JPS61265294A - 能動型力検出装置 - Google Patents

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】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段（矛１図）作用 実施例 （α）一実施例の全体構成の説明（３−２図、矛３図） （ｈ）６自由度アクチェエータの説明（矛４図。

オ５図、矛６図） （Ｃ）能動型力検出装置の動作の説明（矛７図。

矛８図、矛９図） （ｄ）力センサ部の他の実施例の説明（矛ｉｏ図）＜１
）他の実施例の説明 発明の効果 〔概要〕 変位部材で構成された６自由度力センサ部の変位置性を
可変としうる能動型力検出装置において。

力センサ部の変位検出信号に応じて力センサの可動部を
直接駆動する６自由度アクチーエータを力センサ部に接
続することによって、力センサ部の６軸方向の動特性（
振動特性等）を制御するようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ロボット等における外力検出動作を行なうた
めの力センサ部に力センサ部の動特性を可変とするアク
チュエータを設けた能動型力検出装置に関し、特に外力
に対する６軸の動特性を制御することのできる能動的力
検出装置に関する。

産業用ロボットの出現によ〕作業の自動化が進み、その
作業内容も高精度、高速度化の一途をたどっている。こ
れに従い、ロボットの位置決め精度を向上させなければ
ならない。しかし、ロボットの精度を向上させるだけで
は高精度組立は困難な場合が多い。例えば９組立作業で
は組立対象物間の相対位置関係が重要であるため、絶対
位置よ）はこの相対位置を高精度に位置決めする必要が
ある。特に数μｍのオーダーの嵌合作業においてはこの
ような高精度の相対位置の位置決めの問題を考慮しなけ
ればならない。このために、各種の感覚を持たせ、外力
適応動作を行って、高精度な作業を行なうものが種々提
案されている。

〔従来の技術〕

例えば、矛１１図に示す直交３軸ロボットにおいては、
ペースｌＶｃアーム２が、アーム２にアーム３が設けら
れ、ペースＩＶｃ対してアーム２がＡ方向（Ｘ軸方向）
に移動し、アーム３がアーム２に対してＢ方向（Ｚ軸方
向）に移動し、更にアーム３がＣ方向（Ｙ方向）に移動
し、従って、アーム３の先端に設けられたハンド４は３
次元の位置決めが行なわれる。アーム３とハンド４との
間には板バネやコイルバネ等の変位可能な弾性部材（以
下コンプライアンス機構という）５が設けられ。

ハンド４をアーム３に対し変位可能に構成している。例
えば、ハンド４が物品６ｔ−把持し９部材７のテーパ面
８αを有する穴８にはめ合わせる作業においては、ハン
ド４．即ち物品６と部材７の穴８との相対位置ずれがあ
っても、はめ合せ時にコンプライアンス機構５が物品６
が部材７の穴８゜テーパ面８αよシ与えられる力によっ
て変位し。

円滑なはめ合せを可能としている。即ち、ハンド４にコ
ンプライアンス機構５によって手首の動作を可能とする
ものである。

しかしながら、コンプライアンス機構５の位置ずれ吸収
能力は、コンプライアンス機構５の変位特性に依存し、
変位特性（コンプライアンス）が大きいと、見かけ上柔
かい動作を行なうことから。

はめ合いの位置ずれを吸収し易く、−万、ノ・ンド４の
移動の際の始動、停止時に大きな振動が生じ異〈、逆に
コンプライアンスが小さいと、見かけ上固い動作を行な
うため、振動は小さくなるが。

位置ずれ吸収能力は低下するという相反した条件があシ
、コンプライアンス（変位特性）の設足が難しい。この
ため、係る変位特性を可変としうる能動型力検出装置が
提案されている。例えば特許出願公開昭５９年才５９３
８９号（特許出願昭５７−１６７５０９号）では、矛１
２図に示す如くコンプライアンス機構５に歪ゲージＧ等
の変位検出素子を設け、コンプライアンス機構５を外力
により変位し且つ変位に応じた検出信号を出力する　　
　　　　　　　　　　　　力センサとして構成し、更に
力センサ５とハンド４との間にアクチェエータ９を設け
、力センサ５の出力で７クチユエータ９を駆動して力セ
ンサ５の変位特性を変化させるものが開示されている。

このアクチェエータ９は、ハンド４との連結棒Ｐｖに一
対のＸＹ方向駆動用コイルＯＬとその上下に永久磁石Ｍ
Ｇが配列されたいわゆる一対の平面直流モータ９α、９
ｂで構成され、力センサ５は連結棒ＰＶＶｃよってハン
ド４と連結されている。

力センサ５側の平面直流モータ９ｂは力センサ５のＸ、
Ｙ軸方向の変位特性を可変とし、直流モータ９αは力セ
ンサ５のＸ軸及びＹ軸の回転方向（α軸、β軸という〕
の変位特性を可変とする。

これによって力センサ５の４軸方向の変位特性を可変に
でき、搬送中は力センサ５のコンプライ抑制し、はめ合
い等においては、力センサ５のコンプライアンスを大と
し、柔さを持たせて相対位置ずれの吸収能力を大とする
ようにできる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の能動型力検出装置では。

４軸方向の変位特性を変化させることができるが。

他の２軸、即ちＺ軸方向及びＺ軸の回転方向（ｒ軸とい
う）の変位特性を変化させることはできない。

一方、カセンサ５の基本である弾性体は一般に６軸、ｘ
、ｙ、ｚ、α、β、ｒ軸に変位可能であるから、外力が
与えられた時にｚ、ｒ軸に振動が発生した時は、従来の
構成ではこれを抑制することができず、又これら軸の変
位特性（動特性）を可変とすることができないという問
題があった。

従って１本発明は、力センサの６軸方向の動特性を制御
することのできる能動型力検出装置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〕

矛１図は本発明の原理説明図である。

図中、５αは６自由度力センサ部であシ、外力によシロ
軸（ｘ、ｙ、ｚ、α、β、γ軸）方向の変位が可能で且
つ少なくとも５軸の変位の検出が可能であシ１例えば平
行板バネ機構と歪ゲージとで構成されるもの、９αは６
自由度アクチェエータであシ、可動部９１と、この周囲
を覆う固定部９０と、可動部９１の中央に設けられた連
結棒９２とを有するものであｐ９例えば、可動部９１の
上面、下面及び側面にはコイルが設けられ、これに応じ
て固定部９０の円面に磁石が設けられているムービング
コイル型アクチェエータで構成されている。逆に固定部
９０＠にコイル、可動部９１＠に磁石を設けたムービン
グマグネット型アクチェエータで構成することもできる
。

６自由度アクチュエータ９αの連結棒９２は上部で６自
由度力センサ部５αの出力棒に接続され。

下部で例えばハンド４と接続される。

〔作用〕

６自由度アクチェエータ９αの可動部９１の上面及び下
面では図のＸ、Ｙ、ｒ軸の力を発生し。

可動部９１の側面では図の２．α、β軸の力を発生する
。Ｚ軸方向の力は、α、β軸の力の合成で得られる。従
って、力センサ部５αを少なくとも５軸、α、β、γ、
Ｘ、Ｙ軸の変位を検出し、検出信号の帰還によって６自
由度アクチェエータ９αを駆動すれば、連結棒９２を介
し力センサ部５αの変位特性を制御できる。この時検出
信号を負帰還すれば、力センサ部５αの変位特性を小と
し。

いわゆる固い変位部材とすることができ、正帰還すれば
、変位特性を大とし、いわゆる柔い変位部材とすること
ができ、更に全く帰還しなければ。

カセンサ部５α自体の変位特性そのものとなる。

従って、力センサ部５αの６軸全ての動特性を制御する
ことが可能となる。

〔実施例〕

（α）一実施例の全体構成の説明 矛２図は本発明の一実施例全体構成図である。

図中、矛１図で示したものと同一のものは同一記号で示
してあ）、３０はＸ、Ｙ、Ｚ力検出モジエールであシ、
出力棒を介して与えられる外力によってＸ、Ｙ、Ｚ軸方
向に変位し、ｘ、ｙ、ｚ方向の外力を検出するものであ
）、矛３図にて後述する様にＸ、ｚ方向の平行板バネα
ｒｃ’に構成する角棒イと、Ｙ方向の平行板バネ６ｆ：
構成する角棒口と、これらの中心に設けられた出力棒３
５と。

これらを支持する支持体３１．３２で構成され。

変位を検出する歪ゲージ４０α〜４０ｆが角棒イ。

口に設けられているものである。４９．５０は外輪部材
であり、これらの中に矛３図で詳述するｒ力検出モジュ
ールとα、βカ検出モジュールとが内蔵され、各々ｒ軸
、α、β軸方向の外力によって変位し、γ、α、β方向
の外力を検出するものである。６自由度アクチェエータ
９ａの連結棒９２はαβ力検出モジュールの中心に接続
される。また、固定部９０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ力検出モジエ
ールの支持体３２に固定される。

矛３図は力センサ部５αの分解構成図である。

図において、３０はｘ、ｙ、ｚ軸方向の力を検出する力
検出モジュールであって、Ｘ、Ｙの２方向にのびる角棒
４１口より構成される十字状の角棒に角穴αｌ　”Ｉ　
ｂｌ　ｂ’ｌ　’　ｌ　’′　　を設ける（放電加工等
を使用して穴を開ける）ことにより、夫々に平行板げね
体α１．αｌ’、　ｂｌ、　ｂｌ’、　ｃｌ、　ＣＩ’
を構成する。

力検出モジュール３０は、矛３図から明らかな如く、各
平行板ばね体が変位方向が互いに直交するように設けら
れているので、平行板ばね体αｌ。

αＦでＸ軸方向のたわみ、平行板ばね体ｈ１．　ｂｌ’
でＹ軸方向のたわみ、平行板はね体Ｃ１，ｃビでＺ軸方
向のたわみを夫々分担する３自由度を有する。

３１．３２は夫々力検出モジエール３０を支持する支持
体であって、支持体３１はねじ３３によ夕角棒口と連結
され、支持体３２はねじ３４によシ角棒イと連結されて
いる。淘、ねじ３３，３４は片方のみ示し、さらに、各
ねじ３３が螺合するねじ穴３３αと他方の穴は穴３７の
中心位置から等しい距離の位置に設定され、γ様にねじ
３４か螺合するねじ穴３４ａと３４ｂは穴３７の中心位
置から等しい距離（Ｌ９＝Ｌ１０　）の位置に設定され
ている。

３５は支持体３１にねじ３６により連結される出力棒で
あって、力検出モジエール３０に設けられた穴３７ｔ−
貫通するように構成されている。

この場合、支持体３２が例えばロボット等の基台（アー
ム）上に固定される。同、ロボットへの支持体３２の固
定は、ねじ穴３２α、３２ｂＶＣ螺合するねじ（図示し
ない）が使用される。

同、出力棒３５は力検出モジュール３０に設けられた穴
３７を貫通するよう構成されているが。

支持体３２ｔ−貫通するように構成してもよく、この場
合は、支持体３２０基台への取付けを反対側（角棒イ２
ロ側）で連結する必要がある。

また、この力検出モジュール３０は各平行板ばね体α１
．αｌ’、　ｈｌ　、　、６１’、　ｃｌ、　ｃｌ’　
の過剰変位による座屈を・防止するために、各箇所に逃
げを設けＴ　ＩＪミツト機構を構成している。

これを図に示した記号の大小関係を以下に記述すること
で詳細な説明は省略する。

Ｌｌ＞Ｌ２．Ｌ３＞Ｌ４．Ｌ５＞Ｌ６−Ｌ７゜Ｒ１＞Ｒ
２である。

４０α、４０ｈ、４０Ｃ，４０ｄ、４０ｇ。

４０ｆは歪ゲージであって、夫々各平行板げね体αｌ’
、　ｈｌ、　ｃｌ’の変位を検出する。ここで、この歪
ゲージは軸方向の力をトルクの影響を受けずに検出する
ため、穴３７を中心として中心点対象となるように貼付
し、夫々周知の力検出のためのブリッジ回路を構成せし
める。

従って１図示されていないが、平行板ばね体α１゜ｃｌ
　、　ｂｌ’にも歪ゲージが穴３７の中心点対象位置と
なるようＶＣ各々２枚づつ貼付されている。

以上説明した構成とすることによシ９例えば。

出力棒３５にＸ軸方向の力が加わった場合、これ宛 検出することで、Ｘ軸方向のみの力を検出するこ△ とができる。

また、出力棒３５にＹ軸方向あるいはＺ軸方向の力が加
わった場合も同様に力が加わった方向のみの力を検出す
ることができる。

さらに、ｔた複数方向の合力が加わった場合でも、角棒
４９口に加わる力の位置は穴３７の中心位置から等しい
距離の位置に加わるため、各平行板ばね体が夫々の分力
を独立して検出することができる。

４１Ｆｉｒモジエールであって、力検出モジュール３０
の出力棒３５にねじ３９を介して取付けられる中心部材
４２を備えると共に、板ばね４１α。

４１ｂ、４１Ｃ，４１ｄを介して接続される外輪４３を
含む。４４α、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄは歪ゲージであ
って、板ばねに貼付く中心部材４２の中心点対象位置で
、同一面側）シ、同様にブリッジ回路を構成する。

尚、ｒモジュール４１の出力棒３５への取付けは、ねじ
３９のみで出力棒３５の中心位置としているが、この構
成では外輪４３にトルクを与えた際に、ねじ３９のゆる
み等が生じるため、実際には、中心部材４２から突出す
るビンを出力軸３５に係合させてまわ夛止めを施すと共
に、中心位置からずれたところでねじ３９によシ固定す
る必要がある。

また、このことは、出力軸３５と支持体３２との結合の
場合も同様である。

この構成とすることにより中心部材４２を固足し、外輪
４３に中心軸（Ｚ軸）ｔわ夛のトルクを加えると板ばね
４１　ａ、　　４１　ｈ、　　４１　ｃ、　　４１　ｄ
がたわむ。このたわみを歪ゲージ４４α、４４ｈ。

４４（−，４４ｄで検出し、ブリッジ回路を介して出力
を取シ出すことによシ、Ｚ軸に関するトルク（γ軸方向
の力）のみを検出することができる。

４５はαβモジュールであって１円形の板ばね４６にＬ
字形のスリット４７α、４７ｈ、４７Ｃ。

４７ｄを設けることにより形成された十字形の版ばねか
ら成るダイヤフラム４８ｔ−含む。

この円形の板ばね４６ｔ−外輪部材４９．５０により挾
み込み、ねじ５１α、５１ｂによルｒモジエール４１に
固定する。

さらに、ダイヤフラム４８の中心部４８αに部材５２を
介してねじ５３によシ先端にハンド等の物品処理装置を
取付けるためのフランジ５４全取シ付ける。この場合も
前述と同様Ｖｃまわシ止めのためにピン等を用いて中心
位置からはずれた位置でのねじ止めを行う必要がある。

更に、また歪ゲージ５５α、５５ｂ、５５Ｃ。

５５ｄｆ中心部４８αを中心点として中心点対象位置と
なるように、かつ同一面側に貼付して、ブリッジ回路を
構成することにより、ｘｍｔねり（α軸）のトルクを検
出するよう構成し、また中心部４８αを中心点として中
心点対象となるように歪ゲージ５５ｇ、５５ｆ、５５ダ
、５５ｈを貼付して、ブリッジ回路１ｆｔｍ成すること
によりＹ軸まわりのトルクを検出するように構成する。

この構成とすることにより、外輪部材４９゜５０ｔ−固
定して、中心部のフランジ５４にＸ、　　Ｙ軸に関する
トルク（たおれ力）を加えるとダイヤフラム４８がたわ
む。このたわみを各歪ゲージ５５α、５５ｂ、ｓｓＣ，
５５ｄ、５５ｇ。

５５ｆ、ｓｓｇ、ｓｓんで検出し、ブリッジ回路を介し
て出力を取シ出すことにより、前述したように夫々独立
してＸ、Ｙに関するトルク（α、β軸方向の力）ｔ−検
出することができる。

以上説明したよりに１本実施例によれば、Ｘ。

Ｙ、　　Ｚ軸方向の力成分及びｘ、　　ｙ、　ｚ軸まわ
シのトルクを夫々独立して検出することができるので。

歪ゲージの出力をそのｉｔ各軸の駆動源の駆動回路の入
力とすることができ、各軸方向の力成分や各軸周シのト
ルクを分離するための演算を不要とすることができ、ロ
ボットの高速性を損なうことなく、安価なロボットを実
現することができる。

また１本実施例によれば、各モジュールは、独立した構
成（力検出モジュール３０．　　γモジュール４１．　
　αβモジュール４５）であり、これらは単にねじによ
）連結されているだけの構成であるため１例えば力検出
モジュール３０とαβモジュール４５のみを結合して、
５自由度の力積ｌ０Ｉ５装置とすることもでき、また力
検出モジュール３ｏとγモジュール４１のみを結合して
、４自由度の力検出装置とすることもできる。

すなわち、この構成とすることにより９通常。

ロボットは、６次元の力ベクトルの計測を必要とするも
のは少なく１例えば直交座標型のロボットは３自由度で
あ９１機種や自由度に応じて必要な力成分だけを検出で
きるように構成することにより、さらに低価格化を図る
ことができる。

（勾６自由度アクチェエータの説明 矛４図は６自由度アクチェエータの分解構成図。

、？５図は矛４図構成の固定部の構成囚、３−６図は矛
４図構成の可動部の構成図である。

図中、矛１図及び矛２図で示したものは同一の記号で示
してあり、９０αは固定部９０の箱体であ夛、底板９０
０と４つの側板９０１〜９０４とを有するもの、９３は
貫通穴であシ、底板９００の中央に設けられ、可動部９
１の後述する一方の連結棒（力センサ５αと接続される
もの）が貫通するもの、９０αは一対のα軸永久磁石で
あり。

側板９０２，９０４の円面に設けられ、α軸に対する磁
力を発生するもの、９０βは一対のβ軸永久磁石であシ
、側板９０１，９０３の内面に設けられ、β軸に対する
磁力を発生するもの、９０γは一対のｒ軸永久磁石であ
り、底板９００に穴９３を中心に９０°の角度をもって
４つ設けられ。

Ｙ軸に対する磁力を発生するものである。９０ｂは固定
部９０のカバ一部であ夛、上板９０６を有するもの、９
４は貫通穴であり、上板９０６の中央に設けられ、可動
部９１の後述する他方の連結棒（ハンドと接続されるも
の）が貫通するもの。

９０Ｘは一対のＸ軸永久磁石であシ、上板９０６の穴９
４を中心に対称位置に設けられ、Ｙ軸に対する磁力を発
生するもの、９ｏｙｈ一対のＹ軸永久磁石であシ、上板
９０６の穴９４１：中心にＸ軸永久磁石９０Ｘと９０°
離れた位置に対称に設けられ、Ｙ軸に対する磁力を発生
するものである。

従って、固定部９０は箱体９０αとカバ一部９０ｂとで
構成され、カバ一部９０ｂはＸ、Ｙ軸の磁力を発生し１
箱体９０αは底体９００でＹ軸の磁力を、側板９０１〜
９０４でα、β軸の磁力を発生するよう構成されている
。

伺、Ｚ軸方向の力は、α、β軸の合力で制御される。

次に、可動部９１について説明する。

牙６図四は矛４図の可動部を下側から見た斜視図、矛６
図（ハ）は才４図の可動部を上側から見た斜視図である
。可動部９１は立方体で構成され、上面９１０．下面９
１１及び４つの側面９１２〜９１５を有している。９１
ｒはｒ軸コイルであり。

上面９１０の一方の連結棒９２αを中心に９０°づつ離
れて４つ設けられるもの、９１ＸはＸ軸コイルであシ、
下面９１１の他方の連結棒９２ｂｆ中心として対称に一
対設けられるもの、９１ＹはＹ軸コイルであシ、下面９
１１の他方の連結棒９２ｈ２中心としてＸ軸コイル９１
　Ｘｒｃ９０°ずれて対称に一対設けられるもの、９１
αはα軸コイルであり、側面９１２，９１４に設けられ
るもの。

９１βはβ軸コイルであ夛、ａ面９１１，９１３に設け
られるものである。

従って可動部９１は上面９１０１Ｃｒ軸コイル９１　ｒ
カ、　下面９１１　ＶｃＸ軸及びＹ軸コイル９１Ｘ、　
　９１　Ｙ２＞Ｅ、側面９１２．　９１４　Ｋ：ｄ軸＝
ｙ　イル９１αが、側面９１１，９１３にβ軸コイル９
１βが設けられている。

可動部９１は、？４図に示す様に固定部９００箱板９０
αに、連結棒９２αが底板９００の貫通穴９３ｔ−貫通
するように設けられ、且つカバ一部９０ｂが箱板９０α
を覆い且つ可動部９１の連結棒９２ｂが貫通穴９４を貫
通するよりに設けられる。これによって、可動部９１の
γ軸コイル９１ｒは固定部９０αのｒ軸磁石９０ｒに、
同様にＸ軸コイル９１ＸはＸ軸磁石９０　Ｘｒｃ、Ｙ軸
コイル９１ＹはＹ軸磁石９０Ｙ［、α軸コイル９１αは
α軸磁石９０αに、β軸コイル９１βはβ軸磁石９０β
に対向することになる。従って、各軸のコイル９１γ〜
９１βに電流を流すと、ｉｔ流の流された軸に対する力
を発生し、連結棒９２α、９２ｈｔ−介し力を出力する
。

この場合１図で示す如くＺ軸方向の力はα軸とβ軸の力
の合成で決定され、従ってＸ、　　Ｙ、　　Ｚ。

α、β、ｒの６自由度のアクチェエータを構成している
。この構造は、力センサの弾性部をアクチェエータの支
持に兼用したことを特徴としている。

従って、矛３図の力センサ部５αのαβモジュール４５
のフランジ５４に可動部９１の連結棒・９２αを連結し
、力センサ部５αと接続することによって連結棒９２α
を介し力センサ部５αの６軸方向に発生力を付与し、力
センサ部５αの６軸方向の変位特性を制御できる。即ち
、力センサ部５αのｘ、　ｙ、　ｚ、α、β、ｒ軸の力
検出信号で可動部９１のＸ、　Ｙ、　　α、β、γコイ
ル９１Ｘ〜９１ｒｅ各々駆動することによって、力セン
サ部５αの６軸方向の変位特性を制御することができる
。

（Ｃ）能動型力検出装置の動作の説明 、？７図は本発明の能動型力検出装置の一冥施例制御ブ
ロック図、２８図は本発明による外力−変位特性図であ
る。

矛７図中、　、１’２図乃至１６図で示したものと同一
のものは同一の記号で示してあ、り、１０はパワーアン
プであ夛、６自由度アクチェエータ９αの可動部９１の
各軸のコイル９１Ｘ〜９１ｒｉ駆動するもの、１１は力
センサコントローラであり。

力センサ部５αの力計測値Ｆｘ、　Ｆｙ、　Ｆｚ、Ｆα
。

Ｆｚ、ｐｒ（各軸の変位に対応）に帰還ゲインｋｒｆ乗
じる乗算部１１０と、力計測値Ｆｘ　−Ｆγを微分する
微分器１１１と、微分器１１１の出力に帰還ゲインｋｇ
　ｆ乗じる乗算部１１２と、各乗算部１１０及び１１２
の出力金員として加算する加算部１１３とを有するもの
である。

従ッテパワーアンプ１０へ入力される制御人力騒は１例
えばＸ軸を見ると。

となり、他の軸も同様である。

この力計測値Ｆｘ　−Ｆγは力センサ！ｌｓ５αの変位
Ｘ〜γに比例するから。

Ｆｘ　＝　ｘ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
（２）とすれば、矛（り式は となる。

従って、直流環のに＋が、ｋｌ＞０．負帰還であれば、
力センサ部５αの変位Ｘをおさえる方向にアクチュエー
タ９αの可動部９１のＸ軸コイル９１Ｘが駆動され、逆
にに１〈ｏ、正帰還であれば、力センサ部５αの変位ｘ
＝ｊｃ増長する方向にアクチェエータ９αの可動部９１
のＸ軸コイル９１Ｘ−１ｔＥＩＡ動される。

即ち、矛８図のαに示す、カセンサ部５α自体の外力Ｆ
−変位Ｘの特性は、バネ定数をＫｏとして。

フックの法則より。

Ｆ＝Ｋｏ−Ｘ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
（４）である。

従って、負帰還とすると、変位Ｘはおさえられるから、
結果的べは２図のｂの如く、バネ定数Ｋ１１を大とする
いわゆる固いバネ機構が実現でき、正帰還すると図のＣ
の如くバネ定数Ｋｏｔ−小とするいわゆる柔いバネ機構
が実現できる。即ち、バネ定数Ｋｔ−負帰還ではＫＯ（
Ｋ（ω、正帰還では０（Ｋ（Ｋｏの範囲で可変とできる
。

このことは変位の帰還ゲインに＋を変えることによって
、力センサ５αのバネ定数を自由に変更でき、力センサ
５αの硬さを変化することができる。

一方、矛（３）式の微分項は、変位の速度成分を示して
いるので、力センサ５αに加えられる外力の速度成分に
対し働き、従って、力センサ５αの振動の減衰時定数（
いわゆる粘性）を変化させることができる。

例えば、ロボットに用いれば、　ｋｌ）　Ｑ、　＆！　
）　Ｑとすることによって始動時停止時の力センサ部５
αの振動全抑圧し、−万物体にハンド４が接触した時に
は、ｋｌ、ｋｚｔ−小又は零として、　力センサ部５α
の変位による相対位置ずれ吸収を行なわしめることがで
きる。更にｋｓ　（０＊　”ＦＯとすれば極めて柔いバ
ネ機構とな夛、一層位置ずれ吸収が容易となる。又、力
センサ部５αの力計測値をロボット制御系にフィードバ
ックして外力適応制御させれば、ロボットの制御系でも
相対位置ずれを補正でき、この場合にはハンド４の移動
中には不要な振動全防止し、即ち、外力検出感度を低く
し、物体への作業中は外力検出感度を高めるということ
もできる。

このこと即ち、力センサの自律的重力補正機能を利用し
て、ハンド４が物体を持った時と持たないフリ、−の時
のハンド４の姿勢を一定に保つことができ、特に重力の
影響の大きい垂直多関節型ロボットに有効である。同様
に作業対象物体の固さに応じて検出感度を変えることも
でき、更にハンド４の把持した物体の重さに応じても検
出感度を変えるということもできる。

一方、微分項に粘性が変化できるので、急加速。

急停止のダンピング環として働き、一層振動の抑制の効
力を増加させるとともに物体への衝突時にも同様に振動
抑制の効力を増加させ、安定な動作を実現する。

本発明においては、力センサ部の６軸分の変位特性をこ
のように制御できるので、全ての方向の変位特性を制御
でき、一部の軸の振動抑制ができず、全体として力セン
サ部５αの振動抑制等全防止できないといり事態を防げ
る。但し、２軸は。

α、β軸の特性によシ付随的に制御される。即ち。

α、β軸を硬くすればＺ軸も硬くなる。柔らかく制御す
る場合、α、β軸とＺ軸は独立した制御をしなければな
らないＱで、α、β軸とＺ軸の動特性全同時に制御する
ことはできない。しかし、振動抑制に関しては、α、β
軸振動を抑制すれば。

Ｚ軸の振動も抑制されるので、実用上問題ない。

牙９図は力センサ部の動特性を制御するための制御部の
構成図である。

矛９図同人、矛２図乃至矛７因で示したものと同一のも
のは同一の記号で示してあり、ＩＯＸ。

ＪＯＹ、１０α、１０β、１０γは、各々Ｘ、Ｙ。

α、β、ｒ軸のパワーアンプであシ、１２はメインコン
トローラ（以下ＣＰＵと称す）であυ１例えばロボット
制御装置である。伺、Ｚ軸は、α。

β軸の合力として制御される。

０ＰＩＪ１２は、ロボットの位置に応じて動特性を変え
るゲインに＋　、　ｋｚ　ｆ力センサコントローラ１１
に与える。一方、ＣＰＵ１２は力センサコントローラ１
１１：介し力センサ５αの力計測１［Ｆｘ〜Ｆγ　を得
、ロボットを外力適応制御する。

力センサコントローラ１１は帰還ゲインｋｌ、ｋｚに応
じて矛７図の構成によって力計測値Ｆｘ−Ｆγから制御
人力Ｕ　（Ｘ）〜ｔＬ（γ）を出力し、パワーアンプＩ
ＱＸ−１０γへ与える。

各パワーアンプＩＯＸ〜１０γは、、７９図（Ｂ）の如
く電流帰還形のアンプで構成され、力センサコントロー
ラ１１からの制御入力Ｕを入力抵抗Ｒ３を介しアンプＡ
ＭＰに入力し、更にコイル９１Ｘ〜９１γに流れる電流
線電流検出抵抗Ｒ１によって電圧に変換され、帰還抵抗
を介しアンプＡＭＰに帰還入力される。即ち、アンプＡ
ＭＰからは制御入力と冥電流（を圧）との差が入力され
、その出力極性に応じてダイオードＤ１．Ｄ２ｉ介しい
ずれかのトランジスタＴＲＩ、Ｔ几２をオンし。

電流ｉα又はｉｂをコイルに流す。このような電流帰還
型アンプは周知である。

このようにして力センサ５αの検出信号Ｆｘ〜Ｆγに応
じてアクチェエータ９αが駆動され、力センサ部５αの
動特性が制御される。０ＰＵＩ　２かに１ｋｘの値を変
えれば、前述の如く動特性が変化し、力センサ部５αの
硬さ、粘性を変化することができる。

Ｃｄ）力センサ部の他の実施例の説明 矛１０図は力センサ部の他の実施例のｓｇ図である。

図中、矛２図及び才３図で示したものと同一のものは同
一の記号で示しである。

図において、矛３図の構成と異なる点は、角棒口の先端
に角穴ｄ、ｄ’を設け、Ｚ軸方向に変位する平行板ばね
体ｄｔ、ｄｔ’を構成し、角棒口を支持する支持体を延
長した支持体３１Ａとし、更に。

歪ゲージ４０！！、４０ん、　　４ｏｉ、　　４ｏｊ、
４０に、４０ｔ＋　　４０ｍ、４０３．　４ｏ０，４０
ｐ’ｅ設けた点にあり、同一部分には同一番号を付すこ
とにより説明を省略する。また、説明の都合上歪ゲージ
４０Ｃ，４０ｄの図示は省略するが、実際にはＺ軸方向
の力金検出するために設ける必要がある。

この構成とすることによシ、γ七ジュール４１゜αβモ
ジ−−ル４５ｆｔ必ｇ七せずに、　Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ
軸まわシのトルク（α、β、γ軸）を独立に検出するこ
とが可能となる。

すなわち、角棒イの平行板ばね体αｌ′、α１に穴３７
を中心点として中心点対象位置で、且つ同一面側に歪ゲ
ージ４０ｚ、４０ｈ、　　４ｏ！１．４０Ａを貼付し、
ブリッジ回路を構成することによシ。

Ｚ軸回りのγ軸のトルクを独立して検出することができ
る。

さらに、角棒口の平行板ばね体ｄ１　、　ｄｌ’　　に
穴３７を中心点として中心点対象位置で、且つ同一面側
に歪ゲージ４０に、４０．／、４０７１！、４０Ｂを貼
付し、ブリッジ回路を＃ｆ底することによジ。

前述と同様にしてＹ軸まわシβ軸のトルクを独立して検
出することができる。

さらに、角棒イの平行板ばね体ｃｌ　、　ｃｌ’に穴３
７を中心点として中心点対象位置で、且つ同一面側に歪
ゲージ４０ｃ、４０ｄ、４０ｏ、４０ｐを貼付し、ブリ
ッジ回路全構成することにより。

前述と同様にしてＸ軸まわフのα軸のトルク全独立して
検出することができる。

以上説明した構成とすることにより、十字状の角棒に平
行板ばね体を構成し、これに歪ゲージを貼付するだけの
構成でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の力成分及び各軸周シのトルク
を独立して検出することができ、αβモジ−−ル、ｒモ
ジー−ル等を不要とすることができ、単に歪ゲージから
の出力ｋＡ択するのみで、各種の自由度に対処できる力
検出装置とすることができる。

（り別の実施例の説明 矛４図乃至矛６図の６自由度アクチェエータ９αは可動
部９１にコイルを有するムービングコイル型アクチェエ
ータであるが、この関係を逆にし。

可動部９１に永久磁石、固定部９０にコイルを設けたム
ービングマグネット型アクチュエータで構成してもよい
。

又、ロボットへの適用について説明したが、外力を検出
する必要のある他の装置に適用してもよい。

更に力センサ部は少なくとも５軸の外力を検出すればよ
く、他の構成のものであってもよい。

以上本発明を一実施例により説明したが２本発明は本発
明の主旨に従い種々の変形が可能であジ。

本発明からこれらを排除するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に１本発明によれば、力センサ部の有す
る６軸全ての動特性を制御できるという効果を奏し１例
えば外力に対する撮動を全ての方向で抑圧でき、極めて
使い易い安定な力検出装置が得られる。

又、ソのためのアクチェエータの構成も可動部と固定部
という簡素な構成で６自由度持たせることができるとい
う効果も奏し、小型で且つ重量が少なく、安価１ｃ実現
ができるという実用上優れた効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

矛１図は本発明の原理説明図。 矛２図は本発明の一実施例全体構成図。 矛３図は矛２図構成の力センサ部の分解構成図。 矛４図は牙２図構成のアクチュエータの分解構成図。 矛５図は矛４図構成の固定部の＃ｆ構成図、ｔ−６図は
矛４図構成の可動部の構成図。 矛７図は、？２図構成の制御ブロック図。 矛８図は矛２図構成の変位特性図。 矛９図は矛２図構底のだめの制御部の構成図。 矛ｌＯ図は力センサ部の他の実施例分解構成図。 牙１１図は直交型ロボットの構成図。 矛１２図は従来の構成図である。 図中、５α・・・６自由度力センサ部。 ９α・・・６自由度アクチュエータ。 ９０・・・固定部。 ９１・・・可動部。 ９０Ｘ、９０Ｙ、９０α、９０β、９０ｒ・・・磁石９
１Ｘ、９１Ｙ、９１（Ｘ、９１β、９１１−１イル９２
・・・連結棒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外力により６軸の変位が可能で該変位に対応する検出信
   号を出力する６自由度力センサ部と、該６自由度力セン
   サ部に接続され、該検出信号に応じて該６軸の動特性を
   制御する６自由度アクチュエータとを有するとともに、 前記６自由度アクチュエータは、 該６自由度力センサ部と接続する連結棒を中央に有し、
   上面、下面及び側面にコイル又は磁石を有する可動部と
   、 該可動部の周囲を覆い、該可動部のコイル又は磁石に対
   応して設けた磁石又はコイルを有する固定部とを備える
   ことを特徴とする能動型力検出装置。