(57)【要約】      （修正有）【課題】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においては、配線や配管の引きずりによる影響を受けず、高精度なトルク検出が可能な回転関節を実現する。【解決手段】モータ１３の出力軸と減速機２の入力軸とが結合され、減速機の出力軸と支持部材３とが結合され、支持部材と出力部材とが複数の板状弾性体を介して結合され、固定部材には、減速機の回転角測定用のスケール６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、減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、出力部材にかかるトルク測定用のスケール８かまたはセンサ９のいずれか一方が固定され、出力部材５には、出力部材にかかるトルク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。関節装置を経由して延伸する配線及び／または配管が、固定部材１と支持部材に支持されている。【選択図】図１
2020069625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材に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、
前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸とが結合され、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複数の弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記減速機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、前記減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク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】
前記関節装置を経由して延伸する配線及び／または配管が、前記固定部材と前記支持部材に支持されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の関節装置。
【請求項３】
前記固定部材と前記支持部材に支持された前記配線及び／または配管は、前記関節装置が回転した際、前記固定部材と前記支持部材の間で緊張しないように支持されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の関節装置。
【請求項４】
前記配線及び／または配管の一部は、前記固定部材と前記支持部材の間のグリスが充填された空間に収納されている、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の関節装置。
【請求項５】
前記支持部材には、前記減速機の回転角測定用のセンサと、前記出力部材にかかるトルク測定用のセンサと、センサ信号処理回路と、が設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項６】
前記支持部材には、前記減速機の回転角測定用のセンサと前記出力部材のトルク測定用のセンサのための配線が形成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の関節装置。
【請求項７】
前記減速機の回転角測定用のセンサと、前記出力部材にかかるトルク測定用のセンサの出力信号に基づき、前記出力部材の回転角を算出して前記モータを制御する、
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】
前記複数の弾性体は、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と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７のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項９】
前記複数の弾性体と前記支持部材との結合部、および前記複数の弾性体と前記出力部材との結合部は、結合する互いの材料が溶融しあった領域を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項１０】
前記減速機の回転角測定用のスケールとセンサが対向する空間に流体を流すための流路を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項１１】
固定部材に固定されたモータと減速機と、
支持部材と、
出力部材と、を備える関節を有したロボットアームであって、
前記関節は、
前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸とが結合され、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複数の弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記減速機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、前記減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク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、
ことを特徴とするロボットアーム。
【請求項１２】
固定部材に固定されたモータと減速機と、
支持部材と、
出力部材と、を備える関節を有したロボットアームの制御方法であって、
前記ロボットアームは、前記モータを制御する制御装置を備え、
前記関節は、
前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸とが結合され、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複数の弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記減速機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、前記減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されており、
前記制御装置が、
前記減速機の回転角測定用のセンサと、前記出力部材にかかるトルク測定用のセンサの出力信号に基づき、前記出力部材の回転角を算出して前記モータを制御する、
ことを特徴とするロボットアームの制御方法。
【請求項１３】
固定部材と、
支持部材と、
出力部材と、を備える検出装置であって、
前記支持部材と前記出力部材とは複数の弾性体を介して結合され、
前記固定部材には、前記固定部材と前記支持部材との相対的な回転角を測定する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、前記回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク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、
ことを特徴とする検出装置。
【請求項１４】
請求項１１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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節ロボットなどに用いる関節装置に関する。特に、減速機の出力側にトルクセンサと角度センサを備えた関節装置に関する。
【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を回転させているが、モータ回転軸に設けたエンコーダの出力やモータ電流を参照して回転を制御することが行われていた。しかし、こうした制御方法では、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、出力軸を高精度に制御することは困難であった。
そこで、モータ回転軸の角度やモータ電流に加え、減速機出力側の角度と、出力軸に伝わるトルクも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。
【０００３】
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。モータの出力軸と減速機入力軸とを結合してモータ出力を減速機に伝達し、減速機のフレクスプラインを減速機出力軸に結合する。モータ出力軸にモータ制御用エンコーダを備え、かつ減速機出力軸に出力軸エンコーダとトルクセンサとを備え、トルクセンサはトルクセンサ膜の磁気抵抗を測定してトルクに換算する。
【０００４】
モータ制御用エンコーダはモータを制御するための情報を検出し、出力軸エンコーダは減速機出力軸の回転角を検出し、トルクセンサは減速機出力軸が負荷につながれた際に負荷からの反力で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各検出信号をモータ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、以下に列挙するように、センサの検出精度や装置コストに課題があった。
（１）配線や配管に起因するトルク検出誤差が大きい。
多関節ロボットのアームでは、根元から手先まで全ての関節を経由させて、モータやセンサなどに連絡する配線や配管を敷設する必要がある。関節が回転する際に、配線や配管が動くことによって引きずりトルクが発生するが、例えば１Ｎｍといった大きなトルクが発生する。従来技術では、配線や配管の引きずりトルクの影響によるトルクセンサの検出誤差に対して検討が不十分なため、制御の精度が低下していた。
【０００７】
（２）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。このため測定範囲を広くすると、測定精度が低下する。
多関節ロボットへの応用では、自重や搬送品の重量を支えるため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も、５０Ｎｍ程度のトルクとなる。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したとしても、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て多関節ロボットを高精度に力制御することは困難である。
【０００８】
（３）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。
弾性体の変形を利用したトルクセンサを採用する場合には、弾性体は、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が望ましい。すなわち、弾性体の剛性比が重要である。剛性比を高める設計をするには、一般に設計パラメータの数が多いほうが有利であるが、パラメータ数が多い設計をすると弾性体の形状が複雑になり、小型化が困難で、製造コストも高くなる。さらに、機械加工では実現するのが困難な形状となる場合がある。
【０００９】
以上のような点から、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において、配線や配管の引きずりによる影響を受けず、高精度なトルク検出が可能な回転関節の実現が期待されていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固定部材に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、前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸とが結合され、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複数の弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記減速機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、前記減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク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、固定部材に固定されたモータと減速機と、支持部材と、出力部材と、を備える関節を有したロボットアームであって、前記関節は、前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸とが結合され、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複数の弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記減速機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、前記減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク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、ことを特徴とするロボットアームである。
【００１２】
また、本発明は、固定部材に固定されたモータと減速機と、支持部材と、出力部材と、を備える関節を有したロボットアームの制御方法であって、前記ロボットアームは、前記モータを制御する制御装置を備え、前記関節は、前記モータの出力軸と前記減速機の入力軸とが結合され、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複数の弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記減速機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、前記減速機の回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク測定用のスケールかまたはセンサの他方が固定されており、前記制御装置が、前記減速機の回転角測定用のセンサと、前記出力部材にかかるトルク測定用のセンサの出力信号に基づき、前記出力部材の回転角を算出して前記モータを制御する、ことを特徴とするロボットアームの制御方法である。
【００１３】
また、本発明は、固定部材と、支持部材と、出力部材と、を備える検出装置であって、前記支持部材と前記出力部材とは複数の弾性体を介して結合され、前記固定部材には、前記固定部材と前記支持部材との相対的な回転角を測定する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、前記回転角測定用のスケールかまたはセンサの他方と、前記出力部材にかかるトルク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、前記出力部材にかかるトルク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、ことを特徴とする検出装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、配線や配管の引きずりによる影響を受けず、高精度なトルク検出が可能な回転関節を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の関節装置の構成を示す模式図。
【図２】実施形態の関節装置を備えたロボットの外観図。
【図３】実施例１の関節装置の一部断面図。
【図４】実施例１の関節装置を分解した一部断面図。
【図５】実施例１のセンサ基板の実装を示す図。
【図６】実施例１の弾性体の形状を示す外観斜視図。
【図７】実施例２の関節装置の一部断面図。
【図８】実施例２の弾性体の形状を示す外観斜視図。
【図９】実施例３の製造準備を示す図。
【図１０】実施例３のセンサベースと内側リングを造形治具に装着した図。
【図１１】（ａ）三次元造形装置による一層目の造形を示す図。（ｂ）三次元造形装置による二層目の造形を示す図。（ｃ）多数層が造形された状態を示す図。（ｄ）造形が完了した状態を示す図。
【図１２】実施例３の弾性体を造形した状態を示す図。
【図１３】実施例３の弾性体を造形し、造形治具から取外した状態を示す図。
【図１４】実施例４の関節装置の一部断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態である関節装置と、関節装置を備えた多関節ロボットについて説明する。尚、実施形態及び実施例の説明において参照する複数の図面においては、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図示するものとする。
【００１７】
（関節装置の基本構成）
まず、図１に示す模式図を参照して、実施形態の関節装置の基本構成を説明する。同図は１台の関節装置の基本構成を示し、１は固定部材で、モータ１３と、減速機２と、回転角測定用スケール６が、固定部材１に固定されている。減速機２の入力軸にはモータ１３が結合されており、モータ１３の回転軸を回転（Ｒ１）させると、減速機２の出力軸が減速されて回転（Ｒ２）する。減速機２の出力軸には、支持部材３が結合されており、支持部材３は出力軸とともに回転（Ｒ２）する。
【００１８】
支持部材３の減速機２側には回転角測定用センサ７が固定され、支持部材３の出力部材５側にはトルク測定用センサ９と弾性体４が固定されている。すなわち、支持部材３は、回転角測定用センサ７、トルク測定用センサ９、および弾性体４の基台となっている。
弾性体４は出力部材５と接続され、出力部材５にはトルク測定用スケール８が固定されている。弾性体４は、支持部材３により伝達される減速機２の出力軸の回転を出力部材５に伝達するが、回転トルクの大きさに応じて回転軸回りにねじれ変形する。
【００１９】
出力部材５に固定されたトルク測定用スケール８を、支持部材３に固定されたトルク測定用センサ９で観測することにより、弾性体４がねじり変形した角度Ｅ２を測定する。弾性体のねじり剛性をＫとすると、出力部材５に伝達されるトルクは、角度Ｅ２の計測値とねじり剛性の積であるＫ・Ｅ２を算出することにより検知することができる。
【００２０】
また、固定部材１に固定された回転角測定用スケール６を、支持部材３に固定された回転角測定用センサ７で観測することにより、支持部材３の回転した角度Ｅ１を測定する。そして、出力部材５の回転角は、支持部材３の回転した角度Ｅ１の計測値と弾性体４の角度Ｅ２の計測値の和から算出する。
【００２１】
本実施形態では、当該関節装置を経由して延伸する配線や配管の束線１０は、固定部材１に設けられた留め具１１ａと、支持部材３に設けられた留め具１１ｂにより、当該関節装置に固定されている。この２つの留め具（固定部）は、関節装置の回転部を挟んで配置されているので、２つの固定部は相対的に回転する。配線や配管が伸びきって回転部の回転動作を拘束したり、回転による引張りにより配線や配管が切断されたりしないようにするため、２つの留め具の間の束線１０には、長さに余裕を持たせた変形部１２が設けられている。
【００２２】
以上の構成により、本実施形態では、配線や配管の干渉に起因するトルクの検出誤差が小さい関節装置が実現されている。なぜなら、関節装置を経由して延伸する束線１０は、固定部材１と支持部材３に固定されているので、回転に伴って発生する配線や配管の引きずりトルクは固定部材１と支持部材３の間にかかり、トルクを検出するための弾性体４には作用しない。また、回転に伴い弾性体４がねじり変形する量は、例えば５０μｍ程度と微小なので、このねじり変形により弾性体４より先に延伸している束線１０が発生させる引きずりトルクは極めて微小である。このように、本実施形態では、回転時に配線や配管の干渉により弾性体４の変形量に影響が生じるのが抑制されており、トルクの検出誤差を極めて小さくすることができる。
【００２３】
（多関節ロボット）
次に、実施形態の関節装置を備えた多関節ロボットについて説明する。図２に、実施形態の関節装置を備えたロボットの一例として、６軸多関節ロボット１００（ロボットアーム）の外観図を示す。
リンク２００〜リンク２０６を直列に接続する６つの回転関節Ｊ１〜Ｊ６には、実施形態の関節装置が用いられている。各関節装置のトルクセンサは、関節を介してリンクに伝達されるトルクを測定する。先端のリンクには、ロボットハンド２１０が取付け可能である。
【００２４】
ロボットハンド２１０に外力Ｆがかかると、各回転関節Ｊ１〜Ｊ６にかかるトルクが変化するので、それをトルクセンサで読取って関節装置を経由する配線を介して制御装置１０１に伝達し、制御装置１０１により回転関節Ｊ１〜Ｊ６を力制御する。例えば、センサで検出した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。これは手先にかかる力に応じて動作する組立ロボット等においては重要な機能である。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、操作者が動作を教示する。
【００２５】
制御装置１０１は、各回転関節Ｊ１〜Ｊ６の減速機出力側に接続された各リンクの角度を、各関節装置から配線を通じて伝達される支持部材３の回転した角度Ｅ１の計測値と弾性体４のねじり変形の角度Ｅ２の計測値の和から算出できる。制御装置１０１は、各回転関節Ｊ１〜Ｊ６のモータの回転角度、電流を測定することに加え、出力軸に伝わるトルクと回転角度を測定し、測定値に基づいてモータ駆動にフィードバックすることより、ロボットの位置決め制御と力制御の精度を向上できる。
【００２６】
実施形態の関節装置を備えた多関節ロボットでは、配線や配管の干渉によりトルクセンサの弾性体の変形量に影響が生じるのが抑制されているため、トルク検出の誤差を小さくでき、各関節の動作制御の精度を高めることが可能である。
【００２７】
［実施例１］
図面を参照して、実施形態の関節装置の具体例として実施例１を説明する。図３は、実施例１の関節装置の一部断面図で、図４は実施例１の関節装置を構成する部材を分解して示した一部断面図である。例えば、この関節装置を図２の６軸多関節ロボット１００の回転関節Ｊ２に用いる場合には、固定部材１をリンク２０１に、出力部材５をリンク２０２に固定する。
以下、関節装置の各部の構成を順に説明する。
【００２８】
（配線・配管）
まず、配線や配管と、それをグリス等で囲んでシールするシール部について、図３を参照して説明する。当該回転関節Ｊ２を経由して回転関節Ｊ１側から回転関節Ｊ３側に延伸する配線や配管の束線１０は、モータ制御やセンサ信号のための電気配線３３と、多関節ロボットのエンドイフェクタに圧縮空気を送る配管３４などを束ねたものである。
【００２９】
当該関節装置のモータ１３のためのモータ制御用配線３５は、束線１０から分岐して当該関節装置のモータ１３に接続している。また、当該関節装置のセンサのためのセンサ基板用の配線２７は、束線１０から分岐し、支持部材３の配線用穴部６０ｂを経由して、支持部材３に固定されたセンサ基板２１のコネクタ２６に接続されている。
【００３０】
束線１０は、回転関節の回転に従動できるように変形可能に保持する必要がある。実施例１では、回転に従動するのに十分な長さ分だけ束線１０を固定部材１の周囲に巻きつけることによって、束線１０を変形可能に保持している。すなわち、配線チューブ３６の中に束線１０を通し、固定部材１の配線用穴部５９を通して、固定部材１のまわりに巻きつけている。この構造により、回転関節が回転する際に、配線や配管が伸びきって回転動作を拘束したり、緊張により配線や配管が切断されることが防止されている。
【００３１】
配線チューブ３６は、Ｏリング３７ａにより固定部材１に固定されている。また、配線チューブ３６は、支持部材３の配線用穴部６０ａを通して、Ｏリング３７ｂにより支持部材３に固定されている。すなわち、図１の実施形態の留め具１１ａは実施例１ではＯリング３７ａに相当し、留め具１１ｂはＯリング３７ｂに相当する。配線チューブは動くので、接触による磨耗を防ぐため、潤滑のためのグリスを周囲の空間に充填するのが望ましい。Ｏリングは、このグリスが外に漏れ出すのをシールする。同様に、固定部材１と支持部材３の間にはオイルシール３８ａとオイルシール３８ｂを設け、配線チューブが動く空間をシールする。このように、配線及び／または配管の一部は、固定部材と支持部材の間のグリスが充填された空間に収納される。
本実施例では、配線チューブ３６に束線１０を通し、配線チューブ３６の周囲空間にグリスを充填して空間をシールする簡便な構造で、信頼性の高い回転関節装置を実現している。
【００３２】
（固定部材）
剛体である固定部材１には、モータ１３が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、回転角測定用スケール６が固定されている。
【００３３】
（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。この原理に基づく波動歯車減速機の典型的な減速比は５０である。
【００３４】
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。
減速機の磨耗を防ぐため、歯が接触する部分には潤滑のためのグリスを充填しておくことが必要である。そこで、固定部材１と回転軸１９の間にオイルシール３８ｃを設け、グリスが漏れ出すのをシールしている。
【００３５】
（支持部材）
図１で説明した支持部材３について、実施例１における具体的な構成を説明する。実施例１では、図３、図４に示すセンサベース７３とセンサ基板２１により図１の支持部材３が構成されている。
図４に示すように、センサベース７３には配線用穴部６０ａと配線用穴部６０ｂが形成されており、センサベース７３は回転軸１９に固定されている。センサベース７３には、トルクセンサの弾性体４が固定されている。
【００３６】
センサベース７３には、センサ基板２１が固定されている。センサベース７３には、センサ基板２１を概略位置決めするためのくぼみ部５３が形成されているが、この構造によりセンサ基板２１をネジ止めするときの作業が容易になる。
また、センサベース７３の少なくとも２箇所には窓穴５４が設けられているが、これは回転角測定用スケール６を回転角測定用センサ７が読み取ることができるようにするための窓である。
【００３７】
図５を参照して、センサ基板２１、回転角測定用センサ、回転角測定用スケール、トルク測定用センサ、トルク測定用スケールの実装について説明する。センサ基板２１には、複数の取付け部２２が設けられているが、これらはセンサ基板２１をセンサベース７３にねじ止めする際に用いられるネジ穴、もしくはピン穴である。ピン穴は、センサベース７３に設けられた位置決めピンと勘合し、センサベース７３に対してセンサ基板２１を正確に位置決めする。
【００３８】
センサ基板２１の裏面には、回転角測定用スケール６の位置を計測するために、回転角測定用センサ７ａと回転角測定用センサ７ｂが装着されている。関節装置の回転角度を広い範囲で測定できるようにするため、回転角測定用スケール６は、図示のように円の全周に沿って設けるのが望ましい。
【００３９】
また、図５には示してないが、図３、図４を参照して説明したように、回転角測定用センサ７ａおよび回転角測定用センサ７ｂと、回転角測定用スケール６とは、センサベースの窓穴５４を挟んで対向する。
【００４０】
センサ基板２１の表面には、トルク測定用スケール８ａとトルク測定用スケール８ｂの位置を計測するために、トルク測定用センサ９ａとトルク測定用センサ９ｂが装着されている。これらのセンサが測定するのは、弾性体の微小なねじれ変形による微小な変移だけなので、図のようにトルク測定用スケール８ａとトルク測定用スケール８ｂは、円周の一部領域のみに配置すれば足りる。
【００４１】
回転角測定用センサおよびトルク測定用センサは、光学式エンコーダを用いた変移測定を応用したものである。各センサは、発光部と受光部のペアを備えている。例えば、トルク測定用センサ９ａ、トルク測定用センサ９ｂは、発光部２３ａ、発光部２３ｂと受光部２４ａ、受光部２４ｂを備えている。各発光部からの光は、トルク測定用スケール８ａ、トルク測定用スケール８ｂで反射され、位置情報を含んだ反射光を各受光部で受光してスケールの位置を読み取る。
【００４２】
このとき、同一円周上の１８０度異なる２箇所にセンサを配置して測定することにより、偏心誤差の影響を除去することができる。偏心誤差とは、回転軸中心と、角度測定の中心のずれである。偏心誤差があると、関節の回転に伴いセンサ位置が変動するので、測定誤差を生じる原因になる。
【００４３】
この偏心誤差の方向をφ、大きさをδとし、センサの取付け半径をＲ、関節の回転角をθとすると、２つのセンサの検出値であるＳ０とＳ１８０は、以下のように表現できる。
【数１】
2020069625.tif 000003
【００４４】
上記各式の第２項が偏心誤差である。この２つの式を用いれば、次式のようにθの計測結果から偏心誤差の影響を除去することができる。
【数２】
2020069625.tif 000004
【００４５】
つまり、センサを円周上の１８０度対向する位置に配置することにより、偏心誤差の影響を受けない角度測定が可能である。これは、回転角度測定用センサでもトルク測定用センサでも同様である。
【００４６】
次に、センサ基板２１における電気的な実装について説明する。センサ基板２１には、回転角測定用センサ７およびトルク測定用センサ９の電気信号を処理するセンサ信号処理回路２５が実装されている。また、電源線や外部信号線を含む配線２７とセンサ基板２１上の配線を接続するためのコネクタ２６が実装され、コネクタ２６には配線２７が接続されている。
【００４７】
本実施例では、センサからの信号を処理する回路やデータ送受信回路をＬＳＩ化して、センサ信号処理回路２５としてセンサ基板２１上に実装している。また、各センサや信号処理等の周辺回路およびコネクタ２６の間を接続する電気回路配線が、例えばメッキや印刷によりセンサ基板２１に形成されている。このように角度測定用センサ、トルク測定用センサ、及びそれらの周辺回路をセンサ基板２１上に集約して実装することにより、関節装置の小型化とコストダウンが図られている。
【００４８】
（トルク測定用の弾性体）
図６は、支持部材３と出力部材５を接続する弾性体４の具体的形状を示すための外観斜視図である。トルクセンサ用の弾性体４は、弾性体の外側リング２８、弾性体の内側リング２９、および、両リングを接続する複数の板状弾性体３０で構成されている。板状弾性体３０は、主面を曲げる方向に変形する場合の剛性が、他の方向に曲がる場合の剛性よりも低いという特徴を有している。そこで、図６のように複数の板状弾性体を、回転軸を中心に放射状に配置し、各板状弾性体の主面が回転方向θと直交するようにリングに固定することにより、Ｚ軸まわりの回転方向θだけが柔らかく、他のＸ軸、Ｙ軸まわりには硬い弾性体を実現できる。トルクを検出する回転方向とは異なる方向の剛性を高くすることにより、非測定方向の変形が小さくなり、測定誤差を小さくすることができる。
【００４９】
弾性体の内側リング２９と外側リング２８には、ねじ止めまたは、ピン止め用の取付け部３１が設けられている。また、内側リング２９の裏面にはトルク測定用スケール８ａとトルク測定用スケール８ｂが固定されている。これらのスケールは、偏心誤差をキャンセルするために、角度測定の場合と同様に円周上の１８０度異なる２箇所に配置されている。このスケールは、弾性体の微小な変形の測定に使用するので、測定範囲は狭くても差し支えない。弾性体の最大変形量は、例えば５０μｍ程度のわずかな量なので、図のように円周の一部のみにスケールを配置すれば足りる。
【００５０】
（回転角度θとトルクＴの検出）
センサ基板２１に設けた回転角測定用センサ７で測定した回転した角度Ｅ１と、トルク測定用センサ９で測定した角度Ｅ２を用い、次式から出力部材の回転角度θとトルクＴを検出する。ここで、Ｋは弾性体のねじり剛性である。
【００５１】
【数３】
2020069625.tif 000005
【００５２】
本実施例によれば、配線・配管はすべて、固定部材１とセンサベース７３に固定されるため、関節の回転に伴い配線・配管で発生する力は、この２つの部材の間に作用する。したがって、配線・配管で発生する力が弾性体に作用してその変形に影響を与えることはない。すなわち、配線・配管やシール部で発生する引張り力や摩擦力は、トルク測定用センサ９で測定する角度Ｅ２の測定誤差の要因にはならず、出力部材にかかるトルクを高精度に測定できる。
【００５３】
また、本実施形態の関節装置では、減速機の回転角測定用のセンサと、出力部材にかかるトルク測定用のセンサの出力信号を用い、これらを加算して出力軸の回転角度θを算出してモータを制御するため、回転角度の制御精度が高い。
【００５４】
本実施例によれば、弾性体の変形を光学式エンコーダの出力信号をベースにした角度測定で検出しているので、磁歪型等のアナログセンサよりも格段に高いダイナミックレンジで高精度にトルク測定が可能である。例えば５０μｍの弾性体変形を１ナノメートルの分解能を持つエンコーダを用いて測定すれば、容易に５００００レベルのダイナミックレンジが得られる。前述したアナログセンサと比べれば、例えば精度を５０倍高くすることができる。また、配線・配管やシール部で生じる力の影響を低減できるので、トルクの検出精度が高い。
さらに、本実施形態における関節装置は、測定対象となる回転角度θと、トルクＴを、ある２つの物体の相対変位（角度）を基に検出している（回転角度θは角度Ｅ１と角度Ｅ２、トルクＴは角度Ｅ２）。よって、どちらも同じ物理量に基づくため、回転角測定用のセンサの一部と、トルク測定用のセンサの一部とを、同一の部材（本実施形態ではセンサ基板２１を含むセンサベース７３）に設けることができ、関節装置の小型化を図ることができる。
【００５５】
［実施例２］
図面を参照して、実施形態の関節装置の別の具体例として、実施例２を説明する。実施例２は、実施例１に対して弾性体の構成と固定方法が異なる。
図７は実施例２の関節装置の一部断面図で、図８は弾性体４の具体的形状を示すための外観斜視図である。実施例１では弾性体の外側リングをセンサベースに固定したが、本実施例では出力部材に固定する。ここでは、実施例１と共通する部分の説明はできるだけ省略し、異なる部分について説明する。
【００５６】
図７、図８に示すように、本実施例の弾性体４は、取付け用のボルト穴すなわち取付け部３１を設けた外側リング２８と内側リング２９の間を、主面が回転方向θと直交するように放射状に配置された複数の板状弾性体３０で接続した構造としている。内側リング２９は支持部材３に固定され、外側リング２８は出力部材５に固定されている。外側リング２８の裏面には、トルク測定用スケール８ａおよびトルク測定用スケール８ｂが装着されている。その他の構成については、実施例１と同様なので説明を省略する。
【００５７】
本実施例の構成を採用すれば、弾性体の設計が容易かつ簡便である。図６に示した実施例１の弾性体では、曲げ変形とねじり変形の組合せによる複雑な変形になるので、有限要素法などを用い、試行錯誤的に寸法と形状を設計する必要があった。本実施例の構成では、単純な矩形平板の曲げ変形を考慮すればよいので、容易に解を導くことができる。ただし、設計で変更可能なパラメータの数は少ないので、形状の最適化範囲は限定される。
【００５８】
また、本実施例はトルクセンサ用のスケールを外側リングに取付けるので、実施例１に対して出力軸の直径を小さくできる利点がある。径の異なる２つの円環部品を間隔をあけて同心に配置し、その間を放射状に配置された複数の垂直な板状弾性体で接続するので、トルクセンサを薄型化でき、関節装置の厚みを低減することができる。
【００５９】
［実施例３］
図９乃至図１３を参照して、実施例３を説明する。
すでに説明した実施例と異なる主な点は、弾性体の作成を、三次元造形装置を用いて粉末積層造形法により行う点である。かかる造形方法は、例えば特開２０１８−１００４４５号公報に開示されている。ここでは、他の実施例と共通する部分についてはできるだけ省略し、異なる部分について説明する。
【００６０】
まず、図９に示すように、造形治具５０、センサベース７３、内側リング２９を準備する。
造形治具５０は、不図示の三次元造形装置にセンサベース７３と内側リング２９を取付けるための治具である。造形治具５０には、センサベース７３と嵌合する嵌合部５１と、弾性体の内側リング２９を固定する支柱５２が設けられている。
センサベース７３の上面には、平坦な造形開始面５５が予め設けられている。センサベース７３には、センサベースの基板保持用のくぼみ部５３が設けられているが、センサを固定した基板を下側から組立て可能にするため、すでに説明した実施例の断面図に対して上下逆さまになる向きにくぼみ部５３を配置する。
内側リング２９の上面には平坦な造形開始面５６が、下面には位置決め用のピン穴５７が予め設けられている。
【００６１】
そして、図１０に示すように、センサベース７３と弾性体の内側リング２９を造形治具５０に装着する。造形治具５０の嵌合部５１を使ってセンサベース７３を嵌合固定し、内側リング２９を造形治具５０の支柱５２に、ピン５８と不図示のねじを用いて固定する。このようにして、センサベース７３に設けた造形開始面５５と内側リング２９に設けた造形開始面５６が、同一平面上に配置されるように、センサベース７３と内側リング２９が造形治具５０に装着される。
【００６２】
次に、造形装置を用いた造形プロセスの原理を、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）を参照して説明する。
造形材粉末層形成装置は、電磁弁３３５を制御してホッパー３３４に充填された造形材の粉末３０１を粉末層として容器３３０上に敷き詰め、ならし板３３６（スキージとも呼ぶ）を走査して粉末層の表面を平坦にする。容器３３０の上に造形材の第一層目の粉末層３０１ａを敷き詰めると、レーザー３０４を部分的に照射し、３０１ｂの部分を焼結させて固化する。
【００６３】
次に、第二層目も同様に、粉末層３０１ａを敷き詰め、図１１（ａ）のように再びレーザー３０４を部分的に照射し、図１１（ｂ）のように３０１ｂの部分を焼結する。
このように、粉末層を敷き詰める工程と、レーザーを照射して部分的に焼結させる工程を繰返し、図１１（ｃ）のように焼結部３０１ｂの積層体を形成する。
最後に、造形物３４９を容器３３０から取り出せば、造形物を得ることができる。
【００６４】
図１１（ａ）〜図１１（ｄ）では、造形プロセスを簡単に説明するため模式的に図示したが、実際には特開２０１８−１００４４５号公報に開示された製造方法により弾性体を形成した。すなわち、センサベース７３と内側リング２９が装着された図１０の造形治具５０を造形装置にセットし、センサベース７３と内側リング２９を接続するように造形開始面上に弾性体の板状弾性体３０を三次元造形した。図１２に、板状弾性体３０が造形された状態を示す。粉末層をレーザーで焼結する時、センサベース７３や内側リング２９の造形開始面の材料も一部溶融するので、形成された板状弾性体３０とこれらの下地部材とは堅固に接合されて一体化している。すなわち、複数の板状弾性体と支持部材との結合部、および複数の板状弾性体と出力部材との結合部には、結合する互いの材料が溶融しあった領域を有し、堅固に接合している。
【００６５】
図１２に示したような形状・構造を有する板状弾性体３０は、例えば機械加工等の加工方法で製造することは容易ではない。板状弾性体中央部の溝形状を加工するとき、刃物がセンサベースや内側リングと干渉するためである。一方、本実施例のように粉末積層造形法によれば、このような形状でも容易に形成することができる。粉末材料の消費は板状弾性体３０を形成する量だけに留まるため、切削加工のように廃棄材料が生じないので、経済性に優れる。
造形治具５０をはずすと、図１３に示すように、センサベース７３と内側リング２９と板状弾性体３０が一体化した弾性体４が得られる。尚、造形治具５０は再利用できるので、経済性に優れる。
【００６６】
本実施例によれば、弾性体の板状弾性体を三次元造形装置で造形するので、機械加工では製作困難な形状であっても容易に製作することができる。弾性体の設計自由度を拡張できるため、より高性能な弾性体を実現できる。例えば、剛性比の高い弾性体を実現できるので、トルク検出誤差を低減することができる。
【００６７】
本実施例では、弾性体４の板状弾性体３０をセンサベース７３に直接造形することができるので、厚さの薄い回転関節を実現できる。また、弾性体を積層造形法で製作するので、形状設計の自由度が高く、最適設計に使うパラメータ数を機械加工に比べて格段に増やすことができ、より性能の高い弾性体の製造が可能になる。その結果、剛性比の高い弾性体を備えた高精度なトルクセンサを低コストで実現でき、関節装置の制御精度を向上することができる。
【００６８】
［実施例４］
図１４に、実施例４の一部断面を示す。他の実施例に対し、清掃用の給気孔を設けた点が異なる。すなわち、減速機の回転角測定用のスケールとセンサが対向する空間に、クリーニング用の流体を流すための流路を備えている。ここでは、他の実施例と共通する部分の説明はできるだけ省略し、異なる部分について説明する。
【００６９】
すでに他の実施例で説明したように、角度測定用センサおよびトルク測定用センサでは、光学式のエンコーダを用いて測定を行う。光学式エンコーダは、スケールの上にゴミが付着したりよごれが生じたりすると、正常に動作しなくなる場合がある。このため、適宜にスケールを清掃することが必要だが、その度に関節装置を分解、清掃、そして再組立しなければならず、保守に手間がかかる。
【００７０】
そこで、本実施例では、角度測定のエンコーダ近傍にクリーンエアーを吹き付ける機構を設け、ごみやよごれを吹き飛ばすことによって、関節を分解しなくてもスケールの清掃が可能になるようにする。
【００７１】
図１４に示すように、回転角測定用スケール６と回転角測定用センサ７とが対向する空間は、固定部材１、回転軸１９、センサベース７３、センサ基板２１、オイルシール３８ｂ、オイルシール３８ｃで囲まれた閉鎖空間になっている。本実施例では、センサベース７３に、給気孔６１と排気孔６３を設け、通常時は封止ねじ６２及び封止ねじ６４で封止しておく。
【００７２】
この空間を清掃する場合には、封止ねじ６２と封止ねじ６４を取りはずし、不図示の圧縮空気源と給気孔６１を接続してクリーンエアーを給気し、排気孔６３から排気する。このように、エアーを吹き付けることにより、エンコーダのスケールやセンサに付着した汚れを吹き飛ばして清浄化する。
【００７３】
本実施例によれば、清浄化時に、装置の分解や再組立てが不要なので、メンテナンスに必要な時間と手間を大幅に低減することができ、関節装置の信頼性を向上し、稼働率を上げて使用時のランニングコストを下げることができる。尚、本実施例では排気孔をセンサベースに設けたが、センサ基板に設けてもよい。また、本実施例ではクリーンエアーを供給したが、フッ素系などの不活性液体を供給してもよい。また、トルクセンサ用のスケールとセンサが配置された空間に、クリーニング用の流体を流すための流路を設けても良い。
【００７４】
［他の実施形態］
本発明の実施は、以上説明した実施形態や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組合せや変形が可能である。
【００７５】
例えば、角度測定用センサとトルク測定用センサについては、スケールとセンサのうちセンサを支持部材に集約して配置し、センサ関係の電気回路を支持部材に集約したが、スケールを支持部材に配置することも可能である。言い換えれば、固定部材には、減速機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、支持部材には他方が固定されればよい。また、支持部材には、出力部材にかかるトルク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、出力部材には他方が固定されればよい。
また、実施形態および実施例では光学式のエンコーダをベースとしたセンサを用いたが、磁気読取式のエンコーダを用いてもよい。
これらの場合にも、配線や配管の引きずりによる弾性体への影響を抑制することが可能である。
【００７６】
本発明を実施した関節装置は、高精度にトルクを検出することが可能なため、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２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。
【符号の説明】
【００７７】
１・・・固定部材／２・・・減速機／３・・・支持部材／４・・・弾性体／５・・・出力部材／６・・・回転角測定用スケール／７、７ａ、７ｂ・・・回転角測定用センサ／８、８ａ、８ｂ・・・トルク測定用スケール／９、９ａ、９ｂ・・・トルク測定用センサ／１０・・・束線／１１ａ、１１ｂ・・・留め具／１２・・・変形部／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／２１・・・センサ基板／２５・・・センサ信号処理回路／２６・・・コネクタ／２７・・・センサ基板用の配線／２８・・・外側リング／２９・・・内側リング／３０・・・板状弾性体／３３・・・電気配線／３４・・・圧縮空気の配管／３５・・・モータ制御用配線／３６・・・配線チューブ／３７ａ、３７ｂ・・・Ｏリング／３８ａ、３８ｂ、３８ｃ・・・オイルシール／５０・・・造形治具／５１・・・嵌合部／５２・・・支柱／５３・・・くぼみ部／５４・・・窓穴／５５、５６・・・造形開始面／５７・・・ピン穴／５８・・・ピン／５９、６０ａ、６０ｂ・・・配線用穴部／６１・・・給気孔／６２・・・封止ねじ／６３・・・排気孔／６４・・・封止ねじ／７３・・・センサベース／１００・・・６軸多関節ロボット／１０１・・・制御装置／１０２・・・ティーチングペンダント／２００〜２０６・・・リンク／３０１・・・粉末／３０１ａ・・・粉末層／３０４・・・レーザー／３３０・・・容器／３３４・・・ホッパー／３３５・・・電磁弁／３３６・・・ならし板／３４９・・・造形物／Ｊ１〜Ｊ６・・・回転関節
【図１】
2020069625.tif 000006
【図２】
2020069625.tif 000007
【図３】
2020069625.tif 000008
【図４】
2020069625.tif 000009
【図５】
2020069625.tif 000010
【図６】
2020069625.tif 000011
【図７】
2020069625.tif 000012
【図８】
2020069625.tif 000013
【図９】
2020069625.tif 000014
【図１０】
2020069625.tif 000015
【図１１】
2020069625.tif 000016
【図１２】
2020069625.tif 000017
【図１３】
2020069625.tif 000018
【図１４】
2020069625.tif 000019