JP6553700B2 - 力検出装置およびロボット - Google Patents

Description

本発明は、力検出装置およびロボットに関する。

ロボットなどの各種装置には、装置に加わる力を検出するための力検出装置（以下、力センサとも呼ぶ）が用いられる場合がある。このような装置に加わる力を検出する力センサとして、構造が簡単な６軸センサが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−７４９６９号公報

力センサを装置に取り付けたときに、力センサが装置に取り付けられた場所の歪みや表面のうねりなどの影響により力センサ自体が歪んでしまうと、この歪みの影響による誤差を力センサが検出してしまい、装置に加わる力を正確に検出できないおそれがある。

また、力センサの検出精度を高めるために、力センサの取付時に被取付部の歪み等により力センサ自体が歪むことを防ぐ目的で、力センサが高剛性の別部品を介して被取付部に取り付けられている場合がある。この場合、高剛性の別部品が比較的大きくかつ重い部品になるため、力センサを取り付ける位置が、重量物に耐えられる設置環境に限定されてしまう。

特許文献１には、構造が簡単な６軸センサが開示されているものの、６軸センサのような力センサの取り付け時に被取付部の歪みや表面のうねりなどによって発生する力センサの検出誤差については記載されていない。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、取り付ける場所の歪みの影響を受け難い力検出装置およびロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、設置面に取付けられる設置部材と、該設置部材の上面に固定された力センサ本体とを備え、前記設置部材が、水平な前記設置面に取付けられる場合、その上端側に前記上面を有すると共に、少なくとも水平方向に延びる板状又は鍔状の第１部分と、該第１部分の下面側から少なくとも下方に延びる第２部分と、該第２部分から少なくとも水平方向に延び、前記設置面に固定される第３部分とを備え、前記第１部分と前記第３部分との間に上下方向の隙間が形成されている力検出装置を提供する。

本態様によれば、第２部分が第１部分から下方に延びると共に、第３部分が第２部分から水平方向に延び、設置面に固定される第３部分と、力センサ本体が固定される第１部分との間には、上下方向に隙間が形成されている。そのため、前記隙間が存在する分だけ第３部分から第１部分までの力の伝達経路が長くなる。つまり、設置面に固定された第３部分で発生する応力は、前記隙間があることにより第１部分に伝わり難い。これにより、第３部分が取り付けられる設置面における歪みや表面のうねりなどによって発生する応力が力センサ本体に及ぼす影響を小さくでき、検出精度が向上した力検出装置を実現できる。また、事前の設置面の歪みの除去や、力検出装置を取り付けるための高剛性の別部品が不要になる為、力検出装置を取り付けるためのコストを抑えることができる。

上記態様においては、前記第３部分における、前記第２部分の上下方向に延びる中心軸線回りの周方向所定位置に、前記設置面への固定用の複数の締結用孔が設けられ、前記周方向所定位置において前記第３部分と前記第１部分との間に前記隙間が形成されていてもよい。
このようにすれば、第２部分の中心軸回りの周方向における所定位置で第３部分と設置面とが締結用孔に挿入した締結具により固定され、第２部分の中心軸回りの周方向所定位置において第３部分と第１部分との間に隙間が形成される。これにより、固定された設置面の歪みや表面のうねりによって発生する応力が力センサ本体に及ぼす影響をより小さくできる。

上記態様においては、複数の前記締結用孔が、前記第３部分における外形輪郭付近に設けられていてもよい。
このようにすれば、第３部分において設置面を固定する締結用孔から力センサ本体までの距離が大きくなるため、設置面における歪みや表面のうねりなどにより発生する影響を力センサ本体が受けづらくなる。

上記態様においては、前記中心軸線から前記第２部分の外周面までの距離の内、前記締結用孔のそれぞれから前記中心軸線までを結んだ方向に沿った距離が、他の部分の距離よりも小さくなるように前記隙間が形成されていてもよい。
固定された設置面の歪みや表面のうねりによって発生する応力による力センサ本体への影響は、応力の伝達距離が長いほど小さくなる傾向がある。この態様では、第２部分の外周面から締結用孔までの距離が長くなるように前記隙間が形成されており、その結果、設置面から第１部分までの応力の伝達距離が長くなるため、設置面で発生する応力が力センサ本体に及ぼす影響をより小さくできる。

上記態様においては、前記水平方向において、前記第３部分が、前記第１部分よりも内側に位置してもよい。
このようにすれば、水平方向に沿った第３部分の大きさが第１部分よりも小さくなり、力検出装置の設置面積を小さくできる。これにより、隙間によって設置面に固定される第３部分から第１部分までの応力の伝達距離が長くなっているため、応力が力センサ本体に及ぼす影響を小さくしつつ、力検出装置の小型化が可能になる。

上記態様においては、前記隙間が、前記第２部分の全周にわたって形成されていてもよい。
このようにすれば、締結孔が多数ある場合でも、全ての締結孔に対して第１部分までの応力伝達距離が長くなるため、応力が力センサ本体に及ぼす影響を小さくできる。

上記態様においては、前記第３部分下面のうち、前記設置面に固定される際に前記設置面に接触する接触面が、他の部分よりも下方に配置されていてもよい。
このようにすれば、第３部分において、接触面が設置面に接して、他の部分が設置面とは接触しない。そのため、第３部分における接触面以外の部分が設置面の歪みや表面のうねりによって発生する応力を受けずに済み、第３部分から伝達して力センサ本体に及ぼす応力の影響をより小さくできる。

上記態様においては、前記第１部分上面のうち、前記力センサ本体に固定される際に前記力センサ本体に接触する接触面が他の部分よりも上方に配置されていてもよい。
このようにすれば、第１部分において、接触面が力センサ本体に接して、他の部分が力センサ本体とは接触しない。そのため、第１部分における接触面以外の部分における歪みや表面のうねりによって発生する応力を力センサ本体に伝達せずにすみ、第１部分が力センサ本体に及ぼす応力の影響をより小さくできる。

上記態様においては、前記力センサ本体が、力を検出可能な力検出器と、該力検出器を覆うフレームとを備え、前記力検出器が、前記設置部材に一体で形成されていてもよい。
このようにすれば、力検出器と設置部材とを一体化できるため、力検出装置の製造コストが低減する。

また、本発明の他の態様は、上記態様の力検出装置を備えるロボットを提供する。

本態様によれば、ロボットに取り付けられた力センサ本体がロボットに加わる力を検出する。このロボットでは、力検出装置が固定された設置面の歪みや表面のうねりによって発生する応力の影響が小さいため、検出された力における誤差が少ない。

本発明によれば、取り付ける場所の歪みの影響を受け難い力検出装置およびロボットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るロボットの概略図である。 力センサ本体のフレームに内蔵される力検出器の一例の斜視図である。 力検出装置の斜視図である。 力検出装置の正面図である。 力検出装置をロボットの先端側から見た図である。

本発明の実施形態に係る力検出装置２０を備えるロボット１０について、図面を参照しながら以下に説明する。
図１は、本実施形態に係るロボット１０の概略図である。本実施形態のロボット１０は、モータで駆動する複数の関節軸を有する垂直多関節型ロボットである。ロボット１０は、先端に作業に応じたツールＴＬが取り付けられるものである。本実施形態では、図１に示すように、ロボット１０は、床部Ｌに固定されたロボット本体１４と、ロボット本体１４の先端面（設置面）１４ａに取り付けられた力検出装置２０とを備えている。力検出装置２０におけるロボット本体１４に接続している側とは反対である先端側にツールＴＬが取り付けられているため、力検出装置２０は、ツールＴＬに加わる力を検出できるようになっている。

力検出装置２０は、ロボット本体１４の先端面１４ａに取り付けられる設置部材２５と、設置部材２５の先端側に取り付けられた力センサ本体１２と、力センサ本体１２の先端側に取り付けられる取付板１３とを備えている。力センサ本体１２には、外力に起因する力センサボディの歪みを検出する歪検出器、例えば電気抵抗式歪ゲージが備えられている。力センサ本体１２は、図１に示す外側のフレーム１２ｆと、図１では図示していないフレーム１２ｆに内蔵される力検出器３０（図２）とを有している。力センサ本体１２は、一例では、歪検出器の出力信号に基づいて力センサボディに加わった力の大きさおよび方向を算出する６軸センサである。

図２に、力センサ本体１２のフレーム１２ｆに内蔵される力検出器３０の一例を示す。本実施形態で用いられる力検出器３０は、外力を受けて歪む被歪体である円筒状の力センサボディ３１と、力センサボディ３１に固定された複数の歪検出器（図示せず）とを具備する。なお、力検出器３０によって検出される外力には、トルクまたはモーメントなども含まれる。

図３には、力検出装置２０の斜視図が示され、図４には、力検出装置２０の正面図が示されている。なお、図３および図４では、設置部材２５の上下方向は、力検出装置２０が取り付けられた先端面１４ａに垂直な方向として定義され、設置部材２５の先端側が設置部材２５の上側であり、設置部材２５が先端面１４ａに接触する基端側が設置部材２５の下側であると定義され、また、前記上下方向に直交する方向が設置部材２５の水平方向であると定義されるものとする。仮に先端面１４ａが斜め方向に延びる場合、鉛直方向に延びる場合等であっても、当該定義が適用されるものとする。つまり、設置部材２５を水平な設置面に設置した際の上下方向および水平方向が設置部材２５の上下方向および水平方向として定義される。

設置部材２５は、鋳物を加工することで成形されている。なお、設置部材２５は、金属ブロックから削り出しで作成されてもよいし、その他の方法で作成されてもよい。設置部材２５は、製造コストを抑えるために１つの部品として作られていてもよい。設置部材２５は、図３に示すように、力センサ本体１２が固定された固定面（上面）を有し、少なくとも水平方向に延びる円板状の第１部分１５と、第１部分１５の下面側から少なくとも下方に延びる第２部分１６（図４）と、第２部分１６から少なくとも水平方向に延び、ロボット本体１４の先端面１４ａに固定される第３部分１７とを備えている。図４に示すように、第１部分１５と第３部分１７との間には、上下方向の隙間ＳＰが形成されている。換言すると、第２部分１６には、第１部分１５および第３部分１７と比較して、水平方向に沿って径が小さくなっているくびれが形成されている。なお、本実施形態では、くびれ、すなわち隙間ＳＰは、中心軸ＯＬ回りに全周にわたって形成されている。

取付板１３は、上面から見た場合に矩形状であり、４隅にボルトを挿入するための第１ボルト孔１３ｃが形成され、第１ボルト孔１３ｃに挿入されたボルトによりツールＴＬが取付板１３の上面１３ａに固定される。

図３に示すように、第３部分１７において、第２部分１６を含む設置部材２５の上下方向に延びる中心軸ＯＬ回りの周方向所定位置に、ボルトＢＴ１が挿入されるための４つの締結用孔１８ａが形成されている。図３および図４に示すように、各締結用孔１８ａは、中心軸ＯＬを中心とする同一円周上に、第１部分１５よりも水平方向に沿って外側に設けられている。本実施形態の各締結用孔１８ａは、第３部分１７における外形輪郭付近に設けられている。なお、第３部分１７における外形輪郭付近とは、中心軸ＯＬと第３部分１７における外形の端部とを結んだ直線の中点よりも外側のことをいう。図４に示すように、締結用孔１８ａに挿入されたボルトＢＴ１が、ロボット本体１４の先端面１４ａに形成されたボルト孔に締結することで、第３部分１７を含む設置部材２５が先端面１４ａに固定される。

図４に示すように、締結用孔１８ａを形成する部分は、第３部分１７の他の部分と比較して、下方向に延びるように形成され、当該部分の下側の接触面が先端面１４ａに接触している。そのため、第３部分１７が先端面１４ａに対向する第３部分１７の底面１７ａにおいて、締結用孔１８ａが形成されている部分以外の部分は先端面１４ａに接触していない。また、図４に示すように、水平方向において、第２部分１６が第１部分１５よりも内側に位置している。これにより、上下の隙間ＳＰを利用しているので、第３部分１７の水平方向の突出が小さくても、力センサ本体１２に伝わる応力を低減でき、設置部材２５の前記水平方向のサイズを小さくする上で有利である。

第１部分１５と、第１部分１５の上面１５ａに固定された力センサ本体１２とは、第１部分１５における外周近くの外形輪郭付近において、複数のボルトによって固定されている。ボルトによって固定される部分は、図４に示すように、第１部分１５の他の部分と比較して、上方向に延びるように形成され、当該部分の上側の接触面が力センサ本体１２に接触している。そのため、第１部分１５が力センサ本体１２に対向する上面において、ボルトによって固定されている部分以外の部分は力センサ本体１２に接触していない。

図５には、力検出装置２０をロボット１０の先端側から見た図が示されている。なお、図５では、第２部分１６および隙間ＳＰ（図４）の形状を説明するために、第２部分１６の形状を破線で示し、力センサ本体１２の形状を一点鎖線で示し、隙間ＳＰの領域をハッチングで示している。

図５に示すように、第２部分１６は、中心軸ＯＬを中心とする仮想円Ｃ１（二点鎖線）の円弧部分１６ｂの外周面と、中心軸ＯＬと複数の締結用孔１８ａにおける中心のそれぞれとを結んだ直線に直交する直線部１６ａで示され、前記仮想円Ｃ１の内側に配置される外周面とを有する。なお、図５に示された円弧部分１６ｂと直線部１６ａとは、第２部分１６が第１部分１５に接続する位置を表している。

図５に示すように、中心軸ＯＬから直線部１６ａまでの距離Ｌ１は、中心軸ＯＬから円弧部分１６ｂまでの距離Ｒ（半径）よりも小さい。すなわち、第２部分１６では、中心軸ＯＬから第２部分１６の外周面までの距離の内、締結用孔１８ａにおける中心のそれぞれから中心軸ＯＬまでを結んだ方向に沿った直線部１６ａまでの距離が、中心軸ＯＬから円弧部分１６ｂの外周面までの距離よりも小さくなるように隙間ＳＰが形成されている。

このように構成された本実施形態に係るロボット１０によれば、ロボット本体１４の先端面１４ａに固定される第３部分１７と、上面１５ａに力センサ本体１２が固定される第１部分１５との間に、上下方向の隙間ＳＰが形成される。隙間ＳＰが存在する分だけ第３部分１７の外周部から第１部分１５までの力の伝達経路が長くなる。つまり、本実施形態では、ロボット本体１４の先端面１４ａに固定された第３部分１７で発生する応力は、隙間ＳＰがない場合と比較して、第１部分１５に伝わり難い。これにより、第３部分１７が取り付けられる先端面１４ａにおける歪みや表面のうねりなどによって発生する応力が力センサ本体１２に及ぼす影響を小さくでき、検出精度が向上した力検出装置２０を実現できる。また、先端面１４ａに設置されることで発生する応力が隙間ＳＰの一部を形成している第２部分１６の外周面側に集中するため、第２部分１６を介して先端面１４ａに固定される力センサ本体１２は、先端面１４ａで発生する応力の影響を受けづらくなる。

また、本実施形態に係るロボット１０によれば、設置部材２５がロボット本体１４の先端面１４ａに取り付けられる際に、先端面１４ａにおける歪みや表面のうねりなどによる影響を除去するための作業や、力検出装置２０を取り付けるための高剛性の別部品が不要になるため、力検出装置２０を先端面１４ａに取り付けるコストを抑えることができる。

また、本実施形態に係るロボット１０によれば、中心軸ＯＬを中心として締結用孔１８ａが形成された周方向における所定の位置に隙間ＳＰが形成される。また、隙間ＳＰの一部を形成する第２部分１６の外周面において、中心軸ＯＬと締結用孔１８ａにおける中心とを結んだ直線上の直線部１６ａの距離Ｌ１がその他の円弧部分１６ｂの距離Ｒ（半径）よりも小さい。

なお、上記実施形態では、力検出装置２０がロボット１０に取り付けられる位置や力検出装置２０が取り付けられる装置の一例について説明したが、これらについては、種々変形可能である。力検出装置２０は、ツールＴＬに加わる力を検出するために、ツールＴＬとロボット本体１４との間に設置されたが、ロボットの種々の場所に配置されることが可能である。例えば、力検出装置２０は、ロボット本体１４のリンク間に配置されてもよく、ロボット本体１４と床部Ｌとの間に配置されてもよい。この場合に、力検出装置２０は、ロボット本体１４に加わる力を検出できる。これにより、例えば、ロボット１０が作業者である人間と作業範囲が同じである協働ロボットである場合に、力検出装置２０がロボット本体１４と作業者との接触力を検出することで、未然に事故を防止できる。

また、力検出装置２０が取り付けられる装置としては、ロボット以外の装置であってもよいし、垂直多関節型ロボット以外のロボットであってもよい。また、力検出装置２０の形状および大きさについては変形可能であり、力センサ本体１２に固定される取付板１３は、なくてもよく、形状が異なっていてもよい。また、力センサ本体１２として、外力に起因する力センサボディ３１の歪みを検出する歪検出器についても、歪ゲージに限定されず、静電容量センサ、圧電センサ、変位センサなども使用できる。力センサ本体１２のフレーム１２ｆの形状として、円柱形状を一例に挙げたが、その他の形状であってもよい。また、設置部材２５と、力センサ本体１２のフレーム１２ｆに内蔵される力検出器３０とが一体で形成されてもよい。このようにすることで、力検出装置２０の製造コストが低減する。

本実施形態では、円板状の第１部分１５および第３部分１７を示した。これに対し、本実施形態において、第２部分１６の外周面に対し水平方向の外側に突出する４つの部分（第２部分１６の外周面から水平方向外側に突出している鍔状の部分）だけが第３部分１７であるとし、第２部分１６の外周面に対し水平方向の外側に突出する部分だけが第１部分１５とし、第２部分１６が本実施形態における第１部分１５の上面１５ａから第３部分１７の底面１７ａまで存在するように構成することも可能である。

上記実施形態では、図５に示すように、水平方向に沿って、第３部分１７が取付板１３よりも内側に位置したが、例えば、第３部分１７に形成された締結用孔１８ａが水平方向に沿って取付板１３よりも外側に位置していてもよい。この場合に、締結用孔１８ａに挿入されたボルトＢＴ１により締結されるロボット本体１４の先端面１４ａから第２部分１６までの距離が長くなるため、先端面１４ａにおける歪みや表面のうねりなどによって発生する応力が力センサ本体１２に及ぼす影響を小さくできる。

上記実施形態では、締結用孔１８ａが、第３部分１７における外形輪郭付近に設けられたが、必ずしも外形輪郭付近に設けられる必要はない。先端面１４ａにおける歪み等の影響を減らすために、締結用孔１８ａが外形輪郭のできるだけ近くに設けられていることが好ましい。例えば、締結用孔１８ａの内側の側面から第３部分１７における外形輪郭の端部まで設計上必要な厚さを確保した上で、締結用孔１８ａが設けられる位置が、ボルトが締結された際にボルトの頭が第３部分１７の外形輪郭の端部からはみ出さない位置に設けられてもよい。

第１部分１５と力センサ本体１２とを固定するためのボルトの位置については、上述した第３部分１７における締結用孔１８ａが設けられる位置と同様のことがいえる。すなわち、例えば、力センサ本体１２に締結するためのボルトが挿入される貫通孔の位置は、第１部分１５における外形輪郭付近であることが好ましい。貫通孔の位置は、中心軸ＯＬと第１部分１５における端部とを結んだ直線の中点よりも外側に設けられていてもよい。例えば、貫通孔の内側の側面から第１部分１５における外形輪郭の端部まで設計上必要な厚さを確保した上で、貫通孔の位置が、力センサ本体１２を締結するボルトの頭が第１部分１５の外形輪郭の端部からはみ出さない位置に設けられてもよい。また、第１部分１５と力センサ本体１２との固定方法については、種々変形可能であり、第１部分１５に設けられた貫通孔および力センサ本体１２のボルト孔を用いる以外の固定方法であってもよい。

１０ ロボット
１２ 力センサ本体
１４ ロボット本体
１４ａ ロボット本体の先端面（設置面）
１５ 第１部分
１５ａ 上面
１６ 第２部分
１７ 第３部分
１８ａ 締結用孔
２０ 力検出装置
２５ 設置部材
ＳＰ 隙間

Claims (10)

1. 設置面に取付けられる設置部材と、該設置部材の上面に固定された力センサ本体とを備え、
   前記設置部材が、水平な前記設置面に取付けられる場合、その上端側に前記上面を有すると共に、少なくとも水平方向に延びる板状又は鍔状の第１部分と、該第１部分の下面側から少なくとも下方に延びる第２部分と、該第２部分から少なくとも水平方向に延び、前記設置面に固定される第３部分とを備え、
   前記第１部分と前記第３部分との間に上下方向の隙間が形成されている力検出装置。
2. 前記第３部分における、前記第２部分の上下方向に延びる中心軸線回りの周方向所定位置に、前記設置面への固定用の複数の締結用孔が設けられ、
   前記周方向所定位置において前記第３部分と前記第１部分との間に前記隙間が形成されている請求項１に記載の力検出装置。
3. 複数の前記締結用孔が、前記第３部分における外形輪郭付近に設けられている請求項２に記載の力検出装置。
4. 前記中心軸線から前記第２部分の外周面までの距離の内、前記締結用孔のそれぞれから前記中心軸線までを結んだ方向に沿った距離が、他の部分の距離よりも小さくなるように前記隙間が形成されている請求項２または請求項３に記載の力検出装置。
5. 前記水平方向において、前記第３部分が、前記第１部分よりも内側に位置する請求項２から請求項４のいずれかに記載の力検出装置。
6. 前記隙間が、前記第２部分の全周にわたって形成されている請求項１から請求項５のいずれかに記載の力検出装置。
7. 前記第３部分下面のうち、前記設置面に固定される際に前記設置面に接触する接触面が、他の部分よりも下方に配置されている請求項１から請求項６のいずれかに記載の力検出装置。
8. 前記第１部分上面のうち、前記力センサ本体に固定される際に前記力センサ本体に接触する接触面が他の部分よりも上方に配置されている請求項１から請求項７のいずれかに記載の力検出装置。
9. 前記力センサ本体が、力を検出可能な力検出器と、該力検出器を覆うフレームとを備え、
   前記力検出器が、前記設置部材に一体で形成されている請求項１から請求項８のいずれかに記載の力検出装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の力検出装置を備えるロボット。
    

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