JP7022363B2 - 力検出装置およびロボットシステム - Google Patents
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Description
被取付部材を取り付け可能な取付面を有する凸部を備える第1部材と、
前記アームに取り付けられる第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に支持され、前記第1部材と前記第2部材とに加えられる外力を検出する少なくとも1つの圧電素子と、を備えることを特徴とする力検出装置。
これにより、力検出装置の高感度化を図ったり、検出軸の多軸化を図ったりすることができる。
前記取付面の法線方向から見て、前記凸部は、複数の前記センサーデバイスよりも内側に位置していることが好ましい。
前記第2部材は、前記圧電素子を与圧する第2与圧部を有することが好ましい。
これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出装置を実現することができる。
≪ロボット≫
図1は、本発明の第1実施形態に係るロボットを示す斜視図である。なお、図1には、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸としてα軸、β軸およびγ軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「+」、基端側を「-」とする。また、α軸に平行な方向を「α軸方向」、β軸に平行な方向を「β軸方向」、γ軸に平行な方向を「γ軸方向」という。また、+γ軸方向側を「上」、-γ軸方向側を「下」ともいう。また、γ軸方向から見たものを「平面視」という。また、図1中の基台110側を「基端」、その反対側(エンドエフェクター17側)を「先端」と言う。
17の作業箇所P、すなわち対象物等に対して直接的に作業を行う箇所が、力検出装置1
の中心軸A1に対してずれている。
[力検出装置]
図2は、図1に示す力検出装置を示す斜視図である。図3は、図2に示す力検出装置の縦断面図である。図4は、図2に示す力検出装置の横断面図である。図5は、図3および図4に示す力検出装置が備える力検出素子の断面図である。なお、図3は、図4中のA2-A2線断面図であり、図4は、図3中のA1-A1線断面図である。また、図2および図4には、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸としてx軸、y軸およびz軸が図示されており、各軸を示す矢印の先端側を「+」、基端側を「-」とする。また、x軸に平行な方向を「x軸方向」、y軸に平行な方向を「y軸方向」、z軸に平行な方向を「z軸方向」という。また、+z軸方向側を「上」、-z軸方向側を「下」ともいう。また、z軸方向から見たものを「平面視」という。
[第1部材]
図3に示すように、第1部材3は、天板31(第1基部)と、天板31の上部側の中央部に設けられた凸部32と、天板31の下部側でかつ外周部に設けられた複数の壁部33(第1与圧部)と、を有する。なお、以下の説明では、4つの壁部33のうち、図4中の上側に位置する壁部33を「壁部33a」といい、以降時計回りに順に「壁部33b」、「壁部33c」および「壁部33d」という。また、各壁部33a、33b、33c、33dを区別しない場合は、それらを「壁部33」という。この第1部材3の平面視での外形は、図2に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、第1部材3は、その中央部に中心軸A1に沿って形成された貫通孔35を有する。この貫通孔35は、凸部32をその中央部において貫通している。
図3に示すように、第2部材2は、底板21(第2基部)と、底板21の上部側に設けられた複数の壁部22(第2与圧部)と、を有する。この第2部材2の平面視での外形は、図2に示すように円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、図3に示すように、第2部材2は、その中央部に中心軸A1に沿って形成された貫通孔25を有する。
図2に示すように、側壁部20は、円筒状をなしており、その上端部および下端部がそれぞれ第1部材3および第2部材2に対して例えばネジ止め、嵌合等によって固定されている。また、図3に示すように、側壁部20と前述した第1部材3の天板31と第2部材2の底板21とで囲まれた空間S、すなわち力検出装置1の内部空間に、複数のセンサーデバイス4が収納されている。
各センサーデバイス4は、図3に示すように、力検出素子41と、力検出素子41を収納するパッケージ42と、を有している。各センサーデバイス4は、第1部材3の壁部33と第2部材2の壁部22との間に配置されている。力検出素子41は、少なくとも1つの(複数の)圧電素子5を備えている。
パッケージ42は、力検出素子41が設置されている凹部をその内側に有する基部421と、その基部421に接合されている蓋体422と、を有し、基部421の凹部が蓋体422により封止されている。これにより、力検出素子41を保護することができる。ここで、基部421は、前述した第2部材2の頂面231に当接している。一方、蓋体422は、前述した第1部材3の内壁面331に当接している。
図5に示す力検出素子41は、力検出素子41に加えられた外力のX軸方向の成分に応じた電荷QX、力検出素子41に加えられた外力のY軸方向の成分に応じた電荷QY、および、力検出素子41に加えられた外力のZ軸方向の成分に応じた電荷QZを出力する機能を有する。この力検出素子41は、X軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷QXを出力する圧電素子5aと、Z軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷QZを出力する圧電素子5bと、Y軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷QYを出力する圧電素子5cと、基準電位、例えばグランド電位(GND)に電気的に接続されているグランド電極層54、55、56、57と、を有する。また、力検出素子41は、圧電素子5a、5b、5cおよびグランド電極層54、55、56、57を備える構造体50を支持する支持基板58、59(ダミー基材)を有する。ここで、支持基板58、グランド電極層54、圧電素子5a、グランド電極層55、圧電素子5b、グランド電極層56、圧電素子5c、グランド電極層57、支持基板59の順でこれらが積層されている。なお、以下では、圧電素子5a、5b、5cをそれぞれ「圧電素子5」ともいう。
複数の与圧ボルト51は、第1部材3の壁部33と第2部材2の壁部22とでセンサーデバイス4(より具体的には複数の圧電素子5)を挟んで与圧した状態で壁部33および壁部22を互いに固定している(図3および図4参照)。各与圧ボルト51は、壁部33側から壁部33の貫通孔37に挿通され、与圧ボルト51の先端部に形成された雄ネジを壁部22に形成された雌ネジに螺合されている。このような複数の与圧ボルト51により、第1部材3の内壁面331と第2部材2の頂面231とでセンサーデバイス4のパッケージ42を介して力検出素子41を挟んで与圧することができる。また、各与圧ボルト51の締結力を適宜調整することで、力検出素子41に対して、所定の大きさの圧電素子5の積層方向D1の圧力を与圧として加えることができる(図5参照)。
図3に示すように、アナログ回路基板6は、空間S、すなわち第1部材3と第2部材2との間に配置されている。このアナログ回路基板6には、第2部材2の突出した部分23が挿通されている貫通孔61と、各与圧ボルト51が挿通されている貫通孔62と、が形成されている(図3および図4参照)。アナログ回路基板6は、部分23に挿通された状態で、センサーデバイス4に対して中心軸A1側に配置されている。これにより、センサーデバイス4の近傍にアナログ回路基板6を設けることができ、センサーデバイス4からの配線長さを短くすることができる。そのため、構造の簡素化に寄与することができる。
デジタル回路基板は、図示しないが、例えば、第2部材2上に設けることができる。このデジタル回路基板は、前述したアナログ回路基板6に電気的に接続されている。デジタル回路基板は、図示しないが、アナログ回路基板6からの電圧VX、VY、VZに基づいて、外力を検出(演算)する外力検出回路を備えている。外力検出回路は、x軸方向の並進力成分Fx、y軸方向の並進力成分Fy、z軸方向の並進力成分Fz、X軸周りの回転力成分Mx、Y軸周りの回転力成分My、Z軸周りの回転力成分Mzを演算する。この外力検出回路は、例えば、ADコンバーターと、このADコンバーターに接続されたCPU等の演算回路と、を有して構成することができる。
図20は、本発明の第2実施形態に係るロボットが備える力検出装置を示す縦断面図である。なお、以下の説明では、第2実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図20において、前述した実施形態と同様の構成は、同一符号を付している。
図21は、本発明の第3実施形態に係るロボットを示す斜視図である。なお、以下の説明では、第2実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図20において、前述した実施形態と同様の構成は、同一符号を付している。
Claims (5)
- 基台と、
前記基台に回動自在に連結されたロボットアームと、
前記ロボットアームの先端に接続されている力検出装置と、
前記力検出装置に対して偏心しており、前記力検出装置の先端に取り付けられたエンドエフェクターと、
前記力検出装置の検出した外力がフィードバックされて、前記ロボットアームを制御する制御部と、を備え、
前記力検出装置は、
前記エンドエフェクターを取り付け可能な取付面を有する凸部と、前記凸部とは反対側に凹部と、を備える第1部材と、
前記ロボットアームに取り付けられる第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に支持され、前記外力を検出する圧電素子を備える4つのセンサーデバイスと、を有し、
前記凸部の幅をL1、前記凹部の幅をL2および前記第1部材の幅をL3とした時、比率L1/L3が60%以上80%以下、かつ、比率L2/L3が53%以上70%以下であり、
前記4つのセンサーデバイスは、前記力検出装置の中心軸に沿った方向から見たとき、前記中心軸を通り前記中心軸に直交する線分に対して対称となる位置に配置されていることを特徴とするロボットシステム。 - 前記圧電素子は、水晶を含む請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記取付面の法線方向から見て、前記凸部は、前記4つのセンサーデバイスよりも内側に位置している請求項2に記載のロボットシステム。
- 前記第1部材は、前記圧電素子を与圧する第1与圧部を有し、
前記第2部材は、前記圧電素子を与圧する第2与圧部を有する請求項1ないし3のいずれか1項に記載のロボットシステム。 - 基台と、前記基台に回動自在に連結されたロボットアームと、前記ロボットアームの先端に接続されている力検出装置と、前記力検出装置に対して偏心しており、前記力検出装置の先端に取り付けられたエンドエフェクターと、前記力検出装置の検出した外力がフィードバックされて、前記ロボットアームを制御する制御部と、を備えるロボットシステムに用いられる力検出装置であって、
前記エンドエフェクターを取り付け可能な取付面を有する凸部と、前記凸部とは反対側に凹部と、を備える第1部材と、
前記ロボットアームに取り付けられる第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に支持され、前記外力を検出する圧電素子を備える4つのセンサーデバイスと、を備え、
前記凸部の幅をL1、前記凹部の幅をL2および前記第1部材の幅をL3とした時、比率L1/L3が60%以上80%以下、かつ、比率L2/L3が53%以上70%以下であり、
前記4つのセンサーデバイスは、前記力検出装置の中心軸に沿った方向から見たとき、前記中心軸を通り前記中心軸に直交する線分に対して対称となる位置に配置されていることを特徴とする力検出装置。
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