JPH09131690A - ６軸荷重検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】６軸荷重を正確かつ広範囲に亘って検出できる
６軸荷重検出装置を提供すること。 【解決手段】複数のアクチュエータ（３１〜３６）の協
動により所定の可動板２の位置・姿勢を制御する６軸荷
重検出装置であり、前記各アクチュエータ（３１〜３
６）の一端に結合される固定板１と、前記各アクチュエ
ータ（３１〜３６）の他端に結合され、前記固定板１に
対して６自由度の位置・姿勢の変化が可能なように取付
けられた可動板２と、前記各アクチュエータ（３１〜３
６）のストロークを検出する複数の変位検出手段と、前
記固定板１に対する前記可動板２の位置・姿勢を所定の
状態に保つため、前記各変位検出手段で検出されたスト
ロークに基づき前記各アクチュエータ（３１〜３６）の
ストロークを制御する制御手段（５）とを具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアームの荷重
検出器に代表され、また工作機械の切削荷重の検出、重
量物の重心位置の割出し、玉掛け作業における重心位置
の表示装置等にも適用される６軸荷重検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来のこの種の６軸荷重検出装
置の一例を示す図である。この荷重検出装置の内部には
荷重検出部が内蔵されており、６軸荷重が作用すると予
め決められた弾性変形が発生するように形状、剛性が設
計されている。そして、前記荷重検出部の弾性変形発生
部分には歪ゲージが貼り付けられており、６軸荷重作用
時の弾性変形を検出できるようになっている。

【０００３】図５に示す荷重検出部は、３組の平行平板
型荷重検出部を組み合わせたものであり、平行平板ＰＦ
x ５０１の変形を利用して並進荷重Ｆx ，モーメント荷
重Ｍz を、平行平板ＰＦy ５０２により並進荷重Ｆy
を、平行平板ＰＦz ５０３により並進荷重Ｆz ，モーメ
ント荷重Ｍx ，Ｍy を検出する。すなわち、６軸荷重Ｆ
＝｛Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ，Ｍx ，Ｍy ，Ｍz ｝^T と荷重検
出部に生じる歪ε＝｛ε1 ，ε2 ，ε3 ，ε4 ，ε5 ，
ε6 ｝^T との関係は次式（１）で表される。なお、ｘ，
ｙ，ｚはそれぞれ直交座標系の座標軸、Ｆはそれぞれ添
字で示される座標軸に沿った並進荷重、Ｍはそれぞれ添
字で示される座標軸まわりのモーメント荷重を表す。

【０００４】 ε＝Ｋ・Ｆ …（１） 式（１）において、Ｋは並進荷重Ｆと歪εとの関係を記
述する６×６の行列である。したがって、上式（１）の
両辺にＫの逆行列Ｋ^-1を掛けることで次式（２）が得ら
れる。

【０００５】 Ｆ＝Ｋ^-1・ε …（２） すなわち、Ｋ^-1が既知であれば、上記荷重検出部の弾性
変形発生部分に発生する歪を検出することで、当該６軸
荷重検出装置に作用する６軸荷重が検出可能になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな従来の６軸荷重の検出方法によれば、検出誤差を抑
えて検出精度を上げるためには、各軸力間の相互干渉を
抑える必要がある（例えば、任意の１軸に並進荷重が作
用した際に、残りの荷重軸の検出部に歪が生じないよう
にする）。すなわち、上記行列Ｋ^-1が対角行列になるよ
うに上記荷重検出部の剛性を設計する必要がある。

【０００７】しかしながら、実際には行列Ｋ^-1が対角行
列になるように設計することは、各々の歪検出部におい
て発生する歪が互いに干渉するため困難であり、検出精
度を上げる上で限界があった。また行列Ｋ^-1を求めて
も、作用する荷重と発生する歪との間に線形性が成立す
る範囲でしか上式（２）の関係が成立しないため、この
範囲をはずれた領域では誤差が大きくなるという技術上
の問題があった。本発明の目的は、６軸荷重を正確かつ
広範囲に亘って検出できる６軸荷重検出装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の６軸荷重検出装置は以下の如
く構成されている。 （１）本発明の６軸荷重検出装置は、複数のアクチュエ
ータの協動により所定の可動板の位置・姿勢を制御する
６軸荷重検出装置であり、前記各アクチュエータの一端
に結合される固定板と、前記各アクチュエータの他端に
結合され、前記固定板に対して６自由度の位置・姿勢の
変化が可能なように取付けられた可動板と、前記各アク
チュエータのストロークを検出する複数の変位検出手段
と、前記固定板に対する前記可動板の位置・姿勢を所定
の状態に保つため、前記各変位検出手段で検出されたス
トロークに基づき前記各アクチュエータのストロークを
制御する制御手段と、から構成されている。 （２）本発明の６軸荷重検出装置は上記（１）に記載の
装置であって、かつ前記各アクチュエータで発生する圧
縮荷重または引張り荷重を検出する複数の荷重検出手段
を備えている。

【０００９】上記手段を講じた結果、それぞれ次のよう
な作用が生じる。 （１）本発明の６軸荷重検出装置によれば、固定板に対
する可動板の位置・姿勢を所定の状態に保つため、複数
の変位検出手段で検出された複数のアクチュエータのス
トロークに基づき前記各アクチュエータのストロークを
制御するので、検出部材の弾性変形を利用した従来の検
出方法では各軸間の相互干渉のため正確に検出できなか
った６軸荷重を、前記可動板の位置・姿勢制御を行ない
前記各軸力間の相互干渉の影響を抑えることで、より正
確に、かつより広範囲に亘って検出できる。したがっ
て、産業に大きく貢献する。 （２）本発明の６軸荷重検出装置によれば、各アクチュ
エータで発生する圧縮荷重または引張り荷重を検出する
ので、前記各アクチュエータにおける推力を検出でき、
荷重検出点における６軸荷重が検出可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る６軸荷重検出装置の構成を示す図であり、この
６軸荷重検出装置はロボットの荷重検出器に適用されて
いる。

【００１１】図１において１００は当該ロボットのアー
ムの先端部であり、この先端部１００に当該６軸荷重検
出装置の固定板１が設置されている。さらに固定板１に
対向する可動板（エンドエフェクタ）２側の既知の位置
に当該ロボットのグリッパ１０１が設置されている。そ
して、グリッパ１０１に作用する６軸荷重を当該荷重検
出器で検出するようにしている。

【００１２】また、３１〜３６は各々直動アクチュエー
タであり、これら直動アクチュエータ３１〜３６には空
圧シリンダが使用されている。なお、各直動アクチュエ
ータ３１〜３６には、ストロークを検出する図示しない
変位計が内蔵されている。これら変位計には磁歪式スト
ロークセンサが使用されている。そして前記各変位計に
より各直動アクチュエータ３１〜３６のストロークが検
出される。

【００１３】前記変位計からの出力は、サーボアンプ４
に帰還信号Ｓ１としてフィードバックされる。一方サー
ボアンプ４には、コントローラ５からのストローク指令
値が指令値Ｓ２として入力される。この指令値Ｓ２と帰
還信号Ｓ１との偏差に基づきサーボ弁６のスプール開度
を制御することで、前記空圧シリンダのストロークが所
要の値に制御される。

【００１４】またコントローラ５では、前記各空圧シリ
ンダの押し側並びに引き側に設けた各圧力計７１，７２
からの指示値と直動アクチュエータ３１〜３６の受圧面
積との積から荷重を求める。そしてコントローラ５は、
求めた押し側荷重と引き側荷重との差から、各直動アク
チュエータ３１〜３６で発生する圧縮あるいは引張り荷
重を検出する。なお、各直動アクチュエータ３１〜３６
と可動板２および固定板１とは、各々球面軸受８を介し
て接続されている。これにより、各直動アクチュエータ
３１〜３６には曲げ荷重を作用させず、引張り荷重およ
び圧縮荷重のみが作用するよう設計されている。

【００１５】なお図１では、便宜上、サーボアンプ４、
サーボ弁６、および圧力計７１，７２と直動アクチュエ
ータ３１とに係る接続状態のみが示されているが、他の
各直動アクチュエータ３２〜３６にも図１に示した直動
アクチュエータ３１に係る接続状態と同様、それぞれ図
示しない専属のサーボアンプ、サーボ弁、および圧力計
が接続されている。そして、複数のサーボアンプおよび
圧力計は各々コントローラ５に接続されている。

【００１６】本第１の実施の形態では上述したような構
成をなす荷重検出器において、複数の直動アクチュエー
タ３１〜３６の協調動作により可動板２を所定の位置・
姿勢に保持させる。これにより、予め決められた可動板
２上の所定の点に作用する６軸荷重、すなわち直行座標
系の座標軸に沿った並進３軸およびこれら座標軸まわり
の回転３軸の計６軸を、以下に示す方法で検出する。

【００１７】なお、可動板２上の所定の点（荷重検出
点）に作用する荷重（並進荷重およびモーメント荷重）
Ｆout を次式（３）で定義する。 Ｆout ＝｛Ｆx ，Ｆy ，Ｆz ，Ｍx ，Ｍy ，Ｍz ｝^T …（３） ここで、Ｆx ，Ｆy ，Ｆz は、それぞれｘ軸，ｙ軸，ｚ
軸方向の並進荷重を表し、Ｍx ，Ｍy ，Ｍz は、それぞ
れｘ軸，ｙ軸，ｚ軸まわりのモーメント荷重を表してい
る。また、添字Ｔは転置を表している。

【００１８】また、各直動アクチュエータ３１〜３６で
発生する推力ベクトルＦinp を次式（４）で定義する。 Ｆinp ＝｛Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 ，Ｆ4 ，Ｆ5 ，Ｆ6 ｝^T …（４） ここで、Ｆi （ｉ＝１、２、３、４、５、６）は、６個
のうちｉ番目の直動アクチュエータが発生する推力を表
している。例えば、Ｆi のｘ，ｙ，ｚ各座標軸成分をそ
れぞれＦxi，Ｆyi，Ｆzi、また同様にＭi のｘ，ｙ，ｚ
各座標軸成分をそれぞれＭxi，Ｍyi，Ｍziとすれば、以
下の関係を得ることになる。

【００１９】

【数１】

【００２０】

【数２】

【００２１】

【数３】

【００２２】

【数４】

【００２３】

【数５】

【００２４】

【数６】 ここで、Ｆxi，Ｆyi，Ｆziは、各直動アクチュエータ３
１〜３６の可動板２側の取付けピッチ円、各直動アクチ
ュエータ３１〜３６の固定板１側の取付けピッチ円、可
動板２と固定板１との間隔等から求められるパラレルメ
カニズムの幾何学形状により決定される。

【００２５】前述したような点を考慮し、上記式（５）
〜（１０）を書き換えＦout とＦinp の関係を表すと、
次式（１１）のようになる。 Ｆout ＝ＪＦ×Ｆinp …（１１） 上式（１１）において、ＪＦはＦout とＦinp の関係を
記述した６×６の行列であり、固定板１上に設置される
基準座標系に対する荷重検出点の相対的な位置・姿勢の
関数で表される。ここで、固定板１上に設置される基準
座標系に対する荷重検出点の相対的な位置・姿勢は、一
定の拘束条件の下では直動アクチュエータ３１〜３６の
ストロークにより決まる。そのため上記式（１１）の変
化行列ＪＦは、直動アクチュエータ３１〜３６のストロ
ークの関数になる。

【００２６】したがって、上記式（１１）において、変
化行列ＪＦと各直動アクチュエータ３１〜３６で発生す
る推力ベクトルＦinp が分かれば、荷重検出点における
６軸荷重が分かる。このためには、変換行列ＪＦが既知
の値になるよう、各直動アクチュエータ３１〜３６のス
トロークを制御でき、かつ各直動アクチュエータ３１〜
３６で発生する推力ベクトルＦinp を検出可能とする必
要がある。これらの問題は、上述したような構成をなす
６軸荷重検出装置により解決できる。

【００２７】上記６軸荷重検出装置において計測中に
は、可動板２が固定板１に対して一定の位置・姿勢を保
持するよう各空圧シリンダのストロークをフィードバッ
ク制御し、各直動アクチュエータ３１〜３６に作用する
荷重をコントローラ５が上述した圧力計７１，７２の指
示値から求める。そして上記式（１１）からグリッパ１
０１に作用する６軸荷重を検出することになる。

【００２８】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２の実施の形態に係る６軸荷重検出装置の構成を示す図
であり、この６軸荷重検出装置は工作機械の荷重検出器
に適用されている。なお、図２において図１と同一な部
分には同一符号を付してある。

【００２９】図２において２００は当該工作機械のバイ
ト台であり、このバイト台２００に当該６軸荷重検出装
置の固定板１が設置されている。さらに固定板１に対向
する可動板２側の既知の位置に当該工作機械のチャック
２０１を介してバイト２０２が設置されている。そし
て、バイト２０２がワーク（被加工物）２０３から受け
る６軸荷重を当該荷重検出器で検出するようにしてい
る。

【００３０】また、３１〜３６は各々直動アクチュエー
タであり、これら直動アクチュエータ３１〜３６には空
圧シリンダが使用されている。なお、各直動アクチュエ
ータ３１〜３６には、ストロークを検出する変位計が内
蔵されている。これら変位計には磁歪式ストロークセン
サが使用されている。そして前記各変位計により各直動
アクチュエータ３１〜３６のストロークが検出される。

【００３１】前記変位計からの出力は、サーボアンプ４
に帰還信号Ｓ１としてフィードバックされる。一方サー
ボアンプ４には、コントローラ５からのストローク指令
値が指令値Ｓ２として入力される。この指令値Ｓ２と帰
還信号Ｓ１との偏差に基づきサーボ弁６のスプール開度
を制御することで、前記空圧シリンダのストロークが所
要の値に制御される。

【００３２】また、本第２の実施の形態では、前記各空
圧シリンダのピストンロッドの先端に荷重計９が設置さ
れており、この荷重計９により、各直動アクチュエータ
３１〜３６に作用する圧縮あるいは引張り荷重を検出す
る。

【００３３】なお、第１の実施の形態同様、直動アクチ
ュエータ３１〜３６と可動板２および固定板１とは、各
々球面軸受８を介して接続されており、各直動アクチュ
エータ３１〜３６には曲げ荷重を作用させず、引張り荷
重および圧縮荷重のみが作用するよう設計されている。

【００３４】なお図２では、便宜上、サーボアンプ４お
よびサーボ弁６と直動アクチュエータ３１とに係る接続
状態のみが示されているが、他の各直動アクチュエータ
３２〜３６にも図２に示した直動アクチュエータ３１に
係る接続状態と同様、それぞれ図示しない専属のサーボ
アンプおよびサーボ弁が接続されている。そして、複数
のサーボアンプは各々コントローラ５に接続されてい
る。

【００３５】上記６軸荷重検出装置において計測中に
は、可動板２が固定板１に対して一定の位置・姿勢を保
持するよう各シリンダのストロークをフィードバック制
御し、各直動アクチュエータ３１〜３６に作用する荷重
を求める。そしてその荷重と上記式（１１）とから、バ
イト２０２がワーク２０３から受ける６軸荷重を検出す
ることになる。

【００３６】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３の実施の形態に係る６軸荷重検出装置の構成を示す図
であり、この６軸荷重検出装置は重量物の重量測定器に
適用されている。なお、図３において図１および図２と
同一な部分には同一符号を付してある。

【００３７】本第３の実施の形態では、各直動アクチュ
エータ３１〜３６に発生力の大きな油圧シリンダを使用
していることを除けば、基本的な構成、６軸荷重の検出
原理は上記第１の実施の形態と同様である。

【００３８】すなわち、各直動アクチュエータ３１〜３
６のストロークを磁歪式ストロークセンサで検出し、こ
れをサーボアンプ４へフィードバックして、サーボ弁６
のスプール開度を制御する。これにより、固定板１に対
して可動板２が常に平行になるように各直動アクチュエ
ータ３１〜３６のストロークを制御する。そしてコント
ローラ５は、このときに各直動アクチュエータ３１〜３
６に作用する引張り、圧縮荷重を圧力計７１，７２の指
示値と直動アクチュエータ（油圧シリンダー）３１〜３
６の受圧面積との積から検出し、式（１１）から６軸荷
重を求める。

【００３９】なお、式（１１）から求められる６軸荷重
のうち、可動板２に載置されている非測定物３００の重
力方向（ｚ軸とする）の荷重に着目すれば、ｘｙ平面す
なわち水平面上における重心Ｇの座標｛ｘG ，ｙG ｝は
次式（１２）、（１３）により求められる。

【００４０】

【数７】

【００４１】

【数８】

【００４２】ここで、｛ｘi ，ｙi ｝（ｉ＝１、２、
３、４、５、６）は、各直動アクチュエータ３１〜３６
と可動板２との幾何学上の接点の座標（基準座標表記）
を表す。なお、上記では説明を簡単にするため、可動板
２を固定板１に対し水平に保った状態を仮定した。以上
により本第３の実施の形態では、重量物に作用する６軸
荷重だけでなく、その重心の座標も割り出すことが可能
になる。

【００４３】（第４の実施の形態）図４は、本発明の第
４の実施の形態に係る６軸荷重検出装置の構成を示す図
であり、この６軸荷重検出装置は玉掛け作業支援用の重
心位置指示器に適用されている。なお、図４において図
１〜図３と同一な部分には同一符号を付してある。

【００４４】本第４の実施の形態では、固定板１は図示
しない巻き上げ機に、該巻き上げ機から吊り下げられた
ワイヤ４０１およびワイヤ結合部４０２を介して強固に
結合されている。なお、可動板２には円状の穴が開けら
れており、ワイヤ結合部４０２は可動板２に接触するこ
となく前記穴を貫通している。また可動板２は、柱４０
５，４０６を介して下部指示板４０３と強固に結合され
ており、さらに下部指示板４０３は図示しない吊り荷を
吊り下げるフック４０４と強固に結合されている。な
お、矢印Ａは重力の作用方向を表している。

【００４５】ここで、固定板１はその表面１１がワイヤ
４０１の中心線に対して垂直になるよう取り付けられて
いる。そして、可動板２が固定板１に対して常に平行に
なるよう、各直動アクチュエータ３１〜３６のストロー
クを上記第３の実施の形態の場合と同様に制御する。こ
のとき、各直動アクチュエータ３１〜３６に発生する引
張り、圧縮荷重を各直動アクチュエータ３１〜３６の先
端に設置されている荷重計９で検出する。

【００４６】また一方で、前記吊り荷の重心の座標を、
上記式（１１）〜（１３）に基づきコントローラ５で計
算する。その計算結果すなわち前記吊り荷の重心の座標
は重心位置指示器１０に表示され、作業者に伝達され
る。これにより作業者は、指示器１０に表示された指示
を参考にしながら、前記吊り荷の重心位置の真上に玉掛
けの中心が来るよう玉掛け作業を行なうことができる。

【００４７】なお、本発明は上記各実施の形態に限定さ
れず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施でき
る。 （変形例） (1) 上記各実施の形態においてアクチュエータユニット
に使用する直動アクチュエータは、荷重の大きさや使用
環境等に応じて、油圧シリンダ、空圧シリンダ、水圧シ
リンダ、電動モータ等を自由に選択し適用できる。ま
た、直動アクチュエータは、前記電動モータとボールネ
ジとの直結、あるいは減速機を介した前記電動モータと
ボールネジとの結合など構成を適切に選択できる。 (2) アクチュエータで発生する圧縮または引張り荷重を
検出する手段には、荷重計に限らず歪ゲージ等も適用で
きる。

【００４８】（実施の形態のまとめ）上記各実施の形態
では、コントローラ５が固定板１に対する可動板２の位
置・姿勢を所定値に保つため、各直動アクチュエータ３
１〜３６の所要ストロークを計算し、各サーボアンプ４
に出力している。その一方、各アクチュエータユニット
には、直動アクチュエータ３１〜３６のストロークを検
出する変位計が備えられており、コントローラ５からの
ストローク指令信号Ｓ２をサーボアンプ４への指令値と
するとともに、前記変位計からの変位信号をサーボアン
プ４への帰還信号Ｓ１としたフィードバックループを構
成することで、６本の直動アクチュエータ３１〜３６の
ストロークを所定の値に制御することを可能としてい
る。

【００４９】また、直動アクチュエータ３１〜３６で発
生する圧縮、引張り荷重を検出するため、各アクチュエ
ータユニットには荷重計９が備えられており、これによ
り各直動アクチュエータ３１〜３６における推力が検出
可能になる。このような本発明の構成要素による作用に
より、荷重検出点における６軸荷重の検出が可能にな
る。

【００５０】また、固定板１に対する可動板２の位置・
姿勢を常に一定に保つため、作用する荷重が直動アクチ
ュエータ３１〜３６の推力以下の値である限り、上記式
（１１）の関係が常に成立する。したがって、作用する
荷重が大きくなっても検出誤差が増加することはない。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、６軸荷重を正確かつ広
範囲に亘って検出できる６軸荷重検出装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る６軸荷重検出
装置の構成を示す図。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る６軸荷重検出
装置の構成を示す図。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る６軸荷重検出
装置の構成を示す図。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る６軸荷重検出
装置の構成を示す図。

【図５】従来の６軸荷重検出器の一例を示す図。

【符号の説明】

１…固定板 ２…可動板 ３１〜３６…直動アクチュエータ ４…サーボアンプ ５…コントローラ ６…サーボ弁 ７１…圧力計 ７２…圧力計 ８…球面軸受 ９…荷重計 １０…重心位置指示器 １００…アームの先端部 １０１…グリッパ ２００…バイト台 ２０１…チャック ２０２…バイト ２０３…ワーク ３００…非測定物 ４０１…ワイヤ ４０２…ワイヤ結合部 ４０３…下部指示板 ４０４…フック ４０５…柱 ４０６…柱 Ｓ１…帰還信号 Ｓ２…指令値 ５０１…平行平板ＰＦx ５０２…平行平板ＰＦy ５０３…平行平板ＰＦｚ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のアクチュエータの協動により所定の
   可動板の位置・姿勢を制御する６軸荷重検出装置であ
   り、 前記各アクチュエータの一端に結合される固定板と、 前記各アクチュエータの他端に結合され、前記固定板に
   対して６自由度の位置・姿勢の変化が可能なように取付
   けられた可動板と、 前記各アクチュエータのストロークを検出する複数の変
   位検出手段と、 前記固定板に対する前記可動板の位置・姿勢を所定の状
   態に保つため、前記各変位検出手段で検出されたストロ
   ークに基づき前記各アクチュエータのストロークを制御
   する制御手段と、 を具備したことを特徴とする６軸荷重検出装置。
2. 【請求項２】前記各アクチュエータで発生する圧縮荷重
   または引張り荷重を検出する複数の荷重検出手段を備え
   たことを特徴とする請求項１に記載の６軸荷重検出装
   置。