JP6135408B2 - トルクセンサ、駆動装置、及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、トルクセンサに関する。

歪センサを用いたトルクセンサが利用されている。

例えば、特許文献１では、円状部と、円状部を周囲する環状部と、円状部と環状部との間を接続する複数の梁部とを備える起歪体を用いたトルクセンサが開示されている。詳細には、歪センサとして歪ゲージが梁部に設置される。歪ゲージ同士が結線されて、ブリッジ回路が形成される。トルクが円状部にかかると、梁部が曲がり、歪ゲージが歪む。これにより、ブリッジ回路からの出力変化に基づいて、トルクを測定することができる。

特開２０１３−００２８６４号公報

ところで、軸方向にかかる力、スラストを計測することが求められている。特許文献１で開示されるトルクセンサでは、スラストを計測することができなかった。

本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、トルク及びスラストを測定することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。

本発明にかかるトルクセンサは、
中央部と、
前記中央部を囲む環状部と、
前記中央部と前記環状部とを接続する複数の梁部と、
前記梁部に設けられる複数の歪センサと、
前記複数の歪センサを含むブリッジ回路と、
判別手段と、を備え、
前記梁部は、第１梁部と、第２梁部と、第３梁部と、第４梁部とを含み、
前記第１梁部及び前記第４梁部は、前記環状部の中心点を通過する第１中心線に沿って配置され、
前記第２梁部及び前記第３梁部は、前記中心点を通過する第２中心線に沿って配置され、
前記第１中心線と前記第２中心線とのなす角度は、０°より大きく９０°より小さい、又は、９０°より大きく１８０°よりも小さいのであり、
前記ブリッジ回路は、複数であって、
前記判別手段は、前記複数のブリッジ回路の出力の相対的な関係に基づいて、トルク及びスラストを判別する。

このような構成によれば、トルク及びスラストを計測することができる。

他方、本発明にかかる駆動装置は、上記したトルクセンサを含む駆動装置である。他方、本発明にかかるロボットは、上記した駆動装置を含むロボットである。

このような構成によれば、トルク及びスラストを計測することができる。

実施の形態１にかかるトルクセンサの正面図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサの要部の拡大正面図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサのブリッジ回路の回路図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサのブリッジ回路の回路図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサの変形を示す図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサの要部の変形を示す図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサのブリッジ回路の歪センサの抵抗値の変化を示す図である。 トルクに対する出力電圧を示す図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサの変形を示す図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサの要部の変形を示す図である。 実施の形態１にかかるトルクセンサのブリッジ回路の歪センサの抵抗値の変化を示す図である。 スラストに対する出力電圧を示す図である。 実施の形態１の変形例にかかるトルクセンサの構成図である。 実施の形態２にかかる駆動装置を示す図である。 実施の形態３にかかるロボットアームの斜視図である。

実施の形態１．
以下、図１〜４を参照して実施の形態１にかかるトルクセンサについて説明する。図１は、実施の形態１にかかるトルクセンサの正面図である。図２は、実施の形態１にかかるトルクセンサの要部の拡大正面図である。図３及び４は、実施の形態１にかかるトルクセンサのブリッジ回路の回路図である。

図１に示すように、トルクセンサ起歪体１００は、一次側構造体２と、二次側構造体３と、第１梁部４１と、第２梁部４２と、第３梁部４３と、第４梁部４４と、を含む板状体である。トルクセンサ起歪体１００は、例えば、トルクを伝達する駆動装置において使用される。具体的には、トルクセンサ起歪体１００は、駆動装置の一次側部材と二次側部材との間にかかるトルク及びスラストを計測するために、一次側構造体２を一次側部材に組み付け、さらに、二次側構造体３を二次側部材に組み付けて、使用される。

一次側構造体２は、例えば、陸上競技において利用されるトラックのように、２つの直線部２１、２２と、直線部２１、２２をつなぐ円弧状部２３、２４とからなる形状を有する板である。一次側構造体２は、中心Ｃを有する。一次側構造体２は、中央部として機能する。なお、一次側構造体２は、円状板であってもよい。一次側構造体２は、曲げたり撓んだりできるように、厚み及び材料が選択される。このような材料として、例えば、ステンレス鋼が挙げられる。

二次側構造体３は、環状体であり、一次側構造体２を囲むように配置される。また、二次側構造体３の中心は、一次側構造体２の中心Ｃと同一となるように配置される。二次側構造体３は、環状部として機能する。二次側構造体３は、一次側構造体２と同様に、曲げたり撓んだりできるように、厚み及び材料が選択される。

第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、及び、第４梁部４４は、一次側構造体２と二次側構造体３とを接続する。第１梁部４１、第２梁部４２は、直線部２１から二次側構造体３へ延びる。また、第３梁部４３、及び、第４梁部４４は、直線部２２から二次側構造体３へ延びる。第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、及び、第４梁部４４は、一次側構造体２の中心Ｃから二次側構造体３に向かって、放射状に延びる。第１梁部４１の中心線Ｌ１及び第４梁部４４の中心線Ｌ４は同一直線上にあり、第２梁部４２の中心線Ｌ２及び第３梁部４３の中心線Ｌ３は同一直線上にある。第１梁部４１の中心線Ｌ１と第２梁部４２の中心線Ｌ２とのなす角度をθ１とし、第１梁部４１の中心線Ｌ１と第３梁部４３の中心線Ｌ３とのなす角度をθ２とする。ここで、θ１は、θ２よりも小さい。第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、及び、第４梁部４４は、一次側構造体２と二次側構造体３と一体化されていてもよい。また、第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、及び、第４梁部４４の幅は、一次側構造体２から二次側構造体３に向うにつれて、狭くなる。第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、及び、第４梁部４４は、一次側構造体２と同様に、曲げたり撓んだりできるように、厚み及び材料が選択される。

歪センサ５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８が第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、及び、第４梁部４４の主面上に設置されている。詳細には、図２に示すように、歪センサ５１、５２が第１梁部４１の主面上に設置されている。また、歪センサ５３、５４が第２梁部４２の主面上に設置されている。歪センサ５５、５６が第３梁部４３の主面上に設置されている。歪センサ５７、５８が第４梁部４４の主面上に設置されている。歪センサ５は、例えば、歪ゲージや薄膜センサを利用することができる。薄膜センサとして、Ｃｒ−Ｎ薄膜センサを利用してもよい。

図２に示すように、歪センサ５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８にそれぞれ対応する。図３に示すように、ブリッジ回路ＢｒＡは、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ７、Ｒ８、電源Ｅａ及び電圧計Ｖａを結線することで形成される。図４に示すように、ブリッジ回路ＢｒＢは、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、電源Ｅｂ及び電圧計Ｖｂを結線することで形成される。

使用方法１．
次に、図５〜８を参照してトルクセンサにトルクを印加した時の変形について説明する。図５は、実施の形態１にかかるトルクセンサの変形を示す図である。図６は、実施の形態１にかかるトルクセンサの要部の変形を示す図である。図７は、実施の形態１にかかるトルクセンサのブリッジ回路の歪センサの抵抗値の変化を示す図である。図８は、トルクに対する出力電圧を示す図である。

まず、図５（ａ）に示すように、トルク及びスラストがかかっていない無負荷状態のトルクセンサ起歪体１００を準備する。次に、図５（ｂ）に示すように、トルクセンサ起歪体１００にトルクをかける。具体的には、二次側構造体３を固定したままで、一次側構造体２を中心Ｃを軸として回転させる。すると、図６に示すように、抵抗Ｒ１、Ｒ３、Ｒ６、及び、Ｒ８はそれぞれ、第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、第４梁部４４から応力を受けて、矢印の方向に伸びる。一方、抵抗Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、及び、Ｒ７はそれぞれ、第１梁部４１、第２梁部４２、第３梁部４３、第４梁部４４から応力を受けて、矢印の方向に縮む。

図７に示すように、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、及び、Ｒ８の抵抗値はそれぞれ変化する。図７では、抵抗値が増加した場合を「＋」、抵抗値が減少した場合を「−」と記載した。抵抗Ｒ１、Ｒ３、Ｒ６、Ｒ８の抵抗値は、増加した。一方、抵抗Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ７の抵抗値は、減少した。図８に示すように、ブリッジ回路ＢｒＡの出力電圧Ｖｃａ、及び、ブリッジ回路ＢｒＢの出力電圧Ｖｃｂはいずれもトルクの力印加量に比例する。また、これらの比例係数はいずれも正である。

使用方法２．
次に、図９〜１２を参照してトルクセンサにスラストを印加した時の変形について説明する。図９は、実施の形態１にかかるトルクセンサの変形を示す図である。図１０は、実施の形態１にかかるトルクセンサの要部の変形を示す図である。図１１は、実施の形態１にかかるブリッジ回路の歪センサの抵抗値の変化を示す図である。図１２は、スラストに対する出力電圧を示す図である。

まず、図９（ａ）に示すように、トルク及びスラストがかかっていない無負荷状態のトルクセンサ起歪体１００を準備する。次に、図９（ｂ）に示すように、トルクセンサ起歪体１００にスラストをかける。具体的には、一次側構造体２を固定しつつ、二次側構造体３に対してその主面に垂直に力をかける。すると、図１０に示すように、抵抗Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５、及び、Ｒ８は、それぞれの矢印の方向に応力を受けて歪む。一方、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ６、及び、Ｒ７は、それぞれの矢印の方向に、抵抗Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５、及び、Ｒ８にかかる応力よりも高い応力を受けて歪む。

図１１に示すように、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、及び、Ｒ８の抵抗値はそれぞれ変化する。図１１では、抵抗値が所定の値だけ増加した場合を「＋」、抵抗値が「＋」の場合よりも大きく増加した場合を「＋」と記載した。図１２に示すように、ブリッジ回路ＢｒＡの出力電圧Ｖｃａはスラストの力印加量に比例し、この比例係数は正である。ブリッジ回路ＢｒＢの出力電圧Ｖｃｂはスラストの力印加量に比例するものの、この比例係数は負である。

上記した使用方法１及び２によれば、ブリッジ回路ＢｒＡ、ＢｒＢの出力電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂに基づいて、トルクセンサ起歪体１００にかかる力の種類、例えば、トルクかスラストかを判別することができる。例えば、図８に示すように、ブリッジ回路ＢｒＡの出力電圧Ｖｃａ、ブリッジ回路ＢｒＢの出力電圧Ｖｃｂはいずれも力印加量に比例しつつ、これらの比例係数はいずれも正である場合、トルクがトルクセンサ起歪体１００にかかっていると判別することができる。また、図１２に示すように、ブリッジ回路ＢｒＡの出力電圧Ｖｃａ、ブリッジ回路ＢｒＢの出力電圧Ｖｃｂはいずれも力印加量に比例しつつ、出力電圧Ｖｃａの比例係数は正、出力電圧Ｖｃｂの比例係数は負である場合、スラストがトルクセンサ起歪体１００にかかっていると判別することができる。さらに、出力電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂの比例係数の大きさに基づいて、スラスト及びトルクが同時にトルクセンサ起歪体１００にかかっていることを判別し得る。

以上、実施の形態１によれば、付加される力（トルク・スラスト）によって、複数の梁部の変形の仕方が異なる（図６、図１０参照）。この変形の仕方の違いを利用するブリッジ回路ＢｒＡ、ＢｒＢの出力の相対的な関係に基づいて、トルクとスラストとを検出することができる。１種類のこのようなトルクセンサ起歪体を用いてトルク及びスラストを同時に検出できるので、スラストを検出するためのセンサの設置を省略し、駆動装置の小型化を達成することができる。このような駆動装置として、例えば、ロボットアームの関節部が挙げられる。

なお、上記した実施形態にかかるトルクセンサでは、図１３に示すような検出部９０をトルクセンサ起歪体１００に電気的に接続してもよい。図１３は、実施の形態１の変形例にかかるトルクセンサの構成図である。図１３に示すように、検出部９０は、演算制御部９１を有する。演算制御部９１は、トルク及びスラストを判別するための演算プログラムに従って、出力電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂなどのブリッジ回路ＢｒＡ、ＢｒＢからの出力信号について演算する。検出部９０は、必要に応じて、フィルタ９２と、アンプ９３とをさらに備えてもよい。フィルタ９２は、出力電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂについての信号に対してフィルタ処理を行う。アンプ９３は、フィルタ処理された信号に対して増幅処理を行う。

実施の形態２.
図１４を参照して実施の形態２について説明する。図１４は、実施の形態２にかかる駆動装置を示す。

図１４に示すように、駆動装置２００は、モータ２０２と、トルクセンサ起歪体１００と、機構部２０１とを有する。モータ２０２は、トルクセンサ起歪体１００を介して、機構部２０１に、例えば、回転運動などの出力を与える。駆動装置２００は、例えば、ロボットアームの関節部に適用することができる。駆動装置２００では、トルクセンサ起歪体１００にかかる応力をモニタリングしながら、組み付けることができる。また、トルクセンサ起歪体１００にかかる応力をゼロにする、又は、低減して、組み込むことができる。

なお、上記した実施の形態２では、トルクセンサ起歪体１００をモータ２０２に取り付けたが、ギアを含む機構を介しても取り付けてもよい。このようなギアを含む機構として、例えば、減速機や変速機がある。また、モータ２０２の代わりに、ギアを含む機構とモータ２０２とを一体化させたギヤードモータを用いてもよい。また、駆動装置２００に制御装置に接続してもよい。制御装置は、モータ２０２等の運動を制御するための制御信号を送り、駆動装置２００の駆動を制御する。

実施の形態３.
図１５を参照して実施の形態３について説明する。図１５は、実施の形態３にかかるロボットアームを示す。

図１５に示すように、ロボットアーム３００は、第１ジョイント３０１と、第１アーム３０２と、第２ジョイント３０３と、第２アーム３０４と、第３ジョイント３０５と、第３アーム３０６と、エンドエフェクタ３０７と、を備える。

第１ジョイント３０１は、図示しないベース部に固定されており、回転運動を出力するモータなどの駆動部を内蔵する。第１アーム３０２は、第１ジョイント３０１に内蔵された駆動部により、第１ジョイント３０１を支点として旋回する。第２ジョイント３０３は、第１アーム３０２に一端を支持されており、第１ジョイント３０１と同様の駆動部を内蔵する。第２アーム３０４は、第２ジョイント３０３に内蔵された駆動部により、第２ジョイント３０３を支点として旋回する。第３ジョイント３０５は、第２アーム３０４に一端を支持されており、駆動装置２００を内蔵する。第３アーム３０６は、駆動装置２００のモータ２０２により、第３ジョイント３０５を支点として旋回する。エンドエフェクタ３０７は、第３アーム３０６に支持されている。さらに、第１ジョイント３０１と、第２ジョイント３０３と、第３ジョイント３０５とは、図示しない制御装置に接続されており、それぞれの駆動を制御される。

ここで、下方向の荷重をエンドエフェクタ３０７に加える。すると、下方向の荷重が第３アーム３０６から第３ジョイント３０５に伝わる。第３ジョイント３０５に内蔵された駆動装置２００は、下方向の荷重をスラストとして検出することができる。つまり、ロボットアーム３００によれば、手首にかかる関節軸方向の力を、より早く検出することができる。また、同時に第３ジョイント３０５がトルクを受けても、トルクについても検出することができる。

１００ トルクセンサ起歪体、 ２ 一次側構造体、 ３ 二次側構造体、 ５ 歪センサ、 ２１ 直線部、 ２３ 円弧状部、
４１、４２、４３、４４ 梁部、
５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８ 歪センサ、 ９０ 検出部、
２００ 駆動装置、 ２０１ 機構部、 ２０２ モータ、
３００ ロボットアーム、 ３０１、３０３、３０５ ジョイント、
３０２、３０４、３０６ アーム、
３０７ エンドエフェクタ
ＢｒＡ、ＢｒＢ ブリッジ回路、 Ｃ 中心、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 中心線、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、 抵抗

Claims (3)

1. 中央部と、
   前記中央部を囲む環状部と、
   前記中央部と前記環状部とを接続する複数の梁部と、
   前記梁部に設けられる複数の歪センサと、
   前記複数の歪センサを含むブリッジ回路と、
   判別手段と、を備え、
   前記梁部は、第１梁部と、第２梁部と、第３梁部と、第４梁部とを含み、
   前記第１梁部及び前記第４梁部は、前記環状部の中心点を通過する第１中心線に沿って配置され、
   前記第２梁部及び前記第３梁部は、前記中心点を通過する第２中心線に沿って配置され、
   前記第１中心線と前記第２中心線とのなす角度は、０°より大きく９０°より小さい、又は、９０°より大きく１８０°よりも小さいのであり、
   前記複数の歪センサは、前記第１梁部と、前記第２梁部と、前記第３梁部と、前記第４梁部とに設けられ、
   前記ブリッジ回路は、第１のブリッジ回路と、第２のブリッジ回路とを備え、
   前記第１のブリッジ回路は、前記第１梁部及び前記第４梁部に設けられた前記複数の歪センサを結線することによって、形成され、
   前記第２のブリッジ回路は、前記第２梁部及び前記第３梁部に設けられた前記複数の歪センサを結線することによって、形成され、
   前記判別手段は、
   前記第１及び前記第２のブリッジ回路の出力電圧の比例係数が、いずれも正であると、トルクと判別し、
   前記第１及び前記第２のブリッジ回路の出力電圧の比例係数の一方が正であり、他方が負であると、スラストと判別するトルクセンサ。
2. 請求項１に記載されるトルクセンサを含む駆動装置。
3. 請求項２に記載される駆動装置を含むロボット。

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