应变传感器、多轴力传感器及机器人的制作方法

本发明涉及一种应变传感器、多轴力传感器及机器人。

背景技术：

以往，作为对轴向的应变进行检测的应变传感器，已知如下一种应变传感器：该应变传感器配置于螺母与可动工作台之间，对作用于螺母与可动工作台之间的应变进行检测，所述螺母被配置为能够沿进给螺杆的轴向移动，所述可动工作台固定于所述螺母(例如，参照专利文献1)。在作用有各个轴向的负荷的机器人的关节中，为了高精度地检测作用于关节的轴向的负荷，构成由使用了能够检测轴向的应变的大量的应变传感器的桥接电路实施应变抵消的应变抵消机构，并排除想要检测的特定轴向之外的负荷。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-138481号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题

然而，应变传感器价格昂贵，并且如果每个关节轴都使用大量的应变传感器，则存在机器人的成本变高这样的缺点。

本发明是鉴于上述的实际情况而完成的，其目的在于提供一种既能够减少应变传感器的数量而降低成本又能够高精度地检测想要检测的特定轴向的负荷的应变传感器、多轴力传感器及机器人。

解决问题的方案

为了实现上述目的，本发明提供以下手段。

本发明的一个方面提供一种应变传感器，包括：直线轴承，其包括第一构件和第二构件，所述第一构件和所述第二构件被支承为能够仅沿预定轴线的轴向相对移动；连接构件，其包括固定部和应变产生部，所述固定部被分别固定于所述第一构件和所述第二构件，所述应变产生部连接于所述固定部之间；以及应变检测装置，其被配置于所述连接构件，至少能够检测移动方向上的应变。

根据本方面，通过使轴线与沿着预定轴向驱动的待检测体的轴一致，并将横跨传递轴力的部位的第一构件和第二构件固定于待检测体，则在向待检测体施加负荷时，第一构件与第二构件相对移动，连接构件的应变产生部中产生应变。通过应变检测装置检测该应变量，由此能够基于检测到的应变量求出作用于待检测体的沿直线轴承的轴向的负荷。

在这种情况下，直线轴承的第一构件与第二构件被支承为能够仅沿可移动的轴向而相对移动，因而即使在安装于作用有各个轴向的负荷的机器人的关节的情况下，也能够防止直线轴承的移动方向以外的负荷作用于连接构件的应变产生部。其结果，即使不利用使用多个应变片的桥接电路来构成应变抵消机构，也能够高精度地检测第一构件和第二构件在可移动的轴向上的应变。

在上述方面中，也可以采用如下方式：所述应变产生部的横截面积小于所述固定部的横截面积。

通过这样地设置，应变产生部中的应变量变大，应变检测装置能够高精度地检测轴向的应变。

在上述方面中，也可以采用如下方式：所述第一构件和所述第二构件具有将其固定于待检测体的固定装置。

通过这样地设置，可以利用固定装置将第一构件和第二构件直接固定于待检测体。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述连接构件被形成为沿着近似平行于所述轴向的面延伸的平板状。

通过这样地设置，可以沿着第一构件和第二构件的侧面配置平板状的连接构件，从而能够缩小连接构件朝向与轴向正交的截面方向突出的量。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述应变检测装置具有校正装置，所述校正装置用于对因周围的温度变化而引起的应变量的变动进行校正。

通过这样地设置，由于当周围温度发生变化时，应变量也产生与其对应量的变化，因而通过对与该周围温度变化对应量的应变量进行校正，从而能够进一步提高应变检测的精度。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述应变检测装置通过螺钉紧固而固定于所述连接构件。

虽然应变片通常都是通过粘接进行固定，但需要注意使粘接层变得均匀。通过螺钉紧固固定这样地设置，能够提高组装性。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述应变产生部上排列配置有多个所述应变检测装置。

通过这样地设置，通过与其他应变检测装置的应变数据进行比较，从而能够确定一个应变检测装置是否正常。即使一个应变检测装置发生故障，也能够使用剩余的正常应变检测装置的应变信息，安全且迅速地停止机器人。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述直线轴承为直线滚珠轴承。

通过这样地设置，第一构件和第二构件被支承为能够仅沿可移动的轴向相对移动，在被安装于作用有各个轴向的负荷的机器人的关节的情况下，也能够容易地防止第一构件和第二构件沿可移动的轴向的负荷作用于连接构件的应变产生部。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述直线轴承为直线辊轴承。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：所述直线轴承为滑动轴承。

通过这样地设置，能够通过简单结构的滑动轴承来降低成本。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：包括多个在所述移动方向上隔开间隔的所述连接构件，每个所述连接构件的所述应变产生部上配置有所述应变检测装置。

通过这样地设置，具备多个配置有应变检测装置的相同的连接构件，从而能够容易地构成输出多个系统的检测值的应变传感器。

另外，在上述方面中，也可以采用如下方式：包括一个以上的加强构件，所述一个以上的加强构件被分别固定于所述第一构件和所述第二构件，并对所述第一构件和所述第二构件进行连结。

通过这样地设置，由于降低了加强构件作用于应变产生部的应变量，因而与没有加强构件的情况相比，应变检测装置检测的应变量变小。因此，能够利用加强构件对应变检测装置的检测值进行调节。

另外，本发明的其他方面提供一种多轴力传感器，包括多个上述任意方式所述的应变传感器，使多个所述直线轴承的每个所述轴向与被检测轴力的多个检测方向中的每个检测方向一致。

根据本方面，在多轴力传感器中，使应变传感器能够检测应变的轴向与能够检测轴力的多个检测方向一致。因此，在该多轴力传感器中，能够高精度地检测每个检测方向的轴力。

另外，本发明的其他方面提供一种机器人，上述任意方式的应变传感器被安装在具有直动轴的机器人的直动轴线上，并使得所述直线轴承的所述预定轴线与所述具有直动轴的机器人的直动轴线一致。

另外，本发明的其他方面提供一种机器人，包括：臂；以及多轴力传感器，其对每个检测方向的轴力进行检测，其中，使所述直线轴承的所述轴向与所述多轴力传感器的多个所述检测方向一致的上述任意方式的应变传感器安装于所述臂的至少一部分上。

根据本方面，能够提高安装于臂的多轴力传感器所检测的各轴力的检测精度，另外，由于使用了多个应变片的应变抵消机构变得不再需要，因而能够降低多轴力传感器的成本。

发明效果

根据本发明，可起到既能够减少应变检测装置的数量而降低成本又能够高精度地检测直线轴承的轴向的应变这样的效果。

附图说明

图1为表示根据本发明的一个实施方式的应变传感器的立体图。

图2为表示图1的应变传感器的主视图。

图3为表示图1的应变传感器的侧视图。

图4为表示将图1的应变传感器安装于机器人的直动臂的直动轴的示例的图。

图5为表示安装于机器人的直动臂的图1的应变传感器的剖视图。

图6为表示图1的应变传感器的变形例的侧视图。

图7为表示图1的应变传感器的变形例的立体图。

图8为表示图1的应变传感器的变形例的立体图。

图9为表示安装于机器人的直动臂的图1的应变传感器的变形例的剖视图。

图10为表示图1的应变传感器的变形例的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的应变传感器1及机器人100进行说明。

如图1和图3所示，本实施方式的应变传感器1包括：直线辊轴承(直线轴承)5，其包括第一构件2、第二构件3以及多个直线辊4，其中，第一构件2和第二构件3被配置为在高度方向上彼此相邻，多个直线辊4在正交于高度方向的轴线a的方向上隔开间隔地配置于第一构件2和第二构件3之间；连接构件6，其被分别固定于第一构件2和第二构件3；以及单轴应变传感器部(应变检测装置)7，其固定于该连接构件6。

如图1所示，为了将第二构件3固定于待检测体，在第二构件3上设置有多个沿高度方向形成的螺纹孔(固定装置)8b。此外，虽然图1中未示出，但第一构件2的下表面上也设置有同样的螺纹孔(固定装置)。

如图1和图3所示，连接构件6被形成为沿着第一构件2和第二构件3的端面配置的平板状，其中第一构件2和第二构件3近似平行于直线辊轴承5的轴线a，所述连接构件6包括：固定部9a、9b，其被分别固定于第一构件2和第二构件3的侧面；以及应变产生部10，其连接于固定部9a、9b之间。

在图2所示的示例中，固定于第一构件2的固定部9a与固定于第二构件3的固定部9b分别以轴线a方向上的宽度尺寸w1、w2而配置于不同的轴向位置，固定于第一构件2的固定部9a沿高度方向而向上方延伸，固定于第二构件3的固定部9b沿高度方向而向下方延伸。在第一构件2与第二构件3的边界位置附近，连接于固定部9a、9b之间的应变产生部10以高度方向上的宽度尺寸w3而配置于轴线a的方向上的固定部9a、9b之间的位置，从而对两固定部9a、9b进行连接。

应变产生部10的横截面积被设定为充分小于固定部9a、9b的横截面积。由此，如图2中箭头所示，在第一构件2与第二构件3之间作用有使两者沿轴线a方向相对移动的拉伸力或压缩力(以下也简称为“轴力”)的情况下，应变主要在应变产生部10中产生。

单轴应变传感器部7以使检测方向与作用有轴力的方向一致的方式粘贴于应变产生部10的表面。单轴应变传感器部7连接有未图示的配线，并输出与应变产生部10中产生的应变量成比例的电压信号。由此，能够基于从单轴应变传感器部7输出的电压信号，求出应变产生部10中产生的轴力。作为单轴应变传感器部7，存在半导体应变片、金属箔应变片等，也可以是螺栓固定类型的传感器，也可以是激光位移传感器、激光接近传感器、静电容量型接近传感器等位移检测机器。只要能够根据与对方侧之间的距离检测应变量即可。在这种情况下，上述的位移检测机器的投光器侧与对方侧的壁状构件需要配置于同一应变产生部10上。

下面，对如上所述构成的根据本实施方式的应变传感器1的作用进行说明。

在此，对使用本实施方式的应变传感器1检测作用于机器人100的关节轴的轴力的情况进行说明。

如图4所示，机器人100为一种垂直多关节机器人，包括：旋转体25，其能够绕铅垂的第一轴线j1旋转；第一臂26，其能够相对于旋转体25而绕水平的第二轴线j2旋转；第二臂30，其能够在第一臂26的顶端绕水平的第三轴线j3旋转；以及手腕单元45，其配置于第二臂30的顶端。第二臂30包括：长条状的基座构件39，其以能够绕第三轴线j3旋转的方式安装于第二臂30的顶端；以及直动臂(待检测体)40，其被支承为能够沿基座构件39的长边方向移动并在顶端对手腕单元45进行支承。

直动臂40通过直动机构而相对于基座构件39沿长边方向移动。直动机构包括：直线导轨31，其沿着基座构件39的长边方向(直动轴线)b延伸；滑块33，其能够沿着直线导轨31移动；滚珠丝杠32，其与固定于滑块33的螺母啮合；以及电机35，其使滚珠丝杠32绕长边轴旋转。

如图4和图5所示，直动臂40与滑块33被安装板50牢固地固定，并且根据本实施方式的应变传感器1被固定于直动臂40与滑块33之间。应变传感器1以使直线辊轴承5的轴线与基座构件39的长边方向b一致的方式被固定。

当通过电机35的工作使滚珠丝杠32旋转时，被啮合于滚珠丝杠32的螺母固定的滑块33沿着直线导轨31而进行直线移动。由此，直动臂40相对于第二臂30的基座构件39而沿长边方向移动。当直动臂40移动时，负荷作用于直动臂40，沿长边方向b的轴力作用于应变传感器1。由此，构成应变传感器1的直线辊轴承5的第一构件2与第二构件3沿着长边方向b而微小地移位。因此，由于该移位，在配置于连接构件6的固定部9a、9b之间的应变产生部10作用有轴力，应变产生部10产生变形。由此，能够利用粘贴于应变产生部101的单轴应变传感器部7来检测应变量，并基于检测到的应变量检测拉伸力或压缩力。

在这种情况下，根据本实施方式的应变传感器1，具有应变产生部10的连接构件6以架设于直线辊轴承5的第一构件2和第二构件3的方式被固定，并且第一构件2和第二构件3被支承为仅沿轴线a的方向相对移动。因而，即使在机器人100的直动臂40上作用有各个方向的负荷，安装有单轴应变传感器部7的应变产生部10也仅在长边方向b的轴向上受到拉伸力或压缩力。

即，根据本实施方式的应变传感器1，具有如下优点：即使在直动臂40上作用有各个方向的负荷，也能够高精度地检测仅沿着长边方向b作用的拉伸力和压缩力。

其结果，即使不采用通过在多个方向上粘贴昂贵的应变传感器而使用桥接电路的多轴应变抵消机构，也可以在不检测由轴向以外的负荷产生的应变量的情况下，高精度地检测沿着轴向的拉伸力和压缩力，从而能够将成本抑制得较低。特别是，在对多关节机器人的所有关节轴设置应变传感器的情况下，能够有效地降低成本。

另外，在本实施方式中，例示了通过单轴应变传感器部7检测应变产生部10的应变量的情况，但应变量的检测不必限定于一个轴。也可以采用检测应变产生部10的应变量的应变传感器来代替一个轴。

另外，根据本实施方式的应变传感器1，用于在第一构件2与第二构件3之间安装单轴应变传感器部7的连接构件6被形成为，沿着平行于第一构件2和第二构件3的轴向的侧面配置的平板状，因此具有在正交于直线辊轴承5的轴向的截面方向上稍微突出的紧凑的构成。由此，能够利用安装有滑块33和直动臂40的部分上形成的铅垂方向的间隙，在机器人100的关节轴上安装应变传感器1。

并且，根据将本实施方式的应变传感器1安装于各关节轴的机器人100，具有如下优点：即使在机器人100的顶端作用有多个方向的负荷，也能够高精度地求出并控制作用于各关节轴的轴力。例如，也可以在机器人100所具备的多个臂中的至少一部分上设置能够检测多个轴向的轴力的多轴力传感器，为了检测多个轴向的轴力中的一个或两个以上的轴力，使用与对应的轴向的数量相应的应变传感器1。可以使该情况下的应变传感器1所能够检测的轴向与想要通过多轴力传感器检测的轴向一致。

此外，在本实施方式中，作为轴承使用了直线辊轴承5，但轴承并不限定于此，只要是第一构件2和第二构件3被支承为仅沿预定轴线a的方向可相对移动的轴承，则也可以采用具有图6所示的滚珠4a的直线滚珠轴承5a、滑动轴承等其他种类的轴承。特别是，由于用于检测轴力的第一构件2和第二构件3的相对移位量为极微小的量，因而也可以使用构造简单的滑动轴承，在该情况下能够进一步降低成本。

另外，在本实施方式中，单轴应变传感器部7也可以具有对因周围温度变化而引起的应变量的变动进行校正的校正装置。

通过这样地设置，虽然在连接构件6的应变产生部10附近的周围温度发生变化的情况下，应变量对应于温度的变化量而发生变化，但通过使用校正装置对与周围温度的变化量相对应的应变量进行校正，可以进一步提高应变检测的精度。

另外，在本实施方式中，例示了将单轴应变传感器部7粘贴于应变产生部10的表面的示例，也可以替代于此，采用螺钉紧固固定。

另外，例示了应变传感器1具有一个单轴应变传感器部7的情况，但也可以在应变产生部10上排列配置两个以上的单轴应变传感器部7以用于故障检测。排列方法可以采用并行或串行。

通过采用配置两个以上的单轴应变传感器部7的构成，从而可以通过与其他的单轴应变传感器部7的应变数据进行比较来确定一个单轴应变传感器部7是否正常。即使万一某个单轴应变传感器部7发生故障，也能够使用剩余正常的未发生故障的单轴应变传感器部7的应变信息，安全且迅速地停止机器人100。

图7中示出了具有两个连接构件6、16的变形例的应变传感器1b。如图7所示，相比于实施方式的应变传感器1，应变传感器1b除了连接构件6以外，还包括供单轴应变传感器部(应变检测装置)17固定的连接构件16。连接构件16和单轴应变传感器部17具有与连接构件6和单轴应变传感器部7相同的构成。连接构件16被配置为使单轴应变传感器部17的轴线方向与单轴应变传感器部7的轴线方向一致。因此，单轴应变传感器部17能够检测连接构件16中产生的应变量。

如此，图7所示的变形例的应变传感器1b通过在相同的轴线方向上具有两个连接构件6、16和单轴应变传感器部7、17，从而能够输出多个系统的检测值。此外，在图7所示的变形例中，对应变传感器1b具有两个连接构件6、16和单轴应变传感器部7、17的示例进行了说明，但其他方式的应变传感器也可以具有三个以上的连接构件和单轴应变传感器部。另外，两个连接构件6、16也可以是相同形状，两个单轴应变传感器部7、17也可以是相同的单轴应变传感器部。

图8中示出了变形例的应变传感器1c，应变传感器1c具有两个分别固定于第一构件2和第二构件3的加强构件21、22，加强构件21、22对第一构件2第二构件3进行连结，在连接构件6上配置有两个单轴应变传感器部7、17。加强构件21、22分别通过螺栓紧固而固定于第一构件2和第二构件3，因此连接构件6产生的应变量比固定于实施方式中的应变传感器1的连接构件6产生的应变量小。因此，能够利用加强构件21、22对配置于连接构件6的单轴应变传感器部7、17的检测值进行调节。两个单轴应变传感器部7、17也可以是相同的单轴应变传感器部。

其他方式的应变传感器与图8所示的应变传感器1c不同，可以具有配置于一个连接构件6的三个以上的单轴应变传感器部，也可以具有一个或三个以上的加强构件。作为应变传感器所具备的加强构件的一个示例，对图8所示的加强构件21、22进行了说明，但如果应变传感器所具备的加强构件是能够分别固定于第一构件2和第二构件3的形状，则可以对其形状进行各种变形。加强构件例如可以是与图8所示的连接构件6相同的形状，也可以是圆板形状等。加强构件也可以被配置于与配置有连接构件6的应变传感器1c的侧面相反侧的侧面。

在图4和图5所示的机器人100中，通过安装板50来固定第二臂30的滑块33和直动臂40，但如图9所示，也可以仅通过应变传感器1d来固定滑块33和直动臂40。在这种情况下，由于应变传感器1d承受直动臂40的所有负荷，因而连接构件6d也可以形成为沿水平方向的厚度比图4和图5所示的应变传感器1更厚。

在所述实施方式的应变传感器1中，对固定部9a、9b的横截面积比应变产生部10的横截面积大的连接构件6进行了说明，但可以对连接构件6所包含的各个部分的横截面积的关系进行各种变形。例如，如图10所示，在从正面观察变形例的应变传感器1e所具备的连接构件6e时，其形状为长方形。作为极端的示例，连接构件的形状也可以是覆盖第一构件2和第二构件3的整个侧面那样的平板形状。单轴应变传感器7检测应变的应变产生部10e也可以与图1所示的应变传感器1的应变产生部10不同，横截面积可以形成为比其他部分小。在其他变形例中，连接构件中的应变产生部的横截面积也可以比固定部的横截面积大。

附图标记说明

1、1a、1b、1c、1d、1e：应变传感器

2：第一构件

3：第二构件

5：直线辊轴承(直线轴承)

5a：直线滚珠轴承

6、6d、6e、16：连接构件

7、17：单轴应变传感器部(应变检测装置)

8b：螺纹孔(固定装置)

9a、9ae、9b、9be、19a、19b：固定部

10、10e：应变产生部

33：滑块(待检测体)

40：直动臂(待检测体)

100：机器人

a：轴线(预定轴线)

b：长边方向(直动轴线)