JPS6179129A - ６軸力センサ - 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〕 本発明は力制御が行われるロボットの手首等に用いられ
る簡易な構造で汎用性の高い６軸力センサに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

力制御が行われるロボットの手首部分には、一般にそこ
に加わる力を計測する為の６軸力センサが設けられる。

この６軸力センサは、例えばロボット・ハンドの軸方向
を２軸とした（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の直交座標系の各軸方向に
おける横方向荷重（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ　）と、上記各軸
方向回りの捩りモーメント（Ｍｘ、ｔＶｌｙ、ＭＺ　）
をそれぞれ計測するものである。

しかして従来にあっては、上記８力（荷重、モーメント
）をそれぞれ独立に計測するべく、成る軸方向に対する
作用力を相殺したり、または殆んど無視できるように複
数の歪ゲージを工夫して配置して６軸力センサを構成し
ている。この為、６軸力センサ構造が複雑化することの
みならず、大型化し、その汎用性に欠けると云う不具合
を有している。しかも、上記作用力に対して歪が生じ易
いように柔構造を採用することが多く、この点でも構造
の複雑化を招来する等の問題があった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、構造が簡単で汎用性の高い６軸
力センサを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は肉薄中空円筒体の周面の周方向に互いに独立な
位置に、例えば上記周方向を６等分する位置に６つの歪
ゲージをそれぞれ貼付し、例えば３つづつ２組に分けた
第１の歪ゲージ群で検出された各歪量から肉薄中空円筒
体の円筒軸方向回りの捩りモーメントと上記円筒軸方向
に直角な２つの軸方向の横荷重を求め、これらの２つの
軸方向の横荷重と第２の歪ゲージ群で検出された各歪量
とから前記円筒軸方向の荷重と前記円筒軸方向に直角な
２つの軸方向回りの捩りモーメントをそれぞれ求めるよ
うにしたものである。

また上記各歪ゲージの感受方向を、前記肉薄中空円筒体
の軸方向に対して０”　＜α＜４５°の範囲となるよう
に傾けて肉薄中空円筒体の周面に貼付することによって
各歪ゲージの歪量から簡単な計算によって前記各軸方向
荷重と各軸捩りモーメントを一括して求めるようにした
ものである。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、肉薄中空円筒体の周面に６つ
の歪ゲージを貼付した簡単な構造で、しかも上記６つの
歪ゲージの各出力から簡単な計算によって上記肉薄中空
円筒体の両端間に加わった力による各軸方向の荷重とそ
の軸捩りモーメントを求めることができる。しかも、構
造が簡単でその剛性を高くすることができ、大きさ、容
量取付は構造を任意に設定することができる。

従って従来のように、成る方向に対する作用力を相殺す
る等の工夫が必要なくなり、構造の簡単化を図ってその
剛性を高くすることができる。またその大きさ、容１１
取付は構造を任意に設定することができ、その汎用性を
高めることが可能となる。また各歪ゲージの感受方向を
肉薄中空円筒体の軸方向から傾けて貼付すると云う簡易
な構成を採用することによって、その計算の大幅な簡略
化を図り得る等の実用上絶大なる効果を奏する。

（発明の実施例〕 以下、図面を参照して本発明の実施例につき説明する。

第１図は実施例に係る６軸力センサの概略構成を示すも
ので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）はその横断面図、（
Ｃ）は平面図である。

肉薄中空円筒体１はその両端部にフランジ２．３を有し
、これらの各フランジ２．３を介してロボットの手首部
等の力検出部に取付けられるものとなっている。そして
、上記肉薄中空円筒体１は、その両端間に加えられる力
に応じてその筒部に歪を生起するものとなっている。尚
、図中２ａ、　３ａは上記各フランジ２．３を力測定部
位に取付ける為のボルトが挿通される孔である。

このような肉薄中空円筒体１の筒部周面には、その周方
向を６等分して６つの歪ゲージ４ａ、　４ｂ。

〜４ｆが貼付されている。これらの各歪ゲージ４ａ。

４ｂ、〜４ｆは、上記肉薄中空円筒体１の両端間に加え
られた力に応じてその筒部に生起された歪を、その貼付
位置に応じて相互に独立に検知し、その歪量に応じた出
力を得るものである。

このような構成の６軸力センサを、例えば前記フランジ
２の中心部を座標原点とし、且つ円筒体１の軸方向が２
軸となるように直角座標系（Ｘ。

Ｙ、Ｚ）を設定して測定部位に取付けた場合、上記肉薄
中空円筒体１の両端間に加わった力によって肉薄円筒部
に作用する応力は、上記座標系の各軸方向における横方
向荷重（Ｆｘ、Ｆｙ、ＦＺ　）と、上記各軸方向回りの
捩りモーメント（Ｍ　ｘ、Ｍ　ｙ。

Ｍｚ　）とからなる６つの力成分として表現することが
できる。

ここで今、円筒部のＸ軸からθの角度をなす微小要素つ
いて考えた場合、第２図に示すようにその電点Ａに作用
する応力は、軸方向応力σ　と剪断力τ　　となる。但
し、上記点Ａには内外圧がθ２ 作用しないので、その周方向応力σθは常に零である。

しかして上記軸方向応力σ、は、前記角度θに関して前
記６軸の各力成分から次のように表現することができる
。

σＴ、（θ）−Ｆｚ／Ａ ＋　（（Ｍｘ−Ｆｙ　Ｊ２　）　−５ｉｎθ−（Ｍｙ−
Ｆｘ　ｇ）−ｃｏｓθ）／Ｚ尚、上式においてＡ、Ｚは
前記肉薄中空円筒体１の断面積と断面係数であり、２は
フランジ２からの距離である。また剪断応力τθ２　は
、その角度範囲に応じて次のように表現することができ
る。

τθ２（θ）　−ＭＺ　／ｒＡ ＋（ＦＶｃｏｓ’θ−１”ｘｓｉｎ”θ）／πｒｔ・・
・　（０≦θ≦π／２　） τθ７（θ）　−Ｍｚ　／ｒＡ −（Ｆｙｃｏｓ　　θ＋Ｆｘｓ＋ｎ　　θ）　　／７ｒ
　ｒ　ｔ・・・　（π／２　≦θ≦π） τθ２（θ）　−ＭＺ　／ｒＡ −（１”ｙｃＯ３θ−Ｆｘｓ＋ｎ　　θ）　／７ｒ　ｒ
　ｔ・・・　（π≦θ≦　３π／２　） τ、２（θ）　−ＭＺ　／ｒＡ ＋（Ｆｙｃｏｓ　　θ＋Ｆｘｓ＋ｎ　　θ）　／πｒ　
ｔ・・・　（３π／２　≦θ≦　２π） 但し、ｒ、ｔは円筒部の平均半径とその肉厚である。

従って、前記各歪ゲージ４ａ、　４ｂ、〜４ｆのうち、
例えば３つの歪ゲージによって前記円筒部の３か所（θ
１．θ１．θ３　）での剪断応力（歪量）のみを検出す
るようにし、これらの３か所における各剪断応力の値を
用いれば、上記剪断応力に関する３元３次の連立方程式
の解析によって２軸方向の回すモーメントＭｚ　、ｘ軸
およびｙ軸の横方向荷重Ｆ　ｘ、　Ｆ　ｙをそれぞれ算
出することが可能となる。

そして、残された３つの歪ゲージによって前記円筒部の
３か所（θ４．θ３．θ６　）における軸方向応力σ２
　（θ）のみをそれぞれ検出するようにし、これらの各
位置における軸方向応力σ、（θ）と、上記の如く求め
られたＸ軸およびｙ軸の横方向荷重Ｆ　ｘ、　Ｆ　ｙの
多値（既知）とから、前記軸方向応力に関する３元３次
の連立方程式を解析すれば、ｚ軸方向の横方向荷重Ｆｚ
、ｘ軸およびｙ軸の軸方向回りモーメントＭｘ、Ｍｙを
それぞれ算出することが可能となる。

尚、この場合、垂直応力のみによる歪は、Ｅを縦弾性係
数として ε２　（θ）−σ２（θ）／Ｅ として求めれば良い。また、剪断応力に関しては、Ｇを
横弾性係数として４５°方向に生じる垂直歪εｒ　（θ
）−τθ２（θ）／２Ｇ として求めるようにすれば良い。しかし、この際、歪ゲ
ージの感受方向を単純に４５°傾けて前記円筒部の周面
に貼付したのでは、前述した式に示されるよう、に軸方
向歪の成分を含む力成分を検出してしまうので、例えば
直交ゲージを用いた２ゲージ法で上記軸方向歪成分を相
殺して上記剪断応力を求めることが必要である。

またこのようにして直交ゲージを用いて剪断応力を検出
する場合、温度補償効果があり、同時に歪を２倍に拡大
して検出することができる。このような２ゲージ法の性
質を有効に利用して、前述した軸方向歪の測定を行うに
際しても、同様に直交ゲージを用いてその温度補償を行
い、歪を拡大して検出するようにすれば効果的である。

但し、直交ゲージを用いて検出される軸方向歪の拡大率
はポアソン比をνとして、（１＋ν）で与えられる。

尚、更に検出感度を高める為には、前記円筒部の内外面
にそれぞれ直交ゲージを貼付して４ゲージ法で歪測定を
行うようにすれば良い。この場合、上記２ゲージ法に比
較して２倍の検出感度を得ることが可能となる。

このように本実施例に係る６軸力センサによれば、肉薄
中空円筒体の周面に貼付された６つの歪ゲージの出力に
よって、上記肉薄中空円筒体１の両端間に加えられた力
を評価するに必要な６つの力成分（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、
Ｍｘ、ＭＶ、Ｍｚ　）を効果的に算出することができる
。しかも６軸力センサ自体は、肉薄中空円筒体の周面の
互いに独立した位置に６つの歪ゲージを貼付した簡易な
構造である。

故に、その剛性を十分高くすることができ、またその大
きさ、容量、取付は構造等を自由に設定することができ
る。従って、その汎用性を非常に高くすることが可能と
なる等の実用上多大な効果が奏せられる。

ところで、前述したように軸方向応力および剪断応力に
よる歪を計測することによって、必要な力成分（Ｆｘ、
Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ　）を求めることが可能
であるが、歪ゲージによって軸方向応力だけによる歪、
または剪断応力だけによる歪を検出することは直交ゲー
ジの貼付方向を厳密に設定しなければならないので、実
際上置しい。尚、従来にあっては、直交ゲージの貼付方
向を厳密に設定することは勿論のこと、更に１つの力成
分のみを単独で検出する為の工夫が種々施されている。

従って、以下に説明するように６つの歪ゲージに、それ
ぞれ上記６つの力成分による歪が故意に含まれるように
し、これらの各歪量から一括して上記６つの力成分を測
定するようにすることが実際的である。

即ち、歪ゲージの感受方向を第３図に示すように円筒部
の軸方向に対してαだけ傾けて円筒部周面にそれぞれ貼
付するようにする。

このようにすれば直交ゲージの２つの出力ε１ａ。

ε１ｂは εＩａ−ε２　（θ）　　（ｃｏｓα−ν　ｓｉｎα）
＋εｆ　（θ）　　（ｃｏｓ（π／４−α）−ｓｉｎ（
π／４−α））＋εΔア ｇｌｂ−１：２（θ）　　（−１，＋　００３（Ｚ　＋
　５ｒｎＣｔ　）＋ετ　（θ）　　（５ｉｎ（π／４
−α）−ＣＯＳ（π／４−α））＋εΔ１ となり、上記軸方向応力と剪断応力とによる歪をそれぞ
れ含んだものとなる。但し、上記εΔアは温゛　　度変
化による歪である。ちなみに、上述した軸方向応力だけ
を求める場合には、上記角度αを（０°）とすれば良く
、また剪断応力だ・けを求める場合には上記角度αを（
４５°）とすれば良い。

しかして、直交ゲージの出力が前述したように６２　（
θ）−σ２　（θ）／Ｅ εＴ　（θ）−τ、２（θ）／２Ｇ で示されることから、前記軸方向応力および剪断応力に
関する条件を上式に代入すれば、互いに独立な６つの歪
ゲージの各出力（ε１．ε２．ε３．ε４゜ε５．ε６
　）と前記６つの力成分（１：　ｘ、　Ｆ　Ｖ、　Ｆ　
Ｚ。

Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ　）との間に （ε１．ε２．ε３．ε４．ε５．ε、）１−　ＣＢ）
　”　（ＦＸ、ＦＶ、ＦＺ、ＭＸ、ＭＶ、ＭＺ　）ｔな
る線形な関係式を得ることが可能となる。但し、（８）
は（６ｘ６）の係数行列であり、その要素は、例えば単
独の力成分による較正によってそれぞれ求められる。

このようにすれば、円筒部の６か所にそれぞれ独立に貼
付された６つの歪ゲージの各出力から、必要な力成分（
Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ　）を簡単な行列
式計算によって一括して求めることが可゛能となる。し
かも、各歪ゲージにあっては、軸方向応力または剪断応
力のみを単独で検出できるような工夫を施す必要がない
ので、センサ構造を大幅に簡略化することが可能となる
。故に、先に説明した実施例以上にその汎用性を高める
ことが可能となる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではない
。実施例では２ゲージ法を基本として説明したが、４ゲ
ージ法で６軸力センサを実現することも可能である。ま
た６つの歪ゲージの貼付位置は、その独立させた効果が
顕著に現われるように円筒部周方向を６等分する位置と
して定めたが、その周方向位置が相互に異なっておれば
良いものである。その他、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る６軸力センサの概略構成
を示す図、第２図は歪測定の原理を説明する為の図、第
３図は歪ゲージチ感受方向とその貼付方向との関係を示
す図である。 １・・・肉薄中空円筒体、２，３・・・フランジ、４ａ
、　４ｂ。 〜４ｆ・・・歪ゲージ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）肉薄中空円筒体と、この肉薄中空円筒体の周面の
   周方向に互いに独立な位置にそれぞれ貼付された６つの
   歪ゲージとを具備し、これらの各歪ゲージで検出される
   歪量から前記肉薄中空円筒体の両端間に加えられた力に
   よる各軸方向荷重と各軸曲げモーメントを計測してなる
   ことを特徴とする６軸力センサ。
2. （２）６つの歪ゲージは、肉薄中空円筒体の周面の周方
   向を６等分する位置にそれぞれ設けられるものである特
   許請求の範囲第１項記載の６軸力センサ。
3. （３）各歪ゲージは、肉薄中空円筒体の軸方向に対して
   その感受方向を０°＜α＜４５°なる角度範囲で傾けて
   上記肉薄中空円筒体の周面に貼付されるものである特許
   請求の範囲第１項記載の６軸力センサ。
4. （４）６つの歪ゲージは、３つづつ２組の歪ゲージ群を
   なし、第１の歪ゲージ群で検出された各歪量から肉薄中
   空円筒体の円筒軸方向回りの捩りモーメントと上記円筒
   軸方向に直角な２つの軸方向の横荷重を計測し、これら
   の横荷重と第２の歪ゲージ群で検出された各歪量とから
   前記円筒軸方向の荷重と前記円筒軸方向に直角な２つの
   軸方向回りの捩りモーメントをそれぞれ計測してなるも
   のである特許請求の範囲第１項記載の６軸力センサ。