JPH0265987A - ロボットの動力伝達装置 - 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） 本発明は旋回する関節をもったロボットの動力伝達装置
に関する。

（従来の技術） 従来のアーム開動装置において重量を軽減してアームの
運動性を向上させるべく、アクチュエーターをアーム旋
回軸に直結せずに駆動伝達手段を用いて回転伝達駆動を
行うものがある。

駆動伝達手段にはタイミングベルト、スチールベルト、
平行リンクがある。近年のモーターのダイレクトドライ
ブ化やロボットの高精度要求によりガタの生ずる恐れの
あるタイミングベルトよりはスチールベルトや平行リン
クがより有効と考えられている。

しかしながら、スチールベルトは耐久性に問題があり、
またテンション装置が必要で適正なテンションを張架す
る作業が大変であった。

一方、平行リンク方式では耐久性が良いが回動範囲が１
４０°程度と小さい欠点があった。

この欠点を解消するものとして特開昭６３−７７６７４
号に提示されたダブルリンク方式がある。この方式によ
れば２本のリンクが９０’の位相差で回動するので、ア
ームの回動範囲が３００°以上とすることができる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のハーモニック減速機を使用したロボットでは減速
機自体の剛性が低いため、アーム及び駆動伝達系の剛性
の低さはあまり問題とならなかったばかりか、減速機が
モーターとアーム等の負荷間に介在するので、これがダ
ンパーとなりサーボ系と機構部の共振が発生することが
少なかった。

しかしながら、ダイレクトドライブ（以下、ＤＤという
）モーターを駆動源とした場合、アーム剛性が低いとア
ーム等の負荷が直にモーターの出力軸に連結しているた
め共振が発生し、サーボゲインを高くすることができな
かったり、極端な場合にはサーボゲインが低いためにア
ームを駆動できないこともあった（ＤＤロボットの場合
、共振を防いでサーボゲインを高くするためには、ロボ
ットの固有振動数が１００七以上が望ましいとされ、こ
れが５０Ｉ（ｚ以下であると共振が発生する。ちなみに
ハーモニック減速機を使用したロボットの場合、固有振
動数は１５〜２０七程度である。）。

アーム剛性の高低を左右するのはアーム自体の剛性の他
に関節部に使用するボールベアリングの剛性がある。通
常、ボールベアリングがバネ系とみなされるため、この
剛性を大きくするため予圧をかける必要がある。

ところが前記特開昭６３−７７６７４号に示された様な
ダブルリンク方式ではリンク軸支部のボールベアリング
に序圧をかけることが考えられるが、予圧により駆動伝
達系の剛性が高まるかわりに２本のリンクの設置誤差（
特に軸方向）が吸収できなくなるため、リンク軸支部に
過大な曲げモーメントが発生し、摩擦トルクの増大、ベ
アリング寿命の低下を招き、またリンク回動時の摩擦ト
ルクの変動やロボット位置精度の劣化の恐れがあった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、基部アー
ム後部内に配設した第１リンクプレートにダイレクトド
ライブモーターに連結された駆動軸を固着するとともに
、基部アーム前部に軸受を介して先端アーム軸を前記駆
動軸と平行に軸支するとともに、該先端アーム軸に先端
アームを固着し、先端アーム軸に第２リンクプレートを
固着するとともに、駆動軸と先端アーム軸の軸間距離と
等しい長さで、２本のリンクの両端を第１リンクプレー
トと第２リンクプレートにそれぞれ回転中心からの距離
を等しく設けられた一対の支柱二組によって２本のリン
クの位相差が略９０度に、かつ前記駆動軸と平行になる
ように軸受によって軸支するとともに、２本のリンクが
少なくともその一端で支柱と軸受もしくは軸受とリンク
が支持軸方向に相対移動可能な如くしたことを特徴とし
ている。

（構　成） 以下、図示した実施例に基づいて具体的に説明する。固
定台１上部にフランジ２が固定されている。固定台１に
は基部アーム駆動用ダイレクト（以下、ＤＤ）モーター
３のステータ一部３ａが固定されている。該ＤＤモモ−
−３のローター上部にはスペーサ４が固定され、該スペ
ーサ４には基部アーム５の後（基）部５ａが固定されて
いる。

一方、基部アーム５先端５ｂの基部アーム駆動用ＤＤモ
ーター３と反対側では支持部材６がアームの長手方向に
前記基部アーム駆動用ＤＤモーター３の出力軸と直角方
向に位置が調節できるよう長穴にボルトによって基部ア
ーム５に締結されている。該支′持部材６には押え板７
によってクロスローラー軸受８が固定されており、クロ
スローラー軸受８は先端アーム軸９を基部アーム駆動用
ＤＤモーター３の出力軸と平行に軸支している。１０は
その後部において先端アーム軸に連結している先端アー
ムである。

また、前記スペーサ４には先端アーム叩動軸１１が軸受
１２ａ、１２ｂによって、基部アーム駆動用ＤＤモータ
ーの出力軸と同軸に軸支されている。該先端アーム暉動
軸１１の基部アーム５内突出端には第１リンクプレート
１３が、嵌合穴１３ａを先端アーム湘動軸１１の嵌合軸
１１ａに嵌合して結合している。また、先端アーム軸９
の基部アーム５側にも第２リンクプレート１４が、嵌合
穴１４ａを先端アーム軸９の嵌合軸９ａに嵌合して結合
している。第１リンクプレート１３、第２リンクプレー
ト１４の対向するそれぞれの面にはリンクプレートの回
転中心よりｒ工ｌ　　ｒ、、ｒエ　、ｒ２′　の距離に
嵌合穴１５，１６゜１７．１８があけられている。この
嵌合穴１５゜１６．１７．１８と前記の嵌合穴１３ａ、
１４ａは第１リンクプレート１３、第２リンクプレート
１４を同時加工にて製作されているので、それぞれの回
転中心からの距離はｒ工＝ｒ１　　ｒ。

＝ｒ２、また角度α＝βとなっている。嵌合穴１５，１
６と１７．１８にはそれぞれ長さの異る一対のリンク軸
１５ａ、１６ａと１７ａ、１８ａが前記先端アーム暉動
軸１１と平行に取付けられている。

長リンク軸１５ａと短リンク軸１７ａ、短リンク軸１６
ａと長リンク軸１８ａは、軸受１９ａ、２０ａ、１９ｂ
、２０ｂ、１９ｃ、２０ｃ、１９ｄ、２０ｄを介してそ
れぞれリンク２１．２２によって連結している。リンク
２１とリンク２２はリンクプレート１３．１４が回転し
ても干渉しないよう回動面が異っている。

また、リンク２１．２２は同時加工によってそれぞれの
軸間距離８１１　ｅ、が等しくなっている。またｅ□ｔ
　ｅ、は設計寸法が基部アーム５の軸間距離りと等しく
設定されている。

なお、リンク２１　、．２２のそれぞれの軸支部は２個
の軸受間に皿バネ２３．２４が挿入されており、押え板
２５によって軸受の外輪、球、軸受の内輪、皿バネ、軸
受の内輪、球、軸受の外輪にわたって予圧が設定されて
いる。２６は押え板２５をリンク２１．２２に締結して
いるネジである。

それぞれのリンク２１．２２の両端軸支部は第７図に示
す如く予圧が設定されていて、がっ少なくとも一方の軸
支部は軸方向のアライメントのため、リンク軸とリンク
（軸受内輪）とは軸方向に移動可能となっている 即ち、軸受内輪とリンク軸１５，１６との嵌合を精密な
スキマハメとして、かつ軸受内輪がリンク軸１５．１６
の軸方向に多少移動できる様、隙間をもたせるようにし
である。

また、この部分の別な実施例として第８図に示す方法も
ある。これは第１リンクプレート１０１に固着した短リ
ンク軸１０２に、外輪にカラー１０３を入れた一対のア
ンギュラベアリング１０４゜１０５の内輪に短リンク軸
１０２にねじ込まれたベアリングナツト１０６によって
予圧を付加するとともに、リンク１０７の一端をアンギ
ュラベアリング１０４．１０５の外輪に固着する一方、
リンク１０７の他端において外輪にカラー１０８を入れ
た一対のアンギュラベアリング１０９．１１０の内輪に
、第２リンクプレート１１１に固着した長リンク軸１１
２に摺動自在に嵌合したスリーブ１１３を嵌合させると
ともにスリーブ１１３の一端に形成されたネジ部に螺合
したベアリングナツト１１４によって前記アンギュラベ
アリング１０９．１１０の内輪に予圧を与える一方、第
２リンクプレート１１１に固着した短リンク軸１１５と
第１リンクプレート１０１の固着した長リンク軸１１６
とを連結するリンク１１７の両端においても、リンク１
０７と同様に短リンク軸１１５側では外輪にカラー１１
６を入れた一対のアンギュラベアリング１１７．１１８
を短リンク軸に嵌合させるとともに、短リンク軸先端に
形成されたねじ部にベアリングナツト１１９を螺合させ
ることによりアンギュラベアリングに予圧を与え、また
長リンク軸１１６側では外輪にカラー１２０を入れた一
対のアンギュラベアリング１２１゜１２２の内輪に長リ
ンク軸１１６に摺動自在に嵌合したスリーブ１２３を嵌
合させるとともに、スリーブ１２３の一端に形成された
ネジ部に螺合したベアリングナツト１２４によってアン
ギュラベアリング１２１．１２２の内輪に予圧を与えた
ものである。

１２５．１２６．１２７．１２８はそれぞれカラー１０
３゜１０８、１１６．１２０をリンク１０７．１１７に
固定するセットねじ、１２９．１３０はそれぞれスリー
ブ１２３，１１３を長リンク軸１１６．１１２に固定す
るセットねじである。

なお、２７．２８は基部アーム５に取付けられた組立時
に使用するフタである。

又、嵌合穴１３ａと１４ａ、１５ａと１７ａ、１６ａと
１８ａ及びリンク２１．２２の軸受穴の径はそれぞれ等
しくなっている。

一方、固定台１内部には固定台１の底部１ａに先端アー
ム駆動用ＤＤモーター２７のステーター２７ａが固定さ
れている。先端アーム駆動用ＤＤモーター２７はその出
力軸（ローター）２７ｂが、前記先端アーム駆動軸１１
と同軸になるよう設けられている。先端アーム能動用Ｄ
Ｄモーター２７の出力軸２７ｂは先端アーム駆動軸１１
の下端１１ｂに結合したフランジ２８に締結されている
。

フランジ２８と前記フランジ２間には間隙が設けられて
いる。また、前記スペーサ４下部には基部アーム駆動用
ＤＤモーター３の中空部３ｄと先端アーム鄭動軸１１と
の間を貫通する中空シャフト部４ａが形成されていて、
該中空シャフト部４ａのフランジ２下方への突出部４ａ
’には間隙内にブロック３ｏが連結されている。該ブロ
ック３０は前記フランジ２８に軸受３２を介して軸支さ
れている。２３．２４は軸受３２に予圧を与える皿バネ
である。

該ブロック３０には基部アーム回転制限用のメカニカル
ストッパが形成されていて、フランジ２に固定された固
定ストッパ３３に当接するようになっている。また、ブ
ロック３ｏにはドグ３４が設けられていて、フランジ２
に設けられたブラケット３５に固定された基部アーム回
転角検出用の原点並びにオーバーラン検出用の近接スイ
ッチ３６．３７．３８に検出されるようになっている。

固定台１背面には図示省略のコントローラーと接続する
コネクター３９を設けた中継ボックス４０が設けられて
いる。

また、中継ボックス４０とフランジ２間の固定台上面に
は配線用の支柱４１が取付けられている。該配線用支柱
４１上端には回転型コネクター４２を介してフレキシブ
ルコンジットチューブ（以下、コンジットチューブ）４
３の一端が接続されている。

コンジットチューブ４３の他端は先端アーム軸９と略同
軸になるように先端アーム１ｏ後部上部に設けられたが
カバ−４４上部に設けられた回転型コネクター４５を介
して、先端アーム１０と接続している。

先端アーム１０内部において減速機４６を備えた作業軸
回転駆動用ＡＣモーター４７と作業軸位置決めストッパ
駆動用ＡＣモーター４８が平行先端アーム軸９とに設け
られている。前記ＡＣモーター４７は先端アーム軸９と
略同軸になるように設けられており、減速機４６の出方
軸４６ａにはタイミングプーリー４８が、後記ＡＣモー
ター４８の出力軸４８ａにはタイミングブーり−４９が
連結している。

一方、先端アーム１０の前部１０ｂにはスプラインによ
って形成された一対の作業軸５０゜５０’　が先端アー
ム軸９と平行になるよう、スプライン軸受５１．５１’
　、５２．５２’　、ラジアル軸受５３．５３’　　　
５４．５４’　によって軸方向に摺動自在かつ回転自在
に軸支されている。

前記スプライン軸受５１．５１’　　５２．５２’はス
リーブ５５．５５’　を介してタイミングプーリー５６
．５６’　に連結している。該タイミングプーリー５６
．５６’　と前記タイミングプーリー４８はタイミング
ベルト５７によって回転連結している。

また１作業軸５０．５０’上端部５０ａ、５０ａ’は先
端アーム１０前部上部に作業軸５０．５０’と平行に設
けられた一対のエアシリンダ５８゜５８′のロッド５８
ａ、５８ａ’に連結したジヨイント５９．５９’　に設
けられた軸受６０，６０’によって回転自在かつ軸方向
に一体になるよう設けられている。

一方、先端アーム１０前部の作業軸５０゜５ｏ′中間部
には軸受６１，６２を介して作業軸５０．５０’　と平
行にスリーブ６３が軸支されている。該スリーブ６３に
は軸受６１上方において、タイミングプーリー６４が形
成されており、前記タイミングプーリー４９とタイミン
グベルト６５によって回転連結されているとともに、そ
の上部において外周におねじを形成した摺動ストッパ６
６のおねじに嵌合するめねじを形成した軸受６７を固定
しである。６８は摺動ストッパ６６上部に形成されたス
トッパ部で、先端アーム１０内部に前記スリーブ６３の
軸と平行に固定されたガイド６９によって摺動自在かつ
回転不能に案内されている。７０は先端アーム１０前部
に設けられたカバーである。

なお、カバー７０、カバー４４、中継ボックス４０、フ
タ２７，２８、支持部材６等のロボット内部を外部より
密閉する構造となっている。

７０．７−１．７１’は先端アーム回転角検知のだめの
原点用及びオーバーラン検出用近接スイッチである。

又、７２は基部アーム５の後部５ａに固定された先端ア
ーム用のメカニカルストッパで、先端アームのオーバー
ラン時に第１リンクプレトに当接するようになっている
。

本発明では、先端アーム用のメカニカルストッパ７２と
基部アーム用のメカニカルストッパ３３がロボット内部
に設けられている。そのため、安全性が向上するととも
に万一ロボットがオーバランしてメカニカルストッパが
当接しても、当接によって発生するふん塵が外部に放出
しないため、クリーン度を要求される環境においても使
用できる。

なお、前記フランジ゛２とフランジ２８との間隙部にメ
カニカルストッパを形成したブロック３０と固定ストッ
パ３３を設けたが、ストッパの代りに先端アーム駆動用
ＤＤモーター２７の出力軸２７ｂと中空シャフト部４ａ
の回転を停止させるブレーキをフランジ２もしくは固定
台に設けてもよい。また、この場合は１つのブレーキ手
段で一度に前記先端アーム駆動用ＤＤモーターの出力軸
２７ｂと中空シャフト部４ａを停止させるようにするこ
とも考えられる。

なお、作業軸５０．５０’の下端５０ｂ、５０ｂ’には
図示省略の作業工具を取り付ける。

また、７３はコンジットチューブ４３に内挿され、中継
ボックス４０と先端アーム１０を接続するケーブルであ
る。基部アーム５内には電装部品は取付けられていない
ので、リンク２１゜２２が回転してもケーブル切断の恐
れがない。

２組の平行四辺形リンク機構のうち、リンク１８．１９
の長さｅｘ、＋３．が同時加工されているので等しい。

またリンクプレート１０．１１の回転中心とリンク１８
．１９の軸支部の軸間距離ｒ１＋　ｒｉ　　、ｒｚｔ　
ｒｚ’も同時加工しているので等しくなっている。

また、組立時に支持部材５が位置調節可能な構造となっ
ているので、基部アームの軸間距離りをＬ＝ｅ１（ｅ２
）とすることができるので、先端アーム晩動軸３の回転
は先端アーム軸に伝達される。

なお、リンク１８．１９と基部アーム２の軸間距離ｅ工
、ｅ２、Ｌを等しくする様に、２つのリンクと基部アー
ムを同時加工する方法も考えられるが、リンクと基部ア
ームの大きさと、加工穴径が極端に異るので実際にこれ
を同時加工することは不可能である。

又、前記フタ２７．２８はそれぞれ基部アーム５の後（
基）部上部と前（先端）部下部に形成された穴を密閉す
るために設けられているが、この２つの穴は基部アーム
５内にリンク２１゜２２等を組込むための作業用の穴で
あるが、この穴と穴に対向した軸支部以外は基部アーム
が閉構造になっているため高いアーム剛性を得ることが
できる（通常、リンクを内蔵したアームはアームの一側
が全部間いた構造になってしまうため剛性が低かった。

）。

又、コンジットチューブ４３内にロボット内に発生する
ふん塵を外部から吸引する排気用のチューブを設けるこ
ともできる。コンジットチューブ４３は一端で先端アー
ム１０の略回転中心に回転コネクターによって接続され
ているので、アームの速い動きにも無理なく追従できる
（従来はアームに取付けられた配線の曲げやねじりに起
因する抵抗によって精度劣化の問題があった。）。

次に作用について述べる。

第１リンクプレート１３と第２リンクプレート１４との
距離が加工誤差や組立誤差で設計寸法に対して異ってい
ても、第７図の場合では軸受１９ａ、１９ｃ、２０ａ、
２０ｃの内輪とリンク軸１５．１６が摺動するので軸支
部に過大な曲げモーメントが発生することはない。

また、第８図の場合でも組立時にスリーブ１１３、１２
３を長リンク軸１１２．１１６に対して摺動させること
により、第１リンクプレート１３と第２リンクプレート
１４との距離の誤差を吸収したのち、セットねじ１２９
．１３０でスリーブ１１３゜１２３を長リンク軸１１２
．１１６に対して固定する。

組立後、ロボットを動作させる場合は基部アーム駆動用
ＤＤモーター３及び先端アーム駆動用ＤＤモーター２７
を回動することにより、基部アーム５と先端アーム１０
が回動し、作業軸５０．５０’　を平面的に位置決めす
るとともに、作業軸回転駆動用ＡＣモーター４７によっ
て作業軸の回転位置決めも行う。同時に作業軸位置決め
ストッパ能動用ＡＣモーター４８によってストッパ部６
８を位置決めする。

次にエアシリンダ５８．５８’のいずれがを作動させて
作業軸５０．５０’　を下降させると。

所望の高さにてエアシリンダ５８．５８’のロッド５８
ａ、５８ａ’が前記ストッパ部６８に当接し停止する。

（効　果） 以上述べたきたように本発明によると、基部アーム後部
内に配設した第１リンクプレートにダイレクトドライブ
モーターに連結された駆動軸を固着するとともに、基部
アーム前部に軸受を介して先端アーム軸を前記能動軸と
平行に軸支するとともに、該先端アーム軸に先端アーム
を固着し、先端アーム軸に第２リンクプレートを固着す
るとともに、駆動軸と先端アーム軸の軸間距離と等しい
長さで、２本のリンクの両端を第１リンクプレートと第
２リンクプレートにそれぞれ回転中心からの距離を等し
く設けられた一対の支柱二組によって２本のリンクの位
相差が略９０度に、かつ前記駆動軸と平行になるように
軸受によって軸支するとともに、２本のリンクが少なく
ともその一端で支柱と軸受もしくは軸受とリンクが支持
軸方向に相対移動可能な如くしたことを特徴としたので
、リンク軸支部では少なくともどちらか一端でリンクが
リンク軸に対して軸方向に移動できるようになっている
ので５部品の加工誤差や組立誤差による第１、第２リン
クプレート間の距離誤差を吸収することができるため正
確なダブルリンク機構を実現できる。

このため、リンク軸支部に過大な曲げモーメントが発生
することを防ぎ、精密で無理のない。

かつ安定した回転伝達ができる。これと同時に。

軸受に予圧を与えることができるため軸支部の固有振動
数が高くなり、回転間動源にＤＤモモ−−を使用した場
合でもサーボゲインを充分高くできるのでロボットの動
特性が向上する。

つまり、本発明によればＤＤモモ−−を使用したロボッ
トに最適の構造と言うことができる。

なお、第１の実施例（第７図）で軸受をアンギュラベア
リングの正面合せとすることにより、より大きな予圧を
付加できるとともに、リンク軸間の平行度に多少のくろ
いがあっても誤差を吸収できる。

また、リンクのもう一端部を第２の実施例（第８図）の
短リンク軸の軸支方法と同じにすることにより、さらに
剛性が大きくなる。

第２の実施例（第８図）ではスリーブをセットねじでリ
ンク軸に固定するので、部品点数が増えるがさらに剛性
を大きくすることができる。

なお、前述の実施例では軸受の外輪をリンクに固定し、
内輪側で軸方向位置を調整する方式としだが、逆に内輪
を軸に固定し、外＠（もしくは外輪に嵌合したスリーブ
）をリンクに対して軸方向位置を調整する方法でも良い
。

また、ダブルリンク以外の単なる平行、非平行リンクに
よる即動伝達手段にも応用できるし、リンクプレートが
対向配置以外の他の構造、例えば特開昭６３−７７６７
４のような二枚のリンクプレートが二組あるようなもの
でも良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例正断面図、第２図、第３図は
第１図の要部拡大図、第４図は第１図の外観側面図、第
５図は同平面図、第６図は第１図のリンク部平面図、第
７図は第６図のリンク部軸支部の正断面図、第８図はリ
ンク部の第２実施例正断面図である。 １・・・固定台 ３・・・基部アーム駆動用ダイレクトモーター５・・・
基部アーム ９・・・先端アーム軸 １０・・・先端アーム １１・・・先端アーム味動軸 １３・・・第１リンクプレート １４・・・第２リンクプレート ２１．２２・・・リンク ２７・・・先端アーム睡動用ダイレクトモーター２７ｂ
・・・出力軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基部アーム後部内に配設した第１リンクプレートにダイ
   レクトドライブモーターに連結された駆動軸を固着する
   とともに、基部アーム前部に軸受を介して先端アーム軸
   を前記駆動軸と平行に軸支するとともに、該先端アーム
   軸に先端アームを固着し、先端アーム軸に第２リンクプ
   レートを固着するとともに、駆動軸と先端アーム軸の軸
   間距離と等しい長さで、２本のリンクの両端を第１リン
   クプレートと第２リンクプレートにそれぞれ回転中心か
   らの距離を等しく設けられた一対の支柱二組によって２
   本のリンクの位相差が略９０度に、かつ前記駆動軸と平
   行になるように軸受によって軸支するとともに、２本の
   リンクが少なくともその一端で支柱と軸受もしくは軸受
   とリンクが支持軸方向に相対移動可能な如くしたことを
   特徴とするロボットの動力伝達装置。