JPS6378033A - 力−モーメント測定ユニット - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、力とモーメントの検出システムに関するも
のである。より詳細には、この発明は、力およびモーメ
ントの双方またはいずれか一方を検出するセンサー要素
により形成される感知装置に関するものである。さらに
詳細にいえば、この発明は、工具が複数方向のうちのい
ずれかの方向に運動に対する抵抗を受けた際に、ロボッ
ト・アームと工具の間に存在する力およびモーメントの
双方またはいずれか一方を検出して測定する場合に有用
な装置に関するものである。ここで使用される「モーメ
ント」は、ある特定方向に軸の周りに作用するトルク、
ねじりあるいは回転力であるこの発明の特別の目的は、
一対の駆動プレートと被動プレートが、ひずみゲージあ
るいは力測定要素を簡単に取り付けできると共に相当に
低いコストでより簡単かつ均一に製造できる複数個のブ
リッジ要素によって連結された、力およびモーメントあ
るいはいずれか一方を感知する要素またはユニットを提
供することである。このユニットは、単一の周縁のリン
グ部材によって一対の取付プレートを接合することによ
り組立てられる。これらのプレートは、別々に製造され
るか、あるいは一方がリングを含めることによりカップ
（ｃｕｐ）として形成されることができる。複数個のブ
リッジ要素のそれぞれは、次いでプレートの周縁部間の
唯一の接続部分として、周方向に等間隔に離れて配置さ
れた複数個の概して円形のブリッジ要素を残すよ゛うに
、上記リングを彫り込むために、従来のフライスおよび
切削方法によりフライス加工あるいは切削加工される。

望ましくは、これらのブリッジ要素は、ブリッジ要素の
端面あるいはブリッジ要素を貫通する中心孔の円形表面
のいずれかに、ひずみゲージあるいはその他の力感知装
置を取り付けるために、上記の２枚のプレートに対して
実質的に垂直なあるいは傾斜した表面を提供する多角形
とされる。

〔従来の技術〕

自動制御される装置とくにロボット・システムでは、作
業工具を支持するロボット・アームの動作を検出して制
御するのがきわめて望ましい。ロボット・アームの被動
側により支持された工具が■ 、工作物に当たって、「感触」が駆動機構に伝達される
ときに、力およびモーメントを検出するのがと（に有効
であることが知られている。これは、その運動範囲内に
あるアーム、工具あるいは一切の対象物（人間を含む）
の損傷を回避するために不可欠である。さらに、このよ
うな感触は、作業工具が対象物あるいは製品の輪郭に追
従することを可能ならしめる。特別な事例は、表面仕上
をすべくパリ、カエリなどを除去するため、鋳物あるい
は成形品の輪郭に追従するようパリ取りないし研磨用の
工具を制御する必要があることにより提起される問題で
ある。このような工具は、完全に仕上げられた製品を作
るため、作業アームおよび工具の案内を多用化、精確化
するのにもっとも効果的であるように、力およびモーメ
ントあるいはいずれか一方の連続的な精密測定を必要と
するこのような作業環境では、工具が工作物の研削、フ
ライス加工あるいは研磨作業中に生じるほこりや粒子に
よる汚れ（コンタミネーション）に耐えるように、力を
測定する機構が構成されることも、大切である。ロボッ
トによる製造においては、感知要素の周りに粒子や砕片
による多量の汚れ（コンタミネーション）があっても、
検出ユニットが、このような力およびモーメントを正確
に測定し続けることが、とくに大切である。

従来より、駆動機構を制御するために、力およびモーメ
ントを測定し、フィードバックによってこのような測定
結果を利用することは、公知である。このような結果は
、標準測定ロード・セルで軸方向荷重を個別に測定した
結果を利用して得られてきている。このような例は、特
公昭５５−１２５４２６号公報に示されている。そこで
は、電極板と積層された複数個の感圧導電性ゴム板が、
把持要素の方向および強度を測定するように構成されて
いる。

ハンガリーの「フィノメカニカーミクロテクニカ（Ｆｉ
ｎｏｍｅｃｈａｎｉｋａ−Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈｎｉｋａ
）　Ｊ第１９巻第１Ｏ号（１９８０年１０月刊）に掲載
された論文には、多成分の力およびトルクをディジタル
的に測定するために、ロボット・アームの被動部材と駆
動部材の間に組込まれた、６成分のカメ−ターが開示さ
れている。

ワトソン（Ｗａ　ｔｓｏｎ）他の米国特許第４，０９４
，１８２号明細書には、ユニットの外周の周りに等間隔
に配置された３つの直立した柱で相互に結合された駆動
プレートと被動プレートが開示されている。

各社は、ひずみゲージを支承している。このユニットは
、力およびモーメントの検出に有用であるが、３つの相
互に直角な軸の周りのこのような力およびモーメントを
検出して測定するには、総合的な感度に限界がある。

日本特許第１．１４５，８８５号には、被動部材と駆動
部材の間の力を測定する装置が開示されている。

そこでは、相互に直角な４本の片持梁が、１つの部材を
形成する内部シリンダーから半径方向外側へ延びている
。別の部材を形成する同心のカラーが、この同心のカラ
ーの一端におけるセクター（ｓｅｃ　ｔｏｒ）として、
軸方向に切り込まれた４つの溝に取り付けられた３本の
連結棒を介して、各片持梁の端部に連結されている。ひ
ずみゲージは、各半径方向の片持梁の４つの側面に取り
付けである。連結棒および片持梁の各々は、ワトソン他
の特許と同様に、多くの組み立てステップを必要とする
独立した要素であるように思われる。

特開昭５８−９４９９６号公報には、２本のシャフト間
の軸方向トルクを測定する装置が開示されている。そこ
では、中心フランジと周縁リングが、複数個の半径方向
のひずみロンドによって連結されている。ひずみゲージ
は、各ロンドに取り付けである。この配置も、独立した
要素の集合体である。

特開昭５８−２０５８３０号公報には、ワトソン他の特
許に開示されている駆動部材と被動部材間の３つの軸方
向の柱に代わるものとして、薄板状の力センサーが開示
されている。このセンサー板は、６本の半径方向の片持
梁のアームを形成するヒトデ形に切り出された円板から
構成されている。ひずみゲージは、各アームの表面に取
り付けられている０個々の部品は、別々に製造して組み
立てることが必要である。

特開昭５９−２０５２９７号公報には、−組の平行リン
グ板が、４本の軸方向の柱と４本の等間隔に配置された
Ｌ形ビームにより連結された力検出装置の別の配置が示
されている。Ｌ形ビームの垂直な側面が、ひずみゲージ
を支承し、各りのひとつの脚は、被動輪にピン止めされ
ている。各りの他の脚は、柱を介して駆動されるリング
のひとつと他のリングに固定されている。これら要素は
、別々に製造して組み立てられることは明らかである。

私の米国特許第４，４８８．４４１号明細書では、等間
隔に配置されたアーチあるいは馬蹄形ユニットが、２枚
の板の間の空間に架は渡されている、同時に垂直方向の
力およびモーメントを測定する装置が開示されている。

このような一般にアーチ形状をした連結部材は、望まし
くは堅い金属ブロックからフライス加工される。２枚の
板の間の中心空間も、ブリッジ・ユニットが駆動板およ
び被動機と一体になるように、前記ブロックからフライ
ス加工される。このような配置としたブロックにブリッ
ジ要素を切削して作るには、この板のセクターが、２枚
の板の共通軸に平行で相互に垂直な面に沿って切断され
、そのためにブリッジ要素の表面が、ブリッジ・ユニッ
トの軸に対して半径方向の面に沿ってこれらの板を接合
するのと同様に、ブリッジ・ユニットの軸に平行である
ように切断されることが不可欠である。

先行技術のユニットととくに異なって、この発明のユニ
ットは、自動旋盤、フライス盤あるいはボール盤を含む
従来の工作機械できわめて簡単に製造することができ、
しかもより堅牢で均一なブリッジ要素を持つ。さらにブ
リッジ要素は、単一あるいは複数のひずみゲージの各ブ
リッジ要素への取り付けが、組み立ておよび信頬性の面
でかなり単純化されるように配置され、かつ形成される
。しかし、もっとも重要なことは、このようにして作ら
れた感知要素の、対称で円形の駆動プレートおよび被動
プレートの周りのブリッジ要素の高度の対称性が、測定
システムの性能を相当に改善することである。とくに、
上記プレートとブリッジ要素の高度の対称性は、このよ
うな三次元的な力あるいはモーメントがプレートの間に
加えられたときに、各ブリッジによって検出される変形
あるいはひずみの非線形性を減少させる。さらに、この
構造は、たとえば溶接、研削、研磨あるいは切削作業に
使用されるロボット作業工具のような工具によって発生
する粒子あるいは砕片による汚染（コンタミネーション
）に対して耐久性が優れている。これによって、大いに
有用な寿命が改善、延長されると共に、製造ないし生産
ラインでロボットを作動させ続けて、長期間にわたって
２４時間操業を可能とするのに必要な作業が減少する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、一対の駆動プレートと被動プレート
が、ひずみゲージあるいは力測定要素を簡単に取り付け
できると共に、相当に低いコストでより簡単かつ均一に
製造できる複数個のブリッジ要素によって連結された、
力およびモーメントあるいはいずれか一方を感知する要
素またはユニットを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明によれば、駆動部材と被動部材の間の複数の相
互に垂直な軸に関する力およびモーメントまたはいずれ
か一方を測定する改良された装置が提供される。この装
置は、駆動プレートと被動プレートの間に取り付けられ
るようにされた実質的に平行な一対のプレートを含み、
当該プレートは、各プレートに形成された取付手段によ
って上記駆動プレートと被動プレートに整列されるよう
になっている。また、上記の平行なプレートは、少なく
とも３個の等間隔に配置されたブリッジ要素によってそ
の周縁部で結合されている。当該ブリッジ要素の各々は
、比較的薄く、形状が概して円形あるいは多角形であり
、さらに実質的に平行で、上記円形プレートの外端部に
隣接している。

このため、ブリッジ要素の直径方向に反対側の端部は、
上記プレートの隣接する表面と一体になっている。上記
プレートに対して垂直なブリッジ要素の端部は、上記円
形プレートの軸に実質的に平行な一対の直径方向に反対
側にある表面を含んでおり、上記各ブリッジ要素の表面
にはひずみゲージ手段が取り付けられている。

この発明のその他の目的および利点は、この明細書と一
体を成す図面を引用してなされる好ましい実施例につい
ての以下に述べる詳細な説明により、明らかになるであ
ろう。

〔実施例〕

さて図面を参照すると、とくに第１図において、カーモ
ーメント・センサー要素（１０）は、ロボット・アーム
とこのアームにより操作される工具との間で、交互に駆
動プレートあるいは被動プレートのいずれかになること
のできる一対の円形あるいは円筒形のプレー１−　（１
２）および（１４）から成っている。検出器のセンサー
要素（１０）は、第１図に見られるように、頂部プレー
ト（１４）と底部プレート（１２）の両方に形成された
取付孔（１６）によってかかる装置に固定されることが
できる。

複数の互いに直角をなす方向のうちのいずれかの方向に
両プレー１−　（１２）　（１４）の間で作用する力と
モーメントを検出するためには、駆動プレートと被動プ
レートの間の力およびモーメントまたはいずれか一方の
差が、両プレート間で駆動することができるように、感
知要素の過大な曲げあるいは撓みを生じることなくトル
クおよび力を支持する能力を持つ、充分に剛直な感知点
あるいは撓み領域で測定されることが、不可欠である。

したがって、へ角形のブリッジあるいは連結要素（１７
）は、実質的に同一であると共に、駆動プレートおよび
被動ブレー１−　（１２）　（１４）と一体的に形成さ
れることが大切である。この実施例に示されるように、
ユニット（１０）の構造における強度と均一性のために
、ブリッジ要素（１７）は、多角形あるいは実質的な円
形とすることができる。さらに、特定方向における力と
モーメントの測定を単純化するため、ブリッジ要素（１
７）は、２つのリングの外周の周りに両リングの中間で
周方向に等間隔に配置されることが不可欠である。この
実施例に示されるように、４個のブリッジ要素（１７）
は９０″毎に等間隔に配置されている。３あるいはそれ
以上のブリッジ要素が、ユニッｌ−（１０）の軸および
周囲の両方に関連する３あるいはそれ以上の互いに直角
な方向の力およびモーメントまたはいずれか一方を検出
するのに充分なことは、理解されるであろう。

ブリッジ要素（１７）およびこれらの両プレート（１２
）　（１４）との関係に対する上述した必要条件は、こ
れまでに知られてはいるが、両プレート（１２）　（１
４）を均等に配置し、かつそれらを互いに平行に維持す
るのは困難であった。これは、中間の連結部のない中空
円、筒のようにセンサー・ユニット（１０）の内部を形
成する必要があることに起因するものである。２枚のプ
レート（１２）（１４）の間にある実質的に円筒状の空
間に、両プレー１−　（１２）　（１４）の間でユニッ
ト（１０）の外周にあるブリッジ要素（１７）を備える
には、その間に介在する区域を除去する間、ブリッジ要
素（１７）を破損することなく残すようなフライス加工
または切削加工が必要であった。そうでなければ、２枚
のプレート（１２）　（１４）の外周の間の選択された
位置で、別々に各ブリッジ要素（１７）を溶接する必要
があった。これらの製作方法はいずれも、２枚のプレー
ト（１２）　（１４）間の力とモーメントが、ブリッジ
要素（１７）の位置とは無関係にブリッジ要素（１７）
により均一に検出されることができるようなセンサー・
ユニッＩ−（１０）の対称性あるいはブリッジ要素（１
７）の均一性に関しては、満足できるものではなかった
。したがって、各センサー・ユニｙｌ−（１０）で得ら
れる測定値からの較正とデータ整理は、困難でかつ費用
がかかるものであった。

この発明によって、これらの問題は、ふたつのプレート
を独立したプレートとして形成するか、あるいは、比較
的薄い円筒状の側壁を有するカップ部材を形成するよう
に、ひとつのプレートを直立壁を備えたプレートとして
形成することにより、解決された。このような構造は、
第２図および第４図に最もよく示されており、そこでは
プレート（１２）および（１４）は単一のリング部材（
１８）により結合されている。リング部材（１帥は、プ
レート（１２）　（１４）の外周に沿って、電気溶接な
どにより均一に結合されている。リング部材（１８）の
幅ずなわら軸方向長さを、ユニソ）　（１０）の所期の
用途に合わせて選択することができるのは明らかであろ
う。

とくに、両プレート（１２）　（１４）がかなり接近し
ている場合には、完全なカップとしてプレート（１２）
とリング部材（Ｉ８）を形成するように、円柱形ブロッ
クを旋盤あるいはボール盤を使用して切削あるいはドリ
ル加工すれば、リング部材（１８）を底部プレー１−（
１２）と一体的に形成することができる。両プレート（
１２）　（１４）がより遠く離れている場合には、独立
したリング部材（１８）が最初にプレート（１２）にン
容接される。

いずれの配置の場合でも、プレート（１４）が続いてカ
ップ部材の開放端あるいは、リング部材（１８）の反対
側の端に電子的に溶接される。これは、この発明のカー
モーメント・センサー用の囲まれた円筒形の室（１５）
を含む基礎構造を形成する。

リング部材（１８）とプレート（１２）　（１４）を上
記の通り形成すると、次に周方向に９０°毎に互いに等
間隔をあけて４つのブリッジ要素（１７）を残すように
、周方向スロワ）　（２０）がリング部材（１８）の中
央部分を貫通して切削される。周方向スロット（２０）
は、リング部材（１８）の全幅に設けることもできるが
、剛性のためには、図示したようにリング部材（１８）
の幅の半分のオーダーとするのが望ましい。リング部材
（１８）内にブリッジ要素（１７）を形成するために、
次に４個の横力向スロワＩ−（２２）が周方向スロット
（２０）の各端部でフライス加工される。これらのスロ
ット（２２）は、周方向スロット（２０）から両プレー
）　（１２）　（１４）の端縁まで達するように、概し
て軸方向に周方向スロット（２０）に対しである角度で
延びている。これが、ブリッジ要素（１７）の側面ある
いは端面（２５）の周りに概して大角形状を形作ってい
る。ブリッジ要素（１７）の形状は、円形あるいはその
他の多角形状とすることができることは明らかである。

これらの外部形状の各々は、以下「概して円形状」と表
現される。

ブリッジ要素（１７）の外面にひずみゲージを取り付け
る際の便宜のため、ブリッジ要素（１７）の端面（２５
）および中央端面（２４）が、ひずみゲージを簡単に接
着できるよう滑らかなあるいは仕上げられた表面に切削
されることができる。同じように、各ブリッジ要素（１
７）の中心は、ひずみゲージを取り付けるための追加の
内部取付面を形成するように、円形孔（２６）のように
ドリルで穿孔されることができる。孔（２６）によって
、ひずみゲージ・アセンブリを支持するプラグ部材を挿
入することが可能となる。適切な温度制御によって、孔
（２６）は、内表面にひずみゲージを効果的に接着する
ように拡大あるいは縮小することができることは明らが
である。これによって、周方向に間隔をおいて配置され
たブリッジ要素（１７）のそれぞれにおいて、個々のセ
ンサー内部の微小な応力あるいはひずみの動きを検出す
る目的で、ひずみゲージをブリッジ要素（１７）ととも
に移動することが可能となる。

センサー要素をロボット・アームの駆動部材およびロボ
ット工具を支持する被動部材と整列させる目的で、ふた
つのプレートの中心が、整列した中心孔（３０）のよう
にドリルで穿孔されることができる。さらに、両プレー
ト（１２）　（１４）の外面には、センサー・ユニット
とロボットの駆動部材および被動部材との正しい心合わ
せを助けるために、プレート（１４）にキー溝（３２）
を、またプレート（１２）にキー（３４）を形成するこ
とができる。

とくに第３図に示されているように、ロボット工具とロ
ボット・アームの間にセンサー・ユニッ１−　（１０）
を取り付けるための孔（１６）は、ロボット・アームの
作動長さに１〜３インチ（２，５４〜７．６２ｃｍ）を
付加することになるセンサー・ユニット（１０）の幅を
除けば、作動構成がほとんど変化しないように、ロボッ
ト工具とロボット・アームの連結ボルトあるいは植込み
ボルトと心合わせができる。

また、このような構造により、個々のひずみゲージから
のリード線と電気結線を軸方向端面（２４）にあると同
様にブリッジ要素（１７）の外表面に、あるいは孔（２
６）の内表面に取り付けて、これらのリード線をすべて
中心孔（３０）を通過するようにすることができる。こ
れらのリード線は、ロボット・アームの中心を通って、
センサー・ユニットで感知される力およびモーメントま
たはいずれか一方に応答する個々の測定・制御回路に連
結することができる。したがって、電気結線を、ロボッ
トのアームまたは工具ともつれる恐れのある外部配線ハ
ーネス（ｈａｒｎｅｓｓ）を通す必要はない。

さらにこのような構造によって、検出器要素は、検出器
自体の周囲には、通常の可撓性スリーブやブート（ｂｏ
ｏｔ）の他に追加の保護手段を必要としない。また、セ
ンサーのアセンブリ全体を、金属製の殻体または缶（図
示されていない）によって取り囲むことも可能となる。

これは、部品の溶接、研削、フライス加工および中ぐり
加工における工具によって、あるいは機械的な研磨や砂
磨きによってゴミやほこりが発生せしめられる通常の作
業環境において、このセンサーを使用することが可能と
なる点で、とくに有意義である。このように、この発明
に係るユニットは、ひずみゲージ要素を別個に保護する
ことなしに、このような砕片に対して耐えることができ
る。

この構成によって形成される個々のブリッジ要素（１７
）が、均一かつ対称であることにより、センサー・ユニ
ット（１０）によって支持される作業工具の部分で、数
百万骨の１インチ（数百万骨のｌ　ｃｍ）程度の変位を
検出できるのが確認されている。

これによって、ロボットは、最低限のコンピュータ・プ
ログラミングと、工具と工作物の間の圧力に対する高精
度の「感触」とによって、大量生産された製品の輪郭を
追従するようにプログラミングされることができる。こ
のような感触は、プラスチック成形した部品のパリ取り
などのきわめて微細な仕上作業を可能にする。このよう
な仕上は、椅子のひじ掛けなどの工作物の表面に傷を付
けることなく、また製品に許容されないような量のパリ
を残すことなく、実現される。これによって、作業を完
了させる手作業が軽減され、また作業の「歩留り」が改
善される。

以上述べた説明から、当業者にとっては、センサー要素
の形状自体におけると同様に、センサー要素の製造方法
に関しても、さまざまな修正や変更が可能であろう。し
かも、このセンサー・ユニットを組み込んだセンサー装
置は、センサー・ユニットを形成する個々のひずみゲー
ジを力およびモーメントまたはいずれか一方を感知する
装置に配置することを含めて、この発明から逸脱するこ
となく変更することができることも、明らかであろう。

特許請求の範囲に収まるこのようなすべての修正および
変更は、この発明に含まれるものである。

〔発明の効果〕

この発明は以上述べた構成を有するものであり、この発
明に係る力またはモーメントの測定要素は、ひずみゲー
ジ等の力測定要素をＷＪ　ｉ’＋Ｌに取り付けることが
できると共に、低コストでより簡単かつ均一に製造する
ことができる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のカーモーメント・センサーの斜視
図。 第２図は、第１図のカーモーメント・センサーの一部を
断面とした平面図。 第３図は、第１図のカーモーメント・センサーの一部を
断面とした立面図。 第４図は、第３図の矢印４−４の方向に見た一部を断面
とした立面図。 （１０）・・・センサー要素　（１２）・・・底部プレ
ート　（１４）・・・頂部プレー）　　（１５）・・・
室　（１６）・・・取付孔　（１７）・・・ブリッジ要
素　（１Ｂ）・・・リング部材　（２０）・・・周方向
スロット　（２２）・・・横方向スロット　（２４）・
・・中央端面　（２５）・・・側端面　（３０）・・・
中心孔　（３２）・・・キー溝　（３４）・・・キー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動部材と被動部材の間で複数の相互に垂直な方向
   の力およびモーメントまたはいずれか一方を検出するカ
   ーモーメント測定ユニットであって、駆動プレートと被
   動プレートの間に取り付けられるようにした一対の実質
   的に平行な円形プレートを含み、当該プレートは、各プ
   レートに形成された取付手段によって上記駆動プレート
   及び被動プレートと整列するようになっていると共に、
   少なくとも３個の等間隔に配置されたブリッジ要素によ
   ってその周縁部で結合されており、上記各ブリッジ要素
   は、比較的薄く概して円形のディスクであって、当該ブ
   リッジ要素のディスクの直径方向に反対側にある端部が
   、上記両プレートの隣接する面と一体になっていると共
   に上記プレートの軸と実質的に平行であり、さらに上記
   ブリッジ要素の外端部が一対の直径方向に反対側にある
   取付面を含んでおり、各ブリッジ要素の上記取付面には
   、上記駆動プレートと被動プレートの間の力およびモー
   メントまたはいずれか一方を検出するためのひずみゲー
   ジ手段が固定されているユニット。 ２、上記の各ブリッジ要素のディスクが、その中心部を
   貫通する円形の開口部を含んでいる特許請求の範囲第１
   項に記載のカーモーメント測定ユニット。 ３、４個のブリッジ要素のディスクが、上記の平行なプ
   レートの周縁の周りに周方向に等間隔で配置されている
   特許請求の範囲第１項に記載のカーモーメント測定ユニ
   ット。。