JP6615365B2 - 力／トルクセンサ及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ロボットの応用のための力／トルクセンサに関し、特に、変形可能な梁の一つの表面のみに取り付けられたひずみゲージを特徴とする小型の力／トルクセンサに関する。

ロボット工学は発展しており、工業、医療、科学およびその他の応用分野でますます重要性を増している。多くの場合、ロボットアームもしくはそれに取り付けられるツールが工作物に接触する場合、加えられる力および／またはトルクが厳密に監視されなければならない。したがって、力／トルクセンサは、多くのロボットシステムの重要な部分である。

１つの従来型の力／トルクセンサは、２つの機械部品に接続された小さな梁の変形を測定するためにひずみゲージを使用しており、２つの機械部品の一方はロボットアームに接続し、もう一方はロボットツール（もしくはそのツールに対して機械的に結合しているもの）に接続している。例えば、中央の「ハブ」は、当技術分野でツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と呼ばれ、ツールに接続されている。環状に配置され、ＴＡＰから離間した別の本体は、当技術分野でマウンテトアダプタプレート（ＭＡＰ）と呼ばれ、ロボットアームに接続されている。ＭＡＰおよびＴＡＰはＴＡＰの周りに径方向に配置された複数の比較的薄い（したがって機械的に変形可能な）梁によって互いに接続され、ある場合には車輪のスポークに似ている。ＴＡＰおよびＭＡＰにそれぞれ取り付けられた物体の間にはたらく相対的な力またはトルクは、ＴＡＰに対するＭＡＰの移動を試み、その結果少なくともいくつかの梁はわずかな変形または曲がりを生じる。

従来、歪ゲージはそれぞれの梁の４つの表面のすべてに張り付けられ、名目上はそれぞれの表面の中心にある。ゲージは梁の表面の引張歪みおよび圧縮歪みを電気信号に変換する。その動作の一例として、ＴＡＰおよびＭＡＰの平面内またはその平行な力、すなわちｚ方向のトルク（Ｔｚ、「右手系」を使用）またはｘまたはｙ方向の力Ｆｘｙを考える。これらの力は少なくともいくつかの梁を側面へ曲げようと試みる。この場合、梁の１つの側面上の歪ゲージは圧縮歪みを検出し、梁の反対側の側面のゲージは引張歪みを検出する。これらのゲージは逆の極性の強い信号を出力する。同じ梁の上面および底面の歪ゲージは、もしあれば、非常に弱い信号を出力する。反対に、ＭＡＰまたはＴＡＰを共通の平面の外に移動させようとする力（Ｆｚ、Ｔｘｙ）は、上面および底面上の歪ゲージから強い反対の出力を生成し、側面の歪ゲージからの寄与はほとんどない。一度較正されると、すべての梁の４つの歪ゲージのすべてからの信号が同時に処理されて、ロボットアームおよびツールの間の力および／またはトルク（したがってツールを介して工作物に加えられる力および／またはトルク）の大きさおよび方向を解明する。

力／トルクセンサの計装は、精密かつ高度に熟練した手作業を必要とするため、製品のコストの重大な原因となる。計装はまた、センサの機械設計に設計上の制約を課している。なぜなら、視覚と手工具のアクセスのために、それぞれの梁の４つの計装表面のそれぞれに相当の物理的空間が必要とされるからである。これらの制約は、非常に小さいサイズのセンサでは特に限定的になり、計装の設置と検査に適応するために最適以下のセンサの幾何学的形状を必要とする可能性がある。さらに、それぞれの梁の４つの表面のすべての歪ゲージから電気信号を中央処理回路に転送するため、長くて複雑なボンディングワイヤの配策が必要とされ、装置の故障のリスクが増大する可能性がある。
国際公開第９９／０４２３５号は、複数の放射状の管によって接続された中央ハブと剛性環状リングとを有する力／トルクセンサを開示している。歪センサは、放射状の菅野の複数の側に取り付けられている。
米国特許出願公開第２００５／０１２０８０９号は、外側プレートによって囲まれた内側プレートを含むロボット力測定装置を開示しており、内側プレートおよび外側プレートは、ほぼ歪リングの形態の複数の歪検出撓み部によって一体的に接続されている。ひずみ検出装置は、歪リングの複数の側に取り付けられている。
米国特許出願公開第２０１５／００３３８７５号は、２つのクレビス半体の各々に結合された中央ハブの周り離間して配置された概して剛性の周辺部材を含むセンサ本体を開示している。少なくとも３つの撓み要素が周辺部材をハブに結合する。センサ本体は、撓み要素の複数の側にひずみゲージを含む。

本明細書の背景技術の項は、本発明の範囲および有用性を理解する上で当業者を助けるために、本発明の実施形態を技術的および運用上の文脈に位置づけるために提供される。明示的に特定されていない限り、本明細書の記載は、単に背景部分に含まれることによって先行技術であると認められるものではない。

以下は、当業者に基本的な理解を提供するために開示の簡略化された概要を提示する。この概要は、本開示の広範な概観ではなく、本発明の実施形態の重要な／決定的な要素を特定すること、または本発明の範囲を説明することを意図するものではない。この要約の唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、本明細書に開示されるいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。

明細書の１つまたは複数の実施形態および請求項によれば、力／トルクセンサは、ＴＡＰおよびＭＡＰに接続されたそれぞれの梁の１つの表面のみに張り付けられた歪ゲージ対を備える。２つの歪ゲージは、例えば、梁の中立軸に対して両側に、梁の中立軸から離間して、上面に張り付けられる。梁の上面へのアクセスのみを必要とすることにより、非常にコンパクトなセンサ設計が可能であり、一実施形態において、単一片の金属材料から機械加工される。単一の表面は、自動製造技術の使用を可能にする。それは、歪ゲージを回路基板のパッドに配線接着するか、または、歪ゲージを曲げやすい回路基板に表面実装し、基板を梁の表面に接着するようなものである。２つの歪ゲージは、クォータブリッジトポロジで接続されてもよい。３つの梁、６つのゲージの構成では、６つの歪ゲージの正および負の出力（それぞれの圧縮力および引張力の変換による）は、６つの力トルク軸（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｔｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）の５つにおいて合計して０；先行技術の力／トルクセンサ設計は６軸のうち４軸のみでこれを達成している。これは、温度ドリフトなどの同相信号成分の数学的なキャンセルを容易にする。一実施形態において、他の歪ゲージ対が梁の同じ側に張り付けられ、４つのゲージはハーフブリッジトポロジで配線される。他の一実施形態において、第２の歪ゲージ対が梁の反対側に張り付けられ、４つのゲージはハーフブリッジトポロジで配線される。ハーフブリッジトポロジは、同相信号成分を電気的にキャンセルします。一実施形態では、６つの軸のうち合計して０にならないどれか１つが、励起電位を反転させることによって選択されてもよい。一実施形態では、第７の歪ゲージがセンサの非応力部材に接続されて、そして温度較正のための信号を提供する。

一実施形態は力／トルクセンサに関する。センサは第１の物体に接続されるように作用するツールアダプタプレート（ＴＡＰ）と、第２の物体に接続されるように作用するマウンティングアダプタプレート（ＭＡＰ）とを含む。センサはまた、ＴＡＰおよびＭＡＰに接続された１または複数の変形可能な梁を含む。第１の歪ゲージ対はそれぞれの梁の１つの面にのみ張り付けられる。歪ゲージは中立軸に対して反対側にあり、中立軸から離間しており、梁の変形によって引き起こされる梁の一方側の面に生じる引張力および圧縮力を電気信号に伝達するように動作可能である。センサは、第１と第２の物体の間に働く力およびトルクの方向および大きさを、全ての歪ゲージからの電気信号に対応して測定するように動作可能な測定回路をさらに含む。

他の実施形態は円盤形状の金属材料から単一部品の力／トルクセンサを製造する方法に関する。材料は、上面と底面の間に厚さを有し、ほぼ円形の同一平面の上面およびほぼ円形の同一平面の底面を有する。ブラインドポケットは上面の中に、上面を横断して切削される。ブラインドポケットは材料の厚さよりも小さい深さで延びている。ブラインドポケットは、材料の中心にあるほぼ円形のハブと、そのハブを取り囲む環状体と、ハブの周りに放射状に配置されハブと環状体との間を接続する１またはそれ以上の梁と、を画定する。ハブおよび梁の上面は環状体の上面よりも低くなるように切削される。リリーフカットは、ブラインドポケットの深さよりも大きくない上面からの距離で上面に平行に切削される。リリーフカットは環状体および梁を通過するように切削されるが、ハブは通過しない。リリーフカットはハブが接続するが、環状体および梁は接続しない底部を画定し、したがって、環状体は梁によってのみハブに接続している。歪ゲージ対は、梁の中立軸の両側に、梁の中立軸から離間して、それぞれの梁の上面にのみ張り付けられる。歪ゲージは、梁の変形によって引き起こされ、梁の上側の表面に生じる引張力及び圧縮力を、電気信号に変換するように動作可能である。それぞれの梁にある歪ゲージは処理回路に電気的に接続している。

力／トルクセンサの平面図である。 図１の力／トルクセンサの１つの梁の拡大図である。 梁上の歪ゲージのクォータブリッジ回路トポロジの断面図および機能回路図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造における連続的なステップを示す斜視図である。 単一部品の力／トルクセンサの製造の方法を示すフローチャートである。 歪ゲージのＰＣＢへの配線接着（ワイヤボンディング）の斜視図である。 フレキシブルの回路基板に表面実装されたひずみゲージの斜視図である。 温度補償ひずみゲージを取り付けるための非応力部材を示す力／トルクセンサの斜視断面図である。 梁上の歪ゲージのＸ接続ハーフブリッジ回路トポロジの断面図および機能回路図である。 反転励起極性を有するハーフブリッジ回路トポロジの断面図および機能回路図である。 それぞれの梁の上面のみに張り付けられた２対の歪ゲージを有する力／トルクセンサの平面図である。 図９の力／トルクセンサの１つの梁の拡大図であり、ハーフブリッジトポロジを表す機能回路図を重ねた図である。

以下、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより十分に説明する。しかしながら、本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が充分かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。同様の番号は、全体を通して同様の要素を指す。

単純化および例示のため、本発明はその主な実施形態を中心に説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が用意されている。しかしながら、当業者には、本発明がこれらの特定の詳細に限定されることなく実施され得ることは容易に明らかになるであろう。この説明では、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知の方法および構造について詳細に説明していない。

＜発明の歪ゲージの配置＞
図１は、本発明の一実施形態に係る力／トルクセンサ１０の一実施形態の平面図を示す。ＴＡＰ１２は３つの梁１６ａ、１６ｂ、１６ｃによってＭＡＰ１４に接続されている。図示された実施形態では、それぞれの梁１６はＴＡＰ１２に直接的に接続し、機械的な負荷の下での梁１６の変形を助ける撓み部１７によってＭＡＰ１４に接続する。ＴＡＰ１２は、ロボットツールのような第１の物体に、貫通孔３０を介して、またはセンサ１０の下側のタップ孔（図１には図示せず）によって接続されるように構成されている。ＭＡＰ１４は、ロボットアームのような第２の物体に、複数の取付孔３２を介して接続されるように構成されている。この図からは明らかではないが、ＴＡＰ１２およびＭＡＰ１４は、梁１６によってのみ接続されている。

それぞれの梁１６の上面（のみ）に張り付けられているのは歪ゲージ１−６である。後の説明のための参考として、ゲージ１および２は梁１６ａに張り付けられ、ゲージ３および４は梁１６ｂに取り付けられ、ゲージ５および６は梁１６ｃに取り付けられる。図３はまた、３次元の基準デカルト座標系（Ｚ方向は図の外へ延びる）の２つの軸を示しており、これらの軸は以下の開示において力およびトルクを明確に分類するために使用される。図１には示されていないが、力／トルクセンサ１０はそれぞれの歪ゲージ１−６から電気信号を受け取るために動作可能であり、また、ＭＡＰ１４およびＴＡＰ１２の間に働く力およびトルクの大きさおよび方向を解明するために信号を処理するために動作可能な処理回路も含む。そのような処理回路は、例えば、プログラムコードおよびセンサのデータを記憶するように作用するメモリに結合されたマイクロプロセッサを含んでもよい。

図２は、ＭＡＰ１４に対して、ＴＡＰ１２に加えられる力Ｆに起因して変形を受ける１つの梁１６ａの拡大図である。この力は梁１６ａをわずかに左に変形させる（図は縮尺通りではない）。圧縮力が梁１６ａの左側面に生じ、引張力が右側面に生じる。従来技術では、これらの表面に取り付けられた歪ゲージは、変形から反対の極性の強い信号を生成し、そのため加えられた力Ｆを確認することができた。しかしながら、梁１６ａの上面の２つの側もまた、中立軸１８から距離が離れるに従って増加する大きさで、圧縮および引張歪みを受ける。中立軸１８は、梁１６ａの上面のほぼ中央を横切って延びる線であり、その線で梁１６ａの左側で受ける圧縮歪みが右側の引張歪みに移行する。したがって、梁１６ａは中立軸１８で歪みを受けない。

本発明の実施形態によれば、歪ゲージ対１，２は梁１６ａの上面のみに張り付けられている。歪ゲージ１，２は中立軸１８の両側に、中立軸１８から離間して配置されている。歪ゲージ１，２からの反対の極性を持つような異なる信号は、上面の平面での梁１６ａの曲げを示す（すなわち、Ｔｚ，Ｆｘｙ）。同相モードの信号（同じ極性）はｚ方向での梁１６ａの曲げを示すだろう（すなわち、Ｆｚ，Ｔｘｙによって引き起こされる）。

一実施形態において、それぞれの梁１６上の歪ゲージ対は、図３で示すように２つの固定抵抗器を用いたクォータブリッジトポロジで配線される。図１に示す梁１６ａ−ｃに張り付けられた６つの歪ゲージ１−６は、図１の基準デカルト座標系を使用して、６つの加えられた力およびトルクの下で以下の信号を生成する。以下の表では、強い引張力は「Ｔ」、弱い引張力は「ｔ」、強い圧縮力は「Ｃ」、そして弱い圧縮力は「ｃ」で示される。

表１．具体的な力／トルクの下での歪ゲージの出力
表１を精査することによって、それぞれの付加の状態の下で生成された信号が固有のパターンに従うことが明らかになり、既知の較正行列処理によって力およびトルクに分解することができる。

＜単一部品のセンサの製造および自動配線オプション＞
１つの梁表面のみにアクセスする必要性は、力／トルクセンサの機械部品の製造において顕著な利点を創り出す。一実施形態において、センサ全体が単一片の金属から製造されている。これにより、従来のそれぞれのＭＡＰおよびＴＡＰ部品およびそれらに対する機械的インターフェースがなくなり、部品点数および必要な組立工程が削減される。さらに、単一部品設計は、梁１６の上面のみに歪ゲージ１−６を取り付ける必要性のため、同じ範囲の力およびトルクの大きさにわたって作用する従来の力／トルクセンサよりもコンパクトである。さらに、単一部品設計はボルト締結がないため、非常に高い剛性を持ち、スリップの可能性がない。

例えばアルミニウムから製造された単一部品の力／トルクセンサが図４Ｆおよび図４Ｇに示されている。センサ１０はＴＡＰ１２部分を貫通する貫通孔３０およびＭＡＰ１４部分上の取付特徴３２を含む。それは、図４Ａないし４Ｇを参照して示された方法にしたがって、３／３２インチ以上のエンドミル切削工具を用いることで、放電加工（ＥＤＭ）を行わずに製造することができる。

図４Ａは開始点を示しており、平行でほぼ円形の上面および底面とそれらの間の厚さとを有する円盤形状の金属材料である。図４Ｂに示すように、ブラインドポケットが、梁１６および撓み部１７を形成するように切削され、ハブを形成し始める。このハブはＭＡＰ１４となる環状体から離間したＴＡＰ１２となる。

図４Ｃは、ＴＡＰ１２の上面、梁１６および撓み部１７がＭＡＰ１４の表面の下方に削られていることを示している。これにより、センサ１０のＭＡＰ１４側の隆起した取り付け面が形成される。埃および機械的な損傷から梁１６および電子機器を保護するために、構造に関係ないカバーを後から取り付けることができる。貫通孔３０が取り付けまたは電気もしくは流体線の通過のために望まれる場合には、図４Ｄに示されるようにＴＡＰ１２を貫通して穿孔される。

図４Ｅは、ＭＡＰ１４およびが穿孔タップされた取付孔３２が示されている。一実施形態において、さらなるコスト低減のため、取付孔３２はＭＡＰおよびＴＡＰ側に同一のパターンを有し、一つのステップで穿孔されタップされる。

次に、図４Ｆに示すように、センサ１０の側面にリリーフカット３４が形成される。リリーフカット３４は、梁１７および撓み部１７を形成するために削り取られたブラインドポケットの深さよりも低くない（ＭＡＰ１４の上面から測定して）。したがって、リリーフカット３４は、梁１６を介する以外に、ＭＡＰ１４をＴＡＰ１２への機械的接続から分離する。言い換えれば、図４Ｇの断面図に最もよく示されているように、ＴＡＰ１２がリリーフカットの下のセンサの「底部」に接続しているときは、ＭＡＰ１４はむしろ梁１６および撓み部１７によってのみＴＡＰに接続されてセンサ１０から自由に「浮遊」する。完成品では、隙間３４は埃の進入を防ぐため、圧縮可能な発泡体ガスケットで埋められてもよい。

図４Ｆは完成した力／トルクセンサ１０の本体を全体斜視図で示し、図４Ｇは完成したセンサ本体を断面斜視図で示す。様々な実施形態では、電子部品を保護すること、配線及びＬＥＤインジケータアクセスを提供すること、およびその他の追加の特徴を含むことができる。一実施形態では、ＴＡＰ１２の一部はそこから機械的歪みを大きく除去するように削られ、温度補償ゲージの取付位置を形成する。これについてはさらに詳しく説明する。

図５は他の実施形態は円盤形状の金属材料から単一部品の力／トルクセンサ１０を製造する方法１００の工程を示す。材料は、ほぼ円形の同一平面の上面およびほぼ円形の同一平面の底面と、上面と底面の間の厚さとを有する。始めに、ブラインドポケットは上面の中に、上面を横断して切削される。ブラインドポケットは材料の厚さよりも小さい深さで延びている。ブラインドポケットは、センサの中心にあるほぼ円形のハブ１２と、そのハブを取り囲む環状体１４と、ハブ１２の周りに放射状に配置されハブ１２と環状体１４との間を接続する複数の梁と、を画定する（ブロック１０２）。ハブ１２および梁１６の上面は環状体の上面よりも低くなるように切削される（ブロック１０４）。

リリーフカット３４は、ブラインドポケットの深さよりも大きくない上面からの距離で上面に平行に切削される。リリーフカット３４は環状体および梁を通過するように延びるが、ハブ１２は通過しない。リリーフカット３４は、ハブ１２は接続するが、環状体１４および梁１６は接続しない底部を画定する。これにより環状体１４は梁１６によってのみハブ１２に接続される（ブロック１０６）。

歪ゲージ対１−６はそれぞれの梁の上面にのみ張り付けられる。それぞれの梁１６上の２つの歪ゲージ１−６は、梁１６の中立軸１８の両側に、梁１６の中立軸１８から離間して、上面に取り付けられる。歪ゲージ１−６は、梁１６の変形によって引き起こされ、梁１６の上側の表面に生じる引張力及び圧縮力を、電気信号に変換するように動作可能である（ブロック１０８）。それぞれの梁１６上の歪ゲージ１−６は処理回路に電気的に接続している（ブロック１１０）。

一実施形態において、ブラインドポケットは、ハブ１２から遠い梁１６の端部に配置され、それぞれの梁１６を横断する撓み部１７をさらに画定する。撓み部１７は環状体１４に接続する。追加の工程として、ツールに取り付けるため、または、電線または流体線の通過を容易にするため、貫通孔３０がハブ１２を通って穿孔されてもよい。また、ロボットアームに取り付けるための複数の取付孔３２が環状体１４に開けられタップされてもよい。電線およびＬＥＤのための通路および温度補償ひずみゲージを取り付けるための非応力部材３７（図８参照）のような追加の特徴が形成されてもよい。

図４Ａないし５Ｇの力／トルクセンサ１０は、従来技術の力／トルクセンサよりもよりコンパクトで少ない部品の製造および組み立てを容易にする。梁１６の上面のみに歪ゲージ１−６を配置することは、従来技術よりも、より短いワイヤ配線、容易な視界および手工具のアクセスおよびより少ない幾何学的制約を可能にする。さらに、梁１６の上面にすべての歪ゲージ１−６を配置するという独創的な配置により、追加のコスト削減の製造オプションが可能となる。

一実施形態において、図６に示すように、ボンドワイヤのないゲージ１−６は、従来の手段（例えばエポキシを用いて手動で）によって梁１６に取り付けられる。ワイヤパッド２４を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）２０がＴＡＰ１２の表面に接着している。そして電気的接続２２が、ワイヤボンディング装置を用いて、ボンドワイヤのすべての手作業を排除して、ゲージ１−６とＰＣＢワイヤパッド２４との間に直接的に形成されている。エレクトロニクス分野でよく知られているように、自動ワイヤボンディングは手動の配線よりも早く、より正確で、安価である。

別の実施形態では、図７に示すように、ゲージ１−６は、ポリイミドフィルムのようなフレキシブル回路基板２６上の表面実装デバイス（ＳＭＤ）パッド上に伏せて、はんだを用いて実装される。フレキシブル基板２６は、ＴＡＰ１２上等のセンサ１０本体に接着され、少なくとも部分的に梁１６の上面に延びるタブを有する。ゲージ１−６は、他の回路構成要素のすべてとともに、ピックアンドプレース装置によってフレキシブル基板２６上に装着され、リフローされてはんだ付けされる。ＳＭＤパッドは基板２６上に予め形成された回路トレース２８、例えば、銅によって他の電子機器に接続されている。これによって、ポリイミド材料の屈曲に起因する信号の大きさの減少（例えば、より低い信号対雑音比）という犠牲を払ってすべてのゲージ配線を排除する。この実施形態では、歪ゲージ１−６の手動取り付けおよび配線の両方が排除され、コスト削減および品質の向上、均一性および生産速度の向上を達成する。

＜ゼロサムの係数＞
従来技術では、３つの梁の力／トルクセンサに、２セットの歪ゲージの３つのハーフブリッジトポロジ、すなわち、それぞれの梁に張り付けられた、上下、左右のゲージがある。これらのセットのそれぞれは、それらが応答する外部負荷に関する他のセットから大きく離間している。左右のセットは水平方向の梁の曲げ（ＴｚおよびＦｘｙによって生じる）に応答し、一方で上下のセットは鉛直方向の曲げ（ＴｘｙおよびＦｚによって生じる）に応答する。この配置では、ＦｘｙまたはＴｘｙが加えられるとき、ある梁は１つの方向に曲がり、ほかの梁は反対の方向に曲がり、それぞれのゲージ対で反対の極性の信号を生成する。この振る舞いのため、較正行列の係数は、Ｘ／ Ｙ荷重を解明する方程式の様々なゲージ対に対して異なる極性を有する。理想的な変換器（重要なゲージの不整列または相互干渉がない）では、様々なゲージ対が計算された出力に等しく寄与するが、反対方向に曲がり歪んでいるため、これらのＸ／Ｙ式のための係数は合計してほぼゼロになる。この方法で係数が合計してゼロになる場合、ゲージに現れる同相モードの信号は数学的にキャンセルされる。これらの同相モード信号は、一般的に温度により生じる結果であり、その最終出力の計算でシステムによって拒絶されるべきである。

伝統的なゲージ配置は２つのケースを有し、２つのケースでは３つの能動的なゲージが同じ方法で応答する（ＦｚおよびＴｚ）ので、これらの２つの軸は合計して０にならず、それゆえウォームアップ（ドリフト）および温度での他の変化の間、全てのゲージからの不要な同相モード信号はキャンセルされる代わりに配合され、粗末な成績を示す。

対照的に、本発明の実施形態は、従来技術ではＸ／Ｙ負荷の場合にゼロサムの利点を維持するが、全ての（上面のみ）のゲージが全てのタイプの付加に応答するので、Ｔｚ軸についてもゼロサムを示すという重要な利点を示す。これは、独創的なセンサ１０の下では、同じ大きさの６つの能動的な信号が存在するからであり、３つは正の極性を有し、３つは負の極性を有する。Ｆｚは合計で０にならない唯一の軸であり、この一つの場合にはほかの５つの軸と同等の性能を達成するためには代替的な補償方法を使用しなければならない。以下の表２は、図１に示した構成と、図３に示した回路トポロジを用いてこの性能特性を示している。

表２．特定の力／トルクでのゲージ出力極性
Ｆｚ（３行目）を除いてそれぞれの行は合計で０になる。Ｆｚの場合、全てのゲージ出力は正の極性の信号を出力する。

＜温度補償＞
上面のみのゲージのもっとも単純で低コストの実装は、クォータブリッジ回路トポロジを採用することです。クォータブリッジトポロジは、２つのゲージが存在する場合、従来のハーフブリッジトポロジに対してある固有の欠点を有しており、最も顕著なものは温度に起因する誤差である。ハーフブリッジトポロジでは、各ゲージに均等に影響を与える信号（通常は温度変化によって生じる）はそれらの電気的な配置によってキャンセルされ、差動信号（１つのゲージの伸張および他のゲージの圧縮によって生じる）のみがハーフブリッジ回路出力において示される。

本発明のいくつかの実施形態によれば、この問題を緩和するために温度補償方法が使用される。一実施形態では、６つの能動的な歪ゲージ１−６と同様の第７の歪ゲージが、加えられた力またはトルクの下で機械的な歪みを経験しない力／トルクセンサ１０の部分に張り付けられる。温度にのみ影響を受け温度により影響を受けないこの延長部３７に取り付けられた第７の歪ゲージからの信号は、温度ドリフトを保証するため、解明された負荷を計算するときにほかの６つのゲージ１ー６からの信号から数学的に取り除かれる。図８に示すように、第７のゲージへの可能な限り最小限の量の機械的結合を達成するために、力／トルクセンサ１０の領域３５は、機械的な歪みを伝達しない、薄い、片持ち梁状の延長部３７を画定するために削られる。温度補償歪ゲージは延長部３７の端部に取り付けられる。図８は、必要に応じて、または望まれて、配線チャネル３３のような他の特徴が切削されることができることを追加的に示している。

＜ハーフブリッジトポロジ＞
本発明の他の実施形態では、それぞれの梁１６の上面だけでなく底面に２つの歪ゲージの配置を再現することによって、ハーフブリッジ回路トポロジの温度キャンセリングの利点と、６つの力／トルク軸のうち５つでのゼロサムと、が達成される。それぞれの梁１６の４つのゲージは、次に、図９に示すように、ハーフブリッジ回路トポロジを達成するためにＸ状の構成で接続される。この構成では、上述の表２で示すように、クォータブリッジトポロジと同じ出力パターンが生成される。

それぞれの梁１６の上面および底面の両方に歪ゲージを張り付ける場合に、固有の空間およびコストの上面のみに取り付ける実施形態の利点のいくつかは失われる。例えば、センサ１０の設計は、計装およびワイヤの配線を可能にするために、梁１６の底面へのアクセスを可能にしなければならない。しかしながら、温度ドリフトのキャンセルがセンサ１０のサイズまたは製造コストより重要である用途では、これらの実施形態は従来技術よりも顕著な利点を有する。例えば、ゲージ出力は、６つの力／トルク軸の５つ（従来技術では６つのうち４つのみ真である）で依然として合計で０であり、そしてセンサ１０設計は梁１６の側面へのアクセスにおいてよりコンパクトであることは依然として要求されない。
１つのハーフブリッジトポロジの実施形態では、図１０に示すように歪ゲージの１つの励起極性が反転される。これは、以下の表３に示すように、非ゼロサム軸をＦｚからＴｚに移動させる効果を有する。

表３．反転した励起極性のハーフブリッジゲージ出力極性
この実施形態はＴｚが生じないか、そうでなければＦｚの正確な測定よりも重要でない用途において特に有用であることを見出している。

別の実施形態では、加えられたトルク／力が単に瞬時のものよりも長く持続的に加えられるときは、切替回路はまず図９の励起極性を加え、Ｆｚ以外の全ての軸にゼロサム信号を得る。加えられた励起電圧はその後図１０に示された構成に切り替えられ、Ｔｚについてはは非ゼロサム信号を生成するが、Ｆｚについてはゼロサムの読み取り値が得られる。この態様では、６つの力／トルク軸すべてにゼロサム方程式が適用され、全ての温度による生じる誤差などのすべての同相モード信号がキャンセルされる。これにより、専用の温度補償歪ゲージ（および誤差の数学的なキャンセル）の必要性、または温度補償ゲージのための非応力の取り付けポイントを作成する必要性が排除される。

上述のハーフブリッジ回路トポロジの実施形態の主な欠点は、それぞれの梁１６の上面および底面の両方に歪ゲージを取り付ける必要があることである。図１１は、二対の歪ゲージがそれぞれの梁１６の上面のみに張り付けられた力／トルクセンサ１０を示す。一対の実施形態の場合のように、二対の歪ゲージはそれぞれ梁１６の上面のみに張り付けられ、梁１６の中立軸の両側にあり、中立軸から離間している。いくつかの実施形態では、歪み集中孔が、それぞれの対になったゲージの間に梁１６を貫通して形成されてもよい。

この実施形態では、それぞれの梁１６上の複数の撓み部１７は、梁１６の自由端で回転を大いに防ぎながら、顕著な引張および圧縮の梁の負荷を防止する。これにより、梁１６は全ての負荷条件の下でせん断変形する。したがって、ゲージは、図１２に示すように電気的に接続されると、全ての負荷条件の下でほぼ等しい量だが反対方向（量力／圧縮）で常に歪む。この実施形態の機械的設計は、いくつかの追加された複雑さを示すが、図４Ａ−４Ｇの実施形態に関して論じたものと同じプロセスおよびツールによって製造することができ、全体的な剛性の追加をもたらす。

＜利点＞
本発明の実施形態は、従来の力／トルクセンサに対して多くの利点を提示する。それぞれの梁１６の上面のみに、中立軸に跨って、中立軸から離間して歪ゲージ対１−６を配置することにより、コンパクトな力／トルクセンサ１０の製造が可能となる。一実施形態では、センサ１０は従来の切削操作のみを使用して単一片の金属から製造することができる。歪ゲージ１−６へのアクセスの容易性は、ＰＣＢへの自動ワイヤボンディング、またフレキシブル基板上での自動ピックアンドプレースの仕様を可能にする。どちらの場合も、手作業での配置および／または配線が不要である。全ての実施形態は、６ｔの力／トルク軸のうち５つでゼロサム係数を示し、温度変化によって生じるような同相モード信号の数学的なキャンセルを可能にする。温度補償はまた、センサ１０の非応力部材上への温度補償歪ゲージの配置によってクォータブリッジトポロジの実施形態にも適用することができる。ハーフブリッジトポロジの実施形態では、それぞれの梁１６の底面に追加の歪ゲージ対を配置することによって、同相モードの信号は、６つのゼロサム力／トルク軸のうちの５つにおいて電気的にキャンセルされる。一実施形態では、非ゼロサム軸は、励起極性を反転させることによって変更され、したがって電気的な温度ドリフトのキャンセルを用いて６つの軸のすべてを解決する。一実施形態は、上面のみの歪ゲージの取り付けの利点を保持しながら、ハーフブリッジトポロジを可能とする。

本発明の実施形態は、３つの梁１６ａ、１６ｂ、１６ｃを有するものとして図示され、説明されている。３つの計測された梁１６は、６軸の力／トルク負荷を解明するために必要な最小数であるが、ある場合にはより多くの梁１６が望ましい場合がある。より多くの梁は、例えば、センサ１０に剛性を加えることができ、および／または計装が現場で故障した場合に余剰を提供することができる。６軸すべての力／トルクの解明が要求されない特定の用途では、センサ１０は、２つまたは１つの梁１６を使用することができる。
便宜上、そして力／トルクセンサの原理および動作を議論する一貫した状況を提供するために、ＴＡＰとＭＡＰとを接続するビームは、従来技術と本発明の実施形態の両方において、４つの表面、すなわち、正方形または長方形断面、を有する点に関して開示されている。これは一般的かつ経済的な構成であるが、本発明は４面の梁に限定されない。当業者は、梁は任意の多角形（例えば、三角形、八角形など）、もしくは弓形断面（例えば円形、楕円形、卵型など）で形成されてもよいことを容易に認識するであろう。本明細書で使用されるように、正方形および長方形断面以外の梁に適用される用語「１つの表面」、上面／底面／側面／左／右表面などは、力／トルク基準軸によって規定される４つの直交方向のうち１つから見られるか、またはアクセスされる梁の広がりを意味する。したがって、例えば、円形断面を有する梁に張り付けられた歪ゲージ対は、両方のゲージが、ｚ軸方向で表面に投影される中心軸の約＋／−４５度以内にある場合、同じ上の「側」にあるとみなされる。梁に沿って長手方向に０度の基準線を確立する当業者は、本発明の教示を他の梁の形状に容易に適用することができる。

当然のことながら、本発明は、本明細書に具体的に記載されたもの以外の方法で実施されてもよく、依然として請求項の限定内に収まっている。本実施形態は、すべての点で例示的であって限定的でないと見なされるべきであり、添付の特許請求の範囲の意味および等価範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。

Claims (8)

1. ロボットとロボットツールとの間に介在して作用する力／トルクセンサ（１０）であって、
   ロボット及びロボットツールの一方に接続されるように作用するＴＡＰ（ツールアダプタプレート，１２）と、
   前記ロボット及び前記ロボットツールの他方に接続されるように作用するＭＡＰ（マウントアダプタプレート，１４）と、
   前記ＴＡＰ（１２）を前記ＭＡＰ（１４）に接続する１つ以上の変形可能な梁（１６）であって、全ての前記変形可能な梁は実質的に同一平面上にある、前記梁（１６）と、
   それぞれの梁の一方側の面のみに張り付けられた第１の分離する歪ゲージ対（１−６）であって、前記歪ゲージ（１−６）は、前記梁（１６）の中立軸（１８）に対して反対側にあり、中立軸（１８）から離間して位置し、前記梁（１６）の変形に起因する前記梁（１６）の前記一方側の前記面に生じる引張力および圧縮力を電気信号に変換するように作用する、前記歪ゲージ（１−６）と、
   測定回路と、を備え、梁（１６）に固定された前記歪ゲージ対（１−６）が、２つの固定抵抗器（Ｒ１、Ｒ２）を用いてクォータブリッジトポロジで電気的に接続し、前記測定回路は全ての歪ゲージ（１−６）からの電気信号に応じて前記ロボット及び前記ロボットツールの間の力およびトルクの方向および大きさを測定するように作用する、力／トルクセンサ。
2. 請求項１に記載のセンサ（１０）であって、前記梁（１６）の前記一方側において前記歪ゲージ（１−６）の間においてそれぞれの梁（１６）を貫通する歪集中孔（３６）をさらに備える、センサ。
3. 請求項１又は２に記載のセンサ（１０）であって、前記ＴＡＰ（１２）、前記ＭＡＰ（１４）および梁（１６）は、単一片の金属材料から機械加工され、一体ユニットを形成する、センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、前記ＴＡＰ（１２）および前記ＭＡＰ（１４）の一方に接続され、他方には接続されず、前記ロボット及び前記ロボットツールの間の力またはトルクに応じて変形しない非応力部材（３７）をさらに備え、前記非応力部材に張り付けられた歪ゲージ（１−６）をさらに備える、センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、それぞれの歪ゲージ（１−６）の出力は正および負の極性を有し、すべての歪ゲージ（１−６）のすべての出力の合計は６つの力／トルク軸のＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚのグループから選択された少なくとも５つにおいて実質的に０である、センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、それぞれの梁（１６）の前記第１の歪ゲージ対（１−６）と同じ側に張り付けられた第２のゲージ対（１−６）をさらに備え、前記第２の歪ゲージ対（１−６）は前記梁（１６）の前記中立軸（１８）に対して反対側にあり、前記中立軸（１８）から離間して位置し、前記梁（１６）の変形に起因する前記梁（１６）の前記面の引張力および圧縮力を電気信号に変換し、それぞれの梁（１６）上の前記第１および第２の歪ゲージ対はハーフブリッジトポロジで接続されている、センサ。
7. 円盤形状の金属材料から単一部品の力／トルクセンサ１０を製造する方法であって、前記材料はほぼ円形状で平行な上面および底面を有し、前記材料は前記上面および底面の間の厚みを伴い、前記方法（１００）は、
   ブラインドポケットを前記上面の中に前記上面を横切って切削する工程を含み、前記ブラインドポケットは、前記材料の前記厚みに満たない深さで延び、前記材料の中央にあるほぼ円形のハブ（１２）と、前記ハブを取り囲む環状体（１４）と、前記ハブ（１２）の周りに放射状に配置され前記ハブ（１２）と前記環状体（１４）との間を接続する１つ以上の梁（１６）とを画定し、
   前記ハブ（１２）および梁（１６）の上面を前記環状体（１４）の上面よりも低くなるように切削する工程を含み、
   前記環状体（１４）および梁（１６）を通過するが前記ハブ（１２）は通過せず、前記ブラインドポケットの前記深さよりも大きくない前記上面からの距離で、前記上面に平行にリリーフカットを切削する工程を含み、前記リリーフカットは、前記ハブ（１２）には接続するが前記環状体（１４）および梁（１６）には接続せず、前記環状体（１４）を前記梁（１６）によってのみ前記ハブ（１２）と接続された状態にする底部を画定し、
   それぞれの梁（１６）の上側のみに、前記梁（１６）の中立軸（１８）に対して反対側に、中立軸（１８）から離間して歪ゲージ対（１−６）を張り付ける工程を含み、前記歪ゲージ（１−６）は、前記梁（１６）の変形に起因する前記梁（１６）の前記上側の前記面の引張力および圧縮力を電気信号に変換するように動作し、
   それぞれの梁（１６）上の前記歪ゲージ（１−６）を処理回路に電気的に接続する工程を含む、方法。
8. 請求項７に記載の方法（１００）であって、前記ブラインドポケットはそれぞれの梁（１６）を横切り、前記梁（１６）の前記ハブ（１２）から遠位の端部に撓み部（１７）をさらに画定し、前記撓み部（１７）は前記環状体（１４）に接続する、方法。

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