JP7066560B2 - トルクセンサの取り付け構造 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に適用されるトルクセンサに係わり、トルクセンサの取り付け構造に関する。

トルクセンサは、トルクが印加される第１構造体と、トルクが出力される第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを連結する梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている（例えば特許文献１、２、３参照）。

自動車のエンジン等の出力部に生じるトルクを測定するトルク量変換器において、トルク以外の曲げ応力の影響を低減する技術が開発されている（例えば特許文献４参照）。

特開２０１３－０９６７３５号公報 特開２０１５－０４９２０９号公報 特開２０１７－１７２９８３号公報 特開２０１０－１６９５８６号公報

例えば円盤状のトルクセンサは、第１構造体と第２構造体と、第１構造体と第２構造体との間の第３構造体とを有し、第１構造体と第２構造体との間に歪センサとしての起歪体や、歪ゲージが設けられる。

第１構造体をロボットアームの例えば基台に固定し、第２構造体をロボットアームの例えばアームに固定して使用する場合、トルクセンサには、トルク以外に、ロボットアームの搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴う曲げモーメントや、その反力の荷重が加わる。

トルクセンサをロボットアームに取り付ける場合、トルクセンサの軸心とロボットアームの例えばアームや基台の軸心とを合せる必要がある。

トルクセンサの第１構造体の形状を例えば円柱と仮定し、ロボットアームの基台の形状を円筒と仮定し、円柱を円筒内に嵌める場合、円柱の外径と、円筒の内径を嵌め合わせることにより、軸心が一致される。しかし、この場合、軸心は一致するものの、円柱と円筒が厳密にどこで接触しているかが不明確である。すなわち、円柱の外径と円筒の内径は、真円ではないため、円柱の外面と円筒の内面は、ランダムに数か所で接触することが予想される。

このように、トルクセンサの第１構造体とロボットアームの基台やアームとがランダムに数か所で接触した場合、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントや、並進力を印加した際、第１構造体や第２構造体が非対称に変形され、その変形に伴い歪センサが非対称に変形し、センサから出力が出てしまう。

トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントや荷重（Ｘ軸方向Ｆｘ、Ｙ軸方向Ｆｙ、Ｚ軸方向Ｆｚ）すなわち並進力が印加されると、トルクセンサに設けられた複数の歪センサには変位に応じた歪が生じる。通常、トルクセンサのブリッジ回路は、トルク方向の力に対して電圧を出力し、トルク以外の方向の力に対して電圧を出力しないように構成されている。しかし、第１構造体、或は第２構造体が非対称に変形すると、トルクセンサに設けられた複数の歪センサに非対称な歪が生じる。この他軸干渉によって、センサ出力が発生し、トルクセンサの検出精度が低下していた。

本発明の実施形態は、トルクセンサの検出精度を向上させることが可能なトルクセンサの取り付け構造を提供する。

本実施形態のトルクセンサの取り付け構造は、第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサと、前記トルクセンサの前記第１構造体が取り付けられる取り付け部と、を具備し、前記第１構造体は、第１面と、前記第１面に平行な第２面と、前記第１面と前記第２面の周囲を繋ぐ側面と、を有し、前記取り付け部は、前記第１構造体の前記第１面と平行で、前記第１構造体の前記第１面が取り付けられる部分と、前記第１構造体の前記側面に平行な内側面と、を含み、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面との一方は、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面との他方の一部に接触する接触部を具備する。

第１実施形態が適用されるロボットアームの一例を示す斜視図。 第１実施形態に適用されるトルクセンサの一例を示す平面図。 第１実施形態に係るトルクセンサの取り付け構造の一例を示す平面図。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図。 図４の矢印Ａで示す部分を取り出して示す断面図。 第２実施形態に係るトルクセンサの取り付け構造の一例を示す断面図。 図６の矢印Ｂで示す部分を取り出して示す断面図。 第２実施形態の第１変形例を示す断面図。 第２実施形態の第２変形例を示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

先ず、図１、図２を参照して、本実施形態が適用されるロボットアーム３０、及びトルクセンサ４０について説明する。

図１は、多関節ロボット、すなわち、ロボットアーム３０の一例を示している。ロボットアーム３０は、例えば基台３１、第１アーム３２、第２アーム３３、第３アーム３４、第４アーム３５、駆動源としての第１駆動部３６、第２駆動部３７、第３駆動部３８、第４駆動部３９を具備している。しかし、ロボットアーム３０の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

第１アーム３２は、第１関節Ｊ１に設けられた第１駆動部３６により、基台３１に対して回転可能とされている。第２アーム３３は、第２関節Ｊ２に設けられた第２駆動部３７により、第１アーム３２に対して回転可能とされている。第３アーム３４は、第３関節Ｊ３に設けられた第３駆動部３８により、第２アーム３３に対して回転可能とされている。第４アーム３５は、第４関節Ｊ４に設けられた第４駆動部３９により、第３アーム３４に対して回転可能に設けられている。第４アーム３５に図示せぬハンドや各種のツールが装着される。

第１駆動部３６～第４駆動部３９は、例えば後述するモータと、減速機と、トルクセンサとを具備している。

図２は、本実施形態に適用される円盤状のトルクセンサ４０の一例を示している。トルクセンサ４０は、第１構造体４１と、第２構造体４２と、複数の第３構造体４３と、センサ部としての第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５などを具備している。

第１構造体４１と、第２構造体４２は、環状に形成され、第２構造体４２の径は、第１構造体４１の径より小さい。第２構造体４２は、第１構造体４１と同心状に配置され、第１構造体４１と第２構造体４２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体４３により連結されている。複数の第３構造体４３は、第１構造体４１と第２構造体４２との間でトルクを伝達する。第２構造体４２は、中空部４２aを有しており、中空部４２aには、例えば図示せぬ配線が通される。

第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、例えば同じ厚みを有している。トルクセンサ４０の機械的な強度は、第３構造体４３の厚みや幅、長さにより設定される。

第１構造体４１と第２構造体４２との間には、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５が設けられている。具体的には、第１歪センサ４４を構成する起歪体４４ａと、第２歪センサ４５を構成する起歪体４５ａの一端部は、第１構造体４１に接合され、起歪体４４ａ、４５ａの他端部は、第２構造体４２に接合されている。起歪体４４ａ、４５ａの厚みは、第１構造体４１、第２構造体４２、及び複数の第３構造体４３の厚みより薄い。

起歪体４４ａ、４５ａの表面には、センサ素子としての図示せぬ複数の歪ゲージがそれぞれ設けられている。起歪体４４ａに設けられたセンサ素子により第１ブリッジ回路が構成され、起歪体４５ａに設けられたセンサ素子により第２ブリッジ回路が構成される。すなわち、トルクセンサ４０は、２つのブリッジ回路を具備している。

また、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、第１構造体４１及び第２構造体４２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、環状の第１構造体４１及び第２構造体４２の直径上に配置されている。

第１歪センサ４４（起歪体４４ａ）はフレキシブル基板４６に接続され、第２歪センサ４５（起歪体４５ａ）はフレキシブル基板４７に接続されている。フレキシブル基板４６、４７は、カバー４８により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、２つのブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。

本実施形態において、トルクセンサ４０は、トルク（Ｍｚ）に対して変形し、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、後述するように、変形が抑制される。

（第１実施形態）
図３、図４は、第１実施形態を示している。トルクセンサ４０は、ロボットアーム３０の例えば第１駆動部３６に設けられる。しかし、トルクセンサ４０は、ロボットアーム３０の例えば第２駆動部３７～第４駆動部３９に設けることも可能である。

図３、図４において、トルクセンサ４０の第１構造体４１は、複数のボルト５１により第１取り付け部としての第１アーム３２に固定される。すなわち、第１アーム３２のフランジ３２ａに複数のボルト５１が挿入され、これらボルト５１は、第１構造体４１の表面に螺合される。このため、フランジ３２ａの裏面の一部が第１構造体４１の表面に固定される。

第１駆動部３６は、例えばモータ３６ａと減速機３６ｂを含んでいる。減速機３６ｂは、例えばケース３６ｂ－１と、出力軸３６ｂ－２と、ベアリング３６ｂ－３と、図示せぬ複数のギヤなどを具備している。出力軸３６ｂ－２は、図示せぬ複数のギヤを介してモータ３６ａのシャフト３６ａ－１に連結され、ベアリング３６ｂ－３により、ケース３６ｂ－１に対して回転可能に設けられている。モータ３６ａは、減速機３６ｂのケース３６ｂ－１に設けられ、ケース３６ｂ－１は、第２取り付け部としての例えば基台３１に固定されている。

トルクセンサ４０の第２構造体４２は、複数のボルト５２により、減速機３６ｂの出力軸３６ｂ－２に連結される。すなわち、第２構造体４２の裏面は、出力軸３６ｂ－２の表面に固定される。

一方、図４、図５に示すように、フランジ３２ａの裏面の周囲には、裏面と例えば垂直な内周面（以下、単に側面と言う）３２ｂが設けられている。側面３２ｂは、トルクセンサ４０の外周面、すなわち、第１構造体４１の外周面（以下、単に側面と言う）に平行な面である。

また、図５に示すように、第１構造体４１の側面には、全周に亘って接触部としての突起４１ａが設けられている。突起４１ａは、第１構造体４１の側面の下部、すなわち、第１構造体４１の厚み方向の一端部に設けている。突起４１ａの厚みＴ１は、第１構造体４１の厚みより薄い。突起４１ａは、第１構造体４１の側面の下部に設けているが、これに限らず、第１構造体４１の側面の上部又は中央部に設けることも可能である。

フランジ３２ａの側面３２ｂは、突起４１ａに接触している。このため、トルクセンサ４０の側面は、突起４１ａの厚みＴ１においてのみフランジ３２ａの側面３２ｂに接触している。

上記構成において、モータ３６ａにより減速機３６ｂが駆動されると、トルク（Ｍｚ）方向の力がトルクセンサ４０に印加される。トルクセンサ４０の第２構造体４２は、第１構造体４１に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位する。トルクセンサ４０は、第２構造体４２が第１構造体４１に対して変位することにより、第１歪センサ４４、第２歪センサ４５から電気信号が出力され、トルクを検出することができる。

一方、トルクセンサ４０の第１構造体４１の側面は、突起４１ａにおいて第１アーム３２のフランジ３２ａの側面３２ｂと接している。このため、第１アーム３２乃至第４アーム３５の動作により、第１アーム３２にトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の曲げモーメントが発生した場合、この曲げモーメントは、突起４１ａを介してトルクセンサ４０に作用する。しかし、突起４１ａとフランジ３２ａの側面３２ｂとの接触面積が低減されているため、トルクセンサ４０に印加される曲げモーメントが低減される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の変位が抑制され、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の力に対する検出信号の出力が抑制される。

（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、トルクセンサ４０の第１構造体４１の側面は、突起４１ａのみが第１アーム３２のフランジ３２ａの側面３２ｂと接触し、突起４１ａとフランジ３２ａの側面３２ｂとの接触面積が低減されている。このため、トルクセンサ４０に印加される曲げモーメントが低減され、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の変位を抑制できる。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の力に対する検出信号の出力を抑制できる。よって、他軸干渉を低減でき、トルクの検出精度を向上させることが可能である。

尚、突起４１aは、第１構造体４１の側面に設けたが、これに限定されるものではない。図５に示すように、例えばフランジ３２ａの側面３２ｂに突起３２ｃを設け、この突起３２ｃを第１構造体４１の側面４１ｃに接触させてもよい。このような構成によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
図６、図７は、第２実施形態を示している。第１実施形態において、トルクセンサ４０の第１構造体４１は、突起４１aを有し、突起４１aが第１アーム３２の側面３２ｂの一部に接触していた。第２実施形態は、突起４１aに代えて傾斜した側面が用いられる。

図６、図７に示すように、トルクセンサ４０の第１構造体４１は、垂直な側面４１ｃを有し、フランジ３２ａは、接触部としての傾斜した側面３２ｄを有している。具体的には、フランジ３２ａの側面３２ｄは、上部から下部に向かって第１構造体４１の側面４１ｃからの距離が長くなるように傾斜されている。このため、フランジ３２ａの側面３２ｂは、上部においてのみ第１構造体４１の側面４１ｃに接触している。

上記構成において、第１アーム３２乃至第４アーム３５の動作により、第１アーム３２にトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の曲げモーメントが発生した場合、この曲げモーメントは、傾斜した側面３２ｄの上部を介してトルクセンサ４０に作用する。しかし、フランジ３２ａの側面３２ｄとトルクセンサ４０の第１構造体４１の側面との接触面積が僅かであるため、トルクセンサ４０に印加される曲げモーメントが低減される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の変位が抑制され、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）方向の力に対する検出信号の出力が抑制される。

（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

第２実施形態においては、フランジ３２ａに傾斜した側面３２ｄを設けたが、これに限定されるものではなく、フランジ３２ａの側面は垂直で、トルクセンサ４０に傾斜した側面を設けても第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第１変形例）
図８は、第２実施形態の第１変形例を示している。
第２実施形態において、フランジ３２aは、傾斜した側面３２ｄを有しているが、第１変形例において、フランジ３２aは、接触部としての曲面、例えば湾曲した側面３２ｅを有している。具体的には、フランジ３２ａの側面３２ｅは、上部から下部に向かって第１構造体４１の側面からの距離が長くなるように湾曲されている。このため、フランジ３２ａの側面３２ｅは、上部においてのみ第１構造体４１の側面に接触している。

上記第１変形例によっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
湾曲した側面は、フランジ３２aに設けたが、トルクセンサ４０の第１構造体４１に湾曲した側面を設け、第１構造体４１の湾曲した側面をフランジ３２aの垂直な側面に接触させても第１変形例と同様の効果を得ることができる。

（第２変形例）
図９は、第２実施形態の第２変形例を示している。
第２変形例において、フランジ３２aは、垂直な側面３２ｂを有し、トルクセンサ４０の第１構造体４１は、接触部としての曲面、例えば円弧状の側面４１ｂを有している。具体的には、第１構造体４１の側面４１ｂは、第１構造体４１の厚み方向の中央部のみがフランジ３２aの垂直な側面３２ｂに接触している。

上記第２変形例によっても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
円弧状の側面は、第１構造体４１に設けたが、フランジ３２aに円弧状の側面を設け、フランジ３２aの円弧状の側面を第１構造体４１の垂直な側面に接触させても第２変形例と同様の効果を得ることができる。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

４０…トルクセンサ、４１…第１構造体、４２…第２構造体、４３…第３構造体、３２…第１アーム（第１取り付け部）、３１…基台（第２取り付け部）、４１a…突起（接触部）、４１ｂ…円弧状の側面、３２ｄ…傾斜した側面、３２ｅ…湾曲した側面。

Claims (5)

1. 第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサと、
   前記トルクセンサの前記第１構造体が取り付けられる取り付け部と、
   を具備し、
   前記第１構造体は、第１面と、前記第１面に平行な第２面と、前記第１面と前記第２面の周囲を繋ぐ側面と、を有し、
   前記取り付け部は、前記第１構造体の前記第１面と平行で、前記第１構造体の前記第１面が取り付けられる部分と、前記第１構造体の前記側面に平行な内側面と、を含み、
   前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面との一方は、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面との他方の一部に接触する接触部を具備することを特徴とするトルクセンサの取り付け構造。
2. 前記接触部は、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面の一方の周囲に設けられた突起であることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの取り付け構造。
3. 前記突起は、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面の一方の全周に設けられ、前記第１構造体の前記第１面に垂直な方向の前記突起の厚みは、前記第１構造体の前記第１面に垂直な方向の厚みより薄いことを特徴とする請求項２記載のトルクセンサの取り付け構造。
4. 前記接触部は、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面の一方に設けられた傾斜部であることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの取り付け構造。
5. 前記接触部は、前記第１構造体の前記側面と前記取り付け部の前記内側面の一方に設けられた曲面であることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの取り付け構造。

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