JPH0238811A - 力検出プローブ装置 - 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〕 本発明は力検出プローブ装置に係わり、特にティーチン
グプレイバック方式をとる作業用ロボットや作業ｍ械、
三次元形状計ｉｌｌ！Ｉｆ機に用いて好適な力検出プロ
ーブ装置に関する。

〔従来の技術〕

力検出プローブ装置は、例えばティーチングプレイバッ
ク方式をとる作業用ロボットや作業機械、三次元形状計
ａＩＲにおいて、ワーク面からの反力を検出し、その角
情報からそれぞれの制御、演算等を行うために用いられ
ている。

従来の力検出プローブ装置は、第９図に示すように、ワ
ーク２０の表面に接触する先端を有する中実型の１０−
ブ２１と、プローブ２１をワーク面に押付けたときに１
０−ブ２１にかかる反力ＦＮを検出する多軸力センサ２
２とからなっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら従来の力検出プローブ装置においては、プ
ローブ２１をワーク面に押付けた場合、本来であればそ
の反力はワーク面に垂直な力ＦＮであるため、多軸力セ
ンサ２２はその方ＦＮを検出するものであるが、プロー
ブとワーク面との接触点ですべり堂擦力ＦＳが生じるた
め、多軸力センサ２２は摩擦力ＦＳの影響を受けた合力
Ｆ’Ｒ−を検出することになる。従って、力検出プロー
ブ装置で検出された角情報からワーク面の傾斜角を演算
し、ワークの形状を計測する場合やロボットの姿勢を制
御する場合、計測又は制御した結果に摩擦の影響を受け
た誤差を生じるという問題があった。また、ワーク面の
倣い制御においてワーク面を倣いながら、検出された反
力の角情報により移動方向を制御する場合、角情報はプ
ローブとワーク面との間に生じたすべり摩擦の影響を受
けるために制御指令値に誤差を生じ、滑らかに移動する
ことは困難であると共に、プローブによってワーク面に
出を付ける恐れがあるという問題があった。

本発明の目的は、プローブとワーク面との接触点でのず
ベリ掌擦の影響を受けない角情報を得ることのできる力
検出プローブ装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

Ｌ記目的は、ワーク面に接触するプローブと、このプロ
ーブにかかる力を検出する多軸力センサとからなる力検
出プローブ装置において、前記プローブを、先端に球面
軸受を有するプローブ本体と、このプローブ本体の球面
軸受に微小間隙を残して取り付けられたボールと、前記
微小間隙に加圧気体を供給する手段とで構成し、加圧気
体によりボールを支持するようにしたことを特徴とする
力検出プローブ装置によって達成される。

〔作用〕

このように構成された本発明においては、ボールをワー
ク面に押付けると、球面軸受とボールとの間の微小間隙
内の気体圧力がその押付は力に相当する力でボールを押
出そうとする力を発生し、加圧気体によりボールを支持
する。この加圧気体により支持されたボールは静圧気体
軸受の原理を応用した気体潤滑により自由に転がり、プ
ローブがワークに接触したときに接触点にすべり摩擦を
起こすことなく、ワーク面からボールが受ける反力を気
体膜を介して伝達し、多軸力センサは、このｏ振力の影
響を受けない反力を検出する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図を参照して説
明する。

第１図において、本実施例の力検出プローブ装置は、ワ
ーク面に接触するボールプローブ１と、このボールプロ
ーブ１にかかる力を検出する多軸力センサ２とを有し、
ボール１０−ブ１は、先端に球面軸受３を有するプロー
ブ本体４と、このブ１７−ブ本体４の球面軸受３に微小
間隙５を残して収り付けられたボール６とで構成され、
１０一ブ本体４には、微小間隙５に加圧気体を供給する
手段として、加圧空気の導入孔７とオリフィス絞りを有
する給気孔８とが形成されている。加圧空気の導入孔７
は第２図に示すように外部の圧力８９に接続され、圧力
源９から送られてきた加圧気体は導入孔６から給気孔８
のオリフィス絞りを通って球面軸受３とボール６との間
の微小間隙５に送り込まれ、ここから外部に放出される
。

第２図は本実施例の力検出プローブ装置をワーク面の倣
い制御に用いた使用例を示し、力検出１０−ブ装置はロ
ボット１０の平部に取り付けられ、ｆ上意の曲面形状を
持つ作業対象物であるワーク１１に接触するよう押付け
られる。このとき、ポールプローブＩはワーク面に接触
しながらボールプローブ１にかかる力（ワーク面かへの
反力）を多軸力センサ２に伝達し、多軸力センサ２はそ
の力を検出し、コントローラ１２に角情報を伝送する。

コントローラ１２は、多軸力センサ２と、ロボ・ｙト１
０を制御するためのテイーチングボンクス１３と、ロボ
ット１０とから得られる情報をもとに教示データを演算
し、その教示データを記憶装置１４に格納する。

次に、以上のように構成された本実施例の力検出プロー
ブ装置の動作を説明する。

第３図に従来の中天型の１０−ブ２１を示す。

プローブ２１を静市した状態でワーク面に垂直に力Ｆで
押付けた場合、１０−ブ２１のたわみ、機械のガタ等の
影響で横力が生じ、接触点にすべりＩ！Ｊ擦力振力が発
生する。このため多軸力センサはすべり摩擦力ＦＳと押
付は力Ｆの反力との合力ＦＲを検出することになる。

これに対して本実施例においては、同様にボールプロー
ブ１を押付けた場合、第４図に示すように、球面軸受３
とボール６との微小隙間５に送り込まれた加圧気体には
図示のごとく左右対称の圧力分布が生じ、この加圧気体
の圧力によりボール６が受ける力とワークへボールプロ
ーブ４を押付ける力が釣り合った場合、ボール６は静圧
気体軸受の原理を応用した気＃潤滑により自由に転がる
ことになる。従って接触によるすべり摩擦は生じない、
このとき、ボール６の受けるワークからの反力ＦＲは微
小間隙５の気体膜を介してプローブ本（水・１に１云達
される。

以−１−はボールプローブ１が静止状態にある時の説明
であるが、ボール１０−ブ１が任意の速度Ｖで移動する
場合は第５図に示すようになる。即ち、この場合、ボー
ル６は接触点において転がり摩擦ＦＳを生じ、この転が
り摩擦Ｆによりボール６の中心は球面軸受３の中心から
偏心する。このとき、ボール６が閤った側の隙間は小さ
くなり、流体抵抗は増加し、それに伴って圧力も増加す
る０反対に、ボール６か遠ざかった側では隙間が大きく
なり、流体抵抗は減少し、圧力も低くなる。即ち、間隙
５の加圧気体には隙間が小さい側に偏った圧力分布が生
じる。従ってこれらの圧力差によりボール６は球面軸受
３の中心に戻ろうとする。ここで曲軸力センサ２はプロ
ーブの球面軸受３内に生じた圧力差を力の方向の変化と
して検出する。従って、多軸力センサ２が検出している
力の変化分はボール６が球面軸受３の中心に戻ろうとす
る力、即ち、ボール６がワークとの接触点で受ける転が
り摩擦力ＦＳの影響であって、その転がり摩擦力の影響
はすべりＴ！Ｊ擦力振力響に比べ極めて小さいものであ
る。

以上のように、静止状態及び移動状態のいずれにおいて
も本実施例のポールプローブを用いることにより、従来
のプローブではワークとの接触点で必ず生じていたすべ
りＩ擦の影響を受けずにワーク面からの反力を検出する
ことができる。

本実施例のボールプローブと、それと同形状でボールを
かしめて固定したプローブとを用い、プローブを垂直に
立てた状態で一定速度で移動し、０擦抵抗を測定した結
果を第６図に示す、ワーク面に対し垂直に働く反力を垂
直抗力Ｎとし、移動方向と逆向きに生じる力を摩擦抵抗
ＦＳとした。

図中のＣ印は、ボール固定のプローブでワーク面の傾斜
角αが０６のワーク面を移動した場合、・印は、同条件
で本実施例のポールプローブを用いた場合のＦ！Ｊ擦抵
抗抵抗す、また、Δ印は、本実施例のボールプローブを
用い、傾斜角α＝２ｏ°のワーク面に沿って移動したと
きの摩擦抵抗を示す。

なお、ボールは表面クロームメツキの鋼球を使用し、ワ
ークは３３５Ｃの鋼板を使用した。

第６図から分るように、摩擦抵抗ＰＳは、本実施例のボ
ールプローブ及びボール固定プローブ共、他面抗力Ｎの
増加に比例するが、その増加の割合は本実施例のポール
プローブの方かはるかに小さい、ここで１摩擦係数をμ
とし、μ＝ＦＳ／Ｎで表わせば、傾斜角α＝０°のとき
、本実施例のボールプローブでは／２＝０．０２、ボー
ル固定の１０−ブはμ＝０．１８という計算結果を得た
。このように、本実施例のポールプローブは、従来のプ
ローブに比ベワーク面を倣うときのＲ擦抵抗を大幅に減
少できることがｉｌ！認された。

まな、力検出プローブ装置で検出された角情報からワー
ク面の傾斜角を演算する場合、Ｉ：Ｉ擦抵抗μによる傾
斜角度検出誤差α°は、ｔａｎα゛＝μの関係より本実
施例のポールプローブではα°＝１．１４°、ボール固
定のプローブではα°＝１０．２°となる。従って、本
実施例のポールプローブでは、従来のプローブに比べ傾
斜角の誤差を約１／１０にすることができ、ワーク面の
傾斜角を正確に演算することがでる。

なお第６図において、ワーク面の傾斜角がα＝２０°の
とき、本実施例のボール１０−ブの摩擦係数はμ＝０．
０５であり、α＝０°のときに比べ増加しているが、こ
れは、ワーク面が傾斜したことによって、プローブ先端
のボールに横力が作用し、加圧気体による圧力と押付は
反力のバランスがくずれ、球面軸受面とボールが接触す
るようになるため、摩擦抵抗が増加するものと考えられ
る。しかし、なおこの場合でも、摩擦抵抗は増加するも
のの、従来のプローブよりは摩擦の影響を受けにくい、
またこの場合、後述する第７．８図に示すようなプロー
ブを用いることにより、摩擦抵抗の増加を極めて軽減す
ることができる。

従って、本実施例の力検出プローブ装置によれば、ボー
ル１０−ブをワークに押付けた場合、接触点でのずベリ
摩擦の影響を受けない反力を検出することができ、ワー
ク面の法線方向の力を検出することができる。このため
、ワーク面の傾斜角を正確に演算することができ、角情
報による形状計測が行える。また倣い教示作業において
も、ワーク面の傾斜角を正確に演算することができるな
め、移動自損を倣いながら正確に決定することができ、
またワーク面を傷付けることもない、さらに、ワーク面
の法線方向の力を検出できるので、ワーク面に対しロボ
ット等の姿勢を制御する場合、角情報から正確に制御す
ることができる。

本発明の他の実ＡＭ例を第７図及び第８図を＃照して説
明する。第７図及び第８図は、共に、球面軸受とボルト
の微小間隙に加圧気体を供給する手段の他の構成例を示
すものである。

即ち第７図において、給気孔１５にはオリフィス絞りは
設けず、代わりに、球面軸受１６に給気孔１５とつなが
る極めて浅い清１７を放射状に設け、清１７の抵抗で絞
りを構成している。

本実施例によれば、球面軸受１６とボール６との間隙５
を非常に小さくできるので、静圧軸受による支持剛性が
大きくなり、負荷能力を高くすることができる。

また第８図においては、球面軸受１８を構成する部材に
多孔質材料を用い、その流体抵抗により絞り効果を得る
ものであり、加圧気体の導入孔７の下部は球面軸受１８
の多孔質材料の上端面全体に給気できるように末広がり
にされ、球面軸受１８とプローブ本体４の外側をシール
ド１つにより被覆し、一体止している。

本実施例においても、多孔質材料の給気孔が球面軸受全
体に分布するなめやはり球面軸受１８とボール６との間
隙５を小さくでき、負荷能力を高くすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、以下に列挙する効果を得ることができ
る。

（１）ボールプローブをワーク面に押付けた場合、接触
点でのすベリｒ！Ｊ擦の影響を受けない反力を検出する
ことができ、従って、ワーク面の法線方向の力を検出す
ることができる。

（２）上記（１）の効果により、ワーク面の傾斜角を正
確に演算することができ、角情報により形状計測を行う
ことができる。

（３）上記（１）の効果により、ワーク面に対しロボッ
トとの姿勢を制御する場合、角情報から正確に制御する
ことができる。

（４）上記（１）の効果により、倣い教示において、移
動目標を倣いながら正確に決定することができ、またワ
ーク面を傷付けることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による力検出プローブ装置の
梢遣を示す部分断面図であり、第２図はその力検出プロ
ーブ装置の使用状態を示す図であり、第３図は従来の力
検出プローブ装置の力検出状態を示す図であり、第４図
は本実施例の力検出プローブ装置の静止状層での力検出
状態を示す図であり、第５図は本実施例の力検出プロー
ブ装置の移動時における力検出状態を示す図であり、第
６図は本実施例の力検出プローブ装置と従来の力検出プ
ローブ装置のそれぞれにつき、垂直抗力Ｎと摩１ｍ！抵
抗ＦＳとの関係について行った実験結果を示す図であり
、第７図は本発明の他の実施例による力検出プローブ装
置を示すＩｊＪｉ面図であり、第８図は本発明のさらに
他の実施例による力検出プローブ装置を示す断面図であ
り、第９図は従来の力検出プローブ装置を示す図である
。 符号の説明 １・・・ボールプローブ ３・・・球面軸受 ５・・・間隙 ７・・・加圧気体の導入孔 ８・・・給気孔 ２・・・多軸力センサ ４・・・プローブ本体 ６・・・ボール

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ワーク面に接触するプローブと、このプローブに
   かかる力を検出する多軸力センサとからなる力検出プロ
   ーブ装置において、前記プローブを、先端に球面軸受を
   有するプローブ本体と、このプローブ本体の球面軸受に
   微小間隙を残して取り付けられたボールと、前記微小間
   隙に加圧気体を供給する手段とで構成し、加圧気体によ
   りボールを支持するようにしたことを特徴とする力検出
   プローブ装置。