JP6527491B2 - 弾性連結装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばロボットアームのエンドエフェクタ部とアーム部の間や橋梁の支持部分などに配設される弾性連結装置であって、特にインナ軸部材がアウタ筒部材に挿入されて本体ゴム弾性体によって相互に弾性連結された構造を有する弾性連結装置に関するものである。

従来から、ロボットアームなどでは、安全性の向上などを目的として、エンドエフェクタ部に対する人の接触時にエンドエフェクト部から人に作用する力を低減するために、連結対象部材であるエンドエフェクタ部とアーム部の間に弾性連結装置を配設して、緩衝性を付与することが検討されている。弾性連結装置は、例えば、特許第５５７８７２８号公報（特許文献１）に記載されているように、インナ軸部材がアウタ筒部材に挿入されて、それらインナ軸部材とアウタ筒部材が本体ゴム弾性体によって径方向に弾性連結された構造を有している。

ところで、例えばエンドエフェクタ部に作用する外力を把握する必要があるロボットアームなどでは、エンドエフェクタ部とアーム部の間にセンサを配設することにより、それらエンドエフェクタ部とアーム部の間に作用する外力やエンドエフェクタ部とアーム部の相対的な変位量を測定可能とすることが提案されている。即ち、特開２０１５−００１３８４号公報（特許文献２）では、水晶などで形成された圧電体層によってエンドエフェクタ部とアーム部の間に作用する外力を検出可能とする構造が開示されている。特に、高精度な作動を求められるロボットアームなどでは、エンドエフェクタ部とアーム部が相対的に精度よく位置決めされており、エンドエフェクタ部とアーム部の相対的な変位に基づいて外力を検出するセンサが高い検出精度を有している。

しかしながら、このような高い検出精度を有するセンサを採用すると、検出対象であるエンドエフェクタ部に及ぼされた外力だけでなく、周囲からロボットアームに入力される振動などもセンサによって検出されることから、エンドエフェクタ部に作用する外力を正確に検出することが難しかった。

特許第５５７８７２８号公報 特開２０１５−００１３８４号公報

本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、連結対象部材の緩衝的な防振連結を可能としつつ、それら連結対象部材の間に作用する力を検出することが可能とされた、新規な構造の弾性連結装置を提供することにある。

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。

すなわち、本発明の第一の態様は、インナ軸部材がアウタ筒部材に挿入されていると共に、それらインナ軸部材とアウタ筒部材が本体ゴム弾性体によって径方向に弾性連結された構造を有する弾性連結装置において、前記インナ軸部材に筒状部が設けられていると共に、前記アウタ筒部材には軸方向に延びる挿入軸部が設けられており、該挿入軸部が該インナ軸部材における該筒状部の内孔に挿入されて、該挿入軸部の外周面と該インナ軸部材における該筒状部の内周面が径方向に離れて対向しており、該インナ軸部材における該筒状部の内周面に第一の電極が設けられていると共に、該アウタ筒部材の該挿入軸部の外周面に第二の電極が設けられて、それら第一の電極と第二の電極の相対的な変位に伴う電気的な変化を検出する第一センサがそれら第一の電極と第二の電極を含んで構成されていることを、特徴とする。

このような本発明の第一の態様に従う構造とされた弾性連結装置によれば、第一の電極と第二の電極の相対的な変位が第一センサにおいて検出される静電容量の変化として検知されることから、第一センサによってインナ軸部材とアウタ筒部材の相対的な変位、換言すればインナ軸部材とアウタ筒部材の間に作用する力の大きさや向きなどを検出することができる。

さらに、インナ軸部材の筒状部の内孔にアウタ筒部材の挿入軸部が挿入されており、筒状部の内周面に第一の電極が固着されていると共に、挿入軸部の外周面に第二の電極が固着されていることから、軸方向寸法の小さな弾性連結装置において第一センサをスペース効率よく設けることができる。

また、本体ゴム弾性体によるエネルギー減衰作用や振動絶縁作用によって、第一センサに対する入力が低減されることから、第一センサが入力を過敏に検出するのを防いで、検出が必要な比較的に大きな力を有効に検出しつつ、周囲からの振動入力などの検出が不要な比較的に小さな力が検出されるのを防ぐことができる。従って、検出対象の力を選択的に検出し易くなって、不要な力の検出による誤作動や、不要な力の検出をソフトウェアで防ぐために生じる演算処理の複雑化などを回避することができる。

本発明の第二の態様は、第一の態様に記載された弾性連結装置において、前記第一センサが、前記第一の電極と前記第二の電極の相対的な変位に伴う静電容量の変化を検出する静電容量型センサとされているものである。

第二の態様によれば、第一の電極と第二の電極の対向部分の面積や対向距離の変化による静電容量の変化に基づいて、インナ軸部材とアウタ筒部材の相対変位を精度よく検出することができる。

本発明の第三の態様は、第一又は第二の態様に記載された弾性連結装置において、複数の前記第一の電極が前記インナ軸部材における前記筒状部の内周面に設けられていると共に、複数の前記第二の電極が前記アウタ筒部材の前記挿入軸部の外周面に設けられているものである。

第三の態様によれば、複数の第一の電極と複数の第二の電極の対向部分に第一センサのセンサ素子がそれぞれ構成されることから、検出精度の向上や、インナ軸部材とアウタ筒部材の変位の複数方向での検出などが実現される。

本発明の第四の態様は、第三の態様に記載された弾性連結装置において、前記複数の第一の電極と前記複数の第二の電極の対向部分がマトリックス状に配置されているものである。

第四の態様によれば、第一センサのセンサ素子を構成する第一の電極と第二の電極の対向部分がマトリックス状に配置されていることによって、検出精度の向上や、インナ軸部材とアウタ筒部材の変位の複数方向での検出などが効率的に実現される。

本発明の第五の態様は、第一〜第四の何れか１つの態様に記載された弾性連結装置において、前記第一の電極を設けられた前記インナ軸部材の前記筒状部と、前記第二の電極を設けられた前記アウタ筒部材の前記挿入軸部との径方向間の全体に亘って、空間が形成されているものである。

第五の態様によれば、第一の電極が固着されたインナ軸部材の筒状部と、第二の電極が固着されたアウタ筒部材の挿入軸部が、ゴム弾性体などで連結されることなく、空間を隔てて配されていることにより、第一センサを弾性連結装置のばね特性に影響することなく設けることができる。従って、本体ゴム弾性体のばね特性を調節することによって、目的とする弾性的な連結性能や防振性能などを容易に実現することができる。

本発明の第六の態様は、第一〜第五の何れか１つの態様に記載された弾性連結装置において、前記第一センサにおいて電気的な変化を継続的に検出して記憶するセンサコントローラが設けられていると共に、該第一のセンサによって検出された電気的な変化量を基準値と比較して異常を検知する異常検知装置が設けられているものである。

第六の態様によれば、第一センサにおける電気的な変化の検出値（静電容量値など）を、予め設定された基準値と比較することにより、異常な外力の作用や、本体ゴム弾性体の劣化による性能の変化などを検知することが可能となる。

本発明の第七の態様は、第一〜第六の何れか１つの態様に記載された弾性連結装置において、前記インナ軸部材の外周面に第三の電極が設けられていると共に、前記アウタ筒部材の内周面に第四の電極が設けられており、それら第三の電極と第四の電極の相対的な変位を検出する第二センサがそれら第三の電極と第四の電極を含んで構成されているものである。

第七の態様によれば、第一センサの検出結果に加えて、第二センサの検出結果を参照することにより、例えばインナ軸部材とアウタ筒部材の相対変位をより精度よく検出することが可能になると共に、何れかのセンサの故障などを把握することができたり、或いは一方のセンサに障害が発生した際に他方のセンサを用いることで実害を回避することなども可能になって、信頼性の向上が図られる。

本発明の第八の態様は、第七の態様に記載された弾性連結装置において、前記第三の電極と前記第四の電極の径方向間に電気絶縁性の前記本体ゴム弾性体が配されており、前記第二センサが静電容量の変化によって該第三の電極と該第四の電極の相対的な変位を検出する静電容量型センサとされているものである。

第八の態様によれば、本体ゴム弾性体を絶縁体層とすることで静電容量型の第二センサにおいて静電容量値を大きくすることができて、高い検出精度を実現することができる。

本発明の第九の態様は、第七の態様に記載された弾性連結装置において、前記第三の電極と前記第四の電極の径方向間に前記本体ゴム弾性体が配されていると共に、該本体ゴム弾性体が変形によって電気抵抗が変化する感圧ゴムとされており、前記第二センサが該本体ゴム弾性体の電気抵抗の変化によって該第三の電極と該第四の電極の相対的な変位を検出する電気抵抗型センサとされているものである。

第九の態様によれば、感圧ゴムとされた本体ゴム弾性体の弾性変形に伴う電気抵抗の変化を検出することにより、インナ軸部材とアウタ筒部材の相対変位を検出することができる。特に、第一センサとして静電容量型センサを採用する場合には、第一センサとは検出方式の異なる第二センサを設けることにより、それら第一センサと第二センサを併用することで、より高精度な検出が可能になり得る。

本発明によれば、インナ軸部材の筒状部の内孔にアウタ筒部材の挿入軸部が挿入されて、筒状部の内周面に第一の電極が固着されていると共に、挿入軸部の外周面に第二の電極が固着されていることから、第一センサによってインナ軸部材とアウタ筒部材の相対的な変位を検出することができると共に、弾性連結装置を軸方向で小型化することができる。また、本体ゴム弾性体の防振作用などによって第一センサに対する入力が低減されることから、入力が第一センサによって過敏に検出されるのを防いで、検出が必要な比較的に大きな入力を有効に検出しつつ、周囲からの振動入力などの検出が不要な比較的に小さな入力の検出を防ぐことが可能になる。

本発明の第一の実施形態としての弾性連結装置の斜視図。 図１に示す弾性連結装置の斜視部分断面図。 図１に示す弾性連結装置の断面図。 図１に示す弾性連結装置における電極の配置を説明する図。 図１に示す弾性連結装置の断面図であって、インナ軸部材とアウタ筒部材の間に軸方向の荷重が入力された状態を示す図。 図１に示す弾性連結装置において、軸方向の入力による第一の電極と第二の電極の相対変位を説明する図。 図１に示す弾性連結装置において、周方向の入力による第一の電極と第二の電極の相対変位を説明する図。 本発明の第二の実施形態としての弾性連結装置の断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１〜３には、本発明の第一の実施形態としての弾性連結装置１０が示されている。弾性連結装置１０は、インナ軸部材１２がアウタ筒部材１４に挿入されて、それらインナ軸部材１２とアウタ筒部材１４が本体ゴム弾性体１６によって径方向に弾性連結された構造を有している。なお、以下の説明において、原則として、上下方向とは図３中の上下方向を言う。

より詳細には、インナ軸部材１２は、金属や合成樹脂などで形成された硬質の部材であって、電気絶縁性の材料で形成されて小径の円筒形状を呈する筒状部としての内筒部１８と、内筒部１８の軸方向下端部において外周へ広がるインナフランジ２０とを、一体で備えている。また、インナ軸部材１２の径方向中央には、軸方向上下に延びる内孔２２を備えており、内孔２２がインナ軸部材１２を上下に貫通している。更に、インナフランジ２０には、周方向の複数箇所において上下に貫通するインナ取付用孔２４が形成されている。なお、インナ軸部材１２は、全体が電気絶縁性の材料で形成されたものに限定的に解釈されるものではなく、たとえば、導電性の金属などで形成されていると共に、内筒部１８の内周面に電気絶縁性の表層が形成されているなどしても良い。要するに、インナ軸部材１２の形成材料は、後述する第一センサ４６によるセンシングが可能とされていれば、電気絶縁性材料に特に限定されるものではない。

アウタ筒部材１４は、金属や合成樹脂などで形成された硬質の部材であって、大径の円筒形状を有する外筒部２６と、外筒部２６の軸方向上端部において外周へ広がるアウタフランジ２８とを、一体で備えている。また、アウタ筒部材１４のアウタフランジ２８には、周方向の複数箇所において上下に貫通するアウタ取付用孔３０が形成されている。

そして、インナ軸部材１２の内筒部１８がアウタ筒部材１４の外筒部２６に挿入されており、インナ軸部材１２の内筒部１８とアウタ筒部材１４の外筒部２６の径方向間に本体ゴム弾性体１６が配設されている。本体ゴム弾性体１６は、厚肉の略円筒形状を有しており、内周面がインナ軸部材１２の内筒部１８の外周面に加硫接着されていると共に、外周面がアウタ筒部材１４の外筒部２６の内周面に加硫接着されている。なお、本実施形態の本体ゴム弾性体１６は、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４を備える一体加硫成形品として形成されている。また、本実施形態の本体ゴム弾性体１６は、電気絶縁性のゴム材料で形成されている。

また、アウタ筒部材１４には、略円板形状の取付部材３２が取り付けられている。取付部材３２は、金属や合成樹脂などで形成された硬質の部材であって、外周部分にはアウタ取付用孔３０と対応するボルト孔３４が形成されている。そして、取付部材３２は、アウタ筒部材１４の上面に重ね合わされて、図３に示すように、アウタフランジ２８のアウタ取付用孔３０と取付部材３２のボルト孔３４に挿通されるアウタ取付ボルト３６にナット３８が螺着されることにより、アウタ筒部材１４に対して固定される。なお、取付部材３２とアウタ筒部材１４は、アウタ取付ボルト３６とナット３８によって、連結対象部材であるアーム部６０（後述）とともに締結される。尤も、アウタ筒部材１４と取付部材３２をアーム部６０への締結前に一体的に取り扱うために、アウタ筒部材１４と取付部材３２が接着や溶接、ボルト固定などの手段によって仮固定されるようにしても良い。

更にまた、取付部材３２の径方向中央部分には、下方へ向けて突出する挿入軸部４０が一体形成されている。挿入軸部４０は、電気絶縁性の材料で形成されており、インナ軸部材１２の内孔２２の径方向内法寸法よりも小さな外径を有する略円柱形状乃至は略円筒形状を呈していると共に、軸方向寸法がインナ軸部材１２の内筒部１８よりも短くされている。なお、本実施形態の挿入軸部４０は、アウタ筒部材１４とは別体の取付部材３２に形成されているが、取付部材３２がアウタ筒部材１４に固定されることにより、アウタ筒部材１４に固定的に設けられている。また、本実施形態の挿入軸部４０は、略円筒形の外周面を有する形状とされているが、略多角筒形の外周面を有する形状であっても良く、その場合には、インナ軸部材１２の内筒部１８の内周面が、対応する略多角筒形とされることが望ましい。

この挿入軸部４０は、取付部材３２がアウタ筒部材１４に固定された状態において、インナ軸部材１２における内筒部１８の内孔２２に挿入されており、インナ軸部材１２における内筒部１８の内周面と挿入軸部４０の外周面が、径方向に所定の距離だけ離れて相互に対向している。本実施形態において、インナ軸部材１２と挿入軸部４０の径方向間には、筒状の空間が軸方向の全体に亘って形成されており、インナ軸部材１２と挿入軸部４０がゴム弾性体などで連結されることなく、空間を隔てて配されている。

また、インナ軸部材１２における内筒部１８の内周面には、複数の第一の電極４２が内筒部１８に対する電気的な絶縁状態で固着されている。第一の電極４２は、薄肉のシート状とされており、銅やアルミニウム合金などの金属の他、導電性ゴムや導電性樹脂などの導電材料によって形成され得る。本実施形態では、周方向に長手の帯状薄膜とされており、軸方向上下で相互に所定の距離を隔てて複数が並列的に配されている。本実施形態では、図４の展開図に示すように、第一の電極４２が軸方向に３つ配設されている。なお、図４の展開図において、３つの第一の電極４２，４２，４２には、上から順に０１ｘ，０２ｘ，０３ｘの番号を付して説明する。

さらに、図４に示すように、第一の電極４２の０１ｘ〜０３ｘは、周方向の長さが相互に異なっており、最上部に配される第一の電極４２の０１ｘが上下中間に配される第一の電極４２の０２ｘよりも短くされていると共に、最下部に配される第一の電極４２の０３ｘが上下中間に配される第一の電極４２の０２ｘよりも長くされている。

また、アウタ筒部材１４に固設された挿入軸部４０の外周面には、複数の第二の電極４４が挿入軸部４０に対する電気的な絶縁状態で固着されている。第二の電極４４は、第一の電極４２と同様に導電材料で形成されて周方向に延びる帯状薄膜とされており、軸方向で相互に所定の距離を隔てて複数が並列的に配されている。本実施形態では、図４の展開図に示すように、第二の電極４４が軸方向に３つ配設されており、それら６つの第二の電極４４，４４，・・・４４が互いに略同じ形状とされて、周方向で等間隔に配置されている。なお、図４の展開図において、６つの第二の電極４４，４４，・・・４４には、左から順に０１ｙ，０２ｙ，・・・０６ｙの番号を付して説明する。

そして、インナ軸部材１２における内筒部１８の内周面に固着された第一の電極４２と、アウタ筒部材１４に固定される取付部材３２における挿入軸部４０の外周面に固着された第二の電極４４が、径方向で相互に対向している。より具体的には、最も短い第一の電極４２の０１ｘが、第二の電極４４の０１ｙ〜０３ｙと交差対向していると共に、中間の長さとされた第一の電極４２の０２ｘが、第二の電極４４の０１ｙ〜０４ｙと交差対向している。更に、最も長い第一の電極４２の０３ｘは、全ての第二の電極４４（０１ｙ〜０６ｙ）と交差対向している。そして、第一の電極４２の０１ｘ〜０３ｘと第二の電極４４の０１ｙ〜０６ｙとの各交差対向部分において、内筒部１８の内周面と挿入軸部４０の外周面との対向面間の空間を誘電体層とするコンデンサが構成されており、それらセンサ素子４５としてのコンデンサの静電容量値の変化に基づいてインナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対的な変位を検出する第一センサ４６が、第一の電極４２と第二の電極４４を含んで構成されている。

上述の説明からも明らかなように、本実施形態の第一センサ４６は、第一の電極４２と第二の電極４４の各交差対向部分（センサ素子４５）における静電容量を検出する静電容量型センサとされている。そして、第一の電極４２と第二の電極４４の交差対向部分の面積や対向距離の変化に伴って生じる静電容量の変化に基づいて、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位を検出可能とされている。なお、本実施形態では、第一の電極４２と第二の電極４４は、交差対向部分においてゴム弾性体などで径方向に連結されることなく、空間を隔てて相互に離れた状態で配されており、静電容量型のセンサ素子４５を構成する誘電体層が径方向間の空間に充填された空気によって構成されている。

また、周方向に延びる複数の第一の電極４２と軸方向に延びる複数の第二の電極４４との交差対向部分にそれぞれセンサ素子４５が構成されていることから、複数のセンサ素子４５が周方向および軸方向に並んでマトリックス状に配置されている。

なお、第一の電極４２と第二の電極４４には、図３に示すように、各センサ素子４５の静電容量を継続的に検出するとともに検出結果を記憶するセンサコントローラ４８が接続されており、センサコントローラ４８が、電源装置としての作動電圧給電用の電源回路５０と、計測手段としての静電容量検知用の検出回路５２とを、備えている。電源回路５０は、第一の電極４２の０１ｘ〜０３ｘと第二の電極４４の０１ｙ〜０６ｙに対する給電を選択的に行うようになっており、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）による制御下で、コンデンサを構成する１３箇所の各交差部分（センサ素子４５）に対して、計測用電圧として周期的な波形電圧を走査的に印加する。これにより、第一センサ４６では、各センサ素子４５における静電容量を検出することが可能とされている。また、センサコントローラ４８は、ハードディスクドライブなどの記憶装置５６を備えており、継続的に検出した静電容量値のデータを記憶装置５６によって記憶可能とされている。

具体的には、例えば、後述するエンドエフェクタ部５８がワークを把持する場合などには、図５に示すように、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４が軸方向に相対変位する。この際に、図６に「無負荷時」として示す初期状態に対して、図６に「負荷時」として示すように第一の電極４２と第二の電極４４が軸方向に相対変位して、第一の電極４２と第二の電極４４の径方向の交差対向面積に変化が生じる。すなわち、図６の例では、第一の電極４２の０３ｘと第二の電極４４の０１ｙ〜０６ｙの径方向での交差対向が解除されて、それら第一の電極４２の０３ｘと第二の電極４４の０１ｙ〜０６ｙの径方向での交差対向面積が０になっている。従って、第一センサ４６において、第一の電極４２の０３ｘと第二の電極４４の０１ｙ〜０６ｙに計測用電圧を印加する際に検出される静電容量が略０となって、インナ軸部材１２のアウタ筒部材１４に対する軸方向下方への相対変位が検知される。

また、図７には、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４が周方向に相対変位した場合を示す。即ち、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４が周方向で相対的に変位（回転）すると、図７に「無負荷時」として示す初期状態に対して、図７に「周方向トルク発生時」として示すように第一の電極４２と第二の電極４４が周方向に相対変位する。これにより、第一の電極４２の０１ｘと第二の電極４４の０３ｙの交差対向が解除されていると共に、第一の電極４２の０２ｘと第二の電極４４の０４ｙの交差対向面積が小さくなっており、何れの交差対向部分（センサ素子４５）においても静電容量の検出値が減少する。一方、第二の電極４４の０６ｙは、周方向の変位によって第一の電極４２の０１ｘ，０２ｘと交差対向するようになって、それら第一の電極４２の０１ｘ，０２ｘと第二の電極４４の０６ｙとの交差対向部分において静電容量が検出される。このような第一センサ４６において検出される静電容量の変化に基づいて、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の周方向の相対変位の有無とその方向、相対変位量などが検出される。

また、本実施形態の第一センサ４６では、センサ素子４５が全周に亘って分散して配置されていることにより、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の軸直角方向の相対変位も検出可能とされている。即ち、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４が軸直角方向に相対変位すると、インナ軸部材１２に設けられた第一の電極４２とアウタ筒部材１４の挿入軸部４０に設けられた第二の電極４４が周方向の一部で相互に近づくと共に、周方向の他の一部で相互に離れる。これにより、第一センサ４６において、第一の電極４２と第二の電極４４が近づく部分に配されたセンサ素子４５では、静電容量の検出値が大きくなる一方、第一の電極４２と第二の電極４４が離れる部分に配されたセンサ素子４５では、静電容量の検出値が小さくなる。これらの検出結果に基づいて、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の軸直角方向への相対変位とその方向を検知することができる。

かくの如き構造とされた弾性連結装置１０は、例えば、連結対象部材であるロボットアームのエンドエフェクタ部５８とアーム部６０の間に装着される。即ち、図３に示すように、インナ軸部材１２が、インナ取付用孔２４に螺着されるインナ取付ボルト６２によって、エンドエフェクタ部５８に取り付けられると共に、アウタ筒部材１４が、アウタ取付用孔３０に挿通されるアウタ取付ボルト３６とそれに螺着されるナット３８によって、アーム部６０に取り付けられる。これにより、エンドエフェクタ部５８とアーム部６０が弾性連結装置１０を介して防振連結されていると共に、エンドエフェクタ部５８とアーム部６０の相対的な変位が、弾性連結装置１０の第一センサ４６によって検出される。

このような本実施形態に従う構造とされた弾性連結装置１０によれば、第一の電極４２と第二の電極４４の相対的な変位が、第一センサ４６において検出される静電容量の変化に基づいて検知されることから、第一センサ４６によってインナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対的な変位の大きさや向きを検出することができる。

さらに、インナ軸部材１２の内筒部１８の内孔２２にアウタ筒部材１４の挿入軸部４０が挿入されて、内筒部１８の内周面に第一の電極４２が固着されていると共に、挿入軸部４０の外周面に第二の電極４４が固着されていることから、軸方向外方にセンサを設ける場合に比して、弾性連結装置１０を軸方向で小型化することができる。

また、本体ゴム弾性体１６の内部摩擦などによるエネルギー減衰作用や振動絶縁作用によって、第一センサ４６に対する入力が低減されることから、第一センサ４６による入力の検出が過度に敏感となるのを防ぐことができる。それ故、検出が必要な比較的に大きな入力を第一センサ４６によって有効に検出することができると共に、検出が不要な比較的に小さな入力（周辺環境からの振動入力など）が、第一センサ４６によって検出されるのを防ぐことができる。従って、検出すべき力を選択的に検出し易くなって、不要な力の検出による誤作動を防ぐことができると共に、ソフトウェアでのフィルタリングなどが不要となって検出プログラムの簡略化なども図られ得る。

また、第一の電極４２と第二の電極４４の複数の対向部分に第一センサ４６のセンサ素子４５がそれぞれ構成されることから、検出精度の向上や、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の変位の複数方向での検出などが実現される。特に、第一の電極４２の０１ｘ，０２ｘ，０３ｘの周方向の長さが相互に異なっており、それら第一の電極４２の０１ｘ，０２ｘ，０３ｘは、第二の電極４４の０１ｙ〜０６ｙとの交差対向部分の数が相互に異なっていることから、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位を複数方向で検知することができる。

さらに、第一センサ４６のセンサ素子４５を構成する第一の電極４２と第二の電極４４の交差対向部分が、マトリックス状に配置されていることによって、検出精度の向上や、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の変位の複数方向での検出などが効率的に実現される。これにより、例えばインナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の各中心軸が相対的に傾動するこじり方向の変位の検出なども実現可能となる。

また、第一の電極４２が固着されたインナ軸部材１２の内筒部１８と、第二の電極４４が固着されたアウタ筒部材１４の挿入軸部４０が、ゴム弾性体などで連結されることなく、空間を挟んで配されていることにより、第一センサ４６を弾性連結装置１０のばね特性に影響することなく設けることができる。それ故、本体ゴム弾性体１６のばね特性を調節することによって、目的とする弾性的な連結性能や防振性能などを容易に且つ精度よく実現することができる。

また、第一センサ４６による静電容量の検出値を、予め設定された静電容量の基準値と比較することにより、異常な外力の作用や、本体ゴム弾性体１６の劣化による性能の変化などを検知することが可能となる。

なお、第一センサ４６による検出結果の用途は、特に限定されるものではないが、例えば、検出結果をロボットアームの通常作動時に検出されるべき静電容量の基準値（マップ）と比較することで、ロボットアームの作動の異常や本体ゴム弾性体１６の劣化の把握などを実現することができる。即ち、基準となる静電容量の変化態様（マップ）を記憶させたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を備える異常検知装置６４がセンサコントローラ４８に設けられており、異常検知装置６４が静電容量の検出結果と異常検知装置６４に記憶された静電容量の基準値（マップ）とを比較する。そして、第一センサ４６における静電容量の検出値が、ＲＯＭに格納された静電容量の基準値に対して誤差の閾値を超えて大きく異なる場合に、異常検知装置６４が異常を検知し、必要に応じて有線または無線による異常信号の伝送経路を通じて外部の異常報告手段やロボット等の装置コントローラなどへ異常信号を送信して、音や画面表示などで外部に報知したり、ロボットアームを強制的に停止させたりするようにできる。

図８には、本発明の第二の実施形態としての弾性連結装置７０が示されている。弾性連結装置７０は、インナ軸部材１２における内筒部１８の外周面に第三の電極７２がインナ軸部材１２に対する電気的な絶縁状態で固着されていると共に、アウタ筒部材１４における外筒部２６の内周面に第四の電極７４がアウタ筒部材１４に対する電気的な絶縁状態で固着された構造を有している。以下の説明において、第一の実施形態と実質的に同一の部材および部位については、図中に同一の符号を付すことにより、説明を省略する。

より詳細には、第三の電極７２は、内筒部１８の外周面に対して周方向に延びるように設けられており、第一の電極４２と同様に、軸方向で相互に所定の距離を隔てて３つが配されていると共に、それら３つの第三の電極７２，７２，７２の周方向長さが相互に異なっている。なお、第三の電極７２は、内筒部１８の内周面に設けられた第一の電極４２を軸方向に外れた位置に設けられており、第一の電極４２と第三の電極７２の間にコンデンサが構成されることによる検出誤差が生じ難くなっている。

第四の電極７４は、外筒部２６の外周面に対して軸方向に延びるように設けられており、第二の電極４４と同様に、周方向で相互に所定の距離を隔てて６つが配されていると共に、それら６つの第四の電極７４，７４，・・・７４が相互に略同じ形状および大きさとされている。

そして、インナ軸部材１２の内筒部１８がアウタ筒部材１４の外筒部２６に挿入されることにより、第三の電極７２と第四の電極７４が複数箇所で交差して径方向に対向している。また、インナ軸部材１２の内筒部１８とアウタ筒部材１４の外筒部２６の径方向間に電気絶縁性の本体ゴム弾性体１６が配設されていることにより、第三の電極７２と第四の電極７４の交差対向部分に本体ゴム弾性体１６が介在している。これらによって、第三の電極７２と第四の電極７４の交差対向部分において本体ゴム弾性体１６を誘電体層とするコンデンサがそれぞれ構成されており、それらコンデンサをそれぞれセンサ素子７６とする静電容量型の第二センサ７８が構成されている。

このような第二センサ７８においても、第一センサ４６と同様に、静電容量の検出値に基づいて、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位を検知することができる。なお、第二センサ７８によってインナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位が検出される原理は、第一センサ４６と同様であることから、説明を省略する。

このような第二センサ７８を備える弾性連結装置７０によれば、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位を、第一センサ４６の検出結果に加えて第二センサ７８の検出結果によっても検知することができて、検出精度や信頼性の向上が図られ得る。しかも、第一センサ４６と第二センサ７８の検出結果を比較することで、それら第一センサ４６と第二センサ７８の何れか一方の故障などを速やかに把握することも可能になる。

また、本実施形態の第二センサ７８は、センサ素子７６における第三の電極７２と第四の電極７４の交差対向間に、空気に比して誘電率の大きな本体ゴム弾性体１６が誘電体層として介在せしめられていることから、各センサ素子７６の静電容量が空気を誘電体層とする場合に比して大きくされており、静電容量の変化に基づく力の検出をより高精度に実現することが可能となり得る。

なお、本実施形態では、第二センサ７８として静電容量型センサを例示したが、第二センサ７８の検出方式は静電容量型に限定されるものではなく、例えば第二センサ７８として電気抵抗型センサを採用することもできる。即ち、第三の電極７２と第四の電極７４の径方向間に配設される本体ゴム弾性体１６をゴム材料に導電性フィラーを混合した感圧ゴムによって形成して、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位に伴う本体ゴム弾性体１６の弾性変形によって、本体ゴム弾性体１６の電気抵抗が変化するようにする。そして、第三の電極７２と第四の電極７４の交差対向部分に検出用電圧を印加して、本体ゴム弾性体１６の弾性変形を電気抵抗の変化に基づいて検出することにより、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位を検出可能とした電気抵抗型センサを、第二センサ７８として採用しても良い。このように、第一センサ４６と第二センサ７８を相互に異なる検出方式のセンサとすることにより、検出精度や信頼性の更なる向上などが図られ得る。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、前記実施形態では、挿入軸部４０がアウタ筒部材１４とは別部材の取付部材３２に設けられており、アウタ筒部材１４と取付部材３２が相互に連結一体化されることにより、挿入軸部４０がアウタ筒部材１４に設けられているが、挿入軸部４０とアウタ筒部材１４は、単一の部材として形成されていても良い。

さらに、アウタ筒部材１４の挿入軸部４０は、インナ軸部材１２の内筒部１８の内孔２２に対して、軸方向何れの側から挿入されていても良い。尤も、インナ軸部材に設けられる筒状部は、必ずしも内筒部１８のような貫通する内孔２２を備える構造に限定されるものではなく、片側にだけ開口する凹所状の内孔を備える有底筒状とすることもできる。

また、前記実施形態では、インナ軸部材１２の内筒部１８とアウタ筒部材１４の挿入軸部４０の径方向間に空間が形成されており、第一の電極４２と第二の電極４４が空間を隔てて対向している構造を例示したが、例えば、内筒部１８と挿入軸部４０がゴム弾性体で径方向に弾性連結されており、第一の電極４２と第二の電極４４の対向間に該ゴム弾性体が介在している構造も採用され得る。これによれば、第一の電極４２と第二の電極４４の対向部分に構成されるコンデンサ（センサ素子４５）において、ゴム弾性体が誘電体層となることで、静電容量が大きくなることから、第一センサ４６によるインナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位の検出精度の向上などが図られ得る。なお、第一の電極４２と第二の電極４４の径方向対向間に配されるゴム弾性体のばね定数は、本体ゴム弾性体１６のばね定数よりも小さくされて、ゴム弾性体が本体ゴム弾性体１６よりも変形し易い柔らかいゴムとされていることが望ましい。

さらに、第一の電極４２と第二の電極４４の径方向対向間にゴム弾性体が介在する構造では、該ゴム弾性体を弾性変形に伴って電気抵抗が変化する感圧ゴムとすることにより、第一のセンサ４６のセンサ素子４５を電気抵抗型のセンサ素子として、インナ軸部材１２とアウタ筒部材１４の相対変位が、検出される電気抵抗の変化に基づいて検知されるようにもできる。

また、前記実施形態では、第一の電極４２と第二の電極４４が何れも薄肉帯状とされて、相対的に傾斜する方向に延びるように配置されて相互に交差対向しているが、第一の電極４２と第二の電極４４の具体的な形状は、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、第一の電極をインナ軸部材１２の内筒部１８の内周面を略全体に亘って覆うように設けた構造や、第二の電極をアウタ筒部材１４の挿入軸部４０の外周面を略全体に亘って覆うように設けた構造なども採用できる。更に、例えば、略正方形の薄膜状とされた第一の電極と第二の電極を径方向で相互に対向させて配置すると共に、それら対向する第一の電極と第二の電極の複数組を、軸方向および周方向に並ぶようにマトリックス状に配した構造なども採用され得る。

さらに、第一の電極４２と第二の電極４４が前記実施形態のような帯状薄膜とされている場合に、第一の電極４２と第二の電極４４は、必ずしも厳密に軸方向と周方向の各一方へ延びている必要はなく、相対的に傾斜して交差対向するようになっていれば、軸方向や周方向に対して傾斜する方向へ延びていても良い。

なお、第三の電極７２および第四の電極７４についても、第一の電極４２および第二の電極４４と同様に、その具体的な形状や配置、数などを適宜に変更することができる。

また、インナ軸部材１２のエンドエフェクタ部５８への取付構造や、アウタ筒部材１４のアーム部６０への取付構造は、特に限定されるものではなく、変更することが可能である。具体的には、例えば、アウタ筒部材１４の外筒部２６がアーム部６０に設けられる取付筒部に圧入固定されることにより、アウタ筒部材１４がアーム部６０に取り付けられるようにしても良い。

また、本発明に係る弾性連結装置は、必ずしもロボットアームのエンドエフェクタ部とアーム部の連結部分に適用されるものに限定されない。具体的には、自動車などのパワーユニットと車両ボデーの連結部分や、橋梁の支持部分などにも適用することができる。更に、本発明は、産業用ロボットのアーム部分だけでなく、人との積極的な接触が想定される介護用ロボットや医療用ロボットのアーム部分などにも好適に適用される。この場合には、アーム部分と人の接触に際して、本体ゴム弾性体の弾性に基づく緩衝的な接触が実現されると共に、接触方向や接触圧の異常などを検出することで安全性の向上を図ることなども可能となり得る。

１０，７０：弾性連結装置、１２：インナ軸部材、１４：アウタ筒部材、１６：本体ゴム弾性体、１８：内筒部（筒状部）、４０：挿入軸部、４２：第一の電極、４４：第二の電極、４６：第一センサ、４８：センサコントローラ、６４：異常検知装置、７２：第三の電極、７４：第四の電極、７８：第二センサ

Claims (9)

1. インナ軸部材がアウタ筒部材に挿入されていると共に、それらインナ軸部材とアウタ筒部材が本体ゴム弾性体によって径方向に弾性連結された構造を有する弾性連結装置において、
   前記インナ軸部材に筒状部が設けられていると共に、前記アウタ筒部材には軸方向に延びる挿入軸部が設けられており、該挿入軸部が該インナ軸部材における該筒状部の内孔に挿入されて、該挿入軸部の外周面と該インナ軸部材における該筒状部の内周面が径方向に離れて対向しており、
   該インナ軸部材における該筒状部の内周面に第一の電極が設けられていると共に、該アウタ筒部材の該挿入軸部の外周面に第二の電極が設けられて、それら第一の電極と第二の電極の相対的な変位に伴う電気的な変化を検出する第一センサがそれら第一の電極と第二の電極を含んで構成されていることを特徴とする弾性連結装置。
2. 前記第一センサが、前記第一の電極と前記第二の電極の相対的な変位に伴う静電容量の変化を検出する静電容量型センサとされている請求項１に記載の弾性連結装置。
3. 複数の前記第一の電極が前記インナ軸部材における前記筒状部の内周面に設けられていると共に、複数の前記第二の電極が前記アウタ筒部材の前記挿入軸部の外周面に設けられている請求項１又は２に記載の弾性連結装置。
4. 前記複数の第一の電極と前記複数の第二の電極の対向部分がマトリックス状に配置されている請求項３に記載の弾性連結装置。
5. 前記第一の電極を設けられた前記インナ軸部材の前記筒状部と、前記第二の電極を設けられた前記アウタ筒部材の前記挿入軸部との径方向間の全体に亘って、空間が形成されている請求項１〜４の何れか一項に記載の弾性連結装置。
6. 前記第一センサにおいて電気的な変化を継続的に検出して記憶するセンサコントローラが設けられていると共に、該第一センサによって検出された電気的な変化量を基準値と比較して異常を検知する異常検知装置が設けられている請求項１〜５の何れか一項に記載の弾性連結装置。
7. 前記インナ軸部材の外周面に第三の電極が設けられていると共に、前記アウタ筒部材の内周面に第四の電極が設けられており、それら第三の電極と第四の電極の相対的な変位を検出する第二センサがそれら第三の電極と第四の電極を含んで構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の弾性連結装置。
8. 前記第三の電極と前記第四の電極の径方向間に電気絶縁性の前記本体ゴム弾性体が配されており、前記第二センサが静電容量の変化によって該第三の電極と該第四の電極の相対的な変位を検出する静電容量型センサとされている請求項７に記載の弾性連結装置。
9. 前記第三の電極と前記第四の電極の径方向間に前記本体ゴム弾性体が配されていると共に、該本体ゴム弾性体が変形によって電気抵抗が変化する感圧ゴムとされており、前記第二センサが該本体ゴム弾性体の電気抵抗の変化によって該第三の電極と該第四の電極の相対的な変位を検出する電気抵抗型センサとされている請求項７に記載の弾性連結装置。