(57)【要約】本発明は多軸力及びモーメントセンサ及びロボットを提供する。該センサは、第１の支持部材、第２の支持部材、第１の支持部材と第２の支持部材との間に接続されている変形可能部品、及び複数の信号組を含む。変形可能部品は複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される。複数の信号組のそれぞれは磁石及びホール効果センサを含む。磁石は第１の支持部材と第２の支持部材のうちいずれか一方に取付けられており、ホール効果センサは他方に取付けられている。ホール効果センサは各々の磁石に対応する位置に配置されている。信号組は、その磁石の一又は複数の着磁方向が異なることで、信号組により異なる方向において第１の支持部材及び第２の支持部材に加えられた力及びモーメントを測定することができる。【選択図】図１
2021534426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の支持部材と、
第２の支持部材と、
前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との間に接続され、複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される変形可能部品と、
磁石及びホール効果センサを含む複数の信号組と、を含み、
前記磁石は前記第１の支持部材と前記第２の支持部材のいずれか一方に取付けられており、
前記ホール効果センサは、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材の他方に取付けられ、各々の磁石に対応する位置に配置されており、
前記複数の信号組は、磁石の着磁方向が異なることで、前記複数の信号組により異なる方向において前記第１の支持部材と前記第２の支持部材に加えられた力及びモーメントを測定することができる、
多軸力及びモーメントセンサ。
【請求項２】
前記第１の支持部材は第１の盤と第３の盤とを含み、前記第２の支持部材は第２の盤と第４の盤とを含み、前記変形可能部品は第１の撓み部材と第２の撓み部材とを含み、
前記第１の盤と前記第２の盤は、前記第１の撓み部材により接続されているとともに、協同でアッパーセンサコンポーネントを構成し、前記第３の盤と前記第４の盤は、前記第２の撓み部材により接続されているとともに、協同でロアセンサコンポーネントを構成し、前記アッパーセンサコンポーネントは前記ロアセンサコンポーネント上に積層されており、
前記第１の盤、前記第２の盤、前記第３の盤及び前記第４の盤は互いに略平行に延在している、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記複数の信号組は６つの信号組を含み、
前記６つの信号組のうち３つの信号組の磁石の着磁方向は、前記センサの周方向に平行であり、
前記６つの信号組のうち他の３つの信号組の磁石の着磁方向は、前記センサの軸方向に平行である、
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１の盤と前記第３の盤とを剛性的に接続する複数の第１のブリッジング機構と、
前記第２の盤と前記第４の盤とを剛性的に接続する複数の第２のブリッジング機構とをさらに含む、
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記複数の第１のブリッジング機構及び前記複数の第２のブリッジング機構のそれぞれは、高導磁率の材料を含むとともに、前記複数の信号組のうち対応する一つの信号組に対応する位置に配置され、前記一つの信号組のそれぞれを少なくとも部分的に封止する、
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記複数の第１のブリッジング機構のそれぞれは、前記センサの軸方向において前記第２の盤から間隔を空けている第１のストッパを含み、前記第１のストッパは、前記第１の撓み部材が軸方向において過度に歪むことを防止するように構成されており、
前記複数の第２のブリッジング機構のそれぞれは、前記センサの前記軸方向において前記第３の盤から間隔を空けている第２のストッパを含み、前記第２のストッパは、前記第２の撓み部材が前記軸方向において過度に歪むことを防止するように構成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第２の盤から延びて前記第１の盤を挿通する第１の位置決めピンと、前記第３の盤から延びて前記第４の盤を挿通する第２の位置決めピンとをさらに含み、
前記第１の盤の延在方向において、前記第１の位置決めピンと前記第１の盤との間に間隔があり、前記第１の位置決めピンは、前記第１の撓み部材が前記センサの径方向及び周方向において過度に歪むことを防止するように構成され、
前記第４の盤の延在方向において、前記第２の位置決めピンと前記第４の盤との間に間隔があり、前記第２の位置決めピンは、前記第２の撓み部材が前記センサの径方向及び周方向において過度に歪むことを防止するように構成される、
ことを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１の支持部材に接続された上部ハウジングと、
前記第２の支持部材に接続された底部ハウジングと、
前記上部ハウジングと底部ハウジングとの間に接続されている封止部材とを、さらに含み、
前記上部ハウジング、前記底部ハウジング及び前記封止部材は、協同で前記第１の支持部材、前記第２の支持部材、前記変形可能部品及び前記複数の信号組を封止するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
積層されたアッパーセンサコンポーネントとロアセンサコンポーネントとを含み、
前記アッパーセンサコンポーネントは、
第１の盤と、
第２の盤と、
前記第１の盤と第２の盤との間に接続され、複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される第１の撓み部材と、
第１の発信器及び第１の受信器を含み、前記第１の発信器が前記第１の盤及び第２の盤のいずれか一方に取付けられており、前記第１の受信器が前記第１の盤及び第２の盤の他方に取付けられているとともに、前記第１の発信器に対応する位置に配置されている、複数の第１の信号組と、を含み、
前記ロアセンサコンポーネントは、
第３の盤と、
第４の盤と、
前記第３の盤と前記第４の盤との間に接続され、複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される第２の撓み部材と、
第２の発信器及び第２の受信器を含み、前記第２の発信器が前記第３の盤及び前記第４の盤のいずれか一方に取付けられており、前記第２の受信器が前記第３の盤及び前記第４の盤の他方に取付けられているとともに、前記第２の発信器に対応する位置に配置されている、複数の第２の信号組と、を含み、
前記第１の信号組と前記第２の信号組とは、異なる配置となっていることで、前記第１の信号組と前記第２の信号組とが複数の方向に加えられた外力及びモーメントを測定するように構成される、
多軸力及びモーメントセンサ。
【請求項１０】
前記第１の発信器及び前記第２の発信器は磁石であり、前記第１の受信器及び前記第２の受信器はホール効果センサである、
ことを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記複数の第１の信号組の各第１の信号組の前記第１の発信器の着磁方向は、前記センサの周方向に平行であり、
前記複数の第２の信号組の各第２の信号組の前記第２の発信器の着磁方向は、前記センサの軸方向に平行である、
ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記第１の盤と前記第３の盤とを剛性的に接続する複数の第１のブリッジング機構と、
前記第２の盤と前記第４の盤とを剛性的に接続する複数の第２のブリッジング機構とをさらに含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記複数の第１のブリッジング機構のそれぞれは、前記センサの軸方向において前記第２の盤から間隔を空けている第１のストッパを含み、前記第１のストッパは、前記第１の撓み部材が軸方向において過度に歪むことを防止するように構成されており、
前記複数の第２のブリッジング機構のそれぞれは、前記センサの前記軸方向において前記第３の盤から間隔を空けている第２のストッパを含み、前記第２のストッパは、前記第２の撓み部材が前記軸方向において過度に歪むことを防止するように構成される、
ことを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記第２の盤から延びて前記第１の盤を挿通する第１の位置決めピンと、前記第３の盤から延びて前記第４の盤を挿通する第２の位置決めピンとをさらに含み、
前記第１の盤の延在方向において、前記第１の位置決めピンと前記第１の盤との間に間隔があり、前記第１の位置決めピンは、前記第１の撓み部材が前記センサの径方向及び周方向において過度に歪むことを防止するように構成され、
前記第４の盤の延在方向において、前記第２の位置決めピンと前記第４の盤との間に間隔があり、前記第２の位置決めピンは、前記第２の撓み部材が前記センサの径方向及び周方向において過度に歪むことを防止するように構成される、
ことを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記第１の盤に接続された上部ハウジングと、
前記第４の盤に接続された底部ハウジングと、
前記上部ハウジングと底部ハウジングとの間に接続されている封止部材とを含み、
前記上部ハウジング、前記底部ハウジング及び前記封止部材は、協同で前記アッパーセンサコンポーネント及び前記ロアセンサコンポーネントを封止するように構成される、
ことを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１６】
連続的に接続された複数のリンクとエンドアクチュエーターとを含み、前記エンドアクチュエーターは多軸力及びモーメントセンサを含み、前記多軸力及びモーメントセンサは前記エンドアクチュエーターに加えられた力及びモーメントを測定するように構成され、
前記多軸力及びモーメントセンサは、
第１の支持部材と、
第２の支持部材と、
前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との間に接続され、複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される変形可能部品と、
磁石及びホール効果センサを含む複数の信号組と、を含み、
前記磁石は前記第１の支持部材と前記第２の支持部材のいずれか一方に取付けられており、
前記ホール効果センサは、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材の他方に取付けられており、各々の磁石に対応する位置に配置されており、
前記複数の信号組は、磁石の着磁方向が異なることで、前記複数の信号組により異なる方向において前記第１の支持部材と前記第２の支持部材に加えられた力及びモーメントを測定することができる、
ロボット。
【請求項１７】
前記第１の支持部材は第１の盤と第３の盤とを含み、前記第２の支持部材は第２の盤と第４の盤とを含み、前記変形可能部品は第１の撓み部材と第２の撓み部材とを含み、
前記第１の盤と前記第２の盤は、前記第１の撓み部材により接続されているとともに、協同でアッパーセンサコンポーネントを構成し、前記第３の盤と前記第４の盤は、前記第２の撓み部材により接続されているとともに、協同でロアセンサコンポーネントを構成し、前記アッパーセンサコンポーネントは前記ロアセンサコンポーネント上に積層されており、
前記第１の盤、前記第２の盤、前記第３の盤及び前記第４の盤は互いに略平行に延在している、
ことを特徴とする請求項１６に記載のロボット。
【請求項１８】
前記複数の信号組は６つの信号組を含み、
前記６つの信号組の３つの信号組の磁石の着磁方向は、前記センサの周方向に平行であり、
前記６つの信号組の他の３つの信号組の磁石の着磁方向は、前記センサの軸方向に平行である、
ことを特徴とする請求項１７に記載のロボット。
【請求項１９】
前記多軸力及びモーメントセンサは、
前記第１の盤と前記第３の盤とを剛性的に接続する複数の第１のブリッジング機構と、
前記第２の盤と前記第４の盤とを剛性的に接続する複数の第２のブリッジング機構とをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１７に記載のロボット。
【請求項２０】
前記複数の第１のブリッジング機構のそれぞれは、前記センサの軸方向において前記第２の盤から間隔を空けている第１のストッパを含み、前記第１のストッパは、前記第１の撓み部材が軸方向において歪み過ぎるのを防止するように構成されており、
前記複数の第２のブリッジング機構のそれぞれは、前記センサの前記軸方向において前記第３の盤から間隔を空けている第２のストッパを含み、前記第２のストッパは、前記第２の撓み部材が前記軸方向において過度に歪むことを防止するように構成される、
ことを特徴とする請求項１９に記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本願は米国特許法第１１９条（e）により、２０１８年０７月０２日に出願され、出願名称が「ROBUST SIX DEGREE OF FREEDOM FORCE AND TORQUE SENSOR WITH OVERLOAD PROTECTION」で出願番号が６２／６９３０３０である米国特許出願に基づいて優先権を主張する。該米国特許出願の開示内容は、援用により本願に含まれている。
【０００２】
本発明は、センサ技術に関し、特に多軸力及びモーメントセンサ、該多軸力及びモーメントセンサを備えるロボットに関する。
【背景技術】
【０００３】
多軸力及びモーメントセンサは、ロボットの操作、自動化産業及び実験室での実験に広く活用されている。従来のソリューションでは、ひずみゲージまたはエンコーダーに基づいた設計が採用されている。ひずみゲージセンサは温度変化や製造品質の変化に影響されやすいとともに、製造コストが高い。また、エンコーダーに基づいたセンサは、より強いロバスト性を有するが、剛性が割と低く、システムの全体的な動作が著しく影響を受けるとともに、機器的帯域幅が低くなり、高速感知と制御応用には適しない。なお、大きい構造的歪みも厳しいクロストーク問題及び非線形の原因となる。
【０００４】
上記理由で、新型の多軸力及びモーメントセンサが望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
よって、本発明は多軸力及びモーメントセンサ、及び該多軸力及びモーメントセンサを備えるロボット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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明による技術案は多軸力及びモーメントセンサを提供する。センサは、第１の支持部材、第２の支持部材、第１の支持部材と第２の支持部材との間に接続されている変形可能部品、及び複数の信号組を含んでもよい。変形可能部品は複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される。複数の信号組のそれぞれは磁石及びホール効果センサを含む。磁石は第１の支持部材と第２の支持部材のいずれか一方に取付けられており、ホール効果センサは第１の支持部材と第２の支持部材の他方に取付けられ、ホール効果センサは各々の磁石に対応する位置に配置されている。信号組は、磁石の着磁方向が異なることで、信号組により異なる方向において第１の支持部材及び第２の支持部材に加えられた力及びモーメントを測定することができる。
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による技術案は多軸力及びモーメントセンサを提供する。該センサは積層されたアッパーセンサコンポーネントとロアセンサコンポーネントとを含んでもよい。アッパーセンサコンポーネントは第１の盤、第２の盤、第１の盤と第２の盤との間に接続されている第１の撓み部材、及び複数の第１の信号組を含んでもよい。該撓み部材は複数の方向に印加された外力及びモーメントに応じて歪むように構成される。複数の信号組のそれぞれは、第１の発信器及び第１の受信器を含む。第１の発信器は第１の盤と第２の盤のいずれか一方に取付けられ、第１の受信器は第１の盤と第２の盤の他方に取付けられているとともに、第１の発信器に対応する位置に配置されている。
【０００８】
ロアセンサコンポーネントは第３の盤、第４の盤、第３の盤と第４の盤との間に接続された第２の撓み部材、及び複数の第２の信号組を含む。該撓み部材は複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される。複数の第２の信号組のそれぞれは、第２の発信器及び第２の受信器を含む。第２の発信器は第３の盤と第４の盤のいずれか一方に取付けられ、第２の受信器は第３の盤と第４の盤の他方に取付けられているとともに、第２の発信器に対応する位置に配置されている。第１の信号組と第２の信号組の異なる配置により、第１の信号組及び第２の信号組は複数の方向に加えられた外力及びモーメントを測定するように構成される。
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明による他の技術案はロボットを提供する。該ロボットは、連続的に接続された複数のリンク及びエンドアクチュエーターを含んでもよい。エンドアクチュエーターは多軸力及びモーメントセンサを含む。該多軸力及びモーメントセンサは第１の支持部材、第２の支持部材、第１の支持部材と第２の支持部材との間に接続された変形可能部品、及び複数の信号組を含む。変形可能部品は複数の方向に加えられた外力及びモーメントに応じて歪むように構成される。複数の信号組のそれぞれは、磁石及びホール効果センサを含む。磁石は第１の支持部材と第２の支持部材のいずれか一方に取付けられ、ホール効果センサは第１の支持部材と第２の支持部材の他方に取付けられているとともに、各々の磁石に対応する位置に配置されている。該複数の信号組は、磁石の着磁方向が異なることで、信号組により異なる方向において第１の支持部材及び第２の支持部材に加えられた力及びモーメントを測定することができる。
【００１０】
本発明による多軸力及びモーメントセンサは複数の信号組を含んでもよい。これら信号組は異なる方向に加えられた外力及びモーメントの計測に用いられることができるとともに、軸外負荷相殺及び温度補償に用いられることもできる。従って、本発明によるセンサは異なる方向に加えられた外力及びモーメントをより精確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の実施例に係る技術案を明確に説明するために、実施例の説明に利用される添付図面を簡単に説明する。下記説明に係る図面は本発明の例示的な実施例を示すものに過ぎない。当業者らは、これら添付図面に基づいて、創造的な労力を要せずに他の実施例を想到できる。
【００１２】
【図１】図１は本発明の一実施例に係る多軸力及びモーメントセンサの等角図である。
【図２】図２は本発明の一実施例に係る多軸力及びモーメントセンサの例示的なセンサコンポーネントの模式図である。
【図３】図３は本発明の一実施例に係る多軸力及びモーメントセンサの断面図である。
【図４】図４は本発明の一実施例に係る多軸力及びモーメントセンサの第１の盤における信号組の例示的な配置を示す図である。
【図５】図５は本発明の一実施例に係る多軸力及びモーメントセンサの第４の盤における信号組の例示的な配置を示す図である。
【図６】図６は本発明の一実施例に係る多軸力及びモーメントセンサの模式図である。
【図７】図７は本発明の一実施例に係るロボットの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に図面及び例を参照しながら本発明を詳細に説明する。説明される実施例はあくまで例示的なものであって、本発明の実施例の範囲内のものである。当業者らは、創造的労力を要せずに、本願で開示される実施例に基づいて他の実施例を想到することができ、これら他の実施例も本発明の範囲内である。
【００１４】
図１〜図３は、本発明の実施例に係る例示的な多軸力及びモーメントセンサ１１０の構成を示している。図１〜図３に示されるように、多軸力及びモーメントセンサ１１０は、第１の支持部材１０、第２の支持部材２０、変形可能部品３０及び複数の信号組（ｓｉｇｎａｌ  ｐａｉｒ）４０を含んでもよい。
【００１５】
本発明の一態様では、変形可能部品３０は第１の支持部材１０と第２の支持部材２０の間に接続されてもよい。変形可能部品３０は、第１の方向において第１の支持部材１０に加えられた力またはモーメント、及び第１の方向とは他の第２の方向において第２の支持部材に加えられた力またはモーメントによって、変形可能部品３０が歪んで、二つの支持部材１０、２０の間に相対移動が発生するように設計されていてもよい。一部の実施例において、第１の支持部材１０、第２の支持部材２０及び変形可能部品３０は、同じ材料で、例えばアルミニウム合金、チタン合金、ステンレス鋼合金などで構成されてもよい。
【００１６】
一部の例において、多軸力及びモーメントセンサ１１０の各信号組４０は発信器４０１と受信器４０２とを含んでもよい。発信器４０１は第１の支持部材１０と第２の支持部材２０のうちいずれか一方に取付けられてもよく、受信器４０２は他方の支持部材に取付けられてもよい。該例示的な配置により、発信器４０１及び受信器４０２は協働して第１の支持部材１０と第２の支持部材２０との間の相対変位を検知することが可能となる。
【００１７】
一部の実施例において、信号組４０は、信号組４０に検出された支持部材１０、２０の間の相対変位が、複数の方向において多軸力及びモーメントセンサ１１０に加えられた力またはモーメントの計算に利用できるように配置されてもよい。例えば、多軸力及びモーメントセンサ１１０は６つの信号組４０を含んでもよい。６つの信号組４０は第１の支持部材１０と第２の支持部材２０との間で異なる方向（軸方向、径方向、周方向）の相対変位を測定するように構成されてもよい。そして、測定の結果は６つの軸または方向（例えば、Ｘ−平行移動、Ｙ−平行移動、Ｚ−平行移動、Ｘ−回転、Ｙ−回転、及びＺ−回転）において多軸力及びモーメントセンサ１１０に加えられた力またはモーメントの計算に利用することができる。
【００１８】
本発明の一部の実施例において、多軸力及びモーメントセンサ１１０は、各信号組４０において更に複数の組（例えば３組、４組またはそれ以上）の発信器２１と受信器２２とが含まれてもよい。このような追加の複数組の発信器２１と受信器２２を備える信号組４０は、異なる方向において多軸力及びモーメントセンサ１１０に加えられた力及びモーメントの計算がより正確にできる。これらは軸外負荷相殺及び温度補償に用いることもできるので、異なる方向において多軸力及びモーメントセンサ１１０に加えられた力及びモーメントの計算がより正確にできる。
【００１９】
本発明の一部の例において、信号組４０はインダクタンス、静電容量、抵抗、または光学に基づいたものであってもよく、これら以外の適切な信号の種類を使ってもよい。一部の実施例において、各信号組４０の発信器４０１は磁石であってもよく、対応する受信器４０２はホール効果センサであってもよい。
【００２０】
ホール効果センサの作動原理は次のとおりである。ホール効果センサが磁石の磁気軸に垂直な磁界強度を検知して磁気軸に沿って移動する場合に、センサの変位とセンサによって検知された磁界強度との関係は、ほぼ線形関係である。ホール効果センサが磁石の磁気軸に垂直な磁界強度を検知して磁気軸に垂直する方向に沿って移動する場合に、その検知された磁界強度とセンサの変位との関係は、線形性が低下し、非線形的関数（例えば多項式関数）を利用してモデリングすることができる。信号組４０の磁石の着磁方向が異なることによって、信号組４０が異なる方向において第１の支持部材１０及び第２の支持部材２０に加えられた力及びモーメントを測定できるようにする。
【００２１】
一部の実施例において、第１の支持部材１０は、第１の盤１０１及び第３の盤１０２を含んでもよく、第２の支持部材２０は第２の盤２０１及び第４の盤２０２を含んでもよい。図１に示されるように、第１の盤１０１、第２の盤２０１、第３の盤１０２及び第４の盤２０２は互いに略平行に延在している。これら実施例において、変形可能部品３０は第１の撓み部材（符号なし）及び第２の撓み部材（符号なし）を含んでもよい。第１の盤１０１と第２の盤２０１は、第１の撓み部材により接続されているとともに、共にアッパーセンサコンポーネント３０１を構成し、第３の盤１０２と第４の盤２０２は、第２の撓み部材により接続されているとともに、共にロアセンサコンポーネント３０２を構成してもよい。本実施例では、図３に示されるように、アッパーセンサコンポーネント３０１とロアセンサコンポーネント３０２はいずれもＨ形の構造を有する。
【００２２】
一部の実施例において、アッパーセンサコンポーネント３０１がロアセンサコンポーネント３０２上に積層された構成であってもよい。この例では、信号組４０は、対応する２つのセンサコンポーネント３０１、３０２に均一的に分布してもよい。均一的な分布は、信号組４０の取付がより簡単で、信号組４０同士の間の干渉が少なくなる。一部の実施例において、第１の支持部材１０と第２の支持部材２０はそれぞれ１つだけの盤を含んでもよい。例えば、第１の支持部材１０は第１の盤１０１だけを含み、第２の支持部材２０は第３の盤だけを含んでもよい。これらの実施例では、信号組４０は２つの盤（例えば第１の盤１０１と第２の盤２０１）に取付けられて支持部材１０、２０の間の相対移動を測定するように構成されてもよい。
【００２３】
一部の実施例においては、多軸力及びモーメントセンサ１１０は、図１〜図３に示されるように、複数（例えば図示例では６つ）のブリッジング機構５０、６０をさらに含んでもよい。複数の方面では、第１のブリッジング機構５０は第１の盤１０１と第３の盤１０２とを剛性的に接続するように構成されてもよく、第２のブリッジング機構６０は第２の盤２０１と第４の盤２０２とを剛性的に接続するように構成されてもよい。一部の実施例において、ブリッジング機構５０、６０は第１の支持部材１０及び第２の支持部材２０よりも遥かに硬いものである。この例では、単なる力若しくはＺ軸のモーメント（例えば図３に示されるように）またはこれら両方が多軸力及びモーメントセンサ１１０に加えられた場合、遥かに硬いブリッジング機構５０、６０は負荷をアッパーセンサアセンブル３０１及びロアセンサアセンブル３０２に均一に分布させることができる。Ｘ軸（例えば、図３に示されるように）またはＹ軸（例えば図３の紙面を出入りする軸）のモーメントが多軸力及びモーメントセンサ１１０に加えられた場合、ブリッジング機構５０、６０の剛性により、モーメント負荷の大部分をアッパーセンサコンポーネント３０１及びロアセンサコンポーネント３０２におけるＸ軸の力とＹ軸の力に分けることができる。場合によっては、このようにモーメント負荷がＸ軸の力とＹ軸の力に分けられることで、Ｘ軸とＹ軸の捩じりの剛性が最適化され増強される。ある場合には、平行のブリッジング機構５０、６０により、Ｘ軸及びＹ軸回りに加えられるモーメントに対する多軸力及びモーメントセンサ１１０全体の剛性が向上することによって、多軸力及びモーメントセンサ１１０の６つの検出自由度（ＤＯＦ:ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  ｆｒｅｅｄｏｍ）において所望の検知感度が得られる。
【００２４】
本発明の一部の例において、ブリッジング機構５０、６０は、信号組４０を少なくとも部分的に封止することによって、発信器４０１及び受信器４０２を外部信号による干渉から保護する。一部の例において、ブリッジング機構５０、６０は、利用される信号組４０のタイプに応じた材料から構成されてもよい。例えば、信号組４０に磁気信号が使われる場合、ブリッジング機構５０、６０は高導磁率の材料（例えばスーパーマロイ（ｓｕｐｅｒ  ｍａｌｌｏｙ）、スーパーミューメタルアロイ（ｓｕｐｅｒ  ｍｕｍｅｔａｌ  ａｌｌｏｙ）、ＳＡＮＢＯＬＤ、パーマロイ（ｐｅｒｍａｌｌｏｙ）、炭素鋼、マルテンサイト鋼など）から構成されてもよい。また、信号組４０に光信号が使われる場合、ブリッジング機構５０、６０は遮光材料（例えば非透明プラスチック、金属またはゴムなど）から構成されてもよい。
【００２５】
図２を参照する。多軸力及びモーメントセンサ１１０は、複数の位置決めピン７０をさらに含んでもよい。図３に位置決めピン７０１、７０２を備える実施例の断面が示されている。一部の実施例において、位置決めピン７０１は第２の盤２０１から延びて第１の盤１０１を挿通させてもよい。図３に示されるように、第１の盤１０１の延出方向において、位置決めピン７０１と第１の盤１０１との間に間隔（例えばギャップ）がある。一部の実施例において、位置決めピン７０２は第３の盤１０２から延びて第４の盤２０２を挿通させてもよい。図３に示されるように、第４の盤２０２の延出方向において、位置決めピン７０２と第４の盤２０２との間にも間隔（例えばギャップ）がある。
【００２６】
図２を参照し、位置決めピン７０により、Ｘ軸とＹ軸の平行移動及びＺ軸の捩じりの過負荷に対して保護がなされ、変形可能部品３０が多軸力及びモーメントセンサ１１０の径方向及び周方向において過度に歪むことが避けられる。例えば、図３を参照し、アッパーセンサコンポーネント３０１またはロアセンサコンポーネント３０２が外力またはモーメントによって過度に歪む場合に、位置決めピン７０１及び／又は位置決めピン７０２は、対応する間隔（例えばギャップ）を移動して対応する盤に接触する。例えば、過負荷により位置決めピン７０１が第１の盤１０１に接触し、位置決めピン７０２が第４の盤２０２に接触する可能性がある。このため、位置決めピン７０１、７０２は、アッパーセンサコンポーネント３０１及び／又はロアセンサコンポーネント３０２のそれぞれの更なる歪みを防止できる。該更なる歪みは、塑性変形を発生させてアッパーセンサコンポーネント３０１及び／又はロアセンサコンポーネント３０２の損害の原因になる。
【００２７】
本発明の一部の実施例において、ブリッジング機構５０及び／又はブリッジング機構６０はストッパを備えてもよい。ストッパにより、Ｘ軸とＹ軸の捩じり及びＺ軸の平行移動の過負荷に対して保護がなされる。例えば、図３に示されるように、ブリッジング機構５０はストッパ５０１を含んでもよい。ストッパ５０１は、多軸力及びモーメントセンサ１１０の軸方向（図に示されるＺ軸の方向）において第２の盤２０１から少し間隔を空けてもよい。該例において、第１の盤１０１が移動して（例えば図示のＺ軸方向に沿って）第２の盤２０１に近すぎるまたは遠すぎる場合に、第２の盤２０１はストッパ５０１に接触するので、第２の盤２０１とストッパ５０１との間の剛性的圧縮により、塑性変形の発生乃至アッパーセンサコンポーネント３０１の破壊原因となり得る更なる移動が防止される。一部の例において、ブリッジング機構６０は、例示されるロアセンサコンポーネント３０２を保護するために、同様に構成されたストッパを備えてもよい。
【００２８】
図３を参照する。一部の実施例において、保持機構４０３が第２の盤２０１に取付けられる（第３の盤１０２にも取付けられる）ことで、受信器４０２が取付けられる。該実施例において、ストッパ５０１は、過大な外力またはモーメントが加えられたときに第２の盤２０１の代わりに保持機構４０３に突き当たるように構成されてもよい。なお、本明細書ではブリッジング機構６０の構成及び機能を詳細に説明していないが、ブリッジング機構６０は本明細書に記載のブリッジング機構５０と類似又は同様な構成及び機能を有してもよい。
【００２９】
図４、図５はそれぞれ、第１の支持部材１０及び第２の支持部材２０における信号組４０の例示的な配置を示している。該実施例において、多軸力及びモーメントセンサ１１０は６つの磁性信号組４０を含んでもよく、３つの磁性信号組は第１の支持部材１０に配置され、３つの磁性信号組は第２の支持部材２０に配置されている。一実施例において、図４に示されるように、第１の盤１０１に取付けられた磁石４０１ａの着磁方向は、多軸力及びモーメントセンサ１１０の周方向に平行であってもよい。図５に示されるように、第４の盤２０２に取付けられた磁石４０１ｂの着磁方向は、多軸力及びモーメントセンサ１１０の軸方向に平行の方向であってもよい。図４は磁石４０１ａの向かい側にあるホール効果センサ４０２ａを示し、図５は磁石４０１ｂの向かい側にあるホール効果センサ４０２ｂを示している。
【００３０】
磁石４０１ａ及びホール効果センサ４０２ａが取付けられている（図４に示されている）アッパーセンサコンポーネント３０１の構成により、Ｚ軸方向の力を除いて五つの力／モーメントの全てを検知可能である一方、Ｚ軸回りのモーメントだけが該単独のアッパーセンサコンポーネント３０１から直接的に計算され得る。磁石４０１ｂ及びホール効果センサ４０２ｂが取付けられている（図５に示されている）ロアセンサコンポーネント３０２の構成により、Ｚ軸モーメントを除いて五つの力／モーメントの全て検知可能である一方、Ｚ軸方向の力だけが該単独のロアセンサコンポーネント３０２から直接的に計算され得る。しかし、多軸力及びモーメントセンサ１１０の機械的構造で簡単な伝達関数を利用することで、多軸力及びモーメントセンサ１１０全体における歪み及び力／モーメントを導き出すことができる。
【００３１】
例えば、多軸力及びモーメントセンサ１１０全体に加えられた六つの力／モーメントにより、各ホール効果センサ４０２ａまたは４０２ｂは、対応する磁石４０１ａまたは４０１ｂに関する三次元の全てにおいて（例えばＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って）直線的に移動する。磁界の変化によってこの３タイプの移動のうちの２タイプの移動（例えばＸ軸及びＹ軸に沿った移動）を取得できるが、残りの１タイプの移動（例えばＺ軸に沿った移動）は取得できない。取得した２タイプの移動は、線形関数又は非線形関数で計算されることができる。よって、各ホール効果センサ４０２ａまたは４０２ｂの読み値の変化に伴って、対応する磁石４０１ａまたは４０１ｂに対する各ホール効果センサ４０２ａまたは４０２ｂの移動が導き出される。機械的構造の簡単な伝達関数を利用して、多軸力及びモーメントセンサ１１０全体における歪み及び力／モーメントを導き出すことができる。従って、本発明の一態様により、校正方法を用いて６つの信号組４０から６つの力及びモーメントの全てを計算することができる。
【００３２】
また、ある場合に、全ての磁石４０１ａまたは４０１ｂがアッパーセンサコンポーネント３０１及びロアセンサコンポーネント３０２のそれぞれに対して同じ方向に分極しているわけではないため、温度によるセンサコンポーネント３０１、３０２への影響を差分法によって抑制することができる。例えば、温度変化による信号変化により、信号組４０の信号が同様な傾向で変化するので、両者に対して減算を行うことで、温度変化によるずれを抑制することができる。本発明の他の態様において、同様な目的を達成するために、信号組４０の配置は図４及び図５と異なってもよい。
【００３３】
図６を参照し、多軸力及びモーメントセンサ１１０は上部ハウジング８０１、底部ハウジング８０２及び封止部材８０３をさらに含んでもよい。上部ハウジング８０１は第１の支持部材１０に固定的に接続されてもよく、底部ハウジング８０２は第２の支持部材２０に固定的に接続されてもよい。封止部材８０３は上部ハウジング８０１と底部ハウジング８０２との間に接続されている。上部ハウジング８０１、底部ハウジング８０２及び封止部材８０３は共に第１の支持部材１０、第２の支持部材２０、変形可能部品３０及び信号組４０を封止することによって、外部の水や埃が内部に侵入して部品が損傷するのを防止することができる。
【００３４】
本発明は、さらに、ロボット及びエンドアクチュエーターを提供する。図７にロボット９００が示されているが、該ロボット９００は連続的に接続される複数のリンク９０１及びエンドアクチュエーター９０２を含んでもよい。エンドアクチュエーター９０２は、エンドアクチュエーター９０２に作用する外力及びモーメントを測定するための多軸力及びモーメントセンサ１１０を含んでもよい。多軸力及びモーメントセンサ１１０は上記いずれか一つの実施例に記載のものであってもよい。他の実施例において、多軸力及びモーメントセンサ１１０はロボット９００の他部品（例えばアクチュエーター）に代替可能に利用されてもよい。
【００３５】
本発明の他の例において、多軸力及びモーメントセンサ１１０は、例えば産業用ロボット、人型ロボット、車両、駆動装置、測定装置など他領域や設備に活用されることができる。
【００３６】
更なる詳細説明がなくても、当業者であれば上記説明に従って保護を求めている発明を最大限に利用することができるであろう。本明細書で開示された例や実施例は説明のためのものに過ぎないが、いずれかの形で本願の範囲を制限するものではない。当業者にとって自明であるが、検討されてきた基本原理から逸脱しない限り、上記実施例の細部は変ってもよい。言い換えると、上記説明で具体的に開示された実施例についての様々な変更や改良はいずれも特許請求の範囲内のものである。例えば、説明された様々な実施例における特徴の適切な組合せはいずれも予想できるものである。
【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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【国際調査報告】
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