CN108692839A - 转矩传感器以及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种转矩传感器(1)，其减少应变传感器的数量而降低成本的同时，能够高精度地检测出旋转方向的转矩。转矩传感器(1)具有：轴承(5)，其具有能够只沿着围绕预定的轴线(A)的旋转方向相对移动地被支撑的内圈(2)以及外圈(3)；连接部件(6)，其具有分别固定于内圈(2)以及外圈(3)的固定部、以及连接固定部之间的应变发生部；以及应变传感器(7)，其以至少能够检测周向的应变的方式配置于连接部件(6)。

Description

转矩传感器以及机器人
技术领域
本发明涉及转矩传感器以及机器人。
背景技术
以往，作为检测旋转方向的转矩的转矩传感器，已知如下转矩传感器：在由于旋转而变形的应变发生体安装了测量该应变发生体的应变的应变传感器(例如，参照专利文献1)。在各种方向的负载发挥作用的机器人的关节中，为了高精度地检测出作用于关节的旋转方向的转矩，构成利用多个应变传感器的基于电桥电路的应变消除机构，从而排除旋转方向以外的负载。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-47460号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，应变传感器是价格昂贵，如果对每个关节轴利用多个应变传感器，则存在机器人的成本增高的不良情况。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种转矩传感器以及机器人，其能够减少应变传感器的数量而降低成本的同时，能够高精度地检测出旋转方向的转矩。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明提供以下方案。
本发明的一个方案提供一种转矩传感器，该转矩传感器具有：轴承，其具有能够只沿着围绕预定的轴线的旋转方向相对移动地被支撑的内圈以及外圈；连接部件，其具有分别固定于所述内圈以及所述外圈的固定部、以及连接该固定部之间的应变发生部；以及应变传感器，其以至少能够检测周向的应变的方式配置于该连接部件。
根据本方案，通过将内圈以及外圈固定于被检测体，并且内圈以及外圈以使轴线与围绕旋转轴线驱动的被检测体的旋转轴线相一致的方式，并跨越被传递转矩的部位而配置，从而若对被检测体施加转矩，则内圈与外圈相对旋转，从而在连接部件的应变发生部发生应变。通过利用应变传感器检测出该应变量，从而能够基于检测出的应变量，求出作用于被检测体的转矩。
在该情况下，由于轴承的内圈和外圈能够只沿着围绕预定的轴线的旋转方向相对移动地被支撑，因此即使在安装于各种方向的负载发挥作用的机器人的关节的情况下，也能防止旋转方向以外的负载作用于连接部件的应变发生部。其结果，即使不由利用多个应变仪的电桥电路构成应变消除机构，也能够高精度地检测出旋转方向的转矩。
在上述方案中，所述应变发生部的横截面积还可以小于所述固定部的横截面积。
通过如此，应变发生部中的应变量变大，并且应变传感器能够高精度地检测出周向的应变。
在上述方案中，所述内圈以及所述外圈还可以具有将所述内圈以及所述外圈固定于被检测体的固定单元。
通过如此，能够利用固定单元将内圈以及外圈直接固定于被检测体。
在上述方案中，所述连接部件还可以形成为沿着所述内圈以及所述外圈的与旋转轴大致垂直的侧面延伸的平板状。
通过如此，沿着内圈以及外圈的侧面配置平板状的连接部件，并且能够构成为不向径向突出。
在上述方案中，所述应变传感器还可以具有对由于周围温度变化引起的应变量变动进行修正的修正单元。
通过如此，若周围温度发生变化，则应变量相应地发生变化，因此修正与该周围温度变化量相当的应变量，从而能够使应变检测精度进一步提高。
在上述方案中，所述应变传感器还可以螺纹固定于所述连接部件。
通过如此，应变仪一般而言大多通过粘接而固定，但需要注意粘接层均匀。通过螺纹固定，能够提高组装性。
在上述方案中，多个所述应变传感器还可以排列配置于所述应变发生部。
通过如此，通过与另一个应变传感器的应变数据相比较，能够掌握一个应变传感器是否正常。即使一个应变传感器万一发生故障，也能够利用未发生故障的剩余的正常的应变传感器的应变信息，使机器人安全且迅速地停止。
在上述方案中，所述轴承还可以是交叉滚子轴承。
通过如此，即使在内圈以及外圈只沿着围绕轴线的旋转方向相对移动地被支撑，且安装于各种方向的负载发挥作用的机器人的关节的情况下，也能够简单地防止旋转方向以外的负载作用于连接部件的应变发生部。
在上述方案中，所述轴承还可以是组合球轴承。
在上述方案中，所述轴承还可以是滑动轴承。
通过如此，能够利用简单结构的滑动轴承而降低成本。
在上述方案中，所述连接部件沿着围绕所述轴线的周向隔开间隔而具有多个，还可以在各所述连接部件的所述应变发生部配置有所述应变传感器。
通过如此，具有多个配置有应变传感器的相同的连接部件，能够容易构成输出多个系统的检测值的转矩传感器。
另外，在上述方案中，还可以具备一个以上的加强部件，所述加强部件分别固定于所述内圈以及所述外圈，并且连接所述内圈与所述外圈。
通过如此，由于加强部件减小作用于应变发生部的应变量，因此与不存在加强部件的情况相比较，由应变传感器检测出的应变量变小。由此，能够利用加强部件来调整应变传感器的检测值。
另外，本发明的另一个方案提供一种机器人，安装有上述任一个转矩传感器，所述转矩传感器以使所述轴承的所述轴线与各关节的旋转轴线相一致的方式安装。
发明效果
根据本发明，起到如下效果：能够减少应变传感器的数量而降低成本的同时，能够高精度地检测出旋转方向的转矩。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的转矩传感器的立体图。
图2是表示图1的转矩传感器的主视图。
图3是表示图1的转矩传感器的纵向剖视图。
图4是表示图1的转矩传感器的连接部件的放大图。
图5是表示将图1的转矩传感器安装于机器人的关节轴的例子的图。
图6是表示图1的转矩传感器的变形例的立体图。
图7是表示图1的转矩传感器的变形例的立体图。
图8是表示图1的转矩传感器的变形例的立体图。
图9是表示图1的转矩传感器的变形例的主视图。
附图标记说明：
1、1a、1b、1c：转矩传感器
2：内圈
3：外圈
5：交叉滚子轴承(轴承)
6、6b、6c、16：连接部件
7、17：单轴应变传感器(应变传感器)
8a：贯穿孔(固定单元)
8b：螺纹孔(固定单元)
9a、9b、11a、11b：固定部
10、12：应变发生部
100：机器人
101：机器人臂(被检测体)
110：驱动器(被检测体)
A：轴线
B：轴线(旋转轴线)
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的一个实施方式的转矩传感器1以及机器人100进行说明。
如图1至图3所示，本实施方式的转矩传感器1具有：交叉滚子轴承(轴承)5，其具有沿径向邻接而配置的内圈2以及外圈3、以及沿着周向隔开间隔而排列于这些内圈2与外圈3之间的多个滚子4；连接部件6，其分别固定于该交叉滚子轴承5的内圈2以及外圈3；以及单轴应变传感器(应变传感器)7，其固定于该连接部件6。
如图1所示，在交叉滚子轴承5的内圈2以及外圈3，沿着周向隔开间隔而设有多个贯穿孔(固定单元)8a或者螺纹孔(固定单元)8b，该贯穿孔8a或者螺纹孔8b为了将这些内圈2以及外圈3固定于被检测体而沿轴线A方向贯穿。
如图1以及图3所示，连接部件6形成为沿着交叉滚子轴承5的内圈2以及外圈3的与轴向大致垂直的端面而配置的平板状，如图4所示，具有：固定部9a、9b，其分别固定于内圈2以及外圈3的轴向的端面；以及应变发生部10，其连接该固定部9a、9b之间。
固定于内圈2的固定部9a、和固定于外圈3的固定部9b，在图4所示的例子中，分别以周向上的宽度尺寸W1、W2配置于沿周向邻接的位置，固定于内圈2的固定部9a向径向外侧延伸，固定于外圈3的固定部9b向径向内侧延伸。连接固定部9a、9b之间的应变发生部10，在内圈2与外圈3的边界位置附近，以径向上的宽度尺寸W3配置于沿着周向夹在固定部9a、9b之间的位置，并且连接两个固定部9a、9b。
应变发生部10的横截面积设定成与固定部9a、9b的横截面积相比较非常小。由此，在使双方相对旋转的转矩作用于内圈2与外圈3之间的情况下，如图4中箭头所示，沿着周向的拉力或者压缩力作用于应变发生部10，从而主要在应变发生部10发生应变。
单轴应变传感器7以使检测方向与拉力以及压缩力发挥作用的方向一致的方式粘贴于应变发生部10的表面。单轴应变传感器7与未图示的配线连接，并且输出与发生于应变发生部10的应变量成比例的电压信号。由此，基于从单轴应变传感器7输出的电压信号，能够求出转矩。作为单轴应变传感器7，存在半导体应变仪、金属箔应变仪等，而且既可以是螺栓固定类型的应变传感器，也可以是激光位移传感器或激光非接触式传感器、静电电容式非接触式传感器等的位移检测设备。能够根据与对方侧之间的距离而检测出应变量即可。在该情况下，这些位移检测设备的聚光灯和对方侧的壁状部件需要配置于相同的应变发生部10。
以下对如此构成的本实施方式的转矩传感器1的作用进行说明。
在此，对利用本实施方式的转矩传感器1检测出作用于机器人100的关节轴上的转矩的情况进行说明。
当利用本实施方式的转矩传感器1检测出作用于机器人100的关节轴上的转矩时，如图5所示，以使交叉滚子轴承5的轴线A与关节轴(关节)的轴线(旋转轴线)B相一致的方式，固定转矩传感器1。
在图5所示的例子中，在构成关节轴的驱动器110的减速器输出轴111，利用形成于交叉滚子轴承5的外圈3的贯穿孔8a，使用螺钉120固定有外圈3。另外，在用未图示的螺钉固定于减速器输出轴111的机器人臂101上，利用形成于内圈2的螺纹孔8b，使用螺钉130固定有内圈2。由此，能够将本实施方式的转矩传感器1直接固定于作为被检测体的机器人臂101以及驱动器110。在图中，附图标记140是向驱动器110供给动力的马达。
在该状态下，若通过负载作用于机器人100的机器人臂101，从而转矩围绕减速器输出轴111的轴线B而发挥作用，则构成转矩传感器1的交叉滚子轴承5的内圈2和外圈3沿着周向相对微小地进行位移，因此通过该位移，拉力或压缩力作用于配置在连接部件6的固定部9a、9b之间的应变发生部10，应变发生部10发生变形。由此，利用粘贴于应变发生部10的单轴应变传感器7检测出应变量，并基于检测出的应变量能够检测出转矩。
在该情况下，根据本实施方式的转矩传感器1，具有应变发生部10的连接部件6，以架设的方式固定于交叉滚子轴承5的内圈2以及外圈3，内圈2和外圈3以只沿着周向相对移动的方式被支撑。从而，即使各种方向的负载作用于机器人臂101，拉力或压缩力只沿着周向作用于安装有单轴应变传感器7的应变发生部10。
即，根据本实施方式的转矩传感器1，具有如下优点：即使各种方向的负载作用于机器人臂101，也能够高精度地只检测出围绕关节轴的轴线B发挥作用的转矩。
其结果，即使不采用在多个方向上粘贴价格昂贵的应变传感器并利用电桥电路的多轴应变消除机构，也不用检测由于旋转方向以外的负载而发生的应变量，就能够高精度地检测出转矩，并能够抑制成本较低。尤其，在将转矩传感器设置于多关节机器人的所有关节轴的情况下，能够有效地降低成本。
另外，在本实施方式中，举例说明了利用单轴应变传感器7检测出应变发生部10中的应变量的情况，但应变量的检测不一定限定于单轴。还可以采用不限于单轴而检测出应变发生部10的应变量的应变传感器。
另外，根据本实施方式的转矩传感器1，由于将单轴应变传感器7安装于内圈2与外圈3之间的连接部件6，形成为沿着内圈2以及外圈3的轴向的端面而配置的平板状，因此具有沿着交叉滚子轴承5的轴向稍微突出的小型的结构。由此，能够利用形成于减速器输出轴111与机器人臂101之间的间隙而安装于机器人100的关节轴。
而且，根据本实施方式的将转矩传感器1安装于各关节轴的机器人100，具有如下优点：即使多个方向的负载作用于机器人100的前端，也能够将作用于各关节轴的转矩高精度地求出并进行控制。
此外，在本实施方式中，作为轴承而使用了交叉滚子轴承5，但不限于此，只要是内圈2和外圈3只沿着围绕预定的轴线A的旋转方向能够相对移动地被支撑的轴承，就可以采用四点接触球轴承、圆锥滚子组合轴承、角接触组合轴承、双列球轴承、深沟球轴承或者滑动轴承等其他种类的轴承。尤其，由于用于检测转矩的内圈2与外圈3的相对位移量极其微量，因此也可以使用结构简单的滑动轴承，并在该情况下，能够进一步降低成本。
另外，通过使用组合球轴承，从而能够使旋转摩擦的影响变得最小，并能够期待检测精度的提高。
另外，在本实施方式中，作为连接部件6，举例说明了沿着内圈2以及外圈3的轴向的端面延伸的平板状的连接部件，但取而代之，如图6所示，还可以采用另一种连接部件，该连接部件具有L字形的固定部11a、11b和应变发生部12，L字形的固定部11a、11b分别从内圈2以及外圈3的轴向的端面向径向外侧延伸，并在外圈3的径向外侧沿轴向弯曲，应变发生部12以连接隔开间隔而配置于外圈3的径向外侧的两个固定部11a、11b之间的方式沿周向配置。
通过如此，能够将单轴应变传感器7配置于交叉滚子轴承5的径向外侧，并且能够容易进行已损伤的情况下的更换作业。另外，能够抑制转矩传感器1自身的宽度。
另外，在本实施方式中，单轴应变传感器7还可以具有修正单元，该修正单元修正由于周围温度变化而引起的应变量变动。
通过如此，在连接部件6的应变发生部10附近的周围温度发生变化的情况下，应变量按照温度的变化量而发生变化，但通过使用修正单元修正与周围温度的变化量相当的应变量，从而能够使应变检测精度进一步提高。
另外，在本实施方式中，作为单轴应变传感器7，举例说明了粘贴于应变发生部10的表面的单轴应变传感器，但取而代之，还可以采用螺纹固定的单轴应变传感器。
另外，举例说明了转矩传感器1具备单一的单轴应变传感器7的情况，但还可以作为故障检测用途而将两个以上的单轴应变传感器7排列而配置于应变发生部10、12。排列方式既可以是并联还可以是串联。
通过做成这种结构，从而能够通过与另一个单轴应变传感器7的应变数据进行比较而掌握一个单轴应变传感器7是否正常。即使一个单轴应变传感器7万一发生故障，也能够利用未发生故障的剩余的正常的单轴应变传感器7的应变信息，使机器人100安全且迅速地停止。
在图7中表示具备两个连接部件6、16的变形例的转矩传感器1a。转矩传感器1a与实施方式的转矩传感器1进行比较，如图7所示，除了连接部件6之外，还具备固定有单轴应变传感器(应变传感器)17的连接部件16。连接部件16以及单轴应变传感器17是与连接部件6以及单轴应变传感器7相同的结构。连接部件16配置于与连接部件6相同的旋转圆周上的线CL1上的不同的周向位置，并固定于外圈3以及内圈2。由此，单轴应变传感器17能够检测出发生于连接部件16上的应变量。
如此，图7所示的变形例的转矩传感器1a，在同一的旋转圆周上具有两个连接部件6、16以及单轴应变传感器7、17，从而能够输出多个系统的检测值。此外，在图7所示的变形例中，对转矩传感器1a具备两个连接部件6、16以及单轴应变传感器7、17的例子进行了说明，但转矩传感器所具备的连接部件以及单轴应变传感器还可以是三个以上。另外，两个连接部件6、16还可以是同一形状，两个单轴应变传感器7、17还可以是同一的单轴应变传感器。
在图8中表示了变形例的转矩传感器1b，该转矩传感器1b具有分别固定于外圈3以及内圈2且连接外圈3与内圈2的两个加强部件21、22，并且两个单轴应变传感器7、17配置于连接部件6b。由于加强部件21、22分别固定于外圈3以及内圈2，因此发生在连接部件6b上的应变量，比在固定于实施方式的转矩传感器1的连接部件6中发生的应变量还小。由此，能够利用加强部件21、22，对配置于连接部件6b的单轴应变传感器7、17的检测值进行调整。两个单轴应变传感器7、17还可以是同一的单轴应变传感器。
另外，在图8所示的转矩传感器1b中，在连接部件6b中的应变发生部10配置有两个单轴应变传感器7、17。由此，比较两个单轴应变传感器7、17的检测值，从而能够掌握单轴应变传感器7、17是否正常。此外，另一个方式的转矩传感器既可以具有配置于一个连接部件6的三个以上的单轴应变传感器，还可以具备一个或三个以上的加强部件。作为转矩传感器所具备的加强部件，以图8所示的加强部件21、22为例，但转矩传感器所具备的加强部件，在分别固定于外圈3以及内圈2的范围内，能够对形状进行各种变形。例如，加强部件既可以是与图8所示的连接部件6b相同的形状，也可以是圆板形状等。加强部件还可以配置于与配置有连接部件6的转矩传感器的1b的面相反侧的面。
在上述实施方式的转矩传感器1c中，对固定部9a、9b的横截面积大于应变发生部10的横截面积的连接部件6进行了说明，但对连接部件6所包含的各部分的横截面积的关系，能够进行各种变形。例如，如图9所示，变形例的转矩传感器1c所具备的连接部件6c的形状是，在从正面观察时使扇形的两端面平行的接近于长方形的形状。通过采用这种连接部件6c，即使在较大的转矩施加于转矩传感器1c上的情况下，也不需要如图8所示的加强部件21、22。作为极端的例子，连接部件的形状还可以是使用了轴承的内圈2以及外圈3的全周的环形的圆板形状。由单轴应变传感器7检测出应变的应变发生部10c与图4所示的应变发生部10不同，并且横截面积还可以不必形成为小于其他部分。在其他变形例中，在连接部件中，应变发生部的横截面积还可以大于固定部的横截面积。

Claims (13)

1.一种转矩传感器，其特征在于，具有：
轴承，其具有能够只沿着围绕预定的轴线的旋转方向相对移动地被支撑的内圈以及外圈；
连接部件，其具有分别固定于所述内圈以及所述外圈的固定部、以及连接该固定部之间的应变发生部；以及
应变传感器，其以至少能够检测周向的应变的方式配置于该连接部件。
2.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于，
所述应变发生部的横截面积小于所述固定部的横截面积。
3.根据权利要求1或2所述的转矩传感器，其特征在于，
所述内圈以及所述外圈具有将所述内圈以及所述外圈固定于被检测体的固定单元。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述连接部件形成为沿着所述内圈以及所述外圈的与旋转轴大致垂直的侧面延伸的平板状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述应变传感器具有对由于周围温度变化引起的应变量变动进行修正的修正单元。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述应变传感器螺纹固定于所述连接部件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
多个所述应变传感器排列配置于所述应变发生部。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述轴承是交叉滚子轴承。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述轴承是组合球轴承。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述轴承是滑动轴承。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述连接部件沿着围绕所述轴线的周向隔开间隔而具有多个，
在各所述连接部件的所述应变发生部配置有所述应变传感器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的转矩传感器，其特征在于，
所述转矩传感器具备一个以上的加强部件，
所述加强部件分别固定于所述内圈以及所述外圈，并且连接所述内圈与所述外圈。
13.一种机器人，其特征在于，
安装有权利要求1至12中任一项所述的转矩传感器，所述转矩传感器以使所述轴承的所述轴线与各关节的旋转轴线相一致的方式安装。
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