JPS6128835A - 多分力検出器 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、小形で安価な多分力検出器に関するもので
ある。

〔従来技術〕

産業用ロボットのような複雑な構造体において、各関節
が受ける１力”や”モーメント”の複合力ｌ同時に高精
度で検出するための多分力検出器には、従来、歪ゲージ
や圧電素子を用いたものかあるが、いス九も高価であり
、しかも大形であるので、卓上形ロボットのような小形
のロボツ）Ｋは使用できないという欠点があった。

〔発明の概要〕

この発８Ａは、こｎらの欠点ン解決する定めの、例えば
永久磁石とホール素子Ｙ結合させた変位検出器ン複数個
組み合せ、相互の位置変化を検出することにより各方向
に作用する力を検出するようにしたものであり、その目
的は、小形で安価な多分力検出器ン実現することにある
。以下、この発明７図面について説明する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例であって、リング状のフレ
ーム１は上蓋２と下蓋３とに挾まｎており、その内部に
上部円盤４と下部円盤５か位置する。上部円盤４および
下部円盤５は、フレーム１にばね６および７で支持さｎ
ており、互いに独立に動くよ５に構成さｎる。

各円盤４．５に設げらｎｙ、：軸８および９は、上蓋２
および下蓋３の中心部匠あけらｎ　ｒｓ穴１０゜１１ｙ
ａ−通し外側に突き出さｎている。

ばね６および７は、各円盤４．５の側面に等間隔に複数
個設げらｎており、一端は各円盤４，５の側面Ｋ、他端
はフレーム１の内壁面に接着またはかし止め等の手段に
より固定さｎている。マタ、ばね６および７は板ばねを
Ｓ字状に曲げたものであり、フレーム１と上部円盤４の
動きは、第２図に示すようＫＺ軸方向およびθ８．θ１
方向に動ぎ易く、その他のＸ、　Ｙ軸およびθ、方向ｖ
ｃは動きＫ＜＜、また、フレーム１と下部円盤５の動き
は、第３図に示すようＶｔ、Ｘ軸、Ｙ軸方向および０８
方向忙動き易く、Ｚ軸方向、θ工、θア方向には動きに
（くなるように構成さｒＬ−ｆ、いる。なお、θ工。

θア、θ、はそｎぞｎＸ、Ｙ、Ｚ軸回りの回転方向７表
している。

ここで軸８を固定し、軸９に投げら１ｒＬｆ、−基準位
置１２に力ＦＸ　＊　ＦＴ　ｈ　ＦＺ　＋モーメントＭ
ｚ＋ＭＹ、Ｍｚが作用する場合な考える。

力の作用方向を明確にするため座標系ｔ、第４図に示す
ように設定する。２＠は軸８および９の軸心と一致し、
Ｘ−Ｙ平面は基準位置１２χ含むとともに２軸に直角で
ある。χｒ　　　７＋　　平面は上部円盤４の、また、
Ｘ２７＊平面は下部円盤５の中心面（上面と下面の中間
面）と一致し、Ｚｌ。

ｚ２軸はＺ軸と一致し、ＸＩＩＸＺ軸はＸ軸と平行であ
る。まＴｙ、７１　ｒ　ｙａ軸はＹ軸と平行である。

さて、フレーム１と下部円盤５の間に作用するｘ２＋７
２＋０１方向の力は フレーム１と上部円盤４の間に作用するθｚｌｌθｙｌ
＋　　Ｚｌ　方向の力は となる。ただし、ｂはＸ５−ｙ＋平面とＸ−Ｙ平面の距
離である。この時、下部円盤５とＸｔ＋７ｇ。

θ８２方向の変位ΔＸ、Δｙ、Δθ、および上部円盤４
とフレーム１のθ８しθ７１１ｚｉ方向の変位Δθ１゜
Δθ、Δ２は となる。ただし、ｋ　、ｒ　ｋｓ　ｓ　ｋ！ｒ　ｋ’＋
は板ばね６゜７のばね定数である。

よって、ΔＸ、ΔｙｌΔ２．ΔθＸＩΔθア、Δθ。

か分かｎば、上式より Ｆｘ　＋　Ｆ’ｙ　＋　　Ｆｚｒ　Ｍｘ　ｒ　Ｍｒ　ｒ
　Ｍｚを求めることができる。よって、次に Δ８．Δｙ、Δ２．Δθ工、Δθア、Δθ。

ン求める方法を説明する。

はじめに、ここで用いる変位検出器について述へる。今
、変位検出器として第５図匠示すよ５Ｋ、ｌ軸方向（第
５図ではｂ軸方向）の変位に比例する出力ＶＹ発生する
ものと考える。この場合、他の軸、すなわち第５図にお
いてはｈ　ｓ　Ｋ　直角方向の変位に対しては感度は十
分に低いものと考える。

この変位検出器の出力特性は Ｖ＝Ａｈ　　・・・・・・・・・・・・・旧・・・・叩
・・・・・・・・団・（４）たｙし、Ａは定数 と表現さｎるが、ある基準変位ｈ＝ｈ、からり変化分で
見ｎば ΔＶ＝Ａ・Δｈ　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・旧・・（５）と表現さｎる。この発明で使用
するのは第（５）式であるので、必ずしも第（４）式で
示さｎるよ５に広い範囲で直線性がある必要は′ない。

丁なわち、第６図（ａ）のような直線性は必要でなく、
第６図（ｂ）　Ｖｔ示さｎるように基準位置り。の近傍
で直線性があｎばよく、適当なレベル変換により第（５
）式で表さｎる関係が成立ｊＴ′Ｌはよい。

よって具体的な変位検出器としては、ホール素子と永久
磁石の組み合せ、磁気抵抗素子をはじめとして光学式、
＃電式、渦電流式等何であっても差支えない。

次に、この変位検出器を前述の構造体に遍用丁゛　　る
場合を説明するが、その中では、ある方向のみの変位の
変化分ン検出できる、丁なわち第（５）式が成立する変
位検出器であるという前提で説ＢＡビ進める。

まず、フレーム１と上部円盤４の動きの関係より説明す
る。ここでは第７Ｎ妊示すようＫＺ軸方向の変位乞検出
できる変位検出器がＸ軸上、Ｙ軸上に４個設定さｎてい
るとする。第７図では２１゜２２．２３．２４で示さス
′ｌている。

今、Ｘ＋　　　’１１平面内で、Ｘ、軸よりθだげ回転
しｒｃ　Ｘ　’ｌ　軸回り匠微少角γだげ上部円盤４が
傾いた場合を考える。その状態が点線で示さ八ている。

この場合の各変位母検出器２１〜２４におけるＺ軸方向
の変位の変化分は Δｈ２１＝−ｒｓｉｎθ・ｔａｎγ中−ｒｓｉｎθ・γ
Δｈｘ２二ｒｅｏｓθ・ｔａｎｒ中ｒｃｏｓθ・γΔｈ
ｇａ”　ｒｃｏａθ−ｔａｎｒ＝ｒｓｉｎＬγΔｈＨ＝
　−ｒ　ｃｏａθＩＩｔａｎγ中−ｒｃＯ８θやγとな
る。ここで、ｒは各変位検出器２１〜２４の中心からの
距離である。こｒにＺ軸方向に変化する変化分を加えｎ
、ば ハ、、＝−ｒｓｌｎθ′・γ＋Δ２ Δｈ、＝　　ｒｃｏｓθ・γ十Δ２ Δ１１，３＝　　ｒｓｌｎθ・γ＋Δ２ΔｈＢニーｒｃ
ｏｓθ・γ＋Δ２ となるので、各変位検出器２１〜２４の出力変化は ΔＶｘｒ　＝Ａ　（ｒｓｌｎθ−ｒ＋Δ２）ΔＶＨ＝Ａ
（ｒｃｏｇθ・γ＋Δ２） ΔＶｚａ　＝Ａ　（ｒ　ｓｉｎθ・γ十Δｚ）ΔＶＨ＝
Ａ　（−ｒｃｏｓＯ°γ＋Δ２）となる。そこで、この
出力変化分に次の３棹類の演算Ｚ′ｍ丁。

Δ■２Ｉ−Δｖ、、　＝　−２Ａ　ｒ　ｓｉｎθ・γΔ
■２２−ΔＶｚ４−＝２Ａｒｃｏｓθ−ｒΔｖ２１＋Δ
Ｖ、十Δｖ□＋ΔＶ、、＝４Ａ・Δ２山θ′、γ工Δθ
ア、　ＣＯＷθ′、γ＝Δθエ　　　　　　（であるか
ら、結局 Δθ８−（Δｖ、、−ΔＶ２４　）　／　２　Ａ　ｒΔ
θアー（Δｖ□−ΔＶｘｓ　）／　（−２Ａｒ　）Δｚ
＝（Δ■、ｌ＋Δ■、２＋Δｖｏ＋ΔＶ２４　）　／（
４Ａ　）の演算により、Δθ工、Δθ２．Δ２　′？：
求めることができる。

次に、フレーム１と下部円盤５の動きより、ΔＸ。

Δｙ、Δθ、を求める方法を示す。ここでは、こｎに限
定さｎるものではないが、第８図に示すように円周方向
の変位χ検出できる変位検出器Ｙ、　Ｘ軸上、Ｙ軸上に
４個（３１，３２，３３，３４）設けらＩしている。

今、第９図に示すよ５Ｖｃ下部円盤５がθ方向匠δだげ
移動し定場合ン考える。この場合の各変位検出器３１〜
３４とその対向面の距離の変化分はΔｈ３．＝δａｌｎ
θ Δｈ３２＝−δｃｏｓθ Δｈ３３＝−δｓｉｎθ Δｈｓ４−δｅｏｓθ となる。こ九に回転角の変化Δθ、が加わｎばΔｈ、１
＝δｓ１ｎθ＋Δθ。

Δｈ＠Ｑ＝−δｅＱＩＩθ＋Δθ１ Δｈ、３＝−δｇｉｎθ十Δθ７ Δｈ３４二δｃｏｇθ＋Δθ１ となるので、各変位検出器３１〜３４の出力変化は ΔＶｓ　ｒ　＝　Ａ　（δｓｉｎθ＋Δθ、　）ΔＶｓ
　ｘ　”＝　Ａ　（−δｃｏｓθ”十Δθ、）ΔＶ＄ｌ
　＝　Ａ　（−δ５ｌｎ１９’＋ΔθｄΔＶｓａ　＝　
Ａ　（δｅｏｌｌ　θ”十Δθｎとなる。そこで、この
出力変化に次の３８１類の演算を胞子。

Δｖ、□−ΔＶｓａ　＝　２　ＡδｓｉｎθΔＶ、−Δ
Ｖｓａ　”　−２Ａδｅ０８θΔｖｓＩ＋Δｖｏ十Δｖ
ｏ＋ΔＶｓ４＝　４　ＡΔθ８δｃｏｓθ工Δ工、δ８
１ｎ＃”＝Δアであるから、結局 Δｘ　＝　（Δｖ０−ΔＶ＊＜　）　／　（−２Ａ　）
Δｙ＝＜ΔＶ３１−Δ’ｂｓ　）　／　２　ＡΔθ８＝
（Δ■３．＋Δｖｏ＋Δｖｏ＋Δｖ８４）／４Ａの演算
により、ΔＸ、Δｙ、Δθ、を求めることができる。

以上まとめると、フレーム１と上部円盤４の相対的な動
きＫよりΔθ工、Δθア、Δ２′？：、フレーム１と下
部円盤５の相対的な動きＫよりΔＸ、Δｙ。

Δθ１を検出でき、この値を第（３）式、第（２）式。

第（１）式に代入することにより、基準位置１２に作用
する力Ｆｘ、　　ＦＹ、　　Ｆｚ”およびモーメントＭ
ｘ。

ＭＹ、Ｍ、を求めることかできる。

上記説ｇＡにおいては、フレーム１と上部円盤４および
下部円盤５の支持は、ばね６，７で説明しりが、こｒＬ
Ｖｃ限定さｎることな（ゴム状の弾性体でも、また、フ
ィルばね等の弾性体であってもよい。ただし、この場合
フレーム１と各円盤４．５の動きχ制限するための機械
的な案内機構の付加を必要とする場合がある（例えば特
Ｈ昭５９−４９３３４号参照〕。

また、ここではフレーム１の内部に上ｉＨＮ”ｌ盤４お
よび下部円盤５を配置したが、こｒＬＶｃ限定すること
なく第１Ｏ図のよう忙装置してもよい。すなわち、上部
円盤４は中間リング１３の内部に同心状で位置し、ばね
６で結合される。一方、中間リング１３は外部皿状体１
４の内部に位置し、はね７で結合さｎる。

上部円盤４と中間リング１３の相対的な動きは、第２図
で示さ九る方向のみであり、また、中間リング１３と外
部皿状体１４の相対的な動きは、第３図に示さｎる方向
のみとなるよ５Ｋ、ばね６゜７は工夫さｎている。また
、外部皿状体１４の下ｇＢは、軸９が設げらｎている。

以上のような構成においても、６分力検Ｗ可能なことは
前述の検出原理より見ｎば明らかである。

また、上部円盤４．下部円盤５．フレーム１は、いずｎ
も円盤およびリングの形状で示したが、こｎＫ限定する
ことなく円盤の代りにリング状のものや皿状のもの、リ
ング状のフレームの代りに円筒状や皿状のものであって
も差支えない。さらＫ、角形のものであっても差支えな
いことは、この発明の検出原理より明らかである。よっ
て、請求の６．つや。□、工、１ウヶｉｔ　、　Ｃｌｒ
Ｌ　ｂ　Ｙア、　　　　（て包含するものである。

また、変位検出器を上部円盤４やフレーム１側設置しム
ニ場合で示したが、変位検出器が相対位置を測るものと
理解丁ｎば、こＴＬＫ限定することなく上部円盤４側に
設けても、フレーム１側忙設げても−ＪＩＮＫ差支えな
い。さら忙、各４個の場合で説明したが、各３次元の変
位量を測定するものであるので、各３個で、合計６個の
変位検出器でもＳ成できることは明らかである。ただし
、この場合演算式が多少複雑になる欠点はある。もちろ
ん、各４個以上でも構成できることは明らがであり、こ
の場合演算式は複雑となるが、全体的な精度を上げるこ
とができる。

さらＫ、演算手段は単に加減乗除を行うのみであるので
、周知の手段でよく、その説明は省略した。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発ａＡは２個の盤体乞
環状体の中に同心となるように配置し、一方の盤体ＹＸ
１ｔＬ　ｙ軸方向および２軸まゎりのカに比例した変位
を生ずる弾性体で支持し、他方の盤体をＸ＠まわり、Ｙ
軸まわりおよびＺ軸方向の力に比例した変位を生ずる弾
性体で支持し、さらに盤体または環状体に６力に比例し
定変位ｔそれぞｎ検出する複数の変位検出器を配置した
ので、６軸方向の力およびモーメン）Ｙ容易に検出でき
るとともに、全体Ｚ小形に、しかも安価に実現できる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の分解図、第２図および第
３図は動きの方向ン示す説明図、第４図は位置関係を示
す図、第５図および第６図（ａ）。 （ｂ）は従来およびこの発明で使用する変位検出器の特
性をそ１ぞ几示す図、第７図は上部円盤の動きを示す図
、第８図および第９図は下部円盤の動きビ示す図、第１
θ図はこの発明の他の実施例を示す図である。 図中、１はフレーム、２は上蓋、３は下蓋、４は上部円
盤、５は下部円盤、６．７はばね、８゜９は軸、１０．
１１は穴、１２は基準位置、１３は中間リング、１４は
外部皿状体、２１〜２４゜３１〜３４は変位検出器であ
る。 第７図 第８図　　　第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　２個の盤体を環状体の中に同心となるように、かつ、
   前記２個の盤体の一方をＸ軸、Ｙ軸方向およびＺ軸まわ
   りの力に比例した変位を生ずる弾性体で支持し、前記２
   個の盤体の他方をＸ軸まわり、Ｙ軸まわりおよびＺ軸方
   向の力に比例した変位を生ずる弾性体で支持するととも
   に、前記盤体または環状体に前記各力に比例した変位を
   それぞれ検出する複数の変位検出器を配置したことを特
   徴とする多分力検出器。