JP7039502B2 - 力覚センサ - Google Patents
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Description
力覚センサ10は、例えばロボットアーム等に用いられ、X、Y、Z軸方向の力(Fx、Fy、Fz)、及びX、Y、Z軸回りのトルク(モーメント:Mx、My、Mz)を検出する。
図6は、弾性体16と歪センサ19を示している。前述したように、弾性体16は、1つの第1構造体16-1と、3つの第2構造体16-2、複数の第3構造体16-3、第1構造体16-1に設けられた6つの第1弾性部16-4、3つの第2構造体16-2のそれぞれに設けられた2つの第2弾性部16-5、及び2つの第2弾性部16-5の間に設けられた中継部16-6を具備している。
第1構造体16-1と中継部16-6との間は、直列接続された第1弾性部16-4と第3構造体16-3とにより接続され、さらに、起歪体19aにより接続される。
中継部16-6と第2構造体16-2との間は、第2弾性部16-5により接続される。
ここで、第1弾性部16-4及び第2弾性部16-5は、Fx、Fy方向の力、Mz方向のモーメントに対して、弾性体16の変位量を増加させる機能を有している。以下で、具体的に説明する。
(1)Mz系(Fx、Fy、Mz)の変形
図8に示すように、弾性体16にFx、Fy方向の力が印加された場合、及びMz方向のモーメントが印加された場合、第1弾性部16-4の第3構造体16-3が接続された部分が、矢印で示すように変形する。このため、第1構造体16-1に対する第2構造体16-2の変位量が増加する。起歪体19aは、第3構造体16-3の幅と、起歪体19aの幅、及び負荷に応じて変位し、起歪体19aの変位量は、僅かである。すなわち、本実施形態の場合、起歪体19aの変位量に比べて、第1構造体16-1に対する第2構造体16-2の変位量を増加させることができる。
図9に示すように、弾性体16にFz方向の力が印加された場合、及びMx、My方向のモーメントが印加された場合、第1弾性部16-4の第3構造体16-3が接続された部分が、矢印で示すように変形する。このため、第3構造体16-3の厚み方向の変位量が増加し、起歪体19aの厚み方向の変位量を増加させることができる。このため、後述するように、第3構造体16-3を略S字状に変形させることができ、ブリッジ回路の出力電圧を増加させることができる。
第1構造体16-1は、ねじれ剛性が第2弾性部16-5と同程度以下の第1弾性部16-4を有している。このため、弾性体16に例えばFz方向の力が印加された場合、第1弾性部16-4が変形することにより第2弾性部16-5の変形が減少し、中継部16-6の吊り上げ量が低減される。このため、第3構造体16-3は、略S字状に変形し、第1構造体16-1と中継部16-6との間に設けられた起歪体19aも、略S字状に変形される。
第2弾性部16-5は、第2構造体16-2に比べて曲げ又はねじれ剛性が低い。このため、弾性体16にFx、Fy方向の力が印加された場合、及びMz方向のモーメントが印加された場合、第1構造体16-1と中継部16-6との間に設けられた起歪体19aが後述する第3構造体16-3により制御された量しか変位しないにも関わらず、第1構造体16-1に対する第2構造体16-2の変位量を増加させることができる。
第3構造体16-3は、第1弾性部16-4と中継部16-6との間に設けられ、且つ、歪センサ19と平行に配置されている。このため、弾性体16にFx、Fy方向の力、及び/又はMz方向のモーメントが印加された場合、歪センサ19を構成する起歪体19aの厚み方向と幅方向の変位量を制御することができる。
本実施形態の弾性体16は、第1構造体16-1と、複数の第2構造体16-2と、第1構造体16-1に設けられた複数の第1弾性部16-4と、第2構造体16-2のそれぞれに設けられた第2弾性部16-5と、2つの第2弾性部16-5の間に設けられた中継部16-6と、中継部16-6と第1弾性部16-4との間に設けられた第3構造体16-3とを具備し、第2弾性部16-5の剛性は、第2構造体16-2の剛性よりも低く、第1弾性部16-4の剛性は第1構造体6-1の剛性以下である。このため、弾性体16の全体的な剛性を、第1弾性部16-4及び第2弾性部16-5が無い場合に比べて低くすることができ、Fx、Fy方向の力に対して、弾性体16の変位量を増加させることができる。したがって、Fx、Fy方向の力に対して、起歪体19aの僅な変形に比べて、弾性体16の変位量を増加させることができる。
(第1変形例)
図11は、弾性体16の第1変形例を示している。図11に示す弾性体16において、図6に示す弾性体16と相違するのは、中継部16-6が第2構造体16-2に固定される点である。すなわち、中継部16-6と第2構造体16-2との間には、接続部70が設けられ、中継部16-6は、接続部70により第2構造体16-2に固定される。
上記構成において、図11に示す中継部16-6の梁16-6aのねじれ剛性が、接続部70の曲げ剛性に対して低く、第1構造体16-1の第1弾性部16-4が無い場合において、Fz方向の力により、第3構造体16-3が変位された場合、中継部16-6の表面は、接続部70により第1構造体16-1の表面と高さが異なるが、平行に近い姿勢に保持される。このため、起歪体19aは、図10Bに示すように、S字状に変形することができ、ブリッジ回路の出力電圧を増加させることができる。
図12は、弾性体16の第2変形例を示している。図12に示す弾性体16と、図11に示す弾性体16との相違点は、図12に示す弾性体16において、第2弾性部16-5が除去されていることである。さらに、中継部16-6の梁16-6aを除いてもよい。
図13は、弾性体16の第3変形例を示している。図2、図3、図6に示す弾性体16において、第3構造体16-3が設けられる第1弾性部16-4は、1つの第3構造体16-3にそれぞれ対応して設けられていた。
図14は、弾性体16の第4変形例を模式的に示している。
弾性体16は、X-Y平面内において、起歪体19aの変位量に比べて、弾性体16自身の変位量を増加でき、Z軸方向の負荷を受けて、起歪体19aの変位量を制御できればよい。このため、上記実施形態では、図7に示すように、弾性体16は、第1構造体16-1の周囲に複数の第2構造体16-2を配置し、第1構造体16-1の第1弾性部16-4と、第2構造体16-2の中継部16-6との間に第3構造体16-3をそれぞれ配置し、第1構造体16-1と中継部16-6との間に起歪体19aをそれぞれ配置した。
尚、上記実施形態及び各変形例において、弾性体16の第1弾性部16-4、第2弾性部16-5の厚さ及び材料は、第3構造体16-3と同一であるが、別の厚さ及び別の材料としてもよい。
図6及び図11に示す例の場合、弾性体16は、3つの第2構造体16-2を具備している。しかし、ストッパ30の配置を変更することにより、3つの第2構造体16-2は、一体化することも可能である。
図16は、歪センサ19の一例を示している。前述したように、歪センサ19は、起歪体19aと、起歪体19aの表面に設けられた複数の歪ゲージR1~R8により構成される。起歪体19aは、金属により構成され、その厚みは、幅より薄くされている。このため、起歪体19aは、厚み方向に変形しやすく、幅方向に変形し難い。
上記ストッパ30について、さらに説明する。
一般に、ストッパは、円筒形のストッパ部材と、ストッパ部材が収容される円形の開口部が用いられる。この構成のストッパの場合、ストッパ部材の側面と開口部の内面との間の間隔が、各軸方向で均一である。このため、起歪体が設けられる弾性体の剛性が軸毎に異なる場合、剛性の高い軸において、ストッパの動作点が高荷重となり、起歪体の破壊を確実に防止することが困難となる。
ストッパ部材31は、例えば直径の異なる第1の部分31a、第2の部分31b、第3の部分31c、2つの突起31d、ネジ32が挿入される開口部31e、及びスリット31fを具備している。
上記構成によれば、ストッパ部材31の第2の部分は、起歪体19aの動作可能範囲の小さい方向(Fx、Fy、Mz、起歪体19aの幅方向)に一対の突起31dを有し、取付けプレート13の開口部13aの内面と突起31dとの間隔L12が、ストッパ部材31の第1の部分31aと取付けプレート13の開口部13aの内面との間隔L11より狭くされている。このため、起歪体19aの動作可能範囲の小さい方向において、ストッパの動作点が高荷重となることを防止でき、起歪体19aを十分に保護することができる。
上記ストッパ部材31は、第2の部分31bに2つの突起31dを設けたが、ストッパ30等の構造は、上記の例に限定されるものではない。
図22は、ストッパ30の第1変形例を示している。図20Aに示すストッパ30は、ストッパ部材31の第2の部分31bに突起31dを設けた。これに対して、第1変形例において、ストッパ部材31の第2の部分31bは、円筒形であり、第2の部分31bに対応する開口部13aの内面に一対の突起13bが設けられている。
図23は、ストッパ30の第2変形例を示している。第2変形例において、開口部13aの形状は、図20Aと同様に円形であり、ストッパ部材31の第2の部分31bの形状が楕円形とされている。
図24は、ストッパ30の第3変形例を示している。図23に示す第2変形例は、ストッパ部材31の第2の部分31bの形状が楕円形とされた。これに対して、第3変形例において、ストッパ部材31の第2の部分31bの形状は、円形であり、ストッパ部材31の第2の部分31bに対応する開口部13aの部分13cの形状が楕円形とされている。
図25A、25Bは、ストッパ30の第4変形例を示すものであり、ストッパ部材31のみを示している。図19に示すストッパ部材31は、第1の部分31a、第2の部分31b、及び第3の部分31cを有し、一対の突起31dは、第2の部分31bに設けられている。このように、複数の段差を有する構成の場合、高精度の加工を容易に行うことができる。しかし、第2の部分31bは、必ずしも必要ではない。
図26は、ストッパ30の第5変形例を示している。第5変形例も第4変形例と同様に、ストッパ部材31は、第2の部分31bを具備しておらず、第1の部分31aは、一対の突起31dを持たずに円筒状である。
図27は、ストッパ30の第6変形例を示している。第6変形例も第4変形例と同様に、ストッパ部材31は、第2の部分31bを具備しておらず、第1の部分31aと第3の部分31cを具備している。第1の部分31aは、楕円形である。楕円の長軸が、Fx、Fy、Mz方向に配置され、楕円の短軸が、Fz、Mx、My方向に配置されている。
図28は、ストッパ30の第7変形例を示している。第7変形例の第4変形例と同様に、ストッパ部材31は、第2の部分31bを具備しておらず、第1の部分31aと第3の部分31cを具備している。第1の部分31aと第3の部分31cは、円筒形である。
図29、図30は、ストッパ30の第8変形例を示している。第8変形例において、ストッパ部材31の第1の部分31aは、Fx、Fy、Mz方向の辺の長さE1と、Fz、Mx、My方向の辺の長さE2が等しい例えば正方形である。
図31は、ストッパ30の第9変形例を示している。第9変形例において、ストッパ部材31の第1の部分31aに対応する開口部13aの形状は、正方形である。ストッパ部材31の第1の部分31aは、長方形であり、長方形のFx、Fy、Mz方向の辺の長さE1が、Fz、Mx、My方向の辺の長さE2より長い。
Claims (7)
- 本体と、
前記本体に対して動作可能な可動体と、
前記本体及び前記可動体に固定され、前記可動体の動作に従って変形可能な弾性体と、
前記弾性体に設けられ、起歪体を有する歪センサと、
前記可動体に設けられた円形の開口部と、
前記開口部の内部に設けられ、前記開口部との間隔が異なる第1の接触部と第2の接触部とを有する円筒形のストッパ部材と、
前記ストッパ部材を前記本体に固定する固定部材と、
を具備し、
前記第1の接触部は、前記起歪体の動作可能範囲が大きい方向に対応した前記ストッパ部材の外周面であり、前記第2の接触部は、前記起歪体の動作可能範囲が小さい方向に対応して前記ストッパ部材の外周面に設けられた2つの突起であることを特徴とする力覚センサ。 - 前記第1の接触部は、前記開口部の内面との間に第1の間隔を有し、前記第2の接触部は、前記開口部との間に第2の間隔を有し、前記第2の間隔は前記第1の間隔より狭いことを特徴とする請求項1記載の力覚センサ。
- 前記ストッパ部材は、前記第1の接触部としての第1の部分と、前記第1の部分の直径より小さな直径を有する第2の部分を有し、前記第2の接触部としての前記突起は、前記第2の部分に設けられることを特徴とする請求項1に記載の力覚センサ。
- 前記ストッパ部材は、前記第2の部分の直径より小さな直径を有し、前記第2の部分に設けられた第3の部分を有することを特徴とする請求項3に記載の力覚センサ。
- 前記第3の部分は、第1のスリットを有し、
前記可動体は、前記開口部に連通し、前記第1のスリットに対応する第2のスリットを有することを特徴とする請求項4記載の力覚センサ。 - 前記ストッパ部材の前記第3の部分の側面と、前記開口部の前記第3の部分に対応する内面との間に挿入される治具をさらに具備することを特徴とする請求項5に記載の力覚センサ。
- 前記治具は、前記第1のスリット及び前記第2のスリットに一体的に挿入されるキーを具備することを特徴とする請求項6に記載の力覚センサ。
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