六軸力傳感器的製作方法
2023-05-14 03:22:51
專利名稱：六軸力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及可測定X、Y和Z軸方向的力以及繞Z軸的力矩的六軸力傳感器。
背景技術：
例如，若在機器人臂的前端上受到外力，則載荷作用在臂的手腕部上。該載荷由X、Y和Z軸方向的力以及繞Z軸的力矩構成。測定這樣的力和力矩時，一般使用利用由載荷產生在結構體上的應變測定載荷的類型的力傳感器。
特開平8-122178號公報公開了這樣一例力傳感器。特開平8-122178號公報所公開的六軸力傳感器包含中空圓筒型的傳感器主體；以及被組裝在傳感器主體上的3個或4個的腿。腿具備配設在相互實質垂直方向上的第1臂和第2臂，呈L字形或T字形。還有，在第1臂中呈L字形或T字形的平面內將第1剪切應變片安裝在第1臂上，以便以與第1臂的長度軸線方向呈直角方向的剪切應變為主進行檢測，在第2臂中呈L字形或T字形的平面內將第2剪切應變片安裝在第2臂上，以便以與第2臂的長度方向呈直角方向的剪切應變為主進行檢測。於是，由第1應變片以及第2剪切應變片檢測發生在腿的呈L字形或T字形的平面內的剪切應變，基於檢測出的剪切應變測定X、Y和Z軸方向的力以及繞X、Y及Z軸的力矩。
在上述六軸力傳感器中，檢測發生在腿中的呈字形或T字形的平面內的剪切應變。但是，發生在腿的結構上、腿呈L字形或T字形的表面上的剪切應變比由腿的各個臂的彎曲而產生的拉伸應變要小。因此，為了提高對應剪力的剪切應變片的靈敏度，在第1臂和第2臂上設置凹形的凹處，在這些凹處內安裝剪切應變片。
這樣凹處的存在不僅使腿的加工變得複雜，還使得很難小型化。另外，剪切應變片在原理上必須能夠測定二軸應變因此尺寸大。還有，剪切應變片比單軸應變片的價格高。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種結構簡單、便於小型化且廉價的六軸力傳感器。
為達到上述目的，根據本發明提供一種六軸力傳感器，具備彼此相對配置的一對構件；以及在該對構件之間沿該構件的周邊部分散配置且連接上述一對構件的至少3個腿，通過將載荷給予上述一對構件的一方，檢測產生在上述腿上的應變，基於檢測出的上述腿的應變，測定作用在上述一對構件的一方上的力以及力矩的雙方或一方，上述腿由上述一對構件的一方支撐在兩端部且沿周向延長於上述構件的周邊部的橫梁以及從該橫梁的中央部沿與該橫梁垂直的方向延長並連接到上述一對構件的另一方上的縱梁而構成的T字形腿，上述腿的應變由第1單軸應變片和第2單軸應變片檢測，上述第1單軸應變片安裝在朝向上述縱梁的相反側的上述橫梁表面上或朝向上述縱梁側的上述橫梁表面上，使得能夠檢測上述橫梁的長度軸線方向的應變，上述第2單軸應變片安裝在朝向周向的上述縱梁的側面上，使得能夠檢測上述縱梁的長度軸線方向的應變。
在本發明的六軸力傳感器中，連接一對構件的腿呈T字形，因此使一對構件接近或遠離的力或力矩作用在一對構件上時，T字形腿的橫梁朝向一方的構件彎曲，特別地，在縱梁和橫梁的連接部分上產生較大應變，另外，使一對構件的一方橫向相對移動的力或力矩作用在一對構件上時，T字形腿的縱梁在橫向上彎曲並產生應變。本發明的六軸力傳感器檢測這些橫梁和縱梁的應變，基於檢測出的應變，測定施加在六軸力傳感器上的力或力矩。另外，本發明的六軸力傳感器檢測沿橫梁和縱梁的各自的長度方向軸線的應變，因此作為應變片能夠使用單軸類型的應變片。
在上述六軸力傳感器中，安裝在上述橫梁上的上述第1單軸應變片最好配置在朝向上述縱梁的相反側的上述橫梁表面上的上述橫梁的長度軸線方向的兩端部的中央。橫梁的彎曲量以及應變在橫梁的長度軸線方向中央部最大，因此如此地，通過安裝在橫梁的長度軸線方向中央，進一步提高應變的檢測靈敏度成為可能。另外，安裝在上述橫梁上的上述第1單軸應變片也可配置在朝向上述縱梁側的上述橫梁表面上的上述橫梁的長度軸線方向的兩端部或其中一方的端部上。
在上述六軸力傳感器中，各個腿最好配置在一個圓的圓周上。此時，上述橫梁可以沿上述圓周延長，也可以沿上述圓的切線方向延長。
另外，最好是在上述縱梁上形成沿上述圓的徑向貫通上述縱梁的開口部。若如此地在縱梁上形成開口部，則在縱梁上易於產生圓的周向或切線方向的彎曲，提高六軸力傳感器對於力以及力矩的靈敏度成為可能。
另外，上述一對構件以及上述腿最好是一體結構。如此地，一對構件以及腿形成一體結構，具有不需組裝作業這一優點。
另外，上述單軸應變片最好是半導體應變片。半導體應變片比金屬箔應變片能夠高靈敏度地檢測應變，因此作為單軸應變片若使用半導體應變片，則提高六軸力傳感器的力檢測解析度成為可能。另外，只要是能夠檢測較小應變，則腿的彎曲小也可以。其結果，提高腿的強度成為可能，從而實現堅固的六軸力傳感器成為可能。
T字形的腿其形狀簡單，因此便於進行切削加工或電火花加工等的加工，有助於削減製造成本。還有，單軸應變片比剪切應變片小型且廉價，因此即使將T字形腿小型化也便於加工，同時使實現小型且廉價的六軸力傳感器成為可能。
參照附圖並基於本發明的最佳實施方式，更進一步詳細說明本發明的上述以及其他目的、特徵以及長處。
圖1是本發明的六軸力傳感器的第1實施方式的立體圖。
圖2是圖1的六軸力傳感器的腿部分的放大圖，表示受到使一對構件相互接近的載荷從而橫梁彎曲的狀態。
圖3是圖1的六軸力傳感器的腿部分的放大圖，表示受到使一對構件相對彼此沿橫向移動的載荷從而縱梁彎曲的狀態。
圖4是圖1的六軸力傳感器的腿部分的仰視立體圖，表示橫梁用單軸應變片的其他安裝位置。
圖5是本發明的六軸力傳感器的第2實施方式的立體圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖詳細說明本發明的最佳實施方式。
圖1是本發明的六軸力傳感器的第1實施方式的立體圖。參照圖1，六軸力傳感器10具備彼此相對配置的一對圓板狀構件12；以及配置在該對圓板狀構件12之間且連接兩個圓板狀構件12的腿14。
一對圓板狀構件12是將各自的中心軸線16整齊排列在一條直線上而進行配置的，分別安裝在位於例如機器人的關節兩側上不同的結構體(未圖示)上。在圓板狀構件12的中央部上形成沿中心軸線16延長的貫通孔18。在該貫通孔18內能夠配置例如連接如機器人的關節那樣的不同結構體的部分。
腿14是在一對圓板狀構件12之間，在該圓板狀構件12的邊緣部上沿將中心軸線16作為中心的1個假想圓的圓周而等間隔配置的。在圖1所示的實施方式中，設置4個腿14，各個腿14是在圓板狀構件12的周邊部上沿著繞中心軸線16的假想圓以90度間隔配置的。另外，腿14是由沿著繞中心軸線16的假想圓延長的橫梁20；以及從橫梁20的中央部沿與該橫梁20大致呈直角方向延長的縱梁22構成的。在一對圓板狀構件12中一方的圓板狀構件(圖1中上側的圓板狀構件)的外周部上形成扇形的切口部24，腿14的橫梁20兩端被連接到切口部24的兩側面上並被其支撐。另外，從橫梁20延長的縱梁22的另一方端部被連接到一對圓板狀構件12中的另一方圓板狀構件(圖中下側的圓板狀構件)上。
在腿14的縱梁22上形成貫通於假想圓徑向的開口部26，縱梁22在假想圓的周向或切線方向上容易彎曲。這樣一來，即使是較小載荷作用在六軸力傳感器上時，在假想圓的周向或切線方向上能夠產生較大的彎曲。另一方面，縱梁22其它部分的剖面面積變大，能夠提高縱梁的強度。
在橫梁20上在朝向縱梁22相反側的表面上與縱梁22相對的位置(即，橫梁20上面的中央部)上安裝橫梁用單軸應變片28，以便能夠主要檢測橫梁20的長度軸線方向(即假想圓的周向)的應變。但是如圖4所示，也可以除上述橫梁用單軸應變片28之外或取代該橫梁用單軸應變片28，在橫梁20上在朝向縱梁側的表面上的橫梁長度軸線方向的兩個端部或一方的端部上安裝橫梁用單軸應變片29。另外，在朝向假想圓的周向的縱梁22的側面上安裝縱梁用單軸應變片30，以便能夠主要檢測縱梁22的長度軸線方向的應變。縱梁用單軸應變片30可以只安裝在朝向假想圓的周向的縱梁22的兩側面中的一方上，也可安裝在雙方上。在圖1的實施方式中，只在縱梁22中的一個側面上安裝縱梁用應變片30。
作為單軸應變片，能夠使用金屬箔類型的應變片或半導體類型的應變片。但是，半導體類型的應變片一般比金屬箔類型的應變片的應變檢測靈敏度高，能夠檢測出較小的應變，因此為了提高六軸力傳感器10的檢測解析度，最好是使用半導體類型的應變片。另外，半導體類型的應變片能夠檢測出較小的應變，對於相同載荷即使在腿14上產生的應變很小也能夠檢測，因此具有使腿14成為強度高且堅固的結構這一優點。將六軸力傳感器10安裝在機器人臂的手腕部等上使用時，臂碰撞到對象物上，進而較大載荷施加在手腕部上，這時，為了避免破損，六軸力傳感器10具有堅固的結構是很重要的優點。
還有，單軸應變片是指主要檢測沿一個軸線方向的應變的應變片。與此相對，剪切應變片是為了測定沿兩個軸線方向的應變，因而具有將如單軸應變片那樣的測定元件以與相對所期望測定的剪切力方向呈45。的角度而配置的結構的元件，因此比單軸應變片大並且價格高。因此，為了製造小型且廉價的六軸力傳感器，如本申請這樣使用單軸應變片是有效的。
還有，圖1實施方式中的橫梁20以及縱梁22沿假想圓稍微彎曲，但其量很小，幾乎不存在難以產生橫梁20以及縱梁22的彎曲的影響。另一方面，如此地，若橫梁20以及縱梁22沿假想圓彎曲，則可以通過切削加工或電火花加工等，由具有與假想圓相同輪廓的一個筒狀體做成一體結構的六軸力傳感器10。這樣一體結構的六軸力傳感器10安裝工時少，在節省將腿14正確配置的時間和勞力這一點上是有效的。但是，在想要減少橫梁以及縱梁22的彎曲對撓度帶來的影響以及想要提高力以及力矩的檢測靈敏度時，如圖5所示，也可在假想圓上等間隔配置由直線狀的橫梁20′以及縱梁22′構成的腿14′。圖5所示的六軸力傳感器10′能夠以如下方式做成例如通過切削加工或電火花加工由長方體構件做成構成相對構件中的一方(方形構件)32和腿14′形成一體的構件，用螺釘等連接與其分開做成的圓板狀構件34而構成。
在上述實施方式中，腿14、14′沿假想圓等間隔配置，腿14、14′也可在構件12、32、34的周邊部上以任意間隔分散設置。另外，如圖5所示，一對構件也可以不是圓板狀形狀，是方形等其他形狀。另外，在上述實施方式中，六軸力傳感器10、10′具備4個腿14、14′，只要各個腿成為由安裝在那裡的單軸應變片得到的6個線形獨立的輸出，則至少具備3個腿即可。
在圖1所示的六軸力傳感器10中，若將Z軸方向的力作用在腿14上，則腿14的橫梁20因為由一方的圓板狀構件12支撐其兩個端部，因此受到來自連接在另一方的圓板狀構件12上的縱梁22的力，在Z軸方向上彎曲。例如，若使一對圓板狀構件12沿Z軸方向相互接近方向的力作用在腿14上，則如圖2所示，腿14的橫梁20向圖2中向上的方向沿Z軸方向彎曲。橫梁用應變片28主要檢測該撓曲產生在橫梁20的表面上的橫梁20長度軸線方向的應變。還有，這樣的力在腿14的縱梁22上也產生縱梁22的長度軸線方向的應變，但比橫梁20的長度軸線方向的應變要小很多。橫梁20由圓板狀構件12支撐兩個端部，由縱梁22按壓中央部，因此在橫梁20中央的彎曲量最大，應變也在橫梁20的中央部變得最大。因此，通過將橫梁用應變片28安裝在橫梁20的中央部，對應相同的力能夠檢測出較大的應變，得到提高六軸力傳感器10對於載荷的靈敏度的效果。
另一方面，若在六軸力傳感器10的腿14上沿假想圓的周向或切線方向作用力，則腿14的縱梁22沿力的方向彎曲。例如，在圖1所示的六軸力傳感器10中，若在用符號A所示位置的腿14上沿X軸方向作用力，則如圖3所示，通過橫梁20，腿14的縱梁22上受到與X軸方向同方向(圖中向右方向)力的作用而彎曲。縱梁用應變片30主要檢測由該撓曲產生在縱梁22表面上的縱梁22長度軸線方向的應變。還有，這樣的力也在橫梁20上產生長度軸線方向的應變，但比在縱梁22上產生的應變非常小。在縱梁22上形成假想圓徑向上貫通的開口部26，因此對於這樣假想圓的切線方向的載荷，縱梁22變得容易彎曲。因此，相對於相同載荷，開口部26使得更大的應變產生在縱梁22上，得到提高六軸力傳感器10對於載荷的靈敏度的效果。
另外，若在六軸力傳感器10的腿14上作用沿假想圓徑向的力，則縱梁22沿徑向向與力相同的方向彎曲。但是，縱梁用單軸應變片30安裝在朝向縱梁22的周向的側面上，因此相對由縱梁22周向的彎曲而產生的應變產生較大的輸出，但相對由假想圓徑向的縱梁22的彎曲而產生的應變產生相對小的輸出。
還有，要注意將如上述的Z軸方向的力通過繞X軸或Y軸的力矩成分作用在腿14上，並且將假想圓周向的力通過繞Z軸的力矩成分作用在腿14上的情況。
若基於這樣的動作原理，可知基本上Z軸方向的力相當於各個腿14的橫梁20的橫梁用單軸應變片28產生相對較大的輸出且這些輸出大致相等的情況，X軸或Y軸的力相當於各個腿14的縱梁22的縱梁用單軸應變片30產生相對較大的輸出且這些輸出不相等的情況。另外可知繞Z軸的力矩相當於各個腿14的縱梁22的縱梁用單軸應變片30產生相對較大的輸出且那些輸出大致相等的情況，繞X軸或Y軸的力矩相當於僅是與4個腿14中的徑向相對的2個腿14的橫梁20的橫梁用單軸應變片28產生相對較大的輸出且這些輸出的絕對值大致相等的情況。
但是實際上，在六軸力傳感器10上作用包含各個軸向的力以及繞各個軸的力矩成分的複雜的力以及/或力矩。因此，例如基於用與特開平8-122178號公報所記載的相同的方法求出的力以及應變的相關關係，在本發明的六軸力傳感器10中由單軸應變片28、30檢測出的應變變換為作用在六軸力傳感器10的力以及力矩。以下說明用於求出力以及應變的相關關係的校準方法。
給予在六軸力傳感器10上的載荷(由力矢量和力矩矢量構成)用F表示，此時來自單軸應變片28、30的輸出(電壓)用v表示，校準矩陣用C表示，則下式成立。
F＝Cv(公式1)F=FxFyFzMxMyMz]]>
V=V1V2Vn]]>這裡，n表示六軸力傳感器10整體的單軸應變片28、30的個數，即，六軸力傳感器10整體的橫梁用單軸應變片28的個數和縱梁用單軸應變片30個數的總和。另外，Fx、Fy以及Fz分別是X軸、Y軸以及Z軸方向力的值，Mx、My以及Mz分別是繞X軸、Y軸以及Z軸的力矩值，v1、…、vn是各個單軸應變片28、30的輸出值。另外，校準矩陣是指供給通過將其乘以單軸應變片28、30的輸出而給予實際上所給予的載荷的矩陣。
通過實驗多次求出對於已知的載荷的各個單軸應變片29、30的輸出，即已知的F和v的關係，與例如特開平8-122178號公報一樣，通過使用公式(1)和最小二乘法，求出的校準矩陣C。通過最小二乘法求出校準矩陣的方法已為眾知，在這裡不做詳細說明。這樣一來，若求出校準矩陣C而已知，則利用公式(1)從各個單軸應變片29、30的輸出中能夠求出作用在六軸力傳感器10上的力以及力矩。
基於圖1所示的六軸力傳感器10說明上述力以及力矩的測定原理，圖5所示的六軸力傳感器10′也同樣適用。另外，六軸力傳感器具備3個或5個以上的腿14的情況，基本動作原理是相同的，在上述說明中，改變n的個數與上述相同只要求出校準矩陣C即可。
權利要求
1.一種六軸力傳感器(10；10′)，具備彼此相對配置的一對構件(12，12；32，34)；以及在該一對構件之間沿該構件的周邊部分散配置且連接上述一對構件的至少3個腿(14；14′)，通過將載荷施加給上述一對構件的一方，檢測在上述腿上產生的應變，基於檢測出的上述腿的應變，測定作用在上述一對構件的一方上的力以及力矩的雙方或一方，其特徵在於，上述腿(14；14′)是由上述一對構件(12，12；32，34)的一方支撐於兩端部且沿周向延長於上述構件的周邊部的橫梁(20；20′)以及從該橫梁的中央部沿與該橫梁垂直的方向延長並連接到上述一對構件的另一方上的縱梁(22)而構成的T字形腿，上述腿的應變由第1單軸應變片(28)和第2單軸應變片(30)檢測，上述第1單軸應變片(28；29)安裝在朝向上述縱梁(22)的相反側的上述橫梁(20；20′)的表面上或朝向上述縱梁(22；22′)一側的上述橫梁(20；20′)的表面上，使得能夠檢測上述橫梁的長度軸線方向的應變，上述第2單軸應變片(30)安裝在朝向周向的上述縱梁(22；22′)的側面上，使得能夠檢測上述縱梁(22；22′)的長度軸線方向的應變。
2.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，安裝在上述橫梁(20；20′)上的上述第1單軸應變片(28)配置在朝向上述縱梁(22；22′)的相反側的上述橫梁(20；20′)的表面上的上述橫梁(20；20′)的長度軸線方向兩端部的中央。
3.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，安裝在上述橫梁(20；20′)上的上述第1單軸應變片(29)配置在朝向上述縱梁(22；22′)一側的上述橫梁(20；20′)的表面上的上述橫梁(20；20′)的長度軸線方向兩端部或一端部上。
4.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，各個腿(14)配置在一個圓的圓周上，上述橫梁(20)沿上述圓周延長。
5.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，各個腿(14′)配置在一個圓的圓周上，上述橫梁(20′)沿上述圓的切線方向延長。
6.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，各個腿(14；14′)配置在一個圓的圓周上，在上述縱梁上形成沿上述圓的徑向貫通上述縱梁(22；22′)的開口部(26)。
7.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，上述一對構件(12，12；32，34)以及上述腿(14；14′)是一體結構。
8.根據權利要求1所述的六軸力傳感器，其特徵在於，上述單軸應變片(28；29；30)是半導體應變片。
全文摘要
本發明涉及一種六軸力傳感器，具備一對構件以及在一對構件之間沿其周邊部分散配置且連接一對構件的至少3個的腿。各個腿是由一對構件中的一方支撐在兩端部且沿周向延長於構件的周邊部的橫梁以及從橫梁的中央部沿與橫梁垂直的方向延長並連接到一對構件的另一方上的縱梁而構成的T字形腿。腿的應變由第1以及第2單軸應變片檢測。第1單軸應變片安裝在朝向縱梁相反側的橫梁表面上，以便能夠檢測橫梁的長度軸線方向的應變，第2單軸應變片安裝在朝向周向的縱梁側面上，以便能夠檢測縱梁的長度軸線方向的應變。
文檔編號G01L1/22GK1841032SQ20061006743
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月27日 優先權日2005年3月28日
發明者坂野哲朗 申請人:發那科株式會社