JP2020134207A - 検出装置、ロボット装置、検出方法、物品の製造方法、プログラム及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を向上させること。【解決手段】検出装置の検出ユニット４１は、締結部材４０１と、締結部材４０１に対して回転変位可能な締結部材４０２と、を備える。締結部材４０１と締結部材４０２とは、複数のばね部材４０３で連結されている。検出ユニット４１は、同一円周上に等間隔に配置され、締結部材４０１に対する締結部材４０２の回転変位に応じたセンサ信号をそれぞれ出力する３つのセンサ５０１，５０２，５０３を更に備える。【選択図】図４

Description

本発明は、回転変位を検出する技術に関する。

工場などにおける物品の製造ラインにおいて、加工作業や組立作業などの作業を、ロボットアームを有するロボット装置により自動化する需要が高まっている。このような作業において、ロボットアームを外力に倣って動作させる力制御を行うことがある。ロボットアームの力制御においては、ロボットアームの各関節における回転方向のトルク情報を検出することが求められている。

特許文献１に記載の検出装置の一例であるセンサは、第１及び第２締結部と、第１及び第２締結部を連結するばね部と、円周上に等間隔に配置された２つ又は４つの光学式のエンコーダと、を備えている。検出装置は、例えばロボットアームの関節に配置される。第１締結部及び第２締結部の一方が他方に対して相対的に回転変位することで、各エンコーダにより回転変位を検出することができ、回転変位の情報からトルクの情報を求めることができる。

検出装置には、回転方向以外に、並進方向に力（他軸力）が働くことがあり、第１締結部及び第２締結部の一方が他方に対して相対的に並進変位することがある。特許文献１では、２つ又は４つの光学式のエンコーダの出力値を平均することで、回転方向以外の並進方向の変位の誤差をキャンセルして、回転方向の変位を検出することができる。

特開２０１７−９６９２９号公報

ところで、ロボットアームには、精密機械の組立といった複雑な作業や、作業者との協同作業など、これまでよりも精度の高い動作が求められており、検出装置においても、更なる高精度化が求められてきている。しかし、従来の検出装置では、誤差成分が十分に除去しきれずに検出結果に残っていることがあり、更なる改良が求められていた。

本発明は、検出精度を向上させることを目的とする。

本発明の検出装置は、第１部材と、前記第１部材に対して回転変位可能な第２部材と、同一円周上に等間隔に配置され、前記第１部材に対する前記第２部材の回転変位に応じたセンサ信号をそれぞれ出力する３つのセンサと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、検出精度を向上させることができる。

第１実施形態に係るロボット装置の説明図である。 図１に示すロボットアームの一関節の断面図である。 第１実施形態に係るロボット装置の制御系を示すブロック図である。 第１実施形態に係る検出装置の検出ユニットの斜視図である。 第１実施形態に係る検出装置のブロック図である。 第１実施形態に係る検出装置の検出ユニットの上面図である。 図６に示す検出ユニットのＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。 （ａ）は、検出ユニットの構造体に並進変位が生じた場合の説明図である。（ｂ）は、検出ユニットの構造体に楕円変位が生じた場合の説明図である。 （ａ）は、第１実施形態において構造体に並進変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。（ｂ）は、第１実施形態において構造体に楕円変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。 （ａ）は、第１実施形態において構造体に並進変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。（ｂ）は、第１実施形態において構造体に楕円変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。 第２実施形態に係る検出装置の検出ユニットの上面図である。 （ａ）は、比較例において構造体に並進変位が生じた場合に２つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。（ｂ）は、比較例において構造体に楕円変位が生じた場合に２つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るロボット装置１０００の説明図である。ロボット装置１０００は、ロボット１００と、ロボット１００を制御する制御装置３００と、を備える。制御装置３００には、教示ペンダント６００が接続される。ロボット１００は、産業用ロボットであり、物品の製造に用いられる。ロボット１００は、ロボットアーム１０１と、エンドエフェクタの一例であるロボットハンド１０２と、を有する。教示ペンダント６００は、操作者が操作するものであり、ロボット１００や制御装置３００の動作を指定するのに用いる。

ロボットアーム１０１は、垂直多関節のロボットアームである。ロボットアーム１０１の基端部は、作業台１５０に固定されている。ロボットアーム１０１の先端部には、ロボットハンド１０２が設けられている。ロボットアーム１０１は、複数の関節、例えば６つの関節Ｊ１〜Ｊ６を有している。ロボットアーム１０１は、各関節Ｊ１〜Ｊ６で回転可能に連結された複数のリンク１２０〜１２６を有する。第１実施形態では、リンク１２０〜１２６の順に、基端部側から先端部側に向かって直列に連結されている。リンク１２０は、ロボットアーム１０１の基端部であり、リンク１２６は、ロボットアーム１０１の先端部である。ロボットアーム１０１は、可動範囲内であれば、ロボットアーム１０１の先端部、即ちロボットハンド１０２を任意の位置に移動させることができる。

ロボットハンド１０２は、ワークＷ１を把持可能な複数のフィンガ１０４と、複数のフィンガ１０４を駆動する不図示のアクチュエータとを備えており、複数のフィンガ１０４を駆動することでワークＷ１を把持可能に構成されている。

制御装置３００は、ロボット１００、即ちロボットアーム１０１及びロボットハンド１０２を制御することで、ロボットハンド１０２にワークＷ１を把持させ、ロボットアーム１０１を動作させてワークＷ１をワークＷ２に組み付けることで物品を製造する。なお、物品は、ワークＷ１をワークＷ２に組み付けて製造されるものに限定するものではなく、例えばレーザ加工などをワークに施して製造されるものであってもよい。また、エンドエフェクタは、ロボットハンド１０２に限定するものではなく、物品を製造する作業に適したものを用いればよい。

図２は、図１に示すロボットアーム１０１の関節Ｊ２の断面図である。なお、他の関節Ｊ１、Ｊ３〜Ｊ６についても関節Ｊ２と同様の構成であるため、説明を省略する。第１リンクであるリンク１２１と、第２リンクであるリンク１２２との連結部分である関節Ｊ２には、駆動源であるサーボモータ１と、サーボモータ１の回転軸の回転を減速して出力する減速機２と、検出ユニット４１とが設けられている。検出ユニット４１は、後述する検出装置の構成要素の一つである。検出ユニット４１は、減速機２の出力側に設けられている。リンク１２１には、リンク１２２が減速機２と検出ユニット４１とを介して接続されている。

サーボモータ１は、電磁モータであり、例えばブラシレスＤＣモータ又はＡＣサーボモータである。サーボモータ１は、筐体と、筐体に固定されたステータと、ステータに対して回転するロータと、ロータに固定された回転軸と、を有する。サーボモータ１の回転軸には、エンコーダ（以下、「入力軸エンコーダ」という）１１が設けられている。入力軸エンコーダ１１は、ロータリエンコーダであり、光学式、磁気式、静電容量式のいずれであってもよい。また、入力軸エンコーダ１１は、インクリメンタル型、アブソリュート型のいずれであってもよい。なお、関節Ｊ２には、必要に応じて、電源ＯＦＦ時にロボットアーム１０１の姿勢を保持するためのブレーキユニットを設けてもよい。

減速機２は、いかなる減速機であってもよいが、本実施形態では、小型で高い減速比が得られる、波動歯車減速機である。減速機２は、入力軸２１と、固定部２２と、出力軸２３とを有する。

サーボモータ１の筐体は、フランジ３にボルト締結等で取り付けられ、サーボモータ１の回転軸は、減速機２の入力軸２１に取り付けられている。これにより、サーボモータ１の動力は、減速機２の入力軸２１に伝達される。

入力軸２１は、楕円形状のカムと弾性軸受で構成されたウェブジェネレータである。固定部２２は、内歯２２Ａを有するリング形状のサーキュラスプラインである。出力軸２３は、固定部２２の内歯２２Ａに噛み合う外歯２３Ａを有するフレクスプラインである。出力軸２３は、シルクハット形状の弾性体で構成されている。

固定部２２の内歯２２Ａは、出力軸２３の外歯２３Ａよりも歯数が多い。固定部２２は、リンク１２１にボルト締結等で取り付けられている。出力軸２３は、フランジ３と共に検出ユニット４１にボルト締結等で取り付けられている。固定部２２と出力軸２３とは、クロスローラベアリングで連結されている。

サーボモータ１の動力により楕円形状の入力軸２１が回転すると、弾性体である出力軸２３が楕円変形し、楕円の長軸部分両端で、出力軸２３の外歯２３Ａが、固定部２２の内歯２２Ａと噛み合う。このとき、固定部２２と出力軸２３との歯数が異なるので、入力軸２１が１回転したとき、固定部２２に対して出力軸２３が歯数の差だけ回転する。この減速機２の減速比Ｎは、例えば５０である。

検出ユニット４１は、関節Ｊ２に作用するトルクを検出するのに用いられる構造物であり、リンク１２２と減速機２の出力軸２３との間に設置される。そのため、リンク１２２は、リンク１２１に対して検出ユニット４１を介して回転軸線Ｌ０まわりに相対的に回転する。回転軸線Ｌ０は、仮想的な直線である。検出ユニット４１を減速機２の近傍、例えば出力軸２３に配置することで、ロボットアーム１０１の関節を小型化することができる。

図３は、第１実施形態に係るロボット装置の制御系を示すブロック図である。図３に示す制御装置３００は、例えばコンピュータで構成されている。制御装置３００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０１を有する。また、制御装置３００は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３０３と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）３０４と、を有する。また、制御装置３００は、記録ディスクドライブ３０５と、バス３１０と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３１１〜３１６と、を有する。ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、ＨＤＤ３０４、記録ディスクドライブ３０５及びＩ／Ｆ３１１〜３１６は、バス３１０を介して相互に接続されている。

ＲＯＭ３０２には、ＢＩＯＳ等の基本プログラムが格納されている。ＲＡＭ３０３は、ＣＰＵ３０１の演算処理結果を一時的に記憶する記憶装置である。ＨＤＤ３０４は、ＣＰＵ３０１の演算処理結果である各種のデータ等を記憶する記憶部であると共に、ＣＰＵ３０１に、各種演算処理を実行させるためのプログラム３２０を記録するものである。ＣＰＵ３０１は、ＨＤＤ３０４に記録（格納）されたプログラム３２０に基づいて各種演算処理を実行する。記録ディスクドライブ３０５は、記録ディスク３３０に記録された各種データやプログラム等を読み出すことができる。

Ｉ／Ｆ３１１には、教示ペンダント６００が接続されている。ユーザが教示ペンダント６００を操作することにより、制御装置３００にロボット１００（図１）の動作などを教示することができる。

Ｉ／Ｆ３１２には、検出装置４が接続されている。検出装置４は、ロボットアーム１０１の関節に配置された検出ユニット４１（図２）を有する。検出装置４は、本実施形態では、ロボットアーム１０１の関節に作用するトルクを検出するためのものであり、関節に作用するトルクを示す検出値（トルク検出値）を、Ｉ／Ｆ３１２及びバス３１０を介してＣＰＵ２０１に出力する。

Ｉ／Ｆ３１３には、入力軸エンコーダ１１が接続されている。入力軸エンコーダ１１は、サーボモータ１の回転軸の回転に伴ってパルス信号を生成し、生成したパルス信号をＩ／Ｆ３１３に出力する。Ｉ／Ｆ３１４には、表示装置であるモニタ３５０が接続されている。モニタ３５０には、ＣＰＵ３０１の制御の下、各種画像が表示される。Ｉ／Ｆ３１５には、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の外部記憶装置３６０が接続されている。

Ｉ／Ｆ３１６には、サーボ制御装置３７０が接続されている。ＣＰＵ３０１は、予め設定されたトルク指令値に、検出装置４から取得したトルク検出値が追従するように、サーボモータ１の回転角度の制御量を示す駆動指令値のデータを、バス３１０及びＩ／Ｆ３１６を介してサーボ制御装置３７０に出力する。サーボ制御装置３７０は、ＣＰＵ３０１から入力を受けた駆動指令値に基づき、サーボモータ１への電流の出力量を演算し、サーボモータ１へ電流を供給して、ロボットアーム１０１の関節のトルク制御を行う。即ち、ＣＰＵ２０１は、サーボ制御装置３７０と協働して、トルク検出値がトルク指令値となるように、サーボモータ１を制御する。なお、図３において、都合上、検出装置４、入力軸エンコーダ１１及びサーボモータ１を、１つの関節分のみ図示し、残りの５つの関節分は同様の構成であるため、５つの関節の検出装置４、入力軸エンコーダ１１及びサーボモータ１の図示は省略している。

検出ユニット４１の構造について説明する。図４は、第１実施形態に係る検出装置の検出ユニット４１の斜視図である。検出ユニット４１は、構造体４００と、構造体４００に設けられたセンサ部５００と、を有する。

構造体４００は、第１部材の一例である締結部材４０１と、第２部材の一例である締結部材４０２と、第３部材の一例であるばね部材（弾性部材）４０３と、を有する。締結部材４０１及び締結部材４０２は、それぞれリング形状（又は円形状）に構成されている。締結部材４０２は、締結部材４０１とほぼ同じ大きさである。即ち、締結部材４０１と締結部材４０２とがほぼ同じ内外径の構造である。回転軸線Ｌ０の延びる方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。締結部材４０１と締結部材４０２とは、Ｚ方向に間隔をあけて対向して配置されている。

本実施形態では、構造体４００は、ばね部材４０３を複数有する。締結部材４０１と締結部材４０２とは、回転軸線Ｌ０を中心に放射状に延びる複数のばね部材４０３で連結されている。各ばね部材４０３は、例えば板ばねで構成されている。締結部材４０１と締結部材４０２とが、弾性変形可能なばね部材４０３で連結されることにより、締結部材４０２が締結部材４０１に対して相対的に回転変位可能となっている。

構造体４００の各部位は、トルクを検出する範囲およびトルク検出に必要な分解能などに応じた弾性（ばね）係数を有する所定の材質で構成されている。所定の材質は、例えば樹脂、又は金属（鋼材、ステンレスなど）である。構造体４００は、一体物で構成されている。構造体４００は、例えば３Ｄプリンタによって製造してもよい。

締結部材４０１及び４０２は、回転軸線Ｌ０まわりに相対的に回転変位する測定対象にそれぞれ締結可能に構成される。例えば、締結部材４０１及び４０２の一方は、図２に示す減速機２の出力軸２３に締結され、他方は、図２に示すリンク１２２に締結される。締結部材４０１には、対象物、例えば出力軸２３に締結するための複数の部位４０６が設けられ、締結部材４０２には、対象物、例えばリンク１２２に締結するための複数の部位４０７が設けられている。各部位４０６および各部位４０７は、例えばビス孔又はタップ孔である。

センサ部５００は、３つのセンサ５０１，５０２，５０３からなる。３つのセンサ５０１，５０２，５０３の各々は、エンコーダである。エンコーダとしては、光学式、磁気式、静電容量式などが適用可能であるが、光学式が好適である。本実施形態では、各センサ５０１，５０２，５０３は、光学式のエンコーダである。また、エンコーダとしては、インクリメンタル型とアブソリュート型のいずれでもよいが、本実施形態では、インクリメンタル型である。センサ５０１，５０２，５０３は、ロータリエンコーダであってもよいが、作用するトルクによって締結部材４０１が締結部材４０２に対して相対的に回転変位する変位量は微小であるため、リニアエンコーダを用いてもよい。

図５は、第１実施形態に係る検出装置４のブロック図である。検出装置４は、センサ部５００と、処理部の一例である処理回路４２と、を有する。処理回路４２は、例えばマイクロコンピュータで構成されている。処理回路４２は、ＣＰＵ２０１を有する。また、処理回路４２は、記憶部として、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、を有する。更に、処理回路４２は、バス２１０と、複数のインタフェース（Ｉ／Ｆ）２１１，２１２，２１３及び２１４と、を有する。ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、Ｉ／Ｆ２１１〜２１４は、互いにバス２１０で接続されている。

ＣＰＵ２０１は、検出方法の各種処理を実行する。ＲＯＭ２０２は、ＣＰＵ２０１に処理を実行させるためのプログラム２２０を記憶する記憶装置、即ちプログラム２２０が記録された記録媒体である。ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１の処理結果等、各種データを一時的に記憶する記憶装置である。

Ｉ／Ｆ２１４には、制御装置３００が接続されている。ＣＰＵ２０１は、Ｉ／Ｆ２１４を介して制御装置３００に検出結果である検出値（トルク検出値）を示す信号を送信する。

各センサ５０１，５０２，５０３は、同様の構成である。センサ５０１は、検出ヘッド５１１とスケール５２１とを有する。センサ５０２は、検出ヘッド５１２とスケール５２２とを有する。センサ５０３は、検出ヘッド５１３とスケール５２３とを有する。検出ヘッド５１１は、発光部５３１及び受光部５４１を有する。検出ヘッド５１２は、発光部５３２及び受光部５４２を有する。検出ヘッド５１３は、発光部５３３及び受光部５４３を有する。各検出ヘッド５１１，５１２，５１３は、同様の構成であるため、検出ヘッド５１１の動作について説明し、検出ヘッド５１２，５１３については説明を省略する。発光部５３１は、光をスケール５２１に照射する。受光部５４１は、スケール５２１からの反射光又は透過光を受光し、受光した光に応じたセンサ信号、例えばパルス信号を生成し、生成したパルス信号を出力する。このように、各センサ５０１，５０２，５０３は、締結部材４０１に対する締結部材４０２の相対的な回転変位に応じたセンサ信号を出力する。

Ｉ／Ｆ２１１には、検出ヘッド５１１が接続されている。Ｉ／Ｆ２１２には、検出ヘッド５１２が接続されている。Ｉ／Ｆ２１３には、検出ヘッド５１３が接続されている。各Ｉ／Ｆ２１１〜２１３は、各検出ヘッド５１１〜５１３の発光部に、光を点滅させる信号を送信するとともに、各検出ヘッド５１１〜５１３の受光部からのセンサ信号を受信して、ＣＰＵ２０１に出力する。ＣＰＵ２０１は、各検出ヘッド５１１〜５１３からセンサ信号の入力を受け、これら３つのセンサ信号に基づいてトルク検出値を求め、トルク検出値を示す信号を制御装置３００に出力する。

本実施形態では、各センサ５０１，５０２，５０３がインクリメンタル型のエンコーダであるため、各検出ヘッド５１１，５１２，５１３は、センサ信号として例えばパルス信号を出力する。ＣＰＵ２０１は、パルス信号をカウントすることにより、センサ値としてエンコーダ値を取得する。そして、ＣＰＵ２０１は、３つのセンサ値からトルク検出値を求め、トルク検出値を示す信号を制御装置３００に出力する。

なお、第１実施形態では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体がＲＯＭ２０２であり、ＲＯＭ２０２にプログラム２２０が格納される場合について説明するが、これに限定するものではない。プログラム２２０は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、プログラム２２０を供給するための記録媒体としては、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ、不揮発性メモリ等を用いることができる。光ディスクは、例えばＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒである。不揮発性メモリは、例えばＵＳＢメモリ、メモリカード、ＲＯＭである。

次に、構造体４００に対する各センサ５０１，５０２，５０３の取り付け構造について説明する。図６は、第１実施形態に係る検出装置の検出ユニット４１の上面図である。図７は、図６に示す検出ユニット４１のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。各センサ５０１，５０２，５０３は、構造体４００に同様に取り付けられる。したがって、センサ５０１についてのみ説明する。

スケール５２１は、構造体４００に直接固定され、検出ヘッド５１１は、取付部材５５１を介して構造体４００に固定される。検出ヘッド５１１は、締結部材４０１，４０２のうち一方、例えば締結部材４０１に固定され、スケール５２１は、他方、例えば締結部材４０２に固定される。

検出ヘッド５１１は、光反射型のものであり、スケール５２１に対向して配置される。スケール５２１は、基板と、基板のパターン面に形成されたスケールパターンとを有する。基板は、相対的に光の反射率が低い部材、例えばガラスなどで形成されている。スケールパターンは、相対的に光の反射率が高い部材、例えばクロム反射膜で構成されている。スケールパターンは、例えば所定のピッチの濃淡パターンで構成されている。

なお、スケールパターンは、１条の濃淡パターンに限定するものではなく、検出演算の方式によっては、例えば配置位相の異なる複数条の濃淡パターンで構成されていてもよい。スケールパターンのピッチは、位置検出に必要とされる分解能などに応じて決定すればよい。例えば、高精度化および高分解能化するために、μｍオーダのピッチとしてもよい。

検出ヘッド５１１の発光部は、発生させた光をスケール５２１に出射する。検出ヘッド５１１の受光部は、スケール５２１にて反射した光を受光する。回転軸線Ｌ０まわりのトルクが締結部材４０１又は４０２に作用すると、締結部材４０１及び４０２の一方が他方に対してＸ方向（回転方向）に変位する。これにより、検出ヘッド５１１とスケール５２１との相対的な位置が変化し、スケール５２１に照射されている光の照射位置がスケール５２１上を移動する。

スケール５２１に照射されている光がスケール５２１のスケールパターンを通過すると、検出ヘッド５１１の受光部で受光される光の光量が変化する。検出ヘッド５１１は、光量に対応するセンサ信号を処理回路４２のＣＰＵ２０１に出力する。ＣＰＵ２０１は、この光量の変化に応じて変化するセンサ信号から、スケール５２１と検出ヘッド５１１との相対移動量を示すセンサ値を求める。

ＣＰＵ２０１は、検出ヘッド５１１からのセンサ信号に基づいて得られたセンサ値を、構造体４００に作用したトルクの値であるトルク値に換算する。例えば、ＣＰＵ２０１は、得られたセンサ値を、予め設定された感度係数を用いて、トルク値に変換する。以上のようにして、検出装置４は、関節において回転軸線Ｌ０まわりに作用するトルクを検出することができる。

本実施形態では、図６に示すように、３つのセンサ５０１，５０２，５０３は、構造体４００において、同一円周上、具体的には回転軸線Ｌ０を中心とする仮想的な円Ｃ１上に配置されている。図６においては、反時計まわりにセンサ５０１，５０２，５０３の順に配置されている。また、３つのセンサ５０１，５０２，５０３は、円Ｃ１上に等間隔で構造体４００に配置されている。図６には、３つのセンサ５０１，５０２，５０３が、１２０°間隔で構造体４００に配置されている場合について例示している。

ところで、検出装置の構造体４００には、回転方向以外に、並進方向に力（他軸力）が働くことがあり、締結部材４０１及び４０２の一方が他方に対して相対的に並進変位することがある。

図８（ａ）は、検出ユニットの構造体に並進変位が生じた場合の説明図である。図８（ａ）には、説明のため、構造体６０１と、構造体６０１に配置された１つのセンサ６０２と、を模式的に図示している。回転軸線Ｌを中心として回転変形する構造体６０１の円周上に配置されるセンサ６０２は、並進変位Ａに対して、円周方向（変位検出方向）にＡｃｏｓθの変位を受ける。即ち、構造体６０１に並進変位Ａが発生したときにセンサ６０２は、Ａｃｏｓθだけ検出誤差が発生する。

比較例として、２つのセンサが同一円周上において回転軸を挟んで対向する位置に配置されている場合について説明する。２つのセンサは、互いに１８０°位相がずれていることから、２つのセンサのうち一方は、円周方向にＡｃｏｓθの変位を受け、他方は、円周方向にＡｃｏｓ（θ＋１８０°）の変位を受ける。

図１２（ａ）は、比較例において構造体に並進変位が生じた場合に２つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。図１２（ａ）には、並進変位Ａが１μｍ発生したときに各センサの位相における検出誤差を図示している。図１２（ａ）において、２つのセンサのうち、一方のセンサにおける検出誤差を実線、他方のセンサにおける検出誤差を一点鎖線で図示している。２つの検出誤差の値を平均すると、図１２（ａ）に破線で示すように、どの位相においても検出誤差の平均値が０になる。

本実施形態のロボットアーム１０１は、関節に配置された減速機２（図２）を備えている。本実施形態では、減速機２が波動歯車減速機であり、ロボットアーム１０１の関節を小型化することができる。しかし、検出ユニット４１は、入力軸２１によって楕円変形する出力軸２３に設けられており、減速機２の動作に起因して構造体４００も楕円変位する。

図８（ｂ）は、検出ユニットの構造体に楕円変位が生じた場合の説明図である。図８（ｂ）には、説明のため、構造体６０１と、構造体６０１に配置された１つのセンサ６０２と、を模式的に図示している。図８（ｂ）に示すように、減速機の動作に起因して、構造体６０１に楕円変位Ｂが発生したとき、センサ６０２には、円周方向（変位検出方向）に０．６Ｂ^２ｓｉｎ２θの変位、即ち０．６Ｂ^２ｓｉｎ２θの検出誤差が発生する。

比較例として、２つのセンサが同一円周上において回転軸線Ｌを挟んで対向する位置に配置されている場合について説明する。図１２（ｂ）は、比較例において構造体に楕円変位が生じた場合に２つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。図１２（ｂ）には、楕円変位Ｂが１μｍ発生したときに各センサの位相における検出誤差を図示している。図１２（ｂ）において、２つのセンサのうち、一方のセンサにおける検出誤差を実線、他方のセンサにおける検出誤差を一点鎖線で図示している。２つの検出誤差の値を平均しても、図１２（ｂ）に破線で示すように、並進変位のように検出誤差が０にはならない。そのため、比較例のように２つのセンサを対向して配置する構成では、２つのセンサのセンサ信号を平均化しても、構造体の楕円変位による検出誤差を除去することができない。なお、図１２（ｂ）において、破線及び一点鎖線は、実線と重なっている。

そこで、本実施形態では、検出装置４の検出ユニット４１が、図６等に示すように、同一円周上である仮想的な円Ｃ１上に等間隔に配置された３つのセンサ５０１，５０２，５０３を備えている。

構造体４００に作用するトルクの値であるトルク検出値をＴとする。トルク検出値Ｔのトルクと同時に他軸力が構造体４００に作用するものとする。各センサ５０１，５０２，５０３のセンサ信号から計算されるトルク値をそれぞれＴＡ，ＴＢ，ＴＣとし、他軸干渉により検出されるトルクの検出誤差をそれぞれδＴＡ，δＴＢ，δＴＣとする。

このとき、トルク検出値は、以下の式（１）のように、トルク値ＴＡ，ＴＢ，ＴＣの平均値を演算により求められる。
（ＴＡ＋ＴＢ＋ＴＣ）／３＝｛（Ｔ＋δＴＡ）＋（Ｔ＋δＴＢ））＋（Ｔ＋δＴＣ）｝／３＝Ｔ＋（δＴＡ＋δＴＢ＋δＴＣ）／３ … （１）

ここで、図８（ａ）のように、並進変位Ａが構造体に作用したとき、各検出誤差δＴＡ，δＴＢ，δＴＣは、以下の式（２）、（３）、（４）のようになる。
δＴＡ＝Ａｃｏｓθ … （２）
δＴＢ＝Ａｃｏｓ（θ＋１２０°） … （３）
δＴＣ＝Ａｃｏｓ（θ＋２４０°） … （４）

式（２）、（３）、（４）を合算すると、和積の公式より、検出誤差δＴＡ，δＴＢ，δＴＣの合算は０になる。
δＴＡ＋δＴＢ＋δＴＣ＝Ａｃｏｓθ＋Ａｃｏｓ（θ＋１２０°）＋Ａｃｏｓ（θ＋２４０°）
＝Ａｃｏｓθ＋２Ａｃｏｓ｛（２θ＋３６０°）／２｝×ｃｏｓ（−１２０°／２）
＝Ａｃｏｓθ−２Ａｃｏｓθ×（０．５）＝０ … （５）

式（５）を式（１）に代入すれば、トルク検出値Ｔのみが残り、検出誤差の項がなくなる。

図８（ｂ）のように、楕円変位Ｂが弾性体に作用したとき、δＴＡ，δＴＢ，δＴＣは、以下の式（６）、（７）、（８）のようになる。
δＴＡ＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ２θ … （６）
δＴＢ＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ２（θ＋１２０°）＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ（２θ＋２４０°） … （７）
δＴＣ＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ２（θ＋２４０°）＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ（２θ＋４８０°）＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ（２θ＋１２０°） … （８）

式（６）、（７）、（８）を合算すると、和積の公式より、検出誤差δＴＡ，δＴＢ，δＴＣの合算は０になる。
δＴＡ＋δＴＢ＋δＴＣ＝０．６Ｂ^２ｓｉｎ２θ＋０．６Ｂ^２ｓｉｎ（２θ＋２４０°）＋０．６Ｂ^２ｓｉｎ（２θ＋１２０°）
＝０．６Ｂ^２［ｓｉｎ２θ＋２ｓｉｎ｛（４θ＋３６０°）／２｝×ｃｏｓ（−１２０°／２）］
＝０．６Ｂ^２（ｓｉｎ２θ−２ｓｉｎ２θ×０．５）＝０ … （９）

式（９）を式（１）に代入すれば、トルク検出値Ｔのみが残り、検出誤差の項がなくなる。

したがって、３つのセンサ５０１，５０２，５０３を１２０°等分に配置することで、並進変位および楕円変位による検出誤差の平均値は０になる。したがって、並進変位および楕円変位といった多軸力の誤差が除去されたトルク検出値Ｔを得ることができる。

本実施形態では、図５に示す処理回路４２、即ちＣＰＵ２０１は、３つのセンサ５０１，５０２，５０３の各々からセンサ信号の入力を受け、３つのセンサ信号から３つのセンサ値（エンコーダ値）を取得する。そして、ＣＰＵ２０１は、３つのセンサ値の各々に感度係数を乗算することで３つのトルク値ＴＡ，ＴＢ，ＴＣを取得する。次に、ＣＰＵ２０１は、３つのトルク値ＴＡ，ＴＢ，ＴＣの平均値を求めることで、トルク検出値Ｔを取得する。

なお、以上の説明では、処理回路４２（即ちＣＰＵ２０１）が変位量を示す３つのセンサ値の各々をトルク値に変換してから３つのトルク値の平均値を求めることで、トルク検出値Ｔを得る場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、処理回路４２が変位量を示す３つのセンサ値の平均値を求め、この平均値を感度係数を用いてトルク検出値Ｔに変換してもよい。また、処理回路４２は、求めたセンサ値の平均値を、感度係数などで調整せずにそのまま検出値として出力するようにしてもよい。そして、制御装置３００で検出装置４から取得した平均値を感度係数で調整してもよい。このように、処理回路４２は、３つのセンサ値の平均値や平均値を係数で補正した値など、平均値に対応する検出値を出力すればよい。

図９（ａ）は、第１実施形態において構造体に並進変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。図９（ｂ）は、第１実施形態において構造体に楕円変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。図９（ａ）には、並進変位Ａが１μｍ発生したときに各センサ５０１，５０２，５０３の位相における検出誤差を図示している。図９（ｂ）には、楕円変位Ｂが１μｍ発生したときに各センサ５０１，５０２，５０３の位相に対する検出誤差を図示している。図９（ａ）及び図９（ｂ）において、３つのセンサのうち、センサ５０１における検出誤差を実線、センサ５０２における検出誤差を一点鎖線、及びセンサ５０３における検出誤差を二点鎖線で図示している。３つの検出誤差の値を平均すると、図９（ａ）及び図９（ｂ）に破線で示すように、どの位相においても検出誤差の平均値が０になる。

ここで、上述のように検出誤差の合算が０になるのは、３つのセンサ５０１，５０２，５０３の位相が誤差なく１２０°のときである。実際は検出ヘッドとスケールとの取付け誤差によって、３つのセンサ５０１，５０２，５０３の位相が１２０°等分にはならない場合がある。図２の関節Ｊ２においては、トルク検出値Ｔにおける許容誤差は、例えば０．０６Ｎｍである。この許容誤差は、検出ヘッドの検出方向における変位に換算すると、０．０７５μｍである。図２の関節Ｊ２のように減速機２の出力軸２３に検出ユニット４１を直接取り付けた際の楕円変位Ｂ（図８（ｂ））は、実験的に略１．０μｍである。

図１０（ａ）は、第１実施形態において構造体に並進変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。図１０（ｂ）は、第１実施形態において構造体に楕円変位が生じた場合に３つのセンサにより検出される検出誤差を示すグラフである。図１０（ａ）には、並進変位Ａが１μｍ発生したときに各センサ５０１，５０２，５０３の位相における検出誤差を図示している。図１０（ｂ）には、楕円変位Ｂが１μｍ発生したときに各センサ５０１，５０２，５０３の位相に対する検出誤差を図示している。

図６中、回転軸線Ｌ０から１２０°間隔で放射状に延びる一点鎖線で示す３つの仮想直線を基準線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とする。各センサ５０１，５０２，５０３の所定位置（例えば中心位置）は、それぞれの基準線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３上にあるのが好ましい。しかし、センサ５０１，５０２，５０３のうちいずれかは、対応する基準線に対して許容される範囲内でずれた位置に配置されていてもよい。即ち３つのセンサ５０１，５０２，５０３が等間隔に配置されるとは、３つのセンサ５０１，５０２，５０３のいずれかが、対応する基準線に対して許容される範囲内でずれた位置に配置されている場合も含むものである。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）には、３つのセンサ５０１，５０２，５０３のうち、センサ５０２を＋４．４°、センサ５０３を−４．４°、基準線に対してずらした場合における検出誤差を図示している。また、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、３つのセンサのうち、センサ５０１における検出誤差を実線、センサ５０２における検出誤差を一点鎖線、及びセンサ５０３における検出誤差を二点鎖線で図示している。

図１０（ａ）に示すとおり、３つのセンサ５０１，５０２，５０３の検出誤差の平均値の最大値は、０．０４３３μｍとなり許容誤差以下である。図１０（ｂ）に示すとおり、３つのセンサ５０１，５０２，５０３の検出誤差の平均値の最大値は、０．０７３８μｍとなり許容誤差以下である。よって、構造体４００に対する３つのセンサ５０１，５０２，５０３の取付け精度は、１２０°間隔の基準線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を基準とし、基準線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対して±４．４°以内であることが好ましい。つまり、３つのセンサ５０１，５０２，５０３の各々は、円Ｃ１に対して１２０°間隔で設定される３つの基準線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の各々に対して±４．４°以内の位置に配置されるのが好ましい。構造体４００に対する各センサ５０１，５０２，５０３の取付けは、不図示の取付け冶具を用いて行うことから、１２０°±４．４°の精度での取付けるのは容易である。

第１実施形態によれば、３つのセンサ５０１，５０２，５０３を等間隔に配置することで、処理回路４２から出力されるトルク検出値Ｔにおいて、並進変位および楕円変位による検出誤差を低減することができる。つまり、検出装置４によるトルクの検出精度を向上させることができる。これにより、高分解能と高剛性を両立した検出ユニット４１を減速機２の出力軸２３に直接取付けることが可能となり、ロボットアーム１０１の関節の小型化が実現できる。

また、構造体４００に配置されるセンサ部５００が、等間隔に配置された３つのセンサ５０１，５０２，５０３のみで構成されるので、センサの数を少なくすることができ、コストを低減させることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る検出装置について説明する。図１１は、第２実施形態に係る検出装置の検出ユニットの上面図である。第２実施形態の検出装置における処理回路の処理、即ち検出方法は、第１実施形態と同様であり、説明を省略する。第２実施形態の検出ユニット４１Ａは、上記第１実施形態の検出ユニット４１と構成が異なる。

図１１に示すように、検出ユニット４１Ａは、構造体４００Ａと、構造体４００Ａに設けられたセンサ部５００Ａと、を有する。構造体４００Ａは、第１部材の一例である締結部材４０１Ａと、第２部材の一例である締結部材４０２Ａと、第３部材の一例であるばね部材（弾性部材）４０３Ａと、を有する。締結部材４０１Ａ及び締結部材４０２Ａは、それぞれリング形状に構成されている。締結部材４０２Ａは、締結部材４０１Ａよりも大径のリング形状に構成されている。締結部材４０１Ａは、締結部材４０２Ａの内側に、締結部材４０２Ａと同軸となるように配置されている。本実施形態では、構造体４００Ａは、ばね部材４０３Ａを複数有する。締結部材４０１Ａと締結部材４０２Ａとは、回転軸線Ｌ０を中心に放射状に延びる複数のばね部材４０３Ａで連結されている。各ばね部材４０３Ａは、例えば板ばねで構成されている。

構造体４００Ａの各部位は、トルクを検出する範囲およびトルク検出に必要な分解能などに応じた弾性（ばね）係数を有する所定の材質で構成されている。所定の材質は、例えば樹脂、又は金属（鋼材、ステンレスなど）である。構造体４００Ａは、一体物で構成されている。構造体４００Ａは、例えば３Ｄプリンタによって製造してもよい。

締結部材４０１Ａ及び４０２Ａは、相対的に回転変位する測定対象にそれぞれ締結可能に構成される。例えば、締結部材４０１Ａ及び４０２Ａの一方は、図２に示す減速機２の出力軸２３に締結され、他方は、図２に示すリンク１２２に締結される。締結部材４０１Ａには、対象物、例えば出力軸２３に締結するための複数の部位４０６Ａが設けられ、締結部材４０２Ａには、対象物、例えばリンク１２２に締結するための複数の部位４０７Ａが設けられている。各部位４０６Ａおよび各部位４０７Ａは、例えばビス孔又はタップ孔である。

センサ部５００Ａは、３つのセンサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａからなる。３つのセンサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａの各々は、エンコーダである。エンコーダとしては、光学式、磁気式、静電容量式などが適用可能であるが、光学式が好適である。本実施形態では、各センサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａは、光学式のエンコーダである。また、エンコーダとしては、インクリメンタル型とアブソリュート型のいずれでもよいが、本実施形態では、インクリメンタル型である。各センサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａは、リニアエンコーダであるのが好ましい。

第２実施形態では、３つのセンサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａは、同一円周上である仮想的な円Ｃ２上に等間隔（１２０°±４．４°間隔）で配置されている。仮想的な円Ｃ２は、回転軸線Ｌ０を中心とする円である。各センサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａは、構造体４００Ａに同様に取り付けられる。したがって、センサ５０１Ａについてのみ説明する。センサ５０１Ａは、検出ヘッド５１１Ａと、スケール５２１Ａとを有する。スケール５２１Ａは、構造体４００Ａに直接固定され、検出ヘッド５１１Ａは、取付部材５５１Ａを介して構造体４００Ａに固定される。検出ヘッド５１１Ａは、締結部材４０１Ａ，４０２Ａのうち一方、例えば締結部材４０１Ａに固定され、スケール５２１Ａは、他方、例えば締結部材４０２Ａに固定される。検出ヘッド５１１Ａは、光反射型のものであり、スケール５２１Ａに対向して配置される。

検出ヘッド５１１Ａの発光部は、発生させた光をスケール５２１Ａに出射する。検出ヘッド５１１Ａの受光部は、スケール５２１Ａにて反射した光を受光する。回転軸線Ｌ０まわりのトルクが締結部材４０１Ａ又は４０２Ａに作用すると、締結部材４０１Ａ及び４０２Ａの一方が他方に対して回転方向に変位する。これにより、検出ヘッド５１１Ａとスケール５２１Ａとの相対的な位置が変化し、スケール５２１Ａに照射されている光の照射位置がスケール５２１Ａ上を移動する。

スケール５２１Ａに照射されている光がスケール５２１Ａのスケールパターンを通過すると、検出ヘッド５１１Ａの受光部で受光される光の光量が変化する。検出ヘッド５１１Ａは、光量に対応するセンサ信号を、処理回路４２（図５）に出力する。処理回路４２は、この光量の変化に応じて変化するセンサ信号から、スケール５２１Ａと検出ヘッド５１１Ａとの相対移動量を示すセンサ値を求める。

処理回路４２は、３つのセンサ５０１Ａ，５０２Ａ，５０３Ａから３つのセンサ信号の入力を受け、第１実施形態と同様に、３つのセンサ信号に基づく３つのセンサ値を取得する。そして、処理回路４２は、第１実施形態と同様に、３つのセンサ値の平均値に対応する検出値として、トルク検出値を出力する。

以上、第２実施形態における検出装置の検出ユニット４１Ａは、締結部材４０１Ａと締結部材４０２Ａとの内外径が異なる。この形状により、締結部材４０１Ａが取り付けられる対象物の寸法と、締結部材４０２Ａが取り付けられる対象物の寸法を合わせる必要がなく、検出ユニット４１Ａの配置の自由度を向上させることができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態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。また、実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されない。

上述の実施形態において、処理回路４２が行うトルク検出処理を、ソフトウェアにより実行する場合について説明したが、これに限定するものではなく、ハードウェア（回路構成）により実行するようにしてもよい。

上述の実施形態では、ロボットアーム１０１が垂直多関節のロボットアームである場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、水平多関節のロボットアーム、パラレルリンクのロボットアーム、直交ロボット等、種々のロボットアームであってもよい。

（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

また、ロボット１００の構成例を各実施形態の例図により示したが、これに限定されるものではなく、当業者において任意に設計変更が可能である。また、ロボット１００に設けられる各モータは、上述の構成に限定されるものではなく、各関節を駆動する駆動源は例えば人工筋肉のようなデバイス等であってもよい。

また上述した実施形態は、制御装置に設けられる記憶装置の情報に基づき、伸縮、屈伸、上下移動、左右移動もしくは旋回の動作またはこれらの複合動作を自動的に行うことができる機械に適用可能である。

２…減速機、４…検出装置、４１…検出ユニット、４２…処理回路（処理部）、１００…ロボット、１０１…ロボットアーム、４０１…締結部材（第１部材）、４０２…締結部材（第２部材）、５０１…センサ、５０２…センサ、５０３…センサ、１０００…ロボット装置

Claims (11)

1. 第１部材と、
   前記第１部材に対して回転変位可能な第２部材と、
   同一円周上に等間隔に配置され、前記第１部材に対する前記第２部材の回転変位に応じたセンサ信号をそれぞれ出力する３つのセンサと、を備えることを特徴とする検出装置。
2. 前記３つのセンサの各々から前記センサ信号の入力を受け、３つの前記センサ信号の各々からセンサ値を取得し、３つの前記センサ値の平均値に対応する検出値を出力する処理部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記３つのセンサの各々は、エンコーダであることを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 前記エンコーダは、光学式のエンコーダであることを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
5. 前記３つのセンサの各々は、前記円に対して１２０°間隔で設定される３つの基準線の各々に対して±４．４°以内の位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検出装置。
6. 関節に設けられた減速機と、前記減速機の出力側に設けられた検出ユニットと、を有するロボットアームと、
   処理部と、を備え、
   前記検出ユニットは、
   第１部材と、
   前記第１部材に対して回転変位可能な第２部材と、
   同一円周上に等間隔に配置され、前記第１部材に対する前記第２部材の回転変位に応じたセンサ信号をそれぞれ出力する３つのセンサと、を有し、
   前記処理部は、
   前記３つのセンサの各々から前記センサ信号の入力を受け、３つの前記センサ信号の各々からセンサ値を取得し、３つの前記センサ値の平均値に対応する検出値を出力することを特徴とするロボット装置。
7. 前記減速機が、波動歯車減速機であることを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
8. 第１部材と、
   前記第１部材に対して回転変位可能な第２部材と、
   同一円周上に等間隔に配置され、前記第１部材に対する前記第２部材の回転変位に応じたセンサ信号を出力する３つのセンサと、
   処理部と、を備える検出装置による検出方法であって、
   前記処理部が、
   前記３つのセンサの各々から前記センサ信号の入力を受け、
   ３つの前記センサ信号の各々からセンサ値を取得し、
   ３つの前記センサ値の平均値に対応する検出値を求めることを特徴とする検出方法。
9. 請求項８に記載の検出方法により求められた前記検出値に基づいてロボットアームを制御して、物品を製造する物品の製造方法。
10. 請求項８に記載の検出方法、または請求項９に記載の物品の製造方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。

Images