JPS61117427A

JPS61117427A - 多軸力センサ

Info

Publication number: JPS61117427A
Application number: JP59237475A
Authority: JP
Inventors: Takami Kusaki; 貴巳草木; Ryuji Takada; 龍二高田; Kozo Ono; 耕三小野
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: 1986-06-04
Also published as: JPH0582535B2

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、高機能ロボットにより組
立作業や研摩・パリ取り作業を行なう場合、当該ロボッ
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、
ある基準軸方向のカ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ｆｔ１戎
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、４ｏ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４ｏの先端部分におけるＸ。

Ｙ，Ｚ各軸方向のカおよびモーメントをそれぞれＦＸ，
ＦＹＩＦ２およびＭＸ，ＭＹ，′ＰＶｆ２　とする。平
板状たわみ梁４ｏは２軸方向の厚みは薄く、ＸＭ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
。したがって、力Ｆｚ　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２軸方向のたわみを
生じるようなモーメントＭＹに対しても変形を生じ易い
。これに対して、力ＦＦ　　およびモーメントＭ２　に
対してはきわＸＩ　　　　Ｙめで変形しにくい。モーメントＭＸに対する変形のし易
さは力ｒ　、モーメントＭＹの場合と、力Ｆ、、ＦＹ、
モーメントＭ２の場合の中間位であって、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
戎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（α）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６９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、ｔＩＥ３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。４４は平行
平板構造分示し、この平行平板構造４４は薄肉部４３．
４３’が平行に配置されているため、剛体に方形の孔を
あけた形状となっている。しかしこの薄肉部４３゜４６
′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。基準軸には薄肉部４３．４３’から適
宜の距離にあり、主として後述する力Ｆ２　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゜４６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２
軸方向の力ＩＦ２　が加えられると、平行平板構造４４
は第４図（６）に示すように薄肉部４３゜４６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２軸方向の力Ｆ２　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っ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ＭＹ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ＭＹ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ＭＹに対して第４
図（６）に示すように薄肉部４３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４
３．４３の長さを互いに異ならしめる変形であるととも
に、それに伴って薄肉部４３．４３’それぞれの内部に
符号が異なる」対の大きなＸ軸方向の内部応力を生じる
変形である。したがって、この変形に要するモーメント
ＭＹ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ＭＹ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ＭＸに対する
変形、すなわち薄肉部４３．４３のねじり変形は、力Ｆ
　、モーメントＭＹ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
することによってモーメントＭＸに対して充分側となる
。しかしながらさらに大きなモーメントＭＸ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４５．４６．４
７．４８を薄肉部４３．４３’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
。なおりＦＸ。

！　およびモーメントＭ２　に対する剛性は、薄肉部４
３．４３’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Ｆ２　
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った。すなわち、この平行平板構
造４４は、任意の荷重の中から力Ｆ２収分のみを検出す
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゜４７．４８
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Ｆ２　が加わった場合、
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、カー　
と同時に力ＦＸ、ＦＹおよびモーメン）　ＭＸ、　ＭＹ
、　Ｍ２　　が作用した場合、前述のようにＦＸ、ＦＹ
２Ｍ２　　には本質的に剛なので問題がないが、ＭＸ、
　ＭＹ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Ｍｘ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
ＭＹに対してはわずかに第４図（６）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
リッジ回路を構成すれば、力Ｆ２　に対する変形による
歪が拡大され、モーメントＭＹ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Ｆ２　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２
方向の変位検出に用いることによっても、この平行平板
構造４４が力Ｆ２　のみに有意な変形をするという特徴
を利用した力Ｆ２　の検出素子を＊ａすることが可能で
ある。

第５図（α）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６９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５３．５
３’は、点Ｏを中心に可動部５２から固定部５１に向っ
て交叉角度θをもって放射状に延びており、そのそれぞ
れは第６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、剛体に台形の孔をあけた形状となっている。しかし
この薄肉部５３．５３’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５
２上の０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ＭＹ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＃！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っ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Ｆ２　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６図の平板状たわみ
梁４０自体は力Ｆ２　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Ｆ２　に対して第５図（Ｃ）に示すように薄肉１！Ｓ
５３が伸張し薄肉部５６′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、それに伴って薄肉部
５３．５３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。したがって、こ
の変形に要する力Ｆ２　は非常に大きくなる。すなわち
放射平板構造５４は力Ｆ２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ＭＸに対する
変形に対応する変形、すなわち薄肉部５３．５３’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
とによってモーメントＭＸ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ＭＸ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５５，５６５７．５８
ｅ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資することができるのは前述
のとおりである。なおりＦＸ、ＦＹおよびモーメントＭ
２　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０以上のことから、第５図の放射平板構造５４はモーメン
トＭＹ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ったすなわち、この放射平
板構造５４は、任意の荷重の中からＭＹ戎分のみを検出
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゜５７．５８
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ＭＹが加わった
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ＭＹ　と同時に力Ｆｘ、ＦＹ、Ｆ２　およびモ
ーメントＭｘ、　Ｍ２が作用した場合、放射平板構造５
４は前述のように力ＦＦ　　　モーメントＭ２　に対し
ては本質的Ｘ　ｌ　　　ｙ　＋に剛なので問題がないが、力Ｆ　、モーメントＭｘに対
してはわずかながら変形する。モーメントＭＸ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、カＦ２　　に対してはわずかに！　５１Ｗ　（ａ
）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ッジ回路を構成すれば、モーメン
トＭＹに対する変形による歪が拡大され、カＦ２　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ＭＹ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。もしもそれが鈍角であ
るならば、モーメントＭＸ２Ｍ２ソ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ＭＸ、　Ｍ２　　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５６５３′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６ｖ！Ｊ（α）乃至（祷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（α）乃至（
６）に示す平行平板構造および第５図（α）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
しである。第６図（α）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２軸方向のカＦ２　
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は放射平板構造ご示し、この放射平
板構造５９の基準軸にのまわりにモーメントＭＹが作用
したときの変形が第６図（祷に示されている。第＠４図
（α）および第５図（α）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（α
）、（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（α）においては平行平板構
造４４の基準軸にの定義が不明確であったが、第６図（
α）ではそれが明確になる。すなわち基準軸には可動部
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（α）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軸カセンサ、即ち、Ｘ軸、Ｙ軸、２
軸についての６力およびモーメントＰ検出するセンサに
ついて説明する。

第７図は６軸カセンサの斜視図である。この図に示され
る６軸カセンサは概略５つの応動部Ａ。

Ｂ、Ｏ，Ｄ、Ｅで構成されている。即ち、Ｃはこの６軸
カ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０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６の応動部、Ｉは中
心応動部Ｃから第３の応動部り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、Ｏ。

Ｄ、Ｅにより、この６軸カセンナの主要部の全体構造は
直交する十文字状の構造となる。７１α。

７’Ｉｂ、７１ｄ、７１ｇ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７１α、７１ｂ
と結合されている（突出端部７１ｄ、７１ｇ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の応動部りおよび第４の応動部Ｉの突出端部７１
ｄ。

７１ｇと結合されている（突出端部７１α、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、Ｏ，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軸カセンナの中心点（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、Ｅの方向の座標軸をＹ軸筒３．第４の応動部り
、Ｈの方向の座標軸をＸ軸Ｙ軸およびＹ軸に直交し中心
応動部Ｃｔ−貫通して延びる座標軸を２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７１α側から中心応動
部０に向かって順に平行平板構造７４Ａ７Ｘ放射平板構
造７５ＡＭＸおよび放射平板構造７５ＡＭ２で構成され
ている。平行平板構造７４　ＡＸＰＸＧ１２軸方向に貫
通する方形孔７６によっ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（α）に示す薄肉部４３．４３’に相当する。さぎの
平行平板構造の説明力）ら判るように、この平行平板構
造７４　Ａ、ＸにＸ軸方向の力の成分Ｆ　が作用すると
、薄肉部７７．７７４ま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
’の根本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、２軸方向の力
の成分＜Ｙ軸、Ｙ軸、２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、平行平版構造７４
ＡＦＸ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７５ＡＭＸはＸ軸方向に貫通する台形孔７
８によって形成された放射状の薄肉部７９゜７９′を有
する。これら各薄肉部７９．７９’Ｇま第５音Ｃ／１）
に示す薄肉部５３．５６′に相当する０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７５
ＡＭＸにＹ軸まわりのモーメントＭＸ　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ＭＸが検出される。放射平板構造７５ＡＭＸ
はモーメントＭＸ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
７５ＡＭ□は２軸方向に貫通する台形孔８０によって形
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（α）に示す薄肉部５３．５３’
に相当する。放射平板構造７５ＡＭｚに２軸まわりのモ
ーメントＭ２　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Ｍｚ　が検出さ
れる。放射平板構造７５ＡＭ２はモーメントＭ２　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７４　ＡＩＦＸ、　７５Ａ
ＭＸｒ　７５　ＡＭＺ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封子板構
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ＦＸであることを、文字ＭＸは選択的に感
応するものがＸ輪まわりのモーメントＭ工であることを
、文字ＭＺは選択的に感応するものが２軸まわりのモー
メントＭｚ　であることを示している。以下、各応動部
の各構造には、これにしたがって符号が付されている。

次に、中心応動部０の構造について説明する。

中心応動部Ｃの中心には、２軸方向に孔８２が貫通形嘱
されている。又、＠１〜第４応動部Ａ−Ｆｌ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に向かって貫通する方形孔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７
４０．ｚが構成されている。平行平板構造７４０ＩＰ、
に２軸方向の力の成分Ｆ２　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Ｆ２　が
検出される。平行平板構造７４０７ｚは力Ｆ２　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０に向か
って順に平行平板構造７４　ＥＩＰＸ。

放射平板構造７５ＢＭＸ、７５ＢＭ２Ｆ有する。又、第
３の応動部りの構成は、その突出端部７１ｄから中心応
動部Ｃに向かって順に平行平板構造７４ＤＡＹ　’放射
平板構造７５ＤＭＹ１７５ＤＭ２を備えたものとなって
いる。さらに、第４の応動部Ｅの構成は第３の応動部り
の構成と対称する構成であり突出端部７１ｇ＋から中心
応動部Ｃに向かって順に平行平板構造７４　Ｅ、Ｙ、放
射平板構造７５ＥＭＹ。

７５１Ｍ２を備えたものとなっている。これら各平行平
板構造７４Ｅ、Ｘ、７４Ｄ、Ｙ、７４Ｅアアおよび各放
射平板構造７５ＢＭｘ、７５ＢＭ２，７５ＥＭＹ。

７５ＥＭ２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。

Ｂ１中心応動部Ｃ１第６．第４応動部り、Ｂおよび下部
環状体７５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−１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、２軸方向の力の部分Ｆ　、ＦＹ、Ｆ２および
Ｘ軸、Ｙ軸、２軸まわりのモーメント成分Ｍ工、Ｎｉ工
９Ｍ２　を検出する。

ここで、作用した荷重のうち、Ｘ軸方向の力の成分ＦＹ
のみに注目すると、力１゛７は上部環状体７２から＠１
　、　！２の応動部Ａ、Ｂに伝達されるしかしながら、
力ＦＹによっては平行平板構造７４Ａアエ、７４Ｂアエ
、放射平板構造７５ＡＭＸ。

７５ＡＭ７．７５ＥＭＸ、７５ＥＭｚは変形されず、力
ＦＹ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７４０Ｐ２は力ＦＹによって変形され
ず、これをそのまま第３．第４の応動部り、Ｅに伝達さ
れる。伝達された力Ｆｖは、放射平板構造７５ＤＭ２，
７５ＥＭ２．７５ＥＭＹ、７５−エを経、これらを変形
することなく平行平板構造７４Ｄアエ、７４ＥＩＰＹに
伝達される。これら平行平板構造７４Ｄ？工、７４Ｅ、
Ｙは力ＦＹ、により、これに応じた大きさ、方向に変形
し、力ＦＹを検出する。平行平板構造７４ＤＦＹ、７４
Ｅアエを変形した力ＦＹは下部環状体７６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軸カセンナを用いたロボットの
一部側面図である。図で、９０は第７図に−示す６軸カ
センサ、９１はロボットのアーム、９２はアーム９１先
端に設置されたハンド、９６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軸カセンサ９０が配置されてい
る。即ちアーム９１は６軸カセンサ９０の下部環状体７
３に剛性をもって連結され・又、／・ンド９２は６軸カ
センサ９０の上部環状体７２に剛性をもって連結されて
いる。第７図に示す６軸カ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、２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９２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軸カ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）によって発生するひずみ出力（
干渉出力）はブリッ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軸カ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
ｌその作用点から検出部までの距離を１１、検出部に作
用する力をｒとすると、Ｍ■　／−Ｆが我り立つ。つまり、ある大きさのモーメントＭが作用
した場合、検出部に生じる力！は距離７′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。したがっ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１点から第７図に示す６
軸カセンサをみると、各検出部は中心部に集合する構成
となっているので、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軸カ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９６を把持したとき、６軸カセ
ンサ９０に作用するモーメントは力Ｆが大きいほど、又
、２軸方向の距離ｌが大きいほど大きくなる。したがっ
て、６軸カセンサ９０の破損を防ぐため、把持し得るワ
ーク９３の重量には６軸カセンサ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軸カセンサ９０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９１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９１の基部で出し得る最大モーメント
は決っているので、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軸カセンサ９ｏの厚さは直
接ロボッ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９３を把持する場合の位置合わせ等
ロボッ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、当該機構の性能を同上さ
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！ｖＪ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な設けたことを特徴とする特〔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０第１図は本発明の実施例に係る６軸カセンサの斜視図で
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
軸カセンサと第７図に示す６軸カセンサとが異なる第１
の点は、第７図に示す６軸カセンサが、そ゛の上部環状
体７２を応動部Ａの突出端部７１α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＠）シ、かつ
、その下部環状体７３を応動部りの突出端部７１ｄの下
面および応動部Ｅの突出端部７１ｇの下面に固定（一体
形＠）シているのに対し、本実施例は、その上部環状体
９５を応動部Ａの突出端部７１α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）シかつ、そ
の下部環状体９７５Ｆ一応動部りの突出端部７１ｄの外
面および応動部１の突出端部７１ｇの外面に固定（一体
形成）シている点である。又、相異点の第２は、第７図
に示す６軸カセンサの検出部の位置が中心に寄っている
のに対して本実施例の６ＩＩＩｊＩカセンサの検出部の
位置は外側に寄っている点である。

上部環状体９５を突出端部７１α、７１ｂの外側に固定
（一体形成）シ、下部環状体９６を突出端部７１ｄ、７
１ｇの外側に固定（一体形ｖ：、）シたため、各応動部
Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｆｉ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２軸方向の
寸法が減少し６軸カ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Ｓ６第２図（α）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である
。今、応動部Ａにおける平行平板構造７４　Ａ、Ｘにつ
いてみると、第２図（α）に示す平行平板構造７４ＡＦ
Ｘの２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７４ＡＦＸは、上部環状
体９５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、＃ｉ２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７４　Ｂ、Ｘ。

７４Ｄ、Ｙ、７４１アエ、放射平板構造７５ＡＭＸ。

７５ＢＭＸ、７５ＤＭＹ、７５ＥＭＹ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（α）に示す６軸カセンサと比較して、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、したがって、干渉変形、干渉出力
の発生を低減させることができ６軸カセンサの精度を大
幅に向上させることかで弁ろへ次に、６軸カセンサの２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。したがって、ワー
ク９３により６細カセンサ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、ロボットが把持てきるワーク９３の制限重量をその
分だけ増加させることができ、ロボットの機能は増大す
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Ｔることができ、さらに、ロボットの動作も容易と
なってこの面からもロボッ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軸カ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校したので
、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、ざらに又、ロボットの動作を容
易とすることができる。

なお、上記実施例の説明では、６軸カセンサについて説
明したが、応動部が十文字状の構造２有するものであれ
ば、６軸カ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ットに使用した例につ
いて説明したが、ロボット以外の機械、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、干渉出力を一低減すること
ができ、又、本発明の多軸力センナ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軸カセンサの斜視図、
第２図（α）、（ｂ）は６軸カセンサの平面図、＃Ｉ３
図は平板状たわみ梁の斜視図、第４図（α）、（ｂ）（
６）は平行平板構造の側面図、第５図（α）　、　−（
ｂ）　、　（ｃ）・は放射平板構造の側面図、第６図（
α）　、　（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軸カ
センサの斜視図、第８図は第７図に示す６軸カセンサを
用いたロボットの一部側面図である。７１α、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ・・・突出端部、９５
・・・上部環状体、９６・・・下部環状体、Ａ、Ｂ。０、Ｄ、Ｅ・・・応動部。第１図第２図（ａ）Ｆ。第４図（ｂ／　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（ｃ〕第５図（ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（ｃ）第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

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。