JP2021036244A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】保護機構が機能するまでの変位量を正確に管理できる力覚センサを提供する。【解決手段】実施形態に係る力覚センサは、円筒状の本体１１と、本体に対して動作可能な円筒状の可動体１２と、本体及び可動体に固定され、可動体の動作に従って変形可能な起歪体１６と、起歪体に設けられた歪センサ２６と、可動体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部１３と、開口部のそれぞれの内部に配置され、開口部の直径より小さな第１外径を有する第１側面１４ａと第１外径より小さな第２外径を有する第２側面１４ｂとを有するストッパ１４と、ストッパを本体に固定する固定部材１５とを具備する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に用いられる６軸力覚センサに関する。

力覚センサは、例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ方向の外力およびトルクを検出する（例えば、特許文献１、２参照）。

力覚センサにおいて、可動部としての受力体に加えられた外力は、例えば起歪体としてのダイアフラム部に伝達され、ダイアフラム部の変形が電気信号に変換して検出される。

ここで、ダイアフラム部に過剰な外力が加わると、ダイアフラム部の変形が限界を超え、外力が除去された後であってもダイアフラム部の形状が元に復元しなかったり、ダイアフラム部に破損が生じるおそれがある。

そこで、このような過剰な外力からダイアフラム部を保護するため、受力体の変位を規制するストッパ等の保護機構が設けられている。

特開２０１０−８３４３号公報 特公平６−４３９３７号公報

しかしながら、受力体の変位量は、極僅かであるため、高感度な６軸方向の力覚センサを実現しようとする場合、受力体とストッパとの距離（保護機構が機能するまでの変位量）を６軸方向の全てにおいて極めて高精度に管理する必要がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされており、受力体とストッパとの距離を高精度に管理できる力覚センサを提供するものである。

実施形態に係る力覚センサは、円筒状の本体と、前記本体に対して動作可能な円筒状の可動体と、前記本体及び前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、前記起歪体に設けられた歪センサと、前記可動体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部と、前記開口部のそれぞれの内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有する第１側面と前記第１外径より小さな第２外径を有する第２側面とを有するストッパと、前記ストッパを前記本体に固定する固定部材とを具備する。

第１実施形態に係る力覚センサを示す斜視図。 第１実施形態に係る力覚センサを示す分解斜視図。 第１実施形態に係る力覚センサを示す平面図。 図３のＩＶ−ＩＶに沿った力覚センサを示す断面図。 Ｚ軸方向における外力検出動作を説明するための断面図。 治具が装着された力覚センサを示す平面図。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩに沿った力覚センサを示す断面図。 Ｚ方向に荷重を加えた場合の起歪体の変位と荷重との関係を示す図。 第２実施形態に係る力覚センサを示すものであり、要部のみを示す断面図。 図９のＡで示す部分を拡大して示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の機能及び要素については、同一符号を付し、必要に応じて説明を行う。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係や各層の厚みの比率などは現実のものと異なることがある。

（第１実施形態）
［構成］
全体構成
図１および図２を用い、第１実施形態に係る力覚センサの全体構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係る力覚センサを示す分解斜視図である。第１実施形態に係る力覚センサ１０は、例えばロボットアーム等に用いられ、ＸＹＺ方向の力およびトルクを検出するための６軸力覚センサを一例に挙げて説明する。

力覚センサ１０は、円筒状の本体１１と、本体１１に対して動作可能な円筒状の可動体１２とを備える。本体１１は、本体１１の底部に形成された複数のネジ穴１９ａを貫通する複数の取付ネジ１９により、図示せぬロボットアームの本体に固定される。可動体１２は、その上面に図示せぬロボットアームのハンド部分を取りけるためのハンド取付プレートとして機能する。

本体（ベース）１１は、力覚センサ１０の本体となるベース部材であり、可動体１２は、弾性変形が可能な起歪体１６を介在して本体１１に対して、６軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、及び各軸周り方向）に動作可能に取着されている。すなわち、図２に示すように、起歪体１６は、起歪体１６に形成された複数のネジ穴１７ａをそれぞれ貫通する起歪体固定ネジ１７により、本体１１に固定され、複数のネジ穴１８ａをそれぞれ貫通するハンドプレート固定ネジ１８により、可動体１２にも固定される。

起歪体１６の表面は、Ｘ軸、Ｙ軸により形成される面と平行に配置され、起歪体１６の中心を垂直に通る線は、Ｚ軸と一致されている。可動体１２に外力が加えられると、可動体１２が動作し、起歪体１６が変位する。起歪体１６には後述する歪センサが設けられ、歪センサにより起歪体１６の変位が検出される。

可動体１２の周面には、例えば４つの円形の開口部１３が等間隔に設けられている。すなわち、各開口部１３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に配置されている。開口部１３の数は、４つに限定されず、３つ以上であればよい。各開口部１３の内部にはストッパ１４が配置され、各ストッパ１４は、ストッパ取付ボルト１５により、本体１１に固定されている。

ストッパ１４は、可動体１２の動作範囲を規制するものであり、ストッパ１４の最外周部には、開口部１３の内面が当接可能な第１側面１４ａを備えている。すなわち、第１側面１４ａは、可動体１２の動作に伴って起歪体１６が変形した際、可動体１２の開口部１３の内面が当接し、起歪体１６の過剰な変形を防止する保護機構として機能する。

本体１１の内部には、起歪体１６に対向して基板２０が設けられる。基板２０は、複数のねじ穴２１ａを有し、各ネジ穴２１ａを貫通する固定ネジ２１により、本体１１に固定される。基板２０には、起歪体１６に設けられた歪センサが電気的に接続される。

本体１１の底部には、開口部１１ａを閉塞するカバー２２が装着される。すなわち、カバー２２は、複数のねじ穴２３ａを有し、これらネジ穴２３ａを貫通する固定ネジ２３により、本体１１に固定される。

本体１１の側面には、検出信号を外部に伝達するための配線２５が引き出されている。配線２５は、基板２０と電気的に接続されている。

平面構成および断面構成
図３および図４を用い、第１実施形態に係る力覚センサの平面構成および断面構成について詳細に説明する。図３は、力覚センサ１０を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶに沿った力覚センサ１０を示す断面図である。

前述した歪センサ（図示せず）は、起歪体１６の表面の所定箇所に張り付けられており、起歪体１６のそれぞれの場所の変位を測定することで、６軸方向の力およびトルクを検出する。尚、歪センサの構成、及び配置は、特に限定されるものではなく、変形可能である。また、起歪体１６の表面の歪センサと基板２０とを電気的に接続するためのＦＰＣ（Flexible printed circuits）２６が設けられている。ＦＰＣ２６は、絶縁性の柔軟なフィルムと当該フィルムに配線された所定の電気回路とを備えており、可動体１２の動きに合わせて自在に曲がることが可能な構成となっている。

ストッパ１４は、前述した第１側面１４ａと、第２側面１４ｂを有している。第１側面１４ａは、第２側面１４ｂより可動体１２の内側に位置され、可動体１２の開口部１３の直径Ｒ１３より小さな第１外径Ｒ１４ａを有している。第２側面１４ｂは、第１外径Ｒ１４ａより小さな第２外径Ｒ１４ｂを有している。従って、第１側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ１４は、第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ３０よりも小さくなるように構成されている（Ｗ１４＜Ｗ３０）。尚、可動体１２と本体１１の側面にも、距離Ｗ３０に相当する間隙が設けられ、本体１１に対して、可動体１２が動作可能とされている。距離Ｗ３０は、例えば数ｍｍ程度である。

ここで、第１側面１４ａと開口部１３の内面との間における距離（クリアランス）Ｗ１４は、例えば２０μｍ〜４０μｍ程度であるため、非常に狭い。しかも、可動体１２が動作した際、起歪体１６の破損を防止するため、この距離Ｗ１４を極めて高精度に管理する必要がある。

さらに、図４の破線で囲った部分を拡大して示すように、実際には、第１側面１４ａと対向するストッパ１４の内側面と固定ボルト１５の軸との間には距離Ｗ１５ａの所定の隙間が設けられる。また、第１、第２側面１４ａ、１４ｂと対向するストッパ１４の内側面と固定ボルト１５の頭部の側面との間にも距離Ｗ１５ｂの所定の隙間が設けられている。上記距離Ｗ１５ａ、Ｗ１５ｂは、例えば０．２ｍｍ程度である。尚、以降の説明において、これらの隙間の図示は省略する。

本実施形態では、第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間に、距離Ｗ３０と実質的に同一の厚さを有する挿入部を有する調整用の治具としてのシムを挿入した状態で、固定ボルト１５によりストッパ１４を本体１１へ固定する。このように調整することで、上記隙間の距離Ｗ１５ａ、１５ｂ分だけストッパ１４が移動可能であるため、可動体１２の開口部１３の内面とストッパ１４の第１側面１４ａとの間の距離（クリアランス）Ｗ１４を高精度に管理でき、本体１１に対する可動体１２の所定の可動範囲を確保し、力覚センサ１０の感度を向上できる。この詳細については、後述する。

［検出動作］
図５を用いて上記構成の力覚センサ１０の検出動作について説明する。図５は、Ｚ軸方向における外力検出動作を説明するための断面図である。ここでは、Ｚ軸方向において可動体１１のほぼ中央部分に加えられた外力（荷重）ＦＺを検出する場合を一例に挙げる。

図示するように、Ｚ軸方向において可動体１１のほぼ中央部分に外力ＦＺが加えられると、外力ＦＺによって可動体１１がＺ軸方向に沿って下方に移動する。本体１１は固定されており外力ＦＺによっても移動しないため、可動体１１は、開口部１３の上側の内面がストッパ１４の上側の第１側面１４ａに当接するまで、下方に移動する。上記移動により、上側の距離Ｗ１４Ｕは実質的に０となり、下側の距離Ｗ１４Ｄは移動前の初期状態に比べて２倍程度まで増大する。

そのため、可動体１２の下面１２ａが起歪体１６の上面を加圧し、加圧された起歪体１６は変形を起こす。ストッパ１４により、起歪体１６の変形は所定の範囲に限定されているため、過剰な外力による破壊から起歪体１６が保護される。起歪体１６の変形は、歪センサ２６により検出され、電気信号としての検出信号に変換される。検出信号は基板２０を介して配線２５により外部に伝達されることで、外力ＦＺを検出することができる。

その後、可動体１２への外力ＦＺの印加が解除されると、起歪体１６は、弾性変形により、元の形状に復帰する。

尚、ここでは、Ｚ軸方向における外力検出動作を一例に挙げたが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるその他の外力検出動作も同様である。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における各トルク検出動作についても、上記外力検出動作と実質的に同様であるため、詳細な説明を省略する。

［クリアランスＷ１４の調整］
次に、図６、図７を用いて、クリアランスの調整について説明する。

図６、図７に示すように、クリアランスの調整は、開口部１３にシム３０を装着して行われる。図６、図７は、１つの開口部１３にシム３０を装着した場合を示しているが、４つの開口部１３の全てにシム３０を装着した状態で、調整することが好ましい。この場合、調整精度が一層向上し、調整作業の時間を短縮することが可能である。

シム３０は、筒状の挿入部３０ａと、つまみ部３０ｂ及び開口部３３を有している。

つまみ部３０ｂは、開口部１３の直径Ｒ１３より大きな外径Ｒ３０を有している。

開口部３３は、つまみ部３０ａを貫通し、取付ボルト１５の頭部に設けられた六角穴に取着される図示せぬ六角レンチが挿入可能とされている。

挿入部３０ａは、可動体１２の開口部１３の直径とほぼ等しい外径Ｒ１３を有し、挿入部３０ａの厚みは、ストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ３０と実質的に同一の厚さに設定されている。

取付ボルト１５を緩めた状態において、図７に示すように、シム３０の挿入部３０ａがストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間に挿入される。挿入部３０ａの外径は、開口部１３の直径Ｒ１３と実質的に同一であり、挿入部３０ａの内径は、ストッパ１４の第２側面１４ｂの第２外径Ｒ１４ｂと実質的に同一である。このため、シム３０の挿入部３０ａを開口部１３に挿入した状態で、シム３０の軸心Ｃ３０とストッパ１４の軸心Ｃ１４とが互いに一致され、同心円となる。すなわち、この状態において、上記隙間の距離Ｗ１５ａ、１５ｂ分だけストッパ１４が移動可能であるため、ストッパ１４の第１側面１４ａと、開口部１３の内面との距離Ｗ１４が正確に設定される。

この状態において、シム３０の開口部３３から図示せぬ六角レンチを挿入して取付ボルト１５を締め付けることにより、ストッパ１４が本体１１に固定される。

このように、距離Ｗ３０に相当する厚みを有する挿入部３０ａをストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３との間に挿入することにより、ストッパ１４の第１側面１４ａと開口部１３の内面との距離Ｗ１４であるクリアランスを正確に管理することができる。

［作用効果］
上記第１実施形態によれば、ストッパ１４は、可動体１２の開口部１３の内面が当接される第１側面１４ａと、第１側面より外径が小さい第２側面１４ｂを有し、ストッパ１４の調整時、ストッパ１４の第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間に、第２側面１４ｂと開口部１３の内面との間の距離Ｗ３０に相当する厚みを有するシム３０の挿入部３０ａを挿入している。このため、シム３０の軸心Ｃ３０とストッパ１４の軸心Ｃ１４とが一致することにより、上記隙間の距離Ｗ１５ａ、１５ｂ分だけストッパ１４が移動し、ストッパ１４の第１側面１４ａと、開口部１３の内面との距離Ｗ１４を正確に設定することができる。

例えば、本実施形態に係る力覚センサ１０に、Ｚ方向に荷重ＦＺを加えた場合、起歪体１６の変位［μｍ］と検出された荷重［Ｎ］との関係は、図８のように示される。図８に示すように、特性線ＣＬ１０は、Ｚ方向の変位が０．０２２μｍ付近（変曲点）において、その傾き（立ち上がる角度）が変化している。これは、変位がゼロの状態から変曲点まで（Ｄ１）ではストッパ１４が機能せず起歪体１６が変形することを示し、変曲点以降（Ｄ２）ではストッパ１４の第１側面１４ａが開口部１３の内面に当接するためストッパ１４が機能していることを示す。変曲点以降（Ｄ２）では、特性線ＣＬ１０の傾きが増大し、起歪体１６が変形しにくくなっており、クリアランスである距離Ｗ１４を正確に設定することができていることは明らかである。

しかも、取付ボルト１５を緩めた状態において、シム３０を取り付け、シム３０の開口部３３から取付ボルト１５を締め付けるだけで良いため、クリアランスである距離Ｗ１４の誤差を可能な限り低減しつつ、調整作業を容易化することができる。

さらに、ストッパ１４の第１側面１４ａ及び第２側面１４ｂは、例えば同一の工程を用いて連続的に切削することにより形成できる。そのため、第１側面１４ａおよび第２側面１４ｂの寸法管理および検査が容易である。

また、可動体１２は、その製造加工においても、開口部１３の直径Ｒ１３の寸法のみを管理すればよいため、寸法管理および検査が容易である。

さらに、シム３０は、挿入部３０ａの外面および内面を、例えば同一の工程を用いて連続的に切削することにより形成できる。そのため、シム３０の寸法管理、検査および同心度を容易化することできる。

しかも、ストッパ１４は、非常にシンプルな形状であり、６軸方向の全てに対して保護機能を有している。このため、高感度かつ製造コストの低減化に有利な力覚センサ１０を提供することが可能となる。

（第２実施形態（テーパ構造を有する一例））
次に、図９および図１０を用い、第２実施形態に係る力覚センサ１０Ａについて説明する。第２実施形態は、ストッパ１４およびシム３０がテーパ構造を有する一例に関する。

［構造］
図９は、第２実施形態に係る力覚センサ１０Ａを示す断面図である。図１０は、図９のＡ近傍であって、治具を使用した状態での力覚センサ１０Ａを示す断面図である。

図９に示すように、第２実施形態において、ストッパ１４は、第２側面１４ｃが、第１側面１４ａから離れるに従って第２外径Ｒ１４ｃが小さくなるように構成されるテーパ構造を有する。図１０に示すように、ストッパ１４の第２側面１４ｃと水平面との成す角θ１４は、鋭角である。

さらに、図１０に示すように、上記ストッパ１４のテーパ構造と一致するように、シム３０の挿入部３０ａの内側面は、第１側面１４ａから離れるに従ってその内径が小さくなるように構成されるテーパ構造を有する。シム３０の挿入部３０ａの内側面と水平面との成す角θ３０は、鋭角である。

その他の構造は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、検出動作に関しても、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
第２実施形態に係る力覚センサ１０Ａの構造および動作によれば、少なくとも第１実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、第２実施形態に係る力覚センサ１０Ａでは、ストッパ１４の第２側面１４ｃおよびシム３０の挿入部３０ａが、テーパ構造を有する。具体的には、図９に示すように、ストッパ１４の第２側面１４ｃおよび挿入部３０ａの内側面は、第１側面１４ａから離れるに従って第２外径Ｒ１４ｃおよび内径が小さくなるように構成される。

このように、ストッパ１４の第２側面１４ｃおよびシム３０の挿入部３０ａがテーパ構造を有することによって、ストッパ１４の位置決めを行う際、開口部１３に対してシム３０の挿入部３０ａを容易に挿入することが可能である。

しかも、ストッパ１４の第２側面１４ｃおよびシム３０の挿入部３０ａがテーパ構造を有することにより、ストッパ１４とシム３０の軸心を確実に一致させることができる。そのため、第１側面１４ａと開口部１３の内面との間の距離Ｗ１４を、第１実施形態と比較して、より高精度に管理することができる。

（変形例）
本発明は、上記第１および第２実施形態の開示に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、本実施形態では、ストッパ１４は、取付ボルト１５により本体１１に固定されているが、この構成に限定されない。具体的には、第１実施形態において、可動体１２の開口部１３が設けられた部分は、本体１１の取付ボルト１５が螺合される部分より外側に位置しているが、本体１１に開口部１３が設けられる部分を設け、可動体１２に取付ボルト１５が螺合される部分を設け、本体１１に設けられた開口部１３が設けられる部分を可動体１２に設けられた取付ボルト１５が螺合される部分より外側に配置し、本体１１に設けられた開口部１３内にストッパ１４を配置した構成であってもよい。

また、シム３０の使用は、力覚センサ１０、１０Ａの検査の際に限らず、力覚センサ１０、１０Ａをある程度可動させた後である例えばメンテナンスの際等でもよい。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０、１０Ａ…力覚センサ、１１…本体、１２…可動体、１３…開口部、１４…ストッパ（保護機構）、１５…固定部材（ストッパ取付ボルト）、１６…起歪体、２６…歪センサ、３０…治具（シム）。

実施形態に係る力覚センサは、円筒状の本体と、前記本体に対して動作可能な円筒状の可動体と、前記本体及び前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、前記起歪体に設けられた歪センサと、前記可動体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部と、前記開口部のそれぞれの内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有し、前記開口部の内面に当接可能な第１側面と、前記第１側面より前記開口部内において外側に位置し、前記第１外径より小さな第２外径を有し、前記開口部の内面との間に調整用の治具が挿入可能な第２側面とを有するストッパと、前記ストッパを前記本体に固定する固定部材と、前記第１または第２側面と平行する前記ストッパの内側面と前記固定部材との間に、所定の距離を有する隙間を更に具備し、前記治具が前記開口部の内面と前記第２側面との間に挿入されたとき、前記隙間の距離分だけ前記ストッパが移動可能となるように構成される。

さらに、図４の破線で囲った部分を拡大して示すように、実際には、第１側面１４ａと対向するストッパ１４の内側面と固定ボルト１５の軸との間には距離Ｗ１５ａの所定の隙間が設けられる。また、第１、第２側面１４ａ、１４ｂと平行するストッパ１４の内側面と固定ボルト１５の頭部の側面との間にも距離Ｗ１５ｂの所定の隙間が設けられている。上記距離Ｗ１５ａ、Ｗ１５ｂは、例えば０．２ｍｍ程度である。尚、以降の説明において、これらの隙間の図示は省略する。

Claims (6)

1. 円筒状の本体と、
   前記本体に対して動作可能な円筒状の可動体と、
   前記本体及び前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、
   前記起歪体に設けられた歪センサと、
   前記可動体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部と、
   前記開口部のそれぞれの内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有する第１側面と前記第１外径より小さな第２外径を有する第２側面とを有するストッパと、
   前記ストッパを前記本体に固定する固定部材と
   を具備する力覚センサ。
2. 円筒状の本体と、
   前記本体に対して動作可能な円筒状の可動体と、
   前記本体及び前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な起歪体と、
   前記起歪体に設けられた歪センサと、
   前記本体の周囲に等間隔に設けられた少なくとも３つの円形の開口部と、
   前記開口部のそれぞれの内部に配置され、前記開口部の直径より小さな第１外径を有し前記可動体が当接可能な第１側面と、前記第１外径より小さな第２外径を有し前記開口部の内面との間に調整用の部材が挿入可能な第２側面と、を有するストッパと、
   前記ストッパを前記可動体に固定する固定部材と
   を具備する力覚センサ。
3. 前記第２側面は、前記第１側面から離れるに従って前記第２外径が小さくなる
   請求項１または２に記載の力覚センサ。
4. 前記開口部の内面と前記第２側面との間に挿入され、前記開口部の内面と前記第１側面との距離を調整するための治具を更に具備する
   請求項１乃至３のいずれかに記載の力覚センサ。
5. 前記治具は、前記開口部の内面と前記第２側面との間に挿入可能な挿入部を有し、
   前記挿入部の内側面の径は、前記第１側面から離れるに従って小さくなる
   請求項４に記載の力覚センサ。
6. 前記第１または第２側面と対向する前記ストッパの内側面と前記固定部材との間に、所定の距離を有する隙間を更に具備し、
   前記治具が前記開口部の内面と前記第２側面との間に挿入されたときに、前記隙間の距離分だけ前記ストッパが移動可能となるように構成される
   請求項４または５に記載の力覚センサ。

Images