JPS62274230A - 過負荷保護付き力／トルクセンサ− - 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】 ３、発明の詳細な説明 本発明は、負荷を検出し、それを三つの相互に直角な、
即ち、直交するＸ、Ｙ及びｚ０１］、すなわち、デカル
ト座標に沿ってそのまわりに指向した力及びモーメント
の成分に分解することを得さしめるセンサーに関するも
のである。本発明はより特殊的には、そうした１自由度
６″のセンサーを、それらが予め設計されたよりも大き
い負荷を蒙ることによって損傷することから保護するこ
とに関するものである。

自由度６の力／トルクセンサーは技術的に公知である。

米国特許第４０９４１９２号、第４２５９８６３号及び
第４４４８０８０号には描写したものが開示されている
。そうしたセンサーはロードセル（１ｏａｄ　ｃｅｌｌ
）ないし類似の物体で、それには本体に加えられた荷重
に比例する電気信号を発する歪ゲージが留められている
。信号は成るべくはマイクロプロセッサ−ないし類似の
電子装置へ指向され、そうするとそれらが自動的に、迅
速に、各々の付加荷重を、三つの相互に直角な軸に沿っ
てそのまわりに分解するに有効な数学計算を行う。セン
サーの本体は種々の形状であってよいけれども、米国特
許＠４４４８０８３号に示された如き１方形交叉″型の
センサーが好ましい。これは四本の半径方向に伸びるビ
ームないしスポーク素子で、それへセンサー歪ゲージが
留められているものによって、取巻いているリム部へ相
互連結されている中央ハブ部から成っている。方形交叉
型のセンサ一本体は、米国特許第４２５９８６３号及び
第４０９’４１９２号に示される如き”デルタ”ないし
三本スポーク型のセンサ一本体よりも、デカルト座標な
いし直交軸の如何なる配置に対しても、より優れた本来
的対称性を有する。

先行端特許の各々のセンサーの重大な欠点は、もしも使
用中のセンサーへ加えられる負荷が過剰の大きさだった
として、それの歪みゲージ及び／または他の部分品が構
造的損傷を生ずるのを防ぐのに何らの手段をも欠いてい
ることである。厳しい構造的損傷を受けることの可能性
に加えて、過負荷保護を欠くセンサーは、安全性に適当
なマージンを付与するためには、センサーが安全に適合
し得るだろう実際の負荷よりもずっと低い最大負荷定格
を通常与えねばならぬ。

好ましい型の過負荷保護手段は、円形の切断面の形の過
大寸法孔内に同心的に置かれた円筒形ピンから成って居
る。この型の過負荷保護素子は比較的に構成し易く施設
し易く、自由度６以下のセンサーでは今迄使用されて来
た。例えば、米国特許第３６４６８０９号及び第４２８
３９４１号参照。しかしながら、自由度６のセンサーに
先行の型の素子を使用する試みは、成る付加荷重下では
ピン／孔素子の一個以上の早過ぎる係合のせいで不成功
であった。先行問題点を消去する努力では楕円形ないし
他の非円形形状のピンないし孔の使用が提案された。こ
の試みは、非常に小さい大きさの歪を検知するに適する
自由度６のセンサーには推奨できない。非円形形状の過
負荷ピンを有する自由度６のセンサーを製造し組立てる
コストは高過ぎ、それにより達成される結果は大抵の場
合、満足にはほど遠い。

本発明は構造的に単純で経済的であるが、高度に信頼出
来、効率的な過負荷保護を、スポーク状素子を有する型
の自由度６の力／トルクセンサーに対して、素子の各々
がセンタ一本体の中央ハブ部と取巻いているリプ部をを
相互連結しているストレーンゲージを担っているように
して呈せしめるようになっている。センサ一本体は、そ
れのハブ部へ三つの直交する軸の何れか一つの周りで加
えられたモーメントがほぼ同じ大きさの角度的ハブ偏倚
を生ずるような具合に設計され構成されている。かくし
て、センナ−の中央縦軸が２軸として設計されていると
すると、ｚ軸の周りのモーメントにより生ぜられた内的
ハブ偏倚は、同じ大きさのモーメントによりＸ軸かまた
はＹ軸かの周りに生ぜられた角的偏倚とほぼ同じとなろ
う。先行のことは、センサーの過負荷保護器が、センサ
一本体のリム及びハブ部内に設けられた一線に整合した
円筒状孔間に伸び、その中に置かれた円筒形ピン素子の
形になっていることを許す。部分の一つ、成るべくは本
体のリム部内のピン受理孔はその中に受けられたピン部
分のものよりも大きい直径を有するので、各ピンの向い
合っている円筒形表面と組合されている孔とは、センサ
ーの通常使用と負荷との間は、各々から半径方向に間を
あけて置かれている。ピンとそれの組合された過大孔と
の向き合っている表面間の過負荷で誘発された係合は、
センサースポーク素子とそれへ固定されたストレーンゲ
ージとの上に課せられる最大ストレスを制限し、かくし
てそれらへの損傷および／ｌたは、可能性ある破損とを
阻止する。

センサーの好ましい態様に於ては、それの本体部分は“
方形交叉”型のもので、それの四つのスポーク素子は本
体のハブとリム間に半径方向に、９０°間隔で、それの
周辺の周りに伸びている。四本の過負荷保ｆｅｅンが設
けられて居り、又、それらはセンサ一本体のリム及びハ
ブ部間に、お互に対して等しく間をあけた９０’間隔で
、かつ、スポーク素子に対しては４５°間隔で半径方向
に伸びている。

本発明の他の特徴は、それの好ましい態様についての下
記の記述から明かになろう。

それの全体として第１〜３図に於て数字１゜で示されて
いるセンサ一本体は一般的に１方形交叉”型である。本
体は、最外部リム部１２、四本のビームないしスポーク
素子１４、及び、ハブ素子１６′と上にかぶさったハブ
板１６“で、ねじをの固定具１８によっての如く、何ら
か適当な具合にお互に固定されているもので成るもの、
とを含んでいる。本体１ｏのハブ部１６とリム部１２と
は、センサ一本体の中央縦軸と同心関係になって、８互
から半径方向に間をあけて置かれている。そうした軸は
、図中に示されたデカルト座標系または直交軸”　＋　
７及び２では文字２により示されている。ハブ素子１６
′とハブ板１６“との主要面はそうした軸に垂直で、座
標系のｘ＋　７軸を含む面へ平行である。四個のボスま
たは突起１７が板１６“の内部主要表面から下方に、そ
れのヘリの周りに等しく間をあけた場所に突出して居る
。スポーク素子１４はハブ素子１６′とリム部１２との
間に本体１ｏの周囲の周りに等しく９００間隔に間をあ
けて相互連結し半径方向に伸びている。記述上の便宜の
ために、−線配列されたスポーク素子１４の一対が描か
れた座標のＸ軸に沿って伸びている如くに示されたし、
時々今後はＸ軸スポーク素子と呼ばれ、他方、スポーク
素子１４の他の対はｙ軸に沿って伸び、時々今後はｙ軸
スポーク素子の如くに呼ばれる。各スポーク素子】４は
、リム部１２の壁内にそれの周辺の周りに９０’間隔で
形成された四つの屈曲素子２０の組合されたものの中央
部分と一体に形成されて居る。各屈曲素子２０は、セン
サーの２軸の周りに円のコードを形成し、屈曲の巾寸法
、すなわち、ｚ軸に平行なそれの寸法よりもかなりによ
り大きい大きさになっている長さ寸法を有している。

各屈曲の巾寸法は、代って、それの厚み寸法、すなわち
、Ｘまたはｙ軸に平行なものよりも可成りに大きい。Ｙ
軸スポーク素子１４と組合された屈曲素子２０はｙ軸方
向には比較的低い剛性を有し、Ｘ及び／または２軸方向
には比較的に高い剛性を有する。同様に、Ｘ軸スポーク
素子】４と組合された屈曲素子２０は比較的に低い剛性
をＸ軸方向く有するが、ｙ詔よび／または２軸の方向に
は比較的に高い剛性を有する。

四個のストレーンゲージ２２がスポーク素子１４の各々
へ固定して結合されている。各素子に組合されたゲージ
２２は、素子の四つの外部表面の該当する一つ上でほぼ
中央にそれぞれ置かれている。ゲージはそれが組合され
ているスポーク素子に縦に伸びており、圧縮及び／また
は、それらの組合されたスポーク素子の曲げの結果の張
力歪みに感応性の型のものである。

本体１０のセンサーリム部１２は、如何なる望む支持体
でも、例えば、ロボットの腕（図示せず）などであって
もよいものに固定されるに適している。ハブ部１６の板
１６“の露出した外部主要面は、装置ないし構造で、例
えばロボットの手首または手のようなもので、検知さる
べき、又、力とモーメントに分解されるべき荷重を付加
するものに係合され、及び／または固定されるのに適合
されている。それがセンサーが適合するように設計され
た範囲内の大きさのものであるとすると、ハブ部１６に
加えられた負荷は、リム部１２に対ｒるハブ部の偏倚と
、スポーク素子１４の少くとも若干のものの屈曲型の変
形と、°ストレーンゲージ２２の少くとも若干のものか
らの電気信号の発進を生せしめる。

センサーと組合された適当にプログラム化されたマイク
ロプロセッサ−（図示せず）内でストレーンゲージ出力
信号を適切に処理することによって、ｘ、ｙ及び２軸に
沿いその各々の周りの負荷の力及びモーメントの成分は
迅速に計算され同定され得る。負荷成分が数学的に分解
されるようにするところの具合のもつと詳細な説明は、
望むな・ばば、ここに以前に挙げた米国特許第４０９４
１９２号から獲られうる。

本発明によれば、センサ一本体１０に組合せて、ハブ部
１６上に過剰の負荷を多分味することによって起る損傷
に対してセンサーを保護するように手段が設けられる。

そうした過負荷保護手段は、ハブ部１６とリム部１２と
の間に半径方向に伸びている四本の円筒型ピン素子２４
を含んでいる。ピン２４は本体１０の周辺の周りにお互
に対してほぼ４５°の間隔でスポーク素子１４の周辺的
に隣接するものに対してほぼ４５°の間隔で間をあけて
置かれている。ハブ板１６“の内表面上の突起１７は孔
３０を有し、それが突起のそれぞれのものの中へ、それ
の表面から、本体１０のリム部１２の内部円筒形表面に
向き合って間をあけて置かれた関係にして置かれている
。孔３０は本体１０のリム部内に設けられた四個の半径
方向に伸びている孔３２のそれぞれのものと軸方向に一
綜配列されている。

ピン２４の半径方向に最内部の端部は、ハブ部の孔３０
のそれぞれのものの中に押しはめによってなどして固定
装着されている。向い合った、半径方向に最外部のピン
端部２４はリム部１２の孔３２のそれぞれのものの中に
同心的に置かれている。各ピン２４の外側端部は孔３２
のものよりも小さい直径を有し、その孔３２内にはピン
２４が同心的に受は入れられていて、センサーの通常操
作の間は、環状ギャップないし空間３４（第５図に誇張
された具合に示されている）がその間に存在する。もし
も過負荷がセンサ一本体に加えられるとすると、リム部
１２に対するハブ部１６の過５１！ＩＩ偏倚が起り、そ
れがピン素子２４の少くとも若干の向い合った円筒形表
面部分とリム孔３２との間に係合が惹き起される。そう
した係合は、本体１２．１６の間の相対的偏倚が既定の
安全限界を超えるのを防ぎ、又かくして、こわれ易いセ
ンサ一部品で、スポーク素子１４、屈曲素子２０及び／
またはストレーンゲージ２２のようなものへの損傷を阻
止する。

三つの描かれたＸ　ｅ　７及びｚ軸の何れか一つに沿っ
てどの方向に加えられた過負荷力も四本のピン素子２４
の総てにより反応されよう。如何なる一線配列にした二
本のピン素子２４の中実軸と一致している軸に沿うどの
方向に加えられた過負荷力も他の二本のピン素子２４の
みにより反応されよう。同様に、描かれた”　ｅ　７及
びｚ軸の何れかの周りのどの方向に加えられた過負荷モ
ーメントも四本のピン素子２４の総てに反応され、他方
、整合されたピン２４のどれかの対の中実軸と一致する
軸のどちらかの方向に加えられた過負荷モーモントも他
の二本のピン素子によってのみ反応されよう。

今度の型の力／トルクセンサーに関連して決定的に重要
な過負荷成分は、力ではなくてモーメントである。もし
もそうしたセンサーが過剰負荷のモーメント成分のせい
での破損から適切に保護されるならば、そうした負荷の
力成分のせいで壊れることは、いつでも稀である。今度
の型のセンサーを適切で充分く過剰に加えられた負荷か
らのモーメント成分により惹起される損傷から保護し、
他方、同時にセンサーの有用な負荷範囲を不当に制限し
ないようにするには今迄は困難に出会った。前述の望ま
しい結果は、過負荷ピンと同筒形の組合された孔を使用
する時の勿論のこととして起るものではない。これは、
センサーの２軸の周りに加えられるモーメントに応答し
て、問題の型の従来のセンサーの中央ハブにより蒙る角
偏倚が、モーメントがＸ軸かまたはｙ軸か何れかの周り
にある時に起るところのものとは全く異った大きさのも
のである。前に言った異っている偏倚に対する補償は、
特別に計算された楕円形または他の非円形切断面形状の
過負荷ピンの使用によって達成されることが出来ると仮
定されていた。しかしながら、そうしたピンが望む結果
を生じたと考えるにしても、それは確実には程遠く、そ
れらの製造と組立とのコストはそれらの使用を非実用的
にするだろう。

本発明のセンサーでは円筒形ピンと孔素子との使用で望
む過負荷保護の達成は、センサーハブ部１６が受ける角
偏倚が、そうしたモーメントがハブ部へその周りで加え
られる三本の直交軸！、７．Ｈの特別のものに関せずに
、はぼ同　・じであるという事実により実質的な部分に
於て可能にされている。前述は図面の′！ＪＩ７及び８
図に略図的に描かれている。第７図に示されている如く
、ｚ軸の周りの決った大きさのモーメントをハブ素子１
６′にかけると、ハブ素子の、座標系のｘ、ｙ平面へ平
行な角偏倚で、大きさ０のものを生ずる。第８図で示さ
れている如く、Ｘ軸かｚ軸かの周りに加えられた同じ大
きさのモーメントの付加は座標系のｘ、ｙ面に対するハ
ブ素子１６′の角偏倚を生ずるが、そうした角偏倚はほ
ぼ同じ大きさ０のものである。前述の望ましい結果は問
題の型のセンサー、または、センチ一本体部分品の挿々
な寸法、特にスポーク素子１４及び屈曲素子２０を含め
ての、設計の間に、適当な値を選択することで得られう
る。

本発明の好ましい態様を示し記述したけれども、これは
描写の目的のみであって、制限の為ではなく、本発明の
範囲は提出した特許請求の範囲に依っているものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるセンサーの主要本体の背部立面
図である。 第２図はセンサ一本体の側部立面図である。 第３図はセンサ一本体の前部立面図で、それの部分が部
分的に破り去られて、構造上の詳細を一層良く開示して
いる。 第４図は第３図の線４−４に沿って取った部分的に立面
、部分的に垂直断面にした拡大断片図であり、スポーク
素子の一本とセンサ一本体のリム部との間の連結を示し
ている。 第５図は第３図の線５−５に沿って取った部公的に立面
、部分的に垂直断面にした拡大断片図で、センサ一本体
のハブ及びリム部を相互連結する過負荷保藤ピンの一本
の端部を示している。 第６図は第１〜３図に示したセンサ一部分品の展開透視
図である。 第７図及び第８図は、それへ加えられたモーメントに応
答して、センサ一本体のハブ部が蒙っている角度偏倚を
描いている略図である。 特許出願人　　　ロード・コーポレイション昭和／／年
？月１’２日 ３．補正をする者 一ト硼シ碩ケ傾÷ ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直交軸Ｘ、Ｙ、及びＺに沿う、かつ、その周りの力
   及びモーメントに分解可能な付加荷重を検出する自由度
   ６のセンサーで、該センサーは中央ハブ部分（１６）と
   、該ハブ部分を取巻く環状リム部（１２）と、該部分ら
   （１２、１６）を相互連結する複数の輻素子（１４）と
   を含んでいる本体（１０）を有して居り、該ハブ部分（
   １６）は加えられた荷重により該リム部（１２）に対し
   て角度的に偏向可能になつているものであつて、該軸の
   何れか一つの周りでそれへ加えられたモーメントにより
   生じられた該ハブ部（１６）の角度の振れが該軸の何れ
   か他の一つの周りへの該モーメントの印加により生ぜら
   れた角度の振れとほぼ同じ大きさであり、かつ、該セン
   サーは該部分の一つによつて担われていて、過負荷条件
   下には該部分の他のものと係合可能であつて、そうする
   と、該ハブ部（１６）の角度の振れを該リム部（１２）
   に対して制限するようになつていることを特徴とすると
   ころのセンサー ２、該輻素子（１４）は該Ｘ及びＹ軸を含む面に全体的
   に平行になつて居り、該Ｚ軸の周りにはお互に対してほ
   ぼ等しい角間隔で間をあけて置かれているようになつて
   いるところの特許請求の範囲第１項記載のセンサー。 ３、該荷負荷ピン（２４）はＸ及びＹ軸を含む面へ全体
   的に平行であり、該Ｚ軸の周りにはお互に対してほぼ等
   しい角度間隔で間をあけて置かれているようになつてい
   るところの特許請求の範囲第２項記載のセンサー。 ４、該輻素子（１４）と該過負荷ピン（２４）とは該Ｚ
   軸に対して全体的に半径方向に伸びて居て、該Ｚ軸の周
   りにお互に対して略々等しい角度間隔にて基底されてい
   るところの特許請求の範囲第３項記載のセンサー。 ５、該過負荷ピン（２４）と該輻素子（１４）とは該Ｚ
   軸の周りに代り合つて、お互に対してほぼ等しく間をあ
   けた関係になつて置かれているところの特許請求の範囲
   第４項記載のセンサー。 ６、該輻素子（１４）が四本と、該過負荷ピンが四本在
   るところの特許請求の範囲第５項記載のセンサー。 ７、該リム及びハブ部（１２、１６）の各々はそれの中
   に複数個の孔（３２、３０）を有し、該部分（１２、１
   ６）の一つの孔（３２、３０）の各々は、該部分（１６
   、１２）の他のものの孔（３０、３２）の一つと軸方向
   に一線上に列んでいて、該ピン素子（２４）のそれぞれ
   のものと組合された孔と軸方向に一線上に列んだ複数本
   の対を形成して居り、該ピン素子（２４）の各々は、そ
   れの組合された対の孔の孔（３０、３２）の一つの中に
   密接して受理されている第一の部分を有して居り、かつ
   、該組合された対の該孔（３０、３２）の他の物の表面
   内に受入れられ、かつ、それから通常半径方向に間をあ
   けて置かれている第二の部分とを有するようになつてい
   るところの特許請求の範囲第１項記載のセンサー。 ８、該ピン素子（２４）の該第二の部分を受理する孔は
   、該リム部（１２）の孔（３２）であるようになつてい
   るところの特許請求の範囲第７項記載のセンサー。