランジ部１０ａは３個のボルト４６およ
び固定ナンド４７により同時に一体的に固定されている
。

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のビニオン２２に伝達され、前段減速機
２０で減速される。前段滅蓮機２０の出力は平歯車２５
により遊星歯車減速機２１の偏心軸３０に入力される。

次いで、偏心軸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２
９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
第２アーム１２が回動される。

本実施例においては、電動モータ１の通常制御回転数は
Ｏ〜１１００ｒｐ、前段減速機２０の減速比ｉ。

は１／３、遊星歯車減速機２１の減速比１２は１／４０
、減速装置３の終減速比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
。

次に、作用について説明する。

本発明の産業ロボットの関節駆動装置は、遊星歯車減速
機２１におけるフランジ３３および３５ａの支持する第
１ベアリング３４の外径Ｄ１４と外歯歯車２９に係合す
る第２ベアリング４３の外径Ｄｎ３とが互に等しくする
とともに、３個の第１ベアリング３４の軸心Ｃ３４１〜
３４ｃの相対位置関係が３個の第２ベアリング４３の軸
心Ｃ４３□〜４１ｃの相対位置関係と同じであるので、
これらの第１および第２ベアリング３４および４３を介
して軸支されている偏心軸３０は回転が滑らかで、出力
軸のトルク変動も殆んどなく共振の発生はない。従来の
ように、第１および第２ベアリングのそれぞれの外径が
異なるために、フランジ３３および３５ａと外歯歯車の
それぞれの第１および第２ベアリングの係合する孔は別
個の加工となるために、これら第１および第２ベアリン
グ３４および４３の軸心がずれて偏心軸の回転が滑らか
でなくなり、出力軸に振動が発生するということはない
。また、第１および第２ベアリング３４および４３のそ
れぞれの軸心の相対位置関係を同じに加工するのも容易
である。

次に、前述のように、産業ロボットの減速機に発生する
振動の原因およびその低減を数学モデルにより理論解析
したのでその結果につき説明する。

このモデルでは減速機の軸受部、歯のかみ合い部を総て
バネで置き換えて減速機の振動をモデル化し、各部材に
作用する力と静的な力との釣り合い式を算出し、各部の
加工誤差および組立誤差をパラメータとして起振力を出
力軸のねじり角値（加工等による寸法誤差分によって生
じるねじり角量を言う）、すなわち振動として数値計算
した。

第４図に示す遊星歯減速機２１の外歯歯車２９において
、点０は外歯歯車２９の外歯２９ａの中心である。

点Ｏ′は第２ベアリング４３の３個の軸心Ｃ４３□〜４
１ｃの中心であるとともに前述のベアリングの外径に対
応する３個の孔４５ｂの中心（黒点にて示している）の
中心である。孔あけ加工の加工誤差により点Ｏと点０′
との関係に差異があると、出力軸に加工誤差に対応した
ねじれ角（単位、角度の分）が生じ、振動が発生する。

次表に、数学モデルによる理論解析結果の代表例Ａ−Ｄ
を示す。表中の黒点は第４図に対応し、矢印−は、孔あ
け加工時に、５μの加工誤差が矢印方向の矢先の位置に
あることを示し、黒点は孔４５ｂの目標とする加工位置
、すなわちベアリングの軸心を示す。

次表の１ｌｈＡは、前述の第１実施例の場合で、点０と
点Ｏ′が一致し、出力軸のねじれ角の平均が零、すなわ
ち振動の発生はない。また、ＴｈＢ−Ｄはそれぞれ、矢
印に示す加工誤差がある場合であり、ともに出力軸に加
工誤差に対応したねじれ角が発生し第２アームの先端に
振動が発生する。すなわち、減速機の原因による振動の
発生を減少または防止する一つは、前述の加工誤差を極
力小。

くすることである。

（本頁、以下余白） さ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　表−矢印は５μの加工誤差が矢印方向の矢先
にあることを示す。

・黒点は孔４５の目標とする加工位置すなわちベアリン
グの軸心を示す。

（）内の数値は加工誤差分に対応したねじれ角の最大と
最小（最大と最小は偏心軸３０の所定回転位置において
生じる）の平均値を示す。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

第５図は本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置の第
２実施例を示す図である。第５図に示す第２実施例にお
いては、減速装置５０が遊星歯車減速機５１のみで電動
モータ１の回転を減速して第２部材に伝達する場合であ
る。また、遊星歯車減速機５１の入力回転軸８は遊星歯
車減速機５１の一対の外歯歯車２９の中央部に設けられ
電動モータ７側に突出して、電動モータ７の先端部７ａ
と一体的に固定されている。入力回転軸８の外側には入
力クランク軸５３が図示していないキーにより固定され
ている。クランク軸５３には、角度１８０°位相をずら
してクランク部５３ａが設けられ、ベアリング５４を介
して外歯歯車２９を軸支している。クランク軸５３の回
転により外歯歯車２９が偏心揺動させられ、公転しなが
らゆっくり自転運動を行い支持体４４から軸１０に伝達
され、第２アーム１２が回動される。

前述以外は第１実施例と同じであり、同じ符号をつけて
説明を省略する。

（効果） 以上説明したように、本発明によれば、減速装置の構造
は簡単で、共振の発生もなく、あるいは共振のレベルを
大幅に低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置
の第１実施例を示す図であり、第１図はその応用例を示
す全体概略図、第２図はその断面図、第３図は第２図の
ｎｒ−ｍ矢視断面図、第４図はその振動の理論解析を説
明するための図、第５図は本発明に係る産業ロボットの
関節駆動装置の第２実施例を示すその断面図である。 １・・・・・・電動モータ、 ２・・・・・・フランジ、 ３・・・・・・減速装置、 ４・・・・・・筒体、 ５・・・・・・第１７−ム（第１部材）、５ａ・・・・
・・先端部、 ６・・・・・・ねじ、 ７・・・・・・回転軸、 ８・・・・・・入力回転軸（減速装置）１０・・・・・
・軸、 １０ａ・・・・・・フランジ部、 １１・・・・・・円筒体、 １２・・・・・・第２アーム（第２部材）、１３・・・
・・・筒状体、 １６〜１８・・・・・・ヘアリング、 ２０・・・・・・前段減速機（平行軸型減速機）、２１
・・・・・・後段減速機（遊星歯車減速機）、２２・・
・・・・ピニオン、 ２５．３０・・・・・・偏心軸、 ２８・・・・・・内歯歯車、 ２９・・・・・・外歯歯車、 ３１・・・・・・ピン歯、 ３３．３５ａ・・・・・・フランジ、 ３４・・・・・・第１ベアリング、 ３５・・・・・・ブロック体、 ４２・・・・・・クランク部、 ４３・・・・・・第２ヘアリング、 ４４・・・・・・支持体、 ４５　ａ　、４５　ｂ、、、　、、、孔、４６・・・・
・・ボルト、 ４７・・・用固定ナンド、 ５０・・・・・・減速装置、 ５１・・・・・・遊星歯車減速機、 ５３・・・・・・入力クランク軸、 ５４・・・・・・ベアリング、 Ｄ３４・・・・・・第１ベアリング３４の外径、Ｄ４．
・・・・・・第２ベアリング４３の外径Ｃ３４ｓ　〜ｆ
ｆ１４ｃ　％　Ｃ４３ａ　〜Ｃ４！ｃ　”””軸心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   る遊星歯車減速機と、を備え、前記遊星歯車減速機が円
   周方向にほぼ等角度に配置された複数の偏心軸を第１ベ
   アリングを介して支持したフランジ、前記各偏心軸と第
   ２ベアリングを介して係合しその回転により偏心揺動さ
   せられる外歯歯車および外歯歯車と噛み合い外歯歯車の
   歯数より１つ多い歯数の内歯歯車を有する産業ロボット
   の関節駆動装置において、前記第１ベアリングの外径と
   前記第２ベアリングの外径とを互に等しくするとともに
   、前記複数の第１ベアリングの軸心の相対位置関係が前
   記複数の第２ベアリングの軸心の相対位置関係と同じで
   あることを特徴とする産業ロボットの関節駆動装置。