JP2016168647A - 関節駆動装置およびロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット装置の関節駆動装置において、簡単安価かつ小型軽量で堅牢な構成により他軸外乱力の影響を受けることなく高精度に関節駆動トルクを測定でき、正確かつ確実な関節トルク制御を行えるようにする。
【解決手段】第１のリンク６２に固定されたハウジング部５５と、ハウジング部５５に装着され第２のリンクを回転自在に支持する軸受と、ハウジング部５５に収容され、第２のリンクを回転駆動する駆動部と、駆動部８０とハウジング部５５の間に配置され、ハウジング部５５に対して駆動部８０を支持する支持部（５３２、５６、５２）と、支持部（５３２、５６、５２）に発生するトルクを検出するトルクセンサ５２ｓと、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、第１のリンクに対して回動支持された第２のリンクを有し、第１および第２のリンクの相対姿勢を制御する関節駆動装置、およびその関節駆動装置を有するロボット装置に関する。

近年、関節型のロボットマニピュレータの用途が拡大しており、人間との協調作業や、工場内の組み立て作業などのロボットが柔軟な動作を行うことが要求される分野への応用が広がっている。このようなロボット装置では、外力にならうための安定で広帯域な力制御機能が必要とされる。そこで、従来広く用いられていた関節の位置制御（位置サーボ）をベースとした運動制御系に代わり、関節レベルのトルク制御（トルクサーボ）をベースとした制御系を構成することが望まれている。このトルク制御のためには、ロボットアームの関節の出力するトルクを正確に検出できるトルク検出手段が必要となる。

この種のロボット装置として、例えば複数のリンクを複数の関節駆動軸で連結して構成する多関節ロボットが知られている。このような多関節ロボットアームでは、先端側の部材に作用する力が累積して根本部材（基底ないし基台部）に作用する構成となっている。ロボットの応答性と機動性を向上させるには、ロボット全体をコンパクトで軽量なものにする必要があり、そのためには、駆動機構を小型かつ軽量に構成する必要がある。

従来より、この種の関節駆動装置では、モータおよび減速機構などを含む関節駆動装置の出力軸（最終段）と、出力リンクの駆動軸の間に、出力節を回転自在に支持する軸受を介して関節の出力トルクを計測するトルク検出装置を設置する構成が知られている。一般に、この種のトルク検出装置は、ひずみゲージなどにより構成される他、印加されるトルクに応じて変形する弾性部材と、その変形量や歪み量を例えば光学的ないし磁気的に検出するセンサデバイスから構成される。

例えば、下記の非特許文献１には、トルクセンサ付きのロボットアームが開示されている。非特許文献１のロボットアームは、サーボモータにより波動歯車を介して駆動されるシャフトに連結された内輪と、ロボットアームの第１メンバに連結された外輪と、回転トルクによる内輪と外輪との間のトルクを計測するトルクセンサを有する。非特許文献１のロボットアームでは、第１メンバの回転軸周りにトルクが作用した際に生ずる内輪と外輪の間の相対変位を、トルクセンサの弾性部材の歪みとして検出することで、第１メンバに作用する回転トルクを測定する。

しかしながら、上記非特許文献１に記載の構成では、トルクセンサが測定対象と共に回転するため、例えばトルクセンサに取り付けられたセンサケーブルが駆動軸の運動とともに変形する。そのため、ロボット関節の動作角度が大きい場合など、センサケーブルからの反力が無視できない状況においては、正確なトルク検出が困難となる問題があった。また、上記非特許文献１の構成では、ケーブルの引き回し機構が煩雑になりがちで、また、センサケーブルの耐久性を確保するのは容易ではない。

また、ロボット装置を移動させる球形タイヤの駆動系のトルク検出装置として、下記の特許文献１に示されるような構成が提案されている。特許文献１の構成は、第１の軸方向に主軸を有する回転子と、この回転子を主軸の周りに回転させる固定子とを有する駆動部を含む。トルク検出装置は、ベース部に固定される第１の端部と固定子へ固定される第２の端部を有し回転子と同心的に配置された起歪体と、起歪体に取り付けられベース部に対する起歪体の第１の軸周りへの歪みを検出する検出素子から構成される。

特開２０１２−０４７４６０号公報

A. Albu‐Schaeffer, S. Haddadin, Ch. Ott, A. Stemmer, T. Wimboeck, G. Hirzinger, "The DLR lightweight robot: design and control concepts for robots in human environments", Industrial Robot: An International Journal, Vol. 34, Iss: 5, pp.376 - 385 (2007)

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、トルク検出装置の起歪体（弾性部材）が、ベース部と、駆動機構の支持機構（軸受）の間に配置される構成となっている。この構成では、駆動トルクの出力節に作用する力が直接的に起歪体に作用するようになっており、この構成をロボット装置の関節機構に適用するとトルクセンサが他軸成分の影響を受け易い問題がある。このため、所望の駆動軸周りのトルク以外の外乱力の影響によってセンサ出力値が変動し、出力トルクを精度よく検出することができない（以下、この問題を他軸干渉、あるいはクロストークと呼ぶ）可能性がある。

特許文献１では、上記のようなトルクセンサの弾性部材に作用する他軸力の影響を軽減するために、軸受とフレーム体からなる支持機構で駆動機構を回動可能に支持する構成が提示されている。しかしながら、この構成では、駆動機構を支持する支持機構によって構成が複雑、大型化する可能性がある。特に、ロボット装置の関節に特許文献１の構成を適用しようとすると、関節全体の剛性と強度を保つため、駆動機構の支持機構の軸受には関節で結合するリンクの軸受と同等以上の強度と剛性を確保する必要がある。このため、ロボット装置の関節駆動装置としては、関節部位の質量とサイズが大きくなりすぎる可能性がある。

本発明の課題は、上記の問題点に鑑み、ロボット装置の関節駆動装置において、簡単安価かつ小型軽量で堅牢な構成により他軸外乱力の影響を受けることなく高精度に関節駆動トルクを測定でき、正確かつ確実な関節トルク制御を行えるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明においては、第１のリンクに固定されたハウジング部と、前記ハウジング部に装着され第２のリンクを回転自在に支持する軸受と、前記ハウジング部に収容され、前記第２のリンクを回転駆動する駆動部と、前記駆動部と前記ハウジング部の間に配置され、前記ハウジング部に対して前記駆動部を支持する支持部と、前記支持部に発生するトルクを検出するトルクセンサと、を備えた構成を採用した。

本発明によれば、前記駆動部と前記ハウジング部の間に配置され、前記ハウジング部に対して前記駆動部を支持する支持部に発生するトルクを検出するトルクセンサを設けている。トルクセンサは、第１のリンク（固定節）に固定することができ、トルクセンサへの電源の供給や信号のやり取りを行うセンサケーブルの引きまわしが不要となる。これにより、駆動機構全体として簡潔かつコンパクトな構成となり、ロボット装置全体を軽量化できる。また、関節駆動装置の回転運動にともなうセンサケーブルの変形も抑制できるので、センサケーブルの変形抵抗によるトルク検出精度の低下やセンサケーブルの劣化を防止できる。

また、本発明は、第２のリンク（出力節）に作用する力のうち所望の計測対象の回転トルク以外の成分を、軸受とハウジング部によって支持する構成である。このため、前記支持部に発生するトルクを検出するトルクセンサには、検出目的の回転トルク以外の他軸力（外乱力）成分が作用しない。従って、トルクセンサや駆動部を支持するための追加の支持機構を設ける必要がなく、関節駆動装置全体を簡潔かつコンパクトに構成でき、ひいては関節駆動装置全体の小型軽量化、および剛性確保が容易になる。以上のように、本発明によれば、関節駆動装置を用いるロボット装置全体を小型軽量化でき、ロボット装置の応答性と俊敏性を向上させることが可能となる。

本発明を実施可能なロボット装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の実施例１に係る関節駆動装置の構造を示す説明図である。 本発明の実施例２に係る関節駆動装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施例３に係る関節駆動装置の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施例１におけるトルクセンサの概観形状の一例を示す斜視図である。 図５のトルクセンサを構成する弾性体の形状の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例３におけるトルクセンサの概観形状の一例を示す斜視図である。 図７のトルクセンサを構成する弾性体の形状の一例を示す斜視図である。 図７のトルクセンサを構成する弾性体の形状の一例を示す断面図である。 本発明に係る関節駆動装置において、出力節に作用する力の固定節への伝達経路を示す説明図である。 従来の関節駆動装置において、出力節に作用する力の固定節への伝達経路を示す説明図である。 図１０および図１１の構成における力の伝達経路を模式的に示した説明図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

図１に示すように、ロボット装置１は、ロボット本体２と、ロボット本体２を制御する制御装置３を備えている。このロボット本体２は、例えば６軸垂直多関節アームのロボットアーム（以下、アームと呼ぶ）２０の先端部にエンドエフェクタとしてハンド２１を備えた構成である。アーム２０は、７つのリンク６１〜６７と、各リンク６１〜６７を揺動又は回動可能に連結する６つの関節駆動装置７１〜７６とを備えている。

ハンド２１は、アーム２０の先端リンク６７に取り付けられて支持され、アーム２０の動作により、その運動（位置姿勢の変化）、または力が調整されるようになっている。ハンド２１は、ハンド本体２４と、ハンド本体２４に対して移動可能に配設されて、ワークＷを把持可能な複数の指（フィンガ）２３を備えている。

制御装置３は、汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ３０を含む。ＣＰＵ３０は、例えばＲＯＭ３１に格納されたロボット制御プログラムを実行することによりロボット本体２の動作を制御する。その際、ＲＡＭ３２がプログラム実行のためのワークエリアとして用いられる。なお、ＲＯＭ３１のプログラム格納領域はＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能な記憶媒体で構成することができる。その場合、不図示のフラッシュメモリや光ディスクからプログラムおよび制御データを供給することにより、ＲＯＭ３１にロボット制御プログラムをインストールしたり、あるいは同プログラムを更新したりすることができる。

また、制御装置３はインターフェース３３を有する。このインターフェース３３は、ロボット本体２に対して、関節駆動装置７１〜７６あるいはハンド２１の動作を制御する制御情報を送信するとともに、ロボット本体２側から後述のトルクセンサ（５２ｓ）などの検出情報を入力するために用いられる。また、インターフェース３３は、ネットワークインターフェースなどを含んでいてもよい。その場合、ネットワークから受信したプログラムおよび制御データを用いてＲＯＭ３１にロボット制御プログラムをインストールしたり更新したりすることができる。また、上記ネットワークインターフェースは、ロボット動作教示用の端末（ティーチングペンダント）や、ロボット制御プログラム作成／編集用のオフライン制御端末など（いずれも不図示）との通信に用いることもできる。

図２は、関節駆動装置７１〜７６の一例として、アーム２０の関節駆動装置７２の断面構造を示している。図２に示す構成は、アーム２０の他の関節駆動装置７１〜７６にも用いられるものとする。後述する関節駆動装置７２の各構成部材は、金属や樹脂など仕様上の強度や剛性に適合した材料から製造される。

図２において、関節駆動装置７２は、駆動機構の根本側部材（固定節）としてリンク６２（第１のリンク）と、駆動機構の出力側部材（出力節）としてリンク６３（第２のリンク）を含む。これらリンク６２（固定節）と、リンク６３（出力節）は、ハウジング部２５５に支持された関節支持機構としての軸受５４によって回転自在に連結することによって構成されている。

軸受５４は、駆動軸周りの回転運動のみが可能なように、リンク６３のリンク６２に対する相対回転運動を拘束する。軸受５４は、リンク６３に作用する６次元の（並進）力、およびモーメントのうち、関節駆動軸周りの回転トルク以外の５つの力・モーメント（図２）を支持する機能を有する。軸受５４には、例えばロボットの関節機構などに広く用いられているクロスローラ軸受を用いることができるが、これに限らず他の同様の機能を有する軸受部材を用いることができる。

図２において、矢印９０は、リンク６３に作用する力を示している。このリンク６３に作用する力（９０）は、下記の成分の合成と考えることができる。
・この関節に関して計測すべき回転トルク（ｚ軸廻り）９０１
・リンク６３に作用する他軸力の回転モーメント成分（ｘ方向）９０２
・リンク６３に作用する他軸力の回転モーメント成分（ｙ方向）９０３
・リンク６３に作用する他軸力の並進力成分（ｘ方向）９０４
・リンク６３に作用する他軸力の並進力成分（ｙ方向）９０５
・リンク６３に作用する他軸力の並進力成分（ｚ方向）９０６

下記の回転駆動源５１を駆動することによって、回転トルク（ｚ軸廻り）９０１が発生され、のリンク６２に対してリンク６３の相対姿勢（角度）が制御される。その際、関節支持機構としての軸受５４が、上記の他軸力９０２〜９０６を支持しつつ、関節軸（１点鎖線）廻りの関節の回転運動を規制する。

関節駆動装置７２は、この関節の回転駆動源５１および減速機構５３から成る駆動部８０を収容する全体がほぼ円筒形状のハウジング部５５を含む。このハウジング部５５には、上記の関節の駆動に必要な部材とともに、出力トルクの計測に必要な各構成要素が格納される。

本実施例では、ある構成部材が他の構成部材とリジッドに固定される場合、その結合（固定）部位を「固定部」という。この「固定部」の結合（固定）には、ネジ止め（詳細不図示）などの手法が用いられる。例えば、固定部５５１はハウジング部５５の一部であって、ハウジング部５５は固定部５５１を介して関節駆動装置７２の根本側のリンク６２に固定される。

本実施例のハウジング部５５は、（第２の）リンク６３を回転自在に支持する軸受５４を有する。また、ハウジング部５５は、（第２の）リンク６３を回転駆動する駆動部８０を収容する。特に、駆動部８０は、次のように回動（駆動）軸が一致するように、ハウジング部５５内に支持される。まず、駆動部８０の回転駆動源５１の駆動軸５１ａは、減速機構５３の入力端５３１と結合される。また、減速機構５３は、波動歯車機構などから成り、入力端５３１と出力端５３３は同軸配置であり、出力端５３３にはリンク６３の回動軸が結合される。

駆動部８０とハウジング部５５の間には、ハウジング部５５に対して駆動部８０を支持する支持部（５３２、５６、５２）が設けられる。この支持部には、減速機構５３の固定部５３２、回転駆動源５１の保持部材５６、およびトルク検出装置５２が含まれる。保持部材５６および固定部５３２は全体として円環状（フランジ状）の部材であって、その表裏面にはほぼ円筒状の外形を有する回転駆動源５１ないし減速機構５３の前端や後端を収容する凹部（あるいは透孔）が必要に応じて形成されているものとする。

回転駆動源５１は保持部材５６に対して例えばビス（不図示）止めなどにより固着され、保持部材５６は減速機構５３の固定部５３２に対して例えばビス（不図示）止めなどにより固着される。これにより、回転駆動源５１と減速機構５３が一体に結合（固着）され、駆動部８０が構成される。

そして、駆動部８０は、トルク検出装置５２を介してハウジング部５５と結合（固着）される。また、出力節である第２のリンク６３は、ハウジング部５５に装着された軸受５４を介して回動自在であり、リンク６３の駆動軸は減速機構５３の出力端５３３と結合されている。

以上のようにして、駆動部８０は、支持部（減速機構５３の固定部５３２〜回転駆動源５１の保持部材５６〜トルク検出装置５２）と、ハウジング部５５に装着された軸受５４によってハウジング部５５内に収容、支持される。即ち、駆動部８０は、支持部（減速機構５３の固定部５３２〜回転駆動源５１の保持部材５６〜トルク検出装置５２）と、軸受５４によって、円筒状のハウジング部５５の中心線と駆動軸線が一致するよう、ハウジング部５５の中心位置に収容、支持される。

以下、ハウジング部５５に格納される構成要素の構成および配置の詳細と、関節の駆動とトルク計測の動作原理につき、説明する。

回転駆動源５１は、関節を回転させる回転力（トルク）を生成するもので、例えば電動モータ（サーボモータなど）によって構成する。回転駆動源５１は、不図示のモータ回転角度計測用のロータリエンコーダ、モータ回転角度保持用のブレーキなどを備えている。また、回転駆動源５１には、モータの電気的な駆動や、ロータリエンコーダとの信号の入出力、およびブレーキの開閉動作の制御などを行うモータ配線ケーブル５７２が接続されている。

減速機構５３は、入力端５３１、出力端５３３、および、減速機構５３の固定部５３２によって構成される。減速機構５３の伝達機構は、例えば公知の波動歯車機構などによって構成される。本実施例では、減速機構５３の減速比は例えば１：１００程度であるものとする。

回転駆動源５１の出力は、減速機構５３の入力端５３１を回転駆動し、減速機構５３は、回転駆動源の発生するトルクを減速比分だけ拡大し（同時に回転角度を減速比分だけ減速して）、拡大された回転トルクを出力端５３３より出力する。これにより回転駆動源５１で発生するトルクが関節の駆動に適したレベルに拡大され、減速機構５３の出力トルクによって、軸受５４により拘束されたリンク６３が、残りの回転自由度（駆動軸周りの回転自由度）で能動的に駆動される。

ここで、通常、小型の電動モータが効率よく発生できるトルクは、関節の駆動に必要なトルクに比べて非常に小さく、一方、定格回転速度は関節の出力軸に求められる回転速度よりもかなり大きい。そのため、ほとんどのロボットでは、１：３０〜１：２００程度の高い減速比を有する減速機構（５３）を使用するのが一般的である。このような小型モータと高減速比の減速機構（５３）による構成は、構成をコンパクトにできる利点がある一方、減速機構（５３）で摩擦と回転抵抗によるトルク損失が大きくなる問題もある。

このため、モータトルクの測定、例えばモータトルクに比例するモータ電流の測定だけでは、関節の出力段に出力している回転トルクを正確に把握することができない。また、減速機構などの駆動系廻りでのトルク損失は、摩擦などの非線形な物理現象が主な要因であるため、精密なモデリングが困難であり、再現性も乏しい。従って、モータ電流を介して検出したモータトルク値を補正して、実際の出力トルクを演算するような処理は極めて困難である。従って、正確なトルク検出に基づく関節制御が必要であれば、トルク検出装置を設けて関節駆動装置の出力トルクを計測する必要がある。

本実施例では、上記のように駆動部８０は、支持部（減速機構５３の固定部５３２〜回転駆動源５１の保持部材５６〜トルク検出装置５２）と、ハウジング部５５に装着された軸受５４によってハウジング部５５内に収容、支持する構成を採用している。そして、本実施例では、この支持部に配置したトルク検出装置５２によって、この支持部に発生するトルクを検出する。

上記のように関節駆動装置７２の駆動部８０は回転駆動源５１と減速機構５３から構成される。そして、図２に示すように、減速機構５３の固定部５３２は、保持部材５６を介してトルク検出装置５２に結合される。さらにトルク検出装置５２は、ハウジング部５５の内面に設けたフランジ部５５ａに例えばネジ止め（詳細不図示）などによって結合（固着）される。

本実施例において、駆動部８０の支持部（減速機構５３の固定部５３２〜回転駆動源５１の保持部材５６〜トルク検出装置５２）は、駆動部８０を一体化し、かつ軸受５４とともに駆動部８０をハウジング部５５内に支持する。

トルク検出装置５２の構成例を図５に示す。図５のトルク検出装置５２は、外装部材（カバー）５２２、および弾性体５２１によって構成されている。外装部材５２２、および弾性体５２１は、図示のように円環（リング）状の全体形状を有し、駆動部８０（の保持部材５６）、およびハウジング部５５のフランジ部５５ａと結合するためのネジ孔５２１ａ、５２１ｂを有する。

また、トルク検出装置５２は、トルクセンサ５２ｓ（図２）の出力を導出するセンサ配線ケーブル５７１を備えている。センサ配線ケーブル５７１は、図２に示すように、第１のリンク６２（固定節）のケース６２１の内部に配置された関節コントローラ５７と結線される。また、関節コントローラ５７は、モータ配線ケーブル５７２によって、回転駆動源５１と結線されている。この関節コントローラ５７は、ケーブル４０によって制御装置３と接続され、トルク検出装置５２は、トルクセンサ５２ｓの出力を制御装置３（のインターフェース３３）に送信するとともに、制御装置３が駆動部８０を制御する駆動信号を受信する。

ここで、関節駆動装置（７２）のリンク６２、６３の相対姿勢が所定角度となるよう、あるいはこれらリンクを特定の相対姿勢で維持するように、駆動部８０を駆動することを考える。この時、トルク検出装置５２の配置（図２）から明らかなように、トルク検出装置５２の弾性体５２１は駆動部８０の駆動トルクの反力を受けてその大きさに応じて変形する。弾性体５２１の変形をトルクセンサ５２ｓ（図２）で検出することにより、駆動部８０の支持部（減速機構５３の固定部５３２〜回転駆動源５１の保持部材５６〜トルク検出装置５２）に生じているトルクを検出できる。トルクセンサ５２ｓは、光学センサや磁気センサなど、任意の検出方式を利用したセンサデバイスにより構成することができる。このトルク値は、駆動部８０の発生している関節駆動装置（７２）の駆動（実）トルクとして取り扱うことができる。

図５のトルク検出装置５２の弾性体５２１は、例えば図６のような構成とすることができる。図６の弾性体５２１は、内輪部５２１２、外輪部５２１１と、これらを結合するスポーク状の弾性変形部５２１３から成る。内輪部５２１２、および外輪部５２１１は、それぞれ駆動部８０（の保持部材５６）、およびハウジング部５５のフランジ部５５ａと結合するためのネジ孔５２１ａ、５２１ｂを有する。即ち、弾性体５２１は、その内周側において駆動部８０に固定され、外周側はハウジング部５５の内面に固定されている。

トルクセンサ５２ｓ（図２）は、例えば弾性変形部５２１３の変形量を検出するよう装着される。これによりトルクセンサ５２ｓ（図２）を介して駆動部８０の支持部（減速機構５３の固定部５３２〜回転駆動源５１の保持部材５６〜トルク検出装置５２）に生じるトルク（図２のＺ軸周りの回転モーメント）を測定することができる。

図５、図６のように構成されたトルク検出装置５２は、関節駆動装置７２の駆動部８０が出力するトルクの反作用（反トルク）を受けて、この反トルクを介して駆動部８０の駆動トルクを検出することができる。

即ち、本実施例の構成では、第１のリンク６２（固定節）に対して相対回転する第２のリンク６３（出力節）側にトルク検出手段を搭載していない。そして、本実施例では、第１リンク６２の側（ハウジング部５５〜駆動部８０間））にトルク検出装置５２を配置しながらも、関節駆動装置（７２）の出力するトルクを計測することができる。

そして、本実施例の構成では、センサ配線ケーブル５７１（図２）は関節駆動装置（７２）の可動部をまたいで設置する必要がない。このため、センサ配線ケーブル５７１の引き回しが不要となり、その結果、駆動機構全体が簡潔かつコンパクトな構成となり、ひいてはロボット装置全体を軽量化することが可能になる。また、関節駆動装置（７２）の回転運動にともなうセンサ配線ケーブル５７１の変形も考慮する必要がなく、例えばセンサ配線ケーブル５７１の変形抵抗によるトルク検出精度の低下を防ぐことができる。また、センサ配線ケーブル５７１の繰り返し変形とケーブルとケーブル支持部材間の摺動によるケーブルの寿命低下を防ぐことができ、ロボット装置の信頼性を大きく向上させることができる。

また、本実施例によれば、他軸力の外乱の影響なく、関節駆動装置（７２）の駆動部８０の駆動トルクを検出することができる。ここで、図１０は、本実施例の関節駆動装置（７２）のリンク６３（出力節）に作用する力、およびモーメントの伝達経路を示している。図１０は、図２に相当する関節駆動装置（７２）と同等の構成を模式的に示している。ここでは、各部に作用する力および図２に相当する部材は大文字のアルファベットで示し、上記の参照符号との対応は括弧書きで示している。

また、図１２は、図１０の上記各部材間の力の伝達経路を抜き出して矢印によって示している。図１２中の破線の経路Ｔ１、および実線の経路Ｔ２は、図１１中の経路Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ相当する。

図１０、図１２において、Ｏは出力節（リンク６３）、Ｂは関節支持機構（軸受５４）、ＧＯは駆動部（８０：回転駆動源５１および減速機構５３）の出力を示す。また、ＧＳは駆動部（８０）の固定部（５３２）、ＧＩは駆動部（８０）の入力端（５３１）を示す。また、Ｍは回転駆動源（５１）、Ｃはハウジング部（５５）、ＧＭはの固定部材、Ｆはハウジングの固定節（リンク６２）への固定部、ＴＳはトルク検出装置（５２）を示す。

図１０、図１２において、出力節（リンク６３）には、図２で上述した通り、ロボット装置の運動によって６次元の（並進）力、およびモーメント（９０２〜９０６）が作用する。本実施例において、トルク検出装置で計測したいのは、関節駆動軸周りの回転トルク９０１である。それ以外の他軸力（９０２〜９０６）は、トルク検出装置にとってクロストークの元になる外乱力である。

上述のように外乱力（関節駆動軸周りの回転トルク以外の５つの力・モーメント（９０２〜９０６））は、軸受５４（関節支持機構）によって支持される。従って、図１０に示すように、出力に作用する他軸外乱力は軸受を介してハウジング部によって支持され、根元側の固定節（リンク６２）へ伝達されることになる（図中、経路Ｔ２）。

そして、駆動部８０（回転駆動源５１および減速機構５３）を介してトルク検出装置ＴＳ（５２）に作用する力は、図中の経路Ｔ１を経由する力となるが、この力は上記の外乱を含まない関節駆動軸周りのトルクのみとなる。特に図１２において、本実施例の関節駆動トルク（ＴＳ−１）は、破線で示すように伝達され、経路ＴＳ−３（図１０のトルク検出装置ＴＳに相当）を通り、ハウジング部（Ｃ）に伝わる。この経路（Ｔ１：破線）は、他軸外乱力の経路（Ｔ２：実線）と分離されており、トルク検出装置ＴＳ（図１０、５２）は他軸外乱力の影響を受けない。

ここで、本実施例と対比するため、従来の関節駆動装置の力の伝達の様子を図１１に示す。図１１では図１０と同等のアルファベット符号により各部および力を示してある。

図１１の関節駆動装置では、トルク検出装置ＴＳは固定節（Ｆ）とハウジング（Ｃ）の間に配置されている。このため、図１１の関節駆動装置では、トルク検出装置ＴＳには、検出すべき関節駆動軸周りのトルク（経路Ｔ１）とともに、他軸力（経路Ｔ２）が直接的に作用する構成となっている。そのため、図１１の構成では、他軸力のクロストークが大きく、正確なトルク検出が困難である。

例えば、図１２において経路ＴＳ−２は図１１のトルク検出装置ＴＳに相当し、この経路は、関節駆動軸周りのトルク（破線）と他軸力のクロストーク（実線）で共有されてしまっている。即ち、図１１の従来構成では、トルク検出装置ＴＳで、検出すべき関節駆動軸周りのトルク（破線）を他軸力のクロストーク（実線）と分離して検出することができない。

一方、本実施例の関節駆動装置は、図１０、図１２に示したように他軸外乱力がトルク検出装置（ＴＳ、５２）に作用しない構成となっているため、他軸干渉クロストークの影響を受けずに正確に関節の駆動トルクを検出することができる。さらに、本実施例の構成によれば、従来技術（例えば特許文献１）にトルクセンサや駆動部の支持のための追加の支持機構を必要としない。従って、ロボットアームの関節部全体の構成が簡潔かつコンパクトなものとなり、駆動機構全体の軽量化、および剛性の確保を行うことが容易である。これにより、ひいてはロボット装置全体の軽量化が可能となるため、ロボットの応答性と俊敏性を向上させることが可能な構成になっている。

ここで、本実施例における関節駆動装置の他軸干渉の度合いを、具体的な数値に基づいて計算した結果によって示す。ここでは、トルク検出装置５２（の弾性体５２１）が関節の出力トルクによって弾性変形する変形量と、ハウジング部が他軸力によって変形する変形量を計算し、その量を比較する。

この計算例では、搬送質量２ｋｇ程度の小型の垂直多関節型のロボットへの適用を想定する。トルク検出装置５２の弾性体５２１のトルク計測方向（図２のｚ軸方向）のねじり剛性Ｋは、２０、０００Ｎｍ／ｒａｄ程度とする（これは減速機の剛性に比べて十分に大きなものになっている）。トルク検出装置５２は、弾性体５２１（図６）の外輪部５２１１に対する内輪部５２１２の変形量をトルクセンサ（５２ｓ）により計測することによってトルクを計測する。

光学ないし磁気センサなどを利用した変位計測センサにより構成されるトルクセンサ（５２ｓ）は、ここでは、弾性体５２１に対して例えば半径Ｒ＝３０ｍｍの円周（ないし円弧）の範囲に装着されるものとする。

ここで、図２の関節駆動装置（７２）に作用する並進力の最大値Ｐは、ロボットが押しつけ作業を行う際や加減速運動を行う際を考慮すると、ｘ方向に関して３００Ｎ程度である。同様に、関節に作用するトルクＴは５０Ｎｍ程度である。また、図２においてハウジング部の外径Ｄは９０ｍｍ、ハウジングの内径ｄは８５ｍｍであり、材質はアルミ合金（縦弾性係数Ｅ＝９０Ｇｐａ）である。また関節を支持する軸受５４からトルク検出装置５２の設置位置までの距離Ｌは３０ｍｍである。

このとき、関節が定格トルクを出力している際のトルクセンサ５２ｓの内輪の変形量ｄＸ_Ｔは、以下の式（１）のように表わせる。

ここでハウジング部を単純な円筒系の断面を有する梁としてモデリングすると、その断面２次モーメントＩは以下の式（２）のように表わせる。

従って、他軸力の最大値Ｐによるトルクセンサ５２ｓの変位検出部の変形量ｄＸ_ｄｉｓは、以下の式（３）のように表わせる。

以上のように、本実施例の構成では、トルク計測によってセンサ弾性体が変形する変形量と他軸外乱力によって生じる弾性体の変形量には、３０００倍以上の差があることが分かる。即ち、本実施例では、他軸力によるクロストークの影響を殆ど受けずに関節の駆動トルクを検出することができ、他軸力によるクロストークに影響されずにこの関節の駆動トルクを正確に検出することができる。

なお、以上に示した数値は本実施例における例示値に過ぎず、本発明を何ら限定するものではない。また、本実施例では、アーム２０として６軸の垂直多関節アームを適用しているが、軸数は用途や目的に応じて適宜変更することができる。例えば、上述の関節駆動装置の構成はパラレルリンク形式のロボットアームの関節にも容易に実施することができる。また、図１においてアーム２０のリンク６１〜６７としては、長さが固定されたものを採用しているが、例えば、直動アクチュエータなどを用いた伸縮可能なリンクを採用してもよい。

また、本実施例では、軸受５４（関節支持機構）には、単一の機構で所望の支持機能を実現できるクロスローラ軸受を使用しているが、支持機構の具体的な構成はこれに限定されるものではない。例えば、複数のアンギュラ軸受を使用してもよいし、他の形態の軸受機構を組み合わせ、関節支持機能を実現してもよい。さらに、減速機構５３の減速比として、１：１００を例示したが、これに限定されることなく、減速機構５３の減速比は任意の値に設定してよい。

また、本実施例では、駆動部（関節トルク生成機構）８０を電動モータのような回転駆動源５１と波動歯車機構などによる減速機構５３を組み合わせて構成した。しかしながら、関節の駆動部８０の形態はこれに限定されるものではなく、例えば減速機構を用いないダイレクト駆動方式のモータを使ってもよい。また、エネルギ源は電動に限定されるものでもなく油圧などの流体駆動方式の駆動機構を用いる場合でも、上述同様の部材配置を実施することができる。

図２および上記の式（３）に示したように、トルク検出装置５２の弾性体５２１の外輪部５２１１の変形量は、ハウジング部５５上の設置位置と関節を支持する軸受５４の間の距離Ｌに大きく影響を受けることが判る。従って、トルク検出装置５２弾性体５２１）を軸受５４の近くに配置することができれば、他軸干渉量のさらなる低減が可能となる。

例えば、図３に示すように、トルク検出装置５２弾性体５２１）をハウジング部５５へ取り付けるフランジ部５５ｂの位置を図２の位置（５５ａ）よりも軸受（関節支持機構）５４に近い位置に配置する。そして、トルク検出装置５２弾性体５２１）を、減速機構５３の固定部５３２およびフランジ部５５ｂの間に装着する。その他の構成は図２と同様である。

図３の構成では、トルク検出装置５２弾性体５２１）を、駆動部８０の固定部（減速機構５３の固定部５３２）と、ハウジング部５５の間に配置するのは、第一の実施例と同様である。しかしながら、図３では、トルク検出装置５２弾性体５２１）のハウジング部５５への取り付け部位を、軸受（関節支持機構）５４と駆動部８０の間、特に第２のリンク６３を支持する軸受５４のより近傍に配置している。

このように、トルク検出装置５２のハウジング部５５への取り付け部位を、軸受５４により近い位置とし、軸受５４のより近傍でトルク検出を行うことにより、他軸干渉量のさらなる低減が可能となり、より正確なトルク検出を行える。

上記実施例では、トルク検出装置５２の弾性体５２１には円環（リング）形状のものを例示した。しかしながら、関節駆動装置（７２）は、例えば図７〜図９に示すような異なる形状の弾性体を用いたトルク検出装置５２を用いて図４のように構成してもよい。

本実施例では、図７に示すようなトルク検出装置５２を用いる。トルク検出装置５２は、弾性体５２１と、それを保護する外装部材（カバー）５２２、およびセンサ配線ケーブル５７１を備え、全体がほぼ円筒状の外形を有する。

弾性体５２１は、図８に示すように、第１の固定部としてフランジ５２１１ａ、第２の固定部としてフランジ５２１２ａを有する。フランジ５２１１ａ、５２１２ａは円筒状の弾性変形部５２１３で結合され図９に示すような断面形状に一体化されている。

図７〜図９のように構成されたトルク検出装置５２は、図４のように関節駆動装置（７２）に組み込む。即ち、トルク検出装置５２のフランジ５２１１ａは駆動部８０の保持部材５６に固定し、フランジ５２１２ａはハウジング部の第１のリンク６２側の内面に固定する。光学センサや磁気センサなどから成るトルクセンサ（５２ｓ：不図示）は弾性変形部５２１３のねじれ、ないしフランジ５２１１ａ、および５２１２ａの相対変位を検出できるよう、例えば弾性変形部５２１３の内面（ないし外面）の適当な位置に配置する。

以上のように、トルク検出装置５２を円筒状の弾性体５２１により構成し、その一端を実施例１と同様に駆動部８０の保持部材５６に固定し、他端はハウジング部５５の第１のリンク６２側の内面に固定する。関節駆動装置（７２）のその他の構成は実施例１（図２）と同様である。

本実施例によれば、円筒状の弾性体５２１（弾性変形部５２１３）のねじり変形量（あるいは歪み量）を計測することで、トルク（図に示すＺ軸周りの回転モーメント）を測定することができる。これにより、実施例１と同様に他軸干渉（クロストーク）の影響を受けずに、正確に関節駆動トルクを検出することができる。特に、本実施例ではトルク検出装置５２の円筒状の弾性体５２１（弾性変形部５２１３）の一端を他軸力によって殆んど変形しないハウジング部５５の基底部（リンク６２側）に固定している。このため、他軸干渉（クロストーク）の影響を受けずに、正確に関節駆動トルクを検出することができる。

また、本実施例によれば、トルク検出装置５２の構造を簡略化でき、トルク検出装置５２を小型軽量化し、その製造コストを大きく低減することができる。特に、トルク検出装置５２の弾性体５２１（弾性変形部５２１３）を円筒状に構成することによって、駆動部８０の回転駆動源５１周囲のスペースを利用してトルク検出装置５２を関節駆動装置（７２）内に実装することができる。また、トルク検出装置５２の弾性体５２１は比較的大きなサイズに構成することができ、その変形を検出するトルクセンサには分解能のそれ程高くない安価な部品を利用できる可能性がある。

１…ロボット装置、２…ロボット本体、３…制御装置、２０…アーム、３０…ＣＰＵ、７１〜７６…関節駆動装置、５１…回転駆動源（モータ）、５２…トルク検出装置、５２１…弾性体、５３…減速機構、５３１…入力端、５３２…固定部、５３３…出力端、５４…軸受（関節支持機構）、５５…ハウジング部、５５１…固定部、５６…保持部材、５７…関節コントローラ、５７１…センサ配線ケーブル、５７２…モータ配線ケーブル、６２…リンク（第１のリンク）６２１…固定節のケース、６３…リンク（第２のリンク）７２…関節駆動装置、８０…駆動部、９０…出力節へ作用する力、９０１…関節が計測すべき回転トルク（ｚ方向）、９０２…出力節へ作用する他軸力の回転モーメント成分（ｙ方向）、９０３…出力節へ作用する他軸力の回転モーメント成分（ｘ方向）、９０４…出力節へ作用する他軸力の並進力成分（ｘ方向）、９０５…出力節へ作用する他軸力の並進力成分（ｙ方向）、９０６…出力節へ作用する他軸力の並進力成分（ｚ方向）。

Claims (10)

1. 第１のリンクに固定されたハウジング部と、
   前記ハウジング部に装着され第２のリンクを回転自在に支持する軸受と、
   前記ハウジング部に収容され、前記第２のリンクを回転駆動する駆動部と、
   前記駆動部と前記ハウジング部の間に配置され、前記ハウジング部に対して前記駆動部を支持する支持部と、
   前記支持部に発生するトルクを検出するトルクセンサと、
   を備えたことを特徴とする関節駆動装置。
2. 前記支持部は、前記支持部に発生するトルクに応じて変形する弾性体を含み、前記トルクセンサは前記弾性体の変形量を介して前記支持部に発生するトルクを検出し、前記弾性体および前記トルクセンサによりトルク検出装置が構成されることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
3. 前記弾性体が前記駆動部を支持する円環状の弾性体から構成されることを特徴とする請求項２に記載の関節駆動装置。
4. 前記弾性体の内周側が前記駆動部に固定され、前記弾性体の外周側が前記ハウジング部の内面に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の関節駆動装置。
5. 前記弾性体の外周側が前記ハウジング部の内面の前記第２のリンクを支持する前記軸受に近い位置に固定されていることを特徴とする請求項４に記載の関節駆動装置。
6. 前記弾性体が前記駆動部を支持する円筒状の弾性体から構成されることを特徴とする請求項２に記載の関節駆動装置。
7. 前記円筒状の前記弾性体の一端が前記駆動部に固定され、前記弾性体の他端が前記ハウジング部の前記第１のリンクの側の内面に固定されていることを特徴とする請求項６に記載の関節駆動装置。
8. 前記トルクセンサが前記弾性体の変形量を検出するセンサデバイスであることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の関節駆動装置。
9. 前記駆動部が、回転駆動源および前記回転駆動源の回転を減速する減速機構を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の関節駆動装置。
10. ロボットアームの複数の関節をそれぞれ駆動する複数の関節駆動装置を備え、前記複数の関節駆動装置のうち少なくとも１つに請求項１から９のいずれか１項に記載の関節駆動装置が含まれることを特徴とするロボット装置。

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