JP2019109262A - トルクセンサおよびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】歪みセンサの数を減らしてコストを削減しながら回転方向のトルクを精度よく検出する。【解決手段】所定の軸線Ａ回りの回転方向のみに相対移動可能に支持された内輪２および外輪３を備える軸受５と、軸受５とは別体の接続部材６であって、内輪２および外輪３にそれぞれ固定される固定部と、固定部間を接続する歪み発生部とを備える接続部材６と、接続部材６に少なくとも周方向の歪みを検出可能に配置された歪みセンサ７とを備えるトルクセンサ１を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、トルクセンサおよびロボットに関するものである。

従来、回転方向のトルクを検出するトルクセンサとして、回転により変形する起歪体に該起歪体の歪みを計測する歪みセンサを取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。種々の方向の負荷が作用するロボットの関節においては、関節に作用する回転方向のトルクを精度よく検出するために、多数の歪みセンサを用いたブリッジ回路による歪みキャンセル機構を構成して、回転方向以外の負荷を排除することが行われる。

特開２０１２−４７４６０号公報

しかしながら、歪みセンサは高価であり、関節軸毎に多数の歪みセンサを用いたのではロボットのコストが高く付くという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、歪みセンサの数を減らしてコストを削減しながら回転方向のトルクを精度よく検出することができるトルクセンサおよびロボットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、所定の軸線回りの回転方向のみに相対移動可能に支持された内輪および外輪を備える軸受と、前記軸受とは別体の接続部材であって、前記内輪および前記外輪にそれぞれ固定される固定部と、該固定部間を接続する歪み発生部とを備える接続部材と、該接続部材に少なくとも周方向の歪みを検出可能に配置された歪みセンサとを備えるトルクセンサである。
本発明の他の態様は、所定の軸線回りの回転方向のみに相対移動可能に支持された内輪および外輪を備える軸受と、前記内輪および前記外輪にそれぞれ固定される固定部と、該固定部間を接続する歪み発生部とを備える接続部材と、該接続部材に少なくとも周方向の歪みを検出可能に配置された歪みセンサとを備え、前記接続部材が、前記内輪および前記外輪の回転軸に略垂直な側面に沿って延びる平板状に形成されているトルクセンサである。

本態様によれば、回転軸線回りに駆動される被検出体の回転軸線に軸線を一致させて、トルクが伝達される部位を跨ぐように配置した内輪および外輪を被検出体に固定することにより、被検出体にトルクがかかると内輪と外輪とが相対的に回転し、接続部材の歪み発生部に歪みが発生する。この歪み量が歪みセンサにより検出されることにより、検出された歪み量に基づいて被検出体に作用しているトルクを求めることができる。

この場合において、軸受の内輪と外輪とが所定の軸線回りの回転方向のみに相対移動可能に支持されているので、種々の方向の負荷が作用するロボットの関節に取り付けた場合においても、回転方向以外の負荷が接続部材の歪み発生部に作用することが防止される。その結果、複数の歪みゲージを用いたブリッジ回路によって歪みキャンセル機構を構成しなくても、回転方向のトルクを精度よく検出することができる。

上記態様においては、前記歪み発生部の横断面積が、前記固定部の横断面積より小さくてもよい。
このようにすることで、歪み発生部における歪み量が大きくなり、歪みセンサが周方向の歪みを精度よく検出することができる。

上記態様においては、前記内輪および前記外輪が、これらを被検出体に固定する固定手段を備えていてもよい。
このようにすることで、固定手段によって内輪および外輪を被検出体に直接固定することができる。

また、上記態様においては、前記接続部材が、前記内輪および前記外輪の回転軸に略垂直な側面に沿って延びる平板状に形成されていてもよい。
このようにすることで、平板状の接続部材を内輪および外輪の側面に沿って配置し、径方向に突出しないように構成することができる。

また、上記態様においては、前記歪みセンサが、周囲温度変化による歪み量変動を補正する補正手段を備えていてもよい。
このようにすることで、周囲温度が変化するとそれだけで歪み量が変化してしまうので、この周囲温度変化分の歪み量を補正することで歪み検出精度を更に向上させることができる。

また、上記態様においては、前記歪みセンサが、前記接続部材に、ネジ留め固定されていてもよい。
このようにすることで、歪みゲージは一般的には接着で固定されることがほとんどであるが、接着層が均一になるよう注意を払う必要がある。ネジ留め固定とすることで、組み立て性を向上させることができる。

また、上記態様においては、前記歪みセンサが、前記歪み発生部に複数並んで配置されていてもよい。
このようにすることで、一の歪みセンサが正常であるかどうかを他の歪みセンサの歪みデータと比較することで、把握することができる。一の歪みセンサが万一故障しても、故障していない残りの正常な歪みセンサの歪み情報を用いて、ロボットを安全に速やかに停止させることができる。

また、上記態様においては、前記軸受が、クロスローラ軸受であってもよい。
このようにすることで、内輪および外輪が軸線回りの回転方向のみに相対移動可能に支持され、種々の方向の負荷が作用するロボットの関節に取り付けた場合においても、回転方向以外の負荷が接続部材の歪み発生部に作用することを簡易に防止することができる。
また、上記態様においては、前記軸受が、組み合わせ玉軸受であってもよい。

また、上記態様においては、前記軸受が、滑り軸受であってもよい。
このようにすることで、簡易な構成の滑り軸受によってコストを低減することができる。

また、上記態様においては、前記接続部材が前記軸線回りの周方向に間隔をあけて複数備えられ、各前記接続部材の前記歪み発生部に前記歪みセンサが配置されていてもよい。
このようにすることで、歪みセンサが配置された同じ接続部材を複数備え、複数系統の検出値を出力するトルクセンサを容易に構成できる。

また、上記態様においては、前記内輪および前記外輪にそれぞれ固定され、前記内輪と前記外輪とを連結する１以上の補強部材を備えていてもよい。
このようにすることで、補強部材が歪み発生部に作用する歪み量を低減するため、補強部材がない場合と比較して、歪みセンサが検出する歪み量が小さくなる。そのため、補強部材によって歪みセンサの検出値を調整することができる。
また、本発明の他の態様は、上記いずれかのトルクセンサが、各関節の回転軸線に前記軸受の前記軸線を一致させて取り付けられているロボットを提供する。

本発明によれば、歪みセンサの数を減らしてコストを削減しながら回転方向のトルクを精度よく検出することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るトルクセンサを示す斜視図である。 図１のトルクセンサを示す正面図である。 図１のトルクセンサを示す縦断面図である。 図１のトルクセンサの接続部材を示す拡大図である。 図１のトルクセンサをロボットの関節軸に取り付けた例を示す図である。 図１のトルクセンサの変形例を示す斜視図である。 図１のトルクセンサの変形例を示す斜視図である。 図１のトルクセンサの変形例を示す斜視図である。 図１のトルクセンサの変形例を示す正面図である。

本発明の一実施形態に係るトルクセンサ１およびロボット１００について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るトルクセンサ１は、図１から図３に示されるように、径方向に隣接して配置された内輪２および外輪３と、これら内輪２と外輪３との間に周方向に間隔をあけて複数配列されたローラ４とを備えるクロスローラ軸受（軸受）５と、該クロスローラ軸受５の内輪２および外輪３にそれぞれ固定される接続部材６と、該接続部材６に固定された１軸歪みセンサ（歪みセンサ）７とを備えている。

クロスローラ軸受５の内輪２および外輪３には、図１に示されるように、これらを被検出体に固定するために軸線Ａ方向に貫通する貫通孔（固定手段）８ａあるいはネジ孔（固定手段）８ｂが周方向に間隔をあけて複数設けられている。
接続部材６は、図１および図３に示されるように、クロスローラ軸受５の内輪２および外輪３の軸方向に略垂直な端面に沿って配置される平板状に形成され、図４に示されるように、内輪２および外輪３の軸方向の端面にそれぞれ固定される固定部９ａ，９ｂと、該固定部９ａ，９ｂ間を接続する歪み発生部１０とを備えている。

内輪２に固定される固定部９ａと、外輪３に固定される固定部９ｂとは、図４に示す例では、それぞれ周方向における幅寸法Ｗ１，Ｗ２で周方向に隣接する位置に配置され、内輪２に固定された固定部９ａは径方向外方に延び、外輪３に固定された固定部９ｂは径方向内方に延びている。固定部９ａ，９ｂ間を接続する歪み発生部１０は、内輪２と外輪３との境界位置近傍において、径方向における幅寸法Ｗ３で固定部９ａ，９ｂ間に周方向に挟まれる位置に配置され、両固定部９ａ，９ｂを接続している。

歪み発生部１０の横断面積は、固定部９ａ，９ｂの横断面積と比較して十分に小さく設定されている。これにより、内輪２と外輪３との間に両者を相対的に回転させるトルクが作用した場合には、図４に矢印で示されるように、歪み発生部１０に周方向に沿う引っ張り力あるいは圧縮力が作用して、専ら歪み発生部１０に歪みが発生するようになっている。

１軸歪みセンサ７は、歪み発生部１０の表面に、引っ張り力および圧縮力が作用する方向に検出方向を一致させて貼り付けられている。１軸歪みセンサ７には図示しない配線が接続され、歪み発生部１０に発生する歪み量に比例する電圧信号を出力するようになっている。これにより、１軸歪みセンサ７から出力された電圧信号に基づいて、トルクを求めることができる。１軸歪みセンサ７としては、半導体歪みゲージや金属箔歪みゲージなどがあるが、ボルト固定タイプの歪みセンサでもよいし、レーザ変位センサやレーザ近接センサ、静電容量形近接センサなどの変位検出機器であってもよい。相手側との距離から歪み量を検出することができるものならばよい。この場合、これらの変位検出機器の投光器と相手側の壁状部材とは、同じ歪み発生部１０上に配置される必要がある。

このように構成された本実施形態に係るトルクセンサ１の作用について、以下に説明する。
ここでは、ロボット１００の関節軸に作用するトルクを、本実施形態に係るトルクセンサ１を用いて検出する場合について説明する。

本実施形態に係るトルクセンサ１を用いてロボット１００の関節軸に作用するトルクを検出するには、図５に示されるように、関節軸（関節）の軸線（回転軸線）Ｂにクロスローラ軸受５の軸線Ａを一致させるように、トルクセンサ１を固定する。
図５に示す例では、関節軸を構成しているアクチュエータ１１０の減速機出力軸１１１に、クロスローラ軸受５の外輪３に形成された貫通孔８ａを利用して、ネジ１２０により外輪３を固定している。また、減速機出力軸１１１に図示しないネジで固定されているロボットアーム１０１に、内輪２に形成されたネジ孔８ｂを利用して、ネジ１３０により内輪２を固定している。これにより、本実施形態のトルクセンサ１を被検出体であるロボットアーム１０１およびアクチュエータ１１０に直接固定することができる。図中、符号１４０は、アクチュエータ１１０に動力を供給するモータである。

この状態で、ロボット１００のロボットアーム１０１に負荷が作用することにより、減速機出力軸１１１の軸線Ｂ回りにトルクが作用すると、トルクセンサ１を構成しているクロスローラ軸受５の内輪２と外輪３とが周方向に相対的に微小に変位するため、その変位により、接続部材６の固定部９ａ，９ｂ間に配置されている歪み発生部１０に引っ張り力または圧縮力が作用して、歪み発生部１０が変形する。これにより、歪み発生部１０に貼り付けられている１軸歪みセンサ７により歪み量が検出され、検出された歪み量に基づいてトルクを検出することができる。

この場合において、本実施形態に係るトルクセンサ１によれば、歪み発生部１０を備える接続部材６が、クロスローラ軸受５の内輪２および外輪３に掛け渡すように固定されており、内輪２と外輪３とは周方向にのみ相対移動するように支持されている。したがって、ロボットアーム１０１に種々の方向の負荷が作用しても、１軸歪みセンサ７が取り付けられている歪み発生部１０には、周方向のみに引っ張り力または圧縮力が作用する。

すなわち、本実施形態に係るトルクセンサ１によれば、ロボットアーム１０１に種々の方向の負荷が作用しても、関節軸の軸線Ｂ回りに作用するトルクのみを精度よく検出することができるという利点がある。
その結果、高価な歪みセンサを多数方向に貼り付けてブリッジ回路を用いた多軸歪みキャンセル機構を採用しなくても、回転方向以外の負荷により発生する歪み量を検出することなく、精度よくトルクを検出でき、コストを低く抑えることができる。特に、多関節ロボットの全ての関節軸にトルクセンサを設置する場合に効果的にコストを低減することができる。

また、本実施形態においては、歪み発生部１０における歪み量を１軸歪みセンサ７により検出するものを例示したが、歪み量の検出は必ずしも１軸に限定されるものではない。１軸に限らずに歪み発生部１０の歪み量を検出する歪みセンサを採用してもよい。

また、本実施形態に係るトルクセンサ１によれば、内輪２と外輪３との間に１軸歪みセンサ７を取り付ける接続部材６が内輪２および外輪３の軸方向の端面に沿って配置される平板状に形成されているので、クロスローラ軸受５の軸方向に若干突出するコンパクトな構成を有している。これにより、減速機出力軸１１１とロボットアーム１０１との間に形成される隙間を利用してロボット１００の関節軸に取り付けることができる。

そして、本実施形態に係るトルクセンサ１を各関節軸に取り付けたロボット１００によれば、ロボット１００の先端に複数方向の負荷が作用しても、各関節軸に作用するトルクを精度よく求めて、制御することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、軸受としてクロスローラ軸受５を用いたが、これに限定されるものではなく、所定の軸線Ａ回りの回転方向のみに内輪２と外輪３とが相対移動可能に支持されている軸受であれば、４点接触玉軸受、テーパローラ組み合わせ軸受、アンギュラ組み合わせ軸受、複列玉軸受、深溝玉軸受あるいは滑り軸受等の他の種類の軸受を採用してもよい。特に、トルクを検出するための内輪２と外輪３との相対変位量は極めて微量であるため、構造の簡易な滑り軸受を用いることにしてもよく、その場合には、さらなるコスト低減を図ることができる。
また、組み合わせ玉軸受を用いることにより、回転摩擦の影響を最小とすることができ、検出精度の向上に期待ができる。

また、本実施形態においては、接続部材６として、内輪２および外輪３の軸方向の端面に沿って延びる平板状のものを例示したが、これに代えて、図６に示されるように、内輪２および外輪３の軸方向の端面から径方向外方にそれぞれ延び、外輪３の径方向外方において軸方向に湾曲するＬ字状の固定部１１ａ，１１ｂと、外輪３の径方向外方に間隔をあけて配置される２つの固定部１１ａ，１１ｂの間を接続するように周方向に配置される歪み発生部１２とを備えるものを採用してもよい。

このようにすることで、１軸歪みセンサ７をクロスローラ軸受５の径方向外方に配置することができ、損傷した場合の交換作業を容易にすることができる。また、トルクセンサ１自体の幅を抑えることができる。

また、本実施形態においては、１軸歪みセンサ７が、周囲温度変化による歪み量変動を補正する補正手段を備えていてもよい。
このようにすることで、接続部材６の歪み発生部１０近傍の周囲温度が変化した場合、温度の変化量に応じて歪み量が変化してしまうが、補正手段を用いて周囲温度の変化分の歪み量を補正することによって、歪み検出精度を更に向上させることができる。

また、本実施形態においては、１軸歪みセンサ７として、歪み発生部１０の表面に貼り付けられているものを例示したが、これに代えて、ネジ留め固定されるものを採用してもよい。
また、トルクセンサ１が単一の１軸歪みセンサ７を備える場合を例示したが、故障検出用に２以上の１軸歪みセンサ７を歪み発生部１０，１２に並べて配置してもよい。並べ方は、並列であっても直列であってもよい。

このような構成とすることで、一の１軸歪みセンサ７が正常であるかどうかを他の１軸歪みセンサ７の歪みデータと比較することにより、把握することができる。一の１軸歪みセンサ７が万一故障しても、故障していない残りの正常な１軸歪みセンサ７の歪み情報を用いて、ロボット１００を安全に速やかに停止させることができる。

図７には、２つの接続部材６，１６を備える変形例のトルクセンサ１ａが示されている。トルクセンサ１ａは、実施形態のトルクセンサ１と比較して、図７に示すように、接続部材６に加えて、１軸歪みセンサ（歪みセンサ）１７が固定された接続部材１６をさらに備えている。接続部材１６および１軸歪みセンサ１７は、接続部材６および１軸歪みセンサ７と同じ構成である。接続部材１６は、接続部材６と同じ回転円周上の線ＣＬ１上における異なる周方向の位置に配置され、外輪３および内輪２に固定されている。そのため、１軸歪みセンサ１７は、接続部材１６に発生する歪み量を検出できる。

このように、図７に示す変形例のトルクセンサ１ａは、同一の回転円周上に２つの接続部材６，１６および１軸歪みセンサ７，１７を備えることで、複数系統の検出値を出力できる。なお、図７に示す変形例では、トルクセンサ１ａが２つの接続部材６，１６および１軸歪みセンサ７，１７を備える例について説明したが、トルクセンサが備える接続部材および１軸歪みセンサは、３つ以上であってもよい。また、２つの接続部材６，１６は、同一形状でもよいし、２つの１軸歪みセンサ７，１７は同一の１軸歪みセンサであってもよい。

図８には、外輪３および内輪２のそれぞれに固定され外輪３と内輪２とを連結する２つの補強部材２１，２２を備え、接続部材６に２つの１軸歪みセンサ７，１７が配置された変形例のトルクセンサ１ｂが示されている。補強部材２１，２２のそれぞれが外輪３および内輪２に固定されているため、接続部材６に発生する歪み量は、実施形態のトルクセンサ１に固定された接続部材６に発生する歪み量よりも小さくなる。そのため、補強部材２１，２２によって、接続部材６に配置された１軸歪みセンサ７，１７の検出値を調整することができる。２つの１軸歪みセンサ７，１７は同一の１軸歪みセンサであってもよい。

また、図８に示すトルクセンサ１ｂでは、接続部材６における歪み発生部１０に、２つの１軸歪みセンサ７，１７が配置されている。そのため、２つの１軸歪みセンサ７，１７の検出値を比較することで、１軸歪みセンサ７，１７が正常であるか否かを把握することができる。なお、他の形態のトルクセンサは、１つの接続部材６に配置された３つ以上の１軸歪みセンサを備えてもよいし、１または３つ以上の補強部材を備えてもよい。トルクセンサが備える補強部材として、図８に示す補強部材２１，２２を例に挙げたが、トルクセンサに備えられる補強部材は、外輪３および内輪２のそれぞれに固定される範囲で、形状について種々変形可能である。補強部材は、例えば、図８に示す接続部材６と同じ形状であってもよいし、円板形状などであってもよい。補強部材は、接続部材６が配置されているトルクセンサの１ｂの面とは反対側の面に配置されてもよい。

上記実施形態のトルクセンサ１では、固定部９ａ，９ｂの横断面積が、歪み発生部１０の横断面積よりも大きい接続部材６について説明したが、接続部材６に含まれる各部の横断面積の関係については、種々変形可能である。例えば、図９に示すように、変形例のトルクセンサ１ｃが備える接続部材６ｃの形状は、正面から見たときに扇形の両端面を平行にした長方形に近い形状である。このような接続部材６ｃを採用することで、大きいトルクがトルクセンサ１ｃに加わる場合でも、図８に示すような補強部材２１，２２が不要になる。極端な例としては、接続部材の形状が、軸受の内輪２および外輪３の全周を使ったドーナツ状の円板形状であってもよい。１軸歪みセンサ７が歪みを検出する歪み発生部１０ｃは、図４に示す歪み発生部１０とは異なり、他の部分と比較して横断面積が小さく形成されていなくてもよい。他の変形例では、接続部材において、歪み発生部の横断面積の方が、固定部の横断面積よりも大きくてもよい。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ トルクセンサ
２ 内輪
３ 外輪
５ クロスローラ軸受（軸受）
６，６ｃ，１６ 接続部材
７，１７ １軸歪みセンサ（歪みセンサ）
８ａ 貫通孔（固定手段）
８ｂ ネジ孔（固定手段）
９ａ，９ｂ，１１ａ，１１ｂ 固定部
１０，１２ 歪み発生部
１００ ロボット
１０１ ロボットアーム（被検出体）
１１０ アクチュエータ（被検出体）
Ａ 軸線
Ｂ 軸線（回転軸線）

Claims (14)

1. 所定の軸線回りの回転方向のみに相対移動可能に支持された内輪および外輪を備える軸受と、
   前記軸受とは別体の接続部材であって、前記内輪および前記外輪にそれぞれ固定される固定部と、該固定部間を接続する歪み発生部とを備える接続部材と、
   該接続部材に少なくとも周方向の歪みを検出可能に配置された歪みセンサとを備えるトルクセンサ。
2. 前記接続部材が、前記内輪および前記外輪の回転軸に略垂直な側面に沿って延びる平板状に形成されている請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 所定の軸線回りの回転方向のみに相対移動可能に支持された内輪および外輪を備える軸受と、
   前記内輪および前記外輪にそれぞれ固定される固定部と、該固定部間を接続する歪み発生部とを備える接続部材と、
   該接続部材に少なくとも周方向の歪みを検出可能に配置された歪みセンサとを備え、
   前記接続部材が、前記内輪および前記外輪の回転軸に略垂直な側面に沿って延びる平板状に形成されているトルクセンサ。
4. 前記歪み発生部の横断面積が、前記固定部の横断面積より小さい請求項１から請求項３のいずれかに記載のトルクセンサ。
5. 前記内輪および前記外輪が、これらを被検出体に固定する固定手段を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のトルクセンサ。
6. 前記歪みセンサが、周囲温度変化による歪み量変動を補正する補正手段を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のトルクセンサ。
7. 前記歪みセンサが、前記接続部材に、ネジ留め固定される請求項１から請求項６のいずれかに記載のトルクセンサ。
8. 前記歪みセンサが、前記歪み発生部に複数並んで配置されている請求項１から請求項７のいずれかに記載のトルクセンサ。
9. 前記軸受が、クロスローラ軸受である請求項１から請求項８のいずれかに記載のトルクセンサ。
10. 前記軸受が、組み合わせ玉軸受である請求項１から請求項８のいずれかに記載のトルクセンサ。
11. 前記軸受が、滑り軸受である請求項１から請求項８のいずれかに記載のトルクセンサ。
12. 前記接続部材が前記軸線回りの周方向に間隔をあけて複数備えられ、
    各前記接続部材の前記歪み発生部に前記歪みセンサが配置されている請求項１から請求項１１のいずれかに記載のトルクセンサ。
13. 前記内輪および前記外輪にそれぞれ固定され、前記内輪と前記外輪とを連結する１以上の補強部材を備える請求項１から請求項１２のいずれかに記載のトルクセンサ。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載のトルクセンサが、各関節の回転軸線に前記軸受の前記軸線を一致させて取り付けられているロボット。

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