(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット基台と、
前記ロボット基台に取り付けられ、ＸＹＺ直交座標の鉛直方向Ｚ軸まわりで旋回可能な旋回胴部と、
Ｙ軸と平行であって、前記Ｚ軸から所定量シフトした前後軸まわりで回転可能に前記旋回胴部に一端が軸支された下腕と、
前記前後軸と平行な上下軸まわりで回転可能に前記下腕の他端に一端が軸支された上腕と、
前記旋回胴部と前記下腕との間に設けられ、モータの回転が入力されて前記下腕を前記旋回胴部に対して揺動させる減速装置と、
を備え、
前記上腕の先端の作業エリアが、前記Ｚ軸からみて前記前後軸が前記所定量シフトした側と同じ側に設定された産業用ロボットにおいて、
前記減速装置が、
前記下腕に固定され、前記前後軸を中心とした外周に歯が形成された大ギアと、
前記旋回胴部内に軸支され、前記モータの回転が入力されて回転し、前記大ギアの歯と噛み合う小ギアと、
を備え、
前記小ギアが、前記ＸＺ平面視において、前記大ギアの歯の中心からみて、前記作業エリア側とは反対側の位置であって、Ｘ軸に平行な位置から±３５度の範囲で配置されるとともに、
前記小ギアと前記大ギヤとのギア圧力角αが１４．５度となるように配置されることによって、
前記上腕および前記下腕が前記旋回胴部とともに旋回したときに発生するモーメントによって前記大ギアが前記小ギアに対して倒れ、前記小ギアと前記大ギアとの間のバックラッシが減少すること、
を特徴とする産業用ロボット。
【請求項２】
前記大ギアの中心部に貫通穴を有することを特徴とする請求項１記載の産業用ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットの減速装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、産業用ロボット（以下、「ロボット」と言う）の関節部には一般的に減速装置が取り付けられている。この減速装置に求められる性能の１つにバックラッシがある。バックラッシとはモータのシャフトに付くピニオンギヤとスパーギヤとの間隔のことで、この間隔が最適でないと異音がしたり、フリクションを生む。バックラッシが大きいと、ロボットの動作軌跡精度や位置決め精度を劣化させる要因となるが、逆に、バックラッシが全くないと、このようなバックラッシの無い状態で運転されたギアは、設計想定値以上の曲げ応力を受けるので、所望寿命のはるか手前で折損故障をおこすことが知られている。これを最適に保つことが最重要な課題である。
【０００３】
そこで、適切なバックラッシ量を保持してギア対を正常に回転させるため、低バックラッシを要求されるロボット減速機としては、最終減速段にギア列を採用することは少なかった。適切なバックラッシ量の算出には、ギヤボックスの加工精度、ベアリングの回転精度、熱膨張等によるバックラッシ量の減少についての検討が必要であることは勿論であるが、ロボットが動作した場合の反作用力により、主軸受が弾性変形することによるバックラッシ量の減少についての考慮が必要である。
【０００４】
以下、図５に基づいて、ロボットに作用するモーメントについて説明する。
図において、ＡＭ２は上腕、３は負荷、８４は減速機構内蔵の主軸受、１００は大ギア、１０３は小ギアである。Ｓは旋回軸（第１軸）で、旋回ヘッドＲＨが垂直な軸Ｓを中心に水平に旋回する。Ｌは前後軸（第２軸）で、下腕 ＡＭ１が水平な軸Ｌを中心に揺動して、前後に振れる。Ｕは上下軸（第３軸）で、上腕 ＡＭ２が水平な軸Ｕを中心に揺動して、上下に振れる。
ロボットが静止しているとき、各減速機構内蔵の主軸受８４は、上腕ＡＭ２や負荷３などの位置や質量に応じた重力モーメントが負荷される。
また、ロボット動作時には慣性力、遠心力等が発生し、質量や加速度、速度等に応じた動的モーメントが、主軸受８４に作用する。
さらに、周辺ジグとの干渉が発生した場合、モータ最大トルクと減速比を乗じた回転トルクを発生させしめる力が干渉点に作用する。この作用力に相当する非常時モーメントもまた主軸受８４に作用する。主軸受８４は主にアキシアル負荷能力の高い円錐ころ軸受やアンギュラ軸受が１対用いられる。主軸受８４に作用した前記モーメントはラジアル荷重及びアキシアル荷重として作用する。結果的に主軸受８４に弾性変形が生じ、大ギア１００と小ギア１０３の軸間が移動することにより半径方向バックラッシが変化する。
また、大ギア１００と小ギア１０３の軸間がねじれることにより円周方向バックラッシが変化する。
ロボットは任意の姿勢を取り得るが、前記モーメントが作用する方向は特定が可能である。旋回軸の主軸受８４に作用する重力モーメントは常に前後軸に平行な軸まわりに作用する。動的モーメント、非常時モーメントも前後軸、上下軸が動作する場合、常に前後軸の回転平面内に作用する。旋回軸及び手首軸が動作する場合については、前記前後軸の回転平面内に動的モーメントが作用しない場合があるが、その絶対値は小さく、前後軸、上下軸動作時の動的モーメントと比較して無視できる。
【０００５】
図６は、ロボットの主たる作業エリアを示す側面図である。
図から判るように、ロボットの作業は、通常、図６に示すエリアで行われるので、その作業姿勢から前後軸の主軸受は通常重力モーメントを負荷しない。前後軸及び上下軸動作時は、動的モーメント、非常時モーメントも負荷しない。旋回軸動作時のみモーメントが発生する。
図７は、本発明に係る小ギア配置に関する断面図（ａ）とその斜視図（ｂ）である。
いま、図７（ｂ）に示すように、大ギアの外周の位置ａに小ギアを配置し、大ギアと小ギアのそれぞれの回転中心点を通る軸まわりにモーメントが作用した場合、円周方向バックラッシｊｔはギアの軸方向幅をＢ、ギアの倒れ角をθとすると、
ｊｔ＝Ｂｓｉｎθ ・・・（１）
となり、円周方向バックラッシはこの分量減少する。このことは、予めこれらギアに円周方向バックラッシｊｔ以上の円周方向バックラッシを付与しておく必要があることを示す。
次に、この減速装置に求められる機能としては、特許文献１に記載の図８のような中空構造が挙げられる（特許文献１：特開平１０−１７５１８８号公報）。
図８は、従来例に係る要部断面図で、これによれば、第１軸、第３軸の減速装置の中心部に貫通孔を設け、その中に線状体を配線しロボット各軸の動作範囲についての制約を大幅に緩和する方法が提案されている。第１軸減速機構１２は、共に旋回胴部に軸支された大ギア、小ギアと、回転型減速機で構成されている。
【０００６】
また、回転型減速機の公知例としては特許文献２に記載の図９がある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１７５１８８号公報
【特許文献２】特公平８−２２５１６号公報
【０００８】
これは主軸受８４が内蔵されている実施例で、主軸受は、クランクシャフト３０やニードルベアリング４２の外周に配置する必要があるため、必要以上に外径が大きくなる。また、中空部を設ける場合には、更に大きなサイズの主軸受を採用する必要があり、重量増、コスト増を招いていた。また、この例において、主軸受にモーメントが作用した場合を考えると、ギア２９はクランクシャフト３０が１回転する毎に、変心揺動運動を行っている。このギア２９の減速比を１／６０とすれば旋回軸が６度移動毎にギア２９は公転運動を繰り返す。よって、前記モーメントが作用する方向を必ず通過するため、ギア２９にはｊｔに相当する円周方向バックラッシ量を付与する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、主軸受に作用するモーメントに起因するバックラッシ量の減少を最低にし、予め付与すべきバックラッシ量を最小にするという課題を解決することにより、最適な負荷容量の主軸受を用いつつも、中心部に貫通穴を設けその中に線状体を配線しロボット各軸の動作範囲についての制約を大幅に緩和することが出来る、低コストな減速装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本願第１発明は産業用ロボットに係り、ロボット基台と、前記ロボット基台に取り付けられ、ＸＹＺ直交座標の鉛直方向Ｚ軸まわりで旋回可能な旋回胴部と、Ｙ軸と平行であって、前記Ｚ軸から所定量シフトした前後軸まわりで回転可能に前記旋回胴部に一端が軸支された下腕と、前記前後軸と平行な上下軸まわりで回転可能に前記下腕の他端に一端が軸支された上腕と、前記旋回胴部と前記下腕との間に設けられ、モータの回転が入力されて前記下腕を前記旋回胴部に対して揺動させる減速装置と、を備え、前記上腕の先端の作業エリアが、前記Ｚ軸からみて前記前後軸が前記所定量シフトした側と同じ側に設定された産業用ロボットにおいて、前記減速装置が、前記下腕に固定され、前記前後軸を中心とした外周に歯が形成された大ギアと、前記旋回胴部内に軸支され、前記モータの回転が入力されて回転し、前記大ギアの歯と噛み合う小ギアと、を備え、前記小ギアが、前記ＸＺ平面視において、前記大ギアの歯の中心からみて、前記作業エリア側とは反対側の位置であって、Ｘ軸に平行な位置から±３５度の範囲で配置されるとともに、前記小ギアと前記大ギヤとのギア圧力角αが１４．５度となるように配置されることによって、前記上腕および前記下腕が前記旋回胴部とともに旋回したときに発生するモーメントによって前記大ギアが前記小ギアに対して倒れ、前記小ギアと前記大ギアとの間のバックラッシが減少すること、を特徴としている。
【００１１】
本願第２発明は、本願第１発明の産業用ロボットにおいて、前記大ギアの中心部に貫通穴を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
上記の減速装置の場合は、図７に示す位置ｂに小ギアを配置し、大ギアと小ギアのそれぞれ中心を結ぶ方向と同一の向きにモーメントが作用した場合と等価である。
したがって、半径方向バックラッシｊｒはギアの幅をＢ、ギアの倒れ角をθとすると、
ｊｒ＝Ｂｓｉｎθ ・・・（２）
となる。
円周方向バックラッシｊｔ'との関係はギア圧力角（ギア圧力角とはギア面の１点においてその半径線と歯形の接線となす角をいう。）をαとすると
ｊｔ'＝２ｔａｎα×ｊｒ ・・・（３）
となる。
バックラッシはこの分量減少するが、圧力角αを１４．５度とすると
ｊｔ'＝２ｔａｎ１４．５×Ｂｓｉｎθ
＝０．５２Ｂｓｉｎθ ・・・（４）
となり、従来例（１）の約半分の円周方向バックラッシを予めこれらギアに付与しておけば良いことが解る。
【００１３】
次に、位置ｂからの角度βだけ回転した位置ｃに小ギアを配置した場合、円周方向バックラッシｊｔ''は
ｊｔ''＝Ｂｓｉｎθ×ｃｏｓβ＋２ｔａｎα×Ｂｓｉｎθｓｉｎβ
＝Ｂｓｉｎθ（ｃｏｓβ＋２ｔａｎα×Ｂｓｉｎβ）・・・（５）
で表される。
ｋ＝ｃｏｓβ＋２ｔａｎα×Ｂｓｉｎβ
とおきα＝１４．５度としてＹとβの関係は図１０となる。
よって、βが０から０．６１ｒａｄ（０から３５度）の範囲においてｋ≦１となり、ｊｔよりもｊｔ''が小さくなることが判る。
本計算例は平ギアのものであるが、はすばギア等でも同様である。
【００１４】
また、（４）に記載の産業用ロボットの減速装置によれば、出力段が、ギア列を用いてバックラッシを小さくできる構成が可能となったことにより、回転型の減速機構と比較し、中心部は貫通穴しか無いので最適な負荷容量の主軸受を選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
図１は、本発明に係る産業用ロボットの側断面図である。
図２は、図１に示す産業用ロボットの正面図である。
図３は、本発明の実施例１を示す図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
図４は、本発明の実施例２を示す図で、図１のＢ−Ｂ断面図である。
図５は、バックラッシの減少についての説明図である。
図６は、ロボットの主たる作業エリアを示す側面図である。
図７は、本発明が対象とする小ギア配置に関する断面図（ａ）とその斜視図（ｂ）である。
図８は、従来の減速装置１に係る要部断面図である。
図９は、従来の減速装置２に係る断面図である。
図１０は、本発明が問題とするバックラッシの低減効果に関する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１および図２は本発明に係る産業用ロボットの全体を説明する図で、図１はその側断面図、図２は正面図である。両図とも発明１および発明４を示している。ここでは旋回軸駆動動作を可能とするため、旋回軸モータ１３の回転をモータシャフト７を介し、入力小ギア２２と入力大ギア２５にて減速を行う。小ギア１０３は入力大ギア２５に連結されている。この入力大ギア２５は旋回胴部部材１０２、１０４に軸受１０５により軸支されている。
さらに、ロボット基台１０に支持され、出力シャフト３３に連結された大ギア１００とかみ合い、２段減速することにより構成されている。出力シャフト３３と大ギア１００は一体であっても良い。
【００１７】
図３は実施例１を示す図で、図１のＡ−Ａ断面図である。図は本発明２および発明４を示している。図に示すように、前記大ギア１００と前記小ギア１０３を、前後軸（第２軸）の回転中心軸（一点鎖線で図示）に対し直角に配置している。主軸受８４（図１）の外輪は旋回胴部部材１０２、１０４に装着され、内輪はロボット基台１０に固定された出力シャフト３３に装着されている。主軸受８４は対向する作用角をもつ２個の組み合わせで構成されるのが通常であり、モーメント荷重が作用すると主軸受内部が弾性変形を起こし、内輪中心と外輪中心のミスアライメントが生じる。上下軸、および前後軸から発生するモーメントは、出力シャフト３３に対し、旋回胴部部材１０２、１０４の相対位置を変化させる。これは１つの軸受でモーメント荷重を支持するクロスローラ軸受でも同様である。よって、小ギア１０３は旋回胴部部材１０２、１０４に軸支されているため、大ギア１００と小ギア１０３の軸間が変化する。
【００１８】
いま、小ギア１０３と大ギア１００の回転中心線を含む平面において大ギアを傾動させる方向に前記モーメントは作用するので、大ギア１００と小ギア１０３の円周方向バックラッシの変化量はその他の配置位置よりも小さくなる。本発明の効果を得るために、前記小ギア１０３は、大ギア１００の回転中心まわりに左右３５度のどの位置に配置しても良い（ただし、ギア圧力角は１４．５度である）。減速装置のギア列は２段（入力段と出力段）で構成されているが、３段以上でも同一である。
【００１９】
大ギア１００の回転中心部には線状体を配置する為の貫通穴１０１があいている。この場合、線状体とは角軸駆動モータへの給電を行うケーブルＣＢであるが、他の目的の種々のケーブルや配管の類を含む１本の線状体または２本以上の線状体であってもかまわない。このような線状体の配置では、旋回に伴う干渉が全て排除されている。しかも、中空部の外周は主軸受外輪を固定するための出力シャフト３３のみの配置で良いため、内輪の寸法に規制を受けず、必要最小限の軸受を選定できるためコストダウンが可能となる。
図４は実施例２を示す図で、図１のＢ−Ｂ断面図である。図は本発明３および発明４を示している。前後軸駆動動作を可能とするため、前後軸モータ２３の回転をモータシャフト７ａを介し、入力小ギア２２ａと入力大ギア２５ａにて減速を行う。小ギア１０３ａは入力大ギア２５ａに連結されている。この入力大ギア２５ａは旋回胴部部材１１５、１１６に軸受１０５ａにより軸支されている。
さらに、下腕ＡＭ１に支持され、出力シャフト３３ａに連結された大ギア１００ａとかみ合い、２段減速することにより構成されている。出力シャフト３３ａと大ギア１００ａは一体であっても良い。
【００２０】
図４に示すように前記大ギア１００ａと前記小ギア２５ａを、ＸＺ平面における旋回軸に対して直角に配置している。主軸受８４ａの外輪は旋回胴部部材１１５、１１６に装着され、内輪は下腕ＡＭ１に固定された出力シャフト３３ａに装着されている。主軸受８４ａは対向する作用角をもつ２個の組み合わせで構成されるのが通常であり、モーメント荷重が作用すると軸受内部が弾性変形を起こし、内輪中心と外輪中心のミスアライメントが生じる。旋回軸動作から発生するモーメントは、出力シャフト３３ａに対し、旋回胴部部材１１５、１１６の相対位置を変化させる。
よって、小ギア１０３ａは旋回胴部部材１１５、１１６に軸支されているため、大ギア１００ａと小ギア１０３ａの軸間が変化する。ちなみに、上下軸および前後軸動作時、さらに前後軸及び上下軸静止時の発生する力によっては、主軸受８４ａにはほとんどモーメントは発生せず、無視できる値となる。これはロボットにおける前後軸及び上下軸の静的・動的な荷重負荷分布は通常主軸受８４ａの作用線内または近傍にあるためである。
いま、小ギア１０３ａと大ギア１００ａの回転中心線を含む平面において、旋回軸動作から発生するモーメントは大ギアを傾動させる方向に作用するので、大ギア１００ａと小ギア１０３ａの円周方向バックラッシの変化量はその他の配置位置よりも小さくなる、本発明の効果を得るためには小ギア１０３ａは、大ギア１００ａの回転中心まわりに左右３５度のどの位置に配置しても良い（ただし、ギア圧力角は１４．５度である）。減速装置のギア列は２段（入力段と出力段）で構成されているが、３段以上でも同一である。
大ギア１００ａの中心部には線状体を配置するための貫通穴１００ａ１があいている。このような構成の配線では、前後軸旋回に伴う干渉が全て排除されている。しかも、中空部の外周は主軸受外輪を固定するための出力シャフト３３ａのみの配置で良いため、内輪の寸法に規制を受けず、必要最小限の軸受を選定できるためコストダウンが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の発明１から３によれば、主軸受に作用するモーメントに起因するバックラッシ量の減少を最低にし、予め付与すべきバックラッシ量を最小にすることが出来る。この構成によれば最終段にギア列を採用しても低バックラッシとなる。
ギア列で構成すれば、本発明の発明４により、主軸受中心部には貫通穴しか無くなり、最適な負荷容量の主軸受を用いつつも、貫通穴に線状体を配線しロボット各軸の動作範囲についての制約を大幅に緩和することが出来る。
さらに、最適な容量の主軸受が選定できるので低コストな減速装置を提供できる。
したがって、産業ロボットが本発明の発明１から３のいずれかの減速装置を備えれば、この減速装置の持つ上記の長所を備えたロボットが得られることとなる。
【符号の説明】
【００２２】
３  負荷、
７、７ａ  モータシャフト、
１０  ロボット基台、
１３  旋回軸モータ、
２２、２２ａ  入力小ギア、
２３  前後軸モータ、
２５、２５ａ  入力大ギア、
２９  ギア、
３０  クランクシャフト、
３３、３３ａ  出力シャフト、
４２  ニードルベアリング、
８４、８４ａ  主軸受、
１００、１００ａ  大ギア、
１０２  旋回胴部部材、
１０３、１０３ａ  小ギア、
１０４  旋回胴部部材、
１０５、１０５ａ  軸受、
１１５  旋回胴部部材、
１１６  旋回胴部部材、
ＡＭ１  下腕、
ＡＭ２  上腕、
ＣＢ  ケーブル（線状体）
【図１】
0004696912.tif 000002
【図２】
0004696912.tif 000003
【図３】
0004696912.tif 000004
【図４】
0004696912.tif 000005
【図５】
0004696912.tif 000006
【図６】
0004696912.tif 000007
【図７】
0004696912.tif 000008
【図８】
0004696912.tif 000009
【図９】
0004696912.tif 000010
【図１０】
0004696912.tif 000011