JPH0523377B2

JPH0523377B2 -

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Publication number: JPH0523377B2
Application number: JP60122738A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Asakawa; Nobuhiko Onda; Tadashi Akita; Tooru Kamata
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1993-04-02
Also published as: JPS61292028A

Description

【発明の詳細な説明】〔目次〕 ●概要 ●産業上の利用分野 ●従来技術 ●発明が解決しようとする問題点 ●問題点を解決するための手段 ●作用 ●実施例 ●発明の効果〔概要〕相互に直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向に変位可能な平
行板バネによりＸ、Ｙ方向の十字形状体を構成
し、十字各辺（はり）の平行板バネ上に歪ゲージ
等の変位検知手段を設け、十字中央に検出すべき
力を作用させ、十字各辺端部を各はりの長軸廻り
に回転可能に支持する。これにより力の各方向成
分および各軸廻りのトルクが相互に干渉すること
なく最小数の変位検知手段により検知され各方向
の力成分およびトルクが高速で計測される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、例えばロボツトのアーム先端に設け
たロボツトハンドに加わる外力の検出装置に関す
るものである。

近年、産業用ロボツトの製造ラインへの導入が
盛んに行なわれている。しかしながら、位置制御
型のロボツトでは環境からの拘束力に関係なく動
作してしまうため、微妙な力加減を要する組立ラ
インの自動化への導入は極めて困難である。

これは、組立作業には、部品の嵌め合いや取付
け作業等のように部品の置かれた絶対的な位置精
度より、相対位置精度を必要とする作業が多いこ
とによる。

もし部品の嵌め合いを位置制御型ロボツトで実
行するならば、組立対象から決る移動軌跡をロボ
ツト座標に対して正確に記述し、且つ正確に先端
を所定の軌跡通りに制御しなければならない。

ところが、実際の位置制御型のロボツトでは、
ロボツト自身が持つ機械的誤差や制御上の誤差等
により絶対的位置精度を高くすることは極めて難
しい。

この様なことから、組立ロボツトでは、ロボツ
トと対象物との間の相対位置誤差を補正あるいは
吸収するためのコンプライアンス機構がロボツト
とハンドとの間の手首に設けられている。

しかしながら、この手首に設けられるコンプラ
イアンス機構だけは、誤差を補正あるいは吸収す
る量が極めて微小であるため、ロボツトと対象物
との間の相対位置誤差が大きい場合、これを完全
に補正あるいは吸収することができない。

従つて、前述した相対位置誤差を手首に生じる
反力として検出し、検出した反力をロボツトにフ
イードバツクして反力が零となるように位置補正
させるための力検出装置（センサ）が設けられて
いる。いわゆるロボツトの制御を位置制御から力
制御に移行させるようにしたものである。

尚、手首に設けられる力センサは剛体であるこ
とが望ましく、コンプライアンス機構でない方が
よい。

〔従来技術〕

第１２図は、従来の力検出装置を備えたロボツ
トの概略を説明するための図である。

第１２図に示すロボツトは。直交座標型の３軸
ロボツトである。

図において、１はロボツト本体のベースであ
り、後述するアーム２を矢印Ａ（Ｘ軸）方向に駆
動するＸ軸駆動源（モータ）を有している。２は
第１のアームであり、第２のアーム３を矢印Ｂ
（Ｚ軸）方向に駆動するＺ軸駆動源（モータ）を
有し、ベース１のＸ軸駆動源によつてＸ軸方向に
移動する。３は第２のアームであり、第１のアー
ム２に対し、矢印Ｃ（Ｙ軸）方向に駆動するＹ軸
駆動源（モータ）を有し、Ｙ軸方向に移動するも
のである。

５は力検出装置であり、第２のアーム３の先端
に設けられ、ハンド４に加えられる力を検出す
る。ハンド４は、力検出装置５の先端に設けられ
る。

従つて、ハンド４は第１のアーム２に左右動に
よつてＸ軸方向に位置決めがされ、第２のアーム
３の前後動と上下動によつて各々Ｙ軸方向とＺ軸
方向の位置決めがされ、結果として３つの動作軸
により３次元の位置決めがなされる。

６は物品であり、例えば丸棒で構成され、ハン
ド４に把持される。７は部材であり、物品６が嵌
め合わされる穴８を有し、穴８にはテーパ面９を
有している。

力検出装置５は、Ｘ方向に変位する平行板バネ
５ａ、Ｙ方向に変位する平行板バネ５ｂ、および
上端又は下端に設けたＺ方向に変位する十字形板
バネ（図示しない）により構成される。各板バネ
の適当な位置に歪ゲージ（図示しない）を貼付し
て各方向の変位を検知する。

このような力検出装置５をロボツトの手首部に
設けて、ロボツトにより物品６を部材７の穴８へ
嵌入させる嵌合作業を行わせる。物品６と穴８と
の相対位置誤差が生ずるとハンド４に外力が加わ
り、これに応じて力検出装置５の各板バネが変形
し歪ゲージがその変位量を検出する。この変位量
に基いて、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の力の成分およびトル
クを算出し、ハンドに加わる外力を打消す方向に
各アームを駆動制御しハンドを正しい位置に移動
させる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の力検出装置においては、１つの歪ゲージ
の出力に複数の力成分が含まれているため、力ベ
クトルの各成分を独立して検出することができな
い。従つて、各歪ゲージの出力に基いて各方向の
力成分およびトルクを分離させた出力を得るため
複雑なマトリツクス演算用回路を構成しなければ
ならず、また各歪ゲージの出力に基いて各方向の
力成分およびトルクを解析算出するためには極め
て複雑な演算式を導入しなければならず演算に長
時間を要するものであつた。従つて、このような
力検出装置をロボツトの駆動制御用に用いた場
合、制御回路が複雑となり、価格も高価となり、
また外力の各成分の変換分離に時間がかかり外力
に対応して直ちにロボツトを高速制御することが
できない。

また、従来の力検出装置では、過大な外力が加
わると、その平行板バネが大きく変形して塑性変
形を受けたり破断することがある。勿論、そのよ
うな場合には、力検出は不能となり、力検出装置
の全体を交換しなければならない。

したがつて、本発明の目的はＸ方向、Ｙ方向お
よびＺ方向の各々の力成分およびトルクを容易に
分離して検出し得ると共に平行板バネの変位を弾
性変形範囲内に維持してその塑性変形、破断等を
阻止し得るように構成された力検出装置を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するために、本発明によれば、
Ｘ方向に変位する平行板バネおよびＺ方向に変位
する平行板バネからなる２つの平行板バネ組体
と、Ｙ方向に変位する平行板バネおよびＺ方向に
変位する平行板バネからなる２つの平行板バネ組
体とによりXY方向の十字形状体を構成し、各平
行板バネ上の十字形状体の上面および側面および
下面の中心に関し対称な位置の変化を検出すべく
該上面および側面および下面に変位検出手段を設
け、該十字形状体の各辺の端部を支持枠により保
持し、該十字形状体の中央部に検出すべき力の作
用部材を連結し、上記十字形状体の各辺を上記支
持枠に対してＸ方向およびＹ方向に沿つた各辺の
長手方向軸廻りに回転可能に支持し、上記上面と
下面に設けられる変位検出手段のうち、上記作用
部材のトルク成分を検出するものは、上記十字形
状体のＸ方向およびＹ方向について、その上方と
直交する方向の軸およびＺ軸とで構成されて十字
形状体の中心を通る面に対して対称な位置で、上
面に１組ずつ配置され、一方上記作用部材の力成
分を検出するものは、上記十字形状体のＸ方向ま
たはＹ方向について、その方向と直交する方向の
軸およびＺ軸とで構成されて十字形状体の中心を
通る面に対して対称な位置で、上面と下面に１組
配置され、上記側面に設けられる変位検出手段の
うち、上記作用部材のトルク成分を検出するもの
は、上記十字形状体のＸ方向あるいはＹ方向につ
いて、その方向と直交する方向の軸およびＺ軸と
で構成されて十字形状体の中心を通る面に対して
対称な位置で、同じ側の側面に１組が配置され、
一方上記作用部材の力成分を検出するものは、上
記十字形状体のＸ方向およびＹ方向について、そ
の方向と直交する方向の軸およびＺ軸とで構成さ
れて十字形状体の中心を通る面に対して対称な位
置で、反対側の側面に１組ずつ配置され、上記十
字形状体の各はりの２つの平行板バネは、矩形断
面の４つのはりから構成される十字形状構造体の
各はりに、２つのコ字形のスリツトを、各はりの
長手方向に直列に、かつ互いに90度傾けて形成す
ることにより構成され、該コ字形スリツトの内側
部材が該当板バネの変位量を規制するためのスト
ツパ手段として機能させられることを特徴とする
力検出装置が提供される。

〔作用〕

以上の構成から明らかなように、本発明によれ
ば、変位検出手段が各平行板バネ上の十字形状体
の上面、側面及び下面の中心に関し対称な位置の
変位を検出すべく該上面、側面及び下面に設けら
れ、上記上面と下面に設けられる変位検出手段の
うち、上記作用部材のトルク成分を検出するもの
は、上記十字形状体のＸ方向およびＹ方向につい
て、その方向と直交する方向の軸およびＺ軸とで
構成されて十字形状体の中心を通る面に対して対
称な位置で、上面に１組ずつ配置され、一方上記
作用部材の力成分を検出するものは、上記十字形
状体のＸ方向またはＹ方向について、その方向と
直交する方向の軸およびＺ軸とで構成されて十字
形状体の中心を通る面に対して対称な位置で、上
面と下面に１組配置され、また、上記側面に設け
られる変位検出手段のうち、上記作用部材のトル
ク成分を検出するものは、上記十字形状体のＸ方
向あるいはＹ方向について、その方向と直交する
方向の軸およびＺ軸とで構成されて十字形状体の
中心を通る面に対して対称な位置で、同じ側の側
面に１組が配置され、一方上記作用部材の力成分
を検出するものは、上記十字形状体のＸ方向およ
びＹ方向について、その方向と直交する方向の軸
およびＺ軸とで構成されて十字形状体の中心を通
る面に対して対称な位置で、反対側の側面に１組
ずつ配置されるので、該作用部材に外力が作用し
た際に三次元の任意の軸廻りでのトルク成分およ
び力成分が分離された状態で検出され得ることに
なる。また、本発明によれば、十字形状体の各は
りの２つの板バネが矩形断面の４辺からなる十字
形状構造体の４つの各はりに互いに直交する方向
にコ字形スリツトを形成することにより構成さ
れ、該コ字形スリツトの内側部材が該当板バネの
変位量を規制するためのストツパ手段として機能
させられるので、過大な外力が加わつても、平行
板バネの変位がストツパ手段によつて阻止され得
る。

〔実施例〕

第１図に本発明に関わる力検出装置の構成を示
す。ａ図は上面図（Ｚ方向から見た図）、ｂはａ
図の−矢視図、ｃ図はａ図の−矢視図、
ｄ図はａ図の−矢視図、ｅ図はａ図の−
矢視図である。力検出装置１０は、Ｘ方向に変位
する平行板バネ１３およびＺ方向に変位する平行
板バネ１２からなる２組のＹ方向の平行板バネ組
立体と、Ｙ方向に変位する平行板バネ１１からＺ
方向に変位する平行板バネ１２からなる２組のＸ
方向の平行板バネ組体とを十字形状体の各４辺
（はり）として構成される。このような各平行板
バネは、矩形断面の十字形金属ブロツクの各辺に
相互に直交する２つのコ字形スリツト１７を放電
加工等により形成することにより作られる。この
コ字形スリツト１７の内側は各平行板バネの変位
規制部材（ストツパ）１４として作用する。即
ち、各平行板バネ１１，１２，１３は、力が加わ
つて変形した場合この変位規制部材１４に当接す
るとそれ以上は変形しない。スリツト１７の幅を
適当に選定しておくことにより各平行板バネの変
位を板バネのだ性変形範囲内として板バネの塑性
変形、破断等を防止できる。Ｘ方向に変位する各
平行板バネ１３上には、Ｚ軸に対して対称で十字
形状体の反対側の側面の位置に歪ゲージe_1g〜e_1j
が貼付される。Ｙ方向に変位する各平行板バネ１
１上には、Ｚ軸に対して対称で十字形状体の反対
側のの側面にe_2g〜e_2jが貼付され、同じ側の側面
にe_6g〜e_6jが貼付される。Ｚ方向に変位する４つ
の板バネ１２上には、Ｘ軸に対して対称で十字形
状体の同じ側の側面にe_4g〜e_4jが貼付され、Ｙ軸
に対して対称で十字形状体の反対側の側面にe_3g
〜e_3jが貼付され、同じくＹ軸に対して対称で十
字形状体の同じ側の側面にe_5g〜e_5jが貼付される。
このような力検出装置１０は、第２図に示すよう
にロボツトの手首部に取付けられる。１８はロボ
ツトのアームであり、アーム１８の先端に十字形
状の支持体１９が固定される。力検出装置１０は
この支持枠１９に軸受１５ａ，１５ｂを会して各
はりが支持枠に対し回転可能に支持される。Ｘ方
向およびＹ方向の各辺両端部のうち一方の軸受１
５ａは回転のみ行うように支持枠１９に保持さ
れ、他の一方の軸受１５ｂは回転および軸方向に
摺動可能となるように支持枠１９に支持される。
これにより、平行板バネの変位動作を円滑化しか
つ感度を高めることができ、また平行板バネの変
形に伴う中心位置のずれを常に一定方向に保つこ
とができ検出値のバラつきがなくなり検出の信頼
性が向上する。十字形の力検出装置１０の中央部
にはハンド２０が固定される。第１図の１６はハ
ンド固定用の孔である。

２１（第２図）は指であり矢印Ｄ方向に開閉動
作し物品を掴む。力検出装置１０のＸ方向、Ｙ方
向の各辺は支持枠１９に対し回転可能に支持され
ているため一方の軸廻りのトルクはその軸方向の
支持枠に対し何ら力を与えず、これと直角方向の
支持枠に対してのみ力が加わり、直交する支持枠
各辺がトルクにより相互に干渉することはない。
従つて、相互干渉防止のために支持枠１９の各辺
を分離する必要はなく、第３図に示すように支持
枠１９を一体的に形成することができる。

以上のような構成の力検出装置において、軸方
向の力と軸回りのトルクを分離して検出する手法
を、第４図と第５図に示す。

第４図ａは、力検出器３２０と角棒３２１に対
してＹ軸方向の力Ｆが加わつた状態を示す図であ
り、第４図ｂは同様に角棒３２２に対して穴３３
７の中心Ｄを中心として回転する方向の力Ｆが加
わつた状態を示す図である。

図において、３２３〜３２６は平行板ばね体を
示し、３２３ａ，３２３ｂ，３２４ａ，…３２６
ｂは板ばねである。３１４ｇ，３１４ｈ，３１４
ｉ，３１４ｊは歪ゲージであり、夫々穴３３７の
中心Ｄを通る中心線対象位置となるように貼付さ
れている。すなわち、歪ゲージ３１４ｇと３１４
ｉ、歪ゲージ３１４ｈと３１４ｊが中心点Ｄを中
心として中心点対象位置の板ばね３２６ａと３２
５ｂに貼付されている。尚、各歪ゲージ３１４ｇ
〜３１４ｊの抵抗値はＲとする。

また、各歪ゲージ３１４ｇ〜３１４ｊは第５図
に示すブリツジ回路を構成するように、夫々の図
示されざる出力線が接続されている。

従つて、第４図ａに示すように、軸方向の力Ｆ
が加わつた場合、歪ゲージ３１４ｇ，３１４ｈは
縮み状態となるので、抵抗値は、（Ｒ−ΔR）と
なり、歪ゲージ３１４ｉ，３１４ｊは伸び状態と
なるので、抵抗は、（Ｒ＋ΔR）となるので、第
５図に示すブリツジ回路の端子ａ−ｂ間の電圧
は、（Ｒ−ΔR）ｉ−（Ｒ＋ΔR）ｉ＝−2ΔRi となる。

また、第４図ｂに示すように回転方向の力、Ｆ
が加わつた場合、歪ゲージ３１４ｇ，３１４ｈ及
び歪ゲージ３１４ｉ，３１４ｊは全て縮み状態と
なるので、端子ａ−ｂ間の電圧は、（Ｒ−ΔR）ｉ−（Ｒ−ΔR）ｉ＝０となる。

従つて、歪ゲージ３１４ｇ〜３１４ｊを第４図
のように貼付して、第５図の如き、ブリツジ回路
を構成することによりトルクの影響を受けること
なく、軸方向の力のみを検出することができる。

尚、前述の説明については１軸（Ｙ軸）方向の
場合についてしか説明していないが、同様にして
板ばね３２３ｂと３２４ｂ等に貼付することによ
つて、XYZ軸方向の力をトルクの影響なしに検
出することができる。

第６図は軸回りのトルクを軸方向の力の影響な
しに検出する手法の説明図である。

第６図において、第４図と同一部分には同一番
号を付すことにより説明は省略する。第４図と異
なる点は、歪ゲージ３１４ｉ，３１４ｉが板ばね
３２５ａに貼付されている点、すなわち、歪ゲー
ジ３１４ｇ〜３１４ｊが板ばねの同一面側が貼付
されている点である。また、夫々の歪ゲージ３１
４ｇ〜３１４ｊは中心点Ｄから同一の距離となる
ように貼付されている。

更に、歪ゲージ３１４ｇ〜３１４ｊは第５図の
ようにブリツジ回路を構成している。また歪ゲー
ジ３１４ｇ〜３１４ｊは第７図のように板ばねに
貼付される。尚、同一の歪ゲージで複数のブリツ
ジ回路を組むことはできないので、３１４ｈ，３
１４ｇは別途貼付する必要がある。

従つて、第６図ａに示すように軸方向の力Ｆが
加わつた場合、各歪ゲージ３１４ｇ〜３１４ｊは
全て縮み状態となるので、端子ａ−ｂ間の電圧
は、（Ｒ−ΔR）ｉ−（Ｒ−ΔR）ｉ＝０となる。

また、同様に第６図ｂに示すように軸回りの力
Ｆが加わつた場合歪ゲージ３１４ｇ，３１４ｈが
縮み状態となり、歪ゲージ３１４ｉ，３１４ｊが
伸び状態となるので、端子ａ−ｂ間の電圧は、（Ｒ−ΔR）ｉ−（Ｒ＋ΔR）ｉ＝−2ΔRi となる。

従つて、軸方向の力の影響を受けることなく、
独立して軸回りの力、すなわちトルクを検出する
ことが可能となる。

尚、以上の説明において、歪ゲージを中心点か
ら等しい距離の位置に配置するのは、同一の力に
対して、同一の電圧値になるようにするためであ
る。すなわち、距離が異なると板ばねの変位量も
異なるので、出力電圧が異なるためである。

第７図に、さらに歪ゲージの貼付側を示す。３
１４ｈ，３１４ｇ，３１４ｉ，３１４ｊの組合せ
でトルクのみを検出し、３１４ｈ，３１４ｇ，
（３１４ｉ），（３１４ｊ）の組合せで力のみを検
出する。尚、同一の歪ゲージで複数のブリツジ回
路を組むことはできないので３１４ｈ，３１４ｇ
は別途貼付する必要がある。

本力検出装置の作用を第８図および第９図を参
照して説明する。なお、第８図、第９図では、図
を分かり易くするために変位規制部材１４を省略
し、また変位量を誇張して描いてある。さらに、
歪ゲージ、e_o9，e_oh，e_oi，e_ojのｎが同じ組（ｎ＝
１…６）で第５図に示したブリツジ回路を構成す
る。

第８図ａはＹ軸回りのトルクが作用した状態を
示す。ハンド２０に矢印Ｅ方向のトルクが作用
し、Ｙ軸に沿つた十字の２辺は軸受１５ａ，１５
ｂを介して矢印Ｆのように回転する。従つてＸ軸
に沿つた十字の２辺端部には支持枠を介してこの
Ｅ方向のモーメントが作用し、平行板バネ１２が
図のように変形する。この字、e_5g〜e_5jのブリツ
ジだけが出力を発し、他のブリツジからは出力が
発しない。

第８図ｂはハンド２０に矢印Ｇ方向（Ｙ方向）
に力が作用した状態を示す。Ｘ軸に沿つた十字の
２辺端部に支持枠を介して反力が作用し、平行板
バネ１１が図のように変形する。この字、e_2g〜
e_2jのブリツジだけが出力を発し、他のブリツジ
からは出力が発しない。

第９図ａはハンド２０に矢印Ｈ方向（Ｚ方向）
に力が作用した状態を示す。Ｘ軸およびＹ軸に沿
つた十字の４辺端部に支持枠を介して反力が作用
し、４つの平行板バネ１２（２つのみ図示）が図
のように変形する。この時、e_3g〜e_3jのブリツジ
だけが出力を発し、他のブリツジからは出力が発
しない。

第９図ｂはハンド２０に矢印Ｊ方向（Ｚ軸回
り）のトルクが作用した状態を示す。十字の各４
辺端部には支持枠を介してモーメントが作用し、
平行板バネ１１および１３が図のように変形す
る。この時、e_6g〜e_6jのブリツジだけが出力を発
し、他のブリツジからは出力が発しない。

尚、支持枠は変形せず剛体であり、力センサを
剛体することができる。

第１０図は、第１図に示した力検出装置１０を
備えたロボツトを駆動制御するための制御ブロツ
ク図である。

図において、１１５は操作パネルであり、支持
部を構成し、プレイバツク（再生）モード又はロ
ボツトに再生動作すべき位置を教示するための教
示モードを指定する釦やハンド２０の位置や姿勢
の記憶、ハンド２０の開又は閉動作をあるいはロ
ボツトの原点復帰を指令する釦等で構成され、オ
ペレータが操作するものである。１１６はメモリ
であり、教示データ等を格納している。１１７は
マイクロプロセツサ（以下プロセツサと称する）
であり、プレイバツク時にメモリ１１６から教示
データを読み出し、ハンド２０の指令軌道を生成
して後述する位置制御部へ送出したり、ハンド２
０の開閉指令を後述するハンド開閉部へ送出する
ものである。１１８は位置制御部であり、プロセ
ツサ１１７からの指令軌道に従つて位置又は速度
制御するため、指令軌道の各軸の移動量に対応す
る周波数のパルス列Vx，Vy，Vzに変換して出
力するものであり、プロセツサ１１７とによつて
主制御部を構成する。１１９はハンド位置検出部
であり、現在のハンド２０の３次元位置（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）を検出するため、各軸の駆動源（モー
タ）に設けられたエンコーダの出力Px，Py，Pz
を受け、各軸の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を検出するも
のである。１２０は力制御部であり、力検出装置
１０に取付けられた各歪ゲージの出力信号が入力
され、各モジユール単位毎に構成される公知のブ
リツジ回路を備えるものであり、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方
向の追従指令PFx，PFy，PFzを出力する。１２
１はアーム駆動回路であり、位置制御部１１８か
らの指令移動量Vx，Vy，Vzと力制御部１２０
からの追従移動量PFx，PFy，PFzとの和によつ
て各軸の駆動源をサーボ駆動するものであり、各
軸の駆動源とアーム駆動回路１２１によつてアー
ム駆動部を構成し、ベース１０１、両アーム１０
２，１０３とアーム駆動部とによつてハンド２０
の駆動部を構成する。１２２はハンド開閉部であ
り、プロセツサ１１７のハンド開閉指令により、
ハンド２０を開閉駆動するものである。１２４は
バスであり、プロセツサ１１７とメモリ１１６、
操作パネル１１５、位置制御部１１８、位置検出
部１１９、ハンド開閉部１２２とを接続するもの
である。

第１１図は第１０図構成の力制御部１２０及び
アーム駆動回路１２１の詳細構成図であり、図
中、第１０図と同一のものは同一の記号で示す。

図において、１２０ａは力成分検出回路であ
り、前述したように、各歪ゲージの出力から各軸
の力成分Fx，Fy，Fzを検出するものである。

１２０ｂ〜１２０ｄは各軸の追従指令発生回路
であり、各々力成分検出回路１２０ａからの力成
分Fx，Fy，Fzからパルス列の追従指令PFx，
PFy，PFzを出力するものである。

各追従指令発生回路１２０ｂ〜１２０ｄは同一
の構成であり、追従指令発生回路１２０ｂはゲイ
ン調整用アンプ２００ｂ，２０１ｂと電圧／周波
数変換器（以下Ｖ／Ｆコンバータと称する）２０
２ｂ，２０３ｂで構成され、力成分Fxが正の極
性の時にはＶ／Ｆコンバータ２０２ｂからその大
きさに応じた周波数のパルス列（アツプパルス）
が、力成分Fxが負の極性の時にはＶ／Ｆコンバ
ータ２０３ｂからその大きさに応じた周波数のパ
ルス列（ダウンパルス）が、追従指令PFxとして
出力される。１２１ａ〜１２１ｃは、アーム駆動
回路１２１の各軸の駆動回路であり、同一の構成
であり、追従指令PFx，PFy，PFzと移動指令
Vx，Vy，Vzとの和を受け、各軸駆動源の電流
指令（駆動信号）Sx，Sy，Szを各々出力するも
のである。

駆動回路１２１ａは一対のオア回路２１０ａ，
２１１ａとサーボ回路２１２ａとで構成され、オ
ア回路２１０ａは移動指令Vxのアツプパルスと
追従指令PRxのアツプパルスの論理和をサーボ
回路２１２ａへ与え、オア回路２１１ａは移動指
令Vxのダウンパルスと追従指令PFxのダウンパ
ルスの論理和をサーボ回路２１２ａへ与えるもの
である。

一方、サーボ回路２１２ａはアツプダウンカウ
ンタと、デジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａコン
バータ）と、サーボアンプで構成され、アツプダ
ウンカウンタがオア回路２１０ａの出力をアツプ
カウントし、オア回路２１１ａの出力をダウンカ
ウントすると共に、位置検出部１１９からの位置
パルスPxをダウン又はアツプカウントし、指令
位置と変位量との差を求め、Ｄ／Ａコンバータで
アナログ量に変換して、これをサーボアンプで増
幅し、電流指令を出力する周知のものである。

以上説明した構成において、ハンド２０に力が
加わると力検出装置１０から力の加わつた方向に
対する歪ゲージから信号が出力され、力成分検出
回路１２０ａに入力される。力成分検出回路１２
０ａでは歪ゲージからの信号に基づいて各軸の力
成分Fx，Fy，Fzが検出され、各々は各軸の追従
指令発生回路１２０ｂ〜１２０ｄに入力される。

追従指令発生回路１２０ｂ〜１２０ｄは検出さ
れた力成分Fx，Fy，Fzの極性に応じてアツプ又
はダウンパルスをその大きさに応じた周波数で出
力する。

このパルス列の追従指令は、通常の移動指令
Vx〜Vzと同様に、駆動回路１２０ａ〜１２１ｃ
に入力され、各軸駆動源の電流指令（駆動信号）
Sx，Sy，Szとして出力され、ハンド２０に加わ
つた力が零になる方向にロボツトのＸ、Ｙ、Ｚ軸
を駆動せしめる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る力検出装置
は、互に直交する方向に変位する２つの平行板バ
ネにより十字形状体の各辺（はり）を構成し、十
字形状体の中心点又は十字形状体側面の中心に関
し対称位置に歪ゲージ等の変位測定手段を設け、
十字の中央部に力を作用させ、十字各辺端部を支
持枠に対し各辺の長軸廻りに回転可能に支持して
いるため、各歪ゲージには１方向の力成分および
トルクのみが作用し、他方向の力成分およびトル
クは作用せず、従つて、複雑な回路を構成するこ
となく単純な演算式により短時間で力ベクトル成
分が算出できる。このため、ロボツト等の外力検
出に用いた場合、外力に対応して直ちに外力を打
消す方向にロボツトを移動制御することができ、
ロボツトの高速制御が可能となり、ロボツトによ
り作業の信頼性が向上する。また、平行板バネを
変位規則手段（ストツパ）トともに形成しておけ
ば、力検知装置が塑性変形あるいは損壊すること
はなく安定した機能が果される。また、十字形状
体各辺の一方向に沿すた両端の軸受のうち一方の
軸受を軸方向にスライド可能とし他方を軸方向に
固定することにより中心位置のずれは一定方向に
定まり、平行板バネが円滑に動作し検出の信頼性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る力検出装置の構成図、第
２図は第１図の力検出装置を備えたロボツトの手
首の構成図、第３図は第２図の一部を示す部分斜
視図、第４図は軸方向の力の検出手法の説明図、
第５図は歪ゲージのブロツク回路図、第６図は軸
廻りの力の検出手法の説明図、第７図は歪ゲージ
の貼付説明図、第８図および第９図は本発明の力
検出装置の動作説明図、第１０図は本発明が適用
されるロボツトの制御ブロツク図、第１１図は本
発明が適用されるロボツトの駆動回路図、第１２
図は従来技術の説明図である。１０……力検出装置、１１，１２，１３……平
行板バネ、１４……変位規則部材、１５ａ，１５
ｂ……軸受、e_o（ｎ＝１、２…）……歪ゲージ、
１７……スリツト、１８……アーム、１９……支
持枠、２０……ハンド。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｘ方向に変位する平行板バネおよびＺ方向に
変位する平行板バネからなる２つの平行板バネ組
体と、Ｙ方向に変位する平行板バネおよびＺ方向
に変位する平行板バネからなる２つの平行板バネ
組体とによりXY方向の十字形状体を構成し、各
平行板バネ上の十字形状体の上面および側面およ
び下面の中心に関し対称な位置の変化を検出すべ
く該上面および側面および下面に変位検出手段を
設け、該十字形状体の各辺の端部を支持枠により
保持し、該十字形状体の中央部に検出すべき力の
作用部材を連結し、上記十字形状体の各辺を上記
支持枠に対してＸ方向およびＹ方向に沿つた各辺
の長手方向軸廻りに回転可能に支持し、上記上面
と下面に設けられる変位検出手段のうち、上記作
用部材のトルク成分を検出するものは、上記十字
形状体のＸ方向およびＹ方向について、その方向
と直交する方向の軸およびＺ軸とで構成されて十
字形状体の中心を通る面に対して対称な位置で、
上面に１組ずつ配置され、一方上記作用部材の力
成分を検出するものは、上記十字形状体のＸ方向
またはＹ方向について、その方向と直交する方向
の軸およびＺ軸とで構成されて十字形状体の中心
を通る面に対して対称な位置で、上面と下面に１
組配置され、上記側面に設けられる変位検出手段
のうち、上記作用部材のトルク成分を検出するも
のは、上記十字形状体のＸ方向あるいはＹ方向に
ついて、その方向と直交する方向の軸およびＺ軸
とで構成されて十字形状体の中心を通る面に対し
て対称な位置で、同じ側の側面に１組が配置さ
れ、一方上記作用部材の力成分を検出するもの
は、上記十字形状体のＸ方向およびＹ方向につい
て、その方向と直交する方向の軸およびＺ軸とで
構成されて十字形状体の中心を通る面に対して対
称な位置で、反対側の側面に１組ずつ配置され、
上記十字形状体の各はりの２つの平行板バネは、
矩形断面の４つのはりから構成される十字形状構
造体の各はりに、２つのコ字形のスリツトを、各
はりの長手方向に直列に、かつ互いに90度傾けて
形成することにより構成され、該コ字形スリツト
の内側部材が該当板バネの変位量を規制するため
のストツパ手段として機能させられることを特徴
とする力検出装置。２特許請求の範囲第１項に記載の力検出装置に
おいて、上記十字形状体のＸ方向およびＹ方向の
各はりが上記支持枠に対して長手方向の軸方向に
摺動可能とされたことを特徴とする力検出装置。