JP6342971B2 - 力検出装置及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、構造体に作用する外力を検出する力検出装置、及び、その力検出装置が取付けられた構造体を有する産業用ロボットに関する。

近年、安全柵に代って人間の安全を十分に確保できる何らかの処置が行われた産業用ロボットについては、人間と協働して作業を実施できることとなった。このため、そのようなロボット、いわゆる協働ロボットの要望が高まってきている。
協働ロボットを使用する場合、人間とロボットとが作業空間を共有しているため、人間がロボットと接触して負傷してしまうことを防止する必要がある。そこで、ロボット本体に力検出装置（以下、力センサと呼ぶ。）を取付けて人間とロボットとの接触力を監視する方法が採用されている。例えば、力センサにより所定の閾値を超える接触力が検出されたとき、ロボットの動作を停止させる、あるいは接触力を軽減するようにロボットを動作させることが行われている。
前述のような力センサは、一般に、外力を受けて歪む被歪体としての力センサボディと、力センサボディに固定された歪検出器とを備えている。力センサボディを構造体に取付け、力センサボディの歪量を歪検出器により検出することにより、その検出値に基づき、構造体に作用した力の大きさや方向を認識することができる。特許文献１は、そのような力センサの一例として、構造が簡単な６軸力センサを提案している。

特開２００９−７４９６９号公報

力センサにおいては、一般に、力センサを構成する歪検出器の出力信号を力の値に変換するための校正パラメータを算出する、いわゆるキャリブレーションを力センサ単体において実施している。このため、力センサを実際に構造体に取付けた時に、力センサが取付けられた構造体の部分（以下、被取付部と称す。）の歪みや表面のうねりなどの影響により力センサ自体が歪んでしまうと、前述の校正パラメータに狂いが生じてしまう。これにより、力センサにより検出される力の値の誤差が大きくなるという問題が発生する。

特に、協働ロボットにおいては、力センサにより検出された接触力が所定の閾値を超えた時、ロボットの動作を停止するか、または接触力を軽減するようにロボットを動作させている。このため、前述のように力センサの検出値の誤差が大きくなると、接触の誤検出を避けるため、前記の閾値を高く設定する必要がある、つまり接触に対する感度を低く設定することになる。人間とロボットとが接触した時に、人間が許容できる接触力には限度があり、接触に対する感度が低いと協働ロボットの使い方に制限が増えてしまう。

そこで、従来、前述のような力センサの検出精度を高めるために、被取付部の歪みや表面のうねりなどを事前に除去してから、力センサを被取付部に取付けている。また、力センサの取付時に被取付部の歪みや表面のうねりなどの影響により力センサ自体が歪むことを防ぐ為に、力センサを高剛性の別部品を介して被取付部に取付けている。
しかし、被取付部を事前に全面研磨加工するなど、被取付部の歪みを事前に除去する方法をとると、被取付部の製造コストが高くなる。
一方、高剛性の別部品を使う取付方法の場合には、高剛性の別部品は比較的大きく且つ重い部品になる為、重量物に耐えられる設置環境に限定される、またはロボットの動作領域と高剛性の別部品とが干渉する為、ロボットの動作領域を制限する必要がある等、使用できる対象が限定されてしまうという問題が生じる。特にロボットを床以外にも、壁や天井に設置して使用する場合があるが、ロボットが重いと設置する壁又は天井も補強する必要があり、設置環境を準備する為のコストが高くなる。また、協働ロボットは安全柵なしで使用可能である為、生産ラインへのロボットの追加や削除を従来のロボットに比べて容易に行えるという利点があるが、重量が重いとロボットを簡単に移動できなくなる為、そのような協働ロボットの利点が低下する。また、高剛性の別部品を力センサに結合してユーザに提供する場合もあるが、大きさ、重量ともに増加する為、サイズ面で使い勝手が悪化し、運搬困難になる。

なお、特許文献１には、力センサの取付け時に被取付部の歪みや表面のうねりなどにより力センサボティが歪まないようにすることが可能な力センサの構造は全く開示されていない。

そこで本発明は、上述したような問題点に鑑み、力の検出精度が向上する構造を有する力検出装置、及び、該力検出装置を備えたロボットを提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、外力を受けて歪む被歪体を備えた力検出装置であって、前記力検出装置が取付けられるべき被取付部に固定する部分である固定部を有し、前記固定部は、前記被取付部に対向させる前記被歪体の底部の底面よりも突出するように前記被歪体に設けられている、力検出装置が提供される。
本発明の第二態様によれば、上述した第一態様の力検出装置であって、前記被歪体には少なくとも３つの前記固定部が設けられている、力検出装置が提供される。
本発明の第三態様によれば、上述した第一態様又は第二態様の力検出装置であって、前記被歪体の前記底部と前記固定部との間に前記底部及び前記固定部の夫々の肉厚よりも薄い薄肉部を有する、力検出装置が提供される。
本発明の第四態様によれば、上述した第一態様から第三態様のいずれかの力検出装置であって、前記固定部の、前記被取付部と接する部分の面は、ボルト固定用通し穴の周囲のみに存在する、力検出装置が提供される。
本発明の第五態様によれば、上述した第一態様から第四態様のいずれかの力検出装置であって、上記の力検出装置を備えたロボットであって、該ロボットに作用する外力を前記力検出装置により検出するように構成されたロボットが提供される。

本発明によれば、力検出装置を固定部により床面などの被取付部に固定したときに、固定部以外の部分である被歪体の底部は被取付部と接触しないため、被取付部の歪みや表面のうねりなどによって被歪体が歪むのを防ぐことができる。これにより、力検出装置の取付け前にキャリブレーションが実施された力検出装置単体における被歪体の形状と、被取付部に取付けられた力検出装置の被歪体の形状との間の形状差を小さくできるので、力の検出精度が向上する。
さらに、力検出装置をロボットに取付けた場合、ロボットに作用する外力をより正確に検出することができる。例えば、人間と協働作業を行う協働ロボットにおいては、人間とロボットとが接触したことをより感度良く検出できるようになり、より柔軟にロボットを使用できるようになる。
また、事前の被取付部の歪みの除去や、高剛性の別部品が不要になる為、被取付部の製造コストを抑えることができる、力検出装置又は力検出装置が取付けられたロボットを小さくかつ軽量化することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴及び利点ならびに他の目的、特徴及び利点がさらに明確になるであろう。

本発明の力検出装置を備えた産業用ロボットの一例を模式的に示した側面図である。 本発明の力検出装置の一実施形態を斜め上方から見た図である。 一実施形態の力検出装置の正面図である。 一実施形態の力検出装置の上面図である。 一実施形態の力検出装置の下部側を示す図である。 他の実施形態の力検出装置の構造を示す斜視図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の力検出装置（以下、力センサと称す。）を備えた産業用ロボットの一例を模式的に示した側面図である。
図１に示されるロボット１０は、例えば、垂直多関節型マニピュレータからなる産業用ロボットであって、人間と作業エリアを共有して人間と協働作業を行う協働ロボット（以下、単にロボットと呼ぶ。）である。ロボット１０を床部Ｌに設置するため、床部Ｌ上には固定プレート１１が固定されている。固定プレート１１上に力センサ１２が固定され、さらに、力センサ１２上にロボット１０の下部のロボットベース１３が固定されている。

力センサ１２は、ロボット１０に作用する外力、例えば人間がロボット１０と接触したときの力（いわゆる、接触力）を検出する装置である。力センサ１２には、外力に起因する力センサボディの歪みを検出する歪検出器、例えば電気抵抗式歪ゲージが備えられている。力センサ１２は、歪検出器の出力信号に基づいて、力センサボディに加わった力の値を算出するようになっている。
力センサ１２は、固定プレート１１とロボット１０との間に取付けられているが、ロボット１０の内部に取り付けられていてもよい。場合によっては、固定プレート１１とロボット１０との間や、ロボット１０の内部に対し、複数個所に力センサ１２が取付けられていてもよい。
また、力センサ１２は、ロボット１０以外の構造体に取付けられていてもよい。つまり、力センサ１２を使用可能な対象は、産業用ロボットに限定されない。また、外力に起因する力センサボディの歪みを検出する歪検出器についても、歪ゲージに限定されない。静電容量センサ、圧電センサ、変位センサなども使用できる。

次に、前述のようなロボット１０に使用可能な力センサ１２の構造を具体的に説明する。図２は力センサ１２単体を斜め上方から見た図、図３は力センサ１２単体の正面図、図４は力センサ１２単体の上面図、図５は、力センサ１２単体の下部側を示す図である。
本実施形態の力センサ１２は、外力を受けて歪む被歪体である円筒状の力センサボディ２０と、力センサボディ２０に固定された複数の歪検出器（図示せず）とを具備する。なお、力センサ１２によって検出される外力には、トルクまたはモーメントなどが含まれる。

図２〜図５に示されるように、力センサボディ２０は、プレート状の底部２１と、底部２１に対向するリング形状の天井部２２と、底部２１と天井部２２との間に配置されていて底部２１と天井部２２を互いに連結する柱部２３とを有する。
図２及び図４などから分かるように、本実施形態においては柱部２３の数が４つであるが、本発明はその数に限定されない。
上記の力センサボディ２０が外力を受けて底部２１と天井部２２とが相対的に移動したとき、各柱部２３が変形する。このため、各柱部２３に、不図示の歪検出器が固定されている。
本実施形態の力センサ１２をロボット１０（図１参照）に使用する場合には、力センサ１２の下部となる底部２１側を床面Ｌの固定プレート１１に固定し、力センサ１２の上部となる天井部２２側にロボットベース１３を取付けるようにする。

前述した力センサ１２の場合、外力によって柱部２３も歪むため、歪検出器の出力信号が変化する。各歪検出器の出力信号を力の値に換算することにより、力センサボディ２０に作用した力の大きさ、向きを検出することができる。

さらに、前述した力センサ１２においては、歪検出器の出力信号を力の値に変換するための校正パラメータを算出する、いわゆるキャリブレーションを行う必要がある。キャリブレーションの実施は、力センサ１２をロボット１０に取付けた後では非常に困難となるため、取付け前に力センサ１２単体で行われている。しかし、力センサ１２が取付けられる部分、すなわち被取付部が歪んでいる場合に、そのような被取付部に力センサ１２を固定すると、その被取付部の歪みや表面のうねりなどの影響により力センサボティ２０が歪んでしまう。この結果、力センサボティ２０の形状がキャリブレーションを実施したときの形状から変わってしまうため、力センサ１２による力の検出精度が低下する。この問題を解決するために、本明細書の段落０００６に記載されたような被取付部の歪みなどを力センサ１２の取付け前に除去する方法をとると、製造コストが高くなる。力センサ１２を高剛性の別部品を介して被取付部に取付ける方法をとると、本明細書の段落０００６に記載されたような問題が生じる。

そこで、本実施形態の力センサ１２は、図２〜図５に示されるように、力センサ１２が取付けられるべき被取付部にボルトなどによって固定する部分である固定部３０を有する。この固定部３０は、固定プレート１１などの被取付部に対向させる力センサボティ２０の底部２１の底面２１ａよりも突出するように力センサボティ２０と一体に形成されている。
上記の被取付部は、例えば、図１に示された床面Ｌ上の固定プレート１１である。
このように固定部３０を形成すると、力センサ１２を床面Ｌ上の固定プレート１１に固定したときに、固定部３０以外の部分である力センサボティ２０の底部２１は固定プレート１１と接触しない（特に図３参照）。
このため、力センサ１２の取付け時に床面Ｌや固定プレート１１などの歪みによって力センサボティ２０が歪むのを防ぐことができる。
力センサ１２の取付け前にキャリブレーションが実施された力センサ１２単体での力センサボディ２０と、被取付部に取付けられた力センサ１２の力センサボディ２０との間の形状差（変化）を小さくできるので、力の検出精度を高めることができる。
なお、床面Ｌなどの被取付部と力センサボティ２０とが接触する部分を少なくするほど、力センサ１２の取付け時に被取付部の歪みや表面のうねりなどによって力センサボティ２０が歪むのを抑制できる。したがって、固定部３０の数は、力センサ１２を安定して固定できる最小限の数、すなわち、３つが最適である。但し、外力が大きく、力センサ１２の強度が不足する場合は、固定部３０の数を４本以上としても同様の効果が得られる。
図３及び図５などに示されるように、固定部３０の、被取付部と接触する部分３０ａの面積は、面取りや溝加工などの方法によって、可能な限り小さくするのが好ましい。例えば図５から分かるように、本実施形態における固定部３０の、被取付部と接する部分３０ａの面は、ボルト固定用通し穴の周囲のみに存在している。

さらに、図２及び図３などから分かるように、力センサボディ２０の底部２１と固定部３０との間に底部２１及び固定部３０の夫々の肉厚よりも薄い薄肉部３１を有することが好ましい。この事により、薄肉部３１は底部２１及び固定部３０の夫々と比べて剛性が低く変形しやすい部分となる。力センサ１２の固定部３０を被取付部にボルトなどによって締結したときに薄肉部３１が変形することによって、被取付部の歪みの表面のうねりなどを薄肉部３１において吸収することができる。その結果、力センサ１２の取付け時に被取付部の歪みなどによって力センサボティ２０が歪むのを防ぐことができる。

また、前述のように被取付部の歪みなどを薄肉部３１において吸収させるために、薄肉部３１以外の部分については、剛性を高めるのが好ましい。このため、本実施形態においては、図２及び図４などに示されるように、力センサ１２を構成する部品、例えば歪検出器の出力信号の処理回路などを力センサボディ２０内に取付けるための開口部３２は力センサボディ２０の天井部２２にのみ形成されている。つまり、そのような開口部３２は力センサボディ２０の底部２１には形成されておらず、底部２１以外の部分に形成されている。これにより、薄肉部３１以外の部分である底部２１の剛性を高くしている。

また、図６に示されるように、力センサボディ２０の天井部２２の上面には、ロボットベース１３（図１参照）などの構造体を取付けるための取付面２２ａが天井部２２の外方に突出するように設けられている。このように取付面２２ａを形成すると、力センサ１２の上部となる天井部２２にロボットベース１３を取付けたときに、力センサボティ２０の天井部２２における取付面２２ａ以外の部分はロボットベース１３と接触しない。このため、ロボットベース１３などの構造体の取付け時に構造体の歪みによって力センサボティ２０が歪むのを防ぐことができる。
図６に示された例においては、リング状の天井部２２の形状に合わせて取付面２２ａもリング状に設けられているが、取付面２２ａの形状はリング形状に限られない。力センサボディ２０の天井部２２とこれに取付けられる構造体とが接触する部分が小さくなるならば、取付面２２ａの形状はいかなる形状であってもよい。例えば、取付面２２ａの幅が可能な限り小さく形成されたり、取付面２２ａの角部が面取りされたりしていてもよい。また、固定プレート１１に取付けられる側が、天井部２２のような形状になっていてもよいし、あるいはロボットベース１３に取付けられる側が、固定部３０を有するような形状になっていてもよい。

以上に説明したような各実施形態の力センサ１２をロボット１０に取付けた場合、ロボット１０に作用する外力をより正確に検出することができる。例えば、人間と協働作業を行う協働ロボットにおいては、人間とロボットとが接触したことをより感度良く検出できるようになり、より柔軟に協働ロボットを使用できるようになる。
また、本実施形態に限らず、力センサボディ２０の歪みを検出して力を算出する原理を有する力センサにおいて、被取付部の歪みや表面のうねりの影響による力センサボディ自体の歪みは、力の検出精度を悪化させる。本発明はそのような原理を有する力センサすべてに対して有効といえる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１０ ロボット
１１ 固定プレート
１２ 力センサ
１３ ロボットベース
２０ 力センサボディ
２１ 底部
２１ａ 底面
２２ 天井部
２２ａ 取付部
２３ 柱部
３０ 固定部
３１ 薄肉部
３２ 開口部
３５ 凸部
３６ 取付部品
Ｌ 床面

Claims (6)

1. 力検出装置（１２）であって、
   外力を受けて歪む被歪体（２０）であって、底部（２１）と、該底部から離隔して該底部と対向配置される天井部（２２）と、該底部と該天井部との間で延在する柱部（２３）と、を有する、被歪体（２０）と、
   前記底部から、前記天井部とは反対側へ突出するように設けられ、前記力検出装置（１２）が取付けられるべき第１の被取付部に固定する部分である第１の固定部（３０）と、を有し、
   前記力検出装置（１２）は、前記力検出装置（１２）が取付けられるべき第２の被取付部に、前記天井部の側で固定される、力検出装置（１２）。
2. 前記天井部から、前記底部とは反対側へ突出するように設けられ、前記第２の被取付部に固定する部分である第２の固定部（２２ａ）をさらに備える、請求項１に記載の力検出装置（１２）。
3. 前記被歪体（２０）には少なくとも３つの前記第１の固定部（３０）が設けられている、請求項１または２に記載の力検出装置（１２）。
4. 前記底部（２１）と前記第１の固定部（３０）との間に前記底部（２１）及び前記第１の固定部（３０）の夫々の肉厚よりも薄い薄肉部（３１）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の力検出装置（１２）。
5. 前記第１の固定部（３０）の、前記第１の被取付部と接触する部分（３０ａ）の面は、ボルト固定用通し穴の周囲のみに存在する、請求項１から４のいずれか一項に記載の力検出装置（１２）。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の力検出装置（１２）を備えたロボット（１０）であって、該ロボット（１０）に作用する外力を前記力検出装置（１２）により検出するように構成されたロボット（１０）。

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