JPS59169791A - マニプレ−タの少なくとも１つの主要な軸のための遊びなく調節可能な旋回駆動装置 - 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】 本発明はマニプレータの少なくとも１つの主要な軸のだ
めの遊びなく調節可能な旋回駆動装置であって、動力に
よって駆動される減速伝動装置の被駆動車が、旋回させ
るべき構成部材に相対回転不能に結合されており、旋回
駆動装置内で１つの歯車が２つの歯車半部に分割されて
おり、両歯車半部が互いにねじり弾性的な軸若しくはス
リーブを介して負荷されている形式のものに関する。

公知形式のマニプレータでは、予めプログラミングされ
た三次元空間の一点で所定の作業を実施することができ
るように、大きな三次元空間領域内でいわゆる機械の手
が正確に三次元的に運動できなければならない。マニプ
レータの最も多く使用される形態では、基フレームに、
鉛直軸線を中心として回転可能な回転台が配置され、こ
の回転台に、水平軸線を中心に旋回可能な駆動アームが
支承され、この駆動アームがさらに、水平軸に支承され
たアームを支持しており、このアームの端部に機械の手
が同様に複数の次元内で回転若しくは旋回可能に配置さ
れる。この構成によって、旋回軸の最大旋回範囲内の三
次元空間のいかなる点をも自動的に制御することができ
る。

この種のマニプレータでは、これの各旋回軸に特別な駆
動装置が対置されている。駆動モータの最良のトルクを
利用するためには、適当な伝動装置によって駆動回転数
を著しく減速する必要がある。

マニプレータは大きな精度で所定のターゲットを制御す
るのでなければ、実際の使用に役立たない。従来公知の
マニプレータでは、伝動系に存在する遊びがアームの大
きな荷重のために著しく増速され、この結果、この増速
比に相応するばらつき範囲内で機械の手がターゲットに
到達するため、前述の条件が満足に達成されない。特に
、可動部分が場合によっては旋回位置の死点を越えて揺
動的に動かされなければならない場合には、この制御の
不正確さが欠点となる。

この欠点を排除するために、西独国特許出願公開第３１
１５０６１号明細書によれば、少なくとも主要な軸の旋
回駆動装置から、ねじり応力の発生によって遊びを排除
することが提供されている。主要な軸として、アームの
旋回軸、駆動アームの旋回軸及び回転台の回転軸が掲げ
られている。この目的のために、高回転駆動される駆動
軸がねじり弾性的な軸として形成されており、その両端
に夫々駆動ビニオンが固定されている。各駆動ビニオン
は旋回軸に対して同軸的に配置された減速伝動装置を介
して極めて大きい減速度で、減速伝動装置に対置された
被駆動車に作用する。この被駆動車は駆動すべき機械部
分の支承環内に回転可能に支承されている。この被駆動
車のハブは被駆動車に対置された、駆動すべき部分の支
承環の部分に対して、特別な締付装置によってねじり負
荷されており、これによって回動不能に支承環に結合さ
れている。両袖駆動車のねじり応力が互いに逆の方向に
負荷されると、この応力は遊びを排除するようにかつね
じるようにねじり弾性的な駆動軸に作用する。このよう
にして、理論的に予定した位置へのマニプレータの制御
の精度が実際に高められている。

しかし、この公知の思想に固執すれば、マニプレータの
品質の向上はこれ以上は望めない。

品質の向上というのは例えばマニプレータの効率を著し
く高めることであるが、このことは公知マニプレータで
達成不可能である。なぜならば、公知マニプレータで使
用されている同軸的な減速伝動装置は極めて大きな減速
比を有するため効率が低く、しかも現在知られている手
段では構造上効率を上げるわけにいかないからである。

公知旋回駆動装置では固有振動の著しい増大、ひいては
動かすべき部分の大きな剛性度を得ることが不可能であ
るため、位置決め過程の所望の加速に限界があることが
知られている。

前述のねじり応力によって生じた旋回駆動装置の弾性度
は回転方向転換時に互いに異なる弾性力が生じるときは
依然として不十分である。

これに対処するために西独国特許出願公開第３１１５０
６１号明細書によれば、ねじり弾性的な駆動軸の幾何学
的な中央に作用させ、これによって駆動軸の均一な大き
さの弾性的な長さを得ることが提案されている。しかし
、大きな構成費用をかけて得られるこの弾性度の対称性
は冒頭に述べたような問題点があるために所望通り実施
できない。

本発明の課題は、ねじり応力によって遊びなく調整され
るとともに、弾性的な変形によってトルク伝達部分及び
その支承部の支持能力が高まり、ひいては振動に対する
剛性度も大きくなり、効率が著しく上昇し、これによっ
て固有振動の増大に基づいて位置決め過程の制御若しく
は調整が迅速となり、その上、両回転方向への弾性度の
対称性を十分に作用させることができるような冒頭に述
べた形式の旋回駆動装置を提供することにある。

この課題を解決した本発明の構成は、西独国特許出願公
開第３１１５０６１号明細書を先行波性として、旋回駆
動装置が、非同軸的に配置された多段の減速伝動装置を
有しておシ、被駆動側に設けられた最後の伝動装置段が
鋼製の歯車伝動装置として形成されており、少なくとも
駆動側の伝動装置段が遊びのないタイミングベルト伝動
装置としぞ形成されており、鋼製の歯車伝動装置の駆動
ピニオンが２分割されておシ、一方のビニオン半部がね
じり弾性的な軸を介して、かつ他方のビニオン半部がね
じり弾性的なスリーブを介して、互いにねじり応力を負
荷された状態で前方の伝動装置段の被駆動車に結合され
ておシ、かつねじシ弾性的な軸及びねじシ弾性的なスリ
ーブが同じねじり弾性度を有していることにある。本発
明の個個の特徴は公知であるがその組合わせに発明の高
度性がある。

例えば西独国特許第２２２６４０７号明細書によれば、
旋回駆動装置の各段がタイミング４ルトから形成されて
いるマニプレータが公知である。この公知技術の公開時
点では末だ遊びのないタイミングベルト伝動装置は知ら
れていなかった。タイミングベルト伝動装置の使用の主
たる目的は、駆動モータと被駆動軸との間の大きな距離
を構造的に簡単に結合し、モータ回転数を後続の伝動装
置の耐え得る回転数まで減少させることにあった。

文献″Ｍｅｔａｌ１ｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔ　ｕｎｄ
　Ｔｅｃｈｎｉｋ“（金属学及び技術）、第１２巻、１
９６９年、第１２９０頁及び第１２９１頁によれば、被
駆動歯車を両半部に分割して遊びのない歯車伝動装置を
構成することが公知である。一方の歯車半部はねじり弾
性的な軸に相対回転不能に結合されている。他方の歯車
半部は剛性的なスリーブを介してフランジに結合されて
おり、その対向フランジはねじり弾性的な軸を収容して
いる。両フランジの相対回転及び応力によって歯車伝動
装置の遊びが排除される。しかしこの種の構成では構造
及び荷重の分布が非対称的となり、従って弾性度の対称
性を問題にするようなマニプレータ用旋回駆動装置とし
て使用するのに不適当である。

本発明に基づく組合わせによれば、設定した課題が解決
されるばかりでなく、予期されなかった組合わせ効果が
得られる。

旋回駆動装置を分割して同軸的でない多段の減速伝動装
置にすることによって、所要設置スペースは若干大きく
なるが、対状に互いに締付けられた、大きな減速比を有
する同軸的な公知減速伝動装置が回避されるので、旋回
駆動装置の効率が著しく増大する。

被駆動側に設けられた、鋼製歯車伝動装置として構成さ
れた最終伝動装置段は１段で大きな減速比を有するとい
う利点をもたらす。こルの代りにタイミングベルト伝動
装置を使用すると仮定すると、要求された減速比を得る
ためには付加的な伝動装置段が必要となる。なぜならば
、鋼製の歯車伝動装置に比で大きな減速比でかつ徐々に
回転するようなタイミングベルト伝動装置は大きな設置
ス被−スを必要とし、これはスペースの比率の関係で排
除されなければならないからである。

本発明による鋼製歯車伝動装置が有する利点は重要であ
り、この利点によれば、駆動すべき機械部分の慣性モー
メンｌ−Ｉの影響がすでにこの最後の鋼製歯車伝動装置
膜内で著しく減少し、これによってこの鋼製歯車伝動装
置段の後方ではさらに作用が減少する。この作用を数学
的に表現すれば、慣性モーメントエの影響は減速比１に
依存して、 だけ減少する。伝動装置段が複数ならば、１　　１　　
　　１ だけ減少する。

鋼製歯車伝動装置段を１つ及び前置されたタイミングベ
ルト伝動装置段を３つ備えた４段式実験伝動装置での測
定では、実験伝動装置全体のばね定数Ｃｇｅｓは鋼製歯
車伝動装置段のばね定数Ｃｓｔに比して１７％小さいだ
けであった。

これの意味するところは、実験伝動装置全体のばね定数
Ｃｇｅｓへのタイミングベルト伝動装置の影響がまった
くわずかであることである。

鋼製歯車伝動装置段を１つと前置されたタイミングベル
ト伝動装置段を２つだけ使用した場合、ばね定数の差Ｃ
ｓｔ　−Ｃｇｅｓは前述の４段式の実験伝動装置に比し
て一層わずかである。

ばね定数Ｃは、 の式に基づいて固有振動の大きさに直接的な作用を有す
るので、構造の振動強さのだめの著しく重要な因子であ
る。

遊びのない鋼製歯車伝動装置段はその前の伝動装置段に
比して低回転数で回転するため、付着性の良好な長時間
グリスによる潤滑によって数ケ月間保守不要である。こ
の最終の伝動装置段は最大可能な減速によって１つの伝
動装置段を節約することができ、かつその直接的に作用
する高い固有周波数ゆえに同様に高い固有振動数を被駆
動機械部分に与える。要するに、駆動のさいの加速及び
減速時に生じる回転振動は駆動すべき機械部分の固有周
波数の増大に伴ない迅速に減衰する。

本発明によればさらに、構造の振動強さに不利に影響し
ないような個所にタイミングベルト伝動装置を使用する
ことによって、例えば保守の不要、遊びのない伝達、安
価な構造、駆動部分と被駆動部分との間の長距離間の伝
達等の利点が得られる。それゆえ、少なくとも駆動側の
伝動装置段を遊びのないタイミングベルト伝動装置とす
るのが効果的である。

中間の伝動装置段については、鋼製歯車伝動装置段又は
タイミングベルト伝動装置段が技術者のある程度の自由
な選択によって決定される。

全体のコスト及び保守の不必要性を積極的に考慮するな
らばタイミングベルト伝動装置が選らばれる。しかも本
発明では、特に最後の１つ前の伝動装置については、鋼
製の歯車伝動装置の使用も排除され々い。

本発明と公知技術どの間の別の相違点は、駆動出力の分
割及び減速伝動装置の二重の配置が回避されること、及
び要求された弾性的な対称性を構造的に簡単に解決する
ことができるような個所にねじり応力を負荷することが
できることにある。さらに、最後の伝動装置段の駆動ピ
ニオンを２分割したことによって、かつ互いに同軸的に
位置するねじり弾性的な軸とねじり弾性的なスリーブと
を設けたことによって、この軸及びスリーブが同じねじ
シ強度要するにねじり弾性塵を有するように、軸及びス
リーブの直径、壁厚及び有効長さを互いに規定すること
が可能である。

本発明にて使用する遊びのないタイミングベルト伝動装
置ばＨＴＤ　（ｈｉｇｈ　ｔｏｒｑｕｅ　ｄｒｉｖｅ　
）の記号を持つ公知の構造のものである。これは丸味の
ある歯形を備え、高い効率を有するタイミングベルトと
、遊びなく回転するように製作されたベルト車とから成
る。

特許請求の範囲に記載の従属項は本発明の有利な実施例
を示す。

次に図示の実施例につき本発明を具体的に説明する。

第１図は各被駆動部分の軸の数と位置とを示すためにマ
ニプレータ全体を示したものである。

床１に固定した基フレーム１にいわゆる回転台２が鉛直
な回転軸線３を中心に回転可能に支承されている。回転
台２は駆動装置牛を介して回転軸線３を中心に回転させ
られる。回転方向は切換可能である。回転台２上には旋
回軸線６を中心に往復旋回可能に駆動アーム５が支承さ
れており、この旋回運動は駆動モータ７によって生じる
。旋回軸線６は水平である。駆動アーム５及びこれに設
けた部分の重さはバランスウェイト８によって釣合わさ
れる。

駆動アーム５の自由端に、旋回アーム９が水平な旋回軸
線１０を中心に旋回可能に支承されている。旋回アーム
９の旋回運動は駆動モータ１１によって生じる。旋回ア
ーム９は側方向に長く突出しており、その自由端にいわ
ゆる機械の千１３を支持している。この機械の手１３に
は任意種類の工具を取付けることができる。この機械の
手１３は旋回アーム軸線１２を中心に往復回転可能に案
内されてもよい。第１図に示す実施例において機械の手
工３はアングルピース１５と、これに接続された支持腕
１７と閉鎖部材１８とを備えており、旋回アーム軸線１
２、旋回軸線１６．１９を中心とする回転運動が可能で
ある。

旋回軸線１０を中心とする旋回アーム９の旋回運動のた
めに旋回軸線１０のところに設けた伝動装置に遊びが存
在すると、機械の手１３の領域内に著しい増速か生じ、
これが公知マニプレータの機械的な精度の悪さの原因と
なっている。

第２図に示す旋回駆動装置は旋回軸線１０を中心に旋回
アーム９を旋回させるのに役立ち、この目的のために駆
動モータ１１が使用される。

第２図に示す旋回駆動装置の原理はその他のすべての又
は若干の軸線、特に第１図に示す主要な回転軸線３及び
旋回軸線６についても妥当する。さらに、本発明に基づ
くこの旋回駆動装置カ別種のマニプレータにおいても有
利に使用できるのはいうまでもない。

第２図に示す旋回駆動装置は３つの伝動装置段２３，３
０，３８を備えており、そのうち、駆動モータ１１から
旋回軸線１０を有する軸２７に至る第１の伝動装置段２
３は遊びのないタイミングベルト伝動装置として形成さ
れている。

このタイミングベルト伝動装置は駆動車２４、タイミン
グベルト２５及び被駆動車２６を有している。この第１
の伝動装置段２３では例えば高回転数範囲で１：６の減
速比が得られる。被駆動車によって駆動される軸２７は
他端部に、同様にタイミングベルト伝動装置として形成
された第２の伝動装置段３０の駆動車３１を支持してい
る。駆動車３１によって駆動されるタイミングベルト３
２は被駆動車３３を回転させる。

第２の伝動装置段３０の減速比は本実施例では技術的か
つ構造的に制限されて比較的小さく、例えば１：３であ
る。というのは、この第２の伝動装置段が低速回転数並
びに高トクル範囲に設けられており、その上スペースが
狭いからである。

軸２７が旋回アーム９の支承環５７を貫通して軸受２８
，２９を介して駆動アーム５（第１図も参照）に支承さ
れている。

本実施例の第２の伝動装置段の被駆動車３３は軸受３５
を介して軸受ケーシング３４内に支承されている。この
被゛駆動車３３に結合されているハブ３６は締付装置３
７（第３図に詳細に示す）を介して第３の伝動装置段３
８如作用しており、第３の伝動装置段は例えば平歯車を
備えた鋼製の歯車伝動装置から成る。この第３の伝動装
置段の駆動のために、２つのビニオン半部３９．４０か
ら成る２分割されたピニオンが設ケられており、この両
ビニオン半部は互いにねじり応力を負荷されている。両
ぎニオン半部は被駆動歯車４１と噛合っており、被駆動
歯車４１のハブ４３はねじ４２を介して旋回アーム９の
支承環５７に緊定されている。これによって被駆動歯車
４１は相対回転不能に旋回アーム９に結合されている。

第３の伝動装置段３８が大きな減速比例えば１ニアを有
しているため、旋回アーム９の運転中の特別大きな強度
ひいては固有振動数が得られ、迅速かつ正確なターゲッ
ト制御が可能である。

第３図に詳しく示すように、一方のピニオン半部３９は
ねじり弾性的な軸４４に結合されており、他方の一ニオ
ン半部４０はねじり弾性的なスリーブ４５に結合されて
おり、軸４４とスリーブ４５との間に隙間４６が設けら
れている。

ねじり弾性的なスリーブ４５はこれに対応するビニオン
半部４０のところで支承部５４を介してねじり弾性的な
軸４４上に案内されている。

他方の側ではねじり弾性的な軸４４とねじり弾性的なス
リーブ４５との間に直接的な支承部４７が設けられてい
る。／・ブ３６とねじり弾性的なスリーブ４５との間に
空所が設けられておシ、この空所内に締付装置３７若し
くは締付部材組４８が挿入されており、これらの締付装
置及び締付部材組の構成自体は公知である。ねじり弾性
的なスリーブ４５の外周部に円錐リング４９が設けられ
ており、・・ブ３６の孔内に、断面でみて対称的な円錐
リング５０が案内されている。

両方の円錐リング４９．５０は締付リング５１．５２に
よって互いに離反方向へ拡張されており、この目的のた
めにねじ５３が設けられている。円錐リング４９．５０
、締付リング５１゜５２の円錐面は互いに正確に適合し
ている。締付状態では、締付部材組４８が円錐リング５
０を介してハブ３６の孔に支持され、その場合円錐リン
グ４９はこれに対応する、ねじり弾性的なスリーブ４５
の部分に接触してスリーブ４５をねじり弾性的な軸４４
の支承部４７に固定的に締付ける。この締付は結合は大
きなトルクを伝達する場合でも完全に相対回転不能であ
り、従って効率を高めかつ遊びの排除に役立つ。

ねじり弾性的な軸４４の端部及びねじり弾性的なスリー
ブ４５の端部は例えば第３図及び第４図に示すようにス
リン）５５．５６を備えており、このスリットは軸４４
及びスリーブ４５にねじり弾性的な応力を与える役目を
有する。

スリーブ４５と軸４４との相対運動によって所定のねじ
り応力が生じると、締付部材組４８が閉じられ、被駆動
車３３とピニオン半部３９゜４０との間の相対回転不能
な結合が生じる。

旋回アーム９の両回転方向で所望の弾性塵の対称性を得
るために、ねじり弾性的な軸４４とねじり弾性的なスリ
ーブ４５との寸法が適当に選択され、軸とスリーブ４５
との互いに異なる長さが考慮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例のマニプレータの側面図、第
２図は第１図の■−■線に漕った鉛直断面図、第３図は
第２図のｌ−１１１線に沿った断面図及び第４図は第３
図の矢印Ａの方向から見た端面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　マニプレータの少なくとも１つの主要な軸のための
   遊びなく調節可能な旋回駆動装置であって、動力によっ
   て駆動される減速伝動装置の被駆動車が、旋回させるべ
   き構成部材に相対回転不能に結合されており、旋回駆動
   装置内で１つの歯車が２つの歯車半部に分割されており
   、両歯車半部が互いにねじり弾性的な軸若しくはスリー
   ブを介して負荷されている形式のものにおいて、 １．１）旋回駆動装置が、非同軸的に配置された多段の
   減速伝動装置（２３，３０，３８）を有しており、 １．２）被駆動側に設けられた最後の伝動装置段（３８
   ）が鋼製の歯車伝動装置（３９，４０゜４１）として形
   成されており、 １゜３）少なくとも駆動側の伝動装置段（２３）が遊び
   のないタイミングベルト伝動装置（２４，２５，２６及
   び３１，３２．３３）として形成されており、 １．４）鋼製の歯車伝動装置（３８）の駆動ピニオンが
   ２分割されており、一方のピニオン半部（３９）がねじ
   り弾性的な軸（４４）を介して、かつ他方のピニオン半
   部（４０）がねじり弾性的なスリーブ（４５）を介して
   、互いにねじり応力を負荷された状態で前方の伝動装置
   段（３０）の被駆動車（３３）に結合されており、かつ １．５）ねじり弾性的な軸（４４）及びねじり弾性的な
   スリーブ（４５）が同じねじり弾性塵を有していること
   を特徴とするマニプレータの少なくとも１つの主要な軸
   のだめの遊びなく調節可能な旋回駆動装置。 ２、ねじり弾性的な軸（４４）及びねじり弾性的なスリ
   ーブ（４５）とが、ピニオン半部（３９，４０）とは逆
   の側で直接互いに支承されており、かつこの支承部（４
   ７）で、スリーブ（４５）を軸（４４）上に固定的に締
   付けかつ被駆動車（３３）に対して拡開力を生ぜしめる
   締付部材組（４８）を介して、前方の伝動装置段の被駆
   動車（３３）に結合されている特許請求の範囲第１項記
   載の旋回駆動装置。 ３、　ねじり弾性的な軸（４４）及びねじり弾性的なス
   リーブ（４５）が両ビニオン半部（３９，４０）とは逆
   の側の端部に、ねじり応力を生ぜしめるべく工具を係合
   させるための機構を備えている特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の旋回駆動装置。 ４、　ねじり弾性的なスリーブ（４５）がビニオン半部
   （４０）のところ（５４）で、ねじり弾性的な軸（４４
   ）上に支承されている特許請求の範囲第１項乃至第３項
   のいずれか１項記載の旋回駆動装置。