JPH07113588B2 - 力‐モーメント・センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、力及びモーメントを感知するセンサに関
し、より詳細には、作業工具が移動中に何らかの抵抗を
受けた際に、ロボット・アームとその先端に取り付けた
作業工具の間に生じる力あるいはモーメントまたはその
双方を感知するのに有用なセンサに関するものである。

〔従来の技術〕

近年、産業用ロボットの作業工具を制御するために、作
業工具が被加工物に当接した際に作業工具に生じる力や
モーメントを感知・測定し、これによってロボットの駆
動機構を制御する方式が採用されているが、このような
制御方式では、一般にロボット・アームの手首と作業工
具の間に力やモーメント感知するセンサが取り付けられ
る。このセンサは、多成分の力とモーメントを精密かつ
連続的に感知しなければならない。

前記種類の力・モーメントセンサとしては、従来より、
第５図及び第６図に示すものが公知である（例えば、特
開昭３−78032号公報を参照）。

この従来の力・モーメントセンサ（１）は、ロボット・
アームに接続される円形の上部プレート（２）と、作業
工具を取り付ける同じく円形の下部プレート（３）を有
している。量プレート（２）（３）は、間隔をおいて複
数（図では四つ）のブリッジ要素（４）によって相互に
接続してあり、両者の間に円筒形の質を形成している。
このセンサ（１）は、運動中に作業工具を介して下部プ
レート（３）に作用した外力により当該ブリッジ要素
（４）に生じる歪みによって、両プレート（２）（３）
間に作用する力ないしモーメントを感知するようになっ
ている。

このセンサ（１）は、次のようにして形成されるもので
ある。すなわち、まず二つのプレート（２）（３）をそ
の間に円筒形のリング部材（５）を介して溶接等により
接合し、次に、四つのブリッジ要素（４）を残すように
前記リング部材（５）の中央に周方向に四つのスロット
（６）を加工し、さらに、ブリッジ要素（４）の上下プ
レート（２）（３）との接合部付近において、リング部
材（６）に斜め横方向に二つのスロット（７）を加工し
て、八角形のブリッジ要素（４）を形成するというもの
である。

各ブリッジ要素（４）はすべて実質的に同一に形成さ
れ、プレート（２）（３）の周方向に等間隔に配置され
ている。各ブリッジ要素（４）は、八角形の上下二つの
辺のみで両プレート（２）（３）に接合された形になっ
ている。また各ブリッジ要素（４）の中心には、円形の
貫通孔（８）が形成してある。

各ブリッジ要素（４）の歪みを感知するため、ブリッジ
要素（４）の外面（９）、センサ（１）の中心軸に平行
な二つの側面（10）、当該中心軸に対して傾斜した四つ
の側面（11）及び中心の貫通孔（８）の内側面に（12）
に、歪みゲージ等の感知装置が接着される。

なお、（13）はセンサ（１）のロボットあるいは作業工
具取付用のネジ孔、（14）は上下プレート（２）（３）
に設けた中心孔、（15）（16）はそれぞれ位置決めをす
るためのキー溝及びキーである。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のセンサ（１）は、以上の構成であるため、八角形
の各ブリッジ要素（４）の中心に設けた貫通孔（８）の
内側面に（12）は湾曲しているのに対し、外側のセンサ
（１）の中心軸に沿った側面（10）は平坦である。従っ
て、歪みゲージ等の感知装置をこれらの側面（12）（1
0）に接着した場合、被接着面の曲率半径が異なり、各
歪みゲージの温度による抵抗変化が等しくならず、温度
補償精度が悪くなる難点がある。

また、曲面に接着する場合は、平面に接着した場合とは
前記感知装置の初期条件が異なるため、温度補償精度を
一層悪くする結果となる。

この発明は、このような従来センサ（１）の難点を解消
すべくなされたものであり、その目的とするところは、
ブリッジ要素の側面に接着した歪みゲージ等の感知装置
の温度補償精度が良好であると共に、低コストで簡単に
製造できる力−モーメント・センサを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するため、この発明では、外周付近で等
角度間隔で配置された複数のブリッジ要素によって互い
に接続された、一対の平行なディスク部材を含み、前記
各ブリッジ要素は多角形又は円形状の板材により構成さ
れていると共に貫通する円形状の中心孔を具備させてあ
る力−モーメント・センサにおいて、前記ブリッジ要素
の外側面に、前記中心孔の曲率と同じ曲率を持つ凹状円
弧面を設けてあり、前記中心孔の構成壁面及び凹状円弧
面にそれぞれ歪みゲージを接着してある。

前記ブリッジ要素を構成する板材は、平面板とするのが
好ましい。

また、前記中心孔の曲率と同じ曲率を持つ面は、前記ブ
リッジ要素のセンサの中心軸に沿う外側面に設けるのが
好ましい。しかし、さらに、前記中心軸に対して傾斜し
た外側面にも、前記中心孔の曲率と同じ曲率を持つ面を
設けることができる。

〔作用〕

以上のように構成したので、ブリッジ要素の中心孔の構
成壁面及び凹状円弧面は同じ曲率を有しているから、そ
れぞれに接着された歪みゲージのベース及び接着層も同
じ曲率となる。したがって、中心孔の構成壁面と凹状円
弧面に接着された歪みゲージの温度による抵抗変化（温
度特性）が等しくなる。

また、ブリッジ要素の外側面に中心孔の曲率と同じ曲率
を持つ凹状円弧状面を形成する加工は、工作機械により
精密に且つ簡単に行うことができる。

〔実施例〕

以下、この発明に係る力−モーメント・センサの実施例
を図面に従って説明する。

第１図〜第４図において、この判明に係る力−モーメン
ト・センサ（51）は、円形の上部プレート（52）と同じ
く円形の下部プレート（53）を四つのブリッジ要素（5
4）によって相互に接続して構成してある。両プレート
（52）（53）は互いに平行である。ブリッジ要素（54）
は略八角形で、すべて実質的に同一であり、両プレート
（52）（53）の外周付近に等間隔に配置されている。こ
のセンサ（51）のブリッジ要素（54）は円弧状ではな
く、平坦な板状としている。

上部プレート（52）の下側及び下部プレート（53）の上
側には、それぞれ突出部（55）（56）が形成してあり、
両突出部（55）（56）の間に室（63）が形成してある。
各突出部（55）（56）は、第２図に明瞭に示すように、
円柱形の側面を互いに対向する四つの平面で落として形
成される形状であり、各平面に面して前記ブリッジ要素
（54）が設けられている。各ブリッジ要素（54）の内側
は、突出部（55）（56）との間に設けた溝（57）によっ
て突出部（55）（56）から分離され、また両側部は二つ
のスリット（59）によって突出部（55）（56）から分離
されているので、ブリッジ要素（54）はその上下端部の
みで上下両プレート（52）（53）に接合されている。

各ブリッジ要素（54）の中心位置には、それを貫通する
円形の中心孔（58）が設けてある。また、各ブリッジ要
素（54）の上下の接続部分を除く六つの外側面のうち、
センサ（51）の中心軸に沿う側面すなわち、中央の二つ
の側面（61）は凹状に湾曲形成され、他のセンサ（51）
の中心軸に対して傾斜した四つの側面（62）は平面であ
る。中央の二つの側面（61）の曲率半径は、中心孔（5
8）のそれと等しい。このような凹状円弧面は、中心孔
（58）を形成するのに用いるドリル等の工具と同一の工
具を用いて容易に形成することができる。

第４図に示すように、ブリッジ要素（54）の中心孔（5
8）と円弧状側面（61）（の底部）との距離（ａ）は、
測定精度を低下させない等のため、平面状側面（62）と
の距離（ｂ）に等しくいなっている。従って、このブリ
ッジ要素（54）は正八角形ではなく、少しセンサ（51）
の中心軸に対して直交する方向に広がった八角形であ
る。

上下両プレート（52）（53）の中心には、作業工具制御
用の配線、配管等を通すことのできる大径の透孔（64）
が形成され、その範囲には取付用のネジ孔（65）が複数
個設けてある。また、ロボット・アーム及び作業工具の
取付を整合して行うため、上プレート（52）にはキー溝
（66）が、下プレート（53）にはキー（67）が設けてあ
る。

この発明のセンサ（51）は、ワイヤカット放電加工法と
従来より公知のフライスないしドリル加工法を併用する
ことにより、容易に製造することができる。

以上のように構成したセンサ（51）を使用して、力及び
モーメントを感知・測定する場合は、上下のプレート
（52）（53）に形成したキー溝（66）及びキー（67）を
利用して整合させながら、上下プレート（52）の取付孔
（64）にボルトをネジ込むことによってロボット・アー
ム取り付けると共に、下部プレート（53）の取付孔（6
4）にボルトをネジ込むことによって作業工具を取り付
ける。さらに、各ブリッジ要素（54）の円弧状の側面
（61）と中心孔（58）の内側面（60）に歪みゲージを接
着し、さらに必要に応じて平坦な側面（62）や外面（6
8）にも同様に接着する。そして、各歪みゲージの出力
ラインによりホイートストン・ブリッジ回路を構成する
等、公知の方法により感知・測定を行うのである。

ブリッジ要素（54）の傾斜した四つの平坦な側面（62）
にも歪みゲージを接着する場合があるので、これらの側
面（62）も円弧状の側面（62）と同様に中心孔（58）の
曲率と同じ曲率の円弧状に形成してもよい。

しかし、凹状円弧面はブリッジ要素（54）の外側面であ
ればどこに設けてもよく、歪みゲージを接着する場所に
応じて適宜設ければよい。

またブリッジ要素（54）の形状は、以上に述べたような
八角形に限られず、多角形であればよいが、円形でも実
施可能である。円形の場合には、前記側面（61）の位置
に凹状円弧面を設けるのが好ましい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明に係る力−モ
ーメント・センサ（51）は、ブリッジ要素（54）の外側
面（61）の中心孔（58）と同じ曲率となるように形成し
ているので、当該外側面（61）と中心孔（58）の内側面
（60）に接着する歪みゲージ等の感知装置が同一の曲率
で曲げられて取り付けられることになる。従って周囲に
温度変化が生じても各感知装置が同様に変化し、温度補
償精度を向上させることができる。また、ブリッジ要素
（54）の外側面（61）を円弧状に加工するのみでよいの
で、非常に簡単にかつ低コストで実施できるという優れ
た効果を有する。

また、ブリッジ要素（54）自体を平坦に形成すると、従
来の円弧状に湾曲したブリッジ要素（４）に比べて、歪
みゲージ等の感知装置によって感知した歪みの解析が容
易であるという利点が生じる。

さらに、ブリッジ要素（54）の傾斜した四つの平坦な側
面（62）も、中心孔（58）の曲率と同じ曲率の円弧状に
形成すると、測定精度が一層良好となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、この発明の係る力−モーメント
・センサの一実施例を示したもので、第１図は同センサ
の全体斜視図、第２図は上部ディスクを一部切欠して示
す同センサの平面図、第３図は同センサの正面図、第４
図はブリッジ要素の部分拡大正面図である。 第５図及び第６図は、従来の力−モーメント・センサの
一例を示すもので、第５図は一部を切欠して示す同セン
サの正面図、第６図の一部を切欠して示す平面図であ
る。 （51）……力−モーメント・センサ （52）……上部プレート、（53）……下部プレート （54）……ブリッジ要素、（55）（56）……突出部 （57）……溝、（58）……中心孔 （59）……スロット、（60）……中心孔の内側面 （61）（62）……ブリッジ要素の外側面 （63）……室 （68）……ブリッジ要素の外面

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−78032（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−153336（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外周付近で等角度間隔で配置された複数の
   ブリッジ要素によって互いに接続された、一対の平行な
   ディスク部材を含み、前記各ブリッジ要素は多角形又は
   円形状の板材により構成されていると共に貫通する円形
   状の中心孔を具備させてある力−モーメント・センサに
   おいて、前記ブリッジ要素の外側面に、前記中心孔の曲
   率と同じ曲率を持つ凹状円弧面を設けてあり、前記中心
   孔の構成壁面及び凹状円弧面にそれぞれ歪みゲージを接
   着してあることを特徴とする力−モーメント・センサ。
2. 【請求項２】ブリッジ要素を構成する板材が、平面板で
   ある請求項１記載の力−モーメント・センサ。
3. 【請求項３】ブリッジ要素のセンサの中心軸に沿う外側
   面に、前記中心孔の曲率と同じ曲率を持つ面を設けた請
   求項１または２に記載の力−モーメント・センサ。
4. 【請求項４】前記中心軸に対して傾斜した外側面にも、
   前記中心孔の曲率と同じ曲率を持つ面を設けた請求項３
   に記載の力モーメント・センサ。