特許 7588144 第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-13

(45)【発行日】2024-11-21

(54)【発明の名称】第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 11/24 20160101AFI20241114BHJP

   H02K 11/22 20160101ALI20241114BHJP

   G01L 3/14 20060101ALI20241114BHJP

   B25J 19/02 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

H02K11/24

H02K11/22

G01L3/14 G

B25J19/02

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022534409

(86)(22)【出願日】2020-11-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-08

(86)【国際出願番号】 EP2020083728

(87)【国際公開番号】W WO2021115805

(87)【国際公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-07-27

(31)【優先権主張番号】102019134392.5

(32)【優先日】2019-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】522224955

【氏名又は名称】ニューラ ロボティクス ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＮＥＵＲＡ ＲＯＢＯＴＩＣＳ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】シラキー、ヨーゼフ

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２９７８９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１０９１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第１９９５／０１４５５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１７００３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３６３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０３４８１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１５４４３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １１／２４

Ｈ０２Ｋ １１／２２

Ｈ０２Ｋ ７／１１６

Ｇ０１Ｌ ３／１４

Ｂ２５Ｊ １９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１シャフト（１０）と第２シャフト（２０）との間のトルクおよび／または回転角を判定する装置（１）であって、前記第１シャフト（１０）および前記第２シャフト（２０）は回転軸（Ａ）を中心に互いに対して回転するようにギア機構（３０）により結合されており、前記第１シャフト（１０）は、第１端領域（１０ａ）と、第２端領域（１０ｂ）と、前記回転軸（Ａ）に対して平行に前記第１端領域（１０ａ）から前記第２端領域（１０ｂ）に向かう第１方向ベクトル（Ｒ１）とを有し、前記第２シャフト（２０）は、第１端領域（２０ａ）と、第２端領域（２０ｂ）と、前記回転軸（Ａ）に対して平行に前記第１端領域（２０ａ）から前記第２端領域（２０ｂ）に向かう第２方向ベクトル（Ｒ２）とを有する装置において、
前記第１シャフト（１０）は中空シャフトとして設計されており、前記第２シャフト（２０）は前記第１方向ベクトル（Ｒ１）および前記第２方向ベクトル（Ｒ２）が同一の方向を有するように前記第１シャフト（１０）内に同軸に配置されており、前記第１シャフト（１０）の前記第１端領域（１０ａ）は、第１測定基準（１１）を有し、前記第２シャフト（２０）の前記第１端領域（２０ａ）は、第２測定基準（２１）を有し、前記第１測定基準（１１）は、第１センサ（４１）によって走査され、前記第２測定基準（２１）は、第２センサ（４２）によって走査され、
２つの前記センサ（４１、４２）は、２つの前記シャフト（１０、２０）の前記第１端領域（１０ａ、２０ａ）の前方の正面側に配置されていることを特徴とする、装置。

【請求項2】

２つの前記センサ（４１、４２）は、単一のプリント回路基板（４０）上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記センサ（４１、４２）は、光学走査素子として設計されているとともに、前記測定基準（１１、２１）は反射測定基準（１１、２１）として設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

２つの前記測定基準（１１、２１）は、円周方向に延在するよう設計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装置。

【請求項5】

前記第１測定基準（１１）は、前記第１シャフト（１０）の前記第１端領域（１０ａ）上に配置されたディスクリング形状の第１要素（１２）上に配置されているとともに、前記第２測定基準（２１）は、前記第２シャフト（２０）の前記第１端領域（２０ａ）上に配置されたディスクリング形状の第２要素（２２）上に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

２つの前記測定基準（１１、２１）は、互いに同心円状に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。

【請求項7】

２つの前記測定基準（１１、２１）は、同一平面に配置されてい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装置。

【請求項8】

前記第１シャフト（１０）は、前記ギア機構（３０）の駆動シャフトであるとともに、前記第２シャフト（２０）は、前記ギア機構（３０）の出力シャフト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装置。

【請求項9】

前記第１シャフト（１０）は、電動機（５５）のロータ（５５ａ）に回転不能に接続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装置。

【請求項10】

前記ギア機構（３０）は、テンションシャフトギア機構であ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装置。

【請求項11】

請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置（１）を備えるロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１のプリアンブルによる、回転軸を中心に互いに対して回転できるようにギア機構により結合された、第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

回転角測定システムを使用して、制御に必要な速度および回転角位置などの情報を判定する、ロボットのアームなどの移動軸上のモータ、例えばサーボモータを制御することが知られている。モータは通常、モータによって加えられた力をギア機構を介して出力シャフトに伝達する駆動シャフトを有する。ギア機構は弾性的かつ非線形であることが知られる。これは、ギア機構によって伝達比が増加した後でも減少した後でも、モータの速度は線形に変化しないことを意味する。したがって、負荷がかかった状態でのギア機構の弾性により、出力シャフトの予期される回転角位置と出力シャフトの実際の回転角位置との間に回転角変位を生じる。周知のシステムでは、そのような回転角オフセットを回避するため、出力シャフトの動きを直接検出する第２の回転角測定システムが出力シャフトに配置される。ひずみゲージなどの追加的なセンサは、２つのシャフト間に作用するトルクを判定するために使用される。全体として、多数のセンサが必要であるために、そのようなシステムは複雑で高価になる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

したがって、本発明の目的は、より単純な構造を有するとともに、費用対効果をより高く製造することを可能にした、第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

目的は、請求項１に記載の特徴を備えた第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する装置によって、本発明に従って達成される。
本発明の有利な実施形態および変形例は、従属請求項に記載される。

【0005】

本発明の装置は、第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する装置である。第１シャフトおよび第２シャフトは回転軸を中心に互いに対して回転するようにギア機構により結合されている。第１シャフトは、第１端領域と、第２端領域とを有し、回転軸に対して平行な端領域は、第１端領域から第２端領域に向かう第１方向ベクトルを有する。第２シャフトは、第１端領域と、第２端領域と、回転軸に対して平行に第１端領域から第２端領域に向かう第２方向ベクトルとを有する。第１シャフトは中空シャフトとして設計されているとともに、第２シャフトは第１方向ベクトルおよび第２方向ベクトルが同一の方向を有するように第１シャフト内に同軸に配置されている。第１シャフトの第１端領域は、第１測定基準を有し、第２シャフトの第１端領域は、第２測定基準を有する。第１測定基準は、第１センサによって走査され、第２測定基準は、第２センサによって走査される。

【0006】

本発明の基本的な考え方は、一方のシャフトを、中空シャフトとして設計された他方のシャフトに挿入することであり、また、互いに近接して配置された２つのセンサによって走査される測定基準を２つのシャフトの同じ端に互いに近接して配置することである。空間的に離間した２つの回転角測定システムの代わりに、互いに近接して配置された２つの測定基準が走査可能であることで、２つのシャフトの回転角位置をそれぞれに判定することが可能である。また、この配置により、例えば、第１シャフトに接続されたモータが所定のトルクの場合、または第１シャフトを固定して負荷がかかった状態で第２シャフトに生じる回転角を測定する場合に、例えば出力シャフトである第２シャフトの予期される回転角位置と、例えば出力シャフトである第２シャフトの実際の回転角位置との間の回転角オフセットにより、トルクを簡単な方法で判定することが可能である。

【0007】

本発明の有利な実施形態によれば、２つのセンサは、２つのシャフトの第１端領域の前方の正面側に配置されることでコンパクトな構造が可能になる。
２つのセンサは、特に好ましくは、単一のプリント回路基板上に配置されることで、必要な構成要素の数を減らすことが可能である。

【0008】

本発明の特に有利な開発では、センサは、光学走査素子として設計されるとともに、測定基準は、反射測定基準として設計される。このような角度測定システムは特に堅牢であり、回転角を高分解能で検出することが可能である。

【0009】

２つの測定基準は、回転角を簡単な方法で検出できるように、円周方向に設計されることが好ましい。
特に好ましくは、第１測定基準は、第１シャフトの第１端領域上に配置されたディスクリング形状の第１要素上に配置されるとともに、第２測定基準は、第２シャフトの第１端領域上に配置されたディスクリング形状の第２要素上に配置される。これにより、コンパクトな構造が可能になる。

【0010】

２つの測定基準は、互いに同心円状に配置されると有利であり、これにより、検出された回転角の評価を単純化することが可能である。
本発明の特に好ましい実施形態によれば、２つの測定基準は、同一平面に配置されることで、検出された回転角の評価をさらに単純化することが可能である。

【0011】

第１シャフトは、好ましくはギア機構の駆動シャフトであるとともに、第２シャフトは、ギア機構の出力シャフトである。中空シャフトとして設計された第１シャフトは、ギア機構の駆動シャフトを形成するので、駆動力を第１シャフトにより省スペースで伝えることが可能である。

【0012】

特に、第１シャフトは、有利には、電動機のロータに回転不能に接続することができる。
好ましくは、ギア機構はテンションシャフトギア機構であることで、小さいスペースで伝達比の大幅な増減が可能である。

【0013】

上記の本発明による装置は、ロボットはその動きを正確に制御することが特に必要であるため、ロボットにおいて特に好ましく使用される。本発明によるロボットは、したがって本発明による装置を含む。

【0014】

本発明の実施形態は、以下の図を参照して詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１シャフトと第２シャフトとの間のトルクおよび／または回転角を判定する本発明による装置の実施形態の長手方向断面を示す図。

【図2】図１の装置の部分的に透明な平面図を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１および図２は、第１シャフト１０と第２シャフト２０との間のトルクおよび／または回転角を判定する装置１の２つの図を示す。第１シャフト１０および第２シャフト２０は、ギア機構３０を介して回転軸Ａを中心に互いに回転可能に結合されている。第１シャフト１０は、第１端領域１０ａと、第２端領域１０ｂと、回転軸Ａに対して平行に延在するとともに第１端領域１０ａから第２端領域１０ｂに向かう第１方向ベクトルＲ１とを有する。第２シャフト２０は、第１端領域２０ａと、第２端領域２０ｂと、回転軸Ａに対して平行に延在するとともに第１端領域２０ａから第２端領域２０ｂに向かう第２方向ベクトルＲ２とを有する。第１シャフト１０は、内部に第２シャフト２０が同軸に配置された中空シャフトとして設計されている。第１方向ベクトルＲ１と第２方向ベクトルＲ２とが同一の向きになるように、言い換えれば、第１シャフトの第１端領域１０ａと第２シャフトの第１端領域２０ａとが同じ側に向かうように配置される。第２シャフト２０の第１端領域２０ａは、第１シャフト１０の第１端領域１０ａ内に、特にそれと面一になるよう、またはそれをわずかに超えて突出するよう端部に位置してよい。

【0017】

第１シャフト１０の第１端領域１０ａは、第１測定基準１１を有する。一方、第２シャフト２０の第１端領域２０ａは、第２測定基準２１を有する。測定基準１１、２１は、円周方向に形成されてよい。この目的のために、測定基準１１、２１は、例えば、シャフト１０、２０の外面に配置されてよい。例示的な実施形態では、ディスクリング形状の第１要素１２は、第１シャフト１０の第１端領域１０ａ上に配置されるとともに、第１測定基準１１は、そこにまたはその上に特に円周方向に配置される。一方、ディスクリング形状の第２要素２２は、第２シャフト２０の第１端領域２０ａ上に配置されるとともに、第２測定基準２１は、そこにまたはその上に特に円周方向に配置される。測定基準１１、２１は、特に、互いに同心円状に配置されている。ディスクリング形状の要素１２、２２は、回転軸Ａに特に垂直に配置された平面をそれぞれ有し、２つのディスクリング形状の要素１２、２２および／または２つの測定基準１１、２１は、特に、同一平面に配置される。この目的のために、ディスクリング形状の第１要素２１は、ディスクリング形状の第１要素１２の外側領域１２ａが、ディスクリング形状の第２要素２２の径方向外側かつ同一平面に配置されるように、階段状に設計されてよい。一方、ディスクリング形状の第１要素１２の内側領域１２ｂは、ディスク形状の第２要素２２の軸方向の後ろに配置される。

【0018】

測定基準１１、２１により、１回転中に少なくとも１回の相対角度判定が可能になる。測定基準１１、２１は、好ましくは絶対測定基準であり、これにより、複数の回転中に角度の判定が可能になる。

【0019】

第１測定基準１１は、第１センサ４１により走査され、第２測定基準２１は、第２センサ４２により走査される。走査は特に光学的に行ってよい。この目的のために、測定基準１１、２１は反射性を有するよう設計されており、センサ４１、４２は光学走査素子として設計されている。

【0020】

センサ４１、４２は、測定基準１１、２１が回転軸Ａと実質的に平行に走査されるように、例えば、２つのシャフト１０、２０の第１端領域１０ａ、２０ａの前方の正面側に配置される。あるいは、走査は、シャフト１０、２０に対する径方向で行われてもよい。

【0021】

センサ４１、４２は、単一のプリント回路基板４０上に配置されることが特に好ましい。センサ４１、４２によって検出された走査信号は、評価ユニットに転送されて、第１および第２シャフト１０、２０の回転角位置を判定し、必要に応じて、以下に説明するようにシャフト１０、２０間に作用するトルクも判定する。角度位置は、互いに独立して判定されてよい。すなわち、第１センサ４１を使用して第１測定基準１１を走査することによって第１シャフト１０の角度位置、および第２センサ４２を使用して第２測定基準２１を走査することによって第２シャフト２０の角度位置を判定してよい。ギア機構３０の弾性が既知である場合、すなわち、モータ５０が所定速度で動作中に負荷のない状態で２つのシャフト１０、２０の間にどのような角度差が存在するかが既知である場合、トルクを、動作中に負荷がある状態で２つのシャフト１０、２０の間の角度差に基づいて判定することが可能である。

【0022】

装置１は、例えば、カバー５２によって閉じられるハウジング５０を有してよい。この場合、プリント回路基板４０をカバー５２内に配置してもよく、その結果、センサシステムは容易にアクセス可能になる。

【0023】

第１シャフト１０は、ギア機構３０の駆動シャフトであってよいとともに、第２シャフト２０は、変速機３０の出力シャフトであってよい。第１シャフト１０は、特に、電動機、特にサーボモータとして設計されることが好ましいモータ５０のモータシャフトである。モータ５０は、ロータ５５ａおよびステータ５５ｂを有し、ロータ５５ａは、トルクに耐えられるように第１シャフト１０に結合されている。

【0024】

ギア機構３０は、第１シャフト１０の第２端領域２０ａを第２シャフト２０の第２端領域２０ｂに結合する。ギア機構は、例えば、テンションシャフトギア機構として設計されてよい。この目的のために、回転軸Ａに対して垂直な楕円形断面を有する径方向突起３１を、第１シャフト１０の第２端領域１０ｂ上に配置してよく、その外周には、例えばローラベアリングとして設計されたボールベアリング３２を、配置してもよい。可撓性薄壁スリーブ３３は、ボールベアリング３２の外周に配置され、円周カラー３３ａを介してハウジング５０内に固定して配置される。スリーブ３３の外側に外歯３４を有する。径方向突起２０ｃは、第２シャフトの第２端領域２０ｂ上に配置されかつ第１端領域２０ａの方向に面する表面に円周方向突起２０ｄを有するので、第１端領域２０ａの方向に広がる円周方向溝２０ｅが形成される。内歯３５は、スリーブ３３の外歯３４が係合する溝２０ｅに配置されている。外歯３４と内歯３５との間には、例えば歯１本または歯２本分の歯の数の差がある。第１シャフト１０が回転軸Ａを中心に回転すると、楕円形の突起３１がスリーブ３３を変形させ、歯数の違いにより、第１シャフト１０に対する第２シャフト２０の回転が達成される。歯数が多いため、伝達比の大幅な増減が可能である。

【0025】

装置１は、特にロボットにおいて、例えば、ロボットの可動関節において使用される。
シャフト１０、２０の角度位置、特にモータ５０の角度位置および出力シャフト２０の角度位置、したがってギア機構３０の出力を、それぞれの場合にセンサ４１、４２を使用して独立して判定することができるので、装置１は、第１シャフト１０および第２シャフト２０の角度位置を簡単な方法で判定することが可能である。装置１は、例えば、２つのシャフト１０、２０の間に作用するトルクを、以下に説明する方法で、また特に追加の機械的構成要素なしで判定することが可能である。第１シャフト１０の位置が固定され、判定されるトルクが第２シャフト２０に作用する場合、ギア機構３０は弾性を有するとともに、トルクが加えられたときのねじり棒のように作用するため、第２シャフト２０と第１シャフト１０との間に角度差が生じる。ギア機構の弾性が既知である場合、角度差の大きさからトルクを判定することが可能である。ギア機構の既知の弾性は、例えば、第１シャフト１０、すなわちモータシャフトまたは駆動シャフトと第２シャフト２０、すなわち出力シャフトとの間の角度差を、全移動範囲にわたって追加の作用トルクなしで判定することによって判定することができる。

【符号の説明】

【0026】

１ 装置
１０ 第１シャフト
１０ａ 第１端領域
１０ｂ 第２端領域
１１ 第１測定基準
１２ ディスクリング形状の第１要素
１２ａ 外側領域
１２ｂ 内側領域
２０ 第２シャフト
２０ａ 第１端領域
２０ｂ 第２端領域
２０ｃ 径方向突起
２０ｄ 円周方向突起
２０ｅ 溝
２１ 第２測定基準
２２ ディスクリング形状の第２要素
３０ ギア機構
３１ 突起
３２ ボールベアリング
３３ スリーブ
３３ａ カラー
３４ 外歯
３５ 内歯
４０ プリント回路基板
４１ センサ
４２ センサ
５０ ハウジング
５２ カバー
５５ モータ
５５ａ ロータ
５５ｂ ステータ
Ａ 回転軸
Ｒ１ 第１方向ベクトル
Ｒ２ 第２方向ベクトル

【図1】

【図2】