[發明專利]力傳感器、機器人裝置、機器人手和檢測設備

有效

• 申請號: 201210033391.8
• 申請日: 2012-02-15
• 公開（公告）號: CN102645302A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 太田智市郎
• 申請（專利權）人: 佳能株式會社
• 主分類號: G01L9/14
• 分類號: G01L9/14;B25J15/08;B25J19/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李穎

技術領域

本發明涉及這樣的力傳感器：當外力作用于操作(operating)部分上從而導致諸如霍爾元件(Hall?element)的磁電轉換元件關于磁體相對地位移時，所述力傳感器基于磁電轉換元件的輸出電壓值來檢測向操作部分施加的力和力矩中的至少一個。此外，本發明涉及這樣的機器人裝置：在該機器人裝置中，連接多關節機器人(robot)臂的末端(distal?end)與端部效應器(end?effector)的部分被提供有力傳感器的傳感器主體，并且該機器人裝置允許通過由力傳感器檢測的力控制機器人臂的姿勢和驅動力，由此實現平穩的組裝。

背景技術

當通過由機器人裝置形成的自動組裝裝置來組裝構件或部件時，除非通過機器人裝置的機器人手精確地定位各構件或部件，否則，不能平穩地實現組裝作業。例如，在對于齒輪(gear)或銷釘(pin)等的配合組裝作業中，即使軸中心的最輕微的不對準也妨礙實現垂直插入，從而導致組裝失敗。

為了解決上述的問題，存在這樣的機器人裝置：其中，連接機器人裝置的機器人臂的末端與端部效應器的部分具備用于檢測在機器人臂和端部效應器之間施加的沿X軸、Y軸和Z軸中的每一個的方向的力以及關于每個所述軸的力矩的力傳感器。基于由力傳感器檢測的力和力矩，控制機器人臂的姿勢和驅動力，由此允許平穩的組裝。

主要的常規的力傳感器是這樣的類型：其中，在連接框架和操作部分的柔性梁(flexible?beam)上設置應變計(strain?gauge)，并且基于應變計的電阻(resistance)變化來檢測力和力矩。但是，在使用應變計的力傳感器中，在同一梁上設置多個應變計。由此，當屈曲部分(flexure?portion)受力時，存在其它軸干涉，其中，不僅沿施加力的軸的方向出現應變(strain)，而且沿沒有施加力的軸的方向出現應變。原則上(in?principle)，難以為了使其它軸干涉的影響最小化而實現不受沿任何其它軸的方向的力影響的梁構成。出于這種原因，需要基于檢測的信號對于其它軸成分的干涉量實施后處理(post-processing)，以由此例如通過設計后面的級(stage)中的信號處理等來消減(subtract)該影響。這不利于實現減小的尺寸和較低的成本。

同時，已提出了適于機械地檢測操作部分的位移的力傳感器(參見日本專利申請公開No.2004-325328)。在該力傳感器中，面向嵌入彈性部件中的永磁體的磁極面(pole?surface)設置四個霍爾元件。當施加作用力時，永磁體位移。通過諸如霍爾元件的磁電轉換元件檢測可歸因于(attributable?to)位移的磁通量的變化。這允許檢測沿三個軸的方向，即X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的力成分。作為永磁體的替代，可以使用電磁體。為了便于解釋，在以下的描述中，可以使用霍爾元件來代表磁電轉換元件。但是，這不應被視為磁電轉換元件僅限于霍爾元件。

永磁體和電磁體中的每一個(以下，在一些情況下被稱為“磁體”)關于要被產生的磁場的強度具有預定的溫度系數。因此，磁場的強度根據包括環境溫度的變化、作為機器人的驅動力源的馬達的發熱、或電路板中的信號處理器的發熱的傳感器的周圍環境中的溫度或發熱的影響而改變。此外，關于諸如霍爾元件或MR(磁致電阻(magnetoresistive))元件的磁電轉換元件，與磁通量成比例的其輸出電壓(在霍爾元件的情況下為霍爾電壓)隨著環境溫度改變而改變。換句話說，隨著環境溫度改變，磁電轉換元件的檢測靈敏度改變。

同時，已提出了用于通過具有溫度傳感器的溫度補償電路對于霍爾元件進行基于溫度的校正的方法(參見日本專利申請公開No.2005-321592)。根據該方法，由于溫度傳感器的負的溫度特性，因此，如果霍爾元件的輸出電壓由于溫度上升而下降，則供給到霍爾元件的電流與溫度上升成比例地增大。輸出到霍爾元件的增大的電流重新獲得由于溫度上升而降低的輸出電壓。

由于當環境溫度改變時，不僅磁電轉換元件的特性改變而且磁體的磁通量也改變，因此，為了通過使用溫度補償電路校正磁電轉換元件的溫度，需要通過也在磁體附近設置溫度傳感器來補償作為檢測磁通量的輸出電壓的變化。

但是，由于磁體和溫度傳感器之間的熱容(heat?capacity)的差異或者當發生局部溫度上升時溫度傳感器和磁體之間的位置關系的差異，難以通過使用溫度傳感器精確地測量磁體的平均溫度。此外，會要求對于磁體和磁電轉換元件設置專用于校正溫度特性的溫度傳感器，由此使電路復雜化。

發明內容