JP2767766B2 - 6-axis force sensor - Google Patents
6-axis force sensorInfo
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- JP2767766B2 JP2767766B2 JP3337624A JP33762491A JP2767766B2 JP 2767766 B2 JP2767766 B2 JP 2767766B2 JP 3337624 A JP3337624 A JP 3337624A JP 33762491 A JP33762491 A JP 33762491A JP 2767766 B2 JP2767766 B2 JP 2767766B2
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボットの手先部
等の作用力を検出する力覚センサに関し、さらに詳しく
は、直交する３軸方向の力およびこれら各軸まわりのモ
ーメントの６成分を検出する６軸力覚センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force sensor for detecting the acting force of a hand or the like of an industrial robot. More specifically, the present invention relates to force in three orthogonal directions and six components of moments around these axes. The present invention relates to a six-axis force sensor for detecting.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、例えば産業用ロボットのロボ
ット手先部の作業動作を制御するため、ロボットアーム
とロボットハンドとの間に力覚センサが介装されてい
る。そして、ロボット手先部に作業中に作用する力やモ
ーメントが、前記力覚センサを介して検出されると、こ
の検出結果が情報として制御回路へ入力されて、制御回
路が前記ロボットの作業動作を修正制御するように構成
されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a force sensor is interposed between a robot arm and a robot hand in order to control a working operation of a robot hand portion of an industrial robot, for example. Then, when a force or a moment acting on the robot hand during work is detected via the force sensor, the detection result is input to the control circuit as information, and the control circuit performs the work operation of the robot. It is configured to control the correction.
【０００３】ところで、従来の力覚センサにおいては、
起歪体に貼着された歪ゲージにより、起歪体に働く６自
由度の外力（３軸方向の力とその軸まわりのモーメン
ト）を検出するものであり、歪検出用回路の一つのブリ
ッジ回路に、複数の軸方向力とその軸まわりのモーメン
トが同時に作用する。By the way, in a conventional force sensor,
The strain gauge attached to the flexure element detects external force with 6 degrees of freedom (force in three axial directions and moment around the axis) acting on the flexure element. One bridge of the strain detection circuit is used. A plurality of axial forces and moments about the axis act simultaneously on the circuit.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに、複数の軸方向力およびモーメントが一つのブリッ
ジ回路に同時に作用する構造では、複雑な変換マトリク
スを必要とし、その演算のため検出のサンプリング時間
に制約を受けたり、あるいは、各作用力の配分が難し
く、力とモーメントとで検出精度や分解能が異なり、均
一に高い検出精度が得られないという欠点があった。However, such a structure in which a plurality of axial forces and moments simultaneously act on one bridge circuit requires a complicated conversion matrix, and the sampling time for detection is required for its operation. Or the distribution of each acting force is difficult, and the detection accuracy and the resolution are different depending on the force and the moment, so that a high detection accuracy cannot be obtained uniformly.
【０００５】そこで、近時、何種類かの起歪体が組み合
わされて、６自由度の外力について独立の歪検出部分を
備えた力覚センサが提案されている（例えば、特開昭６
２−１６２４９２号公報、特開昭６１−８３９２９号公
報参照）。In view of the above, a force sensor has recently been proposed in which several types of flexure elements are combined and provided with an independent strain detection portion for external force having 6 degrees of freedom (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 6 (1988)).
2-162492, JP-A-61-83929).
【０００６】このような構造では、起歪体の組立構造が
複雑で、ボルト等による連結を要するため検出精度にも
高い信頼性が得られない。In such a structure, the assembly structure of the flexure element is complicated and requires connection by bolts or the like, so that high reliability in detection accuracy cannot be obtained.
【０００７】また、特開昭６１−５７８２５号公報に提
案されている起歪体は、一体構造であるが、構造が複雑
であり起歪体の加工が放電加工により行われるため、製
作コストさらには製品コストが高いという問題がある。The strain body proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-57825 has an integral structure. However, the structure is complicated and machining of the strain body is performed by electric discharge machining. Has a problem that the product cost is high.
【０００８】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み
てなされたものであって、３軸方向の力および各軸まわ
りのモーメントがそれぞれ独立して高い検出精度検出で
き、しかも構造が簡単で安価な６軸力覚センサを提供す
ることを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and it is possible to independently detect the forces in three axial directions and the moments around each axis with high detection accuracy, and furthermore, the structure is simple. An object is to provide an inexpensive six-axis force sensor.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の６軸力覚センサ
は、ロボットアームの支持側部とロボットハンドの力作
用側部との間に介装される起歪体と、該起歪体の歪を検
出する歪ゲージとを備えてなり、前記起歪体は、前記支
持側部に連結される支持部と、前記力作用側部に連結さ
れる力作用部と、これらを連結する複数の弾性ビームと
からなる単一部材から構成され、前記起歪体は、その中
心部分に前記支持部が配置されるとともに、該支持部の
周囲に前記力作用部が同心状に４つ配置されてなり、こ
れら支持部および力作用部間を連結する前記弾性ビーム
は、直交する２軸上に延びる４本の第１弾性ビームと、
該第１弾性ビームに直交する４本の第２弾性ビームとか
ら構成され、相隣る前記力作用部が前記第２弾性ビーム
により相互に連結されるとともに、該第２弾性ビームの
中央部と前記支持部が前記第１弾性ビームにより相互に
連結され、前記第２弾性ビームの外側面の高さ方向の中
心位置において、その第２弾性ビームに直交している第
１弾性ビームの軸心に対称に一対の歪ゲージが配設さ
れ、かつ、同第２弾性ビームの上面および下面であって
その第２弾性ビームに直交している第１弾性ビームの軸
心の延長上の位置に歪ゲージが配設され、前記第１弾性
ビームの上面および下面においてその軸心上に歪ゲージ
が配設され、かつ、同第１弾性ビームの一方の側面の高
さ方向の中心位置に歪ゲージが配設され、前記一方の側
面に配設されている歪ゲージは、同第１弾性ビームと直
交する第１弾性ビームの軸に関して軸対称に位置する第
１弾性ビームの他方の側面に同様にして配設されている
歪ゲージと点対称とされ、前記直交する一方の軸上の第
１弾性ビームに直交している第２弾性ビームの外側面に
配設されている歪ゲージが、同軸方向の力を検出するよ
うにブリッジ回路が形成され、前記直交する他方の軸上
の第１弾性ビームに直交している第２弾性ビームの外側
面に配設されている歪ゲージが、同軸方向の力を検出す
るようにブリッジ回路が形成され、前記第２弾性ビーム
の上面および下面に配設されている歪ゲージが、前記直
交する２軸に直交する軸方向の力を検出するようにブリ
ッジ回路が形成され、前記直交する一方の軸上の第１弾
性ビームの上面および下面に配設されている歪ゲージ
が、前記直交する他方の軸まわりのモーメントを検出す
るようにブリッジ回路が形成され、前記直交する他方の
軸上の第１弾性ビームの上面および下面に配設され てい
る歪ゲージが、前記直交する他方の軸まわりのモーメン
トを検出するようにブリッジ回路が形成され、前記第１
弾性ビームの側面に配設されている歪ゲージが、前記直
交する２軸に直交する軸まわりのモーメントを検出する
ようにブリッジ回路が形成されてなることを特徴とす
る。A six-axis force sensor according to the present invention comprises: a flexure element interposed between a support side of a robot arm and a force action side of a robot hand; A strain gauge for detecting a strain of the force-generating body, wherein the strain-generating body includes a support portion connected to the support side portion, a force application portion connected to the force application side portion, and a plurality of connecting portions for connecting these. consist of a single member composed of an elastic beam, the strain body is therein
The support portion is arranged at the center portion, and the support portion
The four force acting parts are arranged concentrically around the periphery.
The elastic beam for connecting between the supporting portion and the force acting portion.
Has four first elastic beams extending on two orthogonal axes,
Four second elastic beams orthogonal to the first elastic beam
And the adjacent force acting portion is the second elastic beam.
And the second elastic beam
The central part and the support part are mutually connected by the first elastic beam.
Connected to each other in the height direction of the outer surface of the second elastic beam.
At the center position, the first orthogonal to the second elastic beam
1 A pair of strain gauges are provided symmetrically about the axis of the elastic beam.
And the upper and lower surfaces of the second elastic beam
An axis of the first elastic beam orthogonal to the second elastic beam
A strain gauge is provided at a position on the extension of the heart, and the first elasticity is provided.
Strain gauges on the top and bottom of the beam on its axis
And a height of one side surface of the first elastic beam.
A strain gauge is disposed at a center position in the vertical direction,
The strain gauge disposed on the surface is directly connected to the first elastic beam.
The first elastic beam is located symmetrically with respect to the axis of the first elastic beam.
It is similarly arranged on the other side of one elastic beam
The point is symmetrical with the strain gauge, and the
On the outer surface of the second elastic beam orthogonal to the first elastic beam
The strain gauges installed detect the force in the coaxial direction.
Bridge circuit is formed on the other orthogonal axis
Outside of a second elastic beam orthogonal to the first elastic beam of
The strain gauge on the surface detects the force in the coaxial direction.
A bridge circuit is formed such that the second elastic beam
Strain gauges provided on the upper and lower surfaces of the
In order to detect the force in the axial direction orthogonal to the two intersecting axes,
A first circuit on one of the orthogonal axes is formed.
Strain gauges located on the upper and lower surfaces of the conductive beam
Detects the moment about the other orthogonal axis.
A bridge circuit is formed so that the other
Is disposed on the upper surface and the lower surface of the first elastic beam on-axis Tei
Moment gauge around the other orthogonal axis.
A bridge circuit is formed to detect the first
The strain gage arranged on the side of the elastic beam
Detect the moment about the axis perpendicular to the two intersecting axes
A bridge circuit is formed as described above .
【００１０】[0010]
【作用】歪検出用回路が、直交する３軸の力およびこれ
ら各軸まわりのモーメントを独立して検出する複数組の
ブリッジ回路群からなるので、複雑な変換マトリクスや
干渉補正演算を必要とすることなく、外力を迅速にしか
も精度良く検出できる。Since the distortion detecting circuit is composed of a plurality of sets of bridge circuits for independently detecting the forces of three orthogonal axes and the moments around each of these axes, a complicated conversion matrix and interference correction calculation are required. Without this, the external force can be detected quickly and accurately.
【００１１】また、起歪体が平板状であるので、構造の
簡素化および製造の容易化が図られる。Further, since the strain body is flat, the structure is simplified and the manufacture is facilitated.
【００１２】[0012]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１３】図１は本発明の一実施例の６軸力覚センサ
（以下、単に力覚センサという）の概略図である。図に
おいて、１は力覚センサを示す。この力覚センサ１は、
例えば産業用ロボット用のものであって、図４に示すよ
うに、支持側部であるロボットアーム２と力作用側部で
あるロボットハンド３との間に介装されている。FIG. 1 is a schematic view of a six-axis force sensor (hereinafter simply referred to as a force sensor) according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a force sensor. This force sensor 1
For example, for an industrial robot, as shown in FIG. 4, it is interposed between a robot arm 2 as a support side and a robot hand 3 as a force application side.
【００１４】力覚センサ１は、単一部品である起歪体４
と、これに貼着される複数の歪ゲージＳ…、Ｔ…とを主
要部として備えてなる。The force sensor 1 includes a single element, a flexure element 4.
, And a plurality of strain gauges S,.
【００１５】起歪体４は、図示のごとく肉厚板状の単一
ブロック体であって、前記ロボットアーム２の取付部２
ａに連結される支持部５と、前記ロボットハンド３の取
付フランジ３ａに連結される力作用部６と、これらを連
結する複数の弾性ビーム７、８、…とが一体的に形成さ
れている。The strain body 4 is a thick block-shaped single block body as shown in FIG.
a, a force acting portion 6 connected to the mounting flange 3a of the robot hand 3, and a plurality of elastic beams 7, 8,... connecting them. .
【００１６】すなわち、前記起歪体４は、図２(a) に示
すような平面略正方形状とされ、その中心部分に支持部
５が配置されるとともに、この支持部５の周囲に、４つ
の力作用部６、６、…が同心状に配置されてなる。ま
た、これら相互間に橋絡状に配設される弾性ビームは、
４本の第１弾性ビーム７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと４本の
第２弾性ビーム８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとからなる。２
０は力作用部６に穿設された取付ボルト用穴である。That is, the flexure element 4 has a substantially square planar shape as shown in FIG. 2 (a), and a support portion 5 is disposed at the center thereof. Are arranged concentrically. In addition, the elastic beam arranged in a bridging manner between these
It consists of four first elastic beams 7a, 7b, 7c, 7d and four second elastic beams 8a, 8b, 8c, 8d. 2
Reference numeral 0 denotes a mounting bolt hole formed in the force application section 6.
【００１７】第１弾性ビーム７ａ、７ｂ、…は、直交す
る２軸Ｘ、Ｙ上にそれぞれ延設され、前記支持部５と第
２弾性ビーム８ａ、８ｂ…に連結されている。第２弾性
ビーム８ａ、８ｂ…は、第１弾性ビーム７に直交状にそ
れぞれ延設され、相隣る力作用部６、６に連結されてい
る。The first elastic beams 7a, 7b,... Extend on two orthogonal axes X, Y, respectively, and are connected to the support portion 5 and the second elastic beams 8a, 8b,. The second elastic beams 8a, 8b,... Extend orthogonally to the first elastic beam 7, respectively, and are connected to the adjacent force acting portions 6, 6.
【００１８】歪ゲージＳ、Ｔ…は、前記各弾性ビーム
７、８、…における歪の最も大きな部位に配設されてい
るとともに、図３に示すような歪検出用回路を形成して
いる。各弾性ビーム７、８、…における歪ゲージＳ、Ｔ
…の配設部位は、ＦＥＭ解析により得られた、最も延び
た部位と最も縮んだ部位に設定されており、具体的に
は、図２(a)(b)(c) に示すような配置とされている。The strain gauges S, T,... Are disposed at the portions of the elastic beams 7, 8,... Where the strain is greatest, and form a strain detecting circuit as shown in FIG. Strain gauges S, T for each elastic beam 7, 8,.
Are set at the most extended and the most contracted parts obtained by the FEM analysis. Specifically, the arrangement parts shown in FIGS. 2 (a), (b) and (c) are set. It has been.
【００１９】歪ゲージＳx1、Ｓx2、Ｓx3、Ｓx4は、Ｘ軸
方向の力Ｆｘを検出するためのもので、Ｘ軸に直交する
第２弾性ビーム８ａ、８ｃの側面に貼設されるととも
に、図３におけるブリッジ回路１１を構成している。歪
ゲージＳx1、Ｓx3は、第２弾性ビーム８ａの側面におい
て、その高さ方向中心位置で、かつＸ軸に対して対称位
置に配置されている。歪ゲージＳx2、Ｓx4は、第２弾性
ビーム８ｃの側面において、その高さ方向中心位置で、
かつＸ軸に対して対称位置に配置されている。The strain gauges S x1 , S x2 , S x3 , S x4 are for detecting the force Fx in the X-axis direction, and are attached to the side surfaces of the second elastic beams 8a, 8c orthogonal to the X-axis. And also constitutes the bridge circuit 11 in FIG. The strain gauges S x1 and S x3 are arranged on the side surface of the second elastic beam 8a at the center position in the height direction and symmetrically with respect to the X axis. The strain gauges S x2 and S x4 are located at the center of the side surface of the second elastic beam 8c in the height direction.
In addition, they are arranged symmetrically with respect to the X axis.
【００２０】歪ゲージＳy1、Ｓy2、Ｓy3、Ｓy4は、Ｙ軸
方向の力Ｆｙを検出するためのもので、Ｙ軸に直交する
第２弾性ビーム８ｂ、８ｄの側面に貼設されるととも
に、図３におけるブリッジ回路１２を構成している。歪
ゲージＳy1、Ｓy3は、第２弾性ビーム８ｄの側面におい
て、その高さ方向中心位置で、かつＹ軸に対して対称位
置に配置されている。歪ゲージＳy2、Ｓy4は、第２弾性
ビーム８ｂの側面において、その高さ方向中心位置で、
かつＹ軸に対して対称位置に配置されている。The strain gauges S y1 , S y2 , S y3 , S y4 are for detecting the force Fy in the Y-axis direction, and are attached to the side surfaces of the second elastic beams 8b, 8d orthogonal to the Y-axis. And constitutes the bridge circuit 12 in FIG. The strain gauges S y1 and S y3 are arranged on the side surface of the second elastic beam 8d at the center position in the height direction and symmetrically with respect to the Y axis. The strain gauges S y2 and S y4 are located at the center of the side surface of the second elastic beam 8b in the height direction.
And they are arranged symmetrically with respect to the Y axis.
【００２１】歪ゲージＳz1、Ｓz2、Ｓz3、Ｓz4、Ｓz5、
Ｓz6、Ｓz7、Ｓz8は、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出するため
のもので、Ｚ軸に直交する第２弾性ビーム８ａ、８ｂ、
８ｃ、８ｄの上下面に貼設されるとともに、図３におけ
るブリッジ回路１３を構成している。歪ゲージＳz1、Ｓ
z3は、第２弾性ビーム８ｂの上下面において、その長さ
方向中心つまりＹ軸上に配置されている。歪ゲージ
Ｓz2、Ｓz4は、第２弾性ビーム８ｄの上下面において、
その長さ方向中心つまりＹ軸上に配置されている。歪ゲ
ージＳz5、Ｓz7は、第２弾性ビーム８ｃの上下面におい
て、その長さ方向中心つまりＸ軸上に配置されている。
歪ゲージＳz6、Ｓz8は、第２弾性ビーム８ａの上下面に
おいて、その長さ方向中心つまりＸ軸上に配置されてい
る。The strain gauges S z1 , S z2 , S z3 , S z4 , S z5 ,
S z6 , S z7 , and S z8 are for detecting the force Fz in the Z-axis direction, and the second elastic beams 8a, 8b,
It is attached to the upper and lower surfaces of 8c and 8d, and constitutes the bridge circuit 13 in FIG. Strain gauge S z1 , S
z3 is arranged on the upper and lower surfaces of the second elastic beam 8b at the center in the length direction, that is, on the Y axis. The strain gauges S z2 and S z4 are on the upper and lower surfaces of the second elastic beam 8d,
It is arranged at the center in the length direction, that is, on the Y axis. The strain gauges S z5 and S z7 are arranged on the upper and lower surfaces of the second elastic beam 8c at the center in the length direction, that is, on the X axis.
The strain gauges S z6 and S z8 are arranged on the upper and lower surfaces of the second elastic beam 8a at the center in the length direction, that is, on the X axis.
【００２２】歪ゲージＴx1、Ｔx2、Ｔx3、Ｔx4は、Ｘ軸
まわりのモーメントＭｘを検出するためのもので、Ｘ軸
に直交する第１弾性ビーム７ｂ、７ｄの上下面に貼設さ
れるとともに、図３におけるブリッジ回路１４を構成し
ている。歪ゲージＴx1、Ｔx2は、第１弾性ビーム７ｂの
上下面において、その幅方向中心つまりＹ軸上に配置さ
れている。歪ゲージＴx3、Ｔx4は、第１弾性ビーム７ｄ
の上下面において、その幅方向中心つまりＹ軸上に配置
されている。The strain gauges T x1 , T x2 , T x3 , T x4 are for detecting a moment Mx about the X axis, and are attached to the upper and lower surfaces of the first elastic beams 7b, 7d orthogonal to the X axis. And constitutes the bridge circuit 14 in FIG. The strain gauges T x1 and T x2 are arranged on the upper and lower surfaces of the first elastic beam 7b at the center in the width direction, that is, on the Y axis. The strain gauges T x3 and T x4 are the first elastic beams 7d
At the center in the width direction, that is, on the Y axis.
【００２３】歪ゲージＴy1、Ｔy2、Ｔy3、Ｔy4は、Ｙ軸
まわりのモーメントＭｙを検出するためのもので、Ｙ軸
に直交する第１弾性ビーム７ａ、７ｃの上下面に貼設さ
れるとともに、図３におけるブリッジ回路１５を構成し
ている。歪ゲージＴy1、Ｔy2は、第１弾性ビーム７ａの
上下面において、その幅方向中心つまりＸ軸上に配置さ
れている。歪ゲージＴy3、Ｔy4は、第１弾性ビーム７ｃ
の上下面において、その幅方向中心つまりＸ軸上に配置
されている。The strain gauges T y1 , T y2 , T y3 , T y4 are for detecting a moment My about the Y axis, and are attached to the upper and lower surfaces of the first elastic beams 7a, 7c orthogonal to the Y axis. And constitutes a bridge circuit 15 in FIG. The strain gauges T y1 and T y2 are arranged on the upper and lower surfaces of the first elastic beam 7a at the center in the width direction, that is, on the X axis. The strain gauges T y3 and T y4 are the first elastic beams 7c.
At the center in the width direction, that is, on the X axis.
【００２４】 歪ゲージＴz1、Ｔz2、Ｔz3、Ｔz4は、Ｚ
軸まわりのモーメントＭｚを検出するためのもので、第
１弾性ビーム７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの側面に貼設され
るとともに、図３におけるブリッジ回路１６を構成して
いる。歪ゲージＴz1、Ｔz2は、それぞれ第１弾性ビーム
７ｃ、７ｂの対向する側面において、その高さ方向中心
位置で、かつその長さ方向中心位置に配置されている。
歪ゲージＴz3、Ｔz4は、それぞれ第１弾性ビーム７ａ、
７ｄの対向する側面において、その高さ方向中心位置
で、かつその長さ方向中心位置に配置されている。つま
り、第１弾性ビーム７ａおよび７ｃに設けられている歪
ゲージＴ z3 およびＴ z1 は点対称の位置関係とされ、また
第１弾性ビーム７ｂおよび７ｄに設けられている歪ゲー
ジＴ z2 およびＴ z4 は点対称の位置関係とされている。 The strain gauges T z1 , T z2 , T z3 , T z4 are represented by Z
This is for detecting the moment Mz around the axis, and is attached to the side surface of the first elastic beams 7a, 7b, 7c, 7d, and constitutes the bridge circuit 16 in FIG. The strain gauges T z1 and T z2 are disposed at the center in the height direction and at the center in the length direction on the opposing side surfaces of the first elastic beams 7c and 7b, respectively.
The strain gauges T z3 , T z4 are the first elastic beams 7a,
On the opposing side surface of 7d, it is arranged at the center position in the height direction and at the center position in the length direction. Toes
Of the first elastic beams 7a and 7c.
The gauges T z3 and T z1 have a point-symmetric positional relationship, and
A strain gauge provided on the first elastic beams 7b and 7d
Di T z2 and T z4 are in a point symmetric positional relationship.
【００２５】しかして、図３に示す歪検出用回路は、直
交する３軸Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、こ
れら各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを独立し
て検出する６組のブリッジ回路１１〜１６を備えてお
り、図示しないが、これらブリッジ回路１１〜１６はそ
れぞれ電源に接続されるとともに、各歪検出端の出力
が、例えば増幅器、マルチプレクサ回路、サンプルホー
ルド回路、Ａ／Ｄ変換器等を介して、コンピュータから
なる制御回路へ送られる。The distortion detecting circuit shown in FIG. 3 independently controls the forces Fx, Fy, and Fz in the three orthogonal axes X, Y, and Z, and the moments Mx, My, and Mz around each of these axes. Although not shown, each of the bridge circuits 11 to 16 is connected to a power supply, and the output of each distortion detection terminal is, for example, an amplifier, a multiplexer circuit, a sample hold circuit. The data is sent to a control circuit including a computer via a circuit, an A / D converter, and the like.
【００２６】次に、以上のように構成された力覚センサ
による各作用力の検出について説明する（図２参照）。Next, detection of each acting force by the force sensor configured as described above will be described (see FIG. 2).
【００２７】Ｘ軸方向の力Ｆｘ： 起歪体４に力Ｆｘが作用すると、歪ゲージＳx1、Ｓx3は
圧縮歪を受けて、その抵抗値はＦｘに比例して減少し、
一方、歪ゲージＳx2、Ｓx4は引張歪を受けて、その抵抗
値はＦｘに比例して増大する。この結果、図３のブリッ
ジ回路１１の出力のみが変化し、Ｆｘの大きさに比例し
た出力が得られる。 A force Fx in the X-axis direction: When the force Fx acts on the flexure element 4, the strain gauges S x1 and S x3 receive compressive strain, and their resistance values decrease in proportion to Fx,
On the other hand, the strain gauges S x2 and S x4 receive tensile strain, and their resistance values increase in proportion to Fx. As a result, only the output of the bridge circuit 11 in FIG. 3 changes, and an output proportional to the magnitude of Fx is obtained.
【００２８】このとき、歪ゲージＴy1、Ｔy2、Ｔz3、Ｔ
y3、Ｔy4、Ｔz1には極めて微小な圧縮歪が発生するが、
ブリッジ回路１５におけるＴy1とＴy2およびＴy3とＴy4
が、ならびにブリッジ回路１６におけるＴz1とＴz3が互
いに打ち消し合うため、Ｍｙ、Ｍｚは検出されない。At this time, the strain gauges T y1 , T y2 , T z3 , T
Y3 , Ty4 , and Tz1 have very small compressive strains,
T y1 and T y2 and T y3 and T y4 in the bridge circuit 15
However, since T z1 and T z3 in the bridge circuit 16 cancel each other, My and Mz are not detected.
【００２９】さらに、歪ゲージＴz2とＴz4もそれぞれ圧
縮歪および引張歪を検出するが、これらもブリッジ回路
１６において互いに打ち消し合うため、やはりＭｚは検
出されない。Further, the strain gauges T z2 and T z4 also detect the compressive strain and the tensile strain, respectively, but these also cancel each other out in the bridge circuit 16, so that Mz is not detected.
【００３０】Ｙ軸方向の力Ｆｙ： 起歪体４に力Ｆｙが作用すると、歪ゲージＳy1、Ｓy3は
圧縮歪を受けて、その抵抗値はＦｙに比例して減少し、
一方、歪ゲージＳy2、Ｓy4は引張歪を受けて、その抵抗
値はＦｙに比例して増大する。この結果、図３のブリッ
ジ回路１２の出力のみが変化し、Ｆｙの大きさに比例し
た出力が得られる。 Force Fy in the Y-axis direction: When force Fy acts on the flexure element 4, the strain gauges S y1 and S y3 receive compressive strain, and their resistance values decrease in proportion to Fy,
On the other hand, the strain gauges S y2 and S y4 receive tensile strain, and their resistance values increase in proportion to Fy. As a result, only the output of the bridge circuit 12 in FIG. 3 changes, and an output proportional to the magnitude of Fy is obtained.
【００３１】このとき、歪ゲージＴx3、Ｔx4、Ｔz4、Ｔ
x1、Ｔy2、Ｔz2には極めて微小な圧縮歪が発生するが、
ブリッジ回路１４におけるＴx1とＴx2およびＴx3とＴx4
が、ならびにブリッジ回路１６におけるＴz2とＴz4が互
いに打ち消し合うため、Ｍｙ、Ｍｚは検出されない。At this time, the strain gauges T x3 , T x4 , T z4 , T
x1 , Ty2 and Tz2 generate extremely small compression strains,
T x1 and T x2 and T x3 and T x4 in the bridge circuit 14
However, since T z2 and T z4 in the bridge circuit 16 cancel each other, My and Mz are not detected.
【００３２】さらに、歪ゲージＴz1とＴz3もそれぞれ引
張歪および圧縮歪を検出するが、これらもブリッジ回路
１６において互いに打ち消し合うため、やはりＭｚは検
出されない。Further, the strain gauges T z1 and T z3 also detect tensile strain and compressive strain, respectively, but these also cancel each other out in the bridge circuit 16, so that Mz is not detected.
【００３３】Ｚ軸方向の力Ｆｚ： 起歪体４に力Ｆｚが作用すると、歪ゲージＳz1、Ｓz2、
Ｓz5、Ｓz6は圧縮歪を受けて、その抵抗値はＦｚに比例
して減少し、一方、歪ゲージＳz3、Ｓz4、Ｓz7、Ｓz8は
引張歪を受けて、その抵抗値はＦｚに比例して減少す
る。この結果、図３のブリッジ回路１３の出力のみが変
化し、Ｆｚの大きさに比例した出力が得られる。 A force Fz in the Z-axis direction: When the force Fz acts on the flexure element 4, the strain gauges S z1 , S z2 ,
S z5 and S z6 undergo compressive strain and their resistance decreases in proportion to Fz, while strain gauges S z3 , S z4 , S z7 and S z8 undergo tensile strain and their resistances are It decreases in proportion to Fz. As a result, only the output of the bridge circuit 13 in FIG. 3 changes, and an output proportional to the magnitude of Fz is obtained.
【００３４】このとき、歪ゲージＴx1、Ｔx4、Ｔy1、Ｔ
y4には引張歪が、また歪ゲージＴx2、Ｔx3、Ｔy2、Ｔy3
には圧縮歪が発生するが、ブリッジ回路１４におけるＴ
x1とＴx3およびＴx2とＴx4が、ならびにブリッジ回路１
５におけるＴy1とＴy3およびＴy2とＴy4が互いに打ち消
し合うため、Ｍｘ、Ｍｙは検出されない。At this time, the strain gauges T x1 , T x4 , T y1 , T
y4 is a tensile strain, and strain gauges T x2 , T x3 , T y2 , T y3
Generates compression distortion, but T
x1 and Tx3 and Tx2 and Tx4 , and bridge circuit 1
Since T y1 and T y3 and T y2 and T y4 in 5 cancel each other, Mx and My are not detected.
【００３５】Ｘ軸まわりの力Ｍｘ： 起歪体４にモーメントＭｘが作用すると、歪ゲージ
Ｔx1、Ｔx3は圧縮歪を受けて、その抵抗値はＭｘに比例
して減少し、一方、歪ゲージＴx2、Ｔx4は引張歪を受け
て、その抵抗値はＭｘに比例して増大する。この結果、
図３のブリッジ回路１４の出力のみが変化し、Ｍｘの大
きさに比例した出力が得られる。 A force Mx around the X axis: When a moment Mx acts on the flexure element 4, the strain gauges T x1 and T x3 receive compressive strain, and their resistance values decrease in proportion to Mx. The gauges T x2 and T x4 are subjected to tensile strain, and their resistances increase in proportion to Mx. As a result,
Only the output of the bridge circuit 14 in FIG. 3 changes, and an output proportional to the magnitude of Mx is obtained.
【００３６】このとき、歪ゲージＳz1、Ｓz4には引張歪
が、また歪ゲージＳz3、Ｓz2には圧縮歪が発生するが、
ブリッジ回路１３におけるＳz1とＳz2およびＳz3とＳz4
が互いに打ち消し合うため、Ｆｚは検出されない。At this time, tensile strain is generated in the strain gauges S z1 and S z4 and compressive strain is generated in the strain gauges S z3 and S z2 .
S z1 and S z2 and S z3 and S z4 in the bridge circuit 13
Cancel each other out, Fz is not detected.
【００３７】Ｙ軸まわりの力Ｍｙ： 起歪体４にモーメントＭｙが作用すると、歪ゲージ
Ｔy1、Ｔy3は圧縮歪を受けて、その抵抗値はＭｙに比例
して減少し、一方、歪ゲージＴy2、Ｔy4は引張歪を受け
て、その抵抗値はＭｙに比例して増大する。この結果、
図３のブリッジ回路１５の出力のみが変化し、Ｍｙの大
きさに比例した出力が得られる。 Force My around the Y-axis: When a moment My acts on the flexure element 4, the strain gauges T y1 and T y3 receive compressive strain, and their resistance values decrease in proportion to My. The gauges T y2 and T y4 receive tensile strain, and their resistance values increase in proportion to My. As a result,
Only the output of the bridge circuit 15 in FIG. 3 changes, and an output proportional to the magnitude of My is obtained.
【００３８】このとき、歪ゲージＳz6、Ｓz7には引張歪
が、また歪ゲージＳz8、Ｓz5には圧縮歪が発生するが、
ブリッジ回路１３におけるＳz5とＳz6およびＳz7とＳz8
が互いに打ち消し合うため、Ｆｚは検出されない。At this time, tensile strain is generated in the strain gauges S z6 and S z7 , and compressive strain is generated in the strain gauges S z8 and S z5 .
S z5 and S z6 and S z7 and S z8 in the bridge circuit 13
Cancel each other out, Fz is not detected.
【００３９】Ｚ軸まわりの力Ｍｚ： 起歪体４にモーメントＭｚが作用すると、歪ゲージ
Ｔz1、Ｔz3は圧縮歪を受けて、その抵抗値はＭｚに比例
して減少し、一方、歪ゲージＴz2、Ｔz4は引張歪を受け
て、その抵抗値はＭｚに比例して増大する。この結果、
図３のブリッジ回路１６の出力のみが変化し、Ｍｚの大
きさに比例した出力が得られる。 Force Mz around the Z axis: When a moment Mz acts on the flexure element 4, the strain gauges T z1 and T z3 receive compressive strain, and their resistance values decrease in proportion to Mz. The gauges T z2 and T z4 receive tensile strain, and their resistance values increase in proportion to Mz. As a result,
Only the output of the bridge circuit 16 in FIG. 3 changes, and an output proportional to the magnitude of Mz is obtained.
【００４０】なお、本発明は図示例に限定されることな
く種々設計変更可能で、例えば、歪検出用回路の構成
は、６軸成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚにつ
いての歪情報が独立して得られる限り、図示例以外の他
の構成としてもよい。The present invention can be variously modified without being limited to the illustrated example. For example, the configuration of the distortion detection circuit is composed of six axis components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz. May be configured other than the illustrated example as long as is obtained independently.
【００４１】[0041]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
構造が簡単な起歪体を用いているにもかかわらず各軸の
軸力およびモーメントを精度良く検出できる。また、起
歪体の構造が簡単なので、製作コストさらには製品コス
トの大幅な低減が図れる。As described in detail above, according to the present invention,
The axial force and moment of each axis can be detected with high accuracy despite the use of a flexure element having a simple structure. Further, since the structure of the flexure element is simple, the production cost and the product cost can be significantly reduced.
【図１】本発明の一実施例の起歪体の概略斜視図であ
る。FIG. 1 is a schematic perspective view of a flexure element according to one embodiment of the present invention.
【図２】同起歪体における歪ゲージの貼付位置を示す配
置図で、図２(a) は平面図、図２(b) は正面図、図２
(c) は右側面図である。FIGS. 2A and 2B are layout diagrams showing positions where strain gauges are attached in the strain body, FIG. 2A being a plan view, FIG. 2B being a front view, and FIG.
(c) is a right side view.
【図３】本発明の力覚センサの歪検出回路の一実施例の
回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of an embodiment of a distortion detection circuit of the force sensor according to the present invention.
【図４】同起歪体を備えた産業用ロボットのロボットア
ーム手先部の構造を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic view showing a structure of a robot arm hand portion of an industrial robot provided with the strain body.
１ 力覚センサ ２ ロボットアーム ２ａ ロボットアームの取付部 ３ ロボットハンド ３ａ ロボットハンドの取付フランジ ４ 起歪体 ５ 起歪体の支持部 ６ 起歪体の力作用部 ７ａ〜７ｄ 起歪体の第１弾性ビーム ８ａ〜８ｄ 起歪体の第２弾性ビーム １１〜１６ ブリッジ回路 Ｓx1〜Ｓx4 Ｆｘ検出用歪ゲージ Ｓy1〜Ｓy4 Ｆｙ検出用歪ゲージ Ｓz1〜Ｓz4 Ｆｚ検出用歪ゲージ Ｔx1〜Ｔx4 Ｍｘ検出用歪ゲージ Ｔy1〜Ｔy4 Ｍｙ検出用歪ゲージ Ｔz1〜Ｔz8 Ｍｚ検出用歪ゲージDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Force sensor 2 Robot arm 2a Robot arm mounting part 3 Robot hand 3a Robot hand mounting flange 4 Strain generator 5 Strain body supporting part 6 Strain body force acting part 7a to 7d First strain body Elastic Beams 8a to 8d Second Elastic Beam of Flexure Element 11 to 16 Bridge Circuit S x1 to S x4 Fx Detection Strain Gauge S y1 to S y4 Fy Detection Strain Gauge S z1 to S z4 Fz Detection Strain Gauge T x1 ~T x4 Mx detection for strain gauge T y1 ~T y4 My detection for strain gauge T z1 ~T z8 Mz detection for strain gauges
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01L 5/16──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01L 5/16
Claims (1)
ンドの力作用側部との間に介装される起歪体と、該起歪
体の歪を検出する歪ゲージとを備えてなり、 前記起歪体は、前記支持側部に連結される支持部と、前
記力作用側部に連結される力作用部と、これらを連結す
る複数の弾性ビームとからなる単一部材から構成され、 前記起歪体は、その中心部分に前記支持部が配置される
とともに、該支持部の周囲に前記力作用部が同心状に４
つ配置されてなり、これら支持部および力作用部間を連
結する前記弾性ビームは、直交する２軸上に延びる４本
の第１弾性ビームと、該第１弾性ビームに直交する４本
の第２弾性ビームとから構成され、相隣る前記力作用部
が前記第２弾性ビームにより相互に連結されるととも
に、該第２弾性ビームの中央部と前記支持部が前記第１
弾性ビームにより相互に連結され、 前記第２弾性ビームの外側面の高さ方向の中心位置にお
いて、その第２弾性ビームに直交している第１弾性ビー
ムの軸心に対称に一対の歪ゲージが配設され、かつ、同
第２弾性ビームの上面および下面であってその第２弾性
ビームに直交している第１弾性ビームの軸心の延長上の
位置に歪ゲージが配設され、 前記第１弾性ビームの上面および下面においてその軸心
上に歪ゲージが配設され、かつ、同第１弾性ビームの一
方の側面の高さ方向の中心位置に歪ゲージが配設され、
前記一方の側面に配設されている歪ゲージは、同第１弾
性ビームと直交する第１弾性ビームの軸に関して軸対称
に位置する第１弾性ビームの他方の側面に同様にして配
設されている歪ゲージと点対称とされ、 前記直交する一方の軸上の第１弾性ビームに直交してい
る第２弾性ビームの外側面に配設されている歪ゲージ
が、同軸方向の力を検出するようにブリッジ回路が形成
され、前記直交する他方の軸上の第１弾性ビームに直交
している第２弾性ビームの外側面に配設されている歪ゲ
ージが、同軸方向の力を検出するようにブリッジ回路が
形成され、前記第２弾性ビームの上面および下面に配設
されている歪ゲージが、前記直交する２軸に直交する軸
方向の力を検出するようにブリッジ回路が形成され、 前記直交する一方の軸上の第１弾性ビームの上面および
下面に配設されている歪ゲージが、前記直交する他方の
軸まわりのモーメントを検出するようにブリッジ回路が
形成され、前記直交する他方の軸上の第１弾性ビームの
上面および下面に配設されている歪ゲージが、前記直交
する他方の軸まわりのモーメントを検出するようにブリ
ッジ回路が形成され、前記第１弾性ビームの側面に配設
されている歪ゲージが、前記直交する２軸に直交する軸
まわりのモーメントを検出するように ブリッジ回路が形
成されてなることを特徴とする６軸力覚センサ。1. A robot arm having a support side and a robot arm.
A flexure element interposed between the force acting side of the
A strain gauge for detecting a strain of the body, wherein the strain generating body is connected to the support side,
A force acting portion connected to the writing force acting side portion and
A single member consisting of a plurality of elastic beams,The supporting portion is disposed at the center of the strain body.
At the same time, the force acting portion is concentrically disposed around the support portion.
Between the supporting part and the force acting part.
The four elastic beams to be connected extend on two orthogonal axes.
First elastic beam and four beams orthogonal to the first elastic beam
And the second elastic beam of
Are interconnected by the second elastic beam and
The central portion of the second elastic beam and the support portion are the first elastic beam.
Interconnected by elastic beams, At the center of the outer surface of the second elastic beam in the height direction.
And a first elastic beam orthogonal to the second elastic beam.
A pair of strain gauges are arranged symmetrically about the axis of the
Upper and lower surfaces of the second elastic beam, the second elastic
On the extension of the axis of the first elastic beam orthogonal to the beam
A strain gauge is arranged at the position, The axis of the first elastic beam at the upper surface and the lower surface thereof
A strain gauge is disposed on the top of the first elastic beam.
A strain gauge is arranged at the center position in the height direction on one side,
The strain gauge provided on one side is the first
Axisymmetric about the axis of the first elastic beam orthogonal to the neutral beam
In the same manner on the other side of the first elastic beam located at
It is point symmetric with the strain gauge that is set up, Orthogonal to the first elastic beam on one of the orthogonal axes.
Strain gauge disposed on the outer surface of the second elastic beam
However, a bridge circuit is formed to detect coaxial force
And orthogonal to the first elastic beam on the other orthogonal axis.
Strain gauge disposed on the outer surface of the second elastic beam
The bridge circuit detects the force in the coaxial direction
Formed on the upper and lower surfaces of the second elastic beam
The strain gauge is an axis orthogonal to the two orthogonal axes.
A bridge circuit is formed to detect the force in the direction, An upper surface of a first elastic beam on one of the orthogonal axes;
The strain gauge disposed on the lower surface is
The bridge circuit detects the moment around the axis
Formed of a first elastic beam on the other orthogonal axis.
The strain gauges disposed on the upper surface and the lower surface
To detect the moment about the other axis
Formed on a side surface of the first elastic beam.
The strain gauge is an axis orthogonal to the two orthogonal axes.
To detect the surrounding moment Bridge circuitIs shaped
Being doneA six-axis force sensor.
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1991
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