(57)【要約】【課題】連結部で連結する構造であっても、ヒステリシスを低減した高精度な変位測定を可能とする。【解決手段】変位測定装置５００は、構造体６００と、構造体７００とを有している。構造体６００と構造体７００とはボルト５８０Ａ，５８０Ｃで連結されている。構造体６００は、取付部材６０１を有し、構造体７００は、取付部材７０１を有する。構造体６００は、取付部材６０１と取付部材７０１との間に発生する第１の方向の変位に応じた電気信号を生成するセンサ９０１Ａ，８０１Ａ及びセンサ９０１Ｃ，８０１Ｃを有する。構造体７００は、取付部材６０１と取付部材７０１との間に発生する第２の方向の変位に応じた電気信号を生成するセンサ９０２Ａ，８０２Ａ及びセンサ９０２Ｃ，８０２Ｃを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と第２の部材との間の第１の方向および前記第１の方向とは異なる第２の方向の変位量を求める変位測定装置であって、
前記第１の部材に取り付けられる第１の取付部を有する第１の構造体と、
前記第２の部材に取り付けられる第２の取付部を有する第２の構造体と、を有し、
前記第１の構造体と前記第２の構造体とは、連結部で連結され、
前記第１の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する前記第１の方向の変位に応じた電気信号を生成する第１のセンサを有し、
前記第２の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する前記第２の方向の変位に応じた電気信号を生成する第２のセンサを有することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記第１の構造体は、第１の支持部と、
前記第１の取付部と前記第１の支持部とを接続する、前記第１の方向に変位可能な第１の弾性部と、を有し、
前記第１のセンサは、前記第１の取付部と前記第１の支持部との間に発生する変位に応じた電気信号を生成し、
前記第２の構造体は、第２の支持部と、
前記第２の取付部と前記第２の支持部とを接続する、前記第２の方向に変位可能な第２の弾性部と、を有し、
前記第２のセンサは、前記第２の取付部と前記第２の支持部との間に発生する変位に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記第１のセンサは、前記第１の取付部及び前記第１の支持部のうち一方に配置される第１の検出部材と、前記第１の取付部及び前記第１の支持部のうち他方に配置される第１の被検出部材からなり、
前記第２のセンサは、前記第２の取付部及び前記第２の支持部のうち一方に配置される第２の検出部材と、前記第２の取付部及び前記第２の支持部のうち他方に配置される第２の被検出部材からなることを特徴とする請求項２に記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記第１の被検出部材が磁束発生源であり、前記第１の検出部材が磁電変換素子であることを特徴とする請求項３に記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記第１の被検出部材がリニアエンコーダのスケールであり、前記第１の検出部材がリニアエンコーダの検出ヘッドであることを特徴とする請求項３に記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記第２の被検出部材が磁束発生源であり、前記第２の検出部材が磁電変換素子であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項７】
前記第２の被検出部材がリニアエンコーダのスケールであり、前記第２の検出部材がリニアエンコーダの検出ヘッドであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項８】
前記第１の弾性部は、前記第１の取付部から前記第２の取付部に延びる直線を中心とする円周方向に間隔をあけて配置された、前記直線の方向に延びる複数の柱状弾性体を有し、
前記第２の弾性部は、前記円周方向に互いに間隔をあけて配置された複数のユニットを有し、
前記複数のユニットの各々は、前記直線の方向に並設され、前記直線の方向と直交する方向に延びる複数の板状弾性体を有することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項９】
前記第１のセンサから取得した電気信号に基づいて前記第１の方向の力を求め、前記第２のセンサから取得した電気信号に基づいて前記第２の方向の力を求める制御部を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項１０】
前記第１の方向が、前記第１の取付部から前記第２の取付部に延びる直線に直交する線に沿う並進方向と、前記第１の取付部から前記第２の取付部に延びる直線まわりの回転方向であり、
前記第２の方向が、前記第１の取付部から前記第２の取付部に延びる直線に沿う並進方向と、前記第１の取付部から前記第２の取付部に延びる直線に直交する線まわりの回転方向であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項１１】
前記連結部がボルトであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の変位測定装置。
【請求項１２】
ロボットアームと、エンドエフェクタと有するロボットであって、
前記ロボットアームに取り付けられる第１の取付部を有する第１の構造体と、
前記エンドエフェクタに取り付けられる第２の取付部を有する第２の構造体と、を有し、
前記第１の構造体と前記第２の構造体とは連結部で連結され、
前記第１の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する第１の方向の変位に応じた電気信号を生成する第１のセンサを有し、
前記第２の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する、前記第１の方向とは異なる第２の方向の変位に応じた電気信号を生成する第２のセンサを有することを特徴とするロボット。
【請求項１３】
前記第１の構造体は、第１の支持部と、
前記第１の取付部と前記第１の支持部とを接続する、前記第１の方向に変位可能な第１の弾性部と、を有し、
前記第１のセンサは、前記第１の取付部と前記第１の支持部との間に発生する変位に応じた電気信号を生成し、
前記第２の構造体は、第２の支持部と、
前記第２の取付部と前記第２の支持部とを接続する、前記第２の方向に変位可能な第２の弾性部と、を有し、
前記第２のセンサは、前記第２の取付部と前記第２の支持部との間に発生する変位に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１２記載のロボット。
【請求項１４】
第１のリンクと、前記第１のリンクに対して回転するよう前記第１のリンクに連結された第２のリンクと、を備えたロボットアームであって、
前記第１のリンクに取り付けられる第１の取付部を有する第１の構造体と、
前記第２のリンクに取り付けられる第２の取付部を有する第２の構造体と、を有し、
前記第１の構造体と前記第２の構造体とは連結部で連結され、
前記第１の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する第１の方向の変位に応じた電気信号を生成する第１のセンサを有し、
前記第２の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する、前記第１の方向とは異なる第２の方向の変位に応じた電気信号を生成する第２のセンサを有することを特徴とすることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１５】
前記第１の構造体は、第１の支持部と、
前記第１の取付部と前記第１の支持部とを接続する、前記第１の方向に変位可能な第１の弾性部と、を有し、
前記第１のセンサは、前記第１の取付部と前記第１の支持部との間に発生する変位に応じた電気信号を生成し、
前記第２の構造体は、第２の支持部と、
前記第２の取付部と前記第２の支持部とを接続する、前記第２の方向に変位可能な第２の弾性部と、を有し、
前記第２のセンサは、前記第２の取付部と前記第２の支持部との間に発生する変位に応じた電気信号を生成することを特徴とする請求項１４記載のロボットアーム。
【請求項１６】
請求項１２または１３記載のロボット、または請求項１４または１５記載のロボットアームを用いて物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位量を求める変位測定装置、及び変位測定装置を備えたロボット、変位測定装置を備えたロボットアーム、及び物品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工場内で作業を行う産業用のロボットにおいては、溶接や塗装、部品の搬送などのハンドリング作業を行っていた。近年では、さらに製品の組立や、バリ取り又は研磨などの仕上げ加工など、ロボットが作業対象物に直接作用し、柔軟な動作を行うことが要求される分野への応用が広がっている。このようなロボットでは、外力に倣いつつ動作させる必要がある。このため、ロボットの動作の制御には、作業対象物に作用する力又はモーメントを検出し、ロボットに柔軟性を与えるコンプライアンス制御、即ちインピーダンス制御等の間接的力制御や、操作力を直接指定して制御する直接的力制御を実行する機能が求められる。以下これら２つの制御を区別することなく力制御と呼ぶ。
【０００３】
ロボットに作用する力は変位測定装置により検出される。例えば変位測定装置は、ロボットアームとロボットハンドとの間の手首部分に配置される。この変位測定装置により、ロボットの組付け作業の際に生じる力を検出し、ロボットの各関節の運動や力を調整することで、力制御が実行される。
【０００４】
この種の変位測定装置では、例えばロボットアームに取り付けられた第１の取付部と、ロボットハンドに取り付けられた第２の取付部との間に作用した力を、第１の取付部と第２の取付部とをつなぐ弾性部の弾性変形に基づき検出する。弾性部の弾性変形を検出する手段としては、歪みゲージの抵抗変化から部材の応力を検出する「歪ゲージ方式」が一般的であった。近年では、特許文献１において、磁石などの磁束発生源を第１の取付部に配置し、ホール素子などの磁電変換素子を第２の取付部に配置して、第１の取付部と第２の取付部との間の相対的な変位を求める「変位検出方式」が提案されている。この方式は、磁電変換素子に力が作用しないため、歪ゲージ方式の場合よりも優れた耐久性を有している。
【０００５】
また、近年、変位検出方式として、分解能化が高いリニアエンコーダを使用するものも提案されている。この方式は、変位をパルスとしてカウントするデジタル型の信号処理を利用しているので、高剛性でありながら、高分解能、高負荷特性を両立でき、大きなダイナミックレンジを実現できる。
【０００６】
組立用のロボットにおいては、作業のますますの精密化が要求されており、変位測定装置による変位測定精度の更なる向上が求められている。そこで、特許文献２では、第１の取付部と第２の取付部との間に剛体からなる支持部を配置し、第１の取付部と支持部との間を第１の弾性部で接続し、第２の取付部と支持部との間を第２の弾性部で接続した構成が提案されている。なお、特許文献２において、第１の取付部は台座部材として記載され、第２の取付部は作用部材、支持部は剛性部材として記載されている。第１の弾性部は、第１の方向の力では弾性変形するが、第２の方向の力では弾性変形しないように構成されている。また、第２の弾性部は、第２の方向の力では弾性変形するが、第１の方向の力では弾性変形しないように構成されている。よって、第１の取付部と第２の取付部との相対的な位置又は変位をセンサにより検出することで、各軸方向の力を独立して求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５３７６８５９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３７５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、第１の取付部、第１の弾性部、支持部、第２の弾性部及び第２の取付部からなる構造体を、１つの材料を切り出すなどの加工を施して一体物として製造するのは難しい。このため、第１の取付部、第１の弾性部及び第１の支持部で構成された第１の構造体と、第２の取付部、第２の弾性部及び第２の支持部で構成された第２の構造体とに分けて製造し、第１の構造体と第２の構造体とをボルト等の連結部で連結する方法が考えられる。
【０００９】
しかし、連結部で連結する構成では、力を加えたときに連結部分で僅かなずれが生じる。例えば、第１及び第２の弾性部の双方に力を伝達可能とするために配置した中間部材である第１及び第２の支持部を、連結部で連結した場合には、作用した力で第１の支持部と第２の支持部との間に僅かな位置ずれが生じる。
【００１０】
そして、力を除したときに連結部分のずれか解消せずにセンサの出力が正確に復帰しない、つまり作用する力が増大するときと減少するときとで検出力が違った値となる、いわゆるヒステリシス特性を示し、変位測定精度が低下する問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、連結部で連結する構造であっても、ヒステリシスを低減した高精度な変位測定が可能な変位測定装置、変位測定装置を備えたロボット、変位測定装置を備えたロボットアーム及び物品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の変位測定装置は、第１の部材と第２の部材との間の第１の方向および前記第１の方向とは異なる第２の方向の変位量を求める変位測定装置であって、前記第１の部材に取り付けられる第１の取付部を有する第１の構造体と、前記第２の部材に取り付けられる第２の取付部を有する第２の構造体と、を有し、前記第１の構造体と前記第２の構造体とは、連結部で連結され、前記第１の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する前記第１の方向の変位に応じた電気信号を生成する第１のセンサを有し、前記第２の構造体は、前記第１の取付部と前記第２の取付部との間に発生する前記第２の方向の変位に応じた電気信号を生成する第２のセンサを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１の構造体と第２の構造体とを連結部で連結する構成において、第１のセンサ及び第２のセンサの検出結果に連結部における位置ずれが影響するのを防止することができるので、ヒステリシスを低減した高精度な変位測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係るロボット装置を示す斜視図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態に係る変位測定装置を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は、中心軸線を通る平面によって変位測定装置を切断した断面図である。（ｂ）は、変位測定装置を第１の構造体と第２の構造体とに分解した状態を示す変位測定装置の断面図である。
【図４】第１実施形態に係る変位測定装置の検出系の構成を示すブロック図である。
【図５】第１実施形態に係る変位測定装置により検出される力の誤差のヒステリシスの測定結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態に係る変位測定装置を示す斜視図である。
【図７】第２実施形態に係る変位測定装置の検出系の構成を示すブロック図である。
【図８】第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
【図９】（ａ）は、比較例の変位測定装置を示す斜視図である。（ｂ）は、比較例の変位測定装置の断面図である。
【図１０】（ａ）は、比較例の変位測定装置により検出される力のヒステリシスの測定結果を示すグラフである。（ｂ）は、比較例の変位測定装置により検出される力の誤差のヒステリシスの測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るロボット装置を示す斜視図である。図１中、第１ワークであるワークＷ１は、例えばリング状の部材であり、第２ワークであるワークＷ２は、例えばリング状の部材が嵌る突起部を有する部材である。
【００１７】
ロボット装置１００は、産業ロボットとしてのロボット２００と、ロボット２００の動作を制御する制御装置３００と、を備えている。ロボット２００は、垂直多関節型のロボットである。即ち、ロボット２００は、垂直多関節のロボットアーム２０１と、ロボットアーム２０１の先端に取り付けられた、ロボット２００の手先であるエンドエフェクタとしてのロボットハンド２０２と、を有している。
【００１８】
また、ロボット２００は、ロボットアーム２０１の先端とロボットハンド２０２との間に配置された変位測定装置５００を有している。よって、ロボットハンド２０２は、ロボットアーム２０１の先端に変位測定装置５００を介して取り付けられることになる。
【００１９】
ロボットアーム２０１は、架台１５０に固定されるベース部である基端のリンク２１０と、変位や力を伝達する複数のリンク２１１〜２１６とを有し、複数のリンク２１０〜２１６が関節Ｊ１〜Ｊ６で回転可能に連結されている。ロボットアーム２０１の各関節Ｊ１〜Ｊ６には電動モータ等を有する駆動装置が設けられている。各関節Ｊ１〜Ｊ６の駆動装置は、必要なトルクの大きさに合わせて適切な出力のものが用いられる。
【００２０】
ロボットハンド２０２は、ハンド本体２２０と、ハンド本体２２０に開閉可能に支持された複数のフィンガー２２１とを有している。複数のフィンガー２２１を閉動作させることにより、第１のワークであるワークＷ１を把持することができ、複数のフィンガー２２１を開動作させることにより、ワークＷ１を把持解放することができる。複数のフィンガー２２１を用いてワークＷ１を把持することにより、ワークＷ１を第２のワークであるワークＷ２に組付ける組付作業を行うことができる。ロボット２００の組付作業によりワークＷ１及びワークＷ２からなる物品Ｗ０が製造される。
【００２１】
変位測定装置５００は、第１の部材であるロボットアーム２０１の先端であるリンク２１６と、第２の部材であるロボットハンド２０２のハンド本体２２０との間の変位量を測定する。
【００２２】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る変位測定装置を示す斜視図である。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）とは異なる方向から変位測定装置を見た変位測定装置の斜視図である。図３（ａ）は、図２（ａ）及び図２（ｂ）の中心軸線Ｌ１を通る平面によって変位測定装置を切断した断面図である。図３（ｂ）は、変位測定装置を第１の構造体と第２の構造体とに分解した状態を示す変位測定装置の断面図である。図４は、第１実施形態に係る変位測定装置の検出系の構成を示すブロック図である。
【００２３】
変位測定装置５００を基準とする３次元直交座標系をＸＹＺ直交座標系とする。変位測定装置５００は、並進方向であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の並進力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸まわりの回転方向ＲＸ，ＲＹ，ＲＺの回転力であるモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する６軸の力センサである。なお、モーメントも力の一種、具体的には回転力であるため、以下、力とモーメントとを区別せずに、単に力ということもある。
【００２４】
変位測定装置５００は、一対の被測定対象であるロボットアーム２０１とロボットハンド２０２との間に配置され、１次側であるロボットアーム２０１と２次側であるロボットハンド２０２との間に作用する力を検出することができる。例えば、組付作業中、ロボットハンド２０２がワークに接触した際に、図３（ａ）に示すような接触に伴う外力Ｆが、ロボットハンド２０２を介して変位測定装置５００に作用する。
【００２５】
変位測定装置５００は、ロボットアーム２０１側に配置される構造体６００と、ロボットハンド２０２側に配置される構造体７００と、を備えている。２つの構造体６００，７００の主要部は金属で構成されている。これら構造体６００，７００は、互いに連結部である複数の連結部材としてのボルト５８０Ａ〜５８０Ｄで連結されている。なお、ボルト５８０Ａ〜５８０Ｄの代わりに接着剤で構造体６００と構造体７００とを接着する方法も考えられるが、接着剤の厚みの分、寸法誤差となり、また接着剤の耐久性を考慮すると、ボルト５８０Ａ〜５８０Ｄで連結するのが好ましい。
【００２６】
第１の構造体である構造体６００は、図４に示すように、複数、本実施形態では４つの第１のセンサであるセンサ９５１Ａ〜９５１Ｄを有する。センサ９５１Ａ〜９５１Ｄは、第１の検出部材であるホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄと、第１の被検出部材である磁石９０１Ａ〜９０１Ｄと、を有する。また、第２の構造体である構造体７００は、複数、本実施形態では４つの第２のセンサであるセンサ９５２Ａ〜９５２Ｄを有する。センサ９５２Ａ〜９５２Ｄは、第２の検出部材であるホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄと、第２の被検出部材である磁石９０２Ａ〜９０２Ｄと、を備えている。更に、変位測定装置５００は、各ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ，８０２Ａ〜８０２Ｄから検出結果を示す検出信号である電気信号を取得し、これら電気信号に基づき、６軸の力を求める制御部である制御回路５５０を備えている。
【００２７】
構造体６００は、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第１の部材であるロボットアーム２０１のリンク２１６に取り付けられる第１の取付部である取付部材６０１と、第１の支持部である支持部材６０２と、を有する。更に、構造体６００は、取付部材６０１と支持部材６０２とを接続する第１の弾性部である弾性部材６０３を有する。取付部材６０１及び支持部材６０２は、弾性部材６０３よりも剛性の高い、外力により容易に変形しない剛体で構成されている。
【００２８】
構造体７００は、第２の部材であるロボットハンド２０２のハンド本体２２０に取り付けられる第２の取付部である取付部材７０１と、第２の支持部である支持部材７０２と、を有する。更に、構造体７００は、取付部材７０１と支持部材７０２とを接続する第２の弾性部である弾性部材７０３を有する。取付部材７０１及び支持部材７０２は、弾性部材７０３よりも剛性の高い、外力により容易に変形しない剛体で構成されている。
【００２９】
取付部材６０１と取付部材７０１とは、互いに対向する位置に間隔をあけて配置されている。取付部材６０１の中心と取付部材７０１の中心とを通る直線を中心軸線Ｌ１とする。中心軸線Ｌ１の延びる方向がＺ軸方向、Ｚ軸方向に直交し、互いに直交する２方向がＸ軸方向及びＹ軸方向である。
【００３０】
取付部材６０１と支持部材６０２とは、Ｚ軸方向に互いに間隔をあけて配置されている。取付部材６０１は、一対の面を有する円盤状の台座部材６１１と、リンク２１６に取り付けられる面とは反対側の面からＺ軸方向に突出する複数、本実施形態では４つの突出部材６１２Ａ〜６１２Ｄとを有する。突出部材６１２Ａ〜６１２Ｄは、中心軸線Ｌ１を中心とする円周方向Ｃ１に等間隔、具体的には９０度間隔に配置されている。
【００３１】
支持部材６０２は、円環状の剛体からなる作用部材６２１と、作用部材６２１のＺ軸方向の一対の面のうち、台座部材６１１に対向する側の面からＺ軸方向に突出する複数、本実施形態では４つの突出部材６２２Ａ〜６２２Ｄとを有する。突出部材６２２Ａ〜６２２Ｄは、突出部材６１２Ａ〜６１２Ｄと対向するように、中心軸線Ｌ１を中心とする円周方向Ｃ１に等間隔、具体的には９０度間隔に配置されている。
【００３２】
弾性部材６０３は、取付部材６０１と支持部材６０２とを接続する弾性を有する部材であり、第１の方向、即ちＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸まわりの回転方向ＲＺに変位可能である。具体的に説明すると、弾性部材６０３は、台座部材６１１の面に垂直なＺ軸方向に延びる複数、具体的には３つ以上、本実施形態では４つの柱状弾性体６３１Ａ，６３１Ｂ，６３１Ｃ，６３１Ｄを有する。これら複数の柱状弾性体６３１Ａ〜６３１Ｄは、中心軸線Ｌ１を中心とする円周方向Ｃ１に互いに間隔をあけて配置されており、一端が台座部材６１１、他端が作用部材６２１に接続されている。具体的には、複数の柱状弾性体６３１Ａ〜６３１Ｄは、中心軸線Ｌ１まわりの円周方向Ｃ１に等間隔、具体的には９０度間隔に配置されている。これにより、支持部材６０２の作用部材６２１は、複数の柱状弾性体６３１Ａ〜６３１Ｄを介して取り付け部材６０１の台座部材６１１に支持されている。そして、支持部材６０２は、柱状弾性体６３１Ａ〜６３１Ｄが撓み変形することにより、取付部材６０１に対して水平方向であるＸＹ軸方向、又はＺ軸まわりの回転方向ＲＺに変位する。柱状弾性体６３１Ａ〜６３１Ｄは、円柱や角柱等いかなる柱状のものでもよいが、本実施形態では、四角柱としている。本実施形態では、取付部材６０１、支持部材６０２及び弾性部材６０３が、構造的に分割されることなく一体に形成されている。なお、取付部材７０１と取付部材６０１との間、即ち支持部材６０２と取付部材６０１との間に外力が作用しても、突出部材６１２Ａ〜６１２Ｄと突出部材６２２Ａ〜６２２Ｄは、直接的に測定する力を支持しないようになっている。なお、突出部材６１２Ａ〜６１２Ｄは、台座部材６１１と一体に形成されていなくてもよく、突出部材６２２Ａ〜６２２Ｄは、作用部材６２１と一体に形成されていなくてもよい。これら突出部材を台座部材や作用部材と別部材で構成した場合には、ボルトや接着剤等で固定すればよい。
【００３３】
取付部材７０１は、ロボットハンド２０２のハンド本体２２０に取り付けられる剛体からなる円柱状の作用部材７１１と、作用部材７１１に対して、ロボットハンド２０２が取り付けられる側とは反対側に配置され、剛体からなる突出部材７１２と、を有する。
【００３４】
支持部材７０２は、支持部材６０２の作用部材６２１に固定される複数、本実施形態では４つの台座部材７２１Ａ〜７２１Ｄを有する。また、支持部材７０２は、各台座部材７２１Ａ〜７２１Ｄからそれぞれ取付部材６０１側にＺ軸方向に延びる複数、本実施形態では４つの突出部材７２２Ａ〜７２２Ｄを有する。各突出部材７２２Ａ〜７２２Ｄは、突出部材７１２の外周面に対向するように、各台座部材７２１Ａ〜７２１ＤからＺ軸方向に突出している。
【００３５】
弾性部材７０３は、取付部材７０１と支持部材７０２とを接続する弾性を有する部材であり、第２の方向、即ち、Ｚ軸方向、Ｘ軸まわりの回転方向ＲＸ、及びＹ軸まわりの回転方向ＲＹに変位可能である。具体的に説明すると、弾性部材７０３は、円周方向Ｃ１に互いに間隔をあけて配置された複数、本実施形態では４つの弾性ユニットであるユニット７３１Ａ〜７３１Ｄを有する。
【００３６】
ユニット７３１Ａは、Ｚ軸方向に並設された複数、本実施形態では２つの板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２を有する。ユニット７３１Ｂは、Ｚ軸方向に並設された複数、本実施形態では２つの板状弾性体７３２Ｂ１，７３２Ｂ２を有する。ユニット７３１Ｃは、Ｚ軸方向に並設された複数、本実施形態では２つの板状弾性体７３２Ｃ１，７３２Ｃ２を有する。ユニット７３１Ｄは、Ｚ軸方向に並設された複数、本実施形態では２つの板状弾性体７３２Ｄ１，７３２Ｄ２を有する。板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２，７３２Ｂ１，７３２Ｂ２，７３２Ｃ１，７３２Ｃ２，７３２Ｄ１，７３２Ｄ２は、板状に形成された、取付部材７０１及び支持部材７０２よりも薄肉の弾性体である。板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２，７３２Ｂ１，７３２Ｂ２，７３２Ｃ１，７３２Ｃ２，７３２Ｄ１，７３２Ｄ２は、板面の法線方向がＺ軸方向となる板ばねである。
【００３７】
ユニット７３１Ａの各板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２は、Ｙ軸方向に延び、ユニット７３１Ｂの各板状弾性体７３２Ｂ１，７３２Ｂ２は、Ｘ軸方向に延びて形成されている。また、ユニット７３１Ｃの各板状弾性体７３２Ｃ１，７３２Ｃ２は、Ｙ軸方向に延び、ユニット７３１Ｄの各板状弾性体７３２Ｄ１，７３２Ｄ２は、Ｘ軸方向に延びて形成されている。
【００３８】
即ち、これら一対の板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２〜７３２Ｄ１，７３２Ｄ２は、取付部材７０１の作用部材７１１から放射状に支持部材７０２のそれぞれの台座部材７２１Ａ〜７２１Ｄに延びて形成されている。
【００３９】
一対の板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２〜７３２Ｄ１，７３２Ｄ２のＺ軸方向の間隔は、任意でよいが、作用部材７１１のＺ軸方向の厚さ程度に設定されている。なお、一対の板状弾性体７３２Ａ１，７３２Ａ２の間隔と、一対の板状弾性体７３２Ｂ１，７３２Ｂ２の間隔と、一対の板状弾性体７３２Ｃ１，７３２Ｃ２の間隔と、一対の板状弾性体７３２Ｄ１，７３２Ｄ２の間隔とは、等しく設定されている。
【００４０】
本実施形態では、作用部材７１１からＸ軸方向及びＹ軸方向に放射状に延びる四角柱状の剛体の側面に貫通孔を設けることで、板状弾性体が形成されている。なお、この貫通孔は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、直方体形状に形成されているが、この形状に限定するものではなく、例えば円柱形状や立方体形状に形成されていてもよい。
【００４１】
支持部材６０２と支持部材７０２とは、連結部である複数、本実施形態では４つのボルト５８０Ａ〜５８０Ｄで連結されている。具体的に説明すると、支持部材６０２の作用部材６２１と、支持部材７０２の台座部材７２１Ａ〜７２１Ｄとがボルト５８０Ａ〜５８０Ｄで連結されている。台座部材７２１Ａ〜７２１Ｄには、貫通孔が形成されており、貫通孔を通じて台座部材７２１Ａ〜７２１Ｄが作用部材６２１にボルト５８０Ａ〜５８０Ｄで固定されている。
【００４２】
本実施形態では、取付部材７０１の作用部材７１１と、支持部材７０２と、弾性部材７０３とが、構造的に分割されることなく一体に形成されている。そして、取付部材７０１の突出部材７１２が作用部材７１１にボルトや接着剤で固定して取り付けられている。なお、作用部材７１１と突出部材７１２とを別部材で構成してボルトや接着剤で固定するようにしたが、一体に形成してもよい。
【００４３】
以上の構成により、取付部材７０１は、弾性部材６０３，７０３により拘束を受けながら取付部材６０１に対し相対的に変位する。
【００４４】
弾性部材７０３の板状弾性体は、並進方向であるＺ軸方向、及びＸＹ軸まわりの回転方向ＲＸ，ＲＹには撓み変形可能である一方、並進方向であるＸＹ軸方向、及びＺ軸まわりの回転方向ＲＺにはほとんど変形しない。更に、弾性部材６０３の柱状弾性体は、並進方向であるＸＹ軸方向、及びＺ軸まわりの回転方向ＲＺには撓み変形可能である一方、並進方向であるＺ軸方向、及びＸＹ軸まわりの回転方向ＲＸ，ＲＹにはほとんど変形しない。
【００４５】
よって、弾性部材６０３は、取付部材６０１と取付部材７０１との間に作用した力のうち、第１の方向の力、即ちＸ軸方向の並進力Ｆｘ、Ｙ軸方向の並進力Ｆｙ、及びＺ軸まわりの回転方向ＲＺ、の回転力Ｍｚに応じて弾性変形する。弾性部材７０３は、取付部材６０１と取付部材７０１との間に作用した力のうち、第１の方向とは異なる第２の方向の力、即ちＺ軸方向の並進力Ｆｚ、Ｘ軸まわりの回転方向ＲＸの回転力Ｍｘ、及びＹ軸まわりの回転方向ＲＹの回転力Ｍｙに応じて弾性変形する。
【００４６】
以上の構成の弾性部材６０３，７０３により、取付部材７０１に外力が作用した際に生じる、取付部材６０１に対する取付部材７０１の相対的な変位は、取付部材７０１に作用した外力と同じ方向に生じる。
【００４７】
例えば、Ｚ軸方向の並進力Ｆｚが取付部材７０１に作用した際には、弾性部材７０３が撓み変形して弾性部材６０３はほとんど変形せず、取付部材７０１は、作用力と同じＺ軸方向にのみ変位し、その他の方向には変位しにくい。同様に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが取付部材７０１に作用した際には、弾性部材７０３が撓み変形して弾性部材６０３はほとんど変形せず、取付部材７０１は、Ｘ軸まわりの回転変位のみが生じる。また、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが取付部材７０１に作用した際には、取付部材７０１は、Ｙ軸まわりの回転変位のみが生じる。
【００４８】
一方、Ｘ軸方向の並進力Ｆｘ、Ｙ軸方向の並進力Ｆｙ、及びＺ軸まわりのモーメントＭｚが取付部材７０１に作用した際には、弾性部材７０３はほとんど変形せず、構造体７００が一体となって弾性部材６０３の変形により変位する。このように、取付部材７０１は取付部材６０１に対して外力が加えられた方向に独立して変位し、他軸への干渉が生じにくい構成となっている。
【００４９】
取付部材６０１に対する取付部材７０１の相対的な変位は、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ及びホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄにより検出される。
【００５０】
磁束発生源である磁石９０１Ａ〜９０１Ｄは、取付部材６０１及び支持部材６０２のうち一方、本実施形態では支持部材６０２に配置されている。具体的には、各磁石９０１Ａ〜９０１Ｄは、支持部材６０２のそれぞれの突出部材６２２Ａ〜６２２Ｄに固定して配置されている。
【００５１】
磁電変換素子であるホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄは、取付部材６０１及び支持部材６０２のうち他方、本実施形態では取付部材６０１に配置されている。具体的には、各ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄは、不図示の回路基板に実装されており、不図示の回路基板ごと取付部材６０１のそれぞれの突出部材６１２Ａ〜６１２Ｄに固定して配置されている。
【００５２】
ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄは、磁石９０１Ａ〜９０１Ｄに対する相対的な位置又は変位に応じた物理量を示す電気信号を生成するセンサ素子であり、具体的には、磁石９０１Ａ〜９０１Ｄに対する相対的な位置に応じた物理量として磁束密度を検出する。よって、センサ９５１Ａ〜９５１Ｄは、取付部材６０１と取付部材７０１との間に発生する第１の方向の変位に応じた電気信号を生成する。
【００５３】
なお、磁石９０１Ａ〜９０１Ｄとホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄとの配置関係は逆であってもよく、その場合は、磁石９０１Ａ〜９０１Ｄが取付部材６０１側に設けられ、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄが支持部材６０２側に設けられる。
【００５４】
磁束発生源である磁石９０２Ａ〜９０２Ｄは、取付部材７０１及び支持部材７０２のうち一方、本実施形態では取付部材７０１に配置されている。具体的には、各磁石９０２Ａ〜９０２Ｄは、取付部材７０１の突出部材７１２の外周面に固定して配置されている。
【００５５】
磁電変換素子であるホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄは、取付部材７０１及び支持部材７０２のうち他方、本実施形態では支持部材７０２に配置されている。具体的には、各ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄは、不図示の回路基板に実装されており、不図示の回路基板ごと支持部材７０２のそれぞれの突出部材７２２Ａ〜７２２Ｄに固定して配置されている。即ち、磁石９０２Ａ〜９０２Ｄは、取付部材７０１の突出部材７１２において、ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄと対向する箇所に配置されている。
【００５６】
ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄは、磁石９０２Ａ〜９０２Ｄに対する相対的な位置又は変位に応じた物理量を示す電気信号を生成するセンサ素子であり、具体的には、磁石９０２Ａ〜９０２Ｄに対する相対的な位置に応じた物理量として磁束密度を検出する。よって、センサ９５２Ａ〜９５２Ｄは、取付部材６０１と取付部材７０１との間に発生する第２の方向の変位に応じた電気信号を生成する。
【００５７】
なお、磁石９０２Ａ〜９０２Ｄとホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄとの配置関係は逆であってもよく、その場合は、磁石９０２Ａ〜９０２Ｄが支持部材７０２側に設けられ、ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄが取付部材７０１側に設けられる。
【００５８】
制御回路５５０は、図４に示すように、ＣＰＵ５５１、ＲＯＭ５５２、ＲＡＭ５５３及びインタフェース５５４を備えたコンピュータ、例えばマイクロコンピュータである。なお、制御回路５５０は、この構成に限らず、例えばＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の専用ＩＣを有して構成されていてもよい。
【００５９】
ＣＰＵ５５１は、ＲＯＭ５５２に格納されたプログラムに従って、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ，８０２Ａ〜８０２Ｄから取得した電気信号に基づき力を求める。ＲＡＭ５５３は、ＣＰＵ５５１の演算処理結果等、各種データを一時的に記憶する。インタフェース５５４は、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ，８０２Ａ〜８０２Ｄの電気信号を、ＣＰＵ５５１にて処理可能なデジタル信号に変換する。
【００６０】
制御回路５５０、即ちＣＰＵ５５１は、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄの電気信号に基づいて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸まわりの回転方向ＲＺの力Ｆｘ、力Ｆｙ及びモーメントＭｚを求める。また、制御回路５５０、即ちＣＰＵ５５１は、ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄの電気信号に基づいて、Ｚ軸方向、Ｘ軸まわりの回転方向ＲＸ及びＹ軸まわりの回転方向ＲＹの力Ｆｚ、モーメントＭｘ及びモーメントＭｙを求める。
【００６１】
本実施形態では、構造体６００，７００において各々独立して力を検出することができる。まず、構造体７００を用いた力の検出について具体的に説明する。
【００６２】
制御回路５５０は、ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄにより検出された磁束密度に比例した電気量として電流又は電圧を取得し、力が加わっていないときを基準とする予め設定された基準電気量に対して取得した電気量の電気的な変位量を得る。力Ｆｚ、及びモーメントＭｘ，Ｍｙに対応する取付部材７０１の変位量は、ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄの検出結果に基づく電気的な変位量により算出される。ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄは、他軸干渉が低減されている取付部材７０１の位置に比例した磁束密度を検出しているので、対象とする力およびモーメントの３軸力を高精度に求めることができる。
【００６３】
ここで、各ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄの電気信号に基づくＺ軸方向の変位をＳａ〜Ｓｄとすると、取付部材７０１のＺ軸方向の変位ΔＺは、以下の式で求められる。
ΔＺ＝（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）／４
【００６４】
並進力Ｆｚは、構造体７００のＺ軸方向の剛性に相当する定数のゲインＫｚを乗じて、以下の式で算出される。
Ｆｚ＝Ｋｚ・ΔＺ
【００６５】
相対変位の回転変位量Δθｘ，Δθｙは、以下の式に基づき求められる。
Δθｘ＝（Ｓａ−Ｓｃ）／２
Δθｙ＝（Ｓｂ−Ｓｄ）／２
【００６６】
よって、モーメントＭｘ，Ｍｙは、剛性係数Ｋθｘ，Ｋθｙを用いて、以下の式で算出される。
Ｍｘ＝Ｋθｘ・Δθｘ
Ｍｙ＝Ｋθｙ・Δθｙ
【００６７】
以上、構造体７００により、外力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを検出する３軸の力センサとして構成されている。なお、構造体７００において、検出する力／モーメントの数、即ち検出自由度よりも、ホール素子８０２Ａ〜８０２Ｄの数の方が多い冗長なシステムを構成したが、センサの数は必要に応じて決定すればよい。即ち、力を検出したい軸数と同じか、それよりも大きな数のセンサを配置すればよい。例えば本実施形態のように３軸の変位測定を行う場合は、最低限必要なセンサの数は３つである。これにより、センサのノイズの影響を軽減し、わずかに生じる他軸干渉の影響を低減することが可能で、より信頼性の高く、高精度な変位測定を行うことができる。なお、本実施形態のように４つのセンサ、即ちホール素子を用いてもよく、また、５つ以上としてもよい。さらにセンサの出力信号の処理方法や、変位から力への変換式も以上に説明した方式に限定されるものではなく、必要に応じてより複雑な処理を行い、検出精度を向上させてもよい。
【００６８】
次に、構造体６００を用いた力の検出について具体的に説明する。取付部材７０１に作用した外力のうち、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚは、構造体７００を介して、構造体６００の支持部材６０２に伝達される。つまり、取付部材７０１に作用した外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚにより、取付部材７０１と共に弾性部材７０３、支持部材７０２及び支持部材６０２が、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚが作用した方向に一体に変位する。
【００６９】
したがって、本実施形態では、取付部材６０１に対する取付部材７０１の変位として、取付部材６０１に対する支持部材６０２の変位を求めるよう、取付部材６０１及び支持部材６０２のうち一方に磁石９０１Ａ〜９０１Ｄを配置している。また、取付部材６０１及び支持部材６０２のうち他方にホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄを配置している。
【００７０】
制御回路５５０は、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄにより検出された磁束密度に比例した電気量として電流又は電圧を取得し、力が加わっていないときを基準とする予め設定された基準電気量に対して取得した電気量の電気的な変位量を得る。力Ｆｘ、Ｆｙ、及びモーメントＭｚに対応する支持部材６０２、即ち取付部材７０１の変位量は、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄの検出結果に基づく電気的な変位量のデータにより算出される。ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄは、他軸干渉が低減されている支持部材６０２、即ち取付部材７０１の位置に比例した磁束密度を検出しているので、対象とする力およびモーメントの３軸力を高精度に求めることができる。
【００７１】
以上、構造体６００により、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚを検出する３軸の力センサとして構成されている。なお、構造体６００において、検出する力／モーメントの数、即ち検出自由度よりも、ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄの数の方が多い冗長なシステムを構成したが、センサの数は必要に応じて決定すればよい。即ち、力を検出したい軸数と同じか、それよりも大きな数のセンサを配置すればよい。例えば本実施形態のように３軸の変位測定を行う場合は、最低限必要なセンサの数は３つである。これにより、センサのノイズの影響を軽減し、わずかに生じる他軸干渉の影響を低減することが可能で、より信頼性の高く、高精度な変位測定を行うことができる。なお、本実施形態のように４つのセンサ、即ちホール素子を用いてもよく、また、５つ以上としてもよい。さらにセンサの出力信号の処理方法や、変位から力への変換式も以上に説明した方式に限定されるものではなく、必要に応じてより複雑な処理を行い、検出精度を向上させてもよい。
【００７２】
以上説明したように、各々の構造体６００，７００は、それぞれが３軸の力センサの機能を有し、それらを連結することで６軸の力センサ本体が構成される。本実施形態では、構造体６００は、並進力Ｆｚと、モーメントＭｘ，Ｍｙとを検出する３軸の力センサであり、構造体７００は、並進力Ｆｘ，Ｆｙと、モーメントＭｚとを検出する３軸の力センサであるとみなすことができる。このようにして構成された６軸の力センサである変位測定装置５００は、それぞれの構造体６００，７００に、各構造体の作用部材と台座部材との間の変位を検出するためのセンサが配置され、２つの構造体に跨って変位検出を行うことがない構成となっている。
【００７３】
ここで、比較例の変位測定装置について説明する。図９（ａ）は、比較例の変位測定装置を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、比較例の変位測定装置の断面図である。
【００７４】
比較例の変位測定装置５００Ｘは、構造体６００Ｘと構造体７００Ｘとを有し、これらがボルト５８０Ｘで締結されている。比較例の変位測定装置５００Ｘでは、構造体６００Ｘの取付部材６０１Ｘと、構造体７００Ｘの取付部材７０１Ｘとの相対的な変位を直接検出するように構成されている。具体的には、取付部材６０１Ｘに第１のセンサであるホール素子８０１Ｘと第２のセンサであるホール素子８０２Ｘが配置され、取付部材７０１Ｘに第１の被検出部材である磁石９０１Ｘと第２の被検出部材である磁石９０２Ｘが配置されている。構造体６００Ｘと構造体７００Ｘとがボルトで締結されているため、外力が取付部材６０１Ｘと取付部材７０１Ｘとの間に作用すると締結部位においてすべりによる位置ずれが生じる。
【００７５】
図１０（ａ）は、比較例の変位測定装置により検出される力のヒステリシスの測定結果を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、比較例の変位測定装置により検出される力の誤差のヒステリシスの測定結果を示すグラフである。なお、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）には、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚについて示している。
【００７６】
変位測定装置５００Ｘには単一のモーメントＭｚのみを加え、他の軸にはモーメントも並進力も加えないような状態で実験を行った。図１０（ａ）には、変位測定装置５００ＸにＺ軸まわりのモーメントＭｚを加えた際の、印加したモーメント負荷と、変位測定装置５００Ｘが出力したモーメントの検出値との関係を示している。図１０（ｂ）には、変位測定装置５００ＸにＺ軸まわりのモーメントＭｚを加えた際の、印加したモーメント負荷と、変位測定装置５００Ｘが出力したモーメントの検出値の誤差との関係を示している。この誤差は、印加したモーメント負荷と変位測定装置５００Ｘが出力したモーメントの検出値との差である。以下、変位測定装置５００Ｘが出力する力を示すデータをセンサ出力データという。
【００７７】
図１０（ａ）に示すように、変位測定装置５００Ｘに印加するモーメントＭｚを徐々に増加させた場合のセンサ出力データＨ１１と、モーメントＭｚを徐々に減少させた場合のセンサ出力データＨ１２とで、ヒステリシス誤差ΔＨが発生する。ここで変位測定装置５００Ｘが出力する理想の出力値Ｈ０は、印加したモーメントそのものであるので、図１０（ａ）において直線として表される。この理想出力値Ｈ０とセンサ出力データＨ１１，Ｈ１２との誤差、即ち力センサの出力誤差Ｈ２１，Ｈ２２を、図１０（ｂ）に示している。図１０（ｂ）に示すように、印加するモーメントの増加時の誤差Ｈ２１と減少時の誤差Ｈ２２の間に０．５［Ｎｍ］程度の差があり、ヒステリシス誤差が大きい。
【００７８】
一方、図５は、第１実施形態に係る変位測定装置により検出される力の誤差のヒステリシスの測定結果を示すグラフである。なお、図５には、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚについて示している。比較例と同様、変位測定装置５００には単一のモーメントＭｚのみを加え、他の軸にはモーメントも並進力も加えないような状態で実験を行った。
【００７９】
変位測定装置５００に印加するモーメントＭｚを徐々に増加させた場合のセンサ出力データの理想値に対する誤差Ｈ１の最大値と最小値との差が０．２５［Ｎｍ］程度であった。また、変位測定装置５００に印加するモーメントＭｚを徐々に減少させた場合のセンサ出力データの理想値に対する誤差Ｈ２の最大値と最小値との差が０．２５［Ｎｍ］程度であった。よって、変位測定精度が１／２程度に改善されていることが確認される。特に、誤差Ｈ１と誤差Ｈ２との差異が比較例に対して著しく小さくなっており、ヒステリシスが減少していることが確認される。
【００８０】
以上、ボルト５８０Ａ〜５８０Ｄにより締結された支持部材６０２と支持部材７０２との間に滑り、即ち位置ずれが生じても、各ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ，８０２Ａ〜８０２Ｄの検出結果に位置ずれが影響するのを防止することができる。よって、高精度に力の検出を行うことができる。
【００８１】
詳述すると、構造体６００，７００において検出力が作用する部位を一体に形成することが可能となっており、各構造体６００，７００において、力が作用した際に、滑りが生じる原因となる摩擦締結部位が含まれることがない構成をとることができる。このため、取付部材６０１，７０１間に加えられた外力が除去された際にも、取付部材７０１と支持部材７０２との相対位置、及び支持部材６０２と取付部材６０１との相対位置は、締結部位の滑りによりドリフトすることはない。したがって、取付部材７０１と支持部材７０２との相対位置、及び支持部材６０２と取付部材６０１との相対位置を正確に初期位置に復帰させることができ、その変位に基づいて求められる力も正確にゼロに復帰させることができる。即ち、外力が作用した履歴によらず、各ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ，８０２Ａ〜８０２Ｄの検出結果に生じるヒステリシスを低減することができる。よって、高精度に力の検出を行うことができる。以上支持部材６０２と支持部材７０２とをボルト締結する構成において、各ホール素子８０１Ａ〜８０１Ｄ，８０２Ａ〜８０２Ｄの検出結果に締結部分の位置ずれが影響するのを防止することができるので、ヒステリシスを低減した高精度な変位測定が可能となる。
【００８２】
また、変位測定装置５００を複数の構造体６００，７００に分割して構成することができるので、各構造体６００，７００を高精度に加工することが可能である。さらにこれら構造体６００，７００を組み合わせることで、変位測定装置５００を簡単に組み上げることが可能となる。よって、各構造体６００，７００を入れ子状に配置する、即ち各構造体がオーバーラップした構成にすることが可能となり、高密度に配置することが可能である。すなわち、高精度な検出を可能としつつも、スペース効率の高いコンパクトな変位測定装置５００を容易に製造することができる。
【００８３】
なお、取付部材６０１が第１の部材であるロボットアーム２０１に取り付けられ、取付部材７０１が第２の部材であるロボットハンド２０２に取り付けられる場合について説明したが、これに限定するものではない。即ち、取付部材６０１がロボットハンド２０２に取り付けられ、取付部材７０１がロボットアーム２０１に取り付けられる場合であってもよい。
【００８４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る変位測定装置について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る変位測定装置を示す斜視図である。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）とは異なる方向から変位測定装置を見た変位測定装置の斜視図である。図７は、第２実施形態に係る変位測定装置の検出系の構成を示すブロック図である。第２実施形態の変位測定装置５００Ａにおいて、第１実施形態の変位測定装置５００と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。変位測定装置５００Ａは、第１の構造体である構造体６００Ａと、第２の構造体である構造体７００Ａとを有する。構造体６００Ａは、第１実施形態と同様、取付部材６０１と、支持部材６０２と、弾性部材６０３とを有する。構造体７００Ａは、第１実施形態と同様、取付部材７０１と、支持部材７０２と、弾性部材７０３とを有する。
【００８５】
第１実施形態では、第１及び第２の検出部材としてホール素子を用い、第１及び第２の被検出部材として磁石を用いた場合について説明したが、第２実施形態では、検出部材と被検出部材とでリニアエンコーダを構成した場合について説明する。なお、リニアエンコーダとして、光学式のエンコーダ、電磁誘導式のエンコーダ等いかなるものであってもよく、特に光学式のエンコーダが好ましい。
【００８６】
第２実施形態では、第１のセンサがリニアエンコーダ１９５１Ａ〜１９５１Ｄであり、第２のセンサがリニアエンコーダ１９５２Ａ〜１９５２Ｄである。第１の被検出部材がリニアエンコーダ１９５１Ａ〜１９５１Ｄのスケール１９０１Ａ〜１９０１Ｄであり、第１の検出部材がリニアエンコーダ１９５１Ａ〜１９５１Ｄの検出ヘッド１８０１Ａ〜１８０１Ｄである。また、第２の被検出部材がリニアエンコーダ１９５２Ａ〜１９５２Ｄのスケール１９０２Ａ〜１０９２Ｄであり、第２の検出部材がリニアエンコーダ１９５２Ａ〜１９５２Ｄの検出ヘッド１８０２Ａ〜１８０２Ｄである。
【００８７】
検出ヘッド１８０１Ａ〜１８０１Ｄは、スケール１９０１Ａ〜１９０１Ｄに対する相対的な位置又は変位に応じた物理量を示す電気信号を生成するセンサ素子である。検出ヘッド１８０２Ａ〜１８０２Ｄは、スケール１９０２Ａ〜１９０２Ｄに対する相対的な位置又は変位に応じた物理量を示す電気信号を生成するセンサ素子である。
【００８８】
ここで、リニアエンコーダがインクリメンタル形の場合、検出ヘッド１８０１Ａ〜１８０１Ｄ，１８０２Ａ〜１８０２Ｄは、スケール１９０１Ａ〜１９０１Ｄ，１９０２Ａ〜１９０２Ｄの変位を示す物理量として、パルス数をカウントする。即ち、検出ヘッドは、弾性部材６０３，７０３が弾性変形していない状態を基準とし、弾性変形に応じたスケールの変位量を、スケールのパターンに応じたパルスをカウントすることで求める。
【００８９】
リニアエンコーダがアブソリュート形の場合には、検出ヘッド１８０１Ａ〜１８０１Ｄ，１８０２Ａ〜１８０２Ｄはスケール１９０１Ａ〜１９０１Ｄ，１９０２Ａ〜１９０２Ｄの位置をデジタル値で求めることになる。この場合、制御回路５５０、即ちＣＰＵ５５１は、予め設定された基準値に対する検出値の差で変位量を求めればよい。
【００９０】
以上、リニアエンコーダがインクリメンタル形の場合には、変位をパルスとしてカウントするデジタル型の信号処理を利用できるので、高剛性でありながら、高分解能、高負荷特性を両立でき、ダイナミックレンジが大きい変位測定装置を実現できる。また、リニアエンコーダがアブソリュート形の場合にも、求めた位置をデジタルで信号処理できるので、高剛性でありながら、高分解能、高負荷特性を両立でき、ダイナミックレンジが大きい変位測定装置を実現できる。
【００９１】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係るロボットについて説明する。図８は、第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。なお、第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態では、変位測定装置をロボットの手首部分に配置した場合について説明したが、これに限定するものではない。第３実施形態では、ロボットアームの関節に配置した場合について説明する。第３実施形態のロボット２００Ａは、ロボットアーム２０１Ａと、エンドエフェクタであるロボットハンド２０２と、を有している。ロボットアーム２０１Ａは、関節Ｊ１〜Ｊ６で連結された複数のリンク２１０〜２１６を有している。第３実施形態では、第１のリンクであるリンク２１２と、リンク２１２に対して回転するようリンク２１２に連結された第２のリンクであるリンク２１３との間に、変位測定装置５００が配置されている。即ち、第３実施形態では、第１の部材及び第２の部材のうち一方がリンク２１２であり、他方がリンク２１３である。これにより、変位測定装置５００は、関節Ｊ３に作用する力を求めることができる。
【００９２】
なお、第３実施形態では、関節Ｊ３に変位測定装置５００を配置した場合について説明したが、関節Ｊ１〜Ｊ６の少なくとも１つに配置されていればよく、関節Ｊ３に限定するものではない。即ち、複数の関節Ｊ１〜Ｊ６の一部又は全部に変位測定装置５００を配置してもよい。
【００９３】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されない。
【００９４】
上述の実施形態では、磁気式又はリニアエンコーダ式の変位測定装置について説明したが、これに限定するものではなく、例えば静電容量式の変位測定装置であってもよい。即ち、被検出部材として電極を配置し、電極とセンサ素子との間の位置に応じて変化する物理量として静電容量を検出するものであってもよい。
【００９５】
また、上述の実施形態では、第１の構造体は、並進力Ｆｘ，Ｆｙ、モーメントＭｚを検出し、第２の構造体は、並進力Ｆｚ、モーメントＭｘ，Ｍｙを検出する構成として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の構造体で並進力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出し、第２の構造体でモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する構成としてもよい。また、変位測定軸は構造ごとに独立している必要はなく、第１の構造体でＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出し、第２の構造体でもＦｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出するというように、変位測定軸が冗長に設定された構成をとってもよい。
【００９６】
また、変位測定装置が６軸の力すべてを検出する構成について説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、検出する力が２軸以上６軸以下の変位測定装置を構成する場合についても本発明は適用可能である。
【００９７】
また、弾性部材の形状も、以上の説明の構成に限定されるものではなく、変位測定の目的に合わせた任意の弾性部材の形状に構成することができる。
【００９８】
また、変位測定装置の配置箇所も、ロボットアームとエンドエフェクタとの間や、ロボットアームの関節に限定するものではなく、これらの箇所以外であってもよく、例えばロボットアームの基端であってもよい。また、変位測定装置をロボット以外に適用してもよい。
【００９９】
また、上述の実施形態では、センサが、磁界発生源及び磁電変換素子、又はスケール及び検出ヘッドである場合について説明したが、変位に応じた電気信号を生成するものであれば、これらに限定するものではない。センサの検出部材として、光学式のセンサ素子や静電容量式のセンサ素子を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
２００…ロボット、２０１…ロボットアーム、２０２…ロボットハンド（エンドエフェクタ）、５００…変位測定装置、５５０…制御回路（制御部）、５８０Ａ〜５８０Ｄ…ボルト（連結部）、６０１…取付部材（第１の取付部）、６０２…支持部材（第１の支持部）、６０３…弾性部材（第１の弾性部）、７０１…取付部材（第２の取付部）、７０２…支持部材（第２の支持部）、７０３…弾性部材（第２の弾性部）、８０１Ａ〜８０１Ｄ…ホール素子（第１の検出部材）、８０２Ａ〜８０２Ｄ…ホール素子（第２の検出部材）、９０１Ａ〜９０１Ｄ…磁石（第１の被検出部材）、９０２Ａ〜９０２Ｄ…磁石（第２の被検出部材）、９５１Ａ〜９５１Ｄ…センサ（第１のセンサ）、９５２Ａ〜９５２Ｄ…センサ（第２のセンサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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