JP2011257202A - Force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力覚センサ、特に、多自由度の軸受け部（ジョイント）を備えた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 force sensor having a multi-degree-of-freedom bearing (joint).
所定の部材（例えば、テーブル）に作用する力（外力）を検出する装置として、例えば、閉リンク機構を備えた力覚センサがある。この閉リンク機構は、複数のリンクが軸受け部で接続されたリンク機構であって、軸受け部で連結されたリンクで閉ループを構成するものである。 As a device for detecting a force (external force) acting on a predetermined member (for example, a table), for example, there is a force sensor provided with a closed link mechanism. This closed link mechanism is a link mechanism in which a plurality of links are connected by a bearing portion, and constitutes a closed loop with the links connected by the bearing portion.
例えば、特許第４３８９００１号（特許文献１）には、閉リンク機構を備えた力覚センサに関する技術が開示されている。この力覚センサは、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ているものである。この並列配置された６つの連結部（パラレルリンク）により、閉リンク機構が構成されている。 For example, Japanese Patent No. 4389001 (Patent Document 1) discloses a technique related to a force sensor having a closed link mechanism. The force sensor has a base, a table having six degrees of freedom with respect to the base, and a table arranged opposite to the base, and six connecting portions arranged in parallel to connect the table and the base. It is equipped with. The six link portions (parallel links) arranged in parallel constitute a closed link mechanism.
図１０は本発明者らが検討した閉リンク機構を備えた力覚センサ１０１を模式的に示す側面図であり、図１１は本発明者らが検討した軸受け部１０６、１０７を模式的に示す断面図である。なお、この力覚センサ１０１に関連する技術が、特許文献１にも開示されている。
FIG. 10 is a side view schematically showing a
図１０に示すように、力覚センサ１０１は、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テーブル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１１０とを備えている。各連結部１１０は、ロッド１０４、アーム１０５、および軸受け部１０６、１０７を含んでテーブル１０３とベース１０２とを連結している。また、力覚センサ１０１は、それぞれのアーム１０５に設けられた検出素子１０９（例えば、歪センサ）と、ベース１０２に設けられた演算部を含む回路基板１１１とを備えている。
As shown in FIG. 10, the
軸受け部１０６は、テーブル１０３に設けられ、テーブル１０３の可動を受けるものであり、３自由度を有する。また、軸受け部１０７は、ロッド１０４を介して軸受け部１０６の可動を受けるものであり、２自由度を有する。アーム１０５は、一端に軸受け部１０７が設けられ、他端で取付台１０２Ａを介してベース１０２と固定されている。ロッド１０４は、一端が軸受け部１０６を介してテーブル１０３と接続され、他端が軸受け部１０７を介してアーム１０５と接続されている。
The
軸受け部１０６、１０７は、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受けを用いる。図１１に示すような球面軸受けを用いた場合、軸受け部１０６、１０７では、ロッド１０４の両端にジャーナル１１２としての鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレース１１３（受け部）が設けられる。
The
これら球面軸受けでは、ジャーナル１１２とレース１１３との間の摺動抵抗を減らすために、それらの表面はフッ素樹脂等のコーティングが施されている。しかし、このような球面滑り軸受け部を用いた場合、ロッド１０４からの力がジャーナル１１２に伝わると、ジャーナル１１２とレース１１３との摺動抵抗は増加し、力のロスが発生してしまう。また、ジャーナル１１２とレース１１３との間には内部すきま１１４が存在し、この内部すきま１１４によってテーブル１０３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
In these spherical bearings, in order to reduce the sliding resistance between the
また、ジャーナルとしての鋼球（太陽球）とレースの間に小さな鋼球（遊星球）を入れて摺動抵抗を抑えた球面軸受けとして、転がり球面軸受けがある。しかし、転がり球面軸受けは、鋼球同士が点接触であるため衝撃に弱く、転がるためには内部すきまを完全になくすことは出来ない。このため、軸受け部として転がり軸受け部を用いた場合であっても、テーブル３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。 In addition, there is a rolling spherical bearing as a spherical bearing in which a small steel ball (planetary sphere) is inserted between a steel ball (sun sphere) as a journal and a race to suppress sliding resistance. However, the rolling spherical bearing is weak against impact because the steel balls are in point contact with each other, and the internal clearance cannot be completely eliminated for rolling. For this reason, even if it is a case where a rolling bearing part is used as a bearing part, the play that the position of the table 3 will not be settled will generate | occur | produce.
このような球面軸受けは、摺動抵抗を低減するように高性能とすればするほど部材などにより製造コストが高くなってしまう。また、性能を高めた軸受け部（高精度の軸受け部）であっても、摺動抵抗、内部すきまを完全に解消することはできない。また、力覚センサの小型化の要求に対して、転がり球面軸受けは、サイズにも限界がある。すなわち、力覚センサのコストダウン化・小型化の障害も発生してしまう。 The higher the performance of such a spherical bearing is, the lower the manufacturing cost is. In addition, even with a bearing portion with improved performance (high-precision bearing portion), the sliding resistance and internal clearance cannot be completely eliminated. In addition, the rolling spherical bearing has a limit in size in response to the demand for downsizing the force sensor. That is, an obstacle to cost reduction and downsizing of the force sensor occurs.
本発明の目的は、力覚センサの検出精度を向上することのできる技術を提供することにある。また、本発明の他の目的は、力覚センサのコストダウン化を図ることのできる技術を提供することにある。また、本発明の他の目的は、力覚センサの小型化を図ることのできる技術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。 The objective of this invention is providing the technique which can improve the detection accuracy of a force sensor. Another object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the cost of the force sensor. Another object of the present invention is to provide a technique capable of downsizing a force sensor. 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。一実施形態における力覚センサは、ベースと、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複数の連結部とを備え、前記テーブルに作用する直交座標系の３軸の力成分およびその３軸回りのモーメント成分の計６成分を検出するものである。前記連結部は、前記テーブルの可動を受ける第１軸受け部と、前記第１軸受け部の可動を受ける第２軸受け部と、一端が前記第１軸受け部と接続され、他端が前記第２軸受け部と接続されたロッドと、一端が前記第２軸受け部と接続され、他端が前記ベースと固定されたアームとを有している。前記アームは、前記ベース、テーブルおよびロッドより弾性が高いものである。ここで、前記力覚センサは、前記複数の連結部のアームのそれぞれに対して、アームの変形を一方向で検出する複数の検出素子と、前記複数の検出素子の検出値からキャリブレーションを行って前記テーブルに作用する前記６成分を計算する演算部とを備えている。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows. A force sensor according to an embodiment includes a base, a table arranged to face the base, and a plurality of connecting portions arranged in parallel to connect the table and the base, and acts on the table. A total of six components, that is, a three-axis force component of the orthogonal coordinate system and a moment component around the three axes, are detected. The connecting portion includes a first bearing portion that receives the movement of the table, a second bearing portion that receives the movement of the first bearing portion, one end connected to the first bearing portion, and the other end connected to the second bearing. A rod connected to the portion, an arm connected to the second bearing portion at one end, and an arm fixed to the base at the other end. The arm is more elastic than the base, table and rod. Here, the force sensor calibrates each of the arms of the plurality of connecting portions from a plurality of detection elements that detect the deformation of the arm in one direction and detection values of the plurality of detection elements. And an arithmetic unit for calculating the six components acting on the table.
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れば、力覚センサの検出精度を向上することができる。 If the effect obtained by the representative one of the inventions disclosed in the present application is briefly described, the detection accuracy of the force sensor can be improved.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施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.
（実施形態１）
本実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサの構造について図面を参照して説明する。図１に力覚センサ１の側面を一部透視した状態で示す。また、図２に力覚センサ１の上面を示す。また、図３に一部（テーブル３など）を取り外した力覚センサ１の上面を示す。なお、図２では、図３との位置関係を明確にするために、軸受け部７を透視した状態で示している。
(Embodiment 1)
A structure of a force sensor having a closed link mechanism in the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a part of the side surface of the
力覚センサ１は、テーブル３に作用する力（負荷）の大きさと方向を、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸の力成分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。
The
このため、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テーブル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１０とを備えている。この６つの連結部１０によって、力覚センサ１では、閉リンク機構が構成される。また、力覚センサ１では、テーブル３の周方向に沿って連結部１０が６本設けられ、２本ずつで並設されており、２本の連結部１０がテーブル３（ベース２）の中心から１２０°間隔で並列配置されている。
Therefore, the
また、力覚センサ１は、６つの連結部１０のそれぞれに対して、アーム５の変形を一方向で検出する６つの検出素子９と、この６つの検出素子９の検出値からテーブル３に作用する力の大きさと方向を計算する演算部を有する回路基板１１とを備えている。この演算部では、後述するが、６つの検出素子９の検出値からキャリブレーションを行ってテーブル３に作用する６成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計算する。
Further, the
各連結部１０は、テーブル３の可動を受ける軸受け部６と、軸受け部６の可動を受ける軸受け部７と、一端が軸受け部６と接続され、他端が軸受け部７と接続されたロッド４と、一端が軸受け部７と接続され、他端がベース２と固定されたアーム５とを有してテーブル３とベース２とを連結している。本実施形態における軸受け部６、７は、球面軸受けのように摺動などによる自由度がないもの（０自由度）である。また、アーム５は、ベース２、テーブル３およびロッド４を剛体とみたときに、これらより弾性が高いもの（弾性体）となっている。
Each connecting
例えば、ベース２、テーブル３、ロッド４は、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ものである。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ものである。なお、アーム５は、テーブル３への負荷が１０Ｎ以下の低負荷であれば、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。
For example, the
軸受け部６は、テーブル３とロッド４とを剛結合するもの（剛結合部材）であり、自由度がないもの（０自由度）である。軸受け部６は、テーブル３に対してのロッド４の角度を調整して、例えば組み付け、接合、溶接などによって、テーブル３とロッド４とを剛結合している。また、軸受け部７は、ロッド４とアーム５とを剛結合するもの（剛結合部材）であり、自由度がないもの（０自由度）である。軸受け部７は、アーム５に対してのロッド４の角度を調整して、例えば組み付け、接合、溶接などによって、アーム５とロッド４とを剛結合している。
The
軸受け部６、７は、図１１を参照して説明したような軸受け部１０６、１０７のような内部すきま１１４があるものではない。このため、力覚センサ１は、軸受け部に内部すきまがあることによるガタの発生を防止することができる。言い換えると、内部すきまがない構造であるため、テーブル３とロッド４の一端とが直に軸受け部６で接続され、また、ロッド４の他端とアーム５の一端とが直に接続されているものとみなすことができるため、力覚センサ１では、軸受け部に内部すきまがあることによるガタの発生を防止することができる。
The bearing
また、力覚センサ１では、１つのベース２に６つの連結部１０のアーム５が取付台２Ａを介して固定されている。前述したように、アーム５は、ベース２、テーブル３およびロッド４より弾性が高いので、ベース２に対して、６つの連結部１０のアーム５のそれぞれが一方向に変形（平面変形）するものとなる。また、すべてのアーム５は、片持ち構造であって、同一平面内で取付台２Ａから外側へ広がるように設けられている。アーム５を同一平面内に設けることで、例えば図１０で示した力覚センサ１０１よりも、力覚センサ１のｚ軸方向の薄型化を図ることができる。
In the
また、ベース２は、カップ状に形成されており、その内部の中央で突起するように取付部２Ａが形成されている。アーム５は取付台２Ａを介してベース２と一体成形となるように固定されている。また、そのカップの縁とテーブル３との間にギャップが形成されているが、ロッド４やアーム５を有する連結部１０はカップ状のベース２内に設けられている。このように、連結部１０をカップ内に配置することで、連結部１０を保護することができる。したがって、精度の高い力覚センサ１の信頼性を向上することができる。
Moreover, the
アーム５とベース２の取付台２Ａとは、例えば、溶接で固定することができる。また、ベース２とアーム５とを一体成型して、それらを固定することもできる。この場合、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、その部分が特定負荷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形成することができる。したがって、部品点数を減らすことができるので、力覚センサ１の製造コストを低減することができる。
The
アーム５の一方向の変形は、それに接続された軸受け部７を介して検出素子９で検出される。力覚センサ１では、図１に示すように、軸受け部７の下方に検出素子９を設けている。検出素子９としては、例えば、アーム５の変形を変位として捉える変位センサを用いることができる。本実施形態では、カップ状のベース２の内部に、ベース２と固定して回路基板１１を設けている。この回路基板１１上に、例えば、変位センサなどの検出素子９が設けられている。言い換えると、検出素子９は回路基板１１を介してベース２に設けられている。６つの連結部１０のアーム５のそれぞれが、ベース２に対して一方向に変形するものとなっているため、アーム５の変形を一方向で検出する検出素子９を、ベース２に設けることができる。
The deformation of the
なお、本実施形態では、検出素子９を軸受け部７の下方に設けているが、ベース２をカップ状とすることで、検出素子９を軸受け部７の側方となるカップの縁側に設けることもできる。これにより、力覚センサ１の厚さ方向に部材（ここでは、検出素子９）を設ける必要がなくなるので、力覚センサ１を薄型化することができる。
In the present embodiment, the
ところで、本発明者らは、摺動抵抗や内部すきまによる誤差成分が非常に小さいか、あるいは、誤差成分を含むアーム変位特性が線型（比例）とみなすことができれば、精度良い特性の力覚センサを得ることができることを見出している。ここで、誤差成分とは検出センサの測定誤差と、軸受け部の摺動抵抗、校正部品の加工精度などによる特性（ゲイン）のズレとを指す。なお、本実施形態における力覚センサ１では、連結部１０は軸受け部６、７によって剛結合されているので摺動抵抗がない。このため、誤差成分が低減されている。
By the way, if the error component due to the sliding resistance or the internal clearance is very small, or if the arm displacement characteristic including the error component can be regarded as linear (proportional), the force sensor has a high-precision characteristic. That you can get. Here, the error component indicates a measurement error of the detection sensor and a deviation in characteristics (gain) due to a sliding resistance of the bearing portion, a processing accuracy of the calibration component, and the like. In the
力覚センサ１のようにアーム５の変位を一方向で得られる構造であっても、力に換算したときに、誤差成分により他軸出力が生じてしまう。図４（ａ）に、力成分Ｆｘ（定格１００［Ｎ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性を示す。
Even when the displacement of the
力成分Ｆｘのみをテーブル３に作用させた場合、本来であれば、検出特性としては、他の成分は出力（他軸出力）が０であり、力成分Ｆｘのみが線型（比例）で出力されなければならない。しかしながら、図４（ａ）に示すように、力成分Ｆｘの他にも、他の成分による出力（他軸出力）が生じている。なお、この他軸出力は、誤差成分に起因していることを本発明者らは見出している。 When only the force component Fx is applied to the table 3, the output (other axis output) of other components is 0 as the detection characteristics, and only the force component Fx is output linearly (proportional). There must be. However, as shown in FIG. 4A, in addition to the force component Fx, an output (another axis output) by other components is generated. The present inventors have found that this other-axis output is caused by an error component.
また、図５（ａ）に、力成分Ｆｙ（定格１００［Ｎ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性を示す。また、図６（ａ）に、力成分Ｆｚ（定格２００［Ｎ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性を示す。これら図５（ａ）および図６（ａ）からも、誤差成分による他軸出力が生じていることがわかる。
FIG. 5A shows test loads (units [N] or [Nm]) for six components when only the force component Fy (rated 100 [N]) is applied to the table of the
また、図７（ａ）に、モーメント成分Ｍｘ（定格５［Ｎｍ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性を示す。また、図８（ａ）に、モーメント成分Ｍｙ（定格５［Ｎｍ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性を示す。また、図９（ａ）に、モーメント成分Ｍｚ（定格５［Ｎｍ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性を示す。これら図７（ａ）、図８（ａ）および図９（ａ）からも、誤差成分による他軸出力が生じていることがわかる。
FIG. 7A shows test loads (units [N] or [Nm]) for six components when only the moment component Mx (rated 5 [Nm]) is applied to the table of the
ここで、他軸出力も線型で得られていることに着目し、本実施形態における力覚センサ１では、キャリブレーション行列による補正を行うことで、他軸出力を抑え、本来の出力を得ることとしている。以下では、力の算出および補正方法について説明する。
Here, paying attention to the fact that the other axis output is also obtained in a linear form, the
力覚センサ１においてアーム５の変位から力を算出するには、次式の計算が必要になる。
ｆは力覚センサへ働く外力６軸力成分、Ｊは力覚センサの構造によって決まる係数行列、ｄθは外力が働いた時のアーム変位角（変位量）である。軸受け部６、７を剛結合としたときのアーム変位について理論解析を行うのは非常に複雑である。そのため、実試験データを基にキャリブレーションを行い、６軸力成分を得る手法を示す。
f is an external force 6-axis force component acting on the force sensor, J is a coefficient matrix determined by the structure of the force sensor, and dθ is an arm displacement angle (displacement amount) when the external force is applied. It is very complicated to perform theoretical analysis on the arm displacement when the
キャリブレーションの実施として、例えば、１軸ずつ６軸の定格荷重におけるアームの変位量を測定する。表１に測定条件を示し、表２に測定結果を示す。
表１に示す測定条件１〜６によって、表２では６つのアーム５のそれぞれ（ＣＨ１〜ＣＨ６）で検出されるアーム変位量の測定結果が示されている。なお、表１の数値である「１００」は定格荷重に対する割合（単位［％］）を示している。
According to the
これら表１の測定条件と表２の測定結果から、次式を得ることができる。
これから、キャリブレーション行列Ｃを算出すれば良い。すなわち、キャリブレーション行列Ｃは式（５）の両辺へ測定結果の逆行列を掛けることで求めることができる。
このように得られたキャリブレーション行列Ｃを用いて、力覚センサ１の演算部（回路基板１１）によるキャリブレーション後の検出特性結果を図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）および図９（ｂ）に示す。これらの図はそれぞれ、キャリブレーション前の図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）および図９（ａ）に測定条件などが対応している。例えば、図４（ｂ）では、図４（ａ）と対応して、力成分Ｆｘ（定格１００［Ｎ］）のみを力覚センサ１のテーブルに作用させたときの、６つの成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）における試験荷重（単位［Ｎ］あるいは［Ｎｍ］）に対する定格に対する割合（単位［％］）の検出特性が示されている。
Using the calibration matrix C obtained in this way, the detection characteristic results after calibration by the calculation unit (circuit board 11) of the
例えば、キャリブレーション前の図４（ａ）と、キャリブレーション後の図４（ｂ）とを対比してみると、６成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）のうちの１つの成分Ｆｘをテーブル３に対して作用させたときに、演算部のキャリブレーションによって、成分Ｆｘのみが出力されることがわかる。 For example, when comparing FIG. 4A before calibration with FIG. 4B after calibration, one of six components (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) is selected. It can be seen that when the component Fx is applied to the table 3, only the component Fx is output by the calibration of the calculation unit.
また、図５（ａ）および図５（ｂ）より、６成分のうちの１つの成分Ｆｙをテーブル３に対して作用させたときに、演算部のキャリブレーションによって、成分Ｆｙのみが出力されることがわかる。また、図６（ａ）および図６（ｂ）より、６成分のうちの１つの成分Ｆｚをテーブル３に対して作用させたときに、演算部のキャリブレーションによって、成分Ｆｚのみが出力されることがわかる。 Further, from FIG. 5A and FIG. 5B, when one component Fy of the six components is applied to the table 3, only the component Fy is output by calibration of the calculation unit. I understand that. Further, from FIG. 6A and FIG. 6B, when one component Fz of the six components is applied to the table 3, only the component Fz is output by calibration of the calculation unit. I understand that.
また、図７（ａ）および図７（ｂ）より、６成分のうちの１つの成分Ｍｘをテーブル３に対して作用させたときに、演算部のキャリブレーションによって、成分Ｍｘのみが出力されることがわかる。また、図８（ａ）および図８（ｂ）より、６成分のうちの１つの成分Ｍｙをテーブル３に対して作用させたときに、演算部のキャリブレーションによって、成分Ｍｙのみが出力されることがわかる。また、図９（ａ）および図９（ｂ）より、６成分のうちの１つの成分Ｍｚをテーブル３に対して作用させたときに、演算部のキャリブレーションによって、成分Ｍｚのみが出力されることがわかる。 7A and 7B, when one component Mx of the six components is applied to the table 3, only the component Mx is output by the calibration of the calculation unit. I understand that. Further, from FIG. 8A and FIG. 8B, when one of the six components My is applied to the table 3, only the component My is output by calibration of the calculation unit. I understand that. Further, from FIG. 9A and FIG. 9B, when one component Mz of the six components is applied to the table 3, only the component Mz is output by calibration of the calculation unit. I understand that.
このように、力覚センサ１では、他軸出力のアーム変位特性が線型であるため、キャリブレーション行列による補正を行うことで、他軸出力を抑えて本来の出力を得ることができる。したがって、力覚センサ１のテーブル３に作用する力（負荷）の大きさと方向を検出する精度を向上することができる。
As described above, in the
また、キャリブレーションを行うことは、閉リンク機構のジョイント部を、軸受け（例えば、球面軸受け）を採用せず、剛結合としても、アーム変位特性を線型とみなすことができれば、力覚センサの精度が得られることを示している。例えば、力覚センサ１の軸受け部６、７を採用せずに、テーブル３とロッド４の一端が直に接続され、ロッド４の他端とアーム５の一端とが直に接続されたとしても良い。この場合、力覚センサ１では、軸受け部６、７を採用しないため、コストダウン化を図ることができ、また、小型化を図ることができる。
In addition, if the joint displacement of the closed link mechanism does not employ a bearing (for example, a spherical bearing) and the arm displacement characteristic can be regarded as a linear shape, the calibration of the force sensor can be performed. Is obtained. For example, even if the
（実施形態２）
前記実施形態１における力覚センサ１では、軸受け部６、７は自由度がないもの（０自由度）として説明した。本実施形態では、図１０、図１１に示した力覚センサ１０１のように、軸受け部６を３自由度とし、軸受け部７を２自由度とした場合について説明する。
(Embodiment 2)
In the
このように、軸受け部６を３自由度とし、軸受け部７を２自由度とした場合であっても、摺動抵抗や内部すきまによる誤差成分が非常に小さいか、あるいは、誤差成分を含むアーム変位特性が線型（比例）とみなすことができれば、同様の効果を得ることができる。すなわち、前述したキャリブレーション行列による補正を行うことで、力覚センサ１のテーブル３に作用する力（負荷）の大きさと方向を検出する精度を向上することができる。
Thus, even when the bearing
軸受け部６を３自由度とし、軸受け部７を２自由度とすることによって、他軸出力の発生を抑制することができる。しかしながら、前述したように、３自由度、２自由度の軸受け部として採用される球面軸受けでは、摺動抵抗、内部すきまを完全に解消することはできず、力覚センサの検出精度に誤差成分が含まれてしまう。
By setting the bearing
そこで、前述したキャリブレーション行列による補正を行うことで、力覚センサ１のテーブル３に作用する力（負荷）の大きさと方向を検出する精度をより向上することができる。
Therefore, by performing the correction using the calibration matrix described above, the accuracy of detecting the magnitude and direction of the force (load) acting on the table 3 of the
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。 As mentioned above, although the invention made | formed by this inventor was concretely demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment.
また、例えば、前記実施形態では、テーブルが負荷を受ける場合を示すが、ベースが負荷を受ける場合でも同様に、物体に加えられた力（外力）を検出することができる。 For example, although the table shows a case where the table receives a load, the force (external force) applied to the object can be similarly detected even when the base receives the load.
また、例えば、前記実施形態では、力覚センサに用いた場合について説明したが、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）にも用いることができる。 For example, in the above-described embodiment, the case where the force sensor is used is described. However, the force sensor that detects the force (external force) applied to the object is detected from the inertial force generated from the movement of the object. It can also be used for a device (motion sensor).
また、例えば、アームの変位または変形の少なくともいずれか一方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）、磁気識別素子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、アームの変位または変形の少なくともいずれか一方の検出は、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。 Further, for example, as a detection element for detecting at least one of displacement or deformation of the arm, a piezoelectric element may be provided on the arm, a capacitance element, an optical element (for example, a laser), a magnetic identification element, or the like may be provided on the base. . In addition, the arm can be made of quartz to capture changes in natural vibration. In this way, detection of at least one of the displacement or deformation of the arm can be performed from an electric signal obtained by converting, for example, the distortion and change amount of the arm.
１、１０１ 力覚センサ
２、１０２ ベース
２Ａ、１０２Ａ 取付台
３、１０３ テーブル
４、１０４ ロッド
５、１０５ アーム
６、１０６ 軸受け部
７、１０７ 軸受け部
９、１０９ 検出素子
１０、１１０ 連結部
１１、１１１ 回路基板
１１２ ジャーナル
１１３ レース
１１４ 内部すきま
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Force sensor 2,102
Claims (4)
前記連結部は、前記テーブルの可動を受ける第１軸受け部と、前記第１軸受け部の可動を受ける第２軸受け部と、一端が前記第１軸受け部と接続され、他端が前記第２軸受け部と接続されたロッドと、一端が前記第２軸受け部と接続され、他端が前記ベースと固定されたアームとを有しており、
前記アームは、前記ベース、テーブルおよびロッドより弾性が高いものであり、
前記複数の連結部のアームのそれぞれに対して、該アームの変形を一方向で検出する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の検出値からキャリブレーションを行って前記テーブルに作用する前記６成分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。 A three-axis force component of a Cartesian coordinate system that acts on the table, comprising: a base; a table disposed opposite to the base; and a plurality of connecting portions arranged in parallel to connect the table and the base. And a force sensor for detecting a total of six components of moment components around the three axes,
The connecting portion includes a first bearing portion that receives the movement of the table, a second bearing portion that receives the movement of the first bearing portion, one end connected to the first bearing portion, and the other end connected to the second bearing. A rod connected to the part, an arm having one end connected to the second bearing part and the other end fixed to the base,
The arm is more elastic than the base, table and rod;
For each of the arms of the plurality of connecting portions, a plurality of detection elements that detect deformation of the arm in one direction;
A force sensor comprising: an arithmetic unit that performs calibration from detection values of the plurality of detection elements and calculates the six components acting on the table.
前記演算部のキャリブレーションによって、前記６成分のうちの１成分を前記テーブルに対して作用させたときに、前記１成分のみが出力されることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1,
The force sensor according to claim 1, wherein when one of the six components is applied to the table by calibration of the calculation unit, only the one component is output.
前記第１および第２軸受け部は、自由度がないことを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1 or 2,
The force sensor according to claim 1, wherein the first and second bearing portions have no degree of freedom.
前記第１軸受け部で、前記テーブルと前記ロッドの一端とが直に接続されており、
前記第２軸受け部で、前記ロッドの他端と前記アームの一端とが直に接続されていることを特徴とする力覚センサ。 The force sensor according to claim 1, 2, or 3,
In the first bearing portion, the table and one end of the rod are directly connected,
In the second bearing portion, the other end of the rod and one end of the arm are directly connected to each other.
Priority Applications (1)
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| JP2010130604A JP2011257202A (en) | 2010-06-08 | 2010-06-08 | Force sensor |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200108881A (en) * | 2018-01-24 | 2020-09-21 | 아베엘 리스트 게엠베하 | Measurement system and method for determining force and/or torque applied to a torque transmission shaft |
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2010
- 2010-06-08 JP JP2010130604A patent/JP2011257202A/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
| KR20200108881A (en) * | 2018-01-24 | 2020-09-21 | 아베엘 리스트 게엠베하 | Measurement system and method for determining force and/or torque applied to a torque transmission shaft |
| JP2021512294A (en) * | 2018-01-24 | 2021-05-13 | アーファオエル・リスト・ゲーエムベーハー | Measuring systems and methods for defining forces and / or torque in torque transmission shafts |
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| US11852545B2 (en) | 2018-01-24 | 2023-12-26 | Avl List Gmbh | Measuring device and method for determining a force and/or a torque on a torque-transmitting shaft |
| KR102641681B1 (en) | 2018-01-24 | 2024-02-27 | 아베엘 리스트 게엠베하 | Measuring system and method for determining force and/or torque applied to a torque transmission shaft |
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