JP2016145754A

JP2016145754A - 力検出装置およびロボット

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Publication number: JP2016145754A
Application number: JP2015022921A
Authority: JP
Inventors: 信幸水島; Nobuyuki Mizushima; 神谷　俊幸; Toshiyuki Kamiya; 俊幸神谷; 河合　宏紀; Hiroki Kawai; 宏紀河合
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2016-08-12
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: JP6459581B2

Abstract

【課題】優れた検出精度を有する力検出装置およびロボットを提供すること。
【解決手段】本発明の力検出装置は、第１開口部を備える第１部材と、第２開口部を備える第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置された複数の力検出素子と、前記第１開口部と前記第２開口部の間に内腔を形成した内腔部と、前記内腔部に配置される線条体と、を備える。また、前記内腔部を形成する内腔壁と、前記内腔壁を貫通して前記線条体の一部が通る貫通孔と、を備える。また、前記線条体は、前記内腔部において、可動に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、力検出装置およびロボットに関する。

近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボット導入が進められている。このような産業ロボットは、１軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器具等のエンドエフェクターとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等を実行することができる。

このような産業用ロボットにおいては、アームとエンドエフェクターとの間に、力覚センサー（力検出装置）が設けられている。

従来の力覚センサーでは、力覚センサーの外周部から配線が引き出されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、従来の力覚センサーでは、力覚センサーとロボットのアームとの通信、アームから力覚センサーへの電力供給のために、力覚センサーの外周部から引き出された配線を、アームに接続している。

特開平１０−６８６６５号公報

しかしながら、前記従来の力覚センサーでは、力覚センサーの外周部から配線が引き出されているので、アームが動く際、配線に、張り、撓み、捻れ等が発生し、力覚センサーに余計な力が加わってしまう。その結果、本来の検出したい力に対して誤差が発生し、検出精度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、優れた検出精度を有する力検出装置およびロボットを提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本発明に係わる力検出装置は、第１開口部を備える第１部材と、
第２開口部を備える第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置された複数の力検出素子と、
前記第１開口部と前記第２開口部の間に内腔を形成した内腔部と、
前記内腔部に配置される線条体と、を備えることを特徴とする。

これにより、力検出装置が検出対象とする対象物が動く際、線条体に、張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置の検出精度を向上させることができる。

［適用例２］
本発明に係わる力検出装置では、前記内腔部を形成する内腔壁と、
前記内腔壁を貫通して前記線条体の一部が通る貫通孔と、
を備えることが好ましい。

これにより、線条体は、貫通孔を挿通し、内腔壁を通ることができ、よって、力検出装置の外部に露出することなく、該力検出装置の内部においてのみ線条体の一部を引き回すことができるので、力検出素子等に配置される線条体に張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置の検出精度を向上させることができる。

［適用例３］
本発明に係わる力検出装置では、前記線条体は、前記内腔部において、可動に配置されることが好ましい。

これにより、力検出装置が検出対象とする対象物が動く際、前記線条体に発生する張り、撓み、捻れ等を低減することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができ、力検出装置の検出精度を向上させることができる。

［適用例４］
本発明に係わる力検出装置では、電力または信号が流れる電線、または気体が流れる配管の少なくとも１つであることが好ましい。

これにより、電力または信号が流れる電線、または気体が流れる配管において、張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置の検出精度を向上させることができる。

［適用例５］
本発明に係わる力検出装置では、前記第１開口部は前記第１部材の第１取付面の中央に配置され、前記第２開口部は第２部材の第２取付面の中央に配置されていることが好ましい。

これにより、力検出装置が検出対象とする対象物が動く際、線条体に、張り、撓み、捻れ等が発生することをさらに低減することができる。第１部材の第１取付面および第２部材の第２取付面とは、該力検出装置を外部機器または外部装置の一部に取り付ける場合に用いる面のことである。これらの面の中央に開口部を設ければ、力検出装置と外部機器または外部装置の一部の位置関係による線条体への張り、撓み、捻れ等の影響を少なくすることができる。

［適用例６］
本発明に係わるロボットは、アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられる力検出装置と、
前記アームから前記力検出装置へ配設される線条体と、
を備え、
前記力検出装置は、第１開口部を備える第１部材と、
第２開口部を備える第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置された複数の力検出素子と、
前記第１開口部と前記第２開口部の間に内腔を形成した内腔部と、
前記内腔部に配置される前記線条体と、を備えることを特徴とする。

これにより、ロボットのアームが動く際、線条体に、張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置の検出精度を向上させることができ、ロボットを一層高い精度で制御することができる。

［適用例７］
本発明に係わるロボットでは、前記内腔部を形成する内腔壁と、
前記内腔壁を貫通して前記線条体の一部が通る貫通孔と、
を備えることが好ましい。

これにより、線条体は、貫通孔を挿通し、内腔壁を通ることができ、よって、力検出装置の外部に露出することなく、該力検出装置の内部においてのみ線条体の一部を引き回すことができるので、ロボットのアームの動作時において、力検出素子等に配置される線条体に張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置の検出精度を向上させることができ、ロボットを一層高い精度で制御することができる。

［適用例８］
本発明に係わるロボットでは、前記線条体は、前記内腔部において、可動に配置されることが好ましい。

これにより、ロボットのアームが動く際、前記線条体に発生する張り、撓み、捻れ等を低減することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができ、力検出装置の検出精度を向上させることができ、ロボットを一層高い精度で制御することができる。

［適用例９］
本発明に係わるロボットでは、前記線条体は、電力または信号が流れる電線、または気体が流れる配管の少なくとも１つであることが好ましい。

これにより、電力または信号が流れる電線、または気体が流れる配管において、張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置の検出精度を向上させることができ、ロボットを一層高い精度で制御することができる。

本発明の力検出装置の実施形態を示す断面図（図２中のＢ−Ｂ線断面図）である。図１に示す力検出装置の断面図（図１中のＡ−Ａ線断面図）である。図１に示す力検出装置をロボットの力検出装置に適用した場合を模式的に示す図である。図１に示す力検出装置をロボットの力検出装置に適用した場合を模式的に示す図である。従来の力検出装置をロボットの力検出装置に適用した場合を模式的に示す図である。図４に示す力検出装置の電荷出力素子の出力を示すグラフである。図５に示す従来の力検出装置の電荷出力素子の出力を示すグラフである。本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。

以下、本発明の力検出装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜力検出装置の実施形態＞
図１は、本発明の力検出装置の実施形態を示す断面図（図２中のＢ−Ｂ線断面図）である。図２は、図１に示す力検出装置の断面図（図１中のＡ−Ａ線断面図）である。図３は、図１に示す力検出装置をロボットの力検出装置に適用した場合を模式的に示す図である。図４は、図１に示す力検出装置をロボットの力検出装置に適用した場合を模式的に示す図である。図５は、従来の力検出装置をロボットの力検出装置に適用した場合を模式的に示す図である。図６は、図４に示す力検出装置の電荷出力素子の出力を示すグラフである。図７は、図５に示す従来の力検出装置の電荷出力素子の出力を示すグラフである。

また、図２には、互いに直交する３つの軸として、α軸、β軸およびγ軸が図示されている。また、図１には、前記３つの軸のうち、γ軸のみを図示している。α（Ａ）軸に平行な方向を「α（Ａ）軸方向」、β（Ｂ）軸に平行な方向を「β（Ｂ）軸方向」、γ（Ｃ）軸に平行な方向を「γ（Ｃ）軸方向」という。また、α軸とβ軸で規定される平面を「αβ平面」と言い、β軸とγ軸で規定される平面を「βγ平面」と言い、α軸とγ軸で規定される平面を「αγ平面」と言う。また、α軸に平行な方向を「α方向」と言い、β軸に平行な方向を「β方向」と言い、γ軸に平行な方向を「γ方向」と言う。また、α方向、β方向およびγ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」、矢印基端側を「−（負）側」とする。

図１に示す力検出装置１は、力検出装置１に加えられた外力、すなわち、６軸力（α、β、γ軸方向の並進力成分およびα、β、γ軸周りの回転力成分）を検出する機能を有する。

この力検出装置１は、第１部材２と、第１部材２から所定の間隔を隔てて配置され、第１部材２に対向する第２部材３と、第１部材２および第２部材３の中央部に設けられた第１開口部２０と第２開口部３０と、内腔部８と、第１部材２および第２部材３の外周部に設けられた側壁部１６と、第１部材２と第２部材３との間に収納された（設けられた）４つのアナログ回路基板４と、第１部材２と第２部材３との間に収納され（設けられ）、各アナログ回路基板４と電気的に接続されたデジタル回路基板５と、各アナログ回路基板４に１つずつ搭載され、受けた外力に応じて信号（電荷）を出力する素子である電荷出力素子（力検出素子）１０および電荷出力素子１０を収納するパッケージ（収容部）６０を有する４つのセンサーデバイス（圧力検出部）６と、８つの与圧ボルト７１と、を備えている。なお、力検出素子として、電荷出力素子（圧電素子）を例示するが、この他の力検出素子として、例えば、静電容量素子、歪検出素子等に本発明を適用することができる。

以下に、力検出装置１の各部の構成について詳述する。
なお、以下の説明では、図２に示すように、４つのセンサーデバイス６のうち、図２中の右側に位置するセンサーデバイス６を「センサーデバイス６Ａ」といい、以降反時計回りに順に「センサーデバイス６Ｂ」、「センサーデバイス６Ｃ」、「センサーデバイス６Ｄ」という。また、各センサーデバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄを区別しない場合は、それらを「センサーデバイス６」という。

図１に示すように、第１部材（ベースプレート）２は、板状をなし、その平面形状（厚さ方向から見た形状）は、円形をなしている。なお、第１部材２の平面形状は、図示のものに限定されず、例えば、正方形、長方形等の他の四角形、五角形および六角形等の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。

力検出装置１を、ロボットのアームとエンドエフェクターの間に設け、エンドエフェクターに加えられる外力を検出する力覚センサーとして用いる場合を例に挙げると、第１部材２の第１取付面２２１は、当該ロボットのアームに対する取付面として機能する。

この第１部材２は、底板２２と、底板２２から上方に向かって立設した壁部２４とを有している。

壁部２４は、「Ｌ」字状をなし、外方に臨む２つの面にそれぞれ凸部２３が突出形成されている。各凸部２３の頂面（第１面）２３１は、底板２２に対して垂直な平面である。また、凸部２３には、後述する与圧ボルト７１と螺合する雌ネジ２４１が設けられている（図２参照）。

図１に示すように、第１部材２に対し所定の間隔を隔てて対向するように、第２部材（カバープレート）３が配置されている。

第２部材３も、第１部材２と同様に、板状をなしている。また、第２部材３の平面形状は、第１部材２の平面形状に対応した形状であることが好ましく、本実施形態では、第２部材３の平面形状は、第１部材２の平面形状と同様に、円形をなしている。また、第２部材３は、第１部材２と同じ大きさ、または、第１部材２を包含する程度の大きさであることが好ましい。

力検出装置１を前記ロボットに用いる場合を例に挙げると、第２部材３の第２取付面３２１は、当該ロボットのアームに装着されるエンドエフェクターに対する取付面として機能する。また、第２部材３の第２取付面３２１と、前述した第１部材２の第１取付面２２１とは、外力が付与していない自然状態では概ね平行となっている。

また、第２部材３は、天板３２と、天板３２の縁部に形成され、当該縁部から下方に向かって突出した４つの側壁３３とを有している。各側壁３３の内壁面３３１は、それぞれ、天板３２に対して垂直な平面である。そして、第１部材２の頂面２３１と第２部材３の各側壁３３の内壁面３３１との間には、それぞれ、センサーデバイス６が設けられている。

また、第１部材２と第２部材３とは、与圧ボルト７１により、接続、固定されている。この与圧ボルト７１は、図２に示すように、８本（複数）あり、そのうちの２本ずつが各センサーデバイス６の両側に配置されている。なお、１つのセンサーデバイス６に対する与圧ボルト７１の数は、２つに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。

また、与圧ボルト７１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。

このように与圧ボルト７１によって接続された第１部材２と第２部材３とで、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄ、アナログ回路基板４、およびデジタル回路基板５を収納する収納空間を形成している。この収納空間は、円形または角丸正方形の断面形状を有する。

また、図１および図２に示すように、第１部材２および第２部材３の外周部には、側壁部１６が設けられている。これにより、第１部材２および第２部材３の外周部において、第１部材２と第２部材３との間の空間を封止することができ、その第１部材２と第２部材３との間の空間に、塵や埃等が侵入することを抑制することができる。

側壁部１６は、筒状をなす筒状部１６１と、筒状部１６１の基端部（下端部）の内周側の側面に形成されたフランジ１６２とを有している。筒状部１６１の第１部材２および第２部材３の厚さ方向から見た場合の内形形状および外形形状は、それぞれ、第１部材２および第２部材３の平面形状に対応した形状であり、図示の構成では、円形をなしている。

側壁部１６は、その基端部、すなわちフランジ１６２が、第１部材２に固定されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、フランジ１６２は、複数のネジ１７１で第１部材２の底板２２に固定されている。

また、図１に示すように、第１部材２と第２部材３との間には、センサーデバイス６に電気的に接続されたアナログ回路基板４が設けられている。

アナログ回路基板４のセンサーデバイス６（具体的には、電荷出力素子１０）が配置されている部位には、第１部材２の各凸部２３が挿入される孔４１が形成されている。この孔４１は、アナログ回路基板４を貫通する貫通孔である。

また、図２に示すように、アナログ回路基板４には各与圧ボルト７１が挿通する挿通孔が設けられており、アナログ回路基板４の与圧ボルト７１が挿入通する部分（挿通孔）には、樹脂材料等の絶縁材料で構成されたパイプ４３が例えば嵌合により固定されている。

また、図１に示すように、第１部材２と第２部材３との間には、第１部材２上の各アナログ回路基板４が設けられている位置とは異なる位置に、各アナログ回路基板４に電気的に接続されたデジタル回路基板５が設けられている。デジタル回路基板５は、第１部材２の底板２２および第２部材３の天板３２と平行になるように配置されている。なお、デジタル回路基板５の第１部材２および第２部材３の厚さ方向の位置は、第１部材２と第２部材３との間であれば特に限定されず、例えば、図１に示すように、第２部材３の近傍でもよく、また、図３に示すように、第１部材２の近傍でもよく、また、第１部材２と第２部材３との中間の位置（中央部）でもよい。

また、デジタル回路基板５には、配線（電線）１５１が電気的に接続（以下、単に「接続」ともいう）されている。すなわち、配線１５１は、アナログ回路基板４およびデジタル回路基板５を介して電荷出力素子１０に電気的に接続されているとも言うことができる。この配線１５１は、例えば、力検出装置１との通信（例えば、力検出装置１からの出力信号の送信等）、力検出装置１への電力供給等に用いられるものである。すなわち、配線１５１には、例えば、電力または各種の信号等が流れる。なお、この配線１５１と、後述する配線１５２および１５３とは、それぞれ、線条体の１例である。

また、第１部材２の底板２２の中央部には、第１開口部２０が形成されており、同様に、第２部材３の天板３２の中央部には、第２開口部３０が形成されており、同様に、デジタル回路基板５の中央部には、第３開口部５０が形成されている。すなわち、第１開口部２０は第１取付面２２１の中央に配置され、第２開口部３０は第２取付面３２１の中央に配置されている。第１開口部２０、第２開口部３０および第３開口部５０は、それぞれの厚さ方向から見て、後述する内腔部８の内腔壁８１の外形形状と同じ形状をなし、互いに同じ位置に配置されている。

図１および図２に示すように、内腔部８は、筒状をなす内腔壁８１を有し、第１部材２の第１開口部２０、第２部材３の第２開口部３０およびデジタル回路基板５の第３開口部５０に挿入されている。すなわち、内腔部８は、力検出装置１の中央部（第１部材２の底板２２の中央部および第２部材３の天板３２の中央部）に、第１部材２と第２部材３とを跨ぐように配置されている。これにより、力検出装置１の中央部には、第１部材２の底板２２の第１取付面２２１（第２部材３と反対側の面）および第２部材３の天板３２の第２取付面２２１（第１部材２と反対側の面）にそれぞれ開放し、内腔部８の内腔を構成する内腔壁８１が形成される。この内腔壁８１で形成される内腔は、第１部材２の底板２２の中央部および第２部材３の天板３２の中央部のそれぞれから力検出装置１の外部に大気開放している。

また、内腔壁８１の中心軸８１１の方向（第１部材２、第２部材３の厚さ方向）から見た場合の形状（平面視での形状）は、特に限定されないが、図示の構成では、内腔壁８１の中心軸８１１の方向から見て、内腔壁８１の外形形状および内形形状は、それぞれ、長方形をなしている。なお、前記長方形の各角部は、それぞれ、丸みを帯びていてもよく、また、尖っていてもよい。なお、内腔壁８１の中心軸８１１の方向から見た場合の前記の他の形状としては、例えば、正方形等の他の四角形、五角形および六角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。

また、内腔壁８１の側面には、内腔壁８１を貫通する貫通孔８５が形成されている。貫通孔８５の孔径の大きさは、内腔部８よりも小さい。貫通孔８５の孔径を小さくすることにより、力検出装置１の内部に塵や埃等が侵入することを抑制することができる。また、貫通孔８５の数は、特に限定されず、１つでもよく、また、複数でもよいが、図示の構成では、１つである。また、貫通孔８５の形状は、特に限定されず、例えば、正方形、長方形等の他の四角形、五角形および六角形等の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。

第１開口部２０は、配線１５１等の所定の配線を通す通路としての機能を有しており、配線１５１は、第１開口部２０を通り、力検出装置１の外部に導かれている。すなわち、配線１５１は、貫通孔８５を挿通し、内腔部８を通り、第１部材２の第１開口部２０から力検出装置１の外部に突出している。

なお、配線１５１以外の配線の具体例としては、図３に示すように、力検出装置１を、ロボット１９のアーム１９１とエンドエフェクター１９２の間に設ける場合を例に挙げると、例えば、ハンド等のエンドエフェクター１９２の配線１５２、エンドエフェクター１９２に設けられた電子カメラ１９３の配線１５３等が挙げられる。

このように力検出装置１に内腔部８が設けられていることにより、以下のような効果が得られる。なお、以下では、力検出装置１を前記ロボットの力覚センサーとして用いる場合を例に挙げて説明する。

まず、配線１５１は、貫通孔８５および内腔部８を通り、ロボット１９のアーム１９１の内部に導かれている。また、エンドエフェクター１９２の配線１５２および電子カメラ１９３の配線１５３は、それぞれ、内腔部８を通り、ロボット１９のアーム１９１の内部に導かれている。

これにより、ロボット１９のアーム１９１が動く際、配線１５１、１５２および１５３に、張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置１に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これによって、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。

ここで、貫通孔８５の位置は、第１部材２と第２部材３との間であれば特に限定されないが、図示の構成では、貫通孔８５は、内腔壁８１の中心軸８１１の方向から見て、前記長方形（内腔壁８１）の短辺８１３に配置されている。貫通孔８５が短辺８１３に配置されることを決めておくことにより、貫通孔８５が見えなくても、貫通孔８５の位置を容易に把握することができる。なお、貫通孔８５は、内腔壁８１の中心軸８１１の方向から見て、前記長方形の長辺８１２に配置されていてもよい。この場合は、貫通孔８５が長辺８１２に配置されることを決めておくことにより、貫通孔８５が見えなくても、貫通孔８５の位置を容易に把握することができる。

また、内腔部８は、内腔壁８１の中心軸８１１の方向から見て、第１部材２の中心（力検出装置１の中心）２７２を介して対向するように配置された２つのセンサーデバイス６Ａ、６Ｃの電荷出力素子１０を結ぶ直線１８１の方向と、前記長方形の長辺８１２の方向とが一致するように配置されている。なお、内腔部８の姿勢は、これに限定されないことは言うまでもない。

また、内腔壁８１による内腔の寸法は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、内腔壁８１の中心軸８１１に垂直な断面での断面積は、１００ｍｍ^２以上であることが好ましく、１５０ｍｍ^２以上、１００ｃｍ^２以下であることがより好ましく、２００ｍｍ^２以上、２０ｃｍ^２以下であることがさらに好ましい。

内腔壁８１による内腔の断面積が前記下限値よりも小さいと、他の条件にもよるが、配線１５１を通すことが困難になる虞がある。また、前記断面積が前記上限値よりも大きいと、他の条件にもよるが、力検出装置１の剛性が低下する虞がある。

また、内腔壁８１の長辺方向の長さＬ１は、１２ｍｍ以上であることが好ましく、１６ｍｍ以上、５００ｍｍ以下であることがより好ましく、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

内腔壁８１の長辺方向の長さＬ１が前記下限値よりも小さいと、他の条件にもよるが、配線１５１を通すことが困難になる虞がある。また、前記長さＬ１が前記上限値よりも大きいと、他の条件にもよるが、力検出装置１の剛性が低下する虞がある。

また、内腔壁８１の短辺方向の長さＬ２は、６ｍｍ以上であることが好ましく、８ｍｍ以上、２５０ｍｍ以下であることがより好ましく、１０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

内腔壁８１の短辺方向の長さＬ２が前記下限値よりも小さいと、他の条件にもよるが、配線１５１を通すことが困難になる虞がある。また、前記長さＬ２が前記上限値よりも大きいと、他の条件にもよるが、力検出装置１の剛性が低下する虞がある。

また、内腔壁８１の第１部材２の近傍の側面には、フランジ８２が形成されており、内腔部８は、フランジ８２が、第１部材２に固定されている。この固定方法は、特に限定されないが、図示の構成では、フランジ８２は、複数のネジ１７２で第１部材２の底板２２に固定されている。一方、内腔壁８１の第２部材３の近傍は、第２部材３の第２開口部３０に挿入されているだけで、ネジ留め等による固定は、なされていない。なお、内腔部８の第１部材２の近傍ではなく、第２部材の近傍が第２部材３に固定されていてもよい。

なお、上述した第１部材２、第２部材３、内腔部８、アナログ回路基板４の各素子および各配線以外の部位、デジタル回路基板５の各素子および各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いることができる。

また、第１部材２、第２部材３は、それぞれ、概ね板状をなす部材で構成されているが、これに限定されず、例えば、一方の部材が概ね板状で構成され、他方の部材がブロック状で構成されていてもよい。

次に、センサーデバイス６について、説明する。
［センサーデバイス］
図１、図２に示すように、センサーデバイス６Ａは、第１部材２の４つの凸部２３のうちの１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって挟持されている。このセンサーデバイス６Ａと同様に、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｂが挟持されている。また、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１とによって、センサーデバイス６Ｃが挟持されている。さらに、前記と異なる１つの凸部２３の頂面２３１と、この頂面２３１に対向する内壁面３３１によって、センサーデバイス６Ｄが挟持されている。

なお、以下では、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが第１部材２および第２部材３によって挟持されている方向を「挟持方向ＳＤ」という。また、各センサーデバイス６Ａ〜６Ｄのうちセンサーデバイス６Ａが挟持されている方向を第１挟持方向、センサーデバイス６Ｂが挟持されている方向を第２挟持方向、センサーデバイス６Ｃが挟持されている方向を第３挟持方向、センサーデバイス６Ｄが挟持されている方向を第４挟持方向ということもある。

なお、本実施形態では、図１に示すように、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第２部材３（側壁３３）側に設けられているが、センサーデバイス６は、アナログ回路基板４の第１部材２側に設けられていてもよい。

また、図２に示すように、センサーデバイス６Ａおよびセンサーデバイス６Ｂと、センサーデバイス６Ｃおよびセンサーデバイス６Ｄとは、第１部材２のβ軸に沿った中心軸２７１に関して対称的に配置されている。すなわち、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第１部材２の中心２７２回りに等角度間隔に配置されている。このようにセンサーデバイス６Ａ〜６Ｄを配置することより、外力を偏りなく検出することができる。

なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの配置は図示のものに限定されないが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、第２部材３の第２取付面３２１から見て、第２部材３の中心部（中心２７２）からできる限り離間した位置に配置されているのが好ましい。これにより、力検出装置１に加わる外力を安定して検出することができる。

また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、全て同じ方向を向いた状態に搭載されているが、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄの向きは、それぞれ、異なっていてもよい。

このように配置されたセンサーデバイス６は、図１に示すように、電荷出力素子１０と、電荷出力素子１０を収納するパッケージ６０とを有している。また、本実施形態では、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄは、同様の構成である。なお、パッケージは、省略されていてもよい。

以下に、このセンサーデバイス６が備える電荷出力素子１０について、説明する。
［電荷出力素子］
電荷出力素子１０は、力検出装置１に加わった外力、すなわち第１部材２または第２部材３の少なくとも一方の部材に加えられた外力に応じて電荷を出力する機能を有する。

なお、センサーデバイス６Ａ〜６Ｄが備える各電荷出力素子１０は、同じ構成であるため、１つの電荷出力素子１０について中心的に説明する。

なお、力検出装置１全体のα軸方向の力ＦＡ、β軸方向の力ＦＢ、γ軸方向の力ＦＣ、α軸周りの回転力ＭＡ、β軸周りの回転力ＭＢおよびγ軸周りの回転力ＭＣは、各電荷出力素子１０からの電荷の蓄積量に比例する信号に基づいて算出される。また、本実施形態では、電荷出力素子１０は４つ設けられているが、電荷出力素子１０は少なくとも３つ設けられていれば、回転力ＭＡ、ＭＢおよびＭＣを算出することが可能である。

ここで、本実施形態の力検出装置１と、従来の力検出装置１Ａとのそれぞれについて、下記の実験を行った。

まず、図４および図５に示すように、力検出装置１および１Ａをそれぞれロボット１９のアーム１９１とエンドエフェクター１９２との間に装着した。

図４に示すように、力検出装置１の場合は、配線１５１を内腔部８（図３参照）から外部に引き出し、アーム１９１の内部に配設した。

また、図５に示すように、力検出装置１Ａの場合は、配線１５１の一方の端部が力検出装置１Ａの外周面に設けられた端子に接続されており、その配線１５１をアーム１９１の外部に配設した。

そして、エンドエフェクター１９２に外力を加えない状態で、ロボット１９を作動させ、力検出装置１および１Ａの電荷出力素子１０の出力をそれぞれ測定した。その結果は、図６および図７のグラフに示す通りである。

なお、図６および図７のグラフにおいては、力検出装置１および１Ａの電荷出力素子１０について互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を設定し、電荷出力素子１０のｘ軸方向に力が加わった場合に出力される電荷をＱｘ、ｙ軸方向に力が加わった場合に出力される電荷をＱｙ、ｚ軸方向に力が加わった場合に出力される電荷をＱｚとした。また、ｘ軸方向およびｙ軸方向は、電荷出力素子１０についての互いに直交するせん断力の方向であり、ｚ軸方向は、電荷出力素子１０についての圧縮／引張力の方向である。また、この測定は、エンドエフェクター１９２に外力を加えない状態で行ったので、これらの電荷Ｑｘ、ＱｙおよびＱｚは、本来は、「０」になるべきである。

従来の力検出装置１Ａでは、図７に示すように、アーム１９１の稼働期間において、本来は「０」であるべき力検出装置１Ａの電荷出力素子１０の出力が、マイナス側またはプラス側に振れていることが判る。これは、アーム１９１が動く際、配線１５１に、張り、撓み、捻れ等が発生し、力検出装置１Ａに余計な力が加わってしまうためである。

これに対して、本実施形態の力検出装置１では、図６に示すように、アーム１９１の稼働期間および非稼働期間のいずれにおいても、本来は「０」であるべき力検出装置１の電荷出力素子１０の出力は、ほぼ「０」であることが判る。

以上説明したように、この力検出装置１によれば、力検出装置１をロボット１９に設ける場合、配線１５１、１５２および１５３が力検出装置１の中央部の内腔壁８１の内部を通るように配置されるので、アーム１９１が動く際、配線１５１、１５２および１５３に、張り、撓み、捻れ等が発生することを抑制することができ、力検出装置１に余計な力が加わってしまうことを抑制することができる。これにより、力検出装置１の検出精度を向上させることができる。

また、力検出装置１の中央部に、直接、開口部を形成するのではなく、内腔壁８１を設け、その内腔を利用して内腔部８を形成するので、力検出装置１の内部に、塵や埃等が侵入することを抑制することができる。

＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図８に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図８は、本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。図８の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム５２０と、アーム５２０の先端側に設けられたエンドエフェクター５３０と、アーム５２０とエンドエフェクター５３０との間に設けられた力検出装置１とを有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

基台５１０は、アーム５２０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台５１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。

アーム５２０は、第１のアーム要素５２１、第２のアーム要素５２２、第３のアーム要素５２３、第４のアーム要素５２４および第５のアーム要素５２５を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム５２０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。

エンドエフェクター５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクター５３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム５２０の駆動によりエンドエフェクター５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。

なお、エンドエフェクター５３０は、ここでは、ハンドであるが、本発明では、これに限定されるものではない。エンドエフェクターの他の例としては、例えば、部品検査用器具、部品搬送用器具、部品加工用器具、部品組立用器具、測定器等が挙げられる。これは、他の実施形態におけるエンドエフェクターについても同様である。

力検出装置１は、エンドエフェクター５３０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を基台５１０の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット５００は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、単腕ロボット５００は、エンドエフェクター５３０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、単腕ロボット５００は、より安全に作業を実行することができる。

なお、図示の構成では、アーム５２０は、合計５本のアーム要素によって構成されているが、本発明はこれに限られない。アーム５２０が、１本のアーム要素に構成されている場合、２〜４本のアーム要素によって構成されている場合、６本以上のアーム要素によって構成されている場合も本発明の範囲内である。

＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図９に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図９は、本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。図９の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム６２０と、第２のアーム６３０と、第１のアーム６２０の先端側に設けられた第１のエンドエフェクター６４０ａと、第２のアーム６３０の先端側に設けられた第２のエンドエフェクター６４０ｂと、第１のアーム６２０と第１のエンドエフェクター６４０ａ間および第２のアーム６３０と第２のエンドエフェクター６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１を有する。なお、力検出装置１としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。

基台６１０は、第１のアーム６２０および第２のアーム６３０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台６１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。

第１のアーム６２０は、第１のアーム要素６２１および第２のアーム要素６２２を回動自在に連結することにより構成されている。第２のアーム６３０は、第１のアーム要素６３１および第２のアーム要素６３２を回動自在に連結することにより構成されている。第１のアーム６２０および第２のアーム６３０は、制御部の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。

第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。第１のエンドエフェクター６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを有している。第２のエンドエフェクター６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂを有している。第１のアーム６２０の駆動により第１のエンドエフェクター６４０ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム６３０の駆動により第２のエンドエフェクター６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。

力検出装置１は第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１が検出する力を基台６１０の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット６００は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置１が検出する力によって、複腕ロボット６００は、第１、第２のエンドエフェクター６４０ａ、６４０ｂの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、複腕ロボット６００は、より安全に作業を実行することができる。

なお、図示の構成では、アームは合計２本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット６００が３本以上のアームを有している場合も、本発明の範囲内である。

以上、本発明の力検出装置およびロボットを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明は、前記実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、本発明では、第１開口部と第２開口部のうちの一方が閉鎖されていてもよい。

また、本実施形態では、力検出素子として圧電素子を例示したが、例えば、静電容量素子、歪検出素子でも本発明を適用でき、力検出素子の数は４つとしたが、力検出素子の数は、２つ、３つ、または、５つ以上でもよい。

また、本実施形態では、線条体として配線（電線）を例示したが、この他の線条体としては、例えば、気体が流れる配管等が挙げられる。

また、本発明のロボットは、アームを有していれば、アーム型ロボット（ロボットアーム）に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行（走行）ロボット等であってもよい。

また、本発明の力検出装置は、ロボットに限らず、他の装置、例えば、電子部品搬送装置等の搬送装置、電子部品検査装置等の検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置、部品加工装置、移動体等にも適用することができる。

１、１Ａ…力検出装置
２…第１部材
２０…第１開口部
２２…底板
２３…凸部
２２１…第１取付面
２３１…頂面
２４…壁部
２４１…雌ネジ
２７１…中心軸
２７２…中心
３…第２部材
３０…第２開口部
３２…天板
３３…側壁
３２１……第２取付面
３３１…内壁面
４…アナログ回路基板
４１…孔
４３…パイプ
５…デジタル回路基板
５０…第３開口部
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…センサーデバイス（圧力検出部）
６０…パッケージ（収容部）
７１…与圧ボルト
８…内腔部
８１…内腔壁
８１１…中心軸
８１２…長辺
８１３…短辺
８２…フランジ
８５…貫通孔
１０…電荷出力素子（圧電素子）
１５１、１５２、１５３…配線
１６…側壁部
１６１…筒状部
１６２…フランジ
１７１、１７２…ネジ
１８１…直線
１９…ロボット
１９１…アーム
１９２…エンドエフェクター
１９３…電子カメラ
５００…単腕ロボット
５１０…基台
５２０…アーム
５２１…第１のアーム要素
５２２…第２のアーム要素
５２３…第３のアーム要素
５２４…第４のアーム要素
５２５…第５のアーム要素
５３０…エンドエフェクター
５３１…第１の指
５３２…第２の指
６００…複腕ロボット
６１０…基台
６２０…第１のアーム
６２１…第１のアーム要素
６２２…第２のアーム要素
６３０…第２のアーム
６３１…第１のアーム要素
６３２…第２のアーム要素
６４０ａ…第１のエンドエフェクター
６４１ａ…第１の指
６４２ａ…第２の指
６４０ｂ…第２のエンドエフェクター
６４１ｂ…第１の指
６４２ｂ…第２の指
ＮＬ１、ＮＬ２…法線
Ｌ１、Ｌ２…長さ

Claims

第１開口部を備える第１部材と、
第２開口部を備える第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置された複数の力検出素子と、
前記第１開口部と前記第２開口部の間に内腔を形成した内腔部と、
前記内腔部に配置される線条体と、を備えることを特徴とする力検出装置。
前記内腔部を形成する内腔壁と、
前記内腔壁を貫通して前記線条体の一部が通る貫通孔と、
を備える請求項１に記載の力検出装置。
前記線条体は、前記内腔部において、可動に配置される請求項１または２に記載の力検出装置。
前記線条体は、電力または信号が流れる電線、または気体が流れる配管の少なくとも１つである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力検出装置。
前記第１開口部は前記第１部材の第１取付面の中央に配置され、前記第２開口部は第２部材の第２取付面の中央に配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
アームと、
前記アームに設けられたエンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターの間に設けられる力検出装置と、
前記アームから前記力検出装置へ配設される線条体と、
を備え、
前記力検出装置は、第１開口部を備える第１部材と、
第２開口部を備える第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に配置された複数の力検出素子と、
前記第１開口部と前記第２開口部の間に内腔を形成した内腔部と、
前記内腔部に配置される前記線条体と、を備えることを特徴とするロボット。
前記内腔部を形成する内腔壁と、
前記内腔壁を貫通して前記線条体の一部が通る貫通孔と、
を備える請求項６に記載のロボット。
前記線条体は、前記内腔部において、可動に配置される請求項６または７に記載のロボット。
前記線条体は、電力または信号が流れる電線、または気体が流れる配管の少なくとも１つである請求項６ないし８のいずれか１項に記載のロボット。