JPH0660857B2 - 巻付け型圧覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、巻付け型圧覚センサに関し、詳しくは複数
の指部を有するロボットハンドの指部に装着してこれに
よりロボットハンドに触覚を具えさせ、ロボットハンド
の作業性を向上させることができる巻付け型圧覚センサ
に関する。

〔従来の技術〕

従来ロボットハンド等に取付けて、ハンドに対して垂直
方向に加わる力の分布を検出する分布型圧覚センサとし
て、検出素子に導電性を有するゴムまたはプラスチック
を用いたものが提案されている。第６図はその１例で、
互いに直角方向をなす細い導電性ゴム条１，２を２層に
して組合わせたものである。この圧覚センサのゴム条配
列面に対して垂直方向の力が加われば導電性ゴム条１，
２の接触部分の面積が増加し抵抗が変化する。従って第
７図に示したように電圧端子３に、例えば5Vの電圧を10
00Ωの抵抗４を介して印加しておき、出力点５の電圧変
化を測定することにより、加えられた力の大きさを知る
ことができる。

ところが、このような導電性ゴムを用いた分布型圧覚セ
ンサでは、加えられた力に比例して接触部分の面積が変
化するとは限らないため、接触部分の抵抗値変化が力に
比例せずセンサ出力が非線型になること、および電圧端
子３、グランド端子34、出力端子５をそれぞれのゴム条
に接続しなければならないため、力の分布を高密度に検
出しようとすれば配線数が多くなってしまう。

また第８図は別の例で、ホール素子６を磁石７と対向さ
せ、センサヘッド８に垂直方向の力が加わった時にホー
ル素子６をばね９のばね力に抗して変位させ、ホール素
子６の近くの磁束密度の変化をホール素子６で検出する
ことにより加えられた力の大きさを知るものである。

しかし、このような分布型圧覚センサでは、人間型の複
数指を有するロボットハンドにその指の形状を変更する
ことなく、巻きつけて装着することが困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように、第６図および第７図によって示した形
態の分布型圧覚センサではセンサ出力が力に比例しない
欠点があり、第８図に示した形態のものは、ロボットハ
ンドの人間型の指部に巻回した状態で適用するには向い
ていない。

この発明は、上述した従来の問題点に着目し、その解決
を図るべく本発明者が提案した分布型圧覚センサに基づ
いて（特願昭61-301181号参照）、人間型の複数の指部
を有するハンド等の円筒形若しくはそれに類似した形状
の指部に沿って取りつけられるようにした、具体的にも
製造可能な巻付け型圧覚センサを提供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、外周部の少な
くとも一部を円弧面となし、ロボットハンドの指部に嵌
着可能な環状をなすフレームと、フレームの円弧面に沿
って装着され、格子状の切込み溝によりその上面が複数
の方形型要素に分割されたシート状の弾性体と、弾性体
の個々の方形型要素の上面に接合され、半導体ストレン
ゲージを有する単結晶シリコン板と、単結晶シリコン板
に電気的に接続され、複数の単結晶シリコン板を被包す
るごとくフレームに巻回したフレキシブルプリント基板
とを具え、単結晶シリコン板を介して指部に加えられる
荷重を半導体ストレンゲージの電気抵抗値の変化によっ
て検出するようにしたことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明によれば、ロボットハンドの指部の腹に相当する
フレーム部分の表面に、弾性体シートを介して単結晶シ
リコン板が保持され、さらに単結晶シリコン板と電気的
接続を有するフレキシブルプリント基板が単結晶シリコ
ン板を被包するようにその外側に巻回され、そのフレキ
シブルプリント基板にICや配線取出し用端子が配置され
るようにしたことによってセンサを装着する指部の形状
に合わせてセンサフレームを設けるだけで、円筒形若し
くはそれに類似した形状を有するロボットハンドの指部
に沿って取りつけることができて、人間型の多数指を有
するロボットハンドの作業性向上に貢献することができ
る。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明に適用する圧覚センサの基本的構成の概
要を示し、本例は本出願人が特願昭61-301181号公報に
開示の分布型圧覚センサとして提案したものである。こ
こで、11は固定基板、12は固定基板11に配設された比較
的小さいヤング率を有する弾性体であり、弾性体12には
格子状に切込み溝12Aが穿設されている。13は弾性体12
の上面に取付けられた単結晶シリコン板であり、その表
面には不図示の半導体ストレンゲージが形成され、これ
らによって複数の検出素子14が構成される。なお、15は
荷重印加部であり、荷重印加部15に力が加えられると単
結晶シリコン板13が弾性体12とともに変形し、単結晶シ
リコン板13上に形成された半導体ストレンゲージの抵抗
値が変化するので、単結晶シリコン板13とはんだ電極16
により電気的に接続されているフレキシブルプリント基
板17を介して上記抵抗値の変化を取出すことにより、単
結晶シリコン板13に対して垂直に加えられた力の大きさ
を検出することができる。

第２図は本発明の一実施例を示す。ここで、21はロボッ
トハンドの指部であり、本例ではその断面が円形である
が、要はその指部21の腹に相当する部分が円形に近い形
状でさえあれば、特にその断面形状にはこだわらない。
22は指部21に嵌合可能なように、ある種の弾性を有する
材料例えば金属またはプラスチックなどによるフレーム
であり、その一部に切欠き23を設けることにより指部21
にフレーム22が嵌め易いようにしてあって、このフレー
ム22によって巻付け型の圧覚センサ24自体が保持され
る。25 は格子状の切込み溝25Aによって個々の方形型の要素
（荷重を担持するもの）25Bにその上面が分離されてい
るシート状の弾性体であり、フレーム22よりは低い弾性
率を有するプラスチックまたはゴム系の材料で形成さ
れ、フレーム22に接着される。すなわち、このように上
面から溝25Aを切込ませることによって、弾性体25をフ
レーム22の表面になじみ易くさせ、更に他の要素に大き
い影響を及ぼすことなく１つの要素を独立的に変形さ
せ、以て隣接する要素に干渉出力が発生するのを防止す
る。

26は弾性体25の各要素25Bの上面に接着された単結晶シ
リコン板であり、単結晶シリコン板26の表面には不図示
の半導体ストレンゲージや電極などが形成されていて、
個々の荷重印加部27を介して単結晶シリコン板26に荷重
Ｐがかけられると、その撓みが半導体ストレンゲージの
抵抗値の変化として検知されることにより、指の触覚に
対応した圧覚を圧覚センサ24によって検出することがで
きる。

更に28は上述した単結晶シリコン板26の表面を被包する
ようにして設けられたフレキシブルプリント基板であ
り、フレキシブルプリント基板28には不図示の配線パタ
ーンが形成されていて、単結晶シリコン板26とは、はん
だ電極部29を介して電気的に接続される。また、このフ
レキシブルプリント基板28は本図に示すようにフレーム
22の周囲を囲繞するようにして巻着されており、その背
部にあたる部分には信号切換え用のIC回路30がはんだ付
等によって取付けられ、更にまた、フレキシブルプリン
ト基板28から取出された信号配線31等がこの部分から第
３図に示すように指部21に沿ってハンド側に導設されて
いることによって、上述した抵抗値の変化をIC回路30を
介し、信号配線31により外部にとり出すことができる。

次に、第4A図および第4B図によって上述したような巻付
け型圧覚センサの組立手順について説明する。

まず、第4A図に示すように内面形状が指部21になじむ形
を有するフレーム22のその指部の腹に相当する部分に格
子状の切込み溝25Aを入れた弾性体25を接着により取り
つける。次に、弾性体25の、切込み溝25Aにより分離さ
れた各要素25Bの表面に、不図示の半導体ストレンゲー
ジや電極等を形成した単結晶シリコン板26を接着する。

さらに第4B図に示すように、単結晶シリコン板26に付設
した突起状の荷重印加部27をフレキシブルプリント基板
28に形成した孔部32に挿入し、単結晶シリコン板26上の
不図示の電極とフレキシブルプリント基板28上の不図示
の電極とが対向位置で接触するように位置決めし、はん
だ電極部29にレーザ光33を照射してはんだ付けし、双方
間に電気的接続が得られるようにする。

しかる後、フレキシブルプリント基板28をフレーム22に
沿って接着し、指部21の背に対応するフレーム22の部分
にIC回路30と信号配線31をはんだ付けすることにより、
第２図に示したような巻付け型圧覚センサを完成させる
ことができる。

第5A図〜第5C図は第２の組立手順を示す、まず第5A図に
示すように、不図示の半導体ストレンゲージや電極等が
形成された単結晶シリコン板26を、その表面に付設され
ている荷重印加部27がフレキシブルプリント基板28に形
成した孔部32に嵌入されるようにして位置決めし、単結
晶シリコン板26の側からレーザ光33を照射してはんだ電
極部29をはんだ付けする。

一方、第5B図に示すように、フレーム22の指部21の腹に
相当する部分に、格子状の切込み溝25Aを入れた弾性体2
5を接着により取付ける。次に第5C図に示すようにし
て、第5A図に示した単結晶シリコン板26とフレキシブル
プリント基板28とを一体としたものを、フレーム22に弾
性体25を接着一体化したものにそれぞれ位置合わせして
その間を接着する。そして最後にフレキシブルプリント
基板28をフレーム22に沿って接着し、そのフレーム22の
指部21の背に相当する部分にIC回路30および信号配線31
を第２図に示すようにしてはんだ付けし、巻付け型圧覚
センサを完成させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、指部に嵌め込ま
れるフレームの指部の腹の相当する部分の外周部に、上
面に格子状の切込み溝を入れたシート状の弾性体を取付
けし、その分離された弾性体の個々の表面に単結晶シリ
コンを接着し、これらを被包するようにしてフレキシブ
ルプリント基板をフレーム上に巻回し、フレームの上述
した指部の背に対応する部分にIC回路や信号配線を取り
つける構成としたので、指部の腹に相当する部分に力が
加わった時に単結晶シリコンが弾性体シートとともに変
形するのを、単結晶シリコン表面に形成した半導体スト
レンゲージの抵抗値の変化として検出することができ、
また、円筒形あるいはそれに類似した形状を有するロボ
ットハンドの指部に容易に嵌着させることができるの
で、ハンドの指部に加わる力の分布を精度よく検出する
ことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する圧覚センサの基本的形態を示
す断面図、 第２図は本発明の一実施例を示す断面図、 第３図は第２図を矢印方向から見て示す上面図、 第4A図および第4B図は本発明の組立順序を示す説明図、 第5A図、第5B図および第5C図は本発明の別の組立順序を
示す説明図、 第６図および第７図は従来の圧覚センサの基本的構成の
一例を示す斜視図およびその回路構成図、 第８図は従来の他の圧覚センサの例を模式的に示す構成
図である。 21…指部、 22…フレーム、 23…切欠き、24 …圧覚センサ、25 …弾性体、 25A…切込み溝、 25B…要素、 26…単結晶シリコン板、 27…荷重印加部、 28…フレキシブルプリント基板、 29…はんだ電極部、 30…IC回路、 31…信号配線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外周部の少なくとも一部を円弧面となし、
   ロボットハンドの指部に嵌着可能な環状をなすフレーム
   と、 該フレームの前記円弧面に沿って装着され、格子状の切
   込み溝によりその上面が複数の方形型要素に分割された
   シート状の弾性体と、 該弾性体の個々の前記方形型要素の上面に接合され、半
   導体ストレンゲージを有する単結晶シリコン板と、 該単結晶シリコン板に電気的に接続され、複数の前記単
   結晶シリコン板を被包するごとく前記フレームに巻回し
   たフレキシブルプリント基板とを具え、 前記単結晶シリコン板を介して前記指部に加えられる荷
   重を前記半導体ストレンゲージの電気抵抗値の変化によ
   って検出するようにしたことを特徴とする巻付け型圧覚
   センサ。