JPH0575057B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向の力とこれら
の方向まわりのモーメントとの６方向の力の検出
を行う多方向検出器に関するものである。

〔従来技術と問題点〕

従来、６方向の力の検出を行なうには、直交す
る三方向の力およびこれらの方向まわりのモーメ
ントに対して撓みを易い起歪体を６個使用し、こ
の起歪体の撓みの大きな位置に歪ゲージを貼着す
るが、あるいは、金属等の単一のブロツク体を削
り出して三方向の力およびこれらの方向まわりの
モーメントに対して撓み易い部分を形成し、歪ゲ
ージを貼着して出力を得るものである。

しかしながら、前者の検出器にあつては起歪体
の数が多く、検出器全体が大きく、かつ複雑とな
るため起歪体の連結が難しい、という問題点があ
る。又、後者の検出器にあつては全ての撓み部分
が繋がつているため、一の方向の力に対して、そ
の力を検出する歪ゲージのみならず、他の方向の
力を検出する歪ゲージもクロストークとして出力
される。このため、このクロストークの影響を消
去する必要があり、前以つて較正を行つて較正定
数を定め、この較正定数を介して演算処理を行う
ため、リアルタイムで出力ができない、という問
題点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題点に鑑みなされ、コンパクト
な構成とすることができ、かつ、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向
の力のみならず、各方向まわりのモーメントの力
をリアルタイムで出力ができる多方向力検出器を
提供することを目的としている。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明による多方向
力検出器は、平行な２枚の板ばねの両端部に剛性
の高いスペーサを取り付けて、所謂、ロバーバル
機構に構成された２つの検出器ユニツトを組み合
わせたものであり、各検出器ユニツトのスペーサ
が他の検出器ユニツトの中空部内を直交するよう
に貫通すると共に、この貫通したスペーサが十字
状を交差した状態で相互に一体化され、かつ十字
状態に交差したスペーサおよび前記板ばねにＸ，
Ｙ，Ｚ方向の力を検出する応力検出素子およびこ
れらの方向まわりのモーメントを検出するモーメ
ント検出素子を取り付けたことを特徴としてい
る。

〔実施例〕

以下、本発明による多方向力検出器を添付図面
を参照して詳述する。

第１図は本発明の一実施例を分解斜視図、第２
図はその組付け状態の斜視図である。この実施例
の検出器は円盤状の固定フランジ１と、力が作用
する円盤状の負荷フランジ２と、これらのフラン
ジ１，２間に配設される第１の検出器ユニツトお
よび第２の検出器ユニツトとからなつている。第
１の検出器ユニツトは上下に位置した２枚の平行
な板ばね７，７ａと、この板ばね７，７ａの左端
部にプレート１４およびねじ１５によつて固着さ
れるスペーサ３と、同様に右端部に固着される十
字形スペーサ５とからなつている。ここで、十字
形スペーサ５は縦スペーサ５ａと、この縦スペー
サ５ａに直交するように前後の水平方向にねじあ
るいは溶接等で取り付けられる横スペーサ５ｂと
からなり、縦スペーサ５ａが上下に位置した前記
板ばね７，７ａに連結されている。従つて、板ば
ね７，７ａ、スペーサ３および十字形スペーサ５
の縦スペーサ５ａによつてロバーバル機構が形成
されるものである。そして、このロバーバル機構
においては、スペーサ３，５ａの剛性は板ばね７
に比べて十分に高く撓みが少なくなるようになつ
ている。さらに上方の板ばね７の表・裏面の２箇
所に４枚の歪ゲージ等の応力検出素子９が貼着さ
れ、この応力検出素子９間にブリツジ回路を形成
してモーメントの影響が消去されるようになつて
いる。この応力検出素子９は後述するようにＸ方
向の力F_Xを検出するものである。

第２の検出器ユニツトは前後方向に位置した２
枚の板ばね６，６ａと、この板ばね６，６ａの右
端部に水平方向に取り付けられる剛性の大きなス
ペーサ４と、前記第１の検出器ユニツトに連結さ
れた前記十字形スペーサ５とからなつており、十
字形スペーサ５の横スペーサ５ｂが板ばね６，６
ａの左側部に連結されている。従つて、この検出
器ユニツトもロバーバル機構をなしているが、十
字形スペーサ５がスペーサ３および４の内側に位
置しており、その縦スペーサ５ａと横スペーサ５
ｂは外側のスペーサ３，４に対して内側に位置す
る内側スペーサとなつている。又、板ばね内、前
方の板ばね６の表・裏面の２箇所にブリツジ回路
が形成された歪ゲージ等の応力検出素子８が４枚
貼着され、Ｙ方向の力F_rを検出するようになつて
いる。なお、かかる板ばね６，６ａとスペーサ４
および５ｂとの連結は第１の検出器ユニツトと同
様にプレート１４およびねじ１５を介して行われ
るものである。

前記固定フランジ１は第１の検出器ユニツトの
外側のスペーサ３に、又、負荷フランジ２は第２
の検出器ユニツト外側のスペーサ４にそれぞれね
じ１６によつて取り付けられる。そして、これら
の外側スペーサ３，４の内側十字形スペーサ５の
縦スペーサ５ａの前後に位置する面の上下にはブ
リツジ回路を形成する４枚の歪ゲージ等の応力検
出素子１０が貼着されてＺ方向の力F_zの検出を行
うようになつている。さらに、この縦スペーサ５
ａの左右に位置する面の上下にはＹ方向まわりの
モーメントM_yを検出するモーメント検出素子１
２が取り付けられ、十字形スペーサ５の横スペー
サ５ｂの左右に位置する面の両端部にはＸ方向ま
わりのモーメントM_xを検出するモーメント検出
素子１１が取り付けられている。そして、縦スペ
ーサ５ａと横スペーサ５ｂとが十字状に交わる連
設部分の前後の面に、Ｚ方向まわりのモーメント
M_zを検出するモーメント検出素子１３が取付け
られている。これらのモーメント検出素子１１，
１２，１３はいずれも前記応力検出素子と同様に
歪ゲージが使用され、１のモーメント検出素子に
つきブリツジ回路を形成する４枚の歪ゲージが対
称位置に貼着されるものである。なお、かかるモ
ーメント検出素子の内、モーメントM_x，M_yを検
出する歪ゲージ１１，１２はＺ方向の力F_zによる
曲げ歪みも検出するが、この曲げ歪みは消去する
ようにブリツジ回路が形成され、モーメントM_z
を検出する歪ゲージ１３は捩り歪みを検出するよ
うにブリツジ回路が形成されている。

さらに、外側に位置するスペーサ３および４
の、内側の十字形スペーサ５と対向する内側々面
部分には切欠き３ａ，４ａがそれぞれ形成され、
切欠き３ａ，４ａ内に十字形スペーサ５の縦スペ
ーサ５ａおよび横スペーサ５ｂが間隔を有して入
り込んでいる。これにより、過負荷がかかつたと
き、内側のスペーサが外側のスペーサに切欠き３
ａ，４ａに係合して、ストツパーとすることがで
きると共に、Ｘ方向およびＹ方向の板ばねに設置
するそれぞれの応力検出素子の長手方向の位置ず
れを小さくでき、力の検出誤差が小さくなり、
又、検出器全体の長さも短くなつている。

次に、以上のように構成された本実施例によつ
て直交するＸ，ｙ，Ｚの３方向の力F_x，F_y，F_z
を検出する作動を説明する。

Ｘ方向板ばね７に対して垂直方向の力F_xが負
荷フランジ２に作用すると、その力F_xはスペー
サ４を介してＹ方向板ばね６，６ａ、十字形スペ
ーサ５，Ｘ方向板ばね７，７ａへと順に伝わつて
いく。その際、力の伝達通路にあるスペーサ４Ｙ
方向板ばね６，６ａおよび十字形スペーサ５は、
力F_xに対して十分な剛性を有しているので撓み
は無視できる程微小であり、力F_xに対して十分
な剛性を有していないＸ方向板ばね７のみに曲げ
歪みが生じ、その結果、このＸ方向板ばね７に貼
着されている歪ゲージ９ａのブリツジ回路のバラ
ンスがくずれて出力が取り出される。

また、Ｙ方向板ばね６に対して垂直方向の力
F_yが負荷フランジ２に作用すると、その力F_yは
力F_xの場合と同様に、スペーサ４を介してＹ方
向板ばね６，６ａ、十字形スペーサ５、Ｘ方向板
ばね７，７ａへと順に伝わつていくが、スペーサ
４、十字形スペーサ５およびＸ方向板ばね７，７
ａへ力F_yに対して十分な剛性を有しているので、
撓みは極めて無視できる程微小で、従つて、力
F_yに対して十分な剛性を有していないＹ方向板
ばね６のみが撓んで曲げ歪みを生じ、その結果、
このＹ方向板ばね６に貼着している歪ゲージ８ｂ
のブリツジ回路のバランスがくずれて出力が取り
出される。そして、このような力F_xおよびF_yの
検出位置とも力の負荷位置からの距離が短くモー
メントの影響を無視でき、従つて、力とモーメン
トを分離する演算が不要で、リアルタイムで検出
値を出力することができる。

さらに力F_x，F_yに垂直な力F_zが負荷フランジ
２に作用すると、この力F_zはF_xと同様な経路で
十字形スペーサ５まで伝わる。この十字形スペー
サ５は力F_x，F_yに対しては十分な剛性を有して
いるためほとんど撓まないが、力F_zに対する剛性
はこれらに比べて弱く撓むため、剪断歪みと曲げ
歪みが生じる。そして、歪ゲージ１０が十字形ス
ペーサの縦スペーサ５ａの前後の面に貼着されて
いるため、この剪断歪みを検出し、力F_zが検出さ
れる。なお、いずれの方向の力においても、モー
メントの影響はブリツジ回路を組む方法によつて
容易に消去されるものである。

次に、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向まわりのモーメントM_x，
M_y，M_zを検出する作動について説明する。

力F_xまわりのモーメントM_xが負荷フランジ２
に作用すると、力F_yと平行な十字形スペーサ５
の横スペーサ５ｂに曲げ歪みを生じ、横スペサー
５ｂに貼着された歪ゲージ１１のブリツジ回路に
よつてモーメントM_xが検出される。この場合、
十字形スペーサ５は力F_zによつても曲げ歪みを生
じるが、この歪みの影響を消去するようにブリツ
ジ回路が形成されているため検出することがな
い。又、前後位置に平行に設けられた板ばね６，
６ａにも、モーメントM_yにより単純な引張歪み、
圧縮歪みが生じるが、板ばね６に貼着された４枚
の歪ゲージ８は曲げ歪みのみを検出するようにブ
リツジ回路が形成されているからモーメントM_x
の影響を受けることがない。

力F_yまわりのモーメントM_yが負荷フランジに
作用すると、モーメントM_xの場合と同様に、力
F_xと平行な十字形スペーサ５の縦スペーサ５ａ
に曲げ歪みを生じ、４枚の歪ゲージ１２からなる
ブリツジ回路によつて検出される。この場合、十
字形スペーサ５はF_zによつても曲げ歪みを生じる
が、この歪みの影響を消去するようにブリツジ回
路が形成されているため検出することができな
い。また、モーメントM_yによつて上下に位置し
た板ばね７，７ａに単純な引張や圧縮歪みが生じ
るが、板ばね７に貼着された４枚の歪ゲージ９は
曲げ歪みのみを検出するようにブリツジ回路が形
成されているからモーメントM_yの影響を受けな
い。

さらに、力F_zまわりのモーメントM_zが負荷フ
ランジ２に作用すると、十字形スペーサ５の縦ス
ペーサ５ａと横スペーサ５ｂとの連設部分に捩り
歪みが発生し、貼着された４枚の歪ゲージ１３に
よつてモーメントM_zが検出される。なお、この
連設部分の歪ゲージ１３は剪断歪みを受けること
から、直交状に重ねた２枚の歪ゲージを１組と
し、これを縦スペーサ５ａの前後の面に貼着して
もよい。同様に縦スペーサ５ａに貼着された歪ゲ
ージ１０も直交状に重ねた歪ゲージを使用するこ
とができる。

第３図ないし第５図はそれぞれ本発明の別の実
施例を示す斜視図であり、前記実施例と同一の部
分は同一の符号で対応させてある。

第３図の実施例は歪ゲージの貼着位置を変更し
た実施例である。この実施例では力F_x，F_yを検
出する歪ゲージ９，８は前記実施例と同一箇所に
貼着されるが、縦スペーサ５ａの左右の面に貼着
される歪ゲージ２０が力F_zを検出する応力検出素
子となつている。又、モーメントM_xを検出する
モーメント検出素子である歪ゲージ２２は、力
F_yを検出する板ばね６と平行な板ばね６ａの
表・裏に２箇所ずつ貼着され、モーメントM_yを
検出する歪ゲージ２１は力F_xを検出する板ばね
７と平行な板ばね７ａに貼着され、モーメント
M_zを検出する歪ゲージ２３が横スペーサ５ｂの
上下面に貼着されている。

この実施例では力F_x，F_yは前記実施例と同様
に検出されるから、その説明を省略するが、以
下、F_z、モーメントM_x，M_y．M_zの検出につい
て説明する。

まず、力F_zが負荷フランジ２に作用すると、板
ばね６を介して十字形スペーサ５および板ばね７
へ伝わる。ここで、各板ばね６，７は十字形スペ
ーサ５の縦スペーサ５ａに対して十分な剛性があ
り、その撓みが小さく無視され、十字形スペーサ
５の縦スペーサ５ａが撓んで曲げ歪みを生じる。
このため、縦スペーサ５ａに貼着してある４枚の
歪ゲージ２０のブリツジ回路で力F_zが検出され
る。この場合、十字形スペーサ５の縦スペーサ５
ａは力F_yまわりのモーメントM_yによつても曲げ
歪みを生じるが、歪ゲージのブリツジ回路の形成
においてモーメントM_yの影響を消去でき、又、
力F_xまわりのモーメントM_xに対しても歪ゲージ
２０が感度を生じない方向に貼着してあるので、
モーメントM_x，M_yの影響を受けることはない。

負荷フランジ２にF_xまわりのモーメントM_xが
作用すると平行な２枚の板ばね６，６ａにそれぞ
れ引張、圧縮歪みを生じるが、板ばね７，７ａや
十字形スペーサはこの方向には十分な剛性がある
ため、撓みが小さく無視できる。一方、板ばね６
ａに貼着された歪ゲージ２２により、引張歪みが
検出され、モーメントM_xの検出が行われる。こ
こで同時に曲げ歪みも発生するが、歪ゲージ２２
のブリツジ回路により、この曲げ歪みは消去され
る。

負荷フランジ２にF_yまわりのモーメントM_yが
作用すると板ばね７，７ａにそれぞれ引張、圧縮
歪みを生じるが、板ばね６，６ａや十字形スペー
サはこの方向には十分な剛性があるので撓みが小
さく無視できる。一方、板ばね７ａに貼着された
歪ゲージ２１により、引張歪み、圧縮歪みが検出
され、モーメントM_yの検出が行われる。ここで
同時に曲げ歪みも発生するが、この曲げ歪みは歪
ゲージ２１のブリツジ回路によつて消去される。
負荷フランジ２にF_zまわりのモーメントM_zが作
用すると十字形スペーサ５の横スペーサ５ｂに最
も大きな曲げ歪みが生じるので、貼着してある４
枚の歪ゲージ２３からなるブリツジ回路によりモ
ーメントM_zが検出される。この場合において、
各板ばね６，６ａ，７，７ａおよび縦スペーサ５
ａに貼着してある歪ゲージはいずれもモーメント
M_zに対して感度を持たない方向なので影響は受
けることがない。

第４図の実施例は十字形スペーサ５の縦スペー
サ５ａと横スペーサ５ｂとが金属ブロツク材の削
り出しで一体的に形成されており、一体構造のた
め、負荷時における板ばねおよびスペーサ間のず
れが全くなくなり、高負荷時における検出精度が
高くなつている。ここで、各板ばねはねじでそれ
ぞれスペーサに取り付けられる構造であり、歪ゲ
ージの取り付けが精度よく、かつ容易に行われ
る。なお、この実施例では外側のスペーサ３，４
には切欠きが形成されず、各スペーサと内側スペ
ーサである十字形スペーサ５との間に一定の隙間
が形成されるように組み立てられている。

第５図の実施例は、板ばねおよび、スペーサか
らなる第１に検出器ユニツト、第２の検出器ユニ
ツト全体が金属ブロツク材からの削り出しで一体
的に形成されている。従つて、この実施例におい
ても板ばね、スペーサ間のずれがなくなり、検出
精度は高くなる。

なお、本発明のそれぞれの実施例においては、
十字状に交差するスペーサの一方の相手側スペー
サと接する突部を設けスペーサ間に間隔を設けて
連設部を形成し、これにより、力の負荷位置とＸ
方向又はＹ方向の力の検出位置との距離を短く
し、モーメントの影響を小さくすると共に、Ｘ方
向およびＹ方向板ばねに設置するそれぞれの応力
検出素子の長手方向の位置ずれを小さくし、方向
による力の検出誤差を小さくしているが、第３図
に示される実施例においては前記突部に歪みゲー
ジを貼着しないで、この突部は必ずしも設ける必
要はない。又、本発明においては応力検出素子お
よびモーメント検出素子として歪ゲージを使用し
ないで、半導体ゲージ等の他の応力検出素子を使
用してもよく、板ばねに貼着しないで金属膜を板
ばねに直接に蒸着してもよい。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば、ロバーバル機
構に形成された検出器ユニツトのスペーサを他の
検出器ユニツトに中空部内を直交するように十字
状に組み立てたから直交する三方向の力および三
方向まわりのモーメントの検出することができる
と共に、それぞれの力の検出点の長手方向に位置
ずれを非常に小さくして検出することができ、リ
アルタイムで出力することもでき、かつ方向によ
る力の検出誤差を小さくして力を検出することが
できる。また、直交する三方向の力およびこれら
のモーメントも検出することができ、しかもこれ
らの多方向の力の検出を非常にコンパクトな構造
で行うことができる。さらにコンパクトな構造で
あるため、例えば産業用ロボツトの手首に取り付
け、負荷フランジにグリツパ等の加工具を取り付
けることもできる。

そして、加工具によつて、例えば嵌め合い作業を
行わせると、平行な位置誤差は押し込む方向の力
として検出でき、傾き誤差はモーメントとして検
出できるので、検出器からの信号によりロボツト
の動作を修正して、短時間のうちに嵌め合い作業
を完了することができる。従つて、組み立て作業
等においてワークの位置精度やロボツトの停止精
度を高めることなく作業効率を向上できる。更
に、本発明の検出器は一の力に対する他の力やモ
ーメントへのクロストークが小さいのでこれらの
値を較正する計算機等が不要となり、較正のため
の処理時間も必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の多方向力検出器
の一実施例の分解斜視図およびその組み立て斜視
図、第３図は別の実施例の分解斜視図、第４図お
よび第５図はいずれもさらに別の実施例の斜視図
である。 １……固定フランジ、２……負荷フランジ、
３，４……スペーサ、５……十字形スペーサ、５
ａ……縦スペーサ、５ｂ……横スペーサ、６，６
ａ，７，７ａ……板ばね、８，９，１０，２０…
…応力検出素子、１１，１２，１３，２１，２
２，２３……モーメント検出素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平行な２枚の板ばね間の両端部にそれぞれ剛
   性の高いスペーサを設けて構成したロバーバル機
   構の第１および第２の検出器ユニツトからなり、
   これらの第１および第２の検出器ユニツトのそれ
   ぞれの一方のスペーサが相手方検出器ユニツトの
   中空部内を貫通しかつ垂直の位置関係に配設され
   るとともに、それぞれの中空部内を貫通したそれ
   ぞれのスペーサがスペーサの中央部において十字
   状に交差した状態で一体的に構成され、前記第１
   および第２の検出器ユニツトの板ばねおよび十字
   状に交差したスペーサの適宜の箇所にＸ，Ｙ，Ｚ
   方向の力を検出する応力検出素子およびＸ，Ｙ，
   Ｚ方向まわりのモーメントを検出するモーメント
   検出素子を設置したことを特徴とする多方向力検
   出器。 ２ 前記第１および第２の検出器ユニツトにおけ
   る板ばねおよびスペーサをそれぞれ別個に形成
   し、ねじ締めで構成している特許請求の範囲第１
   項記載の多方向力検出器。 ３ 十字状に交差させ、かつ固定する２つのスペ
   ーサを金属ブロツクからの削り出しで一体構成し
   ている特許請求の範囲第２項記載の多方向力検出
   器。 ４ 前記第１項および第２の検出器ユニツト全体
   を、金属ブロツク材から削り出しで一体構成して
   いる特許請求の範囲第１項記載の多方向力検出
   器。 ５ 十字状に交差するそれぞれのスペーサを、間
   隔を設けて一体的に構成している特許請求の範囲
   第１項ないし第４項のいずれかの項に記載の多方
   向力検出器。 ６ 十字状に交差するそれぞれのスペーサのいず
   れか一方の、相手側スペーサと接する部分に突部
   を設けている特許請求の範囲第２項もしくは第５
   項に記載の多方向力検出器。 ７ 第１および第２の検出器ユニツトのそれぞれ
   の外側スペーサの、他方側検出器ユニツトの内側
   スペーサと対向する内側々面部分に切欠きを設
   け、これらの切欠き内に間隔を隔てて他方側検出
   器ユニツトの内側スペーサを入り込ませている特
   許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかの項
   に記載の多方向力検出器。 ８ 第１および第２の検出器ユニツトのそれぞれ
   の外側スペーサの外側面に取付フランジを取り付
   けている特許請求の範囲第１項ないし第７項いず
   れかの項に記載の多方向力検出器。 ９ 前記モーメント検出素子がいずれも十字状に
   交差したスペーサに取り付けられている特許請求
   の範囲第１項ないし第８項いずれかの項に記載の
   多方向力検出器。 １０ Ｘ，Ｙ方向まわりのモーメントの検出を行
   うモーメント検出素子が板ばねに取り付けられ、
   Ｚ方向まわりのモーメントの検出を行うモーメン
   ト検出素子が十字状に交差したスペーサに取り付
   けられている特許請求の範囲第１項ないし第８項
   のいずかの項に記載の多方向力検出器。 １１ 応力検出素子およびモーメント検出素子が
   歪ゲージである特許請求の範囲第１項ないし第１
   ０項のいずれかの項に記載の多方向力検出器。