JPH01316193A - Gripper for robot - Google Patents
Gripper for robotInfo
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- JPH01316193A JPH01316193A JP63144380A JP14438088A JPH01316193A JP H01316193 A JPH01316193 A JP H01316193A JP 63144380 A JP63144380 A JP 63144380A JP 14438088 A JP14438088 A JP 14438088A JP H01316193 A JPH01316193 A JP H01316193A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はロボット用グリッパ、特にワークの把持状態を
検出する触覚センサを備えたロボット用グリッパに関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a gripper for a robot, and particularly to a gripper for a robot equipped with a tactile sensor for detecting the gripping state of a workpiece.
産業用ロボットは、現在様々な分野で利用されているが
、このロボットの中でワークを実際に保持する役割を果
たすグリッパの部分は、ワークに適した動作制御が要求
される。例えば、ガラス製品をワークとするグリッパで
は、ボルト・ナツトをワークとするグリッパに比べてよ
り精密な制御が必要になる。Industrial robots are currently used in a variety of fields, and the gripper portion of these robots that actually holds the workpiece requires motion control appropriate to the workpiece. For example, a gripper that works on glass products requires more precise control than a gripper that works on bolts and nuts.
このような精密な制御を行うためには、グリッパに触覚
センサを取付けて、把持力の調整、ワークの存在の有無
、ワークの位置などを検出することが有効である。この
ような触覚は、一般に接触覚、圧覚、力覚、すべり覚な
どに分類される。接触覚センサとしては、マイクロスイ
ッチやタッチセンサなどが利用されており、圧覚センサ
や力覚センサとしては、歪みゲージや導電ゴムなどが利
用されている。また、すべり覚センサとしては、表面の
すべりには方向性がないために、現在のところ有効なセ
ンサは開発されていない状態である。In order to perform such precise control, it is effective to attach a tactile sensor to the gripper to adjust the gripping force, detect the presence or absence of a workpiece, the position of the workpiece, etc. Such tactile senses are generally classified into tactile senses, pressure senses, force senses, sliding senses, and the like. Microswitches, touch sensors, and the like are used as contact sensors, and strain gauges, conductive rubber, and the like are used as pressure sensors and force sensors. Further, as a slip sensor, no effective sensor has been developed at present because surface slip has no directionality.
しかしながら、前述のように従来のロボット用グリッパ
にはいくつかの触覚センサが利用されているが、いずれ
も問題点がある。すなわち、マイクロスイッチやタッチ
センサなどの接触覚センサでは、接触の有無の検知だけ
しかできず、圧覚の検出はできない。また、歪みゲージ
や導電ゴムなどの圧覚センサや力覚センサは感度が低く
、線形出力が得られないという欠点がある。すべり覚セ
ンサに至っては有効なセンサが無いという状態である。However, as mentioned above, although several tactile sensors are used in conventional robot grippers, they all have problems. That is, a contact sensor such as a microswitch or a touch sensor can only detect the presence or absence of contact, and cannot detect pressure. Furthermore, pressure sensors and force sensors such as strain gauges and conductive rubber have low sensitivity and have the drawback of not being able to provide linear output. As far as the slip sensor is concerned, there is no effective sensor.
そこで本発明は、ワークの把持状態を十分に把握するこ
とのできる精度の高い触覚センサを備えたロボット用グ
リッパを提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a gripper for a robot that is equipped with a highly accurate tactile sensor that can sufficiently grasp the gripping state of a workpiece.
本発明は、ワークを把持するための指部材と、この指部
材を可動自在に支持するハンド部材とを備え、指部材を
ハンド部材に対して動かすことによりワークの把持を行
うロボット用グリッパにおいて、
機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果
を有し、r11結晶基板上に形成された抵抗素子と、
支持部と作用部とを有し、作用部の支持部に対する変位
に基づいて抵抗素子に機械的変形を生じさせる起歪体と
、
を備える触覚センサを、ワークを把持したときにこの把
持動作によって支持部と作用部との間に変位が生じるよ
うに指部材に設け、ワークと指部材との間の把持状態を
抵抗素子の電気抵抗値の変化として検出しうるように構
成したものである。The present invention provides a gripper for a robot that includes a finger member for gripping a workpiece and a hand member movably supporting the finger member, and grips the workpiece by moving the finger member relative to the hand member. It has a piezoresistance effect in which electrical resistance changes due to mechanical deformation, and has a resistance element formed on an R11 crystal substrate, a support part and an action part, and the resistance element changes based on the displacement of the action part with respect to the support part. A tactile sensor comprising: a strain-generating body that causes mechanical deformation on the finger member; The structure is such that the gripping state between the member and the member can be detected as a change in the electrical resistance value of the resistance element.
本発明に用いる触覚センサは、半導体などの単結晶基板
を用いたセンサてあり、基板に加わる力に対して、升席
に高精度の線形出力が抵抗素子の電気抵抗値として得ら
れる。しかも、単結晶基板上での抵抗素子の配列を工夫
することによって、三次元座標系でのすべての軸方向の
力およびすべての軸まわりのモーメントの検出が可能に
なる。The tactile sensor used in the present invention is a sensor using a single crystal substrate such as a semiconductor, and a highly accurate linear output is obtained as an electrical resistance value of a resistive element in response to a force applied to the substrate. Furthermore, by arranging the resistive elements on the single crystal substrate, it becomes possible to detect forces in all axial directions and moments about all axes in a three-dimensional coordinate system.
このため、ワークの把握状態に関する十分な情報を得る
ことができる。また、指部材に対しては、単結晶基板を
直接接続せずに、起歪体を介して接続を行っている。し
たがって、ロボット用グリッパとしての機能に必要なだ
けの大きな力が加わっても、単結晶基板は破損すること
がない。Therefore, sufficient information regarding the grasping state of the workpiece can be obtained. Furthermore, the finger members are connected via strain-generating bodies without directly connecting the single crystal substrate. Therefore, even if a large force necessary for functioning as a robot gripper is applied, the single crystal substrate will not be damaged.
実施例の構造
以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。第
1図は本発明の一実施例に係るロボット用グリッパを示
す図であり、同図(a)はグリッパ先端部の側面図、同
図(b)はその部分拡大断面図である。このグリッパは
、ワークを把持するための2本の指部材100と、この
2本の指部材を可動自在に支持するハンド部材200と
を有する。Structure of Embodiment The present invention will be described below based on an illustrative embodiment. FIG. 1 is a diagram showing a gripper for a robot according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1(a) is a side view of the tip of the gripper, and FIG. 1(b) is a partially enlarged sectional view thereof. This gripper has two finger members 100 for gripping a workpiece, and a hand member 200 that movably supports these two finger members.
指部材100は図の破線に示すようにハンド部材200
に対して摺動し、両者の間にワークを挟持する働きをす
る。ハンド部材200内部には、指部材100を駆動す
るためのリンク機構、油圧機構などが設けられているが
、ここではこれらの機構の説明は省略する。The finger member 100 is connected to the hand member 200 as shown by the broken line in the figure.
The workpiece slides against the workpiece and holds the workpiece between them. A link mechanism, a hydraulic mechanism, etc. for driving the finger member 100 are provided inside the hand member 200, but a description of these mechanisms will be omitted here.
指部材100は、第1図(b)に示すように、第1節部
110、間接120、第2節部130の3つの部分から
構成されている。第1節部110および第2節部130
は、金属などの剛体で構成されている。間接120は、
単結晶基板10と起歪体20とを主たる構成要素とする
触覚センサであり、起歪体20の周囲の部分(支持部)
はビス30によって第1節部110に取付けられ、中央
の部分(作用部)には、ねじ部131によって第2節部
130が取付けられている。起歪体20の周囲の支持部
と中央の作用部との間には、肉薄の可撓部が形成されて
おり、第1節部110と第2節部130との間に力が加
わると、この可撓部が撓み、支持部と作用部との間に変
位が生じることになる。この変位によって、単結晶基板
10に歪みが生じる。この単結晶基板10上には抵抗素
子が形成されており、歪みによってこの抵抗素子の電気
抵抗が変化することになる。結局、第1節部110と第
2節部130との間に加わった力は、単結晶基板10上
の抵抗素子の電気抵抗の変化どして検出することができ
る。単結晶基板10からは外部配線用の電極13を介し
て電気信号が外部に取り出される。As shown in FIG. 1(b), the finger member 100 is composed of three parts: a first joint 110, a joint 120, and a second joint 130. First joint portion 110 and second joint portion 130
is made of a rigid body such as metal. The indirect 120 is
It is a tactile sensor whose main components are a single crystal substrate 10 and a strain body 20, and a portion around the strain body 20 (support portion).
is attached to the first joint part 110 by screws 30, and the second joint part 130 is attached to the central part (action part) by a threaded part 131. A thin flexible portion is formed between the supporting portion around the flexure body 20 and the central acting portion, and when a force is applied between the first joint portion 110 and the second joint portion 130, , this flexible part bends, and a displacement occurs between the support part and the action part. This displacement causes distortion in the single crystal substrate 10. A resistance element is formed on this single crystal substrate 10, and the electrical resistance of this resistance element changes due to strain. In the end, the force applied between the first node 110 and the second node 130 can be detected as a change in the electrical resistance of the resistance element on the single crystal substrate 10. Electric signals are extracted from the single crystal substrate 10 to the outside via electrodes 13 for external wiring.
触覚センサの構造
続いて、上述の実施例において、間接120として用い
た触覚センサの構造の詳細を説明する。Structure of Tactile Sensor Next, details of the structure of the tactile sensor used as the joint 120 in the above embodiment will be explained.
第2図(a)は、この触覚センサの側断面図、同図(b
)は上面図である。ここで、X軸、Y軸、Z軸を図の方
向に定義するものとする。第2図(a)は同図(b)に
示すセンサをX軸に沿って切断した断面図に相当する。Figure 2 (a) is a side sectional view of this tactile sensor, and Figure 2 (b) is a side sectional view of this tactile sensor.
) is a top view. Here, it is assumed that the X-axis, Y-axis, and Z-axis are defined in the direction of the figure. FIG. 2(a) corresponds to a cross-sectional view of the sensor shown in FIG. 2(b) taken along the X-axis.
このセンサにおいて、シリコンの単結晶基板10上には
、合計12個の抵抗素子Rが形成されている。抵抗素子
Rxl〜RX4はX軸上に配されX軸方向の力検出に用
いられ、抵抗素子Ryl−Ry4はY軸上に配されY軸
方向の力検出に用いられ、抵抗索子Rzl〜Rz4はX
軸に平行でこの近傍にある軸上に配されZ軸方向の力検
出に用いられる。In this sensor, a total of 12 resistance elements R are formed on a silicon single crystal substrate 10. Resistance elements Rxl to RX4 are arranged on the X-axis and used to detect force in the X-axis direction, resistance elements Ryl-Ry4 are arranged on the Y-axis and used to detect force in the Y-axis direction, and resistance elements Rzl to Rz4 are arranged on the Y-axis and used to detect force in the Y-axis direction. is X
It is arranged on the axis parallel to and near this axis and used to detect force in the Z-axis direction.
各抵抗索子Rの具体的な構造およびその製造方法につい
ては後に詳述するが、これら抵抗素子Rは機械的変形に
よってその電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する
素子である。The specific structure of each resistive element R and its manufacturing method will be described in detail later, but these resistive elements R are elements having a piezoresistive effect whose electrical resistance changes by mechanical deformation.
この単結晶基板10は起歪体20に接着されている。第
2図に示す例では、起歪体2oは周囲の支持部21と、
可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可撓部22と、
中心に突出した作用部23とから構成される。起歪体2
0の材質としては、コバール(鉄、コバルト、ニッケル
の合金)が用いられている。コバールはシリコン単結晶
基板10とほぼ同程度の熱膨張率を有するため、単結晶
基板10に接着されていても、温度変化によって生じる
熱応力が極めて小さいという利点を有する。起歪体20
の材質、形状は、上述のものに限定されるわけではなく
、ここに示す実施例は最適な0態様にすぎない。なお、
この起歪体2oには取付孔24が設けられており、ここ
を通してビス止めされる。This single crystal substrate 10 is bonded to a strain-generating body 20. In the example shown in FIG. 2, the strain-generating body 2o has a surrounding support part 21
A flexible portion 22 whose wall thickness is reduced to provide flexibility;
It is composed of an action part 23 that protrudes from the center. Strain body 2
Kovar (an alloy of iron, cobalt, and nickel) is used as the material for 0. Since Kovar has almost the same coefficient of thermal expansion as the silicon single crystal substrate 10, it has the advantage that even if it is bonded to the single crystal substrate 10, thermal stress caused by temperature changes is extremely small. Strain body 20
The material and shape are not limited to those described above, and the embodiment shown here is only an optimal embodiment. In addition,
This strain-generating body 2o is provided with a mounting hole 24, through which it is fixed with screws.
各抵抗素子には第3図に示すような配線がなされる。す
なわち、抵抗素子Rxl〜Rx4は第3図(a)示すよ
うなブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ryl〜Ry4は
第3図(b)に示すようなブリッジ回路に組まれ、抵抗
素子Rzl〜Rz4は第3図(c)に示すようなブリッ
ジに組まれる。各ブリッジ回路には電源50から所定の
電圧または電流が供給され、各ブリッジ電圧は電圧計5
1〜53によって測定される。各抵抗素子Rに対してこ
のような配線を行うため、第2図に示すように単結晶基
板lo上で各抵抗素子Rに電気的に接続されているポン
ディングパッド11と外部配線用の電極13とが、ボン
ディングワイヤ12で接続される。電極13は配線孔2
5を通して外部に導出されている。Each resistance element is wired as shown in FIG. That is, the resistance elements Rxl to Rx4 are assembled into a bridge circuit as shown in FIG. 3(a), the resistance elements Ryl to Ry4 are assembled into a bridge circuit as shown in FIG. 3(b), and the resistance elements Rzl to Rz4 are assembled into a bridge circuit as shown in FIG. are assembled into a bridge as shown in FIG. 3(c). A predetermined voltage or current is supplied to each bridge circuit from a power supply 50, and each bridge voltage is measured by a voltmeter 50.
1 to 53. In order to perform such wiring for each resistance element R, as shown in FIG. 13 are connected with the bonding wire 12. Electrode 13 is in wiring hole 2
5 to the outside.
触覚センサの原理
第2図(a)において、作用部23先端の作用点Sに力
を加えると、起工体20にこの加えた力に応じた応力歪
みが生じることになる。前述のように可撓部22は肉厚
が薄く可撓性を有するため、作用部23と支持部21と
の間に変位が生じ、各抵抗素子Rが機械的に変形するこ
とになる。この変形によって各抵抗素子Rの電気抵抗が
変化し、結局、加えた力は第3図に示す各ブリッジ電圧
の変化として検出される。Principle of a tactile sensor In FIG. 2(a), when a force is applied to the point of action S at the tip of the action part 23, a stress strain is generated in the construction material 20 in accordance with the applied force. As described above, since the flexible portion 22 is thin and flexible, displacement occurs between the action portion 23 and the support portion 21, and each resistance element R is mechanically deformed. This deformation changes the electrical resistance of each resistance element R, and the applied force is eventually detected as a change in each bridge voltage shown in FIG.
第4図に、応力歪みと抵抗素子Rの電気抵抗の変化との
関係を示す。ここでは、説明の便宜上、単結晶基板10
と起歪体20の作用部23のみを図示し、図の左から右
に4つの抵抗素子R1〜R4が形成されている場合を考
える。まず、第4図(a)に示すように、作用点Sに力
が加わらないときは、単結晶基板10に応力歪みは加わ
らず、すべての抵抗素子の抵抗変化は0である。ところ
が下方向の力F1が加わると、単結晶基板10が図のよ
うに機械的に変形することになる。いま、抵抗素子の導
電型をP型とすれば、この変形によって、抵抗素子R1
およびR4は伸びて抵抗が増え(+記号で示すことにす
る)、抵抗素子R2およびR3は縮んで抵抗が減る(−
記号で示すことにする)ことになる。また、右方向の力
F2が加わると、単結晶基板10が図のように機械的に
変形することになる(実際には単結晶基板10に対し、
力F2はモーメント力として作用する)。この変形によ
って、抵抗素子R1およびR3は伸びて抵抗が増え、抵
抗素子R2およびR4は縮んで抵抗が減ることになる。FIG. 4 shows the relationship between stress strain and change in electrical resistance of the resistance element R. Here, for convenience of explanation, the single crystal substrate 10
A case will be considered in which only the acting portion 23 of the strain body 20 is illustrated, and four resistance elements R1 to R4 are formed from left to right in the figure. First, as shown in FIG. 4(a), when no force is applied to the point of application S, no stress strain is applied to the single crystal substrate 10, and the resistance changes of all resistance elements are 0. However, when a downward force F1 is applied, the single crystal substrate 10 is mechanically deformed as shown in the figure. Now, if the conductivity type of the resistor element is P type, by this deformation, the resistor element R1
and R4 expand to increase their resistance (denoted by + symbols), and resistive elements R2 and R3 contract to decrease their resistance (-
(I will show it with a symbol). Furthermore, when a force F2 in the right direction is applied, the single crystal substrate 10 is mechanically deformed as shown in the figure (actually, the single crystal substrate 10 is
Force F2 acts as a moment force). This deformation causes resistive elements R1 and R3 to stretch and increase their resistance, and resistive elements R2 and R4 to contract and decrease their resistance.
なお、各抵抗素子Rは図の横方向を長平方向とする抵抗
素子であるため、図の紙面に垂直な方向に力を加えた場
合は、各抵抗素子ともに抵抗値の変化は無視できる。こ
のように、本センサでは加わる力の方向によって抵抗素
子の抵抗変化特性が異なることを利用して、各方向の力
を独立して検出するのである。Note that since each resistance element R is a resistance element whose elongated direction is the horizontal direction of the figure, when a force is applied in a direction perpendicular to the plane of the figure, the change in resistance value of each resistance element can be ignored. In this way, this sensor uses the fact that the resistance change characteristics of the resistance element differ depending on the direction of applied force to independently detect forces in each direction.
触覚センサの動作
以下、第5図〜第7図を参照して、上述の触覚センサの
動作を説明する。第5図はX軸方向に力が加わった場合
、第6図はX軸方向に力が加わった場合、第7図はZ軸
方向に力が加わった場合、の各抵抗素子に加わる応力(
伸びる方向を+、縮む方向を−、変化なしを0で示す)
をそれぞれ示したものである。各図では、第2図に示す
センサをX軸に沿って切った断面を(a) 、Y軸に沿
って切った断面を(b)、そしてX軸に平行で素子Rz
l〜Rz4に沿って切った断面を(C)として示すこと
にする。Operation of the tactile sensor The operation of the tactile sensor described above will be explained below with reference to FIGS. 5 to 7. Figure 5 shows the stress applied to each resistance element when force is applied in the X-axis direction, Figure 6 shows the stress applied in the X-axis direction, and Figure 7 shows the stress applied to each resistance element when force is applied in the Z-axis direction.
+ indicates the direction of expansion, - indicates the direction of contraction, and 0 indicates no change)
are shown respectively. In each figure, (a) shows a cross-section of the sensor shown in Fig. 2 taken along the X-axis, (b) shows a cross-section taken along the Y-axis, and the element Rz parallel to the X-axis.
A cross section taken along the line 1 to Rz4 is shown as (C).
まず、第5図(a) 、(b) 、(c)の矢印Fx(
第5図(b)では紙面に垂直な方向)で示すようなX軸
方向の力が加わった場合を考えると、それぞれ図示する
極性の応力が発生する。この応力の極性は第4図の説明
から容易に理解できよう。各抵抗素子Rには、この応力
に対応した抵抗変化が生じる。First, arrow Fx (
If we consider the case where a force is applied in the X-axis direction (in the direction perpendicular to the plane of the paper in FIG. 5(b)), stresses of the polarities shown are generated. The polarity of this stress can be easily understood from the explanation of FIG. In each resistance element R, a resistance change occurs in response to this stress.
たとえば、抵抗索子Rxlの抵抗は減り(−)、抵抗素
子Rx2の抵抗は増え(十)、抵抗素子Ry1の抵抗は
変化しない(0)。また、それぞれ第6図および第7図
の矢印FyおよびFzで示すようなY軸およびZ軸方向
に力が加わった場合は、図示するような応力が発生する
。For example, the resistance of the resistance wire Rxl decreases (-), the resistance of the resistance element Rx2 increases (10), and the resistance of the resistance element Ry1 does not change (0). Furthermore, when forces are applied in the Y-axis and Z-axis directions as indicated by arrows Fy and Fz in FIGS. 6 and 7, respectively, stresses as shown are generated.
結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表にまとめ
ると、表1のようになる。Ultimately, the relationship between the applied force and the change in each resistance element is summarized in a table as shown in Table 1.
ここで、各抵抗素子Rが第3図に示すようなブリッジを
構成していることを考慮に入れると、加わる力と各電圧
計51〜53の変化の有無は表2のような関係になる。If we take into account that each resistance element R constitutes a bridge as shown in Figure 3, the relationship between the applied force and the presence or absence of changes in each voltmeter 51 to 53 is as shown in Table 2. .
く表 2〉
抵抗素子Rzl−Rz4は抵抗素子Rx1−Rx4とほ
ぼ同じ応力変化を受けるが、第3図に示すようにブリッ
ジ構成が両者穴なるため、電圧計51と電圧計53とは
異なった応答をする点に注意されたい。結局、電圧計5
1.52.53は、それぞれX軸、Y軸、Z軸方向の力
に応答することになる。Table 2> Resistance elements Rzl-Rz4 undergo almost the same stress changes as resistance elements Rx1-Rx4, but as shown in Fig. 3, the bridge configuration has holes in both, so voltmeters 51 and 53 have different stress changes. Please be careful when responding. In the end, voltmeter 5
1.52.53 will respond to forces in the X, Y, and Z axes, respectively.
なお、表2では変化の有無だけを示したが、加わる力の
方向によって変化の極性が支配され、また加わる力の大
きさによって変化量が支配されることになる。Although Table 2 shows only the presence or absence of change, the polarity of the change is controlled by the direction of the applied force, and the amount of change is controlled by the magnitude of the applied force.
6構成分が検出可能な触覚センサの構造前述の触覚セン
サでは、各軸方向についての力とモーメントとを明確に
区別していなかったが、ここで述べる触覚センサは、各
軸方向に作用する力と各軸まわりに作用するモーメント
とをそれぞれ別個に検出することができる。すなわち6
構成分の検出が可能である。以下、このセンサを6構成
分センサとよぶ。Structure of a tactile sensor that can detect six components The tactile sensor described above did not clearly distinguish between force and moment in each axial direction, but the tactile sensor described here detects forces acting in each axial direction. and the moment acting around each axis can be detected separately. That is 6
Detection of components is possible. Hereinafter, this sensor will be referred to as a six-component sensor.
第8図はこの6構成分センサの上面図、第9図は第8図
に示す装置を切断線A−Aに沿って切った断面図である
。この実施例では、起歪体210の表面上に16組の抵
抗素子群R1〜R18が形成されている。起歪体210
はシリコンの単結晶基板からなり、抵抗素子群R1〜R
1Bは、それぞれ複数の抵抗素子の集合であり、各抵抗
素子は、この単結晶基板上に不純物を拡散することによ
って形成される。このようにして形成した抵抗素子はピ
エゾ抵抗効果を示し、機械的変形によって電気抵抗が変
化する性質をもっている。FIG. 8 is a top view of this six-component sensor, and FIG. 9 is a sectional view of the device shown in FIG. 8 taken along section line A--A. In this embodiment, 16 resistance element groups R1 to R18 are formed on the surface of the strain body 210. Strain body 210
is made of a silicon single crystal substrate, and the resistance element groups R1 to R
1B is a set of a plurality of resistance elements, and each resistance element is formed by diffusing impurities on this single crystal substrate. The resistance element thus formed exhibits a piezoresistance effect, and has the property that its electrical resistance changes with mechanical deformation.
起歪体210は、周辺に円環状に形成された固定部 2
11と、4つの架橋部212〜215、およびこの4つ
の架橋部212〜215が結合した作用部216と、か
ら構成されている。固定部211は外部に対して固定さ
れ、作用部216の中心にある作用点Pに検出すべき力
またはモーメントが加えられる。固定部211が外部に
固着されているため、作用点Pに力またはモーメントが
加わると、この力またはモーメントに応じた応力歪みが
架橋部212〜215に生じ、抵抗素子群R1−R16
に電気抵抗の変化が生じる。本装置は、この電気抵抗の
変化に基づいて力およびモーメントの検出を行うもので
ある。本実施例では、各抵抗素子は大きさ、形状、材質
が等しく、すべて等しい抵抗値を有する。また、応力歪
みに基づく抵抗変化率もすべて等しい。The strain body 210 has a fixed part 2 formed in an annular shape around the periphery.
11, four bridge parts 212 to 215, and an action part 216 to which these four bridge parts 212 to 215 are combined. The fixed part 211 is fixed to the outside, and a force or moment to be detected is applied to a point of action P at the center of the action part 216. Since the fixed part 211 is fixed to the outside, when a force or moment is applied to the point of application P, stress strain corresponding to this force or moment is generated in the bridge parts 212 to 215, and the resistance element groups R1 to R16
A change in electrical resistance occurs. This device detects force and moment based on this change in electrical resistance. In this embodiment, each resistance element has the same size, shape, and material, and all have the same resistance value. Further, the rate of change in resistance based on stress strain is also all the same.
いま、第8図および第9図に示すように、作用部216
の中心にある作用点PをXYZ三次元座標系の原点とし
、x、y、zの3軸を図のように定義するものとする。Now, as shown in FIGS. 8 and 9, the operating portion 216
Assume that the point of action P at the center of is the origin of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the three axes x, y, and z are defined as shown in the figure.
すなわち、第8図で図の右方をX軸圧方向に、下方をY
軸圧方向に、紙面に垂直下方をZ軸圧方向に、それぞれ
定義するものとする。作用部216の上下には、作用体
221および222が取付けられており、作用点Pに作
用する力およびモーメントはすべてこの作用体221お
よび222を介して与えられることになる。In other words, in Fig. 8, the right side of the figure is the X-axis pressure direction, and the lower side is the Y-axis pressure direction.
The axial pressure direction is defined as the Z-axis pressure direction, and the downward direction perpendicular to the plane of the paper is defined as the Z-axis pressure direction. Effecting bodies 221 and 222 are attached above and below the acting part 216, and all forces and moments acting on the point of application P are applied via these acting bodies 221 and 222.
ここで、作用点Pに関して、X軸方向に加わる力をFX
、Y軸方向に加わる力をFY、Z軸方向に加わる力をF
zSX軸回りに加わるモーメントをMX、Y軸回りに加
わるモーメントをMYSZ軸回りに加わるモーメントを
MZとすれば、答方およびモーメントは第9図の各矢印
で示す方向に定義される。すなわち、X軸方向に加わる
力FXは作用体221および222をともに図の右方に
動かすような力になり、Y軸方向に加わる力FYは作用
体221および222をともに図の紙面に垂直上方に動
かすような力になり、Z軸方向に加わる力FZは作用体
221および222をともに図の下方に動かすような力
になる。また、X軸回りのモーメントMXは作用体22
1を紙面に垂直上方に、作用体222を紙面に垂直下方
に動かすようなモーメントに、Y軸回りのモーメントM
Yは作用体221を図の左方に、作用体222を図の右
方に動かすようなモーメントに、Z軸回りのモーメント
MZは作用体221および222をともに装置上方から
みて時計回りに動かすようなモーメントになる。Here, regarding the point of application P, the force applied in the X-axis direction is FX
, the force applied in the Y-axis direction is FY, and the force applied in the Z-axis direction is FY.
Let MX be the moment applied around the zSX axis, MZ be the moment applied around the Y axis, MZ be the moment applied around the Z axis, then the answers and moments are defined in the directions shown by the arrows in FIG. That is, the force FX applied in the X-axis direction becomes a force that moves both the effecting bodies 221 and 222 to the right in the figure, and the force FY applied in the Y-axis direction causes both the effecting bodies 221 and 222 to move upward perpendicularly to the plane of the figure. The force FZ applied in the Z-axis direction becomes a force that moves both the effecting bodies 221 and 222 downward in the figure. In addition, the moment MX around the X axis is the acting body 22
1 upward perpendicularly to the plane of the paper, and the moment M around the Y axis to the moment that moves the effecting body 222 downward perpendicularly to the plane of the paper.
Y is a moment that moves the acting body 221 to the left in the figure and the acting body 222 to the right in the figure, and the moment MZ around the Z axis is such that both the acting bodies 221 and 222 are moved clockwise when viewed from above the device. It will be a great moment.
16組の抵抗素子群R1−RIBは、第8図に示すよう
なシンメトリックな位置に配される。すなわち、架橋部
212にはR1−R4が、架橋部213にはR5−R8
が、架橋部214にはR9−R12が、架橋部215に
はR13〜R1Gが、それぞれ設けられている。各架橋
部についてみると、固定部211の近傍に一対、作用部
216の近傍に一対の抵抗素子群が設けられ、各一対の
抵抗素子群はX軸またはY軸を挟んで両側に設けられて
いる。The 16 resistance element groups R1-RIB are arranged in symmetrical positions as shown in FIG. That is, R1-R4 is in the bridge portion 212, and R5-R8 is in the bridge portion 213.
However, the bridge portion 214 is provided with R9 to R12, and the bridge portion 215 is provided with R13 to R1G. Regarding each bridge part, a pair of resistance element groups are provided near the fixed part 211 and a pair of resistance element groups are provided near the action part 216, and each pair of resistance element groups is provided on both sides of the X-axis or Y-axis. There is.
このような16組の抵抗素子群を用い、第10図(a)
〜(r)に示すような6とおりのブリッジが形成されて
いる。各ブリッジには、それぞれ電源230が接続され
、また、FX、FY、FZ。Using 16 resistance element groups like this, Figure 10(a)
Six types of bridges as shown in ~(r) are formed. A power supply 230 is connected to each bridge, and FX, FY, FZ.
MX、MY、MZt、1m比例した電圧VFX、VFY
。MX, MY, MZt, 1m proportional voltage VFX, VFY
.
VFZ、VMX、VMY、VMZをブリッジ電圧として
出力する電圧計241〜246が接続されている。Voltmeters 241 to 246 that output VFZ, VMX, VMY, and VMZ as bridge voltages are connected.
なお、このブリッジ回路図で示されている各抵抗素子の
記号は、その抵抗素子群の中の1−っの抵抗素子を意味
しており、同一記号が付されている抵抗素子であっても
それらは同一の抵抗素子群に属する別な抵抗素子を意味
するものとする。たとえばR1は第10図(b)と(d
)の2つのブリッジで用いられているが、実は第8図の
R1の位置には2つの抵抗素子が配されており、異な
るブリッジでは異なる抵抗素子が用いられる。The symbol of each resistor element shown in this bridge circuit diagram means one resistor element in the group of resistor elements, and even if the resistor elements have the same symbol, These are assumed to mean different resistance elements belonging to the same resistance element group. For example, R1 is
), but actually two resistance elements are placed at the position R1 in FIG. 8, and different resistance elements are used in different bridges.
以下、説明の便宜上、抵抗素子群Rx(x−1〜16)
に属する1抵抗素子を示すのにも、同一記号Rxを用い
ることにする。Hereinafter, for convenience of explanation, resistance element group Rx (x-1 to 16)
The same symbol Rx will also be used to indicate one resistance element belonging to .
6構成分センサの動作
以下、上述の装置の動作について説明する。第8図に示
すような抵抗素子の配置を行うと、作用点Pに力マタハ
モーメントF X、 F Y、 F Z、MX、MY。Operation of the six-component sensor The operation of the above-described device will now be described. When the resistive elements are arranged as shown in FIG. 8, the forces and moments F X, F Y, F Z, MX, MY are generated at the point of action P.
MZが加わったときに、各抵抗素子R1−RIBは第1
1図に示す表(各抵抗素子はP型の半導体から成るもの
とする。)のような電気抵抗変化を生じる。ここで“0
“は変化なし、“十”は電気抵抗の増加、“−“は電気
抵抗の減少を示す。When MZ is applied, each resistance element R1-RIB is
The electrical resistance changes as shown in the table shown in FIG. 1 (assuming that each resistance element is made of a P-type semiconductor). Here “0”
"" indicates no change, "10" indicates an increase in electrical resistance, and "-" indicates a decrease in electrical resistance.
ここで、第11図のような結果が得られる理由を第12
図〜第17図を参照して簡単に説明する。Here, we will explain the reason for the results shown in Figure 11 in the 12th section.
This will be briefly explained with reference to FIGS.
第12図〜第17図は、作用点Pに力またはモーメント
F X、 F Y、 F Z、MX、MY、MZが加わ
ったときに、架橋部に生じる応力歪みおよび電気抵抗の
変化を示す図で、各図(a)は架橋部の上面図、各図(
b)は正断面図、各図(C)は側断面図である。たとえ
ば、第12図では、作用点pH:X軸方向の力FXが作
用したときの状態が示されている。 力FXにより架橋
部214は伸び、架橋部215は縮むことになる。した
がって、架橋部214にある抵抗素子(R9−R12)
は伸びて電気抵抗が増加しくP型半導体の場合)、架橋
部215にある抵抗素子(R13〜R16)は縮んで電
気抵抗が減少する。架橋部212および213にある抵
抗素子は、配置位置によって伸びたり縮んだりする。結
局、第11図の表第1欄のような結果が得られることが
容易に理解できよう。以下、第13図〜第17図を参照
すれば、第11図の表第2欄〜第6欄の結果が得られる
ことも理解できよう。Figures 12 to 17 are diagrams showing changes in stress strain and electrical resistance that occur in the bridge when force or moment FX, FY, FZ, MX, MY, MZ is applied to the point of application P. Each figure (a) is a top view of the bridge, and each figure (a) is a top view of the bridge section.
b) is a front sectional view, and each figure (C) is a side sectional view. For example, FIG. 12 shows the state when the force FX in the X-axis direction is applied at the point of action pH. The force FX causes the bridge portion 214 to expand and the bridge portion 215 to contract. Therefore, the resistance element (R9-R12) in the bridge portion 214
(in the case of a P-type semiconductor), the resistance elements (R13 to R16) in the bridge portion 215 contract and reduce the electrical resistance. The resistance elements in the bridge portions 212 and 213 expand or contract depending on the placement position. In the end, it is easy to understand that the results shown in the first column of the table in FIG. 11 are obtained. Hereinafter, by referring to FIGS. 13 to 17, it will be understood that the results in columns 2 to 6 of the table in FIG. 11 can be obtained.
さて、ここで各抵抗素子R1−R16によって第10図
に示すようなブリッジが構成されていることを考慮すれ
ば、作用点Pに加わるFX、FY、FZ。Now, considering that a bridge as shown in FIG. 10 is constituted by each of the resistive elements R1 to R16, FX, FY, and FZ applied to the point of action P.
MX、MY、MZと、電圧計241〜246に現れる検
出電圧V FX、V FY、V FZ、VMX、VMY
、VMZとの関係は第18図に示す表のようになる。こ
こで、“0゛は電圧変化が生じないことを示し、“V″
は加わる力またはモーメントに依存した電圧変化が生じ
ることを示す。電圧変化の極性は加わる力またはモーメ
ントの向きに依存し、電圧変化の大きさは加わる力また
はモーメントの大きさに依存することになる。MX, MY, MZ and the detection voltages V FX, V FY, V FZ, VMX, VMY appearing on the voltmeters 241 to 246
, and the relationship with VMZ is as shown in the table shown in FIG. Here, "0" indicates that no voltage change occurs, and "V"
indicates that a voltage change occurs depending on the applied force or moment. The polarity of the voltage change will depend on the direction of the applied force or moment, and the magnitude of the voltage change will depend on the magnitude of the applied force or moment.
第18図に示すような表が得られることは、第10図の
回路図でブリッジのそれぞれ対辺となる抵抗素子の抵抗
値の積が互いに等しい場合に、電圧変化がないことを考
えれば容易に理解できよう。Obtaining the table shown in Figure 18 is easy if we consider that in the circuit diagram of Figure 10, if the products of the resistance values of the resistor elements on opposite sides of the bridge are equal to each other, there is no voltage change. I can understand.
たとえば、力FXが加わった場合、各抵抗素子は第11
図の表第1欄のような電気抵抗の変化を生じる。ここで
第10図(a)を参照すると、R9゜RIO,R11,
R12はともに抵抗値が増加し、R13゜R14,R1
5,RIOはともに抵抗値が減少する。したがって、対
辺となる抵抗素子の抵抗値の積に大きな差が生じ、電圧
変化“v″が検出されることになる。一方、第10図(
b)〜(r)のブリッジ回路においては、ブリッジ電圧
に変化は生じない。For example, when force FX is applied, each resistance element
A change in electrical resistance occurs as shown in the first column of the table in the figure. Now, referring to FIG. 10(a), R9°RIO, R11,
The resistance value of both R12 increases, R13゜R14, R1
5. The resistance value of both RIO decreases. Therefore, a large difference occurs in the product of the resistance values of the resistance elements on the opposite sides, and a voltage change "v" is detected. On the other hand, Fig. 10 (
In the bridge circuits b) to (r), no change occurs in the bridge voltage.
たとえば、第10図(b)の回路では、 R1が“−”
であればR2が“十“となり、各枝ごとに抵抗変化が相
殺されてしまう。このように、力FXの作用はVFXに
のみ影響を及ぼし、VFXの測定によって力FXを独立
して検出することができる。For example, in the circuit of FIG. 10(b), R1 is "-"
In this case, R2 becomes "10", and the resistance changes are canceled out for each branch. In this way, the effect of force FX only affects VFX, and force FX can be detected independently by measuring VFX.
以上、結局第18図の表において、対角成分のみが“V
”であり、それ以外はすべて“O″であるということは
、何ら演算を行うことなしに、各検出値を直接電圧計の
読みとして得ることができることを示している。As mentioned above, in the table of FIG. 18, only the diagonal component is "V
”, and all other values are “O”, indicating that each detected value can be directly obtained as a voltmeter reading without performing any calculations.
なお、上述のようなブリッジを構成することによって、
応力以外の要因に基づく抵抗変化の影響を打消すことが
できる。たとえば、温度によって各抵抗素子の電気抵抗
が変化するが、ブリッジを構成するすべての抵抗素子が
ほぼ同等に変化するため、この温度変化の影響は相殺さ
れるのである。By configuring the bridge as described above,
The effects of resistance changes due to factors other than stress can be canceled out. For example, the electrical resistance of each resistance element changes depending on the temperature, but since all the resistance elements making up the bridge change almost equally, the effects of this temperature change are canceled out.
したがって、このブリッジ構成によってより高精度の測
定を行うことができるようになる。Therefore, this bridge configuration allows for more accurate measurements.
第2図に示す触覚センサのかわりに、ここで説明した6
構成分センサを用い、6構成分についての検出データを
得るようにすれば、ワークの把持状態についてのより詳
細な情報を得ることができる。この場合、第1図(b)
において、節部110に6構成分センサの固定部210
を接続し、節部130に6軸成分センサの作用部216
を接続するか、あるいはこれと全く逆の接続を行えばよ
い。Instead of the tactile sensor shown in FIG.
By using the component sensor to obtain detection data for the six components, more detailed information about the gripping state of the workpiece can be obtained. In this case, Fig. 1(b)
In this case, the fixing part 210 of the six-component sensor is attached to the joint part 110.
, and the action part 216 of the six-axis component sensor is connected to the joint part 130.
You can either connect this or do the exact opposite.
ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造続いて、上述の
センサに用いる抵抗素子の製造方法の一例を簡単に述べ
る。この抵抗素子はピエゾ抵抗効果を有し、半導体基板
上に半導体プレーナプロセスによって形成されるもので
ある。まず、第19図(a)に示すように、N型のシリ
コン基板401を熱酸化し、表面に酸化シリコン層40
2を形成する。続いて同図(b)に示すように、この酸
化シリコン層402を写真蝕刻法によってエツチングし
て、開口部403を形成する。続いて同図(C)に示す
ように、この開口部403からほう素を熱拡散し、P型
拡散領域404を形成する。Manufacturing of a resistive element having a piezoresistance effect Next, an example of a method for manufacturing a resistive element used in the above-mentioned sensor will be briefly described. This resistance element has a piezoresistance effect and is formed on a semiconductor substrate by a semiconductor planar process. First, as shown in FIG. 19(a), an N-type silicon substrate 401 is thermally oxidized, and a silicon oxide layer 40 is formed on the surface.
form 2. Subsequently, as shown in FIG. 4B, the silicon oxide layer 402 is etched by photolithography to form an opening 403. Subsequently, as shown in FIG. 4C, boron is thermally diffused from this opening 403 to form a P-type diffusion region 404.
なお、この熱拡散の工程で、開口部403には酸化シリ
コン層405が形成されることになる。次に同図(d)
に示すように、CVD法によって窒化シリコンを堆積さ
せ、窒化シリコン層406を保護層として形成する。そ
して同図(e)に示すように、この窒化シリコン層40
6および酸化シリコン層405に写真蝕刻法によってコ
ンタクトホールを開口した後、同図(r)に示すように
、アルミニウム配線層407を蒸着形成する。そして最
後にこのアルミニウム配線層407を写真蝕刻法によっ
てパターニングし、同図(g)に示すような構造を得る
。Note that in this thermal diffusion step, a silicon oxide layer 405 is formed in the opening 403. Next, the same figure (d)
As shown in FIG. 3, silicon nitride is deposited by CVD to form a silicon nitride layer 406 as a protective layer. As shown in FIG. 4(e), this silicon nitride layer 40
After contact holes are formed in the silicon oxide layer 405 and the silicon oxide layer 405 by photolithography, an aluminum wiring layer 407 is formed by vapor deposition, as shown in FIG. Finally, this aluminum wiring layer 407 is patterned by photolithography to obtain a structure as shown in FIG. 4(g).
なお、上述の製造工程は一例として示したものであり、
本発明に用いるセンサは要するにピエゾ抵抗効果を有す
る抵抗素子であればどのようなものを用いても・実現可
能である。In addition, the above-mentioned manufacturing process is shown as an example,
In short, the sensor used in the present invention can be realized using any resistive element that has a piezoresistance effect.
ロボット用グリッパとしての動作
以上、本発明に係るロボット用グリッパに用いる触覚セ
ンサの構造およびその動作について詳述したが、次にこ
の触覚センサを備えたロボット用グリッパの動作を説明
する。第20図は、このロボット用グリッパによってワ
ーク500を把持した状態を示す図である。前述のよう
に、2本の指部材100は、ハンド部材200によって
可動自在に支持されており、図のようにワーク500を
両側から保持するように2本の指部材100でワーク5
00を挟むことができる。この例では、ワーク500は
接触点PL、P2において、2本の指部材100に接触
することになる。ワーク500を保持するためには、こ
の接触点PI、P2において力が存在することになる。Operation as a robot gripper The structure and operation of the tactile sensor used in the robot gripper according to the present invention have been described in detail above. Next, the operation of the robot gripper equipped with this tactile sensor will be described. FIG. 20 is a diagram showing a state in which a workpiece 500 is gripped by this robot gripper. As described above, the two finger members 100 are movably supported by the hand member 200, and the two finger members 100 hold the workpiece 500 from both sides as shown in the figure.
00 can be included. In this example, the workpiece 500 comes into contact with the two finger members 100 at contact points PL and P2. In order to hold the workpiece 500, forces will be present at the contact points PI and P2.
すなわち、接触点P1に生じる力によって作用点S1に
力が加わり、接触点P2に生じる力によって作用点S2
に力が加わることになる。前述のように間接120は、
触覚センサを構成しており、起歪体20を有する。作用
点に力が加わると、可撓性をもった起歪体20が撓み、
加わった力の方向および大きさが電気信号として取出さ
れることになる。単結晶基板10を用いた触覚センサは
非常に高感度な線形出力を得ることができ、この出力信
号に基づいて、ワーク500に対する接触圧の正確な値
を求めることができる。前述のように触覚センサは、接
触点に作用する力を三次元方向の成分ごとに検出する機
能を有するため、接触点におけるワークの面方向につい
ての情報も得ることができる。That is, the force generated at the contact point P1 applies a force to the point of application S1, and the force generated at the contact point P2 applies a force to the point of application S2.
Force will be added to. As mentioned above, the indirect 120 is
It constitutes a tactile sensor and includes a strain body 20. When force is applied to the point of application, the flexible strain body 20 bends,
The direction and magnitude of the applied force will be extracted as an electrical signal. The tactile sensor using the single crystal substrate 10 can obtain a very sensitive linear output, and based on this output signal, an accurate value of the contact pressure against the workpiece 500 can be determined. As described above, the tactile sensor has the function of detecting the force acting on the contact point for each three-dimensional component, and therefore can also obtain information about the surface direction of the workpiece at the contact point.
ここで、触覚センサが検出した物理量は実際にはモーメ
ント力である。いま、第21図のような模式図において
、ワーク500が500aの位置にある場合と500b
にある場合とを考える(実際には、ワーク500は2本
の指部材に挟持されているが、ここでは説明の便宜上、
その一方だけを考えることにする)。いずれの場合にも
、第2節部130が常に一定の力Fでワーク500を押
さえつけているとすると、間接(触覚センサ)120が
検知するモーメント力は、ワーク500aに対しては、
M(a) −K 命F J
であり、ワーク500bに対しては、
M(b) ’−K −F −(g−6g)となる。ここ
でKは定数である。したがって、距離gの位置に力Fで
保持していたはずのワーク500が、距離Δgだけ滑っ
て動いた場合であっても、上2式に基づいて、滑った距
離Δgを演算によって求めることができるのである。こ
の機能は、従来のセンサでは測定ができなかったすべり
覚の測定を行う機能に他ならない。Here, the physical quantity detected by the tactile sensor is actually moment force. Now, in the schematic diagram as shown in FIG. 21, the workpiece 500 is at the position 500a and
(Actually, the workpiece 500 is held between two finger members, but for convenience of explanation,
We will consider only one of them). In any case, assuming that the second joint portion 130 always presses down the workpiece 500 with a constant force F, the moment force detected by the indirect (tactile sensor) 120 is M(a) with respect to the workpiece 500a. ) -K life F J , and for the workpiece 500b, M(b) '-K -F -(g-6g). Here K is a constant. Therefore, even if the workpiece 500, which was supposed to be held at a distance g with force F, slides by a distance Δg, the sliding distance Δg can be calculated by calculation based on the above two equations. It can be done. This function is nothing but the ability to measure the sensation of slippage, which could not be measured with conventional sensors.
また、間接に前述の6構成分センサを用いれば、ワーク
500を押さえつけている力が変化した場合でも、すべ
り党の1lll定が可能になる。すなわち、ワーク50
0aに対しては力F1で押さえており、ワーク500b
に対しては力F2で押さえていた場合、
M(a) −に−F 1・g
M(b)−に−F2・ (g−6g)
となるが、6構成分センサでは、M(a) 、 M(b
) 。Further, by indirectly using the above-mentioned six component sensors, it is possible to determine the amount of slippage even if the force pressing down the workpiece 500 changes. That is, the workpiece 50
0a is held down with force F1, and the workpiece 500b
If the force F2 is applied to the force F2, then M(a) - will have -F 1・g M(b) - will have -F2・ (g - 6g), but in the case of a 6-component sensor, M(a ), M(b
).
Fl、F2をそれぞれ別個に検出できるため、やはり上
二式に基づいて、滑った距離Δgを演算することができ
る。Since Fl and F2 can be detected separately, the slipped distance Δg can also be calculated based on the above two equations.
第22図は、指部材100を多数の節部で構成した実施
例を示す図である。前述の実施例と同様に、2本の指部
材100がハンド部材200によって支持されている。FIG. 22 is a diagram showing an embodiment in which the finger member 100 is composed of a large number of joints. Similar to the previous embodiment, two finger members 100 are supported by a hand member 200.
ハンド部材200には、第1節部110が回動自在に取
付けられており、この第1節部110に間接120が接
続され、この間接120に第2節部130が接続されて
いる。A first joint 110 is rotatably attached to the hand member 200, a joint 120 is connected to the first joint 110, and a second joint 130 is connected to the joint 120.
この第2節部130は更に駆動間接部140に回動自在
に接続されている。この駆動間接部140には更に第1
節部110が回動自在に取付けられており、以下、上述
の各部材の繰返しにより指部材 100が構成される。This second joint portion 130 is further rotatably connected to a drive joint portion 140. This driving joint section 140 further includes a first
The joint portion 110 is rotatably attached, and the finger member 100 is constructed by repeating each of the above-mentioned members.
駆動間接部140には、例えばリンク機構や油圧機構な
どが設けられており、その両側に接続された第1節部1
10と第2節部130とのなす角を調整することができ
る。The drive joint section 140 is provided with, for example, a link mechanism or a hydraulic mechanism, and the first joint section 1 connected to both sides thereof.
10 and the second joint portion 130 can be adjusted.
このような構造のグリッパでは、より人間の指に近い把
持動作が可能であり、複数の間接120によってそれぞ
れの間接に加わる力が検出できる。With a gripper having such a structure, a gripping motion closer to that of a human finger is possible, and the force applied to each joint can be detected by the plurality of joints 120.
別な実施例
第23図(a)は、本発明の別な実施例に係るロボット
用グリッパを示す図であり、同図(a)はグリッパ先端
部の側面図、同図(b)はその部分拡大断面図である。Another Embodiment FIG. 23(a) is a diagram showing a gripper for a robot according to another embodiment of the present invention, in which FIG. 23(a) is a side view of the tip of the gripper, and FIG. FIG. 3 is a partially enlarged sectional view.
このグリッパでは、ハンド部材200に2本の指部材1
50が支持されている点は上述の実施例と同じであるが
、触覚センサ160が、指部材150のワーク【特面に
形成されている。触覚センサ160の構成は、前述の実
施例で間接120として用いた触覚センサと同様であり
、起工体20の周囲が、ビス30によって指部材150
に固定される。なお、単結晶基板10と外部との間の配
線は、フレキシブルプリント基板60によって行われる
。触覚センサ160中央部先端には、接触板170がね
じ部171によって固定されている。In this gripper, the hand member 200 has two finger members 1
The finger member 150 is supported in the same way as in the above embodiment, but a tactile sensor 160 is formed on the workpiece surface of the finger member 150. The structure of the tactile sensor 160 is similar to that of the tactile sensor used as the joint 120 in the above-described embodiment, and the periphery of the construction body 20 is connected to the finger member 150 by screws 30.
Fixed. Note that wiring between the single crystal substrate 10 and the outside is performed by a flexible printed circuit board 60. A contact plate 170 is fixed to the central tip of the tactile sensor 160 by a screw portion 171.
第24図に示すように、指部材150を複数の節部15
0 a = cと、これらを接続する駆動間接部180
によって構成し、人間の指の動作に近付けるようにして
もよい。このように触覚センサを配置すれば、各部の接
触圧が電気信号として検出できる。また、前述の実施例
と同様に、すべり覚の検出も可能である。すなわち、第
25図(a)に示すように、ワーク500が500aの
位置にあれば、接触点P1において接触板170との間
の接触がなされるため、触覚センサ160の単結晶基板
10は図のようなモーメント力M1を検出することにな
る。これに対して、第25図(b)に示すように、ワー
ク500が500bの位置にあれば、接触点P2のおい
て接触板170との間の接触がなされるため、触覚セン
サ160の単結晶基板10は図のようなモーメント力M
2を検出することになる。したがって、ワーク500が
500aから500bへと滑った場合、検出値の変化か
らこれを認識することができる。As shown in FIG. 24, the finger member 150 is
0 a = c and the drive joint part 180 that connects these
It is also possible to make the motion closer to that of a human finger. By arranging the tactile sensors in this way, the contact pressure of each part can be detected as an electrical signal. Furthermore, similar to the above-described embodiments, it is also possible to detect the sensation of slippage. That is, as shown in FIG. 25(a), if the workpiece 500 is at the position 500a, contact is made with the contact plate 170 at the contact point P1, so that the single crystal substrate 10 of the tactile sensor 160 is A moment force M1 such as is detected. On the other hand, as shown in FIG. 25(b), if the workpiece 500 is at the position 500b, contact is made with the contact plate 170 at the contact point P2, so that the tactile sensor 160 is The crystal substrate 10 has a moment force M as shown in the figure.
2 will be detected. Therefore, if the workpiece 500 slips from 500a to 500b, this can be recognized from the change in the detected value.
加速度が作用している場合のすべり党検出加速度が作用
している場合には、三次元加速度センサを併用すること
によって、すべり覚の検出が可能になる。この原理を第
26図を参照して説明する。いま、質ff1mのワーク
500が図のように把持されている場合を考える。ここ
では、モデルを単純化するためにワーク500の重心G
と接触点Pとが、ともに触覚センサ160の中心軸上に
あるものとする。そして接触板170はワーク500を
力Fで押さえているものとする。この場合、 接触点P
に作用する鉛直方向の力Fvは、Fv−mg/2
であり、水平方向の力Fhは、
Fh−F
である。ここで、gは重力加速度である。Detection of slippage when acceleration is acting When acceleration is acting, it becomes possible to detect slippage by using a three-dimensional acceleration sensor in combination. This principle will be explained with reference to FIG. 26. Now, consider a case where a workpiece 500 of quality ff1m is being held as shown in the figure. Here, in order to simplify the model, the center of gravity G of the workpiece 500 is
It is assumed that the contact point P and the contact point P are both on the central axis of the tactile sensor 160. It is assumed that the contact plate 170 is pressing the workpiece 500 with a force F. In this case, the contact point P
The vertical force Fv acting on is Fv-mg/2, and the horizontal force Fh is Fh-F. Here, g is gravitational acceleration.
いま、この系全体が車両に搭載されるなどして、更に鉛
直方向の加速度αが作用している場合を考える。この場
合、接触点Pに作用する力をダッシュを付して表せば、
Fv’ mm (g+α)/2
Fh’ −F
となる。ここで、更に鉛直方向にすべりが生じた場合に
、接触点Pに作用する力をダッシュを2つ付してFv”
、Fh“°と表せば、
Fh”−Fh’ −F
であるが、
Fv”≠Fv’
である。接触点Pに作用する力は、触覚センサ160に
よって検出できるから、Fv”≠Fv’であることか認
識できれば、加速度作用条件下においても、すべりの有
無の判断が可能である。Now, let us consider a case where this entire system is mounted on a vehicle and is further subjected to vertical acceleration α. In this case, if the force acting on the contact point P is expressed with a dash, it becomes Fv' mm (g+α)/2 Fh' −F. Here, if further slipping occurs in the vertical direction, the force acting on the contact point P is expressed by adding two dashes, Fv”
, Fh"°, Fh"-Fh' -F, but Fv"≠Fv'. Since the force acting on the contact point P can be detected by the tactile sensor 160, Fv"≠Fv'. If it can be recognized that there is a slip, it is possible to judge whether there is a slip even under acceleration conditions.
作用する加速度αを検出するには、どのような三次元加
速度センサを利用してもよい。第26図に示す例では、
加速度センサ600を用いている。Any three-dimensional acceleration sensor may be used to detect the acting acceleration α. In the example shown in Figure 26,
An acceleration sensor 600 is used.
この加速度センサ600は、前述の触覚センサとほぼ同
様の構成をもっている。すなわち、起歪体20上に単結
晶基板10が形成されており、起歪体20に生じた歪み
を単結晶基板10上の電気抵抗の変化として検出できる
。ただ、起歪体20の中央の作用部先端には、重錘体″
7.0が接続されており、起歪体20の周囲の支持部は
、支持台80によってグリッパ本体700に固着されて
いる。This acceleration sensor 600 has substantially the same configuration as the tactile sensor described above. That is, the single-crystal substrate 10 is formed on the strain-generating body 20, and the strain generated in the strain-generating body 20 can be detected as a change in electrical resistance on the single-crystal substrate 10. However, at the tip of the central action part of the strain body 20, there is a weight body
7.0 is connected, and the supporting portion around the strain-generating body 20 is fixed to the gripper main body 700 by the support base 80.
また、上部には保護のための蓋90が被せられている。Further, the top is covered with a lid 90 for protection.
加速度が作用すると、重錘体70に力が作用するため、
これを単結晶基板10上の抵抗素子の電気抵抗の変化と
して検出することができる。When acceleration acts, force acts on the weight body 70, so
This can be detected as a change in the electrical resistance of the resistance element on the single crystal substrate 10.
以上のとおり本発明によれば、ロボット用グリッパにお
いて、単結晶基板上に設けられた抵抗素子と、この抵抗
素子に機械的変形を生じさせる起歪体とを備える触覚セ
ンサを取付けるようにしたため、ワークの把持状態を十
分に把握することのできる精度の高い制御が可能になる
。As described above, according to the present invention, a tactile sensor comprising a resistance element provided on a single crystal substrate and a strain body that causes mechanical deformation of the resistance element is attached to a gripper for a robot. Highly accurate control that can fully grasp the gripping state of the workpiece becomes possible.
第1図は本発明の一実施例に係るロボット用グリッパの
構造を示す図、第2図は第1図に示すグリッパに用いる
触覚センサを示す図、第3図は第2図に示す触覚センサ
の配線図、第4図〜第7図は第2図に示す触覚センサの
動作原理を示す図、第8図は6構成分センサの上面図、
第9図は第8図の装置を切断線A−Aで切った断面図、
第10図は第8図に示す装置の各抵抗素子を用いて形成
した6つのブリッジの回路図、第11図は第8図に示す
装置の各抵抗素子の変化を示す図表、第12図は第8図
に示す装置にX軸方向の力が作用したときの状態を示す
図、第13図は第8図に示す装置にY軸方向の力が作用
したときの状態を示す図、第14図は第8図に示す装置
にZ軸方向の力が作用したときの状態を示す図、第15
図は第8図に示す装置にX軸まわりのモーメントが作用
したときの状態を示す図、第16図は第8図に示す装置
にY軸まわりのモーメントが作用したときの状態を示す
図、第17図は第8図に示す装置に2軸まわりのモーメ
ントが作用したときの状態を示す図、第18図は第8図
に示す装置において検出すべき力と検出電圧との関係を
示す図表、第19図は第2図に示す触覚センサを構成す
る単結晶基板の製造方法の一例を示す図、第20図およ
び第21図は第1図に示すグリッパの動作説明図、第2
2図は第1図に示すグリッパの変形例を示す図、第23
図は本発明の別な一実施例に係るロボット用グリッパの
構造を示す図、第24図は第23図に示すグリッパの変
形例を示す図、第25図は第23図に示すグリッパの動
作説明図、第26図は第23図に示すグリッパに加速度
が作用した場合の動作説明図である。
10・・・単結晶基板、11・・・ポンディングパッド
、12・・・ボンディングワイヤ、13・・・外部配線
用の電極、20・・・起歪体、21・・・支持部、22
・・・可撓部、23・・・作用部、24・・・取付孔、
25・・・配線孔、30・・・ビス、50・・・電源、
60・・・フレキシブルプリント基板、70・・・重錘
体、80・・・支持台、90・・・蓋、100・・・指
部材、110・・・第1節部、120・・・間接、13
0・・・第2節部、131・・・ねじ部、140・・・
駆動間接部、160・・・触覚センサ、170・・・接
触板、180・・・駆動間接部、200・・・ハンド部
材、201・・・起歪体、211・・・固定部、212
〜215・・・架橋部、216・・・作用部、221.
222・・・作用体、230・・・電源、 241〜2
46・・・電圧計、401・・・シリコン基板、402
・・・酸化シリコン層、403・・・開口部、404・
・・P型拡散領域、405・・・酸化シリコン層、40
6・・・窒化シリコン層、407・・・アルミニウム配
線層、500・・・ワーク、600・・・加速度センサ
、7o。
・・・グリッパ本体、S・・・作用点、R・・・抵抗素
子。
出願人代理人 志 村 浩0O
(b)
第1図
Ca>
第2図
第3図
第5図
(α〕 (ψ
(C) (d)(e)(f)
第10図
第11図
第1z図
第1:!1図
<b)
第15図
(b)
第16図
第17図
第f8図
第(C,図
too 130 120 )102001
りO
第21図
/
′9:)(α〕
第23図
詔2q図FIG. 1 is a diagram showing the structure of a gripper for a robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a tactile sensor used in the gripper shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram showing the tactile sensor shown in FIG. 2. 4 to 7 are diagrams showing the operating principle of the tactile sensor shown in FIG. 2, and FIG. 8 is a top view of the 6-component sensor.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 8 taken along cutting line A-A;
Fig. 10 is a circuit diagram of six bridges formed using each resistance element of the device shown in Fig. 8, Fig. 11 is a chart showing changes in each resistance element of the device shown in Fig. 8, and Fig. 12 is a FIG. 8 is a diagram showing the state when a force in the X-axis direction is applied to the device shown in FIG. 8. FIG. 13 is a diagram showing the state when a force in the Y-axis direction is applied to the device shown in FIG. 8. The figure shows the state when a force in the Z-axis direction is applied to the device shown in Figure 8, and Figure 15.
16 is a diagram showing a state when a moment around the X-axis is applied to the device shown in FIG. 8, and FIG. 16 is a diagram showing a state when a moment around the Y-axis is applied to the device shown in FIG. 8. Fig. 17 is a diagram showing the state when a moment about two axes is applied to the device shown in Fig. 8, and Fig. 18 is a chart showing the relationship between the force to be detected and the detected voltage in the device shown in Fig. 8. , FIG. 19 is a diagram showing an example of a method for manufacturing a single crystal substrate constituting the tactile sensor shown in FIG. 2, FIGS.
2 is a diagram showing a modified example of the gripper shown in FIG.
24 shows a modification of the gripper shown in FIG. 23, and FIG. 25 shows the operation of the gripper shown in FIG. 23. The explanatory diagram, FIG. 26, is an explanatory diagram of the operation when acceleration acts on the gripper shown in FIG. 23. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Single crystal substrate, 11... Bonding pad, 12... Bonding wire, 13... Electrode for external wiring, 20... Strain body, 21... Support part, 22
...Flexible part, 23...Action part, 24...Mounting hole,
25... Wiring hole, 30... Screw, 50... Power supply,
60... Flexible printed circuit board, 70... Weight body, 80... Support stand, 90... Lid, 100... Finger member, 110... First node, 120... Indirect , 13
0...Second knot portion, 131...Threaded portion, 140...
Drive joint part, 160... Touch sensor, 170... Contact plate, 180... Drive joint part, 200... Hand member, 201... Strain body, 211... Fixing part, 212
~215...Crosslinking part, 216...Action part, 221.
222... Effecting body, 230... Power source, 241-2
46... Voltmeter, 401... Silicon substrate, 402
... silicon oxide layer, 403 ... opening, 404.
... P-type diffusion region, 405 ... silicon oxide layer, 40
6... Silicon nitride layer, 407... Aluminum wiring layer, 500... Work, 600... Acceleration sensor, 7o. ...Gripper body, S...point of action, R...resistance element. Applicant's agent Hiroshi Shimura0O (b) Figure 1 Ca > Figure 2 Figure 3 Figure 5 (α) (ψ (C) (d) (e) (f) Figure 10 Figure 11 Figure 1z Figure 1:!1 Figure <b) Figure 15 (b) Figure 16 Figure 17 Figure f8 (C, Figure too 130 120 ) 102001
riO Figure 21/'9:) (α] Figure 23 Imperial Decree 2q Figure
Claims (1)
動自在に支持するハンド部材とを備え、前記指部材を前
記ハンド部材に対して動かすことによりワークの把持を
行うロボット用グリッパにおいて、 機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果
を有し、単結晶基板上に形成された抵抗素子と、 支持部と作用部とを有し、前記作用部の前記支持部に対
する変位に基づいて前記抵抗素子に機械的変形を生じさ
せる起歪体と、 を備える触覚センサを、ワークを把持したときにこの把
持動作によって前記支持部と前記作用部との間に変位が
生じるように前記指部材に設け、ワークと前記指部材と
の間の把持状態を前記抵抗素子の電気抵抗値の変化とし
て検出しうるように構成したことを特徴とするロボット
用グリッパ。 2、指部材を複数の節部で構成し、この節部を互いに連
結するために、前記触覚センサの支持部を一方の節部に
作用部を他方の節部に、それぞれ接続して前記触覚セン
サを間接部として用いることを特徴とする請求項1に記
載のロボット用グリッパ。 3、指部材のワーク支持面に、前記触覚センサの支持部
を固定し、前記触覚センサの作用部がワークに当接する
ように構成したことを特徴とする請求項1に記載のロボ
ット用グリッパ。 4、前記触覚センサが、XYZの3軸で表現される三次
元座標系における力およびモーメントを検出することが
でき、各軸方向の力および各軸まわりのモーメントを検
出するために各軸について少なくとも4つの抵抗素子が
設けられ、この4つの抵抗素子によってそれぞれブリッ
ジが形成されていることを特徴とする請求項1〜3のい
ずれかに記載のロボット用グリッパ。[Scope of Claims] 1. Comprising a finger member for grasping a workpiece and a hand member movably supporting the finger member, the workpiece can be grasped by moving the finger member relative to the hand member. A gripper for a robot that has a piezoresistance effect in which electrical resistance changes due to mechanical deformation, and includes a resistance element formed on a single crystal substrate, a support part and an action part, and the support part of the action part a flexure element that mechanically deforms the resistance element based on the displacement with respect to the part; and a tactile sensor comprising: a strain-generating body that causes mechanical deformation in the resistance element based on the displacement with respect to the part; A gripper for a robot, characterized in that the gripper is provided on the finger member such that the resistor element is arranged so that the gripping state between the workpiece and the finger member can be detected as a change in the electrical resistance value of the resistor element. 2. The finger member is composed of a plurality of joints, and in order to connect the joints to each other, the support part of the tactile sensor is connected to one joint, and the action part is connected to the other joint, respectively. The gripper for a robot according to claim 1, wherein the gripper is used as an indirect part. 3. The gripper for a robot according to claim 1, wherein the support part of the tactile sensor is fixed to the work supporting surface of the finger member, and the action part of the tactile sensor is configured to abut the work. 4. The tactile sensor is capable of detecting force and moment in a three-dimensional coordinate system expressed by the three axes of XYZ, and at least about each axis to detect force in each axis direction and moment about each axis. 4. The gripper for a robot according to claim 1, wherein four resistance elements are provided, each of which forms a bridge.
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