JP2021110572A

JP2021110572A - トルク検出装置、制御装置、ロボット装置、物品の製造方法、プログラム、および記録媒体

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Publication number: JP2021110572A
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Inventors: 勇大熊; Isamu Okuma
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Abstract

【課題】例えばロボット装置の分野では、非検出方向の力に対する機械強度が確保され、しかも検出精度が高いトルクセンサが求められていた。【解決手段】第１の部位と、前記第１の部位の内側に設けられた第２の部位と、前記第１の部位と前記第２の部位とを接続する接続部と、を有し、前記第１の部位は、第１の筒状部と、前記第１の筒状部から前記第２の部位に向かって突出する第１の凸部を有し、前記第２の部位は、第２の筒状部と、前記第２の筒状部から前記第１の部位に向かって突出する第２の凸部を有し、前記第１の部位は、前記第１の筒状部の内側面および前記第１の凸部の表面が、前記接続部と接続し、前記第２の部位は、前記第２の筒状部の外側面および前記第２の凸部の表面が、前記接続部と接続し、トルクが印加された際には、前記接続部が変形して前記第１の部位と前記第２の部位が相対的に変位する、ことを特徴とするトルク検出装置である。【選択図】図４

Description

本発明は、トルクを検出する検出装置、トルクを検出する検出装置を用いて機器の動作を制御する制御装置、トルクを検出する検出装置を備えたロボット装置、等に関する。

近年、工場などの製造現場における工業製品の加工や組立作業の自動化に伴い、汎用的な作業が可能な多関節アームを有するロボット装置の需要が高まっている。精密機械の組立といった複雑な作業や、作業者と協同して行う作業、医療や介護などで人間の動作を補助する作業など、これまでよりも柔軟な動作がロボット装置には求められている。このような柔軟な動作を実現するためには、外力に倣うための力制御機能が必須であり、ロボットアームの関節にかかるトルクを正確に検出できる手段が必要になる。

ロボットアームの関節にかかるトルクを検出する手段としては、ロボットアームの関節部にトルクセンサを搭載する構成が挙げられる。とりわけ、上述のようにロボットアームに複雑な作業（例えば組立作業）を行わせる場合、高精度かつ高剛性のトルクセンサが求められる。一方、ロボットアームにトルクセンサを搭載する場合、設置するスペースに制約があるため、薄型であることが求められる。

特許文献１には、Ｃｒ−Ｎの薄膜抵抗体（感歪膜）を用いた歪ゲージを、トルクセンサの検出素子として用いることが開示されている。内側の環状部材と外側の環状部材の間を板状の起歪体で接続し、歪ゲージを用いることで起歪体の変位を検出し、環状部材の周方向にかかる力（トルク）を検出するトルクセンサである。

特開２０１８−９１８１３号公報

特許文献１に開示された構造のトルクセンサは、トルク検出方向以外の方向、すなわち非検出方向についての剛性が高くないため、非検出方向に力がかかると起歪体、あるいは起歪体と環状部材の接続部が破損する可能性があった。

非検出方向の力に対する機械強度を担保するために、追加的に軸受け等の案内機構を環状部に設けることが考えられるが、そうすると案内機構にかかる摺動抵抗をトルクセンサが検出してしまうため、実効トルクの検出精度が落ちてしまう可能性があった。
そこで、非検出方向の力に対する機械強度が確保され、しかも検出精度が高いトルクセンサが求められていた。

本発明は、第１の部位と、前記第１の部位の内側に設けられた第２の部位と、前記第１の部位と前記第２の部位とを接続する接続部と、を有し、前記第１の部位は、第１の筒状部と、前記第１の筒状部から前記第２の部位に向かって突出する第１の凸部を有し、前記第２の部位は、第２の筒状部と、前記第２の筒状部から前記第１の部位に向かって突出する第２の凸部を有し、前記第１の部位は、前記第１の筒状部の内側面および前記第１の凸部の表面が、前記接続部と接続し、前記第２の部位は、前記第２の筒状部の外側面および前記第２の凸部の表面が、前記接続部と接続し、トルクが印加された際には、前記接続部が変形して前記第１の部位と前記第２の部位が相対的に変位する、ことを特徴とするトルク検出装置である。

本発明は、非検出方向の力に対する機械強度が確保され、しかも検出精度が高いトルクセンサを提供することができる。

（ａ）実施形態に係るトルクセンサユニットの下面図。（ｂ）実施形態に係るトルクセンサユニットの側面図。実施形態に係るトルクセンサユニットの上面図。実施形態に係るトルクセンサユニットの構造体の外観図。（ａ）実施形態１の構造体を図３のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。（ｂ）実施形態１の構造体を図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図。実施形態に係るトルクセンサユニットを搭載したロボット装置の外観を示す斜視図。実施形態に係るトルクセンサユニットを搭載した関節の断面図。実施形態に係るトルクセンサユニットを搭載したロボット装置が備える制御装置の構成を示す図。（ａ）実施形態２の構造体を図３のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。（ｂ）実施形態２の構造体を図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図。（ａ）実施形態３の構造体を図３のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。（ｂ）実施形態３の構造体を図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図。（ａ）実施形態４の構造体を図３のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。（ｂ）実施形態４の構造体を図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図。（ａ）実施形態５の構造体を図３のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。（ｂ）実施形態５の構造体を図３のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図。

図面を参照して、本発明の実施形態であるトルクを検出する検出装置、トルクを検出する検出装置を用いて機器の動作を制御する制御装置、トルクを検出する検出装置を備えたロボット装置、等について説明する。
尚、以下の各実施形態の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の参照番号を付して示す要素は、同一の機能を有するものとする。

［実施形態１］
（トルクセンサユニットの構造）
図を参照して、実施形態１に係るトルクセンサユニットについて説明する。
図１（ａ）は、トルクセンサユニット２０の下面図、図１（ｂ）はトルクセンサユニット２０の側面図、図２はトルクセンサユニット２０の上面図である。トルクセンサユニット２０は、構造体１と、構造体１の変形を検出する光学式エンコーダ１０を備えている。
図３は、構造体１を抽出して外観を示した斜視図である。

構造体１は、第１の部位としての外輪部２、第２の部位としての内輪部３、外輪部２と内輪部３とを接続する接続部４を備えている。外輪部２と内輪部３は、互いに径が異なるドーナツ（リング）状の基本形状を有し、回転軸１４を中心として同心に配置されるように構成されている。

外輪部２と内輪部３は、トルクを測定する測定対象に締結可能に構成されている。例えば、後に図６を参照して説明するように、トルクセンサユニット２０を、測定対象としての回転関節に装着する場合には、相対変位するリンク１２５と減速機固定部３１ｂのうちいずれか一方に外輪部２を接続し、いずれか他方に内輪部３を接続する。外輪部２と内輪部３には、図１（ａ）に示すように、測定対象と締結するための締結部位（例えばビス孔やタップ孔）が、周に沿って複数設けられている。

外輪部２の内側面と内輪部３の外側面とが対向する空間には、両者を接続する接続部４が、回転軸１４から見て放射状に複数配置されている。言い換えれば、外輪部２の半径方向に沿って、複数の接続部４が放射状に配置されている。
検出すべきトルク、すなわち回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）が外輪部２と内輪部３の間にかかると、それぞれの接続部４は、外輪部の半径方向と交差する方向に弾性変形する。起歪体である接続部４の好適な態様は、弾性材料からなる板ばねである。

構造体１を製造するには、切削加工等を用いて母材から一体物として削り出すのが好適な作成方法であるが、各種３Ｄプリンタを用いて三次元造形で形成してもよいし、外輪部２、内輪部３および接続部４を別部材として準備し、接合して一体化してもよい。構造体１の接続部４は、目的のトルク検出範囲およびその必要分解能などに応じた弾性（ばね）係数を有する所定の材料、例えば樹脂や金属（鋼材、ステンレスなど）等の材料から構成される。

図４（ａ）は、構造体１を図３のＡ−Ａ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在しない半径方向に沿って切断した断面図である。また、図４（ｂ）は、構造体１を図３のＢ−Ｂ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在する半径方向に沿って切断した断面図である。

図４（ａ）に示すように、外輪部２および内輪部３は、それぞれ断面形状が略Ｌ字状になるよう構成される。すなわち、外輪部２は、所定の肉厚の筒状部（第１の筒状部）と、筒状部の内側面５よりも回転軸１４に向けてＬ１だけ突出したツバ部６０（第１の凸部）を備えている。また、内輪部３は、所定の肉厚の筒状部（第２の筒状部）と、筒状部の外側面７よりも回転軸１４とは反対方向にＬ２だけ突出したツバ部８０（第２の凸部）を備えている。外輪部２の筒状部の内側面５と、内輪部３の筒状部の外側面７は、距離Ｌだけ隔てられている。また、ツバ部６０の側面とツバ部８０の側面は、距離Ｌ３の間隙を隔てて対向している。ツバ部６０およびツバ部８０は、筒状部から回転軸１４と交差する方向に突出した凸部と言ってもよいし、輪部に付帯して設けられたフランジ部と言ってもよい。あるいは、ツバ部６０は筒状部から外輪部の輪中心に向かって突出する凸部であり、ツバ部８０は筒状部から内輪部の輪中心とは反対方向に向かって突出した凸部であると言ってもよい。

図４（ｂ）に示すように、接続部４は、外輪部２の筒状部の内側面５およびツバ部６０の上面６において、外輪部２と接続している。また、接続部４は、内輪部３の筒状部の外側面７およびツバ部８０の上面８において、内輪部３と接続している。接続部４は、ツバ部６０とツバ部８０を隔てる距離Ｌ３の間隙を跨ぐように橋状に形成され、外輪部２と内輪部３を繋いでいる。また、接続部４は、ツバ部６０とツバ部８０の間隙に対応する位置に切欠き部９を有している。

尚、図４（ｂ）では、理解を容易にするため、外輪部２、内輪部３、接続部４の各断面には異なるテクスチャーを付し、各部の境界を明示した。しかし、例えば、構造体１が母材からの削り出しや３Ｄプリンタによる三次元造形により一体物として形成されている場合には、実際の断面においては各部の境界線が視認できない場合がある。

次に、図１（ｂ）と図２を参照して、光学式エンコーダ１０について説明する。光学式エンコーダ１０は、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）が外輪部２と内輪部３の間にかかった際に生じる構造体１の変形を検出する。回転軸１４回りのトルク（Ｍｚ）が外輪部２と内輪部３の間に印加されると、各々の接続部４が外輪部２の半径方向と交差する方向に弾性変形する。このため、外輪部２と内輪部３は相対的に回転変位するが、光学式エンコーダ１０は、この回転変位を定量的に検出する。

光学式エンコーダ１０は、光学式の位置センサ（エンコーダ）としての機能を有し、表面にスケールパターンが形成されたスケール１３と、スケールパターンを読み取って位置情報を検出する検出ヘッド１２を備える。検出ヘッド１２は、外輪部２と内輪部３の相対的な回転変位を検出する光学検出部である。
スケール１３は、構造体１の外輪部２に固定され、検出ヘッド１２は検出ヘッド取付け部１１を介して構造体１の内輪部３に固定される。

検出ヘッド１２は、発光素子と受光素子とを備え、発光素子からスケール１３のスケールパターンを光照射し、反射光を受光素子で検出するタイプの光学式センサである。図１（ｂ）に示すように、検出ヘッド１２は、スケール１３と対向するように配置されている。

スケール１３に設けられたスケールパターンは、規則的パターンあるいは変調されたパターンであり、検出ヘッド１２により光学的な読み取りが可能なように、表面の色の濃淡や反射率を変えることで構成されている。なお、このスケールパターンは、検出演算の方式によっては１条のみならず、例えば各々の配置位相が異なる複数条の濃淡パターンを配置することもできる。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るが、近年ではエンコーダの高精度化／高分解能化に伴い、μｍオーダのピッチのパターンも利用可能である。

次に、トルクセンサユニット２０におけるトルクの検出について説明する。回転軸１４まわりにトルク（Ｍｚ）が作用し、構造体１の各々の接続部４が外輪部２の半径方向と交差する方向に弾性変形すると、外輪部２と内輪部３は相対的に回転変位する。すると、検出ヘッド１２とスケール１３の相対位置が変化するため、スケール１３に照射されている光の照射位置がスケール１３上を移動する。このとき、スケール１３に照射されている光がスケール１３上に設けられたパターンを通過すると、受光素子で検出される光の光量が変化する。光学式エンコーダ１０は、この光量の変化から、スケール１３と検出ヘッド１２との相対移動量、すなわち外輪部２と内輪部３の相対移動量を検出する。

検出された移動量は、トルク検出制御部によって、構造体１の外輪部２と内輪部３に作用した回転トルクに換算される。トルク検出制御部は、光学式エンコーダ１０の出力値（移動量）をトルク値に換算する変換係数を用いて、移動量をトルク検出値に変換する。なお、このトルク検出制御部は、ＣＰＵ２０１が実行するトルク検出プログラムによって構成されてもよいし、例えばＰＬＣ等のハードウェアにより構成されてもよい。
以上のようにして、トルクセンサユニット２０は、設置された装置（例えばロボット装置の関節）において、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）を検出することができる。

本実施形態では、外輪部２および内輪部３の形状を、従来のような肉厚が一定の円筒形状にするのではなく、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する形状としており、外輪部２および内輪部３は、断面形状が略Ｌ字状になるよう構成されている。すなわち、外輪部２は、所定の肉厚の筒状部と、筒状部の内側面５よりも回転軸１４に向けてＬ１だけ突出したツバ部６０を備えている。また、内輪部３は、所定の肉厚の筒状部と、筒状部の外側面７よりも回転軸１４とは反対方向にＬ２だけ突出したツバ部８０を備えている。

従来のトルクセンサのように、外輪部および内輪部が肉厚一定の円筒の場合には、回転軸回りのトルク以外の力（例えば図１（ｂ）に示すＸ軸周りの力Ｍｘ）を受けた時に変形や破損を生じやすいため、軸受け等の案内機構を設ける必要があった。

これに対して、本実施形態の外輪部２および内輪部３はツバ部を有するため、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）とは異なる方向の力に対して機械剛性が高いため、変形や破損が生じ難い特徴がある。

また、従来のトルクセンサでは、起歪体が、肉厚が一定の円筒形状である外輪部の内側面のみで外輪部と接続し、肉厚が一定の円筒形状である内輪部の外側面のみで内輪部と接続していた。すなわち、回転軸と平行な線に沿ってのみ接続していた。この場合には、起歪体と外輪部、起歪体と内輪部の接続強度が大きくはないので、許容される回転軸回りのトルク（計測トルク）の上限を大きくすることはできなかった。また、回転軸回りのトルク以外の力（例えば図１（ｂ）に示すＸ軸周りの力Ｍｘ）を受けた時にも、起歪体と外輪部、起歪体と内輪部において破損が生じやすかった。

これに対して、本実施形態では、起歪体としての板状の接続部４は、外輪部２の筒状部の内側面５およびツバ部６０の上面６において、外輪部２と接続し、内輪部３の筒状部の外側面７およびツバ部８０の上面８において、内輪部３と接続している。本実施形態の接続部４は、外輪部２および内輪部３とは、筒状部の側面だけでなくツバ部の上面でも接続している。言い換えれば、接続部４は、外輪部２および内輪部３と、回転軸と平行な線（辺）だけでなく、回転軸と交差する線（辺）に沿って接続している。このため、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）、およびそれとは異なる方向の力に対して接続強度が高く、接続部４と外輪部２の境界や、接続部４と内輪部３の境界における破損が生じ難い特徴がある。

また、本実施形態の接続部４は、ツバ部６０とツバ部８０を隔てる距離Ｌ３の間隙を跨ぐように橋状に形成され、外輪部２と内輪部３を繋いでいる。接続部４には、ツバ部６０とツバ部８０の間隙に対応する位置に切欠き部９を有している。この切欠き部９を設けることにより、回転軸回りのトルク以外の力（例えば図１（ｂ）に示すＸ軸周りの力（Ｍｘ）を受けた時に、間隙を跨ぐ部分の局所に応力が集中して接続部４が破損するのを防ぐことができる。切欠き部の寸法や形状は、検出方向の剛性と非検出方向の剛性のバランスを考慮して適宜設定すればよい。
本実施形態によれば、構造体１の厚みＨを小さくしても、非検出方向の剛性を保つことができ、検出精度が高いトルクセンサを提供することが可能である。

（トルクセンサユニットの具体例）
本実施形態の好適な具体例を示せば、トルクセンサユニット２０の構造体１は、外径Ｄを６８ｍｍ、回転軸方向厚みＨを１２ｍｍ、内径ｄを１６ｍｍとする。また、接続部４は、厚さｔを１．２ｍｍ、長さＬを１２．５ｍｍ、幅Ｈ１を８ｍｍとする。また、外輪部２が備えるツバ部６０が筒状部から突出する長さ、すなわち回転軸１４と直交する方向のツバ部６０の長さＬ１を４．３ｍｍとする。内輪部３が備えるツバ部８０が筒状部から突出する長さ、すなわち回転軸１４と直交する方向のツバ部８０の長さＬ２を４．７ｍｍとする。接続部４に設けられる切欠き部９は、回転軸方向の長さＨ２を４．２５ｍｍ、回転軸と直交する方向の長さを３．５ｍｍとした。尚、切欠き部９の長さは、ツバ部６０とツバ部８０を隔てる距離Ｌ３と等しい。構造体１は、ＳＵＳ６３０を材料とする母材から切削加工により形成した。

本実施例において、検出方向の剛性の測定結果は、２５，０００［Ｎｍ／ｒａｄ］であり、非検出方向の剛性の測定結果は、１２５，０００［Ｎｍ／ｒａｄ］であった。非検出方向の剛性は検出方向の剛性の５倍となった。

ツバ部が設けられていない従来のトルクセンサでは、実施例と同様の外径Ｄ、内径ｄ、回転軸方向厚みＨの場合には、検出方向の剛性が２５，０００［Ｎｍ／ｒａｄ］であるのに対し、非検出方向の剛性は８８，０００［Ｎｍ／ｒａｄ］であった。実施例は、従来よりも非検出方向の剛性を４２％向上できることが確認された。

（ロボット装置）
次に、上述したトルクセンサユニットを備えたロボット装置について説明する。
図５は、実施形態１に係るトルクセンサユニットを搭載したロボット装置５００の外観を模式的に示す斜視図である。図５に示すように、ロボット装置５００は、ワークＷの組立てを行う多関節ロボットアーム１００と、多関節ロボットアーム１００を制御する制御装置２００と、制御装置２００に接続されたティーチングペンダント３００とを備えている。

多関節ロボットアーム１００は、６軸制御のロボットアーム１０１と、ロボットアーム１０１の先端に接続されたハンド（エンドエフェクタ）１０２とを備えている。
ロボットアーム１０１は、作業台に固定されるベース部１０３と、変位や力を伝達する複数のリンク１２１〜１２６と、各リンク１２１〜１２６を旋回又は回転可能に連結する複数の関節１１１〜１１６とを備えている。更に、各関節１１１〜１１６には、関節に作用するトルクを検出するためのトルクセンサユニットを備える。

図６は、図５に示すロボットアーム１０１の関節１１６の断面図である。関節１１６は、構造部材であるリンク１２５および、１２６と、サーボモータ３０と、サーボモータ３０の出力を減速する波動歯車減速機３１と、関節のトルクを検出するトルクセンサユニット２０とを備えている。図６に示すように、リンク１２５は、トルクセンサユニット２０と波動歯車減速機３１を介してリンク１２６に接続される。

サーボモータ３０は、電磁モータであり、ブラシレスＤＣモータやＡＣサーボモータが例示できる。サーボモータ３０はリンク１２５にボルト締結等で取り付けられ、その動力は波動歯車減速機３１の減速機入力軸３１ａに伝達する。入力軸エンコーダ３０ａは、サーボモータ３０の回転軸に設けられており、サーボモータ３０の回転に伴って入力側パルス信号を生成し、制御装置２００に出力する。なお、サーボモータ３０と入力軸エンコーダ３０ａとの間には、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。なお、入力軸エンコーダ３０ａは、一般的なロータリエンコーダと同様に、光学式或いは磁気式の何れでもよい。

波動歯車減速機３１は、サーボモータ３０の動力を入力する減速機入力軸３１ａ、減速機の部材を保持する減速機固定部３１ｂ、及び、減速後のトルクを出力する減速機出力軸３１ｃから構成される。減速機入力軸３１ａは楕円形状のカムと弾性軸受から構成されており、リング形状の減速機固定部３１ｂの内周部Ｙ１と、弾性体でカップ形状の減速機出力軸３１ｃの外周部Ｚ１には、歯数の異なる歯がお互いに噛み合うように設けられている。サーボモータ３０によって楕円形状である減速機入力軸３１ａが回転すると、弾性体である減速機出力軸３１ｃが楕円変形し、楕円の長軸部分両端で減速機固定部３１ｂと噛み合う。

リンク１２５は、トルクセンサユニット２０の外輪部２にボルト締結等で取り付けられるとともに、減速機固定部３１ｂは、トルクセンサユニット２０の内輪部３にボルト締結等で取り付けられる。減速機出力軸３１ｃは、リンク１２６にボルト締結等で取り付けられ、減速機固定部３１ｂと減速機出力軸３１ｃはクロスローラベアリングで連結されている。そのため、サーボモータ３０の動力で減速機入力軸３１ａが回転すると、減速機出力軸３１ｃが楕円変形しながら減速機固定部３１ｂと噛み合い、固定側であるリンク１２５およびトルクセンサユニット２０に対して、リンク１２６は相対的に回転動作する。

トルクセンサユニット２０は、前述したように光学式エンコーダにより構造体の変形量を検出してトルクに換算する方式のトルクセンサであり、リンク１２５と減速機固定部３１ｂの間に設置され、関節に作用するトルクを検出する。

以上より、関節１１６においては、サーボモータ３０の入力トルクは減速機入力軸３１ａに伝達され、減速手段により１／Ｎに減速して出力トルクとして減速機出力軸３１ｃからリンク１２２に伝達される構成である。

図７は、本実施形態に係るトルクセンサユニットを搭載したロボット装置５００が備える制御装置２００の構成を示す図である。図７に示すように、制御部としての制御装置２００は、ＣＰＵ（演算部）２０１と、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、ＨＤＤ（記憶部）２０４と、記録ディスクドライブ２０５と、各種のインタフェース２１１〜２１６と、を備えている。

ＣＰＵ２０１には、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、ＨＤＤ２０４、記録ディスクドライブ２０５及び各種のインタフェース２１１〜２１６が、バス２１７を介して接続されている。ＲＯＭ２０２には、ＢＩＯＳ等の基本プログラムが格納されている。ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１の演算処理結果を一時的に記憶する記憶装置である。

ＨＤＤ２０４は、ＣＰＵ２０１の演算処理結果である各種のデータ等を非一時的に記憶する記憶部であると共に、ＣＰＵ２０１に、各種演算処理を実行させるためのプログラム３３０を記録するものである。ＣＰＵ２０１は、記録媒体であるＨＤＤ２０４に記録（格納）されたプログラム３３０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２０５は、記録ディスク３３１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。

インタフェース２１１にはユーザが操作可能なティーチングペンダント３００が接続されており、ティーチングペンダント３００は、入力された各関節１１１〜１１６の目標関節角度をインタフェース２１１及びバス２１７を介してＣＰＵ２０１に出力する。

また、インタフェース２１２には、トルクセンサユニット２０が接続されており、前述したトルク検出値をインタフェース２１２及びバス２１７を介してＣＰＵ２０１に出力する。更に、インタフェース２１３には、入力軸エンコーダ３０ａが接続されており、前述したパルス信号をインタフェース２１３及びバス２１７を介してＣＰＵ２０１に出力する。

更に、インタフェース２１４、２１５には、各種画像が表示されるモニタ３１１や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３１２が接続されている。また、インタフェース２１６にはサーボ制御装置３１３が接続されており、入力したトルク指令値に基づき、関節１１１〜１１６のトルク検出値が指令トルクに追従するように制御する。すなわち、ＣＰＵ２０１は、サーボモータ３０の回転角度の制御量を示す駆動指令のデータを所定間隔でバス２１７及びインタフェース２１６を介してサーボ制御装置３１３に出力する。

サーボ制御装置３１３は、ＣＰＵ２０１から入力を受けた駆動指令に基づき、サーボモータ３０への電流の出力量を演算し、サーボモータ３０へ電流を供給して、ロボットアーム１０１の関節１１１〜１１６の関節角度制御を行う。即ち、ＣＰＵ２０１は、サーボ制御装置３１３を介して、関節１１１〜１１６のトルク検出値（トルクセンサユニットの出力信号）が目標トルクとなるように、サーボモータ３０による関節１１１〜１１６の駆動を制御する。ハンド１０２は、ワークＷを把持可能な複数のフィンガと、複数のフィンガを駆動する不図示のアクチュエータとを備えており、複数のフィンガを駆動することでワークを把持可能に構成されている。

小型で計測精度の高い本実施形態に係るトルクセンサユニットを搭載したロボット装置５００は、高精度な力制御を行うことができるため、精密機器の組立などの高度な作業を実施することができる。すなわち、ロボット装置５００は、トルクセンサユニットの検出結果を用いて、ワークＷの組立てをはじめとする物品の製造方法を好適に実施することができる。

［実施形態２］
図８（ａ）、図８（ｂ）を参照して、実施形態２のトルクセンサユニットについて説明する。実施形態１では、外輪部２および内輪部３の形状を、肉厚が一定の円筒形状にするのではなく、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する形状としており、外輪部２および内輪部３は、断面形状が略Ｌ字状になるよう構成した。

実施形態２も、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する点で共通するが、ツバ部の形状が実施形態１とは異なる。以下の実施形態２についての説明では、実施形態１と共通する部分については、説明を簡略化ないしは省略する。

実施形態２に関する図８（ａ）、図８（ｂ）は、それぞれ実施形態１に関する図４（ａ）、図４（ｂ）に対応する。つまり、図８（ａ）は、構造体１を図３のＡ−Ａ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在しない半径方向に沿って切断した断面図である。また、図８（ｂ）は、構造体１を図３のＢ−Ｂ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在する半径方向に沿って切断した断面図である。

図８（ａ）に示すように、外輪部２および内輪部３は、それぞれ断面形状が略Ｌ字状になるよう構成される。すなわち、外輪部２は、筒状部（第１の筒状部）と、筒状部の内側面５よりも回転軸１４に向けて突出したツバ部６０（第１の凸部）を備えている。また、内輪部３は、筒状部（第２の筒状部）と、筒状部の外側面７よりも回転軸１４とは反対方向に突出したツバ部８０（第２の凸部）を備えている。あるいは、ツバ部６０は筒状部から外輪部２の輪中心に向かって突出する凸部であり、ツバ部８０は筒状部から内輪部３の輪中心とは反対側に向かって突出した凸部であると言ってもよい。

図示のように、本実施形態は、外輪部２および内輪部３の断面形状が実施形態１とは異なる。実施形態１では、図４（ａ）、図４（ｂ）に示したように、外輪部２および内輪部３のそれぞれの断面形状は、角が６つあり、２つの矩形を組合わせたような多角形であった。これに対して、本実施形態では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの断面形状は、角が７つある多角形である。接続部４は、実施形態１では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの２辺と接続していたが、本実施形態では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの３辺と接続している。

本実施形態も、外輪部２および内輪部３がツバ部を有するため、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）とは異なる方向の力に対して機械剛性が高いため、変形や破損が生じ難い特徴がある。

また、本実施形態も、接続部４は、外輪部２および内輪部３と、回転軸と平行な線（辺）だけでなく、回転軸と交差する線（辺）に沿って接続している。このため、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）、およびそれとは異なる方向の力に対して接続強度が高く、接続部における破損が生じ難い特徴がある。

また、本実施形態も、切欠き部９を設けることにより、回転軸回りのトルク以外の力（例えば図１（ｂ）に示すＸ軸周りの力（Ｍｘ）を受けた時に、間隙を跨ぐ部分の局所に応力が集中して接続部４が破損するのを防ぐことができる。
本実施形態によれば、構造体１の厚みを小さくしても、非検出方向の剛性を保つことができ、検出精度が高いトルクセンサを提供することが可能である。

［実施形態３］
図９（ａ）、図９（ｂ）を参照して、実施形態３のトルクセンサユニットについて説明する。実施形態１では、外輪部２および内輪部３の形状を、肉厚が一定の円筒形状にするのではなく、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する形状としており、外輪部２および内輪部３は、断面形状が略Ｌ字状になるよう構成した。

実施形態３も、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する点で共通するが、筒状部の形状が実施形態１とは異なる。以下の実施形態３についての説明では、実施形態１と共通する部分については、説明を簡略化ないしは省略する。

実施形態３に関する図９（ａ）、図９（ｂ）は、それぞれ実施形態１に関する図４（ａ）、図４（ｂ）に対応する。つまり、図９（ａ）は、構造体１を図３のＡ−Ａ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在しない半径方向に沿って切断した断面図である。また、図９（ｂ）は、構造体１を図３のＢ−Ｂ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在する半径方向に沿って切断した断面図である。

図９（ａ）に示すように、外輪部２および内輪部３は、それぞれ断面形状が略Ｌ字状になるよう構成される。すなわち、外輪部２は、筒状部（第１の筒状部）と、筒状部の内側面５よりも回転軸１４に向けて突出したツバ部６０（第１の凸部）を備えている。また、内輪部３は、筒状部（第２の筒状部）と、筒状部の外側面７よりも回転軸１４とは反対方向に突出したツバ部８０（第２の凸部）を備えている。あるいは、ツバ部６０は筒状部から外輪部２の輪中心に向かって突出する凸部であり、ツバ部８０は筒状部から内輪部３の輪中心とは反対側に向かって突出した凸部であると言ってもよい。

図示のように、本実施形態は、外輪部２および内輪部３の断面形状が実施形態１とは異なる。実施形態１では、図４（ａ）、図４（ｂ）に示したように、外輪部２および内輪部３のそれぞれには、肉厚が一定の円筒形状の部分が有り、その円筒部からツバ部が突出していた。

これに対して、本実施形態では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの筒状部は、肉厚が一定ではなく、断面形状が回転軸１４に対して傾斜する直線となるような斜面を有している。接続部４は、本実施形態では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの斜面およびツバ部の上面で接続する。

また、本実施形態は、接続部４は、外輪部２および内輪部３と、回転軸と平行な線（辺）ではなく、回転軸と交差する線（辺）に沿って接続している。このため、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）、およびそれとは異なる方向の力に対して接続強度が高く、接続部における破損が生じ難い特徴がある。

［実施形態４］
図１０（ａ）、図１０（ｂ）を参照して、実施形態４のトルクセンサユニットについて説明する。実施形態１では、外輪部２および内輪部３の形状を、肉厚が一定の円筒形状にするのではなく、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する形状としており、外輪部２および内輪部３は、断面形状が略Ｌ字状になるよう構成した。
実施形態４も、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する点で共通するが、筒状部の形状が実施形態１とは異なる。以下の実施形態４についての説明では、実施形態１と共通する部分については、説明を簡略化ないしは省略する。

実施形態４に関する図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、それぞれ実施形態１に関する図４（ａ）、図４（ｂ）に対応する。つまり、図１０（ａ）は、構造体１を図３のＡ−Ａ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在しない半径方向に沿って切断した断面図である。また、図１０（ｂ）は、構造体１を図３のＢ−Ｂ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在する半径方向に沿って切断した断面図である。

図１０（ａ）に示すように、外輪部２および内輪部３は、それぞれ断面形状が略Ｌ字状になるよう構成される。すなわち、外輪部２は、筒状部（第１の筒状部）と、筒状部の内側面５よりも回転軸１４向けて突出したツバ部６０（第１の凸部）を備えている。また、内輪部３は、筒状部（第２の筒状部）と、筒状部の外側面７よりも回転軸１４とは反対方向に突出したツバ部８０（第２の凸部）を備えている。あるいは、ツバ部６０は筒状部から外輪部２の輪中心に向かって突出する凸部であり、ツバ部８０は筒状部から内輪部３の輪中心とは反対側に向かって突出した凸部であると言ってもよい。

これに対して、本実施形態では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの筒状部は、肉厚が一定ではなく、断面形状が回転軸１４に対して傾斜する曲線となるような曲斜面（曲面形状）を有している。接続部４は、本実施形態では、外輪部２および内輪部３のそれぞれの曲斜面およびツバ部の上面で接続する。

また、本実施形態は、接続部４は、外輪部２および内輪部３と、回転軸と平行な線（辺）ではなく、回転軸と交差する曲線（辺）に沿って接続している。このため、回転軸１４まわりのトルク（Ｍｚ）、およびそれとは異なる方向の力に対して接続強度が高く、接続部における破損が生じ難い特徴がある。

［実施形態５］
図１１（ａ）、図１１（ｂ）を参照して、実施形態５のトルクセンサユニットについて説明する。実施形態１では、外輪部２および内輪部３の形状を、肉厚が一定の円筒形状にするのではなく、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する形状としており、外輪部２および内輪部３は、断面形状が略Ｌ字状になるよう構成した。
実施形態５も、回転軸１４と交差する方向に突出したツバ部を有する点で共通するが、実施形態１とはツバ部の位置が異なり、外輪部２および内輪部３の断面形状はＬ字ではなく、Ｔ字を９０度回転させたような形状である。また、外輪部２の半径に沿ってみた時、回転軸１４の方向（Ｚ方向）に並ぶ２つの接続部４Ａ、接続部４Ｂを有している。
以下の実施形態５についての説明では、実施形態１と共通する部分については、説明を簡略化ないしは省略する。

実施形態５に関する図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、それぞれ実施形態１に関する図４（ａ）、図４（ｂ）に対応する。つまり、図１１（ａ）は、構造体１を図３のＡ−Ａ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在しない半径方向に沿って切断した断面図である。また、図１１（ｂ）は、構造体１を図３のＢ−Ｂ線、すなわち外輪部２の半径方向の内、接続部４が存在する半径方向に沿って切断した断面図である。

本実施形態は、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、外輪部２および内輪部３は、それぞれ断面形状がＴ字を９０度回転させたような形状になるよう構成される。すなわち、外輪部２は、筒状部（第１の筒状部）と、筒状部の内側面５よりも回転軸１４に向けて突出したツバ部６０（第１の凸部）を備え、ツバ部６０は回転軸１４（Ｚ方向）に沿って見た時、ツバ部６０は筒状部の端部ではなく途中から突出している。また、内輪部３は、筒状部（第２の筒状部）と、筒状部の外側面７よりも回転軸１４とは反対方向に突出したツバ部８０（第２の凸部）を備え、ツバ部８０は回転軸１４（Ｚ方向）に沿って見た時、ツバ部８０は筒状部の端部ではなく途中から突出している。ツバ部６０は筒状部から外輪部２の輪中心に向かって突出する凸部であり、ツバ部８０は筒状部から内輪部３の輪中心とは反対側に向かって突出した凸部であると言ってもよい。

また、回転軸方向（Ｚ方向）に沿って見て、ツバ部６０およびツバ部８０を挟むように、接続部４Ａ及び接続部４Ｂが設けられている。接続部４Ａには切欠き部９Ａが、接続部４Ｂには切欠き部９Ｂが設けられている。接続部４Ａは、外輪部２とは筒状部の内側面５とツバ部６０の上面６Ａで接続し、内輪部３とは筒状部の外側面７とツバ部８０の上面８Ａで接続している。接続部４Ｂは、外輪部２とは筒状部の内側面５とツバ部６０の下面６Ｂで接続し、内輪部３とは筒状部の外側面７とツバ部８０の下面８Ｂで接続している。

また、本実施形態も、切欠き部９Ａ、９Ｂを設けることにより、回転軸回りのトルク以外の力（例えば図１（ｂ）に示すＸ軸周りの力（Ｍｘ））を受けた時に、間隙を跨ぐ部分の局所に応力が集中して接続部４Ａ、接続部４Ｂが破損するのを防ぐことができる。
本実施形態によれば、構造体１の厚みを小さくしても、非検出方向の剛性を保つことができ、検出精度が高いトルクセンサを提供することが可能である。

［他の実施形態］
なお、本発明は、以上説明した実施形態や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。

例えば、実施形態２で説明した外輪部２および内輪部３の断面形状は、７角形であったが、他の多角形状であってもよい。また、実施形態４で説明した外輪部２および内輪部３の側面の断面形状は、図１０に示した曲線形状に限らず、２次曲線、円弧、楕円の一部、など様々な曲線形状を採用し得る。また、それ以外にも、外輪部２および内輪部３の側面の断面形状は、直線と曲線を組合わせてもよい。
また、例えば実施形態１の外輪部と実施形態２の内輪部のように、異なる実施形態の部分どうしを組合わせてもよい。また、外輪部および内輪部の形状は用途に応じて、円形のみならず、矩形や三角形の形状を提供しても構わない。
また、ツバ部は、回転軸と直交する方向に突出する凸形状に限らず、回転軸と直角以外の角度で交差する方向に突出する凸形状であってもよい。
また、外輪部と内輪部の変位を検出する検出手段は、光学式エンコーダが精度の点で優れるが、磁気式エンコーダ等の他方式の変位検出手段であってもよい。

また、実施形態のトルクセンサユニットを装着してトルクを測定する対象は、典型的にはロボット装置であるが、それ以外の装置であってもよい。また、ロボット装置は、図５に示した６軸制御のロボットアームを有するものには限られず、他の形態のロボット装置でもよい。また、ロボット装置は、トルクセンサユニットの検知結果を用いた動作制御により、ワークの組立て、ワークの加工、ワークの搬送をはじめとする、物品の製造方法にかかる種々の作業を実行することができる。

本発明は、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ー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。

１・・・構造体／２・・・外輪部／３・・・内輪部／４・・・接続部／５・・・筒状部の内側面／６・・・ツバ部の上面／７・・・筒状部の外側面／８・・・ツバ部の上面／９・・・切欠き部／１０・・・光学式エンコーダ／１１・・・検出ヘッド取付け部／１２・・・検出ヘッド／１３・・・スケール／１４・・・回転軸／２０・・・トルクセンサユニット／６０・・・ツバ部／８０・・・ツバ部／１１６・・・関節／２００・・・制御装置／５００・・・ロボット装置

Claims

第１の部位と、前記第１の部位の内側に設けられた第２の部位と、前記第１の部位と前記第２の部位とを接続する接続部と、を有し、
前記第１の部位は、第１の筒状部と、前記第１の筒状部から前記第２の部位に向かって突出する第１の凸部を有し、
前記第２の部位は、第２の筒状部と、前記第２の筒状部から前記第１の部位に向かって突出する第２の凸部を有し、
前記第１の部位は、前記第１の筒状部の内側面および前記第１の凸部の表面が、前記接続部と接続し、
前記第２の部位は、前記第２の筒状部の外側面および前記第２の凸部の表面が、前記接続部と接続し、
トルクが印加された際には、前記接続部が変形して前記第１の部位と前記第２の部位が相対的に変位する、
ことを特徴とするトルク検出装置。
前記接続部は、前記第１の凸部と前記第２の凸部の間隙を跨いで前記第１の部位と前記第２の部位とを接続する、
ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
前記接続部には、前記第１の凸部と前記第２の凸部の間隙を跨ぐ部分に、切欠き部が設けられている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のトルク検出装置。
前記第１の筒状部、および／または前記第２の筒状部は、所定の肉厚を有する円筒形状である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
前記第１の筒状部の内側面、および／または前記第２の筒状部の外側面は、曲面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
前記第１の部位と前記第２の部位との相対的な変位を検出するエンコーダを備える、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
前記第１の部位は外輪部であり、前記第２の部位は内輪部である、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のトルク検出装置を備える、
ことを特徴とするロボット装置。
請求項８に記載のロボット装置により、前記トルク検出装置の検出結果を用いて物品の製造を行う、ことを特徴とする物品の製造方法。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のトルク検出装置の出力信号を用いて、前記トルク検出装置が搭載された機器の動作を制御する、
ことを特徴とする制御装置。
請求項１０に記載の制御装置が、前記トルク検出装置の出力信号を用いて、前記機器の動作を制御するためのプログラム。
請求項１１に記載のプログラムを記録した、コンピュータにより読み取り可能な非一時的な記録媒体。