JP2005254440A

JP2005254440A - 産業用ロボットの関節構造

Info

Publication number: JP2005254440A
Application number: JP2004129534A
Authority: JP
Inventors: Akira Nihei; 亮二瓶; Takeshi Okada; 毅岡田; Naoki Shimada; 直樹島田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-09-22
Also published as: US20050221941A1; EP1563966A1

Abstract

【課題】モータシャフトと偏芯揺動型遊星歯車減速機の入力軸との連結が容易で高トルク伝達ができ、部品数が少なくコンパクトに形成できるロボットの関節機構を得る。
【解決手段】偏芯揺動型遊星歯車減速機１０の筒体１４はロボットのリンクである第１部材３に固定され、減速機出力軸１６はロボットのリンクの第２部材４に固定されている。減速機１０の入力軸の偏芯体軸１１と第１部材３に取り付けられたサーボモータのモータシャフト２とが連結されている。モータシャフト２が直接スプライン加工されてスプライン軸５とされ、偏芯体軸１１の凹部（または貫通穴）に加工されたスプライン穴とでスプライン結合されている。モータシャフト２自体がスプライン軸５となって偏芯体軸１１とスプライン結合されているから、部品数が少なくコンパクトに形成でき、かつ高トルクの伝達が可能となり、減速機１０とサーボモータ１の結合組立、分解作業が容易となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボットの関節構造に関し、偏芯揺動型遊星歯車減速機を使用した関節構造に関する。

従来、産業用ロボットの関節構造には、大きな減速比を必要とすることから偏芯揺動型遊星歯車減速機が使用されている。この偏芯揺動型遊星歯車減速機は、減速機の入力軸となる偏芯体軸と、該偏芯体軸にベアリングを介して取付けられ偏芯回転を可能とした外歯歯車と、該外歯歯車に内接噛合いする内歯歯車と、外歯歯車の自転成分のみを減速機の出力軸に伝える手段を有するものである。いわゆるサイクロ減速機（登録商標）として知られている。このような偏芯揺動型遊星歯車減速機（以下単に減速機という）に、関節の駆動源であるサーボモータの出力回転を入力するには、モータシャフトと減速機の偏芯体軸にキー溝を設け、モータシャフトと偏芯体軸をキー結合する方法と、又は、偏芯体軸にスプライン穴を設け、モータシャフトにこの偏芯体軸のスプライン穴に嵌合するスプライン軸を有したスプライン軸部品を被せる形で固定し、このスプライン軸部品を介してモータシャフトと偏芯体軸を結合する方法が一般に採用されている。

図３は、上述したサーボモータの出力と減速機入力軸をキー結合した従来の関節構造の断面図である。第１部材３と第２部材４はロボットの関節で相対的に回転動作するリンク部品であり、この第１部材３、第２部材４間の関節として減速機（偏芯揺動型遊星歯車減速機）１０が設けられている。減速機１０の筒体１４は第１部材３に、第２部材４は減速機１０の出力軸１６に固定されている。減速機出力軸１６の回転軸が本関節の回転軸となる。駆動源となるサーボモータ１は第１部材３に固定されている。モータシャフト２と減速機１０の入力軸である偏芯体軸１１にそれぞれキー溝を設け、沈みキー２０を使用してサーボモータ１の回転出力を減速機１０に伝達する構成となっている。

入力軸となる偏芯体軸１１は出力軸１６にベアリングＢ１によって回動自由に支持され、該偏芯体軸１１にはベアリングＢ２を介して偏芯回転が可能に減速機筒体１４の内歯歯車１３と噛合う外歯歯車１２が取付けられている。外歯歯車１２にはローラ穴が設けられており、出力軸１６に一体的に固定されているピン１５が遊嵌されている。

サーボモータ１が駆動されると、該サーボモータ１のモータシャフト２とキー結合された減速機入力軸の偏芯体軸１１がモータシャフト２と共に回転し、該偏芯体軸１１に取り付けられた外歯歯車１２は、減速機筒体１４の内歯歯車１３と噛合い公転しながら、外歯歯車１２と内歯歯車１３の歯数差に応じて、入力回転に対し減速されて自転する。外歯歯車１２の自転運動は、ピン１５を介して出力軸１６に伝わり、該出力軸１６に固定された第２部材４を回転させる。このようにして、サーボモータ１の出力回転は減速機１０によって減速され、第２部材４を第１部材３に対して相対回動させる。

図４は、サーボモータのモータシャフトと減速機入力軸との連結に、スプライン軸部品を介して連結した従来の関節構造の断面図である。サーボモータ１のモータシャフト２には、スプライン軸加工が施されたスプライン軸部品２１がテーパやボルト等で取付けられ、このスプライン軸部品２１を減速機の偏芯体軸１１に設けられているスプライン穴と嵌合させることにより、サーボモータ１の回転出力を減速機１０に伝達する構造である。他の構成は図３で示した減速機構造と同一である。

また、減速機として偏芯揺動型遊星歯車減速機に特定したものではないが、ロボットの関節構造として、減速機にモータ出力回転を入力する前段階の伝達機構の傘歯歯車とモータシャフトの結合方法としてスプライン結合を採用したロボット関節機構も知られている（特許文献１参照）。
さらに、ロボット関節の減速部としては、前段減速部と後段減速部にわかれ、モータの出力軸は平行軸型歯車装置の前段減速部に連結され、該前段減速部の出力が遊星歯車装置からなる後段減速部に入力されて減速され、該後段減速部で大きく減速されて出力される減速機（例えばＲＶ減速機（登録商標））も公知である（特許文献２参照）。

特開平６−１９０７６９号公報特公平８−２２５１５号公報

偏芯揺動型遊星歯車減速機を使用したロボットの関節機構において、図３に示したキー結合によるモータシャフト２と減速機入力軸の偏芯体軸１１との結合の場合、キー溝を設けることから、モータシャフト２や偏芯体軸１１の強度的な観点から伝達トルクが制限されるという問題がある。また、使用を続けていくと、駆動中にキー２０やキー溝がへたってしまい、保守・修理時にサーボモータ１が減速機１０から外れにくくなってしまうことがあった。

一方、スプライン軸部品２１を介した結合の場合、伝達トルクはキー結合よりも大きくできるものの、モータシャフト２にスプライン軸部品２１を被せる形で固定するため、スプライン軸の直径が大きくなってしまい、小型化の妨げになっていた。また、保守や修理の際にサーボモータ１を交換することがあるが、取り外したサーボモータ１からスプライン軸部品２１を取り外して、新しく組付けるサーボモータに取付け直す手間が必要であった。
さらに、キー結合、スプライン結合のいずれの結合方法においても、使用する部品の数と部品の組付け工数が増えてしまうため、コストが高くなってしまうことが避けられなかった。
又、特許文献１に記載された発明のように、減速機入力軸とモータシャフトを直接接続しない方法では、伝達機構を構成する多数の部品が必要となり、コストを抑えることができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、偏芯揺動型遊星歯車減速機を使用しモータシャフトを減速機入力軸に直接接続するロボットの関節機構において、高トルク伝達ができ、部品数が少なく、組立及びモータ交換が容易で、コンパクトに形成できる関節機構を提供することにある。

本発明は、第１部材と、第１部材に取付けられ、サーボモータの回転を減速する減速機と、減速機の出力部材に結合された第２部材とを備えた産業用ロボットの関節構造において、前記減速機が、減速機の入力軸となる偏芯体軸と、該偏芯体軸にベアリングを介して取付けられ偏芯回転を可能とした外歯歯車と、該外歯歯車に内接噛合いする内歯歯車と、前記外歯歯車の自転成分のみを出力軸に伝える手段を有する偏芯揺動型遊星歯車減速機で構成され、前記減速機の入力軸である前記偏芯体軸は、端面から軸方向に形成した凹部または貫通穴を有し、該凹部または貫通穴に前記サーボモータのモータシャフトの端部を挿入して、スプライン結合によってモータシャフトと前記減速機の相対回転を規制して、該サーボモータの出力を該減速機に直接入力することを特徴とする産業用ロボットの関節構造である。

本発明は、モータシャフトと減速機入力軸がスプライン結合により直接連結されているから信頼性が高く、高トルクを伝達できる。また、モータシャフトと減速機入力軸との連結に特別な部品を必要とせず、部品数を減らすことができ、組立て、モータ交換等によるサーボモータと減速機の分離も極めて容易にでき、保守・修理が容易できる。さらに、スプライン径を必要最小限に抑えられ、コンパクトな設計ができる。

本発明の一実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態の産業用ロボットの関節構造の断面図である。本実施形態もロボットの関節構造として偏芯揺動型遊星歯車減速機（いわゆるサイクロ減速機（登録商標））を使用するものである。減速機の構造、及び減速機とロボットのリンク部品等との結合関係は図３、４に示した従来のロボットの関節構造と同一であり、相違する点は、サーボモータのモータシャフトと減速機の入力軸との結合関係である。同一の要素は同一の符号を付している。

前述したように、ロボットのリンクを構成する第１部材３、第２部材４間には減速機（偏芯揺動型遊星歯車減速機）１０が設けられている。減速機１０の筒体１４は第１部材３に、第２部材４は減速機１０の出力軸１６に固定されている。減速機出力軸１６の回転軸がこの関節の回転軸となる。駆動源となるサーボモータ１は、第１部材３に固定され、サーボモータ１の出力軸となるモータシャフト２は減速機１０の入力軸である偏芯体軸１１の端部から軸方向に形成されている貫通穴に挿入され、スプライン結合によりモータシャフト２と偏芯体１１は相対回転が規制されている。サーボモータ１の出力回転は減速機１０によって減速され、減速機出力軸１６に固定されている第２部材４を回動させる。なお、この減速機１０は、一段減速機構の偏芯揺動型遊星歯車減速機である。

減速機１０の入力軸である偏芯体軸１１は出力軸１６にベアリングＢ１によって回動自由に支持され、該偏芯体軸１１にはベアリングＢ２を介して偏芯回転が可能に減速機筒体１４の内歯歯車１３と噛合う外歯歯車１２が取付けられている。外歯歯車１２にはローラ穴が設けられており、出力軸１６に一体的に固定されているピン１５が遊嵌されている。

サーボモータ１が駆動されると、該サーボモータ１のモータシャフト２とキー結合された減速機入力軸の偏芯体軸１１がモータシャフト２と共に回転し、該偏芯体軸１１に取り付けられた外歯歯車１２は、減速機筒体１４の内歯歯車１３と噛合い公転しながら、外歯歯車１２と内歯歯車１３の歯数差に応じて、入力回転に対し減速されて自転する。外歯歯車１２の自転運動は、ピン１５を介して出力軸１６に伝わり、該出力軸１６に固定された第２部材４を回転させる。このようにして、サーボモータ１の出力回転は減速機１０によって減速され、第２部材４を第１部材３に対して相対回動させる。
以上の構成は、モータシャフト２と偏芯体軸１１が直接スプライン結合している点を除いて、図３，図４に示した従来例と同一である。
また、図１に示す実施形態では、モータ１が第１部材３に固定されているが、図２に示すように減速機出力軸１６側の第２部材４に固定され、減速機出力軸１６側からモータシャフト２と偏芯体軸１１が結合されても効果は同じである。
さらに、図１に示す実施形態は、偏芯体軸１１と減速機１０の出力軸１６の軸心は同一直線上となっているが、例えば、特許文献２で開示されている２段減速の偏芯揺動型減速機の後段減速部のように、偏芯体軸と減速機出力軸の軸心は同一直線上にある必要はない。このような偏芯揺動型減速機では、偏芯体軸の軸心と減速機出力軸の軸心がオフセットしていることにより、偏芯体軸自体が外歯歯車の自転成分を出力軸に伝達する機能を兼ね備えている。

本発明では、この産業用ロボット用関節機構におけるサーボモータのモータシャフトと減速機の入力軸となる偏芯体軸の結合方法に特徴を有するものである。図１に示す実施形態のように、モータシャフト２には、スプライン軸加工が直接施されておりスプライン軸５とされ、減速機１０の偏芯体軸１１の端面から軸方向に設けられた凹部または貫通穴に加工されているスプライン穴１７と嵌合することにより、別の部品（キー、スプライン軸部品、カップリング等）を使用せずに直接結合されている。

サーボモータは汎用性を持たせるために、一般的には、モータシャフトの形状は単なる丸棒等で、特別な加工を施されていない。しかし、本発明においては、このモータの汎用性を犠牲にして、モータシャフト２にスプライン軸加工してスプライン軸５とすることによって、減速機１０の偏芯体軸１１に設けられたスプライン穴１７とスプライン結合させる。これによって連結部の剛性を確保し、高トルクの伝達を可能にしたものである。さらに、図４に示した従来例のように、スプライン軸部品２１等を追加する必要がなく部品数を少なくして結合できるものであり、かつモータシャフト２と偏芯体軸１１が直接連結されるものであるから、スプライン径を必要最小限に抑えてコンパクトな設計ができるものである。また、モータシャフト２と偏芯体軸１１の連結作業においても、スプライン軸５とスプライン穴１７の位相を合わせてスプライン穴１７にスプライン軸５を挿入するだけでよく、モータ交換等でその連結を解く場合も、単にスプライン軸５をスプライン穴１７から抜き出す作業だけでよいものであるから、極めて組立て、分解が容易で保守管理が容易となるものである。

モータを第１部材に固定した本発明の一実施形態のロボット関節構造の断面図である。モータを第２部材に固定した本発明の別の実施形態のロボット関節構造の断面図である。モータシャフトと減速機の入力軸とをキー連結として従来のロボット関節構造の断面図である。モータシャフトと減速機の入力軸との連結にスプライン部品を付加して連結した従来のロボット関節構造の断面図である。

符号の説明

１サーボモータ
２モータシャフト
３第１の部材
４第２の部材
５スプライン軸
１０減速機（偏芯揺動型遊星歯車減速機）
１１偏芯体軸（減速機入力軸）
１２外歯歯車
１３内歯歯車
１４減速機筒体
１５ピン
１６出力軸
１７スプライン穴（凹部または貫通穴に加工）

Claims

第１部材と、第１部材に取付けられ、サーボモータの回転を減速する減速機と、減速機の出力部材に結合された第２部材とを備えた産業用ロボットの関節構造において、
前記減速機が、減速機の入力軸となる偏芯体軸と、該偏芯体軸にベアリングを介して取付けられ偏芯回転を可能とした外歯歯車と、該外歯歯車に内接噛合いする内歯歯車と、前記外歯歯車の自転成分のみを出力軸に伝達する手段を有する偏芯揺動型遊星歯車減速機で構成され、
前記減速機の入力軸の端面から軸方向に形成した凹部または貫通穴に前記サーボモータのモータシャフトの端部を挿入し、スプラインによりモータシャフトと入力軸の相対回転を規制して、該モータシャフトと該減速機の入力軸を直結した構造を有する産業用ロボットの関節装置。