(57)【要約】【課題】ロボット等の関節には減速機を備えた関節装置が用いられるが、出力側のトルクと回転角度を高精度に検出することが可能で、しかも小型化の関節装置の実現が期待されていた。【解決手段】固定部材にそれぞれ固定されたモータと減速機と、支持部材と、出力部材とを備え、モータの出力軸と減速機の入力軸とが結合され、減速機の出力軸と支持部材とが結合され、支持部材と出力部材とが弾性体を介して結合され、固定部材には、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、固定部材に対する出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、支持部材には、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、出力部材には、固定部材に対する出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている関節装置である。【選択図】図１
2020116693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材にそれぞれ固定されたモータと減速機と、
支持部材と、
出力部材と、を備える関節装置であって、
前記減速機の出力軸と前記支持部材とが結合され、前記支持部材と前記出力部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とする関節装置。
【請求項２】
前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記減速機の出力軸の回転角度と、
前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記固定部材の回転角度と、
前記弾性体の剛性と、から、
前記出力部に伝達されるトルクを求めて前記モータを制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節装置。
【請求項３】
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の関節装置。
【請求項４】
前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が同一の基板に実装されて前記固定部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の関節装置。
【請求項５】
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の関節装置。
【請求項６】
前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールとが、一体のスケールとして前記固定部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の関節装置。
【請求項７】
前記弾性体は、前記出力部材の回転軸を中心に放射状に配置された複数の板状弾性体で、各板状弾性体の主面が前記出力部材の回転軸を中心とする円周と直交する向きになるように前記支持部材および前記出力部材に結合されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項８】
固定部材に固定されたモータと、
支持部材と、
前記支持部材に固定された減速機と、
出力部材と、を備える関節装置であって、
前記減速機の出力軸と前記出力部材とが結合され、前記固定部材と前記支持部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とする関節装置。
【請求項９】
前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記減速機の出力軸の回転角度と、
前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールおよびセンサを用いて測定した前記固定部材の回転角度と、
前記弾性体の剛性と、から、
前記出力部に伝達されるトルクを求めて前記モータを制御する、
ことを特徴とする請求項８に記載の関節装置。
【請求項１０】
前記出力部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項８または９に記載の関節装置。
【請求項１１】
前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のセンサと、が同一の基板に実装されて前記出力部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項１０に記載の関節装置。
【請求項１２】
前記出力部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、が固定されている、
ことを特徴とする請求項８または９に記載の関節装置。
【請求項１３】
前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールと、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールとが、一体のスケールとして前記出力部材に固定されている、
ことを特徴とする請求項１２に記載の関節装置。
【請求項１４】
前記弾性体は、前記モータの回転軸を中心に放射状に配置された複数の板状弾性体で、各板状弾性体の主面が前記モータの回転軸を中心とする円周と直交する向きになるように前記固定部材および前記支持部材に結合されている、
ことを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の関節装置と、リンクを備える、
ことを特徴とするロボットアーム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のロボットアームにより、物品の組立または加工を行う、
ことを特徴とする物品の製造方法。
【請求項１７】
固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備え、
前記支持部材と前記出力部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記支持部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記固定部材に対する前記支持部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とするトルクおよび回転角の検出装置。
【請求項１８】
固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備え、
前記支持部材と前記固定部材とが弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記支持部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、
前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、
ことを特徴とするトルクおよび回転角の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節ロボットのロボットアームなどに用いる関節装置に関する。特に、減速機を備え、その出力側のトルクと角度を計測するためのセンサを有する関節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、多関節ロボット等の回転関節で用いられる関節装置においては、モータの回転を減速機で減速して出力軸に伝達し、出力軸を回転させている。出力軸の回転を制御するには、モータの回転軸に設けたエンコーダの出力やモータに流れる電流を測定し、モータの駆動にフィードバックすることが一般的に行われていた。しかし、こうした方法では、減速機の摩擦力、粘性力、バックラッシュ、ガタなどの影響を受けるので、出力軸の回転を高精度に制御することは困難であった。
【０００３】
そこで、モータの回転軸の角度やモータに流れる電流に加え、減速機の出力側の角度と出力軸に伝わるトルクを測定してモータにフィードバックする制御方法が試みられている。
例えば、特許文献１には、減速機の出力側にトルクセンサとエンコーダの両方を備えた関節装置が開示されている。モータの回転軸を減速機の入力軸に結合してモータの回転を減速機に伝達し、減速機の出力側のフレクスプラインを出力軸に結合する。モータ回転軸にモータ制御用エンコーダを設け、かつ減速機出力軸には出力軸エンコーダとトルクセンサを設ける。
【０００４】
モータ制御用エンコーダはモータ回転軸の回転を検出し、出力軸エンコーダは減速機出力軸の回転角を検出する。減速機出力軸に設けられたトルクセンサは、センサ膜の磁気抵抗を測定してトルクに換算することにより、負荷からの反力で減速機出力軸に生じるねじれトルクを検出する。そして、これらのセンサが検出した検出信号をもとに、モータのドライバ側にフィードバックする。この工夫により、減速機のバックラッシュ等のガタやヒステリシス特性による出力軸の制御精度の低下を軽減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−５０７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された関節装置では、以下に述べるように、センサの検出精度や装置サイズの点で課題があった。
（１）トルクセンサの精度を高くできない。
トルクセンサには、歪ゲージや磁歪効果を用いたものが知られているが、これらのセンサは測定範囲に対する分解能の比、すなわちダイナミックレンジを高くすることが困難である。つまり、測定範囲を広くしようとすると、分解能が低下してしまう。
多関節ロボットに応用する場合は、アームの自重や搬送品の重量を支えるために根元の関節には大きなトルクがかかる。例えば、全長が５００ｍｍの小型ロボットにおいてさえも、一般的には５０Ｎｍ程度のトルクがかかる。歪ゲージや磁歪効果を用いたトルクセンサでは、例えば１０００レベルにわたるダイナミックレンジを設定できたとしても、５０ｍＮｍの分解能しか確保できない。このため、こうしたトルクセンサを用いたとしても、多関節ロボットを高精度に力制御することは困難で、実用性能が限られる。
【０００７】
（２）高精度なトルクセンサは小型化が困難で、しかもコストが高い。
歪ゲージ等の代わりに弾性体の変形を利用したトルクセンサを採用することも考えられるが、弾性体には、検出するトルクの方向にだけ柔軟で他の方向成分については硬いこと、すなわち剛性比が高い形状であることが求められる。剛性比を高める設計をするには構造設計のパラメータの数が多いほうが有利であるが、一般にパラメータ数が多い構造設計をすると弾性体の形状が複雑になり、小型化が困難になる。さらに、形状が複雑になると、製造コストが高くなるし、場合によっては、機械加工等の一般的な加工方法では実現するのが困難なこともある。
【０００８】
以上のような点から、減速機を備える関節装置において、出力側のトルクと回転角度を高精度に検出することが可能で、しかも小型の関節装置の実現が期待されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、固定部材にそれぞれ固定されたモータと減速機と、支持部材と、出力部材と、を備える関節装置であって、前記減速機の出力軸と前記支持部材とが結合され、前記支持部材と前記出力部材とが弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、前記支持部材には、前記固定部材に対する前記減速機の出力軸の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、ことを特徴とする関節装置である。
【００１０】
また、本発明は、固定部材に固定されたモータと、支持部材と、前記支持部材に固定された減速機と、出力部材と、を備える関節装置であって、前記減速機の出力軸と前記出力部材とが結合され、前記固定部材と前記支持部材とが弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、前記支持部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、ことを特徴とする関節装置である。
【００１１】
また、本発明は、固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備え、前記支持部材と前記出力部材とが弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記固定部材に対する前記支持部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方と、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、前記支持部材には、前記固定部材に対する前記支持部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定され、前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、ことを特徴とするトルクおよび回転角の検出装置である。
【００１２】
また、本発明は、固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備え、前記支持部材と前記固定部材とが弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、前記支持部材には、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサのいずれか一方が固定され、前記出力部材には、前記固定部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記支持部材に対する前記出力部材の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されている、ことを特徴とするトルクおよび回転角の検出装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、減速機を備え、出力側のトルクと回転角度を高精度に検出することが可能で、しかも小型の関節装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１の関節装置の構成を示す模式図。
【図２】実施形態１に係る実施例１の関節装置の構成を示す断面図。
【図３】実施例１ないし実施例４における弾性体の配置を示す図。
【図４】実施例１および実施例３におけるセンサとスケールの配置を示す図。
【図５】実施形態１に係る実施例２の関節装置の構成を示す断面図。
【図６】実施例２および実施例４におけるセンサとスケールの配置を示す図。
【図７】実施形態２の関節装置の構成を示す模式図。
【図８】実施形態２に係る実施例３の関節装置の構成を示す断面図。
【図９】実施形態２に係る実施例４の関節装置の構成を示す断面図。
【図１０】実施形態の関節装置を関節部に用いたロボット装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態である関節装置について説明する。尚、以下の実施形態及び実施例の説明において参照する図面においては、特に但し書きがない限り、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して示すものとする。
【００１６】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１である関節装置の構成を示す模式図である。図１において、１は固定部材、２は減速機、３は支持部材、４は弾性体、５は出力部材、１３はモータである。例えばロボット装置等において、リンク同士を接続する関節として本実施形態の関節装置を用いる場合には、一方のリンクが固定部材１に取り付けられ、他方のリンクが出力部材５に取り付けられる。
固定部材１には、モータ１３のシャーシと、減速機２のシャーシが固定されている。モータ１３の出力軸は減速機２の入力軸と結合され、減速機２の出力軸は支持部材３に結合されている。支持部材３は、弾性体４を介して出力部材５に結合されている。
【００１７】
モータを駆動してその出力軸を回転（Ｒ１）させると、減速機２の出力軸が減速比に応じて回転（Ｒ２）し、回転力が支持部材３に伝達される（Ｒ１＞Ｒ２）。支持部材３に伝達された回転力は、弾性体４を介して出力部材５に伝達され、出力部材５を回転させる。その際には、弾性体４はねじり剛性（Ｋ）を有する弾性体であるため、出力部材に伝達されるトルクに応じて変形する。すなわち、固定部材１に対する支持部材３の回転角と、固定部材１に対する出力部材５の回転角には、弾性体４の変形に応じた差異が生ずる。
【００１８】
本実施形態では、固定部材１には、支持部材３と対向する位置に回転角測定用センサ８ａが、出力部材５と対向する位置には回転角測定用センサ８ｂが設けられている。また、支持部材３には回転角測定用センサ８ａと対向する位置に回転角測定用スケール７ａが設けられ、出力部材５には回転角測定用センサ８ｂと対向する位置に回転角測定用スケール７ｂが設けられている。
すなわち、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角測定用に、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用スケール７ａが設置され、固定部材に対する出力部材の回転角測定用に、回転角測定用センサ８ｂと回転角測定用スケール７ｂが設置されている。これらのセンサを用いて対向するスケールを観測することにより、回転角を測定することができる。
【００１９】
本実施形態では、モータを駆動してその出力軸を回転させた時に、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用スケール７ａを用いて、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ１、すなわち固定部材に対する支持部材３の回転角Ｅ１を測定する。また、回転角測定用センサ８ｂと回転角測定用スケール７ｂを用いて、固定部材に対する出力部材の回転角Ｅ２を測定する。
そして、弾性部のねじり剛性をＫとすると、出力部材５に伝達されるトルクＴを、Ｔ＝Ｋ×（Ｅ１−Ｅ２）の関係を用いて求める。この演算は、関節装置が備える演算部が行ってもよいし、関節装置が実装されているロボット等の制御部が行ってもよい。あるいは、回転角Ｅ１と回転角Ｅ２の測定値の組み合わせについてトルクＴの演算結果を予めテーブルとして記憶装置に記憶させておき、測定の都度、テーブルからトルクＴを読み出してもよい。
【００２０】
尚、図１では、固定部材１に回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂが、支持部材３に回転角測定用スケール７ａが、出力部材５に回転角測定用スケール７ｂが設けられている。回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂは共に固定部材１に実装されるので、両方のセンサを単一の電気回路基板に実装することも可能である。
【００２１】
また、実施形態１は、図１の例に限られるものではない。すなわち、固定部材１に回転角測定用スケール７ａと回転角測定用スケール７ｂを、支持部材３に回転角測定用センサ８ａを、出力部材５に回転角測定用センサ８ｂを設けてもよい。この場合には、回転角測定用スケール７ａと回転角測定用スケール７ｂは共に固定部材１に実装されるので、両方のスケールを一体化して実装することも可能である。
【００２２】
本実施形態の関節装置は、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ１、固定部材に対する出力部材の回転角Ｅ２、出力部材に伝達されるトルクＴを、高精度に計測でき、しかも小型である。
【００２３】
次に、本実施形態の関節装置を、リンクを結合する関節部に用いたロボット装置の実施形態について説明する。一例として、図１０に６軸多関節ロボット装置１００を示す。本実施形態の関節装置を、リンク２００〜リンク２０６を直列に接続する６つの回転関節Ｊ１〜回転関節Ｊ６に取付け、それぞれのリンク間においてトルクを伝達しながら、各関節の回転角度と、各関節を介して伝達されるトルクを測定する。
【００２４】
先端のリンク２０６には、作業用途に応じたツール、例えばロボットハンド２１０を取付ける。ロボットハンド２１０に外力Ｆがかかると、回転関節Ｊ１〜回転関節Ｊ６の各々にかかるトルクが変化するので、それを関節装置のトルクセンサで読み取り、制御装置１０１で回転関節Ｊ１〜回転関節Ｊ６を制御する。この制御は力制御と呼ばれており、例えば、検出した力の方向に動くように制御すれば、動作の柔軟性を発揮する事ができる。この機能は、例えば組立ロボットのように、手先にかかる外力に応じて動作を制御するロボットにおいては、有用性の高い機能である。制御装置１０１には、ティーチングペンダント１０２が接続されており、操作者が動作などを指示する。
【００２５】
本実施形態の関節装置を備えたロボットの制御装置１０１は、回転関節Ｊ１〜回転関節Ｊ６の各々について、モータの回転角度と駆動電流に加え、減速機出力側の角度と、出力軸に伝わるトルクを測定してモータにフィードバックすることができる。この制御により、ロボットの位置決め制御と力制御の精度を向上できる。もちろん、本実施形態の関節装置を備えたロボットは、図１０の形態に限られるものではなく、軸数も６軸には限らない。
【００２６】
［実施形態２］
図７は、本発明の実施形態２である関節装置の構成を示す模式図である。図７において、１は固定部材、２は減速機、３は支持部材、４は弾性体、５は出力部材、１３はモータである。例えばロボット装置等において、リンク同士を接続する関節として本実施形態の関節装置を用いる場合には、一方のリンクが固定部材１に取り付けられ、他方のリンクが出力部材５に取り付けられる。
固定部材１には、モータ１３のシャーシと、弾性体４の一端が固定されている。モータ１３の出力軸は減速機２の入力軸と結合され、減速機２の出力軸は出力部材５に結合されている。減速機２のシャーシは支持部材３に固定され、支持部材３は弾性体４を介して固定部材１に結合されている。
【００２７】
モータを駆動してその出力軸を回転（Ｒ１）させると、回転力が減速機２の入力軸に伝達され、減速機２の出力軸が減速比に応じて回転（Ｒ２）し、回転力が出力部材５に伝達される（Ｒ１＞Ｒ２）。減速機２を介して出力部材５にトルクを伝達する際には、弾性体４はねじり剛性（Ｋ）を有する弾性体であるため、減速機２のシャーシが受ける反作用により、伝達されるトルクに応じて弾性体４は変形する。すなわち、固定部材１に対する出力部材５の回転角と、支持部材３に対する出力部材５の回転角には、弾性体４の変形に応じた差異が生ずる。
【００２８】
本実施形態では、固定部材１には、出力部材５と対向する位置に回転角測定用センサ８ｂが設けられている。また、支持部材３には、出力部材５と対向する位置には回転角測定用センサ８ａが設けられている。そして、出力部材５には、回転角測定用センサ８ａと対向する位置に回転角測定用スケール７ａが、回転角測定用センサ８ｂと対向する位置に回転角測定用スケール７ｂが設けられている。
すなわち、固定部材に対する出力部材の回転角測定用に、回転角測定用センサ８ｂと回転角測定用スケール７ｂが設置され、支持部材に対する出力部材の回転角測定用に、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用スケール７ａが設置されている。これらのセンサを用いて対向するスケールを観測することにより、回転角を測定することができる。
【００２９】
本実施形態では、モータを駆動してその出力軸を回転させた時に、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用スケール７ａを用いて、支持部材３に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ３、すなわち支持部材３に対する出力部材５の回転角Ｅ３を測定する。また、回転角測定用センサ８ｂと回転角測定用スケール７ｂを用いて、固定部材１に対する出力部材５の回転角Ｅ４を測定する。
そして、出力部材５に伝達されるトルクＴは、弾性部のねじり剛性をＫとすると、Ｔ＝Ｋ×（Ｅ３−Ｅ４）の関係を用いて求める。この演算は、関節装置が備える演算部が行ってもよいし、関節装置が実装されているロボット等の制御部が行ってもよい。あるいは、回転角Ｅ３と回転角Ｅ４の測定値の組み合わせについてトルクＴの演算結果を予めテーブルとして記憶装置に記憶させておき、測定の都度、テーブルからトルクＴを読み出してもよい。
【００３０】
尚、図７では、出力部材５に回転角測定用スケール７ａと回転角測定用スケール７ｂが、支持部材３に回転角測定用センサ８ａが、固定部材１に回転角測定用センサ８ｂが設けられている。回転角測定用スケール７ａと回転角測定用スケール７ｂが共に出力部材５に実装されるので、両方のスケールを一体化して実装することも可能である。
【００３１】
また、実施形態２は、図７の例に限られるものではない。すなわち、出力部材５に回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂを、支持部材３に回転角測定用スケール７ａを、固定部材１に回転角測定用スケール７ｂを設けてもよい。この場合には、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂが共に出力部材５に実装されるので、単一の電気回路基板にセンサを実装することも可能である。
【００３２】
本実施形態の関節装置は、支持部材３に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ３、固定部材１に対する出力部材５の回転角Ｅ４、出力部材に伝達されるトルクを、高精度に計測でき、しかも小型である。
本実施形態の関節装置も、実施形態１と同様に、各種のロボットのリンクを結合する関節部等に用いることができる。
【実施例】
【００３３】
［実施例１］
実施形態１の具体的な例として、実施例１を示す。
図２は、実施例１の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
【００３４】
（固定部材）
剛体である固定部材１には、モータ１３が不図示のボルトで固定されている。また、固定部材１には、減速機固定軸１８（サーキュラースプライン）が固定されている。また、固定部材１には減速機のクロスローラベアリング２０が固定され、クロスローラベアリング２０を介して回転軸１９（減速機の出力軸）が回転可能に保持されている。固定部材１には、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂが搭載された基板９が固定されている。
関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、固定部材１は一方のリンクに固定される。
【００３５】
（減速機）
本実施例で用いる減速機は波動歯車減速機と呼ばれるもので、減速機入力軸１６（ウェーブジェネレータ）、減速機出力軸１７（フレクスプライン）、減速機固定軸１８（サーキュラースプライン）の３つの主要部品から構成される。
減速機入力軸１６は、転がり軸受けを有する楕円カムである。減速機出力軸１７は、カップ形状をした楕円変形する外歯車である。減速機固定軸１８は、減速機出力軸とは歯数の異なる内歯車である。減速機入力軸１６は、減速機出力軸１７（フレクスプライン）を楕円カムの長径両端の２箇所で押し広げて減速機固定軸１８（サーキュラースプライン）と噛み合わせる。このとき、両者の歯数が異なるので、減速機入力軸が１回転したとき、減速機固定軸に対して減速機出力軸が歯数の差だけ回転する。
【００３６】
モータの出力軸１５を減速機入力軸１６に接続し、減速機固定軸１８を固定部材１に固定し、減速機出力軸１７を回転軸１９に固定する。この構成により、モータ１３の出力軸１５が回転すると、減速機入力軸１６が回転し、固定部材１に対して減速機の出力軸である回転軸１９が減速された回転速度で回転する。
【００３７】
（トルクと角度の測定系）
減速機の出力軸である回転軸１９は、支持部材３に接続されている。支持部材３は弾性体４の一端と接続され、弾性体４の他端は出力部材５と接続されている。したがって、減速機の出力軸が減速比に応じて回転して回転力が支持部材３に伝達されると、回転力は弾性体４を介して出力部材５に伝達され、出力部材５を回転させる。関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、出力部材５は、固定部材１が接続されたリンクとは反対側のリンクに固定される。図２の例では、出力部材５はボス部３１を介してリンク３２に固定されている。
【００３８】
減速機の出力軸が回転する際には、弾性体４はねじり剛性（Ｋ）を有する弾性体であるため、出力部材５に伝達されるトルクに応じて変形する。すなわち、固定部材１に対する支持部材３の回転角と、固定部材１に対する出力部材５の回転角の間には、弾性体４の変形に応じた差異が生ずる。
【００３９】
支持部材３の表面には固定部材１と対向する側に回転角測定用スケール７ａが設けられ、出力部材５の表面には固定部材１と対向する側に回転角測定用スケール７ｂが設けられている。固定部材１に設けられた回転角測定用センサ８ａは、支持部材３に配置された回転角測定用スケール７ａを計測して固定部材１に対する支持部材３の回転角を測定する。また、固定部材１に設けられた回転角測定用センサ８ｂは、出力部材５に配置された回転角測定用スケール７ｂを計測して固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定する。これらのセンサには光学式センサが好適に用いられ、スケールの画像を撮像して変位を測定することができる。尚、このような光学式のエンコーダではなく、磁気式のエンコーダを用いることも可能である。
【００４０】
次に、図３を参照して、弾性体４の構成をさらに詳しく説明する。図２において減速機の出力軸と接続している支持部材３は、図３に内側リング２９として示す部位を備えている。また、図２においてリンク３２にボス部３１を介して固定された出力部材５は、図３に外側リング２８として示す部位を備えている。内側リング２９と外側リング２８は、共に当該関節の回転軸を中心とする同心の円環状部材である。また、図２において支持部材３と出力部材５とを接続している弾性体４は、図３に示すように当該関節の回転軸を中心に放射状に配置された多数の板状弾性体である板ばね３０より成る。それぞれの板ばね３０の主面が、内側リング２９の主面および外側リング２８の主面に対して直交するように、板ばね３０は内側リング２９および外側リング２８と接続されている。すなわち、それぞれの板ばね３０の主面が当該関節の回転軸と平行になるように配置されているが、板ばねには、主面と交差する方向の曲げ剛性が、主面と平行な方向の曲げ剛性よりも低いという特性がある。従って、図３のように放射状に板ばね３０を配置したことにより、全体の剛性は、図中の座標系においてＺ軸まわりの回転方向θだけが柔らかく、Ｘ軸まわりとＹ軸まわりの回転方向は硬くなっている。トルクを検出する回転方向θ以外の剛性を高くすることにより、回転方向θのトルクを受けた時に、Ｘ軸まわりとＹ軸まわりの回転方向の変形が小さくなる。このため、トルクセンサ用の弾性体として好適な剛性比が確保されており、測定誤差を小さくすることができる。また、板状ばねを放射状に配置するという単純な構成のため、製造が容易で、比較的小型である。すなわち、トルクと位置を高精度に検出することが可能で、しかも小型化が可能な関節装置を実現している。
【００４１】
次に、図４を参照して、回転角測定用センサとスケールの構成をさらに詳しく説明する。
固定部材１に設けられた回転角測定用センサ８ａは、支持部材３に配置された回転角測定用スケール７ａを計測して固定部材１に対する支持部材３の回転角を測定する。また、固定部材１に設けられた回転角測定用センサ８ｂは、出力部材５に配置された回転角測定用スケール７ｂを計測して固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定する。
【００４２】
図４の例では、固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器として、回転角測定用スケール７ｂと、これを計測する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２が設けられている。また、固定部材１に対する支持部材３の回転角を測定するための第二の角度検出器として、回転角測定用スケール７ａと、これを計測する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２が設けられている。
【００４３】
４つの回転角測定用センサを搭載した基板９は、固定部材１に固定される電気回路基板である。基板９には、４つの回転角測定用センサの他に、センサを駆動するための信号発生回路や、センサ出力信号の処理回路や、配線やコネクタが適宜実装される。本実施例では、第一の角度検出器と第二の角度検出器の回転角測定用センサを、同一の基板９に片面実装できることで、小型化とコストダウンを同時に実現している。
【００４４】
第一の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２は、基板９の同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする直径が大きな円周上の１８０度異なる２か所に対向配置する。
また、第二の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２は、基板９の同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする直径が小さな円周上の１８０度異なる２か所に対向配置する。
第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に９０度ずらして配置しているが、必ずしも９０度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
【００４５】
本実施例において角度検出器を構成する２つの回転角測定用センサを同一円周上で１８０度異なる２箇所に対向配置するのは、演算により偏心誤差をキャンセル可能にするためである。偏心誤差とは、回転軸中心と、角度の測定中心のずれである。偏心誤差があると、関節の回転に伴いセンサの位置が変動するので測定誤差を生じる。
【００４６】
この偏心誤差の方向をφとし、大きさをδとする。さらに、センサの回転半径をＲ、関節の回転角をθとすると、２つのセンサからの検出値Ｓ０と検出値Ｓ１８０は、それぞれ以下の式のように表される。各式の第２項が偏心誤差である。
【００４７】
【数１】
2020116693.tif 000003
【００４８】
【数２】
2020116693.tif 000004
【００４９】
これらの式を変形すれば、次式のように偏心誤差の影響を除去できる。
【数３】
2020116693.tif 000005
【００５０】
つまり、２つのセンサの位相が１８０度異なるようにセンサを対向配置し、検出値に基づく演算をすることにより、偏心誤差の影響を受けない角度測定が可能である。
【００５１】
以上の構成において、基板９に設けた第一の角度検出器の回転角測定用センサ８ｂで測定した回転角Ｅ１と、第二の角度検出器の回転角測定用センサ８ａで測定した回転角Ｅ２を用い、次式からトルクＴを求める。ただし、Ｋは弾性体のねじり剛性係数である。
【００５２】
【数４】
2020116693.tif 000006
【００５３】
以上のように、本実施例の関節装置は、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ１、固定部材に対する出力部材の回転角Ｅ２、出力部材に伝達されるトルクを、高精度に計測でき、しかも小型である。また、角度検出とトルク検出を、同じエンコーダを用いて行うことができるので、コストを抑えられる。さらに、エンコーダのセンサは基板の片面に実装することが可能であり、寸法が抑えられる。また、回転角測定用センサとそれに付帯する電気回路を１枚の基板にまとめられるので低コストである。
【００５４】
［実施例２］
実施形態１に関して、実施例１とは異なる実施例２を示す。実施例１と共通する部分については、説明を省略する。
図５は、実施例２の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
【００５５】
実施例１では、固定部材１に回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂが搭載され、支持部材３の表面に回転角測定用スケール７ａが、出力部材５の表面に回転角測定用スケール７ｂが設けられていた。
【００５６】
これに対して、実施例２では、固定部材１に第一の角度検出器と第二の角度検出器で共用する回転角測定用スケール７を設け、支持部材３に回転角測定用センサ８ｂを、出力部材５に回転角測定用センサ８ａを配置している。固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器の回転角測定用センサ８ａは、基板９ａに実装されている。また、固定部材１に対する支持部材３の回転角を測定するための第二の角度検出器の回転角測定用センサ８ｂは、基板９ｂに実装されている。
【００５７】
次に、図６を参照して、回転角測定用センサとスケールの構成をさらに詳しく説明する。
支持部材３に固定された回転角測定用センサ８ｂは、固定部材１に固定された回転角測定用スケール７を計測して固定部材１に対する支持部材３の回転角を測定する。また、出力部材５に設けられた回転角測定用センサ８ａは、固定部材１に配置された回転角測定用スケール７を計測して固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定する。
【００５８】
図６の例では、固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器として、回転角測定用スケール７と、これを計測する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２が設けられている。また、固定部材１に対する支持部材３の回転角を測定するための第二の角度検出器として、回転角測定用スケール７と、これを計測する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２が設けられている。
回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２は基板９ａに、回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２は基板９ｂに、それぞれ実装されている。基板９ａおよび基板９ｂのそれぞれには、２つの回転角測定用センサの他に、センサを駆動するための信号発生回路や、センサ出力信号の処理回路や、配線やコネクタが適宜実装される。
【００５９】
第一の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２は、基板９ａの同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする所定半径の円周上の１８０度異なる２か所に配置する。また、第二の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２は、基板９ｂの同一面上に固定され、第一の角度検出器と同じ所定半径の円周上の１８０度異なる２か所に配置する。
【００６０】
第一の角度検出器と第二の角度検出器の回転角度用センサが同一の円周上に配置されているため、回転角測定用スケール７を共用することが可能で、スケールは１個ですむ。すなわち、本実施例では、第一の角度検出器と第二の角度検出器の回転角測定用スケールを単一のスケールにして固定部材１の片面に実装できることで、小型化とコストダウンを同時に実現できる。
尚、図６では、第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に９０度ずらして配置しているが、必ずしも９０度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
【００６１】
本実施例の関節装置は、実施例１と同様に、固定部材に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ１と、固定部材に対する出力部材の回転角Ｅ２と、出力部材に伝達されるトルクを、高精度に計測できる。また、角度検出とトルク検出を、同じエンコーダを用いて行うことができるので、コストを抑えられる。さらに、エンコーダのスケールは固定部材１の片面に実装することが可能であり、寸法が抑えられ低コストである。
【００６２】
［実施例３］
実施形態２の具体的な例として、実施例３を示す。図８は、実施例３の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
【００６３】
実施形態１に係る実施例１および実施例２では、弾性体を、減速機の出力軸に固定された支持部材と、出力部材との間に設けた。これに対して、実施形態２に係る実施例３では、弾性体を、固定部材と、減速機のシャーシが固定された支持部材との間に設ける。
【００６４】
これに対して実施形態２に係る本実施例では、固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器として、回転角測定用スケール７ｂと、これを計測する回転角測定用センサ８ｂが設けられている。また、支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定するための第二の角度検出器として、回転角測定用スケール７ａと、これを計測する回転角測定用センサ８ａが設けられている。
【００６５】
（固定部材）
剛体である固定部材１には、モータ１３が不図示のボルトで固定されている。また、固定部材１には、回転軸周りに放射状に配置された複数の板状の弾性体４のそれぞれの一端が接続されている。また、固定部材１には、第一の角度検出器の回転角測定用スケール７ｂが固定されている。
関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、固定部材１は一方のリンクに固定される。
【００６６】
（減速機）
本実施例で用いる減速機は波動歯車減速機と呼ばれるもので、減速機入力軸１６（ウェーブジェネレータ）、減速機出力軸１７（フレクスプライン）、減速機固定軸１８（サーキュラースプライン）の３つの主要部品から構成される。
減速機入力軸１６は、転がり軸受けを有する楕円カムである。減速機出力軸１７は、カップ形状をした楕円変形する外歯車である。減速機固定軸１８は、減速機出力軸とは歯数の異なる内歯車である。減速機入力軸１６は、減速機出力軸１７（フレクスプライン）を楕円カムの長径両端の２箇所で押し広げて減速機固定軸１８（サーキュラースプライン）と噛み合わせる。このとき、両者の歯数が異なるので、減速機入力軸が１回転したとき、減速機固定軸に対して減速機出力軸が歯数の差だけ回転する。
【００６７】
モータの出力軸１５を減速機入力軸１６に接続し、減速機固定軸１８とクロスローラベアリング２０を支持部材３に固定し、減速機出力軸１７を回転軸１９に固定する。この構成により、モータ１３の出力軸１５が回転すると、減速機入力軸１６が回転し、固定部材１に対して減速機の出力軸である回転軸１９が減速された回転速度で回転する。減速機の出力軸である回転軸１９は、出力部材５に接続されている。関節装置を、例えばロボットアームのリンクを接続する関節として用いる場合には、出力部材５は、固定部材１が接続されたリンクとは反対側のリンクに固定される。
【００６８】
（トルクと角度の測定系）
支持部材３には、回転軸周りに放射状に配置された複数の板状の弾性体４のそれぞれの一端が接続されている。すなわち、支持部材３は複数の板状の弾性体４を介して固定部材１と接続されている。
したがって、減速機の出力軸が減速比に応じて回転して回転力が出力部材５に伝達されると、回転力の反作用が弾性体４に働く。その際には、弾性体４はねじり剛性（Ｋ）を有する弾性体であるため、出力部材５に伝達されるトルクに応じて変形する。すなわち、固定部材１に対する出力部材５の回転角と、支持部材３に対する出力部材５の回転角の間には、弾性体４の変形に応じた差異が生ずる。
【００６９】
支持部材３の表面には出力部材５と対向する側に回転角測定用スケール７ａが設けられ、固定部材１の表面には出力部材５と対向する側に回転角測定用スケール７ｂが設けられている。出力部材５に設けられた回転角測定用センサ８ａは、支持部材３に配置された回転角測定用スケール７ａを計測して支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定する。また、出力部材５に設けられた回転角測定用センサ８ｂは、固定部材１に配置された回転角測定用スケール７ｂを計測して固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定する。これらのセンサには光学式センサが好適に用いられ、スケールの画像を撮像して変位を測定することができる。尚、このような光学式のエンコーダではなく、磁気式のエンコーダを用いることも可能である。
【００７０】
次に、図３を参照して、出力側の構成をさらに詳しく説明する。図８において減速機固定軸１８と接続している支持部材３は、図３に内側リング２９として示す部位を備えている。また、図８に示された固定部材１は、図３に外側リング２８として示す部位を備えている。内側リング２９と外側リング２８は、ともに当該関節の回転軸を中心とする同心の円環状部材である。また、図８において支持部材３と固定部材１とを接続している弾性体４は、図３に示すように当該関節の回転軸を中心に放射状に配置された多数の板状弾性体である板ばね３０より成る。それぞれの板ばね３０の主面が、内側リング２９の主面および外側リング２８の主面に対して直交するように、板ばね３０は内側リング２９および外側リング２８と接続されている。すなわち、それぞれの板ばね３０の主面が当該関節の回転軸と平行になるように配置されているが、板ばねには、主面と交差する方向の曲げ剛性が、主面と平行な方向の曲げ剛性よりも低いという特性がある。従って、図３のように放射状に板ばね３０を配置したことにより、全体の剛性は、図中の座標系においてＺ軸まわりの回転方向θだけが柔らかく、Ｘ軸まわりとＹ軸まわりの回転方向は硬くなっている。トルクを検出する回転方向θ以外の剛性を高くすることにより、回転方向θのトルクを受けた時に、Ｘ軸まわりとＹ軸まわりの回転方向の変形が小さくなる。このため、トルクセンサ用の弾性体として好適な剛性比が確保されており、測定誤差を小さくすることができる。また、板状ばねを放射状に配置するという単純な構成のため、製造が容易で、比較的小型である。すなわち、トルクと位置を高精度に検出することが可能で、しかも小型化が可能な関節装置を実現している。
【００７１】
次に、図４を参照して、回転角測定用センサとスケールの構成をさらに詳しく説明する。
出力部材５に設けられた回転角測定用センサ８ａは、支持部材３に配置された回転角測定用スケール７ａを計測して支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定する。また、出力部材５に設けられた回転角測定用センサ８ｂは、固定部材１に配置された回転角測定用スケール７ｂを計測して固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定する。
【００７２】
図４の例では、固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器として、回転角測定用スケール７ｂと、これを計測する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２が設けられている。また、支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定するための第二の角度検出器として、回転角測定用スケール７ａと、これを計測する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２が設けられている。
【００７３】
４つの回転角測定用センサを搭載した基板９は、出力部材５に固定される電気回路基板である。基板９には、４つの回転角測定用センサの他に、センサを駆動するための信号発生回路や、センサ出力信号の処理回路や、配線やコネクタが適宜実装される。本実施例では、第一の角度検出器と第二の角度検出器の回転角測定用センサを、同一の基板９の片面に実装できることで、小型化とコストダウンを同時に実現できる。
【００７４】
第一の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２は、基板９の同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする直径が大きな円周上の１８０度異なる２か所に配置する。
また、第二の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２は、基板９の同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする直径が小さな円周上の１８０度異なる２か所に配置する。
第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に９０度ずらして配置しているが、必ずしも９０度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
【００７５】
本実施例において角度検出器を構成する２つの回転角測定用センサを同一円周上で１８０度異なる２箇所に配置するのは、演算により偏心誤差をキャンセル可能にするためである。実施例１について数式１ないし数式３を用いて説明したのと同様に、２つのセンサの位相が１８０度異なるように対向配置し、検出値に基づく演算をすることにより、偏心誤差の影響を受けない角度測定が可能である。
【００７６】
本実施例では、モータを駆動してその出力軸を回転させた時に、回転角測定用センサ８ａと回転角測定用スケール７ａを用いて、支持部材３に対する減速機の出力軸の回転角Ｅ３、すなわち支持部材３に対する出力部材５の回転角Ｅ３を測定する。また、回転角測定用センサ８ｂと回転角測定用スケール７ｂを用いて、固定部材１に対する出力部材５の回転角Ｅ４を測定する。
そして、弾性部のねじり剛性をＫとすると、出力部材５に伝達されるトルクＴを、Ｔ＝Ｋ×（Ｅ３−Ｅ４）の関係を用いて求める。この演算は、関節装置が備える演算部が行ってもよいし、関節装置が実装されているロボット等の制御部が行ってもよい。
【００７７】
以上のように、本実施例の関節装置は、支持部材３に対する出力部材５の回転角Ｅ３と、固定部材１に対する出力部材５の回転角Ｅ４と、出力部材に伝達されるトルクを、高精度に計測でき、しかも小型である。また、角度検出とトルク検出を、同じエンコーダを用いて行うことができるので、コストを抑えられる。さらに、エンコーダのセンサは基板の片面に実装することが可能であり、寸法が抑えられる。また、回転角測定用センサとそれに付帯する電気回路を１枚の基板にまとめられるので低コストである。
【００７８】
［実施例４］
実施形態２に関して、実施例３とは異なる実施例４を示す。実施例３と共通する部分については、説明を省略する。
図９は、実施例４の関節装置の構成を示す断面図である。尚、関節装置に付帯する配線や配管等は、図示を省略している。
【００７９】
実施例３では、出力部材５に回転角測定用センサ８ａと回転角測定用センサ８ｂが搭載され、支持部材３の表面に回転角測定用スケール７ａが、固定部材１の表面に回転角測定用スケール７ｂが設けられていた。
【００８０】
これに対して、実施例４では、出力部材５に第一の角度検出器と第二の角度検出器で共用する回転角測定用スケール７を設け、支持部材３に回転角測定用センサ８ｂを、固定部材１に回転角測定用センサ８ａを配置している。固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器の回転角測定用センサ８ａは、基板９ａに実装されている。また、支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定するための第二の角度検出器の回転角測定用センサ８ｂは、基板９ｂに実装されている。
【００８１】
次に、図６を参照して、回転角測定用センサとスケールの構成をさらに詳しく説明する。
支持部材３に設けられた回転角測定用センサ８ｂは、出力部材５に配置された回転角測定用スケール７を計測して支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定する。また、固定部材１に設けられた回転角測定用センサ８ａは、出力部材５に配置された回転角測定用スケール７を計測して固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定する。
【００８２】
図６の例では、固定部材１に対する出力部材５の回転角を測定するための第一の角度検出器として、回転角測定用スケール７と、これを計測する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２が設けられている。また、支持部材３に対する出力部材５の回転角を測定するための第二の角度検出器として、回転角測定用スケール７と、これを計測する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２が設けられている。
回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２は基板９ａに、回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２は基板９ｂに、それぞれ実装されている。基板９ａおよび基板９ｂのそれぞれには、２つの回転角測定用センサの他に、回転角測定用センサを駆動するための信号発生回路や、センサ出力信号の処理回路や、配線やコネクタが適宜実装される。
【００８３】
第一の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ａ−１と回転角測定用センサ８ａ−２は、基板９ａの同一面上に固定され、当該関節の回転軸を中心とする所定半径の円周上の１８０度異なる２か所に配置する。また、第二の角度検出器を構成する回転角測定用センサ８ｂ−１と回転角測定用センサ８ｂ−２は、基板９ｂの同一面上に固定され、第一の角度検出器と同じ所定半径の円周上の１８０度異なる２か所に配置する。
【００８４】
第一の角度検出器と第二の角度検出器の回転角度用センサが同一円周上に配置されているため、回転角測定用スケール７を共用することが可能で、スケールは１個ですむ。すなわち、本実施例では、第一の角度検出器と第二の角度検出器の回転角測定用スケールを単一のスケールにして出力部材５の片面に実装できることで、小型化とコストダウンを同時に実現できる。
尚、図６では、第一の角度検出器と第二の角度検出器とは、θ方向に９０度ずらして配置しているが、必ずしも９０度に限る必要はなく、実装上好適な配置をとることができる。
【００８５】
本実施例の関節装置は、実施例３と同様に、支持部材３に対する出力部材５の回転角Ｅ３と、固定部材１に対する出力部材５の回転角Ｅ４と、出力部材に伝達されるトルクＴを、高精度に計測でき、しかも小型である。また、角度検出とトルク検出を、同じエンコーダを用いて行うことができるので、コストを抑えられる。さらに、エンコーダのスケールは出力部材５の片面に実装することが可能であり、寸法が抑えられ低コストである。
【００８６】
［他の実施形態］
本発明は、以上説明した実施形態と実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
本発明を実施した関節装置は、高精度にトルクと回転角度を検出することが可能で、回転角度の制御精度に優れる。本実施形態の関節装置を検出装置としてロボット装置に装着すれば、ロボット装置の作業精度を高めることができる。すなわち、例えば図１０に示した多関節ロボットの各関節に本発明を実施した関節装置を装着し、物品の組立や加工を行う製造ラインに配置し、物品の製造工程を行えば、高精度な物品の製造方法を実現することができる。もちろん、物品の製造に限らずとも、種々の作業を高精度に行う多関節ロボットにおいて実施することができる。
【００８７】
また、ロボットあるいはそれ以外の装置において、外力を受けた際に、外力のトルクや外力により生じた回転角の大きさを、高精度に検出するための検出装置として用いてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・固定部材／２・・・減速機／３・・・支持部材／４・・・弾性体／５・・・出力部材／７、７ａ、７ｂ・・・回転角測定用スケール／８ａ、８ａ−１、８ａ−２、８ｂ、８ｂ−１、８ｂ−２・・・回転角測定用センサ／９、９ａ、９ｂ・・・基板／１３・・・モータ／１５・・・モータの出力軸／１６・・・減速機入力軸／１７・・・減速機出力軸／１８・・・減速機固定軸／１９・・・回転軸／２０・・・クロスローラベアリング／２８・・・外側リング／２９・・・内側リング／３０・・・板ばね／３１・・・ボス部／３２・・・リンク／１００・・・６軸多関節ロボット装置／１０１・・・制御装置／１０２・・・ティーチングペンダント／２００〜２０６・・・リンク／２１０・・・ロボットハンド／Ｊ１〜Ｊ６・・・回転関節
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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