CN111094922B - 力传感器、扭矩传感器、力感测传感器、指尖力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及力传感器、扭矩传感器、力感测传感器、指尖力传感器及其制造方法。力传感器包括第一构件、第二构件、中间构件、联接第一构件和中间构件的第一弹性结构、联接第二构件和中间构件的第二弹性结构、以及测量第一构件和第二构件的位移的位移检测器。可以提供检测精度高且紧凑的力传感器。

Description

力传感器、扭矩传感器、力感测传感器、指尖力传感器及其制 造方法

技术领域

本发明涉及一种测量力和扭矩的力传感器以及该力传感器的制造方法。特别地，本发明涉及一种适于用在自动组装设备、机器人等领域中的力传感器。

背景技术

例如，在机器人领域中，扭矩传感器、力感测传感器、指尖力传感器等用作用于检测扭矩和力的力传感器。

扭矩传感器例如附接至机器人的旋转关节，并且用作测量通过关节传递的沿一个方向的扭矩的装置。

力感测传感器例如附接至机器人臂与机器人手之间的腕部上，并且用作检测施加至机器人手的远端上的力矩和六个方向上的力的装置。指尖力传感器例如用作测量在机器人手的远端处施加至指尖的三个方向上的力并检测被抓握的物体从环境接收的力的装置。

日本专利特开No.2010-169586(专利文献1)公开了一种测量在第一构件与第二构件之间产生的绕Y轴的旋转扭矩的扭矩传感器。扭矩传感器包括布置在第一构件与第二构件之间的应变产生部、以及位于应变产生部的外部并联接至第一构件和第二构件的多个柱状部。在专利文献1中描述的扭矩传感器是这样的传感器，其中：在施加扭转扭矩时应变产生部变形，通过应变仪测量该变形，并且该变形被转换为扭矩值。因为扭矩传感器包括柱状部，因此即使施加围绕与Y轴成直角的轴线的弯矩力，也会抑制应变产生部的变形。

发明内容

然而，在专利文献1中描述的传感器中，支撑弯曲力矩的柱状部需要是刚性的以抵抗弯曲力矩，而同时柱状部需要是挠性的以抵抗旋转扭矩。这是因为，如果柱状部是刚性的，则旋转扭矩也由柱状部支撑，因此应变产生部的变形被抑制，并且变得难以测量扭矩。为了使柱状部是挠性的以抵抗旋转扭矩，需要增加柱状部的长度。然而，如果增加长度，则第一构件与第二构件之间的距离增加，该第一构件和第二构件是要测量其围绕Y轴的旋转扭矩的目标。

通常，在测量第一构件与第二构件之间的位移时，测量灵敏度随着测量目标之间的距离增加而降低。因此，在柱状部的长度增加时，变得难以构造具有高灵敏度的传感器。

例如，对于10mm的长距离实现1nm的灵敏度(分辨率)比对于10μm的短距离实现相同的灵敏度要困难得多。

就此而言，将进一步详细描述磁位移计的示例。磁位移计是利用永磁体的磁场的强度根据距离而变化的事实的位移计。

具有半径R和长度L的圆柱形磁体的磁场的强度与磁体和测量目标之间的距离之间的关系由以下等式表示。

[数学式1]

这里，B是距磁体的距离x处的磁通密度，Br是磁体的剩余磁通密度。

图52是表示使用Br＝12000高斯的钕磁体时距离与灵敏度之间的关系的曲线图。根据该图，可以看出在距离增加到10mm时，灵敏度将极大地降低。在计算灵敏度值时，关于距离10mm的灵敏度仅为关于距离10μm的灵敏度的0.5％。因此，难以构造具有高灵敏度的传感器。

此外，在到测量目标的距离大时，用于检测磁性变化的检测器所附接的部件的尺寸也需要较大。考虑到附接部件的尺寸变化，由于附接部件的温度和重量以及振动，尺寸增大对于具有高灵敏度的传感器而言是不利的。

此外，由于柱状部需要较长，因此传感器的厚度增加。在例如传感器被安装为机器人的部件时，传感器的厚度会影响每个关节的尺寸。厚度的增加对关节的可动范围和机器人的可操作范围产生负面影响。

因此，期望获得一种检测精度高且紧凑的力传感器。

问题的解决

本发明是一种力传感器，其通过使用第一构件与第二构件之间的相对位移量来检测力的信息。第一构件和第二构件经由第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件彼此联接。第一弹性结构联接第一构件和中间构件。第二弹性结构联接第二构件和中间构件。在第一构件和第二构件中设置有检测第一构件与第二构件之间的相对位移量的位移检测器。

附图说明

[图1]图1是六轴式多关节机器人组装设备的透视图。

[图2]图2示出了根据第一实施例的关节结构的一个示例。

[图3]图3示出了根据第一实施例的关节结构的另一示例。

[图4]图4是根据第一实施例的扭矩传感器的构造图。

[图5]图5是根据第一实施例的扭矩传感器的局部剖视图。

[图6A]图6A示出了对增材成形方法的约束。

[图6B]图6B示出了可以通过使用增材成形方法而增材形成的形状。

[图7]图7是示出了第一实施例的扭矩传感器的透视图。

[图8]图8是根据第一实施例的弹性体的示意图。

[图9A]图9A是根据第一实施例的变形模拟模型。

[图9B]图9B是变形模拟结果。

[图10]图10是根据第一实施例的应力分析结果。

[图11]图11是根据第一实施例的弹性结构的示意图。

[图12A]图12A是根据第一实施例的成形单元的分解图。

[图12B]图12B是成形单元的组装图。

[图13A]图13A示出了在成形板上增材形成的弹性体。

[图13B]图13B是完成的弹性体的透视图。

[图14]图14是根据第一实施例的弹性结构的示意图。

[图15]图15是用于考察周向地布置的弹性结构的数量的模型的示意图。

[图16]图16是弹性结构的数量和刚度比的曲线图。

[图17A]图17A是图15中所示的模型的剖视图。

[图17B]图17B是根据一个实施例的扭矩传感器的剖视图。

[图17C]图17C是根据一个实施例的扭矩传感器的剖视图。

[图18]图18是根据第二实施例的力感测传感器的构造图。

[图19]图19是根据第二实施例的力感测传感器的剖视图。

[图20]图20是根据第二实施例的弹性体的示意图。

[图21A]图21A是根据第二实施例的变形模拟模型。

[图21B]图21B示出了在施加沿Y方向的外力Fy时的变形。

[图21C]图21C示出了在施加沿Z方向的外力Fz时的变形。

[图21D]图21D示出了在施加沿Y方向的力矩My时的变形。

[图21E]图21E示出了在施加沿Z方向的力矩Mz时的变形。

[图22A]图22A是根据第二实施例的成形单元的分解图。

[图22B]图22B是成形单元的组装图。

[图23A]图23A示出了在成形板上增材形成的弹性体。

[图23B]图23B是完成的弹性体的透视图。

[图24]图24是根据第二实施例的变型例的力感测传感器的构造图。

[图25A]图25A是根据第二实施例的悬臂弹性结构的示意图。

[图25B]图25B示出了悬臂弹性结构的变形。

[图26A]图26A是根据第二实施例的两个悬臂弹性结构的示意图。

[图26B]图26B示出了悬臂弹性结构的变形。

[图27]图27是示出了第二实施例的N个弹性结构的示意图。

[图28]图28是示出了第二实施例的弹性结构的数量和位移比的曲线图。

[图29A]图29A是根据第二实施例的两段式弹性结构的示意图。

[图29B]图29B示出了两段式弹性结构的变形。

[图30]图30是根据第二实施例的倾斜的两段式弹性结构的示意图。

[图31A]图31A是根据第二实施例的周向地布置的倾斜的两段式弹性结构的分解图。

[图31B]图31B是周向地布置的倾斜的两段式弹性结构的完成图。

[图32]图32是根据第三实施例的指尖力传感器的分解图。

[图33]图33是根据第三实施例的指尖力传感器的透视图。

[图34]图34是根据第三实施例的指尖力传感器的剖视图。

[图35]图35示出了根据第三实施例的悬伸角。

[图36A]图36A是示出了第三实施例的径向布置的两个弹性结构的示意图。

[图36B]图36B是示出了第三实施例的径向布置的两个弹性结构的示意图。

[图36C]图36C是示出了第三实施例的径向布置的两个弹性结构的示意图。

[图37]图37是示出了第三实施例的平行布置的两个弹性结构的示意图。

[图38]图38是示出了第三实施例的两段式弹性结构的示意图。

[图39]图39是示出了第三实施例的具有倾斜连接部的弹性体的示意图。

[图40]图40是示出了第三实施例的刚度比的曲线图。

[图41]图41是示出了第三实施例的倾斜的两组弹性结构的示意图。

[图42A]图42A是示出了第三实施例的倾斜的两组弹性结构的分解图。

[图42B]图42B是完成体的透视图。

[图43]图43是示出了第三实施例的弹性结构的透视图。

[图44]图44是示出了第三实施例的刚度比的曲线图。

[图45]图45是示出了第三实施例的倾斜的两组弹性结构的示意图。

[图46]图46是示出了第三实施例的灵敏度比的图。

[图47A]图47A是根据第三实施例的变形模拟模型。

[图47B]图47B示出了在施加沿X方向的外力Fx时的变形。

[图47C]图47C示出了在施加沿Y方向的外力Fy时的变形。

[图47D]图47D示出了在施加沿Z方向的外力Fz时的变形。

[图48A]图48A是根据第三实施例的成形单元的分解图。

[图48B]图48B是成形单元的组装图。

[图49A]图49A示出了在成形板上增材形成的弹性体。

[图49B]图49B是完成的弹性体的透视图。

[图50A]图50A是根据第三实施例的第一变型例的弹性结构的分解图。

[图50B]图50B是根据第三实施例的第一变型例的弹性结构的完成图。

[图51A]图51A是根据第三实施例的第二变型例的弹性结构的分解图。

[图51B]图51B是根据第三实施例的第二变型例的弹性结构的完成图。

[图52]图52是示出了圆柱形永磁体的距离与磁通密度之间的关系的曲线图。

[图53]图53是示出了光学位移传感器的已知技术的第一视图。

[图54]图54是示出了光学位移传感器的已知技术的第一视图。

[图55]图55示出了光学位移传感器的构造。

[图56]图56是根据第三实施例的另一实施例的扭矩传感器的示意图。

[图57]图57示出了光学位移传感器的组合。

[图58]图58是根据第三实施例的变型例的指尖力传感器的示意图。

具体实施方式

下文，将参考附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

图1示出了根据本发明的第一实施例的包括力传感器的六轴式多关节机器人设备100。根据本实施例的力传感器附接至将连结部200至206彼此连接的六个旋转关节J1至J6中的每一个并且测量经由关节传递的扭矩。在以下描述中，根据本实施例的力传感器可以被称为“扭矩传感器”。

参考图2，将描述扭矩传感器至关节的附接。这里，将描述连接连结部201和202的关节J2。六轴式多关节机器人设备100的其他关节以类似的方式构造。关节通过马达512和扭矩传感器522将连结部彼此连接。采用这种构造，因为通过关节传递的所有扭矩都通过扭矩传感器522，所以能够测量正确的关节扭矩Mz。然而，不必要的弯曲扭矩Mx和My施加至扭矩传感器。如果在弯曲方向上的刚度低，则机器人整体的特征频率低，并且对机器人的运动性能产生不利的影响。因此，弯曲方向上的高刚度是必要的。相应地，随着刚度比α＝Mx/Mz增大，扭矩传感器具有更高的性能。优选地，扭矩传感器的厚度更小，因为关节的厚度La由马达512和扭矩传感器522确定。

图3示出了其中附接扭矩传感器的方法改变的构造的示例。在图2所示的示例中，假设扭矩传感器522通过拧紧螺栓从两侧来进行固定。在图3所示的示例中，可以从一侧拧紧螺栓。根据本实施例的传感器更适合于这种关节构造。同样在本示例中，优选地，扭矩传感器的厚度更小，因为关节的厚度Lb由马达512和扭矩传感器522确定。

图4是示意性透视图并且图5是局部剖视图，示出了根据本实施例的扭矩传感器的构造。为便于描述，XYZ坐标限定在传感器的中心处。对于图3所示的关节J2的情况，将描述附接扭矩传感器的方法。扭矩传感器包括第一构件1和第二构件2。第一构件1固定至马达512，第二构件2固定至连结部202。

设置有中间构件4，第一构件1和中间构件4通过诸如板簧的第一弹性结构5联接，第二构件2和中间构件4通过诸如板簧的第二弹性结构6联接。第一弹性结构5和第二弹性结构6分别设置有多个，并且交替地布置。

第一构件1、第二构件2、中间构件4、第一弹性结构5和第二弹性结构6构成扭矩传感器的弹性体7。以Z轴为中心轴线布置的第一构件和第二构件具有同心但半径不同的环状部。

在被定位成彼此面对且其间具有Z轴的两个部分处，设置有用于测量第一构件和第二构件的位移(相对角度)的角度检测器。每个角度检测器包括标尺8和传感器板9并且输出标尺8与传感器板9之间的相对位移。

如图5所示，在根据本实施例的扭矩传感器中，第一构件与第二构件之间的距离小于中间构件与第一构件之间的距离以及中间构件与第二构件之间的距离中的每一个。第一构件、第二构件和中间构件以这样的方式布置，使得第一构件的联接至第一弹性结构的端部和第二构件的联接至第二弹性结构的端部面对中间构件的联接至第一和第二弹性结构的端部。

如上所述，为了检测位移，随着检测目标之间的距离(第一构件和第二构件之间的距离)减小，更容易实现高的灵敏度。

即，在本实施例中，测量第一构件和第二构件的位移，第一构件和第二构件的相对距离是第一构件、第二构件和中间构件这三个构件中最小的。因此，可以减小标尺8与传感器板9之间的距离，并且本实施例具有有利于实现高灵敏度的构造。而且，利用这种构造，检测器要附接的部件的尺寸可以较小。减小部件的尺寸很重要，因为部件尺寸的变化和振动会影响测量值的精度。

优选地，第一构件和第二构件之间的距离具体地在10μm至10mm的范围内。在根据本发明的传感器中，由于第一构件和第二构件的相对位置由于弹性体的变形而改变，因此为了防止接触，第一构件和第二构件之间的距离需要大于弹性体的最大变形量。可能优选的是增加弹性体的刚度，因为通过这样做可以减小最大变形量并且可以减小距离。但是，如果距离太小，则位移检测器需要具有极高的测量灵敏度。因此，实际上，第一构件和第二构件之间的距离优选为约10μm。考虑到机械部件的机加工精度，下限优选为10μm。

第一构件和第二构件之间的距离的上限影响扭矩传感器的尺寸。考虑到扭矩传感器在机器人臂或机器人手中的安装，上限优选为约10mm。

这里，将首先描述磁位移检测器。然而，如下所述，可以使用光学位移检测器。传感器板9通过附接螺栓10固定至第一构件1，标尺8通过粘接剂固定至第二构件2。来自两个传感器板9的信号线连接至扭矩传感器的控制回路板11。控制回路板11如下执行信号处理。即，通过计算两个传感器板9的输出的平均值并将该平均值除以位移检测器的附接半径来计算第一构件与第二构件之间的相对角度。通过将相对角度乘以弹性体7的扭转刚度Kz(其是预设信息)来将该相对角度转换为扭矩值，并且输出扭矩值。

在上述构造中，在向扭矩传感器施加扭转扭矩Mz时，第一弹性结构5和第二弹性结构6变形，并且第一构件1和第二构件2相对于彼此旋转地位移。旋转位移通过布置在两个位置处的位移检测器检测。由于在两个点对称位置处检测到的位移被求平均，因此抵消了除旋转以外的误差分量(例如XY平移)，并且可以高精度地检测扭矩。

在此，重要的是第一构件1与第二构件2之间的距离较小。这是因为，如上所述，与测量分隔较大距离的部件之间的相对距离时相比，测量分隔较小距离的部件之间的相对距离时可以实现更高的灵敏度。

在本实施例中，第一弹性结构的数量和第二弹性结构的数量均为24。然而，本发明的实施例不限于该示例。通过增加弹性结构的数量能够增大刚度比。例如，通过将第一弹性结构的数量和第二弹性结构的数量中均增大到192，可以期望将刚度比增加4倍。弹性结构的尺寸和数量可以例如通过使用有限元方法执行模拟来设计。

接下来，将描述根据本实施例的确定弹性结构的尺寸和数量的方法。首先，将描述本实施例背后的构思。

在本实施例的描述中，在数学表达式中使用的主要符号的定义如下：

L：弹性结构的长度

H：弹性结构的厚度

B：弹性结构的宽度

E：弹性结构的杨氏模量

R：弹性结构的周向布置，即半径

N：弹性结构的数量

Mx：绕x轴的旋转力矩，即弯曲扭矩

Mz：绕z轴的旋转力矩，即扭转扭矩

因为扭矩传感器由弹性体和旋转角度测量单元构成，所以机械性能由弹性体确定。因此，首先，将从材料力学的角度说明弹性结构布置在圆周上的结构的特性。特别地，将阐明随着弹性结构的数量增加，扭转方向和弯曲方向之间的刚度比增大，并且能够构造具有更高性能的扭矩传感器。

参考图15所示的模型，将考察弹性结构的数量。为便于描述，将XYZ坐标设置在扭矩传感器的中心处。除了要测量的绕z轴的扭转扭矩Mz之外，还向扭矩传感器施加弯曲扭矩Mx。

扭矩传感器检测由于Mz引起的扭转变形、即非常小的旋转角度，并且通过使用扭转方向上的刚度Kz将旋转角度转换为扭矩值。相应地，刚度Kz是由扭矩传感器的可测量范围、旋转角度检测器的分辨率等确定的设计值。

另一方面，期望的是与扭转方向垂直的弯曲方向上的刚度Kx和Ky更高，因为这些刚度影响扭矩传感器所附接的整个设备的特征频率。如果这些刚度不高，则图1中所示的机器人臂的关节会太柔韧，使得特征频率很低并且容易发生振动。

即，对于扭矩传感器而言，重要的是相对于扭转方向上的刚度Kz在弯曲方向上具有高的刚度Kx和Ky。

此后，将仅考虑Kx，因为Kx和Ky由于对称性而相同。

图15所示的模型与本实施例的不同之处在于：与现有的扭矩传感器一样，第一构件1和第二构件2彼此面对并且第一构件1和第二构件2通过多个弹性结构3a、3b、3c…彼此联接。

围绕Z轴的旋转刚度Kz可以如下地表示，其中Ks是布置在半径为R的圆周上的N个弹性结构的弯曲刚度，

[数学式2]

K_z＝NR²K_s

在假设每个弹性结构均具有矩形的截面而进一步展开Ks时，

[数学式3]

围绕X轴的旋转刚度Kx可以如下地表示，其中Kp是N个弹性结构在压缩方向上的刚度，

[数学式4]

在假设每个弹性结构均具有矩形的截面而进一步展开Kp时，

[数学式5]

优选地，扭矩传感器在弯曲方向上的刚度Kx相对于在测量方向上的刚度Kz较高。在α表示这两个刚度之间的刚度比时，

[数学式6]

即，随着弹性结构的长度与厚度之间的比L/H增大，刚度比增大，因此可以构造更好的扭矩传感器。而且，通过代入数学式3，得到以下等式。

[数学式7]

如上所述，由于将扭矩传感器在扭转方向上的刚度Kz作为设计条件给出，因此可以看出刚度比α可以通过增大以下所示的项而增大。

[数学式8]

ENR²B

例如，随着弹性结构的数量N增大而变得更有利。

接下来，将通过代入以下具体值来描述弹性结构的数量的影响。

对于离子基材料，E＝200Gpa

传感器的半径：R＝100mm

传感器的厚度：L＝10mm

弹性结构的宽度：B＝10mm

弹性结构的厚度：H＝2mm

弹性结构的数量：N＝24

扭转方向刚度：Kz＝120kNm/rad(根据数学式3)

弯曲方向刚度：Kx＝6000kNm/rad(根据数学式4)

刚度比：α＝50(根据数学式6)

厚度H需要与N的立方根成反比地改变，使得即使弹性结构的数量N增大，作为设计条件的刚度Kz也不变。

图16是其中针对弹性结构的数量N绘制刚度比α的曲线图。如根据该图可以清楚地看出的，随着弹性结构的数量增加，可以构造具有更高刚度比的扭矩传感器。

在数学式6中，已经描述了随着比L/H增大而变得更有利。然而，L确定扭矩传感器的厚度。即，在减小扭矩传感器的厚度与增大刚度比之间存在折衷，并且这种构造限制了厚度的减小。因此，接下来将考虑将弹性结构一分为二。

图17A是图15中所示的现有扭矩传感器的弹性体的剖视图。第一构件1和第二构件2经由弹性结构3彼此联接。

在本发明的实施例中，如图17B所示设置中间构件4，第一构件1和中间构件4经由第一弹性结构5联接，并且第二构件2和中间构件4经由第二弹性结构6联接。

由于具有串联的两段式弹性结构，因此每个弹性结构必定具有每段的刚度的两倍。另一方面，因为如数学式3所示刚度与L的立方成反比，因此长度L变为约0.8倍，并且扭矩传感器的厚度可以减小约20％。

如上所述，利用具有两段式弹性结构的本实施例，可以实现薄的扭矩传感器。

此外，在本发明的实施例中，如图17C所示，通过将两组弹性结构5和弹性结构6布置成相对于图平面在前后方向上倾斜和移位，厚度可以进一步减小。例如，通过使弹性结构倾斜45度，厚度变为sin(45度)，因此可以将厚度减小约30％。

除了减小扭矩传感器的厚度之外，该构造还具有其他优点。利用图17B所示的构造，中间构件4由于弯曲扭矩Mx而变形，并且弯曲刚度减小。利用图17C所示的构造，因为中间构件4的尺寸会减小一半以上，所以中间构件的变形受到抑制，并且弯曲刚度增大。结果，可以构造具有高刚度比的扭矩传感器。

如上所述，通过使用交替地组合两段式弹性结构的结构，可以实现具有更高刚度比的更薄的扭矩传感器。

图7是示出了根据本实施例的扭矩传感器的三维构造的示例的透视图。第一构件和第二构件沿同一平面布置，而中间构件布置成以这样的方式与该平面分离，使得在中间构件投影到该平面上时，中间构件的投影的至少一部分与第一构件和第二构件之间的间隙重叠。

多个第一弹性结构布置成使得在从第一构件朝中间构件观察时第一弹性结构的倾斜部沿着远离环形部的中心的方向。多个第二弹性结构布置成使得在从第二构件朝中间构件观察时第二弹性结构的倾斜部沿着朝向环形部的中心的方向。

根据本实施例的弹性体可以通过使用增材成形设备或增材成形方法来制造。在一般的增材成形方法中，悬伸角度存在极限，特别是难以形成水平的顶表面。然而，在本实施例中，通过增加弹性结构的数量并且通过经由倾斜表面S将弹性结构彼此连接，可以使悬伸角比极限更小，并且可以形成水平的顶表面。

图6A示出了对增材成形方法的约束。具有弓形形状的目标成形物体111将在基部110上形成。该成形物体悬伸，并且在图中的点Q处的悬伸角为β。通常，利用增材成形方法，悬伸角存在极限，并且不能形成超过该悬伸角的部分。该悬伸角例如是60度。通常不能形成悬伸角为90度的水平顶表面。图6B示出了可以增材成形的形状112。该形状使得其悬伸极限角为β以上的部分被略去。

图8是示出了着重于悬伸角的弹性体的示意图。第一构件1、中间构件4、以及第一弹性结构5和第二弹性结构6的将这些构件彼此连接的、涉及悬伸的部分是图7和8中所示的部分S1至S4。需要设计弹性结构的间距B和在竖直方向上的尺寸C，以使得悬伸变得小于或等于上述极限值。根据图8的示意图可以看出，该条件表示如下。

[数学式9]

为了减小尺寸C并减小扭矩传感器的厚度，优选的是，弹性结构的间距B更小，即弹性结构的数量更大。如下所述，增大弹性结构的数量用于增大扭矩传感器的刚度比。

利用根据本实施例的弹性体，通过增大弹性结构的数量，可以增大刚度比，可以减小悬伸角，并且可以增材形成弹性体。

基于该事实，将描述通过模拟获得弹性结构的尺寸和数量的方法的示例。

图9A是在模拟中使用的弹性体的FEM模型。与图4的示意图的不同之处如下。

A：为了将位移检测器附接至上侧，其中未设置弹性结构的区域布置在两个位置处。

B：为了附接扭矩传感器，形成了螺栓孔。

C：为了减小弹性体的体积，中间构件的上表面的角部被圆化。

图9B示出了在Z方向上的力矩Mz＝1Nm被施加至外部构件时的变形。

Mx以相同的方法计算。FEM模拟的计算结果示出于下表中。

[表1]

旋转力矩	角位移(μrad)	刚度(kNm/rad)
			Mz	13.11	76.3
Mx	0.78	1274.7

根据该表，刚度比Mz/Mx为16.7。

图10示出了在施加扭转扭矩Mz时弹性结构的应力分布。图10示出了第一构件1、第二构件2、中间构件4、第一弹性结构5和第二弹性结构6。应力的大小由阴影的暗度表示。较亮的阴影表示较大的应力，较暗的阴影表示较小的应力。

在第一弹性结构5中，应力最多地集中在下外部A处，并且应力其次最多地集中在上内部B处。在第二弹性结构6中，应力最多地集中在下内部C处，并且应力其次最多地集中在上外部D处。

期望的是减少应力集中，因为从高应力的部分发生破裂。应力可以通过减小应变来减小。

用于实现此目的的方法是减小弹性结构的厚度。因此，距弹性结构的其中应力小的中性面的距离减小，并且可以减小应力。在该图中，通过减小其中应力集中的部分A至D的厚度，可以减小应力的最大值。

图11示出了弹性结构。为便于描述，以不等比例放大了厚度。这种构造使得在上述模拟中应力较大的部分A至D的厚度减小。用于减小应力的其他方法的示例包括通过使角部弯曲来使角部平滑的方法。与这种方法相组合也是有效的。

接下来，将描述制造以这种方式设计的传感器的方法。如上所述，由于根据本实施例的传感器具有较小的悬伸角，因此可以通过使用增材成形方法来制造传感器。

参考图12A和12B，将描述要附接至增材成形设备的成形单元20。图12A是成形单元20的分解图，图12B是成形单元20的组装图。

第一构件1和第二构件2是环形部件。该形状通过使用车床等预先形成并利用螺栓固定至成形板21上，从而完成成形单元20。此时，重要的是将成形单元20的最上表面设计为成为第一构件1和第二构件2的上表面。即，使联接至第一弹性结构的第一构件的一个外表面与联接至第二弹性结构的第二构件的一个外表面平行。这是因为增材成形设备从第一构件和第二构件的最上表面开始进行成形。第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件通过堆叠成形材料的粉末层并根据第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件的形状进行激光照射而形成。

图13A示出了弹性体7，该弹性体7通过使用增材成形设备在成形单元20上形成第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件而形成。如已经描述的，这种形状可以通过使用增材成形方法来制成。通过移除成形板的固定螺杆，能够移除如图13B中所示已经完成的弹性体7。

即，第一构件和第二构件被以能够移除的方式定位并固定至成形板。并且，第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件通过堆叠成形材料层而形成在第一构件和第二构件的上表面上。然后，在形成其中集成有第一构件、第二构件、第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件的三维成形物体之后，从成形板移除三维成形物体。

与现有的增材成形方法相比，本制造方法可以在以下方面降低制造成本。

第一，没有必要切出成形的物体。利用现有方法，通过执行诸如线切割的机加工来切出成形的物体。然而，由于仅通过移除螺栓就可以移除成形的物体，因此本工艺被简化并且可以降低成本。

第二，成形后的机加工可以减少到最小。利用现有技术，需要在形成需要高精度的三维成形物体的一部分之后进行机加工。成形后的加工会增加成本，因为工件具有复杂的形状，并且因此需要用于机加工的专用夹具。在本实施例中，预先准备需要高精度的第一构件和第二构件。由于这些构件不是增材成形的，因此不需要额外的机加工，并且可以降低成本。

第三，可以减少成形材料的量。用于增材成形方法中的成形材料通常很昂贵。在本实施例中，弹性体7的仅仅一部分而不是全部增材形成。因此，可以减少成形材料，并且可以降低成本。更具体地，由于弹性体7的第一构件1和第二构件2不是增材形成的，因此可以节省昂贵的成形材料。

第四，在本实施例中，成形板可以重复使用。在包括激光烧结堆叠在成形板上的成形材料的步骤的增材成形方法中，因为成形板的表面在成形之后由于激光照射而熔化，所以成形板不能用于下一成形处理。在本实施例中，由于不用激光照射成形板，因此可以多次使用成形板，可以降低弹性结构的制造成本。

如上所述，根据本实施例的扭矩传感器可以通过使用增材成形方法来制造，并且可以降低制造成本。即使发生制造误差，由于弹性结构的数量大，因此每个弹性结构的制造误差被平均掉，并且对功能的影响小。

此外，由于与现有的机加工相比，增材成形方法可以形成复杂的形状，因此易于增加弹性结构的数量并且易于进一步增大扭转方向与弯曲方向之间的刚度比。在本实施例中，已经描述了通过使用增材成形方法进行制造的情况。但是，这不造成限制。视情况而定，可以仅通过机加工来执行制造。

在本实施例中，已经描述了弹性结构的截面形状是矩形形状。但是，截面形状不限于矩形。例如，截面形状可以是具有圆化角部的矩形形状、或椭圆形形状。

如上所述，利用本实施例，能够实现薄且刚度比高的传感器。此外，由于可以使用不具有水平顶表面的结构，因此能够实现可以通过使用增材成形方法制造的传感器。此外，能够减轻弹性结构上的应力集中，防止弹性结构的疲劳破裂，增加扭矩传感器的寿命，并且提高可靠性。

(第一实施例的第一变型例)

图14是第一实施例的变型例的局部透视图。该变型例与第一实施例的不同之处在于：在弹性结构中形成有狭缝以分割弹性结构。在该图中，在第一弹性结构的中心处形成有间隙G的狭缝，使得第一弹性结构由两件5a和5b组成。同样，第二弹性结构由两件6a和6b组成。即，第一弹性结构和/或第二弹性结构包括被狭缝分开的多个弹性体。

弹性结构的扭转刚度、即图14中绕γ轴的扭转刚度与面积极惯性矩成比例。可以使用以下等式计算截面为a×b的弹性结构的面积极惯性矩Ip₁。

[数学式10]

将考虑把弹性结构分割为两部分。这里，术语“分割”并不意味着将一个物体物理地切成多片，而是意味着弹性结构被形成为包括两个独立的部分。因此，可以通过使用增材成形方法来形成彼此分开且在其间具有狭缝的两个部分。

在尺寸a减半时，以上等式减小了超过一半。即，在将弹性结构分割为两件时，由于面积极惯性矩减小了超过一半，因此整体的扭转刚度降低。γ轴方向上的刚度与弹性结构的截面积成比例。通过使分割弹性结构的间隙G足够小，可以获得与分割之前的刚度相同的刚度。因为γ轴方向上的刚度不变，所以扭矩传感器在弯曲方向上的刚度不变。

综上所述，在将弹性结构分割为多件而不改变弹性结构的总体积时，扭转刚度降低，同时弯曲刚度不变。因此，能够进一步增大弯曲方向上的刚度与扭转方向上的刚度之比。

在本变型例中，已经在分割弹性结构的间隙G足够小的假设下进行了描述。通过使用满足该假设的设计，随着分割数量的增加，可以进一步提高刚度比。

此外，以上参考图10描述的应力分布也适用于被分割的弹性结构。因此，通过如图11所示改变弹性结构的厚度，可以防止应力集中并提高耐久性。

(第一实施例的第二变型例)

参考图53至56，作为第一实施例的第二变型，将描述使用光学传感器代替磁传感器作为位移检测器的实施例。

图53和54示出了光学传感器的示例。该光学传感器类似于在例如日本专利特开No.4-130220中描述的传感器。光束从激光源1001发射，在准直透镜1002中变为准直光束，穿过偏振分光器1017和波片1005，入射在第一衍射光栅1101上，并且分成两个第一级衍射光束。衍射光束入射到第二反射光栅1102上，并且反射的衍射光束再次穿过衍射光栅1101并引起干涉。干涉光的亮度由受光器1008检测。虽然图中未示出，但是根据例如日本专利特开No.63-311121也已知通过使用两个受光器1008测量干涉光的相位来检测移动方向的技术。

图55是具有这种构造的光学传感器的示意图。在该图中，A100是其中集成有光学单元和电路的回路单元。回路单元A100具有用于输出电信号的电极。具有衍射光栅的标尺A101以在标尺A101与回路单元A100之间具有均匀间隙地保持，并且可以测量在衍射光栅开槽的方向A102上的相对位移。

图56示出了包括光学传感器的扭矩传感器。该扭矩传感器与上述实施例的不同之处在于：磁传感器被替换为光学传感器。

标尺A101a设置成被固定至第二构件2。标尺A101a在方向A102a上具有衍射光栅。如图所示，使绕Z轴的旋转方向与标尺的方向A102a一致。回路单元A100a设置成固定至电路板A103a并面对标尺A101a。用于光学传感器的电路板A103a通过螺栓10固定至第一构件。另一组A100a至A103a以与A100b至A103b相同的方式设置在相对于Z轴对称的位置处。来自用于光学传感器的电路板A103a和A103b的信号连接至控制回路板11，并且输出第一构件1与第二构件2之间的相对旋转位移。将省略对与上述实施例中相同的其余部分的构造的描述。

如上所述，在第一实施例及其变型例中，能够提供一种检测精度高、紧凑且能够以低成本制造的扭矩传感器。

(第二实施例)

在第一实施例中，已经描述了附接至图1所示的机器人系统的旋转关节J1至J6的扭矩传感器的示例。在第二实施例中，将描述用于机器人臂与机器人手210之间的腕部中的力传感器。在本说明书中，根据本实施例的力传感器可以被称为“力感测传感器”。

力感测传感器207检测在组装操作等期间施加至机器人手的远端的旋转力矩和六个方向上的力，并且控制器102根据测量值来控制机器人。

这里，根据图25A可以看出，从力感测传感器207到机器人手的远端的距离P通常不小。该距离例如为100mm以上。如果机器人手的远端的位置由于施加至远端的力而位移，则无法进行高精度的组装。因此，力感测传感器207需要具有高的力矩刚度。

图18是透视图，图19是局部剖视图，图20是局部放大图，示出了根据第二实施例的力感测传感器的构造。如图所示，力感测传感器的弹性体607包括固定至机器人臂的第一构件602、固定至机器人手的第二构件603、和中间构件604。第一构件602和中间构件604经由诸如板簧的第一弹性结构605彼此联接，并且第二构件603和中间构件604经由诸如板簧的第二弹性结构606彼此联接。

如图18所示，第一弹性结构605布置成从第一构件602的联接至第一弹性结构的一个外表面相对于法线方向倾斜。第二弹性结构606布置成从第二构件603的联接至第二弹性结构的一个外表面相对于法线方向倾斜。第一构件和第二构件包括同心但具有不同半径的环形部。

多个第一弹性结构605以这样的方式布置，使得在从第一构件朝中间构件观察时第一弹性结构的倾斜部逆时针地对准。多个第二弹性结构606以这样的方式布置，使得在从第二构件朝中间构件观察时第二弹性结构的倾斜部顺时针地对准。只要第一弹性结构和第二弹性结构沿彼此相反的方向布置，顺时针和逆时针之间的关系可以相反。

所述多个第一弹性结构以这样的方式布置，使得在从第一构件朝中间构件观察时第一弹性结构的倾斜部沿着朝向环形部的中心的方向。所述多个第二弹性结构以这样的方式布置，使得在从第二构件朝中间构件观察时第二弹性结构的倾斜部沿着远离环形部的中心的方向。因此，第一弹性结构和第二弹性结构以预定的扭转倾斜角布置。

这里，第一构件602、第二构件603和中间构件604设计成具有这样的尺寸，使得这些构件与第一弹性结构605和第二弹性结构606相比具有足够的刚度并且不容易变形。具体而言，通过使用以下描述的变形模拟来设计这些构件。

在本实施例中，弹性结构的数量为36。通过增加弹性结构的数量，可以进一步增大力矩刚度。通过使用以下描述的变形模拟等来设计弹性结构的尺寸和数量。

下文将描述的磁位移检测器设置在弹性体607中的三个位置处。每个位移检测器的磁体608通过粘合剂固定至第一构件602。磁体在三个方向上的位置通过使用围绕磁体布置的磁阻元件或的霍尔元件来检测。位移检测器的检测板609用螺栓610固定至第二构件603。检测板用螺栓固定，使得可以调节和固定检测板相对于固定的磁体的位置。检测板609根据磁体608在三个方向上的位置输出三种信号。因为存在三组检测板，所以总共获得九个信号。

如图19的局部剖视图所示，在根据本实施例的传感器中，第一构件与第二构件之间的距离小于中间构件与第一构件之间的距离以及中间构件与第二构件之间的距离中的每一个。第一构件、第二构件和中间构件以与第一实施例类似的方式布置。如上所述，因为随着检测目标之间的距离(第一构件与第二构件之间的距离)减小，可以实现高精度的位移检测，所以根据本实施例的构造是有利的。

优选地，出于与第一实施例类似的原因，第一构件与第二构件之间的距离在10μm至10mm的范围内。

来自三组检测板的九个信号将由向量a表示。信号、即向量a被发送至图1中所示的控制器102并且通过使用以下等式被转换为六轴力感测值向量F。

[数学式11]

在此，Ai、j是通过实验或通过进行下面描述的变形模拟而获得的6×9常数矩阵。具体而言，通过实验或通过进行模拟来收集针对施加至力感测传感器上的力F而获得的信号a的大量组合，并且通过使用最小二乘法来获得系数矩阵Ai、j。

由以上等式表示的线性变换对于弹性体的非常小的变形而言是足够的。但是，为了以更高的精度执行变换，使用更广义的函数f_i(a)来代替以上等式。

[数学式12]

F_i＝f_i(a)

与第一实施例一样，考虑到悬伸角，根据本实施例的弹性体可以通过使用增材成形方法来制造。

图20是根据本实施例的弹性体的概念图，其着重于悬伸角。第一构件602、中间构件604和第一弹性结构605的将这些构件彼此连接的、涉及悬伸的部分是图中所示的三个部分A、B和C。

A是弹性结构的下表面，并且能够将弹性结构的倾斜角减小到悬伸角以下，例如60度以下。

B和C是中间构件的下表面。在图20中，能够将表面B和C的由弹性结构605之间的距离D和中间构件604的切口距离E确定的角度减小到悬伸角以下，例如60度以下。

在此，与传感器在竖直方向上的整体尺寸有关的切口距离E优选较小。因此，优选的是，弹性结构605之间的距离D较小。换句话说，其中弹性结构的数量大的构造是优选的。

如上所述，根据本实施例的弹性体可以减小悬伸角，并且可以通过使用增材成形方法来制造。

接下来，将描述用于获得图18中所示的根据本实施例的弹性体607的第一弹性结构605和第二弹性结构606的尺寸和数量的方法的示例。

首先，将描述本实施例背后的构思。

在本实施例的描述中，数学公式中的主要符号的含义如下。

L：弹性结构的长度

h：弹性结构的厚度

b：弹性结构的宽度

I：弹性结构的几何惯性矩，在厚度为h且宽度为b的矩形截面的情况下，I＝bh³/12，

A：弹性结构的截面面积，在矩形截面的情况下，A＝bh

E：杨氏模量

F：外力

P：外力所施加的远端位置

δ：位移

D：弹性结构之间的距离

N：弹性结构的数量

首先，将从材料力学的角度描述关于力感测传感器应该具有的旋转力矩的构思。

如图1所示，力感测传感器207是附接至机器人臂与机器人手之间的腕部并检测施加至机器人手的力和力矩的装置。在外力F施加至距力感测传感器207的距离为P的位置时，力感测传感器的位移δ优选尽可能地小。这是因为，如果位移大，则机器人手的远端的位置变得移位，这可能妨碍诸如组装的精确操作。

如图25A所示，将考虑手601被连接到悬臂弹性结构的远端并且沿水平方向的外力F被施加至手的远端的情况。在这种情况中，由于外力F，如图25B所示发生变形。

此时远端的位移δ被分解为水平移动的影响值δ_F和倾斜的影响值δ_M。

[数学式13]

δ＝δ_F+δ_M

根据悬臂弹性结构的公式，如下获得各个位移量。

[数学式14]

[数学式15]

为了相互比较这些位移量，水平移动的影响值δ_F与倾斜的影响值δ_M之间的比α如下。

[数学式16]

通常，到外力所施加的位置的距离P远大于力感测传感器中的弹性体的尺寸L。例如，在指定具体值(例如L＝10mm和P＝100mm)时，比α＝15。

即，倾斜的影响值是水平移动的影响值的15倍大。相应地，为了抑制远端的位置移位，增大力矩刚度比增大平移方向上的刚度更重要。

增大力矩刚度的一种简单方法是改善弹性结构的结构。如图26A所示，将考虑手601被连接至两个弹性结构的远端并且水平方向上的外力F被施加至手的远端的情况。在这种情况下，由于外力F，如图26B所示发生变形。以与上述情况相同的方式，远端的位移δ被分解为水平移动的影响值δ_F和倾斜的影响值δ_M。

由于力被均匀地施加至两个弹性结构上，因此通过使用两端固定的弹性结构的公式，可以根据以下等式计算δ_F。

[数学式17]

在假设弹性结构的截面形状为矩形、并且分解几何惯性矩I时，

[数学式18]

倾斜的影响值可以如下计算，其中F₁是施加至弹性结构的沿压缩方向的力，δ₁是位移。

由于弹性结构的倾斜度为δ_M/P，因此弹性结构的位移为

[数学式19]

根据弹性结构的压缩的公式，

[数学式20]

根据这两个等式，如下获得力F₁。

[数学式21]

因为力矩FP被施加至弹性结构，所以根据力的平衡，

[数学式22]

FP＝F₁D

通过代入上述F₁并对该方程式进行变形，

[数学式23]

以与上述相同的方式，在水平移动的影响值δ_F与倾斜的影响值δ_M之间的比由α表示时，获得了

[数学式24]

将指定并考虑具体值。在假定L＝10mm、P＝100mm、弹性结构的宽度D＝50mm、厚度h＝1mm时，α＝0.08。

这是其中α＝15的上述情况的约1/1800，并且无比小。即，可以看出，倾斜的影响值被抑制，并且力矩刚度高。

如上所述，本实施例利用以下事实：与弹性结构在平移方向上的刚度相比，弹性结构的力矩刚度高。

接下来，将表明通过增大弹性结构的数量，可以进一步提高力矩刚度，并且可以提高性能。

如图27所示，对于在距离D内设置的N个弹性结构B₁至B_N，将考虑由外力F引起的远端的位移。

以与上述情况相同的方式，位移被分解为水平移动的影响值δ_F和倾斜的影响值δ_M。

由于力均匀地施加值N个弹性结构上，因此通过使用两端固定的弹性结构的公式，可以根据以下等式计算δ_F。

[数学式25]

在假设弹性结构的截面形状为矩形而分解几何惯性矩I时，

[数学式26]

可以如下地计算倾斜的影响值，其中F_i是施加至第i个弹性结构的沿压缩方向的力，而δ_i是弹性结构的位移。

由于弹性结构的倾斜度为δ_M/P，因此每个弹性结构的位移为

[数学式27]

根据弹性结构的压缩的公式，

[数学式28]

因此，如下获得施加至第i个弹性结构的压缩方向力F_i。

[数学式29]

因为由于外力而使力矩FP施加至弹性结构，所以根据力的平衡，

[数学式30]

通过代入上述F_i，获得了：

[数学式31]

[数学式32]

因此，关于位移，已经获得了水平移动的影响值δ_F和倾斜的影响值δ_M。接下来，在δ_F恒定的条件下，将计算和评估δ_F与δ_M之间的比。

众所周知，关于水平移动δ_F，位移与弹性结构的厚度h的立方成反比地增大。

因此，假设H为常数，则板的厚度h将由以下等式限定。

[数学式33]

h＝H/N^1/3

通过计算比α(N)＝δ_M/δ_F(其是在弹性结构的数量为N时δ_M、δ_F这两者之间的比)，获得：

[数学式34]

图28是数学式34的曲线图。横轴表示弹性结构的数量N。纵轴表示被标准化后的比，使得在弹性结构的数量为两个、即α(N)/α(2)时该比为1。

随着弹性结构数量增大，α(N)减小。即，相对于水平移动的影响值δ_F，倾斜的影响值δ_M更小，并且力矩刚度更高。到此为止，已经描述了可以通过增加弹性结构的数量来增大力矩刚度。

此外，在弹性结构的数量大时，可期望每个弹性结构的制造误差被平均掉，并且可以获得每个弹性结构的制造成本降低的优点。

尽管已经描述了水平方向上的力，但是相同的构思可以应用于竖直方向。

如图29A所示，将考虑手601被连接至两段式弹性结构的远端并且水平方向上的力和竖直方向上的力被施加至机器人手的远端的情况。在此，联接第一弹性结构的构件将被称为中间构件604，而联接第二弹性结构的构件将被称为第二构件(作用构件)603。

尽管在施加沿水平方向的外力时如图29B所示发生变形，但是由于与上述相同的原因，通过弹性结构抑制了倾斜的影响。

二段式弹性结构需要沿不同的方向设置。这是因为，如果两段式弹性结构沿相同的方向设置，则它们与单个弹性结构相同并且不能充分地获得两段式结构的优点。

图30示意性地示出了根据本实施例的弹性体的结构。设置有固定至机器人臂的第一构件(基部构件)602、固定至机器人手的第二构件(作用构件)603、以及中间构件604，并且第一弹性结构605和第二弹性结构606将这些构件彼此联接。第一弹性结构605布置成从第一构件602的连接至第一弹性结构的一个外表面相对于法线方向倾斜。第二弹性结构606布置成第二构件603的从连接至第二弹性结构的一个外表面相对于法线方向倾斜。

第一构件(基部构件)602、第二构件(作用构件)603和中间构件604需要比弹性结构605和606更刚硬。这是因为，如果不这样，则弹性结构的作用会被抵消，并且力矩刚度降低。即，第一构件(基部构件)602、第二构件(作用构件)603和中间构件604各个均被设计成具有足够大的厚度和足够大的宽度，以便足够地比弹性结构605和606更刚硬。

利用上述倾斜的两段式弹性结构，能够实现可以增材形成并具有高力矩刚度的力感测传感器。

在为便于说明以不等比例绘制的图30中，第一构件602和第二构件603之间的距离看起来比较大。然而，该距离小于第一构件与中间构件之间的距离以及第二构件与中间构件之间的距离中的每一个。

此外，优选地，力感测传感器的弹性体的刚度不根据方向而变化。这是为了防止力感测传感器的测量灵敏度根据方向而变化。为此，实现了其中弹性结构沿周向布置并且刚度不取决于方向的结构。

图31A是包括沿圆周布置的两段式弹性结构的弹性体607的分解图。图31B是弹性体607的完成图。

设置有固定至机器人臂的第一构件(基部构件)602、固定至机器人手的第二构件(作用构件)603、以及中间构件604，并且第一弹性结构605和第二弹性结构606将这些构件彼此联接。

利用这种构造，由于围绕竖直轴线的对称性，因此不管方向如何都可以获得恒定的刚度。此时，重要的是弹性体607具有3阶或更大阶的旋转对称性。如果不是这样，则刚度会根据方向而变化。

在图31A中，第一弹性结构605所设定的方向和第二弹性结构606所设定的方向需要是不同的方向。这是因为，如果这些方向相同，则与使用单个弹性结构的情况相比，无法期待大的优势差异。

该条件可以由以下数学表达式表示，因为第一弹性结构605的方向矢量e_a和第二弹性结构606的方向矢量e_b在其与传感器的周向方向e_r的内积的符号上彼此不同。

[数学式35]

sign(e_a·e_r)≠sign(e_b·e_r)

如上所述，在本实施例中，通过使用两段式弹性结构，能够实现高力矩刚度，这对于力感测传感器而言是重要的。这样做，通过增加弹性结构的数量，可以增大力矩刚度。通过使弹性结构倾斜，可以通过使用增材成形方法来制造力感测传感器。通过沿周向布置弹性结构，可以实现不取决于方向的刚度。

基于该事实，将描述通过模拟获得弹性结构的尺寸和数量的方法的示例。

图21A示出了弹性体的FEM模型。该模型的概况如下。

第一构件：外部形状Φ56.0mm、宽度2.0mm、厚度2.0mm

中间构件：外形形状Φ47.0mm、宽度3.0mm、厚度1.5mm

第二构件：外部形状Φ48.0mm、宽度2.0mm、厚度2.0mm

弹性结构：72个，宽度1.0mm、厚度0.5mm、倾斜角39度

材质：不锈钢

接下来，将计算在第一构件被固定并且力和力矩施加至第二构件时第二构件的位移。

图21B示出了在施加沿Y方向的外力Fy时的变形。图21C示出了在施加沿Z方向的外力Fz时的变形。图21D示出了在施加沿Y方向的力矩My时的变形。图21E示出了在施加沿Z方向的力矩Mz时的变形。

因为X方向由于对称性而提供与Y方向相同的结果，所以将省略说明。变形模拟的计算结果如下，其中F是六维力矢量、δ是变形矢量、C是柔度矩阵。

[数学式36]

[δ]＝[C][F]

[数学式37]

在此，F的单位是N和Nm。δ的单位是m和rad。

将考虑向相隔100mm的位置施加1N的力的情况。此时，施加至力感测传感器的旋转力矩为0.1Nm。根据柔度矩阵，水平移动的影响值δ_F、倾斜的影响值δ_M以及它们之间的比α如下。

[数学式38]

δ_F＝3.68E-7

δ_M＝9.66E-6×0.1×0.1＝9.66E-8

α为0.26并且较小。根据该结果可以看出，倾斜的影响值小并且实现了高的力矩刚度。α小的原因是由于弹性结构的作用。

接下来，将描述根据本实施例的力感测传感器的制造方法。如上所述，因为根据本实施例的力感测传感器具有小的悬伸角，所以可以通过使用增材成形方法来制造该传感器。

图22A是示出了要附接至增材成形设备的成形单元620的分解图。图22B是成形单元620的组装图。

固定至机器人臂的第一构件602和固定至机器人手的第二构件603是环形部件。将省略详细描述与第一实施例中相同的通过使用车床等来形成形状、将这些构件拧至图22A所示的成形板621上、以及用激光束照射这些构件。

图23A示出了紧接在被在成形单元620上形成之后的弹性结构。如图23B所示，可以通过移除成形板的固定螺栓来从成形板上移除弹性体607。

如上所述，根据本实施例的力感测传感器可以通过使用增材成形方法来制造，并且可以降低制造成本。此外，与现有的增材成形方法相比，在第一实施例中描述的第一至第四方面可以降低制造成本。

此外，由于与现有的机加工相比，增材成形方法可以形成复杂的形状，因此易于增加弹性结构的数量并进一步提高力矩刚度。即使发生制造误差，由于弹性结构的数量大，因此每个弹性结构的制造误差被平均掉，并且影响较小。

在本实施例中，已经描述了通过使用增材成形方法进行制造的情况。但是，这不造成限制。视情况而定，可以仅通过机加工来执行制造。

在本实施例中，已经描述了弹性结构的截面形状是矩形形状。但是，截面形状不限于矩形。例如，截面形状可以是具有圆化角部的矩形形状、或椭圆形形状。

(第二实施例的第一变型例)

接下来，将描述第二实施例的变型例。具体而言，变型例的不同之处在于弹性结构是弯曲的。

在图24中，力感测传感器的弹性体607包括固定至机器人臂的第一构件602、固定至机器人手的第二构件603、以及中间构件604。第一构件602和中间构件604通过第一弹性结构605彼此联接，第二构件603和中间构件604通过第二弹性结构606彼此联接。

第一构件和第二构件沿同一平面布置，而中间构件布置成以这样的方式与该平面分开，使得在中间构件投影到该平面上时，投影的至少一部分与第一构件和第二构件之间的间隙重叠。

第一弹性结构605向外弯曲，而第二弹性结构606向内弯曲。即，第二构件布置成与第一构件同轴并且具有半径小于第一构件的环形形状。第一弹性结构具有弯曲以在远离中心的方向上凸出的形状，而第二弹性结构具有弯曲以在朝向中心的方向上凸出的弯曲形状。

如果这些弹性结构不是弯曲的而是线性的，则在弹性结构的数量增加时，第一弹性结构和第二弹性结构会重叠。即，由于第一弹性结构和第二弹性结构中的一者的梁从外侧向内侧延伸，而第一弹性结构和第二弹性结构中的另一者的梁从内侧向外侧延伸，在梁的数量增大并且梁的密度增大时，这两种弹性结构的梁在其中点附近彼此接触。

因此，梁的数量具有上限。

然而，在弹性结构如本实施例那样弯曲时，可以避免重叠，并且可以进一步增加弹性结构的数量。利用本实施例，由于可以增加弹性结构的数量，因此能够实现更高的力矩刚度。

(第二实施例的第二变型例)

作为第二实施例的第二变型，可以使用光学传感器代替磁传感器作为位移检测器。将省略与第一实施例类似的构造的详细描述。通过使用光学传感器，能够提供紧凑并且能够以低成本制造的力感测传感器。

(第三实施例)

将参考附图描述第三实施例。关于图1中所示的机器人系统，在第一实施例中，已经描述了附接至旋转关节J1-J6的扭矩传感器的示例；在第二实施例中，已经描述了布置在机器人臂与机器人手210之间的腕部处的力感测传感器207。在本实施例中，将描述用于检测施加至被抓握的物体上的力的指尖力传感器220a和指尖力传感器220b。在本说明书中，根据本实施例的力传感器可以被称为“指尖力传感器”。

图1所示的六轴式多关节机器人设备100的机器人手210具有多个可移动的手指。尽管图中所示的手具有两个手指，但是根据本实施例的指尖力传感器也可以用于具有三个或更多个手指的手。手指230a和手指230b经由根据本实施例的指尖力传感器220a和指尖力传感器220b附接至相应的手指。

在用机器人手210抓握部件并执行组装操作时，通过指尖力传感器220a和指尖力传感器220b检测施加至被抓握的物体上的力。基于测量值，控制装置101控制关节J1-J6。

例如，在使部件抵靠在平板上的操作步骤中，机器人关节被控制成使部件靠近平板移动，直到指尖力传感器的测量值变为预定力为止。对于根据施加至指尖的力来控制组装机器人的操作来说，这是必不可少的功能。还已知通过使用附接至机器人的腕部上的力感测传感器来执行类似功能的方法。但是，由于惯性小，因此指尖力传感器具有响应快的优点。

使用指尖力传感器的另一示例是抓握部件的操作步骤。在抓握步骤中，手指靠近移动，直到指尖力传感器的测量值变为预定力为止。对于可以在抑制柔软部件的变形同时抓握和组装柔软部件的组装机器人来说，这是必不可少的功能。例如，在操纵薄塑料环时，必须用约1N的小力抓住薄塑环。

图32、图33和图34示出了根据本实施例的指尖力传感器的构造。图32是指尖力传感器的分解图，图33是透视图，图34是剖视图。

第一构件701设置成固定至手指的驱动单元(未示出)，并且设置有第二构件702和中间构件704。通过使用第一弹性结构705，第一构件701和中间构件704被联接。在本实施例中，示出了其中第一弹性结构由以六列两行布置的十二个弹性结构组成的示例。然而，弹性结构的数量和行的数量不限于这些。

通过使用第二弹性结构706，第二构件702和中间构件704被联接。在本实施例中，示出了其中第二弹性结构由包括以五列两行布置的十个弹性结构和布置在中心部分处的三个弹性结构的十三个弹性结构组成的示例。然而，弹性结构的数量和布置不限于这些。

第一构件701、第二构件702、中间构件704、第一弹性结构705和第二弹性结构706构成弹性体。如下所述，弹性体是其一部分通过使用增材成形方法形成的集成部件。

第一构件和第二构件沿着同一平面布置，并且中间构件布置成以这样的方式与该平面分开，使得在中间构件投影到该平面上时，中间构件的投影的至少一部分与第一构件和第二构件之间的间隙重叠。

手指730利用螺栓712固定至第二构件702。使用具有与将由机器人手组装的物体的形状相对应的适当形状的手指。

位移检测器的传感器板709通过螺栓713固定至第一构件701。位移检测器的磁体708固定至第二构件702。位移检测器可以是具有磁体的磁位移计，或者可以是如下所述的光学位移计。

因为本实施例检测第一构件、第二构件和中间构件之中的其间的相对距离最小的第一构件和第二构件之间的位移，所以本实施例具有对于实现高灵敏度最有利的构造。第一构件、第二构件和中间构件以与第一实施例相同的方式布置。

优选地，出于与第一实施例相同的原因，第一构件与第二构件之间的距离在10μm至10mm的范围内。

在使用磁位移计的情况下，在磁体708移动时，磁体708周围的磁力线也移动。通过使用设置在传感器板709上的多个霍尔元件或磁阻元件来检测磁力线的移动。通过这种方法，可以检测磁体708在XYZ三个方向上的移动。检测信号δx、δy和δz被输入至图32中所示的控制板711，并且输出在XYZ三个方向上的指尖力Fx、Fy和Fz。通过使用以下等式进行转换。

[数学式39]

在此，[K]是刚度矩阵，其是预先获得的常数。可以通过向指尖施加三个方向上的力来实际测量矩阵。如下所述，还可以通过使用FEM来计算矩阵。

接下来，将描述可以通过使用增材成形方法来制造根据本实施例的弹性体。如上所述，利用增材成形方法，悬伸角存在极限，特别是难以形成水平的顶表面。

图35是示出了根据本实施例的弹性体的示意图，其着重于悬伸角。第一构件701和中间构件704经由第一弹性结构705联接。涉及悬伸的部分是图中所示的部分S1和S2。需要设计弹性结构的间距B和弹性结构在竖直方向上的尺寸C，以使得悬伸变得小于或等于上述极限值。根据示意图可以看出，该条件表示如下。

[数学式40]

为了减小尺寸C并减小指尖力传感器的厚度，优选的是弹性结构的间距B较小，即弹性结构的数量较大。如上所述，增加弹性结构的数量用于增大指尖力传感器的刚度比。利用根据本实施例的弹性体，通过增加弹性结构的数量，可以提高刚度比，可以减小悬伸角，并且可以增材形成弹性体。

接下来，作为更具体的设计示例，将描述FEM模拟的结果。

首先，将描述本实施例背后的构思。本说明书中的数学公式中使用的主要符号的定义如下。

L：弹性结构的长度

E：弹性结构的杨氏模量

I：弹性结构的几何惯性矩，在厚度为h、宽度为b的情况下，I＝bh³/12

P：施加至弹性结构的沿弯曲方向的力

W：施加至弹性结构的沿轴向方向的力

F、M：力和力矩

δ、θ：位移和旋转角度

H_x、H_y：弹性结构在x和y方向上的厚度

L_x、L_y：弹性结构行在x和y方向上的长度

N_x、N_y：弹性结构行在x和y方向上的数量

C₀：传感器坐标系

因为指尖力传感器由弹性体和位移测量单元构成，所以机械性能由弹性体确定。首先，将从材料力学的角度阐明弹性体的刚度。

如图36A所示，将考察从点A沿径向方向布置的两个弹性结构。坐标系C₀设定在弹性结构的中心处，从原点到点A的距离用L_A表示。两个弹性结构之间的距离用L_x表示。到点A的距离用L_p表示，倾斜角度用η表示。

即，满足：

[数学式41]

η＝arctan(L_x/2L_A)

关于力的表示法，如图36B所示，施加至点A的力F和旋转力矩M分别在左上角用识别用字符“A”表示。关于施加至弹性结构的力，轴向方向上的力用W表示，弯曲方向上的力用P表示。

关于位移的表示法，如图36C所示，点A的位移δ和旋转角度θ也分别在左上角用识别用字符“A”表示。关于弹性结构的位移，轴向方向上的位移用δ_w，弯曲方向上的位移用δ_P表示等等。

在图36B中，将考虑施加至点A的力^AFx和^AFz以及力矩^AMy。通过将它们分解成施加至两个弹性结构上的沿轴向方向的力W₁和W₂以及沿弯曲方向的力P₁和P₂并且考虑力的平衡，得到以下等式。

[数学式42]

^AF_x＝(P₁+P₂)cos(η)+(W₁-W₂)sin(η)

^AF_z＝(-P₁+P₂)sin(η)+(W₁+W₂)cos(η)

^AM_y＝-(P₁+P₂)L_p

关于弹性结构的轴向方向上的变形δ_w和弯曲方向上的变形δ_p，根据材料力学的公式得到以下等式。

[数学式43]

在此，E是杨氏模量，I是几何惯性矩，A是截面积，L是弹性结构的长度。

在图36C中，关于点A的平移运动量^Aδx和^Aδz以及旋转角度Aθy，根据几何关系获得以下等式。

[数学式44]

δ_p1＝^Aδ_x cos(η)-^Aδ_z sin(η)-L_p ^Aθ_y

δ_p2＝^Aδ_x cos(η)+^Aδ_z sin(η)-L_p ^Aθ_y

δ_w1＝^Aδ_xsin(η)+^Aδ_zcos(η)

δ_w2＝-^Aδ_xsin(η)+^Aδ_zcos(η)

通过将数学式42并入数学式44中，计算施加至点A的力与位移之间的关系、即刚度矩阵，从而获得以下等式。

[数学式45]

关于图37所示的平行布置的弹性结构，通过以类似的方式进行计算，施加至点A的力与位移之间的关系由以下等式表示。

[数学式46]

下表表明了径向布置的弹性结构和平行布置的弹性结构的计算刚度。

[表2]

可知弹性结构的刚度在轴向方向上比在弯曲方向上更高。

在表2中，通过关注包括与轴向方向上的刚度有关的截面积A的项，可以看出，水平方向上的刚度Kx在径向布置中比在平行布置中更高。

接下来，将通过代入具体值来描述该关系。假设弹性结构之间的影响指尖力传感器尺寸的距离Lx为20mm，从传感器到点A的距离LA为30mm。假设弹性结构的杨氏模量E为200GPa，弹性结构的宽度和厚度各个均为1mm，弹性结构的长度L为10mm。在这种情况下，径向布置的弹性结构的倾斜角η＝18.4度，可以如下表所示计算刚度。

[表3]

	水平方向上的刚度Kx	竖直方向上的刚度Kz
			径向布置	4360N/mm	36040N/mm
平行布置	400N/mm	40000N/mm

在关注表3中的水平方向上的刚度Kx时，径向布置的刚度比平行布置的刚度高超过10倍。指尖力传感器是检测由于施加至指尖的力引起的弹性体的变形的传感器。随着刚度的增加，弹性体的变形减小，并且传感器的灵敏度减小。

如上文参考该表描述的，尽管通过使用平行布置可以减小水平方向上的刚度Kx，但是竖直方向上的刚度Kz仍然较高。

因此，在本实施例中，如图38所示，构造了两段式弹性结构。即，设置有第一构件701、第二构件702、中间构件704，第一构件701和中间构件704经由第一弹性结构705联接，第二构件702和中间构件704经由第二弹性结构706联接。第一构件固定至手指的移动构件(未示出)，第二构件702固定至手指730。

通过这种构造，可以使所有的XYZ三轴与弹性结构的弯曲方向一致，并且可以将刚度设计得较低。

重要的是第一弹性结构705和第二弹性结构706在不同的方向上延伸。各方向相同的情况与单个弹性结构的情况相同，并且水平方向上的刚度和竖直方向上的刚度之间的差异大。如下所述，最有效的是弹性结构的方向相差90度。

图39是其中水平和竖直方向上的刚度Kx和Kz被以角度θ连接并被组合的弹性体的示意图。

这种结构(其为串联弹簧)在X和Y方向上的位移可以如下计算。

[数学式47]

如上所述，由于Kz足够大于Kx，因此数学式47可以如下简化。

[数学式48]

根据以上等式，整个弹性体在X和Z这两个方向之间的刚度比R_xz如下。

[数学式49]

图40是示出了数学式49中的刚度比R_xz与角度θ之间的关系的曲线图。优选的是，指尖力传感器在XYZ三个方向上具有相同的灵敏度。在角度为90度时，刚度比为1，这是最佳的。假设灵敏度比的实际极限约为0.1，则该角度必须为25度以上。

根据材料力学，弯曲刚度与弹性结构的长度L的立方成反比。因此，随着长度L增大更为有利。此外，还可以减小施加至弹性结构的应力。然而，在L增加时，指尖传感器的厚度增大。

因此，如图41所示，两段式弹性结构设置成倾斜。如图所示，即使弹性结构的长度L相同，通过使弹性结构倾斜45度也可以将传感器的厚度减小至原始厚度的约0.7倍。第一弹性结构布置成从第一构件的联接至第一弹性结构的一个外表面相对于法线方向倾斜。第二弹性结构布置成从第二构件的联接至第二弹性结构的一个外表面相对于法线方向倾斜。

在为便于说明以不等比例绘制的图41中，第一构件701和第二构件702之间的距离看起来比较大。然而，该距离小于第一构件与中间构件之间的距离以及第二构件与中间构件之间的距离。

而且，如通过将图41与图36A进行比较可以看出的，同样关于第二弹性结构706之间的距离L’，因为不需要沿厚度方向的大距离，所以可以实现更薄的传感器。尽管已经通过使用平面图描述了本实施例，但是在还考虑与图平面垂直的方向时，两段式弹性结构是一组以XY格子形状布置的四个或更多个弹性结构。

图42A是示出了本实施例的结构的分解图。图42B是完成体的透视图。

在图中，设置有第一构件701、第二构件702、中间构件704，并且第一构件701和中间构件704通过由四个或更多个弹性结构组成的第一弹性结构705彼此联接。第二构件702和中间构件704通过由四个或更多个弹性结构组成的第二弹性结构706彼此联接。第一构件固定至手指的移动构件(未示出)，第二构件702固定至手指730。

接下来，将阐明以XY格子形状二维地布置的四个或更多个弹性结构的机械特性。将阐明可以通过增加弹性结构的数量来构造具有更高性能的指尖力传感器。

参考图43，将对此进行描述。为便于描述，将坐标系C₀设定在指尖力传感器的中心处，并且将坐标系C₁设置在外力所施加的施加点处。

在图中的坐标系C₀中，在以XY格子形状布置的弹性结构中，将考虑在第i列第j行的一个弹性结构的变形。在两端处被限制旋转并具有矩形截面的弹性结构在X和Y方向上的弯曲变形δ_px和δ_py和该弹性结构在Z方向上的变形δ_pz具有以下关系，其中力Px、Py和Pz沿X、Y和Z方向。

[数学式50]

[数学式51]

[数学式52]

在此，H_x和H_y是弹性结构在X和Y方向上的厚度。将计算弹性结构在X方向上以Nx个布置且在Y方向上以Ny个布置的情况中的变形。因为弹性结构被平行地连接，所以在平移方向上的刚度可以表示如下。

[数学式53]

[数学式54]

[数学式55]

在与绕X轴的力矩Mx相对应的旋转角用θx表示时，由于与原点相距Ly((j-1)/(Ny-1)+1/2)的弹簧被平行地连接，

[数学式56]

可以以类似的方式表示与绕Y轴的力矩My相对应的旋转角θy。

[数学式57]

到此为止，已经示出了弹性体相对于指尖力传感器的坐标C₀的刚度。此时，已经描述了随着平移方向上的刚度降低，可以实现具有更高灵敏度的指尖力传感器。但是，优选的是旋转刚度更高。这是因为，如果由于施加至指尖的力而使指尖的位置移位大的距离，则可能会妨碍诸如组装的高精度操作。

因此，将考虑旋转刚度与平移刚度之间的比。随着比增大，可以构造具有更高性能的指尖力传感器。

关于X方向，如下计算旋转方向与平移方向之间的刚度比α，

[数学式58]

这里，因为平移方向上的刚度是确定指尖力传感器的灵敏度的设计值，所以将Bx假定为常数，使得即使弹性结构的数量Nx改变，平移方向上的刚度也不变。在弹性结构的厚度定义为H_x＝B_x(N_x)^-1/3时，获得了刚度比α：

[数学式59]

图44是绘出了弹性结构的数量与α之间的关系的曲线图，其中，相对于在弹性结构的数量Nx为2时的值对α进行标准化。

纵轴上的值“1”表示与关于弹性结构的数量为两个的刚度比相同的刚度比。如果弹性结构的数量为六个以下，则在数量为两个时刚度比最佳，但是如果数量增加到七个以上，则刚度比比数量为两个时更佳。

如上所述，利用本实施例，可以构造对指尖力具有高灵敏度的指尖力传感器。此外，通过增加弹性结构的数量，可以如上所述构造具有高力矩刚度的传感器。

利用本实施例，通过使用多个弹性结构并且将弹性结构经由倾斜表面彼此连接，可以使悬伸角小于极限，并且可以增材形成传感器。

此外，由于如下所述放大并检测指尖的位移，所以可以实现具有更高灵敏度的指尖力传感器。

图45是考虑了指尖位置和传感器位置的径向布置的弹性结构的示意图。点A是确定两个弹性结构的方向的目标点，点B是指尖的施加有指尖力的力。点C是传感器的位置，并且检测该点的位移。在数学式45中已经示出了点A的位移与点A处的力之间的关系。这里，将示出点C的位移与点B处的力之间的关系。

点B是指尖从物体接收的力所施加的位置。通过坐标变换将施加至点A的力转换到点B的公式可以表示如下。

[数学式60]

点C是设置有测量弹性体的变形的传感器的位置。通过坐标变换将点C的变形转换到点A的公式可以表示如下。

[数学式61]

根据这些和数学式45，可以计算由于施加至指尖(点B)的力引起的传感器的位置(点C)的位移。在仅显示与指尖力传感器有关的力分量时，位移如下。

[数学式62]

以上等式的系数是指尖力传感器的灵敏度矩阵。可以看出，通过改变力所施加的点B的位置L_B，以上等式的第(1,1)项、即X方向上的灵敏度S_x受到影响。将关注该项。

[数学式63]

将考虑右侧第一项的带括号部分的符号。假设弹性结构具有宽度为b和厚度为h的矩形截面，则该带括号部分如下。

[数学式64]

AL²-12I＝bh(L²-h²)

上述表达式是正的，因为弹性结构的长度L通常大于厚度h。相应地，在L_B为正时灵敏度S_X必然大于在L_B为零时的灵敏度，并且传感器的灵敏度得以提高。

换句话说，通过将径向弹性结构的中心点A布置在比力所施加的指尖的点B更远的位置处，可以提高传感器的灵敏度。

例如，假设弹性结构之间的确定指尖力传感器的尺寸的距离Lx为20mm，弹性结构的杨氏模量E为200GPa，弹性结构的宽度和厚度各自均为1mm，并且弹性结构的长度L为10mm。从位移传感器到力所施加的指尖的距离L_A-L_B为30mm的恒定值。

图46是曲线图，其中到径向布置的弹性结构的中心点的距离L_A和L_B之间的比沿横轴表示，并且绘出了数学式63中的相对于L_B＝0时的值进行了标准化的灵敏度Sx。在图中，P表示L_A＝30mm、即L_B＝0并且纵轴的值为1的情况。根据该图可以看出，在到弹性结构的中心点的距离L_A长于30mm时，灵敏度比大于1并且是优选的。

如上所述，通过将弹性结构的中心点布置在比指尖更远的位置处，可以构造灵敏度高的指尖力传感器。

图47A是用于模拟的弹性体的FEM模型。该模型与上文参考图32至34描述的结构相同。主要特征如下：第一，弹性结构的宽度大于厚度；第二，存在十二个第一弹性结构705，每侧包括六个；第三，存在十三个第二弹性结构706，每侧包括五个并且中部处包括三个。

弹性结构的宽度、厚度、长度和数量是根据本实施例的指尖力传感器的设计参数。FEM模拟的一个目的是确定设计参数。

图47B示出了在力Fx＝30N施加至指尖时的计算结果。该图被放大，以便可以容易地看出变形。图47C是在力Fy＝30N被施加至指尖时的变形计算结果。图47D示出了在力Fz＝30N被施加至指尖时的计算结果。

如上所述，检测弹性体的变形的位移检测器检测磁体708的位置。下表示出了磁体的位置变化，其通过FEM计算而获得。

[表4]

指尖力	位移δx(μm)	位移δy(μm)	位移δz(μm)
				Fx 30N	-20	0	18
Fy 30N	0	117	0
				Fz 30N	5	0	41

如表中所示，在本设计示例中，Y方向上的灵敏度最高。

这个结果可以用如下矩阵表示：

[数学式65]

根据该等式，作为用于根据位移检测器的输出计算指尖力的、对应于数学式39的计算公式，获得了

[数学式66]

通过重复执行FEM变形模拟，例如弹性结构的宽度和厚度的设计参数被确定，从而可以获得所需的灵敏度。

接下来，将描述根据本发明的力感测传感器的制造方法。

图48A是示出了要附接至增材成形设备的成形单元720的分解图。图48B是成形单元720的完成图。

作为通过使用铣床等制造的高精度部件的第一构件701和第二构件702通过螺栓固定至成形板721上，由此完成成形单元720。将省略详细描述与第一实施例相同的通过使用车床等形成这些构件、将这些构件拧紧至图48A所示的成形板721、以及用激光束照射这些构件。

图49A示出了已经通过在成形单元720上增材形成弹性体707而完成弹性体707的状态。弹性体707是其中第一弹性结构705、第二弹性结构706和中间构件704增材形成在第一构件701和第二构件702上的结构。如图49B所示，通过移除成形板的固定螺栓来完成弹性体707。然后，在形成其中集成有第一构件、第二构件、第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件的三维成形物体之后，从成形板上移除三维成形物体。

利用本制造方法，与现有的增材成形方法相比，在第一实施例中描述的第一至第四方面可以降低制造成本。因此，可以通过使用增材成形方法来制造根据本实施例的指尖力传感器，并且可以降低制造成本。

与现有的机加工相反，利用增材成形方法，易于增加弹性结构的数量并进一步提高力矩刚度。即使存在制造误差，由于弹性结构的数量大，所以每个弹性结构的制造误差被平均掉，并且影响小。

在本实施例中，已经描述了通过使用增材成形方法进行制造的情况。但是，这不造成限制。例如，可以通过机加工来进行制造。

在本实施例中，弹性结构的截面形状是矩形形状。但是，截面可以是矩形以外的其他形状。例如，截面形状可以是具有圆化角部的矩形形状、或椭圆形形状。

(第三实施例的第一变型例)

参考图50A，将描述第三实施例的变型例。该变型例在第一弹性结构上与第三实施例不同，而在其他方面与第三实施例相同。

图50A是用于进行说明的分解图，图50B是完成图。

设置有第一构件701、第二构件702和中间构件704，并且第一构件701和中间构件704通过由四个或更多个弹性结构组成的第一弹性结构705彼此联接。第二构件702和中间构件704通过由四个或更多个弹性结构组成的第二弹性结构706彼此联接。第一构件被固定至手指的移动构件(未示出)，并且第二构件702被固定至手指730。

第一弹性结构705是布置在被纵轴η和横轴ξ所贯穿的平面η-ξ上的径向弹性结构。中心点P₂在该平面上，并且第一弹性结构指向该点。手指730的远端处的点在该平面η-ξ上的投影将由P₁表示。

本实施例的特征在于，中心点P₂设置在点P₁的外侧。通过这种构造，如上所述，相对于施加至指尖P₁的力在传感器位置处的位移大，并且能够构造具有高灵敏度的指尖力传感器。

(第三实施例的第二变型例)

参考图51A和图51B，将描述第三实施例的第二变型例。该变型例在第一弹性结构、特别是中心点P₂的位置方面与图50A所示的另一变型例不同，而在其他方面与所述另一变型例相同。图51A是用于进行描述的分解图，图51B是完成图。

第一弹性结构705是布置在包括横轴ξ和手指730的远端处的点P₁的平面η-ξ上的径向弹性结构。中心点P₂位于该平面上，并且第一弹性结构705指向该点。

利用这种布置，如上所述，相对于施加至指尖P₁的力在传感器位置处的位移大，并且可以构造具有高灵敏度的指尖力传感器。

(第三实施例的第三变型)

参考图57和58，作为第三实施例的第三变型，将描述使用光学传感器代替磁传感器作为位移检测器的实施例。

图57示出了其中通过组合三个光学传感器来构造三个方向上的相对位置检测器的示例。标尺A101包括三个方向上的衍射光栅A102a至A102c，并且三个回路单元A100a至A100c设置成面对衍射光栅。

还已知通过使用在两个方向上开槽的衍射光栅来同时测量两个方向上的位移的光学传感器。因为在这种情况下也能够进行集成，所以能够以小尺寸构造指尖力传感器。而且，如日本专利No.4779117中所公开的，通过适当地设计光学系统，能够通过使用一个衍射光栅同时测量三个方向上的位移。

图58是包括这种光学传感器的指尖力传感器的分解图。因为相对位置检测器是与第三实施例的唯一不同之处，所以将主要描述该部分。

标尺A101设置成固定至第二构件2。标尺A101是长方体，并且在长方体的三个表面上包括不同的衍射光栅A102a至A102c。三个回路单元A100a至A100c设置成固定至电路板A103并面对衍射光栅。用于光学传感器的电路板A103通过螺栓13固定至第一构件。回路单元A100a至A100c的电信号经由电路板A103联接至控制回路板11，并且输出第一构件1和第二构件2的三个方向位移。尽管已经描述了组合三个光学传感器(其中每个光学传感器仅测量一个方向)的示例，但是可以使用通过使用一个衍射光栅同时测量三个方向的光学传感器。

如上所述，利用第三实施例及其变型例，能够提供具有高检测精度、紧凑并且可以低成本地制造的指尖力传感器。

[其他实施例]

本发明的实施例不限于上述这些实施例，并且在本发明的技术范围内可以对实施例的一部分进行修改或组合。

本发明不限于上述实施例，在本发明的精神和范围内可以对实施例进行改变或修改。相应地，下面附上权利要求以阐明本发明的范围。

本申请要求2017年8月30日提交的日本专利申请No.2017-166220的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

Claims (15)

1.一种力传感器，其通过使用第一构件和第二构件之间的相对位移量来检测力的信息，

其中，第一构件和第二构件经由第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件彼此连接，

其中，第一弹性结构连接第一构件和中间构件，

其中，第二弹性结构连接第二构件和中间构件，以及

其中，在第一构件和第二构件中设置检测第一构件与第二构件之间的相对位移量的位移检测器，

其中，中间构件布置在距第一构件和第二构件的一定距离处，第一弹性结构以从第一构件朝中间构件突出的方式布置，并且第二弹性结构以从第二构件朝中间构件突出的方式布置，以及

其中，第一构件与第二构件之间的第一距离小于第一构件与中间构件之间的第二距离以及第二构件与中间构件之间的第三距离中的每一个。

2.根据权利要求1所述的力传感器，

其中，第一构件、第二构件和中间构件以这样的方式布置，使得第一构件的连接至第一弹性结构的端部和第二构件的连接至第二弹性结构的端部面向中间构件的连接至第一弹性结构和第二弹性结构的端部。

3.根据权利要求1所述的力传感器，

其中，第一构件的与第一弹性结构连接的表面是第一表面，第二构件的与第二弹性结构连接的表面是第二表面，

其中，第一构件具有在垂直于第一表面的方向上延伸并设置在第一表面的位于第二构件侧的边缘处的第三表面，

其中，第二构件具有在垂直于第二表面的方向上延伸并设置在第二表面的位于第一构件侧的边缘处的第四表面，

其中，第一距离是第三表面与第四表面之间的距离。

4.根据权利要求1所述的力传感器，

其中，第一构件和第二构件沿预定的平面布置，并且

其中，中间构件设置成以这样的方式与所述平面分开，使得在中间构件投影到所述平面上时，中间构件的投影的至少一部分与第一构件和第二构件之间的间隙重叠。

5.根据权利要求1所述的力传感器，

其中，第一弹性结构相对于第一构件的连接至第一弹性结构的表面的法线方向倾斜。

6.根据权利要求5所述的力传感器，

其中，第二弹性结构相对于第二构件的连接至第二弹性结构的表面的法线方向倾斜。

7.根据权利要求6所述的力传感器，包括：

多个第一弹性结构和多个第二弹性结构，

其中，所述多个第一弹性结构和所述多个第二弹性结构布置成在沿预定方向观察时相交。

8.一种根据权利要求1所述的力传感器的制造方法，包括：

将第一构件和第二构件以能够移除的方式定位并固定至形成板；

通过堆叠成形材料层而在第一构件和第二构件的上表面上形成第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件；和

在形成其中集成有第一构件、第二构件、第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件的三维成形物体之后，从成形板上移除三维成形物体。

9.根据权利要求8所述的力传感器的制造方法，

其中，第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件通过堆叠成形材料的粉末层并根据第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件的形状进行激光照射而形成。

10.一种扭矩传感器，其通过使用环形的第一构件和环形的第二构件之间的相对位移角度来检测扭矩值，

其中，第一构件和第二构件经由第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件彼此连接，

其中，第二构件的半径大于第一构件的半径，

其中，第一构件和第二构件以这样的方式沿预定的平面布置，使得第一构件的中心轴线和第二构件的中心轴线同轴，

其中，第一弹性结构连接第一构件和中间构件，

其中，第二弹性结构连接第二构件和中间构件，

其中，在第一构件和第二构件中设置有检测第一构件和第二构件之间的相对位移角度的位移检测器，以及

其中，第一弹性结构和第二弹性结构在以中心轴为中心的圆周方向上交替地布置。

11.根据权利要求10所述的扭矩传感器，

其中，第一弹性结构的厚度在第一构件侧在更远离中心轴线的一侧处比在更靠近中心轴线的一侧处小，而在中间构件侧在更靠近中心轴线的一侧处比在更远离中心轴线的一侧处小，并且

其中，第二弹性结构的厚度在第二构件侧在更靠近中心轴线的一侧处比在更远离中心轴线的一侧处小，而在中间构件侧在更远离中心轴线的一侧处比在更靠近中心轴线的一侧处小。

12.一种力感测传感器，其通过使用环形的第一构件和环形的第二构件之间的相对位移量来测量包括力和力矩的六轴外力，

其中，第一构件和第二构件经由第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件彼此连接，

其中，第二构件的半径大于第一构件的半径，

其中，第一构件和第二构件以这样的方式沿预定的平面布置，使得第一构件的中心轴线和第二构件的中心轴线同轴，

其中，第一弹性结构连接第一构件和中间构件，

其中，第二弹性结构连接第二构件和中间构件，

其中，在第一构件和第二构件中设置检测第一构件和第二构件之间的相对位移量的位移检测器，

其中，多个第一弹性结构布置在与第一构件的中心轴线同心的圆周上并且所述多个第一弹性结构之间具有一定的距离，并且所述多个第一弹性结构布置成相对于与第一弹性结构所布置的所述圆周垂直的轴线以第一扭转倾斜角倾斜，

其中，多个第二弹性结构布置在与第二构件的中心轴线同心的圆周上并且所述多个第二弹性结构之间具有一定的距离，并且所述多个第二弹性结构布置成相对于与第二弹性结构所布置的所述圆周垂直的轴线以第二扭转倾斜角倾斜，

其中，第一扭转倾斜角和第二扭转倾斜角是在彼此相反的方向上的扭转倾斜角，并且

其中，第一弹性结构和第二弹性结构中的每一个的刚度低于第一构件、中间构件和第二构件中的每一个的刚度，

其中，中间构件布置在距第一构件和第二构件的一定距离处，第一弹性结构以从第一构件朝中间构件突出的方式布置，并且第二弹性结构以从第二构件朝中间构件突出的方式布置，以及

其中，第一构件与第二构件之间的第一距离小于第一构件与中间构件之间的第二距离以及第二构件与中间构件之间的第三距离中的每一个。

13.根据权利要求12所述的力感测传感器，

其中，第一弹性结构具有弯曲以在远离中心的方向上凸出的形状，并且

其中，第二弹性结构具有弯曲以在朝向中心的方向上凸出的形状。

14.一种指尖力传感器，其设置在机器人手的指尖处、并且通过使用第一构件与第二构件之间的相对位移量来检测施加至指尖的力，

其中，第一构件和第二构件经由第一弹性结构、第二弹性结构和中间构件彼此连接，

其中，第一构件和第二构件沿预定的平面布置，

其中，第一弹性结构连接第一构件和中间构件，

其中，第二弹性结构连接第二构件和中间构件，

其中，在第一构件和第二构件中设置检测第一构件与第二构件之间的相对位移量的位移检测器，

其中，第一弹性结构包括以两行或更多行布置的四个或更多个第一弹性结构，

其中，第二弹性结构包括以两行或更多行布置的四个或更多个第二弹性结构，以及

其中，第一弹性结构所布置的方向和第二弹性结构所布置的方向相差25度以上，

其中，中间构件布置在距第一构件和第二构件的一定距离处，第一弹性结构以从第一构件朝中间构件突出的方式布置，并且第二弹性结构以从第二构件朝中间构件突出的方式布置，以及

其中，第一构件与第二构件之间的第一距离小于第一构件与中间构件之间的第二距离以及第二构件与中间构件之间的第三距离中的每一个。

15.一种用于控制根据权利要求1所述的力传感器的控制方法，

其中，利用位移检测器的输出来检测在第一构件和第二构件之间施加的力。

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