JP6910990B2 - トルクセンサの支持装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に適用されるトルクセンサに係わり、トルクセンサを支持する支持装置に関する。

トルクセンサは、トルクが印加される第１構造体と、トルクが出力される第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを連結する梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている（例えば特許文献１、２、３参照）。

自動車のエンジン等の出力部に生じるトルクを測定するトルク量変換器において、トルク以外の曲げ応力の影響を低減する技術が開発されている（例えば特許文献４参照）。

特開２０１３−０９６７３５号公報 特開２０１５−０４９２０９号公報 特開２０１７−１７２９８３号公報 特開２０１０−１６９５８６号公報

円盤状のトルクセンサの第１構造体をロボットアーム（以下、単にアームとも言う）の例えばベース部に固定し、第２構造体をアームの例えば駆動部に固定して使用する場合、トルクセンサにはアームの搬送重量と負荷までの距離（トルクセンサの中心から搬送物までの距離）、動作加速度（アームや負荷の慣性モーメント）に伴う曲げモーメントが加わる。

一般に、円盤状のトルクセンサの直径方向に配置された例えば２つの起歪部(以下、起歪体とも言う)を通る第１軸線上の両側に均等で荷重の方向が互いに反対の負荷がある場合、トルクセンサに曲げモーメントが加わるが、２つの起歪体には、対称の歪しか生じないため、トルクセンサに対する曲げモーメントに伴うセンサ出力は、理論上、ゼロとなる。すなわち、トルクセンサは、トルク以外の他の軸の干渉（以下、他軸干渉と呼ぶ）を受けない。同様の負荷が、第１軸線と直交する第２軸線上に負荷がある場合、又は、第１軸線及び第２軸線から傾斜した位置にある場合においても、トルクセンサは、理論上、他軸干渉を受けない。

また、トルクセンサを中心として力点（又は作用点）がトルクセンサの直径方向の片側にある場合において、負荷が第１軸線上で０°又は１８０°の位置にある場合、及び第２軸線上で９０°又は２７０°の位置にある場合、トルクセンサに曲げモーメントが加わるが、２つの起歪体により相殺される。このため、トルクセンサは他軸干渉を受けず、センサ出力は、ゼロとなる。

トルクセンサがロボットアームに利用される場合において、アームの一端はトルクセンサ側に固定され、他端はトルクセンサから離れた位置にある。すなわち、トルクセンサ側が支点である場合、負荷としての力点（又は作用点）は、支点から離れた位置にある。しかも、負荷の位置が円盤状のトルクセンサの中心を通る直交した２つの軸線上にあるとは限らない。このため、トルクセンサは、曲げモーメントによる他軸干渉を受ける。この場合、特に第１軸線及び第２軸線上から４５°ずれた位置の負荷に対して、大きな他軸干渉が発生する。具体的には、アームの回転角が４５°、１３５°、２２５°、３１５°において、センサ出力のピークが発生する。センサ出力を正弦波と仮定した場合、１周期に２つのピークが発生するため、これをf２成分と呼ぶ。

このように、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントが生じることにより、他軸干渉によって、ｆ２成分が生じる。このため、トルクセンサの検出精度が低下していた。
本発明の実施形態は、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントが生じることを防止でき、トルクセンサの検出精度を向上させることが可能なトルクセンサの支持装置を提供する。

本実施形態のトルクセンサの支持装置は、第１取り付け部に設けられた第１支持体と、前記第１取り付け部に設けられた第１構造体と、第２取り付け部に連結された第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサの前記第２構造体に接合された第２支持体と、前記第１支持体と前記第２支持体との間に設けられ、前記トルクセンサのトルク方向に移動可能でトルク以外の方向への移動が抑制された第３支持体と、を具備する。

第１実施形態に係るトルクセンサの支持装置の一例を示す分解斜視図。 図１に示すトルクセンサの支持装置を組み立てた状態を示すものであり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。 本実施形態が適用されるロボットアームの一例を示す斜視図。 本実施形態が適用されるトルクセンサの一例を示す平面図。 ロボットアームの回転角とセンサ出力との関係を示す図であり、本実施形態と比較例とを比較して示す図。 トルクセンサに生じる曲げモーメントを説明するために示す図。 第２実施形態に係るトルクセンサの支持装置の一例を示す斜視図。 図７に示すトルクセンサの支持装置を組み立てた状態を示すものであり、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
先ず、図３、図４を参照して、本実施形態が適用されるロボットアーム３０、及びトルクセンサ４０について説明する。
図３は、多関節ロボット、すなわち、ロボットアーム３０の一例を示している。ロボットアーム３０は、例えば基台３１、第１アーム３２、第２アーム３３、第３アーム３４、第４アーム３５、駆動源としての第１駆動部３６、第２駆動部３７、第３駆動部３８、第４駆動部３９を具備している。しかし、ロボットアーム３０の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

第１アーム３２は、第１関節Ｊ１に設けられた第１駆動部３６により、基台３１に対して回転可能とされている。第２アーム３３は、第２関節Ｊ２に設けられた第２駆動部３７により、第１アーム３２に対して回転可能とされている。第３アーム３４は、第３関節Ｊ３に設けられた第３駆動部３８により、第２アーム３３に対して回転可能とされている。第４アーム３５は、第４関節Ｊ４に設けられた第４駆動部３９により、第３アーム３４に対して回転可能に設けられている。第４アーム３５に図示せぬハンドや各種のツールが装着される。

第１駆動部３６〜第４駆動部３９は、例えば後述するモータと、減速機と、トルクセンサとを具備している。
図４は、本実施形態に適用される円盤状のトルクセンサ４０の一例を示している。トルクセンサ４０は、第１構造体４１と、第２構造体４２と、複数の第３構造体４３と、センサ部としての第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５などを具備している。

第１構造体４１と、第２構造体４２は、環状に形成され、第２構造体４２の径は、第１構造体４１の径より小さい。第２構造体４２は、第１構造体４１と同心状に配置され、第１構造体４１と第２構造体４２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体４３により連結されている。複数の第３構造体４３は、第１構造体４１と第２構造体４２との間でトルクを伝達する。第２構造体４２は、中空部４２aを有しており、中空部４２aには、例えば図示せぬ配線が通される。

第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、例えば同じ厚みを有している。トルクセンサ４０の機械的な強度は、第３構造体４３の厚みや幅、長さにより設定される。

第１構造体４１と第２構造体４２との間には、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５が設けられている。具体的には、第１歪センサ４４を構成する起歪体４４ａと、第２歪センサ４５を構成する起歪体４５ａの一端部は、第１構造体４１に接合され、起歪体４４ａ、４５ａの他端部は、第２構造体４２に接合されている。起歪体４４ａ、４５ａの厚みは、第１構造体４１、第２構造体４２、及び複数の第３構造体４３の厚みより薄い。

起歪体４４ａ、４５ａの表面には、センサ素子としての図示せぬ複数の歪ゲージがそれぞれ設けられている。起歪体４４ａに設けられたセンサ素子により第１ブリッジ回路が構成され、起歪体４５ａに設けられたセンサ素子により第２ブリッジ回路が構成される。すなわち、トルクセンサ４０は、２つのブリッジ回路を具備している。

また、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、第１構造体４１及び第２構造体４２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、環状の第１構造体４１及び第２構造体４２の直径上に配置されている。

第１歪センサ４４（起歪体４４ａ）はフレキシブル基板４６に接続され、第２歪センサ４５（起歪体４５ａ）はフレキシブル基板４７に接続されている。フレキシブル基板４６、４７は、カバー４８により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、２つのブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。

本実施形態において、トルクセンサ４０は、トルク（Ｍｚ）に対して変形し、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、後述する支持装置により、変形が抑制される。
（第１実施形態）
図１及び図２は、第１実施形態を示している。
図１、図２に示すように、例えば第１関節Ｊ１内には、第１駆動部３６と、トルクセンサ４０と、トルクセンサ４０を支持する支持装置１０が設けられている。第１駆動部３６は、第１アーム３２の内部で、トルクセンサ４０の第１面（表面）に設けられ、支持装置１０は、基台３１の内部で、トルクセンサ４０の第２面（裏面）に設けられている。

図２に示すように、第１駆動部３６は、例えばモータ３６ａと減速機３６ｂを含んでいる。減速機３６ｂは、例えばケース３６ｂ−１と、出力軸３６ｂ−２と、ベアリング３６ｂ−３と、図示せぬ複数のギヤなどを具備している。出力軸３６ｂ−２は、図示せぬ複数のギヤを介してモータ３６ａのシャフト３６ａ−１に連結され、ベアリング３６ｂ−３により、ケース３６ｂ−１に対して回転可能に設けられている。

トルクセンサ４０の第１構造体４１は、ロボットアーム３０の第１取り付け部としての基台３１の上部に図示せぬねじにより固定され、第２構造体４２は、減速機３６ｂの出力軸３６ｂ−２に図示せぬ複数のねじにより固定される。減速機３６ｂのケース３６ｂ−１は、第２取り付け部としての第１アーム３２に固定される。

支持装置１０は、第１支持体１１と、第２支持体１２と、第１支持体１１と第２支持体１２との間に設けられた複数の第３支持体１３を具備している。第１支持体１１と第２支持体１２は、環状であり、第１支持体１１と第２支持体１２は、厚み方向（Ｚ軸方向）に所定間隔離間して平行に配置される。第２支持体１２の外径は、第１支持体１１の外径より小さく、基台３１の内径とほぼ等しくされている。

各第３支持体１３は、Ｚ軸と平行に配置され、Ｚ軸方向の一端部は、第１支持体１１に設けられ、他端部は、第２支持体１２に設けられている。各第３支持体１３は、径方向と平行に配置されている。各支持体１３の径方向と直交するＺ軸方向の寸法（幅）は、円周方向の寸法（厚み）より大きくされている。

各第３支持体１３は、第１支持体１１及び第２支持体１２の円周方向に等間隔に配置されている。
第３支持体１３の数は、例えば４枚以上である。
支持装置１０は、トルクセンサ４０よりもヤング率（縦弾性係数）の高い材料、例えばセラミックスなどで構成されてもよい。或いは、支持装置１０は、機械的性質が異なる異方性材料により構成されてもよい。

第１支持体１１は、ロボットアーム３０の基台３１の底部に固定され、第２支持体１２及び複数の第３支持体１３は、基台３１の内部に配置されている。トルクセンサ４０の第２構造体４２は、第２支持体１２に図示せぬ複数のねじにより固定される。
後述するように、第１支持体１１に対して第２支持体１２にトルク（Ｍｚ）が印加された場合、トルク（Ｍｚ）は、第３支持体１３の厚み方向に作用する。第３支持体１３の厚みは、第３支持体１３の幅方向の長さに比べて薄いため、第３支持体１３は、トルク（Ｍｚ）により、厚み方向に変形（移動）する。このため、第２支持体１２は、第１支持体１１に対して回転する。

一方、第１支持体１１に対して第２支持体１２にトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加された場合、この曲げモーメントは、第３支持体１３の幅方向に作用する。このため、第３支持体１３は、この力により殆ど変形（移動）せず、第２支持体１２は、第１支持体１１に対して移動しない。

上記構成において、モータ３６ａにより減速機３６ｂが駆動されると、トルク（Ｍｚ）がトルクセンサ４０に印加される。トルクセンサ４０の第２構造体４２は、第１構造体４１に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位する。第２構造体４２の変位に伴い、支持装置１０の第２支持体１２がトルク（Ｍｚ）方向に変位する。すなわち、複数の第３構造体４３が変形することにより、第２支持体１２が第２構造体４２と共に変位する。

トルクセンサ４０は、第２構造体４２が第１構造体４１に対して変位することにより、第１歪センサ４４、第２歪センサ４５から電気信号が出力され、トルクを検出することができる。
一方、第１アーム３２乃至第４アーム３５が動作し、トルクセンサ４０に搬送重量と負荷までの距離、動作加速度に伴い、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加される場合、支持装置１０の第３支持体１３は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の方向に殆ど変形しない。このため、第１支持体１１に対する第２支持体１２の変位が抑制され、トルクセンサ４０の第１構造体４１に対する第２構造体４２の変位が抑制される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力が抑制される。
（第１実施形態の効果）
第１実施形態によれば、支持装置１０は、ロボットアーム３０の基台３１に固定された第１支持体１１と、トルクセンサ４０の第２構造体４２に固定された第２支持体１２と、第１支持体１１と第２支持体１２との間に設けられた複数の第３支持体１３とを具備し、トルクセンサ４０にトルク（Ｍｚ）が印加された場合、複数の第３構造体４３が変形することにより、第２支持体１２及びトルクセンサ４０の第２構造体４２が変位する。このため、トルクセンサ４０によりトルクを検出することができる。また、トルクセンサ４０にトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加された場合、支持装置１０の第３支持体１３により、第１支持体１１に対する第２支持体１２の変位が抑制され、トルクセンサ４０の第１構造体４１に対する第２構造体４２の変位が抑制される。このため、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力を抑制することが可能である。したがって、トルクセンサ４０は、他軸干渉を抑制することができ、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

図５は、基台３１に対するロボットアーム３０の回転角（負荷の設置角度）とトルクセンサ４０の出力信号との関係を示すものであり、Ａは、本実施形態の場合を示し、Ｂは、支持装置１０を持たない比較例の場合を示している。
本実施形態のように、トルクセンサ４０がロボットアーム３０の例えば第１関節Ｊ１内に配置される場合において、ロボットアーム３０は、トルクセンサ４０を中心として３６０°回転可能とされている。

図６に示すように、トルクセンサ４０の第１歪センサ４４と第２歪センサ４５を通る第１軸線上をロボットアーム３０の力点（又は作用点）としての負荷が移動する場合、又は、第１軸線と直交する第２軸線上を負荷が移動する場合、曲げモーメントが生じるが、軸線上であれば、他軸干渉は理論上ゼロとなる。しかし、第１軸線及び第２軸線以外に負荷が移動した場合、ロボットアーム３０の搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴う曲げモーメントがトルクセンサ４０に生じる。したがって、本実施形態に係る支持装置１０が無い場合、トルクセンサ４０は、他軸干渉を受け、大きなレベルのセンサ出力が発生する。

すなわち、図５にＢで示すように、第１軸線及び第２軸線上からずれた位置に負荷が移動した場合、トルクセンサ４０において他軸干渉が発生し、ロボットアーム３０の回転角が第１軸線を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°において、大きなピークのセンサ出力が発生する。

これに対して、本実施形態のように、支持装置１０を設けた場合、支持装置１０により、トルクセンサ４０に対するトルク以外の曲げモーメントによるトルクセンサ４０の変位を抑制することができる。これにより、トルクセンサ４０において他軸干渉を抑制することができるため、図５のＡに示すように、第１軸線を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°において、トルクセンサ４０からセンサ出力が発生することを抑制することができる。したがって、トルクセンサ４０によるトルクの検出精度を向上させることが可能である。

また、支持装置１０は、トルクセンサ４０と別体に構成されている。このため、支持装置１０の製造が容易である。
しかも、一般に、ロボットアームの関節部分は軸長が短いため、関節部分に組み込むトルクセンサ及び支持装置１０も、できるだけ軸長の短い小型のものが好ましい。本実施形態のトルクセンサ４０は、円盤状であるため、トルクセンサ４０の中心を通る軸方向の厚みと支持装置１０の厚みの合計の厚みを薄くすることが可能である。

尚、上記実施形態において、支持装置１０は、第１関節Ｊ１の基台３１に設けた。支持装置１０を第１関節Ｊ１に設けることによる他軸干渉の除去効果は大きいが、第１関節Ｊ１に限定されるものではなく、支持装置１０を第２関節Ｊ２乃至第４関節Ｊ４に適用することも可能である。支持装置１０を第２関節Ｊ２乃至第４関節Ｊ４に適用した場合も第１関節Ｊ１に設けた場合と同様の効果を得ることが可能である。

また、トルクセンサ４０は、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５との２つのセンサ部を有する場合について説明した。しかし、これに限らず、他軸干渉を抑制するために必要な、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの３つの軸情報を得ることができる構成であればよい。したがって、３軸以下の情報を得ることができるトルクセンサに本実施形態を適用することが可能である。
（第２実施形態）
図７、図８は、第２実施形態を示している。第２実施形態は、支持装置１０を変形したものである。

図７、図８において、支持装置１０ａは、トルクセンサ４０と同様に円盤状とされており、環状の第１支持体１１ａと、環状の第２支持体１２ａと、第１支持体１１ａと第２支持体１２ａとの間に設けられた複数の第３支持体１３ａを具備している。
第１支持体１１ａと第２支持体１２ａは同心状に配置され、複数の第３支持体１３ａは、第１支持体１１ａと第２支持体１２ａの円周方向に等間隔に配置されている。

各第３支持体１３ａは、径方向と平行に配置され、径方向の一端部が第１支持体１１ａに接続され、他端部が第２支持体１２ａに接続されている。
各第３支持体１３ａのＺ軸方向（径と直交する方向）の寸法（厚み）は、円周方向の寸法（幅）よりが大きくされている。

各第３支持体１３ａは、第１支持体１１ａ及び第２支持体１２ａの円周方向に等間隔に配置されている。
第３支持体１３ａの数は、例えば４枚以上である。
支持装置１０は、トルクセンサ４０よりもヤング率（縦弾性係数）の高い材料、例えばセラミックスなどで構成されてもよい。或いは、支持装置１０は、異方性材料により構成されてもよい。

複数の第３支持体１３ａの幅は、第１支持体１１ａ、第２支持体１２ａ及び第３支持体１３ａの厚みより薄く、トルク（Ｍｚ）方向に変形可能で、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して剛性を有している。
第１支持体１１ａは、トルクセンサ４０の第１構造体４１及びロボットアーム３０の例えば図示せぬ基台３１に固定され、第２支持体１２ａは、トルクセンサ４０の第２構造体４２及び減速機３６ｂの出力軸３６ｂ−２に固定される。

トルクセンサ４０にトルク（Ｍｚ）が印加された場合、支持装置１０ａは、トルクセンサ４０の変形と共に第３支持体１３ａが変形する。このため、トルクセンサ４０は、トルクを検出することができる。
また、トルクセンサ４０にトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加された場合、支持装置１０ａは、第３支持体１３ａにより第１支持体１１に対する第２支持体１２の変形が抑制され、トルクセンサ４０の第１構造体４１に対する第２構造体４２の変形が抑制される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力が抑制される。
（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２実施形態の場合、支持装置１０ａの形状がトルクセンサ４０の形状とほぼ等しいため、形状の小型化が可能であるとともに、製造が容易となる利点を有している。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０、１０ａ…支持装置、１１、１１ａ…第１支持体、１２、１２ａ…第２支持体、１３、１３ａ…第３支持体、３１…基台（第１取り付け部）、３２…第１アーム（第２取り付け部）、３６…第１駆動部、３６ａ…モータ、３６ｂ…減速機、４０…トルクセンサ、４１…第１構造体、４２…第２構造体、４３…第３構造体、４４…第１歪センサ、４５…第２歪センサ。

Claims (9)

1. 第１取り付け部に設けられる第１支持体と、
   前記第１取り付け部に設けられる第１構造体と、第２取り付け部に連結される第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサの前記第２構造体に連結される第２支持体と、
   前記第１支持体と前記第２支持体との間に設けられ、前記トルクセンサのトルク方向に変形可能でトルク以外の方向への変形が抑制された第３支持体と、
   を具備するトルクセンサの支持装置。
2. 前記第１支持体及び前記第２支持体は環状であり、前記第１支持体及び前記第２支持体は平行に配置され、前記第３支持体の一端部は前記第１支持体に接続され、他端部は前記第２支持体に接続され、前記第３支持体の径と直交する方向の寸法は、円周方向の寸法より大きいことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの支持装置。
3. 前記第１支持体及び前記第２支持体は環状であり、前記第１支持体及び前記第２支持体は同心状に配置され、前記第３支持体の一端部は前記第１支持体に接続され、他端部は前記第２支持体に接続され、前記第３支持体の径と直交する方向の寸法は、円周方向の寸法より大きいことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの支持装置。
4. 前記第２支持体及び前記第３支持体は、前記第１取り付け部の内部に配置されることを特徴とする請求項２記載のトルクセンサの支持装置。
5. 前記第３支持体の前記第１支持体と前記第２支持体との間の寸法は、径方向の寸法より大きいことを特徴とする請求項２記載のトルクセンサの支持装置。
6. 前記第３支持体は、前記第１支持体と前記第２支持体の円周方向に等間隔に配置されることを特徴とする請求項２又は３記載のトルクセンサの支持装置。
7. 前記第３支持体の数は、４個以上であることを特徴とする請求項２又は３記載のトルクセンサの支持装置。
8. 前記第３支持体の材料は、前記トルクセンサよりもヤング率（縦弾性係数）の高い材料であることを特徴とする請求項２又は３記載のトルクセンサの支持装置。
9. 前記第３支持体の材料は、セラミックス又は異方性材料であることを特徴とする請求項８記載のトルクセンサの支持装置。

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