JPH01316193A - ロボット用グリッパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

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。

〔作　用〕

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ＭＸ、ＭＹ、ＭＺｔ、１ｍ比例した電圧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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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
）　。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、上部には保護のための蓋９０が被せられている。

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。

〔発明の効果〕

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
。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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、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。