JPH01156632A

JPH01156632A - 多分力センサ

Info

Publication number: JPH01156632A
Application number: JP62315144A
Authority: JP
Inventors: Yoshimichi Kominami; 小南　善道
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1987-12-15
Filing date: 1987-12-15
Publication date: 1989-06-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、多分力センサに係り、特に例えばロボットの
指先部に作用する力やモーメントを同時に検出するのに
好適な力測定装置に関する。

〈従来の技術〉例えば、産業用ロボットにおいては、ロボットの手先の
動作を制御するために、ロボットの指先に作用する力や
モーメントを検出するための力検小装置が必要となる。

産業用ロボットの一例として、第８図に示すように複数
の関節を有するロボットアーム５１の先端につかみ機構
５７により開閉動作するロボット手先部５６が取付けら
れている。このロボットは、ロボット手先部５６で部品
５４をつかみ、基台５２上へ供給された物体５３の内孔
へこの部品５４を挿入する作業を繰り返し実行する。こ
のロボット手先部５６とロボットアーム５１との間には
力検出装置５５が取付けられ、作業中に部品５４と物体
５３との間に作用する力やモーメントを検出し、検出情
報をコンピュータを用いた制御回路へ入力してロボット
の作業状態を修正制御する。

従来の力検出装置としては、例えば特開昭６１−５００
３０号公報に開示されているような複数のＴ塑弾性ビー
ムを用いるものや、特開昭６０−６２４９７号公報に開
示されているような多軸力センサなどが提案されている
。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかしながら、前者の特開昭６１−５００３０号公報に
記載されている検出方法は、構成する弾性ビームが一方
向にのみ反応するのではなく多方向の力に反応するため
に、弾性ビームに接着された歪みゲージの歪み量から直
ちに力の検出を行うことができず、６元１次方程式を解
く形でしか求められないという欠点を有する。

一方、後者の特開昭６０−６２４９７号公報では、機械
構造的に決められた方向以外の力による干渉を防いでい
るので検、出性能は高いと想定されるが、構造が複雑で
機械加工上コストが高くつくことおよび弾性ビームに均
一な歪みを発生させるためには有限長さを必要とするの
で、半径方向に３箇所の弾性部を設けると小型化を図る
ことができず、重量も大きくなるといった欠点を有して
いる。

本発明は、上記のような問題点を解決すべくなされたも
のであって、機械構造的に干渉を受けない構造であって
、かつ製造コストの安い小型で軽量な多分力センサを提
供することを目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉本発明者は、上記問題点を解決すべく鋭意研究した結果
、力を検出する弾性ビームを２層、２分割化するように
すれば、弾性ビームの長さを短くし、かつ検出装置の外
径を小さくすることが可能であることを見出し、この知
見に基づいて本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、測定対象物である２つの剛体の間
に結合され、これら剛体に作用する力やモーメントを検
出する多分力センサであって、前記２つの剛体と連結す
る上下２個の連結部材の間に中間連結部材を介して十字
状の第１と第２の２個の弾性ビームが一体的に構成され
、前記第１の弾性ビームを形成する十字の両側面の長手
方向にそれぞれ２個の歪み検出器が取付けられるととも
に、この十字の一方の直線部分の両端部と前記上部連結
部材とが結合され、さらにこの直線部分と直角をなすも
う一方の直線部分の両端部と前記中間連結部材の一方の
面とが結合され、一方、前記第２の弾性ビームを形成す
る十字の両表面の長手方向にそれぞれ２個の歪み検出器
が取付けられるとともに、この第２の弾性ビームを形成
する十字のそれぞれの端部と前記中間連結部材の他方の
面とが前記第１の弾性ビームと位相を合わせるようにし
て結合されることを特徴とする多分力センサである。

なお、前記十字状の弾性ビームは、ビームの表面または
側面から穴ぐりされて形成された平行ビームとしてもよ
く、また力やモーメントを受けて変形し易い方向と変形
し難い方向とを有する異方性のある矩形断面をもつ単一
ビームとしてもよい。

〈作用〉本発明によれば、中間連結部材を間に介装した２個の十
字状の弾性ビームと上部連結部材とを一体的に構成する
ようにして、歪み検出部を半径方向に２箇所にのみ設け
るようにしたので、弾性ビームの平行ビーム部分の長さ
を短くすることができ、かついずれの方向からの歪みで
あっても正確に検出することが可能である。

〈実施例〉以下に、本発明の実施例について、図面に基づいて詳し
く説明する。

第１図は、本発明に係る多分力センサの（ａ）正面図、
（ｂ）側面図、（Ｃ）平面図、（ｄ）Ａ−Ａ矢視断面図
である。

図において、１は、例えばフランジのような円板状の上
部連結部であって、図示しない一方の剛体例えばロボッ
トの手と連結可能とされる。２は、円板状の中間連結部
材であって、この中間連結部材２と上部連結部１との間
に第１の゛弾性ビーム３が介装され、また、中間連結部
材２の他方の面には第２の弾性ビーム４が取付けられる
。ここで、４ａは、第２の弾性ビーム４の下部中央に突
起して設けられた下部連結部であって、図示しない他方
の剛体例えばロボットの腕と連結可能とされる。

なお、ロボットの腕との接合手段の関係で、この下部連
結部４ａとロボットの腕との間にフランジを介装させて
もよい。

第２図は、第１の弾性ビーム３を示す平面図であり、第
３図は、第２の弾性ビーム４を示す平面図である。

第１の弾性ビーム３は、第２図に示すように、上下左右
対称な４個の平行ビーム５．５’、６゜６′で十字状に
構成され、平行ビーム５．５′のそれぞれの端部に設け
られた取付は穴７．７′と上部連結部材１に設けられた
取付は穴９，９′とによって上部連結部材１に固定結合
され、また平行ビーム６．６′のそれぞれの端部に設け
られた取付は六８．８′と中間連結部材２に設けられた
取付は穴１０．１０”とによって中間連結部材２に固定
結合される。

また、これら平行ビーム５．５’、６．６’の表面の中
央部には、それぞれ穴ぐり部１１．１１’　。

１２、１２’がその直角方向に貫通して設けられ、検出
しようとする方向の力やモーメントに対して変形しやす
いように構成される。そして、これら穴ぐり部１１．１
１’　、　１２．１２’に対応する平行ビーム５．５’
、６．６’の左右両側面には、長手方向にそれぞれ２個
ずつの例えばストレンゲージなどの歪み検出器２０〜３
５が接着される。

一方、第２の弾性ビーム４は、第３図に示すように、第
１の弾性ビーム３と同様な上下左右対称な４個の平行ビ
ーム１３．１３’　、　１４．１４’で十字状に構成さ
れ、平行ビーム１３．１３’　、　１４．１４’のそれ
ぞれの端部に設けられた取付は穴１５．１５’　、１６
゜１６′と中間連結部材２に設けられた取付は穴１７゜
１７’　、　１０．１０’とによって中間連結部材２に
固定結合される。

また、これらの平行ビーム１３．１３’　、　１４．１
４’の側面の中央部には、それぞれ穴ぐり部１８．１Ｂ
’　。

１９、１９’がその直角方向に貫通して設けられ、さら
にこれら穴ぐり部１Ｂ、　１８’　、　１９．１９’に
対応する平行ビーム１３．１３’　、　１４．１４’の
上下両表面には、第１の弾性ビームと同様に長手方向に
それぞれ２個ずつの例えばストレンゲージなどの歪み検
出器３６〜５１が接着される。

上記のように多分力センサを構成することによって、上
部連結部材１に作用する力やモーメントは、上部連結部
材１→第１の弾性ビーム３→中間連結部材２→第２の弾
性ビーム４→下部連結部材４ａへと伝わるのである。

つぎに、作用する力やモーメントを検出する歪み検出器
による測定の回路構成について、第４図を用いて説明す
る。

Ｘ軸方向の力（Ｆ、）；第４図（ａ）に示す−ように、
歪み検出器２５．２７．３２．３４でホイートストンブ
リッジ回路を構成する。

ｙ軸方向の力（Ｆア）；第４図Φ）に示すように、歪み
検出器２１．２３．２８．３０でホイートストンブリッ
ジ回路を構成する。

Ｚ軸方向の力（Ｆ、）；第４図（Ｃ）に示すように、歪
み検出器３７．３９．４１．４３．４４．４６．４８．
５０でホイートストンブリッジ回路を構成する。

Ｘ軸方向のモーメント（Ｍ、）ｉ第４図（ｄ）に示すよ
うに、歪み検出器４０．４２．４９．５１でホイートス
トンブリッジ回路を構成する。

ｙ軸方向のモーメント（Ｍｙ）；第４図（ｅ）に示すよ
うに、歪み検出器３６．３８．４５．４７でホイートス
トンブリッジ回路を構成する。

Ｚ軸方向のモーメント（Ｍ、）；第４図（ｆ）に示すよ
うに、歪み検出器２０．２２．２４．２６．２９．３１
゜３３、３５でホイートストンブリッジ回路を構成する
。

ここで、検出する方向の力やモーメントが、他の方向の
力やモーメントの干渉を受けない理由について、第４図
（Ｃ）の２軸方向に作用する力Ｆ、の場合を例に説明す
る。

Ｘ軸方向の力Ｆ８作用時；歪み検出器３７．３９と４４
、４６とは絶対値の等しい圧縮歪みおよび引張り歪みを
発生し、他の歪み検出器４１．４３．４８．５０は平行
ビーム１６．１６’の中立軸上であるから歪みを発生し
ないので、第４図（Ｃ）のホイートストンブリッジ回路
から出力は発生しない。

ｙ軸方向の力Ｆ、作用時；Ｘ軸方向の力Ｆヨと直角方向
の力であるので、Ｆ、作用時と同様に第４図（Ｃ）のホ
イートストンブリッジ回路の出力としては発生しない。

Ｘ軸方向のモーメントＭ、作用時；歪み検出器４１、５
１と４３．４９とは絶対値の等しい圧縮曲げ歪みおよび
引張り曲げ歪みを発生し、他の歪み検出器３７、３９．
４４．４６には微小な捩じり歪みを発生するが、第４図
（Ｃ）のホイートストンブリッジ回路から出力は発生し
ない。

ｙ軸方向のモーメントＭｙ作用時；Ｘ軸方向のモーメン
トＭ８と直角方向のモーメントであるので、Ｍ、作用時
と同様にホイートストンブリッジ回路からの出力として
は発生しない。

ｙ軸方向のモーメントＭ、１作用時；歪み検出器はすべ
て平行ビーム１３．１３’　、　１４．１４’の中立軸
上であるから、曲げ歪みを発生しない。

上記の説明から明らかなように、Ｚ軸方向に作用する力
Ｆヨを検出する場合は、検出しようとするＺ軸方向の力
のみに感知し、他の方向の力やモーメントの影響を受け
ずに検出することができるのである。

このように、本発明の多分力センサを用いることにより
、他の方向の力やモーメントの干渉を受けずに検出しよ
うとする方向の力やモーメントのみを高精度で測定する
ことが可能である。

なお、本発明は、産業用ロボットへの適用のみに限らず
、工作機械などの工具に作用する力やモーメントの測定
にも用いることが可能であることはいうまでもない。

第５図は、本発明に係る多分力センサの他の実施例を示
す（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。

第１の弾性ビーム３Ａは、第６図に詳しく示すように単
一ビーム５ａ、５ａ’　、６ａ、６ａ’で構成され、ま
た、第２の弾性ビーム４Ａは、第７図に詳しく示すよう
に単一ビーム１３ａ　、　１３ａ　’　。

１４ａ、１４ａ’で構成される。このように弾性ビーム
を構成すれば、第１の弾性ビーム３Ａにおいては、Ｘ軸
およびｙ軸方向から作用する力やモーメントに対して鋭
敏に変形するが、ｙ軸方向からの力やモーメントに対し
ては変形し難く、また第２の弾性ビーム４Ａにおいては
、Ｚ軸方向に対して鋭敏に変形するが、Ｘ軸およびｙ軸
方向に対しては変形し難いのである。さらに、このよう
な形状は、機械加工が容易である。なお、歪み検出器の
接着１組立は、前記した手法と同様である。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明によれば、中間板状部材を
間に介装した２Ｎの十字状の弾性ビームと上部連結部材
とを一体的に構成するようにしたので、いずれの方向か
らの力やモーメントであっても正確に検出することがで
き、かつ小型化、軽量化を実現することが可能であり、
さらに機械加工費の低廉化を図ることが可能である。し
たがって、今後におけるロボットの知能化の促進に貢献
することが大いに期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る多分力センサの（ａ）正面図、
（ロ）側面図、（Ｃ）平面図、（ｄ）Ａ−Ａ矢視断面図
、第２図は、第１の弾性ビームを示す（ａ）平面図、　
（ｂ）側面図、第３図は、第２の弾性ビームを示す（ａ
）平面図、（ロ）側面図、第４図は、歪み検出器の構成
を示す回路図、第５図は、本発明に係る多分力センサの
他の実施例を示す（ａ）正面図、し）側面図、第６図は
、第１の弾性ビームの他の実施例を示す（ａ）平面図、
（ハ）側面図、第７図は、第２の弾性ビームの他の実施
例を示す（ａ）平面図、Ｑ））側面図、第８図は、産業
用ロボットの一例を示す正面図である。１・・・上部連結部材、　　　２・・・中間連結部材。３・・・第１の弾性ビーム、４・・・第１の弾性ビーム
。４ａ・・・下部連結部材。５、　６．１３．１４・・・平行ビーム。？、　　８．　９．１０．１５．１６．１７・・・取付
は穴。１１、１２．１８．１９・・・穴ぐり部。２０〜５１・・・歪み検出器。特許出願人　　　川崎製鉄株式会社第１図Ｃσノ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（
ｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｄ
）　　、。第２図第３図第４図（ａ）　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　　　
　　　　（ｃ）（’ｄ）　　　　　　　　　（ｅ）　　
　　　　　　　　　　　　（ｆ）第５図第６図第７図ｒ０ノ　　　１６ａａ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定対象物である２つの剛体の間に結合され、こ
れら剛体に作用する力やモーメントを検出する多分力セ
ンサであって、前記２つの剛体と連結する上下２個の連
結部材の間に中間連結部材を介して十字状の第１と第２
の２個の弾性ビームが一体的に構成され、前記第１の弾
性ビームを形成する十字の両側面の長手方向にそれぞれ
２個の歪み検出器が取付けられるとともに、この十字の
一方の直線部分の両端部と前記上部連結部材とが結合さ
れ、さらにこの直線部分と直角をなすもう一方の直線部
分の両端部と前記中間連結部材の一方の面とが結合され
、一方、前記第２の弾性ビームを形成する十字の両表面
の長手方向にそれぞれ２個の歪み検出器が取付けられる
とともに、この第２の弾性ビームを形成する十字のそれ
ぞれの端部と前記中間連結部材の他方の面とが前記第１
の弾性ビームと位相を合わせるようにして結合されるこ
とを特徴とする多分力センサ。
（２）前記十字状の弾性ビームは、ビームの表面または
側面から穴ぐりされて形成された平行ビームであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多分力センサ
。
（３）前記十字状の弾性ビームは、力やモーメントを受
けて変形し易い方向と変形し難い方向とを有する異方性
のある矩形断面をもつ単一ビームであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の多分力センサ。