JPS61283842A

JPS61283842A - 力覚センサ

Info

Publication number: JPS61283842A
Application number: JP60125807A
Authority: JP
Inventors: Koichi Fujiwara; 幸一藤原; Kunitoshi Nishimura; 国俊西村; Minoru Ito; 稔伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-06-10
Filing date: 1985-06-10
Publication date: 1986-12-13

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、ロボットのアームとノ１ンドの間に装着し、
ハンドに作用する外力やモーメントを検出する力覚セン
サに関するものである。

「従来の技術」従来、この種の力覚センサの原理は、板ばね等　　　　
　′の弾性体の表面に貼設された歪ゲージにより変位　
　　　　゛を検出する方法によるものが一般的であった
。したがって６自由度の力覚センサを得るためには、”
１７１　　冨軸および各軸まわりのモーメントを同時に
独立して検出する必要がある。第５図にスタンフォード
研究所（５ｔａｚｆｏｒｄ　−Ｒｅｓｅａｒｏｈ　工ｎ
５ｔｉｔｕｔｅ）で発明されたロボット手首用力覚セン
サの一例を示す（長谷用：「ロボットの触覚」、システ
ムと制御、　Ｖｏ＆　２２．　＆７．　　ＰＰ、　４０
９−４１６−１９７８）。第５図において、１，１′は
Ｘ軸方向の力を検出する弾性柱であって、１と１′はｚ
軸に対して対象な位置に設けられている。同様にして、
２．２′はｙ軸方向の力を検出する弾性柱である。

また、３．ご並びに４，４′はＸ軸方向の力を検出する
弾性柱である。上記各々の弾性柱の側面には、第６図に
示されるように、歪ゲージ５．キが貼設されている。第
５図の力覚センサは一例にすぎないが、従来の力覚セン
サのほとんどすべてのものは、弾性体の構造を工夫し、
６自由度の力を分離して検出することに重点が置かれて
いた。

「発明が解決しようとする問題点」しかしながら、前述した方式の歪ゲージを用いた従来の
力検出方式は、構造体が複雑になり、力覚センサの小型
化、軽量化には限度があるため、可搬重量数ゆ以下の小
型ロボットに適した外径数Ｃｍ以下の力覚センサは製造
困難であった。

一方、力覚センナの感度と負荷容量については、従来の
技術では、上記弾性体のばね定数を任意に変化させるこ
とはできないために、高感度でかつ高負荷に耐える力覚
センサの実現は困難であった。

なお、特公昭５９−１５３１３５号明細書に示されてい
る「力センサ」においては、かかる問題解決の一方法と
して、ローラの直進案内で受けた一方向の変位をポテン
ショメータで検出し、ラッ名ヒニオン、モータから成る
駆動機構によりこの変位に抗する復元力を加えることで
力センサの剛性を任意に変化させる方法が提案されてい
る。しかしながらこの方法で多自由度の力覚センナを提
供するためには、自由度と同数のフィードバック系を必
要とするので、装置の構成が複雑かつ大がかりになる欠
点があった。

「発明の目的」本発明の目的は、高感度で負荷容量が太き（、かつ小型
化、軽量化に適した新原理に基づく６自由度力覚センナ
を提供することｋある。

ｒ問題点を解決するための手段」前記問題点を解決するために本発明は支持体に可動部を
弾性体を介して取り付け、前記支持体と可動部のどちら
か一万に、所定の変位平面に沿った２次元変位を検出す
る３つの非接触変位検出器を、また、他方に、前記非接
触変位検出器の標的を形成する標的形成体を、各々、非
接触変位検出器に標的形成体を対向させて取り付け、前
記３つの非接触変位検出器を、各変位平面を互いに直交
する平面内に含むように配置したものである。

「作　用」３つの非接触変位検出器が各々２次元変位を検出して６
自由度の外力を検出するとともに、歪ゲージや駆動機構
を有しないために小型軽量化も容易である。

「実施例」第１図に示す本発明の第１実施例を説明するにあたり、
まず、本発明の力覚センナの基本となる作動原理につい
て第２図を基に説明する。

第２図は本発明の詳細な説明するためのものであって、
直交するＸ、　７．　　Ｚ軸において１０１はＸ軸に垂
直なｙ　ｚｉｌ平面、１０２はｙ軸に垂直なπ平面、１
０３はｚ軸に垂直なｘｙ平面である。図中黒丸で示した
１０４，１０５，１０６はそれぞれ初期状態での！、７
．ｍ軸（実線）と該平面１０１．１０２，１０３との交
点を、また、図中白丸で示した１０７，１０８，１０９
はそれぞれ外力が作用し、変位した状態でのｘ’、　　
ｙ’、　　＃軸（２点鎖線）と該平面１０１，１０２，
１０３との交点である。また、！、７．Ｍ軸の原点を標
的と称することとする。したがって１１０及び１１１は
それぞれ初期状態及び外力が作用した状態での標的の位
置を示す。なお、ここでは該平面１０１゜１０２．１０
３は固定し、Ｘ、　　ｙ、　　、軸が外力により変位す
る場合を説明したが、逆の場合すなわち、該平面１０１
，１０２，１０３の相対位置は変化せず、これらの平面
が一体となって変位する場合も同様に成立する。更に、
Ｆｘ、　　Ｆｙ、　　ＦｇはそれぞれＸ軸、ｙ軸、Ｘ軸
方向にかかる外力の大きさ、ＲＸ　ｚ　　Ｒ７＊　Ｒｚ
はそれぞれＸ軸、ｙ軸。

２軸まわりのトルクの大きさである。

該平面１０１，１０２，１０３上での変位量を第２図で
示したように定義すれば、外カＦｘ、Ｆ７ｔＦｚ、）ル
クＲ”　ｔ　　Ｒ７ｓ　　Ｒｚは次式で与えられるＯＦＸ　＝ｋｓ　（ｕｙｚ＋　ｕＫＫ　）　　　　　　（
１１Ｆ　７　”　ｋｇ　（ｕ　ｘｙ＋　ｕ２７）　　　
　　＋２）Ｆ　”　＝　ｋｓ　（ｕ　ｘｘ＋　ｕｙｚ　
）　　　　　　（（ｌＲＸ　＝ｌ　ｔ　　（ｕｙｚ　　
　ｔｊｚｙ　）　　　　　　　　　　（４１Ｒｙ　＝　
ｉｓ　（ｕニーＵ。）（５）ＲＥ　＝　ｌｌｓ　（ｕｘ
ｙ　　ｕｙｘ　）　　　　　　（６）ココテ、ｋｔ　＠
　　ｋｅｙ　　ｋｇ　、１１ｐ　　１ｌｘｙ　　ＩＳは
装置固有の定数である。上記標的が等方的弾性体で支持
されている場合、ｋｇ　＝に２＝ｋａ　＝に、　ｌｈ　＝ｌｚ　＝ｌｓ　
Ｅｌまた、該等方弾性体の変位を外部から等方的に拘束
し、剛性を向上した場合の上記定数なｋｌ、　　６７と
すると、＆）ｃ、　　Ｉ＞ｅとなる・したがって、あらかじめ、種々の拘束力の下で
の拘束力と）ｔ、　　ｌｌの較正を行っておけば、上記
６個の変位量、Ｕ７３Ｃ＃　　”ＺＺ＊　　”Ｘ７ｅ”
２７ｍ　　”Ｘ１ｌｚ　　ｕ７ｚを測定することにより
（１）〜（６）式により外力Ｆ　Ｘｇ　　Ｆ　７１　　
Ｆ　ｚｇ　ＲＸｓ　　Ｒ７ｔＲｚが求められる。

本発明は、以上説明したような基本原理に基づいてなさ
れたものであり、以下にその第１実施例について説明す
る。

第１図は本発明の第１実施例を説明する図であって、１
０は繊維強化型のフッ素系ゴムから成る球状弾性体、１
１．１１’は該球状体弾性体１０の上部と下部に取り付
けたフランジ、１２は該フランジ１１１に取り付けられ
て後述する変位検出器を支える支持台、１３は！、　　
ｌｉｔ軸方向の２次元変位を検出する非接触型の板状の
第１変位検出器、同機に１４はｙ、ｚ軸方向の２次元変
位を検出する非接触型の板状の第２変位検出器、１５は
ＸｍＶ軸方向の２次元変位を検出する非接触型の板状の
第３変位検出器であり、これらの各検出器１３゜１４．
１５が各々変位平面を構成する。該検出器１３．１４．
１５は本実施例においては、半導体２次元位置検出素子
（ＰＳＤ）を用いた。なお、以後、第１変位検出器１３
は第１ＰＳＤ１３、第２変位検出器１４は第２ＰＳＤ１
４、第３変位検出器１５は第３ＰＳＤ１５と各々略称す
ることにする。１６は該第１ＰＳＤ１３に対向する光フ
ァイバ（標点形成体）、同様に１７は該第２ＰＳＤ１４
に、１８は該第５ＰＳＤ１５に各々対向する光ファイバ
（標点形成体）であり、該光ファイバ１６ｓ　　１７　
ｔ　　ｉ　８のそれぞれの先端は第２図の標的１１０に
相当する。１９は該光ファイバ１６により第１　ＰＳＤ
Ｉａ上に照射された光点（標点）を示す。同様に２０は
該光ファイバ１７により照射された第２ＰＳＤ１４上の
光点（標点）、２１は該光ファイバ１８により照射され
た第３ＰＳＤｌｓ上の光点（標点）である。これらの光
点１９゜２０．２１はそれぞれ第２図における１０５又
は１０８．１０４又は１０７．１０６又は１０９に相当
する。２２は３本の該光ファイバ１６．１７゜１８を固
定するスリーブ、２３はロボット本体のアーム（支持体
）の一部であって、該スリーブ２２は該アーム２３に固
定され、該アーム２３は該７ランジ１１に取り付げられ
ている。２４はロボットのハンド（可動部）であって、
該ノ１ンド２４は該７ランジ１１’に取り付けられ、該
球状弾性体１０で保持されているから、該ハンド２４に
外力が作用すると、該変位検出器支持台１２は自由度６
の動きが可能となる。一方、該ＰＳＤ１３．・１４゜１
５はお互いに９０度の角度で連続するように組立てられ
、該変位検出支持台１２上に支持されている。したがっ
て、該ハ／Ｐ２４に外力が作用すると、該光ファイバ１
６．１７．１８により照射された該光点１９，２０，２
１は該Ｐ　Ｓ　Ｄ　１３゜１４．１５の平面上を２次元
的に移動するから、これらの光点の位置を電気的に測定
（なお、測定方法は大橋義春、山本晃永：電子材料、１
９８０年２月号に記載されている方法を用いる。）する
ことにより、初期状態からの変位を算出でき、あらかじ
め較正して得られた該球状弾性体ｌＯの変位と力の関係
から、ハンド２４に加わった力に換算してその値を求め
ることができる。なお、２次元変位検出器としては本実
施例のように光学的方法を用いた場合は、ＣＣＤ等の種
々の固体イメージセンサも使用可能である。なお本実施
例で使用した力覚センサの大きさは、直径３ｃｍ、重さ
約１５０ｇ、力感度０．５１であり、昭和６０年度に商
品化が計画されている（日経産業新聞５９年９月２７日
付）市販の最小のものに比べ約１７６となり、小型、軽
量化をなしえた。更に、前記構造の変位量測定機構部は
該弾性体内部にあり、密閉構造であるので、内部に塵埃
、油等の異物が浸入することもなく、信頼性の高い力覚
センサが得られる。

したがって、今後ロボットの活躍が期待されている小型
の精密部品組立用の小型ロボットの力覚センナとして最
適である。

以上の説明から明らかなように、従来技術では各自由度
毎に独立した弾性体に貼設さルた歪ゲージを配置する方
法であったが、本実施例では、等方的弾性体を使用し、
該弾性体に支持された６自由度の標点の変位を互いに直
交する６平面上に向き合って配置された３個の２次元位
置検出器により検出する方法であるので力覚センサの原
理が異なっている。

さらに、従来技術では、一般に弾性体の形状、寸法を変
えない限り、該弾性体の剛性は変わらず、力感度および
負荷容量は装置固有の不変値であった。また、前述した
公開特許公報、昭５９−１５３１３５号明細書に示され
ている「カセンカにおいては、各自由度毎にアクチュエ
ータにより剛性を調節する方法であるのに対して、本発
明では、１つの等方弾性体の変位を外部から等１的に拘
束して剛性を調節する方法であるので、構成が簡単な特
長を有している。

第３図は本発明の第２実施例の光源部分を示すもので標
点の変位を測定する方法は第１実施例と同様であるが、
本実施例にあっては、第１実施例における光７アイバ１
６，１７，１８の代わりＫ。

光ファイバを１本のみ使用した場合の実施例である。

３０は光ファイバ（標点形成体）、３１は光分波ハウジ
ング、３２は光分波部品、３３は該分波部品３２に設け
られ、Ｚ軸方向の光を通す貫通孔、３４はＸ軸方向の光
を集光するヘロツドレンズ、同様に３５．３６はそれぞ
れｙ軸方向、Ｘ軸方向の光を集光するロッドレンズ、３
７はＸ軸方向の光線、同様に３８．３９はそれぞれｙ軸
、２軸方向の光線である。該光分波部品３２は四角錐台
状になっており、プラスチックを成形加工して形成した
ものである。光分波部品３２の各面には反射率を良くす
るためＡＪめつきが施されている０そして該光ファイバ
３０、該光分波部品３２、該ロッドレンズ３４，３５，
３６はそれぞれ、該ハウジング３１！に固定されている
。なお、該ノ１ウジング３１は前記第１実施例の前記ス
リーブ２２０機能も合わせ持っており、該光ファイバ３
０を補強するとともに、前記ロボットのアーム２３に固
定されている。

第４図は本発明の第３実施例を説明する断面図である。

本実施例にあっては、標点の変位を測定する方法は前記
第１実施例と同様であるが、第↑実施例における球状弾
性体１０の構造と、該球状弾性体ｌＯの内部に圧力の調
節機構を付加した点において異なっている。

ｊＩ４＠において、４０は繊維強化型プラスチックス（
ＦＲＰ）から成る球状の内側シェル、４１はＦＲＰから
成る球状の外側シェル、４２は該内側シェル４０と該外
側シェル４１の間に充てんされたフッ素系ゴムから成る
弾性体、４３は該内側シェル４０に接続されて該内側シ
ェル４ｏの内圧調節を行うガス導入管、４４はガス封止
弁である。

該内側シェル４０はロボットのアーム２３側に固定され
、また該外側シェル４１はロボットのハンド２４側に固
定されている。該内側シェル４０におけるハンド２４側
の先端部と変位検出器支持台１２との間、並びに、該外
側シェル４１におけるアーム２３側の先端部と該アーム
２３との間には一定のすき間ｄが各々設けられており、
該弾性体４２を介する該内側シェル４ｏと該外側シェル
４１の相対運動を妨げないようになっている。しかし、
過度の外力が該ハンド２４に加わった場合、該内側シェ
ル４０と該外側シェル４１の相対運動は上述のすき間４
部分で拘束されるため、光ファイバ１６．１７．１８と
２次元変位検出器１３，１４．。

１５の接触に伴なう破損を防止することができる＠核内
側シェル４０の内圧の調節は外部の設置した小型コンプ
レッサを用いて、１驚から１０υの範囲まで変化させた
。本実施例では、該外部シェル４１、該内部シェル４０
の直径はそれぞれ４ｃ、ｍ。

２ｃｍである。力感度と負荷容量は、内圧１盟の場合、
それぞれ０．５Ｌ１ｋｉ９であり、内圧１０盟の場合、
それぞれｓｇ、ｓｍであった。

該内側シェル４０の内圧を変えた場合、該外側シェル４
１と該内側シェル４０の相対変位と、該ハンド２４に作
用する外力の関係は変化するので、あらかじめ、該内圧
をパラメータとして、該相対変位と該外力の関係を較正
しておく必要がある。

該内圧は、外部に設置した圧力調整装置と接続して、該
力覚センサの出力をフィードバックして随時調整するこ
とにより、力覚センサの感度、負荷容量を、その場で任
意に調整することもできる。

また、ガス封止弁４４により一定の内圧を保持した状態
で、該圧力ｖ４１ｉ装置な力覚セ／すかも切り離し１作
業に供する方法をとってもよい。したがって本実施例の
力覚センサにあっては、ハンドＵに過大な外力が加わっ
たとき、該弾性体４２の変位量を前述の如・き隙間ｄを
利用して自律的ｋ、および、圧力操作による他律的方法
により拘束できる機能を有しているので、力覚センサの
破損を防止することができる。

「発明の効果」以上説明したように本発明の力覚センナは、支持朱に弾
性体を介して可動部を取り付け、２次元変位を検出する
３つの非接触変位検出器と、これに対する標点形成体と
を可動部と支持体に取り付であるため、可動部に作用し
た外力を３つの変位平面上を移動する標点の２次元的変
位量から算出することができる。また、歪ゲージやボテ
ンシロメータを利用して構成されていた従来の力覚セン
サにあっては、６自由度を得るために弾性体に備える歪
ゲージの配置な複線にする関係から弾性体を大型かつ複
雑化したり、ポテンショメータに付属させるべき駆動機
構を要するために装置構成が複雑かつ大がかりになって
いたのに比較して、本発明の力覚センサにあっては弾性
体に歪ゲージを備える必要がなくなって弾性体の構造を
簡略化できるとともに、駆動機構が不要になって小型軽
量化をなし５る。したがって本発明の力覚センサは、小
型精密部品組立用等に這した小型ロボット用として最適
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成図、第２図は本発明
の原理を示す図、第３図は本発明の第２実施例の光源部
分の構成図、第４＠は本発明の第３実施例の構成図、第
５＠は歪ゲ」ジな用いた従来の力覚センサに採用されて
いる弾性体の一例め構成図、第６図は第５図のｂ部分の
拡大図である。１０．４２・・・・・・弾性体、１３．　１４．　１５
・・・・・・２次元変位検出器、ｔｇ、１７ｔ　　１８
ｔ　　３０・・・・・・光ファイバ（標点形成体）、１
９．２０．　２１・・・・・・光点（標点）、２３・・
・・・・ロボットのアーム（支持体）、２４・・・・・
・ロボットのハンド（可動部）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）支持体に可動部が弾性体を介して取り付けられ、
前記支持体と可動部のどちらか一方には、所定の変位平
面に沿う標点の２次元変位を検出する３つの非接触変位
検出器が、また、他方には、前記変位平面に標点を形成
する標点形成体が、各々、取り付けられてなる力覚セン
サであって、前記３つの非接触変位検出器は、各変位平
面を互いに直交する３つの平面内に各々配置して設けら
れたことを特徴とする力覚センサ。
（２）弾性体に中空部が形成され、弾性体に、この中空
部内の圧力を制御する圧力制御手段が付設された特許請
求の範囲第１項記載の力覚センサ。
（３）標点形成体が弾性体の中空部内に設けられた光フ
ァイバからなり、標点は光ファイバから前記中空部内の
非接触検出器の変位平面に投光された光ビームにより形
成される光点からなり、該光ビームは先端を互いに異方
向に向けて設けられた３本の光ファイバから、あるいは
、１本の光ファイバから分岐して得られた特許請求の範
囲第１項、または第２項記載の力覚センサ。