JP2009288198A - トルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの印加により歪みを生じる起歪体に歪みゲージを貼設して歪みゲージの出力信号に基づいてトルクを好適に計測する。
【解決手段】アクチュエータ若しくは減速機の出力軸にて負荷対象との間に取り付けた起歪体は、トルクに応じて主に回転軸回りに変位する主起歪部位と、主起歪部位に隣接して、主起歪部位の前記出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する補助起歪部位を備え、主起歪部位が期待される方向以外の歪みを発生しないように保たれる。主起歪部位に１組以上の歪みゲージを貼設し、各歪みゲージからの出力信号からより高精度で且つ高感度でトルクを計測する。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、例えばアクチュエータ・モータの出力軸に取り付けられ、出力軸に印加するトルクを計測するトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムに係り、特に、トルクの印加により歪みを生じる起歪体に歪みゲージを貼設して歪みゲージの出力信号に基づいてトルクを計測するトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムに関する。
関する。

トルクセンサは古くから研究開発がなされている。トルクセンサは、例えば、力制御方式のアクチュエータ制御装置や、視覚情報や聴覚情報に加えて操作者に力覚や触覚を提示するための「ハプティック・デバイス」などの駆動系に適用される。ここで、力制御は、作業対象に対して加えるべき力の目標値を直接的に受け、その目標値が示す力を実現する制御方法であり、出力トルクをより正確に検出しフィードバックすることにより、力オーダーでのより柔軟な対人物理インタラクション・サービスが可能になる。また、ハプティック・デバイスは、医療やその他の特殊技能の習得、小宇宙や海洋などの仮想環境や、原子炉などの特殊若しくは危険な環境での遠隔作業などにおいて、実際に触手できない環境の物体への３次元の力覚・触覚を提示することが主要なアプリケーションであるが、出力トルクをより正確に検出しフィードバックすることにより、ハプティック・デバイスを介して仮想環境の物体に触れたり把持したりした際の感覚をリアルにユーザに提示することが可能となる。

図１６には、アクチュエータ・モータの出力トルクを計測するための一般的な構成例を示している。図示の例では、減速器を介したアクチュエータの出力軸と負荷対象（図示しない）との間にカップリングを配置し、カップリングの円筒面に、回転軸方向に対してそれぞれ４５度だけ偏向するように（すなわち、ほぼＸ字を描くように）１組の歪みゲージを貼設している。そして、出力軸に印加された負荷トルクによってカップリングが変形すると、このカップリングと一体となった歪みゲージも変形に起因して電気抵抗値が変化する。したがって、各歪みゲージの端子間電圧の変化量の組み合わせに従って、カップリングの変形量、ひいては印加されたトルクを求めることができる。また、一般的な回転伝達系のように出力軸が無限回転する場合には、スリップリングなどの接点を介して外部からトルクを計測するようにすればよい。

株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ社の「ハーモニックドライブ（登録商標）」に代表される波動歯車減速機は、アクチュエータ入力としてのウェーブ・ジェネレータと、出力軸としてサーキュラ・スプラインと、（反トルクを支持する）固定側のフレックス・スプラインからなる。このような精密な動力伝達系は、歪みゲージを用いてトルク計測を行なう場合、図１７に示すように、サーキュラ・スプラインを固定する部材に複数組の歪みゲージを同心円状に貼設し、各歪みゲージの変形量に応じた電気信号の変化を基にトルクを計測することができる。波動歯車減速機に着目すると、フレックス・スプラインを構成する部材の歪みを観測していることから、反トルクを計測していることになる。歪みゲージ自体は感度のよいセンサであることから、波動歯車減速機の持つ特性が当該トルク計測方法の精度を左右すると言える。また、複数組の歪みゲージを用いることで、周期的にうねる変形を平滑化し、出力軸回りのトルクによる変形のみを抽出する効果が期待される。

フロートディファレンシャル型トルク計測装置は、図１８に示すように、減速きつきモータの出力軸を外側からベアリングで支持して自由回転できる構造からなる（例えば、非特許文献１を参照のこと）。この外側に対して弾性を持った梁で支持し、出力軸にトルクが加わると、出力軸→減速機→モータ回転子→モータ固定子→ケーシング→梁という経路で反トルクが加わることになる。計測方法に応じて梁の特性を調整しておけばよく、歪みゲージを用いることができる。図示の装置においては、反トルクによって梁が捩じられ、その梁の軸方向の変位を吸収するために補助的な梁が用いられる。最低限２組の梁を設け、それぞれに歪みゲージを配置し、トルクによる歪み以外をキャンセルするような結線を行なうものとする。

フロートディファレンシャル型トルク計測装置は、減速機のバックドライバビリティが極めて乏しい状態でも、反トルクを計測するため、トルク計測が可能であるという利点がある。しかしながら、モータを計測対象とする場合、負荷→減速機→回転子→空隙→固定子→梁という経路でトルクの計測を行なうため、回転こと固定子間の反発力を計測しているに過ぎない。例えば、負荷側に衝撃力が働いたとしても、それがセンサには電磁系を介して反発力に伝わるだけであり、高い振動数の信号を検出することはできない。

他方、モータ駆動電流と出力トルクはほぼ一意に決定される特性を利用したトルク計測方法も挙げられる。近年では、ホール素子のような安価にして感度の良い電流計測素子が利用可能であり、モータ駆動回路の出力段にホール素子を配設して、電流制御すなわちトルク制御を行なうことはしばしば見受けられる。しかしながら、負荷だけの特性ではなく、途中の伝達系、減速機などの特性も含んでしまうため、対象物に対する的確な力（トルク）制御を行なうことが困難である。また、摩擦やヒステリシスによる不感帯や非線形性が発生して、センサ値にはこれらが包含されてしまうこととなり、センサ・システムとしての特性を著しく低下させてしまうと考えられる。非線形性はまだしも、不感帯は微小成分を検出不可能にし、ヒステリシスも再現性を失い精度を損ねる原因となる。

また、一般的なトルク計測方法として、アクチュエータ・モータの出力軸に、トルクが印加することによって歪みを発生させる起歪体を取り付けるとともに、この起歪体の所定の部位に歪みゲージを貼設して、各歪みゲージから出力される電気信号を基にトルクを計測することが挙げられる。

例えば、荷重により歪を生じる起歪体と、この起歪体に配置され歪みに応じて検出値が変化する検出素子を有し、ブレーキ・ディスクの回転を制動するブレーキ・トルクに応じて、ブレーキ・ディスクの回転軸方向に変形する起歪体の歪みを検出する構成の荷重センサについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

また、円筒形状の起歪体の外側面に直接的に設け、この起歪体に発生する捩りトルクによる応力が、直接的に第１の圧縮歪抵抗素子、第２の圧縮歪抵抗素子、第１の引張歪抵抗素子、第２の引張歪抵抗素子に伝わる構成としたトルクセンサについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

また、歪みゲージの起歪体に弾性体を介して被検出トルクが付加され、起歪体の折損、抵抗体の剥離を防止したトルク検出器について提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。

また、相対回転変位により変形してスライダを軸線方向に移動する起歪体を用い、不感帯が生じることがなく、低コストのトルクセンサについて提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。

歪みゲージは、その歪み量に応じて電気抵抗値がほぼ線形的に変化していく素子であり、感度のよいセンサとして知られている（前述）。したがって、アクチュエータ・モータの出力軸に、トルクが印加する方向にのみ歪みを発生させる（言い換えれば、期待される方向以外の歪みの発生を抑制することができる）起歪体を取り付け、このような起歪体の表面に歪みゲージを貼設することで、より高精度のトルク計測装置を構成することができる、と本発明者らは、思料している。すなわち、トルクは回転軸回りの力のモーメントのことであるから、起歪体は、トルクに応じて主に回転軸回りに変位する部位を持ち、且つ、当該部位に歪みゲージを貼設することで、歪みゲージから出力される電気信号を基に高い精度でトルクを計測することができるであろう。

特開２００８−７６１６１号公報 特開２００７−１５５５７６ 特開平９−１３８１６８ 特開平８−３２７４７２ 広瀬、加藤共著「フロートディファレンシャル型トルクセンサの開発」（日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会予稿集、１ＣＩ２−６、１９９８）

本発明の目的は、トルクの印加により歪みを生じる起歪体に歪みゲージを貼設して歪みゲージの出力信号に基づいてトルクを好適に計測することができる、優れたトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、トルクに応じて期待される方向以外の歪みの発生を抑制した起歪体に歪みゲージを貼設して歪みゲージの出力信号に基づいてトルクを高い精度で計測することができる、優れたトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、起歪体のトルクに応じて主に回転軸回りに変位する部位に歪みゲージを貼設して、歪みゲージから出力される電気信号を基に高い精度でトルクを計測することができる、優れたトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、
トルク計測の対象となるアクチュエータ若しくは減速機の出力軸にて負荷対象との間に取り付けられ、負荷対象から印加されるトルクに応じて主に前記出力軸回りに変位する主起歪部位と、前記主起歪部位の前記出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する補助起歪部位を備えた起歪体と、
前記主起歪部位に取り付けられた１組以上の歪みゲージと、
を具備し、
前記の各歪みゲージから出力される電気信号を基にトルクを計測する、
ことを特徴とするトルク計測装置である。

一般的なトルク計測方法として、アクチュエータ・モータの出力軸に、トルクが印加することによって歪みを発生させる起歪体を取り付けるとともに、この起歪体の所定の部位に歪みゲージを貼設して、各歪みゲージから出力される電気信号を基にトルクを計測することが挙げられる。ここで言う起歪体は、「構造部材をある程度変形し易くしておき、その変形の度合いから力（トルク）の掛かり方を計測する機械的センサ」と定義することができる。

歪みゲージは、その歪み量に応じて電気抵抗値がほぼ線形的に変化していく素子であり、感度のよいセンサとして知られている（前述）。したがって、アクチュエータ・モータの出力軸に、トルクが印加する方向にのみ歪みを発生させる（言い換えれば、期待される方向以外の歪みの発生を抑制することができる）起歪体を取り付け、このような起歪体の表面に歪みゲージを貼設することで、より高精度のトルク計測装置を構成することができると考えられる。

本発明に係るトルク計測装置では、トルク計測の対象となるアクチュエータ若しくは減速機の出力軸にて負荷対象との間に取り付けた起歪体が、トルクに応じて主に回転軸回りに変位する主起歪部位を含んでいる。起歪体は、主起歪部位に隣接して、主起歪部位の前記出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する補助起歪部位を備えることで、主起歪部位が期待される方向以外の歪みを発生しないように保つことができる。そして、このような主起歪部位に１組以上の歪みゲージを貼設して、各歪みゲージから出力される電気信号を基に、より高精度で且つ高感度でトルクを計測することができる。

補助起歪部位は、例えば、主起歪部位の少なくとも一方の端部に配設され、トルクが印加されたことに伴って主起歪部位が微小変形を起こす際に、自らも変形することによって、主起歪部位の出力軸回りの変位以外の変位成分を除去するように作用する。

起歪体は、例えば、アクチュエータ若しくは減速機の出力軸に固定される内輪と、負荷トルクが印加され若しくはトルク出力する外輪と、前記内輪及び外輪がほぼ同心円状となるように両者間を複数箇所にて繋ぐ複数の梁により構成され、少なくとも一部の梁は歪みゲージを取り付ける主起歪部位となる。そして、補助起歪部位は、前記主起歪部位の外輪側又は内輪側のいずれか一方の端部に形成され、外側においてトルクが印加されたことに伴って前記主起歪部位が微小変形を起こす際に、自らも変形することによって、前記主起歪部位の出力軸回りの変位以外の変位成分を除去するようにすればよい。

本発明に係るトルク計測装置は、例えば、４ゲージ法によりトルク計測を行なう。ここで、出力軸を挟んで１対の主起歪部位が対向して配置されるように起歪体を構成するとともに、各々の主起歪部位の前記出力軸の回転方向を向く両側面に１対の歪みゲージを貼設して、このような場合、万一、出力軸の偏心などの問題で梁に伸びが生じても、その影響をキャンセルすることができる。

さらに、前記の各歪みゲージの初期抵抗値がほぼ均一であり、且つ、前記出力軸を挟んで対角に配置された歪みゲージ同士が同様の挙動を示すとともに、各主起歪部位を挟んで向かい合う歪みゲージ同士では変化の絶対値が同じとなるように、トルク計測装置を設計することで、センサ出力として印加トルクに比例した電気信号を得ることができる。

本発明によれば、トルクの印加により歪みを生じる起歪体に歪みゲージを貼設して歪みゲージの出力信号に基づいてトルクを好適に計測することができる、優れたトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムを提供することができる。

また、本発明によれば、トルクに応じて期待される方向以外の歪みの発生を抑制した起歪体に歪みゲージを貼設して歪みゲージの出力信号に基づいてトルクを高い精度で計測することができる、優れたトルク計測装置並びにアクチュエータ駆動制御システムを提供することができる。

本発明に係るトルク計測装置は、アクチュエータ、減速機より負荷側で計測するので、負荷自体の特性を計測し易い。言い換えれば、駆動機構の構成要素の影響を抑制して、高感度のトルク計測を実現することができ、これによって高い帯域の信号も十分に計測することができる。

トルク制御により、作業対象に対して加えるべき力の目標値を直接的に受け、その目標値が示す力を実現するといったように、アクチュエータの制御特性を改善することができる。その反面、センサ系や駆動制御系の性能が十分でないと非常に危険なシステムに転じてしまうという側面がある。本発明によれば、簡潔にして高精度のセンサ系を構成することができるので、過負荷などの検出も容易であり、アクチュエータの制御特性を改善しつつ安全なトルク制御システムを実現することができる。

本発明に係るトルク計測装置は、基本的に、設計自由度が高い起歪体の所定の部位に複数組の歪みゲージを貼設することで構成されるので、アクチュエータ減速機の出力軸など導入対象に対してコンパクトな機構系を設計することが可能である。とりわけ、アクチュエータ駆動制御システムの回転軸方向の全長を短く抑えることができるので、例えばアーム型ロボットに適用した場合には、関節部のアクチュエータ・ユニットとしてそのまま配設することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１には、本発明を適用可能なアクチュエータ及びこれに付随する周辺装置からなる駆動制御システムの構成を概略的に示している。図示の駆動制御システムは、モータなどで構成されるアクチュエータ、減速機、トルクセンサの３つのモジュールに大別され、「トルク計測機能を有した減速機付アクチュエータ・ユニット」と呼ぶこともできる。すなわち、駆動制御システムは、減速機を有したアクチュエータ・ユニットの出力軸に印加されるトルクを計測することが可能であり、さらにはアクチュエータのトルク制御を行なうことが可能である。

当業界では周知のように、アクチュエータ並びに減速機には、ヒステリシスや摩擦、非線形特性など、モデル同定が困難となるさまざまな要素が包含される。本実施形態で使用されるトルクセンサは、後に詳解するように、主にバックドライバビリティに優れた減速機の出力軸に取り付けることでより優れた特性を得ることができるが、ここで、バックドライバビリティの優れ減速機の一例は、ハーモニックドライブ（登録商標）に代表される波動歯車減速機のである。

勿論、本実施形態で使用されるトルクセンサは、バックドライバビリティに乏しい減速機の出力軸に対しても十分に利用可能である。あるいは、ダイレクト・ドライブ式モータのように、モータ単体で十分なトルクを出力することができ、減速機を用いた駆動装置に対しても、適用することができることを十分理解されたい。

トルクセンサは、１組以上の歪みゲージを取り付けた起歪体として構成されるが、図１に示すように、減速機の出力軸側にて、センサ支持ベアリングを介して取り付けられる。アクチュエータ・ユニットの全長（モータ回転軸方向の寸法）を短く抑えるには、起歪体は、例えば円盤状若しくは短円筒状の形状を備えていることが好ましい。

あるいは、起歪体の他の形状として、図２に示すようなほぼカップ形状を挙げることもできる。同図に示す例では、カップの内周側にてセンサ支持ベアリングで支持されるとともに、カップの外周側にて負荷が印加され若しくはトルクを出力する。

トルクが印加することによって歪みを発生させる起歪体を取り付けるとともに、この起歪体の所定の部位に歪みゲージを貼設して、歪みゲージから出力される電気信号を基にトルクを計測する、という計測方法自体は一般的である。本明細書で言う「起歪体」とは、「構造部材をある程度変形し易くしておき、その変形の度合いから力（トルク）の掛かり方を計測する機械的センサ」と定義することができる。

本実施形態では、起歪体は、トルクが印加された際にその印加方向にのみ歪みが発生する主起歪部位を備え、このような主起歪部位に１組以上の歪みゲージを貼設することで、高精度で且つ高感度のトルク計測を実現するようにしている。後述するように、起歪体は、主起歪部位に隣接して、主起歪部位の前記出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する補助起歪部位を備えることで、主起歪部位が期待される方向以外の歪みを発生しないように保つことができる。

トルクセンサは、起歪体と１組以上の歪みゲージからなるが、以下ではその構造と動作原理について詳解する。但し、起歪体で発生する歪みを電気信号に変換するデバイスとして、歪みゲージ以外にも、フォト・インターラプタ（Ｐｈｏｔｏｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ）などを挙げることができる。

図３には、起歪体の基本形の正面図（アクチュエータの回転軸方向に眺望した図）を示している。図１又は図２のいずれであっても、起歪体は、減速機の出力軸に固定される内輪と、負荷トルクが印加され若しくはトルク出力する外輪と、これら内輪及び外輪がほぼ同心円状となるように両者間を複数箇所にて繋ぐ複数の梁からなる。これらの梁群は、図３に示すように、ほぼ放射状となるように出力軸中心から伸びており、２組（１対）の梁が対向している構造とする。各々の梁は、構造物としての機能は不要であり、むしろ外輪側からの負荷トルクに応じて微小変形すなわち出力軸回りの歪み（梁の撓みに相当）を生じるので、主起歪部位として機能する。

また、図３中では省略しているが、主起歪部位としての梁の少なくとも一方の端部には、補助起歪部位が形成されている。補助起歪部位は、外輪側に負荷トルクが発生し、これに伴って主起歪部位が微小変形を起こす際に、自らも変形することによって、主起歪部位の出力軸回りの変位以外の変位成分を除去するように作用する。

なお、図１並びに図２では、起歪体の内輪を減速機に、外輪を出力軸に接続した構成例を示しているが、出力軸、減速機のそれぞれに対し内輪、外輪のいずれを接続してもよい。

図３に示した起歪体は、内輪から外輪に向かって放射状に伸びる複数の針を備えているが、このうち、出力軸を挟んで対向している２組（１対）の梁を、歪みゲージを貼設する主起歪部位として用いる。具体的には、図４に示すように、各々の梁の出力軸の回転方向を向く両側面（言い換えると、出力軸に直交する側面以外の、対向する両側面）に１組の歪みゲージを配置して、それを２組でブリッジ接続することで４ゲージのブリッジを構成することができる。

図４に示すように、出力軸を挟んで対向する梁を主起歪部位に用いること、すなわち軸対称となるように４ゲージのブリッジを形成することによって、万一、出力軸の偏心などの問題で梁に伸びが生じた場合であっても、その影響をキャンセルするセンサ系を構成することができる。

図４において、出力軸を挟んで一方の梁（主起歪部位）の両側に貼設した１組の歪みゲージの電気抵抗値をそれぞれＲ₁、Ｒ₂とし、他方の梁（主起歪部位）の両側に貼設した１組の歪みゲージの電気抵抗値をそれぞれＲ₃、Ｒ₄とし、各梁の同じ向きの側面に貼設された抵抗Ｒ₁とＲ₄を直列接続した回路と、対向する側面に貼設された抵抗Ｒ₂とＲ₃を直列した回路が並列接続されている。

図５には、４ゲージ法の等価回路を示している。起歪体に外周からトルクが印加されて各々の主起歪部位に歪み（梁の撓み）が発生すると、各歪みゲージも微小変形を来たし、その変形量に応じて各抵抗値が変化する。そして、抵抗群を並列接続した両端Ｂに電圧Ｖ_ccを印加したときに、各抵抗群の中間点間で表れる電位差Ｖ_outが当該トルクセンサのセンサ出力となる。

図４〜図５に示した４ブリッジに関する基本式について説明しておく。

図５に示した等価回路において、印加電圧Ｖ_ccとセンサ出力電圧Ｖ_outとの間には、下式（１）で表される関係が成り立つ。

例えば、図４の紙面において出力軸に対し時計回りにトルクが印加されていることを想定する。第ｉ番目の歪みゲージにおけるトルク印加による微小変形に伴う抵抗変化分をΔＲ_iとおくと、トルクが印加されたときのセンサ出力電圧は下式（２）のように表される。

一般に、歪みゲージは同一ロット品を用いることから、互いの初期抵抗は同じ、すなわち、下式（３）が成立すると仮定することができる。

したがって、上式（２）で表された、トルクが印加されたときのセンサ出力電圧Ｖ_outを下式（４）のように変形することができる。

上述したような４ゲージ法による計測方法を採用する場合において、良好な感度で、且つ、高い精度で計測を行なうには、図４において、出力軸を挟んで対角に配置された歪みゲージ同士（Ｒ₁とＲ₃、並びにＲ₂とＲ₄）が同様の挙動を示すとともに、梁を挟んで向かい合う歪みゲージ同士では変化の絶対値が同じであるが正負の符号が異なる、すなわち、下式（５）が成り立つように各歪みゲージを配置したトルクセンサの設計が望ましい、と本発明者らは思料する。

上記のように望ましい設計を採用して上式（５）が成立するとすれば、センサ出力電圧Ｖ_outを表す上式（４）をさらに下式（６）に示すように変形することができる。

上式（６）から、印加トルクによって発生する梁（主起歪部位）の変形に伴う歪みゲージの抵抗の変化分に相当する電圧がセンサ出力電圧Ｖ_outとして取り出される。歪みゲージの電気抵抗値はその歪み量に応じて線形的若しくは比例して変化するので、センサ出力電圧Ｖ_outは歪みに比例するものとして扱うことができる。すなわち、トルクに比例したセンサ出力電圧Ｖ_outを得ることができる訳である。

主起歪部位としての梁の一端に補助起歪部位が配設されている場合、起歪体に出力軸回りのトルクが印加されると、主起歪部位の歪みは、単純片持ち梁の撓みに近い挙動をすると捉えることができる。

図６には、長さＬの単純片持ち梁の自由端に力Ｆが印加された様子を示している。図示の単純片持ち梁には、固定端から距離Ｌ_stとなる位置の上下両面に、１対の歪みゲージが対向して貼設されている。

図示の単純片持ち梁の撓みは単純な静定問題であり、自由端からの距離ｘ_i（但し、紙面水平方向にｘ軸を設定し、ｉはサンプル点の通し番号とする）における材料内のモーメントＭ_iと応力σ_iの関係は、下式（７）に示す通りとなる。但し、同式中のＩは断面２次モーメントとする。

上式（７）から、歪みゲージの位置における応力は、下式（８）のように表される。

なお、梁の断面の厚さをｈとし、幅をｂとすると、上式（７）並びに（８）中の断面２次モーメントは、下式（９）の通りとなる。

上式（８）から、歪みゲージが貼設された場所で発生する歪みε_stは、フックの法則より、下式（１０）に示す通りとなる。但し、同式中のＥはヤング率である。

既に述べたように、歪みゲージの歪みと抵抗変化は比例し、４ゲージ法に基づくセンサ出力電圧Ｖ_outはトルクに比例するものとして扱うことができる。すなわち、下式（１１）が成り立つ。

上式中の定数Ｃ_stは歪みゲージ率である。歪みゲージの製品毎に歪みゲージ率Ｃ_stは異なるが、標準的には２．１程度の値である。

話を図３に戻すと、主起歪部位は、内輪から外輪に向かって半径方向に伸びるが、外輪との接点部分に補助起歪部位を配設し、当該接点部分の変位が微小であると仮定すると、内輪側が固定端となる片持ち梁と捉えることができ、出力軸を挟んで２本の片持ち梁が対向している格好となる。

図３に示した起歪体は、４本の梁を持つが、出力軸を挟んで対向している２組（１対）の梁を主起歪部位とし、これらの梁の両側に歪みゲージを配置し、それを２組でブリッジ接続して４ゲージのブリッジを構成することで（図４を参照のこと）、出力軸の偏心などの問題で梁に伸びが生じた場合であっても、その影響をキャンセルするセンサ系を構成することができる（前述）。何故ならば、内輪と外輪の互いの中心軸が梁の長手方向、あるいはその直交方向にずれて同心円状とならなくなった場合であっても、ずれた方向に対し直交する方向で向き合うブリッジの抵抗比は変わらないので、結果として、センサ出力電圧Ｖ_outは変化しないからである。

図７には、出力軸を介して対向する１対の梁の両側に貼設された歪みゲージを結線して構成される４ゲージのブリッジ（図４を参照のこと）における、梁の変形状態に対するセンサ出力電圧を示している。

図７Ａは、何らのトルクも印加されていない初期状態であり、各々の梁に撓みわな区、且つそのほぼ中央に内輪（出力軸）が位置する。

図７Ｂは、両梁の長手方向（紙面の下方向）に対し直交する方向に出力軸が偏心した状態である。この場合、各梁の片側に貼設された歪みゲージ同士（Ｒ₁とＲ₄、並びにＲ₂とＲ₃）の抵抗比が変わらないことから、センサ出力電圧Ｖ_outも変化しない。よって、出力軸の偏心を誤ってトルクとして検出することはない。

また、図７Ｃは、両梁の長手方向（紙面の左方向）に出力軸が偏心した状態である。この場合、各梁において両側に貼設された歪みゲージ同士（Ｒ₁とＲ₂、並びにＲ₃とＲ₃）の抵抗比が変わらないことから、センサ出力電圧Ｖ_outも変化しない。よって、出力軸の偏心を誤ってトルクとして検出することはない。

これに対し、図７Ｄは、出力軸回り（紙面の反時計回り方向）のトルクが印加されたことに伴って、両梁に撓みが生じた状態を示している。この場合、式（１１）に示したように、梁の歪みゲージを貼設した部位における歪みε_stに応じたセンサ出力電圧Ｖ_outを得ることができる。

要するに、図４に示した４ゲージのブリッジにおいて、内輪中心にトルクが印加されたときだけセンサ出力電圧Ｖ_outが出力される。すなわち、図４並びに図５に示したような歪みゲージの結線方法によれば、出力軸を挟んで対向配置された２本の片持ち梁がトルクによりそれぞれ撓むこと（図６を参照のこと）に相当する主起歪部位の変形だけをセンサ出力電圧Ｖ_outとして抽出することができる。

図７から、図３に示した起歪体の設計状態における比較的良い条件として、以下を挙げることができる。
（１）内輪、外輪とも充分な剛性を持った軸受けなどにより精度よく保持されている。
（２）内輪、外輪のいかなる回転角においても、中心（出力軸）の位置の相対位置精度が高い。
（３）その他の不要なモーメント、並進力などが梁（主起歪部位）に加わらない。

ここまでの説明では、主起歪部位としての梁の一端に補助起歪部位が配設され、出力軸回りのトルクが印加された際の主起歪部位の歪みは、単純片持ち梁の撓みに近い挙動をすると仮定して説明してきた（図６を参照のこと）。これに対し、補助起歪部位なしに主起歪部位の両端が内輪及び外輪に直接取り付けられている場合には、出力軸回りのトルクが印加された際の主起歪部位の歪みは両端固定梁の撓みに近い挙動となる。

図８Ａには、１本の梁（主起歪部位）の両端が内輪及び外輪で支持された様子を示している。内輪及び外輪は充分に高い剛性があり、主起歪部位の両端は固定端となる。ここで、起歪体に出力軸回りのトルクが印加されると、図８Ｂに示すように、内輪と外輪は紙面の上下逆方向に移動する。そして、内輪と外輪の距離を保ったままであることから、主起歪部位は、若干ながら伸ばされながら、両端固定梁として挙動し、図示のように撓む。

図９には、長さＬの両端固定梁の一端に力Ｆが印加された様子を示している。図示の両端固定梁には、固定端から距離Ｌ_stとなる位置の上下両面に、１対の歪みゲージが対向して貼設されている。力Ｆが作用する梁の端部は固定端であるから、図８Ｂに示したように変位はするものの、回転しない。また、上述したように、梁は若干伸ばされるが、すべての歪みゲージが均一に伸ばされると仮定すれば、原理的には問題ない。

主起歪部位が単純片持ち梁として振る舞う場合（図６を参照のこと）、歪みゲージが貼設された場所で発生する歪みε_stは上式（１０）に示した通りとなる。これに対し、主起歪部位が図９に示すように両端固定梁として振る舞う場合には、同じ長さの片持ち梁の４倍のバネ定数（ヤング率）を持つことに相当するから、歪みゲージが貼設された場所で発生する歪みε_stは下式（１２）で表される。但し、対称性があることから、図９の紙面左半分における式のみをここでは示す。

主起歪部位の両端を補助起歪部位なしで内輪及び外輪に接続すると、トルクが印加された際には図８〜図９に示すような挙動となる。原理的には、各歪みゲージからの上式（１２）で表される歪みε_stに応じた抵抗変化ΔＲ_stに起因するセンサ出力電圧Ｖ_outから、トルクを検出することができる。主起歪部位が単純片持ち梁ではなく両端固定梁として挙動する場合であっても、トルクを検出可能であるという観点からは問題ないが、センサの感度が低下する。式（１０）と式（１２）を比較して分かるように、補助起歪部位なしで起歪体が構成されると、梁のバネ定数が４倍となることに起因して、センサの感度は４分の１に低下する。

ここで、上式（１２）の導出方法について補足しておく。図９に示したモデルを、図１０に示すような両端固定梁のように変形する。同図は、中央に関して左右で対称となる。この両端固定梁の両端からか充填までの距離をそれぞれａ、ｂとし、対称性からａ＝ｂ＝Ｌとする。なお、図８Ｂに示した変形は両側から対照的に指示されているものと考えると、図１０に示した系では、半分の力が印加されていることと等価であるので、下式（１３）に示すようなモーメントの式にまとまる。

上式（１３）から応力を算出し、歪みゲージが梁の端部に近いと仮定すると、片持ち梁に対して４倍の剛性を持つバネ形となることが分かる。

なお、トルクが印加された際に、梁が微小に伸ばされるのみで、すべての歪みゲージが均一に伸ばされると仮定すれば、原理的には問題ないが、変形が大きくなると、上記の測定方法に適した変形量を逸脱していく。

トルクセンサを、ロボットやハプティック・デバイスのアクチュエータ駆動制御系に取り付けて実際に利用する場合、機構容積などの制約から必ずしも理想的な状態にはならない。ベアリングのガタや寸法公差などに起因して、起歪体の変形が無視できないレベルとなることも有り得る。起歪体の変形が単なる圧縮であれば、主起歪部位の変形は単純片持ち梁又は両端固定梁の変形としてモデル化することができるが（式（１０）又は（１２））、図１１に示すように梁が座屈してしまうと、その挙動をモデル化することは困難であり、トルクを計測できなくなってしまう。梁の根元で座屈する場合、梁の長手方向に対しどちら側に曲がるか分からないと、計測結果に多大な影響を及ぼしてしまう可能性も否定できない。

図１２には、起歪体の具体的な構成例（正面図）を示している。図示の起歪体は、ともに充分な剛性を備えた内輪及び外輪と、これら内輪及び外輪をほぼ同心円状に支持する放射状に並んだ第１の梁と、第１の梁の外輪と交わる端部において直交するように接続された第２の梁で構成される。第１の梁は、トルク印加時にモデル化が容易な歪みを得るための（すなわち、トルク計測用の主たる梁である）主起歪部位である。これに対し、第２の梁は、比較的柔らかく設計された補助起歪部位である。

図６〜図７を参照しながら既に説明したように、トルク計測を行なう上では、主起歪部位はできる限る単純片持ち梁に近い挙動をとることが好ましいと考えられる。このためには、起歪体に対し（若しくは、内輪と外輪の間で）出力軸回りのトルクが印加されたとき、主起歪部位には曲げのみが伝わり、不必要な伸ばしや先端部でのモーメントは働かないようにする必要がある。

図１３Ａには、１本の主起歪部位の一端が（内輪によって）支持され、他端が補助起歪部位に支持される様子を簡単に示している。また、図１３Ｂには、出力軸回りのトルクが印加されたときの、主起歪部位並びに補助起歪部位の挙動を示している。主起歪部位の内輪による支持端は固定端であり回転は生じない。他方、補助起歪部位は、比較的柔らかく設計されており（前述）、トルクが印加された際には図示のように屈曲する。

例えば外輪からトルクが印加されたとき、内輪側はこれに抗するようにトルクが印加され、主起歪部位となる梁が撓むが、その際に半径方向（梁の長さ方向）に伸ばされようとするが、補助起歪部位はこの伸びを減少させるように作用する。この結果、主起歪部位には曲げのみが伝わり、不必要な伸ばしや先端部でのモーメントは働かないので、主起歪部位はできる限る単純片持ち梁に近い挙動となる。

補助起歪部位は、内輪及び外輪の出力軸に対する偏心成分をキャンセルし、また、トルク印加時の主起歪部位の半径方向の伸びをキャンセルする。この結果、主起歪部位は、トルクが印加されたときに、モデル化が容易な単純片持ち梁に近い挙動となるとともに、不要なモーメントや力に対して感度が低くなる。また、図１３Ｂからも分かるように、単純片持ち梁は根元に近いほど変形が大きいので、主起歪部位の内輪に近い場所に歪みゲージを貼設することで、センサの感度は高まる。

図１２に示した起歪体は、主起歪部位ができる限り単純片持ち梁として機能し、それ以外の余分な力とモーメントがなるべく掛からないように考慮されたものである、ということを充分理解されたい。図１３Ｂには、内輪と外輪の間で相対的にトルクが印加されたときの挙動を平面展開して示したが、補助起歪部位が適宜変形して、主起歪部位の接合部において不要なモーメントを逃がし、また、主起歪部位が撓むことで梁の軸方向の変位を吸収する効果がある。

すなわち、図１２に示した起歪体は、以下の起歪体の設計状態における比較的良い条件（前述）を備えていると言える。

（１）内輪、外輪とも充分な剛性を持った軸受けなどにより精度よく保持されている。
（２）内輪、外輪のいかなる回転角においても、中心（出力軸）の位置の相対位置精度が高い。
（３）その他の不要なモーメント、並進力などが梁（主起歪部位）に加わらない。

なお、図４〜図５に示した４ゲージのブリッジを構成する場合には、最低でも２組、機構的バランスを考えると３組以上の梁（主起歪部位）で内輪と外輪間を結合することが好ましいであろう。図１４Ａ並びに図１４Ｂには、内輪と外輪間を結合する梁の構成組数を３、４とした起歪体の構成例をそれぞれ示している。また、内輪と外輪を結合する梁の構成組数の変更に伴って、センサ出力電圧を得るブリッジ回路を構成する歪みゲージの個数を増やし、さらに測定精度を向上させることも考えられる。

また、主起歪部位の微小変形は、歪みゲージやフォト・インターラプタで計測することができる。あるいは、アクチュエータ・ユニット内のスペースなどの制約が許容すれば、音叉式など、微小変位を計測するためのあらゆる手段を適用することができる。

トルクセンサを取り付ける出力アームなどが有限回転角であれば、運用は充分可能である。無限回転又はさらに減速手段を介すなどで高い点が要求される場合には、センサ出力を取り出すための配線が捻転してしまうことが懸念される。後者の場合、無線や光学的手段により外部に計測データを伝達する方法を利用するようにしてもよい（図１５を参照のこと）。なお、データの伝達に電力を要する場合には、電池を用いる、あるいは電磁誘導などにより外部から電力を供給するものとする。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明に係るトルク計測装置は、例えばハーモニックドライブ（登録商標）に代表される波動歯車減速機のようなバックドライバビリティに優れた減速機の出力軸に取り付けることで、より優れた特性を得ることができる。但し、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。バックドライバビリティに乏しい減速機の出力軸に対して本発明に係るトルク計測装置を取り付けた場合であっても、十分に利用可能である。あるいは、ダイレクト・ドライブ式モータのように、モータ単体で十分なトルクを出力することができ、減速機を用いた駆動装置に対しても、本発明に係るトルク計測装置を適用することができる。すなわち、本発明に係るトルク計測装置は、バックドライバビリティに依存せず動作することができる。

本発明に係るトルク計測装置は、アクチュエータ、減速機より負荷側で計測するので、負荷自体の特性を計測し易い。言い換えれば、駆動機構の構成要素の影響を抑制して、高感度のトルク計測を実現することができ、これによって高い帯域の信号も十分に計測することができる。すなわち、本発明に係るトルク計測装置は、負荷により近いトルク計測を行なうことができる。

トルク制御により、作業対象に対して加えるべき力の目標値を直接的に受け、その目標値が示す力を実現するといったように、アクチュエータの制御特性を改善することができる。その反面、センサ系や駆動制御系の性能が十分でないと非常に危険なシステムに転じてしまうという側面がある。本発明によれば、簡潔にして高精度のセンサ系を構成することができるので、過負荷などの検出も容易であり、安全なトルク制御システムを実現することができる。

本発明に係るトルク計測装置は、アクチュエータ駆動制御システムにおいて、単なるトクル・マイナー・ループに組み込むだけではなく、積極的に利用することが可能である。すなわち、本発明に係るトルク計測装置から得られる、高感度で広帯域の計測データを反映することによって、精緻な動力学演算を行なう制御系を実現することができる。言い換えれば、本発明に係るトルク計測装置を用いることにより、シミュレーション精度が向上する。

また、本発明に係るトルク計測装置を、アクチュエータ駆動制御システムの単なるトクル・マイナー・ループに組み込むのであれば、センサ系の帯域はアクチュエータの応答性能より良いだけで済む。これに対し、より高度な演算を駆使して、動力学演算において例えば接触直前の状態などを判断することによって、起動の最適化、接触力の低減、エネルギ効率の改善など、制御系の特性とともにアルゴリズムや制御ストラテジを向上することができる。すなわち、本発明に係るトルク計測装置を用いることで、アクチュエータ駆動制御システムにおける予見的制御性を向上することができる。

また、仮想環境下での力覚や触覚を提示するハプティック・デバイスのアクチュエータ駆動制御系において、本発明に係るトルク計測装置を用いるとともに、制御アルゴリズムを工夫することで、実物の制御モデルとは異なる任意の特性を演算子、あたかもそのように振る舞う制御出力を行なうことが可能となる。例えば、負荷には粘性がなくても、粘性があるように動くというような演算を行なったり、負荷の重量（慣性モーメント）とは異なる挙動をするよう制御したりする、といったことが可能である。仮想的物理モデルを実現するには、本発明に係るトルク計測装置を用いて簡潔で高感度のセンサ系を構成することが不可欠である、と言うこともできる。

本発明に係るトルク計測装置は、基本的に、設計自由度が高い起歪体の所定の部位に複数組の歪みゲージを貼設することで構成されるので、アクチュエータ減速機の出力軸など導入対象に対してコンパクトな機構系を設計することが可能である。とりわけ、アクチュエータ駆動制御システムの回転軸方向の全長を短く抑えることができるので、例えばアーム型ロボットに適用した場合には、関節部のアクチュエータ・ユニットとしてそのまま配設することができる。

本発明に係るトルク計測装置を用いてトルク制御を可能とするアクチュエータ・ユニットの応用例について、以下に例示しておく。

（１）ハプティック・デバイス
ハプティック・デバイスは、仮想環境や遠隔環境下などにおいて力若しくはトルクを提示するユーザ・インターフェースである。本発明に係るトルク計測装置を用いることで、トルクをフィードバックする性能が向上することにより、的確でオペレータに対して提示性能の高い操作系を実現することができる。

（２）作業アーム機構
ロボットなどの作業アーム気候に対し、力若しくはトルク制御方式を適用することによって、倣い制御や、接触を伴うタスクを行なう際に、適切な制御状態を実現することができる。勿論、把持対象の接触状態が必ず再現性があるとは限らないが、本発明に係るトルク計測装置を用いて高感度のセンサ系を構成することで、ロボット本体、作業対象物、作業環境を破壊する危険性を下げることができる。また、このようなロボットを例えば生産機器に用いた場合には、歩留まりを上げるなどの効果も期待することができよう。

（３）脚機構
移動体装置の一例として脚式を挙げることができる。作業アーム機構と同じくリンク機構により構成する場合、上記と同様の効果を奏する他、移動面と足裏の接地状態を勘案した制御を実現することができ、ひいては優れた対地対応性を得ることができる。

（４）パワー・アシスト機構
人間の操作力拡大装置には、トルク（若しくは力）センサ、並びにトルク（若しくは力）制御が不可欠である。オペレータの身体特性に合わせられるように装置を設計した際、出来る限り各要素はユニット化されている必要がある。本発明にかかるトルク計測装置を用いて簡潔で小型、且つ、高感度、安全性に優れるアクチュエータ・ユニットは大変扱いやすいものになると考えられる。

（５）安全装置
センサ系の感度などが十分高いものでなくても、丈夫な特性のものを用いることにより、トルク・リミッタや衝突・干渉回避を行なうことができる。本発明に係るトルク計測装置を利用して、安全装置を構成することができる。

また、本明細書中では、起歪体で発生する歪みを電気信号に変換するデバイスとして、歪みゲージを用いた実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、例えばフォト・インターラプタを用いて変換処理を行なうようにしてもよい。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明を適用可能なアクチュエータ及びこれに付随する周辺装置からなる駆動制御システムの構成を概略的に示した図である。 図２は、図１に示した駆動システムに対するトルクセンサ（起歪体）の変形例を示した図である。 図３は、起歪体の基本形の正面図（アクチュエータの回転軸方向に眺望した図）である。 図４は、１対の梁からなる各主起歪部位の両側にそれぞれ１組の歪みゲージを貼設してブリッジ接続して４ゲージ法を構成する様子を示した図である。 図５は、図４に示した４ゲージ法の等価回路を示した図である。 図６は、長さＬの単純片持ち梁の自由端に力Ｆが印加された様子を示した図である。 図７Ａは、出力軸を介して対向する１対の梁の両側に貼設された歪みゲージを結線して構成される４ゲージのブリッジ（図４を参照のこと）の、梁の変形状態に対するセンサ出力電圧を説明するための図であり、具体的には、何らのトルクも印加されていない初期状態を示した図である。 図７Ｂは、出力軸を介して対向する１対の梁の両側に貼設された歪みゲージを結線して構成される４ゲージのブリッジ（図４を参照のこと）の、梁の変形状態に対するセンサ出力電圧を説明するための図であり、具体的には、両梁の長手方向に対し直交する方向に出力軸が偏心した状態を示した図である。 図７Ｃは、出力軸を介して対向する１対の梁の両側に貼設された歪みゲージを結線して構成される４ゲージのブリッジ（図４を参照のこと）の、梁の変形状態に対するセンサ出力電圧を説明するための図であり、具体的には、両梁の長手方向に出力軸が偏心した状態を示した図である。 図７Ｄは、出力軸を介して対向する１対の梁の両側に貼設された歪みゲージを結線して構成される４ゲージのブリッジ（図４を参照のこと）の、梁の変形状態に対するセンサ出力電圧を説明するための図であり、具体的には、出力軸回りのトルクが印加されたことに伴って、両梁に撓みが生じた状態を示した図である。 図８Ａは、１本の梁（主起歪部位）の両端が内輪及び外輪で支持された様子を示した図である。 図８Ｂは、起歪体に出力軸回りのトルクが印加され、両端支持された梁（主起歪部位）が撓む様子を示した図である。 図９は、長さＬの両端固定梁の一端に力Ｆが印加された様子を示した図である。 図１０は、図９を変形したモデルに相当し、具体的には、長さ２Ｌで中央に関して左右対称となる両端固定梁の中央に力Ｆが印加された様子を示した図である。 図１１は、起歪体の梁が座屈した様子を示した図である。 図１２は、起歪体の具体的な構成例（正面図）を示した図である。 図１３Ａは、１本の主起歪部位の一端が（内輪によって）支持され、他端が補助起歪部位に支持される様子を簡単に示した図である。 図１３Ｂは、出力軸回りのトルクが印加されたときの、主起歪部位並びに補助起歪部位の挙動を示した図である。 図１４Ａは、内輪と外輪間を結合する梁の構成組数を３とした起歪体の構成例を示した図である。 図１４Ｂは、内輪と外輪間を結合する梁の構成組数を４とした起歪体の構成例を示した図である。 図１５は、無線や光学的手段によりトルクセンサの計測データを外部に伝達する方法を示した図である。 図１６は、アクチュエータ・モータの出力トルクを計測するための一般的な構成例を示した図である。 図１７は、波動歯車機構におけるトルク検出方法を説明するための図である。 図１８は、フロートディファレンシャル型トルク計測装置の原理図である。

Claims (7)

1. トルク計測の対象となるアクチュエータ若しくは減速機の出力軸にて負荷対象との間に取り付けられ、負荷対象から印加されるトルクに応じて主に前記出力軸回りに変位する主起歪部位と、前記主起歪部位の前記出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する補助起歪部位を備えた起歪体と、
   前記主起歪部位に取り付けられた１組以上の歪みゲージと、
   を具備し、
   前記の各歪みゲージから出力される電気信号を基にトルクを計測する、
   ことを特徴とするトルク計測装置。
2. 前記補助起歪部位は、前記主起歪部位の少なくとも一方の端部に配設され、トルクが印加されたことに伴って前記主起歪部位が微小変形を起こす際に、自らも変形することによって、前記主起歪部位の出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトルク計測装置。
3. 前記起歪体は、前記アクチュエータ若しくは減速機の出力軸に固定される内輪と、負荷トルクが印加され若しくはトルク出力する外輪と、前記内輪及び外輪がほぼ同心円状となるように両者間を複数箇所にて繋ぐ複数の梁を備え、少なくとも一部の梁が前記歪みゲージを取り付ける主起歪部位となる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトルク計測装置。
4. 前記補助起歪部位は、前記主起歪部位の外輪側又は内輪側のいずれか一方の端部に形成され、外側においてトルクが印加されたことに伴って前記主起歪部位が微小変形を起こす際に、自らも変形することによって、前記主起歪部位の前記出力軸回りの変位以外の変位成分を除去する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のトルク計測装置。
5. 前記出力軸を挟んで対向して配置された１対の梁を主起歪部位とし、
   各々の主起歪部位の前記出力軸の回転方向を向く両側面に１対の歪みゲージを貼設する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のトルク計測装置。
6. 前記の各歪みゲージの初期抵抗値がほぼ均一であり、且つ、前記出力軸を挟んで対角に配置された歪みゲージ同士が同様の挙動を示すとともに、各主起歪部位を挟んで向かい合う歪みゲージ同士では変化の絶対値が同じである、
   ことを特徴とする請求項５に記載のトルク計測装置。
7. 請求項１に記載のトルク計測装置の起歪体の主起歪部位をアクチュエータ又は減速機の出力軸に取り付け、前記アクチュエータ駆動時におけるトルク計測を行なう、
   ことを特徴とするアクチュエータ駆動制御システム。
   

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