TW202006330A - 轉矩感測器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可提升檢測精確度之轉矩感測器。轉矩感測器具備：第1構造體；第2構造體；設置在第1構造體與第2構造體之間的第3構造體；設置在第1構造體與第2構造體之間的至少2個感測器部；設置在第1構造體，用以將第1安裝部定位在第1構造體之複數個第1孔；設置在第2構造體，用以將第2安裝部定位在第2構造體之複數個第2孔。

Description

轉矩感測器

發明領域 本發明之實施形態例如有關一種適用於機器人臂等之轉矩感測器。

背景技術 轉矩感測器具有將轉矩施加於其的第1構造體、輸出轉矩的第2構造體、及連結第1構造體與第2構造體之作為梁的複數個應變部，在此等應變部配置作為感測器元件之複數個應變計。根據此等應變計構成橋接電路(例如參照專利文獻1、2、3)。

針對測量產生在汽車引擎等輸出部的轉矩之轉矩量轉換器，開發出減低轉矩以外的彎曲應力影響之技術(例如參照專利文獻4)。

先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1 日本特開2013-096735號公報 專利文獻2 日本特開2015-049209號公報 專利文獻3 日本特開2017-172983號公報 專利文獻4 日本特開2010-169586號公報

發明概要 例如圓盤狀的轉矩感測器具有第1構造體及第2構造體、及第1構造體與第2構造體之間的第3構造體，在第1構造體與第2構造體之間設置作為應變感測器之應變體、或應變計。

在將第1構造體固定在機器人臂的例如基台，將第2構造體固定在機器人臂的例如臂部予以使用的情況下，轉矩感測器中除了轉矩以外，還會施加有伴隨機器人臂的搬送重量及到負荷的距離、及動作加速度之彎曲力矩、或作為其反作用力之荷重。

在將轉矩感測器安裝在機器人臂的情況下，必須使轉矩感測器的軸心與機器人臂的例如臂部或基台的軸心對齊。

在假設轉矩感測器的第1構造體形狀例如為圓柱，機器人臂的基台形狀例如為圓筒的情況下，藉由將圓柱嵌合在圓筒內而使軸心一致。但是，在該情況下，雖然軸心是一致的，但是圓柱與圓筒在哪個位置緊密接觸乙事為不明確的。即，圓柱與圓筒為非真圓，在圓柱外徑與圓筒內徑各自有誤差。因此，預測圓柱外面與圓筒內面於隨機幾處有所接觸。

如此一來，在轉矩感測器的第1構造體與機器人臂的基台或臂部於隨機幾處有所接觸的情況下，在將轉矩以外的彎曲力矩、或平移力施加到轉矩時，使第1構造體或第2構造體非對稱變形，伴隨該變形使應變感測器非對稱變形，從感測器送出輸出。

當在轉矩感測器施加轉矩以外的彎曲力矩或荷重(X軸方向Fx、Y軸方向Fy、Z軸方向Fz)即平移力時，在設置於轉矩感測器之複數個應變感測器中產生因應變位的應變。通常，轉矩感測器的橋接電路構成為對於轉矩方向的力量輸出電壓，對於轉矩以外方向的力量不輸出電壓。但是，當第1構造體或第2構造體為非對稱變形時，在設置於轉矩感測器之複數個應變感測器產生非對稱的應變。根據該他軸干涉，發生感測器輸出，減低轉矩感測器的檢測精確度。

本發明之實施形態提供一種可提升檢測精確度之轉矩感測器。

本實施形態之轉矩感測器具備：第1構造體；第2構造體；設置在前述第1構造體與前述第2構造體之間的第3構造體；設置在前述第1構造體與前述第2構造體之間的至少2個感測器部；設置在前述第1構造體，用以將第1安裝部定位在前述第1構造體之複數個第1孔；及設置在前述第2構造體，用以將第2安裝部定位在前述第2構造體之複數個第2孔。

用以實施發明之形態 以下，針對實施形態，參照圖面進行說明。在圖面中，對於相同部分附予相同符號。

首先，參照圖1、圖2，針對本實施形態所適用之機器人臂30及轉矩感測器40進行說明。

圖1顯示多關節機器人，即機器人臂30的一例。機器人臂30例如具備基台31、第1臂部32、第2臂部33、第3臂部34、第4臂部35、作為驅動源之第1驅動部36、第2驅動部37、第3驅動部38、第4驅動部39。但是，機器人臂30的構成並非限定於此，可以變形。

第1臂部32根據設定在第1關節J1之第1驅動部36而構成為對於基台31可自由旋轉。第2臂部33根據設定在第2關節J2之第2驅動部37而構成為對於第1臂部32可自由旋轉。第3臂部34根據設定在第3關節J3之第3驅動部38而構成為對於第2臂部33可自由旋轉。第4臂部35根據設定在第4關節J4之第4驅動部39而構成為對於第3臂部34可自由旋轉。在第4臂部35裝載有未圖示之把手或各種工具。

第1驅動部36至第4驅動部39例如具備後述的馬達、減速機、轉矩感測器。

圖2顯示適用於本實施形態之圓盤狀轉矩感測器40的一例。轉矩感測器40具備第1構造體41、第2構造體42、複數個第3構造體43、作為感測器部之第1應變感測器44及第2應變感測器45等。

第1構造體41、第2構造體42形成為環狀，第2構造體42的直徑比第1構造體41的直徑更小。第2構造體42與第1構造體41呈同心狀配置，第1構造體41與第2構造體42藉由呈放射狀配置之複數個作為梁部的第3構造體43予以連結。複數個第3構造體43在第1構造體41與第2構造體42之間傳達轉矩。第2構造體42具有中空部42a，在中空部42a中例如使未圖示的配線通過。

第1構造體41、第2構造體42、複數個第3構造體43雖然是利用金屬例如不鏽鋼予以構成，但是只要是對於被施加的轉矩可以得到機械性的充分強度時，也可以使用金屬以外的材料。第1構造體41、第2構造體42、複數個第3構造體43例如具有相同厚度。轉矩感測器40的機械性強度藉由第3構造體43的厚度、寬幅、長度予以設定。

在第1構造體41與第2構造體42之間設置有第1應變感測器44及第2應變感測器45。具體而言，構成第1應變感測器44之應變體44a、及構成第2應變感測器45之應變體45a的一端部與第1構造體41接合，應變體44a、45a的另一端部與第2構造體42接合。應變體44a、45a的厚度比第1構造體41、第2構造體42、及複數個第3構造體43厚度更薄。

在應變體44a、45a的表面分別設置有作為感測器元件之未圖示的複數個應變計。根據設置在應變體44a之感測器元件構成第1橋接電路，根據設置在應變體45a之感測器元件構成第2橋接電路。即，轉矩感測器40具備2個橋接電路。

又，第1應變感測器44及第2應變感測器45配置在對於第1構造體41及第2構造體42的中心(轉矩的作用中心)為對稱的位置。換言之，第1應變感測器44及第2應變感測器45配置在環狀之第1構造體41及第2構造體42的直徑上。

第1應變感測器44(應變體44a)與可撓式基板46連接，第2應變感測器45(應變體45a)與可撓式基板47連接。可撓式基板46、47與利用蓋板48予以覆蓋之未圖示的印刷基板連接。在印刷基板中配置有放大2個橋接電路的輸出電壓之演算放大器等。電路構成由於非本實施形態的本質，因此省略說明。

(第1實施形態) 圖3、圖4顯示第1實施形態。轉矩感測器40設置在機器人臂30的例如第1驅動部36。但是，轉矩感測器40也可以設置在機器人臂30的例如第2驅動部37至第4驅動部39。

在圖3、圖4中，將轉矩感測器40的第1構造體41固定在作為第1安裝部之例如第1臂部32，第2構造體42例如透過第1驅動部36固定在作為第2安裝部之基台31。但是，也可以將轉矩感測器40的第1構造體41透過第1驅動部36固定在作為第2安裝部之基台31，第2構造體42固定在例如第1臂部32。

轉矩感測器40的第1構造體41及第1臂部32是利用作為第1定位構件的複數個銷61予以定位，第2構造體42及第1驅動部36的後述輸出軸36b-2是利用作為第2定位構件的複數個銷62予以定位。以下「定位」也稱為「定心」。

在銷61的個數例如為3個的情況下，3個銷61在轉矩感測器40的表面配置於例如0°、135°、225°的位置。但是，並非限定於此，如圖3所示，在銷61的個數例如為2個的情況下，2個銷61配置在0°、180°的位置亦可。

複數個銷62也與銷61相同，在銷62的個數為3個的情況下，3個銷62在轉矩感測器40的表面配置於例如0°、135°、225°的位置。又，在銷62個數為2個的情況下，2個銷62如圖3所示配置在0°、180°的位置。

銷61與銷62的位置不一定要配置在相同位置，配置在不同位置(角度)亦可。

如圖4、圖5所示，銷61的一端部例如具有螺紋，銷61的一端部與轉矩感測器40的第1構造體41螺合。銷61的另一端部插入到設置在第1臂部32之定位用的複數個第1孔32a。第1孔32a的直徑與銷61另一端部的直徑相等，藉由將銷61插入到第1孔32a，使第1臂部32對於轉矩感測器40的第1構造體41定位。

銷61的另一端部壓入到第1孔32a亦可。又，以在銷61與第1孔32a之間具有間隙的方式將銷61嵌入到第1孔32a的間隙嵌合的情況下，由於銷61的另一端部與第1孔32a的接觸變少，因此可以更減低他軸干涉。

銷62與銷61相同，在一端部具有螺紋。銷62的一端部與轉矩感測器40的第2構造體42螺合。銷62的另一端部插入到設置在輸出軸36b-2之定位用的複數個第2孔36b-4。第2孔36b-4的直徑與銷62之另一端部的直徑相等，藉由將銷62插入到第2孔36b-4，使輸出軸36b-2對於轉矩感測器40的第2構造體42定位。

銷62的另一端部亦可也與銷61相同，壓入到第2孔36b-4。又，以在銷62與第2孔36b-4之間具有間隙的方式將銷62嵌入到第2孔36b-4的間隙嵌合的情況下，由於銷62的另一端部與第2孔36b-4的接觸變少，因此可以更減低他軸干涉。

如上述所示，在將轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32定位，將第2構造體42與輸出軸36b-2定位的狀態下，固定第1構造體41與第1臂部32，固定第2構造體42與輸出軸36b-2。

即，如圖3、圖4所示，將複數個螺栓51插入到第1臂部32，此等螺栓51與第1構造體41的表面螺合。因此，第1臂部32的背面一部分與第1構造體41的表面接觸。

在該狀態中，如圖4、圖5所示，第1臂部32的內側面(以下簡稱為側面)32b在轉矩感測器40的外周面即第1構造體41的外周面(以下簡稱為側面)41a之間設定有特定距離的間隙GP。

如圖3、圖4所示，轉矩感測器40的第1構造體41利用複數個螺栓51固定在第1臂部32。即，第1構造體41的表面固定在第1臂部32的背面。

轉矩感測器40的第2構造體42利用複數個螺栓52與減速機36b的輸出軸36b-2連結。即，第2構造體42的背面固定在輸出軸36b-2的表面。

又，第1驅動部36例如包含馬達36a及減速機36b。減速機36b例如具備殼體36b-1、輸出軸36b-2、軸承36b-3、及未圖示的複數個齒輪等。輸出軸36b-2透過未圖示的複數個齒輪與馬達36a的軸部36a-1連結，並且利用軸承36b-3對於殼體36b-1設置為可自由旋轉。馬達36a設置在減速機36b的殼體36b-1，殼體36b-1固定在作為第2安裝部之例如基台31。

如上述所示，在固定第1構造體41與第1臂部32，固定第2構造體42與輸出軸36b-2後，將複數個銷61及銷62留下亦可，但是拆除亦可。

在上述構成中，當根據馬達36a驅動減速機36b時，使轉矩(Mz)方向的力量施加到轉矩感測器40。轉矩感測器40的第1構造體41對於第2構造體42變位到轉矩(Mz)方向。轉矩感測器40根據第1構造體41對於第2構造體42的變位，從第1應變感測器44、第2應變感測器45輸出電氣訊號，可以檢測出轉矩。

另一方面，第1構造體41與第1臂部32為定心，第2構造體42與輸出軸36b-2也為定心，在轉矩感測器40之第1構造體41的側面41a與第1臂部32的側面32b之間設置有間隙GP，第1構造體41的側面41a與第1臂32的側面32b沒有接觸。因此，藉由第1臂部32至第4臂部35的動作而在第1臂部32發生轉矩以外(Mx、My)方向的彎曲力矩或平移力的情況下，該彎曲力矩或平移力不會直接作用在第1構造體41的側面41a。因此，第1構造體41對於第2構造體42可以均衡地變形，第1應變感測器44的應變體44a與第2應變感測器45的應變體45a為對稱地變形。因此，可以抑制對於轉矩以外(Mx、My)方向的彎曲力矩或平移力之檢測訊號的輸出，可以提升轉矩的檢測精確度。

(第1實施形態的效果) 根據上述第1實施形態，轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32利用銷61予以定位，在第1構造體41的側面41a與第1臂部32的側面32b之間設置間隙GP。即， 第1構造體41的側面41a與第1臂部32的側面32b為非接觸。再者，第2構造體42與輸出軸36b-2利用銷62予以定位，輸出軸36b-2的中心與第2構造體42的中心為一致。因此，在轉矩感測器40施加有彎曲力矩或平移力的情況下，可以抑制檢測訊號的輸出。因此，可以減低他軸干涉，可以提升轉矩的檢測精確度。

(第2實施形態) 圖6A、圖6B顯示第2實施形態。在第1實施形態中，轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32利用銷61予以定位，第2構造體42與輸出軸36b-2利用銷62予以定位。

第2實施形態為使用半牙螺栓取代銷61及銷62，進行轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32、及第2構造體42與輸出軸36b-2的定位。

如圖6A所示，半牙螺栓63具有定心部63a及螺紋部63b。定心部63a的直徑D1比螺栓部63b的直徑D2更大。

圖6B顯示轉矩感測器40之第2構造體42與輸出軸36b-2的定位例示。但是，第1構造體41與第1臂部32的定位也可以同樣進行。

如圖6B所示，在轉矩感測器40的第2構造體42的定位用孔42b、及設置在輸出軸36b-2之定位用的第2孔36b-4中，對應於半牙螺栓63的定心部63a之定心部P1直徑與半牙螺栓63的定心部63a直徑D1大致相等，螺紋部P2與半牙螺栓63的螺紋部63b直徑D2大致相等。

如圖6C所示，在半牙螺栓63插入到孔42b及第2孔36b-4的狀態中，半牙螺栓63的螺紋部63b與第2孔36b-4的螺紋部P2螺合，定心部63a插入到孔42b及第2孔36b-4的定心部P1。因此，使轉矩感測器40的第2構造體42與輸出軸36b-2定心。

第2構造體42與輸出軸36b-2的定心藉由半牙螺栓63的定心部63a予以進行。因此，即使在半牙螺栓63的螺紋部63b與第2孔36b-4的螺紋部P2之間產生間隙，藉由鎖緊半牙螺栓63，可以保持第2構造體42與輸出軸36b-2的定心狀態。

在半牙螺栓63的定心部63a與第2孔36b-4的定心部P1之間有間隙的間隙嵌合的情況下，由於半牙螺栓63的定心部63a與第2孔36b-4的定心部P1之接觸變少，因此可以更減低他軸干涉。

轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32之定心也是使用半牙螺栓63同樣地進行。藉此，在第1構造體41的側面41a與第1臂部32的側面32b之間設置有間隙GP。

定位用的半牙螺栓63之配置與第1實施形態之銷61及銷62的配置相同。

半牙螺栓63在定心後直接留下亦可，拆除亦可。

具體而言，只利用定位用的半牙螺栓63固定轉矩感測器40與第1臂部32及輸出軸36b-2，即使沒有進行根據螺栓51及螺栓52的鎖緊亦可。

利用半牙螺栓63固定轉矩感測器40與第1臂部32及輸出軸36b-2，進一步利用螺栓51及螺栓52將第1臂部32及輸出軸36b-2固定在轉矩感測器40，留下半牙螺栓63亦可。

或者，利用半牙螺栓63固定轉矩感測器40與第1臂部32及輸出軸36b-2，進一步利用螺栓51及螺栓52將第1臂部32及輸出軸36b-2固定在轉矩感測器40後，拆除半牙螺栓63亦可。

或者，利用半牙螺栓63固定轉矩感測器40與第1臂部32及輸出軸36b-2，進一步利用螺栓51及螺栓52將第1臂部32及輸出軸36b-2固定在轉矩感測器40後，拆除半牙螺栓63，安裝通常的鎖緊用螺栓取代半牙螺栓63亦可。

(第2實施形態的效果) 根據上述第2實施形態，藉由使用半牙螺栓63，定位轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32，可以在第1構造體41的側面與第1臂部32的側面之間設置間隙GP，使用半牙螺栓63使第2構造體42的中心與輸出軸36b-2的中心一致。因此，與第1實施形態相同，在轉矩感測器40施加彎曲力矩或平移力的情況下，可以使第1構造體41對於第2構造體42均衡地變形。因此，轉矩感測器40可以減低他軸干涉，可以提升轉矩的檢測精確度。

(第1變形例) 圖7顯示第1實施形態及第2實施形態的第1變形例。

第1變形例使用定位用軸取代第1實施形態的銷61及銷62、第2實施形態的半牙螺栓63，定位轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32、及第2構造體42與輸出軸36b-2。

如圖7所示，在設置於第1臂部32之複數個第1孔32a與設置在轉矩感測器40的第1構造體41之定位用的複數個孔41b中，分別插入例如圓柱狀的軸64。

又，在設置於輸出軸36b-2之定位用的複數個第2孔36b-4與設置在轉矩感測器40的第2構造體42之定位用的複數個孔42b中，分別插入例如圓柱狀的軸65。

如此一來，轉矩感測器40的第1構造體41與第1臂部32藉由複數個軸64予以定位，第2構造體42與輸出軸36b-2藉由複數個軸65予以定位。

複數個軸64及軸65在鎖緊螺栓51及螺栓52後，例如拆除。但是也可以留下。

即使是第1變形例，也可以得到與第1實施形態及第2實施形態相同的效果。而且，由於可以利用簡單的構成之軸64及軸65進行定位，可以使組裝作業容易化。

(第2變形例) 圖8顯示第2變形例。圖8為圖6C的變形者。

如圖8所示，在孔42b及第2孔36b-4的定心部P1插入筒70。筒70雖然例如由金屬構成，但是即使是樹脂亦可。

在筒70的內部插入有半牙螺栓63的狀態中，半牙螺栓63的螺紋部63b與第2孔36b-4的螺紋部P2螺合，定心部63a配置在筒70內。因此，轉矩感測器40的第2構造體42與輸出軸36b-2藉由筒70及半牙螺栓63予以定心。

半牙螺栓63的定心部63a與筒70為具有間隙GP之間隙嵌合亦可。

根據第2變形例也可以得到與實施形態2相同的效果。

此外，本發明並非限定於上述各實施形態，在實施階段中在不脫離其宗旨的範圍內可以變形構成要件將其具體化。又，藉由揭露於上述各實施形態之複數個構成要件的適當組合，可以形成各種發明。例如，從顯示於實施形態之所有構成要件刪除幾個構成要件亦可。再者，適當組合涵蓋不同的實施形態的構成要件亦可。

30‧‧‧機器人臂 31‧‧‧基台 32‧‧‧第1臂部 32a‧‧‧第1孔 32b‧‧‧第1臂部的內側面(側面) 33‧‧‧第2臂部 34‧‧‧第3臂部 35‧‧‧第4臂部 36‧‧‧第1驅動部 36a‧‧‧馬達 36a-1‧‧‧軸部 36b‧‧‧減速機 36b-1‧‧‧殼體 36b-2‧‧‧輸出軸 36b-3‧‧‧軸承 36b-4‧‧‧第2孔 37‧‧‧第2驅動部 38‧‧‧第3驅動部 39‧‧‧第4驅動部 40‧‧‧轉矩感測器 41‧‧‧第1構造體 41a‧‧‧第1構造體的外周面(側面) 41b‧‧‧定位用孔 42‧‧‧第2構造體 42a‧‧‧中空部 42b‧‧‧定位用孔 43‧‧‧第3構造體 44‧‧‧第1應變感測器 44a、45a‧‧‧應變體 45‧‧‧第2應變感測器 46、47‧‧‧可撓式基板 48‧‧‧蓋板 51、52‧‧‧螺栓 61、62‧‧‧銷 63‧‧‧半牙螺栓 63a‧‧‧定心部 63b‧‧‧螺紋部 64、65‧‧‧圓柱狀軸 70‧‧‧筒 D1、D2‧‧‧直徑 GP‧‧‧間隙 J1‧‧‧第1關節 J2‧‧‧第2關節 J3‧‧‧第3關節 J4‧‧‧第4關節 P1‧‧‧定心部 P2‧‧‧螺紋部

圖1為顯示第1實施形態所適用之機器人臂的一例之立體圖。

圖2為顯示第1實施形態所適用之轉矩感測器的一例之平面圖。

圖3為顯示有關第1實施形態之轉矩感測器的安裝構造一例之平面圖。

圖4為沿著圖3的IV-IV線的剖面圖。

圖5為顯示取出以圖4的箭頭A所示之部分的剖面圖。

圖6A為顯示有關第2實施形態之轉矩感測器的安裝構造者，顯示半牙螺栓的一例之立體部分圖。

圖6B為顯示有關第2實施形態之轉矩感測器的安裝構造者，切除一部分顯示定位用孔的一例之立體部分圖。

圖6C為顯示有關第2實施形態之轉矩感測器的安裝構造者，切除一部分顯示安裝狀態的立體部分圖。

圖7為顯示第1實施形態及第2實施形態的第1變形例之剖面圖。

圖8為顯示第2實施形態的第2變形例者，切除一部分顯示安裝狀態的立體部分圖。

31‧‧‧基台

32‧‧‧第1臂部

32a‧‧‧第1孔

36‧‧‧第1驅動部

36a‧‧‧馬達

36a-1‧‧‧軸部

36b‧‧‧減速機

36b-1‧‧‧殼體

36b-2‧‧‧輸出軸

36b-3‧‧‧軸承

36b-4‧‧‧第2孔

40‧‧‧轉矩感測器

41‧‧‧第1構造體

42‧‧‧第2構造體

43‧‧‧第3構造體

51、52‧‧‧螺栓

61、62‧‧‧銷

GP‧‧‧間隙

Claims (10)

1. 一種轉矩感測器，其特徵在於具備： 第1構造體； 第2構造體； 設置在前述第1構造體與前述第2構造體之間的第3構造體； 設置在前述第1構造體與前述第2構造體之間的至少2個感測器部； 設置在前述第1構造體，用以將第1安裝部定位在前述第1構造體之複數個第1孔；及 設置在前述第2構造體，用以將第2安裝部定位在前述第2構造體之複數個第2孔。
2. 如請求項1之轉矩感測器，其進一步具備插入到前述第1孔，用以將前述第1安裝部定位在前述第1構造體之複數個第1定位構件。
3. 如請求項2之轉矩感測器，其進一步具備插入到前述第2孔，用以將前述第2安裝部定位在前述第2構造體之複數個第2定位構件。
4. 如請求項3之轉矩感測器，其中前述第1定位構件及前述第2定位構件為銷。
5. 如請求項3之轉矩感測器，其中前述第1定位構件及前述第2定位構件為半牙螺栓。
6. 如請求項3之轉矩感測器，其中前述第1定位構件及前述第2定位構件為軸。
7. 如請求項3之轉矩感測器，其中前述第1定位構件及前述第2定位構件為插入到前述第1孔或前述第2孔之筒、及插入到前述筒之半牙螺栓。
8. 如請求項4至7中任一項之轉矩感測器，其進一步具備：設置在前述第1孔與前述第1定位構件之間的第1間隙、及設置在前述第2孔與前述第2定位構件之間的第2間隙。
9. 如請求項3之轉矩感測器，其中前述第1安裝部包含設置在與前述第1構造體的前述第1孔相同位置之複數個第3孔，前述第2安裝部包含設置在與前述第2構造體的前述第2孔相同位置之複數個第4孔。
10. 如請求項9之轉矩感測器，其中前述第1定位構件插入到前述第1孔及前述第3孔， 前述第2定位構件插入到前述第2孔及前述第4孔。

Images