JP2022504667A - ストレイン・ウェーブ・ギア及びそれのための弾性伝達要素、ロボットアーム並びにひずみゲージの配置方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、まずストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素に関する。このようなストレイン・ウェーブ・ギアはハーモニックドライブとも呼ばれる。弾性伝達要素は、フレクスプラインとも呼ばれる。外側歯部（０４）は、弾性伝達要素上に形成されている。さらに、弾性伝達要素の機械的ひずみを測定するための少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が、弾性伝達要素上に配置されている。本発明によれば、少なくとも１つのひずみゲージ（０６）は、弾性伝達要素の金属表面上にコーティングとして直接形成されている。本発明はさらに、ストレイン・ウェーブ・ギア、ロボットアーム、及びストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素上にひずみゲージを配置する方法に関する。

Description

本発明は、まずストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素に関する。このようなストレイン・ウェーブ・ギアは、ハーモニックドライブ、シャフトギアまたはスライド・ウエッジ・ギアとも呼ばれる。弾性伝達要素は、フレクスプラインとも呼ばれる。弾性伝達要素は、弾性伝達要素の機械的ひずみを測定するための少なくとも１つのひずみゲージを有する。本発明はさらに、ストレイン・ウェーブ・ギア、ロボットアーム、及びストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素上にひずみゲージを配置する方法に関する。

非特許文献１には、ストレイン・ウェーブ・ギアにおけるトルクを測定する方法が記載されている。ストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素上に配置されているひずみゲージを測定に使用する。

非特許文献２、及び非特許文献３は、ストレイン・ウェーブ・ギア内のトルクを測定するためのトルクセンサを示している。カルマンフィルタは、高周波測定信号成分を排除するために使用される。

特許文献１には、導電線を介して電気的に接続されている可撓性外輪上に抵抗線領域を有する複数のひずみゲージを備えるトルク検出機構を有するウェーブ・ギアデバイスが開示されている。

特許文献２には、導電線を介して電気的に接続された可撓性外輪上にひずみゲージを備えるトルクセンサ機構を有するウェーブ・ギアが開示されている。

特許文献３は、ひずみゲージパターンを有するひずみゲージユニットを備えるウェーブ・ギアのトルク検出装置を教示している。このひずみゲージパターンは、アーク形状の検出セグメントＡ及びＢ、並びに外部配線用の３つの端子部分を備え、その一方は検出セグメント間に形成されており、他方はその反対側の端部に形成されている。

特許文献４には、ウェーブ・ギアの回転軸上にひずみゲージを有するホイートストンブリッジの使用が開示されている。

特許文献５には、ウェーブ・ギアデバイス内で伝達されたトルクを測定するトルク測定方法が開示されている。このストレイン・ウェーブ・ギアデバイスでは、可撓性の環状外部ギアは、剛性内部ギアと部分的に噛み合っている。複数のひずみゲージセットが、可撓性外輪の表面に取り付けられている。

特許文献６は、トルクセンサを内蔵した高精度ウェーブ・ギアに関する。このトルクセンサは、とりわけ、ホイートストンハーフブリッジを備える。

特許文献７は、トルクを測定するように設計されているウェーブ・ギアを教示している。

特許文献８には、ウェーブ・ギア内のトルクを測定するためのデバイスが開示されている。このデバイスは、内歯部を有する外輪とハウジングとの間の力を測定するための少なくとも１つのセンサを備える。

特許文献９には、ホイートストンブリッジを形成している複数のひずみゲージを備えるトルク検出要素が記載されている。これらのひずみゲージは、可撓性フィルム状絶縁体の表面上にパターン状金属フィルムの形態で配置されている。

ＤＥ１０２００４０４１３９４Ａ１ ＪＰ２０００３－２０６２２Ａ ＵＳ２００４／００７９１７４Ａ１ ＪＰ２０１６－０４５０５５Ａ ＵＳ６，８４０，１１８Ｂ２ ＣＮ１０５６９８９９２Ａ ＲＵ２６１５７１９Ｃ１ ＷＯ２０１０／１４２３１８Ａ１ ＪＰ６３２０８８５Ｂ２

ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎの議事録におけるＨａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｍ．他による論文「Ａ ｊｏｉｎｔ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｒｉｖｅｓ」（Ｉｓｓｕｅ ２，ｐａｇｅｓ１０３４－１０３９，Ａｐｒｉｌ １９９１） ＩＥＥＥ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ， Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇの議事録におけるＴａｇｈｉｒａｄ，Ｈａｍｉｄ Ｄ．他による論文「Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｂｕｉｌｔ－ｉｎ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｍａｙ １９９７） Ｔａｇｈｉｒａｄ，Ｈａｍｉｄ Ｄ．による学術論文「Ｒｏｂｕｓｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＭｃＧｉｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｏｎｔｒｅａｌ，１９９７）

本発明の目的は、従来技術から進み、ストレイン・ウェーブ・ギア内の機械応力の測定をより正確かつより確実に可能にすることである。

上述の目的は、添付の請求項１に記載の弾性伝達要素によって達成される。上述の対象は、添付の独立請求項８に記載のストレイン・ウェーブ・ギアによって、添付の独立請求項９に記載のロボットアームによって、かつ添付の独立請求項１０に記載の方法によってさらに達成される。

本発明による弾性伝達要素は、ストレイン・ウェーブ・ギアのトルク伝達構成要素を形成している。ストレイン・ウェーブ・ギアは、ハーモニックドライブまたは高調ウェーブ・ギアとも呼ばれ得る。弾性伝達要素は、フレクスプラインとも呼ばれ得る。弾性伝達要素は、ストレイン・ウェーブ・ギアによって伝達されたトルクを導出するように設計されることが好ましい。

弾性伝達要素は、ストレイン・ウェーブ・ギアの剛性外輪の内側歯部と係合するように設計された外側歯部を有する。外側歯部及び内側歯部は、それらの歯の数において異なり、その差は、２つであることが好ましい。

弾性伝達要素は、少なくとも１つのひずみゲージを備え、弾性伝達要素の機械ひずみを測定するために使用される。少なくとも１つのひずみゲージは、弾性伝達要素に作用するトルクを測定するために使用されることが好ましい。

本発明によれば、少なくとも１つのひずみゲージは、弾性伝達要素の金属表面上にコーティングとして直接形成されている。このコーティングは、金属表面にしっかりと施されている。したがって、少なくとも１つのひずみゲージは、中間層なし、特に接着剤なしで、弾性伝達要素の金属表面上に配置され、固定されている。少なくとも１つのひずみゲージと弾性伝達要素の金属表面との間に直接結合がある。

本発明による伝達要素の特定の利点は、追加の費用を必要とすることなく、少なくとも１つのひずみゲージの正確な配置が保証されることである。接着剤を用いたひずみゲージの固定を提供する、先行技術からの既知の解決策は、弾性伝達要素上のひずみゲージの正確な位置決めのために多大な労力を必要とする。これは、不正確な位置決めにつながりやすく、不正確な測定結果または較正の労力の増加につながる。加えて、接着剤を使用した取り付けは完全に固定せず、動作時間の経過とともにひずみゲージがわずかにシフトする可能性があり、ひずみゲージの較正点をシフトさせ得る。加えて、接着剤の老化は、センサの較正及び挙動に悪影響を与える。異なる温度はまた、接着結合に影響を与え、ひずみゲージの最小変位を引き起こし得る。したがって、本発明による伝達要素はまた、改善された長期安定性を有し、ひずみゲージの最小変位も排除される。接着剤接続を用いた従来技術からの既知の解決策と比較した、本発明による伝達要素の別の利点は、接着剤接続がより大きな空間要件をもたらす一方で、弾性伝達要素の金属表面上の直接配置により、少なくとも１つのひずみゲージをスペースを取らない様式で配置することができることである。それに応じて、本発明による弾性伝達要素は、ひずみゲージをストレイン・ウェーブ・ギアにより良く統合することを可能にする。

本発明による弾性伝達要素の好ましい実施形態では、少なくとも１つのひずみゲージは、トルクセンサの構成要素を形成している。トルクセンサは、弾性伝達要素に作用するトルクを測定するために使用される。少なくとも１つのひずみゲージは、電気接続を介してトルクセンサの測定信号処理ユニットに接続されている。測定信号処理ユニットは、測定信号増幅器、測定信号付加ユニット、測定信号インバータ、アナログフィルタ、デジタルフィルタ、ＡＤコンバータ、マイクロプロセッサ、及びデータメモリを備えることが好ましい。

本発明による弾性伝達要素の好ましい実施形態では、少なくとも１つのひずみゲージは、弾性伝達要素の金属表面上にコーティングとして直接形成されている電気絶縁層を備える。電気絶縁層と弾性伝達要素の金属表面との間に直接材料結合があることが好ましい。ひずみゲージは、好ましくは、電気絶縁層にコーティングとして直接形成されている電気測定グリッド層をさらに備える。ひずみゲージは、好ましくは、電気絶縁層及び電気測定グリッド層を層として排他的に備える。

電気絶縁層は、好ましくは、カプトンまたはガラスなどのポリイミドからなる。

本発明による弾性伝達要素の好ましい実施形態では、少なくとも１つのひずみゲージは、スパッタ堆積によって弾性伝達要素の金属表面に直接形成されている。この目的のために、電気絶縁層は、好ましくは、弾性伝達要素の金属表面に適用され、電気抵抗層は、電気絶縁層に適用され、次いで、電気測定グリッド層は、電気抵抗層からレーザー構造化される。スパッタ堆積によって適用されるひずみゲージは、弾性伝達要素の金属表面上にしっかりと恒久的に着座される。あるいは、少なくとも１つのひずみゲージは、好ましくは、弾性伝達要素の金属表面上に直接印刷され、電気絶縁層は、好ましくは、まず、弾性伝達要素の金属表面上に印刷され、次いで、電気測定グリッド層は、電気絶縁層上に印刷される。

本発明による弾性伝達要素は、好ましくは、外部歯部が形成されているスリーブの形態のブッシュ形状部分を有する。ブッシュ形状部分は、弾性伝達要素の金属表面を形成する金属からなる。少なくとも１つのひずみゲージは、ブッシュ形状部分に配置されることが好ましい。この目的のために、少なくとも１つのひずみゲージは、弾性伝達要素のブッシュ形状部分の金属表面上にコーティングとして直接形成されている。

本発明による弾性伝達要素は、カップ形状とも呼ばれるボウルの形状を有することが好ましい。

弾性伝達要素は、好ましくは、軸方向にブッシュ形状部分に隣接する環状または円盤形状部分をさらに備える。環状部分は、カラーまたはフランジの形状を有することが好ましい。対応して、弾性伝達要素は、フランジスリーブの形状を有する。環状部分は、シャフトを伝達要素に結合して、トルクをシャフトに伝達するために使用される。ブッシュ形状部分及び環状または円盤形状部分は、共通の軸を有する。

本発明による弾性伝達要素は、シルクハット形状とも呼ばれるトップハット形状を有することが好ましい。この実施形態は、より大きな中空シャフトを伝達要素に結合して、トルクを中空シャフトに伝達するのに好適である。中空シャフトは、好ましくは、ロボットの構成要素を形成する。

少なくとも１つのひずみゲージは、弾性伝達要素の環状部分上に配置されていることが好ましい。この目的のために、少なくとも１つのひずみゲージは、弾性伝達要素の軸方向側面上の環状部分の金属表面上にコーティングとして直接形成されている。

本発明による弾性伝達要素の好ましい実施形態では、複数のひずみゲージがそれぞれ、弾性伝達要素の金属表面上にコーティングとして直接形成されている。複数のひずみゲージは、弾性伝達要素の周囲に円周方向に配置されていることが好ましい。複数のひずみゲージは、好ましくは、弾性伝達要素のブッシュ形状部分上または環状部分上に円周方向に分布する。この配置は、測定信号への特定の負の影響を回避することを可能にする。

本発明による弾性伝達要素の好ましい実施形態では、複数のひずみゲージは、ホイートストンブリッジを形成する。

本発明によるストレイン・ウェーブ・ギアは、非環状円盤、好ましくは変形可能なレースウェイを備えるウェーブ発生器を有する。非環状円盤は、非環状断面を有する。非環状円盤は、好ましくは楕円形、長円形、またはレザル曲線形状の断面を有する。非環状円盤は、好ましくはスチール製であり、ストレイン・ウェーブ・ギアの駆動部を形成する。ストレイン・ウェーブ・ギアはまた、内側歯部を有する剛性外輪を備える。外輪は好ましくは中空シリンダとして形成され、円形スプラインとも呼ばれる。ストレイン・ウェーブ・ギアはまた、本発明による弾性伝達要素を備える。ウェーブ発生器軸受の転動体は、好ましくは、非環状円盤と弾性伝達要素との間に位置する。

ストレイン・ウェーブ・ギアは、好ましくは、本発明による弾性伝達要素の説明される好ましい実施形態の１つを含む。加えて、ストレイン・ウェーブ・ギアは、本発明による伝達要素に関連して説明される特徴を有することが好ましい。

本発明によるロボットアームは、本発明によるストレイン・ウェーブ・ギアを介して結合されている少なくとも１つの駆動可能アーム要素を備える。少なくとも１つの駆動可能アーム要素は、好ましくは、本発明によるストレイン・ウェーブ・ギアの説明される好ましい実施形態の１つを介して結合されている。

本発明による方法は、ストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素上にひずみゲージを配置するために使用される。弾性伝達要素上に外側歯部が形成されている。本方法によれば、ひずみゲージは、弾性伝達要素の金属表面にコーティングとして直接形成される。好ましくは、ひずみゲージの電気絶縁層は、まず弾性伝達要素の金属表面に直接形成される。続いて、ひずみゲージの電気測定グリッド層は、好ましくは、電気絶縁層に直接形成される。

本発明による方法は、好ましくは、本発明による弾性伝達要素を形成するために使用される。本発明による方法はまた、好ましくは、本発明による弾性伝達要素に関連して説明される特徴を有する。

本発明のさらなる利点、詳細及び発展は、添付の図面を参照して、好ましい実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。

ストレイン・ウェーブ・ギアの発明による弾性伝達要素の好ましい実施形態を示す。

フレクスプラインとも呼ばれる弾性伝達要素はブッシュ形状部分０１を有し、環状部分０２が接続されている。環状部分０２は、フランジを形成し、ストレイン・ウェーブ・ギアによってトルクが伝達されるシャフト（図示せず）を固定するための複数の固定穴０３を有する。ブッシュ形状部０１には、ストレイン・ウェーブ・ギアの外輪の内部歯部（図示せず）に係合する外部歯部０４が形成されている。

４つのひずみゲージ０６はまた、弾性伝達要素のブッシュ形状部分０１上に配置されている。弾性伝達要素は、金属からなり、ひずみゲージ０６は、弾性伝達要素の金属表面にコーティングとして直接形成される。

４つのひずみゲージ０６は、弾性伝達要素のブッシュ形状部分０１の周囲に円周方向に均等に分布し、ホイートストンブリッジを形成する。

０１ ブッシュ形状部分
０２ 環状部分
０３ 固定穴
０４ 外側歯部
０６ ひずみゲージ

Claims (10)

1. ストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素であって、前記弾性伝達要素上に外側歯部（０４）が形成され、前記弾性伝達要素の機械的ひずみを測定するための少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が、前記弾性伝達要素上に配置され、前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が、前記弾性伝達要素の金属表面上にコーティングとして直接形成されていることを特徴とする、弾性伝達要素。
2. 前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が、前記弾性伝達要素の前記金属表面と直接的な一体的接続を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の弾性伝達要素。
3. 前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が、トルクセンサの構成要素を形成し、電気接続を介して前記トルクセンサの測定信号処理ユニットに接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の弾性伝達要素。
4. 前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）は、前記弾性伝達要素の前記金属表面上にコーティングとして直接形成されている電気絶縁層を備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の弾性伝達要素。
5. 前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）は、スパッタ堆積によって前記弾性伝達要素の前記金属表面に直接形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の弾性伝達要素。
6. 上部に前記外側歯部（０４）が形成され、上部に前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が配置されているブッシュ形状部分（０１）を有し、前記少なくとも１つのひずみゲージ（０６）が、前記弾性伝達要素の前記ブッシュ形状部分（０１）の前記金属表面上にコーティングとして直接形成されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の弾性伝達要素。
7. 前記弾性伝達要素の周囲に円周方向に分布する複数の前記ひずみゲージ（０６）が、前記弾性伝達要素の前記金属表面上にコーティングとしてそれぞれ直接形成されていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の弾性伝達要素。
8. 非環状円盤と、内部歯部を有する剛性外輪と、請求項１～７のいずれか一項に記載の弾性伝達要素と、を備える波動発生器を有する、ストレイン・ウェーブ・ギア。
9. 請求項８に記載のストレイン・ウェーブ・ギアを介して結合されている少なくとも１つの駆動可能アーム要素を有する、ロボットアーム。
10. ストレイン・ウェーブ・ギアの弾性伝達要素上にひずみゲージ（０６）を配置する方法であって、前記弾性伝達要素上に外側歯部（０４）が形成され、前記ひずみゲージ（０６）が、前記弾性伝達要素の金属表面にコーティングとして直接適用される、方法。

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