JP2001021427A - 指装着型６軸力覚センサ - Google Patents

指装着型６軸力覚センサ

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JP2001021427A JP11193719A JP19371999A JP2001021427A JP 2001021427 A JP2001021427 A JP 2001021427A JP 11193719 A JP11193719 A JP 11193719A JP 19371999 A JP19371999 A JP 19371999A JP 2001021427 A JP2001021427 A JP 2001021427A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 人間の指に装着し、人間の指先で発生
する力とモーメントを検出する指装着型６軸力覚センサ
を提供する。 【解決手段】 物体に触れる指カバー３は、取り付け
ブロック４を介して弾性構造体２のフランジ部２２に固
定連結しており、弾性構造体２は、特定の力成分（力と
モーメント）に対して歪み易い構造を有し、指サック１
は弾性構造体２の基部２１に固定連結しており、人間が
指５を指サック１に挿入し、把握操作を行うと指カバー
３が物体６に触れ、人間の指先が物体に加えた力とモー
メントに応じて指カバー３と指サック１の間にある弾性
構造体２のビームが歪み、その歪みを歪みゲージ又は光
センサユニットにより電気信号に変換して取り出し、演
算処理を行うことにより人間の指先力を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、人間の指先に装着
する６軸力覚センサに関する。人間の把握操作を分析し
て、そのデータをロボットで用いることを目的に、人間
の指先に装着し、人間が把握操作を行っている時の接触
力データを検出する６軸力覚センサに関する。また、計
算機内部にある仮想データを、操作者にあたかも実在す
るかのように感じさせる力提示装置のセンサとしても用
いられる６軸力覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の６軸力覚センサにおいては、ロボ
ットの手首に取り付けるもの（例えばニッタ（株）６軸
力覚センサ IFS シリーズ）、ロボットハンドの指先に
取り付けるもの（例えば ビー・エル・オートテック
（株）NANO センサ）が開発されている。また、人間の
手に装着し、指や手のひらに加わる圧力分布を検知する
ものとして、感圧導電性ゴムや導電性インクシートを用
いた分布型触覚センサを手袋状に構成したもの（例えば
ニッタ（株）グローブスキャンシステム）が開発され
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ロボットハンドの指先
で器用な物体操作を行なう場合、まず人間が手で行なっ
ている把握操作を分析する必要がある。人間の手作業を
分析するためには、人間の手の運動データを検出すると
ともに、人間の指先が、どのようなタイミングでどのよ
うな力を発生しているかという動的な接触力の変化を検
出する必要がある。
【０００４】これまで、人間の手の接触力を検出するも
のとして、分布型触覚センサを手袋に縫い付けたセンサ
グローブ（下条ほか：「把持力分布計測用センサグロー
ブMKIIIの開発」第１４回日本ロボット学会学術講演会,
1996。または、ニッタ（株）グローブスキャンシステ
ム）が開発されている。
【０００５】これらセンサグローブは、指や手のひらに
加わる圧力分布が検出できるが、検出される力の成分は
センサ表面に垂直な方向の力のみである。このため、セ
ンサ表面に水平な方向の力であるせん断力や摩擦力、セ
ンサ面上のモーメントが検出できないという問題があっ
た。
【０００６】一方、人間は物を把持する場合、指と物の
間で滑べりが生じるぎりぎりの握力で物を把持している
ことが知られている(山田：「滑べりと静止摩擦係数の
検出」日本ロボット学会誌,Vol.11, No.7, 1993」）。
これは、人間が物を把持する時に、センサ表面に垂直な
方向の力のみでなく、水平方向の力にも注目しているこ
とを示している。
【０００７】また、人間は、物体操作を行なっている時
に摩擦力（センサ表面と水平な方向の力）や指表面のモ
ーメンを利用していることが指摘されている。更に、人
間の実演により検出したデータをロボットハンドの制御
に直接用いるためには、ロボットハンドが装備している
センサと同じセンサデータを分析することが望ましい。
【０００８】これまで、ロボットハンドの指先に搭載す
るセンサとして、６軸力覚センサが重要であることが指
摘されている（永田ほか：「指先力覚センサの開発と接
触点検出誤差評価」日本ロボット学会会誌, Vol.14, N
o.8, 1996.）。これらのことから、人間の手に装着し人
間の手の接触力を検出するセンサとして、３軸方向の力
とモーメントが検出できる６軸力覚センサが望まれてい
た。
【０００９】これまで、ロボット用の６軸力覚センサが
開発されているが、世界最小サイズのビー・エル・オー
トテック（株）製 NANO センサでも、そのサイズは 直
径 Φ18 [mm]、長さ 32.8 [mm]であり、ロボット用の６
軸力覚センサをそのまま人間の指先に装着することはで
きなかった。
【００１０】本発明は、これら課題を考慮し、人間の指
先に装着できる６軸力覚センサを提供することを目的と
する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、人間の指を挿入する指サック、弾性構造
体、物体に触れる指カバーとから構成される指装着型６
軸力覚センサであって、上記指カバーは、取り付けブロ
ックを有し、該取り付けブロックを介して弾性構造体に
固定連結しており、上記弾性構造体は、特定の力成分
（本発明中、「力成分」とは力とモーメントから成る成
分をいう。）に対して歪み易い構造を有し、該力成分に
対する歪みを歪みゲージ又は光センサユニットにより検
出して６軸方向の力成分を検知することが可能であり、
上記指サックは弾性構造体に固定連結しており、人間は
上記指サックに指を挿入し、把握操作を行うと、上記指
カバーが物に触れ、人間の指先が物体に加えた力とモー
メントに応じて上記指カバーと上記指サックの間にある
上記弾性構造体が歪み、その歪みを上記歪みゲージ又は
光センサユニットにより電気信号に変換して取り出し、
演算処理を行うことにより人間の指先力を検出すること
を特徴とする指装着型６軸力覚センサを提供する。
【００１２】上記弾性構造体は、基部とフランジ部をビ
ームを介して連結して構成され、上記ビームの各面には
歪みゲージ又は光センサユニットが貼られており、上記
弾性構造体に外力がはたらくと、上記ビームが歪み、該
歪みを歪みゲージ又は光センサユニットにより電気信号
に変換することにより、上記力成分を歪みゲージ又は光
センサユニットの電気信号として取り出すことが可能で
ある構成としてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明に係る指装着型６軸力覚セ
ンサの実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説
明する。図１は、本発明に係る力覚センサの基本構成を
示し、図１（ａ）は、この指装着型６軸力覚センサの断
面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を
示している。図１（ａ）、（ｂ）で示すとおり、指サッ
ク１、弾性構造体２、指カバー３により構成される。指
カバー３は、実際に物体と触れる部分で、取り付けブロ
ック４を有し、この取り付けブロック４を介して弾性構
造体２の後述するフランジ部２２と固定連結している。
【００１４】弾性構造体２は、特定の力成分（力とモー
メント）に対して歪み易い構造をもっている。図２に弾
性構造体２の一例を示す。これは、基部２１とフランジ
部２２を３本のビーム２３を介して連結したもので、ビ
ーム２３の各面には歪みゲージ２４が貼られている。こ
の弾性構造体２に外力がはたらくと、ビーム２３が歪
む。この歪みを歪みゲージ２４により電気信号に変換す
ることにより、力成分を歪みゲージの電気信号として取
り出すことができる。なお、６軸力覚センサ弾性構造体
の歪みを検出する素子として、歪みゲージの代わりに光
センサユニットを用いてもよい。
【００１５】弾性構造体２に作用する６軸力（３軸方向
の力とモーメント）と各ビームの歪みゲージの出力の関
係を表す歪みスティフネス行列は予めキャリブレーショ
ンにより求められている。歪みスティフネス行列とは、
各ビームの歪みゲージの出力を力に変換する行列であ
る。歪みスティフネス行列を用い、歪みゲージの出力信
号から、弾性構造体２に作用する６軸力を計算により求
めることができる。
【００１６】指サック１は、人間の指を挿入する部分
で、弾力性のある部材（例えばエンジニアリングプラス
チック、リン青銅、バネ鋼など）でつくられており、指
の大きさの個人差に対応できるよう、切り込み１１が入
れられている。指サック１は弾性構造体２の基部２１と
連結している。
【００１７】次ぎに上記実施例の作用を説明する。図３
に示す通り、人間は指５を、本発明に係る指装着型６軸
力覚センサの指サック１に挿入し、把握操作を行なう。
把持物体は指カバー３と接触しており、人間は指サック
１、弾性構造体２、指カバー３を介して把持物体６に力
を加える。
【００１８】指サック１と指カバー３の間にある弾性構
造体２のビーム２３は、人間の指５が把持物体６に加え
た力とモーメントに応じて歪む。この歪みを歪みゲージ
２４により電気信号に変換し、A/D 変換器を介して計算
機に取り込む。予めキャリブレーションにより求められ
ている歪みスティフネス行列用い、歪みゲージの出力か
ら、人間が把持物体に加えた力を計算により求めること
ができる。
【００１９】以上本発明に係る指装着型６軸力覚センサ
の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明
は、上記実施例に示すものに限定されることなく、特許
請求の範囲記載の技術事項の範囲で他の態様が考えられ
ることは言うまでもない。
【００２０】
【発明の効果】本発明は以上のような構成であるから、
結局、３軸方向の力とモーメントが検出でき、センサ表
面に垂直な方向の力だけでなく、センサ表面に水平な方
向の力であるせん断力や摩擦力、センサ面上のモーメン
トが検出できる。従って、人間の指先が、どのようなタ
イミングでどのような力を発生しているかという動的な
接触力の変化を検出することができる。
【００２１】そして、ロボットハンドの指に装備したセ
ンサと同じ情報を検出するセンサを人間の指にも装備さ
せ、人間の実演により検出したセンサデータを分析し、
これをロボットハンドの制御に直接用いることができ、
人間と同じようなきめ細かい動作をロボットハンドで行
わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る力覚センサの基本構成を示す。図
１（ａ）は、この指装着型６軸力覚センサの断面図を示
し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示してい
る。
【図２】本発明に係る力覚センサの弾性構造体の一例を
示す斜視図である。
【図３】本発明に係る力覚センサの作用を説明する図で
ある。
【符号の説明】
１ 指サック ２ 弾性構造体 ３ 指カバー ４ 取り付けブロック ５ 人間の指 ６ 把持物体 １０ 指装着型６軸力覚センサ １１ 指サック切り込み ２１ 弾性構造体の基部 ２２ 弾性構造体のフランジ部 ２３ ビーム ２４ 歪みケージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F051 AA10 AB03 AB09 AC01 DA03 DB03 3F059 BC01 DC05 DE08

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 人間の指を挿入する指サック、弾性構
    造体、物体に触れる指カバーとから構成される指装着型
    ６軸力覚センサであって、 上記指カバーは、取り付けブロックを有し、該取り付け
    ブロックを介して弾性構造体に固定連結しており、 上記弾性構造体は、特定の力とモーメントからなる力成
    分に対して歪み易い構造を有し、該力成分に対する歪み
    を歪みゲージ又は光センサユニットにより検出して６軸
    の力成分を検知することが可能であり、 上記指サックは弾性構造体に固定連結しており、 人間は上記指サックに指を挿入し、把握操作を行うと、
    上記指カバーが物に触れ、人間の指先が加えた力に応じ
    て上記指カバーと上記指サックの間にある上記弾性構造
    体が歪み、その歪みを上記歪みゲージ又は光センサユニ
    ットにより電気信号に変換して取り出し、演算処理を行
    うことにより人間の指先力を検出することを特徴とする
    指装着型６軸力覚センサ。
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