JPH0474942A - 力覚センサーの三次元入力装置 - 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） 本発明は自動化製造装置やロボットの物品把握部等で対
象物を把握する場合の把握力の自動設定等に使用する力
覚センサーの入力装置に関し、特に拡散歪ゲージを形成
したシリコン単結晶板を起歪体上に接合した拡散型力覚
センサーの入力装置に関する。

（従来の技術とその課題） 先ず、本発明の対象となる拡散型力覚センサーについて
、その概要を説明する。従来より知られている力覚セン
サーは三次元構造に加工された起歪体にストレインゲー
ジを貼付したものであるが、大きさや感度、更に価格の
面で充分ではない。

これを改良したものとして、シリコン単結晶板に機械的
外力を加えると結晶格子に歪みを生じ、半導体中のキャ
リア数や移動度が変化して抵抗率が変わる現象、即ちピ
エゾ抵抗効果を利用して起歪体の歪みを抵抗の変化に変
換し、ブリフジ回路によって起歪体に加わる力を電気信
号に変換するものである。

拡散型力覚センサー（以下単に力覚センサーという）１
０の起歪体１１は第４図に示すように環状のダイアフラ
ム１２が形成され、ダイアフラム１２の工ッジ部１２ａ
　、１２ｂの上方にゲージ抵抗１４−１〜１４−４が形
成されている。このゲージ抵抗１４−１〜１４−４は第
４図に示すように、起歪体１１の一つの直径上の一烏側
から他端側に１４−１．１４−２．１４−３．１４−４
の順に配置されており、この順序はＸ軸周、Ｙ軸用、Ｚ
軸周とも同じである。又、このダイアフラム１２の中心
からダイアフラム面に垂直に検出アーム１３が延伸して
いる。

この起歪体１１にＸ軸又はＹ軸方向のモーメントが働い
た時、又はＺ軸方向の力（押力、又は張力）が働いた時
の変形シミュレーションを第５図、第６図に示す。

上述のブリフジ回路は第７．８．９図に示すもので、こ
の各ブリッジ回路を構成している各辺の抵抗Ｒｘｌ〜Ｒ
ｘ４、ＲＹ１〜ＲＶ＋、Ｒｚ１〜Ｒｚ４が外力を受けた
時に第１表に示す変化を起こす。この変化により、Ｘ軸
モーメント（Ｍｘ）、Ｙ軸モーメント（Ｍｙ）、Ｚ軸押
張力（Ｆｚ）を検出することが出来る。

第１表 以上のように構成された３軸以上の軸数を有する力覚セ
ンサー１０を使用する場合の入力方法としては、測定す
べき変位部材の測定点と力覚センサー１０の検出アーム
１３を連結して測定するが、この連結が従来は金属棒等
の剛体を使用して行っていた。

このために、次のような問題がある。

ｌ）直接１８械的に連結しているため、変位部材の変位
量が大きく、力覚センサー１０の検出アーム１３の許容
変位置を超過すると、力覚センサー１０を破壊してしま
うことになる。

２）Ｘ、Ｙ方向と２方向の変位を同時に入力する三次元
入力のためには、入力側の接続機構が複雑になってしま
う。

本発明は上述の問題を解決して、簡単で、かつ力覚セン
サーを破壊することのない三次元入力装置を提供するこ
とを課題とする。

（課題を達成するための手段） 上述の課題を達成するために、拡散歪ゲージを形成した
シリコン単結晶板を起歪体上に接合してなる力覚センサ
ー１０の入力装置において、被測定物に固定されて変位
するグリッパ−１，４の測定点１ａ、４ａと前記力覚セ
ンサー１０の検出アーム１３の先端とを糸状弾性体２で
連結して信号の入力を行うものである。

又、前記グリッパ−４には送信器６を設け、前記力覚セ
ンサーｌＯにはこれに接続される出力処理装置７と、前
記送信器６の送信々号により前記出力処理装置７を動作
させる受信器８を設けたものである。

（作用） 上述のように、糸状弾性体の弾性限界内ではＸ軸モーメ
ント及びＹ軸モーメントは糸状弾性体により引っ張られ
る方向で、Ｚ軸張力は糸状弾性体の伸びに比例した張力
（弾性体の伸びに反抗する張力）により、検出される。

（実施例） 第１図は本発明の入力装置の一例の説明図である。この
入力装置はＺ軸方向の外力は張力の場合のみに利用でき
るものである。

被測定物に固定されて変位するグリ・ツバ−Ｉの先端の
測定点１ａと力覚センサー１０の検出アーム１３の先端
とは、この先端に取付けたユニバーサルジヨイント等の
方向可変の連結部材３を通して糸状弾性体２で連結する
。

このような構成の入力装置の動作は、糸状弾性体２の伸
びに対する張力は、その弾性限界内において使用する限
り、次式■で表せる力Ｆが連結部材３に働くことになる
。

力覚センサー１０に伝わる力Ｆは、伸ばした時点での糸
状弾性体２の長さをＲ１元の長さをＲｏ、ｋをハネ定数
とすれば、 Ｆ＝（ＲＲｏ）ｋ・・・・■ ■を変換してＲを求めると、 Ｒ＝Ｆ／に＋ＲＯ＝　　、／Ｆｘ　＋Ｆｙ　＋Ｆｚ　　
／に＋Ｒ。

＝　　Ｊ　Ｍｘ　Ｌ）　　＋　Ｍｙ／Ｌ）　　＋Ｆｚ　
　／に＋Ｒｏ−−・■ここで、Ｌは連結部材３の接続点
Ａからダイアフラム１２の中心Ｐまでの長さを示す。（
第３図参照） この糸状弾性体２の伸び（Ｒ−Ｒｏ）は、その弾性限界
内では伸びの長さと糸状弾性体２の張力（弾性体の伸び
に抗する張力）とは比例することから、この力Ｆは、上
式のようにＦｘ、　Ｆｙ、　Ｆｚに分解して考えること
が出来、Ｆｚはそのまま力覚センサー１０の出力として
取出すことが出来るが、Ｆｘ、　Ｆｙはそれぞれ次式■
、■゛で表すような力のモーメントＭｘ、　Ｍｙとして
力覚センサー１０から出力される。

Ｆｘ＝Ｍｘ／Ｌ・・・・■　　Ｆｙ−Ｍｙ／Ｌ・・・・
■これらのＭｘ、　Ｍｙ、　Ｍｚと１１、ｋ、　　ＲＯ
を用いれば計算式■〜■により、グリッパ−１の先端の
測定点１ａの座標（ｘ、ｙ、ｚ）が求められることにな
る。

θ１＝ｊａｎ−１（Ｆｙ／Ｆｘ）　−ｔａｎ−’（Ｍｙ
／Ｍｘ）　ＨＨＨＨ■θ２＝ｊａｎ−１（ＪＦｘ　＋Ｆ
ｙ　　／Ｐｚ）＝ｔａｎ−’（、／Ｍｘ　＋Ｍｙ１ルＦ
ｚ）・　・　・　・■ 以上、■、■、■より測定点１ａの座標はｘ−（７（ｆ
ｉｘ　Ｌ　　＋（Ｍｙ　Ｌ　　＋　Ｆｚ　Ｌ　　　／に
＋Ｒｏ）Ｘ　　ｓｉｎθ２ｃｏｓθｌ　°■ ｙ　−（／（Ｍｘ／Ｌ）　　＋　（Ｍｙ／Ｌ）　　＋　
（Ｆｚ／Ｌ）　　／に＋Ｒｏ）Ｘ　　ｓｉｎθ２Ｓｉｎ
θｌ’■ となり、力覚センサー１０の出力門ｘ、　Ｍｙ、　Ｆｚ
とし、糸状弾性体２によって決まるｋとＲ８のみで座標
が計算され、グリッパ−１の先端の測定点１ａの位置を
算出することが出来る。

第２図は同じく他の例の説明図である。この例ではグリ
ッパ−４の先端の測定点４ａと力覚センサー１０の検出
アーム１３との連結は上述の例と同しであるが、グリッ
パ一部分及び力覚センサ一部分が相違しているものであ
る。

グリッパ−４には内部に送信器６が設けてあり、スイッ
チ５で操作するように構成されている。この送信器６は
送信々号としては電波、音波、光、赤外線の何れかが使
用されている。

力覚センサ一部分は力覚センサー１０そのものは上記実
施例のものと同しであるが、この検出信号を処理する出
力処理装置７と上記送信器６の送信々号を受けて出力処
理装置７を動作させる受信器８及びこれらの電源９を設
けたものである。

この例では、力覚センサー１０そのものの動作は上述の
例と同じであるが、グリッパ−４でスイッチ５を操作す
ることによって送信される送信々号を受信器８が受信し
、この受信々号により出力処理装置は力覚センサー１０
の検出アーム１３の受けている外力を座標計算し、グリ
ッパ−４の先端の測定点４ａの座標を算出する。

（発明の効果） 上述のような三次元入力装置を用いれば、簡易型三次元
測定器や図形入力及びボクシングゲーム等のコンピュー
ター入力装置、更には図面や地図等から実測距離及び面
積を測定することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の入力装置の一例の説明図、第２図は同
じく他の例の説明図、第３図は力Ｆをベクトル成分に分
解した説明図、第４図は起歪体断面図、第５図はＸ　（
Ｙ）軸方向の変形シミュレーション図、第６図はＺ軸方
向の押力（張力）の変形シミュレーション図、第７図は
Ｘ軸周ブリ、７ジ回路図、第８図はＹ軸周ブリフジ回路
図、第９図はＺ軸周ブリッジ回路図である。 １ニゲリソパー、　２：糸状弾性体、　４ニゲリソパー
、　６：送信器、　７：出力処理装置、８：受信器、　
１０：力覚センサー　　１３：検出アーム。 箋３目 手 続 補 正 書 （自発） １゜ 事件の表示 平成２年 特 許 願 第１８８４６９号 ２゜ 発明の名称 力覚センサーの三次元入力装置 ３゜ 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　埼玉県用口市並木２丁目３０番１号名　称　
　株式会社　エンプラス ４゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶板を起歪体
   上に接合してなる拡散型力覚センサーの入力装置におい
   て、被測定物に固定されて変位するグリッパーの測定点
   と前記力覚センサーの検出アームの先端とを糸状弾性体
   で連結して信号の入力を行うことを特徴とした力覚セン
   サーの三次元入力装置。 ２）前記グリッパーには送信器を設け、前記力覚センサ
   ーにはこれに接続される出力処理装置と、前記送信器の
   送信々号により前記出力処理装置を動作させる受信器を
   設けたことを特徴とする第１項記載の力覚センサーの三
   次元入力装置。