JP2007315878A - Multi-axis force/moment sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、物体に生じた歪を計測することにより、その物体に加えられた複数軸の力およびトルクを測定する多軸力覚センサに関するもので、特に、装置の小型化を実現するものである。 The present invention relates to a multi-axis force sensor that measures the forces and torques of a plurality of axes applied to an object by measuring strain generated in the object, and in particular, to realize downsizing of the apparatus. is there.
力、トルクによって物体に生じた歪を計測し、その力とトルクの大きさを測定する力覚センサの基本的構成は、センサ本体を成す構造体およびセンサ部、そして電気回路部からなる。構造体は、固定される基礎部と、外力が作用する受力部と、上記基礎部と受力部とを結合する結合部材とから構成されている。力覚センサにおいて、加えられた力に対してある歪や変位を生じるように構成された構造体を、以下では起歪体と呼ぶこととする。センサ部は、この起歪体に取り付けられた各種センサによって歪や変位の計測を行う。電気回路部では、センサ部からの電圧などの出力値を処理したり、値の補正などを行う。受力部は加えられた外力によってその外力に応じた変位が生じ、生じた変位の大きさはセンサ部によって読み取られる。測定を行う力やトルクの軸数や、得られた変位の処理方法に応じて複数箇所の変位を読み取る必要がある。あらかじめこれらの変位と外力との相関関係を理論的もしくは実験的に求めておき、求めた相関関係を用いて変位から加えられた力の値を求める。 The basic configuration of a force sensor that measures strain generated in an object by force and torque and measures the magnitude of the force and torque is composed of a structure body and a sensor section that form a sensor body, and an electric circuit section. The structure includes a fixed base portion, a force receiving portion to which an external force acts, and a coupling member that connects the base portion and the force receiving portion. In the force sensor, a structure configured to cause a certain strain or displacement with respect to an applied force is hereinafter referred to as a strain generating body. The sensor unit measures strain and displacement using various sensors attached to the strain generating body. In the electric circuit unit, an output value such as a voltage from the sensor unit is processed or a value is corrected. The force receiving portion is displaced according to the applied external force, and the magnitude of the generated displacement is read by the sensor portion. It is necessary to read displacements at a plurality of locations according to the number of force and torque axes to be measured and the obtained displacement processing method. The correlation between these displacements and external force is obtained theoretically or experimentally in advance, and the value of the force applied from the displacement is obtained using the obtained correlation.
もし、ある形状の物体に加えられた力が1つの軸方向だけのものである場合、弾性変形の範囲ではこの加えられた力と生じた歪との間には比例関係が成り立つため、計測した歪から加えられた力を精度よく計算することが可能である。しかし、2軸以上の力が同時に加えられた場合には、生じる歪と力の関係が非線形なものとなり、歪量から計算して得た力と実際の力との誤差が大きくなってしまう。
このように、加えられた力と生じた歪との間に線形の関係が得られないと、例えば、特許文献1に示すように、例えば、電気回路部で複雑な補正処理を行う必要があり、検出の動作が煩雑となる。
If the force applied to an object of a certain shape is only in one axial direction, the proportional force is established between the applied force and the generated strain in the range of elastic deformation. It is possible to accurately calculate the force applied from the strain. However, when two or more axial forces are applied simultaneously, the relationship between the generated strain and the force becomes non-linear, and the error between the force calculated from the amount of strain and the actual force increases.
Thus, if a linear relationship cannot be obtained between the applied force and the generated strain, for example, as shown in
このような問題に対処するため、起歪体の構造やセンサ配置には、通常なんらかの工夫が施される。例えば、特許文献2では、6軸の力とモーメント、ここでは、直交する3軸の各軸方向の力と各軸回りのモーメントを測定対象とするロードセルの起歪体として、互いに平行に置かれた2枚の円盤と、両円盤を結合して2本が対となって互いに向かい合って円周上に配置された6本のロッドから構成される、いわゆるスチュワートプラットフォームと呼ばれる構造を用いている。この構造では、円盤に加えられた6軸の力が6本のロッドの圧縮、引っ張り力の線形結合で表される。このため、6本のロッドの軸方向の歪を歪ゲージなどの歪センサで計測することで、同時に複数の軸力が円盤に作用した際にも力の干渉による計算誤差を増加させることなく、加えられた力を知ることができる。
In order to cope with such a problem, some device is usually applied to the structure of the strain generating body and the sensor arrangement. For example, in
ところで、この種の力覚センサにも、その用途等により小型化の要請が存在する。この小型化の要請を実現しようとした場合、以下の問題点が考えられる。
即ち、上述したスチュワートプラットフォーム構造は、基礎部および受力部と結合部材(ロッド)とが、ボールジョイント等いわゆる球対偶の構造で結合されていることが前提である。これは、ロッドと基礎部、受力部との結合が球対偶であると、受力部から各ロッドへはモーメント(曲げ力)は伝わらず、圧縮引張りの軸力のみが伝達されるため、各ロッドには線形的な変形しか生じず、結果として起歪体全体にも線形的な変形しか生じないからである。しかし、実際に理想的な球対偶構造を作成しようとすると精密な加工を要するため、特に、力覚センサの小型化を実現する場合、ロッドの両端にボールジョイント等を作成するのは困難であり、コストも大幅に増加する。
Incidentally, there is a demand for downsizing of this type of force sensor depending on its use and the like. The following problems can be considered when trying to realize this demand for miniaturization.
That is, the Stewart platform structure described above is based on the premise that the base part, the force receiving part, and the connecting member (rod) are connected by a so-called ball pair structure such as a ball joint. This is because, when the connection between the rod and the base portion and the force receiving portion is a ball pair, the moment (bending force) is not transmitted from the force receiving portion to each rod, but only the axial force of compression tension is transmitted. This is because each rod only undergoes linear deformation, and as a result, only the linear deformation occurs in the entire strain generating body. However, in order to actually create an ideal ball-pair structure, precise processing is required. Therefore, it is difficult to create ball joints at both ends of the rod, especially when the force sensor is downsized. Costs also increase significantly.
また、力覚センサに加わった力による起歪体の変形を測定する手段として変位センサを用いる場合、変位センサが十分な感度で測定できる変位が生じるよう、起歪体の剛性を調整しておく必要がある。この構造の場合、この剛性の調整はロッドの軸方向の剛性と取付け角を変えることによって行われる。しかし、小型の力覚センサを構成することを考えると、僅かなロッド長に対して一定の変位を生じさせる必要があるため、剛性を低くする必要がある。ロッドの形状を単純に柱状として剛性を低くするには、ヤング率の低い素材を選定することが考えられる。しかしながら、金属素材の物性には限界があるため、断面積を減らして剛性を下げるしかない。ロッド長に対して断面が細くなると、軸方向荷重に対する剛性に比べ、曲げやねじりに対する剛性が低下し脆弱となる。このため、圧縮荷重によって曲げや座屈が生じ必要な機械的強度を保持できない可能性が出てくるため、特に、小型の力覚センサの起歪体としては使用することが難しかった。 Further, when a displacement sensor is used as a means for measuring deformation of the strain body due to the force applied to the force sensor, the rigidity of the strain body is adjusted so that a displacement that can be measured with sufficient sensitivity is generated. There is a need. In the case of this structure, the rigidity is adjusted by changing the axial rigidity and mounting angle of the rod. However, considering the construction of a small force sensor, since it is necessary to cause a certain displacement with respect to a slight rod length, it is necessary to reduce the rigidity. In order to reduce the rigidity by simply making the rod shape columnar, it is conceivable to select a material having a low Young's modulus. However, since the physical properties of metal materials are limited, the only way to reduce the cross-sectional area is to reduce the rigidity. When the cross section becomes narrower with respect to the rod length, the rigidity against bending and torsion is lower than the rigidity against the axial load, and becomes brittle. For this reason, there is a possibility that the required mechanical strength cannot be maintained due to bending or buckling due to the compressive load, so that it is particularly difficult to use as a strain generating body of a small force sensor.
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、基礎部および受力部と結合部材との連結機構に、適用が難しい球対偶の構造を採用することなく、しかも、加えられた力と歪みに関し、本来のスチュワートプラットフォーム構造とほぼ同等の線形特性が得られ、かつ、加えられた力に対して適正量の変位が得られることで、小型化への適用が容易な多軸力覚センサを得ることを目的とする。 The present invention was made to solve the above-described problems, without adopting a structure of a ball pair that is difficult to apply to the coupling mechanism between the base portion and the force receiving portion and the coupling member, With regard to the applied force and strain, linear characteristics almost the same as the original Stewart platform structure can be obtained, and an appropriate amount of displacement can be obtained with respect to the applied force, making it easy to apply to miniaturization. An object is to obtain a multi-axis force sensor.
第1の発明に係る多軸力覚センサは、固定される基礎部、この基礎部から所定距離離反して配置され検出対象である荷重が加えられる受力部、および基礎部と受力部とを連結する少なくとも6個のロッドからなる起歪体を備え、起歪体について予め求めた機械特性に基づき、受力部または各ロッドの変位を入力として受力部が荷重から受ける力の所定の各軸成分を出力する多軸力覚センサであって、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、各ロッドは、当該ロッドに加わる力の軸線方向の剛性に対して曲げ方向の剛性が大きくなる弾性体で構成したものである。 A multi-axis force sensor according to a first invention includes a fixed base portion, a force receiving portion to which a load to be detected is applied that is arranged at a predetermined distance from the base portion, and a base portion and a force receiving portion. Based on the mechanical characteristics obtained in advance for the strain generating body, the force receiving portion or a predetermined force of the force received by the force receiving portion from the load is input based on the displacement of each rod. It is a multi-axis force sensor that outputs each axial component, and each rod is connected to the foundation and force receiving portion with a fixed structure, and each rod is against the rigidity in the axial direction of the force applied to the rod. It is composed of an elastic body that increases the rigidity in the bending direction.
第2の発明に係る多軸力覚センサは、固定される基礎部、この基礎部から所定距離離反して配置され検出対象である荷重が加えられる受力部、および基礎部と受力部とを連結する少なくとも6個のロッドからなる起歪体を備え、起歪体について予め求めた機械特性に基づき、受力部または各ロッドの変位を入力として受力部が荷重から受ける力の所定の各軸成分を出力する多軸力覚センサであって、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、各ロッドは、弾性体とこの弾性体の両端に結合され当該ロッドに加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の連結ロッドとから構成したものである。 The multi-axis force sensor according to the second invention includes a fixed base portion, a force receiving portion to which a load to be detected is applied that is arranged at a predetermined distance from the base portion, and a base portion and a force receiving portion. Based on the mechanical characteristics obtained in advance for the strain generating body, the force receiving portion or a predetermined force of the force received by the force receiving portion from the load is input based on the displacement of each rod. A multi-axis force sensor that outputs each axial component, wherein each rod is connected to the base portion and the force receiving portion with a fixed structure, and each rod is coupled to an elastic body and both ends of the elastic body. And a rod-shaped connecting rod arranged coaxially with the axis of the force applied to.
第1の発明に係る多軸力覚センサは、以上のように、各ロッドを、当該ロッドに加わる力の軸線方向の剛性に対して曲げ方向の剛性が大きくなる弾性体で構成したので、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造としても、ロッドは、曲げやねじりに対する剛性を保ったまま軸方向のみに変位が生じ加えられた力と歪みに関し線形特性が得られ検出動作が簡便になると共に、弾性体としての軸方向の剛性の低減で、必要な機械的強度を保持しつつ加えられた力に対する変位が増大し、変位の検出が容易確実になされる。 In the multi-axis force sensor according to the first invention, as described above, each rod is composed of an elastic body whose rigidity in the bending direction is larger than the rigidity in the axial direction of the force applied to the rod. Even if the connection between the rod and the foundation and force receiving part is fixed, the rod has a linear characteristic with respect to the applied force and strain that is displaced only in the axial direction while maintaining rigidity against bending and torsion. As a result, the axial stiffness of the elastic body is reduced, and the displacement with respect to the applied force is increased while maintaining the required mechanical strength, so that the displacement can be easily and reliably detected.
第2の発明に係る多軸力覚センサは、以上のように、各ロッドを、弾性体とこの弾性体の両端に結合され当該ロッドに加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の連結ロッドとから構成したので、各ロッドと基礎部および受力部との連結を固着構造としても、ロッド全体で見るとロッド端の連結ロッドの結合部位付近のみにおいて曲げやねじりの剛性が低くなった構造となるため、結合部位で生じた誤差要因のモーメントが連結ロッドにおいて吸収されて弾性体まで伝わらなくなり加えられた力と歪みに関し線形特性が得られ検出動作が簡便になると共に、弾性体としての軸方向の剛性の低減で、必要な機械的強度を保持しつつ加えられた力に対する変位が増大し、変位の検出が容易確実になされる。 In the multi-axis force sensor according to the second invention, as described above, each rod is connected to the elastic body and a rod-like connection that is coaxially arranged with the axis of the force applied to the rod connected to both ends of the elastic body. Because it is composed of rods, the rigidity of bending and torsion is low only in the vicinity of the connecting part of the connecting rod at the end of the rod when viewed from the rod as a whole, even if the connection between each rod and the foundation and force receiving part is fixed. Because of the structure, the moment of the error factor generated at the binding site is absorbed by the connecting rod and is not transmitted to the elastic body, linear characteristics are obtained with respect to the applied force and strain, the detection operation becomes simple, and as an elastic body By reducing the rigidity in the axial direction, the displacement with respect to the applied force is increased while maintaining the necessary mechanical strength, and the detection of the displacement is easily and reliably performed.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による6軸力覚センサを示す斜視図である。ここで、6軸力とは、後段の図2に示すx、y、z直交3軸の各軸方向の力と各軸回りのモーメントが対象である。受力部として力を受ける上部フランジ1と固定される基礎部となる下部フランジ2の2枚の板状部材があり、これらを6本のロッド6が連結している。そして、上部フランジ1と下部フランジ2とロッド6とで起歪体を構成する。
ロッド6は、環状構造体である弾性リング5と、この弾性リング5を上部フランジ1とつなぐための上部連結ロッド3と、下部フランジ2とつなぐための下部連結ロッド4とから構成されており、連結ロッド3、4とフランジ1、2とは、溶接やボルト止め、ピンや一体部材からの削り出しなどの固着構造によって結合されている。完全な球対偶構造を要しないので、小型化においても実現が容易となる。固着構造として、完全に自由度をなくした溶接のような接合方法ではなく、ピン止めのような1軸自由度をもつ接合方法、もしくは、2軸自由度を持つような接合方法のように1ないし2つの自由度を減少させただけでも、実現性はかなり容易となる。なお、このように、固着構造としても、起歪体として線形の機械特性が得られる理由については後述する。
FIG. 1 is a perspective view showing a 6-axis force sensor according to
The
連結ロッド3、4と弾性リング5とは溶接やボルト止めなどの手段によって接合されている。もしくは、一体部材からの削りだしや、板状部材からの打ち抜きによって構成されている。各ロッド6は、上部フランジ1および下部フランジ2の中心から同心円上周方向に沿って等間隔に配置され、2本のロッド6が対となってお互いに所定の角度で傾きを持って向かい合った形で取り付けられている。
The connecting
図2は、力覚センサ内部をわかりやすく表示するため、上部フランジ1を取り払った状態で示した図である。下部フランジ2からは4分割フォトダイオードPD7を取り付けるための部分であるPD取付け部9が出ており、ここに4分割フォトダイオードPD7が取り付けられている。上部フランジ1には、4分割フォトダイオードPD7の光源となるダイオードD8が取り付けられるダイオード取付け部10が取り付けられており、ここに4分割フォトダイオードPD7に正対してダイオードD8が取り付けられる。4分割フォトダイオードPD7とダイオードD8との対は、120度回転対称になるよう3組取り付けられており、図3に示すように、それぞれのダイオードD8の座標系xi、yi、zi、i=1、2、3のyi軸方向と力覚センサ全体の座標軸のz軸方向とが一致するように取り付けてある。
FIG. 2 is a view showing the state where the
次に、図1の起歪体が、本来のスチュワートプラットフォーム構造であり、加えられた力と発生変位とが線形の関係を有すると仮定し、多軸力覚センサとして、荷重が加えられる上部フランジ1に働く6軸の力およびモーメントを検出する要領について説明する。もっとも、この部分は、本願発明の要部ではなく、それ自体公知の内容であるので概略の説明に留めるものとする。 Next, assuming that the strain body of FIG. 1 has an original Stewart platform structure and the applied force and the generated displacement have a linear relationship, the upper flange to which a load is applied as a multi-axis force sensor. The procedure for detecting the 6-axis force and moment acting on 1 will be described. However, since this part is not a main part of the present invention but is known per se, it will be described only in outline.
上部フランジ1の発生変位を検出する変位センサである4分割フォトダイオードPD7は、図4のS1〜S4で示した4つの受光領域を持っており、これらの領域に対してダイオードD8からピンホールによって絞られた光が投射される。各受光領域への光の強度に応じて出力信号I1〜I4が得られる。4分割フォトダイオードPD7とダイオードD8との相対位置が変化すると各受光領域への光の投射の割合も変化するため、図中のx軸方向とy軸方向の変位Dx、Dyは、次のような関係で表される。
A displacement sensor for detecting the displacement generated in the
Dx=I1−I2−I3+I4 (1)
Dy=I1+I2−I3−I4 (2)
Dx = I 1 −I 2 −I 3 + I 4 (1)
Dy = I 1 + I 2 −I 3 −I 4 (2)
3組のダイオードから得られる6つの変位を、D∈R6×1とし、力によって上部フランジ1に生じる6軸の変位を、X∈R6×1とすると、両者の関係は次の式で表される。
When the six displacements obtained from the three sets of diodes are D∈R 6 × 1, and the six-axis displacement generated in the
なお、上式中のrは、図3における、上部フランジ1の中心から各4分割フォトダイオードPD7の受光面までのxy平面上の距離である。
Note that r in the above equation is the distance on the xy plane from the center of the
上式の関係により、変位センサの出力から上部フランジ1の変位を得ることができる。 なお、図3の例では変位センサを120゜対称の配置で示しているが、例えば、図5に示すように、変位センサの配置を変えることも可能である。変位センサの配置を変えた場合は、配置に応じて式(3)の変換行列Aに相当する行列を求めることで、同様の効果を得ることが可能である。また、ここでは、変位センサとして4分割フォトダイオードPD7と光源となるダイオードD8を例に挙げたが、2次元の変位を測定できるセンサならばこれに限ることはなく、例えば、PSDやCCD、また、静電容量を用いたセンサでも同様の効果を得ることができる。
Due to the above relationship, the displacement of the
更に、上部フランジ1および下部フランジ2への各ロッド6の取り付け位置に関する情報から求められる変換行列Gを適用することにより、上部フランジ1の中心に加えられたx、y、z座標軸方向と一致する力fx、fy、fz、およびx、y、z座標軸周りのモーメントMx、My、Mzと、各ロッド6の軸方向の力fi、i=1、・・6との関係は次のように表される。
Furthermore, by applying a transformation matrix G obtained from information on the mounting positions of the
変換行列Gの逆行列を求めることで、逆に、上部フランジ1に加えられた力から各ロッド6に作用する力を下式から求めることもできる。
By obtaining the inverse matrix of the transformation matrix G, conversely, the force acting on each
一般に、構造体に生じた変位Xと加えられた力F(fx、fy、fz、Mx、My、Mz)の関係は、いずれか1軸の力のみを加えた際の変位を測定し、これを加える軸力を変えてすべての軸力について行って得た、力と変位を変換する行列によって下式の通りに表される。 In general, the relationship between the displacement X generated in the structure and the applied force F (fx, fy, fz, Mx, My, Mz) is obtained by measuring the displacement when only one of the axial forces is applied. It is expressed as the following equation using a matrix that converts the force and displacement obtained by changing the axial force to apply the force to all axial forces.
X=CF (6)
F=C−1X (7)
X = CF (6)
F = C −1 X (7)
行列Cはコンプライアンス行列、C−1は剛性行列と呼ばれる。行列Cを求めることにより、1軸力によって他の軸方向に変位が生じてもこの影響を取り除いて加えられた力を知ることができる。しかし、この方法で求めた行列Cは、1軸力のみが加わった際の変位から求めたものであるから、同時に複数の軸力が加わった際に正確な値を導くとは限らない。もしそれぞれの軸力による変位が、同時に他軸力が加わった際も線形的な重ね合わせで表されるならば、行列Cによって正確な値を知ることができる。 The matrix C is called a compliance matrix, and C −1 is called a stiffness matrix. By obtaining the matrix C, it is possible to know the applied force by removing this influence even if a displacement occurs in the other axial direction due to one axial force. However, since the matrix C obtained by this method is obtained from the displacement when only one axial force is applied, an accurate value is not always derived when a plurality of axial forces are applied simultaneously. If the displacement due to each axial force is expressed by linear superposition when other axial forces are applied at the same time, an accurate value can be known from the matrix C.
起歪体として、スチュワートプラットフォーム構造を用いた場合には、先の式(5)で表されるように、加えられた6軸力がすべてロッドの圧縮ないし引張りの1軸力に変換される。このため、複数の軸力が同時に加えられても、これらの軸力が構造の変位特性を変化させるようには働かないので、それぞれの軸力と変位の関係において、線形的な関係が成り立つ。よって、行列Cを用いた計算によって精度よく加えられた力を知ることが可能となる。 When the Stewart platform structure is used as the strain generating body, as shown in the above equation (5), all applied 6-axis forces are converted into uniaxial forces of rod compression or tension. For this reason, even if a plurality of axial forces are simultaneously applied, these axial forces do not act so as to change the displacement characteristics of the structure, and therefore, a linear relationship is established between the respective axial forces and displacements. Therefore, it is possible to know the force applied with high accuracy by the calculation using the matrix C.
以上で得られた関係式を使用することで、即ち、4分割フォトダイオードPD7を利用した変位センサの検出出力Dを基に式(3)により上部フランジ1の発生変位Xを求め、この発生変位Xを基に式(7)により、上部フランジ1に加わった6軸の力を求めることが出来るわけである。
また、各ロッド6に発生した変位を検出し、これら各変位とロッド6の剛性から各ロッド6に発生する力fiを求め、この力fiを基に式(4)により、上部フランジ1に加わった6軸の力を求めることも出来るわけである。
By using the relational expression obtained above, that is, based on the detection output D of the displacement sensor using the four-division photodiode PD7, the generated displacement X of the
Further, the displacement generated in each
次に、本願発明の要部であるロッド6の構造およびその構造に基づく機械的特性について説明する。先ず、各ロッド6と上下フランジ1、2との連結構造について説明する。
この連結構造は、既述したように、小型化した場合にも比較的簡便に形成できる固着構造を採用している。図6は、1つのロッド6を単独で図示したものである。結合部20は、上部フランジ1および下部フランジ2に連結される部分で、例えば、溶接等によりそれぞれのフランジ1、2に固着結合される。
Next, the structure of the
As described above, this connection structure employs a fixing structure that can be formed relatively easily even when downsized. FIG. 6 shows one
図6に示すように、この実施の形態1のロッド6では、環状形状として円形の弾性リング5の端部に直接結合部20を取り付けるのではなく、その間に、柱状部材からなる連結ロッド3、4を設けている。そして、連結ロッド3、4には、荷重によって生じる歪みが弾性限界に対して十分な余裕を持つようにその材料、寸法が選定される。
この連結ロッド3、4の存在により結合部20でのモーメントの影響を減らすことが出来る。即ち、この連結ロッド3、4を構成する柱状部材は、曲げやねじりに対する剛性が圧縮荷重に対する剛性より低いため、ロッド6全体で見ると、ロッド6端部の結合部位付近のみにおいて曲げやねじりの剛性が低くなった構造となる。このため、結合部位で生じた誤差要因のモーメントは、弾性リング5端部の連結ロッド3、4において吸収されて弾性リング5まで伝わらなくなる。また、連結ロッド3、4における曲げねじりの変形はロッド6端部の僅かな箇所で生じるのみで、軸方向力は連結ロッド3、4を介して弾性リング5まで伝達される。従って、擬似的にロッド6端部に球対偶構造を用いたのと同様の効果を得ることができる訳である。
As shown in FIG. 6, in the
The presence of the connecting
換言すれば、両フランジ1、2とロッド6とを固着構造で連結するようにしても、加えられた力と発生する変位に関し、本来この連結を球対偶構造とするスチュワートプラットフォームとほぼ同等の線形関係が得られる。従って、センサの小型化が容易簡便に実現でき、複雑な補正処理を要することなく、荷重によって上部フランジ1に加えられた6軸の力、モーメントを検出することができる。
In other words, even if both the
本願発明の要部であるロッド6の構造およびその構造に基づく機械的特性として、次に、負荷に対する変位量の増大効果について説明する。
この変位量の増大を、ロッドを柱状部材の形状のままで追求した場合の困難性については先に簡単に触れたが、ここで、更に具体的に説明する。
Next, as the structure of the
The difficulty in pursuing this increase in the amount of displacement while the rod remains in the shape of a columnar member has been briefly mentioned above, but will be described in more detail here.
例えば、定格の負荷が10kg程度の一般的な小型の力覚センサが、外径φが70mm程度、高さが25mm程度であるとする。変位センサを用いて起歪体の変形を測る場合、定格荷重に対してある程度大きな変形を生じさせる必要がある。この変形量をz軸方向定格荷重12kgに対して25μmとする。例えば、ロッド6の傾きθを30゜とすると、ロッド長は最長でも29mm以下となる。式(5)から、12kgの荷重を加えた際には各ロッド6にそれぞれ約2.3kgの荷重がかかる。それぞれのロッド6がこの荷重に対して、z軸方向に25μm変形するには、ロッド6の軸方向に約29μm変形する必要がある。ここで、ロッドの材質が一般的な鉄材であるとすると、そのヤング率は約2.1×105MPaであるから、長さ29mmのロッドに約2.3kgの荷重で29μmの変位を生じさせるロッドの断面積は、1.1×10−1mm2となり、ロッド6が円柱状であるとすると、その直径は約0.37mmとなる。このようにロッド6が細くなると圧縮の荷重が加わった際にロッド6がたわみ、座屈を生じる可能性が出てくる。
For example, a general small force sensor having a rated load of about 10 kg has an outer diameter φ of about 70 mm and a height of about 25 mm. When measuring the deformation of a strain generating body using a displacement sensor, it is necessary to cause a certain large deformation with respect to the rated load. The amount of deformation is 25 μm with respect to the rated load in the z-axis direction of 12 kg. For example, when the inclination θ of the
これは、力覚センサの小型化を図る場合、ある程度小さな荷重に対して小さな部材で大きな変位を生じさせる必要があり、ロッド6の剛性を下げる必要があるためである。また、予めロッド6に張力をかけておいて、加わった圧縮力を打ち消すことで座屈を防ぐ方法も考えられるが、この場合には引っ張りの荷重が加わった際に大きな応力がロッド6に生じることになるため、定格荷重に対して塑性変形を生じないようにしたり、過大な負荷に耐えられるように負荷に対する安全率を大きくとることが難しくなる。例えば、29mmのロッドが29μmの変位を生じるとその歪は0.1%にもなるため、安全率を大きくとるのはむずかしい。
This is because when the force sensor is downsized, it is necessary to cause a large displacement with a small member with respect to a certain small load, and it is necessary to reduce the rigidity of the
本願発明の実施の形態1では、このような小型化に際して生じた問題に対して、弾性リング5をロッド6中に設けることで、十分な変位を発生させ、かつ、部材各部で発生する応力を低く抑えて安全率を高くとることを可能にしている。
図7に示すように、材料のヤング率をE、リングの中心までの半径をrr、リング断面の幅をb、厚さをhとし、力fは弾性リング5の直径の方向に加わっているとする。即ち、弾性リング5に加わる力fの軸線が、リング形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき上記リング形状が上記軸線にに対して線対称となるようにしている。このときのリングの力方向の変位dは、次の式のようになる。
In the first embodiment of the present invention, with respect to such a problem that arises in downsizing, by providing the
As shown in FIG. 7, the Young's modulus of the material is E, the radius to the center of the ring is r r , the width of the ring cross section is b, the thickness is h, and the force f is applied in the direction of the diameter of the
また、このときの最大歪はリングに力が加わっている箇所の内側表面において発生し、その値εmaxは、次式で表される。 Further, the maximum strain at this time is generated on the inner surface of the portion where the force is applied to the ring, and the value ε max is expressed by the following equation.
例えば、rr=6.5mm、h=0.6mm、b=6.3mmとすると、棒形状のロッドについて検討した際と同じ荷重約2.3kgに対して同じだけの変位約29μmを生じ、その際の最大歪は、約0.05%となり大幅に低減する。このように、ロッド中に弾性構造部分(弾性リング5)を設けることによって、荷重に対して十分な変位を生じさせつつ座屈や塑性変形が生じることを防ぐことができる様になる。また、素材としてSUP10などのバネ鋼を用いることで、許容される歪量を更に増やすことが可能である。 For example, if r r = 6.5 mm, h = 0.6 mm, and b = 6.3 mm, the same displacement of about 29 μm is generated for the same load of about 2.3 kg as in the case of examining the rod-shaped rod, The maximum strain at that time is about 0.05%, which is greatly reduced. Thus, by providing the elastic structure portion (elastic ring 5) in the rod, it is possible to prevent buckling and plastic deformation from occurring while causing sufficient displacement with respect to the load. Further, by using spring steel such as SUP10 as a material, it is possible to further increase the allowable strain amount.
また、弾性構造部分をリング状としたことによって、リングの径や厚み、幅を変えることにより容易にその剛性を調節することができる。リングの厚みの調節は旋盤等により容易に行うことができ、また、円筒部材をある幅に加工することも容易であるため、弾性構造部分にリング状の部材を用いることで、所望の弾性を極めて容易に得ることができる。 Further, since the elastic structure portion has a ring shape, the rigidity can be easily adjusted by changing the diameter, thickness and width of the ring. The adjustment of the thickness of the ring can be easily performed with a lathe or the like, and it is also easy to process the cylindrical member to a certain width. Therefore, by using a ring-shaped member for the elastic structure portion, a desired elasticity can be obtained. It can be obtained very easily.
この様に、ロッド中に弾性構造部分を設けたことは、また、次のような意味を持つ。即ち、荷重によって変形を生じる部材を増やしたことによって、部材の単位量当たりに加わる荷重や、生じさせるべき変位量を減少させることができる。これによって、小型のセンサのように僅かな部材が変位を生じさせる必要がある場合でも、座屈や塑性変形が生じることを防ぎながら起歪体を構成することが可能になる。 Thus, providing the elastic structure part in the rod also has the following meaning. That is, by increasing the number of members that are deformed by the load, the load applied per unit amount of the members and the amount of displacement to be generated can be reduced. As a result, even when a small number of members need to be displaced like a small sensor, it is possible to configure a strain generating body while preventing buckling and plastic deformation.
なお、以上の説明においては、ダイオードD8が取り付けられた上部フランジ1を受力部としたが、これを逆にして、下部フランジ2を受力部としても同様の効果を得ることができる。
また、以上の説明において、ロッド6の傾きθをすべて同一の値としたが、個々のロッドにおいて傾きが同一である必要はなく、それぞれのロッドの傾きが異なっている場合にも上述したと同様の効果を得ることができる。ただし、この場合、式(4)〜(7)における変換行列G、Cは、それに応じて修正を行う必要がある。
In the above description, the
In the above description, the inclinations θ of the
実施の形態2.
図8は、この発明の実施の形態2における多軸力覚センサのロッド6を示す図である。即ち、ロッド6としてリング状の弾性体を持つものを使用する代わりに、図8に示すようなつる巻状に形成されたバネ状弾性体11を持つロッドを使用してもよい。この例では、素線を巻いて作成されたコイルバネを弾性体として用いているものを示している。コイルバネの力fに対するたわみ量δは、コイルの素線径をd、コイルの平均径をD、有効巻数をn、素線素材の横弾性係数をGとすると、以下の式で表される。
FIG. 8 is a diagram showing the
これによって、任意の剛性を得ることが可能である。弾性体にこのようなバネを用いることによって、その両端の連結ロッド3、4の柱状部分と弾性体とを一体にできるため、ロッドの作成が容易になる。
Thereby, it is possible to obtain arbitrary rigidity. By using such a spring for the elastic body, the columnar portions of the connecting
また、バネの最大ねじり応力τmaxは、荷重をf、ばね指数をc=D/dとすると、以下の式で表される。 Further, the maximum torsional stress τ max of the spring is expressed by the following equation where the load is f and the spring index is c = D / d.
但し、κは、ワールの応力修正係数である。
バネの最大ねじり応力は、バネの内側で発生する。例えば、材料をバネ鋼(G=7.85×104MPa)とすると、素線径2.5mm、コイル平均径5mmでリング形状の時と同じ荷重に対して同じ変位を生じるバネでは、その最大ねじり応力は約36MPaとなり、材料の許容ねじり応力500MPa以上に比べ十分に小さく、また、材料表面の歪み量も0.046%と小さいため、座屈を防ぐ効果を持つ。
Here, κ is the stress correction factor of the whirl.
The maximum torsional stress of the spring is generated inside the spring. For example, if the material is spring steel (G = 7.85 × 10 4 MPa), a spring that produces the same displacement with respect to the same load as the ring shape with a strand diameter of 2.5 mm and an average coil diameter of 5 mm The maximum torsional stress is about 36 MPa, which is sufficiently smaller than the allowable torsional stress of the material of 500 MPa or more, and the amount of strain on the material surface is as small as 0.046%, so that it has an effect of preventing buckling.
実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3における多軸力覚センサのロッド6を示す図である。先の実施の形態1と同じ環状弾性体であるが、ここでは、円形ではなく四角形のフレーム状弾性体12を採用している。ここでも、フレーム状弾性体12に加わる力fの軸線が、フレーム形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき上記フレーム形状が上記軸線にに対して線対称となるようにしている。
ここで、フレーム中心までの高さをH、横の長さをL、荷重と垂直な梁の厚みをh1、荷重と平行な梁の厚みをh2、幅をb、素材のヤング率をE、I1を、横梁の断面二次モーメント、I2を、縦梁の断面二次モーメントとすると、荷重fが加わった際の変形量δは、以下の式で表される。
FIG. 9 is a diagram showing a
Here, the height to the center of the frame is H, the horizontal length is L, the thickness of the beam perpendicular to the load is h 1 , the thickness of the beam parallel to the load is h 2 , the width is b, and the Young's modulus of the material is When E and I 1 are the cross-sectional secondary moment of the horizontal beam and I 2 is the cross-sectional secondary moment of the vertical beam, the deformation amount δ when the load f is applied is expressed by the following equation.
各パラメータを調節することによって、荷重fに対して所望の変位を得ることができる。弾性体をこのようなフレーム形状とすることによって、両端の連結ロッド3、4と弾性体12との接合部が平面となるので、接合を行う作業が容易となる。
By adjusting each parameter, a desired displacement with respect to the load f can be obtained. By making the elastic body into such a frame shape, the joint portions between the connecting
最大応力τmaxは、横梁の中心、ちょうどロッドと接合される部分で発生し、その値は、以下の式で表される。 The maximum stress τ max is generated at the center of the cross beam, exactly the portion joined to the rod, and the value is expressed by the following equation.
例えば、b=4mm、h1=h2=0.852mm、E=2.1×105MPaとすると、最大歪みは、約0.05%となり、単なる柱状構造に比べて歪み量を減らす効果を持つ。 For example, when b = 4 mm, h1 = h2 = 0.852 mm, and E = 2.1 × 10 5 MPa, the maximum strain is about 0.05%, which has the effect of reducing the strain amount compared to a simple columnar structure. .
実施の形態4.
図10は、この発明の実施の形態4における多軸力覚センサのロッド6を示すもので、カンチレバー構造やこれを重ねた構造を弾性体として使用している。カンチレバー構造は、板状部材を折り曲げたり打ち抜くことで容易に作成が可能なため、製造が容易となる。また、カンチレバー構造の場合、幾重にもおり重ねて構成することによって、僅かな空間に弾性部材を効率よく配置することが可能になる。これによって、荷重に対して多くの部材が少しずつ変形することになり、単位部材当たりの歪や応力を減らす効果を持つ。
FIG. 10 shows a
実施の形態5.
先の実施の形態1および3に示したように、ロッド6として、円形や四角形等の環状形状の弾性体を採用した場合、その弾性によって力が加わる軸方向の剛性は低減するが、その環状形状により、一般に曲げに対する剛性は高い値を保っている。即ち、軸方向の荷重に対しては、特に剛性が低くなるように調整しているが、曲げやねじりに対する剛性を保っており、軸方向のみに変位が生じる。よって、単純な柱形状の場合に比べて、曲げやねじりなどの変形が生じにくく、誤差要因となる結合部20でのモーメントの影響を受けにくい構造となっている。
As shown in the first and third embodiments, when an elastic body having a circular shape such as a circle or a quadrangle is adopted as the
図11は、この実施の形態5におけるロッド6の例を示す。同図(a)は、両フランジ1、2との連結を行う結合部20を、先の連結ロッド3、4を介さず、直接、弾性リング5に結合している。また、同図(b)は、同じく、結合部20を、直接、フレーム状弾性体12に結合している。
この場合、ロッド6を両フランジ1、2に固着する構造としても、ロッド6は、曲げやねじりに対する剛性を保ったまま軸方向のみに変位が生じ加えられた力と歪みに関し線形特性が得られ検出動作が簡便になると共に、弾性体としての軸方向の剛性の低減で、必要な機械的強度を保持しつつ加えられた力に対する変位が増大し、変位の検出が容易確実になされる。
FIG. 11 shows an example of the
In this case, even if the
実施の形態6.
本発明では歪センサではなく変位センサを使用しているが、変位センサで精度よい測定値を得るには、ある程度大きな変位を生じさせる必要がある。先の各実施の形態では、このため、ロッド6中に弾性変形部位5、11、12、13を設けているが、この実施の形態6では、更に、図12に示すように、変位センサのダイオードD8と4分割フォトダイオードPD7との間に凹レンズ14を設けている。この凹レンズ14を設けることで、スポット光15が屈折し4分割フォトダイオードPD7で観測される変位量が実際の変位量より拡大するので、僅かな変位に対しても精度よく測定することが可能となる。また、上部フランジ1に要求される変位量を減らすことができるので、ロッド6の弾性変形部位に要求される変位量も小さくなるため荷重によって降伏する可能性が減少するほか、センサ全体としての剛性を上げることができるため、剛性の高い力覚センサを構成することが可能になる。
In the present invention, a displacement sensor is used instead of a strain sensor, but in order to obtain an accurate measurement value with the displacement sensor, it is necessary to cause a large displacement to some extent. In the previous embodiments, for this reason, the
実施の形態7.
先の各実施の形態例では、2次元の変位センサを用いて受力部(上部フランジ1)の変位を計測し、これと加えた力の関係を予め求めておいたコンプライアンス行列や剛性行列(式(6)(7)参照)から導き出した。この実施の形態7では、このような力の導出方法とは別に、2次元の変位センサを用いて受力部の変位を測定する代わりに、図13に示すように、ロッド6中にロッド6に生じた変位を測定するための静電容量計16を利用した(同図(a))、もしくは、ダイオードD8と2分割フォトダイオードPD17とを利用した(同図(b))1次元変位センサを設け、得られたロッド6の変位をロッド6の軸方向力に換算することによって、加えられた力を測定することができる。この方法では、各ロッド6に加わった力を測定することができるため、先の式(4)を用いることで力覚センサに加えられた力を得ることができる。
これによって、コンプライアンス行列などを求めたり、2次元変位センサからの値を変換して受力部の変位を導く必要がないために、力を計測するのに必要な計算量や手間を大幅に減らすことが可能になる。
In each of the previous embodiments, the displacement of the force receiving portion (upper flange 1) is measured using a two-dimensional displacement sensor, and the relationship between the applied force and the compliance matrix or stiffness matrix (in which the relationship between the applied force and the force is determined in advance) (See formulas (6) and (7)). In the seventh embodiment, separately from such a force derivation method, instead of measuring the displacement of the force receiving portion using a two-dimensional displacement sensor, as shown in FIG. A one-dimensional displacement sensor using a
As a result, it is not necessary to obtain a compliance matrix, etc., or to convert the values from the two-dimensional displacement sensor to introduce the displacement of the force receiving portion, so the amount of calculation and labor required to measure the force are greatly reduced. It becomes possible.
実施の形態8.
図14は、この発明の実施の形態8におけるロッド6を示す図である。力覚センサにおいては、使用者の意図しない過大な荷重が加わった際に、起歪体中に塑性変形が生じないよう対策を備えていることが望ましい。この要請に応えるため、図14(a)では、上下の連結ロッド3、4から伸びて中心で鉤手状になったストッパ18が、互いにある隙間を持ってかみ合っている。もし、大きな荷重が加わって弾性リング5が大きく変形しようとしても、ストッパ18の隙間がなくなることで力を弾性リング5ではなくストッパ18が受けることになるので、それ以上弾性リング5が変形することを防ぐことができる。
また、図14(b)のように、ある外径を持つピン状部材と、このピン状部材の外径に許容変位量の値を加えた内径を持つ穴状部材とを組み合わせたストッパ19を用いても同様の効果を得ることができる。
FIG. 14 is a diagram showing a
Further, as shown in FIG. 14 (b), a
また、この発明の各変形例において、弾性体は、環状構造体からなり、ロッドに加わる力の軸線が、環状形状を含む平面と平行であって、当該平面と直角な方向から見たとき環状形状が軸線に対して線対称となるようにした場合は、曲げやねじりに対する剛性を保っており、軸方向のみに変位が生じるロッドが得られる。 Further, in each modification of the present invention, the elastic body is formed of an annular structure, and the axis of the force applied to the rod is parallel to a plane including the annular shape and is annular when viewed from a direction perpendicular to the plane. When the shape is axisymmetric with respect to the axis, rigidity against bending and torsion is maintained, and a rod that is displaced only in the axial direction is obtained.
また、環状構造体の環状形状が、円形である場合は、ロッドの製作が簡便になされる。 Further, when the annular shape of the annular structure is a circle, the rod is easily manufactured.
また、環状構造体の環状形状が、四角形である場合は、連結のための端部の構造が簡便となる。 Further, when the annular shape of the annular structure is a quadrangle, the structure of the end portion for connection becomes simple.
また、弾性体が、当該ロッドに加わる力の軸線を中心とするつる巻状に形成されている場合は、連結のための端部の構造が簡便となる。 In addition, when the elastic body is formed in a spiral shape centering on the axis of the force applied to the rod, the structure of the end portion for connection becomes simple.
また、弾性体が、カンチレバー状に形成されている場合は、単位部材当たりの歪や応力を減らすことができる。 Moreover, when the elastic body is formed in a cantilever shape, strain and stress per unit member can be reduced.
また、ロッドの、当該ロッドに加わる力による軸線方向の伸びが所定の寸法を越えたとき、弾性体のそれ以上の伸びを阻止するストッパを備えた場合は、過大な荷重がかかった場合にも塑性変形を防止することが出来、センサとしての信頼性が向上する。 In addition, if the rod is provided with a stopper that prevents further elongation of the elastic body when the axial elongation due to the force applied to the rod exceeds a predetermined dimension, even if an excessive load is applied Plastic deformation can be prevented, and the reliability as a sensor is improved.
また、基礎部と受力部は、互いに平行に配置された平板体で構成され、ロッドは、平板体の周方向に沿って6個設けられ、多軸力覚センサは、受力部が荷重から受ける力の、直交3軸の各軸方向の成分と各軸のまわりのモーメントの合計6成分を出力する場合は、6軸成分の力とモーメントを確実に検出する多軸力覚センサを実現することが出来る。 Further, the base portion and the force receiving portion are constituted by flat plates arranged in parallel to each other, and six rods are provided along the circumferential direction of the flat plate. The multi-axis force sensor has a load receiving portion that is loaded. Multi-axis force sensor that reliably detects the force and moment of the 6-axis component when outputting a total of 6 components of the force received from each of the three orthogonal axes and the moment around each axis. I can do it.
以上では、直交3軸の各軸方向の成分と各軸のまわりのモーメントの合計6成分を出力する多軸力覚センサとして説明したが、この発明は、例えばその機能を限定して、この内の3成分を検出する3軸力覚センサとしても適用出来ることは言うまでもない。 In the above description, the multi-axis force sensor that outputs a total of six components including the components in the directions of the three orthogonal axes and the moments around the axes has been described. Needless to say, the present invention can also be applied as a three-axis force sensor for detecting the three components.
1 上部フランジ、2 下部フランジ、3 上部連結ロッド、4 下部連結ロッド、
5 弾性リング、6 ロッド、7 4分割フォトダイオードPD、8 ダイオードD、
11 バネ状弾性体、12 フレーム状弾性体、13 カンチレバー状弾性体、
14 凹レンズ、16 静電容量計、17 2分割フォトダイオードPD、
18,19 ストッパ、20 結合部。
1 Upper flange, 2 Lower flange, 3 Upper connecting rod, 4 Lower connecting rod,
5 elastic ring, 6 rod, 7 4-division photodiode PD, 8 diode D,
11 spring-like elastic body, 12 frame-like elastic body, 13 cantilever-like elastic body,
14 concave lens, 16 capacitance meter, 17 split photodiode PD,
18, 19 Stopper, 20 coupling part.
Claims (9)
上記各ロッドと上記基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、
上記各ロッドは、当該ロッドに加わる力の軸線方向の剛性に対して曲げ方向の剛性が大きくなる弾性体で構成したことを特徴とする多軸力覚センサ。 Strain generation composed of a fixed base part, a force receiving part that is placed a predetermined distance away from the base part and to which a load to be detected is applied, and at least six rods connecting the base part and the power receiving part A multi-axis which includes a body and outputs predetermined axial components of the force received by the force receiving portion from the load with the displacement of the force receiving portion or each rod as an input based on mechanical characteristics obtained in advance for the strain generating body A force sensor,
The connection between each rod and the foundation part and the force receiving part is performed with a fixing structure,
Each said rod was comprised with the elastic body from which the rigidity of a bending direction becomes large with respect to the rigidity of the axial direction of the force applied to the said rod, The multi-axis force sensor characterized by the above-mentioned.
上記各ロッドと上記基礎部および受力部との連結を固着構造で行い、
上記各ロッドは、弾性体とこの弾性体の両端に結合され当該ロッドに加わる力の軸線と同軸上に配置された棒状の連結ロッドとから構成したことを特徴とする多軸力覚センサ。 Strain generation composed of a fixed base part, a force receiving part that is placed a predetermined distance away from the base part and to which a load to be detected is applied, and at least six rods connecting the base part and the power receiving part A multi-axis which includes a body and outputs predetermined axial components of the force received by the force receiving portion from the load with the displacement of the force receiving portion or each rod as an input based on mechanical characteristics obtained in advance for the strain generating body A force sensor,
The connection between each rod and the foundation part and the force receiving part is performed with a fixing structure,
Each of the rods is composed of an elastic body and a rod-shaped connecting rod that is coupled to both ends of the elastic body and arranged coaxially with an axis of force applied to the rod.
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