JP2015066610A - Force correction value detection method and robot - Google Patents
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Abstract
【課題】常に正しい力を検出でき、ワークに対して過不足のない正しい力を加えることができる力補正値検出方法及びロボットを提供する。
【解決手段】力補正値検出方法は、アーム16の姿勢を制御してエンドエフェクター12の姿勢を第1の姿勢として、第1の姿勢で力センサー10に加わる第1の力を検出すること、アーム16の姿勢を制御してエンドエフェクター12の姿勢を第1の姿勢とは異なる第2の姿勢として、第2の姿勢で力センサー10に加わる第2の力を検出すること、及び、制御部は、第1の力と第2の力との差分を取ることで力センサー10のドリフト値を算出すること、を含み、エンドエフェクター12の第1の点と、第1の点とは異なるエンドエフェクター12の第2の点とを通る直線において、第1の姿勢における第1の点から第2の点に向かう第1の方向は、第2の姿勢における第2の点から第1の点に向かう第2の方向と同じである。
【選択図】図6Provided is a force correction value detection method and a robot capable of always detecting a correct force and applying a correct force without excess or deficiency to a workpiece.
A force correction value detection method detects a first force applied to a force sensor in a first posture by controlling the posture of an arm and setting the posture of an end effector as a first posture. Detecting the second force applied to the force sensor 10 in the second posture by controlling the posture of the arm 16 so that the posture of the end effector 12 is a second posture different from the first posture; and a control unit Includes calculating a drift value of the force sensor 10 by taking a difference between the first force and the second force, and the first point of the end effector 12 is different from the first point. In a straight line passing through the second point of the effector 12, the first direction from the first point in the first posture toward the second point is from the second point in the second posture to the first point. It is the same as the 2nd direction to go.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、力補正値検出方法及びロボットに関するものである。 The present invention relates to a force correction value detection method and a robot.
力覚センサーは一般的に温度変化の影響を受けることにより、出力ドリフトが発生する。この出力ドリフトは、力覚センサーの検出分解能及び検出精度を低下させることから好ましくない。そのため、高い精度が要求される組立作業では、センサーの温度補正を行う必要がある。 In general, the force sensor generates an output drift due to the influence of a temperature change. This output drift is not preferable because it lowers the detection resolution and detection accuracy of the force sensor. For this reason, in assembly work that requires high accuracy, it is necessary to correct the temperature of the sensor.
力覚センサーの温度補正は、事前に力覚センサーの稼働環境における各温度での温度係数及び直流成分を測定し、測定値から計算する方法がある。例えば、特定の姿勢で重力のみに起因する力で加わる力の値(ドリフト値を含む実測値)と、予めロボットの構造を前提に計算で求めた値(ドリフトを含まない理論値)との差分でドリフト値を算出して補正する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 For the temperature correction of the force sensor, there is a method in which the temperature coefficient and DC component at each temperature in the operating environment of the force sensor are measured in advance and calculated from the measured values. For example, the difference between the force value (measured value including the drift value) applied by the force caused only by gravity in a specific posture and the value (theoretical value that does not include drift) calculated in advance based on the robot structure. Discloses a method of calculating and correcting a drift value (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1では、ロボットの構造を前提に計算で求めた値だと、想定されない誤差(エンコーダー誤差、アーム撓みによる誤差、減速機のバックラッシュや摺動部の誤差(ガタ)、部品加工公差、ユーザーによる想定外の改造など)は考慮されないため、現実の値とはかけ離れてしまう。 However, in Patent Document 1, if it is a value obtained by calculation on the assumption of the structure of the robot, an unexpected error (encoder error, error due to arm deflection, backlash of the reducer or sliding part error (backlash), part processing) Tolerances, unexpected modifications by users, etc.) are not taken into account and are far from actual values.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る力補正値検出方法は、複数の姿勢を取ることが可能なアームと、エンドエフェクターと、前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記アームと前記エンドエフェクターとの間の力を検出する力センサーと、前記アームを制御して任意の姿勢に設定し、前記力センサーで検出された複数の力信号の各々の差分を算出する制御部と、を備え、前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記エンドエフェクターの姿勢を第1の姿勢として、前記力センサーに加わる第1の力を検出し、前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記エンドエフェクターの姿勢を前記第1の姿勢とは異なる第2の姿勢として、前記第2の姿勢で前記力センサーに加わる第2の力を検出すること、及び、前記制御部は、前記第1の力と前記第2の力との差分を取ることで前記力センサーのドリフト値を算出すること、を含み、前記エンドエフェクターの第1の点と、前記第1の点とは異なる前記エンドエフェクターの第2の点とを通る直線において、前記第1の姿勢における前記第1の点から前記第2の点に向かう第1の方向は、前記第2の姿勢における前記第2の点から前記第1の点に向かう第2の方向と同じであることを特徴とする。 Application Example 1 A force correction value detection method according to this application example is provided between an arm capable of taking a plurality of postures, an end effector, and the arm and the end effector. A force sensor for detecting a force between the end effector and a control unit for controlling the arm to set an arbitrary posture and calculating a difference between each of a plurality of force signals detected by the force sensor; The controller controls the posture of the arm to detect the first force applied to the force sensor with the posture of the end effector as the first posture, and the controller controls the posture of the arm. Detecting the second force applied to the force sensor in the second posture, and controlling the posture of the end effector as a second posture different from the first posture; and Calculating a drift value of the force sensor by taking a difference between the first force and the second force, and the first point of the end effector is different from the first point In a straight line passing through the second point of the end effector, the first direction from the first point in the first posture toward the second point is the second point in the second posture. It is the same as the 2nd direction which goes to said 1st point from.
本適用例によれば、エンドエフェクターの姿勢が180°異なる(反転)姿勢における2つの実測値である第1の力と第2の力とを用いて、その差分で力センサーのドリフト値を求めることができる。これにより、作業中の任意のタイミングで上記2つの実測値を得ることで、リアルタイムに正しいドリフト値を得ることができる。ロボット動作時には、実動作時の雰囲気温度、モーターの発熱などは緩やかに変化していることから。直前の状態で力センサーの補正を行うことで、常に正しい力を検出でき、物体に対して過不足のない正しい力を加えることができる。 According to this application example, using the first force and the second force, which are two actually measured values in a 180 ° different (inverted) posture of the end effector, the force sensor drift value is obtained by the difference between them. be able to. Thereby, a correct drift value can be obtained in real time by obtaining the above two actually measured values at an arbitrary timing during work. During robot operation, the ambient temperature during actual operation and the heat generated by the motor change slowly. By correcting the force sensor in the immediately preceding state, the correct force can always be detected, and the correct force without excess or deficiency can be applied to the object.
[適用例2]上記適用例に記載の力補正値検出方法において、前記第1の姿勢における前記力センサーの検出軸方向は、重力方向と平行であることを特徴とする。 Application Example 2 In the force correction value detection method according to the application example described above, the detection axis direction of the force sensor in the first posture is parallel to the gravity direction.
本適用例によれば、第1の姿勢における力センサーの検出軸方向(例えば正方向)は、重力方向(つまり鉛直下向き)と平行なので、180°反転方向である第2の姿勢における力センサー方向(この場合負方向)は重力方向と平行になる。これにより、ハンドにかかる自重を利用し、軸方向(180°)の正負を変えたセンサー値を取得し、センサー値の補正を行うことができる。その結果、検出精度を高めることができる。 According to this application example, since the detection axis direction (for example, the positive direction) of the force sensor in the first posture is parallel to the gravity direction (that is, vertically downward), the force sensor direction in the second posture which is the 180 ° inversion direction. (In this case, the negative direction) is parallel to the direction of gravity. Thereby, the sensor value which changed the positive / negative of the axial direction (180 degrees) using the dead weight concerning a hand can be acquired, and a sensor value can be corrected. As a result, the detection accuracy can be increased.
[適用例3]上記適用例に記載の力補正値検出方法において、前記力センサーには、検出軸方向が互いに直交する複数の力検出素子が含まれることを特徴とする。 Application Example 3 In the force correction value detection method according to the application example described above, the force sensor includes a plurality of force detection elements whose detection axis directions are orthogonal to each other.
本適用例によれば、直交する複数の方向の力検出素子のそれぞれのドリフト値を得ることができる。 According to this application example, it is possible to obtain the drift values of the force detection elements in a plurality of directions orthogonal to each other.
[適用例4]上記適用例に記載の力補正値検出方法において、前記エンドエフェクターは、物体を把持可能なハンドであることを特徴とする。 Application Example 4 In the force correction value detection method described in the application example, the end effector is a hand that can grip an object.
本適用例によれば、物体を安定して把持することができる。 According to this application example, the object can be stably held.
[適用例5]本適用例に係るロボットは、複数の姿勢を取ることが可能なアームと、エンドエフェクターと、前記アームと前記エンドエフェクターとの間に配置され、前記アームと前記エンドエフェクターとの間の力を検出可能な力センサーと、前記アームを制御して任意の姿勢に設定し、前記力センサーで検出された複数の力信号の各々の差分を算出する制御部と、を含み、前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記エンドエフェクターの姿勢を第1の姿勢とし、前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記第1の姿勢の後に、前記エンドエフェクターの姿勢を、前記第1の姿勢における前記エンドエフェクターに予め定めた任意の面の法線方向とは180°逆の方向に前記任意の面が向く、第2の姿勢とすることを特徴とする。 Application Example 5 A robot according to this application example is arranged between an arm capable of taking a plurality of postures, an end effector, the arm and the end effector, and the arm and the end effector. A force sensor capable of detecting a force between, and a control unit configured to control the arm to set an arbitrary posture and calculate a difference between each of the plurality of force signals detected by the force sensor, The control unit controls the posture of the end effector to control the posture of the end effector to a first posture, and the control unit controls the posture of the arm to change the posture of the end effector after the first posture. The second posture is such that the arbitrary surface faces in a direction opposite to the normal direction of the arbitrary surface predetermined for the end effector in the first posture by 180 °.
本適用例によれば、上記記載の力補正値検出方法と同様の効果が得られる。そして、力補正値検出方法で検出した力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力補正値検出方法で検出した力によって、エンドエフェクターの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に作業を実行することができる。 According to this application example, the same effect as the force correction value detection method described above can be obtained. Then, it is possible to feed back the force detected by the force correction value detection method and execute the operation more precisely. Further, the contact of the end effector with the obstacle can be detected by the force detected by the force correction value detection method. Therefore, an obstacle avoidance operation, an object damage avoidance operation, and the like, which are difficult with conventional position control, can be easily performed, and the work can be executed more safely.
以下、本発明の力補正値検出方法及びロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a force correction value detection method and a robot according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<単腕ロボットの実施形態>
本実施形態に係るロボットとしての単腕ロボット2を説明する。
図1は、本実施形態に係る力検出装置10を用いた単腕ロボット2の1例を示す図である。図2は、本実施形態に係る力検出装置10とハンド12とを示す図である。本実施形態に係る単腕ロボット2は、図1に示すように、基台14と、複数の姿勢を取ることが可能なアーム16と、アーム16の先端側に設けられたエンドエフェクターとしてのハンド12と、アーム16とハンド12との間に配置され、アーム16とハンド12との間の力を検出可能な力センサーとしての力検出装置10と、アームを制御して任意の姿勢に設定し、力検出装置10で検出された複数の力信号の各々の差分を算出する制御部18と、を有する。
<Embodiment of single arm robot>
A
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a single-
基台14は、アーム16を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)及びアクチュエーターを制御する制御部18等を収納する機能を有する。また、基台14は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
The
アーム16は、第1のアーム要素20、第2のアーム要素22、第3のアーム要素24、第4のアーム要素26、及び第5のアーム要素28を有しており、隣り合うアーム同士を回動可能に連結することにより構成されている。アーム16は、制御部18の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転又は屈曲することにより駆動する。
The
アーム16は、ハンド12に第1の姿勢を取らせる。アーム16は、第1の姿勢の後に、第1の姿勢におけるハンド12に予め定めた任意の面の法線方向とは180°逆の方向に任意の面が向く第2の姿勢を取らせる。
The
ハンド12は、物体としての対象物を把持する機能を有する。これによれば、物体を安定して把持することができる。ハンド12は、第1の指30及び第2の指32を有している。アーム16の駆動によりハンド12が所定の動作位置まで到達した後、第1の指30及び第2の指32の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
The
力検出装置10は、ハンド12に加えられる力を検出する機能を有する。力検出装置10が検出する力を基台14の制御部18にフィードバックすることにより、単腕ロボット2は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置10が検出する力によって、単腕ロボット2は、ハンド12の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、単腕ロボット2は、より安全に作業を実行することができる。力検出装置10は、図2に示すように、各X,Y,Z軸と、XYZ軸周りのモーメントMx,My,Mzを計測可能なセンサーと、ハンド12が装着される構成とする。
The
制御部18は、アーム16を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)を制御する。制御部18は、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転又は屈曲することによりアーム16を駆動する。制御部18は、力検出装置10が検出する力をフィードバックさせる。制御部18は、力検出装置10から伝達された力に応じてアクチュエーター等を制御することにより、姿勢制御、振動制御、及び加速制御等の制御を実行する。
The
制御部18は、アーム16の姿勢を制御してハンド12に第1の姿勢を取らせる。そして、第1の姿勢で力検出装置10に加わる第1の力を検出する。制御部18は、アーム16の姿勢を制御してハンド12に第1の姿勢とは異なる第2の姿勢を取らせる。そして、第2の姿勢で力検出装置10に加わる第2の力を検出する。制御部18は、第1の力と第2の力との差分を取ることで力検出装置10のドリフト値を算出する。ここで、ハンド12の第1の点と、第1の点とは異なるハンド12の第2の点とを通る直線において、第1の姿勢における第1の点から第2の点に向かう第1の方向は、第2の姿勢における第2の点から第1の点に向かう第2の方向と同じである。
The
第1の姿勢における力検出装置10の検出軸方向(例えば正方向)は、重力方向(つまり鉛直下向き)と平行である。これによれば、180°反転方向である第2の姿勢における力検出装置10方向(この場合負方向)は重力方向と平行になる。これにより、ハンド12にかかる自重を利用し、軸方向(180°)の正負を変えたセンサー値を取得し、センサー値の補正を行うことができる。その結果、検出精度を高めることができる。
The detection axis direction (for example, positive direction) of the
なお、図示の構成では、アーム16は、合計5本のアーム要素によって構成されているが、本実施形態はこれに限られない。アーム16が、1本のアーム要素に構成されている場合、2〜4本のアーム要素によって構成されている場合、6本以上のアーム要素によって構成されている場合も本実施形態の範囲内である。
In the illustrated configuration, the
図3は、本実施形態に係る力検出装置10を示す図であり、図3(A)は図3(B)中のA−A線での断面図、図3(B)は平面図である。図4は、図3に示す力検出装置10を概略的に示す回路図である。
3A and 3B are diagrams showing the
力検出装置10は、図3に示すように、第1の基板38と、第1の基板38から所定の間隔を隔てて配置され、第1の基板38に対向する第2の基板40と、第1の基板38と第2の基板40との間に設けられ、加えられた力に応じて信号を出力する4つの電荷出力素子(力検出素子)36と、が搭載されたアナログ回路基板42と、アナログ回路基板42と電気的に接続されたデジタル回路基板44と、第1の基板38と第2の基板40とを固定する8つの与圧ボルト46と、を備えている。力検出装置10は、力(モーメントを含む)を検出する機能、すなわち、6軸力(X、Y、Z軸方向の並進力成分(せん断力、圧縮及び引張力)及びX、Y、Z軸周りの回転力成分(モーメント))を検出する機能を有する。力検出装置10には、検出軸方向が互いに直交する複数の電荷出力素子36が含まれる。これによれば、直交する複数の方向の電荷出力素子36のそれぞれのドリフト値を得ることができる。
As shown in FIG. 3, the
各電荷出力素子36は、力の検出に用いられる電荷(信号)を取得するための素子である。各電荷出力素子36は、アナログ回路基板42の第2の基板40側の面に配置され、アナログ回路基板42ごと第1の基板38と第2の基板40とで挟持されている。なお、第1の基板38と、第2の基板40とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第2の基板40を力が加わる側の基板として説明する。
Each
また、各電荷出力素子36は、アナログ回路基板42の第1の基板38側の面に配置されていてもよい。また、電荷出力素子36の数は、前記4つに限定されるものではなく、例えば、1つ、2つ、3つ、又は5つ以上でもよい。ただし、電荷出力素子36の数は、複数であることが好ましく、3つ以上であることがより好ましい。例えば、力検出装置10には、検出軸方向が互いに直交(X,Y,Z)する3つの電荷出力素子36が含まれる。これによれば、三次元方向の力検出が可能になる。
In addition, each
力検出装置10は、少なくとも3つの電荷出力素子36を有していれば、6軸力を検出可能である。電荷出力素子36が3つの場合、電荷出力素子36の数が少ないので、力検出装置10を軽量化することができる。また、電荷出力素子36が図示のように4つの場合、後述する非常に単純な演算によって6軸力を求めることができるので、図4に示す演算部48を簡略化することができる。
If the
第1の基板38、第2の基板40、アナログ回路基板42、デジタル回路基板44の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基板38、第2の基板40、アナログ回路基板42、デジタル回路基板44の平面視で、その外形形状は、円形をなしている。なお、第1の基板38、第2の基板40、アナログ回路基板42、デジタル回路基板44の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等が挙げられる。
The shapes of the
また、第1の基板38、第2の基板40、アナログ回路基板42の各素子及び各配線以外の部位、デジタル回路基板44の各素子及び各配線以外の部位の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料、各種の金属材料等を用いることができる。
Further, as the constituent materials of the
また、各電荷出力素子36の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各電荷出力素子36は、第1の基板38、第2の基板40、アナログ回路基板42の周方向に沿って、等角度間隔(90°間隔)に配置されている。これにより、偏りなく力を検出することができる。そして、6軸力を検出することができる。なお、本実施形態では、各電荷出力素子36は、全て同じ方向を向いた状態でアナログ回路基板42に搭載されているが、これに限定されるものではない。
Further, the position of each
アナログ回路基板42は、図4に示すように、電荷出力素子36から出力された電荷Qxを電圧Vxに変換する変換出力回路50aと、電荷Qzを電圧Vzに変換する変換出力回路50bと、電荷Qyを電圧Vyに変換する変換出力回路50cと、を4組備えている。また、デジタル回路基板44は、加えられた力を検出する力検出回路52を備えている。このデジタル回路基板44は、アナログ回路基板42よりも第1の基板38側に設置されている。
As shown in FIG. 4, the
第1の基板38と、第2の基板40とは、8つの与圧ボルト46により、固定されている。各与圧ボルト46は、その頭部が第1の基板38側に配置され、第2の基板40に螺合している。なお、与圧ボルト46による「固定」は、2つの固定対象物の互いの所定量の移動を許容しつつ行われる。具体的には、第1の基板38と、第2の基板40とは、8つの与圧ボルト46により、互いの所定量の第1の基板38、第2の基板40の面方向の移動が許容されつつ固定される。そして、この与圧ボルト46により、各電荷出力素子36に、所定の大きさのZ軸方向の圧力、すなわち、与圧が加えられる。なお、前記与圧の大きさは、特に限定されず、適宜設定される。また、与圧ボルト46の数は、8つに限定されず、例えば、2つ、3つ、4つ、5つ、6つ、7つ又は、9つ以上であってもよい。
The
また、各与圧ボルト46の位置は、特に限定されないが、本実施形態では、各与圧ボルト46は、第1の基板38、第2の基板40、アナログ回路基板42の周方向に沿って配置されている。また、各与圧ボルト46は、各電荷出力素子36に対して、それぞれ、1対の与圧ボルト46が電荷出力素子36を挟んで電荷出力素子36の両側に配置されている。これにより、第1の基板38と第2の基板40とをバランス良く固定することができ、また、各電荷出力素子36にバランス良く与圧を加えることができる。
Further, the position of each pressurizing
<電荷出力素子>
図5は、図3に示す力検出装置10の電荷出力素子36を概略的に示す断面図である。電荷出力素子36は、それぞれ、互いに直交する3軸(α(X)軸、β(Y)軸、γ(Z)軸)に沿って加えられた(受けた)力のそれぞれに応じて3つの電荷Qx,Qy,Qzを出力する機能を有する。
<Charge output element>
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the
電荷出力素子36の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第1の基板38の平面視で、四角形をなしている。なお、電荷出力素子36の平面視での前記の他の外形形状としては、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等が挙げられる。
Although the shape of the
電荷出力素子36は、図5に示すように、グランド(基準電位点)に接地された4つのグランド電極層54と、β軸に平行な力(せん断力)に応じて電荷Qyを出力する第1のセンサー56と、γ軸に平行な力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qzを出力する第2のセンサー58と、α軸に平行な力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する第3のセンサー60とを有し、グランド電極層54と各センサー56,58,60は交互に積層されている。なお、図5において、グランド電極層54及びセンサー56,58,60の積層方向をγ軸方向とし、γ軸方向に直交しかつ互いに直交する方向をそれぞれα軸方向、β軸方向としている。
As shown in FIG. 5, the
図示の構成では、図5中の下側から、第1のセンサー56、第2のセンサー58、第3のセンサー60の順で積層されているが、本実施形態はこれに限られない。センサー56,58,60の積層順は任意である。
In the configuration shown in the drawing, the
グランド電極層54は、グランド(基準電位点)に接地された電極である。グランド電極層54を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、金、白金、クロム、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄、又はこれらを含む合金が好ましい。これらの中でも特に、鉄合金であるステンレスを用いるのが好ましい。ステンレスにより構成されたグランド電極層54は、優れた耐久性及び耐食性を有する。
The
第1のセンサー56は、β軸に沿って加えられた(受けた)力(せん断力)に応じて電荷Qyを出力する機能を有する。第1のセンサー56は、β軸の正方向に沿って加えられた力に応じて正電荷を出力し、β軸の負方向に沿って加えられた力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。第1のセンサー56は、第1の結晶軸CA1を有する第1の圧電体層62と、第1の圧電体層62と対向して設けられ、第2の結晶軸CA2を有する第2の圧電体層64と、第1の圧電体層62と第2の圧電体層64との間に設けられ、電荷Qを出力する出力電極層66を有する。
The
第1の圧電体層62はβ軸の負方向に配向した第1の結晶軸CA1を有する圧電体によって構成されている。第1の圧電体層62の表面に対し、β軸の正方向に沿った力が加えられた場合、圧電効果により、第1の圧電体層62内に電荷が誘起される。その結果、第1の圧電体層62の出力電極層66側表面近傍には正電荷が集まり、第1の圧電体層62のグランド電極層54側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第1の圧電体層62の表面に対し、β軸の負方向に沿った力が加えられた場合、第1の圧電体層62の出力電極層66側表面近傍には負電荷が集まり、第1の圧電体層62のグランド電極層54側表面近傍には正電荷が集まる。
The first
第2の圧電体層64は、β軸の正方向に配向した第2の結晶軸CA2を有する圧電体によって構成されている。第2の圧電体層64の表面に対し、β軸の正方向に沿った力が加えられた場合、圧電効果により、第2の圧電体層64内に電荷が誘起される。その結果、第2の圧電体層64の出力電極層66側表面近傍には正電荷が集まり、第2の圧電体層64のグランド電極層54側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第2の圧電体層64の表面に対し、β軸の負方向に沿った力が加えられた場合、第2の圧電体層64の出力電極層66側表面近傍には負電荷が集まり、第2の圧電体層64のグランド電極層54側表面近傍には正電荷が集まる。
The second
このように、第1の圧電体層62の第1の結晶軸CA1は、第2の圧電体層64の第2の結晶軸CA2の方向と反対方向を向いている。これにより、第1の圧電体層62又は第2の圧電体層64のいずれか一方のみと、出力電極層66によって第1のセンサー56を構成する場合と比較して、出力電極層66近傍に集まる正電荷又は負電荷を増加させることができる。その結果、出力電極層66から出力される電荷Qを増加させることができる。
Thus, the first crystal axis CA1 of the first
なお、第1の圧電体層62及び第2の圧電体層64の構成材料としては、水晶、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。これらの中でも特に、水晶が好ましい。水晶により構成された圧電体層は、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。また、第1の圧電体層62及び第2の圧電体層64のように、層の面方向に沿った力(せん断力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、Yカット水晶により構成することができる。
The constituent materials of the first
出力電極層66は、第1の圧電体層62内及び第2の圧電体層64内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qyとして出力する機能を有する。前述のように、第1の圧電体層62の表面又は第2の圧電体層64の表面にβ軸の正方向に沿った力が加えられた場合、出力電極層66近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層66からは、正の電荷Qyが出力される。一方、第1の圧電体層62の表面又は第2の圧電体層64の表面にβ軸の負方向に沿った力が加えられた場合、出力電極層66近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層66からは、負の電荷Qyが出力される。
The
また、出力電極層66の幅は、第1の圧電体層62及び第2の圧電体層64の幅以上であることが好ましい。出力電極層66の幅が、第1の圧電体層62又は第2の圧電体層64よりも狭い場合、第1の圧電体層62又は第2の圧電体層64の一部は出力電極層66と接しない。そのため、第1の圧電体層62又は第2の圧電体層64に生じた電荷の一部を出力電極層66から出力できない場合がある。その結果、出力電極層66から出力される電荷Qyが減少してしまう。なお、後述する出力電極層72,78についても同様である。
The width of the
第2のセンサー58は、γ軸に沿って加えられた(受けた)力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qzを出力する機能を有する。第2のセンサー58は、γ軸に平行な圧縮力に応じて正電荷を出力し、γ軸に平行な引張力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。第2のセンサー58は、第3の結晶軸CA3を有する第3の圧電体層68と、第3の圧電体層68と対向して設けられ、第4の結晶軸CA4を有する第4の圧電体層70と、第3の圧電体層68と第4の圧電体層70との間に設けられ、電荷Qzを出力する出力電極層72を有する。
The
第3の圧電体層68は、γ軸の正方向に配向した第3の結晶軸CA3を有する圧電体によって構成されている。第3の圧電体層68の表面に対し、γ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第3の圧電体層68内に電荷が誘起される。その結果、第3の圧電体層68の出力電極層72側表面近傍には正電荷が集まり、第3の圧電体層68のグランド電極層54側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第3の圧電体層68の表面に対し、γ軸に平行な引張力が加えられた場合、第3の圧電体層68の出力電極層72側表面近傍には負電荷が集まり、第3の圧電体層68のグランド電極層54側表面近傍には正電荷が集まる。
The third
第4の圧電体層70は、γ軸の負方向に配向した第4の結晶軸CA4を有する圧電体によって構成されている。第4の圧電体層70の表面に対し、γ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、圧電効果により、第4の圧電体層70内に電荷が誘起される。その結果、第4の圧電体層70の出力電極層72側表面近傍には正電荷が集まり、第4の圧電体層70のグランド電極層54側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第4の圧電体層70の表面に対し、γ軸に平行な引張力が加えられた場合、第4の圧電体層70の出力電極層72側表面近傍には負電荷が集まり、第4の圧電体層70のグランド電極層54側表面近傍には正電荷が集まる。
The fourth
第3の圧電体層68及び第4の圧電体層70の構成材料としては、第1の圧電体層62及び第2の圧電体層64と同様の構成材料を用いることができる。また、第3の圧電体層68及び第4の圧電体層70のように、層の面方向に垂直な力(圧縮/引張力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、Xカット水晶により構成することができる。
As the constituent material of the third
出力電極層72は、第3の圧電体層68内及び第4の圧電体層70内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qzとして出力する機能を有する。前述のように、第3の圧電体層68の表面又は第4の圧電体層70の表面にγ軸に平行な圧縮力が加えられた場合、出力電極層72近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層72からは、正の電荷Qzが出力される。一方、第3の圧電体層68の表面又は第4の圧電体層70の表面にγ軸に平行な引張力が加えられた場合、出力電極層72近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層72からは、負の電荷Qzが出力される。
The
第3のセンサー60は、α軸に沿って加えられた(受けた)力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する機能を有する。第3のセンサー60は、α軸の正方向に沿って加えられた力に応じて正電荷を出力し、α軸の負方向に沿って加えられた力に応じて負電荷を出力するよう構成されている。第3のセンサー60は、第5の結晶軸CA5を有する第5の圧電体層74と、第5の圧電体層74と対向して設けられ、第6の結晶軸CA6を有する第6の圧電体層76と、第5の圧電体層74と第6の圧電体層76との間に設けられ、電荷Qxを出力する出力電極層78を有する。
The
第5の圧電体層74は、α軸の負方向に配向した第5の結晶軸CA5を有する圧電体によって構成されている。第5の圧電体層74の表面に対し、α軸の正方向に沿った力が加えられた場合、圧電効果により、第5の圧電体層74内に電荷が誘起される。その結果、第5の圧電体層74の出力電極層78側表面近傍には正電荷が集まり、第5の圧電体層74のグランド電極層54側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第5の圧電体層74の表面に対し、α軸の負方向に沿った力が加えられた場合、第5の圧電体層74の出力電極層78側表面近傍には負電荷が集まり、第5の圧電体層74のグランド電極層54側表面近傍には正電荷が集まる。
The fifth
第6の圧電体層76は、α軸の正方向に配向した第6の結晶軸CA6を有する圧電体によって構成されている。第6の圧電体層76の表面に対し、α軸の正方向に沿った力が加えられた場合、圧電効果により、第6の圧電体層76内に電荷が誘起される。その結果、第6の圧電体層76の出力電極層78側表面近傍には正電荷が集まり、第6の圧電体層76のグランド電極層54側表面近傍には負電荷が集まる。同様に、第6の圧電体層76の表面に対し、α軸の負方向に沿った力が加えられた場合、第6の圧電体層76の出力電極層78側表面近傍には負電荷が集まり、第6の圧電体層76のグランド電極層54側表面近傍には正電荷が集まる。
The sixth
第5の圧電体層74及び第6の圧電体層76の構成材料としては、第1の圧電体層62及び第2の圧電体層64と同様の構成材料を用いることができる。また、第5の圧電体層74及び第6の圧電体層76のように、層の面方向に沿った力(せん断力)に対して電荷を生ずる圧電体層は、第1の圧電体層62及び第2の圧電体層64と同様に、Yカット水晶により構成することができる。
As the constituent material of the fifth
出力電極層78は、第5の圧電体層74内及び第6の圧電体層76内に生じた正電荷又は負電荷を電荷Qxとして出力する機能を有する。前述のように、第5の圧電体層74の表面又は第6の圧電体層76の表面にα軸の正方向に沿った力が加えられた場合、出力電極層78近傍には、正電荷が集まる。その結果、出力電極層78からは、正の電荷Qxが出力される。一方、第5の圧電体層74の表面又は第6の圧電体層76の表面にα軸の負方向に沿った力が加えられた場合、出力電極層78近傍には、負電荷が集まる。その結果、出力電極層78からは、負の電荷Qxが出力される。
The
このように、第1のセンサー56、第2のセンサー58、及び第3のセンサー60は、各センサーの力検出方向が互いに直交するように積層されている。これにより、各センサーは、それぞれ、互いに直交する力成分に応じて電荷を誘起することができる。そのため、電荷出力素子36は、3軸(α(X)軸,β(Y)軸,γ(Z)軸)に沿った力のそれぞれに応じて3つの電荷Qx,Qy,Qzを出力することができる。
Thus, the
<変換出力回路>
図4に戻り、各電荷出力素子36には、それぞれ、変換出力回路50a,50b,50cが接続されている。各電荷出力素子36に接続されたそれぞれの変換出力回路50a,50b,50cは、同様であるので、以下では、代表的に、1つの電荷出力素子36に接続された変換出力回路50a,50b,50cについて説明する。
<Conversion output circuit>
Returning to FIG. 4,
変換出力回路50aは、電荷出力素子36から出力された電荷Qxを電圧Vxに変換する機能を有する。変換出力回路50bは、電荷出力素子36から出力された電荷Qzを電圧Vzに変換する機能を有する。変換出力回路50cは、電荷出力素子36から出力された電荷Qyを電圧Vyに変換する機能を有する。変換出力回路50a,50b,50cは、同様であるので、以下では、代表的に、変換出力回路50cについて説明する。
The
変換出力回路50cは、電荷出力素子36から出力された電荷Qyを電圧Vyに変換して電圧Vyを出力する機能を有する。変換出力回路50cは、オペアンプ80と、コンデンサー82と、スイッチング素子84と、を有する。オペアンプ80の第1の入力端子(マイナス入力)は、電荷出力素子36の出力電極層66(図5参照)に接続され、オペアンプ80の第2の入力端子(プラス入力)は、グランド(基準電位点)に接地されている。また、オペアンプ80の出力端子は、力検出回路52に接続されている。コンデンサー82は、オペアンプ80の第1の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチング素子84は、オペアンプ80の第1の入力端子と出力端子との間に接続され、コンデンサー82と並列接続されている。また、スイッチング素子84は、駆動回路(図示せず)に接続されており、駆動回路からのオン/オフ信号に従い、スイッチング素子84はスイッチング動作を実行する。
The
スイッチング素子84がオフの場合、電荷出力素子36から出力された電荷Qyは、静電容量C1を有するコンデンサー82に蓄えられ、電圧Vyとして力検出回路52に出力される。次に、スイッチング素子84がオンになった場合、コンデンサー82の両端子間が短絡される。その結果、コンデンサー82に蓄えられた電荷Qyは、放電されて0クーロンとなり、力検出回路52に出力される電圧Vは、0ボルトとなる。スイッチング素子84がオンとなることを、変換出力回路50cをリセットするという。なお、理想的な変換出力回路50cから出力される電圧Vyは、電荷出力素子36から出力される電荷Qyの蓄積量に比例する。
When the switching
スイッチング素子84は、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、機械式スイッチと比べて小型及び軽量であるので、力検出装置10の小型化及び軽量化に有利である。以下、代表例として、スイッチング素子84としてMOSFETを用いた場合を説明する。
The switching
スイッチング素子84は、ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極を有している。スイッチング素子84のドレイン電極又はソース電極の一方がオペアンプ80の第1の入力端子に接続され、ドレイン電極又はソース電極の他方がオペアンプ80の出力端子に接続されている。また、スイッチング素子84のゲート電極は、駆動回路(図示せず)に接続されている。
The switching
各変換出力回路50a,50b,50cのスイッチング素子84には、同一の駆動回路が接続されていてもよいし、それぞれ異なる駆動回路が接続されていてもよい。各スイッチング素子84には、駆動回路から、全て同期したオン/オフ信号が入力される。これにより、各変換出力回路50a,50b,50cのスイッチング素子84の動作が同期する。すなわち、各変換出力回路50a,50b,50cのスイッチング素子84のオン/オフタイミングは一致する。
The same drive circuit may be connected to the switching
<力検出回路>
力検出回路52は、各変換出力回路50aから出力される電圧Vx1,Vx2,Vx3,Vx4と、各変換出力回路50bから出力される電圧Vz1,Vz2,Vz3,Vz4と、変換出力回路50cから出力される電圧Vy1,Vy2,Vy3,Vy4と、に基づき、加えられた力を検出する機能を有する。力検出回路52は、変換出力回路50a,50b,50cに接続されたADコンバーター86と、ADコンバーター86に接続された演算部48とを有する。
<Force detection circuit>
The
ADコンバーター86は、電圧Vx1,Vy1,Vz1,Vx2,Vy2,Vz2,Vx3,Vy3,Vz3,Vx4,Vy4,Vz4をアナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。ADコンバーター86によってデジタル変換された電圧Vx1,Vy1,Vz1,Vx2,Vy2,Vz2,Vx3,Vy3,Vz3,Vx4,Vy4,Vz4は、演算部48に入力される。
The
すなわち、第1の基板38及び第2の基板40の相対位置が互いにα(X)軸方向にずれる力が加えられた場合、ADコンバーター86は、電圧Vx1,Vx2,Vx3,Vx4を出力する。同様に、第1の基板38及び第2の基板40の相対位置が互いにβ(Y)軸方向にずれる力が加えられた場合、ADコンバーター86は、電圧Vy1,Vy2,Vy3,Vy4を出力する。また、第1の基板38及び第2の基板40の相対位置が互いにγ(Z)軸方向にずれる力が加えられた場合、ADコンバーター86は、電圧Vz1,Vz2,Vz3,Vz4を出力する。
That is, when a force that shifts the relative positions of the
また、第1の基板38及び第2の基板40は、互いにX軸周りに回転する相対変位、Y軸周りに回転する相対変位、及びZ軸周りに回転する相対変位が可能であり、各回転に伴う力を電荷出力素子36に伝達することが可能である。
The
演算部48は、デジタル変換された電圧Vx1,Vy1,Vz1,Vx2,Vy2,Vz2,Vx3,Vy3,Vz3,Vx4,Vy4,Vz4に基づき、X軸方向の並進力成分Fx、Y軸方向の並進力成分Fy、Z軸方向の並進力成分Fz、X軸周りの回転力成分Mx、Y軸周りの回転力成分My、Z軸周りの回転力成分Mzを演算する機能を有する。各力成分は、以下の式により求めることができる。
The
Fx=Vx1+Vx2+Vx3+Vx4
Fy=Vy1+Vy2+Vy3+Vy4
Fz=Vz1+Vz2+Vz3+Vz4
Mx=b×(Vz4−Vz2)
My=a×(Vz3−Vz1)
Mz=b×(Vx2−Vx4)+a×(Vy1−Vy3)
ここで、a、bは定数である。
このように、力検出装置10は、6軸力を検出することができる。
Fx = Vx1 + Vx2 + Vx3 + Vx4
Fy = Vy1 + Vy2 + Vy3 + Vy4
Fz = Vz1 + Vz2 + Vz3 + Vz4
Mx = b × (Vz4-Vz2)
My = a × (Vz3−Vz1)
Mz = b * (Vx2-Vx4) + a * (Vy1-Vy3)
Here, a and b are constants.
As described above, the
演算部48は、デジタル変換された電圧Vx1,Vy1,Vz1,Vx2,Vy2,Vz2,Vx3,Vy3,Vz3,Vx4,Vy4,Vz4に基づき、補正を行って、X軸方向の並進力成分Fx、Y軸方向の並進力成分Fy、Z軸方向の並進力成分Fz、X軸周りの回転力成分Mx、Y軸周りの回転力成分My、Z軸周りの回転力成分Mzを演算する機能を有する。
The
ここで、各力成分を求める際は、並進力成分(第1の力)Fx1と並進力成分(第2の力)Fx2との差分(ドリフト値fx(T))を取ることにより、並進力成分Fxの補正を行う(並進力成分Fxを補償する)。これにより、並進力成分Fxに含まれる熱膨張に起因するノイズ成分等の力検出装置10の構造体起因のノイズ成分、回路起因のノイズ成分の全部又は一部が並進力成分Fxから除去される。
Here, when each force component is obtained, the translational force is calculated by taking the difference (drift value fx (T)) between the translational force component (first force) Fx1 and the translational force component (second force) Fx2. The component Fx is corrected (the translational force component Fx is compensated). Thereby, all or a part of the noise component caused by the structure of the
同様に、並進力成分Fy1と並進力成分Fy2との差分を取ることにより、並進力成分Fyの補正を行う。また、並進力成分Fz1と並進力成分Fz2との差分を取ることにより、並進力成分Fzの補正を行う。なお、補正には、ノイズ成分を完全に除去する場合に限らず、ノイズ成分を低減する場合も含まれる。 Similarly, the translational force component Fy is corrected by taking the difference between the translational force component Fy1 and the translational force component Fy2. Further, the translational force component Fz is corrected by taking the difference between the translational force component Fz1 and the translational force component Fz2. The correction includes not only the case where the noise component is completely removed but also the case where the noise component is reduced.
具体的には、並進力成分Fz1は下記式(1)で示され、並進力成分Fz2は下記式(2)で示される。ドリフト値fz(T)は下記式(3)で示される式(1)−式(2)から算出される。なお、FZはハンド12のZ軸方向の重さである。
Specifically, the translational force component Fz1 is represented by the following formula (1), and the translational force component Fz2 is represented by the following formula (2). The drift value fz (T) is calculated from Expression (1) -Expression (2) shown by the following Expression (3). FZ is the weight of the
Fz1=FZ+fz(T) …(1)
Fz2=−FZ+fz(T) …(2)
fz(T)=(Fz1+Fz2)/2 …(3)
Fz1 = FZ + fz (T) (1)
Fz2 = −FZ + fz (T) (2)
fz (T) = (Fz1 + Fz2) / 2 (3)
次に、実施方法の一例を説明する。
図6は、本実施形態に係る力検出装置10の補正値取得状態を示す図である。図6(A)は第1の姿勢を示す図であり、図6(B)は第2の姿勢を示す図である。重力方向と力検出装置10のZ軸とを並行にした状態を示している。
Next, an example of an implementation method will be described.
FIG. 6 is a diagram illustrating a correction value acquisition state of the
まず、制御部18は、アーム16の姿勢を制御してハンド12に第1の姿勢を取らせる。そして、第1の姿勢で力検出装置10に加わる第1の力を検出する。言い換えると、アーム16とハンド(エンドエフェクター)12との間に力検出装置10が配置された状態で、アーム16を動かしてハンド12の姿勢を第1の姿勢(例えばハンド12の掌を重力に対して鉛直上向き)として、その時に重力起因で力検出装置10に加わる第1の力を検出する。このとき力検出装置10の計測値は、ハンド12の重さによる計測値と温度特性関数との和となる。第1の姿勢における力検出装置10の検出軸方向(例えば正方向)は、重力方向(つまり鉛直下向き)と平行である。
First, the
次に、制御部18は、アーム16の姿勢を制御してハンド12に第1の姿勢とは異なる第2の姿勢を取らせる。具体的には、ハンド12の第1の点と、第1の点とは異なるハンド12の第2の点とを通る直線において、第1の姿勢における第1の点から第2の点に向かう第1の方向は、第2の姿勢における第2の点から第1の点に向かう第2の方向と同じである。言い換えると、その後、アーム16を動かしてハンド12に第1の姿勢とは180°反転した真逆の第2の姿勢(例えばハンド12の掌を重力に対して鉛直下向き)を取らせる。力検出装置10をY軸周りに+180°か−180°回転した状態が、図6(B)になる。
Next, the
次に、第2の姿勢で力検出装置10に加わる第2の力を検出する。この状態の力検出装置10の計測値は、式(2)で表され、ハンド12の自重による計測値は符号が逆になる。
Next, the second force applied to the
次に、制御部18は、第1の力と第2の力との差分を取ることで力検出装置10のドリフト値を算出する。温度変化が十分小さい場合、温度特性値は式(1)及び(2)から求めることが可能になる(式(3))。言い換えると。第1の力と第2の力との差分を取る。その差分をドリフト値とし、その後のアーム16の力制御に必要な正しい検出値を得るための情報とする。
Next, the
なお、X軸周りのトルクについても、上記と同様に式(4)及び(5)から温度特性値を求めることが可能になる(式(6))。なお、FMXはハンド12のX軸周りのトルクである。
As for the torque around the X axis, the temperature characteristic value can be obtained from the equations (4) and (5) in the same manner as described above (equation (6)). FM X is a torque around the X axis of the
Mx1=−FMX+fmx(T) …(4)
Mx2=FMX+fmx(T) …(5)
fmx(T)=(Mx1+Mx2)/2 …(6)
Mx1 = −FM X + fmx (T) (4)
Mx2 = FM X + fmx (T ) ... (5)
fmx (T) = (Mx1 + Mx2) / 2 (6)
以上より、Y軸周りのトルクMy以外の5軸出力に対して、同様に電荷出力素子36の温度補正を行うことができる。
As described above, the temperature of the
以上説明したように、この力検出装置10によれば、力検出装置10の回路起因の変動要因や温度依存性によるノイズ成分と、力検出装置10の構造体起因の変動要因や温度依存性によるノイズ成分とを除去又は減少させることができ、これにより、測定精度を向上させることができる。また、力検出装置10を個別に温度補正を行う必要がない。さらに、経時変化成分に対しても補正を行うことができる。
As described above, according to the
本実施形態の力補正値検出方法によれば、ハンド12の姿勢が180°異なる(反転)姿勢における2つの実測値である第1の力と第2の力とを用いて、その差分で力検出装置10のドリフト値を求めることができる。これにより、作業中の任意のタイミングで上記2つの実測値を得ることで、リアルタイムに正しいドリフト値を得ることができる。単腕ロボット2動作時には、実動作時の雰囲気温度、モーターの発熱などは緩やかに変化していることから。直前の状態で力検出装置10の補正を行うことで、常に正しい力を検出でき、物体に対して過不足のない正しい力を加えることができる。
According to the force correction value detection method of the present embodiment, the first force and the second force, which are two actually measured values in a posture in which the posture of the
また、本実施形態の単腕ロボット2によれば、上記記載の力補正値検出方法と同様の効果が得られる。そして、力補正値検出方法で検出した力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力補正値検出方法で検出した力によって、ハンド12の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に作業を実行することができる。
Further, according to the single-
<複腕ロボットの実施形態>
次に、本実施形態に係るロボットとしての複腕ロボット4を説明する。以下、本実施形態について、前述した単腕ロボット2の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
<Embodiment of double-arm robot>
Next, the multi-arm robot 4 as a robot according to the present embodiment will be described. Hereinafter, the present embodiment will be described focusing on the differences from the above-described embodiment of the single-
図7は、本実施形態に係る力検出装置10を用いた複腕ロボット4の1例を示す図である。本実施形態に係る複腕ロボット4は、図7に示すように、基台90と、第1のアーム92と、第2のアーム94と、第1のアーム92の先端側に設けられた第1のハンド96aと、第2のアーム94の先端側に設けられた第2のハンド96bと、第1のアーム92と第1のハンド96a間及び第2のアーム94と第2のハンド96bとの間に設けられた力検出装置10を有する。なお、力検出装置10としては、前述した実施形態と同様のものを用いる。
本実施形態では、第1及び第2のハンド96a,96bを下げている姿勢が上述の第1の姿勢であり(実線で示す。)、第1及び第2のハンド96a,96bを上げている姿勢が上述の第2の姿勢である(破線で示す。)。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the multi-arm robot 4 using the
In the present embodiment, the posture in which the first and
基台90は、第1のアーム92及び第2のアーム94を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター(図示せず)及びアクチュエーターを制御する制御部18等を収納する機能を有する。また、基台90は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
The
第1のアーム92は、第1のアーム要素98及び第2のアーム要素100を回動可能に連結することにより構成されている。第2のアーム94は、第1のアーム要素102及び第2のアーム要素104を回動可能に連結することにより構成されている。第1のアーム92及び第2のアーム94は、制御部18の制御によって、各アーム要素の連結部を中心に複合的に回転又は屈曲することにより駆動する。
The
第1、第2のハンド96a,96bは、対象物を把持する機能を有する。第1のハンド96aは、第1の指106a及び第2の指108aを有している。第2のハンド96bは、第1の指106b及び第2の指108bを有している。第1のアーム92の駆動により第1のハンド96aが所定の動作位置まで到達した後、第1の指106a及び第2の指108aの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第2のアーム94の駆動により第2のハンド96bが所定の動作位置まで到達した後、第1の指106b及び第2の指108bの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
The first and
力検出装置10は、第1、第2のハンド96a,96bに加えられる力を検出する機能を有する。力検出装置10が検出する力を基台90の制御部18にフィードバックすることにより、複腕ロボット4はより精密に作業を実行することができる。また、力検出装置10が検出する力によって、複腕ロボット4は、第1、第2のハンド96a,96bの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、複腕ロボット4は、より安全に作業を実行することができる。
The
なお、図示の構成では、アームは合計2本であるが、本実施形態はこれに限られない。複腕ロボット4が3本以上のアームを有している場合も、本実施形態の範囲内である。 In the illustrated configuration, there are a total of two arms, but the present embodiment is not limited to this. The case where the multi-arm robot 4 has three or more arms is also within the scope of the present embodiment.
(変形例)
力検出装置10を有する多軸ロボットにおいて、作業途中で力検出装置10の故障検出を行う。つまり、アーム16の姿勢を制御し、特定の姿勢状態間のセンサー値を比較することで、センサーの故障検出を行う。
(Modification)
In the multi-axis robot having the
(実施例)
力検出装置10の故障検証を行う場合は、式(1)、式(2)から求められるFz1、Fz2の差分を評価することでセンサーの故障を確認することができる(式(7))。
(Example)
When performing failure verification of the
FZ1−FZ2<δZ …(7) FZ 1 −FZ 2 <δ Z (7)
X軸周りのトルクについても上記と同様に、図6(A)及び(B)の状態間を比較することでセンサーの故障を確認することができる(式(8))。 As for the torque around the X-axis, the sensor failure can be confirmed by comparing the states shown in FIGS. 6A and 6B (Formula (8)).
FMX1−FMX2<δMX …(8) FM X1 −FM X2 <δM X (8)
以上より、Y軸周りのトルクMy以外の5軸出力に対して、姿勢間のセンサー値の差分を評価することで、異常を検出することができる。これにより、力検出装置10の異常を検知することが可能である。ロボット2,4を稼働中の状態でも故障検出することが可能である。
As described above, an abnormality can be detected by evaluating the difference in sensor value between postures with respect to the 5-axis output other than the torque My around the Y-axis. Thereby, it is possible to detect an abnormality of the
以上、本実施形態の力補正値検出方法及びロボットを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本実施形態に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前記実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。 As described above, the force correction value detection method and the robot according to the present embodiment have been described based on the illustrated embodiment. However, the present embodiment is not limited to this, and the configuration of each unit is an arbitrary function having the same function. It can be replaced with the configuration of In addition, other arbitrary components may be added to the present embodiment. In addition, the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the embodiment.
また、本実施形態では、アナログ回路基板42と、デジタル回路基板44とを1つの回路基板で構成してもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、回路基板の機能の一部、例えば、デジタル回路基板44のADコンバーター86、演算部48等が、外部に設けられていてもよい。また、例えば、アナログ回路基板42とデジタル回路基板44とのいずれか一方、又は、両方が外部に設けられていてもよい。
In the present embodiment, some of the functions of the circuit board, for example, the
また、本実施形態のロボット2,4は、アーム型ロボット(ロボットアーム)に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行(走行)ロボット等であってもよい。
Further, the
また、本実施形態の力検出装置10は、各種のセンサー、特に、センサーの構造体の熱変形やセンサーの姿勢に依存した重力の影響がセンサー特性に影響を与えるような各種のセンサーに適用し、上記補正を行うと同時に、温度特性テーブルの作成を行うことができる。具体例としては、例えば、圧電式力センサー、圧電式力覚センサー、圧電式加速度センサー、圧電式角速度センサーや、歪ゲージ式、容量式、光学式のそれぞれの方式による力センサー、力覚センサー、加速度センサー、角速度センサー等が挙げられる。
In addition, the
また、本実施形態の力検出装置10は、ロボット、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、部品加工装置及び移動体に限らず、他の装置、例えば、搬送装置、検査装置、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
Further, the
2…単腕ロボット 4…複腕ロボット 10…力検出装置(力センサー) 12…ハンド(エンドエフェクター) 14…基台 16…アーム 18…制御部 20…第1のアーム要素 22…第2のアーム要素 24…第3のアーム要素 26…第4のアーム要素 28…第5のアーム要素 30…第1の指 32…第2の指 36…電荷出力素子(力検出素子) 38…第1の基板 40…第2の基板 42…アナログ回路基板 44…デジタル回路基板 46…与圧ボルト 48…演算部 50a,50b,50c…変換出力回路 52…力検出回路 54…グランド電極層 56…第1のセンサー 58…第2のセンサー 60…第3のセンサー 62…第1の圧電体層 64…第2の圧電体層 66…出力電極層 68…第3の圧電体層 70…第4の圧電体層 72…出力電極層 74…第5の圧電体層 76…第6の圧電体層 78…出力電極層 80…オペアンプ 82…コンデンサー 84…スイッチング素子 86…ADコンバーター 90…基台 92…第1のアーム 94…第2のアーム 96a…第1のハンド 96b…第2のハンド 98…第1のアーム要素 100…第2のアーム要素 102…第1のアーム要素 104…第2のアーム要素 106a…第1の指 106b…第1の指 108a…第2の指 108b…第2の指 CA1…第1の結晶軸 CA2…第2の結晶軸 CA3…第3の結晶軸 CA4…第4の結晶軸 CA5…第5の結晶軸 CA6…第6の結晶軸。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
エンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に設けられ、前記アームと前記エンドエフェクターとの間の力を検出する力センサーと、
前記アームを制御して任意の姿勢に設定し、前記力センサーで検出された複数の力信号の各々の差分を算出する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記エンドエフェクターの姿勢を第1の姿勢として、前記力センサーに加わる第1の力を検出し、
前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記エンドエフェクターの姿勢を前記第1の姿勢とは異なる第2の姿勢として、前記力センサーに加わる第2の力を検出し、及び、
前記制御部は、前記第1の力と前記第2の力との差分を取ることで前記力センサーのドリフト値を算出すること、
を含み、
前記エンドエフェクターの第1の点と、前記第1の点とは異なる前記エンドエフェクターの第2の点とを通る直線において、
前記第1の姿勢における前記第1の点から前記第2の点に向かう第1の方向は、前記第2の姿勢における前記第2の点から前記第1の点に向かう第2の方向と同じであることを特徴とする力補正値検出方法。 An arm that can take multiple postures,
An end effector,
A force sensor provided between the arm and the end effector for detecting a force between the arm and the end effector;
A control unit that controls the arm to set an arbitrary posture, and calculates a difference between each of a plurality of force signals detected by the force sensor;
With
The control unit detects the first force applied to the force sensor by controlling the posture of the arm and setting the posture of the end effector as the first posture.
The control unit detects the second force applied to the force sensor by controlling the posture of the arm so that the posture of the end effector is a second posture different from the first posture; and
The control unit calculates a drift value of the force sensor by taking a difference between the first force and the second force;
Including
In a straight line passing through the first point of the end effector and the second point of the end effector different from the first point,
The first direction from the first point to the second point in the first posture is the same as the second direction from the second point to the first point in the second posture. The force correction value detection method characterized by the above-mentioned.
前記第1の姿勢における前記力センサーの検出軸方向は、重力方向と平行であることを特徴とする力補正値検出方法。 The force correction value detection method according to claim 1,
The force correction value detection method according to claim 1, wherein a detection axis direction of the force sensor in the first posture is parallel to a gravity direction.
前記力センサーには、検出軸方向が互いに直交する複数の力検出素子が含まれることを特徴とする力補正値検出方法。 In the force correction value detection method according to claim 1 or 2,
The force correction value detecting method, wherein the force sensor includes a plurality of force detecting elements whose detection axis directions are orthogonal to each other.
前記エンドエフェクターは、物体を把持可能なハンドであることを特徴とする力補正値検出方法。 In the force correction value detection method as described in any one of Claims 1-3,
The force correction value detection method, wherein the end effector is a hand capable of gripping an object.
エンドエフェクターと、
前記アームと前記エンドエフェクターとの間に配置され、前記アームと前記エンドエフェクターとの間の力を検出可能な力センサーと、
前記アームを制御して任意の姿勢に設定し、前記力センサーで検出された複数の力信号の各々の差分を算出する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記エンドエフェクターの姿勢を第1の姿勢とし、
前記制御部は、前記アームの姿勢を制御して前記第1の姿勢の後に、前記エンドエフェクターの姿勢を、前記第1の姿勢における前記エンドエフェクターに予め定めた任意の面の法線方向とは180°逆の方向に前記任意の面が向く、第2の姿勢とすることを特徴とするロボット。 An arm that can take multiple postures,
An end effector,
A force sensor disposed between the arm and the end effector and capable of detecting a force between the arm and the end effector;
A control unit that controls the arm to set an arbitrary posture, and calculates a difference between each of a plurality of force signals detected by the force sensor;
Including
The control unit controls the posture of the arm to set the posture of the end effector to the first posture,
The control unit controls the posture of the arm and, after the first posture, changes the posture of the end effector to the normal direction of an arbitrary surface predetermined for the end effector in the first posture. A robot having a second posture in which the arbitrary surface faces in a direction opposite to 180 °.
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|---|---|---|---|---|
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