JPH06180258A - 力検出器 - Google Patents

力検出器

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JPH06180258A
JPH06180258A JP33335692A JP33335692A JPH06180258A JP H06180258 A JPH06180258 A JP H06180258A JP 33335692 A JP33335692 A JP 33335692A JP 33335692 A JP33335692 A JP 33335692A JP H06180258 A JPH06180258 A JP H06180258A
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JP
Japan
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strain
leaf spring
force
spring
force detector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP33335692A
Other languages
English (en)
Inventor
Mitsuru Shiraishi
満 白石
Yasuyuki Nakada
康之 中田
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06180258A publication Critical patent/JPH06180258A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 平行バネを利用した力検出器に関し,力検出
器から作用点までの距離に影響されない精度の高い力検
出を可能とすることを目的とする。 【構成】 1)平行バネを有し,平行バネを構成する2
枚の板バネの各々に少なくとも1枚の歪みゲージを貼付
し,各歪みゲージの出力を合成して力検出器の出力とす
る力検出器であって,前記歪みゲージは一方の板バネの
先端部と他方の板バネの根元部の2箇所に貼付され,両
方の歪みゲージの出力の和を力検出器の出力とする, 2)前記歪みゲージは両方の板バネの先端部と根元部の
4箇所に貼付され,一方の板バネの先端部の出力をε
1 , 根元部の出力をε2 とし,他方の板バネの先端部の
出力をε3 , 根元部の出力をε4 とすると, 2 +ε
3)と (ε1 +ε4)の差を力検出器の出力とするように構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はロボットハンドの把持力
等を検出する力検出器に関する。情報機器の小型軽量化
を図るために,薄肉のプラスチック部品が多く使われ,
より厳しい条件のもとで設計する必要が生じてきてい
る。このためにプラスチックの蓋等人手により操作され
る部品の信頼性を評価するには疲労試験を十分に行わな
ければならない。プラスチックの蓋等の疲労試験は従来
主に人手で行われていたが,繰り返し同一動作を行うこ
とは人にとって負担が大きく自動化の要求が大きい。試
験する部品の種類や形状は製品あるいは機種ごとに異な
るが,ロボットを用いることにより部品の種類や形状に
応じて柔軟に疲労試験を行うことができる。
【0002】ところで,プラスチック部品は柔らかいた
め,把持力により変形しやすい。このため,把持力を制
御する必要がある。そのために把持力を検出するための
センサをロボットハンドの指部に装着する必要がある。
【0003】
【従来の技術】従来の小型の力検出器としては,平行バ
ネを利用したものが知られている。次にその検出原理を
図10を用いて説明する。
【0004】図10は平行バネを利用した従来の力検出器
の説明図である。図において, 1, 2 は板バネ, 3は固
定部, 4は可動部, 5は歪みゲージである。いま,可動
部 4に力 Fが加わると板バネ 1, 2 には歪みを生じ, 通
常板バネ端部において特に大きい歪みを生ずるので, こ
の歪み量を歪みゲージで測定する。この際, 歪みεと力
Fとの間には次式で示される比例関係が成り立つ F = kε (1) 従って, 比例係数 kを予め求めておけば, 歪み量を測定
することにより外力 Fを求めることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで, 従来例のよ
うな力検出器 (把持センサ) には次のような問題があ
る。ロボットで扱う部品が一定していないときは, 把持
センサから把持位置までの距離 Lf が変化する。特に大
型備品を把持するために爪部を交換すると, 把持センサ
から把持位置までの距離 Lf は大きく変化する。また把
持物体と爪との接触部は一点でなく或る面積を持つのが
一般的である。
【0006】従って, (1) 式は把持センサから把持位置
までの距離 Lf を一定とした場合について成り立つもの
であり,把持センサから把持位置までの距離 Lf が変化
すると比例係数(ゲイン) kが変化し, 精度の高い力検
出が困難であるという問題があった。
【0007】本発明は平行バネを利用した力検出器にお
いて,力検出器から作用点までの距離に影響されない精
度の高い力検出を可能とし,ロボットハンドに適用して
微妙な把持計測および制御を図ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は, 1)平行バネを有し,平行バネを構成する2枚の板バネ
の各々に少なくとも1枚の歪みゲージを貼付し,各歪み
ゲージの出力を合成して力検出器の出力とした力検出器
であって,前記歪みゲージは一方の板バネの先端部と他
方の板バネの根元部の2箇所に貼付され,両方の歪みゲ
ージの出力の和を力検出器の出力とした力検出器あるい
は 2)前記1)記載の歪みゲージは両方の板バネの先端部
と根元部の4箇所に貼付され,一方の板バネの先端部の
出力をε1 , 根元部の出力をε2 とし,他方の板バネの
先端部の出力をε3 , 根元部の出力をε4 とすると,
2 +ε3)と(ε1 +ε4)の差を力検出器の出力とした
力検出器により達成される。
【0009】
【作用】図1(A) 〜(C) は本発明の原理説明図である。
図1(A) は図10の平行バネの変形状態を反時計回りに90
°回転して状態を表している。図1(B),(C) はそれぞれ
板バネ1および2の両端にかかる力と曲げモーメントを
表している。ここでは, 板バネ1と2は同一材料, 同一
形状であるとして説明する。また, 板バネに生ずる歪み
は場所に依って異なるが, 把持センサとして利用するに
は歪み感度の大きい場所に歪みゲージを貼付する必要が
ある。平行バネの場合は板バネ端部において歪み感度が
大きいので, 以下においては板バネ端部の歪み量に限定
して説明する。
【0010】図1(B),(C) において,可動部での水平方
向と垂直方向の釣合いを考えると次式が成立する。 F = F1 +F2 (2) Q1 = Q2 ≡ Q 可動部での水平力 Qとモーメントとの間には次の関係が
成り立つ。
【0011】 Q =(M10+M20 +m0)/ LP (3) ここで, LP は可動部の長さ(板バネ1と板バネ2間の
距離)である。m0 は把持力 Fにより生じる曲げモーメ
ントであり, その大きさは次式で表される。
【0012】m0 = F Lf 一方, 板バネ1の端部に生じる曲げモーメントはM
10 は, 可動部の変位量をy0とすると次式で表される。
【0013】 M10=(F1 L +Qy0)/2 (4) ここで, Lは板バネ1および板バネ2の長さである。同
様に, 板バネ2の端部に生じる曲げモーメントはM20
次式で表される。
【0014】 M20=(F2 L +Qy0)/2 (5) (4),(5) 式を(3)式に代入すると次式を得て, 水平力 Q
が求まる。 Q=(F/LP )(L/2 + Lf ) (6) 板バネ1の端部に生じる歪みは, 曲げモーメントM10
基づく曲げ歪み成分と, 水平力Q に基づく直歪み成分か
らなる。同様に, 板バネ2の端部に生じる歪みは, 曲げ
モーメントM20 に基づく曲げ歪み成分と, 水平力Q に基
づく直歪み成分からなる。
【0015】板バネ1と2の端部に生じる曲げ歪み成分
の絶対値をそれぞれ s1, s2 とし直歪み成分を s0 とす
れば次式が成り立つ。 s1=(t/2EIz )M10 (7) s2=(t/2EIz )M20 (8) s0= Q/bt (9) ここで, E は板バネ1および板バネ2の縦弾性係数(ヤ
ング率),Iz は板バネ1および板バネ2のZ軸(紙面
に垂直な方向)の回りの断面2次モーメント,t は板バ
ネ1および板バネ2の厚さ,b は板バネ1および板バネ
2の幅である。
【0016】板バネ端部は図2に示されるように8箇所
あるが,それぞれの歪み量をε1 〜ε8 とすると, これ
らは次のようにそれぞれ3つの歪み成分 s1, s2 ,s0
組み合わせで表すことができる。
【0017】 板バネの表側 板バネ1の根元の歪み ε1 =−s1−s0 (10) 板バネ1の根元の歪み ε2 = s1−s0 (11) 板バネ2の根元の歪み ε3 = s2+s0 (12) 板バネ2の根元の歪み ε4 =−s2+s0 (13) 板バネの裏側 板バネ1の根元の歪み ε5 = s1−s0 (14) 板バネ1の根元の歪み ε6 =−s1−s0 (15) 板バネ2の根元の歪み ε7 =−s2+s0 (16) 板バネ2の根元の歪み ε8 = s2+s0 (17) 3つの歪み成分 s1, s2 ,s0はいずれも水平力 Qの影響
を受けるが, 水平力 Qは(6) 式より分かるように把持セ
ンサより把持位置までの距離 Lf を含んでいる。このた
め,3つの歪み成分 s1, s2 ,s0を組み合わせた歪み量
をε1 〜ε8 もLf の影響を受ける。
【0018】ところが,(7) 式+(8) 式 を求めると, s1 + s2 =(t/2EIz )(M10 +M20) となり,上式に(1),(3),(4),(5) 式を代入すると次式を
得る。
【0019】 s1 + s2 =(t L/4EIz ) F (18) (18) 式は合成歪み s1 + s2 が板バネの特性と把持力F
にのみ依存し,把持位置の影響を受けないことを意味
している。また,合成歪み s1 + s2 は板バネ端部での
歪み量を組み合わせることにより求めることができる。
例えば, (11)式+(12)式 より ε2 +ε3 = s1 + s2 (19) である。従って, 板バネ1の先端部と板バネ2の根元部
に歪みゲージを貼付し,両者の出力の和をセンサ出力と
すれば,把持センサより把持位置までの距離 Lfに依存
しないで一定ゲインの出力を得ることができる。
【0020】
【実施例】図3は本発明の実施例の説明図である。図に
おいて,20はXYZの3方向の空間移動およびZ軸(上
下方向)の回りの回転動作が可能な所謂直交座標型ロボ
ットである。ロボット20の先端にはXYZ軸方向および
XYZ軸回りのモーメントが測定可能な6軸力センサ21
を介してハンド22が装着されている。被測定物23は治具
24で固定されている。また, ハンド22には被測定物23の
蓋25が把持されている。
【0021】この図は,ロボットを上下に動作させて,
蓋25を被測定物23に繰り返し着脱して耐久試験を行って
いる様子を示す。図4はロボットのハンド部の説明図で
ある。
【0022】図において,22はハンド本体で, 30, 31は
指部で左右に開閉動作をする。指部30, 31にはそれぞれ
把持センサ32, 33を介して指先端部34,35は把持部分の
大きさに応じて交換可能な構成となっている。
【0023】図5(A),(B) は把持センサの説明図であ
る。図において,40は本体側の指にネジ止め可能な固定
部で, 41は指先端部を取りつけ可能な構造を持つ可動部
である。42, 43は板バネ構造である。44は溝部である。
固定部40と可動部41は剛体として扱うことができるほど
板バネ42, 43に比較して十分に剛性が高い。なお,固定
部40のうち,板バネ42, 43と溝部44で隔てられた40A の
部分は, 板バネ42, 43が必要以外に変形しないようにス
トッパの役目を果たしている。すなわち, 過大な力が働
いたときに力検出器が破損するのを防ぐために, 板バネ
42, 43が溝部の大きさ以上に変形しないようにしてい
る。
【0024】板バネ42の先端部と板バネ43の根元部に歪
みゲージ45, 46が貼られている。歪みゲージ45を用いて
把持位置を3通りに変えて把持力F と歪みとの関係を測
定した例を図6に示す。
【0025】図6より,歪みゲージを単体で測定した場
合はゲイン (力と歪み量の比) k が変動することが分か
る。この変動のしかたは歪みゲージを貼る位置により異
なる。
【0026】図7は4箇所で測定した把持位置までの距
離 Lf と歪みとの関係を示す図である。図8は,図7と
同じ条件で把持位置までの距離 Lf と歪みゲージ45, 46
より求めた合成歪み s1 + s2 との関係を示す実測を表
している。
【0027】図より,本発明の実施例によると把持位置
までの距離 Lf を20mmから100mm まで変化させたとき,
出力ゲインが殆ど変化しないことが分かる。次に,これ
以外の合成歪みの与え方について述べる。(10)〜(13)式
より, ε2 +ε3 −(ε1 +ε4 )= 2 ( s1 + s2 ) (20) となる。このように4個の歪みゲージを用いた場合も把
持位置までの距離 Lf に依存しない出力を得ることがで
きる。この様な構成の力検出器を図9に示す。
【0028】図9は4個の歪みゲージを用いた力検出器
の構成図である。図において,4個の歪みゲージ51, 5
2,53, 54を板バネの端部に貼り付け, 歪みゲージ52と5
3の出力の和から歪みゲージ51と54の出力の和を引いた
値をセンサ出力とする。この場合は(19)式から求めた場
合に比べ出力を2倍にできるためセンサ感度を上げるこ
とができる。
【0029】また,歪みゲージは温度によりドリフトを
生じやすいが,(19)式の場合は温度ドリフトの影響が2
倍になるが,(20)式を利用したこの例では温度ドリフト
の影響が相殺できるという利点がある。
【0030】なお, 図3において,蓋を着脱する繰り返
し動作を行っているときの力センサ出力および把持力の
すべて,またはその一部のデータを記録すれば,定量的
なデータを蓄積することができる。
【0031】実施例では,力検出器としてロボットハン
ドに用いる把持力センサを例にとったが,本発明はこれ
に限定されるものではなく,平行バネを利用した力検出
器一般に適用することができる。
【0032】
【発明の効果】本発明はによれば,平行バネを利用した
力検出器において,力検出器から作用点までの距離に影
響されない精度の高い力検出を可能となり,ロボットハ
ンドに適用して微妙な把持計測および制御を図ることが
できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理説明図
【図2】 8箇所の板バネ端部の説明図
【図3】 本発明の実施例の説明図
【図4】 ロボットのハンド部の説明図
【図5】 把持センサの説明図
【図6】 把持位置を3通りに変えた場合の把持力F と
歪みの関係図
【図7】 4箇所で測定した把持位置までの距離 Lf
歪みの関係図
【図8】 把持位置までの距離 Lf と合成歪み s1 + s
2 との関係図
【図9】 4個の歪みゲージを用いた力検出器の構成図
【図10】 平行バネを利用した従来の力検出器の説明図
【符号の説明】
1, 2 板バネ 3 固定部 4 可動部 20 直交座標型ロボット 21 6軸力センサ 22 ハンド 23 被測定物 24 保持治具 25 被測定物の蓋 30, 31 指部 32, 33 把持センサ 34, 35 指先端部 40 指部にネジ止め可能な固定部 41 指先端部を取りつけ可能な構造を持つ可動部 42, 43 板バネ 44 溝部 45, 46 歪みゲージ 51, 52,53, 54 4個の歪みゲージ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平行バネを有し,平行バネを構成する2
    枚の板バネの各々に少なくとも1枚の歪みゲージを貼付
    し,各歪みゲージの出力を合成して力検出器の出力とし
    た力検出器であって,前記歪みゲージは一方の板バネの
    先端部と他方の板バネの根元部の2箇所に貼付され,両
    方の歪みゲージの出力の和を力検出器の出力としたこと
    を特徴とする力検出器。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の前記歪みゲージは両方の
    板バネの先端部と根元部の4箇所に貼付され,一方の板
    バネの先端部の出力をε1 , 根元部の出力をε2 とし,
    他方の板バネの先端部の出力をε3 , 根元部の出力をε
    4 とすると,2 +ε3)と (ε1 +ε4)の差を力検出器
    の出力としたことを特徴とする力検出器。
JP33335692A 1992-12-15 1992-12-15 力検出器 Withdrawn JPH06180258A (ja)

Priority Applications (1)

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JP33335692A JPH06180258A (ja) 1992-12-15 1992-12-15 力検出器

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JP33335692A JPH06180258A (ja) 1992-12-15 1992-12-15 力検出器

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JPH06180258A true JPH06180258A (ja) 1994-06-28

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JP33335692A Withdrawn JPH06180258A (ja) 1992-12-15 1992-12-15 力検出器

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JP (1) JPH06180258A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017507798A (ja) * 2014-03-17 2017-03-23 エフアンドピー ロボテックス アクチェンゲゼルシャフト グリッパ・フィンガ、グリッパ・チップ、グリッパ・ジョー及びロボット・システム
WO2021214030A1 (de) * 2020-04-20 2021-10-28 Schunk Gmbh & Co. Kg Spann- Und Greiftechnik Modularer greiffinger, greifvorrichtung und baukasten

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017507798A (ja) * 2014-03-17 2017-03-23 エフアンドピー ロボテックス アクチェンゲゼルシャフト グリッパ・フィンガ、グリッパ・チップ、グリッパ・ジョー及びロボット・システム
WO2021214030A1 (de) * 2020-04-20 2021-10-28 Schunk Gmbh & Co. Kg Spann- Und Greiftechnik Modularer greiffinger, greifvorrichtung und baukasten

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Effective date: 20000307