JP6692762B2

JP6692762B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP6692762B2
Application number: JP2017023885A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　隆史; 隆史鈴木; 池田　隆男; 隆男池田; 嵩幸遠藤
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2037-02-13
Also published as: US20190346329A1; EP3581908B1; EP3581908A1; JP2018132313A; CN110121638A; EP3581908A4; US10955309B2; WO2018146917A1

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアームの関節に設けられるトルクセンサに関する。

例えば製造ラインにおいて、複数のロボットアームが設置され、これらロボットアームが協働して製品の組み立てが行われている。これらロボットアームの関節には、トルクセンサが設けられている（例えば特許文献１、２、３参照）。

特開２０１３−０９６７３５号公報特開２０１５−０４９２０９号公報特許第５６４０９０５号公報

従来、ロボットアームに装着されるトルクセンサは、トルクセンサ自体の異常や、アームの異常を検出することが困難であった。このため、例えば複数のロボットアームが協働する協働ロボットにおいて、何らかの原因によりトルクセンサ自体の異常や、アームの異常が発生した場合においても、ロボットアーム同士の衝突などを回避することが困難であった。したがって、トルクセンサ自体の異常を事前に検知することが可能な所謂フェイルセーフ機能を有するトルクセンサが要望されている。

本発明の実施形態は、トルクセンサ自体の異常を検出することができ、フェイルセーフ機能を有するトルクセンサを提供する。

本実施形態のトルクセンサは、被計測体に連結される第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の歪センサを含む第１ブリッジ回路と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の歪センサを含む第２ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路の第１出力電圧と前記第２ブリッジ回路の第２出力電圧との差が第１閾値電圧を超えた場合、異常検出信号を出力するコントローラと、前記複数の歪センサのそれぞれが設けられた金属板のそれぞれを、前記第１構造体と前記第２構造体との間に固定する複数のネジと、を具備する。

第１の実施形態に係るトルクセンサの一例を示す構成図。図１の動作を説明するために示すフローチャート。図２に続く動作を説明するために示すフローチャート。第２の実施形態に係るトルクセンサの一例を示す構成図。第３の実施形態に係るトルクセンサの一例を示す構成図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

（第１の実施形態）
図１において、トルクセンサ１０は、例えば第１構造体１１、第２構造体１２、梁部としての複数の第３構造体１３、第１ブリッジ回路Ｂ１、及び第２ブリッジ回路Ｂ２を具備している。

第１構造体１１及び第２構造体１２は、例えば環状であり、第２構造体１２は、第１構造体１１に同心状に配置されている。複数の第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、第１構造体１１と第２構造体１２を連結する。第１の実施形態において、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、例えば起歪部として機能する。

第１構造体１１は、被計測体としての例えば図示せぬロボットアームの関節の一方に取着される。具体的には、第１構造体１１は、例えば図示せぬ減速機に取着され、減速機は図示せぬモータに連結される。第２構造体１２は、例えば図示せぬロボットアームの関節の他方に取着される。

第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、第１構造体１１と第２構造体１２間において、力（トルク）を伝達する。

第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、例えば金属により構成されている。しかし、印加されるトルクに対して十分な機械的強度を得ることができれば、金属以外の材料により第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを構成することも可能である。

第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのうち、例えば１８０°離れた位置に配置された第３構造体１３ａ、１３ｃには、第１ブリッジ回路Ｂ１と、第２ブリッジ回路Ｂ２が設けられる。

第１ブリッジ回路Ｂ１は、第１歪センサ（歪ゲージ）Ｇ１〜第４歪センサＧ４により構成され、第２ブリッジ回路Ｂ２は、第５歪センサＧ５〜第８歪センサＧ８により構成されている。

第１ブリッジ回路Ｂ１の第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、及び第２ブリッジ回路Ｂ２の第５歪センサＧ５、第６歪センサＧ６は、第３構造体１３ａに設けられ、第１ブリッジ回路Ｂ１の第３歪センサＧ３、第４歪センサＧ４、及び第２ブリッジ回路Ｂ２の第７歪センサＧ７、第８歪センサＧ８は、第３構造体１３ｃに設けられている。

第１歪センサＧ１〜第８歪センサＧ８は、例えば図示せぬ金属板上に絶縁膜を介して設けられた例えば薄膜抵抗体により構成されている。しかし、第１歪センサＧ１〜第８歪センサＧ８の構成は、これに限定されるものではない。

第１歪センサＧ１〜第８歪センサＧ８の金属板は、例えば接着、ネジ締結又は溶接などの手段を用いて第３構造体１３ａ又は第３構造体１３ｃの表面に固定される。

また、第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、第５歪センサＧ５、第６歪センサＧ６を、第３構造体１３ａに設け、第３歪センサＧ３、第４歪センサＧ４、第７歪センサＧ７、第８歪センサＧ８を、第３構造体１３ｃに設けたが、これに限定されるものではない。

例えば、第１歪センサＧ１〜第８歪センサＧ８に設けられた金属板を起歪体として用い、第３構造体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ以外の場所で、第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、第５歪センサＧ５、第６歪センサＧ６の金属板を、第１構造体１１と第２構造体１２との間に架け渡し、第３歪センサＧ３、第４歪センサＧ４、第７歪センサＧ７、第８歪センサＧ８の金属板を、第１構造体１１と第２構造体１２との間に架け渡す構成としてもよい。各歪センサの金属板は、第１構造体１１と第２構造体１２に、例えば接着、ネジ締結又は溶接などの手段を用いて固定すればよい。

第１ブリッジ回路Ｂ１において、第１歪センサＧ１と第３歪センサＧ３は直列接続され、第２歪センサＧ２と第４歪センサＧ４は、直列接続されている。直列接続された第１歪センサＧ１と第３歪センサＧ３は、直列接続された第２歪センサＧ２と第４歪センサＧ４に並列接続されている。

第２歪センサＧ２と第４歪センサＧ４との接続ノードに電源Ｖｏ、例えば５Ｖが供給され、第１歪センサＧ１と第３歪センサＧ３との接続ノードは、接地されている。

第２ブリッジ回路Ｂ２において、第５歪センサＧ５と第７歪センサＧ７は直列接続され、第６歪センサＧ６と第８歪センサＧ８は、直列接続されている。直列接続された第５歪センサＧ５と第７歪センサＧ７は、直列接続された第６歪センサＧ６と第８歪センサＧ８に並列接続されている。

第６歪センサＧ６と第８歪センサＧ８との接続ノードに電源Ｖｏ、例えば５Ｖが供給され、第５歪センサＧ５と第７歪センサＧ７との接続ノードは、接地されている。

第１ブリッジ回路Ｂ１において、第１歪センサＧ１と第２歪センサＧ２との接続ノードは第１電圧検出回路１５の一端部に接続され、第３歪センサＧ３と第４歪センサＧ４との接続ノードは第１電圧検出回路１５の他端部に接続されている。

第２ブリッジ回路Ｂ２において、第５歪センサＧ５と第６歪センサＧ６との接続ノードは第２電圧検出回路１６の一端部に接続され、第７歪センサＧ７と第８歪センサＧ８との接続ノードは第２電圧検出回路１６の他端部に接続されている。

第１電圧検出回路１５は、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧を検出し、第２電圧検出回路１６は、第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧を検出する。第１電圧検出回路１５及び第２電圧検出回路１６は、例えば分圧抵抗と演算増幅器により構成される。しかし、これに限定されるものではない。

第１電圧検出回路１５の動作原理は、次の通りである。

例えばトルクセンサ１０にトルク（第１構造体１１、第２構造体１２の時計回り方向又は反時計回り方向）が印加された場合、第１ブリッジ回路Ｂ１において、第１歪センサＧ１と第２歪センサＧ２の接続点から出力電圧Ｖout+が出力され、第３歪センサＧ３と第４歪センサＧ４の接続点から出力電圧Ｖout-が出力される。出力電圧Ｖout+及び出力電圧Ｖout-から式（１）で示す第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１が得られる。

Ｖout１＝（Ｖout+−Ｖout-）
＝（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４））・Ｖｏ …（１）
ここで、
Ｒ１は、第１歪センサＧ１の抵抗値
Ｒ２は、第２歪センサＧ２の抵抗値
Ｒ３は、第３歪センサＧ３の抵抗値
Ｒ４は、第４歪センサＧ４の抵抗値
であり、トルクセンサ１０にトルクが印加されていない状態において、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒである。

一方、トルクセンサ１０にトルク以外の力、例えばスラスト力（図１に示す第１構造体１１、第２構造体１２に対する左右方向（Ｘ方向）の力、又は、上下方向（Ｙ方向）の力）が加わった場合、第１歪センサＧ１、第２歪センサＧ２、第３歪センサＧ３及び第４歪センサＧ４の抵抗値の変化（Ｒ１＝Ｒ−ΔＲ、Ｒ２＝Ｒ＋ΔＲ、Ｒ３＝Ｒ−ΔＲ、Ｒ４＝Ｒ＋ΔＲ、ここで、ΔＲは、抵抗値の変化の値）が相殺され、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１は、０Ｖとなる。

第２ブリッジ回路Ｂ２に対応する第２電圧検出回路１６の動作原理も第１電圧検出回路１５と同様である。第２電圧検出回路１６の出力電圧Ｖout２も第１電圧検出回路１５と同様にして得られる。

第１電圧検出回路１５の出力電圧Ｖout１は、アナログデジタル（ＡＤ）変換回路１７に供給されてデジタル信号に変換され、第２電圧検出回路１６出力電圧Ｖout２は、ＡＤ変換回路１８に供給されてデジタル信号に変換される。ＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号（以下、第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の出力信号とも言う）は、例えば定期的にコントローラ１９に供給される。コントローラ１９は、ＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号の一方又は両方を、トルクセンサ１０の出力信号として外部の装置に供給したり、後述するトルクセンサ１０の異常を検知したりする。

また、コントローラ１９は、ＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号を例えば一定期間記憶することが可能な記憶部２０を具備している。記憶部２０に記憶されたＡＤ変換回路１７及びＡＤ変換回路１８の出力信号は、例えば一定期間毎に更新される。

さらに、コントローラ１９には、例えば表示装置２１が接続されている。表示装置２１は、トルクセンサ１０の検出出力信号やトルクセンサ１０の異常が検出されたことを示す信号などを表示する。

（動作）
図２、図３は、コントローラ１９の動作を説明するためのフローチャートである。

トルクセンサ１０は、通常時、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２との両方が同時に動作しており、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧が比較されている。すなわち、コントローラ１９は、第１電圧検出回路１５からＡＤ変換回路１７を介して供給される第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１と、第２電圧検出回路１６からＡＤ変換回路１８を介して供給される第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖout２との差の絶対値を求め、この差の絶対値と第１閾値電圧とを比較する（Ｓ１）。尚、絶対値は必ずしも必要なく、両出力電圧の差が求められればよい。

上記比較の結果、差の絶対値が第１閾値電圧より小さい場合（Ｓ１、ＮＯ）、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の両方は、正常に動作していると判断される。コントローラ１９は、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の例えば一方の出力電圧に基づきトルクセンサ１０の所定の動作が終了したかどうかを判断する（Ｓ２）。所定の動作とは、前述したように、例えばトルクセンサ１０の出力信号を外部の装置に供給したり、トルクセンサ１０の異常を検知したりするなどの動作である。この判断の結果、所定の動作が終了していない場合（Ｓ２、ＮＯ）、制御がＳ１に移行される。また、所定の動作が終了している場合（Ｓ２、ＹＥＳ）、制御が終了される。

一方、Ｓ１において、差の絶対値が第１閾値電圧より大きいと判断された場合（Ｓ１、ＹＥＳ）、制御が異常処理ルーチンＳ３に移行される。すなわち、差の絶対値が第１閾値電圧より大きいということは、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のいずれかに異常が発生したことを意味している。このため、異常処理ルーチンＳ３において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のどちらに異常が発生しているかが判別される。

図３は、異常処理ルーチンＳ３の一例を示している。

先ず、コントローラ１９は、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout１と記憶部２０に記憶された第１ブリッジ回路Ｂ１の前回の出力電圧Ｖout１１との差の絶対値を求め、この絶対値が第２閾値電圧より高いかどうかを判断する（Ｓ３１）。第２閾値電圧は、第１閾値電圧と同等又は第１閾値電圧以下であってもよい。

この判別の結果、差の絶対値が第２閾値電圧より大きい場合（Ｓ３１、ＹＥＳ）、第１ブリッジ回路Ｂ１は異常と判断され、例えば第１ブリッジ回路Ｂ１への電源供給が停止されるとともに、表示装置２１に第１ブリッジ回路Ｂ１が異常であることが表示される（Ｓ３２）。この後、制御が例えばＳ２に移行され、正常な第２ブリッジ回路Ｂ２を用いて所定の動作が実行される。

一方、絶対値が第２閾値電圧以下である場合、第１ブリッジ回路Ｂ１は正常と判断され（Ｓ３１、ＹＥＳ）、コントローラ１９は、第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖout２と記憶部２０に記憶された第２ブリッジ回路Ｂ２の前回の出力電圧Ｖout２１との差の絶対値を求め、この差の絶対値が第２閾値電圧より高いかどうかを判断する（Ｓ３３）。

この判別の結果、差の絶対値が第２閾値電圧より大きい場合（Ｓ３３、ＹＥＳ）、第２ブリッジ回路Ｂ２は異常と判断され、例えば第２ブリッジ回路Ｂ２への電源供給が停止されるとともに、表示装置２１に第２ブリッジ回路Ｂ２が異常であることが表示される（Ｓ３４）。この後、制御が例えばＳ２に移行され、正常な第１ブリッジ回路Ｂ１を用いて所定の動作が実行される。

また、Ｓ３３において、差の絶対値が第２閾値電圧以下と判断された場合（Ｓ３３、ＮＯ）、今回の判断において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２のいずれにも異常が検出されなかったと判断される。このような結果が出る場合は、トルクセンサ１０以外に異常が発生しているなどの原因が考えられる。このため、Ｓ３３において、絶対値が第２閾値電圧以下と判断された場合（Ｓ３３、ＮＯ）、例えば表示装置２１に異常が発生したことが表示される（Ｓ３５）。この後、制御がＳ２に移行される。

このように、異常処理ルーチンＳ３において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２との一方に異常が検出された場合、異常が検出された第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の一方が停止され、正常な第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の他方を用いてトルクセンサ１０の動作が継続される。

しかし、異常処理ルーチンは、これに限定されるものではなく、Ｓ１において、異常が検出された場合、直ちに第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２を停止させ、表示装置２１にトルクセンサ１０に異常が発生したことを表示させてもよい。

上記第１の実施形態によれば、トルクセンサ１０は、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２を具備し、第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧と第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧の差（の絶対値）が第１閾値電圧を超えた場合、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の一方に異常が発生したものと判断している。このため、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の両方が故障する以前にトルクセンサ１０の異常を検出することが可能である。したがった、トルクセンサ１０は、フェイルセーフ機能を有し、トルクセンサ１０が装着されるロボットアームの衝突等の発生を未然に防止することが可能である。

また、第１ブリッジ回路Ｂ１又は第２ブリッジ回路Ｂ２に異常が発生した場合、異常が発生したブリッジ回路を特定して停止させ、正常なブリッジ回路を用いて動作を継続することが可能である。このため、正常なブリッジ回路を用いてトルクセンサ１０を継続して動作させることができ、ロボットアームを例えば安全な位置に移動させた後に停止させるなどの制御を行うことが可能である。

（第２の実施形態）
第１の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２は、共に第１構造体１３ａと１３ｃに設けた。すなわち、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２は、並行に配置されていた。

これに対して、第２の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂと第２ブリッジ回路Ｂ２は、交差して配置される。

図４は、第２の実施形態の一例を示している。

図４に示すように、第１ブリッジ回路Ｂ１の第１歪センサＧ１と第２歪センサＧ２は、第３構造体１３ａに配置され、第１ブリッジ回路Ｂ１の第３歪センサＧ３と第４歪センサＧ４は、第３構造体１３ｃに配置される。

また、第２ブリッジ回路Ｂ２の第５歪センサＧ５と第６歪センサＧ６は、第３構造体１３ｂに配置され、第２ブリッジ回路Ｂ２の第７歪センサＧ７と第８歪センサＧ８は、第３構造体１３ｄに配置される。

第２の実施形態において、回路構成及び動作は、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

しかも、第２の実施形態によれば、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２を交差して配置し、第１ブリッジ回路Ｂ１の第１歪センサＧ１〜第４歪センサＧ４を第３構造体１３ａ、１３ｃに配置し、第２ブリッジ回路Ｂ２の第５歪センサＧ５〜第８歪センサＧ８を第３構造体１３ａ、１３ｃとは別の第３構造体１３ｂ、１３ｄに配置することにより、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２が同時に故障する確率を低減させることが可能である。

（第３の実施形態）
第１、第２の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂ１及び第２ブリッジ回路Ｂ２の異常は、デジタル信号をベースとして検出した。しかし、これに限らず、アナログ信号をベースとして検出することも可能である。

図５は、第３の実施形態の一例を示している。

第３の実施形態において、第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２の配置は、第１の実施形態と同様に平行に配置されているが、第２の実施形態のように、交差して配置してもよい。

第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖout+、Ｖout-は、第１電圧検出回路１５に供給され、第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖout+、Ｖout-は、第２電圧検出回路１６に供給される。第１電圧検出回路１５の出力電圧Ｖout１と、第２電圧検出回路１６の出力電圧Ｖout２は、減算回路２２に供給される。減算回路２２は、第１電圧検出回路１５の出力電圧Ｖout１と、第２電圧検出回路１６の出力電圧Ｖout２との差の電圧を出力する。減算回路２２の出力電圧は、比較回路２３に供給され、比較回路２３において、第１閾値電圧２４と比較される。比較回路２３の比較結果はコントローラ１９に供給される。コントローラ１９は、比較回路２３の比較結果が異常を示す場合、例えば第１ブリッジ回路Ｂ１、第２ブリッジ回路Ｂ２への電源供給を停止するとともに、例えばロボットアームの動作を停止させる。或いは、コントローラ１９は、第１の実施形態のように、第１ブリッジ回路Ｂ１、第２ブリッジ回路Ｂ２のうちのどちらに異常が発生したかを検出するように構成することも可能である。

第３の実施形態によっても第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。しかも、アナログ信号ベースで処理することにより、処理速度を高速化することが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…トルクセンサ、１１…第１構造体、１２…第２構造体、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…第３構造体、Ｂ１…第１ブリッジ回路、Ｂ２…第２ブリッジ回路、Ｇ１〜Ｇ８…第１歪センサ〜第８歪センサ、１５…第１電圧検出回路、１６…第２電圧検出回路、１９…コントローラ、２０…記憶部、２１…表示装置。

Claims

被計測体に連結される第１構造体と、
第２構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の歪センサを含む第１ブリッジ回路と、
前記第１構造体と前記第２構造体との間に伝達される力を検出する複数の歪センサを含む第２ブリッジ回路と、
前記第１ブリッジ回路の第１出力電圧と前記第２ブリッジ回路の第２出力電圧との差が第１閾値電圧を超えた場合、異常検出信号を出力するコントローラと、
前記複数の歪センサのそれぞれが設けられた金属板のそれぞれを、前記第１構造体と前記第２構造体との間に固定する複数のネジと、
を具備することを特徴とするトルクセンサ。
前記コントローラは、前記異常検出信号を出力した後、前記第１ブリッジ回路の前記第１出力電圧と、前記第２ブリッジ回路の前記第２出力電圧とのうち、第２閾値電圧を超えない方のブリッジ回路の出力電圧を選択することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路は、互いに並行する方向に配置されることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路は、互いに交差する方向に配置されることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。