JP2010014695A - Multiaxial sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多軸センサに係り、詳しくは、複合力誤差の影響を低減する技術に関する。 The present invention relates to a multi-axis sensor, and more particularly to a technique for reducing the influence of a compound force error.
この種の従来技術としては、6軸の力及びモーメントを検出するための4個の歪みゲージがそれぞれ配置された4個の第1可撓部を有する第1フランジと、これらの第1可撓部に対向する位置に配置された4個の第2可撓部を有する第2フランジと、各第1可撓部と各第2可撓部とを連結する連結体とを備えた歪みゲージ式センサが開示されている(例えば、特許文献1参照)。このような従来の歪みゲージ式センサでは、特許文献1の図10に示すように、4個の第1可撓部にブリッジ回路が各2回路形成されており、これらのブリッジ回路からは、外部から加わる6軸の力及びモーメントに応じて発生する歪みに対応した8個分の電圧値が出力される構成となっている。
ところで、上述した従来の歪みゲージ式センサでは、複合力誤差が大きくなるという問題があった。例えば、上述した従来の歪みゲージ式センサでは、6軸の力及びモーメントを検出する際に、ブリッジ回路の8個分の出力を6個の中間的な変数にする中間処理が必要となる。ところが、このような中間処理の過程で誤差成分が発生し、発生した誤差成分の蓄積によって、6軸の力及びモーメントを精度良く検出できないという問題があった。 By the way, the above-described conventional strain gauge type sensor has a problem that the combined force error becomes large. For example, the above-described conventional strain gauge type sensor requires an intermediate process for converting the outputs of eight bridge circuits into six intermediate variables when detecting six-axis forces and moments. However, an error component is generated in the course of such an intermediate process, and there is a problem that the six-axis force and moment cannot be accurately detected due to the accumulation of the generated error component.
本発明の目的は、従来技術に比して複合力誤差を緩和すると共に、6軸の力及びモーメントを精度良く検出可能な多軸センサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a multi-axis sensor capable of reducing a complex force error as compared with the prior art and capable of accurately detecting six-axis forces and moments.
第1の発明に係る多軸センサでは、複数の歪検出素子が配置された6個の第1可撓部を有する第1部材と、第1可撓部のそれぞれに対向する第2可撓部を有する第2部材と、第1可撓部と前記第2可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備える。 In the multi-axis sensor according to the first invention, a first member having six first flexible parts in which a plurality of strain detection elements are arranged, and a second flexible part facing each of the first flexible parts. A force member for calculating six-axis forces and moments based on output results of a plurality of strain sensing elements, a second member having a connecting member, a connecting body for connecting the first flexible portion and the second flexible portion, respectively. And an arithmetic means.
この多軸センサでは、第1部材に設けた第1可撓部の数が6個であるため、6軸の力及びモーメントの算出過程において、第1部材に4個の第1可撓部を設けた特許文献1のような中間処理を行う必要がない。よって、中間処理に起因した誤差成分の発生を抑制でき、特許文献1と比べて誤差成分を小さくできる。したがって、特許文献1と比べて、6軸の力及びモーメントの検出精度を向上できる。
In this multi-axis sensor, since the number of the first flexible portions provided on the first member is six, four first flexible portions are provided on the first member in the calculation process of the six-axis force and moment. There is no need to perform intermediate processing as in
第2の発明に係る多軸センサでは、複数の歪検出素子が配置された複数の第1可撓部を有する第1部材と、第1可撓部のそれぞれに対向する第2可撓部を有する第2部材と、第1可撓部と第2可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備え、第1可撓部、第2可撓部及び連結体は、第1部材及び第2部材において、中心軸の回りに等角度おきであって、且つ、中心軸から等距離に形成された6組以上の偶数組に分けて配置され、力モーメント演算手段は、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組からの複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する第1力モーメント演算手段と、偶数組のうち残りの組からの複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する第2力モーメント演算手段と、第1力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントと、第2力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントとに基づいて、6軸の力及びモーメントを演算する出力演算手段とを備える。 In the multi-axis sensor according to the second invention, a first member having a plurality of first flexible portions in which a plurality of strain detection elements are arranged, and a second flexible portion facing each of the first flexible portions. A second member having a connecting body, a connecting body for connecting the first flexible portion and the second flexible portion, and a force moment calculating means for calculating six-axis forces and moments based on the output results of the plurality of strain detecting elements. The first flexible part, the second flexible part, and the coupling body are formed at equal angles around the central axis and at equal distances from the central axis in the first member and the second member. The force-moment calculation means is arranged in six or more even-numbered groups, and the force-moment calculating means is configured to output the six-axis force and the six-axis force based on the output results of the plurality of strain detection elements from the group selected by skipping one of the even-numbered groups. A first force moment calculating means for calculating a moment, and a plurality of the remaining sets of the even number set Second force moment calculating means for calculating six-axis force and moment based on the output result of the strain detection element, six-axis force and moment calculated by the first force-moment calculating means, and second force-moment calculating means Output calculating means for calculating the six-axis force and moment based on the six-axis force and moment calculated by.
この多軸センサでは、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を緩和できる。 In this multi-axis sensor, due to the existence of symmetry between each strain detection element belonging to the group selected by skipping one of the even pairs and each strain detection element belonging to the remaining group among the even pairs, the above-mentioned composite Force error can be reduced.
第3の発明に係る多軸センサでは、第2の発明に係る多軸センサにおいて、出力演算手段は、第1力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントと、第2力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントとの平均値を、6軸の力及びモーメントとして演算する。 In the multi-axis sensor according to the third aspect of the invention, in the multi-axis sensor according to the second aspect of the invention, the output calculation means includes the six-axis force and moment calculated by the first force-moment calculation means and the second force-moment calculation. The average value of the six-axis forces and moments calculated by the means is calculated as the six-axis forces and moments.
この多軸センサでは、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を強力に相殺できる。 In this multi-axis sensor, due to the existence of symmetry between each strain detection element belonging to the group selected by skipping one of the even pairs and each strain detection element belonging to the remaining group among the even pairs, the above-mentioned composite Power error can be strongly offset.
第4の発明に係る多軸センサでは、第2または第3の発明に係る多軸センサにおいて、第1力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントと、第2力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントとを比較し、その比較結果が所定量以上であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により比較結果が所定量以上であると判定された場合に、所定の異常処理を実行する異常処理実行手段とを備える。 In the multi-axis sensor according to the fourth invention, in the multi-axis sensor according to the second or third invention, the six-axis force and moment calculated by the first force-moment calculating means and the second force-moment calculating means are used. When comparing the calculated force and moment of the six axes and determining whether the comparison result is greater than or equal to a predetermined amount, and when the comparison result determines that the comparison result is greater than or equal to a predetermined amount And an abnormal process executing means for executing a predetermined abnormal process.
この多軸センサでは、歪検出素子の故障を検出できるので、多軸センサの信頼性を向上できる。 In this multi-axis sensor, since the failure of the strain detection element can be detected, the reliability of the multi-axis sensor can be improved.
第5の発明に係る多軸センサでは、第2〜第4の発明のいずれかに係る多軸センサにおいて、偶数組は6組である。 In the multi-axis sensor according to the fifth aspect, in the multi-axis sensor according to any one of the second to fourth aspects, the even-numbered set is six sets.
この多軸センサでは、構成を簡素化でき、製造コストを抑えることができる。 With this multi-axis sensor, the configuration can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
第6の発明に係る多軸センサでは、第2〜第4の発明のいずれかに係る多軸センサにおいて、偶数組は8組である。 In the multi-axis sensor according to the sixth aspect, in the multi-axis sensor according to any one of the second to fourth aspects, the even-numbered set is eight sets.
この多軸センサでは、Z軸を中心として22.5°、67.5°、112.5°、157.5°の点対称であってX軸及びY軸に関して線対称となり、一層優れた対称性を呈する。したがって、Z軸回転位相に対応して出力が変化してしまう複合力誤差の一態様を一層低減することができる。 This multi-axis sensor has point symmetry of 22.5 °, 67.5 °, 112.5 °, and 157.5 ° around the Z-axis, and is line-symmetric with respect to the X-axis and Y-axis. Exhibits sex. Therefore, it is possible to further reduce one aspect of the combined force error in which the output changes corresponding to the Z-axis rotation phase.
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
第1の発明では、第1部材に設けた第1可撓部の数が6個であるため、6軸の力及びモーメントの算出過程において、第1部材に4個の第1可撓部を設けた特許文献1のような中間処理を行う必要がない。よって、中間処理に起因した誤差成分の発生を抑制でき、特許文献1と比べて誤差成分を小さくできる。したがって、特許文献1と比べて、6軸の力及びモーメントの検出精度を向上できる。
In the first invention, since the number of the first flexible portions provided on the first member is six, four first flexible portions are provided on the first member in the process of calculating the six-axis force and moment. There is no need to perform intermediate processing as in
また、第2の発明では、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を緩和できる。 Further, in the second invention, due to the existence of symmetry between each strain detecting element belonging to the group selected by skipping one of the even sets and each strain detecting element belonging to the remaining group among the even sets, The combined force error can be alleviated.
また、第3の発明では、偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組に属する各歪検出素子と、偶数組のうち残りの組に属する各歪検出素子との対称性の存在により、前述の複合力誤差を強力に相殺できる。 Further, in the third invention, due to the existence of symmetry between each strain detecting element belonging to the group selected by skipping one of the even sets and each strain detecting element belonging to the remaining set among the even sets, The combined force error can be strongly canceled.
また、第4の発明では、歪検出素子の故障を検出できるので、多軸センサの信頼性を向上できる。 In the fourth invention, since the failure of the strain detection element can be detected, the reliability of the multi-axis sensor can be improved.
また、第5の発明では、多軸センサの構成を簡素化でき、その製造コストを抑えることができる。 In the fifth invention, the configuration of the multi-axis sensor can be simplified, and the manufacturing cost can be suppressed.
また、第6の発明では、Z軸を中心として22.5°、67.5°、112.5°、157.5°の点対称であってX軸及びY軸に関して線対称となり、一層優れた対称性を呈する。したがって、Z軸回転位相に対応して出力が変化してしまう複合力誤差の一態様を一層低減することができる。 In the sixth aspect of the invention, the point symmetry of 22.5 °, 67.5 °, 112.5 °, and 157.5 ° with respect to the Z axis and the line symmetry with respect to the X axis and the Y axis are further improved. Exhibiting symmetry. Therefore, it is possible to further reduce one aspect of the combined force error in which the output changes corresponding to the Z-axis rotation phase.
(第1実施形態)
以下、図面に基づいて、本発明の第1実施形態に係る6軸センサ1(多軸センサ)について説明する。図1は、フランジ200(第2部材)側からZ軸方向にフランジ100(第1部材)を透視した場合の各可撓部111〜116(第1可撓部)の配置を描いた平面図である。図2は、図1に示すA−A線の矢視断面図である。図3は、図1に示すB−B線の矢視断面図である。図1の各符号C1〜C6は、各可撓部111〜116の中心を示している。なお、この実施形態では説明の便宜上、XYZ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品の配置説明を行う。したがって、図2では、フランジ100の表側面100aの中心位置を原点O、右水平方向をX軸、紙面に垂直手前方向をY軸、上垂直方向をZ軸としてそれぞれ定義する。つまり、フランジ100の表側面100aはXY平面を規定し、フランジ100の中心位置にZ軸が通ることになる。
(First embodiment)
The 6-axis sensor 1 (multi-axis sensor) according to the first embodiment of the present invention will be described below based on the drawings. FIG. 1 is a plan view illustrating the arrangement of the
図1において、6軸センサ1は、金属などで形成された円盤形状のフランジ100、200に加わる多軸の力、モーメント、加速度、角加速度の少なくともいずれかを計測するセンサであり、これらのフランジ100、200に加えて、固定部300を有している。また、この6軸センサ1は、フランジ100の裏側面100bに取り付けられた複数の歪みゲージR11〜R64(力検出素子)を有している。
In FIG. 1, a 6-
図2に示すように、フランジ100は、固定部300上に固定されている。このフランジ100は、可撓部111〜116を有している。これらの可撓部111〜116は薄肉状に形成されている。各可撓部111〜116の略中央部には、連結体121〜126がそれぞれ設けられている。フランジ200は、フランジ100の可撓部111〜116と対向する位置に可撓部211〜216(第2可撓部)を有している。これらの可撓部211〜216は、可撓部111〜116と同様に薄肉状に形成されると共に、その略中央部には連結体221〜226がそれぞれ設けられている。各可撓部111〜116、211〜216は、略中央部に連結体121〜126、221〜226をそれぞれ備えることにより円環形状となっている。
As shown in FIG. 2, the
なお、図2では説明の便宜上、可撓部211、212、216及び連結体221、222、226についてのみ図示し、その他の可撓部213、214、215及び連結体223、224、225については図示を省略する。また、図3についても同様に説明の便宜上、可撓部211、214及び連結体221、224についてのみ図示し、その他の可撓部212、213、215、216及び連結体222、223、225、226については図示を省略する。
In FIG. 2, for convenience of explanation, only the
可撓部111〜116の連結体121〜126と、可撓部211〜216の連結体221〜226とは、図示しないボルト部材等の適当な手段を用いて強固に連結され、フランジ100及びフランジ200にそれぞれ設けた各可撓部及び各連結体は略対称となっている。また、連結体121〜126及び連結体221〜226は、このような強固な連結によって可撓部111〜116及び可撓部211〜216に比して強い剛性を持ち、一体とみなすことができる。なお、この例では、連結体121〜126と連結体221〜226とを別体で形成したが、一対の連結体121、221、連結体122、222、連結体123、223、連結体124、224、連結体125、225、連結体126、226をそれぞれ一体として形成し、このように一体形成した各連結体をフランジ100またはフランジ200の一部として結合してもよい。
The connecting
図1に示すように、各可撓部111〜116は、フランジ100の周方向に沿ってZ軸を中心として等間隔をおいて形成されている。この例では、各可撓部111〜116は、60度おきに配置されている。これらの可撓部111〜116は、X軸及びY軸の正方向及び負方向にそれぞれ配置されている。また、フランジ200の可撓部211〜216は、可撓部111〜116と対向する位置に配置されている。よって、6軸センサ1は、3次元空間において直交するX軸、Y軸、Z軸の3軸の力とそれらの軸回りのモーメントを測定するための6軸力覚センサとして機能する。
As shown in FIG. 1, the
固定部300は、フランジ100と対向する面の中央を凹状にし、周辺部でフランジ100と結合しフランジ100を支持する構造となっている。なお、この固定部300は、歪みゲージR11〜R64を保護する目的も有している。上述したように、フランジ100には肉薄の可撓部111〜116が形成されており、フランジ200には肉薄の可撓部211〜216が形成されているので、フランジ100を固定部300上に固定した状態でフランジ200に何らかの力を加えると連結体121〜126と連結体221〜226を通じて可撓部111〜116に力が伝わり、力の大きさと方向に応じて可撓部111〜116に歪みが発生する構造となっている。すなわち、フランジ100とフランジ200、連結体121〜126、連結体221〜226によって、いわゆる起歪体が構成される。
The fixed
図1に示すように、各可撓部111〜116は、4個の歪みゲージR11〜R64をそれぞれ有している。これらの歪みゲージR11〜R64は、図2に示すように、フランジ100の裏側面100bにおいて各可撓部111〜116の外縁部と内縁部に配置されている。フランジ200に力を加えた場合、各可撓部111〜116は、外縁部と内縁部の境界付近で最も大きな歪みが発生する。したがって、各歪みゲージR11〜R64は、このように最も歪みが発生しやすい部分で、可撓部111〜116の中心を通り、かつ、Z軸に垂直な線L11〜L16上にそれぞれ配置されている。また、歪みゲージR11〜R64は、線L11〜L16方向に最も感度が高くなるように設定されている。なお、図1〜図3では、各歪みゲージのリード線については図示を省略する。
As shown in FIG. 1, each flexible part 111-116 has four strain gauges R11-R64, respectively. As shown in FIG. 2, these strain gauges R <b> 11 to R <b> 64 are disposed on the outer edge portion and inner edge portion of each
歪みゲージR11〜64は、一種の抵抗体であり、歪みの発生する場所に貼り付けて使用するための検出素子である。このような歪みゲージは、歪みの発生による抵抗値の変化を検出することにより、歪みεを測定可能である。歪みゲージは、樹脂基材の上に金属箔のパターンを形成したものを適用可能である。また、フランジ100の上に酸化シリコン等の絶縁膜を形成し、形成した絶縁膜の上に、CrやNiの合金や酸化Cr等の金属薄膜で歪みゲージを形成してもよい。このような場合、歪みゲージを形成する面が平坦な1つの面であれば、フォトリソグラフィーの技術を利用してスパッタリング装置等で歪みゲージをプロセス的に形成できるため量産に適する。
The strain gauges R <b> 11 to R <b> 64 are a kind of resistor, and are detection elements that are used by being attached to a place where distortion occurs. Such a strain gauge can measure strain ε by detecting a change in resistance value due to the occurrence of strain. A strain gauge in which a metal foil pattern is formed on a resin base material can be applied. Alternatively, an insulating film such as silicon oxide may be formed on the
(各可撓部の歪みの検知動作について)
図4〜図7は、フランジ200に力やモーメントを加えた場合の歪みの検知動作を示す説明図であり、図4〜図6は、図1に示すC−C線の矢視断面図を、図7は、図1に示すB−B線の矢視断面図をそれぞれ示している。なお、ここでは特に、フランジ200に加わる力やモーメントの各成分の内、X軸方向の力Fx、Z軸方向の力Fz、Z軸まわりのモーメントMz、X軸まわりのモーメントMxについて、この順番で、図4〜図7を参照して説明する。
(Regarding the strain detection operation of each flexible part)
4-7 is explanatory drawing which shows the detection operation | movement of distortion at the time of applying force and a moment to the
(X軸方向の力Fx)
図4は、フランジ200にX軸方向の力Fxを加えたときに、フランジ100の可撓部111とフランジ200の可撓部211とが弾性変形した状態を示している。このとき加えられた力Fxの向きは、可撓部111に歪みゲージR11〜R14が配列された方向と一致するため(図2参照)、各歪みゲージR11〜R14は大きな歪みを検知する。なお、図4では図示を省略したが、可撓部111と同様に、可撓部114についても、歪みゲージR41〜R44の配列方向が力Fxの向きと一致するため(図1参照)、これらの歪みゲージR41〜R44は大きな歪みを検知する。一方、可撓部111、114を除いたその他の可撓部112、113、115、116(図1参照)については、歪みゲージR21〜R24、R31〜R34、R51〜R54、R61〜R64の配列方向が力Fxの向きと一致しないため、歪みゲージR11〜R14とR41〜R44ほどの大きな歪みを検知しない。
(Force X in the X-axis direction)
FIG. 4 shows a state in which the
(Z軸方向の力Fz)
図5は、フランジ200にZ軸方向の力Fzを加えたときに、可撓部111と可撓部211とが弾性変形した状態を示している。この状態では、可撓部111〜116(図1参照)が図示の如く弾性変形するので、可撓部111〜116の各歪みゲージR11〜R64は歪みを検知して同じパターンで変化する。
(Force Fz in the Z-axis direction)
FIG. 5 shows a state where the
(Z軸まわりのモーメントMz)
図6は、フランジ200にZ軸回りに右回転するモーメントMzを加えたときに、可撓部111と可撓部211とが弾性変形した状態を示している。この状態では、連結体121〜126と連結体221〜226は、Z軸を中心とする円周に沿って同じ回転方向に傾倒するように変位する。この変位に応じて、各可撓部111〜116も変位し、歪みが発生する。
(Moment Mz around the Z axis)
FIG. 6 shows a state where the
(X軸まわりのモーメントMx)
図7は、フランジ200にX軸回りのモーメントMxを加えたときに、可撓部111、114と可撓部211、214とが弾性変形した状態を示している。この状態では、可撓部111、112、116は固定部300側に押し出されると共に、可撓部113、114、115は固定部300側と反対方向に離隔するように変位する(図1参照)。この変位に応じて、各歪みゲージR11〜R64が変化する。以下では、フランジ200に加わる力やモーメントの各成分の内、Y軸方向の力Fy、Y軸まわりのモーメントMyについて説明する。
(Moment Mx around X axis)
FIG. 7 shows a state in which the
(Y軸方向の力Fy)
フランジ200にY軸方向の力Fyを加えた場合、この力Fxの向きは、可撓部111、114の各歪みゲージR11〜R14、R41〜R44の配列方向と直交するため(図1参照)、これらの歪みゲージR11〜R14、R41〜R44はほとんど歪みを検知しない。これに対して、可撓部112、113、115、116(図1参照)の各歪みゲージR21〜R24、R31〜R34、R51〜R54、R61〜R64は、力Fyの向きと歪みゲージ配列の角度に応じて、ある程度の歪みを検知する。
(Force Fy in the Y-axis direction)
When a force Fy in the Y-axis direction is applied to the
(Y軸まわりのモーメントMy)
フランジ200にY軸回りのモーメントMyを加えた場合、可撓部112、113が固定部300側に押し出されると共に、可撓部115、116は固定部300側と反対方向に離隔するように変位する(図1参照)。この変位に応じて、歪みゲージR21〜R24、R31〜R34、R51〜R54、R61〜R64がそれぞれ変化する。これに対し、可撓部111、114はY軸上にあるので、歪みゲージR11〜R14、R41〜R44はあまり変化しない。
(Moment My around Y axis)
When a moment My around the Y axis is applied to the
以上の検知動作を図1の歪みゲージR11〜R64に適用すると、各歪みゲージR11〜R64の抵抗値の変化は下記表1のようになる。ただし、抵抗値の増減(+/−)のみ考慮し、変化の大きさは考慮していない。“+”は引張歪みを検出し抵抗値が増加、“−”は圧縮歪みを検出し抵抗値が減少、“0”は歪みがほとんど発生せず抵抗値がほとんど変化しないことを示す。反対方向の力やモーメントの場合は、符号の+/−が入れ替わる。 When the above detection operation is applied to the strain gauges R11 to R64 in FIG. 1, changes in resistance values of the strain gauges R11 to R64 are as shown in Table 1 below. However, only the increase / decrease (+/−) of the resistance value is considered, and the magnitude of the change is not considered. “+” Indicates that the tensile value is detected and the resistance value is increased, “−” indicates that the compressive strain is detected and the resistance value is decreased, and “0” indicates that almost no strain is generated and the resistance value is hardly changed. In the case of a force or moment in the opposite direction, the sign +/- is switched.
上記表1より、24個の独立した変数と見なせる抵抗R11〜R64を利用して6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。 From Table 1 above, six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be obtained using resistors R11 to R64 that can be regarded as 24 independent variables.
図8は、各可撓部111〜116に構成された6個のブリッジ回路の回路図とそれらの位置関係を示した説明図である。図8に示すように、歪みゲージR11〜R14、R21〜R24、R31〜R34、R41〜R44、R51〜R54、R61〜R64は、各可撓部111〜116毎にブリッジ回路を構成するように配線されている。これらの歪みゲージのブリッジ回路は、空間的にZ軸を中心として点対称に配置された関係であり、X軸及びY軸を中心に線対称に配置された関係となっている。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a circuit diagram of six bridge circuits configured in each of the
このように構成されたブリッジ回路に一定の電圧又は電流を印加すると、フランジ200に作用する6軸の力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzの大きさに応じて、可撓部111〜116に歪みが発生する。この歪みの発生に応じて、各歪みゲージの抵抗値が表1のように変化し、各節点の出力電圧V11〜V62が変化する。この性質を利用すれば、出力電圧V11〜V62を測定することにより、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。これが本実施形態における歪み検出の基本的原理である。なお、図9は、出力電圧V11〜V62のベクトル図を示している。
When a constant voltage or current is applied to the bridge circuit configured as described above, the
(6軸の力及びモーメントの演算方法について)
以下、ブリッジ回路の出力電圧V11〜V62に基づいて、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを算出する演算の内容を詳細に説明する。
(About 6-axis force and moment calculation method)
Hereinafter, the contents of the calculation for calculating the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz based on the output voltages V11 to V62 of the bridge circuit will be described in detail.
まず、測定した各出力電圧V11〜V62について、可撓部111〜116ごとに電圧差(V11−V12)、(V22−V21)、・・・、(V62−V61)を求め、求めた各電圧差に対して、以下の式(1)に示すように適当な方法で増幅演算を行い、出力V1〜V6を算出する。
First, for each of the measured output voltages V11 to V62, voltage differences (V11−V12), (V22−V21),..., (V62−V61) are obtained for each of the
なお、式(1)中の出力V1、V3、V5と、出力V2、V4、V6とで、電圧差の求め方が反対になっているのは、力Fxによる変化とモーメントMzによる変化の方向を一致させないように識別するためである。 It should be noted that the method of obtaining the voltage difference between the outputs V1, V3, V5 and the outputs V2, V4, V6 in the formula (1) is opposite in the direction of the change due to the force Fx and the change due to the moment Mz. This is to identify them so as not to match.
次に、本装置に特別な治具を用いてFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzのうち一つの力あるいはモーメントを順に加え、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzと6つの出力V1〜V6の関係を表す係数である特性行列[A]を演算する。このような演算は、以下の式(2)にしたがって行われる。 Next, one force or moment of Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz is sequentially applied to the apparatus using a special jig, and six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, and My are sequentially added. , Mz and the characteristic matrix [A], which is a coefficient representing the relationship between the six outputs V1 to V6, are calculated. Such an operation is performed according to the following equation (2).
なお、式(2)中の[A]は、6行6列の特性行列を示している。 [A] in equation (2) indicates a 6 × 6 characteristic matrix.
さらに、この式(2)の両辺左側から[A]の逆行列[A]-1を掛けると、以下の式(3)に示すように、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。 Furthermore, when the inverse matrix [A] −1 of [A] is multiplied from the left side of both sides of this equation (2), as shown in the following equation (3), the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx , My, Mz can be obtained.
(6軸の力及びモーメントに発生する各誤差成分について)
次に、6軸の力及びモーメントに発生する各誤差成分について、特許文献1に開示された従来例と本発明とを比較する。なお、ここでは、各出力V1〜V6がノイズ等により受ける誤差をδ1〜δ6とし、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzにそれぞれ発生する誤差をδFx、δFy、δFz、δMx、δMy、δMzとした場合、以下の式(4)が成立する。
(Each error component generated in the 6-axis force and moment)
Next, for each error component generated in the six-axis force and moment, the conventional example disclosed in
したがって、以下の式(5)に示すように、各誤差δFx、δFy、δFz、δMx、δMy、δMzを求めることができる。 Therefore, each error δFx, δFy, δFz, δMx, δMy, δMz can be obtained as shown in the following equation (5).
これに対して、従来例には、本発明の可撓部に相当する部分を4個とする例が開示されている。この従来例では、6軸の力及びモーメントを求める方法が本発明と異なり、各可撓部に配置したブリッジ回路8個分の出力を6個の中間的な変数にする中間処理を行って、X軸、Y軸、Z軸方向の成分に分割し、その和や差の演算により、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めようとしている。 In contrast, the conventional example discloses an example in which there are four portions corresponding to the flexible portion of the present invention. In this conventional example, the method for obtaining the six-axis force and moment is different from the present invention, and an intermediate process is performed in which the output of eight bridge circuits arranged in each flexible part is made into six intermediate variables. The component is divided into components in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are obtained by calculating the sum and difference.
従来例において、6軸の力及びモーメントFx〜Mzは、本発明の各出力V1〜V6に相当する信号であり、さらに正確に6軸の力及びモーメントFx〜Mzを求めるためには、上述した式(3)に相当する演算を要する。これらを前提として、以下では、本発明と従来例の誤差の影響を比較する。 In the conventional example, the 6-axis forces and moments Fx to Mz are signals corresponding to the outputs V1 to V6 of the present invention. An operation corresponding to Equation (3) is required. Based on these assumptions, the effects of errors in the present invention and the conventional example will be compared below.
ここでは、説明を簡単にするため、従来例中に開示された力Fzの演算についてのみ考える。力Fzは、各ブリッジ回路からの出力信号X2P、X2N、X4P、X4N、Y1P、Y1N、Y3P、Y3Nを用いた演算によって求められる。 Here, in order to simplify the explanation, only the calculation of the force Fz disclosed in the conventional example will be considered. The force Fz is obtained by calculation using output signals X2P, X2N, X4P, X4N, Y1P, Y1N, Y3P, and Y3N from each bridge circuit.
具体的には、これらの出力信号X2P〜Y3Nの各誤差をそれぞれδX2P〜δY3Nとした場合、力Fzは、以下の式(6)で表すことができる。 Specifically, when the respective errors of these output signals X2P to Y3N are δX2P to δY3N, the force Fz can be expressed by the following equation (6).
この式(6)の右辺に示すように、第3項の(δY1P+δY1N+δY3P+δY3N)と第4項の(δX2P+δX2N+δX4PP+δX4N)との差分が誤差δFzとして蓄積される。 As shown on the right side of the equation (6), the difference between the third term (δY1P + δY1N + δY3P + δY3N) and the fourth term (δX2P + δX2N + δX4PP + δX4N) is accumulated as an error δFz.
なお、その他の力及びモーメントFx、Fy、Mx、My、Mzについても同様に、演算の変数の数に応じて誤差δFx、δFy、δMx、δMy、δMzが蓄積される。 Similarly, for other forces and moments Fx, Fy, Mx, My, and Mz, errors δFx, δFy, δMx, δMy, and δMz are accumulated in accordance with the number of calculation variables.
これらの結果を、本発明と従来例とを比較するために、上述した式(5)に当てはめると、以下の式(7)に示す結果が得られる。 When these results are applied to the above-described equation (5) in order to compare the present invention with the conventional example, the result shown in the following equation (7) is obtained.
ノイズなどによりブリッジ回路出力に同等の誤差が発生するという仮定のもとで、上述した式(5)と式(7)とで、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzにそれぞれ発生する誤差成分を比較すると、明らかに、中間処理を伴う従来の演算結果(式(7))の方が、本発明の演算結果(式(5))と比べて誤差成分が大きい。 Under the assumption that an equivalent error occurs in the bridge circuit output due to noise or the like, the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, Comparing the error components generated in Mz, obviously, the conventional calculation result (formula (7)) with intermediate processing has a larger error component than the calculation result (formula (5)) of the present invention. .
以上の考察より、本発明の演算方法では、各ブリッジ回路出力に対して従来例のような中間処理を行う必要がなく、直接特性行列(逆行列)を利用して、6軸の力及びモーメントを演算可能である。したがって、本発明の演算方法は、従来例に開示された演算方法のように中間処理を繰り返すことによる誤差が蓄積されることがないため、従来の演算方法よりも優れていると言える。 From the above considerations, in the calculation method of the present invention, it is not necessary to perform intermediate processing as in the conventional example on each bridge circuit output, and a 6-axis force and moment are utilized using a direct characteristic matrix (inverse matrix). Can be calculated. Therefore, it can be said that the calculation method of the present invention is superior to the conventional calculation method because errors caused by repeating intermediate processing are not accumulated unlike the calculation method disclosed in the conventional example.
(第2実施形態)
以下では、本発明の第2施形態に係る6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzの演算方法について詳細に説明する。この実施形態では、第1実施形態で説明した要素と同一の要素について同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a calculation method of the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz according to the second embodiment of the present invention will be described in detail. In this embodiment, the same elements as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
(6軸の力及びモーメントの演算方法について)
この実施形態では、図1に示した可撓部111〜116にそれぞれ設けた4個の歪みゲージのうち、2個の歪みゲージR11、R12、R23、R24、R31、R32、R43、R44、R51、R52、R63、R64を利用したハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路の出力電圧V11、V22、V31、V42、V51、V62だけを利用して、6軸の力及びモーメントを算出する点で、先に述べた第1実施形態に係る6軸の力及びモーメントの演算方法と相違する。なお、図10は、出力電圧V11、V22、V31、V42、V51、V62のベクトル図を示している。
(About 6-axis force and moment calculation method)
In this embodiment, two strain gauges R11, R12, R23, R24, R31, R32, R43, R44, R51 among the four strain gauges respectively provided in the
この実施形態では、以下の式(8)に示すように、測定した各出力電圧V11、V22、V31、V42、V51、V62に対して適当な方法で増幅演算を行い、出力V1〜V6を算出する。そして、このように算出した出力V1〜V6を利用すれば、上述した式(2)、(3)に従い、第1実施形態と同様に、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。 In this embodiment, as shown in the following formula (8), amplification operations are performed on the measured output voltages V11, V22, V31, V42, V51, and V62 by an appropriate method to calculate outputs V1 to V6. To do. If the outputs V1 to V6 calculated in this way are used, the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, and the like according to the above-described formulas (2) and (3), as in the first embodiment. My and Mz can be obtained.
そして、このように算出した出力V1〜V6を利用すれば、上述した式(2)、(3)に従い、第1実施形態と同様に、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。なお、第2実施形態では、ハーフブリッジ回路の出力電圧V11、V22、V31、V42、V51、V62を利用して、6軸の力及びモーメントを求める例について述べたが、ハーフブリッジ回路の出力電圧V12、V21、V32、V41、V52、V61を利用しても同様に、6軸の力及びモーメントを求めることができる。 If the outputs V1 to V6 calculated in this way are used, the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, and the like according to the above-described formulas (2) and (3), as in the first embodiment. My and Mz can be obtained. In the second embodiment, an example in which the six-axis force and moment are obtained using the output voltages V11, V22, V31, V42, V51, and V62 of the half-bridge circuit has been described. Similarly, even when V12, V21, V32, V41, V52, and V61 are used, the six-axis force and moment can be obtained.
また、第2実施形態では、出力電圧V11、V22、V31、V42、V51、V62と、出力電圧V12、V21、V32、V41、V52、V61との両方の回路を並列して利用すれば、信号の二重化を容易に実現できる。 In the second embodiment, if both circuits of the output voltages V11, V22, V31, V42, V51, V62 and the output voltages V12, V21, V32, V41, V52, V61 are used in parallel, the signal Can be easily realized.
(第3実施形態)
以下では、本発明の第3施形態に係る6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzの演算方法について詳細に説明する。この実施形態では、第1実施形態で説明した要素と同一の要素について同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a calculation method of the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz according to the third embodiment of the present invention will be described in detail. In this embodiment, the same elements as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
(6軸の力及びモーメントの演算方法について)
この実施形態では、歪みゲージR11〜R14、R31〜R34、R51〜R54を第1グループ、歪みゲージR21〜R24、R41〜R44、R61〜R64を第2グループとして、グループ分けした各歪みゲージの出力電圧に基づいて、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを算出する点で、先に述べた第1実施形態に係る6軸の力及びモーメントの演算方法と相違する。なお、この実施形態では、6軸の力及びモーメントの演算方法として2通りの演算を例示する。第1の演算は、演算内容が簡易で取り扱いが容易であり、第2の演算は、演算内容が複雑であるが検出精度に優れる。まず、第1の演算について説明し、次いで、第2の演算を説明する。
(About 6-axis force and moment calculation method)
In this embodiment, the strain gauges R11 to R14, R31 to R34, and R51 to R54 are grouped as the first group, and the strain gauges R21 to R24, R41 to R44, and R61 to R64 are grouped as the second group. The six-axis force and moment Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are calculated based on the voltage, which is different from the above-described six-axis force and moment calculation method according to the first embodiment. . In this embodiment, two types of calculation are exemplified as the calculation method of the six-axis force and moment. The first calculation is simple and easy to handle, and the second calculation is excellent in detection accuracy although the calculation contents are complicated. First, the first calculation will be described, and then the second calculation will be described.
(第1の演算)
まず、適宜の治具を用いて、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzのうち一つずつを単独で6軸センサ1に対して加えてゆき、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzと、第1グループの6つの出力電圧V11、V12、V31、V32、V51、V52と、の関係を表す係数である特性行列[A1]を求める。同様に、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzと、第2グループの6つの出力電圧V21、V22、V41、V42、V61、V62と、の関係を表す係数である特性行列[A2]を求める。これらを数式で表すと、以下の式(9)、(10)となる。ただし、[A1]及び[A2]は、6行6列の特性行列である。
(First calculation)
First, using an appropriate jig, one of each of six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz is independently applied to the six-
上記式(9)、(10)に、上記特性行列の逆行列を左側からかけると、以下の式(11)、(12)となる。 When the above equations (9) and (10) are multiplied by the inverse matrix of the above characteristic matrix from the left side, the following equations (11) and (12) are obtained.
ここで、上記式(11)により求めた6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzと、上記式(12)により求めた6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzは、計算過程が異なるので、以下の式(13)、(14)のように添え字を付して区別する。 Here, the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz obtained by the above equation (11) and the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, obtained by the above equation (12). Since Mx, My, and Mz have different calculation processes, they are distinguished by attaching a subscript as in the following formulas (13) and (14).
なお、上記の式(13)、(14)を以下では、干渉除去演算と称する。 In addition, said Formula (13), (14) is called an interference removal calculation below.
上記の式(13)、(14)により、第1グループに係る6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、第2グループに係る6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2とを求めることができる。なお、歪みゲージの特性上、上記の出力電圧V11〜V62の電圧変化は微少であるから、これらの出力電圧を例えばOPアンプなどの増幅器に入力して信号を適宜に拡大する。 From the above formulas (13) and (14), the six-axis forces and moments Fx1 to Mz1 according to the first group and the six-axis forces and moments Fx2 to Mz2 according to the second group can be obtained. Since the voltage change of the output voltages V11 to V62 is very small due to the characteristics of the strain gauge, these output voltages are input to an amplifier such as an OP amplifier to appropriately expand the signal.
そして、第1グループに係る6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、第2グループに係る6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2と、に基づいて、6軸センサ1の出力として6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを算出する。具体的には、第1グループに係る6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、第2グループに係る6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2との平均値を算出し、この平均値を、6軸センサ1の出力に係る6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzとする。
Based on the six-axis force and moments Fx1 to Mz1 according to the first group and the six-axis force and moments Fx2 to Mz2 according to the second group, the six-axis force and The moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are calculated. Specifically, an average value of the six-axis forces and moments Fx1 to Mz1 according to the first group and the six-axis forces and moments Fx2 to Mz2 according to the second group is calculated. The six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz related to the output of the
(第2の演算)
上述の第1の演算では、6つのブリッジ回路の出力電圧を単純に増幅して6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求める手順であった。これに対し、第2の演算では、6つのブリッジ回路の出力電圧を、6軸の力情報に近い中間的な変数に予め変換してから上記の干渉除去演算を行うこととしている。これによれば、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzの検出感度を向上できる。以下、この第2の演算を詳細に説明する。
(Second calculation)
In the above first calculation, the output voltages of the six bridge circuits are simply amplified to obtain the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz. On the other hand, in the second calculation, the output voltage of the six bridge circuits is converted in advance into an intermediate variable close to the six-axis force information, and then the above interference removal calculation is performed. According to this, the detection sensitivity of 6-axis force and moment Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be improved. Hereinafter, the second calculation will be described in detail.
まず、上記の表1より、第1グループに属する歪みゲージの抵抗値を利用して、上記の中間的な変数Fx10、Fy10、Fz10、Mx10、My10、Mz10を以下の式(15)のようにして求める。 First, from Table 1 above, the intermediate variables Fx10, Fy10, Fz10, Mx10, My10, and Mz10 are expressed by the following equation (15) using the resistance values of the strain gauges belonging to the first group. Ask.
同様に、上記の表1より、第2グループに属する歪みゲージの抵抗値を利用して、上記の中間的な変数Fx20、Fy20、Fz20、Mx20、My20、Mz20を以下の式(16)のようにして求める。 Similarly, from Table 1 above, the intermediate variables Fx20, Fy20, Fz20, Mx20, My20, Mz20 are expressed by the following equation (16) using the resistance values of the strain gauges belonging to the second group. Ask for it.
上記式(15)、(16)の演算は、各歪みゲージの抵抗値を直接測定して行ってもよく、適当な手段(ブリッジ回路)を用いて抵抗値を電圧値又は電流値に変換して行ってもよい。また、抵抗値や電圧値、電流値などのアナログ信号をA/D変換器を用いてデジタル信号に変換し、その後に上記式(15)、(16)の演算を行ってもよい。A/D変換器を用いてデジタル信号とした上で上記の各演算を行う場合は、例えばマイクロコンピュータや汎用PCなどを用いることが好ましい。 The calculations of the above formulas (15) and (16) may be performed by directly measuring the resistance value of each strain gauge, and the resistance value is converted into a voltage value or a current value using an appropriate means (bridge circuit). You may go. Further, analog signals such as a resistance value, a voltage value, and a current value may be converted into a digital signal using an A / D converter, and then the calculations of the above formulas (15) and (16) may be performed. When each of the above operations is performed after making an A / D converter into a digital signal, it is preferable to use, for example, a microcomputer or a general-purpose PC.
ここで、上記式(15)、(16)内の抵抗値の差である(Rn1−Rn2)や(Rn3−Rn4)(ただし、n=1〜6)に着目すると、各抵抗付近の可撓部111〜116と連結体121〜126の傾き具合を表しているとも言える。すなわち、可撓部111〜116と連結体121〜126の傾き具合による第1グループと第2グループの隣接する2個の歪みゲージの抵抗値の差を検出することにより、各グループ毎の6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。実際には、上記式(15)、(16)の抵抗値を直接測定して演算するよりも、図8に示されるハーフブリッジを構成し、各ブリッジ回路の出力電圧V11〜V62に基づいて各グループ毎の6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを算出する方が容易であり且つ演算の本質を失わないので以下にその方法を説明する。
Here, focusing on (Rn1-Rn2) and (Rn3-Rn4) (where n = 1 to 6), which are the differences in resistance values in the above formulas (15) and (16), the flexibility around each resistance It can also be said that the inclination degree of the parts 111-116 and the coupling bodies 121-126 is represented. That is, by detecting the difference between the resistance values of two adjacent strain gauges in the first group and the second group due to the inclination of the
図11及び図12は、ブリッジ回路の出力電圧を示すベクトル図である。すなわち、フランジ200に対して平行な力を加えた場合、出力電圧V11〜V62の変化量(感度)は、歪みゲージの配列方向が最大となることと変化の方向(増減)を考慮すると、出力電圧V11〜V62のベクトル図は、図11及び図12に示す通りとなる。したがって、可撓部111〜116に作用するフランジ200と平行な力の成分は、以下の式(17)で表すことができる。
11 and 12 are vector diagrams showing the output voltage of the bridge circuit. That is, when a force parallel to the
一方、フランジ200に対して垂直な力を加えた場合、出力電圧V11〜V62の変化の方向(増減)は同じとなる。したがって、可撓部111〜116に作用するフランジ200に対して垂直な力の成分は、以下の式(18)で表すことができる。
On the other hand, when a force perpendicular to the
6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzのうち力Fx、Fy、モーメントMzはフランジ200に対して平行な成分の力しか加わらないので、上記式(15)のFx10、Fy10、Mz10及び上記式(16)の力Fx20、Fy20、モーメントMz20は、上記式(17)の出力電圧で、一方、力Fz、モーメントMx、Myはフランジ200に対して垂直な成分の力しか加わらないので、上記式(15)のFz10、Mx10、My10及び上記式(16)の力Fz20、モーメントMx20、My20は、上記式(10)の出力電圧で置き換えることができる。
Among the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz, the forces Fx, Fy, and moment Mz apply only the force of the component parallel to the
したがって、第1グループの上記式(15)については、以下の式(19)に書き直すことができる。 Therefore, the above formula (15) of the first group can be rewritten into the following formula (19).
同様に、第2グループの上記式(16)については、以下の式(20)に書き直すことができる。 Similarly, the expression (16) of the second group can be rewritten as the following expression (20).
ここで、上記式(13)のV11に上記式(19)のFx10を代入する如く以下の式(21)を適用すると、上記の式(13)、(14)により、第1グループに係る6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、第2グループに係る6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2とを求めることができる。 Here, when the following equation (21) is applied such that Fx10 of the above equation (19) is substituted into V11 of the above equation (13), the above-mentioned equations (13) and (14) indicate that The axial force and moments Fx1 to Mz1 and the six axial force and moments Fx2 to Mz2 according to the second group can be obtained.
ここで、注目すべき点は、上記式(19)、(20)は、出力電圧V11〜V62の多数項の加減算式であり、第1の演算と比較して、感度が高くなることである。 Here, it should be noted that the above formulas (19) and (20) are addition / subtraction formulas for the multiple terms of the output voltages V11 to V62, and the sensitivity is higher than that of the first calculation. .
そして、第1グループに係る6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、第2グループに係る6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2と、に基づいて、6軸センサ1の出力として6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを算出する。具体的には、第1グループに係る6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、第2グループに係る6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2との平均値を算出し、この平均値を、6軸センサ1の出力に係る6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzとする。
Based on the six-axis force and moments Fx1 to Mz1 according to the first group and the six-axis force and moments Fx2 to Mz2 according to the second group, the six-axis force and The moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are calculated. Specifically, an average value of the six-axis forces and moments Fx1 to Mz1 according to the first group and the six-axis forces and moments Fx2 to Mz2 according to the second group is calculated. The six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz related to the output of the
以上では、ブリッジ回路の出力である電圧V11〜V62に基づいて、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを算出する演算を2通り説明した。 In the foregoing, two types of operations for calculating the six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz based on the voltages V11 to V62 that are the outputs of the bridge circuit have been described.
次に、6軸の力及びモーメントを2系統(すなわち、Fx1〜Mz1とFx2〜Mz2)を得ることと、測定精度との関係について説明する。 Next, the relationship between the measurement accuracy and obtaining two systems (ie, Fx1 to Mz1 and Fx2 to Mz2) of six-axis forces and moments will be described.
まず、基本的には、Fx1〜Mz1とFx2〜Mz2は等しいはずである。しかし、実際には6軸の力及びモーメントを全て一致させることは難しい。特に実際の使用条件では、大抵6軸のうち2軸以上の力やモーメントが同時に加わる複合力が作用し、6行6列の特性行列[A1]、[A2]を求めた単軸での負荷条件とは異なるので、いわゆる複合力誤差が大きくなり、Fx1〜Mz1と、Fx2〜Mz2と、の夫々に誤差が発生する結果、Fx1〜Mz1とFx2〜Mz2は一致し難くなる。 First, basically, Fx1 to Mz1 and Fx2 to Mz2 should be equal. However, in practice, it is difficult to match all the forces and moments of the six axes. In particular, under actual usage conditions, a combined force in which forces or moments of two or more of the six axes are applied at the same time acts, and the load on a single axis for which the 6 × 6 characteristic matrices [A1] and [A2] are obtained. Since the conditions are different from each other, so-called combined force error increases, and errors occur in Fx1 to Mz1 and Fx2 to Mz2, respectively. As a result, Fx1 to Mz1 and Fx2 to Mz2 are difficult to match.
上記の問題点を、以下、図13及び図14を参照して、具体的に説明する。図13は、複合力誤差の有無を検証するための試験機の概略図である。図14は、複合力誤差の検証結果を示すグラフである。図13に示される6軸センサは、特許文献1(特開2008−96230号公報)の図12に示される6軸センサと同一物であり、図示されるように6軸センサのZ軸が水平となるように保持しながらZ軸を中心に回転させた。その出力特性のテスト結果が図14である。 The above problem will be specifically described below with reference to FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a schematic diagram of a testing machine for verifying the presence / absence of a complex force error. FIG. 14 is a graph illustrating the verification result of the combined force error. The 6-axis sensor shown in FIG. 13 is the same as the 6-axis sensor shown in FIG. 12 of JP-A-2008-96230, and the Z-axis of the 6-axis sensor is horizontal as shown in the figure. Rotating around the Z axis while holding The test result of the output characteristic is shown in FIG.
図13では、6軸センサに417gのおもりが上記実施形態に係るフランジ200に相当する部分に固定されている。原理的には、6軸センサのZ軸回転位相に対応して力成分のFx、Fyとモーメント成分のMx、Myは相当の感度があり変化するが、力FzとモーメントMzは出力変化がゼロのはずである。しかし、実際には、図14に示されるように少しではあるが、力FzとモーメントMzの出力は、Z軸回転位相に対応して変化している。これは、起歪体構造が、空間的にZ軸を中心として120°の点対称だけであり、X軸を中心に線対称でもないため、図13のようにZ軸を中心に回転させると起歪体の剛性が変化するためである。要するに、起歪体構造が対称性に乏しいため、複合力誤差が発生するのである。
In FIG. 13, a weight of 417 g is fixed to the 6-axis sensor at a portion corresponding to the
一方、上記実施形態に係る6軸センサ1の起歪体は、Z軸を中心として60°、120°、180°点対象であり、X軸及びY軸に関して線対称でもあり、よって、ほぼ完全な対称である。したがって、図13のような検証をした場合、図14のように本来変化してはいけない力FzとモーメントMzの出力が、Z軸回転位相に対応して変化する度合いを小さくできる効果がある。
On the other hand, the strain body of the six-
そして、さらに、6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを検出するための歪みゲージR11〜R14、R31〜R34、R51〜R54と、歪みゲージR21〜R24、R41〜R44、R61〜R64と、はZ軸を中心に180°対称に配置されている。したがって、下記式(22)のように2系統の力及びモーメントFx1〜Mz1、Fx2〜Mz2の平均値を求めれば、歪みゲージ位置の対称性により複合力誤差が相殺され、より正確な6軸の力及びモーメントFx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを求めることができる。 Further, strain gauges R11 to R14, R31 to R34, R51 to R54 for detecting six-axis forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz, and strain gauges R21 to R24, R41 to R44. , R61 to R64 are arranged 180 ° symmetrically about the Z axis. Therefore, if the average values of the forces and moments Fx1 to Mz1 and Fx2 to Mz2 of the two systems are calculated as in the following formula (22), the compound force error is canceled by the symmetry of the strain gauge position, and more accurate six-axis Forces and moments Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz can be determined.
次に、図15に基づいて、上記実施形態に係る6軸センサ1がマイクロコンピュータを
用いて具体化された構成を例示する。図15は、6軸センサのブロック図である。
Next, based on FIG. 15, a configuration in which the six-
図15に示されるように、第1グループのブリッジ回路(図8を併せて参照)の微小な出力電圧は、適宜の増幅器10を用いて増幅された後、マイクロコンピュータ9のA/D変換端子に入力される。同様に、第2グループのブリッジ回路(図8を併せて参照)の微小な出力電圧も、適宜の増幅器11を用いて増幅された後、マイクロコンピュータ9のA/D変換端子に入力される。
As shown in FIG. 15, the minute output voltage of the first group of bridge circuits (see also FIG. 8) is amplified using an
マイクロコンピュータ9は、図示されるA/D変換器12、13と、干渉除去演算部14(第1力モーメント演算手段)と、干渉除去演算部15(第2力モーメント演算手段)と、出力演算部16(出力演算手段)と、判定部17(判定手段)と、異常処理実行部18(異常処理実行手段)とを有する。
The microcomputer 9 includes A /
さらに、マイクロコンピュータ9は、図略のCPU(Central Processing Unit)と、RAM(Random Access Memory)と、ROM(Read Only Memory)とを備える。マイクロコンピュータ9の上記ROMには、上記CPUを、干渉除去演算部14、干渉除去演算部15、出力演算部16、判定部17、異常処理実行部18として機能させるプログラムが記憶されている。そして、このプログラムが上記CPUに読み込まれて実行されることで、マイクロコンピュータ9が、干渉除去演算部14などとして機能するようになっている。
Further, the microcomputer 9 includes an unillustrated CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory). The ROM of the microcomputer 9 stores a program that causes the CPU to function as the interference
上記のA/D変換器12は、増幅器10によって増幅された各ブリッジ回路の出力電圧をデジタル信号に変換する。A/D変換器13も同様である。
The A /
干渉除去演算部14は、第1グループの出力結果(出力電圧)に基づいて、6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1を求める。干渉除去演算部15は、第2グループの出力結果(出力電圧)に基づいて、6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2を求める。
The interference
出力演算部16は、干渉除去演算部14によって求められた第1グループの6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1と、干渉除去演算部15によって求められた第2グループの6軸の力及びモーメントFx2〜Mz2と、に基づいて、6軸センサ1の出力としての6軸の力及びモーメントFx〜Mzを算出する。具体的には、Fx1〜Mz1と、Fx2〜Mz2と、の平均値を算出し、この平均値を、6軸センサ1の出力に係る6軸の力及びモーメントFx〜Mzとする。この出力演算部16の演算結果は、図略の制御機器へと送信されるようになっている。
The
判定部17は、干渉除去演算部14に係る前記の力及びモーメントFx1〜Mz1と、干渉除去演算部15に係る前記の力及びモーメントFx2〜Mz2と、を比較して両者に所定量以上の開きがあるかを判定する。所定量は、例えば、干渉除去演算部14や干渉除去演算部15の演算結果の数%などとして設定すればよい。
The
異常処理実行部18は、上記の両者に所定量以上の開きがあると判定部17が判定した場合は、所定の異常処理を実行する。「所定の異常処理」としては、例えば、図略の警告ランプを点滅させたり、警告ブザーを鳴らしたりすることが好適である。
If the
次に、6軸センサ1の作動を説明する。まず、6軸センサ1の第1グループの各ブリッジ(図8を併せて参照)の微小な出力電圧V11〜V52は、増幅器10が適宜に増幅した後、A/D変換器12がデジタル信号に変換する。次に、干渉除去演算部14は、上記式(13)に基づく干渉除去演算を実行することで、上記の出力電圧V11〜V52に基づいてFx1〜Mz1を求める。
Next, the operation of the 6-
同様に、6軸センサ1の第2グループの各ブリッジ(図8を併せて参照)の微小な出力電圧V21〜V62は、増幅器11が適宜に増幅した後、A/D変換器13がデジタル信号に変換する。次に、干渉除去演算部15は、上記式(14)に基づく干渉除去演算を実行することで、上記の出力電圧V21〜V62に基づいてFx2〜Mz2を求める。
Similarly, after the amplifier 11 appropriately amplifies the minute output voltages V21 to V62 of each bridge (see also FIG. 8) of the second group of the 6-
次に、判定部17は、Fx1とFx2を比較し、例えば(Fx1−Fx2)の絶対値がFx1の5%である閾値を下回っているか否かを判定する。Fy1とFy2、Fz1とFz2・・・についても、判定部17は同様に判定する。そして、何れの比較においても上記絶対値が上記閾値を下回っていると判定部17が判定した場合は、出力演算部16が、Fx1とFx2、Fy1とFy2、・・・を上記式(22)に示されるように平均化し、その平均値を、6軸センサ1の6軸の力及びモーメントFx〜Mzとして図略の制御機器
へ送信する。
Next, the
一方、上記比較のうち何れかの比較において、上記絶対値が上記閾値を下回っていないと判定部17が判定した場合は、異常処理実行部18が、例えばシステムの稼動を停止させたり、警告ランプを点滅させるなどの異常処理を実行する。
On the other hand, if the
以上説明したように、上記実施形態において6軸センサ1は、以下のように構成される。すなわち、6軸センサ1は、複数の歪みゲージ(歪検出素子)が配置された可撓部111〜116(第1可撓部)を有するフランジ100(第1部材)と、前記可撓部111〜116に対向する可撓部211〜216(第2可撓部)を有するフランジ200(第2部材)と、前記のフランジ100とフランジ200とを連結する連結体121〜126、221〜226とを備える。
As described above, in the above embodiment, the 6-
前記複数の歪みゲージ(例えば、歪みゲージR11〜14)、前記可撓部(例えば可撓部111)、前記第2可撓部(例えば可撓部211)及び前記連結体(例えば連結体121、221)から成る組は、図1に示されるように、円弧上で等間隔となるように6組で配置される。
The plurality of strain gauges (for example, strain gauges R11 to R14), the flexible portion (for example, the flexible portion 111), the second flexible portion (for example, the flexible portion 211), and the connection body (for example, the
6軸センサ1は、前記複数の組のうち一つ飛ばしで選出される組からの出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを求める干渉除去演算部14(第1力モーメント演算手段)と、前記複数の組のうち残りの組からの出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを求める干渉除去演算部15(第2力モーメント演算手段)と、前記干渉除去演算部14によって求められた前記6軸の力及びモーメントと、前記干渉除去演算部15によって求められた前記6軸の力及びモーメントと、に基づいて、前記6軸センサ1の出力としての前記6軸の力及びモーメントを算出する、出力演算部16(出力演算手段)と、をさらに備える。以上の構成によれば、前者の組に属する前記の歪みゲージ(R11〜14、R31〜34、R51〜54)と、後者の組に属する前記の歪みゲージ(R21〜24、R41〜44、R61〜64)と、の間の対称性の存在により、前述の複合力誤差が緩和される。
The 6-
上記の6軸センサ1は、さらに以下のように構成される。すなわち、前記出力演算部16は、前記干渉除去演算部14に係る前記の力及びモーメントと、前記干渉除去演算部15に係る前記の力及びモーメントと、の平均値を算出し、この平均値を、前記6軸センサ1の出力に係る前記の力及びモーメントとする。以上の構成によれば、前者の組に属する前記の歪みゲージ(R11〜14、R31〜34、R51〜54)と、後者の組に属する前記の歪みゲージ(R21〜24、R41〜44、R61〜64)との間の対称性の存在により、前述の複合力誤差が強力に相殺される。
The six-
上記の6軸センサ1は、さらに以下のように構成される。すなわち、6軸センサ1は、前記干渉除去演算部14に係る前記の力及びモーメントと、前記干渉除去演算部15に係る前記の力及びモーメントと、を比較して両者に所定量以上の開きがあるかを判定する判定部17(判定手段)と、両者に所定量以上の開きがあると前記判定部17が判定した場合は、所定の異常処理を実行する異常処理実行部18(異常処理実行手段)とを備える。以上の構成によれば、前記歪みゲージ(R11〜64)の故障を検出できるので、前記6軸センサ1の信頼性が向上する。
The six-
上記の6軸センサ1は、さらに以下のように構成される。すなわち、前記組は6組で配置される。以上の構成によれば、構成が簡素であるから、製造コストを抑えられる。
The six-
上記の6軸センサ1は、全ての歪みゲージを平坦な一平面に配置するだけなので、一般的に手作業で労力を要する歪みゲージの貼り付け作業を容易に実現でき、高い生産性を確保できる。
Since the above-mentioned 6-
なお、付言するならば、上記実施形態に係る6軸センサ1は、上記特許文献1の図12に示される構成と比較して、連結体を2倍以上備える。これにより、各可撓部あたりの歪み量が小さくなるので、6軸の力及びモーメントFx〜Mzの測定レンジが広がることとなる。
In addition, if it adds, the 6-
以上に、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は以下のようにして変更できる。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the above embodiment can be modified as follows.
すなわち、上記実施形態において6軸センサ1には、フランジ100とフランジ200に対となる可撓部を6組設けるとした。しかし、これに限定されることはなく、例えば、上記のフランジ100とフランジ200に、対となる可撓部をZ軸を中心として等間隔、等角度で2m(ただし、mは3以上の整数)個、設ける構成が考えられる。この構成でも、2系統の6軸の力及びモーメントFx1〜Mz1、Fx2〜Mz2を検出できる。
That is, in the above embodiment, the six-
以下、上記の変形例において、m=4とした場合の6軸センサ1の作動を簡単に説明する。すなわち、斯かる場合、複数の歪みゲージから構成されるハーフブリッジ回路は16個となり、この16個のハーフブリッジ回路から16個の出力電圧が得られる。この16個の出力電圧に基づいて、上記式(19)、(20)の要領で中間的な信号であるFx10〜Mz10、Fx20〜Mz20を求める。さらに、このFx10〜Mz10をV11〜V52と、同じくFx20〜Mz20をV21〜V62として、上記式(13)、(14)、(22)にしたがって、6軸センサ1の出力としての6軸の力及びモーメントFx〜Mzを算出する。
Hereinafter, the operation of the six-
このように前記組が8組で配置されると以下のような効果を奏する。すなわち、前記6軸センサ1が、Z軸を中心として22.5°、67.5°、112.5°、157.5°の点対称であってX軸及びY軸に関して線対称となり、一層優れた対称性を呈する。したがって、複合力誤差の一態様を一層低減することができる。
Thus, when the said group is arrange | positioned by 8 sets, there exist the following effects. That is, the 6-
本発明を利用すれば、従来技術に比して複合力誤差を緩和すると共に、6軸の力及びモーメントを精度良く検出可能な多軸センサを得ることができる。 By utilizing the present invention, it is possible to obtain a multi-axis sensor capable of reducing the combined force error as compared with the prior art and capable of accurately detecting the six-axis force and moment.
1 6軸センサ(多軸センサ)
14 干渉除去演算部
15 干渉除去演算部
16 出力演算部
17 判定部
18 異常処理実行部
100 フランジ(第1部材)
111〜116 可撓部(第1可撓部)
121〜126、221〜226 連結体
200 フランジ(第2部材)
211〜216 可撓部(第2可撓部)
R11〜R64 歪みゲージ(力検出素子)
1 6-axis sensor (multi-axis sensor)
14 Interference
111-116 Flexible part (first flexible part)
121-126, 221-226
211-216 Flexible part (second flexible part)
R11 to R64 Strain gauge (force detection element)
Claims (6)
前記第1可撓部のそれぞれに対向する第2可撓部を有する第2部材と、
前記第1可撓部と前記第2可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、
前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備えることを特徴とする多軸センサ。 A first member having six first flexible portions in which a plurality of strain detection elements are disposed;
A second member having a second flexible portion facing each of the first flexible portions;
A connecting body for connecting the first flexible portion and the second flexible portion;
A multi-axis sensor comprising force-moment calculating means for calculating six-axis forces and moments based on output results of the plurality of strain detection elements.
前記第1可撓部のそれぞれに対向する第2可撓部を有する第2部材と、
前記第1可撓部と前記第2可撓部とをそれぞれ連結する連結体と、
前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する力モーメント演算手段とを備え、
前記第1可撓部、前記第2可撓部及び前記連結体は、前記第1部材及び前記第2部材において、中心軸の回りに等角度おきであって、且つ、前記中心軸から等距離に形成された6組以上の偶数組に分けて配置され、
前記力モーメント演算手段は、
前記偶数組のうち一つ飛ばしで選出される組からの前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する第1力モーメント演算手段と、
前記偶数組のうち残りの組からの前記複数の歪検出素子の出力結果に基づいて6軸の力及びモーメントを演算する第2力モーメント演算手段と、
前記第1力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントと、前記第2力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントとに基づいて、6軸の力及びモーメントを演算する出力演算手段とを備えることを特徴とする多軸センサ。 A first member having a plurality of first flexible portions in which a plurality of strain detection elements are disposed;
A second member having a second flexible portion facing each of the first flexible portions;
A connecting body for connecting the first flexible portion and the second flexible portion;
Force moment calculating means for calculating six-axis forces and moments based on the output results of the plurality of strain detection elements;
The first flexible part, the second flexible part, and the coupling body are equiangular around the central axis in the first member and the second member, and are equidistant from the central axis. Divided into an even number of 6 or more sets formed in
The force moment calculating means includes
First force / moment calculation means for calculating six-axis forces and moments based on output results of the plurality of strain detection elements from a set selected by skipping one of the even sets;
Second force moment calculating means for calculating six-axis forces and moments based on output results of the plurality of strain detection elements from the remaining sets of the even number sets;
6-axis force and moment are calculated based on the 6-axis force and moment calculated by the first force-moment calculating means and the 6-axis force and moment calculated by the second force-moment calculating means. A multi-axis sensor comprising an output calculation means.
前記第1力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメントと、前記第2力モーメント演算手段により演算された6軸の力及びモーメンとの平均値を、6軸の力及びモーメントとして演算することを特徴とする請求項2記載の多軸センサ。 The output calculation means includes
The average value of the six-axis force and moment calculated by the first force-moment calculation means and the six-axis force and moment calculated by the second force-moment calculation means is calculated as the six-axis force and moment. The multi-axis sensor according to claim 2.
前記判定手段により比較結果が所定量以上であると判定された場合に、所定の異常処理を実行する異常処理実行手段とを備えることを特徴とする請求項2または請求項3記載の多軸センサ。 The six-axis force and moment calculated by the first force-moment calculating means are compared with the six-axis force and moment calculated by the second force-moment calculating means, and the comparison result is a predetermined amount or more. Determination means for determining whether or not,
The multi-axis sensor according to claim 2, further comprising an abnormality process executing unit that executes a predetermined abnormality process when the determination unit determines that the comparison result is equal to or greater than a predetermined amount. .
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