JP2017102012A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出の応答性を向上させることができ且つ６つの外力を検出できる力覚センサを提供すること。【解決手段】力覚センサは、支持体と、支持体に支持される第１基板と、一端が支持体に支持され且つ他端が移動可能な弾性体と、弾性体に支持されており第１基板に対向する第２基板と、第１基板に設けられた第１センサから第８センサと、第２基板に設けられており、第１基板に向かって突出する第１突起から第４突起と、を備える。Ｚ軸方向で、第１センサが第１突起に対向しており、第２センサが第２突起に対向しており、第３センサが第３突起に対向しており、第４センサが第４突起に対向している。Ｙ軸方向で、第５センサが第１突起に対向しており、第７センサが第３突起に対向している。Ｘ軸方向で、第６センサが第２突起に対向しており、第８センサが第４突起に対向している。【選択図】図２

Description

本発明は、外力を検出することができる力覚センサに関する。

外力によって生じる構造体の変位をセンサで検出し、センサの検出結果を演算処理することで構造体に加えられた外力を検出する力覚センサが知られている。特に、外力によって生じる構造体の変位を光学式センサで検出する力覚センサが特許文献１に開示されている。

特開２０１５−１２９７４０号公報

特許文献１の力覚センサは、Ｘ軸廻りのモーメント（Ｍｘ）、Ｙ軸廻りのモーメント（Ｍｙ）、Ｚ軸廻りのモーメント（Ｍｚ）及びＺ軸方向の力（Ｆｚ）の４つの外力を検出でき、且つこれらの外力検出の応答性を向上させることができる。ところで、力覚センサの用途によっては、上記の４つの力にＸ軸方向の力（Ｆｘ）及びＹ軸方向の力（Ｆｙ）を加えた６つの力を検出できる力覚センサが求められる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、検出の応答性を向上させることができ且つ６つの外力を検出できる力覚センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る力覚センサは、支持体と、前記支持体に支持される第１基板と、一端が前記支持体に支持され且つ他端が移動可能な弾性体と、前記弾性体に支持されており、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板に設けられた第１センサ、第２センサ、第３センサ、第４センサ、第５センサ、第６センサ、第７センサ及び第８センサと、前記第２基板に設けられており、前記第１基板に向かって突出する第１突起、第２突起、第３突起及び第４突起と、を備え、前記第１基板に対して直交するＺ軸方向で、前記第１センサが前記第１突起に対向しており、前記第２センサが前記第２突起に対向しており、前記第３センサが前記第３突起に対向しており、前記第４センサが前記第４突起に対向しており、前記Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向で、前記第５センサが前記第１突起に対向しており、前記第７センサが前記第３突起に対向しており、前記Ｚ軸方向及び前記Ｙ軸方向に対して直交するＸ軸方向で、前記第６センサが前記第２突起に対向しており、前記第８センサが前記第４突起に対向している。

これにより、力覚センサは、第１センサ、第２センサ、第３センサ、第４センサ、第５センサ、第６センサ、第７センサ及び第８センサの各センサ出力の変化に基づいて、６つの外力を検出できる。さらに、６つの外力のそれぞれは、各センサ出力の変化分の加算又は減算によって求められる。このため、６つの外力を求めるための演算処理が容易である。したがって、力覚センサは、検出の応答性を向上させることができ且つ６つの外力を検出できる。

また、本発明の望ましい態様として、前記第１センサ、前記第２センサ、前記第３センサ及び前記第４センサは、前記Ｚ軸方向から見て、前記弾性体を中心とした周方向で等間隔に配置されていることが好ましい。

これにより、Ｘ軸廻りのモーメント又はＹ軸廻りのモーメントが作用したとき、第１センサ、第２センサ、第３センサ及び第４センサの各センサ出力のうちの２つのセンサ出力が変化する一方、残り２つのセンサ出力は変化しない。このため、力覚センサは、２つのセンサ出力の変化に基づいてＸ軸廻りのモーメントを検出でき、残りの２つのセンサ出力の変化に基づいてＹ軸廻りのモーメントを検出できる。したがって、Ｘ軸廻りのモーメント及びＹ軸廻りのモーメントを求めるための演算が容易である。

また、本発明の望ましい態様として、前記弾性体は、前記Ｚ軸方向に沿った軸を中心とした螺旋状のスリットを備えることが好ましい。

これにより、弾性体において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向への変位が生じやすくなり、且つＸ軸廻り、Ｙ軸廻り及びＺ軸廻りの傾斜が生じやすくなる。このため、第１センサ、第２センサ、第３センサ、第４センサ、第５センサ、第６センサ、第７センサ及び第８センサの各センサ出力の変化分が大きくなる。したがって、力覚センサの検出精度が向上する。

本発明によれば、検出の応答性を向上させることができ且つ６つの外力を検出できる力覚センサを提供することができる。

図１は、本実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係る力覚センサの分解図である。 図３は、本実施形態に係る第２基板を示す斜視図である。 図４は、本実施形態に係る第１基板を示す平面図である。 図５は、図４におけるＡ矢視図を示す。 図６は、本実施形態に係るセンサ及び突起を示す模式平面図である。 図７は、図６におけるＢ矢視図を示す。 図８は、図６におけるＣ矢視図を示す。 図９は、本実施形態に係る上板にＸ軸方向の力が加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。 図１０は、本実施形態に係る上板にＹ軸方向の力が加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。 図１１は、本実施形態に係る上板にＺ軸方向の力が加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。 図１２は、本実施形態に係る上板にＸ軸廻りのモーメントが加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。 図１３は、本実施形態に係る上板にＹ軸廻りのモーメントが加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。 図１４は、本実施形態に係る上板にＺ軸廻りのモーメントが加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。 図１５は、本実施形態に係る演算処理部を示すブロック図である。 図１６は、本実施形態に係る演算処理部を示す構成図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る力覚センサを示す斜視図である。力覚センサ１は、加えられた外力を検出することができる装置である。力覚センサ１は、例えば産業用ロボットのアームの先端にあるハンドに取り付けられ、ハンドに作用する力を検出する。力覚センサ１が検出した力は、産業用ロボットを駆動するモータ等の制御に用いられる。具体的には、力覚センサ１は、加えられた外力の大きさおよび方向を検出し、加えられた外力の大きさおよび方向に応じた制御信号を、モータ等を制御する制御部に送ることができる。図１に示すように、力覚センサ１は、支持体２と、弾性体４と、第１基板３と、第２基板５と、天板６と、を備える。

図２は、本実施形態に係る力覚センサの分解図である。支持体２は、円盤状の部材であって、アルミニウム等の金属で形成されている。支持体２は、産業用ロボットのアームの先端にあるハンドに固定される。また、支持体２の中央部には孔が設けられている。以下の説明において、支持体２に対して直交するＺ軸と、Ｚ軸に対して直交するＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に対して直交するＹ軸と、からなる直交座標系が用いられる。

図２に示すように、弾性体４は、例えば円盤状の部材であって、アルミニウム等の金属で形成されている。弾性体４は、支持体２に固定されている。より具体的には、弾性体４の一方の端面が支持体２に固定されている。弾性体４の中央部には、Ｚ軸方向で支持体２の孔に重なる孔４０が設けられている。また、弾性体４は、Ｚ軸を中心とした螺旋状のスリット４１を備える。言い換えると、弾性体４の形状はコイルバネ状である。弾性体４に外力が作用すると、弾性体４の支持体２に固定された一方の端面には変位が生じず、他方の端面に変位が生じる。例えば、弾性体４にＸ軸方向の力が作用すれば他方の端面がＸ軸方向に移動する。弾性体４にＹ軸方向の力が作用すれば他方の端面がＹ軸方向に移動する。弾性体４にＺ軸方向の力が作用すれば他方の端面がＺ軸方向に移動する。また、弾性体４にＸ軸廻りのモーメントが作用すれば他方の端面がＸ軸廻りに傾斜する。弾性体４にＹ軸廻りのモーメントが作用すれば他方の端面がＹ軸廻りに傾斜する。弾性体４にＺ軸廻りのモーメントが作用すれば他方の端面がＺ軸廻りに傾斜する。

図２に示すように、第１基板３は、例えば円盤状の部材であって、樹脂で形成されたプリント基板である。第１基板３は、支持体２に固定されている。第１基板３の中央部には孔３０が設けられており、弾性体４が孔３０を貫通している。第１基板３は支持体２に固定されているので、弾性体４に外力が作用するとき第１基板３には変位が生じない。

図２及び図３に示すように、第２基板５は、例えば円盤状の部材であって、アルミニウム等の金属で形成されている。第２基板５は、弾性体４に固定されている。より具体的には、弾性体４の支持体２に固定された端部とは反対側の端部が第２基板５に設けられた凹部５９に嵌合した状態で、第２基板５が弾性体４に固定されている。第２基板５は、第１基板３とＺ軸方向に対向している。第２基板５の中央部には、Ｚ軸方向で弾性体４の孔４０に重なる孔５０が設けられている。図３に示すように、第２基板５は、第１突起５１と、第２突起５２と、第３突起５３と、第４突起５４と、凸部５５と、を備える。第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４は、第２基板５から第１基板３に向かって突出する部材であって、例えばＺ軸方向から見て周方向に等間隔に並べられている。例えば、第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４の形状は互いに同じであって、略直方体状である。凸部５５は、第２基板５から第１基板３とは反対側に突出する部材であって、例えばＺ軸方向から見て円環状である。以下の説明において、Ｚ軸方向のうち第１基板３から第２基板５に向かう方向を＋Ｚ方向とし、＋Ｚ方向とは反対方向を−Ｚ方向とする。

図２に示すように、天板６は、例えば円盤状の部材であって、アルミニウム等の金属で形成されている。天板６は、第２基板５に固定されている。より具体的には、天板６に設けられた凹部に凸部５５が嵌合した状態で、天板６が第２基板５に固定されている。天板６の中央部には、Ｚ軸方向で第２基板５の孔５０に重なる孔６０が設けられている。例えば、天板６の外径は、第２基板５の外径よりも大きく且つ支持体２の外径に略等しい。天板６に外力が作用すると、天板６及び第２基板５は弾性体４の変形に伴って一体に移動する。

図４は、本実施形態に係る第１基板を示す平面図である。図５は、図４におけるＡ矢視図を示す。図６は、本実施形態に係るセンサ及び突起を示す模式平面図である。図７は、図６におけるＢ矢視図を示す。図８は、図６におけるＣ矢視図を示す。図４及び図５に示すように、第１基板３には第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８が設けられている。第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８は、例えばフォトリフレクタであって、発光部としての発光ダイオード及び受光部としてのフォトトランジスタを備える。発光部が照射した光の反射光が受光部に入射し、受光部に入射した反射光強度に応じて受光部から出力されるセンサ出力（電圧）が変化する。また、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８の電子部品は、第１基板３の表面に搭載されている。これにより、力覚センサ１が小型化する。

図４に示すように、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４は、例えばＺ軸方向から見て弾性体４を中心とした周方向で等間隔に配置されている。また、第３センサ３３は、Ｚ軸方向から見て、弾性体４の中心を通り且つＹ軸方向に沿った直線Ｌ１を対称軸として第１センサ３１に対して線対称に配置されている。第４センサ３４は、Ｚ軸方向から見て、弾性体４の中心を通り且つＸ軸方向に沿った直線Ｌ２を対称軸として第２センサ３２に対して線対称に配置されている。

図６から図８に示すように、第１センサ３１はＺ軸方向で第１突起５１に対向し、第２センサ３２はＺ軸方向で第２突起５２に対向し、第３センサ３３はＺ軸方向で第３突起５３に対向し、第４センサ３４はＺ軸方向で第４突起５４に対向している。第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４の発光部は、＋Ｚ方向に光を照射する。第１センサ３１の発光部が照射した光は、第１突起５１で反射し、第１センサ３１の受光部に入射する。第２センサ３２の発光部が照射した光は、第２突起５２で反射し、第２センサ３２の受光部に入射する。第３センサ３３の発光部が照射した光は、第３突起５３で反射し、第３センサ３３の受光部に入射する。第４センサ３４の発光部が照射した光は、第４突起５４で反射し、第４センサ３４の受光部に入射する。天板６に外力が作用していないとき（弾性体４が変形していないとき）、第１センサ３１から第１突起５１までの距離、第２センサ３２から第２突起５２までの距離、第３センサ３３から第３突起５３までの距離、及び第４センサ３４から第４突起５４までの距離は、図７及び図８に示すように距離Ｈ１であって、互いに等しい。

以下の説明において、Ｘ軸方向のうち第３センサ３３から第１センサ３１に向かう方向を＋Ｘ方向とし、＋Ｘ方向とは反対方向を−Ｘ方向とする。Ｙ軸方向のうち第２センサ３２から第４センサ３４に向かう方向を＋Ｙ方向とし、＋Ｙ方向とは反対方向を−Ｙ方向とする。

図６に示すように、第５センサ３５は、第１センサ３１の＋Ｙ方向側に配置されている。第６センサ３６は、第２センサ３２の＋Ｘ方向側に配置されている。第７センサ３７は、第３センサ３３の＋Ｙ方向側に配置されている。第８センサ３８は、第４センサ３４の＋Ｘ方向側に配置されている。また、図４に示すように、第７センサ３７は、Ｚ軸方向から見て直線Ｌ１を対称軸として第５センサ３５に対して線対称に配置されている。第８センサ３８は、Ｚ軸方向から見て、直線Ｌ２を対称軸として第６センサ３６に対して線対称に配置されている。

図６に示すように、第５センサ３５は、Ｙ軸方向で第１突起５１に対向している。第５センサ３５の発光部は、−Ｙ方向に光を照射する。第５センサ３５の発光部が照射した光は、第１突起５１で反射し、第５センサ３５の受光部に入射する。第６センサ３６は、Ｘ軸方向で第２突起５２に対向している。第６センサ３６の発光部は、−Ｘ方向に光を照射する。第６センサ３６の発光部が照射した光は、第２突起５２で反射し、第６センサ３６の受光部に入射する。第７センサ３７は、Ｙ軸方向で第３突起５３に対向している。第７センサ３７の発光部は、−Ｙ方向に光を照射する。第７センサ３７の発光部が照射した光は、第３突起５３で反射し、第７センサ３７の受光部に入射する。第８センサ３８は、Ｘ軸方向で第４突起５４に対向している。第８センサ３８の発光部は、−Ｘ方向に光を照射する。第８センサ３８の発光部が照射した光は、第４突起５４で反射し、第８センサ３８の受光部に入射する。天板６に外力が作用していないとき（弾性体４が変形していないとき）、第５センサ３５から第１突起５１までの距離、第６センサ３６から第２突起５２までの距離、第７センサ３７から第３突起５３までの距離、及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離は、図６に示すように距離Ｄ１であって、互いに等しい。

図９は、本実施形態に係る上板にＸ軸方向の力が加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。図１０は、本実施形態に係る上板にＹ軸方向の力が加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。図１１は、本実施形態に係る上板にＺ軸方向の力が加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。図１２は、本実施形態に係る上板にＸ軸廻りのモーメントが加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。図１３は、本実施形態に係る上板にＹ軸廻りのモーメントが加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。図１４は、本実施形態に係る上板にＺ軸廻りのモーメントが加えられた状態における突起の変位を示す模式図である。以下の説明において、天板６に外力が作用していない状態、すなわち図６から図８に示した状態は、単に基準状態と記載される。なお、図９から図１４における破線は、天板６に外力が作用していないときの第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４の位置を示す。また、図９に示す力Ｆｘの大きさは図１０に示す力Ｆｙの大きさに等しい。図１２に示すモーメントＭｘの大きさは図１３に示すモーメントＭｙの大きさに等しい。

図９に示すように、天板６に＋Ｘ方向に力Ｆｘが作用すると、弾性体４の変形に伴って第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４は＋Ｘ方向に移動する。これにより、第６センサ３６から第２突起５２までの距離、及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離は、図９に示すように距離Ｄ２となり、互いに等しい。距離Ｄ２は距離Ｄ１（図６参照）よりも小さい。これにより、第６センサ３６及び第８センサ３８に入射する反射光強度が大きくなる。このため、第６センサ３６及び第８センサ３８のセンサ出力が、基準状態に比較して大きくなる。一方、第５センサ３５から第１突起５１までの距離、及び第７センサ３７から第３突起５３までの距離は、距離Ｄ１のままである。第１センサ３１から第１突起５１までの距離、第２センサ３２から第２突起５２までの距離、第３センサ３３から第３突起５３までの距離、及び第４センサ３４から第４突起５４までの距離は、距離Ｈ１（図７及び図８参照）のままである。このため、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５及び第７センサ３７のセンサ出力は、基準状態と同じである。また、天板６に−Ｘ方向に力Ｆｘが作用すると、上述した説明とは逆に、第６センサ３６及び第８センサ３８のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなる。

図１０に示すように、天板６に＋Ｙ方向に力Ｆｙが作用すると、弾性体４の変形に伴って第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４は＋Ｙ方向に移動する。これにより、第５センサ３５から第１突起５１までの距離、及び第７センサ３７から第３突起５３までの距離は、図１０に示すように距離Ｄ２となり、互いに等しい。距離Ｄ２は距離Ｄ１（図６参照）よりも小さい。これにより、第５センサ３５及び第７センサ３７に入射する反射光強度が大きくなる。このため、第５センサ３５及び第７センサ３７のセンサ出力が、基準状態に比較して大きくなる。一方、第６センサ３６から第２突起５２までの距離、及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離は、距離Ｄ１のままである。第１センサ３１から第１突起５１までの距離、第２センサ３２から第２突起５２までの距離、第３センサ３３から第３突起５３までの距離、及び第４センサ３４から第４突起５４までの距離は、距離Ｈ１（図７及び図８参照）のままである。このため、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第６センサ３６及び第８センサ３８のセンサ出力は、基準状態と同じである。また、天板６に−Ｙ方向に力Ｆｙが作用すると、上述した説明とは逆に、第５センサ３５及び第７センサ３７のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなる。

図１１に示すように、天板６に−Ｚ方向に力Ｆｚが作用すると、弾性体４の変形に伴って第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４は−Ｚ方向に移動する。これにより、第１センサ３１から第１突起５１までの距離、第２センサ３２から第２突起５２までの距離、第３センサ３３から第３突起５３までの距離、及び第４センサ３４から第４突起５４までの距離は、距離Ｈ２となり、互いに等しい。距離Ｈ２は距離Ｈ１（図７及び図８参照）よりも小さい。これにより、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４に入射する反射光強度が大きくなる。このため、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４のセンサ出力が、基準状態に比較して大きくなる。一方、第５センサ３５から第１突起５１までの距離、第６センサ３６から第２突起５２までの距離、第７センサ３７から第３突起５３までの距離、及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離は、距離Ｄ１（図６参照）のままである。このため、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７、第８センサ３８のセンサ出力は、基準状態と同じである。また、天板６に＋Ｚ方向に力Ｆｚが作用すると、上述した説明とは逆に、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなる。

図１２に示すように、天板６にＸ軸廻りにモーメントＭｘが作用すると、弾性体４の変形に伴って第２突起５２が−Ｚ方向に移動し、第４突起５４が＋Ｚ方向に移動する。これにより、第２センサ３２から第２突起５２までの距離が距離Ｈ３となり、第４センサ３４から第４突起５４までの距離が距離Ｈ４となる。距離Ｈ３は距離Ｈ１（図７及び図８参照）よりも小さい。距離Ｈ４は距離Ｈ１よりも大きい。これにより、第２センサ３２に入射する反射光強度が大きくなるので、第２センサ３２のセンサ出力が基準状態に比較して大きくなる。第４センサ３４に入射する反射光強度が小さくなるので、第４センサ３４のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなる。一方、第１センサ３１から第１突起５１までの距離、及び第３センサ３３から第３突起５３までの距離は、距離Ｈ１のままである。第５センサ３５から第１突起５１までの距離、第６センサ３６から第２突起５２までの距離、第７センサ３７から第３突起５３までの距離、及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離は、距離Ｄ１（図６参照）のままである。このため、第１センサ３１、第３センサ３３、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７、第８センサ３８のセンサ出力は、基準状態と同じである。また、天板６に図１２に示した方向とは逆向きのモーメントＭｘが作用すると、上述した説明とは逆に、第２センサ３２のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなり、且つ第４センサ３４のセンサ出力が基準状態に比較して大きくなる。

図１３に示すように、天板６にＹ軸廻りにモーメントＭｙが作用すると、弾性体４の変形に伴って第３突起５３が−Ｚ方向に移動し、第１突起５１が＋Ｚ方向に移動する。これにより、第３センサ３３から第３突起５３までの距離が距離Ｈ３となり、第１センサ３１から第１突起５１までの距離が距離Ｈ４となる。距離Ｈ３は距離Ｈ１（図７及び図８参照）よりも小さい。距離Ｈ４は距離Ｈ１よりも大きい。これにより、第３センサ３３に入射する反射光強度が大きくなるので、第３センサ３３のセンサ出力が基準状態に比較して大きくなる。第１センサ３１に入射する反射光強度が小さくなるので、第１センサ３１のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなる。一方、第２センサ３２から第２突起５２までの距離、及び第４センサ３４から第４突起５４までの距離は、距離Ｈ１のままである。第５センサ３５から第１突起５１までの距離、第６センサ３６から第２突起５２までの距離、第７センサ３７から第３突起５３までの距離、及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離は、距離Ｄ１（図６参照）のままである。このため、第２センサ３２、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７、第８センサ３８のセンサ出力は、基準状態と同じである。また、天板６に図１３に示した方向とは逆向きのモーメントＭｙが作用すると、上述した説明とは逆に、第３センサ３３のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなり、且つ第１センサ３１のセンサ出力が基準状態に比較して大きくなる。

図１４に示すように、天板６にＺ軸廻りにモーメントＭｚが作用すると、弾性体４の変形に伴って第１突起５１が＋Ｙ方向に移動し、第２突起５２が＋Ｘ方向に移動し、第３突起５３が−Ｙ方向に移動し、第４突起５４が−Ｘ方向に移動する。これにより、第５センサ３５から第１突起５１までの距離及び第６センサ３６から第２突起５２までの距離が距離Ｄ３となり、第７センサ３７から第３突起５３までの距離及び第８センサ３８から第４突起５４までの距離が距離Ｄ４となる。距離Ｄ３は距離Ｄ１（図６参照）よりも小さい。距離Ｄ４は距離Ｄ１よりも大きい。これにより、第５センサ３５及び第６センサ３６に入射する反射光強度が大きくなるので、第５センサ３５及び第６センサ３６のセンサ出力が基準状態に比較して大きくなる。第７センサ３７及び第８センサ３８に入射する反射光強度が小さくなるので、第７センサ３７及び第８センサ３８のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなる。一方、第１センサ３１から第１突起５１までの距離、第２センサ３２から第２突起５２までの距離、第３センサ３３から第３突起５３までの距離、及び第４センサ３４から第４突起５４までの距離は、距離Ｈ１（図７及び図８参照）のままである。このため、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４のセンサ出力は、基準状態と同じである。また、天板６に図１４に示した方向とは逆向きのモーメントＭｚが作用すると、上述した説明とは逆に、第５センサ３５及び第６センサ３６のセンサ出力が基準状態に比較して小さくなり、第７センサ３７及び第８センサ３８のセンサ出力が基準状態に比較して大きくなる。

図１５は、本実施形態に係る演算処理部を示すブロック図である。図１６は、本実施形態に係る演算処理部を示す構成図である。図１５に示すように、力覚センサ１は演算処理部９を備える。力覚センサ１は、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８の各センサ出力を受信する。そして、力覚センサ１は、各センサ出力に基づいて天板６に作用している外力を演算し、外力の情報を制御部１００に送信する。制御部１００は、例えば産業用ロボットを駆動するモータを制御する。

図１６に示すように、演算処理部９は、マイクロコンピュータ（マイコン）等のコンピュータであり、入力インターフェース９ａと、出力インターフェース９ｂと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９ｃと、ＲＯＭ（Read Only Memory）９ｄと、ＲＡＭ（Random Access Memory）９ｅと、内部記憶装置９ｆと、を含んでいる。入力インターフェース９ａ、出力インターフェース９ｂ、ＣＰＵ９ｃ、ＲＯＭ９ｄ、ＲＡＭ９ｅおよび内部記憶装置９ｆは、内部バスに接続されている。

入力インターフェース９ａは、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８からの各センサ出力を受信し、ＣＰＵ９ｃに出力する。出力インターフェース９ｂは、ＣＰＵ９ｃから外力の情報を受け取り、制御部１００に出力する。

ＲＯＭ９ｄには、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）等のプログラムが記憶されている。内部記憶装置９ｆは、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等であり、オペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。ＣＰＵ９ｃは、ＲＡＭ９ｅをワークエリアとして使用しながらＲＯＭ９ｄや内部記憶装置９ｆに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。

内部記憶装置９ｆは、各センサ出力に基づいて外力を求めるための係数を記憶している。係数は、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８の特性によって定まる定数である。

図１５に示すように、演算処理部９は、ＡＤ変換部９０１と、ＡＤ変換部９０２と、ＡＤ変換部９０３と、ＡＤ変換部９０４と、ＡＤ変換部９０５と、ＡＤ変換部９０６と、ＡＤ変換部９０７と、ＡＤ変換部９０８と、加算部９１と、減算部９２と、減算部９３と、加算部９４と、加算部９５と、加算部９６と、加算部９７と、減算部９８と、Ｆｚ演算部９９１と、Ｍｘ演算部９９２と、Ｍｙ演算部９９３と、Ｆｘ演算部９９４と、Ｆｙ演算部９９５と、Ｍｚ演算部９９６と、を備える。演算処理部９内で行われる各処理は、入力インターフェース９ａ、出力インターフェース９ｂ、ＣＰＵ９ｃ、ＲＯＭ９ｄ、ＲＡＭ９ｅ及び内部記憶装置９ｆの組み合わせにより実現される。

ＡＤ変換部９０１は、第１センサ３１のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ１ａを受信し、センサ出力Ｓ１ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ１に変換する。ＡＤ変換部９０１は、センサ出力Ｓ１を加算部９１及び減算部９３に出力する。

ＡＤ変換部９０２は、第２センサ３２のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ２ａを受信し、センサ出力Ｓ２ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ２に変換する。ＡＤ変換部９０２は、センサ出力Ｓ２を加算部９１及び減算部９２に出力する。

ＡＤ変換部９０３は、第３センサ３３のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ３ａを受信し、センサ出力Ｓ３ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ３に変換する。ＡＤ変換部９０３は、センサ出力Ｓ３を加算部９１及び減算部９３に出力する。

ＡＤ変換部９０４は、第４センサ３４のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ４ａを受信し、センサ出力Ｓ４ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ４に変換する。ＡＤ変換部９０４は、センサ出力Ｓ４を加算部９１及び減算部９２に出力する。

ＡＤ変換部９０５は、第５センサ３５のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ５ａを受信し、センサ出力Ｓ５ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ５に変換する。ＡＤ変換部９０５は、センサ出力Ｓ５を加算部９５及び加算部９６に出力する。

ＡＤ変換部９０６は、第６センサ３６のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ６ａを受信し、センサ出力Ｓ６ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ６に変換する。ＡＤ変換部９０６は、センサ出力Ｓ６を加算部９４及び加算部９６に出力する。

ＡＤ変換部９０７は、第７センサ３７のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ７ａを受信し、センサ出力Ｓ７ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ７に変換する。ＡＤ変換部９０７は、センサ出力Ｓ７を加算部９５及び加算部９７に出力する。

ＡＤ変換部９０８は、第８センサ３８のアナログデータとしてのセンサ出力Ｓ８ａを受信し、センサ出力Ｓ８ａをデジタルデータとしてのセンサ出力Ｓ８に変換する。ＡＤ変換部９０８は、センサ出力Ｓ８を加算部９４及び加算部９７に出力する。

以下の説明においては、基準状態におけるセンサ出力Ｓ１、センサ出力Ｓ２、センサ出力Ｓ３、センサ出力Ｓ４、センサ出力Ｓ５、センサ出力Ｓ６、センサ出力Ｓ７及びセンサ出力Ｓ８の値を０と仮定する。天板６に外力が作用している状態におけるセンサ出力Ｓ１、センサ出力Ｓ２、センサ出力Ｓ３、センサ出力Ｓ４、センサ出力Ｓ５、センサ出力Ｓ６、センサ出力Ｓ７及びセンサ出力Ｓ８の値を、それぞれｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ５、ｓ６、ｓ７、ｓ８とする。

加算部９１は、センサ出力Ｓ１、センサ出力Ｓ２、センサ出力Ｓ３及びセンサ出力Ｓ４の和を演算する。すなわち、加算部９１は、（ｓ１＋ｓ２＋ｓ３＋ｓ４）を演算する。加算部９１は、演算結果であるセンサ出力和Ｓ９１をＦｚ演算部９９１に出力する。

Ｆｚ演算部９９１は、センサ出力和Ｓ９１に基づいて力Ｆｚを演算する。力Ｆｚの値をｆｚとし、センサ出力和Ｓ９１を力Ｆｚに変換するための係数をαとすると、Ｆｚ演算部９９１は下記（１）式の演算を行う。αは事前の実験等によって求められた定数である。そして、Ｆｚ演算部９９１は、演算結果である力Ｆｚを制御部１００に出力する。

ｆｚ＝α×（ｓ１＋ｓ２＋ｓ３＋ｓ４） ・・・（１）

減算部９２は、センサ出力Ｓ２及びセンサ出力Ｓ４の差を演算する。すなわち、減算部９２は、（ｓ２−ｓ４）を演算する。減算部９２は、演算結果であるセンサ出力差Ｓ９２をＭｘ演算部９９２に出力する。

Ｍｘ演算部９９２は、センサ出力差Ｓ９２に基づいてモーメントＭｘを演算する。モーメントＭｘの値をｍｘとし、センサ出力差Ｓ９２をモーメントＭｘに変換するための係数をβとすると、Ｍｘ演算部９９２は下記（２）式の演算を行う。βは事前の実験等によって求められた定数である。そして、Ｍｘ演算部９９２は、演算結果であるモーメントＭｘを制御部１００に出力する。

ｍｘ＝β×（ｓ２−ｓ４） ・・・（２）

減算部９３は、センサ出力Ｓ１及びセンサ出力Ｓ３の差を演算する。すなわち、減算部９３は、（ｓ１−ｓ３）を演算する。減算部９３は、演算結果であるセンサ出力差Ｓ９３をＭｙ演算部９９３に出力する。

Ｍｙ演算部９９３は、センサ出力差Ｓ９３に基づいてモーメントＭｙを演算する。モーメントＭｙの値をｍｙとし、センサ出力差Ｓ９３をモーメントＭｙに変換するための係数をγとすると、Ｍｙ演算部９９３は下記（３）式の演算を行う。γは事前の実験等によって求められた定数である。そして、Ｍｙ演算部９９３は、演算結果であるモーメントＭｙを制御部１００に出力する。

ｍｙ＝γ×（ｓ１−ｓ３） ・・・（３）

加算部９４は、センサ出力Ｓ６及びセンサ出力Ｓ８の和を演算する。すなわち、加算部９４は、（ｓ６＋ｓ８）を演算する。加算部９４は、演算結果であるセンサ出力和Ｓ９４をＦｘ演算部９９４に出力する。

Ｆｘ演算部９９４は、センサ出力和Ｓ９４に基づいて力Ｆｘを演算する。力Ｆｘの値をｆｘとし、センサ出力和Ｓ９４を力Ｆｘに変換するための係数をδとすると、Ｆｘ演算部９９４は下記（４）式の演算を行う。δは事前の実験等によって求められた定数である。そして、Ｆｘ演算部９９４は、演算結果である力Ｆｘを制御部１００に出力する。

ｆｘ＝δ×（ｓ６＋ｓ８） ・・・（４）

加算部９５は、センサ出力Ｓ５及びセンサ出力Ｓ７の和を演算する。すなわち、加算部９５は、（ｓ５＋ｓ７）を演算する。加算部９５は、演算結果であるセンサ出力和Ｓ９５をＦｙ演算部９９５に出力する。

Ｆｙ演算部９９５は、センサ出力和Ｓ９５に基づいて力Ｆｙを演算する。力Ｆｙの値をｆｙとし、センサ出力和Ｓ９５を力Ｆｙに変換するための係数をεとすると、Ｆｙ演算部９９５は下記（５）式の演算を行う。εは事前の実験等によって求められた定数である。そして、Ｆｙ演算部９９５は、演算結果である力Ｆｙを制御部１００に出力する。

ｆｙ＝ε×（ｓ５＋ｓ７） ・・・（５）

加算部９６は、センサ出力Ｓ５及びセンサ出力Ｓ６の和を演算する。すなわち、加算部９６は、（ｓ５＋ｓ６）を演算する。加算部９６は、演算結果であるセンサ出力和Ｓ９６を減算部９８に出力する。

加算部９７は、センサ出力Ｓ７及びセンサ出力Ｓ８の和を演算する。すなわち、加算部９７は、（ｓ７＋ｓ８）を演算する。加算部９７は、演算結果であるセンサ出力和Ｓ９７を減算部９８に出力する。

減算部９８は、センサ出力和Ｓ９６及びセンサ出力和Ｓ９７の差を演算する。すなわち、減算部９８は、｛（ｓ５＋ｓ６）−（ｓ７＋ｓ８）｝を演算する。減算部９８は、演算結果であるセンサ出力差Ｓ９８をＭｚ演算部９９６に出力する。

Ｍｚ演算部９９６は、センサ出力差Ｓ９８に基づいてモーメントＭｚを演算する。モーメントＭｚの値をｍｚとし、センサ出力差Ｓ９８をモーメントＭｚに変換するための係数をζとすると、Ｍｚ演算部９９６は下記（６）式の演算を行う。ζは事前の実験等によって求められた定数である。そして、Ｍｚ演算部９９６は、演算結果であるモーメントＭｚを制御部１００に出力する。

ｍｚ＝ζ×｛（ｓ５＋ｓ６）−（ｓ７＋ｓ８）｝ ・・・（６）

上述したように、力覚センサ１は、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４のセンサ出力の変化に基づいて、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出できる。力覚センサ１は、第２センサ３２及び第４センサ３４のセンサ出力の変化に基づいて、Ｘ軸廻りのモーメントＭｘを検出できる。力覚センサ１は、第１センサ３１及び第３センサ３３のセンサ出力の変化に基づいて、Ｙ軸廻りのモーメントＭｙを検出できる。力覚センサ１は、第６センサ３６及び第８センサ３８のセンサ出力の変化に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘを検出できる。力覚センサ１は、第５センサ３５及び第７センサ３７のセンサ出力の変化に基づいて、Ｙ軸方向の力Ｆｙを検出できる。力覚センサ１は、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８のセンサ出力の変化に基づいて、Ｚ軸廻りのモーメントＭｚを検出できる。すなわち、力覚センサ１は６つの外力を検出できる。

制御部１００は、演算処理部９から受信した力Ｆｚ、モーメントＭｘ、モーメントＭｙ、力Ｆｘ、力Ｆｙ及びモーメントＭｚに基づいてモータを制御する。具体的には、制御部１００は、モータの回転方向及び回転数を制御する。

なお、支持体２、第１基板３、弾性体４、第２基板５及び天板６のＺ軸方向から見た形状は必ずしも円形でなくてもよく、例えば楕円又は多角形等であってもよい。また、第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４の形状は、必ずしも直方体状でなくてもよく、例えば多角柱等であってもよい。

なお、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８の位置は、上述した位置からずれていてもよい。また、少なくとも第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８が設けられていればよく、他にセンサが設けられてもよい。

なお、上述した説明では、基準状態における各センサ出力を０としたが、基準状態における各センサ出力は実際には０とは限らない。例えば、基準状態におけるセンサ出力Ｓ１、センサ出力Ｓ２、センサ出力Ｓ３、センサ出力Ｓ４、センサ出力Ｓ５、センサ出力Ｓ６、センサ出力Ｓ７及びセンサ出力Ｓ８の値がそれぞれｓ１０、ｓ２０、ｓ３０、ｓ４０、ｓ５０、ｓ６０、ｓ７０、ｓ８０であると仮定する。そして、天板６に外力が作用すると各センサ出力がそれぞれｓ１１、ｓ２１、ｓ３１、ｓ４１、ｓ５１、ｓ６１、ｓ７１、ｓ８１に変化すると仮定する。このような場合、上述した（１）式から（６）式においてｓ１に（ｓ１１−ｓ１０）を代入し、ｓ２に（ｓ２１−ｓ２０）を代入し、ｓ３に（ｓ３１−ｓ３０）を代入し、ｓ４に（ｓ４１−ｓ４０）を代入し、ｓ５に（ｓ５１−ｓ５０）を代入し、ｓ６に（ｓ６１−ｓ６０）を代入し、ｓ７に（ｓ７１−ｓ７０）を代入し、ｓ８に（ｓ８１−ｓ８０）を代入すればよい。

以上で説明したように、力覚センサ１は、支持体２と、支持体２に支持される第１基板３と、一端が支持体２に支持され且つ他端が移動可能な弾性体４と、弾性体４に支持されており、第１基板３に対向する第２基板５と、を備える。力覚センサ１は、第１基板３に設けられた第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８を備える。力覚センサ１は、第２基板５に設けられており第１基板３に向かって突出する第１突起５１、第２突起５２、第３突起５３及び第４突起５４を備える。第１基板３に対して直交するＺ軸方向で、第１センサ３１が第１突起５１に対向しており、第２センサ３２が第２突起５２に対向しており、第３センサ３３が第３突起５３に対向しており、第４センサ３４が第４突起５４に対向している。Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向で、第５センサ３５が第１突起５１に対向しており、第７センサ３７が第３突起５３に対向している。Ｚ軸方向及びＹ軸方向に対して直交するＸ軸方向で、第６センサ３６が第２突起５２に対向しており、第８センサ３８が第４突起５４に対向している。

これにより、力覚センサ１は、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８の各センサ出力の変化に基づいて、６つの外力（力Ｆｘ、力Ｆｙ、力Ｆｚ、モーメントＭｘ、モーメントＭｙ、モーメントＭｚ）を検出できる。さらに、６つの外力のそれぞれは、各センサ出力の変化分の加算又は減算によって求められる。このため、６つの外力を求めるための演算処理が容易である。したがって、力覚センサ１は、検出の応答性を向上させることができ且つ６つの外力を検出できる。

さらに、上述した特許文献１の技術に比較して、力覚センサ１においては第２基板５の＋Ｚ方向側にセンサが配置されないので、Ｚ軸方向の厚みが小さくなりやすい。このため、力覚センサ１は、特許文献１の技術よりも容易に小型化することができる。

また、力覚センサ１において、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４は、Ｚ軸方向から見て、弾性体４を中心とした周方向で等間隔に配置されている。

これにより、Ｘ軸廻りのモーメントＭｘ又はＹ軸廻りのモーメントＭｙが作用したとき、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３及び第４センサ３４の各センサ出力のうちの２つのセンサ出力が変化する一方、残り２つのセンサ出力は変化しない。このため、力覚センサ１は、２つのセンサ出力の変化に基づいてモーメントＭｘを検出でき、残りの２つのセンサ出力の変化に基づいてモーメントＭｙを検出できる。したがって、モーメントＭｘ及びモーメントＭｙを求めるための演算が容易である。

また、力覚センサ１において、弾性体４は、Ｚ軸方向に沿った軸を中心とした螺旋状のスリット４１を備える。

これにより、弾性体４において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向への変位が生じやすくなり、且つＸ軸廻り、Ｙ軸廻り及びＺ軸廻りの傾斜が生じやすくなる。このため、第１センサ３１、第２センサ３２、第３センサ３３、第４センサ３４、第５センサ３５、第６センサ３６、第７センサ３７及び第８センサ３８の各センサ出力の変化分が大きくなる。したがって、力覚センサ１の検出精度が向上する。

１ 力覚センサ
１００ 制御部
２ 支持体
３ 第１基板
３０ 孔
３１ 第１センサ
３２ 第２センサ
３３ 第３センサ
３４ 第４センサ
３５ 第５センサ
３６ 第６センサ
３７ 第７センサ
３８ 第８センサ
４ 弾性体
４０ 孔
４１ スリット
５ 第２基板
５０ 孔
５１ 第１突起
５２ 第２突起
５３ 第３突起
５４ 第４突起
５５ 凸部
６ 天板
６０ 孔
９ 演算処理部
Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ 力
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ モーメント

Claims (3)

1. 支持体と、
   前記支持体に支持される第１基板と、
   一端が前記支持体に支持され且つ他端が移動可能な弾性体と、
   前記弾性体に支持されており、前記第１基板に対向する第２基板と、
   前記第１基板に設けられた第１センサ、第２センサ、第３センサ、第４センサ、第５センサ、第６センサ、第７センサ及び第８センサと、
   前記第２基板に設けられており、前記第１基板に向かって突出する第１突起、第２突起、第３突起及び第４突起と、
   を備え、
   前記第１基板に対して直交するＺ軸方向で、前記第１センサが前記第１突起に対向しており、前記第２センサが前記第２突起に対向しており、前記第３センサが前記第３突起に対向しており、前記第４センサが前記第４突起に対向しており、
   前記Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向で、前記第５センサが前記第１突起に対向しており、前記第７センサが前記第３突起に対向しており、
   前記Ｚ軸方向及び前記Ｙ軸方向に対して直交するＸ軸方向で、前記第６センサが前記第２突起に対向しており、前記第８センサが前記第４突起に対向している
   力覚センサ。
2. 前記第１センサ、前記第２センサ、前記第３センサ及び前記第４センサは、前記Ｚ軸方向から見て、前記弾性体を中心とした周方向で等間隔に配置されている請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記弾性体は、前記Ｚ軸方向に沿った軸を中心とした螺旋状のスリットを備える請求項１又は２に記載の力覚センサ。

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