JP7254579B2 - センサ、ロボット、ロボットシステム、ロボットシステムを用いた物品の製造方法、センサの制御方法、構造体、プログラム及び記録媒体 - Google Patents

Description

本発明はトルクセンサに関する。

近年、様々な工業製品の生産ラインで、ロボットアームとロボットハンドを組み合わせた多関節ロボットが利用されるようになってきた。しかしながら、多関節ロボットでは実現が困難な工程も数多く存在する。例えば、柔軟物、軽量物、あるいは低強度部材などから成るワーク同士が接触して組み付けが行われる際に、多関節ロボットで操作されるワークに与えられる力が数グラム程度を限度とする場合である。この場合ワークの破損や変形を防ぐため、これらのワークには大きな力を作用させることができない。この種のワークを多関節ロボットで操作する場合には、多関節ロボットの関節やリンクを高精度に制御し、ワークに与えられる力を制御する必要がある。

上記に対応するため、多関節ロボットのロボットアームを構成する各リンクに作用する力を検出して、多関節ロボットの駆動制御にフィードバックし高精度に制御する方法が提案されている。特に多関節ロボットの高精度な駆動制御のためには、ロボットアームのリンク間を繋ぐ関節の軸中心に加わるトルクを検出することが非常に有用である。そのため、検出されるトルクに対して高精度化ないし高分解能化することが望まれている。

これらの要望に対し、特許文献１のトルクセンサでは多軸応力の影響を抑制し、トルクのみを高分解能で検出するために、トルクセンサを構成する構造体の相対回転部にエンコーダを有している。こうすることでトルクセンサの変形量を高精度に検出し、検出するトルクに対して高精度化ないし高分解能化できるようにしている。

またロボットアームの関節部には小型かつ高減速比での実装を行うため波動歯車減速機を使用し、波動歯車減速機からのトルクをトルクセンサで検出することが望まれている。しかしながら波動歯車減速機にトルクセンサを固定した際、楕円形状のウェーブジェネレータが回転し、トルクセンサの固定位置となるサーキュラスプラインもしくはフレクスプラインが微小に弾性変形するため、トルクセンサも弾性変形してしまう。そのため特許文献１に記載の高精度なトルクセンサでトルクを検出する場合、ウェーブジェネレータによるトルクセンサの変形の変形量がトルク検出時に乗ってしまうため検出誤差となってしまう。

そこで特許文献２では、ウェーブジェネレータの回転角度位置を検出する回転角度センサを設け、ウェーブジェネレータの回転角度に対応したトルク補正データを記録しておく。こうすることでウェーブジェネレータの回転角度によりトルクセンサの変形が異なっても、その変形に対応した補正データにより検出されるトルクを差分することで誤差の小さいトルクを得ることができるようにしている。

特開２０１７－９６９２９号公報 特開平１１－１４４７４号公報

しかしながら特許文献２に記載の技術では、検出されたトルクに補正データを掛け合わせる。そのため実際に検出される値とは異なる値を制御に用いることになるため、高精度かつ高分解能なトルクセンサの性能を活かしきることができない。

さらに、高精度な補正を実施するためには、ウェーブジェネレータによるトルクセンサの変形を高精度に検出する必要がある。そのためウェーブジェネレータの温度変化に伴う温度ドリフトなどを検出するセンサ等も必要となるため、ロボットアームの関節部の製作コストが高くなってしまうという問題も生じる。

このような課題に鑑み本発明では、簡単な構成で、高分解能なトルクセンサを用いても、ウェーブジェネレータによるトルクセンサの変形が検出トルクへ影響することを低減することができるトルクセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明においては、力に関する情報を取得するセンサであって、複数の弾性体と、前記弾性体を連結する第１部材と、前記第１部材に連結される第２部材と、を有しており、前記第２部材の径方向における剛性が、前記第２部材の円周方向における剛性よりも小さい、ことを特徴とするセンサを採用した。

本発明によれば、トルクセンサの径方向における剛性が、トルクセンサの回転方向における剛性よりも小さい部材を用いることで、ウェーブジェネレータによる変形を部材に吸収させることができる。ゆえに、ウェーブジェネレータによる変形を検出するためのセンサを用いる必要がないため低コストで、ウェーブジェネレータによるトルクセンサの変形が検出トルクへ影響することを低減せることができる。

本発明の実施形態におけるロボットシステム１００の概略構成を示した説明図である。 本発明の実施形態におけるロボットアーム本体２００の各リンク２０１～２０６間における各モータ２１１～２１６、各トルクセンサ２２１～２２６、各減速機２３１～２３６の配置の模式図である。 本発明の実施形態におけるロボットシステム１００のブロック図である。 本発明の実施形態における減速機２３２に中間部材６００を介してトルクセンサ２２２を締結した際の図である。 本発明の実施形態におけるトルクセンサ２２２の断面図である。 本発明の実施形態と比較するための減速機２３２に直接トルクセンサ２２２を締結した際の図である。 減速機２３２に直接トルクセンサ２２２を締結した際に生じるサーキュラスプライン５０４の弾性変形による検出トルクへの影響を説明するための図である。 減速機２３２に直接トルクセンサ２２２を締結した際に生じるサーキュラスプライン５０４の弾性変形による検出トルクへの影響を波形で示したグラフである。 本発明の実施形態における中間部材６００の概略図である。 本発明の実施形態における中間部材６００の変形例を示した図である。 本発明の実施形態における中間部材６００の変形例を示した図である。 本発明の実施例における減速機２３２、トルクセンサ２２２、中間部材６００のシミュレーションモデル図である。 本発明における中間部材６００を介さなかった場合のトルクセンサ２２２の変位量のシミュレーション結果である。 本発明における中間部材６００を介した場合のトルクセンサ２２２の変位量のシミュレーション結果である。 図１３、図１４におけるシミュレーション結果の変位量の表である。 本発明の実施形態におけるトルクセンサ２２２の概略図である。 本発明の実施形態におけるトルクセンサ２２２変形例である。 本発明の実施形態における減速機２３２に中間部材６００を介してトルクセンサ２２２を締結した際の図である。 本発明におけるトルクセンサ２２２、中間部材６００のシミュレーションモデル図である。 本発明における中間部材６００を介さなかった場合のトルクセンサ２２２の変位量のシミュレーション結果である。 本発明における中間部材６００を介した場合のトルクセンサ２２２の変位量のシミュレーション結果である。 図２１、図２２におけるシミュレーション結果の変位量の表である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は本実施形態のロボットシステム１００の概略構成を示している。図１において、ロボットシステム１００は、多関節ロボットとして構成されたロボットアーム本体２００と、ロボットアーム本体２００を制御する制御装置３００と、外部入力装置４００を備えている。

本実施形態のロボットアーム本体２００は６軸多関節で構成されている。ロボットアーム本体２００は、台座２１０と６つのリンク２０１～２０６で構成されている。各リンク２０１～２０６は各関節軸Ａ１～Ａ６を図示した矢印周りにそれぞれ回転駆動する６つのモータ２１１～２１６により回転駆動される。即ち、モータ２１１～２１６は、各関節が各々連結する各リンク２０１～２０６を相対変位させる駆動力を発生させる駆動源となる。さらに各モータ２１１～２１６にはモータ自体の回転角度を検出するエンコーダが内蔵されている。

モータ２１１～２１６の一端にはトルクセンサ２２１～２２６が設けられている。トルクセンサ２２１～２２６は後述する構造体およびその相対移動量を検出する光学式エンコーダを備えている。ロボットアーム本体２００の関節駆動時には、ロボットアーム本体２００のリンクの相対変位に伴うトルクセンサ２２１～２２６の構造体の相対移動量が光学式エンコーダによって検出される。

またトルクセンサ２１１～２１６を介して、モータ２１１～２１６からの回転を減速して各リンク２０１～２０６へ伝える減速機２３１～２３６が設けられている。本実施形態では波動歯車減速機を使用している。

同図より、ロボットアーム本体２００の台座２１０とリンク２０１は図中のモータ２１１とトルクセンサ２２１、減速機２３１を挟んで接続されている。モータ２１１は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０１とリンク２０２はモータ２１２とトルクセンサ２２２、減速機２３２を挟んで接続されている。モータ２１２は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０２とリンク２０３はモータ２１３とトルクセンサ２２３、減速機２３３を挟んで接続されている。モータ２１３は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０３とリンク２０４はモータ２１４とトルクセンサ２２４、減速機２３４を挟んで接続されている。モータ２１４は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０４とリンク２０５はモータ２１５とトルクセンサ２２５、減速機２３５を挟んで接続されている。モータ２１５は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２０５とリンク２０６はモータ２１６とトルクセンサ２２６、減速機２３６を挟んで接続されている。電動モータ２１６は、初期姿勢から矢印方向に可動範囲を有するものとする。

制御装置３００が、各モータ２１１～２１６の回転角度をそれぞれ制御することにより、ロボットアーム本体２００の手先であるリンク２０６を任意の３次元位置で任意の方向に向けることができる。これによりロボットアーム本体２００に種々のハンドやツールを設け、物品の製造などの作業を行わせることができる。

外部入力装置４００は、制御装置３００に複数の教示点のデータを送信する教示装置であり、主にロボットシステム１００の設置現場において、操作者がロボットアーム本体２００の動作を指定するのに用いられる。

図２はロボットアーム本体２００の各リンク２０１～２０６間における各モータ２１１～２１６、各トルクセンサ２２１～２２６、減速機２３１～２３６の配置を模式的に表している。今回は説明の簡略化のため、リンク２０１とリンク２０２を例に取り説明する。

図２のようにモータ２１２はリンク２０１に対して、リンク２０２をＡ２を軸として相対回転可能に連結する。モータ２１２は入力駆動軸２５１によりリンク２０１に設けられている。

また、減速機２３２は、モータ２１２の出力駆動軸２５２と、リンク２０２側のリンク駆動軸２５３の間に配置され、同様にトルクセンサ２２２も配置されている。トルクセンサ２２２は一端を減速機２３２、他端をリンク２０２に締結されている。トルクセンサ２２２は、後述する構造体およびその相対移動量を検出する光学式エンコーダを備える。

リンク２０２がモータ２１２により駆動される際には、リンク駆動軸２５３と出力駆動軸２５２の相対変位に伴うトルクセンサ２２２の構造体の相対移動量が光学式エンコーダによって検出される。

また減速機２３２は後述する波動歯車減速機講であり、出力駆動軸２５２の回転をウェーブジェネレータにより減速しリンク駆動軸２５３に伝える。

図３は本実施形態におけるロボットシステム１００の制御ブロック図である。制御装置３００が制御プログラムを実行することにより、ロボットアーム本体２００の各部が制御される。

図３より、制御装置３００はロボットアーム本体２００の各種動作に応じて対応するモータ２１１～２１６を制御するためのプログラムや、それらの制御に必要なデータ等を記憶したＲＯＭ３０２を有する。さらにロボットシステム１００を制御する上で必要なデータ、設定値、プログラム等を展開するとともにＣＰＵ３０１の作業領域として使用するＲＡＭ３０３を備えている。外部入力装置４００は汎用入出力インターフェイスＩ／Ｏ３０４などによって接続されている。

各モータ２１１～２１６はモータドライバ２４１～２４６に各々接続されており制御装置３００からの制御値に従って駆動する。また各電動モータ２１１～２１６の駆動量を検出するためのエンコーダ２６１～２６６が、各電動モータ２１１～２１６に内蔵されており制御装置３００に位置の情報をフィードバックすることができる。

また上述した各トルクセンサ２２１～２２６の出力を制御装置３００に返し、各モータ２１１～２１６の駆動にフィードバックする事で、駆動時に各リンク２０１～２０６でかかるトルクを制御できる。さらに各トルクセンサ２２１～２２６の値からロボットアーム本体２００のリンク２０６で発生する力を計算で求める事ができ、組立対象の部品に印加する荷重をフィードバック制御する事が可能である。

図４はロボットアーム本体２００の各関節部に配置されたトルクセンサ２２１～２２５と減速機２３１～２３５の概略図である。図３では一例としてリンク２０１とリンク２０２を接続する関節部分を示している。

図４より、減速機２３２とトルクセンサ２２２は中間部材６００を介し、回転軸５０９を中心として配置されている。

減速機２３２は、減速機入力軸５０１、フレクスプライン５０２、ウェーブジェネレータ５０３、サーキュラスプライン５０４より構成された波動歯車減速機である。減速機入力軸がモータ出力軸２５２と締結され、ウェーブジェネレータ５０３が回転される。

またフレクスプライン５０２はリンク駆動軸２５３と締結されており、ウェーブジェネレータ５０３により減速されたモータ出力軸２５２からの回転がフレクスプライン５０２を介してリンク駆動軸２５３へと伝わる。これによりリンク２０２を回転させることができる。

フレクスプライン５０２とサーキュラスプライ５０４との間は軸受５０５が設けられている。また、サーキュラスプライン５０４は中間部材６００を介してトルクセンサ２２２とボルト締結され、回転されるリンク２０２とボルト締結されている。これによりフレクスプライン５０２とサーキュラスプライン５０４とが相対回転することできる。

またリンク２０２の回転を、サーキュラスプライン５０４を介してトルクセンサ２２２に伝達し、トルクセンサ２２２を回転方向に変形させることができるので、リンク２２２に伝達されたトルクをトルクセンサ２２２で検出することができる。

同図よりトルクセンサ２２２は、円筒形の第１の固定部材５１１と、第２の固定部材５１２、連結部材５１３、光学式エンコーダ５１４により構成されている。光学式エンコーダ５１４は回転軸５０９を中心としたトルクセンサ２２２の円周上に対向配置されている。

第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２は両者を相対移動可能に連結するトルクセンサ２２２の円周上に配置された連結部材５１３により連結されている。第１の固定部材１１、第２の固定部材５１２、連結部材５１３は本実施形態では同じ材質で一体に作られている。

また第１の固定部材５１１にはステー部材５１５が取付けられている。このステー部材５１５は後述する光学式エンコーダ５１４の検出ヘッド５２０を支持する支持部材として作用する。

第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２は中空の円筒形状に構成されている。第１の固定部材５１１はモータ２１２に締結され、第２の固定部材５１２は中間部材６００を介してサーキュラスプライン５０４に締結される。

連結部材５１３は、ドーナツ形状の第１の固定部材５１１と、第２の固定部材５１２の間を結合するリブ形状の部材として構成されている。この複数の連結部材５１３は回転軸５０９を中心として、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２の間に円陣配置されている。

トルクセンサ２２２の各部位は、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係数を有する所定の材質、例えば樹脂や、金属（鋼材、ステンレスなど）の材質から構成される。さらに第１の固定部材５１１と、第２の固定部材５１２、連結部材５１３は３Ｄプリンタによって製造されてもよい。具体的には、これらの設計データ（例えばＣＡＤデータ）から、３Ｄプリンタ用のスライスデータを作成し、そのデータを従来の３Ｄプリンタに入力することにより製造することができる。

本実施形態では、トルクセンサ２２２を構成する第１の固定部材５１１、第２の固定部材５１２、連結部材５１３は同一の材質を用いているが、別々の材質を用いることも可能である。

図５は、第１の固定部材５１１、第２の固定部材５１２との相対移動量を検出する検出ユニットとなる光学式エンコーダ５１４の部分に相当する断面図であり、図４の一点鎖線ＡＡより矢印Ｐ方向の矢視断面に相当する。図５よりステー部材５１５は第１の固定部材５１１に固定され設けられている。

光学式エンコーダ５１４は検出部となる検出ヘッド５２１、被検出部となるスケール５２２から構成されており、検出ヘッド５２１はステー部材５１５に設けられ、スケール５２２は第２の固定部材５１２に設けられている。

スケール５２２は、それぞれ第１の固定部材５０４、および第２の固定部材５０５に対して固定されており、検出ヘッド５０９については、検出ヘッド支持部５１０に固定されている。

スケール５２２は、反射型のスケールであり、格子配列の光学パターン５３１を有する。光学パターン５３１は、例えばＡｌ、Ｃｒで形成されている。

検出ヘッド５２１は、反射型の検出ヘッドであり、発光素子５４１及び受光素子５４２を有する。

この検出ヘッド５２１の発光素子５４１からの光を光学パターン５３１に照射するために、ステー部材５１５には開口部５１６が設けられている。また、この照射空間にゴミが混入しないようシール部材５１７により封止され、発光素子５４１に電力を供給するための配線５１８が設けられている。

検出ヘッド５２１は、発光素子５４１から光をスケール５２２に対して照射し、スケール５２２の光学パターン５３１から反射した光を受光素子５４２が受光する。

なお、検出ヘッド５２１は第１の固定部材１１に、スケール５２２は第２の固定部材５１２に設けられているが逆でも構わない。相対移動量が検出できるならば、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２のどちらか一方に検出ヘッド５２１、他方にスケール５２２が設けられていればよい。

ここで、回転軸５０９まわりのトルクが作用し、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５２２とが相対回転すると、検出ヘッド５２１とスケール５２２の相対位置が変化する。そしてスケール５２２に照射されている光の照射位置がスケール５２２上を移動する。

このとき、スケール５２２に照射されている光がスケール５２２上に設けられたパターン５３１を通過すると、検出ヘッド５２１の受光素子５４２で検出される光の光量が変化する。この光量の変化から、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２との相対移動量を検出する。検出ヘッド５２１が検出した相対移動量をトルクセンサ２２２に作用したトルクに変換する感度係数を用いることでトルク検出値を算出する。

なお、このスケールパターンは、算出の方式によっては１条のみならず、（例えば配置位相の異なる）複数条の濃淡パターンを複数条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オーダのピッチの物も利用可能である。

以上のようにして、トルクセンサ２２１～２２６は、それぞれが設置された関節においてトルクが作用する回転軸５０９（図１におけるＡ１～Ａ６軸）まわりのトルクを検出することができる。

ここで図６、図７を用いて本実施形態の減速機２３２にトルクセンサ２２２を取り付けた際に生じる、ウェーブジェネレータ５０３によるフレクスプライン５０２及びサーキュラスプライン５０４の弾性変形がトルクセンサ２２２へ及ぼす影響について詳述する。図６はトルクセンサ２２２と減速機２３２を直接締結した際の斜視図、図７は減速機２３２を図６のＺ軸のプラス方向から見て模式的に表した図である。

図７（ａ）より、ウェーブジェネレータ５０３は楕円の形をしている。そのため楕円の長手部分がフレクスプライン５０２、軸受５０５、サーキュラスプライン５０４をトルクセンサ２２２の径方向である矢印ｒ方向に押圧する。これにより、フレクスプライン５０２、軸受５０５、サーキュラスプライン５０４がウェーブジェネレータ５０３に合わせて弾性変形する。

そのためトルクセンサ２２２の第２の固定部材５１２をサーキュラスプライン５０４と直接締結すると、ウェーブジェネレータ５０３に合わせて第２の固定部材５１２も変形してしまうため、検出トルクに影響が出てしまう。

さらに、図７（ｂ）、図７（ｃ）のようにトルクセンサの回転方向である矢印θ方向にウェーブジェネレータ５０３を回転させることで、楕円運動により変形する方向が変わる。

図８は、ウェーブジェネレータ５０３の楕円運動によるトルクセンサ２２２のスケール５２２のｒ方向の変位量の時間グラフを示す。縦軸をスケール５２２の図７におけるｒ方向の変位量、横軸を時間とした。またサーキュラスプライン５０４のある位置を出力軸角度０°とし、そこからサーキュラスプライン５０４を１８０°回転させ、つぎに－１８０°回転させた。

図８において、実線で表したグラフが実測値、破線で表したグラフが理想値である。図８より理想的な波形としては、一定のパルス波となるべきである。しかし実際にはウェーブジェネレータ５０３が、サーキュラスプライン５０４を目標の位置まで回転させるために減速比の倍率分回転する。ゆえに楕円運動によりｒ方向にサーキュラスプライン５０４を押圧するため、直接締結されたトルクセンサ２２２がｒ方向に収縮を繰り返すことでスケール５２２が移動し高周波成分が生じている。よってトルクセンサ２２２をサーキュラスプライン５０４に直接締結してしまうと、ウェーブジェネレータ５０３の回転により生じた弾性変形がトルクセンサ２２２の変形に直接影響があることがわかる。

本実施形態の中間部材６００はこの弾性変形の影響を低減すべくトルクセンサ２２２の一部として設けられている。以下詳述する。

図９は本実施形態における中間部材６００の構造を示している。中間部材６００は減速機２３２のサーキュラスプライン５０４とボルト締結するための第１締結孔６０１と、その中間部にトルクセンサ２２２の第２の固定部材５１２とボルト締結するための第２締結孔６０２が回転方向に交互に配置されている。トルクセンサ２２２は第２の締結孔６０２より中間部材６００とボルト締結され一体となっている。

また中間部材６００はリング状の形状を為しており、各締結孔はフランジ部位として構成されている。第１締結孔６０１の外周方向および内周方向にはそれぞれ空隙であるエアーギャップ６０３および６０４が設けられている。

本実施形態のトルクセンサ２２２においては、減速機２３２のウェーブジェネレータ５０３による弾性変形を中間部材６００で吸収させるべく、中間部材６００が矢印ｒ方向へ変形しやすくする必要がある。

そのため中間部材６００の第１締結孔６０１の中心から径方向である矢印ｒ方向のばね定数Ｋｒ１を、外周方向および内周方向へ設けたエアーギャップ６０４、６０４により、第２の固定部材５１２の矢印ｒ方向のばね定数ＫｒＴよりも小さくする。

また、トルクセンサ２２２の回転方向であるθ方向のトルクを十分に伝達するためには中間部材６００の中心軸５０９まわりのばね定数（Ｋθ１とする）をトルクセンサのばね定数（ＫθＴ）よりも大きくすることが必要となる。中間部材６００にはトルクセンサ２２２の回転方向であるθ方向に、第１締結孔６０１および第２締結孔６０２が並んで配置されるが、ボルトで孔が埋められるため回転方向であるθ方向の剛性を大きくすることができる。

これにより回転方向の変位をウェーブジェネレータ５０３による弾性変形の影響を中間部材６００で吸収し、減速機２３２からのトルクをトルクセンサ２２２へ伝達させることができる。ゆえに簡易な構成で、高分解能なトルクセンサを用いてもウェーブジェネレータ５０３による弾性変形の影響を低減することができ、高分解能と高剛性を両立することができる。

なお中間部材６００の第１締結孔６０１のｒ方向のばね定数Ｋｒ１を小さくする他の実施形態として図１０の例が挙げられる。図１０より第１締結孔を矢印ｒ方向へ長穴形状とし、第１締結孔６０１に弾性変形可能な充填剤などを塗布することによりＫｒ１＜ＫｒＴとなる構成も考えられる。

また図１１のように、中間部材６００と、トルクセンサ２２２の第２の固定部材５１２の減速機２３２との締結部分を一体構造で製造しても良い。これによりトルクセンサ２２２の第２の固定部材５１２の減速機２３２との締結部分が弾性変形するため、減速機２３２のウェーブジェネレータ５０３による弾性変形の影響を低減することが可能である。

なおエアーギャップ６０３、６０４の大きさおよび中間部材６００の厚さは、トルクセンサ２２２及び中間部材６００の材質やサイズ、ばね乗数、締結孔６０１、６０２の数などにより適宜変更してかまわない。

以下、実際に中間部材６００を用いた際にどれほど効果があるのかシミュレーションを用いて説明する。図１２は本実施例における減速機２３２と中間部材６００、トルクセンサ２２２を締結したシミュレーションモデルである。中間部材６００は図９で示したものを使用し、減速機２３２に関してはサーキュラスプライン５０４の変形がトルクセンサ２２２に影響するため、簡略化のためサーキュラスプライン５０４のみをモデル化している。図１２（ａ）は全体の斜視図、図１２（ｂ）は中間部材６００のエアーギャップの面積を示している。

図１２（ａ）より、サーキュラスプライン５０４は外形８０ｍｍ、内径６２ｍｍ、厚さ１７．５ｍｍの筒型形状を為し、材質はステンレス鋼（７．８３ｋｇ／ｃｍ^３、ヤング率２０７ＧＰａ、ポアソン比０．２９）を用いている。

中間部材６００は外形８４ｍｍ、内径６２ｍｍ、厚さ３ｍｍの筒型形状を為し、材質はＡＢＳ（密度１．０５ｋｇ／ｃｍ^３、ヤング率２０ＧＰａ、ポアソン比０．４）を用いている。さらに図１２（ｂ）より外周方向のエアーギャップ６０３は面積が８７．４ｍｍ^２、内周方向のエアーギャップ６０４の面積は８４．８ｍｍ^２としている。

トルクセンサ２２２において、第１および第２の固定部材５１１、５１２は外形８４ｍｍ、内径６２ｍｍ、厚さ５ｍｍである。また連結部材５１３は高さ１０ｍｍ、回転方向の厚さ１．６ｍｍとし、第１および第２の固定部材５１１、５１２、連結部材５１３の材質はステンレス鋼（７．８３ｋｇ／ｃｍ^３、ヤング率２０７ＧＰａ、ポアソン比０．２９）を用いている。

以上の設計仕様により、本実施例ではトルクセンサ２２２の回転方向であるθ方向の剛性に関し、トルクセンサ２２２のばね定数ＫθＴ＝８．８×１０^４［Ｎｍ／ｒａｄ］に対し、中間部材６００のばね定数Ｋθ１＝４１０×１０^４Ｎｍ／ｒａｄとなった。

また、トルクセンサ２２２の径方向であるｒ方向の剛性に関し、トルクセンサ２２２のばね定数ＫｒＴ＝２．０×１０^４Ｎ／ｍｍに対し、中間部材Ｋｒ１＝４．０×１０^４Ｎ／ｍｍとなった。

以上より、ウェーブジェネレータ５０３による弾性変形を中間部材６００で吸収させつつ、θ方向のトルクを伝えるため、中間部材６００がｒ方向へ変形しやすく、θ方向には変形しにくくなるようＫｒ１＜ＫｒＴとなり、Ｋθ１＞ＫθＴとなっている。

今回は図１２（ａ）の回転軸５０９を中心に矢印θ方向に１００Ｎｍのトルクを、サーキュラスプライン５０４の内径円筒面にかけた場合を考える。また、サーキュラスプライン５０４とは結合されていないトルクセンサ２２２の第１の固定部材はリンクに固定されているものとする。図１３は中間部材６００を介さず、トルクセンサ２２２とサーキュラスプライン５０４を締結した際のシミュレーション結果、図１４は中間部材６００を介してトルクセンサ２２２とサーキュラスプライン５０４を締結した際のシミュレーション結果である。図１５の表はトルクセンサ２２２の変位量である。図１３（ａ）、図１４（ａ）はθ方向の変位量のシミュレーション結果、図１３（ｂ）、図１４（ｂ）はｒ方向のシミュレーション結果である。

図１３～図１５より、θ方向の変位量は中間部材６００無しの場合は、０．０２７ｍｍ、中間部材６００有りの場合は０．０２９ｍｍとなり、差は６．８％に抑えることができた。

ｒ方向の変位量は中間部材６００無しの場合は０．０６４μｍ、中間部材６００有りの場合は０．０１８μｍとなり、有りの場合の変位量は無しの場合の変位量に比べて７１．８％減少させることができた。

以上より中間部材６００を用いることにより減速機２３２にトルクセンサ２２２を取り付ける際、ウェーブジェネレータ５０３により生じる弾性変形の高分解能な検出トルクへの影響を低減できることが示された。

なお、上記実施形態におけるトルクセンサ２２１～２２６の連結部材５１３の本数は、本実施形態で示した本数に限定されるものではない。図５では、光学式エンコーダ５１４に隣接する連結部材５１３は、他の箇所よりも配置の間隔を広く図示しているが、本実施形態で示した配置間隔に限定されるものではない。また、スケール５２２および検出ヘッド５２１の設置数についても、本実施形態で示した設置個数に限定されるものではなく、例えば１個でも良いし３個以上設置しても良い。

上記実施形態ではスケール５２２と検出ヘッド５２１は回転軸５０９に沿って対向するよう配置されたが、これに限らず回転軸５０９に直交するように対向配置させても良い。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、トルクセンサ２２２の回転方向であるθ方向の剛性が、径方向であるｒ方向の剛性より大きい中間部材６００を設けることで、減速機２３２によるｒ方向の弾性変形がトルクセンサ２２２に影響することを低減した。また減速機２３２によるトルクセンサ２２２のθ方向の変形に関しては、中間部材６００の有無に関わらず、同程度の変形を許容していた。つまり、中間部材６００によるθ方向の変形の吸収はあまり行っていない。しかしながら、トルクセンサに求められる精度によっては、減速機２３２によるトルクセンサ２２２のθ方向の変形による影響も無視できない場合がある。本実施形態では、中間部材６００の形状を変化させることで、減速機２３２によるθ方向の変形もある程度吸収しつつ、トルクをリンクに伝達することができる。以下で詳述する。

以下では、第１の実施形態とは異なるハードウェアや制御系の構成の部分について図示し説明する。また、第１の実施形態と同様の部分については上記と同様の構成ならびに作用が可能であるものとし、その詳細な説明は省略するものとする。

図１６は本実施形態におけるトルクセンサ２２２の構造を示している。トルクセンサ２２２には、減速機２３２の影響を吸収する中間部材６００が、第２の固定部材５１２のｒ方向に突出するように一体となって設けられている。また、中間部材６００には減速機２３２のサーキュラスプライン５０４とボルト締結するための第１締結孔６０１が設けられ、第１の固定部材５１１には、リンク２５３とボルト締結される第２締結孔６０２が設けられている。

また第１の実施形態と同様に、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２はリブ形状の連結部材５１３により連結されており、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２は相対的に変位可能となっている。

また各締結孔はフランジ部位として構成されている。第１締結孔６０１の外周方向および内周方向にはそれぞれ空隙であるエアーギャップ６０３が設けられている。さらに第２の固定部材５１２には、第１の実施形態で述べた光学式エンコーダ５１４を搭載する、変位センサ搭載部６０５が設けられており、変位センサ搭載部６０５と第１締結孔６０１とは梁６０６により接続されている。

本実施形態のトルクセンサ２２２においては、減速機２３２のウェーブジェネレータ５０３による弾性変形を中間部材６００で吸収させるべく、中間部材６００が矢印ｒ方向および矢印θ方向へ変形しやすくする必要がある。さらに、減速機２３２からのトルクを、トルクセンサ２２の各部材を介してリンクに伝達する必要がある。

そのため、外周方向および内周方向へ設けたエアーギャップ６０３と梁６０６を設けている。またエアーギャップ６０３は、第１締結孔の周りの一部を囲うように設けている。これにより、中間部材６００における、第１締結孔６０１の中心から径方向である矢印ｒ方向のばね定数Ｋｒ１を、変位センサ搭載部６０５すなわち第２の固定部材５１２の矢印ｒ方向のばね定数ＫｒＴよりも小さくすることができる。

さらに、中間部材６００における、第１締結孔６０１の中心から回転方向である矢印θ方向のばね定数Ｋθ１を、変位センサ搭載部６０５すなわち第２の固定部材５１２の矢印θ方向のばね定数ＫθＴよりも小さくすることができる。

また、梁６０６により、減速機２３２からのトルクを第２の固定部材５１２に伝達でき、連結部材５１３、第１の固定部材５１１を介してリンクに伝達することができる。

これによりウェーブジェネレータ５０３による径方向のｒ方向および回転方向のθ方向の弾性変形の影響を中間部材６００においてある程度吸収しつつ、梁６０６により減速機２３２からのトルクをトルクセンサ２２２へ伝達させることができる。ゆえに簡易な構成で、高分解能なトルクセンサを用いてもウェーブジェネレータ５０３による弾性変形の影響を低減することができ、高分解能と高剛性を両立することができる。

さらに上述した構成により、中間部材６００における第１締結孔６０１の中心から周方向である矢印θ方向のばね定数Ｋθ１を、変位センサ搭載部６０５すなわち第２の固定部材５１２の矢印ｒ方向のばね定数ＫｒＴよりも小さくすることができる。これにより、減速機２３２によるｒ方向およびθ方向以外の方向の弾性変形も第１締結孔で吸収させることができる。

なおエアーギャップ６０３、梁６０６の大きさおよび第１締結孔６０１の厚さは、トルクセンサ２２２及び中間部材６００の材質やサイズ、ばね乗数、第１締結孔６０１、第２締結孔６０２の数などにより適宜変更してかまわない。

また、中間部材６００の第１締結孔６０１のｒ方向およびθ方向のばね定数を小さくする他の変形例として図１７の例が挙げられる。図１７より中間部材６００は、変位センサ搭載部６０５を有している第２の固定部材５０２よりも剛性の小さい材質のものとすることにより実現することができる。

また本実施形態では、中間部材６００を第２の固定部材５１２と一体として設けたが、第１の固定部材５１１が減速機２３２と接続される場合は、第１の固定部材５１１に中間部材６００を設けても良い。

以下、実際に本実施形態の中間部材６００を用いた際にどれほど効果があるのかシミュレーションを用いて説明する。図１８は第２の実施形態における減速機２３２とトルクセンサ２２２を、中間部材６００を介して締結したモデルである。トルクセンサ２２２は図１６で示したものを使用する。

シミュレーションに関しての簡略化等は第１の実施形態と同様の簡略化を行っている。図１９（ａ）は全体の斜視図、図１９（ｂ）はトルクセンサ２２２の中間部材６００のエアーギャップの詳細を示している。

図１９（ａ）より、中間部材６００は外形９０ｍｍ、ｒ方向の幅１０ｍｍ、厚さ４ｍｍの円環形状を為し、材質はステンレス鋼（７．８３ｋｇ／ｃｍ^３、ヤング率２０７ＧＰａ、ポアソン比０．２９）を用いている。さらに図１８（ｂ）よりエアーギャップ６０３の面積が８８．６ｍｍ^２、梁６０６の厚さが２ｍｍ、第１締結孔６０１の外周部の厚さは４ｍｍとしている。

第１および第２の固定部材５１１、５１２は外形７０ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ４ｍｍである。また連結部材５１３は高さ１０．４ｍｍ、回転方向の厚さ１．６ｍｍとし、第１および第２の固定部材５１１、５１２、連結部材５１３の材質はステンレス鋼（７．８３ｋｇ／ｃｍ^３、ヤング率２０７ＧＰａ、ポアソン比０．２９）を用いている。

以上の設計仕様により、本実施例ではトルクセンサ２２２の回転方向であるθ方向の剛性に関し、エアーギャップ設けていない場合、ばね定数ＫθＴ＝１．０９×１０^５［Ｎｍ／ｒａｄ］となった。本実施例の構成を用いた場合、ばね定数Ｋθ１＝７．８８×１０^４［Ｎｍ／ｒａｄ］となった。

また、トルクセンサ２２２の径方向であるｒ方向の剛性に関し、エアーギャップを設けていない場合、ばね定数ＫｒＴ＝２．２２×１０^５Ｎ／ｍｍに対し、エアーギャップを設けた中間部材６００のばね定数Ｋｒ１＝３．７２×１０^４Ｎ／ｍｍとなった。

以上より、ウェーブジェネレータ５０３による弾性変形について中間部材６００で吸収させるため、中間部材６００がｒ方向、θ方向に変形しやすくなるようＫｒ１＜ＫｒＴとなり、Ｋθ１＜ＫθＴとなっている。これにより、中間部材６００をｒ方向およびθ方向に変形しやすくし、ウェーブジェネレータ５０３により生じる弾性変形を中間部材６００で吸収できるようにしている。

今回のシミュレーションでは、回転軸５０９を中心に矢印θ方向に１００Ｎｍのトルクを、トルクセンサ２２２と減速機２３２との締結を担っている中間部材６００にかけた場合を考える。また、第１の固定部材はリンクに固定されているものとする。

図２０は中間部材６００を設けていない場合のシミュレーション結果であり、図２１は中間部材６００を介してトルクセンサ２２２と減速機２３２を締結した際のシミュレーション結果である。図２２の表はトルクセンサ２２２の変位センサ搭載部６０５の変位量である。図２０（ａ）、図２１（ａ）はθ方向の変位量のシミュレーション結果、図２０（ｂ）、図２１（ｂ）はｒ方向のシミュレーション結果である。

図２０～図２２より、変位センサ搭載部６０５におけるθ方向の変位量は、図２０（ａ）においては０．５７μｍに対し、図２１（ａ）の場合は０．０９１μｍとなり、中間部材６００無しの場合に比べて有りのほうが変位量を約８５％低減することができた。

ｒ方向の変位量は、図２０（ｂ）の場合は０．２９μｍ、図２１（ｂ）の場合は０．１２５μｍとなり、中間部材６００無しの場合に比べて有りのほうが約６７％変位量を減少させることができた。

以上より本実施形態の中間部材６００を用いることにより、減速機２３２にトルクセンサ２２２を取り付ける際、ウェーブジェネレータ５０３により生じる弾性変形の高分解能な検出トルクへの影響を低減できることが示された。

（その他の実施形態）
また上記実施形態では、第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２との相対移動量を検出するために光学式のエンコーダを用いたが別の形態を取っても良い。例えば磁気的に変位を計測する方法に関して、第１の固定部材５０４と第２の固定部材５０５のどちらに磁束発生源、磁電変換素子を配置して検出しても良い。第１の固定部材５１１と第２の固定部材５１２が相対移動することで、磁束発生源と磁電変換素子との距離の変化に伴い、磁電変換素子へ流入する磁束密度の大きさに変化が生じ、磁束密度の変化にともなう磁電変換素子の出力が変化する。この磁電変換素子の出力の変化を検出することで変位を計測することができる。

また上記実施形態では中間部材６００がトルクセンサ２２２と一体となる構成を示したが、これに限られず中間部材６００を減速機２３２と一体となって設けても良い。

また上記実施形態では、ロボットアーム本体２００が６つの関節を有する６関節ロボットである場合を説明したが、関節の数はこれに限定されるものではない。ロボットアーム本体２００の形式として、垂直多軸構成を示したが、パラレルリンク型など異なる形式のロボットアーム本体２００の関節においても上記と同等の構成を実施することができる。

ロボットアーム本体２００の関節の構成例を図１により示したが、関節の構成はこれだけ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、各モータ２１１～２１６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。

１００ ロボットシステム
２００ ロボットアーム本体
２２１～２２６ トルクセンサ
２３１～２３６ 減速機
３００ 制御装置
４００ 外部入力装置
５０１ 減速機入力軸
５０２ フレクスプライン
５０３ ウェーブジェネレータ
５０４ サーキュラスプライン
５０５ 軸受
５０９ 回転軸
５１１ 第１の固定部材
５１２ 第２の固定部材
５１３ 連結部材
５１４ 光学式エンコーダ
５１５ ステー部材
６００ 中間部材
６０１ 第１締結孔
６０２ 第２締結孔
６０３、６０４ エアーギャップ
６０５ 変位センサ搭載部
６０６ 梁

Claims (34)

1. 力に関する情報を取得するセンサであって、
   複数の弾性体と、
   前記弾性体を連結する第１部材と、前記第１部材に連結される第２部材と、を有しており、
   前記第２部材の径方向における剛性が、前記第２部材の円周方向における剛性よりも小さい、
   ことを特徴とするセンサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記第２部材は円形である、
   ことを特徴とするセンサ。
3. 請求項１または２に記載のセンサにおいて、
   前記第２部材はリング状である、
   ことを特徴とするセンサ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
   前記第１部材と前記第２部材とは、ボルトにより連結される、
   ことを特徴とするセンサ。
5. 請求項４に記載のセンサにおいて、
   前記第１部材と前記第２部材とには締結孔が設けられている、
   ことを特徴とするセンサ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
   前記第２部材は、前記センサを他の装置へ設ける際のフランジ部位として機能する、
   ことを特徴とするセンサ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
   前記第１部材は、前記第２部材と前記弾性体とにより挟まれている、
   ことを特徴とするセンサ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
   前記第１部材と第２部材とは一体構造で連結されている、
   ことを特徴とするセンサ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
   前記第２部材には、減速機からの駆動が、前記弾性体および前記第１部材に伝達される前に伝達される、
   ことを特徴とするセンサ。
10. 請求項９に記載のセンサにおいて、
    前記センサは前記減速機に接続されて使用され、
    前記減速機は波動歯車を用いた減速機である、
    ことを特徴とするセンサ。
11. 請求項９または１０に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材は、
    前記減速機と締結するための第１締結孔と、
    空隙と、を有しており、
    前記空隙は、前記第１締結孔に対して、前記第２部材の径方向において内側と外側に１つずつ設けられている、
    ことを特徴とするセンサ。
12. 請求項１１に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材は、
    前記第１部材と締結するための第２締結孔を有し、
    前記第１締結孔と前記第２締結孔は、前記第２部材の円周方向に交互に配列されている、
    ことを特徴とするセンサ。
13. 請求項１１または１２に記載のセンサにおいて、
    前記第１締結孔は、前記径方向に長い長穴形状であり、弾性変形可能な充填剤が塗布されている、
    ことを特徴とするセンサ。
14. 請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材は、
    前記第１部材の周りに配置されて前記第１部材と連結されており、
    減速機と締結するための第１締結孔と、
    空隙と、を有しており、
    前記空隙は、前記第１締結孔の周りの一部を囲うように設けられている、
    ことを特徴とするセンサ。
15. 請求項１４に記載のセンサにおいて、
    前記第１部材と前記第２部材とは、前記空隙の周りに配置された梁によって連結されている、
    ことを特徴とするセンサ。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の厚さは、前記弾性体の前記第２部材の厚み方向の長さ以下である、
    ことを特徴とするセンサ。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の厚さは、前記第１部材の厚さ以下である、
    ことを特徴とするセンサ。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の厚さ方向において前記第１部材の反対側で前記弾性体を連結する第３部材を備え、
    前記第２部材の厚さは、前記第２部材の厚さ方向における前記第１部材と前記第３部材との距離以下である、
    ことを特徴とするセンサ。
19. 請求項１８に記載のセンサにおいて、
    前記第１部材と前記第３部材との間の所定位置に、前記第１部材と前記第３部材との相対移動量を検出する検出ユニットが設けられており、
    前記検出ユニットは、前記第１部材と前記第３部材のどちらか一方に固定された検出部と、他方に固定された被検出部とを備えている、
    ことを特徴とするセンサ。
20. 請求項１９に記載のセンサにおいて、
    前記相対移動量から、前記第１部材と前記第２部材とに作用する前記力に関する情報を取得する、
    ことを特徴とするセンサ。
21. 請求項１９または２０に記載のセンサにおいて、
    前記検出部は発光素子と受光素子を備え、
    前記被検出部はスケールである、
    ことを特徴とするセンサ。
22. 請求項１から２１のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の厚さは、数ｍｍである、
    ことを特徴とするセンサ。
23. 請求項２２に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の厚さは、３ｍｍまたは４ｍｍである、
    ことを特徴とするセンサ。
24. 請求項１から２３のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の材質は、金属である、
    ことを特徴とするセンサ。
25. 請求項２４に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の材質は、ステンレス鋼である、
    ことを特徴とするセンサ。
26. 請求項１から２３のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記第２部材の剛性は、前記第１部材の剛性よりも小さい、
    ことを特徴とするセンサ。
27. 請求項１から２６のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
    前記力に関する情報は、トルクに関する情報である、
    ことを特徴とするセンサ。
28. 請求項１から２７のいずれか１項に記載のセンサを備えたロボット。
29. 請求項２８に記載のロボットと、制御装置と、を備えたロボットシステム。
30. 請求項２９に記載のロボットシステム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。
31. 力に関する情報を取得するセンサの制御方法であって、
    前記センサは、
    複数の弾性体と、
    前記弾性体を連結する第１部材と、前記第１部材に連結される第２部材と、を有しており、
    前記第２部材の径方向における剛性が、前記第２部材の円周方向における剛性よりも小さく、
    前記弾性体の変形に基づき前記力に関する情報を取得する、
    ことを特徴とする制御方法。
32. 請求項３１に記載の制御方法を実行可能なプログラム。
33. 請求項３２に記載のプログラムを格納した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
34. 力に関する情報を取得するための構造体であって、
    複数の弾性体と、
    前記弾性体を連結する第１部材と、前記第１部材に連結される第２部材と、を有しており、
    前記第２部材の径方向における剛性が、前記第２部材の円周方向における剛性よりも小さい、
    ことを特徴とする構造体。

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