(57)【要約】【課題】適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供すること目的とする。【解決手段】第１の回転体と、第２の回転体と、弾性変形可能であって、前記第１の回転体の回転を前記第２の回転体へと伝達する伝達部材と、前記伝達部材の弾性変形により生じた前記第１の回転体と前記第２の回転体との間の回転角度差を検出する角度センサと、を備え、前記伝達部材は複数の弾性棒体を有し、前記第１の回転体から前記第２の回転体への回転の伝達は前記複数の弾性棒体を介して行われる、トルクセンサが提供される。【選択図】図１
2017120243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回転体と、
第２の回転体と、
弾性変形可能であって、前記第１の回転体の回転を前記第２の回転体へと伝達する伝達部材と、
前記伝達部材の弾性変形により生じた前記第１の回転体と前記第２の回転体との間の回転角度差を検出する角度センサと、を備え、
前記伝達部材は複数の弾性棒体を有し、前記第１の回転体から前記第２の回転体への回転の伝達は前記複数の弾性棒体を介して行われる、トルクセンサ。
【請求項２】
前記複数の弾性棒体は、カスタマイズ自在である、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第１の端部において前記第１の回転体と結合し、
前記伝達部材は、前記複数の弾性棒体を環状に配置した中空形状を有しており、前記第１の回転体を内包し、前記第１の回転体と回転中心を一にして回転し、
前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第２の端部において第２の回転体と結合し、
前記第２の回転体は、中空形状であり前記伝達部材を内包し、前記伝達部材と回転中心を一にして回転する、
請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記第１の回転体と前記伝達部材との結合部には、所定トルクを超えると作動する自己復帰可能なトルク開放機構が介在している、請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のトルクセンサと、
前記トルクセンサの前記第１の回転体を回転駆動させる駆動部と、
前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体との間の滑りの有無を検出する検出手段を備える制御部と、を備えた駆動システム。
【請求項６】
前記トルクセンサは、前記第１の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、
前記駆動システムの前記制御部は、
前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、
前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、
前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、
をさらに備える請求項５に記載の駆動システム。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載のトルクセンサと、
前記第１の回転体を回転駆動させる駆動部と、
前記トルクセンサと前記駆動部とを収容しアーム部材取り付け用の取付部を有するハウジングと、を備えた関節モジュール。
【請求項８】
少なくとも１つの請求項７に記載の関節モジュールと、
前記関節モジュールを制御する制御部と、を備えたロボットシステム。
【請求項９】
前記ロボットシステムの前記制御部は、
前記角度センサの出力に基づいて、前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出手段をさらに備える、請求項８に記載のロボットシステム。
【請求項１０】
前記トルクセンサは、前記第１の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、
前記ロボットシステムの前記制御部は、
前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、
前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、
前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、
をさらに備える請求項９に記載のロボットシステム。
【請求項１１】
請求項７に記載の関節モジュールと、
アーム部材と、を備えたロボットアーム組み立て用セット。
【請求項１２】
請求項５に記載の駆動システムのためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出ステップを実行させるプログラム。
【請求項１３】
請求項５に記載のロボットシステムのためのプログラムであって、
前記トルクセンサは、さらに前記第１の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサを含み、
コンピュータに、
前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出ステップと、
前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出ステップと、
前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理ステップと、を実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばロボットアーム等への適用に好適なトルクセンサ、当該トルクセンサを備えた関節モジュール、当該関節モジュールを備えたロボットシステム等に関する。
【背景技術】
【０００２】
トルクセンサのトルク検出原理について従来より様々な手法が存在している。例えば、特許文献１には駆動回転体と、従動回転体と、それらの間に配置された環状変形体を基本構成とし、環状変形体の変形を利用してトルク検出を行うトルクセンサが開示されている。
【０００３】
このような動力伝達系の途中に変形体を介在させる種類のトルクセンサにあっては、トルク検出精度は介在する変形体の変形のしやすさにより大きく左右されることとなる。すなわち、変形のしやすい材料を選べば微小なトルクの検出も可能となるものの、検出可能トルクの上限値を制限してしまい、動力伝達時の遅れや、満足な強度が得られないおそれもある。一方、それとは逆に変形のしにくい剛性の高い材料を選べば、検出可能トルクの上限値が高くなることや制御遅れが生じないなどのメリットが得られるものの、微小なトルクの検出が困難となるおそれがある。この変形体の変形のしやすさは、材料の材質、寸法、形状などにより変化するものの適当なトルク検出精度を得るようそれらを調整することは一般に困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９６３１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の技術的課題は、以下の構成を有するトルクセンサ、関節モジュール、ロボットシステム、ロボットアーム組み立て用セット、プログラムにより解決することができる。
【０００７】
すなわち、本発明に係るトルクセンサは、第１の回転体と、第２の回転体と、弾性変形可能であって、前記第１の回転体の回転を前記第２の回転体へと伝達する伝達部材と、前記伝達部材の弾性変形により生じた前記第１の回転体と前記第２の回転体との間の回転角度差を検出する角度センサと、を備えている。前記伝達部材は複数の弾性棒体を有し、前記第１の回転体から前記第２の回転体への回転の伝達は前記複数の弾性棒体を介して行われる。
【０００８】
このような構成によれば、複数の弾性棒体へと負荷が分散することにより、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することができる。
【０００９】
このとき、前記複数の弾性棒体は、カスタマイズ自在であってもよい。
【００１０】
このような構成によれば、検出対象トルクのレンジに合わせて任意に弾性棒体の本数、材質、形状等をカスタマイズできるので、最適な特性を有するトルクセンサを容易に提供することができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施の態様において、前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第１の端部において前記第１の回転体と結合し、前記伝達部材は、前記複数の弾性棒体を環状に配置した中空形状を有しており、前記第１の回転体を内包し、前記第１の回転体と回転中心を一にして回転し、前記伝達部材は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第２の端部において第２の回転体と結合し、前記第２の回転体は、中空形状であり前記伝達部材を内包し、前記伝達部材と回転中心を一にして回転してもよい。
【００１２】
このような構成によれば、第１の回転体、伝達部材及び第２の回転体が回転中心を一にしつつ互いに内包するよう配置されるので、限られたスペースにトルクセンサを収容することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施の態様において、前記第１の回転体と前記伝達部材との結合部には、所定トルクを超えると作動する自己復帰可能なトルク開放機構が介在していてもよい。
【００１４】
このような構成によれば、第２の回転体側に過大なトルクがかかった場合でもトルク開放機構がはたらくので、第１の回転体側の機構を損傷することがない。また、前記トルク開放機構は自己復帰可能であるため、滑り後もリセット作業等を行わずとも連続運転することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の態様において、上記トルクセンサと、前記トルクセンサの前記第１の回転体を回転駆動させる駆動部と、前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体との間の滑りの有無を検出する検出手段を備える制御部と、を備えた駆動システムが提供されてもよい。
【００１６】
このような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高いシステムを構築することができる。なお、ここで前記駆動システムは１つの装置として実現されてもよいし物理的に互いに離間した複数の装置から成るシステムとして実現されてもよい。従って、例えば、前記トルクセンサと前記駆動部と制御部とがすべて単一の装置内に配置されてもよいし、前記トルクセンサと前記駆動部とが同一装置（例えば、関節モジュールやロボットシステム等）内、前記制御部が外部装置（外部ＰＣ等）内に配置されるような構成であってもよい。
【００１７】
本発明の好ましい実施の態様において、前記トルクセンサは、前記第１の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、前記駆動システムの前記制御部は、  前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、をさらに備えてもよい。
【００１８】
このような構成によれば、滑りが生じた後に連続運転した場合であっても当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の態様において、上記トルクセンサと、前記第１の回転体を回転駆動させる駆動部と、前記トルクセンサと前記駆動部とを収容しアーム部材取り付け用の取付部を有するハウジングと、を備えた関節モジュールが提供されてもよい。
【００２０】
このような構成によれば、駆動源がハウジング内に集約されるので、ロボットシステムを手軽に構築することができる関節モジュールを提供することができる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態において、少なくとも１つの上記関節モジュールと、前記関節モジュールを制御する制御部と、を備えたロボットシステムが提供されてもよい。
【００２２】
このような構成によれば、駆動源が集約された関節モジュールを用いることで容易にロボットシステムの構築を行うことができる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態において、前記ロボットシステムの前記制御部は、前記角度センサの出力に基づいて、前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出手段をさらに備えていてもよい。
【００２４】
このような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高いシステムを構築することができる。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態において、前記トルクセンサは、前記第１の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサをさらに有し、前記ロボットシステムの前記制御部は、前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出手段と、前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出部と、前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理部と、をさらに備えてもよい。
【００２６】
このような構成によれば、滑りが生じた後に連続運転した場合であっても当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態において、上記関節モジュールと、アーム部材と、を備えたロボットアーム組み立て用セットが提供されてもよい。
【００２８】
このような構成によれば、駆動源が集約された関節モジュールとアーム部材とがセットとなっているので、高い設計自由度を持ちつつも容易に組み立て可能なロボットアーム組み立て用セットが提供できる。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態において、上記ロボットシステムのためのプログラムであって、コンピュータに、前記角度センサの出力に基づいて第１の回転体と第２の回転体の間の滑りの有無を検出する滑り検出ステップを実行させるプログラムが提供されてもよい。
【００３０】
このような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高い制御を行うことができることとなる。なお、この滑りの有無を検出することにより緊急停止等の所定の処理を行うことなども可能であるし、後述のように補正処理を行いつつ連続運転することも可能である。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態において、上記ロボットシステムのためのプログラムであって、前記トルクセンサは、さらに前記第１の回転体の回転角度を計測する入力側角度センサを含み、コンピュータに、前記角度センサの出力に基づいて前記第１の回転体と前記第２の回転体の間の滑り量を検出する滑り量検出ステップと、前記滑り量に基づいて所定の補正量を算出する補正量算出ステップと、前記補正量を前記入力側角度センサの出力値又は前記駆動部への回転指令値へと反映処理する反映処理ステップと、とを実行させるプログラムが提供されてもよい。
【００３２】
このような構成によれば、滑りが生じた後でも、当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、トルクセンサの主たる構成部品の全体を示す分解斜視図である。
【図２】図２は、入力段から出力段への動力伝達態様の説明図である。
【図３】図３は、関節モジュールの外観を示す斜視図である。
【図４】図４は、関節モジュールの全体断面図である。
【図５】図５は、トルクセンサの組み立て状態を示す外観斜視図である。
【図６】図６は、関節モジュールの主たる構成部品の全体を示す分解斜視図である。
【図７】図７は、モータ及び減速機を含むトルクセンサの入力段の構成を示す部分断面図である。
【図８】図８は、モータ及び減速機の回転方向を中心として示す説明図である。
【図９】図９は、伝達部材を含むトルクセンサの構成を示す部分断面図である。
【図１０】図１０は、摩擦式結合機構の分解斜視図である。
【図１１】図１１は、摩擦式結合機構を含むトルクセンサの断面図である。
【図１２】図１２は、出力フランジを含むトルクセンサの出力段の構成を示す部分断面図である。
【図１３】図１３は、滑りの補正処理に関するフローチャートを示す図である。
【図１４】図１４は、ロボットアームの外観を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００３６】
＜１．トルクセンサ＞
まず、図１及び２を参照しつつ、本発明に係るトルクセンサの一実施形態について説明する。
【００３７】
＜１．１  構成＞
図１は、本発明に係るトルクセンサの主たる構成部品の全体について説明する分解斜視図である。トルクセンサ１０は、主に入力軸１１（第１の回転体）、前記入力軸１１の先端部と摩擦式結合機構１３を介して結合された伝達部材１４、前記伝達部材１４と結合し従動的に回転する出力フランジ１２（第２の回転体）、前記入力軸１１の先端部に取り付けられたコードホイール１５１と前記出力フランジ１２に設けられたコード読取板１５２とから成り、入力軸と出力フランジとの間の相対的角度差を検出する磁気式のアブソリュートエンコーダ１５（第１の角度センサ）とを備えている。前記コードホイール１５１は、ワッシャ１８を介してボルト１７により入力軸１１へと固定されている。なお、本実施形態において、入力軸１１と出力フランジ１２との間の相対的角度差検出のための前記アブソリュートエンコーダ１５はシングルターンの１８ビットエンコーダでありその分解能は２６２１４４［Ｐ／Ｒ］である。
【００３８】
入力軸１１（第１の回転体）は、回転駆動源と直接又は間接に接続されており、例えば、モータの出力軸そのものであってもよいし又はモータの減速後の出力軸であってもよい。なお、本実施形態においては入力軸１１は比較的に弾性変形を生じにくいクロムモリブデン鋼などの剛性材料で製造され、直径１４ｍｍ、長さ３０ｍｍの寸法を有する。
【００３９】
入力軸１１と伝達部材１４との間の摩擦式結合機構１３は、入力軸１１を締め付けることを保証すると同時に、後述するように、自己復帰可能なトルクリミッタとしての役割も果たす。
【００４０】
伝達部材１４は、入力側ホルダ１４１、出力側ホルダ１４３、それらの間に配置される複数の弾性変形可能な弾性棒体１４２とから構成されている。前記複数の弾性棒体１４２は、入力軸１１を包囲するよう環状に配置されている。この弾性棒体１４２の弾性変形によりトルク検出に必要な変形が生じることとなる。なお、入力側ホルダ及び出力側ホルダは、本実施形態においては鉄等の金属材料で製造され、前記弾性変形を生じる弾性棒体１４２は、本実施形態においては、例えばジュラルミン等により製造される。
【００４１】
弾性棒体１４２は、その両端においてボルトを介して入力側ホルダ１４１、出力側ホルダ１４３と結合しており、検出対象トルクのレンジに合わせて任意に本数、材質、形状等をカスタマイズ可能となっている。本実施形態においては、例えば、前記複数の弾性棒体は直径６ｍｍ、長さ２４ｍｍの棒体１２本が環状に等間隔に配置されることにより構成されている。
【００４２】
出力フランジ１２と伝達部材１４との結合部は、伝達部材１４を包囲するよう環状となっており、両部材の回転中心は同一である。すなわち、入力軸１１、伝達部材１４、出力フランジ１２はいずれも回転中心軸を同一としている。なお、本実施形態においては、出力フランジ１２は金属材料で製造され、大径であるその形状により比較的に弾性変形が生じにくい構造となっている。
【００４３】
本実施形態に係るトルクセンサは、入力軸１１（第１の回転体）と、出力フランジ１２（第２の回転体）と、弾性変形可能であって前記入力軸１１の回転を出力フランジ１２へと伝達する伝達部材１４と、前記伝達部材１４の弾性変形により生じた入力軸１１と出力フランジとの間の回転角度差を検出する角度センサ１５と、を備えている。前記伝達部材は複数の弾性棒体１４２を有し、前記入力軸１１から前記出力フランジ１２への回転の伝達は前記複数の弾性棒体１４２を介して行われる。
【００４４】
このような構成によれば、複数の弾性棒体１４２へと負荷トルクが分散することとなり、そのため、適度な剛性を維持しつつも適度な弾性変形を許容する伝達部材を備えたトルクセンサを提供することができる。
【００４５】
また、前記複数の弾性棒体１４２は、取り付け・取り外しが可能でありカスタマイズ自在である。このような構成によれば、検出対象トルクのレンジに合わせて任意に弾性棒体１４２の本数、材質、形状等をカスタマイズできるので、最適な特性を有するトルクセンサを容易に提供することができる。例えば、本実施形態においては、１２本の弾性棒体を用いているもののその本数は調整可能であり、例えば均等に数本抜くことにより各弾性棒体に担わせる応力を調整してもよく、これによりトルクのセンシング感度を調整することも可能である。
【００４６】
なお、トルク検出のみを目的とする場合には必須ではないものの、入力軸１１の回転角度を検出するためコードホイール１６１とコード読取板１６２とから成る磁気式のアブソリュートエンコーダ１６（第２の角度センサ）を別途設けてもよい。このようなアブソリュートエンコーダ１６も併せて利用することで、後述のように、入力軸１１と摩擦式結合機構１３との間で滑りが生じた場合でも適切な補正処理等を行うことが可能となる。本実施形態において、入力軸１１の角度検出のための前記アブソリュートエンコーダ１６はシングルターンの１８ビットエンコーダでありその分解能は２６２１４４［Ｐ／Ｒ］である。
【００４７】
＜１．２  動作＞
次に、図１及び図２を参照しつつ、前記トルクセンサの動作、すなわちトルクの検出原理について説明する。
【００４８】
まず、入力軸１１が回転すると、当該回転は摩擦式結合機構１３を介して伝達部材１４へと伝達される。より詳細には、入力軸１１からの入力は摩擦式結合機構１３を介して入力側ホルダ１４１へと伝達される。
【００４９】
次に、図２（ａ）に示されるように、伝達部材１４の入力側ホルダ１４１へと伝達された回転力は弾性棒体１４２を介して出力側ホルダ１４３へと伝達される。
【００５０】
その後、図２（ｂ）に示されるように、出力側ホルダ１４３の回転は出力フランジ１２へと伝達される。入力軸１１と出力フランジ１２との角度差はアブソリュートエンコーダ１５を用いて検出される。以上のようにして、入力段（入力軸１１）から出力段（出力フランジ１２）へと回転が伝達される。
【００５１】
ここで、入力軸１１と出力フランジ１２との角度差についてさらに説明する。入力軸１１と出力フランジ１２とが弾性変形を伴わない剛体を介して結合されている場合等にはそれらの間に本来角度差は生じない。しかしながら、本発明においては、入力軸１１と出力フランジ１２とは弾性変形可能な伝達部材１４を介して結合されている。そのため、出力フランジ１２自身の慣性や、出力フランジ１２に外部から回転方向の荷重等が付加された場合には、前記入力軸１１と出力フランジ１２との間で角度差が生じ、この角度差がねじり方向のトルクと所定の比例関係にあることから、実質的にトルクを表すこととなる。例えば、本実施形態に係る上述のアブソリュートエンコーダ１５を備えたトルクセンサにあっては、５０Ｎｍのトルクが出力フランジ１２にかかった場合、前記アブソリュートエンコーダ１５の出力値において２００パルス程度、すなわち上述の分解能を元に角度に換算すれば０．２７°の変動が見られることとなる。このように出力フランジ１２に加えられた所定のトルクを角度の変化量としてセンシングすることが出来る。
【００５２】
また、本実施形態においては、前記伝達部材１４は、伝達部材１４の回転中心軸に沿った第１の端部において入力軸１１と結合している。また、伝達部材１４は、複数の弾性棒体１４２を環状に配置した中空形状を有しており、入力軸１１を内包し、入力軸１１と回転中心を一にして回転している。さらに、伝達部材１４は、前記伝達部材の回転中心軸に沿った第２の端部において出力フランジ１２と結合している。一方、出力フランジ１２は、中空形状であり前記伝達部材１４を内包し、伝達部材１４と回転中心を一にして回転する。
【００５３】
このような構成によれば、第１の回転体、伝達部材１４及び出力フランジ１２が回転中心を一にしつつ互いに内包するよう配置されるので、限られたスペースにトルクセンサを収容することができる。
【００５４】
＜２．トルクセンサを内蔵した関節モジュール＞
次に、図３〜１３を参照しつつ、上述のトルクセンサを内蔵したロボットシステム（例えばロボットアーム）等向けの関節モジュールの一実施形態について説明する。なお、既に説明した構成と同様の構成については同様の符号を用いる。
【００５５】
＜２．１  構成＞
図３は、本実施形態に係る関節モジュール２０の外観を示す斜視図である。同図から明らかな通り、関節モジュール２０はハウジング２２と後部カバー２３に覆われ、外部要素（例えば、アーム部材や他の関節モジュール等）と結合するための取り付け部２１を有する。
【００５６】
図４は、本発明に係るトルクセンサを備えた関節モジュールを図３の矢印の断面で切り取った関節モジュールの全体断面図である。同図から明らかな通り、関節モジュール２０において、ハウジング２２内にはモータ２４を含む駆動源が配置され、一方、当該モータ２４の駆動回路を含むその他の回路（マイコン等を含む）等を載せた基板２５はモータの背面側に配置され、後部カバー２３によりカバーされている。
【００５７】
同図において、モータ２４の出力軸２６は、減速機であるハーモニックドライブ（登録商標）２７へと結合し、減速後のハーモニックドライブ２７の出力軸２８は、トルクセンサへの入力軸として摩擦式結合機構１３を介して伝達部材１４の一端へと結合する。伝達部材１４の他端は出力フランジ１２と結合しており、関節モジュール２０に接続される外部要素に対して回転動力を与える。なお、これらの構成は円滑な回転のため適宜ベアリングにより支持されている。
【００５８】
以上のような構成によれば、駆動源がハウジング内に集約されるので、ロボットシステムを手軽に構築することができる関節モジュールを提供することができる。
【００５９】
図５は、関節モジュール２０のうち主に動力源に係る構成、すなわち、モータ２４、減速機２７、入力軸２８、摩擦式結合機構１３及び伝達部材１４をベアリングや構造部材等のその他の部材と共に組み立て、内部カバー２９によりカバーした組立状態を示す外観斜視図である。同図において伝達部材側にさらに出力フランジ１２を取り付けることで、外部への回転動力の伝達が可能となる。
【００６０】
図６は、関節モジュール２０の主たる構成部品を示す分解斜視図である。同図においては、既に述べたトルクセンサにさらに駆動源たるモータ２４と減速機たるハーモニックドライブ２７が追加された構成となっている。そのため、既に述べたトルクセンサと同様の部品については同様の符号を用いる。
【００６１】
モータ２４の出力軸２６は減速機たるハーモニックドライブ２７へと結合する。ここで、ハーモニックドライブ２７はより詳細にはウェーブジェネレータ２７２、サーキュラスプライン２７３及びフレックススプライン２７１とから構成され、フレックススプライン２７１が減速機の出力軸たる入力軸２８と結合する。なお、トルクセンサを中心とするとこの出力軸が入力軸に相当することとなる。上述の通り、この入力軸１１はその先端において摩擦式結合機構１３を介して伝達部材１４の入力側ホルダ１４１と結合し、複数の弾性棒体１４２を介して出力フランジ１２と結合する。このとき、入力軸の先端部と出力フランジ１２との間には第１の角度センサ１５が設けられ、入力軸の付け根部分には第２の角度センサ１６が設けられている。
【００６２】
＜２．２  動作＞
次に、図７〜１２を参照しつつ、回転が入力段、すなわち駆動入力側から出力段、すなわち出力フランジ１２まで伝達される様子を順を追って説明する。
【００６３】
まず、図７及び８を参照しつつ、モータ２４から伝達部材１４への回転伝達態様について説明する。図７はモータ及び減速機を含むトルクセンサの入力段の構成を示す部分断面図であり、図８はモータ２４及び減速機たるハーモニックドライブ２７の回転方向を中心として示す説明図である。
【００６４】
同図において、まず、ハウジング２２内に固定されたモータ２４の出力軸２６は、楕円形状を有するウェーブジェネレータ２７２へと結合される。このときウェーブジェネレータ２７２の回転方向はモータ２４の出力軸２６と同一方向である。続いて、ウェーブジェネレータ２７２がフレックススプライン２７１の内部において回転すると、フレックススプライン２７１がサーキュラスプライン２７３の内側において前記モータの出力軸２６及びウェーブジェネレータ２７２の回転方向とは逆方向に回転する。すなわち、減速機の出力軸たる入力軸２８はモータの出力軸２６とは逆方向に回転する。この入力軸２８の回転が摩擦式結合機構１３を介して伝達部材１４の入力側ホルダ１４１、及び角度センサ１５のコードホイールへと同一方向にて伝達される。
【００６５】
次に、図９を参照しつつ、入力軸２８から伝達部材１４への回転の伝達態様について説明する。図９は伝達部材１４を含むトルクセンサの構成を示す部分断面図である。同図から明らかな通り、摩擦式結合機構１３は、入力軸２８と伝達部材１４の入力側ホルダ１４１との間に介在し、摩擦式の結合により入力軸２８と伝達部材１４とは一体として回転させる。
【００６６】
ここで、図１０及び１１を参照しつつ、摩擦式結合機構１３についてさらに詳細に説明する。
【００６７】
図１０は、摩擦式結合機構１３の分解斜視図である。摩擦式結合機構１３は、内面がテーパ状の中空円筒体の締付部材１３２、当該締付部材１３２に挿入される凸部を有する中空円筒体の被締付部材１３１及びそれらを結合させるボルト１３３とから構成される。
【００６８】
図１１は、摩擦式結合機構１３を含むトルクセンサの断面図であり、ボルト１３３の締付により入力軸２８が摩擦式結合機構により強固に保持される様子を表している。まず、同図（ａ）に示される通り、ボルト１３３を締め付ける前においては被締付部材１３１の内周面は入力軸２８と完全には接していないか又は接していたとしても入力軸に対して締付応力が発生していない状態である。その後、同図（ｂ）に示される通り、ボルト１３３を締め付けると被締付部材１３１の凸部の外表面は締付部材１３２のテーパ状の内周面にガイドされ、それにより入力軸２８を半径中心方向に締め付ける。すなわち、ボルト１３３の締付により被締付部材１３１を入力軸２８へと締め付け、この接触面における摩擦力により、入力軸２８と被締結部材１３及び伝達部材１４との一体化が実現されることとなる。また、この締め付けにより、締付部材１３２の外周面も入力側ホルダ１４１の内周面へと押し当てられることとなるため、摩擦式結合機構１３と伝達部材１４との一体化も実現されることとなる。なお、本実施形態においては、摩擦式結合機構１３と伝達部材１４との間の接触面積は入力軸２８と摩擦式結合機構１３との間の接触面積よりも大きい。そのため、摩擦式結合機構１３と伝達部材１４との間の静止摩擦力は入力軸２８と摩擦式結合機構１３との間のそれよりも大きくなる。すなわち、本実施形態における過負荷時の滑りは入力軸２８の外周面と摩擦式結合機構１３の内周面との間において生じることなる。
【００６９】
このような摩擦による結合方式によれば、静止摩擦の限界まで入力軸２８と伝達部材１４との間の結合を維持できる一方で、出力フランジ１２側に過大なトルクが生じた場合等には入力軸２８と伝達部材１４との間に滑りが生じトルクを開放する。すなわち、摩擦結合機構１３はトルク開放機構（或いはトルクリミッタ）として機能するので、入力軸２８や減速機等の入力側の機構が損傷することを防止することができる。
【００７０】
また、当該結合方式は摩擦結合方式であるので、一旦滑りが生じた場合であっても負荷が除去されれば再び摩擦により自律的に固定状態に復帰することができる。すなわち、前記トルク開放機構は自己復帰可能であるため、滑り後のリセット作業等を行わずとも連続運転することができる。但し、滑り後は後述の滑り量に関する補正処理を行うことが望ましい。
【００７１】
次に、図１２を参照しつつ、伝達部材１４から出力フランジ１２への回転の伝達態様について説明する。図１２は、出力フランジ１２を含むトルクセンサの出力段の構成を示す部分断面図である。入力軸２８から伝達部材１４へと伝達された回転力は、出力フランジ１２へと出力される。ここで出力フランジ１２は、内側出力フランジ１２１と外側出力フランジ１２２とから構成され、それらはボルト１２３を介して互いに結合している。内側出力フランジ１２１は、出力側ホルダ１４３と図示しないボルトを介して結合している。また、外側出力フランジ１２２によりアーム部材等の外部要素へと回転力が伝達されることとなる。
【００７２】
＜２．３  滑りの補正処理＞
本実施形態に係るトルクセンサでは上述の通り入力軸２８と伝達部材１４との結合手段として摩擦式結合機構１３が採用されている。そのため、例えば出力フランジに大きな負荷がかかったことにより静止摩擦の上限値を超えた場合等には、入力軸２８と伝達部材１４との間で滑りが生じてしまうおそれがある。ここで、当該摩擦式結合機構１３は自己復帰型のトルク開放機構であるため連続運転も可能であるものの、上記滑りを放置したまま制御、特にオープンループ制御を継続すれば、滑り量の分だけ滑り発生前に想定していた動作とはずれが生じてしまうおそれがある。ここで、オープンループ制御とは、ここでは推定角度を元にモータの制御を行う制御のことをいう。従って、以下では滑りが生じた場合の当該滑りの検出ならびに滑り量の補正処理について説明する。
【００７３】
図１３は、例えば関節モジュール２０内の図示しないマイコン等の制御部にて行われる入力軸２８と摩擦式結合機構１３との間の滑りの補正処理、すなわち滑りの検出、補正量の算出、及びその反映処理を行うソフトウエアのフローチャートについて示している。
【００７４】
処理が開始すると、先ず第１の角度センサであるアブソリュートエンコーダ１５からセンサの値、すなわち角度情報を読み出す（Ｓ１０１）。次に、このセンサ値が所定の閾値を超えたか否かを判定する（Ｓ１０２）。ここで、滑りにより検出される角度変化は弾性変形により得られる角度変化より一般に十分大きいので、閾値により弾性変形による角度変化と滑りによる角度変化とを峻別することは可能である。
【００７５】
角度が所定の閾値を超えていないと判定された場合（Ｓ１０２ＮＯ）、滑りが生じていないものと判定し、再度角度情報の読出処理を繰り返す（Ｓ１０１）。一方、角度が所定の閾値を超えたと判定した場合（Ｓ１０２ＹＥＳ）、滑りが生じたものと判定し、第１の角度センサすなわちアブリュートエンコーダ１５の出力値に基づいて補正量の演算処理を開始する（Ｓ１０３）。なお、ここでは角度値が所定の閾値を超えたか否かにより滑りを検出することとしたが、角度値の時間的な変化量を観測し不連続的な変化があった場合に滑りが発生したものと判定する等他の検出手法を用いてもよい。
【００７６】
ここで、補正量についてさらに説明する。オープンループ制御においては入力軸２８と出力フランジ１２とは同一の角度で回転していることを前提としており、すなわち出力フランジも第２の角度センサ（アブソリュートエンコーダ１６）で取得した入力軸の角度と同一の角度状態にあることを前提としている。そのため、滑りが生じた後も滑り発生前に想定していた動作を保証するためには、滑り量を表す第１の角度センサ１５の値を補正量とする必要がある。例えば、滑りにより入力軸２８と出力フランジ１２との間が３０°ずれている場合には、補正量は３０°となる。
【００７７】
補正量の演算処理（Ｓ１０３）が終了すると、滑りが生じた後も滑り発生前に想定していた動作を保証するため前記補正量の反映処理がなされる（Ｓ１０４）。ここで、反映処理とは例えば前記補正量を所定の数値へと加減算処理すること等を指す。前記補正量は所定の状態量（例えば現在の入力軸２８の現在の角度値）に反映されてもよいし、モータ２４への指令値へと反映されてもよい。この反映処理の後、処理は終了する。以上の補正処理によれば、滑り前に想定していた動作通りの制御を行うことができる。また、滑りが生じた場合であっても連続運転を行うことも可能となる。
【００７８】
以上のような構成によれば、過負荷による滑りを考慮した設計ができることから、より信頼性の高いシステムを構築することができる。また、滑りが生じた後でも当該滑り量を補正して制御を行うことができるので高精度の制御を行うことができる。
【００７９】
＜３．関節モジュールを備えたロボットアーム＞  
図１４は、前述の関節モジュール２０を備えたロボットアーム４０の外観を示す斜視図である。当該ロボットアーム４０は、全体で５つの関節モジュール２０を含み、当該関節モジュール２０の間はアーム部材４１、４２により接続されているか又は直接に他の関節モジュールと結合している。また、末端部には関節モジュール２０に直接エンドエフェクタ４３が結合している。各関節モジュールはロボットアーム４０全体の制御を行う図示しない制御部（ＣＰＵ等）又はそれらを含んだＰＣ等に接続される。なお、当該ＰＣは例えば上述の滑りの補正処理などを行ってもよい。
【００８０】
以上より、駆動源が集約された関節モジュール２０を用いることで容易にロボットシステム（本実施形態においてはロボットアーム４０）の構築を行うことができる。
【００８１】
なお、本実施形態に係るロボットアーム４０は、部品のセット、すなわちロボットアーム組み立て用セットとして製造・販売されてもよい。
【００８２】
このような構成によれば、高い設計自由度を持ちつつも容易に組み立て可能なロボットアーム組み立て用セットが提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係るトルクセンサは回転トルク検出に必要なあらゆる産業分野において利用可能であり、また、駆動システム、関節モジュール、ロボットシステム、ロボットアーム組み立て用セット、プログラムは、少なくとも産業用ロボット、実験用ロボット等を含むロボット産業において利用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０  トルクセンサ
１１  入力軸
１２  出力フランジ
１２１  内側出力フランジ
１２２  外側出力フランジ
１２３  ボルト
１３  摩擦式結合機構
１３１  被締付部材
１３２  締付部材
１３３  ボルト
１４  伝達部材
１４１  入力側ホルダ
１４２  弾性棒体
１４３  出力側ホルダ
１５  アブソリュートエンコーダ（第１の角度センサ）
１５１  コードホイール
１５２  コード読取基板
１６  アブソリュートエンコーダ（第２の角度センサ）
１６１  コードホイール
１６２  コード読取基板
１７  ボルト
１８  ワッシャ
２０  関節モジュール
２１  取付部
２２  ハウジング
２３  後部カバー
２４  モータ
２５  基板
２６  モータ出力軸
２７  ハーモニックドライブ（減速機構）
２７１  フレックススプライン
２７２  ウェーブジェネレータ
２７３  サーキュラスプライン
２８  入力軸
２９  内部カバー
４０  ロボットアーム
４１  アーム部材
４２  アーム部材
４３  エンドエフェクタ
【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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【図１４】
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