JP2020116693A - 関節装置、ロボットアーム、トルクおよび回転角の検出装置、及び物品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、減速機の出力側にトルクセンサとエンコーダの両方を備えた関節装置が開示されている。モータの回転軸を減速機の入力軸に結合してモータの回転を減速機に伝達し、減速機の出力側のフレクスプラインを出力軸に結合する。モータ回転軸にモータ制御用エンコーダを設け、かつ減速機出力軸には出力軸エンコーダとトルクセンサを設ける。
(1)トルクセンサの精度を高くできない。
トルクセンサには、歪ゲージや磁歪効果を用いたものが知られているが、これらのセンサは測定範囲に対する分解能の比、すなわちダイナミックレンジを高くすることが困難である。つまり、測定範囲を広くしようとすると、分解能が低下してしまう。
多関節ロボットに応用する場合は、アームの自重や搬送品の重量を支えるために根元の関節には大きなトルクがかかる。例えば、全長が500mmの小型ロボットにおいてさえも、一般的には50Nm程度のトルクがかかる。歪ゲージや磁歪効果を用いたトルクセンサでは、例えば1000レベルにわたるダイナミックレンジを設定できたとしても、50mNmの分解能しか確保できない。このため、こうしたトルクセンサを用いたとしても、多関節ロボットを高精度に力制御することは困難で、実用性能が限られる。
歪ゲージ等の代わりに弾性体の変形を利用したトルクセンサを採用することも考えられるが、弾性体には、検出するトルクの方向にだけ柔軟で他の方向成分については硬いこと、すなわち剛性比が高い形状であることが求められる。剛性比を高める設計をするには構造設計のパラメータの数が多いほうが有利であるが、一般にパラメータ数が多い構造設計をすると弾性体の形状が複雑になり、小型化が困難になる。さらに、形状が複雑になると、製造コストが高くなるし、場合によっては、機械加工等の一般的な加工方法では実現するのが困難なこともある。
図1は、本発明の実施形態1である関節装置の構成を示す模式図である。図1において、1は固定部材、2は減速機、3は支持部材、4は弾性体、5は出力部材、13はモータである。例えばロボット装置等において、リンク同士を接続する関節として本実施形態の関節装置を用いる場合には、一方のリンクが固定部材1に取り付けられ、他方のリンクが出力部材5に取り付けられる。
固定部材1には、モータ13のシャーシと、減速機2のシャーシが固定されている。モータ13の出力軸は減速機2の入力軸と結合され、減速機2の出力軸は支持部材3に結合されている。支持部材3は、弾性体4を介して出力部材5に結合されている。
すなわち、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角測定用に、回転角測定用センサ8aと回転角測定用スケール7aが設置され、固定部材に対する出力部材の回転角測定用に、回転角測定用センサ8bと回転角測定用スケール7bが設置されている。これらのセンサを用いて対向するスケールを観測することにより、回転角を測定することができる。
そして、弾性部のねじり剛性をKとすると、出力部材5に伝達されるトルクTを、T=K×(E1−E2)の関係を用いて求める。この演算は、関節装置が備える演算部が行ってもよいし、関節装置が実装されているロボット等の制御部が行ってもよい。あるいは、回転角E1と回転角E2の測定値の組み合わせについてトルクTの演算結果を予めテーブルとして記憶装置に記憶させておき、測定の都度、テーブルからトルクTを読み出してもよい。
図7は、本発明の実施形態2である関節装置の構成を示す模式図である。図7において、1は固定部材、2は減速機、3は支持部材、4は弾性体、5は出力部材、13はモータである。例えばロボット装置等において、リンク同士を接続する関節として本実施形態の関節装置を用いる場合には、一方のリンクが固定部材1に取り付けられ、他方のリンクが出力部材5に取り付けられる。
固定部材1には、モータ13のシャーシと、弾性体4の一端が固定されている。モータ13の出力軸は減速機2の入力軸と結合され、減速機2の出力軸は出力部材5に結合されている。減速機2のシャーシは支持部材3に固定され、支持部材3は弾性体4を介して固定部材1に結合されている。
すなわち、固定部材に対する出力部材の回転角測定用に、回転角測定用センサ8bと回転角測定用スケール7bが設置され、支持部材に対する出力部材の回転角測定用に、回転角測定用センサ8aと回転角測定用スケール7aが設置されている。これらのセンサを用いて対向するスケールを観測することにより、回転角を測定することができる。
そして、出力部材5に伝達されるトルクTは、弾性部のねじり剛性をKとすると、T=K×(E3−E4)の関係を用いて求める。この演算は、関節装置が備える演算部が行ってもよいし、関節装置が実装されているロボット等の制御部が行ってもよい。あるいは、回転角E3と回転角E4の測定値の組み合わせについてトルクTの演算結果を予めテーブルとして記憶装置に記憶させておき、測定の都度、テーブルからトルクTを読み出してもよい。
本実施形態の関節装置も、実施形態1と同様に、各種のロボットのリンクを結合する関節部等に用いることができる。
実施形態1の具体的な例として、実施例1を示す。
図2は、実施例1の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
剛体である固定部材1には、モータ13が不図示のボルトで固定されている。また、固定部材1には、減速機固定軸18(サーキュラースプライン)が固定されている。また、固定部材1には減速機のクロスローラベアリング20が固定され、クロスローラベアリング20を介して回転軸19(減速機の出力軸)が回転可能に保持されている。固定部材1には、回転角測定用センサ8aと回転角測定用センサ8bが搭載された基板9が固定されている。
関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、固定部材1は一方のリンクに固定される。
本実施例で用いる減速機は波動歯車減速機と呼ばれるもので、減速機入力軸16(ウェーブジェネレータ)、減速機出力軸17(フレクスプライン)、減速機固定軸18(サーキュラースプライン)の3つの主要部品から構成される。
減速機入力軸16は、転がり軸受けを有する楕円カムである。減速機出力軸17は、カップ形状をした楕円変形する外歯車である。減速機固定軸18は、減速機出力軸とは歯数の異なる内歯車である。減速機入力軸16は、減速機出力軸17(フレクスプライン)を楕円カムの長径両端の2箇所で押し広げて減速機固定軸18(サーキュラースプライン)と噛み合わせる。このとき、両者の歯数が異なるので、減速機入力軸が1回転したとき、減速機固定軸に対して減速機出力軸が歯数の差だけ回転する。
減速機の出力軸である回転軸19は、支持部材3に接続されている。支持部材3は弾性体4の一端と接続され、弾性体4の他端は出力部材5と接続されている。したがって、減速機の出力軸が減速比に応じて回転して回転力が支持部材3に伝達されると、回転力は弾性体4を介して出力部材5に伝達され、出力部材5を回転させる。関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、出力部材5は、固定部材1が接続されたリンクとは反対側のリンクに固定される。図2の例では、出力部材5はボス部31を介してリンク32に固定されている。
固定部材1に設けられた回転角測定用センサ8aは、支持部材3に配置された回転角測定用スケール7aを計測して固定部材1に対する支持部材3の回転角を測定する。また、固定部材1に設けられた回転角測定用センサ8bは、出力部材5に配置された回転角測定用スケール7bを計測して固定部材1に対する出力部材5の回転角を測定する。
また、第二の角度検出器を構成する回転角測定用センサ8a−1と回転角測定用センサ8a−2は、基板9の同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする直径が小さな円周上の180度異なる2か所に対向配置する。
第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に90度ずらして配置しているが、必ずしも90度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
実施形態1に関して、実施例1とは異なる実施例2を示す。実施例1と共通する部分については、説明を省略する。
図5は、実施例2の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
支持部材3に固定された回転角測定用センサ8bは、固定部材1に固定された回転角測定用スケール7を計測して固定部材1に対する支持部材3の回転角を測定する。また、出力部材5に設けられた回転角測定用センサ8aは、固定部材1に配置された回転角測定用スケール7を計測して固定部材1に対する出力部材5の回転角を測定する。
回転角測定用センサ8a−1と回転角測定用センサ8a−2は基板9aに、回転角測定用センサ8b−1と回転角測定用センサ8b−2は基板9bに、それぞれ実装されている。基板9aおよび基板9bのそれぞれには、2つの回転角測定用センサの他に、センサを駆動するための信号発生回路や、センサ出力信号の処理回路や、配線やコネクタが適宜実装される。
尚、図6では、第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に90度ずらして配置しているが、必ずしも90度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
実施形態2の具体的な例として、実施例3を示す。図8は、実施例3の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
剛体である固定部材1には、モータ13が不図示のボルトで固定されている。また、固定部材1には、回転軸周りに放射状に配置された複数の板状の弾性体4のそれぞれの一端が接続されている。また、固定部材1には、第一の角度検出器の回転角測定用スケール7bが固定されている。
関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、固定部材1は一方のリンクに固定される。
本実施例で用いる減速機は波動歯車減速機と呼ばれるもので、減速機入力軸16(ウェーブジェネレータ)、減速機出力軸17(フレクスプライン)、減速機固定軸18(サーキュラースプライン)の3つの主要部品から構成される。
減速機入力軸16は、転がり軸受けを有する楕円カムである。減速機出力軸17は、カップ形状をした楕円変形する外歯車である。減速機固定軸18は、減速機出力軸とは歯数の異なる内歯車である。減速機入力軸16は、減速機出力軸17(フレクスプライン)を楕円カムの長径両端の2箇所で押し広げて減速機固定軸18(サーキュラースプライン)と噛み合わせる。このとき、両者の歯数が異なるので、減速機入力軸が1回転したとき、減速機固定軸に対して減速機出力軸が歯数の差だけ回転する。
支持部材3には、回転軸周りに放射状に配置された複数の板状の弾性体4のそれぞれの一端が接続されている。すなわち、支持部材3は複数の板状の弾性体4を介して固定部材1と接続されている。
したがって、減速機の出力軸が減速比に応じて回転して回転力が出力部材5に伝達されると、回転力の反作用が弾性体4に働く。その際には、弾性体4はねじり剛性(K)を有する弾性体であるため、出力部材5に伝達されるトルクに応じて変形する。すなわち、固定部材1に対する出力部材5の回転角と、支持部材3に対する出力部材5の回転角の間には、弾性体4の変形に応じた差異が生ずる。
出力部材5に設けられた回転角測定用センサ8aは、支持部材3に配置された回転角測定用スケール7aを計測して支持部材3に対する出力部材5の回転角を測定する。また、出力部材5に設けられた回転角測定用センサ8bは、固定部材1に配置された回転角測定用スケール7bを計測して固定部材1に対する出力部材5の回転角を測定する。
また、第二の角度検出器を構成する回転角測定用センサ8a−1と回転角測定用センサ8a−2は、基板9の同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする直径が小さな円周上の180度異なる2か所に配置する。
第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に90度ずらして配置しているが、必ずしも90度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
そして、弾性部のねじり剛性をKとすると、出力部材5に伝達されるトルクTを、T=K×(E3−E4)の関係を用いて求める。この演算は、関節装置が備える演算部が行ってもよいし、関節装置が実装されているロボット等の制御部が行ってもよい。
実施形態2に関して、実施例3とは異なる実施例4を示す。実施例3と共通する部分については、説明を省略する。
図9は、実施例4の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
支持部材3に設けられた回転角測定用センサ8bは、出力部材5に配置された回転角測定用スケール7を計測して支持部材3に対する出力部材5の回転角を測定する。また、固定部材1に設けられた回転角測定用センサ8aは、出力部材5に配置された回転角測定用スケール7を計測して固定部材1に対する出力部材5の回転角を測定する。
回転角測定用センサ8a−1と回転角測定用センサ8a−2は基板9aに、回転角測定用センサ8b−1と回転角測定用センサ8b−2は基板9bに、それぞれ実装されている。基板9aおよび基板9bのそれぞれには、2つの回転角測定用センサの他に、回転角測定用センサを駆動するための信号発生回路や、センサ出力信号の処理回路や、配線やコネクタが適宜実装される。
尚、図6では、第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に90度ずらして配置しているが、必ずしも90度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
本発明は、以上説明した実施形態と実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
本発明を実施した関節装置は、高精度にトルクと回転角度を検出することが可能で、回転角度の制御精度に優れる。本実施形態の関節装置を検出装置としてロボット装置に装着すれば、ロボット装置の作業精度を高めることができる。すなわち、例えば図10に示した多関節ロボットの各関節に本発明を実施した関節装置を装着し、物品の組立や加工を行う製造ラインに配置し、物品の製造工程を行えば、高精度な物品の製造方法を実現することができる。もちろん、物品の製造に限らずとも、種々の作業を高精度に行う多関節ロボットにおいて実施することができる。
Claims (18)
- 固定部材にそれぞれ固定されたモータと減速機と、
支持部材と、
出力部材と、を備える関節装置であって、
前記減速機の出力軸と前記支持部材とが結合され、前記支持部材と前記出力部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とする関節装置。 - 前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記減速機の出力軸の回転角度と、
前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記固定部材の回転角度と、
前記弾性体の剛性と、から、
前記出力部に伝達されるトルクを求めて前記モータを制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の関節装置。 - 前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の関節装置。 - 前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が同一の基板に実装されて前記固定部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項3に記載の関節装置。 - 前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の関節装置。 - 前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールとが、一体のスケールとして前記固定部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項5に記載の関節装置。 - 前記弾性体は、前記出力部材の回転軸を中心に放射状に配置された複数の板状弾性体で、各板状弾性体の主面が前記出力部材の回転軸を中心とする円周と直交する向きになるように前記支持部材および前記出力部材に結合されている、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の関節装置。 - 固定部材に固定されたモータと、
支持部材と、
前記支持部材に固定された減速機と、
出力部材と、を備える関節装置であって、
前記減速機の出力軸と前記出力部材とが結合され、前記固定部材と前記支持部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とする関節装置。 - 前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記減速機の出力軸の回転角度と、
前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記固定部材の回転角度と、
前記弾性体の剛性と、から、
前記出力部に伝達されるトルクを求めて前記モータを制御する、
ことを特徴とする請求項8に記載の関節装置。 - 前記出力部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項8または9に記載の関節装置。 - 前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が同一の基板に実装されて前記出力部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項10に記載の関節装置。 - 前記出力部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項8または9に記載の関節装置。 - 前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールとが、一体のスケールとして前記出力部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項12に記載の関節装置。 - 前記弾性体は、前記モータの回転軸を中心に放射状に配置された複数の板状弾性体で、各板状弾性体の主面が前記モータの回転軸を中心とする円周と直交する向きになるように前記固定部材および前記支持部材に結合されている、
ことを特徴とする請求項8乃至13のいずれか1項に記載の関節装置。 - 請求項1乃至14のいずれか1項に記載の関節装置と、リンクを備える、
ことを特徴とするロボットアーム。 - 請求項15に記載のロボットアームにより、物品の組立または加工を行う、
ことを特徴とする物品の製造方法。 - 固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備え、
前記支持部材と前記出力部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記支持部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記固定部材に対する前記支持部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とするトルクおよび回転角の検出装置。 - 固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備え、
前記支持部材と前記固定部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とするトルクおよび回転角の検出装置。
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