JP2017120243A - Torque sensor - Google Patents

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雄希 松尾
Yuki Matsuo
雄希 松尾
陽平 小口
Yohei Oguchi
陽平 小口
義弘 坂本
Yoshihiro Sakamoto
義弘 坂本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a torque sensor equipped with a transmission member that tolerates appropriate elastic deformation while maintaining appropriate rigidity.SOLUTION: Provided is a torque sensor comprising: a first rotor; a second rotor; a transmission member capable of elastic deformation and transmitting the rotation of the first rotor to the rotation of the second rotor; and an angle sensor for detecting a difference in rotation angle between the first rotor and the second rotor arising from the elastic deformation of the transmission member. The transmission member has a plurality of elastic bars, with the transmission of rotation from the first rotor to the second rotor being achieved via the plurality of elastic bars.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、例えばロボットアーム等への適用に好適なトルクセンサ、当該トルクセンサを備えた関節モジュール、当該関節モジュールを備えたロボットシステム等に関する。   The present invention relates to a torque sensor suitable for application to, for example, a robot arm, a joint module including the torque sensor, a robot system including the joint module, and the like.

トルクセンサのトルク検出原理について従来より様々な手法が存在している。例えば、特許文献1には駆動回転体と、従動回転体と、それらの間に配置された環状変形体を基本構成とし、環状変形体の変形を利用してトルク検出を行うトルクセンサが開示されている。   Conventionally, various methods exist for the torque detection principle of the torque sensor. For example, Patent Document 1 discloses a torque sensor that uses a driving rotating body, a driven rotating body, and an annular deformation body disposed between them as a basic configuration, and detects torque using the deformation of the annular deformation body. ing.

このような動力伝達系の途中に変形体を介在させる種類のトルクセンサにあっては、トルク検出精度は介在する変形体の変形のしやすさにより大きく左右されることとなる。すなわち、変形のしやすい材料を選べば微小なトルクの検出も可能となるものの、検出可能トルクの上限値を制限してしまい、動力伝達時の遅れや、満足な強度が得られないおそれもある。一方、それとは逆に変形のしにくい剛性の高い材料を選べば、検出可能トルクの上限値が高くなることや制御遅れが生じないなどのメリットが得られるものの、微小なトルクの検出が困難となるおそれがある。この変形体の変形のしやすさは、材料の材質、寸法、形状などにより変化するものの適当なトルク検出精度を得るようそれらを調整することは一般に困難である。   In such a type of torque sensor in which a deformable body is interposed in the middle of the power transmission system, the torque detection accuracy greatly depends on the ease of deformation of the intervening deformable body. That is, if a material that easily deforms can be selected, a minute torque can be detected, but the upper limit value of the detectable torque is limited, and there is a possibility that a delay in power transmission and a satisfactory strength cannot be obtained. . On the other hand, if you select a material with high rigidity that is difficult to deform, you can obtain benefits such as higher upper limit of detectable torque and no control delay, but it is difficult to detect minute torque. There is a risk. The ease of deformation of this deformable body varies depending on the material, size, shape, etc. of the material, but it is generally difficult to adjust them to obtain appropriate torque detection accuracy.

特許第4963134号公報Japanese Patent No. 4963134

本発明の目的は、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することにある。   The objective of this invention is providing the torque sensor provided with the transmission member which accept | permits moderate elastic deformation, maintaining moderate rigidity.

上述の技術的課題は、以下の構成を有するトルクセンサ、関節モジュール、ロボットシステム、ロボットアーム組み立て用セット、プログラムにより解決することができる。   The above technical problem can be solved by a torque sensor, a joint module, a robot system, a robot arm assembly set, and a program having the following configuration.

すなわち、本発明に係るトルクセンサは、第1の回転体と、第2の回転体と、弾性変形可能であって、前記第1の回転体の回転を前記第2の回転体へと伝達する伝達部材と、前記伝達部材の弾性変形により生じた前記第1の回転体と前記第2の回転体との間の回転角度差を検出する角度センサと、を備えている。前記伝達部材は複数の弾性棒体を有し、前記第1の回転体から前記第2の回転体への回転の伝達は前記複数の弾性棒体を介して行われる。   That is, the torque sensor according to the present invention is elastically deformable with the first rotating body, the second rotating body, and transmits the rotation of the first rotating body to the second rotating body. A transmission member; and an angle sensor configured to detect a rotation angle difference between the first rotating body and the second rotating body caused by elastic deformation of the transmitting member. The transmission member has a plurality of elastic rods, and transmission of rotation from the first rotating body to the second rotating body is performed via the plurality of elastic rods.

このような構成によれば、複数の弾性棒体へと負荷が分散することにより、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することができる。   According to such a configuration, it is possible to provide a torque sensor including a transmission member that allows moderate elastic deformation while maintaining appropriate rigidity by distributing the load to a plurality of elastic rods. .

このとき、前記複数の弾性棒体は、カスタマイズ自在であってもよい。   At this time, the plurality of elastic rods may be customizable.

このような構成によれば、検出対象トルクのレンジに合わせて任意に弾性棒体の本数、材質、形状等をカスタマイズできるので、最適な特性を有するトルクセンサを容易に提供することができる。   According to such a configuration, the number, material, shape, etc. of the elastic rods can be arbitrarily customized according to the range of the torque to be detected, so that a torque sensor having optimum characteristics can be easily provided.

本発明の好ましい実施の態様において、前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第1の端部において前記第1の回転体と結合し、前記伝達部材は、前記複数の弾性棒体を環状に配置した中空形状を有しており、前記第1の回転体を内包し、前記第1の回転体と回転中心を一にして回転し、前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第2の端部において第2の回転体と結合し、前記第2の回転体は、中空形状であり前記伝達部材を内包し、前記伝達部材と回転中心を一にして回転してもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, the transmission member is coupled to the first rotating body at a first end along the rotation center axis of the transmission member, and the transmission member includes the plurality of elastic bars. A hollow body in which the body is arranged in an annular shape, encloses the first rotating body, rotates with the first rotating body as a center of rotation, and the transmission member rotates the transmission member. The second rotating body is coupled to the second rotating body at a second end along the central axis, and the second rotating body is hollow and includes the transmission member, and rotates with the transmission member and the rotation center as one. May be.

このような構成によれば、第1の回転体、伝達部材及び第2の回転体が回転中心を一にしつつ互いに内包するよう配置されるので、限られたスペースにトルクセンサを収容することができる。   According to such a configuration, the first rotating body, the transmission member, and the second rotating body are arranged so as to be included in each other while keeping the rotation center as one, so that the torque sensor can be accommodated in a limited space. it can.

本発明の好ましい実施の態様において、前記第1の回転体と前記伝達部材との結合部には、所定トルクを超えると作動する自己復帰可能なトルク開放機構が介在していてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, a self-recoverable torque release mechanism that operates when a predetermined torque is exceeded may be interposed in a coupling portion between the first rotating body and the transmission member.

このような構成によれば、第2の回転体側に過大なトルクがかかった場合でもトルク開放機構がはたらくので、第1の回転体側の機構を損傷することがない。また、前記トルク開放機構は自己復帰可能であるため、滑り後もリセット作業等を行わずとも連続運転することができる。   According to such a configuration, even when an excessive torque is applied to the second rotating body side, the torque release mechanism works, so that the mechanism on the first rotating body side is not damaged. Further, since the torque release mechanism can self-return, it can be continuously operated even after slipping without performing a resetting operation or the like.

本発明の好ましい実施の態様において、上記トルクセンサと、前記トルクセンサの前記第1の回転体を回転駆動させる駆動部と、前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体との間の滑りの有無を検出する検出手段を備える制御部と、を備えた駆動システムが提供されてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, the torque sensor, a drive unit that rotationally drives the first rotating body of the torque sensor, and the first rotating body and the second based on the output of the angle sensor. There may be provided a drive system including a control unit including detection means for detecting the presence or absence of slip between the rotating body and the rotating body.

このような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高いシステムを構築することができる。なお、ここで前記駆動システムは1つの装置として実現されてもよいし物理的に互いに離間した複数の装置から成るシステムとして実現されてもよい。従って、例えば、前記トルクセンサと前記駆動部と制御部とがすべて単一の装置内に配置されてもよいし、前記トルクセンサと前記駆動部とが同一装置(例えば、関節モジュールやロボットシステム等)内、前記制御部が外部装置(外部PC等)内に配置されるような構成であってもよい。   According to such a configuration, since the design can be made in consideration of slippage due to overload, a more reliable system can be constructed. Here, the drive system may be realized as a single device, or may be realized as a system including a plurality of devices physically separated from each other. Therefore, for example, the torque sensor, the drive unit, and the control unit may all be disposed in a single device, or the torque sensor and the drive unit may be the same device (for example, a joint module, a robot system, etc. ), The control unit may be arranged in an external device (external PC or the like).

本発明の好ましい実施の態様において、前記トルクセンサは、前記第1の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、前記駆動システムの前記制御部は、 前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、をさらに備えてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, the torque sensor further includes an input side angle sensor for measuring a rotation angle of the first rotating body, and the control unit of the drive system is configured to output the angle sensor. A slip amount detecting means for detecting a slip amount between the first rotating body and the second rotating body, a correction amount calculating unit for calculating a predetermined correction amount based on the slip amount, and the correction And a reflection processing unit that reflects the amount on the output value of the input side angle sensor or the rotation command value to the driving unit.

このような構成によれば、滑りが生じた後に連続運転した場合であっても当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。   According to such a configuration, even in the case of continuous operation after the occurrence of slipping, control can be performed by correcting the slippage amount, so that highly accurate control can be performed.

本発明の好ましい実施の態様において、上記トルクセンサと、前記第1の回転体を回転駆動させる駆動部と、前記トルクセンサと前記駆動部とを収容しアーム部材取り付け用の取付部を有するハウジングと、を備えた関節モジュールが提供されてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, the torque sensor, a drive unit that rotationally drives the first rotating body, a housing that houses the torque sensor and the drive unit and has an attachment unit for attaching an arm member; , A joint module may be provided.

このような構成によれば、駆動源がハウジング内に集約されるので、ロボットシステムを手軽に構築することができる関節モジュールを提供することができる。   According to such a configuration, since the drive sources are concentrated in the housing, it is possible to provide a joint module that can easily construct a robot system.

本発明の好ましい実施形態において、少なくとも1つの上記関節モジュールと、前記関節モジュールを制御する制御部と、を備えたロボットシステムが提供されてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, a robot system including at least one of the joint modules and a control unit that controls the joint modules may be provided.

このような構成によれば、駆動源が集約された関節モジュールを用いることで容易にロボットシステムの構築を行うことができる。   According to such a configuration, the robot system can be easily constructed by using the joint module in which the drive sources are integrated.

本発明の好ましい実施形態において、前記ロボットシステムの前記制御部は、前記角度センサの出力に基づいて、前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出手段をさらに備えていてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, the control unit of the robot system detects slippage between the first rotating body and the second rotating body based on the output of the angle sensor. Means may be further provided.

このような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高いシステムを構築することができる。   According to such a configuration, since the design can be made in consideration of slippage due to overload, a more reliable system can be constructed.

本発明の好ましい実施形態において、前記トルクセンサは、前記第1の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、前記ロボットシステムの前記制御部は、前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、をさらに備えてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, the torque sensor further includes an input side angle sensor that measures a rotation angle of the first rotating body, and the control unit of the robot system is based on an output of the angle sensor. A slip amount detecting means for detecting a slip amount between the first rotating body and the second rotating body, a correction amount calculating section for calculating a predetermined correction amount based on the slip amount, and the correction amount And a reflection processing unit that performs a reflection process on the output value of the input side angle sensor or the rotation command value to the drive unit.

このような構成によれば、滑りが生じた後に連続運転した場合であっても当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。   According to such a configuration, even in the case of continuous operation after the occurrence of slipping, control can be performed by correcting the slippage amount, so that highly accurate control can be performed.

本発明の好ましい実施形態において、上記関節モジュールと、アーム部材と、を備えたロボットアーム組み立て用セットが提供されてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, a robot arm assembly set including the joint module and an arm member may be provided.

このような構成によれば、駆動源が集約された関節モジュールとアーム部材とがセットとなっているので、高い設計自由度を持ちつつも容易に組み立て可能なロボットアーム組み立て用セットが提供できる。   According to such a configuration, since the joint module and the arm member in which the driving sources are integrated are set, it is possible to provide a set for assembling a robot arm that can be easily assembled while having a high degree of design freedom.

本発明の好ましい実施形態において、上記ロボットシステムのためのプログラムであって、コンピュータに、前記角度センサの出力に基づいて第1の回転体と第2の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出ステップを実行させるプログラムが提供されてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, there is provided a program for the robot system, wherein the computer detects the presence or absence of slippage between the first rotating body and the second rotating body based on the output of the angle sensor. A program for executing the slip detection step may be provided.

このような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高い制御を行うことができることとなる。なお、この滑りの有無を検出することにより緊急停止等の所定の処理を行うことなども可能であるし、後述のように補正処理を行いつつ連続運転することも可能である。   According to such a configuration, since it is possible to design in consideration of slippage due to overload, more reliable control can be performed. It is possible to perform a predetermined process such as an emergency stop by detecting the presence or absence of the slip, and it is also possible to continuously operate while performing a correction process as described later.

本発明の好ましい実施形態において、上記ロボットシステムのためのプログラムであって、前記トルクセンサは、さらに前記第1の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサを含み、コンピュータに、前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出ステップと、前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出ステップと、前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理ステップと、とを実行させるプログラムが提供されてもよい。   In a preferred embodiment of the present invention, there is provided a program for the robot system, wherein the torque sensor further includes an input side angle sensor for measuring a rotation angle of the first rotating body, and the angle sensor is included in a computer. A slip amount detecting step for detecting a slip amount between the first rotating body and the second rotating body on the basis of the output of the first rotation body; and a correction amount calculating step for calculating a predetermined correction amount based on the slip amount; A reflection processing step of reflecting the correction amount to the output value of the input side angle sensor or the rotation command value to the drive unit may be provided.

このような構成によれば、滑りが生じた後でも、当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。   According to such a configuration, even after a slip occurs, the control can be performed by correcting the slip amount, so that highly accurate control can be performed.

本発明によれば、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the torque sensor provided with the transmission member which accept | permits moderate elastic deformation, maintaining moderate rigidity can be provided.

図1は、トルクセンサの主たる構成部品の全体を示す分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view showing the entire main components of the torque sensor. 図2は、入力段から出力段への動力伝達態様の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a power transmission mode from the input stage to the output stage. 図3は、関節モジュールの外観を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of the joint module. 図4は、関節モジュールの全体断面図である。FIG. 4 is an overall cross-sectional view of the joint module. 図5は、トルクセンサの組み立て状態を示す外観斜視図である。FIG. 5 is an external perspective view showing an assembled state of the torque sensor. 図6は、関節モジュールの主たる構成部品の全体を示す分解斜視図である。FIG. 6 is an exploded perspective view showing the entire main components of the joint module. 図7は、モータ及び減速機を含むトルクセンサの入力段の構成を示す部分断面図である。FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing a configuration of an input stage of a torque sensor including a motor and a speed reducer. 図8は、モータ及び減速機の回転方向を中心として示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory view showing the rotation direction of the motor and the speed reducer as the center. 図9は、伝達部材を含むトルクセンサの構成を示す部分断面図である。FIG. 9 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration of a torque sensor including a transmission member. 図10は、摩擦式結合機構の分解斜視図である。FIG. 10 is an exploded perspective view of the frictional coupling mechanism. 図11は、摩擦式結合機構を含むトルクセンサの断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a torque sensor including a frictional coupling mechanism. 図12は、出力フランジを含むトルクセンサの出力段の構成を示す部分断面図である。FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the output stage of the torque sensor including the output flange. 図13は、滑りの補正処理に関するフローチャートを示す図である。FIG. 13 is a flowchart illustrating slip correction processing. 図14は、ロボットアームの外観を示す斜視図である。FIG. 14 is a perspective view showing the appearance of the robot arm.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<1.トルクセンサ>
まず、図1及び2を参照しつつ、本発明に係るトルクセンサの一実施形態について説明する。
<1. Torque sensor>
First, an embodiment of a torque sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS.

<1.1 構成>
図1は、本発明に係るトルクセンサの主たる構成部品の全体について説明する分解斜視図である。トルクセンサ10は、主に入力軸11(第1の回転体)、前記入力軸11の先端部と摩擦式結合機構13を介して結合された伝達部材14、前記伝達部材14と結合し従動的に回転する出力フランジ12(第2の回転体)、前記入力軸11の先端部に取り付けられたコードホイール151と前記出力フランジ12に設けられたコード読取板152とから成り、入力軸と出力フランジとの間の相対的角度差を検出する磁気式のアブソリュートエンコーダ15(第1の角度センサ)とを備えている。前記コードホイール151は、ワッシャ18を介してボルト17により入力軸11へと固定されている。なお、本実施形態において、入力軸11と出力フランジ12との間の相対的角度差検出のための前記アブソリュートエンコーダ15はシングルターンの18ビットエンコーダでありその分解能は262144[P/R]である。
<1.1 Configuration>
FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining the entire main components of a torque sensor according to the present invention. The torque sensor 10 mainly includes an input shaft 11 (first rotating body), a transmission member 14 coupled to a tip portion of the input shaft 11 via a frictional coupling mechanism 13, and a coupling member 14 coupled to the transmission member 14. An output flange 12 (second rotating body) that rotates in a straight line, a code wheel 151 attached to the tip of the input shaft 11, and a code reading plate 152 provided on the output flange 12, and the input shaft and the output flange And a magnetic absolute encoder 15 (first angle sensor) for detecting a relative angle difference between the first and second sensors. The code wheel 151 is fixed to the input shaft 11 by a bolt 17 via a washer 18. In the present embodiment, the absolute encoder 15 for detecting the relative angular difference between the input shaft 11 and the output flange 12 is a single-turn 18-bit encoder, and its resolution is 262144 [P / R]. .

入力軸11(第1の回転体)は、回転駆動源と直接又は間接に接続されており、例えば、モータの出力軸そのものであってもよいし又はモータの減速後の出力軸であってもよい。なお、本実施形態においては入力軸11は比較的に弾性変形を生じにくいクロムモリブデン鋼などの剛性材料で製造され、直径14mm、長さ30mmの寸法を有する。   The input shaft 11 (first rotating body) is directly or indirectly connected to a rotational drive source. For example, the input shaft 11 may be a motor output shaft itself or an output shaft after the motor is decelerated. Good. In this embodiment, the input shaft 11 is manufactured from a rigid material such as chrome molybdenum steel that is relatively resistant to elastic deformation, and has dimensions of 14 mm in diameter and 30 mm in length.

入力軸11と伝達部材14との間の摩擦式結合機構13は、入力軸11を締め付けることを保証すると同時に、後述するように、自己復帰可能なトルクリミッタとしての役割も果たす。   The frictional coupling mechanism 13 between the input shaft 11 and the transmission member 14 assures that the input shaft 11 is tightened, and also serves as a torque limiter capable of self-return, as will be described later.

伝達部材14は、入力側ホルダ141、出力側ホルダ143、それらの間に配置される複数の弾性変形可能な弾性棒体142とから構成されている。前記複数の弾性棒体142は、入力軸11を包囲するよう環状に配置されている。この弾性棒体142の弾性変形によりトルク検出に必要な変形が生じることとなる。なお、入力側ホルダ及び出力側ホルダは、本実施形態においては鉄等の金属材料で製造され、前記弾性変形を生じる弾性棒体142は、本実施形態においては、例えばジュラルミン等により製造される。   The transmission member 14 includes an input side holder 141, an output side holder 143, and a plurality of elastically deformable elastic rods 142 arranged therebetween. The plurality of elastic rods 142 are annularly arranged so as to surround the input shaft 11. The elastic deformation of the elastic rod 142 causes deformation necessary for torque detection. The input side holder and the output side holder are manufactured from a metal material such as iron in the present embodiment, and the elastic rod 142 that causes the elastic deformation is manufactured from, for example, duralumin or the like in the present embodiment.

弾性棒体142は、その両端においてボルトを介して入力側ホルダ141、出力側ホルダ143と結合しており、検出対象トルクのレンジに合わせて任意に本数、材質、形状等をカスタマイズ可能となっている。本実施形態においては、例えば、前記複数の弾性棒体は直径6mm、長さ24mmの棒体12本が環状に等間隔に配置されることにより構成されている。   The elastic rod 142 is coupled to the input side holder 141 and the output side holder 143 through bolts at both ends thereof, and the number, material, shape, etc. can be customized arbitrarily according to the range of torque to be detected. Yes. In the present embodiment, for example, the plurality of elastic rods are configured by twelve rods having a diameter of 6 mm and a length of 24 mm that are annularly arranged at equal intervals.

出力フランジ12と伝達部材14との結合部は、伝達部材14を包囲するよう環状となっており、両部材の回転中心は同一である。すなわち、入力軸11、伝達部材14、出力フランジ12はいずれも回転中心軸を同一としている。なお、本実施形態においては、出力フランジ12は金属材料で製造され、大径であるその形状により比較的に弾性変形が生じにくい構造となっている。   The coupling portion between the output flange 12 and the transmission member 14 has an annular shape so as to surround the transmission member 14, and the rotation centers of both members are the same. That is, the input shaft 11, the transmission member 14, and the output flange 12 all have the same rotation center axis. In the present embodiment, the output flange 12 is made of a metal material and has a structure that is relatively resistant to elastic deformation due to its large diameter.

本実施形態に係るトルクセンサは、入力軸11(第1の回転体)と、出力フランジ12(第2の回転体)と、弾性変形可能であって前記入力軸11の回転を出力フランジ12へと伝達する伝達部材14と、前記伝達部材14の弾性変形により生じた入力軸11と出力フランジとの間の回転角度差を検出する角度センサ15と、を備えている。前記伝達部材は複数の弾性棒体142を有し、前記入力軸11から前記出力フランジ12への回転の伝達は前記複数の弾性棒体142を介して行われる。   The torque sensor according to the present embodiment includes an input shaft 11 (first rotating body), an output flange 12 (second rotating body), and is elastically deformable. The rotation of the input shaft 11 is transferred to the output flange 12. And an angle sensor 15 for detecting a rotational angle difference between the input shaft 11 and the output flange caused by elastic deformation of the transmission member 14. The transmission member has a plurality of elastic rods 142, and transmission of rotation from the input shaft 11 to the output flange 12 is performed via the plurality of elastic rods 142.

このような構成によれば、複数の弾性棒体142へと負荷トルクが分散することとなり、そのため、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することができる。   According to such a configuration, the load torque is distributed to the plurality of elastic rods 142. Therefore, a torque sensor provided with a transmission member that allows appropriate elastic deformation while maintaining appropriate rigidity is provided. can do.

また、前記複数の弾性棒体142は、取り付け・取り外しが可能でありカスタマイズ自在である。このような構成によれば、検出対象トルクのレンジに合わせて任意に弾性棒体142の本数、材質、形状等をカスタマイズできるので、最適な特性を有するトルクセンサを容易に提供することができる。例えば、本実施形態においては、12本の弾性棒体を用いているもののその本数は調整可能であり、例えば均等に数本抜くことにより各弾性棒体に担わせる応力を調整してもよく、これによりトルクのセンシング感度を調整することも可能である。   The plurality of elastic rods 142 can be attached and detached and can be customized. According to such a configuration, the number, material, shape, and the like of the elastic rod 142 can be arbitrarily customized in accordance with the range of torque to be detected, so that a torque sensor having optimum characteristics can be easily provided. For example, in the present embodiment, although the number of elastic rods is 12, the number of the rods can be adjusted. For example, the stress applied to each elastic rod may be adjusted by pulling out several evenly. Thereby, it is also possible to adjust the sensing sensitivity of torque.

なお、トルク検出のみを目的とする場合には必須ではないものの、入力軸11の回転角度を検出するためコードホイール161とコード読取板162とから成る磁気式のアブソリュートエンコーダ16(第2の角度センサ)を別途設けてもよい。このようなアブソリュートエンコーダ16も併せて利用することで、後述のように、入力軸11と摩擦式結合機構13との間で滑りが生じた場合でも適切な補正処理等を行うことが可能となる。本実施形態において、入力軸11の角度検出のための前記アブソリュートエンコーダ16はシングルターンの18ビットエンコーダでありその分解能は262144[P/R]である。   Although not essential for the purpose of only torque detection, a magnetic absolute encoder 16 (second angle sensor) comprising a code wheel 161 and a code reading plate 162 for detecting the rotation angle of the input shaft 11 is used. ) May be provided separately. By using such an absolute encoder 16 as well, as will be described later, it is possible to perform appropriate correction processing or the like even when slippage occurs between the input shaft 11 and the frictional coupling mechanism 13. . In the present embodiment, the absolute encoder 16 for detecting the angle of the input shaft 11 is a single-turn 18-bit encoder, and its resolution is 262144 [P / R].

<1.2 動作>
次に、図1及び図2を参照しつつ、前記トルクセンサの動作、すなわちトルクの検出原理について説明する。
<1.2 Operation>
Next, the operation of the torque sensor, that is, the principle of torque detection will be described with reference to FIGS.

まず、入力軸11が回転すると、当該回転は摩擦式結合機構13を介して伝達部材14へと伝達される。より詳細には、入力軸11からの入力は摩擦式結合機構13を介して入力側ホルダ141へと伝達される。   First, when the input shaft 11 rotates, the rotation is transmitted to the transmission member 14 via the frictional coupling mechanism 13. More specifically, the input from the input shaft 11 is transmitted to the input side holder 141 via the frictional coupling mechanism 13.

次に、図2(a)に示されるように、伝達部材14の入力側ホルダ141へと伝達された回転力は弾性棒体142を介して出力側ホルダ143へと伝達される。   Next, as shown in FIG. 2A, the rotational force transmitted to the input side holder 141 of the transmission member 14 is transmitted to the output side holder 143 through the elastic rod 142.

その後、図2(b)に示されるように、出力側ホルダ143の回転は出力フランジ12へと伝達される。入力軸11と出力フランジ12との角度差はアブソリュートエンコーダ15を用いて検出される。以上のようにして、入力段(入力軸11)から出力段(出力フランジ12)へと回転が伝達される。   Thereafter, as shown in FIG. 2B, the rotation of the output side holder 143 is transmitted to the output flange 12. An angle difference between the input shaft 11 and the output flange 12 is detected using an absolute encoder 15. As described above, rotation is transmitted from the input stage (input shaft 11) to the output stage (output flange 12).

ここで、入力軸11と出力フランジ12との角度差についてさらに説明する。入力軸11と出力フランジ12とが弾性変形を伴わない剛体を介して結合されている場合等にはそれらの間に本来角度差は生じない。しかしながら、本発明においては、入力軸11と出力フランジ12とは弾性変形可能な伝達部材14を介して結合されている。そのため、出力フランジ12自身の慣性や、出力フランジ12に外部から回転方向の荷重等が付加された場合には、前記入力軸11と出力フランジ12との間で角度差が生じ、この角度差がねじり方向のトルクと所定の比例関係にあることから、実質的にトルクを表すこととなる。例えば、本実施形態に係る上述のアブソリュートエンコーダ15を備えたトルクセンサにあっては、50Nmのトルクが出力フランジ12にかかった場合、前記アブソリュートエンコーダ15の出力値において200パルス程度、すなわち上述の分解能を元に角度に換算すれば0.27°の変動が見られることとなる。このように出力フランジ12に加えられた所定のトルクを角度の変化量としてセンシングすることが出来る。   Here, the angle difference between the input shaft 11 and the output flange 12 will be further described. When the input shaft 11 and the output flange 12 are coupled via a rigid body that does not undergo elastic deformation, an angle difference does not naturally occur between them. However, in the present invention, the input shaft 11 and the output flange 12 are coupled via a transmission member 14 that can be elastically deformed. Therefore, when an inertia of the output flange 12 itself or a load in the rotational direction is applied to the output flange 12 from the outside, an angle difference is generated between the input shaft 11 and the output flange 12, and this angle difference is Since the torque is in a predetermined proportional relationship with the torque in the torsion direction, the torque is substantially expressed. For example, in the torque sensor including the above-described absolute encoder 15 according to the present embodiment, when a torque of 50 Nm is applied to the output flange 12, the output value of the absolute encoder 15 is about 200 pulses, that is, the resolution described above. If converted into an angle based on the above, a variation of 0.27 ° can be seen. Thus, the predetermined torque applied to the output flange 12 can be sensed as the amount of change in angle.

また、本実施形態においては、前記伝達部材14は、伝達部材14の回転中心軸に沿った第1の端部において入力軸11と結合している。また、伝達部材14は、複数の弾性棒体142を環状に配置した中空形状を有しており、入力軸11を内包し、入力軸11と回転中心を一にして回転している。さらに、伝達部材14は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第2の端部において出力フランジ12と結合している。一方、出力フランジ12は、中空形状であり前記伝達部材14を内包し、伝達部材14と回転中心を一にして回転する。   In the present embodiment, the transmission member 14 is coupled to the input shaft 11 at the first end portion along the rotation center axis of the transmission member 14. The transmission member 14 has a hollow shape in which a plurality of elastic rods 142 are arranged in an annular shape, includes the input shaft 11, and rotates with the input shaft 11 as the center of rotation. Further, the transmission member 14 is coupled to the output flange 12 at the second end portion along the rotation center axis of the transmission member. On the other hand, the output flange 12 has a hollow shape, includes the transmission member 14, and rotates with the transmission member 14 as the center of rotation.

このような構成によれば、第1の回転体、伝達部材14及び出力フランジ12が回転中心を一にしつつ互いに内包するよう配置されるので、限られたスペースにトルクセンサを収容することができる。   According to such a configuration, the first rotating body, the transmission member 14 and the output flange 12 are arranged so as to be contained within each other while keeping the rotation center as one, so that the torque sensor can be accommodated in a limited space. .

<2.トルクセンサを内蔵した関節モジュール>
次に、図3〜13を参照しつつ、上述のトルクセンサを内蔵したロボットシステム(例えばロボットアーム)等向けの関節モジュールの一実施形態について説明する。なお、既に説明した構成と同様の構成については同様の符号を用いる。
<2. Joint module with built-in torque sensor>
Next, an embodiment of a joint module for a robot system (for example, a robot arm) incorporating the above-described torque sensor will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is used about the structure similar to the structure already demonstrated.

<2.1 構成>
図3は、本実施形態に係る関節モジュール20の外観を示す斜視図である。同図から明らかな通り、関節モジュール20はハウジング22と後部カバー23に覆われ、外部要素(例えば、アーム部材や他の関節モジュール等)と結合するための取り付け部21を有する。
<2.1 Configuration>
FIG. 3 is a perspective view showing an appearance of the joint module 20 according to the present embodiment. As is apparent from the figure, the joint module 20 is covered with a housing 22 and a rear cover 23, and has a mounting portion 21 for coupling with an external element (for example, an arm member or another joint module).

図4は、本発明に係るトルクセンサを備えた関節モジュールを図3の矢印の断面で切り取った関節モジュールの全体断面図である。同図から明らかな通り、関節モジュール20において、ハウジング22内にはモータ24を含む駆動源が配置され、一方、当該モータ24の駆動回路を含むその他の回路(マイコン等を含む)等を載せた基板25はモータの背面側に配置され、後部カバー23によりカバーされている。   FIG. 4 is an overall cross-sectional view of the joint module obtained by cutting the joint module including the torque sensor according to the present invention along the cross section indicated by the arrow in FIG. 3. As is apparent from the figure, in the joint module 20, a drive source including a motor 24 is disposed in the housing 22, while other circuits (including a microcomputer and the like) including a drive circuit of the motor 24 are mounted. The substrate 25 is disposed on the back side of the motor and is covered by the rear cover 23.

同図において、モータ24の出力軸26は、減速機であるハーモニックドライブ(登録商標)27へと結合し、減速後のハーモニックドライブ27の出力軸28は、トルクセンサへの入力軸として摩擦式結合機構13を介して伝達部材14の一端へと結合する。伝達部材14の他端は出力フランジ12と結合しており、関節モジュール20に接続される外部要素に対して回転動力を与える。なお、これらの構成は円滑な回転のため適宜ベアリングにより支持されている。   In the figure, an output shaft 26 of a motor 24 is coupled to a harmonic drive (registered trademark) 27 that is a speed reducer, and an output shaft 28 of the harmonic drive 27 after deceleration is frictionally coupled as an input shaft to a torque sensor. It is coupled to one end of the transmission member 14 via the mechanism 13. The other end of the transmission member 14 is coupled to the output flange 12 and applies rotational power to an external element connected to the joint module 20. These configurations are supported by bearings as appropriate for smooth rotation.

以上のような構成によれば、駆動源がハウジング内に集約されるので、ロボットシステムを手軽に構築することができる関節モジュールを提供することができる。   According to the configuration as described above, since the drive sources are concentrated in the housing, it is possible to provide a joint module that can easily construct a robot system.

図5は、関節モジュール20のうち主に動力源に係る構成、すなわち、モータ24、減速機27、入力軸28、摩擦式結合機構13及び伝達部材14をベアリングや構造部材等のその他の部材と共に組み立て、内部カバー29によりカバーした組立状態を示す外観斜視図である。同図において伝達部材側にさらに出力フランジ12を取り付けることで、外部への回転動力の伝達が可能となる。   FIG. 5 shows a configuration mainly related to a power source in the joint module 20, that is, the motor 24, the speed reducer 27, the input shaft 28, the frictional coupling mechanism 13 and the transmission member 14 together with other members such as bearings and structural members. FIG. 4 is an external perspective view showing an assembled state covered with an internal cover 29. FIG. In the figure, by further attaching the output flange 12 to the transmission member side, it is possible to transmit the rotational power to the outside.

図6は、関節モジュール20の主たる構成部品を示す分解斜視図である。同図においては、既に述べたトルクセンサにさらに駆動源たるモータ24と減速機たるハーモニックドライブ27が追加された構成となっている。そのため、既に述べたトルクセンサと同様の部品については同様の符号を用いる。   FIG. 6 is an exploded perspective view showing main components of the joint module 20. In the figure, a motor 24 as a drive source and a harmonic drive 27 as a speed reducer are further added to the torque sensor already described. For this reason, the same reference numerals are used for parts similar to those of the torque sensor already described.

モータ24の出力軸26は減速機たるハーモニックドライブ27へと結合する。ここで、ハーモニックドライブ27はより詳細にはウェーブジェネレータ272、サーキュラスプライン273及びフレックススプライン271とから構成され、フレックススプライン271が減速機の出力軸たる入力軸28と結合する。なお、トルクセンサを中心とするとこの出力軸が入力軸に相当することとなる。上述の通り、この入力軸11はその先端において摩擦式結合機構13を介して伝達部材14の入力側ホルダ141と結合し、複数の弾性棒体142を介して出力フランジ12と結合する。このとき、入力軸の先端部と出力フランジ12との間には第1の角度センサ15が設けられ、入力軸の付け根部分には第2の角度センサ16が設けられている。   The output shaft 26 of the motor 24 is coupled to a harmonic drive 27 which is a speed reducer. More specifically, the harmonic drive 27 includes a wave generator 272, a circular spline 273, and a flex spline 271. The flex spline 271 is coupled to the input shaft 28 that is the output shaft of the reduction gear. When the torque sensor is the center, this output shaft corresponds to the input shaft. As described above, the input shaft 11 is coupled to the input side holder 141 of the transmission member 14 via the frictional coupling mechanism 13 at the tip, and to the output flange 12 via the plurality of elastic rods 142. At this time, a first angle sensor 15 is provided between the tip of the input shaft and the output flange 12, and a second angle sensor 16 is provided at the base of the input shaft.

<2.2 動作>
次に、図7〜12を参照しつつ、回転が入力段、すなわち駆動入力側から出力段、すなわち出力フランジ12まで伝達される様子を順を追って説明する。
<2.2 Operation>
Next, the state in which the rotation is transmitted from the input stage, that is, the drive input side to the output stage, that is, the output flange 12 will be described in order with reference to FIGS.

まず、図7及び8を参照しつつ、モータ24から伝達部材14への回転伝達態様について説明する。図7はモータ及び減速機を含むトルクセンサの入力段の構成を示す部分断面図であり、図8はモータ24及び減速機たるハーモニックドライブ27の回転方向を中心として示す説明図である。   First, the rotation transmission mode from the motor 24 to the transmission member 14 will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing a configuration of an input stage of a torque sensor including a motor and a speed reducer, and FIG. 8 is an explanatory view centering on the rotation direction of the motor 24 and a harmonic drive 27 as a speed reducer.

同図において、まず、ハウジング22内に固定されたモータ24の出力軸26は、楕円形状を有するウェーブジェネレータ272へと結合される。このときウェーブジェネレータ272の回転方向はモータ24の出力軸26と同一方向である。続いて、ウェーブジェネレータ272がフレックススプライン271の内部において回転すると、フレックススプライン271がサーキュラスプライン273の内側において前記モータの出力軸26及びウェーブジェネレータ272の回転方向とは逆方向に回転する。すなわち、減速機の出力軸たる入力軸28はモータの出力軸26とは逆方向に回転する。この入力軸28の回転が摩擦式結合機構13を介して伝達部材14の入力側ホルダ141、及び角度センサ15のコードホイールへと同一方向にて伝達される。   In the figure, first, the output shaft 26 of the motor 24 fixed in the housing 22 is coupled to a wave generator 272 having an elliptical shape. At this time, the rotation direction of the wave generator 272 is the same direction as the output shaft 26 of the motor 24. Subsequently, when the wave generator 272 rotates inside the flex spline 271, the flex spline 271 rotates in the direction opposite to the rotation direction of the output shaft 26 of the motor and the wave generator 272 inside the circular spline 273. That is, the input shaft 28 that is the output shaft of the speed reducer rotates in the opposite direction to the output shaft 26 of the motor. The rotation of the input shaft 28 is transmitted to the input side holder 141 of the transmission member 14 and the code wheel of the angle sensor 15 through the frictional coupling mechanism 13 in the same direction.

次に、図9を参照しつつ、入力軸28から伝達部材14への回転の伝達態様について説明する。図9は伝達部材14を含むトルクセンサの構成を示す部分断面図である。同図から明らかな通り、摩擦式結合機構13は、入力軸28と伝達部材14の入力側ホルダ141との間に介在し、摩擦式の結合により入力軸28と伝達部材14とは一体として回転させる。   Next, a transmission mode of rotation from the input shaft 28 to the transmission member 14 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the torque sensor including the transmission member 14. As is apparent from the figure, the frictional coupling mechanism 13 is interposed between the input shaft 28 and the input side holder 141 of the transmission member 14, and the input shaft 28 and the transmission member 14 rotate as a unit by frictional coupling. Let

ここで、図10及び11を参照しつつ、摩擦式結合機構13についてさらに詳細に説明する。   Here, the frictional coupling mechanism 13 will be described in more detail with reference to FIGS.

図10は、摩擦式結合機構13の分解斜視図である。摩擦式結合機構13は、内面がテーパ状の中空円筒体の締付部材132、当該締付部材132に挿入される凸部を有する中空円筒体の被締付部材131及びそれらを結合させるボルト133とから構成される。   FIG. 10 is an exploded perspective view of the frictional coupling mechanism 13. The frictional coupling mechanism 13 includes a hollow cylindrical body tightening member 132 having a tapered inner surface, a hollow cylindrical body tightening member 131 having a convex portion to be inserted into the tightening member 132, and a bolt 133 for coupling them. It consists of.

図11は、摩擦式結合機構13を含むトルクセンサの断面図であり、ボルト133の締付により入力軸28が摩擦式結合機構により強固に保持される様子を表している。まず、同図(a)に示される通り、ボルト133を締め付ける前においては被締付部材131の内周面は入力軸28と完全には接していないか又は接していたとしても入力軸に対して締付応力が発生していない状態である。その後、同図(b)に示される通り、ボルト133を締め付けると被締付部材131の凸部の外表面は締付部材132のテーパ状の内周面にガイドされ、それにより入力軸28を半径中心方向に締め付ける。すなわち、ボルト133の締付により被締付部材131を入力軸28へと締め付け、この接触面における摩擦力により、入力軸28と被締結部材13及び伝達部材14との一体化が実現されることとなる。また、この締め付けにより、締付部材132の外周面も入力側ホルダ141の内周面へと押し当てられることとなるため、摩擦式結合機構13と伝達部材14との一体化も実現されることとなる。なお、本実施形態においては、摩擦式結合機構13と伝達部材14との間の接触面積は入力軸28と摩擦式結合機構13との間の接触面積よりも大きい。そのため、摩擦式結合機構13と伝達部材14との間の静止摩擦力は入力軸28と摩擦式結合機構13との間のそれよりも大きくなる。すなわち、本実施形態における過負荷時の滑りは入力軸28の外周面と摩擦式結合機構13の内周面との間において生じることなる。   FIG. 11 is a cross-sectional view of the torque sensor including the frictional coupling mechanism 13 and shows a state in which the input shaft 28 is firmly held by the frictional coupling mechanism by tightening the bolt 133. First, as shown in FIG. 6A, even if the inner peripheral surface of the member 131 to be tightened is not completely in contact with the input shaft 28 or is not in contact with the input shaft 28 before the bolt 133 is tightened. Thus, no tightening stress is generated. Thereafter, as shown in FIG. 5B, when the bolt 133 is tightened, the outer surface of the convex portion of the member to be tightened 131 is guided by the tapered inner peripheral surface of the tightening member 132, thereby causing the input shaft 28 to move. Tighten in the radial center direction. That is, the fastening member 131 is fastened to the input shaft 28 by tightening the bolt 133, and the integration of the input shaft 28, the fastened member 13 and the transmission member 14 is realized by the frictional force on the contact surface. It becomes. Moreover, since the outer peripheral surface of the fastening member 132 is pressed against the inner peripheral surface of the input side holder 141 by this tightening, the frictional coupling mechanism 13 and the transmission member 14 can be integrated. It becomes. In the present embodiment, the contact area between the frictional coupling mechanism 13 and the transmission member 14 is larger than the contact area between the input shaft 28 and the frictional coupling mechanism 13. Therefore, the static friction force between the frictional coupling mechanism 13 and the transmission member 14 is larger than that between the input shaft 28 and the frictional coupling mechanism 13. That is, slippage at the time of overload in the present embodiment occurs between the outer peripheral surface of the input shaft 28 and the inner peripheral surface of the frictional coupling mechanism 13.

このような摩擦による結合方式によれば、静止摩擦の限界まで入力軸28と伝達部材14との間の結合を維持できる一方で、出力フランジ12側に過大なトルクが生じた場合等には入力軸28と伝達部材14との間に滑りが生じトルクを開放する。すなわち、摩擦結合機構13はトルク開放機構(或いはトルクリミッタ)として機能するので、入力軸28や減速機等の入力側の機構が損傷することを防止することができる。   According to such a coupling method by friction, the coupling between the input shaft 28 and the transmission member 14 can be maintained up to the limit of static friction, while input is performed when excessive torque is generated on the output flange 12 side. A slip occurs between the shaft 28 and the transmission member 14 to release the torque. That is, since the frictional coupling mechanism 13 functions as a torque release mechanism (or torque limiter), it is possible to prevent the input side mechanisms such as the input shaft 28 and the speed reducer from being damaged.

また、当該結合方式は摩擦結合方式であるので、一旦滑りが生じた場合であっても負荷が除去されれば再び摩擦により自律的に固定状態に復帰することができる。すなわち、前記トルク開放機構は自己復帰可能であるため、滑り後のリセット作業等を行わずとも連続運転することができる。但し、滑り後は後述の滑り量に関する補正処理を行うことが望ましい。   In addition, since the coupling method is a friction coupling method, even if a slip occurs once, if the load is removed, it can autonomously return to the fixed state again by friction. That is, since the torque release mechanism is capable of self-return, continuous operation can be performed without performing a reset operation after slipping. However, it is desirable to perform a correction process related to the slip amount described later after the slip.

次に、図12を参照しつつ、伝達部材14から出力フランジ12への回転の伝達態様について説明する。図12は、出力フランジ12を含むトルクセンサの出力段の構成を示す部分断面図である。入力軸28から伝達部材14へと伝達された回転力は、出力フランジ12へと出力される。ここで出力フランジ12は、内側出力フランジ121と外側出力フランジ122とから構成され、それらはボルト123を介して互いに結合している。内側出力フランジ121は、出力側ホルダ143と図示しないボルトを介して結合している。また、外側出力フランジ122によりアーム部材等の外部要素へと回転力が伝達されることとなる。   Next, a transmission mode of rotation from the transmission member 14 to the output flange 12 will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the output stage of the torque sensor including the output flange 12. The rotational force transmitted from the input shaft 28 to the transmission member 14 is output to the output flange 12. Here, the output flange 12 includes an inner output flange 121 and an outer output flange 122, which are coupled to each other via a bolt 123. The inner output flange 121 is coupled to the output side holder 143 via a bolt (not shown). Further, the rotational force is transmitted to an external element such as an arm member by the outer output flange 122.

<2.3 滑りの補正処理>
本実施形態に係るトルクセンサでは上述の通り入力軸28と伝達部材14との結合手段として摩擦式結合機構13が採用されている。そのため、例えば出力フランジに大きな負荷がかかったことにより静止摩擦の上限値を超えた場合等には、入力軸28と伝達部材14との間で滑りが生じてしまうおそれがある。ここで、当該摩擦式結合機構13は自己復帰型のトルク開放機構であるため連続運転も可能であるものの、上記滑りを放置したまま制御、特にオープンループ制御を継続すれば、滑り量の分だけ滑り発生前に想定していた動作とはずれが生じてしまうおそれがある。ここで、オープンループ制御とは、ここでは推定角度を元にモータの制御を行う制御のことをいう。従って、以下では滑りが生じた場合の当該滑りの検出ならびに滑り量の補正処理について説明する。
<2.3 Slip correction processing>
In the torque sensor according to the present embodiment, the frictional coupling mechanism 13 is employed as a coupling means between the input shaft 28 and the transmission member 14 as described above. Therefore, for example, when the upper limit value of the static friction is exceeded due to a large load applied to the output flange, there is a possibility that slip occurs between the input shaft 28 and the transmission member 14. Here, although the friction type coupling mechanism 13 is a self-returning type torque release mechanism, continuous operation is also possible. There is a possibility that deviation from the operation assumed before the occurrence of the slip occurs. Here, the open loop control refers to control for controlling the motor based on the estimated angle. Therefore, the following describes the slip detection and slip amount correction processing when slipping occurs.

図13は、例えば関節モジュール20内の図示しないマイコン等の制御部にて行われる入力軸28と摩擦式結合機構13との間の滑りの補正処理、すなわち滑りの検出、補正量の算出、及びその反映処理を行うソフトウエアのフローチャートについて示している。   FIG. 13 shows, for example, correction processing of slip between the input shaft 28 and the frictional coupling mechanism 13 performed by a control unit such as a microcomputer (not shown) in the joint module 20, that is, detection of slip, calculation of a correction amount, and The flowchart of the software which performs the reflection process is shown.

処理が開始すると、先ず第1の角度センサであるアブソリュートエンコーダ15からセンサの値、すなわち角度情報を読み出す(S101)。次に、このセンサ値が所定の閾値を超えたか否かを判定する(S102)。ここで、滑りにより検出される角度変化は弾性変形により得られる角度変化より一般に十分大きいので、閾値により弾性変形による角度変化と滑りによる角度変化とを峻別することは可能である。   When the process starts, first, the sensor value, that is, the angle information is read from the absolute encoder 15 which is the first angle sensor (S101). Next, it is determined whether or not the sensor value exceeds a predetermined threshold (S102). Here, since the angle change detected by the slip is generally sufficiently larger than the angle change obtained by the elastic deformation, it is possible to distinguish the angle change due to the elastic deformation and the angle change due to the slip by a threshold value.

角度が所定の閾値を超えていないと判定された場合(S102NO)、滑りが生じていないものと判定し、再度角度情報の読出処理を繰り返す(S101)。一方、角度が所定の閾値を超えたと判定した場合(S102YES)、滑りが生じたものと判定し、第1の角度センサすなわちアブリュートエンコーダ15の出力値に基づいて補正量の演算処理を開始する(S103)。なお、ここでは角度値が所定の閾値を超えたか否かにより滑りを検出することとしたが、角度値の時間的な変化量を観測し不連続的な変化があった場合に滑りが発生したものと判定する等他の検出手法を用いてもよい。   If it is determined that the angle does not exceed the predetermined threshold (NO in S102), it is determined that no slip has occurred, and the angle information reading process is repeated again (S101). On the other hand, if it is determined that the angle has exceeded the predetermined threshold (YES in S102), it is determined that slip has occurred, and correction amount calculation processing is started based on the output value of the first angle sensor, that is, the absolute encoder 15. (S103). Here, slip is detected based on whether or not the angle value exceeds a predetermined threshold value, but slip occurs when there is a discontinuous change by observing the amount of change in the angle value over time. Other detection methods, such as determining a thing, may be used.

ここで、補正量についてさらに説明する。オープンループ制御においては入力軸28と出力フランジ12とは同一の角度で回転していることを前提としており、すなわち出力フランジも第2の角度センサ(アブソリュートエンコーダ16)で取得した入力軸の角度と同一の角度状態にあることを前提としている。そのため、滑りが生じた後も滑り発生前に想定していた動作を保証するためには、滑り量を表す第1の角度センサ15の値を補正量とする必要がある。例えば、滑りにより入力軸28と出力フランジ12との間が30°ずれている場合には、補正量は30°となる。   Here, the correction amount will be further described. In the open loop control, it is assumed that the input shaft 28 and the output flange 12 are rotated at the same angle, that is, the output flange also has the input shaft angle acquired by the second angle sensor (absolute encoder 16). It is assumed that they are in the same angle state. Therefore, in order to guarantee the operation assumed even after the occurrence of the slip and before the occurrence of the slip, the value of the first angle sensor 15 representing the slip amount needs to be used as the correction amount. For example, when the input shaft 28 and the output flange 12 are displaced by 30 ° due to slippage, the correction amount is 30 °.

補正量の演算処理(S103)が終了すると、滑りが生じた後も滑り発生前に想定していた動作を保証するため前記補正量の反映処理がなされる(S104)。ここで、反映処理とは例えば前記補正量を所定の数値へと加減算処理すること等を指す。前記補正量は所定の状態量(例えば現在の入力軸28の現在の角度値)に反映されてもよいし、モータ24への指令値へと反映されてもよい。この反映処理の後、処理は終了する。以上の補正処理によれば、滑り前に想定していた動作通りの制御を行うことができる。また、滑りが生じた場合であっても連続運転を行うことも可能となる。   When the correction amount calculation process (S103) is completed, the correction amount reflection process is performed in order to guarantee the operation assumed before the occurrence of the slip even after the slip has occurred (S104). Here, the reflection process refers to, for example, adding / subtracting the correction amount to a predetermined numerical value. The correction amount may be reflected in a predetermined state amount (for example, the current angle value of the current input shaft 28) or may be reflected in a command value to the motor 24. After this reflection process, the process ends. According to the correction process described above, it is possible to perform the control according to the operation assumed before the slip. In addition, continuous operation can be performed even when slipping occurs.

以上のような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高いシステムを構築することができる。また、滑りが生じた後でも当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。   According to the configuration as described above, since a design considering slippage due to an overload can be performed, a more reliable system can be constructed. Further, even after slipping, control can be performed by correcting the amount of slipping, so that highly accurate control can be performed.

<3.関節モジュールを備えたロボットアーム>
図14は、前述の関節モジュール20を備えたロボットアーム40の外観を示す斜視図である。当該ロボットアーム40は、全体で5つの関節モジュール20を含み、当該関節モジュール20の間はアーム部材41、42により接続されているか又は直接に他の関節モジュールと結合している。また、末端部には関節モジュール20に直接エンドエフェクタ43が結合している。各関節モジュールはロボットアーム40全体の制御を行う図示しない制御部(CPU等)又はそれらを含んだPC等に接続される。なお、当該PCは例えば上述の滑りの補正処理などを行ってもよい。
<3. Robot arm with joint module>
FIG. 14 is a perspective view showing an appearance of the robot arm 40 including the joint module 20 described above. The robot arm 40 includes a total of five joint modules 20, and the joint modules 20 are connected by arm members 41 and 42 or directly connected to other joint modules. An end effector 43 is directly coupled to the joint module 20 at the end. Each joint module is connected to a control unit (CPU or the like) (not shown) that controls the entire robot arm 40 or a PC or the like including them. Note that the PC may perform the above-described slip correction process, for example.

以上より、駆動源が集約された関節モジュール20を用いることで容易にロボットシステム(本実施形態においてはロボットアーム40)の構築を行うことができる。   As described above, the robot system (the robot arm 40 in the present embodiment) can be easily constructed by using the joint module 20 in which the drive sources are integrated.

なお、本実施形態に係るロボットアーム40は、部品のセット、すなわちロボットアーム組み立て用セットとして製造・販売されてもよい。   The robot arm 40 according to the present embodiment may be manufactured and sold as a set of parts, that is, a robot arm assembly set.

このような構成によれば、高い設計自由度を持ちつつも容易に組み立て可能なロボットアーム組み立て用セットが提供できる。   According to such a configuration, it is possible to provide a set for assembling a robot arm that can be easily assembled while having a high degree of design freedom.

本発明に係るトルクセンサは回転トルク検出に必要なあらゆる産業分野において利用可能であり、また、駆動システム、関節モジュール、ロボットシステム、ロボットアーム組み立て用セット、プログラムは、少なくとも産業用ロボット、実験用ロボット等を含むロボット産業において利用可能である。   The torque sensor according to the present invention can be used in all industrial fields necessary for rotational torque detection, and the drive system, joint module, robot system, robot arm assembly set, and program are at least industrial robots and experimental robots. It can be used in the robot industry including

10 トルクセンサ
11 入力軸
12 出力フランジ
121 内側出力フランジ
122 外側出力フランジ
123 ボルト
13 摩擦式結合機構
131 被締付部材
132 締付部材
133 ボルト
14 伝達部材
141 入力側ホルダ
142 弾性棒体
143 出力側ホルダ
15 アブソリュートエンコーダ(第1の角度センサ)
151 コードホイール
152 コード読取基板
16 アブソリュートエンコーダ(第2の角度センサ)
161 コードホイール
162 コード読取基板
17 ボルト
18 ワッシャ
20 関節モジュール
21 取付部
22 ハウジング
23 後部カバー
24 モータ
25 基板
26 モータ出力軸
27 ハーモニックドライブ(減速機構)
271 フレックススプライン
272 ウェーブジェネレータ
273 サーキュラスプライン
28 入力軸
29 内部カバー
40 ロボットアーム
41 アーム部材
42 アーム部材
43 エンドエフェクタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Torque sensor 11 Input shaft 12 Output flange 121 Inner output flange 122 Outer output flange 123 Bolt 13 Friction type coupling mechanism 131 Tightened member 132 Tightening member 133 Bolt 14 Transmission member 141 Input side holder 142 Elastic rod body 143 Output side holder 15 Absolute encoder (first angle sensor)
151 Code wheel 152 Code reading board 16 Absolute encoder (second angle sensor)
161 Code Wheel 162 Code Reading Board 17 Bolt 18 Washer 20 Joint Module 21 Mounting Portion 22 Housing 23 Rear Cover 24 Motor 25 Substrate 26 Motor Output Shaft 27 Harmonic Drive (Deceleration Mechanism)
271 Flex Spline 272 Wave Generator 273 Circular Spline 28 Input Shaft 29 Inner Cover 40 Robot Arm 41 Arm Member 42 Arm Member 43 End Effector

Claims (13)

第1の回転体と、
第2の回転体と、
弾性変形可能であって、前記第1の回転体の回転を前記第2の回転体へと伝達する伝達部材と、
前記伝達部材の弾性変形により生じた前記第1の回転体と前記第2の回転体との間の回転角度差を検出する角度センサと、を備え、
前記伝達部材は複数の弾性棒体を有し、前記第1の回転体から前記第2の回転体への回転の伝達は前記複数の弾性棒体を介して行われる、トルクセンサ。
A first rotating body;
A second rotating body;
A transmission member that is elastically deformable and transmits the rotation of the first rotating body to the second rotating body;
An angle sensor for detecting a rotation angle difference between the first rotating body and the second rotating body caused by elastic deformation of the transmission member,
The transmission member includes a plurality of elastic rods, and transmission of rotation from the first rotating body to the second rotating body is performed via the plurality of elastic rods.
前記複数の弾性棒体は、カスタマイズ自在である、請求項1に記載のトルクセンサ。   The torque sensor according to claim 1, wherein the plurality of elastic rods are customizable. 前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第1の端部において前記第1の回転体と結合し、
前記伝達部材は、前記複数の弾性棒体を環状に配置した中空形状を有しており、前記第1の回転体を内包し、前記第1の回転体と回転中心を一にして回転し、
前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第2の端部において第2の回転体と結合し、
前記第2の回転体は、中空形状であり前記伝達部材を内包し、前記伝達部材と回転中心を一にして回転する、
請求項1に記載のトルクセンサ。
The transmission member is coupled to the first rotating body at a first end along the rotation center axis of the transmission member;
The transmission member has a hollow shape in which the plurality of elastic rods are arranged in an annular shape, includes the first rotating body, rotates with the first rotating body as a center of rotation,
The transmission member is coupled to a second rotating body at a second end along the rotation center axis of the transmission member;
The second rotating body has a hollow shape, includes the transmission member, and rotates with the transmission member as a center of rotation.
The torque sensor according to claim 1.
前記第1の回転体と前記伝達部材との結合部には、所定トルクを超えると作動する自己復帰可能なトルク開放機構が介在している、請求項1に記載のトルクセンサ。   The torque sensor according to claim 1, wherein a self-recoverable torque releasing mechanism that operates when a predetermined torque is exceeded is interposed in a coupling portion between the first rotating body and the transmission member. 請求項1〜4のいずれかに記載のトルクセンサと、
前記トルクセンサの前記第1の回転体を回転駆動させる駆動部と、
前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体との間の滑りの有無を検出する検出手段を備える制御部と、を備えた駆動システム。
The torque sensor according to any one of claims 1 to 4,
A drive unit that rotationally drives the first rotating body of the torque sensor;
And a control unit including a detection unit configured to detect the presence or absence of slip between the first rotating body and the second rotating body based on an output of the angle sensor.
前記トルクセンサは、前記第1の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、
前記駆動システムの前記制御部は、
前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、
前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、
前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、
をさらに備える請求項5に記載の駆動システム。
The torque sensor further includes an input side angle sensor for measuring a rotation angle of the first rotating body,
The control unit of the drive system includes:
A slip amount detecting means for detecting a slip amount between the first rotating body and the second rotating body based on an output of the angle sensor;
A correction amount calculation unit that calculates a predetermined correction amount based on the slip amount;
A reflection processing unit that reflects the correction amount to an output value of the input side angle sensor or a rotation command value to the driving unit;
The drive system according to claim 5, further comprising:
請求項1〜4のいずれかに記載のトルクセンサと、
前記第1の回転体を回転駆動させる駆動部と、
前記トルクセンサと前記駆動部とを収容しアーム部材取り付け用の取付部を有するハウジングと、を備えた関節モジュール。
The torque sensor according to any one of claims 1 to 4,
A drive unit that rotationally drives the first rotating body;
A joint module comprising: a housing that houses the torque sensor and the drive unit and has a mounting portion for mounting an arm member.
少なくとも1つの請求項7に記載の関節モジュールと、
前記関節モジュールを制御する制御部と、を備えたロボットシステム。
At least one joint module according to claim 7;
And a control unit that controls the joint module.
前記ロボットシステムの前記制御部は、
前記角度センサの出力に基づいて、前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出手段をさらに備える、請求項8に記載のロボットシステム。
The control unit of the robot system includes:
9. The robot system according to claim 8, further comprising a slip detection unit configured to detect presence or absence of slip between the first rotating body and the second rotating body based on an output of the angle sensor.
前記トルクセンサは、前記第1の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、
前記ロボットシステムの前記制御部は、
前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、
前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、
前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、
をさらに備える請求項9に記載のロボットシステム。
The torque sensor further includes an input side angle sensor for measuring a rotation angle of the first rotating body,
The control unit of the robot system includes:
A slip amount detecting means for detecting a slip amount between the first rotating body and the second rotating body based on an output of the angle sensor;
A correction amount calculation unit that calculates a predetermined correction amount based on the slip amount;
A reflection processing unit that reflects the correction amount to an output value of the input side angle sensor or a rotation command value to the driving unit;
The robot system according to claim 9, further comprising:
請求項7に記載の関節モジュールと、
アーム部材と、を備えたロボットアーム組み立て用セット。
The joint module according to claim 7,
A set for assembling a robot arm.
請求項5に記載の駆動システムのためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出ステップを実行させるプログラム。
A program for a drive system according to claim 5,
On the computer,
The program which performs the slip detection step which detects the presence or absence of the slip between the said 1st rotary body and the said 2nd rotary body based on the output of the said angle sensor.
請求項5に記載のロボットシステムのためのプログラムであって、
前記トルクセンサは、さらに前記第1の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサを含み、
コンピュータに、
前記角度センサの出力に基づいて前記第1の回転体と前記第2の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出ステップと、
前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出ステップと、
前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理ステップと、を実行させるプログラム。
A program for the robot system according to claim 5,
The torque sensor further includes an input side angle sensor that measures a rotation angle of the first rotating body,
On the computer,
A slip amount detecting step for detecting a slip amount between the first rotating body and the second rotating body based on an output of the angle sensor;
A correction amount calculating step of calculating a predetermined correction amount based on the slip amount;
A reflection processing step of reflecting the correction amount to an output value of the input side angle sensor or a rotation command value to the drive unit.
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