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Gebiet
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Hier beschriebene Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf einen Roboterarmmechanismus.
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Hintergrund
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Mit der Abnahme der erwerbstätigen Bevölkerung wächst die Verwendung kollaborativer Roboter, die mit Personen im selben Raum zusammenarbeiten können. Kollaborative Roboter müssen sicher stoppen, wenn der Roboter eine Person oder einen Gegenstand berührt. Als eines der Verfahren zum Detektieren einer Berührung einer Person oder eines Gegenstands mit einem Roboter wurde ein Verfahren unter Verwendung eines Drehmomentsensors offenbart (z. B. Patentliteratur 1). In einem Verfahren unter Verwendung eines Drehmomentsensors ist ein Drehmomentsensor z. B. in einem Gelenk eines Roboters angeordnet. Wenn der Ausgabewert des Drehmomentsensors einen vorgegebenen Bezugswert überschreitet, kann bestimmt werden, dass „der Roboter eine Person oder einen Gegenstand berührt hat“, und dies kann als ein Auslöser verwendet werden, um Maßnahmen wie z. B. ein Stoppen des Roboters zu ergreifen.
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Entgegenhaltungsliste
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Patentliteratur
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Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
2018-134059 -
Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Wenn insbesondere ein Gelenk auf der Spitzenseite eines Roboters mit einem Drehmomentsensor ausgestattet ist, nimmt das Gewicht des Spitzenabschnitts des Roboters zu und nimmt die Gewichtslast auf die Basisseite des Roboters zu. Um die Zunahme des Gewichts zu bewältigen, ist es nötig, teure Teile mit hoher Steifigkeit zu verwenden. Ferner sind im Gelenk Teile wie z. B. ein Motor und ein Untersetzungsgetriebe untergebracht und eine Verdrahtung usw. elektrischer Kabel, die mit diesen elektrischen Teilen verbunden sind, ausgeführt; daher vergrößert ein Ausstatten des Gelenks mit einem Drehmomentsensor nicht nur das Gelenk, sondern verkompliziert auch die Struktur im Gelenk. Deshalb wird gewünscht, in einem Roboterarmmechanismus, der eine Berührung einer Person oder eines Gegenstands detektieren kann, die Struktur des Gelenks zu vereinfachen, z. B. das Gewicht des Gelenks zu verringern.
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Lösung des Problems
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Ein Roboterarmmechanismus gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Drehgelenk, eine Verbindung, die mit dem Drehgelenk verbunden ist, und mehrere Drehmomentsensoren. Die Verbindung enthält mehrere Verbindungsabschnitte. Die Verbindungsabschnitte sind mittels Drehmomentsensoren aneinander gekoppelt.
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Gemäß diesem Aspekt kann ein Gelenk in einem Roboterarmmechanismus, der eine Berührung mit einer Person oder einem Gegenstand detektieren kann, vereinfacht (sein Gewicht verringert) werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboterarmmechanismus gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist eine Frontansicht des Roboterarmmechanismus von 1.
- 3 ist eine Draufsicht des Roboterarmmechanismus von 1.
- 4 ist eine perspektivische Explosionszeichnung einer Verbindung von 1.
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Genaue Beschreibung
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Im Folgenden wird der Roboterarmmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden Komponenten, die im Wesentlichen dieselbe Funktion und Konfiguration besitzen, durch dasselbe Bezugszeichen bezeichnet und eine wiederholte Beschreibung wird lediglich gegebenenfalls angeführt.
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1, 2 und 3 zeigen eine Bezugslage eines Roboterarmmechanismus 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 1, 2 und 3 gezeigt ist, enthält der Roboterarmmechanismus 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Basis 10, die an einer Bodenfläche wie z. B. einer Fußbodenfläche angeordnet ist. Eine Verbindung 30 ist mit der Basis 10 mittels eines ersten Drehgelenks J1 verbunden, das eine erste Drehachse RA1 senkrecht zur Bodenebene besitzt. Speziell ist die Basis 10 mit der festen Seite eines ersten Untersetzungsgetriebes 20, das durch einen ersten Motor (der nicht gezeigt ist) angetrieben wird, verbunden und ist ein Ende der Verbindung 30 mit der drehenden Seite des ersten Untersetzungsgetriebes 20 verbunden. Durch das erste Untersetzungsgetriebe 20, das durch den ersten Motor angetrieben wird, wird ein Arm 50 um die erste Drehachse RA1 zusammen mit der Verbindung 30 in Bezug auf die Basis 10 gedreht. Der Arm 50 ist mit der Verbindung 30 mittels eines zweiten Drehgelenks J2 verbunden, das eine zweite Drehachse RA2 senkrecht zur ersten Drehachse RA1 besitzt. Speziell ist das weitere Ende der Verbindung 30 mit der festen Seite eines zweiten Untersetzungsgetriebes 40, das durch einen zweiten Motor (der nicht gezeigt ist) angetrieben wird, verbunden und ist ein Ende des Arms 50 mit der drehenden Seite des zweiten Untersetzungsgetriebes 40 verbunden. Durch das zweite Untersetzungsgetriebe 40, das durch den zweiten Motor angetrieben wird, wird der Arm 50 um die zweite Drehachse RA2 in Bezug auf die Verbindung 30 gedreht.
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In der folgenden Beschreibung wird eine Achse parallel zu der ersten Drehachse RA1 des Roboterarmmechanismus 1 als eine Z-Achse bezeichnet, wird eine Achse parallel zu der zweiten Drehachse RA2 des Roboterarmmechanismus 1 in der Bezugslage als eine X-Achse bezeichnet und wird eine Achse senkrecht zu der ersten Drehachse RA1 und der zweiten Drehachse RA2 als eine Y-Achse bezeichnet, wie jeweils anwendbar ist.
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Im Roboterarmmechanismus 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind mehrere Drehmomentsensoren in der Verbindung 30 zwischen dem ersten Drehgelenk J1 am nächsten zur Basis 10 und dem zweiten Drehgelenk J2 benachbart zum ersten Drehgelenk J1 vorgesehen. Hier enthält die Verbindung 30 vier Verbindungsabschnitte 31, 33, 35, 37 und sind drei Drehmomentsensoren 61, 63, 65 in dieser Verbindung 30 verteilt. Die vier Verbindungsabschnitte 31, 33, 35, 37 werden der Reihe nach von der Seite, die von der Basis 10 entfernt ist, d. h. der Seite in der Nähe der Spitze des Roboterarmmechanismus 1, als ein erster Verbindungsabschnitt 31, ein zweiter Verbindungsabschnitt 33, ein dritter Verbindungsabschnitt 35 und ein vierter Verbindungsabschnitt 37 bezeichnet. Die drei Drehmomentsensoren 61, 63, 65 werden der Reihe nach von der Seite, die von der Basis 10 entfernt ist, als ein erster Drehmomentsensor 61, ein zweiter Drehmomentsensor 63 und ein dritter Drehmomentsensor 65 bezeichnet.
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Jeder Drehmomentsensor, der hier verwendet wird, besitzt eine dünne zylindrische Form und detektiert ein Drehmoment um seine Zylindermittelachse (die im Folgenden als eine Detektionsachse bezeichnet wird). Der Drehmomentsensor kann keine Kraftkomponenten, die die Detektionsachse senkrecht schneiden, oder Kraftkomponenten in Richtung der Detektionsachse detektieren. Der Drehmomentsensor ist zwischen zwei Elementen vorgesehen und gibt einen Drehmomentwert aus, der einem Winkel entspricht, um den ein Element um die Detektionsachse in Bezug auf das weitere Element verdreht ist. Ein Vergleich dieses Drehmomentwerts mit einem vorgegebenen Schwellenwert ermöglicht die Detektion einer Drehung. Als ein Verfahren zum Detektieren eines Drehmoments kann ein bekanntes Verfahren wie z. B. von einem Kapazitätstyp oder einem Dehnungsmessvorrichtungstyp angewendet werden.
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Ein Merkmal des Roboterarmmechanismus 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist, dass die Drehmomentsensoren 61, 63, 65 in der Verbindung 30 zwischen dem ersten Drehgelenk J1 und dem zweiten Drehgelenk J2 vorgesehen sind. Im Vergleich mit dem Fall, in dem ein Drehmomentsensor im zweiten Drehgelenk J2 untergebracht ist, kann der Freiheitsgrad der Anordnung der Teile, die im zweiten Drehgelenk J2 untergebracht sind, wie z. B. ein Motor zum Antreiben des zweiten Drehgelenks J2 und ein Untersetzungsgetriebe verbessert werden und können eine Verringerung von Teilekosten, eine Verringerung von Herstellungskosten und eine Verringerung von Verdrahtungsfehlern aufgrund einer einfacheren Verdrahtung erwartet werden. Ferner können, da es nicht nötig ist, einen Drehmomentsensor im zweiten Drehgelenk J2 unterzubringen, die Größe und das Gewicht des zweiten Drehgelenk J2 selbst verringert werden und kann erwartet werden, dass Teile näher bei der Basis als das zweite Drehgelenk J2 durch Teile ersetzt werden, die eine geringere Steifigkeit besitzen.
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Zusätzlich können durch Bereitstellen der Drehmomentsensoren 61, 63, 65 in der Verbindung 30 die Drehmomentsensoren mit einer einfacheren Struktur versiegelt werden, als wenn die Drehmomentsensoren im zweiten Drehgelenk J2 untergebracht sind oder dergleichen, weil sich die Verbindung 30 selbst nicht bewegt, auch wenn das erste Drehgelenk J1 und das zweite Drehgelenk J2 angetrieben werden, was zu einem verbesserten Versiegelungsverhalten, einer Kostenverringerung und dergleichen beiträgt.
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Ferner kann durch Bereitstellen der Drehmomentsensoren 61, 63, 65 in der Verbindung 30, die mit dem ersten Drehgelenk J1 am nächsten zur Basis 10 verbunden ist, die Entfernung von der Spitze des Arms 50, was eine Stelle ist, bei der hauptsächlich eine Person oder ein Gegenstand häufig berührt wird, zu jedem Drehmomentsensor 61, 63, 65, der die Quelle der Drehmomentdetektion ist, erhöht werden. Entsprechend kann selbst dann, wenn die äußere Kraft, die auf die Spitze des Arms 50 ausgeübt wird, klein ist, das Kraftmoment, das auf jeden Drehmomentsensor 61, 63, 65 aufgebracht wird, wegen der großen Entfernung von der Spitze des Arms 50 zum Drehmomentsensor 61, 63, 65 erhöht werden. Das heißt, die Empfindlichkeit jedes Drehmomentsensors 61, 63, 65 kann erhöht werden und selbst eine geringe Berührung wie z. B. eine geringe Berührung an der Spitze des Arms 50 kann durch den Drehmomentsensor 61, 63, 65 detektiert werden, was zu einer Verbesserung der Sicherheit beiträgt.
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Die Wirkungen, die oben beschrieben sind, hängen nicht von der Anzahl von Drehmomentsensoren, die in der Verbindung vorgesehen sind, ab und mit einem Drehmomentsensor oder drei oder mehr Sensoren in der Verbindung können dieselben Wirkungen erhalten werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Roboterarmmechanismus 1, der zwei Drehgelenke besitzt, als Beispiel beschrieben, jedoch sind die Wirkungen noch größer, wenn die vorliegende Ausführungsform auf einen Roboterarmmechanismus angewendet wird, der mehrere Achsen wie z. B. vier Achsen, fünf Achsen oder sechs Achsen besitzt. Zum Beispiel ist in einem Roboterarmmechanismus, der sechs Gelenke besitzt, ein Drehmomentsensor in einer Verbindung zwischen einem ersten Gelenk am nächsten zu einer Basis und einem zweiten Gelenk benachbart zum ersten Gelenk unter mehreren Verbindungen installiert. Durch Bereitstellen des Drehmomentsensors in einer Verbindung auf der Seite in der Nähe der Basis 10 können in diesem Fall in der Verbindung zwischen dem ersten Gelenk und dem zweiten Gelenk Größe und Gewicht des zweiten Gelenks, des dritten Gelenks, des vierten Gelenks, des fünften Gelenks und des sechsten Gelenks, die sich näher bei der Spitze des Roboterarmmechanismus befinden als diese Verbindung, verringert werden. Da das Gewicht der Gelenke auf der Spitzenseite des Roboterarmmechanismus verringert werden kann, kann die Steifigkeit, die für jedes Teil wie z. B. eine Verbindung erforderlich ist, verringert werden und können die Teilekosten verringert werden. Selbstverständlich kann durch Anordnen eines Drehmomentsensors, wie oben beschrieben ist, die Entfernung von der Spitze des Arms zum Drehmomentsensor erhöht werden und kann die Empfindlichkeit, eine Berührung mit dem Arm zu detektieren, verbessert werden. In dem Roboterarmmechanismus, der sechs Gelenke besitzt, kann ein Drehmomentsensor in einer Verbindung zwischen einer Basis und einem ersten Gelenk, das der Basis am nächsten liegt, installiert sein.
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Die Anordnungskonfiguration der drei Drehmomentsensoren 61, 63, 65, die in der Verbindung 30 vorgesehen sind, werden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Wie in 4 gezeigt ist, ist ein Ende des vierten Verbindungsabschnitts 37, das einem Ende der Verbindung 30 entspricht, mit einem Drehabschnitt des ersten Drehgelenks J1 (des ersten Untersetzungsgetriebes 20) verbunden und ist ein Ende des ersten Verbindungsabschnitts 31, das dem weiteren Ende der Verbindung 30 entspricht, mit einem festen Abschnitt des zweiten Drehgelenks J2 (des zweiten Untersetzungsgetriebes 40) verbunden.
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Der erste Verbindungsabschnitt 31 ist an den zweiten Verbindungsabschnitt 33 mittels des ersten Drehmomentsensors 61 gekoppelt. Der erste Drehmomentsensor 61 ist derart angeordnet, dass seine erste Detektionsachse DA1 parallel zur zweiten Drehachse RA2 ist. Der erste Drehmomentsensor 61 gibt einen Drehmomentwert aus, der einem Winkel entspricht, um den der erste Verbindungsabschnitt 31 um die erste Detektionsachse DA1 in Bezug auf den zweiten Verbindungsabschnitt 33 verdreht ist.
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Der zweite Verbindungsabschnitt 33 ist an den dritten Verbindungsabschnitt 35 mittels des zweiten Drehmomentsensors 63 gekoppelt. Der zweite Drehmomentsensor 63 ist derart angeordnet, dass seine zweite Detektionsachse DA2 parallel zur ersten Drehachse RA1 ist. Der zweite Drehmomentsensor 63 gibt einen Drehmomentwert aus, der einem Winkel entspricht, um den der zweite Verbindungsabschnitt 33 um die zweite Detektionsachse DA2 in Bezug auf den dritten Verbindungsabschnitt 35 verdreht ist.
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Der dritte Verbindungsabschnitt 35 ist an den vierten Verbindungsabschnitt 37 mittels des dritten Drehmomentsensors 65 gekoppelt. Der dritte Drehmomentsensor 65 ist derart angeordnet, dass seine dritte Detektionsachse DA3 parallel zu einer Ebene (der XY-Ebene) senkrecht zur ersten Drehachse RA1 ist, und ist in einem Winkel kleiner als 90 Grad in Bezug auf die zweite Drehachse RA2 geneigt. Um die Positionsbeziehung zwischen den Detektionsachsen zu erläutern, ist der dritte Drehmomentsensor 65 derart angeordnet, dass seine dritte Detektionsachse DA3 senkrecht zur zweiten Detektionsachse DA2 ist und die dritte Detektionsachse DA3 in einem Winkel kleiner als 90 Grad in Bezug auf die erste Detektionsachse DA1 geneigt ist. Der dritte Drehmomentsensor 65 gibt einen Drehmomentwert aus, der einem Winkel entspricht, um den der dritte Verbindungsabschnitt 35 um die dritte Detektionsachse DA3 in Bezug auf den vierten Verbindungsabschnitt 37 verdreht ist.
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Durch Anordnen der Drehmomentsensoren 61, 63, 65 derart, dass die Detektionsachsen die oben beschriebene Positionsbeziehung besitzen, können die erste Detektionsachse DA1 und die zweite Detektionsachse DA2 zu zwei Achsen (der X-Achse bzw. der Z-Achse) der drei orthogonalen Achsen entsprechend parallel gestaltet werden und kann die dritte Detektionsachse DA3 in einem Winkel kleiner als 90 Grad in Bezug auf die eine verbleibende Achse (die Y-Achse) der drei orthogonalen Achsen geneigt sein. Auf diese Weise können durch Anordnen des ersten Drehmomentsensors 61, des zweiten Drehmomentsensors 63 und des dritten Drehmomentsensors 65 derart, dass die erste Detektionsachse DA1, die zweite Detektionsachse DA2 und die dritte Detektionsachse DA3 nicht parallel zueinander sind, d. h. durch ihr Anordnen in einer verdrehten oder sich schneidenden Positionsbeziehung, der erste Drehmomentsensor 61, der zweite Drehmomentsensor 63 und der dritte Drehmomentsensor 65 Drehmomente um verschiedene Achsen detektieren und können der Bereich und die Richtung, in denen eine Berührung einer Person oder eines Gegenstands mit dem Roboterarmmechanismus 1, insbesondere dem Arm 50 detektiert werden kann, erweitert werden.
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Ferner können durch Anordnen des ersten Drehmomentsensors 61 und des zweiten Drehmomentsensors 63 derart, dass die erste Detektionsachse DA1 senkrecht zur zweiten Detektionsachse DA2 ist, die Richtung des Drehmoments, das durch den ersten Drehmomentsensor 61 detektierbar ist, und die Richtung des Drehmoments, das durch den zweiten Drehmomentsensor 63 detektierbar ist, orthogonal zueinander gestaltet werden. Dies ermöglicht den Bereich und die Richtung, in denen eine Berührung mit dem Arm 50 oder dergleichen detektiert werden kann, zu erweitern, wodurch die Sicherheit des Roboterarmmechanismus 1 verbessert wird.
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Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Person oder ein Gegenstand den Arm 50 oder dergleichen unbeabsichtigt berührt, ist höher, wenn der Roboterarmmechanismus 1 in Betrieb ist, als wenn der Roboterarmmechanismus 1 ortsfest ist. Durch Anordnen des ersten Drehmomentsensors 61 derart, dass die erste Detektionsachse DA1 parallel zur zweiten Drehachse RA2 des zweiten Drehgelenks J2 ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann der erste Drehmomentsensor 61 eine Berührung mit dem Arm 50 oder dergleichen während der Drehoperation um die zweite Drehachse RA2 mit hoher Empfindlichkeit detektieren. Ähnlich kann durch Anordnen des zweiten Drehmomentsensors 63 derart, dass die zweite Detektionsachse DA2 parallel zur ersten Drehachse RA1 des ersten Drehgelenks J1 ist, der zweite Drehmomentsensor 63 eine Berührung mit dem Arm 50 oder dergleichen während der Drehoperation um die erste Drehachse RA1 mit hoher Empfindlichkeit detektieren. Diese trägt zur Verbesserung der Sicherheit des Roboterarmmechanismus 1 bei.
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Es ist auch ein Merkmal, dass in der vorliegenden Ausführungsform der erste Drehmomentsensor 61 und der zweite Drehmomentsensor 63 derart angeordnet sind, dass die erste Detektionsachse DA1 und die zweite Detektionsachse DA2 zu zwei Achsen (der X-Achse bzw. der Z-Achse) der drei orthogonalen Achsen entsprechend parallel sind, und der dritte Drehmomentsensor 65 derart angeordnet ist, dass die dritte Detektionsachse DA3 zu der einen verbleibenden Achse (der Y-Achse) der drei orthogonalen Achsen nicht parallel ist. In der vorliegenden Ausführungsform kann durch Anordnen des dritten Drehmomentsensors 65 derart, dass die dritte Detektionsachse DA3 zur zweiten Detektionsachse DA2 senkrecht ist und in einem Winkel kleiner als 90 Grad in Bezug auf die erste Detektionsachse DA1 geneigt ist, der dritte Drehmomentsensor 65 nicht nur das Drehmoment um die Y-Achse, das durch den ersten Drehmomentsensor 61 oder den zweiten Drehmomentsensor 63 nicht detektiert werden kann, sondern auch das Drehmoment um die X-Achse detektieren. Das heißt, die Drehmomente um die drei orthogonalen Achsen können durch die drei Drehmomentsensoren 61, 63, 65 detektiert werden und das Drehmoment um die X-Achse kann sowohl durch den ersten Drehmomentsensor 61 als auch den dritten Drehmomentsensor 65 detektiert werden. Statt des Anordnens von drei Drehmomentsensoren derart, dass die Detektionsachsen zu den drei orthogonalen Achsen entsprechend parallel sind, ist einer der Drehmomentsensoren derart angeordnet, dass die Detektionsachse in einem Winkel kleiner als 90 Grad in Bezug auf eine weitere Detektionsachse geneigt ist, wodurch ermöglicht wird, dass zwei Drehmomentsensoren das Drehmoment um eine bestimmte Achse detektieren, während eine Detektion der Drehmomente um die drei orthogonalen Achsen ermöglicht wird. Zum Beispiel kann durch Einrichten der Achse des Drehmoments, das durch zwei Drehmomentsensoren detektiert wird, zu der Achse mit einer hohen Drehmomentdetektionsfrequenz, d. h. einer hohen Berührungsfrequenz, die Berührungsdetektionsgenauigkeit verbessert werden.
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Es ist festzuhalten, dass die Beschreibung oben nicht bestreitet, dass die drei Drehmomentsensoren 61, 63, 65 derart angeordnet sind, dass ihre Detektionsachsen zu den drei orthogonalen Achsen entsprechend parallel sind. Zusätzlich können dann, wenn zwei statt drei Drehmomentsensoren vorgesehen sind, diese derart vorgesehen sein, dass die Detektionsachsen der zwei Drehmomentsensoren nicht parallel zueinander, z. B. orthogonal zueinander, sind. Wenn vier oder mehr Sensoren vorgesehen sind, können diese derart vorgesehen sein, dass die Detektionsachsen von drei Drehmomentsensoren zu den drei orthogonalen Achsen entsprechend parallel sind und die Detektionsachse des einen verbleibenden Drehmomentsensors zu den weiteren drei Detektionsachsen nicht parallel ist.
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Während einige Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen als Beispiele präsentiert und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Diese Ausführungsformen können in verschiedenen weiteren Formen implementiert werden und verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Diese Ausführungsformen und ihre Abwandlungen sind im Umfang und Geist der Erfindung enthalten und sind im Umfang der beanspruchten Erfindungen und ihrer Entsprechungen enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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