JP2011209099A - トルクセンサおよびロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷や振動による影響を抑制でき、小型化が可能なトルクセンサおよびこれを備えたロボット装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るトルクセンサ１３は、第１の回転体１３３と第２の回転体１３２との分割構造を有しており、起歪体１３３を介して第１の回転体から第２の回転体へ回転トルクが伝達される。検出素子１３４は、起歪体に生じる歪みを計測し、回転トルクを検出する。このとき、起歪体は、第２の回転体に対して、トルクセンサのアキシャル方向、ラジアル方向および回転方向へそれぞれ相対移動可能、かつ、回転方向へ係合可能な第１の係合部Ｅ１１を有している。これにより、起歪体は、上記３方向へ所定の自由度を有することになる結果、振動成分の影響が極力低減され、検出素子による高精度な回転トルク検出が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、入力軸から出力軸へ伝達される回転トルクを検出するトルクセンサおよびこれを備えたロボット装置に関する。

近年、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、視覚情報および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ている。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熟、小宇宙や海洋などの仮想環境、原子炉などの特殊も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に触れたり把持したりした際の感覚をリアルにユーザへ提示するデバイスである。例えば特許文献１には、未知の環境をセンシングし、時々刻々と変化する周囲環境から適切な外力を得て、目的の作業が達成されるようにアクチュエータの発生力を調整する制御システムが記載されている。

一般に、トルクセンサは、ベアリングに支持された回転部に取り付けられる。トルクセンサは、ねじりモーメントによって歪みを生じる起歪部を有し、この起歪部の歪みを計測することで回転部の回転トルクを検出する。

特開２００９−９５９５９号公報

しかしながら、ベアリングは回転部のラジアル方向の振動を完全に除去できるわけではないため、回転部に生じる僅かな振動によってもトルクセンサの出力は大きく変化しやすい。また、トルクセンサは回転部にネジで締結されることが多いが、起歪部に生じる歪みはネジの締結力の影響をも受ける。ネジ締結力は、負荷の大きさや回転部の振動によって変化するため、結果として、トルクセンサが負荷や振動の影響を受けやすくなる。

上記問題を解消するため、ネジ締結部を起歪部から幾何学的にできるだけ離間させる設計も考えられるが、このような設計は、トルクセンサの大型化を招くため、移動ロボットのように小型・軽量化を求められるアプリケーションには適用し難い。また、振動成分を除去するために、基本的には、緩みの少ない、シビアな嵌め合い・寸法公差で設計されるが、その結果、機械部品内の応力が増大し、トルクセンサ部がかえって他部品による圧縮・引張力の影響や他部品の締結力の影響を受けやすくなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、負荷や振動による影響を抑制でき、小型化が可能なトルクセンサおよびこれを備えたロボット装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るトルクセンサは、入力軸の回りに回転可能な第１の回転体と、出力軸の回りに回転可能な第２の回転体と、起歪体と、検出素子とを具備する。
上記起歪体は、第１の係合部を有する。上記第１の係合部は、上記第１の回転体および上記第２の回転体の少なくとも一方の回転体に対し、上記入力軸に平行な第１の方向と上記第１の方向に垂直な第２の方向と上記入力軸の回りへの第３の方向とにそれぞれ分離され、上記一方の回転体と上記第３の方向に係合可能である。上記起歪体は、上記第１の回転体と上記第２の回転体との間で上記第３の方向への回転トルクを伝達する。
上記検出素子は、上記起歪体に取り付けられ、上記回転トルクによる上記起歪体の歪みを計測する。

上記トルクセンサは、第１の回転体と第２の回転体との分割構造を有しており、起歪体を介して第１の回転体から第２の回転体へ回転トルクが伝達される。検出素子は、起歪体に生じる歪みを計測し、回転トルクを検出する。このとき、起歪体は、第１の回転体および第２の回転体のうち少なくとも一方の回転体に対して、上記第１、第２および第３の方向へそれぞれ相対移動可能、かつ、第３の方向へ係合可能な第１の係合部を有している。これにより、トルクセンサの内部または入出力部に、第１および第２の方向に非連結であり、かつ第３の方向に非連結に近い状態の機械的デカップリング構造が構築される。従って、起歪体は、上記３方向へ所定の自由度を有することになる結果、振動成分の影響が極力低減され、検出素子による高精度な回転トルク検出を可能とする。また、トルクセンサが上記機械的デカップリング構造を有することで、トルクセンサの大型化を回避することができる。

上記第１の回転体および上記第２の回転体は、上記第２の方向に対向して配置された、相互に異なる直径を有する一対の同心円状の環状体で形成されてもよい。この場合、上記起歪体は、上記第１の回転体と上記第２の回転体との間にわたって上記第２の方向へ放射状に延びる複数の軸部を有する。
上記構成によれば、上記第１の方向に沿った厚み寸法を低減できるため、トルクセンサの薄型化を図ることができる。

一方、上記第１の回転体および上記第２の回転体はそれぞれ、上記第１の方向に対向して配置された一対の環状体で形成されてもよい。この場合、上記起歪体は、上記第１の回転体と上記第２の回転体との間にわたって上記第１の方向に延びる円筒部を有する。
上記構成によれば、上記第２の方向に沿った径方向の寸法を低減できるため、トルクセンサの小径化を図ることができる。

本発明の一形態に係るロボット装置は、回転駆動源と、第１の回転体と、第２の回転体と、起歪体と、検出素子とを具備する。
上記第１の回転体は、入力軸を有し、上記回転駆動源からの回転トルクを受けて上記入力軸の回りに回転可能である。
上記第２の回転体は、出力軸を有し、上記出力軸の回りに回転可能である。
上記起歪体は、第１の係合部を有する。上記第１の係合部は、上記第１の回転体および上記第２の回転体の少なくとも一方の回転体に対し、上記入力軸に平行な第１の方向と上記第１の方向に垂直な第２の方向と上記入力軸の回りへの第３の方向とにそれぞれ分離され、上記一方の回転体と上記第３の方向に係合可能である。上記起歪体は、上記第１の回転体と上記第２の回転体との間で上記第３の方向への回転トルクを伝達する。
上記検出素子は、上記起歪体に取り付けられ、上記回転トルクによる上記起歪体の歪みを計測する。

上記ロボット装置によれば、上記構成のトルクセンサによる高精度な回転トルク検出が確保されるため、出力軸の高精度な回転制御が可能となるとともに、出力軸側に作用する負荷を高精度に検出することが可能となる。また、トルクセンサの大型化を回避できるため、関節部、さらにはロボット装置の小型化を図ることができる。

本発明によれば、トルクセンサを大型化することなく、起歪体への振動成分の伝達を極力低減できるため、高精度な回転トルク検出が可能となる。

本発明の一実施形態に係るトルクセンサを備えたアクチュエータユニットの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るトルクセンサの全体斜視図である。 上記トルクセンサの正面図およびその要部の拡大図である。 上記トルクセンサの一変形例を示す要部の拡大図である。 上記トルクセンサの等価回路図である。 機械的デカップリング構造を有していない従来のトルクセンサの出力特性を示す一実験結果である。 機械的デカップリング構造を有する本発明の実施形態に係るトルクセンサの出力特性を示す一実験結果である。 本発明の第２の実施形態に係るトルクセンサの正面図である。 本発明の第３および第４の実施形態に係るトルクセンサの概略分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るトルクセンサの要部の拡大図および側面図である。 本発明の第４の実施形態に係るトルクセンサの要部の拡大図および側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係るトルクセンサを備えたアクチュエータユニットを示す断面図である。アクチュエータユニット１は、アクチュエータによって発生した回転駆動力を出力部材へ伝達する際に発生する回転トルクを検出し、その検出信号を制御部へ供給する。アクチュエータユニット１は、多関節ロボット装置の関節部、例えば手、足、首、腰などの関節部に適用される。

［アクチュエータユニットの構成］
アクチュエータユニット１は、アクチュエータ１１と、減速機１２と、トルクセンサ１３と、エンコーダ１４と、これらを収容する筐体１０とを有する。なお図１において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は、相互に直交する３軸方向をそれぞれ示している。

アクチュエータ１１は、図１においてＸ軸方向に延びる駆動軸１１ａを有し、駆動軸１１ａをその軸回り（Ｘ軸回り）に回転させる電動モータで構成される。アクチュエータ１１は、制御部１００によって駆動制御される。エンコーダ１４は駆動軸１１ａに接続され、駆動軸１１ａの回転数を検出する。エンコーダ１４の出力は制御部１００へ供給され、これによりアクチュエータ１１の駆動回転数が監視あるいは制御される。

減速機１２は、駆動軸１１ａに接続される。減速機１２は、駆動軸１１ａから入力された回転速度を所定の減速比で減速することで所定の回転トルクを有する回転駆動力を生成し、その回転速度で回転伝達部材１５を回転させる。回転伝達部材１５は、減速機１２の出力端とトルクセンサ１３の入力端との間に固定されている。減速機１２および回転伝達部材１５は、ベアリングＢ１およびベアリングＢ２によって、筐体１０に対してＸ軸回りに回転自在に支持されている。減速機１２には種々の形式の減速機が採用可能であり、例えば、ハーモニックドライブ減速機（「ハーモニックドライブ」はハーモニック・ドライブ・システムズ社の登録商標。）が適用される。

トルクセンサ１３は、回転伝達部材１５を介して伝達される減速機１２からの回転トルクを出力部材５０へ伝達するとともに、当該回転トルクを計測する。トルクセンサ１３は、後述するように、回転伝達部材１５にネジ部材Ｐ１を介して取り付けられる内輪１３１と、出力部材５０にネジ部材Ｐ２を介して取り付けられる外輪１３２とを有し、減速機１２の回転出力を出力部材５０へ伝達し、出力部材５０をＸ軸回りに回転させる。トルクセンサ１３は、ベアリングＢ３によって、筐体１０に対してＸ軸回りに回転自在に支持されている。

［トルクセンサ］
次に、トルクセンサ１３の詳細について説明する。図２は、トルクセンサ１３の全体を示す斜視図、図４はトルクセンサ１３の正面図およびその要部の拡大図である。

トルクセンサ１３は、内輪１３１（第１の回転体）と、外輪１３２（第２の回転体）と、起歪体１３３と、起歪体１３３に取り付けられた検出素子１３４とを有する。

本実施形態において、内輪１３１および外輪１３２は、Ｘ軸方向に垂直な方向、すなわちＹＺ平面に平行な方向に対向して配置された、相互に異なる直径を有する一対の同心円状の環状体で形成される。起歪体１３３は、内輪１３１と一体的に形成されており、内輪１３１は、起歪体１３３を介して外輪１３２に支持されている。内輪１３１、外輪１３２および起歪体１３３の構成材料は特に限定されず、鉄鋼材料や非鉄金属材料で構成された各種構造用材料を用いることができ、例えば、減速機１２によって発生した回転トルクを受けることで、ある程度弾性変形し易い材料が用いられる。

内輪１３１の中心部にはネジ部材Ｐ１が挿通されるネジ孔Ｈ１が形成されている。ネジ孔Ｈ１は減速機１２の出力軸と同軸上に形成されており、ネジ孔Ｈ１を介してネジ部材Ｐ１が回転伝達部材１５に締結されることで、内輪１３１が減速機１２の出力軸に固定される。これにより、内輪１３１は、減速機１２の出力軸を入力軸として、その軸回りに回転することが可能である。

一方、外輪１３２には、ネジ部材Ｐ２が挿通されるネジ孔Ｈ２が形成されている。外輪１３２は、上記入力軸と同軸上の出力軸Ｏｘの回りに回転することが可能であり、また、当該出力軸の回りに出力部材５０を回転させることが可能である。外輪１３２の内周面には、起歪体１３３の先端部と係合される係合凹部Ｅ１２（第２の係合部）が形成されている。また、外輪１３２の外周面は、ベアリングＢ３を介して筐体１０に回転自在に支持されている。

起歪体１３３は、内輪１３１と外輪１３２との間にわたってＹＸ平面に平行な方向へ放射状に延びる複数の軸部材で形成されている。本実施形態では、起歪体１３３は、内輪１３１の外周部から外輪の内周部に向かって等角度間隔で突出する４本の軸部（梁）で形成されている。

図３に示すように、起歪体１３３の先端部は、外輪１３２の係合凹部Ｅ１２と係合する直方体形状の係合部Ｅ１１（第１の係合部）として形成されている。起歪体１３３は、Ｘ軸方向に、外輪１３２と同等以下の厚みを有しており、外輪１３２に対してＸ軸方向へ嵌め込まれる。係合凹部Ｅ１２は、係合部Ｅ１１に対しＸ軸に垂直な方向に間隙Ｇ１を介して対向する底面ａ１と、係合部Ｅ１１に対しＸ軸回りへの方向へ間隙Ｇ１よりも十分に小さい間隙Ｇ２を介して対向する一対の側面ａ２とを有する、断面四角形の溝で形成されている。

一般に、減速機は、アキシャル方向（Ｘ軸方向）およびラジアル方向（Ｘ軸に垂直な方向）に振動成分を有することが多く、減速機内のギヤ間の噛み合いにおいて回転方向へ振動を生じさせることもある。また、ベアリングは、回転軸のラジアル方向の振動を全て除去できるわけではない。その結果、従来のトルクセンサにおいては、ベアリングでは除去できない上記３方向への振動成分が起歪体へ入力されることで、回転トルク以外の多軸力がトルクセンサの出力に含まれることになる。

そこで本実施形態では、トルクセンサ１３は、上述のように内輪１３１と外輪１３２とが分割されたデカップリング構造を有する。したがって、係合部Ｅ１１は、係合凹部Ｅ１２に対し、上記ラジアル方向へ間隙Ｇ２を介して分離され、出力軸Ｏｘの軸回りの方向へ間隙Ｇ２を介して分離されている。また、係合部Ｅ１１は、係合凹部Ｅ１２に対して、出力軸Ｏｘの軸方向にも分離されている。これにより、上記３方向について起歪体１３３の自由度が高まるため、当該３方向への振動成分に起因する起歪体１３３の変形が抑制され、トルクセンサ１３の出力へのこれら振動成分の重畳が防止される。

間隙Ｇ１および間隙Ｇ２の大きさは特に限定されず、減速機１２の回転動力を出力部材５０へ適正に伝達できる範囲で適宜設定可能である。本実施形態では、間隙Ｇ２の大きさは、間隙Ｇ１よりも十分に小さく設定されている。間隙Ｇ２は、ベアリングＢ１〜Ｂ３でも除去できない微小な歪みを除去することが目的であるため、間隙Ｇ２の大きさが僅かであっても、他軸力モーメントの低減効果を十分見込むことができる。間隙Ｇ２の大きさとしては、例えば、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度とすることができる。

なお図４に示すように、係合部Ｅ１１と係合凹部Ｅ１２との間の隙間に、弾性材料からなる充填材１３５が充填されてもよい。これにより、起歪体１３３へ伝達される振動成分を効率よく吸収でき、減速機１２の内部ギヤ等のバックラッシが問題となるような場合にも対応可能である。充填材としては、外輪１３２および起歪体１３３よりも弾性率が低く、係合凹部Ｅ１２に対する係合部Ｅ１１の微小移動を可能とする低弾性材料が用いられ、例えば、ゴム、樹脂の固形物のほか、オイルやグリス等の液状体あるいは半固形物などが適用可能である。

次に、検出素子１３４について説明する。

検出素子１３４は、起歪体１３３に作用する曲げモーメントを検出し、起歪体１３３の歪みを計測する。検出素子１３４の検出信号は、制御部１００へ出力される。検出素子１３４は、典型的には、変形量を電気抵抗の変化に基づいて計測する歪みゲージであるが、これ以外にも、例えば磁気特性の変化に基づいて変形量を計測する素子が用いられてもよい。

検出素子１３４は、出力軸Ｏｘを挟んで対向する一対の起歪体１３３に取り付けられる。具体的には、図３に示すように、各起歪体１３３の出力軸Ｏｘの回転方向を向く両側面に一組の検出素子１３４を配置し、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（ホイートストンブリッジ）を構成することができる。図３に示すように、出力軸Ｏｘを挟んで対向するように起歪体１３３を形成すること、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、温度の変動などの問題で起歪体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３において、出力軸Ｏｘを挟んで一方の起歪体の両側に貼設した一方の組の検出素子１３４の電気抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、他方の起歪体の両側に貼設した他方の組の検出素子１３４の電気抵抗値をそれぞれＲ３、Ｒ４とする。そして、抵抗Ｒ１の検出素子１３４と抵抗Ｒ４の検出素子１３４を直列接続した回路と、抵抗Ｒ２の検出素子１３４と抵抗Ｒ３の検出素子１３４とを直列接続した回路とが形成され、これらが互いに並列接続される。

図５は、４ゲージ法の等価回路を示している。起歪体１３３に出力軸Ｏｘ回りの回転トルクが印加されて歪みが発生すると、各検出素子１３４も微小変形し、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回路の両端に電圧Ｖinを印加したときに、各抵抗群の中間点間で現れる電位差Ｖoutが当該トルクセンサ１３のセンサ出力となる。電圧Ｖinと電圧Ｖoutの関係は以下のとおりである。
Ｖout＝Ｖin［｛Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）｝−｛Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４）｝］ …（１）

制御部１００は、コンピュータで構成されており、各検出素子１３４への電力供給回路と、各検出素子１３４の出力と上記（１）式とに基づいて起歪体１３３に作用する出力軸Ｏｘの回転トルクを算出するための増幅回路および演算回路などを有する。制御部１００は、トルクセンサ１３の出力に基づいて、アクチュエータ１１の駆動を制御し、あるいは他の外部回路へ計測された回転トルクを出力する。

［アクチュエータユニットの動作］
次に、以上のように構成されるアクチュエータユニット１の動作例について説明する。

アクチュエータ１１は、制御部１００から駆動信号の入力を受けることで駆動軸１１ａをその軸回りに回転させる回転駆動力を発生させる。減速機１２は、駆動軸１１ａを介して入力された回転速度を所定の減速比で減速し、所定の回転トルクに変換された回転駆動力を生成する。減速機１２の出力は、出力部材１５０およびトルクセンサ１３を介して出力部材５０へ伝達され、出力部材５０を出力軸Ｏｘの回りに回転させる。

トルクセンサ１３は、出力部材５０の回転トルクを検出し、その出力を制御部１００へ供給する。制御部１００は、トルクセンサ１３の出力およびエンコーダ１４の出力に基づいて、出力部材５０の回転トルクが所定値となるようにアクチュエータ１１の駆動を制御する。

本実施形態のトルクセンサ１３においては、内輪１３１と外輪１３２との分割構造を有しており、起歪体１３３を介して内輪１３１から外輪１３２へ減速機１２の出力トルクが伝達される。検出素子１３４は、出力軸Ｏｘ回りの回転トルクによって起歪体１３３に生じる歪みを計測し、その計測信号を制御部１００へ出力する。

このとき、起歪体１３３は、外輪１３２に対して、出力軸Ｏｘのラジアル方向および回転方向にそれぞれ間隙Ｇ１および間隙Ｇ２の範囲で相対移動が可能である。また、アキシャル方向に関して、起歪体１３３は外輪１３２に拘束されない。すなわち、トルクセンサ１３の内部に、アキシャル方向およびラジアル方向に非連結であり、かつ回転方向に非連結に近い状態の機械的デカップリング構造が構築される。従って、起歪体１３３は、外輪１３２に対して上記３方向へそれぞれ所定の自由度を有することになる。その結果、内輪１３１および外輪１３２に伝達されるベアリングＢ１〜Ｂ３からの与圧、減速機１２内のギヤの微小振動、ネジ部材Ｐ１およびＰ２の締結力等に起因する振動成分の影響が、極力低減され、検出素子１３４による高精度な回転トルクの検出が可能となる。

図６は、機械的デカップリング構造を有していないトルクセンサの出力値の一例を示している。ここで、機械的デカップリング構造を有していないトルクセンサは、起歪体が内輪と外輪とに対して一体形成された構成を意味する。実験では、アクチュエータの駆動軸を正方向および逆方向へそれぞれ一回転させたときのセンサ出力をプロットした。

これに対して図７は、図６と同様な方法で実験したときの本実施形態に係るトルクセンサ１３の出力値の一例を示している。図６と図７とを比較すると、本実施形態によれば、回転角度に応じたトルク変動が大きく低減されていることがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、トルクセンサ１３の内部に機械的デカップリング構造を有しているため、検出対象である回転トルク以外の他軸力をトルクセンサ１３に対して非干渉化することができる。すなわち、ベアリングＢ１〜Ｂ３から受ける回転部の与圧やベアリングＢ１〜Ｂ３間の中心度誤差などに起因する多軸力、減速機１２の振動やネジ部材Ｐ１、Ｐ２の締結力に起因する多軸力の影響を低減して、高精度なトルク計測を実現することができる。これにより、アクチュエータユニット１の出力軸に作用する回転トルクを高精度に検出することができ、精密な関節のトルク制御や、ロボット各部に作用する力の高精度な推定が可能となる。

また、本実施形態によれば、トルクセンサ１３が上記機械的デカップリング構造を有することで、トルク検出のためのセンサ構造の大型化を回避することができる。特に、第１の回転体（内輪１３１）と第２の回転体（外輪１３２）とがラジアル方向に対向するように配置される本実施形態においては、アキシャル方向の大きさ（厚み寸法）が低減されたトルクセンサを構成することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図８は、本実施形態に係るトルクセンサの正面図である。本実施形態のトルクセンサ２３は、内輪２３１（第１の回転体）と、外輪２３２（第２の回転体）と、起歪体２３３とを有する。内輪２３１および外輪２３２は、第１の実施形態と同様に、Ｘ軸方向に垂直な方向、すなわちＹＺ平面に平行な方向に対向して配置された、相互に異なる直径を有する一対の同心円状の環状体である。

内輪２３１は、減速機の出力トルクが入力される入力軸を有し、外輪２３２は、出力部材を回転させる出力軸（Ｏｘ）を有する。起歪体２３３は、内輪２３１と外輪２３２との間に支持され、内輪２３１から外輪２３２へ減速機の出力トルクを伝達する。起歪体２３３には、起歪体２３３の微小変形を検出する検出素子が貼設されているが、当該検出素子の図示は省略されている。

本実施形態に係るトルクセンサ２３は、内輪２３１、外輪２３２および起歪体２３３の３分割構造を有する。すなわち、起歪体２３３は、外輪２３２に対して２つの係合構造２３ａを介して係合する軸部２３３ａと、内輪２３１に対して２つの係合構造２３ｂを介して係合する基部２３３ｂとを有している。これら係合構造２３ａ、２３ｂは、起歪体２３３を内外輪２３１、２３２に対してトルクセンサ２３のアキシャル方向、ラジアル方向および回転方向の３方向に分離可能に形成されることで、起歪体２３３に伝播する他軸力を解放する。

以上のように構成される本実施形態のトルクセンサ２３によれば、上述の第１の実施形態と比べて、内輪２３１および外輪２３２が相対的に微小移動できる自由度が高まる。これにより、起歪体２３３へ作用する他軸力の更なる低減効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係るトルクセンサを示す概略斜視図である。本実施形態のトルクセンサ３３は、第１の回転体３３１と、第２の回転体３３２と、起歪体３３３と、検出素子３３４とを有する。

本実施形態において、第１の回転体３３１および第２の回転端３３２は、Ｘ軸方向に対向して配置された一対の環状体で形成される。起歪体３３３は、第１の回転体３３１と第２の回転体３３２との間にわたってＸ軸方向に延びる円筒形状(円筒部)を有する。起歪体３３３の両端部は、図９においてハッチングで概略的に示す係合構造３３ａおよび係合構造３３ｂを介して第１の回転体３３１および第２の回転体３３２へそれぞれ係合されている。第１の回転体３３１、第２の回転体３３２および起歪体３３３の構成材料は特に限定されず、鉄鋼材料や非鉄金属材料で構成された各種構造用材料を用いることができ、例えば、減速機によって発生した回転トルクを受けることで、ある程度弾性変形し易い材料が用いられる。

第１の回転体３３１は、減速機の出力トルクが入力されるＸ軸に沿った入力軸を有し、その軸回りに回転することが可能である。一方、第２の回転体３３２は、出力部材を回転させる出力軸（Ｏｘ）を有し、その出力軸の回りに回転することが可能である。第１の回転体３３１および第２の回転体３３２はそれぞれ、ベアリングを介して筐体内に回転自在に支持されることは、上述の第１の実施形態と同様である。

図１０に、起歪体３３３と第２の回転体３３２との間の係合構造３３ｂの詳細を示す。図１０（Ａ）は係合構造３３ｂの斜視図、図１０（Ｂ）は係合構造３３ｂの側面図である。なお、起歪体３３３と第１の回転体３３１との間の係合構造３３ａは、図示する係合構造３３ｂと同様な構成を有するので、ここでは説明を省略する。

図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、起歪体３３３と第２の回転体３３２とは、係合構造３３ｂを介して係合している。起歪体３３３には、第２の回転体３３２に形成された係合部Ｅ３２（第２の係合部）と係合する係合部Ｅ３１（第１の係合部）が形成されている。係合部Ｅ３２は、係合部Ｅ３１に対しＸ軸方向に間隙Ｓ１を介して対向する底面ｂ１と、係合部Ｅ３１に対しＸ軸回りへの方向へ間隙Ｓ２を介して対向する一対の側面ｂ２とを有する凹凸形状に形成されている。

本実施形態に係るトルクセンサ３３は、上述のように第１の回転体３３１と第２の回転体３３２とが相互に分割されたデカップリング構造を有する。係合部Ｅ３１は、係合部Ｅ３２に対し、アキシャル方向（出力軸Ｏｘの軸方向）へ間隙Ｓ１を介して分離され、出力軸Ｏｘの軸回りの方向へ間隙Ｓ２を介して分離されている。また、係合部Ｅ３１は、係合部Ｅ３２に対して、ラジアル方向（出力軸Ｏｘに垂直な方向）にも分離されている。これにより、上記３方向について起歪体３３３の自由度が高まるため、当該３方向への振動成分に起因する起歪体３３３の変形が抑制され、トルクセンサ３３の出力へのこれら振動成分の重畳が防止される。

間隙Ｓ１および間隙Ｓ２の大きさは特に限定されず、第１の実施形態において説明した間隙Ｇ１、Ｇ２と同様な値に設定可能である。なお、係合部Ｅ３１と係合部Ｅ３２との間の隙間に、ゴム、樹脂、グリス等の低弾性材が充填されてもよい（図４参照）。

検出素子３３４は、起歪体３３３に作用するねじりモーメントを検出し、起歪体３３３の歪みを計測する。検出素子３３４の検出信号は、制御部へ出力される。検出素子３３４は、典型的には、変形量を電気抵抗の変化に基づいて計測する歪みゲージであるが、これ以外にも、例えば磁気特性の変化に基づいて変形量を計測する素子が用いられてもよい。

検出素子３３４は、出力軸Ｏｘを挟んで対向する起歪体３３３の周面に二組取り付けられる。具体的には、図９に示すように、各組の検出素子３３４の対向する方向が相互に直交するように４つの検出素子３３４を配置し、第１の実施形態と同様に４ゲージのブリッジ（ホイートストンブリッジ）を構成する。起歪体３３３に対する各検出素子３３４の貼設の向きや位置などは、適宜設定することができる。

本実施形態によれば、トルクセンサ３３の入出力部に機械的デカップリング構造を有しているため、検出対象である回転トルク以外の他軸力をトルクセンサ３３に対して非干渉化することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、アクチュエータユニットの出力軸に作用する回転トルクを高精度に検出することができ、精密な関節のトルク制御や、ロボット各部に作用する力の高精度な推定が可能となる。

また、本実施形態によれば、トルクセンサ３３が上記機械的デカップリング構造を有することで、トルク検出のためのセンサ構造の大型化を回避することができる。特に、第１の回転体３３１と第２の回転体３３２とがアキシャル方向に対向するように配置される本実施形態においては、ラジアル方向の大きさ（径寸法）が低減されたトルクセンサを構成することができる。

＜第４の実施形態＞
図９および図１１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係るトルクセンサを示している。図において、上述の第３の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態のトルクセンサ４３は、起歪体３３３と両回転体３３１、３３２との間の係合構造４３ａ、４３ｂが上述の第３の実施形態と異なる。図１１（Ａ）は起歪体３３３と第２の回転体３３２との間の係合構造４３ｂの斜視図、図１１（Ｂ）は係合構造４３ｂの側面図である。なお、起歪体３３３と第１の回転体３３１との間の係合構造４３ａは、図示する係合構造４３ｂと同様であるので、ここでは説明を省略する。

図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、起歪体３３３と第２の回転体３３２とは、係合構造４３ｂを介して係合している。起歪体３３３には、第２の回転体３３２に形成された係合部Ｅ４２（第２の係合部）と係合する係合部Ｅ４１（第１の係合部）が環状に配列されている。本実施形態において、係合部Ｅ４１は、Ｘ軸方向に突出する円柱状の複数の軸部で形成されており、係合部Ｅ４２は、係合部Ｅ４１が嵌合する円形の複数の孔で形成されている。係合部Ｅ４２は、係合部Ｅ４１に対しＸ軸方向に間隙Ｓ１を介して対向する底面と、係合部Ｅ４１に対しＸ軸回りへの方向へ間隙Ｓ２を介して対向する内周面とを有する。

本実施形態に係るトルクセンサ４３は、上述のように第１の回転体３３１と第２の回転体３３２とが相互に分割されたデカップリング構造を有する。係合部Ｅ４１は、係合部Ｅ４２に対し、アキシャル方向（出力軸Ｏｘの軸方向）へ間隙Ｓ１を介して分離され、出力軸Ｏｘの軸回りの方向へ間隙Ｓ２を介して分離されている。また、係合部Ｅ４１は、係合部Ｅ４２に対して、ラジアル方向（出力軸Ｏｘに垂直な方向）にも分離されている。これにより、上記３方向について起歪体３３３の自由度が高まるため、当該３方向への振動成分に起因する起歪体３３３の変形が抑制され、トルクセンサ３３の出力へのこれら振動成分の重畳が防止される。

本実施形態によれば、トルクセンサ４３の入出力部に機械的デカップリング構造を有しているため、検出対象である回転トルク以外の他軸力をトルクセンサ４３に対して非干渉化することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、アクチュエータユニットの出力軸に作用する回転トルクを高精度に検出することができ、精密な関節のトルク制御や、ロボット各部に作用する力の高精度な推定が可能となる。

また、本実施形態によれば、トルクセンサ４３が上記機械的デカップリング構造を有することで、トルク検出のためのセンサ構造の大型化を回避することができる。特に、第１の回転体３３１と第２の回転体３３２とがアキシャル方向に対向するように配置される本実施形態においては、ラジアル方向の大きさ（径寸法）が低減されたトルクセンサを構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の第１の実施形態では、起歪体１３３は、第１の回転体（内輪１３１）に固定され、第２の回転体（外輪１３２）に対して分離された構造としたが、これに代えて、第２の回転体に固定され、第１の回転体に対して分離された構造としてもよい。

また、以上の第３および第４の実施形態では、起歪体３３３が両回転体３３１、３３２に対して分離された構造を採用したが、いずれか一方の回転体に対してのみ分離された構造が作用されてもよい。

さらに以上の実施形態では、本発明に係るトルクセンサをロボット装置の関節部に適用した例を説明したが、これに限られず、例えば軸トルクや出力トルク検出用の他のトルクセンサにも、本発明は適用可能である。

１…アクチュエータユニット
１１…アクチュエータ
１２…減速機
１３、２３、３３、４３…トルクセンサ
５０…出力部材
１００…制御部
１３１、２３１、３３１…第１の回転体
１３２、２３２、３３２…第２の回転体
１３３、２３３、３３３…起歪体
１３４、３３４…検出素子
１３５…充填材
Ｇ１、Ｇ２、Ｓ１、Ｓ２…間隙
Ｏｘ…出力軸

Claims (8)

1. 入力軸の回りに回転可能な第１の回転体と、
   出力軸の回りに回転可能な第２の回転体と、
   前記第１の回転体および前記第２の回転体の少なくとも一方の回転体に対し、前記入力軸に平行な第１の方向と前記第１の方向に垂直な第２の方向と前記入力軸の回りへの第３の方向とにそれぞれ分離され、前記一方の回転体と前記第３の方向に係合可能な第１の係合部を有し、前記第１の回転体と前記第２の回転体との間で前記第３の方向への回転トルクを伝達する起歪体と、
   前記起歪体に取り付けられ、前記回転トルクによる前記起歪体の歪みを計測する検出素子と
   を具備するトルクセンサ。
2. 請求項１に記載のトルクセンサであって、
   前記第１の回転体および前記第２の回転体は、前記第２の方向に対向して配置された、相互に異なる直径を有する一対の同心円状の環状体であり、
   前記起歪体は、前記第１の回転体と前記第２の回転体との間にわたって前記第２の方向へ放射状に延びる複数の軸部を有するトルクセンサ。
3. 請求項２に記載のトルクセンサであって、
   前記第１の係合部は、前記軸部の先端に形成され、
   前記一方の回転体は、前記第３の方向に前記第１の係合部と係合可能な第２の係合部を有し、前記第２の係合部は、前記第１の係合部に対し前記第２の方向へ第１の間隙を介して対向する第１の面と、前記第１の係合部に対し前記第３の方向へ第２の間隙を介して対向する第２の面とを有するトルクセンサ。
4. 請求項１に記載のトルクセンサであって、
   前記第１の回転体および前記第２の回転体はそれぞれ、前記第１の方向に対向して配置された一対の環状体であり、
   前記起歪体は、前記第１の回転体と前記第２の回転体との間にわたって前記第１の方向に延びる円筒部を有するトルクセンサ。
5. 請求項４に記載のトルクセンサであって、
   前記第１の係合部は、前記円筒部の先端に形成され、
   前記一方の回転体は、前記第３の方向に前記第１の係合部と係合可能な第２の係合部を有し、前記第２の係合部は、前記第１の係合部に対し前記第１の方向へ第１の間隙を介して対向する第１の面と、前記第１の係合部に対し前記第３の方向へ第２の間隙を介して対向する第２の面とを有するトルクセンサ。
6. 請求項３または請求項５に記載のトルクセンサであって、
   前記第２の間隙は、前記第１の間隙よりも小さいトルクセンサ。
7. 請求項３または請求項５に記載のトルクセンサであって、
   前記第１の係合部と前記第２の係合部との間に充填され、変形可能な充填層をさらに具備するトルクセンサ。
8. 回転駆動源と、
   入力軸を有し、前記回転駆動源からの回転トルクを受けて前記入力軸の回りに回転可能な第１の回転体と、
   出力軸を有し、前記出力軸の回りに回転可能な第２の回転体と、
   前記第１の回転体および前記第２の回転体の少なくとも一方の回転体に対し、前記入力軸に平行な第１の方向と前記第１の方向に垂直な第２の方向と前記入力軸の回りへの第３の方向とにそれぞれ分離され、前記一方の回転体と前記第３の方向に係合可能な第１の係合部を有し、前記第１の回転体と前記第２の回転体との間で前記第３の方向への回転トルクを伝達する起歪体と、
   前記起歪体に取り付けられ、前記回転トルクによる前記起歪体の歪みを計測する検出素子と
   を具備するロボット装置。

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