JPH01262431A - 力覚センサ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はたとえばロボットやＮＣ加工機等において、作
業対象物に接触してその反力を検出するために用いる力
覚センサに関する。

（従来の技術） たとえばロボットによって部品の組立てを行なう場合、
その部品がロボットのハンドによって精密に位置決めさ
れていなければ、組立て作業を円滑かつ正確に行なうこ
とができない。すなわち、ロボットによる組立て作業が
たとえばビンを孔に嵌込む作業である場合、上記ビンと
孔との位置がわずかでもずれていると、そのビンを孔に
嵌込むことができない場合が起る。

そこで、そのような問題をなくすため、ロボットのアー
ムに力覚センサを設け、この力覚センサによって上記ア
ームに加わるＸ、Ｙ、Ｚ方向およびこれらの各方向にお
ける回転モーメントの合計６方向の応力を検出し、その
検出信号で上記アームの姿勢を制御しながら組立て作業
を行なうようにしている。

従来、上述した力覚センサとしては第２図に示すような
ものがある。すなわち、中空状センサ本体１の内部空間
に、取付孔２が穿設された角柱状の取付部３を配置する
。この取付部３の各外周側面にはそれぞれバー４の一端
を連結し、各バー４の他端をセンサ本体１の内周面に連
結することによってセンサ本体１と取付部３とを一体的
に結合する。また、４本のバー４にはそれぞれひずみゲ
ージ５を貼着する。そして、上記センサ本体１をロボッ
トのアームに連結し、取付部３にフィンガーを取付ける
ことにより、このフィンガーに掴まれた部品の組立て時
に上記フィンガーを介してアームに加わるＸ、♀、Ｚ方
向の応力を上記各バー４に設けられたひずみゲージ５で
検出する。そして、その検出信号で上記アームの姿勢を
制御し、部品を精度よく組立てることができるようにし
ている。

しかしながら、このような構造の力覚センサによると、
ロボットのアームとフィンガーとの結合強度、つまり、
ロボットのアームの強度はセンサ本体１に取付部３を取
り付けるためのバー４の剛性によって大きく左右されて
しまう。しかし、ロボットのアームの強度向上を図るた
めに各バー４の剛性を高くすると、部品の組立て時にフ
ィンガーに加わる応力によってバー４が変形しずらくな
るから、その応力の検出感度が低下するという問題が生
じる。逆に、バー４による応力の検出感度を高めるため
、上記バー４を応力に対して変形しやすいよう剛性を低
くしたのでは、ロボットのアームの強度が十分得られな
い。

このような事情から、たとえばロボットのアームなどの
被取付物に取り付けてこれに加わる応力を検出する場合
、上記被取付物の機械的強度を損ねることがなく、しか
も被取付部に加わる応力を感度良く検出できるようにし
だ力覚センサが強く望まれていた。

この要望に応えるものが、本出願人によりすでに出願さ
れている（特願昭６１−３０７６５６号）。この先行例
のものは第３図ないし第５図で示すように構成されてい
る。

すなわち、この力覚センサ１１はセンサ本体１２を備え
ている。このセンサ本体１２は基部１３と、この基部１
３の外周面から周方向に９０度間隔で突設された４つの
第１乃至第４の凸部１４ａ〜１４ｄとから構成されてい
る。上記各突部１４ａ〜１４ｄにはそれぞれ断面矩形状
の第１の透孔１５がその厚さ方向に貫通して穿設されて
いる。上記基部１３にはその中央部分にその厚さ方向に
貫通した取付孔１３ａが穿設されているとともに、上記
各突部１４ａ〜１４ｄから周方向に４５度ずれた位置に
は径方向に貫通した一対の第２の透孔１６が穿設されて
いる。したがって、上記第１の透孔１５により上記各凸
部１４８〜１４ｄの両側面部には第１の薄肉部１７が形
成され、上記第２の透孔１６によって上記基８１１１３
の上下端面部にはそれぞれ４か所の第２の薄肉部１８が
形成されている。そして、上記第１の薄肉部１７と第２
の薄肉部１８はそれぞれ特定の方向の荷重を受けて変形
する変形部を構成している。

また、各凸部１４ａ〜１４ｄのそれぞれの第１の肩肉部
１７の外面には一対の第１のひずみゲージ１９が貼着さ
れている。すなわち、第１のひずみゲージ１９は１つの
凸部１４に４つ貼着され、合計で１６個設けられている
。また、基部１３の各第２の薄肉部１８にはそれぞれ一
対の第２のひずみゲージ２１が貼着され、この第２のひ
ずみゲージ２１も合計で１６個設けられている。上記各
第１のひずみゲージ１９は第１の薄肉部１７に生じる歪
みを検出し、第２のひずみゲージ２１は上記第２の薄肉
部１８に生じる歪みを検出するようになっている。なお
、各凸部１４８〜１４ｄに設けられた４つのひずみゲー
ジ１９および基部１３の相対向する第２の薄肉部１８に
設けられた４つの第２のひずみゲージ２１はそれぞれブ
リッジ回路を組み、これにより検出手段を構成している
。

したがって、センサ本体１２の構造の対称性を生かして
歪みをバランスよく検出できるようになつている。すな
わち、上記各ブリッジ回路からの電気信号からノイズを
除去した上でコンピュータで信号処理可能なレベルまで
アンプで増幅する。この増幅した信号をＡ／Ｄ変換して
ディジタル符号化し、これに変換行列をかけることによ
ってひずみ信号を６軸の力信号に変換するものである。

上記センサ本体１２の一端面側には第１の結合部材２２
が設けられ、他端面側には第２の結合部材２３が設けら
れている。上記第１の結合部材２２は上記センサ本体１
２の４つの凸部１４８〜１４ｄの内のＹ方向に沿う第２
の凸部１４ｂと第４の凸部１４ｄの端面にだけ十分な強
度で一体に結合され、残りのＸ方向に沿う第１の凸部１
４ａと第３の凸部１４０との端面の間にはこれらの間隔
を十分に保つ第１のスリット２４が形成されている。上
記第２の結合部材２３はＸ方向に沿う第１の凸部１４ａ
と第３の凸部１４Ｃの端面に対してだけ十分な強度で一
体に結合され、残りの２つの第２の凸部１４ｂと第４の
凸部１４ｄとの端面の間にはこれらの間隔を十分に保つ
第２のスリット２５が形成されている。そして、このよ
うに構成された力覚センサ１１は、第１の結合部材２２
を介して図示せぬロボットのアームに取付けられ、また
基部１３の取付孔１３ａには同じく図示せぬロボットの
ハンドが取付けられる。

つぎに、この力覚センサ１１の作用について説明する。

まず、この力覚センサ１１に取付けられた図示せぬハン
ドにＸ方向の応力が加わると、その応力はセンサ本体１
２の基部１３に伝わる。すると、そのＸ方向に対して直
交する方向に位置する第２．第４の凸部１４ｂ、１４ｄ
に形成された第１の薄肉部１７に他の薄肉部よりも大き
な歪みが生じることになる。したがって、Ｘ方向の応力
は第２．第４の凸部１４ｂ、１４ｄの第１の薄肉部２２
に貼着された合計８個の第１のひずみゲージ１９によっ
て検出されることになる。

また、図示せぬハンドにＹ方向の応力が加わると、その
応力がセンサ本体１２の基部１３に伝わる。すると、Ｙ
方向の応力と直交する方向に位置する第１．第３の凸部
１４ａ、１４ｃに形成された第１の薄肉部１７が他の薄
肉部よりも大きく歪むことになる。したがって、Ｙ方向
の応力は第１゜第３の凸部１４ａ、１４Ｃの第１の薄肉
部１７に貼着された合計８個の第１のひずみゲージ１９
によって検出することができる。

また、力覚センサ１１の取付孔１３ａに取付けられた図
示せぬハンドに７方向の応力が加わると、センサ本体１
２はその基部１３と４つの凸部１４ａ〜１４ｄが７方向
における逆方向に変位しようとする。したがって、その
Ｚ方向の応力と直交する方向に位置する第２の薄肉部１
８が他の薄肉部よりも大きく歪むことになる。したがっ
て、上記第２の薄肉部１８に貼着された第２のひずみゲ
ージ２１によって２方向の応力を検出することができる
。

一方、力覚センサ１１にそのＸ方向回りとＸ方向回りモ
ーメントが加わると、これらモーメントに対しては第１
の薄肉部１７よりも第２の薄肉部１８の方が変形しやす
い。つまり、第２の薄肉部１８はＸ、Ｙ方向のモーメン
トに対して直交する方向に位置するので、第１の薄肉部
１７よりも変形しやすい。したがって、第２の薄肉部１
８に貼着された合計１６個の第２のひずみゲージ２１に
よってＸ方向とＹ方向回りのモーメントを検出すること
ができる。さらに、センサ本体１２に７方向回りのモー
メントが加わると、この２方向のモーメントに対して直
交する方向に位置する第１の薄肉部１７の方が第２の薄
肉部１８よりも変形しやすい。したがって、第１の薄肉
部１７に貼着された合計１６個の第１のひずみゲージ１
９によってＺ方向回りのモーメントを検出することがで
きる。

ところで、上記構造の力覚センサ１１においては、第１
乃至第４の凸部１４８〜１４ｄに穿設された第１の透孔
１５と、基部１３に穿設された第２の透孔１６とによっ
てｘ、ｙ、Ｘ方向およびこれら各方向回りのモーメント
に対して第１の薄肉部１７あるいは第２の薄肉部１８が
変形しやすいように形成されている。したがって、力覚
センサ１１に加わる各方向およびそれら各方向回りのモ
−メントを感度よく検出することができる。

また、力覚センサ１１に加わるＸ方向の応力に対しては
Ｘ方向に平行に位置する第１．第３の凸部１４ａ、１４
ｃの第１の薄肉部１７が十分な剛性を呈し、Ｙ方向の応
力に対してはその方向に平行に位置する第２．第４の凸
部１４ｂ、１４ｄに形成された第１の薄肉部１７が十分
な剛性を呈する。また、２方向の応力に対しては各凸部
１４８〜１４ｄに形成された第１の薄肉部１８がその応
力の方向と平行に位置するから、これらが十分な剛性を
呈することになる。さらに、Ｘ、Ｙ方向回りのモーメン
トに対しては第１の薄肉部１７が十分な剛性を呈し、２
方向回りのモーメントに対しては第２の薄肉部１８が十
分な剛性を呈する。したがって、このような力覚センサ
１１によれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向およびこれら各方向回り
のモーメントに対して十分な剛性を有する。

以上述べたようにこの力覚センサ１１によれば、Ｘ、Ｙ
、Ｚ方向の応力およびこれら各方向回りのモーメントを
その力に対して直交する方向に位置する第１の薄肉部１
７あるいは第２の薄肉部１８のいずれかが感度よく検出
し、またそのとき力と平行方向に位置する薄肉部は十分
な剛性を呈する。

したがって、このような力覚センサ１１によれば、従来
は相反するファクターであった感度と剛性との両方の向
上を図ることができるのである。

（発明が解決しようとする課題） 上記構成の力覚センサ１１によれば、上述したような種
々のすぐれた作用効果が得られる。しかし、各薄肉部１
７．１８に生じるひずみを検出する各ひずみゲージ１９
．２１は第８図で示すようにホイートストン・ブリッジ
回路を構成するが、この配線は第６図で示すように各ひ
ずみゲージ１９．２１間をリード線２５およびゲージ端
子２６で引き回して接続するようになっている。

しかも、各ホイートストン・ブリッジ回路ごとの配線が
行なわれるため、実際には第７図で示すようにそのリー
ド線２５およびゲージ端子２６が複雑に交錯するととも
に、リード線２５が長くなり、きわめて繁雑な配線構造
になる。ざらに、ブリッジ間の配線長さのアンバランス
が生じ、温度に対する配線の抵抗変化を考えると、本来
のひずみによる抵抗変化だけでなく、その長さの異なる
各配線部分の温度による抵抗変化が非常に問題となる。

すなわち、ひずみゲージ１９．２１による出力はこの後
で１０００倍以上に増幅するため、その配線部分の温度
による抵抗変化の影響がきわめて大きくなるからである
。このように温度に対する安定度が悪いという問題があ
った。

また、各配線長さの均衡を取るためにはリード線２５を
長く引き回さなければならなかったりするが、現実には
正確な１節が困難であり、しかも、その配線作業が非常
に面倒で手間のかかるものであった。

本発明は上記課題に着目してなされたもので、その目的
とするところは温度に対する安定度が高く、信頼性を向
上できるとともに、その各ひずみゲージに対する配線構
造が簡略化して組立て性を向上できる力覚センサを提供
することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段および作用）上記課題を解
決するために本発明の力覚センサは、基部およびこの基
部の外周面にその周方向に間隔をおいて突設された複数
の凸部からなるセンサ本体と、上記凸部および基部の少
なくとも一方の壁部分に形成された薄肉部分からなるひ
ずみ発生用の変形部と、この各変形部に設けられその変
形部にそれぞれ生じるひずみを検出するひずみゲージと
、この各ひずみゲージをブリッジ回路に接続してひずみ
を電気信号に変換する配線を有し、かつブリッジ回路に
おける各ひずみゲージ間の配線長さを揃えるための回路
基板を組み込んだ配線手段と、上記ブリッジ回路からの
電気信号を各方向の力信号に変換する検出手段とを具備
してなるものである。

しかして、上記回路基板を利用して各ひずみゲージをブ
リッジ回路に接続する配線を行なうため、各ひずみゲー
ジ間の配線長さのバランスがとり易いとともに、正確に
調整できる。しかも、温度変化に対する信頼性を向上で
きる。さらに、配線構造が簡略化でき、力覚センサのシ
ンプル化が図れる。また、その配線作業かで容易にでき
、生産性を向上できる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例としての力覚センサ１１を示
すものである。この力覚センサ１１の基本的構造はすで
に第３図ないし第５図にもとづいて説明しであるので、
同一個所には同一符号を付してその詳細な説明は省略す
る。

そして、この実施例では各凸部１４ａ〜１４ｄのそれぞ
れの第１の薄肉部１７の外面ににそれぞれ貼看した一対
の第１のひずみゲージ１９、すなわち、１つの凸部１４
に４つ貼着された合計で１６個の第１のひずみゲージ１
９と、基部１３の８第２の薄肉部１８にそれぞれ貼着し
た一対の第２のひずみゲージ２１、つまり、１つの基部
１３に合計で１６個設けられた第２のひずみゲージ２１
とは８つのブリッジ回路を組み、これにより検出手段を
構成している。したがって、センサ本体１２の構造の対
称性を生かして歪みをバランスよく検出できるようにな
っている。すなわち、前述したように、各ブリッジ回路
からの電気信号からノイズを除去した上でコンピュータ
で信号処理可能なレベルまでアンプで増幅する。この増
幅した信号をＡ／Ｄ変換してディジタル符号化し、これ
に変換行列をかけることによってひずみ信号を６軸の力
信号に変換するようになっている。

さらに、各ひずみゲージ１９．２１からはこれらを上記
ブリッジ回路に接続するためのリード線３１が接続され
ている。この各リード［１３１はその配線長さを揃える
ための回路基板３２に接続して配線長さを揃える配線手
段を構成している。

回路基板３２はたとえば可撓性のものからリング状の薄
い円板に形成されてなり、センサ本体１２の底部の内側
に配設されている。

また、この回路基板３２は上記各リード１３１の長さ、
およびその抵抗を考慮してブリッジ回路のひずみゲージ
１９．２１間の配線長さが等しくなるようにその回路パ
ターンやこの回路中に組み込む電気抵抗素子を調整しで
ある。

しかして、この回路基板３２を用いることにより各ひず
みゲージ１９．２１間の配線引きまわしを短かくコンパ
クトにすることができるとともに、配線構造が簡略化で
き、力覚センサのシンプル化が図れる。さらに、ブリッ
ジ回路の各ひずみゲージ間の配線長さのバランスがとり
易い調整作業が簡単である。しかも、ブリッジ回路の各
ひずみゲージ間の配線長さのバランスを正確に調整でき
るから、′ａｒｘに対する安定性が向上し、温度変化の
ある作業現場でも安心して使用できる。

なお、上記実施例において、回路基板３２はセンサ本体
１２の下面に入れているが、これを上面側に入れてもよ
い。

Ｅ発明の効果］ 以上説明したように本発明の力覚センサは、回路基板を
利用して各ひずみゲージをブリッジ回路に接続する配線
を行なうため、その回路基板による各ひずみゲージ間の
配線長さのバランスがとり易いとともに、正確に調整で
きる。さらに、配線構造が簡略化でき、力覚センサのシ
ンプル化が図れる。また、その配線作業かで容易にでき
、生産性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の力覚センサの一部切欠して
示す斜視図、第２図は先行例の力覚センサの斜視図、第
３図は他の先行例の力覚センサの斜視図、第４図は同じ
（その他の先行例の力覚センサの一部切欠して示す斜視
図、第５図は同じくその他の先行例の力覚センサの正面
断面、第６図および第７図は同じくその他の先行例にお
ける１１・・・力覚センサ、１２・・・センサ本体、１
３・・・基部、１４・・・凸部、１５・・・透孔、１７
．２７・・・薄肉部（変形部＞’、１９．２１・・・ひ
ずみゲージく検出手段）、３１・・・リード線、３２・
・・回路基板。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第　２　図 令Ｂ 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基部およびこの基部の外周面にその周方向に間隔
   をおいて突設された複数の凸部からなるセンサ本体と、
   上記凸部および基部の少なくとも一方の壁部分に形成さ
   れた薄肉部分からなるひずみ発生用の変形部と、この各
   変形部に設けられその変形部にそれぞれ生じるひずみを
   検出するひずみゲージと、この各ひずみゲージをブリッ
   ジ回路に接続して各ひずみを電気信号に変換する配線を
   有しかつブリッジ回路における各ひずみゲージ間の配線
   長さを揃えるための回路基板を組み込んだ配線手段と、
   上記ブリッジ回路からの電気信号を各方向の力信号に変
   換する検出手段とを具備したことを特徴とする力覚セン
   サ。
2. （２）上記配線手段の回路基板にはブリッジ回路の各ひ
   ずみゲージ間の電気抵抗のバランスをとるための電気抵
   抗素子を組み込んだことを特徴とする請求項第１項に記
   載の力覚センサ。