JP6457560B2

JP6457560B2 - 回転軸関節構造

Info

Publication number: JP6457560B2
Application number: JP2017001337A
Authority: JP
Inventors: 一隆中山; 健一郎小栗
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2037-01-06
Also published as: JP2018111137A; DE102017130612A1; CN108279083A; CN108279083B; US20180195915A1; US10323995B2; DE102017130612B4

Description

本発明は、回転軸関節構造に関するものである。

従来、リンクや関節に作用する力やモーメントを測定する力測定モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−５６６０１号公報

しかしながら、特許文献１の力測定モジュールは、モータおよび減速機を備える駆動力発生装置の出力軸とリンクとの間に配置されたトルクセンサによって、関節部の負荷トルクを検出し、リンクに作用する力を算出するので、コストが高くつ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、低コストでリンクに作用する力を検出することができる回転軸関節構造を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様は、ベース部材に固定される固定部材と該固定部材に対して所定の軸線回りに回転駆動される可動部材とを備える駆動力発生部と、該駆動力発生部の前記可動部材に固定されたリンク部材と、該リンク部材の前記可動部材への固定領域と、前記駆動力発生部の前記軸線回りの外周面とに挟まれる空間内に位置する前記リンク部材または前記可動部材の表面に取り付けられ、該表面に発生する前記リンク部材の長さ方向に沿う圧縮または引っ張り方向の歪みを検出する１軸歪みセンサとを備える回転軸関節構造を提供する。

本態様によれば、固定部材を外部のベース部材に固定し、駆動力発生部を作動させることにより、固定部材に対して可動部材を所定の軸線回りに回転駆動することができる。この場合に、駆動力発生部の軸線回りの外周面よりも径方向外側のリンク部材のどの位置に物体が接触しても、その物体の接触を１軸歪みセンサによりリンク部材または可動部材の表面の歪みとして検出することができる。

１軸歪みセンサをリンク部材の可動部材への固定領域と、駆動力発生部の軸線回りの外周面とに挟まれる空間内に取り付けることにより、ベース部材とリンク部材との間への物体の挟み込み発生時にも物体を１軸歪みセンサに接触させずに済む。これにより、挟み込み発生時にも１軸歪みセンサを保護することができるとともに、より確実に挟み込みの発生を検出することができる。また、リンク部材への物体の接触を１軸歪みセンサによって検出することにより、トルクセンサを装備したり静電容量センサを装備したりする場合と比較してコストを大幅に低減することができる。

上記態様においては、前記可動部材の外径寸法が、前記固定部材の外径寸法より小さく、前記１軸歪みセンサが、前記リンク部材の前記軸線に略平行な前記表面に配置されていてもよい。
このようにすることで、軸線回りに回転するリンク部材に加わるトルク変動を１軸歪みセンサによって、より効率的に検出することができる。

また、上記態様においては、前記１軸歪みセンサが、ネジにより前記表面に固定されていてもよい。
このようにすることで、１軸歪みセンサを簡易かつ確実に表面に固定することができ、組立容易性と信頼性とを向上することができる。

また、上記態様においては、前記１軸歪みセンサが、検出した歪み量を電流値または電圧値に変換するアンプを備えていてもよい。
このようにすることで、１軸歪みセンサが接続される制御装置の構成を簡易にすることができる。

また、上記態様においては、前記１軸歪みセンサが、シリアル通信回路を備えていてもよい。
このようにすることで、複数の回転軸関節を有するロボットにおいて使用する場合に、１軸歪みセンサからの検出信号を制御装置に送るためのケーブルの本数を最小限に抑えることができ、コスト低減およびケーブル処理の容易性向上を図ることができる。

また、上記態様においては、前記１軸歪みセンサが、少なくとも２個並んで配置されていてもよい。
このようにすることで、一方の１軸歪みセンサが故障した場合でも、他方の１軸歪みセンサによってリンク部材への物体の接触を検出することができる。

また、上記態様においては、前記１軸歪みセンサが、少なくとも２系統並列に歪みを検出可能であってもよい。
このようにすることで、単一の１軸歪みセンサ内において、並列な回路で歪みを検出可能とすることにより、簡易な構成で、一系統が故障した場合でも、他系統によってリンク部材への物体の接触を検出することができる。

また、上記態様においては、前記１軸歪みセンサを覆うカバーを備えていてもよい。
このようにすることで、カバーによって１軸歪みセンサを保護し、リンク部材への物体の接触の誤検出を防止することができる。

本発明によれば、低コストでリンクに作用する力を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回転軸関節構造を示す斜視図である。図１の回転軸関節構造を示す側面図である。図１の回転軸関節構造を示す正面図である。図１の回転軸関節構造の１軸歪みセンサ部分を示す拡大図である。図１の回転軸関節構造の第１の変形例を示す斜視図である。図５の回転軸関節構造を示す側面図である。図５の回転軸関節構造を示す正面図である。図１の回転軸関節構造の第２の変形例を示す斜視図である。図１の回転軸関節構造の第３の変形例を示す斜視図である。図１の回転軸関節構造の第４の変形例を示す斜視図である。図１０の回転軸関節構造の１軸歪みセンサ部分を示す拡大図である。図１の回転軸関節構造の第５の変形例を示す斜視図である。図１の回転軸関節構造の第６の変形例を示す拡大図である。図１の回転軸関節構造の第７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回転軸関節構造１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る回転軸関節構造１は、図１および図２に示されるように、回転軸モジュール（駆動力発生部）２と、該回転軸モジュール２に一端が固定されたリンク部材３と、該リンク部材３の表面に固定された１軸歪みセンサ４とを備えている。

回転軸モジュール２は、略円柱状に形成された固定部材５と、該固定部材５の一端面の中央近傍に一端面から固定部材５の中心軸（軸線）Ａに沿う方向に突出する、固定部材５の外径寸法より小さい外径寸法の円板状の可動部材６とを備えている。固定部材５の内部には図示しないモータが内蔵されており、モータの作動によって固定部材５に対して可動部材６を固定部材５の中心軸Ａ回りに回転させることができるようなっている。

可動部材６の端面は、リンク部材３を固定するための取付面となっている。取付面には、例えば、リンク部材３を貫通するボルト７を締結するための複数のネジ孔（図示略）が設けられている。
また、固定部材５の可動部材６とは反対側の端面は、図２に示されるように、固定部材５を外部のベース部材８、例えば、水平旋回させられる旋回軸ベースや他の回転軸モジュールのリンク部材の先端に固定するための取付面となっている。

リンク部材３は、図１に示す例では、例えば、中空の角パイプにより構成されている。リンク部材３の一端はボルト７によって可動部材６の取付面に固定されている。すなわち、リンク部材３は、ボルト７によって取付面に密着させられており、取付面とリンク部材３とが密着させられた領域（図３にハッチングで示す領域）が固定領域となっている。

１軸歪みセンサ４は、図４に示されるように、固定部材５の中心軸Ａに沿う方向に見たときに、固定部材５の中心軸Ａ回りの外周面と可動部材６の中心軸回りの外周面とに挟まれる空間内に位置するリンク部材３の一側面（表面）にネジ止めによって固定されている。１軸歪みセンサ４は帯板状に形成され、その長手方向をリンク部材３の長手方向に一致させて、両端がネジ９によりリンク部材３に固定されている。
１軸歪みセンサ４が取り付けられたリンク部材３の一側面は、固定部材５の中心軸Ａに略平行に配されている。

図中、符号１０は、１軸歪みセンサ４から出力される信号を取り出すためのケーブルであり、符号１１は、ケーブル１０を配線するためのリンク部材３に設けられた貫通孔である。

このように構成された本実施形態に係る回転軸関節構造１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る回転軸関節構造１によれば、固定部材５を外部のベース部材８に固定し、固定部材５に内蔵された図示しないモータを作動させると、固定部材５に対して可動部材６が中心軸Ａ回りに回転させられ、リンク部材３が中心軸Ａ回りに揺動させられる。

そして、リンク部材３が揺動することによって、リンク部材３が外部の物体に接触すると、リンク部材３にモーメントが作用し、リンク部材３が中心軸Ａに直交する平面内において撓んでリンク部材３の表面に、リンク部材３の長手方向に沿う圧縮または引っ張り方向の歪みが発生する。すなわち、リンク部材３が外部の物体に接触すると、リンク部材３の側面に固定されている１軸歪みセンサ４により、その接触がリンク部材３の表面の歪みとして検出される。

この場合において、１軸歪みセンサ４をリンク部材３の可動部材６の中心軸回りの外周面と固定部材５の中心軸Ａ回りの外周面とに挟まれる空間内に取り付けることにより、図３において、固定部材５の中心軸Ａ回りの外周面よりも径方向外方に配置されている領域におけるリンク部材３への物体の接触を１軸歪みセンサ４によって検出することができる。

そして、ベース部材８とリンク部材３との間への物体の挟み込みが発生しても、物体を１軸歪みセンサ４に直接接触させずに済むという利点がある。すなわち、挟み込み発生時にも１軸歪みセンサ４を保護することができるとともに、より確実に挟み込みの発生を検出することができる。

また、リンク部材３への物体の接触を１軸歪みセンサ４によって検出することにより、トルクセンサを装備したり静電容量センサを装備したりする場合と比較してコストを低減することができるという利点もある。特に、複数の回転軸モジュール２を直列に接続して多関節構造を構成する場合に、コストを大幅に削減することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、１軸歪みセンサ４を、固定部材５の中心軸Ａに略平行なリンク部材３の側面に取り付けているので、中心軸Ａに直交する平面内におけるリンク部材３の歪みを高感度に検出することができ、リンク部材３と物体との接触を精度よく検出することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、１軸歪みセンサ４をネジ９によりリンク部材３の側面に固定しているので、接着剤により固定する場合と比較して、取付容易であり、組立容易性および信頼性を向上することができる。

なお、本実施形態においては、図５から図７に示されるように、ベース部材８に固定される固定部材５の外径寸法が、リンク部材３に固定される可動部材６の外径寸法より小さくてもよい。

この場合においても、図７にハッチングにより示されるリンク部材３の可動部材６への固定領域よりも径方向外方で、可動部材６の中心軸回りの外周面よりも径方向内方に配置されるリンク部材３の側面に１軸歪みセンサ４を配置することが好ましい。これにより、１軸歪みセンサ４が、可動部材６によって保護される。
また、上記の場合には、１軸歪みセンサ４は、リンク部材３の側面に限定されることなく、図８に示されるように、可動部材６の表面に固定することにしてもよい。

また、図１２に示されるように、可動部材６の中心軸回りの外周面を径方向内方に一部凹ませ、凹ませる前の状態の可動部材６の中心軸回りの外周面より径方向外方に飛び出さないように、外周面の凹ませた位置に1軸歪みセンサ４を配置してもよい。図中、二点鎖線は、凹ませる前の状態の可動部材６の中心軸回りの外周面を示している。この場合、図１３に示されるように、外観上、および１軸歪みセンサ４に物体が直接接触しないようにする上で、凹ませる前の状態の可動部材６の中心軸回りの外周面より径方向外方に飛び出さない、１軸歪みセンサ４を被覆するカバー１２を備えていることが好ましい。

また、本実施形態においては、１軸歪みセンサ４は、図９に示されるように、リンク部材３における同一の歪みを測定するように、２個以上並んで固定されていてもよい。この場合、１軸歪みセンサ４の並べ方は並列であってもよいし、直列であってもよい。このようにすることで、一方の１軸歪みセンサ４が故障しても、他方の１軸歪みセンサ４によってリンク部材３への物体の接触を検出することができ、回転軸モジュール２の動作を迅速に停止等することができる。

また、単一の１軸歪みセンサ４が、２系統以上の歪み検出回路を並列に備えていてもよい。これによっても、１系統の歪み検出回路が損傷しても、他の系統の歪み検出回路によってリンク部材３への物体の接触を検出することができ、回転軸モジュール２の動作を迅速に停止等することができる。

また、本実施形態においては、図１０および図１１に示されるように、１軸歪みセンサ４を被覆するカバー１２を備えていてもよい。カバー１２によって１軸歪みセンサ４に何も接触できないように保護することができ、リンク部材３への物体の接触の誤検出をより確実に防止することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、１軸歪みセンサ４がネジ９により固定されている場合について説明したが、接着剤により固定してもよい。
また、ここまでの実施例では、１軸歪みセンサ４は全て、外部から直接見える外側の表面に配置する一例を用いて説明したが、図１４に示されるように、リンク部材３の内側の表面に配置するものを用いてもよい。このようにすることで、１軸歪みセンサ４に更に直接物体が接触するのを回避し易くなる上に、カバー１２を設ける必要性を低減することができる。また、図８および図１２においても、リンク部材３の内側の表面に１軸歪みセンサ４を配置してもよい。

また、１軸歪みセンサ４が、検出した歪み量を電流値または電圧値に変換するアンプ（図示略）を内蔵していてもよい。内蔵されたアンプによって、検出した歪み量を電流値または電圧値として制御装置に送ることができ、制御装置側にアンプ設置スペースを設ける必要がないので、制御装置をコンパクト化することができる。また、１軸歪みセンサ４のケーブル１０を制御装置の信号入力モジュールに接続するだけで済むので、設置時の作業を簡略化することができるという利点もある。

また、１軸歪みセンサ４が、シリアル通信回路（図示略）を備えていてもよい。
このようにすることで、例えば、複数の回転軸モジュール２を取り付けた多関節構造の場合に、複数の１軸歪みセンサ４からのケーブル１０を直列にシリアル接続することが可能となり、取り回すケーブル１０の本数を最小限に抑えることができるという利点がある。これにより、コスト低減およびケーブル処理の容易性向上を図ることができる。

１回転軸関節構造
２回転軸モジュール（駆動力発生部）
３リンク部材
４１軸歪みセンサ
５固定部材
６可動部材
８ベース部材
９ネジ
１２カバー
Ａ中心軸（軸線）

Claims

ベース部材に固定される固定部材と該固定部材に対して所定の軸線回りに回転駆動される可動部材とを備える駆動力発生部と、
該駆動力発生部の前記可動部材に固定されたリンク部材と、
該リンク部材の前記可動部材への固定領域と、前記駆動力発生部の前記軸線回りの外周面とに挟まれる空間内に位置する前記リンク部材または前記可動部材の表面に取り付けられ、該表面に発生する前記リンク部材の長さ方向に沿う圧縮または引っ張り方向の歪みを検出する１軸歪みセンサとを備える回転軸関節構造。
前記可動部材の外径寸法が、前記固定部材の外径寸法より小さく、
前記１軸歪みセンサが、前記リンク部材の前記軸線に略平行な前記表面に配置されている請求項１に記載の回転軸関節構造。
前記１軸歪みセンサが、ネジにより前記表面に固定されている請求項１または請求項２に記載の回転軸関節構造。
前記１軸歪みセンサが、検出した歪み量を電流値または電圧値に変換するアンプを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転軸関節構造。
前記１軸歪みセンサが、シリアル通信回路を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転軸関節構造。
前記１軸歪みセンサが、少なくとも２個並んで配置されている請求項１から請求項５のいずれかに記載の回転軸関節構造。
前記１軸歪みセンサが、少なくとも２系統並列に歪みを検出可能である請求項１から請求項６のいずれかに記載の回転軸関節構造。
前記１軸歪みセンサを覆うカバーを備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の回転軸関節構造。