JP2011080945A - Force sensor - Google Patents

Force sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2011080945A
JP2011080945A JP2009235122A JP2009235122A JP2011080945A JP 2011080945 A JP2011080945 A JP 2011080945A JP 2009235122 A JP2009235122 A JP 2009235122A JP 2009235122 A JP2009235122 A JP 2009235122A JP 2011080945 A JP2011080945 A JP 2011080945A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
force
arm
bearing
base
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009235122A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Sakae Sato
栄 佐藤
Yu Mukai
優 向井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LEPTRINO CO Ltd
Original Assignee
LEPTRINO CO Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LEPTRINO CO Ltd filed Critical LEPTRINO CO Ltd
Priority to JP2009235122A priority Critical patent/JP2011080945A/en
Publication of JP2011080945A publication Critical patent/JP2011080945A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor detecting a plurality of vector values. <P>SOLUTION: A force sensor 201 includes: a bearing 206 having three freedom degrees for receiving movement of a table 203; a bearing 207 having two freedom degrees for receiving movement of the bearing 206; an arm 205 which is secured to a base 202 to receive movement of the bearing 207; and a rod 204 whose one end is connected to the bearing 206 while the other end connected to the bearing 207, so that the table 203 is connected to the base 202. The force sensor 201 also includes: a detection element 208 which detects displacement and/or deformation of the arm 205; and a circuit board 210 containing a calculation part for calculating magnitude and/or direction of the force acting on the table 203 based on F=G-D, where a factor matrix G is used for converting matrix D, whose component is detection value of the detection element 208, into a vector F that represents force. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、力覚センサ、特に、6軸力覚センサに適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a technique that is effective when applied to a force sensor, particularly a six-axis force sensor.

力覚センサは、力覚センサが有するトラベリングテーブル(物体)に作用する力(外力)を検出する装置であり、例えば、ロボットハンドにおいて人間の指先の触覚を実現するために用いられる。力覚センサには、三次元空間の直交座標系(x軸、y軸、z軸)の3軸方向の力成分と、その3軸回りのモーメント成分の計6成分を同時に検出することができるものがある。このように、6成分を検出できる力覚センサは、6軸力覚センサとも呼ばれている。   The force sensor is a device that detects a force (external force) acting on a traveling table (object) included in the force sensor, and is used, for example, to realize a tactile sensation of a human fingertip in a robot hand. The force sensor can simultaneously detect a total of six components including a force component in the three-axis direction of a three-dimensional space orthogonal coordinate system (x-axis, y-axis, and z-axis) and a moment component around the three axes. There is something. Thus, a force sensor that can detect six components is also called a six-axis force sensor.

特開平10−274573号公報(特許文献1)には、トッププレートとボトムプレートとを複数のロッドで連結し、これらプレート相互の連結は一端側が2自由度のジョイントにより、他端側が3自由度のジョイントによる力覚センサが開示されている。そしてこの力覚センサのロッドにはロッド軸線方向の圧縮・引張力を検出できる検出素子が具備されている。   In Japanese Patent Laid-Open No. 10-274573 (Patent Document 1), a top plate and a bottom plate are connected by a plurality of rods, and these plates are connected to each other by a joint having two degrees of freedom on one end and three degrees of freedom on the other side. A force sensor using a joint is disclosed. The rod of the force sensor is provided with a detection element capable of detecting the compression / tensile force in the rod axis direction.

また、構造体が変形して力を検出する力センサ(構造変形モード)が、特開平9−318469号公報(特許文献2)に開示されている。例えば、歪ゲージと弾性体を組み合わせた型の6軸力センサは、力制御を行なうロボットにおける外力測定などの用途で広く用いられている。歪ゲージを取り付けた弾性体に力あるいはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それに応じて各歪ゲージに応力が発生する。その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力され、更に所定の計算処理回路あるいはソフトウェア処理によって6軸力に変換される。   Further, a force sensor (structure deformation mode) for detecting a force by deforming a structure is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-318469 (Patent Document 2). For example, a six-axis force sensor combining a strain gauge and an elastic body is widely used in applications such as external force measurement in a robot that performs force control. When force or moment acts on the elastic body to which the strain gauge is attached and the elastic body is deformed, stress is generated in each strain gauge accordingly. The resulting change in the electrical resistance value of each strain gauge is output as a voltage value via a well-known bridge circuit, and further converted into a six-axis force by a predetermined calculation processing circuit or software processing.

また、特開平5−149811号公報(特許文献3)には、平板状の起歪体のFEM解析により設定された最適部位に貼付された複数の歪ゲージにより直交する3軸の力と、これら軸回りのモーメントを独立して検出する複数のブリッジ回路よりなる歪検出用回路を備えている6軸力覚センサが開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 5-149811 (Patent Document 3) discloses triaxial forces orthogonal to each other by a plurality of strain gauges affixed to an optimal site set by FEM analysis of a flat plate-like strain generating body. A six-axis force sensor is disclosed that includes a strain detection circuit including a plurality of bridge circuits that independently detect moments about an axis.

また、特開平9−131690号公報(特許文献4)には、複数のアクチュエータの協同により所定の可動板の位置・姿勢を制御する6軸荷重検出装置が開示されている。複数のアクチュエータの協同動作により可動板を所定の位置・姿勢に保持させることにより、予め決められた可動板上の所定の点に作用する6軸荷重を検出するものである。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-131690 (Patent Document 4) discloses a six-axis load detection device that controls the position and posture of a predetermined movable plate by cooperation of a plurality of actuators. A six-axis load acting on a predetermined point on a predetermined movable plate is detected by holding the movable plate at a predetermined position and posture by the cooperative operation of a plurality of actuators.

また、特開2000−148382号公報(特許文献5)には、ユーザに力覚を呈示伝達するための力覚呈示機構が、ユーザを接続するための操作機器と、その操作機器を装着するための運動プラットホームと、その運動プラットホームを支持する6つのリンクセットと、各リンクセットを独立して駆動する6つの駆動装置と、6つの位置センサとを備えた6軸のフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2000-148382 (Patent Document 5) discloses that a force sense presentation mechanism for presenting and transmitting a force sense to a user wears an operating device for connecting the user and the operating device. Haptic interface having 6-axis force feedback, including 6 motion sets, 6 link sets supporting the motion platforms, 6 drive units for independently driving each link set, and 6 position sensors An apparatus is disclosed.

ところで、加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出する装置であり、例えば、ロボットの姿勢制御や、自動車のエアバッグの衝突検知などに用いられる。また、角速度センサ(例えばジャイロセンサ)は、質量を持つ物体が回転する角速度を検出する装置であり、例えば、産業用ロボットや、自動車の横転検出などに用いられる。これら加速度センサおよび角速度センサは、物体に加えられた力(外力)を検出する力覚センサに対して、物体の動きから生じる慣性力から検出する装置(運動センサ)である。   Incidentally, the acceleration sensor is a device that detects the acceleration of an object having mass, and is used, for example, for posture control of a robot or detection of a collision of an automobile airbag. An angular velocity sensor (for example, a gyro sensor) is a device that detects an angular velocity at which an object having a mass rotates, and is used, for example, for industrial robots or detection of a rollover of an automobile. These acceleration sensors and angular velocity sensors are devices (motion sensors) that detect an inertial force generated from the movement of an object with respect to a force sensor that detects a force (external force) applied to the object.

x軸、y軸、z軸方向の3軸加速度を検出するために、例えば、1軸加速度センサを用いる場合、3個の1軸加速度センサをそれぞれ直交する方向に配置する必要がある。また、x軸、y軸、z軸の回転方向の3軸角速度を検出するために、例えば、1軸角速度センサを用いる場合も3個必要となる。このため、3軸加速度と3軸角速度を同時に検出する6軸運動センサが求められている。   In order to detect the triaxial acceleration in the x-axis, y-axis, and z-axis directions, for example, when a uniaxial acceleration sensor is used, it is necessary to arrange three uniaxial acceleration sensors in directions orthogonal to each other. In order to detect the triaxial angular velocities in the rotation directions of the x axis, the y axis, and the z axis, for example, three uniaxial angular velocity sensors are required. For this reason, a 6-axis motion sensor that simultaneously detects 3-axis acceleration and 3-axis angular velocity is desired.

なお、本願では、加速度センサおよび角速度センサの上位概念として運動センサを説明する。すなわち、運動センサは、加速度および/または角速度を検出することができる。   In the present application, a motion sensor will be described as a superordinate concept of an acceleration sensor and an angular velocity sensor. That is, the motion sensor can detect acceleration and / or angular velocity.

特開平10−274573号公報JP-A-10-274573 特開平9−318469号公報JP 9-318469 A 特開平5−149811号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-149811 特開平9−131690号公報JP-A-9-131690 特開2000−148382号公報JP 2000-148382 A

例えば、人間の指と同様の触覚を得るために、医療分野や日常生活分野用のロボットの指先に力覚センサを設けるような研究、開発が行われている。このような力覚センサには、小型化、高精度化が要求されている。また、加速度センサ、角速度センサなどの運動センサにおいても、産業用ロボットや、さらには民生機器などに設けられるために、小型化、高精度化が要求されている。   For example, in order to obtain a tactile sensation similar to that of a human finger, research and development have been carried out in which a force sensor is provided at the fingertip of a robot in the medical field or daily life field. Such force sensors are required to be small and highly accurate. In addition, motion sensors such as acceleration sensors and angular velocity sensors are also required to be downsized and highly accurate because they are provided in industrial robots and consumer equipment.

ところで、物体に係る力、加速度、角速度ともベクトル量であり、物体が受けた力を検出する力覚センサと、物体の動きを力から加速度、角速度として検出する運動センサとは、ベクトル量を検出する構造を共通とすることができると考えられる。したがって、多くのベクトル量の検出を同時に行うことができる新規な構造を用いれば、小型化、高精度化に対応した力覚センサ、運動センサを得ることも可能となる。   By the way, the force, acceleration, and angular velocity related to the object are vector quantities, and the force sensor that detects the force received by the object and the motion sensor that detects the movement of the object from the force as acceleration and angular velocity detect the vector quantity. It is thought that the structure to be made can be made common. Therefore, if a novel structure capable of simultaneously detecting many vector quantities is used, it becomes possible to obtain a force sensor and a motion sensor corresponding to downsizing and high accuracy.

本発明の目的は、複数のベクトル量を検出する力覚センサを提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   An object of the present invention is to provide a force sensor that detects a plurality of vector quantities. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

ベースと、前記ベースに対して6自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された6つの連結部と、を備えた力覚センサであって、前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける3自由度を有する第1軸受けと、前記第1軸受けの可動を受ける2自由度を有する第2軸受けと、前記ベースに固定され、前記第2軸受けの可動を受けるアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、前記ベースと前記アームは、バネ性をもつジンバル構造となるように一体成型されており、前記アームの変位および/または変形を検出する検出素子と、前記検出素子の検出値を成分とする行列Dから、力を示すベクトルFへ変換するための係数行列Gを用いて、

Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
から前記テーブルもしくは前記ベースに作用する力の大きさおよび/または方向を計算する演算部と、を備えている。 A force having a base, a table having six degrees of freedom with respect to the base, and arranged in opposition to the base, and six connecting portions arranged in parallel to connect the table and the base It is a sense sensor, and the connecting portion is fixed to the base, a first bearing having three degrees of freedom for receiving the movement of the table, a second bearing having two degrees of freedom for receiving the movement of the first bearing, and the base. An arm that receives the movement of the second bearing, and connects the table and the base, and the base and the arm are integrally molded so as to have a gimbal structure having a spring property, Using a detection element that detects the displacement and / or deformation of the arm, and a coefficient matrix G for converting from a matrix D having the detection value of the detection element as a component to a vector F indicating a force,
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
And a calculation unit for calculating the magnitude and / or direction of the force acting on the table or the base.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すると、複数のベクトル量を検出する力覚センサを提供することができる。   The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described. A force sensor that detects a plurality of vector quantities can be provided.

本発明の一実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the sensor in one embodiment of this invention. 図1のセンサを模式的に示す側面図である。It is a side view which shows the sensor of FIG. 1 typically. 図1のセンサが有する回路の構成図である。It is a block diagram of the circuit which the sensor of FIG. 1 has. 本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows typically the sensor in other embodiment of this invention. 図4の磁気識別素子の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the magnetic identification element of FIG. 本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す要部平面図である。It is a principal part top view which shows typically the sensor in other embodiment of this invention. 図6のX−X線におけるセンサを模式的に示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows typically the sensor in the XX line of FIG. 本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the sensor in other embodiment of this invention. 図8のセンサであってテーブルを除いて模式的に示す上面図である。FIG. 9 is a top view schematically showing the sensor of FIG. 8 excluding a table. 図8のY−Y線におけるセンサを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the sensor in the YY line | wire of FIG. 力を検出するための説明図である。It is explanatory drawing for detecting a force. 本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the sensor in other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態におけるセンサを模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the sensor in other embodiment of this invention. 図13のセンサであってテーブルを除いて模式的に示す上面図である。FIG. 14 is a top view schematically showing the sensor of FIG. 13 excluding a table. 図13のセンサを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the sensor of FIG. 13 typically. 図13のセンサが行う反復処理のフロー図である。It is a flowchart of the iterative process which the sensor of FIG. 13 performs. 測定データによるセンサ出力特性を示す表である。It is a table | surface which shows the sensor output characteristic by measurement data.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof may be omitted.

まず、本発明者らが開発し、特許出願をした力覚センサおよび運動センサ(特願2009−59679号)について実施の形態1〜6で説明し、実施の形態7でこれらセンサが備える演算部の処理機能について説明する。なお、特許出願をした力覚センサおよび運動センサ(特願2009−59679号)は、本願の出願時にはまだ公開されていない技術であるので本願に係る発明として説明する。   First, the force sensor and motion sensor (Japanese Patent Application No. 2009-59679) developed by the present inventors and filed a patent application will be described in Embodiments 1 to 6, and the arithmetic units provided in these sensors in Embodiment 7 The processing function will be described. The patent application for force sensor and motion sensor (Japanese Patent Application No. 2009-59679) is a technology that has not been disclosed at the time of filing of the present application, and will be described as an invention according to the present application.

(実施の形態1)
本実施の形態では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして力覚センサに適用した場合について説明する。本実施の形態におけるセンサ101(力覚センサ101)は、図8〜図10に示すように、ベース102と、ベース102に対して6自由度を有し、ベース102と対向して配置されたトラベリングテーブル(以下、単にテーブルという)103と、テーブル103とベース102とを連結する並列配置された6つの連結部104とを備えている。この力覚センサ101は、テーブル103の6自由度により、三次元空間の直交座標系(x軸、y軸、z軸)の3軸方向の力成分Fx、Fy、Fzと、その3軸回りのモーメント成分Mx、My、Mzの計6成分として、検出することができるものである。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to a force sensor as a sensor having a novel structure capable of detecting a vector quantity. As shown in FIGS. 8 to 10, the sensor 101 (force sensor 101) in the present embodiment has a base 102 and six degrees of freedom with respect to the base 102, and is arranged to face the base 102. A traveling table (hereinafter simply referred to as a table) 103 and six connecting portions 104 arranged in parallel for connecting the table 103 and the base 102 are provided. This force sensor 101 has three degrees of force components Fx, Fy, and Fz in a three-dimensional space orthogonal coordinate system (x-axis, y-axis, and z-axis), and the three axes around the three axes, based on six degrees of freedom of the table 103 Can be detected as a total of six components of moment components Mx, My and Mz.

連結部104は、テーブル103の可動を受ける3自由度を有する軸受け106と、軸受け106の可動を受ける2自由度を有する軸受け107と、ベース102に固定され、軸受け107の可動を受けるアーム105と、を含んでテーブル103とベース102とを連結している。軸受け106、107は、例えば鋼球を球面で保持し、3自由度または2自由度で可動できる球面軸受けである。   The connecting portion 104 includes a bearing 106 having three degrees of freedom for receiving the movement of the table 103, a bearing 107 having two degrees of freedom for receiving the movement of the bearing 106, and an arm 105 fixed to the base 102 and receiving the movement of the bearing 107. The table 103 and the base 102 are connected. The bearings 106 and 107 are spherical bearings that can hold, for example, a steel ball as a spherical surface and can move with three or two degrees of freedom.

本実施の形態では、軸受け106および軸受け107とは、各軸受けの球が角度をもって、例えば溶接によって直接接続されている。すなわち、軸受け106、107は、物理的に大きさを持っているので、それらをある角度で直接接続している。理論的には、上下の軸受け106、107の中心がある距離と角度をもって接続されており、アーム105に力が伝達されていれば良い。このため、ベース102とテーブル103との間の距離を軸受け106、107によるものとでき、力覚センサ101は薄型化とすることができる。   In the present embodiment, the bearing 106 and the bearing 107 are directly connected to each other by an angle of the ball of each bearing, for example, by welding. That is, since the bearings 106 and 107 are physically large, they are directly connected at an angle. Theoretically, the centers of the upper and lower bearings 106 and 107 may be connected with a certain distance and angle, and force may be transmitted to the arm 105. Therefore, the distance between the base 102 and the table 103 can be determined by the bearings 106 and 107, and the force sensor 101 can be thinned.

このようにベース102とテーブル103との間の距離が短い場合、ベース102とテーブル103との間でアーム長さを確保することが困難となるが、本実施の形態では、アーム105をベース102平面と平行する面内に延在させている。   As described above, when the distance between the base 102 and the table 103 is short, it is difficult to secure an arm length between the base 102 and the table 103. In this embodiment, the arm 105 is attached to the base 102. It extends in a plane parallel to the plane.

このようにテーブル103を複数の連結部104によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。本実施の形態では、テーブル103の全方向(6軸方向)に動かそうとするため、連結部104を6本配置している。なお、テーブル103の平面上の点を移動するのであれば、最小2本の連結部104が必要である。   The structure in which the table 103 is supported by the plurality of connecting portions 104 in this way is a parallel link structure. In the present embodiment, six connecting portions 104 are arranged in order to move the table 103 in all directions (six axis directions). If a point on the plane of the table 103 is to be moved, a minimum of two connecting portions 104 are necessary.

ここで、軸受け106が3自由度を有し、また軸受け107が2自由度を有することに関して説明する。アーム105とテーブル103とを連結部104(軸受け106、107、アーム105)ではなく、剛体のロッドのみで連結した場合を考える。この場合、テーブル103を例えばMz全方向に動かそうとすると、ロッドは回転方向に倒れながら尚且つねじられることとなる。テーブル103からロッドの一点を見たとき、ロッドの回転方向の倒れは、テーブル103がその平面方向に動くことで生じる。このロッドの回転方向の倒れを逃がすために2自由度、かつ、ロッドのねじれを逃がすために、もう1自由度が必要となる。また、アーム105からロッドの一点を見たとき、ロッドのねじれは既に逃がされているので、ロッドの回転方向の倒れ分を考慮すれば2自由度となる。   Here, the bearing 106 has three degrees of freedom and the bearing 107 has two degrees of freedom will be described. Consider a case where the arm 105 and the table 103 are connected not by the connecting portion 104 (bearings 106 and 107, arm 105) but only by a rigid rod. In this case, if the table 103 is moved in all directions, for example, Mz, the rod is still twisted while falling in the rotational direction. When one point of the rod is viewed from the table 103, the tilting of the rod in the rotational direction occurs when the table 103 moves in the plane direction. Two degrees of freedom are required to release the tilt of the rod in the rotational direction, and one degree of freedom is required to release the twist of the rod. Further, when one point of the rod is seen from the arm 105, the twist of the rod has already been released, so that the degree of freedom in the rotation direction of the rod is taken into consideration, so that there are two degrees of freedom.

このため、本実施の形態では、テーブル103と接続される軸受け106は3自由度を有するもの、また、アーム105と接続される軸受け107は2自由度を有するものを適用している。   Therefore, in the present embodiment, the bearing 106 connected to the table 103 has three degrees of freedom, and the bearing 107 connected to the arm 105 has two degrees of freedom.

テーブル103は円状の平面板を有してなり、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼(例えばSUS304)などの金属からなる剛体である。このテーブル103の外周側には、平面板を貫通する孔103aが6つ形成されている。この孔103aに嵌合するように球面軸受けである軸受け106が直接接続される。   The table 103 has a circular flat plate and is a rigid body made of a metal such as stainless steel (for example, SUS304) excellent in corrosiveness and workability. On the outer peripheral side of the table 103, six holes 103a penetrating the flat plate are formed. A bearing 106, which is a spherical bearing, is directly connected so as to fit into the hole 103a.

また、ベース102は円状の平面板を有してなり、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼(例えばSUS304)などの金属からなる剛体である。このベース102の中心部では突起部が形成されており、その突起部からベース102の外周部側へ枝状に延在するアーム105が6つ形成されている。各アーム105は、ベース102と一体成型で形成された場合、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼(例えばSUS304)などの金属からなるが、枝状に延在するように形成しているため、ベース102の変化量に対して十分大きな変化量を有する弾性体となっている。   The base 102 has a circular flat plate, and is a rigid body made of a metal such as stainless steel (for example, SUS304) excellent in corrosiveness and workability. A protrusion is formed at the center of the base 102, and six arms 105 extending from the protrusion to the outer periphery of the base 102 in a branch shape are formed. Each arm 105 is made of a metal such as stainless steel (for example, SUS304) excellent in corrosiveness and workability when formed integrally with the base 102, but is formed so as to extend in a branch shape. The elastic body has a sufficiently large change amount with respect to the change amount of the base 102.

このように各アーム105はベース102が有する平面と平行して枝状に延在している。各アーム105は、先端部が中空体で形成されており、この中空体内に通じる孔105aを有している。この孔105aに嵌合するように球面軸受けである軸受け107が直接接続される。この軸受け107は、前述したように例えば溶接によって角度をもって軸受け106と直接接続されることとなる。   Thus, each arm 105 extends in a branch shape in parallel with the plane of the base 102. Each arm 105 is formed of a hollow body at the tip, and has a hole 105a that communicates with the hollow body. A bearing 107, which is a spherical bearing, is directly connected so as to fit into the hole 105a. As described above, the bearing 107 is directly connected to the bearing 106 at an angle, for example, by welding.

また、力覚センサ101は、弾性体であるアーム105の変位および/または変形を検出する検出素子として静電容量素子108を備えている。この静電容量素子108は、アーム105の先端部の下方であってベース102上に配置されるものであって、具体的には、ベース102側とアーム側105に一対の電極が配置されてなる。この一対の電極間の静電容量の変化を、アーム105の変位および/または変形として検出する。   In addition, the force sensor 101 includes a capacitance element 108 as a detection element that detects displacement and / or deformation of the arm 105 that is an elastic body. The capacitance element 108 is disposed below the tip of the arm 105 and on the base 102. Specifically, a pair of electrodes are disposed on the base 102 side and the arm side 105. Become. The change in capacitance between the pair of electrodes is detected as the displacement and / or deformation of the arm 105.

また、力覚センサ101は、静電容量素子108の検出値から、テーブル103に作用する力の大きさおよび/または方向を計算する演算部(例えばCPU)を有する回路基板110を備えている。この回路基板110は、ベース102においてテーブル103と対向する平面上に配置されている。   In addition, the force sensor 101 includes a circuit board 110 having a calculation unit (for example, a CPU) that calculates the magnitude and / or direction of the force acting on the table 103 from the detection value of the capacitance element 108. The circuit board 110 is disposed on a plane facing the table 103 in the base 102.

この回路基板110には、図3に示すような回路構成によって、アーム105の変位および/または変形を検出した静電容量素子108(検出素子SD)からの信号(アナログ信号)をアンプ11によって増幅した後、そのアナログ信号をA/D変換器12でデジタル信号に変換し、CPU13によってテーブル103に加わった力(荷重)を、メモリ14からの定数を用いて計算する。すなわち、演算部であるCPU13は、静電容量素子108(検出素子SD)が検出した検出値から、テーブル103に作用する力の大きさおよび/または方向を計算する。   In this circuit board 110, a signal (analog signal) from the electrostatic capacitance element 108 (detection element SD) that has detected the displacement and / or deformation of the arm 105 is amplified by the amplifier 11 with the circuit configuration shown in FIG. After that, the analog signal is converted into a digital signal by the A / D converter 12, and the force (load) applied to the table 103 by the CPU 13 is calculated using a constant from the memory 14. That is, the CPU 13 serving as a calculation unit calculates the magnitude and / or direction of the force acting on the table 103 from the detection value detected by the capacitance element 108 (detection element SD).

この計算結果は、CPU13からデジタル出力とし、またD/A変換器15を用いてアナログ出力として出力される。このアーム105の変位および/または変形からテーブル103に加わった荷重を計算するには、例えば計算あるいは実測で求めた定数が必要である。この定数を基と、6つのアーム105のそれぞれに設けられた静電容量素子108(検出素子SD)からの検出値によって、CPU13を介してテーブル103に加わる6軸の力成分Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを同時に検出することができる。   This calculation result is output as digital output from the CPU 13 and as analog output using the D / A converter 15. In order to calculate the load applied to the table 103 from the displacement and / or deformation of the arm 105, for example, a constant obtained by calculation or actual measurement is required. Based on this constant, six-axis force components Fx, Fy, Fz applied to the table 103 via the CPU 13 based on the detection values from the capacitance elements 108 (detection elements SD) provided on the six arms 105, respectively. , Mx, My, and Mz can be detected simultaneously.

なお、本実施の形態では、テーブル103が荷重を受ける場合を示すが、ベース102が力(荷重)を受ける場合であっても良い。この場合、回路基板110が備えるCPU13は、静電容量素子108の検出値から、ベース102に作用する力の大きさおよび/または方向を計算する。   In the present embodiment, the table 103 receives a load, but the base 102 may receive a force (load). In this case, the CPU 13 included in the circuit board 110 calculates the magnitude and / or direction of the force acting on the base 102 from the detection value of the capacitance element 108.

このような力覚センサ101のテーブル103に対して、垂直方向の力成分Fzが加わった場合について順を追って説明する。まず、力(Fz)によりテーブル103は−Z方向に移動しようとする。テーブル103に3自由度の軸受け106が接続され、その軸受け106に2自由度の軸受け107が接続されているため、軸受け106の軸方向に力(Fz/6)が加わる。すなわち、力(Fz/6)がテーブル103と軸受け106の取り付け角度で合成されて、力(Fz)となっている。   A case where a force component Fz in the vertical direction is added to the table 103 of the force sensor 101 will be described in order. First, the table 103 tries to move in the −Z direction by force (Fz). Since a bearing with three degrees of freedom is connected to the table 103 and a bearing with two degrees of freedom is connected to the bearing, a force (Fz / 6) is applied in the axial direction of the bearing. That is, the force (Fz / 6) is synthesized by the mounting angle of the table 103 and the bearing 106 to obtain the force (Fz).

次いで、軸受け106とアーム105の先端部は2自由度の軸受け107により接続され、アーム105の他端とベース102は固定されているため、アーム105に力(Fz/6)が加わり、アーム105が一方向に変形(平面変形)する。このように、弾性体であるアーム105に正確に力を発生させるためには、軸受け106および軸受け107に摺動抵抗が無く、ベース102、テーブル103が剛体でなければならない。   Next, since the bearing 106 and the tip of the arm 105 are connected by a bearing 107 having two degrees of freedom, and the other end of the arm 105 and the base 102 are fixed, a force (Fz / 6) is applied to the arm 105, and the arm 105 Deforms in one direction (planar deformation). Thus, in order to generate a force accurately on the arm 105 that is an elastic body, the bearing 106 and the bearing 107 have no sliding resistance, and the base 102 and the table 103 must be rigid bodies.

このように、テーブル103に加わる力の大きさおよび/または方向を、アーム105において最も単純な平面変形に置き換えることができるので、高精度の力を検出することができる。   In this way, the magnitude and / or direction of the force applied to the table 103 can be replaced with the simplest plane deformation in the arm 105, so that a highly accurate force can be detected.

ここで、本実施の形態における力覚センサ101において、軸受け106と軸受け107とを直接接続した場合であっても、テーブル103に作用する力の大きさ/または方向を検出することができることについて、図11に示す部材の節点をピン接続したトラス構造を参照して説明する。なお、軸受け106が軸受けB1に置き換えられ、軸受け107が軸受けB2、B3に置き換えられている。   Here, in the force sensor 101 according to the present embodiment, the magnitude / or direction of the force acting on the table 103 can be detected even when the bearing 106 and the bearing 107 are directly connected. A description will be given with reference to a truss structure in which the nodes of the members shown in FIG. The bearing 106 is replaced with a bearing B1, and the bearing 107 is replaced with bearings B2 and B3.

図11では、三角形の各頂点に軸受けB1、B2、B3が配置されている。また、軸受けB1と軸受けB2とはロッドR1で接続されており、軸受けB1と軸受けB3とはロッドR2で接続されている。例えば、軸受けB1へ力Fzが加わり釣り合っている時、各ロッドR1、R2には軸方向の力T1、T2のみが働き、軸受けB2には力T1の反力、軸受けB3には力T2の反力が働く。これら力T1、T2の大きさは、次式で決定される。   In FIG. 11, bearings B1, B2, and B3 are arranged at each vertex of the triangle. The bearing B1 and the bearing B2 are connected by a rod R1, and the bearing B1 and the bearing B3 are connected by a rod R2. For example, when a force Fz is applied to the bearing B1 and balanced, only the axial forces T1 and T2 act on the rods R1 and R2, the reaction force T1 on the bearing B2, and the reaction force T2 on the bearing B3. Power works. The magnitudes of these forces T1 and T2 are determined by the following equations.

T1=Fz/sinθ
T2=Fz/sinθ
T1 = Fz / sin θ 1
T2 = Fz / sin θ 2

このことから、力T1、T2は、各θ、θのみに左右され、ロッド長には影響を受けないことが分かる。よって、本実施の形態における力覚センサ101では、ロッドを設け無くとも、軸受け106と軸受け107同士を直接接続し、角度を持たせて配置したとしても、テーブル103に作用する力を検出することができる。このように、ロッドを設けず、軸受け106と軸受け107同士を直接接続した力覚センサ101では、薄型化や小型化することができる。 From this, it can be seen that the forces T1 and T2 depend only on the respective θ 1 and θ 2 and are not affected by the rod length. Therefore, the force sensor 101 according to the present embodiment can detect the force acting on the table 103 even if the bearing 106 and the bearing 107 are directly connected and arranged with an angle without providing a rod. Can do. Thus, the force sensor 101 in which the bearing 106 and the bearing 107 are directly connected without providing a rod can be reduced in thickness and size.

力覚センサ101のパラレルリンク構造では、テーブル103を動かそうとした時、テーブル103に複数本の軸(ロッド)が接続され、アーム105の角度を可変することによって駆動するものである。軸の両端にはテーブル103の回転を逃がす軸受け106、107が必要であるが、本実施の形態では、軸受け106、107が軸(ロッド)として兼用していることとなる。   In the parallel link structure of the force sensor 101, when the table 103 is to be moved, a plurality of shafts (rods) are connected to the table 103, and the arm 105 is driven by changing the angle. Bearings 106 and 107 that allow the rotation of the table 103 to escape are necessary at both ends of the shaft. In this embodiment, the bearings 106 and 107 are also used as shafts (rods).

力覚センサ101の剛性は、テーブル103の移動量となり、テーブル103に力が加わった時、力覚センサ101が変形してしまう量である。本実施の形態では、ベース102、テーブル103、軸受け106、107を剛体としており、アーム105を所定のばね係数をもった弾性体としている。このため、アーム105の変形する量でテーブル102の移動量が決定される。なお、アーム105の変形量よりは力覚センサ101の剛性への影響は小さいが、軸受け106、107同士の取り付け角度や軸(ロッド)の長さも影響する。   The rigidity of the force sensor 101 is the amount of movement of the table 103, and is an amount by which the force sensor 101 is deformed when a force is applied to the table 103. In the present embodiment, the base 102, the table 103, and the bearings 106 and 107 are rigid bodies, and the arm 105 is an elastic body having a predetermined spring coefficient. For this reason, the amount of movement of the table 102 is determined by the amount of deformation of the arm 105. Although the influence on the rigidity of the force sensor 101 is smaller than the amount of deformation of the arm 105, the attachment angle between the bearings 106 and 107 and the length of the shaft (rod) are also affected.

構造体が変形して、その変形を検出素子(例えば歪ゲージ)で検出を行う力センサ(構造変形モード)では、定格荷重250Nを加えたとき、25μmの変形とした場合、被接触物が剛体として、10Nの制御をするためには、1μmの位置制御をしなければならない。これでは、精度の高い力制御は困難である。   In a force sensor (structural deformation mode) in which a structure is deformed and the deformation is detected by a detection element (for example, a strain gauge), when a rated load of 250 N is applied and the deformation is 25 μm, the contacted object is a rigid body As a result, in order to perform 10N control, position control of 1 μm must be performed. This makes accurate force control difficult.

また、例えば特許文献5に記載のようなフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置のような力の出力構造で力を検出しようとした場合を考える。この構造では、テーブルに加わった力によりアクチュエータの移動量を駆動手段にフィードバックし、テーブルを所定の位置に戻すことで加わった力と均衡させるので、テーブルを動かせなくなってしまう。   Also, consider a case where force is detected by a force output structure such as a force sense interface device having force feedback as described in Patent Document 5, for example. In this structure, the amount of movement of the actuator is fed back to the driving means by the force applied to the table and is balanced with the force applied by returning the table to a predetermined position, so that the table cannot be moved.

そこで、本実施の形態では、アーム105を弾性体とし、その変位を変えることで、力覚センサ101の剛性を容易に変化させることができる。すなわち、精度(分解能)が高い優しい力(細かい力)の検出をすることができる。   Therefore, in the present embodiment, the rigidity of the force sensor 101 can be easily changed by using the arm 105 as an elastic body and changing its displacement. That is, it is possible to detect a gentle force (fine force) with high accuracy (resolution).

(実施の形態2)
前記実施の形態1では、3自由度を有する軸受けと、2自由度を有する軸受けとを直接接続して薄型化、小型化できるセンサについて説明した。このように、軸受けを直接接続した構造では、力を受けるテーブルの可動範囲が小さい。そこで、本実施の形態では、3自由度を有する軸受けと2自由度を有する軸受けとの間にロッドを設けてテーブルの可動範囲を広くすることによって、より精度が高い優しい力の検出を行うことができるセンサについて説明する。なお、複数のベクトル量を検出するセンサとして、ロッドを設けたことによる構造の違いの他は前記実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the sensor that can be reduced in thickness and size by directly connecting a bearing having three degrees of freedom and a bearing having two degrees of freedom has been described. Thus, in the structure in which the bearings are directly connected, the movable range of the table that receives the force is small. Therefore, in the present embodiment, a gentle force detection with higher accuracy can be performed by providing a rod between a bearing having three degrees of freedom and a bearing having two degrees of freedom to widen the movable range of the table. A sensor capable of performing the above will be described. The sensor for detecting a plurality of vector amounts is the same as that of the first embodiment except for the difference in structure due to the provision of a rod.

本実施の形態では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして力覚センサに適用した場合について説明する。図1および図2に示すように、本実施の形態におけるセンサ1(力覚センサ1)は、ベース2と、ベース2に対して6自由度を有し、ベース2と対向して配置されたトラベリングテーブル(以下、単にテーブルという)3と、テーブル3とベース2とを連結する並列配置された6つの連結部とを備えている。   In the present embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to a force sensor as a sensor having a novel structure capable of detecting a vector quantity. As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor 1 (force sensor 1) in the present embodiment has a base 2 and six degrees of freedom with respect to the base 2, and is arranged to face the base 2. A traveling table (hereinafter simply referred to as a table) 3 and six connecting portions arranged in parallel for connecting the table 3 and the base 2 are provided.

この連結部は、テーブル3の可動を受ける3自由度を有する軸受け6と、軸受け6の可動を受ける2自由度を有する軸受け7と、ベース2に固定され、軸受け7の可動を受けるアーム5と、一端が軸受け6と接続され、他端が軸受け7と接続されたロッド4と、を含んでテーブル3とベース2とを連結している。   The connecting portion includes a bearing 6 having three degrees of freedom for receiving the movement of the table 3, a bearing 7 having two degrees of freedom for receiving the movement of the bearing 6, and an arm 5 fixed to the base 2 and receiving the movement of the bearing 7. The table 3 and the base 2 are coupled to each other including the rod 4 having one end connected to the bearing 6 and the other end connected to the bearing 7.

前記実施の形態1で説明したように、本実施の形態における力覚センサ1は、テーブル3に加わる力を検出するにあたり、ロッド4の長さは影響しない。すなわち、本実施の形態ではロッド4を設けた力覚センサ1について示すが、理論的には、前記実施の形態1で示した力覚センサ101と同様である。   As described in the first embodiment, the force sensor 1 in the present embodiment does not affect the length of the rod 4 when detecting the force applied to the table 3. That is, although the force sensor 1 provided with the rod 4 is shown in the present embodiment, it is theoretically the same as the force sensor 101 shown in the first embodiment.

このように本実施の形態の力覚センサ1は、連結部にベース2とテーブル3とを連結する棒状のロッド4およびアーム5を備えている。テーブル3を複数の連結部によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。なお、ベース2とテーブル3は、例えば図に示すように平板体で形成されており、互いに平行して配置されている。   As described above, the force sensor 1 according to the present embodiment includes the rod-shaped rod 4 and the arm 5 that connect the base 2 and the table 3 to the connecting portion. The structure for supporting the table 3 by a plurality of connecting portions is a parallel link structure. In addition, the base 2 and the table 3 are formed in a flat plate as shown in the figure, for example, and are arranged in parallel to each other.

力覚センサ1は、テーブル3に作用する力(荷重)の大きさおよび/または方向を、三次元空間の直交座標系(x軸、y軸、z軸)の3軸方向の力成分Fx、Fy、Fzと、その3軸回りのモーメント成分Mx、My、Mzの計6成分として、検出することができるものである。なお、本実施の形態では、テーブル3が荷重を受ける場合を示すが、ベース2が荷重を受ける場合であっても良い。   The force sensor 1 determines the magnitude and / or direction of the force (load) acting on the table 3 according to the three-axis direction force component Fx in the three-dimensional space orthogonal coordinate system (x axis, y axis, z axis), It can be detected as a total of six components including Fy and Fz and moment components Mx, My and Mz around the three axes. In the present embodiment, the table 3 receives a load, but the base 2 may receive a load.

力覚センサ1では、1つのロッド4と、1つのアーム5とを含んで、1つの連結部材を形成して、ベース2とテーブル3とを連結している。テーブル3の周方向に沿って連結部材が6本設けられ、2本ずつで並設されている。すなわち、ロッド4がテーブル3の周囲に沿って6本設けられ、2本ずつで並設されている。これにより、テーブル3に作用する力(荷重)の大きさおよび/または方向を、三次元空間の直交座標系の3軸方向の力成分と、その3軸回りのモーメント成分の計6成分として同時に検出することができる。   The force sensor 1 includes one rod 4 and one arm 5 to form one connecting member, and connects the base 2 and the table 3. Six connecting members are provided along the circumferential direction of the table 3, and two connecting members are provided side by side. That is, six rods 4 are provided along the periphery of the table 3, and two rods 4 are arranged in parallel. As a result, the magnitude and / or direction of the force (load) acting on the table 3 is simultaneously determined as a total of six components including the force component in the three-axis direction of the orthogonal coordinate system in the three-dimensional space and the moment component around the three axes. Can be detected.

これらベース2、テーブル3、ロッド4、軸受け6、軸受け7のそれぞれの材質は、テーブル3へ加わる定格荷重に耐えられる剛体であり、アーム5は弾性体である。例えば、ベース2、テーブル3、ロッド4は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼(例えばSUS304)などの金属からなる剛体である。また、アーム5は、例えば、一般にばね材として用いられるリン青銅などの金属からなる弾性体である。なお、テーブル3への荷重が10N以下の低荷重であれば、金属ではなく、樹脂(ポリアセタールなど)で構成することもできる。   Each material of the base 2, the table 3, the rod 4, the bearing 6, and the bearing 7 is a rigid body that can withstand a rated load applied to the table 3, and the arm 5 is an elastic body. For example, the base 2, the table 3, and the rod 4 are rigid bodies made of a metal such as stainless steel (for example, SUS304) excellent in corrosiveness and workability. The arm 5 is an elastic body made of a metal such as phosphor bronze that is generally used as a spring material. In addition, if the load to the table 3 is a low load of 10 N or less, it can also be comprised with resin (polyacetal etc.) instead of a metal.

このように、ベース2、テーブル3、ロッド4は、剛体という前提であるが、測定荷重精度に対して影響を与えない剛性をもっていれば良く、すなわちアーム5の変形量に対して変形量が十分に小されば良い。アーム5は、変形する部分を細く、薄くしてばね係数を決定し、塑性変形が起こらない荷重範囲とすれば良い。なお、後述の実施の形態4では、塑性変形が起こらない荷重範囲内において、アーム5を磁性体で形成した場合について説明する。   As described above, the base 2, the table 3, and the rod 4 are assumed to be rigid bodies. However, the base 2, the table 3, and the rod 4 only need to have rigidity that does not affect the measurement load accuracy, that is, the deformation amount is sufficient with respect to the deformation amount of the arm 5. It only needs to be small. The arm 5 may be a load range in which plastic deformation does not occur by determining the spring coefficient by thinning and thinning the portion to be deformed. In the fourth embodiment to be described later, a case will be described in which the arm 5 is formed of a magnetic material within a load range in which plastic deformation does not occur.

テーブル3とロッド4の一端は、3自由度の軸受け6により接続されており、ロッド4の他端とアーム5の一端は、2自由度の軸受け7により接続されており、さらに、アーム5の他端とベース2は、固定されている。   One end of the table 3 and the rod 4 is connected by a bearing 6 having three degrees of freedom, and the other end of the rod 4 and one end of the arm 5 are connected by a bearing 7 having two degrees of freedom. The other end and the base 2 are fixed.

本実施の形態では、アーム5の他端とベース2とは、アーム取付台9を介して固定されている場合を示すが、アーム5の他端とベース2とを直接固定しても良く、例えば、溶接、ボルト止め、ベース2とアーム5とを一体成型することができる。なお、剛体のベース2と弾性体のアーム5との一体成型は、ベース2の厚さに対してアーム5となる部分を薄くすれば、その部分が特定荷重内で弾性を持つことができるので、生産時の一体化によって成形される。   In the present embodiment, the other end of the arm 5 and the base 2 are fixed via the arm mounting base 9, but the other end of the arm 5 and the base 2 may be directly fixed. For example, welding, bolting, and the base 2 and the arm 5 can be integrally formed. The integral molding of the rigid base 2 and the elastic arm 5 is such that if the portion that becomes the arm 5 is made thinner than the thickness of the base 2, that portion can have elasticity within a specific load. Molded by integration during production.

このような力覚センサ1のテーブル3に対して、垂直方向の力成分Fzが加わった場合について順を追って説明する。まず、力(Fz)によりテーブル3は−Z方向に移動しようとする。テーブル3とロッド4の一端は3自由度の軸受け6により接続され、ロッド4の他端とアーム5の一端は2自由度の軸受け7により接続されているため、6本の各ロッド4の軸方向に力(Fz/6)が加わる。すなわち、力(Fz/6)がテーブル3とロッド4の取り付け角度で合成されて、力(Fz)となっている。   A case where a force component Fz in the vertical direction is added to the table 3 of the force sensor 1 will be described in order. First, the table 3 tries to move in the −Z direction by force (Fz). Since the table 3 and one end of the rod 4 are connected by a bearing 6 having three degrees of freedom, and the other end of the rod 4 and one end of the arm 5 are connected by a bearing 7 having two degrees of freedom, the shaft of each of the six rods 4 A force (Fz / 6) is applied in the direction. That is, the force (Fz / 6) is synthesized by the mounting angle of the table 3 and the rod 4 to obtain the force (Fz).

次いで、ロッド4の他端とアーム5の一端は2自由度の軸受け7により接続され、アーム5の他端とベース2は固定されているため、ロッド4からそれと接続されているアーム5に力(Fz/6)が加わり、アーム5が一方向に変形(平面変形)する。   Next, since the other end of the rod 4 and one end of the arm 5 are connected by a bearing 7 having two degrees of freedom, and the other end of the arm 5 and the base 2 are fixed, force is applied from the rod 4 to the arm 5 connected thereto. (Fz / 6) is added, and the arm 5 is deformed in one direction (planar deformation).

ここで、アーム5に正確に力を発生させるためには、テーブル3とロッド4とを接続する軸受け6、ロッド4とアーム5とを接続する軸受け7に、摺動抵抗が無く、テーブル3、ロッド4が剛体でなければならない。このため、ロッド4の一端側とテーブル3とは3自由度の軸受け6により接続し、ロッド4の他端側とベース2とは2自由度の軸受け7により接続している。   Here, in order to generate a force accurately on the arm 5, the bearing 6 connecting the table 3 and the rod 4 and the bearing 7 connecting the rod 4 and the arm 5 have no sliding resistance, and the table 3, The rod 4 must be rigid. Therefore, one end side of the rod 4 and the table 3 are connected by a bearing 6 having three degrees of freedom, and the other end side of the rod 4 and the base 2 are connected by a bearing 7 having two degrees of freedom.

このようにロッド4を剛体として、変位および/または変形を検出する対象としてアーム5を備えることで、テーブル3に加わる力の大きさおよび/または方向を、アーム5において最も単純な平面変形に置き換えることができる。これにより、特許文献1の技術のように、例えばロッドに歪ゲージを設けるような力覚センサよりも、更なる高性能化ができる。   In this way, the rod 4 is a rigid body and the arm 5 is provided as a target for detecting displacement and / or deformation, whereby the magnitude and / or direction of the force applied to the table 3 is replaced with the simplest planar deformation in the arm 5. be able to. Thereby, as in the technique of Patent Document 1, for example, higher performance can be achieved than a force sensor in which a strain gauge is provided on a rod.

力覚センサ1は、回路基板10を有しており、図2に示すように、ベース2においてテーブル3と対向する面とは反対面(裏面)に回路基板10が設けられている。この回路基板10には、図3に示すような回路構成によって、アーム5の変位および/または変形を検出した歪ゲージ8(検出素子SD)からの信号(アナログ信号)をアンプ11によって増幅した後、そのアナログ信号をA/D変換器12でデジタル信号に変換し、CPU13によってテーブル3に加わった荷重を、メモリ14からの定数を用いて計算する。すなわち、演算部であるCPU13は、歪ゲージ8が検出した検出値から、テーブル3に作用する力の大きさおよび/または方向を計算する。   The force sensor 1 has a circuit board 10, and as shown in FIG. 2, the circuit board 10 is provided on the surface (back surface) opposite to the surface facing the table 3 in the base 2. In the circuit board 10, a signal (analog signal) from the strain gauge 8 (detection element SD) that detects the displacement and / or deformation of the arm 5 is amplified by an amplifier 11 with the circuit configuration as shown in FIG. The analog signal is converted into a digital signal by the A / D converter 12, and the load applied to the table 3 by the CPU 13 is calculated using constants from the memory 14. In other words, the CPU 13 as the calculation unit calculates the magnitude and / or direction of the force acting on the table 3 from the detection value detected by the strain gauge 8.

この計算結果は、CPU13からデジタル出力とし、またD/A変換器15を用いてアナログ出力として出力される。なお、このアーム5の変位および/または変形からテーブル3に加わった荷重を計算するには、例えば計算あるいは実測で求めた定数が必要である。   This calculation result is output as digital output from the CPU 13 and as analog output using the D / A converter 15. In order to calculate the load applied to the table 3 from the displacement and / or deformation of the arm 5, for example, a constant obtained by calculation or actual measurement is required.

6つのアーム5のそれぞれに設けられた歪ゲージ8の検出によって、CPU13を介してテーブル3に加わる6軸の力成分Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを同時に検出することができる。歪ゲージ8は、アーム5において歪が最も大きく発生する箇所に設けることで、精度良く6軸の力を検出することができる。図1、図2では、アーム5に設ける歪ゲージ8を、テーブル3と対向する面側に設けた場合について示しているが、ベース2と対向する面側に設けても良いこととなる。   By detecting the strain gauges 8 provided on each of the six arms 5, the six-axis force components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz applied to the table 3 via the CPU 13 can be detected simultaneously. By providing the strain gauge 8 at a position where the largest distortion occurs in the arm 5, it is possible to accurately detect six-axis forces. 1 and 2 show the case where the strain gauge 8 provided on the arm 5 is provided on the surface side facing the table 3, it may be provided on the surface side facing the base 2.

ここで、特許文献1の技術(従来技術)を用いた力覚センサを、本実施の形態の用語に対応させて説明する。従来技術を用いた力覚センサは、テーブルとロッドの一端が2自由度の軸受けにより接続され、ロッドの他端とベースが3自由度の軸受けにより接続された力覚センサであって、歪ゲージをロッドに設ける構造である。すなわち、ロッドの軸線方向の圧縮・引張力を検出するものとしている。このため、従来技術の力覚センサでは、アームの変位および/または変形を検出するものでない。   Here, a force sensor using the technique (conventional technique) of Patent Document 1 will be described in correspondence with the terms of the present embodiment. A force sensor using a conventional technique is a force sensor in which one end of a table and a rod are connected by a bearing with two degrees of freedom, and the other end of the rod and a base are connected by a bearing with three degrees of freedom. Is provided on the rod. That is, the compressive / tensile force in the axial direction of the rod is detected. For this reason, the force sensor of the prior art does not detect the displacement and / or deformation of the arm.

理論的には、従来技術の力覚センサのロッドには軸方向の圧縮・引張力のみが加わる。しかしながら、実際にはロッドが剛体ではないと、軸方向以外の変形(座屈)等を考慮した設計、つまり軸方向には弾性を持たせ、軸直径方向には剛性を持たせるという相反する条件を満たすことが必要となり、力覚センサを小型化した場合は、より設計が困難なものとなる。すなわち、ロッドに検出素子を設けている従来技術の力覚センサでは、精度良く、テーブルに加わった荷重を検出することができない。   Theoretically, only the axial compressive / tensile force is applied to the rod of the force sensor of the prior art. However, in reality, if the rod is not a rigid body, it is a design that takes into account deformation (buckling) other than the axial direction, that is, the contradictory conditions of having elasticity in the axial direction and rigidity in the axial diameter direction. If the force sensor is downsized, the design becomes more difficult. That is, the conventional force sensor in which the rod is provided with a detection element cannot accurately detect the load applied to the table.

これに対して、本実施の形態では、ロッド4を剛体とし、変位および/または変形を検出するアーム5を備えることで、ロッド4のベース2側端の位置検出として、ロッド4の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができ、例えば力覚センサ1が小型化された場合であっても、そのテーブル3に加わった荷重を高精度で検出することができる。すなわち、テーブル3に全6方向から加えられた力成分Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを平面上で検出することができる。言い換えると、テーブル3に加えられた6方向の力成分であっても、単一方向の力が加えられた場合の検出と全く変わりなく行うことができる。   On the other hand, in the present embodiment, the rod 4 is a rigid body and provided with an arm 5 that detects displacement and / or deformation, so that the rod 4 is compressed and tensioned as a position detection of the base 2 side end. The force can be replaced with the simplest plane deformation. For example, even when the force sensor 1 is downsized, the load applied to the table 3 can be detected with high accuracy. That is, force components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz applied to the table 3 from all six directions can be detected on a plane. In other words, even the six-direction force component applied to the table 3 can be performed completely the same as the detection when a single-direction force is applied.

このように、本実施の形態における力覚センサ1は、複数の力(ベクトル量)を検出できる新規な構造を有するデバイスである。この新規な構造について以下に説明する。   As described above, the force sensor 1 according to the present embodiment is a device having a novel structure capable of detecting a plurality of forces (vector quantities). This new structure will be described below.

本実施の形態の力覚センサ1とは異なり、構造体が変形して検出を行う力センサ(構造変形モード)では、ある大きさを持った構造体である限り、例えば、力センサの力を加える箇所(以下、テーブルという)にz軸方向の力成分Fzを加えた時に、x軸、y軸方向にも力成分Fx、Fyが出てしまう(他軸感度)。また、z軸のモーメントを加えた上での出力特性などの非常に対処し難い、避けられない問題が生じ、さらに、特定な一カ所に6方向からの力を加えることも困難となる。   Unlike the force sensor 1 of the present embodiment, in a force sensor (structural deformation mode) in which the structure is deformed and detected, as long as the structure has a certain size, for example, the force of the force sensor is used. When a force component Fz in the z-axis direction is applied to a position to be added (hereinafter referred to as a table), force components Fx and Fy are also generated in the x-axis and y-axis directions (other-axis sensitivity). In addition, it is extremely difficult to deal with output characteristics and the like that are applied with the moment of the z-axis, and an unavoidable problem arises. Further, it becomes difficult to apply forces from six directions to a specific place.

また、小型化を考慮した場合、力センサなどの構造体では、テーブルの大きさも縮小させることが考えられるが、テーブルの大きさが変形すると、テーブルから力が加わる箇所の構造自体の設計を見直さなければならない。また、力センサなどの構造体では、例えば、テーブルに力成分Mzを加えた上で力成分Fzを加えた時などの合成力が加わった場合、力成分Fz特性を検出することは困難となり、検出することができるとしても力センサの製造が困難であり、高額となってしまう。   In addition, when considering miniaturization, it is possible to reduce the size of the table in a structure such as a force sensor. However, if the size of the table changes, the design of the structure itself where the force is applied from the table has been revised. There must be. In addition, in a structure such as a force sensor, for example, when a combined force is applied such as when the force component Mz is added to the table and then the force component Fz is applied, it is difficult to detect the force component Fz characteristic. Even if it can be detected, the manufacture of the force sensor is difficult and expensive.

しかしながら、本実施の形態では、アーム5に加わる一方向の力のみを検出すれば良いので、力覚センサ1のテーブル3を小さくしても、受感部であるアーム5も小さくすることができる。すなわち、小型化の力覚センサ1とした場合であっても、高精度に検出することができる。   However, in the present embodiment, it is only necessary to detect a unidirectional force applied to the arm 5, so even if the table 3 of the force sensor 1 is made smaller, the arm 5 that is the sensing part can also be made smaller. . That is, even when the force sensor 1 is downsized, it can be detected with high accuracy.

また、力センサのような構造体と比較して本実施の形態における力覚センサ1は、歪ゲージ8からの配線などを任意の位置から取り出すことができる。これにより、例えば、力覚センサ1をロボットの腕などに設置できる大きさとした場合であっても、ベース2、テーブル3の軸の中央に配線を通すことができる。   Further, the force sensor 1 in the present embodiment can take out the wiring from the strain gauge 8 from an arbitrary position as compared with a structure such as a force sensor. Thereby, for example, even when the force sensor 1 is sized to be installed on the arm of the robot, the wiring can be passed through the centers of the base 2 and the table 3.

また、力センサのような構造体においても高精度化、低コスト化、小型化の追求は、軸受けの構造の検討によるところが大きい。本実施の形態における力覚センサ1では、ロッド4を剛体とするため、構造変形モードの設計、解析に比べ容易となっている。   Also, in the structure such as a force sensor, the pursuit of high accuracy, low cost, and downsizing is largely due to the examination of the bearing structure. In the force sensor 1 according to the present embodiment, since the rod 4 is a rigid body, it is easier to design and analyze the structural deformation mode.

また、本実施の形態における力覚センサ1は、1つのロッド4と1つのアーム5とを含んで1つの連結部材(リンク)を形成し、6つ(複数)の連結部材(リンク)によってベース2とテーブル3とを連結している。このため、力覚センサ1は、6つのリンクを閉リンク構造にすることで、高剛性、高速駆動を実現することができる。   The force sensor 1 according to the present embodiment includes one rod 4 and one arm 5 to form one connecting member (link), and the base is formed by six (plural) connecting members (links). 2 and the table 3 are connected. For this reason, the force sensor 1 can realize high rigidity and high speed driving by making the six links have a closed link structure.

(実施の形態3)
本実施の形態では、前記実施の形態2におけるロッドに、リニアアクチュエータを設けた場合について説明する。なお、前記実施の形態2と重複する説明は省略する場合がある。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a case where a linear actuator is provided on the rod in the second embodiment will be described. In addition, the description which overlaps with the said Embodiment 2 may be abbreviate | omitted.

図12に示すように、本実施の形態におけるセンサ1a(力覚センサ1a)では、ロッド4が軸方向に伸縮可能なリニアアクチュエータ4aを有している。リニアアクチュエータ4aは、例えば、サーボモータ、シリンダ、形状記憶合金、人工筋肉などからなり、ロッド4全体の長さを軸方向に伸縮することができる。よって、ロッド4内にリニアアクチュエータ4aを設けることで、テーブル3面を自在に動かすことができる。   As shown in FIG. 12, in the sensor 1a (force sensor 1a) in the present embodiment, the rod 4 has a linear actuator 4a that can expand and contract in the axial direction. The linear actuator 4a is made of, for example, a servo motor, a cylinder, a shape memory alloy, an artificial muscle, and the like, and can extend and contract the entire length of the rod 4 in the axial direction. Therefore, by providing the linear actuator 4a in the rod 4, the surface of the table 3 can be moved freely.

前記実施の形態1で説明したように、力覚センサ1aでは、テーブル3に加わる力を検出するにあたり、ロッド4の長さは影響しない。すなわち、本実施の形態では全体の長さを軸方向に伸縮できるロッド4を設けた力覚センサ1aについて示すが、理論的には、前記実施の形態1で示した力覚センサ101と同様である。ただし、テーブル3の力を検出する時、ロッド4は剛体でなければならない。すなわち、ロッド4自身の長さが変化しても、テーブル3の向きが変わるだけで、テーブル3に加わった力でロッド4は軸方向に伸縮するものではない。   As described in the first embodiment, the force sensor 1a does not affect the length of the rod 4 in detecting the force applied to the table 3. That is, in the present embodiment, the force sensor 1a provided with the rod 4 capable of extending and contracting the entire length in the axial direction is shown. Theoretically, the force sensor 1a is the same as the force sensor 101 shown in the first embodiment. is there. However, when detecting the force of the table 3, the rod 4 must be rigid. That is, even if the length of the rod 4 itself changes, only the direction of the table 3 changes, and the rod 4 does not expand or contract in the axial direction by the force applied to the table 3.

力覚センサ1aでは、ロッド4内にリニアアクチュエータ4aを設けることで、そのリニアアクチュエータ4aの伸縮によって移動されたテーブル3に加わる力の検出を行うことができる。前記実施の形態1で説明したように、ロッド4の長さはテーブル3に作用する力の検出に影響を与えないので、テーブル3の移動をロッド4の伸縮で行い、力検出をアーム5で行うことができるからである。   In the force sensor 1a, by providing the linear actuator 4a in the rod 4, it is possible to detect the force applied to the table 3 moved by the expansion and contraction of the linear actuator 4a. As described in the first embodiment, since the length of the rod 4 does not affect the detection of the force acting on the table 3, the table 3 is moved by the expansion and contraction of the rod 4, and the force detection is performed by the arm 5. Because it can be done.

例えば、肘から手首までを有するロボットアームの場合、肘側にベース2、手首側にテーブル3、肘から手首までをリニアアクチュエータ4aを備えたロッド4で構成することができる。これにより、手首に加わる力を可動させながら検出することができる。   For example, in the case of a robot arm having an elbow to a wrist, the base 2 on the elbow side, the table 3 on the wrist side, and the rod 4 having the linear actuator 4a from the elbow to the wrist can be configured. Thereby, the force applied to the wrist can be detected while moving.

(実施の形態4)
前記実施の形態2では、アームの変位および/または変形を歪ゲージ(検出素子)で検出する場合について説明したが、本実施の形態では、アームの変位および/または変形を磁気識別素子(検出素子)で検出する場合について説明する。なお、前記実施の形態2と重複する説明は省略する場合がある。
(Embodiment 4)
In the second embodiment, the case where the displacement and / or deformation of the arm is detected by a strain gauge (detection element) has been described. However, in the present embodiment, the displacement and / or deformation of the arm is detected by a magnetic identification element (detection element). ) Will be described. In addition, the description which overlaps with the said Embodiment 2 may be abbreviate | omitted.

図4に示すように、磁気識別素子20がアーム5の一端側であって、その下のベース2に埋め込まれている(設けられている)。なお、図4は本実施の形態における力覚センサを模式的に示す要部断面図であり、説明を容易にするため、一部のみにハッチングを付している。   As shown in FIG. 4, the magnetic identification element 20 is embedded (provided) on one end side of the arm 5 and in the base 2 below it. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the force sensor according to the present embodiment. Only part of the force sensor is hatched for easy explanation.

この磁気識別素子20は、2個1組の磁気抵抗素子20aと磁石20bで構成されており、図5に示すように、基準電位(GND)に対して電源電圧(Vcc)を印加しておき、磁気抵抗素子20aに加わる磁束の変化を出力電圧(Vout)として検出するものである。ここで、磁気抵抗素子20aは磁界の強さに比例して抵抗値が変化するものである。   The magnetic discriminating element 20 is composed of two magnetoresistive elements 20a and a magnet 20b. As shown in FIG. 5, a power supply voltage (Vcc) is applied to a reference potential (GND) in advance. The change of the magnetic flux applied to the magnetoresistive element 20a is detected as the output voltage (Vout). Here, the resistance value of the magnetoresistive element 20a changes in proportion to the strength of the magnetic field.

アーム5は、テーブル3に加えられる定格荷重に耐えられる材質であれば良いが、本実施の形態では、アーム5は磁性体で形成されたものとしている。静的な磁界中に素子を2個おいて、その中で磁性体が動けば磁界が変化し、抵抗バランスが崩れる。このため、磁性体であるアーム5が変位(符号Aで示している)すると、磁気抵抗素子20aに加わる磁束が変化するため、出力電圧(Vout)はアーム5の変位および/または変形として検出することができる。   The arm 5 may be made of any material that can withstand the rated load applied to the table 3, but in the present embodiment, the arm 5 is made of a magnetic material. If two elements are placed in a static magnetic field, and the magnetic material moves, the magnetic field changes and the resistance balance is lost. For this reason, when the arm 5, which is a magnetic body, is displaced (indicated by reference symbol A), the magnetic flux applied to the magnetoresistive element 20 a changes, so that the output voltage (Vout) is detected as the displacement and / or deformation of the arm 5. be able to.

本実施の形態では、磁気識別素子20は、ロッド4の他端と接続されるアーム5の一端側であって、その下のベース2に設けられている。アーム5の他端側がベース2と固定されているので、アーム5に加わる力によって、アーム5の一端(先端)が最も変位するため、磁気識別素子20をアーム5の一端側であって、その下のベース2に設けているのである。   In the present embodiment, the magnetic identification element 20 is provided on the base 2 under one end of the arm 5 connected to the other end of the rod 4. Since the other end side of the arm 5 is fixed to the base 2, one end (front end) of the arm 5 is displaced most by the force applied to the arm 5. It is provided on the lower base 2.

また、図4に示すように、アーム5の一端が上下に移動するため、テーブル3に過負荷が加わった場合、アーム5がベース2(磁気識別素子20)と接触することも考えられる。これを防止するために本実施の形態では、アーム5の一端側であって、ベース2と対向する面にストッパ21を設けている。前述した力センサなどの構造体では、設計変更の自由度がないため困難であるが、本実施の形態における力覚センサでは、アーム5の一方向のみの変形を捉えれば良いので、そのアーム5に対して過負荷に対するストッパ構造を設ければ良い。   Further, as shown in FIG. 4, one end of the arm 5 moves up and down, so that when the table 3 is overloaded, the arm 5 may come into contact with the base 2 (magnetic identification element 20). In order to prevent this, in the present embodiment, a stopper 21 is provided on a surface on one end side of the arm 5 and facing the base 2. The above-described structure such as a force sensor is difficult because there is no degree of freedom of design change. However, the force sensor according to the present embodiment only needs to catch deformation in one direction of the arm 5, so the arm 5 However, a stopper structure against overload may be provided.

このようにロッド4を剛体として、変位および/または変形を検出する対象としてアーム5を備えることで、ロッド4の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができるので、磁気識別素子20を、アーム5の一端側であって、その下のベース2に設けても高性能にテーブル3に加わる荷重を検出することができる。   By providing the rod 4 as a rigid body and the arm 5 as a target for detecting displacement and / or deformation in this way, the compression / tensile force of the rod 4 can be replaced with the simplest plane deformation. Can be detected with high performance even if it is provided on the base 2 below one end of the arm 5.

(実施の形態5)
前記実施の形態2では、アームの変位および/または変形を歪ゲージ(検出素子)で検出する場合について説明したが、本実施の形態では、ジンバル構造を用いてアームとベースとを一体成型し、そのアーム(ジンバル)の変位および/または変形を静電容量素子(検出素子)で検出する場合について説明する。なお、前記実施の形態2と重複する説明は省略する場合がある。
(Embodiment 5)
In the second embodiment, the case where the displacement and / or deformation of the arm is detected by a strain gauge (detection element) has been described. In the present embodiment, the arm and the base are integrally molded using a gimbal structure, A case where the displacement and / or deformation of the arm (gimbal) is detected by a capacitance element (detection element) will be described. In addition, the description which overlaps with the said Embodiment 2 may be abbreviate | omitted.

図6および図7に示すように、本実施の形態では、ジンバル構造として、アームであるジンバル5aがベース2aと一体成型されている。一体成型を説明するために、図6の平面図および図7の断面図では、ジンバル5aとベース2aとは同じハッチングを付している。   As shown in FIGS. 6 and 7, in this embodiment, a gimbal 5a, which is an arm, is integrally formed with the base 2a as a gimbal structure. In order to explain the integral molding, in the plan view of FIG. 6 and the cross-sectional view of FIG. 7, the gimbal 5a and the base 2a are given the same hatching.

本実施の形態では、テーブル3の周方向に沿って設けられた6本のロッド4(図1および図2参照)のそれぞれにジンバル構造が採用されている。図6および図7では、1本のロッド4に対応させて示している。このロッド4の一端はテーブル3と接続され(図2参照)、ロッド4の他端は2自由度の軸受け7aによりジンバル5aと接続される(図7参照)こととなる。   In the present embodiment, a gimbal structure is adopted for each of the six rods 4 (see FIGS. 1 and 2) provided along the circumferential direction of the table 3. In FIGS. 6 and 7, it is shown corresponding to one rod 4. One end of the rod 4 is connected to the table 3 (see FIG. 2), and the other end of the rod 4 is connected to the gimbal 5a by a two-degree-of-freedom bearing 7a (see FIG. 7).

このジンバル5aには、対向する2つの板状の電極30a、30bからなる静電容量素子30が設けられている。この静電容量素子30は、ジンバル5aの変位および/または変形を、静電容量の変化で検出する検出素子である。本実施の形態では、接続部31を介してジンバル5aに静電容量素子30の一方の電極30aが設けられている。また、静電容量素子30の他方の電極30bは、ベース2aにおいてテーブル3と対向する面とは反対面に固定して設けられた回路基板10に設けられている。すなわち、ベース2aに、静電容量素子30の他方の電極30bが設けられている。この静電容量素子30の静電容量の変化を、ジンバル5aの上下変位(例えば図7中の符号Aで示す)に換算することができる。   The gimbal 5a is provided with a capacitance element 30 including two opposing plate-like electrodes 30a and 30b. The electrostatic capacitance element 30 is a detection element that detects displacement and / or deformation of the gimbal 5a by a change in electrostatic capacitance. In the present embodiment, one electrode 30 a of the capacitive element 30 is provided on the gimbal 5 a through the connection portion 31. The other electrode 30b of the capacitive element 30 is provided on a circuit board 10 that is fixed to a surface opposite to the surface facing the table 3 in the base 2a. That is, the other electrode 30b of the capacitive element 30 is provided on the base 2a. The change in capacitance of the capacitive element 30 can be converted into the vertical displacement of the gimbal 5a (for example, indicated by the symbol A in FIG. 7).

本実施の形態における力覚センサにおいても、前記実施の形態2と同様にテーブル3に作用する力の大きさおよび/または方向をアームであるジンバル5aの変位および/または変形によって検出するものである。ここで、本実施の形態では、静電容量素子30を構成する電極30aは、剛体であるロッド4の他端に設けているが、弾性体であるジンバル5a(アーム)が変位することによって、ロッド4の他端と共に電極30aの位置が変位して静電容量素子30の静電容量が変化する。すなわち、静電容量素子30の静電容量の変化を、ジンバル5aの変位として捉え、テーブル3に作用する力の大きさおよび/または方向として換算することができるのである。なお、ジンバル5aの変位および/または変形を検出した静電容量素子30(検出素子SD)の信号(検出値)は、回路基板10に送られ、図3に示すような回路構成によって、処理される。   Also in the force sensor in the present embodiment, the magnitude and / or direction of the force acting on the table 3 is detected by the displacement and / or deformation of the gimbal 5a which is an arm, as in the second embodiment. . Here, in the present embodiment, the electrode 30a constituting the capacitive element 30 is provided at the other end of the rod 4 which is a rigid body, but when the gimbal 5a (arm) which is an elastic body is displaced, The position of the electrode 30a is displaced together with the other end of the rod 4, and the capacitance of the capacitance element 30 changes. That is, the change in the capacitance of the capacitance element 30 can be regarded as the displacement of the gimbal 5a and converted as the magnitude and / or direction of the force acting on the table 3. The signal (detected value) of the capacitive element 30 (detection element SD) that detects the displacement and / or deformation of the gimbal 5a is sent to the circuit board 10 and processed by the circuit configuration as shown in FIG. The

本実施の形態では、接続部31を介して電極30aをジンバル5aに設け、また、電極30aに対向する位置に電極30bを設けて静電容量素子30を構成している。これに限らず、接続部31を介してではなく、電極30bと対向する面側のジンバル5aに電極30aを設けても良い。前述したように、静電容量素子30の静電容量の変化を、ジンバル5aの変位および/または変形として捉え、テーブル3に作用する力の大きさおよび/または方向として換算することができれば良いからである。   In the present embodiment, the capacitive element 30 is configured by providing the electrode 30a on the gimbal 5a via the connecting portion 31 and providing the electrode 30b at a position facing the electrode 30a. Not only this but the electrode 30a may be provided in the gimbal 5a of the surface side which opposes the electrode 30b instead of via the connection part 31. FIG. As described above, it is only necessary that the change in the capacitance of the capacitance element 30 can be regarded as the displacement and / or deformation of the gimbal 5a and converted into the magnitude and / or direction of the force acting on the table 3. It is.

このようにロッド4を剛体として、変位および/または変形を検出する対象として弾性体のジンバル5a(アーム)を備えることで、ロッド4の圧縮・引張力を最も単純な平面変形に置き換えることができるので、本実施の形態における力覚センサは、高性能にテーブル3に加わる荷重を検出することができる。   Thus, by providing the rod 4 as a rigid body and providing an elastic gimbal 5a (arm) as a target for detecting displacement and / or deformation, the compression / tensile force of the rod 4 can be replaced with the simplest plane deformation. Therefore, the force sensor in the present embodiment can detect a load applied to the table 3 with high performance.

また、本実施の形態では、アームをジンバル5aとしてベース2aと一体成型することによって、前記実施の形態2で示したような棒状のアーム5がベース2からテーブル3への高さ方向に延在していない。言い換えると、アームとなるジンバル5aが、ベース2aの平面方向に延在している。このため、前記実施の形態2で示したようなアーム5の高さ分を削ることができ、力覚センサをより小型化することができる。   In this embodiment, the arm is integrally formed with the base 2a as the gimbal 5a, so that the rod-like arm 5 as shown in the second embodiment extends in the height direction from the base 2 to the table 3. Not done. In other words, the gimbal 5a serving as an arm extends in the plane direction of the base 2a. For this reason, the height of the arm 5 as shown in the second embodiment can be cut, and the force sensor can be further downsized.

(実施の形態6)
前記実施の形態1〜5では、ベクトル量を検出できる新規な構造を有するセンサとして、力覚センサに適用した場合について説明したが、本実施の形態では、運動センサに適用した場合について説明する。なお、前記実施の形態1〜5と重複する説明は省略する場合がある。
(Embodiment 6)
In the first to fifth embodiments, the case where the sensor is applied to a force sensor is described as a sensor having a novel structure capable of detecting a vector quantity. In the present embodiment, a case where the sensor is applied to a motion sensor will be described. In addition, the description which overlaps with the said Embodiment 1-5 may be abbreviate | omitted.

力覚センサは物体が受ける外力を検出する装置であり、運動センサは物体が受ける慣性力から加速度、角速度として検出する装置であり、共に力(外力、慣性力)を検出するものである。このため、本実施の形態における運動センサにおいても、前記実施の形態1〜5で説明した力を検出する新規な構造を、共通に用いることができる。   The force sensor is a device that detects an external force received by an object, and the motion sensor is a device that detects acceleration and angular velocity from the inertial force received by the object, and both detect force (external force, inertial force). For this reason, also in the motion sensor in this Embodiment, the novel structure which detects the force demonstrated in the said Embodiment 1-5 can be used in common.

例えば、図1および図2を参照して説明すると、本実施の形態におけるセンサ1(運動センサ1)は、次の構造を備えている。まず、ベース2と、ベース2と対向して配置されたテーブル3と、ベース2とテーブル3とを連結するロッド4およびアーム5とを備えている。このテーブル3とロッド4の一端は、3自由度の軸受け6により接続されており、ロッド4の他端とアーム5の一端は、2自由度の軸受け7により接続されており、アーム5の他端とベース2は固定されている。さらに、運動センサ1は、可動部(テーブル3、ロッド4、および軸受け6、7)が受ける慣性力の大きさおよび/または方向をアーム5の変位および/または変形によって検出する歪ゲージ8(検出素子)と、歪ゲージ8の検出値から、可動部が受ける慣性力の大きさおよび/または方向を計算する演算部であるCPU13(図3参照)を有している。   For example, referring to FIG. 1 and FIG. 2, the sensor 1 (motion sensor 1) in the present embodiment has the following structure. First, a base 2, a table 3 disposed to face the base 2, and a rod 4 and an arm 5 that connect the base 2 and the table 3 are provided. One end of the table 3 and the rod 4 is connected by a bearing 6 having 3 degrees of freedom, and the other end of the rod 4 and one end of the arm 5 are connected by a bearing 7 having 2 degrees of freedom. The end and the base 2 are fixed. Further, the motion sensor 1 includes a strain gauge 8 (detection) that detects the magnitude and / or direction of the inertial force received by the movable part (the table 3, the rod 4, and the bearings 6 and 7) by the displacement and / or deformation of the arm 5. Element) and a CPU 13 (see FIG. 3) which is a calculation unit for calculating the magnitude and / or direction of the inertial force received by the movable part from the detected value of the strain gauge 8.

このような運動センサ1によるz軸方向の加速度aを検出(計算)する場合について説明する。例えば、運動センサ1を固定された水平な台にベース2側で置いた時、センサ1は重力加速度を受ける。この時、運動センサ1内部では、各アーム5にテーブル3とロッド4と軸受け6、7の質量が係っており、全てのアーム5は、ベース2に近づく方向で同量に変位および/または変形(平面変形)する。変位量がz軸方向の力Fzであるから、運動方程式m・a=Fzにより、z軸方向の加速度aを検出(計算)することができる。この加速度aの計算は、例えば図3で示したCPU13によって行うことができる。ここで、運動方程式中のmは可動部(テーブル3、ロッド4、および軸受け6、7)の質量である。 It will be described for detecting such by the motion sensor 1 z-axis direction of the acceleration a z (calculated). For example, when the motion sensor 1 is placed on the fixed horizontal base on the base 2 side, the sensor 1 receives gravitational acceleration. At this time, in the motion sensor 1, the mass of the table 3, the rod 4, and the bearings 6, 7 is associated with each arm 5, and all the arms 5 are displaced by the same amount in the direction approaching the base 2 and / or. Deform (plane deformation). Since the displacement amount is the z-axis direction force Fz, the motion equation m · a z = Fz, the acceleration a z in the z axis direction can be detected (calculated). The calculation of the acceleration az can be performed by, for example, the CPU 13 shown in FIG. Here, m in the equation of motion is the mass of the movable part (table 3, rod 4, and bearings 6, 7).

また、運動センサ1によるz軸方向の角速度ωを検出(計算)する場合について説明する。水平方向に置かれた回転テーブルの中心にベース2側で運動センサ1を取り付け、その回転テーブルに回転運動を与えると、回転起動時にベース2とテーブル3との間に、ねじれが生じる。この時、隣り合う2つのアーム5において、一方のアーム5にはベース2に近づく方向の変位、もう一方のアーム5にはベース2から離れる方向の変位および/または変形(平面変形)が現れ、z軸回りの力のモーメントMzが検出できる。 A case where the motion sensor 1 detects (calculates) the angular velocity ωz in the z- axis direction will be described. When the motion sensor 1 is attached to the center of the rotary table placed in the horizontal direction on the base 2 side and rotational motion is given to the rotary table, twisting occurs between the base 2 and the table 3 at the start of rotation. At this time, in the two adjacent arms 5, a displacement in a direction approaching the base 2 appears in one arm 5, and a displacement and / or deformation (plane deformation) in a direction away from the base 2 appears in the other arm 5. The moment Mz of the force around the z axis can be detected.

この力のモーメントMzと慣性モーメントIとの間には、I・a=Mzの関係が成り立つことから角加速度aが計算できる。よって、微小時間ごとに角加速度aを計算し積分することで、角速度ωを得ることができる。この角速度ωの計算は、例えば図3で示したCPU13によって行うことができる。なお、慣性モーメントIは、可動部(テーブル3、ロッド4、および軸受け6、7)を微小部分に分割した時、微小部分を質点とみなすことにより、i番目の質点をm、可動部中心からの距離をrとすると、I=Σ(m・r )である。 Since the relationship of I · a z = Mz is established between the force moment Mz and the moment of inertia I, the angular acceleration a z can be calculated. Therefore, the angular velocity ω z can be obtained by calculating and integrating the angular acceleration a z every minute time. The calculation of the angular velocity omega z can be performed by CPU13 shown in FIG. 3, for example. Note that the moment of inertia I is such that when the movable part (table 3, rod 4, and bearings 6 and 7) is divided into minute parts, the minute part is regarded as a mass point, the i-th mass point is mi , and the movable part center If the distance from is r i , then I = Σ (m i · r i 2 ).

ここで、特許文献1に記載のような従来技術のセンサを用いて、z軸回りの角速度を検出する場合について説明する。従来技術を用いたセンサは、テーブルとロッドの一端が2自由度の軸受けにより接続され、ロッドの他端とベースが3自由度の軸受けにより接続されたセンサであって、歪ゲージをロッドに設ける構造となる。すなわち、弾性体であるロッドの軸線方向の圧縮・引張力を検出するものとしている。   Here, a case where an angular velocity around the z-axis is detected using a conventional sensor as described in Patent Document 1 will be described. A sensor using a conventional technique is a sensor in which one end of a table and a rod are connected by a bearing with two degrees of freedom, and the other end of the rod and a base are connected by a bearing with three degrees of freedom, and a strain gauge is provided on the rod. It becomes a structure. That is, the compressive / tensile force in the axial direction of the rod, which is an elastic body, is detected.

回転テーブルの中心に従来技術のセンサを取り付け、z軸回りの角速度を検出しようとした時、ロッド自身の慣性質量のため弾性体のロッドでは、シナリが生じ、正確な力を検出することができないと考えられる。これに対して、本実施の形態における運動センサ1では、アーム5は、z軸方向のみ変位および/または変形(平面変形)を生じる機構であり、かつ、慣性質量による歪みの影響が非常に少ないため、高精度に慣性力を検出することができる。   When a sensor of the prior art is attached to the center of the rotary table and the angular velocity around the z axis is detected, due to the inertial mass of the rod itself, an elastic rod is generated and an accurate force cannot be detected. it is conceivable that. On the other hand, in the motion sensor 1 according to the present embodiment, the arm 5 is a mechanism that causes displacement and / or deformation (plane deformation) only in the z-axis direction, and the influence of distortion due to inertial mass is very small. Therefore, the inertial force can be detected with high accuracy.

本実施の形態における運動センサ1では、ベース2、テーブル3、ロッド4、軸受け6、7を剛体とし、変位および/または変形を検出する対象としての弾性体をアーム5とすることによって、テーブル3、さらにはロッド4に加わる力の大きさおよび/または方向をアーム5で最も単純な平面変形として置き換えることができる。言い換えると、アーム5の変位および/または変形によって運動センサ1が受ける慣性力を検出し、加速度、角速度を検出することができる。   In the motion sensor 1 in the present embodiment, the base 2, the table 3, the rod 4, and the bearings 6 and 7 are rigid bodies, and the elastic body as an object for detecting displacement and / or deformation is the arm 5, whereby the table 3 Furthermore, the magnitude and / or direction of the force applied to the rod 4 can be replaced with the simplest plane deformation in the arm 5. In other words, the inertial force received by the motion sensor 1 due to the displacement and / or deformation of the arm 5 can be detected, and the acceleration and angular velocity can be detected.

運動センサ1では、1つのロッド4と、1つのアーム5とを含んで1つの連結部材を形成して、ベース2とテーブル3とを連結している。テーブル3の周方向に沿って連結部材が6本設けられ、連結部材が構成する仮想円錐面において全ての連結部材は、頂点を向かないよう配置されている。これにより、可動部(テーブル3、ロッド4、および軸受け6、7)が受ける慣性力の大きさおよび/または方向を、三次元空間の直交座標系の3軸方向の力成分と、その3軸回りのモーメント成分の計6成分として同時に検出することができる。   In the motion sensor 1, the base 2 and the table 3 are connected by forming one connecting member including one rod 4 and one arm 5. Six connecting members are provided along the circumferential direction of the table 3, and all connecting members are arranged so as not to face the apex in the virtual conical surface formed by the connecting members. As a result, the magnitude and / or direction of the inertial force received by the movable part (table 3, rod 4, and bearings 6 and 7) can be determined from the three-axis direction force component of the three-dimensional space and the three axes. It can be detected simultaneously as a total of six components of the surrounding moment components.

したがって、本実施の形態の運動センサ1は、3軸方向の成分から3軸加速度を検出(計算)することができ、また、3軸回りのモーメント成分から3軸角速度を検出することができる6軸運動センサであるといえる。   Therefore, the motion sensor 1 according to the present embodiment can detect (calculate) the triaxial acceleration from the components in the three axial directions, and can detect the triaxial angular velocity from the moment components around the three axes. It can be said to be an axial motion sensor.

本実施の形態における運動センサ1では、演算部であるCPU13が加速度を計算する処理、および角速度を計算する処理を含むものである。よって、運動センサ1は、例えばCPU13によって加速度のみを検出すれば加速度センサとして、また、角速度のみを検出すれば角速度センサとして構成することもできる。   The motion sensor 1 according to the present embodiment includes a process in which the CPU 13 which is a calculation unit calculates acceleration and a process in which angular velocity is calculated. Therefore, the motion sensor 1 can be configured as an acceleration sensor if only the acceleration is detected by the CPU 13, for example, and as an angular velocity sensor if only the angular velocity is detected.

なお、本実施の形態では、運動センサ1のベース2側で水平な台、あるいは回転テーブルの中心に運動センサ1を設けた場合について説明したが、運動センサ1のテーブル3側で設けても同様に加速度および角速度を検出することができる。   In the present embodiment, the case where the motion sensor 1 is provided on the base 2 side of the motion sensor 1 or the center of the rotary table has been described. Acceleration and angular velocity can be detected.

(実施の形態7)
本実施の形態では、センサとして図13〜図15に示す力覚センサ201を用い、その力覚センサ201が備える演算部(例えばCPU)の処理機能について説明する。図13は力覚センサ201を模式的に示す上面図であり、図14はテーブル203を除いた力覚センサ201を模式的に示す上面図であり、図15は力覚センサ201を模式的に示す断面図である。
(Embodiment 7)
In this embodiment, the force sensor 201 shown in FIGS. 13 to 15 is used as a sensor, and a processing function of a calculation unit (for example, CPU) provided in the force sensor 201 will be described. 13 is a top view schematically showing the force sensor 201, FIG. 14 is a top view schematically showing the force sensor 201 excluding the table 203, and FIG. 15 schematically shows the force sensor 201. It is sectional drawing shown.

力覚センサ201は、ベース202と、ベース202に対して6自由度を有し、ベース202と対向して配置されたテーブル203と、テーブル203とベース202とを連結する並列配置された6つの連結部とを備えている。このようにテーブル203を複数の連結部によって支持する構造は、パラレルリンク構造である。パラレルリンク構造を有する力覚センサ201は、テーブル203の6自由度により、三次元空間の直交座標系(x軸、y軸、z軸)の3軸方向の力成分Fx、Fy、Fzと、その3軸回りのモーメント成分Mx、My、Mzの計6成分として、検出することができるものである。なお、本実施の形態では、テーブル203が荷重を受ける場合を示すが、ベース202側が力(荷重)を受ける場合であっても良い。   The force sensor 201 has a base 202, a table 203 having six degrees of freedom with respect to the base 202, and six parallelly arranged tables that connect the table 203 and the base 202 to each other. And a connecting portion. The structure in which the table 203 is supported by the plurality of connecting portions in this way is a parallel link structure. The force sensor 201 having a parallel link structure has force components Fx, Fy, Fz in the three-axis direction of the orthogonal coordinate system (x-axis, y-axis, z-axis) of the three-dimensional space, with six degrees of freedom of the table 203, It can be detected as a total of six components of the moment components Mx, My and Mz around the three axes. Although the table 203 shows a case where the table 203 receives a load, the base 202 side may receive a force (load).

力覚センサ201の連結部は、テーブル203の可動を受ける3自由度を有する軸受け206と、軸受け206の可動を受ける2自由度を有する軸受け207と、ベース202に固定され、軸受け207の可動を受けるアーム205と、一端が軸受け206と接続され、他端が軸受け207と接続されたロッド204と、を含んでテーブル203とベース202とを連結している。力覚センサ201では、図13と図14とを対比してもわかるように、テーブル203面内の軸付け206と、ベース202面内の軸受け207との位置関係がずれるように配置されている。   The connecting part of the force sensor 201 is fixed to the bearing 206 having three degrees of freedom for receiving the movement of the table 203, the bearing 207 having two degrees of freedom for receiving the movement of the bearing 206, and the base 202. The table 203 and the base 202 are coupled to each other including a receiving arm 205 and a rod 204 having one end connected to the bearing 206 and the other end connected to the bearing 207. As shown in FIG. 13 and FIG. 14, the force sensor 201 is arranged so that the positional relationship between the shaft mounting 206 in the table 203 surface and the bearing 207 in the base 202 surface is shifted. .

具体的には、円状のテーブル203において6つの軸受け206は例えば60°の角度をなしてその円周上に配置され、円状のベース202において6つの軸受け207はペア状態で例えば120°の角度をなしてその円周上に配置されている。軸受け206と軸受け207が平面視で重なる構造では検出できない力が発生してしまうため、本実施の形態では、テーブル203面内の軸付け206と、ベース202面内の軸受け207との位置関係がずれるように配置している。   Specifically, in the circular table 203, the six bearings 206 are arranged on the circumference thereof at an angle of, for example, 60 °, and in the circular base 202, the six bearings 207 are paired, for example, 120 °. They are arranged on the circumference at an angle. Since a force that cannot be detected is generated in a structure in which the bearing 206 and the bearing 207 overlap in plan view, in this embodiment, the positional relationship between the bearing 206 in the surface of the table 203 and the bearing 207 in the surface of the base 202 is determined. It arranges so that it may shift.

力覚センサ201の軸受け206、207は、例えば鋼球を球面で保持し、3自由度または2自由度で可動できる球面軸受けである。また、ベース202、テーブル203、ロッド204のそれぞれの材質は、テーブル203へ加わる定格荷重に耐えられる剛体であり、アーム205は弾性体である。例えば、ベース202、テーブル203、ロッド204は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼(例えばSUS304)などの金属からなる剛体である。   The bearings 206 and 207 of the force sensor 201 are spherical bearings that hold, for example, a steel ball as a spherical surface and can move with three or two degrees of freedom. Each material of the base 202, the table 203, and the rod 204 is a rigid body that can withstand a rated load applied to the table 203, and the arm 205 is an elastic body. For example, the base 202, the table 203, and the rod 204 are rigid bodies made of a metal such as stainless steel (for example, SUS304) that is excellent in corrosiveness and workability.

力覚センサ201のアーム205は、ベース202中心部から突起する突起部から、ベース202の外周部側へ枝状に延在するように形成されている。各アーム205は、ベース202とジンバル構造となるように一体成型で形成された場合、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼(例えばSUS304)などの金属からなるが、枝状に延在するように形成しているため、ベース202の変化量に対して十分大きな変化量を有する弾性体となっている。   The arm 205 of the force sensor 201 is formed so as to extend in a branch shape from the protruding portion protruding from the center of the base 202 toward the outer peripheral portion of the base 202. Each arm 205 is made of a metal such as stainless steel (eg, SUS304) excellent in corrosiveness and workability when formed integrally with the base 202 so as to have a gimbal structure, but extends in a branch shape. Therefore, the elastic body has a sufficiently large change amount with respect to the change amount of the base 202.

また、力覚センサ201は、弾性体であるアーム205の変位および/または変形を検出する検出素子(変位センサ)208を備えている。また、力覚センサ201は、検出素子208の検出値から、テーブル203に作用する力の大きさおよび/または方向を計算する演算部(例えばCPU)を有する回路基板210を備えている。この回路基板210は、ベース202においてテーブル203と対向する平面上に配置されている。   The force sensor 201 includes a detection element (displacement sensor) 208 that detects displacement and / or deformation of the arm 205 that is an elastic body. The force sensor 201 includes a circuit board 210 having a calculation unit (for example, a CPU) that calculates the magnitude and / or direction of the force acting on the table 203 from the detection value of the detection element 208. The circuit board 210 is disposed on a plane facing the table 203 in the base 202.

本実施の形態における演算部では、アーム変形に着目したパラレルリンク構造を有する力覚センサ201の力変換アルゴリズム(力変換プログラム)を用いている。回路基板210に設けられている演算部は、検出素子208の検出値を成分とする行列Dから、力を示すベクトルFへ変換するための係数行列Gを用いて、

Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
からテーブル203に作用する力の大きさおよび/または方向を計算するものである。 The calculation unit in the present embodiment uses a force conversion algorithm (force conversion program) of the force sensor 201 having a parallel link structure that focuses on arm deformation. The arithmetic unit provided on the circuit board 210 uses a coefficient matrix G for converting the matrix D having the detection value of the detection element 208 as a component into a vector F indicating force,
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
From this, the magnitude and / or direction of the force acting on the table 203 is calculated.

このように式(1)より、係数行列Gが既知であれば、検出された検出値(物理量)の行列Dから力のベクトルFを求めることができる。この係数行列Gの成分は、予め計算で求める、もしくは、定格負荷などを加えた状態の単軸の力覚センサ201の出力を測定することで決定することができる。   Thus, if the coefficient matrix G is known from the equation (1), the force vector F can be obtained from the matrix D of detected values (physical quantities) detected. The components of the coefficient matrix G can be obtained by calculation in advance or can be determined by measuring the output of the uniaxial force sensor 201 in a state where a rated load or the like is applied.

[1.運動学・逆運動学について]
係数行列Gを決定するにあたり、解析に必要な運動学解析・逆運動学解析を予め行う。図13〜図15に示すように構造パラメータを、テーブル高さh、テーブル関節配置半径rT、ベース半径rB、アーム長lB、ロッド長lS(図示しない)、テーブル関節配置角度φT、ベース関節配置角度φB、アーム変位角度θiとしている。
[1. About kinematics and inverse kinematics]
In determining the coefficient matrix G, kinematic analysis / inverse kinematic analysis necessary for the analysis is performed in advance. As shown in FIGS. 13 to 15, the structural parameters include table height h, table joint arrangement radius rT, base radius rB, arm length 1B, rod length 1S (not shown), table joint arrangement angle φT, base joint arrangement angle. φB and arm displacement angle θi.

[テーブル軸受け(関節)座標の算出]
テーブル203に配置されている各軸受け206の座標をt1〜t6としたとき、初期座標を、

Figure 2011080945
とする。これからテーブル203の中心座標・姿勢が(x、y、z、a、b、g)へ変位したときのt1〜t6は次式で求められる。
Figure 2011080945
[Calculation of table bearing (joint) coordinates]
When the coordinates of the bearings 206 arranged on the table 203 are t1 to t6, the initial coordinates are
Figure 2011080945
And From now on, t1 to t6 when the center coordinates and orientation of the table 203 are displaced to (x, y, z, a, b, g) are obtained by the following equations.
Figure 2011080945

[アーム軸受け(関節)座標の算出]
アーム205に配置されている軸受け207の座標を、b1〜b6で表すと、次式となる。

Figure 2011080945
[Calculation of arm bearing (joint) coordinates]
When the coordinates of the bearing 207 arranged on the arm 205 are represented by b1 to b6, the following expression is obtained.
Figure 2011080945

[逆運動学]
パラレルリンク構造における、テーブル203を変位(目標座標X(x、y、z、a、b、g)へ移動)するのに必要な操作量θ(変位角度)を算出するための、逆運動学解析を行う。テーブル203の軸受け206の座標は式(6)により算出できるため、アーム205の軸受け207の座標について考える。テーブル203、アーム205がどのように変位したとしても、ロッド長lSは常に一定なので、

Figure 2011080945
の関係が成り立つ。それぞれのx、y、z成分に着目して書き直すと、次式となる。
Figure 2011080945
ここで、アーム205の軸受け207に着目すると、
Figure 2011080945
となる。本実施の形態における力覚センサ201では、アーム205の変位は微小であるため、cos(θi)=1、sin(θi)=θiと近似することで、bix、biyは固定値とみなすことができる。よって、bizのみに注目すればよく、lBsin(θi)=bizより、
Figure 2011080945
アーム変位角度θiを算出することができる。 [Inverse kinematics]
Inverse kinematics for calculating an operation amount θ (displacement angle) necessary for displacing the table 203 (moving to the target coordinates X (x, y, z, a, b, g)) in the parallel link structure. Perform analysis. Since the coordinates of the bearing 206 of the table 203 can be calculated by the equation (6), the coordinates of the bearing 207 of the arm 205 will be considered. No matter how the table 203 and arm 205 are displaced, the rod length 1S is always constant.
Figure 2011080945
The relationship holds. Rewriting with attention to each x, y, z component, the following equation is obtained.
Figure 2011080945
Here, paying attention to the bearing 207 of the arm 205,
Figure 2011080945
It becomes. In the force sensor 201 according to the present embodiment, since the displacement of the arm 205 is very small, by approximating cos (θi) = 1 and sin (θi) = θi, bix and by can be regarded as fixed values. it can. Therefore, it is only necessary to focus on biz, and since lBsin (θi) = biz,
Figure 2011080945
The arm displacement angle θi can be calculated.

[運動学]
次に、アーム205の操作量θ(変位角度)からテーブル変位Xを算出するのに必要な、運動学解析を行う。パラレルリンク構造の運動学解析として数値的反復処理を用いるので、図16にそのフロー図を示す。ここで、sは微分演算子、Kは比例定数である。変位角度cos(θi)を入力すると、何回かのフィードバック計算をした後、収束してX(テーブル変位)が得られる。図16より、

Figure 2011080945
から、次式となる。
Figure 2011080945
ゆえに、(θd)’−(θ)’+K(θd−θ)=0となり、θd−θ=eとおくと、次式のような微分方程式となる。
Figure 2011080945
この微分方程式を解くと、
Figure 2011080945
が得られる。ここで、tを無限大とすると、e(t)=0となることから、終局的にθ→θdとなり、テーブル座標Xが精度高く得られたことになる。なお、実際の計算式、計算プログラムは省略する。 [Kinematics]
Next, kinematic analysis necessary for calculating the table displacement X from the operation amount θ (displacement angle) of the arm 205 is performed. Since numerical iterative processing is used as a kinematic analysis of the parallel link structure, the flow diagram is shown in FIG. Here, s is a differential operator, and K is a proportionality constant. When the displacement angle cos (θi) is input, after performing feedback calculation several times, it converges to obtain X (table displacement). From FIG.
Figure 2011080945
From the following equation:
Figure 2011080945
Therefore, when (θd) ′ − (θ) ′ + K (θd−θ) = 0 and θd−θ = e, a differential equation such as the following equation is obtained.
Figure 2011080945
Solving this differential equation,
Figure 2011080945
Is obtained. Here, if t is infinite, e (t) = 0, so that θ → θd is finally obtained, and the table coordinates X are obtained with high accuracy. The actual calculation formula and calculation program are omitted.

[2.係数行列Gの求め方]
[2−1.反復処理による算出]
まず、反復処理により係数行列Gを算出する。軸受け206、207に接続されている各ロッド204は、いわゆるピン接続されている状態である。ピン接続されている物体には軸方向のみの力が働き、それ以外の力は発生しない。この軸方向の力はロッド204両端の座標からロッド204をベクトルとみなしたとき、x、y、z成分に分解することができる。軸方向の力をTi、そのx、y、z成分をFTix、FTiy、FTizと表したとき、Fx、Fy、Fzは次式で求めることができる。

Figure 2011080945
[2. How to find coefficient matrix G]
[2-1. Calculation by iterative processing]
First, the coefficient matrix G is calculated by iterative processing. Each rod 204 connected to the bearings 206 and 207 is in a so-called pin connection state. Only axial force acts on the pin-connected object, and no other force is generated. This axial force can be decomposed into x, y, and z components when the rod 204 is regarded as a vector from the coordinates of both ends of the rod 204. When the axial force is represented by Ti and the x, y, and z components thereof are represented by FTix, FTy, and FTiz, Fx, Fy, and Fz can be obtained by the following equations.
Figure 2011080945

ここで、FTix、FTiy、FTizは、

Figure 2011080945
となり、θx、θy、θzはロッド204と、x、y、z軸との角度であり、
Figure 2011080945
で求められる。 Here, FTix, FTy, and FTiz are
Figure 2011080945
Θx, θy, θz are angles between the rod 204 and the x, y, z axes,
Figure 2011080945
Is required.

また、Mx、My、Mzは、Fx、Fy、Fzのときと同様の考え方で求めることができる。ロッド204の軸方向の力のx、y、z成分をMTix、MTiy、MTizと表し、x、y、z軸からテーブル203の軸受け206の座標までの距離をlix、liy、lizとしたとき、Mx、My、Mzは次式で求めることができる。

Figure 2011080945
Further, Mx, My, and Mz can be obtained by the same concept as that for Fx, Fy, and Fz. When the x, y, and z components of the axial force of the rod 204 are expressed as MTix, MTy, and MTiz, and the distances from the x, y, and z axes to the coordinates of the bearing 206 of the table 203 are lix, lyy, and liz, Mx, My and Mz can be obtained by the following equations.
Figure 2011080945

ここで、MTix、MTiy、MTizは、

Figure 2011080945
となり、θzは式(18)で求められる値、θxyはxy平面とロッド204のなす角、a、b、gはアーム変位角度θiから算出されたテーブル変位(回転角)である。また、符合±はロッド204の取り付け角度によって決まる。 Here, MTix, MTy, MTiz are
Figure 2011080945
Θz is a value obtained by Expression (18), θxy is an angle formed by the xy plane and the rod 204, and a, b, and g are table displacements (rotation angles) calculated from the arm displacement angle θi. The sign ± is determined by the mounting angle of the rod 204.

次に、ロッド軸方向の力Tiと、アーム変位角度θiとの関係について考える。ロッド204とアーム205が垂直に連結されているとすると、ロッド204の軸方向の力Tiがアーム205を変形させるトルクとして働く。しかし、実際には垂直ではなくある角度を持って連結されているため、Tiをアーム205に垂直な仮想軸へ置き換える必要がある。   Next, consider the relationship between the rod axis direction force Ti and the arm displacement angle θi. Assuming that the rod 204 and the arm 205 are vertically connected, the axial force Ti of the rod 204 acts as a torque for deforming the arm 205. However, since Ti is actually connected with a certain angle instead of vertical, it is necessary to replace Ti with a virtual axis perpendicular to the arm 205.

アーム205に垂直な仮想軸をQとしたとき、Qとロッド204のなす角(θTi)からアーム205へ働く力の大きさを求めることができる。アーム205はバネ性を持っていることから、一律のバネ係数kを考慮し、アーム205の変位角度θiを求めると、

Figure 2011080945
より、ロッド軸方向の力Tiは、
Figure 2011080945
となる。 When the virtual axis perpendicular to the arm 205 is Q, the magnitude of the force acting on the arm 205 can be obtained from the angle (θTi) formed by Q and the rod 204. Since the arm 205 has a spring property, the displacement angle θi of the arm 205 is calculated in consideration of a uniform spring coefficient k.
Figure 2011080945
From the above, the force Ti in the rod axis direction is
Figure 2011080945
It becomes.

式(16)へ式(17)を、式(19)へ式(20)を代入し、そこへ上式を代入すると、

Figure 2011080945
となり、行列式で表すと、
Figure 2011080945
となる。 Substituting equation (17) into equation (16) and equation (20) into equation (19), and substituting the above equation there,
Figure 2011080945
And expressed as a determinant:
Figure 2011080945
It becomes.

係数行列Gを求めるためには各軸受け座標が必要になる。力覚センサ201へ外力を加えた状態では全ての軸受け座標に変位が生じているため、アーム変位角度θiからテーブル203の座標を算出しなければならず、ここで反復処理が必要となる。なお、力覚センサ201においてはテーブル変位量、アーム変位角度θiは微小であるため、近似的に平衡状態での係数行列Gを算出し使用する方法も可能である。   In order to obtain the coefficient matrix G, each bearing coordinate is required. In the state where an external force is applied to the force sensor 201, all bearing coordinates are displaced, so the coordinates of the table 203 must be calculated from the arm displacement angle θi, and iterative processing is required here. In the force sensor 201, since the table displacement amount and the arm displacement angle θi are very small, a method of calculating and using the coefficient matrix G in an approximately equilibrium state is also possible.

式(1)と式(24)を対比して明らかなように、力fは、検出された物理量であるアーム205の変位角度θiから求めることができる。すなわち、力覚センサ201は、テーブル203に加わる力(荷重)として、複数のベクトル量を検出することができる。   As is clear from the comparison between the equations (1) and (24), the force f can be obtained from the displacement angle θi of the arm 205 which is the detected physical quantity. That is, the force sensor 201 can detect a plurality of vector amounts as the force (load) applied to the table 203.

[2−2.線形モデルによる算出]
まず、位置運動学の解析について説明する。式(8)を|ti−bi|−lS=0としたとき、左辺はx、y、z、a、b、g、θiの関数であるのでこれを次式のように置き換える。

Figure 2011080945
[2-2. Calculation by linear model]
First, the analysis of position kinematics will be described. When Expression (8) is set to | ti−bi | 2 −1S 2 = 0, the left side is a function of x, y, z, a, b, g, and θi, so this is replaced as follows.
Figure 2011080945

式(25)を平衡状態((x、θ)=0)の近傍で級数展開すれば、

Figure 2011080945
が得られる。ここでδx、δθはそれぞれx、θの平衡状態からの微小な変化を表し、O(δ・)はδx、δθの2次以上の項を意味する。lSが常に一定であることからψ(0,0)=0であり、高次項O(δ・)を無視すると式(26)は、
Figure 2011080945
となる。これを整理するとテーブル203の微小変位δxに対するアーム205の微小変位θの関係が、
Figure 2011080945
で求められる。 If equation (25) is expanded in the vicinity of the equilibrium state ((x, θ) = 0),
Figure 2011080945
Is obtained. Here, δx and δθ represent minute changes from the equilibrium state of x and θ, respectively, and O (δ · 2 ) means a second or higher order term of δx and δθ. Since lS is always constant, ψ (0,0) = 0, and ignoring the high-order term O (δ · 2 ),
Figure 2011080945
It becomes. To summarize this, the relationship of the minute displacement θ of the arm 205 to the minute displacement δx of the table 203 is
Figure 2011080945
Is required.

次に、力覚センサ201の特性について説明する。テーブル203に加わる外力(f=[Fx Fx Fy Fz Mz My Mx])と、アーム205の軸受け207にかかる(アーム205を変形させる)トルク(τ=[τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6])との間には、仮想仕事の原理から次の関係が成り立つ。

Figure 2011080945
Next, the characteristics of the force sensor 201 will be described. Between the external force applied to the table 203 (f = [Fx Fx Fy Fz Mz My Mx]) and the torque (τ = [τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6]) applied to the bearing 207 of the arm 205 (deforms the arm 205) The following relationship holds from the principle of virtual work.
Figure 2011080945

式(28)を上式へ代入すると、テーブル203に加わる力とアーム205の軸受け207周りのトルクの関係が

Figure 2011080945
となり、軸受けトルクτiはアーム205の回転変位δθiに比例することから、テーブル203に加わる力とアーム205の回転変位の関係が、
Figure 2011080945
として得られる。 Substituting equation (28) into the above equation, the relationship between the force applied to the table 203 and the torque around the bearing 207 of the arm 205 is
Figure 2011080945
Since the bearing torque τi is proportional to the rotational displacement δθi of the arm 205, the relationship between the force applied to the table 203 and the rotational displacement of the arm 205 is
Figure 2011080945
As obtained.

式(1)と式(30)を対比して明らかなように、力fは、検出された物理量であるアーム205の回転変位δθiから求めることができる。すなわち、力覚センサ201は、テーブル203に加わる力(荷重)として、複数のベクトル量を検出することができる。   As can be seen by comparing the equations (1) and (30), the force f can be obtained from the rotational displacement δθi of the arm 205, which is the detected physical quantity. That is, the force sensor 201 can detect a plurality of vector amounts as the force (load) applied to the table 203.

[2−3.測定データによる算出]
力覚センサ201の各軸(Fx Fy Fz Mz My Mx)ごとに、例えば定格負荷を加えたときの出力を測定する。図17に力覚センサ201の出力特性の表を示す。この結果をもとに、ある特性の検査軸に対し、出力も特定軸のみ出力が得られるような係数を求めれば良い。これは、定格負荷が対角に並んだ行列になるような補正行列係数Hになる。

Figure 2011080945
[2-3. Calculation based on measurement data]
For example, the output when a rated load is applied is measured for each axis (Fx Fy Fz Mz My Mx) of the force sensor 201. FIG. 17 shows a table of output characteristics of the force sensor 201. On the basis of this result, it is only necessary to obtain a coefficient that can output only a specific axis for an inspection axis having a certain characteristic. This is a correction matrix coefficient H such that the rated load is a diagonally arranged matrix.
Figure 2011080945

図17の表を、アーム変位角度(θ)と出力(v)の関係を式で表すと、

Figure 2011080945
であり、この右辺へ補正行列係数Hを掛けることで、次式に示す力が得られる。
Figure 2011080945
The relationship between the arm displacement angle (θ) and the output (v) can be expressed by a formula in the table of FIG.
Figure 2011080945
By multiplying the right side by the correction matrix coefficient H, the force shown in the following equation is obtained.
Figure 2011080945

式(1)と式(34)を対比して明らかなように、力fは、検出された物理量であるアーム205の変位角度θから求めることができる。すなわち、力覚センサ201は、テーブル203に加わる力(荷重)として、複数のベクトル量を検出することができる。   As is clear from the comparison between Expression (1) and Expression (34), the force f can be obtained from the displacement angle θ of the arm 205 which is the detected physical quantity. That is, the force sensor 201 can detect a plurality of vector amounts as the force (load) applied to the table 203.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、アームの変位および/または変形を検出する検出素子として、アームに圧電素子や、ベースに静電容量素子、光素子(例えばレーザ)などを設けても良い。また、アームを水晶で作製し、固有振動の変化を捉えることもできる。このように、アームの変位および/または変形の検出は、アームの歪、変化量などを例えば変換した電気信号から行うことができる。   For example, as a detection element for detecting displacement and / or deformation of the arm, a piezoelectric element may be provided on the arm, a capacitive element, an optical element (for example, a laser), or the like may be provided on the base. In addition, the arm can be made of quartz to capture changes in natural vibration. As described above, the detection of the displacement and / or deformation of the arm can be performed from, for example, an electric signal obtained by converting the distortion and change amount of the arm.

また、例えば、力覚センサや運動センサを設置部に設置する場合、その設置部をベースとみなして、その設置部上にアーム、軸受け、ロッド、テーブルなどを組み上げれば、ベース無しの構造の力覚センサや運動センサとすることができる。   For example, when a force sensor or a motion sensor is installed in an installation part, if the installation part is regarded as a base and an arm, a bearing, a rod, a table, etc. are assembled on the installation part, a structure without a base is obtained. It can be set as a force sensor or a motion sensor.

本発明は、力覚センサ、運動センサおよびそれを用いたロボット分野に幅広く利用されるものである。   The present invention is widely used in the field of force sensors, motion sensors, and robots using the same.

1、1a センサ(力覚センサ)
2、2a ベース
3 テーブル
4 ロッド
4a リニアアクチュエータ
5 アーム
5a ジンバル(アーム)
6 軸受け(第1軸受け)
7、7a 軸受け(第2軸受け)
8 歪ゲージ(検出素子)
9 アーム取付台
10 回路基板
11 アンプ
12 A/D変換器
13 CPU(演算部)
14 メモリ
15 D/A変換器
20 磁気識別素子(検出素子)
20a 磁気抵抗素子
20b 磁石
21 ストッパ
22 磁気抵抗素子
23 磁石
30 静電容量素子(検出素子)
30a、30b 電極
31 接続部
101 センサ(力覚センサ)
102 ベース
103 テーブル
103a 孔
104 連結部
105 ベース
105a 孔
106 軸受け(第1軸受け)
107 軸受け(第2軸受け)
108 静電容量素子(検出素子)
110 回路基板
201 センサ(力覚センサ)
202 ベース
203 テーブル
204 連結部
205 アーム
206 軸受け(第1軸受け)
207 軸受け(第2軸受け)
208 検出素子
210 回路基板
SD 検出素子
1, 1a sensor (force sensor)
2, 2a Base 3 Table 4 Rod 4a Linear actuator 5 Arm 5a Gimbal (arm)
6 Bearing (first bearing)
7, 7a Bearing (second bearing)
8 Strain gauge (detection element)
9 Arm Mounting Base 10 Circuit Board 11 Amplifier 12 A / D Converter 13 CPU (Calculation Unit)
14 Memory 15 D / A Converter 20 Magnetic Identification Element (Detection Element)
20a Magnetoresistive element 20b Magnet 21 Stopper 22 Magnetoresistive element 23 Magnet 30 Capacitance element (detecting element)
30a, 30b Electrode 31 Connection part 101 Sensor (force sensor)
102 base 103 table 103a hole 104 connecting portion 105 base 105a hole 106 bearing (first bearing)
107 Bearing (second bearing)
108 Capacitance element (detection element)
110 circuit board 201 sensor (force sensor)
202 Base 203 Table 204 Connecting portion 205 Arm 206 Bearing (first bearing)
207 Bearing (second bearing)
208 detecting element 210 circuit board SD detecting element

Claims (2)

ベースと、
前記ベースに対して6自由度を有し、前記ベースと対向して配置されたテーブルと、
前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された6つの連結部と、
を備えた力覚センサであって、
前記連結部が、前記テーブルの可動を受ける3自由度を有する第1軸受けと、前記第1軸受けの可動を受ける2自由度を有する第2軸受けと、前記ベースに固定され、前記第2軸受けの可動を受けるアームと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、
前記ベースと前記アームは、バネ性をもつジンバル構造となるように一体成型されており、
前記アームの変位および/または変形を検出する検出素子と、
前記検出素子の検出値を成分とする行列Dから、力を示すベクトルFへ変換するための係数行列Gを用いて、
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
から前記テーブルもしくは前記ベースに作用する力の大きさおよび/または方向を計算する演算部と、
を備えていることを特徴とする力覚センサ。
Base and
A table having six degrees of freedom with respect to the base and disposed opposite the base;
6 connecting portions arranged in parallel to connect the table and the base;
A force sensor comprising:
The connecting portion is fixed to the base, a first bearing having three degrees of freedom to receive the movement of the table, a second bearing having two degrees of freedom to receive the movement of the first bearing, and the second bearing An arm that receives the movement, and the table and the base are connected,
The base and the arm are integrally molded so as to have a gimbal structure having a spring property,
A detection element for detecting displacement and / or deformation of the arm;
Using a coefficient matrix G for converting the matrix D having the detection value of the detection element into a vector F indicating force,
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
Figure 2011080945
A calculation unit for calculating the magnitude and / or direction of the force acting on the table or the base from
A force sensor characterized by comprising:
前記行列Dの成分は、前記アームの変位または変位角度であることを特徴とする請求項1記載の力覚センサ。   The force sensor according to claim 1, wherein the component of the matrix D is a displacement or a displacement angle of the arm.
JP2009235122A 2009-10-09 2009-10-09 Force sensor Pending JP2011080945A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009235122A JP2011080945A (en) 2009-10-09 2009-10-09 Force sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009235122A JP2011080945A (en) 2009-10-09 2009-10-09 Force sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011080945A true JP2011080945A (en) 2011-04-21

Family

ID=44075130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009235122A Pending JP2011080945A (en) 2009-10-09 2009-10-09 Force sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011080945A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015068700A1 (en) * 2013-11-05 2015-05-14 日本精工株式会社 Force sensor
US9149930B2 (en) 2012-07-20 2015-10-06 Seiko Epson Corporation Control system, program, and method of controlling mechanical equipment
CN107448186A (en) * 2017-09-27 2017-12-08 中国地质大学(武汉) A kind of drilling well three-dimensional force sensor based on six side chain parallel institutions
CN114473348A (en) * 2022-03-28 2022-05-13 理工造船(鄂州)股份有限公司 Positioning welding device and method for ship stern tube and compound plate

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9149930B2 (en) 2012-07-20 2015-10-06 Seiko Epson Corporation Control system, program, and method of controlling mechanical equipment
WO2015068700A1 (en) * 2013-11-05 2015-05-14 日本精工株式会社 Force sensor
JPWO2015068700A1 (en) * 2013-11-05 2017-03-09 日本精工株式会社 Force sensor
US9989427B2 (en) 2013-11-05 2018-06-05 Nsk Ltd. Force sensor
CN107448186A (en) * 2017-09-27 2017-12-08 中国地质大学(武汉) A kind of drilling well three-dimensional force sensor based on six side chain parallel institutions
CN114473348A (en) * 2022-03-28 2022-05-13 理工造船(鄂州)股份有限公司 Positioning welding device and method for ship stern tube and compound plate
CN114473348B (en) * 2022-03-28 2024-03-29 理工造船(鄂州)股份有限公司 Positioning welding device and method for ship tail shaft tube and compound plate

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4389001B1 (en) Force sensor and motion sensor
Kim et al. A novel six-axis force/torque sensor for robotic applications
CN110050179B (en) Multi-axis force sensor
Yang et al. A new piezo-driven microgripper based on the double-rocker mechanism
Tian et al. A flexure-based five-bar mechanism for micro/nano manipulation
Aiguo et al. Multi-dimensional force sensor for haptic interaction: A review
JP2005140727A (en) Strain gauge type sensor and strain gauge type sensor unit using the same
JP4909583B2 (en) Multi-axis load cell
JP5467290B2 (en) Articulated robot system, articulated robot, force measurement module, force measurement method and program
KR101601094B1 (en) Measuring System of Inertia and Mass Center
JP3168179U (en) Force sensor and six-dimensional force detection device
JP2013064706A (en) Sensor
JP2011080945A (en) Force sensor
Liang et al. Design and analysis of a novel six-component F/T sensor based on CPM for passive compliant assembly
Sun et al. Design and analysis of a large-range precision micromanipulator
Nasab et al. Design and development of a multi-axis force sensor based on the hall effect with decouple structure
CN111512118A (en) Detection mass offset compensation
JP2008107257A (en) Acceleration sensor
Liang et al. PM based multi-component F/T sensors—State of the art and trends
Hong et al. A novel elastic structure for three-axis force/torque sensor: Kinematic design and feasibility study
JP2008096230A (en) Strain gauge type sensor
Reynaerts et al. Design of an advanced computer writing tool
JP2008096230A5 (en)
JP5719521B2 (en) 3-axis force sensor
Liang et al. Micromanipulator with integrated force sensor based on compliant parallel mechanism