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

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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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