JPH0224091A - 力覚センサの歪み変換行列検出方法 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明はロボットやＮＣ加工機などに用いられる力覚セ
ンサの歪み変換行列検出方法に関する。

（従来の技術） ロボットのアームとハンドの間に取り付けられる力覚セ
ンサは種々知られているが、この力覚センサの歪み変換
行列検出は専用の装置を用いて行なわれており、これに
は分離負荷を加えて行なうものと、合成負荷を加えて行
なうものがある。

分離負荷を加えて行なう前者の方法は外力の各成分を独
立して加えられるように装置を工夫する。

しかし、この方法では負荷を機構的に各成分に分離して
この各成分を力覚センサに対して別々にかけようとして
いるため、その機構における摩擦力等の問題を引き起し
、誤差を生じさせやすいという欠点がある。

これに対して、合成負荷を加えて行なう後者の方法は機
構が単純であるとともに、摩擦力等の問題を引き起すこ
とがない点ですぐれている。そこで、この方法を検討す
るが、その前に、歪み変換行列検出方法の対象となる一
例の力覚センサ１１を具体的に説明しておく。

すなわち、この力覚センサ１１は第１図乃至第３図で示
すように構成されている。このセンサ本体１２は基部１
３と、この基部１３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１
４ａ〜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によって上記基部１３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の薄肉部
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１４ａ〜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（検出できるようになっている。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、他端面倒には第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１４ａ〜１４ｄの内のＸ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１４ｃ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。

次に、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１２
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Ｘ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、Ｘ
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Ｚ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Ｚ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Ｚ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Ｚ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１４ａ〜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
ー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、Ｚ方向の応力に対しては各凸部
１４ａ〜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、Ｚ
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。

（発明が解決しようとする課題） 次に、この力覚センサ１１の歪み変換行列検出を合成負
荷を加えて行なう方法を以下に説明する。

まず、この方法では第４図乃至第６図で示すように各種
荷重をかけるための何種類かの治具３１．４１．５１を
用意する。第４図で示す治具３１はＹ軸まわりのモーメ
ントＭＹと、Ｘ軸方向の応力Ｆｘの負荷を同時に加える
もので、力覚センサ１１の第１の結合部材２２を固定し
てその力覚センサ１１を水平に支持する定盤３４と、力
覚センサ１１における基部１３（の取付孔１３ａ）に取
り付ける取着具３５とからなり、この取着具３５には紐
３６を介して重り３７が吊持される。

したがって、この治具３１によれば、力覚センサ１１に
ついて、そのＹ軸まわりのモーメントＭＹと、Ｘ軸方向
の応力Ｆｘの負荷を同時に加えたときのひずみによる出
力（８種類）が得られる。

また、第５図で示す治具４１はＺ軸方向に応力Ｆｚを加
えるもので、力覚センサ１１の第１の結合部材２２を固
定してその力覚センサ１１を垂直に支持する定盤４２と
、力覚センサ１１における基部１３（の取付孔１３ａ）
に紐４３を介して取り付ける重り４４とからなる。

したがって、この治具４１によれば、力覚センサ１１に
ついて、そのＺ軸方向に応力Ｆｚを加えたときのひずみ
による出力（８種類）が得られる。

また、第６図で示す治具５１はＸ軸方向に応力ＦＸとＹ
軸回りのモーメントＭＹを加えるもので、力覚センサ１
１の第１の結合部材２２を固定してその力覚センサ１１
を水平に支持する定盤５２と、その力覚センサ１１にお
ける基部１３（の取付孔１３ａ）に取り付ける取着具５
３とからなり、取着具５３には水平方向に配置されるア
ーム５４を取り付けるとともに、アーム５４の先端には
紐５５を介して重り５６を吊持するようになっている。

したがって、この治具５１によれば、力覚センサ１１に
ついて、そのＸ軸方向に応力ＦＸとＹ軸回りのモーメン
トＭｙを同時に加えたときのひずみによる出力（８種類
）が得られる。

なお、上記治具４１，５１は必ずしも別々に用意しなく
ても、その一方のみを用意し、その向きを変えることに
より兼用できるものである。

しかして、上記各治具３１．４２．５１を用い、それぞ
れの場合においての応力を変えてゆき、各応力に対応し
たひずみの各８種類の出力を検出する。具体的には重り
を付は換えてゆき、このときの荷重（重さ）に対するひ
ずみ出力を測定する。

ある治具３１，４１．５１を用いた場合、その荷重値（
重りの重さ）や、作用点からモーメント中心までの距離
は既知だから、この［荷重（重さ）−ひずみ線図］と突
き合せることによって、後述する［Ｃ十行列］を計算す
るためのデータの組み合せを得ることができる。そして
、これらのデータの組から、その力覚センサ１１固有の
［Ｃ十行列コが得られる。つまり、力覚センサ１１のキ
ャリブレーションを行なうことができる。

ところで、ひずみを力・モーメントに変換するには以下
の演算が必要である。まず、得られるひずみ出力をＥｎ
　　（ｎ＝１．２．・・・：実験データ数）とすると、
これはひずみを検出する手段の数だけの要素をもつ。上
記力覚センサ１１では８個（８検出チヤンネル）である
から、これはたとえば、Ｅｎ　＝　（ａｌ　、　　ａ２
　、−−−、　　ａＢ　）と表わせる。

（ａは各検出チャンネルのひずみ出力である。）これに
対して、力・モーメントは次のように表わせるベクトル
である。

Ｆｎ　＝　（ｆ）（、ｆｙ、ｆｚ、ｍｙ、、ｍｙ。

ｍｚ） ここで、ｎは各実験データの番号、ｆは力、ｍはモーメ
ントである。

そして、この２つのベクトルＦｒｔ、Ｅｎは、次の行列
Ｃを用いて結び付けられる。

ＥＦＩ−ＣＦｌｌ　　　　　　　−■ すなわち、ある力がかかったときに、その力覚センサの
構造によって決まるＣの各要素の係数を乗じた値に等し
いひずみが発生する。力覚センサはこの過程を逆にたど
って、ひずみから力を演算する。つまり、■式を逆に解
いて Ｆｎ　−Ｃ”　Ｅｎ　　　　　　・・・■とする。ここ
で、Ｃは、−船釣には正方行列に限らないので、Ｃ＋、
つまり、疑似逆行列を計算する。Ｃ＋は以下の演算によ
って得られる。

Ｆｎをかけたときに、力覚センサに生じるひずみ出力Ｅ
ｎを測定しておく。ＥｒＬの要素が８個の上記場合は、
このような互いに独立なデータを８組測定する。そうす
ると、各データに関し、■式が成立しているから、それ
は以下のように表わせる。

よって、これらをまとめて、次のように表わすことがで
きる。

（Ｆｌ、Ｆ２．　・・・、Ｆ８） ＝Ｃ”　　（１：１．Ｆ２　、　　・・’、ＥｒＬ）　
　”’■この０式のうち、右辺のひずみベクトルの和の
行列は、正方行列である。よって、多くの場合、逆行列
が存在するので、Ｃ＋　は次のようにして得られる。つ
まり、 Ｃ”　　−（Ｅ　１　、　　Ｅ２　　、　−、　　Ｅｎ
　　）−’求めたい力ベクトルＦｒＬの要素は６個であ
るから、上記０式を計算可能とするためには、ひずみ出
力は独立な６個以上の要素であればよい。

しかして、上述したように上記各治具３１゜４１．５１
を用い、それぞれの場合においての荷重を変えてゆき、
各荷重に対応したひずみの出力を検出し、そのときの荷
重（重さ）に対するひずみ出力を測定する。ある治具３
１，４１．５１を用いた場合、その荷重値（重りの重さ
）や、作用点からモーメント中心までの距離は既知だか
ら、この［荷重（重さ）−ひずみ線図］と突き合せるこ
とによって、後述するＥＣ十行列］を計算するためのデ
ータの組み合せを得ることができる。そして、これらの
データの組から、その力覚センサ１１固有の［Ｃ十行列
］が得られるから、これを使用してその力覚センサ１１
の歪み変換行列検出を行なうことができることが分った
。

ところが、ここで、次のような問題がある。つまり、［
荷重（重さ）−ひずみ線図］を得るためのには、各検出
チャンネルごとにきわめて多くのデータを必要とし、そ
の測定に膨大な時間と労力がかかることである。これで
は実際上不便であり、非能率的である。

本発明は上記課題に着目してなされたもので、その目的
とするところは合成負荷を加えて力覚センサの歪み変換
行列検出を行なうにも拘らず、その測定が短時間で簡単
に行なうことができる能率的な力覚センサの歪み変換行
列検出方法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
決するために以下の方法を提案する。すなわち、本発明
の方法は、力覚センサに所定の荷重をかけ、このときに
得られるひずみゲージからの出力データからひずみ変換
行列を演算し、これにより歪み変換行列を求める力覚セ
ンサの歪み変換行列検出方法において、力覚センサに横
方向の所定の荷重を加える第１の工程と、力覚センサに
垂直方向に荷重を加える第２の工程と、力覚センサに回
転方向に荷重を加える第３の工程と、第１乃至第３の工
程での歪みゲージの検出データより上記力覚センサの歪
み変換行列を得るようにしたものである。

この力覚センサの歪み変換行列検出方法は、力覚センサ
に合成負荷を加えて歪み変換行列検出を行なう方法にお
いて、次の点を原理とするものである。

もともと、この荷重を加えてひずみの出力を得る原理は
その力覚センサの変形部における材料の弾性限界内であ
れば、その荷重とひずみ出力との間には線形性があると
いう特性にもとづいている。

このことを考えれば、上述したように膨大なデータを用
いた［荷重−ひずみ線図］を用いなくとも、代表的な点
に関するデータを得るだけでも、力覚センサ固有の［Ｃ
十行列］を算出できるデータが充分に得られる。

ただし、現実に実施する場合には次のような点を考慮し
なければならない。すなわち、現実に得られる測定デー
タには必ずノイズが重畳されるから、このノイズが測定
データの精度を落とす。したがって、実際上は、いかに
して、このノイズの影響が小さくし、Ｓ／Ｎ比を向上で
きるデータ収集法を確立するかが重要となる。ここで、
ノイズがコントロールできないのであるならば、Ｓ／Ｎ
比を向上するためには検出信号を大きくするのがよい。

そこで、各測定データとしては荷重パターンの許容し得
る定格値いっばいの荷重をかけたときのデータをとるの
がよい。

次に、演算を行なう上でのやり易さを考えると、各荷重
データが単独で、しかも、単位荷重であることが望まし
い。このとき、荷重データ行列は単位行列になるから、
そのときのひずみ行列が、そのままＣ行列になる。しか
し、この方式の荷重パターンは、少なくとも２つの荷重
、たとえばＸ方向の力ＦｘとＹ軸まわりのモーメントＭ
ｙがかかる場合が多い。（なお、Ｚ方向の荷重Ｆｚは単
独である。） そこで、２つの荷重パターンのデータの差をとれば、１
つの荷重が残るような荷重パターンの組み合せを考えて
、この２組のデータから１つの荷重データを得るように
するとよい。すなわち、この場合は少なくとも２組の荷
重パターンを組合せてその差をとることにより１つの荷
重のみのデータ、たとえばＦｘのみを得るようにする。

ただし、上述したように荷重パターンの許容し得る定格
値いっばいの荷重をかけたときのデータをとり、これに
ついて行なう。さらに、このデータを自分自身のデータ
で割ることにより単位ベクトル化する。

（実施例） 第７図ないし第９図は本発明の一実施例として、上記力
覚センサ１１について測定した結果を示す。第７図は第
４図で示す治具３１を用いてＸ軸方向の荷重ＦｘとＹ軸
まわりのモーメントＭＹをかけたときの各検出チャンネ
ル１〜８を通じて得られた測定値ａ−ｈを図中にプロッ
トし、測定値ａ　−ｈのプロット点とＯ値の点を直線で
結んだものである。

また、第８図は第５図で示す治具４１を用いてＺ軸方向
の荷重Ｆｚをかけたときの各検出チャンネル１〜８を通
じて得られた測定値ａ　−ｈを図中にプロットし、この
各測定値ａ−ｈのプロット点とＯ値の点を直線で結んだ
ものである。

第８図は第６図で示す治具５１を用いてＹ軸方向の荷重
ＦＹとＸ軸まわりのモーメントＭＸをかけたときの各チ
ャンネル１〜８を通じて得られた測定値ａ　−ｈを図中
にプロットし、この各測定値ａ　−ｈのプロット点とＯ
値の点を直線で結んだものである。

そして、この各検出チャンネルの代表的な測定値ａ−ｈ
の各結果から直線の傾きを求め、加えた荷重とモーメン
トの成分の組み合せを考慮して変換行列を求めるのであ
る。

また、加える荷重とモーメントは力覚センサ１１の定格
値の範囲内のものを代表としてこれをかける。このよう
にすれば、多くの荷重を使用して各場合について測定す
る必要がない。また、力覚センサ１１の定格値の範囲内
いっばいのものをその代表として選べば、上述したよう
にノイズの影響を小さくしてＳ／Ｎ比を向上できる。ま
た、演算を行なう上でのやり易さのため、各荷重データ
が単独で、しかも、単位荷重とする。このとき、荷重デ
ータ行列は単位行列になるから、そのときのひずみ行列
が、そのままＣ行列になる。

しかして、力覚センサ１１の歪み変換行列検出を簡便か
つ短時間で、実用上、充分な精度で遂行できる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明の力覚センサの歪み変換行列
検出方法によれば、合成負荷を加えて力覚センサの歪み
変換行列検出を行なうにも拘らず、その測定が短時間で
簡単かつ能率的に力覚センサの歪み変換行列検出を行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は力覚センサの正面断面、第２図は同じくその力
覚センサの斜視図、第３図は同じくその力覚センサの一
部切欠して示す斜視図、第４図ないし第６図はそれぞれ
異なる測定用治具の斜視図、第７図ないし第９図はそれ
ぞれ各治具による測定結果を示す図である。 １１・・・力覚センサ、１２・・・センサ本体、１３・
・・基部、１４・・・凸部、１５・・・透孔、１７゜２
７・・・薄肉部（変形部）、１９．２１・・・ひずみゲ
ージ（検出手段）　、３１，４１．５１・・・治具。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 ２３　第２のｊ４闘才ｒ 第 図 第 図 （Ｆｘ◆Ｍｙ） 第７図 （Ｆｚ） 第８図 （Ｆ／φＭｘ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 荷重が加えられると弾性変形する変形部とその変形部に
   取付けられた歪みゲージを有した力覚センサの歪み変換
   行列検出方法において、上記力覚センサに弾性限界内で
   横方向の所定の荷重を加える第１の工程と、上記力覚セ
   ンサの弾性限界内で垂直方向に荷重を加える第２の工程
   と、上記力覚センサの弾性限界内で回転方向に荷重を加
   える第３の工程と、上記第１乃至第３の工程での歪みゲ
   ージからの検出データより上記力覚センサの歪み変換行
   列を検出する第４の工程とを具備することを特徴とする
   力覚センサの歪み変換行列検出方法。