JP2004299000A - 産業用ロボットの関節駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い減速比を製造が容易な減速比で実現し、サーボモータの高い回転速度領域においても共振の発生を回避すると共に、長期に亘ってバックラッシを小さく維持することのできる産業用ロボットの関節駆動装置を得る。
【解決手段】減速機Ｇ１は、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部１００と、同じく内接噛合遊星歯車構造の後段減速部２００と、の２段の減速部を有する。前段ケーシング１０２と前記後段ケーシング２０２は、分割可能である。また、前記前段減速部の減速比が１／２０以下で、前記後段減速部の減速比が１／２５以上、且つ、前記前段減速部１００と前記後段減速部２００とで達成される総減速比が、１／１５０〜１／４００の範囲に設定されるようにする。
【選択図】 図１
【解決手段】減速機Ｇ１は、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部１００と、同じく内接噛合遊星歯車構造の後段減速部２００と、の２段の減速部を有する。前段ケーシング１０２と前記後段ケーシング２０２は、分割可能である。また、前記前段減速部の減速比が１／２０以下で、前記後段減速部の減速比が１／２５以上、且つ、前記前段減速部１００と前記後段減速部２００とで達成される総減速比が、１／１５０〜１／４００の範囲に設定されるようにする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットの関節駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、産業用ロボットの関節駆動装置には、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の減速機が広く利用されている。
【０００３】
この減速機は、外歯歯車又は内歯歯車の一方の歯車の自転を拘束した状態でいずれかの歯車を相手側の歯車に対して偏心揺動させ、この偏心揺動の際に自転の拘束されていない側の歯車に発生する当該自転成分を出力として取り出すもので、１段で大きな減速比が得られる。
【０００４】
ところで、産業用ロボットの関節駆動装置において従来知られている問題として、減速機が起振源となって発生する「共振現象」がある。減速機の減速構造が内接噛合遊星歯車構造の場合、外歯歯車または内歯歯車が揺動回転することから、この揺動に起因するラジアル荷重が不可避的に発生し、且つその方向が減速機の軸心回りに回転するため、このような共振現象が特に発生し易い。
【０００５】
共振現象が発生すると、産業用ロボットのアームの先端位置が定まらなくなり、ロボットの作業性あるいは正確性が著しく低下する。
【０００６】
このような共振現象を抑制するための技術として、特許第２５６１２２７号公報（特許文献１）において、起振源となりやすい内接噛合遊星歯車構造の減速部の前段に、当該内接噛合遊星歯車構造とは別の構造の「平行軸歯車構造」であって、その減速比が１／２〜１／５である前段減速部を配置した技術が開示されている。
【０００７】
また、特開平１０−５８６号公報（特許文献２）においては、さらにサーボモータの高速化に伴って新たに発生するようになった共振に対処するために、複数の固有ねじり振動数毎に場合分けして、各減速部の減速比の最適な範囲等について提案している。
【０００８】
これらの技術は、いずれも、起振源となりやすい構造を有する内接噛合遊星歯車構造の減速部に、起振源となりにくい構造を有する平行軸歯車構造の前段減速部を合体させることによって、該内接噛合遊星歯車構造の減速部の揺動回転に起因して発生する共振の周波数をずらすことをその技術のベースとしている。
【０００９】
【特許文献１】
特許２５６１２２７号公報
【特許文献２】
特開平１０−５８６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、「平行軸歯車構造」の減速部においては、一段では１／５程度の減速比しか得られないため、近年の産業用ロボットの減速装置に必要な総減速比を得るには、後段減速部を、例えば１／８０以上と言うような高減速比とするか、或いは平行軸歯車構造の前段減速部自体を２段にする等の対策を取らねばならない。
【００１１】
内接噛合遊星歯車構造の場合、この領域の減速比は、その実現自体は十分可能である。しかし、最も作りやすい減速比の領域は１／３０〜１／４０程度の範囲であってそれ程高くはない。製造の容易性、あるいは伝達容量の確保、何よりもバックラッシの小さい精密な部品の加工・組み立てという面で、このような高減速比の設定は好ましいとは言えない。
【００１２】
一方、平行軸歯車構造の減速部を２段にする対策は、重量及び大きさの増大を招く。
【００１３】
又、現実的な問題として、経時変化によるバックラッシの増大という問題が挙げられる。平行軸歯車構造の減速装置は、噛み合い率が低いために、経時的な摩耗が比較的大きい。産業用ロボットの関節駆動用の減速装置は、連続運転されることが多く、一般に稼働時間が長い。経時的な摩耗はバックラッシの増大を誘引し、位置精度の低下を招く原因となり易い。
【００１４】
更に、他の現実的な大きな問題として、上記従来技術は、いずれも、平行軸歯車構造の前段減速部と内接噛合遊星歯車構造の後段減速部とが「一体的に融合した」ケーシング構造を有していたため、共振回避という目的を実現するための構造としては、融通性に欠けるという問題があった。
【００１５】
即ち、産業用のロボットは、たとえ同一構造のロボットであっても、客先の用途、あるいは設置環境（据付土台の剛性等）によって現実に発生する共振点やその振幅は、様々に異なってくるという問題がある。また、用途や作業内容によってロボットの動きが異なるため、例えば、客先Ａにおける作業においては、第１のアームの剛性が高い状態で、第２のアームが回転できたが、客先Ｂにおける作業では、第１のアームが伸びきった状態の先端で第２のアームが回転する必要があるため、共振が現れ易くなる、というような状況が発生することもある。こうした不確定の要因によって様々に変化する共振の全てに対応して、メーカー側でその都度減速機を準備するのは、その在庫負担が膨大となるだけでなく、結果として納品するのはそのうちの「１台のみ」であるため、他の準備品は「納品コストの上昇」という形でメーカー側の負担となってしまう。この納品コストの上昇は、結果として、減速機一台当たりの製品コストを押し上げる要因ともなる。これは、近年、ロボットによる作業が非常に精密になってきたことに伴い、産業用ロボットの関節駆動装置という分野が抱える新たな一面ともなっている。
【００１６】
本発明は、このようなさまざま事情を考慮してなされたものであって、共振現象のメカニズムを抜本的に吟味し直し、低コストで、共振抑制効果が高く、且つより設計及び取り扱いの自由度が高い産業用ロボットの関節駆動装置を提供することをその課題としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、産業用ロボットの関節駆動装置において、モータと、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の前段減速部と、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備え、前記前段減速部の出力を受けて更に減速する内接噛合遊星歯車構造の後段減速部と、の２段の減速部を有する減速機構部と、を備え、且つ前記前段減速部と前記後段減速部がそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容され、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングが、互いに分割可能とされた構成により、上記課題を解決したものである。
【００１８】
なお、ここで「僅少の歯数差」とは、１〜６程度の歯数差のことを言う。
【００１９】
発明者は、共振現象のメカニズムを確認するために、さまざまな構造のさまざまな減速比の減速装置を試作し、共振試験を行った。その結果、内接噛合遊星歯車構造の１段型の減速装置の共振性能と、その前段にプリ減速部を設けた２段型の減速装置の共振性能とに、ある所定の相関関係を確認することができた。本発明は、この試験結果を踏まえ、更により現実的かつ合理的な発想を添加することによってなされたものである。
【００２０】
本発明では、前段減速部（プリ減速部）の構造として、従来、最も共振が発生しやすいと考えられてきた内接噛合遊星歯車構造の減速部そのものを敢えて採用している。これは、上記試験により、「前段減速部の構造として、内接噛合遊星歯車構造を採用しても、充分共振の抑制効果が得られる」という結果が得られたことに基づいている。
【００２１】
この作用は、本発明の重要なベースとなるものであるため、後に試験結果等の説明と共に詳述する。
【００２２】
前段減速部を内接噛合遊星歯車構造のものとした結果、当該前段減速部の減速比を（１段の平行軸歯車構造の減速部では達成困難であった）１／６以上に設定するのが極めて容易になり、共振周波数をサーボモータの実用回転速度よりも高い周波数に移行させるのが容易となった。そのため、サーボモータの更なる高速化に伴って新たに発生すると予想される共振の問題に対しても余裕を持って対処できる（後述）。
【００２３】
更には、噛み合い率が高く、経時的な摩耗が少ない内接噛合遊星歯車構造を採用できたことから、経時的なバックラッシの増大という問題も回避できるようになる。
【００２４】
本発明では、その上で、前段減速部と後段減速部とをそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容し、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングを互いに分割できるようにした。
【００２５】
これにより、客先の用途、あるいは要求仕様や作業内容によって変化するロボットの腕の有効長さや、モータの回転速度、あるいは設置条件の違い等によって、固有ねじり振動数やその振幅等が異なってきたとしても、その現実に発生する共振を効果的に抑制し得る最適な組み合わせの駆動装置を容易に得ることができ、在庫負担も軽減できるようになる。
【００２６】
なお、この作用は、前記モータも独立したモータケーシングに収容され、且つ、前記前段減速部を収容する前段ケーシングと該モータを収容するモータケーシングも分割可能とされていると、例えば、前段減速部のみを交換できるようにもなるため、一層有効な形で得られる。即ち、この構成により、高精度な加工・組み立てが要求され、したがって高コストとなりやすい後段減速部については、例えば一種類のみの設計（或いは在庫）とし、これにさまざまな容量あるいは減速比のモータや前段減速部を連結することにより、結果として低コストで多くの共振対応バリエーションを有する関節駆動装置を得ることができるようになる。
【００２７】
また、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結孔の位置が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置と一致しており、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結、及び、該前段ケーシング及び前記後段ケーシングの被取り付け部材への取り付けが、同一の取り付けボルトによって行われる構成とされていると、各減速部等の交換、取り付けが更に容易となる。
【００２８】
なお、前記前段減速部の減速比を１／２０以下（分母が小さい）、前記後段減速部の減速比を１／２５以上（分母が大きい）、且つ、前記前段減速部と前記後段減速部とで達成される総減速比が、１／１５０以上、１／５００以下の範囲にそれぞれ設定するのが好ましい。
【００２９】
この結果、近年の高回転速度のサーボモータに対しても、十分対応できる高い総減速比を維持しながら、且つ、後段減速部については、内接噛合遊星歯車構造の減速部として最も製造し易い減速比、特に、１／３０〜１／４０程度の減速比とすることができるようになる。後段減速部の製造精度は、産業用ロボットの関節駆動装置の最終性能の良否の決定に直接影響するため、この後段減速部を製造し易い減速比で製造できるというメリットは、現実的には極めて大きい。
【００３０】
なお、前記前段減速部の外歯歯車と内歯歯車との歯数差を２以上に設定するようにすると、特に減速比１／２０以下の前段減速部を容易に製造することができ、バックラッシを小さく維持したままの前段減速部を低コストで実現できる。
【００３１】
更に、前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシより、対応する減速比に相当する値よりも小さく設定された構成とした場合、とりわけ１／１０以下とした場合には、効率的に減速機全体の精度の高い関節駆動装置を得ることができる。
【００３２】
詳細は後述する。
【００３３】
なお、本発明の構成の一部である、「内接噛合遊星歯車構造の減速部の前段に、内接噛合遊星歯車構造の減速部を配置した構成」を、結果として有している従来例が実公昭５７−１６７１４号に開示されている。
【００３４】
しかしながら、この従来例は、前段減速部と後段減速部とが混然として一体化されており、後段減速部において発生する共振の共振点を、「前段減速部を付設することによって、実用領域外にずらす」という思想に立脚したものではない。現に、共振現象については、何ら考察しておらず、減速比についても、当該減速部を２段にしたことにより、１／２０００以上の高減速比が実現できることに言及しているに過ぎない。更に、両減速部は、完全に一体・融合しており、現場での融通性などの本発明の持つ大きな利点は得られていない。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節装置の駆動部分（減速機）を示す断面図、図２、図３はそれぞれ図１のＩＩ−ＩＩ線、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節駆動装置の例を示す断面図である。
【００３７】
この減速機Ｇ１はモータ（サーボモータ）Ｍと連結され、図４に示されるような態様で、産業用ロボット１０の第１アーム１２に対して第２アーム１４を回転させるために取り付けられる。
【００３８】
減速機Ｇ１は、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部１００及び該前段減速部１００の出力を受ける後段減速部２００を備える。
【００３９】
以下、前段減速部１００、後段減速部２００の順により詳細に説明する。
【００４０】
図１において、前段減速部１００は独立した前段ケーシング１０２内に収容されている。前段ケーシング１０２は、本体ケーシング１０４、及びその軸方向両側に連結された第１、第２サイドカバー１０６、１０８からなる。前段減側部１００の入力軸１１０の一端には連結部１１２が一体的に延在されている。該連結部１１２には挿入穴１１４が形成されており、該挿入穴１１４にモータＭのモータ軸３０が挿入・連結される。
【００４１】
入力軸１１０は一対の軸受１２０、１２２を介して前段ケーシング１０２の第１サイドカバー１０６及び後述する前段出力軸１７０（＝後段入力軸２１０）のフランジ体１７２によって支持されている。この一対の軸受１２０、１２２の間には偏心体１２４が組み込まれている。偏心体１２４の外周にはころ軸受１２６、１２８を介して２枚の外歯歯車１３０、１３２が揺動回転可能に装着されている。外歯歯車１３０、１３２は前段ケーシング１０２のケーシング本体１０４と一体化された内歯歯車１４０に内接噛合している。内歯歯車１４０の内歯はローラ状のピン（外ピン）１４２によって形成されている。
【００４２】
２枚の外歯歯車１３０、１３２にはそれぞれ内ピン孔１５０、１５２が貫通形成され、内ピン１６０が挿入されている。内ピン１６０にはパイプ状の内ローラ１６２が回転自在に装着されている。内ピン１６０は前段出力軸１７０と一体的に形成されたフランジ体１７２に固定され、該フランジ体１７２から片持状態で支持されている。
【００４３】
前段出力軸１７０は、そのまま後段減速部２００の後段入力軸２１０となっている。
【００４４】
後段減速部２００も、独立した後段ケーシング２０２内に収容されている。
【００４５】
後段入力軸２１０は一対のテーパーローラベアリング２２２、２２０を介して後述する第１、第２に出力フランジ２６６、２６８によって支持されると共に、フランジ体１７２の部分については、ボールベアリング１９０を介して前段ケーシング１０２の第２サイドカバー１０８によっても支持されている。該一対のテーパーローラベアリング２２０、２２２の間には偏心体２２４が組み込まれている。偏心体２２４の外周にはころ軸受２２８、２２６を介して２枚の外歯歯車２３０、２３２が装着されている。外歯歯車２３０、２３２は後段ケーシング２０２と一体化された内歯歯車２４０に内接噛合している。内歯歯車２４０の内歯はローラ状のピン（外ピン）２４２によって形成されている。
【００４６】
２枚の外歯歯車２３２、２３０にはそれぞれ内ピン孔２５０、２５２が貫通形成され、高精度な偏心内ピン２６０が挿入されている。この偏心内ピン２６０は、前段減速部１００の内ピン１６０と異なり、その外周にころ軸受２６２、２６３を介して内ピン孔２５０、２５２の全内周と摺動可能な（偏心量に対応する）偏心突起部２６４、２６５を備え、内ピン孔２５０、２５２の内周との間に偏心量相当の空間を有しない。
【００４７】
この偏心内ピン２６０は、外歯歯車２３２、２３０の両サイドに配置された円板状の一対の第１、第２出力フランジ２６６、２６８にテーパーローラベアリング２７０、２７２を介して両持ち支持されている。
【００４８】
第１、第２出力フランジ２６６、２６８は、それぞれテーパーローラベアリング２７４、２７６を介して後段ケーシング２０２に回転可能に支持されている。
【００４９】
後段入力軸２１０、偏心内ピン２６０及び第１、第２出力フランジ２６６、２６８がテーパーローラベアリング２２０、２２２、２７０、２７２、２７４、２７６によって支持されているのは、本実施形態に係る減速機が産業用ロボット１０の第１アーム１２と第２アーム１４の関節駆動の用途に用いられるものであるため、該第１、第２アーム１２、１４のいずれか側からスラスト方向の荷重が入力される可能性があるためである。
【００５０】
ここで、図４を参照して、各部材の連結態様等について説明する。
【００５１】
後段減速部２００の第１、第２出力フランジ２６６、２６８はキャリヤピン２８０によって強固に固定されている。第１出力フランジ２６６とキャリヤピン２８０の固定は、ボルト２８２によって行われる。一方、第２出力フランジ２６８とキャリヤピン２８０の固定は、第２アーム１４を貫通して挿入・螺合されるボルト２８６によって行われる。
【００５２】
モータＭのケーシング３２と前段減速部１００の第１サイドカバー１０６はインロー５０を介してボルト５２によって連結・分離可能とされている。また、前段減速部１００の第２サイドカバー１０８と後段減速部２００の後段ケーシング２０２も、インロー５４を介してボルト５５によって連結・分割可能とされている。更に、この第２サイドカバー１０８及び後段ケーシング２０２の当該ボルト位置Ｐ１が産業用ロボット１０の第１アーム１２の取り付け孔位置Ｐ２と一致しており、第２サイドカバー１０８及び後段ケーシング２０２の連結、更にこれらのカバー１０８及びケーシング２０２の第１アーム１２への取り付けが、ボルト５５によって同時に行われる構成とされている。
【００５３】
なお、前段減速部１００の外径は前記後段減速部２００の外径より小さく設定され、これによって確保される空間Ｓ１に、エンコーダ（図示略）等の付属品が収容可能とされている。
【００５４】
図２から明らかなように、前段減速部１００の外歯歯車１３０、１３２の歯数は「１２」、内歯歯車１４０の歯数は「１４」、歯数差は「２」であり、減速比は、２／１２＝１／６である。また、図３から明らかなように、後段減速部２００の外歯歯車２３０、２３２の歯数は「７８」、内歯歯車２４０の歯数（外ピン２４２の数）は「８０」、歯数差は「２」であり、減速比は、２／７８＝１／３９である。
【００５５】
なお、後段減速部２００は、バックラッシの管理を含め、精密に制作する必要があるため、最も製造しやすい減速比１／３０〜１／４０の付近、より具体的には１／２５以上、１／５０以下の範囲に設定する。一方、前段減速部１００の減速比は、１／１６以下に設定する。
【００５６】
また、バックラッシは、この実施形態では、後段減速部２００のバックラッシＡ２が、前段減速部１００のバックラッシＡ１より、対応する減速比に相当する値の１／１０程度となるように小さく設定されている。
【００５７】
なお、ここで、「バックラッシ」とは、当該減速部の入力軸を止めた状態で、出力軸が動く（回転する）範囲のことであり、単位は「度」又は「分」である。
【００５８】
一般に、同一レベルの製造管理の下で減速部を製造した場合、減速比が高くなるに従ってバックラッシは小さくなる傾向にある。例えば、減速比１／３９の後段減速部２００のバックラッシＡ２は、加工精度が同等であれば、減速比１／６の前段減速部１００のバックラッシＡ１の１／２〜１／３程度に小さくなる。これが、この減速比の組み合わせにおける「対応する減速比に相当する値」である。本実施形態では、後段バックラッシＡ２を、この相当値の更に１／１０程度にまで、意図的に小さくしたバックラッシとする。すなわち、結果として、後段バックラッシＡ２は、前段バックラッシＡ１の１／２０〜１／３０となるようにする。
【００５９】
なお、こうした減速比等の影響（相当値のばらつく範囲）は、最大でも１／８程度である。これを考慮して、即ち、後段バックラッシＡ２は、同等の加工精度の管理下で製造した場合、減速比や、枠番等の如何に関わらず、前段バックラッシＡ１の１／８以下にはならないことを考慮して、意図的に、これを明確に超える前段バックラッシＡ１の１／１０以下（より好ましくは１／１２以下）のレベルに維持できれば、相応の効果が得られる。
【００６０】
バックラッシを小さくするための製造技術自体については、公知のバックラッシ低減手法を採用できる。例えば、最も単純には、寸法の僅かに異なる外歯歯車を何種類か用意しておき、実際に組み込んで該外歯歯車と内歯歯車との組におけるバックラッシの発生状態及び回転の円滑性を確認しながら、最適な外歯歯車を選択するという方法であってもよい。
【００６１】
次に、この実施形態に係る減速機Ｇ１の作用を説明する。
【００６２】
モータＭの回転によって前段減速部１００の入力軸１１０が回転すると、該入力軸１１０と一体化された偏心体１２４も回転する。偏心体１２４が回転すると、外歯歯車１３０、１３２は入力軸１１０の周りで揺動回転を行おうとするが、内歯歯車１４０によってその自転が抑制されるため、外歯歯車１３０、１３２はこの内歯歯車１４０に内接しながら殆ど揺動のみを行うことになる。しかしながら、外歯歯車１３０、１３２の歯数は１２、内歯歯車１４０の歯数は１４に設定されているため、入力軸１１０の一回転毎に外歯歯車１３０、１３２は内歯歯車１４０に対してその歯数差「２」だけずれる（自転する）ことになる。これは、入力軸１１０の一回転が外歯歯車１３０、１３２の−２／１２の回転、即ち、減速比−１／６の回転に減速されたことを意味する。なお、マイナスの符号は、外歯歯車１３０、１３２の回転方向が入力軸１１０の回転方向と逆になることを示している。この外歯歯車１３０、１３２の回転は内ピン孔１５０、１５２及び内ローラ１６２の隙間によってその揺動成分が吸収され、自転成分のみが内ピン１６０を介して前段出力軸１７０（後段入力軸２１０）へと伝達される。
【００６３】
後段減速部２００においても、前段減速部１００と全く同様の減速作用が行われる。即ち、後段入力軸２１０の一回転毎に外歯歯車２３０、２３２は内歯歯車２４０に対してその歯数差「２」だけずれる（自転する）。但し、後段減速部２００の外歯歯車２３０、２３２の歯数は７８、内歯歯車２４０の歯数は８０に設定されているため、結局、後段入力軸２１０の１回転は外歯歯車の−２／７８の回転、即ち、減速比−１／３９の回転に減速されることになる。なお、回転方向は、前段減速部１００において一度逆転方向となるが、後段減速部２００において再び逆転するため、結局、後段減速部２００の外歯歯車２３０、２３２は、モータＭの回転と同一方向に回転することになる。
【００６４】
外歯歯車２３０、２３２の回転は偏心内ピン２６０の偏心突起部２６４、２６５の存在によってその揺動成分が吸収され、自転成分のみが該偏心内ピン２６０を介して外歯歯車２３２、２３０の両サイドに配置された第１、第２出力フランジ２６６、２６８に伝達される。第１、第２出力フランジ２６６、２６８はキャリヤピン２８０を介して強固に連結されているため、両出力フランジ２６６、２６８は一体的に回転し、その回転を相手機械である産業用ロボット１０の第２アーム１４にボルト２８６及び第２アーム１４と出力フランジ２６８とを連結するボルト（図示略）を介して伝達する（図４参照）。
【００６５】
この結果として前段減速部１００との掛け合わせで（−１／６）ｘ（−１／３９）＝１／２３４の減速比に相当する減速が実現される。
【００６６】
ここで、共振解消に関する具体的な作用の説明に入る前に、本発明創案の基礎となった共振試験について簡単に説明する。図５に試験装置の概略を示す。
【００６７】
試験装置Ｔは、サーボモータＳＭ、前段減速部ＰＧ、後段減速部ＭＧの間をカップリングＣ１、Ｃ２で連結したものである。後段減速部ＭＧの出力側にはフライホイールＦＷが接続され、該フライホイールＦＷの外周端に圧電型のピックアップＰＵが組み込まれている。ピックアップＰＵは、フライホイールＦＷの中心から半径ｒの位置におけるフライホイールＦＷの変位（ｍｍ）と加速度（ｍ／ｓ２）を検出する。後段減速部ＭＧは前述の後段減速部２００と同様の構成を有する。減速比は１／３９である。測定範囲は、２５〜２０００ｒｐｍ、回転速度のサンプリング幅は、２５ｒｐｍ、フライホイールＦＷのイナーシャは、２０ｋｇｆ・ｍ・ｓｅｃ２、測定位置（半径ｒ）は、８５０ｍｍである。この構成において、前段減速部ＰＧとして前述の前段減速部１００を含む種々の構成及び減速比の減速装置を組み込み振動試験を行った。
【００６８】
図６、図７に試験結果を示す。図６は、前述の減速比１／６の前段減速部１００が組み合わされたとき（Ｎｏ．１）、減速比１／５の平行軸歯車構造の減速部が組み合わされたとき（Ｎｏ．２）、及び前段減速部無しのとき（Ｎｏ．０）のそれぞれの加速度−モータ回転速度特性を示している。また、図７は、同、変位−モータ回転速度特性を示している。
【００６９】
Ｎｏ．０のグラフから明らかなように、後段減速部２００のみのとき、即ち、前段減速部１００が連結されていないときには、５００ｒｐｍ及び２５０ｒｐｍの付近にそれぞれ１次共振及び２次共振のピークが認められる。これに対し、減速比１／５の平行軸歯車構造の減速部が組み合わされたとき（Ｎｏ．２）は、このピークがいずれもほぼ消滅し、代わりに１３００ｒｐｍ付近に新たな共振が発生している。２次共振周波数（２５０ｒｐｍ）の約５倍の回転速度と理解できる。
【００７０】
一方、減速比１／６の前段減速部１００が組み合わされたとき（Ｎｏ．１）も、やはりオリジナルの１次共振及び２次共振のピークが消滅し、代わりに１５００ｒｐｍ付近に新たな共振が発生している。２次共振周波数（２５０ｒｐｍ）の約６倍の回転速度と理解できる。
【００７１】
これらの結果から、従来の平行軸歯車構造の前段減速部を有する装置にあっては、実用回転速度が１０００ｒｐｍ程度までであったときには、確かにピークは殆ど生じておらず、共振解消の効果があったと認められる。しかしながら前述したように、実用回転速度が１５００ｒｐｍを超えるような領域にまで高まると、確かに新たな共振が発生していることがこの試験結果からも確認できる。
【００７２】
試験は多くの種類の内接噛合遊星歯車構造の前段減速部、及びその他のさまざまな種類の前段減速部について実施されたが、その結果、前段減速部の構成は、主として振動（共振）の振幅あるいはその裾の幅の大きさには影響を及ぼすものの、共振周波数に関するグラフの定性的傾向についてはあまり影響を及ぼさないことも確認された。より具体的には、新たな共振は、前段減速部の具体的構造に関わらず、ほとんどの試験において、後段減速部のみとしたときに発生する共振周波数に対して、減速比の分母の整数倍（前段減速部の減速比１／５ならば５倍）で発生することが確認された。
【００７３】
この実施形態の具体的な作用の説明に戻る。
【００７４】
本実施形態では、付設する前段減速部ＰＧとして、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部１００を採用したため、以下のような利点が得られる。
【００７５】
即ち、前段減速部１００において、所定の減速比（この実施形態では１／６）を稼げるため、求められる総減速比が高くなっても後段減速部２００の減速比として、最も作りやすい減速比の領域である１／５０以下の領域、特に１／４０以下の領域を容易に選択できる。同時に、（前段減速部の減速比を１／６以上に容易に設定できることから）新たな共振が発生する回転速度を、高くなったサーボモータの実用回転速度領域よりも更に高い領域にまで移すことができ、高速のサーボモータを使用した場合でも、新たな共振が発生するのを防止できる。
【００７６】
一方、前段減速部１００の減速比は、大きくしても、これを１／２０以下に抑えるとよい。これにより、求められる減速比が比較的低くても、後段減速部２００の減速比を最も作りやすい減速比の領域である１／２５以上の領域、特に１／３０以上の領域を容易に選択できる。なお、前段減速比１／２０以下の減速比は、外歯歯車と内歯歯車との歯数差が１の設計でも製造自体は可能であるが、上記実施形態のように、例えば、該歯数差を２以上に設定することにより、伝達容量の確保、バックラッシの小さい精密な部品の加工・組み立ての容易性という面で有利な製造が可能となる。
【００７７】
更に、この実施形態では前段減速部１００、後段減速部２００の双方とも内接噛合遊星歯車構造であるため、（平行軸歯車構造の減速部に比べて）噛み合い率が高いために、経時的な摩耗が少ない。そのため良好なバックラッシ特性、即ち高い位置決め精度を長期に亘って得ることができる。
【００７８】
また、本実施形態においては、前段減速部１００と後段減速部２００、及び、前段減速部１００とモータＭが、それぞれ独立したケーシングに分割可能に収容されているため、モータＭと後段減速部２００との間の前段減速部１００のみを変更可能である。勿論、モータＭ及び前段減速部１００ごとの交換も可能である。そのため、高精度であるが故に高コストとなりやすい後段減速部を１種類のみの設計とし、既に豊富な種類が存在する汎用の内接噛合遊星歯車構造の減速装置を前段減速部として用意し、これをモータと後段減速部との間に組み込むことにより、さまざまな減速比を有するバックラッシの小さな減速機を容易に得ることができ、設計の自由度を増大させることができる。
【００７９】
とりわけ、本実施形態においては、前段ケーシング１０２及び後段ケーシング２０２の連結孔の位置（ボルト５５の位置）Ｐ１が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置（第１アーム１２の取り付け孔位置）Ｐ２と一致しており、前段ケーシング１０２及び後段ケーシング２０２の連結、及び該前段ケーシング１０２及び後段ケーシング２０２の被取り付け部材への取り付け（第１アーム１２への取り付け）が同一のボルト５５により同時に行われる構成とされているため、交換自体も容易である。
【００８０】
本実施形態における前段減速部１００は、「プレ減速を行う」という減速比調整機能と、「その減速比の選定によって、共振点の移動の程度を変更する」という共振回避機能とがあることから、この交換の容易性は、その何れの面においても大きなメリットとなる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、共振回避を低コストで実現でき、且つより設計の自由度が高い産業用ロボットの関節駆動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節駆動装置の減速機の主要部分を示す断面図
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図
【図４】上記産業用ロボットの関節駆動装置の全体構成を示す断面図
【図５】産業用ロボットの共振のメカニズムを確認するために用いた試験装置の概略構成図
【図６】上記試験装置にて行った試験結果を示す、加速度−モータ回転速度の特性図
【図７】同じく、変位−モータ回転速度の特性図
【符号の説明】
１０…産業用ロボット
１２…第１アーム
１４…第２アーム
１００…前段減速部
１０２…前段ケーシング
１０６…第１サイドカバー
１０８…第２サイドカバー
１１０…入力軸
１２４…偏心体
１３０、１３２…外歯歯車
１４０…内歯歯車
１６０…内ピン
１７０…前段出力軸
２００…後段減速部
２０２…後段ケーシング
２１０…後段入力軸
２３０、２３２…外歯歯車
２４０…内歯歯車
２６０…偏心内ピン
２６２、２６４…第１、第２出力フランジ
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットの関節駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、産業用ロボットの関節駆動装置には、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の減速機が広く利用されている。
【０００３】
この減速機は、外歯歯車又は内歯歯車の一方の歯車の自転を拘束した状態でいずれかの歯車を相手側の歯車に対して偏心揺動させ、この偏心揺動の際に自転の拘束されていない側の歯車に発生する当該自転成分を出力として取り出すもので、１段で大きな減速比が得られる。
【０００４】
ところで、産業用ロボットの関節駆動装置において従来知られている問題として、減速機が起振源となって発生する「共振現象」がある。減速機の減速構造が内接噛合遊星歯車構造の場合、外歯歯車または内歯歯車が揺動回転することから、この揺動に起因するラジアル荷重が不可避的に発生し、且つその方向が減速機の軸心回りに回転するため、このような共振現象が特に発生し易い。
【０００５】
共振現象が発生すると、産業用ロボットのアームの先端位置が定まらなくなり、ロボットの作業性あるいは正確性が著しく低下する。
【０００６】
このような共振現象を抑制するための技術として、特許第２５６１２２７号公報（特許文献１）において、起振源となりやすい内接噛合遊星歯車構造の減速部の前段に、当該内接噛合遊星歯車構造とは別の構造の「平行軸歯車構造」であって、その減速比が１／２〜１／５である前段減速部を配置した技術が開示されている。
【０００７】
また、特開平１０−５８６号公報（特許文献２）においては、さらにサーボモータの高速化に伴って新たに発生するようになった共振に対処するために、複数の固有ねじり振動数毎に場合分けして、各減速部の減速比の最適な範囲等について提案している。
【０００８】
これらの技術は、いずれも、起振源となりやすい構造を有する内接噛合遊星歯車構造の減速部に、起振源となりにくい構造を有する平行軸歯車構造の前段減速部を合体させることによって、該内接噛合遊星歯車構造の減速部の揺動回転に起因して発生する共振の周波数をずらすことをその技術のベースとしている。
【０００９】
【特許文献１】
特許２５６１２２７号公報
【特許文献２】
特開平１０−５８６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、「平行軸歯車構造」の減速部においては、一段では１／５程度の減速比しか得られないため、近年の産業用ロボットの減速装置に必要な総減速比を得るには、後段減速部を、例えば１／８０以上と言うような高減速比とするか、或いは平行軸歯車構造の前段減速部自体を２段にする等の対策を取らねばならない。
【００１１】
内接噛合遊星歯車構造の場合、この領域の減速比は、その実現自体は十分可能である。しかし、最も作りやすい減速比の領域は１／３０〜１／４０程度の範囲であってそれ程高くはない。製造の容易性、あるいは伝達容量の確保、何よりもバックラッシの小さい精密な部品の加工・組み立てという面で、このような高減速比の設定は好ましいとは言えない。
【００１２】
一方、平行軸歯車構造の減速部を２段にする対策は、重量及び大きさの増大を招く。
【００１３】
又、現実的な問題として、経時変化によるバックラッシの増大という問題が挙げられる。平行軸歯車構造の減速装置は、噛み合い率が低いために、経時的な摩耗が比較的大きい。産業用ロボットの関節駆動用の減速装置は、連続運転されることが多く、一般に稼働時間が長い。経時的な摩耗はバックラッシの増大を誘引し、位置精度の低下を招く原因となり易い。
【００１４】
更に、他の現実的な大きな問題として、上記従来技術は、いずれも、平行軸歯車構造の前段減速部と内接噛合遊星歯車構造の後段減速部とが「一体的に融合した」ケーシング構造を有していたため、共振回避という目的を実現するための構造としては、融通性に欠けるという問題があった。
【００１５】
即ち、産業用のロボットは、たとえ同一構造のロボットであっても、客先の用途、あるいは設置環境（据付土台の剛性等）によって現実に発生する共振点やその振幅は、様々に異なってくるという問題がある。また、用途や作業内容によってロボットの動きが異なるため、例えば、客先Ａにおける作業においては、第１のアームの剛性が高い状態で、第２のアームが回転できたが、客先Ｂにおける作業では、第１のアームが伸びきった状態の先端で第２のアームが回転する必要があるため、共振が現れ易くなる、というような状況が発生することもある。こうした不確定の要因によって様々に変化する共振の全てに対応して、メーカー側でその都度減速機を準備するのは、その在庫負担が膨大となるだけでなく、結果として納品するのはそのうちの「１台のみ」であるため、他の準備品は「納品コストの上昇」という形でメーカー側の負担となってしまう。この納品コストの上昇は、結果として、減速機一台当たりの製品コストを押し上げる要因ともなる。これは、近年、ロボットによる作業が非常に精密になってきたことに伴い、産業用ロボットの関節駆動装置という分野が抱える新たな一面ともなっている。
【００１６】
本発明は、このようなさまざま事情を考慮してなされたものであって、共振現象のメカニズムを抜本的に吟味し直し、低コストで、共振抑制効果が高く、且つより設計及び取り扱いの自由度が高い産業用ロボットの関節駆動装置を提供することをその課題としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、産業用ロボットの関節駆動装置において、モータと、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の前段減速部と、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備え、前記前段減速部の出力を受けて更に減速する内接噛合遊星歯車構造の後段減速部と、の２段の減速部を有する減速機構部と、を備え、且つ前記前段減速部と前記後段減速部がそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容され、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングが、互いに分割可能とされた構成により、上記課題を解決したものである。
【００１８】
なお、ここで「僅少の歯数差」とは、１〜６程度の歯数差のことを言う。
【００１９】
発明者は、共振現象のメカニズムを確認するために、さまざまな構造のさまざまな減速比の減速装置を試作し、共振試験を行った。その結果、内接噛合遊星歯車構造の１段型の減速装置の共振性能と、その前段にプリ減速部を設けた２段型の減速装置の共振性能とに、ある所定の相関関係を確認することができた。本発明は、この試験結果を踏まえ、更により現実的かつ合理的な発想を添加することによってなされたものである。
【００２０】
本発明では、前段減速部（プリ減速部）の構造として、従来、最も共振が発生しやすいと考えられてきた内接噛合遊星歯車構造の減速部そのものを敢えて採用している。これは、上記試験により、「前段減速部の構造として、内接噛合遊星歯車構造を採用しても、充分共振の抑制効果が得られる」という結果が得られたことに基づいている。
【００２１】
この作用は、本発明の重要なベースとなるものであるため、後に試験結果等の説明と共に詳述する。
【００２２】
前段減速部を内接噛合遊星歯車構造のものとした結果、当該前段減速部の減速比を（１段の平行軸歯車構造の減速部では達成困難であった）１／６以上に設定するのが極めて容易になり、共振周波数をサーボモータの実用回転速度よりも高い周波数に移行させるのが容易となった。そのため、サーボモータの更なる高速化に伴って新たに発生すると予想される共振の問題に対しても余裕を持って対処できる（後述）。
【００２３】
更には、噛み合い率が高く、経時的な摩耗が少ない内接噛合遊星歯車構造を採用できたことから、経時的なバックラッシの増大という問題も回避できるようになる。
【００２４】
本発明では、その上で、前段減速部と後段減速部とをそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容し、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングを互いに分割できるようにした。
【００２５】
これにより、客先の用途、あるいは要求仕様や作業内容によって変化するロボットの腕の有効長さや、モータの回転速度、あるいは設置条件の違い等によって、固有ねじり振動数やその振幅等が異なってきたとしても、その現実に発生する共振を効果的に抑制し得る最適な組み合わせの駆動装置を容易に得ることができ、在庫負担も軽減できるようになる。
【００２６】
なお、この作用は、前記モータも独立したモータケーシングに収容され、且つ、前記前段減速部を収容する前段ケーシングと該モータを収容するモータケーシングも分割可能とされていると、例えば、前段減速部のみを交換できるようにもなるため、一層有効な形で得られる。即ち、この構成により、高精度な加工・組み立てが要求され、したがって高コストとなりやすい後段減速部については、例えば一種類のみの設計（或いは在庫）とし、これにさまざまな容量あるいは減速比のモータや前段減速部を連結することにより、結果として低コストで多くの共振対応バリエーションを有する関節駆動装置を得ることができるようになる。
【００２７】
また、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結孔の位置が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置と一致しており、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結、及び、該前段ケーシング及び前記後段ケーシングの被取り付け部材への取り付けが、同一の取り付けボルトによって行われる構成とされていると、各減速部等の交換、取り付けが更に容易となる。
【００２８】
なお、前記前段減速部の減速比を１／２０以下（分母が小さい）、前記後段減速部の減速比を１／２５以上（分母が大きい）、且つ、前記前段減速部と前記後段減速部とで達成される総減速比が、１／１５０以上、１／５００以下の範囲にそれぞれ設定するのが好ましい。
【００２９】
この結果、近年の高回転速度のサーボモータに対しても、十分対応できる高い総減速比を維持しながら、且つ、後段減速部については、内接噛合遊星歯車構造の減速部として最も製造し易い減速比、特に、１／３０〜１／４０程度の減速比とすることができるようになる。後段減速部の製造精度は、産業用ロボットの関節駆動装置の最終性能の良否の決定に直接影響するため、この後段減速部を製造し易い減速比で製造できるというメリットは、現実的には極めて大きい。
【００３０】
なお、前記前段減速部の外歯歯車と内歯歯車との歯数差を２以上に設定するようにすると、特に減速比１／２０以下の前段減速部を容易に製造することができ、バックラッシを小さく維持したままの前段減速部を低コストで実現できる。
【００３１】
更に、前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシより、対応する減速比に相当する値よりも小さく設定された構成とした場合、とりわけ１／１０以下とした場合には、効率的に減速機全体の精度の高い関節駆動装置を得ることができる。
【００３２】
詳細は後述する。
【００３３】
なお、本発明の構成の一部である、「内接噛合遊星歯車構造の減速部の前段に、内接噛合遊星歯車構造の減速部を配置した構成」を、結果として有している従来例が実公昭５７−１６７１４号に開示されている。
【００３４】
しかしながら、この従来例は、前段減速部と後段減速部とが混然として一体化されており、後段減速部において発生する共振の共振点を、「前段減速部を付設することによって、実用領域外にずらす」という思想に立脚したものではない。現に、共振現象については、何ら考察しておらず、減速比についても、当該減速部を２段にしたことにより、１／２０００以上の高減速比が実現できることに言及しているに過ぎない。更に、両減速部は、完全に一体・融合しており、現場での融通性などの本発明の持つ大きな利点は得られていない。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節装置の駆動部分（減速機）を示す断面図、図２、図３はそれぞれ図１のＩＩ−ＩＩ線、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節駆動装置の例を示す断面図である。
【００３７】
この減速機Ｇ１はモータ（サーボモータ）Ｍと連結され、図４に示されるような態様で、産業用ロボット１０の第１アーム１２に対して第２アーム１４を回転させるために取り付けられる。
【００３８】
減速機Ｇ１は、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部１００及び該前段減速部１００の出力を受ける後段減速部２００を備える。
【００３９】
以下、前段減速部１００、後段減速部２００の順により詳細に説明する。
【００４０】
図１において、前段減速部１００は独立した前段ケーシング１０２内に収容されている。前段ケーシング１０２は、本体ケーシング１０４、及びその軸方向両側に連結された第１、第２サイドカバー１０６、１０８からなる。前段減側部１００の入力軸１１０の一端には連結部１１２が一体的に延在されている。該連結部１１２には挿入穴１１４が形成されており、該挿入穴１１４にモータＭのモータ軸３０が挿入・連結される。
【００４１】
入力軸１１０は一対の軸受１２０、１２２を介して前段ケーシング１０２の第１サイドカバー１０６及び後述する前段出力軸１７０（＝後段入力軸２１０）のフランジ体１７２によって支持されている。この一対の軸受１２０、１２２の間には偏心体１２４が組み込まれている。偏心体１２４の外周にはころ軸受１２６、１２８を介して２枚の外歯歯車１３０、１３２が揺動回転可能に装着されている。外歯歯車１３０、１３２は前段ケーシング１０２のケーシング本体１０４と一体化された内歯歯車１４０に内接噛合している。内歯歯車１４０の内歯はローラ状のピン（外ピン）１４２によって形成されている。
【００４２】
２枚の外歯歯車１３０、１３２にはそれぞれ内ピン孔１５０、１５２が貫通形成され、内ピン１６０が挿入されている。内ピン１６０にはパイプ状の内ローラ１６２が回転自在に装着されている。内ピン１６０は前段出力軸１７０と一体的に形成されたフランジ体１７２に固定され、該フランジ体１７２から片持状態で支持されている。
【００４３】
前段出力軸１７０は、そのまま後段減速部２００の後段入力軸２１０となっている。
【００４４】
後段減速部２００も、独立した後段ケーシング２０２内に収容されている。
【００４５】
後段入力軸２１０は一対のテーパーローラベアリング２２２、２２０を介して後述する第１、第２に出力フランジ２６６、２６８によって支持されると共に、フランジ体１７２の部分については、ボールベアリング１９０を介して前段ケーシング１０２の第２サイドカバー１０８によっても支持されている。該一対のテーパーローラベアリング２２０、２２２の間には偏心体２２４が組み込まれている。偏心体２２４の外周にはころ軸受２２８、２２６を介して２枚の外歯歯車２３０、２３２が装着されている。外歯歯車２３０、２３２は後段ケーシング２０２と一体化された内歯歯車２４０に内接噛合している。内歯歯車２４０の内歯はローラ状のピン（外ピン）２４２によって形成されている。
【００４６】
２枚の外歯歯車２３２、２３０にはそれぞれ内ピン孔２５０、２５２が貫通形成され、高精度な偏心内ピン２６０が挿入されている。この偏心内ピン２６０は、前段減速部１００の内ピン１６０と異なり、その外周にころ軸受２６２、２６３を介して内ピン孔２５０、２５２の全内周と摺動可能な（偏心量に対応する）偏心突起部２６４、２６５を備え、内ピン孔２５０、２５２の内周との間に偏心量相当の空間を有しない。
【００４７】
この偏心内ピン２６０は、外歯歯車２３２、２３０の両サイドに配置された円板状の一対の第１、第２出力フランジ２６６、２６８にテーパーローラベアリング２７０、２７２を介して両持ち支持されている。
【００４８】
第１、第２出力フランジ２６６、２６８は、それぞれテーパーローラベアリング２７４、２７６を介して後段ケーシング２０２に回転可能に支持されている。
【００４９】
後段入力軸２１０、偏心内ピン２６０及び第１、第２出力フランジ２６６、２６８がテーパーローラベアリング２２０、２２２、２７０、２７２、２７４、２７６によって支持されているのは、本実施形態に係る減速機が産業用ロボット１０の第１アーム１２と第２アーム１４の関節駆動の用途に用いられるものであるため、該第１、第２アーム１２、１４のいずれか側からスラスト方向の荷重が入力される可能性があるためである。
【００５０】
ここで、図４を参照して、各部材の連結態様等について説明する。
【００５１】
後段減速部２００の第１、第２出力フランジ２６６、２６８はキャリヤピン２８０によって強固に固定されている。第１出力フランジ２６６とキャリヤピン２８０の固定は、ボルト２８２によって行われる。一方、第２出力フランジ２６８とキャリヤピン２８０の固定は、第２アーム１４を貫通して挿入・螺合されるボルト２８６によって行われる。
【００５２】
モータＭのケーシング３２と前段減速部１００の第１サイドカバー１０６はインロー５０を介してボルト５２によって連結・分離可能とされている。また、前段減速部１００の第２サイドカバー１０８と後段減速部２００の後段ケーシング２０２も、インロー５４を介してボルト５５によって連結・分割可能とされている。更に、この第２サイドカバー１０８及び後段ケーシング２０２の当該ボルト位置Ｐ１が産業用ロボット１０の第１アーム１２の取り付け孔位置Ｐ２と一致しており、第２サイドカバー１０８及び後段ケーシング２０２の連結、更にこれらのカバー１０８及びケーシング２０２の第１アーム１２への取り付けが、ボルト５５によって同時に行われる構成とされている。
【００５３】
なお、前段減速部１００の外径は前記後段減速部２００の外径より小さく設定され、これによって確保される空間Ｓ１に、エンコーダ（図示略）等の付属品が収容可能とされている。
【００５４】
図２から明らかなように、前段減速部１００の外歯歯車１３０、１３２の歯数は「１２」、内歯歯車１４０の歯数は「１４」、歯数差は「２」であり、減速比は、２／１２＝１／６である。また、図３から明らかなように、後段減速部２００の外歯歯車２３０、２３２の歯数は「７８」、内歯歯車２４０の歯数（外ピン２４２の数）は「８０」、歯数差は「２」であり、減速比は、２／７８＝１／３９である。
【００５５】
なお、後段減速部２００は、バックラッシの管理を含め、精密に制作する必要があるため、最も製造しやすい減速比１／３０〜１／４０の付近、より具体的には１／２５以上、１／５０以下の範囲に設定する。一方、前段減速部１００の減速比は、１／１６以下に設定する。
【００５６】
また、バックラッシは、この実施形態では、後段減速部２００のバックラッシＡ２が、前段減速部１００のバックラッシＡ１より、対応する減速比に相当する値の１／１０程度となるように小さく設定されている。
【００５７】
なお、ここで、「バックラッシ」とは、当該減速部の入力軸を止めた状態で、出力軸が動く（回転する）範囲のことであり、単位は「度」又は「分」である。
【００５８】
一般に、同一レベルの製造管理の下で減速部を製造した場合、減速比が高くなるに従ってバックラッシは小さくなる傾向にある。例えば、減速比１／３９の後段減速部２００のバックラッシＡ２は、加工精度が同等であれば、減速比１／６の前段減速部１００のバックラッシＡ１の１／２〜１／３程度に小さくなる。これが、この減速比の組み合わせにおける「対応する減速比に相当する値」である。本実施形態では、後段バックラッシＡ２を、この相当値の更に１／１０程度にまで、意図的に小さくしたバックラッシとする。すなわち、結果として、後段バックラッシＡ２は、前段バックラッシＡ１の１／２０〜１／３０となるようにする。
【００５９】
なお、こうした減速比等の影響（相当値のばらつく範囲）は、最大でも１／８程度である。これを考慮して、即ち、後段バックラッシＡ２は、同等の加工精度の管理下で製造した場合、減速比や、枠番等の如何に関わらず、前段バックラッシＡ１の１／８以下にはならないことを考慮して、意図的に、これを明確に超える前段バックラッシＡ１の１／１０以下（より好ましくは１／１２以下）のレベルに維持できれば、相応の効果が得られる。
【００６０】
バックラッシを小さくするための製造技術自体については、公知のバックラッシ低減手法を採用できる。例えば、最も単純には、寸法の僅かに異なる外歯歯車を何種類か用意しておき、実際に組み込んで該外歯歯車と内歯歯車との組におけるバックラッシの発生状態及び回転の円滑性を確認しながら、最適な外歯歯車を選択するという方法であってもよい。
【００６１】
次に、この実施形態に係る減速機Ｇ１の作用を説明する。
【００６２】
モータＭの回転によって前段減速部１００の入力軸１１０が回転すると、該入力軸１１０と一体化された偏心体１２４も回転する。偏心体１２４が回転すると、外歯歯車１３０、１３２は入力軸１１０の周りで揺動回転を行おうとするが、内歯歯車１４０によってその自転が抑制されるため、外歯歯車１３０、１３２はこの内歯歯車１４０に内接しながら殆ど揺動のみを行うことになる。しかしながら、外歯歯車１３０、１３２の歯数は１２、内歯歯車１４０の歯数は１４に設定されているため、入力軸１１０の一回転毎に外歯歯車１３０、１３２は内歯歯車１４０に対してその歯数差「２」だけずれる（自転する）ことになる。これは、入力軸１１０の一回転が外歯歯車１３０、１３２の−２／１２の回転、即ち、減速比−１／６の回転に減速されたことを意味する。なお、マイナスの符号は、外歯歯車１３０、１３２の回転方向が入力軸１１０の回転方向と逆になることを示している。この外歯歯車１３０、１３２の回転は内ピン孔１５０、１５２及び内ローラ１６２の隙間によってその揺動成分が吸収され、自転成分のみが内ピン１６０を介して前段出力軸１７０（後段入力軸２１０）へと伝達される。
【００６３】
後段減速部２００においても、前段減速部１００と全く同様の減速作用が行われる。即ち、後段入力軸２１０の一回転毎に外歯歯車２３０、２３２は内歯歯車２４０に対してその歯数差「２」だけずれる（自転する）。但し、後段減速部２００の外歯歯車２３０、２３２の歯数は７８、内歯歯車２４０の歯数は８０に設定されているため、結局、後段入力軸２１０の１回転は外歯歯車の−２／７８の回転、即ち、減速比−１／３９の回転に減速されることになる。なお、回転方向は、前段減速部１００において一度逆転方向となるが、後段減速部２００において再び逆転するため、結局、後段減速部２００の外歯歯車２３０、２３２は、モータＭの回転と同一方向に回転することになる。
【００６４】
外歯歯車２３０、２３２の回転は偏心内ピン２６０の偏心突起部２６４、２６５の存在によってその揺動成分が吸収され、自転成分のみが該偏心内ピン２６０を介して外歯歯車２３２、２３０の両サイドに配置された第１、第２出力フランジ２６６、２６８に伝達される。第１、第２出力フランジ２６６、２６８はキャリヤピン２８０を介して強固に連結されているため、両出力フランジ２６６、２６８は一体的に回転し、その回転を相手機械である産業用ロボット１０の第２アーム１４にボルト２８６及び第２アーム１４と出力フランジ２６８とを連結するボルト（図示略）を介して伝達する（図４参照）。
【００６５】
この結果として前段減速部１００との掛け合わせで（−１／６）ｘ（−１／３９）＝１／２３４の減速比に相当する減速が実現される。
【００６６】
ここで、共振解消に関する具体的な作用の説明に入る前に、本発明創案の基礎となった共振試験について簡単に説明する。図５に試験装置の概略を示す。
【００６７】
試験装置Ｔは、サーボモータＳＭ、前段減速部ＰＧ、後段減速部ＭＧの間をカップリングＣ１、Ｃ２で連結したものである。後段減速部ＭＧの出力側にはフライホイールＦＷが接続され、該フライホイールＦＷの外周端に圧電型のピックアップＰＵが組み込まれている。ピックアップＰＵは、フライホイールＦＷの中心から半径ｒの位置におけるフライホイールＦＷの変位（ｍｍ）と加速度（ｍ／ｓ２）を検出する。後段減速部ＭＧは前述の後段減速部２００と同様の構成を有する。減速比は１／３９である。測定範囲は、２５〜２０００ｒｐｍ、回転速度のサンプリング幅は、２５ｒｐｍ、フライホイールＦＷのイナーシャは、２０ｋｇｆ・ｍ・ｓｅｃ２、測定位置（半径ｒ）は、８５０ｍｍである。この構成において、前段減速部ＰＧとして前述の前段減速部１００を含む種々の構成及び減速比の減速装置を組み込み振動試験を行った。
【００６８】
図６、図７に試験結果を示す。図６は、前述の減速比１／６の前段減速部１００が組み合わされたとき（Ｎｏ．１）、減速比１／５の平行軸歯車構造の減速部が組み合わされたとき（Ｎｏ．２）、及び前段減速部無しのとき（Ｎｏ．０）のそれぞれの加速度−モータ回転速度特性を示している。また、図７は、同、変位−モータ回転速度特性を示している。
【００６９】
Ｎｏ．０のグラフから明らかなように、後段減速部２００のみのとき、即ち、前段減速部１００が連結されていないときには、５００ｒｐｍ及び２５０ｒｐｍの付近にそれぞれ１次共振及び２次共振のピークが認められる。これに対し、減速比１／５の平行軸歯車構造の減速部が組み合わされたとき（Ｎｏ．２）は、このピークがいずれもほぼ消滅し、代わりに１３００ｒｐｍ付近に新たな共振が発生している。２次共振周波数（２５０ｒｐｍ）の約５倍の回転速度と理解できる。
【００７０】
一方、減速比１／６の前段減速部１００が組み合わされたとき（Ｎｏ．１）も、やはりオリジナルの１次共振及び２次共振のピークが消滅し、代わりに１５００ｒｐｍ付近に新たな共振が発生している。２次共振周波数（２５０ｒｐｍ）の約６倍の回転速度と理解できる。
【００７１】
これらの結果から、従来の平行軸歯車構造の前段減速部を有する装置にあっては、実用回転速度が１０００ｒｐｍ程度までであったときには、確かにピークは殆ど生じておらず、共振解消の効果があったと認められる。しかしながら前述したように、実用回転速度が１５００ｒｐｍを超えるような領域にまで高まると、確かに新たな共振が発生していることがこの試験結果からも確認できる。
【００７２】
試験は多くの種類の内接噛合遊星歯車構造の前段減速部、及びその他のさまざまな種類の前段減速部について実施されたが、その結果、前段減速部の構成は、主として振動（共振）の振幅あるいはその裾の幅の大きさには影響を及ぼすものの、共振周波数に関するグラフの定性的傾向についてはあまり影響を及ぼさないことも確認された。より具体的には、新たな共振は、前段減速部の具体的構造に関わらず、ほとんどの試験において、後段減速部のみとしたときに発生する共振周波数に対して、減速比の分母の整数倍（前段減速部の減速比１／５ならば５倍）で発生することが確認された。
【００７３】
この実施形態の具体的な作用の説明に戻る。
【００７４】
本実施形態では、付設する前段減速部ＰＧとして、内接噛合遊星歯車構造の前段減速部１００を採用したため、以下のような利点が得られる。
【００７５】
即ち、前段減速部１００において、所定の減速比（この実施形態では１／６）を稼げるため、求められる総減速比が高くなっても後段減速部２００の減速比として、最も作りやすい減速比の領域である１／５０以下の領域、特に１／４０以下の領域を容易に選択できる。同時に、（前段減速部の減速比を１／６以上に容易に設定できることから）新たな共振が発生する回転速度を、高くなったサーボモータの実用回転速度領域よりも更に高い領域にまで移すことができ、高速のサーボモータを使用した場合でも、新たな共振が発生するのを防止できる。
【００７６】
一方、前段減速部１００の減速比は、大きくしても、これを１／２０以下に抑えるとよい。これにより、求められる減速比が比較的低くても、後段減速部２００の減速比を最も作りやすい減速比の領域である１／２５以上の領域、特に１／３０以上の領域を容易に選択できる。なお、前段減速比１／２０以下の減速比は、外歯歯車と内歯歯車との歯数差が１の設計でも製造自体は可能であるが、上記実施形態のように、例えば、該歯数差を２以上に設定することにより、伝達容量の確保、バックラッシの小さい精密な部品の加工・組み立ての容易性という面で有利な製造が可能となる。
【００７７】
更に、この実施形態では前段減速部１００、後段減速部２００の双方とも内接噛合遊星歯車構造であるため、（平行軸歯車構造の減速部に比べて）噛み合い率が高いために、経時的な摩耗が少ない。そのため良好なバックラッシ特性、即ち高い位置決め精度を長期に亘って得ることができる。
【００７８】
また、本実施形態においては、前段減速部１００と後段減速部２００、及び、前段減速部１００とモータＭが、それぞれ独立したケーシングに分割可能に収容されているため、モータＭと後段減速部２００との間の前段減速部１００のみを変更可能である。勿論、モータＭ及び前段減速部１００ごとの交換も可能である。そのため、高精度であるが故に高コストとなりやすい後段減速部を１種類のみの設計とし、既に豊富な種類が存在する汎用の内接噛合遊星歯車構造の減速装置を前段減速部として用意し、これをモータと後段減速部との間に組み込むことにより、さまざまな減速比を有するバックラッシの小さな減速機を容易に得ることができ、設計の自由度を増大させることができる。
【００７９】
とりわけ、本実施形態においては、前段ケーシング１０２及び後段ケーシング２０２の連結孔の位置（ボルト５５の位置）Ｐ１が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置（第１アーム１２の取り付け孔位置）Ｐ２と一致しており、前段ケーシング１０２及び後段ケーシング２０２の連結、及び該前段ケーシング１０２及び後段ケーシング２０２の被取り付け部材への取り付け（第１アーム１２への取り付け）が同一のボルト５５により同時に行われる構成とされているため、交換自体も容易である。
【００８０】
本実施形態における前段減速部１００は、「プレ減速を行う」という減速比調整機能と、「その減速比の選定によって、共振点の移動の程度を変更する」という共振回避機能とがあることから、この交換の容易性は、その何れの面においても大きなメリットとなる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、共振回避を低コストで実現でき、且つより設計の自由度が高い産業用ロボットの関節駆動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る産業用ロボットの関節駆動装置の減速機の主要部分を示す断面図
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図
【図４】上記産業用ロボットの関節駆動装置の全体構成を示す断面図
【図５】産業用ロボットの共振のメカニズムを確認するために用いた試験装置の概略構成図
【図６】上記試験装置にて行った試験結果を示す、加速度−モータ回転速度の特性図
【図７】同じく、変位−モータ回転速度の特性図
【符号の説明】
１０…産業用ロボット
１２…第１アーム
１４…第２アーム
１００…前段減速部
１０２…前段ケーシング
１０６…第１サイドカバー
１０８…第２サイドカバー
１１０…入力軸
１２４…偏心体
１３０、１３２…外歯歯車
１４０…内歯歯車
１６０…内ピン
１７０…前段出力軸
２００…後段減速部
２０２…後段ケーシング
２１０…後段入力軸
２３０、２３２…外歯歯車
２４０…内歯歯車
２６０…偏心内ピン
２６２、２６４…第１、第２出力フランジ
Claims (8)
- 産業用ロボットの関節駆動装置において、
モータと、
僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備えた内接噛合遊星歯車構造の前段減速部と、僅少の歯数差を有する外歯歯車および内歯歯車を備え、前記前段減速部の出力を受けて更に減速する内接噛合遊星歯車構造の後段減速部と、の２段の減速部を有する減速機構部と、を備え、且つ
前記前段減速部と前記後段減速部がそれぞれ独立した前段ケーシング及び後段ケーシングに収容され、且つ該前段ケーシング及び後段ケーシングが、互いに分割可能とされた
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項１において、更に、
前記モータも独立したモータケーシングに収容され、且つ、前記前段減速部を収容する前段ケーシングと該モータを収容するモータケーシングも分割可能とされている
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項１または２において、
前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結孔の位置が前記産業用ロボットの被取り付け部材の取り付け孔の位置と一致しており、前記前段ケーシング及び前記後段ケーシングの連結、及び、該前段ケーシング及び前記後段ケーシングの被取り付け部材への取り付けが、同一の取り付け部材によって行われる構成とされた
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記前段ケーシングの外周を前記後段ケーシングの外周より小さくすることによって形成された空間に、エンコーダ等の付属品を収容可能とした
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記前段減速部の減速比が１／２０以下、
前記後段減速部の減速比が１／２５以上、且つ、
前記前段減速部と前記後段減速部とで達成される総減速比が、１／１５０以上、１／５００以下の範囲にそれぞれ設定された
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項５において、
前記前段減速部の外歯歯車と内歯歯車との歯数差が２以上に設定されている
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシより、対応する減速比に相当する値よりも小さく設定された
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。 - 請求項７において、
前記後段減速部のバックラッシが、前記前段減速部のバックラッシの１／１０以下の値に設定されている
ことを特徴とする産業用ロボットの関節駆動装置。
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-
2003
- 2003-03-31 JP JP2003095359A patent/JP2004299000A/ja active Pending
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