JP5591180B2 - 駆動関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、捩れセンサを備えた駆動関節機構に関する。

近年、ロボットの駆動関節機構として、モータや油圧アクチュエータなどの回転駆動源からの出力を、ばねなどの弾性部材を介して関節により接続されるリンクに伝達する構成が提案されている。このような駆動関節機構は、ＳＥＡ（Ｓｅｒｉａｌ Ｅｌａｓｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ）と呼ばれ、リンクが障害物などに衝突したときに、弾性部材が変形することで障害物や駆動源を保護したり、弾性部材の変形量に基づいてリンクに掛かる負荷を検出することで、ロボットなどの適切な制御を行うことが可能となる。

例えば、特許文献１は、図２２に、関節に弾性部材としてのトーションバー１６０を設け、このトーションバー１６０が、関節で繋がる一方のリンクに掛かった力により弾性的に捩れ変形して、柔軟な関節となるように構成した駆動関節機構を開示している。そして、この駆動関節機構においては、トーションバー１６０の両端部に、一方のリンクと他方のリンクの回転を支持するベアリングが設けられている。

特開２００８−０５５５４１号公報

ところで、ＳＥＡを用いてロボットなどの適切な制御をするためには、関節に掛かる回転モーメントを正確に検出する必要がある。この回転モーメントは、弾性部材の捩れ変形量を測定し、この捩れ変形量から算出することができる。

しかしながら、特許文献１の構成では、この捩れ変形量の検出において、弾性部材（トーションバー）の両端のベアリングの互いの回転軸が完全には一致しないことに起因する誤差が発生していた。より具体的に説明すると、特許文献１の構成では、２つのベアリングは、軸方向に離れた２箇所で２つのリンク同士の回転を支持し、一方のリンクがこの２つのベアリングを介してトーションバーの両端を支持するように構成されていた。このような構成では、２つのリンク同士が回転するときに、２つのベアリングもリンクの回転に応じて回転し、ベアリング同士の僅かな軸のずれ（詳細には、一方のリンクの、ベアリングを支持する部分の軸線のずれ）に応じて、トーションバーを曲げるないし捩るような力が働き、この力により、結果として算出される回転モーメントが不正確になっていた。このような、同軸の製造誤差に起因する検出された回転モーメントの誤差は、１つのリンクがトーションバーの両端をベアリングなどで支持する場合に限られず、リンク同士の回転に応じてトーションバーを支持するベアリングが回転する関係にあるときは、１つのリンクがトーションバーの一端のみを支持する場合においても発生する。

本発明は、上述した背景に基づきなされたものであり、正確な捩れ量の検出を可能にする捩れセンサを備えた駆動関節機構を提供することを目的とする。

前記した課題を解決する本発明は、駆動関節機構であって、外力として回転モーメントが加わることで、第１端と第２端との間で弾性的に捩れ変形が生じる弾性部材と、前記弾性部材の前記第２端に固定されて当該第２端を支持する支持部材と、被検出部および検出部を有して、当該検出部と被検出部の相対変位を検出可能な変位センサとを備え、前記弾性部材は、前記第１端に、外力を入力する部材が結合される第１結合部と、前記検出部および前記被検出部の一方を支持する第１センサ支持部とを有し、前記支持部材は、外力を入力する部材が結合される第２結合部と、前記弾性部材の前記第１端を回転可能に支持する第１回転支持部と、前記検出部および前記被検出部の他方を支持する第２センサ支持部とを有し、さらに、前記第１結合部に結合された第１リンクと、前記第１リンクを回転可能に支持する第２回転支持部を有し、前記第２結合部に結合された第２リンクと、前記第１結合部と前記第１リンクの間に設けられ、前記第１結合部と前記第１リンクの間で相対的な回転駆動力を生ずる駆動源とを備えることを特徴とする。また、この駆動関節機構は、駆動源が、前記第２結合部と前記第２リンクの間に設けられ、前記第２結合部と前記第２リンクの間で相対的な回転駆動力を生ずるものであってもよい。

このような構成によると、第１結合部に、関節を構成する一方のリンクなどの外力を入力する部材が結合され、第２結合部に、関節を構成する他方のリンクなどが結合され、２つのリンク間に回転モーメントが発生することで、第１結合部と第２結合部の間に回転モーメントが掛けられる。すると、一方のリンクから第１結合部を介して弾性部材の第１端に力が掛かり、他方のリンクから第２結合部を介して支持部材に力が掛かり、この力はさらに支持部材を通じて弾性部材の第２端に伝わる。これにより弾性部材が弾性的に捩れ変形し、この変形量が、変位センサにより検出される。この構成では、支持部材は弾性部材の第１端を回転可能に支持しているが、同じ支持部材が弾性部材の第２端に固定されているので、第１回転支持部と第１端とは、弾性部材の捩れ量の分だけ相対的に回転し、第１結合部と第２結合部に結合される２つのリンク同士の回転に応じては回転しない。そのため、２つのリンクの回転に応じて弾性部材が捩れるような力が発生しないので、捩れ量を正確に検出することができる。そして、このようにして検出された捩れ量から、外力としての回転モーメントを正確に算出することができる。また、第１リンクと第２リンクの間に回転モーメントが掛かると、変位センサにより弾性部材の捩れ量が正確に検出され、第１リンクと第２リンクの間に掛かる回転モーメントを正確に算出することができる。

前記した駆動関節機構においては、前記第１回転支持部は、転がり軸受を介して前記第１端を支持していることが望ましい。

第１回転支持部が、転がり軸受を介して第１端を支持していると、第１回転支持部と第１端の間の摩擦が小さくなり、より正確な捩れ量を検出し、より正確な回転モーメントを算出することができる。

そして、この駆動関節機構においては、前記第２リンクは、前記第１リンクと前記第２リンクの相互の回転を支持する第３回転支持部を前記第２回転支持部から前記回転の軸方向に離れた位置に備える構成とすることができる。

本発明の駆動関節機構によれば、弾性部材の捩れ量を正確に検出することができ、第１結合部と第２結合部に結合される２つの部材同士に掛かる回転モーメントを正確に算出することができる。

本発明の一実施形態に係る捩れセンサの断面図である。 変形例に係る捩れセンサの断面図である。 本発明の一実施形態に係る駆動関節機構の断面図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の一実施形態の説明において、便宜上、図面を基準として上下、左右を用いて説明するが、本発明の駆動関節機構は、重力の向きとは関係なくいかなる姿勢でも使用可能であることはいうまでもない。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る捩れセンサ１は、弾性部材の一例としてのトーションバー２と、支持部材の一例としてのハウジング３と、変位センサの一例としての光学式エンコーダ４とを備えて構成されている。

トーションバー２は、外力として回転モーメントが加わることで、右端（第１端）２１と左端（第２端）２２の間で弾性的に捩れ変形を生じる部材である。そのため、トーションバー２は、適度に細い金属管から形成されたシャフト２０を有している。トーションバー２の右端２１には、第１結合部の一例として、シャフト２０の軸を中心に径方向に広がる円盤部２５が設けられている。この円盤部２５には、外力を入力する部材をボルトで締結するためのねじ孔２５Ａが複数設けられている。円盤部２５は、外周縁から左に向けて延びた筒状部２５Ｂが形成されており、この筒状部２５Ｂの内周が、光学式エンコーダ４の被検出部としてのエンコーダ板４１を支持する第１センサ支持部２３となっており、外周が、転がり軸受５の内輪と嵌合する内輪嵌合部２４となっている。トーションバー２の左端２２も、シャフト２０の軸を中心に円盤状にやや広がっており、その外周には、後述するハウジング３の支持部３１と嵌合可能となる外周面２２Ａが設けられている。

ハウジング３は、トーションバー２の左端２２に固定されて当該左端２２を支持する部材である。ハウジング３は、シャフト２０の軸と同軸の円錐状をなし、右端の開口縁部にフランジ３５を有している。フランジ３５は、外力を入力する部材が結合される第２結合部の一例であり、本実施形態では、ボルトを通すための孔３５Ａが形成されている。ハウジング３の左端は、シャフト２０の左端２２を支持する支持部３１であり、中心に貫通孔３１Ａが形成されている。左端の貫通孔３１Ａは、トーションバー２の左端２２の外周面２２Ａと嵌合可能なように機械加工されており、本実施形態では、貫通孔３１Ａにシャフト２０の左端２２の外周面２２Ａが溶接されることで、支持部３１が左端２２に固定されている。もっとも、シャフト２０の左端２２とハウジング（支持部材）３の固定方法は、圧入に限らず、任意の固定方法を用いることができる。なお、トーションバー２のシャフト２０が捩れ変形可能な程度の弾性を有しているのに対して、ハウジング３は、同等の外力では変形しない十分な剛性を有している。

ハウジング３の左右方向の中程には、内周に円筒面に形成された第１回転支持部の一例としての外輪嵌合部３４が設けられている。外輪嵌合部３４は、トーションバー２の右端２１を回転可能に支持する部分であり、本実施形態においては、転がり軸受５の外輪と嵌合し、転がり軸受５を介してトーションバー２の右端２１を支持している。

光学式エンコーダ４は、前記したエンコーダ板４１と、エンコーダ板４１に設けられた符号を読み取る、検出部の一例としての光学式センサ４２を備えてなる。エンコーダ板４１は、円筒状のブラケット４１Ａに固定されており、ブラケット４１Ａが、前記した第１センサ支持部２３に嵌合して、トーションバー２の右端２１に固定されている。

ハウジング３の外輪嵌合部３４の左側には、ハウジング３の内外を貫通するセンサ孔３６が形成されており、エンコーダ板４１は、このセンサ孔３６を通して外部に突出している。
また、センサ孔３６の左側には、第２センサ支持部３３が設けられ、ボルト４９を用いて第２センサ支持部３３に光学式センサ４２が固定されている。これにより、光学式センサ４２はエンコーダ板４１に対面しており、トーションバー２が捩れ変形したときに、エンコーダ板４１に対する光学式センサ４２の相対変位を検出可能となっている。

以上のように構成された捩れセンサ１は、円盤部２５とフランジ３５にそれぞれ別の部材が固定されることで、捩れ量を測定するセンサとして使用することができる。
これを詳しく説明すると、円盤部２５とフランジ３５に、シャフト２０回りの回転モーメントを与えると、フランジ３５からシャフト２０の左端２２に力が伝わり、一方、円盤部２５からシャフト２０の右端２１に力が伝わる。これにより、右端２１が、左端２２に対して捩れ変形する。このとき、円盤部２５は、転がり軸受５によりハウジング３に対する回転が支持されているので、円盤部２５は、ハウジング３に対して少ない抵抗で回動することができる。ハウジング３に対して右端２１が回転すると、エンコーダ板４１も右端２１と一緒に回転し、光学式センサ４２に対するエンコーダ板４１の位置が変わる。光学式センサ４２は、このエンコーダ板４１の相対変位を検出して出力するので、この出力から、トーションバー２の捩れ量を得ることができる。そして、シャフト２０の捩れについての弾性係数を用いれば、トーションバー２の捩れ量から、外力として加わった回転モーメントの大きさを算出することができる。

そして、上記の捩れ変形の際に、転がり軸受５におけるハウジング３と右端２１の相対回転量はシャフト２０の捩れ量の分だけであり、円盤部２５とフランジ３５に取り付けられるリンクなどの相対的な回転の量には応じない。そのため、２つのリンクなどの相対回転を支持する２つの軸支部が製造誤差により軸ずれを有する場合においても、その軸ずれの影響を受けず、正確な捩れ量を検出することができる。もっとも、シャフト２０の左端２２と右端２１の軸の支持においても軸ずれは生ずるのであるが、右端２１の回転量は、シャフト２０の捩れ量の分だけで僅かであるので、左端２２と右端２１の軸ずれによる、捩れ量の検出精度の悪化はないと言ってよい。

このように、本実施形態の捩れセンサ１によれば、２つのリンクの回転に応じて弾性部材が捩れるような力が発生しないので、捩れ量を正確に検出することができる。また、外輪嵌合部３４が、転がり軸受５を介してトーションバー２の右端２１を回転可能に支持しているので、回転の抵抗が小さく、より正確に捩れ量を検出することができる。

なお、この捩れセンサ１においては、ハウジング３が転がり軸受５の外輪を支持し、トーションバー２が転がり軸受５の内輪を支持していたが、これは逆であってもよい。例えば、図２は、前記実施形態の変形例を示す図であり、図１の例と実質的に異なる点についてのみ異なる符号を付したものである。図２に示す捩れセンサ１′は、トーションバー２の右端２１に転がり軸受５の外輪と嵌合する外輪嵌合部２４′を設け、ハウジング３（第２ハウジング３Ｂ）に転がり軸受５の内輪と嵌合する内輪嵌合部３４′を設けたものである。そして、図２に例示するように、光学式エンコーダ４は、ハウジング３を貫通する必要はなく、ハウジング３内に収めてもよい。また、トーションバー２やハウジング３は、複数部品から構成されるものでもよい。一例として、図２においてはハウジング３を第１ハウジング３Ａと第２ハウジング３Ｂの２つの部品から構成する例について示した。

次に、捩れセンサ１を、ロボットなどの駆動関節機構に適用した実施形態について説明する。図３に示すように、駆動関節機構１００は、第１リンク１１０と、第２リンク１２０と、モータ１３０と、捩れセンサ１とからなるものである。

第２リンク１２０は、ハウジング３のフランジ３５にボルト１５２により結合されている。第１リンク１１０は、駆動源の一例としてのモータ１３０および変速機１４０を介してトーションバー２の右端２１の円盤部２５に結合されている。第２リンク１２０は、左端部に第２回転支持部の一例として外輪嵌合部１２２を有し、外輪嵌合部１２２において、転がり軸受１９２を介して第１リンク１１０を回転可能に支持している。また、第２リンク１２０は、右端部に、第３回転支持部の一例として外輪嵌合部１２３を有し、外輪嵌合部１２３において、転がり軸受１９３を介して第１リンク１１０を回転可能に支持している。これにより、第１リンク１１０は、回転の軸方向に離れた２箇所において、第２リンク１２０に回転が支持されている。

モータ１３０は、ステータ１３１と、ロータ１３２を有し、ステータ１３１が、第１リンク１１０に固定されている。ロータ１３２は、出力軸１３３を有しており、出力軸１３３には、変速機１４０の入力側の回転体であるウェーブジェネレータ１４１が固定されている。

変速機１４０は、ウェーブジェネレータ１４１、ボールベアリング１４２、フレクスプライン１４３およびサーキュラスプライン１４４を備えた、波動歯車装置である。サーキュラスプライン１４４は、モータ１３０のステータ１３１とともに第１リンク１１０に固定されている。フレクスプライン１４３は、ボルト１５１によりトーションバー２の右端２１の円盤部２５に締結されている。なお、以上の構成において、トーションバー２、変速機１４０、モータ１３０、転がり軸受１９２，１９３の軸線は、設計上は同一となっている。

このような駆動関節機構１００によれば、モータ１３０を回転させると、変速機１４０によりこの回転が減速され、フレクスプライン１４３から出力された回転が、トーションバー２の円盤部２５を回転させ、これにより捩れセンサ１が第１リンク１１０に対し回転する。そして、捩れセンサ１は、出力側となるハウジング３のフランジ３５が第２リンク１２０に固定されているので、捩れセンサ１が回転すると第２リンク１２０が回転することになる。したがって、モータ１３０を正転または逆転させれば、第１リンク１１０に対して第２リンク１２０を正転または逆転させることができる。すなわち、駆動関節機構１００は、ロボットなどの関節として利用することができる。

この駆動関節機構１００の第１リンク１１０や第２リンク１２０に物がぶつかるなどして外力が加わった場合、第１リンク１１０と第２リンク１２０に、互いに回転しようとする力が加わる。この力は、捩れセンサ１のトーションバー２の円盤部２５とハウジング３のフランジ３５に加わり、円盤部２５とフランジ３５を互いに回転させようとする回転モーメントとして働く。そうすると、上述したように、トーションバー２の左端２２に対する右端２１の回転量（シャフト２０の捩れ量）が光学式エンコーダ４により検出される。つまり、駆動関節機構１００の第１リンク１１０と第２リンク１２０に加わった回転モーメントによる捩れ量が検出され、この捩れ量から、その回転モーメントを算出することができる。

このとき、第１リンク１１０と第２リンク１２０とは、互いに軸方向に離れた２つの転がり軸受１９２，１９３により互いの回転が支持されているので、２つの外輪嵌合部１２２，１２３の加工時の軸ずれによって、転がり軸受１９２，１９３により支持されている第１リンク１１０を捩るないし曲げるような力が僅かに働く。この力は、軸ずれの傾向に応じ、第１リンク１１０に対する第２リンク１２０の向き（位相）によって少しずつ変化する。従来の駆動関節機構では、この誤差を生む力がトーションバーに掛かっていたため、トーションバーの捩れ量から外力としての回転モーメントを算出すると正確な値を算出することができなかったが、本実施形態の駆動関節機構１００においては、この軸ずれによる力は、トーションバー２にはほとんど掛からないため、捩れ量を正確に検出することができる。そして、この検出した捩れ量から正確に回転モーメントを算出することができる。

以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく適宜変形して実施することができる。
例えば、駆動関節機構１００においては、トーションバー２の円盤部２５（第１結合部）と第１リンク１１０の間に駆動源を設けていたが、駆動源は、第２結合部（フランジ３５）と第２リンク１２０の間に設けてもよい。また、モータ１３０と捩れセンサ１との間には変速機１４０を設けていたが、変速機１４０は設けなくてもよい。

また、弾性部材の一例としてトーションバー２（シャフト２０）を例示したが、弾性部材は、板バネや、コイルバネなど弾性的に捩れ変形が可能な要素であればどのような部材であっても構わない。

前記実施形態においては、第１リンク１１０と第２リンク１２０を２つの転がり軸受１９２，１９３で互いの回転を支持していたが、一方の軸受のみで回転を支持してもよい。また、回転の支持は、転がり軸受を用いる場合に限らず、滑り軸受や流体軸受を用いることもできる。支持部材による弾性部材の回転支持も同様に、転がり軸受を用いる場合に限らず、滑り軸受や流体軸受を用いることができる。

前記実施形態においては、支持部材に変位センサの検出部を設け、弾性部材の第１端に被検出部を設けたが、これは逆でもよく、支持部材に変位センサの被検出部を設け、弾性部材の第１端に検出部を設けることもできる。また、変位センサは、光学式エンコーダに限らず、レゾルバ、ホール素子、ＭＲセンサなどの他の変位センサを採用することができる。

また、捩れセンサは、駆動関節機構に適用されるだけでなく、回転モーメントを測定するあらゆる装置に用いることができる。例えば、捩れセンサは、トルクレンチにおいてトルク（回転モーメント）を検出するのに用いることもできる。

１ センサ
２ トーションバー
３ ハウジング
４ 光学式エンコーダ
５ 転がり軸受
２０ シャフト
２１ 右端
２２ 左端
２３ 第１センサ支持部
２４ 内輪嵌合部
２４′ 外輪嵌合部
２５ 円盤部
３１ 支持部
３３ 第２センサ支持部
３４ 外輪嵌合部
３５ フランジ
４１ エンコーダ板
４２ 光学式センサ
１００ 駆動関節機構
１１０ 第１リンク
１２２ 外輪嵌合部
１２３ 外輪嵌合部
１２０ 第２リンク
１３０ モータ
１４０ 変速機
１９２ 転がり軸受
１９３ 転がり軸受

Claims (4)

1. 外力として回転モーメントが加わることで、第１端と第２端との間で弾性的に捩れ変形が生じる弾性部材と、前記弾性部材の前記第２端に固定されて当該第２端を支持する支持部材と、被検出部および検出部を有して、当該検出部と被検出部の相対変位を検出可能な変位センサとを備え、
   前記弾性部材は、前記第１端に、外力を入力する部材が結合される第１結合部と、前記検出部および前記被検出部の一方を支持する第１センサ支持部とを有し、
   前記支持部材は、外力を入力する部材が結合される第２結合部と、前記弾性部材の前記第１端を回転可能に支持する第１回転支持部と、前記検出部および前記被検出部の他方を支持する第２センサ支持部とを有し、さらに、
   前記第１結合部に結合された第１リンクと、
   前記第１リンクを回転可能に支持する第２回転支持部を有し、前記第２結合部に結合された第２リンクと、
   前記第１結合部と前記第１リンクの間に設けられ、前記第１結合部と前記第１リンクの間で相対的な回転駆動力を生ずる駆動源とを備えることを特徴とする駆動関節機構。
2. 外力として回転モーメントが加わることで、第１端と第２端との間で弾性的に捩れ変形が生じる弾性部材と、前記弾性部材の前記第２端に固定されて当該第２端を支持する支持部材と、被検出部および検出部を有して、当該検出部と被検出部の相対変位を検出可能な変位センサとを備え、
   前記弾性部材は、前記第１端に、外力を入力する部材が結合される第１結合部と、前記検出部および前記被検出部の一方を支持する第１センサ支持部とを有し、
   前記支持部材は、外力を入力する部材が結合される第２結合部と、前記弾性部材の前記第１端を回転可能に支持する第１回転支持部と、前記検出部および前記被検出部の他方を支持する第２センサ支持部とを有し、さらに、
   前記第１結合部に結合された第１リンクと、
   前記第１リンクを回転可能に支持する第２回転支持部を有し、前記第２結合部に結合された第２リンクと、
   前記第２結合部と前記第２リンクの間に設けられ、前記第２結合部と前記第２リンクの間で相対的な回転駆動力を生ずる駆動源とを備えることを特徴とする駆動関節機構。
3. 前記第２リンクは、前記第１リンクと前記第２リンクの相互の回転を支持する第３回転支持部を前記第２回転支持部から前記回転の軸方向に離れた位置に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の駆動関節機構。
4. 前記第１回転支持部は、転がり軸受を介して前記第１端を支持していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の駆動関節機構。

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