WO2021079464A1 - トルクセンサ、ロボット、トルク算出方法 - Google Patents
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Definitions
- the disclosed embodiment relates to a torque sensor, a robot, and a torque calculation method.
- Patent Document 1 describes a first member, a second member having a rotational relationship relative to the first member, a connecting member for connecting the first member and the second member, and a first member.
- a torque sensor having a scale provided on the member and a detection head provided on the second member and detecting position information from the scale is described.
- the first member and the second member are axially connected by the connecting member, and the scale and the detection head are arranged in the space between them. Therefore, the axial dimension may increase, which may lead to an increase in the size of the torque sensor.
- the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a torque sensor, a robot, and a torque calculation method that can be miniaturized.
- the strain-causing body has a strain-causing body and an optical sensor for detecting the strain of the strain-causing body, and the strain-causing body has a ring-shaped outer circumference.
- the optical sensor has a portion and an inner peripheral portion having at least a part arranged inside the outer peripheral portion in the radial direction, and the optical sensor is fixed to either the outer peripheral portion or the inner peripheral portion, and the outer peripheral portion is fixed.
- the scale is arranged between the portion and the inner peripheral portion, and is fixed to the outer peripheral portion or the other of the inner peripheral portion, and is arranged between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion so as to face the scale.
- a torque sensor having a detection unit and a detection unit is applied.
- a robot equipped with the above torque sensor at the tip of the arm is applied.
- the robot is provided with a torque sensor at the tip of the arm, and the torque sensor includes a strain-causing body and a sensor for detecting the strain of the strain-causing body.
- the strain-causing body is provided on a ring-shaped outer peripheral portion, an inner peripheral portion in which at least a part thereof is arranged inside the outer peripheral portion in the radial direction, and the outer peripheral portion in the axial direction of the inner peripheral portion.
- the torque sensor has a protruding portion that protrudes from one end toward one side in the axial direction, and the torque sensor is located between the protruding portion and a member to which the outer peripheral portion or the inner peripheral portion is fixed.
- a robot with a sealing mechanism arranged in is applied.
- a torque sensor having a strain-causing body and optical sensors arranged at a plurality of locations in the circumferential direction of the strain-causing body to detect the strain of the strain-causing body.
- the torque calculation method is to acquire the outputs of the plurality of optical sensors and to add the acquired outputs of the plurality of optical sensors and calculate the torque based on the added outputs.
- the torque calculation method to have is applied.
- the size can be reduced.
- FIG. 5 is a plan view of a strain-causing body viewed from the positive direction side of the Z-axis in a modified example in which three optical sensors are arranged at intervals of 120 degrees.
- FIG. 5 is a block diagram which shows an example of the functional structure of the torque calculation part which executes the torque calculation process in the modification which arranges three optical sensors at an interval of 120 degrees.
- the detection error due to torque ripple peculiar to a speed reducer equipped with a wave gear mechanism can be canceled by adding the outputs of the three optical sensors.
- FIG. 1 is a plan view of the torque sensor 1 viewed from the positive direction side of the Z axis
- FIG. 2 is a side view of the torque sensor 1 viewed from the negative direction side of the Y axis.
- the torque sensor 1 has a strain-causing body 3 that is distorted by an external force.
- the strain generating body 3 is made of a relatively lightweight metal.
- the strain-causing body 3 is arranged inside the ring-shaped outer peripheral portion 5 and the outer peripheral portion 5 in the radial direction, and has a ring-shaped inner peripheral portion 7 having a diameter smaller than that of the outer peripheral portion 5, and the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion. It has a plurality of connecting portions 9A to 9D (4 in this example) for connecting to 7.
- the inner peripheral portion 7 may have a solid structure (disk-shaped member or the like) instead of a hollow structure.
- the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 are arranged concentrically in the radial direction about the Z axis.
- a plurality of fastening bolts (not shown) for fixing the outer peripheral portion 5 to an external device (for example, a robot arm, an end effector, a speed reducer, a motor, etc.) are inserted into the outer peripheral portion 5 (in this example).
- the bolt hole 11 of 12) is formed.
- the bolt holes 11 are each of the connecting portions 9A to 9D so that the positions corresponding to the connecting portions 9A to 9D are denser than the positions not corresponding to the connecting portions 9A to 9D in the circumferential direction around the Z axis. It is centrally located in the vicinity of.
- a plurality of fastening bolts (not shown) for fixing the inner peripheral portion 7 to an external device (for example, a robot arm, an end effector, a speed reducer, a motor, etc.) are inserted into the inner peripheral portion 7 (this).
- the bolt hole 13 of 12 is formed.
- the bolt holes 13 are arranged at substantially equal angular intervals (30 degree intervals in this example) in the circumferential direction around the Z axis.
- the bolt holes 13 may also be arranged in the vicinity of each of the connecting portions 9A to 9D in the same manner as the bolt holes 11. Further, the bolt holes 11 may be arranged at substantially equal angular intervals in the circumferential direction around the Z axis in the same manner as the bolt holes 13.
- the thickness of the inner peripheral portion 7 in the Z-axis direction is formed to be larger than the thickness of the outer peripheral portion 5.
- the bottom surfaces (end faces on the negative direction side of the Z axis) of the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 are substantially flush with each other, and a part of the inner peripheral portion 7 protrudes from the outer peripheral portion 5 in the positive direction of the Z axis. It is arranged like this.
- a part of the inner peripheral portion 7 may protrude from the outer peripheral portion 5 in the negative direction of the Z axis, or may protrude on both sides in the positive direction and the negative direction of the Z axis.
- the thickness of the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 may be substantially the same, or the thickness of the inner peripheral portion 7 may be formed to be smaller than the thickness of the outer peripheral portion 5.
- the connecting portions 9A to 9D are arranged in the space S (see FIG. 2) between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 at substantially equal angular intervals (90 degree intervals in this example) in the circumferential direction around the Z axis. There is.
- the connecting portions 9A to 9D have a small amount of the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 around the Z axis corresponding to the magnitude of the torque (torsion moment Mz around the Z axis) to be detected by the torque sensor 1. Connect by the amount so that they can rotate relatively.
- the space between the connecting portions 9A and 9B is S1
- the space between the connecting portions 9B and 9C is S2
- the space between the connecting portions 9C and 9D is S3.
- the space between the connecting portions 9D and 9A is called S4.
- the number and arrangement of the connecting portions may be other than the above as long as the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 can be connected so as to have a predetermined rigidity.
- a plurality of (4 in this example) substrates PB1 to PB4 are arranged in the space S between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7.
- Each of the substrates PB1 to PB4 has a plurality of substrates and is configured as a set of substrates (see FIG. 4).
- Each of the substrates PB1 to PB4 is arranged in a plurality of spaces S1 to S4 between the plurality of connecting portions 9A to 9D in the circumferential direction around the Z axis. That is, the substrate PB1 is arranged in the space S1, the substrate PB2 is arranged in the space S2, the substrate PB3 is arranged in the space S3, and the substrate PB4 is arranged in the space S4.
- the board PB3 and the board PB4 are provided with external connectors 15 and 17, respectively, for inputting a power source and transmitting / receiving a signal to / from an external device.
- connection portions 19, 21, 23 are, for example, flexible substrates (FPC: Flexible Printed Circuits).
- the connection portion may be any one that connects the boards so that signals can be transmitted and received, and other than the FPC, for example, a lead wire, a cable, a connector, or the like may be used.
- the axis in the circumferential direction passing through the substantially center position of the substrate PB2 (the direction in which the angular intervals of the connecting portions 9B and 9C are divided into two equal parts) is X.
- the Y-axis is the axis in the direction perpendicular to the X-axis, that is, the direction in which the substrate PB1 passes through the substantially central position in the circumferential direction (the direction in which the angular intervals of the connecting portions 9A and 9B are divided into two equal parts).
- FIG. 3 is a plan view of the strain generating body 3 as viewed from the positive direction side of the Z axis. Note that FIG. 3 shows a state in which the substrates PB1 to PB4 and the connecting portions 19, 21, 23 and the like are removed from the torque sensor 1 shown in FIG. Further, in FIG. 3, the bolt holes 13 of the inner peripheral portion 7 are not shown in order to prevent complications. Further, in FIG. 3, in order to show the positional relationship with the scales SC1 to SC4, the detection units D1 to D4 installed on the substrates PB1 to PB4 are shown by broken lines.
- the strain generating body 3 has an outer peripheral portion 5, an inner peripheral portion 7, and connecting portions 9A to 9D, and the connecting portions 9A to 9D are spaced approximately 90 degrees in the circumferential direction.
- the inner peripheral portion 7 has a plurality of scale fixing portions SF1 to SF4 (4 in this example) protruding outward in the radial direction in the space S.
- the scale fixing portions SF1 to SF4 are arranged at intervals of approximately 90 degrees in the circumferential direction.
- Scales SC1 to SC4 are fixed to the upper surfaces of the scale fixing portions SF1 to SF4 by, for example, screws (not shown).
- each of the scales SC1 to SC4 has a plurality of reflective slits arranged in the circumferential direction.
- the scale fixing portion SF1 protrudes in the positive direction of the Y axis, and the scale SC1 is arranged at an intermediate position between two fixing positions of the substrate PB1 (pin holes 25 and 25 of the substrate fixing portions PF1 and PF1 described later) in the circumferential direction.
- the scale fixing portion SF2 projects in the positive direction of the X-axis, and arranges the scale SC2 at an intermediate position between two fixing positions of the substrate PB2 (pin holes 25 and 25 of the substrate fixing portions PF2 and PF2 described later) in the circumferential direction.
- the scale fixing portion SF3 projects in the negative direction of the Y-axis, and arranges the scale SC3 at an intermediate position between two fixing positions of the substrate PB3 (pin holes 25 and 25 of the substrate fixing portions PF3 and PF3 described later) in the circumferential direction.
- the scale fixing portion SF4 projects in the negative direction of the X-axis, and arranges the scale SC4 at an intermediate position between two fixing positions of the substrate PB4 (pin holes 25 and 25 of the substrate fixing portions PF4 and PF4 described later) in the circumferential direction.
- Each of the scale fixing portions SF1 to SF4 is configured as a piece (an example of a mounting piece) separate from the inner peripheral portion 7.
- Each of the scale fixing portions SF1 to SF4 has a base portion 29 in which a bolt hole 27 is formed.
- the base portion 29 is attached to and detached from the fixing portion (for example, a concave portion formed on the bottom surface side) of the inner peripheral portion 7 by a fixing bolt (not shown) inserted through the bolt hole 27.
- each of the scale fixing portions SF1 to SF4 is detachably fixed to the inner peripheral portion 7.
- the scale fixing portions SF1 to SF4 and the inner peripheral portion 7 may be integrally configured. Further, the scale fixing portions SF1 to SF4 may be connected to form one piece.
- the outer peripheral portion 5 has a plurality of sets (4 sets in this example) of substrate fixing portions PF1 to PF4 protruding inward in the space S.
- Each set of board fixing parts PF1 to PF4 that is, a set of board fixing parts PF1 and PF1, a set of board fixing parts PF2 and PF2, a set of board fixing parts PF3 and PF3, and a set of board fixing parts PF4 and PF4 , are arranged at intervals of approximately 90 degrees in the circumferential direction.
- the substrate fixing portions PF1 and PF1 are arranged so as to sandwich the scale fixing portion SF1 in the circumferential direction, and the substrate fixing portions PF2 and PF2 are arranged so as to sandwich the scale fixing portion SF2 in the circumferential direction.
- the substrate fixing portions PF1 and PF1 project in the negative direction of the Y-axis, and pin holes 25 (an example of a second pin hole) into which stud pins 31 (see FIG. 4) for fixing the substrate PB1 are press-fitted are respectively. Is formed in.
- the substrate fixing portions PF1 and PF1 are arranged so that the detection portion D1 faces the scale SC1 in the Z-axis direction at an intermediate position between the two fixing positions (pin holes 25 and 25) of the substrate PB1 in the circumferential direction. Fix it.
- the substrate fixing portions PF2 and PF2 project in the negative direction of the X-axis, respectively, and pin holes 25 into which stud pins 31 for fixing the substrate PB2 are press-fitted are formed in each.
- the substrate fixing portions PF2 and PF2 are arranged so that the detection portion D2 is arranged to face the scale SC2 in the Z-axis direction at an intermediate position between the two fixing positions (pin holes 25 and 25) of the substrate PB2 in the circumferential direction. Fix it.
- the substrate fixing portions PF3 and PF3 project in the positive direction of the Y-axis, respectively, and pin holes 25 into which stud pins 31 for fixing the substrate PB3 are press-fitted are formed in each.
- the substrate fixing portions PF3 and PF3 are arranged so that the detection portion D3 faces the scale SC3 in the Z-axis direction at an intermediate position between the two fixing positions (positions corresponding to the pin holes 25 and 25) of the substrate PB3 in the circumferential direction. , Fix the substrate PB3.
- the substrate fixing portions PF4 and PF4 each project in the positive direction of the X-axis, and pin holes 25 into which stud pins 31 (see FIG. 4) for fixing the substrate PB4 are press-fitted are formed in each.
- the substrate fixing portions PF4 and PF4 are arranged so that the detection portion D4 faces the scale SC4 in the Z-axis direction at an intermediate position between the two fixing positions (pin holes 25 and 25) of the substrate PB4 in the circumferential direction. Fix.
- Each of the board fixing portions PF1 to PF4 is configured as a piece (an example of a mounting piece) separate from the outer peripheral portion 5.
- Each of the substrate fixing portions PF1 to PF4 has a base portion 35 in which a bolt hole 33 is formed.
- the base portion 35 is attached to and detached from a fixing portion (for example, a concave portion formed on the bottom surface side) of the outer peripheral portion 5 by a fixing bolt (not shown) inserted through the bolt hole 33.
- a fixing bolt not shown
- each of the substrate fixing portions PF1 to PF4 is detachably fixed to the outer peripheral portion 5.
- the substrate fixing portions PF1 to PF4 and the outer peripheral portion 5 may be integrally configured.
- the configuration of the strain generating body 3 described above is an example, and is not limited to this.
- the scale fixing portions SF1 to SF4 are provided on the outer peripheral portion 5
- the scales SC1 to SC4 are fixed to the outer peripheral portion 5
- the substrate fixing portions PF1 to PF4 are provided on the inner peripheral portion 7
- the detection portions D1 to D4 are provided on the inner peripheral portion. It may be fixed to 7.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the cross-sectional structure of the substrates PB1 to PB4 in the IV-IV cross-sectional line of FIG. 1 (also shown for reference in FIG. 3).
- the connection portions 19, 21, 23 and the circuit components on each board are not shown.
- the substrate PB1 has a plurality of (3 in this example) substrates PB1a to PB1c.
- the substrates PB1a to PB1c have substantially the same shape, and are arranged in multiple stages in the Z-axis direction.
- the substrates PB1a to PB1c are supported by the substrate fixing portions PF1 and PF1 and the two stud pins 31 and 31 press-fitted therein with a predetermined gap in the Z-axis direction.
- the substrates PB1a to PB1c are arranged in the order of the substrates PB1a, PB1b, and PB1c from the negative direction side of the Z axis to the positive direction side.
- the board PB1a is a board that mainly performs signal processing of analog signals.
- the detection unit D1 is arranged so as to face the scale SC1 fixed to the scale fixing portion SF1 with a predetermined gap in the Z axis direction. There is.
- the detection unit D1 and the scale SC1 constitute the first optical sensor OS1 and detect the distortion of the strain generating body 3.
- the substrate PB1a is provided with an amplifier circuit for an analog signal output from the detection unit D1, an offset removal circuit, and the like.
- the substrate PB1b is a substrate that mainly performs signal processing of digital signals.
- the substrate PB1b is provided with an A / D conversion circuit, an arithmetic circuit that functions as a torque calculation unit 37 described later, a power supply monitoring processing circuit, and the like.
- the functions of these circuits may be implemented by a program executed by the CPU, or a part or all of them may be implemented by an actual device such as an ASIC, FPGA, or other electric circuit.
- the substrate PB1c is a substrate that mainly performs processing related to communication functions.
- the board PB1c is provided with a power supply circuit, a communication circuit for transmitting and receiving signals to and from other devices and boards, and the like.
- the above-mentioned external connectors 15 and 17 are provided on the upper surfaces (the surface on the positive direction side of the Z axis) of the substrate PB3c and the substrate PB4c.
- the scale SC2 fixed to the scale fixing unit SF2 and the detection unit D2 arranged on the substrate PB2a of the substrate PB2 constitute the second optical sensor OS2.
- the scale SC3 fixed to the scale fixing unit SF3 and the detection unit D3 arranged on the substrate PB3a of the substrate PB3 constitute the third optical sensor OS3.
- the scale SC4 fixed to the scale fixing unit SF4 and the detection unit D4 arranged on the substrate PB4a of the substrate PB4 constitute the fourth optical sensor OS4.
- each of the substrates PB1 to PB4 may be configured by one substrate.
- the processing is not limited to the above-mentioned example of sharing the analog signal processing, digital signal processing, and communication processing, and for example, a smaller number of boards (for example, two boards) are used. It may be shared by the substrate), or it may be further subdivided into functions and shared by a larger number of substrates (4 or more substrates).
- FIG. 5 is a plan view of the detection units D1 to D4 as viewed from the Z-axis negative direction side.
- the detection unit D1 Since the configurations of the detection units D1 to D4 are the same, the detection unit D1 will be described here as an example. As shown in FIG. 5, the detection unit D1 has a light source 39 and two light receiving units 41 arranged so as to sandwich the light source 39 in the radial direction about the Z axis.
- the light source 39 emits light to the scale SC1.
- the light source 39 is not particularly limited as long as it is a light source capable of irradiating the irradiation region with light, but for example, an LED (Light Emittering Diode) can be used.
- the light source 39 is configured as a point light source in which an optical lens or the like is not arranged, and emits diffused light.
- point light source does not have to be a strict point, and if it is a light source that can be regarded as emitting diffused light from a substantially point position in terms of design and operating principle, light can be emitted from a finite emission surface. May be issued.
- the "diffused light” is not limited to the light emitted from the point light source in all directions, and includes the light emitted while being diffused in a finite constant direction. That is, the diffused light referred to here includes light that has more diffusivity than parallel light.
- the light source 39 can irradiate the scale SC1 arranged at the opposite positions with light substantially evenly. Further, since the light is not condensed and diffused by the optical element, an error or the like due to the optical element is unlikely to occur, and the straightness of light to the scale SC1 can be improved.
- Each light receiving unit 41 has a plurality of (16 in this example) light receiving elements 43 arranged at equal intervals along the circumferential direction around the Z axis. That is, the plurality of light receiving elements 43 are formed so as to have an incremental pattern.
- the number of light receiving elements 43 constituting the light receiving unit 41 may be other than the above.
- the first optical sensor OS1 irradiates the scale SC1 with light from the light source 39 of the detection unit D1, and receives the light reflected by the scale SC1 by each light receiving element 43 of the light receiving unit 41. As a result, the first optical sensor OS1 detects the relative rotation amount between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, and transmits the rotation amount to the torque calculation unit 37 (see FIG. 8).
- the second optical sensor OS2, the third optical sensor OS3, and the fourth optical sensor OS4 also detect the amount of relative rotation between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 in the same manner as described above.
- the amount of rotation is transmitted to the torque calculation unit 37 (see FIG. 8).
- the torque calculation unit 37 calculates the torque value acting between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 based on the rotation amount received from the optical sensors OS1 to OS4 and the elastic modulus of the connecting portions 9A to 9D. To do.
- the configuration of the detection unit D1 described above is an example, and is not limited to this.
- the two light receiving parts 41 are arranged so as to sandwich the light source 39 in the radial direction, but the two light receiving parts may be arranged so as to sandwich the light source 39 in the circumferential direction.
- FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a fixed portion of the substrates PB1 to PB4 by one of the stud pins 31.
- the fixing structure by one stud pin 31 of the substrate PB1 will be described as an example.
- the stud pin 31 (an example of a pin) is a columnar member having a plurality of portions (three in this example) having different diameters.
- the stud pin 31 has a large diameter portion 31A having the largest diameter, a medium diameter portion 31B having a medium diameter, and a small diameter portion 31C having the smallest diameter.
- a step portion 31a is formed between the large diameter portion 31A and the medium diameter portion 31B, and a step portion 31b is formed between the medium diameter portion 31B and the small diameter portion 31C.
- the diameter of the large diameter portion 31A is formed to be equal to or slightly larger than the diameter of the pin hole 25 of the substrate fixing portion PF1, and the large diameter portion 31A is press-fitted into the pin hole 25.
- the pin hole 45 (an example of the first pin hole) formed in the substrate PB1a is formed by a predetermined amount larger than the diameter of the large diameter portion 31A. If the pin hole 45 and the diameter of the large diameter portion 31A are formed substantially the same, and the large diameter portion 31A is press-fitted into both the pin hole 45 of the substrate PB1a and the pin hole 25 of the substrate fixing portion PF1.
- the pin holes are machined in the substrate PB1a and the strain generating body 3 (the substrate fixing portion PF1), extremely high dimensional accuracy is required, which makes mass production difficult and reduces assembly workability.
- the pin hole 45 by forming the pin hole 45 larger than the diameter of the large diameter portion 31A, the dimensional accuracy required for processing the pin hole is lowered, mass production is possible, and the assembly work is easy. Become.
- the gap between the inner peripheral surface of the pin hole 45 and the outer peripheral surface of the large diameter portion 31A inserted through the pin hole 45 is filled with the adhesive 47.
- the adhesive 47 is used to form a built-up portion (fillet having a smooth hem spread shape) on the substrate PB1a to increase the adhesive area and increase the adhesive strength.
- one or more (two in this example) groove portions 31c are formed at the bonding portion on the outer peripheral surface of the large diameter portion 31A.
- the adhesive 47 filled in the groove 31c acts as a wedge to exert an anchor effect, and the effect of preventing the substrate PB1a from shifting in the Z-axis direction can be further enhanced.
- the number of groove portions 31c may be one or three or more. Further, the groove portion 31c does not necessarily have to be formed.
- the pin hole 49 (an example of the first pin hole) formed in the substrate PB1b is formed by a predetermined amount larger than the diameter of the medium diameter portion 31B.
- the adhesive 51 is filled in the gap between the inner peripheral surface of the pin hole 49 and the outer peripheral surface of the medium diameter portion 31B inserted through the pin hole 49.
- One or more (two in this example) groove portions 31d are formed at the bonding portion on the outer peripheral surface of the medium diameter portion 31B.
- the pin hole 53 (an example of the first pin hole) formed in the substrate PB1c is formed by a predetermined amount larger than the diameter of the small diameter portion 31C.
- the gap between the inner peripheral surface of the pin hole 53 and the outer peripheral surface of the small diameter portion 31C inserted through the pin hole 53 is filled with the adhesive 55.
- One or more (two in this example) groove portions 31e are formed at the bonding portion on the outer peripheral surface of the small diameter portion 31C.
- the large diameter portion 31A of the stud pin 31 is press-fitted into the pin hole 25 of the substrate fixing portion PF1, but a screw is formed on the outer peripheral surface of the large diameter portion 31A and the inner peripheral surface of the pin hole 25 is formed.
- a female screw may be formed and the large diameter portion 31A may be fastened to the pin hole 25 with a screw.
- FIG. 7 is an explanatory diagram conceptually showing an example of the overall configuration of the substrates PB1 to PB4 of the torque sensor 1.
- the torque sensor 1 has four substrates PB1 to PB4.
- the boards PB1a to PB1c constituting the board PB1 are connected to each other by the stacking connector CN1 so as to be able to transmit and receive electric power and signals.
- the substrates PB2a to PB2c constituting the substrate PB2 are connected to each other by a stacking connector CN2 so that electric power and signals can be transmitted and received.
- the substrates PB3a to PB3c constituting the substrate PB3 are connected to each other by a stacking connector CN3 so that electric power and signals can be transmitted and received.
- the boards PB4a to PB4c constituting the board PB4 are connected to each other by the stacking connector CN4 so as to be able to transmit and receive electric power and signals.
- the substrate PB4c and the substrate PB1c are connected to each other via the stacking connectors CN4 and CN1 so that electric power and signals can be transmitted and received to each other by the connecting portion 19.
- the substrate PB1c and the substrate PB2c are connected to each other via the stacking connectors CN1 and CN2 so that electric power and signals can be transmitted and received to each other by the connecting portion 21.
- the substrate PB2c and the substrate PB3c are connected to each other via the stacking connectors CN2 and CN3 so that electric power and signals can be transmitted and received to each other by the connecting portion 23.
- the board PB4c is provided with an external connector 17 for inputting power and transmitting and receiving signals to and from an external device
- the board PB3c is provided with an external connector 17 for inputting power and transmitting and receiving signals to and from an external device.
- An external connector 15 is provided for this purpose.
- the substrate PB1 and the first optical sensor OS1 are referred to as the first sensor module SM1
- the substrate PB2 and the second optical sensor OS2 are referred to as the second sensor module SM2
- the substrate PB3 and the third optical sensor OS3 Is referred to as a third sensor module SM3, the substrate PB4 and the fourth optical sensor OS4 are referred to as a fourth sensor module SM4.
- the first sensor module SM1 and the third sensor module SM3 arranged at an angular interval of 180 degrees in the circumferential direction form a first system, the third sensor module SM3 is a master, and the first sensor module SM1 is a slave.
- the second sensor module SM2 and the fourth sensor module SM4 arranged at an angular interval of 180 degrees in the circumferential direction form a second system, the fourth sensor module SM4 is the master, and the second sensor module SM2 is. Acts as a slave.
- the first sensor module SM1 transmits the value detected by the first optical sensor OS1 to the third sensor module SM3 via the second sensor module SM2, and the third sensor module SM3 is the third optical sensor.
- the average value is calculated by adding the value detected by the first optical sensor OS1 received to the value detected by the OS3.
- the second sensor module SM2 transmits the value detected by the second optical sensor OS2 to the fourth sensor module SM4 via the third sensor module SM3, and the fourth sensor module SM4 is the fourth.
- the value detected by the second optical sensor OS2 received is added to the value detected by the optical sensor OS4 to calculate the average value.
- the torque value is calculated using the average value calculated above in the third sensor module SM3, and is transmitted to the outside via the external connector 15. .. Further, the torque value is calculated by using the average value calculated above in the fourth sensor module SM4, and is transmitted to the outside via the external connector 17.
- the master calculates the average value for each system, but it is not limited to this.
- the average value in each system may be calculated by the slave, the average value may be transmitted to the master of one system, and the master may calculate the average of the average values to calculate the torque value.
- the master calculates the average value in one system
- the slave calculates the average value in the other system
- the slave transmits the average value to the master of one system
- the master averages the average value.
- the torque value may be calculated by calculating the average of the values.
- the above-mentioned board configuration is an example, and is not limited to this.
- the third sensor module SM3 and the fourth sensor module SM4 may be connected by a connecting portion, and the substrates PB1 to PB4 may be connected in an annular shape.
- an external connector may be provided in the slave in place of or in addition to the master in each system, or may be provided in at least one of the master or the slave of only one of the systems.
- FIG. 8 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the torque calculation unit 37 that executes the torque calculation process.
- the process by the torque calculation unit 37 shown in FIG. 8 may be shared and executed by a plurality of all or a part of the substrates PB1b, PB2b, PB3b, and PB4b, or only one specific substrate. May be executed by.
- the torque calculation unit 37 calculates a torque value based on the outputs of a plurality of optical sensors (four optical sensors OS1 to OS4 in this example). As shown in FIG. 8, the torque calculation unit 37 includes a conversion unit 56, 58, 60, 62, an addition unit 57, a division unit 59, an addition unit 61, a division unit 63, an addition unit 65, and division. It has a part 67.
- Each of the conversion units 56, 58, 60, and 62 has the output (detection value) of the first optical sensor OS1, the second optical sensor OS2, the third optical sensor OS3, and the fourth optical sensor OS4, respectively.
- the torque values acting between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 are calculated based on the elastic modulus of the connecting portions 9A to 9D and the like.
- the addition unit 57 adds the torque value calculated by the conversion unit 56 and the torque value calculated by the conversion unit 60.
- the division unit 59 divides the torque value added by the addition unit 57 by 2, and calculates the average value.
- the addition unit 61 adds the torque value calculated by the conversion unit 58 and the torque value calculated by the conversion unit 62.
- the division unit 63 divides the torque value added by the addition unit 61 by 2, and calculates the average value.
- the outputs of the optical sensors OS1 and OS3 (including the torque value calculated by the conversion unit) and the outputs of the optical sensors OS2 and OS4 (calculated by the conversion unit) arranged at intervals of 180 degrees in the circumferential direction.
- the torque values including the torque values
- the detection error due to interference with other axes can be canceled.
- the “other-axis interference” refers to the translational forces Fx, Fy, and Fz in each direction of the torsional moment Mx around the X-axis, the torsional moment My around the Y-axis, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis.
- a disturbance force (torsion) other than the torque is generated.
- Moments Mx, My may cause relative rotation around the X-axis or Y-axis.
- a disturbance force other than torque may cause relative movement in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions.
- the detection position in the circumferential direction is generated. Changes, causing a detection error.
- a detection error occurs in opposite directions (positive direction and negative direction) in the circumferential direction around the Z axis. Therefore, by adding the outputs of the optical sensors OS2 and OS4, twisting occurs. The detection error due to the moment Mx can be canceled.
- the influence on the torque detection accuracy can be ignored in the optical sensors OS2 and OS4 constituting the second system.
- the optical sensors OS1 and OS3 constituting the first system since the scales SC1 and SC3 and the detection units D1 and D3 are tilted with respect to the circumferential direction around the Z axis, the detection position in the circumferential direction is generated. Changes, causing a detection error.
- a detection error occurs in opposite directions (positive direction and negative direction) in the circumferential direction around the Z axis. Therefore, by adding the outputs of the optical sensors OS1 and OS3, twisting occurs. The detection error due to the moment My can be canceled.
- the torque sensor 1 detects the relative rotation around the axis in any direction in the XY axis plane by adding the outputs of the optical sensors OS1 and OS3 and the outputs of the optical sensors OS2 and OS4, respectively. You can cancel the error.
- the scales SC2 and SC4 and the detection units D2 and D4 Since the change (rotation amount) of the detection position in the circumferential direction around the Z axis is 0 or very small, the influence on the detection accuracy of the torque can be ignored.
- a detection error occurs because the detection position in the circumferential direction around the Z axis changes between the scales SC1 and SC3 and the detection units D1 and D3. ..
- the optical sensors OS1 and OS3 constituting the first system have scales SC1 and SC3 and detection units D1 and D3. Since the change (rotation amount) of the detection position in the circumferential direction around the Z axis is 0 or very small, the influence on the detection accuracy of the torque can be ignored. On the other hand, in the optical sensors OS2 and OS4 constituting the second system, a detection error occurs because the detection position in the circumferential direction around the Z axis changes between the scales SC2 and SC4 and the detection units D2 and D4. ..
- the components in the Y-axis direction are as described above.
- the effect on the detection accuracy of torque can be ignored, and the detection error can be canceled by adding the outputs of the optical sensors OS1 and OS3 for the components in the X-axis direction.
- the influence on the torque detection accuracy can be ignored for the component in the X-axis direction, and the component in the Y-axis direction is detected by adding the outputs of the optical sensors OS2 and OS4. You can cancel the error. Therefore, the torque sensor 1 adds the outputs of the optical sensors OS1 and OS3 and the outputs of the optical sensors OS2 and OS4, respectively, to obtain a detection error regardless of the direction of relative movement in the XY axis plane. You can cancel.
- the Z-axis of the scales SC1 to SC4 and the detection units D1 to D4 is used in any of the optical sensors OS1 to OS4. Since the change (rotation amount) of the detection position in the circumferential direction is 0 or very small, the influence on the detection accuracy of the torque can be ignored.
- the addition unit 65 adds the average value divided by the division unit 59 and the average value divided by the division unit 63. In other words, the addition unit 65 adds the output (average value) of the first system and the output (average value) of the second system arranged so as to be offset by 90 degrees in the circumferential direction.
- the division unit 67 divides the average value added by the addition unit 65 by 2, and further calculates the average value of the average values.
- a strain wave gearing mechanism generally includes a circular spline, a wave generator, and a flexspline.
- the flexspline is flexed in an elliptical shape by the wave generator, and the circular spline and the teeth mesh with each other on the long axis, and the teeth are separated on the short axis.
- the meshing position of the teeth between the flexspline and the circular spline passes twice while the wave generator makes one rotation (360 degrees).
- torque ripple of two cycles is generated for each rotation of the wave generator, which may appear as a detection error of the torque sensor. Since the detection error is caused by torque ripple, the period is 180 degrees.
- the optical sensors OS1 and OS3 of the first system and the optical sensors OS2 and OS4 of the second system are arranged with a deviation of 90 degrees in the circumferential direction, the detection error of each output is 90 degrees. Has a phase difference of. Therefore, the torque sensor 1 adds the output (average value) of the first system and the output (average value) of the second system to detect an error due to torque ripple peculiar to a speed reducer equipped with a wave gear mechanism. Can be canceled.
- the torque calculation process described above is an example, and is not limited to this.
- the division is performed by the division unit 59 without providing the addition unit 65 and the division unit 67.
- the average value and the average value divided by the division unit 63 may be output as independent torque values of the first system and the second system. In this case, the sensor output can be duplicated while canceling the detection error due to interference with other axes.
- the output of the first optical sensor OS1 and the output of the second optical sensor OS2 (the output of the second optical sensor OS2 and the third optical) arranged by the addition unit 57 and the division unit 59 with a deviation of 90 degrees in the circumferential direction.
- the output of the third optical sensor OS3 and the fourth optical type are calculated by adding the output of the type sensor OS3) and calculated, and the addition unit 61 and the division unit 63 are arranged 90 degrees apart in the circumferential direction.
- the output of the sensor OS4 (the output of the fourth optical sensor OS4 and the output of the first optical sensor OS1 may be used) is added to calculate the average value, and the addition unit 65 and the division unit 67 calculate the average value. It may be configured to be used.
- the detection error due to interference with other axes can be canceled, and the detection error due to torque ripple peculiar to the wave gear mechanism can be canceled.
- the average value divided by the division unit 59 and the average value divided by the division unit 63 without providing the addition unit 65 and the division unit 67 are not provided. May be output as a torque value independent of each. In this case, the sensor output can be duplicated while canceling the detection error due to torque ripple.
- the processing and the like in the conversion unit 56, 58, 60, 62, the addition unit 57, the division unit 59, the addition unit 61, the division unit 63, the addition unit 65, the division unit 67, etc. described above are examples of the division of these processes. For example, it may be processed by a smaller number of processing units (for example, one processing unit), or may be processed by a further subdivided processing unit. Further, these functions may be implemented by, for example, a program executed by a CPU (not shown) provided on the boards PB1b, PB2b, PB3b, PB4b, or a part or all of them may be implemented by an ASIC, FPGA, or other electric circuit. It may be implemented by an actual device such as.
- optical sensors OS1 and OS3 or the optical sensors OS2 and OS4 are examples of optical sensors arranged at predetermined angular intervals other than 90 degrees in the circumferential direction, respectively.
- the optical sensors OS1, OS2, the optical sensors OS2, OS3, the optical sensors OS3, OS4, or the optical sensors OS4, OS1 are optics arranged at predetermined angular intervals other than 180 degrees in the circumferential direction, respectively. This is an example of an optical sensor.
- FIG. 10 is a plan view of the strain generating body 3A of the torque sensor of the comparative example in which the hysteresis improvement measure is not applied, as viewed from the Z-axis positive direction side.
- FIG. 11 is a graph showing an example of a hysteresis curve of the rated output with respect to the rated load in the torque sensor of the above comparative example.
- a plurality of (12 in this example) bolt holes 11 are provided on the outer peripheral portion 5 at equal angles in the circumferential direction around the Z axis (in this example, 12). It is arranged so as to be (30 degrees).
- the configuration other than the arrangement of the bolt holes 11 is the same as that of the strain generating body 3 shown in FIG. 3, and thus the description thereof will be omitted.
- hysteresis HS may occur in the rated output.
- This hysteresis becomes large, it appears as a detection error of the torque sensor.
- the cause of the hysteresis is the insufficient fastening around the connecting portions 9A to 9D of the outer peripheral portion 5, and the fastening surface of the outer peripheral portion 5 and external equipment (for example, a robot arm, end effector, reducer, motor) in the vicinity of the connecting portions 9A to 9D. Etc.) It is considered that slippage has occurred between the fastening surface and the fastening surface.
- the bolt holes 11 are located at positions corresponding to the connecting portions 9A to 9D in the circumferential direction around the Z axis.
- the coupling portions 9A to 9D are collectively arranged in the vicinity of each of the connecting portions 9A to 9D so as to be denser than the positions not corresponding to the above.
- bolt holes 11 are arranged at substantially the same angle (position in the circumferential direction) as each of the connecting portions 9A to 9D, and two bolt holes 11 are provided on both sides in the circumferential direction, for example. They are arranged at intervals of about 15 degrees.
- the fastening force around the connecting portions 9A to 9D of the outer peripheral portion 5 can be increased.
- slippage of the fastening surface between the outer peripheral portion 5 and the member for fastening the outer peripheral portion 5 is suppressed without changing the number of fastening bolts or the bolt size, that is, without increasing the cost or size.
- the hysteresis can be reduced and the detection error can be reduced.
- the torque sensor 1 of the present embodiment has a strain-causing body 3 and optical sensors OS1 to OS4 for detecting the strain of the strain-causing body 3, and the strain-causing body 3 has a ring shape.
- the outer peripheral portion 5 and at least a part of the inner peripheral portion 7 are arranged inside the outer peripheral portion 5 in the radial direction, and the optical sensors OS1 to OS4 are fixed to the inner peripheral portion 7 and have an outer peripheral portion. Detection that is fixed to the outer peripheral portion 5 and is arranged between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 so as to face the scales SC1 to SC4 and the scales SC1 to SC4 arranged between the outer peripheral portion 7 and the inner peripheral portion 7. It has parts D1 to D4.
- the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 can be arranged so as to be overlapped in the axial direction, so that the axial dimension of the torque sensor 1 can be reduced. Further, since the optical sensors OS1 to OS4 are housed in the space S in the gap between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, the optical sensors OS1 to OS4 project (protrude) from the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 to the outside. Can be suppressed. Therefore, the torque sensor 1 can be miniaturized.
- the torque sensor 1 is arranged between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, and further includes substrates PB1 to PB4 having detection portions D1 to D4.
- the substrates PB1 to PB4 having the processing circuits related to the optical sensors OS1 to OS4 can also be accommodated in the space S of the gap between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, so that the torque sensor 1 can be made compact.
- the strain generating body 3 is arranged between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, and has a plurality of connecting portions 9A to 9D for connecting the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7.
- the substrates PB1 to PB4 are arranged in the space between the plurality of connecting portions 9A to 9D in the circumferential direction.
- the function as the strain generating body 3 (the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 connected by the connecting portions 9A to 9D rotate relative to each other by the amount corresponding to the magnitude of the torque) is not impaired.
- the substrates PB1 to PB4 can be accommodated in the space S in the gap between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7.
- each of the plurality of substrates PB1 to PB4 is arranged in a plurality of spaces S1 to S4 between the plurality of connecting portions 9A to 9D in the circumferential direction, and the torque sensor 1 is peripherally arranged. Further, there are connecting portions 19, 21 and 23 that electrically connect the substrates adjacent to each other in the direction across the connecting portions 9A to 9D.
- the optical sensors OS1 to OS4 are arranged at a plurality of locations in the circumferential direction of the strain generating body 3, and the torque sensor 1 is based on the outputs of the plurality of optical sensors OS1 to OS4. It further has a torque calculation unit 37 for calculating torque.
- the torque sensor 1 By using the outputs of the plurality of optical sensors OS1 to OS4 arranged in the circumferential direction in this way, the detection error due to other axis interference such as bending moment (Mx, My) and translational force (Fx, Fy, Fz) Further, when the torque sensor 1 is used in combination with a speed reducer provided with a wave gear mechanism, it is possible to cancel a detection error due to torque ripple peculiar to the speed reducer. Thereby, the torque detection accuracy can be improved.
- Mx, My bending moment
- Fx, Fy, Fz translational force
- two optical sensors OS1 and OS3 (or optical sensors OS2 and OS4) among the plurality of optical sensors OS1 to OS4 are arranged at predetermined angular intervals other than 90 degrees in the circumferential direction.
- the torque calculation unit 37 calculates the torque based on the outputs of the two optical sensors OS1 and OS3 (or the optical sensors OS2 and OS4).
- two optical sensors OS1 and OS2 (or optical sensors OS3 and OS4) among the plurality of optical sensors OS1 to OS4 are arranged at predetermined angular intervals other than 180 degrees in the circumferential direction.
- the torque calculation unit 37 calculates the torque based on the outputs of the two optical sensors OS1 and OS2 (or the optical sensors OS3 and OS4).
- the plurality of optical sensors OS1 to OS4 are arranged at intervals of 90 degrees in the circumferential direction.
- the torque calculation unit 37 adds the outputs of the plurality of optical sensors OS1 to OS4 and calculates the torque based on the added outputs.
- Two optical sensors OS1 and OS3 (or optical sensors OS2 and OS4) arranged at intervals of 180 degrees in the circumferential direction output detection errors due to interference with other axes with different codes (positive and negative). Further, from the two optical sensors OS1 and OS2 (or the optical sensors OS3 and OS4) arranged at intervals of 90 degrees in the circumferential direction, the detection error due to the torque ripple peculiar to the wave gear mechanism is output with different codes. .. Therefore, the detection error can be canceled by adding the outputs of these two optical sensors.
- the strain generating body 3 is fixed to the outer peripheral portion 5, projects between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, and a plurality of substrates PB1 to PB4 having detection portions D1 to D4 are fixed. It has substrate fixing portions PF1 to PF4 to be fixed at positions (positions corresponding to pin holes 25 and 25), and detection portions D1 to D4 are intermediate positions (pin holes 25 and 25) of a plurality of fixed positions on the substrates PB1 to PB4. It is located in the middle position of).
- the material of the strain generating body 3 is, for example, a metal such as aluminum, and the substrates PB1 to PB4 are made of, for example, resin. Therefore, due to the difference in the coefficient of thermal expansion of each material, the relative displacement between the detection units D1 to D4 arranged on the substrates PB1a to PB4a side and the scales SC1 to SC4 arranged on the strain generating body 3 side occurs when the temperature changes. It may occur and a detection error may occur.
- the detection units D1 to D4 are arranged at intermediate positions of a plurality of fixed positions on the substrates PB1 to PB4 (specifically, positions corresponding to pin holes 45 through which the stud pins 31 are inserted in PB1a to PB4a).
- the detection units D1 to D4 are pulled or pressed from a plurality of fixed positions, and the thermal expansion and contraction by the strain generating body 3 becomes dominant, and the detection units D1 to D1 to It is possible to suppress the occurrence of relative displacement between D4 and the scales SC1 to SC4. Therefore, the detection error can be reduced.
- the torque sensor 1 is inserted into the pin holes 45, 49, 53 formed in the substrates PB1 to PB4 and press-fitted into the pin holes 25 formed in the substrate fixing portions PF1 to PF4, and the substrate is pressed. It further has a stud pin 31 to which PB1 to PB4 are fixed.
- the output of the torque sensor 1 may shift as the temperature cycle is repeated.
- a cause for example, it is considered that the fastening surface slips between the substrate fixing portions PF1 to PF4 and the substrates PB1 to PB4, and a relative displacement occurs between the detection portions D1 to D4 and the scales SC1 to SC4.
- the substrates PB1 to PB4 are fixed to the stud pins 31 press-fitted into the pin holes 25 of the substrate fixing portions PF1 to PF4, the substrates PB1 to PF4 and the substrates PB1 to PB4 are fastened together. The slippage of the surface can be suppressed. Thereby, the detection error can be reduced.
- the pin hole 45 is formed to be larger than the diameter of the large diameter portion 31A of the stud pin 31
- the pin hole 49 is formed to be larger than the diameter of the medium diameter portion 31B of the stud pin 31
- the pin hole 53 is formed to be larger than the diameter of the small diameter portion 31C of the stud pin 31, and the gaps between the stud pin 31 and the pin holes 45, 49, 53 are filled with adhesives 47, 51, 55, respectively. ing.
- the pin holes 45, 49, 53 and the diameters of the stud pins 31 are formed to be substantially the same, and the stud pins 31 are formed into the pin holes 45, 49, 53 of the substrates PB1 to PB4 and the pin holes 25 of the substrate fixing portions PF1 to PF4.
- very high dimensional accuracy is required when processing pin holes in the substrates PB1 to PB4 and the strain generating body 3, which makes mass production difficult.
- the pin holes 45, 49, and 53 larger than the diameter of the stud pin 31, the dimensional accuracy required for processing the pin hole is lowered to enable mass production, and the gap thereof.
- the strain-causing body 3 is separate from the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, and is detachably attached to the outer peripheral portion 5 or the inner peripheral portion 7, and the detection units D1 to D4 or the scale. It has substrate fixing portions PF1 to PF4 and scale fixing portions SF1 to SF4 configured as mounting pieces to which SC1 to SC4 are fixed.
- the substrate fixing portions PF1 to PF4 and the scale fixing portions SF1 to SF4 to which the detection portions D1 to D4 or the scales SC1 to SC4 are fixed are made into separate pieces with respect to the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7. The assembly work can be performed outside the gap between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7. As a result, workability and productivity can be improved.
- the strain generating body 3 is arranged between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7, and has a plurality of connecting portions 9A to 9D for connecting the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7.
- the position where the fastening position (bolt hole 11) to the member (external device) to which the outer peripheral portion 5 is fixed corresponds to the connecting portions 9A to 9D in the circumferential direction is the connecting portion 9A to 9A to 9D. It is arranged more densely than the position that does not correspond to 9D.
- the output hysteresis may be large, which contributes to the detection error (see FIG. 11).
- the fastening positions are densely arranged around the connecting portions 9A to 9D, so that the outer peripheral portion 5 and the external device are intensively fastened around the connecting portions 9A to 9D. Can be done.
- the four optical sensors OS1 to OS4 are arranged at 90 degree intervals, but the three optical sensors may be arranged at 120 degree intervals.
- the details will be described with reference to FIGS. 12 to 15.
- FIG. 12 is a plan view of the torque sensor 101 as viewed from the positive direction side of the Z axis.
- the strain generating body 103 has a plurality of connecting portions 9A to 9C (3 in this example).
- the connecting portions 9A to 9C are arranged in the space S between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 at substantially equal angular intervals (120 degree intervals in this example) in the circumferential direction around the Z axis.
- S1 the space between the connecting portions 9A and 9B in the circumferential direction
- S2 the space between the connecting portions 9B and 9C
- S3 the space between the connecting portions 9C and 9A is referred to as S3. ..
- a plurality of (3 in this example) substrates PB1 to PB3 are arranged in the space S between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7.
- the basic configuration of the substrates PB1 to PB3 is the same as that of the above-described embodiment, but the spaces S1, S2, and S3 are longer in the circumferential direction than those of the above-described embodiment. May be formed longer in the circumferential direction.
- Each of the substrates PB1 to PB3 is arranged in a plurality of spaces S1 to S3 between the plurality of connecting portions 9A to 9C in the circumferential direction around the Z axis.
- the substrate PB1 is arranged in the space S1
- the substrate PB2 is arranged in the space S2
- the substrate PB3 is arranged in the space S3.
- the board PB1 and the board PB3 are provided with external connectors 17 and 15, respectively, for inputting a power source and transmitting / receiving a signal to / from an external device.
- Substrates adjacent to each other in the circumferential direction in this example, the substrates PB1 and PB2, and the substrates PB2 and the substrate PB3 are electrically connected to each other by connecting portions 21 and 23, straddling the connecting portions 9B and 9C, respectively. Since the configuration of the torque sensor 101 other than the above is the same as that of the torque sensor 1 according to the above-described embodiment, the description thereof will be omitted.
- FIG. 13 is a plan view of the strain generating body 103 as viewed from the positive direction side of the Z axis.
- the bolt holes 13 of the inner peripheral portion 7 are not shown in order to prevent complications.
- the detection units D1 to D3 installed on the substrates PB1 to PB3 are shown by broken lines.
- the strain generating body 103 has an outer peripheral portion 5, an inner peripheral portion 7, and connecting portions 9A to 9C, and the connecting portions 9A to 9C are spaced approximately 120 degrees in the circumferential direction. Have been placed.
- the inner peripheral portion 7 has a plurality of scale fixing portions SF1 to SF3 (3 in this example) protruding outward in the radial direction in the space S.
- the scale fixing portions SF1 to SF3 are arranged at intervals of approximately 120 degrees in the circumferential direction.
- Scales SC1 to SC3 are fixed to the upper surfaces of the scale fixing portions SF1 to SF3 by, for example, screws (not shown).
- the outer peripheral portion 5 has a plurality of sets (3 sets in this example) of substrate fixing portions PF1 to PF3 protruding inward in the space S.
- Each set of the substrate fixing portions PF1 to PF3, that is, the set of the substrate fixing portions PF1 and PF1, the set of the substrate fixing portions PF2 and PF2, and the set of the substrate fixing portions PF3 and PF3 are arranged at intervals of approximately 120 degrees in the circumferential direction. Has been done.
- the substrates PB1 to PB3 having the detection portions D1 to D3 are fixed by the stud pins 31 and 31, respectively, at a plurality of (two locations in this example) fixing positions. .. Since the configuration of the strain generating body 103 other than the above is the same as that of the strain generating body 3 according to the above-described embodiment, the description thereof will be omitted.
- FIG. 14 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the torque calculation unit 137 that executes the torque calculation process.
- the torque calculation unit 137 calculates the torque value based on the outputs of a plurality of optical sensors (three optical sensors OS1 to OS3 in this example). As shown in FIG. 14, the torque calculation unit 137 includes a conversion unit 164, 166, 168, an addition unit 165, and a division unit 167.
- Each of the conversion units 164, 166, 168 has the output (detection value) of the first optical sensor OS1, the second optical sensor OS2, and the third optical sensor OS3, the elastic modulus of the connecting units 9A to 9C, and the like. Based on the above, the torque values acting between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 are calculated.
- the addition unit 165 adds the torque value calculated by the conversion unit 164, the torque value calculated by the conversion unit 166, and the torque value calculated by the conversion unit 168.
- the division unit 167 divides the detected value added by the addition unit 165 by 3, and calculates the average value.
- the detection error due to interference with other axes can be detected.
- the distance between the scale SC1 and the detection unit D1 varies in the optical sensor OS1, but the circumferential direction around the Z-axis.
- the change (rotation amount) of the detection position in the circumferential direction around the Z axis is 0 or very small. Therefore, the influence on the torque detection accuracy can be ignored.
- the detection position in the circumferential direction changes.
- a detection error occurs.
- a detection error occurs in opposite directions (positive direction and negative direction) in the circumferential direction around the Z axis. Therefore, by adding the outputs of the optical sensors OS1, OS2 and OS3, , The detection error due to the twisting moment Mx can be canceled.
- the outputs of the optical sensors OS1, OS2, and OS3 are added. Then, as described above, the detection error can be canceled for both the component around the X-axis and the component around the Y-axis. Therefore, by adding the outputs of the optical sensors OS1, OS2, and OS3, the torque sensor 101 can cancel the detection error even when the relative rotation occurs around the axis in any direction on the XY axis plane.
- the optical sensor OS1 detects the detection position in the circumferential direction around the Z-axis between the scale SC1 and the detection unit D. causes a detection error due to the change in. Further, in the optical sensors OS2 and OS3, a detection error occurs because there is a component in which the detection position in the circumferential direction around the Z axis changes between the scales SC2 and SC3 and the detection units D2 and D3.
- the optical sensor OS1 changes the detection position of the scale SC1 and the detection unit D1 in the circumferential direction around the Z axis. Since (rotation amount) is 0 or very small, the influence on the torque detection accuracy can be ignored.
- a detection error occurs because there is a component in which the detection position in the circumferential direction around the Z axis changes between the scales SC2 and SC3 and the detection units D2 and D3.
- a detection error occurs in opposite directions (positive direction and negative direction) in the circumferential direction around the Z axis. Therefore, by adding the outputs of the optical sensors OS1, OS2 and OS3, , The detection error due to the translational force Fy can be canceled.
- the torque sensor 101 can cancel the detection error in any direction in the XY axis plane by adding the outputs of the optical sensors OS1, OS2, and OS3, respectively.
- the torque sensor 1 is further added to the wave gear mechanism. It is possible to cancel the detection error due to the torque ripple peculiar to the speed reducer when the speed reducer is used in combination with the speed reducer.
- torque ripple of two cycles occurs for each rotation of the wave generator, which may appear as a detection error of the torque sensor. Since the detection error is caused by torque ripple, the period is 180 degrees. On the other hand, since the optical sensors OS1, OS2, and OS3 are arranged with a deviation of 120 degrees in the circumferential direction, as shown in FIG. 15, the detection error of each output has a phase difference of 120 degrees. Therefore, the torque sensor 101 can cancel the detection error due to the torque ripple peculiar to the speed reducer provided with the wave gear mechanism by adding the outputs of the optical sensors OS1, OS2, and OS3.
- the optical sensors OS1, OS2, the optical sensors OS2, OS3, or the optical sensors OS3, OS1 are each optical type arranged at predetermined angular intervals other than 90 degrees in the circumferential direction. It is an example of a sensor and also an example of an optical sensor arranged at a predetermined angle interval other than 180 degrees in the circumferential direction.
- the three optical sensors OS1 to OS3 are arranged at intervals of 120 degrees in the circumferential direction.
- the detection error due to interference with other axes and the detection error due to torque ripple peculiar to the wave gear mechanism are superimposed on the detection values of the respective optical sensors OS1 to OS3 at a predetermined ratio. Therefore, by using the outputs of the three optical sensors OS1 to OS3 arranged at intervals of 120 degrees in the circumferential direction (adding them to calculate the average value), the influence of interference with other axes and the torque peculiar to the wave gear mechanism Both effects of ripple can be reduced.
- the three optical sensors OS1 to OS1 arranged at 120 degree intervals in the circumferential direction As an example of the optical sensors arranged at predetermined angular intervals other than 90 degrees or 180 degrees in the circumferential direction, the three optical sensors OS1 to OS1 arranged at 120 degree intervals in the circumferential direction.
- OS3 has been described, the angular arrangement of the optical sensor is not limited to this.
- optical sensors arranged at intervals of 60 degrees in the circumferential direction can be arranged at various angular intervals.
- strain gauges may be provided on the connecting portions 9A to 9D.
- a magnetic sensor may be used to detect the relative rotation amount between the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7.
- electrodes facing each other may be provided, and a capacitance type sensor or the like for detecting the distance between the electrodes may be used.
- the robot 200 is a so-called dual-arm robot having a base 201, a body portion 202, and two arms 203L and 203R configured as separate bodies.
- the robot 200 does not necessarily have to be a dual-arm robot, and may be a robot having only a single arm.
- the base 201 is fixed to the installation surface (for example, the floor surface) of the robot 200 by, for example, anchor bolts.
- the base 201 may be fixed to a surface other than the floor surface (for example, a ceiling surface or a side surface).
- the body portion 202 is rotatably supported by the upper end portion of the base 201.
- the arm 203L is rotatably supported on one side of the body portion 202.
- the arm 203L includes a shoulder portion 204L, an upper arm portion A 205L, an upper arm portion B 206L, a lower arm portion 207L, a wrist portion A 208L, a wrist portion B 209L, and a flange portion 210L.
- the shoulder portion 204L is rotatably supported on one side of the body portion 202.
- the shoulder portion 204L is rotationally driven with respect to one side portion of the body portion 202 by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion between the shoulder portion 204L and the body portion 202.
- the upper arm A portion 205L is rotatably supported on the tip side of the shoulder portion 204L.
- the upper arm A portion 205L is swiveled with respect to the tip end side of the shoulder portion 204L by driving an actuator (not shown) provided at the joint portion between the upper arm portion A and the shoulder portion 204L.
- the upper arm B portion 206L is rotatably supported on the tip side of the upper arm A portion 205L.
- the upper arm B portion 206L is rotationally driven with respect to the tip end side of the upper arm A portion 205L by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion between the upper arm A portion 205L and the upper arm A portion 205L.
- the lower arm portion 207L is rotatably supported on the tip side of the upper arm portion B 206L.
- the lower arm portion 207L is swiveled with respect to the tip end side of the upper arm portion B 206L by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion between the lower arm portion 207L and the upper arm portion B 206L.
- the wrist A portion 208L is rotatably supported on the tip side of the lower arm portion 207L.
- the wrist A portion 208L is rotationally driven with respect to the tip end side of the lower arm portion 207L by driving an actuator (not shown) provided at the joint portion between the wrist A portion 208L and the lower arm portion 207L.
- the wrist B portion 209L is rotatably supported on the tip side of the wrist A portion 208L.
- the wrist B portion 209L is swiveled with respect to the tip end side of the wrist A portion 208L by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion between the wrist B portion 209L and the wrist A portion 208L.
- the flange portion 210L is rotatably supported on the tip side of the wrist B portion 209L.
- the flange portion 210L is rotationally driven with respect to the tip end side of the wrist B portion 209L by driving an actuator (not shown) provided at the joint portion between the flange portion 210L and the wrist B portion 209L.
- a hand 220L is attached to the tip of the flange portion 210L via a torque sensor 1.
- the hand 220L rotates via the torque sensor 1 together with the rotation of the flange portion 210L.
- the hand 220L includes a pair of claw members 230 that can move in directions that are close to each other.
- the arm 203R has a structure symmetrical to that of the arm 203L, and is rotatably supported on the other side of the body portion 202.
- the arm 203R includes a shoulder portion 204R, an upper arm portion A 205R, an upper arm portion B 206R, a lower arm portion 207R, a wrist portion A 208R, a wrist portion B 209R, and a flange portion 210R.
- the shoulder portion 204R is rotatably supported by the side portion on the other side of the body portion 202.
- the shoulder portion 204R is rotationally driven with respect to the other side portion of the body portion 202 by driving an actuator (not shown) provided at the joint portion between the shoulder portion 204R and the body portion 202.
- the upper arm A portion 205R is rotatably supported on the tip side of the shoulder portion 204R.
- the upper arm A portion 205R is swiveled with respect to the tip end side of the shoulder portion 204R by driving an actuator (not shown) provided at the joint portion between the upper arm portion A and the shoulder portion 204R.
- the upper arm B portion 206R is rotatably supported on the tip side of the upper arm A portion 205R.
- the upper arm B portion 206R is rotationally driven with respect to the tip end side of the upper arm A portion 205R by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion with the upper arm A portion 205R.
- the lower arm portion 207R is rotatably supported on the tip side of the upper arm portion B 206R.
- the lower arm portion 207R is swiveled with respect to the tip end side of the upper arm portion B 206R by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion between the lower arm portion 207R and the upper arm portion B 206R.
- the wrist A portion 208R is rotatably supported on the tip end side of the lower arm portion 207R.
- the wrist A portion 208R is rotationally driven with respect to the tip end side of the lower arm portion 207R by driving an actuator (not shown) provided at the joint portion between the wrist A portion 208R and the lower arm portion 207R.
- the wrist B portion 209R is rotatably supported on the tip side of the wrist A portion 208R.
- the wrist B portion 209R is swiveled with respect to the tip end side of the wrist A portion 208R by driving an actuator (not shown) provided at a joint portion between the wrist B portion 209R and the wrist A portion 208R.
- the flange portion 210R is rotatably supported on the tip side of the wrist B portion 209R.
- the flange portion 210R is rotationally driven with respect to the tip end side of the wrist B portion 209R by driving an actuator AcR (see FIG. 17 described later) provided at a joint portion between the flange portion 210R and the wrist B portion 209R.
- a hand 220R is attached to the tip of the flange portion 210R via a torque sensor 1.
- the hand 220R rotates via the torque sensor 1 together with the rotation of the flange portion 210R.
- the hand 220R includes a pair of claw members 240 that can move in directions that are close to each other.
- Each of the above actuators is composed of a servomotor equipped with, for example, a speed reducer.
- rotation the rotation around the center of rotation axis along the longitudinal direction (or the extending material direction) of the arms 203L and 203R is referred to as "rotation”, and is abbreviated in the longitudinal direction (or extending material direction) of the arms 203L and 203R.
- the rotation around the vertical axis of rotation is called “swivel" to distinguish it.
- FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of the cross-sectional structure of the tip end portion of the arm 203R. Note that in FIG. 17, the configuration other than the outer peripheral portion 5 and the inner peripheral portion 7 of the torque sensor 1 is not shown.
- a flange portion 210R is rotatably supported at the tip of the wrist B portion 209R of the arm 203R.
- the flange portion 210R is rotationally driven by the drive of an actuator AcR provided at a joint portion between the flange portion 210R and the wrist B portion 209R.
- a hand 220R is attached to the tip of the flange portion 210R via a torque sensor 1. The hand 220R rotates via the torque sensor 1 together with the rotation of the flange portion 210R.
- the actuator AcR has a servomotor SVM and a speed reducer RG.
- the servomotor SVM includes a motor frame 251, a bracket 253, a bearing 255, a motor shaft 257, a rotor 259, and a stator 261.
- the motor frame 251 and the bracket 253 are fastened with bolts (not shown) and are attached to the tip of the wrist B portion 209R.
- two bearings 255 are provided on the inner circumference of the bracket 253, and a hollow motor shaft 257 is projected toward the base end side (the side opposite to the torque sensor 1) and rotatably supported.
- a rotor 259 is provided on the outer circumference of the motor shaft 257, and is arranged so as to face the stator 261 provided on the inner circumference of the motor frame 251 with a radial gap.
- a cylindrical sleeve 263 fixed to the motor frame 251 is inserted inside the motor shaft 257, and a cable or the like can be wired inside.
- the speed reducer RG is a speed reducer equipped with a wave gear mechanism.
- the speed reducer RG has a slide bearing 265, a circular spline 267, a flex spline 269, and a wave generator 271.
- the slide bearing 265 has an outer ring 273, a sliding body 275, and an inner ring 277.
- the outer ring 273, together with the flexspline 269, is fixed to the bracket 253 of the servomotor SVM by a bolt (not shown).
- the inner ring 277 is fixed to the circular spline 267 and is rotatably supported with respect to the outer ring 273 via the sliding body 275 together with the circular spline 267.
- the inner peripheral side of the wave generator 271 is connected to the motor shaft 257 and rotates together with the motor shaft 257.
- the flex spline 269 is fixed, so that the circular spline 267 (output) becomes the wave generator 271 by the difference in the number of teeth (for example, 2) between the circular spline 267 and the flex spline 269.
- the speed reducer RG has a bearing cover 281 that covers the bearing 279 of the wave generator 271.
- the flange portion 210R is fixed to the circular spline 267 of the speed reducer RG by bolts (not shown).
- a seal groove 211 is formed on the base end side of the flange portion 210R, and a seal member 213 that seals the bearing cover 281 while sliding is provided in the seal groove 211.
- a bearing 215 that rotatably supports the sleeve 263 is provided on the inner peripheral side of the flange portion 210R.
- the outer peripheral portion 5 of the torque sensor 1 is fastened to the flange portion 210R by a plurality of fastening bolts (not shown) inserted through the bolt holes 11 (12 in this example). Further, the inner peripheral portion 7 of the torque sensor 1 is fastened to the hand 220R by a plurality of fastening bolts (not shown) inserted through the bolt holes 13 (12 in this example).
- the robot 200 configured as described above, by downsizing the torque sensor 1, it is possible to realize a robot in which the torque detection accuracy at the joint portion is improved while suppressing the increase in the length direction dimension of the arm. Further, by improving the torque detection accuracy of the joint portion, the torque control accuracy and the detection accuracy of contact with an external object can be improved, so that it can be expected to be applied to, for example, a robot coexisting with humans.
- the torque sensor 1 may be installed in the actuator of the other joint portion.
- FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of the cross-sectional structure of the tip end portion of the arm 203R in this modified example.
- the torque sensor 301 has an outer peripheral portion 305 and an inner peripheral portion 307.
- the outer peripheral portion 305 has a cylindrical protruding portion 309 that protrudes toward the proximal end side from the distal end side (opposite side of the hand 220R) of the inner peripheral portion 307.
- the torque sensor 301 is a seal member 317 (of the first seal mechanism) arranged between the protrusion 309 and the outer ring 273 of the slide bearing 265 of the speed reducer RG (an example of a member whose inner peripheral portion is fixed). An example).
- the outer diameter of the outer peripheral portion 305 having the protruding portion 309 is formed so as to be substantially the same as or smaller than the outer diameter of the bracket 253.
- the outer peripheral portion 305 of the torque sensor 301 is fastened to the hand 220R by a plurality of fastening bolts (not shown) inserted through the bolt holes 11 (12 in this example).
- a seal groove 311 is formed on the base end side of the inner peripheral portion 307, and a seal member 313 (second seal) that seals while sliding with respect to the bearing cover 281 of the speed reducer RG in the seal groove 311.
- a seal member 313 second seal
- An example of the mechanism is provided on the inner peripheral side of the inner peripheral portion 307.
- a bearing 315 that rotatably supports the sleeve 263 is provided.
- the inner peripheral portion 307 of the torque sensor 301 is fastened to the circular spline 267 of the speed reducer RG by a plurality of fastening bolts (not shown) inserted through the bolt holes 13 (12 in this example).
- the configuration of the torque sensor 301 other than the above (distortion body, connecting portion, substrate, optical sensor, etc.), the content of the torque calculation process, and the like are the same as those of the torque sensor 1 according to the above-described embodiment. Omit.
- the seal member 317 provided on the torque sensor 301 can ensure dustproof and drip-proof properties on the outer circumference between the speed reducer RG and the torque sensor 301.
- the sleeve 263 can be rotatably supported by the bearing 315 provided in the torque sensor 301. In this way, by giving the torque sensor 301 the functions (seal, bearing, etc.) of the flange portion 210R described above, the flange portion 210R and the torque sensor can be integrated, and the flange portion 210R can be eliminated.
- the dimension corresponding to the thickness of the flange portion 210R can be reduced, so that the dimension in the length direction of the arm of the robot to which the torque sensor 301 is attached can be reduced. Further, the outer diameter of the torque sensor 301 can be accommodated within the outer diameter of the actuator AcR, and the thickness of the arm is not increased. Further, since the flange portion 210R is not required, the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.
- the torque sensor 301 further has a seal member 313 arranged between the inner peripheral portion 307 and the speed reducer RG (bearing cover 281) to which the inner peripheral portion 307 is fixed.
- This has the following effects. That is, when the actuator AcR and the torque sensor 301 have a hollow structure, electrical wiring, cables, and the like are provided inside, so that it is preferable to have higher dust-proof and drip-proof specifications.
- the seal member 313 is provided in addition to the seal member 317, a higher dustproof / drip-proof property can be ensured between the speed reducer RG and the torque sensor 301 due to the double seal structure.
- FIG. 19 is a cross-sectional view showing an example of the cross-sectional structure of the tip end portion of the arm 203R in this modified example.
- the torque sensor 401 has an outer peripheral portion 405 and an inner peripheral portion 407.
- the outer peripheral portion 405 has a cylindrical protruding portion 409 that protrudes toward the proximal end side.
- the torque sensor 401 is a seal member 417 (of the first seal mechanism) arranged between the protrusion 409 and the outer ring 273 of the slide bearing 265 of the speed reducer RG (an example of a member whose inner peripheral portion is fixed). An example).
- the outer diameter of the outer peripheral portion 405 having the protruding portion 409 is formed so as to be substantially the same as or smaller than the outer diameter of the bracket 253.
- the outer peripheral portion 405 of the torque sensor 401 is fastened to the hand 220R by a plurality of fastening bolts (not shown) inserted through the bolt holes 11 (12 in this example).
- the inner peripheral portion 407 has a circular spline portion 419 formed as an internal gear having teeth on the inner peripheral surface.
- the circular spline portion 419 and the flexspline 269 and the wave generator 271 arranged inside the circular spline portion 419 form a wave gear mechanism.
- a seal groove 411 is formed on the base end side of the inner peripheral portion 407, and a seal member 413 (No. 1) that seals the seal groove 411 while sliding with respect to the bearing cover 281 of the speed reducer RG.
- An example of a two-seal mechanism is provided on the inner peripheral side of the inner peripheral portion 407.
- a bearing 415 that rotatably supports the sleeve 263 is provided on the inner peripheral side of the inner peripheral portion 407.
- the inner peripheral portion 407 of the torque sensor 401 is fastened to the inner ring 277 of the slide bearing 265 of the speed reducer RG by a plurality of fastening bolts (not shown) inserted through
- the configuration of the torque sensor 401 other than the above (distortion body, connecting portion, substrate, optical sensor, etc.), the content of the torque calculation process, and the like are the same as those of the torque sensor 1 according to the above-described embodiment. Omit.
- the inner peripheral portion 407 of the torque sensor 401 also serves as a circular spline of the speed reducer RG.
- the thickness dimension of the torque sensor 401 can be reduced, so that the lengthwise dimension of the arm of the robot to which the torque sensor 401 is attached can be further reduced.
- the outer diameter of the torque sensor 401 can be accommodated within the outer diameter of the actuator AcR, and the thickness of the arm does not increase.
- the reduction gear RG does not require a circular spline, the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.
- Torque sensor 3 Strain-causing body 5 Outer peripheral part 7 Inner peripheral part 9A-9D Connecting part 11 Bolt hole (fastening position) 19 Connection part 21 Connection part 23 Connection part 25 Pin hole (second pin hole) 31 Stud pin (pin) 37 Torque calculation unit 45 pin hole (first pin hole) 47 Adhesive 49 Pin hole (1st pin hole) 51 Adhesive 53 Pin hole (1st pin hole) 55 Adhesive 101 Torque sensor 103 Torque generator 200 Robot 301 Torque sensor 305 Outer peripheral part 307 Inner peripheral part 309 Protruding part 313 Sealing member (second sealing mechanism) 317 Seal member (1st seal mechanism) 401 Torque sensor 405 Outer peripheral part 407 Inner peripheral part 409 Protruding part 413 Sealing member (second sealing mechanism) 417 Seal member (1st seal mechanism) 419 Circular spline part D1 to D4 Detection part OS1 1st optical sensor OS2 2nd optical sensor OS3 3rd optical sensor OS4 4th optical sensor PB1 to PB4 Board
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Abstract
【課題】小型化することが可能なトルクセンサ、ロボット及びトルク算出方法を提供する。 【課題を解決するための手段】トルクセンサ1は、起歪体3と、起歪体3の歪みを検出する光学式センサOS1~OS4と、を有し、起歪体3は、リング状の外周部5と、少なくとも一部が外周部5の径方向の内側に配置された内周部7と、を有し、光学式センサOS1~OS4は、内周部7に固定され、外周部5と内周部7との間に配置されたスケールSC1~SC4と、外周部5に固定され、外周部5と内周部7との間にスケールSC1~SC4と対向して配置された検出部D1~D4と、を有する。
Description
開示の実施形態は、トルクセンサ、ロボット及びトルク算出方法に関する。
特許文献1には、第1の部材と、第1の部材と相対的な回転関係にある第2の部材と、第1の部材と第2の部材とを連結する連結部材と、第1の部材に設けられたスケールと、第2の部材に設けられ、スケールから位置情報を検出する検出ヘッドとを有するトルクセンサが記載されている。
上記の従来技術では、第1の部材と第2の部材が連結部材により軸方向に連結され、それらの間の空間にスケールと検出ヘッドが配置される。このため、軸方向寸法が増大してトルクセンサの大型化を招く可能性がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小型化することが可能なトルクセンサ、ロボット及びトルク算出方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、起歪体と、前記起歪体の歪みを検出する光学式センサと、を有し、前記起歪体は、リング状の外周部と、少なくとも一部が前記外周部の径方向の内側に配置された内周部と、を有し、前記光学式センサは、前記外周部又は前記内周部の一方に固定され、前記外周部と前記内周部との間に配置されたスケールと、前記外周部又は前記内周部の他方に固定され、前記外周部と前記内周部との間に前記スケールと対向して配置された検出部と、を有する、トルクセンサが適用される。
また、本発明の別の観点によれば、上記トルクセンサをアームの先端に備えた、ロボットが適用される。
また、本発明の別の観点によれば、アームの先端にトルクセンサを備えたロボットであって、前記トルクセンサは、起歪体と、前記起歪体の歪みを検出するセンサと、を有し、前記起歪体は、リング状の外周部と、少なくとも一部が前記外周部の径方向の内側に配置された内周部と、前記外周部に備えられ、前記内周部の軸方向一方側の端部よりも前記軸方向一方側に向けて突出した突出部と、を有し、前記トルクセンサは、前記突出部と前記外周部又は前記内周部が固定される部材との間に配置されたシール機構を有する、ロボットが適用される。
また、本発明の別の観点によれば、起歪体と、前記起歪体の周方向の複数箇所に配置され、前記起歪体の歪みを検出する光学式センサと、を有するトルクセンサによるトルク算出方法であって、複数の前記光学式センサの出力を取得することと、取得した前記複数の光学式センサの前記出力を加算し、加算した出力に基づいてトルクを算出することと、を有する、トルク算出方法が適用される。
本発明のトルクセンサ等によれば、小型化することができる。
以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
<1.トルクセンサの全体構成>
まず、図1及び図2を参照しつつ、本実施形態に係るトルクセンサ1の全体構成の一例について説明する。図1はトルクセンサ1をZ軸正の方向側から見た平面図、図2はトルクセンサ1をY軸負の方向側から見た側面図である。
まず、図1及び図2を参照しつつ、本実施形態に係るトルクセンサ1の全体構成の一例について説明する。図1はトルクセンサ1をZ軸正の方向側から見た平面図、図2はトルクセンサ1をY軸負の方向側から見た側面図である。
図1及び図2に示すように、トルクセンサ1は、外力により歪みを生じる起歪体3を有する。起歪体3は、比較的軽量な金属で構成されている。起歪体3は、リング状の外周部5と、外周部5の径方向の内側に配置され、外周部5よりも小径のリング状である内周部7と、外周部5と内周部7とを連結する複数(この例では4)の連結部9A~9Dを有する。なお、内周部7を中空構造でなく中実構造(円板状の部材等)としてもよい。
図1に示すように、外周部5と内周部7とは、Z軸を中心とする径方向に同心円状に配置されている。外周部5には、当該外周部5を外部機器(例えばロボットのアーム、エンドエフェクタ、減速機、モータ等)に固定するための複数の締結ボルト(図示省略)が挿通される複数(この例では12)のボルト穴11が形成されている。ボルト穴11は、Z軸周りの周方向において連結部9A~9Dに対応する位置の方が連結部9A~9Dに対応していない位置よりも密になるように、連結部9A~9Dの各々の近傍に集約して配置されている。内周部7には、当該内周部7を外部機器(例えばロボットのアーム、エンドエフェクタ、減速機、モータ等)に固定するための複数の締結ボルト(図示省略)が挿通される複数(この例では12)のボルト穴13が形成されている。ボルト穴13は、Z軸周りの周方向に略等角度間隔(この例では30度間隔)で配置されている。
なお、ボルト穴13についても、ボルト穴11と同様に連結部9A~9Dの各々の近傍に集約して配置してもよい。また、ボルト穴11を、ボルト穴13と同様にZ軸周りの周方向に略等角度間隔で配置してもよい。
図2に示すように、内周部7のZ軸方向の厚みは外周部5の厚みよりも大きく形成されている。外周部5と内周部7は、それぞれの底面(Z軸負の方向側の端面)が略面一となり、内周部7の一部が外周部5よりZ軸正の方向側に突出するように配置されている。なお、内周部7の一部が外周部5よりZ軸負の方向側に突出してもよいし、Z軸正の方向及び負の方向の両側に突出してもよい。また、外周部5と内周部7の厚みを略同一としてもよいし、内周部7の厚みを外周部5の厚みよりも小さく形成してもよい。
連結部9A~9Dは、外周部5と内周部7の間の空間S(図2参照)に、Z軸周りの周方向に略等角度間隔(この例では90度間隔)で配置されている。連結部9A~9Dは、外周部5と内周部7とを、トルクセンサ1の検出対象となるトルク(Z軸周りのねじりモーメントMz)の大きさに応じた量だけZ軸周りに微小な量だけ相対的に回転可能に連結する。以下では説明の便宜上、空間Sのうち、周方向において連結部9A,9Bの間の空間をS1、連結部9B,9Cの間の空間をS2、連結部9C,9Dの間の空間をS3、連結部9D,9Aの間の空間をS4という。
なお、連結部の数や配置は、外周部5と内周部7とを所定の剛性を有するように連結可能であれば、上記以外の数や配置としてもよい。
図1に示すように、外周部5と内周部7の間の空間Sには、複数(この例では4)の基板PB1~PB4が配置されている。基板PB1~PB4の各々は複数の基板を有しており、基板のセットとして構成されている(図4参照)。基板PB1~PB4の各々は、Z軸周りの周方向において複数の連結部9A~9Dの間の複数の空間S1~S4にそれぞれ配置されている。すなわち、基板PB1は空間S1に、基板PB2は空間S2に、基板PB3は空間S3に、基板PB4は空間S4に配置されている。基板PB3と基板PB4には、外部機器との間で電源の入力や信号の送受信を行うための外部コネクタ15,17がそれぞれ設けられている。
周方向に隣接する基板同士、この例では基板PB4と基板PB1、基板PB1と基板PB2、基板PB2と基板PB3はそれぞれ、接続部19,21,23により、連結部9A,9B,9Cを跨いで電気的に接続されている。接続部19,21,23は、例えばフレキシブル基板(FPC:Flexible Printed Circuits)である。なお、接続部は基板同士を信号送受信可能に接続するものであればよく、FPC以外にも、例えばリード線、ケーブル、コネクタ等を用いてもよい。
なお、本実施形態では、Z軸に垂直な方向の軸のうち、周方向において基板PB2の略中心位置を通る方向(連結部9B,9Cの角度間隔を2等分する方向)の軸をX軸、当該X軸に垂直な方向、すなわち周方向において基板PB1の略中心位置を通る方向(連結部9A,9Bの角度間隔を2等分する方向)の軸をY軸とする。
<2.起歪体の構成>
次に、図3を参照しつつ、起歪体3の構成の一例について説明する。図3は、起歪体3をZ軸正の方向側から見た平面図である。なお、図3は図1に示すトルクセンサ1から基板PB1~PB4及び接続部19,21,23等を取り外した状態を示している。また、図3では煩雑防止のため、内周部7のボルト穴13の図示を省略している。また、図3では、スケールSC1~SC4との位置関係を示すために、基板PB1~PB4に設置される検出部D1~D4を破線で示している。
次に、図3を参照しつつ、起歪体3の構成の一例について説明する。図3は、起歪体3をZ軸正の方向側から見た平面図である。なお、図3は図1に示すトルクセンサ1から基板PB1~PB4及び接続部19,21,23等を取り外した状態を示している。また、図3では煩雑防止のため、内周部7のボルト穴13の図示を省略している。また、図3では、スケールSC1~SC4との位置関係を示すために、基板PB1~PB4に設置される検出部D1~D4を破線で示している。
図3に示すように、起歪体3は、外周部5と、内周部7と、連結部9A~9Dとを有しており、連結部9A~9Dは周方向に略90度間隔で配置されている。内周部7は、空間Sにおいて径方向外側に向けて突出した複数(この例では4)のスケール固定部SF1~SF4を有する。スケール固定部SF1~SF4は、周方向に略90度間隔で配置されている。スケール固定部SF1~SF4の上面には、スケールSC1~SC4が例えばねじ(図示省略)によりそれぞれ固定されている。図示は省略するが、スケールSC1~SC4の各々は、周方向に配置された複数の反射スリットを有する。
スケール固定部SF1は、Y軸正の方向に突出し、周方向において基板PB1の2つの固定位置(後述する基板固定部PF1,PF1のピン穴25,25)の中間位置にスケールSC1を配置する。スケール固定部SF2は、X軸正の方向に突出し、周方向において基板PB2の2つの固定位置(後述する基板固定部PF2,PF2のピン穴25,25)の中間位置にスケールSC2を配置する。スケール固定部SF3は、Y軸負の方向に突出し、周方向において基板PB3の2つの固定位置(後述する基板固定部PF3,PF3のピン穴25,25)の中間位置にスケールSC3を配置する。スケール固定部SF4は、X軸負の方向に突出し、周方向において基板PB4の2つの固定位置(後述する基板固定部PF4,PF4のピン穴25,25)の中間位置にスケールSC4を配置する。
スケール固定部SF1~SF4の各々は、内周部7とは別体のピース(取付片の一例)として構成されている。スケール固定部SF1~SF4の各々は、ボルト穴27が形成された基部29を有する。基部29は、ボルト穴27に挿通された固定ボルト(図示省略)により、内周部7の固定部位(例えば底面側に形成された凹部)に対して着脱される。これにより、スケール固定部SF1~SF4の各々は、内周部7に対して着脱可能に固定されている。なお、スケール固定部SF1~SF4と内周部7とを一体構成としてもよい。また、スケール固定部SF1~SF4を繋げて1個のピースとしてもよい。
外周部5は、空間Sにおいて内側に向けて突出した複数セット(この例では4セット)の基板固定部PF1~PF4を有する。基板固定部PF1~PF4の各セット、すなわち基板固定部PF1,PF1のセットと、基板固定部PF2,PF2のセットと、基板固定部PF3,PF3のセットと、基板固定部PF4,PF4のセットは、周方向に略90度間隔で配置されている。基板固定部PF1,PF1は、スケール固定部SF1を周方向に挟むように配置され、基板固定部PF2,PF2は、スケール固定部SF2を周方向に挟むように配置され、基板固定部PF3,PF3は、スケール固定部SF3を周方向に挟むように配置され、基板固定部PF4,PF4は、スケール固定部SF4を周方向に挟むように配置されている。基板固定部PF1~PF4の各セットの上面には、検出部D1~D4をそれぞれ有する基板PB1~PB4が、スタッドピン31,31(図4参照)によりそれぞれ複数(この例では2箇所)の固定位置で固定される。
基板固定部PF1,PF1は、Y軸負の方向にそれぞれ突出し、基板PB1を固定するためのスタッドピン31(図4参照)が圧入されるピン穴25(第2のピン穴の一例)がそれぞれに形成されている。基板固定部PF1,PF1は、検出部D1が周方向において基板PB1の2つの固定位置(ピン穴25,25)の中間位置でスケールSC1とZ軸方向に対向配置されるように、基板PB1を固定する。基板固定部PF2,PF2は、X軸負の方向にそれぞれ突出し、基板PB2を固定するためのスタッドピン31が圧入されるピン穴25がそれぞれに形成されている。基板固定部PF2,PF2は、検出部D2が周方向において基板PB2の2つの固定位置(ピン穴25,25)の中間位置でスケールSC2とZ軸方向に対向配置されるように、基板PB2を固定する。
基板固定部PF3,PF3は、Y軸正の方向にそれぞれ突出し、基板PB3を固定するためのスタッドピン31が圧入されるピン穴25がそれぞれに形成されている。基板固定部PF3,PF3は、検出部D3が周方向において基板PB3の2つの固定位置(ピン穴25,25に相当する位置)の中間位置でスケールSC3とZ軸方向に対向配置されるように、基板PB3を固定する。基板固定部PF4,PF4は、X軸正の方向にそれぞれ突出し、基板PB4を固定するためのスタッドピン31(図4参照)が圧入されるピン穴25がそれぞれに形成されている。基板固定部PF4,PF4は、検出部D4が周方向において基板PB4の2つの固定位置(ピン穴25,25)の中間位置でスケールSC4とZ軸方向に対向配置されるように、基板PB4を固定する。
基板固定部PF1~PF4の各々は、外周部5とは別体のピース(取付片の一例)として構成されている。基板固定部PF1~PF4の各々は、ボルト穴33が形成された基部35を有する。基部35は、ボルト穴33に挿通された固定ボルト(図示省略)により、外周部5の固定部位(例えば底面側に形成された凹部)に対して着脱される。これにより、基板固定部PF1~PF4の各々は、外周部5に対して着脱可能に固定されている。なお、基板固定部PF1~PF4と外周部5とを一体構成としてもよい。
なお、上述した起歪体3の構成は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、スケール固定部SF1~SF4を外周部5に設けてスケールSC1~SC4を外周部5に固定し、基板固定部PF1~PF4を内周部7に設けて検出部D1~D4を内周部7に固定してもよい。
<3.各基板の構成>
次に、図4を参照しつつ、基板PB1~PB4の各々の構成の一例について説明する。図4は、図1のIV-IV断面線(図3にも参照用に図示)における基板PB1~PB4の断面構造の一例を表す断面図である。なお、図4では、接続部19,21,23や各基板上の回路部品の図示を省略している。
次に、図4を参照しつつ、基板PB1~PB4の各々の構成の一例について説明する。図4は、図1のIV-IV断面線(図3にも参照用に図示)における基板PB1~PB4の断面構造の一例を表す断面図である。なお、図4では、接続部19,21,23や各基板上の回路部品の図示を省略している。
基板PB1~PB4の各々の基板構成は同様であるため、ここでは基板PB1を例にとって説明する。図4に示すように、基板PB1は、複数(この例では3)の基板PB1a~PB1cを有する。基板PB1a~PB1cはそれぞれ略同一形状であり、Z軸方向に多段に配置されている。基板PB1a~PB1cは、基板固定部PF1,PF1及びこれらに圧入された2本のスタッドピン31,31により、Z軸方向に所定の隙間をあけてそれぞれ支持されている。基板PB1a~PB1cは、Z軸負の方向側から正の方向側に向けて、基板PB1a,PB1b,PB1cの順に配置されている。
基板PB1aは、主としてアナログ信号の信号処理を行う基板である。基板PB1aの下面(Z軸負の方向側の面)には、スケール固定部SF1に固定されたスケールSC1とZ軸方向に所定の隙間をあけて対向するように、検出部D1が配置されている。検出部D1とスケールSC1は第1光学式センサOS1を構成しており、起歪体3の歪みを検出する。基板PB1aには、検出部D1から出力されるアナログ信号の増幅回路や、オフセットの除去回路等が設けられている。
基板PB1bは、主としてデジタル信号の信号処理を行う基板である。基板PB1bには、A/D変換回路、後述するトルク算出部37として機能する演算回路、電源監視処理回路等が設けられている。これらの回路による機能は、CPUが実行するプログラムにより実装されてもよいし、その一部又は全部がASICやFPGA、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。
基板PB1cは、主として通信機能に関わる処理を行う基板である。基板PB1cには、電源回路や、他の機器や基板との間で信号の送受信を行うための通信回路等が設けられている。なお、基板PB3及び基板PB4では、基板PB3c及び基板PB4cの上面(Z軸正の方向側の面)に、前述の外部コネクタ15,17(図4では破線で図示)が設けられている。
他の基板PB2~PB4の基板構成は、上述した基板PB1と同様であるため説明を省略する。なお、スケール固定部SF2に固定されたスケールSC2と、基板PB2の基板PB2aに配置された検出部D2とが、第2光学式センサOS2を構成する。同様に、スケール固定部SF3に固定されたスケールSC3と、基板PB3の基板PB3aに配置された検出部D3とが、第3光学式センサOS3を構成する。同様に、スケール固定部SF4に固定されたスケールSC4と、基板PB4の基板PB4aに配置された検出部D4とが、第4光学式センサOS4を構成する。
なお、上述した基板PB1~PB4の基板構成は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、上述した各基板の機能を一枚の基板に実装可能である場合には、基板PB1~PB4の各々を一枚の基板で構成してもよい。また、複数の基板で処理を分担する場合には、上述したアナログ信号処理、デジタル信号処理、通信処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、更に少ない数の基板(例えば2枚の基板)で分担してもよいし、更に機能を細分化して更に多い数の基板(4枚以上の基板)で分担してもよい。
<4.検出部の構成>
次に、図5を参照しつつ、検出部D1~D4の構成の一例について説明する。図5は、検出部D1~D4をZ軸負の方向側から見た平面図である。
次に、図5を参照しつつ、検出部D1~D4の構成の一例について説明する。図5は、検出部D1~D4をZ軸負の方向側から見た平面図である。
検出部D1~D4の各々の構成は同様であるため、ここでは検出部D1を例にとって説明する。図5に示すように、検出部D1は、光源39と、光源39をZ軸を中心とする径方向に挟むように配置された2つの受光部41を有する。
光源39は、スケールSC1に光を出射する。光源39としては、照射領域に光を照射可能な光源であれば特に限定されるものではないが、例えば、LED(Light Emitting Diode)が使用可能である。光源39は、特に光学レンズ等が配置されない点光源として構成され、拡散光を出射する。なお、「点光源」という場合、厳密な点である必要はなく、設計上や動作原理上、略点状の位置から拡散光が発せられるものとみなせる光源であれば、有限な出射面から光が発せられてもよい。また、「拡散光」は、点光源から全方位に向かって放たれる光に限定されず、有限の一定の方位に向かって拡散しつつ出射される光を含む。すなわち、ここでいう拡散光には、平行光よりも拡散性を有する光であれば含まれる。このように点光源を使用することにより、光源39は、対向した位置に配置されるスケールSC1にほぼ均等に光を照射することが可能である。また、光学素子による集光・拡散を行わないので、光学素子による誤差等が生じにくく、スケールSC1への光の直進性を高める事が可能である。
各受光部41は、Z軸周りの周方向に沿って等間隔に配列された複数個(この例では16個)の受光素子43を有する。すなわち複数の受光素子43は、インクリメンタルパターンを有するように形成されている。なお、受光部41を構成する受光素子43の数は上記以外でもよい。
第1光学式センサOS1は、検出部D1の光源39からスケールSC1に光を照射し、スケールSC1で反射された光を受光部41の各受光素子43で受光する。これにより、第1光学式センサOS1は、外周部5と内周部7との相対回転量を検出し、当該回転量をトルク算出部37(図8参照)に送信する。
他の検出部D2~D4の構成は、上述した検出部D1と同様であるため説明を省略する。なお、第2光学式センサOS2、第3光学式センサOS3、及び第4光学式センサOS4も、上記と同様にして外周部5と内周部7との相対回転の回転量を検出し、当該回転量をトルク算出部37(図8参照)に送信する。トルク算出部37は、光学式センサOS1~OS4から受信した回転量と連結部9A~9Dの弾性係数等とに基づいて、外周部5と内周部7との間に作用するトルク値を算出する。
なお、上述した検出部D1の構成は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、上記では光源39を径方向に挟むように2つの受光部41を配置したが、光源39を周方向に挟むように2つの受光部を配置してもよい。
<5.基板の固定構造>
次に、図6を参照しつつ、基板PB1~PB4のスタッドピン31による固定構造の一例について説明する。図6は、基板PB1~PB4における一方のスタッドピン31による固定部分を拡大して示す断面図である。
次に、図6を参照しつつ、基板PB1~PB4のスタッドピン31による固定構造の一例について説明する。図6は、基板PB1~PB4における一方のスタッドピン31による固定部分を拡大して示す断面図である。
基板PB1~PB4の各々の固定構造は同様であり、且つ、2本のスタッドピン31の各々における固定構造も同様であるため、ここでは基板PB1の一方のスタッドピン31による固定構造を例にとって説明する。図4に示すように、スタッドピン31(ピンの一例)は、直径が異なる複数の部分(この例では3つ)を有する円柱状の部材である。スタッドピン31は、直径が最も大きい大径部31Aと、直径が中程度である中径部31Bと、直径が最も小さい小径部31Cとを有する。大径部31Aと中径部31Bとの間には段差部31aが形成され、中径部31Bと小径部31Cとの間には段差部31bが形成されている。
大径部31Aの直径は、基板固定部PF1のピン穴25の直径と同等若しくはピン穴25の直径よりも若干大きく形成されており、大径部31Aはピン穴25に圧入される。一方、基板PB1aに形成されたピン穴45(第1のピン穴の一例)は、大径部31Aの直径よりも所定量だけ大きく形成されている。仮に、ピン穴45と大径部31Aの径とを略同等に形成し、大径部31Aを基板PB1aのピン穴45と基板固定部PF1のピン穴25の両方に圧入する構成とした場合、基板PB1a及び起歪体3(基板固定部PF1)にピン穴を加工する際に非常に高い寸法精度が要求されることとなり、量産が困難となると共に、組立作業性も低下する。本実施形態では、ピン穴45を大径部31Aの径よりも大きく形成することで、ピン穴の加工の際に要求される寸法精度を下げて量産を可能とすると共に、組立作業も容易となる。
また、ピン穴45の内周面と、ピン穴45に挿通された大径部31Aの外周面との隙間には、接着剤47が充填されている。これにより、大径部31Aに対して基板PB1aを強固に固定できる。なお、図6に示す例では、接着剤47により基板PB1a上に肉盛部(滑らかな裾広がり形状のフィレット)を形成することで、接着面積を増やして接着強度を高めている。また、大径部31Aの外周面の接着箇所には、一又は複数(この例では2つ)の溝部31cが形成されている。これにより、溝部31cに充填された接着剤47が楔となってアンカー効果を奏し、基板PB1aのZ軸方向のずれ防止効果をさらに高めることができる。なお、溝部31cの数は1つでもよいし、3以上としてもよい。また、溝部31cは必ずしも形成しなくともよい。
同様に、基板PB1bに形成されたピン穴49(第1のピン穴の一例)は、中径部31Bの直径よりも所定量だけ大きく形成されている。ピン穴49の内周面と、ピン穴49に挿通された中径部31Bの外周面との隙間には、接着剤51が充填されている。中径部31Bの外周面の接着箇所には、一又は複数(この例では2つ)の溝部31dが形成されている。
同様に、基板PB1cに形成されたピン穴53(第1のピン穴の一例)は、小径部31Cの直径よりも所定量だけ大きく形成されている。ピン穴53の内周面と、ピン穴53に挿通された小径部31Cの外周面との隙間には、接着剤55が充填されている。小径部31Cの外周面の接着箇所には、一又は複数(この例では2つ)の溝部31eが形成されている。
なお、上記ではスタッドピン31の大径部31Aを基板固定部PF1のピン穴25に圧入する構成としたが、大径部31Aの外周面におねじを形成すると共にピン穴25の内周面にめねじを形成しておき、大径部31Aをピン穴25にねじにより締結する構成としてもよい。
他の基板PB2~PB4の固定構造は、上述した基板PB1と同様であるため説明を省略する。
<6.基板の全体構成>
次に、図7を参照しつつ、トルクセンサ1の基板PB1~PB4の全体構成の一例について説明する。図7は、トルクセンサ1の基板PB1~PB4の全体構成の一例を概念的に表す説明図である。
次に、図7を参照しつつ、トルクセンサ1の基板PB1~PB4の全体構成の一例について説明する。図7は、トルクセンサ1の基板PB1~PB4の全体構成の一例を概念的に表す説明図である。
図7に示すように、トルクセンサ1は4つの基板PB1~PB4を有する。基板PB1を構成する基板PB1a~PB1cは、スタッキングコネクタCN1により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。基板PB2を構成する基板PB2a~PB2cは、スタッキングコネクタCN2により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。基板PB3を構成する基板PB3a~PB3cは、スタッキングコネクタCN3により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。基板PB4を構成する基板PB4a~PB4cは、スタッキングコネクタCN4により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。
また、基板PB4cと基板PB1cとは、スタッキングコネクタCN4,CN1を介して接続部19により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。基板PB1cと基板PB2cとは、スタッキングコネクタCN1,CN2を介して接続部21により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。基板PB2cと基板PB3cとは、スタッキングコネクタCN2,CN3を介して接続部23により相互に電力や信号の送受信が可能に接続されている。基板PB4cには、外部機器との間で電源の入力や信号の送受信を行うための外部コネクタ17が設けられており、基板PB3cには、外部機器との間で電源の入力や信号の送受信を行うための外部コネクタ15が設けられている。
ここでは説明の便宜上、基板PB1と第1光学式センサOS1とを第1センサモジュールSM1、基板PB2と第2光学式センサOS2とを第2センサモジュールSM2、基板PB3と第3光学式センサOS3とを第3センサモジュールSM3、基板PB4と第4光学式センサOS4とを第4センサモジュールSM4という。
周方向に180度の角度間隔で配置された第1センサモジュールSM1と第3センサモジュールSM3とは、第1の系統を構成し、第3センサモジュールSM3はマスター、第1センサモジュールSM1はスレーブとして機能する。また、周方向に180度の角度間隔で配置された第2センサモジュールSM2と第4センサモジュールSM4とは、第2の系統を構成し、第4センサモジュールSM4はマスター、第2センサモジュールSM2はスレーブとして機能する。
第1の系統では、第1センサモジュールSM1が第1光学式センサOS1による検出値を第2センサモジュールSM2を介して第3センサモジュールSM3に送信し、第3センサモジュールSM3が第3光学式センサOS3による検出値に受信した第1光学式センサOS1による検出値を加算して平均値を算出する。同様に、第2の系統では、第2センサモジュールSM2が第2光学式センサOS2による検出値を第3センサモジュールSM3を介して第4センサモジュールSM4に送信し、第4センサモジュールSM4が第4光学式センサOS4による検出値に受信した第2光学式センサOS2による検出値を加算して平均値を算出する。他軸干渉による検出誤差のキャンセル(詳細は後述)のみを行う場合には、第3センサモジュールSM3において上記算出した平均値を用いてトルク値を算出し、外部コネクタ15を介して外部に送信する。また、第4センサモジュールSM4において上記算出した平均値を用いてトルク値を算出し、外部コネクタ17を介して外部に送信する。
一方、他軸干渉による検出誤差のキャンセルに加えてさらに、トルクセンサ1を波動歯車機構の減速機と合わせて使用する場合におけるトルクリップルによる検出誤差のキャンセル(詳細は後述)を行う場合には、例えば次のようにする。すなわち、第3センサモジュールSM3又は第4センサモジュールSM4のいずれか一方が他方のセンサモジュールに対して上述の算出した平均値を送信し、平均値を受信した他方のセンサモジュールがそれらの平均値同士を加算して平均値をさらに算出する。そして、当該算出した平均値を用いてトルク値を算出し、算出結果を外部コネクタ15又は外部コネクタ17を介して外部に送信する。
なお、以上では各系統における平均値の算出をマスターで行うようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、各系統における平均値の算出をスレーブで行い、それらの平均値を一方の系統のマスターに送信し、当該マスターにて平均値同士の平均を算出してトルク値を算出してもよい。また例えば、一方の系統における平均値の算出をマスターで行うと共に、他方の系統における平均値の算出をスレーブで行い、当該スレーブから一方の系統のマスターに平均値を送信し、当該マスターにて平均値同士の平均を算出してトルク値を算出してもよい。
以上のように、一方の系統におけるマスターとスレーブ間の信号等の送受信を他方の系統のスレーブを介して行う構成とすることで、各系統のマスターとスレーブを直接接続する場合に比べて配線を簡略化できる。また、第3センサモジュールSM3と第4センサモジュールSM4とを接続しないので、これによっても省配線化を促進できる。
なお、上述した基板構成は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、第3センサモジュールSM3と第4センサモジュールSM4とを接続部で接続し、基板PB1~PB4を円環状に接続してもよい。また例えば、各系統において外部コネクタをマスターに代えて又は加えてスレーブに設けてもよいし、いずれか一方の系統のみのマスター又はスレーブの少なくとも一方に設けてもよい。
<7.トルク算出処理>
次に、図8を参照しつつ、トルク算出処理の一例について説明する。図8は、トルク算出処理を実行するトルク算出部37の機能構成の一例を表すブロック図である。なお、図8に示すトルク算出部37による処理は、基板PB1b,PB2b,PB3b,PB4bのうちの全部又は一部の複数の基板により分担して実行されてもよいし、特定の1つの基板のみにより実行されてもよい。
次に、図8を参照しつつ、トルク算出処理の一例について説明する。図8は、トルク算出処理を実行するトルク算出部37の機能構成の一例を表すブロック図である。なお、図8に示すトルク算出部37による処理は、基板PB1b,PB2b,PB3b,PB4bのうちの全部又は一部の複数の基板により分担して実行されてもよいし、特定の1つの基板のみにより実行されてもよい。
トルク算出部37は、複数の光学式センサ(この例では4つの光学式センサOS1~OS4)の出力に基づいてトルク値を算出する。図8に示すように、トルク算出部37は、換算部56,58,60,62と、加算部57と、除算部59と、加算部61と、除算部63と、加算部65と、除算部67とを有する。
換算部56,58,60,62の各々は、第1光学式センサOS1、第2光学式センサOS2、第3光学式センサOS3、第4光学式センサOS4のそれぞれの出力(検出値)と、連結部9A~9Dの弾性係数等とに基づいて、外周部5と内周部7との間に作用するトルク値をそれぞれ算出する。
加算部57は、換算部56で算出されたトルク値と、換算部60で算出されたトルク値とを加算する。除算部59は、加算部57により加算されたトルク値を2で除算し、平均値を算出する。
加算部61は、換算部58で算出されたトルク値と、換算部62で算出されたトルク値とを加算する。除算部63は、加算部61により加算されたトルク値を2で除算し、平均値を算出する。
以上のように、周方向に180度間隔で配置された光学式センサOS1,OS3の出力(換算部により算出されたトルク値を含む)及び光学式センサOS2,OS4の出力(換算部により算出されたトルク値を含む)をそれぞれ加算することで、他軸干渉による検出誤差をキャンセルすることができる。ここで「他軸干渉」とは、X軸周りのねじりモーメントMx、Y軸周りのねじりモーメントMy、X軸、Y軸、Z軸の各方向における並進力Fx,Fy,Fzのことをいう。トルクセンサ1の外周部5と内周部7との間には、検出対象であるトルク(Z軸周りのねじりモーメントMz)によるZ軸周りの回転以外にも、トルク以外の外乱の力(ねじりモーメントMx,My)によりX軸又はY軸周りの相対回転が生じる場合がある。また、トルク以外の外乱の力(並進力Fx,Fy,Fz)によりX軸、Y軸、Z軸方向の相対移動が生じる場合がある。
例えば、外周部5と内周部7との間にX軸周りの相対回転が生じると、第1の系統を構成する光学式センサOS1,OS3では、スケールSC1,SC3と検出部D1,D3との間隔は変動するが、Z軸周りの周方向に対して平行な位置関係を維持するため、Z軸周りの周方向の検出位置の変化(回転量)は0もしくは非常に小さい。このため、トルクの検出精度への影響は無視できる。一方、第2の系統を構成する光学式センサOS2,OS4では、スケールSC2,SC4と検出部D2,D4との間でZ軸周りの周方向に対して傾斜が生じるため、周方向の検出位置が変化し、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS2,OS4の各々では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS2,OS4の出力を加算することで、ねじりモーメントMxによる検出誤差をキャンセルすることができる。
同様に、外周部5と内周部7との間にY軸周りの相対回転が生じると、第2の系統を構成する光学式センサOS2,OS4ではトルクの検出精度への影響は無視できる。一方、第1の系統を構成する光学式センサOS1,OS3では、スケールSC1,SC3と検出部D1,D3との間でZ軸周りの周方向に対して傾斜が生じるため、周方向の検出位置が変化し、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS1,OS3の各々では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS1,OS3の出力を加算することで、ねじりモーメントMyによる検出誤差をキャンセルすることができる。
なお、外周部5と内周部7との間に、XY軸平面におけるX軸周り及びY軸周り以外の相対回転が生じた場合、第1の系統では、上述したようにX軸周りの成分についてはトルクの検出精度への影響は無視でき、Y軸周りの成分については光学式センサOS1,OS3の出力を加算することで検出誤差をキャンセルできる。また第2の系統では、上述したようにY軸周りの成分についてはトルクの検出精度への影響は無視でき、X軸周りの成分については光学式センサOS2,OS4の出力を加算することで検出誤差をキャンセルできる。したがって、トルクセンサ1は、光学式センサOS1,OS3の出力及び光学式センサOS2,OS4の出力をそれぞれ加算することで、XY軸平面におけるどの方向の軸周りに相対回転が生じた場合でも、検出誤差をキャンセルできる。
また例えば、外周部5と内周部7との間にX軸方向の相対移動が生じると、第2の系統を構成する光学式センサOS2,OS4では、スケールSC2,SC4と検出部D2,D4とのZ軸周りの周方向の検出位置の変化(回転量)は0もしくは非常に小さいことから、トルクの検出精度への影響は無視できる。一方、第1の系統を構成する光学式センサOS1,OS3では、スケールSC1,SC3と検出部D1,D3との間でZ軸周りの周方向の検出位置が変化することから、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS1,OS3の各々では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS1,OS3の出力を加算することで、並進力Fxによる検出誤差をキャンセルすることができる。
同様に、外周部5と内周部7との間にY軸方向の相対移動が生じると、第1の系統を構成する光学式センサOS1,OS3では、スケールSC1,SC3と検出部D1,D3とのZ軸周りの周方向の検出位置の変化(回転量)は0もしくは非常に小さいことから、トルクの検出精度への影響は無視できる。一方、第2の系統を構成する光学式センサOS2,OS4では、スケールSC2,SC4と検出部D2,D4との間でZ軸周りの周方向の検出位置が変化することから、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS2,OS4の各々では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS2,OS4の出力を加算することで、並進力Fyによる検出誤差をキャンセルすることができる。
なお、外周部5と内周部7との間に、XY軸平面におけるX軸方向及びY軸方向以外の相対移動が生じた場合、第1の系統では、上述したようにY軸方向の成分についてはトルクの検出精度への影響は無視でき、X軸方向の成分については光学式センサOS1,OS3の出力を加算することで検出誤差をキャンセルできる。また第2の系統では、上述したようにX軸方向の成分についてはトルクの検出精度への影響は無視でき、Y軸方向の成分については光学式センサOS2,OS4の出力を加算することで検出誤差をキャンセルできる。したがって、トルクセンサ1は、光学式センサOS1,OS3の出力及び光学式センサOS2,OS4の出力をそれぞれ加算することで、XY軸平面におけるどの方向への相対移動が生じた場合でも、検出誤差をキャンセルできる。
なお、外周部5と内周部7との間にZ軸方向の相対移動が生じた場合、光学式センサOS1~OS4のいずれにおいても、スケールSC1~SC4と検出部D1~D4とのZ軸周りの周方向の検出位置の変化(回転量)はそれぞれ0もしくは非常に小さいことから、トルクの検出精度への影響は無視できる。
加算部65は、除算部59により除算された平均値と、除算部63により除算された平均値とを加算する。言い換えると、加算部65は、周方向に90度ずれて配置された第1の系統の出力(平均値)と第2の系統の出力(平均値)を加算する。除算部67は、加算部65により加算された平均値を2で除算し、平均値同士の平均値をさらに算出する。
以上のように、周方向に90度ずれて配置された第1の系統の出力(平均値)と第2の系統の出力(平均値)を加算することで、トルクセンサ1を波動歯車機構を備えた減速機と合わせて使用する場合における当該減速機に特有のトルクリップルによる検出誤差をキャンセルすることができる。図示は省略するが、一般に波動歯車機構は、サーキュラスプライン、ウェーブジェネレータ、フレクスプラインを有する。フレクスプラインは、ウェーブジェネレータにより楕円状にたわめられ、長軸の部分でサーキュラスプラインと歯が噛み合い、短軸の部分では歯が離れた状態になる。サーキュラスプライン又はフレクスプラインのいずれか一方を固定し、ウェーブジェネレータを時計方向へ回すと、フレクスプラインは弾性変形し、サーキュラスプラインとの歯の噛み合い位置が順次移動する。ウェーブジェネレータが1回転すると、サーキュラスプラインを固定している場合には、サーキュラスプラインとフレクスプラインの歯数差(例えば2)分だけフレクスプラインが反時計方向へ移動する。フレクスプラインを固定している場合には、歯数差(例えば2)分だけサーキュラスプラインが時計方向へ移動する。
波動歯車機構の上記構成により、ウェーブジェネレータが1回転(360度)する間に、フレクスプラインとサーキュラスプラインとの歯の噛み合い位置が2回通過する。これにより、図9に示すように、ウェーブジェネレータの1回転につき2周期のトルクリップルが生じ、トルクセンサの検出誤差として現れる場合がある。当該検出誤差は、トルクリップルに起因するため180度周期となる。一方、第1の系統の光学式センサOS1,OS3と第2の系統の光学式センサOS2,OS4とは、周方向に90度ずれて配置されているため、各々の出力の検出誤差は90度の位相差を有する。したがって、トルクセンサ1は、第1の系統の出力(平均値)と第2の系統の出力(平均値)を加算することで、波動歯車機構を備えた減速機に特有のトルクリップルによる検出誤差をキャンセルすることができる。
なお、上述したトルク算出処理は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、波動歯車機構を備えない減速機を使用する場合等、他軸干渉による検出誤差のキャンセルのみを行う場合には、加算部65及び除算部67を設けずに、除算部59により除算された平均値と除算部63により除算された平均値を、第1の系統と第2の系統の各々の独立したトルク値として出力してもよい。この場合、他軸干渉による検出誤差をキャンセルしつつ、センサ出力を二重化することができる。
また、加算部57及び除算部59で周方向に90度ずれて配置された第1光学式センサOS1の出力と第2光学式センサOS2の出力(第2光学式センサOS2の出力と第3光学式センサOS3の出力でもよい)とを加算して平均値を算出し、加算部61及び除算部63で周方向に90度ずれて配置された第3光学式センサOS3の出力と第4光学式センサOS4の出力(第4光学式センサOS4の出力と第1光学式センサOS1の出力でもよい)とを加算して平均値を算出し、加算部65及び除算部67でそれらの平均値を算出する構成としてもよい。この場合も、他軸干渉による検出誤差をキャンセルできると共に、波動歯車機構に特有のトルクリップルによる検出誤差をキャンセルすることができる。またこの場合において、トルクリップルによる検出誤差のキャンセルのみを行う場合には、加算部65及び除算部67を設けずに、除算部59により除算された平均値と除算部63により除算された平均値を、各々から独立したトルク値として出力してもよい。この場合、トルクリップルによる検出誤差をキャンセルしつつ、センサ出力を二重化することができる。
なお、上述した換算部56,58,60,62、加算部57、除算部59、加算部61、除算部63、加算部65、除算部67等における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、更に少ない数の処理部(例えば1つの処理部)で処理されてもよく、また、更に細分化された処理部により処理されてもよい。また、これらの機能は例えば基板PB1b,PB2b,PB3b,PB4bに設けられたCPU(図示省略)が実行するプログラムにより実装されてもよいし、その一部又は全部がASICやFPGA、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。
また、光学式センサOS1,OS3又は光学式センサOS2,OS4は、それぞれ、周方向に90度以外の所定の角度間隔で配置された光学式センサの一例である。また、光学式センサOS1,OS2、光学式センサOS2,OS3、光学式センサOS3,OS4、又は光学式センサOS4,OS1は、それぞれ、周方向に180度以外の所定の角度間隔で配置された光学式センサの一例である。
<8.ヒステリシスの改善策>
次に、図10及び図11を参照しつつ、トルクセンサ1におけるヒステリシスの改善策の一例について説明する。図10は、ヒステリシスの改善策を施していない比較例のトルクセンサの起歪体3AをZ軸正の方向側から見た平面図である。図11は、上記比較例のトルクセンサにおける定格荷重に対する定格出力のヒステリシス曲線の一例を表すグラフである。
次に、図10及び図11を参照しつつ、トルクセンサ1におけるヒステリシスの改善策の一例について説明する。図10は、ヒステリシスの改善策を施していない比較例のトルクセンサの起歪体3AをZ軸正の方向側から見た平面図である。図11は、上記比較例のトルクセンサにおける定格荷重に対する定格出力のヒステリシス曲線の一例を表すグラフである。
図10に示すように、比較例のトルクセンサの起歪体3Aでは、外周部5に複数(この例では12)のボルト穴11が、Z軸周りの周方向において等角度間隔(この例では30度)となるように配置されている。なお、ボルト穴11の配置以外の構成は、前述の図3に示す起歪体3と同様であるため説明を省略する。
図11に示すように、ボルト穴11が等間隔で配置された比較例のトルクセンサでは、定格出力にヒステリシスHSが生じる場合がある。このヒステリシスが大きくなると、トルクセンサの検出誤差として現れる。ヒステリシスの原因としては、外周部5の連結部9A~9D周辺における締結不足により、連結部9A~9D近傍において外周部5の締結面と外部機器(例えばロボットのアーム、エンドエフェクタ、減速機、モータ等)の締結面との間に滑りが生じていることが考えられる。
本実施形態のトルクセンサ1では、前述の図1及び図3に示すように、ボルト穴11は、Z軸周りの周方向において連結部9A~9Dに対応する位置の方が連結部9A~9Dに対応していない位置よりも密になるように、連結部9A~9Dの各々の近傍に集約して配置されている。具体的には、例えば図3に示すように、連結部9A~9Dの各々と略同じ角度(周方向の位置)にボルト穴11が配置され、その周方向両側に2つのボルト穴11が例えば略15度の間隔でそれぞれ配置されている。これにより、外周部5の連結部9A~9D周辺における締結力を高めることができる。その結果、締結ボルトの本数やボルトサイズを変更することなく、すなわちコストアップやサイズアップをさせずに、外周部5と外周部5を締結する部材との間の締結面の滑りを抑制することができる。その結果、ヒステリシスを小さくし、検出誤差を低減できる。
<9.実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態のトルクセンサ1は、起歪体3と、起歪体3の歪みを検出する光学式センサOS1~OS4と、を有し、起歪体3は、リング状の外周部5と、少なくとも一部が外周部5の径方向の内側に配置された内周部7と、を有し、光学式センサOS1~OS4は、内周部7に固定され、外周部5と内周部7との間に配置されたスケールSC1~SC4と、外周部5に固定され、外周部5と内周部7との間にスケールSC1~SC4と対向して配置された検出部D1~D4と、を有する。
以上説明したように、本実施形態のトルクセンサ1は、起歪体3と、起歪体3の歪みを検出する光学式センサOS1~OS4と、を有し、起歪体3は、リング状の外周部5と、少なくとも一部が外周部5の径方向の内側に配置された内周部7と、を有し、光学式センサOS1~OS4は、内周部7に固定され、外周部5と内周部7との間に配置されたスケールSC1~SC4と、外周部5に固定され、外周部5と内周部7との間にスケールSC1~SC4と対向して配置された検出部D1~D4と、を有する。
これにより、外周部5と内周部7の少なくとも一部を軸方向に重ねて配置できるので、トルクセンサ1の軸方向寸法を低減できる。また、光学式センサOS1~OS4を外周部5と内周部7の隙間の空間Sに収容するので、光学式センサOS1~OS4が外周部5や内周部7から外部に突出する(はみ出す)ことを抑制できる。したがって、トルクセンサ1を小型化できる。
また、本実施形態では特に、トルクセンサ1は、外周部5と内周部7との間に配置され、検出部D1~D4を有する基板PB1~PB4をさらに有する。
これにより、光学式センサOS1~OS4に係る処理回路を有する基板PB1~PB4についても外周部5と内周部7の隙間の空間Sに収容することができるので、トルクセンサ1をコンパクト化できる。
また、本実施形態では特に、起歪体3は、外周部5と内周部7との間に配置され、外周部5と内周部7とを連結する複数の連結部9A~9Dを有し、基板PB1~PB4は、周方向において複数の連結部9A~9Dの間の空間に配置されている。
これにより、起歪体3としての機能(連結部9A~9Dで連結された外周部5と内周部7がトルクの大きさに応じた量だけ相対的に回転する)を阻害することなく、基板PB1~PB4を外周部5と内周部7の隙間の空間Sに収容することができる。
また、本実施形態では特に、複数の基板PB1~PB4の各々は、周方向において複数の連結部9A~9Dの間の複数の空間S1~S4にそれぞれ配置されており、トルクセンサ1は、周方向に隣接する基板同士を連結部9A~9Dを跨いで電気的に接続する接続部19,21,23をさらに有する。
これにより、外周部5と内周部7との間で複数の連結部9A~9Dによって形成される複数の空間S1~S4を有効活用できる。その上で、起歪体3としての機能を阻害することなく、複数の基板PB1~PB4間で信号を送受信することができる。
また、本実施形態では特に、光学式センサOS1~OS4は、起歪体3の周方向の複数箇所に配置されており、トルクセンサ1は、複数の光学式センサOS1~OS4の出力に基づいてトルクを算出するトルク算出部37をさらに有する。
このように周方向に配置された複数の光学式センサOS1~OS4の出力を使用することで、曲げモーメント(Mx,My)や並進力(Fx,Fy,Fz)等の他軸干渉による検出誤差や、トルクセンサ1を波動歯車機構を備えた減速機と合わせて使用する場合における当該減速機に特有のトルクリップルによる検出誤差をキャンセルすることができる。これにより、トルクの検出精度を向上することができる。
また、本実施形態では特に、複数の光学式センサOS1~OS4のうちの2つの光学式センサOS1,OS3(又は光学式センサOS2,OS4)は、周方向に90度以外の所定の角度間隔で配置されており、トルク算出部37は、2つの光学式センサOS1,OS3(又は光学式センサOS2,OS4)の出力に基づいてトルクを算出する。
2つの光学式センサOS1,OS3(又は光学式センサOS2,OS4)が周方向に90度以外の角度間隔で配置されている場合、各々のセンサの検出値に曲げモーメント(Mx,My)や並進力(Fx,Fy,Fz)等の他軸干渉による検出誤差が所定割合で重畳されるため、それらの出力を使用してトルクを算出することで、他軸干渉の影響を低減することができる。
また、本実施形態では特に、複数の光学式センサOS1~OS4のうちの2つの光学式センサOS1,OS2(又は光学式センサOS3,OS4)は、周方向に180度以外の所定の角度間隔で配置されており、トルク算出部37は、2つの光学式センサOS1,OS2(又は光学式センサOS3,OS4)の出力に基づいてトルクを算出する。
2つの光学式センサOS1,OS2(又は光学式センサOS3,OS4)が周方向に180度以外の角度間隔で配置されている場合、波動歯車機構を有する減速機に特有の1回転につき2周期のトルクリップルによる検出誤差が所定割合で重畳されるため、それらの出力を使用してトルクを算出することで、波動歯車機構のトルクリップルの影響を低減することができる。
また、本実施形態では特に、複数の光学式センサOS1~OS4は、それぞれ周方向に90度間隔で配置されている。
周方向に180度間隔で配置された2つの光学式センサOS1,OS3(又は光学式センサOS2,OS4)の出力を使用することで、他軸干渉の影響を低減することができる。また、周方向に90度間隔で配置された2つの光学式センサOS1,OS2(又は光学式センサOS3,OS4)の出力を使用することで、波動歯車機構に特有のトルクリップルの影響を低減することができる。したがって、各々が90度間隔で配置された4つの光学式センサOS1~OS4の出力を使用することで、上記両方の影響を共に低減することができる。
また、本実施形態では特に、トルク算出部37は、複数の光学式センサOS1~OS4の出力を加算し、加算した出力に基づいてトルクを算出する。
周方向に180度間隔で配置された2つの光学式センサOS1,OS3(又は光学式センサOS2,OS4)からは、他軸干渉による検出誤差が異なる符号(正と負)で出力される。また、周方向に90度間隔で配置された2つの光学式センサOS1,OS2(又は光学式センサOS3,OS4)からは、波動歯車機構に特有のトルクリップルによる検出誤差が異なる符号で出力される。したがって、これら2つの光学式センサの出力を加算することにより、検出誤差をキャンセルすることができる。
また、本実施形態では特に、起歪体3は、外周部5に固定され、外周部5と内周部7との間に突出し、検出部D1~D4を有する基板PB1~PB4を複数の固定位置(ピン穴25,25に相当する位置)で固定する基板固定部PF1~PF4を有し、検出部D1~D4は、基板PB1~PB4における複数の固定位置の中間位置(ピン穴25,25の中間位置)に配置されている。
起歪体3の材料は例えばアルミ等の金属であり、基板PB1~PB4は例えば樹脂製である。このため、各材料の熱膨張係数の差により、温度変化時に、基板PB1a~PB4a側に配置する検出部D1~D4と起歪体3側に配置するスケールSC1~SC4との間に相対変位が生じ、検出誤差が生じる可能性がある。本実施形態では、検出部D1~D4を、基板PB1~PB4における複数の固定位置(詳細にはPB1a~PB4aにおけるスタッドピン31が挿通されるピン穴45に相当する位置)の中間位置に配置する。これにより、検出部D1~D4の配置位置では、基板PB1a~PB4aが複数の固定位置からの引っ張り合い又は押し合いを受けて起歪体3による熱膨張・熱収縮が支配的となり、検出部D1~D4とスケールSC1~SC4との間に相対変位が生じるのを抑制できる。したがって、検出誤差を低減できる。
また、本実施形態では特に、トルクセンサ1は、基板PB1~PB4に形成されたピン穴45,49,53に挿通されて基板固定部PF1~PF4に形成されたピン穴25に圧入され、基板PB1~PB4が固定されたスタッドピン31をさらに有する。
トルクセンサ1の出力は、温度サイクルを繰り返すにつれてシフトする場合がある。その原因として、例えば基板固定部PF1~PF4と基板PB1~PB4との間で締結面に滑りが生じ、検出部D1~D4とスケールSC1~SC4との間に相対変位が生じることが考えられる。本実施形態では、基板固定部PF1~PF4のピン穴25に圧入されたスタッドピン31に対して基板PB1~PB4を固定するので、基板固定部PF1~PF4と基板PB1~PB4との間の締結面の滑りを抑制できる。これにより、検出誤差を低減できる。
また、本実施形態では特に、ピン穴45はスタッドピン31の大径部31Aの径よりも大きく形成されており、ピン穴49はスタッドピン31の中径部31Bの径よりも大きく形成されており、ピン穴53はスタッドピン31の小径部31Cの径よりも大きく形成されており、スタッドピン31とピン穴45,49,53との隙間にはそれぞれ接着剤47,51,55が充填されている。
仮に、ピン穴45,49,53とスタッドピン31の径とを略同等に形成し、スタッドピン31を基板PB1~PB4のピン穴45,49,53と基板固定部PF1~PF4のピン穴25の両方に圧入する構成とした場合、基板PB1~PB4及び起歪体3にピン穴を加工する際に非常に高い寸法精度が要求されることとなり、量産が困難となる。本実施形態では、ピン穴45,49,53をスタッドピン31の径よりも大きく形成することで、ピン穴の加工の際に要求される寸法精度を下げて量産を可能とすると共に、その隙間に接着剤47,51,55を充填することで、スタッドピン31に対して基板PB1~PB4を強固に固定できる。
また、本実施形態では特に、起歪体3は、外周部5及び内周部7とは別体且つ外周部5又は内周部7に対し着脱可能に構成され、検出部D1~D4又はスケールSC1~SC4が固定される取付片として構成される基板固定部PF1~PF4及びスケール固定部SF1~SF4を有する。
光学式センサOS1~OS4を構成するスケールSC1~SC4と検出部D1~D4を、起歪体3の外周部5と内周部7の間に配置する場合、狭いスペース内で繊細な組立作業を行う必要があり、作業性・生産性が低下する可能性がある。本実施形態では、検出部D1~D4又はスケールSC1~SC4が固定される基板固定部PF1~PF4及びスケール固定部SF1~SF4を外周部5及び内周部7に対して別ピース化することで、外周部5と内周部7の隙間の外部で組立作業を行うことができる。これにより、作業性・生産性を向上できる。
また、本実施形態では特に、起歪体3は、外周部5と内周部7との間に配置され、外周部5と内周部7とを連結する複数の連結部9A~9Dを有し、外周部5は、当該外周部5が固定される部材(外部機器)への締結位置(ボルト穴11)が、周方向において連結部9A~9Dに対応する位置の方が連結部9A~9Dに対応していない位置よりも密に配置されている。
ボルト穴11を等間隔配置とした前述の比較例のトルクセンサでは、出力のヒステリシスが大きい場合があり、検出誤差の一因となる(図11参照)。その原因として、例えば連結部9A~9D周辺の締結不足により外周部5と外部機器との間で締結面に滑りが生じ、検出部D1~D4とスケールSC1~SC4との間に相対変位が生じることが考えられる。そこで本実施形態では、締結位置(ボルト穴11)を連結部9A~9D周辺に密に配置することにより、外周部5と外部機器とを連結部9A~9Dの周辺で集中的に締結することができる。これにより、締結ボルトの本数やボルトサイズを変更することなく、すなわちコストアップやサイズアップをさせずに、外周部5と外部機器との間の締結面の滑りを抑制することができる。その結果、ヒステリシスを小さくし、検出誤差を低減できる。
<10.変形例>
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
(10-1.3つの光学式センサを120度間隔で配置する場合)
上記実施形態では、4つの光学式センサOS1~OS4を90度間隔で配置したが、3つの光学式センサを120度間隔で配置してもよい。以下、この詳細について図12~図15を用いて説明する。
上記実施形態では、4つの光学式センサOS1~OS4を90度間隔で配置したが、3つの光学式センサを120度間隔で配置してもよい。以下、この詳細について図12~図15を用いて説明する。
まず、図12を参照しつつ、本変形例に係るトルクセンサ101の全体構成の一例について説明する。図12はトルクセンサ101をZ軸正の方向側から見た平面図である。
図12に示すように、起歪体103は複数(この例では3)の連結部9A~9Cを有する。連結部9A~9Cは、外周部5と内周部7の間の空間Sに、Z軸周りの周方向に略等角度間隔(この例では120度間隔)で配置されている。以下では説明の便宜上、空間Sのうち、周方向において連結部9A,9Bの間の空間をS1、連結部9B,9Cの間の空間をS2、連結部9C,9Aの間の空間をS3という。
外周部5と内周部7の間の空間Sには、複数(この例では3)の基板PB1~PB3が配置されている。基板PB1~PB3の基本的な構成は前述の実施形態と同様であるが、空間S1,S2,S3が前述の実施形態よりも周方向に長くなったのに対応して、基板PB1~PB3についても周方向に長めに形成してもよい。基板PB1~PB3の各々は、Z軸周りの周方向において複数の連結部9A~9Cの間の複数の空間S1~S3にそれぞれ配置されている。すなわち、基板PB1は空間S1に、基板PB2は空間S2に、基板PB3は空間S3に配置されている。基板PB1と基板PB3には、外部機器との間で電源の入力や信号の送受信を行うための外部コネクタ17,15がそれぞれ設けられている。
周方向に隣接する基板同士、この例では基板PB1と基板PB2、基板PB2と基板PB3はそれぞれ、接続部21,23により、連結部9B,9Cを跨いで電気的に接続されている。なお、上記以外のトルクセンサ101の構成は、前述の実施形態に係るトルクセンサ1と同様であるので説明を省略する。
次に、図13を参照しつつ、起歪体103の構成の一例について説明する。図13は、起歪体103をZ軸正の方向側から見た平面図である。なお、図13では煩雑防止のため、内周部7のボルト穴13の図示を省略している。また、図13では、スケールSC1~SC3との位置関係を示すために、基板PB1~PB3に設置される検出部D1~D3を破線で示している。
図13に示すように、起歪体103は、外周部5と、内周部7と、連結部9A~9Cとを有しており、連結部9A~9Cは周方向に略120度間隔で配置されている。内周部7は、空間Sにおいて径方向外側に向けて突出した複数(この例では3)のスケール固定部SF1~SF3を有する。スケール固定部SF1~SF3は、周方向に略120度間隔で配置されている。スケール固定部SF1~SF3の上面には、スケールSC1~SC3が例えばねじ(図示省略)によりそれぞれ固定されている。
外周部5は、空間Sにおいて内側に向けて突出した複数セット(この例では3セット)の基板固定部PF1~PF3を有する。基板固定部PF1~PF3の各セット、すなわち基板固定部PF1,PF1のセットと、基板固定部PF2,PF2のセットと、基板固定部PF3,PF3のセットは、周方向に略120度間隔で配置されている。基板固定部PF1~PF3の各セットの上面には、検出部D1~D3をそれぞれ有する基板PB1~PB3が、スタッドピン31,31によりそれぞれ複数(この例では2箇所)の固定位置で固定される。なお、上記以外の起歪体103の構成は、前述の実施形態に係る起歪体3と同様であるので説明を省略する。
次に、図14を参照しつつ、本変形例に係るトルク算出処理の一例について説明する。図14は、トルク算出処理を実行するトルク算出部137の機能構成の一例を表すブロック図である。
トルク算出部137は、複数の光学式センサ(この例では3つの光学式センサOS1~OS3)の出力に基づいてトルク値を算出する。図14に示すように、トルク算出部137は、換算部164,166,168と、加算部165と、除算部167とを有する。
換算部164,166,168の各々は、第1光学式センサOS1、第2光学式センサOS2、第3光学式センサOS3のそれぞれの出力(検出値)と、連結部9A~9Cの弾性係数等とに基づいて、外周部5と内周部7との間に作用するトルク値をそれぞれ算出する。加算部165は、換算部164で算出されたトルク値と、換算部166で算出されたトルク値と、換算部168で算出されたトルク値とを加算する。除算部167は、加算部165により加算された検出値を3で除算し、平均値を算出する。
以上のように、周方向に120度間隔で配置された光学式センサOS1,OS2,OS3の出力(換算部により算出されたトルク値を含む)を加算することで、他軸干渉による検出誤差をキャンセルすることができる。例えば、外周部5と内周部7との間にX軸周りの相対回転が生じると、光学式センサOS1では、スケールSC1と検出部D1との間隔は変動するが、Z軸周りの周方向に対して平行な位置関係を維持するため、Z軸周りの周方向の検出位置の変化(回転量)は0もしくは非常に小さい。このため、トルクの検出精度への影響は無視できる。一方、光学式センサOS2,OS3では、スケールSC2,SC3と検出部D2,D3との間でZ軸周りの周方向に対して傾斜が生じる成分があるため、周方向の検出位置が変化し、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS2,OS3の各々では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、ねじりモーメントMxによる検出誤差をキャンセルすることができる。
同様に、外周部5と内周部7との間にY軸周りの相対回転が生じると、光学式センサOS1では、スケールSC1と検出部D1との間でZ軸周りの周方向に対して傾斜が生じ、且つ、光学式センサOS2,OS3では、スケールSC2,SC3と検出部D2,D3との間でZ軸周りの周方向に対して傾斜が生じる成分がある。このため、光学式センサOS1~OS3ではいずれも、周方向の検出位置が変化し、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS1と、光学式センサOS2,OS3では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、ねじりモーメントMyによる検出誤差をキャンセルすることができる。
なお、外周部5と内周部7との間に、XY軸平面におけるX軸周り及びY軸周り以外の相対回転が生じた場合でも、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、上述したようにX軸周りの成分及びY軸周りの成分の両方について検出誤差をキャンセルできる。したがって、トルクセンサ101は、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、XY軸平面におけるどの方向の軸周りに相対回転が生じた場合でも、検出誤差をキャンセルできる。
また例えば、外周部5と内周部7との間にX軸方向の相対移動が生じると、光学式センサOS1では、スケールSC1と検出部Dとの間でZ軸周りの周方向の検出位置が変化することから、検出誤差が生じる。また、光学式センサOS2,OS3では、スケールSC2,SC3と検出部D2,D3との間でZ軸周りの周方向の検出位置が変化する成分があることから、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS1と、光学式センサOS2,OS3では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、並進力Fxによる検出誤差をキャンセルすることができる。
同様に、外周部5と内周部7との間にY軸方向の相対移動が生じると、光学式センサOS1では、スケールSC1と検出部D1とのZ軸周りの周方向の検出位置の変化(回転量)は0もしくは非常に小さいことから、トルクの検出精度への影響は無視できる。一方、光学式センサOS2,OS3では、スケールSC2,SC3と検出部D2,D3との間でZ軸周りの周方向の検出位置が変化する成分があることから、検出誤差が生じる。しかし、光学式センサOS2,OS3の各々では、検出誤差がZ軸周りの周方向において反対方向(正方向と負方向)に生じるため、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、並進力Fyによる検出誤差をキャンセルすることができる。
なお、外周部5と内周部7との間に、XY軸平面におけるX軸方向及びY軸方向以外の相対移動が生じた場合でも、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、上述したようにX軸方向の成分及びY軸方向の成分の両方について検出誤差をキャンセルできる。したがって、トルクセンサ101は、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力をそれぞれ加算することで、XY軸平面におけるどの方向への相対移動が生じた場合でも、検出誤差をキャンセルできる。
また、周方向に120度間隔で配置された光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、上述した他軸干渉による検出誤差のキャンセルに加えてさらに、トルクセンサ1を波動歯車機構を備えた減速機と合わせて使用する場合における当該減速機に特有のトルクリップルによる検出誤差をキャンセルすることができる。
すなわち、前述のように波動歯車機構では、図15に示すように、ウェーブジェネレータの1回転につき2周期のトルクリップルが生じ、トルクセンサの検出誤差として現れる場合がある。当該検出誤差は、トルクリップルに起因するため180度周期となる。一方、光学式センサOS1,OS2,OS3はそれぞれ周方向に120度ずれて配置されているため、図15に示すように、各々の出力の検出誤差は120度の位相差を有する。したがって、トルクセンサ101は、光学式センサOS1,OS2,OS3の出力を加算することで、波動歯車機構を備えた減速機に特有のトルクリップルによる検出誤差をキャンセルすることができる。
なお、以上の変形例において、光学式センサOS1,OS2、光学式センサOS2,OS3、又は光学式センサOS3,OS1は、それぞれ、周方向に90度以外の所定の角度間隔で配置された光学式センサの一例であると共に、周方向に180度以外の所定の角度間隔で配置された光学式センサの一例である。
以上説明した変形例のトルクセンサ101では、3つの光学式センサOS1~OS3が周方向に120度間隔で配置されている。この場合、上述のように各々の光学式センサOS1~OS3の検出値に、他軸干渉による検出誤差及び波動歯車機構に特有のトルクリップルによる検出誤差が所定割合で重畳される。したがって、周方向に120度間隔で配置された3つの光学式センサOS1~OS3の出力を使用(加算して平均値を算出)することで、他軸干渉の影響及び波動歯車機構に特有のトルクリップルの影響の両方を共に低減することができる。
なお、上記変形例では、周方向に90度以外又は180度以外の所定の角度間隔で配置された光学式センサの一例として、周方向に120度間隔で配置された3つの光学式センサOS1~OS3について説明したが、光学式センサの角度配置はこれに限定されるものではない。例えば、周方向に60度間隔で配置された光学式センサ等、様々な角度間隔で配置することが可能である。
(10-2.その他)
以上では、起歪体3の歪みを検出するセンサとして、光学式のセンサを用いる場合について説明したが、センサの種類はこれに限定されるものではない。例えば、連結部9A~9Dにひずみゲージを設けてもよい。また、磁気センサを使用して外周部5と内周部7との相対回転量を検出してもよい。また、スケールと検出部に代えて対向する電極を設けておき、その電極間の距離を検出する静電容量式のセンサ等を使用してもよい。
以上では、起歪体3の歪みを検出するセンサとして、光学式のセンサを用いる場合について説明したが、センサの種類はこれに限定されるものではない。例えば、連結部9A~9Dにひずみゲージを設けてもよい。また、磁気センサを使用して外周部5と内周部7との相対回転量を検出してもよい。また、スケールと検出部に代えて対向する電極を設けておき、その電極間の距離を検出する静電容量式のセンサ等を使用してもよい。
<11.トルクセンサの適用例>
次に、図16~図19を参照しつつ、上記実施形態に係るトルクセンサ1(変形例に係るトルクセンサ101でもよい)の適用例について説明する。ここでは、トルクセンサ1をロボットのアームに適用する。
次に、図16~図19を参照しつつ、上記実施形態に係るトルクセンサ1(変形例に係るトルクセンサ101でもよい)の適用例について説明する。ここでは、トルクセンサ1をロボットのアームに適用する。
(11-1.ロボットの構成)
図16を参照しつつ、トルクセンサ1をアームの先端に備えたロボット200の構成の一例について説明する。図16に示すように、ロボット200は、基台201と、胴体部202と、別体として構成された2つのアーム203L,203Rとを有する、いわゆる双腕ロボットである。なお、ロボット200は必ずしも双腕ロボットである必要はなく、単一のアームのみ有するロボットとしてもよい。
図16を参照しつつ、トルクセンサ1をアームの先端に備えたロボット200の構成の一例について説明する。図16に示すように、ロボット200は、基台201と、胴体部202と、別体として構成された2つのアーム203L,203Rとを有する、いわゆる双腕ロボットである。なお、ロボット200は必ずしも双腕ロボットである必要はなく、単一のアームのみ有するロボットとしてもよい。
基台201は、ロボット200の設置面(例えば床面)に対し、例えばアンカーボルト等により固定されている。なお、基台201は、床面以外の面(例えば天井面や側面等)に固定されてもよい。胴体部202は、基台201の上端部に旋回可能に支持されている。
アーム203Lは、胴体部202の一方側の側部に回動可能に支持されている。このアーム203Lは、肩部204Lと、上腕A部205Lと、上腕B部206Lと、下腕部207Lと、手首A部208Lと、手首B部209Lと、フランジ部210Lとを備える。
肩部204Lは、胴体部202の一方側の側部に回動可能に支持されている。この肩部204Lは、胴体部202との間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、胴体部202の一方側の側部に対し回動駆動される。
上腕A部205Lは、肩部204Lの先端側に旋回可能に支持されている。この上腕A部205Lは、肩部204Lとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、肩部204Lの先端側に対し旋回駆動される。
上腕B部206Lは、上腕A部205Lの先端側に回動可能に支持されている。この上腕B部206Lは、上腕A部205Lとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、上腕A部205Lの先端側に対し回動駆動される。
下腕部207Lは、上腕B部206Lの先端側に旋回可能に支持されている。この下腕部207Lは、上腕B部206Lとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、上腕B部206Lの先端側に対し旋回駆動される。
手首A部208Lは、下腕部207Lの先端側に回動可能に支持されている。この手首A部208Lは、下腕部207Lとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、下腕部207Lの先端側に対し回動駆動される。
手首B部209Lは、手首A部208Lの先端側に旋回可能に支持されている。この手首B部209Lは、手首A部208Lとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、手首A部208Lの先端側に対し旋回駆動される。
フランジ部210Lは、手首B部209Lの先端側に回動可能に支持されている。このフランジ部210Lは、手首B部209Lとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、手首B部209Lの先端側に対し回動駆動される。
フランジ部210Lの先端には、トルクセンサ1を介してハンド220Lが取り付けられている。ハンド220Lは、フランジ部210Lの回動と共にトルクセンサ1を介して回動する。このハンド220Lは、互いに遠近する方向に動作可能な一対の爪部材230を備える。
一方、アーム203Rは、上記アーム203Lと左右対称な構造を備え、胴体部202の他方側の側部に回動可能に支持されている。このアーム203Rは、肩部204Rと、上腕A部205Rと、上腕B部206Rと、下腕部207Rと、手首A部208Rと、手首B部209Rと、フランジ部210Rとを備える。
肩部204Rは、胴体部202の他方側の側部に回動可能に支持されている。この肩部204Rは、胴体部202との間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、胴体部202の他方側の側部に対し回動駆動される。
上腕A部205Rは、肩部204Rの先端側に旋回可能に支持されている。この上腕A部205Rは、肩部204Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、肩部204Rの先端側に対し旋回駆動される。
上腕B部206Rは、上腕A部205Rの先端側に回動可能に支持されている。この上腕B部206Rは、上腕A部205Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、上腕A部205Rの先端側に対し回動駆動される。
下腕部207Rは、上腕B部206Rの先端側に旋回可能に支持されている。この下腕部207Rは、上腕B部206Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、上腕B部206Rの先端側に対し旋回駆動される。
手首A部208Rは、下腕部207Rの先端側に回動可能に支持されている。この手首A部208Rは、下腕部207Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、下腕部207Rの先端側に対し回動駆動される。
手首B部209Rは、手首A部208Rの先端側に旋回可能に支持されている。この手首B部209Rは、手首A部208Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータ(図示省略)の駆動により、手首A部208Rの先端側に対し旋回駆動される。
フランジ部210Rは、手首B部209Rの先端側に回動可能に支持されている。このフランジ部210Rは、手首B部209Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータAcR(後述の図17参照)の駆動により、手首B部209Rの先端側に対し回動駆動される。
フランジ部210Rの先端には、トルクセンサ1を介してハンド220Rが取り付けられている。ハンド220Rは、フランジ部210Rの回動と共にトルクセンサ1を介して回動する。このハンド220Rは、互いに遠近する方向に動作可能な一対の爪部材240を備える。
なお、上記アクチュエータはそれぞれ、例えば減速機等を備えたサーボモータにより構成されている。また、上記では、アーム203L,203Rの長手方向(あるいは延材方向)に沿った回転軸心まわりの回転を「回動」と呼び、アーム203L,203Rの長手方向(あるいは延材方向)に略垂直な回転軸心まわりの回転を「旋回」と呼んで区別している。
また、上記説明における「垂直」は、厳密なものではなく、実質的に生じる公差・誤差は許容されるものとする。また、上記説明における「垂直」は、仮想軸心が交わることを意味するものではなく、仮想軸心同士がなす方向が交差するものであればねじれの位置の場合も含まれるものとする。
(11-2.トルクセンサのアクチュエータへの組み付け構成)
次に、図17を参照しつつ、ロボット200におけるトルクセンサ1のアクチュエータへの組み付け構成の一例について説明する。なお、アーム203L,203Rの各々における組み付け構成は同様であるため、ここではアーム203Rにおけるトルクセンサ1のアクチュエータAcRへの組み付け構成を例にとって説明する。図17は、アーム203Rの先端部の断面構造の一例を表す断面図である。なお、図17ではトルクセンサ1の外周部5及び内周部7以外の構成の図示を省略する。
次に、図17を参照しつつ、ロボット200におけるトルクセンサ1のアクチュエータへの組み付け構成の一例について説明する。なお、アーム203L,203Rの各々における組み付け構成は同様であるため、ここではアーム203Rにおけるトルクセンサ1のアクチュエータAcRへの組み付け構成を例にとって説明する。図17は、アーム203Rの先端部の断面構造の一例を表す断面図である。なお、図17ではトルクセンサ1の外周部5及び内周部7以外の構成の図示を省略する。
図17に示すように、アーム203Rの手首B部209Rの先端には、フランジ部210Rが回動可能に支持されている。フランジ部210Rは、手首B部209Rとの間の関節部に設けられたアクチュエータAcRの駆動により回動駆動される。フランジ部210Rの先端には、トルクセンサ1を介してハンド220Rが取り付けられている。ハンド220Rは、フランジ部210Rの回動と共にトルクセンサ1を介して回動する。
アクチュエータAcRは、サーボモータSVMと、減速機RGとを有する。サーボモータSVMは、モータフレーム251と、ブラケット253と、軸受255と、モータシャフト257と、回転子259と、固定子261とを有する。モータフレーム251とブラケット253とは、ボルト(図示省略)により締結されており、手首B部209Rの先端に取り付けられている。ブラケット253の内周には例えば2つの軸受255が設けられており、中空状のモータシャフト257を基端側(トルクセンサ1とは反対側)に突出させて回転可能に支持している。モータシャフト257の外周には回転子259が設けられ、モータフレーム251の内周に設けられた固定子261と径方向に間隙を空けて対向配置されている。モータシャフト257の内側には、モータフレーム251に固定された円筒状のスリーブ263が挿通されており、内部にケーブル等を配線することが可能である。
減速機RGは、波動歯車機構を備えた減速機である。減速機RGは、滑り軸受265と、サーキュラスプライン267と、フレクスプライン269と、ウェーブジェネレータ271とを有する。滑り軸受265は、外輪273と、摺動体275と、内輪277とを有する。外輪273は、フレクスプライン269と共に、ボルト(図示省略)によりサーボモータSVMのブラケット253に固定されている。内輪277は、サーキュラスプライン267に固定されており、サーキュラスプライン267と共に摺動体275を介して外輪273に対して回転可能に支持されている。ウェーブジェネレータ271の内周側は、モータシャフト257に連結されており、モータシャフト257と共に回転する。ウェーブジェネレータ271(入力)が1回転すると、フレクスプライン269が固定されているため、サーキュラスプライン267とフレクスプライン269の歯数差(例えば2)分だけ、サーキュラスプライン267(出力)がウェーブジェネレータ271と同じ回転方向へ移動する。また、減速機RGは、ウェーブジェネレータ271のベアリング279を覆うベアリングカバー281を有する。
フランジ部210Rは、ボルト(図示省略)により減速機RGのサーキュラスプライン267に固定されている。フランジ部210Rの基端側には、シール溝211が形成されており、当該シール溝211内にベアリングカバー281に対して摺動しつつ密封を行うシール部材213が設けられている。また、フランジ部210Rの内周側には、スリーブ263を回転可能に支持する軸受215が設けられている。
トルクセンサ1の外周部5は、ボルト穴11に挿通された複数(この例では12)の締結ボルト(図示省略)により、フランジ部210Rに締結されている。また、トルクセンサ1の内周部7は、ボルト穴13に挿通された複数(この例では12)の締結ボルト(図示省略)により、ハンド220Rに締結されている。
以上のように構成したロボット200によれば、トルクセンサ1の小型化により、アームの長さ方向寸法の増大を抑制しつつ関節部におけるトルクの検出精度を向上させたロボットを実現できる。また、関節部のトルクの検出精度の向上により、トルク制御の精度や、外部の物体との接触等の検出精度を向上できるので、例えば人間と共存するロボット等への適用が期待できる。
なお、以上ではアームの先端のアクチュエータAcRにトルクセンサ1を設けた場合について説明したが、その他の関節部のアクチュエータにトルクセンサ1を設置してもよい。
(11-3.トルクセンサのアクチュエータへの組み付け構成の第1の変形例)
図17に示す構成において、フランジ部の機能をトルクセンサに持たせてフランジ部を不要とし、アームの長さ方向寸法の低減を図ってもよい。図18は、本変形例におけるアーム203Rの先端部の断面構造の一例を表す断面図である。
図17に示す構成において、フランジ部の機能をトルクセンサに持たせてフランジ部を不要とし、アームの長さ方向寸法の低減を図ってもよい。図18は、本変形例におけるアーム203Rの先端部の断面構造の一例を表す断面図である。
図18に示すように、本変形例に係るトルクセンサ301は、外周部305と内周部307とを有する。外周部305は、内周部307の基端側(ハンド220Rとは反対側)の端部よりも基端側に向けて突出した円筒状の突出部309を有する。また、トルクセンサ301は、突出部309と、減速機RG(内周部が固定される部材の一例)の滑り軸受265の外輪273との間に配置されたシール部材317(第1シール機構の一例)を有する。なお、突出部309を有する外周部305の外径は、ブラケット253の外径と略同じかそれよりも小さくなるように形成されている。トルクセンサ301の外周部305は、ボルト穴11に挿通された複数(この例では12)の締結ボルト(図示省略)により、ハンド220Rに締結されている。
内周部307の基端側には、シール溝311が形成されており、当該シール溝311内に減速機RGのベアリングカバー281に対して摺動しつつ密封を行うシール部材313(第2シール機構の一例)が設けられている。また、内周部307の内周側には、スリーブ263を回転可能に支持する軸受315が設けられている。トルクセンサ301の内周部307は、ボルト穴13に挿通された複数(この例では12)の締結ボルト(図示省略)により、減速機RGのサーキュラスプライン267に締結されている。
なお、トルクセンサ301の上記以外の構成(起歪体、連結部、基板、光学式センサ等)やトルク算出処理の内容等は、前述の実施形態に係るトルクセンサ1と同様であるので説明を省略する。
以上説明した変形例によれば、トルクセンサ301に設けたシール部材317により、減速機RGとトルクセンサ301との間の外周の防塵・防滴性を確保することができる。また、トルクセンサ301に設けた軸受315によりスリーブ263を回転可能に支持できる。このようにして、前述のフランジ部210Rの機能(シール、軸受等)をトルクセンサ301に持たせることにより、フランジ部210Rとトルクセンサとを一体化し、フランジ部210Rを不要とすることができる。その結果、フランジ部210Rの厚み分の寸法を低減できるので、トルクセンサ301を取り付けたロボットのアームの長さ方向寸法を低減できる。また、トルクセンサ301の外径をアクチュエータAcRの外径内に収めることができ、アームの太さの増大を招くこともない。さらに、フランジ部210Rが不要となることにより部品点数を低減できると共に、コストを低減できる。
また、本変形例では特に、トルクセンサ301は、内周部307と当該内周部307が固定される減速機RG(ベアリングカバー281)との間に配置されたシール部材313をさらに有する。これにより、次の効果を奏する。すなわち、アクチュエータAcR及びトルクセンサ301が中空構造の場合には、内部に電気配線やケーブル等が付設されるため、より高い防塵・防滴仕様とするのが好ましい。本変形例では、シール部材317に加えてシール部材313を設けるので、2重のシール構造により、減速機RGとトルクセンサ301との間により高い防塵・防滴性を確保することができる。
(11-4.トルクセンサのアクチュエータへの組み付け構成の第2の変形例)
図18に示す構成において、減速機にトルクセンサを組み込むことにより減速機とトルクセンサとを一体化させ、アームの長さ方向寸法の更なる低減を図ってもよい。図19は、本変形例におけるアーム203Rの先端部の断面構造の一例を表す断面図である。
図18に示す構成において、減速機にトルクセンサを組み込むことにより減速機とトルクセンサとを一体化させ、アームの長さ方向寸法の更なる低減を図ってもよい。図19は、本変形例におけるアーム203Rの先端部の断面構造の一例を表す断面図である。
本変形例に係るトルクセンサ401は、外周部405と内周部407とを有する。外周部405は、基端側に向けて突出した円筒状の突出部409を有する。また、トルクセンサ401は、突出部409と、減速機RG(内周部が固定される部材の一例)の滑り軸受265の外輪273との間に配置されたシール部材417(第1シール機構の一例)を有する。なお、突出部409を有する外周部405の外径は、ブラケット253の外径と略同じかそれよりも小さくなるように形成されている。トルクセンサ401の外周部405は、ボルト穴11に挿通された複数(この例では12)の締結ボルト(図示省略)により、ハンド220Rに締結されている。
内周部407は、内周面に歯を有する内歯車として形成されたサーキュラスプライン部419を有する。このサーキュラスプライン部419と、当該サーキュラスプライン部419の内側に配置されたフレクスプライン269及びウェーブジェネレータ271とが、波動歯車機構を構成する。また、内周部407の基端側には、シール溝411が形成されており、当該シール溝411内に減速機RGのベアリングカバー281に対して摺動しつつ密封を行うシール部材413(第2シール機構の一例)が設けられている。また、内周部407の内周側には、スリーブ263を回転可能に支持する軸受415が設けられている。トルクセンサ401の内周部407は、ボルト穴13に挿通された複数(この例では12)の締結ボルト(図示省略)により、減速機RGの滑り軸受265の内輪277に締結されている。
なお、トルクセンサ401の上記以外の構成(起歪体、連結部、基板、光学式センサ等)やトルク算出処理の内容等は、前述の実施形態に係るトルクセンサ1と同様であるので説明を省略する。
以上説明した変形例によれば、トルクセンサ401の内周部407が、減速機RGのサーキュラスプラインを兼ねている。これにより、減速機RGにトルクセンサ401を組み込むことが可能となる。その結果、トルクセンサ401の厚み寸法分を低減できるので、トルクセンサ401を取り付けたロボットのアームの長さ方向寸法をさらに低減できる。また、トルクセンサ401の外径をアクチュエータAcRの外径内に収めることができ、アームの太さの増大を招くこともない。さらに、減速機RGにおいてサーキュラスプラインが不要となることにより部品点数を低減できると共に、コストを低減できる。
なお、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。
また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさ、形状、位置等が「同一」「同じ」「等しい」「異なる」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「同じ」「等しい」「異なる」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
1 トルクセンサ
3 起歪体
5 外周部
7 内周部
9A~9D 連結部
11 ボルト穴(締結位置)
19 接続部
21 接続部
23 接続部
25 ピン穴(第2のピン穴)
31 スタッドピン(ピン)
37 トルク算出部
45 ピン穴(第1のピン穴)
47 接着剤
49 ピン穴(第1のピン穴)
51 接着剤
53 ピン穴(第1のピン穴)
55 接着剤
101 トルクセンサ
103 起歪体
200 ロボット
301 トルクセンサ
305 外周部
307 内周部
309 突出部
313 シール部材(第2シール機構)
317 シール部材(第1シール機構)
401 トルクセンサ
405 外周部
407 内周部
409 突出部
413 シール部材(第2シール機構)
417 シール部材(第1シール機構)
419 サーキュラスプライン部
D1~D4 検出部
OS1 第1光学式センサ
OS2 第2光学式センサ
OS3 第3光学式センサ
OS4 第4光学式センサ
PB1~PB4 基板
PF1~PF4 基板固定部(取付片)
S 空間
S1~S4 空間
SC1~SC4 スケール
SF1~SF4 スケール固定部(取付片)
3 起歪体
5 外周部
7 内周部
9A~9D 連結部
11 ボルト穴(締結位置)
19 接続部
21 接続部
23 接続部
25 ピン穴(第2のピン穴)
31 スタッドピン(ピン)
37 トルク算出部
45 ピン穴(第1のピン穴)
47 接着剤
49 ピン穴(第1のピン穴)
51 接着剤
53 ピン穴(第1のピン穴)
55 接着剤
101 トルクセンサ
103 起歪体
200 ロボット
301 トルクセンサ
305 外周部
307 内周部
309 突出部
313 シール部材(第2シール機構)
317 シール部材(第1シール機構)
401 トルクセンサ
405 外周部
407 内周部
409 突出部
413 シール部材(第2シール機構)
417 シール部材(第1シール機構)
419 サーキュラスプライン部
D1~D4 検出部
OS1 第1光学式センサ
OS2 第2光学式センサ
OS3 第3光学式センサ
OS4 第4光学式センサ
PB1~PB4 基板
PF1~PF4 基板固定部(取付片)
S 空間
S1~S4 空間
SC1~SC4 スケール
SF1~SF4 スケール固定部(取付片)
Claims (21)
- 起歪体と、
前記起歪体の歪みを検出する光学式センサと、を有し、
前記起歪体は、
リング状の外周部と、
少なくとも一部が前記外周部の径方向の内側に配置された内周部と、を有し、
前記光学式センサは、
前記外周部又は前記内周部の一方に固定され、前記外周部と前記内周部との間に配置されたスケールと、
前記外周部又は前記内周部の他方に固定され、前記外周部と前記内周部との間に前記スケールと対向して配置された検出部と、を有する、
トルクセンサ。 - 前記外周部と前記内周部との間に配置され、前記検出部を有する基板をさらに有する、
請求項1に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、
前記外周部と前記内周部との間に配置され、前記外周部と前記内周部とを連結する複数の連結部を有し、
前記基板は、
周方向において前記複数の連結部の間の空間に配置されている、
請求項2に記載のトルクセンサ。 - 複数の前記基板の各々は、
前記周方向において前記複数の連結部の間の複数の空間にそれぞれ配置されており、
前記トルクセンサは、
前記周方向に隣接する前記基板同士を前記連結部を跨いで電気的に接続する接続部をさらに有する、
請求項3に記載のトルクセンサ。 - 前記光学式センサは、
前記起歪体の周方向の複数箇所に配置されており、
前記トルクセンサは、
複数の前記光学式センサの出力に基づいてトルクを算出するトルク算出部をさらに有する、
請求項1~4のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記複数の光学式センサのうちの2つの前記光学式センサは、
前記周方向に90度以外の所定の角度間隔で配置されており、
前記トルク算出部は、
前記2つの光学式センサの出力に基づいて前記トルクを算出する、
請求項5に記載のトルクセンサ。 - 前記複数の光学式センサのうちの2つの前記光学式センサは、
前記周方向に180度以外の所定の角度間隔で配置されており、
前記トルク算出部は、
前記2つの光学式センサの出力に基づいて前記トルクを算出する、
請求項5に記載のトルクセンサ。 - 前記複数の光学式センサは、
前記周方向に90度間隔で配置された4つの前記光学式センサである、
請求項5~7のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記複数の光学式センサは、
前記周方向に120度間隔で配置された3つの前記光学式センサである、
請求項5~7のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記トルク算出部は、
前記複数の光学式センサの出力を加算し、加算した出力に基づいて前記トルクを算出する
請求項5~9のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記外周部は、
前記内周部の軸方向一方側の端部よりも前記軸方向一方側に向けて突出した突出部を有しており、
前記トルクセンサは、
前記突出部と前記外周部又は前記内周部が固定される部材との間に配置された第1シール機構をさらに有する、
請求項1~10のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記内周部と前記外周部又は前記内周部が固定される部材との間に配置された第2シール機構をさらに有する、
請求項1~11のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記内周部は、
当該内周部が固定される減速機の内歯車を兼ねている、
請求項1~11のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、
前記外周部又は前記内周部の前記他方に固定され、前記外周部と前記内周部との間に突出し、前記検出部を有する基板を複数の固定位置で固定する基板固定部を有し、
前記検出部は、
前記基板における前記複数の固定位置の中間位置に配置されている、
請求項1~13のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記基板に形成された第1のピン穴に挿通されて前記基板固定部に形成された第2のピン穴に圧入され、前記基板が固定されたピンをさらに有する、
請求項14に記載のトルクセンサ。 - 前記第1のピン穴は、
前記ピンの径よりも大きく形成されており、前記ピンと前記第1のピン穴との隙間には接着剤が充填されている、
請求項15に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、
前記外周部及び前記内周部とは別体且つ前記外周部又は前記内周部に対し着脱可能に構成され、前記検出部又は前記スケールが固定される取付片を有する、
請求項1~16のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 前記起歪体は、
前記外周部と前記内周部との間に配置され、前記外周部と前記内周部とを連結する複数の連結部を有し、
前記外周部は、
当該外周部が固定される部材への締結位置が、周方向において前記連結部に対応する位置の方が前記連結部に対応していない位置よりも密に配置されている、
請求項1~17のいずれか1項に記載のトルクセンサ。 - 請求項1~18のいずれか1項に記載のトルクセンサをアームの先端に備えた、ロボット。
- アームの先端にトルクセンサを備えたロボットであって、
前記トルクセンサは、
起歪体と、
前記起歪体の歪みを検出するセンサと、を有し、
前記起歪体は、
リング状の外周部と、
少なくとも一部が前記外周部の径方向の内側に配置された内周部と、
前記外周部に備えられ、前記内周部の軸方向一方側の端部よりも前記軸方向一方側に向けて突出した突出部と、を有し、
前記トルクセンサは、
前記突出部と前記外周部又は前記内周部が固定される部材との間に配置されたシール機構を有する、
ロボット。 - 起歪体と、
前記起歪体の周方向の複数箇所に配置され、前記起歪体の歪みを検出する光学式センサと、を有するトルクセンサによるトルク算出方法であって、
複数の前記光学式センサの出力を取得することと、
取得した前記複数の光学式センサの前記出力を加算し、加算した出力に基づいてトルクを算出することと、
を有する、トルク算出方法。
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