JPH05187940A

JPH05187940A - 力検出装置とその方法

Info

Publication number: JPH05187940A
Application number: JP4004430A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yabuki; 彰彦矢吹
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1992-01-14
Publication date: 1993-07-27

Abstract

(57)【要約】【目的】力検出装置とその方法に関し、Ｘ・Ｙ軸まわ
りの捩じ曲げに対する機械的強度を保ち、かつＺ方向の
力成分の検出感度をよくすることを目的とする。【構成】環状部材30の内周に横架されたＸ部材31a と
Ｙ部材31b が直交してなる十字部材31と、その十字部材
31の中心部に突設された受力部32と、該環状部材30の、
該Ｙ部材31b が横架する周縁の二個所に締結部33を有す
る起歪体３が、ロボットアーム１に支持されたケース２
の内底壁2bに間隔部材５を介して固定されており、検出
回路４は歪みゲージなどからなり、Ｙ部材31b に、背向
して並設された歪みゲージによってＺ方向の力成分と、
対向して並設された歪みゲージによって該Ｙ部材31b を
捩じ曲げる方向の一方のモーメント成分を検出し、かつ
Ｘ部材31a に対向して並設された歪みゲージによってＸ
部材31a を捩じ曲げる方向の他方のモーメント成分を検
出するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力検出装置とその方法に
係わり、Ｘ軸またはＹ軸まわりのモーメントによる捩じ
曲げに対する機械的強度を維持しながら、Ｚ方向の力に
対して大きく変形して検出感度がよい力検出装置とその
方法に関する。

【０００２】近年、製品の信頼性を高め、かつ省力化を
指向して、いろいろな装置や機構の自動組立、あるいは
電子部品などの自動実装などが盛んに行われるようにな
っており、従来から人手に頼っているこうした組立作業
を自動化する要望が高まっている。

【０００３】ところが、こうした組立作業を自動化する
には、組み立てる部材間の接触力を扱える作業ロボット
を導入することが有効である。そして、接触力を扱える
作業ロボットを実現するために、作業ロボットのハンド
に取り付けられる小型の力検出装置の出現が望まれてい
る。

【０００４】

【従来の技術】接触力の検出は、一般に、接触によって
生じた力を受けて歪を起こす物体（以下、起歪体と呼
ぶ）が、力を受けて起こした歪を検出する力検出装置に
よって行われている。歪の検出は、起歪体に貼付した歪
ゲージをホイートストン・ブリッジ回路の抵抗として組
み込み、歪に比例した電圧を検出することによって行う
ことができる。

【０００５】図９は従来の力検出装置の一例の一部切欠
き斜視図、図10は図９の要部の構成図、図11は起歪体の
変形を示す断面図で、図11（Ａ）はＺ方向の変形、図11
（Ｂ）はＸ軸またはＹ軸まわりのモーメントに対する変
形である。図において、１はロボットアーム、２はケー
ス、３は起歪体、30は環状部材、31は十字部材、32は受
力部、４は検出回路、52は歪みゲージ、６は受力治具、
10は力検出装置である。

【０００６】こゝで例示した従来の力検出装置10は、Ｘ
軸とＹ軸まわりに負荷される二つのモーメントと、Ｚ軸
方向に負荷される力の３軸力検出装置の例である。図９
において、力検出装置10は、ケース２の底壁がロボット
アーム１の先端に取付けられ、ケース２の内部には起歪
体３が設けられている。そして、起歪体３の中心部には
受力部32が設けられており、この受力部32がケース２の
上壁から突出した構成になっている。この受力部32は外
部から負荷される力を受けるもので、適当な受力治具６
が取り付けられている。

【０００７】起歪体３は、受力部32が受けた外力によっ
て歪みを起こすもので、その起歪体３の歪みを検出する
検出回路４は、歪みを感じる歪みゲージ52と図示してな
いホイートストン・ブリッジからなる。

【０００８】起歪体３は、図10に示したように、環状部
材30と、その環状部材30の内周に横架された十字形の十
字部材31とから構成されている。この環状部材30と十字
部材31に、こゝでは一体構成になっているが、それぞれ
別個に作って一体に組み立ててもよい。そして、環状部
材30は、十字部材31の四つの端部が横架している四個所
でケース２の底壁にねじ止めなどによって固定されてい
る。

【０００９】検出回路４を構成する歪みゲージ52は、十
字部材31の四つのそれぞれの表面に貼着されている。そ
して、十字部材31の中心部に力が負荷された際、十字部
材31を捩じ曲げる方向の二つのモーメント成分Ｘ、Ｙ
と、十字部材31を厚み方向に押圧する力成分Ｚの歪みを
検出回路４が計測して、負荷された力のそれぞれの成分
を検出するようになっている。

【００１０】いま、純粋にＺ方向のみの力が負荷される
と、起歪体３は図11（Ａ）に示したように変形し、この
変形を十字部材31に貼着された歪みゲージ52が計測する
ようにしている。一方、Ｘ軸またはＹ軸まわりのモーメ
ントが負荷されたときには、起歪体３が図11（Ｂ）に示
したように変形し、この変形を十字部材31に貼着された
歪みゲージ52が計測するようにしている。そして、通常
は負荷される力にはＺ方向に押圧しても少なからずＸ軸
またはＹ軸まわりのモーメントの何れか成分も含まれて
いるので、それぞれの歪みゲージ52で計測したブリッジ
出力電圧を作動増幅して、どの方向にどれだけの力が負
荷されたかを知るようにしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、負荷される
力にはＺ方向の力成分の他に、Ｘ軸またはＹ軸まわりの
モーメント成分の何れの成分も含まれていると見做すこ
とができる。そのため、例えば、外部から負荷される力
を受ける受力部32には、取り付けられる受力治具６の長
さが例えば３cmであると、１kgf のＺ方向の力を検出す
るとき、十字部材31には３kgf cmのモーメントが掛かる
ことが間々起こる。従って、起歪体３は、十字部材31が
捩じ曲げに対して、十分な機械的な強度を持っていなけ
ればならないことになる。

【００１２】ところが、強度を上げるために十字部材31
の板厚を厚くすると、環状部材30が四個所で固定されて
いるので十字部材31が撓み難くなり、板厚方向つまりＺ
方向の検出感度が低下してしまうという問題があった。

【００１３】そこで本発明は、起歪体を固定するに際し
て、十字部材のＹ部材が横架する環状部材の二つの周縁
のみを間隔部材を介して浮上するように固定する。そし
て、Ｘ軸またはＹ軸まわりのモーメントによる捩じ曲げ
に対する機械的強度を維持しながら、Ｚ方向の力に対し
て大きな変形が得られてなる力検出装置とその方法を提
供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上で述べた課題は、図１
〜図２において、ロボットアーム１の先端に外底壁2aが
支持された筒状のケース２と、該ケース２に内設された
起歪体３と検出回路４と、間隔部材５を有し、前記起歪
体３は、環状部材30と、その環状部材30の内周に横架さ
れ、かつＸ部材31a とＹ部材31b が直交してなる十字部
材31と、その十字部材31の中心部に突設されてケース２
の上壁からＺ方向に突出する受力部32と、該環状部材30
の、十字部材31のＹ部材31b が横架する周縁の二個所に
締結部33を有するものであり、前記検出回路４は、起歪
体３のＸ、Ｙ、Ｚ方向の歪みを検出するものであって、
十字部材31の上面または下面に貼着されているものであ
り、前記起歪体３は、ケース２の内底壁2bに締結部33が
固定される際、その内底壁2bから前記間隔部材５を介し
て浮上しているものであるように構成された力検出装置
と、図５〜図６において、前記十字部材31の、Ｙ部材31
b の一方の上面に並設された２対の歪みゲージ40、41、
42、43と、Ｙ部材31b の他方の、上面に歪みゲージ41、
42に対向して並設された１対の歪みゲージ44、45と、下
面に歪みゲージ40、43に背向して並設された１対の歪み
ゲージ46、47を具え、かつＸ部材31a の対向する両方の
上面のそれぞれに１対ずつの歪みゲージ48、49と50、51
を具えた請求項１記載の力検出装置において、前記歪み
ゲージ40、43、と46、47によってＹ部材31b のＺ方向の
力成分と、歪みゲージ41、42、と44、45によってＹ部材
31b を捩じ曲げる方向の一方のモーメント成分を検出
し、かつ前記歪みゲージ48、49、と50、51によってＸ部
材31a を捩じ曲げる方向の他方のモーメント成分を検出
するように構成された力検出方法と、によって解決され
る。

【００１５】

【作用】従来の力検出装置は起歪体の四個所を固定して
いたので、十字部材の機械的な強度を上げようとすると
感度が悪くなることが避けられなかったが、本発明にお
いては、起歪体が浮上した状態で二個所のみを固定する
ようにしている。

【００１６】そして、十字部材の、ケースに固定された
Ｙ部材の対向する両面に２対ずつの歪みゲージを並設
し、ケースから浮上しているＸ部材の対向する両面に１
対ずつの歪みゲージを並設するようにしている。

【００１７】力検出するに際しては、Ｙ部材に並設した
対向する１対ずつの歪みゲージによって起歪体のＺ方向
の力成分とＹ部材を捩じ曲げる方向の一方のモーメント
成分を検出し、かつＸ部材に並設した対向する１対の歪
みゲージによってＸ部材を捩じ曲げる方向の他方のモー
メント成分を検出するようにしている。

【００１８】こうして、力検出装置の感度を落とすこと
なく起歪体の機械的な強度を維持させることができる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の第一の実施例の一部切欠き斜
視図、図２は図１の要部の斜視図、図３は起歪体のＺ方
向の歪みの説明図、図４は起歪体のＸ軸またはＹ軸まわ
りの歪みの説明図、図５は歪みゲージの配設図で、図５
（Ａ）は下面図、図５（Ｂ）は側断面図、図５（Ｃ）は
上面図、図６は図５の回路構成図、図７は本発明の第二
の実施例の一部切欠き斜視図、図８は図７の要部の斜視
図である。

【００２０】図において、１はロボットアーム、２はケ
ース、2aは外底壁、2bは内底壁、2cは取付け孔、３は起
歪体、30は環状部材、31は十字部材、31a はＸ部材、31
b はＹ部材、32は受力部、33は締結部、４は検出回路、
40〜52は歪みゲージ、５は間隔部材、６と受力治具、７
は第二の起歪体、８は第三の起歪体、10は力検出装置で
ある。実施例：１図１〜図２に例示した力検出装置10において、筒状のケ
ース２の外底壁2aはロボットアーム１の先端に支持され
ている。そして、ケース２の中には、起歪体３と検出回
路４が設けられている。

【００２１】起歪体３は環状部材30の内周に十字部材31
が横架された構成になっている。この十字部材31は、互
いに直交するＸ方向のＸ部材31a とＹ方向のＹ部材31b
とからなり、中心部にはケース２の上壁からＺ方向に受
力部32が突出している。この受力部32には、適当な受力
治具６が取り付けられ、外部からの力を受力部32に伝達
するようになっている。

【００２２】受力治具６を介して受力部32に外部から力
が負荷されると、主として十字部材31が歪んで変形し、
環状部材30はこの十字部材31を支持する役目をしてい
る。従って、環状部材30の方が十字部材31よりも剛性の
高い材料で構成されており、厚みの方も十字部材31より
も厚い構成になっている。

【００２３】起歪体３のＹ部材31b が横架する環状部材
30の周縁の二個所が締結部33になっており、取付け孔33
a が設けられている。また、この取付け孔33a に対向し
て、ケース２の内底壁2bにも取付け孔2cが設けられてい
る。そして、起歪体３は、この取付け孔33a によってケ
ース２の内底壁2bに締結部33が例えばねじ止めによって
固定されるようにしている。その際、起歪体３が内底壁
2bから隙間を開けて浮上するように間隔部材５を介して
締結される。ただし、この間隔部材５は、図２に示した
ように起歪体３と別個にしても一体構成にしてもよい。
また、図示してないが、締結部33が衝合する内底壁2bに
突出するように設けてもよい。

【００２４】いま、受力部32に対して、Ｚ方向に力が負
荷された場合をみると、Ｙ方向のＹ部材31b は図３
（Ａ）に示したように変形し、Ｘ方向のＸ部材31a は図
３（Ｂ）に示したように変形する。

【００２５】この両者の変形を較べてみると、Ｙ方向は
環状部材30が締結部33でケース２に固定されているが、
Ｘ方向はケース２から浮き上がって支持されていない構
成になっている。そのため、Ｚ方向の負荷に対しては、
Ｘ方向では環状部材30も少なくからず撓む。従って、Ｙ
部材31b の変形をｉ₀、Ｘ部材31a の変形をｉ₁とする
とｉ₀＞ｉ₁となり、Ｙ部材31b の方が、Ｘ部材31a よ
りもＺ方向に対する変形が大きい。

【００２６】次に、受力部32に対して、Ｙ方向でＸ軸ま
わりのモーメント、またはＸ方向でＹ軸まわりのモーメ
ントが負荷された場合をみると、Ｙ方向ではＹ部材31b
は図４（Ａ）に示したように変形し、Ｘ方向ではＸ部材
31a は図４（Ｂ）に示したように変形する。

【００２７】ところで、環状部材30が剛性が高いので捩
じ曲げに対して強い。従って、Ｙ方向またはＸ方向にモ
ーメントが負荷されてＹ部材31b やＸ部材31a が捩じ曲
がる変形に対しては、両者の変形にあまり差が生じな
い。

【００２８】検出回路４は、図５〜図６に示したよう
に、歪みゲージをホイートストン・ブリッジ回路に構成
したものであり、十字部材31のＸ部材31a とＹ部材31b
のそれぞれの上面または下面に張り付けた構成になって
いる。

【００２９】すなわち、まず、Ｚ方向の力の負荷に対し
ては、Ｙ部材31b の変形の方がＸ部材31a の変形よりも
大きい。そこで、図５（Ｃ）に示したＹ部材31b の上面
に配設した歪みゲージ40、43と、図５（Ａ）に示したＹ
部材31b の下面に背向して配設した歪みゲージ46、47と
によって計測するようになっている。

【００３０】次に、Ｙ方向でＸ軸まわりのモーメントの
負荷に対しては、図５（Ｃ）に示したＹ部材31b の上面
に配設した歪みゲージ41、42と、図５（Ａ）に示したＹ
部材31b の上面に対向して配設した歪みゲージ44、45と
によって計測するようになっている。

【００３１】次に、Ｘ方向でＹ軸まわりのモーメントの
負荷に対しては、図５（Ｃ）に示したＸ部材31a の上面
に配設した歪みゲージ48、49と、それに対向して配設し
た歪みゲージ50、51とによって計測するようになってい
る。

【００３２】これら12個の歪みゲージ40〜51は、図６に
示したようなＺ方向の力成分を計測する回路と、Ｘ方向
のＹ軸まわりとＹ方向のＸ軸まわりのそれぞれのモーメ
ントを計測する回路とに分けてブリッジが組まれてい
る。

【００３３】こうして、起歪体３がＸ方向やＹ方向のモ
ーメント成分に対する捩じ曲げに対して強い構成であり
ながら、Ｚ方向に対して大きな変形が得られ、従って感
度の高い力検出装置10を得ることができる。

【００３４】実施例：２図７〜図８において、こゝで例示した力検出装置10は、
３方向の力と３方向のモーメントの合わせて６成分の検
出を行う力検出装置であり、ケース２の中には、起歪体
３の他に、第二の起歪体７と第三の起歪体８が内設され
ている。そして、起歪体３のＹ方向に第二の起歪体７が
支持され、第二の起歪体７のＸ方向に第三の起歪体８が
支持され、さらに、第三の起歪体８の中心部がケース２
に支持された構成になっている。

【００３５】起歪体３は実施例１で示したもので、Ｚ方
向の力と、Ｙ方向でＸ軸まわりのモーメントと、Ｘ方向
でＹ軸まわりのモーメントの３成分を検出する。それに
対して、第二の起歪体７はＸ方向とＹ方向に負荷される
力を検出するもので、十字形をなしてそれぞれの４個の
翼にコの字形の溝が切ってある。そして、歪みゲージ52
がそれぞれの翼の側壁に貼着された構成になっている。

【００３６】第三の起歪体８はＺ軸まわりのモーメント
を検出するもので、丸に十字形の形状をしている。そし
て、それぞれの梁の側壁に歪みゲージ52が貼着された構
成になっている。

【００３７】こうして、本発明になる起歪体３は、他の
起歪体７、８などと組み合わせて、いろいろな方向に負
荷される力やモーメントのそれぞれの成分を検出するの
に用いることができ、その際に、Ｚ方向の力に対して大
きな変形を得ることができるので、検出感度のよい力検
出装置を構成することができる。

【００３８】こゝでは、Ｚ方向は起歪体３の軸方向を示
すが、Ｘ方向とＹ方向はＺ方向に直交する面内で互いに
直交していればよく、Ｘ方向を横方向に描き、Ｙ方向を
縦方向に描いたのは作図上の便宜に過ぎない。従って、
Ｘ部材31a とＹ部材31b が入れ替わっても基本的な機能
は変わらない。また、Ｘ部材31a とＹ部材31b に貼着す
る歪みゲージ40〜51の位置には種々の変形が可能であ
る。

【００３９】

【発明の効果】従来の力検出装置における起歪体は、モ
ーメント成分を検出する捩じ曲げに対して機械的強度を
大きくするためには、十字部材の厚みを大きくする必要
があった。そのために、必然的にＺ方向に負荷される力
成分の検出感度が悪くなることが避けられなかった。

【００４０】それに対して本発明によれば、起歪体の支
持をＹ方向のみの二個所にし、しかも間隔部材を介して
浮上させて支持するようにしている。そうすると、十字
部材の機械的強度を増しても、Ｘ軸またはＹ軸まわりの
モーメント成分の検出感度を落とさずに、Ｚ方向に負荷
される力成分の検出感度を大きくすることができる。

【００４１】従って、本発明になる力検出装置とその方
法は、今後ますます増大する部材同士の接触を伴ういろ
いろな組立作業の自動化を実施するに際して、寄与する
ところが大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の一部切欠き斜視図で
ある。

【図２】図１の要部の斜視図である。

【図３】起歪体のＺ方向の歪みの説明図である。

【図４】起歪体のＸ軸またはＹ軸まわりの歪みの説明
図である。

【図５】歪みゲージの配設図で、（Ａ）は下面図、
（Ｂ）は側断面図、（Ｃ）は上面図である。

【図６】図５の回路構成図である。

【図７】本発明の第二の実施例の一部切欠き斜視図で
ある。

【図８】図７の要部の斜視図である。

【図９】従来の力検出装置の一例の一部切欠き斜視図
である。

【図10】図９の要部の構成図である。

【図11】起歪体の変形を示す断面図で、（Ａ）はＺ方
向の変形、（Ｂ）はＸ軸またはＹ軸まわりのモーメント
に対する変形である。

【符号の説明】

１ロボットアーム２はケース 2a 外底壁 2b
内底壁 2c 取付け孔３は起歪体 30 環状部材 31 十字部材 31a Ｘ部材 31
b Ｙ部材 32 受力部 33 締結部４検出回路 40〜52 歪みゲージ５間隔部材６受力治具７第二の起歪体８第三の起歪体 10 力検出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットアーム(1) の先端に外底壁(2a)
が支持された筒状のケース(2) と、該ケース(2) に内設
された起歪体(3) と検出回路(4) と、間隔部材(5) を有
し、前記起歪体(3) は、環状部材(30)と、該環状部材(30)の
内周に横架され、かつＸ部材(31a) とＹ部材(31b) が直
交してなる十字部材(31)と、該十字部材(31)の中心部に
突設されて前記ケース(2) の上壁からＺ方向に突出する
受力部(32)と、該環状部材(30)の、該十字部材(31)のＹ
部材(31b) が横架する周縁の二個所に締結部(33)を有す
るものであり、前記検出回路(4) は、Ｚ方向に負荷される力と、ＸとＹ
方向に負荷されるモーメントとによって前記起歪体(3)
に生ずる歪みを検出するものであって、前記十字部材(3
1)の上面または下面に貼着されているものであり、前記起歪体(3) は、前記ケース(2) の内底壁(2b)に締結
部(33)が固定される際、該内底壁(2b)から前記間隔部材
(5) を介して浮上しているものであることを特徴とする
力検出装置。
【請求項２】前記起歪体(3) は、環状部材(30)の厚み
が十字部材(31)の厚みよりも大きい請求項１記載の力検
出装置。
【請求項３】前記起歪体(3) は、締結部(33)に前記間
隔部材(5) が一体構成されている請求項１記載の力検出
装置。
【請求項４】前記ケース(2) は、内底壁(2b)に前記間
隔部材(5) が一体構成されている請求項１記載の力検出
装置。
【請求項５】前記十字部材(31)の、Ｙ部材(31b) の一
方の上面に並設された２対の歪みゲージ（40、41、42、
43) と、Ｙ部材(31b) の他方の、上面に該歪みゲージ
（41、42) に対向して並設された１対の歪みゲージ（4
4、45）と、下面に該歪みゲージ（40、43) に背向して
並設された１対の歪みゲージ（46、47）を具え、かつＸ
部材(31a) の対向する両方の上面のそれぞれに１対ずつ
の歪みゲージ（48、49）と（50、51）を具えた請求項１
記載の力検出装置において、前記歪みゲージ（40、43、46、47) によって前記Ｙ部材
(31b) のＺ方向の力成分と、前記歪みゲージ（41、42、
44、45）によって該Ｙ部材(31b) を捩じ曲げる方向の一
方のモーメント成分を検出し、かつ前記歪みゲージ（4
8、49、50、51）によって該Ｘ部材(31a) を捩じ曲げる
方向の他方のモーメント成分を検出することを特徴とす
る力検出方法。