CN109834716B

CN109834716B - 力检测装置以及机器人

Info

Publication number: CN109834716B
Application number: CN201811366137.3A
Authority: CN
Inventors: 藤田淳哉; 坂野哲朗
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2038-11-16
Also published as: DE102018128445A1; DE102018128445B4; JP6553700B2; US20190162608A1; US10458867B2; CN109834716A; JP2019095318A

Abstract

本发明提供一种难以受到安装部位的变形的影响的力检测装置以及机器人。力检测装置(20)具备：安装在设置面(14a)上的设置部件(25)；以及固定在设置部件(25)的上表面(15a)的力传感器主体(12)，设置部件(25)具备：具有上表面(15a)，并且至少沿水平方向延伸的板状或凸缘状的第一部分(15)；从第一部分的下表面侧至少向下延伸的第二部分(16)；以及从第二部分(16)至少沿水平方向延伸、并固定在设置面(14a)上的第三部分(17)，在第一部分(15)和第三部分(17)之间，形成有上下方向的间隙(SP)。

Description

力检测装置以及机器人

技术领域

本发明涉及力检测装置以及机器人。

背景技术

在机器人等的各种装置中，存在使用力检测装置(以下也称为力传感器)的情况，所述力检测装置用于检测对装置施加的力。作为这种用于检测对装置施加的力的力传感器，已知有一种结构简单的六轴传感器(例如专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-74969号公报

发明内容

发明要解决的问题

当将力传感器安装在装置时，若因力传感器被安装在装置上的部位的变形或表面波纹等影响而使力传感器本身发生变形，则导致力传感器检测到因该变形的影响而产生的误差，可能会无法准确地检测出对装置施加的力。

另外，为了提高力传感器的检测精度，并且在安装力传感器时以防止因被安装部的变形等而使力传感器本身发生变形为目的，而存在如下情况：即、力传感器经由高刚性的其他部件而被安装在被安装部上。在该情况下，由于高刚性的其他部件比较大且变成很重的部件，因此，安装力传感器的位置仅限于能够承受重物的设置环境。

在专利文献1中，公开了结构简单的六轴传感器，但没有公开如下内容：即、在安装像六轴传感器那样的力传感器时，因被安装部的变形或表面波纹等而产生的力传感器的检测误差。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种难以受到安装部位的变形的影响的力检测装置以及机器人。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明提供以下的方案。

本发明的一个方案是提供一种力检测装置，所述力检测装置具备：安装在设置面上的设置部件；以及固定在所述设置部件的上表面的力传感器主体，所述设置部件具备：板状或凸缘状的第一部分，当将所述设置部件安装在水平的所述设置面时，在所述第一部分的上端侧具有所述上表面，并且所述第一部分至少沿水平方向延伸；第二部分，其从所述第一部分的下表面侧至少向下延伸；以及第三部分，其从所述第二部分至少沿水平方向延伸，并固定在所述设置面上，在所述第一部分和所述第三部分之间，形成有上下方向的间隙。

根据本方案，第二部分从第一部分向下延伸，并且第三部分从第二部分沿水平方向延伸，在固定于设置面上的第三部分、与固定在力传感器主体上的第一部分之间，形成有沿上下方向的间隙。因此，从第三部分到第一部分的力的传递路径变长相当于存在所述间隙的量。也就是说，在固定于设置面的第三部分上产生的应力，因存在所述间隙而难以传递到第一部分。由此，能够使得因安装了第三部分的设置面的变形或表面波纹等而产生的应力、对力传感器主体的影响变小，并能够实现力检测装置的检测精度的提高。另外，由于不需要预先去除设置面的变形、不需要用于安装力检测装置的高刚性的其他部件，因此能够控制用于安装力检测装置的成本。

在上述方案中，可以在所述第三部分中的、围绕沿所述第二部分的上下方向延伸的中心轴线的圆周方向的规定位置，设置有用于固定在所述设置面上的多个紧固用孔，在所述圆周方向的规定位置，在所述第三部分和所述第一部分之间，形成有所述间隙。

像这样，在围绕第二部分的中心轴的圆周方向的规定位置对第三部分和设置面，利用插入到紧固用孔中的紧固件进行固定，在围绕第二部分的中心轴的圆周方向的规定位置在第三部分与第一部分之间形成间隙。由此，能够使得因被固定的设置面的变形或表面波纹而产生的应力对力传感器主体的影响变得更小。

在上述方案中，可以将多个所述紧固用孔设置在所述第三部分的外轮廓附近。

像这样，由于从第三部分中的用于固定设置面的紧固用孔到力传感器主体的距离变大，因此，力传感器主体难以受到因设置面的变形或表面波纹等而产生的影响。

在上述方案中，能够以从所述中心轴线到所述第二部分的外周面的距离之中、沿着分别从所述紧固用孔连接到所述中心轴线的方向的距离，小于其他部分的距离的方式，形成所述间隙。

关于因被固定的设置面的变形或表面波纹而产生的应力对力传感器主体的影响，具有应力的传递距离越长则该影响越小的趋势。在该方案中，以从第二部分的外周面到紧固用孔的距离变长的方式，形成所述间隙，其结果为，从设置面到第一部分的应力的传递距离变长，因此能够进一步减小在设置面所产生的应力对力传感器主体的影响。

在上述方案中，在所述水平方向上，所述第三部分位于比所述第一部分更靠内侧。

像这样，沿着水平方向的第三部分的尺寸小于第一部分，能够使力检测装置的设置面积变小。由此，利用间隙而使得从固定于设置面的第三部分到第一部分的应力的传递距离变长，因此在减小应力对力传感器主体的影响的同时，能够使力检测装置变成小型化。

在上述方案中，所述间隙可以形成在所述第二部分的整个圆周上。

像这样，即使在具有多个紧固孔的情况下，也由于所有的紧固孔到第一部分的应力的传递距离变长，因此能够减小应力对力传感器主体的影响。

在上述方案中，所述第三部分的下表面之中、当固定在所述设置面时与所述设置面接触的接触面，配置在比其他部分更靠下方。

像这样，在第三部分中，接触面与设置面接触，其他部分不会与设置面接触。因此，在第三部分中的除了接触面之外的部分不会受到因设置面的变形或表面波纹而产生的应力，能够进一步减小从第三部分传递到力传感器主体的应力的影响。

在上述方案中，所述第一部分的上表面之中，当固定在所述力传感器主体时与所述力传感器主体接触的接触面，配置在比其他部分更靠上方。

像这样，在第一部分中，接触面与力传感器主体接触，其他部分不会与力传感器主体接触。因此，在第一部分中的除了接触面之外的部分的变形或表面波纹而产生的应力，不会传递到力传感器主体，能够进一步减小第一部分对力传感器主体的应力的影响。

在上述方案中，所述力传感器主体具备：能够检测力的力检测器；以及用于覆盖所述力检测器的框架，所述力检测器与所述设置部件形成一体。

像这样，由于能够将力检测器与设置部件形成一体，因此可以使力检测装置的制造成本降低。

另外，本发明的其他方案是提供一种具备上述方案的力检测装置的机器人。

根据本方案，安装在机器人上的力传感器主体可以检测出对机器人施加的力。在该机器人中，由于因固定了力检测装置的设置面的变形或表面波纹而产生的应力的影响小，因此，在检测力时的误差很少。

发明效果

根据本发明，能够提供一种难以受到安装部位的变形的影响的力检测装置以及机器人。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的机器人的示意图。

图2是内置在力传感器主体的框架中的力检测器之一例的立体图。

图3是力检测装置的立体图。

图4是力检测装置的主视图。

图5是从机器人的前端侧观察力检测装置的图。

附图标记说明

10：机器人

12：力传感器主体

14：机器人主体

14a：机器人主体的前端面(设置面)

15：第一部分

15a：上表面

16：第二部分

17：第三部分

18a：紧固用孔

20：力检测装置

25：设置部件

SP：间隙

具体实施方式

下面在参照附图的同时，对本发明实施方式的具备力检测装置20的机器人10进行说明。

图1是本实施方式的机器人10的示意图。本实施方式的机器人10是具有用马达驱动的多个关节轴的垂直多关节机器人。在机器人10的前端安装与作业相对应的工具TL。如图1所示，在本实施方式中，机器人10具备：固定在地面部L上的机器人主体14；以及在机器人主体14的前端面(设置面)14a上安装的力检测装置20。由于在力检测装置20中的与机器人主体14连接的一侧相反的前端侧上、安装有工具TL，因此力检测装置20能够检测出对工具TL施加的力。

力检测装置20具备：在机器人主体14的前端面14a上安装的设置部件25；在设置部件25的前端侧安装的力传感器主体12；以及在力传感器主体12的前端侧安装的安装板13。力传感器主体12具备：对于由外力引起的力传感器躯干的变形进行检测的变形检测器、例如电阻式变形仪。力传感器主体12具有：图1所示的外侧的框架12f；以及在图1中没有示出且被内置在框架12f中的力检测器30(图2)。在一个示例中，力传感器主体12是基于变形检测器的输出信号、对施加在力传感器躯干上的力的大小和方向进行计算的六轴传感器。

图2表示内置在力传感器主体12的框架12f中的力检测器30的一个例子。本实施方式所使用的力检测器30具备：圆筒状的力传感器躯干31，其是受到外力发生变形的被变形体；以及固定在力传感器躯干31上的多个变形检测器(未图示)。此外，由力检测器30检测出的外力还包含转矩或力矩等。

图3表示力检测装置20的立体图，图4表示力检测装置20的主视图。此外，在图3和图4中，将设置部件25的上下方向定义为与安装了力检测装置20的前端面14a垂直的方向，设置部件25的前端侧是设置部件25的上侧，将设置部件25与前端面14a接触的基端侧定义为设置部件25的下侧，而且，将与所述上下方向正交的方向定义为设置部件25的水平方向。假设即使在前端面14a沿倾斜方向延伸的情况、沿垂直方向延伸的情况等，也适用该定义。也就是说，将在水平的设置面设置了设置部件25时的上下方向和水平方向、定义为设置部件25的上下方向和水平方向。

设置部件25通过加工铸件而成型。此外，可以对金属块进行切削来制成设置部件25，也可以用其他方法制成设置部件25。为了控制制造成本，可以将设置部件25制成一个部件。如图3所示，设置部件25具备：具有固定有力传感器主体12的固定面(上表面)，且至少沿水平方向延伸的圆板状的第一部分15；从第一部分15的下表面侧至少向下延伸的第二部分16(图4)；以及从第二部分16至少沿水平方向延伸的第三部分17，该第三部分17被固定在机器人主体14的前端面14a上。如图4所示，在第一部分15和第三部分17之间，形成有上下方向的间隙SP。换句话说，与第一部分15和第三部分17相比，在第二部分16上，形成有沿水平方向直径变小的缩颈部。此外，在本实施方式中，在围绕中心轴OL的整个圆周上形成了缩颈部、即间隙SP。

当从上表面观察时安装板13为矩形形状，在安装板13的四个角上形成用于插入螺栓的第一螺栓孔13c，利用插入到第一螺栓孔13c中的螺栓，将工具TL固定在安装板13的上表面13a上。

如图3所示，在第三部分17中、围绕沿包含第二部分16的设置部件25的上下方向延伸的中心轴OL的圆周方向的规定位置上，形成有用于插入螺栓BT1的四个紧固用孔18a。如图3和图4所示，各紧固用孔18a设置在以中心轴OL为中心的同一圆周上、并且沿水平方向比第一部分15更靠近外侧。本实施方式的各紧固用孔18a设置在第三部分17中的外轮廓附近。此外，第三部分17中的外轮廓附近是指，比直线的中点更靠近外侧，所述直线是对中心轴OL和第三部分17中的外形的端部进行连接而成的。如图4所示，通过将插入到紧固用孔18a的螺栓BT1、紧固在机器人主体14的前端面14a所形成的螺栓孔中，从而将包含第三部分17的设置部件25固定在前端面14a上。

如图4所示，与第三部分17的其他部分相比，形成紧固用孔18a的部分向下延伸而成，该部分的下侧的接触面与前端面14a接触。因此，在第三部分17与前端面14a对置的第三部分17的底面17a中，除了形成有紧固用孔18a的部分之外的部分没有与前端面14a接触。另外，如图4所示，第二部分16在水平方向上位于比第一部分15更靠内侧。由此，由于可以利用上下的间隙SP，所以，即使第三部分17在水平方向上的突出很小，也能够降低传递到力传感器主体12的应力，并且有利于减小设置部件25在所述水平方向上的尺寸。

利用多个螺栓，将第一部分15和力传感器主体12固定在靠近第一部分15外周的外轮廓附近，所述力传感器主体12被固定在第一部分15的上表面15a上。如图4所示，与第一部分15的其他部分相比，由螺栓固定的部分向上延伸而成，该部分的上侧的接触面与力传感器主体12接触。因此，在第一部分15与力传感器主体12对置的上表面中，除了由螺栓固定的部分之外的部分没有与力传感器主体12接触。

图5是表示从机器人10的前端侧观察力检测装置20的图。此外，为了说明第二部分16和间隙SP(图4)的形状，在图5中，用虚线表示了第二部分16的形状；用单点划线表示了力传感器主体12的形状；用阴影线表示了间隙SP的区域。

如图5所示，第二部分16具有：以中心轴OL为中心的虚拟圆C1(双点划线)的圆弧部分16b的外周面；以及由与直线正交的直线部16a所表示、并且被配置在所述虚拟圆C1内侧的外周面，所述直线是分别对中心轴OL和多个紧固用孔18a的中心进行连接而成的。此外，图5所示的圆弧部分16b和直线部16a表示：第二部分16与第一部分15连接的位置。

如图5所示，从中心轴OL到直线部16a的距离L1、小于从中心轴OL到圆弧部分16b的距离R(半径)。即、在第二部分16中，从中心轴OL到第二部分16的外周面的距离之中，以沿着分别从紧固用孔18a的中心连接到中心轴OL的方向的、从中心轴OL到直线部16a的距离，小于从中心轴OL到圆弧部分16b的外周面的距离的方式，形成间隙SP。

根据上述结构的本实施方式的机器人10，在固定于机器人主体14的前端面14a的第三部分17、与将力传感器主体12固定于上表面15a的第一部分15之间，形成了上下方向的间隙SP。从第三部分17的外周部到第一部分15的力的传递路径变长相当于存在间隙SP的量。也就是说，在本实施方式中，与没有间隙SP的情况相比，在固定于机器人主体14的前端面14a的第三部分17上所产生的应力，难以传递到第一部分15。由此，能够使得因安装了第三部分17的前端面14a中的变形或表面波纹等而产生的应力、对力传感器主体12的影响变小，并能够实现力检测装置20的检测精度的提高。另外，由于设置在前端面14a而产生的应力、集中在形成一部分间隙SP的第二部分16的外周面侧，因此，经由第二部分16而固定于前端面14a上的力传感器主体12，难以受到在前端面14a所产生的应力的影响。

另外，根据本实施方式的机器人10，当将设置部件25安装在机器人主体14的前端面14a时，由于不需要用于消除因前端面14a中的变形或表面波纹等而产生的影响的作业、不需要用于安装力检测装置20的高刚性的其他部件，因此，能够控制将力检测装置20安装在前端面14a上的成本。

另外，根据本实施方式的机器人10，在以中心轴OL为中心而形成了紧固用孔18a的圆周方向上的规定位置，形成间隙SP。另外，在形成一部分间隙SP的第二部分16的外周面中，在对中心轴OL和紧固用孔18a的中心进行连接的直线上的直线部16a的距离L1、小于其他的圆弧部分16b的距离R(半径)。

此外，在上述实施方式中，已经说明了将力检测装置20安装于机器人10上的位置和安装力检测装置20的装置的一个例子，但这些可以有各种变形。为了检测对工具TL施加的力，在工具TL和机器人主体14之间设置了力检测装置20，但也可以将力检测装置20配置在机器人的各种部位。例如，可以在机器人主体14的连杆之间配置力检测装置20，也可以在机器人主体14和地面部L之间配置力检测装置20。在该情况下，力检测装置20能够检测对机器人主体14施加的力。由此，例如在机器人10是与作业人员即人的作业范围相同的协作机器人的情况下，通过使力检测装置20对机器人主体14与作业人员之间的接触力进行检测，从而能够预先防止事故。

另外，作为安装力检测装置20的装置，可以是除了机器人之外的装置，也可以是除了垂直多关节机器人之外的机器人。而且，力检测装置20的形状和尺寸可以有变形，固定在力传感器主体12上的安装板13也可以不需要，而且形状也可以不同。另外，关于作为力传感器主体12的、对于由外力引起的力传感器躯干31的变形进行检测的变形检测器，并不仅限于变形仪，还可以使用静电电容传感器、压电传感器、位移传感器等。关于力传感器主体12的框架12f的形状，以圆柱形状为一例，但也可以是其他的形状。另外，设置部件25、与内置在力传感器主体12的框架12f中的力检测器30可以形成一体。通过如此，能够降低力检测装置20的制造成本。

在本实施方式中，示出了圆板状的第一部分15和第三部分17。对此，在本实施方式中，仅将相对于第二部分16的外周面而向水平方向的外侧突出的四个部分(从第二部分16的外周面向水平方向的外侧突出的凸缘状的部分)设为第三部分17，仅将相对于第二部分16的外周面而向水平方向的外侧突出的部分设为第一部分15，在本实施方式中，还可以将第二部分16构成为，从第一部分15的上表面15a到第三部分17的底面17a均存在第二部分16。

在上述实施方式中，如图5所示，沿着水平方向，第三部分17位于比安装板13更靠内侧，但例如在第三部分17所形成的紧固用孔18a可以沿着水平方向而位于比安装板13更靠外侧。在该情况下，由于从由插入到紧固用孔18a中的螺栓BT1进行紧固的机器人主体14的前端面14a到第二部分16的距离变长，因此，能够减小因前端面14a的变形或表面波纹等而产生的应力对力传感器主体12的影响。

在上述实施方式中，将紧固用孔18a设置在第三部分17的外轮廓附近，但并不一定必须设置在外轮廓附近。为了减少前端面14a的变形等影响，优选将紧固用孔18a设置成尽可能靠近外轮廓。例如，在确保了从紧固用孔18a内侧的侧面到第三部分17的外轮廓的端部在设计上所需要的厚度之后，紧固用孔18a的设置位置，可以设置在紧固了螺栓时的螺栓的头部不会从第三部分17的外轮廓的端部突出的位置上。

关于用于对第一部分15和力传感器主体12进行固定的螺栓的位置，可以说与上述第三部分17中的紧固用孔18a的设置位置相同。即、例如，优选用于插入螺栓的贯穿孔的位置在第一部分15的外轮廓附近，所述螺栓用于紧固力传感器主体12。贯穿孔的位置，可以设置在比对中心轴OL和第一部分15的端部进行连接的直线的中点更靠外侧。例如，在确保了从贯穿孔内侧的侧面到第一部分15的外轮廓的端部在设计上所需要的厚度之后，贯穿孔的位置，可以设置在用于紧固力传感器主体12的螺栓的头部不会从第一部分15的外轮廓的端部突出的位置上。另外，关于第一部分15与力传感器主体12的固定方法，可以有各种变形，也可以是除了使用设置于第一部分15的贯穿孔和力传感器主体12的螺栓孔之外的固定方法。

Claims

1.一种力检测装置，其特征在于，

所述力检测装置具备：安装在设置面上的设置部件；以及固定在所述设置部件的上表面的力传感器主体，

所述设置部件具备：板状或凸缘状的第一部分，当将所述设置部件安装在水平的所述设置面时，在所述第一部分的上端侧具有所述上表面，并且所述第一部分至少沿水平方向延伸；第二部分，其从所述第一部分的下表面侧至少向下延伸；以及第三部分，其从所述第二部分至少沿水平方向延伸，并固定在所述设置面上，

在所述第一部分和所述第三部分之间，形成有上下方向的间隙。

2.根据权利要求1所述的力检测装置，其特征在于，

在所述第三部分中的、围绕沿所述第二部分的上下方向延伸的中心轴线的圆周方向的规定位置，设置有用于固定在所述设置面上的多个紧固用孔，

在所述圆周方向的规定位置，在所述第三部分和所述第一部分之间形成有所述间隙。

3.根据权利要求2所述的力检测装置，其特征在于，

多个所述紧固用孔设置在所述第三部分的外轮廓附近。

4.根据权利要求2所述的力检测装置，其特征在于，

以从所述中心轴线到所述第二部分的外周面的距离之中、沿着分别从所述紧固用孔连接到所述中心轴线的方向的距离小于其他部分的距离的方式，形成所述间隙。

5.根据权利要求3所述的力检测装置，其特征在于，

6.根据权利要求2至5中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

在所述水平方向上，所述第三部分位于比所述第一部分更靠内侧。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述间隙形成在所述第二部分的整个圆周上。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述第三部分的下表面之中、当固定在所述设置面时与所述设置面接触的接触面，配置在比其他部分更靠下方。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述第一部分的上表面之中、当固定在所述力传感器主体时与所述力传感器主体接触的接触面，配置在比其他部分更靠上方。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的力检测装置，其特征在于，

所述力传感器主体具备：能够检测力的力检测器；以及用于覆盖所述力检测器的框架，

所述力检测器与所述设置部件形成一体。

11.一种机器人，其特征在于，

具备权利要求1至10中任一项所述的力检测装置。