JPH0582535B2

JPH0582535B2 -

Info

Publication number: JPH0582535B2
Application number: JP59237475A
Authority: JP
Inventors: Takami Kusaki; Ryuji Takada; Kozo Ono
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1984-11-13
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1993-11-19
Also published as: JPS61117427A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、種々の物体に加わる荷重における所
定軸方向の力および所定軸まわりのモーメントを
検出する多軸力センサに関する。

〔発明の背景〕

ある物体又はある物体の特定部分に加わる荷重
（力およびモーメント）を検出することは、多く
の分野において不可欠のことである。例えば、高
機能ロボツトにより組立作業や研摩・バリ取り作
業を行なう場合、当該ロボツトのハンドに作用す
る力を正確に検出することが必要であるし、又、
航空機、船舶、車両等のモデル試験を実施する場
合も、各部にかかる荷重の検出が主要な項目とな
る。

このような荷重を検出するための優れたセンサ
として、ある基準軸方向の力要素のみを検出する
平行平板構造を用いたセンサおよびある基準軸の
軸まわりのモーメント要素のみを検出する放射平
板構造を用いたセンサが提案されている。以下、
図に基づいてこれら平行平板構造および放射平板
構造を説明する。

第３図は平行平板構造および放射平板構造の一
構成要素である平板状たわみ梁の斜視図である。
図において、３９は支持部、４０は支持部３９に
片持ち梁状に支持された平板状たわみ梁である。
いま互いに垂直な軸Ｘ，Ｙ，Ｚを図のように設定
し、平板状たわみ梁４０の先端部分におけるＸ，
Ｙ，Ｚ各軸方向の力およびモーメントをそれぞれ
F_X，F_Y，F_ZおよびM_X，M_Y，M_Zとする。平板状
たわみ梁４０はＺ軸方向の厚みは薄く、Ｘ軸およ
びＹ軸方向の各寸法は厚み寸法に比べてはるかに
大である。したがつて、力F_Zに対しては曲げ変
形を生じ易く、また平板状たわみ梁４０の先端が
Ｚ軸方向のたわみを生じるようなモーメントM_Y
に対しても変形を生じ易い。これに対して、力
F_X，F_YおよびモーメントM_Zに対してはきわめて
変形しにくい。モーメントM_Xに対する変形のし
易さは力F_Z、モーメントM_Yの場合と、力F_X，
F_Y、モーメントM_Zの場合の中間位であつて、平
板状たわみ梁４０の寸法や問題にしている変形の
大きさにより、その変形が無視できる場合もあれ
ば、そうでない場合もある。このような平板状た
わみ梁４０の特性に基づいて構成されたのが平行
平板構造および放射平板構造である。

第４図ａ乃至ｃは平行平板構造の側面図であ
る。各図で、４１は支持部３９に支持された剛体
よりなる固定部、４２は支持部３９の反対端にあ
り剛体よりなる可動部である。４３，４３′は固
定部４１と可動部４２との間を連結する薄肉部で
あり、これら薄肉部４３，４３′は互いに平行に
配置されており、第３図に示す平板状たわみ梁４
０に相当した変形機能を有する。４４は平行平板
構造を示し、この平行平板構造４４は薄肉部４
３，４３′が平行に配置されているため、剛体に
方形の孔をあけた形状となつている。しかしこの
薄肉部４３，４３′を形成するための孔の形状は
方形には限定されない。Ｋは平行平板構造４４の
可動部４２を通る平行平板構造の基準軸を示す。
基準軸Ｋは薄肉部４３，４３′から適宜の距離に
あり、主として後述する力F_Zが作用する近辺に
あるものとする。４５，４６，４７，４８はそれ
ぞれ薄肉部４３，４３′の根元部分に設けられた
ストレインゲージである。

このような平行平板構造４４において、可動部
４２にＺ軸方向の力F_Zが加えられると、平行平
板構造４４は第４図ｂに示すように薄肉部４３，
４３′が同一形状の曲げ変形を生じる。前述のよ
うに第３図の平板状たわみ梁４０はＺ軸方向の力
F_Zに対しては曲げ変形が生じ易く、さらに薄肉
部４３，４３′それぞれの変形が同一形状の変形
であつて互いに他を拘束する程度が小さいから、
この変形は容易に発生する。

一方、可動部４２にモーメントM_Yが作用した
場合の平行平板構造４４の変形について考える。
第３図の平板状たわみ梁４０自体はモーメント
M_Yに対して曲げ変形が生じ易いが、それが２枚
平行に組合わされた平行平板構造４４は、モーメ
ントM_Yに対して第４図ｃに示すように薄肉部４
３が伸張し薄肉部４３′が収縮するという変形モ
ードとなる。この変形は薄肉部４３，４３′の長
さを互いに異ならしめる変形であるとともに、そ
れに伴つて薄肉部４３，４３′それぞれの内部に
符号が異なる一対の大きなＸ軸方向の内部応力を
生じる変形である。したがつて、この変形に要す
るモーメントM_Yは非常に大きくなる。すなわち
平行平板構造４４はモーメントM_Yに対しては剛
性が非常に高いことになる。

第３図の平板状たわみ梁４０のモーメントM_X
に対する変形、すなわち薄肉部４３，４３′のね
じり変形は、力F_Z、モーメントM_Yによる曲げ変
形よりは生じにくいとはいえ、それらの曲げ変形
に比べて十分に無視できる変形量でないことは前
述の通りであるが、平行平板構造とすることによ
つてモーメントM_Xに対して充分剛となる。しか
しながらさらに大きなモーメントM_Xが作用する
場合にはねじり変形による影響が無視できなくな
る。その場合には、第４図のストレインゲージ４
５，４６，４７，４８を薄肉部４３，４３′の巾
方向の中心に設けるならば、そこにねじり変形に
対して歪が生じない部位なので、ねじり変形に対
する影響を除去することができる。なお力F_X，
F_YおよびモーメントM_Zに対する剛性は、薄肉部
４３，４３′それ自体がそれらの荷重に対し剛性
が高いので、十分に高いことは自明である。

以上のことから、第４図の平行平板構造４４
は、力F_Zのみに有意な変形を生じ、それ以外の
荷重に対しては非常に剛であることが分つた。す
なわち、この平行平板構造４４は、任意の荷重の
中から力F_Z成分のみを検出する荷重検出素子と
して適切であることが分る。

なおここで、ストレインゲージ４５，４６，４
７，４８による薄肉部４３，４３′の歪の検出に
ついて説明する。第４図ｂに示すような力F_Zが
加わつた場合、ストレインゲージ４５，４８では
引張歪、ストレインゲージ４６，４７では圧縮歪
を生じる。ところで、力F_Zと同時に力F_X，F_Yお
よびモーメントM_X，M_Y，M_Zが作用した場合、
前述のようにF_X，F_Y，M_Zには本質的に剛なので
問題がないが、M_X，M_Yに対してはわずかながら
それぞれに応じたモードで変形する。モーメント
M_Xに対してはストレインゲージの位置で補償で
きることは既に述べたが、モーメントM_Yに対し
てはわずかに第４図ｃのような変形モードが出
る。そこでストレインゲージ４５，４８の各出力
が加算され、かつストレインゲージ４６，４７の
各出力も加算され、それら各加算値の符号が逆に
なるようにブリツジ回路を構成すれば、力F_Zに
対する変形による歪が拡大され、モーメントM_Y
に対する変形の微少出力成分は打ち消される。こ
のようにして力F_Zに比例した正確な信号を得る
ことができる。

なお、この検出手段としては、ストレインゲー
ジの他にも磁歪素子などの歪検出手段があり、そ
れらを用いても同様の検出が可能であり、さらに
は差動トランスおよび電気容量式や渦電流式の変
位検出素子を可動部４２のＺ方向の変位検出に用
いることによつても、この平行平板構造４４が力
F_Zのみに有意な変形をするという特徴を利用し
た力F_Zの検出素子を構成することが可能である。

第５図ａ乃至ｃは放射平板構造の側面図であ
る。各図で、５１は支持部３９に支持された剛体
よりなる固定部、５２は支持部３９の反対端にあ
り剛体よりなる可動部である。５３，５３′は固
定部５１と可動部５２との間を連結する薄肉部で
あり、これら薄肉部５３，５３′は、点Ｏを中心
に可動部５２から固定部５１に向つて交叉角度θ
をもつて放射状に延びており、そのそれぞれは第
３図に示す平板状たわみ梁４０に相当した変形機
能を有する。なお、説明の都合でこの交叉角度θ
は鋭角とする。５４は放射平板構造を示し、この
放射平板構造５４は薄肉部５３，５３′が放射状
に配置されているため、剛体の台形の孔をあけた
形状となつている。しかしこの薄肉部５３，５
３′を形成するための孔の形状は台形には限定さ
れない。Ｋは放射平板構造５４の可動部５２上の
Ｏ点を通り紙面に垂直な軸で、この放射平板構造
５４の基準軸とする。５５，５６，５７，５８は
それぞれ薄肉部５３，５３′の根元部分に設けら
れたストレインゲージである。

このような放射平板構造５４において、可動部
５２にＹ軸まわりのモーメントM_Yが加えられる
と、放射平板構造５４は第５図ｂに示すように薄
肉部５３，５３′がほぼ同一形状の曲げ変形を生
じる。前述のように第３図の平板状たわみ梁４０
はそれに直交する力に対しては曲げ変形が生じ易
く、さらに薄肉部５３，５３′それぞれの変形が
ほぼ同一形状であつて互いに他を拘束する程度が
小さいから、この変形は容易に発生する。

一方、可動部５２に力F_Zが作用した場合の放
射平板構造５４の変形について考える。第３図の
平板状たわみ梁４０自体は力F_Zに対して曲げ変
形が生じ易いが、それが２枚放射状に組合わされ
た放射平板構造５４は、力F_Zに対して第５図ｃ
に示すように薄肉部５３が伸張し薄肉部５３′が
収縮するという変形モードとなる。この変形は薄
肉部５３，５３′の長さを互いに異ならしめる変
形であるとともに、それに伴つて薄肉部５３，５
３′それぞれの内部に符号が異なる一対の大きな
軸方向の内部応力を生じる変形である。したがつ
て、この変形に要する力F_Zは非常に大きくなる。
すなわち放射平板構造５４は力F_Zに対しては剛
性が非常に高いことになる。

第３図の平板状たわみ梁４０のモーメントM_X
に対する変形に対応する変形、すなわち薄肉部５
３，５３′のねじり変形は、それらの曲げ変形よ
りは生じにくいとはいえ、その曲げ変形に比べて
十分に無視できる変形量でないことは前述の通り
であるが、放射平板構造とすることによつてモー
メントM_Xに対して充分剛となる。しかしながら
さらに大きなモーメントM_Xが作用する場合には、
ねじり変形による影響が無視できなくなる。その
場合には、第５図のストレインゲージ５５，５
６，５７，５８を薄肉部５３，５３′の巾方向の
中心に設けるならば、そこはねじり変形に対して
歪が生じない部位なので、ねじり変形に対する影
響を除去することができるのは前述のとおりであ
る。なお力F_X，F_YおよびモーメントM_Zに対する
剛性は、薄肉部５３，５３′それ自体がそれらの
荷重に対し剛性が高いので、十分に高いことは自
明である。

以上のことから、第５図の放射平板構造５４
は、モーメントM_Yのみに有意な変形を生じ、そ
れ以外の荷重に対しては非常に剛であることが分
つた。すなわち、この放射平板構造５４は、任意
の荷重の中からM_Y成分のみを検出する荷重検出
素子として最適であることが分る。

なおここで、ストレインゲージ５５，５６，５
７，５８による薄肉部５３，５３′の歪の検出に
ついて説明する。第５図ｂに示すようなモーメン
トM_Yが加わつた場合、ストレインゲージ５５，
５８では引張歪、ストレインゲージ５６，５７で
は圧縮歪を生じる。ところでモーメントM_Yと同
時に力F_X，F_Y，F_ZおよびモーメントM_X，M_Zが
作用した場合、放射平板構造５４は前述のように
力F_X，F_Y、モーメントM_Zに対しては本質的に剛
なので問題がないが、力F_Z、モーメントM_Xに対
してはわずかながら変形する。モーメントM_Xに
対してはストレインゲージの位置で補償できるこ
とは既に述べたが、力F_Zに対してはわずかに第
５図ｃのような変形モードが出る。そこでストレ
インゲージ５５，５８の各出力が加算され、かつ
ストレインゲージ５６，５７の各出力も加算さ
れ、それら各加算値の符号が逆になるようにブリ
ツジ回路を構成すれば、モーメントM_Yに対する
変形による歪が拡大され、力F_Zに対する変形の
微少出力成分は打ち消される。このようにしてモ
ーメントM_Yに比例した正確な信号を得ることが
できる。

以上の説明では便宜的に薄肉部５３，５３′相
互の交叉角度θが鋭角であるとしてきた。もしも
それが鋭角であるならば、モーメントM_X，M_Zそ
れぞれに対する剛性の関係が全く逆になる。そし
てもしも交叉角度θが90度であるならば、モーメ
ントM_X，M_Zに対する剛性が等しくなりその値は
それぞれ適度に高くなる。言い変えると、作用し
ているモーメントの軸に対して各薄肉部５３，５
３′が45度以上に開いている放射平板構造５４の
示す剛性に比べると、それらは相対的に剛性が低
いことにもなり、各モーメントに対して僅かに変
形する。この影響を無くすためには、前述のよう
にストレインゲージ５５，５６，５７，５８を薄
肉部５３，５３′の巾方向の中央部に設ければよ
い。

第６図ａ乃至ｄは他の平行平板構造および放射
平板構造の側面図である。図で、第４図ａ乃至ｃ
に示す平行平板構造および第５図ａ乃至ｃに示す
放射平板構造の部分と同一部分には同一符号が付
してある。第６図ａで４９は平行平板構造を示
し、この平行平板構造４９の基準軸ＫにＺ軸方向
の力F_Zが作用したときの変形が第６図ｂに示さ
れている。第６図ｃで５９は放射平板構造を示
し、この放射平板構造５９の基準軸Ｋのまわりに
モーメントM_Yが作用したときの変形が第６図ｄ
に示されている。第４図ａおよび第５図ａに示す
平行平板構造４４および放射平板構造５４は、そ
れらを左右対称に第６図ａ，ｃに示すようにした
形の方がさらに良い特性を示す。即ち、平行平板
構造４９および放射平板構造５９においては、今
までに述べてきた特徴はすべて保たれているが、
さらに各構造の固有の変形モードが安定し、性能
的には良くなる。第４図ａにおいては平行平板構
造４４の基準軸Ｋの定義が不明確であつたが、第
６図ａではそれが明確になる。すなわち基準軸Ｋ
は可動部４２の中心を通り薄肉部４３，４３′の
巾方向の中心部を薄肉部４３，４３′に対して垂
直方向に通る軸である。放射平板構造５９の基準
軸Ｋについては第５図ａに示すものと全く同じで
ある。

次に、以上説明した平行平板構造および放射平
板構造を用いて構成された６軸力センサ、即ち、
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸についての各力およびモーメン
トを検出するセンサについて説明する。

第７図は６軸力センサの斜視図である。この図
に示される６軸力センサは概略５つの応動部Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで構成されている。即ち、Ｃはこ
の６軸力センサの中心に位置する中心応動部、Ａ
は中心応動部Ｃから一方向に張り出した第１の応
動部、Ｂは中心応動部Ｃから第１の応動部Ａとは
逆方向に張り出した第２の応動部、Ｄは中心応動
部Ｃから第１、第２の応動部Ａ，Ｂに対して直角
方向に張り出した第３の応動部、Ｅは中心応動部
Ｃから第３の応動部Ｄとは逆方向に張り出した第
４の応動部である。これら各応動部Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅにより、この６軸力センサの主要部の全体
構造は直交する十文字状の構造となる。７１ａ，
７１ｂ，７１ｄ，７１ｅはそれぞれ各応動部Ａ，
Ｂ，Ｄ，Ｅの突出端部を示す。

７２はリング状の上部環状体（第７図において
はその半部を除去した形で図示されている。）で
あり、第１の応動部Ａおよび第２の応動部Ｂの突
出端部７１ａ，７１ｂと結合されている（突出端
部７１ｄ，７１ｅとは結合されていない。）。上部
環状体７２は図示されていない剛体部に連結され
る。７３はリング状の下部環状体であり、第３の
応動部Ｄおよび第４の応動部Ｅの突出端部７１
ｄ，７１ｅと結合されている（突出端部７１ａ，
７１ｂとは結合されていない。）。下部環状体７３
は図示されていない他の剛体部に連結される。以
上述べた各応動部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、上部環状
体７２および下部環状体７３は一体構造に形成さ
れている。

ここで、この６軸力センサの中心点（中心応動
部Ｃ内に存在する）をＰとし、この中心点Ｐから
第１、第２の応動部Ａ，Ｂの方向の座標軸をＹ
軸、第３、第４の応動部Ｄ，Ｅの方向の座標軸を
Ｘ軸、Ｙ軸およびＸ軸に直交し中心応動部Ｃを貫
通して延びる座標軸をＺ軸と定めたうえで、ま
ず、第１の応動部Ａの構造について説明する。

第１の応動部Ａは、その突出端部７１ａ側から
中心応動部Ｃに向かつて順に平行平板構造７４
A_FX放射平板構造７５A_MXおよび放射平板構造７
５A_MZで構成されている。平行平板構造７４A_FX
はＺ軸方向に貫通する方形孔７６によつて形成さ
れた平行な薄肉部７７，７７′を有する。これら
各薄肉部７７，７７′は第４図ａに示す薄肉部４
３，４３′に相当する。さきの平行平板構造の説
明から判るように、この平行平板構造７４A_FXに
Ｘ軸方向の力の成分F_Xが作用すると、薄肉部７
７，７７′はその作用した力の大きさおよび向き
に応じて変形し、それによる歪みは薄肉部７７，
７７′の根元部分に設けられたストレインゲージ
等の検出手段（図示が省略されている。以下同
じ。）により信号として取り出される。しかしな
がら、Ｙ軸，Ｚ軸方向の力の成分、Ｘ軸，Ｙ軸，
Ｚ軸まわりのモーメントに対しては変形せず、高
い剛性を示す。即ち、平行平板構造７４A_FXはＸ
軸方向の力の成分に対してのみ変形してこれを検
出する。

放射平板構造７５A_MXはＸ軸方向に貫通する台
形孔７８によつて形成された放射状の薄肉部７
９，７９′を有する。これら各薄肉部７９，７
９′は第５図ａに示す薄肉部５３，５３′に相当す
る。さきの放射平板構造の説明から明らかなよう
に、この放射平板構造７５A_MXにＸ軸まわりのモ
ーメントM_Xが作用すると、薄肉部７９，７９′は
これに応じて変形し、これによりモーメントM_X
が検出される。放射平板構造７５A_MXはモーメン
トM_Xに対してのみ変形を生じ、他のモーメント
および力に対しては高い剛性を示す。放射平板構
造７５A_MZはＺ軸方向に貫通する台形孔８０によ
つて形成された放射状の薄肉部８１，８１′を有
する。薄肉部８１，８１′は第５図ａに示す薄肉
部５３，５３′に相当する。放射平板構造７５
A_MZにＺ軸まわりのモーメントM_Zが作用すると、
薄肉部８１，８１′はこれに応じて変形し、これ
によりモーメントM_Zが検出される。放射平板構
造７５A_MZはモーメントM_Zに対してのみ変形を
生じ、他のモーメントおよび力に対しては高い剛
性を示す。

なお、ここで、使用した符号７４A_FX，７５
A_MX，７５A_MZについて説明する。数字７４はそ
れにより示されるものが平行平板構造であること
を示し、又、数字７５はそれにより示されるもの
が放射平板構造であることを示している。文字Ａ
はそれにより示されるものが第１の応動部Ａにあ
ることを示している。又、これらに添付される文
字FXは選択的に感応するものがＸ軸方向の力F_X
であることを、文字MXは選択的に感応するもの
がＸ軸まわりのモーメントM_Xであることを、文
字MZは選択的に感応するものがＺ軸まわりのモ
ーメントM_Zであることを示している。以下、各
応動部の各構造には、これにしたがつて符号が付
されている。

次に、中心応動部Ｃの構造について説明する。
中央応動部Ｃの中心には、Ｚ軸方向の孔８２が貫
通形成されている。又、第１〜第４応動部Ａ〜Ｅ
が連結されていない４つの中間部分には、外側か
ら内部の孔８２に向かつて貫通する方形孔８３が
あけられている。方形孔８３の貫通により互いに
平行な薄肉部８４，８４′が形成され、これによ
り、平行平板構造７４C_FZが構成されている。平
行平板構造７４C_FZにＺ軸方向の力の成分F_Zが作
用すると、薄肉部８４，８４′はこれに応じて変
形し、これにより力F_Zが検出される。平行平板
構造７４C_FZは力F_Zに対してのみ変形し、他の力
およびモーメントに対しては高い剛性を示す。

第２の応動部Ｂの構成は第１の応動部Ａの構成
と対称する構成であり、突出端部７１ｂから中心
応動部Ｃに向かつて順に平行平板構造７４B_FX、
放射平板構造７５B_MX，７５B_MZを有する。又、
第３の応動部Ｄの構成は、その突出端部７１ｄか
ら中心応動部Ｃに向かつて順に平行平板構造７４
D_FY、放射平板構造７５D_MY，７５D_MZを備えたも
のとなつている。さらに、第４の応動部Ｅの構成
は第３の応動部Ｄの構成と対称する構成であり、
突出端部７１ｅから中心応動部Ｃに向かつて順に
平行平板構造７４E_FY、放射平板構造７５E_MY，７
５E_MZを備えたものとなつている。これら各平行
平板構造７４B_FX，７４D_FY，７４E_FYおよび各放
射平板構造７５B_MX，７５B_MZ，７５D_MY，７５
D_MZは第１の応動部Ａにおけるものと同じである
ので、詳細な説明は省略する。

今、例えば上部環状体７２に連結された図示し
ない剛体部に何等かの荷重が作用すると、この荷
重は、上部環状体７２、第１、第２の応動部Ａ，
Ｂ、中心応動部Ｃ、第３、第４応動部Ｄ，Ｅおよ
び下部環状体７３を経て図示されていない他の剛
体部へ伝達される。この荷重の伝達過程におい
て、各応動部Ａ〜Ｅにおける平行平板構造および
放射平板構造は、その荷重のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方
向の力の成分F_X，F_Y，F_ZおよびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸まわりのモーメント成分M_X，M_Y，M_Zを検出
する。

ここで、作用した荷重のうち、Ｙ軸方向の力の
成分F_Yのみに注目すると、力F_Yは上部環状体７
２から第１、第２の応動部Ａ，Ｂに伝達される。
しかしながら、力F_Yによつては平行平板構造７
４A_FX，７４B_FX、放射平板構造７５A_MX，７５
A_MZ，７５B_MX，７５B_MZは変形されず、力F_Yは
そのまま中心応動部Ｃに伝達される。中心応動部
Ｃの平行平板構造７４C_FZは力F_Yによつて変形さ
れず、これをそのまま第３、第４の応動部Ｄ，Ｅ
に伝達される。伝達された力F_Yは、放射平板構
造７５D_MZ，７５E_MZ，７５D_MY，７５E_MYを経、
これらを変形することなく平行平板構造７４
D_FY，７４E_FYに伝達される。これら平行平板構造
７４D_FY，７４E_FYは力F_Yにより、これに応じた
大きさ、方向に変形し、力F_Yを検出する。平行
平板構造７４D_FY，７４E_FYを変形した力F_Yは下
部環状体７３を経て図示しない剛体部に伝達され
る。他の力およびモーメントについても同様の経
過で対応する平行平板構造および放射平板構造に
より検出される。

第８図は第７図に示す６軸力センサを用いたロ
ボツトの一部側面図である。図で、９０は第７図
に示す６軸センサ、９１はロボツトのアーム、９
２はアーム９１先端に設置されたハンド、９３は
ハンド９２により把持されたワークである。アー
ム９１とハンド９２とは分断されており、両者の
間に６軸力センサ９０が配置されている。即ち、
アーム９１は６軸センサ９０の下部環状体７３に
剛性をもつて連結され、又、ハンド９２は６軸力
センサ９０の上部環状体７２に剛性をもつて連結
されている。第７図に示す６軸力センサに対して
想定したと同一の座標軸を用いると、第８図に示
すように、Ｚ軸はアーム９１の長手方向となる。
なお、Ｐは第７図に示されるものと同じ中心点を
示す。又、ｌはワーク９３による力Ｆのハンド９
２における作用点と中心点Ｐとの距離である。

このように、６軸力センサを実際に使用する場
合、次のような問題点が存在する。第１の問題点
はひずみ出力に関するものである。さきに述べた
ように、平行平板構造および放射平板構造の特徴
は、検出方向の力成分には大きな変形を生じ、そ
れ以外の方向の力成分には剛性が高く、その変形
は極めて小さいことである。そして、この小さな
変形（干渉変形）によつて発生するひずみ出力
（干渉出力）はブリツジ回路により打ち消される
ことも既に述べた。しかしながら、この干渉出力
は、検出部である平行平板構造および放射平板構
造の加工精度やストレインゲージの配置位置のず
れ等により完全に打ち消し得ない。

ここで、第７図に示す６軸力センサにおける干
渉出力について考察する。今、ある点に作用する
モーメントをＭ、その作用点から検出部までの距
離をl′、検出部に作用する力をＦとすると、Ｍ＝l′・Ｆが成り立つ。つまり、ある大きなのモーメントＭ
が作用した場合、検出部に生じる力Ｆは距離l′が
大きいほど小さく、逆に、距離l′が小さいほど大
きい。一方、平行平板構造および放射平板構造に
おける干渉変形は、加えられる力が大きいほど大
きく、かつ、干渉出力も大きくなる。したがつ
て、平行平板構造および放射平板構造は作用点か
らの距離が大きいほどその干渉出力を小さくする
ことができる。このような観点から第７図に示す
６軸力センサをみると、各検出部は中心部に集合
する構成となつているので、大きなモーメントが
作用した場合、干渉出力も大きなものとなり、充
分に打ち消しきれない事態が生じる。又、応力も
高くなるため、ヒステリシス、非線形性等の好ま
しくない現象が生じ、センサとしての信頼性が低
下するという問題を生じる。

次に、６軸力センサを実際に使用する場合の第
２の問題点について述べる。第８図および上式か
ら明らかなように、ハンド９２がワーク９３を把
持したとき、６軸力センサ９０に作用するモーメ
ントは力Ｆが大きいほど、又、Ｚ軸方向の距離ｌ
が大きいほど大きくなる。したがつて、６軸力セ
ンサ９０の破損を防ぐため、把持し得るワーク９
３の重量には６軸力センサ９０による制約が加え
られるという問題が生じる。

さらに、第３の問題点として、６軸力センサ９
０が介在するため、アーム９１の長さが実質的に
長くなり、ワーク９３を把持したとき、アーム９
１の基部即ち関節（図示されていない）に作用す
るモーメントが大きくなる。ところで、アーム９
１の基部で出し得る最大モーメントは決つている
ので、アーム９１が実質的に長くなり、モーメン
トが大きくなると、把持可能なワーク９３の最大
重量は小さくなる。即ち、６軸力センサ９０の厚
さは直接ロボツトの能力低下につながるという問
題点が挙げられる。そして、これを防ぐには構造
上の強度を大にする必要がある。又、アーム９１
の長さが実質的に長くなることにより、ワーク９
３を把持する場合の位置合わせ等ロボツトの動作
に好ましくない影響を与え、その性能を低下せし
めるという問題も生じる。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、上記問題点として挙げた
望ましくない影響をできるだけ抑制し、干渉出力
を小さくすることができ、又、多軸力センサを備
えた機構が処理し得る重量を増加することがで
き、さらに、当該機構の性能を向上させることが
できる多軸力センサを提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、たわみ
梁構造により構成された荷重検出部を１つの軸に
対称に備えた応動部を有する多軸力センサにおい
て、前記応動部の前記軸方向における両端部側面
に、検出対象となる荷重を伝達する荷重伝達部材
を設けたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の実施例に係る６軸力センサの
斜視図である。図で、第７図に示す部分と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。９５は
図示しない剛体部に連結されるリング状の上部環
状体（図ではその半部を除去した形で図示されて
いる）、９６は図示しない他の剛体部に連結され
るリング状の下部環状体（図ではその一部を除去
した形で図示されている）である。本実施例の６
軸力センサと第７図に示す６軸力センサとが異な
る第１の点は、第７図に示す６軸力センサが、そ
の上部環状体７２を応動部Ａの突出端部７１ａの
上面および応動部Ｂの突出端部７１ｂの上面に固
定（一体形成）し、かつ、その下部環状体７３を
応動部Ｄの突出端部７１ｄの下面および応動部Ｅ
の突出端部７１ｅの下面に固定（一体形成）して
いるのに対し、本実施例は、その上部環状体９５
を応動部Ａの突出端部７１ａの外面および応動部
Ｂの突出端部７１ｂの外面に固定（一体形成）
し、かつ、その下部環状体９６を応動部Ｄの突出
端部７１ｄの外面および応動部Ｅの突出端部７１
ｅの外面に固定（一体形成）している点である。
又、相異点の第２は、第７図に示す６軸力センサ
の検出部の位置が中心に寄つているのに対して本
実施例の６軸力センサの検出部の位置は外側に寄
つている点である。

上部環状体９５を突出端部７１ａ，７１ｂの外
側に固定（一体形成）し、下部環状体９６を突出
端部７１ｄ，７１ｅの外側に固定（一体形成）し
たため、各応動部Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅには、上部環状
体および下部環状体を設けるために要した面積分
だけ余分の面積が生じ、かつ、上部環状体および
下部環状体の厚み分だけＺ軸方向の寸法が減少
し、６軸力センサを薄型に構成することができ
る。

まず、面積に余分が生じた結果、各応動部に形
成された検出部を、より一層外側方向に寄せて形
成することができる。これを第２図により説明す
る。第２図ａは第７図に示す多軸力センサの平面
図、第２図ｂは第１図に示す多軸力センサの平面
図である。図で、第１図、第７図に示す部分と同
一部分には同一符号が付してある。今、応動部Ａ
における平行平板構造７４A_FXについてみると、
第２図ａに示す平行平板構造７４A_FXのＺ軸から
の垂直距離はl′である。一方、本実施例における
対応する平行平板構造７４A_FXは、上部環状体９
５および下部環状体９６が突出端部に形成された
ことにより生じた余分の面積のため、第２図ｂに
示すように、距離Δl′だけ外側方向に寄せて配置
されている。他の平行平板構造７４B_FX，７４
D_FY，７４E_FY、放射平板構造７５A_MX，７５B_MX，
７５D_MY，７５E_MYも同じく距離Δl′だけ外側方向
に寄せて配置されている。これにより、第２図ａ
に示す６軸力センサと比較して、同一モーメント
が作用した場合に各検出部に加わる力は距離
Δl′分だけ小さくなり、したがつて、干渉変形、
干渉出力の発生を低減させることができ、６軸力
センサの精度を大幅に向上させることができる。

次に、６軸力センサのＺ軸方向の寸法が、上部
環状体および下部環状体の厚み分だけ減少して薄
くなるので、第８図に示す距離ｌもその分減少す
る。したがつて、ワーク９３により６軸力センサ
９０に作用するモーメントおよびアーム９１の基
部に作用するモーメントが小さくなり、ロボツト
が把持できるワーク９３の制限重量をその分だけ
増加させることができ、ロボツトの機能は増大す
る。又、アーム９１の実質的長さも減少するの
で、制限重量が同じであれば、その分アーム９１
の基部の強度を小さくすることができ、さらに、
ロボツトの動作も容易となつてこの面からもロボ
ツトの機能を増大することができる。

このように、本実施例では、６軸力センサの上
部環状体および下部環状体を応動部突出端部外側
に形成したので、干渉出力を低減することがで
き、又、ワークの制限重量を増加させることがで
き、さらに、アーム基部の強度を小さくすること
ができ、さらに又、ロボツトの動作を容易とする
ことができる。

なお、上記実施例の説明では、６軸力センサに
ついて説明したが、応動部が十文字状の構造を有
するものであれば、６軸力センサ以外の多軸力セ
ンサに適用することができる。又、多軸力センサ
をロボツトに使用した例について説明したが、ロ
ボツト以外の機械、装置に使用することができる
のは当然である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、荷重伝達部材
を応動部の両端部側面に設けたので、干渉出力を
低減することができ、又、本発明の多軸力センサ
を使用する機構が処理し得る重量を増加すること
ができ、さらに、当該機構の必要強度を低下させ
ることができ、さらに又、当該機構の動作を容易
にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る６軸力センサの
斜視図、第２図ａ，ｂは６軸力センサの平面図、
第３図は平板状たわみ梁の斜視図、第４図ａ，
ｂ，ｃは平行平板構造の側面図、第５図ａ，ｂ，
ｃは放射平板構造の側面図、第６図ａ，ｂ，ｃ，
ｄは他の平行平板構造および放射平板構造の側面
図、第７図は６軸力センサの斜視図、第８図は第
７図に示す６軸力センサを用いたロボツトの一部
側面図である。７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ……突出端
部、９５……上部環状体、９６……下部環状体、
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ……応動部。

Claims

【特許請求の範囲】

１たわみ梁構造により構成された荷重検出部を
１つの軸に対称に備えた応動部を有する多軸力セ
ンサにおいて、前記応動部の前記軸方向における
両端部側面に検出対象となる荷重を伝達する荷重
伝達部材を設けたことを特徴とする多軸力セン
サ。