[发明专利]力传感器、机器人装置、机器人手和检测设备

说明书

技术领域

本发明涉及这样的力传感器：当外力作用于操作(operating)部分上从而导致诸如霍尔元件(Hall element)的磁电转换元件关于磁体相对地位移时，所述力传感器基于磁电转换元件的输出电压值来检测向操作部分施加的力和力矩中的至少一个。此外，本发明涉及这样的机器人装置：在该机器人装置中，连接多关节机器人(robot)臂的末端(distal end)与端部效应器(end effector)的部分被提供有力传感器的传感器主体，并且该机器人装置允许通过由力传感器检测的力控制机器人臂的姿势和驱动力，由此实现平稳的组装。

背景技术

当通过由机器人装置形成的自动组装装置来组装构件或部件时，除非通过机器人装置的机器人手精确地定位各构件或部件，否则，不能平稳地实现组装作业。例如，在对于齿轮(gear)或销钉(pin)等的配合组装作业中，即使轴中心的最轻微的不对准也妨碍实现垂直插入，从而导致组装失败。

为了解决上述的问题，存在这样的机器人装置：其中，连接机器人装置的机器人臂的末端与端部效应器的部分具备用于检测在机器人臂和端部效应器之间施加的沿X轴、Y轴和Z轴中的每一个的方向的力以及关于每个所述轴的力矩的力传感器。基于由力传感器检测的力和力矩，控制机器人臂的姿势和驱动力，由此允许平稳的组装。

主要的常规的力传感器是这样的类型：其中，在连接框架和操作部分的柔性梁(flexible beam)上设置应变计(strain gauge)，并且基于应变计的电阻(resistance)变化来检测力和力矩。但是，在使用应变计的力传感器中，在同一梁上设置多个应变计。由此，当屈曲部分(flexure portion)受力时，存在其它轴干涉，其中，不仅沿施加力的轴的方向出现应变(strain)，而且沿没有施加力的轴的方向出现应变。原则上(in principle)，难以为了使其它轴干涉的影响最小化而实现不受沿任何其它轴的方向的力影响的梁构成。出于这种原因，需要基于检测的信号对于其它轴成分的干涉量实施后处理(post-processing)，以由此例如通过设计后面的级(stage)中的信号处理等来消减(subtract)该影响。这不利于实现减小的尺寸和较低的成本。

同时，已提出了适于机械地检测操作部分的位移的力传感器(参见日本专利申请公开No.2004-325328)。在该力传感器中，面向嵌入弹性部件中的永磁体的磁极面(pole surface)设置四个霍尔元件。当施加作用力时，永磁体位移。通过诸如霍尔元件的磁电转换元件检测可归因于(attributable to)位移的磁通量的变化。这允许检测沿三个轴的方向，即X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的力成分。作为永磁体的替代，可以使用电磁体。为了便于解释，在以下的描述中，可以使用霍尔元件来代表磁电转换元件。但是，这不应被视为磁电转换元件仅限于霍尔元件。

永磁体和电磁体中的每一个(以下，在一些情况下被称为“磁体”)关于要被产生的磁场的强度具有预定的温度系数。因此，磁场的强度根据包括环境温度的变化、作为机器人的驱动力源的马达的发热、或电路板中的信号处理器的发热的传感器的周围环境中的温度或发热的影响而改变。此外，关于诸如霍尔元件或MR(磁致电阻(magnetoresistive))元件的磁电转换元件，与磁通量成比例的其输出电压(在霍尔元件的情况下为霍尔电压)随着环境温度改变而改变。换句话说，随着环境温度改变，磁电转换元件的检测灵敏度改变。

同时，已提出了用于通过具有温度传感器的温度补偿电路对于霍尔元件进行基于温度的校正的方法(参见日本专利申请公开No.2005-321592)。根据该方法，由于温度传感器的负的温度特性，因此，如果霍尔元件的输出电压由于温度上升而下降，则供给到霍尔元件的电流与温度上升成比例地增大。输出到霍尔元件的增大的电流重新获得由于温度上升而降低的输出电压。

由于当环境温度改变时，不仅磁电转换元件的特性改变而且磁体的磁通量也改变，因此，为了通过使用温度补偿电路校正磁电转换元件的温度，需要通过也在磁体附近设置温度传感器来补偿作为检测磁通量的输出电压的变化。

但是，由于磁体和温度传感器之间的热容(heat capacity)的差异或者当发生局部温度上升时温度传感器和磁体之间的位置关系的差异，难以通过使用温度传感器精确地测量磁体的平均温度。此外，会要求对于磁体和磁电转换元件设置专用于校正温度特性的温度传感器，由此使电路复杂化。

发明内容