专利名称：六轴力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及可测定X、Y和Z轴方向的力以及绕Z轴的力矩的六轴力传感器。
背景技术：
例如，若在机器人臂的前端上受到外力，则载荷作用在臂的手腕部上。该载荷由X、Y和Z轴方向的力以及绕Z轴的力矩构成。测定这样的力和力矩时，一般使用利用由载荷产生在结构体上的应变测定载荷的类型的力传感器。
特开平8-122178号公报公开了这样一例力传感器。特开平8-122178号公报所公开的六轴力传感器包含中空圆筒型的传感器主体；以及被组装在传感器主体上的3个或4个的腿。腿具备配设在相互实质垂直方向上的第1臂和第2臂，呈L字形或T字形。还有，在第1臂中呈L字形或T字形的平面内将第1剪切应变片安装在第1臂上，以便以与第1臂的长度轴线方向呈直角方向的剪切应变为主进行检测，在第2臂中呈L字形或T字形的平面内将第2剪切应变片安装在第2臂上，以便以与第2臂的长度方向呈直角方向的剪切应变为主进行检测。于是，由第1应变片以及第2剪切应变片检测发生在腿的呈L字形或T字形的平面内的剪切应变，基于检测出的剪切应变测定X、Y和Z轴方向的力以及绕X、Y及Z轴的力矩。
在上述六轴力传感器中，检测发生在腿中的呈字形或T字形的平面内的剪切应变。但是，发生在腿的结构上、腿呈L字形或T字形的表面上的剪切应变比由腿的各个臂的弯曲而产生的拉伸应变要小。因此，为了提高对应剪力的剪切应变片的灵敏度，在第1臂和第2臂上设置凹形的凹处，在这些凹处内安装剪切应变片。
这样凹处的存在不仅使腿的加工变得复杂，还使得很难小型化。另外，剪切应变片在原理上必须能够测定二轴应变因此尺寸大。还有，剪切应变片比单轴应变片的价格高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种结构简单、便于小型化且廉价的六轴力传感器。
为达到上述目的，根据本发明提供一种六轴力传感器，具备彼此相对配置的一对构件；以及在该对构件之间沿该构件的周边部分散配置且连接上述一对构件的至少3个腿，通过将载荷给予上述一对构件的一方，检测产生在上述腿上的应变，基于检测出的上述腿的应变，测定作用在上述一对构件的一方上的力以及力矩的双方或一方，上述腿由上述一对构件的一方支撑在两端部且沿周向延长于上述构件的周边部的横梁以及从该横梁的中央部沿与该横梁垂直的方向延长并连接到上述一对构件的另一方上的纵梁而构成的T字形腿，上述腿的应变由第1单轴应变片和第2单轴应变片检测，上述第1单轴应变片安装在朝向上述纵梁的相反侧的上述横梁表面上或朝向上述纵梁侧的上述横梁表面上，使得能够检测上述横梁的长度轴线方向的应变，上述第2单轴应变片安装在朝向周向的上述纵梁的侧面上，使得能够检测上述纵梁的长度轴线方向的应变。
在本发明的六轴力传感器中，连接一对构件的腿呈T字形，因此使一对构件接近或远离的力或力矩作用在一对构件上时，T字形腿的横梁朝向一方的构件弯曲，特别地，在纵梁和横梁的连接部分上产生较大应变，另外，使一对构件的一方横向相对移动的力或力矩作用在一对构件上时，T字形腿的纵梁在横向上弯曲并产生应变。本发明的六轴力传感器检测这些横梁和纵梁的应变，基于检测出的应变，测定施加在六轴力传感器上的力或力矩。另外，本发明的六轴力传感器检测沿横梁和纵梁的各自的长度方向轴线的应变，因此作为应变片能够使用单轴类型的应变片。
在上述六轴力传感器中，安装在上述横梁上的上述第1单轴应变片最好配置在朝向上述纵梁的相反侧的上述横梁表面上的上述横梁的长度轴线方向的两端部的中央。横梁的弯曲量以及应变在横梁的长度轴线方向中央部最大，因此如此地，通过安装在横梁的长度轴线方向中央，进一步提高应变的检测灵敏度成为可能。另外，安装在上述横梁上的上述第1单轴应变片也可配置在朝向上述纵梁侧的上述横梁表面上的上述横梁的长度轴线方向的两端部或其中一方的端部上。
在上述六轴力传感器中，各个腿最好配置在一个圆的圆周上。此时，上述横梁可以沿上述圆周延长，也可以沿上述圆的切线方向延长。
另外，最好是在上述纵梁上形成沿上述圆的径向贯通上述纵梁的开口部。若如此地在纵梁上形成开口部，则在纵梁上易于产生圆的周向或切线方向的弯曲，提高六轴力传感器对于力以及力矩的灵敏度成为可能。
另外，上述一对构件以及上述腿最好是一体结构。如此地，一对构件以及腿形成一体结构，具有不需组装作业这一优点。
另外，上述单轴应变片最好是半导体应变片。半导体应变片比金属箔应变片能够高灵敏度地检测应变，因此作为单轴应变片若使用半导体应变片，则提高六轴力传感器的力检测分辨率成为可能。另外，只要是能够检测较小应变，则腿的弯曲小也可以。其结果，提高腿的强度成为可能，从而实现坚固的六轴力传感器成为可能。
T字形的腿其形状简单，因此便于进行切削加工或电火花加工等的加工，有助于削减制造成本。还有，单轴应变片比剪切应变片小型且廉价，因此即使将T字形腿小型化也便于加工，同时使实现小型且廉价的六轴力传感器成为可能。
参照附图并基于本发明的最佳实施方式，更进一步详细说明本发明的上述以及其他目的、特征以及长处。
图1是本发明的六轴力传感器的第1实施方式的立体图。
图2是图1的六轴力传感器的腿部分的放大图，表示受到使一对构件相互接近的载荷从而横梁弯曲的状态。
图3是图1的六轴力传感器的腿部分的放大图，表示受到使一对构件相对彼此沿横向移动的载荷从而纵梁弯曲的状态。
图4是图1的六轴力传感器的腿部分的仰视立体图，表示横梁用单轴应变片的其他安装位置。
图5是本发明的六轴力传感器的第2实施方式的立体图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明的最佳实施方式。
图1是本发明的六轴力传感器的第1实施方式的立体图。参照图1，六轴力传感器10具备彼此相对配置的一对圆板状构件12；以及配置在该对圆板状构件12之间且连接两个圆板状构件12的腿14。
一对圆板状构件12是将各自的中心轴线16整齐排列在一条直线上而进行配置的，分别安装在位于例如机器人的关节两侧上不同的结构体(未图示)上。在圆板状构件12的中央部上形成沿中心轴线16延长的贯通孔18。在该贯通孔18内能够配置例如连接如机器人的关节那样的不同结构体的部分。
腿14是在一对圆板状构件12之间，在该圆板状构件12的边缘部上沿将中心轴线16作为中心的1个假想圆的圆周而等间隔配置的。在图1所示的实施方式中，设置4个腿14，各个腿14是在圆板状构件12的周边部上沿着绕中心轴线16的假想圆以90度间隔配置的。另外，腿14是由沿着绕中心轴线16的假想圆延长的横梁20；以及从横梁20的中央部沿与该横梁20大致呈直角方向延长的纵梁22构成的。在一对圆板状构件12中一方的圆板状构件(图1中上侧的圆板状构件)的外周部上形成扇形的切口部24，腿14的横梁20两端被连接到切口部24的两侧面上并被其支撑。另外，从横梁20延长的纵梁22的另一方端部被连接到一对圆板状构件12中的另一方圆板状构件(图中下侧的圆板状构件)上。
在腿14的纵梁22上形成贯通于假想圆径向的开口部26，纵梁22在假想圆的周向或切线方向上容易弯曲。这样一来，即使是较小载荷作用在六轴力传感器上时，在假想圆的周向或切线方向上能够产生较大的弯曲。另一方面，纵梁22其它部分的剖面面积变大，能够提高纵梁的强度。
在横梁20上在朝向纵梁22相反侧的表面上与纵梁22相对的位置(即，横梁20上面的中央部)上安装横梁用单轴应变片28，以便能够主要检测横梁20的长度轴线方向(即假想圆的周向)的应变。但是如图4所示，也可以除上述横梁用单轴应变片28之外或取代该横梁用单轴应变片28，在横梁20上在朝向纵梁侧的表面上的横梁长度轴线方向的两个端部或一方的端部上安装横梁用单轴应变片29。另外，在朝向假想圆的周向的纵梁22的侧面上安装纵梁用单轴应变片30，以便能够主要检测纵梁22的长度轴线方向的应变。纵梁用单轴应变片30可以只安装在朝向假想圆的周向的纵梁22的两侧面中的一方上，也可安装在双方上。在图1的实施方式中，只在纵梁22中的一个侧面上安装纵梁用应变片30。
作为单轴应变片，能够使用金属箔类型的应变片或半导体类型的应变片。但是，半导体类型的应变片一般比金属箔类型的应变片的应变检测灵敏度高，能够检测出较小的应变，因此为了提高六轴力传感器10的检测分辨率，最好是使用半导体类型的应变片。另外，半导体类型的应变片能够检测出较小的应变，对于相同载荷即使在腿14上产生的应变很小也能够检测，因此具有使腿14成为强度高且坚固的结构这一优点。将六轴力传感器10安装在机器人臂的手腕部等上使用时，臂碰撞到对象物上，进而较大载荷施加在手腕部上，这时，为了避免破损，六轴力传感器10具有坚固的结构是很重要的优点。
还有，单轴应变片是指主要检测沿一个轴线方向的应变的应变片。与此相对，剪切应变片是为了测定沿两个轴线方向的应变，因而具有将如单轴应变片那样的测定元件以与相对所期望测定的剪切力方向呈45。的角度而配置的结构的元件，因此比单轴应变片大并且价格高。因此，为了制造小型且廉价的六轴力传感器，如本申请这样使用单轴应变片是有效的。
还有，图1实施方式中的横梁20以及纵梁22沿假想圆稍微弯曲，但其量很小，几乎不存在难以产生横梁20以及纵梁22的弯曲的影响。另一方面，如此地，若横梁20以及纵梁22沿假想圆弯曲，则可以通过切削加工或电火花加工等，由具有与假想圆相同轮廓的一个筒状体做成一体结构的六轴力传感器10。这样一体结构的六轴力传感器10安装工时少，在节省将腿14正确配置的时间和劳力这一点上是有效的。但是，在想要减少横梁以及纵梁22的弯曲对挠度带来的影响以及想要提高力以及力矩的检测灵敏度时，如图5所示，也可在假想圆上等间隔配置由直线状的横梁20′以及纵梁22′构成的腿14′。图5所示的六轴力传感器10′能够以如下方式做成例如通过切削加工或电火花加工由长方体构件做成构成相对构件中的一方(方形构件)32和腿14′形成一体的构件，用螺钉等连接与其分开做成的圆板状构件34而构成。
在上述实施方式中，腿14、14′沿假想圆等间隔配置，腿14、14′也可在构件12、32、34的周边部上以任意间隔分散设置。另外，如图5所示，一对构件也可以不是圆板状形状，是方形等其他形状。另外，在上述实施方式中，六轴力传感器10、10′具备4个腿14、14′，只要各个腿成为由安装在那里的单轴应变片得到的6个线形独立的输出，则至少具备3个腿即可。
在图1所示的六轴力传感器10中，若将Z轴方向的力作用在腿14上，则腿14的横梁20因为由一方的圆板状构件12支撑其两个端部，因此受到来自连接在另一方的圆板状构件12上的纵梁22的力，在Z轴方向上弯曲。例如，若使一对圆板状构件12沿Z轴方向相互接近方向的力作用在腿14上，则如图2所示，腿14的横梁20向图2中向上的方向沿Z轴方向弯曲。横梁用应变片28主要检测该挠曲产生在横梁20的表面上的横梁20长度轴线方向的应变。还有，这样的力在腿14的纵梁22上也产生纵梁22的长度轴线方向的应变，但比横梁20的长度轴线方向的应变要小很多。横梁20由圆板状构件12支撑两个端部，由纵梁22按压中央部，因此在横梁20中央的弯曲量最大，应变也在横梁20的中央部变得最大。因此，通过将横梁用应变片28安装在横梁20的中央部，对应相同的力能够检测出较大的应变，得到提高六轴力传感器10对于载荷的灵敏度的效果。
另一方面，若在六轴力传感器10的腿14上沿假想圆的周向或切线方向作用力，则腿14的纵梁22沿力的方向弯曲。例如，在图1所示的六轴力传感器10中，若在用符号A所示位置的腿14上沿X轴方向作用力，则如图3所示，通过横梁20，腿14的纵梁22上受到与X轴方向同方向(图中向右方向)力的作用而弯曲。纵梁用应变片30主要检测由该挠曲产生在纵梁22表面上的纵梁22长度轴线方向的应变。还有，这样的力也在横梁20上产生长度轴线方向的应变，但比在纵梁22上产生的应变非常小。在纵梁22上形成假想圆径向上贯通的开口部26，因此对于这样假想圆的切线方向的载荷，纵梁22变得容易弯曲。因此，相对于相同载荷，开口部26使得更大的应变产生在纵梁22上，得到提高六轴力传感器10对于载荷的灵敏度的效果。
另外，若在六轴力传感器10的腿14上作用沿假想圆径向的力，则纵梁22沿径向向与力相同的方向弯曲。但是，纵梁用单轴应变片30安装在朝向纵梁22的周向的侧面上，因此相对由纵梁22周向的弯曲而产生的应变产生较大的输出，但相对由假想圆径向的纵梁22的弯曲而产生的应变产生相对小的输出。
还有，要注意将如上述的Z轴方向的力通过绕X轴或Y轴的力矩成分作用在腿14上，并且将假想圆周向的力通过绕Z轴的力矩成分作用在腿14上的情况。
若基于这样的动作原理，可知基本上Z轴方向的力相当于各个腿14的横梁20的横梁用单轴应变片28产生相对较大的输出且这些输出大致相等的情况，X轴或Y轴的力相当于各个腿14的纵梁22的纵梁用单轴应变片30产生相对较大的输出且这些输出不相等的情况。另外可知绕Z轴的力矩相当于各个腿14的纵梁22的纵梁用单轴应变片30产生相对较大的输出且那些输出大致相等的情况，绕X轴或Y轴的力矩相当于仅是与4个腿14中的径向相对的2个腿14的横梁20的横梁用单轴应变片28产生相对较大的输出且这些输出的绝对值大致相等的情况。
但是实际上，在六轴力传感器10上作用包含各个轴向的力以及绕各个轴的力矩成分的复杂的力以及/或力矩。因此，例如基于用与特开平8-122178号公报所记载的相同的方法求出的力以及应变的相关关系，在本发明的六轴力传感器10中由单轴应变片28、30检测出的应变变换为作用在六轴力传感器10的力以及力矩。以下说明用于求出力以及应变的相关关系的校准方法。
给予在六轴力传感器10上的载荷(由力矢量和力矩矢量构成)用F表示，此时来自单轴应变片28、30的输出(电压)用v表示，校准矩阵用C表示，则下式成立。
F＝Cv(公式1)F=FxFyFzMxMyMz]]>
V=V1V2···Vn]]>这里，n表示六轴力传感器10整体的单轴应变片28、30的个数，即，六轴力传感器10整体的横梁用单轴应变片28的个数和纵梁用单轴应变片30个数的总和。另外，Fx、Fy以及Fz分别是X轴、Y轴以及Z轴方向力的值，Mx、My以及Mz分别是绕X轴、Y轴以及Z轴的力矩值，v1、…、vn是各个单轴应变片28、30的输出值。另外，校准矩阵是指供给通过将其乘以单轴应变片28、30的输出而给予实际上所给予的载荷的矩阵。
通过实验多次求出对于已知的载荷的各个单轴应变片29、30的输出，即已知的F和v的关系，与例如特开平8-122178号公报一样，通过使用公式(1)和最小二乘法，求出的校准矩阵C。通过最小二乘法求出校准矩阵的方法已为众知，在这里不做详细说明。这样一来，若求出校准矩阵C而已知，则利用公式(1)从各个单轴应变片29、30的输出中能够求出作用在六轴力传感器10上的力以及力矩。
基于图1所示的六轴力传感器10说明上述力以及力矩的测定原理，图5所示的六轴力传感器10′也同样适用。另外，六轴力传感器具备3个或5个以上的腿14的情况，基本动作原理是相同的，在上述说明中，改变n的个数与上述相同只要求出校准矩阵C即可。
权利要求
1.一种六轴力传感器(10；10′)，具备彼此相对配置的一对构件(12，12；32，34)；以及在该一对构件之间沿该构件的周边部分散配置且连接上述一对构件的至少3个腿(14；14′)，通过将载荷施加给上述一对构件的一方，检测在上述腿上产生的应变，基于检测出的上述腿的应变，测定作用在上述一对构件的一方上的力以及力矩的双方或一方，其特征在于，上述腿(14；14′)是由上述一对构件(12，12；32，34)的一方支撑于两端部且沿周向延长于上述构件的周边部的横梁(20；20′)以及从该横梁的中央部沿与该横梁垂直的方向延长并连接到上述一对构件的另一方上的纵梁(22)而构成的T字形腿，上述腿的应变由第1单轴应变片(28)和第2单轴应变片(30)检测，上述第1单轴应变片(28；29)安装在朝向上述纵梁(22)的相反侧的上述横梁(20；20′)的表面上或朝向上述纵梁(22；22′)一侧的上述横梁(20；20′)的表面上，使得能够检测上述横梁的长度轴线方向的应变，上述第2单轴应变片(30)安装在朝向周向的上述纵梁(22；22′)的侧面上，使得能够检测上述纵梁(22；22′)的长度轴线方向的应变。
2.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，安装在上述横梁(20；20′)上的上述第1单轴应变片(28)配置在朝向上述纵梁(22；22′)的相反侧的上述横梁(20；20′)的表面上的上述横梁(20；20′)的长度轴线方向两端部的中央。
3.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，安装在上述横梁(20；20′)上的上述第1单轴应变片(29)配置在朝向上述纵梁(22；22′)一侧的上述横梁(20；20′)的表面上的上述横梁(20；20′)的长度轴线方向两端部或一端部上。
4.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，各个腿(14)配置在一个圆的圆周上，上述横梁(20)沿上述圆周延长。
5.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，各个腿(14′)配置在一个圆的圆周上，上述横梁(20′)沿上述圆的切线方向延长。
6.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，各个腿(14；14′)配置在一个圆的圆周上，在上述纵梁上形成沿上述圆的径向贯通上述纵梁(22；22′)的开口部(26)。
7.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，上述一对构件(12，12；32，34)以及上述腿(14；14′)是一体结构。
8.根据权利要求1所述的六轴力传感器，其特征在于，上述单轴应变片(28；29；30)是半导体应变片。
全文摘要
本发明涉及一种六轴力传感器，具备一对构件以及在一对构件之间沿其周边部分散配置且连接一对构件的至少3个的腿。各个腿是由一对构件中的一方支撑在两端部且沿周向延长于构件的周边部的横梁以及从横梁的中央部沿与横梁垂直的方向延长并连接到一对构件的另一方上的纵梁而构成的T字形腿。腿的应变由第1以及第2单轴应变片检测。第1单轴应变片安装在朝向纵梁相反侧的横梁表面上，以便能够检测横梁的长度轴线方向的应变，第2单轴应变片安装在朝向周向的纵梁侧面上，以便能够检测纵梁的长度轴线方向的应变。
文档编号G01L1/22GK1841032SQ20061006743
公开日2006年10月4日 申请日期2006年3月27日 优先权日2005年3月28日
发明者坂野哲朗 申请人:发那科株式会社