WO1986005470A1

WO1986005470A1 - Joint driving apparatus for industrial robots

Info

Publication number: WO1986005470A1
Application number: PCT/JP1986/000128
Authority: WO
Inventors: Kazuyuki Matsumoto; Masataka Hashimoto; Michiyoshi Iwata
Original assignee: Teijin Seiki Co., Ltd.
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1986-09-25
Also published as: EP0222018B1; DE3685478D1; EP0222018A4; US4846018A; US4928556A; EP0222018A1

Description

明細書産業ロボットの閬節駆動装置

技術分野

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。

背景技術

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、高速低トルクの電勖サ一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 ノ 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。

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、曰本国特開昭 5 9 — 1 7 5 9 8 6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）および日本国特開昭 5 9 一 1 0 6 7 4 4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 Z 80〜 1 ノ 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りの外径、重量が小さく、かつ、ほとんどの口ボットアームの閩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。したがって、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ヮット以下で回転数が 5000rpm)型のモータをロボットァームの駆動に用いる場合のように 1ノ 625程度の減速比を必要とするもの、については日本国特開昭 5 6 - 1 5 2 5 9 4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。

しかしながら、上述した各減速装置をロボッ卜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つた。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、ロボットァ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 ί 。が低くなり、したがって、歯切の加ェ誤差等に起因して振動する減速装置の振動周波数が、電動モータの低面転数域で上記固有ねじり振動数 f 。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、日本国特開昭 5 8 — 2 1 1 8 8 1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、日本国特開昭 5 9 — 1 7 5 9 8 6号公報には高張力を与えたタイミングベルトで滅速機を駆動し、該ベル卜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、日本国特開昭 5 9 — 1 1 5 1 8 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、ロボッ卜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、構造が複雑になり、部品数も多くなるという問題点がある。

そこで、本発明は、共振現象を実用域から外す共振防止構造にするとともに、その構造を簡単にしたロボッ卜の関節躯動装置を提供することを目的とする。

発明者らは、ロボットアームの閩節駆動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つた。

先ず、中立位置付近（いわゆるロストモーション位置）の回転ばね定数 Κ ώ (第 8図参照）の高い減速機をロボットアームの関節駆動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、減速機の中立位置付近の回転ばね定数 K £ 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 r の Ι Ζ ΙΟ Ι Ζ δであるため、駆動系全体のばね定数 K = K · K r / ( K & + Κ τ ) 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 。 = 1 / 2 •J 7 (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、減速機の中立位置付近のばね定数 K iを高めること、すなわち剛性を高めることによっては、驩動系の固有ねじり振動数 f 。を実用域から外すことは不可能であるとの ¾論に達し /こ o

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、トルク変動を驵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ゃ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、共振が生じる時の電勳モータ回転数は、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。

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、すなわち口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、ロボット駆勳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勤特性を実用域外に置くことができるとの仮説の下に種々の実験行った。

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。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。

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卜においては、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。

発明者らはさらに種々研究を重ねた結果、前記目的を達成するため、下記の構成を有する本発明に到達した。

発明の開示

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卜の第 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、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更に減速する後段の遊星歯車減速機と、から構成され、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、偏心入力軸と係合しその回転により偏心揺動させられる外歯歯車、外歯歯車と嚙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の両側に設けられ前記偏心入力轴を支持する一対のフランジを有する産業ロボッ卜の関節駆動装置に.おいて前記第 1部材および第 2部材のいずれかと前記一対のフランジとを外歯歯車に設けた孔から通す棒状体で結合したことを特徴とする構成を有している。

上記構成の産業ロボットの関節駆動装置では、その歯車減速装置が所定範囲の減速比を有する前段減速機と、その出力を入力し、内歯歯車と外歯歯車の歯数差が 1 で減速比が数十分の一程度を有する後段の偏心揺動型遊星歯車減速機と、を備えた構成からなり、ロボットの駆動系に組み込まれているので、駆動系の共振現象を実用域から外すことができる。

また、減速装置内の一対のフランジとロボット側とを外齒歯車に設けた孔から通す棒状体で同時に一体的に結合固定できるので、構造が簡単で組立分解が容易にできる。減速装置の内部の空間が有効に活用できるので、減速装置が小型化、軽量化できる。また、棒状体による一体的結合固定により減速機のねじり剛性が大きくなるので、大きな負荷にも耐えることができる。

図面の簡単な説明

第 1図乃至第 5図は本発明に係る産業ロボットの関節駆動装置の第 1実施例を説明する図であり、

第 1図はその全体概略説明図、

第 2図はその減速装置（ 3 ) の一部断面図、

第 3図 )は第 2図の m _a - l a 矢視断面図、

第 3図 (b)は第 3図 (a)の in _b - 1„ 矢視断面図、

第 3図 (c)は第 3図 (a)の IE _e - I _c 矢視断面図、

第 4図は本発明に係る産業ロボツ卜の関節駆動装置の実施例および比較例の性能を説明する図、

第 5図は第 4図に係る実験例の全体構成図、

第 6図は本発明の第 2実施例を示すその要部断面図、

第 7図は第 6図の W - VII矢視断面図、

第 8図は減速装置一般の回転ばね定数を示す特性図である。

第 9図は本発.明に係る産業ロボッ卜の関節駆動装置を用いた産業口ボットの全体概念図、

第 10図は第 9図の第 1関節（66 ) に用いた本発明の第 3実施例の要部断面図、

第 11図は第 9図の第 2関節（67 ) に用いた本発明の第 4実施例の要部断面図、

第 12図は本発明の第 5実施例の要部断面図である。

発明を実施するための最良の形態

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 3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口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 5 aに固定されている。電動モータ 1 の出力の回転軸 Ί 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は巧筒体 11を貫通して第 2部材としての第 2 アーム 12に囿定されている。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 5 a の下面から下方に突出する R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 ァーム 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 1 1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 1 1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躯動部すなわち第 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躯動系を構成する。

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。後段減速機 21は固定している内歯歯車 28と内歯歯車 28に嚙み合う外歯歯車 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を用いたビン歯車で構成され、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。外歯歯車 29の軸方向両側には入カクランク軸 30を支持する一対のフランジ 32が設けられている。すなわち、一対のフランジ 32は後段減速機 21の前端部を形成する円板部 33と、その後端部を形成するフランジ部 35 a とから構成されている。フランジ部 35 a は外歯歯車 29の円周上に等配して設けた貫通孔 29 eを遊挿して設けられたブロック体 35の後端部を形成し、かつ軸 10のフランジ部 10 a に接している。一対のフランジ 32は、その円周上に入力クランク軸 30を複数個（この実施例では 3個）等配支持している。また、外歯歯車 29は、第 3図 (a)に示すように、複数（この実施例では 3個）の入力クランク軸 30との係合部 29 dを有し、かつこれらの係合部 29 d.間に貫通孔 29 eを設けている。

ロボッ卜の第 1 アーム 5および第 2 アーム 12のいずれか（この実施例では第 2 アーム 12に固定された軸 10のフランジ部 10 a ) と一対のフランジ 32とは、第 3図）〜（c)に示すように、外歯歯車 29に設けた貫通孔 29 eから通す少なくとも 2本（この実施例では 2本のボルト 46および 48と 2本のピン 61および 63の 4本）の棒状体 60で結合している。すなわち、棒状体 60はプロック体 35の中に円周方向に並びそのうち一つはボルト 46であり、ボルト 46は、第 2 アーム 12に固定されたフランジ部 10 a と一対のフランジ 32とを締め付け結合している。このボルト 46の締め付けによる摩擦力は減速装置 3 の定格トルクの 150 〜200 %の過負荷に耐えるようなされている。他の 1つの小ボルト 48は、円板部 33とプロック体 35を固定するための組立固定用のものである。

また、第 1 テーパビン 61は円板部 33からプロック体 35の前端部 35 bまで設けたピン孔 62に嵌合し、円板部 33と前端部 35 b との位置決めをしている。また、第 2テーパビン 63は、円板部 33からブロック体 35のフランジ部 35 a まで設けた加工、組立の時の工具通しのための遊嵌孔 64 aに連続し、ブロック体 35からフランジ部 10 a まで設けられたピン孔 64 bに嵌合してプロフク体 35とフランジ部 10 a との位置決めをしている。これらテーパ一ビン 61および 63のせん断応力は- 減速装置 3 の定格トルクの 300 〜400 %の過負荷に耐えるようになされている。

前段減速機 20の減速比 i i と後段減速機 21の減速比 i ₂ とは電動モータ 1 の通常制御回転数の範囲内で口ボットすなわち、第 1 ァーム 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ァーム 12に接続された食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 ί 。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 , を選択する。この実施例においては、電勳モ一タ 1 の通常制御回転数が 0 〜： LOOOrp ra 、前段減速機 20の減速比 i L が 1 / 3および後段減速機 21の減速比 i ₂ は 1 ノ 40であり、減速装置 3 の全体の減速比 i は 1 Z 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 。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 , 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。

前段减速機 20の減速比 i , が 1 ノ 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 ノ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 i ₂ が 1 /60未満または前段減速機 20の減速比が 1 Z 2を超えて 1 ノ 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 。（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。

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 , 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 〜8.3r_Pm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 = 500r_Pm近辺、遊星歯車減速機 21の出力回転数は 1500rpm x 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 のトルク変勳が生じ、したがって、これに減速比 i , 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 x

( 1ノ 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振勖ノ分）にほぼ一致して共振を起こすものと考えられる。

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（ウェーブジュネレータ）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 750rp_m付近で

750 x 1 / 3 X 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 。が上記実施例と同様 8 . 4ヘルツ（500振動ノ毎分）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、調和歯車減速機に減速比 i , = 1 ノ 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 _z は最小でも 1 80程であるから、総減速比 i は最小でも 1 / 480となり、 1 〜： L OOOrpm 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 Z 120 程度）を満足できないため、実用できないことになる。

また、本発明の減速装置 3 においては、 2 つのテーパーピン 61および 63によって、一対のフランジ 32と第 2 ァーム 12に固定されたフランジ部 10 a との相対的配置を位置決めし、かつ、第 2 アーム 12側と一対のフランジ 32とは 1本のボルト 46によって同時に一体的に結合している。したがって、構造が簡単となり、組立、分解が容易となる。また、外歯歯車 29の貫通孔 29 e の径は十分に大きく取れるので、貫通孔 29 e内を遊貫するプロック体 35内のボルト孔の内径が大きくでき、ボルト 46の本数を少くできる。また、減速装置 3 とロボット側との連結が減速装置 3の内部のスペースを有効に活用したボルト 46によっているので、減速装置 3 の外側にフランジ等を設けて連結する必要がなく、小型軽量化ができる。また、棒扰体 60は、減速装置 3 とロボット側とを連結する作用をするのみでなく、減速装置 3 の駆動時に生ずるねじり剛性を支持するので、大きなねじり剛性の負荷にも耐えられる。

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。

(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齒数より 1 つ多い歯数を有するものを用いた。また、調和歯車減速機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 , 、 i z 、回転ばね定数 K , (第 8図参照）および慣性モーメント Jは次表に示してある。

(本頁、以下余白）

(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。

実験は第 5図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 51 a に減速装置 52を取付け、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一ル 53が取付けられた。フライホイール側面 53 a 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ビツクアツプ 54を取り付けた。この加速度ピックアップ 54の出力はィンジケータ 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 。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。測定結果は第 4図に示す。横軸は電動サーボモータ 51の回転数であり、縦軸は加速度ビックアツプ 54で検出された円周方向の加速度（単位： G ) を示す。

比較例 1、比較例 2および比較例 3においては、共振のビークはそれぞれ、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〜 1000r_Pm の範囲で共振が起こっている。しかしながら、本発明に係る滅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 1500rp m 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、共振時における電勤モータ 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^れる。

なお、このような実験結果から前述のように各減速機のトルク変動特性が推定され、かかる推定を用いて実験装置の固有ねじり振動数。を逆算すると、実験で用いた減速機のいずれを組込んだ場合も約 8 . 4 Hzとなる。これは、共振が駆動系の剛性が最も低い時、即ち、負荷状態が減速機のいわゆるロストモーションの範囲内にある時に生じ、その時のロストモーションばね定数 Κ £が実験で用いたいずれの減速機の場合もおおよそ等しいためと考えられる。

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第 6図、第 7図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。

第 6図、第 7図において、 40は第 1図に示した電動モータ 1 によつ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。

電動モータ 1 の回転軸 7 の先端部 7 a はテーバ軸であり、先端にねじ部 7 bを有する。ねじ部 7 bにはモータ出力铀の一部を構成する連絡軸 7 cが螺合されている。 8 は入力回転軸であり、先端部 8 aに前段減速機 20のビニォン 22が設けられると共にモータ回転軸 7 を貫通させる孔 8 bを有し、且つ孔 8 b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 7 a にナツト 23によりねじ止めされる。回転軸 7 の先端部 7 a 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 8 a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、ビニオン 22の歯数はモータ回転軸 7に歯車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。ビニォン 22に嚙み合う 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。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に嚙み合う一対の外歯歯車 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 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はビン歯 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ァリング 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 37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プロック体 35はその後端部 35 cに凹み 36を有し軸 10のフランジ部 10 a に対向している。凹み 36とフランジ部 10 a とによつ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。プロック体 35には入カクランク軸 30を円周上に等配しべァリング 41 を介して軸支している。入力クランク軸 30の延在部 30 a は凹み 36内に突出し、平歯車 25に固定されている。

入力クランク軸 30は円板部 33とプロック体 35の中央部に軸支され入カクラング軸 30の中央には 180 · 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とば支持体 44を構成する。円扳部 33、ブロック体 35およびフランジ部 10 a は複数のボルト 46および固定ナツト 47により同時に一体的に固定されている。

また、棒状体 60は前述のボル小 46、第 1 テーパーピン 61および第 2 テーバービン 63から構成され、一対のフランジ 32を第 2 フレーム 12のフランジ部 10 aに同時に一体的に結合している。前述以外の構成は第 1実施例と同じである。

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の面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と嚙み合い外歯歯車 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のゆつ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。

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 〜1000 rpn, 、前段減速機 20の減速比 i , は 1 ノ 3、遊星歯車減速機 21の減速比 i ₂ は 1 ノ40、減速装置 3 の総減速比 i は 1 ノ 120 、電動モータ 1、減速装置 3および第 2 ァーム 12を含んで構成される駆動系の固有ねじり振動数 f 。は約 8. 4ヘルツである。したがって、電動モータ 1 は産業ロボツトの駆動系の固有ねじり振動数に対応する回転数（ 8 . 4へルッに相当する500 1« ) を通常制御域（ 0 〜： L OOOrpm)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（l OOOrpm に相当する毎秒 16 . 7回転）を、躯動系の固有ねじり振動数 ί 。以下になるよう（毎秒 5 . 6 回転）に減速する減速比 i t ( 1ノ 3 ) を有している。

減速機 40の回転ばね定数 K , は約 37 . 5 kg · 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。

次に、第 9図に示す産業ロボット 65に用いた本発明に係る産業口ボットの関節駆動装置の実施例を図面を用いて説明する。

第 9図において、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 ァーム 68の先端部 68 a の 3次元的移動を可能にする。

第 10図は本発明の第 3実施例を示す図であり、前述の第 1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。

第 10図において、 70は減速装置であり、減速装置 70は、第 9図に示す産業ロボッ卜の第 1関節 66において、第 1部材としての筒状の支柱 Π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 "¾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、遊星歯車減速機 21に回転の位相を 180 度ずらした 2 つの外歯歯車（29 aおよび 29 b ) を設けている。

電動モータ 1 のフランジ 2 は、筒体 4を介して支柱 Πにボルト 4 b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に嚙み合う 3偭の平歯車 25は、後述する 3本の入力クランク軸 30の延在部 30 a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に嚙み合う一対の外歯歯車 29 a 、 29 b (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本の入カクランク軸 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 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プロック体 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とは支持体（キャリア） 44を構成し、ブロック体 35のフランジ部 35 aおよび H板部 33とからなる一対のフランジ 32と、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 73 a とは棒状体 60 (図にはボルト 46のみを示す）により同時に一体的に結合固定されている。底部 73 a と支柱 Πの上部 71 a 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 1実施例と同じであり省略する。

第 11図は本発明の第 4実施例を示す図であり、前述の第 1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。

第 1 1図において、 80は減速装置であり、減速装置 80は第 9図に示す産業ロボッ卜の第 2関節 67に用いたものである。窠 1部材としての箱型のブラケット 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 4 bを用いて固定され、電動モータ 1 の回転軸 7 は前段滅速機 20のピニオン 22に固定され、ピニオン 22 に嚙合う 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 30 a にそれぞれ固定されている。遊星歯車減速機 21の入カクランク軸 30の前端部はべァリング 41を介して板状のブ口ック体 35 c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。板状のブロック体 35 cおよび円板部 33は一対のフランジ 32を構成している。これらのフランジ 32の対向する内側部において、それぞれの R周上等配に設けられた凹部 35 dおよび 33 a間にはスリーブ 85が貫通孔 29 e に遊嵌して設けられている。スリーブ 85は一対のフランジ 32の軸方向および円周方向の位置決め作用をなすとともに、ビンの作用もなしている ; > ブロック体 35 c 、スリーブ 85および円扳部 33は支持体 44を構成し、これらは棒状体 60からなるボルト 46によりブラケット 81に結合固定されている。ブ α ック体 35 c の円周上の孔 86は円板部 33の円周上のピン孔 87の加工および組立を行うための工具通し孔である。ピン 88はピン孔 87に嵌合し、円板部 33とブラケット 81 との配置を位置決めする。遊星歯車減速機 21の内歯歯車 28は支持体 44の外周にベアリング 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 ァーム 83の端部 83 a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を介して前段減速機 20のピニォン 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の入カクランク軸 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 29 a、 29 b (以下、 29で代表する）と、この外歯歯車 29と嚙み合い外歯歯車 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のゆつくりした自転は第 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 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。

第 12図は本発明の第 5実施例を示す図であり、これは、前述の第 1実施例の構成の一部を変更したものであり、第 1実施例と同一の構成には同一の符号をつけて説明する。

第 5実施例においては、後段の遊星歯車減速機 21に 2本の入カクランク軸 30を用い、図に示されていない一対のフランジ 32およびフランジ部 10 aが外歯歯車 29の円周上に設けた長繭形状の貫通孔 29 e を通る 5本の棒状体 60によつて、同時に一体的に結合固定した場合である。 2本の第 1 ボルト 46 aおよび 46 bは一対のフランジ 32をフランジ部 10 a にねじ止め固定し、小ボルト 48は図示してない円板部 33とブロック体 35を固定するための組立固定用のものである。第 1 テーパーピン 61は、円板部 33と前端部 35 b との位置決めをし、第 2 テーパーピン 63はブロック体 35とフランジ部 10 a との位置決めをする。前述以外は第 1実施例と同じである。、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 。が 5 〜 9 Hzの場合であって、電動モータの最高回転数が 1000r _{P m}、総減速比 i が 1 ノ 60〜： L ノ 320 のときは前段の最小減速比 i i を約 9 〜約 1 6、後段の減速比 i ₂ を 1 ノ 25〜 1 ノ 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 。が 5 〜 9 Hz 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 ノ110 〜 1ノ320 のときは、前段の最小減速比 i t を約 1 /3. 7 〜約 1 /6.7 、後段減速比 i ₂ を約 1ノ 25〜約 1 /60とすることにより共振現象の起きないロボッ卜の関節装置を得る。同様（ f 。

= 5 〜 9 Hz) 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 ノ 210 〜 1 ノ640 のときは、前段の最小減速比 i ！を約 1 /7.4 〜約 1 /13.3、後段減速比 i ₂ を約 1ノ30〜約 1 ノ60とすればよい。また、駆動系の固有ねじり振動数 f 。が 10〜： L5Hzの場合であって、電動モータの最高回転数が lOOOrpm 、減速比 i が 1 ノ 80〜 1 ノ 300 のときは前段の最小減速比を 1 /1.5 〜： 1 ノ 4 後段の減速比 i _z を 1ノ 25〜 1 ノ 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 。 =10〜： L5Hz) の場合であつて、電動モ一タの最高回転数が 4000rp_m 、総減速比が 1 ノ125 〜 1 /600 のときは、前段の減速比 i , を約 1 ノ 4.5 〜約 I 10、後段の減速比 i ₂ を約 1 ノ 30〜約 1 ノ100 とすればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ロボッ卜の駆動系の共振現象を実用域から外すことができ、減速装置は構造が簡単で、小型化、軽量化でき、大きな負荷に耐えるようにできる。

産業上の利用可能性

本発明の産業ロボットの関節駆動装置は工業用、鉱業用、医療用原子力用等各種用途に用いるロボットの関節駆動、特に小型軽量で共振振動のない駆動系を有するロボツトを提供できるので、生産ェ程用、精密検査用、高信頼操作用のロボットの関節駆動装置に適用できる。

Claims

26 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部材に伝達する歯車減速装置と、を備えた産業ロボッ卜の関節駆動装置において、前記歯車減速装置（ 3 ) 力前記電動モータ（ 1 ) の回転数を減速する前段減速機

(20) と、前段減速機の出力の回転数を更に減速する後段の遊星歯車減速機（21) と、から構成され、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（30) 、偏心入力軸と係合しその回転により偏心揺動させられる外歯歯車（29、 29 a 29 b ) 、外歯歯車と嚙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（28) および外歯歯車の両側に設けられ前記偏心入力軸を支持する'一対のフランジ（32) を有し、前記第 1部材

( 5 ) および第 2部材（12) のいずれかと前記一対のフランジとを外齒歯車に設けた孔（29 e ) から通す棒状体（60) で結合したこと耷特徵とする産業ロボ 'ントの関節駆動装置。

2. 請求の範囲第 1 項記載の産業ロボッ卜の閔節躯動装置において前記偏心入力軸（30) を前記一対のフランジ（32) の円周上に複数個等配支持し、前記孔（29 e ) を前記外齒歯車（29、 29 a 、 29 b ) における前記複数の偏心入力軸との係合部間のそれぞれに設け、前記棒状体（60) を前記孔のそれぞれから少なくとも 2本通したことを特徴とする産業ロボッ卜の関節駆動装置。

3. 請求の範囲第 2項記載の産業ロボットの関節躯動装置において 27 少なくとも 2本の前記棒状体（60) を円周方向に並べ、そのうち一つはボルト（46、 46 a、 46 b、 48) であり、他の一つは位置決めピン（61、 63) であることを特徴とする産業ロボッ卜の関節駆