JP2021092397A - ロボット用外力伝達構造体及びロボット用センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】物理量センサに伝達する並進力を弱めることなく、モーメント力についてはある程度の剛性によって抗することが可能となるロボット用外力伝達構造体を提供する。【解決手段】外力伝達構造体１の梁状部材３Ａは、受力体２Ａの溝部５に中間支点７ａ，７ｂを介して接続するように配置され、梁状部材３Ｂは、支持部材２Ｂの溝部５に２つの中間支点７ａ，７ｂを介して接続するように、梁状部材３Ａと交差した状態で配置される。２つの柱状部材４Ａ，４Ｂは、梁状部材３Ａの両端と支持部材２Ｂとを接続するように配置され、柱状部材４Ｃ，４Ｄは、梁状部材３Ｂの両側と受力体２Ａとを接続するように配置される。そして、受力体２Ａ及び梁状部材３Ａと、支持部材２Ｂ及び梁状部材２Ｂとが対向する間の空間に力覚センサ１１を配置してセンサユニット１２を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの可動部に配置される物理量センサに、複数軸方向より印加される外力を伝達する構造体，及びその構造体と物理量センサとで構成されるセンサユニットに関する。

多関節ロボットが有しているアームに、例えば力覚センサのような外力を検出するセンサを組み込むことで、アームがワーク等に加える力をフィードバック制御することが可能になる。

特開２００４−３２５３６７号公報

しかしながら、多関節ロボットのアームはその構造により、動作させた際に非常に大きなモーメント力を発生させる。力覚センサは、加えられた力を検出するために変形を生ずる必要があることから、剛性を一定以上高めることができない。したがって、力覚センサをそのままロボットのアームに配置することを想定すると、モーメント力に耐えられず寿命が短くなったり、ロボットの動作が制限されたり、ロボットに振動が発生し易くなるといった問題が発生する。

一方で、力覚センサの剛性を向上させて対応することを想定すると、力覚センサに対し１つの軸方向に沿って直線的に作用する力の検出感度が低下してしまう。尚、以下では、「直線的に作用する力」を便宜上「並進力」と称する。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの可動部に配置される物理量センサに伝達する並進力を弱めることなく、モーメント力についてはある程度の剛性によって抗することが可能となるロボット用外力伝達構造体，及びその構造体と物理量センサとで構成されるロボット用センサユニットを提供することにある。

請求項１記載のロボット用外力伝達構造体によれば、第１梁状部材は、第１支持部材の溝部に２つの中間支点部を介して接続するように配置され、第２梁状部材は、第２支持部材の溝部に２つの中間支点部を介して接続するように、且つ第１梁状部材と交差した状態で配置される。２つの柱状部材は、第１梁状部材の両端と第２支持部材とを接続するように配置され、他の２つの柱状部材は、第２梁状部材の両側と第１支持部材とを接続するように配置される。

このように構成すれば、例えば支持部材の一方に並進力が作用すると、梁状部材の両端には同じ方向の力が加わる。この時、梁状部材は、低剛性部が中央支点となり、その両側にある中間支点部が中間支点となって弾性変形する。この変形によって、物理量センサに並進力を伝達することができる。

これに対して、支持部材の一方にモーメント力が作用すると、梁状部材の両端には互いに逆方向の力が加わる。この時、梁状部材は、中央支点の両側が中間支点により支持されることで、中央支点周りに弾性変形することが妨げられるので、梁状部材の剛性によってモーメント力の伝達度合いが低下することになる。これにより、物理量センサの寿命を低下させることなく、物理量センサに適度なモーメント力を伝達することが可能になる。

ここで、支持部材の配置面と平行な平面内で直交する２軸をＸ，Ｙ方向とし、Ｘ，Ｙ方向に対して垂直となる方向をＺ方向と定義すると、支持部材の一方にＺ方向より印加される並進力に対しては梁状部材が弾性変形する。そして、Ｘ，Ｙ方向より印加される並進力に対しては、柱状部材の低剛性部が弾性変形することで支持部材の一方がＸ，Ｙ方向に変位する。したがって、３軸方向の並進力を物理量センサに伝達することができる。

請求項２記載のロボット用センサユニットによれば、請求項１記載のロボット用外力伝達構造体において、第１支持部材及び第１梁状部材と、第２支持部材及び第２梁状部材とが対向する間の空間に力覚センサを配置する。このように構成すれば、外力伝達構造体を介して３軸方向の並進力と各軸周りのモーメント力とを力覚センサに伝達して、６軸方向の外力を検出できる。

第１実施形態であり、外力伝達構造体及びセンサユニットを示す斜視図 ２つの梁状部材が交差している状態を示す平面図 梁状部材３Ａに平行な線で切った断面を示す斜視図 図３に梁状部材３Ｂに平行な線で切った断面を付加した４分断面の斜視図 梁状部材３Ｂに平行な線で切った断面をＹ軸方向から見た図 梁状部材をモデル的に示した図 受力体にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した際の梁状部材の状態を示す図 受力体にＸ軸周りのモーメント力Ｍｘが作用した際の梁状部材の状態を示す図 図６にモデル化した柱状部材を加えて示す図 受力体にＹ軸方向の力Ｆｙが作用した際の梁状部材の状態を示す図 図７に示した変形を、実際の構造体に近いものでデフォルメして示す図 図１０に示した変形を、実際の構造体に近いものでデフォルメして示す図 センサユニットが垂直６軸型ロボットのアーム内に配置されている状態を示す図 第２実施形態であり、外力伝達構造体及びセンサユニットを示す斜視図 梁状部材３３Ａに平行な線で切った断面をＹ軸方向から見た図 梁状部材をモデル的に示した図 受力体にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した際の梁状部材の状態を示す図 受力体にＹ軸周りのモーメント力Ｍｙが作用した際の梁状部材の状態を示す図 図１６にモデル化した柱状部材を加えて示す図 受力体にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した際の梁状部材の状態を示す図 ８つの歪検出部の配置を単純化して平面的に示した図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図１３を参照して説明する。図１は、本実施形態の外力伝達構造体１を示す斜視図である。以下、構造体１と称す。構造体１は、受力体２Ａ，梁状部材３Ａ及び３Ｂ，柱状部材４Ａ〜４Ｄ及び支持部材２Ｂを備えている。受力体２Ａと支持部材２Ｂとは同一の形状であり、中央部にそれぞれ梁状部材３Ａ，３Ｂが収容される溝部５が形成された円盤状の部材である。また、図３は、梁状部材３Ａに平行な線で切った断面を示す斜視図、図４は、図３に梁状部材３Ｂに平行な線で切った断面を付加した４分断面の斜視図である。また図５は、梁状部材３Ｂに平行な線で切った断面を示す正面図である。

梁状部材３は概ね角柱状であるが、図３，図５に示すように、中央部が両側より抉られてＳ字状となっていることで、他の部分よりも剛性が低い低剛性部となっている。この部分を、中央支点６と称す。図５に示す梁状部材３Ｂは、中央支点６の両側に形成されている断面が概ね三角形状の中間支点７ａ，７ｂを介して支持部材２Ｂに接続されている。中間支点７が梁状部材３の本体に繋がっている三角形状の頂点部分の両側は、若干抉られている。梁状部材３Ｂの両端部８ａ，８ｂには、柱状部材４Ｄ，４Ｂが接続される。両端部８の断面形状は、中間支点７とほぼ同様の概ね三角形状，図５では逆三角形状である。両端部８が梁状部材３Ｂの本体に繋がる部分は、中央支点６と同様に抉られている。これらにより、中央支点６，中間支点７の両側及び両端部８は、梁状部材３Ｂの本体に対して剛性が低くなることで、外力が印加された際に弾性変形し易くなっている。両端部８が本体に繋がる部分を、両端支点９と称す。

図１及び図３に示すように、支持部材２Ｂ及び受力体２Ａに形成された溝部５の深さは、梁状部材３の高さ寸法と同一であり、梁状部材３Ｂを支持部材２Ｂの溝部５に収容した際に、本体よりも僅かに高い両端部８の上面が、支持部材２Ｂの上面と面一になる。概ね円柱状である柱状部材４の中央部分は括れた形状の括れ部１０となっており、この部分も剛性が低くなっている。図２に示すように、梁状部材３Ａ，３Ｂは、互いに直交するように組み合され、梁状部材３Ａの両端部８は、柱状部材４Ａ，４Ｃを介して支持部材２Ｂに接続され、梁状部材３Ｂの両端部８は、柱状部材４Ｂ，４Ｄを介して受力体２Ａに接続されている。

そして、４つの柱状部材４Ａ〜４Ｄで囲まれている構造体１内の空間には、物理量センサである力覚センサ１１が配置されている。力覚センサ１１は周知の構成であり、例えば特許文献１に開示されているように、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向の力及び各軸回りのモーメント力の計６軸方向の力を検出可能なものである。構造体１と力覚センサ１１との組み合わせによって、センサユニット１２が構成されている。このセンサユニット１２は、図１３に示すように、例えば垂直６軸のアームを備えるロボット１３の第４アームの内部に配置される。

尚、受力体２Ａは、力覚センサ１１の上方側に外力を検知する部分が位置していることから、上方側にある支持部材を受力体２Ａと称している。また、構造体１を構成する各部材は金属製である。例えば、受力体２Ａを第１支持部材とすると、支持部材２Ｂが第２支持部材となり、梁状部材３Ａ，３Ｂがそれぞれ第１，第２梁状部材となる。

次に、本実施形態の作用について説明する。図６から図８は、梁状部材３Ｂをモデル的に示したものである。尚、紙面を貫く前後方向をＸ軸方向，紙面の左右方向をＹ軸方向，同上下方向をＺ軸方向とする。図６に示す外力を受けていない状態から、受力体２ＡにＺ軸方向の力Ｆｚが加わると、図７に示すように、両端部８ａ，８ｂには同一方向の力である並進力が加わる。この時、梁状部材３Ｂは、剛性が低い中央支点６が中間支点７ａ，７ｂにより支持されて上方に変位する。梁状部材３Ｂがこのように変形することで、Ｚ軸方向の並進力が力覚センサ１１に伝達される。

一方、受力体２ＡにＸ軸周りのモーメント力Ｍｘが作用すると、図８に示すように、両端部８ａ，８ｂには互いに逆方向の力が作用する。この時、中央支点６は殆ど変位できないため、梁状部材３Ｂ本体の剛性によってモーメント力Ｍｘに抗する状態になる。これにより、モーメント力Ｍｘは大きく減衰した状態で力覚センサ１１に伝達される。

図９及び図１０では、柱状部材４Ｄ，４Ｂも併せてモデル化している。図９に示す外力を受けていない状態から、受力体２ＡにＹ軸方向の力Ｆｙが加わると、図１０に示すように、柱状部材４Ｄ，４Ｂは、それぞれ両端支点９ａ，９ｂが支点となり、剛性が低い括れ部１０が弾性変形して上端側がＹ軸方向に変位する。これにより、Ｙ軸方向の力Ｆｙが力覚センサ１１に伝達される。
図１１，図１２は、図７，図１０に示した変形を、実際の構造体１に近いものでデフォルメして示している。

以上のように本実施形態によれば、外力伝達構造体１の梁状部材３Ａは、受力体２Ａの溝部５に中間支点７ａ，７ｂを介して接続するように配置され、梁状部材３Ｂは、支持部材２Ｂの溝部５に２つの中間支点７ａ，７ｂを介して接続するように、且つ梁状部材３Ａと交差した状態で配置される。２つの柱状部材４Ａ，４Ｂは、梁状部材３Ａの両端と支持部材２Ｂとを接続するように配置され、柱状部材４Ｃ，４Ｄは、梁状部材３Ｂの両側と受力体２Ａとを接続するように配置される。そして、受力体２Ａ及び梁状部材３Ａと、支持部材２Ａ及び梁状部材２Ｂとが対向する間の空間に力覚センサ１１を配置して、センサユニット１２を構成した。

このように構成すれば、受力体２Ａに並進力が作用すると梁状部材３の両端には同じ方向の力が加わるので、梁状部材３は、中央支点６の両側にある中間支点７ａ，７ｂが中間支点となって弾性変形する。この変形によって、力覚センサ１１に並進力を伝達できる。また、受力体２Ａにモーメント力が作用すると、梁状部材３の両端に互いに逆方向の力が加わるので、梁状部材３は、中央支点６の両側が中間支点７ａ，７ｂにより支持されることで、中央支点６周りに弾性変形することが妨げられ、梁状部材３本体の剛性によりモーメント力の伝達度合いが低下する。これにより、力覚センサ１１の寿命を低下させることなく、力覚センサ１１に適度なモーメント力を伝達することが可能になる。

また、受力体２ＡにＺ方向より印加される並進力に対しては梁状部材３が弾性変形し、Ｘ，Ｙ方向より印加される並進力に対しては、柱状部材４が弾性変形することで受力体２ＡがＸ，Ｙ方向に変位する。これにより、３軸方向の並進力を力覚センサ１１に伝達することができる。そして、外力伝達構造体１を介して３軸方向の並進力と各軸周りのモーメント力とを力覚センサ１１に伝達して、６軸方向の外力を検出できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図１４及び図１５に示す第２実施形態の構造体３１は、何れも溝部５が形成されていない円盤状の受力体３２Ａ，支持部材３２Ｂを用いている。梁状部材３３Ａ，３３Ｂは、梁状部材３Ａ，３Ｂより中間支点７ａ，７ｂを除いた形状であり、梁状部材３Ａ，３Ｂとは上下を反転させた状態でそれぞれ受力体３２Ａ，支持部材３２Ｂに接続されている。

梁状部材３３Ａ，３３Ｂは、それぞれの両端部８ａ，８ｂが受力体３２Ａ，支持部材３２Ｂの設置面に接続されている。柱状部材３４は、中央部の両側にそれぞれ括れ部３５ａ，３５ｂが形成されており、３４Ａ及び３４Ｂ，３４Ｃ及び３４Ｄ，３４Ｅ及び３４Ｆ，３４Ｇ及び３４Ｈの組で用いられる。各組の柱状部材３４は、互いの中央部が平板上の連結部材３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄによって連結されている。

そして、梁状部材３３Ａの中間支点７ａ，７ｂに相当する位置には、柱状部材３４Ｃ及び３４Ｄ，柱状部材３４Ｇ及び３４Ｈの組が接続されており、柱状部材３４Ｃ及び３４Ｄ，柱状部材３４Ｇ及び３４Ｈの上面が受力体３２Ａに接続されている。また、梁状部材３３Ｂの中間支点７ａ，７ｂに相当する位置には、柱状部材３４Ａ及び３４Ｂ，柱状部材３４Ｅ及び３４Ｆの組が接続されており、柱状部材３４Ａ及び３４Ｂ，柱状部材３４Ｅ及び３４Ｆの下面が支持部材３２Ｂに接続されている。すなわち、第２実施形態では、柱状部材３４が中間支点部材として作用する。

また、第２実施形態では、力覚センサ１１を用いる代わりに、物理量センサとして８つの歪検出部３７Ｂ１〜３７Ｂ４，３７Ｃ１〜３７Ｃ４を用いる。歪検出部３７Ｂ１，３７Ｂ３は、梁状部材３３Ｂの両端面に配置され、歪検出部３７Ｂ２，３７Ｂ４は、梁状部材３３Ａの両端面に配置される。歪検出部３７Ｃ１〜３７Ｃ４は、それぞれ連結部材３６Ａ〜３６Ｄに配置されている。そして、構造体３１に歪検出部３７を加えたものが、センサユニット３８を構成している。歪検出部３７は歪センサに相当する。

次に、第２実施形態の作用について説明する。図１６に示す外力を受けていない状態から、受力体３２ＡにＺ軸方向の力Ｆｚが加わると、図１７に示すように、両端部８ａ，８ｂには同一方向の力である並進力が加わる。この時、梁状部材３３Ａは、剛性が低い中央支点６が中間支点となる柱状部材３４（Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｆ）により支持されて上方に変位する。

一方、受力体３２ＡにＹ軸周りのモーメント力Ｍｙが作用すると、図１８に示すように、両端部８ａ，８ｂには互いに逆方向の力が作用する。この時、中央支点６は殆ど変位できないため、梁状部材３３Ａ本体の剛性によってモーメント力Ｍｙに抗する状態になる。結果として、第１実施形態の図７及び図８と同様の作用になる。

図１９及び図２０では、柱状部材３４の括れ部３５ａ，３５ｂも含めてモデル化している。図１９に示す外力を受けていない状態から、受力体２ＡにＸ軸方向の力が加わると、図２０に示すように、柱状部材３４は、剛性が低い括れ部３５ａ，３５ｂが弾性変形して上端側がＸ軸方向に変位する。

図２１は、８つの歪検出部３７の配置を単純化して平面的に示したものである。これら８つの歪検出部３７の検出出力をそれぞれＢ１〜Ｂ４，Ｃ１〜Ｃ４とすると、並進力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びモーメント力Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、各検出出力を以下のように演算することで求められる。
Ｆｘ∝Ｃ２＋Ｃ４
Ｆｙ∝Ｃ１＋Ｃ３
Ｆｚ∝Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３＋Ｂ４
Ｍｘ∝Ｂ２−Ｂ４
Ｍｙ∝Ｂ１−Ｂ３
Ｍｚ∝（Ｃ１−Ｃ３）−（Ｃ２−Ｃ４）

以上のように第２実施形態によれば、外力伝達構造体３１の梁状部材３３Ａは、受力体３２Ａの配置面に両端部８ａ，８ｂを介して接続するように配置され、梁状部３３Ｂ材は、支持部材３２Ｂの配置面に両端部８ａ，８ｂを介して接続するように、且つ梁状部材３３Ａと交差した状態で配置される。梁状部材３３の一端部と対向する側の受力体３２Ａ又は支持部材３２Ｂの配置面とはそれぞれ２つの柱状部材３４で接続され、各２つの柱状部材３４は連結部材３６により連結される。そして、梁状部材３３の各両端面と各連結部材３６とに８つの歪検出部３７を備えてセンサユニット３８を構成した。

このように構成すれば、受力体３２Ａに並進力が作用すると、梁状部材３３の両端には同じ方向の力が加わるので、梁状部材３３は中央支点６が中央支点となり、その両側にある２つの柱状部材３４の組が中間支点となって弾性変形する。この変形によって歪検出部３７に並進力を伝達できる。

また、受力体３２Ａにモーメント力が作用すると、梁状部材３３の両端には互いに逆方向の力が加わるが、梁状部材３３は、中央支点６の両側が前記中間支点により支持されることで中央支点６周りに弾性変形することが妨げられ、梁状部材３３本体の剛性によってモーメント力の伝達度合いが低下する。これにより、歪検出部３７に過度のストレスを与えて寿命を低下させることなく、適度なモーメント力を伝達することが可能になる。

そして、受力体３２ＡにＺ方向より印加される並進力に対しては、上述のように２つの柱状部材３４の組が中間支点として作用することで梁状部材３３が弾性変形する。そして、Ｘ，Ｙ方向より印加される並進力に対しては、柱状部材３３の括れ部３５ａ，３５ｂの一方側が弾性変形することで受力体３２Ａ又は支持部材３２Ｂの一方がＸ，Ｙ方向に変位する。したがって、３軸方向の並進力を物理量センサに伝達できる。

また、センサユニット３８によれば、８つの歪検出部３７のうち、２つ又は４つの出力信号を加算することで３軸方向の並進力を求めることができ、２つの力信号を減算し、４つの出力信号を加減算することで３軸方向のモーメント力を求めることができる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
各部材の具体的構成については、要旨を逸脱しない範囲で変更しても良い。例えば支持部材の外形は円形である必要は無く、例えば矩形状であっても良い。
物理量センサは、力覚センサや歪センサに限らない。
第１実施形態の各低剛性部に、第２実施形態の歪検出部３７を配置し、第２実施形態と同様に６軸方向の検出を行っても良い。
第２実施形態において、連結部材３６は必要に応じて設ければ良い。
第２実施形態の歪検出部３７に替えて、外力伝達構造体３１の内部の空間に、第１実施形態の力覚センサ１１を配置しても良い。

図面中、１は外力伝達構造体、２Ａは受力体、２Ｂは支持部材、３は梁状部材、４は柱状部材、５は溝部、６は中央支点、７は中間支点、８ａ，８ｂは両端部、９は両端支点、１０は括れ部、１１は力覚センサ、１２はセンサユニット、３１は外力伝達構造体、３２Ａは受力体、３２Ｂは支持部材、３３は梁状部材、３４は柱状部材、３５は括れ部、３６は連結部材、３７は歪検出部、３８はセンサユニットを示す。

Claims (3)

1. ロボットの可動部に配置され、複数軸方向より印加される外力を物理量センサに伝達するもので、
   中央部に溝部が形成されている第１及び第２支持部材と、
   中央部が他の部分よりも剛性が低い低剛性部となっており、前記低剛性部の両側に中間支点部を有し、それぞれ前記第１及び第２支持部材の溝部に２つの中間支点部を介して接続するように、且つ互いに交差した状態で配置される第１及び第２梁状部材と、
   中央部が他の部分よりも剛性が低い低剛性部となっており、前記梁状部材の両端側に配置される４つの柱状部材とを備え、
   前記４つのうち２つの柱状部材は、前記第１梁状部材の低剛性部の両側と前記第２支持部材とを接続するように配置され、
   他の２つの柱状部材は、前記第２梁状部材の低剛性部の両側と前記第１支持部材とを接続するように配置されるロボット用外力伝達構造体。
2. 請求項１記載のロボット用外力伝達構造体と、
   前記第１支持部材及び前記第１梁状部材と、前記第２支持部材及び前記第２梁状部材とが対向する間の空間に配置される力覚センサとを備えるロボット用センサユニット。
3. 請求項１記載のロボット用外力伝達構造体を備え、
   前記梁状部材と、前記柱状部材とに配置される歪検出センサを備えるロボット用センサユニット。

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