JP2023038062A - 環状体、波動減速機、ロボット、およびトルク検出装置 - Google Patents

環状体、波動減速機、ロボット、およびトルク検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】環状体にかかるトルクを抵抗線により検出し、かつ、抵抗線の状態を診断できる技術を提供する。【解決手段】環状体は、ベース部と、ベース部に配置された抵抗線412と、を有する。抵抗線は、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2と、を有する。第2抵抗線部は、第1抵抗線部よりも径方向外側に配置される。第1抵抗線部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第1領域Ra、Rbを有する。複数の第1領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。第2抵抗線部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第2領域Re、Rfを有する。複数の第2領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。【選択図】図5

Description

本発明は、環状体、波動減速機、ロボット、およびトルク検出装置に関する。
近年、ロボットの関節などに搭載される波動減速機の需要が高まっている。従来の波動減速機においては、減速後の回転速度で回転する外歯歯車に、ひずみゲージが貼り付けられている。これにより、外歯歯車にかかるトルクの検出が可能となっている(特許文献1)。
特開2000-131160号公報
しかしながら、従来の構造では、ひずみゲージの出力信号が大きく変化した場合に、その出力信号の変化が、大きなトルクが加わったことに起因するのか、それとも、ひずみゲージの抵抗線に異常が発生したことに起因するのかを、区別できなかった。
本発明の目的は、環状体にかかるトルクを抵抗線により検出し、かつ、抵抗線の状態を診断できる技術を提供することである。
第1発明は、環状体であって、中心軸を囲み、前記中心軸と交差する方向に広がるベース部と、前記ベース部に配置された抵抗線と、を有し、前記抵抗線は、第1抵抗線部と、前記第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された第2抵抗線部と、を有し、前記第1抵抗線部は、内側第1抵抗線部と、前記内側第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第1抵抗線部と、を有し、前記第2抵抗線部は、内側第2抵抗線部と、前記内側第2抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第2抵抗線部と、を有し、前記内側第1抵抗線部および前記外側第1抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第1領域を有し、前記複数の第1領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含み、前記内側第2抵抗線部および前記外側第2抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第2領域を有し、前記複数の第2領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。
第2発明は、トルク検出装置であって、中心軸に対して周方向に配置された抵抗線と、前記抵抗線と電気的に接続された検出回路と、を有し、前記抵抗線は、第1抵抗線部と、前記第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された第2抵抗線部と、を有し、前記第1抵抗線部は、内側第1抵抗線部と、前記内側第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第1抵抗線部と、を有し、前記第2抵抗線部は、内側第2抵抗線部と、前記内側第2抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第2抵抗線部と、を有し、前記内側第1抵抗線部および前記外側第1抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第1領域を有し、前記複数の第1領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含み、前記内側第2抵抗線部および前記外側第2抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第2領域を有し、前記複数の第2領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含み、前記第1抵抗線部は、複数の前記第1領域に接続される第1接続領域をさらに有し、複数の前記第1領域が、前記第1接続領域を介して接続されることにより、第1ブリッジ回路が形成され、前記第2抵抗線部は、複数の前記第2領域に接続される第2接続領域をさらに有し、複数の前記第2領域が、前記第2接続領域を介して接続されることにより、第2ブリッジ回路が形成され、前記抵抗線が配置される領域にかかるトルクに応じて、前記第1の部位および前記第2の部位の抵抗値が変化し、前記検出回路は、第1ブリッジ回路の出力信号と第2ブリッジ回路の出力信号とを比較することにより、前記抵抗線の状態を示す診断信号を出力する。
第1発明および第2発明によれば、第1抵抗線部および第2抵抗線部により、環状体にかかるトルクを検出できる。また、第1抵抗線部の出力信号と第2抵抗線部の出力信号とを比較することにより、抵抗線の状態を診断できる。
図1は、ロボットの概要図である。 図2は、波動減速機の縦断面図である。 図3は、波動減速機の横断面図である。 図4は、環状体の部分縦断面図である。 図5は、基板の平面図である。 図6は、基板の部分平面図である。 図7は、第1ブリッジ回路の回路図である。 図8は、第2ブリッジ回路の回路図である。 図9は、診断処理の流れを示したフローチャートである。 図10は、第1抵抗線部のリップル誤差と、第2抵抗線部のリップル誤差との、時間変化を示したグラフである。 図11は、第3ブリッジ回路の回路図である。 図12は、第4ブリッジ回路の回路図である。 図13は、第3ブリッジ回路の計測値と第4ブリッジ回路の計測値とを示したグラフである。 図14は、第2実施形態に係る基板の平面図である。 図15は、第2実施形態に係る第1抵抗線部のリップル誤差と、第2抵抗線部のリップル誤差との、時間変化を示したグラフである。
以下、本願の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
<1.ロボットについて>
図1は、一実施形態に係る波動減速機1を搭載したロボット100の概要図である。ロボット100は、例えば、工業製品の製造ラインにおいて、部品の搬送、加工、組立等の作業を行う、いわゆる産業用ロボットである。図1に示すように、ロボット100は、ベースフレーム101、アーム102、モータ103、および波動減速機1を備える。
アーム102は、ベースフレーム101に対して、回動可能に支持されている。モータ103および波動減速機1は、ベースフレーム101とアーム102との間の関節部に、組み込まれている。モータ103に駆動電流が供給されると、モータ103から回転運動が出力される。また、モータ103から出力される回転運動は、波動減速機1により減速されて、アーム102へ伝達される。これにより、ベースフレーム101に対してアーム102が、減速後の速さで回動する。
上記の通り、ロボット100は、波動減速機1を有する。波動減速機1は、後述の通り、抵抗線によりトルクを検出する機能を有する。また、波動減速機1は、当該抵抗線の状態を診断する機能を有する。これにより、高機能なロボット100を実現できる。
<2.波動減速機の構成>
続いて、波動減速機1の詳細な構造について、説明する。
なお、以下では、波動減速機1の中心軸9と平行な方向を「軸方向」、波動減速機1の中心軸9に直交する方向を「径方向」、波動減速機1の中心軸9を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。ただし、上記の「平行な方向」は、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」は、略直交する方向も含む。
図2は、一実施形態に係る波動減速機1の縦断面図である。図3は、図2のA-A位置から見た波動減速機1の横断面図である。図の煩雑化を避けるため、図3においては、断面を示すハッチングが省略されている。波動減速機1は、モータ103から得られる第1回転速度の回転運動を、第1回転速度よりも低い第2回転速度に減速する装置である。図1および図2に示すように、本実施形態の波動減速機1は、内歯歯車10、環状体20、および波動発生器30を備える。環状体20は、後述の通り、抵抗線によりトルクを検出する機能を有する。また、環状体20は、抵抗線の状態を診断する機能を有する。これにより、高機能な波動減速機1を実現できる。
つまり、波動減速機1において、環状体20にかかるトルクを検出可能であり、かつ、環状体20に配置される抵抗線の状態を診断可能である。より具体的に述べると、抵抗線が正常に機能しているかを診断可能である。本実施形態においては、環状体20は、可撓性を有する外歯歯車である。ただし、環状体は、外歯歯車以外の他の部材であってもよい。
内歯歯車10は、中心軸9を中心とする円環状の歯車である。内歯歯車10は、ベースフレーム101に対して固定される。内歯歯車10は、中心軸9と同軸に配置される。また、内歯歯車10は、後述する外歯22の径方向外側に配置される。内歯歯車10の剛性は、環状体20の後述する胴部21の剛性よりも、十分に高い。このため、内歯歯車10は、実質的に剛体とみなすことができる。内歯歯車10は、複数の内歯11を有する。複数の内歯11は、内歯歯車10の径方向内側面から、径方向内方へ突出する。複数の内歯11は、内歯歯車10の内周面において、周方向に一定のピッチで配列されている。
環状体20は、撓み変形可能な環状の歯車である。環状体20は、アーム102に対して固定される。環状体20は、中心軸9を中心として回転可能に支持される。
図2および図3に示すように、環状体20は、胴部21と、複数の外歯22とを有する。また、環状体20は、環状板部23をさらに有する。
胴部21は、後述するベース部231の径方向端部から軸方向に延びる、筒状の部分である。本実施形態では、胴部21は、ベース部231の径方向内端部から、軸方向一方側へ向けて延びる。胴部21の軸方向一方側の端部は、波動発生器30の径方向外側、かつ、内歯歯車10の径方向内側に位置する。胴部21は、可撓性を有するため、径方向に変形可能である。特に、胴部21の軸方向一方端は、他の部分よりも大きく径方向に変位可能である。
複数の外歯22は、胴部21の径方向外側面から、径方向外方に突出する。複数の外歯22は、胴部21の軸方向一方端の径方向外側面に配置される。複数の外歯22は、周方向に一定のピッチで配列されている。複数の外歯22の一部と、上述した複数の内歯11の一部とは、互いに噛み合う。内歯歯車10が有する内歯11の数と、環状体20が有する外歯22の数とは、僅かに相違する。
環状板部23は、ベース部231および肉厚部232を有する。すなわち、環状体20は、ベース部231を有する。ベース部231は、中心軸9を囲み、中心軸9と交差する方向に広がる。ベース部231は、好ましくは、中心軸9に対して直交する面に沿って広がる。ベース部231は、胴部21の軸方向他方側の端部から、径方向外側へ向けて広がる。また、ベース部231は、中心軸9を囲む環状である。ベース部231は、薄肉状であるため、僅かに撓み変形可能である。
肉厚部232は、ベース部231の径方向外側に位置する、円環状の部分である。肉厚部232は、ベース部231の径方向外側の端部から、さらに径方向外方へ広がる。肉厚部232の軸方向の厚みは、ベース部231の軸方向の厚みよりも大きい。肉厚部232は、アーム102に、例えばボルトで固定される。
波動発生器30は、胴部21に、周期的な撓み変形を発生させる機構である。波動発生器30は、外歯22の径方向内方に配置される。本実施形態の波動発生器30は、カム31と可撓性軸受32とを有する。カム31は、中心軸9を中心として回転可能に支持される。カム31の径方向外側面は、軸方向に視たときに楕円形である。可撓性軸受32は、撓み変形可能な軸受である。可撓性軸受32は、カム31の径方向外側面と、環状体20の胴部21の径方向内側面との間に配置される。したがって、カム31と胴部21とは、異なる回転速度で回転できる。
可撓性軸受32の内輪は、カム31の径方向外側面に接触する。可撓性軸受32の外輪は、胴部21の径方向内側面に接触する。このため、胴部21は、カム31の径方向外側面に沿った楕円形状に変形する。その結果、当該楕円の長軸の両端に相当する2箇所において、環状体20の外歯22と、内歯歯車10の内歯11とが噛み合う。周方向の他の位置においては、外歯22と内歯11とが噛み合わない。
カム31は、モータ103の出力シャフト(図示省略)に接続される。モータ103を駆動させると、カム31は、中心軸9を中心として第1回転速度で回転する。これにより、環状体20の上述した楕円の長軸も、第1回転速度で回転する。そうすると、外歯22と内歯11との噛み合い位置も、周方向に第1回転速度で変化する。また、上述の通り、内歯歯車10の内歯11の数と、環状体20の外歯22の数とは、僅かに相違する。この歯数の差によって、カム31の1回転ごとに、外歯22と内歯11との噛み合い位置が、周方向に僅かに変化する。その結果、内歯歯車10に対して環状体20が、中心軸9を中心として、第1回転速度よりも低い第2回転速度で回転する。
<3.第1実施形態>
<3-1.トルク検出装置について>
続いて、トルク検出装置40について説明する。トルク検出装置40は、環状体20にかかるトルクを検出するためのセンサである。図2に示すように、トルク検出装置40は、基板41と、検出回路42とを有する。基板41は、環状体20のベース部231に配置される。具体的には、ベース部231は、中心軸9に対して交差し、かつ、中心軸9を中心として円環状に広がる表面234を有する。表面234は、ベース部231の軸方向他方側の面である。基板41は、ベース部231の当該表面234に固定される。
図4は、基板41の付近における環状体20の部分縦断面図である。図5は、基板41の平面図である。図4および図5に示すように、基板41は、絶縁層411および抵抗線412を有する。すなわち、トルク検出装置40は、抵抗線412と、検出回路42とを有する。
絶縁層411は、柔軟に変形可能である。絶縁層411は、中心軸9に対して交差する方向に広がる。また、絶縁層411は、中心軸9を中心とする円環状である。絶縁層411は、絶縁体である樹脂または無機絶縁材料からなる。絶縁層411は、ベース部231の表面234に配置される。
抵抗線412は、絶縁層411の表面に形成される。すなわち、抵抗線412は、ベース部231に配置される。抵抗線412の材料には、導体である金属が使用される。抵抗線412の材料には、例えば、銅合金、クロム合金、または銅が使用される。抵抗線412は、中心軸9に対して周方向に配置される。また、抵抗線412は、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2とを有する。第2抵抗線部W2は、第1抵抗線部W1よりも、径方向外側に配置される。
第1抵抗線部W1は、内側第1抵抗線部W11と、外側第1抵抗線部W12とを有する。外側第1抵抗線部W12は、内側第1抵抗線部W11よりも、径方向外側に配置される。
内側第1抵抗線部W11は、複数の第1領域Ra,Rbを有する。複数の第1領域Ra,Rbは、周方向に間隔をあけて配置されている。本実施形態では、内側第1抵抗線部W11は、2つの第1領域Ra,Rbを有する。2つの第1領域Ra,Rbは、それぞれ、中心軸9を中心とする約180°の範囲に、半円弧状に設けられている。2つの第1領域Ra,Rbは、同心かつ線対称に配置される。また、中心軸9から第1領域Raまでの径方向の距離と、中心軸9から第1領域Rbまでの径方向の距離と、は略同一である。
図6は、基板41の部分平面図である。図6に示すように、複数の第1領域Ra,Rbは、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位r1が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。具体的には、2つの第1領域Ra,Rbは、それぞれ、1本の導線がジグザグに曲折しながら周方向に延びる。複数の第1の部位r1は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。2つの第1領域Ra,Rbのうち、一方の第1領域Raの第1の部位r1は、径方向に対して、周方向一方側に傾斜する。他方の第1領域Rbの第1の部位r1は、径方向に対して、周方向他方側に傾斜する。径方向に対する第1の部位r1の傾斜角度は、例えば45°である。周方向に隣り合う第1の部位r1の端部同士は、径方向内側または径方向外側で交互に接続される。これにより、複数の第1の部位r1が、全体として直列に接続される。
外側第1抵抗線部W12は、複数の第1領域Rc,Rdを有する。複数の第1領域Rc,Rdは、周方向に間隔をあけて配置されている。本実施形態では、外側第1抵抗線部W12は、2つの第1領域Rc,Rdを有する。2つの第1領域Rc,Rdは、それぞれ、中心軸9を中心とする約180°の範囲に、半円弧状に設けられている。2つの第1領域Rc,Rdは、同心かつ線対称に配置される。また、中心軸9から第1領域Rcまでの径方向の距離と、中心軸9から第1領域Rdまでの径方向の距離と、は略同一である。
図6に示すように、複数の第1領域Rc,Rdは、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位r1が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。具体的には、2つの第1領域Rc,Rdは、それぞれ、1本の導線がジグザグに曲折しながら周方向に延びる。複数の第1の部位r1は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。2つの第1領域Rc,Rdのうち、一方の第1領域Rcの第1の部位r1は、径方向に対して、周方向他方側に傾斜する。他方の第1領域Rdの第1の部位r1は、径方向に対して、周方向一方側に傾斜する。径方向に対する第1の部位r1の傾斜角度は、例えば45°である。周方向に隣り合う第1の部位r1の端部同士は、径方向内側または径方向外側で交互に接続される。これにより、複数の第1の部位r1が、全体として直列に接続される。
第2抵抗線部W2は、内側第2抵抗線部W21と、外側第2抵抗線部W22とを有する。外側第2抵抗線部W22は、内側第2抵抗線部W21よりも、径方向外側に配置される。
内側第2抵抗線部W21は、複数の第2領域Re,Rfを有する。複数の第2領域Re,Rfは、周方向に間隔をあけて配置されている。本実施形態では、内側第2抵抗線部W21は、2つの第2領域Re,Rfを有する。2つの第2領域Re,Rfは、それぞれ、中心軸9を中心とする約180°の範囲に、半円弧状に設けられている。2つの第2領域Re,Rfは、同心かつ線対称に配置される。また、中心軸9から第2領域Reまでの径方向の距離と、中心軸9から第2領域Rfまでの径方向の距離と、は略同一である。
図6に示すように、複数の第2領域Re,Rfは、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位r2が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。具体的には、2つの第2領域Re,Rfは、それぞれ、1本の導線がジグザグに曲折しながら周方向に延びる。複数の第2の部位r2は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。2つの第2領域Re,Rfのうち、一方の第2領域Reの第2の部位r2は、径方向に対して、周方向一方側に傾斜する。他方の第2領域Rfの第2の部位r2は、径方向に対して、周方向他方側に傾斜する。径方向に対する第2の部位r2の傾斜角度は、例えば45°である。周方向に隣り合う第2の部位r2の端部同士は、径方向内側または径方向外側で交互に接続される。これにより、複数の第2の部位r2が、全体として直列に接続される。
外側第2抵抗線部W22は、複数の第2領域Rg,Rhを有する。複数の第2領域Rg,Rhは、周方向に間隔をあけて配置されている。本実施形態では、外側第2抵抗線部W22は、2つの第2領域Rg,Rhを有する。2つの第2領域Rg,Rhは、それぞれ、中心軸9を中心とする約180°の範囲に、半円弧状に設けられている。2つの第2領域Rg,Rhは、同心かつ線対称に配置される。また、中心軸9から第2領域Rgまでの径方向の距離と、中心軸9から第2領域Rhまでの径方向の距離と、は略同一である。
図6に示すように、複数の第2領域Rg,Rhは、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位r2が、周方向に繰り返し配置される領域を含む。具体的には、2つの第2領域Rg,Rhは、それぞれ、1本の導線がジグザグに曲折しながら周方向に延びる。複数の第2の部位r2は、互いに略平行な姿勢で、周方向に配列される。2つの第2領域Rg,Rhのうち、一方の第2領域Rgの第2の部位r2は、径方向に対して、周方向他方側に傾斜する。他方の第2領域Rhの第2の部位r2は、径方向に対して、周方向一方側に傾斜する。径方向に対する第2の部位r2の傾斜角度は、例えば45°である。周方向に隣り合う第2の部位r2の端部同士は、径方向内側または径方向外側で交互に接続される。これにより、複数の第2の部位r2が、全体として直列に接続される。
図7は、第1抵抗線部W1の4つの第1領域Ra,Rb,Rc,Rdを含む第1ブリッジ回路C1の回路図である。図6および図7に示すように、第1抵抗線部W1は、複数の第1領域Ra,Rb,Rc,Rdに接続される第1接続領域W13を有する。本実施形態では、第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの数は4つである。複数の第1領域Ra,Rb,Rc,Rdは、第1接続領域W13を介して接続される。これにより、第1ブリッジ回路C1が形成される。
第1領域Raと第1領域Rbとは、この順に直列に接続される。第1領域Rcと第1領域Rdとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧の+極と-極との間において、2つの第1領域Ra,Rbの列と、2つの第1領域Rc,Rdの列とが、並列に接続される。また、2つの第1領域Ra,Rbの中間点M11と、2つの第1領域Rc,Rdの中間点M12とが、第1電圧計V1に接続される。
各第1の部位r1の抵抗値は、抵抗線412が配置される領域にかかるトルクに応じて変化する。つまり、本実施形態では、4つの第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの各第1の部位r1の抵抗値が、ベース部231にかかるトルクに応じて変化する。例えば、ベース部231に、中心軸9を中心として、周方向の一方側へ向かうトルクがかかると、2つの第1領域Ra,Rdの各第1の部位r1の抵抗値が低下し、他の2つの第1領域Rb,Rcの各第1の部位r1の抵抗値が増加する。一方、ベース部231に、中心軸9を中心として、周方向の他方側へ向かうトルクがかかると、2つの第1領域Ra,Rdの各第1の部位r1の抵抗値が増加し、他の2つの第1領域Rb,Rcの各第1の部位r1の抵抗値が低下する。このように、2つの第1領域Ra,Rdと、他の2つの第1領域Rb,Rcとは、トルクに対して互いに逆向きの抵抗値変化を示す。
そして、4つの第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの各抵抗値が変化すると、2つの第1領域Ra,Rbの中間点M11と、2つの第1領域Rc,Rdの中間点M12との間の電位差が変化するので、第1電圧計V1の計測値も変化する。したがって、この第1電圧計V1の計測値に基づいて、ベース部231にかかるトルクの向きおよび大きさを検出することができる。
図8は、第2抵抗線部W2の4つの第2領域Re,Rf,Rg,Rhを含む第2ブリッジ回路C2の回路図である。図6および図8に示すように、第2抵抗線部W2は、複数の第2領域Re,Rf,Rg,Rhに接続される第2接続領域W23を有する。本実施形態では、第2領域Re,Rf,Rg,Rhの数は4つである。複数の第2領域Re,Rf,Rg,Rhは、第2接続領域W23を介して接続される。これにより、第2ブリッジ回路C2が形成される。
第2領域Reと第2領域Rfとは、この順に直列に接続される。第2領域Rgと第2領域Rhとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧の+極と-極との間において、2つの第2領域Re,Rfの列と、2つの第2領域Rg,Rhの列とが、並列に接続される。また、2つの第2領域Re,Rfの中間点M21と、2つの第2領域Rg,Rhの中間点M22とが、第2電圧計V2に接続される。
各第2の部位r2の抵抗値は、抵抗線412が配置される領域にかかるトルクに応じて変化する。本実施形態では、4つの第2領域Re,Rf,Rg,Rhの各第2の部位r2の抵抗値が、ベース部231にかかるトルクに応じて変化する。例えば、ベース部231に、中心軸9を中心として、周方向の一方側へ向かうトルクがかかると、2つの第2領域Re,Rhの各第2の部位r2の抵抗値が低下し、他の2つの第2領域Rf,Rgの各第2の部位r2の抵抗値が増加する。一方、ベース部231に、中心軸9を中心として、周方向の他方側へ向かうトルクがかかると、2つの第2領域Re,Rhの各第2の部位r2の抵抗値が増加し、他の2つの第2領域Rf,Rgの各第2の部位r2の抵抗値が低下する。このように、2つの第2領域Re,Rhと、他の2つの第2領域Rf,Rgとは、トルクに対して互いに逆向きの抵抗値変化を示す。
そして、4つの第2領域Re,Rf,Rg,Rhの各抵抗値が変化すると、2つの第2領域Re,Rfの中間点M21と、2つの第2領域Rg,Rhの中間点M22との間の電位差が変化するので、第2電圧計V2の計測値も変化する。したがって、この第2電圧計V2の計測値に基づいて、ベース部231にかかるトルクの向きおよび大きさを検出することができる。
このように、本実施形態では、第1ブリッジ回路C1および第2ブリッジ回路C2の2つのブリッジ回路を構成する。これにより、いずれか一方のブリッジ回路に異常が発生した場合でも、他方のブリッジ回路によってトルクを検出できる。まだ、いずれか一方のブリッジ回路に異常が発生した場合に、当該異常を検出できる。
なお、第1接続領域W13および第2接続領域W23の一部は、共通の電源電圧に並列に接続されていてもよいし、異なる電源電圧に接続されてもよい。つまり、電源電圧は、ブリッジ回路ごとに分けてもよい。電源電圧をブリッジ回路ごとに分ける場合、一部の電源電圧が正常に機能しなくなった場合でも、他の電源電圧から、少なくとも1つのブリッジ回路に電源電圧が供給されるため、当該ブリッジ回路によってトルクを検出できる。
検出回路42は、抵抗線412と、電気的に接続されている。検出回路42は、環状体20に取り付けられていてもよく、あるいは、環状体20から離れた位置に設けられていてもよい。検出回路42は、第1電圧計V1の計測値に基づく第1出力信号Tr1と、第2電圧計V2の計測値に基づく第2出力信号Tr2とを、それぞれ出力する。しかしながら、検出回路42は、第1ブリッジ回路C1の出力信号と、第2ブリッジ回路C2の出力信号との和に基づいて、信号を出力してもよい。具体的には、検出回路42は、第1電圧計V1の計測値に基づく第1出力信号Tr1と、第2電圧計V2の計測値に基づく第2出力信号Tr2との和に基づいて、ベース部231にかかるトルクの向きおよび大きさを示す検出信号を出力してもよい。これにより、ベース部231の角度に依存してベース部231がカム31等から影響を受ける場合に、異なる角度における第1出力信号Tr1と第2出力信号Tr2との和に基づいた検出信号を出力することで、当該角度に依存する影響を低減した検出信号を出力できる。なお、検出回路42は、第1出力信号Tr1および第2出力信号Tr2の線形和に基づいて、検出信号を出力してもよい。また、検出回路42は、第1出力信号Tr1および第2出力信号Tr2を、所定の関数に代入することにより得られる結果に基づいて、検出信号を出力してもよい。また、検出回路42は、第1出力信号Tr1および第2出力信号Tr2のいずれか1つに基づいて、検出信号を出力してもよい。
<3-2.診断機能について>
検出回路42は、抵抗線412の状態を診断する診断機能を有する。以下では、この診断機能について説明する。図9は、検出回路42における診断処理の流れを示したフローチャートである。図9に示すように、検出回路42は、第1ブリッジ回路C1の出力信号と、第2ブリッジ回路C2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を示す診断信号を出力する。これにより、トルク検出装置40は、抵抗線412の状態を診断し、出力することができる。
具体的には、検出回路42は、まず、第1電圧計V1の計測値に基づく第1出力信号Tr1と、第2電圧計V2の計測値に基づく第2出力信号Tr2とを、比較する。そして、第1出力信号Tr1と第2出力信号Tr2との関係が、正常範囲内であるか否かを判定する(ステップST1)。例えば、検出回路42は、第1出力信号Tr1と第2出力信号Tr2との差が、所定の閾値未満であるか否かを判定する。
第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2の双方に、断線等の異常がない場合、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2は、ベース部231にかかるトルクに対して、近似した抵抗値変化を示す。このため、第1出力信号Tr1と第2出力信号Tr2との差は、所定の閾値未満となる(ステップST1においてyes)。この場合、検出回路42は、抵抗線412の状態を示す診断信号として、第1信号を出力する(ステップST2)。第1信号は、抵抗線412に異常がないことを示す診断信号である。
一方、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2のいずれか一方に、断線等の異常がある場合、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2の当該一方が、通常とは異なる抵抗値を示す。このため、第1出力信号Tr1と第2出力信号Tr2との差が、所定の閾値以上となる(ステップST1においてno)。この場合、検出回路42は、抵抗線412に異常があることを示す第2信号を出力する(ステップST3)。
なお、ステップST3の処理においては、第1ブリッジ回路C1と第2ブリッジ回路C2のそれぞれの電流値をチェックしてもよい。これにより、第1ブリッジ回路C1と第2ブリッジ回路C2とのどちらのブリッジ回路に異常が発生したかを判定できる。そして、第2信号と、正常に機能しているブリッジ回路の出力信号のみを出力してもよい。これにより、正常に機能しているブリッジ回路でトルク検出を行うことが可能である。
また、検出回路42が、抵抗線412に異常があると判定した場合において、第1ブリッジ回路C1と第2ブリッジ回路C2のそれぞれの電流値が正常な場合は、ブリッジ回路以外の箇所に異常が発生したと判断できる。具体的な例としては、抵抗線412が、ベース部231から剥がれた場合に、ブリッジ回路以外の箇所に異常が発生したことを検出可能である。
なお、上述したステップST2は、省略してもよい。すなわち、検出回路42は、第1ブリッジ回路C1の出力信号と第2ブリッジ回路C2の出力信号との差が、所定の閾値未満の場合には、診断信号を出力しなくてもよい。検出回路42は、第1ブリッジ回路C1の出力信号と第2ブリッジ回路C2の出力信号との差が、所定の閾値以上である場合に、診断信号として、所定の信号を出力すればよい。これにより、トルク検出装置40は、第1ブリッジ回路C1及び第2ブリッジ回路C2とのどちらかのブリッジ回路に異常が発生した際に、診断結果を出力可能である。
その後、検出回路42は、診断結果を表示する(ステップST4)。具体的には、検出回路42は、診断信号により示される診断結果を、図示を省略したディスプレイに表示する。これにより、波動減速機1またはロボット100のユーザは、抵抗線412の状態を知ることができる。なお、上述のステップST4の診断結果は、ディスプレイ以外の機器や、その他の手段によって表示されてもよい。
以上のように、環状体20は、ベース部231にかかるトルクを検出するための抵抗線412を有する。また、抵抗線412は、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2とを有する。このため、第1抵抗線部W1の出力信号と、第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を診断できる。すなわち、ベース部231にかかるトルクを検出でき、かつ、抵抗線412の状態を常時監視できる、トルク検出装置40を実現できる。
特に、本実施形態では、図5に示すように、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14と、周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24とが、周方向の同じ位置に配置される。このため、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2とにおいて、周方向の角度に依存する影響を、近似させることができる。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
本実施形態では、内側第1抵抗線部W11が有する第1領域Ra,Rbの数と、外側第1抵抗線部W12が有する第1領域Rc,Rdの数と、内側第2抵抗線部W21が有する第2領域Re,Rfの数と、外側第2抵抗線部W22が有する第2領域Rg,Rhの数とが、同数である。具体的には、内側第1抵抗線部W11が有する第1領域Ra,Rbの数と、外側第1抵抗線部W12が有する第1領域Rc,Rdの数と、内側第2抵抗線部W21が有する第2領域Re,Rfの数と、外側第2抵抗線部W22が有する第2領域Rg,Rhの数とが、いずれも2つである。そして、内側第1抵抗線部W11における、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rbの周方向の間隙w14と、外側第1抵抗線部W12における、周方向に隣り合う第1領域Rc,Rdの周方向の間隙w14と、内側第2抵抗線部W21における、周方向に隣り合う第2領域Re,Rfの周方向の間隙w24と、外側第2抵抗線部W22における、周方向に隣り合う第2領域Rg,Rhの周方向の間隙w24と、が、周方向の同じ位置に配置される。
このようにすれば、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2とにおいて、周方向の角度に依存する影響がほぼ同一の条件で発生する。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
波動減速機1の駆動時には、環状体20に、周期的な撓み変形が生じる。このため、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号には、本来計測したいトルクを反映した成分と、環状体20の周期的な撓み変形に起因する誤差成分(リップル誤差)とが含まれる。当該リップル誤差は、環状体20に入力される回転運動の回転角度に応じて変化する。
図10は、第1抵抗線部W1のリップル誤差E1と、第2抵抗線部W2のリップル誤差E2との、時間変化を示したグラフである。図10のグラフの横軸は、時刻を示す。図10のグラフの縦軸は、リップル誤差を表す電圧を正規化した値を示す。これらのリップル誤差E1,E2は、上述した「周方向の角度に依存する影響」に相当する。上述の通り、本実施形態では、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14と、周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24とが、周方向の同じ位置に配置される。このため、第1抵抗線部W1のリップル誤差E1と、第2抵抗線部W2のリップル誤差E2とが、近似した波形となる。このため、後述するリップル補正を行わなくても、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2との差を、所定の閾値と比較することにより、抵抗線412の状態を、精度よく診断できる。なお、上述の通り、図10のグラフに示すリップル誤差E1,E2は、電圧を正規化した値である。上述の「周方向の角度に依存する影響」として、電圧を正規化した値の代わりに、ひずみ量を用いてもよい。
また、本実施形態では、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2とが、中心軸9を中心として、同心状に配置される。このようにすれば、第1抵抗線部W1の中心と第2抵抗線部W2の中心とが、ずれている場合と比べて、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号の差異を低減できる。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
また、図5に示すように、本実施形態では、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14の中心角θと、周方向に隣り合う前記第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24の中心角θと、が等しい。このようにすれば、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号の差異を、より低減できる。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
また、図5に示すように、本実施形態では、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2の径方向の間隔d0は、第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの径方向の幅d1および第2領域Re,Rf,Rg,Rhの径方向の幅d2の、どちらよりも狭い。このように、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2の径方向の間隔d0を小さくすれば、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2の径方向の間隔d0が大きい場合と比べて、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とにおける、径方向の位置に依存する影響の差異を低減できる。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
また、図5に示すように、本実施形態では、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2との径方向の間隔d0は、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの間隔d3と、周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの間隔d4と、のどちらよりも狭い。このように、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2の径方向の間隔d0を小さくすれば、第1抵抗線部W1と第2抵抗線部W2の径方向の間隔d0が大きい場合と比べて、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とにおける、径方向の位置に依存する影響の差異を低減できる。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
複数の第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの抵抗値は、互いに等しくしてもよい。また、複数の第2領域Re,Rf,Rg,Rhの抵抗値は、互いに等しくしてもよい。そうすれば、正常時における第1抵抗線部W1の出力信号と、正常時における第2抵抗線部W2の出力信号との差異を低減できる。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とを比較することにより、抵抗線412の状態を、より精度よく診断できる。
なお、本実施形態では、第1抵抗線部W1が、4つの第1領域Ra,Rb,Rc,Rdを有していた。そして、第1ブリッジ回路C1が、4つの第1領域Ra,Rb,Rc,Rdを含むフルブリッジ回路となっていた。しかしながら、第1抵抗線部W1は、2つの第1領域のみを有していてもよい。その場合、第1ブリッジ回路C1は、当該2つの第1領域と、2つの固定抵抗とで構成される、ハーフブリッジ回路とすればよい。
また、本実施形態では、第2抵抗線部W2が、4つの第2領域Re,Rf,Rg,Rhを有していた。そして、第2ブリッジ回路C2が、4つの第2領域Re,Rf,Rg,Rhを含むフルブリッジ回路となっていた。しかしながら、第2抵抗線部W2は、2つの第2領域のみを有していてもよい。その場合、第2ブリッジ回路C2は、当該2つの第2領域と、2つの固定抵抗とで構成される、ハーフブリッジ回路とすればよい。
<3-3.リップル補正について>
上述の通り、波動減速機1の駆動時には、環状体20に、周期的な撓み変形が生じる。このため、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号には、本来計測したいトルクを反映した成分と、環状体20の周期的な撓み変形に起因する誤差成分(リップル誤差)とが含まれる。当該リップル誤差は、環状体20に入力される回転運動の回転角度に応じて変化する。
そこで、本実施形態の検出回路42は、上記のリップル誤差をキャンセルするための補正処理(リップル補正)を行う。以下では、このリップル補正について、説明する。
図5に示すように、本実施形態の抵抗線412は、第3抵抗線部W3をさらに有する。第3抵抗線部W3は、環状体20に入力される回転運動の回転角度を検出するための抵抗線部である。
第3抵抗線部W3は、複数の第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpを有する。本実施形態では、第3抵抗線部W3は、8つの第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpを有する。複数の第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpは、周方向に間隔をあけて配置される。本実施形態では、8つの第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpが、周方向に等間隔に配置される。複数の第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpは、それぞれ、1本の導線により形成される。各第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpは、周方向に沿って円弧状に広がる。
各第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpは、第3の部位r3が繰り返し配置される領域を含む。第3の部位r3は、周方向に延び、径方向に繰り返し配置される。ただし、第3の部位r3は、径方向に延び、周方向に繰り返し配置されていてもよい。
8つの第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpのうち、互いに隣接しない4つの第3領域Ri,Rk,Rm,Roは、互いに接続されて、第3ブリッジ回路C3を形成する。図11は、第3ブリッジ回路C3の回路図である。図11に示すように、第3領域Riと第3領域Rkとは、この順に直列に接続される。第3領域Roと第3領域Rmとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧の+極と-極との間において、2つの第3領域Ri,Rkの列と、2つの第3領域Ro,Rmの列とが、並列に接続される。また、2つの第3領域Ri,Rkの中間点M31と、2つの第3領域Ro,Rmの中間点M32とが、第3電圧計V3に接続される。
8つの第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpのうち、残りの4つの第3領域Rj,Rl,Rn,Rpは、互いに接続されて、第4ブリッジ回路C4を形成する。図12は、第4ブリッジ回路C4の回路図である。図12に示すように、第3領域Rpと第3領域Rnとは、この順に直列に接続される。第3領域Rjと第3領域Rlとは、この順に直列に接続される。そして、電源電圧の+極と-極との間において、2つの第3領域Rp,Rnの列と、2つの第3領域Rj,Rlの列とが、並列に接続される。また、2つの第3領域Rp,Rnの中間点M41と、2つの第3領域Rj,Rlの中間点M42とが、第4電圧計V4に接続される。
波動減速機1の駆動時には、環状体20のベース部231に、周方向に伸長する部分(以下「伸長部」と称する)と、周方向に収縮する部分(以下「収縮部」と称する)とが、発生する。具体的には、2つの伸長部と2つの収縮部とが、周方向に交互に発生する。すなわち、伸長部と収縮部とは、中心軸9を中心として、周方向に90°の間隔で交互に発生する。そして、これらの伸長部および収縮部の発生する箇所が、上述した第1回転速度で回転する。
8つの第3領域Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rpの各抵抗値は、ベース部231の周方向の伸縮に応じて変化する。例えば、上述した伸長部が、ある第3領域と重なるときには、その第3領域の抵抗値が低下する。また、上述した収縮部が、ある第3領域と重なるときには、その第3領域の抵抗値が増加する。
図5の例では、収縮部が第3領域Ri,Rmと重なるときには、伸長部が第3領域Rk,Roと重なる。また、伸長部が第3領域Ri,Rmと重なるときには、収縮部が第3領域Rk,Roと重なる。したがって、第3ブリッジ回路C3では、第3領域Ri,Rmと、第3領域Rk,Roとが、逆向きの抵抗値変化を示す。
また、図5の例では、収縮部が第3領域Rp,Rlと重なるときには、伸長部が第3領域Rn,Rjと重なる。また、伸長部が第3領域Rp,Rlと重なるときには、収縮部が第3領域Rn,Rjと重なる。したがって、第4ブリッジ回路C4では、第3領域Rp,Rlと、第3領域Rn,Rjとが、逆向きの抵抗値変化を示す。
図13は、第3ブリッジ回路C3の第3電圧計V3の計測値v3と、第4ブリッジ回路C4の第4電圧計V4の計測値v4との、時間変化を示したグラフである。図13のグラフの横軸は、時刻を示す。図13のグラフの縦軸は、電圧値を示す。波動減速機1の駆動時には、図13のように、第3電圧計V3および第4電圧計V4から、それぞれ、周期的に変化する正弦波状の計測値v3,v4が出力される。この計測値v3,v4の周期Tは、上述した第1回転速度の周期の1/2倍に相当する。また、第3電圧計V3の計測値v3の位相に対して、第4電圧計V4の計測値v4の位相が、第1回転速度の1/8周期分(計測値v3,v4の1/4周期分)進んでいるか、それとも第1回転速度の1/8周期分(計測値v3,v4の1/4周期分)遅れているかにより、入力される回転運動の向きを判断できる。
検出回路42は、これらの第3電圧計V3の計測値v3および第4電圧計V4の計測値v4に基づいて、環状体20に入力される回転運動の回転角度を検出できる。具体的には、例えば、検出回路42は、第3電圧計V3の計測値v3および第4電圧計V4の計測値v4の組み合わせと、回転角度とを対応づけた関数テーブルを記憶した記憶部を有する。検出回路42は、当該関数テーブルに、計測値v3,v4を入力することにより、回転角度を出力する。
また、環状体20の回転角度に対して、リップル誤差は、正弦波状に変化する。検出回路42は、出力された回転角度に応じて、上述したリップル誤差を算出する。その後、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号を、算出されたリップル誤差を用いて補正する。その結果、検出回路42は、環状体20にかかるトルクを、より精度よく出力できる。
以上のように、本実施形態の抵抗線412は、第3抵抗線部W3を有する。このため、環状体20に入力される回転運動の回転角度を検出できる。したがって、回転角度に応じて、第1抵抗線部W1の出力信号と、第2抵抗線部W2の出力信号とを、補正できる。
なお、検出回路42は、上述した回転角度を演算することなく、第3電圧計V3および第4電圧計V4の各計測値v3,v4に所定の係数をかけて、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号に、合成してもよい。このようにすれば、回転角度の演算にかかる処理負担が削減される。したがって、検出回路42の演算速度を向上させることができる。
また、本実施形態では、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14および周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24は、周方向に隣り合う第3領域Ri,Rpの周方向の間隙w34と、周方向の同じ位置に配置される。このようにすれば、これらの間隙w14,w24,w34を利用して、配線を径方向外側へ容易に引き出すことができる。
なお、本実施形態では、第3抵抗線部W3は、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2よりも、径方向外側に配置されている。しかしながら、第3抵抗線部W3は、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2よりも、径方向内側に配置されていてもよい。また、第3抵抗線部W3は、第1抵抗線部W1の径方向外側かつ第2抵抗線部W2の径方向内側に、配置されていてもよい。
上述した4つの第3領域Ri,Rk,Rm,Roのうちの、2つの第3領域Ri,Rkまたは2つの第3領域Rm,Roを省略してもよい。その場合であっても、第3ブリッジ回路C3を、2つの固定抵抗を用いたハーフブリッジ回路とすることで、回転角度に応じた出力値を得ることができる。同様に、上述した4つの第3領域Rj,Rl,Rn,Rpのうちの、2つの第3領域Rj,Rlまたは2つの第3領域Rn,Rpを省略してもよい。その場合であっても、第4ブリッジ回路C4を、2つの固定抵抗を用いたハーフブリッジ回路とすることで、回転角度に応じた出力値を得ることができる。
すなわち、第3抵抗線部W3は、4つ以上の第3領域を有していればよい。これにより、環状体20に入力される回転運動の回転角度および回転の向きを、検出できる。
<3-4.温度補正について>
第1抵抗線部W1の抵抗値および第2抵抗線部W2の抵抗値は、抵抗線412の温度に応じて僅かに変化する。したがって、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号には、温度に起因する誤差成分(温度誤差)が含まれる。そこで、本実施形態の検出回路42は、上記の温度誤差をキャンセルするための補正処理(温度補正)を行う。以下では、この温度補正について、説明する。
図5に示すように、本実施形態の抵抗線412は、第4抵抗線部W4をさらに有する。第4抵抗線部W4は、抵抗線412の温度を検出するための抵抗線部である。第4抵抗線部W4は、第4の部位r4を含む。第4の部位r4は、周方向に延びる。すなわち、第4の部位r4は、中心軸9を中心として円弧状に延びる。このため、周方向のトルクによる第4の部位r4の抵抗値の変化は、極めて小さい。また、第4の部位r4は、中心軸9の周りの略全周に亘って延びる。このため、第4の部位r4の抵抗値は、ベース部231の撓み変形に起因する伸縮の影響も受けにくい。したがって、第4の部位r4の抵抗値は、温度による変化が支配的となる。
検出回路42は、第4の部位r4の抵抗値を計測する。計測された抵抗値は、抵抗線412の温度を反映した信号となる。検出回路42は、計測された当該抵抗値に基づいて、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号を補正する。具体的には、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号を、温度による変化をキャンセルする方向に、増加または減少させる。その結果、検出回路42は、環状体20にかかるトルクを、より精度よく出力できる。
以上のように、本実施形態の抵抗線412は、第4抵抗線部W4を有する。このため、抵抗線412の温度を検出できる。したがって、抵抗線412の温度に応じて、第1抵抗線部W1の出力信号と、第2抵抗線部W2の出力信号とを、補正できる。
なお、本実施形態では、第4抵抗線部W4は、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2よりも、径方向外側に配置されている。しかしながら、第4抵抗線部W4は、第1抵抗線部W1および第2抵抗線部W2よりも、径方向内側に配置されていてもよい。また、第4抵抗線部W4は、第1抵抗線部W1の径方向外側かつ第2抵抗線部W2の径方向内側に、配置されていてもよい。
また、本実施形態では、第4抵抗線部W4は、第3抵抗線部W3よりも、径方向外側に配置されている。しかしながら、第4抵抗線部W4は、第3抵抗線部W3よりも、径方向内側に配置されていてもよい。
加えて、第4抵抗線部は、径方向に2重に配置されてもよい。その場合、2つの第4抵抗線部のそれぞれによって、第1抵抗線部W1の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号を補正できる。この場合、2つの第4抵抗線部のいずれかに異常が発生しても、すぐに異常を検出できる。また、2つの第4抵抗線部のいずれかに異常が発生しても、他の第4抵抗線部によって温度センサの役割を担うことができる。
<4.第2実施形態>
続いて、第2実施形態について説明する。以下では、上述した第1実施形態との対応関係を理解しやすくするために、第1実施形態と同一の符号を用いる。また、以下では、第1実施形態と同等の点については重複説明を省略し、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
図14は、第2実施形態に係る基板41の平面図である。図14に示すように、第2実施形態では、第1抵抗線部W1の周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14と、第2抵抗線部W2の周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24とが、周方向に一定の角度ずれて配置されている。このようにすれば、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とで、周方向の角度に依存する影響が、一定の角度ずれた状態で発生する。このため、第1抵抗線W1部の出力信号および第2抵抗線部W2の出力信号に基づいて、周方向の角度に依存する影響を低減した出力信号を得ることができる。
本実施形態では、内側第1抵抗線部W11が有する第1領域Ra,Rbの数と、外側第1抵抗線部W12が有する第1領域Rc,Rdの数と、内側第2抵抗線部W21が有する第2領域Re,Rfの数と、外側第2抵抗線部W22が有する第2領域Rg,Rhの数とが、同数である。具体的には、内側第1抵抗線部W11が有する第1領域Ra,Rbの数と、外側第1抵抗線部W12が有する第1領域Rc,Rdの数と、内側第2抵抗線部W21が有する第2領域Re,Rfの数と、外側第2抵抗線部W22が有する第2領域Rg,Rhの数とが、いずれも2つである。そして、内側第1抵抗線部W11および外側第1抵抗線部W12における、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14と、内側第2抵抗線部W21および外側第2抵抗線部W22における、周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24と、が周方向に一定の角度ずれて配置される。
このようにすれば、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とで、周方向の角度に依存する影響が一定の角度ずれた状態で発生する。このため、例えば、周方向の角度に依存する影響が180°周期の場合に、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とに基づいて、周方向の角度に依存する影響を低減した出力信号を得ることができる。
特に、本実施形態では、上述した「一定の角度」が90°である。このようにすれば、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号とで、周方向の角度に依存する影響の周期が90°ずれる。このため、第1抵抗線部W1の出力信号と第2抵抗線部W2の出力信号との和をとることにより、180°周期の周方向の角度に依存する影響をキャンセルできる。
図15は、第1抵抗線部W1のリップル誤差E1と、第2抵抗線部W2のリップル誤差E2との、時間変化を示したグラフである。図15のグラフの横軸は、時刻を示す。図15のグラフの縦軸は、リップル誤差を表す電圧を正規化した値を示す。これらのリップル誤差E1,E2は、上述した「周方向の角度に依存する影響」に相当する。上述の通り、本実施形態では、周方向に隣り合う第1領域Ra,Rb,Rc,Rdの周方向の間隙w14と、周方向に隣り合う第2領域Re,Rf,Rg,Rhの周方向の間隙w24とが、周方向に90°ずれて配置される。このため、第1抵抗線部W1のリップル誤差E1と、第2抵抗線部W2のリップル誤差E2とが、半周期ずれた波形となる。したがって、第1抵抗線部W1のリップル誤差E1と、第2抵抗線部W2のリップル誤差E2とは、常に、正負が逆で絶対値が近似した値(正負が反転した値)となる。
この場合、検出回路42は、第1抵抗線部W1の出力信号と、第2抵抗線部W2の出力信号との和を計算することで、リップル誤差E1,E2をキャンセルできる。このため、第1実施形態のようなリップル補正を行わなくても、ベース部231にかかるトルクの検出値を、リップル誤差を低減した状態で出力できる。このように、本実施形態では、リップル補正を不要であるため、第3抵抗線部W3を省略できる。
<5.変形例>
以上、本発明の第1実施形態および第2実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。
上記の実施形態では、抵抗線412が、柔軟に変形可能な絶縁層411の表面に配置されていた。しかしながら、抵抗線412は、ベース部231の表面234に配置されていてもよい。例えば、ベース部231の表面234に、絶縁膜を形成し、当該絶縁膜の表面に、スパッタリングなどで導体層を形成する。そして、エッチング等の化学的手段またはレーザなどの物理的手段により、導体層の不要な部分を除去することにより、抵抗線412を形成してもよい。なお、絶縁膜には、例えば、無機絶縁材料が使用される。
また、上記の実施形態の環状体20は、ベース部231が、胴部21よりも径方向外側へ向けて広がる、いわゆる「ハット型」の可撓性外歯歯車であった。ハット型の環状体20は、胴部21の径方向内側のスペースを有効活用できる点で、優れている。ただし、環状体20は、ベース部231が、胴部21よりも径方向内側へ向けて広がる、いわゆる「カップ型」の可撓性外歯歯車であってもよい。
また、上記の実施形態では、ロボット100に搭載される波動減速機1について説明した。しかしながら、同様の構造の波動減速機1を、アシストスーツ、無人搬送台車などの他の装置に搭載してもよい。
その他、環状体、波動減速機、およびロボットの細部の構成については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変更してもよい。また、上記の各実施形態および各変形例に登場した要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。
本発明は、環状体、波動減速機、ロボット、およびトルク検出装置に利用できる。
1 波動減速機
9 中心軸
10 内歯歯車
11 内歯
20 環状体
21 胴部
22 外歯
23 環状板部
30 波動発生器
31 カム
32 可撓性軸受
40 トルク検出装置
41 基板
42 検出回路
100 ロボット
101 ベースフレーム
102 アーム
103 モータ
231 ベース部
232 肉厚部
234 表面
411 絶縁層
412 抵抗線
C1 第1ブリッジ回路
C2 第2ブリッジ回路
C3 第3ブリッジ回路
C4 第4ブリッジ回路
W1 第1抵抗線部
W11 内側第1抵抗線部
W12 外側第1抵抗線部
W13 第1接続領域
W2 第2抵抗線部
W21 内側第2抵抗線部
W22 外側第2抵抗線部
W23 第2接続領域
W3 第3抵抗線部
W4 第4抵抗線部
Ra,Rb,Rc,Rd 第1領域
Re,Rf,Rg,Rh 第2領域
Ri,Rj,Rk,Rl,Rm,Rn,Ro,Rp 第3領域
r1 第1の部位
r2 第2の部位
r3 第3の部位
r4 第4の部位

Claims (21)

  1. 中心軸を囲み、前記中心軸と交差する方向に広がるベース部と、
    前記ベース部に配置された抵抗線と、
    を有し、
    前記抵抗線は、
    第1抵抗線部と、
    前記第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された第2抵抗線部と、
    を有し、
    前記第1抵抗線部は、
    内側第1抵抗線部と、
    前記内側第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第1抵抗線部と、
    を有し、
    前記第2抵抗線部は、
    内側第2抵抗線部と、
    前記内側第2抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第2抵抗線部と、
    を有し、
    前記内側第1抵抗線部および前記外側第1抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第1領域を有し、
    前記複数の第1領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含み、
    前記内側第2抵抗線部および前記外側第2抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第2領域を有し、
    前記複数の第2領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含む、環状体。
  2. 請求項1に記載の環状体であって、
    周方向に隣り合う前記第1領域の周方向の間隙と、周方向に隣り合う前記第2領域の周方向の間隙とが、周方向の同じ位置に配置される、環状体。
  3. 請求項2に記載の環状体であって、
    前記内側第1抵抗線部が有する前記第1領域の数と、
    前記外側第1抵抗線部が有する前記第1領域の数と、
    前記内側第2抵抗線部が有する前記第2領域の数と、
    前記外側第2抵抗線部が有する前記第2領域の数と、
    が同数であり、
    前記内側第1抵抗線部における、周方向に隣り合う第1領域の周方向の間隙と、
    前記外側第1抵抗線部における、周方向に隣り合う第1領域の周方向の間隙と、
    前記内側第2抵抗線部における、周方向に隣り合う第2領域の周方向の間隙と、
    前記外側第2抵抗線部における、周方向に隣り合う第2領域の周方向の間隙と、
    が、周方向の同じ位置に配置される、環状体。
  4. 請求項2または請求項3に記載の環状体であって、
    前記抵抗線は、第3抵抗線部をさらに有し、
    前記第3抵抗線部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第3領域を有し、
    前記第3領域は、第3の部位が繰り返し配置される領域を含み、
    前記第3の部位は、径方向に延び、周方向に繰り返し配置されるか、または、周方向に延び、径方向に繰り返し配置される、環状体。
  5. 請求項4に記載の環状体であって、
    前記第3抵抗線部は、4つ以上の前記第3領域を有する、環状体。
  6. 請求項4または請求項5に記載の環状体であって、
    周方向に隣り合う第1領域の周方向の間隙および周方向に隣り合う第2領域の周方向の間隙は、周方向に隣り合う前記第3領域の周方向の間隙と、周方向の同じ位置に配置される、環状体。
  7. 請求項1に記載の環状体であって、
    周方向に隣り合う前記第1領域の周方向の間隙と、周方向に隣り合う前記第2領域の周方向の間隙とが、周方向に一定の角度ずれて配置される、環状体。
  8. 請求項7に記載の環状体であって、
    前記内側第1抵抗線部が有する前記第1領域の数と、
    前記外側第1抵抗線部が有する前記第1領域の数と、
    前記内側第2抵抗線部が有する前記第2領域の数と、
    前記外側第2抵抗線部が有する前記第2領域の数と、
    が同数であり、
    前記内側第1抵抗線部および前記外側第1抵抗線部における、周方向に隣り合う第1領域の周方向の間隙と、前記内側第2抵抗線部および前記外側第2抵抗線部における、周方向に隣り合う第2領域の周方向の間隙と、が周方向に一定の角度ずれて配置される、環状体。
  9. 請求項7または請求項8に記載の環状体であって、
    前記一定の角度は90°である、環状体。
  10. 請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の環状体であって、
    前記第1抵抗線部と前記第2抵抗線部とが、前記中心軸を中心として、同心状に配置される、環状体。
  11. 請求項10に記載の環状体であって、
    周方向に隣り合う前記第1領域の周方向の間隙の中心角と、周方向に隣り合う前記第2領域の周方向の間隙の中心角と、が等しい、環状体。
  12. 請求項1から請求項11までのいずれか1項に記載の環状体であって、
    前記第1抵抗線部と前記第2抵抗線部の径方向の間隔は、前記第1領域の径方向の幅および前記第2領域の径方向の幅の、どちらよりも狭い、環状体。
  13. 請求項1から請求項12までのいずれか1項に記載の環状体であって、
    前記第1抵抗線部と前記第2抵抗線部との径方向の間隔は、周方向に隣り合う前記第1領域の間隔と、周方向に隣り合う前記第2領域の間隔と、のどちらよりも狭い、環状体。
  14. 請求項1から請求項13までのいずれか1項に記載の環状体であって、
    前記第1抵抗線部は、
    複数の前記第1領域に接続される第1接続領域
    をさらに有し、
    複数の前記第1領域が、前記第1接続領域を介して接続されることにより、第1ブリッジ回路が形成され、
    前記第2抵抗線部は、
    複数の前記第2領域に接続される第2接続領域
    をさらに有し、
    複数の前記第2領域が、前記第2接続領域を介して接続されることにより、第2ブリッジ回路が形成される、環状体。
  15. 請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載の環状体であって、
    複数の前記第1領域の抵抗値は、互いに等しく、
    複数の前記第2領域の抵抗値は、互いに等しい、環状体。
  16. 請求項1から請求項15までのいずれか1項に記載の環状体であって、
    前記抵抗線は、第4抵抗線部をさらに有し、
    前記第4抵抗線部は、周方向に延びる第4の部位を含む、環状体。
  17. 請求項1から請求項16までのいずれか1項に記載の環状体と、
    波動発生器と、
    内歯歯車と、
    を有する波動減速機であって、
    前記環状体は、
    前記ベース部の径方向端部から軸方向に延びる筒状の胴部と、
    前記胴部の径方向外側面から径方向外方に突出する複数の外歯と、
    を有し、
    前記波動発生器は、前記外歯の径方向内側に配置され、
    前記内歯歯車は、前記外歯の径方向外側に配置され、
    前記内歯歯車は、径方向内側面から径方向内方へ突出する複数の内歯を有し、
    前記複数の外歯の一部と、前記複数の内歯の一部とが噛み合う、波動減速機。
  18. 請求項17の波動減速機を有する、ロボット。
  19. トルク検出装置であって、
    中心軸に対して周方向に配置された抵抗線と、
    前記抵抗線と電気的に接続された検出回路と、
    を有し、
    前記抵抗線は、
    第1抵抗線部と、
    前記第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された第2抵抗線部と、
    を有し、
    前記第1抵抗線部は、
    内側第1抵抗線部と、
    前記内側第1抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第1抵抗線部と、
    を有し、
    前記第2抵抗線部は、
    内側第2抵抗線部と、
    前記内側第2抵抗線部よりも径方向外側に配置された外側第2抵抗線部と、
    を有し、
    前記内側第1抵抗線部および前記外側第1抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第1領域を有し、
    前記複数の第1領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第1の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含み、
    前記内側第2抵抗線部および前記外側第2抵抗線部は、それぞれ、周方向に間隔をあけて配置された複数の第2領域を有し、
    前記複数の第2領域は、それぞれ、径方向および周方向の両方の成分を有する方向に延びる第2の部位が、周方向に繰り返し配置される領域を含み、
    前記第1抵抗線部は、
    複数の前記第1領域に接続される第1接続領域
    をさらに有し、
    複数の前記第1領域が、前記第1接続領域を介して接続されることにより、第1ブリッジ回路が形成され、
    前記第2抵抗線部は、
    複数の前記第2領域に接続される第2接続領域
    をさらに有し、
    複数の前記第2領域が、前記第2接続領域を介して接続されることにより、第2ブリッジ回路が形成され、
    前記抵抗線が配置される領域にかかるトルクに応じて、前記第1の部位および前記第2の部位の抵抗値が変化し、
    前記検出回路は、第1ブリッジ回路の出力信号と第2ブリッジ回路の出力信号とを比較することにより、前記抵抗線の状態を示す診断信号を出力する、トルク検出装置。
  20. 請求項19に記載のトルク検出装置であって、
    前記検出回路は、
    前記第1ブリッジ回路の出力信号と第2ブリッジ回路の出力信号との差が、所定の閾値以上である場合に、前記診断信号として、所定の信号を出力する、トルク検出装置。
  21. 請求項19または請求項20に記載のトルク検出装置であって、
    前記検出回路は、第1ブリッジ回路の出力信号と第2ブリッジ回路の出力信号との和に基づいて、信号を出力する、トルク検出装置。
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