WO2020008718A1 - トルクセンサの支持装置 - Google Patents

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sensor
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嵩幸 遠藤
鈴木　隆史
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日本電産コパル電子株式会社
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
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    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1457—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving resistance strain gauges
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    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/30—Supports specially adapted for an instrument; Supports specially adapted for a set of instruments

Definitions

  • the embodiment of the present invention relates to a torque sensor applied to, for example, a robot arm or the like, and relates to a support device that supports the torque sensor.
  • the torque sensor has a first structure to which a torque is applied, a second structure to which the torque is output, and a plurality of strain generating portions as beams connecting the first structure and the second structure.
  • a plurality of strain gauges as sensor elements are arranged in these strain generating portions.
  • a bridge circuit is configured by these strain gauges (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).
  • JP 2013-097735 A JP-A-2005-049209 JP, 2017-172983, A JP 2010-169586 A
  • the torque sensor When the first structure of the disc-shaped torque sensor is fixed to, for example, a base portion of a robot arm (hereinafter, also simply referred to as an arm) and the second structure is fixed to, for example, a drive portion of the arm, the torque sensor is used. Is applied with a bending moment due to the transfer weight of the arm and the distance from the load to the load (the distance from the center of the torque sensor to the load) and the operating acceleration (inertia moment of the arm and the load).
  • the point of force (or the point of action) is located on one side in the diameter direction of the torque sensor around the torque sensor, when the load is at 0 ° or 180 ° on the first axis, and when the load is on the second axis.
  • the torque sensor does not receive interference from other axes, and the sensor output becomes zero.
  • the torque sensor When the torque sensor is used for a robot arm, one end of the arm is fixed to the torque sensor side, and the other end is at a position away from the torque sensor. That is, when the torque sensor side is the fulcrum, the point of force (or the point of action) as a load is at a position distant from the fulcrum. In addition, the position of the load is not always on two orthogonal axes passing through the center of the disk-shaped torque sensor. For this reason, the torque sensor receives another axis interference due to the bending moment. In this case, a large other-axis interference occurs particularly with respect to a load at a position shifted by 45 ° from the first axis and the second axis.
  • the embodiment of the present invention provides a torque sensor supporting device capable of preventing a bending moment other than torque from being generated in a torque sensor and improving detection accuracy of the torque sensor.
  • the support device for a torque sensor includes a first structure, a second structure, a third structure provided between the first structure and the second structure, and a first structure.
  • a torque sensor support device comprising: a structure and at least two sensor units provided between the second structure; a first mounting unit provided on the first structure; A second mounting portion connected to the second structure and to which a torque is applied, a first support provided on the first mounting portion, a second support interlocked with the second structure, A plurality of rotating bodies provided between the first support and the second support.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a torque sensor support device according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a sectional view showing an example of a torque sensor support device according to the second embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of a robot arm to which the embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a plan view showing an example of a torque sensor to which the embodiment is applied.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a rotation angle of a robot arm and a sensor output, and illustrates a comparison between the present embodiment and a comparative example. The figure shown for demonstrating the bending moment which arises in a torque sensor.
  • FIG. 13 is a sectional view showing an example of a torque sensor support device according to a third embodiment. Sectional drawing which shows an example of the support apparatus of the torque sensor which concerns on 4th Embodiment.
  • FIG. 3 shows an example of an articulated robot, that is, a robot arm 30.
  • the robot arm 30 includes, for example, a base 31, a first arm 32, a second arm 33, a third arm 34, a fourth arm 35, a first drive unit 36, a second drive unit 37 as a drive source, and a third drive unit. 38, and a fourth driving unit 39.
  • the configuration of the robot arm 30 is not limited to this, and can be deformed.
  • the first arm 32 is rotatable with respect to the base 31 by the first drive unit 36 provided on the first joint J1.
  • the second arm 33 is rotatable with respect to the first arm 32 by a second driving unit 37 provided at the second joint J2.
  • the third arm 34 is rotatable with respect to the second arm 33 by a third drive unit 38 provided at the third joint J3.
  • the fourth arm 35 is rotatably provided with respect to the third arm 34 by a fourth drive unit 39 provided at the fourth joint J4. Hands and various tools (not shown) are mounted on the fourth arm 35.
  • the first to fourth driving units 36 to 39 include, for example, a motor, a reduction gear, and a torque sensor, which will be described later.
  • FIG. 4 shows an example of a disk-shaped torque sensor 40 applied to the present embodiment.
  • the torque sensor 40 includes a first structure 41, a second structure 42, a plurality of third structures 43, a first strain sensor 44 and a second strain sensor 45 as a sensor unit, and the like.
  • the first structure 41 and the second structure 42 are formed in a ring shape, and the diameter of the second structure 42 is smaller than the diameter of the first structure 41.
  • the second structure 42 is arranged concentrically with the first structure 41, and the first structure 41 and the second structure 42 are connected by a third structure 43 as a plurality of radially arranged beams. Have been.
  • the plurality of third structures 43 transmit torque between the first structure 41 and the second structure 42.
  • the second structure 42 has a hollow portion 42a, and, for example, a wiring (not shown) is passed through the hollow portion 42a.
  • the first structure 41, the second structure 42, and the plurality of third structures 43 are made of metal, for example, stainless steel. However, as long as mechanical strength sufficient for applied torque can be obtained. It is also possible to use materials other than metals.
  • the first structure 41, the second structure 42, and the plurality of third structures 43 have, for example, the same thickness.
  • the mechanical strength of the torque sensor 40 is set by the thickness, width, and length of the third structure 43.
  • a first strain sensor 44 and a second strain sensor 45 are provided between the first structure 41 and the second structure 42. Specifically, one end of a strain body 44a forming the first strain sensor 44 and one end of a strain body 45a forming the second strain sensor 45 are joined to the first structure 41, and the strain body 44a, The other end of 45a is joined to the second structure 42.
  • the thickness of the strain bodies 44a and 45a is smaller than the thickness of the first structure 41, the second structure 42, and the plurality of third structures 43.
  • a plurality of unillustrated strain gauges as sensor elements are provided on the surfaces of the strain generating bodies 44a and 45a, respectively.
  • a first bridge circuit is configured by the sensor element provided on the strain body 44a, and a second bridge circuit is configured by the sensor element provided on the strain body 45a. That is, the torque sensor 40 includes two bridge circuits.
  • the first strain sensor 44 and the second strain sensor 45 are arranged symmetrically with respect to the center of the first structure 41 and the second structure 42 (the center of action of torque). In other words, the first strain sensor 44 and the second strain sensor 45 are arranged on the diameter of the first and second annular structures 41 and 42.
  • the first strain sensor 44 (strain body 44a) is connected to the flexible board 46
  • the second strain sensor 45 (strain body 45a) is connected to the flexible board 47.
  • the flexible boards 46 and 47 are connected to a printed board (not shown) covered by a cover 48.
  • An operational amplifier for amplifying the output voltages of the two bridge circuits is disposed on the printed circuit board. Since the circuit configuration is not the essence of the present embodiment, the description is omitted.
  • the torque sensor 40 is deformed with respect to the torque (Mz), and the deformation of the bending moment other than the torque (Mx, My) is suppressed by the support device described later.
  • FIG. 1 shows a first embodiment.
  • a first driving unit 36 As shown in FIG. 1, for example, in a first joint J ⁇ b> 1, a first driving unit 36, a torque sensor 40, and a rolling bearing as a support device for supporting the torque sensor 40, for example, a ball bearing (hereinafter, referred to as a bearing) ) 20 are provided.
  • a ball bearing hereinafter, referred to as a bearing
  • the torque sensor 40 is provided on the upper part of the base 31 as a first mounting part. Specifically, the first structure 41 of the torque sensor 40 is fixed to an upper portion of the base 31 by a plurality of bolts (not shown).
  • the first drive unit 36 is provided on the first surface (front surface) of the torque sensor 40 inside the first arm 32 as the second attachment unit.
  • the first drive unit 36 is configured by, for example, a motor 36a and a speed reducer 36b.
  • the speed reducer 36b includes, for example, a case 36b-1, an output shaft 36b-2, a bearing 36b-3, and a plurality of gears (not shown).
  • the output shaft 36b-2 is connected to the shaft 36a-1 of the motor 36a via a plurality of gears (not shown), and is provided rotatably with respect to the case 36b-1 by bearings 36b-3.
  • the second structure 42 of the torque sensor 40 is fixed to the output shaft 36b-2 of the speed reducer 36b by a plurality of bolts (not shown).
  • the case 36b-1 of the speed reducer 36b is fixed to the first arm 32.
  • the bearing 20 includes an outer ring 21 as a first support, an inner ring 22 as a second support, and a plurality of balls 23 as a third support.
  • the bearing 20 is provided on the first surface (front surface) side of the torque sensor 40.
  • the outer ring 21 of the bearing 20 is fixed to the base 31, and the inner ring 22 is fixed to the case 36b-1 of the speed reducer 36b.
  • FIG. 1 shows a case where a so-called radial bearing is applied as the bearing 20.
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to apply a bearing having another configuration such as a thrust bearing.
  • the third support is not limited to the ball 23 but may be a rotating body such as a roller.
  • the bearing 20 When the bearing 20 receives a force in the direction in which the inner ring 22 rotates with respect to the outer ring 21, the inner ring 22 rotates with respect to the outer ring 21. On the other hand, when the bearing 20 receives a force other than the rotation direction, the deformation is suppressed by the rigidity of the outer ring 21, the inner ring 22, and the ball 23.
  • the material of the ball 23 and the roller as the rotating body is a material containing iron, for example, a steel material such as stainless steel, cast iron, or ceramics.
  • the number of balls 23 and rollers as rotating bodies is four or more, and the rotating bodies are arranged at equal intervals. These balls 23 and rollers are respectively arranged on the same radius.
  • each rotating body is located at 45 °, 135 °, 225 °, 315 ° with respect to the first strain sensor 44 of the torque sensor 40, for example. Be placed.
  • the rigidity of the bearing 20 as a supporting device including the first support 21, the second support 22, and the ball 23 is equal to or higher than the rigidity of the third structure 43 of the torque sensor 40.
  • the outer ring 21 of the bearing 20 as a supporting device is fixed to the base 31 of the robot arm 30 to which the first structure 41 of the torque sensor 40 is fixed, and the inner ring 22 is fixed to the torque sensor 40.
  • the second structure 42 is fixed to the fixed speed reducer 36 b and the first arm 32. Therefore, the bearing 20 can suppress the displacement of the torque sensor 40 due to a bending moment other than the torque with respect to the torque sensor 40. Therefore, the torque sensor 40 can suppress interference with other axes, and can improve the accuracy of torque detection by the torque sensor 40.
  • FIG. 5 shows the relationship between the rotation angle (load setting angle) of the robot arm 30 with respect to the base 31 and the output signal of the torque sensor 40.
  • a and a bearing as a support device are shown.
  • B is shown.
  • the robot arm 30 is rotatable 360 ° around the torque sensor 40.
  • the bearing 20 when the bearing 20 is provided as in the first embodiment, the bearing 20 can suppress the displacement of the torque sensor 40 due to a force in a direction other than the torque applied to the torque sensor 40.
  • the other axis interference can be suppressed in the torque sensor 40, as shown in FIG. 5A, at 45 °, 135 °, 225 °, 315 ° with respect to the first axis, the torque sensor 40 Generation of a sensor output can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the accuracy of torque detection by the torque sensor 40.
  • FIG. 2 shows a second embodiment.
  • the second embodiment is a modification of the first embodiment.
  • the bearing 20 as a support device is provided between the base 31 and the speed reducer 36b and the first arm 32 on the first surface (front surface) side of the torque sensor 40.
  • the bearing 20 is provided on the second surface (back surface) side of the torque sensor 40.
  • the bearing 20 is provided on the second surface side of the torque sensor 40 with the fourth support 24 interposed therebetween.
  • the fourth support 24 has, for example, a circular shape having substantially the same diameter as the second structure 42 of the torque sensor 40 and is made of the same material as the torque sensor 40.
  • the fourth support 24 is fixed to the second structure 42 of the torque sensor 40 by, for example, a bolt (not shown).
  • the bearing 20 is provided between the periphery of the fourth support 24 and the inner surface of the base 31. That is, the inner ring 22 of the bearing 20 is fixed around the fourth support 24, and the outer ring 21 is fixed to the inner surface of the base 31.
  • bearing 20 is not limited to a radial bearing, and a bearing having another configuration such as a thrust bearing can be used.
  • the third support is not limited to the ball 23 but may be a rotating body such as a roller.
  • the torque is The displacement of the second structure 42 of the sensor 40 is suppressed by the fourth support 24 and the bearing 20. Therefore, displacement of the second structure 42 of the torque sensor 40 with respect to the first structure 41 due to a bending moment other than the torque (Mx, My) is suppressed. Therefore, the output of the detection signal for the bending moment other than the torque (Mx, My) by the torque sensor 40 is suppressed.
  • the fourth support 24 and the bearing 20 are provided between the second structure 42 and the base 31 on the second surface side of the torque sensor 40.
  • the torque sensor 40 can suppress other-axis interference, and can suppress generation of a sensor output from the torque sensor 40 as shown in FIG. Therefore, it is possible to improve the accuracy of torque detection by the torque sensor 40.
  • the torque sensor 40 is not subjected to a bending moment (Mx, My) other than the torque with respect to the torque sensor 40. Can be reliably prevented.
  • the first structure 41 of the torque sensor 40 is connected to the base 31, and the second structure 42 is connected to the output shaft 36b-2 of the speed reducer 36b.
  • the first structure 41 of the torque sensor 40 is connected to the output shaft 36b-2 of the speed reducer 36b, and the second structure 42 is connected to the base 31.
  • one end of a cylindrical attachment 51a is fixed to the first structure 41 of the torque sensor 40 by, for example, a plurality of bolts (not shown).
  • a case 36b-1 of the speed reducer 36b is fixed to the other end of the attachment 51a by, for example, a plurality of bolts (not shown).
  • the output shaft 36b-2 of the speed reducer 36b is provided on the case 36b-1 via a bearing 36b-3, and is fixed to the first arm 32. Further, the output shaft 36b-2 is connected to a shaft 36a-1 of a motor 36a via a plurality of gears (not shown), and the motor 36a is provided in a case 36b-1.
  • the second structure 42 of the torque sensor 40 is fixed to the base 31 by, for example, a plurality of bolts (not shown).
  • the base 31 is connected to, for example, a cylindrical attachment 51b via a bearing 20 as a support, and one end of the attachment 51b is fixed to the first structure 41 of the torque sensor 40 by, for example, a plurality of bolts (not shown). ing.
  • the bearing 20 is provided as a support device.
  • a fourth embodiment shown in FIG. 8 is a modification of the first embodiment, and includes a groove 31a provided in a base 31 as a support device and a plurality of balls provided in the groove 31a.
  • a roller is used.
  • the configurations of the torque sensor 40, the motor 36a, the speed reducer 36b, and the first arm 32 are the same as those in the first embodiment. That is, the second structure 42 of the torque sensor 40 is fixed to the output shaft 36b-2 of the speed reducer 36b by a bolt (not shown).
  • the first structure 41 of the torque sensor 40 is fixed to the base 31 with a plurality of bolts (not shown).
  • an annular groove 31a is provided corresponding to the second structure 42 of the torque sensor 40, and a plurality of balls 61 as a rotating body are provided in the groove 31a.
  • the ball 61 for example, a steel ball having sufficient rigidity can be used, and the ball 61 is in contact with the second structure 42 of the torque sensor 40 and is rotatable in the groove 31a.
  • the rotating body is not limited to the ball 61, and a roller that can rotate in the groove 31a and can contact the second structure 42 of the torque sensor 40 can be applied.
  • the torque is The deformation of the second structure 42 of the sensor 40 is suppressed by the rigidity of the plurality of balls 61. For this reason, the displacement of the second structure 42 with respect to the first structure 41 of the torque sensor 40 is suppressed with respect to the bending moment other than the torque (Mx, My). Therefore, the output of the detection signal for the bending moment other than the torque (Mx, My) by the torque sensor 40 is suppressed.
  • the bearing 20 is provided on the base 31 of the first joint J1.
  • the present invention is not limited to the first joint J1, and the bearing 20 may be applied to the second to fourth joints J2 to J4. It is possible.
  • the bearing 20 is applied to the second to fourth joints J2 to J4, the same effect as when the bearing 20 is provided for the first joint J1 can be obtained.
  • the torque sensor 40 has two sensor units of the first strain sensor 44 and the second strain sensor 45 has been described.
  • the present invention is not limited to this, and any configuration may be used as long as it is possible to obtain three pieces of axis information of Mx, My, and Mz necessary for suppressing other axis interference. Therefore, the first to fourth embodiments can be applied to a torque sensor that can obtain information of three or less axes.
  • the present invention is not limited to the above embodiments as they are, and may be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention at the stage of implementation.
  • Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Further, components of different embodiments may be appropriately combined.

Abstract

トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントが生じることを防止でき、トルクセンサの検出精度を向上させることが可能なトルクセンサの支持装置。第１支持体２１は、ロボットの第１取り付け部としての基台３１に設けられる。第２支持体２２は、基台３１に設けられた第１構造体４１と、第２取り付け部としての第１アーム３２に連結された第２構造体４２と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた第３構造体４３と、第１構造体と第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部４４、４５とを具備するトルクセンサ４０の第２構造体４２に連結される。回転体２３は、第１支持体２１と第２支持体２２との間に設けられている。

Description

トルクセンサの支持装置
　本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に適用されるトルクセンサに係わり、トルクセンサを支持する支持装置に関する。
　トルクセンサは、トルクが印加される第１構造体と、トルクが出力される第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを連結する梁としての複数の起歪部とを有し、これら起歪部にセンサ素子としての複数の歪ゲージが配置されている。これら歪ゲージによりブリッジ回路が構成されている（例えば特許文献１、２、３参照）。
　自動車のエンジン等の出力部に生じるトルクを測定するトルク量変換器において、トルク以外の曲げ応力の影響を低減する技術が開発されている（例えば特許文献４参照）。
特開２０１３－０９６７３５号公報 特開２０１５－０４９２０９号公報 特開２０１７－１７２９８３号公報 特開２０１０－１６９５８６号公報
　円盤状のトルクセンサの第１構造体をロボットアーム（以下、単にアームとも言う）の例えばベース部に固定し、第２構造体をアームの例えば駆動部に固定して使用する場合、トルクセンサにはアームの搬送重量と負荷までの距離（トルクセンサの中心から搬送物までの距離）、動作加速度（アームや負荷の慣性モーメント）に伴う曲げモーメントが加わる。
　一般に、円盤状のトルクセンサの直径方向に配置された例えば２つの起歪部(以下、起歪体とも言う)を通る第１軸線上の両側に均等で荷重の方向が互いに反対の負荷がある場合、トルクセンサに曲げモーメントが加わるが、２つの起歪体には、対称の歪しか生じないため、トルクセンサに対する曲げモーメントに伴うセンサ出力は、理論上、ゼロとなる。すなわち、トルクセンサは、トルク以外の他の軸の干渉（以下、他軸干渉と呼ぶ）を受けない。同様の負荷が、第１軸線と直交する第２軸線上に負荷がある場合、又は、第１軸線及び第２軸線から傾斜した位置にある場合においても、トルクセンサは、理論上、他軸干渉を受けない。
　また、トルクセンサを中心として力点（又は作用点）がトルクセンサの直径方向の片側にある場合において、負荷が第１軸線上で０°又は１８０°の位置にある場合、及び第２軸線上で９０°又は２７０°の位置にある場合、トルクセンサに曲げモーメントが加わるが、２つの起歪体により相殺される。このため、トルクセンサは他軸干渉を受けず、センサ出力は、ゼロとなる。
　トルクセンサがロボットアームに利用される場合において、アームの一端はトルクセンサ側に固定され、他端はトルクセンサから離れた位置にある。すなわち、トルクセンサ側が支点である場合、負荷としての力点（又は作用点）は、支点から離れた位置にある。しかも、負荷の位置が円盤状のトルクセンサの中心を通る直交した２つの軸線上にあるとは限らない。このため、トルクセンサは、曲げモーメントによる他軸干渉を受ける。この場合、特に第１軸線及び第２軸線上から４５°ずれた位置の負荷に対して、大きな他軸干渉が発生する。具体的には、アームの回転角が４５°、１３５°、２２５°、３１５°において、センサ出力のピークが発生する。センサ出力を正弦波と仮定した場合、１周期に２つのピークが発生するため、これをf２成分と呼ぶ。
　このように、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントが生じることにより、他軸干渉によって、ｆ２成分が生じる。このため、トルクセンサの検出精度が低下していた。
　本発明の実施形態は、トルクセンサにトルク以外の曲げモーメントが生じることを防止でき、トルクセンサの検出精度を向上させることが可能なトルクセンサの支持装置を提供する。
　本実施形態のトルクセンサの支持装置は、第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサの支持装置であって、前記第１構造体に設けられた第１取り付け部と、前記第２構造体に連結され、トルクが印加される第２取り付け部と、前記第１取り付け部に設けられた第１支持体と、前記第２構造体と連動する第２支持体と、前記第１支持体と前記第２支持体との間に設けられた複数の回転体と、を具備する。
第１実施形態に係るトルクセンサの支持装置の一例を示す断面図。 第２実施形態に係るトルクセンサの支持装置の一例を示す断面図。 本実施形態が適用されるロボットアームの一例を示す斜視図。 本実施形態が適用されるトルクセンサの一例を示す平面図。 ロボットアームの回転角とセンサ出力との関係を示す図であり、本実施形態と比較例とを比較して示す図。 トルクセンサに生じる曲げモーメントを説明するために示す図。 第３実施形態に係るトルクセンサの支持装置の一例を示す断面図。 第４実施形態に係るトルクセンサの支持装置の一例を示す断面図。
　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。
　先ず、図３、図４を参照して、本実施形態が適用されるロボットアーム３０、及びトルクセンサ４０について説明する。
　図３は、多関節ロボット、すなわち、ロボットアーム３０の一例を示している。ロボットアーム３０は、例えば基台３１、第１アーム３２、第２アーム３３、第３アーム３４、第４アーム３５、駆動源としての第１駆動部３６、第２駆動部３７、第３駆動部３８、第４駆動部３９を具備している。しかし、ロボットアーム３０の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。
　第１アーム３２は、第１関節Ｊ１に設けられた第１駆動部３６により、基台３１に対して回転可能とされている。第２アーム３３は、第２関節Ｊ２に設けられた第２駆動部３７により、第１アーム３２に対して回転可能とされている。第３アーム３４は、第３関節Ｊ３に設けられた第３駆動部３８により、第２アーム３３に対して回転可能とされている。第４アーム３５は、第４関節Ｊ４に設けられた第４駆動部３９により、第３アーム３４に対して回転可能に設けられている。第４アーム３５に図示せぬハンドや各種のツールが装着される。
　第１駆動部３６～第４駆動部３９は、例えば後述するモータと、減速機と、トルクセンサとを具備している。
　図４は、本実施形態に適用される円盤状のトルクセンサ４０の一例を示している。トルクセンサ４０は、第１構造体４１と、第２構造体４２と、複数の第３構造体４３と、センサ部としての第１歪センサ４４及び第２歪センサ４５などを具備している。
　第１構造体４１と、第２構造体４２は、環状に形成され、第２構造体４２の径は、第１構造体４１の径より小さい。第２構造体４２は、第１構造体４１と同心状に配置され、第１構造体４１と第２構造体４２は、放射状に配置された複数の梁部としての第３構造体４３により連結されている。複数の第３構造体４３は、第１構造体４１と第２構造体４２との間でトルクを伝達する。第２構造体４２は、中空部４２aを有しており、中空部４２aには、例えば図示せぬ配線が通される。
　第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、金属、例えばステンレス鋼により構成されるが、印加されるトルクに対して機械的に十分な強度を得ることができれば、金属以外の材料を使用することも可能である。第１構造体４１、第２構造体４２、複数の第３構造体４３は、例えば同じ厚みを有している。トルクセンサ４０の機械的な強度は、第３構造体４３の厚みや幅、長さにより設定される。
　第１構造体４１と第２構造体４２との間には、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５が設けられている。具体的には、第１歪センサ４４を構成する起歪体４４ａと、第２歪センサ４５を構成する起歪体４５ａの一端部は、第１構造体４１に接合され、起歪体４４ａ、４５ａの他端部は、第２構造体４２に接合されている。起歪体４４ａ、４５ａの厚みは、第１構造体４１、第２構造体４２、及び複数の第３構造体４３の厚みより薄い。
　起歪体４４ａ、４５ａの表面には、センサ素子としての図示せぬ複数の歪ゲージがそれぞれ設けられている。起歪体４４ａに設けられたセンサ素子により第１ブリッジ回路が構成され、起歪体４５ａに設けられたセンサ素子により第２ブリッジ回路が構成される。すなわち、トルクセンサ４０は、２つのブリッジ回路を具備している。
　また、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、第１構造体４１及び第２構造体４２の中心（トルクの作用中心）に対して対称な位置に配置されている。換言すると、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５は、環状の第１構造体４１及び第２構造体４２の直径上に配置されている。
　第１歪センサ４４（起歪体４４ａ）はフレキシブル基板４６に接続され、第２歪センサ４５（起歪体４５ａ）はフレキシブル基板４７に接続されている。フレキシブル基板４６、４７は、カバー４８により覆われた図示せぬプリント基板に接続されている。プリント基板には、２つのブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器などが配置されている。回路構成は、本実施形態の本質ではないため、説明は省略する。
　本実施形態において、トルクセンサ４０は、トルク（Ｍｚ）に対して変形し、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、後述する支持装置により、変形が抑制される。
（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態を示している。
　図１に示すように、例えば第１関節Ｊ１内には、第１駆動部３６と、トルクセンサ４０と、トルクセンサ４０を支持する支持装置としての転がり軸受け、例えばボールベアリング（以下、ベアリングと称す）２０が設けられている。
　トルクセンサ４０は、第１取り付け部としての基台３１の上部に設けられている。具体的には、トルクセンサ４０の第１構造体４１は、図示せぬ複数のボルトにより、基台３１の上部に固定される。
　第１駆動部３６は、第２取り付け部としての第１アーム３２の内部で、トルクセンサ４０の第１面（表面）に設けられる。第１駆動部３６は、例えばモータ３６ａと減速機３６ｂとにより構成される。減速機３６ｂは、例えばケース３６ｂ－１と、出力軸３６ｂ－２と、ベアリング３６ｂ－３と、図示せぬ複数のギヤなどを具備している。出力軸３６ｂ－２は、図示せぬ複数のギヤを介してモータ３６ａのシャフト３６ａ－１に連結され、ベアリング３６ｂ－３により、ケース３６ｂ－１に対して回転可能に設けられている。
　トルクセンサ４０の第２構造体４２は、減速機３６ｂの出力軸３６ｂ－２に図示せぬ複数のボルトにより固定される。減速機３６ｂのケース３６ｂ－１は、第１アーム３２に固定される。
　図１に示すように、ベアリング２０は、第１支持体としての外輪２１と、第２支持体としての内輪２２と、第３支持体としての複数のボール２３とを具備している。
　ベアリング２０は、トルクセンサ４０の第１面（表面）側に設けられている。ベアリング２０の外輪２１は、基台３１に固定され、内輪２２は、減速機３６ｂのケース３６ｂ－１に固定される。
　図１は、ベアリング２０として所謂ラジアル軸受を適用した場合を示している。しかし、これに限らず、例えばスラスト軸受などの他の構成のベアリングを適用することも可能である。
　また、第３支持体はボール２３に限定されるものではなく、例えばローラのような回転体であってもよい。
　ベアリング２０は、外輪２１に対して内輪２２が回転する方向の力を受けた場合、内輪２２は、外輪２１に対して回転する。一方、ベアリング２０は、回転方向以外の力を受けた場合、外輪２１、内輪２２、及びボール２３が有する剛性により、変形が抑制される。
　回転体としてのボール２３やローラの材料は、鉄を含む材料、例えばステンレスなどの鋼材、鋳鉄、又はセラミックスである。
　回転体としてのボール２３やローラの数は、４個以上であり、各回転体は、等間隔に配置される。これらボール２３やローラは、同一半径上にそれぞれ配置される。
　回転体の数が４個である場合、各回転体は、図６に示すように、トルクセンサ４０の例えば第１歪センサ４４を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°の位置に配置される。
　また、第１支持体２１、第２支持体２２、及びボール２３を含む支持装置としてのベアリング２０の剛性は、トルクセンサ４０の第３構造体４３の剛性と同等以上である。
　上記構成において、モータ３６ａにより減速機３６ｂが駆動されると、ベアリング２０の内輪２２が外輪２１に対して回転し、第１アーム３２が回転する。これとともに、減速機３６ｂからトルク（Ｍｚ）がトルクセンサ４０に印加され、トルクセンサ４０の第２構造体４２は、第１構造体４１に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位することにより、トルクが検出される。
　一方、第１アーム３２乃至第４アーム３５が動作し、トルクセンサ４０に搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴い、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加される場合、ベアリング２０は、外輪２１、内輪２２、及びボール２３が有する剛性により、変形が抑制される。このため、減速機３６ｂの変形が抑制され、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、トルクセンサ４０の第１構造体４１に対する第２構造体４２の変位が抑制される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力が抑制される。
（第１実施形態の効果）
　上記第１実施形態によれば、支持装置としてのベアリング２０の外輪２１をトルクセンサ４０の第１構造体４１が固定されたロボットアーム３０の基台３１に固定し、内輪２２をトルクセンサ４０の第２構造体４２が固定された減速機３６ｂと第１アーム３２に固定している。このため、ベアリング２０により、トルクセンサ４０に対するトルク以外の曲げモーメントによるトルクセンサ４０の変位を抑制することができる。したがって、トルクセンサ４０は、他軸干渉を抑制することができ、トルクセンサ４０によるトルクの検出精度を向上させることが可能である。
　図５は、基台３１に対するロボットアーム３０の回転角（負荷の設置角度）とトルクセンサ４０の出力信号との関係を示すものであり、第１実施形態の場合Ａと、支持装置としてのベアリング２０を持たない比較例の場合Ｂとを示している。
　第１実施形態のように、トルクセンサ４０がロボットアーム３０の例えば第１関節Ｊ１内に配置される場合において、ロボットアーム３０は、トルクセンサ４０を中心として３６０°回転可能とされている。
　図６に示すように、トルクセンサ４０の第１歪センサ４４と第２歪センサ４５を通る第１軸線上をロボットアーム３０の力点（又は作用点）としての負荷が移動する場合、又は、第１軸線と直交する第２軸線上を負荷が移動する場合、曲げモーメントが生じるが、これらの軸線上であれば、他軸干渉は理論上ゼロとなる。しかし、第１軸線及び第２軸線以外に負荷が移動した場合、ロボットアーム３０の搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴う曲げモーメントがトルクセンサ４０に生じる。したがって、第１実施形態に係るベアリング２０が無い場合、トルクセンサ４０は、他軸の干渉を受け、大きなレベルのセンサ出力が発生する。
　すなわち、図５にＢで示すように、第１軸線及び第２軸線上からずれた位置に負荷が移動した場合、トルクセンサ４０において他軸干渉が発生し、ロボットアーム３０の回転角が第１軸線を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°において、大きなピークのセンサ出力が発生する。
　これに対して、第１実施形態のように、ベアリング２０を設けた場合、ベアリング２０により、トルクセンサ４０に対するトルク以外の方向の力によるトルクセンサ４０の変位を抑制することができる。これにより、トルクセンサ４０において他軸干渉を抑制することができるため、図５のＡに示すように、第１軸線を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°において、トルクセンサ４０からセンサ出力が発生することを抑制することができる。したがって、トルクセンサ４０によるトルクの検出精度を向上させることが可能である。
（第２実施形態）
　図２は、第２実施形態を示している。第２実施形態は、第１実施形態を変形したものである。第１実施形態において、支持装置としてのベアリング２０は、トルクセンサ４０の第１面（表面）側で、基台３１と減速機３６ｂ及び第１アーム３２との間に設けた。これに対して、第２実施形態において、ベアリング２０は、トルクセンサ４０の第２面（裏面）側に設けられている。
　具体的には、トルクセンサ４０の第２面側に、第４支持体２４を介在してベアリング２０が設けられる。第４支持体２４は、例えばトルクセンサ４０の第２構造体４２とほぼ同等の直径を有する円形状で、トルクセンサ４０と同様の材料により構成されている。第４支持体２４は、トルクセンサ４０の第２構造体４２に例えば図示せぬボルトにより固定される。
　ベアリング２０は、第４支持体２４の周囲と基台３１の内面との間に設けられる。すなわち、ベアリング２０の内輪２２は、第４支持体２４の周囲に固定され、外輪２１は、基台３１の内面に固定される。
　尚、ベアリング２０は、ラジアル軸受に限らず、例えばスラスト軸受などの他の構成のベアリングを適用することも可能である。
　また、第３支持体はボール２３の限定されるものではなく、例えばローラのような回転体であってもよい。
　上記構成において、モータ３６ａにより減速機３６ｂが駆動されると、第１アーム３２が回転する。これとともに、減速機３６ｂからトルク（Ｍｚ）がトルクセンサ４０に印加され、トルクセンサ４０の第２構造体４２は、第４支持体２４と共に第１構造体４１に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位する。すなわち、第４支持体２４は、ベアリング２０により、基台３１に対して、第２構造体４２と共に回転される。トルクセンサ４０の第２構造体４２が第１構造体４１に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位することにより、トルクが検出される。
　一方、第１アーム３２乃至第４アーム３５が動作し、トルクセンサ４０に搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴い、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加される場合、トルクセンサ４０の第２構造体４２の変位が第４支持体２４と、ベアリング２０とにより抑制される。このため、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントにより、トルクセンサ４０の第２構造体４２が第１構造体４１に対して変位することが抑制される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力が抑制される。
（第２実施形態の効果）
　第２実施形態によれば、トルクセンサ４０の第２面側で、第２構造体４２と基台３１との間に第４支持体２４及びベアリング２０を設けている。このため、トルクセンサ４０は、他軸干渉を抑制することができ、トルクセンサ４０から図５のＡに示すように、センサ出力が発生することを抑制することができる。したがって、トルクセンサ４０によるトルクの検出精度を向上させることが可能である。
　しかも、第４支持体２４をトルクセンサ４０の第２構造体４２とベアリング２０との間に設けているため、トルクセンサ４０に対するトルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、トルクセンサ４０の変位を確実に防止することが可能である。
（第３実施形態）
　上記第１、第２実施形態は、トルクセンサ４０の第１構造体４１が基台３１に連結され、第２構造体４２が減速機３６ｂの出力軸３６ｂ－２に連結されていた。これに対して、図７に示す第３実施形態は、トルクセンサ４０の第１構造体４１が減速機３６ｂの出力軸３６ｂ－２に連結され、第２構造体４２が基台３１に連結される。
　図７において、トルクセンサ４０の第１構造体４１には、例えば円筒状のアタッチメント５１ａの一端が例えば図示せぬ複数のボルトにより固定される。アタッチメント５１ａの他端部に減速機３６ｂのケース３６ｂ－１が例えば図示せぬ複数のボルトにより固定される。減速機３６ｂの出力軸３６ｂ－２は、ベアリング３６ｂ－３を介してケース３６ｂ－１に設けられるとともに、第１アーム３２に固定される。さらに、出力軸３６ｂ－２は、図示せぬ複数のギヤを介してモータ３６ａのシャフト３６ａ－１に連結され、モータ３６ａは、ケース３６ｂ－１に設けられている。
　一方、トルクセンサ４０の第２構造体４２は、基台３１に例えば図示せぬ複数のボルトにより固定される。基台３１は、支持体としてのベアリング２０を介して例えば円筒状のアタッチメント５１ｂに連結され、アタッチメント５１ｂの一端は、例えば図示せぬ複数のボルトによりトルクセンサ４０の第１構造体４１に固定されている。
　上記構成において、モータ３６ａにより減速機３６ｂが駆動されると、第１アーム３２が回転する。これとともに、減速機３６ｂからトルク（Ｍｚ）がトルクセンサ４０の第１構造体４１に印加される。第１構造体４１は、ベアリング２０を介して第２構造体４２に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位する。これにより、トルクが検出される。
　一方、第１アーム３２乃至第４アーム３５が動作し、トルクセンサ４０に搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴い、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加される場合、ベアリング２０は、外輪２１、内輪２２、及びボール２３が有する剛性により、変形が抑制される。このため、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、トルクセンサ４０の第２構造体４２に対する第１構造体４１の変位が抑制される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力が抑制される。
　第３実施形態によっても、第１、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第４実施形態）
　第１乃至第３実施形態は、支持装置としてのベアリング２０を設けた。これに対して、図８に示す第４実施形態は、第１実施形態を変形したものであり、支持装置として基台３１に設けられた溝３１ａと、溝３１ａ内に設けられた複数のボール又はローラを用いている。
　図８において、トルクセンサ４０とモータ３６ａ、減速機３６ｂ、及び第１アーム３２の構成は、第１実施形態と同様である。すなわち、トルクセンサ４０の第２構造体４２は、減速機３６ｂの出力軸３６ｂ－２に図示せぬボルトにより固定されている。
　一方、トルクセンサ４０の第１構造体４１は、基台３１に図示せぬ複数のボルトにより固定されている。基台３１の中央部には、トルクセンサ４０の第２構造体４２に対応して環状の溝３１ａが設けられ、この溝３１ａ内に回転体としての複数のボール６１が設けられている。ボール６１は、十分な剛性を有する例えば鋼球を適用することが可能であり、トルクセンサ４０の第２構造体４２に接触され、溝３１ａ内を回転可能とされている。
　回転体は、ボール６１に限定されるものではなく、溝３１ａ内に回転可能で、トルクセンサ４０の第２構造体４２に接触可能なローラを適用することも可能である。
　上記構成において、モータ３６ａにより減速機３６ｂが駆動されると、第１アーム３２が回転する。これとともに、減速機３６ｂからトルク（Ｍｚ）がトルクセンサ４０の第２構造体４２に印加される。第２構造体４２は、第１構造体４１に対してトルク（Ｍｚ）方向に変位する。これにより、トルクが検出される。
　一方、第１アーム３２乃至第４アーム３５が動作し、トルクセンサ４０に搬送重量と負荷までの距離、及び動作加速度に伴い、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントが印加される場合、トルクセンサ４０の第２構造体４２は、複数のボール６１が有する剛性により、変形が抑制される。このため、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対して、トルクセンサ４０の第１構造体４１に対する第２構造体４２の変位が抑制される。したがって、トルクセンサ４０は、トルク以外（Ｍｘ、Ｍｙ）の曲げモーメントに対する検出信号の出力が抑制される。
　第４実施形態によっても、第１乃至第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
　尚、第１実施形態乃至第４実施形態において、ベアリング２０は、第１関節Ｊ１の基台３１に設けた。ベアリング２０を第１関節Ｊ１に設けることによる他軸干渉の除去効果は大きいが、第１関節Ｊ１に限定されるものではなく、ベアリング２０を第２関節Ｊ２乃至第４関節Ｊ４に適用することも可能である。ベアリング２０を第２関節Ｊ２乃至第４関節Ｊ４に適用した場合も第１関節Ｊ１に設けた場合と同様の効果を得ることが可能である。
　また、トルクセンサ４０は、第１歪センサ４４と第２歪センサ４５との２つのセンサ部を有する場合について説明した。しかし、これに限らず、他軸干渉を抑制するために必要な、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの３つの軸情報を得ることができる構成であればよい。したがって、３軸以下の情報を得ることができるトルクセンサに第１実施形態乃至第４実施形態を適用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。

Claims (14)

  1. 　第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサの支持装置であって、
    　前記第１構造体に設けられた第１取り付け部と、
    　前記第２構造体に連結され、トルクが印加される第２取り付け部と、
    　前記第１取り付け部に設けられた第１支持体と、
    　前記第２構造体と連動する第２支持体と、
    　前記第１支持体と前記第２支持体との間に設けられた複数の回転体と、
    　を具備するトルクセンサの支持装置。
  2. 　第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサの支持装置であって、
    　前記第２構造体に設けられた第１取り付け部と、
    　前記第１構造体に設けられ、トルクが印加される第２取り付け部と、
    　前記第１取り付け部に設けられた第１支持体と、
    　前記第２取り付け部に連結された第２支持体と、
    　前記第１支持体と前記第２支持体との間に設けられた複数の回転体と、
    　を具備するトルクセンサの支持装置。
  3. 　第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた第３構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられた少なくとも２つのセンサ部と、を具備するトルクセンサの支持装置であって、
    　前記第１構造体に設けられた第１取り付け部と、
    　前記第２構造体に連結された第２取り付け部と、
    　前記第１取り付け部の前記第２構造体に対応する位置に設けられた溝と、
    　前記溝内に設けられ、前記第２構造体に接触された複数の回転体と、
    　を具備するトルクセンサの支持装置。
  4. 　前記第２取り付け部は、駆動部を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトルクセンサの支持装置。
  5. 　前記第２取り付け部、前記第１支持体、前記第２支持体及び前記回転体は、前記トルクセンサの第１面側に設けられ、前記第２支持体は、前記第２取り付け部に設けられることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの支持装置。
  6. 　前記第２取り付け部は、前記トルクセンサの第１面側に設けられ、前記第１支持体、前記第２支持体及び前記回転体は、前記トルクセンサの前記第１面と反対の第２面側に設けられ、前記第２支持体と前記第２構造体との間に設けられた第４支持体をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサの支持装置。
  7. 　前記回転体は、ボールとローラの一方であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトルクセンサの支持装置。
  8. 　前記第１支持体、前記第２支持体、及び複数の前記回転体を含む前記トルクセンサの支持装置は、転がり軸受けであることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサの支持装置。
  9. 　前記回転体の材料は、鉄を含む材料であることを特徴とする請求項７記載のトルクセンサの支持装置。
  10. 　前記回転体の材料は、セラミックスであることを特徴とする請求項７記載のトルクセンサの支持装置。
  11. 　前記回転体の数は、４個以上であり、各回転体は、等間隔に配置されることを特徴とする請求項７記載のトルクセンサの支持装置。
  12. 　前記各回転体は、同一半径上に配置されることを特徴とする請求項７記載のトルクセンサの支持装置。
  13. 　前記回転体の数が４個である場合、各回転体は、１つの前記センサ部を基準として４５°、１３５°、２２５°、３１５°の位置に配置されることを特徴とする請求項７記載のトルクセンサの支持装置。
  14. 　前記第１支持体、前記第２支持体、前記回転体を含む支持装置の剛性は、前記第３構造体と同等以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサの支持装置。
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