机器人系统、扭矩传感器、位移检测设备、检测方法、产品制造方法和记录介质与流程

1.本发明涉及感测技术。


背景技术：

2.在工厂等里的生产线中，安装工业机器人以提高待制造的产品的生产率。工业机器人的示例包括能够与操作者协作的协作机器人。日本专利公开no.2020-104249公开了包括用于检测与操作者或物体的接触的扭矩传感器的工业机器人。
3.扭矩传感器包括诸如编码器设备之类的位移检测设备，并通过使用由位移检测设备检测到的位移信息来获得扭矩值。近年来，诸如机器人之类的驱动设备开始需要精确的操作，因此扭矩传感器-即，位移检测设备开始需要高检测精度。


技术实现要素：

4.根据本发明的第一方面，一种机器人系统，包括：机器人，所述机器人在其关节中包括减速齿轮和至少一个编码器；以及处理部，所述处理部被配置为通过使用基于编码器的检测信号的相位信息来获得扭矩值。编码器包括：标尺，所述标尺包括图案部分，以及头部，所述头部被部署为与标尺相对，并被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为基于相位信息获得标尺在第一方向上的第一位移量和标尺在第二方向上的第二位移量。第一方向是相对于所述头部的相对方向。第二方向是相对于所述头部并与第一方向交叉的相对方向。处理部被配置为基于第一位移量和第二位移量来获得扭矩值。
5.根据本发明的第二方面，一种机器人系统包括：机器人，所述机器人在其关节中包括减速齿轮和至少一个编码器；处理部，所述处理部被配置为通过使用基于编码器的检测信号的相位信息来获得扭矩值；以及存储部，所述存储部被配置为存储与机器人的轨迹数据关联的校正值。编码器包括：标尺，所述标尺包括图案部分；以及头部，所述头部被部署为与标尺相对并且被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为：基于在机器人根据轨迹数据进行操作时获得的相位信息来获得标尺在作为相对于所述头部的相对方向的第一方向上的第一位移量，以及基于通过使用与轨迹数据对应的校正值校正第一位移量而获得的位移信息来获得扭矩值。
6.根据本发明的第三方面，一种扭矩传感器包括：至少一个编码器，所述至少一个编码器部署在驱动设备中；以及处理部，所述处理部被配置为通过使用基于编码器的检测信号的相位信息来获得扭矩值。编码器包括：标尺，所述标尺包括图案部分，以及头部，所述头部被部署为与标尺相对，并被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为基于相位信息获得标尺在第一方向上的第一位移量和标尺在第二方向上的第二位移量。第一方向是相对于所述头部的相对方向。第二方向是相对于所述头部并与第一方向交叉的相对方向。处理部被配置为基于第一位移量和第二位移量来获得扭矩值。
7.根据本发明的第四方面，一种扭矩传感器包括：至少一个编码器，所述至少一个编
码器部署在包括减速齿轮的驱动设备中；以及处理部，所述处理部被配置为通过使用基于编码器的检测信号的相位信息来获得扭矩值。编码器包括：标尺，所述标尺包括图案部分，以及头部，所述头部被部署为与标尺相对，并被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为基于在驱动设备根据轨迹数据进行操作时获得的相位信息来获得标尺在作为相对于所述头部的相对方向的第一方向上的第一位移量，以及基于通过使用与轨迹数据对应的校正值校正第一位移量而获得的位移信息来获得扭矩值。
8.根据本发明的第五方面，一种位移检测设备包括：至少一个编码器，所述至少一个编码器部署在包括减速齿轮的驱动设备中；以及处理部，所述处理部被配置为通过使用基于编码器的检测信号的相位信息来获得位移信息。编码器包括：标尺，所述标尺包括图案部分，以及头部，所述头部被部署为与标尺相对，并被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为基于相位信息获得标尺在第一方向上的第一位移量和标尺在第二方向上的第二位移量。第一方向是相对于所述头部的相对方向。第二方向是相对于所述头部并与第一方向交叉的相对方向。处理部被配置为基于第一位移量和第二位移量来获得位移信息。
9.根据本发明的第六方面，一种位移检测设备包括：至少一个编码器，所述至少一个编码器部署在包括减速齿轮的驱动设备中；以及处理部，所述处理部被配置为通过使用基于编码器的检测信号的相位信息来获得第一方向上的位移信息。编码器包括：标尺，所述标尺包括图案部分；以及头部，所述头部被部署为与标尺相对并且被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为基于在驱动设备根据轨迹数据进行操作时获得的相位信息来获得标尺在作为相对于所述头部的相对方向的第一方向上的第一位移量，以及通过使用与轨迹数据对应的校正值校正第一位移量来获得位移信息。
10.根据本发明的第七方面，提供了一种用于扭矩传感器获得扭矩值的检测方法。扭矩传感器包括编码器和处理部。编码器部署在包括减速齿轮的驱动设备中。编码器包括标尺和头部。标尺包括图案部分。头部被部署为与标尺相对。头部被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为通过使用基于检测信号的相位信息来获得扭矩值。检测方法包括由处理部基于相位信息来获得标尺在第一方向上的第一位移量和标尺在第二方向上的第二位移量。第一方向是相对于所述头部的相对方向。第二方向是相对于所述头部并与第一方向交叉的相对方向。检测方法包括由处理部基于第一位移量和第二位移量来获得扭矩值。
11.根据本发明的第八方面，提供了一种用于扭矩传感器获得扭矩值的检测方法。扭矩传感器包括编码器和处理部。编码器部署在包括减速齿轮的驱动设备中。编码器包括标尺和头部。标尺包括图案部分。头部被部署为与标尺相对。头部被配置为读取标尺的图案部分并输出检测信号。处理部被配置为通过使用基于检测信号的相位信息来获得扭矩值。检测方法包括由处理部在驱动设备根据轨迹数据进行操作时获得的相位信息来获得标尺在作为相对于所述头部的相对方向的第一方向上的第一位移量。检测方法包括由处理部基于通过使用与轨迹数据对应的校正值校正第一位移量而获得的位移信息来获得扭矩值。
12.根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
13.图1是根据第一实施例的机器人系统的说明性示图。
14.图2是图示了根据第一实施例的机械臂的关节(joint)的机器人系统的部分截面图。
15.图3是图示了根据第一实施例的机械臂的关节的控制系统的框图。
16.图4是根据第一实施例的扭矩传感器的透视图。
17.图5a是图示了根据第一实施例的扭矩传感器的配置的框图。
18.图5b是图示了根据第一实施例的扭矩传感器的功能的框图。
19.图6a是用作根据第一实施例的位移检测设备的示例的编码器设备的示意图。
20.图6b是根据第一实施例的传感器头的平面图。
21.图7a是根据第一实施例的扭矩传感器的说明性示图。
22.图7b是根据第一实施例的扭矩传感器的说明性示图。
23.图8是根据第一实施例的标尺(scale)的说明性示图。
24.图9是根据第一实施例的光接收元件阵列的平面图。
25.图10是根据第一实施例的信号处理电路的电路部的电路图。
26.图11a是图示了根据第一实施例的机器人控制方法的示例的流程图。
27.图11b是图示了根据第一实施例的扭矩检测方法的示例的流程图。
28.图12是图示了根据第一实施例的相位与标尺位置之间的关系的曲线表。
29.图13a是第一实施例的原理的说明性示图。
30.图13b是第一实施例的原理的说明性示图。
31.图13c是根据第一实施例的利萨如(lissajous)波形的示意图。
32.图14是图示了根据第一实施例的差值与位移量之间的关系的曲线图。
33.图15是变形例的标尺的平面图。
34.图16a是用作根据第二实施例的位移检测设备的示例的编码器设备的示意图。
35.图16b是根据第二实施例的传感器头的平面图。
36.图17是根据第二实施例的标尺的说明性示图。
37.图18是根据第二实施例的光接收元件阵列的平面图。
38.图19是根据第二实施例的光接收元件阵列的平面图。
39.图20a是用作根据第三实施例的位移检测设备的示例的编码器设备的示意图。
40.图20b是根据第三实施例的传感器头的平面图。
41.图21是根据第三实施例的标尺的说明性示图。
42.图22a是图示了根据第三实施例的机器人系统中的预处理的流程图。
43.图22b是图示了根据第三实施例的扭矩检测方法的示例的流程图。
具体实施方式
44.以下，将参考附图来详细描述本发明的实施例。
45.第一实施例
46.图1是根据第一实施例的机器人系统100的说明性示图。如图1中图示的，机器人系统100包括机器人200和机器人控制设备300。机器人200是工业机器人，并用于制造产品。机
器人200能够执行用于制造产品的操作，例如，抓取第一工件w1并将抓取的第一工件w1安装在第二工件w2上的操作。
47.机器人控制设备300用作控制部的示例，并控制机器人200。用作示教设备的示例的示教器(teaching pendant)400可以连接到机器人控制设备300。示教器400是用于对机器人200执行示教的设备，并将示教数据输出到机器人控制设备300。机器人控制设备300基于示教数据生成轨迹数据，并根据轨迹数据来操作机器人200。
48.机器人200包括机械臂201和用作末端执行器的示例的机械手202。机械臂201例如是垂直铰接的机械臂。作为机械臂201的近端的固定端201a固定到支架150。机械臂202附接到作为机械臂201的远端的自由端201b。机械臂201包括多个连杆(link)210、211、212和213，并且连杆210至213通过关节j1、j2和j3可旋转地互连。机械臂201的关节j1至j3各自设置有驱动设备230。作为关节j1至j3中的每一个的驱动设备230，使用与所需的扭矩匹配的适当输出的驱动设备。
49.在机械臂201中，关节j1将被作为示例描述，并且将省略对其他关节j2和j3的描述，因为这些关节具有与关节j1类似的配置，尽管其大小和性能可能不同。
50.图2是图示了关节j1的根据第一实施例的机械臂201的部分截面图。驱动设备230包括用作旋转驱动源的电机141、耦接到电机141的旋转轴部142并输出旋转轴部142的减速旋转的减速齿轮143、以及扭矩传感器500。电机141的旋转轴部142绕旋转轴c0旋转。连杆210和211经由交叉滚子轴承147可旋转地彼此耦接。电机141是伺服电机，例如，无刷dc伺服电机或ac伺服电机。减速齿轮143在第一实施例中是应变波减速齿轮。减速齿轮143包括耦接到电机141的旋转轴部142并用作输入轴的示例的波形发生器151以及固定到连杆211并用作输出轴的示例的刚性齿轮152。要注意，尽管刚性齿轮152耦接到连杆211，但刚性齿轮152可以与连杆211一体地形成。另外，减速齿轮143包括部署在波形发生器151和刚性齿轮152之间并经由扭矩传感器500耦接到连杆210的柔性齿轮153。柔性齿轮153形成为杯形。柔性齿轮153被波形发生器151扭曲成椭圆形状，并在其椭圆形状的长轴部分处与刚性齿轮152接合。当波形发生器151旋转时，柔性齿轮153的椭圆形状的长轴部分旋转，并且柔性齿轮153与刚性齿轮152之间的接合位置在波形发生器151的旋转方向上移动。每当波形发生器151旋转一次，刚性齿轮152相对于柔性齿轮153相对旋转达与柔性齿轮153和刚性齿轮152之间的齿数差对应的量。结果，刚性齿轮152的速度相对于波形发生器151的旋转以预定减速比减小，并相对于柔性齿轮153相对旋转。因此，耦接到刚性齿轮152的连杆211相对于经由扭矩传感器500耦接到柔性齿轮153的连杆210绕旋转轴c0相对旋转。
51.扭矩传感器500部署在减速齿轮143的输出侧的柔性齿轮153上。即，扭矩传感器500部署在连杆210和减速齿轮143的柔性齿轮153之间，即，部署在用作第一连杆的示例的连杆210和用作第二连杆的示例的连杆211之间。另外，扭矩传感器500测量作用在连杆210和连杆211之间的绕旋转轴c0的扭矩，并将与用作测量值的扭矩值对应的电信号输出到机器人控制设备300。电信号是数字信号。机器人控制设备300基于扭矩值来控制机器人200。
52.图3是图示了根据第一实施例的机械臂201的关节j1的控制系统的框图。驱动设备230包括电连接到电机141和机器人控制设备300的驱动控制设备260。驱动设备230的扭矩传感器500电连接到机器人控制设备300。
53.机器人控制设备300整体地控制整个机器人系统。即，机器人控制设备300控制机
器人200的操作。机器人200的操作的控制包括位置控制和力控制。在位置控制中，机器人控制设备300基于机器人200的手的尖端的位置来生成操作命令，并将所生成的操作命令输出到驱动控制设备260。在力控制中，机器人控制设备300基于作为从扭矩传感器500接收到的测量值的扭矩值来生成操作命令，并将所生成的操作命令输出到驱动控制设备260。驱动控制设备260根据操作命令来执行电机141的电力供应控制，因此驱动电机141。在力控制中，机器人控制设备300基于从扭矩传感器500输出的扭矩值来操作机器人200。因此，机器人200的力控制的性能取决于精度，即，扭矩传感器500的分辨率。
54.图4是根据第一实施例的扭矩传感器500的透视图。扭矩传感器500包括传感器主体590和算术处理单元600。传感器主体590包括支撑部501和支撑部502，支撑部501用作被紧固并因此固定到图2中图示的减速齿轮143的第一构件的示例，并且支撑部502用作被紧固并因此固定到图2中图示的连杆210的第二构件的示例。
55.支撑部501和502是各自具有平板形状的构件，并如图4中图示地具有例如以旋转轴c0为中心的环形形状。支撑部502可相对于支撑部501在以旋转轴c0为中心的旋转方向上相对位移。要注意，支撑部501和502中的每一个的形状不限于此，并可以是例如盘形状。支撑部501和502构成凸缘部分，从而可通过螺栓等分别固定到减速齿轮143和连杆210。支撑部501和502在z方向上间隔地部署，以便彼此相对，并经由弹性部503彼此耦接，z方向是旋转轴c0延伸的方向。
56.弹性部503包括围绕旋转轴c0间隔地径向布置的多个弹簧片504。当扭矩作用在图2中图示的连杆210和211之间时，支撑部502相对于支撑部501绕旋转轴c0相对旋转地位移达与作用的扭矩的大小对应的旋转量。弹簧片504各自由具有弹性模量(即，与目标扭矩和所需的分辨率的测量范围对应的弹簧模量)的材料形成。弹性部503的材料是例如树脂或金属，并且优选地是金属。金属的示例包括钢和不锈钢。在第一实施例中，支撑部501、支撑部502和弹性部503全都由相同的材料形成，并一体地形成。支撑部501、支撑部502和弹性部503不需要一体地形成。
57.传感器主体590包括至少一个编码器，编码器用于测量支撑部501和502之间的相对位移，即，作用在支撑部501和502之间的扭矩。该至少一个编码器优选地是多个编码器。多个编码器优选地是四个编码器510。即，在第一实施例中，传感器主体590包括四个编码器510。该四个编码器510全都具有相同的配置。该四个编码器510以相等的间隔布置在围绕旋转轴c0成90度对称的位置处。要注意，尽管包括在传感器主体590中的编码器510的数量优选为4个，但配置不限于此。包括在传感器主体590中的编码器510的数量可以是1个、2个、3个、5个或更多个。编码器510各自是增量编码器。尽管在本实施例中增量编码器将被描述为示例，但编码器可以是绝对类型。另外，编码器510优选地各自是光学编码器、静电电容编码器或磁性编码器。其中，因为可以实现更高的检测分辨率，光学编码器是更优选的。因此，在第一实施例中，编码器510各自是光学编码器。
58.编码器510各自可以是线性编码器或旋转编码器。支撑部501和502之间的绕旋转轴c0的旋转方向上的相对位移是微小的，并可以被认为是每个编码器510的位置处在平移方向上的位移。因此，在第一实施例中，编码器510各自是线性编码器。编码器510各自能够检测支撑部501和502之间的绕旋转轴c0的旋转方向上(即，在切线方向上)的相对位移。
59.编码器510各自包括标尺2和传感器头7，传感器头7用作与标尺2相对部署的头部
的示例。传感器头7是传感器单元。标尺2被固定到支撑部501和502中的一个并由其支撑。在第一实施例中，标尺2被固定到支撑部501并由其支撑。传感器头7被固定到支撑部501和502中的另一个并因此由其支撑。在第一实施例中，传感器头7被固定到支撑部502并因此由其支撑。要注意，标尺2可以由支撑部502支撑，并且传感器头7可以由支撑部501支撑。通过使用编码器510，支撑部501和502之间的相对位移可以被测量作为相对于某个标准位置的相对量。
60.图5a是图示了根据第一实施例的扭矩传感器500的配置的框图。算术处理单元600包括数量与编码器510相同的信号处理电路50(例如，四个信号处理电路50)以及连接到四个信号处理电路50的计算机650。计算机650例如是微型计算机。下面，将描述计算机650的配置的示例。
61.计算机650包括作为用作处理部的示例的处理器的中央处理单元：cpu 651。另外，计算机650包括存储用于使cpu 651执行用于获得扭矩值τ的算术处理的程序620的只读存储器:rom 652、以及用于暂时存储数据等的随机存取存储器:ram 653。另外，计算机650包括i/o 654，i/o 654是到信号处理电路50和连接到其的诸如机器人控制设备300和未图示的外部存储设备之类的外部设备的接口。cpu 651、rom 652、ram 653和i/o 654经由总线660相互可通信地互连。
62.扭矩值τ是扭矩信息-即，扭矩数据，并可以是标准化值。cpu 651从每个信号处理电路50获得相位信息，通过根据程序620执行算术处理来获得扭矩值τ，并将所获得的扭矩值τ输出到机器人控制设备300。
63.在本实施例中，存储设备670包括rom 652和ram 653，并用作存储部的示例。要注意，存储设备670的配置不限于此。另外，存储设备670可以是内部存储设备、外部存储设备或者内部存储设备与外部存储设备的组合。
64.另外，尽管在本实施例中，rom 652是计算机650可读的非暂态记录介质并且rom 652存储程序620，但配置不限于此。程序620可以被记录在任何记录介质中，只要该记录介质是计算机650可读的非暂态记录介质即可。另外，作为用于向计算机650供应程序620的记录介质，例如，可以使用软盘、光盘、磁光盘、磁带和非易失性存储器。
65.算术处理单元600基于检测信号来获得支撑部501和502之间的相对位移信息，该检测信号是来自每个编码器510的传感器头7的编码器信号。然后，算术处理单元600将所获得的位移信息转换为扭矩值τ，并将扭矩值τ输出到机器人控制设备300。
66.图5b是图示了根据第一实施例的扭矩传感器500的功能的框图。
67.扭矩传感器500包括作为多个位移检测设备的示例的多个(例如，四个)编码器设备550。编码器设备550各自包括编码器510、信号处理电路50和图5a中图示的计算机650的部分功能。当图5a中图示的cpu651执行程序620时，cpu 651用作图5b中图示的每个位移计算部680和扭矩计算部681。即，cpu 651用作每个编码器设备550的位移计算部680。另外，cpu 651用作扭矩传感器500的扭矩计算部681，扭矩计算部681通过使用相位φ10来计算扭矩值τ，相位φ10是由每个位移计算部680计算出的位移信息。随后，将描述由每个位移计算部680进行的相位φ10的算术处理。相位φ10是源自由作用在传感器主体590上的扭矩引起的弹性部503的弹性变形的支撑部501相对于支撑部502的相对位移信息，并且不包括支撑部501的弹性变形。
68.图6a是根据第一实施例的编码器设备550的示意图。标尺2相对于传感器头7在x方向上相对平移移动。相对于传感器头7相对平移移动的标尺2的移动方向将被称为x方向，与x方向交叉的方向将被称为y方向，并且与x方向和y方向交叉的方向将被称为z方向。x方向、y方向和z方向优选地彼此垂直。x方向是切线方向。y方向是径向方向。x方向用作第一方向的示例，并且y方向用作第二方向的示例。x方向也是编码器510的位置测量方向。图6a示意性地图示了在x方向上观察到的标尺2和传感器头7。另外，图6b是根据第一实施例的传感器头7的平面图。图6b示意性地图示了在z方向上观察到的传感器头7。
69.编码器510是光干涉型的光学编码器，并且是增量线性编码器。另外，尽管在第一实施例中，编码器510是反射型，但编码器510可以是透射型。cpu 651执行诸如从传感器头7获得的检测信号s的插入、将信息写入到存储设备670中和从存储设备670读取信息以及输出位置信号之类的处理。
70.传感器头7部署在z方向上与标尺2相对的位置处。标尺2具有图案部分80。传感器头7读取标尺2的图案部分80，并将检测信号s输出到信号处理电路50。传感器头7包括由用作发光单元的示例的发光二极管led构成的光源1以及两个光接收单元31和32。光接收单元31和32在y方向上布置在距光源1的一定距离处。在第一实施例中，光源1部署在两个光接收单元31和32之间。要注意，尽管因为可以使用相同的零件并且成本可以降低，所以优选的是针对光接收单元31和32使用相同的单元，但可以使用适于光接收单元分别读取的轨道(track)的各个调制周期的不同类型的光接收单元。
71.光接收单元31包括光接收元件阵列91，并且光接收单元32包括光接收元件阵列92。光源1以及光接收单元31和32安装在印刷布线板4上，并由使光透过的透明树脂5密封。使光透过的透明玻璃6部署在树脂5的表面上。根据该配置，光源1以及光接收单元31和32由树脂5和玻璃6保护。
72.信号处理电路50由例如由集成电路芯片：ic芯片构成的半导体元件构成。信号处理电路50安装在例如印刷布线板4的表面上。要注意，信号处理电路50的位置不限于此，并且信号处理电路50可以部署在与印刷布线板4上的位置不同的位置处。在图6a中，为了方便描述，信号处理电路50部署在与印刷线路板4上的位置不同的位置处。信号处理电路50包括处理从光接收元件阵列91获得的检测信号s1的电路部511以及处理从光接收元件阵列92获得的检测信号s2的电路部512。检测信号s1和s2被包括在检测信号s中。
73.如图6a中图示的，图案部分80包括两个标尺轨道81和82。两个标尺轨道81和82在y方向上并排布置。从光源1发射的发散光束对角地辐射到标尺2的标尺轨道81和82上。被标尺轨道81和82分别反射的光束被分别朝向光接收元件阵列91和92反射。各个反射光对角地入射到各个光接收元件阵列91和92上。具有光量分布的反射光作为图像被接收在光接收元件阵列91和92中的每一个上。具体地，由光接收元件阵列91和92接收的光量在y方向上较远离光源1的位置处较小。
74.由光接收元件阵列91和92接收的光束被转换成电信号。电信号作为各个检测信号s1和s2被分别传输到信号处理电路50的电路部511和512。
75.顺带一提，在第一实施例中，图4中图示的传感器主体590的支撑部501被附接并固定到图2中图示的减速齿轮143的柔性齿轮153。柔性齿轮153通过波形发生器151被椭圆地变形，因此其变形力也被传输到支撑部501。因此，支撑部501通过变形力而变形。
76.图7a和图7b是在旋转轴c0延伸的方向上观察到的扭矩传感器500的说明性示图。图7a图示了图2中图示的减速齿轮143的柔性齿轮153的变形力没有被传输到扭矩传感器500的支撑部501的状态。图7b图示了图2中图示的减速齿轮143的柔性齿轮153的变形力被传输到扭矩传感器500的支撑部501的状态。图7a和图7b将四个编码器510图示为编码器5101、5102、5103和5104。编码器5101、5102、5103和5104以相等的间隔布置在相对于旋转轴c0成90度对称的位置处。
77.如果柔性齿轮153的变形力没有作用在扭矩传感器500的支撑部501上，则如图7a中图示地，支撑部501保持环形形状。编码器5101、5102、5103和5104可以精确地检测x方向上的位移。
78.当扭矩传感器500被应用于机器人200的关节时，柔性齿轮153的变形力作用在扭矩传感器500的支撑部501上。这带来的结果是，如图7b中图示地，支撑部501也类似于柔性齿轮153被椭圆地变形。当波形发生器151在箭头方向上旋转以驱动机械臂201的关节时，柔性齿轮153的椭圆形状-即，支撑部501的椭圆形状也在箭头方向上旋转。另外，支撑部501的椭圆形状以波形发生器151的旋转次数的两倍的频率旋转。编码器5101、5102、5103和5104中的每一个的标尺2固定到支撑部501。即，当机械臂201的关节旋转时，在编码器5101至5104中的每一个中，标尺2以波形发生器151的旋转次数的两倍的频率相对于传感器头7在x方向和y方向上周期性地相对移动。
79.例如，如图7b中图示地，假定支撑部501的椭圆形状绕旋转轴c0顺时针旋转。在编码器5101和5103中，类似于在顺时针方向上施加扭矩的情况，标尺2相对于传感器头7在+x方向上相对位移。相比之下，在编码器5102和5104中，类似于在逆时针方向上施加扭矩的情况，标尺2相对于传感器头7在-x方向上相对位移。
80.如上所述，在编码器5101至5104中的每一个的标尺2的位移中，源自支撑部501的椭圆变形的误差被叠加在实际施加到机械臂201的关节的扭矩上。由于扭矩传感器500包括四个编码器5101至5104，因此通过对由这些编码器检测到的值求平均，误差可以减小至一定程度。然而，由于在编码器5101至5104中，源自椭圆变形的位移量变化，因此不可以仅仅通过求平均处理来消除误差。
81.因此，在第一实施例中，也在编码器5101至5104中测量y方向上的位移，并且基于y方向上的位移的测量值来校正x方向上的位移的测量值，以计算精确的扭矩值。
82.图8是根据第一实施例的标尺2的说明性示图。图8图示了整个标尺2以及标尺2的一部分的放大视图。标尺2包括诸如玻璃之类的基板。图案部分80通过在基板上图案化铬膜来形成。要注意，标尺2的基板可以是诸如聚碳酸酯之类的树脂或诸如不锈钢之类的金属。另外，只要图案部分80用作反射膜就足够了，并且图案部分80可以由例如铝形成。
83.图案部分80的标尺轨道81的图案由光接收元件阵列91读取。图案部分80的标尺轨道82的图案由光接收元件阵列92读取。标尺轨道81包括图案行801作为至少一个第一图案行。标尺轨道82包括多个图案行802作为至少一个第二图案行。
84.图案行801包括用作在x方向上周期性布置的多个第一图案元素的多个图案元素810。该多个图案元素810以用作调制周期的预定间距p1在x方向上间隔地布置。该多个图案元素810各自具有相对于用作在y方向上延伸的第一轴的轴l1对称的形状。
85.图案行802各自包括用作在x方向上周期性布置的多个第二图案元素的多个图案
元素820。该多个图案元素820以用作调制周期的预定间距p2在x方向上间隔地布置。该多个图案元素820各自具有相对于用作在y方向上延伸的第二轴的轴l2不对称的形状。在本实施例中，多个图案元素810的间距p1等于多个图案元素820的间距p2。即，两个相邻的轴l1之间的间隔等于两个相邻的轴l2之间的间隔。
86.这里，图案元素820在x方向上的每个位置处相对于在y方向上延伸的每个虚拟轴不对称。即，不存在图案元素820相对于其线对称的轴。相比之下，图案元素810具有在y方向上延伸的虚拟轴当中的图案元素810相对于其线对称的一个轴，并且该轴是轴l1。
87.在第一实施例中，多个图案行802在y方向上连续地布置。每个图案行802在y方向上的长度将由y2表示。在y方向上连续的一行的多个图案元素820构成图案元素组825。在图案元素组825中，相同形状的多个图案元素820以长度y2的周期布置在y方向上。在第一实施例中，多个图案元素组825在x方向上以间距p2等间隔地布置。
88.在每个图案行802中，在x方向上间隔地布置的多个图案元素820各自包括用作第一部分的矩形部分821以及部署在x方向上与部分821偏移的位置处的用作第二部分的矩形部分822。部分822相对于部分821在x方向上的位移量优选地为多个图案元素820当中的两个相邻的图案元素820之间的间距p2的1/6。另外，部分821在y方向上的长度优选地等于部分822在y方向上的长度，即，部分821和822中的每一个在y方向上的长度优选地为y2/2。
89.尽管间距p1和间距p2可以不同，但间距p1和间距p2优选地相等。用于测量扭矩的间距p1优选地尽可能小。通过将间距p1设置得小，可以实现扭矩传感器500的高分辨率。在下面的描述中，将描述间距p1和p2为100μm并且长度y2为50μm的情况。
90.图9是根据第一实施例的光接收元件阵列91的平面图。要注意，光接收元件阵列92的配置与光接收元件阵列91基本上相同，因此将省略其图示和描述。光接收元件阵列91包括在x方向上以50μm的间距布置的多个(例如，32个)光接收元件90。光接收元件90各自具有在x方向上的50μm的宽度x_pd以及在y方向上的800μm的宽度y_pd。光接收元件阵列91的总宽度x_total是1600μm
91.标尺2上的图案作为尺寸加倍的图像被投影到光接收元件阵列91上。因此，标尺2上的检测范围是x方向上800μm和y方向上400μm的范围。在光接收元件阵列92上，由于宽度y_pd与长度y2之间的关系，标尺2上的检测范围是8个图案行802。要注意，在y_pd/y2的值不是整数的情况下，x方向上的相位取决于y方向上的检测位置而变化。因此，y_pd/y2的值优选地是整数，使得y方向上的位置不影响x方向上的检测相位。光接收元件阵列91和92的各个检测信号被分别输出到图6a中图示的电路部511和512。
92.图10是第一实施例中的信号处理电路50的电路部511的电路图。要注意，由于电路部512具有与电路部511基本上相同的配置，因此将省略对电路部512的图示和描述。
93.在光接收元件阵列91之后的级中，提供用作第一级放大器的四个i-v转换放大器34、35、36和37。i-v转换放大器34、35、36和37从作为从光接收元件阵列91的每个光接收元件90读取的电流信号的检测信号，生成四相正弦波输出s1(a+)、s1(b+)、s1(a-)和s1(b-)。关于四相正弦波的相对相位，当相对于检测间距，s1(a+)被设置为标准时，s1(b+)的相位约为+90
°
，s1(a-)约为+180
°
，并且s1(b-)的相位约为+270
°
。
94.在i-v转换放大器34、35、36和37之后的级中，提供a相差分放大器39和b相差分放大器40。a相差分放大器39和b相差分放大器40通过使用四相正弦波输出s1(a+)、s1(b+)、s1
(a-)和s1(b-)来执行下式(1)和(2)的计算。这带来的结果是，a相差分放大器39和b相差分放大器40生成去除了直流分量的两相正弦波信号s1(a)和s1(b)。
95.s1(a)＝s1(a+)-s1(a-)...(1)
96.s1(b)＝s1(b+)-s1(b-)...(2)
97.在a相差分放大器39和b相差分放大器40之后的级中，提供图5a中图示的计算机650，并且两相正弦波信号s1(a)和s1(b)被输出到计算机650。
98.如上所述，图6a中图示的电路部511生成通过从光接收元件阵列91获得的检测信号s1中去除直流分量而获得的两相正弦波信号s1(a)和s1(b)。类似于电路部511，电路部512生成通过从光接收元件阵列92获得的检测信号s2中去除直流分量而获得的两相正弦波信号s2(a)和s2(b)。
99.这里，图8的图案行801的图案是当传感器头7和标尺2在x方向上彼此相对位移时由传感器头7检测为x方向上的位移的图案。要注意，图案行801的图案是当传感器头7和标尺2在y方向上彼此相对位移时未被传感器头7检测为x方向上的位移的图案。
100.另外，图案行802的图案是当传感器头7和标尺2在x方向上彼此相对位移时由传感器头7检测为x方向上的位移的图案。另外，图案行802的图案是当传感器头7和标尺2在y方向上彼此相对位移时由传感器头7检测为x方向上的位移的图案。
101.在第一实施例中，计算机650通过使用作为基于来自传感器头7的检测信号s1和s2的相位信息的正弦波信号s1(a)、s1(b)、s2(a)和s2(b)来获得去除了源自支撑部501的椭圆变形的误差的扭矩值τ。在相位信息当中，正弦波信号s1(a)和s1(b)用作第一信息，并且正弦波信号s2(a)和s2(b)用作第二信息。
102.将详细描述根据第一实施例的用于机器人200的控制方法和用于扭矩传感器500的扭矩检测方法。图11a是图示了根据第一实施例的用于机器人200的控制方法的示例的流程图。
103.首先，将参考图11a中图示的流程图描述用于机器人200的控制方法。在步骤s101中，机器人控制设备300控制机器人200，使得机器人200根据与包括示教数据的机器人程序对应的轨迹数据进行操作。此时，机器人控制设备300向关节j1至j3中的每一个的电机141供应驱动电流，以驱动关节j1至j3。作为负载的扭矩可以从外部施加到或不施加到关节j1至j3。
104.在步骤s102中，机器人控制设备300在控制机器人200期间从扭矩传感器500获得扭矩值τ。
105.接下来，在步骤s103中，机器人控制设备300确定扭矩值τ是否大于阈值th。即，机器人200是否已经接触了机器人200周围的操作者或物体。如果机器人200接触某物，则扭矩值τ超过阈值th。
106.在扭矩值τ等于或小于阈值th的情况下，即，在步骤s103的结果为否的情况下，机器人控制设备300返回到步骤s101的处理，并控制机器人200。
107.在扭矩值τ大于阈值th的情况下，即，在步骤s103的结果为是的情况下，在步骤s104中，机器人控制设备300停止机器人200的操作。另外，在步骤s105中，机器人控制设备300执行警报处理。在本实施例中，由于机器人系统100包括三个扭矩传感器500，因此如果该三个扭矩值中的任一个超过了阈值th，则机器人控制设备300转移到步骤s104和s105的
处理。
108.用于停止机器人200的操作的方法的示例包括快速停止、缓慢停止、在反向方向上移动以及切换到阻抗控制。另外，作为警报处理，例如，机器人控制设备300使机器人200输出错误信号或警报，在诸如示教器400之类的终端上显示扭矩值τ，或者获得日志并将日志存储在机器人控制设备300的存储部中。
109.要注意，步骤s104的处理和步骤s105的处理的顺序可以反转，或者步骤s104的处理和步骤s105的处理可以同时执行。另外，可以省略步骤s104的处理和步骤s105的处理中的一个。
110.如下地检测在步骤s102中由机器人控制设备300获得的扭矩值τ。图11b是图示了根据第一实施例的扭矩检测方法的示例的流程图。这里，图11b中图示的步骤s201至s204是图5b中图示的每个位移计算部680的算术处理，并且步骤s205是图5b中图示的扭矩计算部681的算术处理。由于图5b中图示的每个位移计算部680执行基本上相同的计算，因此在下面步骤s201至s204的处理的描述中，将描述多个位移计算部680中的一个。
111.在步骤s201中，位移计算部680从图案行801检测指示x方向上的位移量的相位φ11。即，位移计算部680通过使用从电路部511获得的正弦波信号s1(a)和s1(b)，获得标尺2相对于传感器头7在x方向上的第一位移量作为相位φ11。根据下式(3)获得相位φ11。
112.φ11＝atan2[s1(a),s1(b)]...(3)
[0113]
atan2[y,x]是确定象限并执行转换成0至2π相位的反正切计算函数。相位φ11和标尺2的位置具有图12的曲线图中图示的关系。
[0114]
要注意，在执行式(3)的计算之前，可以通过使用预先获得的校正值来校正源自每个放大器的偏移、增益变化等的并且包括在正弦波信号s1(a)和s1(b)中的增益比和偏移误差。例如，对于正弦波信号s1(a)和s1(b)中的每一个，可以通过(最大值-最小值)/2来计算增益比-即，振幅比以计算用于使信号振幅相等的校正值。类似地，可以通过(最大值+最小值)/2来计算偏移误差量，以计算用于校正偏移误差的校正值。这些校正值可以被存储在存储设备670中。
[0115]
顺带一提，相位φ11包括源自由支撑部501的椭圆变形而引起的标尺2相对于传感头7在x方向上的相对位移的x方向上的误差φ10'。要注意，即使由于支撑部501的椭圆变形而导致标尺2相对于传感器头7在y方向上相对位移，相位φ11也不受影响。
[0116]
即，当假定在支撑部501没有被椭圆变形时获得的并且不包括源自椭圆变形的误差φ10'的相位由φ10表示时，相位φ11满足下式(4)。
[0117]
φ11＝φ10+φ10'...(4)
[0118]
例如，在没有扭矩被施加到扭矩传感器500的状态下，相位φ10是零，但是实际检测到的相位φ11包括由于支撑部501的椭圆变形而引起的误差φ10'。
[0119]
接下来，在步骤s202中，位移计算部680从图案行802检测作为x方向上的位移量的相位φ12。即，位移计算部680通过使用从电路部512获得的正弦波信号s2(a)和s2(b)，获得标尺2相对于传感器头7在x方向上的位移量作为相位φ12。根据下式(5)获得相位φ12。
[0120]
φ12＝atan2[s2(a),s2(b)]...(5)
[0121]
相位φ12包括源自由支撑部501的椭圆变形而引起的标尺2相对于传感头7在x方向上的相对位移的x方向上的误差φ10'。
[0122]
另外，相位φ12包括源自由支撑部501的椭圆变形而引起的标尺2相对于传感头7在y方向上的相对位移的y方向上的误差作为x方向上的误差φ10”。即，相位φ12满足下式(6)。
[0123]
φ12＝φ10+φ10'+φ10”...(6)
[0124]
下面，将描述误差φ10”如何被叠加在相位φ12上。为了更简单描述的缘故，将假定标尺2相对于传感器头7仅在y方向上相对位移而不在x方向上相对位移来给出描述。图13a和图13b是用于说明在第一实施例中误差φ10”如何被叠加在相位φ12上的说明性示图。
[0125]
标尺轨道82的检测范围将由r2表示。光接收元件阵列92仅接收来自检测范围r2的反射光，并且光接收元件阵列92不接收来自检测范围r2之外的区域的反射光。在标尺轨道82中，从光源1发射的光对角地入射到其上，并且在光接收元件阵列92中，来自标尺轨道82的反射光被对角地接收。因此，反射光的光量在检测范围r2中不是均匀分布的。在来自检测范围r2的反射光当中，大光量的反射光大幅地影响了光接收元件阵列92的光接收灵敏度。因此，在从光接收元件阵列92输出的检测信号s2中，来自检测范围r2中光量大的部分的反射光占主导地位。然后，当检测范围r2在y方向上从图13a中图示的状态移动到图13b中图示的状态时，即使检测范围r2未在x方向上移动，检测信号s2也根据相对于轴l2不对称的图案元素820的形状而变化。
[0126]
在第一实施例中，作为相同形状的多个图案元素820在y方向上连续的结果，图案元素组825各自具有周期性形状。因此，当检测范围r2在y方向上移动达等于或大于长度y2的量时，相位φ12也周期性改变。图13c是根据第一实施例的利萨如波形的示意图。水平轴表示检测信号s2当中的正弦波信号s2(a)，并且垂直信号表示检测信号s2当中的正弦波信号s2(b)。当检测范围r2在y方向上移动时，点p12(s2(a)，s2(b))在利萨如波形的圆上的预定范围内往复运动。
[0127]
在第一实施例中，如图8中图示的，部分822相对于部分821在x方向上的位移量是间距p2的1/6。在这种图案的情况下，在图13c中用虚线表示的利萨如波形中，高频分量可以通过光学干涉的原理而减少。如上所述，由于在图案元素820中部分822相对于部分821在x方向上的位移量是间距p2的1/6，因此可以检测到去除了三次高频分量并因此是高精度的相位φ12。
[0128]
在步骤s203中，位移计算部680获得位移量δy，位移量δy用作标尺2相对于传感器头7在y方向上的第二位移量。具体地，首先，位移计算部680通过从相位φ12减去相位φ11来获得差值δφ。差值δφ由下式(7)表示。
[0129]
δφ＝φ12-φ11(＝φ10”)...(7)
[0130]
即，差值δφ对应于误差φ10”。这意味着位移计算部680通过获得差值δφ来计算误差φ10”。差值δφ-即，误差φ10”是根据标尺2相对于传感器头7在y方向上的位移量δy周期性改变的值。图14是图示了差值δφ与位移量δy之间的关系的曲线图。图14中图示的关系被预先存储在存储设备670中。例如，差值δφ与位移量δy之间的关系被存储在存储设备670中作为表格数据或计算式。例如，图14中图示的关系可以通过使用光源的光分布特性的设计值和标尺的图案行802的设计值来产生，或者可以通过进行实验来获得。位移计算部680基于图14中图示的关系将差值δφ转换成位移量δy。
[0131]
图案元素820是部分821和部分822彼此不对称地位移达间距p2的1/6的图案。因此，差值δφ的最大值和最小值之间的差值根据标尺2相对于传感器头7在y方向上的相对位移在(1/6)
×
2π[rad]的范围内周期性改变。位移计算部680对已经发生的差值δφ的变化的循环次数进行计数，并从此时的计数值和差值δφ的值获得位移量δy。
[0132]
以这种方式，位移计算部680从正弦波信号s1(a)和s1(b)获得相位φ11，并从相位φ11以及正弦波信号s2(a)和s2(b)获得位移量δy。
[0133]
接下来，位移计算部680从通过转换相位φ11而获得的位移量δy和x方向上的位移量δx来获得椭圆形状，即，支撑部501的椭圆率。这里，取决于作为减速齿轮143的输入轴的波形发生器151的旋转方向，源自支撑部501变形为椭圆形状的x方向上的误差量的正负被反转。因此，位移计算部680预先从机器人控制设备300获得减速齿轮143的输入轴的旋转方向的信息。具体地，当减速齿轮143的输入轴如图7b中图示地顺时针旋转时，假定支撑部501具有作为在顺时针方向上以预定角度变形的圆形的椭圆形状，并且椭圆率为正值。相比之下，当减速齿轮143的输入轴逆时针旋转时，假定支撑部501具有作为在逆时针方向上以预定角度变形的圆形的椭圆形状，并且椭圆率为负值。
[0134]
位移计算部680基于考虑到减速齿轮143的输入轴的旋转方向的信息而获得的支撑部501的椭圆率，获得由于支撑部501在y方向上变形而产生的x方向上的误差分量的量和方向。
[0135]
位移计算部680获得支撑部501的椭圆率与距用作图7a中图示的未接收变形力的支撑部501的旋转中心的旋转轴c0的距离之间的差值。这带来的结果是，可以获得误差φ10'，φ10'是受基于减速齿轮143的椭圆运动的支撑部501的位移影响的x方向上的检测误差。
[0136]
接下来，在步骤s204中，位移计算部680从下式(8)获得相位φ10作为对应于扭矩值τ的x方向上的位移信息。作为位移信息的相位φ10对应于源自消除了源自支撑部501的弹性变形的误差的弹性部503的弹性变形的支撑部501相对于支撑部502的相对位移量。
[0137]
φ10＝φ11-φ10'...(8)
[0138]
然后，在步骤s205中，扭矩计算部681基于分别针对四个编码器510获得的四个相位φ10来计算扭矩值τ。例如，扭矩计算部681对四个相位φ10求平均，并通过例如将平均值乘以诸如与弹性部503的弹性模量成比例的灵敏度系数之类的预定系数来计算扭矩值τ。要注意，用于计算转矩值τ的方法不限于此，并且可以替代地通过将每个相位φ10转换成临时扭矩值并且对四个临时扭矩值求平均来获得转矩值τ。位移计算部680将计算出的扭矩值τ输出到机器人控制设备300。
[0139]
如上所述，根据第一实施例，即使在源自减速齿轮431的椭圆变形的变形力被施加到包括在机器人200的关节中的扭矩传感器500的情况下，也可以以高精度获得扭矩值τ。即，提高了扭矩值τ的检测精度。由于提高了扭矩值τ的检测精度，因此可以提高机器人200的操作精度。例如，通过使用扭矩值τ以确定是否停止机器人200的操作，当机器人200接触操作者或物体时，可以快速停止机器人200的操作。另外，在通过使用扭矩值τ执行机器人200的力控制的情况下，可以以高精度控制机器人200的操作。
[0140]
另外，步骤s201的处理和步骤s202的处理的顺序不限于上述顺序，并且步骤s201的处理可以在步骤s202的处理之后执行，或者如果可能，这些可以同时执行。
[0141]
变形例
[0142]
将描述变形例。图15是根据变形例的标尺2的标尺轨道82的平面图。变形例的标尺轨道82包括多个图案行802。多个图案行802在y方向上连续布置。每个图案行802在y方向上的长度将由y2表示。在标尺轨道82中，关注在y方向上连续的一行的多个图案元素820，相同形状的多个图案元素820以长度y2的周期布置在y方向上。在y方向上连续布置成行的多个图案元素820构成图案元素组825。在变形例中，多个图案元素组825在x方向上以间距p2的相等间隔布置。每个图案行802中的每个图案元素820优选地相对于轴l2不对称，并可以具有例如如图15中图示的波形。
[0143]
第二实施例
[0144]
将描述第二实施例。图16a是用作根据第二实施例的位移检测设备的示例的编码器设备550a的示意图。要注意，在第二实施例中，与第一实施例中基本上相同的元件将用相同的附图标记表示，并且将省略其描述。类似于第一实施例，编码器设备550a包括编码器510a、信号处理电路50a以及位移计算部680和存储设备670。
[0145]
在第二实施例中，在图1中图示的机器人系统100中，使用图16a中图示的编码器510a代替图4中图示的扭矩传感器500中的编码器510。下面，将适当参考第一实施例中描述的附图给出描述。
[0146]
编码器510a可以是线性编码器或旋转编码器，但是类似于第一实施例，在第二实施例中也是线性编码器。另外，编码器510a是光干涉型的光学编码器，并且是增量编码器。另外，尽管在第二实施例中，编码器510是反射型，但编码器510a可以是透射型。
[0147]
编码器510a包括标尺2a以及部署在z方向上与标尺2a相对的位置处的传感器头7a。标尺2a包括图案部分80a。图16b是根据第二实施例的传感器头7a的平面图。
[0148]
传感器头7a读取标尺2a的图案部分80a，并将检测信号s输出到信号处理电路50a。传感器头7a包括由用作发光单元的示例的led构成的光源1以及一个光接收单元3。光接收单元3具有与第一实施例中描述的光接收单元31基本上相同的配置。即，在第二实施例中，通过省略光接收单元32来减小传感器头7a的尺寸。
[0149]
光接收单元3在y方向上部署在距光源1的一定距离处。光接收单元3包括光接收元件阵列9。光源1和光接收单元3安装在印刷布线板4上，并由使光透过的透明树脂5密封。使光透过的透明玻璃6部署在树脂5的表面上。根据该配置，光源1和光接收单元3由树脂5和玻璃6保护。
[0150]
信号处理电路50a由例如由ic芯片构成的半导体元件构成。信号处理电路50a安装在例如印刷布线板4的表面上。要注意，信号处理电路50a的位置不限于此，并且信号处理电路50a可以部署在与印刷布线板4上的位置不同的位置处。在图16a中，为了方便描述，信号处理电路50a部署在与印刷线路板4上的位置不同的位置处。信号处理电路50a包括开关电路41和电路部51，开关电路41输出来自光接收元件阵列9的检测信号s1和s2，同时在它们之间进行切换。电路部51的电路配置与第一实施例中描述的电路部511基本上相同。
[0151]
图17是根据第二实施例的标尺2a的说明性示图。图17图示了整个标尺2a以及标尺2a的部分的放大视图。标尺2a包括诸如玻璃之类的基板。通过在基底材料上图案化铬膜来形成图案部分80a。要注意，标尺2a的基板可以是诸如聚碳酸酯之类的树脂或诸如不锈钢之类的金属。另外，只要图案部分80a用作反射膜就足够了，并且图案部分80a可以由例如铝形
成。
[0152]
图案部分80a的图案由光接收元件阵列9读取。图案部分80a包括多个图案行801a作为至少一个第一图案行。另外，图案部分80a包括多个图案行802a作为至少一个第二图案行。
[0153]
图案行801a各自包括用作在x方向上周期性布置的多个第一图案元素的多个图案元素810a。该多个图案元素810a以用作调制周期的预定间距p4在x方向上间隔地布置。该多个图案元素810a各自具有相对于用作在y方向上延伸的第一轴的轴l4对称的形状。
[0154]
图案行802a各自包括用作在x方向上周期性布置的多个第二图案元素的多个图案元素820a。该多个图案元素820a以用作调制周期的预定间距p5在x方向上间隔地布置。该多个图案元素820a各自具有相对于用作在y方向上延伸的第二轴的轴l5不对称的形状。在本实施例中，多个图案元素810a的间距p4不同于多个图案元素820a的间距p5。例如，间距p4是100μm，并且间距p5是200μm。要注意，不同于图案行801a和802a的图案行可以包括在图案部分80a中。
[0155]
在第二实施例中，多个图案行801a和多个图案行802a在y方向上交替地布置。一对图案行801a和图案行802a在y方向上的长度将由y4表示。图案部分80a被配置为使得在y方向上以长度y4的周期重复相同的形状。
[0156]
图18和图19各自是根据第二实施例的光接收元件阵列9的平面图。光接收元件阵列9包括多个(例如，32个)光接收元件90。光接收元件90各自具有在x方向上的50μm的宽度x_pd以及在y方向上的800μm的宽度y_pd。光接收元件阵列9的总宽度x_total是1600μm要注意，在y_pd/y4的值不是整数的情况下，x方向上的相位取决于y方向上的检测位置而变化。因此，y_pd/y4的值优选地是整数，使得y方向上的位置不影响x方向上的检测相位。在图案部分80a中，优选的是，光被反射以入射到光接收元件阵列9上的检测范围的总面积是恒定的，而与y方向上的位置无关。根据这种配置，可以基于针对间距p4和间距p5中的每一个获得的s(a+)、s(b+)、s(a-)和s(b-)之和来控制光源1的输出光量。
[0157]
在第二实施例中，可以通过切换开关电路41来切换检测分辨率。通过切换开关电路41，光接收元件阵列9可以分别输出基于图案行801a的检测信号s1和基于图案行802a的检测信号s2。即，在第二实施例中，电路部51可以通过切换开关电路41来从光接收元件阵列9选择性地获得检测信号s1或检测信号s2。电路部51产生通过从光接收元件阵列9获得的检测信号s1中去除直流分量而获得的两相正弦波信号s1(a)和s1(b)。另外，电路部51产生通过从光接收元件阵列9获得的检测信号s2中去除直流分量而获得的两相正弦波信号s2(a)和s2(b)。要注意，在图案部分80a中包括不同于图案行801a和802a的图案行的情况下，开关电路41可以被配置为在三个或更多个检测分辨率之间可切换。
[0158]
这里，图案行801a的图案是当传感器头7和标尺2a在x方向上彼此相对位移时由传感器头7a检测为x方向上的位移的图案。要注意，图案行801a的图案是当传感器头7a和标尺2a在y方向上彼此相对位移时未被传感器头7a检测为x方向上的位移的图案。
[0159]
另外，图案行802a的图案是当传感器头7a和标尺2a在y方向上彼此相对位移时由传感器头7a检测为x方向上的位移的图案。
[0160]
在第二实施例中，位移计算部680通过使用作为基于来自传感器头7a的检测信号s1和s2的相位信息的正弦波信号s1(a)、s1(b)、s2(a)和s2(b)来获得供扭矩计算部681获得
扭矩值τ的相位φ10。在相位信息当中，正弦波信号s1(a)和s1(b)用作第一信息，并且正弦波信号s2(a)和s2(b)用作第二信息。
[0161]
下文中，由于第二实施例中的图1中图示的用于机器人200的控制方法与第一实施例中描述的图11a中图示的控制方法的流程图基本上相同，因此将省略对其的描述。第二实施例中的扭矩传感器的扭矩检测方法也类似于第一实施例的扭矩检测方法，但是由于执行了由开关电路41进行的切换操作，因此扭矩检测方法在这一点上与第一实施例不同。也就是说，第二实施例中的检测方法与图11b中图示的检测方法基本上相同，但是通过由开关电路41切换来执行步骤s201的处理和步骤s202的处理。具体地说，在步骤s201中，切换电路41被切换至图18中图示的状态，并且在步骤s202中，切换电路41被切换至图19中图示的状态。
[0162]
在步骤s201中，开关电路41被切换至图18中图示的状态，因此多个光接收元件90中的每三个光接收元件彼此电连接，并且电流信号被输入到图10中图示的i-v转换放大器34至37中的一个。结果，检测到间距p4的图案。
[0163]
在步骤s202中，开关电路41被切换至图19中图示的状态，因此多个光接收元件90中的每对相邻的光接收元件彼此电连接，并且电流信号被输入到图10中图示的i-v转换放大器34至37中的一个。这带来的结果是，检测到间距p5的图案。
[0164]
如上所述，通过由开关电路41切换检测分辨率，可以通过使用一个光接收元件阵列9来将基于间距p4的周期图案的检测信号s1和基于间距p5的周期图案的检测信号s2选择性输出到电路部51。
[0165]
如上所述，根据第二实施例，类似于第一实施例，即使在源自减速齿轮431的椭圆变形的变形力被施加到扭矩传感器的情况下，也可以以高精度获得扭矩值τ。即，提高了扭矩值τ的检测精度。由于提高了扭矩值τ的检测精度，因此可以提高机器人200的操作精度。另外，编码器510a的尺寸可以减小，因此扭矩传感器的尺寸和机器人的尺寸也可以减小。
[0166]
要注意，步骤s201和步骤s202的处理的顺序不限于上述顺序，并且步骤s201的处理可以在步骤s202的处理之后执行。另外，图案元素820a各自优选地相对于轴l5不对称，并可以例如具有如同图15中图示的图案元素820的波状形状。
[0167]
第三实施例
[0168]
将描述第三实施例。图20a是用作根据第三实施例的位移检测设备的示例的编码器设备550b的示意图。要注意，在第三实施例中，与第一实施例中基本上相同的元件将用相同的附图标记表示，并且将省略对其的描述。类似于第一实施例，编码器设备550b包括编码器510b、信号处理电路50b以及位移计算部680和存储设备670。
[0169]
在第三实施例中，在图1中图示的机器人系统100中，使用图20a中图示的编码器510b代替图4中图示的扭矩传感器500中的编码器510。下面，将另外参考第一实施例中描述的附图给出描述。
[0170]
编码器510b可以是线性编码器或旋转编码器，但是类似于第一实施例，在第三实施例中也是线性编码器。另外，编码器510b是光干涉型的光学编码器，并且是增量编码器。另外，尽管编码器510b在第三实施例中是反射型，但编码器510b可以是透射型。
[0171]
编码器510b包括标尺2b以及部署在z方向上与标尺2b相对的位置处的传感器头7b。标尺2b包括图案部分80b。图20b是根据第三实施例的传感器头7b的平面图。
[0172]
传感器头7b读取标尺2b的图案部分80b，并将检测信号s2输出到信号处理电路
50b。传感器头7b包括由用作发光单元的示例的led构成的光源1以及一个光接收单元3。光接收单元3具有与第一实施例中描述的光接收单元32基本上相同的配置。即，在第三实施例中，通过省略光接收单元31来减小传感器头7b的尺寸。
[0173]
光接收单元3在y方向上部署在距光源1的一定距离处。光接收单元3包括光接收元件阵列9。光源1和光接收单元3安装在印刷布线板4上，并由使光透过的透明树脂5密封。使光透过的透明玻璃6部署在树脂5的表面上。根据该配置，光源1和光接收单元3由树脂5和玻璃6保护。
[0174]
信号处理电路50b由例如由ic芯片构成的半导体元件构成。信号处理电路50b安装在例如印刷布线板4的表面上。要注意，信号处理电路50b的位置不限于此，并且信号处理电路50b可以部署在与印刷布线板4上的位置不同的位置处。在图20a中，为了方便描述，信号处理电路50b部署在与印刷线路板4上的位置不同的位置处。信号处理电路50b包括从光接收元件阵列9获得检测信号s2并对所获得的信号进行处理的电路部51。电路部51的电路配置与第一实施例中描述的电路部512基本上相同，即，与电路部511基本上相同。
[0175]
图21是根据第三实施例的标尺2b的说明性示图。图21图示了整个标尺2b以及标尺2b的一部分的放大视图。标尺2b包括诸如玻璃之类的基板。通过在基底材料上图案化铬膜来形成图案部分80b。要注意，标尺2b的基板可以是诸如聚碳酸酯之类的树脂或诸如不锈钢之类的金属。另外，只要图案部分80b用作反射膜就足够了，并且图案部分80b可以由例如铝形成。
[0176]
图案部分80b的图案以与第一实施例中描述的标尺轨道82类似的方式配置，并且省略了第一实施例中描述的标尺轨道81。图案部分80b的图案由光接收元件阵列9读取。图案部分80b包括多个图案行802作为至少一个图案行。即，图案部分80b包括以与第一实施例类似的方式配置的多个图案行802，并且不包括第一实施例中描述的图案行801。
[0177]
图案行802各自包括在x方向上周期性布置的多个图案元素820。该多个图案元素820以用作调制周期的预定间距p2在x方向上间隔地布置。该多个图案元素820各自具有相对于在y方向上延伸的轴l2不对称的形状。
[0178]
多个图案行802在y方向上连续布置。每个图案行802在y方向上的长度将由y2表示。在y方向上连续的一行的多个图案元素820构成图案元素组825。在图案元素组825中，相同形状的多个图案元素820以长度y2的周期布置在y方向上。在第三实施例中，多个图案元素组825在x方向上以间距p2等间隔地布置。
[0179]
在每个图案行802中，在x方向上间隔地布置的多个图案元素820各自包括用作第一部分的矩形部分821以及部署在x方向上距部分821偏移的位置处的用作第二部分的矩形部分822。部分822相对于部分821在x方向上的位移量优选地为多个图案元素820当中的两个相邻的图案元素820之间的间距p2的1/6。另外，部分821在y方向上的长度优选地等于部分822在y方向上的长度，即，部分821和822中的每一个在y方向上的长度优选地为y2/2。要注意，图案元素820各自优选地相对于轴l2不对称，并可以例如具有如同图15中图示的变形例的图案元素820的波状形状。
[0180]
图案行802的图案是当传感器头7b和标尺2b在x方向上彼此相对位移时由传感器头7b检测为x方向上的位移的图案。另外，图案行802的图案是当传感器头7b和标尺2b在y方向上彼此相对位移时由传感器头7b检测为x方向上的位移的图案。
[0181]
在第三实施例中，位移计算部680通过使用作为基于来自传感器头7b的检测信号s2的相位信息的正弦波信号s2(a)和s2(b)来获得供扭矩计算部681获得扭矩值τ的相位φ10。
[0182]
下文中，由于第三实施例中图1中图示的用于机器人200的控制方法与第一实施例中描述的图11a中图示的控制方法的流程图基本上相同，因此将省略对其的描述。在第三实施例中，图11a中图示的流程图图示了用于使机器人200实际执行用于制造产品的操作的操作模式。
[0183]
第三实施例中的扭矩传感器的扭矩检测方法不同于第一实施例。机器人200是工业机器人。机器人200用于连续地制造相同的产品，并为此重复相同的操作。因此，在第三实施例中，预先测量校正值并将其存储在存储设备670中。该存储操作在测试运行模式下执行。然后，在机器人200的实际操作期间，即，在操作模式下，通过使用校正值来校正扭矩传感器中包括的编码器设备550b的检测结果。例如通过操作者操作图1中图示的示教器400来执行用作第一模式的操作模式和用作第二模式的测试运行模式的选择。机器人控制设备300执行由操作者选择的模式。
[0184]
图22a是图示了根据第三实施例的机器人系统的预处理的流程图。即，图22a中图示的流程图图示了测试运行模式。在步骤s301b中，机器人控制设备300根据在操作模式下使用的轨迹数据无负载地操作机器人200。此时，与关节j1至j3中的每一个对应的图5a中图示的cpu 651获得与轨迹数据关联的校正值。在步骤s302b中，cpu 651将与轨迹数据关联的校正值存储在图20a中图示的存储设备670中作为表格数据671b。以此方式，预先测量由于减速齿轮143的椭圆变形而引起的检测结果中出现的误差的简档(profile)作为校正值。
[0185]
这里，将详细描述校正值。无负载地操作机器人200是指在机器人200不与人或物体碰撞的状态下旋转关节j1至j3中的每一个的减速齿轮143的波形发生器151。换句话说，该短语是指机器人200不接触人或物体，并且在产品组装期间没有发生物体碰撞，因此不产生扭矩。通常，当操作机器人时，即使当机器人没有与人或物体碰撞时，也由于地球的重力和机器人的操作而产生负载。因此，即使没有发生与人或物体的碰撞，机器人的每个关节中包括的扭矩传感器也取决于机器人的朝向和操作来检测扭矩。因此，需要通过根据机器人的朝向和操作获得轨迹数据来获得校正值。待获得的轨迹数据是波形发生器151的旋转的旋转角度的简档。即，cpu 651根据作为轨迹数据的波形发生器151的旋转角度来获得校正值。另外，该校正值对应于无负载地操作机器人200的情况下由式(6)表示的相位φ10'+φ10”。即，通过无负载地操作机器人200，获得与相位φ12的误差对应的简档作为校正值。通过以这种方式根据机器人的朝向和操作来计算校正值，例如，当本实施例的机器人系统应用于人类协作机器人时，可以精确地检测机器人与人或物体接触的接触力。
[0186]
在制造处理中用于机器人200的控制方法与参考图11a中图示的流程图在第一实施例中描述的控制方法相同，因此将省略对其的描述。如下地检测在图11a的步骤s102中由机器人控制设备300获得的扭矩值τ。图22b是图示了根据第三实施例的扭矩检测方法的示例的流程图。这里，图22b中图示的步骤s201b至s204b是由位移计算部680进行的算术处理，并且步骤s204b是由扭矩计算部681进行的算术处理。
[0187]
在步骤s201b中，位移计算部680从表格数据671b加载校正值。
[0188]
接下来，在步骤s202b中，位移计算部680从图案行802检测作为x方向上的位移量
的相位φ12。即，位移计算部680通过使用来自电路部51的正弦波信号s2(a)和s2(b)，获得标尺2b相对于传感器头7b在x方向上的位移量作为相位φ12。通过上述第一实施例的式(5)获得相位φ12。相位φ12满足上述第一实施例的式(6)。在步骤s201b中加载的校正值对应于式(6)中的误差φ10'+φ10”。
[0189]
因此，在步骤s203b中，位移计算部680通过使用校正值校正相位φ12-即，通过从相位φ12减去校正值来获得相位φ10。
[0190]
步骤s204b的处理与第一实施例中描述的步骤s205的处理基本上相同。即，在步骤s204b中，扭矩计算部681基于分别针对四个编码器510获得的四个相位φ10来获得扭矩值τ。
[0191]
如上所述，根据第三实施例，可以以高精度获得扭矩值τ。即，提高了扭矩值τ的检测精度。由于可以以高精度获得扭矩值τ，因此可以提高机器人的操作精度。另外，编码器510b的尺寸可以减小，因此扭矩传感器500的尺寸和机器人200的尺寸也可以减小。
[0192]
要注意，本发明不限于上述实施例，并可以在本发明的技术构思内以许多方式进行修改。另外，实施例中描述的效果仅仅列举了本发明可以获得的最优选的效果，并且本发明的效果不限于实施例中描述的效果。
[0193]
虽然在上述实施例中已经描述了机械臂201是垂直铰接机械臂的情况，但配置不限于此。例如，诸如水平铰接机械臂、平行链接机械臂和正交机器人之类的各种机械臂可以是机械臂201。
[0194]
另外，虽然在上述实施例中描述了扭矩传感器被部署在减速齿轮的输出侧的情况，但配置不限于此，并且扭矩传感器可以部署在减速齿轮的输入侧。只要扭矩传感器部署在减速齿轮的椭圆变形力被传输到关节或驱动设备中的扭矩传感器的位置就足够了。
[0195]
另外，虽然在上述实施例中描述了编码器是增量编码器的情况，但配置不限于此，并且编码器可以是绝对编码器。
[0196]
另外，虽然在上述实施例中描述了扭矩传感器包括四个编码器的情况，但是配置不限于此。例如，扭矩传感器仅包括一个编码器的情况也是可能的。在这种情况下，当计算扭矩值τ时，不需要对相位τ10求平均的计算。当然，优选的是扭矩传感器包括四个编码器，并且可以通过对由四个编码器检测到的四个相位φ10求平均来减小检测到的相位的误差。
[0197]
另外，尽管在上述实施例中已经描述了减速齿轮是应变波减速齿轮并且应变波减速齿轮的柔性齿轮具有杯形的情况，但配置不限于此。柔性齿轮可以具有与杯形不同的形状，例如，大礼帽形状。
[0198]
另外，虽然已经描述了一个cpu 651实现多个位移计算部680和扭矩计算部681的功能的情况，但配置不限于此，并且这些功能可以由多个cpu实现。
[0199]
如上所述，根据本发明，可以提高检测精度。
[0200]
其他实施例
[0201]
本发明的(一个或多个)实施例还可以通过读出并执行记录在存储介质(也可以被更完整地称为“非瞬态计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能一个或多个电路(例如，专用集成电路(asic))的系统或装置的计算机来实现，以及通过例如从存储介质读出并执行计算机可
执行指令以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能和/或控制一个或多个电路以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个实施例的功能而通过由系统或装置的计算机执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu))，并且可以包括单独计算机或单独处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质提供到计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(cd)、数字多功能盘(dvd)或蓝光盘(bd)
tm
)、闪存设备、存储卡等中的一个或多个。
[0202]
其他实施例
[0203]
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)读出并执行程序的方法。
[0204]
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。