专利名称：扭矩传感器和机器人装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被配置为检测从输入轴传送到输出轴的旋转扭矩的扭矩传感器， 以及一种包括该扭距传感器的机器人装置。
背景技术：
近年来，扭距传感器已被应用于例如，使用力控制系统的致动器控制装置以及用于向操作人员提供除了视觉信息和音频信息之外的力感觉和触觉感觉的诸如触感设备的驱动系统。这里，力控制意味着用于直接接收将施加到工作对象的力的目标值并且实现由目标力指示的力的控制方法。此外，在以较高的精度检测并且反馈输出扭矩时，可以通过力的顺序来实现较灵活的交互服务。此外，触感设备是被配置为在使用者实际上不能到达的环境中以现实方式向使用者提供使用者触摸或握持物体的感觉的设备。触感设备被用于在医疗领域或其他特定技术中的夹带(entrain)，或者诸如微观世界或海洋的虚拟环境中的远端进程中，或者诸如原子反应堆的特定的或有害的环境中。例如，日本专利申请公开第 2009-95959号公开了一种控制系统，其感测未知环境，从随时间改变的周围环境获得适当的外力并且调整致动器的生成力从而可以实现目标进程。通常，扭矩传感器被设置到通过轴承支撑的旋转部分。扭矩传感器包括将由于扭转力矩而应变的应变部分，并且测量应变部分的应变，由此检测旋转部分的旋转扭矩。
发明内容
然而，难于通过轴承完全消除径向方向上的旋转部分的振动。因此，即使在旋转部分中生成微小的振动，扭矩传感器的输出也易于显著地变化。顺便提及，扭矩传感器常常通过螺钉紧固到旋转部分，并且在应变部分上生成的应变也受到螺钉的紧固力的影响。螺钉的紧固力由于负荷的大小和旋转部分的振动而变化，这使得扭矩传感器更易于受到负荷和振动的影响。为了克服上述问题，可以设想使用一种如下设计通过螺钉紧固的部分在几何上尽可能远离应变体。然而，上述设计导致了扭矩传感器的尺寸的增加，并且因此难于将上述设计应用于其中需要减小尺寸和重量的应用，例如移动机器人。此外，为了消除振动成分， 基本上使用松弛较小的具有严格的配合和尺寸公差的设计。结果，增加了机械部件之间的应力，并且因此扭矩传感器部分变得更易于受到其他部件的压缩力和牵引力以及其他部件的紧固力的影响。考虑到如上文所述的情形，需要提供能够抑制负荷和振动的影响的尺寸缩小的扭矩传感器以及包括该扭矩传感器的机器人装置。考虑到上述情形，根据本发明的实施例，提供了一种扭矩传感器，其包括第一旋转体，其可围绕输入轴旋转；第二旋转体，其可围绕输出轴旋转；应变体；以及检测元件。应变体包括第一接合部分。第一接合部分在平行于输入轴的第一方向、垂直于第一方向的第二方向和围绕输入轴的第三方向上与第一旋转体和第二旋转体中的至少一个分离，并且能够在第三方向上接合到第一旋转体和第二旋转体中的至少一个。应变体在第一旋转体和第二旋转体之间传送朝向第三方向的旋转扭矩。检测元件设置到应变体以测量由于旋转扭矩引起的应变体的应变。上述扭矩传感器具有如下结构其中第一旋转体和第二旋转体彼此分割，并且旋转扭矩通过应变体从第一旋转体传送到第二旋转体。检测元件测量在应变体上生成的应变，并且检测旋转扭矩。在该情况中，应变体包括第一接合部分，其能够在第一方向、第二方向和第三方向上相对于第一旋转体和第二旋转体中的至少一个移动，并且能够接合到第三方向。这样，在扭矩传感器内部或者输入/输出部分中，形成了机械解耦结构，其中应变体未在第一方向和第二方向上耦合到第一旋转体和第二旋转体中的至少一个，并且应变体基本上在第三方向上未耦合到第一旋转体和第二旋转体中的至少一个。因此，应变体具有上述三个方向上的预定的自由度。结果，尽可能地减少了关于振动成分的影响，并且因此可以实现通过检测元件高度准确地检测旋转扭矩。此外，扭矩传感器具有上述机械解耦结构， 并且因此可能防止扭矩传感器尺寸增加。第一旋转体和第二旋转体可以由一对同心环形体形成，成对的同心环形体被布置为在第二方向上彼此相对并且具有彼此不同的直径。在该情况中，应变体包括在第一旋转体和第二旋转体之间在第二方向上径向延伸的多个轴部分。通过该配置，可能防止沿第一方向的厚度尺寸增加，并且因此可能使扭矩传感器更薄。同时，第一旋转体和第二旋转体可以由一对环形体形成，成对的环形体被布置为在第一方向上彼此相对。在该情况中，应变体包括在第一旋转体和第二旋转体之间的在第一方向上延伸的圆柱部分。通过该配置，可能防止沿第二方向的直径尺寸增加，并且因此可能减小扭矩传感器的尺寸。根据本发明的另一实施例，提供了一种机器人装置，其包括旋转驱动源、第一旋转体、第二旋转体、应变体和检测元件。第一旋转体包括输入轴并且当从旋转驱动源接收到旋转扭矩时可围绕输入轴旋转。第二旋转体包括输出轴并且可围绕输出轴旋转。应变体包括第一接合部分。第一接合部分在平行于输入轴的第一方向、垂直于第一方向的第二方向和围绕输入轴的第三方向上与第一旋转体和第二旋转体中的至少一个分离，并且能够在第三方向上接合到第一旋转体和第二旋转体中的至少一个。应变体在第一旋转体和第二旋转体之间传送朝向第三方向的旋转扭矩。检测元件被设置到应变体以测量由于旋转扭矩引起的应变体的应变。根据上述机器人装置，可以确保通过以上述方式配置的扭矩传感器高度准确地检测旋转扭矩。因此，可以实现输出轴的旋转的高度准确的控制。同时，可能高度准确地检测作用在输出轴侧的负荷。此外，可能防止扭矩传感器的尺寸增加，并且因此机器人装置的关节，甚至机器人装置自身的尺寸可以缩小。根据本发明的实施例，可能在不增加扭矩传感器的尺寸的情况下抑制振动成分被传送到应变体，并且因此可以实现旋转扭矩的高度准确的检测。考虑如附图中图示的下面的本发明的最佳模式实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
图1是包括根据本发明的实施例的扭矩传感器的致动器单元的截面视图；图2是根据本发明的第一实施例的完整的扭矩传感器的透视图；图3是扭矩传感器的正视图，其具有扭矩传感器的主要部分的放大视图；图4是示出扭矩传感器的修改的主要部分的放大视图；图5是扭矩传感器的等效电路示意图；图6是示出不具有机械解耦结构的常规的扭矩传感器的输出特性的实验结果；图7是示出包括机械解耦结构的根据本发明的实施例的扭矩传感器的输出特性的实验结果；图8是根据本发明的第二实施例的扭矩传感器的正视图；图9是根据本发明的第三实施例或第四实施例的扭矩传感器的示意性分解透视图；图IOA和IOB分别是根据本发明的第三实施例的扭矩传感器的主要部分的放大视图和侧视图；以及图IlA和IlB分别是根据本发明的第四实施例的扭矩传感器的主要部分的放大视图和侧视图。
具体实施例方式在下文中，将参照附图描述本发明的实施例。<第一实施例>图1是包括根据本发明的实施例的扭矩传感器的致动器单元的截面视图。致动器单元1检测当致动器生成的旋转驱动力被传送到输出构件时生成的旋转扭矩，并且将其检测信号提供给控制部分。致动器单元1被应用到多关节型机器人装置的关节，例如手、腿、 颈、腰等的关节。[致动器单元的配置]致动器单元1包括致动器11、减速器12、扭矩传感器13、编码器14以及容纳这些部件的外壳10。应当注意，在图1中，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向指示彼此正交的三个轴方向。致动器11包括在图1中的X轴方向上延伸的驱动轴11a，并且由电机构成，该电机被配置为使驱动轴Ila围绕其轴(围绕X轴方向)旋转。致动器11由控制部分100控制以便进行驱动。编码器14连接到驱动轴Ila以便于检测驱动轴Ila的转速(r. p. m)。编码器的输出被提供给控制部分100，从而被驱动的致动器11的r. p. m被监视或控制。减速器12连接到驱动轴11a。减速器12按预定的减速比来减小从驱动轴Ila输入的旋转速度，由此生成具有预定的旋转扭矩的旋转驱动力。结果，旋转传送构件15以上述旋转速度旋转。旋转传送构件15固定在减速器12的输出端和扭矩传感器13的输入端之间。减速器12和旋转传送构件15通过轴承Bl和轴承B2被支撑到外壳10以便于可以围绕X轴旋转。对于减速器12，可以采用各种类型的减速器。例如，应用了 Harmonic Drive 减速器("Harmonic Drive” 是 Harmonic Drive Systems inc.公司的注册商标)。扭矩传感器13将从减速器12通过旋转传送构件15传送的旋转扭矩传送到输出构件50。同时，扭矩传感器13测量上述旋转扭矩。如后面将描述的，扭矩传感器13包括通过螺钉构件Pl设置到旋转传送构件15的内环131，以及通过螺钉构件P2设置到输出构件 50的输出环132。扭矩传感器13将减速器12的旋转输出传送到输出部件50，由此使输出构件50围绕X轴旋转。扭矩传感器13通过轴承B3被支撑到外壳10以便于可以围绕X轴旋转。[扭矩传感器]接下来，将详细描述扭矩传感器13。图2是完整的扭矩传感器13的透视图。图3 是扭矩传感器13的正视图，其具有扭矩传感器13的主要部分的放大视图。扭矩传感器13包括内环131 (第一旋转体)、外环132 (第二旋转体)、应变体133 以及附着到应变体133的检测元件134。在第一实施例中，内环131和外环132由一对同心环形体形成。该成对的同心环形体被布置为在垂直于X轴方向的方向(即平行于H平面的方向)上彼此相对，并且具有彼此不同的直径。应变体133与内环131—体形成。内环131通过应变体133支撑到外环 132。内环131、外环132和应变体133的材料没有特别限制，并且对于这种材料，可以使用由铁和钢材料以及非铁金属材料制成的各种结构材料。例如，可以使用当接收到通过减速器12生成的旋转扭矩时相对容易地弹性变形的材料。在内环131的中心部分中，形成了螺孔H1，螺钉构件Pl将被插入到该螺孔Hl中。 螺孔Hl与减速器12的输出轴同轴形成。当螺钉构件Pl通过螺孔Hl紧固到旋转传送构件 15时，内环131被固定到减速器12的输出轴。这样，内环131可以围绕减速器12的输出轴旋转。这里，减速器12的输出轴用作内环131的输入轴。同时，在外环132中，形成了螺孔H2，螺钉构件P2将被插入到这些螺孔H2中。外环132可以围绕与上述输入轴同轴的输出轴Ox旋转。此外，外环132能够使输出构件50围绕上述输出轴旋转。在外环132的内周表面中，形成了接合凹入部分E12 (第二接合部分)， 其将接合到应变体133的末端。此外，外环132在其外周表面中通过轴承B3支撑到外壳10 以便于可以旋转。应变体133由在内环131和外环132之间在平行于TL平面的方向上径向延伸的多个轴构件形成。在第一实施例中，应变体133由以等角间隔从内环131的外周部分突出到外环132的内周部分的四个轴部分(梁)形成。如图3中所示，应变体133的末端被形成为接合部分Ell (第一接合部分)，每个接合部分Ell具有立方体形状，它们分别接合到外环132的接合凹入部分E12。应变体133 的厚度等于或小于外环132在X轴方向上的厚度，并且应变体133在X轴方向上配合到外环132中。接合凹入部分E12由凹槽构成，每个凹槽具有矩形的横截面。每个凹槽包括底表面al和一对侧表面a2。底表面al在如下状态下与一个接合部分Ell相对在垂直于X 轴方向的方向上在底表面al和接合部形成间隙G2。这里，每个间隙G2充分小于间隙G1。典型地，减速器常常在轴向方向(X轴方向)和径向方向(垂直于X轴方向的方向)上生成振动成分，并且因此减速器可能在减速器中的齿轮之间的接合中在旋转方向上生成振动。此外，轴承不能消除旋转轴的径向方向上的所有振动。结果，在常规的扭矩传感器中，当不能由轴承消除的针对上述三个方向的振动成分被输入到应变体时，在扭矩传感器的输出中包括除了旋转扭矩之外的多轴力。有鉴于此，在第一实施例中，扭矩传感器13具有解耦结构，其中内环131和外环 132如上文所述被分割。因此，每个接合部分Ell通过径向方向上的间隙Gl并且通过围绕输出轴Ox的轴的方向上的间隙G2与每个接合凹入部分E12分离。此外，每个接合部分Ell 还在输出轴Ox的轴向方向上与每个接合凹入部分E12分离。这样，增加了应变体133在上述三个方向上的自由度，并且因此抑制了由于三个方向上的振动成分引起的应变体133的变形，并且防止振动成分被添加到扭矩传感器13的输出。每个间隙Gl和间隙G2的尺寸没有特别限制，并且可以被适当地设定，只要减速器 12的旋转动力能够被适当地传送到输出构件50即可。在第一实施例中，每个间隙G2的尺寸被设定为充分小于间隙Gl的尺寸。间隙G2被提供用于消除即使是轴承Bl至B3也不能消除的微小应变。因此，即使当每个间隙G2的尺寸被设定为微小时，仍可能充分地实现减少其他轴力的力矩的效果。每个间隙G2的尺寸可以被设定为例如，从约0. 2mm至约0. 5mm。应当注意，如图4中所示，可以使用由弹性材料制成的填充物135来填充每个接合部分Ell和每个接合凹入部分E12之间的间隙。这样，可以高效地吸收将传送到应变体133 的振动成分，并且因此甚至可以适合其中减速器12的内部齿轮等的后座变为问题的情况。 对于填充物，使用具有低弹性模量的材料，其弹性模量低于外环132和应变体133的弹性模量并且允许接合部分Ell相对于接合凹入部分E12的微运动。例如，除了橡胶和树脂固体材料之外，有可能将油或油脂等液体材料或半固体材料用作填充物。接下来，将描述检测元件134。检测元件134检测作用在应变体133上的弯曲力矩，并且测量应变体133的应变。 检测元件134的检测信号被输出到控制部分100。检测元件134典型地是应变仪，其被配置为基于电阻的改变测量变形量。然而，除此之外，例如，可以使用被配置为基于磁性能改变来测量变形量的元件。检测元件134附着到一对应变体133，该成对的应变体133彼此相对，同时将输出轴Ox夹在它们之间。具体地，如图3中所示，如在输出轴Ox的旋转方向上看到的，一对检测元件134被布置在每个应变体133的两侧表面上。于是，当两对检测元件134桥接在一起时，可以配置四量规桥(惠斯通桥)。如图3中所示，应变体133以如下方式形成应变体133彼此相对，同时将输出轴Ox夹在它们之间，就是说，四量规桥是以轴对称方式形成的，并且因此，可以将传感器系统配置为甚至消除当应变体因包括输出轴的偏心、温度改变等的问题而伸长时引起的影响。图3示出了两个应变体，四个检测元件134附着到它们。这些应变体彼此相对，同时将输出轴Ox夹在它们之间。附着到上述两个应变体中的一个应变体的两侧的一对检测元件134被设定为分别具有电阻值Rl和R2。此外，附着到上述两个应变体中的另一个应变体的两侧的另一对检测元件134被设定为分别具有电阻值R3和R4。形成了彼此串联连接具有电阻Rl的检测元件134和具有电阻R4的检测元件134的电路。形成了彼此串联连接具有电阻R2的检测元件134和具有电阻R3的检测元件134的另一电路。上述电路并联连接。图5示出了使用四量规方法的等效电路。当围绕输出轴Ox的旋转扭矩被施加到应变体133时，生成了应变。这样，每个检测元件134也微小地变形，并且因此每个电阻根据变形量变化。此外，当电压Vin被施加到通过并联连接电阻群获得的电路的两端时，呈现在电阻群的中点之间的电位差Vout变为扭矩传感器13的传感器输出。电压Vin和电压Vout 之间的关系如下。Vout = Vin[{R3/(R2+R3)}-{R4/(R1+R4)}]控制部分100由计算机构成。控制部分100包括用于检测元件134的电力供给电路、放大电路、计算电路等。具体地，放大电路和计算电路用于基于应变体133的输出和上述表达式(1)计算作用在应变体133上的输出轴Ox的旋转扭矩。控制部分100根据扭矩传感器13的输出控制致动器11的驱动，或者将测得的旋转扭矩输出到其他外部电路。[致动器单元的操作]接下来，将描述以上述方式配置的致动器单元11的操作示例。当致动器11从控制部分100接收到驱动信号的输入时，致动器11生成用于使驱动轴Ila围绕其轴旋转的旋转驱动力。减速器12以预定的减速比减小通过驱动轴Ila输入的旋转速度，并且生成旋转驱动力。这里，旋转驱动力已被转换为预定旋转扭矩。减速器 12的输出通过旋转传送构件15和扭矩传感器13传送到输出构件50。以该方式，使输出构件50围绕输出轴Ox旋转。扭矩传感器13检测输出构件50的旋转扭矩，并且将其输出提供给控制部分100。 控制部分100根据扭矩传感器13的输出和编码器14的输出以如下方式控制致动器11的驱动使得输出构件50的旋转扭矩变为预定值。第一实施例的扭矩传感器13具有如下结构其中内环131和外环132彼此分割， 并且减速器12的输出扭矩通过应变体133从内环131传送到外环132。检测元件134测量由于围绕输出轴Ox的旋转扭矩引起的在应变体133上生成的应变，并且将其测量信号输出到控制部分100。此时，每个应变体133能够分别在输出轴Ox的径向方向和旋转方向上在间隙Gl 和间隙G2的范围内相对于外环132移动。此外，对于轴向方向，应变体133不受外环132 的约束。就是锐，在扭矩传感器13内部，形成了机械解耦结构，其中应变体133未在轴向方向和径向方向上耦合到外环132，并且基本上未在旋转方向上耦合到外环132。因此，每个应变体133在上述三个方向中的每个方向上具有关于外环132的预定的自由度。结果，尽可能地减小了有关由于轴承Bl至B3对向内环131和外环132加压、减速器12内部的齿轮的微小振动、螺钉构件Pl和P2的紧固力引起的振动成分的影响。因此，可以实现通过检测元件Π4高度准确地检测旋转扭矩。图6示出了不具有机械解耦结构的扭矩传感器的示例性输出值。这里，不具有机械解耦结构的扭矩传感器意味着其中应变体与内环和外环一体形成的结构。在该实验中， 绘制了当致动器的驱动轴在正方向上旋转一次和在反方向上旋转一次时的传感器输出的图。
相反地，图7示出了当以与图6相同的方式进行实验时的根据第一实施例的扭矩传感器13的示例性输出值。比较图6和图7，根据第一实施例，可以理解，根据旋转角度的扭矩波动被显著减小。如上文所述，根据第一实施例，机械解耦结构在扭矩传感器13内部形成，并且因此防止作为待检测目标的旋转扭矩之外的其他轴力影响扭矩传感器13。就是说，由于轴承 Bl至B3对旋转部分加压、轴承Bl至B3之间的中心度误差引起的多轴力的影响，以及由于减速器12的振动和螺钉构件P1、P2的紧固力引起的多轴力的影响被减�。⑶乙虼丝梢允迪肿既返呐ぞ夭饬俊Ｕ庋锌赡芨呔鹊丶觳庾饔迷谥露鞯ピ�1的输出轴上的旋转扭矩，这允许关节的准确的扭矩控制和作用在机器人的各部件上的力的准确估计。此外，根据第一实施例，扭矩传感器13具有机械解耦结构，并且因此防止为了扭矩检测而增加传感器结构的尺寸。特别地，根据第一实施例，其中第一旋转体(内环131) 和第二旋转体(外环13 被布置为在径向方向上彼此相对，有可能配置在轴向方向上具有减小的尺寸(厚度尺寸)的扭矩传感器。<第二实施例>接下来，将描述本发明的第二实施例。图8是根据第二实施例的扭矩传感器的正视图。第二实施例的扭矩传感器23包括内环231(第一旋转体)、外环232(第二旋转体)和应变体233。与第一实施例相似，内环231和外环232由一对同心环形体形成。该成对的同心环形体被布置为在垂直于X轴方向的方向(即平行于H平面的方向)上彼此相对，并且具有彼此不同的直径。内环231包括输入轴，减速器的输出扭矩输入到该输入轴，并且外环232包括用于使输出构件旋转的输出轴(Ox)。应变体233被支撑在内环231和外环232之间，并且将减速器的输出扭矩从内环231传送到外环232。尽管被配置为检测应变体233的微变形的检测元件附着到应变体233，但是省略了检测元件的图示。根据第二实施例的扭矩传感器23具有内环231、外环232和应变体233的三重分割结构。就是说，应变体233包括轴部分233a和基部分23北。轴部分233a通过两个接合结构23a接合到外环232。基部分23 通过两个接合结构2 接合到内环231。上述接合结构23a、23b以如下方式形成使得应变体233可以在扭矩传感器23的轴向方向、径向方向和旋转方向的三个方向上与内环231和外环232分离，并且因此传送到应变体233的其他轴力被消除。根据以上述方式配置的第二实施例的扭矩传感器23，与上述第一实施例比较，增加了内环231和外环232彼此相对微小移动的自由度。这样，有可能获得进一步减小作用在应变体233上的其他轴力的效果。<第三实施例>图9是根据本发明的第三实施例的扭矩传感器的示意性分解透视图。第三实施例的扭矩传感器33包括第一旋转体331、第二旋转体332、应变体333和检测元件334。在第三实施例中，第一旋转体331和第二旋转体332由一对环形体形成，该成对的环形体被布置为在X轴方向上彼此相对。应变体333具有在X轴方向上在第一旋转体331 和第二旋转体332之间延伸的圆柱形(圆柱部分)。应变体333的两端的部分分别通过接合结构33a和接合结构33b (它们在图9中以阴影示意性示出)接合到第一旋转体331和第二旋转体332。第一旋转体331、第二旋转体332和应变体333的材料没有特别限制，并且对于这种材料，可以使用由铁和钢材料以及非铁金属材料制成的各种结构材料。例如，可以使用当接收到通过减速器生成的旋转扭矩时相对容易地弹性变形的材料。第一旋转体331包括在X轴上延伸的输入轴，减速器的输出扭矩输入到该输入轴， 并且第一旋转体331能够围绕输入轴旋转。同时，第二旋转体332包括用于使输出构件旋转的输出轴(Ox)，并且能够围绕输出轴旋转。与上述第一实施例相似，第一旋转体331和第二旋转体332通过外壳中的轴承支撑以便于可以旋转。图10示出了应变体333和第二旋转体332之间的接合结构3 的细节。图IOA 是接合结构33b的透视图。图IOB是接合结构33b的侧视图。应当注意，应变体333和第一旋转体331之间的接合结构33a具有与这些图中示出的接合结构3 相同的结构，并且因此省略了其描述。如图IOA和图IOB中所示，应变体333和第二旋转体332通过接合结构3 彼此接合。在应变体333中，形成了接合部分E31 (第一接合部分)，其接合到在第二旋转体332 中形成的接合部分E32(第二接合部分)。接合部分E32被形成为具有凹陷和凸出。具体地，每个接合部分E32包括底表面bl和一对侧表面1^2。底表面bl与接合部分E31相对，在 X轴方向上在它们之间形成间隙Si。成对的侧面板1^2与接合部分E31相对，在围绕X轴的方向上在它们之间形成间隙S2。根据第三实施例的扭矩传感器33具有解耦结构，其中第一旋转体331和第二旋转体332如上文所述相对彼此分割。每个接合部分E31通过轴向方向(输出轴Ox的轴向方向)上的间隙Sl并且通过围绕输出轴Ox的轴的方向上的间隙S2与接合部分E32分离。 此外，每个接合部分E31还在径向方向(垂直于输出轴Ox的方向)上与接合部分E32分离。这样，增加了上述三个方向上的应变体333的自由度，并且因此抑制了由于上述三个方向上的振动成分引起的应变体333的变形，并且防止振动成分被添加到扭矩传感器33的输出ο每个间隙Sl和间隙S2的尺寸没有特别限制，对于间隙Sl和间隙S2，可以设定与第一实施例中描述的间隙Gl和间隙G2相同的值。应当注意，可以使用具有低弹性模量的材料来填充接合部分E31和接合部分E32之间的间隙，这些材料包括橡胶、树脂、油脂等(参见图4)。检测元件334检测作用在应变体333上的扭转力矩，并且测量应变体333的应变。 检测元件334的检测信号被输出到控制部分。检测元件334典型地是应变仪，其被配置为基于电阻的改变测量变形量。然而，除此之外，例如，可以使用被配置为基于磁性能改变来测量变形量的元件。两对检测元件334以如下方式附着到应变体333的周表面使得成对的检测元件 334中的每一对的一个检测元件与另一个相对，并且输出轴Ox被夹在它们之间。具体地，如图9中所示，四个检测元件334以如下方式布置一对检测元件334中的检测元件334彼此相对的方向与另一对检测元件334中的检测元件334彼此相对的方向正交，由此以与第一实施例相似的方式配置四量规桥(惠斯通桥)。可以适当地设定每个检测元件334附着到应变体333的取向、位置等。根据第三实施例，在扭矩传感器33的输入/输出部分中形成了机械解耦结构，并
11且因此防止作为待检测目标的旋转扭矩之外的其他轴力影响扭矩传感器33。这样，与第一实施例相似，有可能高精度地检测作用在致动器单元的输出轴上的旋转扭矩，这允许关节的准确的扭矩控制和作用在机器人的各部件上的力的准确估计。此外，根据第三实施例，扭矩传感器33具有机械解耦结构，并且因此防止为了扭矩检测而增加传感器结构的尺寸。特别地，根据第三实施例，其中第一旋转体331和第二旋转体332在轴向方向上彼此相对，有可能配置在径向方向上具有减小的尺寸(直径尺寸) 的扭矩传感器。〈第四实施例〉图9以及图IlA和IlB示出了根据本发明的第四实施例的扭矩传感器。在这些图中，与上述第三实施例的部分对应的部分由相同的附图标记表示，并且省略了其详细描述。第四实施例的扭矩传感器43与上述第三实施例的不同之处在于应变体333和两个旋转体331和332之间的接合结构43a、43b。图IlA是应变体333和第二旋转体332之间的接合结构4 的透视图。图IlB是接合结构43b的侧视图。应当注意，应变体333和第一旋转体331之间的接合结构43a与所示出的接合结构43b的接合结构4 相同，并且因此这里省略了其描述。如图IlA和图IlB所示，应变体333和第二旋转体332通过接合结构4 彼此接合。在应变体333中，存在环形布置的接合部分E41 (第一接合部分)，其接合到在第二旋转体332中形成的接合部分E42(第二接合部分)。在第四实施例中，接合部分E41由在X轴方向上延伸的多个圆柱轴部分形成，并且接合部分E42由多个圆孔形成，接合部分E41配合到这些圆形孔中。每个接合部分E42包括底表面和内周表面。底表面与一个接合部分E41 相对，在X轴方向上在它们之间形成间隙Si。内周表面与接合部分E41相对，在围绕X轴方向的方向上上在它们之间形成间隙S2。根据第四实施例的扭矩传感器43具有解耦结构，其中第一旋转体331和第二旋转体332如上文所述相对彼此分割。接合部分E41通过轴向方向(输出轴Ox的轴向方向) 上的间隙Sl并且通过围绕输出轴Ox的轴的方向上的间隙S2与接合部分E42分离。此外， 接合部分E41还在径向方向(垂直于输出轴Ox的方向)上与接合部分E42分离。这样，增加了上述三个方向上的应变体333的自由度，并且因此抑制了由于上述三个方向上的振动成分引起的应变体333的变形，并且防止振动成分被添加到扭矩传感器43的输出。根据第四实施例，在扭矩传感器43的输入/输出部分中形成了机械解耦结构，并且因此防止作为待检测目标的旋转扭矩之外的其他轴力影响扭矩传感器43。这样，与第一实施例相似，有可能高精度地检测作用在致动器单元的输出轴上的旋转扭矩，这允许关节的准确的扭矩控制和作用在机器人的各部件上的力的准确估计。此外，根据第四实施例，扭矩传感器43具有机械解耦结构，并且因此防止为了扭矩检测而增加传感器结构的尺寸。特别地，根据第四实施例，其中第一旋转体331和第二旋转体332在轴向方向上彼此相对，有可能配置在径向方向上具有减小的尺寸(直径尺寸) 的扭矩传感器。尽管上文描述了本发明的实施例，但是本发明不限于上述实施例，并且基于本发明的技术思想可以进行本发明的各种修改。例如，尽管在上述第一实施例中，使用了其中应变体133固定到第一旋转体(内环131)并且与第二旋转体(外环132)分离的结构，但是也可能可替选地使用其中应变体133 固定到第二旋转体并且与第一旋转体分离的结构。此外，尽管在上述第三和第四实施例中，使用了其中应变体333与两个旋转体331 和332分离的结构，但是也可能使用其中应变体333仅与旋转体331和332中的任何一个分离的结构。此外，尽管在上述实施例中，描述了其中将根据本发明的扭矩传感器应用到机器人装置的关节的示例，但是本发明不限于此。例如，本发明还可应用于检测轴向扭矩或输出扭矩的另一扭矩传感器。本申请包含与在2010年3月30日提交日本专利局的日本在先专利申请JP 2010-076781中公开的主题内容相关的主题内容，该在先申请的整体内容通过引用合并于此。本领域的技术人员应当理解，在所附权利要求或其等同物的范围内，可以根据设计需要和其他因素进行各种修改、组合、子组合和变更。
1权利要求
1.一种扭矩传感器，包括 第一旋转体，其可围绕输入轴旋转； 第二旋转体，其可围绕输出轴旋转；应变体，其包括第一接合部分，所述第一接合部分在平行于所述输入轴的第一方向、垂直于所述第一方向的第二方向和围绕所述输入轴的第三方向上与所述第一旋转体和所述第二旋转体中的至少一个分离，并且能够在所述第三方向上接合到所述第一旋转体和所述第二旋转体中的至少一个，并且所述应变体在所述第一旋转体和所述第二旋转体之间传送朝向所述第三方向的旋转扭矩；以及检测元件，其设置到所述应变体以测量由于所述旋转扭矩引起的所述应变体的应变。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述第一旋转体和所述第二旋转体是一对同心环形体，所述成对的同心环形体被布置为在所述第二方向上彼此相对并且具有彼此不同的直径，以及所述应变体包括在所述第一旋转体和所述第二旋转体之间在所述第二方向上径向延伸的多个轴部分。
3.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其中所述第一接合部分被形成到所述多个轴部分中的一个的末端， 所述第一旋转体和所述第二旋转体中的至少一个包括第二接合部分，其能够在所述第三方向上接合到所述第一接合部分，以及所述第二接合部分包括第一表面，其与所述第一接合部分相对，在它们之间在所述第二方向上形成第一间隙，以及第二表面，其与所述第一接合部分相对，在它们之间在所述第三方向上形成第二间隙。
4.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述第一旋转体和所述第二旋转体是一对环形体，所述成对的环形体被布置为在所述第一方向上彼此相对，以及所述应变体包括在所述第一旋转体和所述第二旋转体之间在所述第一方向上延伸的圆柱部分。
5.根据权利要求4所述的扭矩传感器，其中所述第一接合部分被形成到所述圆柱部分的末端，所述第一旋转体和所述第二旋转体中的至少一个包括第二接合部分，其能够在所述第三方向上接合到所述第一接合部分，以及所述第二接合部分包括第一表面，其与所述第一接合部分相对，在它们之间在所述第一方向上形成第一间隙，以及第二表面，其与所述第一接合部分相对，在它们之间在所述第三方向上形成第二间隙。
6.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其中所述第二间隙小于所述第一间隙。
7.根据权利要求3所述的扭矩传感器，进一步包括可变形填充层，其填充在所述第一接合部分和所述第二接合部分之间。
8.一种机器人装置，包括旋转驱动源；第一旋转体，其包括输入轴并且当从所述旋转驱动源接收到旋转扭矩时可围绕所述输入轴旋转；第二旋转体，其包括输出轴并且可围绕所述输出轴旋转；应变体，其包括第一接合部分，所述第一接合部分在平行于所述输入轴的第一方向、垂直于所述第一方向的第二方向和围绕所述输入轴的第三方向上与所述第一旋转体和所述第二旋转体中的至少一个分离，并且能够在所述第三方向上接合到所述第一旋转体和所述第二旋转体中的至少一个，并且所述应变体在所述第一旋转体和所述第二旋转体之间传送朝向所述第三方向的旋转扭矩；以及检测元件，其被设置到所述应变体以测量由于旋转扭矩引起的所述应变体的应变。
全文摘要
本发明涉及扭矩传感器和包括该扭矩传感器的机器人装置。扭矩传感器包括第一旋转体、第二旋转体、应变体以及检测元件。第一旋转体可围绕输入轴旋转。第二旋转体可围绕输出轴旋转。应变体包括第一接合部分。第一接合部分在平行于输入轴的第一方向、垂直于第一方向的第二方向和围绕输入轴的第三方向上与旋转体中的至少一个分离，并且能够在第三方向上接合到旋转体中的至少一个。应变体在第一旋转体和第二旋转体之间传送朝向第三方向的旋转扭矩。检测元件被设置到应变体以测量由于旋转扭矩引起的应变体的应变。
文档编号G01L3/10GK102235926SQ20111007631
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月23日 优先权日2010年3月30日
发明者川浪康范, 长阪宪一郎 申请人:索尼公司
专业数控铣床产品供应商
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