JPH0513794B2

JPH0513794B2 -

Info

Publication number: JPH0513794B2
Application number: JP61061636A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Matsumoto; Masataka Hashimoto
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1986-03-18
Publication date: 1993-02-23
Also published as: JPH11198086A; JPS62218087A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は産業ロボツトの関節駆動用減速装置に
関する。

（従来の技術）産業ロボツトにおいては、一般に、作業に適し
た出力トルクを得るため、アーム等の駆動系（あ
るいは制御系という）には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。

また、産業ロボツトに用いる減速装置は、例え
ば、減速比１／120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
バツクラツシユが小さいこと、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。

これらの要求を満たすために、従来の産業ロボ
ツトは１段の減速で大減速比が得られ、また、累
積バツクラツシユが小さく、さらに、小型軽量の
減速装置が使用されている。このような、従来の
減速装置としては、例えば、特開昭59−190541号
公報に開示されているような調和歯車装置言わ
ば、撓み噛合式の遊星歯車装置および特開昭59−
106744号公報に開示されているような偏心揺動型
の遊星歯車装置がある。

従来、ロボツトの制御系においては、前記電動
モータと前記減速装置との組合せが用いられてい
るが、例えば、ロボツトの本体の第１アームに前
記電動サーボモータが取付けられ、電動サーボモ
ータの出力が、前記偏心揺動型の遊星歯車装置を
介してロボツトの第２アームに連結される。

電動サーボモータの回転数は減速装置で大幅に
減速され、得られた低速高トルクの回転力を有す
る出力が第２アームを回動し、作業する。一般
に、ロボツトアーム自体は剛性が高いためその固
有振動数は高い。しかしながら、ロボツト全体と
して見たとき、回動部近辺のロボツトの固有振動
数は一般に剛性の低い減速装置で決まり、減速装
置と同程度に低い。したがつて、制御系全体の固
有ねじり振動数f₀は一般に数ヘルツの低くなり減
速装置に入力する電動モータの回転数が低い領域
でロボツトに最も大きな共振現象が生じる。その
結果、ロボツトのハンド部に振動を生じ、ロボツ
トによる作業のうち溶接、シーリング、組立等、
一般に電動モータの低回転数領域で行われる作業
において、正確な作業軌跡を得られない等の問題
が起こる。

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
式においてはフイードバツ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ツト駆
動系においては、逆に発振し易くなるという問題
点を生じるため、ゲインを大きくできず、したが
つて、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
軸にねばり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、ロボツト
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。

（発明の目的）そこで、本発明は、単一の遊星歯車装置により
必要な減速比を満足できる産業ロボツトの関節駆
動用減速装置において、最も大きな振動がロボツ
トに生じる時のポイントを、ロボツトによる作業
のうち溶接作業等のように正確な作業軌跡を要す
る作業の領域外にシフトさせることができる産業
ロボツトの関節駆動用減速装置を提供することを
目的とする。

（発明の構成）本発明は、人力軸部材および出力軸部材と、内
歯歯車、該内歯歯車に噛み合う外歯歯車および該
外歯歯車に係合して外歯歯車を駆動するカム軸を
有する型式で、前記入力軸部材と出力軸部材の間
に介在する遊星歯車装置を備えた産業ロボツトの
関節駆動用減速装置において、前記入力軸部材か
ら出力軸部材までの総減速比を、遊星歯車装置単
体の実在する減速比の範囲内に設定するととも
に、前記型式の遊星歯車装置の入力側に前記型式
とは異なる型式の前段回転伝導手段を設け、該前
段回転伝導手段の出力軸を後段回転伝導手段とし
ての前記遊星歯車装置の入力軸に結合し、前段回
転伝導手段と後段回転伝導手段とにより前記総減
速比を満足するようにしたことを特徴とするもの
である。

（実施例）以下、本発明に係る産業ロボツトの関節駆動用
減速装置を図面に基づいて説明する。第１図ない
し第３図は、特許請求の範囲第１項および第２項
の本発明の一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
に係る産業ロボツトの関節駆動用減速装置を用い
たロボツトの制御系の全体概略説明図である。１
は産業ロボツトの駆動源である電動モータであ
り、電動モータ１のフランジ２は本発明に係る減
速装置３の筒体４に固定されている。筒体４はロ
ボツトの第１アーム５の先端部５ａに固定されて
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（入力軸部材）８に連結され、減
速装置３の出力は軸（出力軸部材）１０に伝達さ
れ軸１０の先端は円筒体１１の中心を貫通し、ロ
ボツトの被駆動部１２、すなわち、第２アームに
固定されている。第２アーム１２の基部の筒状体
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は介装されている。突出体１５の
内周面の円筒体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。したがつて、減速装置３は駆動部１の回転数
を減速してロボツトの被駆動部すなわち第２アー
ム１２を回動させる。

減速装置３は第２図および第３図に示すよう
に、前段回転伝導手段としての第１段減速部２０
と後段回転伝導手段としてと第２段減速部２１と
から構成され、電動モータ１の回転数を減速する
第１段減速部２０と、第１段減速部２０の出力軸
に結合した第２段減速部の入力軸であるカム軸２
４を有し、第１段減速部の出力回転数をさらに減
速する第２段減速部２１と、を備えている。第２
段減速部２１は固定している内歯歯車２２と、内
歯歯車２２に噛み合う外歯歯車２３と、外歯歯車
２３に嵌合して外歯歯車２３を揺動させながら駆
動回転させるカム軸２４と、を有する偏心揺動型
の遊星歯車装置によつて構成されている。また、
内歯歯車２２はピン歯２６を用いたピン歯車２７
で構成され、かつ外歯歯車２３の歯数より１つだ
け多い歯数を有している。また、第１段減速部２
０は第２段減速部２１の入力側に設けられ、第２
段減速部２１の型式とはわざわざ異なる型式の平
行軸歯車装置である通常の平歯歯車により構成さ
れ、駆動源の回転出力が入力されている。

第１段減速部２０の減速比と第２段減速部２１
の減速比は電動モータ１の通常制御回転数、この
実施例においては、ロボツトの通常作業時、例え
ば、溶接ロボツトに主作業たる溶接作業を行わし
める時のモータ回転数の範囲内でロボツトすなわ
ち、第１アーム５および第２アーム１２と、第２
段減速部２１との共振が起きないように選択して
いる。一般に、ロボツトの必要減速比は１／50〜
１／300であり、この実施例においては、電動モ
ータ１の通常制御回転数が０〜1000rpmで、第１
段（前段）減速部２０の減速比が１／２〜１／
５、また、第２段（後段）減速部２１の減速比が
１／25〜１／60で、減速装置３の全体の減速比は
必要減速比の１／120になるように選択されてい
る。一方、遊星歯車装置単体が現実にとり得る減
速比は当該歯車の歯の許容応力等から自ずとその
上限、下限が定まるものであり、本願の「外歯歯
車に係合して外歯歯車を駆動するカム軸を有する
型式の遊星歯車装置」においては、実在物として
の上限は１／320程度で、下限は１／10程度であ
る。したがつて、本実施例における総減速比１／
120は、第２段減速部２１としての遊星歯車装置
単体の実在する減速比の範囲１／10程度〜１／
320程度内に設定されている。

ここに、総減速比を本実施例のように１／120
程度に設定する場合、前段減速機２０の減速比i₁
が１／５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i₂
が１／25を超える（分母が小さくなることを意味
する。以下同じ）と、構造の簡単な平行軸減速機
を前段減速機２０に採用することによつては総減
速比を１／120程度よりも大きくすることは困難
となるので、設計的に不利となる。また、同様の
場合、後段減速機２１の減速比i₂が１／60未満ま
たは前段減速機２０の減速比i₁が１／２を超える
と、共振を防止できるロボツトの作業速度範囲が
狭くなる。

第２アーム１２の軸１０を中心としたねじりの
バネ定数は約37.5Kg・ｍ／分である（ここに、分
とは１度の１／60の角度のことである。）次に作用について説明する。

ロボツトの第２アーム１２を回動する場合、電
動モータ１の回転軸７は制御回転数０〜1000rpm
の範囲で変化する。電動モータ１の回転数は減速
装置３でほぼ１／120に減速され、出力軸１０は
第２アーム１２の出力軸１０を中心軸として回動
を始める。

本発明に係る減速装置は、第２図に示すよう
に、第１段（前段）減速部２０と第２段（後段）
減速部２１とを構成しており、かつ、第１段減速
部（平行軸歯車装置）２０の減速比は１／３およ
び第２段減速部２１（遊星歯車装置）の減速比は
１／40として、第１段減速部２０を設けることに
より、第２段減速部２１自体による加振周波数と
第２アーム１２の回動部近辺の固有振動数が一致
するときの電動モータ回転数を高くし、かつ、電
動モータ１の通常制御回転数の範囲外としてい
る。したがつて、第２段減速部２１と第２アーム
との間で実質的に有害となるような共振は通常回
転数の範囲（０〜1000rpm）では起きない。

第１段減速部２０を設けることにより、減速装
置３は部品数および重量は増加すると考えられる
が、第１段減速部２０を設けることにより、第２
段減速部２１が小型となり、また、第１段減速部
２０は減速比は小さく、簡単でよい。したがつ
て、減速装置３の全体の部品数および重量はそれ
ほど増加しない。また、第１段減速部２０を設け
ることによりバツクラツシユが大きくなるが、部
品数は少なく、バツクラツシユの増加量は最小限
に留めることができる。また、第１段減速部２０
のバツクラツシユは第２段減速部２１によつて第
２段減速部２１の減速比と同じ比率で縮小され実
用上は殆ど問題とならない。

実施例次に、減速装置の種類を変えた場合、減速装置
とロボツトとの共振の発生状態について実験し
た。

別表において、比較した減速装置は前述の実施
例の減速装置のほかに比較例１〜３に示す減速装
置である。ただし、前述の実施例を含め偏心揺動
型の遊星歯車装置は、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ぐため、実開昭59
−127951号公報に開示されているように外歯歯車
を２枚とし、これらを180度の位相差をもつて組
付けたもので、かつ、内歯歯車が外歯歯車の歯数
より１つ多い歯数を有するものを用いた。また、
調和歯車装置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i₁、i₂、ねじりばね定
数K₁、および慣性モーメントＪは別表に示して
ある。

実験は第５図に示す全体構成図によつて実施し
た。すなわち、電動サーボモータ３１の出力軸３
１ｂに減速装置３２を取付け、減速装置３２の出
力軸３２ａにロボツトの被駆動部（第２アーム）
の慣性モーメントに相当する慣性負荷としてフラ
イホイール３３が取付けられた。ロボツトの第２
アームの長さに相当するフライホイール側面３３
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ピツク
アツプ３４を取り付ける。この加速度ピツクアツ
プ３４の出力はインジケータ３６に連結されてい
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、および振幅を
測定した。測定はフライホイール３３が定速度で
約１回転する範囲で行つた。測定結果は第４図に
示す。横軸は電動サーボモータ３１の回転数（す
なわち、減速装置３２の入力軸の回転数）であ
り、縦軸はフライホイール３３の加速度ピツクア
ツプ３４に表れる円周方向の加速度（すなわち、
振動）の大きさ（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、共振のピークはそれぞれ、電動モータ３１の
回転数において、700rpm、500rpmおよび
250rpmのときであり、電動モータ３１の通常制
御回転数０〜100rpmの範囲で最も大きな振動が
生じている。しかしながら、本発明に係る減速装
置を用いた実施例の場合には、前述の説明のよう
に、共振ピークが生じる時の電動モータ回転数は
極めて高く、1500rpmとなつており、このポイン
トで最も大きな振動が生じる。

別表の実施例と比較例１において、慣性モーメ
ントＪおよびねじりばね定数K₁は殆ど同じであ
るが、負荷に共振現象が生じるときの電動モータ
の回転数に大きな差異があり、その差は第１段減
速比の反比例している。この理由は、そのような
共振現象の主因となる加振力が第１段減速部では
なく第２段減速部に生じ、その加振周波数と負荷
の固有ねじり振動数が一致したときに共振が起き
るためと考えられる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、本来な
ら、撓み噛合い型遊星歯車装置（調和歯車装置）
や偏心揺動型遊星歯車装置のように内歯歯車、内
歯歯車に噛み合う外歯歯車および該外歯歯車に係
合してこれを駆動するカム軸を有する型式の単一
の遊星歯車装置（以下、「カム軸入力型遊星歯車
装置」と言う。）により、総減速比を満足できる
産業ロボツトの関節駆動用減速装置において、後
段回転伝導手段としてのカム軸入力型遊星歯車装
置の入力側にわざわざカム軸入力型遊星歯車装置
とは異なる型式の前段回転伝導手段を設け、前段
回転伝導手段と後段回転伝導手段とにより上記総
減速比を得るようにしているので、本発明に係る
減速装置をロボツトの関節駆動に用いてロボツト
に共振が生じるとしても最大共振現象の生じるポ
イント若しくは最も大きな振動の生じるポイント
を従来に比し格段に高い駆動源（電動モータ）の
回転数領域あるいは所望の駆動源回転数領域にシ
フトさせることができる。従つて、最も大きな振
動の生じる時のポイントをロボツトによる作業の
うち溶接作業等のように正確な作業軌跡を要する
作業の領域外に、すなわち、使用する回転領域の
上または下の領域にシフトさせることができ、ロ
ボツトの作業効率の向上に寄与することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の係る産業ロボツト
の関節駆動用減速装置の一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
の要部断面図、第３図は第２図の−矢視断面
図、第４図は本発明に係る産業ロボツトの関節駆
動用減速装置の実施例および比較例の性能を説明
するグラフ、第５図は第４図に係る実験例の全体
構成図である。１……電動モータ（駆動源）、３……減速装置、
８……入力回転軸（入力軸部材）、１０……軸
（出力軸部材）、２０……第１段減速部（前段回転
伝導手段）、２１……第２段減速部（後段回転伝
導手段）、２２……内歯歯車、２３……外歯歯車、
２４……カム軸（入力軸）、２７……ピン歯車。

【表】

【表】車装置を、平歯歯車減速は平行軸型の
平歯歯車列装置を表す。

Claims

【特許請求の範囲】１人力軸部材および出力軸部材と、内歯歯車、
該内歯歯車に噛み合う外歯歯車および該外歯歯車
に係合して外歯歯車を駆動するカム軸を有する型
式で、前記入力軸部材と出力軸部材の間に介在す
る遊星歯車装置を備えた産業ロボツトの関節駆動
用減速装置において、前記入力軸部材から出力軸部材までの総減速比
を、遊星歯車装置単体の実在する減速比の範囲内
に設定するとともに、前記型式の遊星歯車装置の入力側に前記型式と
は異なる型式の前段回転伝導手段を設け、該前段
回転伝導手段の出力軸を後段回転伝導手段として
の前記遊星歯車装置の入力軸に結合し、前段回転
伝導手段と後段回転伝導手段とにより前記総減速
比を満足するようにしたことを特徴とする産業ロ
ボツトの関節駆動用減速装置。