JP2023534575A - トルク及び力トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
ハブと、ハブ上に配置され、ハブから外に向かって延在する少なくとも1つの曲げ梁を含む、6軸力トルクトランスデューサ(FTT)。少なくとも1つの曲げ梁のそれぞれが、実質的にU字形状の断面を有するU字梁、及びハブから離れたU字梁の一部分においてU字梁に取り付けられた、少なくとも1つの梁板を含む。少なくとも1つのひずみゲージを含む第1のひずみゲージ支持体が、少なくとも1つのU字梁の外側表面上に搭載される。少なくとも1つのひずみゲージを含む第2のひずみゲージ支持体が、少なくとも1つの梁板の外側表面上に搭載される。ブリッジ構成において、接続要素が、第1のひずみゲージ支持体のひずみゲージ及び第2のひずみゲージ支持体のひずみゲージを電気的に接続する。
Description
(関連出願データ)
本願は、2020年5月29日に出願した米国仮出願第63/031,774号の利益を主張するものであり、その開示全体を参照により本明細書に援用する。
本願は、2020年5月29日に出願した米国仮出願第63/031,774号の利益を主張するものであり、その開示全体を参照により本明細書に援用する。
開示する実装形態は、変形可能な構造体に取り付けられたひずみゲージを使用して力を測定する分野に関する。詳細には、開示する実装形態は、直交する3つの力及び直交する3つのトルクを測定するために使用される力トルクトランスデューサ(FTT:force torque transducer)及び測定方法に関する。
従来の6軸FTTは、加えられた力及びトルクを電圧、抵抗、キャパシタンス又は電流に変換する。変形可能な機械的構造体が使用され、その構造体に荷重がかけられると、その構造体の表面が変形する。ひずみゲージセンサを使用して、その変形を、抵抗、電圧、キャパシタンス又は電流の変化に変換する。次いで、この信号における変化を、既知の方式にて、コンピュータにより処理するために、アナログ信号をデジタル化する電子機器(「A/Dコンバータ」として知られる)によって測定する。このようなFTTは、たとえば、様々なロボット工学の用途において使用することができる。センサに加えられた直交する3つの力及び直交する3つのトルクを抽出するために、FTTの変形可能な構造体の異なる位置から、最低6つのひずみ測定値を得る必要がある。ひずみ測定値のそれぞれは、通常、「抵抗ひずみゲージ(resistive strain gauge)」(SG)としても知られる抵抗性のひずみセンサによって取得される。機械的構造体のSGの構成及び機械的構造体の幾何形状は、FTTの製造コスト及び製造品質に直接影響を及ぼす。
6軸FTTの検知素子は、通常、加えられた荷重を支える高剛性の2つのハブから構成され、このハブは放射状に且つ等しく間隔が空いた1つ又は複数の矩形の曲げ梁によって連結される。曲げ梁と高剛性の1つ又は2つのハブとの間に、加えられた力を機械的に減結合するために順応な部分が存在する。ひずみゲージは、曲げ梁の表面に取り付けられる。
力及びトルクの6つの成分のすべてを測定するために、最も一般的なFTTは、同じ接平面上ではなく、通常、ある軸に対して互いに90度ずれた表面上に取り付けられたSGを有する。ハーフ・ホイートストン・ブリッジ又はフル・ホイートストン・ブリッジ(「ブリッジ」)を形成するために、これらのSGは、ワイヤなど電気的な接続によって連結される。最も一般的な構成は、矩形断面梁であり、SGが4つのすべての表面上に固定される。梁を中空にして、機械的にさらに高い可撓性を与えることができる。直交する3つの力及び直交する3つのトルクを解析するために、十分な数の信号(最低6つ)を作り出すためには、これらの梁が最低3つは必要になる。この方法によって、曲げ梁上の利用できるすべての表面が、ひずみ測定用に利用できるので、非常に小型のFTTの設計が可能になる。しかし、このような設計において、表面にアクセスして、SGにワイヤを取り付け、はんだ付けすることは困難である。したがって、通常、手作業及び個別仕様の工具が必要であり、製造費用が高い。一般に、ひずみゲージの取付けは、手作業、特別な工具及び特別な機器、並びに高度な技能を持つ作業員を必要とする、時間のかかる工程である。
場合によっては、2つの垂直力を解析するのに十分な感度である適切な信号を生成するためには、同じ平面上又はわずかに傾斜した平面上の1つ又は2つの表面部分だけで十分である。その場合のひずみゲージは、クォータ・ブリッジ及び/又はハーフ・ブリッジに組み合わせて、各梁の必要な2つの成分を解析する。この設計は、はんだ付け用のSG接続用パッドへのアクセスを容易にするので、FTTの製造をさらに自動化に適合させ、著しく費用を低減する。場合によっては、ワイヤをはんだ付けする代わりに、PCBを使用して、SGの端子パッドを簡単に接触させることによって、適宜、SGを接続する。しかし、ひずみゲージは、垂直ひずみを測定するために使用され、信号の減結合は、梁の中立軸からの距離に比例する。したがって、上述の第1の実例のセンサの精度及び感度レベルを達成するためには、梁をさらに幅広くする必要があり、その結果、同じSGに対してはさらにFTTの直径が大きくなる。
さらに、温度補償は、圧力が加えられていない表面に外界センサを取り付けることによってのみ達成される。この外界センサを取り付けることの欠点は、2つの表面間の熱伝導が比較的遅いことである。したがって、これら2つの表面の温度は同期せず、ドリフトが問題になる。さらには、熱放散は対称ではなく、外部境界温度の状態によって非常に影響を受ける。
別の実例において、ひずみ測定は、部分的には垂直の場合があり、部分的にはせん断における場合がある。このような場合において、ひずみゲージは、1つの表面の上面すべてにすべてが配置され、さらに容易に製造することもまた、実現される。しかし、この場合、機械的な構造が複雑になり、したがって、さらに費用がかかる。
一般的に言えば、SGの接着によるFTTの機器化は、製造に関連付けられる費用の1つの最も重要な部分である。FTTは、製造するために個別仕様化された装置類を必要とするので、高価である。さらには、温度作用を補償するために特別なアルゴリズムが開発され、多くのワイヤを小型のデバイスにはんだ付けする場合、製造するセンサの品質制御が困難になる。
開示する実装形態は、FTTに加えられる直交する3つの力成分及び直交する3つのトルク成分を、6つ以上の電気信号に変えるFTTを含む。本実装形態により、特別な機器及び工具を必要としない小型の6軸FTTの設計及び製造が可能になる。たとえば、FTTは、ロボットにおいて、力感度及び力制御が不可欠な細かな指先検知又は大きな力操作の作業のための、力フィードバックに使用することができる。
本発明の中核の構成要素は、剛性の工具搭載用ハブ、1つ又は複数の剛性の搭載用固定具、機械的に変形させることができる構造体(「曲げ梁」と呼ぶ)である。曲げ梁は、直立した2つの梁板(plate beam)に取り付けられた断面において、実質的にU字形状を有する梁から構成される。せん断ひずみを測定できるフル・ブリッジSG群の電気回路はU字形状の外側表面上に配置され、せん断ひずみを測定できる互いに接続された、2つのハーフ・ブリッジひずみゲージ群は直立した梁板上に配置される。プリント回路板(PCB:Printed Circuit Board)が提供され、必要ないかなる電子回路、及び/又は接続を含む。
上述の構成要素は以下のように構成することができる。剛性のハブは、放射状に配置された3つの曲げ梁によって、剛性の搭載用固定具に連結される。これらの構成要素は、ミーリング又は他の技法によって製造することが可能な1つの一体構造を形成する。フル・ブリッジひずみゲージ群は、曲げ梁のU字形状の梁上に固定される。1つの実装形態において、フル・ブリッジの代わりに、ハーフ・ブリッジせん断ひずみゲージ群が使用され、残りのブリッジは抵抗器によって作り上げられる。2つのハーフ・ブリッジひずみゲージ群は、曲げ梁の直立した2つの梁板上に固定されて、フル・ブリッジを形成する。1つの実装形態において、1組の単一せん断ひずみゲージは、直立した梁板の上に固定されて、ハーフ・ブリッジを形成し、残りのブリッジは、抵抗器で作り上げられる。ひずみゲージは、PCBによって電気的に接続して、上述のハーフ・ブリッジ及びフル・ブリッジを形成することができる。SGが取り付けられている曲げ梁の外側表面を使用して、加えられた2つの垂直力によって生成された、せん断ひずみを測定する。これらの表面はアクセスするのが容易であり、したがって、表面にアクセスするための特別な機器を必要とすることなく、手作業でひずみゲージを接着することができる。さらに、この表面は、FTTの基準座標系に加えられた力を機械的に減結合するために必要とされるセンサの順応性のために使用される。したがって、利用できる、アクセス可能なすべての表面が、最も効率的な方法で使用することができ、製造が容易で費用を抑えられ、その結果、FTTが非常に小型になる。
2つの力のそれぞれに対するひずみゲージは、その構造において温度の変動を補償する方式で、電気的に接続される。具体的には、SGは、同じ曲げ梁上に対称に配置されており、互いに非常に近接しているので、ほとんど遅延/変動のない同じ温度を共有する。さらに、ひずみゲージは、取り付けられている材料に対して温度補償される。
選択されたトランスデューサの基準座標系上で、地上較正(ground truth measurements)を用いた較正プロセスによって、6つの信号出力を使用して、加えられた3つの力と3つのトルクを再現する。開示する実装形態を使用して、現在の工業用ロボット・システムと互換性のある、既製のひずみゲージを用いた、超小型で高性能の6軸力トルクトランスデューサを製造することができる。さらには、開示する実装形態は、特別な組立て技能又は工具を必要とせず、その結果、製造費用が低くなるということに留意されたい。
開示する実装形態は、6軸力トルクトランスデューサ(FTT)であって、ハブと、ハブ上に配置され、ハブから外側に向かって延在する少なくとも1つの曲げ梁であって、少なくとも1つの曲げ梁のそれぞれが、実質的にU字形状の断面を有するU字梁(U-beam)、及びハブから離れたU字梁の一部においてU字梁に取り付けられた少なくとも1つの梁板を含む、少なくとも1つの曲げ梁と、少なくとも1つのひずみゲージを含み、少なくとも1つのU字梁の外側表面上に搭載された第1のひずみゲージ支持体と、少なくとも1つのひずみゲージを含み、少なくとも1つの梁板の外側表面上に搭載された第2のひずみゲージ支持体と、ブリッジ構成において、第1のひずみゲージ支持体のひずみゲージ及び第2のひずみゲージ支持体のひずみゲージを電気的に接続するための接続素子とを有する。
ハブから放射状に延在する3つのU字梁があり得、それぞれのU字梁が、U字梁に取り付けられた2つの梁板を有することができる。複数の搭載用固定具が、梁板のそれぞれの遠位端を、U字梁のうち近接する1つに取り付けられた、対応する梁板の1つの遠位端にそれぞれ連結することができる。
少なくとも1つのU字梁のそれぞれが、実質的に平行している2つの板、及び直交する接続板を含むことができる。第1のひずみゲージ支持体は、直交する接続板上に搭載することができる。第2のひずみゲージ支持体は、少なくとも1つの梁板の外側表面によって画定された平面と直角に交差する平面内に配置することができる。
本発明は、実例によって示してあり、添付の図面の図において限定されるものではなく、同様の参照は同様の要素を示す。
後述する詳細を参照して、様々な開示される実装形態を述べることになり、添付の図面によって、様々な実装形態が示されることになる。以下の説明及び図面は本発明の例示であって、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。様々な開示される実装形態の完全な理解をもたらすために、多くの具体的な詳細が述べられる。しかし、場合によっては、開示される実装形態の簡潔な説明を提示するために、よく知られたもの、又は従来の詳細は述べられない。本明細書においては、「上部」、「底部」、「側部」などの位置用語は、相対的記述子として使用され、本実装形態を、任意の向き、及び/又は基準座標系に配置することができる。
図1は、開示される実装形態による、FTT100の斜視図である。FFT100は、剛性の工具搭載用のハブ109、剛性の3つの搭載用固定具110、図1に1つだけがラベル付けされており機械的に変形させることができる少なくとも1つの金属又は非金属構造200(本明細書では「曲げ梁200」と呼ぶ)を含む。曲げ梁200について、以下の図2を参照してさらに詳細に述べる。曲げ梁200の順応な部分107は、加えられた力を機械的に減結合するために設計され、ハブ109に連結する曲げ梁200の一部分にて画定される。せん断タイプのSGひずみゲージセット101a、101bは、曲げ梁200のそれぞれの表面に取り付けられ、知られた方式で、ハーフ・ブリッジ又はフル・ブリッジ接続を規定する適切な電気的要素を含むPCB103に電気的に接続される。
図2は、図1の曲げ梁のうちの1つを、さらに詳細に示す。曲げ梁200は、直立した2つの梁板107に要素106により強固に取り付けられた、U字形状の断面(図3aを参照)を有するU字梁108から構成される。フル・ブリッジの4つのひずみゲージ(111、112、113、114)は、U字梁108のせん断ひずみを測定するように構成された方式で、支持体102を介してU字梁108の上部表面に取り付けられる。2つのハーフ・ブリッジひずみゲージ支持体101a及び101bは、直立した梁板107上のせん断ひずみをSG115及び116を用いて測定することができる方式にて取り付けられる。SGは、ワイヤを含むことが可能な電気的接続104及び105を介してPCB103に電気的に接続される。ハブ109は、放射状に配置される3つの曲げ梁107によって、剛性の搭載用固定具110にそれぞれ連結される。したがって、これらの要素は、ミーリングや鋳造の技法など従来の技法によって製造することが可能な1つの一体構造を形成する。
図3aは、曲げ梁200の上面図を示す。図3bは、U字梁108の断面を示す。U字梁108は、実質的にU字形状の断面であることに留意されたい。本明細書で使用するとき、「実質的にU字形状」という語句は、実質的に直交する要素によって連結された実質的に平行な2つの要素を有する構造体を指す。これには、図3bに示すように90度の角度で連結される平坦な要素、又はUの字の断面形状に近い、連結されたいくぶん湾曲した要素が含まれ得る。
支持体102は、曲げ梁200のU字梁108に固定される。図3a及び図3bに示すように、支持体102は、U字梁108の外側上部の表面に接着される。支持体102が取り付けられている表面のせん断ひずみ場は、おおよそ均質である。ひずみゲージの主な変形方向の向きから45度であるせん断力F1(図2を参照)がFTTに加えられると、均質なせん断ひずみ場が生成される。SGは、主ひずみと同じ方向に並べられる。取り付けられているフル・ブリッジ・セットの4つのSGのそれぞれが、同じ大きさのひずみの環境下におかれる。4つのSGのうち2つは圧縮され、他の2つは引っ張られる。図5aは、力F1が曲げ梁に加えられている場合に電気信号を生成することができるホイートストン・ブリッジの電気的接続を示す。
別の実装形態においては、支持体102を、U字梁のU字形状の底部表面に取り付けることができる。別の実装形態では、図5cに示すように、ひずみゲージを2つだけ使用して、支持体102上にハーフ・ブリッジを形成する。この構成は、加えられた力F1から電気信号を生成することができる。この実装形態においては、同じ感度のSGによって、半分の大きさの信号が生成されることになる。さらに高感度のひずみゲージを使用すると、その結果、FTTをさらに小型化でき、この実装形態は有利である。図5bは、力F1を測定するためにU字梁上で使用される1つのハーフ・ブリッジと、力F2を測定するために矩形梁に取り付けられた2つのハーフ・ブリッジとの別の組合せを示す。
別の実装形態においては、2つのハーフ・ブリッジのSG支持体を、U字梁108の反対側の面に取り付けることができる。この実施例は、トルクM1が加えられた場合に発生する結合が除去され、梁が、力F1が加えられる場合だけ信号を生成することができる単軸ロードセルとしてのみふるまい、トルクM1が除去されるので、有利である。
ひずみゲージは、知られた方式で、曲げ梁の材料に対して温度適合され、温度補償され得る。さらに、ひずみゲージは、各センサの同じ領域、すなわち、お互いに物理的に近接して取り付けられた場合、温度差は、概ね無視できる。したがって、FTT全体のU字梁の信号のそれぞれは、ひずみゲージが配置され、且つ電気的に接続される手段によって、温度補償される。
図3に関して、直立した梁板107を使用して、垂直力F2(121)を測定するために必要なひずみゲージを搭載する。開示される実装形態によって、FTTにより必要とされる順応性のために、直立した梁板107が使用され、加えられたあらゆる力及びトルク成分、特にそのFx、Fy、Mzの成分を減結合する。この組合せは、利用可能なあらゆる表面を使用して、ひずみゲージを搭載し、その結果、6軸FTTが非常に小型になるということを意味する。これらの表面に搭載されるSG支持体101a及び101b(図1を参照)はまた、せん断タイプであり、曲げ梁上に垂直力が加えられると、信号を生成する。力から誘発された主ひずみと同じ方向に、通常は、図2に示すように水平線120から45度に配置され且つ並べられた、ハーフ・ブリッジのせん断ひずみゲージセットを形成する、2つのひずみゲージ115及び116を、各支持体は支持することができる(図2を参照)。各ひずみゲージは、互いに90度に並べることができる。力F2が加えられると、先の段落で述べたひずみゲージセットの102と同じ方式で、2つのひずみゲージは圧縮され、他の2つは引っ張られる。異なるのは、これらのSGセットが互いに、PCB103を介して電気的に接続されているということである。これらのひずみゲージは、取り付けられている材料に適合するように、温度補償され、FTTの高剛性部品109と110との間に置かれる。これらのひずみゲージは対称に置かれ、一方の表面から他方の表面へのいかなる温度差も、無視できる。さらに、これらのひずみゲージは、電気的に接続されて、曲げ梁における温度変動から誘発されるひずみを排除する。
別の実装形態において、支持体101a及び101bは、ひずみゲージをそれぞれ1つだけ含んでもよく、このひずみゲージは、水平線120から45度に並べられるか、又は力から誘発される主ひずみを横切る方に向けられる。図5dに示すように、これらのひずみゲージは、PCB103を用いてハーフ・ブリッジ構成に接続されることができる。
図4aは、完全な6軸FTTを形成するように接続された3つの曲げ梁108を備えた、上述の実装形態の上面図を示す。FTTは、高剛性ハウジング又はアダプタ109上に搭載された剛性の搭載用固定具110を、力が加えられる側に使用してもよい。この実施例においては、3つの力及び3つのトルクの基準座標系117は、ハウジング又はアダプタ109の上部表面にあるように選択される。図4bは、図4aの実装形態の側面図であり、基準座標系のx軸及びz軸が示されている。
図5は、既に述べた、曲げ梁において使用されるSGの可能な組合せを用いた本発明のその他の実施例の展開図を示す。曲げ梁上に加えられた2つの垂直力から誘発されるせん断ひずみを測定するための、可能な5つ以上の組合せがあることを見ることができる。
図6は、本発明の他の実施例において使用可能ないくつかのタイプのSG支持体及びそれらのSGの図を示す。SGは、互いに90度で配置され、加えられたせん断応力から誘発される主ひずみと同じ方向に並べることができる。1つのひずみゲージ支持体には、1つ、2つ、3つ、又はさらに4つものひずみゲージがあり得る。ひずみゲージは、図6に示されるいかなるパターンにも配置することができる。知られた金属箔又は半導体箔の抵抗SGを使用して、ひずみを電気抵抗の変化に変換することができる。金属箔SGは典型的には、より安価でより大きいひずみを測定することが可能であり、より堅牢であるが利得係数が小さい。半導体SG)は、高価で、脆弱で、取扱いが難しくなり得るが、高い利得係数を有するので、感度が重要事項となる場合は好ましい。そのより高い感度故に、電子回路を最小限に抑えることができ、結果として、FTTが非常に小型になる。
知られたやり方で、複数のひずみゲージがPCBを介して接続されて、上述のハーフ・ブリッジ及びフル・ブリッジを形成することができる。SGが、曲げ梁の外側の表面に取り付けられて、加えられた2つの垂直力によって生成されたせん断ひずみを測定することができる。これらの表面は、特別な機器を必要とすることなく、手作業で、接着剤を用いてひずみゲージを搭載し接着するのに、容易にアクセスできる。梁はまた、FTT基準座標系の加えられた力を機械的に減結合するために必要とされる、センサの順応性のために利用される。したがって、すべての表面が、最も効率的な方法で利用され、製造は簡単で、その結果、FTTは費用を抑えられ小型になる。
SGは、この構造に対する温度変動を補償するように、電気的に接続することができる。SGは、同じ梁上で対称に配置され、物理的な近接性により、ごくわずかな遅延で同じ温度を共有することができる。さらに、本発明で使用されるひずみゲージは、取り付けられた材料に対して温度補償される。最小二乗法を使用して選択されたトランスデューサの基準座標系117上で、地上較正を用いた較正プロセスによって、6つの信号出力を使用して、加えられた3つの力と3つのトルクを再現することができる。本実装形態を使用して、現在の工業用ロボット・システムと互換性のある、既製のひずみゲージを用いた、超小型で高性能の6軸力トルクトランスデューサを製造することができる。
様々な実装形態に関して本発明を説明してきた。添付の特許請求の範囲において規定されている本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正形態を実現できることが、当業者には理解されよう。
Claims (4)
- ハブと、
前記ハブ上に配置され、前記ハブから外に向かって延びる少なくとも1つの曲げ梁であって、前記少なくとも1つの曲げ梁のそれぞれが、実質的にU字形状の断面を有するU字梁、及び前記ハブから離れた前記U字梁の一部分で前記U字梁に取り付けられた少なくとも1つの梁板を有している、少なくとも1つの曲げ梁と、
少なくとも1つのひずみゲージを含み、前記少なくとも1つのU字梁の外側表面上に搭載された第1のひずみゲージ支持体と、
少なくとも1つのひずみゲージを含み、前記少なくとも1つの梁板の外側表面上に搭載された第2のひずみゲージ支持体と、
前記第1のひずみゲージ支持体の前記ひずみゲージ及び前記第2のひずみゲージ支持体の前記ひずみゲージをブリッジ構成で電気的に接続するための接続要素と
を有する、6軸力トルクトランスデューサ(FTT)。 - 前記ハブから放射状に延びる3つのU字梁があり、それぞれのU字梁が、前記U字梁に取り付けられた2つの梁板であって、複数の搭載用固定具をさらに有する2つの梁板を有し、前記複数の搭載用固定具はそれぞれ、各梁板の遠位端を、前記U字梁のうちの近接するU字梁に取り付けられた、前記梁板のうちの対応する梁板の遠位端に連結する、請求項1に記載のFTT。
- 前記少なくとも1つのU字梁のそれぞれが、実質的に平行な2つの板、及び直交接続板と有し、前記第1のひずみゲージ支持体が、前記直交接続板上に搭載される、請求項1に記載のFTT。
- 前記第2のひずみゲージ支持体が、前記少なくとも1つの梁板の前記外側表面によって規定される平面と直角に交差する平面内に配置される、請求項3に記載のFTT。
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