JPH0532689B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、力とモーメントの検出システムに
関するものである。より詳細には、この発明は、
力およびモーメントの双方またはいずれか一方を
検出するセンサー要素により形成される感知装置
に関するものである。さらに詳細にいえば、この
発明は、工具が複数方向のうちのいずれかの方向
に運動に対する抵抗を受けた際に、ロボツト・ア
ームと工具の間に存在する力およびモーメントの
双方またはいずれか一方を検出して測定する場合
に有用な装置に関すれものである。ここで使用さ
れる「モーメント」は、ある特定方向に軸の周り
に作用するトルク、ねじりあるいは回転力であ
る。

この発明の特別の目的は、一対の駆動プレート
と被動プレートが、ひずみゲージあるいは力測定
要素を簡単に取り付けできると共に相当に低いコ
ストでより簡単かつ均一に製造できる複数個のブ
リツジ要素によつて連結された、力およびモーメ
ントあるいはいずれか一方を感知する要素または
ユニツトを提供することである。このユニツト
は、単一の周縁のリング部材によつて一対の取付
プレートを接合することにより組立てられる。こ
れらのプレートは、別々に製造されるか、あるい
は一方がリングを含めることによりカツプ
（cup）として形成されることができる。複数個
のブリツジ要素のそれぞれは、次いでプレートの
周縁部間の唯一の接続部分として、周方向に等間
隔に離れて配置された複数個の概して円形のブリ
ツジ要素を残すように、上記リングを彫り込むた
めに、従来のフライスおよび切削方法によりフラ
イス加工あるいは切削加工される。望ましくは、
これらのブリツジ要素は、ブリツジ要素の端面あ
るいはブリツジ要素を貫通する中心孔の円形表面
のいずれかに、ひずみゲージあるいはその他の力
感知装置を取り付けるために、上記の２枚のプレ
ートに対して実質的に垂直なあるいは傾斜した表
面を提供する多角形とされる。

〔従来の技術〕

自動制御される装置とくにロボツト・システム
では、作業工具を支持するロボツト・アームの動
作を検出して制御するのがきわめて望ましい。ロ
ボツト・アームの被動側により支持された工具
が、工作物に当たつて、「感触」が駆動機構に伝
達されるときに、力およびモーメントを検出する
のがとくに有効であることが知られている。これ
は、その運動範囲内にあるアーム、工具あるいは
一切の対象物（人間を含む）の損傷を回避するた
めに不可欠である。さらに、このような感触は、
作業工具が対象物あるいは製品の輪郭に追従する
ことを可能ならしめる。特別な事例は、表面仕上
をすべくバリ、カエリなどを除去するため、鋳物
あるいは成形品の輪郭に追従するようバリ取りな
いし研磨用の工具を制御する必要があることによ
り提起される問題である。このような工具は、完
全に仕上げられた製品を作るため、作業アームお
よび工具の案内を多用化、精確化するのにもつと
も効果的であるように、力およびモーメントある
いはいずれか一方の連続的な精密測定を必要とす
る。

このような作業環境では、工具が工作物の研
削、フライス加工あるいは研磨作業中に生じるほ
こりや粒子による汚れ（コンタミネーシヨン）に
耐えるように、力を測定する機構が構成されるこ
とも、大切である。ロボツトによる製造において
は、感知要素の周りに粒子や砕片による多量の汚
れ（コンタミネーシヨン）があつても、検出ユニ
ツトが、このような力およびモーメントを正確に
測定し続けることが、とくに大切である。

従来よりも、駆動機構を制御するために、力お
よびモーメントを測定し、フイードバツクによつ
てこのような測定結果を利用することは、公知で
ある。このような結果は、標準測定ロード・セル
で軸方向荷重を個別に測定した結果を利用して得
られてきている。このような例は、特公昭55−
125426号公報に示されている。そこでは、電極板
と積層された複数個の感圧導電性ゴム板が、把持
要素の方向および強度を測定するように構成され
ている。

ハンガリーの「フイノメカニカ−ミクロテクニ
カ（Finomechanika−Microtechnika）」第19巻
第10号（1980年10月刊）に掲載された論文には、
多成分の力およびトルクをデイジタル的に測定す
るために、ロボツト・アームの被動部材と駆動部
材の間に組込まれた、６成分の力メーターが開示
されている。

ワトソン（Watson）他の米国特許第4094182号
明細書には、ユニツトの外周の周りに等間隔に配
置された３つの直立した柱で相互に結合された駆
動プレートと被動プレートが開示されている。各
柱は、ひずみゲージを支承している。このユニツ
トは、力およびモーメントの検出に有用である
が、３つの相互に直角な軸の周りのこのような力
およびモーメントを検出して測定するには、総合
的な感度に限界がある。

日本特許第1145885号には、被動部材と駆動部
材の間の力を測定する装置が開示されている。そ
こでは、相互に直角な４本の片持梁が、１つの部
材を形成する内部シリンダーから半径方向外側へ
延びている。別の部材を形成する同心のカラー
が、この同心のカラーの一端におけるセクター
（sector）として、軸方向に切り込まれた４つの
溝に取り付けられた３本の連結棒を介して、各片
持梁の端部に連結されている。ひずみゲージは、
各半径方向の片持梁の４つの側面に取り付けてあ
る。連結棒および片持梁の各々は、ワトソン他の
特許と同様に、多くの組み立てステツプを必要と
する独立した要素であるように思われる。

特開昭58−94996号公報には、２本シヤフト間
の軸方向トルクを測定する装置が開示されてい
る。そこでは、中心フランジと周縁リングが、複
数個の半径方向のひずみロツドによつて連結され
ている。ひずみゲージは、各ロツドに取り付けて
ある。この配置も、独立した要素の集合体であ
る。

特開昭58−205830号公報には、ワトソン他の特
許に開示されている駆動部材と被動部材間の３つ
の軸方向の柱に代わるものとして、薄板状の力セ
ンサーが開示されている。このセンサー板は、６
本の半径方向の片持梁のアームを形成するヒトデ
形に切り出された円板から構成されている。ひず
みゲージは、各アーム表面に取り付けられてい
る。個々の部品は、別々に製造して組み立てるこ
とが必要である。

特開昭59−205297号公報には、一組の平行リン
グ板が、４本の軸方向の柱と４本の等間隔に配置
されたＬ形ビームにより連結された力検出装置の
別の配置が示されている。Ｌ形ビームの垂直な側
面が、ひずみゲージを支承し、各Ｌのひとつの脚
は、被動軸にピン止めされている。各Ｌの他の脚
は、柱を介して駆動されるリングのひとつと他の
リングに固定されている。これら要素は、別々に
製造して組み立てられることは明らかである。

私の米国特許第4488441号明細書では、等間隔
に配置されたアーチあるいは馬締形ユニツトが、
２枚の板の間の空間に架け渡されている、同時に
垂直方向の力およびモーメントを測定する装置が
開示されている。このような一般にアーチ形状を
した連結部材は、望ましくは堅い金属ブロツクか
らフライス加工される。２枚の板の間の中心空間
も、ブリツジ・ユニツトが駆動板および被動板と
一体になるように、前期ブロツクからフライス加
工される。このような配置としたブロツクにブリ
ツジ要素を切削して作るには、この板のセクター
が、２枚の板の共通軸に平行で相互に垂直な面に
沿つて切断され、そのためにブリツジ要素の表面
が、ブリツジ・ユニツトの軸に対して半径方向の
面に沿つてこれらの板を接合すると同様に、ブリ
ツジ・ユニツトの軸に平行であるように切断され
ることが不可欠である。

先行技術のユニツトととくに異なつて、この発
明のユニツトは、自動旋盤、フライス盤あるいは
ボール盤を含む従来の工作機械できわめて簡単に
製造することができ、しかもより堅牢で均一なブ
リツジ要素を持つ。さらにブリツジ要素は、単一
あるいは複数のひずみゲージの各ブリツジ要素へ
の取り付けが、組み立ておよび信頼性の面でかな
り単純化されるように配置され、かつ形成され
る。しかし、もつとも重要なことは、このように
して作られた感知要素の、対称で円形の駆動プレ
ートおよび被動プレートの周りのブリツジ要素の
高度の対称性が、測定システムの性能を相当に改
善することである。とくに、上記プレートとブリ
ツジ要素の高度の対称性は、このような三次元的
な力あるいはモーメントがプレートの間に加えら
れたときに、各ブリツジによつて検出される変形
あるいはひずみの非線形性を減少させる。さら
に、この構造は、たとえば溶接、研削、研磨ある
いは切削作業に使用されるロボツト作業工具のよ
うな工具によつて発生する粒子あるいは砕片によ
る汚染（コンタミネーシヨン）に対して耐久性が
優れている。これによつて、大いに有用な寿命が
改善、延長されると共に、製造ないし生産ライン
でロボツトを作動させ続けて、長期間にわたつて
24時間操業を可能とするのに必要な作業が減少す
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、一対の駆動プレートと被動
プレートが、ひずみゲージあるいは力測定要素を
簡単に取り付けできると共に、相当に低いコスト
でより簡単かつ均一に製造できる複数個のブリツ
ジ要素によつて連結された、力およびモーメント
あるいはいずれか一方を感知する要素またはユニ
ツトを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明によれば、駆動部材と被動部材の間の
複数の相互に垂直な軸に関する力およびモーメン
トまたはいずれか一方を測定する改良された装置
が提供される。この装置は、駆動プレートと被動
プレートの間の取り付けられるようにされた実質
的に平行な一対のプレートを含み、当該プレート
は、各プレートに形成されと取付手段によつて上
記駆動プレートと被動プレートに整列されるよう
になつている。また、上記の平行なペレートは、
少なくとも３個の等間隔に配置されたブリツジ要
素によつてその周縁部で結合される。当該ブリツ
ジ要素の各々は、比較的薄く、形状が概して円形
あるいは多角形であり、さらに実質的に平行で、
上記円形プレートの外端部に隣接している。この
ため、ブリツジ要素の直径方向に反対側の端部
は、上記プレートの隣接する表面と一体になつて
いる。上記プレートに対して垂直なブリツジ要素
の端部は、上記円形プレートの軸に実質的に平行
な一対の直径方向に反対側にある表面を含んでお
り、上記各ブリツジ要素の表面にはひずみゲージ
手段が取り付けられている。

この発明のその他の目的および利点は、この明
細書と一体を成す図面を引用してなされる好まし
い実施例についての以下に述べる詳細な説明によ
り、明らかになるであろう。

〔実施例〕

さて、図面を参照すると、とくに第１図におい
て、力−モーメント・センサー要素１０は、ロボ
ツト・アームとこのアームにより操作される工具
との間で、交互に駆動プレートあるいは被動プレ
ートのいずれかになることのできる一対の円形あ
るいは円筒形のプレート１２および１４から成つ
ている。検出器のセンサー要素１０は、第１図に
見られるように、頂部プレート１４と底部プレー
ト１２の両方に形成された取付孔１６によつてか
かる装置に固定されることができる。

複数の互いに直角をなす方向のうちのいずれか
の方向に梁プレート１２，１４の間で作用する力
とモーメントを検出するためには、駆動プレート
と被動プレートの間の力およびモーメントまたは
いずれか一方の差が、両プレート間で駆動するこ
とができるように、感知要素の過大な曲げあるい
は撓みを生じることなくトルクおよび力を支持す
る能力を持つ、充分に剛直な感知点あるいは撓み
領域で測定されることが、不可欠である。したが
つて、八角形のブリツジあるいは連結要素１７
は、実質的に同一であると共に、駆動プレートお
よび被動プレート１２，１４と一体的に形成され
ることが大切である。この実施例に示されるよう
に、ユニツト１０の構造における強度と均一性の
ために、ブリツジ要素１７は、多角形あるいは実
質的な円形とすることができる。さらに、特定方
向における力とモーメントの測定を単純化するた
め、ブリツジ要素１７は、２つのリングの外周の
周りに両リングの中間で周方向に等間隔に配置さ
れることが不可欠である。この実施例に示される
ように、４個のブリツジ要素１７は90゜毎に等間
隔に配置されてる。３あるいはそれ以上のブリツ
ジ要素が、ユニツト１０の軸および周囲の両方に
関連する３あるいはそれ以上の互いに直角な方向
の力およびモーメントまたはいずれか一方を検出
するのに充分なことは、理解されるであろう。

ブリツジ要素１７およびこれらの両プレート１
２，１４との関係に対する上述した必要条件は、
これまでに知られてはいるが、両プレート１２，
１４を均等に配置し、かつそれらを互いに平行に
維持するのは困難であつた。これは、中間の連結
部のない中空円筒のようにセンサー・ユニツト１
０の内部を形成する必要があることに起因するも
のである。２枚のプレート１２，１４の間にある
実質的に円筒状の空間に、両プレート１２，１４
の間でユニツト１０の外周にあるブリツジ要素１
７を備えるには、その間に介在する区域を除去す
る間、ブリツジ要素１７を破損することなく残す
ようなフライス加工または切削加工が必要であつ
た。そうでなければ、２枚のプレート１２，１４
の外周の間の選択された位置で、別々に各ブリツ
ジ要素１７を溶接する必要があつた。これらの製
作方法はいずれも、２枚のプレート１２，１４間
の力とモーメントが、ブリツジ要素１７の位置と
は無関係にブリツジ要素１７により均一に検出さ
れることができるようなセンサー・ユニツト１０
の対称性あるいはブリツジ要素１７の均一性に関
しては、満足できるものではなかつた。したがつ
て、各センサー・ユニツト１０で得られる測定値
からの較正とデータ整理は、困難でかつ費用がか
かるものであつた。

この発明によつて、これらの問題は、ふたつの
プレートを独立したプレートとして形成するか、
あるいは、比較的薄い円筒状の側壁を有するカツ
プ部材を形成するように、ひとつのプレートを直
立壁を備えたプレートとして形成することによ
り、解決された。このような構造は、第２図およ
び第４図に最もよく示されており、そこではプレ
ート１２および１４は単一のリング部材１８によ
り結合されている。リング部材１８は、プレート
１２，１４の外周に沿つて、電気溶接などにより
均一に結合されている。リング部材１８の幅すな
わち軸方向長さを、ユニツト１０の所期の用途に
合わせて選択することができるのは明らかであろ
う。とくに、両プレート１２，１４がかなり接近
している場合には、完全なカツプとしてプレート
１２とリング部材１８を形成するように、円柱形
ブロツクを旋盤あるいはボール盤を使用して切削
あるいはドリル加工すれば、リング部材１８を底
部プレート１２と一体的に形成することができ
る。両プレート１２，１４がより遠く離れている
場合には、独立したリング部材１８が最初にプレ
ート１２に溶接される。

いずれの配置の場合でも、プレート１４が続い
てカツプ部材の開放端あるいは、リグ部材１８の
反対側の端に電子的に溶接される。これは、この
発明の力−モーメント・センサー用の囲まれた円
筒形の室１５を含む基礎構造を形成する。

リング部材１８とプレート１２，１４を上記の
通り形成すると、次に周方向に90゜毎に互いに等
間隔をあけて４つのブリツジ要素１７を残すよう
に、周方向スロツト２０がリング部材１８の中央
部分を貫通して切削される。周方向スロツト２０
は、リング部材１８の全幅に設けることもできる
が、剛性のためには、図示したようにリング部材
１８の幅の半分のオーダーとするのが望ましい。
リング部材１８内にブリツジ要素１７を形成する
ために、次に４個の横方向スロツト２２が周方向
スロツト２０の各端部でフライス加工される。こ
れらのスロツト２２は、周方向スロツト２０から
両プレート１２，１４の端縁まで達するように、
概して軸方向に周方向スロツト２０に対してある
角度で延びている。これが、ブリツジ要素１７の
側面あるいは端面２５の周りに概して八角形状を
形作つている。ブリツジ要素１７の形状は、円形
あるいはその他の多角形状とすることができるこ
とは明らかである。これらの外部形状の各々は、
以下「概して円形状」と表現される。

ブリツジ要素１７の外面にひずみゲージを取り
付ける際の便宜のため、ブリツジ要素１７の端面
２５および中央端面２４が、ひずみゲージを簡単
に接着できるよう滑らかなあるいは仕上げられた
表面に切削されることができる。同じように、各
ブリツジ要素１７の中心は、ひずみゲージを取り
付けるための追加の内部取付面を形成するよう
に、円形孔２６のようにドリルで穿孔されること
ができる。孔２６によつて、ひずみゲージ・アセ
ンブリを支持するプラグ部材を挿入することが可
能となる。適切な温度制御によつて、孔２６は、
内表面にひずみゲージを効果的に接着するように
拡大あるいは縮小することができることは明らか
である。これによつて、周方向に間隔をおいて配
置されたブリツジ要素１７のそれぞれにおいて、
個々のセンサー内部の微小な応力あるいはひずみ
の動きを検出する目的で、ひずみゲージをブリツ
ジ要素１７とともに移動することが可能となる。

センサー要素をロボツト・アームの駆動部材お
よびロボツト工具を支持する被動部材と整列させ
る目的で、ふたつのプレートの中心が、整列した
中心孔３０のようにドリルで穿孔されることがで
きる。さらに、両プレート１２，１４の外面に
は、センサー・ユニツトとロボツトの駆動部材お
よび被動部材との正しい心合わせを助けるため
に、プレート１４にキー溝３２を、またプレート
１２にカー３４を形成することができる。

とくに第３図に示されているように、ロボツト
工具とロボツト・アームの間にセンサー・ユニツ
ト１０を取り付けるための孔１６は、ロボツト・
アームの作動長さに１〜３インチ（2.54〜7.62
cm）を付加することになるセンサー・ユニツト１
０の幅を除けば、作動構成がほとんど変化しない
ように、ロボツト工具とロボツト・アームの連結
ボルトあるいは植込みボルトと心合わせができ
る。また、このような構造により、個々のひずみ
ゲージからのリード線と電気結線を軸方向端面２
４にあると同様にブリツジ要素１７の外表面に、
あるいは孔２６の内表面に取り付けて、これらの
リード線をすべて中心孔３０を通貨するようにす
ることができる。これらのリード線は、ロボツ
ト・アームの中心を通つて、センサー・ユニツト
で感知される力およびモーメントまたはいずれか
一方に応答する個々の測定・制御回路に連結する
ことができる。したがつて、電気結線を、ろぼつ
とのアームまたは工具ともつれる恐れのある外部
配線ハーネス（harness）を通す必要はない。

さらにこのような構造によつて、検出器要素
は、検出器自体の周囲には、通常の可撓性スリー
ブやブート（boot）の他に追加の保護手段を必
要としない。また、センサーのアセンブリ全体
を、金属製の殻体または缶（図示されていない）
によつて取り囲むことも可能となる。これは、部
品の溶接、研削、フライス加工および中ぐり加工
における工具によつて、あるいは機械的な研磨や
砂磨きによつてゴミよほこりが発生せしめられる
通常の作業環境において、このセンサーを使用す
ることが可能となる点で、とくに有意義である。
このように、この発明に係るユニツトは、ひずみ
ゲージ要素を別個に保護することなしに、このよ
うな砕片に対して耐えることができる。

この構成によつて形成される個々のブリツジ要
素１７が、均一かつ対称であることにより、セン
サー・ユニツト１０によつて支持される作業工具
の部分で、数百万分の１インチ（数百万分の１
cm）程度の変異を検出できるのが確認されてい
る。これによつて、ロボツトは、最低限のコンピ
ユータ・プログラミングと、工具と工作物の間の
圧力に対する高精度の「感触」とによつて、大量
生産された製品の輪郭を追従するようにプログラ
ミングされることができる。このような感触は、
プラスチツク成形した部品のバリ取りなどのきわ
めて微細な仕上作業を可能にする。このような仕
上は、椅子のひじ掛けなどの工作物の表面に傷を
付けることなく、また製品に許容されないような
量のバリを残すことなく、実現される。これによ
つて、作業を完了させる手作業が軽減され、また
作業の「歩留り」が改善される。

以上述べた説明から、当業者にとつては、セン
サー要素の形状自体におけると同様に、センサー
要素の製造方法に関しても、さまざまな修正や変
更が可能であろう。しかも、このセンサー・ユニ
ツトを組み込んだセンサー装置は、センサー・ユ
ニツトを形成する個々のひずみゲージを力および
モーメントまたはいずれか一方を感知する装置に
配置することを含めて、この発明から逸脱するこ
となく変更することができることも、明らかであ
ろう。特許請求の範囲に収まるこのようなすべて
の修正および変更は、この判明に含まれるもので
ある。

〔発明の効果〕

この発明は以上述べた構成を有するものであ
り、この説明に係る力またはモーメントの測定要
素は、ひずみゲージ等の力測定要素を簡単に取り
付けることができると共に、低コストでより簡単
かつ均一に製造することができる等の効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の力−モーメント・センサ
ーの斜視図。第２図は、第１図の力−モーメン
ト・センサーの一部を断面とした平面図。第３図
は、第１図の力−モーメント・センサーの一部を
断面とした立面図。第４図は第３図の矢印４−４
の方向に見た一部を断面とした立面図。 １０……センサー要素、１２……底部プレー
ト、１４……頂部プレート、１５……室、１６…
…取付孔、１７……ブリツジ要素、１８……リン
グ部材、２０……周方向スロツト、２２……横方
向スロツト、２４……中央端面、２５……側端
面、３０……中心孔、３２……キー溝、３４……
キー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 駆動部材と被動部材の間で複数の相互に垂直
   な方向の力およびモーメントまたはいずれか一方
   を検出する力−モーメント測定ユニツトであつ
   て、駆動プレートと被動プレートの間に取り付け
   られるようにした一対の実質的に平行な円形プレ
   ートを含み、当該プレートは、各プレートに形成
   された取付手段によつて上記駆動プレート及び被
   動プレートと整列するようになつていると共に、
   少なくとも３個の等間隔に配置されたブリツジ要
   素によつてその周縁部で結合されており、上記各
   ブリツジ要素は、比較的薄く概して円形のデイス
   クであつて、当該ブリツジ要素のデイスクの直径
   方向に反対側にある端部が、上記両プレートの隣
   接する面と一体になつていると共に上記プレート
   の軸と実質的に平行であり、さらに上記ブリツジ
   要素の外端部が一対の直径方向に反対側にある取
   付面を含んでおり、各ブリツジ要素の上記取付面
   には、上記駆動プレートと被動プレートの間の力
   およびモーメントまたはいずれか一方を検出する
   ためのひずみゲージ手段が固定されているユニツ
   ト。 ２ 上記の各ブリツジ要素のデイスクが、その中
   心部を貫通する円形の開口部を含んでいる特許請
   求の範囲第１項に記載の力−モーメント測定ユニ
   ツト。 ３ ４個のブリツジ要素のデイスクが、上記の平
   行なプレートの周縁の周りに周方向に等間隔で配
   置されている特許請求の範囲第１項に記載の力−
   モーメント測定ユニツト。。