CN108068139B - 力检测装置及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种力检测装置及机器人，具有能够提高力的检测精度的构造。力传感器具备：应变承受体即力传感器主体；以及固定部，该固定部是固定于应该安装力传感器的被安装部上的部分。固定部与力传感器主体一体地形成为比力传感器主体的与上述被安装部相对的底部的底面突出。

Description

力检测装置及机器人
技术领域
本发明涉及对作用于构造体的外力进行检测的力检测装置、以及具有安装了该力检测装置的构造体的工业用机器人。
背景技术
近年来能够取消安全栅而充分确保人员安全地进行某种处置的工业用机器人，已能够与人员协作实施作业。因此对这种机器人即所谓协作机器人需求在增长。
在使用协作机器人的情况下，人员与机器人共有作业空间，因此需要防止人员与机器人接触而受伤。为此，采用了在机器人主体安装力检测装置(以下称为力传感器)来检测人员与机器人的接触力的方法。例如在由力传感器检测出超过预定阈值的接触力时，则使机器人的动作停止或者使机器人以减轻接触力的方式动作。
上述这样的力传感器通常具备：作为承受外力而发生应变的应变承受体的力传感器主体、以及固定于力传感器主体的应变检测器。将力传感器主体安装于构造体并利用应变检测器来检测力传感器主体的应变量，从而能够基于该检测值来识别作用于构造体的力的大小、方向。作为这种力传感器的一例，日本特开2009－74969号公报提出了一种构造简单的六轴力传感器。
在力传感器中，通常是在力传感器单体中算出用于将构成力传感器的应变检测器的输出信号变换为力的值的校正参数即实施所谓的校准。因此，在将力传感器实际安装于构造体时，若因安装有力传感器的构造体的部分(以下称为被安装部)的变形、表面翘曲等的影响而使力传感器自身发生变形，则会导致上述的校正参数失真。由此产生通过力传感器检测出的力的值的误差变大这样的问题。
尤其是对于协作机器人而言，当由力传感器检测出的接触力超过预定阈值时，则使机器人的动作停止、或以减轻接触力的方式使机器人动作。因此，当力传感器的检测值的误差如上述那样增大时，则为了避免对接触的误检测而需要较高地设定上述的阈值，也就是将对接触的灵敏度设置为较低。当人员与机器人发生接触时，人员可容许的接触力存在限度，而如果对接触的灵敏度低则会增加对协作机器人使用方式的限制。
因此，以往为了提高上述这种力传感器的检测精度，是在预先将被安装部的变形、表面的翘曲等除去之后再将力传感器安装于被安装部。另外，为了防止在安装力传感器时由于被安装部的变形、表面的翘曲等的影响而导致力传感器自身发生变形，将力传感器经由高刚性的其它零件安装于被安装部。
但是，采用预先对被安装部进行全面研磨加工等而预先除去被安装部的变形的方法会导致被安装部的制造成本提高。
另一方面，在使用高刚性的其它零件的安装方法的情况下，则会由于高刚性的其它零件是比较大且重的零件，会受到可耐受重物的设置环境的限制，或是由于机器人的动作区域与高刚性的其它零件发生干涉，从而产生对机器人的动作区域造成制限等对使用对象造成限制的问题。尤其是在将机器人设置于地板以外的墙壁、顶板使用的情况下，会由于机器人较重而需要对进行设置的墙壁或顶板进行加固，导致准备设置环境的成本升高。另外，由于协作机器人能够在无安全栅条件下使用，因此具有向生产线增添或减少机器人要比现有机器人容易进行的优点，但是重量较重的机器人则难以简便地移动，因此导致这种协作机器人的优点削弱。另外，有时会将高刚性的其它零件与力传感器结合起来提供给用户，但是由于大小、重量都会增加而在尺寸方面实用性降低且搬运困难。
此外，日本特开2009－74969号公报完全没有公开能够在安装力传感器时防止由于被安装部的变形、表面的翘曲等而导致力传感器主体变形的力传感器的构造。
为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有能够提高力的检测精度的构造的力检测装置、以及具备该力检测装置的机器人。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供一种力检测装置，其具备承受外力而发生应变的应变承受体，其中，具有固定部，该固定部是固定于应该安装上述力检测装置的被安装部上的部分，上述固定部以比上述应变承受体的与上述被安装部相对的底部的底面突出的方式设置于上述应变承受体。
根据本发明的第二方案，提供力检测装置，是上述第一方案的力检测装置，其中，在上述应变承受体至少设有三个上述固定部。
根据本发明的第三方案，提供力检测装置，是上述第一方案或第二方案的力检测装置，其中，在上述应变承受体的上述底部与上述固定部之间具有薄壁部，该薄壁部比上述底部及上述固定部各自的壁厚薄。
根据本发明的第四方案，提供力检测装置，是上述第一方案至第三方案任一个的力检测装置，其中，上述固定部的与上述被安装部接触的部分的面仅存在于螺栓固定用通孔的周围。
根据本发明的第五方案，提供一种机器人，是具备上述第一方案至第四方案任一个的力检测装置的机器人，该机器人构成为通过上述力检测装置来检测作用于该机器人的外力。
根据本发明，在将力检测装置利用固定部固定于地面等被安装部时，由于固定部以外的部分即应变承受体的底部不与被安装部发生接触，因此能够防止由于被安装部的变形、表面的翘曲等而导致应变承受体发生变形。由此，能够减小在安装力检测装置之前实施了校准的力检测装置单体中的应变承受体的形状、与安装于被安装部的力检测装置的应变承受体的形状之间的形状差，从而提高力的检测精度。
此外，在将力检测装置安装于机器人的情况下，能够更加准确地检测出作用于机器人的外力。例如就与人员进行协作作业的协作机器人而言，能够以更高的灵敏度检测人员与机器人发生接触的情况，从而能够更加灵活地使用机器人。
另外，由于不需要预先除去被安装部的变形，也不需要高刚性的其它零件，因此能够抑制被安装部的制造成本，并且使力检测装置或安装了力检测装置的机器人尺寸减小并且减重。
通过对图示本发明的典型实施方式的详细说明，能够对本发明的这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点更加明了。
附图说明
本发明的上述或其它目的、特征及优点可以通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明而明了。
图1是对具备本发明的力检测装置的工业用机器人的一例示意地进行表示的侧视图。
图2是从斜上方观察本发明的力检测装置的一个实施方式的图。
图3是一个实施方式的力检测装置的主视图。
图4是一个实施方式的力检测装置的俯视图。
图5是表示一个实施方式的力检测装置的下部侧的图。
图6是表示另一实施方式的力检测装置的构造的立体图。
具体实施方式
接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在所参照的附图中，对于相同的构成部分或功能部分附加相同的参照符号。为了容易理解而对这些附图的比例尺适当地进行了变更。另外，图示方式仅为本发明实施方式之一例而不限定本发明。
图1是对具备本发明的力检测装置(以下称为力传感器)的工业用机器人的一例示意地进行表示的侧视图。
图1所示的机器人10例如是由垂直多关节型机械手构成的工业用机器人，是与人员共有作业区域并与人员进行协作作业的协作机器人(以下简称为机器人)。为了将机器人10设置于地面L，在地面L上固定有固定板11。在固定板11上固定有力传感器12，进而，在力传感器12上固定有机器人10的下部的机器人基座13。
力传感器12是对作用于机器人10的外力、例如人员与机器人10接触时的力(所谓接触力)进行检测的装置。在力传感器12中具备对外力引起的力传感器主体的应变进行检测的应变检测器、例如是电阻式应变计。力传感器12能够基于应变检测器的输出信号来计算施加于力传感器主体的力的值。
力传感器12安装于固定板11与机器人10之间，但是也可以安装于机器人10的内部。根据不同情况，也可以在固定板11与机器人10之间或是在机器人10的内部将力传感器12安装于多处位置。
另外，力传感器12也可以安装于机器人10以外的其它构造体。即，能够使用力传感器12的对象不限于工业用机器人。另外，对外力引起的力传感器主体的应变进行检测的应变检测器，并不限于应变计，也可以使用电容传感器、压电传感器、位移传感器等。
接下来，具体地对上述这种机器人10能够使用的力传感器12的构造进行说明。图2是从斜上方观察力传感器12单体的图，图3是力传感器12单体的主视图，图4是力传感器12单体的俯视图，图5是表示力传感器12单体的下部侧的图。
本实施方式的力传感器12具备：承受外力而发生应变的应变承受体即圆筒状的力传感器主体20、以及固定于力传感器主体20的多个应变检测器(未图示)。此外，由力传感器12检测的外力包括转矩或弯矩等。
如图2～图5所示，力传感器主体20具有：板状的底部21、与底部21相对的环形状的顶板部22、以及在底部21与顶板部22之间配置而将底部21与顶板部22彼此连结的柱部23。
由图2及图4等可知，虽然在本实施方式中，柱部23的数量为四个，但是本发明不限于该数量。
在上述的力传感器主体20承受外力而底部21与顶板部22相对地移动时，各柱部23会变形。因此，在各柱部23固定有未图示的应变检测器。
在将本实施方式的力传感器12用于机器人10(参照图1)的情况下，将力传感器12的下部即底部21侧固定于地面L的固定板11，并且在力传感器12的上部即顶板部22侧安装机器人基座13。
在上述力传感器12的情况下，柱部23也会因外力而发生变形，因此应变检测器的输出信号发生变化。通过将各应变检测器的输出信号换算为力的值，能够检测作用于力传感器主体20的力的大小、方向。
此外，在上述的力传感器12中需要算出用于将应变检测器的输出信号变换为力的值的校正参数即进行所谓的校准。由于校准的实施在将力传感器12安装于机器人10之后是非常困难的，因此在安装之前在力传感器12单体中实施校准。但是，在安装力传感器12的部分即被安装部发生变形的情况下，若将力传感器12固定于这种被安装部，则会由于该被安装部的变形、表面的翘曲等的影响而导致力传感器主体20发生变形。其结果是，力传感器主体20的形状会从实施了校准时的形状发生改变，从而导致力传感器12对力的检测精度降低。为了解决该问题，若采用本说明书的背景技术中记载的那种在安装力传感器12之前将被安装部的变形等除去的方法则会提高制造成本。若采用经由高刚性的其它零件将力传感器12安装于被安装部的方法，则会产生本说明书的背景技术中所记载的那种问题。
为此，本实施方式的力传感器12如图2～图5所示那样具有固定部30，该固定部30是通过螺栓等将力传感器12固定于所要安装的被安装部上的部分。该固定部30与力传感器主体20一体地形成为，比力传感器主体20的与固定板11等被安装部相对的底部21的底面21a突出。
上述的被安装部例如是图1所示的地面L上的固定板11。
若这样形成固定部30，则在将力传感器12固定于地面L上的固定板11时，固定部30以外的部分即力传感器主体20的底部21不与固定板11接触(尤其是参照图3)。
因此，能够防止在安装力传感器12时由于地面L、固定板11等的变形而导致力传感器主体20发生变形。
能够减小在安装力传感器12之前实施了校准的力传感器12单体中的力传感器主体20、与安装于被安装部的力传感器12的力传感器主体20之间的形状差(变化)，因此能够提高力的检测精度。
此外，地面L等被安装部与力传感器主体20接触的部分越少，就越能够抑制在安装力传感器12时因被安装部的变形、表面的翘曲等而导致力传感器主体20发生变形。但是，固定部30的数量最好是能够使力传感器12稳定地固定的最小限度的数量即三个。但是，在外力大而力传感器12的强度不足的情况下，使固定部30的数量为四个以上也能够获得同样的效果。
如图3及图5等所示，固定部30的与被安装部接触的部分30a的面积优选通过倒角、槽加工等方法而尽可能地减小。例如由图5可知，本实施方式中的固定部30的与被安装部接触的部分30a的面仅存在于螺栓固定用通孔的周围。
此外，由图2及图3等可知，优选在力传感器主体20的底部21与固定部30之间具有比底部21及固定部30各自的壁厚薄的薄壁部31。由此，薄壁部31与底部21及固定部30相比而言都是刚性低而易于变形的部分。在将力传感器12的固定部30利用螺栓等紧固于被安装部时薄壁部31会发生变形，从而能够在薄壁部31吸收被安装部的变形的表面的翘曲等。其结果是，能够防止在安装力传感器12时因被安装部的变形等而导致力传感器主体20发生变形。
另外，由于如上述这样在薄壁部31吸收被安装部的变形等，因此优选提高薄壁部31以外的部分的刚性。因此，在本实施方式中，如图2及图4等所示，用于将构成力传感器12的零件、例如应变检测器的输出信号的处理电路等安装到力传感器主体20内的开口部32仅形成于力传感器主体20的顶板部22。即，这种开口部32未形成于力传感器主体20的底部21，而是形成于底部21以外的部分。由此，使薄壁部31以外的部分即底部21的刚性提高。
另外，如图6所示，在力传感器主体20的顶板部22的上表面，以向顶板部22的外方突出的方式设有用于安装机器人基座13(参照图1)等构造体的安装面22a。若这样形成安装面22a，则在将机器人基座13安装于力传感器12的上部的顶板部22时，力传感器主体20的顶板部22的安装面22a以外的部分不与机器人基座13接触。因此，能够防止在安装机器人基座13等构造体时因构造体的变形而导致力传感器主体20发生变形。
在图6所示的例中，与环状的顶板部22的形状相配合地将安装面22a也设置为环状，但是安装面22a的形状不限于环形状。只要能够减小力传感器主体20的顶板部22与其上安装的构造体发生接触的部分，则安装面22a的形状可以是任意形状。例如安装面22a的宽度可以形成为尽量小，或是对安装面22a的角部进行倒角。另外，安装于固定板11的一侧也可以是顶板部22那样的形状，或者安装于机器人基座13的一侧也可以是具有固定部30的那样的形状。
在将以上说明的各实施方式的力传感器12安装于机器人10的情况下，能够更加准确地检测作用于机器人10的外力。例如就与人员进行协作作业的协作机器人而言，能够以更高的灵敏度检测人员与机器人发生接触的情况，从而能够更加灵活地使用协作机器人。
另外，并不限于本实施方式，在具有检测力传感器主体20的应变来计算力的原理的力传感器中，因被安装部的变形、表面的翘曲的影响而引起的力传感器主体自身的变形会导致对力的检测精度降低。本发明对于具有这种原理的所有力传感器都是有效的。
以上使用典型的实施方式对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员而言，在不脱离发明范围的前提下，是能够对上述的各实施方式进行各种变更、省略以及添加的。

Claims (5)

1.一种力检测装置(12)，其特征在于，具有：
应变承受体(20)，其为承受外力而发生应变的应变承受体(20)，且具有底部(21)、从该底部分离并与该底部对置的顶板部(22)以及在该底部与该顶板部之间延伸的柱部(23)；
多个第一固定部(30)，其设置为从上述底部朝向与上述顶板部相反的一侧突出，并且比上述底部以及上述顶板部朝向侧面突出，在上述底部(21)的圆周方向上互相分离地配置，各个上述第一固定部(30)是固定于要安装上述力检测装置(12)的第一被安装部上的部分；以及
多个薄壁部(31)，其从上述底部(21)延伸至各个上述第一固定部(30)，在上述圆周方向上互相分离地配置，比上述底部(21)以及各个上述多个第一固定部(30)的壁厚薄，
上述力检测装置(12)在上述顶板部侧固定于要安装上述力检测装置(12)的第二被安装部。
2.根据权利要求1所述的力检测装置(12)，其特征在于，
还具备第二固定部(22a)，该第二固定部设置为从上述顶板部朝向与上述底部相反的一侧突出，且是固定于上述第二被安装部的部分。
3.根据权利要求1或2所述的力检测装置(12)，其特征在于，
在上述应变承受体(20)至少设有三个上述第一固定部(30)。
4.根据权利要求1或2所述的力检测装置(12)，其特征在于，
上述第一固定部(30)的与上述第一被安装部接触的部分(30a)的面仅存在于螺栓固定用通孔的周围。
5.一种机器人(10)，其特征在于，
具备权利要求1至4中任一项所述的力检测装置(12)，
该机器人(10)构成为通过上述力检测装置(12)来检测作用于该机器人(10)的外力。
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