JPS6183929A

JPS6183929A - 力検出装置

Info

Publication number: JPS6183929A
Application number: JP59205721A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Asakawa; 浅川　和雄; Nobuhiko Onda; 信彦恩田; Tadashi Akita; 正秋田; Toru Kamata; 徹鎌田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1984-09-29
Filing date: 1984-09-29
Publication date: 1986-04-28
Also published as: JPH0519647B2

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、例えばロボ／１の先端に設けられろロボ′ノ
ドハンドに加わる外力を検出するに好適な力検出装置に
関するものである。

近年、産業用ロボットの製造ラインーの導入が盛んに行
なわれている。しかしながら、位置制御型のロボットで
は環境からの拘束力に関係なく　ＦＪＪ作してしまうた
め、微妙な力加減を要する組立ラインの自動化への導入
は極めて困難である。

これは、組立作業には、部品の嵌め合いゃ取付は作業等
のように部品の置かれた絶対的な位置精度を必要とする
作業が多いことによる。

もし部品の嵌め合いを位置制御型ロボ、１−で実行する
ならば、組立対象から決る移動軌跡をロボット座標に対
して正確に記述し、且つ正確に先端を所定の軌跡通りに
制御しなげればならない。

ところが、実際の位置制御型のロボノ１、では、ロボッ
ト自身が持つ機械的誤差や制御上の誤差等により絶対的
位置精度を高くすることは極めて難しい。

この様なことから、組立ロボットでは、ロポ。

１．と対象物との間の相対位置誤差を補正あるいは吸収
するためのコンプライアンス機構がロボットとハントと
の間の手首に設けられている。

しかしながら、この手首に設けられるコンプライアンス
機構だけでは、誤差を補正あるいは吸収する量が極めて
微小であるため、ロボットと対象物との間の相対位置誤
差を補正あるいは吸収することができない。

従って、前述した相対位置誤差を手首に生じる反力とし
て検出し、検出した反力をロボットにフィードパ・７り
して反力が零となるように位置補正させるための力検出
装置（センサ）が設けられている。いわゆるロボットの
制御を位置制御から力ｆＬＩＪｇｒＩに移行させるよう
にしたものである。

（従来技術〕第７図は、従来の力検出装置を備えたロボットの概略を
説明するための図である。

１７図に示すロボットは、直交座標型の３軸ロボツトで
ある。

図において、１ばロボット本体のヘースであり、後述す
るアームを矢印Ａ　（Ｘ軸）方向に駆動するＸ軸駆動源
（モータ）を有しているもの、２ば第１のアームであり
、第２のアーム（１＆述）を矢印Ｂ（Ｚ軸）方向に駆動
するＺ軸駆動源（モータ）を有し、−・−スｌのＸ！Ｉ
Ｉ＋駆動源によってＸ軸方向に移動するもの、３は第２
のアームであり、第１のアーム２に対し、矢印Ｃ（Ｙ軸
）方向に駆動するＹ軸駆動源（モータ）を有し、Ｙ軸方
向に移動するものである。

５は力検出装置であり、第２のアーム３の先端に設けら
れ、後述するハンド４に加えられる力を検出するもので
あり、詳細は第８図により後述するもの、４はハンドで
あり、力検出装置５の先端に設けられるものである。

従って、ハンド４は第１のアーム２の左右動によってＸ
軸方向に位置決めがされ、第２のアーム３の前後動と上
下動によって各々Ｙ軸方向とＺ軸方向の位置決めがされ
、結果として３つの動作軸により３次元の位置決めがな
される。

６は物品であり、例えば丸棒で構成され、ハン１４に把
持されるもの、７は部材であり、物品６が嵌め合わされ
る穴８を有し、穴８にはテーパ面９を有しているもので
ある。

第８図は第７図に示す力検出装置５の詳細構成図である
。

図において、９はＸ方向平行ばねであり、１０はＹ方向
平行ばねであり、力検出装置５は互いに直交するＸ方向
、Ｙ方向に変位可能な２組の平行板ばね９．ｌＯによっ
て構成されている。

従って、力検出装置５の上部でＸ方向平行板ばね９によ
りＸ方向に変位可能で、下部でＹ方向平行板ばねｌＯに
よりＹ方向に変位可能である。

１）は十字ばねであり、係る平行板ばね群９゜１０の上
部に設けられた十字形の仮ばねから成りハンドと接続す
るための連結棒１２は十字ばね１）の作用により、平行
板ばね群の垂直方向軸（Ｚ軸）に対し横方向に傾斜可能
であり、かつＺ軸方向（垂直方向）にも変位可能である
。

１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは各々歪ゲージ（検出
器）であり、十字ばね１）の各月に設げられ、各月のモ
ーメントＭａ、Ｍｂ、Ｍｃ、Ｍｄを検出するものであり
、歪ゲージ１３ａはモーメントＭａを検出するもの、歪
ゲージ１３ｂはモーメントＭｂを検出するもの、歪ゲー
ジ１３ＣはモーメントＭｃを検出するもの、歪ゲージ１
３ｄはモーメントＭｄを検出するものである。

歪ゲージ１４ａ、Ｌ４ｂは各々歪ゲージであり、各々Ｘ
方向平行板ばね９．Ｙ方向平行板ばね１０の壁面にもけ
られ、平行板ばねに付与されるモーメントＭｅ、Ｍｆを
検出するためのものである。

面、周知の如く、各歪ゲージは４つの抵抗群がブリッジ
回路を構成する様に接続されて構成されており、入力電
圧に対する出力電圧の変化によってモーメントを検出す
るものである。

而、これら各歪ゲージ１３　ａ　〜１３　ｄ　、　　１
４ａ〜１４ｂの出力Ｍ　ａ　−Ｍ　ｒからハンＩ・４の
先端に加わる各軸Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の力Ｆｘ、　　Ｆ、ｙ
、　　Ｆｚ及びＸ、Ｙ方向のモーメン）ＭＸ、　Ｍｙは
次のようにして求める。

Ｍａ　＝　　　ａ　　−Ｆ　ｚ　＋Ｍｙ　　　　−＝−
ｉｌ１Ｍｂ＝　　　ａ−Ｆｚ＋Ｍｘ　　　　　−・−−
・−−・・−−−＋２１Ｍ　ｃ　＝　　　ａ−Ｆ　ｚ　
−Ｍ　ｙ　　　　・−−＝　　＋３１Ｍｄ＝　　　ａ−
Ｆｚ−Ｍｘ　　　　−＝−・・−・−・−１４１Ｍｅ＝
ｎ　　−Ｆｘ　　　　　　　　　・・・・・・・・・・
・・　　（５）Ｍｆ＝　　　ｍ−Ｆｙ　　　　　　　　
・・・・・・・・・・・・　（６）但し、ａは十字ばね
１）の中心と各歪ゲージ１３　ａ　−１３ｄとの距Ｍ（
第８図参照）、ｍ、ｎは各平行板ばね９，１０の中心と
歪ゲージ１４ａ。

１４ｂとの距離（第８図参照）である。

尚、第８図において、Ｆ　ｚ　−Ｍ　ｙまでは連結棒１
２の上部先端での力及びモーメントを表わしてむ乙が、
前記（１）〜（６）式は、連結棒の下部先端、すなわち
十字ばね１）上での力及びモーメントを求める式となっ
ている。

従って、前述した（１）〜（６）式より各力ベクトルの
各成分Ｆｘ−Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙは、ＦＸ＝　　Ｍｅ／ｎ　　　　　　・・・・・・・・・・
・・　（７）Ｆｙ＝Ｍｆ／ｍ　　　　　　・・・・・・
・・・・・・　（８）Ｆ　ｚ　＝　（Ｍａ＋Ｍｂ＋Ｍｃ
＋Ｍｄ）　／４ａ　　−−−＋９）Ｍｘ−（Ｍｂ−Ｍｄ
）　　／２　　−−−−−−−　　ＱＯＩＭｙ　＝　　
（Ｍａ−Ｍｃ）／　２　　−−　　（１））となる。

第９図は、前述した第（７）〜（１））式に示される演
算式に従って各モーメントＭａ−Ｍｒから力成分Ｆｘ、
Ｆｙ、Ｆｚを得るための詳細回路図であり、アンプによ
り構成したものを示す。

図において、ＧＡＩ〜ＧＡ６は各々ゲイン調整アンプで
あり、各々各モーメントＭ　ａ　−Ｍ　ｆのゲイン調整
を行うもの、０ＰＡＩ〜０ＰＡ４は各モーメントＭ　ａ
　−Ｍ　ｄを１／４ａにするもの１演算アンプ０ＰＡ５
はモーメントＭｅを１／ｎにするもの、演算アンプ０Ｐ
Ａ６はモーメントＭｆを１／ｍにするものである。

ＡＰＡは加算アンプであり、各演算アンプ０ＰＡｌ〜０
ＰＡ４の出力を加算して力成分Ｆｚを出力するものであ
る。

従って、加算アンプＡＰＡ及び演算アンプ０ＰＡ１〜０
ＰＡ４によって第（９）式が実行され、加算アンプＡＰ
ＡよりＺ軸力成分Ｆｚが得られ、演算アンプ０ＰＡ５に
よって第（７）式が実行され、Ｘ軸力成分Ｆｘが得られ
、演算アンプ０ＰＡ６によって第（８）式が実行され、
Ｙ軸力成分Ｆｙが得られることになる。

以上説明した構成とすることで、穴８と物品９との相対
位置誤差によりハンド４に力が加わると力検出装置５か
ら力の加わった方向に対するモーメンｔ−Ｍ　ａ〜Ｍｒ
が出力され、第９図に示される回路の各入力端子に入力
される。前記回路では検出モーメン）Ｍａ−Ｍｆからハ
ンド４に加わった各軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが演算
され、各々は各軸の駆動源を駆動するための駆動回路（
図示しない）に入力され、そして駆動回路から各軸駆動
源の電流指令（！ＮＮ倍信号が出力されることにより、
ハンド４に加わった力が零になる方向にロボットのｘ、
ｙ、ｚ軸が駆動される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したように、従来の力検出装置では、１つの歪ゲー
ジの出力に複数の力成分が含まれているため、力ヘクト
ルの各成分を独立して検出することができないという欠
点がある。

このため、前述した第（７）〜（１））式のようなマト
リックス演算を行なうための第９図に示されるような回
路を用いて、各方向の力成分を分離しなければならず、
複雑な回路構成となるという問題点があった。また、ソ
フトにより前述した演算を行う場合には、極めて長い時
間が必要となるという問題があった。

従って、ロボットを安価に構成することができず、また
、外力の各力成分の変換に時間がかかり、高速動作させ
ることができないという問題が生じる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前述した従来の欠点に鑑み、力ベクトルの各
成分を独立して検出することが可能な力検出装置を提供
するものであり、その手段は、中心点あるいは両端に均
等に外力が加えられるように支持された板状弾性体と、
前記板状弾性体の前記中心点対象位置の変位を夫々検出
する複数四の変位検出手段と、前記複数の変位検出手段
の出力の組合せによって前記板状弾性体に加えられた外
力を検出する外力検出手段を備えた力検出装置である。

〔作用〕

すなわち、従来の力検出装置は、例えば第１０図のよう
な２枚の互いに平行な板ばね９ａ、９ｂを用い、歪ゲー
ジ１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｒを図に示すように貼
付し、第１）図にのようにブリッジ回路を構成（尚、前
述の従来技術の項では各機ばねに１枚の歪ゲージを貼付
した場合について説明しているが、この場合は抵抗を使
用して第１ｆ図と同様のブリッジ回路を構成することで
同様の構成とすることができる。）することで、上部に
作用する力あるいはトルクの検出を行なうようにしてい
る。

しかしながら、平行板ばね９ａ、９ｂが力（図中記号へ
で示される矢印）を受けてたわむと端子ａ、ｂ間に発生
する電圧は、歪ゲージ１４Ｃが伸び（Ｒ÷ΔＲ）、歪ゲ
ージ１４ｄが縮み（Ｒ−Δ）マ）、歪ゲージ１４ｅが伸
び（Ｒ＋ΔＲ）、歪ゲージ１４ｆが縮み（Ｒ−ΔＲ）で
あることから、次のように求めることができる。

（Ｒ＋ΔＲ）ｉ−（Ｒ−ΔＲ）ｉ＝２ΔＲｉ・・・・・
・・・・・・・　（Ｉ２）しかしながら、このたわみ量は、軸方向の力でも軸まわ
りの力も同様に検出されてしまう。

従って、力とトルクを区別して検出できない。

そこで、第１図の本発明の原理説明図のうち、同図（ａ
ｌに示すように、板状弾性体　９ｃをその両端（図中記
号Ｂ、　　Ｃで示す）で支持し、板状弾性体９Ｃの支持
位置間の中心点（図中記号Ｄ　Ｔ：不ず）に外力（図中
記号Ｅで示される矢印）を加えるように構成し、更に同
図＋ａｌのように板状弾性体の夫々異なる面の中心点対
象位置の変位を検出するように合計４枚の歪ゲージ１４
ｇ、１４ｈ、１４１．１４ｊを貼付し、第１）図と同様
にブリッジ回路を構成すると、端子ａ、ｂ間の電圧は、
軸方向の力の場合、（Ｒ−ΔＲ）ｉ−（Ｒ→−ΔＲ）ｉ＝〜２ΔＲｉ・・・
・・・・・・・・・　（１３）軸まわりのトルクの場合、（Ｒ−ΔＲ）ｉ−（Ｒ−ΔＲ）ｉ＝０・・・・・・・・・・・・　（１４）となり、力のみを検出することができる。

また、同様に、同図＋ｂ）に示すように、板状弾性／＊
９０をその中心点（図中記号りで示す）で支持し、板状
弾性体９Ｃの両端（図中記号Ｂ、Ｃで示す）にトルク（
図中記号Ｆで示す矢印）を加えるよう構成し、更に４枚
の歪ゲージ１４ｇ、１４ｈ。

１＝ｌｉ、Ｉ４ｊを板状弾性体９Ｃの同一面側の中心４
　Ｄ対象位置の変位を検出するように貼付し、同様にブ
リッジ回路を構成すると、端子ａ、ｂ間の電圧は、軸方
向の力の場合、ｒＲ←ΔＲ）ｉ−（Ｒ＋ΔＲ）ｌ−０・・・・・・・・・・・・　（１５）輔まわりの；ルクの場合、（１２トΔＲ）　　１−（Ｒ−ΔＲ）ｉ＝２ΔＲｉ・・
・・・・・・・・・・　（１６）となり、軸まわりの１−ルクのみを検出することができ
る。

〔実施例〕

以下に本発明に係る力検出装置の実施例を図面を用いて
詳細に説明する。

第２図は、本発明に係る力検出装置の実施例を説明する
ための図であって、同図ｆａｔは斜視図、同図ｆｂｌは
同図ｆａ）の分解斜視図である。

図において、３０はＸ、　　Ｙ、　　Ｚｆ！ｄｉ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４９口より構成される十字状の角棒
に角穴ａ、ａ′、ｂ、ｂ’、ｃ、ｃ’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
ばね体ａ１．　ａｌ’、　ｂｌ、　ｂｌ’、　ｃｌ。

ｃｌ’を構成する。

力検出モジュール３０は、第２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ａｔ。

ａｌ’でＸ軸方向のたわみ、平行板ばね体ｂ１．ｂｌ’
でＹ軸方向のたわみ、平行板ばね体ｃ１．　ｃｌ′でＺ
軸力向のたわみを夫々分担する３自由度を有する。

３１．３２は夫々力検出モジュール３０を支持する支持
体であって、支持体３１はねじ３３により角棒口と連結
され、支持体３２はねじ３４により角棒イと連結されて
いる。尚、ねし３３．３４は片方のみ示し、さらに、各
ねじ３３が螺合するねし穴３３ａ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、同様にねじ
３４が螺合するねし穴３４ａと３４ｂは穴３７の中心位
置らか等しい距ｍ（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、力検出モジュール３０に設けられた穴３７をＨ
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上に固
定される。尚、ロボットへの支持体３２の固定は、ねじ
穴３２ａ、３２ｂに螺合するねしく図示しない）が使用
される。

尚、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３２を貫
通するように構成してもよく、この場合は、支持体３２
の基台への取付けを反対側（角棒４１口！！１．１）　
）で連結する必要かある。

また、この力検出モジュール３０は各平行板ばね体ａ１
．　ａｌ’、　ｂｌ、　ｂｌ′、　ｃｌ、　ｃｌ’の過
剰変位による座屈の防止するために、各箇所に逃げを設
けてリミッ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。

４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ。

４０「は歪ゲージであって、夫々各平行板ばね体ａｌ”
、　ｂｌ、　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、第１図（，１）に示すように、穴３７を中心とし
て中心点対象となるように貼付し、夫々第１）図と同様
にブリッジ回路を構成せしめる。

従って、図示されていなか、平行板ばね体ａｌ。

ｃｌ、　ｂｌ’にも歪ゲージが穴３７の中心点対象位置
となるように各々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り、例えば、出）月ｔ
３５にＸ軸方向の力が加わった場合、この検出すること
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Ｘ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、また複数方向の合力が加わった場合でも、角棒
４１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。

４１はγモジュールであって、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４
２を備えると共に、板ばね４１ａ。

４１ｂ、　　４１ｃ、４１ｄを介して接続される外輪４
３を含ち・。４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄは歪ゲー
ジであって、第１図１ｂｌの貼付例と同様に板ばねに貼
付（中心部材４２の中心点対象位置で、同一面側）し、
同様にブリッジ回路を構成する。

ｆ＋Ｙ＋、γ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
のゆるみ等が生しるため、実際には、中心部材４２から
突出するピンを出力！１ｂ３５に係合させてまわり止め
を施すと共に、中心位置からずれたところでねじ３９に
より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を固定し、外輪
４３に中心軸（Ｚ軸）まわりのｉルクを加えると板ばね
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄがたわむ。このたわみ
を歪ゲージ４４ａ、４４ｂ。

４４ｃ、４４ｄで検出し、ブリノン回路を介して出力を
取り出すことにより、第１図（ｂｌで説明した原理によ
り、Ｚ軸（γ）に関するトルク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、円形の坂ばね４６にＬ
字形のスリット４７ａ、４７ｂ、４７ｃ。

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

この円形の坂ばね４６を外輪部材４９．５０により挾み
込め、ねし５１ａ、５１ｂによりγモジーＬ−ル４１に
固定する。

さらに、ダイヤフラム４８の中心部４８ａに部材５２を
介してねし５３により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を取り付ける。この場合も
前述と同様にまわり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し止めを行う必要がある。

史に、また歪ゲージ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ。

５５ｄ？中心部４８ａ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、Ｘ軸まわりのトルクを検出するよ
う構成し、また中心部４８ａを中心点として中心点対象
となるように歪ゲージ５５ｅ、５５［，５５ｇ、５５ｈ
を貼付して、ブリッジ回路を構成することにより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゜５０を固定
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）を加えるとグイ−１フフラム４８がた
わむ。このたわみを各歪ゲージ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ
、５５ｄ、５５（４゜５５Ｆ、５５ｇ、５５ｈで検出し
、ブリッジ回路を介して出力を取り出すことにより、ａ
：ｉ述したように夫々独立してＸ、　Ｙ軸（α、β）に
関するトルクを検出することができる。

以上説明したように、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
り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まま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りのト
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
現するとかできる。

また、本実施例によれば、各モジュールは、独立した構
成（力検出モジエール３０．ｒモジュール４１．　　α
βモジュール４５）であり、これらは単にねじにより連
結されているだけの構成であるため、例えば力検出モジ
ュール３０とαβモジュールイ５のみを結合して、５自
由度の力検出装置とすることもでき、また力検出モジュ
ール３０とＴモノニール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。

すなわら、この構成とすることにより、通常、ロボット
は、６次元の力ヘクトルの計測を必要とするものは少な
（、例えば直交座標型のロボットは３自由度であり、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。

第３図は、第２図に示される力検出装置を備えたロボッ
トを駆動制御するための制御ブロック図である。

図において、第１図と同一のものは同一の記号で示して
あり、１５は操作パネルであり、指示部を構成し、プレ
イハック（再生）モード又はロボットに再生動作すべき
位置を教示するための教示モードを指定するｉ口やハン
ド４の位置や姿勢の記１、ｑ、ハンド４の開又は閉動作
をあるいはロボットの原点復帰を指令する釦等で構成さ
れ、操作者が操作するものである。１６はメモリであり
、教示データ等を格納している。１７ばマイクロプロセ
ソ（以下プロセッサと称する）であり、プレイハック時
にメモリ１６から教示データを読み出し、ハンド４の指
令軌道を作成して後述する位置制御部へ送出したり、ハ
ンド４の開閉指令を後述するハンド開閉部へ送出するも
のである。１８は位置制御部であり、プロセッサ１７か
らの指令ｔｉｌｔ道に従って位置又は速度制御するため
、指令軌道の各軸の移動量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺに対応する
周波数のパルス列Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚに変換して出力する
ものであり、プ１コセノサ１７とによって主制御部を構
成する。１９はハンド位置検出部であり、現在のハンド
４の３次元位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ’）を検出するため、各軸
の駆動源（モータ）に設けられたエンコーダの出力Ｐｘ
、Ｐｙ、Ｐｚを受け、各軸の位置（Ｘ、　Ｙ、　　Ｚ）
を検出するものである。２０は力制御部であり、力検出
装置５に取付けられた各歪ゲージの出力信号が入力され
、各モジュール単位毎に構成されるブリッジ回路を備え
るものであり、この場合はロボットが直交座標型の３自
由度のものであるため、力検出モジュール３０のみに設
けられた歪ゲージで構成されるブリッジ回路を備えてお
り、ｘ、　ｙ、　　ｚ軸方向の追従指令ＰＦｘ、ＰＦｙ
、ＰＦｚを出力する。

２１はアーム駆動回路であり、位置制御部１８からの指
令移動量Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚと力制御部２０からの追従移
動（ｉｌＰＦｘ、ＰＦｙ、ＰＦｚとの和によって各軸の
駆動源をサーボ駆動するものであり、各軸の駆動源とア
ーム駆動回路２１によってアーム駆動部を構成し、ベー
ス１２両アーム２．３とアーム駆動部とによってハンド
４の駆動部を構成する。２２はハンド開閉部であり、プ
ロセッサ１７のハンド開閉指令により、ハンド４を開閉
駆動するものである。２４はバスであり、プロセッサ１
７とメモリ１６．＠作パネル１５１位置制御部１Ｂ、位
置検出部１９．ハンド開閉部２２とを接続するものであ
る。

第４図は第３図構成の力制御部２０及びアーム駆動回路
２１のｎｉ細構成図であり、図中、第３図と同一のもの
は同一の記号で示す。

図において、２０ａは力成分検出回路であり、ｎ；１述
したように、各歪ゲージの出力から各軸の力成分ＦＸ、
Ｆｙ、Ｆｚを検出するものである。

２０ｂ〜２０ｄは各軸の追従指令発生回路であり、各々
力成分検出回路２０ａからの力成分Ｆｘ。

Ｆｙ、Ｆｚからパルス列の追従指令ＰＦｘ。

ＰＦｙ、ＰＦｚを出力するものである。

各追従指令発生回路２０ｂ〜２０ｄは同一の構成であり
、追従指令発生回路２０ｂはゲイン調整用アンプ２００
ｂ、２０１ｂと電圧／周波数変換器（以下Ｖ／Ｆコンバ
ータと称する）２０２ｂ。

２０３ｂで構成され、力成分Ｆｘが正の極性の時にはＶ
／Ｆコンバータ２０２ｂからその大きさに応じた周波数
のパルス列（アンプパルス）が、力成分Ｆｘが負の極性
の時にはＶ／Ｆコンバータ２０３ｂからその大きさに応
じた周波数のパルス列（ダウンパルス）が、追従指令Ｐ
Ｆｘとして出力される。２１ａ〜２１ｃは、アーム駆動
回路２１の各軸の駆動回路であり、同一の構成であり、
追従指令ＰＦＸ、ＰＦｙ、ＰＦＺと移動指令Ｖｘ。

Ｖｙ、Ｖｚとの和を受け、各軸駆動源の電流指令（駆動
信号）Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚを各々出力するものである。

駆動回路２１ａは一対のオア回路２１０ａ。

２１）ａとサーボ回路２１２ａとで構成され、オア回路
２１０ａは移動指令Ｖｘのアンプパルスと追従指令ＰＦ
ｘのアップパルスの論理和をサーボ回路２１２ａへ与え
、オア回路２１）ａは移動指令Ｖｘのダウンパルスと追
従指令ＰＦｘのダウンパルスの論理和をサーボ回路２１
２ａへ与えるものである。

一方、サーボ回路２１２ａはアップダウンカウンタと、
デジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａコンバータ）と、サ
ーボアンプで構成され、アップダウンカウンタがオア回
路２１０ａの出力をアンプカウントし、オア回路２１）
ａの出力をダウンカラン］・すると共に、位置検出部１
９からの位置パルスＰｘをダウン又はアップカウントし
、指令位置と変位量との差を求め、Ｄ／Ａコンバータで
アナ１コグ量に変換して、これをサーボアンプで増幅し
、電流指令を出力する周知のものである。

以上説明した構成において、ハンド・ｔに力が加わると
力検出装置５から力の加わった方向に対する歪ゲージか
ら信号が出力され、力成分検出回路２０ａに入力される
。力成分検出回路２０ａでは歪ゲージからの信号に基づ
いて各軸の力成分Ｆｘ。

Ｆ）’ＩＦＺが検出され、各々は各軸の追従指令発生回
路２０ｂ〜２０ｄに入力される。

追従指令発生回路２０ｂ〜２０ｄは検出された力成分Ｆ
ｘ、Ｆｙ、Ｆｚの極性に応じてアップ又はダウンパルス
をその大きさに応じた周波数で出力する。

このパルス列の追従指令は、通常の移動ｔｒｔ令Ｖｘ〜
Ｖｚと同様に、駆動回路２１ａ〜２１ｃに入力され、各
軸駆動源の電流指令（駆動信号）Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚとし
て出力され、ハンド４に加わった力が零になる方向にロ
ボｙ　１−（７）Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ軸を駆動せしめる
。

すなわら、従来の構成のものにおいては、力成分検出回
路２０ａでは、第９図に示されるようにアンプでの演算
を行なった後に、力成分が出力されるのであるが、本実
施例においては、ブリッジ回路を経るだけであるので、
極めて高速に力成分を求めることができる。

従って、ロボットの先端のハント゛が物品を把持してい
る状態で運搬を行なわせている場合に、ハンドが障害物
に衝突した場合でも、ロボットが速やかに停止し、従来
のように、停止のための信号の出力が遅れることにより
力検出装置が壊れる等といった問題点をもなくすことが
できる。

第５図は、本発明に係る力検出装置の他の実施例を説明
するための図である。

同図において、第２図と異なる点は、Ｚ軸方向のたわみ
を検出するための平行板ばね体を除去し、力検出モジュ
ール３０ａは、Ｘ、　Ｙの２方向のみを検出するように
したことにある。尚、第２図と同一部分には同一記号を
付す。

この構成とすることにより、２自由度のロボットに対し
ても対処することができ、また、これと軸まわりのトル
クを検出するモジュールとの組合せも可能である。

例えば、同図に示すように、αβモジュール４５との組
合せを考える。この場合は、ｒモジュール４１を出力軸
３５に固定するねし３９によりフランジ５４を介して直
接αβモジュール４５を出力軸３５に連結することによ
り、４自由度の力検出装置とすることができる。

また、この場合、αβモジュール４５に対して歪ゲージ
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄをダイヤフラム４８の
中心部４８ａを中心点として、ダイヤフラム４８の夫々
異なる面（５６ａと５６ｂを裏面に、５６Ｃと５６ｄを
表面に貼付）で中心点対象となるように貼付し、前述と
同様にブリッジ回路を構成することにより第１図ｆａｔ
の場合と同様になり、αβモジュール４５によって、Ｚ
軸方向の力成分Ｆｚを検出することが可能となり、この
場合は、５自由度の力検出装置とすることができる。

第６図は本発明に係る力検出装置の別の他の実施例を説
明するための図である。

図において、第２図と異なる点は、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ｄｉ
、　ｄｉ′を構成し、角棒口を支持する支持体を延長し
た支持体３１ｂとし、更に、歪ゲージ４０ｇ、４０ｈ、
４０ｉ、４０ｊ、４０ｋ。

４０１．４０ｍ、４０ｎ、４０ｏ、４０ｐ；ｆｒ−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。

この構成とすることにより、γモジュール４１゜αβモ
ジュール４５を必要とせずに、ｘ、　ｙ、　　ｚ軸まわ
りのｌ・ルク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ａｌ′、　ａｌ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４０ａ、４０ｂ、４０ｉ　　４０ｈを貼付し、ブ
リッジ回路を構成することにより、第１図（ｂｌで説明
したように、Ｚ軸まわり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ｄｉ、　ｄｉ’に穴３７
を中心点として中心点対象位置で、且つ同一面１）りに
歪ゲージ４０に、４０１．４０ｍ、４０ｎを貼付し、ブ
リッジ回路を構成することにより、前述と同様にしてＹ
軸まわり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４０ｃ、４０ｄ、４０ｏ、４０ｐを貼付し、ブリッジ
回路を構成することにより、前述と同様にしてＸ軸まわ
りのトルクを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りの］・ル
クを独立して検出することができ、αβモジュール、Ｔ
モジエール等を不要とすることができ、単に歪ゲージか
らの出力を選択するのみで、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。

尚、以上説明した実施例において、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の
力成分の検出は、十字形の角棒に形成された平行板ばね
体を用いて行なう場合について説明しているが、本発明
はこれに限定されるものでなく、ｌ軸方向のみの弾性体
を用いて、これを複数組組合せるようにしたものでもよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、各力成分を独立
して検出することができるので、力成分を独立して取り
出すための回路等か不要となり、各力成分を高速に求め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明に係る力
検出装置の実施例の説明図、第３図は力検出装置をロボ
ットに通用した例を説明する図。第４図は第３図構成の力制御部２０及びアーム駆動回路
２Ｉの詳細構成図、第５図は本発明に係る力検出装置の
他の実施例の説明図２第６図は本発明に係る力検出装置
のさらに別の他の実施例の説明図、第７図は従来の力検
出装置を備えたロボノＩ・の説明図、第８図は従来の力
検出装置の説明図。第９図は各力成分を演算するための回路図、第１０図は
従来の歪ゲージの貼付例を示す図、第１）図はブリッジ
回路を示す図である。図において、３０は力検出モジュール、３１゜３２は支
持体、３５は出力棒、４１はγモジュール、４５はαβ
モジュール、４１口はｔｌｌ　４４９．　　ａ　１　。ａ１′、　ｂＬ　ｂｌ’　、　ｃｌ、　ｃｌ′は平行板
ばね体。嘱１０ｗｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
ｂ）隼２（ａ（α）第（○（品電画デ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中心点あるいは両端に均等に外力が加えられるよ
うに支持された板状弾性体と、前記板状弾性体の前記中
心点対象位置の変位を夫々検出する複数個の変位検出手
段と、前記複数の変位検出手段の出力の組合せによって
前記板状弾性体に加えられた外力を検出する外力検出手
段を備えた力検出装置。
（２）前記変位検出手段は前記板状弾性体の同一面側の
中心点対象位置の変位を検出するように設けられてなる
特許請求の範囲第（１）項記載の力検出装置。
（３）前記変位検出手段は前記板状弾性体の夫々異なる
面の中心点対象位置の変位を検出するように設けられて
なる特許請求の範囲第（１）項記載の力検出装置。