(57)【要約】【課題】例えばロボット装置の関節に配置されるトルクセンサで高精度かつ高分解能なトルク検出を行えるようにする。【解決手段】トルクセンサの弾性体５０１は、バネ部５０６、第１締結部５０４、第２締結部５０５を有する。バネ部５０６は、第１、第２の締結部の間に放射状に配置され、両者を結合する。バネ部５０６は、放射状配置の方向の寸法よりも、回転軸を中心とする円の接線方向の寸法が小さい。また、放射状配置の方向の寸法よりも、第１締結部および第２締結部間の寸法が小さく構成される。光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂは、弾性体５０１の回転変位の回転軸５０３を中心とする同心円の円周上の、例えば同じ直径上の対向位置に配置する。例えば、複数の光学式エンコーダの出力信号を平均化することにより、他軸力などの外乱の影響を低減できる。【選択図】図３
2019132857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対変位する測定対象にそれぞれ締結可能な第１締結部、および第２締結部と、
前記第１締結部および前記第２締結部が回転変位する回転軸を中心に放射状に配置され前記第１締結部および前記第２締結部を連結するバネ部と、
前記第１締結部および前記第２締結部のいずれかにそれぞれ対向して配置されたスケール部および光学検出部を備えた光学式エンコーダと、
を備えることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記バネ部は、前記放射状の配置の方向の寸法よりも、前記回転軸を中心とする円の接線方向の寸法が小さく、かつ、前記放射状の配置の方向の寸法よりも、前記第１締結部および前記第２締結部の間の寸法が小さく構成されている請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記光学式エンコーダが、前記第１締結部、および前記第２締結部の前記回転変位の回転軸を中心とする同心円の円周上に複数、配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ。
【請求項４】
複数の前記光学式エンコーダのうち２つが前記同心円の１つの直径上の位置にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項３記載のセンサ。
【請求項５】
複数の前記光学式エンコーダが前記同心円の円周上において均等に配置された請求項３記載のセンサ。
【請求項６】
複数の前記光学式エンコーダの前記光学検出部からそれぞれ得られる検出値の平均値を出力することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１締結部、前記第２締結部および前記バネ部は一体に構成された弾性体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１締結部または前記第２締結部には、当該の締結部を前記測定対象に締結するための締結部位が設けられ、前記締結部位が、前記第１締結部または前記第２締結部に配置される前記スケール部または前記光学検出部と、前記スケール部または前記光学検出部に直近の前記バネ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載のセンサ。
【請求項９】
前記スケール部は、前記光学検出部によって検出されるパターン面を有し、前記スケール部がその配置平面に対して回転変位する場合、その回転変位の回転中心が、前記スケール部のスケール面に一致するよう、前記スケール部が前記第１締結部または前記第２締結部に装着されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項記載のセンサ。
【請求項１０】
前記第１締結部、前記第２締結部および前記バネ部は、３Ｄプリンタによって製造されていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１１】
請求項１０記載のセンサを製造するための３Ｄプリンタ用データ。
【請求項１２】
第１のリンクと第２のリンクとを相対的に駆動させる駆動機構であって、
固定部および駆動部を有し、前記固定部に対して前記駆動部を駆動させる駆動装置を備え、
前記固定部および前記駆動部の一方は前記第１のリンクに固定され、前記固定部および前記駆動部の他方と前記第２のリンクの間を結合するように、前記固定部および前記駆動部の他方と前記第２のリンクに作用する力を求めるためのセンサが取り付けられ、
前記センサは、前記第１のリンクと締結された第１締結部、および前記第２のリンクと締結された第２締結部と、を備えた駆動機構。
【請求項１３】
請求項１記載のセンサを有するロボット。
【請求項１４】
請求項１３に記載のロボットを用いて物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載のロボットを駆動させるためのプログラム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸廻りに働く力を検出するセンサ、センサを用いる駆動機構、およびロボット、に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な工業製品の生産ラインで、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、自動車部品などを組み立てる生産ラインにおいて、特に数百グラムから数キログラムの荷重が部品に加わるような工程には、多関節ロボットが広く用いられている。これに対して、柔軟物、軽量物、あるいは低強度部材などから成るワークの組付けなど、部品に与える荷重が数グラム程度であることを要求されるような工程や、精密嵌合を行う工程を多関節ロボットで実現するには種々の困難がある。
【０００３】
上述のような柔軟物、軽量物、あるいは低強度部材といったワークを取り扱う場合、例えば、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。もしこの種のワークを多関節ロボットで操作する場合には、高精度に関節やリンクを介してワークに作用する力を制御する必要がある。
【０００４】
例えば、従来より多関節ロボットの先端に搭載するハンドやグリッパのようなエンドエフェクタとともに力覚センサを配置する構成が知られている。この力覚センサの出力値をエンドエフェクタの駆動制御にフィードバックすることにより、ワークに作用する力を制御することができる。また、手先のエンドエフェクタのみならず、例えば、多関節ロボットのアームを構成する各リンクに作用する力を測定して、多関節ロボットの駆動制御にフィードバックすることが考えられる。特に、ロボットアームのリンクに作用する力のうち、多関節ロボットの高精度な駆動制御のために測定する必要がある力は、関節の駆動軸周りに作用するトルクである。
【０００５】
多関節ロボットで上述のような柔軟物、軽量物、あるいは低強度部材といったワークを取り扱う場合、精密嵌合のような作業を行わせる場合、アームの関節に配置されたトルクセンサを高精度化ないし高分解能化する必要がある。
【０００６】
一方、駆動力を伝達する弾性体に生じた変形量を検出ヘッドで検出する構成では、トルクセンサを高分解能にするために、力に対する弾性体の変形量を増加させる必要がある。しかし、同じ力で生じる弾性体の変形量を増加させると、一方では、トルクセンサのトルク検出方向の剛性が低下する可能性がある。トルクセンサの剛性が低下すれば、関節機構の剛性が低くなり、また、多関節ロボットの駆動制御帯域が狭くなるため制御性が低下する可能性がある。関節に働く力を検出するトルクセンサを高分解能化する場合でも、関節機構の剛性低下を可能な限り抑制するのが好ましい。
【０００７】
関節機構の剛性確保、ないし関節に働く他軸力（関節の駆動軸周りを除く５方向に作用する力）を考慮して、特許文献１や２ではガイド部材を配置する構成が用いられている。例えば特許文献１では、他軸力を支持するガイド部材として、関節で接続される２つのリンクの相対変位部にベアリングを設けている。また、特許文献２のトルクセンサは、弾性体が他軸力方向へ変形するのを規制するガイド部材を弾性体上に設ける構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２８６７８９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８９５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、関節の剛性確保、あるいは他軸力を支持するためにベアリングのようなガイド部材を配置すると、このガイド部材は関節の駆動軸周りの駆動に対して負荷として働くことになる。例えばトルクセンサをガイド部材で保持、規制すると、関節の駆動軸周りのトルクが影響を受け、本来トルクセンサで検出すべき関節の駆動軸周りのトルクを正確に検出できなくなる可能性がある。
【００１０】
従って、トルクセンサが関節の駆動軸周りのトルクを正確に検出するためには、ガイド部材を用いることなく、トルクセンサの弾性体で他軸力を支持できる必要がある。即ち、トルク検出精度を高めるためには、ガイド部材を用いないのが望ましく、また、同時に他軸力方向の剛性が低下するのを防ぐ必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のセンサは、相対変位する測定対象にそれぞれ締結可能な第１締結部、および第２締結部と、前記第１締結部および前記第２締結部が回転変位する回転軸を中心に放射状に配置され前記第１締結部および前記第２締結部を連結するバネ部と、前記第１締結部および前記第２締結部のいずれかにそれぞれ対向して配置されたスケール部および光学検出部を備えた光学式エンコーダと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の駆動機構は、第１のリンクと第２のリンクとを相対的に駆動させる駆動機構であって、固定部および駆動部を有し、前記固定部に対して前記駆動部を駆動させる駆動装置を備え、前記固定部および前記駆動部の一方は前記第１のリンクに固定され、前記固定部および前記駆動部の他方と前記第２のリンクの間を結合するように、前記固定部および前記駆動部の他方と前記第２のリンクに作用する力を求めるためのセンサが取り付けられ、前記センサは、前記第１のリンクと締結された第１締結部、および前記第２のリンクと締結された第２締結部と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高分解能な位置検出が可能な光学式エンコーダをトルクセンサの検出素子に用いる。このため、トルクセンサの弾性体の微小変位の検出が可能であり、トルクセンサに求められる検出トルク分解能を満たす弾性体の変形量を小さくできる。従って、トルクセンサのトルク検出方向の剛性を高くでき、高分解能と高剛性を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を実施可能なロボット装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】図１のロボット装置の関節の構成を示した断面図である。
【図３】図１のロボット装置のトルクセンサの構成を示した斜視図である。
【図４】図３のトルクセンサの構成を示した上面図である。
【図５】図４のトルクセンサのＡ方向から示した断面矢視図である。
【図６】図５の断面図において、実施例１のトルクセンサにトルクが作用した時にスケール固定部に生じる変形の様子を示す説明図である。
【図７】スケール固定部の変形によるスケールの回転中心が、スケール固定部と異なっている状態を示した説明図である。
【図８】図１のロボット装置におけるトルクセンサの配置および他軸力を示した説明図である。
【図９】図１のロボット装置におけるトルクセンサの異なる配置および他軸力を示した説明図である。
【図１０】スケール固定部の変形によるスケールの回転中心が、スケール面と一致している他の構成を示した説明図である。
【図１１】ロボット制御装置の構成を示したブロック図である。
【図１２】ロボット制御装置の制御機能を示したブロック図である。
【図１３】ロボット制御装置が実行するロボット制御手順の流れを示したフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面に示す実施例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、以下に示す実施例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。
【００１６】
＜実施例１＞
（ロボット装置の概略構成）
本実施例によるロボット装置の概略構成について説明する。図１は、本実施例のロボット装置の概略構成を示している。図１において、ロボット装置１００は、多関節ロボットとして構成されたロボットアーム２００と、ロボットアーム２００を制御するロボット制御装置３００と、ティーチングペンダント４００を備えている。
【００１７】
ティーチングペンダント４００は、ロボット制御装置３００に複数の教示点のデータを送信する教示装置であり、主にロボット装置１００の設置現場において、操作者がロボットアーム２００の動作を指定するのに用いられる。
【００１８】
ロボットアーム２００は、本実施例では、６軸多関節で構成されている。ロボットアーム２００は、各関節Ｊ１〜Ｊ６を各関節軸Ａ１〜Ａ６周りにそれぞれ回転駆動する複数（６つ）のサーボモータ２０１〜２０６を有している。即ち、サーボモータ２０１〜２０６は、各関節Ｊ１〜Ｊ６が各々連結する第１のリンクおよび第２のリンクを相対変位させる駆動力を発生する駆動源を構成する。本実施例ではサーボモータの例を示すが、これに限らず、固定部と駆動部とを有し、固定部に対して駆動部を駆動させる駆動機構であればよい。
【００１９】
ロボット制御装置３００が、各Ｊ１〜Ｊ６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２００は、可動範囲の中であれば任意の３次元位置で任意の３方向の姿勢に手先（ロボットアーム２００の先端）を向けることができる。
【００２０】
一般に、ロボットアーム２００の位置及び姿勢は、３次元直交（ＸＹＺ）座標系で表現される。例えば、図１中のＴｏはロボットアーム２００の台座に固定した座標系、Ｔｅはロボットアーム２００の手先に固定した座標系を示している。
【００２１】
ロボットアーム２００の各関節Ｊ１〜Ｊ６は、図２のように固定（支持）側の第１のリンクのフレーム２４１に対して、可動（被駆動）側の第２のリンクのフレーム２４２を相対回転可能に連結する。これら関節Ｊ１〜Ｊ６の相対回転角度は、サーボモータ２０１〜２０６によって制御される。サーボモータ２０１〜２０６は、各関節Ｊ１〜Ｊ６の駆動源を構成し、電動モータ２１１〜２１６と、関節のトルクを検出するトルクセンサ２２１〜２２６とを備える。
【００２２】
サーボモータ２０１〜２０６の図中左側の基部は固定（支持）側の第１のリンクのフレーム２４１に固着されている。また、後述する構成を有するトルクセンサ２２１〜２２６は、サーボモータ２０１〜２０６の出力駆動軸と、可動（被駆動）側の第２のリンクのフレーム２４２の間に配置されている。トルクセンサ２２１〜２２６は、後述のように弾性体およびその変形量を検出する光学式エンコーダを備える。関節駆動時には、第２のリンクのフレーム２４２とサーボモータ２０１〜２０６の駆動軸の相対変位に伴なうトルクセンサ２２１〜２２６の弾性体の変形量が光学式エンコーダによって検出される。
【００２３】
なお、簡略化のため、図示を省略しているが、サーボモータ２０１〜２０６の部位には、他に波動歯車機構などを利用した減速機が含まれていてよい。
【００２４】
電動モータ２１１〜２１６の一端はトルクセンサ２２１〜２２６の一端に固定されており、電動モータ２１１〜２１６の他端は固定側のフレーム２４１に固定され、トルクセンサ２２１〜２２６の他端は可動側のフレーム２４２に固定されている。
【００２５】
図１１にロボット制御装置３００のハードウェア構成の一例を示す。同図に示すように、ロボット制御装置３００は、ＣＰＵ（演算部）６０１、ＲＯＭ６０２、ＲＡＭ６０３、ＨＤＤ（記憶部）６０４、インターフェース６０５、６０６を備えている。
【００２６】
ＲＯＭ６０２には、ＣＰＵ６０１が実行する制御プログラムや定数データを格納するために用いられる。ＲＡＭ６０３は、ＣＰＵ６０１が後述のロボット制御プログラムを実行する際にワークエリアとして用いられる。ＨＤＤ６０４は、例えばＣＰＵ６０１の演算処理結果である各種のデータ等を記憶する記憶部として用いられる。後述のロボット制御プログラムは、例えばＲＯＭ６０２に格納しておく他、ＨＤＤ６０４にファイル形式で格納しておくことができる。
【００２７】
ＲＯＭ６０２の制御プログラム格納領域は、例えばＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能なメモリデバイスから構成しておくことができる。また、後述のロボット制御プログラムは、各種規格のフラッシュメモリや光ディスク（いずれも不図示）などのコンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して上記のＲＯＭ６０２の制御プログラム格納領域や、ＨＤＤ６０４にインストールすることができる。あるいは、既にＲＯＭ６０２やＨＤＤ６０４に記憶されているプログラム内容をアップデートすることもできる。
【００２８】
さらに、ネットワークインターフェース（不図示）をロボット制御装置３００に設けておいてもよい。その場合、ネットワークインターフェース（不図示）を介して、後述のロボット制御プログラムをネットワーク経由でＲＯＭ６０２やＨＤＤ６０４にインストールする、あるいは既に記憶されている内容をアップデートする構成を用いることができる。
【００２９】
ロボット制御装置３００と、ロボットアーム２００の間には、サーボモータ２０１〜２０６の電動モータ２１１〜２１６を駆動制御するドライバインターフェースとしてサーボ制御部２３０が配置される。図１１ではインターフェース６０６中のサブブロックとしてこのサーボ制御部２３０を図示してあるが、サーボ制御部２３０のハードウェア的な配置は任意である。また、図１１では、サーボモータ２０１〜２０６の電動モータ２１１〜２１６は、単一のブロック（６０７）として簡略図示してある。
【００３０】
サーボ制御部２３０は、例えばＣＰＵ６０１が入力したトルク指令値に基づき、関節Ｊ１〜Ｊ６のトルクが指令トルクに追従するよう、電動モータ２１１〜２１６に電流指令を出力する。これにより電動モータ２１１〜２１６の動作が制御される。サーボ制御部２３０は例えば電動モータ２１１〜２１６を独立してサーボ制御できる制御チャネルを有する１コントローラとして構成する他、電動モータ２１１〜２１６にそれぞれ対応した独立したサーボ制御部によって構成してもよい。
【００３１】
図１１において、インターフェース６０５には、上述のティーチングペンダント４００が接続され、ＣＰＵ６０１はティーチングペンダント４００の操作データをインターフェース６０５を介して取得する。また、ＣＰＵ６０１は、各関節に配置されるトルクセンサ２２１〜２２６の出力をインターフェース６０５を介して取得することができる。図１１では、簡略化のため、各関節に配置されるトルクセンサ２２１〜２２６を、６０８で示した１ブロックにより図示している。
【００３２】
上記のロボット制御装置３００がロボットアーム２００の各関節Ｊ１〜Ｊ６の動作を制御することにより、所定の動作、例えば工業製品の組立てなどの作業を行わせることができる。このロボット制御装置３００が制御するロボットアーム２００の動作は、例えばロボットアーム２００先端部などの基準部位の位置姿勢に相当する教示点のリストの形式で記述される。このような教示点リストは、ティーチングペンダント４００によって、ロボットアーム２００の姿勢を実際に変更しながら、所定のポイントで教示点のデータをロボット制御装置３００に対して指定することにより作成される。
【００３３】
図１２は、ロボット制御装置３００（特にＣＰＵ６０１）が後述の制御プログラムを実行することにより実現される制御機能をブロック表現で図示している。図１２において、指令トルク６０９は、例えばロボットアーム２００によって発生させるトルクの指令値である。指令トルク６０９は、ティーチングペンダント４００の操作指令により指定された教示点や、ロボットアーム２００に行わせる作業内容を記述したロボット制御プログラムに応じて生成される。
【００３４】
図１２において、加減算器の形式で図示したフィードバック制御部６１２の加算側入力端に指令トルク６０９が入力され、フィードバック制御部６１２の出力側から各関節の電動モータ６０７（２１１〜２１６）に各々のトルク制御値が与えられる。
【００３５】
６関節にそれぞれ配置されたトルクセンサ６０８（２２１〜２２６）の１つには、後述の例ではそれぞれ少なくとも２つ（図３〜図８：５０２ａ、５０２ｂ）、あるいは４つの光学式エンコーダ（図９：５０２ａ〜５０２ｄ）が配置される。各関節のトルクセンサ６０８（２２１〜２２６）のそれぞれ配置された、２つまたは４つの光学式エンコーダのトルク検出値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、所定の演算処理によって組み合せられる。そして、その演算結果がフィードバック制御部６１２の他の入力端（この例では減算側）にフィードバックされる。図１２の例では、複数（図示の例ではＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つ：後述の制御例を参照）のトルク検出値６１１に対して平均値演算処理（６１０）を実行し、フィードバック制御部６１２にフィードバックさせる。
【００３６】
図１３は、図１２に機能ブロックで示したロボット制御装置３００（ＣＰＵ６０１）の制御手順の流れをフローチャート図の形式で示している。図１３のステップＳ１１では、ティーチングペンダント４００の操作指令により指定された教示点や、ロボットアーム２００に行わせる作業内容を記述したロボット制御プログラムに応じて、指令トルク（６０９）が生成される。
【００３７】
ステップＳ１２は、図１２においてフィードバック制御部６１２として示した指令トルクの補正処理に相当する。このステップＳ１２において、平均化処理（Ｓ１５）で補正された補正量によって各関節の電動モータ６０７（２１１〜２１６）に送信される各々のトルク制御値が補正される。ステップＳ１３では、補正されたトルク制御値が各関節の電動モータ６０７（２１１〜２１６）に送信され、上記のサーボ制御部２３０がその値に応じて例えば各モータに対する駆動電流指令を生成する。
【００３８】
ステップＳ１４は、複数のトルク検出値を取得する検出工程に相当する。このステップＳ１４では、６関節にそれぞれ配置されたトルクセンサ６０８（２２１〜２２６）から各関節で発生されているトルクの検出値を取得する。
【００３９】
ステップＳ１５では、各関節にそれぞれ配置されたトルクセンサ６０８（２２１〜２２６）に関して、トルクセンサ６０８の光学式エンコーダから得られた２つ（ないし４つの）トルク検出値に対して所定の演算を行う。この処理は、上記のようにして取得した複数のトルク検出値を組み合せる演算処理を実行する演算工程に相当する。この演算処理より、各関節に関して、ステップＳ１２にフィードバックするための演算値を生成する。
【００４０】
ステップＳ１５で行う演算処理としては、例えば平均値演算が考えられる。例えば、図１３の図示では、後述の図９のように１つのトルクセンサ６０８に４つの光学式エンコーダが設けられる場合の演算例で、トルク検出値の平均化演算（Ｔ＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／４）を行っている。このように、トルクセンサ６０８の各々から得られた例えば４つのトルク検出値（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に対して平均値演算を行う。
【００４１】
そして、その演算結果をステップＳ１２において、そのトルクセンサ６０８に対応する電動モータ６０７（２１１〜２１６）を制御する駆動制御量にフィードバックさせる。この処理は、上記の複数のトルク検出値を組み合せる演算結果の結果に基づき、各関節の駆動源である電動モータ６０７（２１１〜２１６）の駆動条件を制御する駆動制御工程に相当する。
【００４２】
なお、１つのトルクセンサ６０８に２つの光学式エンコーダを設ける構成（後述の図８）では、各々からそれぞれ得られた２つのトルク検出値（Ａ、Ｂ）に対して平均値演算（Ｔ＝（Ａ＋Ｂ）／２）を行いその演算結果をステップＳ１２にフィードバックする。
【００４３】
（トルクセンサの構造）
トルクセンサ２２１〜２２６は、図３のように、弾性体５０１と、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂの各ユニットにより構成されている。光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂは、例えば弾性体５０１に対してトルクが作用する回転軸５０３を中心とする同心円の同じ直径上の位置を占める対向位置に配置する。
【００４４】
弾性体５０１は、第１締結部５０４、第２締結部５０５、およびこれら両者を結合する放射状に配置されたバネ部５０６により構成されている。図３、図４の例では、前記第１締結部５０４にはスケール固定部５１２が設けられる。第１締結部５０４、および第２締結部５０５は、相対変位する測定対象にそれぞれ締結可能に構成される。
【００４５】
弾性体５０１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（バネ）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。弾性体５０１は、３Ｄプリンタによって製造してもよい。具体的には、弾性体５０１の設計データ（例えばＣＡＤデータ）から、３Ｄプリンタ用データである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してもよい。
【００４６】
第１締結部５０４と第２締結部５０５は、例えば円形または図示のようなドーナツ（リング）状の形状に構成される。これらの締結部（５０４、５０５）は、相対変位する測定対象、例えば図２の電動モータ２１１〜２１６および可動（被駆動）側のフレーム２４２にそれぞれ締結するためのフランジ部位を構成する。
【００４７】
バネ部５０６は、例えば円形ないしリング形状の第１締結部５０４と、第２締結部５０５の間を結合するリブ形状の部材として構成されている。この複数のバネ部５０６はトルクが作用する回転軸５０３を中心として放射状に配置する。
【００４８】
例えば、バネ部５０６は、トルクが作用する回転軸５０３に対して放射状に複数（この例では８）箇所に配置する。また、第１締結部５０４と第２締結部５０５には電動モータ２１１〜２１６、フレーム２４２とそれぞれ締結するための締結部位５０７（例えばビス孔やタップ孔）が複数（この例では１２）個、配置される。なお、光学式エンコーダ５０２ａ（５０２ｂ）の近傍（直近）の締結部位５０７、バネ部５０６の好適な位置関係に関しては後述する。
【００４９】
光学式エンコーダ５０２ａ（５０２ｂ）は、光学式の位置センサ（エンコーダ）としての機能を有する。図５のように、光学式エンコーダ５０２ａ（５０２ｂ）は、スケール５０８（スケール部）と、スケール５０８から位置情報を検出する検出ヘッド５０９を備える。検出ヘッド５０９は、第１締結部５０４、および第２締結部５０５の相対的な回転変位を検出する光学検出部を構成する。
【００５０】
スケール５０８（スケール部）、検出ヘッド５０９は、それぞれスケール取付部５１０と、検出ヘッド取付部５１１を介して第１締結部５０４、第２締結部５０５に装着される。なお、図５は、図４の光学式エンコーダ５０２ｂの部分に相当する断面ＸのＡ方向からの矢視断面に相当する。
【００５１】
スケール５０８（スケール部）はスケール取付部５１０を介して、また、検出ヘッド５０９は検出ヘッド取付部５１１を介して弾性体５０１に固定される。
【００５２】
本実施例では、スケール取付部５１０は弾性体５０１に対してスケール固定部５１２に固定される。図３に示すように、スケール固定部５１２の全体は、第１締結部５０４に設けられた凹部５１２ａの形状を有する。この凹部５１２ａの外周側は、検出ヘッド５０９とスケール５０８を対向させるための切り欠き部５１２ｂ（開口部）となっている。
【００５３】
また、検出ヘッド取付部５１１は、弾性体５０１に対して第２締結部５０５に固定されている。検出ヘッド５０９は、不図示の発光素子と受光素子を備えた反射型の光学センサから構成される。スケール５０８の検出ヘッド５０９に対向するパターン面には、表面にスケールパターン（詳細不図示）を配置する。このスケールパターンは、例えば規則的に濃淡や反射率を特定のパターンで異ならせて配置することにより構成される。
【００５４】
なお、このスケールパターンは、検出演算の方式によっては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／高分解能化に伴ない、μｍオーダのピッチのものも利用可能である。
【００５５】
検出ヘッド５０９は、発光素子から光をスケール５０８に対して照射し、スケール５０８に反射した光を受光素子が受光する。ここで、回転軸５０３まわりのトルクが作用し、弾性体５０１がｘ軸方向に変形すると、検出ヘッド５０９とスケール５０８の相対位置が変化するため、スケール５０８に照射されている光の照射位置がスケール５０８上を移動する。
【００５６】
このとき、スケール５０８に照射されている光がスケール５０８上に設けられたパターンを通過すると、検出ヘッド５０９の受光素子で検出される光の光量が変化する。この光量の変化から、スケール５０８と検出ヘッド５０９との相対移動量を検出する。検出ヘッド５０９が検出した移動量は、ＣＰＵ６０１が実行する制御ルーチンによって構成されたトルク検出制御部（不図示）によって弾性体５０１に作用したトルクに換算される。なお、このトルク検出制御は、ハードウェアにより構成されたトルク検出制御部により構成されていてもよい。検出ヘッド５０９の出力値（移動量）は、上記のトルク検出制御部によって検出ヘッド５０９が検出した移動量を弾性体５０１に作用したトルクに変換する感度係数を用いて、トルク検出値（例えば図１２、図１３のＡ〜Ｄ）に変換される。
【００５７】
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５０３（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。
【００５８】
本実施例では、図３、図４に示すように２つの光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂを弾性体５０１に対してトルクが作用する回転軸５０３を基準として同じ直径上の対向位置に配置する。この場合、上述のように、２つの光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂの検出ヘッド５０９から出力されるトルク検出値（Ａ、Ｂ）を平均化（図１２の６１０、図１３のＳ１５）する平均値演算処理を行う。これにより、目的のトルク検出に係る回転軸５０３廻り以外に働く他軸力の影響を低減することができる。また、回転軸５０３を中心とする同じ直径上の線ないし点対称位置配置された光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂから相対変位に係る検出値を得るようにしている。従って、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂの出力を平均化することによって高精度かつ信頼性の高い相対変位情報、ないしこれに基づくトルク検出値を取得することができる。
【００５９】
トルクセンサ２２１〜２２６は、ロボットアーム２００に行わせる動作に応じた検出トルク分解能が要求される。前述のように、柔軟物、軽量物、あるいは低強度部材などから成るデリケートなワークを取り扱う場合などにおいては、高精度に関節やリンクを介してワークに作用する力を制御する必要がある。そして、このようなワークが対象物である場合にはトルクセンサ２２１〜２２６には高分解能（高精度なトルク検出）が要求される。
【００６０】
ここで、今、トルクセンサ２２１〜２２６に求められる検出トルクの必要分解能をｔとする。また、光学式エンコーダ５０２（５０２ａ、５０２ｂ）で検出されるスケール５０８と検出ヘッド５０９との相対移動量の分解能をｄとする。
【００６１】
ここで、必要分解能ｔのトルクが作用したとき、弾性体５０１が変形して生じるスケール５０８と検出ヘッド５０９との相対変位量をｘとする。その場合、光学式エンコーダ５０２（５０２ａ、５０２ｂ）で検出できるスケール５０８と検出ヘッド５０９との相対移動量の分解能ｄとｘの関係は、
ｄ  ≦  ｘ  …（１）
である。
【００６２】
また、バネ部５０６は弾性体５０１にトルクが作用した時、弾性体５０１の変形の大部分を担う箇所であり、バネ部５０６の寸法はトルクセンサの２２１〜２２６の性能に大きく影響する。ここで、バネ部５０６の寸法で、弾性体５０１の外周の接線方向の寸法を厚み寸法Ｓ、弾性体５０１の半径方向に沿った寸法（長さ）をＷ、トルク作用軸に平行な方向の寸法を高さ寸法Ｈ（図３）とする。
【００６３】
そして、本実施例では、バネ部５０６の厚み寸法Ｓと高さ寸法Ｈは、弾性体５０１にトルクが作用した時の弾性体５０１の変形量が上記の式（１）を満たすように設定する。また、バネ部５０６の厚み寸法Ｓと寸法Ｗの関係は、好ましくは
Ｗ  ≧  ２Ｓ  （２）
の関係を満たすように設定する。
【００６４】
即ち、バネ部５０６は、その放射状配置の方向に沿った寸法（上記の寸法Ｗ）よりも、その放射状配置の方向および回転軸５０３の方向に直交する方向の寸法の方（上記厚み寸法Ｓ）が小さく構成される。このような寸法設定を採用することにより、目的のトルク検出方向に関しては変形し易い低剛性、それ以外の方向に関しては変形し難い高剛性、というようにバネ部５０６の剛性に異方性を持たせることができる。
【００６５】
また、バネ部５０６の高さ寸法Ｈに関しては、例えば放射状配置の方向に沿った長さ寸法Ｗよりも小さく、ただし、バネ部５０６の高さ寸法Ｈは、式（１）に示される必要分解能の範囲内を満たすように取る。これにより、目的のトルク検出方向以外の方向に関しては変形し難い高剛性を確保し、ガイド部などの配置を不要としつつ、トルク検出方向に関してはトルク検出の必要分解能を満たす（低）剛性を得ることができる。
【００６６】
以上のようにして、弾性体５０１全体は、検出を目的とする第１および第２の締結部（５０４、５０５）の相対的な回転変位の方向（厚み方向）に関しては、小さなトルクによって大きな変形量が得られる。このため、光学式エンコーダを用いて高精度かつ高分解能に変位検出が可能であり、これによりトルク検出の必要分解能を向上させ、またその高精度化が可能となる。
【００６７】
また、弾性体５０１全体は、他軸力に相当する、それ以外の方向に関する並進力および回転力（トルク）に関しては変形しにくい高剛性を示すことになる。このため、他軸力方向への弾性体５０１の変形に起因して光学式エンコーダから検出されるトルク検出誤差を低減することができる。また、従来必要であった例えば他軸力方向への弾性体５０１の変形を規制するガイド部材などを配置する必要がなくなる。
【００６８】
ここで、トルクが作用する回転軸５０３廻りのねじり剛性をＥＭｚ、他方向の軸まわりのねじり剛性をＥＭｘ、ＥＭｙ、軸に対して並進方向の剛性をＥＦｘ、ＥＦｙ、ＥＦｚとする。ここで、各剛性を表す記号の添え字のｘ、ｙ、ｚは、図３〜図５における座標に対応している。
【００６９】
そして、上式（２）で示したように、バネ部５０６の剛性に異方性を持たせることで、トルクが作用する回転軸５０３廻りのねじり剛性ＥＭｚに対して、並進方向の剛性ＥＦｘ、ＥＦｙを高めることができる。
【００７０】
さらに、バネ部５０６は第１締結部５０４と第２締結部５０５をトルクが作用する回転軸５０３方向に連結している。このため、トルクが作用する回転軸５０３方向の他軸力Ｆｚ、および他方向の軸周りの他軸力Ｍｘ、Ｍｙをバネ部５０６の座屈方向で支持できる。これにより、例えば従来構成において必要であったベアリングのようなガイド部材を用いることなく、トルクセンサ、従ってその関節部位に充分な剛性を確保できる。
【００７１】
以上のようにバネ部５０６の寸法関係および配置によりバネ部５０６の剛性に異方性を持たせることで、トルクが作用する回転軸５０３まわりの弾性体５０１のねじり剛性ＥＭｚに対して、他方向の剛性を高めることができる。
【００７２】
一方、トルクセンサの高剛性化と高分解能化を両立すべく光学式エンコーダに求められる必要分解能がμｍオーダ以下になると、弾性体５０１の変形によるスケール５０８と検出ヘッド５０９との相対変位量を検出する際に、検出誤差の影響が強くなる。
【００７３】
光学式エンコーダ５０２（５０２ａ、５０２ｂ）で検出される変位量に生じる誤差はトルク検出誤差に直結するため、トルクセンサの構成に関しては、例えば、以下に示すような配慮が必要となる。以下、（弾性体５０１の一体構成）、（締結部位５０７の配置）、（光学式エンコーダのスケール／検出ヘッドの配置）の欄において、トルク検出誤差を低減するために採用可能なトルクセンサの各部の構成につき、詳細に説明する。
【００７４】
（弾性体５０１の一体構成）
弾性体５０１は、好ましくは、第１締結部５０４、第２締結部５０５およびバネ部５０６を一体構成するのが望ましい。例えば弾性体５０１の第１締結部５０４、第２締結部５０５およびバネ部５０６を一体構成する手法としては、樹脂や金属などの所定材料の注型や削り出し加工が考えられる。
【００７５】
第１締結部５０４、第２締結部５０５およびバネ部５０６を別体とし、ネジ止め、接（溶）着、溶接などによって結合する構造も考えられる。しかしながら、このような別体構造では、上記各部間の接続部で生じる部の滑りなどによるトルク検出誤差が発生する。これ対して、弾性体５０１の第１締結部５０４、第２締結部５０５およびバネ部５０６を一体構成する場合には、各部の接続部で生じる部の滑り等によるトルク検出誤差の発生を抑制でき、トルク検出誤差を低減でき、より高精度なトルク検出が可能となる。
【００７６】
（締結部位５０７の配置）
弾性体５０１にトルクＴが作用すると弾性体が変形し、図６に示すように弾性体の変形に応じてスケール固定部５１２も変形する。スケール固定部５１２に生じる変形は、スケール固定部５１２に固定されたスケール５０８の移動に繋がるため、トルク検出誤差が発生する。
【００７７】
本実施例では弾性体５０１の第１締結部５０４と第２締結部５０５は、リンクとの締結部位５０７を備えている。この締結部位５０７は、本実施例では、上記のようなスケール固定部５１２の変形を考慮して、図４に示すようにバネ部５０６とスケール固定部５１２との間に配置している。このような締結部位５０７の配置により、弾性体５０１にトルクＴが作用した際にスケール固定部５１２に生じる変形を抑制することができ、トルク検出誤差の発生を抑制できる。
【００７８】
例えば、図４において、バネ部５０６からスケール固定部５１２まで伸びるベクトルＸ’の長さをＬとする。この時、スケール固定部５１２のｚ軸方向の変形は、締結部位５０７がバネ部５０６とスケール固定部５１２との間に配置されていなければ、バネ部５０６を起点として長さＬの片持ち梁のたわみ量に相当する。
【００７９】
これに対して、締結部位５０７をバネ部５０６とスケール固定部５１２との間に配置すると、変形の起点は締結部位５０７からとみなすことができる。この場合、変形の起点からスケール固定部５１２までの距離を長さＬより短くできるため、スケール固定部５１２のｚ軸方向の変形を抑制できる。
【００８０】
本実施例では、締結部位５０７の配置を、締結部位５０７からスケール固定部５１２までの距離をベクトルＸ’の長さＬの約１／３となるように配置している。これにより、スケール固定部５１２のｚ軸方向の変形量を、締結部位５０７をバネ部５０６とスケール固定部５１２との間に配置していない場合と比較して、約２７分の１に抑制することができる。
【００８１】
（光学式エンコーダのスケール／検出ヘッドの配置）
前述のように、スケール固定部５１２の全体は、第１締結部５０４に設けられた凹部５１２ａの形状を有する。そして、この凹部５１２ａの外周側は、検出ヘッド５０９とスケール５０８を対向させるための切り欠き部５１２ｂ（開口部）となっている。このため、スケール固定部５１２の部位は、第１締結部５０４の他の部分よりＺ方向の厚みが薄く、図６、図７などに示すように弾性体５０１全体にトルクＴが作用した際に不規則に変形する可能性がある。
【００８２】
例えば、図６、図７に示すように弾性体５０１にトルクＴが作用すると、スケール固定部５１２の切り欠き部５１２ｂ（開口部）の一方がめくれ上り、他方は下る、というように図中のｙ軸廻りに不規則に変形する可能性がある。このようにスケール固定部５１２が変形すると、スケール５０８は図示のようにｙ軸周りに回転する。このスケール５０８のｙ軸周りの回転により、パターン面５１４（スケール面）全体が揺動して、ｘ軸方向に移動する。このことは、検出ヘッド５０９とスケール５０８の配置関係が逆で、例えばスケール５０８が第２締結部５０５に配置される場合でも同様である。
【００８３】
そこで、本実施例では、図６に示すように例えば、スケール取付部５１０を介して位置決めされるスケール５０８のスケール面の位置を決定してある。即ち、本実施例の構成は、スケール固定部５１２の構造などによって、弾性体５０１の相対変位によってスケール５０８がその配置面に対して回転変位する構成である。
【００８４】
この場合、スケール５０８の回転変位の回転中心が、スケール５０８のスケール面（パターン面５１４）上に一致するような位置にスケール５０８を支持する。このスケール５０８の支持位置（高さ）は、例えばスケール５０８を第１締結部５０４（または第２締結部５０５）に装着される高さであり、スケール固定部５１２がスケール取付部５１０を支持する高さにより決定できる。
【００８５】
この時、スケール５０８の支持高さを次のように定めておく。即ち、図６に示すように、トルクＴが作用して生じるスケール固定部５１２の（不規則）変形によるスケール５０８のｙ軸周りの回転中心５１３が、そのパターン面５１４（スケール面）上に一致するようスケール取付部５１０をスケール固定部５１２に配置する。
【００８６】
特に、上記のようなスケール５０８の支持高さを得るために、スケール５０８はスケール取付部５１０の下面に、スケール取付部５１０とパターン面５１４（スケール面）が面一となるように装着されている。例えば、このようなスケール取付部５１０との面一配置は、スケール５０８を、スケール取付部５１０の下面に設けた凹部内に配置することにより容易に実現できる。
【００８７】
上記構成によれば、スケール５０８がｙ軸周りに回転しても、スケールのパターン面５１４が図中のｘ軸方向（トルク検出方向）に移動する量を抑制することができ、トルク検出誤差の発生を抑制できる。このことを示すため、図７に、スケール５０８のパターン面５１４とスケールの回転中心５１３がＤｅだけずれている構成を示す。
【００８８】
図７の構成において、スケール固定部５１２の変形によりスケール５０８がｙ軸周りにθｙだけ回転すると、スケール５０８の全体が揺動してｘ軸方向に（ｔａｎθｙ）＊Ｄｅだけ移動する量が増幅される。これにより、図７の光学式エンコーダからは、図６の構成よりも大きな位置検出誤差、従ってトルク検出誤差が発生することになる。これに対して、本実施例では図６のようにスケール５０８の回転中心５１３とスケール５０８のパターン面５１４上を一致させＤｅ＝０となるようトルクセンサを構成している。このため、スケール固定部５１２の（不規則）変形によってスケール５０８のパターン面がｘ軸方向（トルク検出方向）に移動するのを防ぎ、トルク検出誤差を低減できる。
【００８９】
（トルク検出誤差の補正方法）
図３のように、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂは、トルクが作用する回転軸５０３を基準として、弾性体５０１に対して対向方向に２個取り付けられている。この構成を利用して、弾性体５０１に他軸力が作用したときに生じるトルク検出誤差、即ち他軸干渉により生じたトルク検出誤差を補正することができる。
【００９０】
例えば、以下のように、複数の光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂの各検出ヘッド５０９（光学検出部）からそれぞれ得られるトルク検出値の平均値を弾性体５０１の変形量に相当する検出するトルク検出情報として出力する。
【００９１】
ここで、図８のように弾性体５０１にトルクＴと同時に他軸力Ｆが作用した時、各光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂの検出信号から計算されるトルク検出値をそれぞれＡ、Ｂとし、他軸干渉により検出されるトルク検出誤差をそれぞれδＴＡ、δＴＢとする。このとき、δＴＡとδＴＢは、それぞれプラス方向とマイナス方向で符号が異なるため、例えば下式（３）のようにしてトルク検出値ＡとＢの平均値演算を以下のように行う。
【００９２】
（Ａ＋Ｂ）／２  ＝｛（Ｔ＋δＴＡ）＋（Ｔ−δＴＢ）｝／２  
＝Ｔ＋（δＴＡ−δＴＢ）／２  ＝Ｔ＋δＴｒ  …（３）
【００９３】
ここで、δＴＡ、とδＴＢの絶対値の差異は、トルクが作用する回転軸５０３に対するバネ部５０６の配置の対称性や、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂを構成する５０８〜５１１の要素の取付誤差などの要因により変動するが、その差異は微小である。このため、δＴｒ＜δＴＡ、δＴＢであって、式（３）のようにトルク検出誤差の影響を、検出誤差の残留成分δＴｒに抑制できる。
【００９４】
本実施例のように、光学式エンコーダを備えたトルクセンサを構成し、近年の高分解能な光学式エンコーダを用いることで弾性体の微小変位の検出が可能となり、高分解能と高剛性を両立することができる。このため、実施形態１で示すトルクセンサでは、関節の力を保持するガイドを用いない関節構成のロボットであっても、ロボットの関節の剛性を高く保つことができ、剛性の低下によるロボットの制御性が低下するのを防ぐことができる。
【００９５】
また、本実施例のトルクセンサによれば、トルク検出誤差の発生を抑制できるため、高精度なトルク検出が可能である。このため、高精度に検出されたトルクをロボットの駆動制御に用いて、柔軟物や低強度部の組付け工程のような、部品に与える荷重が数グラム程度であることを要求されるような工程により製造される物品の製造の自動化を多関節ロボットにより実現できる。
【００９６】
また、本実施例のトルクセンサでは、トルクセンサの弾性体のバネ部を、その放射状配置の方向の寸法よりも、前記回転軸を中心とする円の接線方向の寸法が小さい。さらに、本実施例のトルクセンサは、これに加えて、前記放射状配置の方向の寸法よりも、前記第１締結部および前記第２締結部間の寸法が小さい構成としている。これにより、トルク検出方向には低剛性、一方、他軸力に関しては高剛性というように、トルクセンサの弾性体のバネ部の剛性に異方性を持たせることができる。これにより、他軸力方向の高剛性化とトルク検出の高精度化を両立できる。例えば、トルクセンサをロボット装置などの関節に配置した場合、関節機構の剛性を容易に確保でき、また微小なトルクの検出が必要とされる場合でも、他軸力の影響を低減し、高精度なトルク検出を行える。
【００９７】
また、本実施形態によれば、光学式エンコーダの配置に関する構成として、トルクセンサの弾性体の回転変位の回転軸を中心とする同心円の円周上に、配置された複数の光学式エンコーダと、を備えることによって、高分解能かつ高精度なトルク検出を行える。また、ロボット制御においては、複数の光学式エンコーダの光学検出部の出力に対する演算結果に基づき、ロボット関節の駆動源を制御することができる。これにより、関節により連結されるリンクの相対変位に伴い前記弾性体に作用するトルクに応じて、関節の駆動源を制御することができる。光学検出部のそれぞれの出力に対する演算としては、例えば光学検出部からそれぞれ得られるトルク検出値に対する平均値演算が考えられる。また、例えば複数の光学式エンコーダは、トルクセンサの弾性体の回転変位の回転軸を通る直径上に対向配置する構成が考えられる。このような構成においては、複数の光学式エンコーダの出力を平均化することによって、他軸力成分のような外乱の影響を低減し、高精度なトルク検出を行える。
【００９８】
＜実施例２＞
（トルク検出誤差の補正方法）
実施例１では、２個の光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｂを、トルクが作用する回転軸５０３を基準として弾性体５０１に対して対向方向に取り付け、他軸干渉によるトルク検出誤差を抑制する構成を示した。
【００９９】
本実施例２では、図９に示すように、トルクが作用する回転軸５０３を基準として弾性体５０１に対して光学式エンコーダ５０２ａ〜５０２ｄを回転軸５０３を中心とする円周上に９０°間隔で均等に合計４個配置してトルクセンサを構成する。これらのうち、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｃと、光学式エンコーダ５０２ｂ、５０２ｄは、それぞれ回転軸５０３を中心とする同心円の直径上に対向配置されている。
【０１００】
このような構成により、実施例１の構成よりも精度よく他軸干渉によるトルク検出誤差の補正を行える。以下、本実施例２のトルク検出誤差の補正方法について説明する。
【０１０１】
図９では、弾性体５０１にトルクＴと同時にＸ軸方向に他軸力Ｆが作用する状態を考える。この他軸力Ｆは、例えば第１締結部５０４と第２締結部５０５をｘ軸方向に平行移動するように働く。このような他軸力Ｆが第１締結部５０４と第２締結部５０５に働くと、例えば光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｃに関しては検出ヘッド５０９とスケール５０８の相対位置がｘ軸方向にずれる可能性がある。即ち、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｃの出力に他軸干渉によって検出誤差が生じる可能性がある。
【０１０２】
ここで、トルクが作用する回転軸５０３を基準とし、図９の１２時の方向に配置された光学式エンコーダ５０２ａの検出信号から計算されるトルク検出値をＡ、３時の方向に配置された光学式エンコーダ５０２の検出信号から計算されトルク検出値をＢとする。また、６時の方向に配置された光学式エンコーダ５０２の検出信号から計算されるトルク検出値をＣ、９時の方向に配置された光学式エンコーダ５０２の検出信号から計算されるトルク検出値をＤとする。
【０１０３】
このとき、トルク検出値ＢとＤは、他軸力の作用方向が、光学式エンコーダ５０２ｂ、５０２ｄの検出方向であるｙ軸方向と直交するため、上記の他軸力Ｆの影響は受けない。すなわち、トルク検出値ＢとＤの平均値演算を以下の式（４）のように行う。この成分には他軸干渉は影響していない。
【０１０４】
（Ｂ＋Ｄ）／２  ＝  Ｔ  …（４）
【０１０５】
一方、トルク検出値ＡとＣは、他軸力の作用方向が、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｃの位置検出方向であるＸ軸方向と同方向であるため、他軸力の影響を受ける。ここで、これら他軸力の影響を受けているエンコーダから出力される２つのトルク検出値の平均値（Ａ＋Ｃ）／２は、式（３）の（Ａ＋Ｂ）／２と同様に（Ａ＋Ｃ）／２＝Ｔ＋δＴｒと計算できる。
【０１０６】
本実施例では、４個の光学式エンコーダ５０２ａ〜５０２ｄから出力されるトルク検出値Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの平均値演算を行うが、その演算は上記の式（３）の演算、および式（４）より、次式（５）のような演算となる。
【０１０７】
（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／４＝｛（Ａ＋Ｃ）／２＋（Ｂ＋Ｄ）／２｝／２
＝｛（Ｔ＋δＴｒ）＋Ｔ｝／２
＝Ｔ＋０．５δＴｒ  …（５）
【０１０８】
図９の例では、他軸干渉によるトルク検出誤差は、光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｃの出力のみに作用している。このため、例えば図９の光学式エンコーダ５０２ａ、５０２ｃのみが配置された（実施例１と同等の）構成に比して、他軸干渉によるトルク検出誤差の残留成分δＴｒの影響を実施例１の半分にすることができる。
【０１０９】
なお、図９では、４個の光学式エンコーダを配置する構成を示したが、さらに多数個の光学式エンコーダをトルクセンサの弾性体（５０１）に配置してもよい。その場合、全体の光学式エンコーダの個数に対して、特定の方向の他軸力の影響を受ける光学式エンコーダの個数が占める確率をより減少でき、他軸干渉による検出誤差をより低減できる可能性がある。
【０１１０】
（変形例など）
トルクセンサ２２１〜２２６の弾性体５０１のバネ部５０６の本数は、本実施例で示した本数に限定されるものではない。実施例では、光学式エンコーダ（５０２ａ〜５０２ｄ）に隣接する２個のバネ部５０６は、他の箇所よりも配置の間隔を広く図示しているが、バネ部の配置間隔は本実施例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５０８および検出ヘッド５０９の設置数についても、本実施例で示した設置個数に限定されるものではなく、例えば４個以上設置しても良い。
【０１１１】
また、図６では、スケール固定部５１２の（不規則）変形が生じ、スケール５０８がその配置平面に対して回転変位しても、スケール５０８のｙ軸周りの回転中心５１３がスケール５０８のパターン面５１４に一致するような配置例を示した。このために、図６では、スケール５０８のパターン面５１４と、スケール取付部５１０の表面とが同一面となるよう配置している。
【０１１２】
しかしながら、いずれかの手法により図１０に示すようにスケール５０８のｙ軸周りの回転中心５１３がスケール５０８のパターン面５１４に一致するような配置を得れば上記同様のトルク検出誤差低減の効果を期待できる。例えば、スケール取付部５１０とスケール固定部５１２との間にスペーサやシム（いずれも不図示）を配置したり、スケール固定部５１２の凹部５１２ａの縁部形状を変更し、スケール取付部５１０の支持高を調節する、といった構成が考えられる。
【０１１３】
さらに、以上では、光学式エンコーダとして検出ヘッド５０９から照射される光をスケール５０８のパターン面で反射させて移動量を読み取る反射方式の光学式エンコーダを例示したが、反射方式以外の方式の光学式エンコーダを採用しても良い。
【０１１４】
また、以上ではロボットアーム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。またロボットアーム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の関節においても、上記同等の構成を実施することができる。
【０１１５】
また、以上では、ロボットアーム２００の関節の構成例を図２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、各サーボモータ２０１〜２０６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。
【０１１６】
本発明は、上述の実施例の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステムまたは装置に供給し、そのシステムまたは装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現でき。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１００…ロボット装置、２００…ロボットアーム、２１１〜２１６…電動モータ、２２１〜２２６…トルクセンサ、３００…ロボット制御装置、４００…ティーチングペンダント、５０１…弾性体、５０２ａ〜５０２ｄ…光学式エンコーダ、５０３…回転軸、５０４…第１締結部、５０５…第２締結部、５０６…バネ部、５０７…締結部位、５０８…スケール、５０９…検出ヘッド、５１０…スケール取付部、５１１…検出ヘッド取付部、６０１…ＣＰＵ、６０２…ＲＯＭ、６０３…ＲＡＭ、６０４…ＨＤＤ、Ｊ１〜Ｊ６…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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年6月6日(2019.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、前記第１部材に対向して配置される第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材を連結する複数のバネ部と、
前記第１部材と前記第２部材の相対的な変位量を検出する複数の光学式エンコーダと、を備え、
前記複数のバネ部はそれぞれ、前記第１部材および／または前記第２部材が回転する方向に沿って間隔を空けて配置され、回転中心から離れる方向に延在する部分を有し、
前記複数の光学式エンコーダはそれぞれ、前記第１部材に配置されるスケール部と、前記第２部材に配置され、前記スケール部と対向して配置された光学検出部を備え、
前記複数の光学式エンコーダのうち、第１エンコーダと第２エンコーダは、前記第１エンコーダと前記第２エンコーダの間に前記回転中心が位置して、かつ、対向するように配置されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記複数のバネ部はそれぞれ、前記回転中心から離れる方向に延在する方向の寸法よりも前記第１部材および／または前記第２部材が回転する方向の寸法が小さいことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記複数のバネ部はそれぞれ、前記回転中心から離れる方向に延在する方向の寸法が、前記第１部材および／または前記第２部材が回転する方向の寸法の２倍以上である請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記複数の光学式エンコーダが、前記第１部材および／または前記第２部材の前記回転中心を中心とする円の円周上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記複数の光学式エンコーダが、前記第１エンコーダと前記回転中心の距離が、前記第２エンコーダと前記回転中心の距離と等しいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記複数の光学式エンコーダが、前記円の円周上に均等な間隔で配置されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１部材、前記第２部材および前記複数のバネ部は一体に構成された弾性体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１部材および前記第２部材は円板状もしくはリング状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記第１部材または前記第２部材には、測定対象に締結するための締結部位が設けられ、前記締結部位が、前記スケール部または前記光学検出部と、前記スケール部または前記光学検出部に直近の前記バネ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記スケール部は、前記光学検出部によって検出されるパターン面を有し、前記スケール部がその配置平面に対して回転変位する場合、その回転変位の回転中心が、前記スケール部のスケール面に一致するよう、前記スケール部が前記第１部材に装着されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記第１部材、前記第２部材および前記複数のバネ部は、３Ｄプリンタによって製造されていることを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項１２】
第１のリンクと第２のリンクとを相対的に駆動させる駆動機構であって、
固定部および駆動部を有し、前記固定部に対して前記駆動部を駆動させる駆動装置を備え、
前記固定部および前記駆動部の一方は前記第１のリンクに固定され、前記固定部および前記駆動部の他方と前記第２のリンクの間を結合するように、前記固定部および前記駆動部の他方と前記第２のリンクに作用する力を求めるためのセンサが取り付けられ、
前記センサは、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のセンサであることを特徴とする駆動機構。
【請求項１３】
関節を備えるロボットアームを備えるロボットであって、前記関節に請求項１２に記載の駆動機構を備えることを特徴とするロボット。
【請求項１４】
請求項１３に記載のロボットを用いて物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。
【請求項１５】
前記光学検出部の出力に基づき請求項１３に記載のロボットを駆動する方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１６】
前記光学検出部の出力に基づき請求項１３に記載のロボットを駆動し、前記ロボットを用いて物品を製造する方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明のセンサは、第１部材と、前記第１部材に対向して配置される第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材と前記第２部材を連結する複数のバネ部と、前記第１部材と前記第２部材の相対的な変位量を検出する複数の光学式エンコーダと、を備え、前記複数のバネ部はそれぞれ、前記第１部材および／または前記第２部材が回転する方向に沿って間隔を空けて配置され、回転中心から離れる方向に延在する部分を有し、前記複数の光学式エンコーダはそれぞれ、前記第１部材に配置されるスケール部と、前記第２部材に配置され、前記スケール部と対向して配置された光学検出部を備え、前記複数の光学式エンコーダのうち、第１エンコーダと第２エンコーダは、前記第１エンコーダと前記第２エンコーダの間に前記回転中心が位置して、かつ、対向するように配置されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】