JPH06190770A - トルクセンサ付ロボットアーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 第３メンバＥが第１メンバＢに妨げられるこ
となく自由に旋回できるように第２メンバＤを第１メン
バＢの回転軸に対してオフセットさせ、しかも第２メン
バＤに作用しているトルクを検出しようとすると、トル
クセンサが軸方向の長さを必要とするためにオフセット
量が大きくなってしまう。このオフセット量を小さくす
る。 【構成】 第２メンバＤと第２メンバ用回転体Ｃの間
を、内輪と外輪をはりで連結したトルク伝達メンバで連
携させる。 【作用】 内外輪は軸方向にかさなり合って配置できる
ことからオフセット量を小さくできる。トルク値の大小
ははりの変形の大小に対応することから、トルク値も検
出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットのアー
ムないしはハンドに関する技術である。

【０００２】

【従来の技術】多関節ロボットの場合、第１アームに対
して第１関節によって第２アームを旋回可能とし、さら
に第２アームに対して第２関節によって第３アームを旋
回可能に取付けてゆく構造が一般にとられる。また各ア
ームに作用しているトルクが検出可能なハンドも開発さ
れている。このようなロボットハンドの一例が特開昭６
３−２８５８０号公報ないしは「安川電機」と題する雑
誌の第５５巻（通巻２１１号）NO.2 1991,86頁〜93頁に
紹介されている。後者の技術レポートには図４(b) に示
すトルクセンサ、すなわちシャフト１０２の側面にスパ
イラル状に磁歪膜１０４ａ，１０４ｂ…を形成しておく
と、シャフト１０２にトルクＴｒが作用したときに磁歪
膜１０４ａ，１０４ｂ…が歪んで透磁率が変化すること
に注目し、この変化をコイル１０６によってピックアッ
プすることでシャフト１０２に作用しているトルクＴｒ
の値を検出する技術を示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】さて今図５に例示され
ているように、第１メンバ（ないしは第１アーム）Ｂの
先端で第３メンバＥを第１メンバＢの回転軸（長手方
向）Ｂ１と直交する軸Ｄ１のまわりに大きく、特に無制
限に（すなわち３６０゜以上）旋回させようとすると、
第１メンバＢの回転軸Ｂ１と第３メンバＥの回転軸Ｅ１
を交わらせて配置することはできない。すなわち図示Ｂ
１，Ｄ１，Ｅ１に示す軸を１点で交わらせることはでき
ない。なぜなら第１メンバＢが軸Ｄ１のまわりの第３メ
ンバＥの旋回を妨げてしまうからである。

【０００４】そこで図１のように、第１メンバＢと第３
メンバＥとの間に第２メンバＤを第１メンバＢからオフ
セットして配置させることが考えられる。このようにす
ると、第３メンバＥは第１メンバＢによって制約を受け
ることなく旋回できる。

【０００５】このとき、ロボットのアームないしハンド
に作用しているトルク状態を検出するためには、第２メ
ンバＤの軸Ｄ１のまわりに作用するトルクも検出しなけ
ればならない。ここで図４(b) に示したトルクセンサを
用いることが考えられるが、従来のトルクセンサによる
と軸方向の距離が長く必要とされ、第３メンバＥを第１
メンバＢから大きくオフセットせざるを得なくなる。し
かるに実際のロボットの作業時には、第１メンバＢと第
３メンバＥのオフセット量が小さいほど作業し易く、ま
たハンドの小型化の面でも好ましい。

【０００６】そこで本発明では、第１メンバＢと第３メ
ンバＥの間に第２メンバＤをオフセットさせることによ
って第３メンバＥの旋回範囲を広く確保する一方、第２
メンバＤに働くトルク値を検出するためのトルクセンサ
の軸方向長さを短くすることによって、第１メンバＢと
第３メンバＥ間のオフセット量を可及的に小さくしよう
とするのである。

【０００７】なおトルクセンサとしては図４の(b) に示
したものの他、図４の(a) に示すように、シャフト１０
８に歪ゲージ１１０を張付けたタイプ、あるいはシャフ
ト１１２に形成された１対のフランジ１１４と１１６間
の相対ねじれ量を検出する方式等が存在する。しかしこ
のようなタイプのトルクセンサを用いてもなお軸方向に
長くなり、第１メンバＢと第３メンバＥ間のオフセット
量を充分に小さくすることはできない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、図１
に模式的に示されているトルクセンサ付ロボットハンド
を創り出した。すなわちこのロボットハンドは、第１メ
ンバＢの長手方向Ｂ１と直交する軸Ｄ１のまわりに該第
１メンバＢに対して回動可能に、かつ第１メンバＢから
オフセットされた位置に取付けられた第２メンバＤと、
該第１メンバＢの基部に取付けられていて、第２メンバ
用回転体Ｃを回転させる第２メンバ用アクチュエータＡ
と、該第２メンバＤと第２メンバ用回転体Ｃのいずれか
一方に固定された外輪Ｆと他方に固定された内輪Ｊと該
外輪Ｆと該内輪Ｊを同軸に保持する複数のはりＧを有す
るトルク伝達メンバＫと、該内輪Ｊから該外輪Ｆ側に張
出した内輪張出片Ｉの外輪側端部と該外輪Ｆ間に生じる
変位量を検出する変位センサＨとを備えたことを特徴と
している。

【０００９】

【作用】この構成を備えたロボットハンドによると、第
２メンバＤによって第３メンバＥが第１メンバＢからオ
フセットされているために、第３メンバＥの旋回が第１
メンバＢによって制約されることがない。また第２メン
バ用回転体Ｃと第２メンバＤは外輪Ｆと内輪ＪをはりＧ
で連結したトルク伝達メンバＧによって連結される。こ
こで外輪Ｆに第２メンバＤが取付けられれば、内輪Ｊに
第２メンバ用回転体Ｃが取付けられるが、その逆に外輪
Ｆに第２メンバ用回転体Ｃが取付けられて内輪Ｊに第２
メンバＤが取付けられてもよい。いずれにせよ、はりＧ
を介して第２メンバ用回転体Ｃと第２メンバＤはトルク
伝達される。

【００１０】今第２メンバＤに作用する外力が大きく、
第２メンバ用アクチュエータＡが大きなトルクでその外
力に対抗していると、はりＧは大きく撓む。これに対
し、アクチュエータＡのトルク値が小さければはりＧの
撓みも小さい。すなわちトルク値ははりＧの撓み量の大
小に対応する。この発明では、はりＧの撓みの大小が変
位センサＨによって検出されるために、第２メンバＤに
作用しているトルク値が検出される。この場合、内輪Ｊ
と外輪Ｆは軸方向に重なって配置されることができるた
めに、第２メンバ用回転体Ｃと第２メンバＤ間の距離、
すなわち第１メンバＢと第３メンバＥのオフセット量を
充分に小さくできる。

【００１１】

【発明の効果】本発明では、第３メンバを第１メンバか
らオフセットして第３メンバが第１メンバに妨げられな
いで旋回できるようにしている第２メンバが、内輪と外
輪をはりで連結したトルク伝達メンバによって第２メン
バ用回転体に連結されているために、第１メンバと第３
メンバ間のオフセット量を小さくした状態で第２メンバ
に作用するトルクが検出可能となっており、ロボットハ
ンドが小型化され、また多様な作業が実行できる。

【００１２】

【実施例】次に本発明の具体例を図２を参照して説明す
る。図２において、図示５０はロボットハンドの基部を
示しており、ここに第１メンバ用サーボモータ１、第２
メンバ用サーボモータ２、第３メンバ用サーボモータ３
が固定されている。基部５０に対してベアリング５２に
よって第１メンバ１０がその長手方向の軸心１０ａのま
わりに回転可能に取付けられている。また第１メンバ１
０に対してベアリング５４によって第２メンバ２０が軸
心２０ａのまわりに回転可能に取付けられている。さら
に第２メンバ２０に対してベアリング５６，５８，６０
によって第３メンバ３０が軸心３０ａのまわりに回転可
能に取付けられている。第２メンバ２０の回転軸心２０
ａは第１メンバ１０の回転軸心（第１メンバ１０の長手
方向）１０ａと直交し、第３メンバ３０の回転軸心３０
ａは第２メンバ２０の回転軸心２０ａに直交している。

【００１３】第１メンバ用サーボモータ１の回転は減速
機構１１で減速されシャフト１２とギヤ１３を回転させ
る。ギヤ１３は第１メンバ１０と同軸に配置されている
ギヤ１４と噛合っており、ギヤ１４は内輪１５に固定さ
れている。内輪１５の外側には軸方向の同一高さ位置に
外輪１７が配置されており、内輪１５と外輪１７は複数
本のはり１６で連結されている。そして外輪１７に第１
メンバ１０が固定されている。なお内輪１５と外輪１７
とはり１６で形成されるトルク伝達メンバの構造は、第
２メンバ２０に対するものと同一のものであるために、
図３、図４を参照して第２メンバ２０に対するトルク伝
達メンバを説明する際に詳しく説明する。

【００１４】第１メンバ用サーボモータ１を回転させる
と、内輪１５が回転され、内輪１５がはり１６を介して
外輪１７を回転させるため、外輪１７に固定されている
第１メンバ１０が回転される。この結果第２メンバ２０
は軸心１０ａのまわりに旋回される。

【００１５】第２メンバ用サーボモータ２の回転は減速
機構２１で減速され、シャフト２２とギヤ２３を回転さ
せる。ギヤ２３は第１メンバ１０と同軸に配置されてい
るギヤ２４ａと噛合っており、ギヤ２４ａはチューブ２
４ｂと一体に回転する。チューブ２４ｂの下端にはベベ
ルギヤ２４ｃが固定されており、ベベルギヤ２４ｃは今
１つのベベルギヤ２５ａと噛合っている。ベベルギヤ２
５ａは筒２５ｂと一体化されており、筒２５ｂは内輪２
６に固定されている。

【００１６】内輪２６には、図３に示されているように
６本のはり２７が放射状に外側に向けて固定されてお
り、その６本のはりによって外輪２８が内輪２６に同軸
に保持される。内輪２６からは１対の張出片２９ａ，２
９ｂが直径上に張出しており、張出片２９ａ，２９ｂの
外側端部は外輪２８に形成されている一対の凹所２８
ａ，２８ｂ内に隙間を隔ててはいりこんでいる。外輪２
８には１対のギャップセンサ９０ａ，９０ｂが張出片２
９ａ，２９ｂの外側端部に対向するように固定されてお
り、各センサ９０ａ，９０ｂはセンサ９０ａ，９０ｂと
張出片２９ａ，２９ｂ間のギャップを検出する。

【００１７】例えば外輪２８に時計方向のトルクＴｒが
作用し、内輪２６に反時計方向のトルクＴｒが作用して
釣合うと、図１に示されているように外輪が内輪に対し
て時計方向に相対変位することになり、張出片２９ａと
センサ９０ａ間の隙間量は増大し、逆に張出片２９ｂと
センサ９０ｂ間の隙間量は減少する。すなわち隙間量は
内輪と外輪の相対的変位量に対応する。センサ９０ａ，
９０ｂはこの隙間量、すなわち内輪に対する外輪の相対
変位量を検出する。

【００１８】上記構成によれば、外輪に形成された凹所
へ内輪側から径方向に突出した張出片の外側端部とのギ
ャップを検出するギャップセンサを外輪に固定するよう
にしているので、内外輪に作用する軸トルクによって生
ずる張出片とギャップセンサ間の隙間量を外輪外径を大
とすることなく大きく取ることができ、トルク検出精度
を向上させることが可能である。さらに、必要なトルク
検出精度の範囲内で外輪外径を極力小さくすることがで
きるため、トルクセンサ自体をコンパクトなものとする
ことが可能である。

【００１９】なお例えば外輪２８に上方に移動させる外
力が作用し、内輪２６がこの力に抗していると、センサ
９０ａの側でも９０ｂの側でも隙間量は減少する。そこ
で両センサ９０ａ，９０ｂの出力差をとると、トルク以
外の外力の影響は相殺されることになる。同様に外輪２
８に下方に移動させる外力が作用しても、センサ９０
ａ，９０ｂの出力差に影響しない。また内外輪の軸方向
の外力に対しては、両センサ９０ａ，９０ｂとも隙間量
は変化しないので検出されるトルク値は影響を受けるこ
とがない。本実施例では直径上に配置された１対の張出
片２９ａ，２９ｂとそれのための１対のセンサ９０ａ，
９０ｂとそのセンサ出力の出力差をとるという工夫によ
ってトルクが正確に検出されるようにしている。すなわ
ち図３の紙面に垂直方向の外力ならびに左右方向の外力
が作用しても隙間量は変化せず、また上下方向の外力に
対してもセンサ９０ａ，９０ｂの出力差は変化しない。
すなわち出力差はトルクにのみ依在する。なお外輪２８
はベアリング５４を介して第１メンバ１０に取付けられ
ているので、構造的にも外力が作用し難くなっている。

【００２０】なお内輪２６ははり２７の図示下方で外輪
２８に向けて外側に伸びており（２６ａ参照）、ここに
１対のブロック２６ｂ，２６ｂが２組固定されている。
このブロック２６ｂ，２６ｂは一定の隙間を隔ててはり
２７をはさみ付けるように配置されており、はり２７の
変形があまりに大きくなって破損のおそれが生じる前に
はり２７のそれ以上の変形を禁止するように作用する。
このためトルクが強大となっても、トルク伝達メンバが
破損することはない。

【００２１】なお以上の構造は第１メンバにおける内輪
１５とはり１６と外輪１７についても同様である。また
張出片とギャップセンサについても同様であり、第１メ
ンバ１０に作用するトルク値も検出可能となっている。

【００２２】さて図２に示されるように、外輪２８に第
２メンバ２０が固定されている。このため第２メンバ用
サーボモータ２が回転するとこの回転はベベルギヤ２４
ｃと２５ａによって内輪２６に伝えられ、内輪２６の回
転ははり２７を介して外輪２８に伝えられ、そして外輪
２８が第２メンバ２０を回転させる。この結果第２メン
バ２０は軸心２０ａのまわりに回転され、第３メンバ３
０は鉛直面内で旋回されることになる。

【００２３】最後の第３メンバ３０を軸心３０ａのまわ
りに回転させる部分について説明する。第３メンバ用サ
ーボモータ３が回転すると、減速機構３１を介してシャ
フト３２が回転され、ベベルギヤ３３が回転される。こ
のためもう一つのベベルギヤ３４が回転されてシャフト
３５が回転される。シャフト３５によってベベルギヤ３
６が回転され、これがベベルギヤ３７を回転させる。こ
の結果第３メンバ３０が軸心３０ａのまわりに回転され
る。なお第３メンバ３０にはプレート３８が取付けられ
ており、プレート３８が第３メンバ３０とともに回転さ
れる。このプレート３８にねじじめ用ビット等の最終的
にワークに働きかける部材が取付けられる。

【００２４】第３メンバ３０は軸方向に一定の長さを有
しているために、そこに図４(b) に示した型式のトルク
センサ３９が取付けられている。このトルクセンサ３９
は非接触式であり、第３メンバ３０の無限回転を許容す
る。トルクセンサ３９によって、第３メンバ３０に作用
しているトルクも検出される。

【００２５】さて本実施例によると、第２メンバ用サー
ボモータ２で回転される回転体２５ｂが内輪２６に固定
され、一方第２メンバ２０が外輪２８に固定されてい
る。そして内輪２６と外輪２８は軸方向に同一の位置に
重なりあっている。このため第２メンバ用回転体２５ｂ
と第２回転体２０間の距離が極めて短くなっており、第
１メンバ１０と第３メンバ３０間のオフセット量が小さ
く押えられている。そしてこの小さなオフセット量にも
かかわらずはり２７に生じる撓み量から第２メンバ２０
に作用しているトルク値の検出が可能となっているので
ある。また本実施例では第２メンバ２０が第１メンバ１
０に対して軸２０ａのまわりに３６０゜回転可能となっ
ており、第３メンバ３０は垂直面内のどの方向を指向す
ることもできる。そして第３メンバ３０は無制限に回動
可能となっており、ねじ類の締付け作業等を実行するこ
とができる。このため本発明によると、どの方向を向い
ているねじでも締付け可能となっている。

【００２６】さらにまた本実施例のロボットハンドでは
第３メンバ３０と第１メンバ２０のオフセット量が小さ
いためにサイズ的に小さくなっており、狭い空間内に侵
入して作業することもできる。なお本実施例では、外輪
に第２メンバが固定されているが、逆に第２メンバを内
輪に固定し、第２メンバ用回転体を外輪に固定するよう
にしてもよい。また本実施例では、内輪張出片２９ａ，
２９ｂによって内輪２６と外輪２８の相対変位量を拡大
した状態で検出している。このためトルク検出精度が高
くなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を模式的に示す図

【図２】一実施例の断面図

【図３】一実施例のトルク伝達メンバと変位センサの詳
細図

【図４】従来のトルクセンサを示す図

【図５】従来技術を模式的に示す図

【符号の説明】

Ａ 第２メンバ用アクチュエータ Ｂ 第１メンバ Ｃ 第２メンバ用回転体 Ｄ 第２メンバ Ｅ 第３メンバ Ｆ 外輪 Ｇ はり Ｉ 内輪張出片 Ｊ 内輪 Ｈ 変位センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤尾 憲彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 川端 康己 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 田中 稔 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 津坂 祐司 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１メンバの長手方向と直交する軸のま
   わりに該第１メンバに対して回動可能に、かつ第１メン
   バからオフセットされた位置に取付けられた第２メンバ
   と、 該第１メンバの基部に取付けられていて、第２メンバ用
   回転体を回転させる第２メンバ用アクチュエータと、 該第２メンバと第２メンバ用回転体のいずれか一方に固
   定された外輪と他方に固定された内輪と該外輪と該内輪
   を同軸に保持する複数のはりを有するトルク伝達メンバ
   と、 該内輪から該外輪側に張出した内輪張出片の外輪側端部
   と該外輪間に生じる変位量を検出する変位センサとを備
   えたことを特徴とするトルクセンサ付ロボットアーム。