JPH01158327A - 荷重計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、ロボットのハンドや工作機械のツールなどの
剛体に作用する力の測定に用いられる荷重針に係り、さ
らに詳しくは剛体に作用する力を基準の座標軸方向の力
および座標軸まわりのモーメントに分解して検出するこ
とが可能な６軸カセンサに関する。

〈従来の技術〉 例えば、組立てロボットのビンを穴に挿入するという組
立て作業において、ロボットハンドで把持したピンに作
用する穴からの反力を検出してロボットハンドの動作を
制御するに際し、ロボットハンドに作用する力を検出す
るのに荷重計が使用されている。

この種の荷重計については、従来例えば特開昭６０−６
２４９７号公報が開示されているものがある。この方法
は、第１の剛体と第２の剛体との間に結合されてこれら
２つの剛体間に伝達される荷重を検出する多軸力センサ
において、放射平板構造と、この放射平板構造の基準軸
に一致せずかつ平行でもない軸を基準軸とする放射平板
構造および平行平板構造の少な（とも一方とを一体に構
成したことを特徴とする多軸力センサである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、前記特開昭６０−６２４９７号公報の技
術は、構造が複雑であることおよび使用するストレンゲ
ージの枚数が多いことなどのために、機械加工費や材料
費、労務費等の費用が高く、結果として高価な製品とな
ること、また半径方向に歪検出部が３重構造になってい
るために、外径寸法が大きくそれにつれて自重も重くな
るから、ロボットハンドに装備するのに必要な小型・軽
量化を達成することができないといった欠点を有してい
る。

特に製品が高価であることは、ロボットの知能化の普及
進捗を妨げる大きな要因の一つとなっている。

本発明は、上記のような問題点を解決すべくなされたも
のであって、製造コストの安い、小型・軽量でロボット
の知能化普及に好適な荷重計を提供することを目的とす
る。

く問題点を解決するための手段〉 本発明の第１の態様は、測定対象物である２つの剛体の
間に結合され、これら剛体に作用する力を検出する荷重
計において、前記２つの剛体と荷重計とを連結する２枚
のフランジと、これら２枚のフランジの間にデルタ状ま
たはスター状に配置される少なくとも３個の弾性ビーム
とから構成され、これら弾性ビームは半円弧状をなす弾
性部と、これら弾性部の両端部に固設されて前記フラン
ジとそれぞれ接続可能とされる固定部とで形成され、か
つ前記弾性部と中央部と一方の端部とにそれぞれ歪検出
手段を設けるように構成したことを特徴とする荷重計で
あり、 また、本発明の第２の態様は、測定対象物である２つの
剛体の間に結合され、これら剛体に作用する力を検出す
る荷重計において、前記２つの剛体と荷重計とを連結す
る２枚のフランジと、これら２枚のフランジの間に四角
形状または放射状に配置される少なくとも４個の弾性ビ
ームとから構成され、これら弾性ビームは半円弧状をな
す弾性部と、これら弾性部の両端部に固設されて前記フ
ランジとそれぞれ接続可能とされる固定部とで形成され
、かつ前記弾性部と中央部と一方の端部とにそれぞれ歪
検出手段を設けるように構成したことを特徴とする荷重
計である。

なお、前記弾性ビームは、半円弧状をなす弾性部と、こ
の弾性部の両端部に平行に延びるそれぞれ等長の平行部
と、これら平行部の両端部に固設され、前記フランジと
それぞれ接続可能とされる固定部とでＵ字状に形成され
るようにしてもよく、あるいはその弾性部が垂直な直線
状をなすコの字状を形成するようにしてもよい。

〈作用〉 本発明によれば、少なくとも３個の半円弧状またはＵ字
状もしくはコの字状の弾性ビームを２枚のフランジ間に
デルタ状またはスター状に、または少なくとも４個の前
記弾性ビームを四角形状または放射状に介装するように
して６軸カセンサとしたので、小型・軽量化を図ること
ができる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例について、図面に基づいて詳し
く説明する。

〔実施例１〕 まず、本発明の第１の態様について説明する。

第１図は、本発明に係る荷重計に用いる弾性ビームの一
実施例を示す側面図である０本実施例で必要とする弾性
ビームは３個であるので、図中に関係符号を対応させて
併記した。

図において、まず弾性ビーム１は、半径Ｒの半円弧状を
有する弾性部１ａと、この弾性部１ａの両端に設けられ
た上下フランジとの固定部１ｂ。

１ｃとから上下対称に構成され、弾性部１ａの中央の表
面および／または裏面には歪検出手段１１ａ。

１１ｂが、また弾性部１ａの一方の端部の表面および／
または裏面には歪検出手段１２ａ、１２ｂが取付けられ
る。

同様に弾性ビーム２は弾性部２ａと固定部２ｂ。

２ｃで構成され、その弾性部２ａの中央部と一方の端部
には歪検出手段１３ａ、１３ｂおよび１４ａ、１４ｂが
取付けられる。また弾性ビーム３も同様に弾性部３ａと
固定部３ｂ、３ｃで構成され、その弾性部３ａには歪検
出手段１５ａ、１５ｂおよび１６ａ。

１６ｂが取付けられる。

このように構成された３個の弾性ビーム１．２゜３を用
いて、本発明の荷重計を第２図および第３図に示すよう
に組立てるのである。

第２図は、本発明に係る荷重計の一実施例を示す平面図
であり、第３図はその側面図である。

これらの図において、９は上部フランジで、１０は下部
フランジである。ここで、例えば本発明の荷重計がロボ
ットに使用される場合においては、上部フランジ９はそ
の上面９ａが図示しない一方の剛体例えばロボットハン
ドに固定され、下部フランジ１０の下面１０ｂはやはり
図示しない他方の剛体例えばロボットアームに固定され
る。上部フランジ９と下部フランジｌＯとの間には、前
記した３個の上下対称な弾性ビーム１，２．３がそれぞ
れの中心軸ｃ、、　Ｃ２＋　Ｃ２でデルタ状を形成する
ように、即ちそれぞれの中心軸の交差角がフランジ面内
において６０’をなす正三角形状を形成するようユニ配
置され、各弾性ビーム１．２．３の一方の固定部ｌｂ、
２ｂ、３ｂは上部フランジ１の下面１ｂと、またもう一
方の固定部１ｃ、２ｃ、３ｃは下部フランジ２の上面２
ａとそれぞれ接合される。

なお、前記歪検出手段を弾性ビームの表面と裏面にそれ
ぞれ取付けるようにすれば、検出感度を２倍にすること
が可能である。

また、各弾性ビームの交差角を６０”とした正三角形状
にすることは好ましい実施例を示したものであるが、本
発明はこれに限定されるものではなく、二等辺三角形状
あるいは単なる三角形状であってもかまわない。

荷重計をこのように構成することによって、例えばロボ
ットハンドに作用する力は、上部フラ′ンジ９→弾性ビ
ーム１，２，３→下部フランジｌＯ→ロボットアームと
伝達されるので、弾性ビームの変形量を歪検出手段によ
って検出することができる。

以下に、歪検出手段としてストレンゲージを用いる場合
を例にして、歪の検出方法を説明する。

いま、弾性ビーム１，２．３のそれぞれのストレンゲー
ジ１１．１２．１３．１４．１５．１６から得られる歪
量をＣ３，Ｃ２，Ｃ１，Ｃ４，Ｃ３，Ｃ６とすると、そ
れぞれの歪量はＸ軸方向の力ＦＸ、ｙ軸方向の力Ｆ、、
２軸方向の力Ｆ＊ｓＸ軸まわりのモーメントＭ、。

ｙ軸まわりのモーメントＭ、、ｚ軸まわりのモーメント
Ｍ、の６軸力が作用したときの大きさを表すので、次式
のような関係がある。

−・−−−−−−−−−一一−−−−−−−−−−−−
−−−−−・−・−・−・（１）ここで、ｋは定数であ
る。

この（１）式を用いて、逆にε、を測定するようにすれ
ば、作用する力をＦ、、ＦＶ、Ｆ、、Ｍ、、Ｍ、。

Ｍ２にそれぞれ分解して検出することかでＣ１る。

なお、本実施例においては、３個の弾性ビーム１．２．
３をデルタ状に配列したが、本発明はこれに限定される
ものではなく、第４図に示すようにスター状としても同
様の効果を奏するものである。この場合各弾性ビーム１
．２．３のそれぞれの中心軸Ｃｔ、　Ｃｚ、　Ｃｓの交
差角を好ましくはいずれも１２０′″とするのである。

ただし、この交差角は、１２０°に限定されるものでは
なく、６０’〜１５０゜の範囲であればいずれでもよい
。

また、弾性ビームの数は３個に限ることなく、第５図（
ａ）に示すように各中心軸ＣＩＩ　Ｃ！＋　Ｃ２上に左
右対称に２個ずつ取付け、第５図（ｂ）、　（Ｃ）に示
すように６個で構成することも可能である。

また、弾性ビームの形状は、第６図に示すように、弾性
部ｆａと固定部ｆｂ、ｆｃＯ間に平行部ｒｄを設けたＵ
字状の弾性ビー−ムビとし、この平行部１ｄの一方の表
面および／または裏面に歪検出手段１２ａ、１２ｂを取
付けるようにすれば、感度を２倍にすることが可能であ
る。なお、この場合は、弾性ビームの数は３個で十分で
ある。

この弾性ビームの形状は、さらに第７図に示すように垂
直長さ！、なる直線状の弾性部ｒａと、水平長さｊ２．
なる平行部Ｉ’ｄとで形成されるコの字状とした弾性ビ
ーム１１とすることも可能である。

〔実施例２〕 つぎに、本発明の第２の態様について、第８図および第
９図を用いて説明する。

第８図（ａ）に示すように、上下フランジ９，１０間に
４個の上下対称な弾性ビーム１，２，３．４のそれぞれ
の中心軸Ｃ＋、　ＣｔｌＣｓ、　Ｃ４がフランジ面内に
おいて正方形ないし矩形の四角形状を形成させるように
配置させる。

このように構成することによって、弾性ビーム１．２．
３．４のそれぞれの中心部および端部に取付けられたス
トレンゲージから得られる歪量を、前出（１）式の関係
から、各作用力を検出することができる。

なお、第８図（ｂ）に示すように、各中心軸Ｃ，，Ｃ２
゜Ｃ３，Ｃｍ上に弾性ビームを２個ずつ対称的に配置し
て、弾性ビーム１．５．２，６．３．７．４．８と８個
で形成させることも可能である。

また、第８図（Ｃ）に示すように、ｙ軸に左右対称に４
個の弾性ビーム１，２，３．４を配置しても同様の効果
を生ずる。　　　　　− さらに、４個の弾性ビーム１，２，３．４を、第９図に
示すように放射状に配置しても、同様の効果を生ずるも
のである。ここで、弾性ビーム１゜２．３．４の各中心
軸Ｃ＋、　Ｃｔ、　Ｃｓ、　Ｃａとｙ軸との交差角はい
ずれも例えばθのような同一角度とし、また、中心軸Ｃ
ＩとＣ２およびＣ３とＣ４は、それぞれＸ軸上でｙ軸と
ｙ軸との交点に対して例えば、ａなる距離で交差するよ
うにする。

交差角θの大きさは、ｙ軸およびｙ軸に対して作用する
力Ｆ、、　Ｆ、を正確に検出するのに規制する必要があ
り、例えば４５°が望ましい。また、交差路Ｈａの大き
さは、２軸まわりに作用するモーメン）Ｍｚを正確に検
出するのに規制する必要があり、弾性ビーム１，２．３
．４の大きさとフランジ９．１０の大きさによって決定
すればよい。

なお、前記交差角θおよび交差距離ａは、ｙ軸に対して
与えてもよい。

また、上記実施例に用いられる弾性ビームの形状は、第
１の実施例と同様にＵ字状あるいはコの字状を用いても
、同様の効果を奏することはいうまでもない。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、半円弧状または
Ｕ字状もしくはコの字状とされる弾性ビームを用いるよ
うにしたので、荷重計を小型・軽量にすること力５でき
、かつ安価に製作可能であるからロボットの知能化普及
に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る荷重計に用いる半円弧状弾性ビ
ームの実施例を示す側面図、第２図は、半円弧状弾性ビ
ームをデルタ状配置した荷重計の一実施例を示す平面図
、第３図は、第２図の側面図、第４図は、半円弧状弾性
ビームをスター状配置した荷重計の一実施例を示す平面
図、第５図は、半円弧状弾性ビームの他の実施例を示す
（ａ）側面図、Φｉ、（Ｃ）平面図、第６図は、Ｕ字状
弾性ビームの実施例を示す側面図、第７図はコの字状弾
性ビームの実施例を示す側面図、第８図は、半円弧状弾
性ビームを四角形配置した荷重計の実施例を示す平面図
、第９図は、半円弧状弾性ビームを放射状配置した荷重
計の実施例を示す平面図である。 １．２，３．４，５．６，７．８・・・弾性ビーム、９
・・・上部フランジ、　　１０・・・下部フランジ、１
１．１２，１３，１４，１５．１６・・・歪検出部。 特許出願人　　　　川崎製鉄株式会社 第１図 第　　２　　図 ■ 第　　３　　図 第　　４　　図 ■ 第　　５　　図 （ａ） （ｂ） 第　　５　　図 （Ｃ） 第　　６　　図 第　　８　　図 （ａ） （Ｃ） 第　　９　　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象物である２つの剛体の間に結合され、こ
   れら剛体に作用する力を検出する荷重計において、前記
   ２つの剛体と荷重計とを連結する２枚のフランジと、こ
   れら２枚のフランジの間にデルタ状またはスター状に配
   置される少なくとも３個の弾性ビームとから構成され、
   これら弾性ビームは半円弧状をなす弾性部と、これら弾
   性部の両端部に固設されて前記フランジとそれぞれ接続
   可能とされる固定部とで形成され、かつ前記弾性部と中
   央部と一方の端部とにそれぞれ歪検出手段を設けるよう
   に構成したことを特徴とする荷重計。
2. （２）測定対象物である２つの剛体の間に結合され、こ
   れら剛体に作用する力を検出する荷重計において、前記
   ２つの剛体と荷重計とを連結する２枚のフランジと、こ
   れら２枚のフランジの間に四角形状または放射状に配置
   される少なくとも４個の弾性ビームとから構成され、こ
   れら弾性ビームは半円弧状をなす弾性部と、これら弾性
   部の両端部に固設されて前記フランジとそれぞれ接続可
   能とされる固定部とで形成され、かつ前記弾性部と中央
   部と一方の端部とにそれぞれ歪検出手段を設けるように
   構成したことを特徴とする荷重計。
3. （３）前記弾性ビームは、半円弧状をなす弾性部と、こ
   の弾性部の両端部に平行に延びるそれぞれ等長の平行部
   と、これら平行部の両端部に固設され、前記フランジと
   それぞれ接続可能とされる固定部とでＵ字状に形成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第２
   項記載の荷重計。
4. （４）前記弾性ビームは、その弾性部が垂直な直線状を
   なすコの字状に形成されることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項もしくは第２項記載の荷重計。