JP7305083B1

JP7305083B1 - 力覚センサ

Info

Publication number: JP7305083B1
Application number: JP2023517388A
Authority: JP
Inventors: 偉志村井; 昂史井手下; 圭輔佐田尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2042-12-09
Also published as: WO2024122047A1; JPWO2024122047A1

Abstract

把持具が取り付けられる受力部（３１）と、受力部（３１）を支持する円板状の固定部（３２）とを備え、固定部（３２）は、受力部（３１）に外力が加わることにより発生する受力部（３１）の変形及び異動を検出するセンサ部と、受力部（３１）を支持する面とは反対側の面に設けられた円柱形状部（３５）とを備え、円柱形状部（３５）は、直径が異なる複数の部分が形成されており、円柱形状部（３５）の直径が異なる複数の部分は、固定部（３２）に近い部分ほど直径が大きくなっており、円柱形状部（３５）の直径が異なる複数の部分のうちの二つの各々の外周面には、軸支用のベアリング（５１）及び潤滑油の侵入を防止するオイルシール（５２）が設置されている。

Description

本開示は、荷重を検知する力覚センサに関する。

産業用ロボットのアーム及び医療用のマニピュレータといった機器には、機器の各部に作用する荷重を検知し、検知結果を電気信号として出力する力覚センサが用いられる。力覚センサは、ロボットへの微小な荷重を高精度に検出するために、ロボットに高い精度で取り付けて検出精度の低下を抑制する必要がある。また、ロボットへの微小な荷重を高精度に検出するために、力覚センサは、ロボットへの組み付け時の固体ばらつきを低減する必要がある。

特許文献１に開示される力覚センサは、位置決め用の切り欠き及び位置決め用の突起を複数有することで、力覚センサをロボットに対して高精度に取り付けることが可能とされている。

特許第６７５６１６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される力覚センサは、位置決め用の複数の切り欠き及び突起を用いて固定する構造であるため、ロボットへの組み付け部分の形状が複雑となってしまう。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、ロボットへの組み付け部分の形状が簡素であるとともに、ロボットに高い精度で取り付けることができる力覚センサを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る力覚センサは、把持具が取り付けられる受力部と、受力部を支持する円板状の固定部とを備える。固定部は、受力部に外力が加わることにより発生する受力部の変形及び移動を検出するセンサ部と、受力部を支持する面とは反対側の面に設けられた円柱形状部とを備える。円柱形状部は、直径が異なる複数の部分が形成されており、円柱形状部の直径が異なる複数の部分は、固定部に近い部分ほど直径が大きくなっている。円柱形状部の直径が異なる複数の部分のうちの二つの各々の外周面には、軸支用のベアリング及び潤滑油の侵入を防止するオイルシールが設置されている。

本開示に係る力覚センサは、ロボットへの組み付け部分の形状が簡素であるとともに、ロボットに高い精度で取り付けることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るロボットの構成を示す図実施の形態１に係るロボット制御装置の機能ブロック図実施の形態１に係る力覚センサの正面側の斜視図実施の形態１に係る力覚センサの背面側の斜視図実施の形態１に係る力覚センサを取り付けたロボットの断面図実施の形態２に係る力覚センサの正面側の斜視図実施の形態２に係る力覚センサの背面側の斜視図実施の形態２に係る力覚センサを取り付けたロボットの断面図実施の形態３に係る力覚センサの正面側の斜視図実施の形態３に係る力覚センサの背面側の斜視図実施の形態３に係る力覚センサを取り付けたロボットの断面図

以下に、実施の形態に係る力覚センサを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るロボットの構成を示す図である。ロボット１には、力覚センサ３が取り付けられている。力覚センサ３は、ロボット１のアーム１１の先端の手先と称される部分に取り付けられている。力覚センサ３は、ロボット１の手先に作用する力を検出する。ロボット１には、ロボット制御装置２が接続されている。ロボット制御装置２は、力覚センサ３を始めとする各種センサから出力される信号を取り込み、ロボット１に駆動信号を送信する。

図２は、実施の形態１に係るロボット制御装置の機能ブロック図である。ロボット制御装置２は、プログラム記憶部２６と、プログラム実行部２５と、軌道生成部２４と、外部入出力部２７と、センサ入力部２１と、力覚センサ制御部２２と、サーボ制御部２３とを備えている。

ロボット制御装置２は、プログラム記憶部２６に記憶された制御プログラムをプログラム実行部２５が実行することにより、制御プログラムにおいて定められた軌道に沿ってロボット１のアーム１１が移動するように、アーム１１の移動の軌道を軌道生成部２４が生成する。ロボット制御装置２は、軌道生成部２４が生成した軌道に沿ってロボット１のアーム１１が移動するように、サーボ制御部２３がロボット１に制御信号を送り、ロボット１を制御する。なお、ロボット制御装置２は、センサ入力部２１から力覚センサ３の信号を取り込んで、フィードバックしながら軌道生成部２４にてロボット１を制御することも可能である。例えば、嵌め合い作業、位相合わせ作業、及びコンプライアンス制御といった複雑な作業をロボット１で実現可能である。プログラム実行部２５は、外部機器とのデータの送受信を、外部入出力部２７を介して実行することができる。これにより、プログラム実行部２５は、プログラム記憶部２６に記憶されている制御プログラムを実行して行う動作とは異なる動作を、外部機器から受信した制御プログラムを実行することによって行うことができる。

図３は、実施の形態１に係る力覚センサの正面側の斜視図である。図４は、実施の形態１に係る力覚センサの背面側の斜視図である。

図３及び図４に示すＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに垂直である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸は、矢印の先端が向く方向をプラス方向とし、矢印の根元の方向をマイナス方向とする。実施の形態１においては、プラスＺ方向を上方向とし、マイナスＺ方向を下方向とする。図３及び図４に示すように、力覚センサ３の外形は、円柱形状である。Ｚ軸は、円柱の高さ方向、すなわち力覚センサ３の高さ方向に沿って延びる軸である。なお、力覚センサ３の外形は、円柱形状に限られず、適宜変形可能である。

力覚センサ３は、マニピュレータといった把持具が取り付けられる受力部３１及び受力部３１を支持する固定部３２を有する。受力部３１は、力覚センサ３の外部から加えられる外力を受ける構造体、すなわち、荷重を受ける構造体である。ＸＹ面において受力部３１の外形は円形である。受力部３１の材料には、アルミニウム合金又は鉄鋼材料といった金属材料が使用される。

受力部３１には、ねじ穴４０，４１が形成されている。ねじ穴４０は、受力部３１のうちＸ方向及びＹ方向における中心付近に形成されている。ねじ穴４１は、受力部３１のうちＸ方向及びＹ方向における外縁付近に形成されている。図３及び図４に示す受力部３１には、四つのねじ穴４０と四つのねじ穴４１とが形成されている。なお、ねじ穴４０の数とねじ穴４１の数とは、任意とする。ねじ穴４０，４１は、受力部３１と固定部３２との接続、又は受力部３１と把持工具とを接続するために用いられる。

図５は、実施の形態１に係る力覚センサを取り付けたロボットの断面図である。受力部３１には、把持具から外力が加わり荷重を受ける。受力部３１が荷重を受けることにより、固定部３２に内蔵されたセンサ部３３が弾性変形する。センサ部３３に弾性変形が生じる時には、受力部３１の位置及び姿勢が変化する。受力部３１は、初期状態のときの位置から、受力部３１が受けた力の向きへ、受力部３１が受けた力の大きさに応じた距離だけ移動する。また、受力部３１の姿勢は、初期状態のときの姿勢から、受力部３１が受けたトルクの向きへ、トルクの大きさに応じた回転角だけ変化する。ここで、初期状態とは、受力部３１が荷重を受ける前の状態とする。また、受力部３１の位置とは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向における位置とする。また、受力部３１の姿勢とは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸を中心とする回転による向きの状態とする。

このように、受力部３１が荷重を受けたときに固定部３２に内蔵されたセンサ部３３が弾性変形する際には、固定部３２に対して受力部３１が変位する。なお、固定部３２に対する受力部３１の変位とは、固定部３２に対して受力部３１が移動する場合と、固定部３２に対して受力部３１の姿勢が変化する場合とを含む。受力部３１への荷重の印加が無くなると、センサ部３３が復元するとともに、受力部３１は初期状態の位置及び姿勢に戻る。

図３及び図４に示すように、力覚センサ３の固定部３２は、円板状であり、受力部３１が取り付けられる面とは反対側の面に円柱形状部３５を有する。円柱形状部３５は、外周面に少なくとも一つの段差が形成されている。実施の形態１においては、円柱形状部３５の外周面には、二つの段差が形成されており、円柱形状部３５は、第１段部３５１、第２段部３５２及び第３段部３５３の直径が異なる三つの部分を備えている。第１段部３５１、第２段部３５２及び第３段部３５３のうち、第１段部３５１の直径が最も大きく、第３段部３５３の直径が最も小さい。第２段部３５２の直径は、第１段部３５１の直径よりも小さく、第３段部３５３の直径よりも大きい。円柱形状部３５の中心軸は、受力部３１の中心軸と同軸である。

図５に示すように、力覚センサ３の円柱形状部３５は、ロボット１のアーム１１の先端の凹部１１１に差し込まれて嵌合する。すなわち、力覚センサ３は、一つの円柱形状部３５が凹部１１１に嵌合することによって位置決めがなされるため、ロボット１のアーム１１と嵌合する箇所が１箇所である。仮に、力覚センサ３とロボット１のアーム１１とが２箇所以上で嵌合すると、嵌合する部分の形状だけでなく、嵌合する部分同士の間隔及び配置位置についても精度を高めないと、ロボット１に高い精度で力覚センサ３を取り付けることができなくなってしまう。実施の形態１に係る力覚センサ３は、ロボット１のアーム１１と嵌合する箇所が１箇所であるため、凹部１１１に嵌合する円柱形状部３５の形状の精度さえ高めれば、ロボット１に高い精度で取り付けることができる。さらに、円柱形状部３５は、断面が円形の柱状の簡易な構造であるため、形状の精度を容易に高めることができる。

一般的に力覚センサ３は、ロボット１に内蔵されたモータ及び減速機に接続されて回転運動する。図５に示すように、力覚センサ３をロボット１に取り付けてモータ及び減速機と接続して回転運動させるためには、軸支用のベアリング５１及び潤滑油の漏れ防止に使用するオイルシール５２を力覚センサ３に配置する必要がある。実施の形態１に係る力覚センサ３は、凹部１１１に嵌合する円柱形状部３５の一部分である第３段部３５３の外周部にはベアリング５１が設置されており、第２段部３５２の外周部にはオイルシール５２が設置されている。円柱形状部３５の中心軸は、受力部３１の中心軸と同軸であるため、第３段部３５３の外周部に設置されたベアリング５１で力覚センサ３を回転可能に軸支することにより、ロボット１に取り付けた状態の力覚センサ３を、モータ及び減速機で回転運動させることができる。

なお、ここでは第３段部３５３の外周部にベアリング５１を設置し、第２段部３５２の外周部にオイルシール５２を設置した構成について説明したが、第１段部３５１の外周部、第２段部３５２の外周部及び第３段部３５３の外周部のうちの二つに、ベアリング５１及びオイルシール５２を各々設置してもよい。この場合には、受力部３１とベアリング５１との間にオイルシール５２が位置するようにベアリング５１及びオイルシール５２を設置することで、凹部１１１からロボット１の内部に油が侵入すること及びベアリング５１が油で汚染されることを抑制できる。

実施の形態１に係る力覚センサ３は、ロボット１のアーム１１と嵌合するのは円柱形状部３５の１箇所のみであり、ロボット１のアーム１１と嵌合する部分の構造が簡易である。また、実施の形態１に係る力覚センサ３は、アーム１１に嵌合する円柱形状部３５の第３段部３５３の外周部にベアリング５１を設置しているため、ロボット１のモータ及び減速機の回転軸と、力覚センサ３の回転軸とを高い精度で合わせることができる。このため、実施の形態１に係る力覚センサ３は、簡易な構造でありながら、ロボット１に対して精度良く取り付けることができ、かつ、ロボット１への組付け時の個体ばらつきを低減することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る力覚センサの正面側の斜視図である。図７は、実施の形態２に係る力覚センサの背面側の斜視図である。実施の形態２に係る力覚センサ３は、円柱形状部３５の外周面に二つの段差が形成されており、円柱形状部３５は、第１段部３５１、第２段部３５２及び第３段部３５３の直径が異なる三つの部分を備えている。第１段部３５１、第２段部３５２及び第３段部３５３のうち直径が最も大きい第１段部３５１には、配線穴３６が形成されている。第２段部３５２の外周部にはオイルシール５２が設置されており、第３段部３５３の外周部にはベアリング５１が設置されている。

図８は、実施の形態２に係る力覚センサを取り付けたロボットの断面図である。図８に示すように、円柱形状部３５は、直径が最も小さい第３段部３５３及び直径が二番目に小さい第２段部３５２と、直径が最も大きい第１段部３５１の一部分とがロボット１のアーム１１の先端の凹部１１１に挿入されており、第１段部３５１のうち配線穴３６が形成されている部分は、ロボット１のアーム１１の先端の凹部１１１に挿入されていない。このため、第１段部３５１のうち配線穴３６が形成されている部分は、固定部３２とロボット１との間に形成される配線収納溝３７において露出している。

力覚センサ３の内部のセンサ部３３からの信号を取り出す配線４２は、力覚センサ３の円柱形状部３５に形成された配線穴３６から力覚センサ３の外部に引き出されて、ロボット制御装置２のセンサ入力部２１に接続される。なお、センサ部３３からの信号を取り出す配線４２が長い場合は、配線収納溝３７に配線４２を収納することも可能である。配線４２を収納してロボット１を駆動することにより、配線４２の変形に起因する力覚センサ３の精度の低下を抑制することができる。

実施の形態２に係る力覚センサ３は、実施の形態１に係る力覚センサ３と同様に、ロボット１のアーム１１と嵌合するのは円柱形状部３５の１箇所のみであり、ロボット１のアーム１１と嵌合する部分の構造が簡易である。また、実施の形態２に係る力覚センサ３は、アーム１１に嵌合する円柱形状部３５の第３段部３５３の外周部にベアリング５１を設置しているため、ロボット１のモータ及び減速機の回転軸と、力覚センサ３の回転軸とを高い精度で合わせることができる。さらに、実施の形態２に係る力覚センサ３を取り付けたロボット１は、配線４２を配線収納溝３７に収納した状態で駆動することができるため、ロボット１に対する取り付け方に起因する力覚センサ３の精度の低下を抑制することができ、ロボット１への組付け時の個体ばらつきを低減することができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る力覚センサの正面側の斜視図である。図１０は、実施の形態３に係る力覚センサの背面側の斜視図である。実施の形態３に係る力覚センサ３は、実施の形態２に係る力覚センサ３と同様に、円柱形状部３５の外周面に二つの段差が形成されており、円柱形状部３５は、第１段部３５１、第２段部３５２及び第３段部３５３の直径が異なる三つの部分を備えている。第１段部３５１、第２段部３５２及び第３段部３５３のうち直径が最も小さい第３段部３５３には、配線穴３８が形成されている。第２段部３５２の外周部にはオイルシール５２が設置されており、第３段部３５３の外周部にはベアリング５１が設置されている。

図１１は、実施の形態３に係る力覚センサを取り付けたロボットの断面図である。図１１に示すように、力覚センサ３の円柱形状部３５は、ロボット１のアーム１１の先端の凹部１１１に差し込まれている。円柱形状部３５は、ロボット１のアーム１１の先端の凹部１１１に嵌合している。力覚センサ３の内部のセンサ部３３からの信号を取り出す配線４２は、力覚センサ３の円柱形状部３５に形成された配線穴３８から力覚センサ３の外部に引き出されて、ロボット１の内部を経由してロボット制御装置２のセンサ入力部２１に接続される。

力覚センサの内部のセンサ部からの信号を取り出す配線をロボットの外部に這うように配線すると、ロボットの動作に伴って配線と接触して破断する可能性がある。また、配線がロボットの外部に露出していると、作業者が引っかかるなどの課題も生じる。実施の形態３に係る力覚センサ３を取り付けたロボット１は、力覚センサ３の内部のセンサ部３３からの信号を取り出す配線４２をロボット１の内部に収納してロボット１を駆動できるため、配線４２の破断及び配線４２に作業員が引っかかるといった問題を抑制することができる。

また、実施の形態３に係る力覚センサ３は、実施の形態１に係る力覚センサ３と同様に、ロボット１のアーム１１と嵌合するのは円柱形状部３５の１箇所のみであり、ロボット１のアーム１１と嵌合する部分の構造が簡易である。また、実施の形態２に係る力覚センサ３は、アーム１１に嵌合する円柱形状部３５の第３段部３５３の外周部にベアリング５１を設置しているため、ロボット１のモータ及び減速機の回転軸と、力覚センサ３の回転軸とを高い精度で合わせることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ロボット、２ロボット制御装置、３力覚センサ、１１アーム、２１センサ入力部、２２力覚センサ制御部、２３サーボ制御部、２４軌道生成部、２５プログラム実行部、２６プログラム記憶部、２７外部入出力部、３１受力部、３２固定部、３３センサ部、３５円柱形状部、３６，３８配線穴、３７配線収納溝、４０，４１ねじ穴、４２配線、５１ベアリング、５２オイルシール、１１１凹部、３５１第１段部、３５２第２段部、３５３第３段部。

Claims

把持具が取り付けられる受力部と、前記受力部を支持する円板状の固定部とを備え、
前記固定部は、前記受力部に外力が加わることにより発生する前記受力部の変形及び移動を検出するセンサ部と、前記受力部を支持する面とは反対側の面に設けられた円柱形状部とを備え、
前記円柱形状部は、直径が異なる複数の部分が形成されており、
前記円柱形状部の直径が異なる複数の部分は、前記固定部に近い部分ほど直径が大きくなっており、
前記円柱形状部の直径が異なる複数の部分のうちの二つの各々の外周面には、軸支用のベアリング及び潤滑油の侵入を防止するオイルシールが設置されていることを特徴とする力覚センサ。
前記オイルシールは、前記受力部と前記ベアリングとの間に位置するように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
前記円柱形状部の直径が異なる複数の部分のうち直径が最も大きい部分の外周面に、前記センサ部に接続される配線を通す穴が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ。
前記円柱形状部の直径が異なる複数の部分のうち直径が最も小さい部分の端面に、前記センサ部に接続される配線を通す穴が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ。
前記受力部は、円板状であり、
前記受力部の中心軸と、前記円柱形状部の中心軸とは同軸であることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ。
前記受力部は、円板状であり、
前記受力部の中心軸と、前記円柱形状部の中心軸とは同軸であることを特徴とする請求項３に記載の力覚センサ。
前記受力部は、円板状であり、
前記受力部の中心軸と、前記円柱形状部の中心軸とは同軸であることを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。