TWI540031B

TWI540031B - Concentric multi-axis actuator

Info

Publication number: TWI540031B
Application number: TW100124454A
Authority: TW
Inventors: Akihiro Yokoyama
Original assignee: Harmonic Drive Systems
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2016-07-01
Also published as: KR101611586B1; JPWO2012157020A1; US9057429B2; TW201247375A; WO2012157020A1; CN103534906A; DE112011105258B4; CN103534906B; US20140033840A1; DE112011105258T5; JP5694524B2; KR20140038980A

Description

同心多軸致動器

本發明係關於，可將串列配置之複數個致動器的輸出旋轉從同一側輸出之同心多軸致動器，特別是關於能從各致動器不發生面偏轉(軸向偏轉)地取出旋轉輸出、且具備充分的力矩剛性之同心多軸致動器。

產業用機器人，例如用來搬運基板等的工件之搬運用機器人，作為其旋轉驅動機構是使用同心多軸致動器。例如，在同心雙軸致動器，是將2台致動器串列連結，前段側的致動器為中空型的，後段側的致動器之旋轉輸出軸是貫穿前段側的致動器之中空部而從前段側的致動器之中空輸出軸往前方突出。可將分別連結固定於同心狀的旋轉輸出軸及中空輸出軸之機器手臂等的構件予以個別驅動。這種構造的同心多軸致動器已揭示於專利文獻1~8。又在專利文獻9揭示與本發明有關之多段十字滾子軸承。

[專利文獻1]日本特開昭63-7285號公報，第6圖

[專利文獻2]日本特許第2750771號公報，第2圖

[專利文獻3]日本特開平6-791號公報

[專利文獻4]日本特開平5-329785號公報

[專利文獻5]日本特開平5-4178號公報

[專利文獻6]日本特許第2703291號公報

[專利文獻7]美國特許第6485250號公報

[專利文獻8]美國特許第5720590號公報

[專利文獻9]WO2003/050428號文件

在同心多軸致動器，由於後段側的致動器之旋轉輸出軸貫穿前段側的致動器之中空部而往其前側突出，後段側的旋轉輸出軸之軸長變長。若軸長變長，旋轉輸出軸的同軸度降低，而使軸向偏轉(面偏轉)變大。此外，若旋轉輸出軸變長，力矩剛性也會降低。為了抑制軸向偏轉並提高力矩剛性，若追加軸承等來支承旋轉輸出軸，為了確保追加零件的設置空間，可能必須使旋轉輸出軸的軸長變得更長。

本發明的課題是有鑑於上述問題點而開發完成的，是為了提供一種可防止或抑制軸向偏轉而且能提高力矩剛性之同心多軸致動器。

為了解決上述課題，本發明的同心多軸致動器，其特徵在於，係包含：多段十字滾子軸承、以同軸狀態配置於前述多段十字滾子軸承的後側之前段致動器、以及以同軸狀態配置於前述前段致動器的後側之後段致動器；前述前段致動器，係具備沿軸線方向貫穿其中心而延伸之前段中空部；前述後段致動器，係具備貫穿前述前段中空部而往前方延伸之後段旋轉輸出軸；前述多段十字滾子軸承係具備：外環、以同心狀態配置於該外環內側之中間環、以同心狀態配置於該中間環內側之內環、形成於前述外環及前述中間環間之具有矩形截面之圓環狀的外側軌道、以可轉動自如的狀態插入該外側軌道內之複數個外側滾子、形成於前述中間環及前述內環間之具有矩形截面之圓環狀的內側軌道、以可轉動自如的狀態插入該內側軌道內之複數個內側滾子；前述中間環，是藉由前述前段致動器進行旋轉驅動之前段旋轉輸出構件；前述內環，是連結固定於前述後段旋轉輸出軸之後段旋轉輸出構件。

在此，只要使後段致動器成為中空型，可形成貫穿同心多段致動器的中心而延伸之中空部，因此可利用該中空部作為配線空間等。此外，在後段致動器的後側進一步連結致動器，讓該致動器之旋轉輸出軸透過中空部往前方突出，藉此可實現同心三軸致動器。同樣的，中空型的同心雙軸致動器，可作為同心多軸致動器之前側兩段的致動器部分來使用。

此外，作為前段致動器、後段致動器，可使用馬達和波動齒輪減速機所構成的致動器。在此情況，作為波動齒輪減速機，較佳為採用適於確保大的中空部之稱為禮帽型的波動齒輪減速機。

在此情況，本發明的同心多軸致動器可採用以下構造。亦即，前述前段致動器係具備前段馬達和前段波動齒輪減速機；前述前段波動齒輪減速機係具備：前段減速機殼體、以同軸狀態固定於該前段減速機殼體內側之前段剛性內齒齒輪、以同軸狀態配置於該前段剛性內齒齒輪內側之禮帽形狀的前段可撓性外齒齒輪、嵌入該前段可撓性外齒齒輪內側之前段波動產生器；在前述前段波動產生器形成有中心貫通孔；前述前段殼體固定於前述外環，前述前段可撓性外齒齒輪固定於前述中間環，前述前段波動產生器是固定於貫穿該前段波動產生器之前述中心貫通孔而延伸之前述前段馬達的中空馬達軸。

此外，前述後段致動器係具備後段馬達和後段波動齒輪減速機；前述後段波動齒輪減速機係具備：後段減速機殼體、以同軸狀態固定於該後段減速機殼體內側之後段剛性內齒齒輪、以同軸狀態配置於該後段剛性內齒齒輪內側之禮帽形狀的後段可撓性外齒齒輪、嵌入該後段可撓性外齒齒輪內側之後段波動產生器；在前述後段波動產生器形成有中心貫通孔，前述後段殼體是固定於前述前段馬達的馬達殼體，前述後段可撓性外齒齒輪是固定於前述後段旋轉輸出軸的後端，前述後段波動產生器是固定於貫穿該後段波動產生器之前述中心貫通孔而延伸之前述後段馬達的馬達軸。

在此，本發明所使用之多段十字滾子軸承，其特徵在於，前述內側滾子之滾子尺寸比前述外側滾子之滾子尺寸更小；前述內側滾子之滾子中心，相對於前述外側滾子之滾子中心，在沿著前述軸線的方向上位於偏置的位置。

該偏置量較佳為，前述內側軌道的軌道寬度之1/2~該內側軌道的軌道寬度和前述外側軌道的軌道寬度之加總值的1/2之範圍內的值。更佳為，偏置量是前述外側軌道的軌道寬度之1/2。

此外，前述中間環之圓形內周面至圓形外周面間的半徑方向之厚度較佳為，至少為前述外環的圓形內周面至圓形外周面間的半徑方向之厚度的2倍。

再者較佳為，前述外側軌道及前述內側軌道，在前述外環、前述中間環及前述內環中，形成於其等之一端面附近的位置。

其次，適用本發明之同心三軸致動器，係使用將外環、第1中間環、第2中間環及內環呈同心狀配置之三段十字滾子軸承。在此情況，本發明之同心多軸致動器，是在前述前段致動器和前述後段致動器間以同軸狀態配置中段致動器。前述中段致動器係具備：沿軸線方向貫穿其中心而延伸之中段中空部、以及貫穿前述前段中空部而往前方延伸之中空型的中段旋轉輸出軸。前述後段致動器的前述後段旋轉輸出軸，係貫穿前述中段中空部、前述中段旋轉輸出軸及前述前段中空部而往前方延伸。此外，前述多段十字滾子軸承，作為前述中間環係包含：第1中間環、以及呈同心狀地配置於該第1中間環內側之第2中間環，在前述第1中間環和前述第2中間環間形成具有矩形截面之圓環狀的中間軌道，在該中間軌道以能轉動自如的狀態插入複數個中間滾子。而且，前述第1中間環成為藉由前述前段致動器進行旋轉驅動之前段旋轉輸出構件，前述第2中間環成為連結固定於前述中段旋轉輸出軸之中段旋轉輸出構件。

在本發明的同心多軸致動器，是將多段十字滾子軸承、前段致動器、以及後段致動器串列連結，貫穿前段致動器之中空部而往前方突出之後段致動器之後段旋轉輸出軸的前端部，是連結固定於多段十字滾子軸承的內環，使該內環作為後段旋轉輸出構件。前段致動器之旋轉輸出側連結於多段十字滾子軸承的中間環，使該中間環作為前段旋轉輸出構件。由於藉由多段十字滾子軸承來支承各段的旋轉輸出要素，可抑制各段的旋轉輸出構件之面偏轉，而能提高其等的力矩剛性。

以下參照圖式說明適用本發明之同心多軸致動器的實施形態。

參照第1圖說明本發明的實施形態之同心雙軸致動器。同心雙軸致動器1，沿著其軸線1a，是在前端配置作為多段十字滾子軸承之兩段十字滾子軸承2，在其後側以同軸狀態連結前段致動器3，在其後側以同軸狀態連結後段致動器4。前段致動器3係具備：沿著軸線1a方向貫穿其中心而延伸之圓形截面的前段中空部5；後段致動器4係具備：以同軸狀態貫穿前段中空部5而往前方延伸之中空型的後段旋轉輸出軸6。此外，本例的後段致動器4係具備：沿著軸線1a方向貫穿其中心而延伸之圓形截面的後段中空部7。

位於同心雙軸致動器1的前端之兩段十字滾子軸承2係具備：外環11、在其內側以同心狀態配置之中間環12、在其內側以同心狀態配置之內環13。在外環11和中間環12之間，形成具有矩形截面之圓環狀的外側軌道14，在此，以中心軸線交互正交的狀態將複數個外側滾子15以能轉動自如狀態插入。同樣的，在中間環12和內環13之間形成具有矩形截面之圓環狀的內側軌道16，在此，以中心軸線交互正交的狀態將複數個內側滾子17。因此，藉由外環11、中間環12、外側軌道14及外側滾子15來構成外側十字滾子軸承，藉由中間環12、內環13、內側軌道16及內側滾子17來構成內側十字滾子軸承。

兩段十字滾子軸承的中間環12，是作為藉由前段致動器3進行旋轉驅動之前段旋轉輸出構件，內環13是作為藉由後段旋轉輸出軸6進行旋轉驅動之後段旋轉輸出構件。此外，藉由內環13之中心貫通孔、後段旋轉輸出軸6的中空部、以及後段中空部7，在同心雙軸致動器1形成沿著軸線1a方向貫穿而延伸之中空部。

接著具體說明各部分的構造。前段致動器3係具備：前段馬達31、將該前段馬達31的輸出旋轉減速後傳遞至外環11之前段波動齒輪減速機32。前段波動齒輪減速機32係具備：連結於前段致動器3之馬達殼體43的前端側之筒狀的前段減速機殼體34，在其內周側的部位，以同軸狀態鎖緊固定著前段剛性內齒齒輪35。在其內側以同軸狀態配置禮帽形狀的前段可撓性外齒齒輪36，在其內側以同軸狀態嵌入前段波動產生器37。

前段可撓性外齒齒輪36係具備：可朝半徑方向彎曲之圓筒狀胴部36a、從該圓筒狀胴部36a之兩段十字滾子軸承2側的一端朝半徑方向外方擴大之隔膜36b、以及形成於其外周緣之剛性的圓環狀的凸座36c。在圓筒狀胴部36a之相反側的開口端之外周面部分形成有外齒36d，在形成有外齒36d之圓筒狀胴部36a的內側嵌入橢圓形輪廓的前段波動產生器37，如此，使位於變形成橢圓形之外齒形成部分的長軸方向之兩端部分的外齒36d部分，嚙合於前段剛性內齒齒輪35之內齒35d部分。

在此，將兩段十字滾子軸承2的外環11鎖緊固定於前段減速機殼體34的前端面。前段可撓性外齒齒輪36之圓環狀的凸座36c，是鎖緊固定於兩段十字滾子軸承2之中間環12的圓環狀端面。前段波動產生器37係具備中心貫通孔37a，前段馬達31之中空馬達軸31a是貫穿該中心貫通孔37a而往前方延伸。將前段波動產生器37鎖緊固定於中空馬達軸31a的外周。因此，藉由被前段馬達31之中空馬達軸31a高速旋轉之前段波動產生器37，使兩齒輪35、36的嚙合位置沿著周方向移動，藉此在兩齒輪35、36之間產生起因於兩齒輪的齒數差之相對旋轉。由於前段剛性內齒齒輪35被固定成無法旋轉，可從前段可撓性外齒齒輪36取出大幅減速之減速旋轉，而從與其連結之中間環12輸出。

此外，後段致動器4係具備：後段馬達41、將該後段馬達41的輸出旋轉減速後透過後段旋轉輸出軸6而傳遞至內環13之後段波動齒輪減速機42。後段波動齒輪減速機42係具備：用來形成後段致動器4之馬達殼體43的前端側部分之筒狀的後段減速機殼體44，在其內周側的部位，以同軸狀態鎖緊固定著後段剛性內齒齒輪45。在其內側，以同軸狀態配置禮帽形狀的後段可撓性外齒齒輪46，在其內側以同軸狀態嵌入後段波動產生器47。

後段可撓性外齒齒輪46，係具有與前段可撓性外齒齒輪36相同的構造，亦即具備：可朝半徑方向彎曲之圓筒狀胴部46a、從該圓筒狀胴部46a之前段致動器3側的一端朝半徑方向外方擴大之隔膜46b、以及形成於其外周緣之剛性的圓環狀的凸座46c。在圓筒狀胴部46a之相反側的開口端之外周面部分形成有外齒46d，在形成有外齒46d之圓筒狀胴部46a的內側嵌入橢圓形輪廓之後段波動產生器47，藉此，使位於變形成橢圓形之外齒形成部分的長軸方向之兩端部分的外齒46d部分，嚙合於後段剛性內齒齒輪45的內齒45d部分。

在此，後段減速機殼體44之前端面是鎖緊固定於前段致動器3的筒狀殼體33之後端面。在該等鎖緊固定部分的內側，配置具備中心貫通孔48a之連結用圓盤48。在連結用圓盤48的中心側部分形成有往前方突出之圓環狀凸緣48b，在其前端部鎖緊固定著：從前段致動器3之筒狀殼體33的後側端板部分33a之中心貫通孔往後方突出之後段旋轉輸出軸6的後端部。此外，連結用圓盤48，是透過滾珠軸承49而藉由筒狀殼體33之後側端板部分33a以可旋轉自如的狀態予以支承。再者，在連結用圓盤48之後端側的端面，鎖緊固定著後段可撓性外齒齒輪46之圓環狀的凸座46c。

此外，後段波動產生器47係具備中心貫通孔47a，後段馬達41之中空馬達軸41a是貫穿該中心貫通孔47a而往前方延伸。在該中空馬達軸41a的外周鎖緊固定著後段波動產生器47。因此，藉由被後段馬達41之中空馬達軸41a高速旋轉之後段波動產生器47，使兩齒輪45、46的嚙合位置沿著周方向移動，藉此，在兩齒輪45、46之間產生起因於兩齒輪的齒數差之相對旋轉。由於後段剛性內齒齒輪45被固定成無法旋轉，可從後段可撓性外齒齒輪46取出大幅減速後的減速旋轉，透過與其連結之連結用圓盤48及後段旋轉輸出軸6而從兩段十字滾子軸承2的內環13輸出。

另一方面，在將十字滾子軸承呈同心狀地多段配置之多段十字滾子軸承，作為外側的十字滾子軸承之內環及內側的十字滾子軸承之外環而發揮作用之中間環會產生預壓變形，因此要確保內側及外側的十字滾子軸承之平順旋轉變得困難。然而，本例的兩段十字滾子軸承2由於採用以下所述的構造，因此能解決像這樣的問題。

參照第2圖做說明，在兩段十字滾子軸承2，內側十字滾子軸承部分的滾子尺寸、亦即內側滾子17的尺寸，是比外側十字滾子軸承部分的滾子尺寸、亦即外側滾子15的尺寸更小。此外，內側滾子17的滾子中心L2，相對於外側滾子15的滾子中心L1，在沿著軸線1a方向上位於偏置的位置。

如此般，在兩段十字滾子軸承2，由於小徑的內側十字滾子軸承部分之滾子尺寸小，大徑的外側十字滾子軸承部分之滾子尺寸大，在兩段十字滾子軸承2的組裝狀態下，可謀求從內側及外側作用於中間環12之預壓應力的均衡化。此外，外側十字滾子軸承的滾子中心L1和內側十字滾子軸承的滾子中心L2，由於在軸線1a方向上位於偏置的位置，相較於將其等在半徑方向上配置於同一平面上的情況，可減少中間環12所產生之預壓變形。結果，可抑制兩段十字滾子軸承2組裝狀態下之中間環12的預壓變形，而能確保各十字滾子軸承部分之平順旋轉。

在此，內側滾子17之滾子中心L2相對於外側滾子15的滾子中心L1的偏置量Δ較佳為，內側軌道16之軌道寬度w(16)的1/2~該軌道寬度w(16)與外側軌道14的軌道寬度w(14)之加總值的1/2之範圍內的值。若偏置量比該範圍內的值更少，無法充分抑制中間環的預壓變形，因此可能無法確保十字滾子軸承之平順旋轉。此外，即使偏置量比該範圍內的值更多，藉由實施偏置無法進一步增大中間環的預壓變形抑制效果，且會使兩段十字滾子軸承之中心軸線方向的寬度尺寸變大，就兩段十字滾子軸承之扁平化而言是並不理想。

w(16)/2<Δ<{w(16)+w(14)}/2

在本例中，為了有效地抑制中間環12之預壓變形並使兩段十字滾子軸承2扁平化，偏置量Δ設定成外側軌道14之軌道寬度w(14)的1/2，且相對於滾子中心L1，滾子中心L2是偏置於圓環狀端面12a側。

此外，在本例，為了確實地防止中間環12的預壓變形，該中間環12之圓形內周面12d至圓形外周面12e間的半徑方向厚度t(12)，是設定成外環11之圓形內周面11d至圓形外周面11e間的半徑方向厚度t(11)的2倍以上。

再者，在本例，外環11、中間環12及內環13之內側的圓環狀端面是大致位於同一面上，外側軌道14是位於外環11、中間環12之內側端面附近，內側軌道16也是位於中間環12及內環13之內側端面附近。而且，在中間環12及內環13之內側的端面形成滾子插入用的插入孔12f、13f，藉由栓18、19將插入孔12f、13f封閉。如此般，讓外側軌道14、內側軌道16，在軸承中心軸線1a的方向上，偏置於滾子插入側的端面附近。因此，可提昇兩段十字滾子軸承2之組裝性。

(其他實施形態)

上述例子是將本發明運用於同心雙軸致動器，但本發明同樣地也適用於：將致動器以三段以上串列連結而從同一側將各段的旋轉輸出之同心多軸致動器。例如第3圖所示般，在同心三軸致動器的情況，只要將三段十字滾子軸承配置於前端，並在其後側將前段致動器、中段致動器及後段致動器以同軸狀態連結即可。

參照第3圖做說明，同心三軸致動器51係具備：三段十字滾子軸承52、以同軸狀態配置於三段十字滾子軸承52的後側之前段致動器53、以同軸狀態配置於前段致動器53的後側之中段致動器54、及以同軸狀態配置於中段致動器54的後側之後段致動器55。前段致動器53係具備：沿著軸線51a方向貫穿其中心而延伸之前段中空部56。中段致動器54也具備：沿軸線51a方向貫穿其中心而延伸之中段中空部57，該中段致動器54係具備：貫穿前段中空部56而往前方延伸之中空型的中段旋轉輸出軸58。後段致動器55係具備後段旋轉輸出軸59，該後段旋轉輸出軸59是貫穿中段中空部57及中段旋轉輸出軸58的中空部而往前方延伸。

三段十字滾子軸承52係具備：外環61、在其內側以同心狀態配置之第1中間環62、在其內側以同心狀態配置之第2中間環63、以及在其內側以同心狀態配置之內環64。此外，在外環61和第1中間環62之間形成具有矩形截面之圓環狀的外側軌道65，在該外側軌道65內，以能轉動自如的狀態且中心軸線交互正交狀態插入複數個外側滾子66。在第1、第2中間環62、63之間，也形成具有矩形截面之圓環狀的中間軌道67，在此，以能轉動自如的狀態且中心軸線交互正交的狀態插入複數個中間滾子68。同樣的，在第2中間環63和內環64之間形成具有矩形截面之圓環狀的內側軌道69，在此，以能轉動自如的狀態且中心軸線交互正交的狀態插入複數個內側滾子70。

第1中間環62，是藉由前段致動器53進行旋轉驅動之前段旋轉輸出構件；第2中間環63，是連結固定於中段旋轉輸出軸58之中段旋轉輸出構件；內環64，是連結固定於後段旋轉輸出軸59之後段旋轉輸出構件。

又前段致動器53可使用與第1圖的前段致動器3具有同樣構造者，中段致動器54可使用與第1圖的後段致動器4具有同樣構造者。此外，後段致動器55可使用，讓第1圖的後段致動器4之馬達軸41a成為實心軸，且省略後段中空部7的構造者。

另一方面，後段致動器55是使用與第1圖的後段致動器4同樣的中空型者，且使後段旋轉輸出軸59成為中空軸亦可。如此，由於形成有貫穿同心三軸致動器51的中心之中空部，可利用該中心部來作為配線配置部分等。

1．．．同心雙軸致動器

1a．．．軸線

2．．．兩段十字滾子軸承

3．．．前段致動器

4．．．後段致動器

5．．．中空部

6．．．後段旋轉輸出軸

7．．．後段中空部

11．．．外環

11d．．．圓形內周面

11e．．．圓形外周面

12．．．中間環

12d．．．圓形內周面

12e．．．圓形外周面

12f、13f．．．插入孔

13．．．內環

14．．．外側軌道

15．．．外側滾子

16．．．內側軌道

17．．．內側滾子

18、19．．．栓

31．．．前段馬達

31a．．．中空馬達軸

32．．．前段波動齒輪減速機

33．．．筒狀殼體

33a．．．後側端板部分

34．．．前段減速機殼體

35．．．前段剛性內齒齒輪

35d．．．內齒

36．．．前段可撓性外齒齒輪

36a．．．圓筒狀胴部

36b．．．隔膜

36c．．．凸座

36d．．．外齒

37．．．前段波動產生器

37a．．．中心貫通孔

41．．．後段馬達

41a．．．中空馬達軸

42．．．後段波動齒輪減速機

43．．．馬達殼體

44．．．後段減速機殼體

45後段剛性內齒齒輪

45d．．．內齒

46．．．後段可撓性外齒齒輪

46a．．．圓筒狀眮部

46b．．．隔膜

46c．．．凸座

46d．．．外齒

47．．．後段波動產生器

47a．．．中心貫通孔

48．．．連結用圓盤

48a．．．中心貫通孔

48b．．．圓環狀凸緣

49．．．滾珠軸承

51．．．同心三軸致動器

51a．．．軸線

52．．．三段十字滾子軸承

53．．．前段致動器

54．．．中段致動器

55．．．後段致動器

56．．．前段中空部

57．．．中段中空部

58．．．中段旋轉輸出軸

59．．．後段旋轉輸出軸

61．．．外環

62．．．第1中間環

63．．．第2中間環

64．．．內環

65．．．外側軌道

66．．．外側滾子

67．．．中間軌道

68．．．中間滾子

69．．．內側軌道

70．．．內側滾子

L1．．．外側滾子的滾子中心

L2．．．內側滾子的滾子中心

第1圖係顯示運用本發明的同心雙軸致動器之縱截面圖。

第2(a)(b)圖係顯示第1圖的兩段十字滾子軸承之端面圖及縱截面圖。

第3圖係顯示運用本發明的同心三軸致動器之說明圖。