JP3153812U

JP3153812U - 力検出装置

Info

Publication number: JP3153812U
Application number: JP2009004773U
Authority: JP
Inventors: 和司佐伯; 聡江良; 岡田　和廣; 和廣岡田
Original assignee: Wacoh Corp
Current assignee: Wacoh Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2019-07-09

Abstract

【課題】力の検出に際して、大きな負荷が加わった場合等に、出力電圧のオフセット値により装置の状態を判断し、簡単にオフセット値の調整が可能な力検出装置を提供する。【解決手段】力を受ける部分に取り付けられる筐体１２と、筐体１２に設けられ外部からの力を受けて変位する受力部を有する。筐体１２内に設けられ受力部の変位を電気信号に変換する力検出部１４と、筐体１２に設けられ力検出部１４からの力検出信号が入力され力検出信号を処理し外部へ出力するマイコン１６を備える。外部から操作可能に筐体１２に設けられ、受力部に外力がかかっていない状態での出力電圧のオフセット値を、所定の初期値にリセットするリセットスイッチ２０を備える。マイコン１６は、力検出信号のオフセット値の変動の大きさが所定の補正可能な範囲である場合に、リセットスイッチ２０により、オフセット値を初期値にリセット可能にする。【選択図】図１

Description

この考案は、種々の機械部材等にかかる力等を検出して電気信号として出力する力検出装置に関する。

従来、力検出装置として特許文献１に開示されているようなものがある。この力検出装置は、ロボットや機械装置等の各部位であって力等を検知したい部位に、互いに対向する電極対を備えた力検出部を配置して、その部位に力が加わることにより電極間距離が変化するように構成されたものである。この力検出部は、検出対象となる力を受ける受力部の下方に配置された支持部と、支持部に連接された力伝達部と、力伝達部に接続された一方の電極と、この電極と対向した他方の電極とで構成されている。そして、この力検出部を複数配置することにより、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の力や、ＸＹＺ３軸周りのモーメントを検出するものである。

特開２００４−３５４０４９号公報

力検出装置の受力部にかかる力を検出する場合、力を受けてその大きさを出力する際に、その出力電圧に一定のオフセット値が存在する。また、このオフセット値は、使用状態や長期の使用により、値が変化する場合がある。通常の使用状態でオフセット値の変化が微小な場合は、装置の各部の変形等が微少であったり弾性限度内での変位であり、大きな問題はないが、定格を超えるような負荷がかかった場合等には、受力部から対向電極までの力の経路の各部材のいずれかにおいて、弾性限度を超える変形や位置ずれが生じている場合があった。

このような場合、力検出装置を分解して部品の位置を調整して、出力のオフセット値の修正を図る必要があった。この修正作業は、力を検知しているロボットや各種機械等の力検出部から力検出装置を取り外して、分解修理しなければならず、面倒なものであり、そのロボット等の作業効率の低下を招くものでもあった。

この考案は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、力の検出に際して、大きな負荷が加わった場合等に、出力電圧のオフセット値により装置の状態を判断し、簡単にオフセット値の調整が可能な力検出装置を提供することを目的とする。

この考案は、力を受ける部分に取り付けられる筐体と、前記筐体に設けられ外部からの力を受けて変位する受力部と、前記筐体内に設けられ前記受力部の変位を電気信号に変換する力検出部と、前記筐体に設けられ前記力検出部からの力検出信号が入力され前記力検出信号を処理し外部へ出力するマイコンと、外部から操作可能に前記筐体に設けられ前記受力部に外力がかかっていない状態での出力信号のオフセット値を所定の初期値にリセットするリセットスイッチとを備え、前記マイコンは、前記力検出信号のオフセット値の大きさが所定の補正可能な範囲である場合に、前記リセットスイッチにより前記出力信号のオフセット値を初期値にリセット可能とした力検出装置である。

前記筐体には、ワーク検知素子が設けられ、ワークの有無を前記マイコンに入力可能に設けられているものである。さらに、前記リセットスイッチは、前記ワークに取り付けられる前記受力部に設けられていると良い。

また、前記力検出部は複数の力を検出可能に設けられているものである。さらに、前記力検出部は複数の力を検出可能に設けられ、前記複数の力により前記受力部にかかるモーメントを検知可能なものである。

前記マイコンには、メモリが接続され、前記力検出部からの力検出信号のオフセット値の異常や、その日時を記録するものである。

この考案の力検出装置は、力等の検出に際して、オフセット値の変動に対して、簡単にオフセット値をリセットすることができる。これにより、使用者側で復旧が容易となり、この力検出装置を取り付けたロボットや機械装置のメンテナンスも容易となる。そして、この力検出装置を取り付けた機械装置等の稼働率も向上させることができる。また、検知した異常をメモリに記録することにより、故障時の出力や日時その他のデータを取り出すことができ、故障原因等を後に解析するための資料とすることができ、故障原因等の正確な分析が可能となり、この力検出装置の信頼性をさらに向上させることができる。

この考案の一実施形態の力検出装置のシステムを示す概略ブロック図である。この実施形態の力検出装置の概略断面図である。この実施形態の力検出装置の３種類のワーク検知素子を示す概略断面図である。この実施形態の力検出装置のリセットスイッチの位置の例（ａ）（ｂ）を示す斜視図である。この実施形態のオフセット電圧の判定を示す概念図である。この実施形態の力検出装置のオフセット電圧のリセット操作を説明するフローチャートである。この実施形態の力検出装置のオフセット電圧の他のリセット操作を説明するフローチャートである。

以下、この考案の力検出装置の一実施形態について、図１〜図７に基づいて説明する。この実施形態の力センサ装置１０は、図１に示すように、金属製の円筒状等の筐体１２内に力検出部１４が設けられ、検出対象のロボットや機械装置の被検出部に固定される。力検出部１４は、後述するように、受けた力を電気信号に変換して出力する。筐体１２内には、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して、力検出部１４からの電気信号が入力するマイコン１６が設けられている。マイコン１６には、不揮発性のメモリ１８が接続され、種々のデータを記録可能に設けられている。さらに、筐体１２の側面には、リセットスイッチ２０が取り付けられ、リセットスイッチ２０はマイコン１６に接続されている。マイコン１６は、ケーブルを介して、外部のパソコン２２に接続され、出力信号及び稼働データやその他の情報等を通信可能に設けられている。

力検出部１４は、図２に示すように、検出対象となる力やモーメントを受ける受力部２４と、受力部２４の下方に配置された板状の支持部２６と、支持部２６に連接された柱状の力伝達部２８を備えている。支持部２６と力伝達部２８の接続部分にはダイアフラム３０が形成され、力の伝達を容易にしている。力伝達部２８の他方の端部にも支持体３２に形成されたダイアフラム３４が設けられている。ダイアフラム３４は、外表面に電極が形成され、筐体１２に固定された固定基板３６上に設けられた電極３８と対向している。

力検出部１４は、受力部２４が力を受けることにより、受力部２４から支持部２６を経て、力伝達部２８により力やモーメントの大きさをダイアフラム３０，３４の変位に変換する。この変位は、ダイアフラム３４の電極と固定電極３８により形成された容量成分の変化として表れ、複数の前記容量成分の変化を各々電気信号として出力する。そして、力検出部１４に複数配置された前記容量成分による出力の値や変化を検出して演算することにより、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の力や、ＸＹＺ３軸周りのモーメントを検出する。

筐体１２の側面の受力部２４には、取り付けられるロボットや機械装置であるワーク４２を検知するワーク検知素子４１が設けられている。ワーク検知素子４１は、図３に示すように、ワーク４２が力検出装置１０に取り付けられたことを検知する機械的スイッチ４１ａの他、ワーク４２との間の静電容量を検知する静電容量型センサ４１ｂや、ワーク４２が取り付けられたことにより光の反射等が異なることを検知する光センサ４１ｃでも良い。

次に、この実施形態の力検出装置１０の使用方法について説明する。力検出装置１０は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ワーク４２であるロボットや機械装置に取付け穴４０により固定する。ワーク４２に固定される前は力検出装置１０に力が作用しておらず、力検出装置１０の出力は、初期値Ｖｏであり、オフセット値の電圧である。そして、力検出装置１０にワーク４２を固定すると、ワーク４２の質量による出力電圧が生じる。さらに、ワーク４２を動作させた場合等には、ワーク４２を介して力検出装置１０に力がかかる。これにより、受力部２４を介して、ダイアフラム３４と固定電極３８との間の間隔が変化し、その間の容量変化により電圧が変化し、これが電気信号として出力される。

また、使用状態において、受力部２４に大きな力がかかると、その力等が定格の範囲内であっても、力検出装置１０の出力信号のオフセット値が変化する場合がある。さらに外力等が大きな場合や、定格の範囲外の異常な力が作用した場合は、力検出装置１０の出力信号のオフセット値が大きく変動し正確な力検出ができなくなる場合がある。この考案は、このオフセット値の変動を検出して、力検出装置１０の故障を検知し、さらに、その程度により、オフセット値のリセットを可能として、軽微なオフセット値の変動については、使用者側での復旧を可能とするものである。

このオフセット値変動についての判定基準は、例えば図５に示すように設定する。検出電圧の範囲を、例えば０Ｖから５Ｖとすると、基準値Ｖｏを中心として、正常範囲の上下の閾値Ｖｋ１，Ｖｋ２内のオフセット値の変動であればそのまま使用を継続することができるものとする。さらに、オフセット値の変動を補正して修理可能な範囲を設定する。これは、リセットスイッチ２０をオンすることにより、出力電圧のオフセット値を初期値にリセットするものである。リセット可能なオフセット値の変動範囲は、下限閾値Ｖｋ３と上限閾値Ｖｋ４とする。出力電圧のオフセット値の値がこの範囲であれば、使用者側での簡単な操作で、力検出装置１０の使用を継続することができる。さらに、この下限閾値Ｖｋ３と上限閾値Ｖｋ４からはずれる範囲のオフセット値の変動の場合、力検出装置１０の故障と判断する。

なお、リセットスイッチ２０を作動させるのは、力検出部１４に力が作用していない状態での出力電圧でなければならない。従って、リセットスイッチ２０を作動させるのは、力検出装置１０にワーク４２が取り付けられていない状態でなければならない。そこで、ワーク４２が取り付けられていない状態である、ワーク検知素子４１がオフの状態で、リセットスイッチ２０が有効となるようにする。また、リセットスイッチ２０の位置を、図４（ｂ）に示すように、ワーク４２が外されている状態でしかオンできない構造としても良い。これにより、確実にワーク４２がない状態で、リセットスイッチをオンすることができる。

オフセット値の変動に対して、マイコン１６の処理動作は、図６に示すようなフローにより行われる。電源のオンにより、先ずリセットスイッチ２０のオン／オフを判断する。リセットスイッチ２０がオフ状態であれば、ワーク・オフセット異常の有無を検出せず、力検出装置１０は通常動作を続ける。一方、リセットスイッチ２０がオンされた場合は、そのときのオフセット値、日時、リセットスイッチ２０がオンした回数等をメモリ１８に記録する。さらに、ワーク４２の有無を判断し、ワーク４２がある場合には、正確なオフセット値を検出することが出来ないので、リセットスイッチ２０を無効として通常動作に戻る。また、ワーク４２がない場合には、オフセット異常の有無を判断する。異常がなければ通常動作に戻り、異常があれば、オフセット値の変動のレベルを判定し、補正範囲内の変動であれば、出力電圧のオフセット値を初期値に復帰させ、その時のオフセット値、日時等を記録し、通常動作に戻る。オフセット値の変動が補正範囲外の場合は、故障であるとする。故障の場合、力検出装置１０は分解修理等に回される。

また、図７に示すようなフローにより判定しても良い。電源のオンにより、先ずワーク４２の有無を判定し、ワーク４２がある場合、通常動作に戻る。ワーク４２がない場合には、オフセット値の異常を判別し、オフセット値が正常範囲内であれば、通常動作を続ける。また、オフセット値が異常である場合、その状態を記録する。その後、リセットスイッチ２０がオフの状態であれば、オフセット異常の状態が保たれるため、故障と判断する。リセットスイッチ２０がオンとなればオフセット値の変動のレベルを判定し、補正範囲内の変動であれば、出力電圧のオフセット値を初期値に復帰させ、その時のオフセット値、日時等を記録し、通常動作に戻る。また、補正可能な範囲外である場合は、故障であると判断する。

以上説明したように、この力検出装置１０によれば、力やモーメントの検出に際して、オフセット電圧の変動に対してその変動がリセット可能な範囲であれば、リセットスイッチをオンすることにより簡単にオフセット電圧を初期値にリセットすることができる。これにより、補正可能な範囲でのオフセット電圧の変動については、装置の使用者側での復旧が容易となる。さらに、この力検出装置１０を取り付けたロボットや機械装置のメンテナンスも容易となり、稼働率等を向上させることができる。また、検知した異常をメモリ１８に記録することにより、故障時の出力や日時その他のデータを後に取り出すことができ、故障原因等を後に解析するための資料とすることができる。

なお、この考案の力検出装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、力検出部の構成は適宜設定可能なものであり、オフセット電圧の異常の判断も、適宜設定可能なものである。

１０力検出装置
１２筐体
１４力検出部
１６マイコン
１８メモリ
２０リセットスイッチ
２２パソコン
２４受力部
２６，３２支持部
２８力伝達部
３０，３４ダイアフラム
３６固定基板
３８固定電極
４０取付け穴
４１ワーク検知素子
４２ワーク

Claims

力を受ける部分に取り付けられる筐体と、前記筐体に設けられ外部からの力を受けて変位する受力部と、前記筐体内に設けられ前記受力部の変位を電気信号に変換する力検出部と、前記筐体に設けられ前記力検出部からの力検出信号が入力され前記力検出信号を処理し外部へ出力するマイコンと、外部から操作可能に前記筐体に設けられ前記受力部に外力がかかっていない状態での出力信号のオフセット値を所定の初期値にリセットするリセットスイッチとを備え、
前記マイコンは、出力信号のオフセット値の大きさが所定の補正可能な範囲である場合に、前記リセットスイッチにより前記オフセット値を初期値にリセット可能としたことを特徴とする力検出装置。
前記筐体には、ワーク検知素子が設けられ、ワークの有無を前記マイコンに入力可能に設けられている請求項１記載の力検出装置。
前記リセットスイッチは、前記ワークに取り付けられる前記受力部に設けられている請求項２記載の力検出装置。
前記力検出部は複数の力を検出可能に設けられている請求項１記載の力検出装置。
前記力検出部は複数の力を検出可能に設けられ、前記複数の力により前記受力部にかかるモーメントを検知可能である請求項４記載の力検出装置。
前記マイコンには、メモリが接続され、前記力検出部からの力検出信号のオフセット値の異常や、その日時を記録する請求項１記載の力検出装置。