JP2004347548A - 荷重検出システム - Google Patents
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Abstract
【課題】従来より実際に近い荷重を検出することができる偏心揺動型減速機を提供すること。
【解決手段】荷重検出システムは、偏心揺動型減速機１００と、偏心揺動型減速機１００に加わる荷重を算出する荷重算出部３２０とを備え、偏心揺動型減速機１００は、内周に内歯を有したケースと、ケースに回転可能に支持された支持体と、内歯に噛み合う外歯を外周に有した外歯歯車と、支持体及び外歯歯車に回転可能に支持されて外部から入力される回転運動に応じてケースに対して外歯歯車を偏心回転させるクランク軸と、支持体に貼られた歪みゲージとを有し、荷重算出部３２０は、ケース及び支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に偏心揺動型減速機１００に加わる荷重と、回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機１００に加わる荷重との少なくとも一方を歪みゲージの出力に基づいて算出する。
【選択図】 図２
【解決手段】荷重検出システムは、偏心揺動型減速機１００と、偏心揺動型減速機１００に加わる荷重を算出する荷重算出部３２０とを備え、偏心揺動型減速機１００は、内周に内歯を有したケースと、ケースに回転可能に支持された支持体と、内歯に噛み合う外歯を外周に有した外歯歯車と、支持体及び外歯歯車に回転可能に支持されて外部から入力される回転運動に応じてケースに対して外歯歯車を偏心回転させるクランク軸と、支持体に貼られた歪みゲージとを有し、荷重算出部３２０は、ケース及び支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に偏心揺動型減速機１００に加わる荷重と、回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機１００に加わる荷重との少なくとも一方を歪みゲージの出力に基づいて算出する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットなどの機械に使用される偏心揺動型減速機に加わる荷重を検出する荷重検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、減速機に加わる荷重を検出する荷重検出システムとして、減速機の回転軸を中心とした回転方向に減速機に加わる荷重を、減速機に回転運動を入力するモータの電流に基づいて算出するものが知られている（例えば、特許文献１、２及び３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５９−１２９６８２号公報（第２頁）
【０００４】
【特許文献２】
特開昭６２−２９２５４４号公報（第２頁、第２図）
【０００５】
【特許文献３】
特開平８−２５２６０号公報（第３−４頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の荷重検出システムにおいては、減速機に加わる荷重をモータの電流に基づいて間接的に検出するので、実際に減速機に加わる荷重に加え、減速機自体の効率やモータ自体の効率などによって生じる荷重をも、減速機に加わる荷重として検出するという問題が有った。
【０００７】
そこで、本発明は、従来より実際に近い荷重を検出することができる荷重検出システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の荷重検出システムは、偏心揺動型減速機と、前記偏心揺動型減速機に加わる荷重を算出する荷重算出手段とを備え、前記偏心揺動型減速機は、内周に内歯を有したケースと、前記ケースに回転可能に支持された支持体と、前記内歯に噛み合う外歯を外周に有した外歯歯車と、前記支持体及び前記外歯歯車に回転可能に支持されて外部から入力される回転運動に応じて前記ケースに対して前記外歯歯車を偏心回転させるクランク軸と、前記支持体に貼られた歪みゲージとを有し、前記荷重算出手段は、前記ケース及び前記支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機に加わる荷重と、前記回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機に加わる荷重との少なくとも一方を前記歪みゲージの出力に基づいて算出する構成を有している。
【０００９】
この構成により、本発明の荷重検出システムは、偏心揺動型減速機の支持体に貼られた歪みゲージの出力に基づいて偏心揺動型減速機に加わる荷重を検出するので、従来より実際に近い荷重を検出することができる。
【００１０】
また、本発明の荷重検出システムは、前記支持体は、前記ケースに回転可能に支持されて互いに離隔した複数の支持部と、前記複数の支持部を連結する連結部とを有し、前記歪みゲージは、前記連結部に複数貼られた構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の荷重検出システムは、ケース及び支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に偏心揺動型減速機に加わる荷重（以下「トルク荷重」という。）と、回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に偏心揺動型減速機に加わる荷重（以下「モーメント荷重」という。）との両方が作用する連結部に歪みゲージが複数貼られているので、偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重及びモーメント荷重を同時に検出することができる。
【００１２】
また、本発明のモータ制御システムは、荷重検出システムと、前記クランク軸に回転運動を入力するモータと、前記荷重算出手段によって算出された前記荷重に基づいて前記モータを制御するモータ制御手段とを備えた構成を有している。
【００１３】
この構成により、本発明のモータ制御システムは、従来より実際に近く検出された荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で機械を動作させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
【００１６】
まず、本発明の第１の実施の形態に係る産業用ロボットの構成について説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態に係る産業用ロボット１０は、地面２１に固定された台座３１と、アーム３２〜３７と、台座３１及びアーム３２を回転可能に連結した関節部４１と、アーム３２及び３３を回転可能に連結した関節部４２と、アーム３３及び３４を回転可能に連結した関節部４３と、アーム３４及び３５を回転可能に連結した関節部４４と、アーム３５及び３６を回転可能に連結した関節部４５と、アーム３６及び３７を回転可能に連結した関節部４６とを備えている。
【００１８】
ここで、関節部４１の回転軸の延在方向は、台座３１の延在方向、及び、アーム３２のうち関節部４１と連結している部分の延在方向と略同一である。関節部４２の回転軸の延在方向は、アーム３２のうち関節部４２と連結している部分の延在方向、及び、アーム３３の延在方向と略直交している。関節部４３の回転軸の延在方向は、アーム３３の延在方向、及び、アーム３４の延在方向と略直交している。関節部４４の回転軸の延在方向は、アーム３４の延在方向、及び、アーム３５の延在方向と略同一である。関節部４５の回転軸の延在方向は、アーム３５の延在方向、及び、アーム３６の延在方向と略直交している。関節部４６の回転軸の延在方向は、アーム３６の延在方向、及び、アーム３７のうち関節部４６と連結している部分の延在方向と略同一である。
【００１９】
なお、関節部４１〜４６は、図２に示すように、図示していない２本のアームを回転可能に連結した偏心揺動型減速機１００と、偏心揺動型減速機１００に回転運動を入力するモータ３１１と、偏心揺動型減速機１００の回転角度を検出するエンコーダ３１２とをそれぞれ備えている。
【００２０】
また、産業用ロボット１０は、偏心揺動型減速機１００に加わる荷重を算出する荷重算出手段としての荷重算出部３２０を関節部４１〜４６毎に備えている。即ち、偏心揺動型減速機１００及び荷重算出部３２０は、本発明の荷重検出システムを構成している。
【００２１】
また、産業用ロボット１０は、エンコーダ３１２によって検出される偏心揺動型減速機１００の回転角度と実際の回転角度との差（以下「角度差」という。）を荷重算出部３２０によって算出された荷重に基づいて算出する角度差算出部３３０と、外部から入力される偏心揺動型減速機１００の目標の回転角度、エンコーダ３１２によって検出された偏心揺動型減速機１００の回転角度、及び、角度差算出部３３０によって算出された角度差に基づいてモータ３１１に供給する電流を算出する供給電流算出部３４０と、供給電流算出部３４０によって算出された電流をモータ３１１に供給する電流供給部３５０とを関節部４１〜４６毎に備えている。即ち、角度差算出部３３０、供給電流算出部３４０及び電流供給部３５０は、荷重算出部３２０によって算出された荷重に基づいてモータ３１１を制御するモータ制御手段を構成しており、偏心揺動型減速機１００、モータ３１１、エンコーダ３１２、荷重算出部３２０、角度差算出部３３０、供給電流算出部３４０及び電流供給部３５０は、本発明のモータ制御システムを構成している。
【００２２】
また、偏心揺動型減速機１００は、図３及び図４に示すように、ピンで形成された内歯１１０ａを内周に有したケース１１０を備えている。ここで、ケース１１０は、内歯１１０ａを有した筒状部１１１と、筒状部１１１の内部を覆う蓋部１１２と、蓋部１１２を筒状部１１１に固定した複数のボルト１１３とを有している。また、ケース１１０には、偏心揺動型減速機１００によって互いに回転可能に連結される２本のアームのうちの１本が連結されている。
【００２３】
また、偏心揺動型減速機１００は、ケース１１０に収納された玉軸受１２１及び１２２と、玉軸受１２１及び１２２を介してケース１１０に回転可能に支持された支持体１３０と、ケース１１０の内歯１１０ａに噛み合う外歯１４１ａを外周に有した外歯歯車１４１と、ケース１１０の内歯１１０ａに噛み合う外歯１４２ａを外周に有した外歯歯車１４２と、玉軸受１２１及び１２２に軸方向の予圧を付与するディスタンスピース１２３とを備えている。
【００２４】
ここで、支持体１３０は、玉軸受１２１を介してケース１１０に回転可能に支持された支持部１３２を有した支持部材１３１と、玉軸受１２２を介してケース１１０に回転可能に支持されて支持部１３２と離隔した支持部１３６と、支持部材１３１に対して支持部１３６の位置決めを行う複数のピン１３７と、支持部１３６を支持部材１３１に固定した複数のボルト１３８とを有している。また、支持部材１３１は、図５及び図６に示すように、支持部１３２及び支持部１３６を連結する３つの連結部１３３、１３４及び１３５を有しており、連結部１３３、１３４及び１３５は、それぞれ複数の平坦部１３３ａ、１３４ａ及び１３５ａを有している。
【００２５】
なお、支持体１３０には、偏心揺動型減速機１００によって互いに回転可能に連結される２本のアームのうち、ケース１１０に連結されていない方のアームが連結されている。
【００２６】
また、図３及び図４に示すように、偏心揺動型減速機１００は、支持体１３０に収納されたころ軸受１５０及び１５１と、外歯歯車１４１に収納されたころ軸受１５２と、外歯歯車１４２に収納されたころ軸受１５３と、支持体１３０に対するころ軸受１５０〜１５３の軸方向の移動を規制する止め輪１５４、止め輪１５５、ワッシャ１５６及びワッシャ１５７と、ころ軸受１５０〜１５３を介して支持体１３０、外歯歯車１４１及び外歯歯車１４２に回転可能に支持されたクランク軸１６１と、クランク軸１６１に回転方向に固定された平歯車１７１と、クランク軸１６１に対する平歯車１７１の軸方向の移動を規制する止め輪１５８及び１５９とを備えている。同様に、偏心揺動型減速機１００は、支持体１３０、外歯歯車１４１及び外歯歯車１４２に回転可能に支持されたクランク軸１６２及び１６３と、クランク軸１６２及び１６３に回転方向及び軸方向にそれぞれ固定された平歯車１７２及び１７３とを備えている。
【００２７】
また、偏心揺動型減速機１００は、支持体１３０に収納された玉軸受１８１と、玉軸受１８１を介して支持体１３０に回転可能に支持されて外部のモータ３１１（図２参照）から回転運動が入力される入力軸１９０と、支持体１３０に対する玉軸受１８１の軸方向の移動を規制する止め輪１８２及び１８３と、入力軸１９０に対する玉軸受１８１の軸方向の移動を規制する止め輪１８４及び１８５とを備えている。ここで、入力軸１９０は、外部のモータ３１１から回転運動が入力される入力部１９０ａを一端に有しているとともに、平歯車１７１、１７２及び１７３に噛み合うピニオン１９０ｂを他端に有しており、外部のモータ３１１から入力される回転運動をピニオン１９０ｂ及び平歯車１７１、１７２及び１７３を介してクランク軸１６１、１６２及び１６３に伝達するようになっている。即ち、クランク軸１６１、１６２及び１６３は、入力軸１９０と、平歯車１７１、１７２及び１７３とを介して外部のモータ３１１から入力される回転運動に応じてケース１１０に対して外歯歯車１４１及び１４２を偏心回転させるようになっている。
【００２８】
また、偏心揺動型減速機１００は、ケース１１０、支持体１３０及び入力軸１９０に囲まれた空間に潤滑剤が入れられており、ケース１１０及び支持体１３０の間から潤滑剤が漏洩することを防止するオイルシール２０１と、支持体１３０及び入力軸１９０の間から潤滑剤が漏洩することを防止するオイルシール２０２とを備えている。
【００２９】
また、偏心揺動型減速機１００は、図５及び図６に示すように、支持体１３０（図３参照）の連結部１３３の平坦部１３３ａに貼られた歪みゲージ２１１及び２１２と、支持体１３０の連結部１３４の平坦部１３４ａに貼られた歪みゲージ２１３及び２１４と、支持体１３０の連結部１３５の平坦部１３５ａに貼られた歪みゲージ２１５及び２１６とを備えている。ここで、歪みゲージ２１１〜２１６には、偏心揺動型減速機１００の内部の潤滑剤から保護するためのコーティングが施されている。また、支持体１３０の支持部１３２には、歪みゲージ２１１〜２１６の出力を伝達する電線２１７を偏心揺動型減速機１００の内部から外部に出すための複数の穴１３２ａが形成されており、電線２１７が通された穴１３２ａは、偏心揺動型減速機１００の内部の潤滑剤が偏心揺動型減速機１００の外部に漏洩することを防止するために、エポキシ系樹脂などの樹脂で埋められている。
【００３０】
なお、支持体１３０は、歪みゲージ２１１〜２１６の電線２１７が断線しないように、荷重算出部３２０（図２参照）に対して相対的に自転しないようになっている。
【００３１】
また、図３及び図４に示すように、荷重算出部３２０（図２参照）は、ケース１１０及び支持体１３０が相対的に回転するときの回転軸２２１を中心とした矢印２２２で示す回転方向に偏心揺動型減速機１００に加わる荷重、即ち、トルク荷重と、回転軸２２１に直交する軸を中心とした回転方向（例えば軸２２３を中心とした矢印２２４で示す回転方向）に偏心揺動型減速機１００に加わる荷重、即ち、モーメント荷重とを歪みゲージ２１１〜２１６の出力に基づいて算出するようになっている。
【００３２】
以下、荷重算出部３２０によるモーメント荷重及びトルク荷重の算出方法について説明する。
【００３３】
歪みゲージ２１１、２１２が貼られた部分に発生する応力をそれぞれσ１、σ２とし、σ１及びσ２に基づいて算出されるトルク荷重をＴＡ１とし、σ１及びσ２に基づいて算出されるモーメント荷重をＭＡ１とし、ＴＡ１に乗じられることでσ１のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ１とし、ＴＡ１に乗じられることでσ２のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ２とし、支持体１３０に加わるモーメント荷重の回転軸２２１を中心とした作用角をφとし、ＭＡ１に乗じられることでσ１のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ１（φ）とし、ＭＡ１に乗じられることでσ２のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ２（φ）とすると、σ１、σ２、ＴＡ１、ＭＡ１、Ｔ１、Ｔ２、Ｍ１（φ）及びＭ２（φ）の間で数１に示す関係が成り立つ。なお、Ｍ１（φ）やＭ２（φ）がφの関数であるのは、σ１のうちモーメント荷重に起因する応力や、σ２のうちモーメント荷重に起因する応力がケース１１０及び支持体１３０の相対回転に応じて変化するためである。
【数１】
ここで、数１から数２及び数３に示す関係が成り立つ。
【数２】
【数３】
また、歪みゲージ２１３、２１４が貼られた部分に発生する応力をそれぞれσ３、σ４とし、σ３及びσ４に基づいて算出されるトルク荷重をＴＡ２とし、σ３及びσ４に基づいて算出されるモーメント荷重をＭＡ２とし、ＴＡ２に乗じられることでσ３のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ３とし、ＴＡ２に乗じられることでσ４のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ４とし、ＭＡ２に乗じられることでσ３のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ３（φ）とし、ＭＡ２に乗じられることでσ４のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ４（φ）とすると、σ３、σ４、ＴＡ２、ＭＡ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｍ３（φ）及びＭ４（φ）の間で数４に示す関係が成り立つ。なお、Ｍ３（φ）やＭ４（φ）がφの関数であるのは、σ３のうちモーメント荷重に起因する応力や、σ４のうちモーメント荷重に起因する応力がケース１１０及び支持体１３０の相対回転に応じて変化するためである。
【数４】
ここで、数４から数５及び数６に示す関係が成り立つ。
【数５】
【数６】
また、歪みゲージ２１５、２１６が貼られた部分に発生する応力をそれぞれσ５、σ６とし、σ５及びσ６に基づいて算出されるトルク荷重をＴＡ３とし、σ５及びσ６に基づいて算出されるモーメント荷重をＭＡ３とし、ＴＡ３に乗じられることでσ５のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ５とし、ＴＡ３に乗じられることでσ６のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ６とし、ＭＡ３に乗じられることでσ５のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ５（φ）とし、ＭＡ３に乗じられることでσ６のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ６（φ）とすると、σ５、σ６、ＴＡ３、ＭＡ３、Ｔ５、Ｔ６、Ｍ５（φ）及びＭ６（φ）の間で数７に示す関係が成り立つ。なお、Ｍ５（φ）やＭ６（φ）がφの関数であるのは、σ５のうちモーメント荷重に起因する応力や、σ６のうちモーメント荷重に起因する応力がケース１１０及び支持体１３０の相対回転に応じて変化するためである。
【数７】
ここで、数７から数８及び数９に示す関係が成り立つ。
【数８】
【数９】
なお、ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３は理論上同一の値になるので、ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３が互いに最も近い値のときのφが、モーメント荷重の実際の作用角に最も近い。同様に、ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３は理論上同一の値になるので、ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３が互いに最も近い値のときのφが、モーメント荷重の実際の作用角に最も近い。即ち、数１０に示す関数δ（φ）が最小値をとるときのφが、モーメント荷重の実際の作用角に最も近い。
【数１０】
したがって、荷重算出部３２０は、数２、３、５、６、８、９、１０に基づいて関数δ（φ）が最小値をとるときのφを算出することによって、モーメント荷重の実際の作用角に最も近いφを算出するようになっている。ここで、荷重算出部３２０は、歪みゲージ２１１〜２１６の出力に基づいてσ１〜σ６をそれぞれ算出することができる。また、Ｔ１〜Ｔ６、Ｍ１（φ）〜Ｍ６（φ）は、それぞれ荷重試験によって予め測定されている。
【００３４】
次いで、荷重算出部３２０は、算出したφに基づいて、数２、３、５、６、８、９からＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３を算出するようになっている。
【００３５】
最後に、荷重算出部３２０は、算出したＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３に基づいて、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重であるＴと、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重であるＭとを数１１及び数１２から算出するようになっている。
【数１１】
【数１２】
次に、本実施の形態に係る産業用ロボットの動作について説明する。
【００３６】
図１に示すように、産業用ロボット１０は、アーム３７の先端に製品やスポットガンなどのワーク１１を持っていてワーク１１によって矢印１１ａで示す荷重が加えられているとき、関節部４１、４４、４６の偏心揺動型減速機１００にモーメント荷重が作用し、関節部４２、４３、４５の偏心揺動型減速機１００にトルク荷重が作用する。
【００３７】
ここで、産業用ロボット１０が図７に実線で示す状態になるように、関節部４１〜４６毎に備えられた供給電流算出部３４０に偏心揺動型減速機１００の目標の回転角度が外部からそれぞれ入力されると、関節部４２に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されない場合、関節部４２の偏心揺動型減速機１００のトルク荷重による変形によって産業用ロボット１０は図７に点線で示す状態になる。
【００３８】
しかしながら、実際には、関節部４２に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されるので、産業用ロボット１０は図７に実線で示す目標の状態になることができる。
【００３９】
なお、以上においては関節部４２について説明したが、関節部４３、４５についても同様である。
【００４０】
また、産業用ロボット１０が図８に実線で示す状態になるように、関節部４１〜４６毎に備えられた供給電流算出部３４０に偏心揺動型減速機１００の目標の回転角度が外部からそれぞれ入力されると、関節部４４に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されない場合、関節部４４の偏心揺動型減速機１００のモーメント荷重による変形によって産業用ロボット１０は図８に点線で示す状態になる。
【００４１】
しかしながら、実際には、関節部４４に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されるので、産業用ロボット１０は図８に実線で示す目標の状態になることができる。
【００４２】
なお、以上においては関節部４４について説明したが、関節部４１、４６についても同様である。
【００４３】
以上に説明したように、本実施の形態に係る荷重検出システムは、偏心揺動型減速機１００の支持体１３０に貼られた歪みゲージ２１１〜２１６の出力に基づいて偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重を検出するので、従来より実際に近い荷重を検出することができる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重の両方が作用する支持体１３０の連結部１３３〜１３５に複数の歪みゲージ２１１〜２１６が貼られているので、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重を同時に検出することができる。
【００４５】
なお、連結部１３３〜１３５のうち支持部１３２又は１３６の近傍の部分には特に応力が集中するので、連結部１３３〜１３５のうち支持部１３２又は１３６の近傍の部分に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られている場合、連結部１３３〜１３５のうち支持部１３２又は１３６の近傍以外の部分に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られている場合と比較して、本実施の形態に係る荷重検出システムは、実際に近いトルク荷重及びモーメント荷重を検出することができる。
【００４６】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムは、従来より実際に近く検出されたトルク荷重及びモーメント荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で産業用ロボット１０を動作させることができる。したがって、産業用ロボット１０は、例えばオフラインティーチングを行ったとしても、従来の産業用ロボットより高精度で動作することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態に係るモータ制御システムは、産業用ロボット１０に備えられているが、産業用ロボット１０以外の機械に備えられていても良い。
【００４８】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、モータ制御システムに備えられているが、モータの制御以外の用途に使用されても良い。例えば、本実施の形態に係る荷重検出システムは、組立ロボットによるトルクの制御や、計測ロボットによる計測など、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重の情報を利用可能な様々な用途に使用されることができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、支持体１３０の複数の連結部１３３〜１３５に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られており、歪みゲージ２１１〜２１６に応じて算出したＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３やＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３を平均して荷重算出部３２０がＴやＭを算出するので、１つの連結部に複数の歪みゲージが貼られている場合と比較して、高精度にトルク荷重やモーメント荷重を検出することができる。なお、本実施の形態に係る荷重検出システムは、支持体１３０の３つの連結部１３３〜１３５に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られているが、３つ以外の複数の連結部にそれぞれ複数の歪みゲージが貼られていても良いし、１つの連結部に複数の歪みゲージが貼られていても良い。
【００５０】
（第２の実施の形態）
【００５１】
本発明の第２の実施の形態に係るモータ制御システムについて説明する。
【００５２】
なお、本実施の形態に係るモータ制御システムの構成のうち第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同様である構成については、第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
本実施の形態に係るモータ制御システムの構成は、第１の実施の形態に係るモータ制御システムが、図９に示すように、歪みゲージ２１２〜２１６（図６参照）を備えていない構成と同様である。
【００５４】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムの荷重算出部３２０は、偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重を歪みゲージ２１１の出力に基づいて算出するようになっている。
【００５５】
以下、荷重算出部３２０によるトルク荷重の算出方法について説明する。
【００５６】
偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重であるＴに乗じられることでσ１が算出可能である荷重係数をＴ４とすると、σ１、Ｔ４、Ｔの間で数１３に示す関係が成り立つ。したがって、荷重算出部３２０は、σ１、Ｔ４に基づいて、数１３からＴを算出するようになっている。なお、Ｔ４は、荷重試験によって予め測定されている。
【数１３】
以上に説明したように、本実施の形態に係る荷重検出システムは、偏心揺動型減速機の支持体１３０（図３参照）の連結部１３３に貼られた歪みゲージ２１１の出力に基づいて偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重を検出するので、従来より実際に近いトルク荷重を検出することができる。
【００５７】
なお、連結部１３３のうち支持部１３２又は１３６（図３参照）の近傍の部分には特に応力が集中するので、連結部１３３のうち支持部１３２又は１３６の近傍の部分に歪みゲージ２１１が貼られている場合、連結部１３３のうち支持部１３２又は１３６の近傍以外の部分に歪みゲージ２１１が貼られている場合と比較して、本実施の形態に係る荷重検出システムは、実際に近いトルク荷重を検出することができる。
【００５８】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムは、従来より実際に近く検出されたトルク荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で機械を動作させることができる。
【００５９】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、モータ制御システムに備えられているが、モータの制御以外の用途に使用されても良い。例えば、本実施の形態に係る荷重検出システムは、組立ロボットによるトルクの制御や、計測ロボットによる計測など、偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重の情報を利用可能な様々な用途に使用されることができる。
【００６０】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、支持体１３０の連結部１３３に１つの歪みゲージ２１１が貼られているが、第１の実施の形態に係る荷重検出システムのように、連結部１３３〜１３５に貼られた歪みゲージが複数であって、その複数の歪みゲージに応じて算出したトルク荷重を平均して荷重算出部３２０がＴを算出するようにすれば、より高精度にトルク荷重を検出することができる。
【００６１】
（第３の実施の形態）
【００６２】
本発明の第３の実施の形態に係るモータ制御システムについて説明する。
【００６３】
なお、本実施の形態に係るモータ制御システムの構成のうち第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同様である構成については、第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６４】
本実施の形態に係るモータ制御システムの構成は、第１の実施の形態に係るモータ制御システムが偏心揺動型減速機１００（図３及び図４参照）に代えて図１０及び図１１に示す偏心揺動型減速機４００を備えた構成と同様である。
【００６５】
また、偏心揺動型減速機４００の構成は、支持体４３０及び歪みゲージ５１１〜５１３を、支持体１３０（図３参照）及び歪みゲージ２１１〜２１６（図６参照）に代えて偏心揺動型減速機１００が備えた構成と同様である。
【００６６】
また、支持体４３０の構成は、穴４３０ａを穴１３２ａ（図６参照）に代えて支持体１３０が形成した構成と同様である。
【００６７】
歪みゲージ５１１〜５１３は、同一円周上に等間隔に支持部１３６に貼られている。ここで、歪みゲージ５１１〜５１３には、偏心揺動型減速機４００の内部の潤滑剤から保護するためのコーティングが施されている。また、支持体４３０の穴４３０ａは、歪みゲージ５１１〜５１３の出力を伝達する電線５１４を偏心揺動型減速機４００の内部から外部に出すためのものであり、電線５１４が通された穴４３０ａは、偏心揺動型減速機４００の内部の潤滑剤が偏心揺動型減速機４００の外部に漏洩することを防止するために、エポキシ系樹脂などの樹脂で埋められている。
【００６８】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムの荷重算出部３２０は、偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重を歪みゲージ５１１〜５１３の出力に基づいて算出するようになっている。
【００６９】
以下、荷重算出部３２０によるモーメント荷重の算出方法について説明する。
【００７０】
歪みゲージ５１１〜５１３が貼られた部分に発生する応力をそれぞれσ７、σ８、σ９とし、σ７、σ８、σ９に基づいて算出されるモーメント荷重をそれぞれＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６とし、ＭＡ４に乗じられることでσ７が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ４（φ）とし、ＭＡ５に乗じられることでσ８が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ５（φ）とし、ＭＡ６に乗じられることでσ９が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ６（φ）とすると、σ７、ＭＡ４及びＭ４（φ）の間で数１４に示す関係が成り立ち、σ８、ＭＡ５及びＭ５（φ）の間で数１５に示す関係が成り立ち、σ９、ＭＡ６及びＭ６（φ）の間で数１６に示す関係が成り立つ。なお、Ｍ４（φ）やＭ５（φ）やＭ６（φ）がφの関数であるのは、σ７や、σ８や、σ９がケース１１０及び支持体４３０の相対回転に応じて変化するためである。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
なお、ＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６は理論上同一の値になるので、ＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６が互いに最も近い値のときのφが、モーメント荷重の実際の作用角に最も近い。即ち、数１７に示す関数δ（φ）が最小値をとるときのφが、モーメント荷重の実際の作用角に最も近い。
【数１７】
したがって、荷重算出部３２０は、数１４〜１７に基づいて関数δ（φ）が最小値をとるときのφを算出することによって、モーメント荷重の実際の作用角に最も近いφを算出するようになっている。ここで、荷重算出部３２０は、歪みゲージ５１１〜５１３の出力に基づいてσ７〜σ９をそれぞれ算出することができる。また、Ｍ７（φ）〜Ｍ９（φ）は、それぞれ荷重試験によって予め測定されている。
【００７１】
次いで、荷重算出部３２０は、算出したφに基づいて、数１４〜１６からＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６を算出するようになっている。
【００７２】
最後に、荷重算出部３２０は、算出したＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６に基づいて、偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重であるＭを数１８から算出するようになっている。
【数１８】
以上に説明したように、本実施の形態に係る荷重検出システムは、偏心揺動型減速機４００の支持体４３０に貼られた歪みゲージ５１１〜５１３の出力に基づいて偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重を検出するので、従来より実際に近いモーメント荷重を検出することができる。
【００７３】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムは、従来より実際に近く検出されたモーメント荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で機械を動作させることができる。
【００７４】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、モータ制御システムに備えられているが、モータの制御以外の用途に使用されても良い。例えば、本実施の形態に係る荷重検出システムは、計測ロボットによる計測など、偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重の情報を利用可能な様々な用途に使用されることができる。
【００７５】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、同一円周上に等間隔に支持体４３０に３つの歪みゲージ５１１〜５１３が貼られているが、同一円周上に等間隔に支持体４３０に３つ以外の複数の歪みゲージが貼られていても良い。
【００７６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、従来より実際に近い荷重を検出することができる偏心揺動型減速機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る産業用ロボットの概略側面図
【図２】図１に示す産業用ロボットのモータ制御システムのブロック図
【図３】図２に示すモータ制御システムの偏心揺動型減速機の側面断面図
【図４】図３のＡ矢視断面図
【図５】図３に示す偏心揺動型減速機の支持部材の側面図
【図６】図５に示す支持部材の正面図
【図７】図１に示す状態とは異なる状態での図１に示す産業用ロボットの概略側面図
【図８】図１及び図７に示す状態とは異なる状態での図１に示す産業用ロボットの概略側面図
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るモータ制御システムの支持部材の正面図
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るモータ制御システムの偏心揺動型減速機の側面断面図
【図１１】図１０のＢ矢視断面図
【符号の説明】
１００ 偏心揺動型減速機
１１０ ケース
１１０ａ 内歯
１３０ 支持体
１３２ 支持部
１３３、１３４、１３５ 連結部
１３６ 支持部
１４１ 外歯歯車
１４１ａ 外歯
１４２ 外歯歯車
１４２ａ 外歯
１６１〜１６３ クランク軸
２１１〜２１６ 歪みゲージ
２２１ 回転軸
２２３ 軸
３１１ モータ
３２０ 荷重算出部（荷重算出手段）
３３０ 角度差算出部（モータ制御手段）
３４０ 供給電流算出部（モータ制御手段）
３５０ 電流供給部（モータ制御手段）
４００ 偏心揺動型減速機
４３０ 支持体
５１１〜５１３ 歪みゲージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットなどの機械に使用される偏心揺動型減速機に加わる荷重を検出する荷重検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、減速機に加わる荷重を検出する荷重検出システムとして、減速機の回転軸を中心とした回転方向に減速機に加わる荷重を、減速機に回転運動を入力するモータの電流に基づいて算出するものが知られている（例えば、特許文献１、２及び３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５９−１２９６８２号公報（第２頁）
【０００４】
【特許文献２】
特開昭６２−２９２５４４号公報（第２頁、第２図）
【０００５】
【特許文献３】
特開平８−２５２６０号公報（第３−４頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の荷重検出システムにおいては、減速機に加わる荷重をモータの電流に基づいて間接的に検出するので、実際に減速機に加わる荷重に加え、減速機自体の効率やモータ自体の効率などによって生じる荷重をも、減速機に加わる荷重として検出するという問題が有った。
【０００７】
そこで、本発明は、従来より実際に近い荷重を検出することができる荷重検出システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の荷重検出システムは、偏心揺動型減速機と、前記偏心揺動型減速機に加わる荷重を算出する荷重算出手段とを備え、前記偏心揺動型減速機は、内周に内歯を有したケースと、前記ケースに回転可能に支持された支持体と、前記内歯に噛み合う外歯を外周に有した外歯歯車と、前記支持体及び前記外歯歯車に回転可能に支持されて外部から入力される回転運動に応じて前記ケースに対して前記外歯歯車を偏心回転させるクランク軸と、前記支持体に貼られた歪みゲージとを有し、前記荷重算出手段は、前記ケース及び前記支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機に加わる荷重と、前記回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機に加わる荷重との少なくとも一方を前記歪みゲージの出力に基づいて算出する構成を有している。
【０００９】
この構成により、本発明の荷重検出システムは、偏心揺動型減速機の支持体に貼られた歪みゲージの出力に基づいて偏心揺動型減速機に加わる荷重を検出するので、従来より実際に近い荷重を検出することができる。
【００１０】
また、本発明の荷重検出システムは、前記支持体は、前記ケースに回転可能に支持されて互いに離隔した複数の支持部と、前記複数の支持部を連結する連結部とを有し、前記歪みゲージは、前記連結部に複数貼られた構成を有している。
【００１１】
この構成により、本発明の荷重検出システムは、ケース及び支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に偏心揺動型減速機に加わる荷重（以下「トルク荷重」という。）と、回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に偏心揺動型減速機に加わる荷重（以下「モーメント荷重」という。）との両方が作用する連結部に歪みゲージが複数貼られているので、偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重及びモーメント荷重を同時に検出することができる。
【００１２】
また、本発明のモータ制御システムは、荷重検出システムと、前記クランク軸に回転運動を入力するモータと、前記荷重算出手段によって算出された前記荷重に基づいて前記モータを制御するモータ制御手段とを備えた構成を有している。
【００１３】
この構成により、本発明のモータ制御システムは、従来より実際に近く検出された荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で機械を動作させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
【００１６】
まず、本発明の第１の実施の形態に係る産業用ロボットの構成について説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態に係る産業用ロボット１０は、地面２１に固定された台座３１と、アーム３２〜３７と、台座３１及びアーム３２を回転可能に連結した関節部４１と、アーム３２及び３３を回転可能に連結した関節部４２と、アーム３３及び３４を回転可能に連結した関節部４３と、アーム３４及び３５を回転可能に連結した関節部４４と、アーム３５及び３６を回転可能に連結した関節部４５と、アーム３６及び３７を回転可能に連結した関節部４６とを備えている。
【００１８】
ここで、関節部４１の回転軸の延在方向は、台座３１の延在方向、及び、アーム３２のうち関節部４１と連結している部分の延在方向と略同一である。関節部４２の回転軸の延在方向は、アーム３２のうち関節部４２と連結している部分の延在方向、及び、アーム３３の延在方向と略直交している。関節部４３の回転軸の延在方向は、アーム３３の延在方向、及び、アーム３４の延在方向と略直交している。関節部４４の回転軸の延在方向は、アーム３４の延在方向、及び、アーム３５の延在方向と略同一である。関節部４５の回転軸の延在方向は、アーム３５の延在方向、及び、アーム３６の延在方向と略直交している。関節部４６の回転軸の延在方向は、アーム３６の延在方向、及び、アーム３７のうち関節部４６と連結している部分の延在方向と略同一である。
【００１９】
なお、関節部４１〜４６は、図２に示すように、図示していない２本のアームを回転可能に連結した偏心揺動型減速機１００と、偏心揺動型減速機１００に回転運動を入力するモータ３１１と、偏心揺動型減速機１００の回転角度を検出するエンコーダ３１２とをそれぞれ備えている。
【００２０】
また、産業用ロボット１０は、偏心揺動型減速機１００に加わる荷重を算出する荷重算出手段としての荷重算出部３２０を関節部４１〜４６毎に備えている。即ち、偏心揺動型減速機１００及び荷重算出部３２０は、本発明の荷重検出システムを構成している。
【００２１】
また、産業用ロボット１０は、エンコーダ３１２によって検出される偏心揺動型減速機１００の回転角度と実際の回転角度との差（以下「角度差」という。）を荷重算出部３２０によって算出された荷重に基づいて算出する角度差算出部３３０と、外部から入力される偏心揺動型減速機１００の目標の回転角度、エンコーダ３１２によって検出された偏心揺動型減速機１００の回転角度、及び、角度差算出部３３０によって算出された角度差に基づいてモータ３１１に供給する電流を算出する供給電流算出部３４０と、供給電流算出部３４０によって算出された電流をモータ３１１に供給する電流供給部３５０とを関節部４１〜４６毎に備えている。即ち、角度差算出部３３０、供給電流算出部３４０及び電流供給部３５０は、荷重算出部３２０によって算出された荷重に基づいてモータ３１１を制御するモータ制御手段を構成しており、偏心揺動型減速機１００、モータ３１１、エンコーダ３１２、荷重算出部３２０、角度差算出部３３０、供給電流算出部３４０及び電流供給部３５０は、本発明のモータ制御システムを構成している。
【００２２】
また、偏心揺動型減速機１００は、図３及び図４に示すように、ピンで形成された内歯１１０ａを内周に有したケース１１０を備えている。ここで、ケース１１０は、内歯１１０ａを有した筒状部１１１と、筒状部１１１の内部を覆う蓋部１１２と、蓋部１１２を筒状部１１１に固定した複数のボルト１１３とを有している。また、ケース１１０には、偏心揺動型減速機１００によって互いに回転可能に連結される２本のアームのうちの１本が連結されている。
【００２３】
また、偏心揺動型減速機１００は、ケース１１０に収納された玉軸受１２１及び１２２と、玉軸受１２１及び１２２を介してケース１１０に回転可能に支持された支持体１３０と、ケース１１０の内歯１１０ａに噛み合う外歯１４１ａを外周に有した外歯歯車１４１と、ケース１１０の内歯１１０ａに噛み合う外歯１４２ａを外周に有した外歯歯車１４２と、玉軸受１２１及び１２２に軸方向の予圧を付与するディスタンスピース１２３とを備えている。
【００２４】
ここで、支持体１３０は、玉軸受１２１を介してケース１１０に回転可能に支持された支持部１３２を有した支持部材１３１と、玉軸受１２２を介してケース１１０に回転可能に支持されて支持部１３２と離隔した支持部１３６と、支持部材１３１に対して支持部１３６の位置決めを行う複数のピン１３７と、支持部１３６を支持部材１３１に固定した複数のボルト１３８とを有している。また、支持部材１３１は、図５及び図６に示すように、支持部１３２及び支持部１３６を連結する３つの連結部１３３、１３４及び１３５を有しており、連結部１３３、１３４及び１３５は、それぞれ複数の平坦部１３３ａ、１３４ａ及び１３５ａを有している。
【００２５】
なお、支持体１３０には、偏心揺動型減速機１００によって互いに回転可能に連結される２本のアームのうち、ケース１１０に連結されていない方のアームが連結されている。
【００２６】
また、図３及び図４に示すように、偏心揺動型減速機１００は、支持体１３０に収納されたころ軸受１５０及び１５１と、外歯歯車１４１に収納されたころ軸受１５２と、外歯歯車１４２に収納されたころ軸受１５３と、支持体１３０に対するころ軸受１５０〜１５３の軸方向の移動を規制する止め輪１５４、止め輪１５５、ワッシャ１５６及びワッシャ１５７と、ころ軸受１５０〜１５３を介して支持体１３０、外歯歯車１４１及び外歯歯車１４２に回転可能に支持されたクランク軸１６１と、クランク軸１６１に回転方向に固定された平歯車１７１と、クランク軸１６１に対する平歯車１７１の軸方向の移動を規制する止め輪１５８及び１５９とを備えている。同様に、偏心揺動型減速機１００は、支持体１３０、外歯歯車１４１及び外歯歯車１４２に回転可能に支持されたクランク軸１６２及び１６３と、クランク軸１６２及び１６３に回転方向及び軸方向にそれぞれ固定された平歯車１７２及び１７３とを備えている。
【００２７】
また、偏心揺動型減速機１００は、支持体１３０に収納された玉軸受１８１と、玉軸受１８１を介して支持体１３０に回転可能に支持されて外部のモータ３１１（図２参照）から回転運動が入力される入力軸１９０と、支持体１３０に対する玉軸受１８１の軸方向の移動を規制する止め輪１８２及び１８３と、入力軸１９０に対する玉軸受１８１の軸方向の移動を規制する止め輪１８４及び１８５とを備えている。ここで、入力軸１９０は、外部のモータ３１１から回転運動が入力される入力部１９０ａを一端に有しているとともに、平歯車１７１、１７２及び１７３に噛み合うピニオン１９０ｂを他端に有しており、外部のモータ３１１から入力される回転運動をピニオン１９０ｂ及び平歯車１７１、１７２及び１７３を介してクランク軸１６１、１６２及び１６３に伝達するようになっている。即ち、クランク軸１６１、１６２及び１６３は、入力軸１９０と、平歯車１７１、１７２及び１７３とを介して外部のモータ３１１から入力される回転運動に応じてケース１１０に対して外歯歯車１４１及び１４２を偏心回転させるようになっている。
【００２８】
また、偏心揺動型減速機１００は、ケース１１０、支持体１３０及び入力軸１９０に囲まれた空間に潤滑剤が入れられており、ケース１１０及び支持体１３０の間から潤滑剤が漏洩することを防止するオイルシール２０１と、支持体１３０及び入力軸１９０の間から潤滑剤が漏洩することを防止するオイルシール２０２とを備えている。
【００２９】
また、偏心揺動型減速機１００は、図５及び図６に示すように、支持体１３０（図３参照）の連結部１３３の平坦部１３３ａに貼られた歪みゲージ２１１及び２１２と、支持体１３０の連結部１３４の平坦部１３４ａに貼られた歪みゲージ２１３及び２１４と、支持体１３０の連結部１３５の平坦部１３５ａに貼られた歪みゲージ２１５及び２１６とを備えている。ここで、歪みゲージ２１１〜２１６には、偏心揺動型減速機１００の内部の潤滑剤から保護するためのコーティングが施されている。また、支持体１３０の支持部１３２には、歪みゲージ２１１〜２１６の出力を伝達する電線２１７を偏心揺動型減速機１００の内部から外部に出すための複数の穴１３２ａが形成されており、電線２１７が通された穴１３２ａは、偏心揺動型減速機１００の内部の潤滑剤が偏心揺動型減速機１００の外部に漏洩することを防止するために、エポキシ系樹脂などの樹脂で埋められている。
【００３０】
なお、支持体１３０は、歪みゲージ２１１〜２１６の電線２１７が断線しないように、荷重算出部３２０（図２参照）に対して相対的に自転しないようになっている。
【００３１】
また、図３及び図４に示すように、荷重算出部３２０（図２参照）は、ケース１１０及び支持体１３０が相対的に回転するときの回転軸２２１を中心とした矢印２２２で示す回転方向に偏心揺動型減速機１００に加わる荷重、即ち、トルク荷重と、回転軸２２１に直交する軸を中心とした回転方向（例えば軸２２３を中心とした矢印２２４で示す回転方向）に偏心揺動型減速機１００に加わる荷重、即ち、モーメント荷重とを歪みゲージ２１１〜２１６の出力に基づいて算出するようになっている。
【００３２】
以下、荷重算出部３２０によるモーメント荷重及びトルク荷重の算出方法について説明する。
【００３３】
歪みゲージ２１１、２１２が貼られた部分に発生する応力をそれぞれσ１、σ２とし、σ１及びσ２に基づいて算出されるトルク荷重をＴＡ１とし、σ１及びσ２に基づいて算出されるモーメント荷重をＭＡ１とし、ＴＡ１に乗じられることでσ１のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ１とし、ＴＡ１に乗じられることでσ２のうちトルク荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をＴ２とし、支持体１３０に加わるモーメント荷重の回転軸２２１を中心とした作用角をφとし、ＭＡ１に乗じられることでσ１のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ１（φ）とし、ＭＡ１に乗じられることでσ２のうちモーメント荷重に起因する応力が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ２（φ）とすると、σ１、σ２、ＴＡ１、ＭＡ１、Ｔ１、Ｔ２、Ｍ１（φ）及びＭ２（φ）の間で数１に示す関係が成り立つ。なお、Ｍ１（φ）やＭ２（φ）がφの関数であるのは、σ１のうちモーメント荷重に起因する応力や、σ２のうちモーメント荷重に起因する応力がケース１１０及び支持体１３０の相対回転に応じて変化するためである。
【数１】
【数２】
【数４】
【数５】
【数７】
【数８】
【数１０】
【００３４】
次いで、荷重算出部３２０は、算出したφに基づいて、数２、３、５、６、８、９からＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３を算出するようになっている。
【００３５】
最後に、荷重算出部３２０は、算出したＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３に基づいて、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重であるＴと、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重であるＭとを数１１及び数１２から算出するようになっている。
【数１１】
【００３６】
図１に示すように、産業用ロボット１０は、アーム３７の先端に製品やスポットガンなどのワーク１１を持っていてワーク１１によって矢印１１ａで示す荷重が加えられているとき、関節部４１、４４、４６の偏心揺動型減速機１００にモーメント荷重が作用し、関節部４２、４３、４５の偏心揺動型減速機１００にトルク荷重が作用する。
【００３７】
ここで、産業用ロボット１０が図７に実線で示す状態になるように、関節部４１〜４６毎に備えられた供給電流算出部３４０に偏心揺動型減速機１００の目標の回転角度が外部からそれぞれ入力されると、関節部４２に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されない場合、関節部４２の偏心揺動型減速機１００のトルク荷重による変形によって産業用ロボット１０は図７に点線で示す状態になる。
【００３８】
しかしながら、実際には、関節部４２に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されるので、産業用ロボット１０は図７に実線で示す目標の状態になることができる。
【００３９】
なお、以上においては関節部４２について説明したが、関節部４３、４５についても同様である。
【００４０】
また、産業用ロボット１０が図８に実線で示す状態になるように、関節部４１〜４６毎に備えられた供給電流算出部３４０に偏心揺動型減速機１００の目標の回転角度が外部からそれぞれ入力されると、関節部４４に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されない場合、関節部４４の偏心揺動型減速機１００のモーメント荷重による変形によって産業用ロボット１０は図８に点線で示す状態になる。
【００４１】
しかしながら、実際には、関節部４４に対応して備えられた供給電流算出部３４０に角度差算出部３３０によって算出された角度差が入力されるので、産業用ロボット１０は図８に実線で示す目標の状態になることができる。
【００４２】
なお、以上においては関節部４４について説明したが、関節部４１、４６についても同様である。
【００４３】
以上に説明したように、本実施の形態に係る荷重検出システムは、偏心揺動型減速機１００の支持体１３０に貼られた歪みゲージ２１１〜２１６の出力に基づいて偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重を検出するので、従来より実際に近い荷重を検出することができる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重の両方が作用する支持体１３０の連結部１３３〜１３５に複数の歪みゲージ２１１〜２１６が貼られているので、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重を同時に検出することができる。
【００４５】
なお、連結部１３３〜１３５のうち支持部１３２又は１３６の近傍の部分には特に応力が集中するので、連結部１３３〜１３５のうち支持部１３２又は１３６の近傍の部分に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られている場合、連結部１３３〜１３５のうち支持部１３２又は１３６の近傍以外の部分に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られている場合と比較して、本実施の形態に係る荷重検出システムは、実際に近いトルク荷重及びモーメント荷重を検出することができる。
【００４６】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムは、従来より実際に近く検出されたトルク荷重及びモーメント荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で産業用ロボット１０を動作させることができる。したがって、産業用ロボット１０は、例えばオフラインティーチングを行ったとしても、従来の産業用ロボットより高精度で動作することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態に係るモータ制御システムは、産業用ロボット１０に備えられているが、産業用ロボット１０以外の機械に備えられていても良い。
【００４８】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、モータ制御システムに備えられているが、モータの制御以外の用途に使用されても良い。例えば、本実施の形態に係る荷重検出システムは、組立ロボットによるトルクの制御や、計測ロボットによる計測など、偏心揺動型減速機１００に加わるトルク荷重及びモーメント荷重の情報を利用可能な様々な用途に使用されることができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、支持体１３０の複数の連結部１３３〜１３５に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られており、歪みゲージ２１１〜２１６に応じて算出したＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３やＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３を平均して荷重算出部３２０がＴやＭを算出するので、１つの連結部に複数の歪みゲージが貼られている場合と比較して、高精度にトルク荷重やモーメント荷重を検出することができる。なお、本実施の形態に係る荷重検出システムは、支持体１３０の３つの連結部１３３〜１３５に歪みゲージ２１１〜２１６が貼られているが、３つ以外の複数の連結部にそれぞれ複数の歪みゲージが貼られていても良いし、１つの連結部に複数の歪みゲージが貼られていても良い。
【００５０】
（第２の実施の形態）
【００５１】
本発明の第２の実施の形態に係るモータ制御システムについて説明する。
【００５２】
なお、本実施の形態に係るモータ制御システムの構成のうち第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同様である構成については、第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
本実施の形態に係るモータ制御システムの構成は、第１の実施の形態に係るモータ制御システムが、図９に示すように、歪みゲージ２１２〜２１６（図６参照）を備えていない構成と同様である。
【００５４】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムの荷重算出部３２０は、偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重を歪みゲージ２１１の出力に基づいて算出するようになっている。
【００５５】
以下、荷重算出部３２０によるトルク荷重の算出方法について説明する。
【００５６】
偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重であるＴに乗じられることでσ１が算出可能である荷重係数をＴ４とすると、σ１、Ｔ４、Ｔの間で数１３に示す関係が成り立つ。したがって、荷重算出部３２０は、σ１、Ｔ４に基づいて、数１３からＴを算出するようになっている。なお、Ｔ４は、荷重試験によって予め測定されている。
【数１３】
【００５７】
なお、連結部１３３のうち支持部１３２又は１３６（図３参照）の近傍の部分には特に応力が集中するので、連結部１３３のうち支持部１３２又は１３６の近傍の部分に歪みゲージ２１１が貼られている場合、連結部１３３のうち支持部１３２又は１３６の近傍以外の部分に歪みゲージ２１１が貼られている場合と比較して、本実施の形態に係る荷重検出システムは、実際に近いトルク荷重を検出することができる。
【００５８】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムは、従来より実際に近く検出されたトルク荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で機械を動作させることができる。
【００５９】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、モータ制御システムに備えられているが、モータの制御以外の用途に使用されても良い。例えば、本実施の形態に係る荷重検出システムは、組立ロボットによるトルクの制御や、計測ロボットによる計測など、偏心揺動型減速機に加わるトルク荷重の情報を利用可能な様々な用途に使用されることができる。
【００６０】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、支持体１３０の連結部１３３に１つの歪みゲージ２１１が貼られているが、第１の実施の形態に係る荷重検出システムのように、連結部１３３〜１３５に貼られた歪みゲージが複数であって、その複数の歪みゲージに応じて算出したトルク荷重を平均して荷重算出部３２０がＴを算出するようにすれば、より高精度にトルク荷重を検出することができる。
【００６１】
（第３の実施の形態）
【００６２】
本発明の第３の実施の形態に係るモータ制御システムについて説明する。
【００６３】
なお、本実施の形態に係るモータ制御システムの構成のうち第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同様である構成については、第１の実施の形態に係るモータ制御システムの構成と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６４】
本実施の形態に係るモータ制御システムの構成は、第１の実施の形態に係るモータ制御システムが偏心揺動型減速機１００（図３及び図４参照）に代えて図１０及び図１１に示す偏心揺動型減速機４００を備えた構成と同様である。
【００６５】
また、偏心揺動型減速機４００の構成は、支持体４３０及び歪みゲージ５１１〜５１３を、支持体１３０（図３参照）及び歪みゲージ２１１〜２１６（図６参照）に代えて偏心揺動型減速機１００が備えた構成と同様である。
【００６６】
また、支持体４３０の構成は、穴４３０ａを穴１３２ａ（図６参照）に代えて支持体１３０が形成した構成と同様である。
【００６７】
歪みゲージ５１１〜５１３は、同一円周上に等間隔に支持部１３６に貼られている。ここで、歪みゲージ５１１〜５１３には、偏心揺動型減速機４００の内部の潤滑剤から保護するためのコーティングが施されている。また、支持体４３０の穴４３０ａは、歪みゲージ５１１〜５１３の出力を伝達する電線５１４を偏心揺動型減速機４００の内部から外部に出すためのものであり、電線５１４が通された穴４３０ａは、偏心揺動型減速機４００の内部の潤滑剤が偏心揺動型減速機４００の外部に漏洩することを防止するために、エポキシ系樹脂などの樹脂で埋められている。
【００６８】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムの荷重算出部３２０は、偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重を歪みゲージ５１１〜５１３の出力に基づいて算出するようになっている。
【００６９】
以下、荷重算出部３２０によるモーメント荷重の算出方法について説明する。
【００７０】
歪みゲージ５１１〜５１３が貼られた部分に発生する応力をそれぞれσ７、σ８、σ９とし、σ７、σ８、σ９に基づいて算出されるモーメント荷重をそれぞれＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６とし、ＭＡ４に乗じられることでσ７が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ４（φ）とし、ＭＡ５に乗じられることでσ８が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ５（φ）とし、ＭＡ６に乗じられることでσ９が算出可能である荷重係数をφの関数であるＭ６（φ）とすると、σ７、ＭＡ４及びＭ４（φ）の間で数１４に示す関係が成り立ち、σ８、ＭＡ５及びＭ５（φ）の間で数１５に示す関係が成り立ち、σ９、ＭＡ６及びＭ６（φ）の間で数１６に示す関係が成り立つ。なお、Ｍ４（φ）やＭ５（φ）やＭ６（φ）がφの関数であるのは、σ７や、σ８や、σ９がケース１１０及び支持体４３０の相対回転に応じて変化するためである。
【数１４】
【数１７】
【００７１】
次いで、荷重算出部３２０は、算出したφに基づいて、数１４〜１６からＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６を算出するようになっている。
【００７２】
最後に、荷重算出部３２０は、算出したＭＡ４、ＭＡ５、ＭＡ６に基づいて、偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重であるＭを数１８から算出するようになっている。
【数１８】
【００７３】
また、本実施の形態に係るモータ制御システムは、従来より実際に近く検出されたモーメント荷重に基づいてモータを制御するので、従来より高精度で機械を動作させることができる。
【００７４】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、モータ制御システムに備えられているが、モータの制御以外の用途に使用されても良い。例えば、本実施の形態に係る荷重検出システムは、計測ロボットによる計測など、偏心揺動型減速機４００に加わるモーメント荷重の情報を利用可能な様々な用途に使用されることができる。
【００７５】
また、本実施の形態に係る荷重検出システムは、同一円周上に等間隔に支持体４３０に３つの歪みゲージ５１１〜５１３が貼られているが、同一円周上に等間隔に支持体４３０に３つ以外の複数の歪みゲージが貼られていても良い。
【００７６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、従来より実際に近い荷重を検出することができる偏心揺動型減速機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る産業用ロボットの概略側面図
【図２】図１に示す産業用ロボットのモータ制御システムのブロック図
【図３】図２に示すモータ制御システムの偏心揺動型減速機の側面断面図
【図４】図３のＡ矢視断面図
【図５】図３に示す偏心揺動型減速機の支持部材の側面図
【図６】図５に示す支持部材の正面図
【図７】図１に示す状態とは異なる状態での図１に示す産業用ロボットの概略側面図
【図８】図１及び図７に示す状態とは異なる状態での図１に示す産業用ロボットの概略側面図
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るモータ制御システムの支持部材の正面図
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るモータ制御システムの偏心揺動型減速機の側面断面図
【図１１】図１０のＢ矢視断面図
【符号の説明】
１００ 偏心揺動型減速機
１１０ ケース
１１０ａ 内歯
１３０ 支持体
１３２ 支持部
１３３、１３４、１３５ 連結部
１３６ 支持部
１４１ 外歯歯車
１４１ａ 外歯
１４２ 外歯歯車
１４２ａ 外歯
１６１〜１６３ クランク軸
２１１〜２１６ 歪みゲージ
２２１ 回転軸
２２３ 軸
３１１ モータ
３２０ 荷重算出部（荷重算出手段）
３３０ 角度差算出部（モータ制御手段）
３４０ 供給電流算出部（モータ制御手段）
３５０ 電流供給部（モータ制御手段）
４００ 偏心揺動型減速機
４３０ 支持体
５１１〜５１３ 歪みゲージ
Claims (3)
- 偏心揺動型減速機と、前記偏心揺動型減速機に加わる荷重を算出する荷重算出手段とを備え、
前記偏心揺動型減速機は、内周に内歯を有したケースと、前記ケースに回転可能に支持された支持体と、前記内歯に噛み合う外歯を外周に有した外歯歯車と、前記支持体及び前記外歯歯車に回転可能に支持されて外部から入力される回転運動に応じて前記ケースに対して前記外歯歯車を偏心回転させるクランク軸と、前記支持体に貼られた歪みゲージとを有し、
前記荷重算出手段は、前記ケース及び前記支持体が相対的に回転するときの回転軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機に加わる荷重と、前記回転軸に直交する軸を中心とした回転方向に前記偏心揺動型減速機に加わる荷重との少なくとも一方を前記歪みゲージの出力に基づいて算出することを特徴とする荷重検出システム。 - 前記支持体は、前記ケースに回転可能に支持されて互いに離隔した複数の支持部と、前記複数の支持部を連結する連結部とを有し、
前記歪みゲージは、前記連結部に複数貼られたことを特徴とする請求項１に記載の荷重検出システム。 - 請求項１又は請求項２に記載の荷重検出システムと、前記クランク軸に回転運動を入力するモータと、前記荷重算出手段によって算出された前記荷重に基づいて前記モータを制御するモータ制御手段とを備えたことを特徴とするモータ制御システム。
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