JP2006275650A

JP2006275650A - 六軸力センサ

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Publication number: JP2006275650A
Application number: JP2005092793A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Sakano; 哲朗坂野
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: US7437954B2; CN100417927C; EP1707934A1; EP1707934B1; JP4585900B2; CN1841032A; US20060213287A1

Abstract

【課題】構造が単純で、小型化が容易であり且つ安価な六軸力センサを提供する。
【解決手段】六軸力センサ１０は、一対の部材１２と、一対の部材１２の間においてその周縁部に沿って分散配置され且つ一対の部材１２を接続する少なくとも三つの脚１４とを備える。各脚１４は、一対の部材１２の一方によって両端部を支持されており且つ部材１２の周縁部を周方向に延びる横梁２０と、横梁２０の中央部から横梁２０と垂直方向に延び且つ一対の部材の他方に連結する縦梁２２とからなるＴ字形状脚である。脚１４のひずみは、第１及び第２の単軸ひずみゲージ２８、３０によって検出される。第１の単軸ひずみゲージ２８は横梁２０の長手軸線方向のひずみを検出できるように縦梁２２と反対側を向いた横梁２０の表面に取り付けられ、第２の単軸ひずみゲージ３０は縦梁２２の長手軸線方向のひずみを検出できるように周方向に向いた縦梁２２の側面に取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の力とＸ、Ｙ及びＺ軸周りのモーメントの測定が可能な六軸力センサに関する。

例えば、ロボットのアームの先端に外力が付与されると、アームの手首部には荷重が作用する。この荷重は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の力とＸ、Ｙ及びＺ軸周りのモーメントとによって構成される。このような力及びモーメントを測定する場合、荷重によって構造体に生じるひずみを利用して荷重を測定するタイプの力センサを使用することが一般的である。

このような力センサの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている六軸力センサは、中空円筒形状のセンサボディと、センサボディに組み込まれた三つ又は四つの脚とを含んでいる。脚は、互いに実質的に垂直な方向に配設された第１の腕と第２の腕とを備え、Ｌ字形状又はＴ字形状をなしている。さらに、第１の腕においてＬ字又はＴ字をなす平面内で第１の腕の長手軸線方向に直角な方向の剪断ひずみを主として検出するように、第１の剪断ひずみゲージが第１の腕に取り付けられ、第２の腕においてＬ字又はＴ字をなす平面内で第２の腕の長手方向に直角な方向の剪断ひずみを主として検出するように、第２の剪断ひずみゲージが第２の腕に取り付けられている。そして、脚においてＬ字又はＴ字をなす平面において発生した剪断ひずみを第１のひずみゲージ及び第２の剪断ひずみゲージによって検出し、検出した剪断ひずみに基づいてＸ、Ｙ及びＺ軸方向の力及びＸ、Ｙ及びＺ軸周りのモーメントを測定している。

特開平８−１２２１７８号公報

上記六軸力センサでは、脚におけるＬ字又はＴ字をなす面に生じる剪断ひずみを検出する。ところが、脚の構造上、脚のＬ字又はＴ字をなす表面に生じる剪断ひずみは、脚の各腕の反り等によって生じる伸びひずみと比較して小さくなる。そこで、剪断力に対する剪断ひずみゲージの感度を向上させるために、第１の腕及び第２の腕に凹状のポケットを設け、これらポケット内に剪断ひずみゲージを取り付けている。

このようなポケットの存在は、脚の加工を複雑なものとさせるだけでなく、小型化をも困難とさせる。また、剪断ひずみゲージは、原理上、二軸のひずみを測定できるようにする必要があるのでサイズが大きい。さらに、剪断ひずみゲージは単軸ひずみゲージと比較して高価である。

よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、構造が単純で、小型化が容易であり且つ安価な六軸力センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、互いに対向して配置される一対の部材と、該一対の部材の間において該部材の周縁部に沿って分散配置され且つ前記一対の部材を接続する少なくとも三つの脚とを備え、前記一対の部材の一方に荷重を付与することによって前記脚に生じたひずみを検出し、検出した前記脚のひずみに基づいて前記一対の部材の一方に作用した力及びモーメントの両方又は一方を測定する六軸力センサにおいて、前記脚が、前記一対の部材の一方によって両端部を支持されており且つ前記部材の周縁部を周方向に延びる横梁と、該横梁の中央部から該横梁と垂直方向に延び前記一対の部材の他方に連結する縦梁とからなるＴ字形状脚であり、前記脚のひずみが第１の単軸ひずみゲージ及び第２の単軸ひずみゲージによって検出され、前記第１の単軸ひずみゲージが、前記横梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように前記縦梁と反対側に向いた前記横梁の表面又は前記縦梁の側に向いた前記横梁の表面に取り付けられ、前記第２の単軸ひずみゲージが、前記縦梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように周方向に向いた前記縦梁の側面に取り付けられるようになっている六軸力センサが提供される。

本発明の六軸力センサでは、一対の部材を接続する脚がＴ字形状になっているので、一対の部材を接近離間させる力又はモーメントが一対の部材に作用したときにはＴ字形状脚の横梁が一方の部材に向かって撓んで特に縦梁と横梁との接続部分において大きなひずみが生じ、また、一対の部材の一方を横方向に相対移動させる力又はモーメントが一対の部材に作用したときにはＴ字形状脚の縦梁が横方向に撓んでひずみが生じる。そして、これら横梁及び縦梁のひずみを検出し、検出したひずみに基づいて、六軸力センサに加えられた力又はモーメントを測定する。また、横梁及び縦梁のそれぞれの長手方向軸線に沿ったひずみを検出するので、ひずみゲージとして単軸タイプのものを使用することができるようになる。

上記六軸力センサにおいて、前記横梁に取り付けられた前記単軸ひずみゲージは、前記縦梁と反対側に向いた前記横梁の表面における前記横梁の長手軸線方向両端部の中央に配置されることが好ましい。横梁の撓み量及びひずみは横梁の長手軸線方向中央部において最も大きくなるので、このように横梁の長手軸線方向中央に取り付けられることにより、ひずみの検出感度をより向上させることが可能となる。また、前記横梁に取り付けられた前記単軸ひずみゲージは、前記縦梁の側に向いた前記横梁の表面における前記横梁の長手軸線方向の両端部又は一方の端部に配置されてもよい。

上記六軸力センサにおいて、各脚は一つの円の円周上に配置されていることが好ましい。この場合、前記横梁は前記円周に沿って延びていてもよく、前記円の接線方向に延びていてもよい。

また、好ましくは、前記縦梁を前記円の半径方向に貫通する開口部が前記縦梁に形成されている。このように縦梁に開口部が形成されていれば、縦梁に円の周方向又は接線方向の撓みが生じやすくなり、六軸力センサの力及びモーメントに対する感度を向上させることが可能となる。

また、前記一対の部材及び前記脚は一体的構造であることが好ましい。このように一対の部材及び脚が一体的構造になっている場合、組立て作業が不要となる利点がある。

また、前記単軸ひずみゲージは半導体ひずみゲージであることが好ましい。半導体ひずみゲージは金属箔ゲージ等に比較して高感度にひずみを検出することができるので、単軸ひずみゲージとして半導体ひずみゲージを用いれば、六軸力センサの力検出分解能を向上させることが可能となる。また、小さなひずみを検出できるのであれば、脚の撓みが小さくてもよくなる。この結果、脚の強度を向上させることが可能となり、頑丈な構造の六軸力センサを実現することが可能となる。

Ｔ字形状の脚は形状が単純であるので、切削加工やワイヤ放電加工などによる加工が容易で製造コストの削減に寄与する。さらに、単軸ひずみゲージは剪断ひずみゲージと比較して小型で安価であるので、Ｔ字形状脚を小型化しても加工は容易であることと併せて、小型で安価な六軸力センサの実現を可能とさせる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の六軸力センサの第１の実施形態の斜視図である。図１を参照すると、六軸力センサ１０は、互いに対向して配置される一対の円板状部材１２と、この一対の円板状部材１２の間に配置され且つ二つの円板状部材１２を接続する脚１４とを備える。

一対の円板状部材１２は、それぞれの中心軸線１６が一直線上に整列するように配置され、それぞれ、例えばロボットの関節の両側に位置する異なる構造体（図示せず）に取り付けられる。円板状部材１２の中央部には、中心軸線１６に沿って延びる貫通穴１８が形成されており、この貫通穴１８内に例えばロボットの関節のような異なる構造体を接続する部分を配置できるようになっている。

脚１４は、一対の円板状部材１２の間において、該円板状部材１２の周縁部に、中心軸線１６を中心とする一つの仮想円の円周に沿って等間隔で配置されている。図１に示されている実施形態では、四つの脚１４が設けられており、各脚１４は円板状部材１２の周縁部において中心軸線１６周りの仮想円に沿って９０度間隔で配置されている。また、脚１４は、中心軸線１６周りの仮想円に沿って延びる横梁２０と、横梁２０の中央部から横梁２０の長手軸線と概略直角に延びる縦梁２２とから構成される。一対の円板状部材１２のうちの一方の円板状部材（図１中上側の円板状部材）の外周部には、扇状の切欠き部２４が形成されており、脚１４の横梁２０の両端は切欠き部２４の両側面に連結され支持されている。また、横梁２０から延びる縦梁２２の他方の端部は一対の円板状部材１２のうちの他方の円板状部材（図中下側の円板状部材）に連結されている。

脚１４の縦梁２２には、仮想円の半径方向に貫通する開口部２６が形成されており、縦梁２２が仮想円の周方向又は接線方向に撓み易くなっている。これにより、小さい荷重が六軸力センサ１０に作用した場合でも仮想円の周方向又は接線方向に比較的大きな撓みが生じるようになる。その一方で、縦梁２２の他の部分の断面積は大きくなり、縦梁の強度を高めることができる。

横梁２０において縦梁２２とは反対側を向いた表面上の縦梁２２と対向する位置（すなわち、横梁２０の上面の中央部）には、横梁２０の長手軸線方向（すなわち仮想円の周方向）のひずみを主として検出できるように横梁用単軸ひずみゲージ２８が取り付けられている。しかしながら、上記横梁用単軸ひずみゲージ２８に加えて又はそれに代えて、図４に示されているように、横梁２０において縦梁の側を向いた表面上の横梁の長手軸線方向の両端部又は一方の端部に横梁用単軸ひずみゲージ２９を取り付けてもよい。また、仮想円の周方向に向いた縦梁２２の側面には、縦梁２２の長手軸線方向のひずみを主として検出できるように縦梁用単軸ひずみゲージ３０が取り付けられる。縦梁用ひずみゲージ３０は仮想円の周方向を向いた縦梁２２の両側面の一方にのみ取り付けられてもよく、両方に取り付けられてもよい。図１の実施形態では、縦梁２２の一方の側面にのみ縦梁用ひずみゲージ３０が取り付けられている。

単軸ひずみゲージとしては、金属箔タイプのひずみゲージや半導体タイプのひずみゲージを用いることができる。しかしながら、半導体タイプのひずみゲージは、一般に金属箔タイプのひずみゲージと比較してひずみの検出感度が高く、より小さなひずみを検出できるので、六軸力センサ１０の検出分解能を高めるためには半導体タイプのひずみゲージを用いることが好ましい。また、半導体タイプのひずみゲージを使用する場合、小さなひずみを検出でき、同じ荷重に対して脚１４に生じるひずみがより小さくなっても検出できるので、脚１４を強度の高い丈夫な構造にできる利点がある。六軸力センサ１０をロボットのアームの手首部などに装着して使用する場合、アームが対象物に衝突して大きな荷重が手首部に加えられることがあり、このようなときに破損を回避するためにも六軸力センサ１０が丈夫な構造であることは重要な利点となる。

なお、単軸ひずみゲージとは、一つの軸線に沿った方向のひずみを主として検出するひずみゲージを意味する。これに対して、剪断ひずみゲージは、二つの軸線に沿った方向のひずみを測定するために、単軸ひずみゲージのような測定素子を測定を所望する剪断力の方向に対して４５°の角度で配置した構造を有するものであり、単軸ひずみゲージと比較して大型で高価である。したがって、小型且つ安価に六軸力センサを製造するためには、本願のように単軸ひずみゲージを用いることが有効となる。

なお、図１の実施形態における横梁２０及び縦梁２２は、仮想円に沿って僅かに湾曲しているが、その量は僅かであり、横梁２０及び縦梁２２の撓みを生じにくくする影響はほとんどない。その一方で、このように横梁２０及び縦梁２２が仮想円に沿って湾曲していれば、切削加工やワイヤ放電加工などにより仮想円と同じ輪郭を有する一つの筒状体から一体的構造の六軸力センサ１０を作成することが可能となる。このような一体的構造の六軸力センサ１０は、組立工数が少なく、脚１４を正確に配置する手間が省ける点で有効である。しかしながら、横梁２０及び縦梁２２の湾曲が撓みに与える影響を小さくして力及びモーメントの検出感度を向上させたい場合には、図５に示されているように、直線状の横梁２０´及び縦梁２２´からなる脚１４´を仮想円上に等間隔で配置するようにしてもよい。図５に示されている六軸力センサ１０´は、例えば、切削加工やワイヤ放電加工により直方体状の部材から対向する部材の一方（四角形状部材）３２と脚１４´とが一体になったものを作成し、これを別に作成した円板状部材３４とボルト等で接続することにより作成することができる。

上記実施形態においては、脚１４、１４´が仮想円に沿って等間隔で配置されているが、脚１４、１４´は部材１２、３２、３４の周縁部に分散配置されていてもよい。また、一対の部材は、図５に示されているように、円板状形状ではなく四角形状など他の形状とすることも可能である。また、上記実施形態においては、六軸力センサ１０、１０´は四つの脚１４、１４´を備えているが、各脚がそこに取り付けられた単軸ひずみゲージから六つの線形独立の出力が得られるようになっている限り、少なくとも三つの脚を備えていればよい。

図１に示されている六軸力センサ１０において、脚１４にＺ軸方向の力が作用すると、脚１４の横梁２０は、一方の円板状部材１２によって両端部を支持されているので、他方の円板状部材１２に連結している縦梁２２から力を受けてＺ軸方向に撓む。例えば、一対の円板状部材１２をＺ軸方向に互いに近づける向きに力が脚１４に作用すると、図２に示されているように、脚１４の横梁２０が図２中上向きにＺ軸方向に撓む。横梁用ひずみゲージ２８は、この撓みにより横梁２０の表面に生じた横梁２０の長手軸線方向のひずみを主として検出する。なお、このような力により脚１４の縦梁２２にも縦梁２２の長手軸線方向のひずみが生じるが横梁２０の長手軸線方向のひずみと比較して非常に小さくなる。横梁２０は円板状部材１２によって両端部を支持されており、縦梁２２によって中央部を押圧されるので、横梁２０の中央において最も撓み量が大きくなり、ひずみも横梁２０の中央部において最も大きくなる。したがって、横梁用ひずみゲージ２８を横梁２０の中央部に取り付けることにより、同じ力に対してより大きなひずみを検出できることになり、荷重に対する六軸力センサ１０の感度を向上させる効果を奏する。

一方、六軸力センサ１０の脚１４に仮想円の周方向又は接線方向に力が作用すると、脚１４の縦梁２２が力の方向に撓む。例えば、図１に示されている六軸力センサ１０において符号Ａで示されている位置の脚１４にＸ軸方向に力が作用すると、図３に示されているように、横梁２０を介して脚１４の縦梁２２にＸ軸方向の同じ向き（図中右向き）の力が作用して撓む。縦梁用ひずみゲージ３０は、この撓みにより縦梁２２の表面に生じた縦梁２２の長手軸線方向のひずみを主として検出する。なお、このような力により横梁２０にも長手軸線方向のひずみが生じるが、縦梁２２に生じるひずみと比較して非常に小さくなる。縦梁２２には仮想円の半径方向に貫通する開口部２６が形成されているので、縦梁２２はこのような仮想円の接線方向の荷重に対して撓みやすくなっている。したがって、開口部２６は、縦梁２２に同じ荷重に対してより大きなひずみが生じさせ、荷重に対する六軸力センサ１０の感度を向上させる効果を奏する。

また、六軸力センサ１０の脚１４に仮想円の半径方向の力が作用すると、縦梁２２が半径方向に力と同じ向きに撓む。しかしながら、縦梁用単軸ひずみゲージ３０は縦梁２２の周方向に向いた側面に取り付けられているので、縦梁２２の周方向の撓みによって生じるひずみに対して大きな出力を発するが、仮想円の半径方向の縦梁２２の撓みによって生じるひずみに対しては相対的に小さな出力を発する。

なお、上記のようなＺ軸方向の力はＸ軸又はＹ軸周りのモーメントの成分によっても脚１４に作用し、また、仮想円の周方向の力はＺ軸周りのモーメントの成分によっても脚１４に作用することに留意されたい。

このような作動原理に基づけば、基本的に、Ｚ軸方向の力は、各脚１４の横梁２０の横梁用単軸ひずみゲージ２８が相対的に大きい出力を発し且つそれらが略等しい場合に相当し、Ｘ軸又はＹ軸方向の力は、各脚１４の縦梁２２の縦梁用単軸ひずみゲージ３０が相対的に大きい出力を発し且つそれらが等しくない場合に相当することが分かる。また、Ｚ軸周りのモーメントは、各脚１４の縦梁２２の縦梁用単軸ひずみゲージ３０が相対的に大きい出力を発し且つそれらが略等しい場合に相当し、Ｘ軸又はＹ軸周りのモーメントは四つの脚１４のうちの半径方向に対向する二つの脚１４の横梁２０の横梁用単軸ひずみゲージ２８のみが相対的に大きい出力を発し且つそれらの絶対値が略等しい場合に相当することが分かる。

しかしながら、実際には、六軸力センサ１０には、各軸方向の力及び各軸周りのモーメントの成分を含む複雑な力及び／又はモーメントが作用する。そこで、本発明の六軸力センサ１０でも、単軸ひずみゲージ２８、３０によって検出されたひずみが、例えば特許文献１に記載されているのと同様の手法で予め求められた力とひずみとの相関関係に基づいて、六軸力センサ１０に作用した力及びモーメントに変換される。以下に、力とひずみとの相関関係を求めるための較正方法について説明する。

六軸力センサ１０に付与した荷重（力ベクトル及びモーメントベクトルによって構成される）をＦ、このときの単軸ひずみゲージ２８、３０から出力（電圧）をｖ、較正マトリックスをＣとすると、以下の式が成り立つ。
Ｆ＝Ｃｖ（式１）

ここで、ｎは六軸力センサ１０全体における単軸ひずみゲージ２８、３０の数、すなわち、六軸力センサ１０全体における横梁用単軸ひずみゲージ２８の数と縦梁用単軸ひずみゲージ３０の数を合計した数である。また、Ｆｘ、Ｆｙ及びＦｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の力の値、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸周りのモーメントの値、ｖ₁、…、ｖ_nは各単軸ひずみゲージ２８、３０の出力値である。なお、較正マトリックスとは、これを単軸ひずみゲージ２８、３０の出力に乗算することにより実際に付与された荷重を与えるマトリックスを意味する。

較正マトリックスＣは、既知の荷重に対する各単軸ひずみゲージ２８、３０の出力、すなわち、既知のＦとｖとの関係を実験により複数求め、例えば特許文献１と同様にして式（１）と最小二乗法とを用いることにより、求められる。較正マトリックスを最小二乗法によって求める方法は周知であるのでここでは詳しく説明しない。このようにして較正マトリックスＣが求められ、既知となれば、各単軸ひずみゲージ２８、３０の出力から式（１）に従って六軸力センサ１０に作用する力及びモーメントを求めることができるようになる。

上記の力及びモーメントの測定原理は、図１に示されている六軸力センサ１０に基づいて説明しているが、図５に示されている六軸力センサ１０´でも同じである。また、六軸力センサが三つ又は五つ以上の脚１４を備える場合でも、基本的な動作原理は同じであり、上記説明においてｎの数を変えて上記と同様にして較正マトリックスＣを求めればよい。

本発明の六軸力センサの第１の実施形態の斜視図である。図１の六軸力センサの脚の部分の拡大図であり、一対の部材を互いに近づける荷重を受け横梁が撓んだ状態を示している。図１の六軸力センサの脚の部分の拡大図であり、一対の部材を互いに対して横方向に移動させる荷重を受け縦梁が撓んだ状態を示している。図１の六軸力センサの脚の部分を下側から見た斜視図であり、横梁用単軸ひずみセンサの別の取り付け位置を示している。本発明の六軸力センサの第２の実施形態の斜視図である。

符号の説明

１０六軸力センサ
１０´ 六軸力センサ
１２円板状部材
１４脚
２０横梁
２２縦梁
２６開口部
２８単軸ひずみゲージ
２９単軸ひずみゲージ
３０単軸ひずみゲージ
３２四角形状部材
３４円板状部材

Claims

互いに対向して配置される一対の部材と、該一対の部材の間において該部材の周縁部に沿って分散配置され且つ前記一対の部材を接続する少なくとも三つの脚とを備え、前記一対の部材の一方に荷重を付与することによって前記脚に生じたひずみを検出し、検出した前記脚のひずみに基づいて前記一対の部材の一方に作用した力及びモーメントの両方又は一方を測定する六軸力センサにおいて、
前記脚が、前記一対の部材の一方によって両端部を支持されており且つ前記部材の周縁部を周方向に延びる横梁と、該横梁の中央部から該横梁と垂直方向に延び前記一対の部材の他方に連結する縦梁とからなるＴ字形状脚であり、前記脚のひずみが、第１の単軸ひずみゲージ及び第２の単軸ひずみゲージによって検出され、前記第１の単軸ひずみゲージが、前記横梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように前記縦梁と反対側に向いた前記横梁の表面又は前記縦梁の側に向いた前記横梁の表面に取り付けられ、前記第２の単軸ひずみゲージが、前記縦梁の長手軸線方向のひずみを検出できるように周方向に向いた前記縦梁の側面に取り付けられることを特徴とした六軸力センサ。
前記横梁に取り付けられた前記単軸ひずみゲージは、前記縦梁と反対側に向いた前記横梁の表面における前記横梁の長手軸線方向両端部の中央に配置される、請求項１に記載の六軸力センサ。
前記横梁に取り付けられた前記単軸ひずみゲージは、前期縦梁の側に向いた前記横梁の表面における前記横梁の長手軸線方向の両端部又は一方の端部に配置される、請求項１に記載の六軸力センサ。
各脚は一つの円の円周上に配置されており、前記横梁は前記円周に沿って延びている、請求項１に記載の六軸力センサ。
各脚は一つの円の円周上に配置されており、前記横梁は前記円の接線方向に延びている、請求項１に記載の六軸力センサ。
各脚は一つの円の円周上に配置されており、前記縦梁を前記円の半径方向に貫通する開口部が前記縦梁に形成されている、請求項１に記載の六軸力センサ。
前記一対の部材及び前記脚は一体的構造である、請求項１に記載の六軸力センサ。
前記単軸ひずみゲージは半導体ひずみゲージである、請求項１に記載の六軸力センサ。