JP5817371B2 - トルク計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク計測装置に関する。

この種の技術として、特許文献１は、起歪体と歪みゲージを備えたロードセルを開示している。起歪体は、入力側又は出力側の一方にボルト接合される外輪と、入力側又は出力側の他方にボルト接合される内輪と、外輪と内輪とを連結し起歪部を成すスポーク部と、によって構成されている。スポーク部には、歪みゲージが設けられている。

特開2009-288187号公報

しかし、上記特許文献１のロードセルは、入力側から出力側へ高いトルクを伝達する際、若干の滑りを生じさせてしまう虞がある。なぜなら、ボルト接合はボルトとボルト孔との間に不可避的な隙間が存在するからである。

本願発明の目的は、ボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減する技術を提供することにある。

本願発明の第１の観点によれば、入力側から出力側へ伝達されるトルクを計測するためのトルク計測装置であって、前記入力側又は前記出力側の一方である第１相手側部材に結合される第１構造体と、前記入力側又は前記出力側の他方である第２相手側部材に結合される第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体を連結する起歪部と、前記起歪部の変形量を検出可能な変形量検出手段と、を備え、前記第１構造体は、前記第１相手側部材に対して、ボルト接合によって結合されると共に、前記第１構造体と前記第１相手側部材とは、突出部と溝部との組み合わせにより、前記トルクが作用する方向としてのトルク作用方向における前記ボルト接合の遊びよりも小さな遊びで嵌合し合う、トルク計測装置が提供される。以上の構成によれば、前記第１構造体と前記第１相手側部材との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

前記第２構造体は、前記第２相手側部材に対して、ボルト接合によって結合されると共に、前記第２構造体と前記第２相手側部材とは、突出部と溝部との組み合わせにより、前記トルク作用方向における前記ボルト接合の遊びよりも小さな遊びで嵌合し合う。以上の構成によれば、前記第２構造体と前記第２相手側部材との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

前記第１構造体と前記第１相手側部材とが嵌合し合うために前記第１構造体に形成される前記突出部又は前記溝部は、第１の方向に延びて形成されており、前記第２構造体と前記第２相手側部材とが嵌合し合うために前記第２構造体に形成される前記突出部又は前記溝部は、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に延びて形成されている。以上の構成によれば、前記トルク計測装置から見て、前記第１相手側部材が前記第１の方向にスライド可能であり、前記第２相手側部材が前記第１の方向に対して直交する前記第２の方向にスライド可能であるので、前記ボルト接合の前に行われる、前記第１相手側部材と前記トルク計測装置と前記第２相手側部材との調心作業が容易である。

本願発明の第２の観点によれば、入力側から出力側へ伝達されるトルクを計測するためのトルク計測装置であって、前記入力側又は前記出力側の一方である第１相手側部材に結合される第１構造体と、前記入力側又は前記出力側の他方である第２相手側部材に結合される第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体を連結する起歪部と、前記起歪部の変形量を検出可能な変形量検出手段と、を備え、前記第１構造体は、前記第１相手側部材に対して、ボルト接合によって結合されると共に、前記第１構造体と前記第１相手側部材とは、テーパー付き突出部とテーパー付き溝部との組み合わせにより、前記トルクが作用する方向としてのトルク作用方向における遊びを消すように楔係合する、トルク計測装置が提供される。以上の構成によれば、前記第１構造体と前記第１相手側部材との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を解決できる。

前記第２構造体は、前記第２相手側部材に対して、ボルト接合によって結合されると共に、前記第２構造体と前記第２相手側部材とは、テーパー付き突出部とテーパー付き溝部との組み合わせにより、前記トルクが作用する方向としてのトルク作用方向における遊びを消すように楔係合する。以上の構成によれば、前記第２構造体と前記第２相手側部材との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を解決できる。

前記第１構造体と前記第１相手側部材とが楔係合するために前記第１構造体に形成される前記テーパー付き突出部又は前記テーパー付き溝部は、第１の方向に延びて形成されており、前記第２構造体と前記第２相手側部材とが楔係合するために前記第２構造体に形成される前記テーパー付き突出部又は前記テーパー付き溝部は、第１の方向に対して直交する第２の方向に延びて形成されている。以上の構成によれば、前記トルク計測装置から見て、前記第１相手側部材が前記第１の方向にスライド可能であり、前記第２相手側部材が前記第１の方向に対して直交する前記第２の方向にスライド可能であるので、前記ボルト接合の前に行われる、前記第１相手側部材と前記トルク計測装置と前記第２相手側部材との調心作業が容易である。

本願発明によれば、前記第１構造体と前記第１相手側部材との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

図１は、ロボットの関節部分の要部断面図である。（第１実施形態） 図２は、トルクセンサの正面図である。（第１実施形態） 図３は、図２のIII-III線矢視断面図である。（第１実施形態） 図４は、図２のIV-IV線矢視断面図である。（第１実施形態） 図５は、図２のV-V線矢視断面図である。（第１実施形態） 図６は、図５に類似する図であって、第２実施形態を示す図である。

（第１実施形態）
以下、図１〜５を参照しつつ、本願発明の第１実施形態を説明する。

図１には、本実施形態のトルクセンサ１をロボット２の関節部３に組み込んだ例を示している。図１に示すように、ロボット２の関節部３は、上腕に相当する第１関節機構４と、前腕に相当する第２関節機構５と、サーボドライバ６と、サーボモータ７（トルク発生手段、駆動源）と、減速機８と、を備えて構成されている。

サーボモータ７と減速機８は、第１関節機構４の先端部に回転不能に支持されている。

サーボモータ７は、サーボドライバ６から受信するトルク指令信号に基づいて、図示しない回転軸を回転させる。サーボモータ７は、上記回転軸の回転角を検出するアブソリュートエンコーダ９を有している。アブソリュートエンコーダ９は、検出した上記回転軸の回転角をサーボドライバ６にフィードバックする。

減速機８は、サーボモータ７から出力されたトルクを増幅するためのものである。減速機８は、一次側締結部材１０（第１相手側部材）を有している。一次側締結部材１０は、トルクセンサ１と結合している。

第２関節機構５は、二次側締結部材１１（第２相手側部材）を有している。二次側締結部材１１は、トルクセンサ１と結合している。

トルクセンサ１は、一次側締結部材１０（入力側）から二次側締結部材１１（出力側）へ伝達されるトルクを計測するものである。トルクセンサ１は、計測したトルクをトルク信号としてサーボドライバ６にフィードバックする。

以上の構成で、サーボドライバ６で生成されたトルク指令信号に基づいてサーボモータ７はトルクを発生させ、発生したトルクは減速機８によって増幅された上でトルクセンサ１を介して第２関節機構５に出力される。

次に、トルクセンサ１の構成を詳細に説明する。図２に示すように、トルクセンサ１は、第１構造体１２と、第２構造体１３と、４つの起歪部１４と、によって構成されている。

図２の第１構造体１２は、一次側締結部材１０に対して結合する部分である。第１構造体１２には、複数のボルト接合用メネジ１５が形成されている。一次側締結部材１０に形成されているボルト接合用ボルト貫通孔にボルトを貫通させ、このボルトをボルト接合用メネジ１５にねじ込むことで、第１構造体１２は、一次側締結部材１０に対してボルト接合される。

図４に示すように、第１構造体１２の一次側締結部材１０側の面である第１接合面１６には、トルクセンサ１の回転軸Cに対して直交する第１方向１７（第１の方向）に沿って細長い第１突条体１８（突出部）が、回転軸Cを挟むように一対で形成されている。図５に示すように、第１突条体１８の長手方向に対して直交する断面の形状は略矩形状である。そして、第１構造体１２の第１突条体１８は、一次側締結部材１０に形成されている第１突条体収容溝３０に収容される。このとき、トルクセンサ１の円周方向（即ち、トルク作用方向Td）における第１突条体１８と第１突条体収容溝３０との間の隙間ｇは、トルク作用方向Tdにおけるボルト接合の遊びよりも小さく設定されている。従って、第１構造体１２と一次側締結部材１０との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

図２の第２構造体１３は、二次側締結部材１１に対して結合する部分である。第２構造体１３は、第１構造体１２の外周側に環状に配置されている。第２構造体１３には、複数のボルト接合用メネジ１９が形成されている。二次側締結部材１１に形成されているボルト接合用ボルト貫通孔にボルトを貫通させ、このボルトをボルト接合用メネジ１９にねじ込むことで、第２構造体１３は、二次側締結部材１１に対してボルト接合される。

図３に示すように、第２構造体１３の二次側締結部材１１側の面である第２接合面２０には、トルクセンサ１の回転軸Cに対して直交すると共に、第１突条体１８の長手方向（第１方向１７）に対して直交する第２方向２１（第２の方向）に沿って細長い第２突条体収容溝２２（溝）が、回転軸Cを挟むように一対で形成されている。第２突条体収容溝２２の長手方向に対して直交する断面の形状は略矩形状である。そして、第２構造体１３の第２突条体収容溝２２は、二次側締結部材１１に形成されている第２突条体３１を収容する。このとき、トルクセンサ１の円周方向（即ち、トルク作用方向Td）における第２突条体３１と第２突条体収容溝２２との間の隙間は、図５における第１突条体１８と第１突条体収容溝３０との間の隙間のように、トルク作用方向Tdにおけるボルト接合の遊びよりも小さく設定されている。従って、第２構造体１３と二次側締結部材１１との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

各起歪部１４は、図２に示すように、第１構造体１２と第２構造体１３を連結する。起歪部１４には、起歪部１４の変形量を検出可能な薄膜の歪みセンサ３２（変形量検出手段）がスパッタリングによって複数、パターニングされている。図１のサーボドライバ６は、複数の歪みセンサ３２の出力値に基づいて、第１構造体１２と第２構造体１３の間に作用するトルクを算出してサーボモータ７をフィードバック制御する。

以上に本願発明の第１実施形態を説明したが、上記第１実施形態は、要するに、以下の特長を有している。

（１）トルクセンサ１（トルク計測装置）は、一次側締結部材１０（入力側）から二次側締結部材１１（出力側）へ伝達されるトルクを計測するためのものである。トルクセンサ１は、一次側締結部材１０（一次側締結部材１０又は二次側締結部材１１の一方である第１相手側部材）に結合される第１構造体１２と、二次側締結部材１１（一次側締結部材１０又は二次側締結部材１１の他方である第２相手側部材）に結合される第２構造体１３と、第１構造体１２と第２構造体１３を連結する起歪部１４と、起歪部１４の変形量を検出可能な歪みセンサ３２（変形量検出手段）と、を備える。第１構造体１２は、一次側締結部材１０に対して、ボルト接合によって結合される。第１構造体１２と一次側締結部材１０とは、第１突条体１８（突出部）と第１突条体収容溝３０（溝部）との組み合わせにより、トルクが作用する方向としてのトルク作用方向Tdにおける上記のボルト接合の遊びよりも小さな遊びで嵌合し合っている。以上の構成によれば、第１構造体１２と一次側締結部材１０との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

なお、第１構造体１２と一次側締結部材１０との間で滑りが発生すると、第２関節機構５の先端部にステップ状の振動が発生し、例えば第２関節機構５の先端部に設けられたハンドの繊細な動きを阻害する。この点、上記実施形態では、第１構造体１２と一次側締結部材１０との間の滑りが低減されているので、上記ハンドの繊細な動きに寄与する。

（２）第２構造体１３は、二次側締結部材１１に対して、ボルト接合によって結合される。第２構造体１３と二次側締結部材１１とは、第２突条体３１（突出部）と第２突条体収容溝２２（溝部）との組み合わせにより、トルク作用方向Tdにおけるボルト接合の遊びよりも小さな遊びで嵌合し合っている。以上の構成によれば、第２構造体１３と二次側締結部材１１との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を低減することができる。

なお、第２構造体１３と二次側締結部材１１との間で滑りが発生すると、第２関節機構５の先端部にステップ状の振動が発生し、例えば第２関節機構５の先端部に設けられたハンドの繊細な動きを阻害する。この点、上記実施形態では、第２構造体１３と二次側締結部材１１との間の滑りが低減されているので、上記ハンドの繊細な動きに寄与する。

（３）第１構造体１２と一次側締結部材１０とが嵌合し合うために第１構造体１２に形成される第１突条体１８は、第１方向１７に延びて形成されており、第２構造体１３と二次側締結部材１１とが嵌合し合うために第２構造体１３に形成される第２突条体収容溝２２は、第１方向１７に対して直交する第２方向２１に延びて形成されている。以上の構成によれば、トルクセンサ１から見て、一次側締結部材１０が第１方向１７にスライド可能であり、二次側締結部材１１が第１方向１７に対して直交する第２方向２１にスライド可能であるので、ボルト接合の前に行われる、一次側締結部材１０とトルクセンサ１と二次側締結部材１１との調心作業が容易である。

換言すれば、図２に示すように、第１突条体１８の長手方向と第２突条体収容溝２２の長手方向は、直交している。これにより、一次側締結部材１０の中心軸と二次側締結部材１１の中心軸が一致していなくても、トルクセンサ１を一次側締結部材１０と二次側締結部材１１に対して問題なく結合することができる。

即ち、上記第１実施形態によれば、位置ずれを起こさず確実にトルク伝達ができる締結機能と一次側中心軸と二次側中心軸とにならう調心機能を同時に満足する解が提供されることになる。

以上に、本願発明の第１実施形態を説明したが、第１実施形態は以下のように変更できる。

上記第１実施形態では、図４に示すように、第１構造体１２に第１突条体１８を設け、一次側締結部材１０に第１突条体収容溝３０を設けることとした。しかし、これに代えて、第１構造体１２に第１突条体収容溝３０を設け、一次側締結部材１０に第１突条体１８を設けてもよい。

上記第１実施形態では、図３に示すように、第２構造体１３に第２突条体収容溝２２を設け、二次側締結部材１１に第２突条体３１を設けることとした。しかし、これに代えて、第２構造体１３に第２突条体３１を設け、二次側締結部材１１に第２突条体収容溝２２を設けてもよい。

上記第１実施形態では、第１構造体１２が一次側締結部材１０と結合し、第２構造体１３が二次側締結部材１１と結合することにした。しかし、これに代えて、第１構造体１２が二次側締結部材１１と結合し、第２構造体１３が一次側締結部材１０と結合するようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、図６を参照しつつ、本願発明の第２実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。

図５に示すように、上記第１実施形態においてトルクセンサ１の第１構造体１２には、断面形状が略矩形状である第１突条体１８が形成されており、一次側締結部材１０には、断面形状が略矩形状である第１突条体収容溝３０が形成されているとした。しかし、これに代えて、本実施形態においてトルクセンサ１の第１構造体１２には、テーパー付き第１突条体５０が形成されており、一次側締結部材１０には、テーパー付き第１突条体収容溝５１が形成されている。テーパー付き第１突条体５０は、第１構造体１２の第１接合面１６に対して傾斜する一対のテーパー面５０ａを有している。同様に、テーパー付き第１突条体収容溝５１は、一対のテーパー面５１ａを有している。そして、図６に示すように、テーパー付き第１突条体５０の各テーパー面５０ａがテーパー付き第１突条体収容溝５１の各一対のテーパー面５１ａに対してテーパー状に面接触することで、第１構造体１２と一次側締結部材１０が楔係合し、もって、第１構造体１２と一次側締結部材１０との間のトルク作用方向Tdにおける遊びが消えている。トルク作用方向Tdにおける遊びが消えるとは、即ち、図５における隙間ｇに相当する隙間がない、ということである。

同様に、第２構造体１３と二次側締結部材１１とは、テーパー付き突出部（図６のテーパー付き第１突条体５０に相当。）とテーパー付き溝部（図６のテーパー付き第１突条体収容溝５１に相当。）との組み合わせにより、トルク作用方向Tdにおける遊びを消すように楔係合している。これにより、第２構造体１３と二次側締結部材１１との間のトルク作用方向Tdにおける遊びが消えている。トルク作用方向Tdにおける遊びが消えるとは、即ち、図５における隙間ｇに相当する隙間がない、ということである。

以上に、本願発明の第２実施形態を説明したが、第２実施形態は、要するに、以下の特長を有している。

（４）トルクセンサ１（トルク計測装置）は、一次側締結部材１０（入力側）から二次側締結部材１１（出力側）へ伝達されるトルクを計測するためのものである。トルクセンサ１は、一次側締結部材１０（一次側締結部材１０又は二次側締結部材１１の一方である第１相手側部材）に結合される第１構造体１２と、二次側締結部材１１（一次側締結部材１０又は二次側締結部材１１の他方である第２相手側部材）に結合される第２構造体１３と、第１構造体１２と第２構造体１３を連結する起歪部１４と、起歪部１４の変形量を検出可能な歪みセンサ３２（変形量検出手段）と、を備える。第１構造体１２は、一次側締結部材１０に対して、ボルト接合によって結合される。第１構造体１２と一次側締結部材１０とは、テーパー付き第１突条体５０（テーパー付き突出部）とテーパー付き第１突条体収容溝５１（テーパー付き溝部）との組み合わせにより、トルク作用方向Tdにおける遊びを消すように楔係合する。以上の構成によれば、第１構造体１２と一次側締結部材１０との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を解決できる。

（５）また、第２構造体１３は、二次側締結部材１１に対して、ボルト接合によって結合される。第２構造体１３と二次側締結部材１１とは、テーパー付き突出部（テーパー付き第１突条体５０に相当。）とテーパー付き溝部（テーパー付き第１突条体収容溝５１に相当。）との組み合わせにより、トルク作用方向Tdにおける遊びを消すように楔係合する。以上の構成によれば、第２構造体１３と二次側締結部材１１との結合にボルト接合を採用したことによる滑りの影響を解決できる。

（６）また、第１構造体１２と一次側締結部材１０とが楔係合するために第１構造体１２に形成されるテーパー付き第１突条体５０は、第１方向１７に延びて形成されており、第２構造体１３と二次側締結部材１１とが楔係合するために第２構造体１３に形成されるテーパー付き第１突条体５０（又はテーパー付き第１突条体収容溝５１）は、第１方向１７に対して直交する第２方向２１に延びて形成されている。以上の構成によれば、トルクセンサ１から見て、一次側締結部材１０が第１方向１７にスライド可能であり、二次側締結部材１１が第１方向１７に対して直交する第２方向２１にスライド可能であるので、ボルト接合の前に行われる、一次側締結部材１０とトルクセンサ１と二次側締結部材１１との調心作業が容易である。

即ち、上記第２実施形態によっても、位置ずれを起こさず確実にトルク伝達ができる締結機能と一次側中心軸と二次側中心軸とにならう調心機能を同時に満足する解が提供されることになる。

１ トルクセンサ
２ ロボット
３ 関節部
４ 第１関節機構
５ 第２関節機構
１０ 一次側締結部材
１１ 二次側締結部材
１２ 第１構造体
１３ 第２構造体
１４ 起歪部

Claims (4)

1. 一次側締結部材から二次側締結部材へ伝達されるトルクを計測するためのトルク計測装置であって、
   前記一次側締結部材と係合する第1構造体と、
   前記第1構造体の外周側に配置され、前記二次側締結部材と係合する第2構造体と、
   前記第1構造体と前記第2構造体を連結する起歪部と、
   前記起歪部の変形量を検出可能な変形量検出手段と、
   を備え、
   前記第1構造体の前記一次側締結部材側の面である第1接合面には、前記トルク計測装置の回転軸に対して直交する第1の方向において前記回転軸を挟むように配置され、前記第1の方向に沿って延びる、一対の突出部又は溝部が形成されており、
   前記第1構造体の前記突出部又は前記溝部は、前記一次側締結部材が有する溝部又は突出部と係合可能であり、
   前記起歪部は、前記第1の方向に対して直交する第2の方向に概ね沿うように延び、前記第1構造体と前記第2構造体を連結している、
   トルク計測装置。
2. 請求項1に記載のトルク計測装置であって、
   前記第2構造体の前記二次側締結部材側の面である第2接合面には、前記第2の方向において前記回転軸を挟むように配置され、前記第２の方向に沿って延びる、一対の突出部又は溝部が形成されており、
   前記第2構造体の前記突出部又は前記溝部は、前記二次側締結部材が有する溝部又は突出部と係合可能である、
   トルク計測装置。
3. 請求項１又は２に記載のトルク計測装置であって、
   前記第１構造体の前記突出部又は前記溝部の断面形状は、略矩形状又は楔係合するためのテーパー形状である、
   トルク計測装置。
4. 請求項２に記載のトルク計測装置であって、
   前記第２構造体の前記突出部又は前記溝部の断面形状は、略矩形状又は楔係合するためのテーパー形状である、
   トルク計測装置。

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