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特表2022-526234蛇行又は螺旋変形可能ビーム及び過負荷ビームを有する力／トルクセンサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-24
(54)【発明の名称】蛇行又は螺旋変形可能ビーム及び過負荷ビームを有する力／トルクセンサ
(51)【国際特許分類】
G01L 5/1627 20200101AFI20220517BHJP
【ＦＩ】
G01L5/1627
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2021554386
(86)(22)【出願日】2020-03-10
(85)【翻訳文提出日】2021-11-09
(86)【国際出願番号】 US2020021796
(87)【国際公開番号】W WO2020185730
(87)【国際公開日】2020-09-17
(31)【優先権主張番号】62/816,191
(32)【優先日】2019-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/682,475
(32)【優先日】2019-11-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】508274529
【氏名又は名称】エーティーアイ インダストリアル オートメーション， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＴＩ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】Ｐｉｎｎａｃｌｅ Ｐａｒｋ， １０３１ Ｇｏｏｄｗｏｒｔｈ Ｄｒｉｖｅ， Ａｐｅｘ， Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７５３９， ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】110003281
【氏名又は名称】特許業務法人大塚国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】グラシエク， アンドリュー
【テーマコード（参考）】
2F051
【Ｆターム（参考）】
2F051AB09
2F051BA03
2F051DA03
2F051DB03
(57)【要約】
力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）は、ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）を接続する複数の蛇行（１１６、１３２、１４２）または螺旋（１５２）変形可能ビームを含む。これらのクラスの形状は変形可能なビーム（１１６、１３２、１４２、１５２）の全長を増加させ、これにより、それらの剛性を減少させる。変形可能なビーム（１１６、１３２、１４２、１５２）に加えて、複数の直線状の過負荷ビーム（１１８）があり、それぞれ第１の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の一方に接続され、所定幅の過負荷ギャップ（１２０）によって第２の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の他方から分離されている。力およびトルクの第１の範囲にわたって、変形可能なビーム（１１６、１３２、１４２、１５２）上の歪みゲージ（１３４）は圧縮歪みおよび引張歪みを電気信号に変換し、これを処理して、力およびトルクを特定する。前記第１の範囲を超える力およびトルクの第２の範囲にわたって、前記過負荷ビーム（１１８）は、前記過負荷ギャップ（１２０）を閉じ、前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の両方への堅固な接触を確立する。力およびトルクの前記第２の範囲におけるセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）の剛性は、第１の範囲にわたるそれよりも大きい。
【選択図】図１０
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の物体に接続されるように動作するツールアダプタプレート（ＴＡＰ）(１１２）と、第２の物体に接続されるように動作する取付アダプタプレート（ＭＡＰ）(１１４）とを備える力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）であって、前記ＴＡＰ（１１２）を前記ＭＡＰ（１１４）に接続する１つ以上の蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）であって、前記ＴＡＰ（１１２）への取り付けポイントから前記ＭＡＰ（１１４）への取り付けポイントまでの前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の中心線に沿った少なくとも１つの有向経路が、瞬間的な直線から少なくとも１回は左に、少なくとも１回は右に連続的に逸脱する、１つ以上の蛇行変形可能ビームと、
前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の少なくともいくつかの１つ以上の表面に取り付けられた歪みゲージ（１３４）であって、前記歪みゲージは、前記ビーム（１１６、１３２、１４２）の変形によって生じる蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の歪みを信号に変換するように動作する、歪みゲージと、
すべての歪みゲージ（１３４）からの信号に応答して、前記第１の及び第２の物体の間の力およびトルクの方向および大きさを測定するように動作する測定回路と、
を備えることを特徴とする力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項2】
第１の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の一方に接続され、第２の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の他方から所定の幅の過負荷ギャップ（１２０）だけ分離された、１つ以上の過負荷ビーム（１１８）を特徴とし、各過負荷ビーム（１１８）は蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）よりも大きな剛性を示す、請求項１に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項3】
前記過負荷ギャップ（１２０）は、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）の一方に堅固に取り付けられ、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）の他方と前記過負荷ギャップ（１２０）を形成する、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）のいずれかとは異なる部分によって形成される、請求項３に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項4】
各蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）は、前記ＴＡＰ（１１２）とＭＡＰ（１１４）との間の蛇行構成で接続された複数の並列変形可能ビームセグメントを備える、請求項１乃至３の何れか１項に記載の請求項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項5】
各蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）は、第１のセグメントと、
各々が、前記第１のセグメントと、前記ＭＡＰ（１１４）およびＴＡＰ（１１２）の一方の別個のポイントとの間に接続された、第１および第２の蛇行セクションと、
前記第１のセグメントと前記ＭＡＰ（１１４）およびＴＡＰ（１１２）の他方との間に接続された第２のセグメントと、
を備える、請求項１乃至４の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項6】
複数の過負荷ビーム（１１８）の各々は、複数の蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の各々の間に放射状に点在する、請求項２乃至５の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項7】
各過負荷ギャップ（１２０）は、略円形である、請求項２乃至６の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項8】
過負荷ビーム（１１８）ごとに、過負荷ギャップによって前記過負荷ビーム（１１８）から分離された前記ＭＡＰ（１１４）またはＴＡＰ（１１２）の上下に取り付けられたプレートをさらに備え、前記プレートは、前記ＴＡＰ（１１２）、ＭＡＰ（１１４）、および過負荷ビーム（１１８）の共通平面に垂直な前記過負荷ビーム（１１８）の移動を制限するｚ方向ギャップを画定する、請求項２乃至７の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項9】
前記ｚ方向ギャップを画定するシムストックをさらに備える、請求項８に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項10】
前記プレートは、前記ｚ方向ギャップを画定するように機械加工される、請求項８に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項11】
前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第１の範囲内では、前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）は、変形するように動作し、及びＭＡＰ（１１４）、前記過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部は、前記過負荷ギャップ（１２０）のために、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰに接触せず、前記第１の範囲よりも大きい前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第２の範囲内では、少なくとも１つの過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部が、前記過負荷ギャップ（１２０）を閉じて前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）に接触し、前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間のさらなる動きを防止し、したがって前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）のさらなる変形を名目上防止する、請求項２乃至１０の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項12】
前記センサ（１１０、１３０、１４０、１５０）は、力またはトルクの前記第１の範囲全体にわたって、前記加えられた力またはトルクの下での移動に対する第１の剛性または抵抗を示し、力またはトルクの前記第２の範囲内では第２の剛性を示し、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも大きい、請求項１１に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項13】
第１の剛性に対する第２の剛性の比が５以上である、請求項１２に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項14】
第１の剛性に対する第２の剛性の比が１０以上である、請求項１３に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項15】
第１の物体に接続されるように動作するツールアダプタプレート（ＴＡＰ）(１１２）と、第２の物体に接続されるように動作する取付アダプタプレート（ＭＡＰ）(１１４）とを備える力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）であって、前記ＴＡＰ（１１２）を前記ＭＡＰ（１１４）に接続する１つ以上の螺旋変形可能ビーム（１５２）であって、前記ＴＡＰ（１１２）への取り付けポイントから前記ＭＡＰ（１１４）への取り付けポイントまでの前記螺旋変形可能ビーム（１５２）の中心線に沿った少なくとも１つの有向経路が、瞬間的な直線から左右の一方に逸脱し、当該逸脱の累積和は９０度未満である、１つ以上の螺旋変形可能ビームと、
前記螺旋変形可能ビーム（１５２）の少なくともいくつかの１つ以上の表面に取り付けられた歪みゲージ（１３４）であって、前記歪みゲージ（１３４）は、前記ビーム（１５２）の変形によって生じる螺旋変形可能ビーム（１５２）の歪みを信号に変換するように動作する、歪みゲージと、
すべての歪みゲージ（１３４）からの信号に応答して、前記第１の及び第２の物体の間の力およびトルクの方向および大きさを測定するように動作する測定回路と、
を備えることを特徴とする力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項16】
第１の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の一方に接続され、第２の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の他方から所定の幅の過負荷ギャップ（１２０）だけ分離された、１つ以上の過負荷ビーム（１１８）をさらに備え、各過負荷ビーム（１１８）は、螺旋変形可能ビーム（１５２）よりも大きな剛性を示す、請求項１５に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項17】
前記過負荷ギャップ（１２０）は、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）の一方に堅固に取り付けられ、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）の他方と前記過負荷ギャップ（１２０）を形成する、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）のいずれかとは異なる部分によって形成される、請求項１６に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項18】
複数の過負荷ビーム（１１８）の各々は、複数の螺旋変形可能ビーム（１５２）の各々の間に放射状に点在する、請求項１６又は１７に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項19】
各過負荷ギャップ（１２０）は、略円形である、請求項１６乃至１８の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項20】
過負荷ビーム（１１８）ごとに、過負荷ギャップによって前記過負荷ビーム（１１８）から分離された前記ＭＡＰ（１１４）またはＴＡＰ（１１２）の上下に取り付けられたプレートをさらに備え、前記プレートは、前記ＴＡＰ（１１２）、ＭＡＰ（１１４）、および過負荷ビーム（１１８）の共通平面に垂直な前記過負荷ビーム（１１８）の移動を制限するｚ方向ギャップを画定する、請求項１６乃至１９の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項21】
前記ｚ方向ギャップを画定するシムストックをさらに備える、請求項２０に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項22】
前記プレートは、前記ｚ方向ギャップを画定するように機械加工される、請求項２０に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項23】
前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第１の範囲内では、前記螺旋変形可能ビーム（１５２）は、変形するように動作し、前記過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部は、前記過負荷ギャップ（１２０）のために、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）に接触せず、前記第１の範囲よりも大きい前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第２の範囲内では、少なくとも１つの過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部が、前記過負荷ギャップ（１２０）を閉じて、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）に接触し、前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間のさらなる動きを防止し、したがって前記螺旋変形可能ビーム（１５２）のさらなる変形を名目上防止する、請求項１６乃至２２の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項24】
前記センサ（１１０、１３０、１４０、１５０）は、力またはトルクの前記第１の範囲全体にわたって、前記加えられた力またはトルクの下での移動に対する第１の剛性または抵抗を示し、力またはトルクの前記第２の範囲内では第２の剛性を示し、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも大きい、請求項２３に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項25】
第１の剛性に対する第２の剛性の比が５以上である、請求項２４に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項26】
第１の剛性に対する第２の剛性の比が１０以上である、請求項２５に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０１９年３月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／８１６，１９１号および２０１９年１１月１３日に出願された米国特許出願第１６／６８２，４７５号の優先権を主張し、その全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は概して、力／トルクセンサに関し、特に、蛇行または螺旋変形可能ビームおよび過負荷ビームの使用による、過負荷作動前の剛性に対する過負荷作動後の高い比の剛性を示すコンパクトなセンサに関する。
【背景技術】
【0003】
ロボット工学は、産業、医療、航空宇宙、科学、および他の用途において、ますます重要になっている分野である。多くの場合、ロボットアームまたはそれに取り付けられたツールがワークピースなどの表面または物体に接触する場合、加えられる力および／またはトルクは、厳密に監視されなければならない。従って、力／トルクセンサは多くのロボットシステムの重要な部分である。
【0004】
ロボット工学用途のための力／トルクセンサは、当技術分野で公知である。例えば、ロボットツール力／トルクセンサが、米国特許１０，４２２，７０７、米国特許１０，０６７，０１９に記載されている。前者の図１および図２は、歪み（ひずみ）ゲージに基づく力／トルクセンサの概念の紹介として、本明細書に含まれる。このクラスのセンサ内では、多くの変形（バリエーション）が当技術分野で知られており、図１および図２に示される特定の設計（デザイン）は代表的であること、または限定的であることを意味しない。
【0005】
上述の特許に記載されているように、図１を参照すると、１つのタイプの力／トルクセンサ１０は、歪みゲージ１～６を使用して、２つの機械部品（一方はロボットアームに接続され、他方はロボットツール（またはツールへの機械的結合）または他方のエンドエフェクタに接続される）を接続する小ビーム１６ａ～ｃの変形を測定する。例えば、当技術分野でツールアダプタプレート（ＴＡＰ）１２と呼ばれる中央「ハブ」をツールに接続することができる。当技術分野で取付（マウンティング）アダプタプレート（ＭＡＰ）１４と呼ばれる、ＴＡＰの周りに環状に配置され、ＴＡＰから間隔を置いて配置された別の本体（ボディ）を、ロボットアームに接続することができる（またはその逆も）。ＴＡＰ１２およびＭＡＰ１４は、ＴＡＰ１２の周囲に放射状に配置された複数の比較的薄い（したがって、機械的に変形可能である）ビーム１６ａ、１６ｂ、１６ｃによって互いに接続されており、この設計（デザイン）では、車輪のスポークに似ている。ＴＡＰ１２およびＭＡＰ１４にそれぞれ取り付けられた物体間の相対的な力またはトルク、はＭＡＰ１４をＴＡＰ１２に対して移動しようとし、その結果、図２に描かれているように、少なくとも一部のビーム１６のわずかな変形、すなわち曲がりを生じる（縮尺によらない）。変形は、各ビーム１６をＭＡＰ１４に接続する非常に薄い湾曲部１７によって強化される。
【0006】
歪みゲージ１～６は、各ビーム１６の１つ以上の表面に取り付けられる。ゲージ１～６は、ビーム（梁）の機械的変形によって生じるビームの表面の歪みを電気信号に変換する。例えば、ゲージ１～６は、伸長または収縮に応答して抵抗を変化させることによって、引張、圧縮、および剪断歪みのいくつかの組合せに応答する歪みゲージであり得る。一旦較正されると、すべてのビーム１６上の歪みゲージ１～６からの信号は、ロボットアームと取り付けられたツールとの間の相対的な力および／またはトルクの大きさおよび方向を特定するために一緒に処理される。本明細書で使用される「歪み（ひずみ）ゲージ」という用語はデータの機械的変形に予測可能に応答する任意のセンサまたはトランスデューサ（あるいはセンサまたはトランスデューサの組合せ）を指し、その応答は変形を引き起こす力またはトルクを特定する際に検出し、定量化し、使用することができる。上述の特許は、本発明の改良が記載されている特定の力／トルクセンサ１０の特定の態様についてより詳細に説明している。
【0007】
この一般的なタイプの力／トルクセンサは、限られた範囲の力および／またはトルク値内で良好に機能する。典型的なセンサは、アルミニウムまたは鋼のような剛性材料から形成され、加えられた非常に小さい力に対しては全く変形しないであろう。力／トルク値の限られた範囲にわたって、ビーム（梁）または他の変形可能な部材はわずかに変形し、結果として生じる引張力および圧縮力は、歪みゲージによって検出され、測定電子機器によって定量化される。しかしながら、加えられる力またはトルクの大きさが増加するにつれて、変形可能な部材がかなり短く、非常に硬いために、それらは金属疲労または降伏を受ける前に、それぞれセンサの耐用年数を減少させるかまたは終了させるさらなる変位をほとんど経験しないだろう。力／トルクセンサは、典型的には異なるサイズで製造され、それぞれの指定範囲内の力／トルク値のみを経験する操作のために指定される。しかしながら、全てのロボット用途が制御された環境を享受するわけではない。例えば、法執行、軍隊、宇宙探査などの現実世界環境で展開されるロボットは、設計定格を超える一時的なまたは持続的な力およびトルクに遭遇する可能性がある。
【0008】
過負荷（オーバーロード）状況における力／トルクセンサの損傷を防止する１つの方法は、過負荷特徴（機能）の提供である。過負荷特徴の１つのタイプは、本明細書では「過負荷ビーム」（「変形可能なビーム」とは区別され、取り付けられもよい）と呼ばれる。１つの例は本明細書に図３として含まれる中国公開出願１０３５２８７２６の図１に描かれている。このセンサでは、変形可能ビーム２がＴＡＰ１を＋／－ｘおよびｙ方向のＭＡＰ４に接続する。変形可能ビーム２には、各ビーム２の反対側に歪みゲージＲ１７－Ｒ２０、Ｒ２１－Ｒ２４、Ｒ２５－Ｒ２８、およびＲ２９－Ｒ３２が取り付けられている。４５度の角度で変形可能ビーム２の間に放射状に点在するのは、一組の過負荷ビーム３である。過負荷ビーム３には、歪みゲージが取り付けられていない。過負荷ビーム３は一端がＴＡＰ１に接続されているが、他端がＭＡＰ４との接触から狭いギャップ（間隙）、例えば１インチの数千分の１だけ離れている。このギャップの幅は、変形可能ビーム２の変形の通常の範囲全体にわたって過負荷ビーム３の自由な移動を可能にするように設計されている－すなわち、ＴＡＰ１とＭＡＰ４とを接続する変形可能ビーム２がそれらの設計された可動範囲全体にわたって移動（変形）することを可能にし、ＴＡＰ１とＭＡＰ ４との間の僅かな相対運動を可能にする。しかしながら、加えられた力またはトルクが、センサが設計された最大値に達し、変形可能ビーム２がその最大設計量だけ変形すると、１つ以上の過負荷ビーム３がギャップを閉じ、ＭＡＰ４と強く接触する。過負荷ビーム３は、変形可能ビーム２よりも硬く／強靭であり、従って、更に加えられた力／トルクは過負荷ビーム３が過剰な力を吸収し、ＴＡＰ１とＭＡＰ４との間のいかなる更なる相対移動も阻止するので、変形可能ビーム２を更に変形させない。
【0009】
図４は、中国公開出願１２８３９８５からの、異なる形式（形態）の過負荷特徴を示す。変形可能ビーム２は、ＴＡＰ６をＭＡＰ９に接続する。ＴＡＰ６およびＭＡＰ９の相対的な水平移動は、変形可能ビーム２の変形の限界において、ＭＡＰ９に堅固に取り付けられたピン５によって拘束され、ＴＡＰ６内の孔８内に配置される。孔８は、ピン５の半径よりδ1だけ僅かに大きい半径を有している。ＴＡＰ６及びＭＡＰ９の相対的な上下移動はそれらの間隔によって制約され、ＴＡＰ６及びＭＡＰ９は幅δ2を有するギャップによって分離される。過負荷特徴の他の構成は、当技術分野で知られている。
【0010】
図３および図４に描かれたギャップのような従来の過負荷特徴は、嵌合過負荷特徴間に維持される非常に厳しい公差を必要とする。これは、力／トルクセンサのコストを増加させ得る。加えて、非常に厳しい公差を達成するには、部品の機械加工／位置合わせをセンサへの組み立て後に必要とする場合があり、これはセンサに損傷を与えるリスクがあり、製造プロセスに別個の工程を追加することにつれて、機械加工部品のリードタイムを増加させる可能性がある。さらに、厳しい公差があり、センサがその予想されるゼロ負荷位置からわずかにオフセットされている場合、センサが正確に測定することができる範囲はゼロ負荷位置の周りに集中されず、これはセンサの早期故障またはセンサがその述べられた範囲全体にわたって正確に測定することができないことにつながる可能性がある。
【0011】
過負荷特徴を備える部材（すなわち、図３の過負荷ビーム３、または図４のピン５）の剛性は、典型的にはセンサ内の変形可能な部材の剛性よりもいくらか大きく、それは感知され、測定され、力およびトルクに変換される変形を受ける。理想的には、過負荷特徴がいったんアクティブ化する（作動する）と、－例えば、ギャップが解消され、過負荷特徴がＴＡＰとＭＡＰの間でハード接触をすると－、変形可能な部材におけるさらなる変形（歪みとして測定される）はすべて増加を止めるはずである。しかしながら、実際には、過負荷特徴の剛性が変形可能部材の剛性に類似している場合、センサにさらに多くの荷重を加えることにより、歪みゲージによって測定される応力を増加させ続けるのであろう。この事実は、過負荷特徴にもかかわらず、センサ構造が生み出す前に、過負荷作動ポイントの後、センサにどれだけの力またはトルクを加えることができるかについての制限を設定する。
【0012】
本明細書の背景技術のセクションは、当業者が本発明の範囲および有用性を理解するのを助けるために、本発明の実施形態を技術的および動作上の文脈に置くために提供される。背景技術のセクションで説明したアプローチは追求することができるが、必ずしも以前に考案された、または追求されたアプローチではない。そのように明示的に識別されない限り、本明細書の記載は、単に背景技術のセクションに含まれることによって、従来技術であると認められない。
【発明の概要】
【0013】
以下は当業者に基本的な理解を提供するために、開示の簡略化された発明の概要を提示する。この概要は、本開示の広範な概観ではなく、本発明の実施形態の重要／重大な要素を特定すること、または本発明の範囲を描写することを意図しない。この概要の唯一の目的は、本明細書で開示されるいくつかの概念を、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして簡略化された形態で提示することである。
【0014】
本明細書で説明し、特許請求する１つ以上の実施形態によれば、力／トルクセンサは、ＴＡＰとＭＡＰとを接続する複数の蛇行または螺旋変形可能ビームを含む。各蛇行変形可能ビームに対して、ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイント（またはその逆）まで蛇行変形可能ビームの中心線をたどる（中心線に沿った、中心線を通る）少なくとも１つの有向経路は、少なくとも左側に１回、少なくとも右側に１回、連続して瞬間的な直線から逸脱する。各螺旋変形可能ビームについて、ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイントまで（またはその逆）螺旋変形可能ビームの中心線をたどる（中心線に沿った、中心線を通る）少なくとも１つの有向経路は、瞬間的な直線から左右の一方に逸脱し、そのような逸脱の累積和は９０度より大きい。これらのクラスの形状は、蛇行または螺旋変形可能ビームの全長を増加させ、その剛性を減少させる。蛇行または螺旋変形可能ビームに点在するのは、複数の過負荷ビームであり、これは直線状であってもよい。各過負荷ビームは、第１の端部でＴＡＰおよびＭＡＰの一方に接続され、第２の端部でＴＡＰおよびＭＡＰの他方から所定の幅の過負荷ギャップだけ分離される。力およびトルクの第１の範囲の間、蛇行または螺旋変形可能ビームは、ＴＡＰとＭＡＰとの間の相対的な動きの下で変形し、その上の歪みゲージは、歪みを電気信号に変換し、電気信号は、力およびトルクを特定するように処理される。第１の範囲よりも大きい力およびトルクの第２の範囲にわたって、１つ以上の過負荷ビームが過負荷ギャップを閉じ、ＴＡＰおよびＭＡＰの両方に堅固な接触を確立し、ＴＡＰとＭＡＰとの間のさらなる相対的な動きを名目上停止させる。力およびトルクの第２の範囲におけるセンサの剛性は、第１の範囲にわたる剛性よりも大きい。この高い剛性比は、過負荷作動ポイントでの歪み／力曲線に急激な屈曲をもたらし、荷重が増加することにつれて低い傾斜を有する。これにより、金属を疲労させる前にセンサが過負荷状態になることができるサイクル数が増加し、センサが降伏または破損することなく耐えることができる最大の力／トルクが増加する。
【0015】
一実施形態は、力／トルクセンサに関する。センサは、第１の物体に接続されるように動作するＴＡＰと、第２の物体に接続されるように動作するＭＡＰとを含む。また、センサはＴＡＰをＭＡＰに接続する１つ以上の蛇行変形可能ビームを含み、ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイントまで蛇行変形可能ビームの中心線をたどる（中心線に沿った、中心線を通る）少なくとも１つの有向経路は、少なくとも１回左に、少なくとも１回右に、連続して、瞬間的な直線から逸脱する。歪みゲージは、蛇行変形可能ビームの少なくともいくつかの１つ以上の表面に固着される（取り付けられる）。歪みゲージは、ビームの変形によって引き起こされる蛇行変形可能ビームの歪みを電気信号に変換するように動作する。全ての歪みゲージからの電気信号に応答して、第１の物体と第２の物体との間の力およびトルクの方向および大きさを測定するために、測定回路が作動する。
【0016】
別の実施形態は、力／トルクセンサに関する。センサは、第１の物体に接続されるように動作するＴＡＰと、第２の物体に接続されるように動作するＭＡＰとを含む。センサはまた、ＴＡＰをＭＡＰに接続する１つ以上の螺旋変形可能ビームを含み、ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイントまで螺旋変形可能ビームの中心線をたどる（中心線に沿った、中心線を通る）少なくとも１つの有向経路は、瞬間的な直線から左右の一方に逸脱し、そのような逸脱の累積和は９０度より大きい。歪みゲージは、螺旋変形可能ビームの少なくともいくつかの１つ以上の表面に固着される（取り付けられる）。歪みゲージは、ビームの変形によって引き起こされる、螺旋変形可能ビームの歪みを電気信号に変換するように動作する。全ての歪みゲージからの電気信号に応答して、第１の物体と第２の物体との間の力およびトルクの方向および大きさを測定するために、測定回路が作動する。
【図面の簡単な説明】
【0017】
以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をより完全に説明する。しかし、本発明は、本明細書に記載された実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全になるように提供され、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるだろう。同じ参照符号は全体を通して同じ要素を指す。
【図8】一実施形態による、蛇行変形可能ビームを有する力／トルクセンサの平面図である。
【図9】別の実施形態による、蛇行変形可能ビームを有する力／トルクセンサの平面図である。
【図11】別の実施形態による、蛇行変形可能ビームを有する力／トルクセンサの平面図である。
【図12a】、
【図12b】、
【図13a】、
【図13b】、
【図14】一実施形態による、螺旋変形可能ビームを有する力／トルクセンサの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
単純化および説明目的のために、本発明は、その例示的な実施形態を主に参照することによって記載される。これから述べる説明において、本発明を完全に理解するために、数多くの具体的な詳細が説明される。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細に限定されることなく実施され得ることは、当業者には容易に明らかであろう。この説明では、本発明を不必要に曖昧にしないように、周知の方法および構造については詳細に説明していない。
【0019】
力／トルクセンサにおける過負荷特徴は、典型的には歪みを測定する変形可能部材よりも幾分大きな剛性を有するが、実際には過負荷特徴が作動した後のセンサの剛性の、その通常の動作範囲におけるセンサ剛性に対する比であり、これは過負荷特徴の有効性を評価する際に重要である。このような比率を高くすると、過負荷特徴が作動した後にセンサにかかる応力が増加する速度が減少し、次に、故障前にセンサに加えることができる最大の力がさらに増加する。
【0020】
上述したように、理想的には、すべてのセンサの動き（モーション）（すなわち、ＴＡＰとＭＡＰとの間の相対的な動き（モーション））は、過負荷特徴がアクティブ化すると、－すなわち、一旦、ギャップが閉じられ、過負荷ビームまたは他の部材が関連する対向面とハード接触すると－、停止する。しかし、実際には力またはトルクが増加すると、ギャップの２つの側面の間の接触が無限に硬くはないので、センサ部品は、過負荷特徴作動の前ほどではなく、移動を続ける。従って、過負荷特徴作動後のセンサ剛性の、その前のセンサ剛性に対する比は、クリティカルな指標（メトリック）である。
【0021】
図５および６はこれを実証する。これらは、２つの異なるセンサのグラフであり、ｘ軸に加えられる負荷（荷重）（力またはトルク）と、ｙ軸にセンサによって観察される最大応力を示す。力の単位は重要ではないく、センサのサイズに合わせてスケールすることに留意されたい。第１のセンサ（図５）では、過負荷特徴の作動後の剛性は、その作動前よりもあまり大きくなく、すなわち、ｋ＿ｏｖｅｒｌｏａｄ／ｋ＿ｓｅｎｓｏｒ ～＝ １である。第２のセンサでは、過負荷特徴の作動後の剛性は、その作動前よりもかなり大きく、すなわち、ｋ＿ｏｖｅｒｌｏａｄ／ｋ＿ｓｅｎｓｏｒ ～＝ １０である。
【0022】
図５及び図６の検査により、両方のセンサが最大５の加えられた負荷に対して、その設計された範囲を通じて直線的に応答することを見ると、両方のセンサは、最大５の対応する応力を報告する。過負荷特徴作動のポイントである加えられた５の力を超えると、両方のグラフは勾配を変化させる。図５に描かれている第１のセンサでは、過負荷作動後はセンサは以前よりあまり剛性がなく、応力の出力は、過負荷作動前と同様に、負荷の増加が継続するとともにほぼ急激に増加する。
【0023】
対照的に、図６に描かれている第２のセンサは、過負荷作動後はそれ以前よりもかなり剛性が高く、負荷の増加が続くにつれて、応力の出力は、ずっと緩やかに増加する－すなわち、過負荷特徴作動ポイントの後のグラフは、はるかに低い勾配を有する。
【0024】
特に、制御されていない環境で展開される力／トルクセンサのための、有効な過負荷特徴を設計する際の１つの目標（ゴール）は、センサが金属疲労、降伏、破損、または破片になる前に、センサに大きな力／トルクを加える能力（機能）である。第２のセンサ（図６）は、第１のセンサ（図５）よりもはるかに大きい程度で、この目標を満たしていることは明らかである。例えば、両方のセンサが応力レベル７で破損する場合、第２のセンサは破損する前に最大２７の負荷（荷重）をとることができる一方、第１のセンサはわずか９の負荷（荷重）で破損するだろう。
【0025】
したがって、通常の動作範囲のセンサ剛性よりもはるかに大きい過負荷特徴作動後の剛性を有するセンサが、過負荷状態（条件）でかなり良好である。別に言えば、過負荷特徴を持つ力／トルクセンサを作ると、動作範囲の剛性が低くなるため、故障前に耐えられる最大の力が大きくなる。
【0026】
変形可能ビーム型の力／トルクセンサをその動作範囲でより剛性の低いものにする１つの方法は、（過負荷ビームの高い剛性、または他の過負荷特徴を維持しながら）変形可能ビームの剛性を低減することである。ビーム（梁）の応力を増加させずにビーム（梁）の剛性を減少させる簡単な方法は、その長さを増加させることである。ビーム（梁）のたわみはその長さの三乗に比例するが、ビーム（梁）の応力はその長さに比例するだけである。図７は、長さＬの片持梁について、関連する方程式と、せん断ＶとモーメントＭのグラフを示している。
【0027】
変形可能ビームの長さを直接増加させることは、全体の直径に制約がある、図１～図３に描かれているような多くのセンサ設計では不可能である。さらに、これは、必ずしも、図３の過負荷ビームの長さを増加させ、それらの剛性を減少させ、過負荷特徴作動後の剛性の、作動前の剛性に対する比の所望の増加を否定するのであろう。
【0028】
本発明のいくつかの実施形態によれば、例えば図８～図１１に描かれているように、変形可能ビームの長さ－しかし過負荷ビームではない－は、蛇行変形可能ビームを形成することによって増大される。本明細書で使用される「蛇行」という語は、一方の側に、次いで他方の側に交互に湾曲または屈曲することによって、直線から逸脱する形状を意味する。言い換えれば、蛇行変形可能ビームの中心線をたどり（に沿って）、ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイントまで（またはその逆）、その長さに沿って取られる有向経路は、少なくとも１回左（または右）に曲がるか、湾曲するか、または角度をつけることによって直線状であることから逸脱し、次いで、少なくとも１回右（または左）に曲がるか、湾曲するか、または角度をつけることによって直線状であることからさらに逸脱する。もちろん、蛇行変形可能ビームは、ＴＡＰからＭＡＰへの取り付けポイントまで、その範囲に沿って左右両方に数回逸脱することがある。交互の逸脱は連続している必要はない。すなわち、蛇行変形可能ビームは同一方向に複数曲がり、次いで、反対方向に曲がってもよい。直線からの逸脱は、鋭角の形態であってもよく、又は緩やかな曲線であってもよい。直線から、１回だけの逸脱を経験する、すなわち、左または右であって、しかし両方（図１の変形可能ビーム１６など）ではない、有向経路は、本明細書で使用される用語として「蛇行」の意味内に包含されないことに留意されたい。
【0029】
一実施形態では、蛇行変形可能ビームは、種々の角度で接続された複数の直線ビームセグメントを備えることができ、これらのセグメントのいくつかは、蛇行変形可能ビームを小さな空間に閉じ込めながら、より大きな全変形可能ビーム長を達成するように、互いに平行に延びることができる。いくつかの実施態様では、蛇行変形可能ビームのセグメント又は一部分は、「折り返す」ことができ、又は、ビームの先行セグメント又は一部分と反対の方向に延びることができる。
【0030】
図８は、ツールに接続され得るツールアダプタプレート（ＴＡＰ）１１２と、ロボットアームに接続され得る取付（マウンティング）アダプタプレート（ＭＡＰ）１１４とを備える、力／トルクセンサ１１０を示す（またはその逆もしかり）。ＭＡＰ １１４は、ＴＡＰ １１４の周りにほぼ環状に配置される。複数の蛇行変形可能ビーム１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃは、それぞれが角度をなして接続された複数の変形可能ビームセグメントを備えており、ＴＡＰ１１２をＭＡＰ１１４に接続する。図８に示す実施形態では、各蛇行変形可能ビーム１１６は、ＴＡＰ１１２に接続する第１の部分を含む。次いで、この第１の部分は「Ｔ」コネクションを介して、第２の部分に接続する。第２の部分の各端部において、蛇行変形可能ビームは、次いで、蛇行状に「折り畳む」。次に、これらの蛇行セクションの各々は、ＭＡＰ１１４に接続する。したがって、この実施形態では、各蛇行変形可能ビーム１１６は、ＴＡＰ１１２への取り付けポイントからＭＡＰ１１４への２つの異なる取り付けポイントまでの２つの別個の有向経路を含む。これらの有向経路の各々は、本明細書で定義され使用されるように、蛇行形状を画定（規定）する。
【0031】
それらの延長（拡張）された全長のために、蛇行変形可能なビーム１１６は、ｘ－ｙ平面、ならびに比較的低い剛性を有するｚ方向（紙の外側）においてＴＡＰ １１２とＭＡＰ １１４との間のわずかな相対的な動き（モーション）を可能にする。すなわち、センサ１１０はその動作範囲内で、例えば、図１～３に示される従来技術のデザインの直線またはＴ字形の変形可能ビームを有する同等のサイズのセンサよりも、より大きな程度の「緩み」または「遊び」を有する。蛇行変形可能ビーム１１６は、蛇行変形可能ビーム１１６の表面における圧縮力および引張力を電気信号に変換する歪みゲージ（図示せず）を１つ以上の側面（サイド）に備えている。歪みゲージは、当技術分野で知られているように、フルホイートストンブリッジ構成、ハーフホイートストンブリッジ構成、またはクォーターホイートストンブリッジ構成で配線することができる。データ取得処理システム（図示せず）は、歪みゲージ出力を処理して、例えば、当該技術分野で公知のように、ＴＡＰ１１２とＭＡＰ１１４との間に作用する６つの力およびトルク（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）を特定する。
【0032】
また、力／トルクセンサ１１０は、第１の端部でＴＡＰ１１２から第２の端部でＭＡＰ１１４の近くに（またはその逆に）延びるが、接していない複数の過負荷ビーム１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃを含む。過負荷ビーム１１８は、蛇行変形可能ビーム１１６の間に放射状に点在している。狭い過負荷ギャップ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、例えば、１インチの数万分の１から１インチの数千分の１まで、それぞれの過負荷ビーム１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃをＭＡＰ１１４から分離する。実際、過負荷ギャップ１２０は、各過負荷ビーム１１８の第２の（非接続の）端部を画定（規定）する。いくつかの実施形態では、ＴＡＰ１１２、蛇行変形可能ビーム１１８、過負荷ビーム１１８、およびＭＡＰ１１４は、単一の金属片から機械加工され、これによって、過負荷特徴の製造から積み重ね公差が除去される。
【0033】
一実施形態では、各過負荷ギャップ１２０は実質的に（ほぼ）円形である。図示されているように、３つの過負荷ビームでは、円形ギャップ１２０が円の円周の２７０度よりも大きく延びなければならないため、ＴＡＰ１１２が異なるギャップ距離で移動できる方向がないことを確実にするのに十分な向きで接触することになる。一様なギャップ距離、又はＦｘｙ／Ｔｚにおいて異なる作動距離を可能にするために異なる方向に特別にオフセットされたもの、例えば４つの過負荷ビームを有するものは、過負荷ビーム１１８がＭＡＰ１１４に接触したときの駆動因子である。ギャップ１２０が追従する正確な経路、すなわち、円形、楕円形などは、過負荷ビーム１１８がＭＡＰ１１４に接触したときの局所接触応力を決定する。一実施形態では、過負荷ギャップ１２０は、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）を用いて形成することができ、これにより、ギャップ１２０を厳しい公差で容易に機械加工することができる。蛇行変形可能ビーム１１６とは対照的に、過負荷ビーム１１８は、曲がりや角度がなく、真っすぐであり、両方とも蛇行変形可能ビーム１１６よりも短くて厚い。その結果、それらはるかに高い剛性を示す。
【0034】
過負荷ビーム１１８とＭＡＰ１１４との間の過負荷ギャップ１２０は、ＴＡＰ１１２をｘ－ｙ平面内でＭＡＰ１１４に対して移動させる力（Ｆｘｙ）およびトルク（Ｔｚ）に対する過負荷作動、すなわち停止を提供する。ｚ方向（ページの外側）への動き（モーション）のための過負荷停止を提供するために、各過負荷ビーム１１８がＭＡＰ １１４と出会うエリアの上下に－すなわち過負荷ギャップ１２０の上下に、小さなギャップ幅を画定（規定）するシムストックを備えた、平らなプレートが取り付けられる。あるいは、このエリアを覆うプレートは、それらに機械加工された正確なステップを有する可能性がある。したがって、すべての過負荷停止は、センサ１１０の損傷を脅かすことのない容易に利用可能な技術を使用して、小さなギャップおよび厳しい公差で作成され、製造プロセスには明らかには追加されない。ｚ方向のための過負荷停止特徴の１つの代替実施形態は、検知要素の上下のプレートに機械加工された平坦部およびテーパ部の両方を有することである。平坦部は、トランスデューサの中心により近くに配置することができ、テーパ部が平坦部から外に連続するため、純粋な力の過負荷とトルクの過負荷の両方が過負荷イベント中に大きな接触面積を有し、接触応力を減少させ、疲労寿命／強度を再び向上させる。
【0035】
図９は、別の実施形態による力／トルクセンサ１３０を示す。この実施形態では、蛇行変形可能ビーム１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃは、ＴＡＰ１１２とＭＡＰ１１４との間に接続される。この実施形態における各蛇行変形可能ビーム１３２は、１つのポイントのみでＴＡＰ１１２およびＭＡＰ１１４のそれぞれに接続される。蛇行変形可能ビーム１３２は、図８の実施形態と同様に「折り畳まれ」、延長された全長を提供するが、小さな空間内にある。ＭＡＰ１１４本体は、図８の実施形態の蛇行変形可能ビーム１１６の他の「半分」によって占められる空間の一部を占め、さらに、センサ１３０全体の過負荷後作動剛性に寄与してもよい。過負荷ビーム１１８および過負荷ギャップ１２０は、上述のように構成される。
【0036】
図１０は、歪みゲージ１３４が取り付けられた、図９の実施形態の１つの蛇行変形可能ビーム１３２の詳細を示す。歪みゲージの取り付けは、図８の実施形態の蛇行変形可能ビーム１１６と同様であり得る。歪みゲージの配線は、明確化のために示されていない。１つの表面上に示されているが、歪みゲージは複数の表面（例えば、対向する面上のペアにおいて）、および任意の位置または向きにおいて、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２に取り付けられてもよい。
【0037】
図８～図１０に描かれた蛇行変形可能ビーム１１６、１３２は、次の連続するセグメントに対向する端部で接続され、したがって「扇形折り返し」形状を形成するビーム１１６、１３２のセグメントの長さの並列的な延在を描いているが、この形状は例示的なものに過ぎず、限定的なものではない。
【0038】
図１１は、蛇行変形可能なビーム１４２を有する力／トルクセンサ１４０のさらに別の実施形態を示す。この場合、蛇行変形可能ビーム１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃはそれぞれ、ＴＡＰ１１２上の取付けポイントの後に左にわずかな曲がりを示し、その後、ＭＡＰ１１４に取付ける前に右に数回曲がる。しかしながら、ビーム１４２はそれぞれ、一方の側（左側）に、次いで他方の側（反復的に右側）に交互に湾曲または屈曲することによって、直線から逸脱するので、本明細書で使用されるように、「蛇行」ビームの定義に合致する。
【0039】
図１２は、様々な変形可能ビームの形状を示し、その全ては、本明細書で定義されるように「蛇行」である。
【0040】
変形可能ビームの形状１２（ａ）は、図９および図１０（または図８の実施形態の片側）に示されたものと同様である。ＴＡＰ取り付けポイントからＭＡＰ取り付けポイントへの有向線は直線で進み、９０度右折して直線から逸脱する。次いで、ビームは、それぞれが同じ側に２つの連続した９０度のターンを含む、６つの１８０度の方向の変化を実行する。これは、両方向に直線から逸脱するが、連続的ではない蛇行変形可能ビームの例である。本明細書で使用されるように、変形可能ビームの中心線の下方への有向線からの逸脱は、検討ポイントがビームに沿って移動することにつれて、瞬間的な中心線からの逸脱であり、－逸脱は必ずしも初期中心線の何れかの側にあるとは限らない。
【0041】
形状１２（ｂ）は、変形可能ビームのための蛇行経路の別の実施形態を示す。ＴＡＰ取り付けポイントから始めて、ビームは直線に延び、次いで、９０度未満の左旋回、９０度を超える右旋回、９０度を超える別の左旋回、次いで９０度未満の別の右旋回を行い、その後、ＭＡＰ取り付けポイントまで直線で続く。蛇行変形可能ビームの曲がりは、ビームの中心線を下る有向線からの弓形、直角、または鈍角であってもよい。
【0042】
形状１２（ｃ）は、変形可能ビームのための蛇行経路のさらに別の実施形態を示す。この形状は、ハードな角度を有していない。しかしながら、ビームの中心線に沿った有向経路は、右に９０度の曲線を経験し、次いで、左、右、および左の曲線を経験し、それぞれ合計で１８０度の逸脱を経験し、その後、右に９０度の曲線を経験して、ＭＡＰ取り付けポイントに出会う。ビームはハードな角度を有さないが、その有向経路は両方向において直線から逸脱し、従って、本明細書で使用されるように、蛇行の定義に合致する。
【0043】
本発明の他の実施形態によれば、螺旋変形可能ビームを形成することによって、－過負荷ビームではなく－、変形可能ビームの長さが増大される。本明細書で使用される「螺旋」という語は、９０度を超える累積合計に対して、同じ側に繰り返しまたは連続的に湾曲または屈曲することによって、直線から逸脱する形状を意味する。言い換えれば、ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイントまでの長さに沿って、螺旋変形可能ビームの中心線をたどる（中心線に沿った、中心線を通る）有向経路は、９０度を超える累積合計を通って、一方向、すなわち左または右のいずれかに、複数回、または連続的に回転、湾曲、または角度付けすることによって、直線であることから逸脱する。（図１の変形可能なビーム１６のような）９０度以下の合計に対して、一方向に直線からの逸脱を経験する有向経路は、本明細書で使用される用語として「螺旋」の意味に包含されないことに留意されたい。
【0044】
図１４は、螺旋変形可能ビーム１５２を有する力／トルクセンサ１５０の実施形態を示す。この場合、螺旋変形可能ビーム１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃは、それぞれ、合計１８０°の間、片側、すなわち左側のみに曲がり（ターン）を示す。これは、本明細書で使用される螺旋変形可能ビームの定義によれば、片側への９０度を超える逸脱の累積最小合計を超える。
【0045】
図１３は、本明細書で使用される「螺旋」変形可能ビームの形状の多数の例を示す。
【0046】
変形可能ビームの形状１３（ａ）は、全て右側への一連の８つの９０度のターンを含む。ＴＡＰへの取り付けポイントからＭＡＰへの取り付けポイントまでの有向線の右への累積逸脱は７２０度である。この実施形態では、ＭＡＰの少なくとも一部が、螺旋変形可能ビームの平面の外に、それに取り付けるために、配置されなければならない。
【0047】
形状１３（ｂ）は、変形可能ビームのための螺旋経路の別の実施形態を示す。ＴＡＰ取り付けポイントから始めて、ビームは直線状に走り、その後、連続して左にカーブ逸脱する。ビームはＭＡＰに取り付ける前に、１と３／４の完全な円を通って巻く。－すべて同じ側（この場合は左側）への方向の全逸脱は６３０度である。この実施形態はまた、ＭＡＰ（またはそれに接続するアームまたは他の部材）が、螺旋変形可能ビームの平面の外に配置されることを必要とする。
【0048】
形状１３（ｃ）は、変形可能ビームのための螺旋経路のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、ビームが、ＴＡＰへの取り付けポイントから、一連の左ターンを介して、ＭＡＰへの取り付けポイントまで延在する。この複合ビームの最初のセグメントおよび最終セグメントは平行ではないので、ＴＡＰを離れる直線から左側への全角度逸脱は、１８０度よりもいくらか大きく、したがって、９０度よりも大きい逸脱の本明細書の定義の範囲内であることは明らかである。この実施形態では、ＴＡＰおよびＭＡＰは、螺旋変形可能ビームと同じ平面内に形成されてもよい。
【0049】
本発明の実施形態では、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２の長さは、それらの剛性を減少させるために増加されるが、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２はＴＡＰ１１２とＭＡＰ１１４との間の空間内で「折り畳み」されるため、力／トルクセンサ１１０、１３０、１４０、１５０の全体のサイズは増加されない。これらの蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２のより低い剛性は、過負荷作動後のセンサ剛性の、加えられた負荷（荷重）の動作範囲中の剛性に対する比を増加させ、一方、比例する歪み読み取り値をもたらす。この構成は、容易に製造される過負荷特徴の使用を可能にする。
【0050】
力／トルクセンサ１１０、１３０、１４０、１５０の設計された、または定格の動作範囲全体にわたって、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２上の歪みゲージは、ＴＡＰ１１２とＭＡＰ１１４との間に加えられる力および／またはトルクによってこれらの部材に誘起される圧縮力および引張力を検出する。それらの大きな全長のために、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２又は螺旋変形可能ビーム１５２は、屈曲又は変形を経験することがあり、ＴＡＰ１１２とＭＡＰ１１４との間の僅かな相対移動を可能にする。
【0051】
最大の設計された力および／またはトルクがセンサ１１０、１３０、１４０、１５０に印加され、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２のうちの１つ以上が変形または屈曲し、ＴＡＰ１１２とＭＡＰ１１４との間の最大設計相対移動（モーション）を可能にすると、１つ以上の過負荷ビーム１１８は、関連するギャップ１２０を閉じ、ＭＡＰ１１４か、または、センサ１１０、１３０、１４０、１５０の上または下に配置されたプレートかのいずれかに直接接触する。このポイントで、さらなる相対移動が名目上停止される。実際には、過負荷ビーム１１８およびＭＡＰ１１４は無限の剛性ではないので、非常にわずかな動きが続く。しかしながら、蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２上のさらなる歪みとして検出され出力されるこのような移動は、印加される力／トルクの動作範囲中に経験される速度よりも低い速度で増加する。すなわち、歪み／力の出力曲線は、図５ではなく、図６のものに似ているのであろう。
【0052】
本発明の実施形態は、従来技術の力／トルクセンサに勝る多くの利点を提示する。蛇行変形可能ビーム１１６、１３２、１４２または螺旋変形可能ビーム１５２のより大きな全長により、これらの部材の剛性は、それらの歪みに影響を及ぼすことなく低下する。これは、過負荷特徴１１８の剛性に実質的な差をもたらし、過負荷作動前（すなわち、通常の動作範囲内）のセンサ剛性に対する、過負荷作動後のセンサ剛性の比率を増加させる。この高い剛性比は、過負荷作動ポイントでの歪み／力曲線に急激な屈曲をもたらし、負荷（荷重）が増加することにつれて低い傾斜（勾配）を有する。これは、センサ１１０、１３０、１４０、１５０が、金属を疲労させる前に過負荷状態になり得るサイクル数を増加させ、センサ１１０、１３０、１４０、１５０が降伏または破損することなく耐え得る最大力／トルクを増加させる。変形可能ビーム１１６、１３２、１４２、１５２の全長を、蛇行形状又は螺旋形状に形成することによって増大させるアプローチは、効率的な空間利用をもたらし、これは、全体のセンササイズを増大させない。ＭＡＰ１１４に過負荷ギャップ１２０を形成することによって、過負荷ビーム１１８の非接続端部を画定（規定）することは、従来技術のアプローチと比較して、過負荷特徴１１８上の公差を緩め、組立後に部品を機械加工する必要性を排除する。
【0053】
もちろん、本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書に具体的に記載された方法以外の方法で実施されてもよい。本実施形態はすべての点で、例示であって限定ではないと見なされるべきであり、添付の特許請求の範囲の意味および同等の範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12a】
【図12b】
【図12c】
【図13a】
【図13b】
【図13c】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2021-11-09
【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の物体に接続されるように動作する中央ツールアダプタプレート（ＴＡＰ）（１１２）と、第２の物体に接続されるように動作し、前記ＴＡＰ（１１２）の周囲に環状に配置された取付アダプタプレート（ＭＡＰ）（１１４）とを備える力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）であって、各々が前記ＴＡＰ（１１２）の周囲に放射状に配置され、前記ＴＡＰ（１１２）を前記ＭＡＰ（１１４）に接続する１つ以上の蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）であって、前記ＴＡＰ（１１２）への取り付けポイントから前記ＭＡＰ（１１４）への取り付けポイントまでの前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の中心線に沿った少なくとも１つの有向経路が、瞬間的な直線から少なくとも１回は左に、少なくとも１回は右に連続的に逸脱する、１つ以上の蛇行変形可能ビームと、
前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の少なくともいくつかの１つ以上の表面に取り付けられた歪みゲージ（１３４）であって、前記歪みゲージは、前記ビーム（１１６、１３２、１４２）の変形によって生じる蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の歪みを信号に変換するように動作する、歪みゲージと、
各々が蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）の間で前記ＴＡＰ（１１２）の周囲に放射状に配置され、第１の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の一方に接続され、第２の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の他方から所定の幅の過負荷ギャップ（１２０）だけ分離された、１つ以上の過負荷ビーム（１１８）であって、各過負荷ビーム（１１８）は蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）よりも大きな剛性を示す、１つ以上の過負荷ビームと、
すべての歪みゲージ（１３４）からの信号に応答して、前記第１の及び第２の物体の間の力およびトルクの方向および大きさを測定するように動作する測定回路と、
を備えることを特徴とする力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項2】
各蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）は、第１のセグメントと、
各々が、前記第１のセグメントと、前記ＭＡＰ（１１４）およびＴＡＰ（１１２）の一方の別個のポイントとの間に接続された、第１および第２の蛇行セクションと、
前記第１のセグメントと前記ＭＡＰ（１１４）およびＴＡＰ（１１２）の他方との間に接続された第２のセグメントと、
を備える、請求項１に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項3】
過負荷ビーム（１１８）ごとに、過負荷ギャップによって前記過負荷ビーム（１１８）から分離された前記ＭＡＰ（１１４）またはＴＡＰ（１１２）の上下に取り付けられたプレートをさらに備え、前記プレートは、前記ＴＡＰ（１１２）、ＭＡＰ（１１４）、および過負荷ビーム（１１８）の共通平面に垂直な前記過負荷ビーム（１１８）の移動を制限するｚ方向ギャップを画定する、請求項１又は２に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項4】
前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第１の範囲内では、前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）は、変形するように動作し、及びＭＡＰ（１１４）、前記過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部は、前記過負荷ギャップ（１２０）のために、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰに接触せず、前記第１の範囲よりも大きい前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第２の範囲内では、少なくとも１つの過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部が、前記過負荷ギャップ（１２０）を閉じて前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）に接触し、前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間のさらなる動きを防止し、したがって前記蛇行変形可能ビーム（１１６、１３２、１４２）のさらなる変形を名目上防止する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項5】
前記センサ（１１０、１３０、１４０、１５０）は、力またはトルクの前記第１の範囲全体にわたって、前記加えられた力またはトルクの下での移動に対する第１の剛性または抵抗を示し、力またはトルクの前記第２の範囲内では第２の剛性を示し、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも大きい、請求項４に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項6】
第１の物体に接続されるように動作する中央ツールアダプタプレート（ＴＡＰ）（１１２）と、第２の物体に接続されるように動作し、前記ＴＡＰ（１１２）の周囲に環状に配置された取付アダプタプレート（ＭＡＰ）（１１４）とを備える力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）であって、各々が前記ＴＡＰ（１１２）の周囲に放射状に配置され、前記ＴＡＰ（１１２）を前記ＭＡＰ（１１４）に接続する１つ以上の螺旋変形可能ビーム（１５２）であって、前記ＴＡＰ（１１２）への取り付けポイントから前記ＭＡＰ（１１４）への取り付けポイントまでの前記螺旋変形可能ビーム（１５２）の中心線に沿った少なくとも１つの有向経路が、瞬間的な直線から左右の一方に逸脱し、当該逸脱の累積和は９０度未満である、１つ以上の螺旋変形可能ビームと、
前記螺旋変形可能ビーム（１５２）の少なくともいくつかの１つ以上の表面に取り付けられた歪みゲージ（１３４）であって、前記歪みゲージ（１３４）は、前記ビーム（１５２）の変形によって生じる螺旋変形可能ビーム（１５２）の歪みを信号に変換するように動作する、歪みゲージと、
各々が螺旋変形可能ビーム（１５２）の間で前記ＴＡＰ（１１２）の周囲に放射状に配置され、第１の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の一方に接続され、第２の端部で前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の他方から所定の幅の過負荷ギャップ（１２０）だけ分離された、１つ以上の過負荷ビーム（１１８）であって、各過負荷ビーム（１１８）は、螺旋変形可能ビーム（１５２）よりも大きな剛性を示す、１つ以上の過負荷ビームと、
すべての歪みゲージ（１３４）からの信号に応答して、前記第１の及び第２の物体の間の力およびトルクの方向および大きさを測定するように動作する測定回路と、
を備えることを特徴とする力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項7】
前記過負荷ギャップ（１２０）は、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）の一方に堅固に取り付けられ、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）の他方と前記過負荷ギャップ（１２０）を形成する、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）のいずれかとは異なる部分によって形成される、請求項６に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項8】
過負荷ビーム（１１８）ごとに、過負荷ギャップによって前記過負荷ビーム（１１８）から分離された前記ＭＡＰ（１１４）またはＴＡＰ（１１２）の上下に取り付けられたプレートをさらに備え、前記プレートは、前記ＴＡＰ（１１２）、ＭＡＰ（１１４）、および過負荷ビーム（１１８）の共通平面に垂直な前記過負荷ビーム（１１８）の移動を制限するｚ方向ギャップを画定する、請求項６又は７に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項9】
前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第１の範囲内では、前記螺旋変形可能ビーム（１５２）は、変形するように動作し、前記過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部は、前記過負荷ギャップ（１２０）のために、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）に接触せず、前記第１の範囲よりも大きい前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間に加えられる力またはトルクの第２の範囲内では、少なくとも１つの過負荷ビーム（１１８）の前記第２の端部が、前記過負荷ギャップ（１２０）を閉じて、前記ＴＡＰ（１１２）またはＭＡＰ（１１４）に接触し、前記ＴＡＰ（１１２）およびＭＡＰ（１１４）の間のさらなる動きを防止し、したがって前記螺旋変形可能ビーム（１５２）のさらなる変形を名目上防止する、請求項６乃至８の何れか１項に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。
【請求項10】
前記センサ（１１０、１３０、１４０、１５０）は、力またはトルクの前記第１の範囲全体にわたって、前記加えられた力またはトルクの下での移動に対する第１の剛性または抵抗を示し、力またはトルクの前記第２の範囲内では第２の剛性を示し、前記第２の剛性は前記第１の剛性よりも大きい、請求項９に記載の力／トルクセンサ（１１０、１３０、１４０、１５０）。【国際調査報告】