JPS60131191A - 外力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の技術分野〉 本発明は、例えばロボット手先部にて物体を把持して所
定の作業を実行する産業ロボットに関連し、殊に本発明
は、ロボット手先部の作業動作を制御するため、ロボッ
ト手先部に作用する力やモーメントを検出する外力検出
％ｔｔｔｊに関する。

〈発明の背景〉 従来この種外力検出装部は、ロボット手先部を接続する
軸部等に複数の弾性ビームを連繋配備し、各弾性ビーム
の上下、左右の各面に歪ゲ　−ジを貼付し、各歪ゲージ
にて検出した歪力に基づきｘｙｚ軸方向の力や各軸回り
のモーメントを検出している。ところがかかる装置をも
って６自由度の力を検出するには、最低６個の歪ゲージ
が必要であるため、構造が複雑となり、また各歪ゲージ
からの出力信号に基づき演算を実行するため、信号処理
も複雑化する等の不利がある。

〈発明の目的〉 本発明は、外力による対向基板間の相対変位を光学的に
検出する二次元センサを使用することによって、構造お
よび処理を簡易化した外力検出装置を提供することを目
的とする。

〈実施例の説明〉 第１図は本発明を産業ロボットに実施した例を示す。図
示例のロボット１は、アーム２の先端に手先部３が接続
され、手先部３の開閉動作によりワーク４を把持して、
組立その他の作業を実イＪする。アーム２と手先部３と
の間には、第１図および第２図に示す如く、本発明にか
かる外力検出装置５か介装してあり、この外力検出装置
５をもって手先部３に作用する力やモーメントか検出さ
れる。

図示例の外力検出装置５は、第２図および第３図に示す
如く、固定基板６」−に円柱状をなす：う個の弾性部材
７を１２０度等角の位置に夫々増刊は配（＋ｆｆｉする
と共に、弾性部材７上へ可動基板８を固定基板６と平行
して支持固定しである。

固定基板６はアーム２先端に、また可動基板８は手先部
３基端に夫々取付は同定してあり、手先部３に外力か作
用したとき、可動基板８は弾性部材７の弾性変形により
変位する。

固定基板６と可動基板８との間には、各弾性部材７との
対角位置に基板間の相欠１変位を光学的に検出する二次
元センサ９が配備しである。

各二次元センサ９は、発光タイオードより成る投光部１
−０と、複数画素か縦横等配列されたイメージセンサよ
り成る受光部１１とから成り、第２図乃至第４図に示す
如く、投光部１０はｒｊ■動基板基板８向きで取り付け
、受光部１１は固定基板６に投光部１０と対向さぜ且つ
中心に向けて取り付けである。各受光部１１の受光面に
は、夫々直交座標系（５Ｉｔｌ〜５３　Ｌ３座標）か設
定され、無負荷状態では、各受光部】１の受光点は直交
座標の原点１２に位置する。従って手先部３に外力が作
用して、可動基板８が変位すると、各受光部１１の受光
点は外力の方向および大きさに応じて移動し、移動した
座標」二の受光点位置から外力を算出することができる
。

令弟２図および第４図に示す如く、基板６゜８との平行
面にＭＹ軸、基板６，８と垂直にＺ軸を設定して、基板
６，８の中心線」二に原点０が位置するｘｙｚ座標を考
えると、手先部３に作用する外力は、各軸方向の力Ｉ・
ｘ、　Ｆｙ　、　Ｆｚと、各軸回りのモーメンｌ−ＭＸ
　、　ＭＹ　’、　Ｍｚ　とから構成される。

」―居座ＪｉＱｉ系において、第５図に示す如く、Ｙ軸
方向に力ＦＹか作用したとき、Ｙ軸方向の変位を１）Ｆ
・Ｙ、各弾性部材７のせん断方向の剛性をＫｌ　＋”　
＋　Ｋｌ　ｂ　＋　Ｋｌ　ｃとすると、力ＦＹハツキノ
■テ表わされる。

１’ｙ　＝　（Ｋ７？ａ　−卜　ＫｌＩｙ　−卜Ｋｌ　
Ｃ）　・　Ｉ）Ｆｙ−３Ｋｌ・Ｉ）Ｆｙ　・・・・　■ （イ１」シ　、Ｋ／　＝　Ｋｌａ　＝に４ｂ　＝　Ｋｌ
ｃ　）同様にＸ軸方向の力１２Ｙは、Ｘ軸方向の変位を
Ｉ）１？Ｘ　とすると、力ＦＸはつきの■式で表わされ
る。

１’ｘ−３１＜ｌ・Ｉ）ＦＸ　・・・・・・■またＺ軸
方向に力１・Ｚが作用したとき、Ｚ軸方向の変位をＤＦ
Ｘ　、各弾性部材７の引張・圧縮方向の剛性をＫｔａ　
、　Ｋｔｂ　、　Ｋｔｃとすると、力ＦＺはつぎの０式
で表わされる。

Ｆｚ　−（Ｋｔａ　＋　Ｋｔｂ　＋　Ｋｔｃ　）　−１
）ＦＺ＝３Ｋ【・Ｉ）Ｆｚ　・・・・・・・　■（但し
、Ｋｔ　＝　Ｋｔａ　＝Ｋｔｂ　＝　、Ｋｔｃ　）つぎ
に第６図に示す如く、Ｘ軸回わりにモーメントＭＸが作
用したとき、可動基板８の傾き角をＤＭＸ、各弾性部材
７とＸＹＺ庫標の原点Ｏとの距離を■（とすると、モー
メンｌ−Ｍｘ　はつぎの０式で表わされる。

ＭＸ−３−１支２Ｋ［・ＤＭＸ　・・・・・■同様にＹ
軸回わりのモーメントＭＹは、可動基板８の傾き角をＤ
ＭＹとすると、つきの０式て表わされる。

Ｍｙ　＝　−Ｒ２Ｋｔ　ＨＤＭＹ　・・・・・・・・■
また第７図に示す如（、Ｚ軸回わりにモーメン）　ＭＺ
が作用したとき、可動基板８のねじれ角をＩ）ｒＡｚと
すると、モーメントＭｚはつきの０式で表わされる。

ＭＺ＝　３Ｒ２Ｋ１．　Ｉ）、、Ｚ　・・・・・■つき
に外力’７Ｘ　、ＦＹ　＋　ＦＺの変位量ＤＦＸ、ＤＦ
Ｙ。

１）ＹＺおよび、各モーメントＭＸ　＋　ＭＹ　＋　Ｍ
Ｚの変位角１〕ＭＸ・１）１φＹ・’−）ＭＺ　と・各
二次元センサ９からの出力（Ｌｚ　ｓ＋）（ｔ２＋　５
２）（【３．５３）との関係をめると、つきの０〜０式
のとおりである。

Ｉ）Ｉｒ’ｚ　＝　（Ｓ＋　−ｌ−Ｓ２−１−８３）／
３−■但し、ｋ′はＸＹＺＰＪ標の原点０と各二次元セ
ンサ９までの距離である。

か（て弾性部材７の剛性マトリクスには上記０〜０式よ
り、装置全体の変化マトリクスＩ）は上記０〜０式より
、夫々つきの００式のように表わされ、更に００式より
６自由度の力のマトリクスＦはつきの［相］式のように
表わされる。

か（て［相］式から明らかなとおり、手先部３に作用す
る外力は、３個の二次センサ９の出力をもって算出する
ことができる。

〈発明の効果〉 本発明は上記の如く、少なくとも３個の二次センサをも
って外力による基板間の相対変位を光学的に検出して、
ロボット手先部等に作用する力やモーメントを算出する
よう構成したから、歪ゲージを６個用いた従来例と比較
して、センサの位珈決めが容易であり且つ構造および出
力信号の処理が０１１易化される等、発明目的を達成し
た顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したロボットの正ｒｆｊｉ図、第
２図は本発明にかかる外力検出装置の正面図、第３図は
その平面図、第４図は二次センサの構成を示す正面図、
第５図乃至第７図は外力の作用状’Ｉｇを示す説明図で
ある。 ５・・・・・・外力検出装置　６，８・・・・・・基板
７・・・弾性ｒ！＋＜　４７１　９・・・・・・二次元
センサ１１で＋１１１ｔ　出１８！ＩＩ人　立石電機株
式会社：］−：”ｌ゛・ 代理人　弁理士　鈴　木　山　充　ｒ＋　；：′テ　ｌ
　図 −− 叶２回 貧４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　基板上に少な（とも３個の弾性部材が等角度で配備
   され、弾性部材上に前記基板と平行に他の基板を支持す
   ると共に、基板間の各弾性部材との対応位置には、外力
   による基板間の相対変位を光学的に検出する二次元セン
   サを配備した外力検出装置。 ■　一方の）、（板はロボット本体側に、他方の基板は
   ロボット手先部側に夫々取り付けられた特許請求の範囲
   第１項記載の外力検出装置角。 （刀　二次元センサは、一方の基板に固定された発光ダ
   イオード等の投光部と、他方の基板に固定された二次元
   イメージセンサ等の受光部とから構成される特許請求の
   範囲第１項記載の外力検出装置。